CN102610874A - 能量储存与转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量储存与转换装置，包括：一壳体，包括一收容空间；隔膜，设于所述收容空间内；二次电池正极和二次电池负极，设于所述收容空间内；燃料电池正极和燃料电池负极，设于所述收容空间内，所述燃料电池正极电性连接于所述二次电池正极，所述燃料电池负极电性连接于所述二次电池负极；碱性电解液，形成于二次电池正极和二次电池负极之间以及二次电池正极和二次电池负极之间；氧气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池正极氧气；氢气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池负极氢气。该能量储存与转换装置同时具有燃料电池和二次电池的功能，且结构简单、成本低，解决了过度充电的问题。

Description

能量储存与转换装置
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种能量储存与转换装置。
背景技术
当前，人类正面临着资源估计和生存环境恶化的双重挑战。为此，世界各国正在努力研发新材料，推进低碳生活的新理念，促进人类社会由目前的高能耗、高消耗生活生产方式转向节能型、可循环的可持续发展方式。具体为大力推广清洁能源的应用，如太阳能、风能在发电领域的应用，以及使用混合动力汽车或纯电动汽车代替目前使用汽油的传统汽车。
清洁能源和新型汽车的应用均离不开中大型储能电池和动力电池。在众多储能电池和动力电池中，二次电池和燃料电池具有广泛的应用前景，特别是应用于混合动力汽车中。
二次电池体系较多，如镍氢电池、铅酸电池、液流电池和锂离子电池。二次电池的工作方式是，充电时将电能转换成化学能，放电时则将化学能转换成电能。燃料电池的工作方式是将化学能转换成电能。二者各有优缺点，与燃料电池相比，二次电池的功率较大，能量密度较低。而燃料电池正相反。
在新兴的电池应用领域中，当二者作为电动车动力电池使用时，常常将二次电池与燃料电池集成起来使用，以充分利用二者的优点。现有技术中，二次电池与燃料电池通常都是采用外集成的方法集成在一起的，即二次电池模块与燃料电池模块分别制备，然后通过外部线路连接在一起。这种集成方法存在以下缺点：线路复杂，成本高，而且二次电池在过度充电情况下，容易引起电池内部胀气、电极上活性物质脱落等。
有鉴于此，有必要提供一种新型的能量储存与转换装置。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种能量储存与转换装置，该能量储存与转换装置同时具有燃料电池和二次电池的功能，且结构简单、成本低，解决了过度充电的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种能量储存与转换装置，包括：
一壳体，包括一收容空间；
隔膜，设于所述收容空间内；
二次电池正极和二次电池负极，设于所述收容空间内；
燃料电池正极和燃料电池负极，设于所述收容空间内，所述燃料电池正极电性连接于所述二次电池正极，所述燃料电池负极电性连接于所述二次电池负极；
碱性电解液，形成于二次电池正极和二次电池负极之间以及二次电池正极和二次电池负极之间；
氧气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池正极氧气；
氢气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池负极氢气。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述隔膜将所述收容空间分隔成正极气室和负极气室，所述氧气储存罐连通于所述正极气室；所述氢气储存罐连通于所述负极气室；所述二次电池正极和燃料电池正极设于所述正极气室内；所述二次电池负极和燃料电池负极设于所述负极气室内。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜，该第一隔膜和第二隔膜将所述收容空间分隔成第一气室、第二气室和第三气室，所述第二气室位于所述第一气室和第三气室之间。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述氧气储存罐连通于所述第二气室；所述氢气储存罐分别连通于所述第一气室和第三气室；所述二次电池正极和燃料电池正极设于所述第二气室内；所述二次电池负极设于所述第一气室内；所述燃料电池负极设于所述第三气室内。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述氢气储存罐连通于所述第二气室；所述氧气储存罐分别连通于所述第一气室和第三气室；所述二次电池负极和燃料电池负极设于所述第二气室内；所述二次电池正极设于所述第一气室内；所述燃料电池正极设于所述第三气室内。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述碱性电解液选自氢氧化钾或氢氧化钠。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述二次电池正极的材料选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物；所述燃料电池正极的材料选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述二次电池正极的材料中还包括添加剂，所述添加剂选自铂、银中的一种或两种；所述燃料电池正极的材料中还包括添加剂，所述添加剂选自铂、银中的一种或两种。
优选的，在上述能量储存与转换装置中，所述二次电池负极的材料为贮氢合金材料；所述燃料电池负极的材料为贮氢合金材料。
本发明提供一种能量储存与转换装置，该装置将二次电池和燃料电池通过内集成的方法集成起来，兼有二次电池和燃料电池的优点，可以达到优势互补的效果；内集成***免去很多将燃料电池与二次电池外集成时所需的线路控制***，结构简单，且可降低成本。同时，内集成的***可以实现过度充电，且不会产生电池内部胀气、电极上的活性物质的脱落等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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所示为本发明第一实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图；
图2所示为本发明第二实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图；
图3所示为本发明第三实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种能量储存与转换装置，包括：
一壳体，包括一收容空间；
隔膜，设于所述收容空间内；
二次电池正极和二次电池负极，设于所述收容空间内；
燃料电池正极和燃料电池负极，设于所述收容空间内，所述燃料电池正极电性连接于所述二次电池正极，所述燃料电池负极电性连接于所述二次电池负极；
碱性电解液，形成于二次电池正极和二次电池负极之间以及二次电池正极和二次电池负极之间；
氧气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池正极氧气；
氢气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池负极氢气。
碱性电解液优选自氢氧化钾或氢氧化钠。二次电池正极的材料优选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物。燃料电池正极的材料优选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物。二次电池正极的材料中还包括添加剂，添加剂优选自铂、银中的一种或两种；燃料电池正极的材料中还包括添加剂，该添加剂优选自铂、银中的一种或两种。二次电池负极的材料优选为贮氢合金材料。燃料电池负极的材料优选为贮氢合金材料。
以下结合实施例对本发明的能量储存与转换装置进行详细说明。
图1所示为本发明第一实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图。
能量储存与转换装置10包括壳体11、隔膜12、正极13、负极14、电解液15、氧气储存罐16和氢气储存罐17。
壳体11包括一收容空间111，隔膜12将该收容空间111分隔成正极气室1111和负极气室1112。
正极13是将二次电池所用的正极(二次电池正极)与燃料电池所用的正极(燃料电池正极)电性连接，或者为一导电基板，该导电基板不仅可以作为二次电池的正极，还可以作为燃料电池的正极，兼具二次电池与燃料电池正极的功能。导电基板的材料可以选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物，该材料中还可以添加有添加剂，该添加剂选自铂、银中的一种或两种。
负极14是将二次电池所用的负极(二次电池负极)与燃料电池所用的负极(燃料电池负极)电性连接，或者为一导电基板，该导电基板不仅可以作为二次电池的负极，还可以作为燃料电池的负极，兼具二次电池与燃料电池负极的功能。导电基板的材料优选为贮氢合金材料。
正极13和负极14分别设于正极气室1111和负极气室1112内。氧气储存罐16通过气管18连通于正极气室1111；氢气储存罐17通过气管19连通于负极气室1112。
能量储存与转换装置10的运行原理如下：
当对该能量储存与转换装置10充电时，在充电初期，在正极13上活性物质充电，此时与二次电池正极的充电原理一样，还原态物质被氧化成氧化态；在负极14上发生的反应则与二次电池上的负极反应一样，负极上的物质从氧化态转变成还原态。
随着充电的继续，正极13上的物质全部转变成氧化态，负极14上的物质转变成还原态，再进一步充电时，该装置的正负极上发生的反应正是燃料电池上发生的反应的逆反应。即在正极有氧气析出，而在负极上放生氢气析出反应。析出的氧气进入正极气室1111，而产生的氢气进入负极气室1112，并分别通过气管18与19进入氧气储存罐16和氢气储存罐17。
放电过程如下：在放电初始阶段，装置的正负极上面发生的反应与燃料电池的反应一样，即正极13发生氧气还原反应，负极14发生氢气氧化的反应。当氧气储存罐16与氢气储存罐17中的反应气体消耗完毕以后，该装置可以继续放电，此时发生的反应与二次电池中的一样，即正极13上活性物质从氧化态变成还原态，而负极14上的活性物质从还原态变成氧化态。
图2所示为本发明第二实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图。
能量储存与转换装置20包括壳体21、隔膜22、正极23、二次电池负极241、燃料电池负极242、电解液25、氧气储存罐26和氢气储存罐27。
壳体21包括一收容空间211。隔膜22包括第一隔膜221和第二隔膜222，第一隔膜221和第二隔膜222将收容空间211分隔成第一气室2111、第二气室2112和第三气室2113，其中，第二气室2112位于第一气室2111和第三气室2113之间。
正极23是将二次电池所用的正极(二次电池正极)与燃料电池所用的正极(燃料电池正极)电性连接，或者为一导电基板，该导电基板不仅可以作为二次电池的正极，还可以作为燃料电池的正极，兼具二次电池与燃料电池正极的功能。导电基板的材料可以选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物，该材料中还可以添加有添加剂，该添加剂选自铂、银中的一种或两种。
二次电池负极241和燃料电池负极242之间采用导线(图未示)电性连接，二次电池负极241和燃料电池负极242的材料优选为贮氢合金材料。
正极23、二次电池负极241和燃料电池负极242分别设于第二气室2112内、第一气室2111内以及第三气室2113内。氧气储存罐26通过气管28连通于第二气室2112；氢气储存罐27通过气管29分别连通于第一气室2111和第三气室2113。
能量储存与转换装置20的运行原理如下：
当对能量储存与转换装置20充电时，在充电初期，在正极23上活性物质充电，此时与二次电池正极的充电原理一样，还原态物质被氧化成氧化态；在二次电池负极241上发生的反应则与二次电池上的负极反应一样，负极上的物质从氧化态转变成还原态。
随着充电的继续，正极23上的物质全部转变成氧化态，二次电池负极241上的物质转变成还原态，再进一步充电时，该装置的正负极上发生的反应正是燃料电池上发生的反应的逆反应。即在正极23有氧气析出，而在二次电池负极241上放生氢气析出反应。析出的氧气进入第二气室2112，而二次电池负极241产生的氢气进入第一气室2111，此时燃料电池负极242也会产生氢气。产生的气体分别通过气管28与29进入氧气储存罐26和氢气储存罐27。
放电过程如下：在放电初始阶段，装置的正负极上面发生的反应与燃料电池的反应一样，即正极23发生氧气还原反应，燃料电池负极242发生氢气氧化的反应。氧气从氧气储存罐26经过气管28进入第二气室2112，在那里发生还原反应，而氢气从氢气储存罐27经过气管29进入第三气室2113，在那里被氧化，此时参与工作的电极是正极23和燃料电池负极242。当氧气储存罐26与氢气储存罐27中的反应气体消耗完毕以后，该装置可以继续放电，此时发生的反应与二次电池中的一样，即正极23上活性物质从氧化态变成还原态，而二次电池负极241上的活性物质从还原态变成氧化态，此时电池的行为是二次电池放电行为，参与工作的电极是正极23和二次电池负极241。
图3所示为本发明第三实施例中提供的能量储存与转换装置的结构示意图。
能量储存与转换装置30包括壳体31、隔膜32、负极33、二次电池正极341、燃料电池正极342、电解液35、氧气储存罐36和氢气储存罐37。
壳体31包括一收容空间311。隔膜32包括第一隔膜321和第二隔膜322，第一隔膜321和第二隔膜322将收容空间311分隔成第一气室3111、第二气室3112和第三气室3113，其中，第二气室3112位于第一气室3111和第三气室3113之间。
二次电池正极341和燃料电池正极342之间采用导线(图未示)电性连接。二次电池正极341和燃料电池正极342的材料可以选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物，该材料中还可以添加有添加剂，该添加剂选自铂、银中的一种或两种。
负极33是将二次电池所用的负极(二次电池负极)与燃料电池所用的负极(燃料电池负极)电性连接，或者为一导电基板，该导电基板不仅可以作为二次电池的负极，还可以作为燃料电池的负极，兼具二次电池与燃料电池负极的功能。导电基板的材料优选为贮氢合金材料。
二次电池正极341、燃料电池正极342和负极33分别设于第一气室3111内、第三气室3113内以及第二气室3112内。氢气储存罐37通过气管39连通于第二气室3112；氧气储存罐36通过气管38分别连通于第一气室3111和第三气室3113。
能量储存与转换装置30的运行原理如下：
当对能量储存与转换装置30充电时，在充电初期，在二次电池正极341上活性物质充电，此时与二次电池正极的充电原理一样，还原态物质被氧化成氧化态；在负极33上发生的反应则与二次电池上的负极反应一样，负极33上的物质从氧化态转变成还原态。
随着充电的继续，二次电池正极341上的物质全部转变成氧化态，负极33上的物质转变成还原态，再进一步充电时，该装置的正负极上发生的反应正是燃料电池上发生的反应的逆反应。即在二次电池正极341有氧气析出，而在负极33上放生氢气析出反应。二次电池正极341析出的氧气进入第一气室3111，此时在燃料电池正极342也会产生氧气。而负极33产生的氢气进入第二气室3112，并分别通过气管38与39进入氧气储存罐36和氢气储存罐37。
放电过程如下：在放电初始阶段，装置的正负极上面发生的反应与燃料电池的反应一样，即燃料电池正极342发生氧气还原反应，负极33发生氢气氧化的反应。氧气从氧气储存罐36经过气管38进入第三气室3113，在那里发生还原反应，而氢气从氢气储存罐37经过气管39进入第二气室3112，在那里被氧化，此时参与工作的电极是燃料电池正极342和负极33。当氧气储存罐36与氢气储存罐37中的反应气体消耗完毕以后，该装置可以继续放电，此时发生的反应与二次电池中的一样，即二次电池正极341上活性物质从氧化态变成还原态，而负极33上的活性物质从还原态变成氧化态，此时电池的行为是二次电池放电行为，参与工作的电极是二次电池正极341和负极33。
在本发明第四种实施方式中，二次电池和燃料电池的正极分别位于不同的基体上，且负极也分别位于不同的基体上，工作原理与实施例1至3类似。此时，在一个壳体内总计有四个电极，两个是正极另外两个是负极，其中一对正负极具有二次电池的功能，另一对具有燃料电池的功能。在充电早期，具有二次电池功能的一对电极工作，而充电晚期时，氢气与氧气分别在负极与正极产生。放电早期阶段，具有燃料电池功能的一对电池工作，而在放电后期，具有二次电池功能的一对电极工作。
综上所述，本发明的优点在于：将二次电池和燃料电池通过内集成的方法集成起来，兼有二次电池和燃料电池的优点，可以达到优势互补的效果；内集成***免去很多将燃料电池与二次电池外集成时所需的线路控制***，结构简单，且可降低成本。同时，内集成的***可以实现过度充电，且不会产生电池内部胀气、电极上的活性物质的脱落等问题。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种能量储存与转换装置，其特征在于，包括：
一壳体，包括一收容空间；
隔膜，设于所述收容空间内；
二次电池正极和二次电池负极，设于所述收容空间内；
燃料电池正极和燃料电池负极，设于所述收容空间内，所述燃料电池正极电性连接于所述二次电池正极，所述燃料电池负极电性连接于所述二次电池负极；
碱性电解液，形成于二次电池正极和二次电池负极之间以及二次电池正极和二次电池负极之间；
氧气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池正极氧气；
氢气储存罐，连通于所述收容空间并提供所述燃料电池负极氢气。
2.根据权利要求1所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述隔膜将所述收容空间分隔成正极气室和负极气室，所述氧气储存罐连通于所述正极气室；所述氢气储存罐连通于所述负极气室；所述二次电池正极和燃料电池正极设于所述正极气室内；所述二次电池负极和燃料电池负极设于所述负极气室内。
3.根据权利要求1所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜，该第一隔膜和第二隔膜将所述收容空间分隔成第一气室、第二气室和第三气室，所述第二气室位于所述第一气室和第三气室之间。
4.根据权利要求3所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述氧气储存罐连通于所述第二气室；所述氢气储存罐分别连通于所述第一气室和第三气室；所述二次电池正极和燃料电池正极设于所述第二气室内；所述二次电池负极设于所述第一气室内；所述燃料电池负极设于所述第三气室内。
5.根据权利要求3所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述氢气储存罐连通于所述第二气室；所述氧气储存罐分别连通于所述第一气室和第三气室；所述二次电池负极和燃料电池负极设于所述第二气室内；所述二次电池正极设于所述第一气室内；所述燃料电池正极设于所述第三气室内。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述碱性电解液选自氢氧化钾或氢氧化钠。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述二次电池正极的材料选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物；所述燃料电池正极的材料选自氢氧化镍、二氧化锰或者两者的混合物。
8.根据权利要求7所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述二次电池正极的材料中还包括添加剂，所述添加剂选自铂、银中的一种或两种；所述燃料电池正极的材料中还包括添加剂，所述添加剂选自铂、银中的一种或两种。
9.根据权利要求1至5任意一项所述的能量储存与转换装置，其特征在于，所述二次电池负极的材料为贮氢合金材料；所述燃料电池负极的材料为贮氢合金材料。
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