一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法
2023-06-09 14:28:26 2
一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法
【專利摘要】一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法，該電池隔膜包括多孔金屬材料，分別設置在多孔金屬材料上部和下部的一層上隔膜和一層下隔膜，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；還包括使用時，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構的上部和下部設置的表面隔膜，所述上隔膜、下隔膜和表面隔膜均採用傳統的隔膜漿料製備而成；本發明還提供該電池隔膜的製備方法；該電池隔膜具有非常高的機械強度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質的保有量，進而增加了電池壽命。
【專利說明】一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及熔融碳酸鹽燃料電池【技術領域】，具體涉及一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種不經過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變為電能的發電裝置，其最大特點是反應過程不涉及燃燒，因此能量轉化效率不受「卡諾循環」的限制，效率高達燃料電池工作時，氫氣或其他燃料輸入到陽極，並在電極和電解質的界面上發生氫氣或其他燃料氧化與氧氣還原的電化學反應，產生電流，輸出電能。與火力發電方式相比，燃料電池的發電過程不經過燃料的直接燃燒，CO、CO2、SO2、NOx及未燃盡的有害物質排放量極低，是公認的繼火電、水電和核電之後的第四種發電方式。因此，燃料電池是集能源、化工、材料與自動化控制等新技術為一體的、具有高效與潔淨特色的新電源。
[0003]但是，熔融碳酸鹽燃料電池的電解質隔膜在電池運行過程中要保證有效的阻氣性能，必須具有一定的機械強度。在熔融碳酸鹽燃料電池的啟動和運行過程中，隔膜會受到各個部件熱膨脹引起的機械應力和隔膜與熔鹽電解質熱膨脹係數不同引起的熱應力。為了防止隔膜在啟動運行過程中出現內部裂紋，研究者們向隔膜內添加Al2O3大顆粒、Al2O3纖維、棒狀Y-LiAlO2以及低熔點Al金屬粉末等來增強隔膜顆粒間的結合力，從而增強隔膜的抗應力能力。但是，Al2O3大顆粒的加入，不能講隔膜增強至需要的強度，Al2O3纖維又不能在熔鹽電解質環境中長期穩定的存在，而且價格還較高，棒狀Y-LiAlO2的製備方法複雜，生產成本高。
【發明內容】
[0004]為解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其製備方法，該電池隔膜具有非常高的機械強度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質的保有量，進而增加了電池壽命。
[0005]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是:
[0006]一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，包括多孔金屬材料2，分別設置在多孔金屬材料2上部和下部的一層上隔膜I和一層下隔膜3，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；還包括使用時，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構的上部和下部設置的表面隔膜4，所述上隔膜1、下隔膜3和表面隔膜4均採用傳統的隔膜漿料製備而成。
[0007]所述多孔金屬材料2的孔隙率為70?80%，孔徑範圍為10?150μπι，厚度為
0.05 ?0.2mm。
[0008]所述表面隔膜4的孔徑範圍為0.1?I μ m。
[0009]所述電池隔膜的整體孔隙率為40?70%。
[0010]上述所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的製備方法，包括如下步驟:
[0011]步驟1:首先將傳統的隔膜漿料採用帶鑄法製備成膜，作為上隔膜I使用；
[0012]步驟2:將預先壓制好的多孔金屬材料2放置在上述上隔膜I之上，直至上隔膜I完全乾燥，製備成金屬-隔膜一體式結構；
[0013]步驟3:再次將傳統的隔膜漿料採用帶鑄法製備成膜，將所製備的金屬-隔膜一體式結構採用金屬面朝下的方式放置於下隔膜3之上，直至下隔膜3完全乾燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；
[0014]步驟4:使用時，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構裁剪成所需形狀，並在其上部和下部分別熱壓一層採用傳統的隔膜漿料製備而成的表面隔膜4，形成電池隔膜。
[0015]所述傳統的隔膜漿料採用粒度範圍為0.1?10 μ m的LiAlO2粉料與溶劑、分散劑、消泡劑、粘結劑和增塑劑混合球磨均勻製備而成。
[0016]所述多孔金屬材料(2)為採用孔隙率70?80%的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機上10t壓力下研製成厚度為0.05?0.2mm的金屬薄片。
[0017]本發明製備方法簡單，且製備的電池隔膜具有多孔金屬材料支撐層，多孔金屬骨架鑲嵌於隔膜的中間，可以起到增加隔膜抗壓能力，同時還可以在電池運行過程中儲存更多的電解質，支撐層兩側均覆蓋有LiAlO2隔膜材料；因此具有非常高的機械強度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質的保有量，進而增加了電池壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構示意圖。
[0019]圖2為本發明使用時，將隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構製備成電池隔膜的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0021]如圖1和圖2所示，本發明一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，包括多孔金屬材料2，分別設置在多孔金屬材料2上部和下部的一層上隔膜I和一層下隔膜3，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；還包括使用時，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構的上部和下部設置的表面隔膜4，所述上隔膜1、下隔膜3和表面隔膜4均採用傳統的隔膜漿料製備而成。
[0022]作為本發明的優選實施方式，所述多孔金屬材料2的孔隙率為70?80%，孔徑範圍為10?150 μ m,厚度為0.05?0.2_。
[0023]作為本發明的優選實施方式，所述表面隔膜4的孔徑範圍為0.1?I μ m。
[0024]作為本發明的優選實施方式，所述電池隔膜的整體孔隙率為40?70%。
[0025]上述所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的製備方法，包括如下步驟:
[0026]步驟1:用粒度範圍在0.1?1ym之間a-LiAlO2顆粒作為隔膜粉料，採用蒸餾水作為溶劑，乳酸作為分散劑，聚乙烯醇作為粘結劑，甘油和三乙酸甘油酯作為增塑劑，聚醚作為消泡劑，混合球磨24小時形成均一的隔膜漿料，然後採用帶鑄法製備成膜，作為上隔膜I使用；製備時，上述各組分的含量按公開專利CN97111018.2進行配比。
[0027]步驟2:採用孔隙率80 %的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機上10t壓力下研製成0.1 μ m金屬薄片，然後將其鋪展在上述隔膜I之上，直至上隔膜I完全乾燥，製備成金屬-隔膜一體式結構；
[0028]步驟3:再次採用步驟I所述方法製備成膜，作為下隔膜3使用，將步驟2所製備的金屬-隔膜一體式結構採用金屬面朝下的方式放置於下隔膜3之上，直至下隔膜3完全乾燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；
[0029]步驟4:使用時，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構裁剪成所需形狀，並在其上部和下部分別熱壓一層採用步驟I所述方法製備成膜形成的表面隔膜4，形成電池隔膜。
[0030]經過壓汞測試，電池隔膜的總體孔隙率為68%，平均孔徑為0.4μπι時，達到電池對隔膜各項性能參數要求。
[0031]將上述製備的電池隔膜放置於電池端板之間進行預組裝實驗，將組裝壓力升高至20t後保持5分鐘，然後對隔膜進行查看，隔膜完好無損，沒有出現破裂，說明本發明方法製備的電池隔膜具有非常高的機械強度，完全滿足大組裝壓力下熔融碳酸鹽燃料電池的要求。
【權利要求】
1.一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特徵在於:包括多孔金屬材料(2)，分別設置在多孔金屬材料(2)上部和下部的一層上隔膜(I)和一層下隔膜(3)，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構；還包括使用時，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構的上部和下部設置的表面隔膜(4)，所述上隔膜(I)、下隔膜(3)和表面隔膜(4)均採用傳統的隔膜漿料製備而成。
2.根據權利要求1所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特徵在於:所述多孔金屬材料⑵的孔隙率為70~80%，孔徑範圍為10~150 μ m，厚度為0.05~0.2mm。
3.根據權利要求1所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特徵在於:所述表面隔膜⑷的孔徑範圍為0.1~I μ m。
4.根據權利要求1所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特徵在於:所述電池隔膜的整體孔隙率為40~70%。
5.權利要求1所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的製備方法，其特徵在於:包括如下步驟: 步驟1:首先將傳統的隔膜漿料採用帶鑄法製備成膜，作為上隔膜(I)使用； 步驟2:將預先壓制好的多孔金屬材料(2)放置在上述上隔膜(I)之上，直至上隔膜 (I)完全乾燥，製備成金屬-隔膜一體式結構； 步驟3:再次將傳統的隔膜漿料採用帶鑄法製備成膜，將所製備的金屬-隔膜一體式結構採用金屬面朝下的方式放置於下隔膜(3)之上，直至下隔膜(3)完全乾燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構； 步驟4:使用時，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式複合結構裁剪成所需形狀，並在其上部和下部分別熱壓一層採用傳統的隔膜漿料製備而成的表面隔膜(4)，形成電池隔膜。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於:所述傳統的隔膜漿料採用粒度範圍為0.1~10 μ m的LiAlO2粉料與溶劑、分散劑、消泡劑、粘結劑和增塑劑混合球磨均勻製備--? 。
7.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於:所述多孔金屬材料(2)為採用孔隙率70~80%的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機上10t壓力下研製成厚度為0.05~0.2mm的金屬薄片。
【文檔編號】H01M2/16GK104078634SQ201410304915
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】許世森, 王鵬傑, 程健, 張瑞雲, 任永強 申請人:中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司