本发明专利技术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。本发明专利技术分别采用钐、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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种复合电解质及其制备方法，更具体地讲，涉及一种中低温复合电解质及 其制备方法和利用这种电解质的燃料电池。
技术介绍
燃料电池(Fud Cdl)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装 置，其具有能源转化率高，污染低，燃料适应性强，积木化强，响应快速等'优点，是一种绿 色的高效转能装置。按照电解质的不同，主要分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃 料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电 池(SOFC)。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以绝缘载体(LiA102)支撑的熔融碳酸盐为电解质，实 现碳酸根离子的传导，氢气和C02/02混合气体分别作为燃料和氧化剂，其在650'C即具有较 高电导率，因而可实现中温(600—80(TC)条件下的操作。传统的MCFC存在着许多问题， 熔融碳酸盐存在着一定的挥发，导致电解质的损失，对不锈钢的电池反应装置具有很强的腐 蚀性，同时，长时间的运转会导致阴极材料在熔盐中的溶解和扩散，金属阳离子在阳极侧被 氢气还原，形成电解质内部的电子导通，降低了电池的开路电压和输出功率。作为新一代代燃料电池的固体氧化物燃料电池(SOFC)以固体氧化物为电解质，实现氧 离子的传导，氢气和空气分别作为燃料和氧化剂，具有很高的能源转化率(60%-80%)，较强 的燃料适应性、不需要贵金属催化剂、稳定的全固态结构等优点。传统SOFC采用以钇稳定 的氧化锆(YSZ)为固体电解质，这种电解质不允许电子和氢离子通过，只允许氧负离子自 由通过，通过氧负离子在固体氧空位中的跃迁实现离子导电性。为使固体电解质拥有足够高 的离子传导能力，往往需要很高的操作温度(800—100(TC)。长时间的高温操作，给材料的 稳定性、电池的密封性等带来了很多的问题，同时高昂的制造成本也使高温SOFC在商业发 展上面临瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服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，提供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。本专利技术的一种中低温复合电解质，由质量含量为10%_50%的三元碳酸盐和50%—90 %的掺杂氧化铈组成，其中所述的三元碳酸盐为"锂/钠/钾"的三元碳酸盐，其中锂元素钠元 素钾元素的摩尔比为40~50: 30~40: 20~30;所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8 1.5: 4、 1~1.2:4、 0.5~1.5: 4。所述的中低温复合电解质由质量含量为25%—35%的三元碳酸盐和65%—75%的掺杂 氧化铈组成。所述的三元碳酸盐为"锂/钠/钾"的三元碳酸盐，其中锂元素钠元素钾元素的摩尔比为 40 45: 30~34: 20~25。所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、 钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8 1: 4、 1 1.2: 4、 0.8~1: 4。本专利技术的一种制备中低温复合电解质的方法，按照下述步骤制备(1) 分别将掺杂元素的氧化物和硝酸铈溶于硝酸，形成金属离子溶液，萁中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8-1.5: 4、 1 1.2: 4、 0.5~1.5: 4，再将上述金属离子溶液加到 草酸水溶液中，形成白色前驱体草酸盐沉淀物，搅拌，过滤，干燥，在700—800'C下煅烧1 —4小时，制得掺杂氧化铈；(2) 将碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾按照锂元素钠元素钾元素为40 50: 30~40: 20~30的摩尔比取料，机械混合，在480—520。C之间加热，使其熔融，然后进行冷却，形成三元碳 酸盐；(3) 将质量含量为50%_90%的掺杂氧化铈和质量含量为10% — 50%的三元碳酸盐进 行机械混合，然后将混合物进行煅烧，煅烧温度为500—70(TC，煅烧时间为0.5—3小时。所述步骤(1)中的掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为0.8 1: 4、 1~1.2: 4、 0.8~1:4。所述步骤(2)中的锂元素钠元素钾元素的摩尔比为40 45: 30~34: 20~25。所述步骤(3)中的三元碳酸盐的质量含量为25%—35%，掺杂氧化铈的质量含量为65 %—75%。本专利技术的另一个目的在于利用上述的中低温复合电解质制备燃料电池，克服现有技术中 固体电解质燃料电池需要高温操作、熔融碳酸盐燃料电池的电解质损失问题，提供一种既可 以在中低温领域内实现高效离子传导并能控制熔融电解质的流动和损失，又能保持有高效输 出功率的燃料电池。本专利技术的一种利用中低温复合电解质的燃料电池，包括混合阳极、混合阴极、电解质， 在混合阳极的外侧设置有带有气体进出口的阳极气体腔室，在混合阴极的外侧设置有带有气 体进出口的阴极气体腔室、通过气体进出口与所述的气体腔室连接的气体回路和用于与外部 电路连接的连通电路，所述电解质为中低温复合电解质，所述的中低温复合电解质由质量含 量为10%—50%的三元碳酸盐和50%_90%的掺杂氧化铈组成，其中所述的三元碳酸盐为"锂/钠/钾"的三元碳酸盐，其中锂元素钠元素钾元素的摩尔比为40 50: 30~40: 20~30;所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、钆 和钇与铈的摩尔比分别为0.8~1.5: 4、 1~1.2: 4、 0.5-1.5: 4，其设置在混合阳极和混合阴极 之间，所述的混合阳极由镍和中低温复合电解质组成，所述的混合阴极由锂化氧化镍和中低 温复合电解质组成。所述的混合阳极中，中低温复合电解质的体积百分数为10 — 90%，镍的体积百分数为10 一90%，所述的混合阴极中，锂化氧化镍的体积百分数为10_90%，中低温复合电解质的体 积百分数为10—90%。所述阳极气体腔室中通有燃料气体，其为氢气、肼、氨、甲醇、乙醇或者煤气中的至少 一种。所述阴极气体腔室中通有氧化性气体，其为二氧化碳和氧气或者二氧化碳和空气的混 合气体，混合气体中二氧化碳与氧气或者空气的体积比为1 5。在上述方案中，可以选择共压工艺，先将阳极材料、复合电解质和阴极材料通过共压方 式制成具有三明治结构的"单片"，然后进行煅烧，煅烧温度为600—70(TC下，煅烧时间为l 一5小时；也可以选择涂敷工艺，将混合阳极和混合阴极涂敷在复合电解质的两个侧面上， 形成三明治结构。此时燃料电池的阳极为镍/复合电解质的混合阳极，阴极为锂化氧化镍/复合 电解质的混合阴极，这样的结构增加了单片中"混合阳极、复合电解质和混合阴极"的三层接 触性质，避免材料的不同热匹配系数和界面对反应的影响，能够有效地降低接触电阻，从而 进一步提高电池的输出功率。图l为本专利技术的复合电解质中离子传导的机理示意图。相比于二元碳酸盐的高熔点，本 专利技术的复合电解质中Li/Na/K三元碳酸盐具有较低的熔点，其在40(TC左右发生了熔化，在制 备的煅烧过程和使用过程中，掺杂氧化铈形成多孔骨架结构，支撑熔融碳酸盐，此时掺杂的 氧化铈提供氧离子传导的通道，熔融碳酸盐提供碳酸根离子的传递通道，同时形成了质子传 导的连续通道。以氢气/二氧化碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种中低温复合电解质，其特征在于，所述的中低温复合电解质由质量含量为１０％－５０％的三元碳酸盐和５０％－９０％的掺杂氧化铈组成，其中所述的三元碳酸盐为“锂／钠／钾”的三元碳酸盐，其中锂元素∶钠元素∶钾元素的摩尔比为４０～５０∶３０～４０∶２０～３０；所述的掺杂氧化铈是钐掺杂氧化铈、钆掺杂氧化铈或者钇掺杂氧化铈，其中掺杂元素钐、钆和钇与铈的摩尔比分别为０．８～１．５∶４、１～１．２∶４、０．５～１．５∶４。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李永丹，夏淳，刘庆华，贾丽君，赵宜成，王志明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。