CN112490541B - 一种金属空气燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属空气燃料电池系统，包括电池组，用于与电解液发生反应产生电能；所述电池组设置有电池单体；过滤装置，用于过滤发生反应后的电解液；电解液净化池，用于净化发生反应后的电解液，得到净化后的电解液；电解液供给箱，用于接收所述净化后的电解液，通过所述过滤装置与所述电池组构成连通器，还用于根据连通器原理调节所述电池单体与电解液的接触面积。本发明可根据连通器原理实时调节电池单体与电解液的接触面积，即实时调节电池组的放电功率；并且本发明设置了过滤装置可以防止反应产物进入到电解液供给箱，实现电解液的实时净化补充；设置电解液净化池净化发生反应后的电解液并输送给电解液供给箱，实现电解液的循环利用。

Description

一种金属空气燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种金属空气燃料电池系统。
背景技术
锂离子电池组作为目前广泛应用的动力电池，具有功率密度高，循环寿命长的特点，在动力设备中，应用广泛。但是锂离子电池也有其固有缺陷，一是能量密度低，二是锂离子电池对于充放电的温度有较高要求，同时，锂离子电池还存在安全性问题以及回收难问题，因此迫切需要其他形式的电池替代锂电池。其中，金属空气燃料电池在能量密度，产物的环境友好性和安全性上，都较锂离子电池具有很大的优越性，因此值得深入研究。
金属空气燃料电池，以活泼金属作为阳极，氧气作为阴极，产物为金属的盐或者氢氧化物。按照使用的电解液不同，分为酸性电解液电池、碱性电解液电池和中性电解液电池。采用酸性和碱性电解液在电池使用过程中，其中的酸碱会损耗，造成性能的衰减，当损耗到一定程度，或产物达到一定浓度，需要及时更换；而采用中性电解液，虽然在反应过程中，不会涉及溶液性质的变化，但产物中的金属氢氧化物(胶体)不溶于水，当产物达到一定量级时会造成电解液的流动性降低，附着阳极表面时会增大电池内阻，从而降低电池的性能。虽然现在现有金属燃料电池组也有电解液循环过滤措施，但是由于电池单体相互独立，电解液更换相对困难，很难全面更新电解液，并且也会存在因为电解液更换不及时而导致的长时间自反应与胶体附着现象，影响电池放电效率，时间久后便需要彻底拆卸保养，浪费大量的人力物力。
另外由于传统的金属空气燃料电池组采用独立的电池单元，在进行电池电极、电解液更换或者电池保养的过程中，必须中断电力供应，这对于采用金属空气燃料电池作为供电单元的大型电站是无法接受的；同时金属空气燃料电池无法实现放电功率的实时精准监测调控，无法满足一些对于输出功率要求较高的设备需求；并且由于电池组的放电效率与电解液和电极接触面积有关，常规金属燃料电池组仅能通过设计产生与预计功率相近放电功率，只能通过设计电路通过控制电池单体工作数来调节电池组的输出功率，这不仅需要额外的电路设计和封装设计，更会造成部分电池单体没有工作，仅发生自反应，甚至导致胶体附着至电极上的现象，造成大量浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属空气燃料电池系统，可以去除电池组的反应产物，实时补充、净化电解液，并且能实时调节电池组的放电功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属空气燃料电池系统，所述金属空气燃料电池系统包括：
电池组，用于与电解液发生反应产生电能；所述电池组设置有电池单体；
过滤装置，与所述电池组连接，用于过滤发生反应后的电解液；
电解液净化池，与所述电池组连接，用于净化发生反应后的电解液，得到净化后的电解液；
电解液供给箱，与所述电解液净化池连接，用于接收所述净化后的电解液；所述电解液供给箱还与所述过滤装置连接，通过所述过滤装置与所述电池组构成连通器，所述电解液供给箱还用于根据连通器原理调节所述电池单体与电解液的接触面积。
可选地，所述金属空气燃料电池系统还包括：
电解液储蓄池，与所述电解液净化池连接，用于储蓄所述净化后的电解液；
循环水泵，分别与所述电解液储蓄池和所述电解液供给箱连接，用于将所述电解液储蓄池中的电解液输送至所述电解液供给箱。
可选地，所述金属空气燃料电池系统还包括：
电动推杆，设置在所述电解液供给箱下方，用于调节所述电解液供给箱高度。
可选地，所述电解液供给箱设置有液位传感器和流量传感器；所述液位传感器用于获取所述电解液供给箱内电解液的液位，所述流量传感器用于控制进入所述电解液供给箱的电解液的流量。
可选地，所述金属空气燃料电池系统还包括第一双向电磁阀、连通管、第二双向电磁阀和可伸缩连通管；所述电池组通过所述第一双向电磁阀与所述连通管一端连接，所述连通管另一端通过所述过滤装置与所述第二双向电磁阀一端连接，所述第二双向电磁阀另一端通过所述可伸缩连通管与所述电解液供给箱连接。
可选地，所述金属空气燃料电池系统还包括控制器，所述控制器分别与所述电解液供给箱、所述电动推杆、所述液位传感器、所述流量传感器、所述第一双向电磁阀和所述第二双向电磁阀连接，所述控制器用于对所述电解液供给箱、所述电动推杆、所述液位传感器、所述流量传感器、所述第一双向电磁阀和所述第二双向电磁阀进行控制。
可选地，所述电池单体包括金属电极、电池封装结构、两个空气电极和两个压板；其中所述金属电极设置在所述电封装结构内，两个所述空气电极设置在所述电池封装结构两侧，两个所述压板设置在两个所述空气电极两侧。
可选地，所述电池组包括电池外壳，所述电池单体设置在所述电池外壳内；所述电池外壳包括电池壳体、壳体上盖和电解液槽；所述壳体上盖设置在所述电池壳体上方，所述电解液槽设置在所述电池壳体下方。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种金属空气燃料电池系统，包括：电池组，用于与电解液发生反应产生电能；所述电池组设置有电池单体；过滤装置，与所述电池组连接，用于过滤发生反应后的电解液；电解液净化池，与所述电池组连接，用于净化发生反应后的电解液，得到净化后的电解液；电解液供给箱，与所述电解液净化池连接，用于接收所述净化后的电解液；所述电解液供给箱还与所述过滤装置连接，通过所述过滤装置与所述电池组构成连通器，所述电解液供给箱还用于根据连通器原理调节所述电池单体与电解液的接触面积。本发明可根据连通器原理实时调节电池单体与电解液的接触面积，即实时调节电池组的放电功率；并且本发明设置了过滤装置可以防止反应产物进入到电解液供给箱，实现电解液的实时净化补充；设置电解液净化池净化发生反应后的电解液并输送给电解液供给箱，实现电解液的循环利用。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的金属空气燃料电池系统结构图；
图2为本发明实施例提供的电池组和电解液供给箱连接示意图；
图3为本发明实施例提供的电池组第一结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电池组第二结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电池单体结构示意图。
符号说明：
1-电解液净化池，2-控制器，3-电解液储蓄池，4-循环水泵，5-电磁阀，6-电池单体，7-电池壳体，8-公用电解液槽，9-第一双向电磁阀，10-连通管，11-过滤装置，12-第二双向电磁阀，13-可伸缩连通管，14-电动推杆，15-电解液供给箱，16-电解液输入接口，17-壳体上盖，18-电池壳体，19-电解液槽，20-金属电极，21-空气电极，22-压板，23-电池封装结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。此外，将参考附图详细描述根据示例性实施例的终端。附图中的相同附图标号指代相同的元件。
本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本发明说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
本发明的目的是提供一种金属空气燃料电池系统，可以去除电池组的反应产物，实时补充、净化电解液，并且能实时调节电池组的放电功率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的金属空气燃料电池系统结构图，如图1所示，金属空气燃料电池系统包括：
电池组，用于与电解液发生反应产生电能；电池组设置有电池单体6。
过滤装置11，与电池组连接，用于过滤发生反应后的电解液。
电解液净化池1，与电池组连接，用于净化发生反应后的电解液，得到净化后的电解液。
电解液供给箱15，与电解液净化池1连接，用于接收净化后的电解液。电解液供给箱15还与过滤装置11连接，通过过滤装置11与电池组构成连通器，电解液供给箱15还用于根据连通器原理调节电池单体6与电解液的接触面积。
在本实施例中，金属空气燃料电池系统还包括：
电解液储蓄池3，与电解液净化池1连接，用于储蓄净化后的电解液。
循环水泵4，分别与电解液储蓄池3和电解液供给箱15连接，用于将电解液储蓄池3中的电解液输送至电解液供给箱15。
电动推杆14，设置在电解液供给箱15下方，用于调节电解液供给箱15高度。
图2为本发明实施例提供的电池组和电解液供给箱连接示意图，如图2所示，金属空气燃料电池系统还包括第一双向电磁阀9、连通管10、第二双向电磁阀12和可伸缩连通管13。电池组通过第一双向电磁阀9与连通管10一端连接，连通管10另一端通过过滤装置11与第二双向电磁阀12一端连接，第二双向电磁阀12另一端通过可伸缩连通管13与电解液供给箱15连接。
在本实施例中，电解液供给箱15设置有液位传感器和流量传感器。其中，液位传感器可为浮漂式液位传感器。液位传感器用于获取电解液供给箱15内电解液的液位，流量传感器用于控制进入电解液供给箱15的电解液的流量。进一步地，电解液供给箱15还设置限位传感器，用于调节电解液供给箱15内的液位，并且实现定标。
图3为本发明实施例提供的电池组第一结构示意图，图4为本发明实施例提供的电池组第二结构示意图，如图3-4所示，电池组包括电池外壳，电池单体6设置在电池外壳内。电池外壳包括电池壳体18、壳体上盖17和电解液槽19。壳体上盖17设置在电池壳体18上方，电解液槽19设置在电池壳体18下方。其中，壳体上盖17设有镂空部分，方便引出电池组导线。电池壳体18外壁也设有镂空部分，在进行散热的同时增加与氧气的接触量，电池壳体18内壁上还设置有风扇，可进一步增强散热。电解液槽19为漏斗形电解液槽，顶部设置有通孔与电池单体6连通，底部与公共电解液槽8连接。其中，公用电解液槽8顶部设有通孔，实现电池单体6电解液的公用，底部通过电解液连通管连通第一双向电磁阀9。
其中，电池单体6包括金属电极20、电池封装结构23、两个空气电极21和两个压板22。金属电极20设置在电封装结构23内，两个空气电极21设置在电池封装结构23两侧，两个压板22设置在两个空气电极21两侧。电解液可在电池封装结构23内与金属电极20发生反应产生电能。进一步地，电池单体6可设置多个，电池单体6可为镁金属电池单体，电池组也可设置多个。图5为本发明实施例提供的电池单体结构示意图。
在本实施例中，金属空气燃料电池系统还包括控制器2，控制器2分别与电解液供给箱15、电动推杆14、液位传感器、流量传感器、第一双向电磁阀9和第二双向电磁阀12连接，控制器2用于对电解液供给箱15、电动推杆14、液位传感器、流量传感器、第一双向电磁阀9和第二双向电磁阀12进行控制。
本发明原理如下：
工作前首先进行工作功率初始定标。开启电磁阀5，控制电动推杆14调节电解液供给箱15的高度，通过液位传感器和流量传感器调节进入电解液供给箱15的电解液进入量以及液位高度，初始定标完成。工作时，将第二双向电磁阀12、第一双向电磁阀9和过滤装置11连通，使电解液流入电池组内进行反应产生电能，通过循环水泵4将电解液储蓄池3中的电解液从电解液输入接口16输送至电解液供给箱15，补充电解液。由于电池组和电解液供给箱15组成了连通器，而电池组的功率由电池单体6功率决定，在电极单体6材料固定的情况下，放电功率与电解液和电极的接触面积有关，所以可通过电动推杆14调节电解液供给箱15的高度调整放电功率。另一方面，还可利用循环电解液对电池组进行冷却。在反应过程中，反应产物可通过电解液槽8和第一双向电磁阀9排到电解液净化池1。过滤装置11内设有过滤网，起到过滤作用，防止胶体反应产物进入电解液供给箱15。当不需要放电时，断开第一双向电磁阀9和过滤装置11，使电解液和反应产物排放到电解液净化池1，净化过后输送至电解液储蓄池3。也可以断开第二双向电磁阀12和过滤装置11，使电解液排放到电解液储蓄池3。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中电池单体采用开放式结构，共用电解液，并与电解液供给箱形成连通器，只需要一套控制系统就可以保证电解液的化学性质、产物含量和温度的稳定，提升了电池组维护效率，实现了电解液双向循环的同时使电池反应胶体产物的单向流动，防止污染电解液，达到电解液的最大利用率，降低生产成本。
本发明中的电池放电功率可直接体现为电解液在电池单体(电池组)中的液位高度。基于连通器原理，通过调节电动推杆的伸缩量进而调整电解液供给箱的高度(结合液位传感器获取电解液供给箱内液位高度、循环水泵输送电解液)，实现电池放电功率的调节。并且可以进行初始定标，更加精准的控制放电功率。没有进行初始化操作时，即工况为电动推杆产生伸缩量，且电解液供给箱中存留电解液时，可在能耗最低的条件下完成对电池放电功率的控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统包括：
电池组，用于与电解液发生反应产生电能；所述电池组设置有电池单体；
过滤装置，与所述电池组连接，用于过滤发生反应后的电解液；
电解液净化池，与所述电池组连接，用于净化发生反应后的电解液，得到净化后的电解液；
电解液供给箱，与所述电解液净化池连接，用于接收所述净化后的电解液；所述电解液供给箱还与所述过滤装置连接，通过所述过滤装置与所述电池组构成连通器，所述电解液供给箱还用于根据连通器原理调节所述电池单体与电解液的接触面积；
电动推杆，设置在所述电解液供给箱下方，用于调节所述电解液供给箱高度；
所述电池组包括电池外壳，所述电池单体设置在所述电池外壳内；所述电池外壳包括电池壳体、壳体上盖和电解液槽；所述壳体上盖设置在所述电池壳体上方，所述电解液槽设置在所述电池壳体下方；所述电解液槽为漏斗形电解液槽，顶部设置有通孔与电池单体连通，底部与公共电解液槽连接。
2.根据权利要求1所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括：
电解液储蓄池，与所述电解液净化池连接，用于储蓄所述净化后的电解液；
循环水泵，分别与所述电解液储蓄池和所述电解液供给箱连接，用于将所述电解液储蓄池中的电解液输送至所述电解液供给箱。
3.根据权利要求2所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述电解液供给箱设置有液位传感器和流量传感器；所述液位传感器用于获取所述电解液供给箱内电解液的液位，所述流量传感器用于控制进入所述电解液供给箱的电解液的流量。
4.根据权利要求3所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括第一双向电磁阀、连通管、第二双向电磁阀和可伸缩连通管；所述电池组通过所述第一双向电磁阀与所述连通管一端连接，所述连通管另一端通过所述过滤装置与所述第二双向电磁阀一端连接，所述第二双向电磁阀另一端通过所述可伸缩连通管与所述电解液供给箱连接。
5.根据权利要求4所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括控制器，所述控制器分别与所述电解液供给箱、所述电动推杆、所述液位传感器、所述流量传感器、所述第一双向电磁阀和所述第二双向电磁阀连接，所述控制器用于对所述电解液供给箱、所述电动推杆、所述液位传感器、所述流量传感器、所述第一双向电磁阀和所述第二双向电磁阀进行控制。
6.根据权利要求1所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述电池单体包括金属电极、电池封装结构、两个空气电极和两个压板；其中所述金属电极设置在所述电池 封装结构内，两个所述空气电极设置在所述电池封装结构两侧，两个所述压板设置在两个所述空气电极两侧。
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