CN113097606B - 一种液流金属空气电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气电池的技术领域，公开了一种液流金属空气电池系统，包括空气电池体、电解液罐和燃料室，电解液罐内容纳有电解液，燃料室内容纳有金属粉与水的液体混合物，空气电池体包括反应腔，电解液罐和燃料室分别通过管道与反应腔连通，反应腔设有正极膜和电负极，电负极部分容纳于反应腔内，正极膜至少部分位于反应腔内，正极膜至少部分暴露于空气电池体的外部。本发明的液流金属空气电池系统，能持续保持电池正常工作，增大金属与电解液的接触面积，提高负极电流密度。

Description

一种液流金属空气电池系统

技术领域

本发明涉及空气电池的技术领域，特别是涉及一种液流金属空气电池系统。

背景技术

现有技术中的空气电池是以金属或金属合金为负极，以空气中的氧为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生电化学反应，形成电流而发电。空气电池应用于电动汽车、水下航行器等长时间续航供电领域。

现阶段空气电池在消耗完金属片后，添加金属片继续工作时，需停止电池正常工作，机械式更换金属片，操作过程繁杂，且电池不能持续不断电正常工作。另外由于金属片形状结构大多以片状为主，限制了金属片与电解液的接触面积，导致负极电流密度上不去。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能持续保持电池正常工作，增大金属与电解液的接触面积，提高负极电流密度的液流金属空气电池系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种液流金属空气电池系统，包括空气电池体、电解液罐和燃料室，所述电解液罐内容纳有电解液，所述燃料室内容纳有金属粉与水的液体混合物，所述空气电池体包括反应腔，所述电解液罐和所述燃料室分别通过管道与所述反应腔连通，所述反应腔设有正极膜和电负极，所述电负极部分容纳于所述反应腔内，所述正极膜至少部分位于反应腔内，所述正极膜至少部分暴露于所述空气电池体的外部。

作为优选方案，所述反应腔包括反应正极腔和反应负极腔，所述反应正极腔与反应负极腔之间设有离子交换膜，所述电负极部分容纳于所述反应负极腔内，所述正极膜至少部分位于反应正极腔内；

所述电解液罐包括用于储存正极电解液的正极电解液罐和用于储存负极电解液的负极电解液罐，所述正极电解液罐通过所述管道与所述反应正极腔连通，所述负极电解液罐通过所述管道与所述反应负极腔连通。

作为优选方案，所述负极电解液罐和所述正极电解液罐中装有不同类型的所述电解液。

作为优选方案，所述电解液罐和所述燃料室分别与所述反应腔的所述管道中设有控制泵。

作为优选方案，所述电解液罐与所述反应腔之间的所述管道中设有电解液泵，所述燃料室与所述反应腔之间的所述管道中设有燃料泵。

作为优选方案，所述电解液罐与所述空气电池体之间通过所述管道连接有固液分流器，所述固液分流器的下端连接有沉淀收集器。

作为优选方案，所述固液分流器与所述空气电池体之间的所述管道设有第一温度传感器，所述固液分流器与所述电解液罐之间的所述管道设有第二温度传感器，所述固液分流器连接有用于储存冷却液的冷却液罐。

作为优选方案，所述冷却液罐通过所述管道与所述固液分离器连通，所述冷却液罐与所述固定分离器之间的所述管道设有冷却泵，所述冷却泵分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器信号连接。

作为优选方案，所述固液分离器设有保温层。

作为优选方案，所述金属粉为铝粉。

本发明实施例一种液流空气电池系统与现有技术相比，其有益效果在于：在电解液罐中倒入电解液通过管道流入反应腔，液体混合物通过管道流入反应腔，电解液与液体混合物在反应腔中混合形成反应混合物，反应混合物与正极膜接触连接，空气中的氧气透过正极膜进入反应腔内与反应混合物发生放电反应实现放电，通过正极膜和电负极将放电反应释放的电能导入用电设备。将金属制成粉状，并将粉状金属与水混合形成可流动的液体混合物，在反应腔内的金属消耗完需要添加时，只需要将液体混合物加入反应腔即可，能保持反应腔内的放电反应持续进行，从而电池能不断电持续工作，无需中途因缺少反应物而暂停工作，操作便捷。同时，由于金属为粉状进而增大了金属粉反应的比表面积，加快放电反应的反应速度，极大增大负极电流密度。

附图说明

图1是本发明整体结构连接示意图。

图2是本发明另一实施例整体结构连接示意图。

图中：

10、管道；

20、空气电池体；21、反应腔；22、反应正极腔；23、反应负极腔；24、正极膜；25、电负极；26、离子交换膜；

30、电解液罐；31、正极电解液罐；32、负极电解液罐；

40、燃料室；41、电解液泵；42、燃料泵；

50、固液分流器；51、沉淀收集器；52、第一温度传感器；53、第二温度传感器；54、冷却液罐；55、冷却泵；56、保温层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种液流金属空气电池系统，包括空气电池体20、电解液罐30和燃料室40，电解液罐30内容纳有电解液，燃料室40内容纳有金属粉与水的液体混合物，空气电池体20包括反应腔21，电解液罐30和燃料室40分别通过管道10与反应腔21连通，反应腔21设有正极膜24和电负极25，电负极25部分容纳于反应腔21内，正极膜24至少部分位于反应腔21内，正极膜24至少部分暴露于空气电池体20的外部。

在本发明的液流金属空气电池系统，在电解液罐30中倒入电解液通过管道10流入反应腔21，液体混合物通过管道10流入反应腔21，电解液与液体混合物在反应腔21中混合形成反应混合物，反应混合物与正极膜24接触连接，空气中的氧气透过正极膜24进入反应腔21内与反应混合物发生放电反应实现放电，通过正极膜24和电负极25将放电反应释放的电能导入用电设备。将金属制成粉状，并将粉状金属与水混合形成可流动的液体混合物，在反应腔21内的金属消耗完需要添加时，只需要将液体混合物加入反应腔21即可，能保持反应腔21内的放电反应持续进行，从而电池能不断电持续工作，无需中途因缺少反应物而暂停工作，操作便捷。同时，由于金属为粉状进而增大了金属粉反应的比表面积，加快放电反应的反应速度，极大增大负极电流密度。

具体地，反应腔21内还容纳有添加剂，以进一步加速放电反应，加快放电反应释放电能的速率，以提高空气电池的实用性。正极膜24可选用现有技术中已知的材料，能够吸附空气而不能透过水，且本身具有导电能力，以保证空气电池的正常放电，正极膜24可根据实际放电效率进行设计，以达到最佳的放电效果；本实施例中，正极膜24可通过粘接剂直接粘接在空气电池体20的外部，或通过压实板与密封材料将正极膜24压紧于空气电池体20的外部，而空气电池体20上与正极膜24相对应的位置为镂空状，以使得正极膜24能够与反应腔21内的电解液接触，以保证放电反应的实现。

本实施例中，电负极25为多孔导电层，空气电池体20内的放电反应正常进行，不影响电池的正常工作。多孔导电层为耐高温耐酸耐碱的导电材料，包括但不限于高分子复合材料、包覆或改性过的材料等。电负极25为碳毡负极或石墨负极，电负极25优选为石墨负极，石墨具有优良的导电性能，且不发生放电反应，即不会被消耗。金属粉可为锌粉、镁粉、铁粉。优选为铝粉，铝是地壳中含量最丰富的金属元素，具有稳定性好、环保安全及导电性能好等优点，是一种理想的空气电池负极材料；铝空气电池是现阶段研究比较广泛的一种空气电池，其优点是比能量高(锂离子电池的2－3倍)、储存运输安全、制作成本低、环保无毒等，是目前最理想的空气电池。电负极25和金属粉也可同时选用金属材料，仅需保证电负极25的电负性强于金属粉；而若选用同种金属材料，将难以保证电负极25与金属粉不会同时被消耗，而当电负极25被消耗影响放电效率时，需要将空气电池停止工作以更换电负极25，难以保证本实施例中空气电池持续放电的实现。

进一步的，如图2所示，反应腔21包括反应正极腔22和反应负极腔23，反应正极腔22与反应负极腔23之间设有离子交换膜26，电负极25部分容纳于与反应负极腔23内，正极膜24至少部分位于反应正极腔22内；电解液罐30包括正极电解液罐31和负极电解液罐32，正极电解液罐31通过管道10与反应正极腔22连通，负极电解液罐32通过管道10与反应负极腔23连通。只设置一个电解液罐30时，在电解液的选择只能将就提高金属粉的反应速度、减少沉淀或减少正极膜24损害等某一方面的需求，或在多方面权衡后各方面取一个较为合适的电解液，但难以得到最优选择。正极电解液罐31内的正极电解液通过管道10输入反应正极腔22，负极电解液罐32内的负极电解液通过管道10输入反应负极腔23，进而使电解液的选择和使用范围更广，且能同时选择更有利于放电反应的多个方面性的不同电解液，使放电反应的多方面性能更加优化。如能针对不金属粉的金属材质特性选择使金属粉反应更快的负极电解液，同时选择促进正极反应的电解液等，甚至在反应负极腔23和反应正极腔22中分别放置促进不同腔的放电反应的催化剂。离子交换膜26的作用为提供可以移动的离子。由于离子交换膜26的设置，将反应负极腔23与反应正极腔22中的电解液隔开，以防止其中一腔中不利于反应或对部件有损害或产生沉淀的离子向另一相邻腔室移动，如金属粉为铝粉时，离子交换膜26采用钠离子交换膜26，则能防止反应正极腔22中的氢氧离子移动至反应负极腔23与铝离子反应生成氢氧化铝沉淀，减少沉淀的产生，同时也能防止反应负极腔23中的阴离子向反应正极腔22中移动破坏正极膜24，有效保护正极膜24。同时，正极膜24的大小可以根据实际需求调节，本发明负极中的反应金属设置为粉状，进而大幅提升电池负极的电流密度，因此反应负极腔23可以设置较小，正极腔室设置比反应负极腔23大，进而达到增大电池的电流密度，同时可以根据需求调节电池功率。

在负极电解液罐32和正极电解液罐31中可以选用同种类型的电解液或不同类型的电解液，一般电解液会根据正极膜24的材质性质进行选择。

进一步的，如图2所示，负极电解液罐32和正极电解液罐31中装有不同类型的电解液。电解液包括中性电解液、酸性电解液或碱性电解液。以使通过不同类型的电解液与正极膜24或金属粉等材质特性进行优化搭配，进而提升放电反应性能。作为优选的，正极电解液罐31选用碱性电解液。如负极电解液罐32中也选用碱性电解液，则正极电解液罐31与负极电解液罐32分别装入不同种类的碱性电解液。负极电解液罐32选用碱性电解液或中性电解液。如在正极电解液罐31中采用酸性电解液，则有工作电压较高，使用温度宽，高度速率放电性能良好等优点。而在金属粉为铝粉时，负极电解液罐32中采用碱性电解液，则能防止铝粉不利于放电反应进行的氧化铝的形成，保证放电反应的持续正常进行。

进一步的，如图1所示，电解液罐30和燃料室40分别与反应腔21的管道10中设有控制泵。现有的金属正极为金属块，由于金属为块状，不易于自动化控制，通过手动投料的方式进行金属块的补充。手动投料会导致电池内金属总含量不稳定，即手动投料容易由于金属块的大小或手动投料的误差，导致反应腔21内的金属焊料过多或过少。由于放电反应中的金属变为粉状，金属粉与水混合形成液体混合物，由于液体混合物和电解液均能流动，通过控制泵为反应腔21供应液体混合物和电解液，进而实现对放电反应的原料供应自动化控制，操作更便捷。控制泵安照金属粉的消耗程度、燃料室40的金属固含量和电解液浓度进而调配出合适的液体混合物和电解液的添加速度，使电池工作更加稳定和持久。

进一步的，如图1所示，电解液罐30与反应腔21之间的管道10中设有电解液泵41，燃料室40与反应腔21之间的管道10中设有燃料泵42。电解液泵41通过测量反应腔21中的电解液实际消耗情况，具体的，根据空气电池体20内实际消耗情况、燃料室40的固含量及电解液浓度计算出合适的电解液泵41转速，进而向反应腔21补充电解液。燃料泵42通过测量反应腔21中的液体混合物的实际消耗情况进而调节燃料泵42的转速，向反应腔21补充液体混合物。通过燃料泵42和电解液泵41的设置，实现反应腔21中的电解液和液体混合物的自动补充，实现反应的自动化控制，同时反应物的补充量更加精确，使电池工作更加稳定可靠。

进一步的，如图1－图2所示，电解液罐30与空气电池体20之间通过管道10连接有固液分流器50。具体的，空气电池体20内反应后的电解液和沉淀通过管道10进入固液分流器50，通过固液分流器50将电解液和沉淀进行分离，分离后的电解液通过固液分离器与电解液罐30之间的管道10重新流入电解液罐30进行回收再利用，资源重复利用节约资源，降低成本。分离后的沉淀掉落于沉淀收集器51内进行收集，沉淀收集方便，提高沉淀的收集效率。作为优选的，固液分流器50为旋流器，旋流器具有结构简单、占地面积小、安装操作方便和运行成本低的优点。具体的，空气电池体20的底部设有底板，底板为多孔结构，沉淀与电解液通过底板的孔隙进入固液分流器50。底板设有一定的倾斜角度，在空气电池体内反应生成沉淀，沉淀掉落于底板，以使沉淀在倾斜角度和重力作用下，自行滑落于固液分流器50中，更便于沉淀的收集，提高收集效率。

进一步的，如图1－图2所示，固液分流器50与空气电池体20之间的管道10设有第一温度传感器52，固液分流器50与电解液罐30之间的管道10设有第二温度传感器53，固液分流器50连接有用于储存冷却液的冷却液罐54。通过第一温度传感器52测量空气电池体20流出的电解液的温度，第二温度触感器测量固液分离器流出的电解液的温度，进而得到电解液的温度差，若温度差值大于规定值，根据该温度差值，通过冷却液罐54对固液分离器提供冷却液进而对固液分离器内的电解液进行降温，进而保持整个液流金属空气电池系统内的电解液温度稳定性。

进一步的，如图1－图2所示，冷却液罐54通过管道10与固液分离器连通，冷却液罐54与固定分离器之间的管道10设有冷却泵55，冷却泵55分别与第一温度传感器52和第二温度传感器53信号连接。第一温度传感器52和第二温度传感器53分别将检测到的温度信号传送至冷却泵55，冷却泵55根据温度信号计算得到温度差值，进而根据温度差值调节冷却泵55的转速，从而实现电解液的自动调节温控的效果。

其中，作为优选的，燃料泵42、电解液泵41和冷却泵55为蠕动泵，流体只接触泵管，不接触泵体，防止流体交叉污染，重复精度高，保证电解液、液体混合物和冷却液的补充精度，稳定性精度高，有利于维持电池的正常稳定工作，同时是输送剪切敏感，侵蚀性强流体的理想工具，具有良好的自吸能力，可空转，可防止回流，维护简单。

进一步的，如图1－图2所示，固液分离器设有保温层56。固液分离器的外轮廓包覆有保温层56，或固液分离器的内壁固定有保温层56。保温层56的设置，使固液分离器保持在设定温度范围内，防止固液分离器内电解液的温度过低，使电池位置再一个稳定合适的工作温度范围内，保持电池的长期正常工作。作为优选的，在固液分离器分别与电解液罐30和空气电池体20之间连接的管道10包裹有保温层56，扩大保温范围，防止热量散失，保温效果更好。

进一步的，金属粉为铝粉。当金属粉为铝粉时，铝粉与水混合形成液体混合物。铝粉容易被氧化，铝粉表面形成一层致密的氧化膜，阻止在水中被腐蚀，保证放电反应的正常进行。

综上，本发明实施例提供一种液流金属空气电池系统，金属粉与电解液接触面积比传统的单片块状金属的接触面积大一个数量级，有效提升电池负极的电流密度，使负极电流密度不再成为限制电池发展的一个瓶颈。由于电池负极的电流密度大，因此电池的正极电流大小可按照需求进行设计，适用范围更广。

本发明相对传统的铝空气电池，本发明配有专用的带保温层56的固液分流器50、沉淀收集器51和冷却液罐54形成的电解液和沉淀回收控制系统，使电池维持一个稳定、合适的工作温度，保证电池长期正常工作。

反应正极腔与反应负极腔的分离设置，电解液选择具有多样性，为空气电池系统的设计带来更大的灵活性和可能性，从而达到提高电压或减少成电等多方面优势。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液流金属空气电池系统，其特征在于：包括空气电池体、电解液罐和燃料室，所述电解液罐内容纳有电解液，所述燃料室内容纳有金属粉与水的液体混合物，所述空气电池体包括反应腔，所述电解液罐和所述燃料室分别通过管道与所述反应腔连通，所述反应腔设有正极膜和电负极，所述电负极部分容纳于所述反应腔内，所述正极膜至少部分位于反应腔内，所述正极膜至少部分暴露于所述空气电池体的外部；

所述电解液罐和所述燃料室分别与所述反应腔的所述管道中设有分别用于控制所述电解液罐内电解液和所述燃料室内所述液体混合物投放量的控制泵。

2.根据权利要求1所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述反应腔包括反应正极腔和反应负极腔，所述反应正极腔与反应负极腔之间设有离子交换膜，所述电负极部分容纳于所述反应负极腔内，所述正极膜至少部分位于反应正极腔内；

所述电解液罐包括用于储存正极电解液的正极电解液罐和用于储存负极电解液的负极电解液罐，所述正极电解液罐通过所述管道与所述反应正极腔连通，所述负极电解液罐通过所述管道与所述反应负极腔连通。

3.根据权利要求2所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述负极电解液罐和所述正极电解液罐中装有不同类型的所述电解液。

4.根据权利要求1所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述电解液罐与所述反应腔之间的所述管道中设有电解液泵，所述燃料室与所述反应腔之间的所述管道中设有燃料泵。

5.根据权利要求1所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述电解液罐与所述空气电池体之间通过所述管道连接有固液分流器，所述固液分流器的下端连接有沉淀收集器。

6.根据权利要求5所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述固液分流器与所述空气电池体之间的所述管道设有第一温度传感器，所述固液分流器与所述电解液罐之间的所述管道设有第二温度传感器，所述固液分流器连接有用于储存冷却液的冷却液罐。

7.根据权利要求6所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述冷却液罐通过所述管道与所述固液分流 器连通，所述冷却液罐与所述固液 分流 器之间的所述管道设有冷却泵，所述冷却泵分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器信号连接。

8.根据权利要求7所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述固液分流 器设有保温层。

9.根据权利要求1所述的一种液流金属空气电池系统，其特征在于：所述金属粉为铝粉。

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