[发明专利]用于熔融碳酸盐燃料电池的电解质基体及其制造方法

说明书

发明背景

本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于熔融碳酸盐燃料电池的电解 质基体。

燃料电池是一种通过电化学反应将贮存在烃类燃料中的化学能直 接转变为电能的装置。通常，燃料电池包含被电解质隔开的阳极和阴 极，该电解质用于传导带电离子。为了产生有效的功率水平，将许多 单个燃料电池串联堆叠，并在各个电池之间具有导电隔板。

熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)通过使反应物燃料气体穿过阳 极且同时使氧化气体穿过阴极来工作。MCFC的阳极和阴极通过浸满碳 酸盐电解质的多孔电解质基体相互隔离。该基体典型包含浸渍有熔融 碱金属碳酸盐电解质的多孔未烧结γ-LiAlO₂陶瓷粉末层(bed)，并 且提供了离子传导和气体密封。在MCFC工作期间，基体既经受机械应 力又经受热应力，该机械应力和热应力在基体中引起开裂或缺陷。为 了提供有效的气体密封，电解质基体必须具有足够的强度、机械完整 性和材料耐久性，以承受这些应力，特别是在MCFC的热循环期间。具 体地，在MCFC的热循环期间，基体必须能够适应与碳酸盐熔化和凝固 相关的体积变化，以便在长的时期内提供对跨基体的压力差和对湿密 封保持压力的耐受性，并且在MCFC的寿命内必须具有缓慢的孔生长或 没有孔生长。此外，基体必须具有足够的孔隙率和亚微米孔分布，以 确保强的毛细作用力，从而有效地将电解质保留在其孔内，以防止电 极泛溢(flooding)和电解质变干。

相应地，开发了多种用于增强电解质基体和用于改善其电解质保 留性的方法。例如，美国专利No.4,322,482公开了在基体中使用具 有较大尺寸的“减裂剂(crack attenuator)”颗粒，以减少基体的 贯通开裂(through-cracking)。在转让给本文相同受让人的美国专 利No.5,869,203中，公开了另一种制造具有提高强度和改善均匀性 的电解质基体的方法。该′203专利公开了一种制造包含陶瓷载体材料 和添加剂材料的电解质基体的方法，该方法利用载体和添加剂材料的 高能强力研磨技术，以生产较小尺寸的高活性颗粒。具体地，通过向 载体材料的浆料中加入添加剂材料，并且研磨该浆料混合物，使得该 添加剂的颗粒尺寸小于0.5μm，来实施′203专利的高能研磨技术。 然后通过条带浇注(tape casting)技术由该浆料混合物形成基体。

′203专利的高能研磨技术在提高电解质基体的强度和均匀性方 面是有效的。然而，使用包括′203专利中公开的方法的常规方法制得 的基体的颗粒堆积(partical packing)和孔结构受环境条件、且特 别是受湿度和条带浇注加工期间的加工条件以及受基体原材料变化的 显著影响。例如，增加的湿度导致不希望的非均匀基体孔结构，其进 而对基体的强度及基体将电解质保留在其孔内的能力具有负面影响。 条带浇注加工对环境和加工条件以及对原材料变化的这种敏感性常常 导致电解质基体的各种表面缺陷、开裂和非均匀结构。

因此本发明的目的是提供制造电解质基体的改进方法，所述电解 质基体具有较高的强度、较大的颗粒堆积和改善的电解质保留性。

本发明的又一目的是提供制造基体的方法，其中该基体对例如湿 度的环境因素、加工条件和原材料变化的敏感性较小。

发明概述

根据本发明的原理，在制造用于承载碳酸盐电解质的基体元件的 方法中实现了上述和其它目的，该方法包括：提供碳酸盐电解质材料， 将该碳酸盐电解质材料进行预研磨以形成颗粒尺寸小于0.3μm的预 研磨碳酸盐电解质，提供载体材料，使用研磨技术将所述预研磨碳酸 盐电解质与载体材料混合以形成混合物，和将该混合物形成为基体元 件。

提供碳酸盐电解质的步骤还包括：将电解质分散在预定量的分散 剂中，和对分散在分散剂例如鱼油或者一种或多种Hypermer KD系列 聚合分散剂中的碳酸盐电解质进行预研磨。分散剂的预定量等于碳酸 盐电解质重量的1-5％。载体材料为LiAlO₂而碳酸盐电解质材料为 Li₂CO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃中的一种或多种。