延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法
阅读：342发布：2020-05-08
专利汇可以提供延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了延长金属空气 燃料 电池 电解 液使用时间的方法，用于在金属空气 燃料电池 工作过程中提升电解液容纳发电产物的能 力 、延长电解液的使用时间。该方法包括：向所述金属空气燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂；或者所述金属燃料采用以导电剂为基体再生得到的金属燃料。该方法通过在燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂，可显著提高电解液容纳发电产物的能力，从而有效延长金属空气燃料电池电解液的使用时间，且方法简单，无需对燃料电池附加任何装置。，下面是延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法专利的具体信息内容。
延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法
技术领域
背景技术
[0002] 金属空气燃料电池可利用电化学反应将金属的化学能转化为清洁的电能，具有能量转换效率高、燃料存储携带方便、成本低、安全无污染等优势，作为动力电池和储能电池具有很好的前景，且十分适合用于便携式电源、固定电源及军事应用等场合。
[0003] 具体地，金属空气燃料电池的基本工作原理为：电池阳极上的金属(金属可以是-Mg、Al、Zn等元素)与电解液中的氢氧根离子(OH)发生电化学反应(阳极反应)，释放出电子，同时空气电极催化层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的氧气相接触，吸收电子，发生电化学反应(阴极反应)，生成OH-，OH-进一步扩散到电解液中。
[0004] 连续加料式的金属空气燃料电池相当于一种发电装置，金属作为燃料，可连续添加至电池堆中，同时利用电解液的流动将电池内部的反应产物排出，可维持电池堆的持续发电。电池堆的催化剂可以使用铁钴镍、二氧化锰等非贵金属材料、成本低，且金属燃料的密度大，存储携带安全方便，因此，连续加料式金属空气燃料电池比氢燃料电池更具优势。然而，连续加料式金属空气燃料电池在功率密度、电解液消耗及耐久性等方面存在的问题，限制了其市场化发展，现有的金属空气燃料电池仍有待改进。
发明内容
[0005] 本发明是基于发明人对以下问题和事实的发现而提出的：
[0006] 随着金属空气燃料电池工作时间的增加，电解液中反应产物的浓度会不断升高，当达到溶解饱和极限后，将会生成固体沉淀。虽然可以通过过滤或其他液固分离技术对生成的固体沉淀进行分离，但饱和的电解液的电导率已大幅下降，电池的性能由于内阻增加而不断降低，此时则需要对电解液进行更换。现有的金属空气燃料电池中，电解液容纳发电产物的能力较低、使用时间较短，需要使用大容量的电解液箱或频繁地更换电解液，会使得系统体积及重量大幅增加，造成电池系统整体性能下降。因此，现有的金属空气燃料电池使用寿命较短，难以满足商业需求。
[0007] 鉴于此，本发明提出一种延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法。该方法通过在燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂，可显著提高电解液容纳发电产物的能力，从而有效延长金属空气燃料电池电解液的使用时间，且方法简单，无需对燃料电池附加任何装置。
[0008] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：向所述金属空气燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂；或者所述金属燃料采用以导电剂为基体再生得到的金属燃料。
[0009] 根据本发明实施例的延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法，通过向金属空气燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂，可以在燃料电池工作时缩短金属燃料间的电子传导路径，同时增加了电子传递接触面积，从而使电解液中可以容纳更多不导电的发电产物，显著提高电解液容纳发电产物的能力，解决了电解液饱和及内阻增加而导致的电解液寿命缩短的问题；此外，金属空气燃料电池也可以采用以导电剂为基体再生的金属燃料，该金属燃料的内部具有导电剂，随着燃料电池工作时间的增加，金属燃料逐渐消耗，其中的导电剂逐渐裸露出来，从而发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用。由此，本发明的方法可显著提高电解液容纳发电产物的能力，从而延长金属空气燃料电池电解液的使用时间30％以上，且方法简单，无需对燃料电池附加任何装置。
[0010] 另外，根据本发明上述实施例的延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0011] 在本发明的一些实施例中，所述导电剂为选自碳粉、碳纳米管、石墨烯、镍粉、金粉、银粉、铜粉和铁粉中的至少之一。由此，导电剂可充分发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用，同时不参与燃料电池内的电化学反应。
[0012] 在本发明的一些实施例中，所述导电剂的平均粒径为0.01～100μm。所述导电剂可以为颗粒和/或粉末。
[0013] 在本发明的一些实施例中，所述导电剂的添加量为所述电解液质量的0.05％～0.2％。
[0014] 在本发明的一些实施例中，所述导电剂的添加量为所述金属燃料质量的0.2％～0.6％。
[0015] 在本发明的一些实施例中，所述金属燃料的平均粒径为0.01～1mm。所述金属燃料可采用颗粒和/或粉末的形式。
[0016] 在本发明的一些实施例中，通过电解的方式，以所述导电剂为基体再生得到金属燃料。由此，金属燃料通过电解处理形成并包裹在导电剂基体表面。将包裹有导电剂的金属燃料应用于燃料电池中，随着燃料电池工作时间的增加，金属燃料逐渐消耗，其中的导电剂逐渐裸露出来，进而发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用。
[0018] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0019] 图1是根据本发明一个实施例的金属燃料中添加导电剂的示意图；
[0020] 图2是根据本发明一个实施例的电解液中添加导电剂的示意图；
[0021] 图3是根据本发明一个实施例的以导电剂为基体再生的金属燃料的结构示意图；
[0022] 图4是根据本发明一个实施例的金属燃料电池堆的放电性能示意图；
[0023] 图5是根据本发明一个实施例的导电剂缩短金属燃料间电子传导路径的原理示意图。
具体实施方式
[0024] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0025] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：向金属空气燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂；或者金属燃料采用以导电剂为基体再生得到的金属燃料。
[0026] 根据本发明实施例的延长金属空气燃料电池电解液使用时间的方法，通过向金属空气燃料电池的金属燃料和/或电解液中加入导电剂，可以在燃料电池工作时缩短金属燃料间的电子传导路径，同时增加了电子传递接触面积，从而使电解液中可以容纳更多不导电的发电产物，显著提高电解液容纳发电产物的能力，解决了电解液饱和及内阻增加而导致的电解液寿命缩短的问题；此外，金属空气燃料电池可以采用以导电剂为基体再生的金属燃料，该金属燃料的内部具有导电剂，随着燃料电池工作时间的增加，金属燃料逐渐消耗，其中的导电剂逐渐裸露出来，从而发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用。由此，本发明的方法可显著提高电解液容纳发电产物的能力，从而延长金属空气燃料电池电解液的使用时间30％以上，且方法简单，无需对燃料电池附加任何装置。
[0027] 根据本发明的实施例，参考图5，导电剂3分布在金属燃料2的周围，燃料电池工作得到的反应产物6为不导电材料，可以理解的是，反应产物6阻挡了燃料电池工作时金属燃料2颗粒间电子传递，延长了燃料电池工作时金属燃料间的电子传递路径，而添加导电剂3使得金属燃料间可通过导电剂传递电子，从而缩短了电子传导路径，同时增加了金属燃料2间电子传递的接触面积，延长了电解液的使用时间。
[0028] 根据本发明的实施例，导电剂的种类并不受特别限制，只要具有良好的导电性能且不参与燃料电池的电化学反应即可。根据本发明的优选实施例，上述导电剂可以为选自碳粉、碳纳米管、石墨烯、镍粉、金粉、银粉、铜粉和铁粉中的至少之一。由此，导电剂可充分发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用，同时不参与燃料电池内的电化学反应。
[0029] 根据本发明的实施例，上述导电剂可以为颗粒和/或粉末。根据本发明的具体实施例，导电剂的平均粒径为0.01～100μm。
[0030] 根据本发明的实施例，可以向金属空气燃料电池的电解液中加入导电剂，从而延长燃料电池电解液的使用时间。根据本发明的具体实施例，导电剂的添加量可以为电解液质量的0.05％～0.2％。
[0031] 根据本发明的实施例，可以向金属空气燃料电池的金属燃料中加入导电剂，从而延长燃料电池电解液的使用时间。根据本发明的具体实施例，导电剂的添加量可以为金属燃料质量的0.2％～0.6％。
[0032] 根据本发明的实施例，金属燃料可以采用颗粒和/或粉末的形式。根据本发明的具体实施例，金属燃料的平均粒径为0.01～1mm。
[0033] 根据本发明的实施例，可以通过电解的方式，以导电剂为基体再生得到金属燃料。由此，金属燃料通过电解处理形成并包裹在导电剂基体表面。将包裹有导电剂的金属燃料应用于燃料电池中，随着燃料电池工作时间的增加，金属燃料逐渐消耗，其中的导电剂逐渐裸露出来，进而发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用。根据本发明的具体实施例，金属燃料可以通过以导电剂为基体，通过流化床的方式电解金属氧化物、金属盐得到。
[0034] 下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
[0035] 实施例1
[0036] 向金属空气燃料电池的金属燃料中添加导电剂，导电剂在燃料箱中的分布如图1所示。图1中：1-燃料箱；2-金属燃料；3-导电剂。
[0037] 具体地，金属燃料2采用颗粒和/或粉末的形式，导电剂3采用颗粒、粉末等形式，导电剂3分布在金属燃料2的周围，导电剂3不参与燃料电池内的电化学反应。
[0038] 实施例2
[0039] 向金属空气燃料电池的电解液中添加导电剂，导电剂在电解液箱中的分布如图2所示。图2中：3-导电剂；4-电解液箱；5-电解液。
[0040] 导电剂3采用颗粒、粉末等形式，导电剂3分布在电解液5的周围，导电剂3不参与燃料电池内的电化学反应。
[0041] 实施例3
[0042] 以导电剂材料为基体，在导电剂表面电解再生金属燃料，使金属燃料包裹在导电剂表面。以导电剂为基体再生的金属燃料结构如图3所示，图3中：2-金属燃料；3-导电剂。
[0043] 将包裹有导电剂的金属燃料应用于燃料电池中，随着燃料电池工作时间的增加，金属燃料逐渐消耗，其中的导电剂不断裸露出来，进而发挥缩短电子传导路径、增加电子传递接触面积的作用。由此，在燃料电池工作一段时间后再添加导电剂可以起到更为显著的延长电解液使用时间的作用。
[0044] 实施例4
[0045] 分别设置实验组和对照组金属空气燃料电池，其中对照组电池采用100mL的KOH溶液作为电解液，实验组电池采用与对照组相同的电解液，区别在于，实验组电池电解液中添加0.1g碳粉作为导电剂。
[0046] 令实验组和对照组电池在电流密度为200mA·cm-2的条件下放电，实验结果如图4所示(图4中，实验组：KOH+C，对照组：KOH)，实验组电池有效放电时间(到达截止电压0.7V之前的时间)超过对照组电池有效放电时间30％以上，这说明本发明的方法能够有效延长金属空气燃料电池电解液的使用时间30％以上。
[0047] 进一步地，在对照组电池放电至截止电压0.7V后、且对照组放电电压低于实验组放电电压之后，向对照组电池电解液中加入0.1g碳粉作为导电剂使对照组电解液能够继续使用、燃料电池可以继续工作，且有效使用时间(即对照组电池放电至再次达到截止电压的时间)长于实验组电池，这证明燃料电池工作一段时间后再添加导电剂可以更为显著地延长电解液的使用时间。
[0048] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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