[发明专利]熔融碳酸盐燃料电池隔膜和具有复合孔结构隔膜的制备

说明书

技术领域

本发明涉及熔融碳酸盐燃料电池技术，特别提供了一种具有复合孔结构的隔膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它不经过热机过程，所以不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。同时，它又是一种清洁无污染的发电装置。其中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是在600-700℃高温工作的发电装置，除了上述特点，还具有许多其它燃料电池无可比拟的优点，如无需采用贵金属电极，可大大降低电池成本；有较大的燃料适用范围，除了氢气、一氧化碳外，还可直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物作为燃料。

熔融碳酸盐燃料电池通常采用LiAlO₂作为隔膜的骨架，制备隔膜时会将LiAlO₂粉末与一些功能性溶液混合配制成浆料，然后利用不同的处理方法得到电池用隔膜。电池升温时，隔膜中所含的功能性溶液会挥发分解留下孔隙，在电解质熔融后，电解质会在毛细力作用下浸入这些孔隙中，被隔膜所保持。这些电解质将起到阻气和传递离子的作用。根据Meredith-Tobias公式：

式中：ρ—隔膜电阻率；

ρ₀—电解质电阻率，ρ₀[(Li_0.62K_0.38)₂CO₃，650℃]＝0.5767Ω·cm；

—膜中LiAlO₂的体积分数；

—隔膜孔隙率。

可知隔膜孔隙率越大，膜电阻率越小，即膜中浸进更多的电解质，降低了膜电阻。另根据Yong-Laplace公式：

p＝2σcosθ/r

式中：p—毛细管承受的穿透气压；

r—毛细管半径；

σ—电解质表面张力，σ[(Li_0.62K_0.38)₂CO₃]＝0.198N/m；

θ—电解质与膜体接触角，此处完全润湿，θ＝0°。

可知膜孔半径越小，其穿透气压越大，隔膜越不易发生串气，相应的寿命就会提高。根据以上两点，我们可以看出理想的隔膜孔结构应该是兼具高孔隙率和较小孔径的特点的。本发明基于此点，力图从改善隔膜的孔结构方面来提高隔膜保持电解质的能力，增大隔膜电导率，同时降低电解质挥发流失。

目前，对于熔融碳酸盐燃料电池隔膜的改进主要有以下两种：

首先，将有机溶剂配制的浆料改进为以水作溶剂配制浆料，这样可以削弱隔膜在制备过程中由于有机溶剂的挥发对环境造成的影响，使隔膜的制备过程更加环保。但是此种方法会造成LiAlO₂一定程度上的水解，影响到随后的电池原位升温烧结过程。

其次，向LiAlO₂粉料中掺入其它物质，包括LiAlO₂纤维、Al₂O₃纤维、ZrO₂、B₂O₃等。这些掺入的物质有些可以改善隔膜在升温过程中的烧结状况，减缓LiAlO₂粉末由于高温烧结而使颗粒度变大的趋势，还有一些可以增加隔膜的抗压强度，减少隔膜在升温过程中由于热膨胀而导致产生裂纹情况的发生。这些改进无疑会增加隔膜的使用寿命，但是所掺入的物质与隔膜中所保持的电解质之间是否会发生一些负面作用却未见有所报道。另外，这些改进均未涉及隔膜的基本孔结构，并未从根本上提高隔膜对电解质的保持能力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，在带铸法制备隔膜的基础上，提出了一种熔融碳酸盐燃料电池隔膜和具有复合孔结构隔膜的制备方法。复合孔结构隔膜结构中，隔膜外层为小孔径低孔隙率部分，可以有效的提高隔膜对于电解质的毛细作用力，降低电解质由于高温挥发而损失的量；隔膜内层为大孔径高孔隙率部分，可以提高隔膜中所保持电解质的量，从而提高电解质隔膜的电导率。

本发明具有复合孔结构的熔融碳酸盐燃料电池隔膜的制备方法如下：