[发明专利]用于燃料电池中的电解质的粉末

说明书

技术领域

本发明涉及用作燃料电池中的电解质的聚集粉末，其包含与至少一种碱金属碳酸盐聚集的金属氧化物。与组分的简单混合物相比，所获聚集物表现出便于粉末处理的良好流动性、改进的均匀性和稳定性。本发明还涉及将氧化物粉末与碱金属碳酸盐聚集的方法。特别地，本发明涉及将细的不规则的微粒二氧化铈粉末与锂和钠或钾的碳酸盐聚集，以用于压制薄片，以用作固体氧化物燃料电池的电解质。

背景技术

近年来，由于替代能源不断上升的利润，已公开了大量涉及燃料电池开发的出版物和专利。

美国专利4317865(Trocciola)描述了一种熔融碳酸盐燃料电池电解质-基质材料和包含这种材料的熔融碳酸盐燃料电池。基质材料的例子是氧化铈，在该文本中描述为CeO₂，也可为其还原形式，例如Ce₂O₃或CeO_2-x，其中x可在0到0.5之间变化。该氧化铈材料可以是高纯度的，但该材料也可包含杂质，例如稀土氧化物。该熔融电解质材料基本上由碱金属碳酸盐构成，例如碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾或其混合物。根据该公开文本，尽管由于熔融碳酸盐导致了侵蚀性的环境，发明的熔融碳酸盐燃料电池电解质-基质材料显示了高的稳定性。

在一篇由Zhou撰写、发表在International Journal of Energy Research，2006，30：895-903的文章中，描述了在低温300-600℃工作的新一代固体氧化物燃料电池(SOFC)。这些低温固定氧化物燃料电池可以通过例如煤、合成气和例如甲醇和乙醇的液体烃燃料直接操作。在这些燃料电池中的固体电解质也可基于铈氧化物。

在授予Zhou的美国专利6991867中描述了燃料电池，其包括：燃料室、阳极、阴极、位于所述阳极和所述阴极之间的电解质和氧化剂室。该燃料室和氧化剂室包围阳极、阴极和电解质。从燃料室流出的燃料在阳极被氧化，从而产生能量。电解质为陶瓷复合物，包含至少一种盐和至少一种氧化物。给出了各种复合氧化物和包含碳酸根离子、氯离子或氟离子的盐的示例。根据一个实施例，氧化物包含二氧化铈基复合氧化物，且该燃料电池工作于中等温度300-800℃。

美国申请2002/0135095讨论了金属或陶瓷材料薄板的制造。需要克服的问题是如何制造在其至少一个侧面高度图案化的非常薄的金属或陶瓷材料板。这种薄板用于例如板式热交换器和燃料电池的制造。

该专利申请指出：

根据该发明，使用模制技术，采用大的动能来制造具有高起伏的图案化侧面的板。然而，在以粉末为原料时，不可能用单一冲击通过高动能成形来制造这样的板。即使该材料通过产生非常大的压力来软化，该材料也受到太多限制，以至于不仅不能流到模制工具的形成高起伏图案的部分内的迷宫式通道中，也不能流出至较厚的边缘部分。也不能在相同工具中通过反复冲击形成产品。相反，问题可能会加重。在以粉末为原料时，情况更是如此，因为粉末在第一冲击下就肯定能在表层中被塑化。但是这使得粉末在粉末床上进一步向下的塑化更为困难，导致压制非常不均匀且摩擦增大。为了解决该问题，该发明的原理是首先制造中间产物，其适于基于在单一冲击中通过提供非常高的动能而形成高起伏图案的板的最终成形操作。

但在上述专利申请中没有提到粉末的物理性质，例如均匀性、耐分聚能力、粉末表观密度的稳定性和流动。已知这些性质对于均匀且高速地填充模腔是非常重要的。这些性质对于制造下述压制体的能力具有显著的影响：该压制体具有在所制得的部件内组成和密度的最小变化，在所制得的部件之间的最小重量分散；这些性质对于高速制造压制部件的能力也有显著影响。良好的粉末性质的重要性在填充困难形状的压缩模具时尤其明显，例如在上述申请中所提及的那些。

解决的问题

小粒度的、具有极其不规则形状的氧化物粉末，例如氧化铈，二氧化铈，具有非常差的粉末性质。因此，在需要通过加压固结而生产亚毫米厚的固体电解质的固体片时，很难处理这些粉末。当需要在这些粉末中存在碱金属碳酸盐时，在以颗粒形式将它们掺混时，则更难实现理想的混合均匀性。

本发明提供了极不规则的金属氧化物和碱金属碳酸盐的、具有改进性质的聚集物，从而可以通过不同的压制方法实现所制得的薄板的经济生产，并提高其质量。进一步地，本发明还提供了制造金属氧化物(例如二氧化铈)和碱金属碳酸盐的聚集物的方法，以用于制造用作燃料电池中的电解质的薄板。特别地，本发明还提供了一种提供细的金属氧化物与锂和至少一种其它碱性金属的碳酸盐的均匀复合碳酸盐的聚集物的方法，以及通过本发明方法获得的聚集物。