專利名稱：含水電極粘合劑和電極及包括其的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及用于制造電極的含水粘合劑組合物和漿液，該電極可用于例如熔融碳酸鹽燃料電池的燃料電池。
背景技術(shù)：
電極，例如一般用于燃料電池的那些電極，一般可通過將填充粉末和包括揮發(fā)性溶劑的粘合劑溶液相結(jié)合而形成。然后，蒸發(fā)揮發(fā)性溶劑以產(chǎn)生電極。一般用于粘合劑溶液的溶劑包括可燃液體，例如乙醇、甲乙酮、或環(huán)己烷，或其它這種可燃溶劑，或可燃溶劑的組合。在干燥過程中，來自溶劑的蒸氣釋放存在對工作場所存在危害，這要求用于包含、收集和循環(huán)或焚燒該溶劑的系統(tǒng)。由于存在可燃蒸氣與無保護(hù)的電器設(shè)備或暴露的人員相接觸的可能，因而這種蒸氣排放進(jìn)入環(huán)境是不期望的。此外，地方、州、和聯(lián)邦政府控制這類溶劑的空氣排放。因而，由于需要安全去除蒸氣的設(shè)備，生產(chǎn)電極的總成本和困難是巨大的。因此，在本領(lǐng)域需要避免與電極制造中的揮發(fā)性溶劑的使用有關(guān)的成本和健康危害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式涉及含水組合物及其在制造電極中的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供包括水和至少一種聚合物的組合物作為含水粘合劑混合物，該含水粘合劑混合物可為溶液或懸浮液形式。含水粘合劑混合物一般與一種或多種金屬相結(jié)合以產(chǎn)生用于形成電極的漿液。由于本發(fā)明的含水粘合劑混合物包括水作為粘合劑混合物的主要液體組分，與一般作為現(xiàn)有技術(shù)粘合劑混合物的主要液體組分且可產(chǎn)生健康危害或難以使用或使用成本高的揮發(fā)性溶劑相比，本發(fā)明的含水粘合劑混合物比現(xiàn)有技術(shù)粘合劑混合物具有優(yōu)勢。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的含水粘合劑混合物包括高達(dá)混合物的約80重量％的量的水，其與一種或多種聚合醇、非-聚合醇、水溶性樹脂、干燥減速劑、水溶性堿金屬鹽、和消泡劑相結(jié)合。基于本公開內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以找出其它可用于粘合劑混合物的成分。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式，通過將聚合醇和水混合以形成第一組合物進(jìn)行制備含水粘合劑混合物。通過將非-聚合醇和水溶性樹脂及水進(jìn)行混合制備第二組合物。然后，將第一和第二組合物混合在一起。如果期望，可以添加一種或多種干燥減速劑或消泡劑?？梢源罅可a(chǎn)含水粘合劑并貯存至需要進(jìn)行電極制造。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，含水粘合劑混合物與一種或多種粉末形式的金屬進(jìn)行結(jié)合以生產(chǎn)漿液。金屬為可用于電極制造的類型，例如通常稱為″過渡金屬″的金屬。漿液還可以包括將含有獲得的電極的燃料電池的電解質(zhì)體系的至少一種組分。根據(jù)該實施方式，獲得的電極能夠向電解質(zhì)體系提供電解質(zhì)組分，在燃料電池操作期間，該組分從電解質(zhì)體系中消耗。例如，如果通過電極中的粉末金屬的鋰化，消耗電解質(zhì)體系的組分，然后電極將能夠向電解質(zhì)體系提供組分。
然后，可以將獲得的漿液放進(jìn)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的電極鑄造設(shè)備中以生產(chǎn)具有期望尺寸的鑄造電極。然后，一般使用例如通風(fēng)室的干燥室以蒸發(fā)鑄造電極的含水液體粘合劑組分來干燥鑄造電極。由于鑄造電極的含水液體粘合劑組分包括至少約80％水，在通風(fēng)干燥室中較少或沒有發(fā)生其它液體組分(例如揮發(fā)性或有毒液體)累積。結(jié)果，在通風(fēng)干燥室的通風(fēng)系統(tǒng)中不需要溶劑收集和/或焚燒設(shè)備。干燥后，可以檢測鑄造電極的厚度公差和/或其它期望的物理性能。
然后，將由干燥過程獲得的電極結(jié)合進(jìn)燃料電池中。取決于粉末金屬顆粒形狀，電極可能需要進(jìn)行壓實以獲得電極的期望孔隙率。例如，某些優(yōu)選粉末金屬(常用于制造陰極電極的粉末金屬)，可以由薄片聚集成的球體組成，該球體隨后連接為線型，而其它優(yōu)選粉末金屬(常用于制造陽極電極的粉末金屬)，由球體組成。在帶型鑄造和干燥期間，球狀粉末常壓實至期望的最終使用密度和孔隙率，而由于單獨顆粒的不規(guī)則形狀，片狀粉末在帶型鑄造和干燥期間，一般不完全壓實。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，在接受集電器(例如普通轉(zhuǎn)讓美國專利No.6,383,677中公開的集電器)的同時對電極(例如陰極電極或任選陽極電極)進(jìn)行壓實，全部公開內(nèi)容作為參考文獻(xiàn)在此引入。壓延機型軋機/集電器涂布器設(shè)備一般用于壓實電極至壓實厚度公差。優(yōu)選預(yù)先確定壓實厚度公差以優(yōu)化電極的催化。向集電器上壓實電極可以提供雙-孔隙率電極。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于制造電極的新型水基粘合劑配方，其可以避免在燃料電池電極制造中，與揮發(fā)性且往往有毒的溶劑一起工作的健康危害和困難。
根據(jù)下列結(jié)合附圖和權(quán)利要求的描述，本發(fā)明某些實施方式的其他目的、特點和優(yōu)點將變得更加充分明晰。


在對下列某些優(yōu)選實施方式進(jìn)行詳細(xì)描述的過程中，將參照下列附圖，其中，圖1說明了未燃燒帶型鑄造陰極電極的橫截面；圖2說明了熔融碳酸鹽燃料電池的元件的相對孔結(jié)構(gòu)；圖3說明了陰極/集電器組件的等距視圖；和圖4說明了組裝集電器的雙-孔隙率陰極電極的橫截面。
具體實施例方式
可特別應(yīng)用本發(fā)明的要素以提供用于制造各種期望構(gòu)造燃料電池電極的水基粘合劑配方。該水基粘合劑配方包括一種或多種下列與水相結(jié)合的成分聚合醇、非聚合醇、水溶性樹脂、干燥減速劑、水溶性堿金屬鹽、和消泡劑。基于本公開內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以找出其它可用于粘合劑混合物的成分。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，含水粘合劑包括至少一種懸浮在基本為水基的溶劑中的聚合物，例如，如水的含水溶劑。一般將聚合物加入到溶劑中，可以使用很多方法將聚合物懸浮在溶劑中，這些方法包括，但不限于，混合、旋渦、攪拌、聲處理等。在某些實施方式中，聚合物可以溶解在溶劑中，而在其它實施方式中，聚合物最低限度地可溶于溶劑中或不溶于溶劑中。取決于聚合物的特性和物理性能，得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇適宜的溶劑來懸浮聚合物。示例性的聚合物包括，但不限于，例如聚乙烯醇的聚合醇。對于得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員，其它適宜的聚合物是顯而易見的。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，溶劑的最大組分優(yōu)選為水。即，按重量，溶劑的最大組分為水。在某些實施方式中，溶劑包括至少約75重量％水，更優(yōu)選至少約80重量％水且最優(yōu)選至少約90重量％水，例如，至少約95重量％水。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到，存在溶劑于中的水量一般取決于溶劑的預(yù)期用途和/或加入溶劑中的其它組分的物理性能。例如，當(dāng)期望使易溶于水的第一聚合物溶液化時，水量(重量)高，例如，高于90重量％。然而，如果第二聚合物不像第一聚合物那樣可溶，溶劑中的水量降低，例如，可以將包括約75重量％水的溶劑與溶劑的額外的液體組分相結(jié)合，例如揮發(fā)性液體。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力選擇含水粘合劑的溶劑中所包括的適宜水量。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑一般還包括至少一種非-聚合醇?？梢栽诰酆衔锾砑雍?、聚合物添加前或聚合物添加同時，加入非-聚合醇。非-聚合醇包括伯醇、仲醇和叔醇，其中優(yōu)選不包括重復(fù)單體單元。這種非-聚合醇包括，但不限于，低分子量和/或低沸點烴基醇類，例如甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、2-丁醇、叔丁醇等，具有一個或多個苯基的醇類，例如，苯酚，和其它非聚合醇類。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇適宜的非-聚合醇的量。向溶劑中加入約1重量％-約5重量％的非-聚合醇。非-聚合醇可以使用在此所述的任何混合設(shè)備，與含水粘合劑的其它組分相混合，該混合設(shè)備例如，機械混合器、渦流混合器、超聲混合器等。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑還可以包括至少一種水溶性樹脂。該水溶性樹脂優(yōu)選為聚合水溶性樹脂，包括水溶性的離子和非離子樹脂，水溶性的天然和合成樹脂，等。如果在約100mL水中溶解至少約1g樹脂，則認(rèn)為樹脂是水溶性的。描述了許多可用的水溶性樹脂，例如，Water-SolubleResins，Second Edition by Ernest Flick(1991)。水溶性樹脂可以為水溶性聚合物樹脂。優(yōu)選，水溶性樹脂包括聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，例如購自Dow Chemical的Polyox。水溶性樹脂還可以包括乙基纖維素樹脂、羥乙基纖維素基樹脂、纖維素醚基樹脂、甲基丙烯酸酯基樹脂(例如甲基丙烯酸羥丙基酯，例如，甲基丙烯酸2-羥丙基酯)、酚醛樹脂，等。在某些實施方式中，使用近似分子量為約100,000-約4,000,000的水溶性樹脂。更優(yōu)選，使用近似分子量(例如，平均分子量)為約100,000-約2,000,000的水溶性樹脂，且最優(yōu)選使用近似分子量為約100,000-約1,000,000的水溶性樹脂，例如，可以使用近似分子量為約200,000、約300,000、約400,000和/或約600,000的水溶性樹脂。
可在添加聚合物和/或非-聚合醇之前、添加聚合物和/或非-聚合醇之后或添加聚合物和/或非-聚合醇的同時，向溶劑中添加水溶性樹脂。向溶劑中添加約0.5重量％-約3重量％的水溶性樹脂?？梢韵鄬τ诤澈蟿┑钠渌M分的任意比率加入水溶性樹脂，但優(yōu)選以發(fā)生最小凝結(jié)的量進(jìn)行添加。即，優(yōu)選水溶性樹脂以適宜的比率進(jìn)行添加，從而最小化或防止水溶性樹脂聚集。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇適宜的比率，向在此公開的含水粘合劑的其它組分添加水溶性樹脂。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑可以包括至少一種干燥減速劑，例如甘油、植物油、或聚乙二醇。優(yōu)選，對干燥減速劑進(jìn)行選擇，以便在含水粘合劑的處理期間，使有毒物質(zhì)的放出最小化或沒有。干燥減速劑起到促進(jìn)均勻干燥鑄造的作用，從而防止不均勻干燥導(dǎo)致干燥帶從聚酯薄膜基底的邊卷起。當(dāng)使用Polyox作為粘合劑時，帶邊緣在中央之前干燥，且邊緣可收縮并卷起離開聚酯薄膜。添加的干燥減速劑停止該卷曲。
干燥減速劑可以為任何適宜的干燥減速劑包括，但不限于，合成和天然干燥減速劑、生物聚合物，例如，黃原膠等。優(yōu)選，干燥減速劑的添加增加了干燥帶的柔韌性并幫助保持粘合劑的伸展能力。干燥帶還可以變脆且難以及時處理。向配方中加入甘油極大地延長了電極貯藏壽命，直到在扁平線集電器涂覆中涂覆粘合劑。適宜的干燥減速劑包括甘油、植物油、聚乙二醇和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它干燥減速劑。漿液中干燥減速劑的量優(yōu)選為漿液的約0.25重量％。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇和添加適宜的干燥減速劑。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑還可以包括至少一種消泡劑。以足夠的量加入消泡劑，從而使發(fā)泡降低或最小化，例如，加入有效量的消泡劑。不希望受任何具體的科學(xué)理論束縛，相信消泡劑起到破壞含水粘合劑中的氣囊，從而使發(fā)泡最小化的作用?？梢栽谥苽浜澈蟿┑娜魏坞A段添加消泡劑，但優(yōu)選在任何劇烈混合之前加入，以便在含水粘合劑的混合過程中，基本沒有氣囊形成。取決于加入到含水粘合劑中的組分特性，得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力確定是否需要及何時需要消泡劑。在某些實施方式中，消泡劑為非-有機硅、非-礦物油消泡劑。在其它實施方式中，消泡劑不含石油，以使在含水粘合劑的蒸發(fā)過程中放出的有毒物質(zhì)為最小量。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，消泡劑的類型和特性的選擇一般取決于消泡劑加入的其它組分的性能。例如，如果消泡劑加入聚乙烯醇中，然后可以向聚乙烯醇添加非-有機硅消泡劑，即不含有機硅的消泡劑例如FoamBlast301(S)、FoamBlast307/307E、FoamBlast327、FoamBlast338、FoamBlast380/380S和/或FoamBlast1005(均購自Ross Chem Inc.，F(xiàn)ountain Inn，SC)，以降低或防止發(fā)泡。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇其它適用于預(yù)期用途的消泡劑，例如植物油或聚乙二醇。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式，用于溶劑中的水優(yōu)選為去離子水，從而使含水粘合劑中不存在例如，金屬、PCB、和/或污染物的雜質(zhì)。這種去離子水可以市購或使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的去離子法制造，該去離子法例如，納濾、螯合、超濾、蒸餾、反滲透等。在某些實施方式中，去離子水是純的，例如，其基本沒有離子或其它物質(zhì)，且優(yōu)選25℃下的電阻率為約18.2百萬歐姆-厘米且電導(dǎo)率為約0.055微西門子。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑包括6.4重量％聚合醇、3.3重量％非-聚合醇、0.6重量％水溶性樹脂、0.6重量％干燥減速劑、4.1重量％消泡劑、和83.3重量％水。然而，得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇其他量。根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，含水粘合劑包括聚乙烯醇作為聚合醇，乙醇作為非-聚合醇，Polyox作為水溶性樹脂，甘油作為干燥減速劑和Foamblast327作為消泡劑。然而，對得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其它適宜的材料是顯而易見的。
根據(jù)本發(fā)明的某些方面，提供了用于電極的含水粘合劑的制造方法。在某些實施方式中，該方法包括結(jié)合聚合物和水以形成第一溶液。以逐滴遞加的方式、聚合物樣品的總添加(gross addition)、或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它適宜的方法向去離子水中添加聚合物。優(yōu)選，將聚合物添加到去離子水中，以便依據(jù)聚合物在去離子水中加入，發(fā)生最小限度的或少的聚合物凝結(jié)?？梢允褂萌魏芜m宜的混合設(shè)備混合聚合物和水，這些混合設(shè)備包括，但不限于，機械混合器、超聲混合器、攪拌器、wisks等。將聚合物和去離子水混合足夠時間以在去離子水中分散聚合物后，可以儲存第一溶液直至使用。可以通過將非-聚合醇和水溶性樹脂進(jìn)行混合而制造第二溶液?？梢詫⒌诙芤号c水和第一溶液混合以形成含水粘合劑?？蛇x擇地，第二溶液可以與水、第一溶液和干燥減速劑混合，且可以儲存獲得的組合物直至使用。任選地，可以添加消泡劑以使在含水粘合劑的儲存期間，任何氣囊的形成最小化。含水粘合劑可以儲存在任何適宜的貯存容器中，且由于含水粘合劑含有大部分水，不需要揮發(fā)性溶劑柜、設(shè)備等以儲存在此公開的含水粘合劑。
可以大量生產(chǎn)含水粘合劑并貯存至需要。例如，可以批量生產(chǎn)大體積的含水粘合劑并以適于最終用戶(例如，生產(chǎn)電極的用戶)使用的量對含水粘合劑進(jìn)行包裝。即，可以適宜的體積包裝含水粘合劑，從而使最終用戶只需添加金屬和/或任何其它適宜的材料以形成電極。由于含水粘合劑包括大部分水，不需要對含水粘合劑的包裝或使用含水粘合劑以生產(chǎn)電極進(jìn)行特別的預(yù)防。含水粘合劑可以在環(huán)境空氣中進(jìn)行儲存，例如，在約25℃下，或任何適宜的溫度，只要含水粘合劑的溶劑基本沒有蒸發(fā)即可。
可以包括含水粘合劑作為電極成套工具的部分。該成套工具可以包括含水粘合劑、一種或多種用于制造電極的金屬、和最終用戶期望或要求的其它適宜的材料。其它適宜的材料可以包括電極將用于其中的燃料電池的電解質(zhì)組分，鑄造設(shè)備等。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將適宜的設(shè)備和材料包括進(jìn)成套工具中，該成套工具用于制造包括含水粘合劑的電極。
根據(jù)本發(fā)明的某些方面，通過將含水粘合劑和至少一種適于電極使用的金屬一起混合，制備電極漿液。如上所述，含水粘合劑一般包括聚合物、非-聚合醇、水溶性樹脂、干燥減速劑、水和任選的消泡劑。電極漿液的金屬一般為任何可導(dǎo)電的金屬且一般包括那些稱為″過渡金屬″的金屬和/或具有未填充軌道的金屬。金屬還可以包括貴重金屬，例如金和銀。金屬一般為固體其可以為粉末，例如，細(xì)磨粉末，或可以為任何其它適于加入含水粘合劑的形式。加入適宜量的金屬，以使電極中結(jié)合有足夠的金屬，提供能夠傳導(dǎo)電流和/或促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的功能電極。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇用于結(jié)合進(jìn)在此公開的電極的適宜的金屬和適宜的金屬量。優(yōu)選，金屬為鎳或鎳粉末、其合金、其氧化物和/或金屬和/或其合金和/或其氧化物的組合。
電極漿液可以進(jìn)一步包括燃料電池電解質(zhì)體系的組分。在共晶碳酸鋰/碳酸鉀為電解質(zhì)體系的優(yōu)選實施方式中，將碳酸鋰結(jié)合進(jìn)電極漿液中，從而在燃料電池的初始調(diào)節(jié)啟動期間，當(dāng)鋰通過電極的鋰化得以消耗時，對燃料電池電解質(zhì)體系進(jìn)行再供應(yīng)。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力選擇用于結(jié)合進(jìn)在此公開的電極的適宜的堿金屬鹽。
含水粘合劑一般與至少一種金屬，和任選地與堿金屬鹽進(jìn)行混合，以形成電極漿液。能夠以任何順序向含水粘合劑中添加堿金屬鹽和金屬以形成電極漿液。在處理電極漿液以形成電極之前，電極漿液可以儲存很長時間。由于溶劑為水基，不必需設(shè)備或方法以回收任何揮發(fā)性溶劑或安全的儲存電極漿液。例如，由于在電極漿液的處理期間蒸發(fā)的蒸氣大部分由水蒸汽組成，因而不必需溶劑回收系統(tǒng)或溶劑焚燒系統(tǒng)。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇用以將至少一種金屬和含水粘合劑相結(jié)合以形成電極漿液的其它適宜的方法。
在某些優(yōu)選實施方式中，電極漿液含有3重量％聚合醇、0.5重量％非-聚合醇、0.3重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、49.3重量％鎳、40重量％水、1.9重量％消泡劑、和4.9％碳酸鋰。這種電極漿液可用以形成陽極電極或陰極電極，且特別適用于制造陰極。
在其它優(yōu)選實施方式中，電極漿液含有2.7重量％聚合醇、3.6重量％非聚合醇、2.2重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、69.7重量％鎳-鋁粉末、19.6重量％水、和1.9重量％消泡劑。這種電極漿液可用以形成陽極電極或陰極電極，且特別適用于制造陽極。
在將金屬和含水粘合劑、及任選的堿金屬鹽進(jìn)行結(jié)合后，如果期望，可以對電極漿液進(jìn)行脫氣。在某些實施方式中，通過慢罐滾壓(slow jar rolling)或施加真空，對電極漿液進(jìn)行脫氣。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇和使用這些和其它用于電極漿液脫氣的適宜的方法。
可以對電極漿液進(jìn)行處理以形成電極。這種處理一般包括使用鑄造設(shè)備制備鑄造電極，然后干燥該電極漿液以形成電極。電極漿液可以成型為適宜的形狀或形式并使用許多本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)進(jìn)行干燥以形成電極，這些技術(shù)包括，但不限于，通風(fēng)干燥室、烘箱等。在某些優(yōu)選實施方式中，設(shè)計獲得的電極以作為燃料電池(例如熔融碳酸鹽燃料電池)中的陰極。在其它優(yōu)選實施方式中，設(shè)計獲得的電極以作為燃料電池(例如熔融碳酸鹽燃料電池)的陽極。
在某些實施方式中，使用帶型鑄造設(shè)備對電極漿液進(jìn)行鑄造，例如美國專利Nos.5,473,008、5,453,101中公開的帶型鑄造設(shè)備，所有公開內(nèi)容在此作為參考文獻(xiàn)引入。帶型鑄造是用以生產(chǎn)例如電極和電解質(zhì)基體的填充粉末床的制造方法。不希望限于任何具體科學(xué)理論，含水粘合劑保留金屬，且含水粘合劑的溶劑在室溫或稍高溫度下進(jìn)行蒸發(fā)。在鑄造中剩余的聚合物含水粘合劑收縮以導(dǎo)致鑄型粉末增加的填充密度。鑄造制品為稠密填充粉末的床或片，其具有促進(jìn)組分可操作性的半塑性。鑄造制品有時指″未淬火″或″未燃燒″的帶型鑄造電極。帶型鑄造過程一般包括含水或有機溶劑中的懸浮復(fù)合材料和含水粘合劑并將懸浮液倒入刮刀儲存系統(tǒng)。刮刀開口一般配置在儲存器的底部且在移動的基底上滑動鑄造為均一高度。第二刮刀提供改善的鑄造帶尺寸控制。鑄造懸浮液經(jīng)過在其中進(jìn)行溶劑蒸發(fā)的干燥部分，獲得多孔復(fù)合材料。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠使用適宜的帶型鑄造設(shè)備和其它設(shè)備，例如用于鑄造在此公開的電極的擠出設(shè)備和膜沉積設(shè)備。
使用例如帶型鑄造設(shè)備對電極漿液進(jìn)行鑄造后，一般對鑄造電極進(jìn)行干燥以去除水和任何低沸點材料，例如，非-聚合醇。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇適宜的干燥溫度，且包括，但不限于，約20℃-約80℃的溫度。對于得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員，用于干燥鑄造電極的適宜的裝置也是顯而易見的，且包括，但不限于通風(fēng)干燥室、烘箱、減壓室、冷凍-干燥裝置等。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，一旦對電極進(jìn)行干燥，可以對干燥電極的公差，例如厚度公差，進(jìn)行檢測。在例如接受集電器的同時，還可以對干燥電極進(jìn)行壓實。用于壓實電極的適宜的方法對本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的且包括，但不限于，壓延裝置、碾磨裝置、和普通轉(zhuǎn)讓美國專利No.6,383,677中所述的方法，所有公開內(nèi)容在此作為參考文獻(xiàn)引入。優(yōu)選，對電極進(jìn)行壓實至一定厚度，以獲得最佳孔隙率和催化。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地確定適宜的厚度。一般，與集電器相通(in communicatjon with)的電極材料的密度為用于制造電極的金屬(例如，鎳)密度的約15-60％，更優(yōu)選為用于制造電極的金屬密度的約20-55％且最優(yōu)選為用于制造電極的金屬密度的約25-50％，例如為用于制造陰極電極的金屬密度的約35％和用于制造陽極電極的金屬密度的約50％。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，還可以對鄰近于與集電器相通的電極材料的電極材料進(jìn)行壓實至預(yù)定的密度。在某些實施方式中，與集電器相通的電極材料的密度基本與鄰近于與集電器相通的電極材料的電極材料的密度相同，例如，在整個電極中，電極材料的密度基本均一。在其它實施方式中，鄰近于與集電器相通的電極材料的電極材料具有不同的密度，例如，在整個電極中，電極材料的密度發(fā)生變化。在電極材料的密度變化的這些實施方式中，可以生產(chǎn)雙-孔隙率電極。不希望限于任何具體的科學(xué)理論，電極的孔隙率可以提供多孔電極和多孔電解質(zhì)基體之間的電解質(zhì)管理的動態(tài)平衡。通過對分布在三個元件中的特定孔徑和密度進(jìn)行選擇，可以實現(xiàn)這種平衡，這三個元件即構(gòu)成燃料電池活性組分的陰極-電解質(zhì)基體-陽極。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇用以實現(xiàn)燃料電池中電解質(zhì)的期望分布的適宜的孔徑和密度。
在要求后-帶型鑄造壓實的這些實施方式中，例如陰極電極，一般使用壓實裝置對電極材料的密度進(jìn)行選擇。例如，壓延裝置可用于設(shè)定間隙和力，從而為電極材料提供適宜的密度。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地確定或選擇適宜的密度。
本發(fā)明的這些實施方式包括燃料電池，該燃料電池含有使用含水粘合劑生產(chǎn)的陽極、電解質(zhì)基體、電解質(zhì)、和使用含水粘合劑生產(chǎn)的陰極。如這里更廣泛地討論的，優(yōu)選通過下列方法形成陽極和陰極通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑包括至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，從而形成電極；和干燥該鑄造電極。在接受集電器的同時，一般對干燥的陰極電極進(jìn)行壓實。在接受集電器的同時，通常不對干燥的陽極電極進(jìn)行壓實。適宜的集電器一般包括，例如，具有面向電極的第一主表面和背對電極的第二主表面的扁平線集電器。電極一般與集電器的主表面電連接。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，壓延機型軋機/集電器涂布器設(shè)備可用以壓實陰極電極至指定或預(yù)先確定的壓實厚度公差。預(yù)先確定壓實厚度公差以優(yōu)化陰極電極的催化。向集電器上壓實陰極電極可提供雙-孔隙率陰極電極。
在某些優(yōu)選實施方式中，一般基于燃料電池的特性和預(yù)定功能，對燃料電池的陽極進(jìn)行選擇，例如，基于燃料電池的燃料來源的本性和特性選擇陽極。在燃料電池為熔融碳酸鹽燃料電池的這些實施方式中，陽極一般為鎳合金，例如鎳和鋁的合金。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，可以將其它適宜的陽極結(jié)合進(jìn)包含使用含水粘合劑生產(chǎn)的陰極電極的燃料電池中。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇這種其它適宜的陽極。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，基于燃料電池的特性和性能，一般還對燃料電池的電解質(zhì)進(jìn)行選擇。在某些實施方式中，電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，例如，在熔融碳酸鹽燃料電池的情況下。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇適宜的電解質(zhì)，該電解質(zhì)用于結(jié)合進(jìn)包含使用在此公開的含水粘合劑生產(chǎn)的電極的燃料電池中。
根據(jù)某些優(yōu)選實施方式，優(yōu)選陽極和陰極中的一個或兩個包括燃料電池電解質(zhì)組分中的至少一種。熔融碳酸鹽燃料電池，例如，具有一般包括鋰鹽(例如碳酸鋰)的電解質(zhì)，可以具有結(jié)合進(jìn)陽極和陰極中的鋰鹽。由于鋰鹽能夠以適宜的量結(jié)合以預(yù)期燃料電池電極的鋰化過程中消耗碳酸鋰的量，這種結(jié)合提供燃料電池的提高的性能。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地選擇這種適宜的量。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施方式，提供了制造燃料電池的方法。該方法包括提供陽極、電解質(zhì)、電解質(zhì)基體、和陰極，其中陽極和陰極中的至少一種使用在此公開的含水粘合劑和方法進(jìn)行制備?？梢允褂萌魏芜m宜的裝置對陽極、陰極、電解質(zhì)、和電解質(zhì)基體進(jìn)行組裝形成燃料電池。一般，在將陽極、陰極、電解質(zhì)、和電解質(zhì)基體組裝進(jìn)燃料電池后，燃料電池加熱至適宜的溫度，例如至少約300℃，從而基本燃燒和基本蒸發(fā)鑄造陰極電極的任何消泡劑、聚合醇、任何剩余的非-聚合醇、水溶性樹脂和干燥減速劑以及用以制造陽極電極的任何粘合劑和粘合劑體系組分和電解質(zhì)基體及電解質(zhì)。在某些實施方式中，燃料電池加熱至其正常操作溫度，例如，在熔融碳酸鹽燃料電池的情況下為約650℃。不希望限于任何具體的科學(xué)理論，相信電解質(zhì)至少部分填充陽極和陰極電極的孔隙，且在燃料電池的初始調(diào)整過程期間，當(dāng)燃料電池溫度為300-400℃時，當(dāng)將氧最初引入燃料電池中時，陰極電極的金屬開始氧化。在電解質(zhì)包括至少一種堿金屬鹽的某些實施方式中，可以對陰極電極的金屬進(jìn)行堿化，例如，在鋰鹽的情況下進(jìn)行鋰化，并同時進(jìn)行氧化。在某些實施方式中，碳酸鹽電解質(zhì)型燃料電池可以運用這樣的機理，其中通過堿化(例如，鋰化)，可以對氧化物電導(dǎo)率進(jìn)行增強，該氧化物電導(dǎo)率是當(dāng)燃料電池的氧化劑側(cè)氧化時產(chǎn)生的，堿化由與電解質(zhì)體系中提供的堿金屬(例如，鋰)進(jìn)行接觸而產(chǎn)生的。在電解質(zhì)包括至少一種堿金屬鹽的某些實施方式中，可以對陽極電極的鎳-鋁金屬的鋁含量進(jìn)行堿化，例如，在鋰鹽的情況下進(jìn)行鋰化，并同時進(jìn)行還原。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇用于結(jié)合進(jìn)燃料電池電解質(zhì)基體的適宜的堿金屬。
下列實施例對含水粘合劑、包括含水粘合劑的電極、和包括使用在此公開的含水粘合劑生產(chǎn)的電極的燃料電池進(jìn)行了說明，且并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，可以以任何順序進(jìn)行這些實施例中的許多步驟。
實施例1-溶液制備通過以水/聚合醇為約8∶1-約15∶1的重量比率向去離子水中添加聚合醇，從而生產(chǎn)第一溶液。聚合醇可以為任何在此公開的或?qū)τ诘靡嬗诒竟_內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它適宜的聚合醇。以適宜的比例向水中添加聚合醇，從而避免聚合醇的凝結(jié)。
蓋上聚合醇/水溶液，并攪拌和加熱至適宜的溫度(例如，約60-95℃)，加熱適宜的時間(例如，約2-4小時)，從而獲得半透明溶液。將溶液冷卻至環(huán)境溫度以獲得清液。儲存該溶液直至使用。
通過以水溶性樹脂/非-聚合醇為約2∶1-約4∶1的重量比率將水溶性樹脂和非-聚合醇進(jìn)行結(jié)合，從而生產(chǎn)第二溶液，向去離子水中添加約40-60％的第二溶液。對第二溶液和去離子水的混合物進(jìn)行攪拌。在3-8分鐘的時間內(nèi)，將剩余的第二溶液加入溶液中，例如逐滴加入。優(yōu)選，一旦將所有第二溶液調(diào)加到去離子水中，水/第二溶液的比率為約85∶1-約99∶1。蓋上第二溶液-水組合物并攪拌約9-18小時，儲存直至使用。
實施例2-電極制備使用下列方法制備電極。將混合裝置放在例如通風(fēng)櫥下，以去除在電極制備過程中產(chǎn)生的任何金屬粉塵。以第一溶液/第二溶液-水組合物為約1∶1-約4∶1的比率，對實施例1的溶液進(jìn)行結(jié)合以生產(chǎn)第三溶液。任何適宜的容器或裝置可用于結(jié)合這些溶液。將干燥減速劑加入第三溶液中。取決于電極的預(yù)定使用，干燥減速劑對第三溶液的比率為約1∶50-約1∶200。以消泡劑/干燥減速劑-第三溶液為約1∶20-約1∶60的比率，將消泡劑加入干燥減速劑-第三溶液中。
使用混合裝置混合消泡劑/干燥減速劑-第三溶液。以鋰鹽對消泡劑/干燥減速劑-第三溶液為約8∶1-約10∶1的比率，將高純度(例如，大于約99％純)鋰鹽加入消泡劑/干燥減速劑-第三溶液中。在低速下混合溶液和鋰鹽直至鋰鹽充分分散在溶液中，例如，根據(jù)目測已充分分散以生產(chǎn)分散的鋰鹽溶液。
將金屬粉末加入含有分散的鋰鹽溶液的混合裝置中。以適宜的比率添加金屬粉末，從而平穩(wěn)地分散進(jìn)分散的碳酸鋰溶液中。以金屬粉末/分散的鋰鹽溶液為約1∶2、1∶1或約2∶1的比率添加金屬粉末。任選地，可以添加額外的消泡劑以確保任何氣囊發(fā)生破裂。可以儲存金屬粉末/分散的鋰鹽溶液直至使用。
將金屬粉末/分散的鋰鹽溶液置于磨機(例如，軋機)上，并進(jìn)行脫氣。以適宜的速度(例如，約5-15轉(zhuǎn)/分鐘)，滾動金屬粉末/分散的鋰鹽溶液約8-18小時?？梢詢Υ婺肽サ慕饘俜勰?分散的鋰鹽溶液直至使用，例如，可以儲存在適宜的貯存容器中。
由于含水粘合劑主要由水構(gòu)成，在電極的制備期間，溶劑收集和/或焚燒設(shè)備不是必需的。將碾磨的金屬粉末/分散的鋰鹽溶液倒進(jìn)帶型鑄造設(shè)備的料斗。設(shè)定鑄造片為期望的電極鑄造厚度并對帶型鑄造設(shè)備激活以在帶型鑄造設(shè)備中分散碾磨的金屬粉末/分散的鋰鹽溶液。然后，干燥鑄造電極，例如，在干燥室中。將干燥電極從干燥室移出并檢測公差，例如，厚度公差。不希望限于任何具體的科學(xué)理論，在干燥處理期間去除水和乙醇且剩余的含水粘合劑在金屬粉末的單獨顆粒之間提供粘結(jié)。
實施例3-燃料電池制備實施例2的電極使用壓延機型軋機/集電器涂布器設(shè)備來接受集電器。在陰極電極的情況下，當(dāng)接受集電器的同時，對陰極電極進(jìn)行壓實。對陰極進(jìn)行壓實至選擇厚度以優(yōu)化電極的催化。向集電器上壓實陰極電極提供雙-孔隙率陰極電極。
將壓實的陰極電極安裝作為燃料電池陰極，例如包括如熔融電解質(zhì)的燃料電池。向燃料電池中還安裝陽極、適宜的電解質(zhì)、和適宜的電解質(zhì)基體。不希望限于任何具體的科學(xué)理論，相信在電極制備期間使用的聚合醇、水溶性樹脂和消泡劑，在燃料電池的初始啟動期間被蒸發(fā)和/或燃燒。當(dāng)熔融碳酸鹽燃料電池的溫度提高到充分的溫度，從而電解質(zhì)變得熔融，陰極孔隙、陽極孔隙、和電解質(zhì)基體孔隙吸收電解質(zhì)。不希望限于任何具體的科學(xué)理論，相信在電極制備期間添加的鋰鹽與通常在熔融碳酸鹽燃料電池電解質(zhì)中使用的其它電解質(zhì)相結(jié)合。鋰鹽將開始用于制備電極的金屬粉末的鋰化，當(dāng)陰極金屬粉末氧化和陽極金屬粉末還原時。
實施例4-熔融碳酸鹽燃料電池的制備圖1描述和顯示了用于MCFC陰極電極1的水基含水粘合劑體系2，其中以水/PVA為8∶1-12∶1的重量比率，使用常規(guī)攪拌設(shè)備將聚乙烯醇(PVA)(例如Aldrich Chemical Company，Inc.，提供的件號為360627的PVA)與去離子水進(jìn)行混合而制備聚乙烯醇(PVA)溶液。將PVA緩慢加入水中以避免PVA凝結(jié)。以約1-2分鐘/100克PVA的添加速度加入約1升水中，這種添加速度一般是適宜的。
蓋上PVA/水溶液并攪拌和加熱至約90℃，加熱約3小時以獲得半透明溶液。在持續(xù)攪拌約10-16小時的同時，將該溶液冷卻至環(huán)境溫度以獲得清液。然后，儲存該PVA/水溶液直至使用。
通過以Polyox/醇為約2.8∶1-3.2∶1的重量比率產(chǎn)生試劑醇(例如乙醇和Polyox)的初始游離漿液，生產(chǎn)水和Polyox(購自Union Carbide/DOWChemical，件號WSRN205)溶液。將大約Polyox/醇漿液的一半迅速添加并分散在含去離子水的快速攪拌容器中。在約5分鐘內(nèi)添加剩余的Polyox漿液。為了防止Polyox漿液在水中凝結(jié)，以兩步添加Polyox漿液。容器中的水量與Polyox/醇漿液的比率為約95∶1-約99∶1水/Polyox漿液。蓋上該溶液并連續(xù)攪拌約10-16小時。然后，儲存該水/Polyox溶液直至使用。
陰極漿液的制備過程如下。將混合設(shè)備(例如KitchenAid重載混合器)放在通風(fēng)櫥下以抽空處理過程中產(chǎn)生的鎳粉塵。PVA溶液和水/Polyox溶液以PVA溶液/Polyox溶液為約2∶1的比率結(jié)合進(jìn)標(biāo)有刻度容器中。將甘油，例如購自Aldrich Chemical Company，Jnc.，件號134872的甘油，加入PVA-Polyox溶液，從而使甘油/PVA-Polyox溶液的比率為約1∶165-約1∶175。以Foamblast 327/甘油-PVA-Polyox溶液為約1∶40-約1∶50的比率，將消泡劑，例如，購自Ross Chem Inc.的Foamblast 327，加入甘油-PVA-Polyox溶液。
將Foamblast 327-甘油-PVA-Polyox溶液倒入混合設(shè)備的混料罐中。線wisk附件安裝在混合設(shè)備上。以碳酸鋰/Foamblast 327-甘油-PVA-Polyox溶液為約1∶9.0-約1∶9.2的比率，將高純度碳酸鋰，例如購自Chemetall FooteCorporation的高純度碳酸鋰，加入混料罐中。碳酸鋰為熔融碳酸鹽燃料電池中使用的電解質(zhì)的普通組分并加入陰極漿液中，以預(yù)期在燃料電池電極的鋰化過程中將消耗的碳酸鋰的量。在低速下混合該溶液和碳酸鋰約1分鐘，直至碳酸鋰在溶液中充分分散。
將鎳粉末5，例如購自Inco Special Products的件號為255型的鎳粉末，通過用以振松粉末5的濾網(wǎng)加入混料罐中，該粉末5在裝運容器中被壓縮。鎳粉末5以一定的速度加入混合器中，從而在混合器在低至中速操作的同時，鎳粉末5在溶液中進(jìn)行平穩(wěn)分散。以鎳粉末/碳酸鋰-foamblast 327-甘油-PVA-Polyox溶液為約1∶1的重量比率加入鎳粉末5。
將附加量的Foamblast，相等于之前加入的Foamblast的量，在約5分鐘內(nèi)以約10立方厘米/分鐘的速度加入運轉(zhuǎn)著的混合器中。Foamblast將使?jié){液中的氣囊破裂。
在中速下，混合持續(xù)約3分鐘。將完成的漿液轉(zhuǎn)移到貯存容器中。貯存容器放在軋機以繼續(xù)對漿液進(jìn)行脫氣。以約10轉(zhuǎn)/分鐘的速度緩慢滾動漿液約10-16小時，隨后儲存直至對漿液進(jìn)行鑄造。
將漿液從貯存容器倒入通常用于燃料電池電極和電解質(zhì)膜的帶型鑄造的帶型鑄造設(shè)備的料斗中。設(shè)定鑄造片至期望的陰極電極鑄造厚度并對帶型鑄造設(shè)備進(jìn)行活化以分散該漿液進(jìn)入帶型鑄造設(shè)備中。
由于去離子水以對第二醇溶劑為約9∶1-約10∶1水/醇的比率用作漿液體系的第一溶劑，且由于防止醇蒸氣的累積超過25％LEL的干燥室通風(fēng)速度，在帶型鑄造設(shè)備干燥室的通風(fēng)系統(tǒng)中不需要溶劑收集和/或焚燒設(shè)備。
由圖1可以看出，在鑄造和干燥完成后，帶型鑄造陰極電極1從干燥室中移出并檢測厚度公差3。通過干燥過程去除用于含水粘合劑體系2的第一溶劑的去離子水。通過干燥過程去除用于含水粘合劑體系2的第二溶劑的試劑醇?？梢钥吹剑澈蟿w系2在粉末金屬5的單獨顆粒之間提供粘結(jié)4。
由圖2可以看出，在接受的帶型鑄造陰極電極1使用壓延機型軋機/集電器涂布器設(shè)備接受集電器21的同時，對該電極進(jìn)行壓實至密實化并壓實至預(yù)先確定以優(yōu)化電極的催化的壓實厚度公差22。一般，壓實帶型鑄造陰極電極的期望的密度為鎳密度的約20％-約25％。在集電器21上的陰極電極1的壓實導(dǎo)致雙-孔隙率陰極電極。
由圖3可以看出，鄰近于含有集電器21的材料的陰極電極1的部分31壓實至厚度32和密度，其通過壓延機夾輥上設(shè)定的間隙和力來確定。鄰近于集電器21的開放區(qū)域的陰極電極33壓實至厚度34和密度，其相等于除鄰近于含有集電器的材料的區(qū)域以外其它區(qū)域的厚度和密度。從而，雙-孔隙率陰極電極得以生產(chǎn)。
在安裝進(jìn)燃料電池后，在燃料電池的初始預(yù)處理啟動過程中，對構(gòu)成用于陰極電極1的漿液制備過程中的含水粘合劑4的聚乙烯醇、Polyox、和Foamblast進(jìn)行燃燒并將燃燒產(chǎn)物從燃料電池中移出。
在圖4中，在燃料電池溫度升高至電解質(zhì)41開始熔融的溫度(約493℃)后，儲存在燃料電池流場內(nèi)的電解質(zhì)41將變?yōu)橐后w并由陰極電極1的孔隙42和陽極電極44的孔隙43及電解質(zhì)膜46的孔隙45進(jìn)行吸收。
已加入陰極漿液中的碳酸鋰將與碳酸鋰和碳酸鉀電解質(zhì)相結(jié)合，其中該碳酸鉀電解質(zhì)為普通熔融碳酸鹽燃料電池電解質(zhì)。當(dāng)鎳粉末氧化時，碳酸鋰將開始構(gòu)成陰極電極的鎳粉末的鋰化。
氧化和鋰化后，制備陰極電極以起到陰極反應(yīng)氣體氧化的催化劑的作用，該陰極反應(yīng)氣體由空氣和二氧化碳及水蒸汽組成。
雖然已經(jīng)以具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行了上述描述，但可以預(yù)期，對于得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明的其它用途、變更、替換、刪除、及其改進(jìn)將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明權(quán)利要求覆蓋這種在本發(fā)明實際精神和范圍內(nèi)的變更、替換、刪除和改進(jìn)。而且應(yīng)當(dāng)理解，除非權(quán)利要求另有說明，否則能夠以任何順序進(jìn)行權(quán)利要求中敘述的步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于制造電極的含水粘合劑，其中該含水粘合劑包括聚合醇；非-聚合醇；水溶性樹脂；干燥減速劑；和水。
2.權(quán)利要求1的含水粘合劑，進(jìn)一步包括至少一種消泡劑。
3.權(quán)利要求1的含水粘合劑，包括至少約70％的水。
4.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其中聚合醇選自聚乙烯醇、聚乙二醇、和乙二醇酯。
5.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其中非-聚合醇選自甲醇、乙醇、異丙醇、丙醇、和丁醇。
6.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其中水溶性樹脂選自聚(環(huán)氧乙烷)樹脂、和聚乙二醇。
7.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其中干燥減速劑選自甘油、植物油、和聚乙二醇。
8.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其中消泡劑選自非-有機硅消泡劑、植物油、和聚乙二醇。
9.權(quán)利要求1的含水粘合劑，其包括6.5重量％聚合醇、1重量％非-聚合醇、0.6重量％水溶性樹脂、0.6重量％干燥減速劑、和88.3重量％水。
10.權(quán)利要求2的含水粘合劑，其中聚合醇為聚乙烯醇，非-聚合醇為乙醇，水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，干燥減速劑為甘油，且消泡劑為非-有機硅消泡劑。
11.一種電極漿液，其包括含有聚合醇、非-聚合醇、水溶性樹脂、干燥減速劑、和水的含水粘合劑；和至少一種與含水粘合劑混合的金屬。
12.權(quán)利要求10的電極漿液，進(jìn)一步包括至少一種與含水粘合劑混合的堿金屬鹽和至少一種金屬。
13.權(quán)利要求12的電極漿液，其中堿金屬鹽為碳酸鋰。
14.權(quán)利要求11的電極漿液，其中該至少一種金屬選自鎳、鎳合金、鉑、鉑合金、和混合的金屬氧化物。
15.權(quán)利要求11的電極漿液，其中聚合醇為聚乙烯醇。
16.權(quán)利要求11的電極漿液，其中水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂。
17.權(quán)利要求11的電極漿液，其中干燥減速劑為甘油。
18.權(quán)利要求11的電極漿液，其中電極漿液包括至少約70％水。
19.權(quán)利要求11的電極漿液，其中聚合醇為聚乙烯醇，非-聚合醇為乙醇，水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，干燥減速劑為甘油，且該至少一種金屬包含鎳。
20.權(quán)利要求11的電極漿液，其包括3重量％聚合醇、0.5重量％非-聚合醇、0.3重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、49.3重量％鎳、40重量％水、1.9％消泡劑、和4.9％碳酸鋰。
21.權(quán)利要求11的電極漿液，其包括2.7重量％聚合醇、3.6重量％非聚合醇、2.2重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、69.7重量％鎳-鋁粉末、19.6重量％水、和1.9重量％消泡劑。
22.權(quán)利要求11的電極漿液，其中含水粘合劑進(jìn)一步含有至少一種消泡劑。
23.一種生產(chǎn)用于制造電極的含水粘合劑的方法，該方法包括通過將水與至少一種聚合醇相結(jié)合而形成第一溶液；通過將至少一種非-聚合醇與至少一種水溶性樹脂相結(jié)合而形成第二溶液；和通過將第一和第二溶液與干燥減速劑和水相結(jié)合而形成漿液。
24.權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括向漿液中添加至少一種消泡劑。
25.權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括使用混合裝置，對第一溶液、第二溶液、干燥減速劑、和消泡劑進(jìn)行混合。
26.權(quán)利要求25的方法，其中混合裝置為機械混合器、超聲混合器、或渦流混合器。
27.權(quán)利要求23的方法，其中聚合醇為聚乙烯醇，非-聚合醇為乙醇，水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，干燥減速劑為甘油，且消泡劑為非-有機硅消泡劑。
28.權(quán)利要求27的方法，其中漿液包括含水粘合劑，該含水粘合劑含有6.5重量％聚乙烯醇、1重量％乙醇、0.6重量％聚(環(huán)氧乙烷)樹脂、0.6重量％甘油、和88重量％水。
29.權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括向漿液中添加至少一種堿金屬鹽。
30.權(quán)利要求29的方法，其中堿金屬鹽為碳酸鋰。
31.一種制造電極漿液的方法，該方法包括通過將水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑進(jìn)行結(jié)合，形成含水粘合劑將含水粘合劑與至少一種金屬結(jié)合進(jìn)漿液中，以形成電極漿液。
32.權(quán)利要求31的方法，進(jìn)一步包括對電極漿液進(jìn)行脫氣。
33.權(quán)利要求32的方法，進(jìn)一步包括將電極漿液轉(zhuǎn)移到帶型鑄造設(shè)備上以形成帶型鑄造電極。
34.權(quán)利要求33的方法，進(jìn)一步包括在干燥裝置中干燥該帶型鑄造電極，從而去除電極漿液的溶劑。
35.權(quán)利要求34的方法，進(jìn)一步包括將干燥的帶型鑄造電極轉(zhuǎn)移到集電器涂布器/壓實設(shè)備上。
36.權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括涂覆集電器并壓實帶型鑄造電極。
37.權(quán)利要求31的方法，進(jìn)一步包括向電極漿液中添加碳酸鋰。
38.權(quán)利要求31的方法，其中金屬選自鎳、鎳合金、鉑、鉑合金、和混合的金屬氧化物。
39.權(quán)利要求31的方法，其中聚合醇為聚乙烯醇，非-聚合醇為乙醇，水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，干燥減速劑為甘油，消泡劑為非-有機硅消泡劑，且金屬為鎳粉末。
40.權(quán)利要求39的方法，其包括3重量％聚合醇、0.5重量％非-聚合醇、0.3重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、1.9重量％消泡劑、49.3重量％鎳、和40重量％水。
41.權(quán)利要求39的方法，其包括2.7重量％聚合醇、3.6重量％非聚合醇、2.2重量％水溶性樹脂、0.3重量％干燥減速劑、69.7重量％鎳-鋁粉末、19.6重量％水、和1.9重量％消泡劑。
42.一種制造電極的方法，該方法包括通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，鑄造電極；和干燥該鑄造電極。
43.權(quán)利要求42的方法，其中電極漿液進(jìn)一步含有至少一種堿金屬鹽。
44.權(quán)利要求42的方法，其中在將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備之前，對電極漿液進(jìn)行碾磨。
45.權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括向集電器上壓實干燥電極。
46.權(quán)利要求42的方法，其中使用選自烘箱、通風(fēng)櫥、和通風(fēng)管道的干燥室對鑄造電極進(jìn)行干燥。
47.權(quán)利要求42的方法，其中在將電極漿液轉(zhuǎn)移到帶型鑄造設(shè)備之前，使用混合裝置對含水粘合劑和該至少一種金屬進(jìn)行混合。
48.權(quán)利要求47的方法，其中混合裝置選自機械混合器、超聲混合器和渦流混合器。
49.權(quán)利要求42的方法，其中電極漿液進(jìn)一步含有至少一種消泡劑。
50.權(quán)利要求42的方法其中含水粘合劑含有聚乙烯醇作為聚合醇、乙醇作為非-聚合醇、聚(環(huán)氧乙烷)樹脂作為水溶性樹脂、和甘油作為干燥減速劑。
51.權(quán)利要求42的方法，其中鑄造設(shè)備選自帶型鑄造設(shè)備、擠出設(shè)備、和膜沉積設(shè)備。
52.一種燃料電池，其包括陽極電極；與陽極相通的電解質(zhì)；與電解質(zhì)相同的陰極電極，其中按照下列方法生產(chǎn)陽極電極和陰極電極中的至少一種通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
53.權(quán)利要求52的燃料電池，其中陽極電極通過下列方法生產(chǎn)通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
54.權(quán)利要求52的燃料電池，其中陰極電極通過下列方法生產(chǎn)通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
55.權(quán)利要求52的燃料電池，其中陽極電極和陰極電極均通過下列方法生產(chǎn)通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
56.權(quán)利要求52的燃料電池，其中鑄造設(shè)備選自帶型鑄造設(shè)備、擠出設(shè)備、和膜沉積設(shè)備。
57.權(quán)利要求52的燃料電池，其中陰極電極與集電器相通。
58.權(quán)利要求52的燃料電池，其中陽極電極為鎳。
59.權(quán)利要求52的燃料電池，其中電解質(zhì)為62％碳酸鋰和38％碳酸鉀。
60.權(quán)利要求52的燃料電池，其中聚合醇為聚乙烯醇，非-聚合醇為乙醇，水溶性樹脂為聚(環(huán)氧乙烷)樹脂，且干燥減速劑為甘油。
61.權(quán)利要求52的燃料電池，其中含水粘合劑進(jìn)一步含有消泡劑。
62.權(quán)利要求52的燃料電池，其中電極漿液含有至少一種存在于電解質(zhì)中的組分。
63.權(quán)利要求62的燃料電池，其中該至少一種存在于電解質(zhì)中的組分為碳酸鋰。
64.權(quán)利要求52的燃料電池，其中在將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備之前，對電極漿液進(jìn)行碾磨和脫氣。
65.一種制造燃料電池的方法，該方法包括提供陽極電極、電解質(zhì)和陰極電極，該陽極電極和陰極電極中的至少一種通過下列方法生產(chǎn)將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電板漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑，通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上進(jìn)行電極的鑄造，形成鑄造電極，和干燥該鑄造電極；和加熱燃料電池至適宜的溫度，從而對鑄造陰極電極的消泡劑、聚合醇、非-聚合醇、水溶性樹脂和干燥減速劑進(jìn)行基本燃燒和基本蒸發(fā)。
66.權(quán)利要求65的方法，進(jìn)一步包括在對燃料電池進(jìn)行加熱前，用電解質(zhì)部分填充鑄造電極的孔隙。
67.權(quán)利要求65的方法，其中將燃料電池加熱到至少約300℃，以對鑄造陰極電極的消泡劑、聚合醇、非-聚合醇、水溶性樹脂和干燥減速劑進(jìn)行基本燃燒和基本蒸發(fā)。
68.權(quán)利要求65的方法，其中陽極電極包括鎳。
69.權(quán)利要求65的方法，其中電解質(zhì)為62％碳酸鋰和38％碳酸鉀。
70.權(quán)利要求65的方法，其中陽極電極和陰極電極中的每一個都通過下列方法生產(chǎn)將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑，通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上進(jìn)行電極的鑄造，形成鑄造電極，和干燥該鑄造電極。
71.權(quán)利要求65的方法，其中陽極電極通過下列方法生產(chǎn)通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
72.權(quán)利要求65的方法，其中陰極電極通過下列方法生產(chǎn)通過將含水粘合劑和至少一種金屬進(jìn)行結(jié)合以形成電極漿液，該含水粘合劑含有水、至少一種聚合醇、至少一種非-聚合醇、至少一種水溶性樹脂、和干燥減速劑；通過將電極漿液轉(zhuǎn)移到鑄造設(shè)備上，形成電極；和干燥該鑄造電極。
全文摘要
提供了用于制造電極的含水粘合劑。含水粘合劑包括水、聚合醇、非－聚合醇、水溶性樹脂、干燥減速劑，且任選消泡劑。當(dāng)含水粘合劑用于生產(chǎn)電極時，含水粘合劑一般包括大部分水，以使放出的有毒物質(zhì)最小化。還公開了使用該含水粘合劑組裝的電極和燃料電池。
文檔編號H01M8/14GK1723580SQ200480001949
公開日2006年1月18日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者戴維·A·休恩梅克, 杰弗里·P·艾倫, 倫道夫·M·伯納德 申請人:吉恩塞爾公司