專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水中動(dòng)力用半燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水中動(dòng)力用電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水中動(dòng)力用半燃料電池。
背景技術(shù)：
鋁/過(guò)氧化氫電池是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種能量型化學(xué)電源，這種電池具有比能量高，適合水下工作等特點(diǎn)。開(kāi)展較早研究工作的有以Mg、Al為陽(yáng)極的金屬/過(guò)氧化氫燃料電池，Al-H2O2電池已應(yīng)用于水下設(shè)備上，比能量可以達(dá)到200Wh/kg-M0Wh/kg。鋁/過(guò)氧化氫電池可分為單室和雙室兩種結(jié)構(gòu)單室結(jié)構(gòu)的電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但由于單室結(jié)構(gòu)電池的鋁電極和過(guò)氧化氫電極之間可直接反應(yīng)，活性物質(zhì)利用率低，從而降低了電池比能量，因此目前大多采用雙室結(jié)構(gòu)鋁/過(guò)氧化氫電池；雙室結(jié)構(gòu)的電池通過(guò)離子交換膜將陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)隔離，形成陰極室和陽(yáng)極室，可以防止鋁電極和過(guò)氧化氫電極之間的直接反應(yīng)，提高活性物質(zhì)利用率，由于電池工作時(shí)需要電解液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)補(bǔ)充反應(yīng)消耗的過(guò)氧化氫并帶走反應(yīng)產(chǎn)物和廢氣，因此電池的陰極室和陽(yáng)極室均設(shè)有流道。目前公知的鋁/過(guò)氧化氫電池陰極室和陽(yáng)極室的流道一般采用雙極性流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，例如在專(zhuān)利CN201214482中，設(shè)計(jì)了一種鋁/過(guò)氧化氫半燃料電池，貯存在電池外部的電解液和過(guò)氧化氫溶液進(jìn)入電池內(nèi)部流道中，流道采用雙極性流場(chǎng)板的迷宮結(jié)構(gòu)或拐彎結(jié)構(gòu)，即在流道中增加幾個(gè)類(lèi)片狀的隔斷，形成曲折的通道使溶液流過(guò)，該結(jié)構(gòu)電池厚度和重量較大，電極有效反應(yīng)面積較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種厚度薄、重量輕、電極有效反應(yīng)面積較高，并且電池的比能量和能量密度高的水中動(dòng)力用半燃料電池。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是
一種水中動(dòng)力用半燃料電池，包括密封固連為一體的陽(yáng)極部分和陰極部分；陽(yáng)極部分包括帶有電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔的陽(yáng)極端板，陽(yáng)極端板一面有一陽(yáng)極凹槽，陽(yáng)極凹槽內(nèi)置有由陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極和陽(yáng)極流道構(gòu)成的陽(yáng)極組件；陰極部分包括帶有氧化劑進(jìn)液腔、氧化劑出液腔的陰極端板，陰極端板一面有一陰極凹槽，陰極凹槽內(nèi)置有由陰極集流板、陰極基板和陰極流道構(gòu)成的陰極組件，其特點(diǎn)是所述陽(yáng)極流道為均布粘于陽(yáng)極面上粒狀隔離物之間的間隙；所述陰極流道為陰極基板一面均布制出的通槽。本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)方案 所述陽(yáng)極部分和陰極部分之間置有離子交換膜。所述陽(yáng)極端板和陰極端板均為大于IOmm的3240環(huán)氧酚醛樹(shù)脂板，所述陽(yáng)極端板上陽(yáng)極凹槽外圍的端面上制有一放置陽(yáng)極密封圈的陽(yáng)極封閉槽；所述陰極端板上陰極凹槽外圍的端面上制有一放置陰極密封圈的陰極封閉槽，陰極封閉槽直徑與陽(yáng)極封閉槽直徑不同；靠近陽(yáng)極端板和陰極端板邊緣處置有尺寸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)以上固定孔。
所述粒狀隔離物為圓柱形酚醛樹(shù)脂。所述離子交換膜為Nafion系列隔膜。所述陽(yáng)極集流板和陰極集流板均為鎳板。所述陽(yáng)極為鋁合金。所述陰極基板為載有還原催化劑的泡沫鎳，所述還原催化劑為金Au。所述陽(yáng)極電解液為氫氧化鈉溶液。所述作為陰極的氧化劑為過(guò)氧化氫溶液。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
1、本發(fā)明由于在鋁陽(yáng)極面上均布粘滿(mǎn)橫縱間距相同的粒狀隔離物，使陽(yáng)極和離子交換膜保持一定距離，不僅起到了支撐離子交換膜的作用、減輕了重量，還形成了陽(yáng)極流道，使電解液均布流過(guò)陽(yáng)極而且不增加壓力損失，提高了陽(yáng)極的有效反應(yīng)面積，更有利于氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物AlO2-的排出，有效的提高了電池的比能量和能量密度。2、本發(fā)明將作為陰極基板的泡沫鎳基體上直接壓制出陰極流道，形成催化層和流場(chǎng)板二合一的電極結(jié)構(gòu)，有效的減小了電池的厚度和重量；氧化劑可以直接在三維的催化層內(nèi)部流動(dòng)，解決了過(guò)氧化氫傳質(zhì)困難的問(wèn)題，濃差極化較小，可以使用低濃度的過(guò)氧化氫，減小其自分解，保證了氧化劑的使用效率，提高了電池比能量。3、本發(fā)明采用離子交換膜作為隔膜，采用直徑不同的密封圈壓接密封，實(shí)現(xiàn)了雙室結(jié)構(gòu)；當(dāng)需要單室結(jié)構(gòu)時(shí)，拆下隔膜，即變成單室結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電池雙、單室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變， 適用于低速水下運(yùn)載器的能量型動(dòng)力電池組。


圖1是本發(fā)明水中動(dòng)力用半燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1使用狀態(tài)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3是圖1中陽(yáng)極部分和陽(yáng)極組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖1中陰極部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-陰極密封圈；2-陰極端板；3-螺母；4-螺栓；5-陰極凹槽；6_氧化劑出液腔；7-陰極流道；8-陰極基板；9-陰極部分；10-陰極集流板；11 -氧化劑進(jìn)液腔；12-電解液進(jìn)液腔；13-陽(yáng)極集流板；14-粒狀隔離物；15-陽(yáng)極部分；16-陽(yáng)極；17 -陽(yáng)極流道； 18-電解液出液腔；19-陽(yáng)極凹槽；20陽(yáng)極端板-;21-陽(yáng)極密封圈；22 -離子交換膜；23 -陽(yáng)極固定孔；24 -陰極固定孔。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下
一種水中動(dòng)力用半燃料電池，包括密封固連為一體的陽(yáng)極部分15和陰極部分9 ；陽(yáng)極部分包括帶有電解液進(jìn)液腔12、電解液出液腔18的陽(yáng)極端板20，陽(yáng)極端板一面有一陽(yáng)極凹槽19，陽(yáng)極凹槽內(nèi)置有由陽(yáng)極集流板13、陽(yáng)極16和陽(yáng)極流道17構(gòu)成的陽(yáng)極組件；陰極部分包括帶有氧化劑進(jìn)液腔11、氧化劑出液腔6的陰極端板2，陰極端板一面有一陰極凹槽5，陰極凹槽內(nèi)置有由陰極集流板10、陰極基板8和陰極流道7構(gòu)成的陰極組件。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是
所述陽(yáng)極流道為均布粘于陽(yáng)極面上粒狀隔離物14之間的間隙；所述陰極流道為陰極基板一面均布制出的通槽；所述陽(yáng)極部分和陰極部分之間置有離子交換膜22 ；所述陽(yáng)極端板和陰極端板均為大于IOmm的3240環(huán)氧酚醛樹(shù)脂板，所述陽(yáng)極端板上陽(yáng)極凹槽外圍的端面上制有一放置陽(yáng)極密封圈21的陽(yáng)極封閉槽；所述陰極端板上陰極凹槽外圍的端面上制有一放置陰極密封圈1的陰極封閉槽，陰極封閉槽直徑與陽(yáng)極封閉槽直徑不同；靠近陽(yáng)極端板和陰極端板邊緣處置有尺寸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)以上用于緊固螺栓4和螺母3的陽(yáng)極固定孔23 和陰極固定孔M ；所述粒狀隔離物為圓柱形酚醛樹(shù)脂；所述離子交換膜為Nafion系列隔膜；所述陽(yáng)極集流板和陰極集流板均為鎳板；所述陽(yáng)極為鋁合金；所述陰極基板為載有還原催化劑的泡沫鎳，所述還原催化劑為金Au;所述陽(yáng)極電解液為氫氧化鈉溶液、所述作為陰極的氧化劑為過(guò)氧化氫溶液。本發(fā)明的制作過(guò)程
陽(yáng)極部分的制備
如圖3所示，首先選用厚度0. 5mm、四邊為方形、四角為圓角，并且四個(gè)圓角連起來(lái)構(gòu)成一個(gè)圓的鋁板作為陽(yáng)極，在陽(yáng)極面上均布粘滿(mǎn)橫縱間距5mm、厚度0. 5mm、直徑2mm的酚醛樹(shù)脂作為粒狀隔離物，粒狀隔離物之間的間隙形成陽(yáng)極流道，選用厚度1mm、外形及尺寸與陽(yáng)極相同的鎳板作為陽(yáng)極集流板；選用厚度為20mm的方形3240環(huán)氧酚醛樹(shù)脂板作為陽(yáng)極端板，在陽(yáng)極端板的中心部位加工出一個(gè)深度為2mm的陽(yáng)極凹槽，陽(yáng)極凹槽的直徑與陽(yáng)極上四角封閉成的圓為同心、同徑，陽(yáng)極凹槽深度正好可以放置陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極和粘貼在陽(yáng)極上的粒狀隔離物，位于陽(yáng)極凹槽下壁的陽(yáng)極凹槽面上鉆一通孔作為電解液進(jìn)液腔、位于陽(yáng)極凹槽上壁的陽(yáng)極凹槽面上鉆一通孔作為電解液出液腔，靠近陽(yáng)極端板的四角處分別打出陽(yáng)極固定孔，陽(yáng)極凹槽外圍的陽(yáng)極端板端面上加工出一封閉槽；封閉槽內(nèi)放置陽(yáng)極密封圈， 陽(yáng)極凹槽內(nèi)先后放入陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極未粘貼粒狀隔離物的一面貼在陽(yáng)極集流板上，陽(yáng)極凹槽內(nèi)的陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極和陽(yáng)極流道構(gòu)成了陽(yáng)極組件；陽(yáng)極凹槽內(nèi)的電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔分別位于陽(yáng)極組件對(duì)應(yīng)兩邊的外面，陽(yáng)極流道與電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔形成電解液通路，完成陽(yáng)極部分的制作；
陰極部分的制備
如圖4所示，首先選用厚度1mm、四邊為方形、四角為圓角，并且四個(gè)圓角連起來(lái)構(gòu)成一個(gè)圓的載有還原催化劑金Au的泡沫鎳作為陰極基板，在陰極基板一面壓出深0. 8mm、寬 1mm、間距4mm相互平行的通槽作為陰極流道，選用厚度1mm、外形及尺寸與陰極基板相同的鎳板作為陰極集流板；選用厚度為20mm的方形3240環(huán)氧酚醛樹(shù)脂板作為陰極端板，在陰極端板的中心部位加工出一個(gè)深度為2mm的陰極凹槽，陰極凹槽的直徑與陰極基板上四角構(gòu)成的圓為同心、同徑；陰極凹槽深度正好可以放置陰極集流板和帶有陰極流道的陰極基板； 位于陰極凹槽下壁的陰極凹槽面上鉆一通孔作為氧化劑進(jìn)液腔、位于陰極凹槽上壁的陰極凹槽面上鉆一通孔作為氧化劑出液腔；靠近陰極端板的四角處分別打出陰極固定孔，陰極固定孔與陽(yáng)極固定孔對(duì)應(yīng)后能夠穿過(guò)固定用的螺栓；陰極凹槽外圍的陰極端板端面上加工出一封閉槽，封閉槽內(nèi)放置陰極密封圈，所述陰極密封圈與陽(yáng)極部分中陽(yáng)極密封圈直徑不同；陰極凹槽內(nèi)先后放入陰極集流板、陰極基板無(wú)陰極流道的一面貼在陰極集流板上，陰極凹槽內(nèi)的陰極集流板、陰極基板和陰極流道構(gòu)成了陰極組件，陰極凹槽內(nèi)的氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔分別位于陰極組件對(duì)應(yīng)兩邊的外面，陰極流道與氧化劑進(jìn)液腔和氧化劑出液腔形成氧化劑通路，完成陰極部分的制作； 單體電池的制備
如圖1所示，制作雙室結(jié)構(gòu)單體電池時(shí)，采用Nafi0nll5隔膜作為離子交換膜置于陽(yáng)極部分和陰極部分之間，陽(yáng)極部分有粒狀隔離物的一面和陰極部分有陰極流道的一面分別貼于離子交換膜兩面，螺栓穿過(guò)陽(yáng)極端板上的陽(yáng)極固定孔、離子交換膜和陰極端板的陰極固定孔，用螺母緊固成一體，完成雙室結(jié)構(gòu)的單體電池制作。當(dāng)需要單室結(jié)構(gòu)時(shí)，撤掉離子交換膜，將陽(yáng)極部分有粒狀隔離物的一面和陰極部分有通槽的一面直接貼在一起，螺栓穿過(guò)陽(yáng)極端板的固定孔和陰極端板的固定孔，用螺母緊固成一體，成為單室結(jié)構(gòu)的單體電池制作，實(shí)現(xiàn)了電池雙、單室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。以雙室結(jié)構(gòu)的單體電池為例說(shuō)明電池使用狀態(tài)
如圖2所示，本發(fā)明單體電池工作時(shí)，分別啟動(dòng)控制陽(yáng)極電解液的蠕動(dòng)泵和控制陰極氧化劑的蠕動(dòng)泵，貯存在電池外部的氫氧化鈉溶液作為電解液連續(xù)進(jìn)入電解液進(jìn)液腔，電解液進(jìn)液腔、陽(yáng)極流道、電解液出液腔構(gòu)成的電解液通路，在陽(yáng)極、陽(yáng)極流道和離子交換膜共同構(gòu)成的電解液反應(yīng)容腔中充分反應(yīng)，構(gòu)成陽(yáng)極流道的粒狀隔離物不僅起到了支撐離子交換膜的作用，也使得電解液可以均布流過(guò)陽(yáng)極而且不增加壓力損失；貯存在電池外部過(guò)氧化氫溶液的氧化劑作為陰極連續(xù)進(jìn)入由氧化劑進(jìn)液腔、陰極流道、氧化劑出液腔構(gòu)成的氧化劑通路，在陰極、陰極流道和離子交換膜共同構(gòu)成氧化劑反應(yīng)容腔中充分反應(yīng)，由于陰極流道是在作為陰極基板的泡沫鎳上壓制而成，使得過(guò)氧化氫溶液不僅可以從陰極流道流過(guò)，也可以從泡沫鎳基體中的縫隙滲透過(guò)去，形成了均勻順暢的反應(yīng)容腔流道；陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)放出電子，過(guò)氧化氫在陰極催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)得到電子， 電子通過(guò)外電路從陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)到離子交換膜，從而向外部負(fù)載提供了電能，反應(yīng)后的溶液則分別通過(guò)電解液出液腔和氧化劑出液腔從電池中排出。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種水中動(dòng)力用半燃料電池，包括密封固連為一體的陽(yáng)極部分和陰極部分；陽(yáng)極部分包括帶有電解液進(jìn)液腔和電解液出液腔的陽(yáng)極端板，陽(yáng)極端板一面有一陽(yáng)極凹槽，陽(yáng)極凹槽內(nèi)置有由陽(yáng)極集流板、陽(yáng)極和陽(yáng)極流道構(gòu)成的陽(yáng)極組件；陰極部分包括帶有氧化劑進(jìn)液腔、氧化劑出液腔的陰極端板，陰極端板一面有一陰極凹槽，陰極凹槽內(nèi)置有由陰極集流板、陰極基板和陰極流道構(gòu)成的陰極組件，其特征在于所述陽(yáng)極流道為均布粘于陽(yáng)極面上粒狀隔離物之間的間隙；所述陰極流道為陰極基板一面均布制出的通槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極部分和陰極部分之間置有離子交換膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極端板和陰極端板均為大于IOmm的3240環(huán)氧酚醛樹(shù)脂板，所述陽(yáng)極端板上陽(yáng)極凹槽外圍的端面上制有一放置陽(yáng)極密封圈的陽(yáng)極封閉槽；所述陰極端板上陰極凹槽外圍的端面上制有一放置陰極密封圈的陰極封閉槽，陰極封閉槽直徑與陽(yáng)極封閉槽直徑不同；靠近陽(yáng)極端板和陰極端板邊緣處置有尺寸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)以上固定孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述粒狀隔離物為圓柱形酚醛樹(shù)脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述離子交換膜為 Nafion系列隔膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極集流板和陰極集流板均為鎳板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極為鋁合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陰極基板為載有還原催化劑的泡沫鎳，所述還原催化劑為金Au。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極電解液為氫氧化鈉溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中動(dòng)力用半燃料電池，其特征在于所述作為陰極的氧化劑為過(guò)氧化氫溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁/過(guò)氧化氫單體電池，包括密封固連帶有陽(yáng)極流道的陽(yáng)極部分和帶有陰極流道的陰極部分，陽(yáng)極流道由粘在陽(yáng)極面上粒狀隔離物之間的間隙構(gòu)成；陰極流道為壓在陰極基板面上的通槽。本發(fā)明采用粒狀隔離物，支撐了離子交換膜、減輕了重量并形成陽(yáng)極流道，提高陽(yáng)極有效反應(yīng)面積、減小電解液流過(guò)陽(yáng)極的壓力損失，更有利于氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物AlO2-的排出，提高了電池比能量和能量密度；陰極基板上壓出陰極流道，形成催化層和流場(chǎng)板二合一結(jié)構(gòu)，減小了電池厚度和重量；氧化劑可直接在三維催化層內(nèi)部流動(dòng)，過(guò)氧化氫傳質(zhì)順利，提高了電池比能量；離子交換膜起到電池雙、單室結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的作用，適用于低速水中設(shè)備的能量型動(dòng)力電池組。
文檔編號(hào)H01M8/20GK102332586SQ20111030320
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者段然, 王宇軒, 黃雯 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所