专利名称：金属燃料电池箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种公共周转的尤其是各种电动车公共周转的可快速更换电池箱、快速补充电能的、使用活动金属作为电池燃料的金属燃料电池箱及其制造方法。
现有技术的各种燃料电池如碱性氢氧燃料电池、磷酸型氢氧燃料电池及质子交换膜型氢氧燃料电池，其结构特征是由各种复合材料制成电极、隔膜、集流板、在电极上还附有电催化剂层，因燃料电池工作时要连续不断地向电池内结构复杂的电极板流场内送入燃料和氧化剂以及及时排除反应产物水，所以传统技术要求燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体，即气体和液体，最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)，最常用的氧化剂为纯氧、净化空气等和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液)，由于电池结构复杂，制氢成本高，以及电极板及电极板流场制作复杂导致燃料电池整体成本偏高，在应用于电动车上时由于随车携带的贮氢罐带有一定的危险性以及沿路建设补充氢气站需巨额投资，因此制约了氢氧燃料电池的发展与普及，而其它各种电池由于电能耗尽后需长时间充电以及应用在电动车上时电池与电动车是紧固安装的、不便于快速更换，给使用者带来了极大的不便。
本发明的目的是克服现有技术的不足，在充分了解、分析、认识燃料电池的结构特征及制约燃料电池及其电动车研究、发展、实用化的根本原因的基础上，认识到燃料电池电化学反应的实质是燃料氧化(失去电子)能量级大大降低和氧化剂(如氧)还原(得到电子)能级略有升高，其中的能级差对外作功和以热能形式释放，基于这一认识，本发明改变了传统燃料电池对燃料要求为流体的技术要求，提出采用固态物质尤其是固态物质中的活动金属为燃料电池的燃料，采用碱性或酸性液体或盐溶液为电解质，纯氧或净化空气或普通空气或某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液)为氧化剂，制成一种燃料容易制得、容易保存、可定期更换、可安全运输、易于普及、易于实用化、易于产业化的新型燃料电池——金属燃料电池。金属燃料电池与氢氧燃料电池在本质上是一样的，都是燃料氧化(失去电子)，燃料的能量级降低，而这种降低的能量级一部分用于电力对外做功，另一部分产生化学反应热能，以此相对应的逆反应是在生产燃料时，如电解水制得氢气需消耗电能提升氢离子的能量级制得高能级的氢气分子，或电解金属化合物，提升金属离子的能量级(还原)制得高能级金属原子或金属单质，这两种互逆反应即氧化还原反应与电解反应是遵从能量守恒原则的，其中的高能级的氢气分子和金属原子实质上都是电能的物质载体，都是燃料电池电能的供应物质，然而由于活动金属具有较为稳定的性能和可安全贮运以及在阴、阳电极板上不必加工各种形状的流场沟槽，流场反应场所简单和燃料易于添加及制造成本低廉等较氢气更多的优越性，因此从降低社会成本和产业化的角度出发，我们应当明智选择活动金属作为燃料电池的电力燃料，其中的金属燃料和反应产物可定期更换。为使金属燃料电池能对电动车长时间供电以及电池补充电能时间尽量缩短，从系统集成角度考虑，将金属燃料电池制成集成的箱式结构，构成金属燃料电池箱，它包括金属燃料电池集装箱和金属燃料电池手提箱，金属燃料电池箱的电能耗尽后，可快速进行更换，因此能及时为电动车补充电能，金属燃料电池箱由箱体或箱体内的金属燃料电池组结合构成、阴极电极板和阳极电极板、隔膜、电解质、金属燃料、氧化剂结合构成，其中的金属燃料选取金属活性顺序表中的镁、铝、锰、锌、铬、铁、镍、锡、铅、铜等活动金属或其合金构成，电极由复合材料构成，其中的阴极由化学性能稳定的电极板碳电极或石墨电极或改性金属如镁、铝表面镀镍、镀金处理电极板构成或由可被氧化的金属燃料电极板构成，阳极由气体扩散电极构成。
金属燃料电池葙由箱体和箱体内的金属燃料电池组构成，其特征为箱体由带锁定器或锁定孔和带一只或两只提手的手提箱结构或由带吊装孔和锁定器或锁定孔的集装箱结构构成。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明
图1为电池组自带电池槽的金属燃料电池箱的结构示意图。
图2为箱体内部带电池槽隔板的金属燃料电池箱的结构示意图。
图1为电池组自带电池槽的金属燃料电池箱的结构示意图，图中1为金属燃料电池箱体、(2)为吊装孔、(3)为金属燃料电池箱底部支撑脚、(4)为自带电池槽的单体金属燃料电池组、(5)为供电插座。
图2为金属燃料电池箱的结构示意图，图中(1)为长方体或立方体或柱状体结构的金属燃料电池箱体、电池组与电池槽、电池组与箱体为可分离密封安装结构或紧固密封安装结构，(2)为吊装孔、(6)为电池箱盖、(7)为阴极板、(8)为阳极板，一块阴极板面与一块阳极板面平行放置构成一节单电池，由多块阴极极板和多块阳极极板相互平行、相互间隔排列、形成阴、阳电极板簇组成多节电池，并将它们组合起来垂直或平行地安装在电池箱体内各电池槽中构成金属燃料电池箱，(9)为阴极板与阳极板之间的金属燃料腔，(10)为颗粒状的金属燃料，这些金属主要为金属活动顺序表中的镁、铝、锰、锌、铬、铁、镍、锡、铅、铜等活动金属，金属颗粒主要为短柱状、小片状、椭球状、圆球状结构，尤其为圆球状结构的金属燃料颗粒，由于圆球状颗粒表面光滑、相互之间阻碍小、表面积大、填实后颗粒密度大、可使燃料快速装填、因此是金属燃料电池金属颗粒的首选外形结构，电解质由碱性电解质氢氧化钾、氢氧化钠或酸性电解质的盐酸、硫酸或磷酸及盐的溶液构成，电池箱盖(6)与电池箱体(1)之间为活动的可快速拆卸结构，电池箱盖与电池箱体之间安有耐酸、耐碱密封垫。
金属燃料电池气体扩散电极板即阳极板由防水透气层、催化层和导电网三层经加热、压合制成PTFE型电极，根据所用憎水剂不同有聚四氟乙烯型电极和聚乙烯型电极，防水层由活性炭加聚四氟乙烯乳液分别与适量的乙醇及水湿润、搅拌混合，然后压干滚压成型、晾干、剪裁成型制成聚四氟乙烯型电极板防水层，催化层制作过程前面部分制作步骤与防水层制作相同，只是催化层配方为活性炭与聚四氟乙烯质量比为3∶1，取剪裁成型的聚四氟乙烯电极板材在其表面刷涂2摩尔硝酸银与1摩尔硝酸汞溶液混合并晾干，在摄氏零度的温度下加入40％的水合肼进行还原反应并将反应后的型材晾干备用，导电骨架的制造过程为在氢气炉中将0.1mm厚的铜箔退火后冲网，在点焊机上将0.2mm厚的银箔焊在铜网上，在冲床上压平然后电镀银，金属燃料电池气体扩散电极阳极制造工艺过程是在压片模内放入无甘油玻璃纸，依次放入防水膜、导电骨架、防水膜、催化膜、然后将玻璃纸覆盖在催化膜上，合上膜盖，在50-60℃加热、加压(8-10MPa)成型制得，当然，还可采用锂化多孔镍电极板作阳极，电催化剂还可采用在聚四氟乙烯电极板材表面涂镀铂或镍或雷尼镍(银)或硼化镍或涂镀钴、锰、银、铂—钯、铂—金、镍—锰、铂—镍、铂—镍—锰、活性炭、氧化铝制成，金属燃料电池的阴极板由炭、石墨或镍板或表面镀镍或镀金的金属板如镁板、铝板等不易被氧化的材料板构成，金属燃料由金属活动顺序表中的镁、铝、锰、锌、铬、铁、镍(酸性电池用)、锡、铅、铜等活动金属制成的块状、柱状、球形颗粒构成，或由这些金属粉及与该金属对应的金属氧化物、无机和/或有机缓蚀剂、粘结剂及质量为2％的植物纤维及0.5％-1％的PFTE乳液经和粉混匀、造粒、烘干制成块状或柱状或球形状金属燃料颗粒或板材或仅由这些金属粉或纯金属加入无机和/或有机缓蚀剂经压模机压模或热熔后浇铸成块状或柱状或球状金属燃料颗粒，将金属燃料颗粒装填进金属燃料腔(9)中，气体扩散电极板即阳极板外包有绝缘材料制备的多孔导气、离子导电隔膜如石棉膜(纸)、碳化硅膜或偏铝酸锂膜或维尼龙纸或水化纤维素膜或超细玻璃纤维毡隔膜等，使电子无法在电解质中通过隔膜进入气体扩散电极板即阳极板，由于金属燃料具有导电性能，所以相互接触的填满了金属燃料腔(9)中的金属燃料颗粒之间及与其相接触的导电的阴极电极板之间可相互传导电子，这样，金属燃料腔中的金属燃料颗粒可视作在金属燃料腔中的延伸的阴极电极，而这种被视为延伸的阴极电极的金属燃料是可不断被氧化的也是可以反复更换使用的，金属燃料颗粒中的金属原子在氧化过程中失去电子，能级大为降低，变为金属离子进入到电解质中，通过金属燃料颗粒之间及与阴极电极板之间的电子传导及外电路形成电流对外做功，电子通过用电器电流回路导线、流至阳极并与阳极的氧分子发生还原反应，氧分子能级略为升高、生成氢氧根高子，以通用化学反应式表示为[O]代表氧化剂[R]代表还原剂，P代表反应产物e-代表电子，则二价活动金属燃料分合反应为[R]→[R]2++2e
三价活动活动金属的分合反应为
下面以金属锌为还原剂、氧气为氧化剂为例并选取氢氧化钾作为电解液将金属燃料电池的电化学式列出如下(-)Zn|KOH|O2(C)(+)
负极正极 金属燃料电池反应 金属燃料电池电动势为E=φ*O2/OH--φ*ZnO/Zn+2.303RTηFlogpo21/2]]>=0.404-(-1.245)+0.0592·logo21/2]]>=1.646+0.0592logpo21/2]]>当正极活性物质为纯氧时，Po2＝p0o2，E＝0.401+1.245＝1.646V，当正极活性质为空气时，由于氧的分压为大气压的21％，所以E=1.646+0.0592logpo21/2=1.646+0.0295log(0.21)1/2=1.636V]]>为降低金属燃料颗粒的自放电，也可在电解质的电解液中加入少量Pb(Ac)等缓蚀剂当然也可不向电解质中加缓蚀剂，加入到金属燃料中或电解质中的缓蚀剂分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂，无机缓蚀剂由铟或锡或铝或银或铅或钙或氧化汞构成，有机缓蚀剂由8-硝基喹啉和/或8-氯基喹啉和/或4-联苯羧酸和/或苄基特丁醇和或4-联苯和/或N-N-二乙基碳苯酰胺和/或P-双环乙基苯、三苯基氯甲烷和/或含有乙醇胺基团的饱和或不饱和一元羧酸构成。
当然，在金属燃料电池箱的金属燃料电池组中，还可将阴极电极板与金属燃料合为一体由金属燃料经模压成型制成可拆卸更换的金属燃料阴极板并与气体扩散阳极电极板和电解质、电池箱结合构成金属燃料电池箱。
由于金属燃料电池的金属燃料在使用过后是可以完全成回收再利用的，因而是环保的，以金属燃料锌为例，其回收再利用的电化学式如下
在金属燃料电池箱中，金属燃料电池组直接安装在内部带电池组槽隔板的电池箱体中构成金属燃料电池箱或由电池组自带电池槽并放置在电池箱体内构成金属燃料电池箱，在箱体内、电池箱的正极和负极分别与电池组的阳极(正极)和阴极(负极)连接，在箱体外电池箱的正极和负极分别与带两芯和/或多芯插座—插头相连的导线连接，电池槽内壁为光滑结构板或相对两侧面开有用于固定电极板簇的相互平行的竖直凹槽，阴、阳电极板可分别单独插入箱壁凹槽内，也可通过穿插、镶嵌、卡夹等方式安装在阴、阳电极板簇顶部两端的电极联接固定基条(12)、(13)整体插入箱体内或箱壁凹槽内，或从箱体或其凹槽内提升取出，金属燃料颗粒(10)及电解质溶液可直接填装加注到阴、阳电极板间的金属燃料腔(9)中，或金属燃料阴极电极板、阳极电极板及隔膜、电解质可安装进电池槽中。与此结构相对应，金属燃料电池箱的箱盖为整体带进气口或管(15)的箱盖结构，并直接安装密封在金属燃料电池箱上，电池箱盖(3)与箱体(1)外壁之间通过活动锁定夹或活动锁定销(卡)或锁定快拆或螺钉锁定密封。
阴极电板板簇接线柱(17)与另一电池槽内的与其相串联的阳极电极板簇接线柱(16)为活动可装卸接线柱，并通过箱内或箱盖外的可装卸的金属连接条(11)连接，构成可拆卸更换电极板的金属燃料电池箱。
本发明的最佳实施例之一为箱体外顶部带吊装孔(2)的、箱体内带电池组槽隔板的使用金属燃料阴极电极板的金属燃料电池集装箱，金属燃料阴极电极板为可拆卸更换电极板，阳极为气体扩散电极板，阴、阳电极板间的隔膜采用浸泡碱液的石棉膜，电解质为氢氧化钾溶液，阴、阳电极板接线柱(16)、(17)通过可装卸的金属连接条连接，金属燃料集装箱体与电动车上集装箱放置仓之间采用框架式锁定器锁定箱体。
本发明的最佳实施例之二为箱体外带吊装孔(2)的箱体内带电池槽隔板的燃料腔中装填有金属燃料颗粒(10)和氢氧化钾溶液电解质的、阴极为化学性稳定的碳电极板或石墨电极板(7)，阳极为气体扩散电极板(8)，阴、阳电极板接线柱(16)、(17)通过可装卸的金属连接条(11)连接，锁定器采用箱体与集装箱放置仓之间的框架锁定器。
权利要求
1.一种金属燃料电池箱，由箱体和箱体内的电池组构成，其特征在于箱体由带一只或两只提手和带锁定器或锁定孔和的公共周转的手提箱结构构成或由带吊装孔和锁定器或锁定孔的公共周转的集装箱结构构成，箱体内的金属燃料电池组自带电池槽或箱体内的金属燃料电池组的电池槽由箱体直接构成，电池组与电池槽、电池组与箱体为可分离密封安装结构或紧固密封安装结构，电池组由相互平行、相互间隔排列的阴极电极板和阳极电极板簇构成，阴、阳电极板之间的空腔形成填充腔，在填充腔中装填电解质和金属燃料或装填电解质和隔膜，电解质为碱性或酸性或盐溶液。
2.按权利要求1所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料电池箱内壁为光滑板面结构或相对两侧面开有用于固定电极板簇的相互平行的竖直凹槽，金属燃料电池箱内电池组的阴极电极板由炭或石墨或镍板或表面镀镍或镀金的镁板或铝板构成，阳极为气体扩散电极板，在填充腔中装填有可更换的电解质和金属燃料颗粒。
3.按权利要求1所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料电池箱内壁为光滑板面结构或相对两侧面开有用于固定电极板簇的相互平行的竖直凹槽，金属燃料电池箱内电池组的阴极电极板由金属燃料经模压或摊涂制板制成金属燃料阴极电极板，阳极电极板为气体扩散电极板，在填充腔中装填电解质和/或石棉毡隔膜或超细玻璃纤维毡隔膜。
4.按权利要求1或2所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料电池箱的气体扩散电极板阳极板由防水层、催化层、和导电网结合构成，防水层由活性炭与聚四氟乙烯和乙醇，水经湿润、搅拌、混合、压干、滚压成型、剪裁制成，催化层是在向与防水层制作相同步骤中获得的剪裁板材表面刷涂硝酸银与硝酸汞的混和液、晾干并与水合肼进行还原反应、晾干制得催化层，导电网由铜箔经退火、冲网、银箔点焊、冲压、镀银制得，金属燃料电池的气体扩散电极阳极是将无甘油玻动纸、防水膜、导电网、防水膜、催化膜、玻璃纸依次序叠放入压片模内并合上膜盖，在50-60℃加热、加压(8-10MPa)成型制得；或气体扩散电极板由锂化的多孔镍电极板构成或由石墨粉与树脂经高温热处理制得或由聚四氟乙烯粘合铂/碳，(0.25mg/cm2)与聚四氟乙烯处理的碳纸迭合制得。
5.按权利要求1或2或所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料电池箱内的金属燃料由活动金属的锌或镁或铝或锰或铬或镍或铁或铝或铜的金属粉及与该金属对应的金属氧化物及加入无机缓蚀剂或有机缓蚀剂、粘结剂及质量为2％的植物纤维、0.5％--1％的PTFE乳液经和粉、混匀、造粒烘干、化成、冲洗、烘干制成块状或柱状或球状金属燃料颗粒或金属燃料阴极电极板或仅由这些金属粉或纯金属单质或合金或向纯金属或其合金中加入无机缓蚀剂或有机缓蚀剂制成块状或柱状或球状金属燃料颗粒，尤其是制成圆球状金属燃料颗粒或金属燃料阴极电极板。
6.按权利要求1或2所述的金属燃料电池箱，其特征在于阴极电极板簇接线柱(16)与另一电池槽中的一组以其相串联的阳极电极板簇接线柱(17)为活动可装卸接线柱，两接线柱通过金属连接条(11)连接。
7.按权利要求1或3或6所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料阴极电极板和/或阳极电极板簇顶部两端安有用于固定平行金属燃料阴极电极板的固定基条兼提手(12)、(13)。
8.按权利要求1或2或3所述的金属燃料电池箱，其特征在于金属燃料电池箱的箱体由带锁定器或锁定孔和带一只或两只提手的手提箱结构构成或由带吊装孔(16)或支撑脚(14)和带锁定器或锁定孔的集装箱结构构成，金属燃料电池组直接放置在内部带电池槽隔板的箱体内构成金属燃料电池箱或电池组自带电池槽并放置在箱体内构成金属燃料电池箱，在箱体内电池箱的正极和负极分别与电池组的阳极(正极)和阴极(负极)连接，在箱体外，电池箱的正极和负极分别与带两芯和/或多芯插座—插头连通的导线连接，吊装孔(或耳)(2)位于箱体顶部四角处和/或中部，箱体底部四角和/或中部设有凸起或平坦或凹进的支撑脚(3)或锁定孔，金属燃料电池箱盖为可装卸的带进气口或进气管(15)和/或电极柱孔的周边密封箱盖，箱体外壁与箱盖之间安有活动锁定夹或活动锁定槽或活动锁定销或锁定快拆或镙钉。
9.按权利要求1或2或3所述的金属燃料电池箱，其特征在于绝缘的耐酸或耐碱或耐盐的金属燃料电池箱体外套有金属箱体外壳。
全文摘要
一种用于电动车公共周转的金属燃料电池箱，属于燃料电池和箱体制造技术领域，由金属燃料、阴、阳电极板、电解质、金属燃料电池手提箱或集装箱箱体结合构成，该技术用于燃料电池的电动车快速置换补充电能。
文档编号H01M2/10GK1540777SQ03107838
公开日2004年10月27日 申请日期2003年3月14日 优先权日2003年3月14日
发明者刘奥宇 申请人:刘奥宇