一种金属-酸-氢气能源电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种金属-酸-氢气能源电池。

背景技术

电池是一种盛装有电解质溶液和金属电极以产生电流的的装置，能将化学能转化成电能。在化学电池中，化学能直接转变为电能是依靠电池内部自发进行的氧化还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质通常是由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等；正极活性物质主要是由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等；电解质通常是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。

化学电池按工作性质可分为一次电池(原电池)、二次电池(可充电电池)、铅酸蓄电池和燃料电池；其中，二次电池可分为镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，氢燃料电池主要利用氢气和氧气的化学能直接转换成电能进行发电；然而，现有的可充电锂电池存在能量密度低、质量大、寿命短、阳极阴极材料昂贵等缺陷，而氢能源利用存在运输与储存困难等问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属-酸-氢气能源电池，该电池既提供电能也产生氢气，从而解决了氢能源利用中氢气的产生、储藏与运输等技术难题，大大增加了电池的总体能量密度，扩大电池负极材料和正极材料的选择范围，降低了电池电极的成本，延长了充电电池寿命。

本发明提供一种金属-酸-氢气能源电池，包括电解液室和储酸容器，电解液室具有电解液口和氢气收集口，在电解液室中相对插设有金属阳极和阴极，电解液室与储酸容器通过加酸管道连通，在加酸管道上设有阀门。

进一步地，在储酸容器上设有氢离子入口，电解液室与储酸容器还通过充电管道连通，在充电管道的流通通道中设有阴离子膜，在氢离子入口和充电管道上分别设有阀门。

进一步地，在电解液室中设有隔离件，隔离件包括阴离子膜和阀门，隔离件中的阴离子膜将电解液室分隔为第一工作区和第二工作区，金属阳极和阴极分别位于第一工作区和第二工作区中，第一工作区与第二工作区通过隔离件中的阀门连通，在第一工作区和第二工作区分别设有氢气收集口。

进一步地，氢气收集口直接或者通过低压储气罐与氢燃料电池的氢气进口或内燃机的燃料进口连通。

进一步地，本发明的金属-酸-氢气能源电池还包括控制件，控制件分别与各阀门电性连接以对其进行控制。

进一步地，在氢气输出管道和电解液输入管道上分别设有阀门，控制件分别与氢气输出管道和电解液输入管道上的阀门电性连接以其进行控制。

进一步地，金属阳极为锂阳极、钾阳极、钠阳极、钙阳极、镁阳极、铝阳极、铍阳极、钛阳极、锰阳极、锌阳极、铁阳极、镍阳极或合金阳极。

进一步地，阴极为石墨阴极、铜阴极、银阴极、金阴极或铂阴极。

进一步地，储酸容器中储存有酸液，酸液为无机酸和/或有机酸，酸液选自碳酸、盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、氢溴酸、甲酸和乙酸中的一种或多种混合。

进一步地，电解液室中储存有电解液，电解液为水与可溶性盐的溶液或离子液与可溶性盐的溶液。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的金属-酸-氢气能源电池通过设置金属阳极、阴极和储酸容器，在提供电量的同时能够产生氢气，从而解决了氢能源利用中氢气的产生、储藏与运输等技术难题，提高了电池的整体比能；

2、本发明的金属-酸-氢气能源电池可以通过控制电解液的酸浓度和电解液在电解液室中的量来控制放电速率与产生氢气速率，产生的氢气能够直接或通过低压储气罐输送至氢燃料电池进一部产生电能或者将氢气作为内燃机燃料直接产生动力；

3、本发明的金属-酸-氢气能源电池能够同时利用化学能和氢能进行发电，从而大大增加了电池的总体能量密度；此外，利用酸液与金属阳极进行反应，扩大了电池负极材料和正极材料的选择范围，降低了电池电极的成本，延长了充电电池寿命；

4、本发明的金属-酸-氢气能源电池既可以作为一次电池，也可以作为可再充电池，应用范围非常广泛，可作为飞机、汽车、电动摩托车、各型无人机、船舶、潜艇等交通运输工具的动力来源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为实施例1的金属-酸-氢气能源电池在放电过程的结构示意图；

图2为实施例1的金属-酸-氢气能源电池在充电过程的结构示意图；

图3为实施例2的金属-酸-氢气能源电池在放电过程的结构示意图；

图4为实施例2的金属-酸-氢气能源电池在充电过程的结构示意图。

附图标记说明：

1：电解液室；2：储酸容器；3：电解液口；4：氢气收集口；5：金属阳极；6：阴极；7：氢离子入口；8：加酸管道；9：充电管道；10：外部电源；11：隔离件；12：第一工作区；13：第二工作区；14：酸液；15：电解液。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1、图2所示，本实施例的金属-酸-氢气能源电池，包括电解液室1和储酸容器2，电解液室1具有电解液口3和氢气收集口4，在电解液室1中相对插设有金属阳极5和阴极6，电解液室1与储酸容器2通过加酸管道8连通，在加酸管道8上设有阀门(未图示)。具有该结构的金属-酸-氢气能源电池可以作为一次电池。

进一步地，在储酸容器2上设有氢离子入口7，电解液室1与储酸容器2还通过充电管道9连通，在充电管道9的流通通道中设有阴离子膜(未图示)，在氢离子入口7和充电管道9上分别设有阀门(未图示)。具有该结构的金属-酸-氢气能源电池可以作为可再充电池。

在上述金属-酸-氢气能源电池中，储酸容器2主要用于储存并向电解液室1提供酸液14，对其结构不作严格限制，可以采用本领域常规的储酸容器。具体地，储酸容器2可以具有氢离子入口7，充电过程中外部电源10水解时生产的氢离子可以通过氢离子入口7进入储酸容器2。在储酸容器2中储存有酸液14，对酸液14不作严格限制，可以为本领域常规的无机酸和/或有机酸；具体地，酸液14可以选自碳酸、盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、氢溴酸、甲酸和乙酸中的一种或多种混合。由于在持续放电过程中电解液室1中的酸液的浓度会下降，因此储酸容器2中储存的酸液可以为高浓度酸，为了保持放电反应的持续进行，可以将储酸容器2中的高浓度酸通过加酸管道8加入电解液室1中，从而维持电解液15中酸的浓度恒定；可以理解，高浓度酸在进入电解液室1后被稀释，从而电解液15中的酸液为低浓度酸，其在与金属阳极5反应时较为温和，保证了电池的安全性。

电解液室1主要用于盛装电解液15、金属阳极5和阴极6以将化学能转化成电能从而产生电流，对其结构不作严格限制，可以采用本领域的常规结构。在电解液室1中相对插设有金属阳极5和阴极6；其中，金属阳极5可以采用锂阳极、钾阳极、钠阳极、钙阳极、镁阳极、铝阳极、铍阳极、钛阳极、锰阳极、锌阳极、铁阳极、镍阳极、合金阳极等，阴极6可以采用石墨阴极、铜阴极、银阴极、金阴极、铂阴极等。此外，在电解液室1中储存有电解液15，对电解液15不作严格限制，可以采用本领域的常规电解液，例如水与可溶性盐的溶液或离子液与可溶性盐的溶液等。

在电解液室1上设有电解液口3，电解液口3主要用于电解液15进入电解液室1，其可以设置在电解液室1的下部。当需要放电时，可以将电解液15从电解液口3注入电解液室1，此时阴极6将会产生氢气；当停止放电时，可以将输送电解液15的管道从电解液室1抽出，或者将金属阳极5从电解液室1移出，此时放电停止。

此外，在电解液室1上还设有氢气收集口4，氢气收集口4主要用于收集氢气，其可以设置在电解液室1的上部。进一步地，金属-酸-氢气能源电池还可以包括低压储气罐(未图示)，低压储气罐主要用于低压储存氢气，此时低压储气罐的进口端可与氢气收集口4连通。氢气收集口4可以直接或者通过低压储气罐与氢燃料电池的氢气进口或内燃机的燃料进口连通，从而便于对产生的氢气进行利用。上述方式能够良好地解决氢能源利用中氢气的储藏与运输等技术难题。

在本发明的金属-酸-氢气能源电池中，可以通过控制电解液中的酸浓度和电解液在电池电解液室中的量来控制放电速率与产生氢气速率。

为了便于对金属-酸-氢气能源电池的运行进行控制，还可以设置控制件(未图示)，控制件可以分别与各阀门电性连接以对各阀门进行控制。具体地，在需要向储酸容器2中输送氢离子时，可以通过控制件控制氢离子入口7上的阀门开启，从而便于向储酸容器2中输送氢离子；在需要从储酸容器2向电解液室1加酸时，可以通过控制件对加酸管道8上的阀门进行控制以调节加酸量，进而调节电池反应产生氢气与放电速率；在充电时，可以通过控制件控制充电管道9和氢离子入口7上的阀门开启，电解液15中原本与金属离子配对的阴离子通过充电管道9进入储酸容器2，同时外部电源10水解生产的氢离子通过氢离子入口7进入储酸容器2与从充电管道9进入储酸容器2的阴离子结合，当充电完成时控制充电管道9上的阀门。

此外，还可以在氢气输出管道和电解液输入管道上分别设置阀门，控制件可以分别与氢气输出管道和电解液输入管道上的阀门电性连接以其进行控制；可以理解，氢气输出管道是用于向氢燃料电池或内燃机提供氢气的管道，电解液输入管道是用于向电解液室1输送电解液15的管道，电解液输入管道与电解液口3连通。在需要结束放电时，可以通过控制件控制电解液输入管道上的阀门关闭，此时放电反应终止；此外，在需要对氢气进行利用时，可以通过控制件控制氢气输出管道上的阀门开启，此时可以向氢燃料电池或内燃机提供氢气。

结合图1所示，金属-酸-氢气能源电池的放电过程如下：

电解液15经电解液口3进入电池的电解液室1中，同时酸液14经储酸容器2通过加酸管道8进入电池，在电解液室1中，金属阳极5与酸液反应产生氢气，阳极中的金属失去电子成为金属离子进入电解液15中，电子从金属阳极5出发流向阴极6并与电解液15中的氢离子结合产生氢气；原本与酸液14配对的阴离子与新生成的金属阳离子结合，在这个过程中产生的电流可用于驱动电器。同时，产生的氢气在氢气收集口4被收集输送到低压储气罐，后续可作为燃料用氢燃料电池进一部产生电能或者将氢气作为内燃机燃料直接产生动力。如需持续放电，可从储酸容器2中将酸液14持续加入电解液室1中，通过控制件控制加酸量从而调节电池反应产生氢气与放电速率；如需结束放电，可以将电解液输入管道从电解液口3抽出、将金属阳极5从电解液室1中移出或利用控制件控制电解液输入管道上的阀门关闭，此时电池放电反应终止。

结合图2所示，金属-酸-氢气能源电池充电过程如下：

电解液15经电解液口3进入电池的电解液室1中，阳极接入外部电源10的负极，外部电源10的正极位于外部电源10的水性电解液内，外部电源10的电解液通过管道与氢离子入口7连接，控制氢离子入口7上的阀门开通。充电时，控制加酸管道8上的阀门关闭，充电管道9上的阀门开通；外部电源10的正极电解水分子产生氧气与氢离子，正极从水分子中获得电子，将电子输送到外部电源10的负极，电子再从负极进入电池的金属阳极5与电池中的电解液15金属离子结合形成金属原子。电池电解液15中原本与金属离子配对的阴离子通过充电管道9进入储酸容器2。同时，在外部电源10水解时生产的氢离子通过氢离子入口7进入储酸容器2与从充电管道9进入储酸容器2的阴离子结合。当充电完成时，控制充电管道9上的阀门关闭，氢离子入口7上的阀门关闭，与外部电源10的电解液管断开。

以镁金属作为阳极材料(即采用镁阳极)，以稀盐酸溶液作为电解液15，石墨作为阴极材料(即采用石墨阴极)时，测得电压为1.8伏，放电电流密度达到30毫安每平方厘米。使用镁金属质量24克，盐酸质量73克，克产生氢气2克，实际测得产生电能60wh。按以上实际测得数据计算电池比能约为0.6kwh/kg，此外计入生产的氢气所能产生的电能，合计总比能超过1KWh/Kg。基于上述实验数据，金属-酸-氢气能源电池产品的比能可以接近1.5KWh/Kg。

实施例2

本实施例的金属-酸-氢气能源电池在实施例1的金属-酸-氢气能源电池的基础上进行如下改进。

结合图3、图4所示，本实施例的金属-酸-氢气能源电池，在电解液室1中还设有隔离件11，隔离件11包括阴离子膜和阀门(未图示)，隔离件11中的阴离子膜将电解液室1分隔为第一工作区12和第二工作区13，金属阳极5和阴极6分别位于第一工作区12和第二工作区13中，第一工作区12与第二工作区13通过隔离件11中的阀门连通，在第一工作区12和第二工作区13分别设有氢气收集口4。此外，隔离件11中的阀门可与控制件电性连接以便对阀门进行控制。

结合图3所示，金属-酸-氢气能源电池的放电过程如下：

电解液15经电解液口3进入电解液室1的第一工作区12，控制隔离件11中的阀门开通，金属阳极5失去电子成为金属阳离子进入电解液15。电子从金属阳极5流向阴极6，与第二工作区13的氢离子结合产生氢气。原本与氢离子配对的负离子通过隔离件11的阴离子膜进入第一工作区12与新生成的金属离子结合。在放电过程中，有少量氢离子扩散到第一工作区12与金属阳极5反应生成氢气。放电过程中产生的氢气由第一工作区12和第二工作区13的氢气收集口4分别排出电池，在这个过程中电池产生电流可用于驱动电器。同时，产生的氢气在氢气收集口4被收集输送到低压储气罐，后续可作为燃料在氢燃料电池中进一部产生电能或者将氢气作为内燃机燃料直接产生动力。如需持续放电，可控制加氢管道上的阀门开启，从而使储酸容器2中的酸液14持续加入第二工作区13，同时可以通过控制阀门调节加酸量，进而调节电池反应产生氢气与放电速率；如需结束放电，可以将电解液输入管道从电解液口3抽出、将金属阳极5从第一工作区12中移出或利用控制件控制电解液输入管道上的阀门关闭，此时电池放电反应终止。

结合图4所示，金属-酸-氢气能源电池充电过程如下：

电解液15经电解液口3进入第一工作区12，阳极接入外部电源10的负极，外部电源10的正极位于外部电源10的水性电解液内，外部电源10的电解液通过管道与氢离子入口7连接，控制氢离子入口7上的阀门开通。充电时，控制加酸管道8上的阀门关闭，同时充电管道9上的阀门开通。外部电源10的正极电解水分子产生氧气与氢离子，正极从水分子中获得电子，将电子输送到外部电源10的负极，电子再从电源负极进入电池的金属阳极5与第一工作区12中的电解液金属离子结合形成金属原子。电池电解液15中原本与金属离子配对的阴离子通过隔离件11的阴离子膜和阀门进入第二工作区13，阴离子再从充电管道9进入储酸容器2。同时，在外部电源10水解时生产的氢离子通过氢离子入口7进入储酸容器2与从充电管道9进入储酸容器2的阴离子结合。当充电完成时，控制充电管道9上的阀门关闭，同时氢离子入口7上的阀门关闭与外部电源10电解液管断开。

上述金属-酸-氢气能源电池设有储酸容器2，储酸容器2中储存的酸液14通过加酸管道8与电解液室1连通，酸液14能够与金属阳极5反应产生氢气，金属阳极5失去电子成为金属离子进入电解液15中，电子从金属阳极5出发流向阴极6与电解液15中的氢离子结合产生氢气，原本与酸液14配对的阴离子与新生成的金属阳离子结合，在此过程中产生的电流可用于驱动电器；同时，产生的氢气在氢气收集口4被收集输送到低压储气罐，后续可作为燃料用氢燃料电池进一部产生电能或者将氢气作为内燃机燃料直接产生动力。上述金属-酸-氢气能源电池既提供电能也产生氢气，从而解决了氢能源利用中氢气的产生、储藏与运输等技术难题；由于能够同时利用化学能和氢能进行发电，从而大大增加了电池的总体能量密度；通过设置隔离件11，良好地保护了金属阳极5，避免了金属阳极5的损耗；此外，利用酸液14与金属阳极5进行反应，扩大了电池负极材料和正极材料的选择范围，降低了电池电极的成本，延长了充电电池寿命；上述金属-酸-氢气能源电池应用范围广泛，可作为飞机、汽车、电动摩托车、各型无人机、船舶、潜艇等交通运输工具的动力来源。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。