CN108321398B - 一种铝燃料电池的阳极及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝燃料电池的阳极，包括先将原料提纯，再将原材料一起混合熔炼，制成铝合金溶液；最后将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并保温沉淀，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料，铝合金坯料再次升温并通过挤压设备挤压成型；本发明还涉及一种铝燃料电池的阳极制备方法。本发明克服现有技术制备的铝合金容易出现偏析、铝合金组织不均匀的不足，改善燃料电池的阳极在使用放电时能够均匀腐蚀的能力，有效抑制氧化膜的形成，同时提高阳极的电化学转换率和利用率，在大电流和倍率放电的情况下，提高燃料电池的整体稳定性和可靠性，为增大铝合金燃料电池的功率提供可能。本发明符合新能源发展的趋势，具有广泛的市场应用前景。

Description

一种铝燃料电池的阳极及制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池阳极材料制备方法，尤其涉及一种铝燃料电池的阳极及制备方法。

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，是本申请人在授权号为CN102005577B的专利中提供的“一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法”，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。对于与镁相近的铝，其地表储备含量更大，生产制造应用领域更广，作为燃料电池的阳极材料更合适，但以现有技术制备的铝合金存在着偏析、铝合金组织不均匀不足，导致燃料电池寿命短、效能低，即高性能的铝合金燃料电池还难以在市场上推广应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝燃料电池的阳极及制备方法，阳极偏析量小于千分之一，且阳极组织均匀，同时抑制氢气的产生，从而提高燃料电池的电池效能。

本发明提供一种铝燃料电池的阳极，所述燃料电池的阳极为铝合金，铝合金包括由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟组成，所述铝合金各组分的质量百分比含量为：

余量的铝。

进一步地，所述铝合金各组分的质量百分比含量为：

余量的铝。

进一步地，所述铝合金表面设有氧化膜；所述氧化膜厚度小于6微米。

进一步地，所述铝的纯度大于等于99.95％。

进一步地，所述铝合金的密度大于等于2.58克每立方厘米。

一种铝燃料电池的阳极制备方法，包括以下步骤：

S1、先将原料提纯至99.95％，所述原料包括由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟、镓组成；

S2、再将质量百分比为87.7-99.09％的铝、质量百分比为0.5-5％的镁、质量百分比为0.05-0.8％锆、质量百分比为0.1-1.5％锂、质量百分比为0.2-2％锌、质量百分比为0.01-0.5％钙、质量百分比为0.02-2％铟、质量百分比为0.03-0.5％镓一起混合熔炼，制成铝合金溶液；

S3、将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并在480-560K的温度之间保温沉淀，保温时间大于等于90分钟，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料；

S4、将铝合金加热并使用800-1600吨的挤压设备将铝合金挤压成平板状或圆棒状。

进一步地，还包括步骤S5：将挤压成型的铝合金采用气相急冷技术使其表面形成6微米以下的氧化膜。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种铝燃料电池的阳极，克服现有技术制备的铝合金容易出现偏析、铝合金组织不均匀的不足，改善燃料电池的阳极在使用放电时能够均匀腐蚀的能力，有效抑制氧化膜的形成，同时提高阳极的电化学转换率和利用率，在大电流和倍率放电的情况下，提高燃料电池的整体稳定性和可靠性，为增大铝合金燃料电池的功率提供可能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种铝燃料电池的阳极，铝合金各组分的质量百分比的较佳含量为：

余量的铝。

在实施例1中，铝合金各组分的质量百分比含量具体为：

余量的铝。

其中铝的纯度大于等于99.95％，铝合金表面设有氧化膜；氧化膜厚度小于6微米。在本实施例中，铝燃料海水电池的阳极制备方法如下：

S11、先将原料提纯至99.95％，原料包括由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟、镓组成；

S21、再将质量为97.99份的铝、1.2份的镁、0.1份的锆、0.1份的锂、0.5份的锌、0.05份的钙、0.03份的铟、0.03份的镓一起混合熔炼，制成铝合金溶液；因镓只在熔炼过程中添加，熔炼过程结束后的成品铝合金组成成分中并无镓的存在；

S31、将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并在480-560K的温度之间保温沉淀，保温时间大于等于90分钟，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料。

S41、将铝合金加热并使用800-1600吨的挤压设备将铝合金挤压成平板状或圆棒状。

S51、将挤压成型的铝合金采用气相急冷技术使其表面形成6微米以下的氧化膜。

在实施例2中，铝合金各组分的质量百分比含量具体为：

余量的铝。

其中铝的纯度大于等于99.95％，铝合金表面设有氧化膜；氧化膜厚度小于6微米。在本实施例中，铝燃料海水电池的阳极制备方法如下：

S12、先将原料提纯至99.95％，原料包括由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟、镓组成；

S22、再将质量为92.9份的铝、3.6份的镁、0.3份的锆、0.8份的锂、1份的锌、0.1份的钙、0.8份的铟、0.5份的镓一起混合熔炼，制成铝合金溶液；因镓只在熔炼过程中添加，熔炼过程结束后的成品铝合金组成成分中并无镓的存在；

S32、将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并在480-560K的温度之间保温沉淀，保温时间大于等于90分钟，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料。

S42、将铝合金加热并使用800-1600吨的挤压设备将铝合金挤压成平板状或圆棒状。

S52、将挤压成型的铝合金采用气相急冷技术使其表面形成6微米以下的氧化膜。

其中，镁元素具有比铝更负的电极电位，在纯铝中加入合金元素Mg，使电位负移且比较稳定；加入一定量的镁到合金体系中，可改善铝阳极的耐腐蚀性能。但过量Mg与Al及合金元素反应生成的Mg2Al3为阴极相，当Mg相化合物数量较多且在晶界富集严重时，不仅腐烛电流密度增大，而且电化学活性降低。

在铝合金中添加锡元素后，钝化膜(致密氧化膜)表面低价态A13+被高价态Sn4+所取代，从而产生了一个附加的空穴，破坏了氧化膜的致密性结构，降低了氧化膜的电阻；Sn还能与过量的Mg匹配能形成Mg2Sn第二相，这些第二相是点蚀萌生的敏感部位，在放电过程中形成较多的活性位点，从而破坏铝阳极表面钝化膜的连续性，起到活化作用。但是Sn容易在晶界形成偏析相，富锡相容易使晶界优先腐蚀，增大铝阳极的自腐蚀。

氢是唯一能大量溶解于铝或铝合金中的气体，是导致铝合金形成气孔的主要原因，是铝合金中最有害的气体，也是铝合金中溶解度最大的气体。在铸件凝固过程中由于氢的析出而产生的孔隙，不仅减少了铸件的实际截面积而且是裂纹源；在铝合金中添加钙元素后，形成氢化物，能强烈地扩大氢在铝液中的溶解度，有效防止氢气的析出导致铝合金裂纹甚至使用时断裂。

合金元素镓能够改变铝晶粒在溶解过程中存在的各向异性，使铝阳极均匀溶解；同时由于Ga熔点极低(302.95K)，在合金表面为液态，具有良好流动性，可以单原子或多原子形式进入氧化膜缺陷中，起到破坏氧化膜、剥离氧化膜的作用。此外，Ga元素能够与其它合金元素如Sn等，在较低的工作温度(333-373K)下形成低共熔混合物，破坏铝表面性质稳定且结构致密的纯化膜。

成型好的铝合金密度大于2.58g/cm³，存在表面镁燃烧现象，且镁、锌的偏析量小于等于千分之一。

由于铝合金的化学性质不如镁活泼，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铝合金阳极作为燃料电池的阳极，在大电流和倍率放电的情况下，能够保持电池的整体稳定性和可靠性。

在本实施例中，对固化成型后的铝合金坯料表面进行切除加工，保证铝合金的纯度，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；铝合金表面的小于6μm氧化膜，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。

本发明提供一种铝燃料电池的阳极，克服现有技术制备的铝合金容易出现偏析、铝合金组织不均匀的不足，改善燃料电池的阳极在使用放电时能够均匀腐蚀的能力，有效抑制氧化膜的形成，同时提高阳极的电化学转换率和利用率，在大电流和倍率放电的情况下，提高燃料电池的整体稳定性和可靠性，为增大铝合金燃料电池的功率提供可能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种铝燃料电池的阳极，所述燃料电池的阳极为铝合金，其特征在于，铝合金由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟组成，所述铝合金各组分的质量百分比含量为：

镁 1.2-3.6%

锆 0.1-0.3%

锂 0.1-0.8%

锌 0.5-1%

钙 0.05-0.1%

铟 0.03-0.8%

余量的铝；

该铝燃料电池的阳极制备方法，包括以下步骤：

S1、先将原料提纯至99.95%，所述原料由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟、镓组成；

S2、再将质量百分比为87.7-99.09%的铝、质量百分比为0.5-5%的镁、质量百分比为0.05-0.8%锆、质量百分比为0.1-1.5%锂、质量百分比为0.2-2%锌、质量百分比为0.01-0.5%钙、质量百分比为0.02-2%铟、质量百分比为0.03-0.5%镓一起混合熔炼，制成铝合金溶液；

S3、将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并在480-560K的温度之间保温沉淀，保温时间大于等于90分钟，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料；

S4、将铝合金加热并使用800-1600吨的挤压设备将铝合金挤压成平板状或圆棒状。

2.如权利要求1所述的一种铝燃料电池的阳极，其特征在于：所述铝合金表面设有氧化膜；所述氧化膜厚度小于6微米。

3.如权利要求1所述的一种铝燃料电池的阳极，其特征在于：所述铝的纯度大于等于99.95%。

4.如权利要求1所述的一种铝燃料电池的阳极，其特征在于：所述铝合金的密度大于等于2.58克每立方厘米。

5.一种如权利要求1所述的铝燃料电池的阳极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先将原料提纯至99.95%，所述原料由铝、镁、锆、锂、锌、钙、铟、镓组成；

S2、再将质量百分比为87.7-99.09%的铝、质量百分比为0.5-5%的镁、质量百分比为0.05-0.8%锆、质量百分比为0.1-1.5%锂、质量百分比为0.2-2%锌、质量百分比为0.01-0.5%钙、质量百分比为0.02-2%铟、质量百分比为0.03-0.5%镓一起混合熔炼，制成铝合金溶液；

S3、将熔炼后的铝合金溶液通过专用模具固化成型，并在480-560K的温度之间保温沉淀，保温时间大于等于90分钟，后再进行室温冷却，制成铝合金坯料；

S4、将铝合金加热并使用800-1600吨的挤压设备将铝合金挤压成平板状或圆棒状。

6.如权利要求5所述的一种铝燃料电池的阳极制备方法，其特征在于,还包括步骤S5：将挤压成型的铝合金采用气相急冷技术使其表面形成6微米以下的氧化膜。