CN112993275B - 一种金属/海水阴极批量制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属/海水阴极批量制备方法，包括泡沫镍基底和浸渍槽两部分构成，所述浸渍槽内上端的左右二侧及下部设置有导向辊轴、搅拌装置、导气管；本发明避免了静置浸渍法过程中催化剂在电极表面分布不均的问题，制备且实现浸渍与氧化同步进行，提高电极性能以及制备效率，工艺灵活有效，同时解决了金属/海水阴极电极批量制备过程中各工艺整合的难题。

Description

一种金属/海水阴极批量制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种金属/海水阴极的批量制备方法。
背景技术
我国是一个拥有丰富海洋资源的国家，海域辽阔，海岸线绵长，大岛屿数量众多,岛屿总面积大，涵盖了热带、亚热带、温带等多种多样的海洋资源。海洋资源的探测、开发与利用需要先进的海洋装备，尤其是可以深入海洋或者需要长期在海洋环境中工作的海洋探测器。探测海洋，开发海洋，利用海洋，先进的海洋科研设备的供能和通信是研究的难点与重点，其中海洋能源供给更是重中之重。目前，在海洋上工作的设备、设施等的主要能量来源类型为化石能(石油、天然气)、新能源(风能、太阳能)和核能等。然而在广袤的大洋中，上述供能方式会受到非常大的制约，这就大大限制了对海洋资源的开发。
金属/海水燃料电池是一种包括金属合金阳极、催化反应阴极，以海水为电解质，金属合金作为燃料的电池。结构上，金属/海水燃料电池最大的优势在于电解液不必随电池携带，放入海水中即可进行反应而放电。此外，金属/海水燃料电池还有如下优势：(1)由于流动的海水作为电解液，避免了反应产物在电极附近的大量富集，因此可以减轻产物对电极造成的极化；(2)流动的海水也可带走电池内部的热量，有效的降低由于温度过高对于电极反应的影响(3)结构简单、材料廉价、性价比高、质量轻、单位能量密度高、安全性高；(4)通过流道的设计，可以有效的控制电池的浮力。综上所述，金属/海水燃料电池更适合用于水下设备的供电。
催化反应电极是金属/海水燃料电池的关键部件之一，其基底材料、催化剂的催化活性直接影响着电池的放电性能。目前金属/海水燃料电池电极的制备方法常采用逐片静态浸渍法，该方法是将一定面积的基底材料逐片放进各自的浸渍槽内，静置一定的时间后取出。由于浸渍法需要逐片浸渍，反复更换浸渍液，且由于浸渍液静止，导致浸渍不均匀的现象，比较费时费力，因此无法实现大批量的连续制备。且在浸渍过程中在氧化的环境中更容易形成镍氢氧化物等助催化剂，更有利于提高电极的性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，发明了一种批量连续的制备工艺，尤其是在浸渍过程中采取一体化浸渍法制备出催化活性高、催化剂分布均匀的金属/海水燃料电池阴极。本发明采用以下技术方案来实现：
一种金属/海水阴极批量制备方法，由泡沫镍基底(1)经一体化浸渍槽(2)浸渍后得到；一体化浸渍槽(2)上端的左右二侧分别设有导向辊轴，于一体化浸渍槽(2)下部设有N个导向辊轴，N为大于等于1的整数；于一体化浸渍槽(2)内装填有浸渍液；泡沫镍卷材穿基底(1)依次绕经一体化清洗槽(2)内的导向辊轴于槽内装填的浸渍液中进行浸渍与氧化处理。
于一体化浸渍槽(2)内的底部设有搅拌设备(3)；所述搅拌设备(3)包括置于一体化浸渍槽(2)内的底部的搅拌浆或磁子，以及与搅拌浆传动连接的电机或磁力搅拌器。
于一体化浸渍槽(2)内的底部设有导气装置(4)；所述导气装置(4)包括置于一体化浸渍槽(2)内的导气管，以及与导气管连接的气源。
于一体化浸渍槽(2)上部或上方设有N－1个导向辊轴或N－2个导向辊轴。
基底经辊轴进入浸渍槽内，槽内有一定量浓度催化剂的浸渍液，且通过浸渍槽底部的搅拌装置，使得基底在浸渍过程中浸渍液处于动态；通过浸渍槽底部的导气装置，使得基底在浸渍过程中浸渍液处于气体饱和状态，基底在浸渍槽内的停留一定时间后，经辊轴离开一体化浸渍槽，待用。
所述的浸渍液中的催化剂为钨酸钠、锑酸钠、氯化铋的一种或两种以上；浸渍液中催化剂的浓度为1～50mg/mL。
所述电极为氢析反应电极，应用于金属/海水燃料电池。
以上技术方案中，泡沫镍基底作为电极基底，其较高的空隙率可以为催化剂提供更多的活性位点，一体化浸渍槽目的是在泡沫镍上同时沉积催化剂以及助催化剂。泡沫镍基底绕经一体化浸渍槽内的导向辊轴于其内装填的浸渍液中进行浸渍处理，同时导气装置中的导气管释放气体，使得浸渍液处于易氧化的环境，浸渍后再经导向滚轴离经一体化浸渍槽。
所述制备方法，具体包括以下步骤：
1)槽内装有一定量浓度催化剂的浸渍液，且通过浸渍槽底部的搅拌装置，使得基底在浸渍过程中浸渍液处于动态；所述的浸渍液温度为25-90℃；所述的搅拌装置转速为500～2000转/分钟；
2)打开气源，通过浸渍槽底部的导气装置，使得浸渍液处于氧化气体饱和状态；所述的导气装置的导气量为100-500升/小时；
3)基底经辊轴进入浸渍槽内，基底在浸渍槽内的停留时间为1min～60min；
4)基底经辊轴离开浸渍区；
本发明相比传统的静置浸渍法，具有如下优势：(1)制备效率大大提高，传统方法制备量一般为10平方米/天，本发明的连续制备装置的制备量可达100平方米/天。(2)催化剂浸渍为动态过程，催化剂分布更均匀，电极性能有一定的提高。(3)浸渍催化剂和氧化助催化剂同时形成，更有利于提高电极性能；(4)大大节省人力。
附图说明
图1为一种金属/海水阴极批量制备工艺图；
图中1为泡沫镍基底，2为一体化浸渍槽，3为搅拌设备，4导气设备。
图2为所制备电极所组装金属/海水燃料电池的放电性能，测试条件为：搁置1min后恒流放电，电流密度2mA/cm2，电解质为3.5％氯化钠水溶液，电极为实施例1得到的电极，阳极采用金属镁合金AZ61，由新威电池测试仪记录。图中横坐标为放电时间，纵坐标为放电电压。
图3为浸渍槽中没有导气装置，其他均按照发明内容或实施例1过程所制备电极所组装金属/海水燃料电池的放电性能，测试条件为：搁置1min后恒流放电，电流密度2mA/cm2，电解质为3.5％氯化钠水溶液，电极为实施例2得到的电极，阳极为镁合金AZ61，由新威电池测试仪记录。图中横坐标为放电时间，纵坐标为放电电压。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举实施实例，但并不限制本发明的范围。
实施例1：
一种金属/海水阴极批量制备方法，由泡沫镍基底1经一体化浸渍槽2浸渍后得到；一体化浸渍槽2上端的左右二侧分别设有导向辊轴，于一体化浸渍槽2下部设有3个导向辊轴，于一体化浸渍槽2上部设有4个导向辊轴；于一体化浸渍槽2内装填有浸渍液；泡沫镍卷材穿基底1从一体化浸渍槽一侧依次绕经一体化清洗槽2内的和上部的导向辊轴，于槽内装填的浸渍液中进行浸渍与氧化处理。
于一体化浸渍槽2内的底部设有搅拌设备3；所述搅拌设备3包括置于一体化浸渍槽2内的底部的搅拌浆或磁子，以及与搅拌浆传动连接的电机或磁力搅拌器。
于一体化浸渍槽2内的底部设有导气装置4；所述导气装置4包括置于一体化浸渍槽2内的导气管，以及与导气管连接的气源。
本发明的一种金属/海水阴极批量制备方法由泡沫镍基底和一体化浸渍槽构成。然后运行设备，泡沫镍基底进入浸渍区，浸渍槽中的浸渍液为钨酸钠，浓度为10mg/mL，温度为30℃，导气管通气量为100升/小时，通过搅拌设备使得浸渍液始终均匀的分布在浸渍槽内。泡沫镍基底在浸渍槽内的停留时间为0.5h，然后经辊轴离开浸渍槽，封装待用。所制备电极所组装金属/海水燃料电池的放电性能，测试条件为：搁置1min后恒流放电，电流密度2mA/cm2，电解质为3.5％氯化钠水溶液，电极为实施例1得到的电极，阳极为镁合金AZ61，由新威电池测试仪记录。测试结果表明在该条件下，本发明制备的电极所构成的电池具有较高的电压平台，且经过30小时后，放电电压仍能保持在0.5V以上。为说明通气设备有重要作用，列举一实施实例，证明其对于所制备电极性能的影响。
实施例2：
本发明的一种金属/海水阴极批量制备方法由泡沫镍基底和一体化浸渍槽构成。然后运行设备，泡沫镍基底进入浸渍区，浸渍槽中的浸渍液为钨酸钠，浓度为10mg/mL，温度为30℃，无通气设备，通过搅拌设备使得浸渍液始终均匀的分布在浸渍槽内。泡沫镍基底在浸渍槽内的停留时间为0.5h，然后经辊轴离开浸渍槽，封装待用。所制备电极所组装金属/海水燃料电池的放电性能，测试条件为：搁置1min后恒流放电，电流密度2mA/cm2，电解质为3.5％氯化钠水溶液，电极为实施例2得到的电极，阳极为镁合金AZ61，由新威电池测试仪记录。测试结果表明在该条件下，本发明制备的阴极所构成的电池初期电压平台较低，仅为0.4V左右，且经过数小时后，放电电压仍相对较低。因此证明通气设备对于所制备阴极性能有着重要的影响。

Claims (6)

1.一种金属/海水阴极批量制备方法，其特征在于：由泡沫镍基底（1）经一体化浸渍槽（2）浸渍后得到；
一体化浸渍槽（2）上端的左右二侧分别设有导向辊轴，于一体化浸渍槽（2）下部设有N个导向辊轴，N为大于1的整数；于一体化浸渍槽（2）内装填有浸渍液；泡沫镍基底（1）依次绕经一体化浸渍槽（2）内的导向辊轴于槽内装填的浸渍液中进行浸渍与氧化处理；
于一体化浸渍槽（2）内的底部设有搅拌设备（3）和导气装置（4），导气装置（4）为平铺于一体化浸渍槽（2）内底部的导气孔；
所述泡沫镍基底（1）经导向辊轴进入一体化浸渍槽（2）内，槽内有一定量浓度催化剂的浸渍液，且通过一体化浸渍槽（2）底部的搅拌设备（3），使得浸渍过程中浸渍液处于动态；通过一体化浸渍槽（2）底部的导气装置（4），使得浸渍过程中浸渍液处于氧化气体饱和状态，泡沫镍基底（1）在浸渍槽内停留一定时间后，经辊轴离开一体化浸渍槽（2），待用；
所述的浸渍液中的催化剂为钨酸钠、锑酸钠、氯化铋中的一种或两种以上；浸渍液中催化剂的浓度为1~50mg/mL；所述的导气装置（4）的导气量为100-500升/小时。
2.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述搅拌设备（3）包括置于一体化浸渍槽（2）内的底部的搅拌浆或磁子，以及与搅拌浆传动连接的电机或磁力搅拌器。
3.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述导气装置（4）包括置于一体化浸渍槽（2）内的导气管，以及与导气管连接的气源，所述的泡沫镍基底（1）为卷材状。
4.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：
所述的搅拌设备（3）转速为500~2000转/分钟。
5.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：
所述浸渍液的温度为25-90℃，所述浸渍停留时间为1min~60min。
6.按照权利要求1-5任一所述制备方法制备的电极，其特征在于：所述电极为金属/海水阴极，应用于金属/海水电池。
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