集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)以及液流、氣流控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)及單體鋁-空氣燃料電池的結(jié)構(gòu)及液流、氣流方式。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁-空氣燃料電池是一種以鋁合金為負(fù)極、空氣電極為正極、中性或堿性水溶液為電解液的金屬燃料電池。鋁-空氣燃料電池運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)消耗鋁合金負(fù)極和空氣中的氧氣對(duì)外輸出電能，屬于化學(xué)電源。目前，鋁-空氣燃料電池技術(shù)存在的問(wèn)題主要有以下幾方面:1)難于獲得高的輸出電壓及輸出功率；2)電池反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生的沉淀物難以排出；3)電池反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生的氣體難以排出；4)在大電流放電時(shí)電池系統(tǒng)難以停堆，難以停止放電；5)大電流放電時(shí)系統(tǒng)升溫嚴(yán)重；6)停止放電時(shí)電堆快速升溫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有鋁-空氣燃料電池存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明提出了一種集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)及其液流、氣流控制方法，實(shí)現(xiàn)了集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)高的輸出電壓和輸出功率，實(shí)現(xiàn)了集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)溫度恒定，也實(shí)現(xiàn)了電池反應(yīng)室內(nèi)的沉淀物和氣體被及時(shí)排出，保證了集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間大電流放電以及放電時(shí)的快速停堆、停止放電。
[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)，包括由虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)和由普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)。
[0005]由虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)由鋁-空氣燃料電池電堆、導(dǎo)電連接片、電源輸出正極、電源輸出負(fù)極、總進(jìn)液管道、進(jìn)液管道、進(jìn)液分管道、進(jìn)液泵、總回液管道、回液分管道、儲(chǔ)液槽、反應(yīng)室風(fēng)機(jī)、反應(yīng)室風(fēng)道、反應(yīng)室分風(fēng)道、電堆風(fēng)機(jī)、電堆風(fēng)道、電堆風(fēng)道出風(fēng)口、支架、氧氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、接氧氣口構(gòu)成。其中，鋁-空氣燃料電池電堆由兩個(gè)以上的虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池以電串聯(lián)或者電并聯(lián)或者部分電串聯(lián)后再電并聯(lián)或者部分電并聯(lián)后再電串聯(lián)的方式集成為一個(gè)整體?？傔M(jìn)液管道和總回液管道分別與儲(chǔ)液槽相連?？傔M(jìn)液管道的另一端與進(jìn)液泵的進(jìn)液口相連。進(jìn)液泵的出液口與進(jìn)液管道相連，進(jìn)液管道上設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的進(jìn)液分管道，進(jìn)液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口相連?？偦匾汗艿郎显O(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的回液分管道，回液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池出液口相連。電堆風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與電堆風(fēng)道相連，電堆風(fēng)道上設(shè)置有多個(gè)電堆風(fēng)道出風(fēng)口。電堆風(fēng)道出風(fēng)口位于電堆中兩個(gè)相鄰虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池之間。此外，電堆風(fēng)道上還設(shè)置有氧氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上還設(shè)置有接氧氣口。反應(yīng)室風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與反應(yīng)室風(fēng)道相連，反應(yīng)室風(fēng)道上設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的反應(yīng)室分風(fēng)道。反應(yīng)室分風(fēng)道分別與單體鋁-空氣燃料電池的排氣口相連。儲(chǔ)液槽上設(shè)置有支架。
[0006]由普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)由鋁-空氣燃料電池電堆、導(dǎo)電連接片、電源輸出正極、電源輸出負(fù)極、總進(jìn)液管道、進(jìn)液泵、進(jìn)液切換閥、進(jìn)液管道、進(jìn)液分管道、總回液管道、回液分管道、單體鋁-空氣燃料電池回液分管道、沖刷液進(jìn)液管道、沖刷液進(jìn)液分管道、沖刷液回液分管道、儲(chǔ)液槽、反應(yīng)室風(fēng)機(jī)、反應(yīng)室風(fēng)道、反應(yīng)室分風(fēng)道、電堆風(fēng)機(jī)、電堆風(fēng)道、電堆風(fēng)道出風(fēng)口、支架、氧氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、接氧氣口構(gòu)成。其中，鋁-空氣燃料電池電堆由兩個(gè)以上的普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池通過(guò)普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池之間的電串聯(lián)或者電并聯(lián)或者按一定規(guī)律部分電串聯(lián)后再電并聯(lián)或者部分電并聯(lián)后再電串聯(lián)的方式集成為一個(gè)整體?？傔M(jìn)液管道和總回液管道分別與儲(chǔ)液槽相連?？傔M(jìn)液管道的另一端與進(jìn)液泵的進(jìn)液口相連。進(jìn)液泵的出液口與進(jìn)液管道相連。進(jìn)液管道上設(shè)置有進(jìn)液切換閥。進(jìn)液切換閥分別與進(jìn)液管道和沖刷液進(jìn)液管道相連。進(jìn)液管道上還設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的進(jìn)液分管道，進(jìn)液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口相連。沖刷液進(jìn)液管道上設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的沖刷液進(jìn)液分管道，沖刷液進(jìn)液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池沖刷液進(jìn)液口相連?？偦匾汗艿郎显O(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的回液分管道，回液分管道上分別設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的單體鋁-空氣燃料電池回液分管道和沖刷液回液分管道。單體鋁-空氣燃料電池回液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池出液口相連。沖刷液回液分管道分別與單體鋁-空氣燃料電池沖刷液出液口相連。反應(yīng)室風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與反應(yīng)室風(fēng)道相連。反應(yīng)室風(fēng)道上設(shè)置有與電堆中單體鋁-空氣燃料電池?cái)?shù)量相同的反應(yīng)室分風(fēng)道。反應(yīng)室分風(fēng)道分別與單體鋁-空氣燃料電池的排氣口相連。電堆風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與電堆風(fēng)道相連。電堆風(fēng)道上設(shè)置有多個(gè)電堆風(fēng)道出風(fēng)口。電堆風(fēng)道出風(fēng)口位于電堆中兩個(gè)相鄰虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池之間。此外，電堆風(fēng)道上還設(shè)置有氧氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上還設(shè)置有接氧氣口。儲(chǔ)液槽上設(shè)置有支架。
[0007]單體鋁-空氣燃料電池又分為虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池和普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池兩種。
[0008]虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池由單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼、鋁合金電極、銷(xiāo)合金電極集流體、銷(xiāo)合金電極集流體連接孔、集流體連接支撐、銷(xiāo)合金電極絕緣封裝、鋁合金電極導(dǎo)電連接、空氣電極、空氣電極集流體、空氣電極集流體連接孔、單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室、位于單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道、虹吸管、積液槽、單體鋁-空氣燃料電池出液口、單體鋁-空氣燃料電池回液流道、氣流通道、排氣口構(gòu)成?？諝怆姌O集流體上設(shè)置有空氣電極集流體連接孔，空氣電極與空氣電極集流體相連并實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通，連接在一起的空氣電極和空氣電極集流體設(shè)置在單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼上，與單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼一起構(gòu)成一腔體，形成單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室，電解液和鋁合金電極均設(shè)置在該腔體內(nèi)。鋁合金電極集流體上設(shè)置有鋁合金電極集流體連接孔，鋁合金電極導(dǎo)電連接將鋁合金電極集流體和鋁合金電極連接到一起并實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通，鋁合金電極絕緣封裝將鋁合金電極導(dǎo)電連接和鋁合金電極集流體包裹在其中，鋁合金電極絕緣封裝與由空氣電極和單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼形成的腔體一起構(gòu)成一密閉腔體。單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道、虹吸管、積液槽、單體鋁-空氣燃料電池回液流道、單體鋁-空氣燃料電池出液口、氣流通道和排氣口均設(shè)置在單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼上。單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口與單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道相連，單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道與虹吸管相連，虹吸管與積液槽相連，積液槽與單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室相連，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室與單體鋁-空氣燃料電池回液流道相連，單體鋁-空氣燃料電池回液流道與單體鋁-空氣燃料電池出液口相連，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室與氣流通道相連，氣流通道與排氣口相連。鋁合金電極集流體連接孔用于實(shí)現(xiàn)鋁合金電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接，集流體連接支撐用于支撐鋁合金電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接，空氣電極集流體連接孔用于實(shí)現(xiàn)空氣電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接。
[0009]由虹吸管結(jié)構(gòu)單體鋁空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)液槽中的電解液在進(jìn)液泵的作用下流入總進(jìn)液管道?？傔M(jìn)液管道中的電解液在進(jìn)液泵的作用下流入進(jìn)液管道，之后再流入進(jìn)液分管道，最后經(jīng)單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口流入單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道，繼而先后流經(jīng)虹吸管、積液槽進(jìn)入單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室。之后，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液經(jīng)單體鋁-空氣燃料電池回液流道由單體鋁空氣燃料電池出液口流入回液分管道，再流入總回液管道，最后返回儲(chǔ)液槽。實(shí)現(xiàn)了電解液的循環(huán)以及維持系統(tǒng)溫度恒定。伴隨著單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)電極反應(yīng)的進(jìn)行，在單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的沉淀物也隨著電解液的流動(dòng)被帶出單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室，最終進(jìn)入儲(chǔ)液槽。集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電堆風(fēng)機(jī)將空氣引入電堆風(fēng)道，空氣再由電堆風(fēng)道出風(fēng)口進(jìn)入鋁-空氣燃料電池電堆，給電堆提供更多的空氣，提高集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。為進(jìn)一步提高集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，還可通過(guò)接氧氣口向電堆輸入氧氣，此時(shí)的氧氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接通接氧氣口。反應(yīng)室風(fēng)機(jī)具有向外排風(fēng)和向內(nèi)鼓風(fēng)雙重功能。集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在反應(yīng)室風(fēng)機(jī)的排風(fēng)力作用下，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生的氣體經(jīng)氣流通道，由排氣口進(jìn)入反應(yīng)室分風(fēng)道，再經(jīng)反應(yīng)室風(fēng)道由反應(yīng)室風(fēng)機(jī)排除到集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)之外。集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，隨著進(jìn)液泵停止泵液，虹吸管內(nèi)的電解液、單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液以及積液槽內(nèi)的電解液在虹吸原理作用下反向流動(dòng)，經(jīng)單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道，由單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口流入進(jìn)液分管道，再流入進(jìn)液管道。在此虹吸作用下單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液被排空，電解液中的沉淀物也被帶出單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室。集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，在反應(yīng)室風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)力作用下，空氣被引入反應(yīng)室風(fēng)道，再經(jīng)反應(yīng)室分風(fēng)道由排氣口進(jìn)入氣流通道，最后進(jìn)入單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行干燥和降溫。
[0010]普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池由單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼、鋁合金電極、銷(xiāo)合金電極集流體、銷(xiāo)合金電極集流體連接孔、集流體連接支撐、銷(xiāo)合金電極絕緣封裝、鋁合金電極導(dǎo)電連接、空氣電極、空氣電極集流體、空氣電極集流體連接孔、單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室、位于單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道、單體鋁-空氣燃料電池出液口、單體鋁-空氣燃料電池回液流道、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液流道、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液出液口、氣流通道、排氣口構(gòu)成。普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池的空氣電極集流體上設(shè)置有空氣電極集流體連接孔，空氣電極與空氣電極集流體相連并實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通，連接在一起的空氣電極和空氣電極集流體設(shè)置在單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼上，與單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼一起構(gòu)成一腔體，形成單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室，電解液和鋁合金電極均設(shè)置在該腔體內(nèi)；鋁合金電極集流體上設(shè)置有鋁合金電極集流體連接孔，鋁合金電極導(dǎo)電連接將鋁合金電極集流體和鋁合金電極連接到一起并實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通，鋁合金電極絕緣封裝將鋁合金電極導(dǎo)電連接和鋁合金電極集流體包裹在其中，鋁合金電極絕緣封裝與由空氣電極和單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼形成的腔體一起構(gòu)成一密閉腔體；單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道、單體鋁-空氣燃料電池回液流道、單體鋁-空氣燃料電池出液口、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液進(jìn)液口、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液流道、單體鋁-空氣燃料電池沖刷液出液口、氣流通道和排氣口均設(shè)置在單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室外殼上；單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口與單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道相連，單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道與單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室相連，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室與單體鋁-空氣燃料電池回液流道相連，單體鋁-空氣燃料電池回液流道與單體鋁-空氣燃料電池出液口相連，單體鋁-空氣燃料電池沖刷液進(jìn)液口與單體鋁-空氣燃料電池沖刷液流道相連，單體鋁-空氣燃料電池沖刷液流道與單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室相連，此外，單體鋁-空氣燃料電池沖刷液流道還與單體鋁-空氣燃料電池沖刷液出液口相連，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室與氣流通道相連，氣流通道與排氣口相連；鋁合金電極集流體連接孔用于實(shí)現(xiàn)鋁合金電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接，集流體連接支撐用于支撐鋁合金電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接，空氣電極集流體連接孔用于實(shí)現(xiàn)空氣電極集流體和導(dǎo)電連接片之間的連接。
[0011]由普通管結(jié)構(gòu)單體鋁-空氣燃料電池構(gòu)成的集成化鋁-空氣燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)液槽中的電解液在進(jìn)液泵的作用下流入總進(jìn)液管道。總進(jìn)液管道中的電解液在進(jìn)液泵的作用下流入進(jìn)液管道，之后再進(jìn)入進(jìn)液分管道，再由單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液口進(jìn)入單體鋁-空氣燃料電池進(jìn)液流道，最終進(jìn)入單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室，此時(shí)的進(jìn)液切換閥接通進(jìn)液管道。之后，單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液經(jīng)單體鋁-空氣燃料電池回液流道，由單體鋁空氣燃料電池出液口流入單體鋁-空氣燃料電池回液分管道，之后經(jīng)回液分管道再流入總回液管道，最后返回儲(chǔ)液槽。實(shí)現(xiàn)了電解液的循環(huán)以及維持系統(tǒng)溫度恒定。當(dāng)單體鋁-空氣燃料電池反應(yīng)室內(nèi)積累了足夠數(shù)量的沉淀物時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)液切換閥，使在進(jìn)液管道中流動(dòng)的電解液進(jìn)入沖刷液進(jìn)液管道，之后再進(jìn)入沖刷液進(jìn)液分管道，再由單體鋁-空氣燃料電池沖刷