[發明專利]一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201410304915.1
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104078634B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 許世森;王鵬杰;程健;張瑞云;任永強
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

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制備方法。

背景技術

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50％～60％。燃料電池工作時，氫氣或其他燃料輸入到陽極，并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、NO_x及未燃盡的有害物質排放量極低，是公認的繼火電、水電和核電之后的第四種發電方式。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、具有高效與潔凈特色的新電源。

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系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γ-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γ-LiAlO₂的制備方法復雜，生產成本高。

發明內容

為解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法，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。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

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1和一層下隔膜3，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復合結構；還包括使用時，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式復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均采用傳統的隔膜漿料制備而成。

所述多孔金屬材料2的孔隙率為70～80％，孔徑范圍為10～150μm，厚度為0.05～0.2mm。

所述表面隔膜4的孔徑范圍為0.1～1μm。

所述電池隔膜的整體孔隙率為40～70％。

上述所述的一種高強度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：首先將傳統的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，作為上隔膜1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1之上，直至上隔膜1完全干燥，制備成金屬-隔膜一體式結構；

步驟3：再次將傳統的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，將所制備的金屬-隔膜一體式結構采用金屬面朝下的方式放置于下隔膜3之上，直至下隔膜3完全干燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復合結構；

步驟4：使用時，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式復合結構裁剪成所需形狀，并在其上部和下部分別熱壓一層采用傳統的隔膜漿料制備而成的表面隔膜4，形成電池隔膜。

所述傳統的隔膜漿料采用粒度范圍為0.1～10μm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制備而成。

所述多孔金屬材料(2)為采用孔隙率70～80％的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機上100t壓力下研制成厚度為0.05～0.2mm的金屬薄片。

本發明制備方法簡單，且制備的電池隔膜具有多孔金屬材料支撐層，多孔金屬骨架鑲嵌于隔膜的中間，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。

附圖說明