[发明专利]一种低温相变材料复合燃料电池固体电解质及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种低温相变材料复合燃料电池固体电解质及制备方法。首先制得多孔陶瓷膜；以低熔点的无机盐作为低温相变材料，将无机盐加热熔融，然后将多孔陶瓷膜加入无机盐熔体中，使无机盐熔体通过毛细作用渗入陶瓷膜内部；进行二次烧结，以减少材料内部的结构缺陷，即可制得燃料电池用固体电解质膜。通过熔融相变材料分布在多孔陶瓷膜中，相变材料控制反应温度、吸收能量，陶瓷膜的氧空位缺陷，降低氧离子在氧空位中跃迁的势垒，有效降低了陶瓷电解质膜启动温度和工作温度，缩短了启动时间，提高了电导率。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种低温相变材料复合燃料电池固体电解质及制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料氧化释放的化学能直接转换成电能的全固态化学发电装置.，通过电化学氧化还原反应将燃料化学能直接转化成电能，具有发电效率高、环境友好、燃料适应性广和高温余热可回收等优点，在家庭热电联供、便携式电源、汽车辅助电源和大型分布式电站等领域具有广阔的应用前景，被誉为21世纪最重要的绿色能源技术之一。

目前传统固体氧化物燃料电池电解质膜由于工作温度高，启动时间长，引起电池材料不良界面反应，高温工作不仅提高了固体氧化物燃料电池的材料成本，而且带来了其稳定性差、电化学性能降低和封装难度大等问题问题，阻碍了实际应用，制约了其商业化发展。降低固体氧化物燃料电池的操作温度有利于提高电池材料的化学和热性能稳定性，同时可使用金属做连接材料而使电池的成本降低。因此，开发中低温SOFCs已成为固体氧化物燃料电池发展的必然趋势。

电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，是影响其工作温度的主要因素。传统的萤石结构的电解质材料电导率高，应用较广，但无法满足低温工作需求。而钙钛矿型氧化物具有稳定的晶体结构，由于其在中低温下具有很高的氧离子电导率和不易被还原等特点，受到业内人士的重视。由于现阶段对于低温化的解决途径主要为对陶瓷膜进行掺杂改性，以钙钛矿类陶瓷膜为例，降低工作温度的主要方式为B位替代式掺杂，提高氧离子迁移率，降低工作温度，但目前效果并不理想。因此对于固体氧化物燃料电池的低温改性研究具有十分重要的现实意义。

中国发明专利申请号201611112572.4公开了种低温型固体电解质材料的制备方法。此发明首先采用化学沉淀法，即在溶液中Bi(NO)₃与NaOH发生化学反应，生成Bi(OH)₃沉淀，经过升温分解-静置-抽滤-干燥-煅烧等途径，得到可用于制备电解质材料的Bi₂O₃包覆YSZ复合粉体，以Bi₂O₃/YSZ包覆粉体为原料，经成型、烧结制成一种低温型固体电解质材料。此发明得到的混合粉体粒径小，分布均匀，无团聚，形状规则，避免了不必要杂质的引入，且工艺简单，操作易于控制。同时，Bi₂O₃的添加，可降低制备过程的烧结温度及电解质的工作温度，从而提高固体氧化物燃料电池的性能。

中国发明专利申请号200810054270.5公开了一种既可以在中低温领域内实现高效离子传导并能够避免电解质损失，又能保持有高效输出功率的电解质及其制备方法和燃料电池，克服了现有技术中固体电解质需要高温操作和熔融碳酸盐的电解质损失问题。此发明分别采用钐、钆和钇掺杂氧化铈，将碳酸锂，碳酸钠，碳酸钾混合后，加热熔融，冷却形成三元共晶盐，再将经过掺杂的氧化铈和 Li/Na/K三元复合碳酸盐机械混合，加热熔融，充分复合，形成掺杂氧化铈-碳酸盐复合电解 质。利用这种电解质制备的燃料电池在500-700℃的中低温下实现高的输出功率。

根据上述，现有方案中用于固体氧化物燃料电池的传统陶瓷电解质启动温度和工作温度高，启动时间长，高温下电导率低，性能不稳定，使用寿命短，并且制备过程复杂而成本较高，鉴于此，本发明提出了一种低温相变材料复合燃料电池固体电解质及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容