本發(fā)明屬于燃料電池電解質(zhì)的制備領(lǐng)域，具體涉及一種具備質(zhì)子電導(dǎo)率的中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)。

背景技術(shù)：

能源是人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，世界范圍內(nèi)仍然以化石能源為主，而在目前使用過程中存在利用不合理、轉(zhuǎn)化效率低、污染嚴重等一系列嚴重問題。因此，合理、高效的利用化石燃料是人類面臨的困難之一。

固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell，簡稱sofc)是一種將化石燃料中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，具有高效、環(huán)境友好無污染、可實現(xiàn)熱電聯(lián)供等優(yōu)點，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)。

目前應(yīng)用的sofc的電解質(zhì)一般為y2o3穩(wěn)定的氧化鋯（簡稱ysz），且工作溫度一般都在1000℃，在如此高的溫度下工作使得sofc存在許多問題：電池部件熱穩(wěn)定性差、連接體材料要求高、電池密封性能不好以及成本增加和長期運行穩(wěn)定性不好等問題，嚴重阻礙了sofc的商業(yè)化進程。因此，降低sofc工作溫度可有效地降低系統(tǒng)的成本并提高穩(wěn)定性，避免高溫操作帶來的種種問題。傳統(tǒng)的電解質(zhì)材料ysz已經(jīng)不適用于中低溫環(huán)境下工作，因此，尋找一種在中低溫下具有高電導(dǎo)率且良好穩(wěn)定性的電解質(zhì)材料極為重要。相比于氧離子導(dǎo)體，質(zhì)子導(dǎo)體具有體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)點，在中低溫下具有較低的離子傳導(dǎo)活化能，更高的離子電導(dǎo)率，因此質(zhì)子導(dǎo)電氧化物是一種可應(yīng)用于低溫工作sofc的電解質(zhì)。本發(fā)明的質(zhì)子電解質(zhì)材料在中溫工作條件下可以獲得高的電導(dǎo)率，且在co2和水蒸氣條件下具有良好穩(wěn)定性，能滿足目前中低溫sofc所需的性能要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種具備質(zhì)子電導(dǎo)率的中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)。本發(fā)明制得的電解質(zhì)在空氣氣氛下800℃時最大電導(dǎo)率為1.76×10^-2s/cm，在干燥5%h2與95%ar混合氣氛下700℃時電導(dǎo)率為1.57×10^-2s/cm，適合運用在中低溫固體氧化物燃料電池中。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具備質(zhì)子電導(dǎo)率的中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)，其化學(xué)式為la1.80k0.20ce2o7-δ的固體氧化物，其中0＜δ≤0.2；所述電解質(zhì)的的制備方法，具體包括以下步驟：

（一）la1.80k0.20ce2o7-δ的制備：

1）按la1.80k0.20ce2o7-δ化學(xué)計量比稱取la(no3)3·nh2o、ce(no3)3·6h2o和kno3，并按金屬陽離子與檸檬酸的摩爾比為1:1.5稱取檸檬酸；

2）將la(no3)3·nh2o、ce(no3)3·6h2o、kno3和檸檬酸分別加入去離子水溶解形成溶液；

3）將步驟2）所得的la(no3)3·nh2o溶液、ce(no3)3·6h2o溶液和kno3溶液依次倒入步驟2）所得的檸檬酸溶液中，并向溶液中逐滴加入質(zhì)量濃度為15%-20%的氨水，以調(diào)節(jié)溶液ph值為7；

4）將步驟3）得到的混合溶液放入攪拌器中加熱至70℃，然后保持在70℃下連續(xù)攪拌，并在攪拌過程中加入質(zhì)量濃度為15%-20%的氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；

5）將步驟4）得到的凝膠移入蒸發(fā)皿中，放在電爐上加熱，直至發(fā)生自蔓延燃燒形成蓬松的氧化物粉末；

6）將步驟5）所得氧化物粉末加熱至790-810℃，保溫2.9-3.1小時，然后自然冷卻，形成la1.80k0.20ce2o7-δ（lkc）粉末；

（二）中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的制備：

將步驟（一）制得的la1.80k0.20ce2o7-δ粉末放入模具中，在300mpa的壓力下，制成直徑為13±0.1mm、厚度為0.5±0.1mm的圓片，將圓片以每分鐘3℃的速度加熱到1500±1℃保溫5±0.1小時，得到所述具備質(zhì)子電導(dǎo)率的中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)圓片。

本發(fā)明的有益效果在于：質(zhì)子具有體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)點，在中低溫下具有較低的離子傳導(dǎo)活化能，因此本發(fā)明制備的質(zhì)子導(dǎo)電氧化物是一種可應(yīng)用于低溫工作sofc的電解質(zhì)；la2ce2o7作為一種質(zhì)子導(dǎo)體，其在co2和h2o中具有良好穩(wěn)定性，通過a位k⁺摻雜提高其電導(dǎo)率，在空氣氣氛下800℃時最大電導(dǎo)率為1.76×10^-2s/cm，在干燥5%h2與95%ar混合氣氛下700℃時電導(dǎo)率為1.57×10^-2s/cm，適合運用在中低溫固體氧化物燃料電池中。

附圖說明

圖1為空氣條件下la1.8k0.2ce2o7-δ電導(dǎo)率與測試溫度關(guān)系曲線；

圖2為在5%氫氣和95%氬氣混合氣氛下la1.8k0.2ce2o7-δ電導(dǎo)率與測試溫度關(guān)系曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不僅僅限于這些實施例。

實施例

（一）1molla1.80k0.20ce2o7-δ（lkc）的制備：

稱取1.80摩爾的la(no3)3·nh2o：1.80×324.92=584.856克

稱取0.20摩爾的kno3：0.20×84.99=16.998克

稱取2.00摩爾的ce(no3)3·6h2o：2.00×434.22=868.440克

稱取6.00摩爾的檸檬酸：6.00×210.14=1260.840克

將kno3、ce(no3)3·6h2o、la(no3)3·nh2o和檸檬酸分別用去離子水溶解形成溶液；

將la(no3)3·nh2o溶液、ce(no3)3·6h2o溶液和kno3溶液分別倒入檸檬酸溶液中，滴加質(zhì)量濃度為15%的氨水調(diào)節(jié)ph值為7；

將混合溶液放入攪拌器中加熱至70℃，在70℃下連續(xù)攪拌，并在攪拌過程中通過加質(zhì)量濃度為15%的氨水，使溶液的ph值保持在7，直至形成凝膠；

將凝膠移入蒸發(fā)皿放在電爐上加熱，直至發(fā)生自蔓延燃燒形成蓬松的氧化物粉末；

將粉末加熱至800℃，保溫3小時，自然冷卻，形成la1.80k0.20ce2o7-δ粉末；

（二）中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的制備：

將步驟（一）制備成的la1.80k0.20ce2o7-δ粉末放入模具中，在300mpa的壓力下，制成直徑為為13mmmm、厚度0.5mmmm的圓片，將圓片以每分鐘3℃的加熱速度加熱到1500℃保溫5小時，得到所需的電解質(zhì)圓片。

電導(dǎo)率的測試方法：

電解質(zhì)的交流電導(dǎo)采用兩端子法測定。將1500±1℃下燒結(jié)5±0.1小時后的所得的la1.80k0.20ce2o7-δ（lkc）電解質(zhì)圓片兩面涂上銀漿，然后于450℃焙燒2h后制得銀電極。用銀絲將兩端的銀電極與交流阻抗儀連接。采用的交流阻抗儀為上海辰華儀器有限公司型號為chi660e電化學(xué)工作站，應(yīng)用電位30mv，測定頻率范圍0.1hz-1000khz，在空氣測其阻抗譜溫度為350-800℃，結(jié)果如圖1所示；在干燥5%h2和95%ar混合氣氛下測其阻抗譜溫度為350-700℃，結(jié)果如圖2所示；電導(dǎo)率采用如下公式計算：

式中，σ為電解質(zhì)電導(dǎo)率，s/cm；

h為電解質(zhì)片厚度，單位cm；

r為電解質(zhì)電阻，單位ω；

s為電解質(zhì)片橫截面積，單位cm²。

從圖1中可以看出，該電解質(zhì)在空氣氣氛下800℃時最大電導(dǎo)率為1.76×10^-2s/cm，從圖2中可以看出，該電解質(zhì)在干燥5%h2與95%ar混合氣氛下700℃時電導(dǎo)率為1.57×10^-2s/cm，并且la2ce2o7在co2和h2o中具有良好的穩(wěn)定性，因此該電解質(zhì)具有十分有效降低燃料電池工作溫度、提高電化學(xué)性能的特點。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。