CN109088130A - 三极式锌空气燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三极式锌空气燃料电池，包含：壳体、空气电极、金属层、锌材料、隔膜层以及电解液，空气电极作为化学放电反应中的放电正极；金属层作为化学充电反应中的充电正极；锌材料作为配合空气电极层进行化学放电或是配合金属层进行化学充电的负极；电解液使得空气电极、金属层以及锌材料之间相互电性连接；隔膜层能够将空气电极、金属层、锌材料彼此分隔并供电解液流通通过，由输入或输出动作改变电解液于容置空间内的高度，使得电解液所能接触到的结构不同，进而改变本发明提供的三极式锌空气燃料电池的开启、关闭、充电或放电状态。

Description

三极式锌空气燃料电池

技术领域

本发明有关于一种锌材料与空气进行氧化还原反应的燃料电池，尤指一种同时具备有电解液以及锌材料作为反应原物料，并能够通过三极接头与其他外部电子产品电性连接的锌空气燃料电池。

背景技术

燃料电池能够直接将化学能转变为电能，燃料电池于产能的过程中具有高密度的能量，其能量是以正负极之间的电位差所产生的电能，同时对环境几乎无污染，因此，学术界、产业界皆投入燃料电池的研究领域，希望能够对于全球碳(石化)排放循环现象、能源短缺以及环境污染等危害有一番革命性的改善。

现有的锌空气燃料电池(Zinc－Air Fuel Cell，ZAFC)的内部大多是由一空气电极、一锌阳极、一储液空间以及一电解液构成，由于空气电极以及锌阳极直接浸泡于电解液中，静置摆放不使用或者是使用时间长久之下，会造成锌阳极的极化、钝化以及表面枝晶的生长等状况，故导致锌阳极进一步出现快速腐蚀、锌空气燃料电池的电池性能降低、电解液的酸化以及缩短电池寿命等不利影响。

发明内容

本发明的主要目的在于，本发明提供的三极式锌空气燃料电池受到安置摆放的未使用状态时，能够将其中的电解液部分或完全抽除，进一步避免其中的两正极结构与电解液接触，使得化学产电反应不会发生，同时避免两正极或负极结构受到腐蚀或是表面解离等情况发生，并达到延长电池能够摆放的年限以及电池寿命。

本发明的次要目的在于，设计一种具有三极式电极的锌空气燃料电池，该三极式电极具有两个正极以及一个负极，使得单一电池本身即能够进行收集充电或放电的化学反应。

本发明的又一目的在于，同时使用锌材料以及电解液，并通过输送装置输送锌材料以及电解液两者或其中之一输入或输出于本发明提供的三极式锌空气燃料电池，方便锌材料或者是电解液能够进行替换更新。

为达所述目的，本发明提供的三极式锌空气燃料电池，包含：一壳体，内部形成有一容置空间；一空气电极层，作为一化学放电反应中的放电正极；一金属层，作为一化学充电反应中的充电正极；一锌材料，作为一配合所述空气电极层进行化学放电的负极或是配合所述金属层进行化学充电的负极；多个隔膜层，分别设置于所述空气电极层以及金属层之间，使得所述空气电极层、锌材料以及金属层三者间隔排设；以及一电解液，所述空气电极层、金属层、锌材料、隔膜层以及所述电解液皆设置于所述容置空间中并能穿过所述隔膜层流通，与所述空气电极层、金属层以及锌材料相互接触，以使所述空气电极层、金属层以及锌材料相互电性连接。

其中，于一较佳可行实施例中，所述金属层设为一由不锈钢材料构成的不锈钢层。

而且，所述三极式锌空气燃料电池进一步包含一导电层，所述导电层安装于所述容置空间中并与所述锌材料相邻接触，于至少一较佳可行实施例中，所述导电层设为由铜或镍金属材料其中之一制成。

所述锌材料选自于能够流动的锌泥、锌砂或锌板的其中一种，选用不同的锌材料时，所对应配合使用的导电层有所不同：

当所述锌材料选用锌泥时，所述导电层具有一中央区域以及周围区域，所述中央区域的位置低于所述周围区域并形成一凹陷。

当所述锌材料选用锌砂时，所述导电层设为一平板片。

当所述锌材料选用锌板时，则无须配合导电层使用，所述锌板本身即能够将电流导出，替代其他实施例中的导电层结构。

另外，若以摆放平面为水平基准，所述空气电极层、金属层以及锌材料三者的排列方向呈现一垂直排列，与现有的直立式摆放的横向排列不同。

此外，于一较佳可行实施例中，结构上排序方式为：所述空气电极层位于最顶部，所述锌材料位于最底部，所述金属层介于所述空气电极层与锌材料层之间，所述导电层位于所述锌材料之下。

所述壳体包含相互组接的一第一壳体以及一第二壳体，由所述第一壳体分别组接定位所述空气电极层、金属层以及隔膜层，所述第二壳体组接定位所述导电层，所述第一壳体套设进入于所述第二壳体内。

所述三极式锌空气燃料电池进一步包含一输送装置，所述输送装置连接于所述容置空间并能够输出或输入所述电解液，进而改变所述容置空间中电解液的高度位置，通过改变电解液于所述容置空间内部的总量跟液体高度所能接触到的内部结构，进而避免所述容置空间内位于特定高度跟设置位置的结构与液体接触、并避免发生特定结构受到腐蚀或是表面解离。

由前述说明可知，本发明的特点在于：本发明以锌材料做为负极，空气电极层及金属层分别做为正极，两正极以及负极共同地构成锌空气燃料电池中的三极式电极。

此外，由连通于容置空间的输送装置改变电解液的总容量及液面高度，进而达到于本发明提供的三极式锌空气燃料电池未使用闲置摆放时，能够将绝大部分的电解液抽出于容置空间，避免容置空间内部的结构与电解液接触，即能够避免本发明提供的三极式锌空气燃料电池发生一放电或充电反应，同时避免发生容置空间内结构受到腐蚀或是表面解离等情况，最终达到延长本发明提供的三极式锌空气燃料电池能够摆放的年限以及使用寿命。

附图说明

图1为三极式锌空气燃料电池的第一较佳实施例的立体图；

图2为图1的分解图；

图3为图1的剖面示意图；

图4为电解液的液面高度的第一较佳实施例的剖面示意图；

图5为电解液的液面高度的第二较佳实施例的剖面示意图；

图6为电解液的液面高度的第三较佳实施例的示意图；

图7为三极式锌空气燃料电池的第二较佳实施例的剖面示意图；

图8为三极式锌空气燃料电池的第三较佳实施例的剖面示意图；

图9为多个三极式锌空气燃料电池组成的电池装置的立体图。

附图标记说明：1---三极式锌空气燃料电池；2---壳体；20---第一壳体；21---第二壳体；22---容置空间；3---空气电极层；30---第一接电区；4---金属层；40---不锈钢层；41---第二接电区；5---锌材料；50---锌泥；51---锌砂；52---锌板；6---隔膜层；7---电解液；8---导电层；80---金属件；81---中央区域；82---周围区域；83---第三接电区；9---输送装置；A---放电接头；B---充电接头；C---负极接头；I---输入接头；O---输出接头。

具体实施方式

为便于更进一步对本发明的构造、使用及其特征有更深一层明确、详实的认识与了解，爰举出较佳实施例，配合图示详细说明如下：

请参照图1至图6所示，为本发明提供的三极式锌空气燃料电池1的第一较佳可能实施例，主要由一壳体2、一空气电极层3、一金属层4、一锌材料5、多个隔膜层6、一电解液7以及一导电层8共七大部分结构组成。

所述壳体2包含一第一壳体20以及一第二壳体21，由所述第一壳体20与第二壳体21共同地套设卡合形成一容置空间22，且所述空气电极层3、金属层4、锌材料5、电解液7以及导电层8皆被设置于所述容置空间22当中，且依此顺序地设置排列为一相对于摆放水平面的垂直方向，所述第一壳体20组接定位所述空气电极层3、金属层4以及隔膜层6，所述第二壳体21组接定位所述导电层8。

所述壳体2的表面构造有三个分别能够将本发明提供的三极式锌空气燃料电池1所产电能导出及导入的放电接头A、充电接头B以及负极接头C，其中，所述空气电极层3作为一化学放电反应中的放电正极，并具有一由自身延伸形成的第一接电区30，所述空气电极层3通过第一接电区30导接于所述放电接头A。

所述金属层4作为一化学充电反应中的充电正极并具有一由自身延伸形成的第二接电区41，所述金属层4通过第二接电区41导接于所述充电接头B。。

所述锌材料5能够同时或分别做为一配合所述空气电极层3进行化学放电的负极或是配合所述金属层4进行化学充电的负极，所述导电层8具有一由自身延伸形成的第三接电区83，所述锌材料5通过所述第三接电区83导接于所述负极接头C；而且，所述负极接头C的相对位置位于所述放电接头A以及充电接头B之间。

另外，所述壳体2的表面构造有一输入接头I(INPUT)以及一输出接头O(OUTPUT)，并能够通过所述两接头I、O与一外部的输送装置9连通于所述容置空间22，所述输送装置9能够将所述锌材料5或电解液7输入或输出于本发明提供的三极式锌空气燃料电池1，由于所述电解液7能够穿过流通于所述隔膜层6，并使得所述容置空间22内部的结构彼此之间达到相互电性连接的功效，故由所述输送装置9改变所述电解液7的总体积量及分布的液体高度，即能够关闭本发明提供的三极式锌空气燃料电池1形成一关闭状态OFF，或者是调整液面高度使得指定结构之间能够电性连接而达到一启动状态ON，而本发明说明书中所指称启动状态ON具有三种情况，并将于其他图式及实施例中分别详述说明。

另外，请接续参照图2及图3所示，图标显示于所述容置空间22内，所述空气电极层3位于最顶部，接续为两隔膜层6将所述空气电极层3、金属层4以及导电层8彼此之间分隔开来，所述锌材料5的位置分布介于所述隔膜层6以及导电层8之间，于本发明一较佳可行实施例中，所述金属层4设为一不锈钢层40，且所述导电层8由一呈现板片状的金属件80构成，所述锌材料5于本发明图1至图6所示第一较佳可行实施例中，设为一能够流动的锌泥50，如图所示，所述金属件80具有一中央区域81以及周围区域82，所述中央区域81低于所述周围区域82并形成一凹陷，由所述凹陷处供所述锌泥50留滞，从而能够避免所述输送装置9进行输入或输出所述电解液7的过程中，所述锌泥50能够改动其分布位置或是连同所述电解液7被吸入所述输送装置9内。

请参照图3所示，所述电解液7分布于所述锌泥50之上，且所述电解液7的液面水平高度位置恰等同于或恰穿透于所述隔膜层6的位置，如此空气电极层3及金属层4皆未电性连接于所述锌泥50，因此，图3中本发明提供的三极式锌空气燃料电池1呈现为一关闭状态OFF。

请参照图4所示，所述电解液7的液面水平高度位置仅覆盖于所述锌泥50之上，如此空气电极层3及金属层4皆未电性连接于所述锌泥50，未能进行任何电化学反应，因此，图4中本发明提供的三极式锌空气燃料电池1呈现为一关闭状态OFF。

请参照图5所示，所述电解液7的液面水平高度位置覆盖于所述金属层4、隔膜层6以及锌泥50之上，能够进行充电的化学反应，因此，图5中本发明提供的三极式锌空气燃料电池1呈现为一启动状态ON；相对而言，若将所述空气电极层3与金属层4的设计位置互换，所述电解液7将覆盖于所述空气电极层3、隔膜层6以及锌泥50之上，能够进行放电的化学反应，同样地能够使得本发明提供的三极式锌空气燃料电池1呈现为一启动状态ON(图未示)。

请参照图6所示，所述电解液7的液面水平高度位置覆盖于所述容置空间22中所有结构，能够同时进行充电以及放电的化学反应，因此，图6中本发明提供的三极式锌空气燃料电池1呈现为一启动状态ON。

此外，请接续参照图7所示，为本发明提供的三极式锌空气燃料电池1的第二较佳可行实施例，本实施例与前述第一较佳可行实施例不同之处在于，所述锌材料5设为一锌砂51，且所述导电层8的金属件80呈现为一平板片，由于所述锌砂51并不会随着所述电解液7的抽送而改变位置，故本实施例中导电层8无须设置一凹陷形状，其他与前述第一较佳可行实施例相同的技术特征便不再加以赘述。

除此之外，请参照图8所示，为本发明提供的三极式锌空气燃料电池1的第三较佳可行实施例，本实施例与前述第一、第二较佳可行实施例不同之处在于，所述锌材料5设为一锌板52，如此一来本实施例中便无需所述导电层8的结构，其他与前述第一、第二较佳可行实施例相同的技术特征便不再加以赘述。

最后，请参照图9所示，为将多个本发明提供的三极式锌空气燃料电池1彼此之间相互重迭组合形成一较大型的三极式锌空气燃料电池装置的可能样式。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三极式锌空气燃料电池，其特征在于，包含：

一壳体，内部形成有一容置空间；

一空气电极层，安装于所述容置空间中，作为一化学放电反应中的放电正极；

一金属层，安装于所述容置空间中，作为一化学充电反应中的充电正极；

一锌材料，设置于所述容置空间中，作为一配合所述空气电极层进行化学放电的负极或是配合所述金属层进行化学充电的负极；

多个隔膜层，分别设置于所述空气电极层以及金属层之间，使得所述空气电极层、锌材料以及金属层三者间隔排设；以及

一电解液，设置于所述容置空间中并能够穿过所述隔膜层流通，与所述空气电极层、金属层以及锌材料相互接触，以使所述空气电极层、金属层以及锌材料相互电性连接。

2.根据权利要求1所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述三极式锌空气燃料电池进一步包含一导电层，所述导电层安装于所述容置空间中并与所述锌材料相邻接触。

3.根据权利要求2所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述导电层具有一中央区域以及周围区域，所述中央区域低于所述周围区域并形成一凹陷。

4.根据权利要求3所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述锌材料选自于能够流动的锌泥、锌砂或锌板的其中一种。

5.根据权利要求1所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述空气电极层、金属层以及锌材料三者的排列方向呈现一垂直排列。

6.根据权利要求5所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述空气电极层位于最顶部，所述锌材料位于最底部，所述金属层介于所述空气电极层与锌材料层之间。

7.根据权利要求2所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述壳体包含相互组接的一第一壳体以及一第二壳体，所述第一壳体组接定位所述空气电极层、金属层以及隔膜层，所述第二壳体组接定位所述导电层。

8.根据权利要求1所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述三极式锌空气燃料电池进一步包含一输送装置，所述输送装置连接于所述容置空间并能够输出或输入所述电解液，进而改变所述容置空间中电解液的高度位置。

9.根据权利要求1所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述电解液的高度位置在同时接触所述空气电极层、金属层与锌材料三者时，所述锌空气燃料电池呈现一能够进行放电反应或充电反应的启动状态；所述电解液的高度位置在同时接触所述空气电极层与锌材料两者时，所述锌空气燃料电池呈现一能够进行放电反应的启动状态；所述电解液的高度位置在同时接触所述金属层与锌材料两者时，所述锌空气燃料电池呈现一能够进行充电反应的启动状态；在所述电解液单独接触所述空气电极层、金属层以及锌材料其中之一时，所述锌空气燃料电池将呈现一无法进行化学反应的关闭状态。

10.根据权利要求1所述的三极式锌空气燃料电池，其特征在于：所述放电正极、充电正极以及负极三者于所述壳体的表面分别形成一放电接头、一充电接头以及一负极接头，所述负极接头位于所述放电接头以及充电接头之间。