專利名稱：熔融碳酸鹽燃料電池新型陽極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)新型陽極材料的制備方法。
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是一種能量利用效率高達(dá)85％以上，無污染，幾乎無噪音的新型一次電池。它以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，天然氣和煤造氣為原料，純鎳做陽極，氧化鎳做陰極，標(biāo)準(zhǔn)操作溫度650℃。它沒有CO氣體中毒問題，而且CO還可作為原料使用，亦不需要貴重金屬做催化劑。MCFC將作為21世紀(jì)的分散電站，部分取代火力發(fā)電的清潔發(fā)電裝置。美國和日本先后進(jìn)行了2MW和1MW功率的MCFC電堆實驗并達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。但是，MCFC亦然存在著陽極蠕變大，腐蝕嚴(yán)重；因陰極氧化鎳溶解，被氫還原生成枝晶發(fā)生短路；雙極板嚴(yán)重腐蝕等問題，嚴(yán)重影響著MCFC的壽命和能否實際應(yīng)用。因此，研制蠕變小、耐腐蝕的陽極材料是研制長壽命、大功率MCFC電站的關(guān)鍵材料之一。
本發(fā)明的目的是提供一種MCFC新型陽極材料的制備方法。由于MCFC在650℃運行40,000小時，才可能實際應(yīng)用。因此，要求陽極材料在高溫下長期使用時，蠕變要小、耐腐蝕，且電催化活性高。該方法選擇添加Al,Cu和混合稀土或Y的鎳基合金作為陽極材料。
加入Al可提高陽極材料的抗蠕變性，加入Cu可使陽極材料保持高的電催化活性，加入混合稀土或Y可提高陽極材料在高溫熔融碳酸鹽中的耐腐蝕性及細(xì)化晶粒，從而提高合金的強度，增加合金的抗蠕變能力。Ni是氫最好的電催化活性高的元素之一。因此，該方法制備的MCFC新型陽極材料具有高溫蠕變小、耐腐蝕、電催化活性高的特點。
本發(fā)明以市售純度為99.9％質(zhì)量(下同)的Ni,Al,Cu，混合稀土(RE)金屬或Ni,Al,Cu,Y金屬為原料?；旌舷⊥林懈飨⊥猎氐呐浞譃長a=19-21％,Ce=45-48％,Pr=9-11％,Nd=18-22％，稀土總量大于99％。按下式Ni100-x-y-zAlxCuy(RE或Y)z配比金屬制備合金。其中x=4-10％,y=2-6％,z=0.1-1.5％。在電弧爐真空度達(dá)1×10-3pa后，充入經(jīng)脫水、脫氧處理的4N氬氣至0.08Pa，用電弧熔煉3次，以保證合金成分均勻。用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重(g/cm2)；用重量法測定合金放入650℃的熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20-70小時后，單位面積的腐蝕增重(g/cm2)；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織，元素的分布和晶粒尺寸。
本發(fā)明提供的MCFC新型合金陽極材料，熱重分析測定合金在650℃、空氣中單位面積的氧化增重范圍是0.467×10-4g/cm2至0.588×10-4g/cm2，重量法測定合金放入650℃的熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20小時后，單位面積的腐蝕增重范圍是0.538×10-4g/cm2至4.683×10-4g/cm2,70小時后，單位面積的腐蝕增重范圍是21.275×10-4g/cm2至30.800×10-4g/cm2。用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織和晶粒尺寸。Al,Cu,RE或Y在Ni基體中分布均勻，形成固溶體，未見第二相生成。晶粒明顯細(xì)化且較均勻。稀土化合物偏聚在晶界，起到晶界強化作用。RE含量高達(dá)1.5％時，晶內(nèi)有極少量稀土夾雜物，晶粒較大且不均勻。
本發(fā)明提供的實施例如下
實施例1按Ni100-x-y-zAlxCuy(RE)z式，取x=4％,y=2％,z=0.1％。在電弧爐真空度達(dá)1×10-3Pa后，充入經(jīng)脫水、脫氧處理的4N氬氣至0.08Pa,用電弧熔煉3次，以保證合金成分均勻。用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重為0.497×10-4g/cm2；用重量法測定合金放入650℃熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20小時后，單位面積的腐蝕增重為1.538×10-4g/cm2,70小時后，單位面積的腐蝕增重為25.386×10-4g/cm2；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織和晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)晶粒較均勻，但晶粒較大。Al,Cu,RE在Ni基體中分布均勻，形成固溶體，未見第二相生成。
實施例2按Ni100-x-y-zAlxCuy(RE)z式，取x=10％,y=6％,z=1.5％。其余同實施例1。用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重為0.588×10-4g/cm2；用重量法測定合金放入650℃熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20小時后，單位面積的腐蝕增重為4.683×10-4g/cm2,70小時后，單位面積的腐蝕增重為30.800×10-4g/cm2；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織和晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)晶粒較大且不均勻。Al,Cu在Ni基體中分布均勻，形成固溶體，晶內(nèi)有極少量稀土夾雜物。
實施例3按Ni100-x-y-zAlxCuy(RE)z式，取x=6％,y=4％,z=0.75％。其余同實施例1。用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重為0.518×10-4g/cm2；用重量法測定合金放入650℃熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20小時后，單位面積的腐蝕增重為2.785×10-4g/cm2,70小時后，單位面積的腐蝕增重為23.346×10-4g/cm2,；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織和晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)晶粒較小且較均勻。未見晶內(nèi)有稀土夾雜物。稀土化合物偏聚在晶界，起到晶界強化作用。Al,Cu,RE在Ni基體中分布均勻，形成固溶體，未見第二相生成。
實施例4按Ni100-x-y-zAlxCuyYz式，取x=5.5％,y=1.5％,z=0.65％。其余同實施例1。用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重為0.467×10-4g/cm2；用重量法測定合金放入650℃熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20小時后，單位面積的腐蝕增重為0.538×10-4g/cm2,70小時后，單位面積的腐蝕增重為21.275×10-4g/cm2；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織和晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)晶粒明顯細(xì)化且較均勻。未見晶內(nèi)有稀土夾雜物。稀土化合物偏聚在晶界，起到晶界強化作用。Al,Cu,Y在Ni基體中分布均勻，形成固溶體，未見第二相生成。
權(quán)利要求
1．一種熔融碳酸鹽燃料電池新型陽極材料的制備方法，其特征在于以市售純度為99.9％質(zhì)量(下同)的Ni,Al,Cu，混合稀土(RE)金屬或Ni,Al,Cu,Y金屬為原料，混合稀土中各稀土元素的配分為La=19-21％,Ce=45-48％,Pr=9-11％,Nd=18-22％，稀土總量大于99％，按下式Ni100-x-y-zAlxCuy(RE或Y)z配比金屬制備合金，其中x=4-10％,y=2-6％,z=0.1-1.5％；在電弧爐真空度達(dá)1×10-3pa后，充入經(jīng)脫水、脫氧處理的4N氬氣至0.08Pa，用電弧熔煉3次；用熱重分析測定合金在650℃時單位面積的氧化增重(g/cm2)；用重量法測定合金放入650℃的熔融53K2CO3-47Li2CO3(mol)中20-70小時后，單位面積的腐蝕增重(g/cm2)；用掃描電鏡和金相，觀察合金的形貌組織，元素的分布和晶粒尺寸。
全文摘要
本發(fā)明以Ni,Al,Cu,混合稀土(RE)金屬或Y金屬為原料。按Ni
文檔編號H01M4/88GK1306314SQ00133098
公開日2001年8月1日 申請日期2000年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月14日
發(fā)明者趙敏壽, 孫長英 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所