宽禁带半导体电解质及其制备方法和宽禁带半导体电解质燃料电池及其组装方法

507 编辑：中冶有色技术网来源：湖北大学

2024-06-05 13:52:44

权利要求书： 1.一种宽禁带半导体电解质燃料电池，其特征在于，其电解质为宽禁带半导体电解质MgO，所述宽禁带半导体电解质MgO的制备包括如下步骤：

1)称取可水解性镁盐并配制形成500ml、浓度为0.5mol/L的镁盐溶液，然后采用磁力搅拌器对所述镁盐溶液进行连续搅拌；

2)按与镁盐等摩尔比称取可水解性钠盐并配制形成200ml钠盐溶液，然后将所述钠盐溶液逐滴加入到所述镁盐溶液中，搅拌5小时，停止搅拌，将料液于室温下静置12小时，过滤、清洗干净，得前驱体；

3)将所述前驱体放置于130℃的烘箱中干燥24小时，最后将干燥后的物料于马弗炉中在850℃温度下煅烧5小时，再充分研磨，得到所述宽禁带半导体电解质的纳米粉末。

2.根据权利要求1所述的宽禁带半导体电解质燃料电池，其特征在于，步骤1)中所述镁盐为硝酸镁。

3.根据权利要求1所述的宽禁带半导体电解质燃料电池，其特征在于，步骤2)中所述钠盐为碳酸钠。

4.一种权利要求1所述宽禁带半导体电解质燃料电池的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称取适量的NCAL粉末，按照粉末体积的3倍取松油醇，将所述NCAL粉末与所述松油醇充分混合后研磨，再将物料均匀的涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL?Ni电极片；

2)称取0.25g宽禁带半导体电解质粉末，充分研磨，再在电池磨具中先放入一片所述NCAL?Ni电极，随后将所述宽禁带半导体电解质粉末撒入，压平，再覆盖上一片所述NCAL?Ni电极，利用压片机在10MPa下将模具中物料压制成形，成电池片。

说明书：一种宽禁带半导体电解质及其制备方法和宽禁带半导体电解质燃料电池及其组装方法

技术领域[0001] 本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种宽禁带半导体电解质及其制备方法和宽禁带半导体电解质燃料电池及其组装方法。背景技术[0002] 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料化学能直接转化为电能的发电装置，其由于具有高能量转化效率、低污染、以及燃料多样性等优点而吸引了广泛的关注，近年来逐渐成为新能源领域的重点和热点。[0003] 传统SOFC通常采用掺杂氧化锆和掺杂氧化铈作为其核心部件的电解质层。然而，这类电解质材料需要在800～1000℃的高温下工作，以获取足够高的离子电导率使电池正常运行，这也就造成了电池成本昂贵、技术复杂以及寿命衰减等问题，由此进一步导致SOFC商业化举步维艰。[0004] 为了解决这一难题，需要开发在低温下具有高离子传导性的新型电解质，从而降低电池的运行温度。发明内容[0005] 针对上述问题，现提供一种宽禁带半导体电解质及其制备方法和宽禁带半导体电解质燃料电池及其组装方法，旨在有效解决SOFC电池中存在的问题。[0006] 具体技术方案如下：[0007] 本发明的第一个方面是提供一种宽禁带半导体电解质(MgO)的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤[0008] 1)称取可水解性镁盐并配制形成500ml、浓度为0.5mol/L的镁盐溶液，然后采用磁力搅拌器对镁盐溶液进行连续搅拌；[0009] 2)按与镁盐等摩尔比称取可水解性钠盐并配制形成200ml钠盐溶液，然后将钠盐溶液逐滴加入到镁盐溶液中，搅拌5小时，停止搅拌，将料液于室温下静置12小时，过滤、清洗干净，得前驱体；[0010] 3)将前驱体放置于130℃的烘箱中干燥24小时，最后将干燥后的物料于马弗炉中在850℃温度下煅烧5小时，再充分研磨，得到宽禁带半导体电解质的纳米粉末。[0011] 上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中镁盐为硝酸镁。[0012] 上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中钠盐为碳酸钠。[0013] 本发明的第二个方面是提供一种宽禁带半导体电解质，具有这样的特征，根据权利要求1?3任一项制备方法制备获得。[0014] 本发明的第三个方面是提供一种基于上述宽禁带半导体电解质的燃料电池，具有这样的特征，包括权利要求4的宽禁带半导体电解质。[0015] 本发明的第四个方面是提供一种基于上述宽禁带半导体电解质的燃料电池的组装方法，具有这样的特征，包括如下步骤：[0016] 1)称取适量的NCAL粉末，按照粉末体积的3倍取松油醇，将NCAL粉末与松油醇充分混合后研磨，再将物料均匀的涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL?Ni电极片；[0017] 2)称取0.25g宽禁带半导体电解质粉末，充分研磨，再在电池磨具中先放入一片NCAL?Ni电极，随后将宽禁带半导体电解质粉末撒入，压平，再覆盖上一片NCAL?Ni电极，利用压片机在10MPa下将模具中物料压制成形，成电池片。[0018] 上述方案的有益效果是：[0019] 1)本发明提供的宽禁带半导体电解质(MgO)在420?500℃下具有可观的离子电导率，并且因其具有6.29e的宽带隙值，能够有效降低电子电导率，从而可作为电解质应用于SOFC中；[0020] 2)本发明提供的宽禁带半导体电解质可有效地降低燃料电池的运行温度；[0021] 3)本发明提供的半导体电解质燃料电池在低温区间可表现出优良的输出功率、较好的可重复性和超过100小时的稳定性；[0022] 4)本发明采用干压法制备燃料电池，省略了传统电池的高温预烧步骤，简化了电池制造工艺。附图说明[0023] 图1为本发明的实施例中提供的MgO的XRD图；[0024] 图2为本发明的实施例中提供的MgO的SEM图；[0025] 图3为本发明的实施例中提供的MgO的禁带宽度值；[0026] 图4为本发明的实施例中提供的燃料电池的截面图；[0027] 图5为本发明的实施例中提供的燃料电池的I?、I?P曲线；[0028] 图6为本发明的实施例中提供的燃料电池的EIS图谱；[0029] 图7为本发明的实施例中提供的五片燃料电池的I?、I?P曲线比较图；[0030] 图8为本发明的实施例中提供的燃料电池的稳定性图。具体实施方式[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0032] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。[0034] 实施例1[0035] 一种宽禁带半导体电解质，其制备方法为[0036] 1)称取硝酸镁并配制形成500ml、浓度为0.5mol/L的镁盐溶液，然后采用磁力搅拌器对镁盐溶液进行连续搅拌；[0037] 2)按与镁盐等摩尔比称取碳酸钠并配制形成200ml钠盐溶液，然后将钠盐溶液逐滴加入到镁盐溶液中，搅拌5小时，停止搅拌，将料液于室温下静置12小时，过滤、清洗干净，得前驱体；[0038] 3)将前驱体放置于130℃的烘箱中干燥24小时，最后将干燥后的物料于马弗炉中在850℃温度下煅烧5小时，再充分研磨，得到宽禁带半导体电解质的纳米粉末。[0039] 如图1、图2所述，本发明的实施例中提供的宽禁带半导体电解质与MgO标准PDF卡片(JCPDS:00?026958)一致，为方镁石结构，且其颗粒分布均匀，尺寸大小为200?500nm.[0040] 如图3所示，本发明的实施例中提供的宽禁带半导体电解质具有6.29e的宽带隙值(根据紫外可见光分光光度计测试的光吸收结果转化而来)。[0041] 实施例2[0042] 一种基于上述宽禁带半导体电解质的燃料电池，其组装方法为：[0043] 1)称取适量的NCAL粉末(Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2?δ，购买自天津巴莫科技公司)，按照粉末体积的3倍取松油醇，将NCAL粉末与松油醇充分混合后研磨，再将物料均匀的涂在泡沫镍上，烘干制成NCAL?Ni电极片；[0044] 2)称取0.25g宽禁带半导体电解质粉末，充分研磨，再在电池磨具中先放入一片NCAL?Ni电极，随后将宽禁带半导体电解质粉末撒入，压平，再覆盖上一片NCAL?Ni电极，利用压片机在10MPa下将模具中物料压制成形，成电池片。[0045] 如图4所示，本发明的实施例提供的燃料电池的横截面中可清晰的看到MgO电解质层和多孔NCAL?Ni电极，且中间电解质层气密性较好。[0046] 如图5所示，本发明的实施例中提供的燃料电池在420?500℃低温区间内的开路电?2压均在1以上，没有任何短路现象，在500℃测试时其功率密度达到810mWcm ，展现了可观的输出性能。

[0047] 如图6所示，本发明的实施例中提供的燃料电池中电极的极化电阻随着温度的降低显著增大，这表明随着温度的降低电极的催化活性大幅度降低，从而导致电池性能下降；与此同时，该电池的欧姆电阻逐步增大，但增长幅度较小，说明MgO电解质在低温区间依然能维持较高的离子电导率。

[0048] 本发明中重复如上步骤并制备获得5片电池片。如图7所示，各电池的性能波动幅度较小，这表明该燃料电池的性能具有较好的可重复性。[0049] 如图8所示，本发明的实施例中提供的燃料电池在500℃、100mAcm?2的定电流密度下仍可以持续稳定的运行，且工作电压维持在约0.9超过了100小时，其稳定性十分可观。[0050] 如上，说明本发明提供的宽禁带半导体电解质可有效降低固体氧化物燃料电池的操作温度。[0051] 以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。