專利名稱：鋁/過氧化氫單體電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水中動(dòng)力用電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鋁/過氧化氫單體電池的制備方法。
背景技術(shù)：
鋁/過氧化氫電池是近年來開發(fā)的一種能量型化學(xué)電源，這種電池具有比能量高，適合水下工作等特點(diǎn)。開展較早研究工作的有以Mg、Al為陽極的金屬/過氧化氫燃料電池，Al-H2O2電池已應(yīng)用于水下設(shè)備上，比能量可以達(dá)到200Wh/kg-M0Wh/kg。鋁/過氧化氫電池可分為單室和雙室兩種結(jié)構(gòu)單室結(jié)構(gòu)的電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但由于單室結(jié)構(gòu)電池的鋁電極和過氧化氫電極之間可直接反應(yīng)，活性物質(zhì)利用率低，從而降低了電池比能量，因此目前大多采用雙室結(jié)構(gòu)鋁/過氧化氫電池；雙室結(jié)構(gòu)的電池通過離子交換膜將陰極區(qū)和陽極區(qū)隔離，形成陰極室和陽極室，可以防止鋁電極和過氧化氫電極之間的直接反應(yīng)，提高活性物質(zhì)利用率，由于電池工作時(shí)需要電解液循環(huán)流動(dòng)，來補(bǔ)充反應(yīng)消耗的過氧化氫并帶走反應(yīng)產(chǎn)物和廢氣，因此電池的陰極室和陽極室均設(shè)有流道。目前公知的鋁/過氧化氫電池陰極室和陽極室的流道一般采用雙極性流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，例如在專利CN201214482中，設(shè)計(jì)了一種鋁/過氧化氫半燃料電池，貯存在電池外部的電解液和過氧化氫溶液進(jìn)入電池內(nèi)部流道中，流道采用雙極性流場(chǎng)板的迷宮結(jié)構(gòu)或拐彎結(jié)構(gòu)，即在流道中增加幾個(gè)類片狀的隔斷，形成曲折的通道使溶液流過，該結(jié)構(gòu)電池厚度和重量較大，電極有效反應(yīng)面積較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種厚度薄、重量輕、電極有效反應(yīng)面積較高，并且電池的比能量和能量密度高的鋁/過氧化氫單體電池的制備方法。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是
一種鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，包括制備陽極部分和陰極部分，并將陽極部分和陰極部分密封固裝成一體制成單體電池，其特點(diǎn)是包括以下步驟 陽極部分的制備
(1)在方形鋁合金板作為陽極的一面相同間距粘滿粒狀隔離物，粒狀隔離物之間的間隙作為陽極流道；
⑵在一絕緣板作為陽極端板的一面中心部位加工一陽極凹槽，陽極凹槽底面靠近內(nèi)壁處對(duì)稱打出兩通孔作為電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔，在陽極凹槽外面與陽極凹槽同心打出一大于陽極凹槽直徑的陽極封閉槽，靠近陽極端板邊緣處的面上對(duì)稱打出兩個(gè)以上通孔作為陽極固定孔；
⑶在陽極凹槽內(nèi)電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔之間放入作為陽極集流板的鎳板，將陽極未粘粒狀隔離物的一面貼在陽極集流板上構(gòu)成陽極組件，陽極組件總厚度與陽極凹槽深度相同；
(4)在步驟⑵中的陽極封閉槽內(nèi)放置陽極密封圈，完成陽極部分的制作； 陰極部分的制備
(5)在載有還原催化劑的泡沫鎳作為陰極基板的一面壓出相互平行的通槽作為陰極流
道；
(6)在一絕緣板作為陰極端板的一面中心部位加工一陰極凹槽，陰極凹槽底面靠近內(nèi)壁處對(duì)稱打出兩通孔作為氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔，在陰極凹槽外面與陰極凹槽同心打出一大于陰極凹槽直徑的陰極封閉槽，陰極密封圈與陽極密封圈直徑不同，靠近陰極端板邊緣處的面上對(duì)稱打出兩個(gè)以上通孔作為陰極固定孔；
(7)在陰極凹槽內(nèi)氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔之間放入作為陰極集流板的鎳板，將陰極基板無陰極流道的一面貼在陰極集流板上構(gòu)成陰極組件，陰極組件總厚度與陰極凹槽深度相同；
(8)在步驟(6)中的陰極封閉槽內(nèi)放置陰極密封圈，完成陰極部分的制作； 單體電池的制備
(9)將陽極部分和陰極部分密封固裝成一體，完成鋁/過氧化氫單體電池的制備。本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)方案
所述步驟⑶中陽極部分和陰極部分之間有離子交換膜。所述步驟⑵中的陽極端板和步驟(6)中的陰極端板均為大于IOmm的3240環(huán)氧酚醛樹脂板。所述粒狀隔離物為圓柱形酚醛樹脂。所述離子交換膜為Nafion系列隔膜。所述步驟( 中還原催化劑為金Au。所述陽極電解液為氫氧化鈉溶液。所述作為陰極的氧化劑為過氧化氫溶液。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
1、本發(fā)明由于在鋁陽極面上均布粘滿橫縱間距相同的粒狀隔離物，使陽極和離子交換膜保持一定距離，不僅起到了支撐離子交換膜的作用、減輕了重量，還形成了陽極流道，使電解液均布流過陽極而且不增加壓力損失，提高了陽極的有效反應(yīng)面積，更有利于氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物AlO2-的排出，有效的提高了電池的比能量和能量密度。2、本發(fā)明將作為陰極基板的泡沫鎳基體上直接壓制出陰極流道，形成催化層和流場(chǎng)板二合一的電極結(jié)構(gòu)，有效的減小了電池的厚度和重量；氧化劑可以直接在三維的催化層內(nèi)部流動(dòng)，解決了過氧化氫傳質(zhì)困難的問題，濃差極化較小，可以使用低濃度的過氧化氫，減小其自分解，保證了氧化劑的使用效率，提高了電池比能量。3、本發(fā)明采用離子交換膜作為隔膜，采用直徑不同的密封圈壓接密封，實(shí)現(xiàn)了雙室結(jié)構(gòu)；當(dāng)需要單室結(jié)構(gòu)時(shí)，拆下隔膜，即變成單室結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電池雙、單室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變， 適用于低速水下運(yùn)載器的能量型動(dòng)力電池組。


圖1是本發(fā)明制備的鋁/過氧化氫單體電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1使用狀態(tài)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1中陽極部分和陽極組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖1中陰極部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-陰極密封圈；2-陰極端板；3-螺母；4-螺栓；5-陰極凹槽；6_氧化劑出液腔；7-陰極流道；8-陰極基板；9-陰極部分；10-陰極集流板；11 -氧化劑進(jìn)液腔；12-電解液進(jìn)液腔；13-陽極集流板；14-粒狀隔離物；15-陽極部分；16-陽極；17 -陽極流道； 18-電解液出液腔；19-陽極凹槽；20陽極端板-;21-陽極密封圈；22 -離子交換膜；23 -陽極固定孔；24 -陰極固定孔。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下
本發(fā)明的制作過程 陽極部分的制備
如圖3所示，首先選用厚度0. 5mm、四邊為方形、四角為圓角，并且四個(gè)圓角的首尾連起來構(gòu)成一個(gè)圓的鋁板作為陽極16，在陽極面上均布粘滿橫縱間距5mm、厚度0. 5mm、直徑2mm 的酚醛樹脂作為粒狀隔離物14，粒狀隔離物之間的間隙形成陽極流道17，選用厚度1mm、外形及尺寸與陽極相同的鎳板作為陽極集流板13 ；選用厚度為20mm的方形3240環(huán)氧酚醛樹脂板作為陽極端板20，在陽極端板的中心部位加工出一個(gè)深度為2mm的陽極凹槽19，陽極凹槽的直徑與陽極上四角封閉成的圓為同心、同徑，陽極凹槽深度正好可以放置陽極集流板、陽極和粘貼在陽極上的粒狀隔離物，位于陽極凹槽下壁的陽極凹槽面上鉆一通孔作為電解液進(jìn)液腔12、位于陽極凹槽上壁的陽極凹槽面上鉆一通孔作為電解液出液腔18，靠近陽極端板的四角處分別打出陽極固定孔23，陽極凹槽外圍的陽極端板端面上加工出一封閉槽；封閉槽內(nèi)放置陽極密封圈21，陽極凹槽內(nèi)先后放入陽極集流板、陽極未粘貼粒狀隔離物的一面貼在陽極集流板上，陽極凹槽內(nèi)的陽極集流板、陽極和陽極流道構(gòu)成了陽極組件； 陽極凹槽內(nèi)的電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔分別位于陽極組件對(duì)應(yīng)兩邊的外面，陽極流道與電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔形成電解液通路，完成陽極部分15的制作； 陰極部分的制備
如圖4所示，首先選用厚度1mm、四邊為方形、四角為圓角，并且四個(gè)圓角的首尾連起來構(gòu)成一個(gè)圓的載有還原催化劑金Au的泡沫鎳作為陰極基板8，在陰極基板一面壓出深 0. 8mm、寬1mm、間距4mm相互平行的通槽作為陰極流道7，選用厚度1mm、外形及尺寸與陰極基板相同的鎳板作為陰極集流板10 ；選用厚度為20mm的方形3240環(huán)氧酚醛樹脂板作為陰極端板2，在陰極端板的中心部位加工出一個(gè)深度為2mm的陰極凹槽5，陰極凹槽的直徑與陰極基板上四角構(gòu)成的圓為同心、同徑；陰極凹槽深度正好可以放置陰極集流板和帶有陰極流道的陰極基板；位于陰極凹槽下壁的陰極凹槽面上鉆一通孔作為氧化劑進(jìn)液腔11、位于陰極凹槽上壁的陰極凹槽面上鉆一通孔作為氧化劑出液腔6 ；靠近陰極端板的四角處分別打出陰極固定孔24，陰極固定孔與陽極固定孔對(duì)應(yīng)后能夠穿過固定用的螺栓4;陰極凹槽外圍的陰極端板端面上加工出一封閉槽，封閉槽內(nèi)放置陰極密封圈1，所述陰極密封圈與陽極部分中陽極密封圈直徑不同；陰極凹槽內(nèi)先后放入陰極集流板、陰極基板無陰極流道的一面貼在陰極集流板上，陰極凹槽內(nèi)的陰極集流板、陰極基板和陰極流道構(gòu)成了陰極組件，陰極凹槽內(nèi)的氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔分別位于陰極組件對(duì)應(yīng)兩邊的外面，陰極流道與氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔形成氧化劑通路，完成陰極部分9的制作； 單體電池的制備
如圖1所示，制作雙室結(jié)構(gòu)單體電池時(shí)，采用Nafi0nll5隔膜作為離子交換膜22置于陽極部分和陰極部分之間，陽極部分有粒狀隔離物的一面和陰極部分有陰極流道的一面分別貼于離子交換膜兩面，螺栓穿過陽極端板上的陽極固定孔、離子交換膜和陰極端板的陰極固定孔，用螺母3緊固成一體，完成雙室結(jié)構(gòu)的單體電池制作。當(dāng)需要單室結(jié)構(gòu)時(shí)，撤掉離子交換膜，將陽極部分有粒狀隔離物的一面和陰極部分有通槽的一面直接貼在一起，螺栓穿過陽極端板的固定孔和陰極端板的固定孔，用螺母緊固成一體，成為單室結(jié)構(gòu)的單體電池制作，實(shí)現(xiàn)了電池雙、單室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。以雙室結(jié)構(gòu)的單體電池為例說明電池使用狀態(tài)
如圖2所示，本發(fā)明單體電池工作時(shí)，分別啟動(dòng)控制陽極電解液的蠕動(dòng)泵和控制陰極氧化劑的蠕動(dòng)泵，貯存在電池外部的氫氧化鈉溶液作為電解液連續(xù)進(jìn)入電解液進(jìn)液腔，電解液進(jìn)液腔、陽極流道、電解液出液腔構(gòu)成的電解液通路，在陽極、陽極流道和離子交換膜共同構(gòu)成的電解液反應(yīng)容腔中充分反應(yīng)，構(gòu)成陽極流道的粒狀隔離物不僅起到了支撐離子交換膜的作用，也使得電解液可以均布流過陽極而且不增加壓力損失；貯存在電池外部過氧化氫溶液的氧化劑作為陰極連續(xù)進(jìn)入由氧化劑進(jìn)液腔、陰極流道、氧化劑出液腔構(gòu)成的氧化劑通路，在陰極、陰極流道和離子交換膜共同構(gòu)成氧化劑反應(yīng)容腔中充分反應(yīng)，由于陰極流道是在作為陰極基板的泡沫鎳上壓制而成，使得過氧化氫溶液不僅可以從陰極流道流過，也可以從泡沫鎳基體中的縫隙滲透過去，形成了均勻順暢的反應(yīng)容腔流道；陽極發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)放出電子，過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， 電子通過外電路從陽極運(yùn)動(dòng)到離子交換膜，從而向外部負(fù)載提供了電能，反應(yīng)后的溶液則分別通過電解液出液腔和氧化劑出液腔從電池中排出。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，包括制備陽極部分和陰極部分，并將陽極部分和陰極部分密封固裝成一體制成單體電池，其特征在于包括以下步驟陽極部分的制備(1)在方形鋁合金板作為陽極的一面相同間距粘滿粒狀隔離物，粒狀隔離物之間的間隙作為陽極流道；⑵在一絕緣板作為陽極端板的一面中心部位加工一陽極凹槽，陽極凹槽底面靠近內(nèi)壁處對(duì)稱打出兩通孔作為電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔，在陽極凹槽外面與陽極凹槽同心打出一大于陽極凹槽直徑的陽極封閉槽，靠近陽極端板邊緣處的面上對(duì)稱打出兩個(gè)以上通孔作為陽極固定孔；⑶在陽極凹槽內(nèi)電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔之間放入作為陽極集流板的鎳板，將陽極未粘粒狀隔離物的一面貼在陽極集流板上構(gòu)成陽極組件，陽極組件總厚度與陽極凹槽深度相同；(4)在步驟⑵中的陽極封閉槽內(nèi)放置陽極密封圈，完成陽極部分的制作；陰極部分的制備(5)在載有還原催化劑的泡沫鎳作為陰極基板的一面壓出相互平行的通槽作為陰極流道；(6)在一絕緣板作為陰極端板的一面中心部位加工一陰極凹槽，陰極凹槽底面靠近內(nèi)壁處對(duì)稱打出兩通孔作為氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔，在陰極凹槽外面與陰極凹槽同心打出一大于陰極凹槽直徑的陰極封閉槽，陰極密封圈與陽極密封圈直徑不同，靠近陰極端板邊緣處的面上對(duì)稱打出兩個(gè)以上通孔作為陰極固定孔；(7)在陰極凹槽內(nèi)氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔之間放入作為陰極集流板的鎳板，將陰極基板無陰極流道的一面貼在陰極集流板上構(gòu)成陰極組件，陰極組件總厚度與陰極凹槽深度相同；(8)在步驟(6)中的陰極封閉槽內(nèi)放置陰極密封圈，完成陰極部分的制作；單體電池的制備(9)將陽極部分和陰極部分密封固裝成一體，完成鋁/過氧化氫單體電池的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述步驟⑶ 中陽極部分和陰極部分之間有離子交換膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述步驟⑵ 中的陽極端板和步驟(6)中的陰極端板均為大于IOmm的3240環(huán)氧酚醛樹脂板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述粒狀隔離物為圓柱形酚醛樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述離子交換膜為Nafion系列隔膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述步驟(5) 中還原催化劑為金Au。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述陽極電解液為氫氧化鈉溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，其特征在于所述作為陰極的氧化劑為過氧化氫溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁/過氧化氫單體電池的制備方法，將先后制備出的陽極部分和陰極部分密封固裝成一體制成單體電池，其特點(diǎn)是陽極部分的陽極一面間隔粘滿粒狀隔離物，其間隙作為陽極流道；陰極部分的陰極基板一面壓出通槽作為陰極流道。本發(fā)明采用粒狀隔離物形成陽極流道，減輕了重量，并減小了電解液流過陽極的壓力損失，更有利于氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物AlO2-的排出，提高了電池比能量和能量密度；陰極上壓出的陰極流道，形成催化層和流場(chǎng)板二合一結(jié)構(gòu)，減小了電池厚度和重量；氧化劑可直接在三維催化層內(nèi)部流動(dòng)，過氧化氫傳質(zhì)順利，提高了電池比能量；離子交換膜起到電池雙、單室結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的作用，適用于低速水中設(shè)備的能量型動(dòng)力電池組。
文檔編號(hào)H01M8/18GK102340017SQ201110306709
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者段然, 王宇軒, 黃雯 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所