CN108183287A - 一种具有消氢功能的金属燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有消氢功能的金属燃料电池系统，包括设置有氢气排放口的电池电堆、电解液循环系统和消氢系统；电解液循环系统与所述电池电堆电解液腔管路连接，使电解液循环系统与电池电堆中的电解液腔构成循环回路；消氢系统包括催化消氢反应室；催化消氢反应室设置有氢气进口，同时设置有氧气和/或空气进口；催化消氢反应室内部装载有消氢反应催化剂；催化消氢反应室底部设置有液体引流口；设置于电池电堆上的氢气排放口与所述催化消氢反应室的氢气进口气路连接；催化消氢反应室的氧气和/或空气进口与氧气和/或空气供气气源连通；设置于催化消氢反应室底部的液体引流口与所述电解液循环系统管路连通，为电解液循环系统补充液态水。

Description

一种具有消氢功能的金属燃料电池系统
技术领域
本发明属于金属燃料电池技术领域，具体的说涉及一种具备消氢功能的金属燃料电池系统。
背景技术
金属空气电池是金属燃料电池中的一种。金属空气电池是以金属和空气中的氧气为反应活性物质的化学电源，金属负极一般为镁、铝、锌，正极为由防水层、扩散层、催化层和集流体等组成的空气电极，电解液为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化钠溶液。金属电极具有高的化学活性，在电解液中会发生自腐蚀析氢反应(1)，副反应造成电池在使用中存在以下几点问题：1.消耗活性金属，降低电池的能量效率；2.生成的氢气会在电池内部累积，氢气在空气中的爆炸极限是4.1％～74.2％(体积浓度)，极易引起安全问题；3.消耗电解液中的水分，造成电池电解液干涸。在金属电极中添加Sn、Hg、Pb等高析氢过电位金属可以有效抑制金属阳极的析氢腐蚀，合金化的金属锌电极具有极低的析氢速率，已经被广泛应用在碱性锌锰电池、一次锌空气电池中。对于金属镁、铝电极来说，虽然合金元素的添加可以有效降低其析氢腐蚀速率，但仍会有大量氢气产生。
Me+H2O→Me++H2 (1)
氢气和氧气发生化学反应生成水可以消除氢气，但该反应在常温常压状态下很难进行，通过催化剂使氢、氧与催化剂作用产生化学吸附，降低氢、氧反应的活化能可以实现较低温度下的氢、氧反应。本发明首次提出在金属空气电池中的加入消氢系统，通过催化剂将电池副反应产生的氢气转化为水，补给到电解液中。避免氢气生成引起的安全问题和水分消耗造成的电解液干涸。
发明内容
本发明针对金属空气电池工作过程中产生氢气的问题，提出一种具备消氢功能的金属空气电池系统，采用以下技术方案来实现：
一种具有消氢功能的金属燃料电池系统，所述金属燃料电池系统包括设置有氢气排放口的电池电堆、电解液循环系统和消氢系统；
所述电解液循环系统与所述电池电堆电解液腔管路连接，使电解液循环系统与电池电堆中的电解液腔构成循环回路；
所述消氢系统包括催化消氢反应室；
所述催化消氢反应室设置有氢气进口，同时设置有氧气和/或空气进口；所述催化消氢反应室内部装载有消氢反应催化剂；所述催化消氢反应室底部设置有液体引流口；
所述设置于电池电堆上的氢气排放口与所述催化消氢反应室的氢气进口-连接；所述催化消氢反应室的氧气和/或空气进口与一氧气和/或空气供气气源连通；所述设置于催化消氢反应室底部的液体引流口与所述电解液循环系统管路连通，为电解液循环系统补充液态水。
所述金属燃料电池为镁空电池、镁氧电池、铝空电池、铝氧电池、锌空电池、锌氧电池中的一种。
所述消氢反应催化剂为负载型催化剂，以钯、或钯和铂为活性组分，以氧化铝、氧化钛、碳纤维、或氧化锰与氧化铝混合物中的一种或几种为载体，活性组分的质量担载量为0.1-5％。
所述消氢反应催化剂为催化消氢反应室的内壁面上形成壁载型催化剂、或直接装填于催化消氢反应室内作为流化床催化剂或固定床催化剂中的一种或二种以上。
所述电解液循环系统包括电解液存储箱、循环泵和连接管路；电解液存储箱的电解液通过管路与电池电堆中的电解液腔的入口和出口相连，所述循环泵设置于所述电解液存储箱至电池电堆电解液腔入口的管路上。
所述消氢系统还包括液体回流室，所述液体回流室设置于所述催化消氢反应室与所述电解液循环系统之间的连接管路上。所述催化消氢反应室的氧气和/或空气进口通过一气体泵与所述氧气和/或空气供气气源连通；所述气源为外界大气时，所述催化消氢反应室的空气进口通过一自吸式气泵与大气连通。
所述电池电堆由一个或两个以上的单电池串联组成；所述单电池包括外壳、阴极、金属阳极及置于阴极与金属阳极之间的电解液腔；所述单电池上设置有进液口、出液口、排气孔，所述1个或2个以上单电池的排气孔并联连接汇集后构成所述金属燃料电池电堆的氢气排放口，所述氢气排放口位于所述电池电堆的顶部壳体上。
本发明所具有的有益效果有：
消除金属燃料电池，尤其是金属空气电池在工作过程中产生的氢气，避免氢气累积引起的安全问题；同时本发明巧妙的将消氢产生的液态水回收并补充至电解液循环系统中，避免了电池反应过程中因水分消耗造成的电解液干涸。与传统金属燃料电池相比，电池运行寿命及稳定性明显增长。
附图说明
图1为本发明中金属燃料电池系统示意图。
具体实施方式
下述实施例结合附图对本发明作进一步详细说明，并非限制本发明。
实施例1
一种具备消氢功能的金属燃料电池系统如图1所示，包括电池组1，电解液循环系统2，气泵3，消氢器4，回流室5，阀门6；
本实施例中金属阳极为铝合金，电解液为氢氧化钾溶液，阴极为碳载银锰催化剂空气电极，是一种铝空气电池；消氢催化剂为氧化铝镀钯；电池系统额定输出功率为100W。
该铝空气电池工作过程如下：启动铝空气电池，电解液循环系统2将电解液注入电池组1内，电池开始100W恒功率放电，工作过程中金属负极与电解液发生析氢腐蚀反应，产生的氢气从电池组顶部的排气孔排出；启动气泵3，将空气与产生的氢气同时进入消氢器4，氢气和氧气在催化剂的作用下发生反应，反应生成的水进入回流室5，在电池工作过程中，当反应生成的水充满回流室后，打开阀门6水沿管路流回电解液循环系统。
测试结果表明：上述100W铝空气电池系统的采用的消氢系统通过消氢催化剂将电池自腐蚀反应生成的氢气转化为液态水，液态水的生成速率为21g/h，消氢效率达95％。电池持续工作时间为8h，相比未安装消氢系统的电池延长工作时间6.7％。
对比例1
传统的铝空气电池系统仅包括电池组和电解液系统；本对比例中的铝空气电池去除实施例1中的气泵、消氢器、回流室和阀门，仅包括电池组和电解液循环系统，其中电池组顶部有排气孔；金属阳极为铝合金，电解液为氢氧化钾溶液，是一种铝空气电池；电池系统额定输出功率为100W。
该铝空气电池工作过程如下：启动铝空气电池，解液循环系统将电解液注入电池组内，电池开始100W恒功率放电，工作过程中金属负极与电解液发生析氢腐蚀反应，产生的氢气从电池组顶部的排气孔排出到工作环境，电池持续工作时间为5h。

Claims (8)

1.一种具有消氢功能的金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属燃料电池系统包括设置有氢气排放口的电池电堆、电解液循环系统和消氢系统；
所述电解液循环系统与所述电池电堆电解液腔管路连接，使电解液循环系统与电池电堆中的电解液腔构成循环回路；
所述消氢系统包括催化消氢反应室；
所述催化消氢反应室设置有氢气进口，同时设置有氧气和/或空气进口；所述催化消氢反应室内部装载有消氢反应催化剂；所述催化消氢反应室底部设置有液体引流口；
所述设置于电池电堆上的氢气排放口与所述催化消氢反应室的氢气进口相连接；所述催化消氢反应室的氧气和/或空气进口与一氧气和/或空气供气气源连通；所述设置于催化消氢反应室底部的液体引流口与所述电解液循环系统管路连通，为电解液循环系统补充液态水。
2.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属燃料电池为镁空电池、镁氧电池、铝空电池、铝氧电池、锌空电池、锌氧电池中的一种。
3.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：所述消氢反应催化剂为负载型催化剂，以钯、或钯和铂为活性组分，以氧化铝、氧化钛、碳纤维、或氧化锰与氧化铝混合物中的一种或几种为载体，活性组分的质量担载量为0.1-5％。
4.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：
所述消氢反应催化剂为催化消氢反应室的内壁面上形成壁载型催化剂、或直接装填于催化消氢反应室内作为流化床催化剂或固定床催化剂中的一种或二种以上。
5.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：所述电解液循环系统包括电解液存储箱、循环泵和连接管路；电解液存储箱的电解液通过管路与电池电堆中的电解液腔的入口和出口相连，所述循环泵设置于所述电解液存储箱至电池电堆电解液腔入口的管路上。
6.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：所述消氢系统还包括液体回流室，所述液体回流室设置于所述催化消氢反应室与所述电解液循环系统之间的连接管路上。
7.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：
所述催化消氢反应室的氧气和/或空气进口通过一气体泵与所述氧气和/或空气供气气源连通；
所述气源为外界大气时，所述催化消氢反应室的空气进口通过一自吸式气泵与大气连通。
8.如权利要求1所述金属燃料电池系统，其特征在于：所述电池电堆由1个或两个以上的单电池串联组成；所述单电池包括外壳、阴极、金属阳极及置于阴极与金属阳极之间的电解液腔；所述单电池上设置有进液口、出液口、排气孔，所述1个或2个以上单电池的排气孔并联连接汇集后构成所述金属燃料电池电堆的氢气排放口，所述氢气排放口位于所述电池电堆的顶部壳体上。
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