一种基于磁控流的金属空气燃料电池制造技术

本发明专利技术为一种基于磁控流的金属空气燃料电池。它由金属空气燃料电池和附加的两块永久磁铁组成，电池正极极板和负极极板之间产生电场，两块磁铁之间产生磁场。在相互垂直的电场和磁场作用下，电池内电解液中的离子受电场力和洛伦兹力作用下而运动，在离子水合作用和电解液黏性作用下，离子带动电解液运动，从而形成电解液的定向流动，或加速反应产物远离电极表面。本发明专利技术中的基于磁控流技术可以减小电泵功率或消除电泵、增强电解液传质作用，提升电解液流动一致性、减弱电解液对电极催化层的冲刷，因此可提高电池工作效率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属空气燃料电池，特别涉及一种以磁控流技术驱动电解液的金属空气电池。
技术介绍
随着科学技术的进步与人们生活水平的提高，人类活动对能源的需求日益增加，尤其电动汽车的快速发展是对电池提出了巨大需求和挑战。锂离子电池和质子交换膜燃料电池作为当前电动汽车发展的两大路线，但锂电池汽车存在续航里程短及充电时间长、质子交换膜燃料电池存在氢气存储携带困难及加氢站匮乏等缺点，其推广普及应用还面临较大的技术难题。近几年，金属空气燃料电池(或称为金属空气电池)的发展引起广泛关注，其利用金属铝、镁、锌等活泼金属与氧气在电池内的电化学反应将化学能直接转化成电能输出。由于铝、镁、锌等活泼金属具有很高的能量密度，且存储携带方便安全，因此金属空气燃料电池可以用于单兵电源、备用电源、电动汽车等多种场合。以色列Phenergy公司实现了铝空气燃料电池电动汽车1600km的示范运行，特斯拉公司(Tesla)专利显示其也在金属空气燃料电池方面正在开展研究，国内上海博信、中航长力、大连化学物理研究所等企业和研究机构均在开展相关研究。金属空气燃料电池的电化学反应如下(M指代Al、Mg、Zn等金属元素,n为数字)：负极：M+nOH–→M(OH)n+ne–正极：O2+H2O+4e–→4OH–总反应：4M+nO2+2nH2O→4M(OH)n在金属空气燃料电池(或称为金属空气电池)中，电化学反应发生在电极表面，反应物及反应产物的传质过程造成电化学反应中存在浓差极化。降低浓差极化，可以提高燃料电池的极限工作电流密度，从而提高额定功率密度和电池工作效率。此外，金属燃料电池中反应产物在电极表面积聚可能形成钝化层，使得电化学反应中断。为降低浓差极化和避免钝化层的形成，需要增强电解液中的传质过程。常见的方法是增加电解液驱动装置，实现电解液的强制对流。Phenergy公司专利中在电池内安装超声分散设备，防止电极表面钝化层的形成。在小型金属空气燃料电池中，为减轻系统重量，一般没有电解液驱动装置，其浓差极化损失较大，电池的功率密度和效率均较低。而在大型金属空气燃料电池堆中，电解液驱动装置或超声分散设备需要消耗一定比例的发电功率。此外，在大型电池堆中，难以保证电解液在各节电池内及各节电池间的流动一致性，流动过慢的区域工作效率低，而过快的电解液流动对电极催化层存在冲刷作用，将造成电池性能快速衰减。因此，增强传质过程、减小附加功率损耗及保障电解液均匀流动，一直是金属空气燃料电池中的一个研究难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于增强金属空气燃料电池内部电解液中的传质过程，或加速反应产物远离电极表面，降低电池浓差极化损失，从而提升电池性能，磁控流可以驱动本应静止的电解液沿电极表面方向运动，增强电池内电解液中的传质过程，降低浓差极化损失，从而提升电池性能。此外，当存在电泵驱动电解液时，电解液中的离子在磁场作用下可以加速远离电极表面，避免反应产物在电极表面积聚，提高电池工作效率。本专利技术的技术方案为:一种基于磁控流的金属空气燃料电池，所述电池包括一个金属空气燃料电池和两块磁性材料，电池内部存在从电池负极指向电池正极的电场，所述的两块磁性材料布置在与金属空气燃料电池正极极板和负极极板方向相垂直的两个侧面，并使两块磁铁形成的磁场与电场方向相互垂直。进一步地，所述金属空气燃料电池为单节电池或单节电池串联组成的电池堆。进一步地，所述磁性材料包括永久磁铁、电磁铁以及类似能产生磁场的材料或装置。进一步地，金属空气燃料电池的负极反应物为金属，正极反应物为空气中氧气或纯氧，负极极板和正极极板之间充满电解液，所述金属包括铝、镁、锌活泼金属，所述电解液为KOH、NaOH、NaCl水溶液。进一步地，所述的单节金属空气燃料电池可以为阳极插入式结构，由金属负极极板及其两侧的空气正极极板组成；所述的单节金属空气燃料电池可以通过串联或并联组成电池堆。进一步地，所述金属空气燃料电池可以为两极板结构，由金属负极极板及空气正极极板组成，所述的单节金属空气燃料电池可以通过双极板结构串联成电池堆。进一步地，电池的电解液没有电泵等驱动器，利用电解液中水合离子在所述相互垂直的磁场和电场中运动，从而驱动电解液运动。进一步地，电池的电解液由电泵驱动，并通过阀调节流量，可以利用磁场加速反应产物远离电极表面。进一步地，电池负极厚度为1-5mm，电解液为2-30wt.％NaCl(质量分数)溶液，磁性材料的磁感应强度为0.2-2T，电极之间的电压范围为0.8V～1.8V。本专利技术的有益效果是：利用磁控流技术的电解液驱动方式，增强电解液传质过程，消除金属表面钝化层及反应区产物浓度，降低浓差极化，提升发电效率；磁控流驱动电解液可以减小附加功率消耗，可提升系统能量转化效率；器件简单，只需要两块永久磁铁，无需驱动强腐蚀性电解液的电泵，因此该驱动方式可靠性高；磁控流可以直接驱动电池内各反应区域的电解液，单节电池内各区域或电池堆的各节电池间的电解液流动均匀一致，规避了电泵驱动时电解液流动不均问题。磁控流可加速反应产物远离电极表面，避免反应产物在电极表面积聚，提高电池工作效率。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1所示为单节电池外加永久磁铁后的电池内的电场和磁场分布。图2所示为单节电池MHD驱动电解液流动示意图。图3所示为电池堆MHD驱动电解液流动示意图。图4所示为单节电池MHD驱动作用下增强电解液扩散示意图。图5所示为电池堆MHD驱动作用下增强电解液扩散作用示意图。图6所示为阳极插入式电池MHD驱动下电解液形成环流示意图。图7所示为阳极插入式电池(含电解液腔)MHD驱动下电解液形成环流示意图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理。实施例1：如图1所示，单节电池的电池负极极板1和电池负极极板2之间在电池工作时，电池内部形成从负极极板1指向正极极板2的平行电场E。在电池两侧添加两块永久磁铁(或其他磁性材料)3和4，永久磁铁3和永久磁铁4之间形成平行磁场B。因此，在添加两块永久磁铁后电池内部形成了相互垂直的电场和磁场。如图2所示，电池工作过程中，负极极板1表面生成金属阳离子(Mn+)5，正极极板2表面生成氢氧根离子(OH-)6。金属阳离子5受到电场力驱动及浓度梯度驱动作用下朝正极极板2方向运动，同时金属阳离子5受到外加磁场的洛伦兹力而向上运动。因此，在电场力、浓度梯度及洛伦兹力的综合作用下，金属阳离子5朝右上方向运动(如图2所示)。氢氧根离子6受到电场力驱动及浓度梯度驱动作用下朝负极极板1方向运动，同时氢氧根离子6受到外加磁场的洛伦兹力而向上运动。因此，在电场力、浓度梯度及洛伦兹力的综合作用下，金氢氧根离子6朝左上方向运动(如图2所示)。由于电解液中的离子均已水合离子形式存在，在离子水合作用及电解液黏性作用下，金属阳离子5和氢氧根离子6的运动将带动电池内电解液运动，根据两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，所述电池包括一个金属空气燃料电池和两块磁性材料，电池内部存在从电池负极指向电池正极的电场，所述的两块磁性材料布置在与金属空气燃料电池正极极板和负极极板方向相垂直的两个侧面，并使两块磁铁形成的磁场与电场方向相互垂直。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，所述电池包括一个金属空气燃料电池和两块磁性材料，电池内部存在从电池负极指向电池正极的电场，所述的两块磁性材料布置在与金属空气燃料电池正极极板和负极极板方向相垂直的两个侧面，并使两块磁铁形成的磁场与电场方向相互垂直。2.如权利要求1所述的基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，所述金属空气燃料电池为单节电池或单节电池串联组成的电池堆。3.如权利要求1或2所述的基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，所述磁性材料包括永久磁铁、电磁铁以及类似能产生磁场的材料或装置。4.如权利要求1或2所述的基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，金属空气燃料电池的负极反应物为金属，正极反应物为空气中氧气或纯氧，负极极板和正极极板之间充满电解液，所述金属包括铝、镁、锌活泼金属，所述电解液为KOH、NaOH、NaCl水溶液。5.如权利要求1-4之一所述的基于磁控流的金属空气燃料电池，其特征在于，所述的单节金属空气燃料电池可以为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马泽，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11