CN213816261U - 一种电解液外置型的金属燃料电池及一次性电池 - Google Patents

一种电解液外置型的金属燃料电池及一次性电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种电解液外置型的金属燃料电池，包括金属燃料电池单元，所述金属燃料电池单元包括：阳极板：所述阳极板为集电导体构成的集电板，阳极板上还设有活性炭和通气口；阴极板：所述阴极板为镁金属材料构成镁金属板；隔离层：所述隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层；金属燃料电池单元外还设有一外接供液装置：所述外接供液装置为水容器，所述水容器设置在金属燃料电池的下方，所述隔离层的下端浸入到水容器的电解液中。本实用新型通过把电池与供水分离，并通过对供液系统的控制而进一步发挥了金属燃料电池的优势，使燃料电池的结构更简单，可靠，燃料利用率高，容易长期保存。

Description

一种电解液外置型的金属燃料电池及一次性电池
技术领域
本实用新型涉及能源技术领域，尤其是涉及一种电解液外置型的金属燃料电池及一次性电池。
背景技术
镁空金属燃料电池是以镁为阴极，以集电导体和空气(氧)为阳极，把两个电极放在食盐水中，外接电动负载就可以发电的金属燃料电池。发电量的大小与镁金属极的表面积及与这个表面积接触到的水的面积成比例。但这种燃料电池发电的机理实质，是水对金属的腐蚀，所以只要金属镁和水有接触，即使外电路断开，金属的腐蚀也不会停止，只是比外电路连接时腐蚀的速度会慢一些而已。也就是说，金属燃料电池一旦开始使用，即使外电路没有负载了，作为燃料的金属也会慢慢的消耗掉。相当于电池的慢性漏电。所以，管理好镁电池使用过程中水的多少和有无，是提高镁电池使用效率的重要课题之一。
本实用新型通过精准管理发电过程中电池中水的供应和排出，而实现金属燃料电池的高效和安定的工作。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中存在的镁电池使用效率低的问题，提供了一种通过外接供液装置精准管理发电过程中电池中水的供应和排出的金属燃料电池及一次性电池，实现金属燃料电池的高效和安定的工作。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种电解液外置型的金属燃料电池，包括金属燃料电池单元，所述金属燃料电池单元包括：
阳极板：所述阳极板为集电导体构成的集电板，阳极板上还设有活性炭和通气口；
阴极板：所述阴极板为镁金属材料构成镁金属板；
隔离层：所述隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层；
所述金属燃料电池单元外还设有一外接供液装置：所述外接供液装置为水容器，所述水容器设置在金属燃料电池的下方，所述隔离层的下端浸入到水容器的电解液中。
进一步地，所述金属燃料电池单元的阳极板与阴极板之间的最大距离不超过10毫米，最小距离不小于阴极板厚度的1.5倍，隔离层材料充满两极之间。
进一步地，所述由阳极板、隔离层以及阴极板组合的金属燃料电池单元通过电池连接线串联或者并联连接起来。
进一步地，所述外接供液装置的外部还设有储水装置，所述储水装置与外接供液装置通过进水连接管相连，在进水连接管中间设有进水阀。所述进水阀为可远程控制的电磁开闭阀。
进一步地，所述外接供液装置的外部还设有吸水装置，所述吸水装置与外接供液装置通过排水连接管相连，在排水连接管中间设有排水阀。所述排水阀为可远程控制的电磁开闭阀。
进一步地，所述金属燃料电池的外接供液装置内设有水位检测装置，水位检测装置与进水连接管和排水连接管上的电磁开闭阀远程控制连接。
本实用新型还提供了一种电解液外置型的一次性金属燃料电池，所述金属燃料电池包括：
阳极板：所述阳极板为集电导体构成的集电板，阳极板上还设有活性炭和通气口；
阴极板：所述阴极板为镁金属材料构成镁金属板；
隔离层：所述隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层；
所述金属燃料电池还设置有一外接供液装置：所述外接供液装置为水容器，所述隔离层的下端位于水容器中，所述水容器的一端还连接有一密封盛液塑料容器，密封盛液塑料容器与水容器之间有强度薄弱的密闭隔膜，所述密封盛液塑料容器装有浓度不低于3％的食盐水。
进一步地，所述金属燃料电池为由多个电池单元组成的燃料电池组，所述燃料电池组由阳极板、隔离层以及阴极板组成的电池单元通过电池连接线串联或者并联连接起来组成。
本实用新型的优越性，镁金属燃料电池是清洁、安全的电池，只使用金属镁，钛、碳素，和食盐水等无害元素，发电完成后，剩下的排出物氢氧化镁也可作为胃药原料或水的清洁剂，对人和环境都无害，是全生命周期的绿色电池。而且只要不让电池内的两极接触到水，则不论保存多少时间，电池都不会退化或漏电，非常适合于做备用电源。本实用新型通过把电池与供水分离，并通过对供水系统的控制而进一步发挥了金属燃料电池的优势。使燃料电池的结构更简单，可靠，燃料利用率高，容易长期保存。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，
图1：本实用新型实施例1的金属燃料电池的结构示意图；
图2：本实用新型实施例2的一次性金属燃料电池的结构示意图；
其中：1、镁金属板；2、集电板；3、通气口；4、水容器；5、电解液；6、电池负载；7、吸水材料层；8、进水阀；9、进水连接管；10、储水装置；11、排水阀；12、排水连接管；13、吸水装置；14、电池连接线；15、水位检测装置；20、隔膜；21、密封盛液塑料容器。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例：
实施例1
如图1所示，一种电解液外置型的金属燃料电池，包括金属燃料电池单元，金属燃料电池单元包括：阳极板为集电导体构成的集电板2，阳极板上还设有活性炭和通气口3；阴极板为镁金属材料构成镁金属板1；隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层7；金属燃料电池单元外还设有一外接供液装置：外接供液装置为水容器4，水容器4设置在金属燃料电池的下方，隔离层的下端浸入到水容器的电解液5 中。
金属燃料电池单元的阳极板与阴极板之间的最大距离不超过10毫米，最小距离不小于阴极板厚度的1.5倍。由阳极板、隔离层以及阴极板组合的金属燃料电池单元通过电池连接线14串联或者并联连接起来，电池外通过电线给电池负载6供电。
外接供液装置的外部还设有储水装置10，储水装置10与外接供液装置通过进水连接管9相连，在进水连接管9中间设有进水阀8。进水阀8 为可远程控制的电磁开闭阀。外接供液装置的外部还设有吸水装置13，吸水装置13与外接供液装置通过排水连接管12相连，在排水连接管12中间设有排水阀。排水阀11为可远程控制的电磁开闭阀。金属燃料电池的外接供液装置内设有水位检测装置15，水位检测装置15与进水连接管9和排水连接管12上的电磁开闭阀远程控制连接。
用镁金属材料构成的镁金属板1做阴极，由集电导体构成的集电板2 和活性炭和通气口3为阳极，两极之间用高分子材料做成的吸水材料层7 充填。很多同样的构造的电池，放在一起，做串联或并联就可形成电池组。在电池外侧设有一水容器4，水溶液中盛有足够量的食盐水，水容器通过进水连接管9与电池的底部的储水箱10相连，进水连接管9之间有一个进水阀8。打开进水阀8后，水容器4中的食盐水可以流入电池底部储水箱，吸水材料层7与储水箱10内的电解液5相接，把储水箱10内的电解液吸到两电极之间，从而让电池可以开始发电。
金属电池发电的工作过程是，在阴极镁金属会被食盐水中的水溶解，使镁失去2个电子，变成镁离子Mg+2；失去的电子沿外电路流动到阳极，而形成电流；在阳极，电子流入集电板，集电板与大气中的氧接触，氧原子得到电子，而变成氧离子进入水中。在水中氧离子和水分子结合，而形成，氢氧基OH-，再与阴极过来的镁离子Mg+结合，而成为氢氧化镁Mg(OH)2固体而析出。
在电池中发生的化学反应是
阴极：Mg＝Mg+2+2e
阳极：O2+4e＝2O-2
电解液中：Mg+2+2O-2+H2O＝Mg(OH)2
如此循环，而对外不断发电，镁片也不断被腐蚀，水也不断被消耗，直到最后镁全部变成氢氧化镁固体，或电池里的水全部被消耗干为止。镁电池的发电量与作为电极的镁金属片接触到的水面积成比例。
吸水材料可以吸水的最高高度是有限的，如果电池水箱内的水位低，就只有镁板下面的部分可以接触到水，提高水箱内的水位，才可以让镁板全部接触到水。所以，通过控制水箱内的水面高度，就可以保证作为燃料的镁金属板能从下方开始逐步向上腐蚀，而提高金属燃料板的利用率。否则，金属面从一开始就全面腐蚀的话，到燃料电池使用的后期，远离电极输出端子的金属板上的电子，就很难达到输出端子。这就相当于增大了电池的内阻。
当需要关闭外接用电负载时，可以打开排水阀，一方面排出留在电池中的食盐水，减缓镁的腐蚀，而延长镁燃料的使用时间，另一方面，也可随着电池内水的放出，而带出部分在阴极表面和水中的氢氧化镁，而提高下次启动时的发电效率。因为氢氧化镁是固体状，大小不定，所以有可能堵住排水孔，所以在排水阀后，安装吸水装置，一方面是为把残留在电池里的水吸的更快一些，另一方面也是为了在排水被堵的时候，能把这些固体强制吸出。
在镁电池发电的食盐并不参与电池发电过程中的化学反应，但能起到加快离子在水中移动的作用，相当于起到减少电池的内阻的作用。经验表面，食盐的浓度在3％以上时就能起到上述作用。
在水箱中也可以不用食盐水，而只用普通水也可以，只要在电池内事先放一些食用盐就可以，这样可以不需要临时使用时，去临时配盐水。
但在水容器中储存食盐水，可以防止水箱里的水在冬天冻结，同时也可避免在电池里的水被多次放出后，而使水溶液中食盐的浓度过低。
阴极和阳极之间的距离，如果太大，会延长氧离子在水中的移动距离，客观上增加了电池的内阻，影响电池的发电效率。但如果两极之间的距离太短，镁板在被腐蚀后变成氢氧化镁时的体积Mg(OH)2会比原来的镁板体积大，如果在两极之间没有留一定的空间余量，则在阴极镁板还没有完全用完之前，两极之间的空间已经被氢氧化镁充满，而没法继续发电。高分子吸水材料一方面起着把水从水箱吸到极板间的作用，同时也起到让两个极板之间的距离尽可能小，但又不会直接接触到的程度。经验表明，两极之间的距离最大不要超过10mm,最小距离不小于镁板的1.5倍。
镁燃料电池在实际使用中，都是由多个同样的电池串联或并联为电池组而对外供电的，如果用传统的直接把阴极和阳极直接插在食盐水中的方式，则需要每个电池都有一个独立的水槽，这样就需要很多的水槽(像铅酸电池那样,每一节电池，都有一个独立的水槽)。这样使用燃料电池时，就会有一个复杂供水系统，不仅使结构复杂，而且使用起来也很麻烦。因为铅酸电池是储能性电池，电池内部的电极和电解液是不需要经常更换的，而镁金属燃料电池，不是储能性电池，每次使用都要消耗镁金属和水，所以，每次使用都要更换或添加金属燃料和水。如果一个电池组里有几十个电池，每个电池槽都要一个一个加水，就会变得非常麻烦。
所以，本实用新型用吸水材料来做电极间的隔离层，让这些吸水材料把电池下部的水吸到电极之间，就不需要把每个电极直接插入水中。这样就能让所有的电池共用同一个水箱，同一个水池，从而可以实现水的供水系统的简单而有效的管理。
电极板之间用高分子的吸水材料，还可以防止电池在移动中水在电池中的晃动或电池本体的倾斜，而影响电池发电量的波动。
实施例2
如图2所示，一种电解液外置型的一次性金属燃料电池，一次性金属燃料电池包括：阳极板为集电导体构成的集电板2，阳极板上还设有活性炭和通气口3；阴极板为镁金属材料构成镁金属板1；隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层7；金属燃料电池外还设有一外接供液装置：外接供液装置为水容器4，吸水材料层7的下端位于水容器4中，水容器4的一端还连接有一密封盛液塑料容器21，密封盛液塑料容器21与水容器4之间有强度薄弱的密闭隔膜20，密封盛液塑料容器21装有浓度不低于3％的食盐水。
金属燃料电池为由多个电池单元组成的燃料电池组，燃料电池组由阳极板、隔离层以及阴极板组成的电池单元通过电池连接线串联或者并联连接起来组成。
该一次性镁金属燃料电池，把外接水容器做成一个塑料袋，内部封装一定量的浓度不低于3％的食盐水，并在塑料袋与电池之间设置一个强度相对薄弱的隔膜，通过挤压塑料袋，就可挤破隔膜而把水注入电池，让电池中的吸水材料，把水全部吸进电池内。可以作为灾害或急需时的一次性应急电池。
镁金属电池也可作为应急备用电源，当主电源发生故障时，可以通过外接控制装置，而开启供水阀，而让水箱内的水进入电池，从而可以使电池进入正常工作。而在不需要使用时，只要电池内没有水的进入，无论多长时间，电池都不会退化。
本实用新型的优越性，镁金属燃料电池是清洁、安全的电池，只使用金属镁，钛、碳素，和食盐水等无害元素，发电完成后，剩下的排出物氢氧化镁也可作为胃药原料或水的清洁剂，对人和环境都无害。是全生命周期的绿色电池。而且只要不让电池内的两极接触到水，则不论保存多少时间，电池都不会退化或漏电。非常适合于做备用电源。本实用新型通过把电池与供水分离，并通过对供水系统的控制而进一步发挥了金属燃料电池的优势。使燃料电池的结构更简单，可靠，燃料利用率高，容易长期保存。
同样的外接供液装置也适用于铝或锌等其他金属燃料电池，只是在使用铝或锌金属为燃料时，外接水容器中盛放的不是食盐水，而是酸性电解液等。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：包括金属燃料电池单元，所述金属燃料电池单元包括：
阳极板：所述阳极板为集电导体构成的集电板，阳极板上还设有活性炭和通气口；
阴极板：所述阴极板为镁金属材料构成镁金属板；
隔离层：所述隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层；
所述金属燃料电池单元外还设有一外接供液装置：所述外接供液装置为水容器，所述水容器设置在金属燃料电池的下方，所述隔离层的下端浸入到水容器的电解液中。
2.根据权利要求1所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述金属燃料电池单元的阳极板与阴极板之间的最大距离不超过10毫米，最小距离不小于阴极板厚度的1.5倍，隔离层材料充满两极之间。
3.根据权利要求2所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述由阳极板、隔离层以及阴极板组合的金属燃料电池单元通过电池连接线串联或者并联连接起来。
4.根据权利要求3所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述外接供液装置的外部还设有储水装置，所述储水装置与外接供液装置通过进水连接管相连，在进水连接管中间设有进水阀。
5.根据权利要求4所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述进水阀为可远程控制的电磁开闭阀。
6.根据权利要求3－5任一项所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述外接供液装置的外部还设有吸水装置，所述吸水装置与外接供液装置通过排水连接管相连，在排水连接管中间设有排水阀。
7.根据权利要求6所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述排水阀为可远程控制的电磁开闭阀。
8.根据权利要求7所述的一种电解液外置型的金属燃料电池，其特征在于：所述金属燃料电池的外接供液装置内设有水位检测装置，水位检测装置与进水连接管和排水连接管上的电磁开闭阀远程控制连接。
9.一种电解液外置型的一次性金属燃料电池，其特征在于：所述金属燃料电池包括：
阳极板：所述阳极板为集电导体构成的集电板，阳极板上还设有活性炭和通气口；
阴极板：所述阴极板为镁金属材料构成镁金属板；
隔离层：所述隔离层位于阳极板和阴极板之间，为吸水性强且不导电的吸水材料层；
所述金属燃料电池还设置有一外接供液装置：所述外接供液装置为水容器，所述隔离层的下端位于水容器中，所述水容器的一端还连接有一密封盛液塑料容器，密封盛液塑料容器与水容器之间有强度薄弱的密闭隔膜。
10.根据权利要求9所述的一种电解液外置型的一次性金属燃料电池，其特征在于：所述金属燃料电池为由多个电池单元组成的燃料电池组，所述燃料电池组由阳极板、隔离层以及阴极板组成的电池单元通过电池连接线串联或者并联连接起来组成。
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