專利名稱：一種金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬/空氣電池，具體地說是一種用于鎂、鋁、鋅等金屬/空氣電池陽極析氫再利用技術(shù)；本發(fā)明涉及金屬/空氣電池與氫氧燃料電池組合電源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬/空氣電池是一種采用金屬(如鎂、鋁、鋅等)為陽極燃料，空氣中氧氣作為氧化劑，堿液或中性鹽水作為電解質(zhì)溶液的電化學(xué)反應(yīng)裝置。我國鎂、鋁、鋅等金屬儲(chǔ)量豐富、且價(jià)格低廉，因此金屬/空氣電池在我國通訊電源、野外應(yīng)急電源、照明電源及儲(chǔ)備電源等可移動(dòng)電源等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬/空氣電池具有能量密度高、反應(yīng)物和產(chǎn)物無污染、工作安靜等特點(diǎn)。以鎂/空氣電池為例，其理論能量密度高達(dá)3910Wh/kg。鎂/空氣電池電極反應(yīng)和電池總反應(yīng)分別為，陽極電極反應(yīng):Mg-20!T— Mg (OH) 2_2e 二 2.69V (I)陰極電極反應(yīng):l/202-H20_2e_— 20Η_+0.4V (2)電池總反應(yīng):Mg-1/202_H20—Mg(OH)2+3.09V (3)鎂/空氣電池陽極發(fā)生鎂氧化反應(yīng)的同時(shí)，也伴隨析氫副反應(yīng)的進(jìn)行，其反應(yīng)方程式如式(4)所7]^。析氫反應(yīng):Mg+2H20—M g(0H)2+H2 (4)金屬/空氣電池陽極析氫反應(yīng)的進(jìn)行不但降低了金屬的利用率和陽極電流效率，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣也將帶來一定的安全隱患。因此，陽極腐蝕析氫問題已成為金屬/空氣電池實(shí)用化過程中的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。針對(duì)金屬/空氣電池陽極析氫問題，目前采取得方法主要包括:(I)通過向陽極金屬中添加析氫過電位高的金屬(如Sn、In等)來提高鎂合金析氫過電位；(2)在電解液中添加氫抑制劑(如錫酸鹽、硫脲等)減緩氫氣析出。但是，上述方法不僅對(duì)析氫反應(yīng)抑制作用有限，同時(shí)也會(huì)降低金屬/空氣電池的性能；(3)顧曉青等人的中國發(fā)明專利“雙燃料電池”(公開號(hào)CN 1434538A)提出采用氫氧燃料電池消除金屬/空氣電池陽極腐蝕副產(chǎn)物氫氣，與金屬/空氣電池構(gòu)成“雙燃料電池”。該“雙燃料電池”之間通過一個(gè)氣體管路連接，并沒有對(duì)兩種電池的結(jié)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布局，而僅僅是兩種獨(dú)立電池的簡單組合。該技術(shù)方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用維護(hù)不方便等問題，限制了其實(shí)際性。專利(申請(qǐng)?zhí)?00810228230.8)中將金屬氧氣電池與氫氧燃料電池組成一體式組合電源，實(shí)現(xiàn)了氫氣的原位利用。然而，這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中存在氫氣利用率低、氫氧燃料電池陽極集流體材料易腐蝕、陽極催化劑易被反應(yīng)產(chǎn)物覆蓋等缺點(diǎn)，穩(wěn)定性較低。因此，開發(fā)更加高效、穩(wěn)定的氫氣利用技術(shù)是解決金屬/空氣電池陽極析氫問題的有效途徑，也成為金屬/空氣電池研究和工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有金屬/空氣電池陽極析氫的問題，提出一種采用氫氧燃料電池實(shí)現(xiàn)陽極析氫再利用的方法。將氫氧燃料電池集成于金屬/空氣電池上方，金屬/空氣電池放電時(shí)陽極析出的氫氣供給頂蓋上的氫氧燃料電池作為陽極燃料，通過氫氧燃料電池發(fā)電，將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。該方法一方面簡化了金屬/空氣電池與氫氧燃料電池的結(jié)構(gòu)；另一方面，將金屬/空氣電池陽極析出的氫氣通過多孔通道強(qiáng)制在氫氧燃料電池陽極側(cè)擴(kuò)散，提高了氫氣的利用率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來實(shí)現(xiàn):一種金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，包括金屬/空氣電池模塊和氫氧燃料電池模塊，所述氫氧燃料電池模塊固接于金屬/空氣電池模塊上方，于所述金屬/空氣電池模塊頂部、與氫氧燃料電池模塊接觸面上開設(shè)有氫氣流通口 ；氫氣流通口與金屬/空氣電池模塊的陽極室相連通；所述氫氧燃料電池模塊包括疏水透氣層和膜電極，膜電極包括依次疊合的陽極、膜、陰極，所述疏水透氣層與膜電極中的陽極相貼接；所述膜電極陽極側(cè)朝下、水平放置于疏水透氣層上方，疏水透氣層置于金屬/空氣電池模塊上方，且所述氫氣流通口與所述疏水透氣層相連通；所述氫氧燃料電池模塊頂部設(shè)置有與所述疏水透氣層垂直相通的氫氣排出口。所述氫氧燃料電池模塊中的氫氧燃料電池為空氣自呼吸式氫氧燃料電池。所述疏水透氣層為PTFE浸潰的多孔碳纖維或PTFE浸潰的多孔陶瓷，其中PTFE的含量為40-80wt%。所述氫氣排出口或填充有PTFE浸潰的多孔碳纖維、或填充有PTFE浸潰的多孔陶瓷、或覆蓋有PTFE薄膜、或覆蓋有PVDF薄膜；PTFE浸潰的多孔碳纖維或PTFE浸潰的多孔陶瓷中PTFE的含量為40_80wt%。所述金屬空氣電池模塊由一個(gè)或二個(gè)以上的單體電池組成，其中各單體電池的電解液腔上部均與所述氫氣流通口相連通。所述氫氣流通口與所述氫氣排出口的水平最短直線距離不小于膜電極的短邊邊長。所述疏水透氣層面積大于所述膜電極面積。所述金屬/空氣電池與氫氧燃料電池電路上串聯(lián)、或并聯(lián)、或串并混聯(lián)連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1.可將金屬/空氣電池工作時(shí)產(chǎn)生的氫氣有效利用，并提高了其利用效率，同時(shí)提高了該組合電源的電流效率；2.降低了金屬/空氣電池因氫氣聚集產(chǎn)生的危險(xiǎn)；3.避免氫氧燃料電池的電極腐蝕，可保證氫氧燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定工作；4.該組合電源結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)施。


圖1.金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源結(jié)構(gòu)示意圖；I為金屬/空氣電池模塊；2為氫氧燃料電池模塊；3為氫氣流通口 ；4為疏水透氣層；5為氫氧燃料電池陽極；6為電解質(zhì)膜；7為氫氧燃料電池陰極；8為氫氣排出口 ；9為氫氣；10為空氣。
圖2.鎂/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源恒電流放電曲線； 鎂/空氣電池恒電流放電電流為25毫安/平方厘米，氫氧燃料電池恒電流放電電流為50毫安/平方厘米。從圖中可以看出，在上述測(cè)試條件下，鎂/空氣電池-氫氧燃料電池組合電源放電電壓可達(dá)0.55V，且在3小時(shí)持續(xù)放電時(shí)間內(nèi)幾乎零衰減。由此可以看出此組合電源結(jié)構(gòu)明顯提高了金屬/空氣電池工作時(shí)釋放出氫氣的利用率，提高了整個(gè)系統(tǒng)的電流效率，且該結(jié)構(gòu)不會(huì)受電解質(zhì)腐蝕等影響，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
具體實(shí)施例方式一種鎂/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源。其中鎂/空氣電池中陽極為AZ61鎂合金；陰極包括催化層、疏水?dāng)U散層和集流陰極，電極面積為224cm2。陰極催化層以碳載錳氧化物為催化劑，載量為6mg cm2, 20%的PTFE為憎水劑；疏水?dāng)U散層為經(jīng)PTFE乳液憎水化處理后的厚度為3cm的石墨化碳纖維氈；PTFE占疏水?dāng)U散層總質(zhì)量的40-85% ;集流層為泡沫鎳，整個(gè)鎂空氣電池模塊由上述同樣的I個(gè)單體電池串聯(lián)組成，單體電池極間距為 3 mm η氫氧燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池，陽極、陰極催化劑均為60%Pt/C，載量分別為0.2mg cnT2和0.3mg cm2,電解質(zhì)膜為Nafion212質(zhì)子交換膜，陽極集流體為鈦網(wǎng)，電極面積為30cm2。氫氧燃料電池陽極側(cè)朝下水平置于鎂/空氣電池堆上方，氫氧燃料電池陰極集流板為多孔銅網(wǎng)，空氣可通過銅網(wǎng)上的孔直接到達(dá)氫氧燃料電池陰極，氫氧燃料電池陽極側(cè)貼接有由60%PTFE浸潰的多孔碳纖維制成的疏水透氣層；鎂/空氣電池堆頂部設(shè)置有一長方形氫氣流通口，氫氣流通口的長邊與鎂/空氣電池堆中的電極垂直，保證每個(gè)鎂/空氣單體電池排放的氫氣都能通過該氫氣排出口進(jìn)入到氫氧燃料電池模塊的疏水透氣層中，保證氫氧燃料電池陽極側(cè)的燃料供給相對(duì)均勻。電池測(cè)試過程中，鎂/空氣電池在25mA/cm2恒電流放電，氫氧燃料電池在50mA/cm2恒電流放電，放電曲線如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，包括金屬/空氣電池模塊和氫氧燃料電池模塊，其特征在于: 所述氫氧燃料電池模塊固接于金屬/空氣電池模塊上方，于所述金屬/空氣電池模塊頂部、與氫氧燃料電池模塊接觸面上開設(shè)有氫氣流通口 ；氫氣流通口與金屬/空氣電池模塊的陽極室相連通； 所述氫氧燃料電池模塊包括疏水透氣層和膜電極，膜電極包括依次疊合的陽極、膜、陰極，所述疏水透氣層與膜電極中的陽極相貼接；所述膜電極陽極側(cè)朝下、水平放置于疏水透氣層上方，疏水透氣層置于金屬/空氣電池模塊上方，且所述氫氣流通口與所述疏水透氣層相連通； 所述氫氧燃料電池模塊頂部設(shè)置有與所述疏水透氣層垂直相通的氫氣排出口。
2.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述氫氧燃料電池模塊中的氫氧燃料電池為空氣自呼吸式氫氧燃料電池。
3.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述疏水透氣層為PTFE浸潰的多孔碳纖維或PTFE浸潰的多孔陶瓷，其中PTFE的含量為40-80wt%o
4.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述氫氣排出口或填充有PTFE浸潰的多孔碳纖維、或填充有PTFE浸潰的多孔陶瓷、或覆蓋有PTFE薄膜、或覆蓋有PVDF薄膜； PTFE浸潰的多孔碳纖維或PTFE浸潰的多孔陶瓷中PTFE的含量為40_80wt%。
5.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述金屬空氣電池模塊由一個(gè)或二個(gè)以上的單體電池組成，其中各單體電池的電解液腔上部均與所述氫氣流通口相連通。
6.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述氫氣流通口與所述氫氣排出口的水平最短直線距離不小于膜電極的短邊邊長。
7.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述疏水透氣層面積大于所述膜電極面積。
8.如權(quán)利要求1所述金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源，其特征在于:所述金屬/空氣電池與氫氧燃料電池電路上串聯(lián)、或并聯(lián)、或串并混聯(lián)連接。
全文摘要
一種金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源包括金屬/空氣電池模塊和氫氧燃料電池模塊，氫氧燃料電池模塊固接于金屬/空氣電池模塊上方，于所述金屬/空氣電池模塊頂部、與氫氧燃料電池模塊接觸面上開設(shè)有氫氣流通口；氫氧燃料電池模塊包括疏水透氣層和膜電極，疏水透氣層與膜電極中的陽極貼接；膜電極陽極側(cè)朝下、水平置于氫氧燃料電池模塊中，且氫氣流通口與疏水透氣層相通；氫氧燃料電池模塊頂部設(shè)置有與疏水透氣層垂直相通的氫氣排出口。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了金屬/空氣電池中氫氣的再利用，且提高了氫氣的利用效率，降低了因氫氣聚集造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也提高了金屬/空氣電池-氫氧燃料電池一體式組合電源的電流效率。同時(shí)該組合電源具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M12/06GK103151577SQ20121056256
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者孫公權(quán), 王二東 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所