CN1770502A - 水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种能源技术领域的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法。本发明采用亚微米级的α－偏锂酸铝粉末为原料，将原料加入聚乙烯醇PVA粘接剂的水溶液中，进行球磨造粒，然后同时加入Al₂O₃纤维和水，搅拌后，得到含有α－LiAlO₂、PVA和Al₂O₃纤维的浆料，把该浆料流延成膜并干燥以后，用三片膜热压成一张膜，就得到所需要的熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。本发明以水作为溶剂调配浆料，减少了化学试剂的使用量，更重要的是使用水作为溶剂，大大减少了环境污染，改善了工作环境，降低生产成本。

Description

水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的制备方法，特别是一种用水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池以多孔氧化镍为阴极，多孔金属镍为阳极，碳酸锂/碳酸钾(Li₂CO₃/K₂CO₃)或碳酸锂/碳酸钠(Li₂CO₃/Na₂CO₃)组成的低共熔混合物作为电解质，熔化后的电解质分散在由亚微米级的α-偏锂酸铝(α-LiAlO₂)或γ-偏锂酸铝(γ-LiAlO₂)粉料制得的隔膜中。当阴极通入空气和二氧化碳气体，阳极通入氢气或是天然气的重整气、生物质气、净化后的煤制气后，就会在外电路产生电流，无须经过燃烧或机械作功，是一种高效、清洁的发电装置。承载熔融碳酸盐，由偏锂酸铝LiAlO₂粉末制得的隔膜，是电池的关键材料之一。该隔膜的性能，如孔隙率、孔径、机械强度等，都直接影响到电池的性能和寿命。一般用流延法制造隔膜。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号97111018.2的发明专利，该专利把LiAlO₂粉末放入到正丁醇和乙醇组成的混合有机溶剂中，再加入聚乙烯醇缩丁醛和邻苯二甲酸二正辛酯粘接剂，雪鱼油分散剂，硅油消泡剂，球磨33小时后，把浆料流延成膜。干燥后得到的三张膜层叠后热压，就得到了熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。该方法具有最明显的不足之处，是采用了大量的有机物，不仅提高了制作成本，而且，制备过程中造成环境的污染。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，使其以水作为溶剂调配浆料，减少了化学试剂的使用量，更重要的是使用水作为溶剂，大大减少了环境污染，改善了工作环境，降低生产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用亚微米级的α-偏锂酸铝(α-LiAlO₂)粉末为原料，将原料加入聚乙烯醇(PVA)粘接剂的水溶液中，进行球磨造粒，然后同时加入Al₂O₃纤维和水，搅拌后，得到含有α-LiAlO₂、PVA和Al₂O₃纤维的浆料，把该浆料流延成膜并干燥以后，用三片膜热压成一张膜，就得到所需要的熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。

以下对本发明方法作进一步的说明，方法步骤如下：

(1)将PVA溶于50~100℃的热水中，配成0.02wt％~0.06wt％的PVA溶液，将0.01~0.3μm的α-LiAlO₂ 10~50克细粉加入到上述100克溶液中，搅拌均匀后，在50~100℃下干燥，然后球磨1~4小时。如此反复进行2~4次。

(2)球磨后的α-LiAlO₂粉末中加入Al₂O₃纤维、水，三者的比例α-LiAlO₂∶Al₂O₃纤维∶水＝10∶1∶5，形成浆料，流延成膜。Al₂O₃纤维为多晶结构。

(3)该膜在50~100℃下干燥去除水分后，取三张膜叠放在60~100℃的压机上，压力为1~3MPa，预热3~4分钟，然后，用4~5Mpa的压力，热压4~5分钟，就得到了熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。该隔膜的厚度为0.6-1毫米之间，平均孔径0.3-0.4μm，平均孔隙率50-60％。

本发明采用在亚微米级的α-LiAlO₂陶瓷颗粒外面多次包覆水溶性粘接剂PVA，同时进行球磨造粒，最后加入Al₂O₃纤维和水，形成了含有(α-LiAlO₂)、PVA和Al₂O₃纤维的浆料，流延成膜，干燥后三张膜热压成熔融碳酸盐燃料电池所需要的隔膜。采用水溶性的粘接剂PVA多次包覆亚微米级的α-LiAlO₂陶瓷颗粒，可避免现有技术中用大量的有机溶剂以及为得到均质浆料而另外加入的分散剂等其他化学试剂，同时，极大地改善了工作环境。Al₂O₃纤维的加入，不仅提高了隔膜的机械强度，同时，在实际使用中，和碳酸盐电解质发生化学反应，还具有了捕捉微小裂痕的能力。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

实施例一

将PVA溶于50℃的热水中，配成0.02wt％的PVA溶液，将0.01~0.3μm的α-LiAlO₂10克细粉加入到上述100克溶液中，搅拌均匀后，在50℃下干燥，然后球磨1小时。如此反复进行2次。球磨后的α-LiAlO₂粉末中加入Al₂O₃纤维，加入水，三者的比例α-LiAlO₂∶Al₂O₃纤维∶水＝10∶1∶5，形成浆料，流延成膜。该膜在50℃下干燥去除水分后，取三张膜叠放在60℃的压机上，压力为1MPa，预热3分钟，然后，用4Mpa的压力，热压4分钟，就得到了厚度为0.6毫米，平均孔径0.3μm，平均孔隙率50％熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。

实施例二

将PVA溶于75℃的热水中，配成0.04wt％的PVA溶液，将0.01~0.3μm的α-LiAlO₂30克细粉加入到上述100克溶液中，搅拌均匀后，在75℃下干燥，然后球磨2.5小时。如此反复进行3次。球磨后的α-LiAlO₂粉末中加入Al₂O₃纤维，加入水，三者的比例α-LiAlO₂∶Al₂O₃纤维∶水＝10∶1∶5，形成浆料，流延成膜。该膜在75℃下干燥去除水分后，取三张膜叠放在80℃的压机上，压力为2MPa，预热3.5分钟，然后，用4.5Mpa的压力，热压4.5分钟，就得到了厚度为0.8毫米，平均孔径0.35μm，平均孔隙率55％熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。

实施例三

将PVA溶于100℃的热水中，配成0.06wt％的PVA溶液，将0.01~0.3μm的α-LiAlO₂50克细粉加入到上述100克溶液中，搅拌均匀后，在100℃下干燥，然后球磨4小时。如此反复进行4次。球磨后的α-LiAlO₂粉末中加入Al₂O₃纤维，加入水，三者的比例α-LiAlO₂∶Al₂O₃纤维∶水＝10∶1∶5，形成浆料，流延成膜。该膜在100℃下干燥去除水分后，取三张膜叠放在100℃的压机上，压力为3MPa，预热4分钟，然后，用5Mpa的压力，热压5分钟，就得到了厚度为1毫米，平均孔径0.4μm，平均孔隙率60％熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。

把实施例二得到的熔融碳酸盐燃料电池隔膜，配以K₂CO₃/Na₂CO₃电解质盐，两端放上阴极和阳极，阴极一端通入空气和二氧化碳，阳极一端通入氢气，把电池加热到650℃，可以得到开路电压为1.06V，在50mA/cm²电流密度下，电池电压为0.93V，在100mA/cm²电流密度下，电池电压为0.85V，在150mA/cm²电流密度下，电池电压为0.78V。

Claims (10)

1、一种水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将PVA溶于热水中，配成PVA溶液，采用亚微米级的α-LiAlO₂粉末为原料，将α-LiAlO₂细粉加入到PVA溶液中，搅拌均匀后，干燥，然后球磨，如此反复进行；

(2)球磨后的α-LiAlO₂粉末中加入Al₂O₃纤维、水，得到含有α-LiAlO₂、PVA和Al₂O₃纤维的浆料，流延成膜；

(3)将步骤(2)中得到的膜干燥去除水分后，取三张膜叠放在压机上，预热后热压，得到熔融碳酸盐燃料电池的隔膜。

2、根据权利要求1所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(1)中，将PVA溶于50~100℃的热水中，配成重量百分比0.02％~0.06％的PVA溶液。

3、根据权利要求1或者2所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(1)中，将α-LiAlO₂ 10~50克细粉加入到100克PVA溶液中，干燥温度50~100℃，球磨1~4小时。

4、根据权利要求1所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(1)中所述的过程，重复2-4次。

5、根据权利要求1所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(2)中，α-LiAlO₂∶Al₂O₃纤维∶水＝10∶1∶5。

6、根据权利要求1或者5所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，所述的α-LiAlO₂的粒径为0.01～0.3μm，Al₂O₃纤维为多晶结构。

7、根据权利要求1所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(3)中，干燥温度为50~100℃。

8、根据权利要求1或者7所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(3)中，压机的温度为60~100℃，预热压力为1~3MPa，预热时间为3~4分钟。

9、根据权利要求1或者7所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，步骤(3)中，热压的压力为4~5Mpa，热压的时间为4~5分钟。

10、根据权利要求1所述的水基流延工艺制备熔融碳酸盐燃料电池隔膜的方法，其特征是，所得隔膜的厚度为0.6-1毫米之间，平均孔径0.3-0.4μm，平均孔隙率50-60％。