一种熔融盐燃料电池电解质盐片及其制备系统和方法与流程

1.本发明涉及电池领域，具体涉及一种熔融盐燃料电池电解质盐片及其制备系统和方法。


背景技术：

2.熔融碳酸盐燃料电池((molten carbonate fuel cell,mcfc)是一种工作于650℃的高温燃料电池，具有不需要贵金属作催化剂、燃料来源广、噪音低、污染物基本达到近零排放、发电效率高、可实现热电联供等优点，适合于百千瓦级至兆瓦级分布式电站或固定电站，具有良好的发展应用前景。
3.熔融碳酸盐燃料电池工作在650℃下，mcfc的结构可以分为阴极、电解质体系以及阳极三部分，mcfc的电解质体系由多孔的隔膜载体和碳酸盐构成，其中电解质体系中的电解质为熔融的碳酸盐。熔融的碳酸盐电解质依靠毛细作用力全部充满电解质隔膜的孔隙，碳酸盐电解质被固定在隔膜载体内形成电解质层。电解质层既是碳酸根离子导体，具有良好的离子导电性能，又是阴、阳极隔板能够阻挡气体通过，其塑性可用于电池的气体密封，防止气体外泄，即所谓“湿密封”。
4.现有技术中，碳酸盐电解质在mcfc组装过程中一般充填在单电池中，电解质通常是预填充在阴极和/或阳极气室内，随着电池温度的升高而缓慢熔融，并在电解质隔膜的毛细管力作用下浸入电解质隔膜中的微孔内。这样处理存在以下问题:电解质在未熔融前会影响流场内气体的分布，影响隔膜内有机物的燃烧和燃烧产物的挥发；电解质很可能会被气体挟带进入管路，堵塞管路。如果能用类似制备隔膜的方法将碳酸盐做成盐膜，将有助于解决上述将电解质放置在气室内导致的问题。例如：薄膜状的盐膜不会堵塞流场造成气体分布不均，盐膜与电解质隔膜的接触也会有所改善，可促进电解质更好地分布在电解质隔膜内。
5.而现有公开的碳酸盐电解质盐膜的制备方法大多采用将碳酸盐电解质与有机溶剂、粘结剂、增塑剂、消泡剂等混合球磨一定时间，通过浆料流延方法制备而成。但是采用碳酸盐电解质浆料流延方法制备得到的盐膜一方面需要较多混合、干燥时间；另一方面碳酸盐不溶于水，也不溶于有机溶剂，电解质粉末表面的润湿性很差，很难与粘结剂结合在一起，浆料里面的碳酸盐颗粒被粘结剂完全包裹，干燥后的盐膜内粘结剂占据一定的体积，造成碳酸盐电解质的堆密度较低，盐膜结构松散、强度低，组装时盐膜脆性大易破碎开裂，不利于电解质在隔膜内的均匀分布，会导致隔膜窜气和密封面漏气，电池性能变差。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中采用碳酸盐电解质浆料流延方法制备得到的盐膜脆性大易破碎开裂，不利于电解质在隔膜内的均匀分布的问题，从而提供解决上述问题的一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统和方法。
7.一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备方法，包括：
8.原料获取：将电解质粉末与粘结剂混合均匀获得混合粉末，同时获取双面胶；
9.热压成型：将混合粉末均匀分布后与双面胶重合，将重合后的混合粉末和双面胶进行热压即可。
10.所述混合粉末采用干法流延方式进行均匀分布并压实。
11.所述干法流延的过程为：将混合粉末均匀分布在干法流延机的膜带上，然后对膜带上的混合粉末进行压实处理。
12.所述干法流延过程中，所述混合粉末采用逐级压实的方法进行处理。
13.所述干法流延过程中干法流延机的膜带温度为35
‑
45℃。
14.所述电解质粉末为碳酸盐，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠(cmc)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)中的至少一种；电解质粉末与粘结剂的混合比例为(4
‑
5):1；
15.所述双面胶为热熔胶膜，该热熔胶膜的厚度为0.05
‑
0.2mm，优选为0.1mm。
16.所述热压时热压表面的温度为90
‑
95℃，热压的压力为5
‑
7mpa，保压时间为5
‑
7min。
17.一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统，包括：
18.混料装置，用于电解质粉末与粘结剂均匀混合获得混合粉末；
19.布料装置，用于将混合粉末均匀分布；
20.双面胶放置机构，用于将混合粉末和双面胶重合放置；
21.热压装置，用于将重合放置的双面胶与混合粉末进行热压。
22.本发明的制备系统中还包括用于将均匀分布的混合粉末进行压实的压实装置；所述布料装置为干法流延机，包括膜带组件，沿着膜带组件传输方向依次设置的给料机构和刮平机构；
23.所述压实装置、双面胶放置机构和热压装置沿着膜带组件传输方向依次设置在刮平机构后端。
24.所述膜带组件包括膜带放卷装置，膜带收卷装置，以及连接在膜带放卷装置和膜带收卷装置之间的膜带；优选的，所述膜带放卷装置包括具有底板的底座，安装在底座上的膜带放卷辊，以及设置在底座上用于控制底板温度的温控设备；所述膜带收卷装置包括具有底板的底座，安装在底座上的膜带收卷辊；所述膜带连接在膜带放卷辊和膜带收卷辊上且平行设置在底板上方；
25.所述给料机构包括料斗，设置在料斗底部的振动筛，设置在料斗下方的流延料槽，以及用于促使料斗内的混合粉末流入流延料槽的送料机构；所述延料槽位于膜带上方；
26.所述刮平机构包括第一刮刀和第二刮刀；所述第一刮刀和第二刮刀沿着膜带组件传输方向顺次设置；优选的，第一刮刀低端与膜带之间的距离大于第二刮刀与膜带之间的距离；
27.所述压实装置为至少一个的碾压辊；优选的，压实装置包括沿着膜带组件传输方向依次设置的第一碾压辊和第二碾压辊；更为优选的，第一碾压辊与膜带之间的距离大于第二碾压辊与膜带之间的距离；
28.所述双面胶放置机构包括沿着膜带组件传输方向顺次设置的双面胶放卷装置和双面胶收卷装置，用于使其上安装的双面胶平行设置在膜带上方；
29.所述热压装置为热压机，其设置在双面胶放卷装置和双面胶收卷装置之间，且双
面胶放置机构上安装的双面胶和膜带均位于热压机的上下加热板之间，用于将双面胶平整的压合在膜带上的混合粉末上形成电解质盐片；
30.所述热压机的下加热板与膜带组件中的底板位于同一平面上。
31.本发明技术方案，具有如下优点：
32.1.本发明提供的一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备方法，采用双面胶和电解质粉末与粘结剂的混合粉末进行热压成型的方式，实现具有一定形状不易断裂破碎的电解质盐片的制备；本发明制备得到的电解质盐片为粘结剂的纤维状结构包裹连接电解质粉末，并且与底层的具有粘性的双面胶形成一种既有底层支撑、又有网状结构连接的空间网状结构；该结构更加稳固，可以有效克服现有技术中采用碳酸盐电解质浆料流延方法制备得到的盐膜脆性大易破碎开裂的问题；且本发明的电解质盐片在组装成电池后，该电解质盐片中存在的粘结剂和双面胶均可以在电池使用时的高温条件下进行分解，且不会影响电解质在隔膜内的均匀分布，有效避免隔膜窜气和密封面漏气，保证电池性能。
33.2.本发明提供的制备方法中进一步优化了热压成型步骤，具体的，所述混合粉末采用干法流延方式进行均匀分布并压实后，再与双面胶重合，最后将重合后的混合粉末和双面胶进行热压；上述步骤中采用干法流延方式将电解质粉末和粘结剂直接混合形成的混合粉末进行均匀分布，因而无需采用溶剂以及增塑剂、消泡剂等添加剂，减少了浆料流延干燥时间和浆料包裹碳酸盐颗粒而造成的堆密度降低问题；同时结合混合粉末压实的步骤，可以进一步增加双面胶上混合粉末的堆密度；因此，优化后的方案不仅仅可以提高制备效率，还可以降低熔融碳酸盐燃料电池电解质在高温条件下的损失，提高电池的密封性能和寿命，保持较高的放电电压和功率密度。
34.3.本发明提供的一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统中，碳电解质粉末与粘结剂的混合粉末在料斗内由送料机构缓慢转动能够将混合粉末均匀洒下到料斗底部，与料斗底部的振动筛配合将混合粉末均匀撒入流延料槽中，可以防止较大的干粉颗粒进入到流延料槽中影响干法流延效果。流延料槽中的混合粉末依靠干法流延机的膜带的拖动，依次经过第一刮刀和第二刮刀将膜带上的混合粉末刮平，能够保证混合粉末在膜带上厚度的一致性。膜带组件中底座上设置的用于控制底板温度的温控设备，能够保证流延过程中膜带上的混合粉末干燥而不吸收空气中的水分变潮。膜带上厚度均匀一致的混合粉末经过第一碾压辊和第二碾压辊的两级碾压能够提高混合粉末的体积密度，并且还能进一步保证混合粉末的厚度一致性。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是本发明的一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统的结构示意图；
37.图2是本发明制备得到的电解质盐片的结构示意图；
38.附图标记：
[0039]1‑
膜带放卷装置，2
‑
料斗，3
‑
送料机构，4
‑
振动筛，5
‑
流延料槽，6
‑
第一刮刀，7
‑
第
二刮刀，8
‑
温控设备，9
‑
第一碾压辊，10
‑
第二碾压辊，11
‑
双面胶放卷装置，12
‑
热压机，13
‑
双面胶收卷装置，14
‑
膜带收卷装置。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0042]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0044]
实施例1
[0045]
一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备方法，包括原料获取和热压成型步骤，具体的，原料获取步骤为：将电解质粉末与粘结剂混合均匀获得混合粉末，同时获取双面胶；热压成型步骤为：将混合粉末均匀分布后与双面胶重合，将重合后的混合粉末和双面胶进行热压即可。
[0046]
本发明采用双面胶和电解质粉末与粘结剂的混合粉末进行热压成型的方式，实现具有一定形状不易断裂破碎的电解质盐片的制备；本发明制备得到的电解质盐片为粘结剂的纤维状结构包裹连接电解质粉末，并且与底层的具有粘性的双面胶形成一种既有底层支撑、又有网状结构连接的空间网状结构；该结构更加稳固，可以有效克服现有技术中采用碳酸盐电解质浆料流延方法制备得到的盐膜脆性大易破碎开裂的问题；且本发明的电解质盐片在组装成电池后，该电解质盐片中存在的粘结剂和双面胶均可以在电池使用时的高温条件下进行分解，且不会影响电解质在隔膜内的均匀分布，有效避免隔膜窜气和密封面漏气，保证电池性能。
[0047]
本发明的原料包括双面胶和混合粉末，所述混合粉末为电解质粉末与粘结剂的混合物，本发明中的电解质粉末可以为常规电解质粉末，也可以是优化组成和配比后的电解质粉末，本实施例中该电解质粉末为碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠按照特定配比组合而成的碳酸盐，例如：摩尔比为68：32的碳酸锂和碳酸钾，摩尔比为52：48的碳酸锂和碳酸钠。上述电解质粉末与粘结剂的混合比例优选为(4
‑
5):1；本实施例中的双面胶为热熔胶膜，该热熔胶膜的厚度为0.05
‑
0.2mm，优选为0.1mm。
[0048]
本发明的热压成型步骤中，混合粉末优选采用干法流延方式进行均匀分布并压
实，具体的，将混合粉末均匀分布在干法流延机的膜带上，然后采用压辊对膜带上的混合粉末进行压实处理，压实混合粉末的方式包括但不限于压板、压辊。
[0049]
为了保证膜带上混合粉末的均匀一致，可以选择过筛后的混合粉末均匀洒落到膜带上，并通过多级刮刀刮涂的方式将膜带上的混合粉末厚度精确限制在一定厚度条件下，并通过多级压板或压辊压实的方式进一步保证混合粉末厚度的一致。本发明在采用压板或压辊压实进而保证混合粉末厚度的一致的同时还能提高混合粉末堆密度。
[0050]
为了保证双面胶和混合粉末更好的重合便于后期的热压处理，本发明中可以将热压前的双面胶设置在与膜带平行的所在平面上，在热压过程中保证双面胶更加平整的与膜带上的混合粉末重叠粘附。
[0051]
所述干法流延过程中，所述混合粉末采用逐级压实的方法进行处理。
[0052]
为了避免膜带上的混合粉末吸潮，所述干法流延过程中控制干法流延机的膜带温度为35
‑
45℃。
[0053]
热压时，只要能保证双面胶与混合粉末中的粘结剂结合成一体即可，图如2所示。优选的，为了达到最佳的热压效果，本发明中热压时热压表面的温度设置为90
‑
95℃，热压的压力可以设置为5
‑
7mpa，保压时间设置为5
‑
7min。
[0054]
实施例2
[0055]
一种熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统，如图1所示，包括：用于电解质粉末与粘结剂均匀混合获得混合粉末的混料装置，用于将混合粉末均匀分布的布料装置，用于将混合粉末和双面胶重合放置的双面胶放置机构，用于将重合放置的双面胶与混合粉末进行热压的热压装置。
[0056]
通过上述系统即可有效实现具有一定形状不易断裂破碎的电解质盐片的制备。但为了进一步提高制备效率和制备得到的盐片的质量，所述布料装置设置为干法流延机，并在干法流延机上增加设置了用于将均匀分布的混合粉末进行压实的压实装置。
[0057]
具体的，干法流延机包括膜带组件，沿着膜带组件传输方向依次设置的给料机构和刮平机构；所述压实装置、双面胶放置机构和热压装置沿着膜带组件传输方向依次设置在刮平机构后端。
[0058]
其中，膜带组件包括膜带放卷装置1，膜带收卷装置14，以及连接在膜带放卷装置1和膜带收卷装置14之间的膜带；通过膜带收放卷装置实现混合粉末在膜带上的传输。进一步的，所述膜带放卷装置1包括具有底板的底座，安装在底座上的膜带放卷辊，以及设置在底座上用于控制底板温度的温控设备8；所述膜带收卷装置14包括具有底板的底座，安装在底座上的膜带收卷辊；所述膜带连接在膜带放卷辊和膜带收卷辊上且平行设置在底板上方。
[0059]
给料机构包括料斗2，设置在料斗2底部的振动筛4，设置在料斗2下方的流延料槽5，以及用于促使料斗2内的混合粉末流入流延料槽5的送料机构3；所述流延料槽5位于膜带上方；优选的，该送料机构3为安装在料斗2内的螺旋给料轴。
[0060]
刮平机构包括第一刮刀6和第二刮刀7；所述第一刮刀6和第二刮刀7沿着膜带组件传输方向顺次设置；优选的，第一刮刀6低端与膜带之间的距离大于第二刮刀7与膜带之间的距离。
[0061]
压实装置为至少一个的碾压辊；优选的，压实装置包括沿着膜带组件传输方向依
次设置的第一碾压辊9和第二碾压辊10；更为优选的，第一碾压辊9与膜带之间的距离大于第二碾压辊10与膜带之间的距离。
[0062]
双面胶放置机构包括沿着膜带组件传输方向顺次设置的双面胶放卷装置11和双面胶收卷装置13，用于使其上安装的双面胶平行设置在膜带上方。
[0063]
热压装置为热压机12，其设置在双面胶放卷装置11和双面胶收卷装置13之间，且双面胶放置机构上安装的双面胶和膜带均位于热压机12的上下加热板之间，用于将双面胶平整的压合在膜带上的混合粉末上形成电解质盐片。
[0064]
上述热压机12的下加热板与膜带组件中的底板位于同一平面上。
[0065]
采用上述熔融盐燃料电池电解质盐片的制备系统进行电解质盐片的具体制备过程如下：
[0066]
获得摩尔比为68：32的碳酸锂和碳酸钾的电解质粉末，然后将电解质粉末与羧甲基纤维素钠cmc按照4:1的比例混合干燥制备得到混合粉末，将干燥后的混合粉末送入料斗2中。
[0067]
开启热压机12进行预热，使上下加热板的温度达到90
‑
95℃，开启干法流延机的温控设备8，将底板温度加热到35
‑
45℃，进而保证膜带温度达到35
‑
45℃，避免膜带上的混合粉末吸潮。开启膜带放卷装置1和膜带收卷装置14，将收放卷速度控制在0.1
‑
0.3m/min，本实施例中该收放卷速度控制在0.2m/min，料斗2内送料机构3的转速控制为与干法流延机的收放卷速度同步，保证混合粉末在送料机构3的转动下匀速输送到料斗2的下料管中，从下料管底部落下的混合粉末通过振动筛4均匀的洒落到流延料槽5中。
[0068]
通过振动筛4均匀的洒落到流延料槽5中颗粒均匀的混合粉末在膜带的拖动下先经过第一刮刀6，第一刮刀6高度设置距离膜带表面高度4mm，再经过第二刮刀7，第二刮刀7高度设置距离膜带表面高度3mm。
[0069]
通过第二刮刀7刮平的混合粉末依次经过第一碾压辊9、第二碾压辊10，第一碾压辊距离膜带表面高度3mm，第二碾压辊10距离膜带表面高度2.5mm，逐步提高混合粉末的堆密度，将辊压的混合粉末用膜带输送至热压机12正下方。
[0070]
当混合粉末输送至热压机12正下方后，暂停膜带放卷装置1和膜带收卷装置14以及送料机构3，开启双面胶放卷装置11和双面胶收卷装置13，保证双面胶能够覆盖到混合粉末上时，暂停双面胶放卷装置11和双面胶收卷装置13。
[0071]
启动热压机12的热压程序，使上加热板下行将双面胶和混合粉末热压粘结在一起，热压机压力5
‑
7mpa，保压时间5
‑
7min，本实施例中将热压机压力6mpa，保压时间6min。保压时间到了后，热压机12的上加热板自动上行，即可完成一张电解质盐片的制备。
[0072]
当完成一张电解质盐片的制备后，将双面胶上的隔离纸与压好的电解质盐片分离，开启双面胶放卷装置11和双面胶收卷装置13以及送料机构3，用膜带将第一张制备好的电解质盐片拖动到热压机12外，然后在干法流延机的后端进行裁切，并将裁切好的电解质盐片放入干燥箱备用即可。
[0073]
本实施例制备得到的电解质盐片的结构更加稳固，可以有效克服现有技术中采用碳酸盐电解质浆料流延方法制备得到的盐膜脆性大易破碎开裂的问题，且制备得到的电解质盐片可以有效保证电解质在隔膜内的均匀分布，有效避免隔膜窜气和密封面漏气，保证电池性能。
[0074]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。