CN109888440B - 高比功率金属空气电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高比功率金属/空气电池系统，包括膜分离器、气泵、金属/空气电池组、管路四部分组成；膜分离器将空气经过分离处理后获得富氧空气，并在阴极上参加反应，使得金属/空气电池的功率密度大幅度提高。

Description

高比功率金属空气电池系统

技术领域

本发明属于金属/空气电池技术领域，具体的说涉及一种高比功率金属/空气电池系统。

背景技术

金属/空气电池是一种以金属为负极活性物质，空气中的氧气作为正极活性物质的化学电源。金属/空气电池的正极反应物来自于空气，随用随取，不属于电池系统的一部分，因此具有很高的理论比能量。采用常压空气作为活性物质的空气电极极化明显，工作电流密度一般在100mA/cm²以下，使得现有金属/空气电池具有低的功率密度，限制了其应用领域。将金属/空气电池的正极活性物质用氧气替代，可以大幅提高其功率密度，但采用氧气的金属燃料电池不仅增加电池的重量和体积，降低电池比能量，而且氧气的供给添加使金属燃料电池的使用性大幅降低。通过增加空气中氧分压可以增加氧气在空气阴极内部电解液中的溶解度和扩散系数，降低传质极化，进而提高金属/空气电池的输出功率。氧气分离技术包括深冷分离技术、变压吸附分离技术、膜分离技术。其中膜分离技术具有设备简单、低能耗等优点，通常可以分离得到氧气浓度为90％以下的空气，是实现富氧的高效途径，其原理是气体渗透膜具有选择透过性功能，膜与空气相接触后，在膜的两侧压力差的驱动下，由于氧气分子和氮气分子透过膜的速率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富集，渗透速率慢的气体在原料侧富集。

发明内容

本发明针对金属/空气电池系统具有低的输出功率密度，提出一种具有富氧单元的高比功率金属/空气电池系统,富氧单元由膜分离器和气泵组成，气泵使得膜两侧产生压力差达到氮氧分离的目的。气泵将富氧气体送入电池组后，一部分氧气被电池系统消耗，贫氧气体通过回路进入膜分离器的空气入口实现再利用。当贫氧气体中氧气浓度低于设定值时，将无法维持系统工作，其氧气浓度过高会造成功耗浪费而降低系统比能量，因此有必要使得富氧气体的供给量与电池的氧气消耗量相匹配。富氧气体的供给量可以通过调节气泵的功率改变膜两侧的压力差来调节。实际工作过程中，通过监测电池组阴极空气腔出口氧气浓度来调节气泵功率，进而使电池组内富氧气体中的氧气浓度维持在设定范围内。具体采用以下技术方案来实现：

所述高比功率金属/空气电池系统包括膜分离器、气泵、电池组、气体管路四部分组成；

所述膜分离器包括气体渗透膜、被气体渗透膜隔开的两个独立腔体；所述膜分离器设有空气进口、空气出口、富氧气体出口和贫氧气体进口；所述空气出口或进口设有一风扇；所述富氧气体出口经气泵通过气体管路与电池组阴极入口相连，贫氧气体进口通过气体管路与电池组阴极出口相连。

所述气体渗透膜为片状的气体渗透膜或管状的气体渗透膜；

所述气体渗透膜为有机聚合物膜、金属或合金膜、金属氧化物膜中的一种或多种

所述有机聚合物膜包括硅橡胶、聚砜、聚苯乙醚和聚碳酸酯等氧气和氮气渗透系数不同的高分子膜。所述电池组由若干个单电池串联组成，以及给阴极提供反应活性物质的空气腔；

所述单电池由外壳、空气阴极、金属阳极组成；所述单体电池开有进液口、出液口，进液口位于壳体底部，出液口位于空气阴极上部；所述单电池数量为一个或一个以上；所述金属阳极为镁阳极、铝阳极或锌阳极。

所述电池组阴极空气腔出口处安装有氧气浓度传感器。

所述金属/空气电池控制过程为当氧气浓度传感器检测到氧气体积浓度低于25％时，增加气泵工作功率；当氧气体积浓度高于35％时，降低气泵工作功率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：突破了现有金属空气电池低比功率(约为20-50W/kg)的缺点，采用富氧装置使得金属空气电池输出功率密度增加到原来的1～3倍，非常适合用作动力电池、备用电源等大功率领域，拓宽了金属空气电池应用范围。其中采用的膜分离空气装置具备能耗低、结构简单、分离效率高的特点。

附图说明

图1为本发明中金属/空气电池系统示意图。1-膜分离器，2-气泵，3-电池组，4-管路，5-气体渗透膜，6-单电池，7-阴极空气腔，8-氧气浓度传感器。

图2为实施例1与对比例1金属/空气电池放电性能对比。

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。实施例中的高比功率金属/空气电池相比对比例中的传统金属/空气功率密度由310mW/cm²提高到502mW/cm²，进而增加电池系统的比功率。

实施例1

高比功率金属/空气电池系统如图1所示，包括膜分离器1，气泵2，电池组、3和管路4；其中膜分离器包括气体渗透膜5；电池组包括单电池6、阴极空气腔7和氧气浓度传感器8。本实施例中金属阳极为铝合金，电解液为氢氧化钾溶液，是一种金属/空气电池。

该金属/空气电池工作过程如下：启动电解液循环系统将电解液注入电池组1内；启动气泵2将经过分离后富氧空气进入电池组3，电池对外输出电能。

对比例1

传统的金属/空气电池系统包括电池组和电解液循环系统；本对比例中的金属空气电池去除实施例1中的膜分离器和气泵；金属阳极为铝合金，电解液为氢氧化钾溶液，是一种金属/空气电池。

该金属/空气电池工作过程如下：启动电解液循环系统将电解液注入电池组模块内，电池对外输出电能。

Claims (7)

1.一种高比功率金属空气电池系统，其特征在于：包括膜分离器（1），气泵（2），电池组（3）和气体管路（4）；

膜分离器（1）为用于富集空气中氧的膜分离器；

膜分离器（1）上设有空气进口、空气出口、富氧气体出口和贫氧气体进口；空气出口或进口设有一风扇；富氧气体出口经气泵通过气体管路与电池组阴极入口相连，贫氧气体进口通过气体管路与电池组阴极出口相连。

2.按照权利要求1所述高比功率金属空气电池系统，其特征在于：

所述膜分离器为一密闭容器，密闭容器内设有片状的气体渗透膜（5），其将密闭容器分隔成二个互不连通的腔室，于一个腔室的侧壁面上设有空气进口和空气出口，一个腔室的侧壁面上设有富氧气体出口和贫氧气体进口；空气进口设有一风扇，风扇气体出口与空气进口相连，和/或，空气出口设有一风扇，风扇气体入口与空气出口相连；富氧气体出口经气泵与电池组阴极入口相连，贫氧气体进口与电池组阴极出口相连；

或，所述膜分离器为一密闭容器，密闭容器内设有管状的气体渗透膜（5），于密闭腔室的侧壁面上设有空气进口和空气出口，管状的气体渗透膜一端作富氧气体出口、另一端作为贫氧气体进口；空气进口设有一风扇，风扇气体出口与空气进口相连，和/或，空气出口设有一风扇，风扇气体入口与空气出口相连；富氧气体出口经气泵通过气体管路与电池组阴极入口相连，贫氧气体进口通过气体管路与电池组阴极出口相连。

3.按照权利要求1或2所述高比功率金属空气电池系统，其特征在于：于电池组阴极出口处设有氧气浓度传感器（8）。

4.按照权利要求2所述高比功率金属空气电池系统，其特征在于：所述气体渗透膜为有机聚合物膜、金属或合金膜、金属氧化物膜中的一种或二种以上。

5.按照权利要求4所述高比功率金属空气电池系统，其特征在于：所述有机聚合物膜为氧气和氮气渗透系数不同的高分子膜。

6.按照权利要求5所述高比功率金属空气电池系统，其特征在于：所述氧气和氮气渗透系数不同的高分子膜为硅橡胶、聚砜、聚苯乙醚或聚碳酸酯中的一种或两种以上。

7.按照权利要求1-6任一所述高比功率金属空气电池系统的控制方法，其特征在于：

当氧气浓度传感器检测到氧气体积浓度低于25%时，增加气泵工作功率；当氧气体积浓度高于35%时，降低气泵工作功率。

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