CN105489973A - 一种高性能金属空气燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能金属空气燃料电池系统，该电池系统包括：具有开放式阳极室结构的电池堆、金属燃料自动添加系统、能够实现电解液低压循环流动的电解液循环系统、供气系统和控制单元，其中，电池堆的开放式阳极室结构和金属燃料自动添加系统提高了电池堆内各个电池单体的金属燃料添加的均匀性；电解液低压循环流动的方式，降低了空气电极两侧压差，优化了空气电极孔隙内的气液分布，大幅提升了金属空气燃料电池的发电功率密度。本发明实施例的电池系统能够有效提升电池的性能，延长电池的使用寿命。

Description

一种高性能金属空气燃料电池系统
技术领域
本发明涉及金属燃料电池技术领域，特别涉及一种高性能金属空气燃料电池系统。
背景技术
金属空气燃料电池技术是一种将金属的化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有能量转换效率高、成本低、燃料存储携带方便、安全无污染等优点，可用于车用动力、移动电源、通信基站备用电源等领域。
具体地，金属空气燃料的工作原理为，金属在阳极室内的电解液中发生电化学氧化反应生成金属氧化物；空气中的氧气在空气电极的催化层发生电化学还原反应生成氢氧根离子，电极反应如下(金属M可以是Li、Mg、Al、Zn等元素)：
阳极反应：2M+2nOH–→M2On+nH2O+2ne–
阴极反应：O2+2H2O+4e–→4OH–
总反应：4M+nO2→2M2On
金属空气燃料电池分为阳极更换式和连续加料式两种。阳极更换式金属空气燃料电池在阳极金属消耗完后需要人工更换新的阳极，操作性较差，不适合大型电池堆。连续加料式金属空气燃料电池与氢燃料电池在工作形式上十分类似，其相当于一种发电装置，金属作为燃料，可连续添加至电池堆中，同时将电池内部的反应产物排出，可维持电池堆的持续发电。电池堆的催化剂可以使用MnO2(二氧化锰)等非贵金属氧化物，且金属燃料的密度大，存储携带安全方便，因此，连续加料式金属空气燃料电池比氢燃料电池更具优势。然而，连续加料式金属空气燃料电池在功率密度、电解液消耗及耐久性等方面存在的问题，限制了其市场化发展。
大多数连续加料式金属空气燃料电池使用电解液运输金属燃料，即将金属燃料置于电解液箱中，电解液泵驱动电解液的同时将金属燃料带进电池阳极室。这种加料及电解液循环方式存在一定问题：第一，向电池堆加料时，各个电池单体的金属燃料供给量难以保持一致，可能存在燃料添加不足的现象，而且电解液供给量不一致，部分电池单体中可能因电解液流量过低而无法有效的将所有反应产物排出，造成反应产物积累使电池逐步失效；第二，为驱动金属燃料，电解液的流动压力很高，空气电极处于高压的电解液中容易出现水淹现象，电解液进入空气电极内疏水性的气体传输孔隙，造成氧气传输阻力增大，导致电池性能很低；第三，电池工作时，产生的氢气容易在阳极室内边缘区域积聚，使得电池的有效反应面积减小而使性能降低。
上述这些问题造成了金属空气燃料电池性能下降，因此，当前金属空气燃料电池的性能较差、使用寿命较短，难以满足商业需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
有鉴于此，本发明提出了一种高性能金属空气燃料电池系统，该电池系统功率密度高、使用寿命长。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种高性能金属空气燃料电池系统，包括：具有开放式阳极室结构的电池堆；金属燃料自动添加系统，用于将金属燃料添加到所述电池堆的阳极室中；电解液循环系统，用于驱动电解液循环流动，其中，所述电解液循环系统中的电解液处于低压循环流动状态；供气系统，用于向所述电池堆供给空气或氧气；控制单元，用于调控电池系统各子系统的运行。
本发明实施例的高性能金属空气燃料电池系统，具有开放式阳极室结构，金属燃料可实现自动添加，且电解液进行低压循环流动。本发明实施例的电池系统能够有效提升电池的性能，延长电池的使用寿命。
另外，本发明上述实施例的高性能金属空气燃料电池系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个的实施例，所述电池堆至少包括两个电池单体，每个所述电池单体的阳极室上方直接与外界大气相通，或者通过在所述阳极室上方设置一个料斗与所述外界大气相通。
根据本发明的一个实施例，所述金属燃料自动添加系统包括燃料箱、电动燃料添加机构、燃料监控装置，其中，所述燃料监控装置设置在所述阳极室上或所述阳极室上方的料斗上，且浸没在电解液中，所述燃料监控装置用于检测所述阳极室内金属燃料堆积床高度，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于所述第一预设位置时，金属燃料不足，所述控制单元控制所述电动燃料添加机构将所述燃料箱中的金属燃料添加至所述阳极室或阳极室上方的料斗中，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度高于或等于所述第二预设位置时，金属燃料充足，停止添加所述金属燃料，其中，所述金属燃料的形式为颗粒、粉末和金属屑中的一种或多种，所述金属燃料在所述阳极室内形成所述堆积床。
根据本发明的一个实施例，所述电解液循环系统包括电解液箱、电解液驱动泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一管路和第二管路，其中，所述电解液驱动泵用于将所述电解液箱中的电解液泵入所述电池堆内的电解液主流道，以使所述电解液经电解液分配流道进入各所述电池单体的阳极室，所述电解液在所述阳极室内的流动采用底部供液→顶部溢流的流动方式，或者顶部供液→底部流出和/或顶部溢流的流动方式。
根据本发明的一个实施例，所述供气系统包括风机、第三电磁阀和第四电磁阀，其中，所述风机驱动空气或氧气进入所述电池堆内的气体流道。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图；
图2为根据本发明另一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的电池堆的结构示意图；
图4为根据本发明另一个实施例的电池堆的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的电池堆的燃料监控方式示意图。
具体实施方式
下面参考附图描述根据本发明实施例的高性能金属空气燃料电池系统，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例提出了一种高性能金属空气燃料电池系统。
图1为根据本发明一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图。如图1所示，该高性能金属空气燃料电池系统包括：电池堆10、金属燃料自动添加系统20、电解液循环系统30、供气系统40和控制单元50。
具体地，电池堆10具有开放式阳极室结构。如图1所示，电池堆10上设计有金属燃料添加口11、气体入口12和气体出口13、电解液入口14和电解液出口15。
其中，金属燃料添加口11用于金属燃料添加，气体入口12和气体出口13用于空气或氧气供给，电解液入口14和电解液出口15用于电解液循环。
在本发明的一个实施例中，电池堆10中设置有电解液主流道和气体流道。具体地，在电池堆10极板上可以设置有电解液主流道，包括电解液流入主流道(即图1中电解液入口14处向上的箭头)、电解液流出主流道(即图1中电解液出口15处向下的箭头)、电解液溢流主流道。在电池堆10气体侧设有气体流道，其中，气体流道包括气体流入主流道(即图1中气体入口12处向左的箭头)和气体流出主流道(即图1中气体出口13处向右的箭头)。
金属燃料自动添加系统20用于将金属燃料添加到电池堆10的阳极室中。
具体地，金属燃料自动添加系统20包括燃料箱21、电动燃料添加机构22及由第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24(图1中未示出)构成的燃料监控装置。具体而言，控制单元50控制电动燃料添加机构22将储存在燃料箱21中的金属燃料添加至电池堆10上的金属燃料添加口11，金属燃料在重力作用下进入电池堆10内部的电化学反应区16中处于阳极室的部分。
其中，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24均设置在电池堆10中，金属燃料的形式可以为颗粒、粉末和金属屑中的一种或多种，当金属燃料在重力的作用下添加到阳极室内时，会逐渐堆积，形成堆积床。
在本发明的一个实施例中，当阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于第一预设位置时，控制单元50会控制电动燃料添加机构22将燃料箱21中的金属燃料添加至阳极室或阳极室上方的料斗中，以使堆积床高度达到第二预设位置。其中，第一预设位置可以是第一燃料监控探头23所处位置，第二预设位置可以是第二燃料监控探头24所处位置。
电解液循环系统30用于驱动电解液循环流动。
在本发明的一个实施例中，电解液循环系统30包括电解液箱31、电解液驱动泵32、第一管路33、第一电磁阀34、第二管路35和第二电磁阀36。其中，电解液循环系统30的电解液循环方式为电解液箱31中的电解液经电解液驱动泵32驱动，流经第一电磁阀34和第一管路33，从电池堆10上的电解液入口14供入电池堆10，并进入电化学反应区16的底部，然后从电化学反应区16顶部的电解液出口15流出，再经第二管路35和第二电磁阀36流回电解液箱31。
可以理解的是，当电解液流经阳极室时，在阳极室顶部电解液压力为大气压，阳极室中的电解液压力接近大气压，从而使得整个电池堆10内部电解液处于低压流动状态，降低了空气电极两侧的压差，进而优化了空气电极孔隙内的气液分布。
在本发明的一个实施例中，电解液循环系统30还可以包括散热器38(图中未示出)，散热器38置于第二管路35上。可以理解的是，电解液在流经电池堆10时，吸收反应热而使温度升高，为避免电解液温度过高，可以在电解液流经的第二管路35上安装一个散热器38。
供气系统40包括风机41、第三电磁阀42和第四电磁阀43，用于向电池堆10供给空气或氧气。
其中，风机41供给的空气或氧气经第三电磁阀42和电池堆10上的气体入口12供给进入电池堆10，再经气体出口13和第四电磁阀43排出。
需要说明的是，空气主要包括氧气、氮气和少量CO2，氮气在电池堆10中不发生电化学反应，少量CO2会与电解液反应生成碳酸盐，而氧气则在电池堆10中与金属燃料、电解液发生电化学反应产生电能。
控制单元50通过信号线(即图1所示的连接控制单元50的虚线)来控制电动燃料添加机构22、电解液驱动泵32、第一电磁阀34、第二电磁阀36、风机41、第三电磁阀42和第四电磁阀43等部件的运行。
图2为本发明另一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图。如图2所示，本实施例的电池系统的电池堆10、金属燃料自动添加系统20、供气系统40和控制单元50与图1所示的实施例的电池系统类似，其区别在于电解液在电池堆10中的流动方式。本实施例的电池系统的电解液循环方式为电解液由电解液箱31经电解液驱动泵32、第一电磁阀34和第一管路33从电解液入口14流入电化学反应区16的顶部，流经电化学反应区16后进入底部的电解液出口15、第二管路35和第二电磁阀36流回电解液箱31，电化学反应区16中多余的电解液经电解液溢流口17、第三管路37和第二电磁阀36流回电解液箱31。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，电解液在阳极室内的流动可以采用底部供液→顶部溢流的流动方式；如图2所示，电解液在阳极室内的流动也可以采用顶部供液→底部流出和/或顶部溢流的流动方式。
图3为本发明一个实施例的电池堆10的结构示意图。如图3所示，该电池堆10至少包括两个电池单体80，多个电池单体80串联连接。电池单体80包括两片空气电极81、隔膜82、网状阳极集流框83、金属燃料84、电流引线85和电池框体86。
其中，图3所示的电池堆10的电解液循环方式采用图1所示的实施例的电池系统中的电解液流动方式，即电解液由电解液箱31经电解液驱动泵32和第一管路33流入电池堆10中各电池单体80的阳极室底部，流经阳极室后进入阳极室顶部经第二管路35流回电解液箱31。
在本发明的实施例中，风机41驱动空气或氧气进入电池堆10内的气体流道，进而通过空气电极81气体扩散层进入空气电极81催化层参与电化学反应。
需要说明的是，图3所示的电池堆10也可以采用图2中所示的电解液流动方式，即电解液由电解液箱31经电解液驱动泵32、第一管路33流入电池堆10中各电池单体80的阳极室的顶部，流经阳极室后进入阳极室底部经第二管路35流回电解液箱31，阳极室中多余的电解液经电解液溢流口17和第三管路37流回电解液箱31。
在本发明的一个实施例中，多个电池单体80也可以并联连接。
图4为本发明另一个实施例的电池堆10的结构示意图。如图4所示，该电池堆10至少包括两个电池单体80，多个电池单体80可采用双极板结构的串联形式。该电池堆10由多孔网91、单正极板92、空气电极81、隔膜82、金属燃料84、双极板93、正极集电板94、单负极板95和负极集电板96组成。
如图4所示，双极板93的左侧为左侧电池单体80的负极，右侧与空气电极81连接作为右侧电池单体80的正极，从而实现两个电池单体80的串联。可以理解，通过调整双极板93及相关组成部件的数量可以调整电池堆的电池单体数量，从而能够获得不同功率大小的电池堆10。
其中，图4所示的电池堆10的电解液循环方式可采用图1所示电池系统中的电解液流动方式，即电解液由电解液箱31经电解液驱动泵32和第一管路33流入电池堆10阳极室底部，流经阳极室后进入阳极室顶部经第二管路35流回电解液箱31。
在本发明的实施例中，风机41驱动空气或氧气进入电池堆10内的气体流道，进而通过空气电极81气体扩散层进入空气电极81催化层参与电化学反应。
需要说明的是，图4所示的电池堆10也可以采用图2所示电池系统中的电解液流动方式，即电解液由电解液箱31经电解液驱动泵32、和第一管路33流入电池堆10中各电池单体80的阳极室的顶部，流经阳极室后进入阳极室底部经第二管路35流回电解液箱31，阳极室中多余的电解液经电解液溢流口17和第三管路37流回电解液箱31。
图3和图4所示的两种电池堆10结构中，各电池单体80的阳极室可以是顶部敞开直接与外界大气相通，也可以在阳极室上方根据需求设置具有一定容积的料斗，料斗的顶部可以采用敞开方式，与外界大气相通，且该料斗可储备一定量的金属燃料。可以理解的是，该与外界大气相通的敞开口即为图1和图2中所示的电池堆10上的金属燃料添加口11。
图5为本发明一个实施例的电池堆的燃料监控方式示意图。如图5所示，在双极板93(图5左侧)或料斗97(图5右侧)上安装燃料监控装置，即第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻与其间金属燃料84堆积床相关。
在本发明的一个实施例中，当燃料监控装置检测到阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于第一预设位置时，金属燃料不足，控制单元50控制电动燃料添加机构22向阳极室或阳极室上方的料斗中添加金属燃料，当燃料监控装置检测到阳极室内金属燃料堆积床高度高于或等于第二预设位置时，金属燃料充足，停止添加所述金属燃料。
具体地，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24浸没在电解液中，当第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间填充满金属燃料，即阳极室内金属燃料堆积床高度高于或等于第二预设位置，金属燃料充足时，两个燃料监控探头之间的电阻为第一点阻值R1，当第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间没有金属燃料，即阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于第一预设位置，金属燃料不足时，两个燃料监控探头之间的电阻为第二电阻值R2；当第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻与R2的差值的绝对值小于设定值时，控制单元50控制电动燃料添加机构22向阳极室或阳极室上方的料斗中添加金属燃料，当第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻与R1的差值的绝对值小于设定值时，停止添加金属燃料。可以理解，设定值可近似为零。
更具体地，在电池堆10的工作过程中，阳极室内的金属燃料84不断被消耗，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻随着金属燃料84堆积床高度的降低而增大，当金属燃料84的堆积床高度下降到第一燃料监控探头23以下时，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻增至最大，此时控制单元50给电动燃料添加机构22(见图1或图2)发出指令，开始为电池堆10添加金属燃料84。随着金属燃料84的添加，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻随着金属燃料84堆积床高度的增加而减小，当金属燃料84堆积床高度达到第二燃料监控探头24所在位置的高度时，第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24之间的电阻达到最小，此时控制单元50给电动燃料添加机构22发出指令，停止燃料添加。
需要说明的是，当在双极板93上安装第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24时，采用图4所示实施例的电池堆；当在料斗97上安装第一燃料监控探头23和第二燃料监控探头24时，既可采用图3所示实施例的电池堆，也可采用图4所示实施例的电池堆。
本发明实施例的高性能金属空气燃料电池系统，具有开放式阳极室结构的电池堆，金属燃料自动添加补给，且电解液低压循环流动。本发明实施例的电池系统能够有效提升电池的性能，延长电池的使用寿命。
在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，包括：
具有开放式阳极室结构的电池堆；
金属燃料自动添加系统，用于将金属燃料添加到所述电池堆的阳极室中；
电解液循环系统，用于驱动电解液循环流动，其中，所述电解液循环系统中的电解液处于低压循环流动状态；
供气系统，用于向所述电池堆供给空气或氧气；
控制单元，用于调控电池系统各子系统的运行。
2.根据权利要求1所述的高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆至少包括两个电池单体，每个所述电池单体的阳极室上方直接与外界大气相通，或者通过在所述阳极室上方设置一个料斗与所述外界大气相通。
3.根据权利要求1或2所述的高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属燃料自动添加系统包括燃料箱、电动燃料添加机构、燃料监控装置，其中，
所述燃料监控装置设置在所述阳极室上或所述阳极室上方的料斗上，且浸没在所述电解液中，所述燃料监控装置用于检测所述阳极室内金属燃料堆积床高度，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于第一预设位置时，金属燃料不足，所述控制单元控制所述电动燃料添加机构将所述燃料箱中的金属燃料添加至所述阳极室或阳极室上方的料斗中，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度高于或等于第二预设位置时，金属燃料充足，停止添加所述金属燃料，其中，所述金属燃料的形式为颗粒、粉末和金属屑中的一种或多种，所述金属燃料在所述阳极室内形成所述堆积床。
4.根据权利要求1或2所述的高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述电解液循环系统包括电解液箱、电解液驱动泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一管路和第二管路，其中，
所述电解液驱动泵用于将所述电解液箱中的电解液泵入所述电池堆内的电解液主流道，以使所述电解液经电解液分配流道进入每个所述电池单体的阳极室，所述电解液在所述阳极室内的流动采用底部供液→顶部溢流的流动方式，或者顶部供液→底部流出和/或顶部溢流的流动方式。
5.根据权利要求1或2所述的高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述供气系统包括风机、第三电磁阀和第四电磁阀，其中，所述风机驱动空气或氧气进入所述电池堆内的气体流道。
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