郭勍
(海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處武器實(shí)驗(yàn)辦公室,云南昆明650051)
鋁半燃料電池研究
郭勍
(海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處武器實(shí)驗(yàn)辦公室,云南昆明650051)
采用化學(xué)沉積法制備了Au/Ni催化陰極,并組裝成90cm2Al/H2O2電池,采用微酸性陰極電解液進(jìn)行放電,放電時間長達(dá)6 h,平均電壓1.466 V,H2O2利用率可達(dá)92.8%。通過設(shè)計分配框結(jié)構(gòu),將電極面積擴(kuò)大至500cm2,裝配了兩單體組合電堆,放電506 min,本體比能量達(dá)到404.1 Wh/kg。
鋁過氧化氫電池;電性能;組合電堆
鋁半燃料電池的陽極為鋁合金,陰極采用液態(tài)含有H2O2的電解液,具有能量密度高,放電電壓穩(wěn)定、放電時間長的特點(diǎn)。Al-H2O2電池特別適合作為能量型電池,應(yīng)用于大型深淺自航體、無人潛航器、UUV等,其工作電流密度一般在50 mA/cm2以下。用H2O2替代O2作為氧化劑已成為近年來的研究熱點(diǎn),如金屬過氧化氫半燃料電池(MSFC)[1],直接硼氫化物過氧化氫燃料電池(DBFC)[2]。
本文采用鋁合金作為陽極,具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Au/Ni電極作為催化劑,H2O2作為陰極活性物質(zhì),采用不同種類的離子交換膜,組裝成電極面積為90cm2的單體電池。分別研究了陰極、單體電池、及兩單體組合電堆的放電性能。
1.1 陰極的制備和表征
泡沫鎳的預(yù)處理:將泡沫鎳(110PPI,320 g/m2,厚度1mm,長沙力元新材料有限公司),裁成2cm×2cm的小片,用丙酮除油,浸入6mol/L HCl中刻蝕15 min后,用去離子水反復(fù)沖洗,備用。
Au/Ni電極的制備:采用Au自發(fā)沉積法。室溫下,將處理好的泡沫鎳浸入2mmol/L的HAuCl·44 H2O溶液中,化學(xué)沉積1 min。因?yàn)镹i2+/Ni的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(-0.257 V.SHE)比Au3+/Au(1.498 V.SHE)低很多,當(dāng)泡沫鎳與HAuCl4溶液接觸時,Au將和Ni發(fā)生置換反應(yīng),即Au在泡沫鎳表面發(fā)生化學(xué)沉積,泡沫鎳表面會較分散地沉積一層Au納米顆粒。
1.2 陰極的電性能
以泡沫鎳載貴金屬Au電極為工作電極,石墨為對電極,Hg/HgO(1mol/L KOH)電極為參比電極,在40℃的0.5mol/L H2O2+3mol/L NaOH溶液中進(jìn)行動電勢掃描,電勢區(qū)間0.2~-0.4 V(.Hg/HgO),掃速為50 mV/s。
1.3 鋁過氧化氫半燃料電池的組裝與測試
Al-H2O2半燃料電池放電性能測試使用Arbin燃料電池測試系統(tǒng),在自制環(huán)氧玻璃鋼板電池夾具中,陽極為10cm× 10cm×0.5mm的鋁合金,陰極為10cm×10cm×1mm的Au/Ni電極,電極面積約為90cm2。陰、陽極兩室由質(zhì)子交換膜(Nafion-115,DuPont)隔開,陽極電解液為NaOH溶液,陰極電解液為含有H2O2的溶液,電解液用蠕動泵分別從陽極室和陰極室的下端入口輸入,向上流經(jīng)電極后在上端出口處流出,室溫下測定。
1.4 不同離子交換膜所制備電池的電性能比較
采用不同種類的離子交換膜組裝成電池,研究了電池以25 mA/cm2恒流放電時的放電性能。所使用的離子交換膜包括由杜邦公司生產(chǎn)制造的陽離子交換膜Nafion 115,以及德國FuMA Tech公司的陰離子交換膜FAA-3和AMA-40。其中,Nafion膜在使用前要經(jīng)過預(yù)先處理:首先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫煮沸,將Nafion膜放入,并保持溫度在100℃持續(xù)1 h。然后取出Nafion膜并用去離子水沖洗干凈,再放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中,在80℃下,浸泡0.5 h后,取出用去離子水沖洗至中性。
2.1 Au/Ni催化陰極的性能
圖1為Au/Ni電極在0.5mol/L H2O2+3mol/L NaOH溶液中的線性伏安曲線,在0.05 V左右開始出現(xiàn)陰極電流;在沒有攪拌的情況下在300 mA/cm2左右達(dá)到極限擴(kuò)散電流。由曲線還可以看出,所制備的Au/Ni電極電化學(xué)極化較大,出現(xiàn)了明顯的Tafel段;這說明在這一電勢范圍內(nèi),H2O2在Au表面的電子得失步驟為反應(yīng)的控制步驟。
圖1 陰極的線性伏安曲線
2.2 Al-H2O2半燃料電池放電性能
目前,鋁過氧化氫半燃料電池的陽極為鋁合金,陰極電解液中活性物質(zhì)為H2O2,陰、陽極之間采用離子交換膜隔開(見圖2)。表1為鋁過氧化氫半燃料電池的半電池和總反應(yīng)方程式及理論電壓。
圖2 單體電池各部件分解圖
表1 鋁過氧化氫半燃料電池的半電池和總反應(yīng)方程式及理論電壓
鋁過氧化氫半燃料電池中,陰極電解液中的活性物質(zhì)H2O2在堿性溶液中極易分解產(chǎn)生O2。從表1可以看出,電池放電時,在H2O2電極一側(cè)將不斷生成OH-,溶液pH值不斷升高,則H2O2分解產(chǎn)生O2的速率會明顯增加。因此,若采用堿性陰極電解液,電池放電時間越長,H2O2的利用率越低,電池的質(zhì)量比能量越低。
在陰極電解液中添加了HAc+NaAc緩沖溶液,有效控制了含有H2O2的陰極電解液中OH-的濃度,使得陰極電解液pH值維持在3.5~4.5的最穩(wěn)定狀態(tài),而且不會對多種金屬造成腐蝕,電池長時間放電的過程中,不僅最大限度提高了陰極活性物質(zhì)H2O2的利用率,大幅提高了電池的質(zhì)量比能量;而且加寬了電池中導(dǎo)電性材料的選擇面,提高了電池體積比能量和比功率,還降低了電池成本。
通過蠕動泵將3.4%NaCl+4.5mol/L NaOH+10 g/L Na2Sn-O3陽極電解液從陽極電解液進(jìn)口流入,從陽極電解液出口流出進(jìn)行循環(huán)流動,通過另一蠕動泵將3.4%NaCl+0.5mol/L H2O2和緩沖溶液1mol/L HAc+1mol/L NaAc形成的陰極電解液從陰極電解液進(jìn)口流入,從陰極電解液出口流出進(jìn)行循環(huán)流動,形成微酸性陰極電解液鋁過氧化氫半燃料電池。放電6 h,反應(yīng)溫度為室溫,流量為25 mL/min,H2O2利用率可達(dá)92.8%,平均電壓1.466 V,放電曲線見圖3。
圖3 鋁過氧化氫電池放電曲線
2.3 不同離子交換膜對Al-H2O2半燃料電池放電性能的影響
從圖4可以看出,在將近4 h的放電過程中電池電壓都比較平穩(wěn)。在放電達(dá)到2.5 h之前,電池電壓的高低順序?yàn)椋篎AA-3>Nafion 115>AMA-40,差距不大于100 mV。但放電2.5 h之后,這一差距逐漸縮小,直到三者的放電電壓非常接近,均為1.45 V左右,這是由于三種離子交換膜的面電阻是非常接近的。在整個放電過程中,采用Nafion115、AMA-40所制備的電池,陰極活性物質(zhì)H2O2的利用率都在90%左右;但采用FAA-3所制備的電池,其H2O2利用率僅為56%。這主要是因?yàn)镕AA-3型離子交換膜的強(qiáng)度較低,在長時間放電后容易開裂,導(dǎo)致正、負(fù)極電解液之間串液,從而降低了H2O2的利用率。因此,綜合考慮,Nafion 115離子交換膜既能保證較高的電導(dǎo)率,同時又具有一定的強(qiáng)度和韌性,可以保證電池的長時間正常放電以及較高的電池性能。
圖4 不同種類的離子交換膜對電池性能的影響
2.4 兩單體組合電堆研究
將電極面積由原來的90cm2擴(kuò)大至500cm2,隨著電極面積的擴(kuò)大,為了將反應(yīng)產(chǎn)物和廢熱排出電池外,保證傳質(zhì)和傳熱的效果,使電池能夠正常工作,并且提高活性物質(zhì)利用率,電解液在流動時需要在單體電池內(nèi)部的電極表面和各個單體之間均勻地分布,因此開展了電解液分配技術(shù)研究,如圖5所示。分配框的作用是承載和固定電極,使電解液在電極表面均勻分配和流動。由于設(shè)計了為正負(fù)極分開供液的雙流道結(jié)構(gòu),即在正負(fù)極之間設(shè)置了離子交換膜,使電池的正、負(fù)極之間離子導(dǎo)通,放電反應(yīng)得以順利進(jìn)行;同時又能保證電子絕緣,從而避免電池正、負(fù)極活性物質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所造成的內(nèi)部消耗。由于離子交換膜的存在使正、負(fù)極電解液隔離,因此不存在共用電液,能夠最大限度降低漏電電流。
因此,采用圖5所示分配框所裝配的兩單體組合電堆,以25 mA/cm2的電流密度放電時,平均單體電壓為1.55 V,H2O2利用率在80%以上,總放電時間達(dá)到506 min,電池本體比能量達(dá)到404.1 Wh/kg,其放電曲線見圖6。
圖5 電解液分配框示意圖
圖6 兩單體組合電堆放電曲線
采用化學(xué)沉積法制備的Au/Ni電極,制造工藝簡單,對設(shè)備要求低,適合于擴(kuò)大應(yīng)用。制成了電極面積約為90cm2的單體電池夾具,并采用微酸性陰極電解液進(jìn)行放電。結(jié)果表明,H2O2利用率可達(dá)92.8%,放電時間長達(dá)6 h,平均電壓1.466 V。將電極面積擴(kuò)大至500cm2后,采用分配框所裝配的兩單體組合電堆,放電506 min,H2O2利用率在80%以上,電池本體比能量達(dá)到404.1 Wh/kg。
因此,鋁過氧化氫電池有望被廣泛應(yīng)用于水下航行器的推進(jìn)動力電源。但從目前國內(nèi)外的研究水平來看,大部分還集中于電池本體的研究,因此需要加大開發(fā)輔助系統(tǒng)的研究,實(shí)現(xiàn)激活、電解液循環(huán)、溫度控制、氣體排出等功能,才能使鋁過氧化氫電池體系得以實(shí)用化。
[1]YANG W,YANG S,SUN W,et al.Nanostructured palladium-silver coated nickel foam cathode for magnesium-hydrogen peroxide fuel cells[J].Electrochimica Acta,2006,52(1):9-14.
[2]RAMAN R K,PRASHANT S K,SHUKLA A K.A 28-W portable direct borohydride-hydrogen peroxide fuel-cell stack[J].Journal of Power Sources,2006,162(2):1073-1076.
Study of aluminum hydrogen peroxide battery
In this article,Au/Ni electro-catalytic cathode was prepared by a chemical deposition method,and Al/H2O2battery was assembled and discharged with acidic catholyte for almost 6 hours.The average voltage is 1.466 V,and H2O2utilization is up to 92.8%.
aluminum hydrogen peroxide battery;electrochemical performance;assembled batteries
TM 911.4
A
1002-087 X(2016)04-0768-03
2016-02-02
郭勍(1978—),男,北京市人,工程碩士,主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)運(yùn)用工程。