[发明专利]金属空气燃料电池系统及其应用

说明书

技术领域

本发明属于物理化学领域，具体而言，涉及金属空气燃料电池系统及其应用。

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，总反应式M+1/2 H₂O+1/4 O₂＝M(OH)_i，其中每摩尔金属M失去i摩尔电子，与i/4摩尔氧气发生反应。电化学反应的动力性不仅与催化剂的活性有关，还与电极表面与电解质状态紧密相关。一般的金属空气燃料电池是由金属阳极、电解液、空气阴极构成，其中，金属或其合金的颗粒、平板或其他特殊结构作为阳极，在反应中提供电子，空气膜电极作为阴极，催化氧气与水反应成为氢氧根离子，电解液一般由中性的盐水溶液或一定浓度的碱性溶液构成，从电解液中析出的金属氧化物沉积容易吸附在电极表面，是金属电极钝化的主要因素，并且积累的沉积物会占据很大电池内部空间。在阳极表面金属失去电子并与氢氧根结合以离子态进入电解液。在膜电极催化层的三相界面，氧气分子得到电子与水反应生成氢氧根离子进入电解液。总反应是金属与氧气反应为金属氧化物并溶解在电解液中，随着放电的进行，当电解液中金属氧化物浓度达到饱和时，反应产物逐渐从电解液中析出。金属氧化物沉积在电解液中逐渐增多，形成悬浊液，该悬浊液的颗粒物粒径均为纳米级，难以用普通的过滤方式去除，悬浮的沉积物将覆盖在电极表面，对于阳极，阻碍了金属失去电子的过程并增加了电极表面的阻抗，对于空气膜电极，减小了有效反应面积，阻碍后续的电化学反应，另外，随着放电的进行，反应产物积累量增大，一般反应产物的体积都会大于反应燃料的体积，严重挤占电解质的空间，在密封条件下甚至会增大电池内部压力，降低了电池性能甚至损坏膜电极与其他相关设备。

因此，有效去除在电解液中积累的金属氧化物沉积对于维持金属空气燃料电池的正常工作至关重要。

溶液中沉积物的去除主要通过物理沉降、过滤和吸附，以及化学反应成大颗粒沉降和化学吸附或将沉积物转化为其他性质的产物的方式实现。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反应产物的回收难度，以便能实现金属耗材的再生、燃料的二次使用。

为解决金属空气燃料电池中反应产物过量沉积，进而阻碍后续的电化学反应的问题，已有的一种通过更换电解液及其沉积物与设置较高工作温度来维持燃料电池正常运行，即提高金属空气燃料电池的温度到75℃，以提高反应产物在电解液中的溶解度，并根据放电容量，当反应产物沉积量比较多时，用液压泵将新的氢氧化钾溶液更换电池中的悬浊液，从而保证电池的正常工作。这种技术简单易行，但需要额外的电解液，而且为了保证较高的温度需要保温系统，增加燃料电池系统的体积与重量。

另一种基于化学沉淀反应的方法促进金属氧化物生成稳定的沉淀物，通过简单的过滤实现了反应产物的分离，主要通过向悬浮的电解液中添加一定量的Ca(OH)₂，促进悬浊液的沉降，在通过简单的过滤将这些较大的沉降物分离出来，使得电解液的放电容量提升了30％。这种技术需要在放电过程中不断加入添加剂，改变了电解液成分，而且形成的产物增加了金属还原的成本。

综上，目前对处理电解液中反应产物的研究比较少，已有技术主要采用化学沉降或整体更换的方法，效果明显，但是依旧需要额外的电解液与添加剂，成本较大。对应的辅助模块对整个燃料电池系统的结构有较大的要求。

发明内容

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系统及其应用，利用该系统不仅能解决金属氧化物的过量积累问题，还能抑制反应产物在电极表面的吸附，同时收集反应产物，使金属还原过程更加简单，实现了长时稳定的放电，提高了燃料电池系统的能量密度与使用寿命。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种金属空气燃料电池系统，包括：

电池堆，所述电池堆具有电解液出口和电解液入口；

过滤装置，所述过滤装置内具有多孔介质，所述过滤装置分别与所述电解液出口和电解液入口相连。