CN103022538A - 防腐高能铝过氧化氢半燃料电池 - Google Patents

防腐高能铝过氧化氢半燃料电池 Download PDF

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王宇轩
黄雯
刘瑛
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Abstract

本发明涉及一种防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，包括离子交换膜两面的阳极壳体和阴极壳体；阴极壳体内包括含有H2O2的阴极电解液，其特点是：所述阴极电解液中还含有缓冲溶液。本发明由于在阴极电解液中添加了HAc+NaAc缓冲溶液，控制了阴极电解液中OH－浓度，阴极电解液pH值维持在3.5-4.5最稳定状态，且不会对多种金属造成腐蚀，电池长时间放电过程中，最大限度提高了H2O2利用率，提高了电池质量比能量，加宽了电池中导电性材料选择面，提高了电池体积比能量和比功率，降低了电池成本；由于加入HAc+NaAc缓冲溶液，引入了大量离子，提高了电解液的离子转移速率，提高电池的输出功率和整体性能。

Description

防腐高能铝过氧化氢半燃料电池
技术领域
本发明属于铝过氧化氢半燃料电池技术领域，特别是涉及一种防腐高能铝过氧化氢半燃料电池。
背景技术
铝过氧化氢半燃料电池具有能量密度高，放电电压稳定、放电时间长的特点。
目前，铝过氧化氢半燃料电池的阳极为金属铝，阴极电解液中活性物质为H2O2，阴、阳极之间采用离子交换膜隔开（见图2），下表为铝过氧化氢半燃料电池的主要化学反应：
  阴极： 3H2O2+6e-—→6OH-
  阳极： 2Al+8OH-—→2AlO2 -+4H2O+6e-
  电池反应： 2Al+3H2O2+2OH-—→2AlO2 -+4H2O
铝过氧化氢半燃料电池中，阴极电解液中的活性物质H2O2，在碱性溶液中极易分解产生O2。图3所示为3.4%NaCl+1M H2O2+NaOH溶液中，温度为20℃时，NaOH浓度对H2O2分解速率的影响。从图中可以看出，随着NaOH浓度的增大，H2O2分解产生O2的速率显著增加。从上表可以看出，电池放电时，在H2O2电极一侧将不断生成OH-，溶液pH值不断升高，则H2O2分解产生O2的速率会明显增加。因此，若采用碱性阴极电解液，电池放电时间越长，H2O2的利用率越低，电池的质量比能量越低。
铝过氧化氢半燃料电池中，阴极电解液若采用强酸性溶液，虽然H2O2稳定性有所提高，不易分解产生O2，但是H2O2的强酸性溶液有很强的氧化性（4H2O2＋8e-＋4H+→8H2O，E0＝1.77V），对多种金属都会造成腐蚀。因此使用强酸性阴极电解液时，电池的导电性材料（如阴极催化剂的载体、双极性电极的隔离金属箔等）的选择面很窄，一般只能采用石墨等非金属材料制成双极板，但采用这种结构的电池一般厚度较大，降低了电池的体积比能量和比功率，还会提高电池成本。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题而提供H2O2利用率高、电池质量比能量、体积比能量和比功率高，电池中导电性材料的选择面宽、成本低的一种防腐高能铝过氧化氢半燃料电池。
本发明采取的技术方案是：
防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，包括位于离子交换膜左右两面并密封固装成一体的阳极壳体和阴极壳体；阳极壳体上有阳极电解液进口和阳极电解液出口，阳极壳体内自左至右为阳极集流板、阳极板，隔膜粒以及阳极电解液，所述隔膜粒均匀粘贴在阳极面上，隔膜粒之间的间隙形成阳极流道；阴极壳体上有阴极电解液进口和阴极电解液出口，阴极壳体内自右至左为阴极集流板、催化阴极以及含有H2O2的阴极电解液，催化阴极的基底一面均匀压制有形成阴极流道的通槽，其特点是：所述阴极电解液中还含有缓冲溶液。
本发明还可以采用如下技术方案：
所述缓冲溶液为HAc+NaAc溶液。
所述催化阴极的基底为泡沫镍、催化阴极的还原催化剂为金；
所述阴极集流板和阳极集流板均为镍板。
阳极壳体与离子交换膜的对用面上制有一环形槽作为阳极密封槽，阴极壳体与离子交换膜的接触面上制有一环形槽作为阴极密封槽，阳极密封槽与阴极密封槽的形状相同、尺寸为等比例缩小；阳极壳体的密封槽内置有阳极密封圈；阴极壳体的密封槽内置有阴极密封圈。
所述阳极为铝合金。
所述阳极壳体和阴极壳体材料均为厚度大于10mm的3240环氧酚醛树脂板；所述隔膜粒为圆柱形酚醛树脂；离子交换膜为Nafion 115阳离子交换膜。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明由于在阴极电解液中添加了HAc+NaAc缓冲溶液，有效控制了含有H2O2的阴极电解液中OH-的浓度，使得阴极电解液pH值维持在3.5-4.5的最稳定状态，而且不会对多种金属造成腐蚀，电池长时间放电的过程中，不仅最大限度提高了阴极活性物质H2O2的利用率，大幅提高了电池的质量比能量；而且加宽了电池中导电性材料的选择面，提高了电池体积比能量和比功率，还降低了电池成本。
2、本发明在阴极电解液中加入HAc+NaAc缓冲溶液，引入了大量离子，提高了电解液的离子转移速率，还可以提高电池的输出功率和整体性能。
附图说明
图1是本发明防腐高能铝过氧化氢半燃料电池结构示意图；
图2是铝过氧化氢半燃料电池放电循环系统示意图；
图3是目前公知铝过氧化氢半燃料电池中不同NaOH浓度下H2O2分解速率曲线图。
图中，1-阳极板；2-隔膜粒；3-阳极电解液；4-阴极电解液；5-催化阴极；6-阴极电解液进口；7-阴极电解液出口；8-阴极壳体；9-阴极集流板；10-阴极密封圈；11-离子交换膜；12-阳极密封圈；13-阳极集流板；14-阳极壳体；15-阳极电解液出口；16-阳极电解液进口。
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：
防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，包括位于离子交换膜左右两面并密封固装成一体的阳极壳体和阴极壳体；阳极壳体上有阳极电解液进口和阳极电解液出口，阳极壳体内自左至右为阳极集流板、阳极板，隔膜粒以及阳极电解液，所述隔膜粒均匀粘贴在阳极面上，隔膜粒之间的间隙形成阳极流道；阴极壳体上有阴极电解液进口和阴极电解液出口，阴极壳体内自右至左为阴极集流板、催化阴极以及含有H2O2的阴极电解液，催化阴极的基底一面均匀压制有形成阴极流道的通槽。
本发明的创新点是：所述阴极电解液中还含有HAc+NaAc缓冲溶液。
本发明中，催化阴极的基底为泡沫镍、催化阴极的还原催化剂为金；阴极集流板和阳极集流板均为镍板；阳极壳体与离子交换膜的对用面上制有一环形槽作为阳极密封槽，阴极壳体与离子交换膜的接触面上制有一环形槽作为阴极密封槽，阳极密封槽与阴极密封槽的形状相同、尺寸为等比例缩小；阳极壳体的密封槽内置有阳极密封圈；阴极壳体的密封槽内置有阴极密封圈；阳极为铝合金；阳极壳体和阴极壳体材料均为厚度大于10mm的3240环氧酚醛树脂板；隔膜粒为圆柱形酚醛树脂；离子交换膜为Nafion 115阳离子交换膜。
实施例
本发明防腐高能铝过氧化氢半燃料电池的制作过程：如图1所示：
在两块尺寸相同、厚度大于10mm的方形3240环氧酚醛树脂板一面中心部位加工出一尺寸相同的凹槽，分别制作阳极壳体14和阴极壳体8，阳极壳体底面制有两孔，分别作为阳极电解液进口16和阳极电解液出口15，阳极壳体靠近四角处各加工出一个通孔，阳极壳体未封口的端面上制出一环形槽作为阳极密封槽，阳极密封槽内放置阳极密封圈12，阳极壳体内自左至右为镍板制作的阳极集流板13、铝合金制作的阳极板1，阳极板的另一面垂直均匀粘贴圆柱形酚醛树脂隔膜粒2，隔膜粒之间的间隙形成阳极流道；阴极壳体底面制有两孔，分别作为阴极电解液进口6和阴极电解液出口7，阴极壳体靠近四角处各加工出一个与阳极壳体靠近四角处的通孔相对应的通孔，阴极壳体未封口的端面上制出一环形密封槽作为阴极密封槽，阴极密封槽的尺寸比阳极密封槽的尺寸等比例放大一圈，使两个壳体密封固定时，形成两个平行的环形密封槽，阴极密封槽内放置阴极密封圈10，阴极凹槽内自右至左为镍板制作的阴极集流板9、催化阴极5，
其中，用泡沫镍板作为催化阴极的基板，位于阴极集流板一面的基板面镀有一层金，作为还原催化剂，在基板另一面均匀压制出通槽作为阴极流道；然后将阳极壳体和阴极壳体的未封口端面对应贴在Nafion 115阳离子交换膜11两面，用螺栓穿过阳极壳体和阴极壳体四角处的通孔，用螺母紧固螺栓，将阳极壳体和阴极壳体密封固定成一体；通过蠕动泵将3.4%NaCl+4.5MNaOH+10g/L Na2SnO3阳极电解液3从阳极电解液进口流入，从阳极电解液出口流出进行循环流动，通过另一蠕动泵将3.4%NaCl+0.5M H2O2和缓冲溶液1M HAc+1M NaAc形成的阴极电解液4从阴极电解液进口流入，从阴极电解液出口流出进行循环流动，形成本发明防腐高能铝过氧化氢半燃料电池。对本发明进行放电6小时，反应温度为室温，流量为25ml/min，H2O2利用率可达92.8%，平均电压1.466V。
对比例
制备过程与实施例相同，区别在于阴极电解液中不添加缓冲溶液。相同条件下放电6小时，H2O2利用率仅为27.2%。
铝过氧化氢半燃料电池的工作原理：
铝过氧化氢半燃料电池中，采用碱性溶液不会造成对大部分金属的腐蚀，加宽了如阴极催化剂的载体、双极性电极的隔离金属箔等电池导电性材料的选择面，但是作为铝过氧化氢半燃料电池阴极电解液中活性物质的H2O2在碱性溶液中极易分解产生O2，大幅降低了H2O2的利用率而降低了电池的比能量；H2O2虽然在酸性条件下稳定性有所提高，但由于H2O2的强酸性溶液有很强的氧化性，对多种金属都会造成腐蚀，缩小了电池导电性材料的选择面，不仅提高电池成本，还会影响电池体积比能量和比功率较；本发明在铝过氧化氢半燃料电池阴极电解液中添加了HAc+NaAc缓冲溶液，有效控制了含有H2O2的阴极电解液中OH-的浓度，使得阴极电解液pH值维持在3.5-4.5的微酸性最稳定状态，而且不会对多种金属造成腐蚀，电池长时间放电的过程中，不仅最大限度提高了阴极活性物质H2O2的利用率，大幅提高了电池的比能量，而且加宽了电池中导电性材料的选择面，不仅提高了电池体积比能量和比功率，还降低了电池成本。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，包括位于离子交换膜左右两面并密封固装成一体的阳极壳体和阴极壳体；阳极壳体上有阳极电解液进口和阳极电解液出口，阳极壳体内自左至右为阳极集流板、阳极板，隔膜粒以及阳极电解液，所述隔膜粒均匀粘贴在阳极面上，隔膜粒之间的间隙形成阳极流道；阴极壳体上有阴极电解液进口和阴极电解液出口，阴极壳体内自右至左为阴极集流板、催化阴极以及含有H2O2的阴极电解液，催化阴极的基底一面均匀压制有形成阴极流道的通槽，其特征在于：所述阴极电解液中还含有缓冲溶液。
2.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述缓冲溶液为HAc+NaAc溶液。
3.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述催化阴极的基底为泡沫镍、催化阴极的还原催化剂为金。
4.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阴极集流板和阳极集流板均为镍板。
5.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：阳极壳体与离子交换膜的对用面上制有一环形槽作为阳极密封槽，阴极壳体与离子交换膜的接触面上制有一环形槽作为阴极密封槽，阳极密封槽与阴极密封槽的形状相同、尺寸为等比例缩小；阳极壳体的密封槽内置有阳极密封圈；阴极壳体的密封槽内置有阴极密封圈。
6.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阳极为铝合金。
7.根据权利要求1所述的防腐高能铝过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阳极壳体和阴极壳体材料均为厚度大于10mm的3240环氧酚醛树脂板；所述隔膜粒为圆柱形酚醛树脂；离子交换膜为Nafion 115阳离子交换膜。 
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