一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及新能源领域，公开了一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括反应腔、水电极、金属电极、电极隔离片、电解液腔、原位物理催化装置和氢燃料电池；水电极和金属电极分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔；反应腔通过管路与电解液腔连接，电解液腔内盛有电解液，原位物理催化装置用于将金属电极的表面反应产物清理干净，通过引入原位物理催化装置实时对金属电极的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极表面始终露出新鲜的金属面，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题。

A kind of in-situ physical catalytic step-by-step reactive metal fuel cell system

【技术实现步骤摘要】
一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统
本专利技术涉及新能源领域，尤其是涉及一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统。
技术介绍
为了解决传统化石能源带来的的环境问题以及能源危机等问题，目前各国都在大力发展新能源技术，很多欧洲国家已经给出了燃油车辆的禁售时间。在众多新能源技术中锂电池技术是目前发展最为迅速的新能源技术。但是由于锂电池本身化学体系上的制约，其弊端非常明显，很多时候无法跟燃油能源系统相抗衡。金属空气电池相对于锂电池能量密度方面有绝对优势，甚至可以跟燃油车相媲美，比如，铝空气电池的理论比能量可达8.1kWh/kg，目前的实际比能量约350Wh/kg，分别是锂电池的2.3倍、镍氢电池的6倍、铅酸电池的7倍多。此外，空气电池具有无毒、无害、无污染，可回收循环使用等特点。但是由于金属空气电池都需要一个空气电极提供空气反应的场所，所以金属空气电池一般都是非封闭环境。现有的金属空气电池存在以下不足：1、金属电极在反应过程中会形成钝化膜，进而阻止反应的持续进行，使电池极化增加或者失去提供电能的能力，尤其是在中性的盐溶液电解液中；2、金属空气电池通常包含液态电解液，于开放环境容易造成电液干涸及上涨，影响到电池的容量和寿命，如果采用碱性电液还容易发生碳酸盐化，增加电池的内阻，影响放电。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，引入原位物理催化装置对金属阳极的表面钝化膜进行清理，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱等问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括：反应腔；水电极和金属电极，分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔作为一个电能输出端；电极隔离片，用于将水电极和金属电极隔开；电解液腔，其内盛有电解液，通过管路与反应腔连通，所述电解液腔内的电解液通过管路往返于反应腔和电解液腔之间；原位物理催化装置，其位置与金属电极对应，用于将金属阳极的表面反应产物清理干净；氢燃料电池，其与反应腔相连通，以反应腔内产生的氢气发电。进一步地，所述金属电极的密度为ρ(g/cm3)，总质量为WM(g)，所述燃料电池内氢电极总投影面积为SH2(cm2)，所述水电极的总投影面积为SH2O(cm2)，满足：其中K＝1/4和L＝1/3为量纲调整系数。进一步地，所述原位物理催化装置包括：原位物理催化层，其紧贴于金属电极的反应表面，用于对金属电极的表面反应物进行清理；驱动机构，用于使原位物理催化层与金属电极发生相对运动。进一步地，所述原位物理催化层材质为纳米颗粒或者金属离子传导性的催化材料。进一步地，所述金属离子传导性的催化材料为锂电池三元材料NCA、NCM、氧化镍、氧化锰、二氧化钛、氧化铷、氧化铜和氧化钒中的任意一种或者几种的混合。进一步地，所述水电极表面镀有一层电子绝缘的研磨粉料作为原位物理催化层，该原位物理催化层紧贴金属电极的反应表面；驱动机构与水电极和/或金属电极连接，用于驱动水电极和/或金属电极，使二者发生相对运动。进一步地，所述研磨粉料为二氧化硅、氧化铝、氧化铈和碳化硅中的任意一种。进一步地，所述氢燃料电池通过管路直接与反应腔连通，且连接氢燃料电池与反应腔之间的管路上设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔内产生的氢气通过气泵抽送至氢燃料电池。进一步地，还包括氢气腔，所述氢气腔通过管路分别与反应腔和氢燃料电池连接，且连接反应腔和氢燃料电池的管路上分别设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔内产生的氢气通过管路抽送至氢气腔存储，所述氢气腔内存储的氢气通过管路抽送至氢燃料电池。进一步地，还包括与反应腔连通的保护液腔9，所述保护液腔9内盛有阳极保护液，所述反应腔与保护液腔9的连接管路上设有双向泵。进一步地，所述反应腔和/或电解液腔内还设置有用于分离反应沉淀物以及原位物理催化层与金属电极的研磨产物的过滤装置。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、通过引入原位物理催化装置实时对金属电极的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极表面始终露出新鲜的金属面，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率；2、通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题，同时可以通过关闭反应腔产生的氢气将电解液压回电解液腔内，使金属电极与电解液分离并处于氢气的还原保护氛围内，从而可以杜绝腐蚀反应的发生。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术带有原位物理催化装置的分步反应型金属燃料电池的系统图，图2为在电极隔离片4靠近金属阳极3一侧涂覆原位物理催化层的结构示意图，图3为在水电极2靠近金属阳极3一侧涂覆原位物理催化层的结构示意图，图4是在图1的基础上，引入了氢气腔8的电池系统图，图5是在图4的基础上，氢燃料电池7还与反应腔1连通的电池系统图，图6是在图5的基础上，引入保护液腔9的电池系统图，附图标记如下：反应腔1，水电极2，金属电极3，电极隔离片4，电解液腔5，原位物理催化装置6，氢燃料电池7，氢气腔8，保护液腔9。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本专利技术的保护范围有任何的限制作用。请参照图1，本专利技术提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括反应腔1、水电极2、金属电极3、电极隔离片4、电解液腔5、原位物理催化装置6和氢燃料电池7；水电极2为水的还原反应场所，生成氢气，优选导电碳和镍基粉末混合形成的多孔体相电极，导电碳主要充当电子导电网络(也可以使用泡沫镍、泡沫铜等)，镍基粉末，如金属镍粉末或者镍的氧化物粉末充当催化剂促进水分解生成氢气，由于其工作时是浸润水的环境下，水本身是各种离子的优良导体，所以电极本身无需具有离子电导特性，实际应用时可以适当增加一些粘接剂辅助电极成型，该多孔体相电极可以极大增加电池的功率输出能力；金属电极3为金属阳极氧化反应场，采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌、汞和铁中的任意一种或者任意几种的合金，从安全的角度考虑：优选金属铝、镁，反应过程比较温和，水系环境下不容易失控，安全性比碱金属要高出很多，甚至比成熟的燃油能源系统更加安全可靠；但是一些直接与水接触反应的金属比如锂、钠、钾等，则需要在该金属电极3的表面包覆一层电解质保护层，保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于，包括：/n反应腔(1)；/n水电极(2)和金属电极(3)，分别位于反应腔(1)内且分别通过导线引出反应腔(1)作为一个电能输出端；/n电极隔离片(4)，用于将水电极(2)和金属电极(3)隔开；/n电解液腔(5)，其内盛有电解液，通过管路与反应腔(1)连通，所述电解液腔(5)内的电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(5)之间；/n原位物理催化装置(6)，其位置与金属电极(3)对应，用于将金属电极(3)的表面反应产物清理干净；/n氢燃料电池(7)，其与反应腔(1)相连通，以反应腔(1)内产生的氢气发电。/n

【技术特征摘要】
1.一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于，包括：
反应腔(1)；
水电极(2)和金属电极(3)，分别位于反应腔(1)内且分别通过导线引出反应腔(1)作为一个电能输出端；
电极隔离片(4)，用于将水电极(2)和金属电极(3)隔开；
电解液腔(5)，其内盛有电解液，通过管路与反应腔(1)连通，所述电解液腔(5)内的电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(5)之间；
原位物理催化装置(6)，其位置与金属电极(3)对应，用于将金属电极(3)的表面反应产物清理干净；
氢燃料电池(7)，其与反应腔(1)相连通，以反应腔(1)内产生的氢气发电。


2.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属电极(3)的密度为ρ(g/cm3)，总质量为WM(g)，所述燃料电池内氢电极总投影面积为SH2(cm2)，所述水电极(2)的总投影面积为SH2O(cm2)，满足：其中K＝1/4和L＝1/3为量纲调整系数。


3.根据权利要求1所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于，所述原位物理催化装置(6)包括：
原位物理催化层，其紧贴于金属电极(3)的反应表面，用于对金属电极(3)的表面反应物进行清理；
驱动机构，用于使原位物理催化层与金属电极(3)发生相对运动。


4.根据权利要求3所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述原位物理催化层的材质为纳米颗粒或者金属离子传导性的催化材料。


5.根据权利要求4所述的一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述金属离子传导性的催化材料为锂电池三元材料NCA、NCM、氧化镍、氧化锰、二氧化钛、氧化铷、氧化铜和氧化钒中的任意一种或者几种的混合。
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【专利技术属性】
技术研发人员：王广军，余为伟，
申请(专利权)人：荆门市探梦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42