一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬空氣燃料電池技術(shù)是一種將金屬的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的清潔能源技術(shù)，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、成本低、燃料存儲(chǔ)攜帶方便、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可用于車(chē)用動(dòng)力、移動(dòng)電源、通信基站備用電源等領(lǐng)域。
[0003]具體地，金屬空氣燃料的工作原理為，金屬在陽(yáng)極室內(nèi)的電解液中發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)生成金屬氧化物;空氣中的氧氣在空氣電極的催化層發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成氫氧根離子，電極反應(yīng)如下(金屬Μ可以是L1、Mg、Al、Zn等元素):
[0004]陽(yáng)極反應(yīng):2M+2n0H——M20n+nH20+2ne—
[0005]陰極反應(yīng):02+2H20+4e——40H—
[0006]總反應(yīng):4Μ+ηθ2—2Μ2θη
[0007]金屬空氣燃料電池分為陽(yáng)極更換式和連續(xù)加料式兩種。陽(yáng)極更換式金屬空氣燃料電池在陽(yáng)極金屬消耗完后需要人工更換新的陽(yáng)極，操作性較差，不適合大型電池堆。連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池與氫燃料電池在工作形式上十分類(lèi)似，其相當(dāng)于一種發(fā)電裝置，金屬作為燃料，可連續(xù)添加至電池堆中，同時(shí)將電池內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物排出，可維持電池堆的持續(xù)發(fā)電。電池堆的催化劑可以使用Μη02(二氧化錳)等非貴金屬氧化物，且金屬燃料的密度大，存儲(chǔ)攜帶安全方便，因此，連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池比氫燃料電池更具優(yōu)勢(shì)。然而，連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池在功率密度、電解液消耗及耐久性等方面存在的問(wèn)題，限制了其市場(chǎng)化發(fā)展。
[0008]大多數(shù)連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池使用電解液運(yùn)輸金屬燃料，即將金屬燃料置于電解液箱中，電解液栗驅(qū)動(dòng)電解液的同時(shí)將金屬燃料帶進(jìn)電池陽(yáng)極室。這種加料及電解液循環(huán)方式存在一定問(wèn)題:第一，向電池堆加料時(shí)，各個(gè)電池單體的金屬燃料供給量難以保持一致，可能存在燃料添加不足的現(xiàn)象，而且電解液供給量不一致，部分電池單體中可能因電解液流量過(guò)低而無(wú)法有效的將所有反應(yīng)產(chǎn)物排出，造成反應(yīng)產(chǎn)物積累使電池逐步失效；第二，為驅(qū)動(dòng)金屬燃料，電解液的流動(dòng)壓力很高，空氣電極處于高壓的電解液中容易出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，電解液進(jìn)入空氣電極內(nèi)疏水性的氣體傳輸孔隙，造成氧氣傳輸阻力增大，導(dǎo)致電池性能很低;第三，電池工作時(shí)，產(chǎn)生的氫氣容易在陽(yáng)極室內(nèi)邊緣區(qū)域積聚，使得電池的有效反應(yīng)面積減小而使性能降低。
[0009]上述這些問(wèn)題造成了金屬空氣燃料電池性能下降，因此，當(dāng)前金屬空氣燃料電池的性能較差、使用壽命較短，難以滿足商業(yè)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。
[0011]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)功率密度高、使用壽命長(zhǎng)。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，包括:具有開(kāi)放式陽(yáng)極室結(jié)構(gòu)的電池堆;金屬燃料自動(dòng)添加系統(tǒng)，用于將金屬燃料添加到所述電池堆的陽(yáng)極室中；電解液循環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)電解液循環(huán)流動(dòng)，其中，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)中的電解液處于低壓循環(huán)流動(dòng)狀態(tài);供氣系統(tǒng)，用于向所述電池堆供給空氣或氧氣;控制單元，用于調(diào)控電池系統(tǒng)各子系統(tǒng)的運(yùn)行。
[0013]本發(fā)明實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，具有開(kāi)放式陽(yáng)極室結(jié)構(gòu)，金屬燃料可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添加，且電解液進(jìn)行低壓循環(huán)流動(dòng)。本發(fā)明實(shí)施例的電池系統(tǒng)能夠有效提升電池的性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
[0014]另外，本發(fā)明上述實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)的實(shí)施例，所述電池堆至少包括兩個(gè)電池單體，每個(gè)所述電池單體的陽(yáng)極室上方直接與外界大氣相通，或者通過(guò)在所述陽(yáng)極室上方設(shè)置一個(gè)料斗與所述外界大氣相通。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述金屬燃料自動(dòng)添加系統(tǒng)包括燃料箱、電動(dòng)燃料添加機(jī)構(gòu)、燃料監(jiān)控裝置，其中，所述燃料監(jiān)控裝置設(shè)置在所述陽(yáng)極室上或所述陽(yáng)極室上方的料斗上，且浸沒(méi)在電解液中，所述燃料監(jiān)控裝置用于檢測(cè)所述陽(yáng)極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測(cè)到所述陽(yáng)極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于所述第一預(yù)設(shè)位置時(shí)，金屬燃料不足，所述控制單元控制所述電動(dòng)燃料添加機(jī)構(gòu)將所述燃料箱中的金屬燃料添加至所述陽(yáng)極室或陽(yáng)極室上方的料斗中，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測(cè)到所述陽(yáng)極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度高于或等于所述第二預(yù)設(shè)位置時(shí)，金屬燃料充足，停止添加所述金屬燃料，其中，所述金屬燃料的形式為顆粒、粉末和金屬肩中的一種或多種，所述金屬燃料在所述陽(yáng)極室內(nèi)形成所述堆積床。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括電解液箱、電解液驅(qū)動(dòng)栗、第一電磁閥、第二電磁閥、第一管路和第二管路，其中，所述電解液驅(qū)動(dòng)栗用于將所述電解液箱中的電解液栗入所述電池堆內(nèi)的電解液主流道，以使所述電解液經(jīng)電解液分配流道進(jìn)入各所述電池單體的陽(yáng)極室，所述電解液在所述陽(yáng)極室內(nèi)的流動(dòng)采用底部供液—頂部溢流的流動(dòng)方式，或者頂部供液—底部流出和/或頂部溢流的流動(dòng)方式。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述供氣系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、第三電磁閥和第四電磁閥，其中，所述風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣或氧氣進(jìn)入所述電池堆內(nèi)的氣體流道。
[0019]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0020]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0021]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池堆的燃料監(jiān)控方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0027]本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)。
[0028]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)包括:電池堆10、金屬燃料自動(dòng)添加系統(tǒng)20、電解液循環(huán)系統(tǒng)30、供氣系統(tǒng)40和控制單元50。
[0029]具體地，電池堆10具有開(kāi)放式陽(yáng)極室結(jié)構(gòu)。如圖1所示，電池堆10上設(shè)計(jì)有金屬燃料添加口 11、氣體入口 12和氣體出口 13、電解液入口 14和電解液出口 15。
[0030]其中，金屬燃料添加口11用于金屬燃料添加，氣體入口 12和氣體出口 13用于空氣或氧氣供給，電解液入口 14和電解液出口 15用于電解液循環(huán)。
[0031]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電池堆10中設(shè)置有電解液主流道和氣體流道。具體地，在電池堆10極板上可以設(shè)置有電解液主流道，包括電解液流入主流道(即圖1中電解液入口14處向上的箭頭)、電解液流出主流道(即圖1中電解液出口