[發明專利]一種熔融碳酸鹽燃料電池結構

有效

• 申請號: 201310287682.4
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN104282930B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 周利;王鵬杰;劉颯;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/14
• 分類號: H01M8/14;H01M2/16;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

1.一種熔融碳酸鹽燃料電池結構，包括隔膜及位于其兩側的平板狀電極，其特征在于：

其隔膜是有序化隔膜，具有垂直于隔膜表面的、規則的通孔有序結構，通孔可以是六方六棱或圓形圓柱，有效孔徑在50～200nm之間，材質為陶瓷材料，隔膜厚度在200～400um之間；

其電極為有序化電極，具有垂直于平板表面的、規則的通孔有序結構，通孔可以使六方或圓形孔道，孔徑在300～600nm之間，材質為Ni或NiO或其復合材料（復合材料：如LiCoO₂包覆的NiO，或ZnO包覆的NiO），電極厚度在200～400um之間。

2.按照權利要求1所述的電池結構，其特征在于：

所述隔膜材質為在室溫及650-700℃的高溫熔鹽中可以穩定存在的陶瓷材料（如LiAlO₂（alpha型或gama型），MgO或者MgO包覆的LiAlO₂）；

所述熔鹽電解質為62mol%Li₂CO₃+38mol%K₂CO₃或52mol%Li₂CO₃+48mol%Na₂CO₃。

3.按照權利要求1所述的電池結構，其特征在于：

所述的有序化隔膜的制備過程如下：

1）首先采用二步陽極氧化法（以鋁片為工作電極，石墨為對電極，電極間距為2.5～5cm，以0.2～0.3mol/L的草酸溶液為電解質，氧化溫度為0～20℃，氧化電壓為20～45V，一次氧化時間為2～8h，在（6wt.%H₃PO₄+1.8wt.%H₂CrO₄）混合液中浸泡8～12h，清洗后進行二次氧化，與一次氧化條件相同，氧化時間為4～40h）制備出滿足上述各尺寸要求的通孔陽極氧化鋁（AAO）；然后以此為基底，在15℃碳酸鋰的飽和溶液中反復浸漬-提拉，使濃度為0.1～0.3mol/L碳酸鋰溶液充分進入到通孔氧化鋁基底孔道內；最終浸入量為10～20mg；

2）將浸漬后的通孔氧化鋁基底置于烘箱內烘干；

3）將烘干的通孔氧化鋁基置于平板上，上面鋪一層石英砂，置于馬弗爐里焙燒，焙燒程序如下：

α-LiAlO₂：從室溫加熱10h至450℃、450℃保溫10h，再加熱6h至700℃、700℃保溫12h后降溫到室溫；

γ-LiAlO₂：從室溫加熱10h至450℃、450℃保溫10h，再加熱6h至700℃、700℃保溫12h，在加熱5h至900℃、900℃保溫4h后降溫到室溫。

4.按照權利要求1所述的電池結構，其特征在于：

所述的有序化電極的制備過程如下：

1）在真空條件下，在AAO的一側表面采用真空氣相沉積一層3～5nm的Au；

2）同樣在真空條件下浸入甲基丙烯酸甲酯單體溶液，以過氧化苯甲酰為聚合引發劑，在紫外線照射條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，得到反向復制模板后進行電化學沉積Ni，去除聚甲基丙烯酸甲酯后便可得到有序化電極。

5.按照權利要求1所述的熔融碳酸鹽燃料電池，其特征在于：

其結構包括帶有流場的電池端板，具有有序孔結構的陰極和陽極以及具有有序孔結構的隔膜；

所述熔鹽電解質為62mol%Li₂CO₃+38mol%K₂CO₃或52mol%Li₂CO₃+48mol%Na₂CO₃；

其啟動過程不需要幾十甚至上百小時的隔膜焙燒過程，將熔融碳酸鹽燃料電池的啟動時間縮短至數小時；

由于其所用隔膜為有序化隔膜，有利于保持熔融碳酸鹽，減少熔鹽的流失，進一步增加電池壽命；另外，由于有序化隔膜的規則孔道結構，更有利于CO₃^2-離子的傳遞，減少電池歐姆阻抗，進一步提高電池性能；

由于其使用電極為有序化電極，有利于維持三相反應界面的動態平衡，減少電極的極化，進一步提高電池性能；

與傳統的隔膜和電極相比，所使用的有序化隔膜和電極的厚度上有所減薄，進一步減少了歐姆電阻和電極傳質極化，有利于電池性能的提高。