金属-空气燃料电池制造技术

一种具有阴极、阴极室、阳极和阳极室的燃料电池。该阳极室至少部分地由阳极集电器限定。该阴极室至少部分地由该阴极限定。该阳极室包括用于使电解质在下游方向上流动的一个或多个阳极流动通道。该阳极集电器包括多个颗粒收集器，该多个颗粒收集器突出到该阳极室内以收集悬浮在该电解质中的颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属-空气燃料电池
本专利技术涉及金属-空气燃料电池，诸如锌-空气燃料电池。
技术介绍
金属-空气燃料电池提供高能量效率，但成本低并且环境影响小。锌-空气燃料电池是金属-空气燃料电池的一个实例。在锌空气燃料电池中，提供锌金属作为燃料，提供空气作为氧气来源，并且提供碱性水溶液(诸如氢氧化钾(KOH))作为电解质。当电路闭合时，阳极通过阳极或负电极反应消耗锌金属，Zn+4KOH→K2Zn(OH)4+2K++2e(1)E0＝-1.216V锌金属随着其与氢氧化钾反应而被消耗，形成锌酸钾(K2Zn(OH)4)，并且将电子释放到阳极电流导体。氧气被供应到阴极并且在阴极上与H2O和电子反应以形成氢氧根离子(OH-)。因此，阴极或正电极反应为，1/2O2+H2O+2e→2OH-(2)E0＝0.401V然后反应式(2)中的氢氧根离子和反应式(1)中的钾离子在阳极处再次与反应式(1)中的锌金属反应。根据此反应方案，锌的氧化和氧气的还原导致化学能转化为电能。对于长时间进行的反应，必须存在锌金属和空气的持续供应以及来自系统的恒定电子流的方式，即与负荷的连接。在先前的锌-空气实施方式中，金属电极具有固定量的锌，从而限制了它们的可用能量并且由于循环时电极的尺寸增加而具有可再充电性的缺点。电极面积的减小导致燃料电池系统的功率降低。所需的是改进的金属-空气燃料电池。
技术实现思路
本文所述的专利技术具有许多方面，其中一些涉及燃料电池、燃料电池堆、金属-空气燃料电池系统以及使金属-空气燃料电池充电的方法。一方面，提供一种燃料电池。燃料电池包括：阴极；包括阳极室和阳极集电器的阳极，所述阳极室至少部分地由所述阳极集电器限定；和至少部分地由所述阴极限定的阴极室。阳极室包括用于使电解质在下游方向上流动的一个或多个阳极流动通道。阳极集电器可包括突出到阳极室内的多个颗粒收集器以收集悬浮在电解质中的颗粒。多个颗粒收集器可被配置成干扰通过所述阳极室的电解质的流动并且促进颗粒在颗粒收集器之上或之间的沉降。颗粒收集器可包括横向细长构件。横向细长构件可延伸直到阳极流动通道的宽度。在上游方向上在横向细长构件与阳极集电器的平面部分之间限定的角度可在10至90度、或20至80度、或30至70度、或90至120度、或120至180度之间。横向细长构件相对于阳极集电器的平面部分的高度可在0.2mm至5.0mm、或0.5至3.0mm、或1.0至2.0mm范围内。(i)横向细长构件相对于阳极集电器的平面部分的高度与(ii)阳极室的高度的比例可在0.1至0.6、或0.2至0.5、或0.3至0.4范围内。每线性厘米的颗粒收集器的数量可在0.5至10、或1至5、或1至2范围内。相邻颗粒收集器之间的距离可小于颗粒收集器相对于阳极集电器的平面部分的高度。多个颗粒收集器可被布置成阵列，所述阵列被配置成在阳极集电器上形成颗粒的均匀床。阳极室可包括平行流动构型或蛇形流动构型。阳极流动通道可包括在50:1至2:1、25:1至4:1或10:1至5:1范围内的长宽比。阳极流动通道的宽度可在2mm至20cm、5mm至10cm或1cm至5cm范围内。阴极和阳极集电器可以是平面的。阳极集电器的表面积可在1cm2至1m2范围内。阳极室内的电解质流场的高度可以是0.5mm至4mm、1mm至3mm、或2mm。燃料电池可以是锌-空气燃料电池，并且颗粒可以是锌颗粒。电解质可以是氢氧化钾。根据另一个方面，提供一种燃料电池堆。燃料堆包括如本文所述的多个燃料电池。多个燃料电池可水平取向并且彼此上下叠置以形成燃料电池堆，或者可竖直取向并且彼此并排叠置以形成燃料电池堆。根据另一个方面，提供一种金属-空气燃料电池系统。金属-空气燃料电池系统包括：如本文所述的燃料电池；包括在与燃料电池的出口流体连通中的金属电解池；以及与金属电解池的出口和燃料电池的入口流体连通的槽。燃料电池可以是锌-空气燃料电池，并且金属电解池可以是锌电解池。根据另一个方面，提供了一种使金属-空气燃料电池充电的方法。所述方法包括：(a)水平取向阳极室，其中对应的阳极集电器位于阳极室下方；(b)提供悬浮在电解质中的金属颗粒以流动通过阳极室；(c)允许在阳极集电器上形成金属颗粒的床；和(d)保持所述床的均匀形成。步骤(c)可包括以下一个或多个：(i)将悬浮在电解质中的金属颗粒的流动保持在预定的流量；(ii)周期性地停止悬浮在电解质中的金属颗粒的流动；和(iii)在阳极集电器上提供多个颗粒收集器。步骤(d)可包括提供电解质通过阳极室的均匀流动。提供均匀流动可包括在阳极室的下游方向上提供连续的压降，并且在垂直于下游方向的方向上提供最小的压降。提供下游方向上的连续压降和垂直于下游方向的方向上的最小压降可包括为阳极室提供平行或蛇形流动路径。提供平行或蛇形流动路径可包括提供由50:1至2:1、25:1至4:1或6:1至5:1的长宽纵横比限定的用于平行或蛇形流动路径的通道。步骤(c)可包括形成深度为0.2mm至2.0cm、或1mm至1.0cm、或2mm至4mm、或0.5mm至2mm的床。步骤(c)可包括形成一定深度的床，其中所述深度与阳极室的高度的比例在0.1至0.6、或0.2至0.5、或0.3至0.4范围内。步骤(b)可包括提供大小在5nm至1mm、5nm至0.5mm或5nm至0.3mm范围内的金属颗粒。阳极室中的电解质的流速可在1cm3/s至5000cm3/s范围内。阳极室中的电解质的流量可在1L/min至7L/min、或3L/min至7L/min或3L/min至5L/min范围内。阳极室中的电解质的计示压可在0.1psi至15psi或2psi至10psi范围内。横穿阳极室的压降可小于15psi。金属颗粒可以是锌颗粒，并且电解质可以是氢氧化钾水溶液。氢氧化钾的浓度可以为5重量％至60重量％、或20重量％至50重量％、或30重量％至45重量％。所述方法可包括从燃料电池中抽取50mA/cm2或更高的电流密度。所述方法可包括向燃料电池施加负荷并且放电1至20小时的时间段。前述讨论仅概述了本专利技术的某些方面，并且不意图也不应该将其解释为以任何方式限制本专利技术。附图说明在示出本专利技术的非限制性实施方式的附图中：图1A是根据本专利技术的实施方式的燃料电池的局部剖面侧视图；图1B是图1A所示的实施方式的垂直于图1A所示视图的局部剖面侧视图；图2是图1A所示的实施方式的特写局部剖面侧视图；图3是根据本专利技术的实施方式的阳极室的局部俯视图；图4A至4F是本专利技术的各种实施方式的局部剖面侧视图；图5A至5C是根据本专利技术的实施方式的各种阳极室的局部俯视图；和图6A是根据本专利技术的实施方式的燃料电池的俯视图；图6B是根据本专利技术的实施方式的燃料电池的俯视图；图7是根据本专利技术的实施方式的金属-空气燃料电池系统的示意图。具体实施方式在以下整个描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本专利技术的透彻了解。然而，本专利技术可在没有这些细节的情况下加以实践。在其他情况下，没有展示或详细描述众所周知的元件，以免不必要地使本专利技术变得模糊。因此，本说明书和附图应视为说明性的，而非限制性的。本说明书中采用了许多方向约定来帮助阐明它们的含义，如下：·如本文所用，“上游”和“下游”涉及相对于电解质从阳极室入口到阳极室出口的流动的特征的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其包括：阴极；阳极，其包括阳极室和阳极集电器，所述阳极室至少部分地由所述阳极集电器限定；阴极室，其至少部分地由所述阴极限定；其中所述阳极室包括用于使电解质在下游方向上流动的一个或多个阳极流动通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.17 US 62/219,9841.一种燃料电池，其包括：阴极；阳极，其包括阳极室和阳极集电器，所述阳极室至少部分地由所述阳极集电器限定；阴极室，其至少部分地由所述阴极限定；其中所述阳极室包括用于使电解质在下游方向上流动的一个或多个阳极流动通道。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阳极集电器可包括突出到所述阳极室内的多个颗粒收集器以收集悬浮在所述电解质中的颗粒。3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述多个颗粒收集器被配置成干扰通过所述阳极室的电解质的流动并且促进所述颗粒在所述颗粒收集器之上或之间的沉降。4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述颗粒收集器包括横向细长构件。5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述横向细长构件延伸直到所述阳极流动通道的宽度。6.根据权利要求4或5所述的燃料电池，其中在上游方向上在所述横向细长构件与所述阳极集电器的平面部分之间限定的角度在10至90度、或20至80度、或30至70度、或90至120度、或120至180度之间。7.根据权利要求4至6中任一项所述的燃料电池，其中所述横向细长构件相对于所述阳极集电器的平面部分的高度在0.2mm至5.0mm、或0.5至3.0mm、或者1.0至2.0mm范围内。8.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池，其中(i)所述横向细长构件相对于所述阳极集电器的平面部分的高度与(ii)所述阳极室的高度的比例在0.1至0.6、或0.2至0.5、或0.3至0.4范围内。9.根据权利要求2至8中任一项所述的燃料电池，其中每线性厘米的所述颗粒收集器的数量在0.5至10、或1至5、或1至2范围内。10.根据权利要求2至9中任一项所述的燃料电池，其中相邻颗粒收集器之间的距离小于所述颗粒收集器相对于所述阳极集电器的平面部分的高度。11.根据权利要求2至10中任一项所述的燃料电池，其中所述多个颗粒收集器被布置成阵列，所述阵列被配置成在所述阳极集电器上形成所述颗粒的均匀床。12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极室包括平行流动构型。13.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极室包括蛇形流动构型。14.根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极流动通道包括在50:1至2:1、25:1至4:1或10:1至5:1范围内的长宽比。15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极流动通道的宽度在2mm至20cm、5mm至10cm或1cm至5cm范围内。16.根据权利要求1至15中任一项所述的燃料电池，其中所述阴极和所述阳极集电器是平面的。17.根据权利要求1至16中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极集电器的表面积在1cm2至1m2范围内。18.根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池，其中所述阳极室内的电解质流场的高度为0.5mm至4mm、1mm至3mm、或2mm。19.根据权利要求1至18中任一项所述的燃料电池，其中所述燃料电池为锌-空气燃料电池，并且所述颗粒为锌颗粒。20.根据权利要求1至19中任一项所述的燃料电池，其中所述电解质为氢氧化钾。21.一种燃料电池堆，其包括根据权利要求1至20中任一项所述的多个燃料电池。22.根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中所述多个燃料电池水平取向并且彼此上下叠置以形成所述燃料电池堆。23.根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中所述多个燃料电池竖直取向并且彼此并排叠置以形成所述燃料电池堆。24.一种金属-空气燃料电池系...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯图尔特·斯梅德利，沃尔夫·蒂维，博古斯拉夫·沃兹尼克卡，大卫·罗伯特·布鲁斯，
申请(专利权)人：金克尼克斯能源解决方案股份有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA