專利名稱：干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，特別是一種干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法。
背景技術(shù)：
熔融碳酸鹽燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有轉(zhuǎn)換效率高，排放低的特點(diǎn)，特別是它能夠利用可再生資源，如生物質(zhì)能等發(fā)電，是未來(lái)分布式清潔電站的發(fā)電形式之一。熔融碳酸鹽燃料電池的基本單元由陰極、電解質(zhì)板和陽(yáng)極構(gòu)成，如何制備大面積、自支撐、達(dá)到孔隙率要求的陰極和陽(yáng)極，是研究和開(kāi)發(fā)熔融碳酸鹽燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00310109874.2的發(fā)明專利，采用在有機(jī)溶劑中加入鎳粉和分散劑、粘接劑、脫泡劑等長(zhǎng)時(shí)間球磨后形成漿料，隨后，流延形成素坯，接著，經(jīng)過(guò)排粘和還原燒結(jié)過(guò)程，得到所需要的電極。該工藝過(guò)程所需要的制備設(shè)備非常昂貴，生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，特別是使用有機(jī)溶劑，會(huì)對(duì)環(huán)境和操作人員構(gòu)成一定的危害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足之處，提供一種干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，使其無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的球磨，也無(wú)需使用有機(jī)溶劑，就能制備熔融碳酸鹽燃料電池電極，大大縮短了操作時(shí)間，改善了操作環(huán)境。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明具體步驟如下(1)以羰基鎳粉為原料，首先對(duì)羰基鎳粉和粘接劑進(jìn)行干燥處理。然后，將兩種粉料混合。
(2)把上述混合料分別放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗中，選用沖孔鎳基板，插在兩個(gè)滾軸之間，調(diào)整好兩個(gè)滾軸之間的距離。隨著滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉料滾壓在沖孔鎳基板上，得到生基板。
(3)將滾壓后得到的生基板，放在帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)(由氨分解產(chǎn)生還原氣氛)。經(jīng)燒結(jié)后得到陰極或者陽(yáng)極。
步驟(1)中，將羰基鎳粉在120℃下干燥2小時(shí)，粘接劑在60℃下干燥2小時(shí)。羰基鎳粉和粘接劑按照1∶01-1∶0.2比例混合。
所述的粘接劑，采用聚乙烯醇縮丁醛或聚乙烯醇，重量百分含量為10-20％。
所述的羰基鎳粉，其鎳元素含量超過(guò)99.6％，形狀為規(guī)則的球形，粒徑2.2-2.8μm，體密度0.5-0.65g/cm3。
步驟(2)中，本發(fā)明根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和燒結(jié)時(shí)的收縮率，選擇沖孔鎳基板的面積和兩個(gè)滾軸之間的距離。沖孔鎳基板厚度為0.1-0.2毫米，孔徑為1-2毫米，孔距為1-2毫米。兩個(gè)滾軸之間的距離為1毫米一2毫米之間。生基板厚度一般為1.2-1.3毫米左右。
步驟(3)中，走帶速度為15-18厘米/分鐘，陰極的最高燒結(jié)溫度為850℃，陽(yáng)極的最高燒結(jié)溫度為950℃。由氨分解產(chǎn)生還原氣氛，還原氣氛組成為25％Vol.H2/75％Vol.N2混合氣。本發(fā)明根據(jù)孔徑和孔隙率的要求，來(lái)決定粘接劑的百分含量，以及燒結(jié)的溫度。特別是陽(yáng)極的孔隙率要低于陰極，所以，陽(yáng)極的燒結(jié)溫度要高于陰極的燒結(jié)溫度。最后燒結(jié)后得到的陰極為0.7毫米厚、具有70-80％孔隙率、平均孔徑為10-15μm，得到的陽(yáng)極為0.7毫米厚、具有60-70％孔隙率、平均孔徑為5-10μm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用羰基鎳粉和粘接劑干法混合的方法，沒(méi)有使用任何有機(jī)溶劑，不僅節(jié)約了生產(chǎn)的成本，而且，改善了制備車(chē)間發(fā)環(huán)境；用普通的混粉機(jī)把羰基鎳粉和粘接劑混合，減少了上述發(fā)明中提到的球磨時(shí)間，縮短了生產(chǎn)時(shí)間；本發(fā)明方法將粉料滾壓在沖孔鎳基板上，增加了電極的強(qiáng)度，燒結(jié)后的電極，具有自支撐能力，同時(shí)，該沖孔鎳基板又可以在電池內(nèi)起到集電極的作用，使電池的結(jié)構(gòu)更為緊湊。本發(fā)明使用的工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，加工成本低廉，非常適用于工業(yè)化的批量生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例一首先把重量為100克的羰基鎳粉和重量為10克的聚乙烯醇縮丁醛進(jìn)行干燥處理。將羰基鎳粉在80℃下干燥2小時(shí)，聚乙烯醇縮丁醛在40℃下干燥2小時(shí)，然后，將兩種粉料在混料充分混合后，將混合料放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗內(nèi)，調(diào)整滾壓機(jī)的兩個(gè)滾軸的距離為1毫米，在滾軸之間插入厚度為0.1毫米，孔徑為1毫米，孔距為1毫米的沖孔鎳基板，將混合料滾壓到該沖孔鎳基板上，得到厚度為1.2毫米生基片。將上述生基片放到帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)，走帶速度為15厘米/分鐘，最高燒結(jié)溫度為850℃，得到0.7毫米厚，具有75％孔隙率、平均孔徑為12μm的陰極。
實(shí)施例二首先把重量為100克的羰基鎳粉和重量為15克的聚乙烯醇縮丁醛進(jìn)行干燥處理。將羰基鎳粉在100℃下干燥3小時(shí)，聚乙烯醇縮丁醛在55℃下干燥3小時(shí)，然后，將兩種粉料在混料充分混合后，將混合料放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗內(nèi)，調(diào)整滾壓機(jī)的兩個(gè)滾軸的距離為1.25毫米，在滾軸之間插入厚度為0.15毫米，孔徑為1.5毫米，孔距為1.5毫米的沖孔鎳基板，將混合料滾壓到該沖孔鎳基板上，得到厚度為1.25毫米生基片。將上述生基片放到帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)，走帶速度為18厘米/分鐘，最高燒結(jié)溫度為850℃，得到0.7毫米厚，具有80％孔隙率、平均孔徑為14μm的陰極。
實(shí)施例三首先把重量為100克的羰基鎳粉和重量為20克的聚乙烯醇進(jìn)行干燥處理。將羰基鎳粉在120℃下干燥4小時(shí)，聚乙烯醇在70℃下干燥4小時(shí)，然后，將兩種粉料在混料充分混合后，將混合料放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗內(nèi)，調(diào)整滾壓機(jī)的兩個(gè)滾軸的距離為1.3毫米，在滾軸之間插入厚度為0.2毫米，孔徑為2毫米，孔距為2毫米的沖孔鎳基板，將混合料滾壓到該沖孔鎳基板上，得到厚度為1.3毫米生基片。將上述生基片放到帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)，走帶速度為20厘米/分鐘，最高燒結(jié)溫度為950℃，得到0.7毫米厚，具有65％孔隙率、平均孔徑為8μm的陽(yáng)極。
把實(shí)施例二得到的陰極和實(shí)施例三得到的陽(yáng)極，當(dāng)中再插入由偏鋁酸鋰(LiAlO2)組成的電極質(zhì)板和K2CO3/Na2CO3電解質(zhì)鹽，陰極一端通入空氣和二氧化碳，陽(yáng)極一端通入氫氣，把電池加熱到650℃，可以得到開(kāi)路電壓為1.06V，在50mA/cm2電流密度下，電池電壓為0.93V，在100mA/cm2電流密度下，電池電壓為0.85V，在150mA/cm2電流密度下，電池電壓為0.78V。
權(quán)利要求
1.一種干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征在于，具體步驟如下(1)以羰基鎳粉為原料，首先對(duì)羰基鎳粉和粘接劑進(jìn)行干燥處理，然后，將兩種粉料混合；(2)把上述混合料分別放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗中，選用沖孔鎳基板，插在兩個(gè)滾軸之間，調(diào)整好兩個(gè)滾軸之間的距離，隨著滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉料滾壓在沖孔鎳基板上，得到生基板；(3)將生基板放在帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)，燒結(jié)后得到陰極或者陽(yáng)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(1)中，將羰基鎳粉在80℃-120℃下干燥2-4小時(shí)，粘接劑在40-70℃下干燥2-4小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(1)中，羰基鎳粉和粘接劑按照1∶0.1-1∶0.2比例混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，所述的粘接劑，采用聚乙烯醇縮丁醛或聚乙烯醇，重量百分含量為10-20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，所述的羰基鎳粉，其鎳元素含量超過(guò)99.6％，形狀為規(guī)則的球形，粒徑2.2-2.8μm，體密度0.5-0.65g/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(2)中，所述的沖孔鎳基板，厚度為0.1-0.2毫米，孔徑為1-2毫米，孔距為1-2毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者6所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(2)中，兩個(gè)滾軸之間的距離在1毫米-2毫米之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者6所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(2)中，生基板厚度為1.2-1.3毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(3)中，走帶速度為15-20厘米/分鐘，陰極的最高燒結(jié)溫度為850℃，由氨分解產(chǎn)生還原氣氛，氣氛組成為25％Vol.H2/75％Vol.N2混合氣，燒結(jié)后得到的陰極為0.7毫米厚、具有70-80％孔隙率、平均孔徑為10-15μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或者9所述的干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，其特征是，步驟(3)中，走帶速度為15-18厘米/分鐘，陽(yáng)極的最高燒結(jié)溫度為950℃，由氨分解產(chǎn)生還原氣氛氣氛組成為25％Vol.H2/75％Vol.N2混合氣，燒結(jié)后得到的陽(yáng)極為0.7毫米厚、具有60-70％孔隙率、平均孔徑為5-10μm。
全文摘要
一種干法制備熔融碳酸鹽燃料電池電極的方法，具體步驟如下(1)以羰基鎳粉為原料，首先對(duì)羰基鎳粉和粘接劑進(jìn)行干燥處理，然后，將兩種粉料混合；(2)把上述混合料分別放在滾壓機(jī)的兩個(gè)料斗中，選用沖孔鎳基板，插在兩個(gè)滾軸之間，調(diào)整好兩個(gè)滾軸之間的距離，隨著滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉料滾壓在沖孔鎳基板上，得到生基板；(3)將生基板放在帶有還原性氣氛的走帶式程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行排粘和還原燒結(jié)，燒結(jié)后得到陰極或者陽(yáng)極。本發(fā)明使電池的結(jié)構(gòu)更為緊湊，使用的工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，加工成本低廉，非常適用于工業(yè)化的批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1761092SQ20051002948
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者余晴春, 吳益華, 蔣春寶 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)