CN109638325B - 一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质，该电解质的化学式为Bi6.85Sr0.15WO13.5‑δ，其是以(NH4)6H2W12O40·xH2O、Bi(NO3)3·5H2O、Sr(NO3)2及柠檬酸为原料，采用溶胶凝胶‑自蔓延燃烧法制备而成。本发明所得电解质在中温下具有较高的电导率，其在空气气氛下、700℃时的离子电导率达到0.037 S/cm，能够适应目前对于中低温SOFC电解质材料的要求。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质。
背景技术
随着全球对能源的需求日益扩大，世界各国政府逐渐重视环境恶化的问题，传统的能源体系将无法适应社会对高效、清洁、安全、经济的能源体系的要求，能源的发展将面临巨大的挑战。而燃料电池是一种直接将燃料的化学能转换为电能的发电装置，具有能量转化效率高、污染小的特点。在这一背景下，燃料电池受到了全世界各国的重视，得到了长足的发展。
在各种燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能量转换效率高、成本低、长期稳定性好的特点，尤其可以使用各种含碳的化石燃料，可以很容易与现有能源资源供应体系兼容。且在能量转换过程中燃料不直接燃烧，极大地提高了能量转化效率，避免或减少了有毒气体以及粉尘等污染物的产生。SOFC的工作温度在500℃~1000℃，其副产品是高品质的热和水蒸气，在热-电联供的情况下，能量利用率可以高达80%左右，具有清洁、高效的特点。
目前已经被商业应用的SOFC的工作温度一般都在1000℃，在如此高的温度下工作使得SOFC存在许多问题，如电极致密化、连接体材料要求高以及电池密封性能不好等，大大增加了SOFC的成本，限制了其商业发展。为了SOFC商业化发展就必须将其工作温度降低，而电解质作为SOFC中最为核心的部分，电解质材料若能在相对低的温度下获得良好的性能，则可以获得理想的中温SOFC。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质，该电解质具有良好中温电导率，可有效降低燃料电池的工作温度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质，其化学式为Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ。
所述锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质的制备方法包括以下步骤：
1）按Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ的化学计量比分别称取(NH4)6H2W12O40·xH2O与Bi(NO3)3·5H2O、Sr(NO3)2，并按金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）将Bi(NO3)3·5H2O溶解在质量浓度为60%-68%的硝酸中，制得硝酸铋溶液；
3）将(NH4)6H2W12O40·xH2O、Sr(NO3)2和柠檬酸分别加入超纯水中溶解，得到溶液A、B、C；
4）将步骤3）所得溶液A、B、C依次倒入硝酸铋溶液中，并逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
5）将步骤4）得到的混合溶液放入恒温磁力搅拌器中加热至70℃，然后保温搅拌直至形成凝胶；
6）将步骤5）所得凝胶移入蒸发皿中，放在电炉上加热，使其发生自蔓延燃烧直至形成蓬松的氧化物粉末；
7）将步骤6）所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温8±0.1小时，然后自然冷却，形成Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ粉末。
本发明的显著优点在于：本发明提供了一种新型固态电解质，其性能优异，在中温（500℃-700℃）范围内具有高的电导率，700℃时离子电导率达到0.037S/cm，较固相法制得的Bi7WO13.5在700℃下电导率提升了76.2%，并与8%钇稳定的氧化锆（8YSZ）在800℃下的电导率相当。因此本发明可以有效降低燃料电池的工作温度。
附图说明
图1为固相法制得的Bi7WO13.5与实施例1所得Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ在不同温度下的电导率测试图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1 Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ的制备方法
1）分别称取246.36g（0.08mol）(NH4)6H2W12O40·xH2O与3322.72g（6.85mol）Bi(NO3)3·5H2O、31.74g（0.15mol）Sr(NO3)2及2521.68g（12mol）柠檬酸；
2）将Bi(NO3)3·5H2O溶解在质量浓度为60%-68%的硝酸中，制得硝酸铋溶液；
3）将(NH4)6H2W12O40·xH2O、Sr(NO3)2和柠檬酸分别加入超纯水中溶解，得到溶液A、B、C；
4）将步骤3）所得溶液A、B、C依次倒入硝酸铋溶液中，并逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
5）将步骤4）得到的混合溶液放入恒温磁力搅拌器中加热至70℃，然后保温搅拌直至形成凝胶；
6）将步骤5）所得凝胶移入蒸发皿中，放在电炉上加热，使其发生自蔓延燃烧直至形成蓬松的氧化物粉末；
7）将步骤6）所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温8±0.1小时，然后自然冷却，形成Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ粉末。
实施例2
将实施例1所得Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ粉末放入模具中，在150MPa压力下制成直径为12±0.1mm、厚度为2±0.1mm的圆片，将圆片以每分钟3℃的速度加热到850±10℃保温10±0.1小时，得到所需的电解质圆片。
实施例3 电导率的测试方法：
电解质的交流电导采用两端子法测定。将实施例2所得的Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ电解质圆片两面涂上银浆，然后于450℃焙烧2h后制得银电极。用银丝将两端的银电极与交流阻抗仪连接。采用的交流阻抗仪为美国Gamry公司型号为Interface 1000电化学工作站，应用电位10mV，测定频率范围1Hz-1MHz，测定交流电导的温度为500-800℃，在空气气氛中每隔着50℃测定一次，结果如图1所示。
电导率采用如下公式计算：
式中，σ 为电解质电导率，S/cm；
h 为电解质片厚度，单位cm；
R 为电解质电阻，单位Ω；
S 为电解质片横截面积，单位cm2。
700℃时离子电导率为0.037S/cm
由1图可知，Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ的电导率随温度升高而提升，其在700℃下的电导率达到了0.037 S/cm，明显高于常规Bi7WO13.5电解质的电导率（0.021S/cm）。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种锶掺杂的中温固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：其化学式为Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ；
其制备方法包括以下步骤：
1）按Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ的化学计量比分别称取(NH4)6H2W12O40·xH2O与Bi(NO3)3·5H2O、Sr(NO3)2，并按金属阳离子与柠檬酸的摩尔比为1:1.5称取柠檬酸；
2）将Bi(NO3)3·5H2O溶解在质量浓度为60%-68%的硝酸中，制得硝酸铋溶液；
3）将(NH4)6H2W12O40·xH2O、Sr(NO3)2和柠檬酸分别加入超纯水中溶解，得到溶液A、B、C；
4）将步骤3）所得溶液A、B、C依次倒入硝酸铋溶液中，并逐滴加入质量浓度为15%-20%的氨水，以调节溶液pH值为7；
5）将步骤4）得到的混合溶液加热至70℃，然后保温搅拌直至形成凝胶；
6）将步骤5）所得凝胶移入蒸发皿中，放在电炉上加热直至形成蓬松的氧化物粉末；
7）将步骤6）所得氧化物粉末加热至800±10℃，保温8±0.1小时，然后自然冷却，形成Bi6.85Sr0.15WO13.5-δ粉末。
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