金属空气燃料电池电解液综合管理系统的制作方法

本实用新型涉及金属空气燃料电池技术领域，特别涉及一种金属空气燃料电池电解液综合管理系统。

背景技术：

金属空气燃料电池技术是一种将金属的化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有能量转换效率高、成本低、燃料存储携带方便、安全无污染等优点，其在车用动力、移动电源、通信基站备用电源等领域有着良好的应用前景。

具体地，金属空气燃料电池的工作原理为，金属在阳极室内的电解液中发生电化学氧化反应生成金属氧化物；空气中的氧气在空气电极的催化层发生电化学还原反应生成氢氧根离子，电极反应如下(金属m可以是li(锂)、mg(镁)、al(铝)、zn(锌)等元素)：

阳极反应：2m+2noh^–→m2on+nh2o+2ne^–

阴极反应：o2+2h2o+4e^–→4oh^–

总反应：4m+no2→2m2on

随着反应的持续进行，金属氧化物m2on浓度不断上升，在电解液中聚集并产生沉淀。金属氧化物沉淀会降低电解液的导电率，增大反应物质的扩散阻力，降低电池的工作性能，缩短电池的使用寿命。使用电解液循环过滤方法可以及时分离出电解液中沉积的金属氧化物沉淀，提高电池工作性能，延长使用寿命。

除了金属氧化物沉淀造成电池性能下降以外，电解液在电池运行和停放过程中带来的问题还有：1、碱性溶液对电池组件尤其是空气电极具有腐蚀作用，会破坏电极结构，引起电池性能下降和寿命衰减；2、碱性电解液与空气中的二氧化碳反应产生碳酸盐结晶，结晶会阻碍空气电极的扩散层孔隙，造成电池性能下降；3、金属电极与碱性电解液发生析氢反应，消耗了金属燃料，使得长时间停放后电池能量显著降低。对于停放过程中电解液造成的腐蚀及能量损耗问题，迫切需要寻求有效的应对措施。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型的一个目的在于提出一种金属空气燃料电池电解液综合管理系统，该系统能够有效提升金属空气燃料电池的工作性能，显著降低停放过程中的自腐蚀，延长电池的使用寿命。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种金属空气燃料电池电解液综合管理系统，包括：电池、电解液-保护液循环系统、产物过滤分离系统、控制单元和液面检测单元；其中，所述电解液-保护液循环系统与所述电池连接，用于向所述电池供给或从所述电池中回收电解液或保护液；所述电解液-保护液循环系统与所述产物过滤分离系统连接，用于对所述电解液中的反应产物进行过滤分离；控制单元分别与所述电解液-保护液循环系统和所述液面检测单元连接，用于通过所述液面检测单元控制所述电解液-保护液循环系统中泵、阀、开关的工作状态，通过管路中的阀、泵、开关之间工作组合改变所述电解液和所述保护液循环路径。

本实用新型的金属空气燃料电池电解液综合管理系统，通过集成了金属空气燃料电池电解液综合管理系统的电解液循环、停放保护和产物分离三种功能，能够有效提升金属空气燃料电池的工作性能，显著降低停放过程中的自腐蚀，延长电池的使用寿命。

另外，根据本实用新型的金属空气燃料电池电解液综合管理系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本实用新型中，所述电解液-保护液循环系统包括：电解液箱、电池堆、进液总管、进液分管、出液总管、出液分管、电磁阀和泵。

进一步地，在本实用新型中，所述电池与所述电解液箱通过管道系统连接，控制管道中所述电磁阀的开闭状态和所述泵的工作状态改变所述电解液和所述保护液在所述电池堆和电解液箱之间的循环路径。

进一步地，在本实用新型中，所述产物过滤分离系统包括：电解液箱、电解液缓冲区、电解液过滤区、电解液储备区、电磁阀和泵。

进一步地，在本实用新型中，电解液过滤系统位于电解液箱正下方，与电解液箱通过开关连接。

进一步地，在本实用新型中，若所述电解液的密度大于所述保护液的密度，则将所述保护液和所述电解液置于同一电解液箱，所述保护液分布在电解液箱上层，所述电解液分布在电解液箱下层。

进一步地，在本实用新型中，若所述电解液的密度小于所述保护液的密度，则将所述电解液和所述保护液分别置于装置顶部的电解液箱和装置底部的电解液储备区中，所述电解液的液面高度与第一液面检测单元的预设高度平齐，所述保护液的液面高度与第二液面检测单元预设高度平齐。

进一步地，在本实用新型中，通过所述液面检测单元读取的液面高度信息控制所述电解液-保护液循环系统中泵和电磁阀系统的工作状态

本实用新型附加的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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型一个实施例的金属空气燃料电池电解液综合管理系统结构示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的金属空气燃料电池电解液综合管理系统的工作流程图；

图3为根据本实用新型一个实施例的金属空气燃料电池电解液综合管理系统结构示意图；

图4为根据本实用新型一个实施例的金属空气燃料电池电解液综合管理系统的工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的金属空气燃料电池电解液综合管理系统。

图1为根据本实用新型一个实施例的金属空气燃料电池电解液综合管理系统结构示意图。

如图1所示，该金属空气燃料电池电解液综合管理系统包括：电解液-保护液循环系统、产物过滤分离系统、控制单元。

其中，电解液-保护液循环系统，用于向电池供给或从电池中回收电解液或保护液。

产物过滤分离系统，用于对电解液中的反应产物进行过滤分离。

控制单元，用于通过液面检测单元控制电解液-保护液循环系统中泵、阀、开关的工作状态，并通过管路中的阀、泵、开关之间工作组合改变电解液和保护液的循环路径。

该金属空气燃料电池电解液综合管理系统可以有效提升金属空气燃料电池的工作性能，显著降低停放过程中的自腐蚀，延长电池的使用寿命。

可以理解的是，电解液-保护液循环系统是驱动电解液和保护液在电堆与电解液箱之间循环流动，实现停放保护。产物过滤分离系统是电池对电解液箱中的电解液进行过滤。控制单元调控电池系统各子系统的运行。

进一步地，停放保护液具有不溶于水和电解液，不与金属燃料发生反应，对电池组件不具有腐蚀性等特点，可以使用硅油、石蜡油、全氟聚醚油等无机、有机溶液作为停放保护液。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，电解液-保护液循环系统包括：电解液箱、电池堆、进液总管、进液分管、出液总管、出液分管、电磁阀和泵；

产物过滤分离系统包括：电解液箱、电解液缓冲区、电解液过滤区、电解液储备区、电磁阀和泵；其中，电解液过滤系统位于电解液箱正下方，与电解液箱通过开关连接；

电解液产物过滤分离系统包括开关、泡沫镍、滤片、滤芯、储液区、泵、电磁阀等。泡沫镍、滤片和滤芯将电解液过滤系统从上到下依次分为缓冲区、过滤区和储备区三个空间区域。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，在电池进入停放状态后，电解液箱底部的开关打开，电解液在重力的作用下依次通过缓冲区、过滤区和储备区进行静置沉降，当电解液箱液面高度达到液面检测单元预设位置后关闭开关，电池再启动时，通过电磁阀和泵将储备区中的电解液重新泵回电解液箱。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，通过液面检测单元读取的液面高度信息控制电解液-保护液循环系统和产物过滤分离系统中泵和电磁阀系统的工作状态。

需要说明的是，密度比电解液大的保护液和密度比电解液小的保护液所采用的电解液/保护液循环系统在管路系统和控制策略上有所不同。

若电解液的密度大于保护液的密度，则将保护液和电解液置于同一电解液箱，电解液和保护液各自从其进液管道流出，进入进液总管，流经电池堆反应室后通过相同出液总管流回电解液箱；

若电解液的密度小于保护液的密度，则将电解液和保护液分别置于装置顶部的电解液箱和装置底部的电解液储备区中，通过各自的进液管道进入进液总管，流经电池反应室后从出液总管流出，通过各自的出液分管流回电解液箱或电解液储备区。

具体地，若使用密度小于电解液的保护液，保护液和电解液同时置于系统上方电解液箱中，由于密度差在电解液箱中分层分布，电解液在下方，保护液在上方。

正常工作时，电解液从电解液箱下方的电解液进液分管流出电解液箱，进入进液总管，流经电池反应室后经出液总管回到电解液箱；停放时，保护液从电解液箱上方的保护液进液分管中流出，经由进液总管流入电池反应室，过程中电池反应室和进、出液总管中的电解液被保护液排出，被排出的电解液经出液总管流回电解液箱，当电解液全部流回电解液箱时停止供给保护液，此时电池反应室中完全被保护液充满，电池进入停放保护状态；再次启动时，电解液从电解液进液分管流出，经进液总管流入电池反应室，同时将电池反应室和管道中的保护液带出，带出的保护液经出液总管回到电解液箱，在浮力的作用下停留在液面上层。电池反应区和管道中的保护液完全排出后，电解液开始正常循环工作。

具体地，若使用密度大于电解液的保护液时，电解液和保护液分别置于装置顶部的电解液箱和装置底部的电解液储备区中，电解液和保护液依然通过各自的进液分管经进液总管流入电池反应区，流出电池反应区后，通过各自的出液分管分别流回电解液箱和电解液储备区。

进一步地，在本实用新型的实施例中，开关连接电解液箱和电解液过滤系统，开关打开，电解液在自身重力作用下依次通过缓冲区，过滤区和储备区进行静置过滤。泡沫镍与泡沫镍上方箱体空间构成缓冲层，电解液在缓冲层缓冲减速，起到改善过滤效果的作用；滤网与泡沫镍下方、滤网上方箱体空间构成过滤区，在过滤区中电解液通过滤网过滤掉其中的金属氧化物沉淀。经滤网过滤后的电解液进入装置最下方的电解液储备区，未完全过滤的杂质在储备区中静置沉降，被滤芯吸附；启动时，泵将电解液储备区中的电解液重新泵回电解液箱。

下面通过附图及具体实施例详细说明本实用新型的金属空气燃料电池电解液综合管理系统的工作过程，

如图1所示，选用的保护液1的密度小于电解液4，保护液1分布在电解液箱上层，电解液4分布在电解液箱下层。

其中，电解液-保护液循环系统主要由电解液箱3、保护液出液分管6、电解液出液分管7、电磁阀8、9、泵10、进液总管11、出液总管13和电磁阀14组成。电解液产物过滤分离系统主要由开关15、泡沫镍17、滤网19、滤芯21、电磁阀22、泵24以及液面检测单元2、5组成。

如图2所示，为保护液1的密度小于电解液4时的工作流程图。

电池正常工作时，电磁阀9、14打开，电磁阀8关闭，泵10工作，电解液4依次通过电解液出液分管7、电磁阀9、泵8、进液总管11进入电池反应区12参与电池反应，反应后的电解液与产物依次通过出液总管13、电磁阀14流回电解液箱3，完成电解液循环。电池停机时，电磁阀9关闭，电磁阀8、14打开，泵10工作。保护液1经由保护液进液分管6、电磁阀8、泵10、进液总管11进入电池反应区12，与此同时电池反应区以及进、出液总管11、13中的电解液4被保护液1排出，被排出的电解液4经由出液总管13、电磁阀14流回电解液箱3。保护液1完全填满电池反应区12后，电磁阀8、14关闭，泵10关闭，电池进入停放保护状态。

停放过程中电解液4进入产物过滤分离系统，再启动时被重新泵回电解液箱3。电解液4完全泵回电解液箱3后，电磁阀9、14打开，泵10工作，电解液4再次被泵进电池反应室12，与此同时电池反应室12以及管路中的保护液1被新泵入的电解液4排出，经由出液总管13和电磁阀14回到电解液箱3，电池反应室12和管路的保护液1完全回到电解液箱3后，电解液4开始新一轮循环，电池开始正常工作。

产物过滤分离系统位于电解液箱3正下方，开关15控制电解液箱3与电解液产物过滤分离系统的连通。泡沫镍17及其上方箱体空间缓冲区16、滤网19及滤网19上方、泡沫镍16下方箱体空间构成过滤区18，滤芯21及滤网19下方箱体空间构成储备区20。

电池停机，保护液1完全填满电池反应室12空间后，电磁阀8、14关闭，泵10停止工作后，产物过滤分离系统开始工作。开关15打开，电解液箱3中的电解液4在重力的作用下进入过滤系统，电解液4依次流经缓冲区16、过滤区18和储备区20进行静置沉降，液面检测单元5对应的高度为电解液箱中电解液完全进入电解液过滤区保护液1的液面高度，待液面高度降低至液面检测单元5的预设高度时，开关15关闭。流经缓冲区16的液体在泡沫镍17的作用下缓冲减速，进入过滤区18。过滤区18的电解液4经滤网19过滤后进入储备区20，电解液4在储备区20中静置沉降，沉降过程中产生的沉淀由滤芯21进行吸附。泡沫镍17，滤网19和滤芯20均可拆装更换。再次启动时，电磁阀23打开，泵24工作一段时间，待电解液箱3中液面达到液面检测单元2的预设高度即储备区中的液体全部泵回电解液箱后，电磁阀23关闭，泵24关闭。

在本实用新型的另一个实施例中，如图3所示，选用的保护液1密度大于电解液4，电解液4储存在系统顶部的电解液箱3中，保护液1储存在系统底部的电解液储备区20中，初始时电解液4的液面高度与液面检测单元2预设高度平齐，保护液1液面高度与液面检测单元5预设高度平齐。

其中，电解液-保护液循环系统主要由电解液箱3、保护液出液分管6、电解液出液分管7、电磁阀8、9、14、25、泵10、进液总管11、出液总管13、保护液出液分管26、电解液出液分管27和液面检测单元2组成。电解液产物过滤分离系统主要由开关15、泡沫镍17、滤网19、滤芯21、电磁阀22、回流泵24以及液面检测单元2、5、28组成。

图4为图3所示实施例的电解液综合管理方法的工作流程图。

如图4所示，电池正常工作时，阀8、14开，泵10工作，电解液4从电解液进液分管6流出，经阀8、泵10、进液总管12流入电池反应室12，在电池反应室12中参与电池反应后经阀14，出液分管27流回电解液箱3，完成电解液循环。电池停放时，阀8关闭，阀9、14打开，泵10工作，保护液1从保护液进液分管7流出，经由阀9、泵10、进液总管11进入电池反应室12，与此同时电池反应室12及管路中电解液4被泵入的保护液1排出，排出的电解液4经阀14、电解液出液分管27流回电解液箱3。

流回的电解液使得电解液箱的液面上升，当液面高度达到初始高度即液面检测单元2预设高度时，电解液4被完全泵回电解液箱3，电池反应室12及进液总管11空间被保护液填满，此时关闭阀14、9，泵10停止工作，电池进入停放保护状态。停放过程中电解液3进入产物过滤分离系统进行过滤，再启动时被重新泵回电解液箱3。当电解液4被完全泵回电解液箱3后，阀8，25开启，泵10工作，电解液4经电解液进液分管6、阀8和进液总管11进入电池反应室12，与此同时电池反应室12中的保护液1通过出液总管13、阀25、保护液出液分管26流回系统底部的电解液储备区20。待电解液储备区20中的液面上升到液面检测单元5的预设液面后，电池反应室中保护液1完全回到电解液储备区20，此时关闭阀25，开启阀14，进入电池反应室12的电解液通过阀14，电解液出液分管27流回电解液箱3，开始电解液循环，电池正常工作。

电解液产物过滤分离系统位于电解液箱3正下方，开关15控制电解液箱3与产物过滤分离系统的连通。泡沫镍17及其上方箱体空间缓冲区16、滤网19及滤网19上方、泡沫镍16下方箱体空间构成过滤区18，滤芯21及滤网19下方箱体空间构成储备区20。

电池停机，待保护液1完全泵入电池反应室12，电磁阀8、14关闭，泵10停止工作后，产物过滤分离系统开始工作。开关15打开，电解液箱3中的电解液4在重力的作用下进入过滤系统，电解液4依次流经缓冲区16、过滤区18和储备区20进行静置沉降，液面检测单元28对应的高度为电解液箱中电解液4完全进入电解液过滤区后电解液储备区的液面高度，待液面高度上升至液面检测单元28的预设高度时，开关15关闭。流经缓冲区16的液电解液4在泡沫镍17的作用下缓冲减速，进入过滤区17。过滤区17中的电解液4经滤网19过滤后进入储备区20，电解液4在储备区20中静置沉降，沉降过程中产生的沉淀由滤芯21进行吸附。泡沫镍17，滤网19和滤芯20均可拆装更换。再次启动时，电磁阀23打开，泵24工作，待电解液箱3中液面达到液面检测单元2的预设高度即储备区中的液体全部泵回电解液箱3后，电磁阀23关闭，泵24关闭。

根据本实用新型实施例提出的金属空气燃料电池电解液综合管理系统，通过集成了金属空气燃料电池电解液综合管理系统的电解液循环、停放保护和产物分离三种功能，能够有效提升金属空气燃料电池的工作性能，显著降低停放过程中的自腐蚀，延长电池的使用寿命。

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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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实用新型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实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。