[发明专利]一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统

说明书

本发明涉及新能源领域，公开了一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括反应腔、水电极、金属电极、电极隔离片、电解液腔、原位物理催化装置和氢燃料电池；水电极和金属电极分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔；反应腔通过管路与电解液腔连接，电解液腔内盛有电解液，原位物理催化装置用于将金属电极的表面反应产物清理干净，通过引入原位物理催化装置实时对金属电极的表面产生的钝化膜进行清理，使金属电极表面始终露出新鲜的金属面，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱问题。

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其是涉及一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统。

背景技术

为了解决传统化石能源带来的的环境问题以及能源危机等问题，目前各国都在大力发展新能源技术，很多欧洲国家已经给出了燃油车辆的禁售时间。

在众多新能源技术中锂电池技术是目前发展最为迅速的新能源技术。但是由于锂电池本身化学体系上的制约，其弊端非常明显，很多时候无法跟燃油能源系统相抗衡。金属空气电池相对于锂电池能量密度方面有绝对优势，甚至可以跟燃油车相媲美，比如，铝空气电池的理论比能量可达8.1kWh/kg，目前的实际比能量约350Wh/kg，分别是锂电池的2.3倍、镍氢电池的6倍、铅酸电池的7倍多。此外，空气电池具有无毒、无害、无污染，可回收循环使用等特点。但是由于金属空气电池都需要一个空气电极提供空气反应的场所，所以金属空气电池一般都是非封闭环境。

现有的金属空气电池存在以下不足：

1、金属电极在反应过程中会形成钝化膜，进而阻止反应的持续进行，使电池极化增加或者失去提供电能的能力，尤其是在中性的盐溶液电解液中；

2、金属空气电池通常包含液态电解液，于开放环境容易造成电液干涸及上涨，影响到电池的容量和寿命，如果采用碱性电液还容易发生碳酸盐化，增加电池的内阻，影响放电。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，引入原位物理催化装置对金属阳极的表面钝化膜进行清理，促使反应的持续进行，大大提高能量转换效率，同时通过采用分步反应的方式，把金属空气电池反应分割成两步，金属阳极反应部分处于封闭环境，解决了电解液干涸和爬碱等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种原位物理催化分步反应型金属燃料电池系统，包括：

反应腔；

水电极和金属电极，分别位于反应腔内且分别通过导线引出反应腔作为一个电能输出端；

电极隔离片，用于将水电极和金属电极隔开；

电解液腔，其内盛有电解液，通过管路与反应腔连通，所述电解液腔内的电解液通过管路往返于反应腔和电解液腔之间；

原位物理催化装置，其位置与金属电极对应，用于将金属阳极的表面反应产物清理干净，所述原位物理催化装置包括原位物理催化层和驱动机构，原位物理催化层紧贴于金属电极的反应表面，用于对金属电极的表面反应物进行清理；驱动机构用于使原位物理催化层与金属电极发生相对运动；

氢燃料电池，其与反应腔相连通，以反应腔内产生的氢气发电。

进一步地，所述金属电极的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，所述燃料电池内氢电极总投影面积为SH₂(cm²)，所述水电极的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：其中K＝1/4和L＝1/3为量纲调整系数。

进一步地，所述原位物理催化层采用纳米颗粒或者金属离子传导性的催化材料。