專利名稱：用于熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)基體及其制造方法
用于熔融碳酸鹽燃料電池的 電解質(zhì)基體及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及用于熔融碳酸鹽燃料電池的電解 質(zhì)基體。
燃料電池是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將貯存在烴類燃料中的化學(xué)能直 接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。通常，燃料電池包含被電解質(zhì)隔開(kāi)的陽(yáng)極和陰 極，該電解質(zhì)用于傳導(dǎo)帶電離子。為了產(chǎn)生有效的功率水平，將許多 單個(gè)燃料電池串聯(lián)堆疊，并在各個(gè)電池之間具有導(dǎo)電隔板。
熔融碳酸鹽燃料電池("MCFC")通過(guò)使反應(yīng)物燃料氣體穿過(guò)陽(yáng) 極且同時(shí)使氧化氣體穿過(guò)陰極來(lái)工作。MCFC的陽(yáng)極和陰極通過(guò)浸滿碳 酸鹽電解質(zhì)的多孔電解質(zhì)基體相互隔離。該基體典型包含浸漬有熔融 堿金屬碳酸鹽電解質(zhì)的多孔未燒結(jié)Y-LiA102陶瓷粉末層(bed)，并 且提供了離子傳導(dǎo)和氣體密封。在MCFC工作期間，基體既經(jīng)受機(jī)械應(yīng) 力又經(jīng)受熱應(yīng)力，該機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力在基體中引起開(kāi)裂或缺陷。為 了提供有效的氣體密封，電解質(zhì)基體必須具有足夠的強(qiáng)度、機(jī)械完整 性和材料耐久性，以承受這些應(yīng)力，特別是在MCFC的熱循環(huán)期間。具 體地，在MCFC的熱循環(huán)期間，基體必須能夠適應(yīng)與碳酸鹽熔化和凝固 相關(guān)的體積變化，以便在長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)提供對(duì)跨基體的壓力差和對(duì)濕密 封保持壓力的耐受性，并且在MCFC的壽命內(nèi)必須具有緩慢的孔生長(zhǎng)或 沒(méi)有孔生長(zhǎng)。此外，基體必須具有足夠的孔隙率和亞微米孔分布，以 確保強(qiáng)的毛細(xì)作用力，從而有效地將電解質(zhì)保留在其孔內(nèi)，以防止電 極泛溢(flooding)和電解質(zhì)變千。
相應(yīng)地，開(kāi)發(fā)了多種用于增強(qiáng)電解質(zhì)基體和用于改善其電解質(zhì)保 留性的方法。例如，美國(guó)專利No. 4， 322， 482公開(kāi)了在基體中使用具有較大尺寸的"減裂劑(crack attenuator)，，顆粒，以減少基體的 貫通開(kāi)裂(through-cracking)。在轉(zhuǎn)讓給本文相同受讓人的美國(guó)專 利No. 5， 869， 203中，公開(kāi)了另 一種制造具有提高強(qiáng)度和改善均勻性 的電解質(zhì)基體的方法。該'203專利公開(kāi)了 一種制造包含陶瓷載體材料 和添加劑材料的電解質(zhì)基體的方法，該方法利用載體和添加劑材料的 高能強(qiáng)力研磨技術(shù)，以生產(chǎn)較小尺寸的高活性顆粒。具體地，通過(guò)向 載體材料的漿料中加入添加劑材料，并且研磨該漿料混合物，使得該 添加劑的顆粒尺寸小于0.5 nm，來(lái)實(shí)施'203專利的高能研磨技術(shù)。 然后通過(guò)條帶澆注(tape casting)技術(shù)由該漿料混合物形成基體。
'203專利的高能研磨技術(shù)在提高電解質(zhì)基體的強(qiáng)度和均勻性方 面是有效的。然而，使用包括'203專利中公開(kāi)的方法的常規(guī)方法制得 的基體的顆粒堆積(partical packing)和孔結(jié)構(gòu)受環(huán)境條件、且特 別是受濕度和條帶澆注加工期間的加工條件以及受基體原材料變化的 顯著影響。例如，增加的濕度導(dǎo)致不希望的非均勻基體孔結(jié)構(gòu)，其進(jìn)
條帶澆注加工對(duì)環(huán)i和加工條件以及對(duì)原材料變化的這種敏感性;常 導(dǎo)致電解質(zhì)基體的各種表面缺陷、開(kāi)裂和非均勻結(jié)構(gòu)。
因此本發(fā)明的目的是提供制造電解質(zhì)基體的改進(jìn)方法，所述電解 質(zhì)基體具有較高的強(qiáng)度、較大的顆粒堆積和改善的電解質(zhì)保留性。
本發(fā)明的又一目的是提供制造基體的方法，其中該基體對(duì)例如濕 度的環(huán)境因素、加工條件和原材料變化的敏感性較小。
發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明的原理，在制造用于承栽碳酸鹽電解質(zhì)的基體元件的 方法中實(shí)現(xiàn)了上述和其它目的，該方法包括提供碳酸鹽電解質(zhì)材料， 將該碳酸鹽電解質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)研磨以形成顆粒尺寸小于0. 3 jam的預(yù) 研磨碳酸鹽電解質(zhì)，提供載體材料，使用研磨技術(shù)將所述預(yù)研磨碳酸 鹽電解質(zhì)與載體材料混合以形成混合物，和將該混合物形成為基體元 件。提供碳酸鹽電解質(zhì)的步驟還包括將電解質(zhì)分散在預(yù)定量的分散 劑中，和對(duì)分散在分散劑例如魚油或者一種或多種Hypermer KD系列 聚合分散劑中的碳酸鹽電解質(zhì)進(jìn)行預(yù)研磨。分散劑的預(yù)定量等于碳酸 鹽電解質(zhì)重量的1-5%。載體材料為L(zhǎng)iA102而碳酸鹽電解質(zhì)材料為 Li2C03、〖20)3和Na2C03中的一種或多種。
該方法還可包括向預(yù)研磨的碳酸鹽電解質(zhì)和栽體材料的混合物 提供一種或多種添加劑組分，其中添加劑組分包括粘合劑和增塑劑中 的至少一種。Acryloid粘合劑和Santicize^增塑劑可用作添加劑組 分。通過(guò)如下步驟進(jìn)行基體元件的成形澆注該混合物然后干燥該澆 注混合物以形成條帶元件(tape element)，還可包括加熱該條帶元 件以便從該條帶元件除去分散劑。
還公開(kāi)了含有根據(jù)這種方法制備的電解質(zhì)基體的燃料電池。
附圖簡(jiǎn)述
結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，本發(fā)明的上述及其它特征和方 面將變得更為明顯，其中


圖1顯示了使用根據(jù)本發(fā)明原理的電解質(zhì)基體的熔融碳酸鹽燃料 電池；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明制造圖1的電解質(zhì)基體的方法的流程圖3顯示了使用圖2的方法制得的電解質(zhì)基體樣品和使用常規(guī)方 法制備的電解質(zhì)基體條帶的孔尺寸分布數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖4顯示了使用或不用電解質(zhì)的預(yù)研磨由不同類型的LiA102粉末 形成的電解質(zhì)基體樣品的彎曲強(qiáng)度的柱狀圖5顯示了使用圖2的方法由不同純度水平的LiA102形成的電解 質(zhì)基體樣品的孔尺寸分布的坐標(biāo)圖6顯示了在不同濕度水平下測(cè)得的電解質(zhì)基體樣品的孔尺寸分 布數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖；和
圖7顯示了常規(guī)MCFC和使用圖2的方法制得的電解質(zhì)基體的MCFC 的設(shè)計(jì)MCFC壽命的坐標(biāo)圖。發(fā)明詳述
圖1顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的原理制備的電解質(zhì)基體2的熔融碳 酸鹽燃料電池1。燃料電池1還包括被基體2相互隔開(kāi)的陽(yáng)極3和陰 極4。將燃料氣體供應(yīng)給陽(yáng)極3，并且將氧化劑氣體供應(yīng)給陰極4。在 該燃料電池中，這些氣體在電解質(zhì)基體2的孔中存在的熔融碳酸鹽的 存在下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
基體2包含栽體材料、 一種或多種添加劑組分和碳酸鹽電解質(zhì)。 載體材料包含具有亞微米顆粒尺寸的多孔陶瓷材料。在該說(shuō)明性實(shí)施 例中，使用包括Y-LiA102、 oc-LiA102和P-LiA102的LiA102作為載體 材料。添加劑組分可包括粘合劑、增塑劑和其它合適的材料。電解質(zhì) 位于栽體材料的孔中，并且包含堿金屬碳酸鹽(alkali carbonate) 例如Li2C03、 K2C03或Na2C03。應(yīng)當(dāng)理解的是，其它材料可適合用于燃 料電池的電解質(zhì)基體2。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理制造圖l的基體2的方法的流程圖。 正如所示，在該方法的第一步驟SIOI中，將碳酸鹽電解質(zhì)預(yù)研磨，使 得所得的預(yù)研磨電解質(zhì)的平均顆粒尺寸等于或小于陶乾栽體材料的平 均顆粒尺寸。以這種方式，當(dāng)在該方法另外的步驟中將電解質(zhì)與載體 材料進(jìn)行混合時(shí)，碳酸鹽電解質(zhì)顆粒的總表面積將等于或大于載體材 料顆粒的總表面積。具體地，碳酸鹽電解質(zhì)的期望平均顆粒尺寸應(yīng)小 于0. 3 jim。
在該方法的第一步驟S101中，可使用任何常規(guī)的研磨方法用于預(yù) 研磨碳酸鹽電解質(zhì)，其包括但不限于碾磨(attriUonmilling)和球 磨?？蓛?yōu)化預(yù)研磨條件例如磨制介質(zhì)材料、磨制介質(zhì)的尺寸及裝填量 和磨制速度，以便獲得期望的預(yù)研磨電解質(zhì)的平均顆粒尺寸以及期望 的顆粒尺寸分布。
另外，可在分散劑的存在下來(lái)完成碳酸鹽電解質(zhì)的預(yù)研磨。使用 分散劑來(lái)分散電解質(zhì)，以便防止電解質(zhì)顆粒的再團(tuán)聚。分散劑例如魚 油和一種或多種Hypermer KD系列聚合分散劑適合于在預(yù)研磨加工期間分散電解質(zhì)。可基于預(yù)研磨電解質(zhì)的目標(biāo)表面積來(lái)改變所使用的分 散劑的量
在該方法的第二步驟S102中，將預(yù)研磨電解質(zhì)與載體材料混合， 其將形成圖1中所示制得的電解質(zhì)基體2的本體(body)。載體材料 通常包含陶乾材料例如LiA102。
在第三步驟S103中，將第二步驟S102中制備的混合物研磨持續(xù) 預(yù)定的時(shí)間段，以破碎混合物中存在的任何團(tuán)塊和形成具有載體材料 顆粒和電解質(zhì)顆粒的漿料，其中所述栽體材料顆粒和電解質(zhì)顆粒均勻 分散在整個(gè)漿料中?？墒褂萌魏纬Ｒ?guī)研磨方法例如碾磨、球磨和流能 磨制來(lái)完成混合物的研磨。
在第四步驟S104中，可向步驟S103中制備的漿料添加有機(jī)添加 劑，以防止使用該方法制備的基體2的開(kāi)裂。具體地，當(dāng)基體用于燃 料電池時(shí)，在工作期間，由于增加的基體總表面積可能發(fā)生基體的開(kāi) 裂。這些添加劑可包括粘合劑和增塑劑。例如，acryloid粘合劑和 Santicize,160增塑劑適合用作有待添加到漿料中的有機(jī)組分。添加 到漿料中的有機(jī)添加劑的量可以占漿料的全部固體組分即電解質(zhì)、載 體材料和添加劑的約10-30重量％。
在基體制造方法的第五步驟S105中，將第二步驟S104中與有機(jī) 添加劑混合的漿料形成一個(gè)或多個(gè)電解質(zhì)基體元件。可通過(guò)任何適宜 的常規(guī)技術(shù)來(lái)形成電解質(zhì)基體元件。條帶澆注(tape cast)是用于形 成基體元件的優(yōu)選技術(shù)，其中使用刮板將漿料條帶澆注且然后將其干 燥。干燥的條帶澆注漿料產(chǎn)生平坦和柔性的生坯帶，該生坯帶具有接 近于理論的剛澆注生坯密度和接近于0%的生坯孔隙率。該生坯帶然后 進(jìn)行燒盡工序，在該燒盡工序期間，將坯帶加熱至預(yù)定溫度持續(xù)預(yù)定 的時(shí)段，以通過(guò)燃燒除去分散劑并且產(chǎn)生成品電解質(zhì)基體元件?？梢?識(shí)到的是，可由漿料制備出多個(gè)生坯帶，以形成多重成品基體元件。
成品基體元件包含由載體材料形成的陶瓷基體2，碳酸鹽電解質(zhì) 顆粒分散在該基體中。碳酸鹽電解質(zhì)顆粒限定了基體中的孔尺寸，當(dāng) 該基體元件用于燃料電池時(shí)，基體孔中的電解質(zhì)在燃料電池工作期間熔化，形成液態(tài)電解質(zhì)，該液態(tài)電解質(zhì)通過(guò)孔的毛細(xì)作用力而^c保留
在基體中。
使用上述方法的電解質(zhì)的最佳組分和制造將取決于燃料電池的具 體應(yīng)用和要求。下文描述制造電解質(zhì)基體的說(shuō)明性實(shí)施例。
實(shí)施例1
在該說(shuō)明性實(shí)施例中，使用LiA102作為基體中的載體材料，Li2C03 為電解質(zhì)材料。使用圖2中所顯示并且上文所述的方法來(lái)制造填充有 根據(jù)本發(fā)明的電解質(zhì)的基體元件。在第一步驟SIOI中，將Li2C03預(yù)研 磨成平均顆粒尺寸小于0. 3微米，且優(yōu)選為0. 1-0. 2微米。由于LiA102 顆粒的典型表面積為10m7g,因此預(yù)研磨"20)3顆粒的期望表面積為 約10m7g。在該步驟中，在魚油分散劑的存在下將Li2C03預(yù)研磨，以 防止Li2C03顆粒在預(yù)研磨步驟之后再團(tuán)聚。在該步驟中所使用的魚油 的量等于LhC03重量的約1-5%。在這種情況下，利用碾磨技術(shù)將1^20)3 預(yù)研磨成0. 1-0. 2微米的顆粒尺寸，所述碾磨技術(shù)使用了球尺寸為2-6 mm的YTZ②磨制介質(zhì)。磨制介質(zhì)的裝填量為60-80%，優(yōu)選為70%，且磨 制速度為2000-3000 rpm。
在第二步驟S102中，將預(yù)研磨Li2C03與載體材料LiA102混合， 并且在第三步驟S103中將得到的混合物研磨約2小時(shí)，以形成漿料。 在步驟S103中，利用碾磨技術(shù)。在該步驟期間，將混合物中存在的任 何團(tuán)塊破碎，并且將Li2C03和LiA102顆粒均勻分散在整個(gè)漿料中。
在接下來(lái)的步驟Sl04中，將包括粘合劑和增塑劑的添加劑加入到 該漿料中。在該實(shí)施例中，使用acryloid粘合劑和Santicizer⑧160 增塑劑作為添加劑。在該實(shí)施例添加到漿料中的這些添加劑的量為漿 料的所有固體組分即Li2C03、 LiA102和添加劑的重量的約21%。然后使 用條帶澆注技術(shù)將漿料與添加劑的混合物形成電解質(zhì)基體元件。具體 地，使用刮板將漿料條帶澆注，然后在約60TC下干燥0. 5小時(shí)，形成 多個(gè)生坯帶。然后將這些坯帶加熱至約400t;持續(xù)約2小時(shí)，以通過(guò) 燃燒除去魚油分散劑并且產(chǎn)生成品電解質(zhì)基體元件。使用上述方法制造的電解質(zhì)基體元件具有改良的顆粒堆積、獨(dú)特 的窄孔尺寸分布和顯著改善的機(jī)械強(qiáng)度。與常規(guī)電解質(zhì)基體相比，這 些電解質(zhì)基體元件的孔結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，具有更小的平均孔尺寸和更窄
的孔尺寸分布。更小的平均孔尺寸和更窄的孔尺寸分布導(dǎo)致在MCFC 熱循環(huán)期間基體的改良的強(qiáng)度和耐久性，并且導(dǎo)致基體更大的電解質(zhì) 保留性。
圖3顯示了使用圖2的方法制備的電解質(zhì)基體條帶、和使用'203
圖。使用這些方法中的任一種制備^基體條帶是由相同的組分形:。 具體地，使用LiA102作為基體條帶的栽體材料并且使用"2003作為電 解質(zhì)。在圖3中，X軸代表基體的孔尺寸(以微米計(jì))，而Y軸代表 累積孔體積(mL/g)的對(duì)數(shù)微分(log differential)。
正如所示，常規(guī)基體條帶具有孔尺寸范圍為0. 04-0. 6微米的寬雙 峰孔尺寸分布。常規(guī)條帶頻繁出現(xiàn)孔尺寸為約0.5微米的較大孔以及 大量孔尺寸為約0. 14微米的較小孑L。相比之下，使用圖2的利用Li2C03 的預(yù)研磨的方法制造的基體條帶，具有孔尺寸范圍為0. 04-0. 3微米的 顯著更窄的單峰孔尺寸分布。這些基體條帶中峰值數(shù)量(peak number ) 的孔具有約0. W微米的孔尺寸。從圖3中可看出，電解質(zhì)基體制造期
間的Li2C03預(yù)研磨致使該基體具有更小和更均勻的孔尺寸。具體地，
可以看出，大部分孔尺寸為約0. 5微米的較大孔被從基體中消除。在 基體孔隙率的均勻性方面以及在基體平均孔尺寸的降低方面的這些改
進(jìn)，對(duì)于基體的機(jī)械完整性和對(duì)于電解質(zhì)保留性是重要的。
測(cè)試了用不同類型LiA102形成并且使用常規(guī)方法或圖2的方法制 備的電解質(zhì)基體條帶樣品的彎曲強(qiáng)度。圖4顯示了使用或不使用Li2C03 的預(yù)研磨由不同類型LiA102粉末形成的基體條帶的彎曲強(qiáng)度的柱狀 圖。正如所示，用純度為94%、 一次顆粒尺寸為0. 15微米且表面積為 10 m7g的a-LiA102 (粉末A)以及用純度為96%、 一次顆粒尺寸為 0. ll微米且表面積為11 m7g的ot-LiA102 (粉末B)形成的常規(guī)電解 質(zhì)基體樣品的彎曲強(qiáng)度分別為大約380 psi和400 psi。還如所示，使用圖2的方法用粉末A制備的電解質(zhì)基體樣品的彎曲強(qiáng)度為約625 psi，使用圖2的方法用粉末B制備的電解質(zhì)基體樣品的彎曲強(qiáng)度為約 680psi，并且使用圖2的方法用純度為100%、 一次顆粒尺寸為O.l微 米且表面積為18 m7g的ot-LiA102 (粉末C)制備的樣品的彎曲強(qiáng)度 為約730 psi。因此可以看出，"20)3的預(yù)研磨致使電解質(zhì)基體的彎曲 強(qiáng)度顯著增加，從而改善了電解質(zhì)基體在MCFC工作和熱循環(huán)期間的機(jī) 械完整性。
還測(cè)試了 LiA102載體材料的純度和表面積在使用上述方法(使用 Li2C03的預(yù)研磨)制造的電解質(zhì)基體樣品中的影響。用具有94%純度(粉 末A)、 96%純度(粉末B)或100%純度(粉末C)的LiA102粉末來(lái)形成用 于這些測(cè)試的電解質(zhì)基體樣品。粉末A、粉末B和粉末C的表面積分 別為10 m7g、 11 m7g和18 m7g。圖5顯示了所測(cè)試的電解質(zhì)基體 樣品的孔尺寸分布數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖。在圖5中，X軸代表孔尺寸(以微 米計(jì))，而Y軸代表出現(xiàn)的相對(duì)頻率。
正如所示，用粉末A制備的電解質(zhì)基體樣品具有0. 08 - 0. 5微米 的孔尺寸分布，出現(xiàn)頻率最高的孔在0. 1 - 0. 3微米的孔尺寸范圍內(nèi)。 用粉末B或粉末C制備的電解質(zhì)基體樣品具有0. 05 - 0. 2微米的孔尺 寸分布。用粉末B制備的樣品中的大部分孔具有約0. 1微米的孔尺寸。 在用粉末C制備的樣品中，出現(xiàn)頻率最高的孔尺寸為0. 07 - 0. 2微米。 可以看出，樣品制造過(guò)程中Li2C03的預(yù)研磨消除了雙峰孔尺寸分布， 而與LiA102載體材料的純度無(wú)關(guān)，并且導(dǎo)致各個(gè)樣品中的更窄因而更 加均勻的孔尺寸分布。
還測(cè)試了在條帶澆注步驟S104期間環(huán)境濕度對(duì)使用圖2的方法制 備的電解質(zhì)基體樣品中孔尺寸分布的影響。在27%和57%的濕度水平下 用LiA102載體材料形成電解質(zhì)基體樣品。
圖6顯示了在這些濕度水平下形成的電解質(zhì)基體樣品601-604的 孔尺寸分布數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖。使用條帶澆注技術(shù)在27%的相對(duì)濕度下用 具有94%純度的LiA102粉末(粉末A)形成每個(gè)樣品601、 602和603， 而通過(guò)條帶澆注在57^的相對(duì)濕度下用粉末A形成樣品604。正如所示，樣品601-604的每一個(gè)的孔尺寸分布為0.03-0.3,峰值的孔具有約 0. 19微米的尺寸。當(dāng)將條帶澆注加工期間的濕度由27%增加至57%時(shí)， 成品基體元件的孔尺寸分布與在27%濕度下形成的樣品的孔尺寸分布 保持大致相同。因此，可看出的是，條帶澆注加工期間的環(huán)境濕度對(duì) 使用圖2的方法制造的成品電解質(zhì)基體樣品的孔尺寸分布幾乎沒(méi)有或 者沒(méi)有影響，且因此對(duì)其機(jī)械完整性和電解質(zhì)保留性特性幾乎沒(méi)有或 者沒(méi)有影響。
可意識(shí)到的是，MCFC的壽命受多種因素影響，包括電解質(zhì)損失、 基體的變干、基體的強(qiáng)度及其氣體密封能力。具體地，常規(guī)電解質(zhì)基 體中尺寸大于0.3的孔導(dǎo)致貯存在基體中的電解質(zhì)損失約30%。相應(yīng) 地，根據(jù)本發(fā)明制造的基體的更小的孔和更加均勻的孔隙結(jié)構(gòu)顯著減 少電解質(zhì)從基體的損失，這防止了基體變干和燃料及氧化劑氣體的可 能的橫穿(cross over)。此外，按照?qǐng)D2所示制備的電解質(zhì)基體的 改良強(qiáng)度和特性顯著降低了基體開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明制造 的電解質(zhì)基體的改進(jìn)增加了 MCFC的工作壽命。
圖7顯示了使用常規(guī)電解質(zhì)基體的單體電池MCFC和MCFC堆、以 及使用圖2的方法制備的電解質(zhì)基體的單體電池MCFC和堆的設(shè)計(jì) MCFC壽命的坐標(biāo)圖。在圖7中，X軸代表燃料電池的壽命(以小時(shí)計(jì))， 而Y軸代表燃料電池的實(shí)際電解質(zhì)填充水平，基于電池中"20)3電解 質(zhì)的填充水平來(lái)確定MCFC和堆的壽命，MCFC工作所需的最小電解質(zhì) 填充水平為約75%。正如所示，在常規(guī)單體電池MCFC 701中，在工作 約3500小時(shí)后達(dá)到最小電解質(zhì)填充水平，該工作時(shí)間代表常規(guī)單體電 池MCFC的設(shè)計(jì)壽命。利用由圖2的方法制造的電解質(zhì)基體的單體電池 MCFC 702的設(shè)計(jì)壽命增加至約6900小時(shí)，這是因?yàn)檫@些電池的改良 的電解質(zhì)保留性。對(duì)于MCFC堆，可看到設(shè)計(jì)壽命的類似增加。具體地， 常規(guī)MCFC堆703的壽命為約14000小時(shí)，而具有使用電解質(zhì)的預(yù)研磨 制備的基體的MCFC堆704的壽命為約28000小時(shí)。從這些結(jié)果可看出， 根據(jù)本發(fā)明制造的電解質(zhì)基體的改善的電解質(zhì)保留性，導(dǎo)致MCFC電池 和堆的壽命幾乎加倍.基體強(qiáng)度的改善和基體開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的降低還有助于延長(zhǎng)MCFC的壽命。
在所有情況下應(yīng)當(dāng)理解的是，上述配置僅僅是代表本發(fā)明應(yīng)用的 許多可能具體實(shí)施方案的舉例說(shuō)明。在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的 情況下，根據(jù)本發(fā)明的原理能夠容易地設(shè)計(jì)出許多和不同的其它配置。
權(quán)利要求
1. 制備用于承載碳酸鹽電解質(zhì)的基體元件的方法，包括提供碳酸鹽電解質(zhì)材料；將所述碳酸鹽電解質(zhì)材料預(yù)研磨以形成顆粒尺寸小于0.3微米的預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)；提供載體材料；使用研磨技術(shù)將所述預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)與所述載體材料混合以形成混合物；和將該混合物形成基體元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的制備基體元件的方法，其中所述栽體材料為 LiA102。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的制備基體元件的方法，其中所述碳酸鹽電解 質(zhì)材料為L(zhǎng)i2C03、 K2C03和Na2C03中的一種或多種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的制備基體元件的方法，其中提供所述碳酸鹽 電解質(zhì)包括將所述電解質(zhì)分散在預(yù)定量的分散劑中，和對(duì)分散在所述 分散劑中的所述碳酸鹽電解質(zhì)進(jìn)行所述預(yù)研磨。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的制備基體元件的方法，其中所述分散劑的所 述預(yù)定量等于碳酸鹽電解質(zhì)重量的1-5%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的制備基體元件的方法，其中所述分散劑是魚 油和Hypermer KD系列聚合分散劑中的一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的制備基體元件的方法，其中所述方法還包括 向所述預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)與所述栽體材料的混合物提供至少 一種添加劑組分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的制備基體元件的方法，其中所述添加劑組分 包括粘合劑和增塑劑中的至少 一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的制備基體元件的方法，其中所迷粘合劑包含 acryloid粘合劑，且所述增塑劑包含Sant icizer 160增塑劑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的制備基體元件的方法，其中所述基體元件 的所述形成包括澆注所述混合物且然后干燥所述澆注的混合物以形成 條帶元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的制備基體元件的方法，其中所述形成還包 括加熱所述條帶元件以便從所述條帶元件除去所述分散劑。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的制備基體元件的方法，其中所述碳酸鹽電 解質(zhì)的所述預(yù)研磨包括將所述電解質(zhì)預(yù)研磨成0. 1-0. 2微米的顆粒尺 寸。
13. 根據(jù)權(quán)利要求13的制備基體元件的方法，其中所述栽體材料 的表面積為10 m7g且所述預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)的表面積為8 m2/g。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的制備基體元件的方法，其中所述碳酸鹽電 解質(zhì)的所述預(yù)研磨包括碾磨。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的制備基體元件的方法，其中使用球尺寸為 2-6 mm的丫12@磨制介質(zhì)在60-80%的磨制介質(zhì)裝填量下進(jìn)行所述碾磨， 且磨制速度為2000-3000 rpm。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的制備基體元件的方法，其中所述磨制介質(zhì) 裝填量為70%。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的制備基體元件的方法，其中提供所述碳 酸鹽電解質(zhì)包括將所述電解質(zhì)分散在預(yù)定量的分散劑中，和對(duì)分散在 所述分散劑中的所述碳酸鹽電解質(zhì)進(jìn)行所述預(yù)研磨；所述基體元件的 形成包括澆注所述混合物，然后干燥所述澆注的混合物以形成條帶元 件，包括加熱所述條帶元件以便從所述條帶元件除去所述分散劑；其 中所述碳酸鹽電解質(zhì)為L(zhǎng)i2C03，且所述分散劑為魚油，且其中所述基 體元件的所述加熱包括將所述元件加熱至4001C持續(xù)2小時(shí)。
18. 燃料電池，包含 陽(yáng)極部分； 陰極部分；置于所述陽(yáng)極部分和所述陰極部分之間的電解質(zhì)基體，所述電解 質(zhì)基體至少包含載體材料；和位于所述基體內(nèi)的碳酸鹽電解質(zhì)；其中通過(guò)對(duì)碳酸鹽電解質(zhì)材料進(jìn)行預(yù)研磨以形成顆粒尺寸小于 0.3微米的預(yù)研磨電解質(zhì)，使用研磨技術(shù)將所述預(yù)研磨電解質(zhì)與所述 栽體材料混合以形成混合物，并將所述混合物形成為所述電解質(zhì)基體， 從而形成所述基體。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池，其中所述載體材料為L(zhǎng)iA102， 且所述碳酸鹽電解質(zhì)材料為L(zhǎng)i2C03、 K2C03和Na2C03中的一種或多種。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池，其中所述碳酸鹽電解質(zhì)材料分 散在預(yù)定量的分散劑中，并且在所述分散劑中進(jìn)行所述碳酸鹽電解質(zhì) 的預(yù)研磨。
21. 根據(jù)權(quán)利要求22的燃料電池，其中通過(guò)如下方式將所述混合 物形成為所述電解質(zhì)基體澆注所述混合物，干燥所述混合物以形成 條帶元件，和加熱所述條帶元件以便除去所述分散劑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的燃料電池，其中所述電解質(zhì)基體還包含添 加劑組分，在形成所述電解質(zhì)基體之前，將所述添加劑組分與所述預(yù) 研磨電解質(zhì)和所述栽體材料的所述混合物混合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的燃料電池，其中所述添加劑組分包括粘合 劑和增塑劑中的至少一種。
24. 根據(jù)權(quán)利要求24的燃料電池，其中所述粘合劑包含acry 1 o id 粘合劑，且所述增塑劑包含Santicize, 160增塑劑。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的燃料電池，其中所述碳酸鹽電解質(zhì)是Li2C03且所述分散劑為魚油，且其中使用所述碾磨、球磨和流能磨制中的一種進(jìn)行所述Li2C03的所述預(yù)研磨，且其中所述分散劑的量等于 碳酸鹽電解質(zhì)重量的1-5%。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的燃料電池，其中所述預(yù)研磨是使用球尺寸 為2-6 mm的YTZ⑧磨制介質(zhì)在60-80%的磨制介質(zhì)裝填量下進(jìn)行的碾磨， 且磨制速度為2000-3000 rpm，且其中所述條帶元件的所述加熱包括 將所述元件加熱至400r持續(xù)2小時(shí)。
全文摘要
制備用于承載碳酸鹽電解質(zhì)的基體元件的方法，包括提供碳酸鹽電解質(zhì)材料，將該碳酸鹽電解質(zhì)材料預(yù)研磨以形成顆粒尺寸小于0.3微米的預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)，提供載體材料，使用研磨技術(shù)將該預(yù)研磨碳酸鹽電解質(zhì)與載體材料混合以形成混合物，和將該混合物形成為基體元件。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101443942SQ200680013672
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者喻肇宜, 徐耕夫 申請(qǐng)人:燃料電池能有限公司