鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法
2023-07-28 01:29:36
專利名稱：鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池材料的製造方法，尤其涉及一種鎂空氣燃料電 池陽極材料的製造方法。
背景技術：
隨著環境汙染問題越來越受到重視，迫切需求新型無汙染或零排放 的能源。燃料電池技術提供了一種能提高能源利用率、減少廢氣排放的 發電方式，其自身的優越性決定了在國防建設和國家安全領域以及移動 通訊、微型動力源等民用方面的應用前景。
金屬燃料電池也稱金屬空氣電池，是用金屬燃料代替氫而形成的 種新概念的燃料電池，將鋅、鋁等金屬像燃料氫一樣提供到電池中的反 應位置，它們與氧一起構成一個連續的電能產生裝置，金屬燃料電池具 有低成本、無毒、無汙染、放電電壓平穩、高比能量和高比功率等優點， 又有豐富的資源，還能再生利用，而且比氫燃料電池結構簡單，是很有 發展和應用前景的新能源。
現在全球電池產業己經突破500億美元的規模，其中鎂電池的市場 份額為13億美元，並且每年至少以10%的速率增長。鎂空氣燃料電池 具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易於貯 運、可使用溫度範圍寬(-20—80。C)及汙染小等特點。作為一種高能化學 電源，可作為移動電子設備、自主式潛航器、海洋水下儀器等設備的電 源以及可以作為備用電源。
然而，現有技術的鎂空氣燃料電池所用材料是直接將液態鎂合金鑄 造或鑄軋成板而製成，利用這種方法製造的鎂合金燃料電池材料的雜質
含量高並且晶粒粗大，從而導致析氫反應嚴重，使陽極材料的自腐蝕速 率提高，由於自腐蝕速度高、陽極利用率低，尤其是陽極極化嚴重等原 因，使得其工作電位難以滿足鹽水激活電池用負極材料的工程技術要 求。另外，反應腐蝕產物附著在鎂合金陽極表面，阻止了電化學反應的 進行，電池性能降低，降低了陽極的電效率以及電池的使用壽命。
發明內容
本發明是為解決上述現有技術所存在的問題和不足而提出的。本發 明的目的旨在提供一種高質量的鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法， 特別是一種雜質含量低、晶粒細小、晶粒大小均勻的鎂合金犧牲陽極材 料的製造方法。
本發明提供一種鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法，包括如下歩
驟製備潔淨鎂；將潔淨鎂進行合金化處理；添加晶粒細化劑並通過控 製冷卻速率及結晶器結構將合金化的潔淨鎂製成晶粒細小的鎂合金棒 材；以及將所述鎂合金棒材擠壓成板材。
根據所述的製造方法，其中所述的製備潔淨鎂的歩驟包括還原料 球，其中所述料球含有氧化鎂、氧化鈣、矽鐵、螢石；過濾鎂蒸氣並去 除Si、 Al、 Mn、 Fe雜質；使鎂蒸氣凝固，以形成粗鎂；將所述粗鎂熔 化，並添加含有鋯和硼的精煉劑，以進一歩去除Si、 Al、 Mn、 Fe雜質； 以及將除去了雜質的鎂熔液澆鑄成鎂錠。
根據所述的製造方法，其中在所述製備潔淨鎂的歩驟中使用具有多 孔板的結晶過濾器。
根據所述的製造方法，其中通過半連續鑄造方法將合金化的潔淨鎂 製成晶粒細小的鎂合金棒材。
根據所述的製造方法，其中通過控制冷卻水的壓力和溫度來控制冷 卻速率。
利用本發明提供的方法製造的鎂空氣燃料電池陽極材料的晶粒細 小、均勻且化學成分穩定，由於小晶粒的材料可以增大析氫反應的過電 位，因此大大降低了陽極材料的自腐蝕速率，提高了產品的使用壽命。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例進行詳細描述。 首先對潔淨鎂的製備過程進行描述。
將白雲石進行煅燒，然後將經過煅燒的白雲石與還原劑矽鐵、添加 劑螢石粉混合，將三者磨成粉，壓球。把壓好的球放置到還原罐中，按
順序，接著放置結晶過濾器，然後放置結晶器。利用外熱法加熱到1200 。C左右，在高溫下，矽可以把Mg從MgO中還原出來，連同其它的雜 質例如Mn、Si、Fe、 Ni、 Cu、 Al、 Zn。此時這些雜質大部分以蒸氣 的方式存在，按照傳統的工藝(不加結晶過濾器)，這些雜質蒸氣與鎂 蒸氣同時到達結晶器中，在結晶器中凝結，形成粗鎂。這種粗鎂的雜質 含量很高。然而加上結晶過濾器後，結晶過濾器由雙層和多層的帶孔的 金屬板或其它材料的板組成，這樣與不加結晶過濾器的相比，形成了一 個溫度梯度，當含有金屬雜質蒸氣的鎂蒸氣通過雙層板之間的溫度區間 時，可以使金屬雜質蒸氣凝固在結晶過濾器中，而使鎂蒸氣通過。通過 結晶過濾器的鎂蒸氣在結晶器中凝固，形成粗鎂，這樣就製得了雜質含 量很低的粗鎂。
之後，把所製得的粗鎂放置到熔化爐中，加熱到70(TC，添加普通 的鎂合金精煉劑(這種精煉劑主要作用是在熔化過程中防止鎂液的燃燒 和去除金屬鎂的氧化物。用普通的精煉劑精煉完成後，升溫至74(TC，
再加入含有硼和鋯的精煉劑，進行攪拌，以去除A1， Si， Mn， Fe等雜 質，從而製得潔淨鎂，所述結晶鎂的雜質總含量不高於0.02%，特別是 Mn含量不超過25ppm。
接下來，將潔淨鎂熔化，按照AZ31鎂合金的標準添加合金元素， 然後添加晶粒細化劑(例如，六氯乙烷)。之後，以低壓轉注的方式進 行移液，靜置保溫l小時。然後，使用半連續鑄造方法澆鑄成板(棒) 材。在使用半連續製造方法進行澆鑄的過程中，通過分流器來控制晶粒 的均勻度，通過調節冷卻水的流速和壓力以及結晶器結構(例如，在結 晶器中焊接多個導流板)來控制鎂合金熔液的冷卻速率，從而控制鎂合 金棒材的晶粒大小。通過提高冷卻水的流速和壓力，能夠提高鎂合金熔 液的冷卻速率，從而使製得的鎂合金棒材的晶粒尺寸較小。通過增加結 晶器中導流板的數量，能夠使鎂合金熔液更均勻地冷卻，從而使製得的 鎂合金棒材的晶粒均勻且晶粒尺寸較小。例如，在本發明屮通過半連續 鑄造的方法生產出來的鎂合金的特點是晶粒細小，其晶粒尺寸在ioo拜 左右，而常規的鑄造方法生產出來的鎂合金的晶粒尺寸在100(Vm以匕 甚至更大。
最後，例如利用1350噸的擠壓機，在溫度為300 - 40(TC、擠壓速 率為3- 4m/min的條件下將上述鎂合金棒材擠壓成厚度為6.35mm板材。 然後將鎂合金板材切割成尺寸為95.00mm X 92.50mm X 6.35mm的鎂
空氣燃料電池材料。
通過本發明的方法製得的鎂空氣燃料電池陽極材料由於雜質含量 低，所以能夠降低陽極材料的自腐蝕速率。例如，本發明方法製得的鎂 空氣燃料電池陽極材料的晶粒均勻且晶粒尺寸小，所以能夠增大析氫反 應的過電位，從而進一步降低了陽極材料的自腐蝕速率，提高了材料的
使用壽命。此外，通過本發明的方法製得的鎂空氣燃料電池陽極材料的
當晶粒尺寸從1000pm降到100|am時，腐蝕速率可以從15mg/cm2/day 降低到5mg/cm2/day。
權利要求
1.一種鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法，包括如下步驟製備潔淨鎂；將潔淨鎂進行合金化處理；添加晶粒細化劑並通過控制冷卻速率及結晶器的結構將合金化的潔淨鎂製成晶粒細小的鎂合金棒材；以及將所述鎂合金棒材擠壓成板材。
2、 如權利要求1所述的製造方法，其中所述製備潔淨鎂的步驟包括還原料球，其中所述料球含有氧化鎂、氧化鈣、矽鐵、螢石； 過濾鎂蒸氣並去除Si、 Al、 Mn、 Fe雜質； 使鎂蒸氣凝固，以形成粗鎂；將所述粗鎂熔化，並添加含有鋯和硼的精煉劑，以進--歩去除Si、 Al、 Mn、 Fe雜質；以及將除去了雜質的鎂熔液澆鑄成鎂錠。
3、 如權利要求1或2所述的製造方法，其中在所述製備潔淨鎂的 步驟中使用具有多孔的板的結晶過濾器。
4、 如權利要求1所述的製造方法，其中在所述製備鎂合金棒材的 步驟中通過半連續鑄造方法將合金化的潔淨鎂製成晶粒細小的鎂合金 棒材。
5、 如權利要求1所述的製造方法，其中在所述製備鎂合金棒材的 步驟中通過控制冷卻水的壓力和溫度來控制冷卻速率。
全文摘要
本發明公開了一種鎂空氣燃料電池陽極材料的製造方法，其步驟包括製備潔淨鎂；將潔淨鎂進行合金化處理；添加晶粒細化劑並通過控制冷卻速率及結晶器的結構將合金化的潔淨鎂製成晶粒細小的鎂合金棒材；以及將所述鎂合金棒材擠壓成板材。利用本發明提供的方法製造的鎂空氣燃料電池陽極材料的晶粒細小、均勻且化學成分穩定，由於小晶粒的陽極材料可以增大析氫反應的過電位，因此大大降低了陽極材料的自腐蝕速率，提高了產品的使用壽命。
文檔編號C22C23/00GK101368241SQ20071014364
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月16日 優先權日2007年8月16日
發明者張志新, 河 徐, 房中學, 王業雙, 趙言輝, 黃銀善 申請人:維恩克(鶴壁)鎂基材料有限公司