[发明专利]一种熔融碳酸盐燃料电池结构

权利要求书

1.一种熔融碳酸盐燃料电池结构，包括隔膜及位于其两侧的平板状电极，其特征在于：

其隔膜是有序化隔膜，具有垂直于隔膜表面的、规则的通孔有序结构，通孔可以是六方六棱或圆形圆柱，有效孔径在50～200nm之间，材质为陶瓷材料，隔膜厚度在200～400um之间；

其电极为有序化电极，具有垂直于平板表面的、规则的通孔有序结构，通孔可以使六方或圆形孔道，孔径在300～600nm之间，材质为Ni或NiO或其复合材料（复合材料：如LiCoO₂包覆的NiO，或ZnO包覆的NiO），电极厚度在200～400um之间。

2.按照权利要求1所述的电池结构，其特征在于：

所述隔膜材质为在室温及650-700℃的高温熔盐中可以稳定存在的陶瓷材料（如LiAlO₂（alpha型或gama型），MgO或者MgO包覆的LiAlO₂）；

所述熔盐电解质为62mol%Li₂CO₃+38mol%K₂CO₃或52mol%Li₂CO₃+48mol%Na₂CO₃。

3.按照权利要求1所述的电池结构，其特征在于：

所述的有序化隔膜的制备过程如下：

1）首先采用二步阳极氧化法（以铝片为工作电极，石墨为对电极，电极间距为2.5～5cm，以0.2～0.3mol/L的草酸溶液为电解质，氧化温度为0～20℃，氧化电压为20～45V，一次氧化时间为2～8h，在（6wt.%H₃PO₄+1.8wt.%H₂CrO₄）混合液中浸泡8～12h，清洗后进行二次氧化，与一次氧化条件相同，氧化时间为4～40h）制备出满足上述各尺寸要求的通孔阳极氧化铝（AAO）；然后以此为基底，在15℃碳酸锂的饱和溶液中反复浸渍-提拉，使浓度为0.1～0.3mol/L碳酸锂溶液充分进入到通孔氧化铝基底孔道内；最终浸入量为10～20mg；

2）将浸渍后的通孔氧化铝基底置于烘箱内烘干；

3）将烘干的通孔氧化铝基置于平板上，上面铺一层石英砂，置于马弗炉里焙烧，焙烧程序如下：

α-LiAlO₂：从室温加热10h至450℃、450℃保温10h，再加热6h至700℃、700℃保温12h后降温到室温；

γ-LiAlO₂：从室温加热10h至450℃、450℃保温10h，再加热6h至700℃、700℃保温12h，在加热5h至900℃、900℃保温4h后降温到室温。

4.按照权利要求1所述的电池结构，其特征在于：

所述的有序化电极的制备过程如下：

1）在真空条件下，在AAO的一侧表面采用真空气相沉积一层3～5nm的Au；

2）同样在真空条件下浸入甲基丙烯酸甲酯单体溶液，以过氧化苯甲酰为聚合引发剂，在紫外线照射条件下生成聚甲基丙烯酸甲酯；

3）然后用1～1.5mol/L NaOH溶液去除AAO模板，得到反向复制模板后进行电化学沉积Ni，去除聚甲基丙烯酸甲酯后便可得到有序化电极。

5.按照权利要求1所述的熔融碳酸盐燃料电池，其特征在于：

其结构包括带有流场的电池端板，具有有序孔结构的阴极和阳极以及具有有序孔结构的隔膜；

所述熔盐电解质为62mol%Li₂CO₃+38mol%K₂CO₃或52mol%Li₂CO₃+48mol%Na₂CO₃；

其启动过程不需要几十甚至上百小时的隔膜焙烧过程，将熔融碳酸盐燃料电池的启动时间缩短至数小时；

由于其所用隔膜为有序化隔膜，有利于保持熔融碳酸盐，减少熔盐的流失，进一步增加电池寿命；另外，由于有序化隔膜的规则孔道结构，更有利于CO₃^2-离子的传递，减少电池欧姆阻抗，进一步提高电池性能；

由于其使用电极为有序化电极，有利于维持三相反应界面的动态平衡，减少电极的极化，进一步提高电池性能；

与传统的隔膜和电极相比，所使用的有序化隔膜和电极的厚度上有所减薄，进一步减少了欧姆电阻和电极传质极化，有利于电池性能的提高。