【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢能与燃料电池，更具体的是涉及氢锰换电式碱性半燃料电池。
技术介绍
1、“双碳”背景下，氢能被视作解决国家能源安全与环境问题的最佳能源载体，而质子交换膜燃料电池是目前氢能实现终端应用的主流技术。质子交换膜燃料电池具备高能效(不受卡诺循环限制)、零排放、无噪音与短时间加注等优点，但突出的成本(电堆成本：约3500元/kw)严重限制其市场化整体发展。质子交换膜燃料电池中，无论是阳极的氢氧化反应亦或阴极的氧还原反应，都需要电催化剂，但电池为酸性体系，催化剂只能采用昂贵的pt等贵金属基催化剂。此外，阳极放电产物h+(或h3o+)须通过全氟磺酸质子膜到达阴极并与o2-结合形成水，而全氟磺酸膜制造工艺复杂且主要依赖进口(杜邦nafion膜、戈尔se lect膜等)，价格同样不菲。通常，仅仅贵金属催化剂与质子交换膜就占据了整个电堆成本的50％左右。显然，如能开发一种无需贵金属催化剂与质子交换膜的新型燃料电池，则可更加低廉地应用氢能，对氢能与燃料电池产业产生积极的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种氢锰换电式碱性半燃料电池。
2、本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
3、一种氢锰换电式碱性半燃料电池，包括电芯结构，所述电芯结构包括换电式锰阴极、设置在所述换电式锰阴极两侧的两个隔膜，各所述隔膜外侧均设置有非贵金属氢阳极，各所述隔膜内部均填充有碱性水溶液电解质，所述换电式锰阴极可拆卸的设置在两个所述隔
4、具体来说，换电式锰阴极置于两张隔膜之间，可活动式取出或者装入，使电芯实现换电或者机械再充电。换电式锰阴极放完电以后可从电池中拆除并更换为满电态锰阴极，从而实现电池可持续放电；而拆除的放完电的锰阴极亦可回收、集中氧化至满电态，实现循环利用。
5、在一个实施方式中，所述换电式锰阴极包括活动式锰膏盒、设置在所述活动式锰膏盒顶部的阴极极耳、以及填充在所述活动式锰膏盒内部的锰膏，所述活动式锰膏盒为多孔金属集流体，使得所述碱性水溶液电解质可在所述活动式锰膏盒和所述隔膜之间流通。
6、具体来说，活动式锰膏盒外壳采用泡沫镍、穿孔镍箔或者穿孔镀镍钢带等多孔金属集流体，使碱性水溶液电解质可在活动式锰膏盒和隔膜之间流通。
7、在一个实施方式中，所述锰膏包括如下组分：96-98wt％的高价锰化合物、1-2wt％的导电剂、1-2wt％的增稠剂以及碱性水溶液电解质。
8、在一个实施方式中，所述高价锰化合物为锰价态不低于四价的化合物，放电时，高价锰化合物将被还原为低价锰化合物，低价锰化合物为锰价态低于四价的化合物。
9、具体来说，换电式锰阴极结构的锰膏(电极材料)为高价锰(+4、+6或+7价)化合物，包括不限于mno2、k2mno4、na2mno4、kmno4、namno4，放电时，高价锰化合物将被还原为低价锰(+2或+3价)化合物。
10、在一个实施方式中，所述导电剂为碳材料；所述增稠剂为聚丙烯酰胺或羧甲基纤维素钠。
11、具体来说，导电剂为碳材料，如天然石墨、合成石墨、膨胀石墨、乙炔黑以及科琴黑等；增稠剂可以用聚丙烯酰胺或羧甲基纤维素钠等。锰膏中碱性水溶液电解质的成分与隔膜中一致。
12、在一个实施方式中，各所述非贵金属氢阳极包括非贵金属催化层、气体扩散层以及阳极极耳，所述非贵金属催化层和所述气体扩散层通过粘贴形式连接，所述阳极极耳设置在所述气体扩散层顶部，所述非贵金属催化层贴合在对应侧的所述隔膜接触上。
13、具体来说，气体扩散层置于电芯最外侧，使用疏水性集流体；非贵金属催化层紧靠气体扩散层。气体扩散层和非贵金属催化层一起构成了非贵金属氢阳极。
14、在一个实施方式中，所述气体扩散层的材质为疏水碳纸、负载有疏水透气材料的泡沫镍或负载有疏水透气材料的镀镍钢带。
15、具体来说，气体扩散层的材质包括不限于疏水碳纸或负载有疏水透气材料的泡沫镍、镀镍钢带等，兼具氢气扩散通道与集流的作用。
16、在一个实施方式中，所述非贵金属催化层内部填充有非贵金属催化剂，所述非贵金属催化剂为ni单质、co单质、合金、金属间化合物中的一种或多种。
17、具体来说，非贵金属催化剂采用非贵金属催化剂，非贵金属催化剂包括n i单质、co单质、合金、金属间化合物中的一种或多种，这些非贵金属催化剂在放电时促进氢气发生电化学氧化反应。
18、在一个实施方式中，各所述隔膜均置于对应的非贵金属催化层和活动式锰膏盒之间，所述隔膜的材质为石棉或pp/pe无纺布。
19、具体来说，隔膜阻止电芯短路的同时储存足够的碱性水溶液电解质。
20、在一个实施方式中，所述隔膜内的所述碱性水溶液电解质的溶质为碱金属氢氧化物的组合体，溶剂为水，含3-4wt％的peg-200保水剂。
21、具体来说，碱性水溶液电解质的溶质为碱金属(如钾、钠、锂)氢氧化物的组合体，溶剂为水，浓度4-8wt％，可含3-4wt％的peg-200保水剂。
22、本专利技术的有益效果如下：
23、1、本专利技术涉及的氢锰换电式碱性半燃料电池可低廉地利用氢能，适合于大规模静态氢能发电。本专利技术相比质子交换膜燃料电池，本专利技术涉及的氢锰换电式碱性半燃料电池有以下有益效果：
24、1)质子交换膜燃料电池的电解质呈酸性，只有贵金属催化剂才能稳定工作；氢锰半燃料电池的电解质呈碱性，非贵金属催化剂亦可稳定工作，极大地降低了电池成本。
25、2)质子交换膜燃料电池的载流子是h+，须全氟磺酸隔膜等质子膜才能实现特异性的质子传递，而该类隔膜技术壁垒高、专利保护严格；氢/锰半燃料电池的载流子是oh-，可采用极其低廉的石棉、pp/pe无纺布等普通隔膜，进一步削减电池成本。
26、2、本专利技术相比碱性燃料电池，本专利技术涉及的氢锰换电式碱性半燃料电池有以下有益效果：
27、1)碱性燃料电池采用碱性水溶液电解质，无需贵金属催化剂与质子交换膜，但电池的氧阴极需在大气中工作，这使得碱性电解质易被co2毒化并导致电池内阻增大、性能恶化；氢锰半燃料电池的锰阴极不会暴露在大气中，没有电解质碳酸化的问题。
28、2)碱性燃料电池的氧阴极采用ag、n i等金属微纳米催化剂，氢/锰半燃料电池的锰阴极采用高价锰化合物(如mno2)，后者相比前者，成本优势极其明显。
29、3、本专利技术相比碱性锌/锰电池，本专利技术涉及的氢锰换电式碱性半燃料电池有以下有益效果：
30、锌/锰电池作为一次电池，电池的续航能力由电池中所含的zn与mno2的量决定；氢锰半燃料电池属于发电装置，只要氢阳极与锰阴极持续加注“燃料”，电池就可实现持续放电。
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1.一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，包括电芯结构，所述电芯结构包括换电式锰阴极、设置在所述换电式锰阴极两侧的两个隔膜(3)，各所述隔膜(3)外侧均设置有非贵金属氢阳极，各所述隔膜(3)内部均填充有碱性水溶液电解质，所述换电式锰阴极结构可装卸地设置在两个所述隔膜(3)之间。
2.根据权利要求1所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述换电式锰阴极包括活动式锰膏盒(4)、设置在所述活动式锰膏盒(4)顶部的阴极极耳(5)、以及填充在所述活动式锰膏盒(4)内部的锰膏，所述活动式锰膏盒(4)为多孔金属集流体，使得所述碱性水溶液电解质可在所述活动式锰膏盒(4)和所述隔膜(3)之间流通。
3.根据权利要求2所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述锰膏包括如下组分：96-98wt％的高价锰化合物、1-2wt％的导电剂、1-2wt％的增稠剂以及碱性水溶液电解质。
4.根据权利要求3所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述高价锰化合物为锰价态不低于四价的化合物，放电时，高价锰化合物将被还原为低价锰化合物，低价锰化合物为锰
5.根据权利要求3所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述导电剂为碳材料；所述增稠剂为聚丙烯酰胺或羧甲基纤维素钠。
6.根据权利要求1所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，各所述非贵金属氢阳极包括非贵金属催化层(2)、气体扩散层(1)以及阳极极耳(6)，所述非贵金属催化层(2)和所述气体扩散层(1)通过粘贴形式连接，所述阳极极耳(6)设置在所述气体扩散层(1)顶部，所述非贵金属催化层(2)贴合在对应侧的所述隔膜(3)接触上。
7.根据权利要求6所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述气体扩散层(1)的材质为疏水碳纸、负载有疏水透气材料的泡沫镍或负载有疏水透气材料的镀镍钢带。
8.根据权利要求6所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，
9.根据权利要求1所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述隔膜(3)的材质为石棉或PP/PE无纺布。
10.根据权利要求9所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述隔膜(3)内的所述碱性水溶液电解质的溶质为碱金属氢氧化物的组合体，溶剂为水，含3-4wt％的PEG-200保水剂。
...【技术特征摘要】
1.一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，包括电芯结构，所述电芯结构包括换电式锰阴极、设置在所述换电式锰阴极两侧的两个隔膜(3)，各所述隔膜(3)外侧均设置有非贵金属氢阳极，各所述隔膜(3)内部均填充有碱性水溶液电解质，所述换电式锰阴极结构可装卸地设置在两个所述隔膜(3)之间。
2.根据权利要求1所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述换电式锰阴极包括活动式锰膏盒(4)、设置在所述活动式锰膏盒(4)顶部的阴极极耳(5)、以及填充在所述活动式锰膏盒(4)内部的锰膏，所述活动式锰膏盒(4)为多孔金属集流体，使得所述碱性水溶液电解质可在所述活动式锰膏盒(4)和所述隔膜(3)之间流通。
3.根据权利要求2所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述锰膏包括如下组分：96-98wt％的高价锰化合物、1-2wt％的导电剂、1-2wt％的增稠剂以及碱性水溶液电解质。
4.根据权利要求3所述的一种氢锰换电式碱性半燃料电池，其特征在于，所述高价锰化合物为锰价态不低于四价的化合物，放电时，高价锰化合物将被还原为低价锰化合物，低价锰化合物为锰价态低于四价的化合物。
5.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：江瑜，何长义，朱丁，黄小辉，韩渝，张文谦，胡丹，夏庚培，张文龙，唐诗俊，赵瑞麒，何羽乔，
申请(专利权)人：成都市产品质量监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：
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