金属空气燃料电池的停机方法和金属空气燃料电池系统与流程

本发明属于金属空气燃料电池技术领域，特别涉及金属空气燃料电池的停机方法和金属空气燃料电池系统。

背景技术

金属空气燃料电池可将金属的化学能直接转变为电能，且具有能量转换效率高、金属燃料存储携带方便、成本低、使用安全、对环境友好等优点，可用于车用动力、军事电源、移动电源、固定电源等领域。

具体地，金属空气燃料电池的工作原理为，金属燃料在阳极室内的电解液中发生电化学氧化反应，并结合电解液中的氢氧根离子生成金属氢氧化物；空气中的氧气在空气电极中的催化剂作用下发生电化学还原反应生成氢氧根离子。

金属空气燃料电池作为一种发电装置，可通过连续将金属燃料添加至电池堆中，并将电池内部的反应产物排出，而维持电池堆的持续运行。金属空气燃料电池相比于氢氧燃料电池具有因无需使用贵金属催化剂而成本低、金属燃料存储携带更安全方便等优势。然而，金属空气燃料电池相比于氢氧燃料电池又具有自放电效应严重、使用寿命短、停机管理难等问题。金属空气燃料电池使用过程中，空气中的co2会进入空气电极的气体传输孔隙，与电解液反应生成碳酸盐，而碳酸盐溶解度较低，容易生成碳酸盐结晶而堵塞空气电极的气体传输孔隙，从而造成电池性能下降。因此，当前金属空气燃料电池的使用寿命短，严重限制了其商业化发展，难以满足市场需求。

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金属空气燃料电池的停机方法和金属空气燃料电池系统，采用该金属空气燃料电池的停机方法能够有效抑制自放电效应，延长使用寿命。

为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了金属空气燃料电池的停机方法，根据本发明的实施例，该停机方法包括：对所述金属空气燃料电池的阳极侧进行电解液密封，对阴极侧进行绝氧密封或者去离子水密封。由此，采用本发明实施例的停机方法可以有效保护金属空气燃料电池的空气电极、减缓燃料电池的自放电效应，进而延长电池使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的金属空气燃料电池的停机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，对所述金属空气燃料电池的阳极侧进行电解液密封按照下列方式进行：在所述金属空气燃料电池停机时将电解液浸满阳极反应室，以便使所述阳极反应室内的金属燃料被浸泡在所述电解液中。由此可以有效地对阳极侧进行密封保护。

在本发明的一些实施例中，对所述金属空气燃料电池的阴极侧进行绝氧密封按照下列方式进行：在所述金属空气燃料电池停机前预定时间内关闭空气供给系统。由此可以有效地对阴极侧进行密封保护。

在本发明的一些实施例中，关闭空气供给系统包括同时关闭所述空气供给系统的进气阀和排气阀。

在本发明的一些实施例中，所述预定时间为0.5～2秒。由此可以保证空气流道内的氧气被完全耗尽，达到绝氧条件。

在本发明的一些实施例中，对所述金属空气燃料电池的阴极侧进行去离子水封按照下列方式进行：在所述金属空气燃料电池停机时关闭空气供给系统，并向所述金属空气燃料电池内的空气流道内注入去离子水，以便使空气电极的疏水透气层被去离子水完全浸没。由此可以有效地对阴极侧进行密封保护。

在本发明的一些实施例中，通过空气入口向所述空气流道内注入去离子水。

在本发明的一些实施例中，所述去离子水穿过所述空气电极渗透进入阳极反应室，以便疏通所述空气电极被堵塞的气体传输孔隙。

根据本发明的第二方面，本发明还提出了一种金属空气燃料电池系统，根据本发明的实施例，包括：

电池堆，所述电池堆具有电解液入口、电解液出口、空气入口和空气出口；

电解液供给装置，所述电解液供给装置包括电解液进入管道和电解液排出管道，所述电解液进入管道上设置有电解液进入阀，所述电解液排出管道阀上设置有电解液排出阀，电解液进入管道与所述电解液入口相连，所述电解液排出管道与所述电解液出口相连；

空气供给装置，所述空气供给装置包括风机、进气管道、排气管道，所述进气管道上设置有进气阀，所述排气管道上设置有排气阀，所述进气管道分别与所述风机和所述空气入口相连，所述排气管道与所述空气出口相连；

去离子水供给装置，所述去离子水供给装置包括依次相连的水箱、水泵和进水管道，所述进水管道上设置有进水阀，所述进水管道与所述空气入口相连。

由此本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统具有去离子水供给装置，当金属空气燃料电池系统需要停机时，可以通过去离子水供给装置向阴极侧的空气流道内注入去离子水，同时对阳极侧进行电解液密封，进而可以有效保护金属空气燃料电池的空气电极、减缓燃料电池的自放电效应，同时，可以疏通燃料电池工作过程中空气电极被堵塞的气体传输孔隙，延长电池使用寿命。

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。

图2是根据本发明一个实施例的金属空气燃料电池的停机方法中阴极侧密封示意图。

图3是根据本发明另一个实施例的金属空气燃料电池的停机方法中阴极侧密封示意图。

图4是本发明实施例1-4的金属空气燃料电池空气电极的性能测试结果对比图。

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，本发明提出了金属空气燃料电池的停机方法，根据本发明的实施例，该停机方法包括：对金属空气燃料电池的阳极侧进行电解液密封，对阴极侧进行绝氧密封或者去离子水密封。由此通过分别对金属空气燃料电池的阳极侧和阴极侧进行密封处理，可以有效保护金属空气燃料电池的空气电极、减缓燃料电池的自放电效应，进而延长电池使用寿命。

根据本发明的具体实施例，首先，对金属空气燃料电池的阳极侧进行电解液密封按照下列方式进行：在金属空气燃料电池停机时将电解液浸满阳极反应室，以便使阳极反应室内的金属燃料被浸泡在电解液中。通常金属空气燃料电池在停机后，电解液会全部排出进入电解液箱，发明人发现，如果采用金属颗粒、粉末、碎削等作为金属燃料时，排除电解液后金属燃料会在停放过程中逐渐结块膨胀，致使电池失效而无法再次使用。若不排除电解液，不仅省去了排出操作事项，同时还可以利用电解液对阳极侧的金属燃料进行密封，达到避免因金属燃料结块膨胀而致使电池失效的效果，进而延长电池使用寿命。

根据本发明的具体实施例，对金属空气燃料电池的阴极侧进行密封可以选择绝氧密封或者去离子水密封。进而可以有效地对阴极侧的空气电极进行保护。

具体地，对金属空气燃料电池的阴极侧进行绝氧密封按照下列方式进行：在金属空气燃料电池停机前预定时间内关闭空气供给系统。由此，先关闭空气供给系统后停机，可以快速消耗空气管路内存留的氧气，进而使得停机后阴极侧处于无氧状态，进而有效实现阴极侧的绝氧密封，从而有效保护金属空气燃料电池的空气电极、减缓燃料电池的自放电效应，进而延长电池使用寿命。

根据本发明的具体实施例，上述绝氧密封过程中，关闭空气供给系统包括同时关闭空气供给系统的进气阀和排气阀。由此使得空气管道内呈密闭状态，避免新空气的进入，使得金属空气燃料电池快速消耗密闭空气管路内存留的氧气。

根据本发明的具体实施例，为了保证充分消耗掉密闭空气管路内存留的氧气，发明人针对上述预定时间，即关闭空气供给系统与金属空气燃料电池停机之间的时间差进行研究，发现该预定时间可以为0.5～2秒。由此可以充分保证空气管路内存留的氧气全部消耗掉，同时不会对金属空气燃料电池造成影响。

另外，根据本发明的具体实施例，对金属空气燃料电池的阴极侧进行去离子水封按照下列方式进行：在金属空气燃料电池停机时关闭空气供给系统，并向金属空气燃料电池内的空气流道内注入去离子水，以便使空气电极的疏水透气层被去离子水完全浸没。由此去离子水充满金属空气燃料电池阴极侧的空气流道内，使得阴极侧处于无氧气体氛围，进而有效地实现对空气电极的密封保护，减缓金属空气燃料电池的自放电效应，进而延长电池使用寿命。

同时注入的去离子水还可以穿越电池堆的空气电极渗入阳极室，而去离子水的渗透迁移过程中，可以疏通空气电极被堵塞的气体传输孔隙，进而有效恢复金属空气燃料电池的性能，延长使用寿命。因此，采用去离子水对阴极侧进行密封不仅可以达到密封的效果，还可以疏通空气电极被堵塞的气体传输孔隙，进而有效恢复金属空气燃料电池的性能，延长使用寿命。

根据本发明的具体实施例，具体地，通过空气入口向空气流道内注入去离子水。由此可以更加方便去离子直接注入到空气流道内。

另外，采用去离子水对阴极侧进行密封后，当金属空气燃料电池重新启动时，可以打开排气阀门、进气阀门和风机，排出去离子水并对阴极侧进行吹扫，一段时间后金属空气燃料电池即可重新启动。

根据本发明的第二方面，本发明还提出了一种金属空气燃料电池系统。下面参考图1详细描述本发明具体实施例的金属空气燃料电池系统。

根据本发明的实施例，该金属空气燃料电池系统包括：电池堆10、电解液供给装置20、空气供给装置30和去离子水供给装置40。

具体地，电池堆具有电解液入口11、电解液出口12、空气入口13和空气出口14；电解液供给装置20包括电解液进入管道21和电解液排出管道22，电解液进入管道21上设置有电解液进入阀23，电解液排出管道22上设置有电解液排出阀24，电解液进入管道21与电解液入口11相连，电解液排出管道22与电解液出口12相连；空气供给装置30包括风机31、进气管道32、排气管道33，进气管道32上设置有进气阀34，排气管道33上设置有排气阀35，进气管道32分别与风机31和空气入口13相连，排气管道33与空气出口14相连；去离子水供给装置40包括依次相连的水箱41、水泵42和进水管道43，进水管道43上设置有进水阀44，进水管道43与空气入口13相连。

根据本发明的具体实施例，当金属空气燃料电池系统需要停机时，可以分别对金属空气燃料电池系统中电池堆的阳极侧和阴极侧进行密封，进而可以有效保护金属空气燃料电池的空气电极、减缓燃料电池的自放电效应，延长电池使用寿命。

如图2所示的金属空气燃料电池的局部结构，包括：空气极板100、空气电极110、隔膜120、金属燃料130和空气流道140。由于空气电极110左右两侧去离子水和电解液的渗透压存在差异，去离子水将穿越金属空气燃料电池的空气电极110渗透进入渗透压较高的阳极室中。

具体地，图3显示了本发明金属空气燃料电池系统中电池堆10的空气电极110的结构，其包括：催化层111、集电层112、疏水透气层113。当在采用去离子水对阴极侧进行密封的情况下，离子水位于疏水透气层113的一侧，电解液位于催化层111的一侧。由于渗透压差异，去离子水将会迁移至电解液(阳极室)所在区域，在此过程中，去离子水会疏通空气电极110中疏水透气层113被堵塞的气体传输孔隙。进而有效恢复金属空气燃料电池的性能，延长使用寿命。

具体地，由于本发明上述实施例的金属空气燃料电池系统具有去离子水供给装置40，利用去离子水供给装置40可以向电池堆10的阴极侧注入去离子水，进而可以对阴极侧的空气电极进行密封，同时注入的去离子水还可以穿越电池堆的空气电极渗入阳极室，进而可以达到疏通空气电极被堵塞的气体传输孔隙的效果，进而有效恢复金属空气燃料电池的性能，延长使用寿命。

实施例1

提供新金属空气燃料电池。

实施例2

提供金属空气燃料电池2：

在实施例1的新金属空气燃料电池的基础上，对其阳极侧进行电解液密封，阴极侧不做任何密封暴露于空气中7天，获得金属空气燃料电池2。

其中，对其阳极侧进行电解液密封的方法为：在金属空气燃料电池停机时将电解液浸满阳极反应室，以便使阳极反应室内的金属燃料被浸泡在电解液中。

实施例3

提供金属空气燃料电池3：

在实施例2的金属空气燃料电池2的基础上，对其阳极侧进行电解液密封，阴极侧进行去离子水密封7天，获得金属空气燃料电池3。

其中，对其阳极侧进行电解液密封的方法为：在金属空气燃料电池停机时将电解液浸满阳极反应室，以便使阳极反应室内的金属燃料被浸泡在电解液中；

对阴极侧进行去离子水密封为：在金属空气燃料电池停机时关闭空气供给系统，并向金属空气燃料电池内的空气流道内注入去离子水，以便使空气电极的疏水透气层被去离子水完全浸没。

实施例4

提供金属空气燃料电池4：

在实施例1的新金属空气燃料电池的基础上，对其阳极侧进行电解液密封，阴极侧绝氧密封7天，获得金属空气燃料电池4；

其中，对其阳极侧进行电解液密封的方法为：在金属空气燃料电池停机时将电解液浸满阳极反应室，以便使阳极反应室内的金属燃料被浸泡在电解液中；

对阴极侧进行绝氧密封为：同时关闭空气供给系统的进气阀和排气阀，1秒后，金属空气燃料电池停机。

评价方法：

分别对上述实施例1-4中的新金属空气燃料电池、金属空气燃料电池2、金属空气燃料电池3和金属空气燃料电池3的空气电极的性能进行测定。

测定方法：利用上述实施例1-4中的金属空气燃料电池的空气电极组装三电极半电池，选取甘汞电极(hg/hgo电极)作为参比电极、镍片作为对电极，采用电化学工作站中的电流扫描计时电位法进行极化性能测定，电流扫描范围为0～0.25a，扫描速率为2ma/s。测定结果见图4。

结论：

如图4所示，实施例3中的金属空气燃料电池3在实施例2的金属空气燃料电池2的基础上进行了阴极侧去离子水密封，其性能较实施例2的金属空气燃料电池2有了明显提高。由此可以充分说明采用去离子水对阴极侧密封，去离子水有效疏通了空气电极中疏水透气层被堵塞的气体传输孔隙，进而恢复金属空气燃料电池的性能。

实施例4中的金属空气燃料电池4相对于实施例2中的金属空气燃料电池2增加了对阴极侧的绝氧密封保护，结果显示，其性能下降明显较实施例2有所改善。由此说明对阴极侧进行绝氧保护可以达到有效保护空气电极、延长电池使用寿命的效果。

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。