一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)包括：具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)的電池堆、金屬燃料自動添加系統(tǒng)、能夠?qū)崿F(xiàn)電解液低壓循環(huán)流動的電解液循環(huán)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和控制單元，其中，電池堆的開放式陽極室結(jié)構(gòu)和金屬燃料自動添加系統(tǒng)提高了電池堆內(nèi)各電池單體的金屬燃料添加的均勻性；電解液低壓循環(huán)流動的方式，降低了空氣電極兩側(cè)壓差，優(yōu)化了空氣電極孔隙內(nèi)的氣液分布，大幅提升了金屬空氣燃料電池的發(fā)電功率密度。本實用新型的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)能夠有效提升電池的性能，延長電池的使用壽命。
【專利說明】
一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及金屬燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬空氣燃料電池技術(shù)是一種將金屬的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的清潔能源技術(shù)，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、成本低、燃料存儲攜帶方便、安全無污染等優(yōu)點，可用于車用動力、移動電源、通信基站備用電源等領(lǐng)域。
[0003]具體地，金屬空氣燃料的工作原理為，金屬在陽極室內(nèi)的電解液中發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)生成金屬氧化物;空氣中的氧氣在空氣電極的催化層發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成氫氧根離子，電極反應(yīng)如下(金屬M可以是L1、Mg、Al、Zn等元素):
[0004]陽極反應(yīng):2M+2n0H——M20n+nH20+2ne—
[0005]陰極反應(yīng):02+2H20+4e——40H—
[0006]總反應(yīng):4Μ+ηθ2—2Μ2θη
[0007]金屬空氣燃料電池分為陽極更換式和連續(xù)加料式兩種。陽極更換式金屬空氣燃料電池在陽極金屬消耗完后需要人工更換新的陽極，操作性較差，不適合大型電池堆。連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池與氫燃料電池在工作形式上十分類似，其相當(dāng)于一種發(fā)電裝置，金屬作為燃料，可連續(xù)添加至電池堆中，同時將電池內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物排出，可維持電池堆的持續(xù)發(fā)電。電池堆的催化劑可以使用Μη02(二氧化錳)等非貴金屬氧化物，且金屬燃料的密度大，存儲攜帶安全方便，因此，連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池比氫燃料電池更具優(yōu)勢。然而，連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池在功率密度、電解液消耗及耐久性等方面存在的問題，限制了其市場化發(fā)展。
[0008]大多數(shù)連續(xù)加料式金屬空氣燃料電池使用電解液運輸金屬燃料，即將金屬燃料置于電解液箱中，電解液栗驅(qū)動電解液的同時將金屬燃料帶進(jìn)電池陽極室。這種加料及電解液循環(huán)方式存在一定問題:第一，向電池堆加料時，各節(jié)電池的金屬燃料供給量難以保持一致，可能存在燃料添加不足的現(xiàn)象，而且電解液供給量不一致，部分電池中可能因電解液流量過低而無法有效的將所有反應(yīng)產(chǎn)物排出，造成反應(yīng)產(chǎn)物積累使電池逐步失效;第二，為驅(qū)動金屬燃料，電解液的流動壓力很高，空氣電極處于高壓的電解液中容易出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，電解液進(jìn)入空氣電極內(nèi)疏水性的氣體傳輸孔隙，造成氧氣傳輸阻力增大，導(dǎo)致電池性能很低；第三，電池工作時，產(chǎn)生的氫氣容易在陽極室內(nèi)邊緣區(qū)域積聚，使得電池的有效反應(yīng)面積減小而使性能降低。
[0009]上述這些問題造成了金屬空氣燃料電池性能下降，因此，當(dāng)前金屬空氣燃料電池的性能較差、使用壽命較短，難以滿足商業(yè)需求。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]本實用新型旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
[0011]有鑒于此，本實用新型提出了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)功率密度高、使用壽命長。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出的一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，包括:具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)電池堆，所述電池堆包括電化學(xué)反應(yīng)區(qū)和金屬燃料添加口；金屬燃料自動添加系統(tǒng)，用于將金屬燃料添加到所述電池堆的陽極室的陽極電化學(xué)反應(yīng)區(qū)中，其中，所述金屬燃料添加系統(tǒng)包括燃料箱和電動燃料添加機(jī)構(gòu)，所述燃料箱通過所述金屬燃料添加口與所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)相連，所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述燃料箱上；電解液循環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動電解液循環(huán)流動，其中，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括電解液箱、電解液驅(qū)動栗、第一管路、第二管路、第一電磁閥和第二電磁閥，所述電解液箱與所述電解液驅(qū)動栗的一端相連，所述電解液驅(qū)動栗與所述第一電磁閥的一端相連，所述第一電磁閥另一端通過所述第一管路連接到所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)通過所述第二管路和所述第二電磁閥與所述電解液箱相連，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)中的電解液處于低壓循環(huán)流動狀態(tài)；供氣系統(tǒng)，用于向所述電池堆供給空氣或氧氣，其中，所述供氣系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、第三電磁閥和第四電磁閥，所述風(fēng)機(jī)通過所述第三電磁閥連接到設(shè)置在所述電池堆上的氣體入口，設(shè)置在所述電池堆上的氣體出口與所述第四電磁閥相連;控制單元，所述控制單元通過信號線分別與所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)、所述電解液驅(qū)動栗、所述第一電磁閥、所述第二電磁閥、所述風(fēng)機(jī)、所述第三電磁閥和所述第四電磁閥相連，用于調(diào)控電池系統(tǒng)各子系統(tǒng)的運行。
[0013]本實用新型的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)，金屬燃料可實現(xiàn)自動添加，且電解液進(jìn)行低壓循環(huán)流動。本實用新型的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)能夠有效提升電池的性能，延長電池的使用壽命。
[0014]另外，本實用新型上述的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，還具有如下附加特征:
[0015]在一些示例中，所述電池堆至少包括兩節(jié)電池單體，每個所述電池單體的陽極室上方直接與外界大氣相通，或者通過在所述陽極室上方設(shè)置一個料斗與所述外界大氣相通。
[0016]在一些示例中，所述金屬燃料自動添加系統(tǒng)還包括燃料監(jiān)控裝置，所述燃料監(jiān)控裝置設(shè)置在所述陽極室上或所述陽極室上方的料斗上，且浸沒在電解液中，所述燃料監(jiān)控裝置用于檢測所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測到所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于第一預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料不足，所述控制單元控制所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)將所述燃料箱中的金屬燃料添加至所述陽極室或陽極室上方的料斗中，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測到所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度高于或等于所述第二預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料充足，停止添加所述金屬燃料，其中，所述金屬燃料的形式為顆粒、粉末和金屬肩中的一種或多種，所述金屬燃料在所述陽極室內(nèi)形成所述堆積床。
[0017]在一些示例中，所述電解液驅(qū)動栗，用于將所述電解液箱中的電解液栗入所述電池堆內(nèi)的電解液主流道，以使所述電解液經(jīng)電解液分配流道進(jìn)入各所述電池單體的陽極室，所述電解液在所述陽極室內(nèi)的流動采用底部供液—頂部溢流的流動方式，或者頂部供液—底部流出和/或頂部溢流的流動方式。
[0018]在一些示例中，所述風(fēng)機(jī)，用于驅(qū)動空氣或氧氣進(jìn)入所述電池堆內(nèi)的氣體流道。
[0019]本實用新型的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
【附圖說明】
[0020]本實用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0021]圖1為根據(jù)本實用新型一個實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為根據(jù)本實用新型另一個實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為根據(jù)本實用新型一個實施例的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為根據(jù)本實用新型另一個實施例的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為根據(jù)本實用新型一個實施例的電池堆的燃料監(jiān)控方式示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面參考附圖描述根據(jù)本實用新型實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其中自始至終相同或類似的標(biāo)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，僅用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
[0027]本實用新型的實施例提出了一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)。
[0028]圖1為根據(jù)本實用新型一個實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)包括:電池堆10、金屬燃料自動添加系統(tǒng)20、電解液循環(huán)系統(tǒng)30、供氣系統(tǒng)40和控制單元50。
[0029]具體地，電池堆10具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)。如圖1所示，電池堆10上設(shè)計有金屬燃料添加口 11、氣體入口 12和氣體出口 13、電解液入口 14和電解液出口 15。
[0030]其中，金屬燃料添加口11用于金屬燃料添加，氣體入口 12和氣體出口 13用于空氣或氧氣供給，電解液入口 14和電解液出口 15用于電解液循環(huán)。
[0031]在本實用新型的一個實施例中，電池堆10中設(shè)置有電解液主流道和氣體流道。具體地，在電池堆10極板上可以設(shè)置有電解液主流道，包括電解液流入主流道(即圖1中電解液入口 14處向上的箭頭)、電解液流出主流道(即圖1中電解液出口 15處向下的箭頭)、電解液溢流主流道。在電池堆10氣體側(cè)設(shè)有氣體流道，其中，氣體流道包括氣體流入主流道(即圖1中氣體入口 12處向左的箭頭)和氣體流出主流道(即圖1中氣體出口 13處向右的箭頭)。
[0032]金屬燃料自動添加系統(tǒng)20用于將金屬燃料添加到電池堆10的陽極室中。
[0033]具體地，金屬燃料自動添加系統(tǒng)20包括燃料箱21、電動燃料添加機(jī)構(gòu)22、及由第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24(圖1中未示出)構(gòu)成的燃料監(jiān)控裝置。其中，燃料箱21通過金屬燃料添加口 11與電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16相連，電動燃料添加機(jī)構(gòu)22設(shè)置在燃料箱21上，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24均設(shè)置在電池堆10中。
[0034]具體而言，控制單元50控制電動燃料添加機(jī)構(gòu)22將儲存在燃料箱21中的金屬燃料添加至電池堆10上的金屬燃料添加口 11，金屬燃料在重力作用下進(jìn)入電池堆10內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16中處于陽極室的部分。
[0035]其中，金屬燃料的形式可以為顆粒、粉末和金屬肩中的一種或多種，當(dāng)金屬燃料在重力的作用下添加到陽極室內(nèi)時，會逐漸堆積，形成堆積床。
[0036]在本實用新型的一個實施例中，當(dāng)陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于第一預(yù)設(shè)位置時，控制單元50會控制電動燃料添加機(jī)構(gòu)22將燃料箱21中的金屬燃料添加至陽極室或陽極室上方的料斗中，以使堆積床高度達(dá)到第二預(yù)設(shè)位置。其中，第一預(yù)設(shè)位置可以是第一燃料監(jiān)控探頭23所處位置，第二預(yù)設(shè)位置可以是第二燃料監(jiān)控探頭24所處位置。
[0037]電解液循環(huán)系統(tǒng)30用于驅(qū)動電解液循環(huán)流動。
[0038]具體地，電解液循環(huán)系統(tǒng)30包括電解液箱31、電解液驅(qū)動栗32、第一管路33、第一電磁閥34、第二管路35和第二電磁閥36。其中，電解液箱31與電解液驅(qū)動栗32的一端相連，電解液驅(qū)動栗32與第一電磁閥34的一端相連，第一電磁閥34另一端通過第一管路33連接到電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16，電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16通過第二管路35和第二電磁閥36與電解液箱31相連。
[0039]在本實用新型的實施例中，電解液循環(huán)系統(tǒng)30的電解液循環(huán)方式為電解液箱31中的電解液經(jīng)電解液驅(qū)動栗32驅(qū)動，流經(jīng)第一電磁閥34和第一管路33，從電池堆10上的電解液入口 14供入電池堆10，并進(jìn)入電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16的底部，然后從電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16頂部的電解液出口 15流出，再經(jīng)第二管路35和第二電磁閥36流回電解液箱31。
[0040]可以理解的是，當(dāng)電解液流經(jīng)陽極室時，在陽極室頂部電解液壓力為大氣壓，陽極室中的電解液壓力接近大氣壓，從而使得整個電池堆10內(nèi)部電解液處于低壓循環(huán)流動狀態(tài)，降低了空氣電極兩側(cè)的壓差，進(jìn)而優(yōu)化了空氣電極孔隙內(nèi)的氣液分布。
[0041]在本實用新型的一個實施例中，電解液循環(huán)系統(tǒng)30還可以包括散熱器38(圖中未示出)，散熱器38置于第二管路35上?？梢岳斫獾氖牵娊庖涸诹鹘?jīng)電池堆10時，吸收反應(yīng)熱而使溫度升高，為避免電解液溫度過高，可以在電解液流經(jīng)的第二管路35上安裝一個散熱器38。
[0042]供氣系統(tǒng)40用于向電池堆10供給氧氣。
[0043 ]具體地，供氣系統(tǒng)40包括風(fēng)機(jī)41、第三電磁閥42和第四電磁閥43，風(fēng)機(jī)41通過第三電磁閥42連接到設(shè)置在電池堆上的氣體入口 12，設(shè)置在電池堆上的氣體出口 13與第四電磁閥43相連。
[0044]其中，風(fēng)機(jī)41供給的空氣或氧氣經(jīng)第三電磁閥42和電池堆10上的氣體入口12供給進(jìn)入電池堆1，再經(jīng)氣體出口 13和第四電磁閥43排出。
[0045]需要說明的是，空氣主要包括氧氣、氮氣和少量⑶2，氮氣在電池堆10中不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，少量CO2會與電解液反應(yīng)生成碳酸鹽，而氧氣則在電池堆10中與金屬燃料、電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0046]控制單元50通過信號線(即圖1所示的連接控制單元50的虛線)分別與電動燃料添加機(jī)構(gòu)22、電解液驅(qū)動栗32、第一電磁閥34、第二電磁閥36、風(fēng)機(jī)41、第三電磁閥42和第四電磁閥43等部件相連，用于調(diào)控電池系統(tǒng)各子系統(tǒng)的運行。
[0047]圖2為本實用新型另一個實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例的電池系統(tǒng)的電池堆10、金屬燃料自動添加系統(tǒng)20、供氣系統(tǒng)40和控制單元50與圖1所示的實施例的電池系統(tǒng)類似，其區(qū)別在于電解液在電池堆10中的流動方式。本實施例的電池系統(tǒng)的電解液循環(huán)方式為電解液由電解液箱31經(jīng)電解液驅(qū)動栗32、第一電磁閥34和第一管路33從電解液入口 14流入電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16的頂部，流經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16后進(jìn)入底部的電解液出口 15、第二管路35和第二電磁閥36流回電解液箱31，電化學(xué)反應(yīng)區(qū)16中多余的電解液經(jīng)電解液溢流口 17、第三管路37和第二電磁閥36流回電解液箱31。
[0048]在本實用新型的一個實施例中，如圖1所示，電解液在陽極室內(nèi)的流動可以采用底部供液—頂部溢流的流動方式;如圖2所示，電解液在陽極室內(nèi)的流動也可以采用頂部供液—底部流出和/或頂部溢流的流動方式。
[0049]圖3為本實用新型一個實施例的電池堆10的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該電池堆10至少包括兩節(jié)電池單體80，多個電池單體80串聯(lián)連接。電池單體80包括兩片空氣電極81、隔膜82、網(wǎng)狀陽極集流框83、金屬燃料84、電流引線85和電池框體86，其中，兩片空氣電極81分別置于電池單體80的兩側(cè)，隔膜82覆蓋在兩片空氣電極81上，網(wǎng)狀陽極集流框83位于兩片空氣電極81之間，且通過電流引線85連接下一個電池單體80的一個空氣電極81，網(wǎng)狀陽極集流框83中裝有金屬燃料84。
[0050]其中，圖3所示的電池堆10的電解液循環(huán)方式采用圖1所示的實施例的電池系統(tǒng)中的電解液流動方式，即電解液由電解液箱31經(jīng)電解液驅(qū)動栗32和第一管路33流入電池堆10中各電池單體80的陽極室底部，流經(jīng)陽極室后進(jìn)入陽極室頂部經(jīng)第二管路35流回電解液箱31ο
[0051 ]在本實用新型的實施例中，風(fēng)機(jī)41驅(qū)動空氣或氧氣進(jìn)入電池堆10內(nèi)的氣體流道，進(jìn)而通過空氣電極81氣體擴(kuò)散層進(jìn)入空氣電極81催化層參與電化學(xué)反應(yīng)。
[0052]需要說明的是，圖3所示的電池堆10也可以采用圖2中所示的電解液流動方式，SP電解液由電解液箱31經(jīng)電解液驅(qū)動栗32、第一管路33流入電池堆10中各電池單體80的陽極室的頂部，流經(jīng)陽極室后進(jìn)入陽極室底部經(jīng)第二管路35流回電解液箱31，陽極室中多余的電解液經(jīng)電解液溢流口 17和第三管路37流回電解液箱31。
[0053]在本實用新型的一個實施例中，多個電池單體80也可以并聯(lián)連接。
[0054]圖4為本實用新型另一個實施例的電池堆10結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，該電池堆10至少包括兩節(jié)電池單體80，多個電池單體80可采用雙極板結(jié)構(gòu)的串聯(lián)形式。該電池堆10由多孔網(wǎng)91、單正極板92、空氣電極81、隔膜82、金屬燃料84、雙極板93、正極集電板94、單負(fù)極板95和負(fù)極集電板96組成。
[0055]如圖4所示，雙極板93的左側(cè)為左側(cè)電池單體80的負(fù)極，右側(cè)與空氣電極81連接作為右側(cè)電池單體80的正極，從而實現(xiàn)兩節(jié)電池單體80的串聯(lián)。可以理解，通過調(diào)整雙極板93及相關(guān)組成部件的數(shù)量可以調(diào)整電池單體的數(shù)量，從而能夠獲得不同功率大小的電池堆10。
[0056]其中，圖4所示的電池堆10的電解液循環(huán)方式可采用圖1所示電池系統(tǒng)中的電解液流動方式，即電解液由電解液箱31經(jīng)電解液驅(qū)動栗32和第一管路33流入電池堆10陽極室底部，流經(jīng)陽極室后進(jìn)入陽極室頂部經(jīng)第二管路35流回電解液箱31。
[0057]在本實用新型的實施例中，風(fēng)機(jī)41驅(qū)動空氣或氧氣進(jìn)入電池堆10內(nèi)的氣體流道，進(jìn)而通過空氣電極81氣體擴(kuò)散層進(jìn)入空氣電極81催化層參與電化學(xué)反應(yīng)。
[0058]需要說明的是，圖4所示的電池堆10也可以采用圖2所示電池系統(tǒng)中的電解液流動方式，即電解液由電解液箱31經(jīng)電解液驅(qū)動栗32、和第一管路33流入電池堆10中各電池單體80的陽極室的頂部，流經(jīng)陽極室后進(jìn)入陽極室底部經(jīng)第二管路35流回電解液箱31，陽極室中多余的電解液經(jīng)電解液溢流口 17和第三管路37流回電解液箱31。
[0059]圖3和圖4所示的兩種電池堆10結(jié)構(gòu)中，各電池單體80的陽極室可以是頂部敞開直接與外界大氣相通，也可以在陽極室上方根據(jù)需求設(shè)置具有一定容積的料斗，料斗的頂部可以采用敞開方式，與外界大氣相通，且該料斗可儲備一定量的金屬燃料?？梢岳斫獾氖牵撆c外界大氣相通的敞開口即為圖1和圖2中所示的電池堆10上的金屬燃料添加口 11。
[0060]圖5為本實用新型一個實施例的電池堆的燃料監(jiān)控方式示意圖。如圖5所示，在雙極板93(圖5左側(cè))或料斗97(圖5右側(cè))上安裝燃料監(jiān)控裝置，即第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻與其間金屬燃料84堆積床相關(guān)。
[0061]在本實用新型的一個實施例中，當(dāng)燃料監(jiān)控裝置檢測到陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于第一預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料不足，控制單元50控制電動燃料添加機(jī)構(gòu)22向陽極室或陽極室上方的料斗中添加金屬燃料，當(dāng)燃料監(jiān)控裝置檢測到陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度高于或等于第二預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料充足，停止添加所述金屬燃料。
[0062]具體地，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24浸沒在電解液中，當(dāng)?shù)谝蝗剂媳O(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間填充滿金屬燃料，即陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度高于或等于第二預(yù)設(shè)位置，金屬燃料充足時，兩個燃料監(jiān)控探頭之間的電阻為第一點阻值Rl，當(dāng)?shù)谝蝗剂媳O(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間沒有金屬燃料，即陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于第一預(yù)設(shè)位置，金屬燃料不足時，兩個燃料監(jiān)控探頭之間的電阻為第二電阻值R2;當(dāng)?shù)谝蝗剂媳O(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻與R2的差值的絕對值小于設(shè)定值時，控制單元50控制電動燃料添加機(jī)構(gòu)22向陽極室或陽極室上方的料斗中添加金屬燃料，當(dāng)?shù)谝蝗剂媳O(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻與Rl的差值的絕對值小于設(shè)定值時，停止添加金屬燃料。可以理解，設(shè)定值可近似為零。
[0063]更具體地，在電池堆10的工作過程中，陽極室內(nèi)的金屬燃料84不斷被消耗，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻隨著金屬燃料84堆積床高度的降低而增大，當(dāng)金屬燃料84的堆積床高度下降到第一燃料監(jiān)控探頭23以下時，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻增至最大，此時控制單元50給電動燃料添加機(jī)構(gòu)22(見圖1或圖2)發(fā)出指令，開始為電池堆10添加金屬燃料84。隨著金屬燃料84的添加，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻隨著金屬燃料84堆積床高度的增加而減小，當(dāng)金屬燃料84堆積床高度達(dá)到第二燃料監(jiān)控探頭24所在位置的高度時，第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24之間的電阻達(dá)到最小，此時控制單元50給電動燃料添加機(jī)構(gòu)22發(fā)出指令，停止燃料添加。
[0064]需要說明的是，當(dāng)在雙極板93上安裝第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24時，采用圖4所示實施例的電池堆；當(dāng)在料斗97上安裝第一燃料監(jiān)控探頭23和第二燃料監(jiān)控探頭24時，既可采用圖3所示實施例的電池堆，也可采用圖4所示實施例的電池堆。
[0065]本實用新型實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)的電池堆，金屬燃料可自動添加補(bǔ)給，且電解液低壓循環(huán)流動。本實用新型實施例的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)能夠有效提升電池的性能，延長電池的使用壽命。
[0066]在本實用新型各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中。
[0067]在本說明書的描述中，參考術(shù)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(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0068]盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。
【主權(quán)項】
1.一種高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括: 具有開放式陽極室結(jié)構(gòu)的電池堆，所述電池堆包括電化學(xué)反應(yīng)區(qū)和金屬燃料添加口； 金屬燃料自動添加系統(tǒng)，用于將金屬燃料添加到所述電池堆的陽極室的陽極電化學(xué)反應(yīng)區(qū)中，其中，所述金屬燃料自動添加系統(tǒng)包括燃料箱和電動燃料添加機(jī)構(gòu)，所述燃料箱通過所述金屬燃料添加口與所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)相連，所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述燃料箱上； 電解液循環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動電解液循環(huán)流動，其中，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括電解液箱、電解液驅(qū)動栗、第一管路、第二管路、第一電磁閥和第二電磁閥，所述電解液箱與所述電解液驅(qū)動栗的一端相連，所述電解液驅(qū)動栗與所述第一電磁閥的一端相連，所述第一電磁閥另一端通過所述第一管路連接到所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)通過所述第二管路和所述第二電磁閥與所述電解液箱相連，所述電解液循環(huán)系統(tǒng)中的電解液處于低壓循環(huán)流動狀態(tài)； 供氣系統(tǒng)，用于向所述電池堆供給空氣或氧氣，其中，所述供氣系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、第三電磁閥和第四電磁閥，所述風(fēng)機(jī)通過所述第三電磁閥連接到設(shè)置在所述電池堆上的氣體入口，設(shè)置在所述電池堆上的氣體出口與所述第四電磁閥相連； 控制單元，所述控制單元通過信號線分別與所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)、所述電解液驅(qū)動栗、所述第一電磁閥、所述第二電磁閥、所述風(fēng)機(jī)、所述第三電磁閥和所述第四電磁閥相連，用于調(diào)控電池系統(tǒng)各子系統(tǒng)的運行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電池堆至少包括兩節(jié)電池單體，每個所述電池單體的陽極室上方直接與外界大氣相通，或者通過在所述陽極室上方設(shè)置一個料斗與所述外界大氣相通。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬燃料自動添加系統(tǒng)還包括燃料監(jiān)控裝置，所述燃料監(jiān)控裝置設(shè)置在所述陽極室上或所述陽極室上方的料斗上，且浸沒在電解液中，所述燃料監(jiān)控裝置用于檢測所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測到所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度低于或等于第一預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料不足，所述控制單元控制所述電動燃料添加機(jī)構(gòu)將所述燃料箱中的金屬燃料添加至所述陽極室或陽極室上方的料斗中，當(dāng)所述燃料監(jiān)控裝置檢測到所述陽極室內(nèi)金屬燃料堆積床高度高于或等于第二預(yù)設(shè)位置時，金屬燃料充足，停止添加所述金屬燃料，其中，所述金屬燃料的形式為顆粒、粉末和金屬肩中的一種或多種，所述金屬燃料在所述陽極室內(nèi)形成所述堆積床。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電解液驅(qū)動栗，用于將所述電解液箱中的電解液栗入所述電池堆內(nèi)的電解液主流道，以使所述電解液經(jīng)電解液分配流道進(jìn)入各所述電池單體的陽極室，所述電解液在所述陽極室內(nèi)的流動采用底部供液—頂部溢流的流動方式，或者頂部供液—底部流出和/或頂部溢流的流動方式。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能金屬空氣燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)機(jī)，用于驅(qū)動空氣或氧氣進(jìn)入所述電池堆內(nèi)的氣體流道。
【文檔編號】H01M8/04276GK205488424SQ201620040077
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月15日
【發(fā)明人】裴普成, 陳東方, 馬澤, 王希忠
【申請人】清華大學(xué)