一种震动型气体阴极、液态金属燃料电池及设备制造技术

本发明专利技术涉及一种震动型气体阴极、液态金属燃料电池及设备。所述震动型气体阴极包括气体阴极和震动装置，震动装置产生的震动通过介质以震动波的方式传播至气体阴极，气体阴极在震动波的作用下产生震动并将震动能量传递给气体阴极孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极孔隙中排出。所述液体金属燃料电池包括电池壳体和由其组装的电池单元，所述电池壳体上设置有震动装置。所述设备包括上述电池。本发明专利技术利用震动装置产生机械震动波，在气体阴极处产生震动，使气体阴极中的固体产物在震动能量的作用下从其孔隙中排出，解决气体阴极固体产物堵塞的问题。堵塞的问题。堵塞的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种震动型气体阴极、液态金属燃料电池及设备


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种震动型气体阴极、液态金属燃料电池及设备。

技术介绍

[0002]金属燃料电池(MFC)又称金属
‑
空气电池(MAB)，是一种用金属代替氢气的新型燃料电池。MFC除具有电池内阻小、放电电压平稳、能量密度高等优势外，其燃料金属比氢气更易储存、运输，且安全性更高，有望成为21世纪具有发展潜力和应用前景的能量转换技术。
[0003]MFC采用高能量密度的Zn、Li、Mg、Al、Na等活泼金属作为阳极活性物质，阴极与氢燃料电池相似为气体扩散电极(又称气体阴极)，空气中的O2为活性物质，电解质通常为中性或碱性溶液，但Li和Na燃料电池多采用有机电解液。MFC工作时，金属在阳极被氧化成相应的金属离子而消耗，因金属以及电解液不同，阳极反应产物会有所差别。在阴极上，在水性电解液中来自空气的O2被还原为OH
‑
，与金属离子形成可溶解的金属氢氧化物；在有机溶剂中O2被还原后与金属离子结合形成不溶的金属氧化物、过氧化物或超氧化物。几种典型MFC的放电产物及产物处理方式如表1所示：
[0004]表1
[0005][0006][0007]由表1可以看出，MFC的放电产物通过在电解液中溶解后随电解液排出，或通过再充电的方式消除放电产物。前者大多因为生成絮状物难以过滤分离，或溶解度小而消耗大量电解液；后者因放电产物不导电，造成充放电能量转换效率低、循环寿命短。MFC的放电产物的处理方式严重制约其技术发展，使MFC的优势难以发挥。
[0008]中国专利CN201810084778.3公开了一种液态金属燃料电池，该电池包括阴极流场板、气体阴极、电解质膜和阳极流场板。阴极流场板与气体阴极之间的腔体内注有氧化剂，阳极流场板与电解质膜之间的腔体内注有燃料；所述燃料为液态金属。该专利通过向阴极
提供增湿的空气来溶解放电产物金属氧化物，形成的高浓度碱液同时可补充电池中电解液，多余的碱液从阴极流出。但其同时也带来了两个问题，一是碱液与金属(如Na)在高温下可能产生的接触反应，具有安全风险；二是高浓度碱液(如NaOH液)对电池结构尤其是电解质隔膜腐蚀严重。
[0009]理论上，MFC的放电产物如果没有水分参与反应，一般为金属氧化物固体。对于Li、Na这样非常活泼的金属，无论使用水系电解液还是有机电解液都会构成较高的安全风险。如果使用安全的固态电解质则气体阴极的放电产物为金属氧化物固体，很快就会堵塞气体阴极。目前，除了再充电外还没有发现其他技术手段消除产物。本领域技术人员普遍认为，采用电解液溶解法排出或再充电消除固体产物是仅有的技术手段，没有其他技术手段。正因为存在这种技术偏见，限制了技术创新的空间，导致MFC技术在几十年的发展中徘徊不前，能够体现MFC优势的实用化的技术至今没有面世。
[0010]因此，如何克服技术偏见、寻找新的技术路线来解决气体阴极固体产物堵塞的问题，将是MFC技术发展的突破点。

技术实现思路

[0011]为了解决现有技术中气体阴极固体产物堵塞的问题，本专利技术提供了一种震动型气体阴极、液态金属燃料电池及设备。
[0012]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0013]在本专利技术的第一方面，公开了一种震动型气体阴极。该震动型气体阴极，包括气体阴极和震动装置，所述震动装置产生的震动通过介质以震动波的方式传播至所述气体阴极；所述气体阴极在震动波的作用下产生震动并将震动传递给气体阴极孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极孔隙中排出。
[0014]进一步的，所述震动装置为超声换能器。
[0015]在本专利技术的第二方面，公开了一种液态金属燃料电池。该液态金属燃料电池，包括电池壳体和通过所述电池壳体组装的若干个电池单元；所述电池单元包括金属阳极、气体阴极以及介于两者之间的固体电解质膜，所述电池壳体上设置有震动装置；
[0016]所述震动装置产生的震动通过介质以震动波的方式传播至所述气体阴极；所述气体阴极在震动波的作用下产生震动并将震动传递给气体阴极孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极孔隙中排出。
[0017]进一步的，所述震动装置为超声换能器组件，所述超声换能器组件包括至少一个超声换能器。
[0018]进一步的，所述超声换能器组件包括超声换能器组件一和超声换能器组件二，所述超声换能器组件一和超声换能器组件二分别置于所述电池壳体外侧相对两侧面，二者的震动频率相同且交替间歇工作；所述相对两侧面之间的距离为(n
±
0.25)λ,其中，n为自然数，λ为所述超声换能器组件产生的超声波在电池体中的波长。
[0019]进一步的，所述气体阴极中含有固体电解质、Ag或LSC中的至少一种；
[0020]所述气体阴极中的工作气体为干燥的空气或氧气。
[0021]进一步的，所述金属阳极包括液态金属钠或液态金属锂。
[0022]进一步的，所述固体电解质膜由玻璃陶瓷电解质构成；
[0023]所述玻璃陶瓷电解质包括Na
‑
β
”‑
Al2O3、Na3Zr2Si2PO12、Li7La3Zr2O12(LLZO)或LAGP中的任意一种。
[0024]进一步的，该电池还包括多孔支撑膜，所述固体电解质膜和所述多孔支撑膜复合构成支撑型电解质膜；
[0025]所述多孔支撑膜的材质为金属、金属间化合物或金属陶瓷中的任意一种。
[0026]在本专利技术的第三方面，公开了一种设备，该设备包括上述电池。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的优点为：
[0028](1)本专利技术通过设置震动装置，将震动装置产生的震动通过介质以震动波的方式传播至气体阴极，气体阴极在震动波的作用下产生震动并将震动传递给气体阴极孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极孔隙中排出，有效地解决了气体阴极固体产物堵塞的问题，使电池可以连续放电。
[0029](2)通常，基于固体电解质的金属燃料电池放电时，在气体阴极处会生成固体放电产物，随着放电深度的增加，气体阴极的孔隙将被堵塞，使空气或氧气不能扩散到反应位置，电池放电随之终止。为了使电池可以连续放电，多孔阴极固体产物的去除是现有金属燃料电池的技术关键。本专利技术人在有关超声波震动实验中，通过观察发现超声波可以将多孔体孔隙中固体粉末排出，便将该原理应用于液态金属燃料电池，通过震动装置的震动作用，使气体阴极中的固体产物排出电池，取得了较好效果，打破了该行业中普遍认为的气体阴极孔隙中固体产物无法通过物理方法排出的技术偏见，具有实用性和技术先进性，同时为该类电池的技术发展提供了新的技术实现路径。
附图说明
[0030]图1是本专利技术中液态金属燃料电池的结构示意图；
[0031]图2是本专利技术中电池单元的结构示意图一，其中，多孔支撑膜置于固体电解质膜的阳极侧；
[0032]图3是本专利技术中电池单元的结构示意图二，其中，多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种震动型气体阴极，其特征在于，包括气体阴极(1)和震动装置(8)，所述震动装置(8)产生的震动通过介质以震动波的方式传播至所述气体阴极(1)；所述气体阴极(1)在震动波的作用下产生震动并将震动能量传递给气体阴极孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极孔隙中排出。2.根据权利要求1所述的震动型气体阴极，其特征在于，所述震动装置(8)为超声换能器。3.一种液态金属燃料电池，包括电池壳体(6)和通过所述电池壳体(6)组装的若干个电池单元(7)；所述电池单元(7)包括金属阳极、气体阴极(1)以及介于两者之间的固体电解质膜(2)，其特征在于，所述电池壳体(6)上设置有震动装置(8)；所述震动装置(8)产生的震动通过介质以震动波的方式传播至所述气体阴极(1)；所述气体阴极(1)在震动波的作用下产生震动并将震动传递给气体阴极(1)孔隙中的固体产物，使固体产物从气体阴极(1)孔隙中排出。4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述震动装置(8)为超声换能器组件，所述超声换能器组件包括至少一个超声换能器。5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述超声换能器组件包括超声换能器组件一(81)和超声换能器组件二(82)，所述超声换能器组件一(81)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：江南山，
申请(专利权)人：江南山，
类型：发明
国别省市：