一种氧化铈-铈酸钡基固体氧化物燃料电池电解质及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化铈‑铈酸钡基固体氧化物燃料电池电解质及制备方法，电解质的主要成分是Ce0.8BixRe(0.2‑x)O2‑δ‑BaCe0.8BixRe(0.2‑x)O3‑δ(0≤x≤0.2)，其中Re为La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb中的一种。采用固相反应法一次合成Ce0.8BixRe(0.2‑x)O2‑δ‑BaCe0.8BixRe(0.2‑x)O3‑δ复合粉体，经过造粒、压制成型、高温煅烧，制备出复合电解质。该电解质具有烧成温度低和离子电导率高的优点，该工艺具有简单高效和便于产业化的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铈-铈酸钡基固体氧化物燃料电池电解质及制备方法
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池的电解质领域，具体涉及一种氧化铈-铈酸钡基固体氧化物燃料电池电解质及制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池（SOFCs）因能量转化率高、无污染以及燃料多样性等优点而成为燃料电池领域的研究热点。电解质是SOFCs的关键与核心材料。目前，YSZ（氧化钇掺杂氧化锆）是发展最为成熟的SOFCs电解质材料。不过，YSZ通常在1000℃以上才具有较高的离子电导率，过高的工作温度给SOFCs带来了一系列问题，比如：电极活性降低、对连接体材料要求高、电池密封不好等。因此，降低SOFCs的工作温度，是扩大电池组件材料选择范围和提高电池长期运行稳定性的重要发展方向。但是，随着工作温度的降低，YSZ电解质的电导率迅速下降，导致电池性能急剧降低。开发新型的中温固体氧化物燃料电池电解质是当前的重点研究方向。中国专利文件CN101000966公开了“一种复合掺杂氧化铈电解质及其制备方法”，该复合掺杂氧化铈电解质是符合Ce1-xGdx-yYyO2-0.5x化学计量比的氧化铈、氧化钆和氧化钇的复合氧化物，在600℃空气条件下的电导率为0.038S·cm-1。中国专利文件CN102544559A公开了“一种用于固体氧化物燃料电池的氧化铈基电解质及其制备方法”，通过向氧化铈中添加氧化镧、氧化钒降低了烧成温度，该电解质在600℃空气条件下的电导率为0.0178S·cm-1。但是，氧化铈基电解质中的Ce4+在低氧分压或还原气氛下极易被部分还原成Ce3+，产生电子电导，导致SOFCs的开路电压下降，进而导致电池性能降低。中国专利文件CN103086716A公开了“基于稀土氧化物掺杂铈酸钡的复合质子导体材料及其制备方法”，该电解质为氧化钆或氧化钇掺杂的铈酸钡，在550℃空气条件下的电导率高于10-2S·cm-1。但是，铈酸钡电解质在含有CO2、H2O的条件下不稳定，易发生化学反应生成碳酸钡、氢氧化钡等，进而导致电导率下降。WenpingSun等（Anovelelectroniccurrent-blockedstablemixedionicconductorforsolidoxidefuelcells,JournalofPowerSources,2011,196(1):62-68）介绍了一种稀土元素掺杂CeO2/BaCeO3复合电解质，实现了氧化铈基电解质和铈酸钡基电解质的性能优势互补，解决了氧化铈基电解质易被部分还原和铈酸钡基电解质化学不稳定的问题。但是，该复合电解质的烧成温度较高（＞1350℃），两种电解质之间容易发生界面反应或元素扩散，导致电导率较低。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种Bi掺杂型Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ(0≤x≤0.2，Re=La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb等)复合电解质及制备方法。所制备的电解质具有烧成温度低、电导率高等优点。所提出的制备方法具有工艺简单、便于产业化的优点。本专利技术是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤。1、Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合粉体的制备方法如下所述。1.1按Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ化学计量比称取BaCO3、CeO2、Bi2O3、Re2O3(Re=La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb等)，放入聚氨酯球磨罐中，加入无水乙醇，以氧化锆球为介质球磨8～12小时，原料、氧化锆球、无水乙醇的质量比为1:(2.5～3.5):(0.8～0.9)，得到浆料。1.2烘干，造粒，在5～15MPa压力下压制成型，得到坯体。1.3将坯体放入加热炉，升温至900～1050℃，保温10～15小时，然后随炉冷却。1.4将煅烧后的块料破碎，得到Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合粉体。2、Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合电解质的制备方法如下所述。2.1向Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合粉体中加入1wt.%粘结剂，混合均匀，造粒，在30～60MPa压力下压制成厚度为0.3～1.5mm的片状电解质坯体。2.2将电解质坯体放入加热炉，升温至1100～1250℃，保温2～6小时，得到固体氧化物燃料电池电解质。本专利技术中所述的原料纯度大于99.9%；所述的无水乙醇为分析纯级。本专利技术所述的步骤1.1中Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ和BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ的质量比为(95～50):(5～50)。根据本专利技术优选的，步骤1.1中Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ中0.05≤x≤0.12。本专利技术所述的步骤1.2中烘干温度为80～100℃，烘干时间为12～15小时。造粒粉的过筛目数为40目。根据本专利技术优选的，步骤1.3中的升温制度为：以3～6℃/min升温至950～1000℃，保温11～13小时。本专利技术步骤2.1所述的粘结剂为浓度为5wt.%PVA（聚乙烯醇）水溶液或PVB（聚乙烯醇缩丁醛）乙醇溶液中的一种。根据本专利技术优选的，步骤2.1中破碎粉体的过筛目数为40目。根据本专利技术优选的，步骤2.1中片状电解质片的厚度为0.6～1.2mm。根据本专利技术优选的，步骤1.3中的升温制度为：以2～4℃/min升温至1150～1200℃，保温3～5小时。有益效果1、烧成温度低：Bi2O3的熔点低，Bi掺杂使得CeO2/BaCeO3复合电解质的烧成温度降低100℃以上。2、氧离子电导率高：与未掺杂Bi的单元素掺杂CeO2/BaCeO3复合电解质相比，离子电导率高3倍以上。3、通过一步反应即可制备出复合掺杂CeO2/BaCeO3粉体，不需要后续的混合工艺，工艺流程简单，便于产业化。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但本专利技术所保护范围不限于此。实施例1按90wt.%Ce0.8Bi0.1La0.1O2-δ-10wt.%BaCe0.8Bi0.1La0.1O3-δ化学计量比称取BaCO3、CeO2、Bi2O3、La2O3，放入聚氨酯球磨罐中，加入无水乙醇，以氧化锆球为介质球磨10小时，原料、氧化锆球、无水乙醇的质量比为1:3:0.8，得到浆料。在90℃干燥12小时，过40目筛造粒，在10MPa压力下压制成型，得到坯体。将坯体放入加热炉，以3℃/min升温至1000℃，保温12小时，然后随炉冷却。将煅烧后的块料破碎，得到90wt.%Ce0.8Bi0.1La0.1O2-δ-10wt.%BaCe0.8Bi0.1La0.1O3-δ复合粉体。向复合粉体中加入1wt.%PVA水溶液，混合均匀，过40目筛造粒，在50MPa压力下压制成厚度为1.0mm的片状电解质坯体。将电解质坯体放入加热炉，以3℃/min升温至1150℃，保温4小时，得到固体氧化物燃料电池电解质。采用电化学工作站（本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CeO2/BaCeO3基固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于，主要成分是Ce0.8BixRe(0.2‑x)O2‑δ ‑ BaCe0.8BixRe(0.2‑x)O3‑δ (0≤x≤0.2)，其中Re为La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种CeO2/BaCeO3基固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于，主要成分是Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ(0≤x≤0.2)，其中Re为La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb中的一种。2.根据权利要求1所述的Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合粉体的制备：按Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ化学计量比称取BaCO3、CeO2、Bi2O3、Re2O3(Re=La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb等)，放入聚氨酯球磨罐中，加入无水乙醇，以氧化锆球为介质球磨8～12小时，原料、氧化锆球、无水乙醇的质量比为1:(2.5～3.5):(0.8～0.9)，得到浆料；烘干，造粒，在5～15MPa压力下压制成型，得到坯体；将坯体放入加热炉，升温至900～1050℃，保温10～15小时，然后随炉冷却；将煅烧后的块料破碎，得到Ce0.8BixRe(0.2-x)O2-δ-BaCe0.8BixRe(0.2-x)O3-δ复合粉体；（2）C...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海滨，丁浩，亓帅，李成峰，闫卫路，张浩，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37