CN102332586B - 一种水中动力用半燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水中动力用半燃料电池，包括阳极部分和阴极部分；阳极部分上的阳极流道为阳极面上粒状隔离物之间的间隙；阴极部分上的阴极流道为阴极基板一面的通槽；阳极部分和阴极部分之间有离子交换膜。本发明采用粒状隔离物，支撑了离子交换膜、减轻了重量并形成阳极流道，提高阳极有效反应面积、减小电解液流过阳极的压力损失，有利于氢气和反应产物AlO2-的排出，提高了电池比能量和能量密度；阴极基板上压出阴极流道，形成催化层和流场板二合一结构，减小了电池厚度和重量；氧化剂可直接在三维催化层内部流动，过氧化氢传质顺利，提高了电池比能量；离子交换膜起到电池双、单室结构转变的作用，适用于低速水中设备的能量型动力电池组。

Description

一种水中动力用半燃料电池
技术领域
本发明涉及水中动力用电池技术领域，特别是涉及一种水中动力用半燃料电池。
背景技术
铝/过氧化氢电池是近年来开发的一种能量型化学电源，这种电池具有比能量高，适合水下工作等特点。开展较早研究工作的有以Mg、Al为阳极的金属/过氧化氢燃料电池，Al-H2O2电池已应用于水下设备上，比能量可以达到200Wh/kg-240Wh/kg。
铝/过氧化氢电池可分为单室和双室两种结构：单室结构的电池结构简单，成本低，可靠性高，但由于单室结构电池的铝电极和过氧化氢电极之间可直接反应，活性物质利用率低，从而降低了电池比能量，因此目前大多采用双室结构铝/过氧化氢电池；双室结构的电池通过离子交换膜将阴极区和阳极区隔离，形成阴极室和阳极室，可以防止铝电极和过氧化氢电极之间的直接反应，提高活性物质利用率，由于电池工作时需要电解液循环流动，来补充反应消耗的过氧化氢并带走反应产物和废气，因此电池的阴极室和阳极室均设有流道。
目前公知的铝/过氧化氢电池阴极室和阳极室的流道一般采用双极性流场板结构，例如在专利CN201214482中，设计了一种铝/过氧化氢半燃料电池，贮存在电池外部的电解液和过氧化氢溶液进入电池内部流道中，流道采用双极性流场板的迷宫结构或拐弯结构，即在流道中增加几个类片状的隔断，形成曲折的通道使溶液流过，该结构电池厚度和重量较大，电极有效反应面积较低。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种厚度薄、重量轻、电极有效反应面积较高，并且电池的比能量和能量密度高的水中动力用半燃料电池。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种水中动力用半燃料电池，包括密封固连为一体的阳极部分和阴极部分；阳极部分包括带有电解液进液腔和电解液出液腔的阳极端板，阳极端板一面有一阳极凹槽，阳极凹槽内置有由阳极集流板、阳极和阳极流道构成的阳极组件；阴极部分包括带有氧化剂进液腔、氧化剂出液腔的阴极端板，阴极端板一面有一阴极凹槽，阴极凹槽内置有由阴极集流板、阴极基板和阴极流道构成的阴极组件，其特点是：所述阳极流道为均布粘于阳极面上粒状隔离物之间的间隙；所述阴极流道为阴极基板一面均布制出的通槽。
本发明还可以采用如下技术方案： 
所述阳极部分和阴极部分之间置有离子交换膜。
所述阳极端板和阴极端板均为大于10mm的3240环氧酚醛树脂板，所述阳极端板上阳极凹槽外围的端面上制有一放置阳极密封圈的阳极封闭槽；所述阴极端板上阴极凹槽外围的端面上制有一放置阴极密封圈的阴极封闭槽，阴极封闭槽直径与阳极封闭槽直径不同；靠近阳极端板和阴极端板边缘处置有尺寸对应的两个以上固定孔。
所述粒状隔离物为圆柱形酚醛树脂。
所述离子交换膜为Nafion系列隔膜。
所述阳极集流板和阴极集流板均为镍板。
所述阳极为铝合金。
所述阴极基板为载有还原催化剂的泡沫镍，所述还原催化剂为金Au。
所述阳极电解液为氢氧化钠溶液。
所述作为阴极的氧化剂为过氧化氢溶液。
本发明具有的优点和积极效果是： 
1、本发明由于在铝阳极面上均布粘满横纵间距相同的粒状隔离物，使阳极和离子交换膜保持一定距离，不仅起到了支撑离子交换膜的作用、减轻了重量，还形成了阳极流道，使电解液均布流过阳极而且不增加压力损失，提高了阳极的有效反应面积，更有利于氢气和反应产物AlO2-的排出，有效的提高了电池的比能量和能量密度。
2、本发明将作为阴极基板的泡沫镍基体上直接压制出阴极流道，形成催化层和流场板二合一的电极结构，有效的减小了电池的厚度和重量；氧化剂可以直接在三维的催化层内部流动，解决了过氧化氢传质困难的问题，浓差极化较小，可以使用低浓度的过氧化氢，减小其自分解，保证了氧化剂的使用效率，提高了电池比能量。
3、本发明采用离子交换膜作为隔膜，采用直径不同的密封圈压接密封，实现了双室结构；当需要单室结构时，拆下隔膜，即变成单室结构，实现了电池双、单室结构的转变，适用于低速水下运载器的能量型动力电池组。
附图说明
图1是本发明水中动力用半燃料电池结构示意图；
图2是图1 使用状态的系统结构示意图；
图3是图1 中阳极部分和阳极组件结构示意图；
图4是图1 中阴极部分结构示意图。
图中：1-阴极密封圈；2-阴极端板；3-螺母；4-螺栓；5-阴极凹槽；6-氧化剂出液腔；7-阴极流道；8-阴极基板；9-阴极部分；10-阴极集流板；11 -氧化剂进液腔；12-电解液进液腔；13-阳极集流板；14-粒状隔离物；15-阳极部分；16-阳极；17 -阳极流道；18-电解液出液腔；19-阳极凹槽；20阳极端板-；21-阳极密封圈；22 -离子交换膜；23 –阳极固定孔；24 –阴极固定孔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种水中动力用半燃料电池，包括密封固连为一体的阳极部分15和阴极部分9；阳极部分包括带有电解液进液腔12、电解液出液腔18的阳极端板20，阳极端板一面有一阳极凹槽19，阳极凹槽内置有由阳极集流板13、阳极16和阳极流道17构成的阳极组件；阴极部分包括带有氧化剂进液腔11、氧化剂出液腔6的阴极端板2，阴极端板一面有一阴极凹槽5，阴极凹槽内置有由阴极集流板10、阴极基板8和阴极流道7构成的阴极组件。 
本发明的创新点是：
所述阳极流道为均布粘于阳极面上粒状隔离物14之间的间隙；所述阴极流道为阴极基板一面均布制出的通槽；所述阳极部分和阴极部分之间置有离子交换膜22；所述阳极端板和阴极端板均为大于10mm的3240环氧酚醛树脂板，所述阳极端板上阳极凹槽外围的端面上制有一放置阳极密封圈21的阳极封闭槽；所述阴极端板上阴极凹槽外围的端面上制有一放置阴极密封圈1的阴极封闭槽，阴极封闭槽直径与阳极封闭槽直径不同；靠近阳极端板和阴极端板边缘处置有尺寸对应的两个以上用于紧固螺栓4和螺母3的阳极固定孔23和阴极固定孔24；所述粒状隔离物为圆柱形酚醛树脂；所述离子交换膜为Nafion系列隔膜；所述阳极集流板和阴极集流板均为镍板；所述阳极为铝合金；所述阴极基板为载有还原催化剂的泡沫镍，所述还原催化剂为金Au；所述阳极电解液为氢氧化钠溶液、所述作为阴极的氧化剂为过氧化氢溶液。
本发明的制作过程：
阳极部分的制备：
如图3所示，首先选用厚度0.5mm、四边为方形、四角为圆角，并且四个圆角连起来构成一个圆的铝板作为阳极，在阳极面上均布粘满横纵间距5mm、厚度0.5mm、直径2mm的酚醛树脂作为粒状隔离物，粒状隔离物之间的间隙形成阳极流道，选用厚度1mm、外形及尺寸与阳极相同的镍板作为阳极集流板；选用厚度为20mm的方形3240环氧酚醛树脂板作为阳极端板，在阳极端板的中心部位加工出一个深度为2mm的阳极凹槽，阳极凹槽的直径与阳极上四角封闭成的圆为同心、同径，阳极凹槽深度正好可以放置阳极集流板、阳极和粘贴在阳极上的粒状隔离物，位于阳极凹槽下壁的阳极凹槽面上钻一通孔作为电解液进液腔、位于阳极凹槽上壁的阳极凹槽面上钻一通孔作为电解液出液腔，靠近阳极端板的四角处分别打出阳极固定孔，阳极凹槽外围的阳极端板端面上加工出一封闭槽；封闭槽内放置阳极密封圈，阳极凹槽内先后放入阳极集流板、阳极未粘贴粒状隔离物的一面贴在阳极集流板上，阳极凹槽内的阳极集流板、阳极和阳极流道构成了阳极组件；阳极凹槽内的电解液进液腔和电解液出液腔分别位于阳极组件对应两边的外面，阳极流道与电解液进液腔和电解液出液腔形成电解液通路，完成阳极部分的制作； 
阴极部分的制备：
如图4所示，首先选用厚度1mm、四边为方形、四角为圆角，并且四个圆角连起来构成一个圆的载有还原催化剂金Au的泡沫镍作为阴极基板，在阴极基板一面压出深0.8mm、宽1mm、间距4mm相互平行的通槽作为阴极流道，选用厚度1mm、外形及尺寸与阴极基板相同的镍板作为阴极集流板；选用厚度为20mm的方形3240环氧酚醛树脂板作为阴极端板，在阴极端板的中心部位加工出一个深度为2mm的阴极凹槽，阴极凹槽的直径与阴极基板上四角构成的圆为同心、同径；阴极凹槽深度正好可以放置阴极集流板和带有阴极流道的阴极基板；位于阴极凹槽下壁的阴极凹槽面上钻一通孔作为氧化剂进液腔、位于阴极凹槽上壁的阴极凹槽面上钻一通孔作为氧化剂出液腔；靠近阴极端板的四角处分别打出阴极固定孔，阴极固定孔与阳极固定孔对应后能够穿过固定用的螺栓；阴极凹槽外围的阴极端板端面上加工出一封闭槽，封闭槽内放置阴极密封圈，所述阴极密封圈与阳极部分中阳极密封圈直径不同；阴极凹槽内先后放入阴极集流板、阴极基板无阴极流道的一面贴在阴极集流板上，阴极凹槽内的阴极集流板、阴极基板和阴极流道构成了阴极组件，阴极凹槽内的氧化剂进液腔和氧化剂出液腔分别位于阴极组件对应两边的外面，阴极流道与氧化剂进液腔和氧化剂出液腔形成氧化剂通路，完成阴极部分的制作；
单体电池的制备：
如图1所示，制作双室结构单体电池时，采用Nafion115隔膜作为离子交换膜置于阳极部分和阴极部分之间，阳极部分有粒状隔离物的一面和阴极部分有阴极流道的一面分别贴于离子交换膜两面，螺栓穿过阳极端板上的阳极固定孔、离子交换膜和阴极端板的阴极固定孔，用螺母紧固成一体，完成双室结构的单体电池制作。当需要单室结构时，撤掉离子交换膜，将阳极部分有粒状隔离物的一面和阴极部分有通槽的一面直接贴在一起，螺栓穿过阳极端板的固定孔和阴极端板的固定孔，用螺母紧固成一体，成为单室结构的单体电池制作，实现了电池双、单室结构的转变。
以双室结构的单体电池为例说明电池使用状态：
如图2所示，本发明单体电池工作时，分别启动控制阳极电解液的蠕动泵和控制阴极氧化剂的蠕动泵，贮存在电池外部的氢氧化钠溶液作为电解液连续进入电解液进液腔，电解液进液腔、阳极流道、电解液出液腔构成的电解液通路，在阳极、阳极流道和离子交换膜共同构成的电解液反应容腔中充分反应，构成阳极流道的粒状隔离物不仅起到了支撑离子交换膜的作用，也使得电解液可以均布流过阳极而且不增加压力损失；贮存在电池外部过氧化氢溶液的氧化剂作为阴极连续进入由氧化剂进液腔、阴极流道、氧化剂出液腔构成的氧化剂通路，在阴极、阴极流道和离子交换膜共同构成氧化剂反应容腔中充分反应，由于阴极流道是在作为阴极基板的泡沫镍上压制而成，使得过氧化氢溶液不仅可以从阴极流道流过，也可以从泡沫镍基体中的缝隙渗透过去，形成了均匀顺畅的反应容腔流道；阳极发生电化学氧化反应放出电子，过氧化氢在阴极催化剂的作用下发生电化学还原反应得到电子，电子通过外电路从阳极运动到离子交换膜，从而向外部负载提供了电能，反应后的溶液则分别通过电解液出液腔和氧化剂出液腔从电池中排出。
以上所述仅为本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水中动力用半燃料电池，包括密封固连为一体的阳极部分和阴极部分；阳极部分包括带有电解液进液腔和电解液出液腔的阳极端板，阳极端板一面有一阳极凹槽，阳极凹槽内置有由阳极集流板、阳极和阳极流道构成的阳极组件；阴极部分包括带有氧化剂进液腔、氧化剂出液腔的阴极端板，阴极端板一面有一阴极凹槽，阴极凹槽内置有由阴极集流板、阴极基板和阴极流道构成的阴极组件，其特征在于：所述阳极流道为均布粘于阳极面上粒状隔离物之间的间隙；所述阴极流道为阴极基板一面均布制出的通槽；所述阳极部分和阴极部分之间置有离子交换膜；所述阳极端板和阴极端板均为大于10mm的3240环氧酚醛树脂板，所述阳极端板上阳极凹槽外围的端面上制有一放置阳极密封圈的阳极封闭槽；所述阴极端板上阴极凹槽外围的端面上制有一放置阴极密封圈的阴极封闭槽，阴极封闭槽直径与阳极封闭槽直径不同；靠近阳极端板和阴极端板边缘处置有尺寸对应的两个以上固定孔。
2.根据权利要求1所述的水中动力用半燃料电池，其特征在于：所述粒状隔离物为圆柱形酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的水中动力用半燃料电池，其特征在于：所述离子交换膜为Nafion系列隔膜。
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