一种高性能金属空气燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高性能金属空气燃料电池系统，该电池系统包括：具有开放式阳极室结构的电池堆、金属燃料自动添加系统、能够实现电解液低压循环流动的电解液循环系统、供气系统和控制单元，其中，电池堆的开放式阳极室结构和金属燃料自动添加系统提高了电池堆内各个电池单体的金属燃料添加的均匀性；电解液低压循环流动的方式，降低了空气电极两侧压差，优化了空气电极孔隙内的气液分布，大幅提升了金属空气燃料电池的发电功率密度。本发明专利技术实施例的电池系统能够有效提升电池的性能，延长电池的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属燃料电池
，特别涉及一种高性能金属空气燃料电池系统。
技术介绍
金属空气燃料电池技术是一种将金属的化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有能量转换效率高、成本低、燃料存储携带方便、安全无污染等优点，可用于车用动力、移动电源、通信基站备用电源等领域。具体地，金属空气燃料的工作原理为，金属在阳极室内的电解液中发生电化学氧化反应生成金属氧化物;空气中的氧气在空气电极的催化层发生电化学还原反应生成氢氧根离子，电极反应如下(金属Μ可以是L1、Mg、Al、Zn等元素):阳极反应:2M+2n0H——M20n+nH20+2ne—阴极反应:02+2H20+4e——40H—总反应:4Μ+ηθ2—2Μ2θη金属空气燃料电池分为阳极更换式和连续加料式两种。阳极更换式金属空气燃料电池在阳极金属消耗完后需要人工更换新的阳极，操作性较差，不适合大型电池堆。连续加料式金属空气燃料电池与氢燃料电池在工作形式上十分类似，其相当于一种发电装置，金属作为燃料，可连续添加至电池堆中，同时将电池内部的反应产物排出，可维持电池堆的持续发电。电池堆的催化剂可以使用Μη02(二氧化锰)等非贵金属氧化物，且金属燃料的密度大，存储携带安全方便，因此，连续加料式金属空气燃料电池比氢燃料电池更具优势。然而，连续加料式金属空气燃料电池在功率密度、电解液消耗及耐久性等方面存在的问题，限制了其市场化发展。大多数连续加料式金属空气燃料电池使用电解液运输金属燃料，即将金属燃料置于电解液箱中，电解液栗驱动电解液的同时将金属燃料带进电池阳极室。这种加料及电解液循环方式存在一定问题:第一，向电池堆加料时，各个电池单体的金属燃料供给量难以保持一致，可能存在燃料添加不足的现象，而且电解液供给量不一致，部分电池单体中可能因电解液流量过低而无法有效的将所有反应产物排出，造成反应产物积累使电池逐步失效；第二，为驱动金属燃料，电解液的流动压力很高，空气电极处于高压的电解液中容易出现水淹现象，电解液进入空气电极内疏水性的气体传输孔隙，造成氧气传输阻力增大，导致电池性能很低;第三，电池工作时，产生的氢气容易在阳极室内边缘区域积聚，使得电池的有效反应面积减小而使性能降低。上述这些问题造成了金属空气燃料电池性能下降，因此，当前金属空气燃料电池的性能较差、使用寿命较短，难以满足商业需求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。有鉴于此，本专利技术提出了一种高性能金属空气燃料电池系统，该电池系统功率密度高、使用寿命长。为了实现上述目的，本专利技术的实施例提出了一种高性能金属空气燃料电池系统，包括:具有开放式阳极室结构的电池堆;金属燃料自动添加系统，用于将金属燃料添加到所述电池堆的阳极室中；电解液循环系统，用于驱动电解液循环流动，其中，所述电解液循环系统中的电解液处于低压循环流动状态;供气系统，用于向所述电池堆供给空气或氧气;控制单元，用于调控电池系统各子系统的运行。本专利技术实施例的高性能金属空气燃料电池系统，具有开放式阳极室结构，金属燃料可实现自动添加，且电解液进行低压循环流动。本专利技术实施例的电池系统能够有效提升电池的性能，延长电池的使用寿命。另外，本专利技术上述实施例的高性能金属空气燃料电池系统还可以具有如下附加的技术特征:根据本专利技术的一个的实施例，所述电池堆至少包括两个电池单体，每个所述电池单体的阳极室上方直接与外界大气相通，或者通过在所述阳极室上方设置一个料斗与所述外界大气相通。根据本专利技术的一个实施例，所述金属燃料自动添加系统包括燃料箱、电动燃料添加机构、燃料监控装置，其中，所述燃料监控装置设置在所述阳极室上或所述阳极室上方的料斗上，且浸没在电解液中，所述燃料监控装置用于检测所述阳极室内金属燃料堆积床高度，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度低于或等于所述第一预设位置时，金属燃料不足，所述控制单元控制所述电动燃料添加机构将所述燃料箱中的金属燃料添加至所述阳极室或阳极室上方的料斗中，当所述燃料监控装置检测到所述阳极室内金属燃料堆积床高度高于或等于所述第二预设位置时，金属燃料充足，停止添加所述金属燃料，其中，所述金属燃料的形式为颗粒、粉末和金属肩中的一种或多种，所述金属燃料在所述阳极室内形成所述堆积床。根据本专利技术的一个实施例，所述电解液循环系统包括电解液箱、电解液驱动栗、第一电磁阀、第二电磁阀、第一管路和第二管路，其中，所述电解液驱动栗用于将所述电解液箱中的电解液栗入所述电池堆内的电解液主流道，以使所述电解液经电解液分配流道进入各所述电池单体的阳极室，所述电解液在所述阳极室内的流动采用底部供液—顶部溢流的流动方式，或者顶部供液—底部流出和/或顶部溢流的流动方式。根据本专利技术的一个实施例，所述供气系统包括风机、第三电磁阀和第四电磁阀，其中，所述风机驱动空气或氧气进入所述电池堆内的气体流道。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。【附图说明】本专利技术的上述和/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，其中:图1为根据本专利技术一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图；图2为根据本专利技术另一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的电池堆的结构示意图；图4为根据本专利技术另一个实施例的电池堆的结构示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的电池堆的燃料监控方式示意图。【具体实施方式】下面参考附图描述根据本专利技术实施例的高性能金属空气燃料电池系统，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术的实施例提出了一种高性能金属空气燃料电池系统。图1为根据本专利技术一个实施例的高性能金属空气燃料电池系统的结构示意图。如图1所示，该高性能金属空气燃料电池系统包括:电池堆10、金属燃料自动添加系统20、电解液循环系统30、供气系统40和控制单元50。具体地，电池堆10具有开放式阳极室结构。如图1所示，电池堆10上设计有金属燃料添加口 11、气体入口 12和气体出口 13、电解液入口 14和电解液出口 15。其中，金属燃料添加口11用于金属燃料添加，气体入口 12和气体出口 13用于空气或氧气供给，电解液入口 14和电解液出口 15用于电解液循环。在本专利技术的一个实施例中，电池堆10中设置有电解液主流道和气体流道。具体地，在电池堆10极板上可以设置有电解液主流道，包括电解液流入主流道(即图1中电解液入口14处向上的箭头)、电解液流出主流道(即图1中电解液出口当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能金属空气燃料电池系统，其特征在于，包括：具有开放式阳极室结构的电池堆；金属燃料自动添加系统，用于将金属燃料添加到所述电池堆的阳极室中；电解液循环系统，用于驱动电解液循环流动，其中，所述电解液循环系统中的电解液处于低压循环流动状态；供气系统，用于向所述电池堆供给空气或氧气；控制单元，用于调控电池系统各子系统的运行。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：裴普成，陈东方，马泽，王希忠，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11