[发明专利]熔融碳酸盐燃料电池的阳极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种熔融碳酸盐燃料电池的阳极，其包括载体结构和在该载体结构上所涂覆的混合物，该混合物含至少一种基础金属和至少一种呈金属氧化物和/或金属氢氧化物形式的添加剂。本发明还涉及这种阳极的制备方法。

燃料电池是在气体和电解质之间发生化学反应的原电池。原理上与水的电解相反，在阳极上产生含氢的燃气和在阴极上产生含氧的阴极气体，并反应形成水。释放的能量以电能形式获取。

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）例如描述于DE 4303136 C1和DE 19515457 C1中。其电化学活性区域由阳极、电解质基质和阴极组成。由一种或多种碱金属碳酸盐组成的熔体用作电解质，该熔体容纳于细孔型电解质基质中。该电解质将阳极和阴极分开，并彼此相对封闭阳极和阴极的气腔。在熔融碳酸盐燃料电池运行时，向阴极加含氧气和二氧化碳的气体混合物，大多为空气和二氧化碳。该氧气经还原并与二氧化碳反应生成朝电解质迁移的碳酸根离子。向阳极加含氢气的燃气，该氢气经氧化并与来自熔体的碳酸根离子反应生成水和二氧化碳。该二氧化碳呈循环返回到阴极。燃料的氧化和氧气的还原相互分开进行。运行温度通常为550℃－750℃。MCFC电池将燃料中结合的化学能直接和有效地转变成电能。

常规的阳极通常由基于镍的多孔阳极材料构成。该多孔阳极材料的表面稳定性对阳极的功率密度和使用寿命是重要的。与此有关，在DE 2945565 C2中公开了一种阳极，其主要由镍、钴和其混合物的金属粉末构成，且为稳定表面而含有选自金属粉末态的铬、锆和铝、氧化物和碱金属盐和其混合物的添加剂。

在实际中，铝或铝化合物（氧化物、铝化物）的混合物以及铬或铬化合物的混合物是有效的。通常是具有不同化学计量比的镍和铝或镍和铬的混合物，其中镍的含量总是明显占优。如果使用镍基电极，向MCFC的阳极材料中掺混铝或铬是必要的。其原因是电解质中的纯镍是不可湿润的，以致不构成活性反应中心。

在MCFC运行中，该铝或铬的稳定变体是相应的氧化物，即铝和铬作为氧化物存在。在与碳酸盐熔体接触时由氧化铝形成碱金属盐如铝酸锂，其中锂源自在此消耗的电解质。这是有缺点的，因为电解质应尽可能呈恒定量存在。为避免这一缺点，DE 2945565 C2教导了在阳极材料中添加碱金属化合物，并在将该阳极装入燃料电池中前使该混合物经受烧结过程，即在还原气氛下的高温处理，以形成碱金属盐。这就增加了制备的耗费和成本。

为避免烧结过程，使用合金粉末如NiAl粉末或NiCr粉末制备阳极材料（“坯阳极”）。这类合金粉末的颗粒由于其制备方法（由金属熔体水喷射或空气喷射）而呈球形或小熔珠状，且具有宽的和不可控的在5 μm－100 μm之间的粒度分布。该合金粉末需经筛分以得到所需的特定粒度级。因为受制备条件所限，该所需的小颗粒量非常小，所以从可使用的合金粉末的价格考虑，很明显放弃了该解决方案。

不利的结果是，在制备阳极材料时不可能呈活性多孔结构（大小、形状、数目等），因为孔大小由粒末细粒之间形成的三角形空间大小决定，且该粉末细粒不可制备的任意小。

US 5415833公开了另一种制备MCFC阳极的方法，其中使由镍、合金金属如铝或铬、活化剂（氯化铵或卤化钠）和填充材料组成的混合物经受高温过程，在该过程中形成NiAl合金或NiCr合金。除了高温过程产生的耗费和与之相关的成本之外，而该方法的缺点还在于，所制得的阳极的活性层易受高温过程损伤，并且需小心处理。

因此，本发明的目的在于研制一种上述类型的阳极以及其制备方法，以致可用经济的方法产生活性多孔结构且避免电解质损失。

该目的由具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求11或12的特征的阳极实现的。按本发明，应用一种混合物，该混合物含纯镍作为基础金属，并含至少一种呈金属氧化物和/或金属氢氧化物形式的添加剂和至少一种碱金属化合物。由此本发明的阳极的特征在于，该混合物含作为基础金属的纯镍、至少一种呈金属氧化物和/或金属氢氧化物形式的添加剂以及至少一种碱金属化合物。

本发明的目的还在于提供一种具有至少一个这类阳极的熔融碳酸盐燃料电池。