熔碳燃料电池阳极的制造方法技术

本发明专利技术公布了一种通过调节部件粘合的反应条件来制作ＭＣＦＣ阳极的方法。该方法包括以下步骤：把包括至少Ｎｉ的基金属板嵌在包括合金金属粉末、活化剂和填充剂的部件中；对该部件进行预热以除去包括在基金属板中的有机材料；把该部件在Ｈ↓［２］／Ｎ↓［２］的环境和５００℃至８００℃的温度下保持一至八个小时，以形成Ｎｉ合金。该方法的步骤简单，并且对制作具有很低的蠕变变形率的ＭＣＦＣ阳极是非常有用的，而且其多孔度处于适当的范围中。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制作熔碳燃料电池(MCFC)阳极的方法，更具体地说，本专利技术涉及一种用于借助部件粘合工艺来加铝(Al)或铝和铬(Al+Cr)以改进被用作MCFC阳极的镍(Ni)电极的抗蠕变的方法。一种燃料电池是一种新的发电系统，它利用了从燃料气体和一种氧化剂气体的电化学反应所产生的能量直接转换的电能;该燃料电池得到仔细的检验，以便被用作电源，诸如用于空间站、海洋中或海岸区域无人管理的设施、固定或移动无线电、汽车、家用电器或袖珍电器。燃料电池被分为在高温(在约500℃至约700℃的范围内)下工作的熔碳电解燃料电池、在200℃左右工作的磷酸电解燃料电池、工作在室温至约100℃的碱性电解燃料电池，和在很高温度(1000℃下工作的固体电解燃料电池。熔碳燃料电池(MCFC)是由多孔的镍阳极、掺锂的多孔镍氧化阴极和填充有作为电解质的碳酸钾和锂的铝酸锂填质组成的。该电解质通过在约500℃下熔化而被电离，且从中产生的碳化离子在电极之间形成电子流。氢在阳极区被消耗而产生出水、二氧化碳和电子。这些电子经过外电路流向阴极以产生所希望的电流。镍、钴或铜基的多孔阳极通常被用于MCFC中。如上所述，MCFC是工作在约650℃的高温下的，且其上还加有压力以改进电极和电解质填质之间的接触，而且各种层被叠置起来，以借助叠置的负荷来产生压力，从而产生使阳极结构变形的蠕变变形。电极的蠕变变形是由粒子重新排列、烧结和错位移动至少三种不同的机制的组合产生的。由于阳极的各部分的蠕变是不一致的，所以微孔被减小并从而减小了电极的反应面积，导致电极和电解元件之间的接触不良并导致燃料气体可能的泄漏，以致电极性能在各方面会降低。因此，已尝试了许多方法，以防止MCFC阳极中这种有害的蠕变变形。一种方法是通过把Cr或Al加到Ni中来制作阳极。例如，当在100psi(689475.7Pa)和650℃的条件下进行100小时的蠕变测试时，纯的Ni电极有约30%至50%的蠕变。通过把LiAlO2加到Ni电极而制成的Ni-LiAlO2有约14%至35%的蠕变。类似地，在加有10%的Cr的Ni-Cr(10%)和加有10%的Al的Ni-Al(10%)的情况下，蠕变分别被降低到5%至10%和至约2%。然而，在大容量MCFC的工作中，还未实现长时间(40，000小时)的令人满意的性能。虽然Ni-Cr(10%)阳极已被广泛应用，但由于Cr的价格高，所以考虑加Al。若Al被加到Ni上，则蠕变变形被降低到2%或低于2%。另外，Al比Cr便宜。通过加Al或Cr到Ni而制成的Ni-Al阳极或Ni-(Al，Cr)阳极，是通过与先有技术相同的方法而制作的，即通过在形成Ni和添加金属的合金粉末之后借助铸造方法制成原板而制成。然而，制成Ni和金属的微小合金粉末是很困难的。防止多孔阳极结构发生蠕变变形的一种方法，是象在基合金金属组成中通常所用的那样，对合金金属进行内部氧化。例如，美国专利第4，315，777号中公布了一种方法，用于通过对合金粉末和氧化剂基金属的粉末混合物进行热处理来对合金进行内部氧化，但它不适于被用作多孔阳极结构，因为最终产品的密度很高。美国专利第4，714，586号公布了一种方法，用于通过在高水蒸汽压力下对合金金属进行内部氧化来制作具有稳定的尺寸的Ni-Cr阳极，但它只限于制作Ni-Cr阳极。美国专利第3，578，443号公布了一种方法，用于制作一种氧化弥散增强合金，并随后借助表面氧化Cu、Al粉末且通过与酒精悬浮液体接触及对所有的粉末通过在密封条件下在750℃下进行热处理，来进行烧结。用该方法制成的材料不适于被用作多孔阳极结构，因为它的密度很高。为了解决上述问题，美国专利第4，999，155号公布了一种方法，用于利用改进的蠕变电阻特性来制作熔碳燃料电池阳极。也就是说，基金属粉末和合金金属粉末被与粘合剂和溶剂混合，该混合物随后得到干燥和烧结，并得到铸造以制成多孔阳极结构。该合金金属在该基金属被还原且该合金金属被氧化的条件下被内部氧化，以在其中形成氧化粒子。上述专利中公布的另一种方法，是制成包括基金属和合金金属的合金、通过热处理对该合金的表面进行氧化、并随后对氧化的合金同时进行烧结和内部氧化。这里，向基金属引入合金金属，是通过对基金属粉末和合金金属粉末的混合物进行带铸造和烧结，并随后把合金金属扩散到基金属中而实现的。另一方面，在基金属粉末被带、铸造和烧结成多孔阳极结构后，要进行蒸汽渗镀或部件粘合。根据上述方法，Ni金属粉末先被与附着剂和溶剂相混合、随后被带铸造、干燥和烧结，以制成多孔的Ni烧结体。随后，该多孔镍烧结体被嵌入由诸如Al的合金金属粉末、一种活化盐和一种惰性填充物组成的部件中，并在10%-H2/90%-N2的环境下被加热至约900℃，以进行部件粘合并形成Ni-Al合金。随后，该结构在pH2O/pH2大于20的加湿环境下在600至800℃的温度下得到内部氧化。虽然该方法在减小蠕变变形方面有优异的效果，但由于诸如干燥、烧结、部件粘合和内部氧化的复杂步骤需要在用Ni基金属制成原板之后进行，该方法缺乏实用性。考虑到上述的各种问题，为了减小MCFC阳极的蠕变变形，本专利技术的一个目的是提供一种用于制作熔碳燃料电池阳极的方法，该方法是在一个过程中实现的，且仅有环境的条件和用于部件粘合的温度被改变了，从而改进了复杂和漫长的传统工艺。为实现上述目的，根据本专利技术的MCFC阳极制作方法包括以下步骤把包括至少Ni的基金属板嵌入包括合金金属粉末、活化剂和填充物的部件中;对该部件进行预加热以除去包含在基金属板中的有机材料;把该部件在H2/N2的环境下在500℃至800℃的温度中保持1至8小时，以形成Ni合金。具体地，包括至少Ni的碱性金属板最好是用包含Ni粉末、粘合剂和溶剂的稀浆制成的原板。另外，预加热最好在氧环境下在300至500℃的温度下保持2至5小时。最好用从由Al和Cr组成的组中选出的至少一种金属来作为将被加入到本专利技术的Ni基金属中的合金金属。特别地，由根据本专利技术的方法制成的Ni合金中的合金金属量较好地是在重量百分比为2%至12%的范围中，且最好是在重量百分比为5%至12%的范围中。通过结合附图对本专利技术的最佳实施例所进行的描述，本专利技术的上述目的和其他优点将变得更为明显。在附图中附图说明图1是用于制作根据本专利技术的Ni合金阳极的部件粘合工艺的示意图。图2A和2B是在根据本专利技术的一个实施例制作的Ni-(Al，Cr)阳极中进行了部件粘合之前和之后拍摄的扫描电子显微(SEM)图象。图3A和3B是用根据本专利技术的另一实施例制作的Ni-Al阳极的扫描电子显微图象，其中图3A显示了表面，而图3B显示了其截面。图4是一Ni-Al阳极的X光衍射分析图，该阳极被利用本专利技术的一个实施例而进行了部件粘合。图5显示了根据Ni-Al阳极的Al含量的多孔度(%)，该Ni-Al阳极是用本专利技术的一个实施例制作的。图6是蠕变实验设备的示意图。图7显示了根据Ni-Al阳极和Ni-(Al，Cr)阳极中所加的合金金属的加入量的蠕变(%)，这些阳极是用根据本专利技术的方法制作的，其中●-●表示Ni-Al阳极的情况，且□-□表示Ni-(Al，Cr)阳极的情况。根据本专利技术的制造方法，是借助部件粘合而制作出由Ni基金属和添加本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于制作熔碳燃料电池阳极的方法，包括以下步骤： 把包括至少Ｎｉ的基金属板嵌入包括合金金属粉末、活化剂和填充剂的部件中； 对该部件进行预热以除去基金属板中所含的有机材料； 把该部件在Ｈ↓［２］／Ｎ↓［２］环境和５００℃至８００℃的温度下保持１至８小时，以制成Ｎｉ合金。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：权镐真，田海秀，郑夏澈，延济弘，朴权必，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]