CN112310444B - 一种多功能金属燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能金属燃料电池系统，包括：多个金属燃料单体电池组成电堆，设置在系统顶部，电堆带有电堆底座，电堆底座下面设置电解液箱，所述电堆底座内设有进液主通道与出液主通道，进液主通道上的电堆进液口与单体电池进液口连接，出液主管道上电堆出液口与单体电池出液口连接，形成电堆循环系统；电解液箱内部分割为纯水区与KOH区，工作时纯水区与KOH区相连通，配成电解液；所述板式换热器和风冷散热器通过冷媒循环管道、第二泵相连接此系统电堆设计可有效减缓自放电带来的功率损失，可有效处理氢气碱雾排放，能够快速实现冷启动，能够有效散热并隔绝电解液腐蚀散热器铜管，能减少电解液用量。

Description

一种多功能金属燃料电池系统
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是一种可解决冷启动、氢气碱雾处理、减缓自放电的金属燃料电池系统装置
背景技术
金属/空气电池是以金属铝或锌、镁和空气中的氧气为反应活性物质的化学电源，负极一般为铝合金板，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，电解液为碱性溶液或中性溶液。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。金属空气电池的进展十分迅速，是一种很有发展前途的空气电池，但因其操作维护不便，便携性差等原因，比较难以大批量应用。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的问题。为此本发明提出一种金属燃料电池系统，所述金属燃料电池系统能够解决冷启动、氢气碱雾处理、减缓自放电等问题。
本发明的技术方案为：一种多功能金属燃料电池系统，包括：
多个金属燃料单体电池，电堆底座，第一泵，进气风机，电解液箱，三通阀，两通阀，球阀，板式换热器，风冷散热器，碱雾吸收盒，吸气泵，第二泵；
所述多个单体金属燃料电池组成电堆，设置在系统顶部，电堆带有电堆底座，电堆底座下面设置电解液箱，电解液箱两侧设置有电解液三通阀，两通阀，球阀，板式换热器，风冷散热器；电解液箱带有碱雾吸收盒；
单体电池，单体电池内设置有延长流道，电解液通过进液口经延长流道进入电池腔体，加长了液流通道；
所述电堆底座内设有进液主通道与出液主通道，进液主通道上的电堆进液口与单体电池进液口连接，出液主管道上电堆出液口与单体电池出液口连接，形成电堆循环系统；
所述电解液箱与第一泵相连，并配有电解液进液口，电解液出液口，所述电解液箱与电堆出液口相连，电解液箱内部分割为纯水区与KOH区，工作时纯水区与KOH区相连通，配成电解液；
所述板式换热器和风冷散热器通过冷媒循环管道、第二泵相连接。
进一步的，所述单体电池内部有延长流道，延长流道自单体进液口开始至单体电池上部再到单体底部，电解液通过单体进液口经延长流道进入电池腔体。
进一步的，电堆底座内设有进液主通道与出液主通道，进液主通道与第一泵相连，出液主通道直接与电解液箱相连，电堆进液主通道和出液主通道上方设有多个电堆进液口和电堆出液口，电堆进液口和电堆出液口与单体电池的单体进液口、单体出液口一一对应，利用栓孔定位并用螺栓锁死固定，电堆底座上开进气槽，进气风机给单体电池供氧。
进一步的，电解液箱内设有竖直的隔板，将电解液箱分为两部分空间，第一部分空间存储KOH溶液，第二部分空间存储纯水，两部分空间通过管道在电解液箱外部相连，管道上装有三通阀和两通阀，工作时三通阀和两通阀打开，两部分空间连通，KOH溶液与纯水相通，热电解液经第一泵进入电堆开始放电，由此可实现快速冷启动；箱体左侧底部管道与第一泵连接，存储KOH的第一部分空间区域与存储纯水的第二部分空间区域在箱体底部各有一个出口，用来排放电解液，电解液箱上部开有圆孔与电堆出液主通道相对应，左上方接有球阀用来打进入纯水，顶部设有开口，用来注入KOH高浓度溶液和作为维护口。
进一步的，所述电解液箱体上装有纯水罐，纯水罐上装有两根管道，一根管道经吸气泵与电解液箱相连，另外一根管道与大气连通。
进一步的，所述系统上装有板式换热器与风冷散热器，风冷散热器内的冷媒在板式换热器中循环，电解液经板式换热器冷却后进入电堆。
进一步的，管道、第一泵、第二泵、三通阀、两通阀、电解液箱所形成了三套液流系统，其管道上的电动阀用于控制液流流向，进行不同液流合理分流；
当系统启动时，管道上的三通阀与两通阀同时打开，电解液箱中的清水经过第一泵、板式换热器、三通阀到达至KOH区域，KOH区域与清水区域经三通阀连通，由此循环搅拌形成热电解液循环系统；
热电解液配比完成后，三通阀调节至电堆通道，电解液自电解液箱依次经过第一泵、板式换热器、三通阀到达单体电池模组进行反应放电再回流到电解液箱由此形成放电液流通道；
散热器管道中存有冷媒，当电解液过热时，散热器启动，冷媒自散热器铜管流向板式换热器在循环到铜管，与板式换热器中的热电解液进行热交换冷却电解液，由此形成散热液流循环系统。
进一步的，第一泵，为电堆的进液泵，使电解液进入电堆内部反应场所；
第二泵，为散热器循环泵，使散热器内冷媒循环进入板式交换器内部与散热器内部。
进一步的，在电解液箱右上角设有碱雾吸收盒，碱雾吸收盒上伸出两个透气管，进气管与排气管；一端与吸气泵连接，一端与大气连通，吸气泵另一管道与电解液箱内部连通；当系统运行，吸气泵开始工作将电解液箱内部碱气抽出，碱气进入碱雾吸收盒过滤，再由纯水罐中的排气管排出，由此形成碱气过滤装置。
进一步的，纯水罐，所述纯水罐为碱气、氢气过滤场所。
有益效果：
(1)本发明金属燃料电池系统，通过在电池壳体内设计加长通道，电解液通过加长通道进入单体电池，在由出液口流出，此过程有效延长了电解液通道，减缓了单体电池的自放电现象。
(2)本发明实施列的金属燃料电池系统可解决燃料电池产品快速冷启动问题，所述电解液箱内部有两部分空间，一部分存储高浓度KOH溶液，一部分存储纯水，两部分空间通过管道在电解液箱外部相连，管道上装有电动阀，工作时电动阀打开，两部分空间串通，KOH溶液与纯水相通，热电解液经泵进入电堆开始放电，由此可实现快速冷启动。
(3)本发明实施列的金属燃料电池系统可解决燃料电池产品碱雾排放问题，所述电解液箱箱体上装有纯水罐，纯水罐上装有两根管道，一根管道经吸气泵与电解液箱相连，另外一根管道与大气连通；当电解液放电产生碱雾时，吸气泵将电解液箱中的碱气抽出到碱雾吸收盒中，经清水冷凝过滤，碱雾溶于水中，空气随碱雾吸收盒中另一通道排出。
(4)本发明实施列的金属燃料电池系统可解决燃料电池产品散热问题，所述系统上装有板式换热器与风冷散热器，风冷散热器内的冷媒在板式换热器中循环，高温电解液经板式换热器冷却到适宜温度后进入电堆。
附图说明
本发明的详细附图和优势将从下面的描述中清晰给出，并加以说明更加容易理解，其中：
图1是根据本发明实施的金属燃料电池系统示意图；
图2是本发明金属燃料电池系统爆炸图；
图3是本发明单体电池的示意图；
图4是本发明电堆底座的示意图；
图5是本发明电堆的又一示意图；
图6是本发明电解液箱的示意图；
图7是本发明排碱雾装置的示意图；
图8是本发明散热器装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的金属燃料电池系统；
如图1-图6描述根据本发明实施例的金属燃料电池系统，包括：
如图1所示，是根据本发明实施的金属燃料电池系统示意图；
如图2所示，是本发明的金属燃料电池系统爆炸图，所述金属燃料电池系统包括单体电池1，电堆底座2，第一泵3，进气风机4，电解液箱5，三通阀6，两通阀7，球阀8，板式换热器9，风冷散热器10，碱雾吸收盒11，吸气泵12，第二泵13。
所述金属燃料电池组成的电堆装置在设备顶部，由25个单体电池1组成，电堆带有电堆底座2，电堆底座2下面设置电解液箱5，电解液通过第一泵3进入电堆，然后回流到电解液箱5，由此组成一个电解液循环系统。
散热器部分包括风冷散热器和板式换热器，放电时电解液通过板式换热器9，风冷散热器10内的冷媒也通过板式换热器9，由此带来热交换，达到散热的目的。电解液箱5上部设有碱雾吸收盒11，放电回流产生的氢气碱气通过管道经吸气泵流入碱雾吸收盒11底部经水净化后排放，由此形成氢气碱气过滤装置。
具体的，如图2、3所示，图3是图2中单体电池的示意图，单体电池1内部设置有延长流道101，电解液通过延长流道101进入单体电池1，再由单体出液口106流出，此过程有效延长了电解液通道，减缓了单体电池的自放电现象，并在此单体电池内腔体的反应场所将化学能转化为电能。单体电池1内设有单体进液口105和单体出液口106，与电堆底座2上的电堆进液口207与电堆出液口208一一对应，再通过单体电池1上的螺纹孔安装在电堆底座2上。
参见图2-4，图4是图2为电堆底座2的示意图，底座内设有进液主通道201与出液主通道202，进液主通道201与第一泵3相连，出液主通道202直接与电解液箱5相连，电堆进液主通道201和出液主通道202上方设有多个电堆进液口207和电堆出液口208，电堆进液口207和电堆出液口208与单体电池1的单体进液口105、单体出液口106一一对应，利用栓孔203定位并用螺栓锁死固定。电解液从进液主通道201通过电堆进液口207、单体进液口105进入单体电池1，然后从单体出液口106、电堆出液口208流出，进入出液主通道202，最终流入电解液箱5，电堆底座2上开进气槽209，进气风机4给单体电池1供氧，如图5所示。
如图2、3、6所示，图6是本发明的电解液箱5的示意图，电解液箱5内设有竖直的隔板，将电解液箱分为两部分空间，第一部分空间1101存储高浓度(33％)KOH溶液，第二部分空间1102存储纯水，两部分空间通过管道在电解液箱外部相连，管道上装有三通阀6和两通阀7，工作时三通阀6和两通阀7打开，两部分空间连通，KOH溶液与纯水相通，热电解液经第一泵3进入电堆开始放电，由此可实现快速冷启动；箱体左侧底部管道与第一泵3连接，存储KOH的第一部分空间1101区域与存储纯水的第二部分空间1102区域在箱体底部各有一个出口，用来排放电解液，电解液箱5上部开有圆孔与电堆底座2出液主通道202相对应，左上方接有球阀8用来打进入纯水。顶部设有开口，用来注入KOH高浓度溶液和维护口。
如图1、2、6、8所示，板式换热器9通过支架固定在箱体侧板上，有4个接口，左边两个为电解液出口901、电解液进口902，右边两个为冷媒进出口。左边下电解液进口902经管道与第一泵3连接通电解液箱5，左边上接口电解液出口901经管道、三通阀6与电堆主进液管道连接，三通阀6另一端与电解液箱5连接。右边下接口经冷媒循环管道903与第二泵13连接通向风冷散热器10，右边上接口经管道与风冷散热器10相连形成一个闭合的通道。当电解液达到一定的温度时，传感器会发出信号给第二泵13，第二泵13带动风冷散热器10通道内的冷媒运转，同时风机启动，冷媒在板式换热器9内与热电解液进行热交换，达到散热的目的。
如图2、7所示，吸气泵12安装在电解液箱5顶部，在电解液箱5右上角设有碱雾吸收盒11，碱雾吸收盒11上伸出两个透气管，进气管15与排气管16。一端与吸气泵12连接，一端与大气连通，吸气泵12另一管道与电解液箱5内部连通。当系统运行，吸气泵开始工作将电解液箱内部碱气抽出，碱气进入碱雾吸收盒11过滤，再由纯水罐中的排气管排出，由此形成碱气过滤装置。
如图2、8所示，当电解液温度过高时，第二泵13会启动，同时风冷散热器10启动，第二泵13带动冷媒循环管道903中的冷媒不断循环通过风冷散热器10降温，同时冷媒循环管道903将冷媒循环至板式换热器9中，与板式换热器9中的电解液交换热量同时冷却电解液达到降温的目的。
此金属燃料电池装置有三套液流循环系统，其一，当系统启动时，管道上的三通阀6与两通阀7同时打开，电解液箱5中的清水经过第一泵3、板式换热器9、三通阀6到达至KOH区域，KOH区域与清水区域经三通阀6连通，由此循环搅拌形成热电解液循环系统。
其二，热电解液配比完成后，三通阀6调节至电堆通道，电解液自电解液箱5依次经过第一泵3、板式换热器9、三通阀6到达单体电池1模组进行反应放电再回流到电解液箱5由此形成放电液流通道，此通道结构简单，其通道上的三通阀6可有效控制液流方向，让电解液进入电堆。
其三，散热器管道中存有冷媒，当电解液过热时，风冷散热器10启动，冷媒自散热器铜管流向板式换热器9在循环到铜管，与板式换热器中的热电解液进行热交换冷却电解液，由此形成散热液流循环系统。
本发明金属燃料系统可以作为发电设备对用电器进行放电，最高功率可达1000W，发电量最高8KWh，可应用但不限于在基站、高速ETC、数据中心、民用、军用等场景作为应急保障，其特点轻便易安装，便于维护，环境适应能力强，环保等。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”“此装置”“此示意”，等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表示不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
尽管已经表明和描述了本发明的实施例、示意图和具体装置，本领域技术人员可以理解为：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求极其等同物限定。

Claims (9)

1.一种多功能金属燃料电池系统，其特征在于，包括：
多个金属燃料单体电池，电堆底座，第一泵，进气风机，电解液箱，三通阀，两通阀，球阀，板式换热器，风冷散热器，碱雾吸收盒，吸气泵，第二泵；
所述多个金属燃料单体电池组成电堆，设置在系统顶部，电堆带有电堆底座，电堆底座下面设置电解液箱，电解液箱两侧设置有电解液三通阀，两通阀，球阀，板式换热器，风冷散热器；电解液箱带有碱雾吸收盒；
单体电池，单体电池内设置有延长流道，电解液通过单体电池的单体进液口经延长流道进入电池腔体，加长了液流通道；
所述电堆底座内设有进液主通道与出液主通道，进液主通道上的电堆进液口与单体进液口连接，出液主通道上电堆出液口与单体电池的单体出液口连接，形成电堆循环系统；
所述电解液箱与第一泵相连，并配有电解液进液口，电解液出液口，所述电解液箱与电堆出液口相连，电解液箱内部分割为纯水区与KOH区，工作时纯水区与KOH区相连通，配成电解液；
所述板式换热器和风冷散热器通过冷媒循环管道、第二泵相连接；
电解液箱内设有竖直的隔板，将电解液箱分为两部分空间，第一部分空间存储KOH溶液，第二部分空间存储纯水，两部分空间通过管道在电解液箱外部相连，管道上装有三通阀和两通阀，工作时三通阀和两通阀打开，两部分空间连通，KOH溶液与纯水相通，热电解液经第一泵进入电堆开始放电，由此可实现快速冷启动；箱体左侧底部管道与第一泵连接，存储KOH的第一部分空间区域与存储纯水的第二部分空间区域在箱体底部各有一个出口，用来排放电解液，电解液箱上部开有圆孔与电堆出液主通道相对应，左上方接有球阀用来打进入纯水，顶部设有开口，用来注入KOH溶液和作为维护口。
2.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于，所述单体电池内部有延长流道，延长流道自单体进液口开始至单体上部再到单体底部，电解液通过单体进液口经延长流道进入电池腔体。
3.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于，电堆底座内设有进液主通道与出液主通道，进液主通道与第一泵相连，出液主通道直接与电解液箱相连，电堆进液主通道和出液主通道上方设有多个电堆进液口和电堆出液口，电堆进液口和电堆出液口与单体电池的单体进液口、单体出液口一一对应，利用栓孔定位并用螺栓锁死固定，电堆底座上开进气槽，进气风机给单体电池供氧。
4.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于，所述电解液箱体上装有纯水罐，纯水罐上装有两根管道，一根管道经吸气泵与电解液箱相连，另外一根管道与大气连通，纯水罐用于过滤碱气、氢气。
5.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于，所述系统上装有板式换热器与风冷散热器，风冷散热器内的冷媒在板式换热器中循环，电解液经板式换热器冷却后进入电堆。
6.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于：所述管道、第一泵、第二泵、三通阀、两通阀、电解液箱所形成了三套液流系统，其管道上的电动阀用于控制液流流向，进行不同液流合理分流；具体包括：
当系统启动时，管道上的三通阀与两通阀同时打开，电解液箱中的清水经过第一泵、板式换热器、三通阀到达至KOH区域，KOH区域与清水区域经三通阀连通，由此循环搅拌形成热电解液循环系统；
热电解液配比完成后，三通阀调节至电堆通道，电解液自电解液箱依次经过第一泵、板式换热器、三通阀到达单体电池模组进行反应放电再回流到电解液箱由此形成放电液流通道；
散热器管道中存有冷媒，当电解液过热时，散热器启动，冷媒自散热器铜管流向板式换热器在循环到铜管，与板式换热器中的热电解液进行热交换冷却电解液，由此形成散热液流循环系统。
7.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于：
所述第一泵，为电堆的进液泵，使电解液进入电堆内部反应场所；
所述第二泵，为散热器循环泵，使散热器内冷媒循环进入板式交换器内部与散热器内部。
8.根据权利要求1所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于：
在电解液箱右上角设有碱雾吸收盒，碱雾吸收盒上伸出两个透气管，进气管与排气管；一端与吸气泵连接，一端与大气连通，吸气泵另一管道与电解液箱内部连通。
9.根据权利要求8所述的多功能金属燃料电池系统，其特征在于：
当系统运行，吸气泵开始工作将电解液箱内部碱气抽出，碱气进入碱雾吸收盒过滤，再由纯水罐中的排气管排出，由此形成碱气过滤装置。
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