[发明专利]金属-空气燃料电池

说明书

本申请涉及金属-空气燃料电池及其用途，包括用作用于装置和产品的长寿命的、机械可充电的直流电源。

技术领域

本发明涉及金属-空气燃料电池及其用途，所述用途包括用作用于装 置和产品的长寿命的机械可充电的直流电源。

背景技术

本说明书中对任何在先公开或来源于其的信息或者对已知的任何内 容的引用不被且不应被视为对在先公开或来源于其的信息或者已知内容 构成本说明书所涉及的致力领域中公知常识的一部分的承认或认可或任 何形式的暗示。

许多产品特别是家用和便携式装置被设计成通过蓄电池(例如AA- 单元电池(cell battery)、C-单元电池和D-单元电池)供电。使用这样的 传统蓄电池时的缺点包括：相对短的运行寿命和有限的保质期，即，即使 在不使用时由于内部(封闭系统)组件随时间的降解而到期。因此，这些 装置也可替代地通过其他来源(包括太阳能或煤油)供电。

使用煤油作为替代能源的缺点包括：每月高成本；环境污染物(释放 到大气中的数百万吨CO₂和黑碳导致全球变暖)；对健康(例如肺、眼睛、 皮肤和整体良好状态)的不利影响；潜在的火灾危险(由于可燃性而引起)； 安全储存和定期购买问题；不适合作为某些产品和装置(例如应急信标、 无线电设备、通信设备和USB设备用充电底座)的电源；以及甚至由于 混淆为饮料而意外饮用所引起的中毒的可能性。

使用太阳能作为替代能源的缺点包括：阳光的量和持续时间(特别是 在冬季期间)的可变性；雨的影响(其在热带雨季/季风季节期间可能将 太阳能可能性降至接近零)；多云条件和雾可能降低发电量(约10％至 80％)；阴影和阴霾也可能降低太阳能动力的效率；太阳的纬度(太阳的 角度)的影响和需要调整太阳能捕获装置的位置以便有效捕获；必须位于 室外以捕获阳光，使其面临被外部要素损坏以及盗窃的风险；以及太阳能 装置本身的局限性，在于其不可充电，因此必须在其寿命结束时进行处理。

金属-空气燃料电池例如镁-空气燃料电池也可以用作传统蓄电池的替 代物。金属-空气燃料电池被认为提供某些优点，包括高能量密度、低价、 和长储存潜力。

一般而言，金属-空气燃料电池通过悬浮在离子水溶液(例如海水或 其他盐水溶液)中来运行，离子水溶液充当空气阴极与阳极之间的电解质。 空气阴极被暴露于氧以允许发生电化学反应。该电化学反应的副产物包 括：

a)释放氢气(和微量的氯气)；以及

b)来自阳极降解的废料(例如金属氢氧化物)。

金属-空气燃料电池技术并非没有其缺点，所述缺点包括：电解质从 电池中泄漏；电极暴露于过量电解质而导致性能干扰；密封问题；气体(例 如氢气和氯气)积聚和排放问题；因失控的放热氧化还原反应引起的危险 温度和压力增加；与阳极降解相关联的废物管理问题(例如，在没有定期 清洁和电解质更换的情况下，在燃料电池内废料累积，导致阴极寿命受 损)。

镁-空气燃料电池在需要更换阳极之前，具有50小时至100小时的典 型寿命。在仅使用100小时至200小时后，或者甚至在初次使用之后的储 存期间，空气阴极的性能通常也会非常迅速地降低。一些金属-空气燃料 电池要求使用者进行严格的定期维护和清洁活动以便使空气阴极寿命最 大化。

典型的金属-空气燃料电池配置由Huebscher,R.G.等的美国专利号 3,519,486(1970年7月7日),和Louie,H.P的美国专利号3,963,529(1976 年6月15日)所例示。

US 3,519,486描述了一种截留(trapped)电解质燃料电池，其包括在 电池底部的内部储存器/室以捕获过量的电解质。经捕获的过量电解质形 成其中定位有电极和基体的电解质池。基体由耐氢氧化钾的材料(例如纤 维石棉垫)制成(第2栏第4至5行)。电池必须被密封以防止电解质泄 漏。此外，由于储存器定位在电池的底部，因而电池必须定位成直立取向以确保电解质汇集(pooling)和电池的运行。