一种电池堆烧结温度控制方法与流程

1.本发明涉及熔融盐燃料电池技术领域，具体涉及一种电池堆烧结温度控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％-60％。燃料电池工作时，氢气或其他燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氢气或其他燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。
3.由于熔融碳酸盐燃料电池在650℃下运行工作，电解质隔膜是在电池堆升温过程中进行焙烧，因此电池堆的升温显得尤为重要，焙烧效果的好坏直接影响电池堆的性能输出。
4.cn106935887b公开了一种熔融碳酸盐燃料电池堆的启动方法，(1)根据电池堆的功率大小，计算出所需的空气流量；(2)电池堆升温，升温速率不得大于5℃/min；(3)从室温至200℃，从电池堆阴极侧通入设定的空气量，保证电池堆密封面有20％-30％的漏气量；(4)从200℃-450℃，电池堆阴极侧增加二氧化碳，气量为空气流量的一半，当温度达到450℃时，保证密封面处没有气体泄漏；(5)从450℃-550℃，关闭阴极进气，电池堆进入化盐阶段；(6)从550℃-650℃，阳极通入氢气进行还原电极；(7)温度达到650℃以后，阴极通入空气和二氧化碳即可进行放电性能测试；但在电池焙烧过程中，电池所用关键材料隔膜内有机物没完全排出，会导致隔膜孔隙率降低，引发后续电解质盐浸润隔膜量少，影响了离子传导过程，电压响应速度慢。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种电池堆烧结温度控制方法。包括电池堆本体中隔膜水分挥发与电解质盐中乙醇挥发阶段、隔膜中有机物燃烧挥发阶段、电池堆阴极ni氧化阶段、电解质盐变成熔融态阶段和阳极电极还原阶段，其中，电解质盐变成熔融态阶段在阳极侧通入co2，电池堆阴极ni氧化阶段在阳极侧通入n2，在有机物燃烧挥发阶段采用如下程序进行升温；
6.从136-140℃在17-19h之内升温至238℃-242℃，并在238℃-242℃保温7-12h，然后从238℃-242℃在17-19h之内升温至343-347℃，并在343-347℃保温5-9h。
7.进一步地，所述电解质盐变成熔融态阶段为：从403-407℃升温至478-482℃，升温速率为0.03-0.05℃/min；从478-482℃升温至578-582℃，升温速率为0.03-0.04℃/min。
8.更进一步地，所述隔膜中有机物燃烧挥发阶段检测尾气中co2的含量。
9.进一步地，所述电池堆本体中隔膜水分挥发与电解质盐中乙醇挥发阶段为从室温升温至136-140℃，然后在136-140℃保温5-7h。
10.进一步地，所述电池堆阴极ni氧化阶段为从343-347℃升温至403-407℃，升温17-19h。
11.进一步地，所述阳极电极还原阶段为从578-582℃升温至668-672℃，升温11-13h，
然后在668-672℃保温。
12.更进一步地，所述在电解质盐变成熔融态阶段中在阳极侧通入co2的气量为3-5l/min。
13.更进一步地，所述电池堆阴极ni氧化阶段中在阳极侧通入n2的气量为13-17l/min。
14.更进一步地，所述的电池堆烧结温度控制方法处理后得到的电池堆。
15.与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
16.本发明在电解质盐变成熔融态阶段在阳极侧通入co2，可避免电解质流失；在电池堆阴极ni氧化阶段在阳极侧通入n2，可保持电池堆内部压差平衡；在有机物燃烧挥发阶段程序升温，从136-140℃在17-19h之内升温至238℃-242℃，并在238℃-242℃保温7-12h，然后从238℃-242℃在17-19h之内升温至343-347℃，并在343-347℃保温5-9h，可以除去隔膜中的有机物并形成内部孔道结构，加快离子传导过程，提高电压响应速度。
具体实施方式
17.该电池堆本体升温焙烧测试仅适用于单个电池堆，焙烧前阴、阳极都为ni电极，电池堆焙烧完成后，测试前阳极为ni电极，阴极为nio电极，可根据电池堆的功率大小，计算出所需的空气，n2，h2，co2等通入气体流量。以下实施例和对比例都是以10节熔融碳酸盐电池堆为例进行的升温焙烧控制方法，其电池有效面积为2m2，发电功率为1.2kw；焙烧完成后，开路电压连接电子负载进行实时监测，单电池的开路电压是预期值为1.0v～1.2v，则本发明10节电池堆的开路电压预期值为10～12v。
18.实施例1
19.本实施例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，电池堆采用加热炉方式进行原位焙烧升温，升温程序按照如下方式设置：
20.(1)电池堆本体中隔膜水分挥发与电解质盐中乙醇挥发阶段
21.从室温升温至138℃，升温12h，此期间电池堆阴极侧通入空气气量为20l/min；
22.在138℃保温6h；此期间电池堆通入空气气量为20l/min。
23.(2)隔膜中有机物燃烧挥发阶段
24.从138℃升温至240℃，升温18h；在240℃：保温10h；从240℃升温至345℃，升温18h；在345℃：保温7h；
25.此期间电池堆阴极通入空气气量为20l/min，阳极侧通入n2量为15l/min，在升温完成后，检测尾气中co2的浓度，结果显示，尾气中co2的浓度为135ppm，低于280ppm，说明隔膜有机物已经基本排出。
26.(3)电池堆阴极ni氧化阶段
27.从345℃升温至405℃，升温18h；
28.此期间电池堆阴极通入空气气量为20l/min，阳极侧通入n2气量为15l/min。
29.(4)电解质盐变成熔融态阶段
30.从405℃升温至480℃：升温速率为0.05℃/min；
31.从480℃升温至580℃：升温速率为0.035℃/min；
32.此期间关闭电池堆阴极空气进气以及阳极n2进气，在阳极通入少量co2，气量为3l/
min，可减少熔融态电解质盐在渗析过程中的流失。
33.(5)阳极电极还原阶段
34.从580℃升温至670℃：升温12h；然后在670℃保温；
35.此期间电池堆阳极侧关闭co2进气，通入h2还原，h2气量为10l/min。
36.温度到达670℃后，阳极侧h2通入量13l/min，n2通入量为20l/min，空气气量为37l/min，co2气量为12l/min，稳定10min后，连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压在20min内达到电压11v；然后在给定电压下进行放电性能测试，在7v下测试出对应的电流为172a，放电功率达到1.2kw，能在此放电功率下稳定运行1h。说明电池堆内部焙烧效果较好，电池堆温度烧结控制方法得到显著效果。
37.实施例2
38.本实施例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，电池堆采用加热炉方式进行原位焙烧升温，升温程序按照如下方式设置：
39.(1)电池堆本体中隔膜水分挥发与电解质盐中乙醇挥发阶段
40.从室温升温至136℃，升温11h，此期间电池堆阴极侧通入空气气量为20l/min；
41.在136℃保温7h，此期间电池堆通入空气气量为20l/min。
42.(2)隔膜中有机物燃烧挥发阶段
43.从136℃升温至238℃，升温19h；在238℃：保温12h；从238℃升温至343℃，升温19h；在343℃：保温9h；
44.此期间电池堆阴极通入空气量为20l/min，阳极侧通入n2量为15l/min，在有机物挥发后期，检测尾气中co2的浓度，结果显示，尾气中co2的浓度为156ppm，低于280ppm，说明隔膜有机物已经基本排出。
45.(3)电池堆阴极ni氧化阶段
46.从343℃升温至403℃，升温19h；
47.此期间电池堆阴极通入空气气量为20l/min，阳极侧通入n2量为15l/min。
48.(4)电解质盐变成熔融态阶段
49.从403℃升温至478℃：升温速率为0.03℃/min；
50.从478℃升温至578℃：升温速率为0.04℃/min；
51.此期间关闭电池堆阴极空气进气以及阳极n2进气，在阳极通入co2，气量为3l/min，可减少熔融态电解质盐在渗析过程中的流失。
52.(5)阳极电极还原阶段
53.从580℃升温至670℃：升温13h；然后在670℃保温；
54.此期间电池堆阳极侧关闭co2进气，通入h2还原，h2气量为10l/min。
55.温度到达670℃后，阳极侧继续通入h2和n2，阴极侧通入空气和co2，其中h2气量为13l/min，n2气量为20l/min，空气气量为37l/min，co2气量为12l/min，稳定10min后，连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压在18min内达到电压10.9v，然后在给定电压下进行放电性能测试，在7v下测试出对应的电流为170a，放电功率近似达到1.2kw。电压响应快，说明电池堆内部焙烧效果较好，电池堆温度烧结控制方法得到显著效果。
56.实施例3
57.本实施例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，电池堆采用加热炉方式进行原位
焙烧升温，升温程序按照如下方式设置：
58.(1)电池堆本体中隔膜水分挥发与电解质盐中乙醇挥发阶段
59.从室温升温至140℃，升温13h，此期间电池堆阴极侧通入空气气量为20l/min；
60.在140℃保温5h，此期间电池堆通入空气气量为20l/min。
61.(2)隔膜中有机物燃烧挥发阶段
62.从140℃升温至242℃，升温17h；在242℃：保温7h；从242℃升温至347℃，升温17h；在345℃：保温5h；
63.此期间电池堆阴极通入空气气量为20l/min，阳极侧通入n2气量为15l/min，在有机物挥发后期，检测尾气中co2的浓度，结果显示，尾气中co2的浓度为130ppm，低于280ppm，说明隔膜有机物已经基本排出。
64.(3)电池堆阴极ni氧化阶段
65.从347℃升温至407℃，升温17h；
66.此期间电池堆阴极通入空气气量为20l/min，阳极侧通入n2气量为15l/min。
67.(4)电解质盐变成熔融态阶段
68.从407℃升温至482℃：升温速率为0.03℃/min；
69.从482℃升温至582℃：升温速率为0.035℃/min；
70.此期间关闭电池堆阴极空气进气以及阳极n2进气，在阳极通入co2，气量为3l/min，可减少熔融态电解质盐在渗析过程中的流失。
71.(5)阳极电极还原阶段
72.从582℃升温至672℃：升温11h；然后在670℃保温；
73.此期间电池堆阳极侧关闭co2进气，通入h2还原，h2气量为10l/min。
74.温度到达670℃后，阳极侧继续通入h2和n2，阴极侧通入空气和co2，其中h2气量为13l/min，n2气量为20l/min，空气气量为37l/min，co2气量为12l/min，稳定10min后，连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压在21min内达到电压11.2v，然后在给定电压下进行放电性能测试，在7v下测试出对应的电流为171a，放电功率近似达到1.2kw。电压响应快，说明电池堆内部焙烧效果较好，电池堆温度烧结控制方法得到显著效果。
75.对比例1
76.本对比例的升温方法按照cn106935887b进行，步骤如下：
77.(1)从室温升温至200℃，调节电池堆组装压力，使得电池堆尾气出气流量为14.4l，有18l/min的空气通过密封面泄漏掉，以保证密封面处的焙烧；
78.(2)从200℃升温至450℃，电池堆阴极侧再通入9l/min的co2，用于消除电解质隔膜焙烧过程中的积碳。同时随着焙烧温度的上升，缓慢增加组装压力，逐渐减少密封面处的漏气量，当温度达到450℃时，阴极尾气出气量基本与进气量相当；
79.(3)从450℃升温至550℃，关闭阴极侧的进气，保证电池堆内部电解质的顺利浸入电解质隔膜；
80.(4)从550℃升温至650℃，电池堆阳极侧通入h2进行还原；
81.当温度达到650℃后，阳极通入h2气量为6l/min，阴极通入空气气量为18l/min和co2气量为7.2l/min；
82.结果：连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压45min达到9.8v，然后在
定电压下进行放电性能测试，在7v下测试出对应的电流为155a，放电功率近似达到1.08kw。尽管排除了内部积碳问题，但是电解质隔膜中有机物无法完全排出，和电解质盐的流失，导致开路电压值相对较低，放电功率相对较低，说明电池堆内部焙烧有待改善，电池堆温度烧结控制方法有待改进。
83.对比例2
84.本对比例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：隔膜中有机物燃烧挥发阶段的升温程序如下：
85.138℃～345℃升温35h；升温完成后检测尾气中co2的浓度，结果显示，尾气中co2的浓度为420ppm。
86.结果：连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压50min达到9.0v，且电压不再随着时间增加上升。说明电池堆内部焙烧不彻底，电池堆温度烧结控制方法有待改善。
87.对比例3
88.本对比例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：电池堆阴极ni氧化阶段，不通n2。
89.结果：连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压48min达到8.8v，且电压不再随着时间增加上升。说明电池堆内部焙烧不完全，电池堆温度烧结控制方法有待改善。
90.对比例4
91.本对比例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：电解质盐变成熔融态阶段不通co2。
92.结果：连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压50min达到8.5v，且电压不再随着时间增加上升。说明电池堆内部焙烧出现故障，电池堆温度烧结控制方法需要改进。
93.对比例5
94.本对比例提供了一种电池堆烧结温度控制方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：隔膜中有机物燃烧挥发阶段按如下程序升温，从138℃～240℃，12h；240℃：保温2h；240℃～345℃，12h；345℃，保温2h；升温完成后检测尾气中co2的浓度，结果显示，尾气中co2的浓度为380ppm。
95.结果：连接电子负载进行电压实时监测，电池堆开路电压50min达到9.2v，且电压不再随着时间增加上升。说明电池堆内部焙烧出现故障，电池堆温度烧结控制方法有待改进。
96.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。