[发明专利]氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法，属于新能源材料固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池（简称SOFC）由于具有系统设计简单、能量转换效率高、环境友好、规模弹性大及寿命长等优点，被公认为21世纪的绿色能源。SOFC既可以用作大型固定电站，也可以用作小型分散式热电联用装置和车用电源系统等。

固体电解质是SOFC的核心部分。其性能不但直接影响燃料电池的能量转换效率，还决定了与电解质相匹配的电极材料及其相应制备技术的选择。目前可用于SOFC的电解质主要有ZrO₂系列、CeO₂系列、钙钛矿系列、Bi₂O₃系列等。

为了降低SOFC的工作温度，实现其中低温化，科技工作者研究开发了多种新的中低温电解质材料，如Gd掺杂的氧化铈(GDC)，Y掺杂的氧化铈(YDC)，氧化钪稳定的氧化锆(SCSZ)，锶镁掺杂的镓酸镧(LSGM)。Bi₂O₃系列电解质由于具有立方荧石矿型结构，且晶格中有1/4的氧离子位置是空缺的，因而具有非常高的氧离子导电性能，在熔点附近，电导率约为0.1s/cm，比CeO₂还高一个数量级。但Bi₂O₃只能在730-850℃保持萤石结构，温度较低时由δ相到β、γ相的相变会导致材料断裂和性能恶化，同时Bi₂O₃基体材料在低氧分压下也极易被还原成金属Bi，因此必须通过掺杂、表面包覆等技术以改善Bi₂O₃的性能。

研究表明，微掺杂的Bi₂O₃具有面心立方或正交晶系结构或者二者的双相结构，其起始工作温度（430℃）相比传统的ZrO₂系也大幅降低，在较低工作温度下的离子电导率也维持在较高水平（550℃时电导率约为2.5×10^-2S﹒cm^-1，800℃时电导率约为1.0×10^-1S﹒cm^-1），可以满足燃料电池的工作需求。

目前Bi₂O₃基电解质掺杂多采用反向滴定化学共沉淀方法先制备掺杂的Bi₂O₃混合粉体原料，然后在一定加热条件下通过反应烧结工艺制得Bi₂O₃基氧离子导体固体电解质。但是这种制备方法存在能源消耗大、制备流程长、粉体批次性能不稳定、制备过程产生大量含酸废水等缺点。

开发Bi₂O₃基电解质对促进SOFC中低温化应用具有重要意义。至今未见固相法合成氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组分配比合理、工艺简单、成本低廉、能耗低、无环境污染、掺杂制备的固体氧化物燃料电池电解质晶体结构稳定、粉体表面元素分布均匀、电导率高的氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质及制备方法。

本发明氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质，包括下述组分，按摩尔百分比组成：

氧化铋75～95mol%，氧化钪5～25mol%；优选为：氧化铋80～90mol%，氧化钪10～20mol%；更优为：氧化铋85～90mol%，氧化钪10～15mol%。

本发明氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，包括下述步骤：

第一步：高效球磨并活化

按设计的电解质组分配比，分别取氧化铋，氧化钪混合，球磨至粒径D50为0.8-1.0μm的球磨料；

第二步：固相合成

将第一步所得球磨料分段加热、保温后，控温冷却至室温，得到氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质；

每一段的加热升温速率3–7℃/min；冷却速率1-3℃/min；

第一段保温温度400～500℃，保温时间至少1小时；

第二段保温温度600～700℃，保温时间至少1小时；

第三段保温温度750～950℃，保温时间至少5小时。