CN201134482Y - 铝/过氧化氢半燃料电池 - Google Patents

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兰晓辉
林革
刘铭
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Abstract

一种铝/过氧化氢半燃料电池，包括阳极壳体、阴极壳体以及阳极系统和阴极系统；阳极系统包括电解质入口、阳极接头和电解质出口以及阳极和阳极流道；阴极系统包括氧化剂入口、阴极接头和氧化剂出口以及阴极流道和膜阴极；电解质入口、阳极流道、电解质出口构成电解质通路；氧化剂入口、阴极流道、氧化剂出口构成氧化剂通路；阳极、阳极流道和膜阴极共同构成电解质的反应容腔，阴极壳体、阴极流道和膜阴极共同构成氧化剂的反应容腔。本实用新型解决了铝/过氧化氢半燃料电池转换效率低、能量密度低、功率密度低的技术问题，具有成本低、适合应用于水下或外太空等没有空气的场合、电池性能指标高的优点。

Description

铝/过氧化氢半燃料电池
技术领域
本实用新型涉及一种半燃料电池，尤其涉及一种铝/过氧化氢半燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学电池。以铝作为阳极，并采用过氧化氢作为氧化剂的燃料电池叫做铝/过氧化氢半燃料电池。铝是地球上最丰富的金属元素，其质量比容量可达2.98Ah/g，体积比容量可达8.04Ah/cm3；过氧化氢具有密度高、无毒、无污染、可长期贮存等特点；铝与过氧化氢组合而成的铝/过氧化氢半燃料电池具有如下优点：理论能量密度高；理论功率密度高；承受短时过载的能力强；阴极过电位小，效率高，一般＞65％，最高可以达到80％(或开路电压达到约1.75V)；推进剂可以长期贮存；环境友好等。铝和过氧化氢在铝/过氧化氢半燃料电池中的反应机理主要包括电化学氧化和还原反应，以及三个有害的化学反应。电化学反应分为两部分：阴极反应和阳极反应。反应方程如下：
阳极反应：2Al(s)+8OH-(aq)→2AlO2 -(aq)+4H2O(l)+6e-
阴极反应：3HO2 -(aq)+3H2O(l)+6e-→9OH-(aq)
总反应：2Al(s)+3HO2 -(aq)→2AlO2 -(aq)+OH-(aq)+H2O(l)
阴极和阳极反应都是半反应，总电势为3.18V。
有害的反应包括铝的腐蚀反应、过氧化氢的分解反应，以及铝/过氧化氢直接化学反应。
铝的腐蚀反应：2Al(s)+2OH-(aq)+2H2O(l)＝2A1O2 -(aq)+3H2(g)
虽然此反应也是一种电化学反应，但并不产生电流。在此反应中铝被浪费，产生了氢气，从而降低了燃料电池的效率。
过氧化氢的分解反应：2H2O2(l)＝O2(g)+2H2O(l)
过氧化氢是一种活性很高的物质，在有污染物的情况下分解速度大大加快。此反应损耗了过氧化氢，也降低了燃料电池的效率。
铝/过氧化氢直接反应：2Al(s)+3HO2 -(aq)＝2AlO2 -(aq)+OH-(aq)+H2O(l)
此反应看上去与总的电化学反应方程相同，但其机理完全不同。铝和过氧化离子的接触是产生这种化学反应的原因，在这个反应中，没有电流在回路中产生。
上述三个有害反应的发生降低了电池的效率，因此在设计电池的流动系统时要尽量抑制有害反应的发生。
发明内容
本实用新型目的是提供一种铝/过氧化氢半燃料电池，其解决了背景技术铝/过氧化氢半燃料电池换效率低、能量密度低、功率密度低的技术问题。
本实用新型的技术解决方案是：
一种铝/过氧化氢半燃料电池，包括可固连密封在一起的阳极壳体11、阴极壳体12以及设置在阳极壳体11和阴极壳体12之间的阳极系统和阴极系统；其特殊之处是，所述阳极系统包括设置在阳极壳体11内的电解质入口61、阳极接头51和电解质出口71以及由内至外设置在阳极壳体11内侧面的阳极21和阳极流道41；所述阴极系统包括设置在阴极壳体12内的氧化剂入口61、阴极接头52和氧化剂出口72以及由内至外设置在阴极壳体12内侧面的阴极流道42和膜阴极22；所述电解质入口71、阳极流道41、电解质出口71构成电解质通路；所述氧化剂入口62、阴极流道42、氧化剂出口72构成氧化剂通路；所述阳极21、阳极流道41和膜阴极22共同构成电解质的反应容腔，所述阴极壳体12、阴极流道42和膜阴极52共同构成氧化剂的反应容腔。
上述阳极流道41和阴极流道42采用了相同结构的迷宫结构或拐弯结构。
上述阳极壳体11和阴极壳体12间的固连和密封是通过固连装置9和壳体密封圈3实现的。
上述阳极壳体11和阴极壳体12以及阳极流道41、阴极流道42的材料均采用聚四氟乙烯；所述阳极接头51和阴极接头52材料为紫铜T2；所述阳极21的材料采用铝，所述膜阴极22材料采用镀钯金属镍。
本实用新型具有如下优点：
1、本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池所使用的阳极(铝)和氧化剂(过氧化氢)都是很非常容易获得的原料，而且具有较低的价格，从而降低了整个电池的成本；
2、本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池还可以利用海水作为电解质，在海洋中应用具有更大的优势，特别适合于作为水下运载器的动力源。
3、本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池所使用的原料都容易贮存，而且由于自身携带了氧化剂，尤其适合应用于水下或外太空等没有空气的场合。
4、本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池性能指标高，单电池最高开路电压达到了1.4V以上；最大电流密度达到了130mA/cm2以上；最大功率密度达到了60mW/cm2。
5、本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池可以使用较高浓度的H2O2。
附图说明
图1是本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池的结构示意图；
图2是本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池的使用状态示意图；
图3是本实用新型铝/过氧化氢半燃料电池中阳极流道/阴极流道的结构示意图；
其中：11-阳极壳体，12-阴极壳体，21-阳极，22-膜阴极，3-壳体密封圈，41-阳极流道，42-阴极流道，51-阳极接头，52-阴极接头，61-电解质入口，62-氧化剂入口，71-电解质出口，72-氧化剂出口，8-接头密封圈，9-固连装置，10-蠕动泵，A-电解质供应系统，B-氧化剂供应系统。
具体实施方式
一种铝/过氧化氢半燃料电池，参见图1，包括阳极壳体、阴极壳体以及设置在阳极壳体和阴极壳体之间的阳极系统和阴极系统，阳极系统包括电解质入口、阳极流道、阳极、阳极接头以及电解质出口；阴极系统包括氧化剂入口、膜阴极、阴极接头、阴极流道和氧化剂出口。在阳极壳体和阴极壳体内各加工一个由阶梯状的矩形槽来放置阳极、膜阴极、阳极流道和阴极流道，两个壳体使用固连装置连接在一起，一般采用螺栓连接，通过壳体密封圈进行密封。阳极流道使阳极和膜阴极保持一定的距离，膜阴极将阳极流道和阴极流道隔开，阳极、阳极流道和膜阴极就共同构成了电解质的反应容腔；而阴极壳体、阴极流道和膜阴极就构成了过氧化氢的反应容腔。参见图2，本实用新型工作时，电解质通过蠕动泵连续向电解质入口供应电解质进入到电解质的反应容腔中，过氧化氢通过蠕动泵连续向氧化剂入口供应氧化剂进入到过氧化氢的反应容腔中，在阳极和膜阴极分别发生不同的电化学反应并释放出电能，通过膜阴极进行离子交换，反应后的溶液则分别通过电解质出口和氧化剂出口排出电池。电解质采用NaOH或KOH并可添加氧化镓添加剂。阳极壳体和阴极壳体以及流道的材料均采用聚四氟乙烯，因为聚四氟乙烯与过氧化氢一级相容并且可以进行机械加工。阳极接头和阴极接头则选用导电性能良好的紫铜T2来制作，在阳极接头与阳极壳体以及阴极接头与阴极壳体间分别采用接头密封圈进行密封，防止电解质和过氧化氢的泄露。阳极材料采用一定形状的铝，膜阴极材料采用金属镍，膜阴极还可选用钯作为阴极催化剂，通过电镀使钯沉积在网状结构的阴极材料上。
本实用新型原理：本实用新型利用铝和过氧化氢组合，采用合适的添加剂和催化剂，获得了一种低功率、长时间输出的电源电池，实现了电源电池的连续、长程、稳定工作。该电池最适合应用于水下或太空等没有空气的场合。贮存在电池外部的电解质和过氧化氢进入电池内部具有特定结构的流道中，流道采用特殊的迷宫结构或拐弯结构，参见图3，即在流道中增加几个肋片状的隔断，形成曲折的通道使溶液流过，这样可以延长电解质和过氧化氢的反应时间，提高原料使用效率；阳极发生电化学氧化反应放出电子，过氧化氢在阴极催化剂的作用下发生电化学还原反应得到电子，电子通过外电路从阳极运动到膜阴极，从而向外部负载提供了电能。为了既能“活化”又能“缓蚀”铝阳极，在电解质溶液中加入氧化镓等添加剂，提高铝阳极的性能。钯作为阴极催化剂。

Claims (4)

1、一种铝/过氧化氢半燃料电池，包括可固连密封在一起的阳极壳体(11)、阴极壳体(12)以及设置在阳极壳体(11)和阴极壳体(12)之间的阳极系统和阴极系统；其特征在于：所述阳极系统包括设置在阳极壳体(11)内的电解质入口(61)、阳极接头(51)和电解质出口(71)以及由内至外设置在阳极壳体(11)内侧面的阳极(21)和阳极流道(41)；所述阴极系统包括设置在阴极壳体(12)内的氧化剂入口(61)、阴极接头(52)和氧化剂出口(72)以及由内至外设置在阴极壳体(12)内侧面的阴极流道(42)和膜阴极(22)；所述电解质入口(71)、阳极流道(41)、电解质出口(71)构成电解质通路；所述氧化剂入口(62)、阴极流道(42)、氧化剂出口(72)构成氧化剂通路；所述阳极(21)、阳极流道(41)和膜阴极(22)共同构成电解质的反应容腔，所述阴极壳体(12)、阴极流道(42)和膜阴极(52)共同构成氧化剂的反应容腔。
2、根据权利要求1所述的铝/过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阳极流道(41)和阴极流道(42)采用了相同结构的迷宫结构或拐弯结构。
3、根据权利要求1或2所述的铝/过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阳极壳体(11)和阴极壳体(12)间的固连和密封是通过固连装置(9)和壳体密封圈(3)实现的。
4、根据权利要求3所述的铝/过氧化氢半燃料电池，其特征在于：所述阳极壳体(11)和阴极壳体(12)以及阳极流道(41)、阴极流道(42)的材料均采用聚四氟乙烯；所述阳极接头(51)和阴极接头(52)材料为紫铜T2；所述阳极(21)的材料采用铝，所述膜阴极(22)材料采用镀钯金属镍。
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