CN104078698A - 一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，步骤如下：1、制备符合要求的电极和隔膜，电极的孔隙率为60％～80％，隔膜的孔隙率为50％～60％；2、计算所制备的隔膜和电极在完全焙烧后的孔道中需要的摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质的质量；3、将计算所得质量的熔盐电解质充分混合均匀并干燥处理，将熔盐电解质分别均匀地铺在电极和隔膜上；4、将放有熔盐电解质的电极和隔膜放入马弗炉中，在480～540℃下焙烧10～20小时，就将熔融碳酸盐燃料电池所需的电解质储存在电极和隔膜内，且在电池运行中，电极中储存的电解质可对隔膜进行一定的补偿，保证电池的稳定运行。本发明方法易于操作，对改进熔融碳酸盐燃料电池的电解质储存与补偿方面具有重要的意义。

Description

一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法
技术领域
本发明涉及熔融碳酸盐燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％～60％。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是20世纪50年代后期发展起来的一种高温燃料电池，工作温度在650℃左右。与低温燃料电池相比，高温燃料电池具有明显的优势：(1)可以使用化石燃料，燃料重整温度较高，可以与温度较高的电池实现热量耦合，甚至可以直接在电池内部进行燃料的重整，使系统得到简化；(2)温度较高的电池产生的废热具有较高的利用价值，可以实现热电联供；(3)低温下CO容易使催化剂中毒，而在高温下，CO却是一种燃料；(4)在较高温度下，氢气的氧化反应和氧气的还原反应活性足够高，不需要使用贵金属作为电催化剂；(5)电池反应中载流子不需要水作为介质，避免了低温电池复杂的水管理系统；(6)在MCFC中，CO2作为一种阴极进气来消耗，这对于当前减少温室气体(主要是CO2)的排放具有重要的环保意义。
目前，制约MCFC商业化的主要问题是寿命问题。当前MCFC只能达到2～3万小时，离其商业化要求4万小时还有一定的距离。影响MCFC寿命的原因主要有阴极溶解，电解质的挥发损失，隔膜孔粗化和阳极蠕变等问题。其中，熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿难题是影响MCFC寿命的关键因素，为了加快MCFC的商业化，国内外从事MCFC的科研院所都在尝试解决这一难题。经过查阅大量的文献资料，目前MCFC电解质的储存方案主要有以下三种：1、将电解质储存在电池的气体流道中，这样在电池升温过程中，电解质熔融后依靠毛细力浸入隔膜中，这种方法实现起来较为容易，但熔盐对电池流道的腐蚀较为严重，且由于气流的影响，熔盐在浸入隔膜的过程中容易出现不均匀问题；2、将电解质做出类似于隔膜一样的盐膜，在组装电池时类似于三明治的形式叠加在一起进行，这种方案在单电池或小数量的电池堆上还具有一定的可行性，但当电池堆较大时，由于盐膜厚度而使得电池堆会发生较大的沉降，隔膜容易被开裂，从而影响电池堆的运行；3、将电解质与隔膜粉料混合在一起制备一体化的基板，这种方案实现起来较难控制隔膜的孔隙率及孔分布。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，采用本发明方法准备的电极和隔膜进行组装电池时，电池在运行中没有窜气和漏气现象的发生，而且由于具有电解质的补偿作用，电池的使用寿命得到延长。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：制备符合要求的电极和隔膜，电极的孔隙率为60％～80％，隔膜的孔隙率为50％～60％；
步骤2：计算所制备的隔膜和电极在完全焙烧后的孔道中需要的摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质的质量；
步骤3：将计算所得质量的摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质充分混合均匀并进行干燥处理，根据所计算的熔盐电解质的质量，将熔盐电解质分别均匀地铺在电极和隔膜上；
步骤4：将放有熔盐电解质的电极和隔膜放入马弗炉中，在480～540℃下进行焙烧10～20小时，使得电解质熔融后浸入电极和隔膜中，这样就将熔融碳酸盐燃料电池所需的电解质储存在电极和隔膜内，待电极和隔膜冷却后便可进行电池的组装与测试。
经过上述步骤过程，熔融碳酸盐燃料电池发电过程中所需的熔融电解质就储存在电极和隔膜中，且在电池运行过程中，隔膜中的熔融电解质由于高温挥发会损失一部分，而在电极中储存的熔融电解质会及时地对其进行补偿，从而保证熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命和性能。
所述电极的阳极孔径为3～7μm，孔隙率为60％～70％；阴极孔径为7～10μm，孔隙率为70％～80％。
所述隔膜的孔径为0.1～1μm。
步骤2所述计算摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质的质量的方法为：首先通过压汞仪测定所制备的隔膜和电极的孔隙率；根据孔隙率以及隔膜和电极的厚度、面积便可计算出隔膜和电极的孔体积；分别用隔膜和电极的孔体积乘以摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3的混合盐密度，即得到隔膜和电极在完全焙烧后的孔道中需要的熔盐电解质的质量。
本发明方法易于操作，对改进熔融碳酸盐燃料电池的电解质储存与补偿方面具有重要的实际意义。采用本发明方法准备的电极和隔膜进行组装电池时，电池在运行中没有窜气和漏气现象的发生，而且由于具有电解质的补偿作用，电池的使用寿命得到延长。本发明对改善电池性能以及延长电池的使用寿命等方面具有重要的指导意义，对加快我国在MCFC方面的研究进展具有重要的促进作用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
制备电极和隔膜，采用压汞仪测量制备的电极和隔膜的孔隙率，采用游标卡尺和直尺来测量它们的厚度和面积，经测定，阳极的孔隙率为60％，厚度为0.8mm，面积为233cm2；阴极的孔隙率为70％，厚度为0.9mm，面积为233cm2；隔膜的孔隙率为50％，厚度为0.95mm，面积为336cm2。根据阳极、阴极和隔膜的孔隙率以及厚度、面积便可计算出他们的孔体积；由孔体积乘以摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3的混合盐密度(目前经验密度为2.23g/cm3)，这样就可以较为准确地确定了所需的熔盐电解质的质量。通过计算得出，阳极孔结构能够储存的电解质质量为24.94g，阴极孔结构能够储存的电解质量为32.73g，隔膜孔结构所需的电解质质量为35.59g。
将摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3电解质充分混合均匀并进行干燥处理，分别称取24.94g、32.73g和35.59g电解质平铺在阳极、阴极和隔膜上，平铺过程中须保证一定的平整度及均匀性，然后将它们放入马弗炉在540℃下进行焙烧10小时，使得电解质熔融后浸入电极和隔膜中，待电极和隔膜冷却后便可进行电池的组装与测试。经过上述过程，熔融碳酸盐燃料电池发电过程中所需的电解质就储存在电极和隔膜中，且在电池运行过程中，隔膜中的电解质由于高温挥发会损失一部分，而在电极中储存的电解质会及时地对其进行补偿，从而保证熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命和性能。
实施例2
制备电极和隔膜，采用压汞仪测量制备的电极和隔膜的孔隙率，采用游标卡尺和直尺来测量它们的厚度和面积，经测定，阳极的孔隙率为70％，厚度为0.8mm，面积为233cm2；阴极的孔隙率为80％，厚度为0.9mm，面积为233cm2；隔膜的孔隙率为60％，厚度为0.95mm，面积为336cm2。根据阳极、阴极和隔膜的孔隙率以及厚度、面积便可计算出他们的孔体积；由孔体积乘以摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3的混合盐密度(目前经验密度为2.23g/cm3)，这样就可以较为准确地确定了所需的熔盐电解质的质量。通过计算得出，阳极孔结构能够储存的电解质质量为29.10g，阴极孔结构能够储存的电解质量为37.41g，隔膜孔结构所需的电解质质量为42.71g。
将摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3电解质充分混合均匀并进行干燥处理，分别称取29.10g、37.41g和42.71g电解质平铺在阳极、阴极和隔膜上，平铺过程中须保证一定的平整度及均匀性，然后将它们放入马弗炉在480℃下进行焙烧20小时，使得电解质熔融后浸入电极和隔膜中，待电极和隔膜冷却后便可进行电池的组装与测试。经过上述过程，熔融碳酸盐燃料电池发电过程中所需的电解质就储存在电极和隔膜中，且在电池运行过程中，隔膜中的电解质由于高温挥发会损失一部分，而在电极中储存的电解质会及时地对其进行补偿，从而保证熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命和性能。

Claims (4)

1.一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制备符合要求的电极和隔膜，电极的孔隙率为60％～80％，隔膜的孔隙率为50％～60％；
步骤2：计算所制备的隔膜和电极在完全焙烧后的孔道中需要的摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质的质量；
步骤3：将计算所得质量的摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质充分混合均匀并进行干燥处理，根据所计算的熔盐电解质的质量，将熔盐电解质分别均匀地铺在电极和隔膜上；
步骤4：将放有熔盐电解质的电极和隔膜放入马弗炉中，在480～540℃下进行焙烧10～20小时，使得电解质熔融后浸入电极和隔膜中，这样就将熔融碳酸盐燃料电池所需的电解质储存在电极和隔膜内，待电极和隔膜冷却后便可进行电池的组装与测试。
2.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，其特征在于，所述电极的阳极孔径为3～7μm，孔隙率为60％～70％；阴极孔径为7～10μm，孔隙率为70％～80％。
3.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，其特征在于，所述隔膜的孔径为0.1～1μm。
4.根据权利要求1所述的一种熔融碳酸盐燃料电池电解质的储存与补偿方法，其特征在于，步骤2所述计算摩尔比为62:38的Li2CO3和K2CO3熔盐电解质的质量的方法为：首先通过压汞仪测定所制备的隔膜和电极的孔隙率；根据孔隙率以及隔膜和电极的厚度、面积便可计算出隔膜和电极的孔体积；分别用隔膜和电极的孔体积乘以摩尔比为62:38的Li2CO3-K2CO3的混合盐密度，即得到隔膜和电极在完全焙烧后的孔道中需要的熔盐电解质的质量。
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