CN1300876C - 金属空气燃料电池中均匀金属燃料板的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电化学电池领域的一种金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺。本发明的金属燃料板是由一定粒径的金属颗粒经与凝胶剂、和添加剂、粘结剂均匀混合后再与电流集电体均匀结合后，被均匀压制而成。从而形成的金属燃料板具备均匀一致的疏密度，提升金属空气燃料电池的放电效能，增加了电池输出功率，达到实现高效金属空气燃料电池的目的。

Description

金属空气燃料电池中均匀金属燃料板的制备工艺

技术领域

本发明属于电化学电池领域，特别涉及到金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺。

背景技术

电化学电池是通过电化学反应将化学能转化为电能的装置。如包括锌空和铝空电池在内的金属空气电池，使用嵌在电池中的金属颗粒制备而成的阳极燃料板，放电过程中阳极被消耗，从而将化学能转化为电能。

金属空气燃料电池具有很多传统氢燃料电池没有的优势。因为燃料(如锌)很丰富，金属空气电池能量可无尽供应，多以金属或氧化物的形式存在。同时，太阳能、水电能或其他形式能可将金属氧化物转变成金属燃料原来形式。使用甲烷、天然气或液态天然气来提供氢能的氢氧燃料电池，可能还会放出污染性气体。而金属空气电池与此不同，作为无污染，零排放的新能源日益引起重视。金属空气电池可以在室温下工作，而PEM氢氧燃料电池在50～200℃温度范围内运行。一般而言，金属空气电池的输出电压为1-3V比传统燃料电池0.8V高。

金属空气燃料电池由空气阴极、金属颗粒制备而成的金属燃料极板和电解液组成。阴极一般由半透膜和氧还原的催化层组成。电解液一般是离子导电的碱性溶液。金属燃料极板以固态物形式存在，因此易处理易存放且安全。

理想的金属燃料板是由一定粒径的金属颗粒经与聚合物粘合剂均匀混合后，再与电流集电体均匀结合后，被均匀压制而成。然而，在实际操作过程中，金属颗粒与聚合物粘合剂很难均匀地分散于电流集电体上，从而引起在不同区间有不同的疏密度，即便经重力压制，也无法产生均匀一致的疏密度。疏密度不一的金属燃料板导入金属空气燃料电池中，将导致不均匀的放电现象，最终将严重缩短空气阴极或金属燃料板的使用寿命。

基于上述问题及缺点，目前有必要对金属燃料板制备工艺进行改进，从而提高金属燃料板疏密度的均匀性，进而提升金属空气燃料电池的功率性能，达到实现高效金属空气燃料电池的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺，其特征在于：其工艺步骤为：

1)将20～220目粒径的金属颗粒与凝胶剂、粘结剂、添加剂按重量比，金属颗粒∶凝胶剂∶粘结剂∶添加剂＝100∶1～10∶1～10∶1～5的比例在混料机中混合均匀；

2)将2毫米厚与金属燃料板大小相同的塑性材料放入压模的底部，而后在塑性材料上置入70克步骤1)含金属颗粒的混料；开启振荡装置数分钟，直至混料均匀分散于塑性材料上，随后放置电流集电体；

3)再加入70克步骤1)含金属颗粒的混料，开启振荡装置数分钟，直至含金属颗粒的混料均匀地分散，再放置2毫米厚与金属燃料板大小相同于含金属颗粒的混料之上，最后，将压模的顶块放置于该塑性材料之上；

4)将步骤3)的压模置于油压机工作平台上，缓慢升高油压机的压力至2.94×10⁷～9.81×10⁷帕斯卡(每平方厘米300公斤～1吨)，并保持此压强1～5分钟，释放油压机压力后，脱模，得到完整均匀的金属燃料板；

所述金属颗粒主要由氧化性金属锌、钙、镁、铁、铝或其中至少两种金属的化合物及合金；或这些金属与铋、铟、铅、汞、镓、锡、镉、钼、钨、铬、钒、锗、砷、锑、硒、碲和锶之中一种或一种以上化合形成合金。

所述凝胶剂是聚丙烯酸的钾盐或钠盐和羧甲基纤维素中的一种。

所述粘结剂为甘油、矿物油或卤烃油。

所述添加剂为多聚糖或山梨醇。

所述电流集电体是用铜、铁、不锈钢、镍、铬和钛中至少一种物质的合金和化合物制作的筛网、多孔模板、金属泡沫、条状、线状或圆盘状结构。

本发明的有益效果是提供了一种制备金属燃料板的特殊工艺，不仅显著地提高金属燃料板的均匀性，而且显著地提升制备金属燃料板的生产率。此发明制备的金属燃料板提升了金属空气燃料电池的功率性能，达到实现高效金属空气燃料电池的目的。

附图说明

图1为制备金属燃料板工艺装模示意图。

图2为采用锌板A锌空电池的放电曲线。

图3为采用锌板B锌空电池的放电曲线。

具体实施方式

本发明为一种金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺。所述的金属燃料板是金属空气或金属氧气电池中提供氧化性燃料的阳极。由金属颗粒、凝胶剂、和添加剂由粘结剂粘结构成或再与电流集电体连接组成。其制备工艺为：

1)将20～220目粒径的氧化性金属锌、钙、镁、铁、铝或者为其中至少两种金属的化合物及合金；这些金属还可以与铋、铟、铅、汞、镓、锡、镉、钼、钨、铬、钒、锗、砷、锑、硒、碲和锶之中一种或一种以上成分化合形成合金。按金属颗粒∶凝胶剂∶粘结剂∶添加剂为：100∶(1～10)∶(1～10)∶(1～5)在混料机中混合均匀。

2).将约2毫米厚与金属燃料板大小的塑性材料6放入图1所示的由侧板1与底部2组成的压模的底部2上，而后在塑性材料6上置入70克步骤1)的金属颗粒混料7；开启振荡装置数分钟，直至金属颗粒混料7均匀并分散于塑性材料6上；3).随后在金属混料上放置材料为铜、铁、不锈钢、镍、铬、钛及至少一种上述物质的合金和化合物的筛网、多孔模板、金属泡沫、条状、线状、圆盘状的一种结构的电流集电体5。

4).再加入70克步骤1)的金属颗粒混料7，开启振荡装置数分钟，直至金属颗粒混料7均匀地分散，再放置约2毫米厚与金属燃料板大小的塑性材料6于金属颗粒混料7之上，最后，将压模的顶块4放置于该塑性材料6之上；

5).将装有金属颗粒混料的压模置于可提供或释放压力的机械化装置3如油压机工作平台上，缓慢升高油压机的压力，至每平方厘米300公斤～1吨的压强，并保持此压强1～5分钟，释放油压机压力后，脱模，得到完整均匀的金属燃料板。

上述选用的凝胶剂是一种交联的聚丙烯酸，聚丙烯酸的钾盐和钠盐；还可以是羧甲基纤维素；其不含有金属的基本溶液的凝胶剂的重量百分比浓度为0.1％到50％。

上述粘结剂包括多羟基醇如甘油、矿物油、卤烃油及其派生物。

上述添加剂为多聚糖、山梨醇。

当金属燃料板与空气电极在注入电解液后形成金属燃料电池放电时，氧气用作金属空气电池空气阴极的还原剂，被转变成氢氧根离子和水。氢氧根离子穿过隔膜到达金属燃料板阳极。当氢氧根离子到达金属阳极时(在阳极由锌组成的情况下)，在锌板表面形成锌的氢氧化物。锌的氢氧化物分解成氧化锌并把水释放回碱性溶液。完成反应的过程如下。

阳极反应：

阴极反应

                  (3)

因此，总反应：

                       (4)

本发明提供了制备金属燃料板的特殊工艺，显著地提高金属燃料板的均匀性，从而显著提升了金属空气燃料电池的功率性能，增加了电池输出功率，达到实现高效金属空气燃料电池的目的。

作为对比实验，一片锌燃料板(A)严格按以上步骤制备而成，而另一片锌燃料板(B)也大致按以上步骤制备，但不采用塑性材料放置在金属混料的上部和底部，而将金属颗粒混料直接置于压模的底块与顶块之间。锌燃料板(A)和锌燃料板(B)分别与同样的空气电极和电解液组成锌空电池单元体，在同样10A的放电电流下，表现了不同的放电现象。如下图放电曲线所示。虽然锌燃料板(A)和锌燃料板(B)具备同样的理论电量，然而锌燃料板(A)实际提供的电量133Ah是锌燃料板(B)63Ah的两倍以上。锌燃料板疏密度的不同造成最终的锌燃料空气电池可放电量的不同(如图2、图3所示)。

Claims (2)

1.一种金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺，其特征在于：其工艺步骤为：

1)将20～220目粒径的金属颗粒与凝胶剂、粘结剂、添加剂按重量比，金属颗粒∶凝胶剂∶粘结剂∶添加剂＝100∶1～10∶1～10∶1～5的比例在混料机中混合均匀；

2)将2毫米厚与金属燃料板大小相同的塑性材料放入压模的底部，而后在塑性材料上置入70克步骤1)含金属颗粒的混料；开启振荡装置数分钟，直至混料均匀分散于塑性材料上，随后放置电流集电体；

3)再加入70克步骤1)含金属颗粒的混料，开启振荡装置数分钟，直至含金属颗粒的混料均匀地分散，再放置2毫米厚与金属燃料板大小相同于含金属颗粒的混料之上，最后，将压模的顶块放置于该塑性材料之上；

4)将步骤3)的压模置于油压机工作平台上，缓慢升高油压机的压力至2.94×10⁷～9.81×10⁷帕斯卡，并保持此压强1～5分钟，释放油压机压力后，脱模，得到完整均匀的金属燃料板；

上述金属颗粒主要是以氧化性金属锌、钙、镁、铁、铝或其中至少两种金属的化合物及合金；或这些金属与铋、铟、铅、汞、镓、锡、镉、钼、钨、铬、钒、锗、砷、锑、硒、碲和锶中之一种或一种以上化合形成的合金；

上述凝胶剂为聚丙烯酸的钾盐或钠盐和羧甲基纤维素中的一种；

上述粘结剂为甘油、矿物油或卤烃油；

上述添加剂为多聚糖或山梨醇。

2.根据权利要求1所述金属空气电池中均匀金属燃料板的制备工艺，其特征在于：所述电流集电体是用铜、铁、不锈钢、镍、铬和钛中至少一种物质的合金和化合物制作的筛网、多孔模板、金属泡沫、条状、线状或圆盘状结构。

Images