一种水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置

技术领域

本发明涉及金属空气电池的技术领域，尤其涉及一种水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置。

背景技术

随着人类社会进步与发展，为避免传统化石能源的过度消耗和二氧化碳温室气体排放等问题，对能源产业的升级以及清洁能源的使用日益受到大家关注。尤其是近年来，随着新能源汽车、智能微电网及5G移动通讯等技术的快速发展，人类社会发展对电力能 源的依赖程度越来越强，人类社会活动对电源需求以及经济性要求越来越高。然而，现有 的燃油发电机组及各类化学电源(如铅酸电池、锂离子电池、氢燃料电池等)难以完全满 足人们对电源的安全性、经济性和长续航等多样化需求。尤其在应急电源环境污染、重大 灾害水电热应急保障、动力电池续航时间短、战时供电安全与战略替代能源等军用和民用 的痛点难题上，传统能源体系难以提供合适的电源解决方案。

金属空气电池，又称为金属空气燃料电池或金属燃料电池，是一种将镁、铝等轻金属为燃料的化学能直接转化为电能的发电/储能装置。它具有比能量密度高、成本低、 安全性高、低热辐射、低噪音、储存时间久、放电寿命长、适配温度范围宽、资源丰富及 绿色无污染等优势；尤其是比能量密度远高于其它传统电池，其中铝的理论能量密度可达 8140瓦时/公斤，是当前商业化锂离子电池的数十倍，因此，被称为“面向21世纪的绿 色能源”。

鉴于金属空气电池具有的上述优点，其作为应急、备用电源非常适合用于解决军用和民用的某些场景的痛点难题。可望实现在电动汽车、智能微电网、通讯基站与应急救灾等领域的规模应用。

目前现有的，无论是燃油发电机组，还是各类化学电源(如铅酸电池、锂离子电池、氢燃料电池等)均难以完全满足人们对电源的安全性、经济性、便捷性、长续航等多 样化综合性需求，尤其是关于水电热应急保障方面无法满足人们的特殊需求。

由鉴于此，亟需提供一种综合性能优异的，可满足特定场合应急保障特殊需求的水电热一体式应急保障装置。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明提供了一种水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置，以解决现有应急保障装置在安全性、经济性、便捷性、长续航等方面的 综合性问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置，所述应急保障装置包括：

壳体，所述壳体包括可开合的上盖；

腔体，所述腔体设置在所述壳体内且位于所述上盖下方的对应位置；

供水单元，所述供水单元包括控制部件、过滤装置和水冷管道，所述水冷管道铺设在所述腔体的底部并与电解液接触，所述控制部件与金属空气电池堆模块电连接；以及

金属空气电池堆模块，所述金属空气电池堆模块可整体移动地设置在所述腔体内， 所述金属空气电池堆模块包括电池堆体、缓冲液箱和控制单元，所述缓存液箱至少部分开 口位置与电池堆体相连通，所述缓冲液箱与腔体之间连接有进液管和出液管，所述控制单 元与电池堆体电连接；

其中，当所述装置处于非工作状态时，所述金属空气电池堆模块置于所述腔体内，当所述装置处于正常工作状态时，所述金属空气电池堆模块从所述腔体内取出置于上盖上方，所述腔体内注入电解液供电池堆体发电输出电能。

优选地，所述进液管的进口端连接有输液泵，所述输液泵设置在腔体内，所述输液泵与金属空气电池堆模块电连接。

优选地，所述电池堆体由至少两个以上的金属空气电池单体组成。

优选地，所述控制部件包括至少一个电磁阀，在所述供水单元进水端或出水端的至少一端连接有所述电磁阀。

优选地，所述控制部件还包括供水泵，所述供水泵连接在所述供水单元的进水端。

优选地，所述腔体通过隔板与壳体形成。

优选地，所述过滤装置为初级过滤装置，所述初级过滤装置设置在水冷管道的进水端。

优选地，所述过滤装置由初级过滤装置和至少一级精密过滤装置组成，所述精密过滤装置设置在水冷管道的进水端或出水端。

优选地，所述金属空气电池堆模块还包括至少一个散热器，所述散热器靠近电池堆体阴极侧。

优选地，所述控制单元为单片机集成模块。

本发明公开的水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置，通过合理的模块化结构设计，巧妙地采用散热件与集流件一体化技术，攻克了铝燃料电池实用化过程中的热逃逸难题；在电源系统集成方面，大胆创新的提出流场、温度场及控制信息流的实时多向联动的电源管理系统的架构设计，突破了免清洗和无水冷系统的集成技术瓶颈，以达到解决驻训、野外勘探、应急救援、战时应急保障等无市电情况下的水电热保障的目的。

本发明产品通过使用普通水源(包括河水、雨水等)便能实现供电、供水和供热 功能，通过一体化便携设备、方舱等解决野外、灾区安置点或城市避难所等不同场景的供 电、供水、供热需求。

本发明的有益效果：

本发明水电热一体化的设计使金属燃料空气电池高集成化，便捷性地实现驻训、野外勘探、应急救援、战时应急保障等无市电情况下的水电热应急保障的效果。

本发明通过电池壳体的结构化设计，包括水源净化系统，堆模块存放空间同时作为电解液箱，电解液循环启动系统一体整合在整个电池壳体内，使电池轻便，美观，实用。

本发明通过合理的模块化结构设计，使电路控制单元、燃料电池堆、散热件及缓冲液箱集成一个整体模块，使得散热集流控制一体化，达到结构紧凑、简单、小巧、携带 便捷的效果。

本发明通过水质净化与燃料电池互相结合的设计方式，直接利用燃料空气电池发电使普通水源分级净化处理，达到生活使用和直接饮用的效果，进一步达到水电一体化的效果。

附图说明

图1为本发明水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置的结构示意图。

图2为本发明金属空气电池堆模块的结构示意图。

图3为本发明应急保障装置工作前的整体示意图。

图4为本发明应急保障装置工作时金属空气电池堆模块与外壳的相对位置示意图。

其中，壳体1，腔体2，供水单元3，金属空气电池堆模块4，上盖11，进液管21， 出液管22，输液泵23，初级过滤装置31，水冷管道32，精密过滤装置33，电池堆体41， 缓冲液箱42，散热器43，控制单元44，隔板201。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。

实施例

如图1-4所示，一种水电热一体式金属空气燃料电池应急保障装置，其包括：

壳体1，所述壳体1包括可开合的上盖11；可开合的上盖11，便于金属空气电池 堆模块4从壳体1中取出，并放置在壳体1上方，所述上盖11可以是部分开合的，也可 以是整体开合的。

腔体2，所述腔体2设置在所述壳体1内且位于所述上盖11下方的对应位置；所 述腔体2通过隔板201与壳体1形成。所述腔体2即可用来存放金属空气电池堆模块4， 又可当作电解液箱用于储存电解液。进而减少了整体装置的体积，增加了携带的便捷性。

供水单元3，所述供水单元3包括控制部件、过滤装置和水冷管道32，所述水冷 管道32铺设在所述腔体2的底部并与电解液接触，所述控制部件与金属空气电池堆模块 4电连接；所述供水单元3设置在壳体1内，在壳体1上设有进水口和出水口。供水单元 3的水源可以是市政生活用水，亦可以是河水、雨水等自然水源，供水单元3的水冷管道 32通过电解液箱的设计，使得燃料电池电解液的热量能够快速散出，另外，吸收热量后 的水流，自身温度升高，为户外恶劣天气下的生活用水提供了更好的舒适性和方便性，无 需另外热源加热即可使用；因此一方面解决了燃料空气电池发电时升温过快的问题难关， 另一方面使燃料空气电池产生的废热得以再收集利用，一举两得，真正达到水电热一体化 的效果。

金属空气电池堆模块4，所述金属空气电池堆模块4可整体移动地设置在所述腔体2内，所述金属空气电池堆模块4包括电池堆体41、缓冲液箱42和控制单元44，所述 缓存液箱至少部分开口位置与电池堆体41相连通，所述缓冲液箱42与腔体2之间连接有 进液管21和出液管22，所述控制单元44与电池堆体41电连接。所述电池堆体41由至 少两个以上的金属空气电池单体组成，所述金属空气电池单体主要由阴极板和阳极板组 成；所述电池堆体41安放缓冲液箱42上方，使电池堆体41中循环进出液经过缓冲液箱 42的收集，重新分配，使每个单体可以平稳运行，控制单元44整合在堆体上，管理控制 整个金属空气电池堆模块4运行。所述进液管21和出液管22可以是软管直接连接好的， 金属空气电池堆模块4取出和放入腔体2无需拆卸所述进液管21和出液管22；所述进液 管21和出液管22也可以是硬管连接，金属空气电池堆模块4取出和放入腔体2时需要拆 卸和安装所述进液管21和出液管22。

其中，当所述装置处于非工作状态时，所述金属空气电池堆模块4置于所述腔体 2内，当所述装置处于正常工作状态时，所述金属空气电池堆模块4从所述腔体2内取出 置于上盖11上方，所述腔体2内注入电解液供电池堆体41发电输出电能。所述电解液为 强碱溶液或中性的盐溶液，优选的，强碱溶液选用KOH电解液或NaOH电解液，中性的 盐溶液选用NaCl盐溶液。

在其中一个实施例中，所述进液管21的进口端连接有输液泵23，所述输液泵23 设置在腔体2内，所述输液泵23与金属空气电池堆模块4电连接。进液管21、出液管22 和输液泵23构成了电解液的加注循环单元，为金属空气电池堆模块4提供电解液的补充， 同时，通过该循环单元，将电池堆体41中的热量通过高温电解液的输出，进而与水冷管 道32换热，完成热量的利用后的低温电解液再循环进电池堆体41供其发电使用。

在其中一个实施例中，所述控制部件包括至少一个电磁阀(未示出)，在所述供 水单元3进水端或出水端的至少一端连接有所述电磁阀。优选地，所述控制部件还包括供 水泵(未示出)，所述供水泵连接在所述供水单元3的进水端。

在其中一个实施例中，所述过滤装置为初级过滤装置31，所述初级过滤装置31 设置在水冷管道32的进水端。

在其中一个实施例中，所述过滤装置由初级过滤装置31和至少一级精密过滤装置33组成，所述精密过滤装置33设置在水冷管道32的进水端或出水端。

所述初级过滤装置31和精密过滤装置33设置在壳体1内。普通水源经过初级过 滤装置31过滤后，再经过两级精密过滤净化，产出生活用水，进一步地，如经三级精密 过滤净化，则可产出适用于饮用的产水。

在其中一个实施例中，所述金属空气电池堆模块4还包括至少一个散热器43，所述散热器43靠近电池堆体41阴极侧。所述散热器43选择风冷散热系统，其附着在电池 堆体41旁，使电池堆体41的温度充分散热。

在其中一个实施例中，所述控制单元44为单片机集成模块。控制单元44用于将 电池堆体41放出的电能以恒压、恒流或恒功率等不同输出模式为供输液泵23、供水泵、 电磁阀、散热器43等用电器件提供电力保障。同时控制单元44用以控制输液泵23、供 水泵、电磁阀、散热器43等用电器件的启停动作。

在其中一个实施例中，所述装置还包括一个用于外接电源的接口。所述接口与外接电源连接，所述外接电源可以是便携式的小功率动力电池，例如锂电池。外接电源使得输液泵23动作，进而使电解液进入到电池堆体41内进行发电。

本发明应急保障装置的工作过程：

当金属空气燃料电池使用时，首先将金属空气电池堆模块4从壳体1内取出，放 置在壳体1上盖11的上方；其次，在腔体2内配制电解液，连接好电解液加注循环管路， 通过外接动力电池作为启动电源，启动输液泵23动作，进而使金属空气电池堆模块4工 作开始发电，电池发出的电一方面为供水单元3提供电源带动供水单元3工作，污水经初 级过滤装置31过滤，进入水冷管道32，再经过二级或三级精密过滤装置33净化，产出 生活用水或直接饮用水，由于水经过高温电解液加热，产出的水为温水，方便生活使用。 电池发出的电另外一方面为输液泵23和散热器43提供电能，使得散热器43工作并使外 接启动电源撤掉后可继续保持工作。

当金属空气燃料电池停止使用时，关闭金属空气电池堆模块4控制单元44上的停止按钮，电池停止发电。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。