金属燃料电池及其运行方法与流程

1.本发明属于燃料电池领域，具体而言，涉及金属燃料电池及其运行方法。


背景技术：

2.金属燃料电池是一种可直接将化学能转化为电能的装置，具有制造成本低、搁置寿命长、绿色环保、安全、静音等优势，在新能源汽车、通信备用、应急电源等领域备受瞩目。目前针对金属燃料电池的研究主要集中在基础材料和整体结构的方便性等。燃料电池的液路循环过程主要采用泵持续运转，将电解液或反应液泵入到电池反应舱体完成放电过程；反应过后的电解液沿着回液系统进入电解液储存箱，为下次电解液的循环做准备。铝-空气燃料电池是金属燃料电池的一种，目前，铝-空气电池产品结构中的电解液供液系统主要是将所有电解液贮存在一个电解液箱中并通过泵持续将电解液输送至电堆中后再返回到该液箱中，该方法可以持续输出电能，但随着系统工作时间的推进，电解液箱内的电解废液的浓度逐渐上升，导致系统输出功率呈逐渐自然衰减态势。


技术实现要素：

3.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燃料电池及其运行方法。该金属燃料电池可以将一个运行周期内所需的全部电解液分批进行使用，使燃料电池堆内使用的电解液尽可能保持在较为新鲜的程度，从而能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的系统输出功率自然衰减，使电池产品的放电性能更加稳定。
4.根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种金属燃料电池。根据本发明的实施例，该金属燃料电池包括：
5.燃料电池堆，所述燃料电池堆包括第一电解液入口和第一电解液出口；
6.电解液工作液箱组，所述工作液箱组包括多个工作液箱，每个所述工作液箱分别独立的设有第二电解液入口和第二电解液出口；
7.第一分液器，所述第一分液器包括第一电解液通道、一个第三电解液入口和多个第三电解液出口，所述第三电解液入口与所述第一电解液出口相连，所述第三电解液出口与所述第二电解液入口一对一相连；
8.第二分液器，所述第二分液器包括第二电解液通道、多个第四电解液入口和一个第四电解液出口，所述第四电解液入口与所述第二电解液出口一对一相连，所述第四电解液出口与所述第一电解液入口相连。
9.根据本发明上述实施例的金属燃料电池，通过设置多个相对独立的工作液箱，并使每个工作液箱能够通过第一分液器和第二分液器分别独立地与燃料电池堆连通，可以将金属燃料电池一个运行周期内所需的电解液分成多份，分批次地供给至燃料电池堆进行使用，即在一个工作液箱内的电解液使用结束后用另一个工作液箱内新鲜的电解液进行替换并继续提供能量输出，由此可以将燃料电池堆内使用的电解液尽可能保持在较为新鲜的程
度，从而不仅能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的系统输出功率自然衰减，提升和优化金属燃料电池系统的运行性能，使电池产品的放电性能更加稳定，还能简化电池系统的内部结构，省去额外的新鲜电解液储存装置和电解废液储存装置。
10.另外，根据本发明上述实施例的金属燃料电池还可以具有如下附加的技术特征：
11.在本发明的一些实施例中，每个所述第三电解液出口处分别独立地设有第一阀门，每个所述第四电解液入口处分别独立地设有第二阀门。
12.在本发明的一些实施例中，所述第一分液器上设有可沿所述工作液箱组排布方向移动的第一分液片，所述第一分液片上设有一个第一通孔，所述第一分液片适于使所述第一通孔与其中一个所述第三电解液出口连通并对剩余所述第三电解液出口进行封堵；所述第二分液器上设有可沿所述工作液箱组排布方向移动的第二分液片，所述第二分液片上设有一个第二通孔，所述第二分液片适于使所述第二通孔与其中一个所述第四电解液入口连通并对剩余所述第四电解液入口进行封堵。
13.在本发明的一些实施例中，所述金属燃料电池进一步包括：第一转动齿轮和第二转动齿轮，所述第一分液片上形成有与所述第一转动齿轮匹配啮合的第一齿状边缘，所述第一转动齿轮与所述第一齿状边缘啮合并在电机带动下使所述第一分液片沿所述工作液箱组排布方向移动；所述第二分液片上形成有与所述第二转动齿轮匹配啮合的第二齿状边缘，所述第二转动齿轮与所述第二齿状边缘啮合并在电机带动下使所述第二分液片沿所述工作液箱组排布方向移动。
14.在本发明的一些实施例中，所述金属燃料电池进一步包括：循环泵，所述循环泵与所述第四电解液出口和所述第一电解液入口相连。
15.在本发明的一些实施例中，所述多个所述工作液箱并排布置、环形布置、弧形布置或呈中心对称布置。
16.在本发明的一些实施例中，多个所述工作液箱等体积布置。
17.在本发明的一些实施例中，每个所述工作液箱分别独立地为双层结构。
18.在本发明的一些实施例中，所述金属燃料电池进一步包括：缓冲电池，所述缓冲电池适于提供所述工作液箱更换时的对外输出和对内辅助系统用电。
19.在本发明的一些实施例中，所述金属燃料电池为铝-空气燃料电池，所述缓冲电池为镍氢电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、三元锂电池、固态锂离子电池、铅酸蓄电池或者超级电容器。
20.根据本发明的第二个方面，本发明提出了上述金属燃料电池的运行方法。根据本发明的实施例，该运行方法包括：
21.(1)将电解液分别供给至多个所述工作液箱中；
22.(2)利用所述第一分液器将其中一个工作液箱中的电解液供给至所述燃料电池堆，并利用所述第二分液器将所述燃料电池堆输出的电解液返回至该工作液箱中；
23.(3)步骤(2)所述的工作液箱内电解液达到使用阈值后，将所述第一分液器和所述第二分液器切换至下一个工作液箱；
24.(4)重复步骤(2)～(3)，直至所有工作液箱中的电解液均达到使用阈值。
25.根据本发明上述实施例的金属燃料电池的运行方法，采用在一个运行周期内将金属燃料电池系统所需全部电解液分批进行使用的工作模式，在金属燃料电池运行的过程中
将新鲜电解液和使用后的电解液进行更换，使系统尽可能使用新鲜程度较高的电解液，从而能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的电池系统输出功率自然衰减，提升和优化金属燃料电池系统的运行性能，使电池产品运行过程中系统输出功率更加稳定。
26.在本发明的一些实施例中，利用循环泵将所述工作液箱中的电解液供给至所述燃料电池堆。
27.在本发明的一些实施例中，利用缓冲电池提供所述工作液箱更换时的对外输出和对内辅助系统用电。
28.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
29.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：
30.图1是根据本发明一个实施例的金属燃料电池的结构示意图。
31.图2是根据本发明一个实施例的第一分液器的结构示意图，其中图2(a)为第一分液器的平面图，图2(b)为第一分液片的结构示意图。
32.图3是根据本发明一个实施例的第二分液器的结构示意图，其中图3(a)为第二分液器的平面图，图3(b)为第二分液片的结构示意图。
具体实施方式
33.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。
34.根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种金属燃料电池。根据本发明的实施例，如图1所示，该金属燃料电池包括：燃料电池堆100、电解液工作液箱组200、第一分液器300和第二分液器400。该金属燃料电池可以将一个运行周期内所需的全部电解液分批进行使用，使燃料电池堆内使用的电解液尽可能保持在较为新鲜的程度，从而能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的系统输出功率自然衰减，使电池产品的放电性能更加稳定。
35.下面参考图1～3对本发明上述实施例的金属燃料电池进行详细描述。
36.燃料电池堆100
37.根据本发明的实施例，燃料电池堆100包括第一电解液入口110和第一电解液出口120，通过第一电解液入口和第一电解液出口实现电解液的输入和输出。
38.电解液工作液箱组200
39.根据本发明的实施例，工作液箱组200包括多个工作液箱210，每个工作液箱210分别独立的设有第二电解液入口211和第二电解液出口212，由此可以将一个运行周期内所需的全部电解液分成多份分别存储在不同的工作液箱中，使每个工作液箱均可独立地与燃料电池堆形成电解液循环，在工作液箱与燃料电池堆连通之前该工作液箱作为电解液存储箱存储新鲜电解液、与燃料电池堆连通时作为工作液箱为燃料电池堆供给电解液，而当工作
液箱内的电解液达到使用阈值后作为废液箱储存电解废液，同时切换其它工作液箱与燃料电池堆连通，直至所有工作液箱内的电解液均达到使用阈值，由此可以使燃料电池堆内的电解液尽可能保持在较为新鲜的程度，从而不仅可以尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的系统输出功率自然衰减，使电池产品的放电性能更加稳定，还能简化电池内部结构，无需单独设置电解液存储箱和废液存储箱(袋)。
40.根据本发明的一个具体实施例，本发明中工作液箱组200的布置方式并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，多个工作液箱210可以并排布置、环形布置、弧形布置或呈中心对称布置等，优选呈环形布置，由此可以进一步减小整个电池系统的整体体积。
41.根据本发明的再一个具体实施例，多个工作液箱210可以等体积布置，由此不仅可以确保整个系统结构的稳定性，还有利于不同工作液箱的切换。
42.根据本发明的又一个具体实施例，每个工作液箱210可以分别独立地为双层结构，优选使双层结构中间形成有中空夹层，由此可以进一步使工作液箱具有保温功能，从而使电池产品的放电性能更加稳定。
43.根据本发明的又一个具体实施例，本发明中工作液箱210的材质和形状并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如，工作液箱可以为金属材质或非金属材质，具体地，工作液箱可以由不锈钢、钛合金等耐腐蚀性强的金属材料制成，或由聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、尼龙等塑料材质或者是以上塑料材质混合搭配辅助材料(如玻璃纤维等)制成；工作液箱的形状可以为长方体、立方体、圆柱体、椎体、球体或其他特别定制的非规则形状等。
44.第一分液器300和第二分液器400
45.根据本发明的实施例，第一分液器300包括第一电解液通道310、一个第三电解液入口320和多个第三电解液出口330，第三电解液入口320和第三电解液出口330设在第一电解液通道310上，第三电解液入口320与第一电解液出口120相连，第三电解液出口330与第二电解液入口211一对一相连；第二分液器400包括第二电解液通道410、多个第四电解液入口420和一个第四电解液出口430，第四电解液入口420和第四电解液出口430设在第二电解液通道410上，第四电解液入口420与第二电解液出口212一对一相连，第四电解液出口430与第一电解液入口110相连。由此可以通过第一分液器和第二分液器来实现不同工作液箱的切换。
46.根据本发明的一个具体实施例，每个工作液箱210中可以分别设置一个第二电解液入口211和一个第二电解液出口212，第三电解液出口330和第四电解液入口420的个数分别与工作液箱的个数相同，采用上述设置可以使第一分液器具有单孔径流入、多孔径流出的特点，使第二分液器具有多孔经流入、单孔径流出的特点，由此可以更有利于不同工作液箱的切换。
47.根据本发明的再一个具体实施例，每个第三电解液出口330处可以分别独立地设有第一阀门340，每个第四电解液入口420处可以分别独立地设有第二阀门440。由此，当单个工作液箱与燃料电池堆连通时，如图1所示，可以将该工作液箱对应的第一阀门和第二阀门打开(图1中第一个工作液箱对应的发明打开)，而将剩余工作液箱对应的多个第一阀门和多个第二阀门闭合，当工作液箱需要切换时只需控制相应第一阀门和第二阀门的开合即
可实现，由此可以更灵活的控制分液功能的选择，实现不同工作液箱的切换。需要说明的是，第一阀门/第二阀门只针对第三电解液出口/第四电解液入口进行开合，不影响电解液在分液器电解液通道310/410中的流通。
48.根据本发明的又一个具体实施例，如图2(a)和图2(b)所示，第一分液器300上可以设有可沿工作液箱组200排布方向移动的第一分液片350，第一分液片350上设有一个第一通孔351，第一分液片350适于使第一通孔351与其中一个第三电解液出口330连通并对剩余第三电解液出口330进行封堵；如图3(a)和图3(b)所示，第二分液器400上可以设有可沿工作液箱组200排布方向移动的第二分液片450，第二分液片450上设有一个第二通孔451，第二分液片450适于使第二通孔451与其中一个第四电解液入口420连通并对剩余第四电解液入口420进行封堵。由此可以使第一分液器具有单孔径流入、多孔径流出的特点，使第二分液器具有多孔经流入、单孔径流出的特点，由此可以通过第一分液片和第二分液片的移动来实现分液功能的选择，进而实现不同工作液箱的切换。
49.根据本发明的又一个具体实施例，金属燃料电池可以进一步包括第一转动齿轮360和第二转动齿轮460，如图2所示，第一分液片350上可以形成有与第一转动齿轮360匹配啮合的第一齿状边缘352，第一转动齿轮360与第一齿状边缘352啮合并在电机370带动下使第一分液片350沿工作液箱组200排布方向移动；如图3所示，第二分液片450上形成有与第二转动齿轮460匹配啮合的第二齿状边缘452，第二转动齿轮460与第二齿状边缘452啮合并在电机470带动下使第二分液片460沿工作液箱组200排布方向移动。由此可以通过齿轮转动来控制分液片的移动，进而实现不同工作液箱的切换。
50.根据本发明的又一个具体实施例，第一分液器200和第二分液器300的布置方式由工作液箱组的布置方式决定，例如随工作液箱组的布置方式不同，第一分液器和第二分液器可以为球状结构、曲面结构、桶状结构或者排状结构等，另外，第一分液片中第一通孔的运动路径与第三电解液出口的排布轨迹一致，第二分液片中第二通孔的运动路径与第四电解液入口的排布轨迹一致。
51.根据本发明的又一个具体实施例，第一分液器300可以位于工作液箱组200的上部，第二分液器400可以位于工作液箱组200的下部。
52.根据本发明的又一个具体实施例，如图1所示，金属燃料电池可以进一步包括循环泵500，循环泵500与第四电解液出口430和第一电解液入口110相连。由此当电池工作时，某一个工作液箱中的电解液通过第二分液器到循环泵，经循环泵输送到燃料电池堆，然后再从燃料电池堆经第一分液器返回至原来的工作液箱中。
53.根据本发明的又一个具体实施例，金属燃料电池可以进一步包括缓冲电池(未示出)，缓冲电池适于提供工作液箱更换时的对外输出和对内辅助系统用电，其中，电池对外放电时，缓冲电池与燃料电池共同工作，缓冲电池根据燃料电池的功率变化进行充放电，以达到功率稳定输出。
54.根据本发明的又一个具体实施例，本发明中金属燃料电池和缓冲电池的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如，金属燃料电池可以为铝-空气燃料电池等，缓冲电池可以为镍氢电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、三元锂电池、固态锂离子电池、铅酸蓄电池或者超级电容器。
55.根据本发明的又一个具体实施例，工作液箱组可以包括多个相同体积的工作液
箱，电池工作时，电解液从众多工作液箱中的其中一个通过位于工作液箱下部的第二分液器到循环泵，由循环泵输送到燃料电池堆，再从燃料电池堆流回到位于工作液箱上部的第一分液器，再流回原来的工作液箱；待该工作液箱内电解液的使用达到阈值时，关闭循环泵，待所有电解液回流至该工作液箱后，第一分液器和第二分液器将自动切换至下一工作液箱并使用切换到的工作液箱内的电解液对燃料电池堆进行供液。
56.综上所述，根据本发明上述实施例的金属燃料电池，通过设置多个相对独立的工作液箱，并使每个工作液箱能够通过第一分液器和第二分液器分别独立地与燃料电池堆连通，可以将金属燃料电池一个运行周期内所需的电解液分成多份，分批次地供给至燃料电池堆进行使用，即在一个工作液箱内的电解液使用结束后用另一个工作液箱内新鲜的电解液进行替换并继续提供能量输出，由此可以将燃料电池堆内使用的电解液尽可能保持在较为新鲜的程度，从而不仅能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的系统输出功率自然衰减，提升和优化金属燃料电池系统的运行性能，使电池产品的放电性能更加稳定，还能简化电池系统的内部结构，省去额外的新鲜电解液储存装置和电解废液储存装置。
57.根据本发明的第二个方面，本发明提出了上述金属燃料电池的运行方法。根据本发明的实施例，该运行方法包括：(1)将电解液分别供给至多个工作液箱中；(2)利用第一分液器将其中一个工作液箱中的电解液供给至燃料电池堆，并利用第二分液器将燃料电池堆输出的电解液返回至该工作液箱中；(3)步骤(2)的工作液箱内电解液达到使用阈值后，将第一分液器和第二分液器切换至下一个工作液箱；(4)重复步骤(2)～(3)，直至所有工作液箱中的电解液均达到使用阈值。该运行方法采用将电解液分批进行使用的工作模式，可以使电池系统尽可能使用新鲜程度较高的电解液，从而尽可能多的降低电解废液对电池系统输出功率自然衰减的影响，使电池产品的放电性能更加稳定。
58.根据本发明的一个具体实施例，可以利用循环泵将工作液箱中的电解液供给至燃料电池堆。
59.根据本发明的再一个具体实施例，可以利用阀门或带有通孔的分液片配合第一、第二分液器实现对不同工作液箱的切换，从而使电池系统尽可能使用新鲜程度较高的电解液。其中分液片可以有转动齿轮带动旋转。
60.根据本发明的又一个具体实施例，可以利用缓冲电池提供工作液箱更换时的对外输出和对内辅助系统用电，由此可以进一步提高电池产品运行过程中系统输出功率的稳定性。
61.综上所述，根据本发明上述实施例的金属燃料电池的运行方法，采用在一个运行周期内将金属燃料电池系统所需全部电解液分批进行使用的工作模式，在金属燃料电池运行的过程中将新鲜电解液和使用后的电解液进行更换，使系统尽可能使用新鲜程度较高的电解液，从而能够尽可能的减少因电解废液浓度上升而导致的电池系统输出功率自然衰减，提升和优化金属燃料电池系统的运行性能，使电池产品运行过程中系统输出功率更加稳定。需要说明的是，针对上述金属燃料电池所描述的特征及效果同样适用于该金属燃料电池的运行方法，此处不再一一赘述。
62.下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
63.实施例1
64.金属燃料电池的结构如图1所示，包括燃料电池堆、电解液工作液箱组、第一分液器、第二分液器和循环泵，电解液工作液箱组包括n个等体积的工作液箱，工作液箱采用pe材质、双层结构，单层厚度为0.3mm；第一分液器的电解液出口处和第二分液器的电解液入口处均设有阀门，电解液通过循环泵输送至上层燃料电池堆，然后经重力回流至原工作液箱中，每个工作液箱的体积为电池放电200ah电的量，每箱电解液大约可为50a的用电设备提供4h的供电保障，缓冲电池采用电量为50ah的磷酸铁锂电池。工作液箱的电解液反应达到设定安时数后对工作液箱进行切换。
65.在本发明的描述中，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。除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、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。
66.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。
67.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。
68.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。