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CN107171007A - 金属空气燃料电池系统及其应用 - Google Patents

金属空气燃料电池系统及其应用 Download PDF

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CN107171007A
CN107171007A CN201710501489.4A CN201710501489A CN107171007A CN 107171007 A CN107171007 A CN 107171007A CN 201710501489 A CN201710501489 A CN 201710501489A CN 107171007 A CN107171007 A CN 107171007A
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裴普成
黄尚尉
李跃华
吴子尧
陈东方
贾肖宁
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Tsinghua University
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Abstract

本发明公开了金属空气燃料电池系统及其应用，其中，系统包括电池堆和过滤装置，所述电池堆具有电解液出口和电解液入口；所述过滤装置内具有多孔介质，所述过滤装置分别与所述电解液出口和电解液入口相连。利用该系统不仅能解决金属氧化物的过量积累问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附，同时收集反应产物，使金属还原过程更加简单，实现了长时稳定的放电，提高了燃料电池系统的能量密度与使用寿命。

Description

金属空气燃料电池系统及其应用
技术领域
本发明属于物理化学领域，具体而言，涉及金属空气燃料电池系统及其应用。
背景技术
金属空气燃料电池是一种将金属(或合金)与氧化剂自身的化学能通过电化学反应转化为电能的能量转换装置，反应在电解质中进行，总反应式M+1/2 H2O+1/4 O2＝M(OH)i，其中每摩尔金属M失去i摩尔电子，与i/4摩尔氧气发生反应。电化学反应的动力性不仅与催化剂的活性有关，还与电极表面与电解质状态紧密相关。一般的金属空气燃料电池是由金属阳极、电解液、空气阴极构成，其中，金属或其合金的颗粒、平板或其他特殊结构作为阳极，在反应中提供电子，空气膜电极作为阴极，催化氧气与水反应成为氢氧根离子，电解液一般由中性的盐水溶液或一定浓度的碱性溶液构成，从电解液中析出的金属氧化物沉积容易吸附在电极表面，是金属电极钝化的主要因素，并且积累的沉积物会占据很大电池内部空间。在阳极表面金属失去电子并与氢氧根结合以离子态进入电解液。在膜电极催化层的三相界面，氧气分子得到电子与水反应生成氢氧根离子进入电解液。总反应是金属与氧气反应为金属氧化物并溶解在电解液中，随着放电的进行，当电解液中金属氧化物浓度达到饱和时，反应产物逐渐从电解液中析出。金属氧化物沉积在电解液中逐渐增多，形成悬浊液，该悬浊液的颗粒物粒径均为纳米级，难以用普通的过滤方式去除，悬浮的沉积物将覆盖在电极表面，对于阳极，阻碍了金属失去电子的过程并增加了电极表面的阻抗，对于空气膜电极，减小了有效反应面积，阻碍后续的电化学反应，另外，随着放电的进行，反应产物积累量增大，一般反应产物的体积都会大于反应燃料的体积，严重挤占电解质的空间，在密封条件下甚至会增大电池内部压力，降低了电池性能甚至损坏膜电极与其他相关设备。
因此，有效去除在电解液中积累的金属氧化物沉积对于维持金属空气燃料电池的正常工作至关重要。
溶液中沉积物的去除主要通过物理沉降、过滤和吸附，以及化学反应成大颗粒沉降和化学吸附或将沉积物转化为其他性质的产物的方式实现。在金属空气燃料电池电解液中，需要考虑整体燃料电池工作环境的稳定以及反应产物的回收难度，以便能实现金属耗材的再生、燃料的二次使用。
为解决金属空气燃料电池中反应产物过量沉积，进而阻碍后续的电化学反应的问题，已有的一种通过更换电解液及其沉积物与设置较高工作温度来维持燃料电池正常运行，即提高金属空气燃料电池的温度到75℃，以提高反应产物在电解液中的溶解度，并根据放电容量，当反应产物沉积量比较多时，用液压泵将新的氢氧化钾溶液更换电池中的悬浊液，从而保证电池的正常工作。这种技术简单易行，但需要额外的电解液，而且为了保证较高的温度需要保温系统，增加燃料电池系统的体积与重量。
另一种基于化学沉淀反应的方法促进金属氧化物生成稳定的沉淀物，通过简单的过滤实现了反应产物的分离，主要通过向悬浮的电解液中添加一定量的Ca(OH)2，促进悬浊液的沉降，在通过简单的过滤将这些较大的沉降物分离出来，使得电解液的放电容量提升了30％。这种技术需要在放电过程中不断加入添加剂，改变了电解液成分，而且形成的产物增加了金属还原的成本。
综上，目前对处理电解液中反应产物的研究比较少，已有技术主要采用化学沉降或整体更换的方法，效果明显，但是依旧需要额外的电解液与添加剂，成本较大。对应的辅助模块对整个燃料电池系统的结构有较大的要求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出金属空气燃料电池系统及其应用，利用该系统不仅能解决金属氧化物的过量积累问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附，同时收集反应产物，使金属还原过程更加简单，实现了长时稳定的放电，提高了燃料电池系统的能量密度与使用寿命。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种金属空气燃料电池系统，包括：
电池堆，所述电池堆具有电解液出口和电解液入口；
过滤装置，所述过滤装置内具有多孔介质，所述过滤装置分别与所述电解液出口和电解液入口相连。
根据本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统，包括电池堆和过滤装置，其中，在过滤装置内设置多孔介质可以对金属空气燃料电池的反应产物进行有效过滤和收集。由此，通过采用本发明提出的金属空气燃料电池系统不仅能够有效解决反应产物在电解液中过量积累的问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附并收集反应产物，实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定，并使金属还原过程更加简单，实现长时稳定的放电，显著提高燃料电池系统的能量密度与使用寿命。
另外，根据本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述多孔介质为多孔钛滤芯、多孔镍滤芯或者多孔不锈钢滤芯。由此，可以显著提高多孔介质的结构稳定性以及过滤装置的过滤效果。
在本发明的一些实施例中，所述多孔介质的平均孔径不大于10微米。由此，可以进一步提高过滤装置的过滤效果。
在本发明的一些实施例中，所述多孔介质与所述过滤装置的电解液入口端之间限定有适于容纳沉淀物的过滤腔。由此，可以对金属空气燃料电池的反应产物进行有效收集。
在本发明的一些实施例中，金属空气燃料电池系统进一步包括：液压泵，所述液压泵设置在所述电解液出口和所述过滤装置之间，且适于对电解液进行加压过滤。由此，可以对进入过滤装置之前的过饱和电解液进行加压处理并进一步提高过滤装置的过滤效率。
在本发明的一些实施例中，所述液压泵为蠕动泵。由此，可以进一步提高过滤效率。
根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种利用上述金属空气燃料电池系统实现稳定发电的方法，包括：
使电池堆排出的饱和电解液进入过滤装置，在所述过滤装置内经过多孔介质过滤出沉淀物，以便得到净化电解液；
使所述净化电解液进入电池堆。
由此，通过采用本发明上述实施例的实现金属空气燃料电池稳定发电的方法，不仅可以有效解决反应产物在电解液中过量积累的问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附并收集反应产物，实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定，并使金属还原过程更加简单，实现长时稳定的放电，显著提高燃料电池系统的能量密度与使用寿命。
另外，根据本发明上述实施例的实现金属空气燃料电池稳定发电的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，实现金属空气燃料电池稳定发电的方法进一步包括：利用液压泵将所述饱和电解液泵入所述过滤层装置内。由此，可以对进入过滤装置之前的过饱和电解液进行加压处理并进一步提高过滤装置的过滤效率。
在本发明的一些实施例中，所述饱和电解液在所述过滤层装置内过滤速度不应超过100cm/min，且过滤压力不应超过1MPa。由此，可以进一步提高过滤效果。
在本发明的一些实施例中，实现金属空气燃料电池稳定发电的方法进一步包括：对所述过滤装置进行再生处理，所述再生处理包括：向所述过滤装置内逆向泵入水，以便对多孔介质进行解吸；利用弱酸或者弱碱溶液对经过所述解吸后的多孔介质进行清洗，以便获得再生后过滤装置。由此，不仅能够实现电解液的再生和循环利用，还能使过滤装置得到反复利用，整个循环使用过程不产生排放物。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的金属空气燃料电池系统的结构示意图。
图2是根据本发明又一个实施例的金属空气燃料电池系统的结构示意图。
图3是根据本发明一个实施例的过滤装置在过滤和再生过程中的液体流动方向示意图。
图4是根据本发明一个实施例的过饱和电解液的过滤前后效果图。
具体实施方式
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。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种金属空气燃料电池系统，如图1所示，包括：电池堆10和过滤装置20。其中，电池堆10具有电解液出口11和电解液入口12；过滤装置20内具有多孔介质21，过滤装置10分别与电解液出口11和电解液入口12相连。
根据本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统，包括电池堆10和过滤装置20，其中，在过滤装置20内设置多孔介质21可以对金属空气燃料电池的反应产物进行有效过滤和收集。具体地，将过饱和电解液送入过滤装置20后，电解液中的反应产物被吸附在多孔介质21中，该固体反应产物依靠相互吸附作用形成较大颗粒，并在多孔介质21的过滤作用下从电解液中分离出来，得到澄清的电解液。由此，通过采用本发明提出的金属空气燃料电池系统不仅能够有效解决反应产物在电解液中过量积累的问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附并收集反应产物，实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定，并使金属还原过程更加简单，实现长时稳定的放电，显著提高燃料电池系统的能量密度与使用寿命。
下面参考图1-3对本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统进行详细描述。
根据本发明的具体实施例，多孔介质21可以为多孔钛滤芯、多孔镍滤芯或者多孔不锈钢滤芯。多孔介质的材料对金属空气燃料电池反应产物的过滤效果有很大影响，例如，一般滤纸和镍网海绵滤芯的过滤效果差并且不利于过滤物回收，碳纸、碳布、玻璃纤维的过滤效果不佳且石英成分在强碱环境下稳定性差，不锈钢滤网过滤效果差且在强碱环境下自身耐腐蚀性差，泡沫镍过滤效果不佳且不耐高压、结构稳定性差等。由此，本发明选用的上述滤芯在中性、强碱性环境下均具有较好的稳定性，并能有效吸附、过滤沉淀物。由此，不仅可以显著提高多孔介质的结构稳定性，还能显著提高过滤装置20的过滤效果。此外，本发明采用的上述滤芯一定的过滤速度下还能耐受正、反向高压水流，并可通过弱酸或弱碱条件反复清洗，由此，还可以实现滤芯的反复利用。
根据本发明的具体实施例，可以选用钛粉作为原材料并烧结成多孔钛滤芯，由此，可以进一步提高对反应产物的过滤效果，实现电解液的反复清洁利用。
根据本发明的具体实施例，多孔介质21的平均孔径可以不大于10微米。由此，可以进一步提高过滤装置20的过滤效果。金属氧化物悬浮物的过滤效果与滤芯的平均孔径有关，孔径越大，过滤阻力越小，但过滤效果越低；孔径越小，过滤阻力越大，但过滤效果越好。发明人通过大量实验发现，当多孔介质的孔径不超过10微米时，过滤效果几乎为100％且过滤阻力适中。此外，发明人还发现，将滤芯制作成棒状结构可以进一步加快过滤速度，提高过滤效率。
根据本发明的具体示例，多孔介质可21以为直径为10厘米、厚度为2毫米的圆柱状多孔钛滤芯，由此，可以进一步提高过滤效率。
根据本发明的具体实施例，如图2所示，多孔介质21与过滤装置20的电解液入口端之间可以限定有适于容纳沉淀物的过滤腔22。本发明中通过在过滤装置20中设置过滤腔，可以使从电解液中分离出来的反应产物在过滤腔中堆积起来，由此，可以对过滤出来的反应产物进行有效回收，并用以金属还原，进而实现燃料的循环利用。
根据本发明的具体实施例，如图2所示，金属空气燃料电池系统可以进一步包括：液压泵30，液压泵30设置在电解液出口11和过滤装置20之间，且适于对电解液进行加压过滤。本发明中通过设置液压泵30可以对进入过滤装置20之前的过饱和电解液进行加压处理，使过饱和电解液在一定的压力下进行过滤，由此，可以进一步提高过滤装置20的过滤效率。需要注意的是，在过滤过程中，不宜使用太高的压力，以防电解液中析出的固体产物被强制转移到过滤装置20的出口处。
根据本发明的具体实施例，液压泵30可以为蠕动泵。本发明中通过选用蠕动泵，不仅可以对进入过滤装置20之前的过饱和电解液进行加压处理，还能控制过饱和电解液的流量，进而有效控制过滤速度。由此，可以进一步提高过滤效率。此外，本发明中选用蠕动泵还可以借助流体逆行对多孔介质21进行清洗，进而使过滤装置20可以反复利用。
根据本发明的具体实施例，饱和电解液在过滤层装置20内的过滤速度可以不超过100cm/min(过滤速度是指单位时间内通过单位面积的液体体积，单位可以为cm3/cm2×min)，优选为50cm/min，由此既满足了电池内部电解液循环的速度要求，又能避免过大的液压对滤芯造成破坏。
根据本发明的具体实施例，可以对过滤装置20进行再生处理，再生处理可以包括：向过滤装置20内逆向泵入水，以便对多孔介质21进行解吸；利用弱酸或者弱碱溶液对经过解吸后的多孔介质21进行清洗，以便获得再生后过滤装置20。具体可以通过将过滤装置的入口与出口对调并利用液压泵对水进行加压，使水流逆向流动并使大部分吸附在多孔介质21中的过滤物排出来，再利用弱酸或者弱碱溶液对其进行进一步清洗。由此，不仅能够实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定，还能使过滤装置20得到反复利用，整个循环使用过程不产生排放物。此外，再生过程后得到的液体为金属氧化物混合液，可以通过电解对其进行还原并得到金属单质，进而实现燃料的循环利用。
综上所述，通过利用本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统，有效解决反应产物在电解液中过量积累的问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附并收集反应产物，实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定。同时，还能实现过滤装置的再生，使过滤装置可以反复利用，并将过滤回收的产物还能用以金属还原，实现燃料循环利用，整个循环使用过程中不产生排放物。其中，过滤和再生过程中的液体流动方向如图3所示。由此，本发明上述实施例的金属容器燃料电池系统可以实现长时稳定的放电，并显著提高燃料电池系统的能量密度与使用寿命，能够广泛应用于各种金属空气燃料电池、电解产物回收与再生管理，以及水质净化、废水处理、化工提纯等领域。
根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种利用上述金属空气燃料电池系统实现稳定发电的方法，包括：使电池堆10排出的饱和电解液进入过滤装置20，在过滤装置20内经过多孔介质21过滤出沉淀物，以便得到净化电解液；使净化电解液进入电池堆10。
由此，通过采用本发明上述实施例的实现金属空气燃料电池稳定发电的方法，不仅可以有效解决反应产物在电解液中过量积累的问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附并收集反应产物，实现电解液的再生和循环利用，使电解液成分与电极工作环境稳定，并使金属还原过程更加简单，实现长时稳定的放电，并显著提高燃料电池系统的能量密度与使用寿命。
下面对本发明上述实施例的实现金属空气燃料电池稳定发电的方法进行详细描述。
根据本发明的具体实施例，多孔介质21可以为多孔钛滤芯、多孔镍滤芯或者多孔不锈钢滤芯。多孔介质的材料对金属空气燃料电池反应产物的过滤效果有很大影响，例如，一般滤纸和镍网海绵滤芯的过滤效果差并且不利于过滤物回收，碳纸、碳布、玻璃纤维的过滤效果不佳且石英成分在强碱环境下稳定性差，不锈钢滤网过滤效果差且在强碱环境下自身耐腐蚀性差，泡沫镍过滤效果不佳且不耐高压、结构稳定性差等。由此，本发明选用的上述滤芯在中性、强碱性环境下均具有较好的稳定性，并能有效吸附、过滤沉淀物。由此，不仅可以显著提高多孔介质的结构稳定性，还能显著提高过滤装置20的过滤效果。此外，本发明采用的上述滤芯一定的过滤速度下还能耐受正、反向高压水流，并可通过弱酸或弱碱条件反复清洗，由此，还可以实现滤芯的反复利用。
根据本发明的具体实施例，可以选用钛粉作为原材料并烧结成多孔钛滤芯，由此，可以进一步提高对反应产物的过滤效果，实现电解液的反复清洁利用。
根据本发明的具体实施例，多孔介质21的平均孔径可以不大于10微米。由此，可以进一步提高过滤装置20的过滤效果。金属氧化物悬浮物的过滤效果与滤芯的平均孔径有关，孔径越大，过滤阻力越小，但过滤效果越低；孔径越小，过滤阻力越大，但过滤效果越好。发明人通过大量实验发现，当多孔介质的孔径不超过10微米时，过滤效果几乎为100％且过滤阻力适中。此外，发明人还发现，将滤芯制作成棒状结构可以进一步加快过滤速度，提高过滤效率。
根据本发明的具体示例，多孔介质21可以为直径为10厘米、厚度为2毫米的圆柱状多孔钛滤芯，由此，可以进一步提高过滤效率。
根据本发明的具体实施例，饱和电解液在的过滤层装置20内的过滤速度可以不超过100cm/min，优选为50cm/min，由此既能满足电池内部电解液循环的速度要求，又能避免过大的液压对滤芯造成破坏。
根据本发明的具体实施例，实现金属空气燃料电池稳定发电的方法可以进一步包括：利用液压泵将饱和电解液泵入过滤层装置20内。本发明中通过利用液压泵30可以对进入过滤装置20之前的过饱和电解液进行加压处理，使过饱和电解液在一定的压力下进行过滤，由此，可以进一步提高过滤效率。需要注意的是，在过滤过程中，不宜使用太高的压力，以防电解液中析出的固体产物被强制转移到过滤装置20的出口处。
根据本发明的具体实施例，液压泵30可以为蠕动泵。本发明中通过选用蠕动泵，不仅可以对进入过滤装置20之前的过饱和电解液进行加压处理，还能控制过饱和电解液的流量，进而有效控制过滤速度。由此，可以进一步提高过滤效率。此外，本发明中选用蠕动泵可以实现流体逆行，进而对多孔介质进行清洗再生。
根据本发明的具体实施例，实现金属空气燃料电池稳定发电的方法可以进一步包括：对过滤装置20进行再生处理，再生处理可以包括：向过滤装置20内逆向泵入水，以便对多孔介质21进行解吸；利用弱酸或者弱碱溶液对经过解吸后的多孔介质21进行清洗，以便获得再生后过滤装置20。具体可以通过将过滤装置20的入口与出口对调并利用液压泵对水进行加压，使水流逆向流动并使大部分吸附在多孔介质21中的过滤物排出来，再利用弱酸或者弱碱溶液对其进行进一步清洗。由此，通过采用上述方法可以有效实现过滤装置20的再生和重复利用，进而有效降低成本。此外，再生处理后，可以回收废液中的金属氧化物，并通过电解还原金属氧化物得到金属单质，进而实现燃料的循环利用。因此，本发明上述实施例的方法中整个循环过程不产生排放物。
实施例1
金属空气燃料电池系统，包括电池堆、过滤装置和可调流量及压力的蠕动泵，其中，过滤装置中，多孔介质为直径10厘米、厚度2毫米、空间为10微米的圆柱状多孔钛滤芯，滤芯上部空间是过滤腔，过饱和电解液是由30wt％氢氧化钾溶液溶解过量氧化锌构成。将过饱和电解液由蠕动泵送入过滤装置进行过滤，过滤压力为1个大气压，过滤速度为50cm/min，最终从过滤装置渗透出来澄清电解液。过滤前的过饱和电解液和过滤装置后的电解液分别如图4所示。
结论：从图4中可以看出，通过采用上述金属空气燃料电池系统，可以对过饱和电解液进行有效过滤，得到澄清电解液。
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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种金属空气燃料电池系统，其特征在于，包括：
电池堆，所述电池堆具有电解液出口和电解液入口；
过滤装置，所述过滤装置内具有多孔介质，所述过滤装置分别与所述电解液出口和电解液入口相连。
2.根据权利要求1所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述多孔介质为多孔钛滤芯、多孔镍滤芯或者多孔不锈钢滤芯。
3.根据权利要求2所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述多孔介质的平均孔径不大于10微米。
4.根据权利要求3所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述多孔介质与所述过滤装置的电解液入口端之间限定有适于容纳沉淀物的过滤腔。
5.根据权利要求4所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，进一步包括：
液压泵，所述液压泵设置在所述电解液出口和所述过滤装置之间，且适于对电解液进行加压过滤。
6.根据权利要求5所述的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述液压泵为蠕动泵。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的金属空气燃料电池系统实现稳定发电的方法，其特征在，包括：
使电池堆排出的饱和电解液进入过滤装置，在所述过滤装置内经过多孔介质过滤出沉淀物，以便得到净化电解液；
使所述净化电解液进入电池堆。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：利用液压泵将所述饱和电解液泵入所述过滤层装置内。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述饱和电解液在所述过滤层装置内过滤速度不应超过100cm/min，且过滤压力不应超过1MPa。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：对所述过滤装置进行再生处理，所述再生处理包括：
向所述过滤装置内逆向泵入水，以便对多孔介质进行解吸；
利用弱酸或者弱碱溶液对经过所述解吸后的多孔介质进行清洗，以便获得再生后过滤装置。
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