[发明专利]水基流延制备熔融碳酸盐燃料电池NiO阴极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种熔融碳酸盐燃料电池NiO阴极材料的制备方法，是一种以水基流延替代传统的非水基流延制备熔融碳酸盐燃料电池NiO阴极的新工艺。属于燃料电池领域。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池是一种能够连续地将氢气、煤气、甲醇等燃料的化学能直接转化为电能的化学电源装置。其转换不受卡诺循环原理限制，具有发电效率高、无污染、无噪音等优点，现已成为世界各大国能源领域内研究的热点。

熔融碳酸盐燃料电池的核心部件是由阳极、电解质基板和阴极组成，其中熔融碳酸盐燃料电池商业化最大制约因素是其NiO阴极在熔融碳酸盐中的溶解和金属镍在电解质基板中的沉积而造成的电池短路。而在熔融碳酸盐燃料电池的阴极材料制备方面，由于流延法可以制备出厚度可精确控制、强度高、质地均匀、柔韧度好、切割方便的大面积薄板，现已成为制备熔融碳酸盐燃料电池电极板最主要的工艺。中国专利CN1556555A已经利用非水基流延工艺成功制备出物理性能达到使用要求的阴极。Min Hyuk Kim等人发表的《Cobalt and cerium Nipowder as a new candidate cathode material for MCFC》一文中利用非水基流延法成功制备出改性的MCFC阴极，并取得了良好的效果。

然而，由于传统的流延法大量采用有毒易燃的有机物作为溶剂，这不仅提高了生产成本，而且对人体以及环境都会带来一定的危害。因此，近年来以水作为溶剂，具有生产成本低，环境友好的水基流延体系已日益成为人们研究的重点。然而，由于水对镍粉颗粒相对有机溶剂存在着较大的表面张力，从而导致镍粉在水中的润湿性能较差，另外还存在着干燥时间长浆料除气困难等不足，所以至目前为止国内外还没有水基流延法制备熔融碳酸盐燃料电池阴极材料方面的相关报道。

发明内容

本发明旨在提供一种水基流延制备熔融碳酸盐燃料电池阴极的工艺，以水基溶剂取代传统流延法中大量使用的有机物溶剂，进而达到降低生产成本、减轻环境污染的目的。

1、将羰基镍粉、造孔剂、分散剂、润湿剂和蒸馏水混合，然后进行球磨得到浆料1，向浆料1中加入粘结剂和增塑剂并再次球磨得到浆料2，球磨后将浆料2置于真空环境下均化，以便消除浆料2中的气泡；

2、采用流延法将制得的浆料流延在聚乙烯薄膜表面，干燥后即可得到质地均匀且具有较高柔韧度和强度的电极素坯，最后再根据实际需要切割成所要的大小，电极素坯的厚度可通过调节流延机刮刀的高度和速度来控制。

3、将流延制得的电极素坯按照一定的升温程序进行烧结，最后得到表面平整、质地均匀且没有裂纹的多孔NiO电极。为了防止残余的碳阻止羰基镍粉的进一步烧结，在烧结过程中应尽可能地降低电极板中残余碳的含量，因此在烧结过程中一个重要的过程就是“排粘”。烧结程序为：240℃、350℃、500℃、850℃分别恒温120min、240min、120min、30min，从室温加热到240℃、350℃加热到500℃的升温速率为2℃/min，其余都是1℃/min，850℃烧结后自然冷却到室温后即可制得符合要求的熔融碳酸盐。

本发明主要的原材料及试剂有羰基镍粉：T255型，粒径2.2～2.8μm，体密度0.5～0.65g/cm³；润湿剂：无水乙醇，分析纯；分散剂：吐温80，分析纯；增塑剂：聚乙烯乙二醇(PEG)，分析纯；造孔剂：活性炭或尿素；粘结剂，聚乙烯醇(PVA)，添加量为羰基镍粉质量的20％～30％，其中粘结剂需要在90℃条件下配制成质量分数为10％的溶液，溶解过程中出现的气泡可用磷酸三丁酯等消泡剂消除。本发明使用了活性炭和尿素两种不同的造孔剂，其添加量为羰基镍粉质量的1％～10％；分散剂吐温80添加量为羰基镍粉质量的1％～3％；增塑剂聚乙烯乙二醇添加量为羰基镍粉质量的3％～5％；粘结剂聚乙烯醇添加量为羰基镍粉质量的3％～5％。

本发明首次以水作为流延体系的溶剂制备熔融碳酸盐燃料电池阴极材料，优化浆料组分，着重研究尿素以及活性炭造孔剂的不同添加量对孔隙率的影响，并成功地制备出质地均匀，柔韧度高，便于切割的素坯，烧结后得到厚度在0.5～0.7mm之间，孔隙率在60％～70％之间，满足熔融碳酸盐燃料电池性能指标的阴极。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实例：