一種熔融碳酸鹽燃料電池結構制造技術

本發明專利技術公開了一種新型的熔融碳酸鹽燃料電池結構，相對于傳統的熔融碳酸鹽燃料電池，其特點主要包括有序化隔膜和有序化電極。其特征在于所述的熔融碳酸鹽燃料電池，采用的隔膜和電極均具有有序化孔道結構，由于其本身具有有序的孔道結構，在其啟動過程中不再需要長時間的隔膜焙燒過程，大幅度減少了熔融碳酸鹽燃料電池的首次啟動時間。同時，其隔膜和電極的有序化孔道結構有利于反應物和生成物的物質傳輸，減少了傳質極化，有利于電池性能的提高。

【技術實現步驟摘要】
一種熔融碳酸鹽燃料電池結構
本專利技術涉及能源
燃料電池技術，具體涉及一種全新的熔融碳酸鹽燃料電池。
技術介紹
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）是一種高溫型燃料電池，工作溫度為650℃，其反應過程不同于熱機過程，因此能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制，效率可達50%～60%，電池反應產物僅為水，沒有污染物的排放。其還具有燃料電池清潔、高效、低噪、比功率高等共性優點，適宜用做分布式電站，目前已進入商業化前期。傳統的MCFC一般由電極、電解質隔膜、雙極板等關鍵部件組成。其中，傳統的電解質隔膜在電池的首次啟動過程中必須經過長時間的焙燒，使隔膜中的有機物揮發并燃燒，隔膜內部留下無序蜂窩狀孔道結構，熔融的碳酸鹽依靠毛細作用浸漬到燒結好的電解質隔膜微孔內，起到阻氣、傳導碳酸根離子的作用。隔膜一般采用α-LiAlO2或γ-LiAlO2作為隔膜原料，使用大量有機溶劑，經過球磨后形成均一漿料，然后帶鑄法成膜，厚度一般在0.7～1mm。，但是如果有機物不能得到充分焙燒，將形成積碳，影響電池性能。由于此種膜較厚，造成比較大的歐姆損失，導致電池性能較低。傳統的MCFC一般采用多孔鎳板作為電極，這種電極經過高壓壓制高溫燒結而成，厚度一般在0.4～0.6mm。由于其內部孔道也成無序蜂窩狀結構，再加上電極比較厚，因此不利于物質的傳輸，電極極化較大，導致電池性能較低。
技術實現思路
本專利技術的目的提供一種全新的熔融碳酸鹽燃料電池，這種全新的熔融碳酸鹽燃料電池和傳統的燃料電池相比具有諸多優點：（1）MCFC首次啟動過程不需要隔膜的長時間燒結過程，大大縮短了MCFC啟動時間。（2）新型MCFC隔膜的制備不需要使用大量的有機溶劑，減少了對環境的污染。（3）新型MCFC隔膜和電極均為有序化結構，更有利于物質的傳輸和反應界面的穩定，提高電池性能。（4）新型MCFC隔膜孔道結構為直行通孔結構，更有利于熔鹽的浸入和阻氣能力的提高，可以進一步提高電池的操作壓力，提高電池性能。（5）新型MCFC隔膜和電極厚度都較薄，進一步減少了歐姆電阻和電極極化損失，提高電池性能。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：采用技術已經非常成熟的多孔陽極氧化鋁（AAO）作為模板，首先制備出孔徑在50～600nm不等的AAO作為模板。有序化隔膜制備：采用孔徑在50～200nm的AAO作為模板，將此模板反復浸漬碳酸鋰飽和溶液，在烘箱中烘干，然后放置在平滑陶瓷板上，并在其上灑滿石英砂。然后將其放置于馬弗爐中，經過高溫焙燒形成有序化隔膜。有序化電極制備：采用孔徑在300～600nm的AAO作為模板，在真空條件下在AAO表面噴涂一層3～5nm厚的金層，然后將噴金的AAO模板在同樣在真空條件下浸入甲基丙烯酸甲酯單體溶液，以過氧化苯甲酰為聚合引發劑，在紫外線照射條件下生成聚甲基丙烯酸甲酯。然后用1～1.5mol/LNaOH溶液去除AAO模板，得到反向復制模板后進行電化學沉積Ni，去除聚甲基丙烯酸甲酯后便可得到有序化電極。另外，有序新型熔融碳酸鹽燃料電池是一個全新的概念，其是采用有序化隔膜和有序化電極分別替代傳統的隔膜和電極，從而在整體結構與運轉方面都有所不同，比如不需要隔膜長時間的焙燒過程。所以，在有序化隔膜和有序化電極制備的方法上，上面只提了簡單的兩個方法，相信隨著科技工作者的進一步研究，一定會開發出更多更好的方法來制備有序化隔膜和有序化電極。附圖說明圖1為新型熔融碳酸鹽燃料電池示意圖；1)有序化電極；2)有序化隔膜；圖2為有序化隔膜表面有序孔掃描電子顯微鏡下的照片；圖3為有序化隔膜直行孔道斷面圖；圖4為有序化電極制備路線圖；圖5為有序化電極掃描電子顯微鏡下的照片；具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細說明。實施例1：如圖1所示，本專利技術包括有序化隔膜1，有序化電極2。有序化隔膜1具有直行通孔孔道結構，孔徑為50～200nm，厚度為200～400um，材質為陶瓷材料α-LiAlO2。有序化隔膜1的制備過程如下：采用孔徑為50nm，厚度為300um的AAO作為基底，在飽和的碳酸鉀溶液中反復浸漬-提拉數次，然后置于80℃烘箱中8h。烘干后，將其放在平滑的陶瓷板上，其上覆蓋一層石英砂，置于馬弗爐中焙燒，焙燒程序如下：從室溫加熱10h至450℃、450℃保溫10h，再加熱6h至700℃、700℃保溫12h后降溫到室溫得到的有序化隔膜1的表面孔道掃描電子顯微鏡照片如圖2所示，有序化隔膜1的表面孔道呈六方形結構，孔徑約為50nm，且為長程有序結構。如圖3所示，可以看出隔膜斷面一道道溝紋，說明有序化隔膜1的斷面呈通孔結構，且孔道寬度約為50nm。有序化電極2的制備過程如圖4所示，采用復制-反向復制的方法制備，在真空條件下，在孔徑為200nm的AAO(圖4A)的一面采用真空氣相沉積一層3～5nm的Au（圖4B）。同樣在真空條件下浸入甲基丙烯酸甲酯單體溶液（5wt.%），以過氧化苯甲酰為聚合引發劑，在紫外線照射條件下生成聚甲基丙烯酸甲酯（圖4C）。然后用1～1.5mol/LNaOH溶液去除AAO模板（圖4D），得到反向復制模板后進行電化學沉積Ni（圖4E），在丙酮中去除聚甲基丙烯酸甲酯后便可得到有序化電極（圖4F）。如圖5所示，制備的有序化電極結構內部呈直行通孔結構，表面呈規則有序的六方形孔結構。實施例2：本專利技術所包括的有序化隔膜1的材質也可以為γ-LiAlO2，其制備過程如下：采用孔徑為100nm，厚度為300um的AAO作為基底，在飽和的碳酸鉀溶液中反復浸漬-提拉數次，然后置于80℃烘箱中8h。烘干后，將其放在平滑的陶瓷板上，其上覆蓋一層石英砂，置于馬弗爐中焙燒，焙燒程序如下：γ-LiAlO2：從室溫加熱10h至450℃、450℃保溫10h，再加熱6h至700℃、700℃保溫12h，在加熱5h至900℃、900℃保溫4h后降溫到室溫。將制備的有序化隔膜和有序化電極組裝電池進行電池評價，采用62mol%Li2CO3+38mol%K2CO3為電解質，陽極進氣為H2:CO2(160:40，ml/min),陰極進氣為O2:CO2(120:80,ml/min),得到比較好的電池性能，在電流密度為150mA/cm2時，輸出電壓為0.857V,輸出功率密度為131.25mW/cm2。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種熔融碳酸鹽燃料電池結構，包括隔膜及位于其兩側的平板狀電極，其特征在于：其隔膜是有序化隔膜，具有垂直于隔膜表面的、規則的通孔有序結構，通孔可以是六方六棱或圓形圓柱，有效孔徑在50～200nm之間，材質為陶瓷材料，隔膜厚度在200～400um之間；其電極為有序化電極，具有垂直于平板表面的、規則的通孔有序結構，通孔可以使六方或圓形孔道，孔徑在300～600nm之間，材質為Ni或NiO或其復合材料（復合材料：如LiCoO2包覆的NiO，或ZnO包覆的NiO），電極厚度在200～400um之間。

【技術特征摘要】
1.一種熔融碳酸鹽燃料電池結構，包括隔膜及位于其兩側的平板狀電極，其特征在于：其隔膜是有序化隔膜，具有垂直于隔膜表面的、規則的通孔有序結構，通孔是六方六棱或圓形圓柱，有效孔徑在50~200nm之間，材質為陶瓷材料，隔膜厚度在200~400μm之間；其電極為有序化電極，具有垂直于平板表面的、規則的通孔有序結構，通孔是六方或圓形孔道，孔徑在300~600nm之間，材質為Ni或NiO或復合材料，復合材料為LiCoO2包覆的NiO，或ZnO包覆的NiO，電極厚度在200~400μm之間。2.按照權利要求1所述的電池結構，其特征在于：所述隔膜材質為在室溫及650-700℃的高溫熔鹽電解質中可以穩定存在的陶瓷材料，所述陶瓷材料為LiAlO2，MgO或者MgO包覆的LiAlO2，LiAlO2為alpha型或gama型；所述熔鹽電解質為62mol%Li2CO3+38mol%K2CO3或52mol%Li2CO3+48mol%Na2CO3。3.按照權利要求1所述的電池結構，其特征在于：所述的有序化隔膜的材質為α-LiAlO2或γ-LiAlO2，其制備過程如下：1）首先采用二步陽極氧化法,以鋁片為工作電極，石墨為對電極，電極間距為2.5~5cm，以0.2~0.3mol/L的草酸溶液為電解質，氧化溫度為0~20℃，氧化電壓為20~45V，一次氧化時間為2~8h，在6wt.%H3PO4+1.8wt.%H2CrO4混合液中浸泡8~12h，清洗后進行二次氧化，與一次氧化條件相同，氧化時間為4~...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周利，王鵬杰，劉颯，邵志剛，衣寶廉，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21