CN106025447B - 金属空气电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属空气电池系统，包括电池单体以及第一压力控制阀门；所述电池单体包括具有容置空间的外壳、电解液、金属电极以及空气电极，所述外壳容置空间内安装设置所述金属电极与电解液，所述外壳外壁上设置所述空气电极；所述外壳底部连接设置所述第一压力控制阀门。本发明中提供的金属空气电池系统，降低电池内阻，并可清除金属化合物沉淀。

Description

金属空气电池系统

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种金属空气电池系统。

背景技术

金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。金属空气电池以活泼金属作为阳极，具有安全、环保、能量密度高等诸多优点；具有良好的发展和应用前景，甚至被寄予厚望替代锂离子动力电池。制作金属空气电池可选用的原材料比较丰富，目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等，基本停留在实验室阶段。虽然金属电池拥有诸多优点，但是存在许多缺点。

目前，金属空气电池存在以下缺点：一、单个金属空气电池的电压1.6V，串联后仅有1.0V，这是因为其内部电解液的联通，无形增大了内阻，增加了电能的损耗。二、产生的金属化合物沉淀没法清除，导致电池极化，内阻增加，最终导致电池提前失效。三、产生的氢气没有收集处理；氢气是一种可燃易爆的气体必须加以管理控制。四、随着电池的持续放电，电解液的有效成分降低，导致电池提前失效。五、空气中氧气含量仅为28％，制约了金属空气电池的放电性能。六、空气中含有二氧化碳对空气电池正电极有破坏作用。七、氢气没有加以利用，造成资源浪费。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种金属空气电池系统，降低电池内阻，并可清除金属化合物沉淀。

本发明提出一种金属空气电池系统，包括电池单体以及第一压力控制阀门；所述电池单体包括具有容置空间的外壳、电解液、金属电极以及空气电极，所述外壳容置空间内安装设置所述金属电极与电解液，所述外壳外壁上设置所述空气电极；所述外壳底部连接设置所述第一压力控制阀门。

进一步地，所述外壳底部设置为斜坡形状，所述斜坡设置为面向所述电池单体内部。

进一步地，所述系统还包括沉淀收集装置；所述沉淀收集装置包括沉淀收集箱、第二压力控制阀门、第一导流板、固液分离室、第一管道、第二管道以及分离固体和液体的固液分离器；

所述固液分离室底部侧面设置第一开口并通过第一管道连接所述第一压力控制阀门；所述固液分离室底部设置第二开口，并在所述第二开口处设置第二管道连接所述沉淀收集箱；所述第二管道上设置有所述第二压力控制阀门；

所述固液分离室内部高于第一开口的内壁上固定所述第一导流板的一端，所述第一导流板的另一端向下倾斜设置；

所述固液分离器横穿设置于所述固液分离室内截面并高于所述第一导流板。

进一步地，所述系统还包括循环装置，所述循环装置包括第一泵、第一单向阀、换热器以及第三管道；

所述固液分离室侧壁上设置第三开口且所述第三开口位置高于所述固液分离器，所述第三开口处设置第三管道连接所述电池单体上部并与其上部相通，所述第三管道上设置第一泵、第一单向阀以及换热器。

进一步地，所述系统还包括加料装置，所述加料装置包括控制器、物料储存室、第一流量调节阀、第四管道以及感应器；

所述物料储存室包括至少两个储存物料的储物格，所述储物格底部分别设置有开关阀门，所述开关阀门受控于所述控制器，所述控制器电连接所述感应器，所述感应器设置于所述第三管道上与第三管道内部相通，或者设置于所述固液分离室侧壁上与固液分离室内部相通；

所述物料储存室底部还设置一个与储物格开关阀门连通的物料出口，并通过第四管道连通所述固液分离室；

所述第一流量调节阀设置于所述第四管道上，且连接受控于所述控制器。

进一步地，所述系统还包括气体回收装置，所述气体回收装置包括防漏液透气膜、净化室、加湿室、质子交换膜燃料电池、第二流量调节阀、第五管道、第六管道以及第七管道；

所述净化室通过第五管道与所述电池单体顶部连通，所述第五管道管道内设置所述防漏液透气膜；所述净化室底部连通所述加湿室，所述加湿室通过第六管道连接所述质子交换膜燃料电池，并在所述第六管道上设置所述第二流量调节阀；所述质子交换膜燃料电池通过第七管道连接至所述第一压力控制阀门；所述第七管道上设置所述第二单向阀。

进一步地，所述系统还包括空气优化装置，所述空气优化装置包括优化室、过滤网、空气优化膜、第二泵以及空气管道；

所述优化室为底部开口的空腔体，所述优化室底部开口设置所述过滤网，所述优化室内部位于过滤网上部设置所述空气优化膜；所述优化室顶部设置管道开口并通过空气管道连接至所述电池单体的空气电极；所述空气管道上设置有所述第二泵。

进一步地，所述电池单体为多个，所述电池单体通过单向阀依次串联连接，每个电池单体底部均连接设置所述第一压力控制阀门。

进一步地，所述系统还包括收集槽以及多个第二导流板；

所述收集槽上端设置多个开口并分别通过第一压力控制阀门对应连接所述电池单体；所述收集槽内横向设置多个第二导流板形成多条倒流道；

所述收集槽底部设置开口通过第一管道连接至所述第一开口。

进一步地，所述系统还包括清洗装置，所述清洗装置包括清洁剂储存罐、清洗管道、第三泵以及电磁波发射器；所述电磁波发射器设置于所述电池单体内壁顶部；

所述清洁剂储存罐通过清洗管道连接至所述电池单体顶部并与其内部连通，所述清洗管道上设置所述第三泵。

本发明中提供的金属空气电池系统，具有以下有益效果：

本发明中提供的金属空气电池系统，电池单体底部分别安装第一压力控制阀门，让电解液不能自由联通，减小电池组的内阻；压力达到设定值才会打开阀门，将金属化合物沉淀和电解液排出，进一步降低内阻；经过固液分离室处理，沉淀转移到沉淀收集箱，电解液经过第一泵重新注入到电池单体内；在将电池单体串联时，使用了单向阀，让电解液不能自由联通，减小电池组的内阻，提高电池的电压；电池副反应产生的氢气经过净化室、加湿室处理，得到管理控制，进入质子交换膜燃料电池发电，产物为水，水可以排放到固液分离室，进行循环利用；加料装置保证电解液成分稳定，从而保证电池正常放电；空气优化装置可以除去灰尘以及气体杂质，提高氧气的含量，提升电池的放电效率；电池单体底部设置为斜坡形状，有利于金属化合物沉淀排放和收集。

附图说明

图1是本发明实施例中金属空气电池系统结构示意图；

图2是本发明实施例中电池单体串联结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，为本发明实施例中金属空气电池系统结构示意图。

本发明实施例中提出一种金属空气电池系统，包括电池单体1以及第一压力控制阀门13；上述电池单体1包括具有容置空间的外壳10、电解液、金属电极12以及空气电极11，上述外壳10容置空间内安装设置上述金属电极12与电解液，上述外壳10外壁上设置上述空气电极11；上述外壳10底部连接设置上述第一压力控制阀门13。

在本实施例中，上述空气电极11指有气体参与电极反应的电极，其作为金属空气电池的正极；金属电极12以金属作为负极电极，该金属可以为铝、镁、锌、锂等金属。通过在电池单体1的外壳10底部设置第一压力控制阀门13，让电解液不会自由联通，减小电池组的内阻；压力达到设定值才会打开阀门，将金属化合物沉淀和电解液排出，进一步降低内阻，以提升电池电压。

进一步地，在金属空气电池系统中，上述电池单体1可以设置为多个，上述电池单体1通过单向阀依次串联连接，每个电池单体1底部均连接设置上述第一压力控制阀门13。(参照图2)

电池单体1之间通过单向阀串联连接，使得电解液只能单向流动，不能自由连通，进一步降低多个电池单体1串联时的内阻，从而提高电池单体1串联时的电压。

进一步地，上述外壳10底部设置为斜坡形状，上述斜坡设置为面向上述电池单体1内部。

电池单体1底部设置为斜坡形状，有利于金属化合物沉淀排放和收集。

进一步地，上述系统还包括沉淀收集装置2；上述沉淀收集装置2包括沉淀收集箱27、第二压力控制阀门25、第一导流板22、固液分离室20、第一管道21、第二管道26以及分离固体和液体的固液分离器24；

上述固液分离室20底部侧面设置第一开口23并通过第一管道21连接上述第一压力控制阀门13；上述固液分离室20底部设置第二开口，并在上述第二开口处设置第二管道26连接上述沉淀收集箱27；上述第二管道26上设置有上述第二压力控制阀门25；第二压力控制阀门25在受到一定压力时打开开关，将金属化合物的沉淀排入至沉淀收集箱27。

上述第一压力控制阀门13以及第二压力控制阀门25包括但不限于溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器、气动方向控制阀。

上述固液分离室20内部高于第一开口23的内壁上固定上述第一导流板22的一端，上述第一导流板22的另一端向下倾斜设置。该第一导流板22可以设置为多块，且间隔交错设置在固液分离室20内壁上，在本实施例中，第一导流板22设置为两块，且两块第一导流板22之间留有间隙可以使电解液通过。

上述固液分离器24横穿设置于上述固液分离室20内截面并高于上述第一导流板22。在本实施例中，上述固液分离器24包括但不限于筛网、滤布、滤纸、分子筛、半透膜、疏水膜、亲水膜中的一种或多种。

电解液由第一开口23进入固液分离室20时，由于第一导流板22向下倾斜设置，使得电解液在第一导流板22的引导下，沉淀物更加容易往下沉淀，而电解液液体容易往上流动，在第一导流板22上端还设置固液分离器24，只允许电解液通过，而阻挡沉淀物通行，进一步地去除金属化合物的沉淀物。

进一步地，当多个电池单体1串联时，上述系统还可以包括收集槽28以及多个第二导流板29；(参照图2)

上述收集槽28为一箱体，其上端设置多个开口并分别通过第一压力控制阀门13一一对应连接上述电池单体1；上述收集槽28内横向设置多个第二导流板29形成多条倒流道；上述第二导流板29至少为两个。在本实施例中，第二导流板29设置为两个，将两个第二导流板29交错设置在收集槽28内侧侧壁上，并组成一个S型导流道。进一步地，上述第二导流板29可以设置为向下倾斜一定的角度。第二导流板29的使用方便对电解液进行导流。

上述收集槽28底部设置开口通过第一管道21连接至上述第一开口23，多个电池单体1中的电解液以及金属化合物的沉淀物在收集槽28中汇集并导流至固液分离室20，进行电解液以及沉淀物的分离。可以理解的是，在仅使用单体电池1时，也可以使用上述收集槽28以及第二导流板29对电解液、金属化合物的沉淀物进行导流收集。

进一步地，上述系统还包括循环装置3，上述循环装置3包括第一泵31、第一单向阀32、换热器33以及第三管道30。

上述固液分离室20侧壁上设置第三开口且上述第三开口位置高于上述固液分离器24，上述第三开口处设置第三管道30连接上述电池单体1顶部并与其顶部相通，上述第三管道30上设置第一泵31、第一单向阀32以及换热器33。

上述第一单向阀32可以为弹簧式、旋启式、电磁式、重力式、塑料阀门式。

进一步地，上述系统还包括加料装置4，上述加料装置4包括控制器42、物料储存室43、第一流量调节阀44、第四管道45以及感应器41；

上述物料储存室43包括至少两个储存物料的储物格，上述储物格底部分别设置有开关阀门，上述开关阀门受控于上述控制器42，上述控制器42电连接上述感应器41，上述感应器41设置于上述第三管道30上与第三管道30内部相通，或者设置于上述固液分离室20侧壁上与固液分离室20内部相通。

上述物料储存室43底部还设置一个与储物格开关阀门连通的物料出口，并通过第四管道45连通上述固液分离室20；该第四管道45可以连通至固液分离室20中的固液分离器24的上部，也可连通至固液分离器24与第一导流板22之间。

上述第一流量调节阀44设置于上述第四管道45上，且连接受控于上述控制器42。

上述感应器41包括变色硅胶、变色试纸、氧含量测定仪、酸度计、电位测定仪、密度计中的一种或多种。该感应器41主要用于测量固液分离室20或者第三管道30内电解液的pH值。

上述物料储存室43中设置多个储物格，储物格中对应存储溶剂与溶质，该溶剂包括有机溶剂或无机溶剂或他们的组合；该溶质包括葡萄糖、柠檬酸盐、锡酸盐、卤化盐、氢氧化物、碳酸氢盐、表面活性剂、分散剂中的一种或多种组合而成。

感应器41测量测量固液分离室20或者第三管道30内电解液的pH值，根据测量的pH值与电池工作pH值进行对比，并发送电信号至控制器42；当电解液的pH值偏高时，则控制器42控制物料储存室43对应的储物格加入溶剂，并经第四管道45流入固液分离室中；当电解液的pH值偏低时，则控制器42控制物料储存室43对应的储物格加入溶质，并经第四管道45加入至固液分离室20中；当电解液pH稳定，则不添加物料。为了便于调控，在上述第四管道45上设置第一流量调节阀44用于调节流量。

进一步地，上述系统还包括气体回收装置6，上述气体回收装置6包括防漏液透气膜68、净化室61、加湿室62、质子交换膜燃料电池69、第二流量调节阀64、第五管道67、第六管道63以及第七管道66；

上述净化室61通过第五管道67与上述电池单体1顶部连通，上述第五管道67管道内设置上述防漏液透气膜68防止电解液进入第五管道；上述净化室61底部连通上述加湿室62，上述加湿室62通过第六管道63连接上述质子交换膜燃料电池64，并在上述第六管道63上设置上述第二流量调节阀69用于调节流量；上述质子交换膜燃料电池64通过第七管道66连接至上述第一压力控制阀门13；上述第七管道66上设置上述第二单向阀65；该第二单向阀65包括弹簧式、旋启式、电磁式、重力式、塑料阀门式，第二单向阀65防止电解液倒灌至质子交换膜燃料电池64。

上述净化室61中的净化物质包括活性炭、水、酸性溶液、糖类物质、分子筛、半透膜、滤布、筛网中的一种或多种。净化室61主要用于对电池产生的氢气进行净化、除杂质，加湿室62主要用于加湿。

电池副反应产生的氢气经过净化室61、加湿室62处理，得到管理控制，进入质子交换膜燃料电池64发电，产物为水，水可以排放到固液分离室20，进行循环利用。

进一步地，上述系统还包括空气优化装置，上述空气优化装置包括优化室15、过滤网16、空气优化膜17、第二泵19以及空气管道18；

上述优化室15为底部开口的空腔体，上述优化室15底部开口设置上述过滤网16，上述优化室15内部位于过滤网16上部设置上述空气优化膜17；上述优化室15顶部设置管道开口并通过空气管道18连接至上述电池单体1的空气电极11；上述空气管道18上设置有上述第二泵19。

在本实施例中，空气进入优化室15中，经过滤网16过滤除去灰尘等杂质，在经空气优化膜17除去有害气体或其它气体，从而增加氧气的含量，最后由第二泵19将气体吸至空气电极11，参与电池反应。上述空气优化膜17为选择性透过膜，只通过氧气，阻隔其它气体。

进一步地，上述系统还包括清洗装置7，上述清洗装置7包括清洁剂储存罐70、清洗管道71、第三泵72以及电磁波发射器14；上述电磁波发射器14设置于上述电池单体1内壁顶部；上述电磁波发射器14的发射的电磁波为微波、中波、长波、短波、激光、红外线、紫外线、可见光、α射线、β射线、伽马射线、声波、超声波、次声波。可通过电磁波清理电池单体1电极上的杂质、残留的电解液等。

上述清洁剂储存罐70通过清洗管道71连接至上述电池单体1顶部并与其内部连通，上述清洗管道71上设置上述第三泵72。金属空气电池组停止工作时，电解液排到电解液收集槽中；然后清洁剂由第三泵72注入电池内部，电磁波发射器14开始运作，将电池单体1的正电极和金属电极上吸附的物质、残留的电解液清理干净。

当金属空气电池系统中串联有多个电池单体1时，则可以在每个电池单体1上连接上述沉淀收集装置2、循环装置3、加料装置4、空气优化装置、气体回收装置6、清洗装置7。可以理解的是，无论金属空气电池系统中只有一个电池单体1或者串联有多个电池单体1时，上述沉淀收集装置2、循环装置3、加料装置4、空气优化装置、气体回收装置6、清洗装置7都可以根据需要选取其中的一种或多种进行适当组合。在此不进行赘述。

综上所述，为本发明实施例中提供的金属空气电池系统，电池单体1底部分别安装第一压力控制阀门13，让电解液不能自由联通，减小电池组的内阻；压力达到设定值才会打开阀门，将金属化合物沉淀和电解液排出，进一步降低内阻；经过固液分离室20处理，沉淀转移到沉淀收集箱27，电解液经过第一泵31重新注入到电池单体1内；在将电池单体1串联时，使用了单向阀，让电解液不能自由联通，减小电池组的内阻，提高电池的电压；电池副反应产生的氢气经过净化室61、加湿室62处理，得到管理控制，进入质子交换膜燃料电池64发电，产物为水，水可以排放到固液分离室20，进行循环利用；加料装置4保证电解液成分稳定，从而保证电池正常放电；空气优化装置可以除去灰尘以及气体杂质，提高氧气的含量，提升电池的放电效率；电池单体1底部设置为斜坡形状，有利于金属化合物沉淀排放和收集。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种金属空气电池系统，包括电池单体以及第一压力控制阀门；所述电池单体包括具有容置空间的外壳、电解液、金属电极以及空气电极，所述外壳容置空间内安装设置所述金属电极与电解液，所述外壳外壁上设置所述空气电极；所述外壳底部连接设置所述第一压力控制阀门；

还包括空气优化装置，所述空气优化装置包括优化室、过滤网、空气优化膜、第二泵以及空气管道；

所述优化室为底部开口的空腔体，所述优化室底部开口设置所述过滤网，所述优化室内部位于过滤网上部设置所述空气优化膜；所述优化室顶部设置管道开口并通过空气管道连接至所述电池单体的空气电极；所述空气管道上设置有所述第二泵。

2.如权利要求1所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述外壳底部设置为斜坡形状，所述斜坡设置为面向所述电池单体内部。

3.如权利要求1或2所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括沉淀收集装置；所述沉淀收集装置包括沉淀收集箱、第二压力控制阀门、第一导流板、固液分离室、第一管道、第二管道以及分离固体和液体的固液分离器；

所述固液分离室底部侧面设置第一开口并通过第一管道连接所述第一压力控制阀门；所述固液分离室底部设置第二开口，并在所述第二开口处设置第二管道连接所述沉淀收集箱；所述第二管道上设置有所述第二压力控制阀门；

所述固液分离室内部高于第一开口的内壁上固定所述第一导流板的一端，所述第一导流板的另一端向下倾斜设置；

所述固液分离器横穿设置于所述固液分离室内截面并高于所述第一导流板。

4.如权利要求3所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括循环装置，所述循环装置包括第一泵、第一单向阀、换热器以及第三管道；

所述固液分离室侧壁上设置第三开口且所述第三开口位置高于所述固液分离器，所述第三开口处设置第三管道连接所述电池单体上部并与其上部相通，所述第三管道上设置第一泵、第一单向阀以及换热器。

5.如权利要求4所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括加料装置，所述加料装置包括控制器、物料储存室、第一流量调节阀、第四管道以及感应器；

所述物料储存室包括至少两个储存物料的储物格，所述储物格底部分别设置有开关阀门，所述开关阀门受控于所述控制器，所述控制器电连接所述感应器，所述感应器设置于所述第三管道上与第三管道内部相通，或者设置于所述固液分离室侧壁上与固液分离室内部相通；

所述物料储存室底部还设置一个与储物格开关阀门连通的物料出口，并通过第四管道连通所述固液分离室；

所述第一流量调节阀设置于所述第四管道上，且连接受控于所述控制器。

6.如权利要求1或2所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括气体回收装置，所述气体回收装置包括防漏液透气膜、净化室、加湿室、质子交换膜燃料电池、第二流量调节阀、第五管道、第六管道以及第七管道；

所述净化室通过第五管道与所述电池单体顶部连通，所述第五管道管道内设置所述防漏液透气膜；所述净化室底部连通所述加湿室，所述加湿室通过第六管道连接所述质子交换膜燃料电池，并在所述第六管道上设置所述第二流量调节阀；所述质子交换膜燃料电池通过第七管道连接至所述第一压力控制阀门；所述第七管道上设置第二单向阀。

7.如权利要求3所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述电池单体为多个，所述电池单体通过单向阀依次串联连接，每个电池单体底部均连接设置所述第一压力控制阀门。

8.如权利要求7所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括收集槽以及多个第二导流板；

所述收集槽上端设置多个开口并分别通过第一压力控制阀门对应连接所述电池单体；所述收集槽内横向设置多个第二导流板形成多条倒流道；

所述收集槽底部设置开口通过第一管道连接至所述第一开口。

9.如权利要求1或2所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括清洗装置，所述清洗装置包括清洁剂储存罐、清洗管道、第三泵以及电磁波发射器；所述电磁波发射器设置于所述电池单体内壁顶部；

所述清洁剂储存罐通过清洗管道连接至所述电池单体顶部并与其内部连通，所述清洗管道上设置所述第三泵。