專利名稱：一種半燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池，尤其涉及一種半燃料電池。
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。以鋁作為陽極，并采用過氧化氫作為氧化劑的燃料電池叫 做鋁/過氧化氫半燃料電池。鋁是地球上最豐富的金屬元素，其質(zhì)量比容量可達2.98Ah/g，體積比容量可達8.04Ah/cmN過氧化氫具有密度高、無毒、無污染、 可長期貯存等特點；鋁與過氧化氫組合而成的半燃料電池具有如下優(yōu)點理論 能量密度高；理論功率密度高；承受短時過載的能力強；陰極過電位小，效率 高， 一般〉65%，最高可以達到80% (或開路電壓達到約1.75V);推進劑可以長 期貯存；環(huán)境友好等。鋁和過氧化氫在半燃料電池中的反應(yīng)機理主要包括電化 學(xué)氧化和還原反應(yīng)，以及三個有害的化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)分為兩部分陰極 反應(yīng)和陽極反應(yīng)。反應(yīng)方程如下陽極反應(yīng)2Al(s) + 80HT(aq) 4 2A10"aq) + 4H20(1) + 6e' 陰極反應(yīng)3H02—(aq) + 3H20(l) + 6e- — 90H'(aq) 總反應(yīng)2Al(s) +3HCV(aq) — 2AKV(aq) + OH'(aq) + H20(1)陰極和陽極反應(yīng)都是半反應(yīng)，總電勢為3. 18V。有害的反應(yīng)包括鋁的腐蝕反應(yīng)、過氧化氫的分解反應(yīng)，以及鋁/過氧化氫直接化學(xué)反應(yīng)。鋁的腐蝕反應(yīng)2Al(s) + 20H-(aq) + 2H20(1) = 2A102—(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， 產(chǎn)生了氫氣，從而降低了燃料電池的效率。過氧化氫的分解反應(yīng)2H202(1) = 02(g) + 2H20(1)過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)損耗了過氧化氫，也降低了燃料電池的效率。鋁/過氧化氫直接反應(yīng)2Al(s) + 3HCV(aq) = 2A1CV(叫)+ 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，但其機理完全不同。鋁和過氧 化離子的接觸是產(chǎn)生這種化學(xué)反應(yīng)的原因，在這個反應(yīng)中，沒有電流在回路中產(chǎn)生。上述三個有害反應(yīng)的發(fā)生降低了電池的效率，因此在設(shè)計電池的流動系統(tǒng)時要盡量抑制有害反應(yīng)的發(fā)生。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種利用鋁/過氧化氫的半燃料電池，其解決了背景技術(shù) 半燃料電池尤其是鋁/過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)問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種半燃料電池，包括燃料電池本體l、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)A、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)B以及連接燃料電池本體1、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)A和氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)B的蠕動泵 10，其特殊之處是，所述燃料電池本體l包括可固連密封在一起的陽極殼體ll、 陰極殼體12以及設(shè)置在陽極殼體11和陰極殼體12之間的陽極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)； 所述陽極系統(tǒng)包括設(shè)置在陽極殼體11內(nèi)的電解質(zhì)入口 61、陽極接頭51和電解 質(zhì)出口 71以及由內(nèi)至外設(shè)置在陽極殼體11內(nèi)側(cè)面的陽極21和陽極流道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)供應(yīng)系統(tǒng)A、蠕動泵IO、電解質(zhì)入口71、陽極流道41、電解質(zhì)出口71 構(gòu)成電解質(zhì)通路；所述氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)B、蠕動泵IO、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；所述陽極21、陽極流道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。上述電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)A、蠕動泵IO、電解質(zhì)入口71、陽極流道41、電解質(zhì) 出口71、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)A構(gòu)成電解質(zhì)循環(huán)通路。上述氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)B、蠕動泵IO、氧化劑入口62、陰極流道42、氧化劑 出口72、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)B構(gòu)成氧化劑循環(huán)通路。上述陽極流道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)。 上述陽極殼體11和陰極殼體12間的固連和密封是通過固連裝置9和殼體 密封圈3實現(xiàn)的。上述陽極殼體11和陰極殼體12以及陽極流道41、陰極流道42的材料均采 用聚四氟乙烯；所述陽極接頭51和陰極接頭52材料為紫銅T2;所述陽極21的 材料采用鋁，所述膜陰極22材料采用鍍鈀金屬鎳。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、 本發(fā)明半燃料電池所使用的陽極(鋁)和氧化劑(過氧化氫)都是很非 常容易獲得的原料，而且具有較低的價格，從而降低了整個電池的成本；2、 本發(fā)明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，特別適合于作為水下運載器的動力源。3、 本發(fā)明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有空氣的場合。4、 本發(fā)明半燃料電池性能指標(biāo)高，單電池最高開路電壓達到了 1.4V以上； 最大電流密度達到了 130mA/cr^以上；最大功率密度達到了 60mW/cm2。5、 本發(fā)明半燃料電池可以使用較高濃度的&02。


圖1是本發(fā)明半燃料電池殼體及殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明半燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明半燃料電池中陽極流道/陰極流道的結(jié)構(gòu)示意圖；其中l(wèi)一燃料電池本體，ll一陽極殼體，12—陰極殼體，21—陽極，22 一膜陰極，3—殼體密封圈，41一陽極流道，42—陰極流道，51—陽極接頭，52 一陰極接頭，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，IO—蠕動泵，A—電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)，B 一氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)。
具體實施方式
一種半燃料電池，參見圖1和圖2，包括燃料電池本體、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)以及連接燃料電池本體、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)的 蠕動泵；其中燃料電池本體包括陽極殼體、陰極殼體以及設(shè)置在陽極殼體和陰極殼體之間的陽極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)，陽極系統(tǒng)包括電解質(zhì)入口、陽極流道、陽極、陽極接頭以及電解質(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。在陽極殼體和陰極殼體內(nèi)各加工一個由階梯狀的矩形 槽來放置陽極、膜陰極、陽極流道和陰極流道，兩個殼體使用固連裝置連接在 一起， 一般采用螺栓連接，通過殼體密封圈進行密封。陽極流道使陽極和膜陰 極保持一定的距離，膜陰極將陽極流道和陰極流道隔開，陽極、陽極流道和膜 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 了過氧化氫的反應(yīng)容腔。電解質(zhì)和過氧化氫分別通過電解質(zhì)入口和氧化劑入口 進入到各自的反應(yīng)容腔中，在陽極和膜陰極分別發(fā)生不同的電化學(xué)反應(yīng)并釋放 出電能，通過膜陰極進行離子交換，反應(yīng)后的溶液則分別通過電解質(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，利用蠕動 泵連續(xù)供應(yīng)。陽極殼體和陰極殼體以及流道的材料均采用聚四氟乙烯，因為聚 四氟乙烯與過氧化氫一級相容并且可以進行機械加工。陽極接頭和陰極接頭則 選用導(dǎo)電性能良好的紫銅T2來制作，在陽極接頭與陽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行密封，防止電解質(zhì)和過氧化氫的泄露。陽極 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，通過電鍍使鈀沉積在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的陰極材料上。本發(fā)明原理本發(fā)明利用鋁和過氧化氫組合，采用合適的添加劑和催化劑， 獲得了一種低功率、長時間輸出的電源電池，實現(xiàn)了電源電池的連續(xù)、長程、 穩(wěn)定工作。該電池最適合應(yīng)用于水下或太空等沒有空氣的場合。貯存在電池外 部的電解質(zhì)和過氧化氫進入電池內(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)，參見圖3，即在流道中增加幾個肋片狀的隔斷，形成曲折 的通道使溶液流過，這樣可以延長電解質(zhì)和過氧化氫的反應(yīng)時間，提高原料使 用效率；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動到膜陰極！從而向 外部負載提供了電能。為了既能"活化"又能"緩蝕"鋁陽極，在電解質(zhì)溶液 中加入氧化鎵等添加劑，提高鋁陽極的性能。鈀作為陰極催化劑。
權(quán)利要求
1、一種半燃料電池，包括燃料電池本體(1)、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)(A)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)(B)以及連接燃料電池本體(1)、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)(A)和氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)(B)的蠕動泵(10)，其特征在于所述燃料電池本體(1)包括可固連密封在一起的陽極殼體(11)、陰極殼體(12)以及設(shè)置在陽極殼體(11)和陰極殼體(12)之間的陽極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)；所述陽極系統(tǒng)包括設(shè)置在陽極殼體(11)內(nèi)的電解質(zhì)入口(61)、陽極接頭(51)和電解質(zhì)出口(71)以及由內(nèi)至外設(shè)置在陽極殼體(11)內(nèi)側(cè)面的陽極(21)和陽極流道(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)供應(yīng)系統(tǒng)(A)、蠕動泵(10)、電解質(zhì)入口(71)、陽極流道(41)、電解質(zhì)出口(71)構(gòu)成電解質(zhì)通路；所述氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)(B)、蠕動泵(10)、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；所述陽極(21)、陽極流道(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l所述的半燃料電池，其特征在于所述電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)(A) 、蠕動泵(IO)、電解質(zhì)入口(71)、陽極流道(41)、電解質(zhì)出口(71)、電解質(zhì) 供應(yīng)系統(tǒng)(A)構(gòu)成電解質(zhì)循環(huán)通路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半燃料電池，其特征在于所述氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)(B) 、蠕動泵(IO)、氧化劑入口(62)、陰極流道(42)、氧化劑出口(72)、氧化劑 供應(yīng)系統(tǒng)(B)構(gòu)成氧化劑循環(huán)通路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的半燃料電池，其特征在于所述陽極流 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)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半燃料電池，其特征在于所述陽極殼體(ll)和 陰極殼體(12)間的固連和密封是通過固連裝置(9)和殼體密封圈(3)實現(xiàn)的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半燃料電池，其特征在于所述陽極殼體(ll)和 陰極殼體(12)以及陽極流道(41)、陰極流道(42)的材料均采用聚四氟乙烯；所 述陽極接頭(51)和陰極接頭(52)材料為紫銅T2;所述陽極(21)的材料采用鋁， 所述膜陰極(22)材料采用鍍鈀金屬鎳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半燃料電池，包括燃料電池本體、電解質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)以及蠕動泵，燃料電池本體包括陽極殼體、陰極殼體以及陽極系統(tǒng)和陰極系統(tǒng)；陽極系統(tǒng)包括電解質(zhì)入口、陽極接頭和電解質(zhì)出口以及陽極和陽極流道；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。本發(fā)明解決了鋁/過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)問題，具有成本低、電池性能指標(biāo)高的優(yōu)點，適合應(yīng)用于水下或外太空等沒有空氣的場合。
文檔編號H01M8/00GK101242017SQ20071030073
公開日2008年8月13日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者蘭曉輝, 銘 劉, 劉昌波, 虎 唐, 李福云, 革 林 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所