[发明专利]一种金属氧气电池/氢氧燃料电池一体式组合电源

说明书

技术领域

本发明涉及高能量电源技术，特别是用于应急电源和水下电源的高能 量电源。本发明主要针对解决金属氧气电池阳极腐蚀析氢问题，提高金属 氧气的电池能量利用率，提出一种金属氧气电池-氢氧燃料电池一体式组合 电源及技术方案。

背景技术

金属氧气(或空气)电池是以金属阳极作燃料，氧气作氧化剂，将燃 料的化学能转变为电能的电池。它由金属阳极，盐或碱水溶液电解液，氧 气阴极构成。金属阳极常用材料为Mg、Al、Zn、Fe、Li及其合金，阴极 活性物质为氧气，相应电池称为镁氧气电池(Mg-O₂)、铝氧气电池(Al-O₂)、 锌氧气电池(Zn-O₂)、铁氧气电池(Fe-O₂)、锂氧气电池(Li-O₂)。Mg-O₂电池电解液一般为中性盐水(或海水)等，Fe-O₂、Al-O₂、Zn-O₂和Li-O₂电池电解液一般为强碱水溶液如NaOH、KOH等。

氢氧燃料电池(H₂-O₂燃料电池)以氢气作阳极燃料，氧气作阴极氧 化剂，将燃料的化学能转变为电能的电池。它由氢气阳极，隔膜，氧气阴 极构成。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。H₂-O₂燃料电池常用的隔膜有酸性导质子膜(如Nafion)、碱性导氢氧根离子膜(如 季铵化四氟乙烯与全氟乙烯酯的共聚物)，含有电解液的多孔材料。常用 的电解液有酸性导质子的H₃PO₄、碱性导氢氧根离子的KOH，NaOH水溶液， 中性NaCl，KCl，NaClO₃水溶液等。

金属氧气(或空气)电池具有能量密度高、储存寿命长、噪声低等特 点，可广泛用于应急电源、水下电源等领域。由于金属氧气电池工作时金 属阳极产生副产物氢气，降低了燃料的利用率，制约了金属氧气电池的实 际应用。

针对金属氧气电池阳极腐蚀析氢问题，目前采取的方法有以下三种。 (1)在金属阳极中添加其它元素，形成合金，以增大析氢过电位，抑制氢 气的析出。Jeffrey等人的美国专利(US Patent 4751086)报道才用Mn， Mg和In元素作为金属Al阳极腐蚀抑制剂。Hunter等人在美国专利(US Patent4942100)中报道了Ca，Mn元素作为金属Al阳极腐蚀抑制剂。但 这种方法增加了阳极成本，同时也不能完全解决析氢问题。(2)在电解液 中添加腐蚀抑制剂。Henry等人的欧洲专利(EP1140635)报道采用KBr 水溶液电解液，Na₂CrO₄为腐蚀抑制剂。Oehr等人的美国专利(Application No.US2003/0054208 A1)报道采用AZ31，AM60等镁合金和NaCl电解质 的金属氧气电池，可选用亚锡酸钠、二硫代缩二脲和季铵盐等作腐蚀抑制 剂。但添加腐蚀抑制剂不但增加电池运行成本，同时对环境有一定伤害。 (3)顾晓青等人的中国发明专利“双燃料电池”(公开号CN1434538A) 提出采用H₂-O₂燃料电池消除金属氧气电池阳极腐蚀副产物氢气，与金属 氧气电池构成“双燃料电池”。该“双燃料电池”之间通过一个气体通道连 接，实际是两种独立电池的复合。由于H₂-O₂燃料电池本身制备工艺复杂、 成本高，同时与金属氧气电池匹配、控制困难，使用维护不方便，严重制 约了该技术方案的应用。

发明内容

为了解决金属氧气电池阳极腐蚀析氢问题，克服上述目前技术的不 足，本发明提供一种金属氧气电池/氢氧燃料电池一体式组合电源，既可原 位消除金属氧气电池的副产物氢气，又可回收部分能量。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

金属氧气电池/氢氧燃料电池一体式组合电源包括主电源金属氧气电 池及氢氧燃料电池两部分，依次由金属阳极、电解液腔、H₂-O₂燃料电池阳 极、隔膜、阴极、阴极腔构成。