專(zhuān)利名稱(chēng)：鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半燃料電池，尤其涉及一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池。
技術(shù)背景燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成 電能的電化學(xué)電池。以鋁作為陽(yáng)極，并采用過(guò)氧化氫作為氧化劑的燃料電池叫 做鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池。鋁是地球上最豐富的金屬元素，其質(zhì)量比容量可達(dá)2.98Ah/g，體積比容量可達(dá)8.04Ah/cm、過(guò)氧化氫具有密度高、無(wú)毒、無(wú)污染、 可長(zhǎng)期貯存等特點(diǎn)；鋁與過(guò)氧化氫組合而成的鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池具有如下 優(yōu)點(diǎn)理論能量密度高；理論功率密度高；承受短時(shí)過(guò)載的能力強(qiáng)；陰極過(guò)電 位小，效率高， 一般〉65%，最高可以達(dá)到80% (或開(kāi)路電壓達(dá)到約1.75V);推 進(jìn)劑可以長(zhǎng)期貯存；環(huán)境友好等。鋁和過(guò)氧化氫在鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池中的 反應(yīng)機(jī)理主要包括電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)，以及三個(gè)有害的化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué) 反應(yīng)分為兩部分陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)。反應(yīng)方程如下陽(yáng)極反應(yīng)2Al(s) + 80H-(aq) — 2A10/(aq) + 4H20(1) + 6e-陰極反應(yīng)3H02(aq) + 3H20(l) + 6e- — 90H(aq) 總反應(yīng)2Al(s) + 3H02.(aq) 4 2A102—(aq) + OH乂aq) + H20(1)陰極和陽(yáng)極反應(yīng)都是半反應(yīng)，總電勢(shì)為3. 18V。有害的反應(yīng)包括鋁的腐蝕反應(yīng)、過(guò)氧化氫的分解反應(yīng)，以及鋁/過(guò)氧化氫直 接化學(xué)反應(yīng)。鋁的腐蝕反應(yīng)2Al(s) + 20H-(aq) + 2H20(1) = 2AKV(aq) + 3H2(g)雖然此反應(yīng)也是一種電化學(xué)反應(yīng)，但并不產(chǎn)生電流。在此反應(yīng)中鋁被浪費(fèi)， 產(chǎn)生了氫氣，從而降低了燃料電池的效率。 — 過(guò)氧化氫的分解反應(yīng)2H202(l) = 02(g) + 2H20(l)過(guò)氧化氫是一種活性很高的物質(zhì)，在有污染物的情況下分解速度大大加快。此反應(yīng)損耗了過(guò)氧化氫，也降低了燃料電池的效率。鋁/過(guò)氧化氫直接反應(yīng)2Al(s) + 3HCV(aq) = 2A102—(aq) + OH—(aq) + H20(1)此反應(yīng)看上去與總的電化學(xué)反應(yīng)方程相同，但其機(jī)理完全不同。鋁和過(guò)氧 化離子的接觸是產(chǎn)生這種化學(xué)反應(yīng)的原因，在這個(gè)反應(yīng)中，沒(méi)有電流在回路中產(chǎn)生。上述三個(gè)有害反應(yīng)的發(fā)生降低了電池的效率，因此在設(shè)計(jì)電池的流動(dòng)系統(tǒng) 時(shí)要盡量抑制有害反應(yīng)的發(fā)生。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是提供一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，其解決了背景技術(shù)鋁 /過(guò)氧化氫半燃料電池?fù)Q效率低、能量密度低、功率密度低的技術(shù)問(wèn)題。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，包括可固連密封在一起的陽(yáng)極殼體ll、陰極 殼體12以及設(shè)置在陽(yáng)極殼體11和陰極殼體12之間的陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)；其 特殊之處是，所述陽(yáng)極系統(tǒng)包括設(shè)置在陽(yáng)極殼體11內(nèi)的電解質(zhì)入口 61、陽(yáng)極接頭51和電解質(zhì)出口 71以及由內(nèi)至外設(shè)置在陽(yáng)極殼體11內(nèi)側(cè)面的陽(yáng)極21和陽(yáng) 極流道41;所述陰極系統(tǒng)包括設(shè)置在陰極殼體12內(nèi)的氧化劑入口 61、陰極接 頭52和氧化劑出口 72以及由內(nèi)至外設(shè)置在陰極殼體12內(nèi)側(cè)面的陰極流道42 和膜陰極22;所述電解質(zhì)入口71、陽(yáng)極流道41、電解質(zhì)出口 71構(gòu)成電解質(zhì)通 路；所述氧化劑入口 62、陰極流道42、氧化劑出口 72構(gòu)成氧化劑通路；所述 陽(yáng)極21、陽(yáng)極流道41和膜陰極22共同構(gòu)成電解質(zhì)的反應(yīng)容腔，所述陰極殼體 12、陰極流道42和膜陰極52共同構(gòu)成氧化劑的反應(yīng)容腔。上述陽(yáng)極流道41和陰極流道42采用了相同結(jié)構(gòu)的迷宮結(jié)構(gòu)或拐彎結(jié)構(gòu)。 上述陽(yáng)極殼體11和陰極殼體12間的固連和密封是通過(guò)固連裝置9和殼體 密封圈3實(shí)現(xiàn)的。上述陽(yáng)極殼體11和陰極殼體12以及陽(yáng)極流道41、陰極流道42的材料均采 用聚四氟乙烯；所述陽(yáng)極接頭51和陰極接頭52材料為紫銅T2;所述陽(yáng)極21的 材料采用鋁，所述膜陰極—22—材料采用鍍鈀金屬鎳。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1、 本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池所使用的陽(yáng)極(鋁)和氧化劑(過(guò) 氧化氫)都是很非常容易獲得的原料，而且具有較低的價(jià)格，從而降低了整個(gè) 電池的成本；
2、 本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池還可以利用海水作為電解質(zhì)，在海 洋中應(yīng)用具有更大的優(yōu)勢(shì)，特別適合于作為水下運(yùn)載器的動(dòng)力源。
3、 本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池所使用的原料都容易貯存，而且由 于自身攜帶了氧化劑，尤其適合應(yīng)用于水下或外太空等沒(méi)有空氣的場(chǎng)合。
4、 本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池性能指標(biāo)高，單電池最高開(kāi)路電壓 達(dá)到了 1.4V以上；最大電流密度達(dá)到了 130mA/ci^以上；最大功率密度達(dá)到了 60mW/cm、
5、 本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池可以使用較高濃度的H202。

圖1是本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池的使用狀態(tài)示意圖； 圖3是本實(shí)用新型鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池中陽(yáng)極流道/陰極流道的結(jié)構(gòu)示 意其中11—陽(yáng)極殼體，12—陰極殼體，21—陽(yáng)極，22—膜陰極，3—?dú)んw 密封圈，41—陽(yáng)極流道，42—陰極流道，51—陽(yáng)極接頭，52—陰極接頭，61— 電解質(zhì)入口， 62—氧化劑入口， 71—電解質(zhì)出口， 72—氧化劑出口， 8—接頭密 封圈，9一固連裝置，10—蠕動(dòng)泵，A—電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)，B—氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，參見(jiàn)圖1，包括陽(yáng)極殼體、陰極殼體以及設(shè) 置在陽(yáng)極殼體和陰極殼體之間的陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，陽(yáng)極系統(tǒng)包括電解質(zhì)入 口、陽(yáng)極流道、陽(yáng)極、陽(yáng)極接頭以及電解質(zhì)出口；陰極系統(tǒng)包括氧化劑入口、 膜陰極、陰極接頭、陰極流道和氧化劑出口。在陽(yáng)極殼體和陰極殼體內(nèi)各加工 一個(gè)由階梯狀的矩形槽來(lái)放置陽(yáng)極、膜陰極、—陽(yáng)極流道和朋極流道，兩個(gè)殼體 使用固連裝置連接在一起， 一般采用螺栓連接，通過(guò)殼體密封圈進(jìn)行密封。陽(yáng)極流道使陽(yáng)極和膜陰極保持一定的距離，膜陰極將陽(yáng)極流道和陰極流道隔開(kāi)， 陽(yáng)極、陽(yáng)極流道和膜陰極就共同構(gòu)成了電解質(zhì)的反應(yīng)容腔；而陰極殼體、陰極 流道和膜陰極就構(gòu)成了過(guò)氧化氫的反應(yīng)容腔。參見(jiàn)圖2，本實(shí)用新型工作時(shí)，電 解質(zhì)通過(guò)蠕動(dòng)泵連續(xù)向電解質(zhì)入口供應(yīng)電解質(zhì)進(jìn)入到電解質(zhì)的反應(yīng)容腔中，過(guò) 氧化氫通過(guò)蠕動(dòng)泵連續(xù)向氧化劑入口供應(yīng)氧化劑進(jìn)入到過(guò)氧化氫的反應(yīng)容腔 中，在陽(yáng)極和膜陰極分別發(fā)生不同的電化學(xué)反應(yīng)并釋放出電能，通過(guò)膜陰極進(jìn) 行離子交換，反應(yīng)后的溶液則分別通過(guò)電解質(zhì)出口和氧化劑出口排出電池。電 解質(zhì)采用NaOH或KOH并可添加氧化鎵添加劑。陽(yáng)極殼體和陰極殼體以及流道的 材料均采用聚四氟乙烯，因?yàn)榫鬯姆蚁┡c過(guò)氧化氫一級(jí)相容并且可以進(jìn)行機(jī) 械加工。陽(yáng)極接頭和陰極接頭則選用導(dǎo)電性能良好的紫銅T2來(lái)制作，在陽(yáng)極接 頭與陽(yáng)極殼體以及陰極接頭與陰極殼體間分別采用接頭密封圈進(jìn)行密封，防止 電解質(zhì)和過(guò)氧化氫的泄露。陽(yáng)極材料采用一定形狀的鋁，膜陰極材料采用金屬 鎳，膜陰極還可選用鈀作為陰極催化劑，通過(guò)電鍍使鈀沉積在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的陰極 材料上。
本實(shí)用新型原理本實(shí)用新型利用鋁和過(guò)氧化氫組合，采用合適的添加劑 和催化劑，獲得了一種低功率、長(zhǎng)時(shí)間輸出的電源電池，實(shí)現(xiàn)了電源電池的連 續(xù)、長(zhǎng)程、穩(wěn)定工作。該電池最適合應(yīng)用于水下或太空等沒(méi)有空氣的場(chǎng)合。貯 存在電池外部的電解質(zhì)和過(guò)氧化氫進(jìn)入電池內(nèi)部具有特定結(jié)構(gòu)的流道中，流道 采用特殊的迷宮結(jié)構(gòu)或拐彎結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖3，即在流道中增加幾個(gè)肋片狀的隔斷， 形成曲折的通道使溶液流過(guò)，這樣可以延長(zhǎng)電解質(zhì)和過(guò)氧化氫的反應(yīng)時(shí)間，提 高原料使用效率；陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)放出電子，過(guò)氧化氫在陰極催化劑 的作用下發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)得到電子，電子通過(guò)外電路從陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)到膜陰極， 從而向外部負(fù)載提供了電能。為了既能"活化"又能"緩蝕"鋁陽(yáng)極，在電解 質(zhì)溶液中加入氧化鎵等添加劑，提高鋁陽(yáng)極的性能。鈀作為陰極催化劑。
權(quán)利要求1、一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，包括可固連密封在一起的陽(yáng)極殼體(11)、陰極殼體(12)以及設(shè)置在陽(yáng)極殼體(11)和陰極殼體(12)之間的陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)；其特征在于所述陽(yáng)極系統(tǒng)包括設(shè)置在陽(yáng)極殼體(11)內(nèi)的電解質(zhì)入口(61)、陽(yáng)極接頭(51)和電解質(zhì)出口(71)以及由內(nèi)至外設(shè)置在陽(yáng)極殼體(11)內(nèi)側(cè)面的陽(yáng)極(21)和陽(yáng)極流道(41)；所述陰極系統(tǒng)包括設(shè)置在陰極殼體(12)內(nèi)的氧化劑入口(61)、陰極接頭(52)和氧化劑出口(72)以及由內(nèi)至外設(shè)置在陰極殼體(12)內(nèi)側(cè)面的陰極流道(42)和膜陰極(22)；所述電解質(zhì)入口(71)、陽(yáng)極流道(41)、電解質(zhì)出口(71)構(gòu)成電解質(zhì)通路；所述氧化劑入口(62)、陰極流道(42)、氧化劑出口(72)構(gòu)成氧化劑通路；所述陽(yáng)極(21)、陽(yáng)極流道(41)和膜陰極(22)共同構(gòu)成電解質(zhì)的反應(yīng)容腔，所述陰極殼體(12)、陰極流道(42)和膜陰極(52)共同構(gòu)成氧化劑的反應(yīng)容腔。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng) 極流道(41)和陰極流道(42)采用了相同結(jié)構(gòu)的迷宮結(jié)構(gòu)或拐彎結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，其特征在于所 述陽(yáng)極殼體(11)和陰極殼體(12)間的固連和密封是通過(guò)固連裝置(9)和殼體密 封圈(3)實(shí)現(xiàn)的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng) 極殼體(11)和陰極殼體(12)以及陽(yáng)極流道(41)、陰極流道(42)的材料均采用聚 四氟乙烯；所述陽(yáng)極接頭(51)和陰極接頭(52)材料為紫銅T2;所述陽(yáng)極(21)的 材料采用鋁，所述膜陰極(22)材料采用鍍鈀金屬鎳。
專(zhuān)利摘要一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，包括陽(yáng)極殼體、陰極殼體以及陽(yáng)極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)；陽(yáng)極系統(tǒng)包括電解質(zhì)入口、陽(yáng)極接頭和電解質(zhì)出口以及陽(yáng)極和陽(yáng)極流道；陰極系統(tǒng)包括氧化劑入口、陰極接頭和氧化劑出口以及陰極流道和膜陰極；電解質(zhì)入口、陽(yáng)極流道、電解質(zhì)出口構(gòu)成電解質(zhì)通路；氧化劑入口、陰極流道、氧化劑出口構(gòu)成氧化劑通路；陽(yáng)極、陽(yáng)極流道和膜陰極共同構(gòu)成電解質(zhì)的反應(yīng)容腔，陰極殼體、陰極流道和膜陰極共同構(gòu)成氧化劑的反應(yīng)容腔。本實(shí)用新型解決了鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池轉(zhuǎn)換效率低、能量密度低、功率密度低的技術(shù)問(wèn)題，具有成本低、適合應(yīng)用于水下或外太空等沒(méi)有空氣的場(chǎng)合、電池性能指標(biāo)高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M12/06GK201134482SQ20072031139
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者蘭曉輝, 銘 劉, 劉昌波, 虎 唐, 李福云, 革 林 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所