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CN112563626B - 一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源 - Google Patents

一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，包括壳体、设置在壳体内的金属板阳极、空气阴极和反应物；所述的金属板阳极竖直设置在壳体内腔中部，且与壳体内腔底部接触，所述的金属板阳极将壳体内腔分为左腔和右腔，所述的左腔和右腔内对称设置有反应物；所述的反应物包括消氢催化剂、氧还原催化剂、固态电解质和液态电解质溶剂；本发明通过消氢催化剂的设置，利用消氢催化剂消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热壳体内腔的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能；本发明在壳体上设置了孔盖，还能通过拔出孔盖的方式，使壳体内腔的氢气逸散。

Description

一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源
技术领域
本发明涉及便携式电源领域，尤其涉及一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源。
背景技术
在野外、山区科考或救援时，电源非常重要，但由于交通不便、电网不通，人员常常需要携带便携式电源，为手提电脑、手电筒等随身工具提供电能。
在以往便携式电源通常采用锂电池发电技术，但是锂电池比能量低、自放电问题严重，比能量低问题会导致电源体积重量大，携带不方便，自放电问题会导致在紧急时刻电能供应不足。
而便携式金属空气电池具有比能量高、无自放电等优势，逐渐引起人们的关注，但是现有的金属空气电池存在以下缺陷：
在低温环境下，金属空气电池放电性能较差，便携式金属空气电池在野外、山区科考或救援时，无其他能源为电解液加热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，能够利用氢气和氧气反应过程中产生的热量加热电解液，解决低温环境下金属空气电池启动时间长、放电性能差的问题，同时使用的氢气为自腐蚀副反应产生的氢气，提高了金属空气电池的安全性和放电性能，消除了爆炸的安全隐患。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，包括壳体、设置在壳体内的金属板阳极、空气阴极和反应物；所述的金属板阳极竖直设置在壳体内腔中部，且与壳体内腔底部接触，所述的金属板阳极将壳体内腔分为左腔和右腔，所述的左腔和右腔内对称设置有反应物；所述的反应物包括消氢催化剂、氧还原催化剂、固态电解质和液态电解质溶剂；所述的消氢催化剂和氧还原催化剂均设置在壳体内壁上，且消氢催化剂设置在氧还原催化剂上部，所述的固态电解质设置在托盘上，所述的托盘的内侧与壳体的内壁铰接，所述的托盘的外侧的底部由弹性限位销的支撑端托举，所述的弹性限位销的动作端通过开设在壳体上的销孔设置在壳体外，所述的液态电解质溶剂设置在氧还原催化剂与金属板阳极之间，且液态电解质溶剂的液面与消氢催化剂不接触；所述的壳体上设置有阳极端子和阴极端子，所述的阳极端子和阴极端子分别与金属板阳极和空气阴极电连接；所述的壳体上设置有可开启的端盖，所述的端盖上开设有进氧出氢孔，进氧出氢孔上设置有相匹配的孔盖，所述的孔盖上开设有气通孔，气通孔内由上至下设置有供氧风扇和单向阀，所述的供氧风扇的供电端通过针孔连接组件与所述的金属板阳极和空气阴极电连接。
所述的空气阴极由所述的氧还原催化剂制备而成。
所述的液态电解质溶剂采用水。
所述的弹性限位销包括销柱和弹簧，所述的销柱上的支撑端设置有限位块，所述的销柱的动作端螺接有捏块，所述的弹簧套设在捏块与壳体之间的销柱上，且所述的弹簧的两端分别于壳体与捏块固定连接。
所述的供氧风扇的供电端为插针，所述的端盖上设置有与所述的金属板阳极和空气阴极电连接的连接孔，插针与连接孔的位置对应。
本发明的有益效果：
首先，本发明通过消氢催化剂的设置，利用消氢催化剂消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热壳体内腔的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能；
其次，本发明在壳体上设置了孔盖，孔盖上开设的进氧出氢孔内设置了单向阀和供氧风扇，不仅能够使金属空气电源产生的电能通过针孔连接组件为供氧风扇供电，保证壳体内腔充足的氧气供应；还能通过拔出孔盖的方式，使壳体内腔的氢气逸散；
最后，本发明通过托盘的设置，实现了固态电解质和液态电解质溶剂的隔离，防止使用前金属空气电源发生自放电，避免了电能的浪费。
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为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图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。
本发明所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，包括壳体1、设置在壳体1内的金属板阳极3、空气阴极和反应物；所述的金属板阳极3竖直设置在壳体1内腔中部，且与壳体1内腔底部接触，所述的金属板阳极3将壳体1内腔分为左腔和右腔，所述的左腔和右腔内对称设置有反应物；所述的反应物包括消氢催化剂5、氧还原催化剂4、固态电解质6和液态电解质溶剂8；所述的消氢催化剂5和氧还原催化剂4均设置在壳体1内壁上，且消氢催化剂5设置在氧还原催化剂4上部，所述的固态电解质6设置在托盘7上，所述的托盘7的内侧与壳体1的内壁铰接，所述的托盘7的外侧的底部由弹性限位销的支撑端托举，所述的弹性限位销的动作端通过开设在壳体1上的销孔设置在壳体1外，所述的液态电解质溶剂8设置在氧还原催化剂4与金属板阳极3之间，且液态电解质溶剂8的液面与消氢催化剂5不接触；所述的壳体1上设置有阳极端子和阴极端子，所述的阳极端子和阴极端子分别与金属板阳极3和空气阴极电连接；所述的壳体1上设置有可开启的端盖2，所述的端盖2上开设有进氧出氢孔，进氧出氢孔上设置有相匹配的孔盖12，所述的孔盖12上开设有气通孔，气通孔内由上至下设置有供氧风扇13和单向阀14，所述的供氧风扇13的供电端通过针孔连接组件与所述的金属板阳极3和空气阴极电连接。
本发明所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源的工作原理为：
使用前，由于固态电解质6与液态电解质溶剂8分离设置，因此，金属空气电源由于缺少放电反应必须的电解液而无法工作，防止金属空气电源自放电，避免了电能的浪费；
使用时，向外拉出弹性限位销的动作端，因左腔和右腔对称设置有反应物，因此，需同时拉出壳体1两侧的弹性限位销的动作端，托盘7的外侧失去弹性限位销的托举力，在固态电解质6的重力作用下，绕托盘7内测的铰接处向下翻转，此时，固态电解质6落入液态电解质溶剂8中形成电解液，由于左腔和右腔对称设置有反应物，因此，此时金属板阳极3在电解液的包围下，通过氧还原催化剂4与电解液发生放电反应，以铝金属板阳极为例：在上述放电反应的过程中，当电解液温度合适时，在氧还原催化剂4的良好催化活性作用下，能够将氧气还原为氧离子，正常工作时的化学主反应如式（1）所示：
4Al+3O2+4OH-+6H2O→4[Al(OH)4]- ； （1）
在低温的情况下，由于电解液的温度限制，导致氧还原催化剂4的活性不足，无法将氧气还原为氧离子，此时的主要化学反应为自腐蚀副反应，如式（2）所示：
2Al+2OH-+6H2O→2[Al(OH)4]-+3H2 ； （2）
即温度过低或刚开始工作时，由于电解液的温度过低，金属空气电池单体的自腐蚀副反应将产生一定量的氢气；
此时产生的氢气将在壳体1上部聚集，通过消氢催化剂5和氧气发生消氢反应生成水，并释放出热量：
H2(g)+O2(g)→H2O(l)+Q1；
其中H2(g)和O2(g)为0 kJ/mol，H2O(l)为-285.8 kJ/mol，因此每mol氢气参与反应释放的热量为Q1为285.8kJ；
此时，消氢反应释放的热量在壳体1内进行热传递，加热电解液，使电解液的温度升高，并达到消除氢气、防止发生爆炸的效果；同时消氢反应生成的水由于自重落入电解液。
金属空气电源放电反应产生的电能可通过阳极端子和阴极端子输出，并通过针孔连接组件为供氧风扇13供电，供氧风扇13将外界空气通过单向阀14吸入壳体1内腔，为放电反应和消氢反应补充氧气；当壳体1温度过高时，还可拔出孔盖12，消除单向阀14的阻挡作用，使自腐蚀副反应产生的氢气逸散，减少消氢反应释放的热量。
优选的：所述的空气阴极由所述的氧还原催化剂4制备而成，现有的金属空气电池中，由氧还原催化剂4制备空气阴极的技术已得到广泛应用，这里不再赘述。
优选的：所述的消氢催化剂5和氧还原催化剂4均为膜状，且采用粘接的方式设置在壳体1内壁两侧，膜状具有体积小和易安装的特性，能够提高壳体1内的空间利用率；进一步的，膜状的消氢催化剂5和氧还原催化剂4为本领域成熟产品，这里不再赘述；更进一步的，本领域技术人员也可将消氢催化剂5和氧还原催化剂4设置在带孔的箱体内固定在壳体1的内壁上，这里不再赘述。
优选的：所述的液态电解质溶剂8采用水，节约成本。
优选的：所述的弹性限位销包括销柱11和弹簧10，所述的销柱11上的支撑端设置有限位块，所述的销柱11的动作端螺接有捏块9，所述的弹簧10套设在捏块9与壳体1之间的销柱11上，且所述的弹簧10的两端分别于壳体1与捏块9固定连接；捏块9的设置，便于人员操作，同时能够固定弹簧10。
优选的：所述的供氧风扇13的供电端为插针15，所述的端盖2上设置有与所述的金属板阳极3和空气阴极电连接的连接孔，插针15与连接孔的位置对应；针孔连接组件采用插针15和连接孔的设计，不仅结构简单，便于设计，且便于通过拔出孔盖12的方式关断供氧风扇13和金属空气电源之间的电连接。
优选的：所述的消氢催化剂5由防水透气膜层、消氢催化剂5层和隔热层由外至内依次粘接制成；防水透气膜层能够阻挡水蒸气进入消氢催化剂5层，提高了消氢的可靠性，隔热层的设置能够防止消氢反应释放的热量逸散到壳体1外，提高消氢反应的加热效果。
与现有技术相比，本发明所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源的有益效果为：
首先，本发明通过消氢催化剂5的设置，利用消氢催化剂5消除放电反应中产生的氢气，并释放出热量加热壳体1内腔的电解液，适用范围广，可在气温很低的地域推广，提高金属空气电池的放电性能；
其次，本发明在壳体1上设置了孔盖12，孔盖12上开设的进氧出氢孔内设置了单向阀14和供氧风扇13，不仅能够使金属空气电源产生的电能通过针孔连接组件为供氧风扇13供电，保证壳体1内腔充足的氧气供应；还能通过拔出孔盖12的方式，使壳体1内腔的氢气逸散；
最后，本发明通过托盘7的设置，实现了固态电解质6和液态电解质溶剂8的隔离，防止使用前金属空气电源发生自放电，避免了电能的浪费。
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。

Claims (5)

1.一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，其特征在于：包括壳体、设置在壳体内的金属板阳极、空气阴极和反应物；所述的金属板阳极竖直设置在壳体内腔中部，且与壳体内腔底部接触，所述的金属板阳极将壳体内腔分为左腔和右腔，所述的左腔和右腔内对称设置有反应物；所述的反应物包括消氢催化剂、氧还原催化剂、固态电解质和液态电解质溶剂，所述的固态电解质可溶入所述的液态电解质溶剂形成电解液；所述的消氢催化剂和氧还原催化剂均设置在壳体内壁上，且消氢催化剂设置在氧还原催化剂上部，所述的固态电解质设置在托盘上，所述的托盘的内侧与壳体的内壁铰接，所述的托盘的外侧的底部由弹性限位销的支撑端托举，所述的弹性限位销的动作端通过开设在壳体上的销孔设置在壳体外，所述的液态电解质溶剂设置在氧还原催化剂与金属板阳极之间，且液态电解质溶剂的液面与消氢催化剂不接触；所述的壳体上设置有阳极端子和阴极端子，所述的阳极端子和阴极端子分别与金属板阳极和空气阴极电连接；所述的壳体上设置有可开启的端盖，所述的端盖上开设有进氧出氢孔，进氧出氢孔上设置有相匹配的孔盖，所述的孔盖上开设有气通孔，气通孔内由上至下设置有供氧风扇和单向阀，所述的供氧风扇的供电端通过针孔连接组件与所述的金属板阳极和空气阴极电连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，其特征在于：所述的空气阴极由所述的氧还原催化剂制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，其特征在于：所述的液态电解质溶剂采用水。
4.根据权利要求1所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，其特征在于：所述的弹性限位销包括销柱和弹簧，所述的销柱上的支撑端设置有限位块，所述的销柱的动作端螺接有捏块，所述的弹簧套设在捏块与壳体之间的销柱上，且所述的弹簧的两端分别于壳体与捏块固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有消氢和加热功能的便携式金属空气电源，其特征在于：所述的供氧风扇的供电端为插针，所述的端盖上设置有与所述的金属板阳极和空气阴极电连接的连接孔，插针与连接孔的位置对应。
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