CN111244580B - 一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源领域，公开了一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括反应腔、水电极、金属电极、电极隔离片、电解液腔、原位物理催化装置和氢燃料电池；水电极和金属电极分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔；反应腔通过管路与电解液腔连接，电解液腔内盛有电解液，原位物理催化装置用于将金属电极的表面反应产物清理干净，通过引入原位物理催化装置实时对金属电极的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极表面始终露出新鲜的金属面，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题。

Description

一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其是涉及一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统。

背景技术

为了解决传统化石能源带来的的环境问题以及能源危机等问题，目前各国都在大力发展新能源技术，很多欧洲国家已经给出了燃油车辆的禁售时间。

在众多新能源技术中锂电池技术是目前发展最为迅速的新能源技术。但是由于锂电池本身化学体系上的制约，其弊端非常明显，很多时候无法跟燃油能源系统相抗衡。金属空气电池相对于锂电池能量密度方面有绝对优势，甚至可以跟燃油车相媲美，比如，铝空气电池的理论比能量可达8.1kWh/kg，目前的实际比能量约350Wh/kg，分别是锂电池的2.3倍、镍氢电池的6倍、铅酸电池的7倍多。此外，空气电池具有无毒、无害、无污染，可回收循环使用等特点。但是由于金属空气电池都需要一个空气电极提供空气反应的场所，所以金属空气电池一般都是非封闭环境。

现有的金属空气电池存在以下不足：

1、金属电极在反应过程中会形成钝化膜，进而阻止反应的持续进行，使电池极化增加或者失去提供电能的能力，尤其是在中性的盐溶液电解液中；

2、金属空气电池通常包含液态电解液，于开放环境容易造成电液干涸及上涨，影响到电池的容量和寿命，如果采用碱性电液还容易发生碳酸盐化，增加电池的内阻，影响放电。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，引入原位物理催化装置对金属阳极的表面钝化膜进行清理，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括：

反应腔；

水电极和金属电极，分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔作为一个电能输出端；

电极隔离片，用于将水电极和金属电极隔开；

电解液腔，其内盛有电解液，通过管路与反应腔连通，所述电解液腔内的电解液通过管路往返于反应腔和电解液腔之间；

原位物理催化装置，其位置与金属电极对应，用于将金属阳极的表面反应产物清理干净，所述原位物理催化装置包括原位物理催化层和驱动机构，原位物理催化层紧贴于金属电极的反应表面，用于对金属电极的表面反应物进行清理；驱动机构用于使原位物理催化层与金属电极发生相对运动；

氢燃料电池，其与反应腔相连通，以反应腔内产生的氢气发电。

进一步地，所述金属电极的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，所述燃料电池内氢电极总投影面积为SH₂(cm²)，所述水电极的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：

其中K＝1/4和L＝1/3为量纲调整系数。

进一步地，所述原位物理催化层采用纳米颗粒或者金属离子传导性的催化材料。

进一步地，所述金属离子传导性的催化材料为锂电池三元材料NCA、NCM、氧化镍、氧化锰、二氧化钛、氧化铷、氧化铜和氧化钒中的任意一种或者几种的混合。

本发明还提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括：

反应腔；

水电极和金属电极，分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔作为一个电能输出端；

电解液腔，其内盛有电解液，通过管路与反应腔连通，所述电解液腔内的电解液通过管路往返于反应腔和电解液腔之间；

原位物理催化装置，其位置与金属电极对应，用于将金属电极的表面反应产物清理干净，所述原位物理催化装置包括原位物理催化层和驱动机构，所述水电极表面镀有一层电子绝缘的研磨粉料作为原位物理催化层，该原位物理催化层紧贴金属电极的反应表面并将水电极和金属电极隔开，驱动机构与水电极和/或金属电极连接，用于驱动水电极和/或金属电极，使二者发生相对运动；

氢燃料电池，其与反应腔相连通，以反应腔内产生的氢气发电。

进一步地，所述研磨粉料为二氧化硅、氧化铝、氧化铈和碳化硅中的任意一种。

进一步地，所述氢燃料电池通过管路直接与反应腔连通，且连接氢燃料电池与反应腔之间的管路上设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔内产生的氢气通过气泵抽送至氢燃料电池。

进一步地，还包括氢气腔，所述氢气腔通过管路分别与反应腔和氢燃料电池连接，且连接反应腔和氢燃料电池的管路上分别设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔内产生的氢气通过管路抽送至氢气腔存储，所述氢气腔内存储的氢气通过管路抽送至氢燃料电池。

进一步地，还包括与反应腔连通的保护液腔，所述保护液腔内盛有阳极保护液，所述反应腔与保护液腔的连接管路上设有双向泵。

进一步地，所述反应腔和/或电解液腔内还设置有用于分离反应沉淀物以及原位物理催化层与金属电极的研磨产物的过滤装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过引入原位物理催化装置实时对金属电极的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极表面始终露出新鲜的金属面，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率；

2、通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题，同时可以通过关闭反应腔产生的氢气将电解液压回电解液腔内，使金属电极与电解液分离并处于氢气的还原保护氛围内，从而可以杜绝腐蚀反应的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明带有原位物理催化装置的分步反应型金属燃料电池的系统图，

图2为在电极隔离片4靠近金属阳极3一侧涂覆原位物理催化层的结构示意图，

图3为在水电极2靠近金属阳极3一侧涂覆原位物理催化层的结构示意图，

图4是在图1的基础上，引入了氢气腔8的电池系统图，

图5是在图4的基础上，氢燃料电池7还与反应腔1连通的电池系统图，

图6是在图5的基础上，引入保护液腔9的电池系统图，

附图标记如下：

反应腔1，水电极2，金属电极3，电极隔离片4，电解液腔5，原位物理催化装置6，氢燃料电池7，氢气腔8，保护液腔9。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参照图1，本发明提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括反应腔1、水电极2、金属电极3、电极隔离片4、电解液腔5、原位物理催化装置6和氢燃料电池7；

水电极2为水的还原反应场所，生成氢气，优选导电碳和镍基粉末混合形成的多孔体相电极，导电碳主要充当电子导电网络(也可以使用泡沫镍、泡沫铜等)，镍基粉末，如金属镍粉末或者镍的氧化物粉末充当催化剂促进水分解生成氢气，由于其工作时是浸润水的环境下，水本身是各种离子的优良导体，所以电极本身无需具有离子电导特性，实际应用时可以适当增加一些粘接剂辅助电极成型，该多孔体相电极可以极大增加电池的功率输出能力；

金属电极3为金属阳极氧化反应场，采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌、汞和铁中的任意一种或者任意几种的合金，从安全的角度考虑：优选金属铝、镁，反应过程比较温和，水系环境下不容易失控，安全性比碱金属要高出很多，甚至比成熟的燃油能源系统更加安全可靠；但是一些直接与水接触反应的金属比如锂、钠、钾等，则需要在该金属电极3的表面包覆一层电解质保护层，保护层具有金属离子导电性，同时又能极大的抑制金属与电解液的反应，从而进一步提高电化学性能(如固态金属电池中的电解液保护层)。电解质保护层可以有多种选择，属于一般的现有技术，不做赘述；

水电极2和金属电极3分别位于反应腔1内且分别通过导线引出反应腔1作为电能输出端，可以为外接的电器提供电能，为了避免水电极2和金属电极3直接接触导致短路，在反应腔1内设有一个电极隔离片4，用于将水电极2和金属电极3隔开，电极隔离片4的设置不能影响到电解液在反应腔1内的流通，因此可以将电极隔离片4设置为多孔结构，可以选用多孔膜，如疏水的PTFE隔膜、塑料多孔膜、衣物布料、海绵等多孔薄膜；

电解液腔5内盛有电解液，其通过管路与反应腔1连通，电解液为碱性溶液以及盐溶液，电解液腔5内的电解液通过管路往返于反应腔1和电解液腔5之间；

其中碱性溶液可以采用含有氢氧化钠和氢氧化钾的溶液等，可以大大提高反应动力学；

盐溶液可以采用氯酸盐、硫酸盐、硝酸盐等，如氯化钠、硫酸钠、硝酸钠，氯化钾、硫酸钾、硝酸钾，硝酸铝、硝酸铁的，优选硝酸铝、硝酸钠、硝酸钾等含有金属电极对应金属氧离子的硝酸盐溶液。

连接反应腔1和电解液腔5的管路应为定向设置，起到定向输送电解液的作用：工作时，电解液通过管路从电解液腔5进到反应腔1，不工作时，电解液通过管路从反应腔1抽送至电解液腔5内存储起来。

为了实现上述的定向抽送，可以根据实际需求布置多路相应的管路，但是为了简化管路布置，优选在反应腔1和电解液腔5之间只设置一路带有双向泵的管路，这样通过操作双向泵即可实现定向输送的目的；

原位物理催化装置6的位置与金属电极3对应，用于将金属电极3的表面反应产物清理干净，包括原位物理催化层和驱动机构，原位物理催化层紧贴于金属电极3的反应表面，驱动机构用于使原位物理催化层与金属电极3发生相对运动，从而实现把反应过程生成的金属氢氧化物清扫去除，露出新鲜的金属表面，促使反应的进行，同时大大提高能量转换效率。

其中原位物理催化层可以选择如下材料：

1、金属离子传导性的催化材料，如锂电池三元材料NCA(如镍钴铝元素比为8:1.5:0.5的层状金属氧化物)、NCM(如镍钴锰元素比为5:2:3的层状金属氧化物)、氧化镍、氧化锰、二氧化钛、氧化铷、氧化铜、氧化钒中的任意一种或者几种混合，不仅可以使金属氧化反应产生的氧离子通过这层材料“暂存”，避免直接在金属电极3表面形成不溶性沉积物，又可以催化水的分解产氢，有效降低反应过程的极化；

2、粒径较小的材料，如纳米颗粒等，在原位物理催化层与金属电极3相对运动研磨的过程中，可以在金属电极3表面产生细密的条纹，可以提高反应有效面积；

作为一种优选方案，可以在水电极2和金属电极3之间的电极隔离片4靠近金属电极3的一侧涂一层研磨粉作为原位物理催化层，将金属电极3紧贴在原位物理催化层上，这样工作时，通过驱动机构驱动金属电极3和/或电极隔离片4，使金属电极3和电极隔离片4上的原位物理催化层发生相对运动，起到原位物理催化层研磨金属电极3的作用，就可以把金属电极3表面生成的产物及时清除掉，同时原位物理催化层在金属表面划出密集的细痕，可以大大增加金属电极的有效裸露表面积，加快反应过程。

更进一步，直接在水电极2表面镀有一层电子绝缘的研磨粉料作为原位物理催化层，电子绝缘研磨粉料可以采用二氧化硅、氧化铝、氧化铈、碳化硅等，金属电极3位于水电极2镀有原位物理催化层的一侧，且金属电极3的表面紧贴在原位物理催化层上，该原位物理催化层等效于电极隔离片4的作用将水电极2和金属电极3隔开，因此，此方案中的电极隔离片4可以省掉，进一步简化了电池结构；

驱动机构与水电极2和/或金属电极3连接，通过驱动机构驱动水电极2和/或金属电极3，使金属电极3和水电极2上的原位物理催化层发生相对运动，起到原位物理催化层研磨金属电极3的作用，就可以把金属电极3表面生成的产物及时清除掉。

需要说明的是，原位物理催化层与金属电极3之间的相对运动可以通过被动驱动，如车载条件下的行驶振动驱动、自然风力驱动等，也可以采用主动驱动，可以使用一个小型的电动机作为驱动机构(电机需要消耗电池的一小部分能量来驱动二者的相对运动)，或者是其他能够实现原位物理催化层与金属电极3之间的相对运动的机械结构都可以，具体可以根据实际情况自行设计，本发明不作限制。

电解液进入反应腔1后发生反应产生的氢气可以直接供给氢燃料电池7，可以将氢燃料电池7通过管路直接与反应腔1连通，且连接氢燃料电池7与反应腔1之间的管路上设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气通过管路抽送至氢燃料电池7。

但是为了避免出现反应腔1中氢气产出能力与氢燃料电池7的需求不匹配，可以额外设置一个氢气腔8来实现缓冲和缓存的作用，氢气腔8通过管路分别与反应腔1和氢燃料电池7连接，且连接反应腔1和氢燃料电池7的管路上分别设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气通过管路抽送至氢燃料电池7，或者是将反应腔1内产生的氢气抽送至氢气腔8内存储之后再提供给氢燃料电池7。

作为另一种连接方式，氢气腔8可以直接设置于反应腔1与氢燃料电池7之间，反应腔1与氢燃料电池7不直接连接，通过氢气腔8过渡连通，反应腔1与氢气腔8的连接管路和氢燃料电池7与氢气腔8的连接管路分别设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气通过氢气腔8过渡给给氢燃料电池7。

氢气腔8优选氢气罐储氢，可以使燃料电池使用5min以上，这样的话，启动的过程中可以用燃料电池的能量来实现把电解液腔5内的电解液泵回反应腔1内。

氢气腔8与反应腔1之间还可以增加一个透气防水阀门，使得氢气可以通过，但是电解液无法通过，从而保证氢气的有效分离。

本发明还可以通过引入保护液腔9来进一步保护金属电极3不被腐蚀，保护液腔9内盛有阳极保护液，保护液腔9与反应腔1连通且连接管路上设有双向泵，在停止工作后，将保护液腔9内的阳极保护液抽送至反应腔1内将金属电极3覆盖，杜绝腐蚀反应的发生，阳极保护液优选不溶于水的有机液，如全氟聚醚油等。

阳极保护液通过双向泵往返于反应腔1和保护液腔9之间，实施过程电极隔离片4可以把反应腔1分成两部分，由于阳极保护液自身的表面张力力作用，使阳极保护液无法通过电极隔离片4但是电解液可以通过，这样可以只将阳极保护液注入到反应腔1内、金属电极3一侧，无需在水电极2一侧注入阳极保护液，进而降低阳极保护液用量，提升系统能量密度。

本发明通过引入原位物理催化装置6实时对金属电极3的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极3表面始终露出新鲜的金属面，而且摩擦过程造成很多细密的划痕，进一步增加有效反应面积，可以促使反应的持续进行，大大提高了能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属电极3反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题。

金属电极3的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，氢燃料电池7的氢电极总投影面积为SH₂(cm²)，水电极2的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：

其中K和L为量纲调整系数，分别为k＝1/4，L＝1/3；

所谓投影面积是指电极在平行光光照下所能形成的最大阴影的面积，比如，对于正方形电极，其投影面积为边长的平方；

通常电源设计需要考虑能量密度，性能、安全等因素，比如对于锂离子电池，设计的时候其正负极之间需要进行的匹配设计，保证正负极的容量差不能过大，否则会降低本来就有限的能量密度，正负极的容量差又不能太小，否则容易析锂，恶化循环性能甚至引起安全事故。类似的，在这里，考虑同样水电极2面积，如果金属电极3匹配过度(质量过大)，能量密度相对较大，但是相同空间内可以设置的电池单元数量就会受到限制，有效反应面积减少，这样功率性能就会被恶化，反之，如果金属电极3匹配过小，非活性物质(如水电极2，电极隔离片4等物质)质量占比就会过大，能量密度相应的就会减少，所以金属电极3的质量与水电极2的投影面积之间需要进行一定的匹配设计；此外，不同金属密度差异较大，同样质量的有效反应活性表面以及反应活性也不相同，所以密度大的金属，同样质量下，反应面积增加，功率性能会有所改善，所以使用大密度金属进行设计时，在保证必要的功率性能下，可以相应增加设置的质量比例。

另外，分步反应的设计使得水电极2和氢燃料电池7的氢电极之间存在一定的关联。水电极2的反应产物氢气，会被作为反应物传输给氢燃料电池的氢气电极，如果水电极2相对于氢电极的面积过大，那么产生大量的氢气无法及时被氢电极消耗，一方面会造成大量氢气聚集，带来一定危险，氢气所能够提供的大功率性能，无法被发挥出来；反之，如果水电极2相对于氢电极的面积过小，产生的氢气无法使氢燃料电池7满负荷运作，会造成系统冗余，功率性能和能量密度同时打折。

综上，为了保证系统在一个最优的状态下工作，需要调控金属电极3质量与水电极2总投影面积、氢电极投影面积与金属电极3的密度来达到各方面性能都比较优异的状态。

在反应腔1和/或电解液腔5内设置有用于分离反应沉淀物以及原位物理催化层与金属电极3固态研磨产物的过滤装置，这些沉淀物可以通过电解液过滤装置从系统分离出来，不会出现常规金属空气电池空气电极反应过程中因反应产物沉积造成的堵塞、应力、极化增大等问题，大大提高能量利用效率和电化学性能。

工作原理：工作时，电解液通过管路抽送至反应腔1内，金属电极3发生氧化反应(生成金属氧化物和氢氧化物)，通过外电路给水电极2提供电子(同时给外界提供电能)，水电极2上水被还原产生氢气，产生的氢气先泵入氢气腔8内存储，然后给氢燃料电池7提供氢气供其发电，氢燃料电池7发电过程等效于氢气与外界的氧气反应生成水，总反应相当于两步骤完成：

反应步骤1：

反应步骤2：

其中M代表金属原子，这里以一价金属为例，其他价态金属反应过程类似，不做赘述。

反应腔1内反应产生电能和氢气的同时，金属电极3表面会不断产生钝化膜(尤其是采用非碱性电解液情况)，再通过原位物理催化装置6将钝化膜除去，这样始终有金属电极3的新鲜金属面与电解液接触，保证反应的持续进行。

总反应跟传统金属空气燃料电池反应类似，通过把常规金属空气燃料电池的一部反应拆分成两部，避免了很多问题：解决了传统金属-空气燃料电池体系既要保证空气电极与外界之间保持开放(需要输入空去中的氧气参与反应)又要保证系统与外界之间隔绝(防止空气中的二氧化碳等成分造成的电解液中毒问题)的矛盾，避免了传统金属空气燃料电池的电解液干涸和爬碱问题；

反应过程中产生的固态生成物(如金属氢氧化物)可以通过电解液过滤从系统分离出来，因此可以解决常规金属空气电池空气电极反应过程中因反应产物沉积造成的堵塞、应力、极化增大等问题，大大提高能量利用效率和电化学性能；此外，由于过程中产生的是高纯氢气还避免了氢电极因为氢气不够纯而带来的催化剂中毒问题；

这种独特的结构使得系统可以直接使用水系电解液甚至可以直接使用纯水作为电解液，在保证安全的前提下，又能满足高能量密度需求，与氢燃料电池相比，解决了其氢气加载、存储、运输的困难和高压氢的安全风险；

传统金属空气燃料电池的一个致命问题是，静置状态，金属电极3会发生腐蚀从而引入自放电问题，大大降低能量利用效率，而本发明系统，在停止工作时可以关闭反应腔1与氢气腔8之间或者反应腔1与氢燃料电池7之间管路上的阀门，这样氢气就会在反应腔1内部聚集，反应腔1内的压强随着反应逐渐变大，电解液就会压回电解液腔5内，使金属电极3与电解液分离并处于氢气的还原保护氛围内，从而可以完全杜绝腐蚀反应的发生，避免自放电情况，大大提高能量利用率。

除了利用产生的氢气本身的压力把电解液排除反应腔之外，还可以使用泵直接把电解液抽出来，同样可以实现金属阳极与电解液的分离。

需要说明的是由于碱金属金属(如锂)直接与水接触会发生剧烈的反应，所以在采用金属锂作为实施例时，需要在金属锂表面包覆一层电解质保护层，保护层具有金属离子导电性，同时又能极大的抑制金属与电解液的反应，从而进一步提高电化学性能(如固态金属电池中的电解液保护层)。电解质保护层可以有多种选择，属于一般的现有技术，不做赘述。

下面以金属电极为Zn、Li和Al为实施例进行说明：

对比例1功率密度比较大，但是能量密度却很低只有0.0005Wh/g，已经失去了作为一个能源器件的意义，没有实用价值；

对比例2中，此时功率密度只有19mW/g，虽然能量密度看上去高的惊人，但是实际情况下已经没有什么比较合适的应用场景，就像是用一个超级大的细口油桶装了很多油，但是由于口太小，油没法取出来使用，对于需要能源的设备来说，反而是一种负担。

实施例1～19中，能量密度介于0.001～2.779Wh/g之间，对应的功率密度介于31～150mW/g之间，可以应用于不同的场景。实际应用中，不同的场景下对于能量密度和功率密度的需求差别很大，从小型的如蓝牙耳机到稍微大一点的电子产品比如手机平板电脑等再到家用电器、机器人再到汽车、轮船等大型设备，对于能量密度和功率密度以及安全性等方面的需求差异也比较大，通过合理的调控反应系统，就可以分别满足各种各样的应用场景。

比如从能量密度的角度考虑：

能量密度介于0.001～0.007Wh/g的情况比较适合于一些小型便携式供给电源，如穿戴应用的小型传感器电源，智能电子卡等；

当能量密度介于0.007～0.1Wh/g，应用场景还是比较多的，比如蓝牙耳机、智能手表、演唱会发光灯牌等等；

当能量密度介于0.1～0.15Wh/g之间时，比较适合于一些小型的电子设备，比如手机、平板电脑、相机等；

能量密度介于0.15Wh/g～0.2Wh/g之间时，时就可以用作电动设备的电源了，比如平衡车、电动自行车、汽车等；

能量密度介于0.2Wh/g～0.4Wh/g之间时，时就非常适合于一些长续航的家厅用车，也可以用作船舶等水上交通工具，还可以作为机器人以及一些非固定式家用电器的电源；

能量密度介于0.4Wh/g～0.8Wh/g之间时，对于产长途货运车来说是一个极佳的选择；

能量密度介于0.8Wh/g～1.2Wh/g之间时，就可以用于为无人机等飞行设备；

能量密度大于1.2Wh/g之间时，适用于用于飞行运输设备、航天设备等；

从功率密度的角度考虑：

功率密度介于31～50mW/g时，动力性能相对较弱，可以用于小型电子设备，如智能电子卡、智能手环、无线耳机等；

功率密度介于50～70mW/g时，可以用于手机、平板电脑、无线音箱等设备；

功率密度介于50～70mW/g时，可以用于电子玩具车、扫地机器人等；

功率密度介于70～90mW/g时，适合电动滑板、平衡车、电动自行车等；

功率密度介于90～110mW/g时，可以用于电动汽车、电动工具等；

功率密度介于110～130mW/g时，可用于大型作业设备、无人机等领域；

功率密度介于130～150mW/g时，可用于大功率越野车、飞行运输设备，船舶等；

当能量密度小于0.001(Wh/g)或者功率密度小于30(mW/g)的话，就很难满足上述的应用场景，没有实际应用意义，需要说明的是，实际应用时，可以通过跟其他能源器件匹配使用来拓宽应用场景范围，比如跟功率性能极佳的超级电容器联合使用，从而可以灵活的调控整个系统的功率密度，实际山，引入超级电容器后可以使系统的功率密度提升十倍以上。

此外，当阳极消耗完时，可以直接补给固态的金属电极3，完成快速能量补充。实际应用时，可以把金属电极3设置成块状、条状、者颗粒状、圆球状等形态，方便直接“加注”补给。具体结构设计可以本领域从业人员可根据应用环境灵活设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于，包括：

反应腔(1)；

水电极(2)和金属电极(3)，分别位于反应腔(1)内且分别通过导线引出反应腔(1)作为一个电能输出端；

电极隔离片(4)，用于将水电极(2)和金属电极(3)隔开；

电解液腔(5)，其内盛有电解液，通过管路与反应腔(1)连通，所述电解液腔(5)内的电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(5)之间；

原位物理催化装置(6)，其位置与金属电极(3)对应，用于将金属电极(3)的表面反应产物清理干净，所述原位物理催化装置(6)包括原位物理催化层和驱动机构，原位物理催化层紧贴于金属电极(3)的反应表面，用于对金属电极(3)的表面反应物进行清理，驱动机构用于使原位物理催化层与金属电极(3)发生相对运动；

氢燃料电池(7)，其与反应腔(1)相连通，以反应腔(1)内产生的氢气发电。

2.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属电极(3)的密度为ρ、总质量为WM，所述燃料电池内氢电极总投影面积为SH₂，所述水电极(2)的总投影面积为SH₂O，满足：

其中，ρ的单位为g/cm³，WM的单位为g，SH₂和SH₂O的单位为cm²，K＝1/4和L＝1/3为量纲调整系数。

3.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述原位物理催化层的采用纳米颗粒或者金属离子传导性的催化材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属离子传导性的催化材料为锂电池三元材料NCA、NCM、氧化镍、氧化锰、二氧化钛、氧化铷、氧化铜和氧化钒中的任意一种或者几种的混合。

5.一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于，包括：

反应腔(1)；

水电极(2)和金属电极(3)，分别位于反应腔(1)内且分别通过导线引出反应腔(1)作为一个电能输出端；

电解液腔(5)，其内盛有电解液，通过管路与反应腔(1)连通，所述电解液腔(5)内的电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(5)之间；

原位物理催化装置(6)，其位置与金属电极(3)对应，用于将金属电极(3)的表面反应产物清理干净，所述原位物理催化装置(6)包括原位物理催化层和驱动机构，所述水电极(2)表面镀有一层电子绝缘的研磨粉料作为原位物理催化层，该原位物理催化层紧贴金属电极(3)的反应表面并将水电极(2)和金属电极(3)隔开，驱动机构与水电极(2)和/或金属电极(3)连接，用于驱动水电极(2)和/或金属电极(3)，使二者发生相对运动；

氢燃料电池(7)，其与反应腔(1)相连通，以反应腔(1)内产生的氢气发电。

6.根据权利要求5所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述研磨粉料为二氧化硅、氧化铝、氧化铈和碳化硅中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述氢燃料电池(7)通过管路直接与反应腔(1)连通，且连接氢燃料电池(7)与反应腔(1)之间的管路上设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔(1)内产生的氢气通过气泵抽送至氢燃料电池(7)。

8.根据权利要求1或7所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：还包括氢气腔(8)，所述氢气腔(8)通过管路分别与反应腔(1)和氢燃料电池(7)连接，且连接反应腔(1)和氢燃料电池(7)的管路上分别设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔(1)内产生的氢气通过管路抽送至氢气腔(8)存储，所述氢气腔(8)内存储的氢气通过管路抽送至氢燃料电池(7)。

9.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：还包括与反应腔(1)连通的保护液腔(9)，所述保护液腔(9)内盛有阳极保护液，所述反应腔(1)与保护液腔(9)的连接管路上设有双向泵。

10.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述反应腔(1)和/或电解液腔(5)内还设置有用于分离反应沉淀物以及原位物理催化层与金属电极(3)的研磨产物的过滤装置。

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