CN102005577A - 一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法，所述阳极是由镁、铝、锂、锌、二氧化锰、稀土金属组成的镁合金，所述阳极各组分的重量百分比含量如下：镁为80.0-86.0％，铝为3.1-7.6％，锂为3.5-9.2％，锌为0.8-2.0％，二氧化锰为0.2-1.5％，稀土金属为0.5-5.0％。本发明的镁合金阳极取得了电化学转换率和利用率高，阳极不偏析、合金组织均匀、晶粒小，明显提高燃料电池效能的效果，具有广泛的市场应用前景。

Description

一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的阳极，尤其涉及一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是将化学能直接转换为电能和热能的新型电池，其与常规电池的不同之处在于，只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。它因具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点，而在固定发电系统、现场用电源、分布式电源、空间飞行器电源及交通工具用电源方面有广阔的应用前景。而与传统电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。目前燃料电池主要包括碱性燃料电池磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化次燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等，不管何种燃料电池，其结构中都必然包括阳极、阴极和位于阳极和阴极之间的电解质。

现有技术中，阳极材料主要采用以下几种：

一、氢-氧燃料电池，电池的阳极材料是氢(H₂)。氢燃料在使用、运输、储存方面存在一定安全隐患，而且，把氢气制造成电极材料的成本非常高，其贮存价格、催化电极的制造价格也非常的高昂。

二、锌-空燃料电池，电池采用锌基金属(锌合金)作为阳极，锌合金阳极与空气中的水分子容易产生氧化、潮解现象，而且与空气中的二氧化碳化合容易生成碳酸盐化合物，影响金属阳极性能，所以锌合金阳极不能长期存放；而且电池中的电解液必须是碱性的氢氧化合物溶液，否则就达不到对锌-空燃料电池中的锌合金阳极腐蚀、催化的效果，然而，碱性的氢氧化合物溶液无论是对人还是环境都有很大的危害。

三、其它燃料供电系统(例如：质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池)：其与氢-氧燃料电池的阳极材料的性质、制造、使用基本上接近。

四、镁合金燃料电池，是本申请人在申请号为200710073300.2的专利申请中提供的一种“改性铝、镁合金燃料电池”，采用镁基金属(镁合金)作为阳极，具有能产生较强的电流、导电率高、持续时间长、效率高、无污染的优点。然而，本申请人在申请号为200710073290.2的专利申请中只提供了镁合金燃料电池的阳极催化电极的组份及其制备方法，并没有提供适合燃料电池用的镁合金阳极的组份及其制备方法，然而，以现有技术制备的镁合金存在着偏析、镁合金组织不均匀、晶粒粗大等不足，导致燃料电池寿命短、效能低，即高性能的镁合金燃料电池还难以在市场上推广应用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种阳极电化学转换率和利用率高，阳极不偏析、阳极组织均匀、晶粒小，可提高燃料电池效能的镁合金燃料电池的阳极及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种镁合金燃料电池的阳极，所述燃料电池的阳极由镁合金组成，其特征在于，所述镁合金由镁、铝、锂、锌、二氧化锰、稀土金属组成，所述镁合金各组分的重量百分比含量为：

镁        80.0-86.0％

铝        3.1-7.6％

锂        3.5-9.2％

锌        0.8-2.0％

二氧化锰  0.2-1.5％

稀土金属  0.5-5.0％。

较优选的，所述镁合金各组分的重量百分比含量为：

镁        84.6％

铝        6.5％

锂        3.6％

锌        1.5％

二氧化锰  1.0％

稀土金属  2.8％。

较优选的，所述镁的纯度大于99.8％。

较优选的，所述阳极表面设有2-5μm的钝化膜。

较优选的，所述的稀土金属包含有锶、钙、钡、铋、锑、钛。

本发明还提供了镁合金燃料电池的阳极的制备方法，该方法包括如下步骤：

A、先将镁金属原料精炼提纯达99.8％以上后，再将重量百分比为80.0-86.0％的镁、重量百分比为3.1-7.6％的铝、重量百分比为3.5-9.2％的锂、重量百分比为0.8-2.0％的锌、重量百分比为0.2-1.5％的二氧化锰以及重量百分比为0.5-5.0％的稀土金属一起混合冶炼，制成镁合金熔液；

B、将冶炼后的镁合金熔液通过专用模具固化成型，并在573-584K的温度范围之间保温1小时后再进行室温冷却，制成镁合金坯料；

C、将固化成型后的镁合金坯料的表面3-6mm进行切除加工处理，制成镁合金；

D、将镁合金加热至473K-493K时，使用800-1600吨的挤压设备将镁合金挤压成平板状或圆管状阳极。

较优选的，所述步骤D后还有步骤E：将挤压成型后的镁合金阳极，利用气相急冷技术，使其表面形成2-5μm的钝化膜。

本发明的贡献在于，克服了以现有技术制备的镁合金容易出现偏析、镁合金组织不均、晶粒粗大等不足，改善了阳极在使用放电时能够均匀腐蚀的能力，增加了镁合金组织的致密性，提高整体燃料电池的质量比能量和体积比能量。还提高了阳极的电化学转换率和利用率，而且在大电流和倍率放电的情况下，提高了燃料电池的整体稳定性和可靠性。

具体实施方式

下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。

本发明的镁合金燃料电池的阳极是由镁合金及微量杂质组成，所述镁合金由镁、铝、锂、锌、二氧化锰、稀土金属组成，本实施例中，所述镁合金各组分的最佳配比(重量百分比含量)为：

镁       84.6％

铝       6.5％

锂       3.6％

锌       1.5％

二氧化锰 1.0％

稀土金属 2.8％。

上述的镁的纯度大于99.8％，阳极的表面存在有4μm的钝化膜，阳极中的稀土金属包含有锶、钙、钡、铋、锑、钛。

该阳极的具体制备方法如下：

A、先将镁金属原料精炼提纯达99.8％以上后，再取84.6份(重量)镁、6.5份的铝、3.6份的锂、1.5份的锌、1份的二氧化锰以及2.8份的稀土金属一起冶炼，制成镁合金熔液；

B、将冶炼后的镁合金熔液通过专用模具固化成型，并在573-584K的温度范围之间保温1小时后再进行室温冷却，制成镁合金坯料；

C、将固化成型后的镁合金坯料的表面5mm进行切除加工处理，制成镁合金，以去除表面的氧化物成份，保证镁合金的纯度；

D、将镁合金加热至473K-493K时，使用800-1600吨的挤压设备将镁合金挤压成平板状，从而制成镁合金燃料电池的阳极；

E、将挤压成型后的平板状阳极，利用气相急冷技术，使其表面形成4μm的钝化膜，即可完成阳极的制备。

把制备完成的阳极，安装到燃料电池中，再配合中性电解液(盐水NaCl)、空气电极即可产生电能，如本申请人在申请号为200710073300.2的专利申请中提供的一种“改性铝、镁合金燃料电池”的结构。

由于镁合金的化学性质比锌活泼得多，若采用传统工艺的镁合金作为燃料电池的阳极，虽然能产生较强的电流，但是，也存在着较大的不稳定性，容易发生危险，然而，使用按本实施例配比制作的阳极作为燃料电池的阳极，在大电流和倍率放电的情况下，仍然能够保持电池的整体稳定性和可靠性。

在本实施例中，对固化成型后的镁合金坯料表面进行切除加工，保证了镁合金的纯度，从而保证了制备完成的阳极能够与电解液、空气电极充分地发生化学反应，提高阳极的电化学转换率和利用率；

挤压镁合金时，将温度控制在473K-493K之间，可使挤压塑性变形后的镁合金的晶格分布均匀，晶粒直径可有效控制在5-18μm之间，而传统的铸造方法生产出来的镁合金的晶粒尺寸在100μm左右，从而改善了制备完成的阳极在燃料电池中使用放电时能够均匀腐蚀的能力，增加了镁合金组织的致密性，提高整体燃料电池的质量比能量和体积比能量，延长了燃料电池的使用寿命；并有效提高制备完成的阳极的强度和韧性，从而降低了阳极的自腐蚀速率，提高了阳极的使用寿命；

镁合金表面的4μm钝化膜，有很强的抗氧化性，因此，制备完成的阳极在贮存过程中基本上没有副反应产生，所以在贮存过程中不会出现氧化、潮解的现象，所以本实施例的阳极贮存的时间特别长，有效延长了燃料电池的使用寿命。

本发明进行了组装镁合金燃料电池的实验，燃料电池采用了本实施例制备完成的阳极，在测试过程中，各项性能良好，各项指标明显高于相同规格的锌-空燃料电池和传统的镁-空燃料电池。实验结果表明，本发明的阳极达到了电化学转换率和利用率高，不偏析、镁合金组织均匀、晶粒小，明显提高燃料电池效能的效果。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，所以本领域技术人员在本发明方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种镁合金燃料电池的阳极，所述燃料电池的阳极为镁合金，其特征在于，

所述镁基合金由镁、铝、锂、锌、二氧化锰、稀土金属组成，所述镁合金

各组分的重量百分比含量为：

镁      80.0-86.0％

铝      3.1-7.6％

锂      3.5-9.2％

锌      0.8-2.0％

二氧化锰0.2-1.5％

稀土金属0.5-5.0％。

2.如权利要求1所述的一种镁合金燃料电池的阳极，其特征在于，所述镁合

金各组分的重量百分比含量为：

镁      84.6％

铝      6.5％

锂      3.6％

锌      1.5％

二氧化锰1.0％

稀土金属2.8％。

3.如权利要求1所述的一种镁合金燃料电池的阳极，其特征在于，镁的纯度大于99.8％。

4.如权利要求1所述的一种镁合金燃料电池的阳极，其特征在于，所述镁合金表面设有2-5μm的钝化膜。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种镁合金燃料电池的阳极，其特征在于，所述的稀土金属包含有锶、钙、钡、铋、锑、钛。

6.一种如权利要求1所述的阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、先将镁金属原料精炼提纯达99.8％以上后，再将重量百分比为80.0-86.0％的镁、重量百分比为3.1-7.6％的铝、重量百分比为3.5-9.2％的锂、重量百分比为0.8-2.0％的锌、重量百分比为0.2-1.5％的二氧化锰以及重量百分比为0.5-5.0％的稀土金属一起混合冶炼，制成镁合金熔液；

B、将冶炼后的镁合金熔液通过专用模具固化成型，并在573-584K的温度范围之间保温1小时后再进行室温冷却，制成镁合金坯料；

C、将固化成型后的镁合金坯料的表面3-6mm进行切除加工处理，制成镁合金；

D、将镁合金阳极加热至473K-493K时，使用800-1600吨的挤压设备将镁合金挤压成平板状或圆管状阳极。

7.如权利要求6所述的阳极的制备方法，其特征在于，步骤D后还有如下步骤：

E、将挤压成型后的镁合金阳极，利用气相急冷技术，使其表面形成2-5μm的钝化膜。