金屬空氣燃料電池系統及其應用的製作方法
2023-05-22 19:42:51
本發明屬於物理化學領域，具體而言，涉及金屬空氣燃料電池系統及其應用。
背景技術：
金屬空氣燃料電池是一種將金屬(或合金)與氧化劑自身的化學能通過電化學反應轉化為電能的能量轉換裝置，反應在電解質中進行，總反應式m+1/2h2o+1/4o2＝m(oh)i，其中每摩爾金屬m失去i摩爾電子，與i/4摩爾氧氣發生反應。電化學反應的動力性不僅與催化劑的活性有關，還與電極表面與電解質狀態緊密相關。一般的金屬空氣燃料電池是由金屬陽極、電解液、空氣陰極構成，其中，金屬或其合金的顆粒、平板或其他特殊結構作為陽極，在反應中提供電子，空氣膜電極作為陰極，催化氧氣與水反應成為氫氧根離子，電解液一般由中性的鹽水溶液或一定濃度的鹼性溶液構成，從電解液中析出的金屬氧化物沉積容易吸附在電極表面，是金屬電極鈍化的主要因素，並且積累的沉積物會佔據很大電池內部空間。在陽極表面金屬失去電子並與氫氧根結合以離子態進入電解液。在膜電極催化層的三相界面，氧氣分子得到電子與水反應生成氫氧根離子進入電解液。總反應是金屬與氧氣反應為金屬氧化物並溶解在電解液中，隨著放電的進行，當電解液中金屬氧化物濃度達到飽和時，反應產物逐漸從電解液中析出。金屬氧化物沉積在電解液中逐漸增多，形成懸濁液，該懸濁液的顆粒物粒徑均為納米級，難以用普通的過濾方式去除，懸浮的沉積物將覆蓋在電極表面，對於陽極，阻礙了金屬失去電子的過程並增加了電極表面的阻抗，對於空氣膜電極，減小了有效反應面積，阻礙後續的電化學反應，另外，隨著放電的進行，反應產物積累量增大，一般反應產物的體積都會大於反應燃料的體積，嚴重擠佔電解質的空間，在密封條件下甚至會增大電池內部壓力，降低了電池性能甚至損壞膜電極與其他相關設備。
因此，有效去除在電解液中積累的金屬氧化物沉積對於維持金屬空氣燃料電池的正常工作至關重要。
溶液中沉積物的去除主要通過物理沉降、過濾和吸附，以及化學反應成大顆粒沉降和化學吸附或將沉積物轉化為其他性質的產物的方式實現。在金屬空氣燃料電池電解液中，需要考慮整體燃料電池工作環境的穩定以及反應產物的回收難度，以便能實現金屬耗材的再生、燃料的二次使用。
為解決金屬空氣燃料電池中反應產物過量沉積，進而阻礙後續的電化學反應的問題，已有的一種通過更換電解液及其沉積物與設置較高工作溫度來維持燃料電池正常運行，即提高金屬空氣燃料電池的溫度到75℃，以提高反應產物在電解液中的溶解度，並根據放電容量，當反應產物沉積量比較多時，用液壓泵將新的氫氧化鉀溶液更換電池中的懸濁液，從而保證電池的正常工作。這種技術簡單易行，但需要額外的電解液，而且為了保證較高的溫度需要保溫系統，增加燃料電池系統的體積與重量。
另一種基於化學沉澱反應的方法促進金屬氧化物生成穩定的沉澱物，通過簡單的過濾實現了反應產物的分離，主要通過向懸浮的電解液中添加一定量的ca(oh)2，促進懸濁液的沉降，在通過簡單的過濾將這些較大的沉降物分離出來，使得電解液的放電容量提升了30％。這種技術需要在放電過程中不斷加入添加劑，改變了電解液成分，而且形成的產物增加了金屬還原的成本。
綜上，目前對處理電解液中反應產物的研究比較少，已有技術主要採用化學沉降或整體更換的方法，效果明顯，但是依舊需要額外的電解液與添加劑，成本較大。對應的輔助模塊對整個燃料電池系統的結構有較大的要求。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出金屬空氣燃料電池系統及其應用，利用該系統不僅能解決金屬氧化物的過量積累問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附，同時收集反應產物，使金屬還原過程更加簡單，實現了長時穩定的放電，提高了燃料電池系統的能量密度與使用壽命。
根據本發明的一個方面，本發明提出了一種金屬空氣燃料電池系統，包括：
電池堆，所述電池堆具有電解液出口和電解液入口；
過濾裝置，所述過濾裝置內具有多孔介質，所述過濾裝置分別與所述電解液出口和電解液入口相連。
根據本發明上述實施例的金屬空氣燃料電池系統，包括電池堆和過濾裝置，其中，在過濾裝置內設置多孔介質可以對金屬空氣燃料電池的反應產物進行有效過濾和收集。由此，通過採用本發明提出的金屬空氣燃料電池系統不僅能夠有效解決反應產物在電解液中過量積累的問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附並收集反應產物，實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定，並使金屬還原過程更加簡單，實現長時穩定的放電，顯著提高燃料電池系統的能量密度與使用壽命。
另外，根據本發明上述實施例的金屬空氣燃料電池系統還可以具有如下附加的技術特徵：
在本發明的一些實施例中，所述多孔介質為多孔鈦濾芯、多孔鎳濾芯或者多孔不鏽鋼濾芯。由此，可以顯著提高多孔介質的結構穩定性以及過濾裝置的過濾效果。
在本發明的一些實施例中，所述多孔介質的平均孔徑不大於10微米。由此，可以進一步提高過濾裝置的過濾效果。
在本發明的一些實施例中，所述多孔介質與所述過濾裝置的電解液入口端之間限定有適於容納沉澱物的過濾腔。由此，可以對金屬空氣燃料電池的反應產物進行有效收集。
在本發明的一些實施例中，金屬空氣燃料電池系統進一步包括：液壓泵，所述液壓泵設置在所述電解液出口和所述過濾裝置之間，且適於對電解液進行加壓過濾。由此，可以對進入過濾裝置之前的過飽和電解液進行加壓處理並進一步提高過濾裝置的過濾效率。
在本發明的一些實施例中，所述液壓泵為蠕動泵。由此，可以進一步提高過濾效率。
根據本發明的第二個方面，本發明還提出了一種利用上述金屬空氣燃料電池系統實現穩定發電的方法，包括：
使電池堆排出的飽和電解液進入過濾裝置，在所述過濾裝置內經過多孔介質過濾出沉澱物，以便得到淨化電解液；
使所述淨化電解液進入電池堆。
由此，通過採用本發明上述實施例的實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法，不僅可以有效解決反應產物在電解液中過量積累的問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附並收集反應產物，實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定，並使金屬還原過程更加簡單，實現長時穩定的放電，顯著提高燃料電池系統的能量密度與使用壽命。
另外，根據本發明上述實施例的實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法還可以具有如下附加的技術特徵：
在本發明的一些實施例中，實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法進一步包括：利用液壓泵將所述飽和電解液泵入所述過濾層裝置內。由此，可以對進入過濾裝置之前的過飽和電解液進行加壓處理並進一步提高過濾裝置的過濾效率。
在本發明的一些實施例中，所述飽和電解液在所述過濾層裝置內過濾速度不應超過100cm/min，且過濾壓力不應超過1mpa。由此，可以進一步提高過濾效果。
在本發明的一些實施例中，實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法進一步包括：對所述過濾裝置進行再生處理，所述再生處理包括：向所述過濾裝置內逆向泵入水，以便對多孔介質進行解吸；利用弱酸或者弱鹼溶液對經過所述解吸後的多孔介質進行清洗，以便獲得再生後過濾裝置。由此，不僅能夠實現電解液的再生和循環利用，還能使過濾裝置得到反覆利用，整個循環使用過程不產生排放物。
附圖說明
圖1是根據本發明一個實施例的金屬空氣燃料電池系統的結構示意圖。
圖2是根據本發明又一個實施例的金屬空氣燃料電池系統的結構示意圖。
圖3是根據本發明一個實施例的過濾裝置在過濾和再生過程中的液體流動方向示意圖。
圖4是根據本發明一個實施例的過飽和電解液的過濾前後效果圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
根據本發明的一個方面，本發明提出了一種金屬空氣燃料電池系統，如圖1所示，包括：電池堆10和過濾裝置20。其中，電池堆10具有電解液出口11和電解液入口12；過濾裝置20內具有多孔介質21，過濾裝置10分別與電解液出口11和電解液入口12相連。
根據本發明上述實施例的金屬空氣燃料電池系統，包括電池堆10和過濾裝置20，其中，在過濾裝置20內設置多孔介質21可以對金屬空氣燃料電池的反應產物進行有效過濾和收集。具體地，將過飽和電解液送入過濾裝置20後，電解液中的反應產物被吸附在多孔介質21中，該固體反應產物依靠相互吸附作用形成較大顆粒，並在多孔介質21的過濾作用下從電解液中分離出來，得到澄清的電解液。由此，通過採用本發明提出的金屬空氣燃料電池系統不僅能夠有效解決反應產物在電解液中過量積累的問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附並收集反應產物，實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定，並使金屬還原過程更加簡單，實現長時穩定的放電，顯著提高燃料電池系統的能量密度與使用壽命。
下面參考圖1-3對本發明上述實施例的金屬空氣燃料電池系統進行詳細描述。
根據本發明的具體實施例，多孔介質21可以為多孔鈦濾芯、多孔鎳濾芯或者多孔不鏽鋼濾芯。多孔介質的材料對金屬空氣燃料電池反應產物的過濾效果有很大影響，例如，一般濾紙和鎳網海綿濾芯的過濾效果差並且不利於過濾物回收，碳紙、碳布、玻璃纖維的過濾效果不佳且石英成分在強鹼環境下穩定性差，不鏽鋼濾網過濾效果差且在強鹼環境下自身耐腐蝕性差，泡沫鎳過濾效果不佳且不耐高壓、結構穩定性差等。由此，本發明選用的上述濾芯在中性、強鹼性環境下均具有較好的穩定性，並能有效吸附、過濾沉澱物。由此，不僅可以顯著提高多孔介質的結構穩定性，還能顯著提高過濾裝置20的過濾效果。此外，本發明採用的上述濾芯一定的過濾速度下還能耐受正、反向高壓水流，並可通過弱酸或弱鹼條件反覆清洗，由此，還可以實現濾芯的反覆利用。
根據本發明的具體實施例，可以選用鈦粉作為原材料並燒結成多孔鈦濾芯，由此，可以進一步提高對反應產物的過濾效果，實現電解液的反覆清潔利用。
根據本發明的具體實施例，多孔介質21的平均孔徑可以不大於10微米。由此，可以進一步提高過濾裝置20的過濾效果。金屬氧化物懸浮物的過濾效果與濾芯的平均孔徑有關，孔徑越大，過濾阻力越小，但過濾效果越低；孔徑越小，過濾阻力越大，但過濾效果越好。發明人通過大量實驗發現，當多孔介質的孔徑不超過10微米時，過濾效果幾乎為100％且過濾阻力適中。此外，發明人還發現，將濾芯製作成棒狀結構可以進一步加快過濾速度，提高過濾效率。
根據本發明的具體示例，多孔介質可21以為直徑為10釐米、厚度為2毫米的圓柱狀多孔鈦濾芯，由此，可以進一步提高過濾效率。
根據本發明的具體實施例，如圖2所示，多孔介質21與過濾裝置20的電解液入口端之間可以限定有適於容納沉澱物的過濾腔22。本發明中通過在過濾裝置20中設置過濾腔，可以使從電解液中分離出來的反應產物在過濾腔中堆積起來，由此，可以對過濾出來的反應產物進行有效回收，並用以金屬還原，進而實現燃料的循環利用。
根據本發明的具體實施例，如圖2所示，金屬空氣燃料電池系統可以進一步包括：液壓泵30，液壓泵30設置在電解液出口11和過濾裝置20之間，且適於對電解液進行加壓過濾。本發明中通過設置液壓泵30可以對進入過濾裝置20之前的過飽和電解液進行加壓處理，使過飽和電解液在一定的壓力下進行過濾，由此，可以進一步提高過濾裝置20的過濾效率。需要注意的是，在過濾過程中，不宜使用太高的壓力，以防電解液中析出的固體產物被強制轉移到過濾裝置20的出口處。
根據本發明的具體實施例，液壓泵30可以為蠕動泵。本發明中通過選用蠕動泵，不僅可以對進入過濾裝置20之前的過飽和電解液進行加壓處理，還能控制過飽和電解液的流量，進而有效控制過濾速度。由此，可以進一步提高過濾效率。此外，本發明中選用蠕動泵還可以藉助流體逆行對多孔介質21進行清洗，進而使過濾裝置20可以反覆利用。
根據本發明的具體實施例，飽和電解液在過濾層裝置20內的過濾速度可以不超過100cm/min(過濾速度是指單位時間內通過單位面積的液體體積，單位可以為cm3/cm2×min)，優選為50cm/min，由此既滿足了電池內部電解液循環的速度要求，又能避免過大的液壓對濾芯造成破壞。
根據本發明的具體實施例，可以對過濾裝置20進行再生處理，再生處理可以包括：向過濾裝置20內逆向泵入水，以便對多孔介質21進行解吸；利用弱酸或者弱鹼溶液對經過解吸後的多孔介質21進行清洗，以便獲得再生後過濾裝置20。具體可以通過將過濾裝置的入口與出口對調並利用液壓泵對水進行加壓，使水流逆向流動並使大部分吸附在多孔介質21中的過濾物排出來，再利用弱酸或者弱鹼溶液對其進行進一步清洗。由此，不僅能夠實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定，還能使過濾裝置20得到反覆利用，整個循環使用過程不產生排放物。此外，再生過程後得到的液體為金屬氧化物混合液，可以通過電解對其進行還原並得到金屬單質，進而實現燃料的循環利用。
綜上所述，通過利用本發明上述實施例的金屬空氣燃料電池系統，有效解決反應產物在電解液中過量積累的問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附並收集反應產物，實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定。同時，還能實現過濾裝置的再生，使過濾裝置可以反覆利用，並將過濾回收的產物還能用以金屬還原，實現燃料循環利用，整個循環使用過程中不產生排放物。其中，過濾和再生過程中的液體流動方向如圖3所示。由此，本發明上述實施例的金屬容器燃料電池系統可以實現長時穩定的放電，並顯著提高燃料電池系統的能量密度與使用壽命，能夠廣泛應用於各種金屬空氣燃料電池、電解產物回收與再生管理，以及水質淨化、廢水處理、化工提純等領域。
根據本發明的第二個方面，本發明還提出了一種利用上述金屬空氣燃料電池系統實現穩定發電的方法，包括：使電池堆10排出的飽和電解液進入過濾裝置20，在過濾裝置20內經過多孔介質21過濾出沉澱物，以便得到淨化電解液；使淨化電解液進入電池堆10。
由此，通過採用本發明上述實施例的實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法，不僅可以有效解決反應產物在電解液中過量積累的問題，還能抑制反應產物在電極表面的吸附並收集反應產物，實現電解液的再生和循環利用，使電解液成分與電極工作環境穩定，並使金屬還原過程更加簡單，實現長時穩定的放電，並顯著提高燃料電池系統的能量密度與使用壽命。
下面對本發明上述實施例的實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法進行詳細描述。
根據本發明的具體實施例，多孔介質21可以為多孔鈦濾芯、多孔鎳濾芯或者多孔不鏽鋼濾芯。多孔介質的材料對金屬空氣燃料電池反應產物的過濾效果有很大影響，例如，一般濾紙和鎳網海綿濾芯的過濾效果差並且不利於過濾物回收，碳紙、碳布、玻璃纖維的過濾效果不佳且石英成分在強鹼環境下穩定性差，不鏽鋼濾網過濾效果差且在強鹼環境下自身耐腐蝕性差，泡沫鎳過濾效果不佳且不耐高壓、結構穩定性差等。由此，本發明選用的上述濾芯在中性、強鹼性環境下均具有較好的穩定性，並能有效吸附、過濾沉澱物。由此，不僅可以顯著提高多孔介質的結構穩定性，還能顯著提高過濾裝置20的過濾效果。此外，本發明採用的上述濾芯一定的過濾速度下還能耐受正、反向高壓水流，並可通過弱酸或弱鹼條件反覆清洗，由此，還可以實現濾芯的反覆利用。
根據本發明的具體實施例，可以選用鈦粉作為原材料並燒結成多孔鈦濾芯，由此，可以進一步提高對反應產物的過濾效果，實現電解液的反覆清潔利用。
根據本發明的具體實施例，多孔介質21的平均孔徑可以不大於10微米。由此，可以進一步提高過濾裝置20的過濾效果。金屬氧化物懸浮物的過濾效果與濾芯的平均孔徑有關，孔徑越大，過濾阻力越小，但過濾效果越低；孔徑越小，過濾阻力越大，但過濾效果越好。發明人通過大量實驗發現，當多孔介質的孔徑不超過10微米時，過濾效果幾乎為100％且過濾阻力適中。此外，發明人還發現，將濾芯製作成棒狀結構可以進一步加快過濾速度，提高過濾效率。
根據本發明的具體示例，多孔介質21可以為直徑為10釐米、厚度為2毫米的圓柱狀多孔鈦濾芯，由此，可以進一步提高過濾效率。
根據本發明的具體實施例，飽和電解液在的過濾層裝置20內的過濾速度可以不超過100cm/min，優選為50cm/min，由此既能滿足電池內部電解液循環的速度要求，又能避免過大的液壓對濾芯造成破壞。
根據本發明的具體實施例，實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法可以進一步包括：利用液壓泵將飽和電解液泵入過濾層裝置20內。本發明中通過利用液壓泵30可以對進入過濾裝置20之前的過飽和電解液進行加壓處理，使過飽和電解液在一定的壓力下進行過濾，由此，可以進一步提高過濾效率。需要注意的是，在過濾過程中，不宜使用太高的壓力，以防電解液中析出的固體產物被強制轉移到過濾裝置20的出口處。
根據本發明的具體實施例，液壓泵30可以為蠕動泵。本發明中通過選用蠕動泵，不僅可以對進入過濾裝置20之前的過飽和電解液進行加壓處理，還能控制過飽和電解液的流量，進而有效控制過濾速度。由此，可以進一步提高過濾效率。此外，本發明中選用蠕動泵可以實現流體逆行，進而對多孔介質進行清洗再生。
根據本發明的具體實施例，實現金屬空氣燃料電池穩定發電的方法可以進一步包括：對過濾裝置20進行再生處理，再生處理可以包括：向過濾裝置20內逆向泵入水，以便對多孔介質21進行解吸；利用弱酸或者弱鹼溶液對經過解吸後的多孔介質21進行清洗，以便獲得再生後過濾裝置20。具體可以通過將過濾裝置20的入口與出口對調並利用液壓泵對水進行加壓，使水流逆向流動並使大部分吸附在多孔介質21中的過濾物排出來，再利用弱酸或者弱鹼溶液對其進行進一步清洗。由此，通過採用上述方法可以有效實現過濾裝置20的再生和重複利用，進而有效降低成本。此外，再生處理後，可以回收廢液中的金屬氧化物，並通過電解還原金屬氧化物得到金屬單質，進而實現燃料的循環利用。因此，本發明上述實施例的方法中整個循環過程不產生排放物。
實施例1
金屬空氣燃料電池系統，包括電池堆、過濾裝置和可調流量及壓力的蠕動泵，其中，過濾裝置中，多孔介質為直徑10釐米、厚度2毫米、空間為10微米的圓柱狀多孔鈦濾芯，濾芯上部空間是過濾腔，過飽和電解液是由30wt％氫氧化鉀溶液溶解過量氧化鋅構成。將過飽和電解液由蠕動泵送入過濾裝置進行過濾，過濾壓力為1個大氣壓，過濾速度為50cm/min，最終從過濾裝置滲透出來澄清電解液。過濾前的過飽和電解液和過濾裝置後的電解液分別如圖4所示。
結論：從圖4中可以看出，通過採用上述金屬空氣燃料電池系統，可以對過飽和電解液進行有效過濾，得到澄清電解液。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。