规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统和方法与流程

本发明属于金属空气燃料电池停放管理的物理化学技术领域，具体而言，本发明涉及规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统和方法。

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。工作时，负极的金属失去电子进入电解质中，电子通过外电路到空气正极，空气中的氧气在空气电极上得到电子进入电解质，反应产物一般为金属氧化物。电解质主要有水性电解质、有机电解质、凝胶电解质与离子液体。最常用的是水性电解质，其成本低廉，可靠性高，对环境无污染。

电化学反应的动力性不仅与催化剂的活性有关，还和电极表面及电解质状态紧密相关。一般的金属空气燃料电池是由金属负极、电解液、空气正极构成，由于金属负极与电解质一直接触，容易发生析氢腐蚀，尤其在停机状态下。这种腐蚀反应会在电池内部积累大量热量，释放的氢气如不能顺利排出，将在电池内部聚集。电池内部压力迅速升高，对电池的活性材料、结构特征有严重破坏。在不同的电解液体系中，金属负极的腐蚀速率不相同，但在具有宽电压稳定性的离子液体与有机电解质中比较稳定，不过这类电解质的材料成本较高，电导率较低。在水性体系的中性盐溶液或碱性溶液中，金属负极的腐蚀速率较大。尤其是采用了多孔颗粒的金属负极与碱性电解质，在停机状态下电池内部的温度甚至超过100℃，对整个电池体系有严重破坏。而在电极与电解质的固液两相界面中，这种腐蚀反应是客观存在的，难以直接控制其反应。因此，有效隔离电解质对电极的腐蚀作用对于维持金属空气燃料电池的正常工作至关重要。

控制金属负极的腐蚀，主要有添加缓蚀剂、电极表面处理两种方法。在电解质中添加适量的缓蚀剂，能有效抑制停机状态下金属负极的自腐蚀反应，然而此法会影响工作状态下电池的电化学特性；电极表面处理方法能较好兼顾停放的缓蚀与工作的电化学特性，但是其处理手段复杂，对电极处理的成本较高。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操作的灵敏性，以便能实现电池系统的快速响应。

为解决金属空气燃料电池中金属负极停机腐蚀的问题，已有的一种通过在水性电解质中添加有机或无机添加剂的方法，如醋酸盐、甘氨酸、l-serine等，添加剂高效吸附于电极表面，改善了停机状态下的电极表面特性，极大降低了腐蚀速率，同时这种技术简单易行，但在实际工作条件下，缓蚀剂极大的影响了电极表面反应的进行，极大增加了电极的传荷阻抗。

现有，现有规避金属空气燃料电池停机腐蚀的技术有待进一步改进。

技术实现要素：

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一种规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统和方法。该系统避免了金属空气燃料电池在停机状态下金属负极的自腐蚀，同时可自由切换电池的工作-停机状态，显著提高了金属负极的利用率及金属空气燃料电池的使用寿命。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统，根据本发明的实施例，该系统包括：

电池腔，所述电池腔内设有间隔布置的空气正极和金属负极，并且所述电池腔具有第一电解液入口、第一保护液入口、第一电解液出口和第一保护液出口；

电解液储存装置，所述电解液储存装置具有第二电解液入口和第二电解液出口，所述第二电解液入口与所述第一电解液出口相连，所述第二电解液出口与所述第一电解液入口相连；

保护液储存装置，所述保护液储存装置具有第二保护液入口和第二保护液出口，所述第二保护液入口与所述第一保护液出口相连，所述第二保护液出口与所述第一保护液入口相连。

根据本发明实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统，电解液储存装置和保护液储存装置的设置，有利于为电池腔提供电解液和保护液，使得电池在工作和停机状态自由切换。电池工作前，将电池腔内的保护液放至保护液储存装置，并将电解液储存装置内的电解液输送至电池腔内，金属负极和空气正极在电解液的作用下进行电化学反应，对外供电，保护液不会影响电池腔内的反应；待放电结束后，将电池腔内的电解液放至电解液储存装置，同时将保护液储存装置中的保护液送至电池腔内，保护液可隔离电解液与金属负极。如此循环反复，即可实现对电解液和保护液的重复利用，又能规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，实现电池工作-停放两种状态的自由切换，提高金属负极的利用率和金属空气燃料电池的使用寿命，同时保护液和电解液可长期储存使用，互不影响彼此的性质，杜绝了停放状态下的热失控隐患，也不会影响电池反应，且在整个过程中不产生额外的排放物，对环境友好。

另外，根据本发明上述实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的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，上述规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统进一步包括：电解液泵，所述电解液泵与所述第二电解液出口和所述第一电解液入口相连。由此，有利于提高电解液从电解液储存装置到电池腔的输送效率。

在本发明的一些实施例中，上述规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统进一步包括：保护液泵，所述保护液泵与所述第二保护液出口和所述第一保护液入口相连。由此，有利于提高保护液从保护液储存装置到电池腔的输送效率。

在本发明的一些实施例中，所述第一电解液入口和所述第一保护液入口分别位于所述电池腔的顶端，所述第一电解液出口和所述第一保护液出口分别位于所述电池腔的底端。由此，有利于降低系统能耗。

在本发明的一些实施例中，所述电解液储存装置和所述保护液储存装置分别位于所述电池腔的下方。由此，可进一步降低系统能耗。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统实施规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)工作状态，将电解液供给至所述电池腔内，所述空气正极和所述金属负极在所述电解液的作用下发生反应；

(2)停机状态，将所述电解液排至所述电解液储存装置，并将保护液供给至所述电池腔内；

(3)准备阶段，将所述保护液排至所述保护液储存装置，然后进行步骤(1)。

根据本发明实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法，电解液储存装置和保护液储存装置的设置，有利于为电池腔提供电解液和保护液，使得电池在工作和停机状态自由切换。电池工作前，将电池腔内的保护液放至保护液储存装置，并将电解液储存装置内的电解液输送至电池腔内，金属负极和空气正极在电解液的作用下进行电化学反应，对外供电，保护液不会影响电池腔内的反应；待反应结束后，将电池腔内的电解液放至电解液储存装置，同时将保护液储存装置中的保护液送至电池腔内，保护液可隔离电解液与金属负极。如此循环反复，即可实现对电解液和保护液的重复利用，又能规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，实现电池工作-停放两种状态的自由切换，提高金属负极的利用率和金属空气燃料电池的使用寿命，同时保护液和电解液可长期储存使用，互不影响彼此的性质，杜绝了停放状态下的热失控隐患，也不会影响电池反应，且在整个过程中不产生额外的排放物，对环境友好。

另外，根据本发明上述实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀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，在步骤(1)中，所述电解液为氯化铵溶液、氯化钠溶液、氯化钾溶液或苛性碱溶液。由此，有利于降低电池成本。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述金属负极为锌负极、镁负极或铝负极。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述保护液为乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮或丙三醇。由此，可实现对金属负极的保护，同时不影响电解液的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述金属负极浸没于所述保护液中。由此，可实现对金属负极的全面保护。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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：

图1是根据本发明一个实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统结构示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统结构示意图；

图3是根据本发明又一个实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法流程示意图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统，根据本发明的实施例，参考图1，该系统包括：电池腔100、电解液储存装置200和保护液储存装置300。

根据本发明的实施例，电池腔100内设有间隔布置的空气正极11和金属负极12，并且电池腔100具有第一电解液入口101、第一保护液入口102、第一电解液出口103和第一保护液出口104，且适于盛装或卸掉电解液或保护液。具体的，通过第一电解液入口可向电池腔内通入电解液，以便于电池腔内金属负极和空气正极发生反应，使电池处于工作状态。通过第一电解液出口可将电池腔内的电解液排出电池腔，使电池处于停机状态。通过第一保护液入口，可向电池腔内通入保护液保护处于停机状态下的金属负极，同时，该保护液不会与电解液反应，也不会与金属负极反应，由此可避免金属空气燃料电池发生停机腐蚀，杜绝了停机状态下的热失控隐患。通过第一保护液出口可将电池腔内的保护液排出，以为下一次工作状态做准备。在整个循环过程中，电解液和保护液均可长期储存使用，且彼此不会相互影响彼此的性质，亦不会产生额外的排放物，显著提高了金属负极的利用率和金属空气燃料电池的使用寿命。

根据本发明的一个实施例，第一电解液入口101和第一保护液入口102分别位于电池腔100的顶端，第一电解液出口103和第一保护液出口104分别位于电池腔100的底端。由此，有利于降低往电池腔内通入电解液或保护液的能耗，同时可充分利用重力作用，实现电池腔内电解液或保护液的外排，降低外排电池腔内的电解液或保护液的能耗。

根据本发明的再一个实施例，电解液可以为氯化铵溶液、氯化钠溶液、氯化钾溶液或苛性碱溶液。

根据本发明的又一个实施例，金属负极可以为锌负极、镁负极或铝负极。由此，可形成金属空气燃料电池。

根据本发明的又一个实施例，保护液可以为乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮或丙三醇。发明人发现，上述保护液不会与金属负极发生反应，也不会与电解液发生反应，由此，可通过上述保护液避免金属负极在电池停机状态下发生析氢自腐蚀，规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，同时由于其不会影响电解液的性质，所以可使得通入电池腔内的电解液和保护液都可以循环往复使用，显著降低了工艺能耗。

根据本发明的又一个实施例，金属负极浸没于保护液中。由此，可实现对金属负极的全面保护，避免金属负极在停机状态下继续与金属负极表面的电解液发生析氢反应，杜绝了停机状态下的热失控隐患。

根据本发明的实施例，电解液储存装置200具有第二电解液入口201和第二电解液出口202，第二电解液入口201与第一电解液出口103相连，第二电解液出口202与第一电解液入口101相连，且适于为电池腔提供电解液或为电池腔储存电解液。具体的，当电池工作时，将电解液从电解液储存装置送至电池腔内，当电池停止工作后，将电池腔内的电解液放至电解液储存装置内储存备用。由此，可实现电解液的循环利用，降低系统的能耗。需要说明的是，电解液储存装置的位置并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以位于电池腔的下方，由此，可通过重力作用实现电解液从电池腔送至电解液储存装置，不必借助外界外力，进一步降低本工艺的能耗。

根据本发明的实施例，保护液储存装置300具有第二保护液入口301和第二保护液出口302，第二保护液入口301与第一保护液出口104相连，第二保护液出口302与第一保护液入口102相连，且适于为电池腔提供保护液或为电池腔储存保护液。具体的，当电池停机时，将保护液从保护液储存装置送至电池腔内，在电池开始工作前，将电池腔内的保护液放至保护液储存装置内储存备用。由此，可实现保护液的循环利用，降低系统的能耗。需要说明的是，保护液储存装置的位置并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以位于电池腔的下方，由此，可通过重力作用实现保护液从电池腔送至保护液储存装置，不必借助外界外力，进一步降低本工艺的能耗。

根据本发明实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统，电解液储存装置和保护液储存装置的设置，有利于为电池腔提供电解液和保护液，使得电池在工作和停机状态自由切换。电池工作前，将电池腔内的保护液放至保护液储存装置，并将电解液储存装置内的电解液输送至电池腔内，金属负极和空气正极在电解液的作用下发生反应，保护液不会影响电池腔内的反应；待反应结束后，将电池腔内的电解液放至电解液储存装置，同时将保护液储存装置中的保护液送至电池腔内，保护液可隔离电解液与金属负极。如此循环反复，即可实现对电解液和保护液的重复利用，又能规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，实现电池工作-停放两种状态的自由切换，提高金属负极的利用率和金属空气燃料电池的使用寿命，同时保护液和电解液可长期储存使用，互不影响彼此的性质，杜绝了停放状态下的热失控隐患，也不会影响电池反应，且在整个过程中不产生额外的排放物，对环境友好。

根据本发明的实施例，参考图2，上述规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统进一步包括：电解液泵400。

根据本发明的实施例，电解液泵400与第二电解液出口202和第一电解液入口101相连，且适于将电解液储存装置内的电解液送至电池腔内。通过电解液泵，可加快电解液从电解液储存装置到电池腔的传送速度，提高电池从停机状态到工作状态之间的转换效率。

根据本发明的实施例，参考图3，上述规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统进一步包括：保护液泵500。

根据本发明的实施例，保护液泵500与第二保护液出口302和第一保护液入口102相连，且适于将保护液储存装置内的保护液送至电池腔内。通过保护液泵，可加快保护液从保护液储存装置到电池腔的传送速度，提高电池从工作状态到停机状态之间的转换效率，减少状态更换期间金属负极的自腐蚀，从而提高金属负极的使用寿命，进而延长电池寿命。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统实施规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法，根据本发明的实施例，参考图4，该方法包括：

s100：工作状态

工作状态，将电解液供给至电池腔内，空气中的氧气在空气正极上得到电子进入电解质，负极的金属失去电子进入电解质，电池对外供电。。

根据本发明的一个实施例，电解液可以为氯化铵溶液、氯化钠溶液、氯化钾溶液或苛性碱溶液。

根据本发明的再一个实施例，金属负极可以为锌负极、镁负极或铝负极。由此，可形成金属空气燃料电池。

s200：停机状态

停机状态，将电解液排至电解液储存装置，并将保护液供给至电池腔内。为了保护金属负极，提高金属负极的使用寿命，进而提高电池的使用寿命，在停机状态时，将电池腔内的电解液排至电解液储存装置，同时将保护液储存装置内的保护液供给至电池腔，如此，可将不会与金属负极和电解液反应的保护液覆盖于电极上，规避了金属空气燃料电池的停机腐蚀，杜绝了停机状态下的热失控隐患，实现了对金属负极的保护。

根据本发明的一个实施例，保护液可以为乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮或丙三醇。发明人发现，上述保护液不会与金属负极发生反应，也不会与电解液发生反应，由此，可通过上述保护液避免金属负极在电池停机状态下发生析氢自腐蚀，规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，同时由于其不会影响电解液的性质，所以可使得通入电池腔内的电解液和保护液都可以循环往复使用，显著降低了工艺能耗。

根据本发明的再一个实施例，金属负极浸没于保护液中。由此，可实现对金属负极的全面保护，避免金属负极在停机状态下继续与金属负极表面的电解液发生析氢反应，杜绝了停机状态下的热失控隐患。

s300：准备阶段

准备阶段，将保护液排至保护液储存装置，然后进行s100。结束停机状态后，将电池腔内的保护液排至保护液储存装置，为电池回到工作状态做准备。如此循环往复，实现了电池工作状态与停机状态的自由切换，同时，因电解液与保护液互不影响彼此性质，所以工作状态的电解液和停机状态的保护液可重复使用，显著节约了工艺能耗。

根据本发明实施例的规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法，电解液储存装置和保护液储存装置的设置，有利于为电池腔提供电解液和保护液，使得电池在工作和停机状态自由切换。电池工作前，将电池腔内的保护液放至保护液储存装置，并将电解液储存装置内的电解液输送至电池腔内，金属负极和空气正极在电解液的作用下发生反应，保护液不会影响电池腔内的反应；待反应结束后，将电池腔内的电解液放至电解液储存装置，同时将保护液储存装置中的保护液送至电池腔内，保护液可隔离电解液与金属负极。如此循环反复，即可实现对电解液和保护液的重复利用，又能规避金属空气燃料电池的停机腐蚀，实现电池工作-停放两种状态的自由切换，提高金属负极的利用率和金属空气燃料电池的使用寿命，同时保护液和电解液可长期储存使用，互不影响彼此的性质，杜绝了停放状态下的热失控隐患，也不会影响电池反应，且在整个过程中不产生额外的排放物，对环境友好。

需要说明的是，上述针对规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统所描述的特征和优点同样适用于该规避金属空气燃料电池停机腐蚀的方法，此处不再赘述。

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。

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。