一种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、电解液腔、保护液腔和氢燃料电池；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，反应腔通过管路分别与电解液腔和保护液腔连接，电解液腔内盛有电解液，保护液腔内盛有阳极保护液，通过反应腔内反应为氢燃料电池提供氢气源，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，再通过引入电极保护液，阻止静止状态下金属阳极的腐蚀反应，大大提高金属阳极的利用率，同时空气电极的反应物转变为气态反应物，解决了反应产物堵塞电极孔道的问题。

A step reactive metal fuel cell system

【技术实现步骤摘要】
一种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。首先，锂电池充电时间通常需要几十分钟到数小时，便利性大打折扣；其次，锂电池的理论能量密度只有240Wh/Kg-350Wh/Kg远远低于燃油的能量密度，这就造成锂电池汽车在续航里程上无法跟燃油车相比；最后，锂电池在安全方面也存在很大问题，近年来已经有多起锂电池汽车热失控着火事件发生。燃料电池也是一种非常有前景的电化学能源技术。通常一个燃料电池内部含有一个氢电极用于提供氢气氧化反应的场所，一个空气电极/氧电极用于提供氧还原反应的场所。但是受限于氢气的制备、存储、运输等环节，燃料电池目前还无法实现大规模应用。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；2、金属空气电池的贮存性能差，因为电池中的空气扩散到负极会加快负极的自放电；3、空气电极还很容易堆积氧化物，阻塞反应路径；4、金属阳极的反应效率较低，容易发生腐蚀，造成自放电率过高。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供一种分步反应型金属燃料电池系统，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，解决了电解液干涸等问题，同时引入电极保护液的保护措施，阻止静止状态下金属阳极的腐蚀反应，大大提高金属阳极的利用率；空气电极侧，把传统固态反应物转变为气态反应物，解决了反应产物堵塞电极孔道的问题，同时提高了电极反应活性。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种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、电解液腔、保护液腔和氢燃料电池；所述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电能输出端，所述反应腔内设有电极隔离片，所述电极隔离片将水电极和金属电极隔开；所述反应腔通过管路分别与电解液腔和保护液腔连接，所述电解液腔内盛有电解液，所述电解液通过管路往返于反应腔和电解液腔之间；所述保护液腔内盛有阳极保护液，所述阳极保护液通过管路往返于反应腔和保护液腔之间；通过所述反应腔内的反应为氢燃料电池提供氢气源。进一步地，所述金属电极的密度为ρ(g/cm3)，总质量为WM(g)，所述水电极的总投影面积为SH2O(cm2)，所述燃料电池氢电极的总投影面积为SH2(cm2)，，满足：其中K和L为量纲调整系数，分别为k＝1/4，L＝1/3。进一步地，所述反应腔与氢燃料电池之间设有氢气腔，所述氢气腔通过管路分别与反应腔和氢燃料电池连通，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，且连接反应腔与氢气腔和连接氢燃料电池和氢气腔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，所述水电极为导电碳和镍基粉末混合形成的多孔体相电极。进一步地，所述金属电极采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌、汞和铁中的任意一种或者任意几种的合金。进一步地，所述电解液为碱性溶液或盐溶液。进一步地，所述碱性溶液为含有氢氧化钠或者氢氧化钾的溶液，所述盐溶液为至少含有氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾和硝酸铝中的任意一种的溶液。进一步地，所述阳极保护液采用不溶于水的有机液。进一步地，所述反应腔与电解液腔之间的管路以及反应腔和保护液腔之间的管路上分别设有双向泵。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，再通过引入电极保护液的保护措施，阻止静止状态下金属阳极的腐蚀反应，大大提高金属阳极的利用率，同时空气电极一侧，把传统固态反应物转变为气态反应物，解决了反应产物堵塞电极孔道的问题，同时提高了电极反应活性；2、本专利技术的反应腔中产生的是高纯氢气避免了氢燃料电池的氢电极中毒问题，同时通过引入起缓存作用的氢气腔，解决了氢燃料电池氢气加载、存储和运输的困难；3、可以直接使用水系电解液，在保证安全的前提下，又能满足高能量密度和低成本的需求。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为本专利技术的分步反应型金属燃料电池系统图，图2是在图1的基础上，引入了氢气腔8的系统图，图3是在图2的基础上，又将反应腔1和氢燃料电池6连接的系统图，附图标记如下：反应腔1，水电极2，金属电极3，电解液腔4，保护液腔5，氢燃料电池6，电极隔离片7，氢气腔8。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至3，本专利技术提供一种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、电解液腔4、保护液腔5和氢燃料电池6；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、铝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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)、金属电极(3)、电解液腔(4)、保护液腔(5)和氢燃料电池(6)；/n所述水电极(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)，所述反应腔(1)内设有电极隔离片(7)，所述电极隔离片(7)将水电极(2)和金属电极(3)隔开；/n所述反应腔(1)通过管路分别与电解液腔(4)和保护液腔(5)连接，所述电解液腔(4)内盛有电解液，所述电解液腔(4)内电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(4)之间；/n所述保护液腔(5)内盛有阳极保护液，所述阳极保护液通过管路往返于反应腔(1)和保护液腔(5)之间；/n通过所述反应腔(1)内的反应为氢燃料电池(6)提供氢气源。/n

【技术特征摘要】
1.一种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)、金属电极(3)、电解液腔(4)、保护液腔(5)和氢燃料电池(6)；
所述水电极(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)，所述反应腔(1)内设有电极隔离片(7)，所述电极隔离片(7)将水电极(2)和金属电极(3)隔开；
所述反应腔(1)通过管路分别与电解液腔(4)和保护液腔(5)连接，所述电解液腔(4)内盛有电解液，所述电解液腔(4)内电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(4)之间；
所述保护液腔(5)内盛有阳极保护液，所述阳极保护液通过管路往返于反应腔(1)和保护液腔(5)之间；
通过所述反应腔(1)内的反应为氢燃料电池(6)提供氢气源。


2.根据权利要求1所述的一种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和L为量纲调整系数，分别为k＝1/4，L＝1/3。


3.根据权利要求1所述的一种分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：所述氢燃料电池(6)通过管路直接与反应腔(1)连通，且连接氢燃料电池(6)与反应腔(1)之间的管路上设有单向阀、开关和气泵，所述反应腔(1)内产生的氢气通过管路抽送至氢燃料电池(6)。


4.根据权利要求1或3所述的一种分步反应型金属燃料电池系统，其特征在于：还包括氢气腔(8)，所述氢气腔(8)通过管路分别与反...

【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