CN112563625B - 一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统 - Google Patents

一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统，包括壳体、设置在壳体内的空气阴极及金属板阳极；所述的壳体顶部设置有端盖，壳体内壁两侧均设置有消氢催化剂和氧还原催化剂，且消氢催化剂和氧还原催化剂与壳体内壁有间隙，消氢催化剂设置在氧还原催化剂上方，且消氢催化剂和氧还原催化剂之间有间隙；氧还原催化剂作为空气阴极；壳体内的腔体构成反应腔，金属阳极板上与消氢催化剂和氧还原催化剂之间间隙对应的位置开设有长条形电解液通孔；本发明在壳体内部设置了消氢催化剂，利用消氢催化剂能够消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热反应腔内的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能。

Description

一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统
技术领域
本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统。
背景技术
金属空气电池利用化学反应放出电能，负极为金属，正极为氧气，在反应过程中会伴有一定量的氢气产生，在密闭空间内，氢气浓度超过4%，会有爆炸风险，因此控制氢气浓度至关重要。目前，消氢常用方法是通过金属空气电池系统中额外的消氢单元，并利用外部管路、风机等集成达到消氢目的，此方法系统复杂，且属于末端消氢，风险较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统，能够利用氢气和氧气反应过程中产生的热量加热电解液，解决低温环境下金属空气电池启动时间长、放电性能差的问题，同时使用的氢气为自腐蚀副反应产生的氢气，提高了金属空气电池的安全性和放电性能，消除了爆炸的安全隐患。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，包括壳体、设置在壳体内的空气阴极及金属板阳极；所述的壳体顶部设置有端盖，壳体内壁两侧均设置有消氢催化剂和氧还原催化剂，且消氢催化剂和氧还原催化剂与壳体内壁有间隙，消氢催化剂设置在氧还原催化剂上方，且消氢催化剂和氧还原催化剂之间有间隙；氧还原催化剂作为空气阴极；壳体内的腔体构成反应腔，金属板阳极可拆卸设置在反应腔内，金属阳极板的底部与反应腔底部接触，且金属阳极板上与消氢催化剂和氧还原催化剂之间间隙对应的位置开设有长条形电解液通孔；所述壳体下部开设有与反应腔连通的进液口、出液口和进氧口，所述的进液口、出液口用于使循环液在反应腔内循环。
所述的消氢催化剂和氧还原催化剂均为膜状，且采用粘接的方式设置在壳体内壁两侧。
一种具有消氢加热功能的金属空气电池系统，包括多块金属空气电池单体，所述的金属空气电池单体上述的任意一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，所述的多块金属空气电池单体设置在电堆箱体内构成电堆箱，电堆箱体上设置有总进液口、总出液口和总进氧口，所述的多块金属空气电池单体的电解液通道通过进液口和出液口串联连通，所述的多块金属空气电池单体的进氧口均与总进氧口连通；还包括电解液箱、循环泵、循环管道、鼓风机、电磁阀和进氧管道；所述的电解液箱、循环泵、电堆箱通过循环管道、总进液口和总出液口循环连通，所述的鼓风机通过总进氧口和进氧管道为电堆箱内的多块金属空气电池单体供给氧气，所述进氧管道上设置有电磁阀。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统，在壳体内部设置了消氢催化剂，利用消氢催化剂能够消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热反应腔内的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明所述的金属空气电池单体的结构示意图；
图2为本发明所述的金属板阳极的结构示意图；
图3为本发明所述的金属空气电池系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
如图1和图2所示：本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，包括壳体1、设置在壳体1内的空气阴极及金属板阳极3；所述的壳体1顶部设置有端盖2，壳体1内壁两侧均设置有消氢催化剂4和氧还原催化剂5，且消氢催化剂4和氧还原催化剂5与壳体1内壁有间隙，以供电解液循环（图1中的箭头方向为电解液循环路径与方向），消氢催化剂4设置在氧还原催化剂5上方，且消氢催化剂4和氧还原催化剂5之间有间隙；氧还原催化剂5作为空气阴极；壳体1内的腔体构成反应腔，金属板阳极3可拆卸设置在反应腔内，金属阳极板的底部与反应腔底部接触，且金属阳极板上与消氢催化剂4和氧还原催化剂5之间间隙对应的位置开设有长条形电解液通孔31；所述壳体1下部开设有与反应腔连通的进液口6、出液口7和进氧口8，所述的进液口6、出液口7用于使循环液在反应腔内循环。
本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体的工作过程为：
当使用利用本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体制成的金属空气电池系统时，通过壳体1下部开设的进液口6、出液口7向金属空气电池单体循环供给电解液，通过壳体1下部开设的进氧口8向金属空气电池单体供给氧气，金属板阳极3和氧还原催化剂5空气阴极在电解液的作用下发生放电反应；以铝金属板阳极3为例：
在上述放电反应的过程中，当电解液温度合适时，在氧还原催化剂5的良好催化活性作用下，能够将氧气还原为氧离子，金属空气电池单体正常工作时的化学主反应如式（1）所示：
4Al+3O2+4OH-+6H2O→4[Al(OH)4]- ； （1）
在低温的情况下，由于电解液的温度限制，导致氧还原催化剂5的活性不足，无法将氧气还原为氧离子，此时电池的主要化学反应为自腐蚀副反应，如式（2）所示：
2Al+2OH-+6H2O→2[Al(OH)4]-+3H2 ； （2）
即温度过低或金属空气电池单体刚开始工作时，由于电解液的温度过低，金属空气电池单体的自腐蚀副反应将产生一定量的氢气；
此时产生的氢气将在壳体1上部聚集，通过壳体1内壁上部设置的消氢催化剂4和氧气发生消氢反应生成水，并释放出热量：
H2(g)+O2(g)→H2O(l)+Q1；
其中H2(g)和O2(g)为0 kJ/mol，H2O(l)为-285.8 kJ/mol，因此每mol氢气参与反应释放的热量为Q1为285.8kJ；
此时，消氢反应释放的热量在壳体1内进行热传递，与流经反应腔的电解液进行热交换，加热电解液，使电解液的温度升高，并达到消除氢气、防止发生爆炸的效果；同时消氢反应生成的水由于自重落入电解液，由壳体1上的出液口7流出壳体1。
上述过程中，由于反应腔内的电解液通道为金属板阳极3上开设的长条形电解液通孔31，因此，且壳体1下部开设有出液孔，因此，只需合适设置电解液的流速即可防止电解液与消氢催化剂4接触。
优选的：所述的消氢催化剂4和氧还原催化剂5均为膜状，且采用粘接的方式设置在壳体1内壁两侧，膜状具有体积小和易安装的特性，能够提高壳体1内的空间利用率；进一步的，膜状的消氢催化剂4和氧还原催化剂5为本领域成熟产品，这里不再赘述；更进一步的，本领域技术人员也可将消氢催化剂4和氧还原催化剂5设置在带孔的箱体内固定在壳体1的内壁上，这里不再赘述。
优选的：所述的消氢催化剂4由防水透气膜层、消氢催化剂4层和隔热层由外至内依次粘接制成；防水透气膜层能够阻挡水蒸气进入消氢催化剂4层，提高了消氢的可靠性，隔热层的设置能够防止消氢反应释放的热量逸散到壳体1外，提高消氢反应的加热效果。
如图3所示：本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池系统，包括多块金属空气电池单体，所述的金属空气电池单体采用上述的任意一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，所述的多块金属空气电池单体设置在电堆箱15体内构成电堆箱15，电堆箱15体上设置有总进液口、总出液口和总进氧口，所述的多块金属空气电池单体的电解液通道通过进液口6和出液口7串联连通，具体的连通方式为：电堆箱15内相邻的两块金属空气电池单体的出液口7和进液口6连通，最两侧的两块金属空气电池单体的出液口7和进液口6分别于电堆箱15体上的总进液口和总出液口连通；所述的多块金属空气电池单体的进氧口8均与总进氧口连通；还包括电解液箱9、循环泵10、循环管道11、鼓风机12、电磁阀13和进氧管道14；所述的电解液箱9、循环泵10、电堆箱15通过循环管道11、总进液口和总出液口循环连通，所述的鼓风机12通过总进氧口和进氧管道14为电堆箱15内的多块金属空气电池单体供给氧气，所述进氧管道14上设置有电磁阀13。
本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池系统的工作原理为：
需要使用本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池系统时，打开循环泵10和鼓风机12，循环泵10和鼓风机12分别为电堆箱15带入放电反应所需的电解液和氧气；在低温的情况下，由于电解液的温度限制，导致氧还原催化剂5的活性不足，无法将氧气还原为氧离子，此时金属空气电池单体的主要化学反应为自腐蚀副反应，如式（2）所示：
2Al+2OH-+6H2O→2[Al(OH)4]-+3H2 ； （2）
即温度过低或金属空气电池单体刚开始工作时，由于电解液的温度过低，金属空气电池单体的自腐蚀副反应将产生一定量的氢气；
此时产生的氢气将在壳体1上部聚集，通过壳体1内壁上部设置的消氢催化剂4和氧气发生消氢反应生成水，并释放出热量：
H2(g)+O2(g)→H2O(l)+Q1；
其中H2(g)和O2(g)为0 kJ/mol，H2O(l)为-285.8 kJ/mol，因此每mol氢气参与反应释放的热量为Q1为285.8kJ；
此时，消氢反应释放的热量在壳体1内进行热传递，为流经反应腔的电解液进行热交换，加热电解液，使电解液的温度升高，并达到消除氢气、防止发生爆炸的效果；同时消氢反应生成的水由于自重落入电解液，由壳体1上的出液口7流出壳体1。
与现有技术相比，本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统的有益效果为：
本发明所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体及系统，在壳体1内部设置了消氢催化剂4，利用消氢催化剂4能够消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热反应腔内的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，其特征在于：包括壳体、设置在壳体内的空气阴极及金属板阳极；所述的壳体顶部设置有端盖，壳体内壁上、下两侧分别设置有消氢催化剂和氧还原催化剂，且消氢催化剂和氧还原催化剂与壳体周侧内壁有间隙，消氢催化剂设置在氧还原催化剂上方，且消氢催化剂和氧还原催化剂之间有间隙；氧还原催化剂作为空气阴极；壳体内的腔体构成反应腔，金属板阳极可拆卸设置在反应腔内，金属阳极板的底部与反应腔底部接触，且金属阳极板上与消氢催化剂和氧还原催化剂之间间隙对应的位置开设有长条形电解液通孔；所述壳体下部开设有与反应腔连通的进液口、出液口和进氧口，所述的进液口、出液口用于使循环液在反应腔内循环。
2.根据权利要求1所述的一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，其特征在于：所述的消氢催化剂和氧还原催化剂均为膜状，且采用粘接的方式设置在壳体内壁上、下两侧。
3.一种具有消氢加热功能的金属空气电池系统，其特征在于：包括多块金属空气电池单体，所述的金属空气电池单体采用权利要求1-2所述的任意一种具有消氢加热功能的金属空气电池单体，所述的多块金属空气电池单体设置在电堆箱体内构成电堆箱，电堆箱体上设置有总进液口、总出液口和总进氧口，所述的多块金属空气电池单体的电解液通道通过进液口和出液口串联连通，所述的多块金属空气电池单体的进氧口均与总进氧口连通；还包括电解液箱、循环泵、循环管道、鼓风机、电磁阀和进氧管道；所述的电解液箱、循环泵、电堆箱通过循环管道、总进液口和总出液口循环连通，所述的鼓风机通过总进氧口和进氧管道为电堆箱内的多块金属空气电池单体供给氧气，所述进氧管道上设置有电磁阀。
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