一种氯镁燃料电池的制作方法

本实用新型涉及新型燃料电池技术领域，具体为一种氯镁燃料电池。

背景技术：

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。而电能作为最主要的二次能源，随着经济的飞速发展，人类对电能的需求越来越大，这也促进了电能行业的转型升级。目前，市场上应用最多的是锂离子电池，因其自放电小、比容量高、循环性能好和环境友好等优点，发展迅速，技术相对成熟。然而地球上锂资源有限，锂离子电池成本较高，比能量过低，并存在安全性问题，无法达到纯电动汽车的要求。

镁被广泛用作电池材料，是仅次于锂的高能电池阳极材料。与氢燃料电池相比，镁燃料电池比能量高、使用安全方便、燃料易于储运、可使用温度范围广，加之镁储量丰富，不仅是地壳中含量最丰富的金属元素之一，也是海水中第二大化学元素，大大降低电池成本，具有广阔的应用前景。

由于镁化学性质活泼，在中性盐电解质中活性较高，但是以氧气和过氧化氢作为氧化剂在中性盐电解液中会被电化学催化还原为氢氧根离子，产生氢氧化镁沉淀，导致电池失效，而且氧电极的开路电压(无电流流过时的电极电势)比其热力学值负0.4v，有电流流过时将出现严重的极化，加之普通镁合金做阳极时会因表面杂质导致微电池反应，即发生自腐蚀反应，导致电池的实际开路电压降低，阳极效率降低，寿命缩短。此外，还有镁-海水溶解氧燃料电池等，但由于海水中溶解的氧含量有限，这种燃料电池效率很低，无法满足大动力电池需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种氯镁燃料电池，以解决上述背景技术提出的目前市场上一些电池成本较高，比能量过低，并存在安全性问题，使用寿命短的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种氯镁燃料电池，包括电池本体、氯气储存气化系统和电解液循环再生系统，所述电池本体的外侧连接有热交换器，且热交换器的外侧设置连接有储氯罐，所述热交换器的外侧通过第一动力泵与过滤器相连接，所述过滤器的外侧连接有萃取搅拌器，且萃取搅拌器的外侧连通有水净化器和静置器，所述静置器的外侧连通有电解液储存罐，且电解液储存罐的外侧安装有第二动力泵，所述过滤器、萃取搅拌器、水净化器、静置器和电解液储存罐组成电解液循环再生系统，且萃取搅拌器、水净化器和静置器组成构成循环回路。

优选的，所述热交换器和储氯罐组成氯气储存气化系统，且储氯罐中的氯气为液态状。

优选的，所述静置器、热交换器和萃取搅拌器的体积比为1:1:1，且热交换器、萃取搅拌器和静置器之间的液体流动驱动力均采用压力驱动。

优选的，还包括电池外壳和氯气通道，所述电池外壳的内部设置有阴极膜组件，且阴极膜组件的内部设置有镁合金阳极板，所述电池外壳的内部中间固定有电池中轴，且电池中轴的外侧固定有隔板，所述隔板与阴极膜组件之间设置有电解液池，所述阴极膜组件与电池外壳之间设置有氯气通道。

优选的，所述电池外壳是具有容置空间的圆柱形或矩形壳体，电池外壳是采用耐氯离子腐蚀不锈钢，其内壁涂覆有一层绝缘材料。

优选的，所述镁合金阳极板设置为多孔曲面结构。

优选的，所述电池中轴和电池外壳之间为固定连接，且电池中轴内部连通电解液池，隔板均匀地排布在电池中轴的外侧，可任意组合和更换。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该氯镁燃料电池，以性能优良的多元镁合金为阳极，电化学转化率高，电化学反应均匀，电流电压稳定；以氯气作为氧化剂，电极电势高，成本较低，能量密度高；

(1)采用的镁合金阳极性能优良，能显著提高电池阳极的电化学转化率和利用率；

(2)该燃料电池以氯气作为氧化剂，与阴极薄膜组件共同构成电池反应阴极，又称氯气电极，该电极电势较高，可增大电池的开路电压；

(3)所述的阴极薄膜组件由防水透气层、催化层和导电层组成，既能使氯气穿过与镁合金阳极发生电化学反应产生电势，又能防止电解液渗出；

(4)所提供的电解液为中性盐非水溶液电解液，可有效减缓镁的自腐蚀效应，提高氯镁燃料电池的效率。

附图说明

图1为本实用新型一种氯镁燃料电池装置示意图；

图2为本实用新型一种氯镁燃料电池本体圆形结构示意图；

图3为本实用新型一种氯镁燃料电池本体方形结构示意图。

图中：1、电池本体；2、热交换器；3、储氯罐；4、第一动力泵；5、过滤器；6、萃取搅拌器；7、水净化器；8、静置器；9、电解液储存罐；10、第二动力泵；11、电池外壳；12、阴极膜组件；13、镁合金阳极板；14、电池中轴；15、隔板；16、电解液池；17、氯气通道；18、氯气储存气化系统；19、电解液循环再生系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种氯镁燃料电池，包括电池本体1、热交换器2、储氯罐3、第一动力泵4、过滤器5、萃取搅拌器6、水净化器7、静置器8、电解液储存罐9、第二动力泵10、氯气储存气化系统18和电解液循环再生系统19，电池本体1的外侧连接有热交换器2，且热交换器2的外侧设置连接有储氯罐3，热交换器2的外侧通过第一动力泵4与过滤器5相连接，过滤器5的外侧连接有萃取搅拌器6，且萃取搅拌器6的外侧连通有水净化器7和静置器8，静置器8的外侧连通有电解液储存罐9，且电解液储存罐9的外侧安装有第二动力泵10。

热交换器2和储氯罐3组成氯气储存气化系统18，且储氯罐3中的氯气为液态状，氯气以液态形式储存，体积小、储量大、安全性好、使用便捷，热交换器2利用热电解质溶液与液氯之间的热量交换，既可实现液氯气化的功能，并通过功率控制器来调节氯气的导入量和导入速度；又能使溶解于电解液中的电极反应产物氯化镁析出，实现电解液的第一级净化。

电解液循环再生系统19，包括热交换器2、过滤器5、萃取搅拌器6、水净化器7、静置器8和电解液储存罐9，其中热交换器2、萃取搅拌器6和静置器8体积比分别为1:1:1，经与液氯热交换冷却的电解液进入过滤器5进行过滤，然后在萃取搅拌器6中与纯水充分混合，氯化镁将从有机介质中交换到水中，混合液导入静置器8，两种液体自动分层，下层富水，上层溶液则是再生的电解质溶液，实现电解液的第二级净化；抽取再生电解质溶液进入电解液储存罐9，以备补充燃料电池所需的电解液，使电极反应持续进行。下层的水溶液则可排入水净化器7中，进行多次净化后提取出纯水，可对萃取搅拌器6中所需纯水进行供给。经多次循环后若再生电解液损耗，还可从外注入新的电解液到电解液储存罐9中，保证整个电池系统工作的稳定性。整个系统是间歇式工作，由电池电压监控系统给出信号，激活第一动力泵4和第二动力泵10，打开电池电解液排出口和氯气排出口的阀门，排出电解液。

实施例二

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种氯镁燃料电池的电池本体，包括电池外壳11、阴极膜组件12、镁合金阳极板13、电池中轴14、隔板15、电解液池16和氯气通道17，电池外壳11的内部设置有阴极膜组件12，且阴极膜组件12的内部设置有镁合金阳极板13，电池外壳11的内部中间固定有电池中轴14，且电池中轴14的外侧固定有隔板15，隔板15与阴极膜组件12之间设置有电解液池16，阴极膜组件12与电池外壳11之间设置有氯气通道17。

电池外壳11是具有容置空间的圆柱形或矩形壳体，电池外壳11是采用耐氯离子腐蚀不锈钢，其内壁涂覆有一层绝缘材料；阴极膜组件12是由碳材料(石墨、活性炭、碳纤维、碳纳米管、氮/硼掺杂石墨烯中的一种或多种)、聚四氟乙烯高分子聚合物(聚四氟乙烯或聚苯并咪唑)、集流体和催化剂组成的一种电子可导通的薄膜，具有防水隔气、导电和催化活性的作用；镁合金阳极板13是以镁为基体，加入少量或微量铝、铅、锌、锰、铈、铟、镓、锡、汞等合金元素构成的镁合金，且镁合金阳极板13设置为多孔曲面结构，增大电极反应面积；电池中轴14和电池外壳11之间为固定连接，且电池中轴14内部连通电解液池16，电解液可定量均匀地分配到燃料电池串联的各个单体中，也可通过泵输送到电解液循环再生系统19中，并且隔板15均匀地排布(插入式)在电池中轴14的外侧，可任意组合和更换，可方便隔板15取出和放入，便于再生或清洁。

上述电池本体的中轴14是用来固定隔板15和抽放电解液的管道，不仅输送电解液至电池本体中，还可实现反向抽取电池中电解废液的作用，经抽回到再生循环装置中净化处理可二次使用。电池中轴管道内部设置了可闭合的送料口，电解液可定量均匀地分配到燃料电池串联的各个单体中，也可集体抽回到电解液再生循环装置废料槽中，且管道圆周上设置了多个卡槽用来固定隔板15，隔板15可方便地取出和放入，便于清洗。

上述的隔板15将电池分为4～12个电池单体，各电池之间通过正负极相互串联，提高电池发电效率。并且可根据需要通过安放隔板15，调节串联的电池单体数量，便于检修，延长电池的使用寿命。电池的反应阳极为镁合金板，阴极是阴极膜组件12和氯气共同组成的，也可称为氯气电极。氯气通过管道进入电池壳体与阴极膜组件12之间的氯气通道17中，可均匀地透过阴极膜组件12进入电解液池16内，在电解液中与镁合金阳极板13发生电化学反应。的阴极膜组件12由防水透气层、催化层和导电层组成，既可防止电解液渗到氯气仓中，又可以输送电池反应所需的氯气。

实施例三

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种氯镁燃料电池；

(1)阳极：由镁合金板制成，厚度2～20mm，其特征在于，镁合金是由镁为主体、加入铝、铅、锌、锰等构成的多元合金，并添加微量的合金元素铈、铟、镓、锡、汞。镁合金各组分的质重量百分比含量如下表：

(2)阴极：主要由碳材料、高分子聚合物及集流体组成的一种能穿过电子的薄膜，具有防水透气、导电和催化活性的作用，厚度1～10mm的碳材料选用石墨、活性炭、碳纤维、碳纳米管、氮/硼掺杂石墨烯中的一种或多种组成，的高分子聚合物选用聚四氟乙烯或聚苯并咪唑，然后加入二氧化锰、贵金属等催化剂，嵌入碳材料中，用以提高反应活性。

(3)电解液：包含中性盐和有机溶剂，中性盐选择nacl或kcl中的一种或两种混合，浓度5％～10％，有机溶剂选用以n,n-二甲基甲酰胺(dfm)为代表的酰胺基类溶剂，以二甲基亚砜(dmso)为代表的砜类溶剂，和醚类化合物四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、甲基乙基醚、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四甘醇二甲醚中的一种或几种构成。使电池发生放电反应时无沉淀物产生，同时减缓了镁阳极的自腐蚀问题，提高了两电极的电位差，并提高电池效率。

(4)本实用新型电池放电反应机理：

阳极：镁失去电子，发生氧化反应：mg→mg²⁺+2e^-，-2.37v

阴极：氯气得到电子被还原：cl2+2e^-→2cl^-，1.358v

氯镁燃料电池放电反应的电势是3.728v，比常用电源，如氢燃料电池、镁/空气电池、铝/空气电池都要高。且采用上述电解液，制约了副反应生成mg(oh)2沉淀和mgco3沉淀，以提高电池效率。

(5)本实用新型电池系统可独立使用也可根据需要任意组合，其单元电池的尺寸范围：长150～800mm、宽100～450mm、高100～400mm，总重1～80kg。能量密度2100wh/kg，在电流密度150ma/cm²的条件下，功率密度可达49w/kg。

(6)该燃料电池的装配方法有两种，其一是将单元电池系统直接串联/并联使用，安装方便快捷，便于携带和更换；其二是将电池本体串联/并联，共用同一个氯气储存装置和电解液再生循环系统，体积大大减小，轻量化，且补充氯气、更换电解液更高效。推荐采用第二种组装方式。不管采用哪种装配方式，该燃料电池系统最大功率可达到500w，满足电动汽车等的使用要求。

(7)本实用新型的燃料电池使用寿命较长，1～2年更新一次。主要需要更换的部分是阳极板和阴极薄膜，阳极板可重熔制备其他零部件，阴极薄膜通过分离、拆解，可二次利用。而电解液可自循环和清洁，只需定期排出分离处理后的液体。而所分离出的氯化镁溶液还可以通过干燥、电解，又可重新生成金属镁，可作为电池阳极进行再利用。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。