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一种除碱消氢膜及其制备和包括除碱消氢膜的铝氧电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种除碱消氢膜及其制备方法和包括除碱消氢膜的铝氧电池。除碱消氢膜消除了铝氧电池在工作过程中逸出的碱雾和产生的氢气，可以避免碱雾对周围环境中设备的腐蚀和电解液挥发引起电池性能的衰减，以及氢气积累引起的安全性问题。除碱消氢膜包括除碱雾层、催化消氢层和支撑层。本发明的除碱消氢膜制备工艺简单，易于批量化生产，可以有效提高铝氧电池的安全性、可靠性，包含本发明的铝氧电池适用于环境密闭的通信机站的应急备用电源。

Description

一种除碱消氢膜及其制备和包括除碱消氢膜的铝氧电池
技术领域
本发明属于铝氧电池领域，具体的说涉及一种除碱消氢膜、及其制备和包括除碱消氢膜的铝氧电池。
背景技术
铝氧电池是以金属铝和空气中的氧气或纯氧为反应活性物质的化学电源。电解液为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化钠溶液。其中以氢氧化钾和氢氧化钠等碱性溶液为电解液的铝氧电池具有输出功率密度高的特点，适合用于大功率电池，如汽车动力电源，通信基站应急备用电源等。但碱性铝氧电池在工作过程中会发生腐蚀析氢反应，生成的氢气会在电池系统内部积累，引起安全问题，同时产生的气体携带有碱雾(碱性小液滴)，腐蚀周围环境的设备。
本发明提出一种除碱消氢膜，并将该除碱消氢膜应用于铝氧电池中，有效消除了铝氧电池在工作过程中产生的碱雾和氢气，同时除碱雾层上负载的固体酸能够中和碱雾中的碱性物质，防止碱性物质对催化消氢层中微孔的堵塞和催化剂的污染而降低其催化消氢性能。
发明内容
本发明旨在消除铝氧电池工作过程中产生的碱雾和氢气，提高铝氧电池的安全性、可靠性。为此，本发明的提出一种除碱消氢膜、及其制备方法和包括上述除碱消氢膜的铝氧电池。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种除碱消氢膜，包括除碱雾层、催化消氢层和支撑层。其中除碱雾层包括聚四氟乙烯多孔薄膜，催化消氢层为由催化剂、碳粉和聚四氟乙烯溶液组成，支撑层为PP、PET、GF、PA中一种或两种以上的复合多孔膜。
上述除碱雾层还包括固体酸，所述固体酸包括乙酸、三氯乙酸、高碘酸、乙二胺四乙酸、柠檬酸、硫酸氢钠、酒石酸，除碱雾层中固体酸的质量含量为10％～90％。
上述聚四氟乙烯薄膜的孔径为0.1～10微米，厚度为35～100微米，孔隙率为20～60％。
上述固体酸与聚四氟乙烯乳液混合后已刮涂、喷涂、辊压的方式负载在聚四氟乙烯薄膜上面。
上述催化剂为能够促进氢气和氧气反应生成水的贵金属催化剂，包括钯基催化剂、或钯基和铂基混合催化剂。
上述催化消氢层中聚四氟乙烯含量为30～70％，贵金属催化剂的含量为30～50％，碳粉的含量为0～20％。
上述碳粉为活性炭粉或导电炭黑。所述导电炭黑为乙炔黑、Super P、VXC-72或BP2000中的一种或两种以上。
上述催化消氢层的前驱体溶液为蒸馏水、乙醇、乙二醇或异丙醇中的一种或者两种以上。
上述聚四氟乙烯乳液浓度为30～80％。
上述支撑层为多孔膜，孔径微米100-2000微米，孔隙率为50～90％，厚度为100-2000微米。
本发明还提供一种具有除碱消氢功能的薄膜的制备方法，包括一下步骤：
将固体酸与聚四氟乙烯乳液混合后已刮涂、喷涂的方式负载在聚四氟乙烯薄膜上面，在50～100℃下烧结12～24h，制成除碱雾层。
将催化剂、碳粉和PTFE乳液的搅拌6～24h，混合均匀，并抽滤获得催化剂浆料。上述催化剂浆料通过刮涂、喷涂或辊压的的方式制成催化消氢层，将上述催化消氢层在室温下干燥6-48h；在200～350℃下烧结1～12h。
上述除碱雾层、催化消氢层和支撑复合层在10～200Mpa下压制成型。
本发明还提供一种包括上述除碱消氢膜的铝氧电池。
上述除碱消氢膜安装在铝氧电池的电池组上盖或电池组开设的排气孔处。
上述除碱消氢膜安装在铝氧电池的电解液箱上盖或电解液箱开设的排气孔处，除碱雾层置于电解液箱内侧。
本发明中的除碱消氢膜制备工艺简单，易于批量生产。
本发明中包括除碱消氢膜的铝氧电池可以有效提高其安全性、可靠性。本发明适合用于环境密闭的通信机站的应急备用电源。
附图说明
图1除碱消氢膜结构示意图一
图2除碱消氢膜结构示意图二
图3除碱消氢膜结构示意图三
图中1-支撑层，2-除碱雾层，3-催化消氢层
具体实施方式
下述实施例对本发明进一步详细说明，并非限制本发明。
实施例1
本发明提出一种除碱消氢膜，包括除碱雾层，催化消氢层和支撑层。聚四氟乙烯多孔膜孔径为1微米，厚度为35微米，孔隙率为30％，固体酸为硫酸氢钠,将硫酸氢钠与60％质量浓度聚四氟乙烯乳液按照质量比3:1混合后，喷涂于聚四氟乙烯多孔膜上，固体酸的载量为5g/cm2，50℃下干燥24h。
将40％质量浓度聚四氟乙烯乳液、钯炭催化剂(钯质量含量为0.5％)和VXC-72混合按照5:3:2的质量比例混合，加入与聚四氟乙烯乳液等体积的水和乙醇混合溶液(水和乙醇的体积比为1:1)，搅拌12h，用布氏漏斗抽滤获得催化剂浆料，采用辊压的方式制备催化层，在室温下干燥12h后在300℃烧结2h后得到催化消氢层。
支撑层为PP多孔膜，孔径大小为100微米，孔隙率为60％，厚度为100微米。将催化消氢层、支撑层和除碱雾层依次层叠在10Mpa压合而成，得到除碱消氢膜。
将上述除碱消氢膜安装在铝氧电池电解液箱的上盖上。经检测，铝氧电池电解液箱上盖处的氢气浓度为为10ppm，无碱雾逸出。
实施例2
本发明提出一种除碱消氢膜，包括除碱雾层，催化消氢层和支撑层。除碱雾层为孔径为0.5微米，厚度为50微米的聚四氟乙烯多孔膜，孔隙率为50％。将60％浓度聚四氟乙烯乳液、钯炭催化剂(钯质量含量为0.6％)、乙炔黑和BP2000混合按照5:3:1:1的比例混合，加入加入与聚四氟乙烯乳液等体积的水和乙醇混合溶液(水和乙醇的体积比为1:1)，，搅拌12h，用布氏漏斗抽滤获得催化剂浆料，采用辊压的方式制备催化层，在室温下干燥12h后在300℃烧结2h后得到催化消氢层。支撑层为PET多孔膜，孔径大小为200微米，孔隙率为60％，厚度为500微米。将催化消氢层、除碱雾层和支撑层依次层叠在50Mpa压合而成，得到除碱消氢膜。将上述除碱消氢膜安装在铝氧电池电解液箱的上盖上。经检测，铝氧电池电解液箱上盖处的氢气浓度为为10ppm，无碱雾逸出。
实施例3
本发明提出一种除碱消氢膜，包括除碱雾层，催化消氢层和支撑层。除碱雾层为孔径为2微米，厚度为35微米的聚四氟乙烯多孔膜，孔隙率为50％。将60％浓度聚四氟乙烯乳液、钯炭催化剂(钯质量含量为0.4％)、乙炔黑和VXC-72混合按照5:3:1:1的比例混合，加入加入与聚四氟乙烯乳液等体积的水和乙醇混合溶液(水和乙醇的体积比为1:1)，搅拌24h，用布氏漏斗抽滤获得催化剂浆料，采用辊压的方式制备催化层，在室温下干燥12h后在250℃烧结2h后得到催化消氢层。支撑层为PA多孔膜，孔径大小为500微米，孔隙率为80％，厚度为1000微米。将支撑层、催化消氢层和除碱雾层依次层叠在100Mpa压合而成，得到除碱消氢膜。将上述除碱消氢膜安装在铝氧电池电解液箱的上盖上。经检测，铝氧电池电解液箱上盖处的氢气浓度为为10ppm，无碱雾逸出。
对比例
当铝氧电池电解液箱上盖上无除碱消氢膜时，经检测铝氧电池电解液箱开口处的氢气浓度大1000ppm以上，且有明显碱雾逸出。
该实施例的除碱消氢膜可以在铝氧电池工作过程中，首先消除碱雾，随后去除碱雾的氢气在催化层与氧中的氧气发生反应生成水。根据本发明实施例的铝氧电池电解液箱上盖处的氢气浓度为为10ppm，无碱雾逸出，而不包括除碱消氢膜的铝氧电池电解液箱开口处的氢气浓度大1000ppm以上，且有明显碱雾逸出，本发明具有高安全性、可靠性的特点，适用于通信基站应急备用电源。

Claims (7)

1.一种除碱消氢膜，其特征在于：包括层叠的除碱雾层和催化消氢层，于除碱雾层远离催化消氢层一侧表面设有支撑层、或于除碱雾层和催化消氢层之间设有支撑层、或于催化消氢层远离除碱雾层一侧表面设有支撑层；
其中除碱雾层包括聚四氟乙烯多孔薄膜；催化消氢层为包括催化剂、碳粉和聚四氟乙烯，或催化剂和聚四氟乙烯的材料层；支撑层为PP、PET、GF、PA中一种或两种以上的复合多孔膜。
2.按照权利要求1所述除碱消氢膜，其特征在于：
除碱雾层中还包括固体酸，所述固体酸包括乙酸、三氯乙酸、高碘酸、乙二胺四乙酸、柠檬酸、硫酸氢钠、酒石酸中一种或两种以上；除碱雾层中固体酸的质量含量为10％～90％。
所述聚四氟乙烯薄膜的孔径为0.1～10微米，厚度为35～100微米，孔隙率为20～60％；
所述支撑层为多孔膜，孔径微米100-2000微米，孔隙率为50～90％，厚度为100-2000微米；
所述催化消氢层，催化剂载量为0.15～1.5mg/cm2，孔隙率为20～50％，厚度为100-500微米。
3.按照权利要求1所述除碱消氢膜，其特征在于：
催化消氢层中聚四氟乙烯质量含量为30～70％，贵金属催化剂的质量含量为30～50％，碳粉的质量含量为0～20％。
4.按照权利要求1或3所述除碱消氢膜，其特征在于：
所述催化剂为能够促进氢气和氧气反应生成水的贵金属催化剂，包括钯基催化剂、或钯基和铂基混合催化剂；
所述碳粉为活性炭粉或导电炭黑；所述导电炭黑为乙炔黑、Super P、VXC-72或BP2000中的一种或二种以上。
5.一种权利要求1-4任一所述除碱消氢膜的制备方法，其特征在于：
1)将固体酸与聚四氟乙烯乳液混合后已刮涂或喷涂的方式负载在聚四氟乙烯薄膜上面，在50～100℃下烧结12～24h；
2)将催化剂、碳粉和PTFE乳液于溶剂中搅拌6～24h混合均匀，并抽滤获得催化剂浆料；
3)上述催化剂浆料通过刮涂、喷涂或辊压的的方式制成催化消氢层，将上述催化消氢层在室温下干燥6-48h；在200～350℃下烧结1～12h；
4)将上述负载催化消氢层与支撑层和除碱雾层按照权利要求1中的次序叠合在10～200Mpa下压制成型。
6.按照权利要求5所述除碱消氢膜的制备方法，其特征在于：
溶剂为蒸馏水、乙醇、乙二醇或异丙醇中的一种或者两种以上；
聚四氟乙烯乳液质量浓度为30～80％。
7.一种铝氧电池，其特征在于：在铝氧电池的电解液箱上盖或电解液箱开设的排气孔处安装有权利要求1-4任一所述除碱消氢膜，除碱雾层置于电解液箱内侧，通过除碱消氢膜使铝氧电池的电解液箱与外界大气间隔离开。
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