[发明专利]一种复合固体电解质及其制备方法

说明书

一种复合固体电解质及其制备方法，该复合固体电解质由钙钛矿结构的LaGaO₃基电解质和萤石结构的Bi₂O₃基电解质复合而成。将LaGaO₃基电解质与Bi₂O₃基电解质混合后，加入到液态分散介质中，进行搅拌、研磨后，干燥；将干燥后的混合粉末进行预烧，得到复合固体电解质前驱粉体；将复合固体电解质前驱粉体进行研磨、压实，再高温烧结制成电解质薄片。本发明的复合固体电解质在500～800℃的中温区具有较高的离子电导率，可提高SOFC单电池开路电压、提高单电池输出性能，且烧结温度相对较低，可以降低制备成本。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池中使用的固体电解质及其制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。燃料电池因具有能量转换效率高、无污染等特点正受到越来越广泛的关注。固体氧化物燃料电池(以下简称SOFC)是第四代燃料电池，因为采用了全固态的电池组件，与其他种类的燃料电池相比，SOFC还具有工作噪音小、电极反应过程迅速和燃料适应性强等优点。

传统的SOFC一般使用钇稳定氧化锆(以下简称YSZ)作为电解质，然而YSZ只有在温度达到1000℃时才具有足够的电导率，因此以YSZ为电解质的SOFC的工作温度至少要达到1000℃。如此高的工作温度使得电池的使用成本很高，而且也带来了电极烧结、没有合适的连接材料等一系列问题。因此，如何可以降低工作温度成为了SOFC的研究目标。

研究发现，将SOFC的工作温度降低至500～800℃的中温区时，可以克服高温工作的缺点。然而，降低电池的工作温度会降低电解质的离子电导率以及电极的催化活性，从而导致电池的输出性能下降。为了提高SOFC中温工作时的输出性能，开发合适的电解质材料是重要的研究方向。

钙钛矿结构的LaGaO₃基电解质在中温区具有较高的电导率，并且在很宽的氧分压范围内(1～10^-22atm)都以离子电导为主，电子电导几乎可以忽略，使用LaGaO₃基电解质的SOFC单体，开路电压即使在800℃时仍然能够达到1.1V以上，是比较理想的SOFC电解质材料之一。然而，作为制备LaGaO₃基电解质的重要原材料的Ga₂O₃的价格极其昂贵，严重制约了LaGaO₃基电解质的应用。此外，为了使电解质足够致密，LaGaO₃基电解质的烧结温度要达到1300℃以上。

在多种SOFC电解质材料中，萤石结构的Bi₂O₃基电解质具有最高的电导率，价格相对低廉，且不需要1300℃以上的高温即可烧结致密。在相同的温度，Bi₂O₃基电解质电导率比YSZ电导率高2个数量级。然而，Bi₂O₃基电解质在低氧分压下极易还原，易在SOFC阳极侧还原形成金属微粒，降低离子电导率，同时引入电子传导。

目前的研究都是针对如何提升某一种类的电解质材料的性能，而没有将具有不同优点的材料组合到一起，从而获得更加优越的SOFC电池性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于中温固体氧化物燃料电池的复合固体电解质及其制备方法，可以改善固体氧化物燃料电池在中温区的输出性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种复合固体电解质，由钙钛矿结构的LaGaO₃基电解质和萤石结构的Bi₂O₃基电解质复合而成。