技术领域
[0001] 本
发明涉及
熔融碳酸盐燃料电池技术领域，具体涉及一种熔融碳酸盐燃料电池堆的
电解质补充方法。
背景技术
[0002] 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，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此
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。与火
力发电方式相比，燃料电池的发电过程不经过燃料的直接燃烧CO、CO2、SO2、NOx及未燃尽的有害物质
排放量极低，是公认的继火电、
水电和核电之后的第四种发电方式。因此，燃料电池是集
能源、化工、材料与自动化控制等新技术为一体的、具有高效与洁净特色的新电源。
[0003] 熔融碳酸盐燃料电池在650℃工作，其优点有：(1)
工作温度高，电极反应活化能小，不论氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金属的使用，一定程度上降低成本；(2)可以使用CO含量高的燃料气，如
煤制气；(3)电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收使用，使总的效率高达80％。因此，熔融碳酸盐燃料电池在固定电站和分布式电站等方面的应用前景非常广阔。
[0004] 熔融碳酸盐燃料电池由电极、电解质隔膜、碳酸盐片、双极板等关键部件组成。电解质隔膜和碳酸盐片在电池堆运行时
烧结在一起，熔融的碳酸盐依靠毛细作用渗入烧结好的电解质隔膜微孔内，起到阻气、传导碳酸根离子的作用。电解质隔膜必须具有长时间容留电池中熔融碳酸盐电解质的功能，但在电池堆的实际运行过程中，存在电解质损失的问题，大大影响了电池堆的寿命和稳定运行。电解质的损失主要是由于与金属部件发生
腐蚀反应，电解质的
蒸发和迁移等原因。电解质的损失造成了电池内阻增大，电解质隔膜板的粗孔化，使电解质的保持力降低，
加速了电解质的损失。因此为保证熔融碳酸盐燃料电池堆的长寿命和稳定运行，运行过程中的电解质补充技术能够使熔融碳酸盐燃料电池能够延长使用寿命，增加熔融碳酸盐燃料电池发电技术的竞争力。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种熔融碳酸盐燃料电池堆电解质补充方法，解决了现有的熔融碳酸盐燃料电池堆电解质存在损失的
缺陷，大大提高了电池堆的寿命和稳定运行。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明提供的一种熔融碳酸盐燃料电池堆电解质补充方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，配制含10％～20％电解质的电解质
胶体溶液，其中，所述电解质胶体溶液的
粘度为200～800Pa·s；
[0009] 步骤2，利用步骤1配制得到的电解质胶体溶液进行电池堆电解质的补充，使得电解质粘附在电极及电池堆内部流道；
[0010] 步骤3，将电池堆内多余的电解质胶体溶液排出；
[0011] 步骤4，在惰性气体条件下，将电池堆内的水分或
有机溶剂烘干排出，即完成电池堆电解质的补充，之后进行放电性能测试。
[0012] 优选地，步骤1中，电解质胶体溶液的配制方法，包括以下步骤：
[0013] 将摩尔百分比为62:38的碳酸锂和碳酸
钾进行混合，形成电解质；
[0014] 将得到的电解质与浓度为0.5～3％的聚乙烯醇水溶液，或与95％酒精与聚乙烯醇缩丁
醛形成的溶液进行混合，含10％～20％电解质的电解质胶体溶液，其中，所述电解质胶体溶液的粘度为200～800Pa·s。
[0015] 优选地，步骤1中，电解质胶体溶液的配制方法，包括以下步骤：
[0016] 将摩尔百分比为53:47的碳酸锂和碳酸钠进行混合，形成电解质；
[0017] 将得到的电解质与浓度为0.5～3％的聚乙烯醇水溶液，或与95％酒精与聚乙烯醇缩丁醛形成的溶液进行混合，含10％～20％电解质的电解质胶体溶液，其中，所述电解质胶体溶液的粘度为200～800Pa·s。
[0018] 优选地，步骤2中，利用步骤1配制得到的电解质胶体溶液进行电池堆电解质的补充，具体方法是：
[0019] 由熔融碳酸盐燃料电池的阳极或
阴极入口、盛放有步骤1配制得到的电解质胶体溶液的容器、
循环泵、以及熔融碳酸盐燃料电池的阳极或阴极出口组成补充电解质的循环回路；
[0020] 之后启动
循环泵，使电解质胶体溶液在电池堆内部流道中充分循环，使得部分电解质在循环过程中粘附在电极及电池堆内部流道。
[0021] 优选地，步骤3中，将电池堆内多余的电解质胶体溶液排出，具体方法是：
[0022] 采用电池堆全功率15％～30％阴极流量的空气或氮气从电池堆上部的阴极或阳极入口通入电池堆，从电池堆下部的阴极或阳极出口将电池堆内多余的电解质胶体溶液完全排出。
[0023] 优选地，步骤4中，将电池堆内的水分或
有机溶剂烘干排出的工艺条件是：
[0024] 在66～80℃加热条件下，向电池堆内通入氮气或二氧化碳惰性气体，加热通气24～48小时。
[0025] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0026] 本发明提供的一种熔融碳酸盐燃料电池堆电解质补充方法，能够利用电解质胶体溶液良好的流动性和粘性，将电解质均匀地粘附在电极及流场内部的槽道中，利用电解质熔融后的毛细浸润原理对电池堆内损失的电解质进行补充，这一方法能够有效补充熔融碳酸盐燃料电池在高温运行过程中因电解质损失而造成的性能和寿命下降，对提高稳定熔融碳酸盐燃料电池性能和寿命具有重要的指导意义。
[0027] 进一步的,熔融碳酸盐电解质一般为固态，在高温条件下熔融成液态依靠毛细作用力吸入隔膜的微孔内达到隔绝两级气体的作用，固态的电解质难以均匀补充到电池堆内部，还有可能造成电池内部管路的堵塞，而采用将电解质与粘结剂及溶剂分散成液态胶体，通过循环泵不断流动可以将电解质均匀输送至电池内部并均匀分布。
[0028] 进一步的，通过调整电解质胶体中电解质的含量来调整补充至电池堆内电解质的含量，并且胶体中含有少量的粘结剂，且电解质还能够在胶体中均匀分散，保证了电解质均匀分散到电池堆内各个部位。
附图说明
[0029] 图1是本发明涉及的电解质补充回路装置；
[0030] 其中，1、电解质胶体溶液容器2、循环泵3、阳极或阴极入口4、电池5、熔融碳酸盐燃料电池6、阳极或阴极出口7、循环管路。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
[0032] 本发明的具体方案为：一种熔融碳酸盐燃料电池堆的电解质补充方法，包括以下具体步骤：
[0033] 1)根据电池堆双极板及电池端板的结构，计算电池堆内流场及流道的体积；
[0034] 2)配制电解质胶体溶液
[0035] 第一种，将摩尔百分比为53:47的碳酸锂和碳酸钠进行混合，形成电解质；
[0036] 将得到的电解质与浓度为0.5％～3％的聚乙烯醇水溶液，或与95％酒精和聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液进行混合，含10％～20％电解质的电解质胶体溶液，其中，所述电解质胶体溶液的粘度为200～800Pa·s。
[0037] 第二种，将摩尔百分比为62:38的碳酸锂和碳酸钾进行混合，形成电解质；
[0038] 将得到的电解质与浓度为0.5％～3％的聚乙烯醇水溶液，或与酒精与聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液进行混合，含10％～20％电解质的电解质胶体溶液，其中，所述电解质胶体溶液的粘度为200～800Pa·s。
[0039] 酒精与聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液的浓度为3％～5％，其中，酒精的浓度为95％。
[0040] 3)将熔融碳酸盐燃料电池5的阳极或阴极入口3、电解质胶体溶液容器1、液循环泵2、以及MCFC阳极或阴极出口6组成一个补充电解质的循环回路，启动循环泵2，使电解质胶体溶液在电池堆内部流道中充分循环24～48小时，保证一部分电解质在循环过程中粘附在电极及电池堆内部流道。
[0041] 4)采用电池堆全功率15％～30％阴极流量的空气或氮气从电池堆上部的阴极或阳极入口通入电池堆，从电池堆下部的阴极或阳极出口将电池堆内多余的电解质胶体溶液排出，通气时间24～48小时；通过控制进气流量，一方面缓慢将残余胶体吹出电池堆，一方面使电解质缓慢附着在电池堆内部的部件壁上。
[0042] 5)在66～80℃加热条件下，电池堆内通入氮气或二氧化碳惰性气体，通气24～48小时，将电池堆内的水分或有机溶剂排出并烘干，用以排除水和有机溶剂对电池性能的影响。
[0043] 完成电解质补充后，对电池堆采用1℃/1～3min的升温速率升温至450℃，保温5小时，继续以1℃/3～5min的升温速率升温至550℃，再以1℃/1～3min的升温速率升温至650℃，并且阳极通入氢气进行还原电极。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。
[0044] 本发明是一种熔融碳酸盐燃料电池堆的电解质补充方法，在MCFC的研究与应用领域具有重要的指导意义，下面将以实例来说明本发明的具体指导作用。
[0046] 1)首先准备一个已经运行一定时间的性能有所下降的5kW的熔融碳酸盐燃料电池堆，电池堆由36节、单电池有效面积为2000cm2的单电池
串联而成；
[0047] 2)根据5kW MCFC电池堆双极板及电池端板的结构，计算电池堆内流场及流道的体积约为0.036m3。将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为0.5％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质10％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液，胶体溶液量为电池堆内流场与流道体积的3倍；
[0048] 3)将配置好的电解质胶体溶液置入一个带进出口的密闭容器中，容器进出口分别与电池堆和溶液循环泵连接组成一个补充电解质的循环回路，启动循环泵，使电解质胶体溶液在电池堆内部流道中充分循环24小时，停止循环后在电池堆的底部将电池堆内的电解质胶体溶液排空；
[0049] 4)从电池堆上部向电池堆持续通气时间24小时，吹入全功率阴极流量15％的空气或氮气，再次将电池堆内多余的电解质胶体溶液排出；
[0050] 5)在80℃加热条件下电池堆内通入全功率阴极流量25％的氮气或二氧化碳惰性气体，加热通气30小时，将电池堆内的水分或有机溶剂烘干排出，即完成电解质的补充。
[0051] 之后，采用1℃/3min的升温速率升温至450℃，保温5小时，继续以1℃/3min的升温速率升温至550℃，再以1℃/1min的升温速率升温至650℃，并且阳极通入氢气进行还原电极。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。
[0052] 实施例2
[0053] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0054] 将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为1.5％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质15％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0055] 实施例3
[0056] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0057] 将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为3％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质20％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0058] 实施例4
[0059] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0060] 将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质20％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0061] 实施例5
[0062] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0063] 将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质10％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0064] 实施例6
[0065] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0066] 将摩尔百分比62:38的碳酸锂和碳酸钾混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质13％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0067] 实施例7
[0068] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0069] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为1.5％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质15％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0070] 实施例8
[0071] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0072] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为3％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质20％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0073] 实施例9
[0074] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0075] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质20％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0076] 实施例10
[0077] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0078] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质10％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0079] 实施例11
[0080] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0081] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为95％的酒精以及聚乙烯醇缩丁醛形成的混合溶液，混合搅拌配制含电解质13％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
[0082] 实施例12
[0083] 与实施例1相同，不同点在于，电解质胶体溶液的配制：
[0084] 将摩尔百分比53:47的碳酸锂和碳酸钠混合，之后与浓度为0.5％的聚乙烯醇水溶液混合搅拌配制含电解质13％，粘度200Pa·s的电解质胶体溶液。
