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Abstract

本发明提供一种金属燃料电池，对于该金属燃料电池包括多个依次串联的电池单体，所述电池单体包括：电池外壳、空气电极片、锌片和电解液；所述电池外壳为中空结构，在所述电池外壳的内部设置锌片，在所述电池外壳的内部、所述锌片的两侧或一侧设置空气电极片，所述空气电极片背离所述锌片的一侧与外界连通，在所述空气电极片和所述锌片之间填充有电解液，所述空气电极片和所述锌片分别与导线相连。本发明提供的一种金属燃料电池，通过设置锌片作为电池负极，性能稳定，可进行持续稳定的放电，通过设置空气电极片作为电池正极，成本较低，整体结构简单，电压电流稳定，环保无污染。

Description

一种金属燃料电池
技术领域
本发明涉及新型燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种金属燃料电池。
背景技术
社会经济的高速发展，很大程度上依赖于燃料燃烧所提供的能量。而当前生产生活中所使用的能源绝大部分来自于石油这类不可再生能源。大量使用石油资源会导致石油资源面临枯竭的问题，同时，化石能源的燃烧产生大量温室气体，也威胁着人类生存的环境，新能源的开发势在必行。
金属燃料电池是一种将金属燃料与氧化剂送入电池发生氧化还原反应，从而产生电流的一种电池。由于金属燃料电池的正极是大气，故电池容量仅仅取决于负极材料，也就是金属材料。适当的选择金属材料作为电池负极可以有效提高电池的容量。
目前实际应用的金属燃料电池主要有：铝空气电池。其中铝空气电池在放电一段时间后，会产生较多Al(OH)3的沉淀，使得溶液中离子减少，电池内阻增大，从而影响电池各方面性能，其次铝空气电池使用NaOH溶液作为电解液，难以避免OH-离子和金属铝直接发生反应产生氢气，降低电池电量，因此难以长期持续放电。
综上所述，在金属空气燃料电池的研究中，如何克服现有的金属燃料电池难以长期持续放电的缺点，提供一种新型能持续稳定放电的燃料电池很有必要。
发明内容
本发明提供一种克服现有的金属燃料电池难以长期持续放电的问题或者至少部分地解决上述问题的一种金属燃料电池。
根据本发明，提供一种金属燃料电池，该燃料电池包括多个依次串联的电池单体，所述电池单体包括：电池外壳、空气电极片、锌片和电解液；所述电池外壳为中空结构，在所述电池外壳的内部设置锌片，在所述电池外壳的内部、所述锌片的两侧或一侧设置空气电极片，所述空气电极片背离所述锌片的一侧与外界连通，在所述空气电极片和所述锌片之间填充有电解液，所述空气电极片和所述锌片分别与导线相连。
在上述方案的基础上，所述电池单体还包括：液态金属；所述液态金属设置在所述电池外壳的内部，所述液态金属与所述电解液混合且同时与所述锌片接触。
在上述方案的基础上，所述空气电极片设置在两个固定框之间；所述固定框与所述电池外壳的内侧壁固连，所述固定框为具有第一开口的板状结构，所述电池外壳上开设有第二开口，所述第二开口与所述第一开口位置相对应，所述空气电极片通过所述第一开口和所述第二开口与外界大气接触。
在上述方案的基础上，所述空气电极片包括：防水层和透气层；所述防水层靠近所述锌片，所述透气层背离所述锌片，所述透气层与外界大气接触。
在上述方案的基础上，所述防水层发生如下化学反应：O2+2H2O+4e-＝4OH-。
在上述方案的基础上，所述锌片处发生如下化学反应：Zn-2e-＝Zn2+。
在上述方案的基础上，所述电解液包括：KOH或NaOH溶液。
在上述方案的基础上，所述电解液的浓度为：2mol/L～4mol/L。
在上述方案的基础上，所述液态金属包括：镓基液态金属合金、铟基液态金属合金或锡基液态金属合金。
本发明提供的一种金属燃料电池，通过设置锌片作为电池负极，性能稳定，可进行持续稳定的放电，通过设置空气电极片作为电池正极，成本较低，整体结构简单，电压电流稳定，环保无污染。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种金属燃料电池的电池单体结构示意图；
图2为根据本发明实施例的一种金属燃料电池的电池单体结构示意图；
图3为根据本发明实施例的一种金属燃料电池的结构示意图。
附图标记说明：
1-导线； 2-电池外壳； 3-空气电极片；
4-固定框； 5-锌片； 6-液态金属；
7-电解液。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例根据本发明提供一种金属燃料电池，对于该燃料电池包括多个结构相同的依次串联的电池单体，参考图1，所述电池单体包括：电池外壳2、空气电极片3、锌片5和电解液7；所述电池外壳2为中空结构，在所述电池外壳2的内部设置锌片5，在所述电池外壳2的内部、所述锌片5的两侧或一侧设置空气电极片3，所述空气电极片3背离所述锌片的一侧与外界连通，在所述空气电极片3和所述锌片5之间填充有电解液7，所述空气电极片3和所述锌片5分别与导线1相连。
本实施例提供的一种金属燃料电池，采用空气电极片3作为正极，锌片5作为负极，结构简单，放电稳定。由于金属锌在地壳中含量较高，且能量密度大，对环境无污染，故金属锌是一种适合作为金属燃料电池负极的材料。
该燃料电池中的每个电池单体的结构相同。任一电池单体的空气电极片3和锌片5均放置在电池外壳2的内部。
电池外壳2是中空的具有容置空间的壳体结构。优选地，空气电极片3和锌片5相互平行设置。可在锌片5的一侧设置空气电极片3，也可在锌片5的两侧同时设置空气电极片3。优选地，在锌片5的两侧同时设置空气电极片3。
电解液7设置在锌片5和空气电极片3之间。电解液7作为离子迁移的媒介，需要同时与锌片5和空气电极片3相接触。
对于任一电池单体，锌片5作为负极，在反应中提供电子。电子在电解液7中迁移至空气电极片3。空气电极片3作为正极，需要和电解液7直接接触，发生反应，吸收电子。
这样，在任一电池单体内部，电子可形成从负极到正极的定向迁移，从而产生电流。
将空气电极片3和锌片5分别与导线1相连，导线1用于将电池单体产生的电流导出。
本实施例提供的一种金属燃料电池，通过设置锌片5作为电池负极，性能稳定，可进行持续稳定的放电，通过设置空气电极片3作为电池正极，成本较低，整体结构简单，电压电流稳定，环保无污染。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，所述电池单体还包括：液态金属6；所述液态金属6设置在所述电池外壳2的内部，所述液态金属6与所述电解液混合且同时与所述锌片5接触。
本实施例基于上述实施例，增设了液态金属6。液态金属6用于对电池单体内的反应起到催化作用。
液体金属在电池外壳2内部，应同时与锌片5和电解液7接触。液态金属6的具体位置不限，以能实现同时与锌片5和电解液7接触为目的。例如，参考图2，可将液态金属6设置在电池外壳2内部的底部。
进一步地，液态金属6的量不需要太多，只用少量的液态金属6即可。
经实践研究验证，加入液态金属6之后的电池单体，锌片5产生电子的速度有所提高，进而可提高输出电流。
对于锌空气电池，因为锌离子在碱性环境中容易生成枝晶，而对电池结构造成破坏，因此会影响锌空气电池长期的持续放电。
经试验研究表明，液态金属6可溶解锌离子形成的枝晶，且液态金属6对部分金属材料也有一定的溶解腐蚀性。因此，可避免锌片5长时间使用产生枝晶，从而可提高燃料电池的放电稳定性和持久性，提高电池的使用寿命。
经试验验证，本实施例所提供的一种金属燃料电池，采用液态金属6作为催化剂的锌空气电池具有稳定的电压和电流，可在较长时间内稳定保持开路电压1.3V，短路电流1.2A；在带负载的情况下，能稳定保持输出电压和输出电流，并持续放电200h以上。
进一步地，液态金属6与电解液7混合在一起，对负极的反应起到催化作用。在需要回收液态金属6的时候，可通过水洗的方式将液态金属6和电解液7分开，方便回收。
该燃料电池不需要贵金属催化剂，使用液态金属6即可起到催化作用，大大降低了电池成本；且液态金属6消耗量极少，易于回收；电池的反应物与生成物无毒无污染，环保安全。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述空气电极片3设置在两个固定框4之间，所述固定框4与所述电池外壳2的内侧壁固连，所述固定框4为具有第一开口的板状结构，所述电池外壳2上开设有第二开口，所述第二开口与所述第一开口位置相对应，所述空气电极片3通过所述第一开口和所述第二开口与外界大气接触。
本实施例基于上述实施例，对空气电极片3在电池外壳2内的固定进行了说明。空气电极片3通过两个固定框4进行固定。固定框4呈板状结构，且固定框4上开设有第一开口。
空气电极片3位于两个固定框4之间，且空气电极片3可通过两个固定框4上的第一开口与外界连通。空气电极片3和固定框4之间可通过胶粘或螺接等方式固连，对此不作限定。
固定框4和电池外壳2的内侧壁固连。具体地，固定框4和电池外壳2的内侧壁间可通过胶粘或螺接等方式固连，对此不作限定。通过将固定框4和电池外壳2固连，可使空气电极片3固定在需要的位置处。
进一步地，在电池外壳2的侧壁上开设第二开口。第二开口的位置和第一开口的位置相对应。具体地，在空气电极片3的背离锌片5的一侧的电池外壳2侧壁上开设第二开口。
空气电极片3背离锌片5的一侧可通过第一开口和第二开口与外界连通。空气电极片3的该侧与大气接触，可获得大气中的氧气。
通过固定框4对空气电极片3进行固定，可便于将空气电极片3固定在需要的位置处，结构简单。
进一步地，第一开口和第二开口可为矩形通孔，使得空气电极片3与大气接触。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述空气电极片3包括：防水层和透气层；所述防水层靠近所述锌片5，所述透气层背离所述锌片5，所述透气层与外界大气接触。
本实施例基于上述实施例，对空气电极片3进行了说明。空气电极片3包括防水层和透气层。防水层和透气层分别位于空气电极片3的两侧。且防水层位于靠近锌片5的一侧。透气层位于背离锌片5的一侧。
防水层位于靠近锌片5的一侧，与电解液7接触，是正极反应的场所。而透气层位于背离锌片5的一侧，与外界大气接触，用于吸收氧气作为电池反应物。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述防水层发生如下化学反应：O2+2H2O+4e-＝4OH-。
本实施例基于上述实施例，对正极发生的反应进行了说明。正极的反应主要发生在防水层。正极的反应主要是消耗电子。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述锌片5处发生如下化学反应：Zn-2e-＝Zn2 +。
本实施例基于上述实施例，对负极的反应进行了说明。锌片5最为电池负极，主要用于提供电子。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述电解液7包括：KOH或NaOH溶液。
电解液7主要作为传递电子的媒介，可选用碱性溶液。优选地，电解液7可为KOH或NaOH溶液。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述电解液7的浓度为：2mol/L～4mol/L。
在该金属燃料电池中，在选用KOH或NaOH溶液作为电解液7时，电解液7的浓度可为2mol/L～4mol/L。
该浓度范围下，可使锌片5减少钝化的发生，且能保证发挥电解液7的作用，较好的进行迁移电子，从而使电池反应持续进行，提高电池持续放电的稳定性。
因为如果电解液7是浓度较高的KOH或NaOH溶液，锌空气电池在放电一段时间后锌会存在钝化的问题，会影响反应的继续进行。
而如果KOH或NaOH溶液浓度较低，则不能保证电解液7的效果，会影响电子的迁移，从而影响电池的放电。
在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，燃料电池由多个所述电池单体依次串联形成。
本实施例基于上述实施例，对燃料电池的整体结构进行了说明。燃料电池由多个电池单体组成。多个电池单体可依次串联起来，形成电池组。
多个电池单体串联，可增大燃料电池的放电量。可根据所需燃料电池放电量的大小，来灵活设定电池单体的个数。
进一步地，参考图3，经试验验证，将五节所述电池单体串联，形成电池组，即可稳定地提供6V电压。用导线1将电流引出，接入照明灯，电池即可正常工作，使照明灯持续发光照明。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述液态金属6包括：镓基液态金属6合金、铟基液态金属6合金或锡基液态金属6合金。
本实施例基于上述实施例，对液态金属6的种类进行了说明。液态金属6可为镓基液体金属合金、铟基液态金属6合金、锡基液态金属6合金中的一种。
进一步地，电池外壳2的材质可为塑料或亚克力。
进一步地，导线1作用是导出电流。优选地，导线1可选用铜导线1。
在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例所提供的一种液态金属6催化锌空气电池，电池设有电池外壳2、固定框4、空气电极片3、锌片5、电解液7、液态金属6和导线1。电池外壳2上嵌有固定框4。固定框4把空气电极片3固定在电池外壳2的左右两侧。
电池内部装有锌片5、电解液7和液态金属6，电池外壳2将锌片5固定在电池中央，锌片5、电解液7和液态金属6三者相互接触。锌片5作为电池的负极，空气电极片3作为电池的正极，用导线1引出电流即可。
空气电极片3吸收空气中的氧气，并输送到电解液7中，在正极上得到电子发生还原反应生成氢氧根离子。液态金属6催化锌片5失去电子发生反应氧化反应生成锌离子，从而产生电流，电流由导线1引出。
本实施例提出的燃料电池具有以下特点：电压电流稳定，电量充足，环保无污染，小巧轻便，液态金属6几乎无消耗，易于回收。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属燃料电池，其特征在于，包括多个依次串联的电池单体，所述电池单体包括：电池外壳、空气电极片、锌片和电解液；所述电池外壳为中空结构，在所述电池外壳的内部设置锌片，在所述电池外壳的内部、所述锌片的两侧或一侧设置空气电极片，所述空气电极片背离所述锌片的一侧与外界连通，在所述空气电极片和所述锌片之间填充有电解液，所述空气电极片和所述锌片分别与导线相连；
所述电池单体还包括：液态金属；所述液态金属设置在所述电池外壳的内部，所述液态金属与所述电解液混合且同时与所述锌片接触。
2.根据权利要求1所述的金属燃料电池，其特征在于，所述空气电极片设置在两个固定框之间；所述固定框与所述电池外壳的内侧壁固连，所述固定框为具有第一开口的板状结构，所述电池外壳上开设有第二开口，所述第二开口与所述第一开口位置相对应，所述空气电极片通过所述第一开口和所述第二开口与外界大气接触。
3.根据权利要求1或2所述的金属燃料电池，其特征在于，所述空气电极片包括：防水层和透气层；所述防水层靠近所述锌片，所述透气层背离所述锌片，所述透气层与外界大气接触。
4.根据权利要求3所述的金属燃料电池，其特征在于，所述防水层发生如下化学反应：O2+2H2O+4e-＝4OH-。
5.根据权利要求4所述的金属燃料电池，其特征在于，所述锌片处发生如下化学反应：Zn-2e-＝Zn2+。
6.根据权利要求1所述的金属燃料电池，其特征在于，所述电解液包括：KOH或NaOH溶液。
7.根据权利要求6所述的金属燃料电池，其特征在于，所述电解液的浓度为：2mol/L～4mol/L。
8.根据权利要求1所述的金属燃料电池，其特征在于，所述液态金属包括：镓基液态金属合金、铟基液态金属合金或锡基液态金属合金。
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