[发明专利]用锰酸锂与稀土氧化物复合材料制造的单部件低温固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池（SOFC）技术领域,具体涉及一种用锰酸锂与稀土氧化物复合材料制造低温固体氧化物燃料电池。

背景技术

目前固体氧化物燃料电池(SOFC)燃料电池的研发主流是中温（600-800oC）、低温(300-600oC）操作降低造价。由于受电解质材料的限制，大多数研发活动仅限于用传统高温（1000oC）钇稳定的二氧化锆(YSZ)材料制备微米级的薄膜来减少电解质材料的电阻，以达到降低燃料电池操作温度的目的。但是微米级薄膜电解质无法保证燃料电池的性能和重复性，而且由于YSZ电导率的限制，仍然需要700oC以上温度的操作。因此，研发新的氧化物电解质材料是实现低温（300-600oC）SOFC的根本保障。

最近出现的一种新型构型的无电解质燃料电池，只是一个部件，不要电解质隔膜也不用阳极、电解质、阴极结构三部件构型，其简单的结构和技术，除去了电解质的限制和对操作温度的要求，显示了巨大的商机和燃料电池产业化的前景。

中国专利号201010593786.4提出了采用掺杂氧化铈和Li, Ni, Cu, Zn等金属氧化物的复合材料构造该单部件燃料电池，并取得了良好的性能。但是广泛的金属氧化物材料还远远没有开发使用。锰酸锂材料是锂电池正极中使用较多的一种材料，生产量较大价格便宜，至今还没有见到关于采用它来实现300-600oC低温固体氧化物燃料电池，更没有用在单部件燃料电池的相关报道。

发明内容

本发明的目的是采用锰酸锂与稀土氧化物复合材料制造低温固体氧化物燃料电池，解决SOFC燃料电池在低温（300-600oC）下操作的技术问题。

本发明是这样实现的。本发明的燃料电池单部件材料是多重复合材料，其组成为：1、

选自Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、Zn、Mg、Bi、Al、Zr、Ti、Si或Sn中任何两种或者两种以上元素的金属氧化物，摩尔比例为1-99%；2、进一步加入1—95%的稀土氧化物组成复合材料；3、再进一步加入1—95%的锰酸锂形成多重复合材料。

具体步骤如下：

1、将选自Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、Zn、Mg、Bi、Al、Zr、Ti、Si或Sn中任何两种或者两种以上元素的硝酸盐或可溶于硝酸的化合物,用去离子水配制成离子总浓度在0.01-1.0 M的混合离子溶液；其中各选定离子的摩尔分数在1%-99%之间选择（例如：40Li⁺/60Zn²⁺, 30 K⁺/70Zn²⁺, 20Ca²⁺/60Zn²⁺/20Al³⁺）；

2、加入稀土化合物

在所述步骤1选定元素的混合离子溶液中，按其选定元素总摩尔量的1%-95%加入稀土化合物,该稀土化合物包括稀土的硝酸化合物硝酸铈、硝酸钐或硝酸钇，或各种离子掺杂氧化铈、氧化镧以及工业级混合碳酸稀土，或混合碳酸稀土经800oC煅烧1-10小时所得到的混合稀土氧化物，再按步骤1选定元素总摩尔量的1-4倍加入柠檬酸或尿素，或不加柠檬酸或尿素；搅拌均匀后，烧干得到微细粉；将所得的微细粉在700-850oC烧结1-20小时，即获得本发明的另一种由选定元素氧化物和稀土氧化物的混合陶瓷电解质材料；

所述燃烧过程也可分步进行，即,将粘稠的凝胶放在马夫炉中加热至300-500oC,料体燃烧去除可燃物质，得到蓬松的微细粉体；继续加热到700-850oC,烧结1－20小时，最后得到质地蓬松的双组分或者多组分金属氧化物以及和稀土的复合物，即为可用于300-600oC低温SOFC的电解质材料。

3、进一步和锰酸锂制备复合材料

干法直接混合

将上述制备的离子导电的金属氧化物-稀土氧化物复合材料烧干，得到微细粉和锰酸锂按照不同的重量比在1-95%之间称量。两种直接进行混合，加溶剂如酒精，丙酮等，用球磨机研磨24小时。得到含锰酸锂1-95%各种重量的稀土复合氧化物和锰酸锂的复合材料。

或者湿法混合

将锰酸锂按照不同的重量在1-95oC之间称量，加入上述步骤2的混合溶液中，在90oC加热进行充分的搅拌。得到的混合锰酸锂和金属氧化物稀土复合氧化物的糊状溶液。