集成化铝-空气燃料电池系统以及液流、气流控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化学电源技术领域，特别涉及一种集成化铝-空气燃料电池系统及单体铝-空气燃料电池的结构及液流、气流方式。
【背景技术】
[0002]铝-空气燃料电池是一种以铝合金为负极、空气电极为正极、中性或碱性水溶液为电解液的金属燃料电池。铝-空气燃料电池运行过程中通过消耗铝合金负极和空气中的氧气对外输出电能，属于化学电源。目前，铝-空气燃料电池技术存在的问题主要有以下几方面:1)难于获得高的输出电压及输出功率；2)电池反应室内产生的沉淀物难以排出；3)电池反应室内产生的气体难以排出；4)在大电流放电时电池系统难以停堆，难以停止放电；5)大电流放电时系统升温严重；6)停止放电时电堆快速升温。
【发明内容】
[0003]为解决现有铝-空气燃料电池存在的上述问题。本发明提出了一种集成化铝-空气燃料电池系统及其液流、气流控制方法，实现了集成化铝-空气燃料电池系统高的输出电压和输出功率，实现了集成化铝-空气燃料电池系统温度恒定，也实现了电池反应室内的沉淀物和气体被及时排出，保证了集成化铝-空气燃料电池系统长时间大电流放电以及放电时的快速停堆、停止放电。
[0004]为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种集成化铝-空气燃料电池系统，包括由虹吸管结构单体铝-空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统和由普通管结构单体铝-空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统。
[0005]由虹吸管结构单体铝-空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统由铝-空气燃料电池电堆、导电连接片、电源输出正极、电源输出负极、总进液管道、进液管道、进液分管道、进液泵、总回液管道、回液分管道、储液槽、反应室风机、反应室风道、反应室分风道、电堆风机、电堆风道、电堆风道出风口、支架、氧气转换开关、接氧气口构成。其中，铝-空气燃料电池电堆由两个以上的虹吸管结构单体铝-空气燃料电池以电串联或者电并联或者部分电串联后再电并联或者部分电并联后再电串联的方式集成为一个整体。总进液管道和总回液管道分别与储液槽相连。总进液管道的另一端与进液泵的进液口相连。进液泵的出液口与进液管道相连，进液管道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的进液分管道，进液分管道分别与单体铝-空气燃料电池进液口相连。总回液管道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的回液分管道，回液分管道分别与单体铝-空气燃料电池出液口相连。电堆风机的出风口与电堆风道相连，电堆风道上设置有多个电堆风道出风口。电堆风道出风口位于电堆中两个相邻虹吸管结构单体铝-空气燃料电池之间。此外，电堆风道上还设置有氧气转换开关，转换开关上还设置有接氧气口。反应室风机的出风口与反应室风道相连，反应室风道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的反应室分风道。反应室分风道分别与单体铝-空气燃料电池的排气口相连。储液槽上设置有支架。
[0006]由普通管结构单体铝-空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统由铝-空气燃料电池电堆、导电连接片、电源输出正极、电源输出负极、总进液管道、进液泵、进液切换阀、进液管道、进液分管道、总回液管道、回液分管道、单体铝-空气燃料电池回液分管道、冲刷液进液管道、冲刷液进液分管道、冲刷液回液分管道、储液槽、反应室风机、反应室风道、反应室分风道、电堆风机、电堆风道、电堆风道出风口、支架、氧气转换开关、接氧气口构成。其中，铝-空气燃料电池电堆由两个以上的普通管结构单体铝-空气燃料电池通过普通管结构单体铝-空气燃料电池之间的电串联或者电并联或者按一定规律部分电串联后再电并联或者部分电并联后再电串联的方式集成为一个整体。总进液管道和总回液管道分别与储液槽相连。总进液管道的另一端与进液泵的进液口相连。进液泵的出液口与进液管道相连。进液管道上设置有进液切换阀。进液切换阀分别与进液管道和冲刷液进液管道相连。进液管道上还设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的进液分管道，进液分管道分别与单体铝-空气燃料电池进液口相连。冲刷液进液管道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的冲刷液进液分管道，冲刷液进液分管道分别与单体铝-空气燃料电池冲刷液进液口相连。总回液管道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的回液分管道，回液分管道上分别设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的单体铝-空气燃料电池回液分管道和冲刷液回液分管道。单体铝-空气燃料电池回液分管道分别与单体铝-空气燃料电池出液口相连。冲刷液回液分管道分别与单体铝-空气燃料电池冲刷液出液口相连。反应室风机的出风口与反应室风道相连。反应室风道上设置有与电堆中单体铝-空气燃料电池数量相同的反应室分风道。反应室分风道分别与单体铝-空气燃料电池的排气口相连。电堆风机的出风口与电堆风道相连。电堆风道上设置有多个电堆风道出风口。电堆风道出风口位于电堆中两个相邻虹吸管结构单体铝-空气燃料电池之间。此外，电堆风道上还设置有氧气转换开关，转换开关上还设置有接氧气口。储液槽上设置有支架。
[0007]单体铝-空气燃料电池又分为虹吸管结构单体铝-空气燃料电池和普通管结构单体铝-空气燃料电池两种。
[0008]虹吸管结构单体铝-空气燃料电池由单体铝-空气燃料电池反应室外壳、铝合金电极、销合金电极集流体、销合金电极集流体连接孔、集流体连接支撑、销合金电极绝缘封装、铝合金电极导电连接、空气电极、空气电极集流体、空气电极集流体连接孔、单体铝-空气燃料电池反应室、位于单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液、单体铝-空气燃料电池进液口、单体铝-空气燃料电池进液流道、虹吸管、积液槽、单体铝-空气燃料电池出液口、单体铝-空气燃料电池回液流道、气流通道、排气口构成。空气电极集流体上设置有空气电极集流体连接孔，空气电极与空气电极集流体相连并实现电导通，连接在一起的空气电极和空气电极集流体设置在单体铝-空气燃料电池反应室外壳上，与单体铝-空气燃料电池反应室外壳一起构成一腔体，形成单体铝-空气燃料电池反应室，电解液和铝合金电极均设置在该腔体内。铝合金电极集流体上设置有铝合金电极集流体连接孔，铝合金电极导电连接将铝合金电极集流体和铝合金电极连接到一起并实现电导通，铝合金电极绝缘封装将铝合金电极导电连接和铝合金电极集流体包裹在其中，铝合金电极绝缘封装与由空气电极和单体铝-空气燃料电池反应室外壳形成的腔体一起构成一密闭腔体。单体铝-空气燃料电池进液口、单体铝-空气燃料电池进液流道、虹吸管、积液槽、单体铝-空气燃料电池回液流道、单体铝-空气燃料电池出液口、气流通道和排气口均设置在单体铝-空气燃料电池反应室外壳上。单体铝-空气燃料电池进液口与单体铝-空气燃料电池进液流道相连，单体铝-空气燃料电池进液流道与虹吸管相连，虹吸管与积液槽相连，积液槽与单体铝-空气燃料电池反应室相连，单体铝-空气燃料电池反应室与单体铝-空气燃料电池回液流道相连，单体铝-空气燃料电池回液流道与单体铝-空气燃料电池出液口相连，单体铝-空气燃料电池反应室与气流通道相连，气流通道与排气口相连。铝合金电极集流体连接孔用于实现铝合金电极集流体和导电连接片之间的连接，集流体连接支撑用于支撑铝合金电极集流体和导电连接片之间的连接，空气电极集流体连接孔用于实现空气电极集流体和导电连接片之间的连接。
[0009]由虹吸管结构单体铝空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统运行过程中，储液槽中的电解液在进液泵的作用下流入总进液管道。总进液管道中的电解液在进液泵的作用下流入进液管道，之后再流入进液分管道，最后经单体铝-空气燃料电池进液口流入单体铝-空气燃料电池进液流道，继而先后流经虹吸管、积液槽进入单体铝-空气燃料电池反应室。之后，单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液经单体铝-空气燃料电池回液流道由单体铝空气燃料电池出液口流入回液分管道，再流入总回液管道，最后返回储液槽。实现了电解液的循环以及维持系统温度恒定。伴随着单体铝-空气燃料电池反应室内电极反应的进行，在单体铝-空气燃料电池反应室内的沉淀物也随着电解液的流动被带出单体铝-空气燃料电池反应室，最终进入储液槽。集成化铝-空气燃料电池系统运行过程中，电堆风机将空气引入电堆风道，空气再由电堆风道出风口进入铝-空气燃料电池电堆，给电堆提供更多的空气，提高集成化铝-空气燃料电池系统的输出功率。为进一步提高集成化铝-空气燃料电池系统的输出功率，还可通过接氧气口向电堆输入氧气，此时的氧气转换开关接通接氧气口。反应室风机具有向外排风和向内鼓风双重功能。集成化铝-空气燃料电池系统运行过程中，在反应室风机的排风力作用下，单体铝-空气燃料电池反应室内产生的气体经气流通道，由排气口进入反应室分风道，再经反应室风道由反应室风机排除到集成化铝-空气燃料电池系统之外。集成化铝-空气燃料电池系统停止运行时，随着进液泵停止泵液，虹吸管内的电解液、单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液以及积液槽内的电解液在虹吸原理作用下反向流动，经单体铝-空气燃料电池进液流道，由单体铝-空气燃料电池进液口流入进液分管道，再流入进液管道。在此虹吸作用下单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液被排空，电解液中的沉淀物也被带出单体铝-空气燃料电池反应室。集成化铝-空气燃料电池系统停止运行时，在反应室风机的鼓风力作用下，空气被引入反应室风道，再经反应室分风道由排气口进入气流通道，最后进入单体铝-空气燃料电池反应室内进行干燥和降温。
[0010]普通管结构单体铝-空气燃料电池由单体铝-空气燃料电池反应室外壳、铝合金电极、销合金电极集流体、销合金电极集流体连接孔、集流体连接支撑、销合金电极绝缘封装、铝合金电极导电连接、空气电极、空气电极集流体、空气电极集流体连接孔、单体铝-空气燃料电池反应室、位于单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液、单体铝-空气燃料电池进液口、单体铝-空气燃料电池进液流道、单体铝-空气燃料电池出液口、单体铝-空气燃料电池回液流道、单体铝-空气燃料电池冲刷液进液口、单体铝-空气燃料电池冲刷液流道、单体铝-空气燃料电池冲刷液出液口、气流通道、排气口构成。普通管结构单体铝-空气燃料电池的空气电极集流体上设置有空气电极集流体连接孔，空气电极与空气电极集流体相连并实现电导通，连接在一起的空气电极和空气电极集流体设置在单体铝-空气燃料电池反应室外壳上，与单体铝-空气燃料电池反应室外壳一起构成一腔体，形成单体铝-空气燃料电池反应室，电解液和铝合金电极均设置在该腔体内；铝合金电极集流体上设置有铝合金电极集流体连接孔，铝合金电极导电连接将铝合金电极集流体和铝合金电极连接到一起并实现电导通，铝合金电极绝缘封装将铝合金电极导电连接和铝合金电极集流体包裹在其中，铝合金电极绝缘封装与由空气电极和单体铝-空气燃料电池反应室外壳形成的腔体一起构成一密闭腔体；单体铝-空气燃料电池进液口、单体铝-空气燃料电池进液流道、单体铝-空气燃料电池回液流道、单体铝-空气燃料电池出液口、单体铝-空气燃料电池冲刷液进液口、单体铝-空气燃料电池冲刷液流道、单体铝-空气燃料电池冲刷液出液口、气流通道和排气口均设置在单体铝-空气燃料电池反应室外壳上；单体铝-空气燃料电池进液口与单体铝-空气燃料电池进液流道相连，单体铝-空气燃料电池进液流道与单体铝-空气燃料电池反应室相连，单体铝-空气燃料电池反应室与单体铝-空气燃料电池回液流道相连，单体铝-空气燃料电池回液流道与单体铝-空气燃料电池出液口相连，单体铝-空气燃料电池冲刷液进液口与单体铝-空气燃料电池冲刷液流道相连，单体铝-空气燃料电池冲刷液流道与单体铝-空气燃料电池反应室相连，此外，单体铝-空气燃料电池冲刷液流道还与单体铝-空气燃料电池冲刷液出液口相连，单体铝-空气燃料电池反应室与气流通道相连，气流通道与排气口相连；铝合金电极集流体连接孔用于实现铝合金电极集流体和导电连接片之间的连接，集流体连接支撑用于支撑铝合金电极集流体和导电连接片之间的连接，空气电极集流体连接孔用于实现空气电极集流体和导电连接片之间的连接。
[0011]由普通管结构单体铝-空气燃料电池构成的集成化铝-空气燃料电池系统运行过程中，储液槽中的电解液在进液泵的作用下流入总进液管道。总进液管道中的电解液在进液泵的作用下流入进液管道，之后再进入进液分管道，再由单体铝-空气燃料电池进液口进入单体铝-空气燃料电池进液流道，最终进入单体铝-空气燃料电池反应室，此时的进液切换阀接通进液管道。之后，单体铝-空气燃料电池反应室内的电解液经单体铝-空气燃料电池回液流道，由单体铝空气燃料电池出液口流入单体铝-空气燃料电池回液分管道，之后经回液分管道再流入总回液管道，最后返回储液槽。实现了电解液的循环以及维持系统温度恒定。当单体铝-空气燃料电池反应室内积累了足够数量的沉淀物时，调节进液切换阀，使在进液管道中流动的电解液进入冲刷液进液管道，之后再进入冲刷液进液分管道，再由单体铝-空气燃料电池冲刷