CN113540522B - 一种镁燃料电池单体及镁燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了镁燃料电池单体及系统，镁燃料电池单体包括壳体，壳体上部设置有进液口，在壳体下部设置有出液口，在壳体内设置有镁电极，镁电极两侧分别设置有空气电极，壳体内靠近进液口处设置有电解液分配装置，电解液分配装置内部具有腔室，电解液分配部上设置的管口和均匀布置的多个通孔分别与腔室连通；从进液口引入的电解液先通过管口进入腔室，然后从通孔进入电解池，电解池中的反应产物从出液口排出；系统由横向布置的多个所述镁燃料电池单体依靠连通器串联成整体。本发明在不改变传统顶置布线方式的情况下实现了电池高度集成的效果，保证了各电池单体的位置与产物流动的一致性，实现了电池的高可靠性放电与产物回收。

Description

一种镁燃料电池单体及镁燃料电池系统

技术领域

本发明涉及镁燃料电池，具体涉及一种镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统。

背景技术

镁金属燃料电池：通常指电池阳极为镁金属，阴极为空气电极，通过催化空气中的氧气与镁金属实现化学反应，使电子实现移动由此产生电流的装置。

镁燃料电池具有较高的功率密度和能量密度，可以在中性电解液下工作，是一款友好型的一次电池，其相比于锂离子电池，具有较高的能量密度，并且具有高安全性。镁燃料电池在反应的过程中，电子由金属阳极转移到空气阴极，产生电流。其反应产物为氢氧化镁胶体，该胶体的纯度强依赖于金属阳极的纯度，即镁金属的纯度，当镁金属的纯度非常高时，由此制备的高纯氢氧化镁可作为医用、安全领域如阻燃剂等行业的重要材料来源，除此之外，由高纯氢氧化镁所制备的高纯氧化镁，则是目前钢铁行业极度需要并被国外垄断的耐火材料，是我国超洁净钢生产的必需材料，因此对镁燃料电池产物的回收以及整个电池的可靠性、集成度有着非常高的要求。

传统的镁空气燃料电池组采用独立的电池单元，无论是电解液还是镁阳极的更换都比较复杂。另外，为了保持大功率放电时的电池单元的温度稳定性，需要额外增加空气冷却系统，造成结构复杂，工作不可靠，电池管理系统（BMS）系统的设计难度增大，并且会带来布线、电解液流动、产物回收方面的缺陷，极大地阻碍了电池的性能以及产物回收的效率，由此带来的损耗是用电方和产物回收方无法接受的。

此外，现有文献CN206364116U公开了一种镁燃料电池单体，包括单体外壳、电极接触片、集电片框和镁燃料包，两集电片框置于镁燃料包的前后两侧且一并内置于单体外壳的内腔之中，该单体外壳的前后两侧设置有与内腔连通的网孔，该网孔将集电片框的中间部分外露；电极接触片安装于单体外壳的外侧，并且与镁燃料包的电极电性连接。然而，该镁燃料电池单体不仅存在结构复杂的问题，而且存在反应产物中沉淀物无法均匀脱落的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统，至少用于解决现有镁燃料电池以及镁燃料电池系统存在的结构复杂、反应产物中沉淀物无法均匀脱落的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。

一种镁燃料电池单体，包括壳体，壳体上部设置有进液口，在壳体下部设置有出液口，在壳体内设置有镁电极（实质上是镁板），镁电极两侧分别设置有空气电极，其特征在于：在壳体内靠近进液口处设置有电解液分配装置，电解液分配装置内部具有腔室，电解液分配部上设置的管口和均匀布置的多个通孔分别与腔室连通；从进液口引入的电解液先通过管口进入腔室，然后从通孔进入电解池，电解池中的反应产物从出液口排出。

为能够更好地实现反应产物中沉淀物均匀脱落，所述电解液分配部呈长条形，其截面呈矩形，所述通孔直径呈线性增加，使得从所有所述通孔流过的电解液具有相同流速。

为提高镁燃料电池单体的稳定性，所述管口伸入所述进液口并与所述进液口过盈配合。

为方便快速、顺利地回收电解池中的反应产物，所述出液口顶部呈向两侧扩张的凹形结构。

为提高镁电极的更换效率，进一步简化结构，所述壳体其中一侧壁开设有能够供所述镁电极进出的横向通道，该横向通道处配合设置有侧盖，且侧盖盖合后能够将该横向通道密封，在侧盖上设置有沉头孔，采用配合在沉头孔中的紧固件将侧盖与所述镁电极固定连接。

作为本发明的优选方案，所述沉头孔设置在所述侧盖的两侧壁。

为进一步提高镁燃料电池单体的稳定性，确保两侧空气电极能够同时高效工作，在所述壳体内沿顶部设置有U形集流体,所述空气电极卡入U形集流体的内侧空间并与之固定连接；所述空气电极同时还与所述壳体固定连接。

为实现整个镁燃料电池系统在布线、更换时的高度便捷性，以及整体的高可靠性，一种包含前述镁燃料电池单体的镁燃料电池系统，其特征在于：所述镁燃料电池系统由横向布置的多个所述镁燃料电池单体依靠连通器串联成整体，相邻所述镁燃料电池单体的所述进液口相互连通且同轴布置，邻所述镁燃料电池单体的所述出液口相互连通且同轴布置；所述镁燃料电池系统的导线及其连接件位于所述镁燃料电池单体顶部。

为确保镁燃料电池系统在高效放电的同时，实现其产物的高效回收，所述镁燃料电池系统还包括反应产物回收系统，反应产物回收系统包括分别连接所述出液口、所述进液口的循环管路，在循环管路上设置有泵、散热器和带滤网的沉淀池，沉淀池还连接有补液系统，从所述出液口流出的反应产物进入沉淀池并经滤网过滤，过滤后的液体经散热器散热后从所述进液口进入所述电解池内。

为提高镁燃料电池系统的智能化，在所述电解池内设置有温度传感器、液位传感器和液体浓度传感器，温度传感器、液位传感器、液体浓度传感器、所述泵、和补液系统的补液泵分别连接控制器并受其控制、运行，即通过控制器控制温度传感器运行、控制液位传感器运行、控制液体浓度传感器运行、控制所述泵运行、控制补液系统的补液泵运行。

本发明提供的镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统不仅结构简单，而且能够快速拆装、更换镁电极，通常情况下，更换一片镁电极耗时仅约二十秒（更换常规镁燃料电池的一片镁电极通常需耗时约一分钟），更换镁电极的操作过程非常简单、轻松，只需要“抽出侧盖-拆下镁电极-装上新的镁电极-合上侧盖”，整个过程就像从抽屉里拿放东西一样容易；更关键地是，本发明提供的镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统在使用过程中不存在反应产物中沉淀物由于卡在壳体边缘无法均匀脱落的问题，阳极反应均衡、无死角。

本发明摒弃了传统的阳极纵置方案，采用了横置的金属阳极，在不改变传统顶置布线方式的情况下实现了电池高度集成的效果，保证了各电池单体的位置与产物流动的一致性，实现了电池的高可靠性放电与产物回收。整个电池系统在中性电解液下工作，实现了整个系统在布线、更换时的高度便捷性，整体的高可靠性，确保了镁燃料电池在高效放电的同时，实现其产物的高效回收，为大规模制备高纯氢氧化镁以及电力产出提供了新型基础设备/装置。

附图说明

图1是实施例中镁燃料电池单体的爆炸示意图；

图2是实施例中镁燃料电池单体的示意图；

图3是实施例中镁燃料电池单体的电解液分配部示意图；

图4是实施例中电解液分配部配合在壳体上的示意图；

图5是实施例中两个相邻镁燃料电池单体叠拼状态示意图；

图6是实施例中镁燃料电池系统示意图；

图7是实施例中镁燃料电池单体的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例

参见图1至图5，一种镁燃料电池单体，包括呈框形构造的壳体1，壳体1上部设置有进液口31，在壳体1下部设置有出液口32，出液口32顶部呈向两侧扩张的凹形结构。在壳体1内设置有镁电极3，镁电极3两侧分别设置有空气电极2，在壳体1内靠近进液口31处设置有电解液分配部33，电解液分配部33内部具有腔室，电解液分配部33上设置的管口7和均匀布置的多个通孔8分别与腔室连通，管口7伸入进液口31并与进液口31过盈配合；从进液口31引入的电解液先通过管口7进入腔室，然后从通孔8进入电解池，反应产物从出液口32排出。

如图3和图4所示，电解液分配部33呈长条形，其截面呈矩形，电解液分配部33安装于电池顶部，与金属阳极配合，并采用直径线性变换的出水口，使得从所有通孔8流过的电解液具有相同流速（通孔8的直径随着其与管口7的间距呈线性增加，确保距离管口7较远的通孔8能够与其它通孔具有相同的水流速度），确保在一定压力下水流能够均衡流下，保证金属阳极的均衡反应。

如图1所示，壳体1其中一侧壁开设有能够供镁电极3进出的横向通道，该横向通道处配合设置有侧盖4，且侧盖4盖合后能够将该横向通道密封，在侧盖4上的两侧壁分别设置有沉头孔41，采用配合在沉头孔41中的紧固件将侧盖4与镁电极3固定连接。具体地，将侧盖2与镁电极3连接好后横向插入壳体1中，并采用位于壳体1两端角处的锁扣5，将侧盖4锁紧固定，侧盖4的周围布置的楔形块保证了侧盖4与电池壳体1的固定与定位，将硅橡胶条安装于侧盖4与电池壳体1的连接部位，确保电解液的密封。

其中，壳体1内沿顶部设置有U形集流体6,空气电极2卡入U形集流体6的内侧空间并与之固定连接，空气电极2同时还与壳体1固定连接。空气电极2由U型铜板进行电流集成，镁电极3（金属阳极）通过螺栓由顶部拧入预置螺母中，布线连接件均位于电池顶部。

一种基于前述镁燃料电池单体的镁燃料电池系统，由横向布置的多个镁燃料电池单体依靠连通器串联成整体，相邻镁燃料电池单体的进液口31相互连通且同轴布置，邻镁燃料电池单体的出液口32相互连通且同轴布置；镁燃料电池系统的导线及其连接件位于镁燃料电池单体顶部。具体地：如图5、图6和图7所示，进液口31位于镁燃料电池单体顶部，其形状为圆形；两个出液口32位于镁燃料电池单体底部，其形状为圆形，出液口32顶部为半圆凹形集流口，确保反应产物能够尽可能地落入出液口32中；镁燃料电池系统的单体与单体间通过进液连通器9和出液连通器10连接，连通器两端设有硅橡胶垫圈，确保连接的密封性与电池单体位置的一致性，实现各单体进液口31与出液口32的衔接与集成。

如图6所示，镁燃料电池系统还包括反应产物回收系统，反应产物回收系统包括分别连接出液口32、进液口31的循环管路，在循环管路上设置有泵16、散热器17和带滤网15的沉淀池14，沉淀池14还连接有补液系统，从出液口32流出的反应产物进入沉淀池14并经滤网15过滤，过滤后的液体经散热器17散热后从进液口31进入电解池内。在电解池内设置有温度传感器18、液位传感器19和液体浓度传感器20，温度传感器18、液位传感器19、液体浓度传感器20、泵16、和补液系统的补液泵12分别连接控制器21并受其控制、运行。

根据功率要求，镁燃料电池系统具备若干块电池单体，如图6所示，电池单体之间采用串联，彼此绝缘，每个电池单体的正极和负极分别在电池单体的顶部实现互相连接，正极总线26和负极总线11的输出端连接DCDC单元25（变换器），确保镁燃料电池系统能够满足平稳放电的需求，实现整个系统的电力输出。

在加入循环系统后，组成智能化的镁空气电池系统，如图6所示，电解池中的温度传感器18、液位传感器19、液体浓度传感器20的传感信号进入控制器21，控制器21能够控制泵16和补液泵12的流量，从出液口32流出的反应产物经过出液管路22进入沉淀池14，被滤网15阻挡的沉淀（反应产物中的沉淀）沉积在沉淀池14的底部，可以移除和回收，清澈的电解液依次通过泵16，流过散热器17，通过镁燃料电池进液管路23流入电池的电解池中。补液泵12可以将补液池24中的浓缩电解液或纯水（视电池电解液类型不同，酸、碱性电解液补充浓缩电解液，中性电解液补充纯净水）通过单向阀13注入沉淀池，注入流量由控制器21根据液位传感器19和液体浓度传感器20的数据计算得到；泵16的流量由控制器21根据电解液温度传感器18来确定。补液泵12、泵16、控制器21、温度传感器18、液位传感器19和液体浓度传感器20的供电都由镁空电池组提供，通过电源模块，获得不同用电器的所需的电压。

该镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统不仅结构简单，而且能够快速拆装、更换镁电极，通常情况下，更换一片镁电极耗时仅约二十秒（，更换镁电极的操作过程非常简单、轻松，只需要“抽出侧盖-拆下镁电极-装上新的镁电极-合上侧盖”，整个过程就像从抽屉里拿放东西一样容易；更关键地是，其在使用过程中不存在反应产物中沉淀物无法均匀脱落的问题，阳极反应均衡、无死角。

该镁燃料电池单体以及镁燃料电池系统摒弃了传统的阳极纵置方案，采用了横置的金属阳极，在不改变传统顶置布线方式的情况下实现了电池高度集成的效果，保证了各电池单体的位置与产物流动的一致性，实现了电池的高可靠性放电与产物回收。整个电池系统在中性电解液下工作，实现了整个系统在布线、更换时的高度便捷性，整体的高可靠性，确保了镁燃料电池在高效放电的同时，实现其产物的高效回收，为大规模制备高纯氢氧化镁以及电力产出提供了新型基础设备/装置。

Claims (8)

1.一种镁燃料电池单体，包括壳体（1），壳体（1）上部设置有进液口（31），在壳体（1）下部设置有出液口（32），在壳体（1）内设置有镁电极（3），镁电极（3）两侧分别设置有空气电极（2），其特征在于：在壳体（1）内靠近进液口（31）处设置有电解液分配部（33），电解液分配部（33）内部具有腔室，电解液分配部（33）上设置的管口（7）和均匀布置的多个通孔（8）分别与腔室连通；所述通孔（8）直径呈线性增加；从进液口（31）引入的电解液先通过管口（7）进入腔室，然后从通孔（8）进入电解池，反应产物从出液口（32）排出；

所述电解液分配部（33）呈长条形，其截面呈矩形，且从所有所述通孔（8）流过的电解液具有相同流速；

在所述壳体（1）内沿顶部设置有U形集流体（6），所述空气电极（2）卡入U形集流体（6）的内侧空间并与之固定连接；所述空气电极（2）同时还与所述壳体（1）固定连接；

所述出液口（32）顶部呈向两侧扩张的凹形结构。

2.根据权利要求1所述的镁燃料电池单体，其特征在于：所述管口（7）伸入所述进液口（31）并与所述进液口（31）过盈配合。

3.根据权利要求1所述的镁燃料电池单体，其特征在于：所述出液口（32）顶部呈向两侧扩张的凹形结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的镁燃料电池单体，其特征在于：所述壳体（1）其中一侧壁开设有能够供所述镁电极（3）进出的横向通道，该横向通道处配合设置有侧盖（4），且侧盖（4）盖合后能够将该横向通道密封，在侧盖（4）上设置有沉头孔（41），采用配合在沉头孔（41）中的紧固件将侧盖（4）与所述镁电极（3）固定连接。

5.根据权利要求4所述的镁燃料电池单体，其特征在于：所述沉头孔（41）设置在所述侧盖（4）的两侧壁。

6.一种包含权利要求1-5任一项所述镁燃料电池单体的镁燃料电池系统，其特征在于：所述镁燃料电池系统由横向布置的多个所述镁燃料电池单体依靠连通器串联成整体，相邻所述镁燃料电池单体的所述进液口（31）相互连通且同轴布置，邻所述镁燃料电池单体的所述出液口（32）相互连通且同轴布置；所述镁燃料电池系统的导线及其连接件位于所述镁燃料电池单体顶部。

7.根据权利要求6所述的镁燃料电池系统，其特征在于：所述镁燃料电池系统还包括反应产物回收系统，反应产物回收系统包括分别连接所述出液口（32）、所述进液口（31）的循环管路，在循环管路上设置有泵（16）、散热器（17）和带滤网（15）的沉淀池（14），沉淀池（14）还连接有补液系统，从所述出液口（32）流出的反应产物进入沉淀池（14）并经滤网（15）过滤，过滤后的液体经散热器（17）散热后从所述进液口（31）进入所述电解池内。

8.根据权利要求7所述的镁燃料电池系统，其特征在于：在所述电解池内设置有温度传感器（18）、液位传感器（19）和液体浓度传感器（20），温度传感器（18）、液位传感器（19）、液体浓度传感器（20）、所述泵（16）、和补液系统的补液泵（13）分别连接控制器（21）并受其控制、运行。