專利名稱：水基流延制備熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極材料的制備方法，是一種以水 基流延替代傳統(tǒng)的非水基流延制備熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極的新工藝。屬于燃料電池 領域。
背景技術：
熔融碳酸鹽燃料電池是一種能夠連續(xù)地將氫氣、煤氣、甲醇等燃料的化學能直接 轉化為電能的化學電源裝置。其轉換不受卡諾循環(huán)原理限制，具有發(fā)電效率高、無污染、無 噪音等優(yōu)點，現(xiàn)已成為世界各大國能源領域內研究的熱點。熔融碳酸鹽燃料電池的核心部件是由陽極、電解質基板和陰極組成，其中熔融碳 酸鹽燃料電池商業(yè)化最大制約因素是其NiO陰極在熔融碳酸鹽中的溶解和金屬鎳在電解 質基板中的沉積而造成的電池短路。而在熔融碳酸鹽燃料電池的陰極材料制備方面，由于 流延法可以制備出厚度可精確控制、強度高、質地均勻、柔韌度好、切割方便的大面積薄板， 現(xiàn)已成為制備熔融碳酸鹽燃料電池電極板最主要的工藝。中國專利CN1556555A已經利 用非水基流延工藝成功制備出物理性能達到使用要求的陰極。Min Hyuk Kim等人發(fā)表的 《Cobalt and cerium Nipowder as a new candidate cathode material for MCFC》一文 中利用非水基流延法成功制備出改性的MCFC陰極，并取得了良好的效果。然而，由于傳統(tǒng)的流延法大量采用有毒易燃的有機物作為溶劑，這不僅提高了生 產成本，而且對人體以及環(huán)境都會帶來一定的危害。因此，近年來以水作為溶劑，具有生產 成本低，環(huán)境友好的水基流延體系已日益成為人們研究的重點。然而，由于水對鎳粉顆粒相 對有機溶劑存在著較大的表面張力，從而導致鎳粉在水中的潤濕性能較差，另外還存在著 干燥時間長漿料除氣困難等不足，所以至目前為止國內外還沒有水基流延法制備熔融碳酸 鹽燃料電池陰極材料方面的相關報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種水基流延制備熔融碳酸鹽燃料電池陰極的工藝，以水基溶劑取代傳統(tǒng)流延法中大量使用的有機物溶劑，進而達到降低生產成本、減輕環(huán)境污染的目的。1、將羰基鎳粉、造孔劑、分散劑、潤濕劑和蒸餾水混合，然后進行球磨得到漿料1， 向漿料1中加入粘結劑和增塑劑并再次球磨得到漿料2，球磨后將漿料2置于真空環(huán)境下均 化，以便消除漿料2中的氣泡；2、采用流延法將制得的漿料流延在聚乙烯薄膜表面，干燥后即可得到質地均勻且 具有較高柔韌度和強度的電極素坯，最后再根據實際需要切割成所要的大小，電極素坯的 厚度可通過調節(jié)流延機刮刀的高度和速度來控制。3、將流延制得的電極素坯按照一定的升溫程序進行燒結，最后得到表面平整、質 地均勻且沒有裂紋的多孔MO電極。為了防止殘余的碳阻止羰基鎳粉的進一步燒結，在燒 結過程中應盡可能地降低電極板中殘余碳的含量，因此在燒結過程中一個重要的過程就是“排粘”。燒結程序為240°C、350°C、500°C、85(rC分別恒溫 120min、240min、120min、30min， 從室溫加熱到240°C、350°C加熱到500°C的升溫速率為2V /min，其余都是1°C /min,850°C 燒結后自然冷卻到室溫后即可制得符合要求的熔融碳酸鹽。本發(fā)明主要的原材料及試劑有羰基鎳粉T255型，粒徑2. 2 2. 8 μ m，體密度0. 5 0. 65g/cm3 ；潤濕劑無水乙醇，分析純；分散劑吐溫80，分析純；增塑劑聚乙烯乙 二醇(PEG)，分析純；造孔劑活性炭或尿素；粘結劑，聚乙烯醇(PVA)，添加量為羰基鎳粉質 量的20% 30%，其中粘結劑需要在90°C條件下配制成質量分數為10%的溶液，溶解過程 中出現(xiàn)的氣泡可用磷酸三丁酯等消泡劑消除。本發(fā)明使用了活性炭和尿素兩種不同的造孔 齊U，其添加量為羰基鎳粉質量的 10%;分散劑吐溫80添加量為羰基鎳粉質量的 3%;增塑劑聚乙烯乙二醇添加量為羰基鎳粉質量的3% 5%;粘結劑聚乙烯醇添加量為羰 基鎳粉質量的3% 5%。本發(fā)明首次以水作為流延體系的溶劑制備熔融碳酸鹽燃料電池陰極材料，優(yōu)化 漿料組分，著重研究尿素以及活性炭造孔劑的不同添加量對孔隙率的影響，并成功地制備 出質地均勻，柔韌度高，便于切割的素坯，燒結后得到厚度在0. 5 0. 7mm之間，孔隙率在 60 % 70 %之間，滿足熔融碳酸鹽燃料電池性能指標的陰極。
具體實施例方式結合本發(fā)明的內容提供以下實例實施例一首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入活性 炭造孔劑lg，吐溫80分散劑2g，無水乙醇潤濕劑24g以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨 2小時，球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二 醇增塑劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后 即可得到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表 面光滑且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中，以 2V /min的升溫速率加熱到240°C后恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C 并恒溫240min，接著以2°C /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min 升溫速率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電 極。得到的電極其厚度在0.6 Imm之間，孔徑分布在6 ΙΟμπι之間，運用阿基米德排水 法對制得的MO電極的孔隙率進行測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為的活 性炭造孔劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池MO電極孔隙率為50. 3%。實施例二 首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入造孔 劑活性炭7. 5g，吐溫80分散劑2g，潤濕劑乙醇24g以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨2小 時，球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二醇增 塑劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后即可 得到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表面光 滑且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中以2°C / min的升溫速率加熱到240°C并恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C并恒 溫240min，接著以2V /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min升溫 速率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極。得到的電極其厚度在0. 6 Imm之間，孔徑分布在6 10 μ m之間，運用阿基米德排水法對制得的MO電極進行孔隙率的測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為7. 5%的活性 炭造孔劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池MO電極孔隙率為66. 6%，符合熔融碳酸鹽燃料電 池電極的使用要求。實施例三首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入活性 炭造孔劑10g，吐溫80分散劑2g，無水乙醇潤濕劑24g以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨 2小時，球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二 醇增塑劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后 即可得到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表 面光滑且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中，以 2V /min的升溫速率加熱到240°C后恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C 并恒溫240min，接著以2V /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min 升溫速率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電 極。得到的電極其厚度在0. 6 Imm之間，孔徑分布在6 10 μ m之間，運用阿基米德排水 法對制得的MO電極的孔隙率進行測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為10%的 活性炭造孔劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極孔隙率為63. 3%。實施例四首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入造孔 劑尿素lg，吐溫80分散劑2g，潤濕劑乙醇24g以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨2小時， 球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二醇增塑 劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后即可得 到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表面光滑 且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中以2°C /min 的升溫速率加熱到240°C并恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C并恒溫 240min，接著以2°C /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min升溫速 率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極。得 到的電極其厚度在0. 6 Imm之間，孔徑分布在6 10 μ m之間，運用阿基米德排水法對制 得的MO電極進行孔隙率的測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為的尿素造孔 劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池MO電極孔隙率為46. 8%。實施例五首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入造孔 劑尿素5g，吐溫80分散劑2g，潤濕劑乙醇24g以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨2小時， 球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二醇增塑 劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后即可得 到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表面光滑 且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中以2°C /min 的升溫速率加熱到240°C并恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C并恒溫 240min，接著以2°C /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min升溫速 率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極。得 到的電極其厚度在0. 6 Imm之間，孔徑分布在6 10 μ m之間，運用阿基米德排水法對制 得的MO電極進行孔隙率的測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為5%的尿素造孔劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極孔隙率為60. 1%，達到了熔融碳酸鹽燃料電池電 極的使用要求。
實施例六首先將重量為IOOg羰基鎳粉放入球磨罐中，而后向其中分別加入造孔 劑尿素10g，吐溫80分散劑2g，潤濕劑乙醇24，以及蒸餾水20g，而后放入磨球球磨2小時， 球磨結束后再往上述漿料中加入粘結劑凈重為4g的10%聚乙烯醇溶液，4g聚乙二醇增塑 劑并再次球磨2小時，接著將球磨后的漿料置于-0. IMPa的真空箱中靜置IOmin后即可得 到分散性能良好的流延漿料。將漿料流延成型并常溫干燥后即可得到質地均勻、表面光滑 且具有較強柔韌度的熔融碳酸鹽燃料電池電極素坯。將電極素坯置于馬弗爐中以2°C /min 的升溫速率加熱到240°C并恒溫120min，接著以1°C /min的升溫速率加熱到350°C并恒溫 240min，接著以2°C /min的升溫速率加熱到500°C并恒溫120min，最后以1°C /min升溫速 率加熱到850°C，恒溫30min后自然冷卻到室溫即可得到熔融碳酸鹽燃料電池NiO電極。得 到的電極其厚度在0. 6 Imm之間，孔徑分布在6 10 μ m之間，運用阿基米德排水法對制 得的MO電極進行孔隙率的測定，結果表明，加入相對羰基鎳粉質量分數為10%的尿素造 孔劑其制得的熔融碳酸鹽燃料電池MO電極孔隙率為43. 9%。
權利要求
水基流延制備熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極材料的方法，其特征在于包含如下步驟(1)將羰基鎳粉、造孔劑、分散劑、潤濕劑和蒸餾水混合，然后進行球磨得到漿料1，向漿料1中加入粘結劑和增塑劑并再次球磨得到漿料2，球磨后將漿料2置于真空環(huán)境下均化，以便消除漿料2中的氣泡；(2)采用流延法將制得的漿料流延在聚乙烯薄膜表面，干燥后即可得到質地均勻且具有較高柔韌度和強度的電極素坯，最后再根據實際需要切割成所要的大小，電極素坯的厚度可通過調節(jié)流延機刮刀的高度和速度來控制；(3)將流延制得的電極素坯進行燒結，最后得到表面平整、質地均勻且沒有裂紋的多孔NiO電極，燒結過程為從室溫加熱到850℃，從室溫加熱到240℃、350℃加熱到500℃的升溫速率為2℃/min，其余都是1℃/min，240℃、350℃、500℃和850℃分別恒溫120min、240min、120min、和30min，850℃燒結后自然冷卻到室溫后即可制得符合要求的熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極板。
2.權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述羰基鎳粉的粒徑2.2 2.8 μ m，體密 度 0. 5 0. 65g/cm3。
3.權利要求1所述的制備方法，其特征在于造孔劑為活性炭或尿素，添加量為羰基鎳 粉質量的 10%；潤濕劑為無水乙醇，添加量為羰基鎳粉質量的20% 30%;分散劑為 吐溫80，添加量為羰基鎳粉質量的 3% ；增塑劑為聚乙烯乙二醇，添加量為羰基鎳粉 質量的3% 5% ；粘結劑為聚乙烯醇，添加量為羰基鎳粉質量的3% 5%。
全文摘要
水基流延制備熔融碳酸鹽燃料電池NiO陰極材料的方法，屬于燃料電池領域。具體為將羰基鎳粉、造孔劑、分散劑、潤濕劑和蒸餾水混合，然后進行球磨得到漿料1，向漿料1中加入粘結劑和增塑劑并再次球磨得到漿料2，球磨后將漿料2置于真空環(huán)境下均化，以便消除漿料2中的氣泡；采用流延法將制得的漿料流延在聚乙烯薄膜表面，干燥后即可得到質地均勻且具有較高柔韌度和強度的電極素坯，最后再根據實際需要切割成所要的大小，電極素坯的厚度可通過調節(jié)流延機刮刀的高度和速度來控制；將流延制得的電極素坯進行燒結，最后得到表面平整、質地均勻且沒有裂紋的多孔NiO電極。本發(fā)明以水基溶劑取代有機物溶劑，進而達到降低生產成本、減輕環(huán)境污染的目的。
文檔編號H01M4/88GK101814606SQ20101013930
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權日2010年4月1日
發(fā)明者李剛, 湯慶華, 王秋麗, 王茂華 申請人:江蘇工業(yè)學院