CN111224172A - 一种水系电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源领域，公开了一种水系电池系统，包括反应腔、水电极、金属电极、电极隔离片和电解液腔；反应腔上设有氢气出气口；水电极和金属电极分别位于反应腔内；电极隔离片设置于反应腔内，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；水电极和金属电极分别通过导线引出反应腔作为输出端，反应腔内反应产生的氢气作为二次能源通过氢气出气口排出存储或者使用，通过金属电极作为能量载体，以电解液中的水作为反应物，无毒无害，反应产物氢气可以作为二次能源，进一步提高能量密度，而且安全系数高。

Description

一种水系电池系统

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其是涉及一种水系电池系统。

背景技术

为了解决传统化石能源带来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，无法跟燃油能源系统相抗衡：

1、锂电池充电时间通常需要几十分钟到数小时，便利性大打折扣；

2、锂电池的理论能量密度只有240Wh/Kg～350Wh/Kg远远低于燃油的能量密度，这就造成锂电池汽车在续航里程上无法跟燃油车相比；

3、锂电池在安全方面也存在很大问题，近年来已经有多起锂电池汽车热失控着火事件发生；

4、锂电池的生产过程，需要在高度干燥环境下，所以成本比较高，使用过程中充电耗时久。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种水系电池系统，通过金属电极作为能量载体，以电解液中的水作为反应物，无毒无害，反应产物氢气可以作为二次能源，进一步提高能量密度，而且安全系数高。

为解决上述技术问题，本发明提出一种水系电池系统，包括：

反应腔，其上设有氢气出气口；

水电极，位于反应腔内，作为水的还原反应场所；

金属电极，位于反应腔内，作为金属阳极氧化反应场所；

电极隔离片，设置于反应腔内，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；

所述水电极和金属电极分别通过导线引出反应腔作为输出端，所述反应腔内反应产生的氢气作为二次能源通过氢气出气口排出存储或者使用。

进一步地，所述金属电极的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，所述水电极的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：

其中K＝1/4为量纲调整系数。

进一步地，还包括与氢气出气口连通的氢气腔，所述氢气腔用于将反应腔内产生的氢气存储起来，连接氢气出气口与氢气腔的管路上设有单向阀、开关和气泵。

进一步地，还包括氢燃料电池和/或热机，所述反应腔和/或氢气腔通过管路分别与氢燃料电池和/或热机连通，且连接管路上分别均设有单向阀、开关和气泵。

进一步地，还包括与反应腔连通的保护液腔，所述保护液腔内盛有阳极保护液，所述反应腔与保护液腔的连接管路上设有双向泵。

进一步地，所述金属电极采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌和铁中的任意一种或者任意几种的合金。

进一步地，所述电解液为碱性溶液或盐溶液。

进一步地，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液，所述盐溶液为氯化钠、硫酸钠、硝酸钠，氯化钾、硫酸钾和硝酸钾、硝酸铝中的任意一种。

进一步地，所述反应腔与电解液腔之间的管路上设有双向泵。

进一步地，所述反应腔和/或电解液腔内还设置有用于分离反应沉淀物的过滤装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过金属电极作为能量载体，以电解液中的水作为反应物，反应提供电能，反应物金属电极来源广泛，其在消耗的过程中，可以采用直接增加或者更换金属电极的方式来补充能量，等效于一个充电的过程，耗时短；而另一种消耗的反应物为水，无毒无害，廉价，水系环境工作，不会发生类似于锂电池热失控后电解液燃烧爆炸的风险，安全系数高；同时反应产物氢气可以作为二次能源，进一步提高能量密度。

2、本发明通过引入电解液腔，在停止工作时，将电解液抽送回电解液腔内，使金属阳极与电解液分离并处于氢气的还原保护氛围内，从而可以完全杜绝腐蚀反应的发生，避免自放电情况，大大提高能量利用率。

3、本发明通过引入保护液液腔，在停止工作时，进一步用阳极保护液将金属电极包围，避免金属电极与电解液之间的反应，从而可以完全杜绝腐蚀反应的发生，避免自放电情况，大大提高能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水系电池系统图，

图2为将本发明的水系电池系统直接与氢燃料电池7或热机8匹配应用的系统图，

图3为将本发明的水系电池系统直接与氢燃料电池7和热机8匹配应用的系统图，

图4为将本发明的水系电池系统引入氢气腔6的系统图，

图5为在引入氢气腔6的基础上，与氢燃料电池7或热机8匹配的系统图，

图6为图5的基础上，将氢燃料电池7和热机8还与反应腔1连接的系统图。

附图标记如下：

反应腔1，氢气出气口11，水电极2，金属电极3，电极隔离片4，电解液腔5，氢气腔6，氢燃料电池7，热机8。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参照图1至图6，本发明提供一种水系电池系统，包括反应腔1、水电极2、金属电极3、电极隔离片4和电解液腔5；

水电极2作为水的还原反应场所，生成氢气，优选导电碳和镍基粉末混合形成的多孔体相电极，导电碳主要充当电子导电网络(也可以使用泡沫镍、泡沫铜等)，镍基粉末，如金属镍粉末或者镍的氧化物粉末充当催化剂促进水分解生成氢气，由于其工作时是浸润水的环境下，水本身是各种离子的优良导体，所以电极本身无需具有离子电导特性，实际应用时可以适当增加一些粘接剂辅助电极成型，该多孔体相电极可以极大增加电池的功率输出能力；

金属电极3作为能量载体，发生氧化反应，采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌、汞和铁中的任意一种或者任意几种的合金，从安全的角度考虑：优选金属铝、镁，反应过程比较温和，水系环境下不容易失控，安全性比碱金属要高出很多，甚至比成熟的燃油能源系统更加安全可靠；但是一些直接与水接触反应的金属比如锂、钠、钾等，则需要在该金属电极3的表面包覆一层电解质保护层，保护层具有金属离子导电性，同时又能极大的抑制金属与电解液的反应，从而进一步提高电化学性能(如固态金属电池中的电解液保护层)。电解质保护层可以有多种选择，属于一般的现有技术，不做赘述；

水电极2和金属电极3分别位于反应腔1内且分别通过导线引出反应腔1作为电能输出端，可以为外接的电器提供电能，反应腔1为封闭结构，为了避免水电极2和金属电极3直接接触导致短路，在反应腔1内设有一个电极隔离片4，用于将水电极2和金属电极3隔开，电极隔离片4的设置不能影响到电解液在反应腔1内的流通，因此可以将电极隔离片4设置为多孔结构，可以选用多孔膜，如疏水的PTFE隔膜、塑料多孔膜、衣物布料、海绵等多孔薄膜；

电解液腔5内盛有电解液，其通过管路与反应腔1连通，电解液为碱性溶液以及盐溶液，电解液腔5内的电解液通过管路往返于反应腔1和电解液腔5之间；

其中碱性溶液可以采用含有氢氧化钠和氢氧化钾的溶液等，可以大大提高反应动力学；

盐溶液可以采用氯酸盐、硫酸盐、硝酸盐等，如氯化钠、硫酸钠、硝酸钠，氯化钾、硫酸钾、硝酸钾，硝酸铝、硝酸铁的，优选硝酸铝、硝酸钠、硝酸钾等含有金属电极对应金属氧离子的硝酸盐溶液。

连接反应腔1和电解液腔5的管路应为定向设置，起到定向输送电解液的作用：工作时，电解液通过管路从电解液腔5进到反应腔1，不工作时，电解液通过管路从反应腔1抽送至电解液腔5内存储起来。

为了实现上述的定向抽送，可以根据实际需求布置多路相应的管路，但是为了简化管路布置，优选在反应腔1和电解液腔5之间只设置一路带有双向泵的管路，这样通过操作双向泵即可实现定向输送的目的；

电解液进入反应腔1后发生反应产生的氢气可以作为二次能源，通过氢气出气口11排出存储起来或者直接利用。

实际应用时，可以增设一个通过管路与氢气出气口11连通的氢燃料电池7，管路上设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气直接供给氢燃料电池7发电，从而提供电能输出；

或者是增设一个通过管路与氢气出气口11连通的热机8，优选斯特林热机，管路上设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气直接供给热机8，从而提供热能和机械能输出；

也可以同时氢燃料电池7和热机8与反应腔1连通，这样可以实现同时提供电能、热能和机械能，具体实施时，不仅限于与氢燃料电池7和热机8匹配，也可以匹配其他以氢气为能源原料的器件。

为了避免出现反应腔1中氢气产出能力与所匹配的能源器件(如氢燃料电池7和热机8等)的需求不匹配，可以额外设置一个氢气腔6来实现缓冲和缓存的作用，氢气腔6通过管路与氢气出气口11连接，且反应腔1和氢气腔6的连接管路上设有单向阀、开关和气泵，反应腔1内产生的氢气通过管路抽送至氢气腔6存储起来，然后再提供给能源器件(如氢燃料电池7和热机8)。

在引入氢气腔6后，反应腔1与氢气腔6连通，氢燃料电池7和/或热机8作为能源设备与氢气腔6连通的同时，也还可以直接与反应腔1连接，连接管路上分别设有单向阀、开关和气泵。

氢气腔6优选氢气罐储氢，以氢燃料电池7为例说明，氢气罐储氢两可以使氢燃料电池7消耗5min以上，这样可以用氢燃料电池7给控制电解液抽送方向的双向泵提供动力，帮助水电池启动，同时停止工作的时候，可以使残余在金属电极3表面的电解液反应完，生成的氢气储存至氢气腔6中。

氢气腔6与反应腔1之间还可以增加一个透气防水阀门，使得氢气可以通过，但是电解液无法通过，从而保证氢气的有效分离。

金属电极3的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，水电极2的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：

其中K＝1/4为量纲调整系数；

所谓投影面积是指电极在平行光光照下所能形成的最大阴影的面积，比如，对于正方形电极，其投影面积为边长的平方；

通常电源设计需要考虑能量密度，性能、安全等因素，比如对于锂离子电池，设计的时候其正负极之间需要进行的匹配设计，保证正负极的容量差不能过大，否则会降低本来就有限的能量密度，正负极的容量差又不能太小，否则容易析锂，恶化循环性能甚至引起安全事故。类似的，在这里，考虑同样水电极2面积，如果金属电极3匹配过度(质量过大)，能量密度相对较大，但是相同空间内可以设置的电池单元数量就会受到限制，有效反应面积减少，这样功率性能就会被恶化，反之，如果金属电极3匹配过小，非活性物质(如水电极2，电极隔离片4等物质)质量占比就会过大，能量密度相应的就会减少，所以金属电极3的质量与水电极2的投影面积之间需要进行一定的匹配设计；此外，不同金属密度差异较大，同样质量的有效反应活性表面以及反应活性也不相同，所以密度大的金属，同样质量下，反应面积增加，功率性能会有所改善，所以使用大密度金属进行设计时，在保证必要的功率性能下，可以相应增加设置的质量比例。

为了保证系统在一个最优的状态下工作，需要调控金属电极3的密度、质量以及水电极2总投影面积来达到各方面性能都比较优异的状态。

在反应腔1和/或电解液腔5内设置有用于分离反应沉淀物的过滤装置，反应过程中产生的固态生成物(如金属氢氧化物)可以通过电解液过滤装置从系统分离出来，不会出现常规金属空气电池空气电极反应过程中因反应产物沉积造成的堵塞、应力、极化增大等问题，大大提高能量利用效率和电化学性能。

工作原理：工作时，电解液通过管路抽送至反应腔1内，金属电极3发生氧化反应(生成金属氧化物和氢氧化物)，通过外电路给水电极2提供电子(同时给外界提供电能)，水电极2上水被还原产生氢气，产生的氢气，氢气可以先泵入氢气腔6内存储，或者直接供给氢燃料电池7、热机8等设备使用。

反应式1：

其中氢燃料电池7发电过程等效于氢气与外界的氧气反应生成水，相当于：

反应式2：

其中M代表金属原子，这里以一价金属为例，其他价态金属反应过程类似，不做赘述。

本发明的水系电池系统，通过金属电极3作为能量载体，以电解液中的水作为反应物，二者发生如反应式1的反应，整个反应过程可以提供电能：

金属电极3会随着反应逐渐消耗，这个金属电极3来源广泛，其在消耗的过程中，我们可以采用直接增加或者更换金属电极3的方式来补充能量，等效于一个充电的过程，耗时短；

而另一种消耗的反应物为水，无毒无害，廉价，水系环境工作，不会发生类似于锂电池热失控后电解液燃烧爆炸的风险，安全系数高；

同时产物氢气可以作为二次能源，可以进一步提高能量密度。

传统金属空气燃料电池的一个致命问题是，静置状态，金属电极3会发生腐蚀从而引入自放电问题，大大降低能量利用效率，而本发明引入了电解液腔5，在停止工作时，可以关闭反应腔1上氢气出气口11，使氢气就会在反应腔1内部聚集，反应腔1内的压强随着反应逐渐变大，同时开启双向泵将反应腔1内电解液抽送回电解液腔5内，使金属电极3与电解液分离并处于氢气的还原保护氛围内，从而可以完全杜绝腐蚀反应的发生，避免自放电情况，大大提高能量利用率。

除了利用产生的氢气本身的压力把电解液排除反应腔之外，还可以使用泵直接把电解液抽至电解液腔5，同样可以实现金属阳极与电解液的分离。

此外，还可以通过引入保护液腔来进一步保护金属电极3不被腐蚀，保护液腔内盛有阳极保护液，保护液腔与反应腔1连通且连接管路上设有双向泵，在停止工作后，将保护液腔内的阳极保护液抽送至反应腔1内将金属电极3覆盖，阳极保护液优选不溶于水的有机液，更优选全氟聚醚油，阳极保护液通过双向泵往返于反应腔1和保护液腔之间，实施过程电极隔离片4可以把反应腔1分成两部分，由于阳极保护液自身的表面张力作用，使阳极保护液无法通过电极隔离片4但是电解液可以通过，这样可以只将阳极保护液注入到反应腔1内、金属电极3一侧，无需在水电极2一侧注入阳极保护液，进而降低阳极保护液用量，提升系统能量密度。

需要说明的是由于碱金属金属(如锂)直接与水接触会发生剧烈的反应，所以在采用金属锂作为实施例时，需要在金属锂表面包覆一层电解质保护层，保护层具有金属离子导电性，同时又能极大的抑制金属与电解液的反应，从而进一步提高电化学性能(如固态金属电池中的电解液保护层)。电解质保护层可以有多种选择，属于一般的现有技术，不做赘述。

下面以金属电极为Zn、Li和Al为实施例进行说明：

对比例1功率密度比较大，但是能量密度却很低只有0.000447Wh/g，已经失去了作为一个能源器件的意义，没有实用价值；

对比例2中，此时功率密度太低只有0.991mW/g，也没有合适的应用场景。

实施例1～12中，能量密度介于0.001～2.836Wh/g之间，对应的功率密度介于1.113～50mW/g之间，可以应用于不同的场景。实际应用中，不同的场景下对于能量密度和功率密度的需求差别很大，从小型的如蓝牙耳机到稍微大一点的电子产品比如手机平板电脑等再到家用电器、机器人再到汽车、轮船等大型设备，对于能量密度和功率密度以及安全性等方面的需求差异也比较大，通过合理的调控反应系统，就可以分别满足各种各样的应用场景。

比如从能量密度的角度考虑：

能量密度介于0.001～0.007Wh/g的情况比较适合于一些小型便携式供给电源，如穿戴应用的小型传感器电源，智能电子卡等；

当能量密度介于0.007～0.1Wh/g，应用场景还是比较多的，比如蓝牙耳机、智能手表、演唱会发光灯牌等等；

当能量密度介于0.1～0.15Wh/g之间时，比较适合于一些小型的电子设备，比如手机、平板电脑、相机等；

能量密度介于0.15Wh/g～0.2Wh/g之间时，时就可以用作电动设备的电源了，比如平衡车、电动自行车、汽车等；

能量密度介于0.2Wh/g～0.4Wh/g之间时，时就非常适合于一些长续航的家厅用车，也可以用作船舶等水上交通工具，还可以作为机器人以及一些非固定式家用电器的电源；

能量密度介于0.4Wh/g～0.8Wh/g之间时，对于产长途货运车来说是一个极佳的选择；

能量密度介于0.8Wh/g～1.2Wh/g之间时，就可以用于为无人机等飞行设备；

能量密度大于1.2Wh/g时，适用于用于飞行运输设备、航天设备等；

从功率密度的角度考虑：

功率密度介于1～10mW/g时，动力性能相对较弱，可以用于小型电子设备，如智能电子卡等；

功率密度介于10～20mW/g时，可以用于智能手环、电子表、传感器等设备；

功率密度介于20～30mW/g时，可以用于电子玩具车等；

功率密度介于30～40mW/g时，适合桌面风扇等；

功率密度介于40～50mW/g时，日常电动工具，如电动自行车、滑板车等；

功率密度大于50mW/g时，可用于小型汽车、电动三轮车等；

当能量密度小于0.001(Wh/g)或者功率密度小于1(mW/g)的话，就很难满足上述的应用场景，没有实际应用意义，需要说明的是，实际应用时，可以通过跟其他能源器件匹配使用来拓宽应用场景范围，比如跟功率性能极佳的超级电容器联合使用，从而可以灵活的调控整个系统的功率密度，实际山，引入超级电容器后可以使系统的功率密度提升十倍以上。

此外，当阳极消耗完时，可以直接补给固态的金属电极3，完成快速能量补充。实际应用时，可以把金属电极3设置成块状、条状、者颗粒状、圆球状等形态，方便直接“加注”补给。具体结构设计可以本领域从业人员可根据应用环境灵活设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水系电池系统，其特征在于，包括：

反应腔(1)，其上设有氢气出气口(11)；

水电极(2)，位于反应腔(1)内，作为水的还原反应场所；

金属电极(3)，位于反应腔(1)内，作为能量载体；

电极隔离片(4)，设置于反应腔(1)内，用于将水电极(2)和金属电极(3)隔开；

电解液腔(5)，其内盛有电解液，通过管路与反应腔(1)连通，所述电解液腔(5)内的电解液通过管路往返于反应腔(1)和电解液腔(5)之间；

所述水电极(2)和金属电极(3)分别通过导线引出反应腔(1)作为电能输出端，所述反应腔(1)内反应产生的氢气作为二次能源通过氢气出气口(11)排出存储或者直接供给能源器件使用。

2.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述金属电极(3)的密度为ρ(g/cm³)，总质量为WM(g)，所述水电极(2)的总投影面积为SH₂O(cm²)，满足：

其中K＝1/4为量纲调整系数。

3.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：还包括与氢气出气口(11)连通的氢气腔(6)，所述氢气腔(6)用于将反应腔(1)内产生的氢气存储起来，连接氢气出气口(11)与氢气腔(6)的管路上设有单向阀、开关和气泵。

4.根据权利要求3所述的一种水系电池系统，其特征在于：还包括氢燃料电池(7)和/或热机(8)，所述反应腔(1)和/或氢气腔(6)通过管路分别与氢燃料电池(7)和/或热机(8)连通，且连接管路上分别均设有单向阀、开关和气泵。

5.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：还包括与反应腔(1)连通的保护液腔，所述保护液腔内盛有阳极保护液，所述反应腔(1)与保护液腔的连接管路上设有双向泵。

6.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述金属电极(3)采用锂、钠、钾、钙、镁、铝、锌和铁中的任意一种或者任意几种的合金。

7.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述电解液为碱性溶液或盐溶液。

8.根据权利要求7所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述碱性溶液为含有氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液，所述盐溶液为至少含有氯化钠、硫酸钠、硝酸钠，氯化钾、硫酸钾和硝酸钾、硝酸铝中的任意一种的溶液。

9.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述反应腔(1)与电解液腔(5)之间的管路上设有双向泵。

10.根据权利要求1所述的一种水系电池系统，其特征在于：所述反应腔(1)和/或电解液腔(5)内还设置有用于分离反应沉淀物的过滤装置。

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