[发明专利]用于熔融碳酸盐燃料电池的高锂电解质及其制备方法

说明书

发明背景

本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于熔融碳酸盐燃料电池的电解 质。

燃料电池是通过电化学反应将贮存在烃类燃料中的化学能直接转 变为电能的装置。通常，燃料电池包含被电解质隔离的阳极和阴极， 该电解质用于传导带电离子。为了产生有效的功率水平，用各个电池 之间的导电隔板将许多单个燃料电池串联堆叠在一起。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)通过使反应物燃料气体穿过阳极同 时使氧化气体穿过阴极来工作。MCFC的阳极和阴极被浸满碳酸盐电解 质的多孔电解质基体互相隔离。典型的MCFC设计包括贮存于阳极和阴 极的孔隙内和贮存于在阳极和阴极集流体中形成的气体通道内的碳酸 盐电解质。该电解质在燃料电池的初始加热过程中熔化，并且由于孔 隙的毛细作用力而在阳极、阴极和电解质基体的孔隙中重新分布。常 规的MCFC通常利用低共熔碳酸盐混合物作为碳酸盐电解质，例如62 摩尔％碳酸锂和38摩尔％碳酸钾的低共熔混合物或者52摩尔％碳酸锂和 48摩尔％碳酸钠的低共熔混合物。

在MCFC工作期间，电池内的电解质由于与电池部件的腐蚀性反应 而被消耗，并且蒸发和电解质液相迁移也造成电池内电解质的消耗。 具体地，由于燃料电池堆内的电压梯度，发生电解质的液相迁移，这 导致锂离子和钾离子沿着堆的长度朝向堆的负端迁移而碳酸根离子朝 向堆的正端迁移。由于低共熔碳酸盐电解质中的锂离子和钾离子以不 同的速率沿着堆的长度移动，因此在堆内发生锂与钾摩尔比的显著变 化。Li/K比的如此变化影响电池内电解质的稳定性、传导性和熔点， 从而影响MCFC堆的性能和寿命。

为了避免堆内Li/K摩尔比的大的变化，在MCFC内使用了非低共 熔(off-eutectic)富锂电解质混合物。美国专利No.4,591,538公开 了由70-73摩尔％碳酸锂和27-30摩尔％碳酸钾组成的富锂电解质组合 物。如‘538专利所公开，使用具有较大锂含量的电解质改善了堆内 Li/K比的均匀性。然而，与低共熔电解质的熔点(485-490℃)相比， ‘538专利中的电解质具有高得多的熔点(575℃)，在电极制造过程 期间这需要更高的温度，以便用电解质填充电极。电极制造期间的较 高温度增加了电极的收缩和开裂，结果降低电极的生产率并显著增加 制造成本。

因此本发明的目的是提供MCFC电极中的电解质，该电解质具有增 加的锂从而在制造过程期间不需要较高的温度。

本发明的又一目的是提供用电解质填充阴极电极而不影响阴极结 构的方法。

发明概述

根据本发明的原理，以用于熔融碳酸盐燃料电池的高锂碳酸盐电 解质实现了上述和其它目的，其中该高锂电解质由包括碳酸锂的低共 熔碳酸盐混合物以及附加的含锂组分形成，所述附加的含锂组分适于 在燃料电池的初始加热和工作的至少一个期间形成碳酸锂。高锂碳酸 盐的低共熔碳酸盐混合物还包括碳酸钾或碳酸钠。所述附加组分包含 氢氧化锂、硝酸锂、乙酸锂和草酸锂中的至少一种，并且还可包含这 些化合物中的一种或多种与碳酸锂的混合物。在所述的说明性实施方 案中，高锂电解质贮存在燃料电池的阴极侧中，而附加组分与流经阴 极侧的氧化气体中的至少一种组分反应形成碳酸锂。具体地，高锂电 解质贮存在燃料电池的阴极电极中。

还公开了燃料电池组件，该燃料电池组件包含具有阳极电极、阴 极电极、和放置在阳极电极和阴极电极之间的电解质基体、和碳酸盐 电解质的燃料电池，该碳酸盐电解质包括贮存在该组件的至少一个预 选区域内的高锂电解质。该燃料电池组件还可包括阴极集流体，而高 锂电解质贮存在阴极电极和阴极集流体中的至少一个当中。此外，用 在燃料电池组件中的碳酸盐电解质还可包括低共熔电解质，该低共熔 电解质包含碳酸锂与碳酸钾的第一低共熔混合物或者碳酸锂与碳酸钠 的第二低共熔混合物。低共熔电解质贮存在该组件的其它预选区域内。 在公开的说明性实施例中，高锂电解质贮存在阴极电极中，而低共熔 电解质贮存在阴极集流体中，并且控制高锂电解质和低共熔电解质的 量以便获得预定的碳酸盐电解质组成。具体地，对这些量进行控制使 得碳酸盐电解质组成为70-72摩尔％碳酸锂与28-30摩尔％碳酸钾以及 61摩尔％碳酸锂与39摩尔％碳酸钠中的一种。描述了贮存高锂电解质 和低共熔电解质的具体实施例。

此外，还公开了制造具有碳酸盐电解质的燃料电池组件的方法， 所述碳酸盐电解质包括高锂电解质。