一种铝-水电化学电池系统
阅读说明：本技术 一种铝-水电化学电池系统 (Aluminum-water electrochemical cell system ) 是由 杨灿军 吴泽亮 夏庆超 马姝阳 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铝-水电化学电池系统,包括铝水电池及维持系统,铝水电池包括电池单元,电池单元包括壳体、正负极、水体交互系统以及反应系统,反应系统设置在壳体内,在壳体上布设有水体交互系统与正负极,水体交互系统与反应系统、维持系统相连,壳体包括阴极外壳、阳极外壳,阳极外壳的两侧对称布置有阴极外壳,在阳极外壳两侧与阴极外壳之间设置有密封圈,阳极外壳与两侧的阴极外壳拆卸式连接；反应系统包括阳极、阳极支架和阴极,阳极嵌套在阳极支架内,阳极的表面设置有氢氧化铝絮状物,阴极设置在腔室内,阴极表面附着有氢气泡,在阴极外壳、阳极外壳内部设置有电解液；正负极包括两根上下分布的电极棒和连接器。本发明能够稳定供电。(The invention discloses an aluminum-water electrochemical cell system, which comprises an aluminum-water electrochemical cell and a maintaining system, wherein the aluminum-water electrochemical cell comprises a cell unit, the cell unit comprises a shell, a positive electrode, a negative electrode, a water body interaction system and a reaction system, the reaction system is arranged in the shell, the water body interaction system, the positive electrode and the negative electrode are arranged on the shell, the water body interaction system is connected with the reaction system and the maintaining system, the shell comprises a cathode shell and an anode shell, cathode shells are symmetrically arranged on two sides of the anode shell, sealing rings are arranged between two sides of the anode shell and the cathode shells, and the anode shell is detachably connected with the cathode shells on the two sides; the reaction system comprises an anode, an anode support and a cathode, wherein the anode is nested in the anode support, aluminum hydroxide floccules are arranged on the surface of the anode, the cathode is arranged in the cavity, hydrogen bubbles are attached to the surface of the cathode, and electrolyte is arranged in the cathode shell and the anode shell; the positive and negative electrodes comprise two electrode rods and connectors which are distributed up and down. The invention can stably supply power.)
技术领域
本发明属于海洋化学和能源应用的技术领域，具体地说，涉及一种基于铝金属或者铝合金与水通过化学反应产生电能，该电能能够在海洋环境下给设备持续提供长时间供电的一种铝-水电化学电池系统。
背景技术
铝-水电化学电池是以铝金属或者铝合金作为阳极，以水作为阴极的一种燃料电池，其不同于传统概念的铝-空(氧)燃料电池，它不需要携带储氧罐，无需空气，可以在无氧条件下使用，在使用过程中只消耗铝合金阳极和水，能在向负载供电的同时产生氢气，实现电能和氢能的共生。
铝-水电化学电池选用铝合金作为电池的阳极，其具有以下几个优点：(1)电化当量高。铝的当量为2980A·h/kg，为除铿外质量比能量最高的金属；(2)电极电位较负，对阳极材料来说，电位越负越好。铝的电极电位较负，因而能提供更大的功率。(3)铝的资源丰富，价格低廉。(4)适用范围广。对电池而言，可制成碱性、中性和有机电池。因此，铝是一种优良的电池负极活性材料。
以铝合金作为电池阳极的铝-水电化学电池仍存在许多缺点：(1)铝的实际工作电位比理论值高很多；铝合金与氧之间有很强的亲和力，在空气和水溶液中，其表面会生成一层致密的钝化氧化膜，使铝在中性溶液中的电极电位达不到应有的理论电极电位，同时还会造成放电时的电压滞后现象。(2)铝阳极在反应中易发生严重的析氢自腐蚀，其降低了铝合金的利用率，降低了电池的比能量、比功率，影响了电池的正常工作。目前，为了降低铝阳极上述的缺点对其电化学性能的影响，主要通过添加微量合金元素来改善铝合金阳极的电化学能。合金元素按在铝合金中的功能主要分为3种:能破坏钝化膜、降低氧化膜电阻的Sn，Ga，In等形成低温共熔体合金的Ga，In，Sn，Bi，Tl等；使铝活化、降低自腐蚀速度的高析氢超电位元素Pb，Sn，Hg，Cd等。例如中国船舶重工集团公司第七二五研究所申请的专利号为201811351266.5的一种海水电池用铝合金阳极材料的专利，提供了一种成分为：Ga 0.01-0.1％、Zn 0.01-0.5％、Bi 0.1-0.5％、Sn 0.1-0.5％、Cd 0.01-0.2％、Pb 0.02-0.1％、Mn0.02-0.2％，杂质元素总含量≤0.1％，其中杂质Fe≤0.07％、杂质Cu≤0.005％，余量为Al的一种铝合金阳极材料。此外,铝合金阳极进行适当的热处理也能显著抑制其析氢腐蚀，例如对铝合金材料依次进行500℃固溶6h、淬火、烘干、150℃回火8h、空气中自然冷却的处理，可以提高其电化学性能及降低自腐蚀速率。
早在20世纪80年代，国外就大力开展了铝-水燃料电池的相关研究，国内的研究起步相对较晚。目前，铝-水燃料电池的研究已经取得了突破性进展。1994年，P.K.SHEN等针对深海应用进行了铝水燃料电池的研究，设计了圆柱形电池。2002年天津大学李振亚等对铝水燃料电池进行了研究，设计了开放式的电池结构。2015年，美国开放水域动力公司联合麻省理工学院、林肯实验室、伍兹霍尔海洋研究所共同开发了铝海水燃料电池，技术成熟度达到了6级。该电池以铝合金为阳极，以镀铂钛为析氢阴极，以碱性海水为电解液，采用层叠密封结构，其能量密度为锂离子电池的10倍，可达到3000Wh/L，功率密度可达35W/L，在大功率下运行寿命在一个星期以上，小功率下运行寿命可达几个月的时间，该电池系统结构简单、安全性高。
而国内的金属燃料电池近年来也有了许多进展，例如专利号为201811533741.0，专利名称为一种金属空气电池组或单体电池的专利，便描述了一种利用金属铝与空气反应发电的金属燃料电池的具体结构。专利号为201811535989.0的专利则介绍了一种在海水中的燃料电池组的结构，采用了可弹性变形的外壳来调节浮力与处理反应产生的气体，专利号为201210222298.1的专利介绍了一种可以通过间歇循环电解液来排除反应产生的沉淀的金属空气电池，而国内均未研究出铝水电池，因为目前，铝水电池主要有以下几个技术问题：
1、铝合金阳极因为钝化以及自腐蚀导致性能不能达到理论值；
2、电池在工作中容易因为化学反应产生的AI(OH)3絮状物而导致电池堵塞以及容量损失；
3、电池在跟随设备运动时，姿态会发生变化，固定的排气口排气效果差，需要一种新型的排气方式。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种铝水电化学电池系统，来实现为海洋环境中的设备如声纳浮标、海上救生信号灯、UUV、海洋剖面仪等提供超长时间的稳定供电。本发明与现有的金属海水燃料电池相比，可以对电池在海洋环境下运行时产生的各种实际问题进行解决，使电池安全稳定持久的运行。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种铝水电化学电池系统，包括铝水电池以及作为外围传输的维持系统，所述铝水电池包括电池单元，所述电池单元包括壳体、正负极、水体交互系统以及反应系统，所述反应系统设置在壳体内被壳体所包裹，在壳体上布设有水体交互系统与正负极，所述水体交互系统与反应系统、维持系统相连，其中：
所述的壳体包括阴极外壳和阳极外壳，所述阳极外壳的两侧对称布置有一个所述的阴极外壳，在阳极外壳两侧与阴极外壳之间设置有密封圈，所述阴极外壳内有腔室，阳极外壳与两侧的阴极外壳拆卸式连接；
所述的反应系统包括阳极、阳极支架和阴极，所述阳极嵌套在阳极支架内，阳极支架与阳极外壳间隙配合，阳极支架的左右两侧与两边的阴极外壳相顶，所述阳极的表面设置有氢氧化铝絮状物，所述阴极设置在腔室内，所述阴极表面附着有氢气泡，在阴极外壳、阳极外壳内部设置有流动的电解液；
所述的正负极包括两根上下分布的电极棒和连接器，两根电极棒均贯穿阳极外壳以及两侧的阴极外壳，在阴极外壳以及阳极外壳内均胶封有一个所述的连接器，所述阴极外壳内的连接器位于阴极外壳上方，且阴极外壳内的连接器的一端与阴极连接，另一端与上方的电极棒接触，所述阳极外壳内的连接器位于阳极外壳下方，且阳极外壳内的连接器的一端与阳极连接，另一端与下方的电极棒接触；
所述的水体交互系统包括设置在阴极外壳上的四个通孔，两个为进水口，两个为出水口，所述阴极外壳上的通孔与腔室连通，所述通孔通过管道与维持系统相连，在阳极外壳上设置有与通孔一一对应保持连通的连通孔；
所述的维持系统包括水泵、过滤器和储液罐，所述铝水电池通过管道依次与过滤器、水泵、储液罐相连接，形成一个对电解液的循环传输，且所述的维持系统为间歇式工作，且只在电解液中氢氧化铝絮状物浓度达到设定程度时工作，所述维持系统内的环境中存在电解液、氢气泡以及氢氧化铝絮状物。
作为优选，为了提高密封性，在每一个阳极外壳与阴极外壳之间设置有一大一小的两个密封圈，两个密封圈与阴极外壳为同心圆，两个密封圈将阳极外壳与阴极外壳之间隔离出一片环形的干燥区域，所述的阳极外壳为环形结构，且所述阳极外壳与两侧的阴极外壳依次通过螺栓与螺母配合连接。
作为最优方案考虑，所述阳极的厚度为2-5mm。
作为最优方案考虑，所述阴极的厚度为40-100um。
为了能够始终保证电极棒与连接器相抵，最终保证电极棒与连接器连通，不影响电极的工作状态，在阴极外壳和阳极外壳的对应位置均胶封有一个密封板，在密封板上设置有位于外壳内部的弹性柱销，所述弹性柱销的一端将对应的电极棒顶向连接器。
作为最优方案考虑，所述的电解液为碱性导电液体，具体成分含有KOH、H20、甲醇、乙腈。
为了能够及时更换堵塞的过滤单元，保证过滤器长时间能够使用，所述的过滤器包括过滤腔、过滤单元、电推驱动器以及推杆，所述过滤腔内设置有一个以上的过滤单元，所述过滤单元的一端为开口，所述过滤单元的另一端插接有所述的推杆，所述推杆的另一端连接有驱动推杆在过滤腔内水平移动的电推驱动器，在过滤腔上方设置有卡座，在每一个过滤单元的上方设置有与卡座卡扣配合的卡钩，在过滤腔上设置有进口和出口，每一个过滤单元的两边设置有与对应的进口或出口配合的出/入液口。
作为优选，方便加工，所述的过滤单元包括单元外壳与位于单元外壳内的过滤棉芯。
作为优选，所述储液罐中存储有一定的电解液以及氢气泡，在储液罐上设置有可以排出氢气泡的疏水透气层以及能够从外环境补充纯水的注水口。
作为优选，为了方便安装，所述腔室的内壁为倾斜设置，所述阴极设置在腔室内的底部小口径处，所述阴极外壳、阳极外壳由塑料材料制成的。
作为优选，为了提升电池的性能，所述的铝水电池为片状模块化结构，包括一个以上堆叠并联设置的电池单元。
本发明得到的一种铝-水电化学电池系统，具有以下技术效果：
1、首先使用高活性高负电位的铝合金作为阳极，同时内部使用电解液，能够有效的缓解铝金属阳极的自腐蚀且具有良好的导电性；
2、另外电解液是经过维持系统进行循环流动的，因此后期会回到电池内，保证水的浓度高，其从阴极回到原电池，有效降低了阳极附近的水浓度，缓解了阳极的自腐蚀；
3、电池设置有2个进水口，2个出水口，在更换电解液时，电解液流动会产生湍流，可以有效带走阴极表面吸附的气泡；
4、同时电解液内含有氢气泡，具有空化作用，在更换时可以对铝金属阳极表面产生较强的冲刷作用，有效的带走阳极表面的氢氧化铝絮状物；
5、能够有效可靠的处理了电池组工作产物，使电池组得以持续稳定的在海洋环境下为设备提供电力；同时电池组通过密封圈实现内部电解液与外部海水环境的隔离，简单可靠，电池组的正负极仅需2个电极棒便可以接出电池，方便对多个电池进行并联堆叠；
6、电池组采用螺栓与螺母的配合安装，操作简单，结构稳定性好；
7、同时将过滤器设置成壳更换过滤棉芯式的结构，能够有效避免了因为过滤器的堵塞而影响电池工作寿命的问题；
8、将氢气的释放与补水功能集合在储液罐里有效的简化了结构，使系统的工作更加的可靠、稳定。
附图说明
图1为本实施例1中一个电池单元的结构图；
图2为本实施例1中有3个电池单元构成铝水电池的结构图；
图3为图2对应的铝水电池电解液流动示意图；
图4为图2对应的铝水电池连接结构图；
图5为图2对应的电池组电极结构图；
图6为本实施例1中阳极支架主视图；
图7为图6的A处放大图；
图8为本实施例1中过滤器结构示意图；
图9为本实施例1中过滤单元结构示意图；
图10为本实施例1中电解液循环示意图。
图中：阴极外壳1、腔室1-1、螺栓2、密封圈3、阳极外壳4、螺母5、阴极6、氢气泡7、电解液8、氢氧化铝絮状物9、阳极10、通孔11、连通孔11-1、电极棒12、连接器13、阳极支架14、弹性柱销15、密封板16、电推驱动器17、推杆18、过滤腔19、过滤单元20、过滤棉芯21、单元外壳22、铝水电池23、过滤器24、水泵25、储液罐26、卡座19-1、卡钩19-2、进口19-3、出口19-4、出/入液口20-1、电池单元23-1。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-10所示，本发明提供的一种铝-水电化学电池系统，包括铝水电池23以及作为外围传输的维持系统，所述铝水电池23包括电池单元23-1，所述电池单元23-1包括壳体、正负极、水体交互系统以及反应系统，所述反应系统设置在壳体内被壳体所包裹，在壳体上布设有水体交互系统与正负极，所述水体交互系统与反应系统、维持系统相连，其中：
所述的壳体包括阴极外壳1、阳极外壳4和密封圈3，所述阳极外壳4的两侧对称布置有一个所述的阴极外壳1，在阳极外壳4两侧与阴极外壳1之间设置有所述的密封圈3，所述阴极外壳1内有腔室1-1，阳极外壳4为环形结构，阳极外壳4与两侧的阴极外壳1拆卸式连接，在本实施例中阳极外壳4与两侧的阴极外壳1依次通过螺栓2与螺母5配合连接；还可以采用其他的可拆式连接，例如铰接，扣合等方式；
所述的反应系统包括阳极10、阳极支架14、阴极6、氢气泡7、氢氧化铝絮状物9和电解液8，所述阳极10嵌套在阳极支架14内，阳极支架14与阳极外壳4间隙配合，阳极支架14的左右两侧与两边的阴极外壳1相顶，所述阳极10的表面设置有氢氧化铝絮状物9，所述阴极6设置在腔室1-1内，所述阴极6表面附着有氢气泡7，在阴极外壳1、阳极外壳4内部设置有流动的电解液8；所有反应均在电解液8中进行；
所述的正负极包括两根上下分布的电极棒12、连接器13、弹性柱销15和密封板16，两根电极棒12均贯穿阳极外壳4以及两侧的阴极外壳1，在阴极外壳1以及阳极外壳4内均胶封有一个所述的连接器13，所述阴极外壳1内的连接器13位于阴极外壳1上方，且阴极外壳1内的连接器13的一端与阴极6连接，另一端与上方的电极棒12接触，所述阳极外壳4内的连接器13位于阳极外壳4下方，且阳极外壳4内的连接器13的一端与阳极10连接，另一端与下方的电极棒12接触，在阴极外壳1和阳极外壳4的对应位置均胶封有一个所述的密封板16，在密封板16上设置有位于外壳内部的弹性柱销15，所述弹性柱销15的一端将电极棒12顶向连接器13，保证电极棒12穿过外壳上的通孔时，受到被密封板16固定住的弹性柱销15的压力与胶封在壳内的连接器13紧密接触，密封板16也通过胶封在外壳1上，实现了对其的固定与外壳1的密封；
所述的水体交互系统包括设置在阴极外壳1上的四个通孔11，两个为进水口，两个为出水口，所述阴极外壳1上的通孔11与腔室1-1连通，所述通孔11通过管道与维持系统相连，在阳极外壳4上设置有与通孔11一一对应保持连通的连通孔11-1。
所述的维持系统包括水泵25、过滤器24和储液罐26，所述铝水电池23通过管道依次与过滤器24、水泵25、储液罐26相连接，形成一个电解液8的循环传输，且所述的维持系统为间歇式工作，且只在电解液8中氢氧化铝絮状物9浓度达到设定程度时工作，所述维持系统内的环境中存在电解液8、氢气泡7以及氢氧化铝絮状物9。
作为优选，为了提高密封性，在每一个阳极外壳4与阴极外壳1之间设置有一大一小的两个密封圈3，两个密封圈3与阴极外壳1为同心圆，两个密封圈3将阳极外壳4与阴极外壳1之间隔离出一片环形的干燥区域。
本实施例中所述阳极的厚度为2-5mm。
本实施例中所述阴极的厚度为40-100um。
本实施例中所述的电解液8为碱性导电液体，具体成分含有KOH、H20、甲醇、乙腈。
为了能够及时更换堵塞的过滤单元，保证过滤器长时间能够使用，所述的过滤器24包括过滤腔19、过滤单元20、电推驱动器17以及推杆18，所述过滤腔19内设置有一个以上的过滤单元20，所述过滤单元20的一端为开口，所述过滤单元20的另一端插接有所述的推杆18，所述推杆18的另一端连接有驱动推杆18在过滤腔19内水平移动的电推驱动器17，在过滤腔19上方设置有卡座19-1，在每一个过滤单元20的上方设置有与卡座19-1卡扣配合的卡钩19-2，在过滤腔19上设置有进口19-3和出口19-4，每一个过滤单元20的两边设置有与对应的进口19-3或出口19-4配合的出/入液口20-1，过滤腔后期可通过电推驱动器17驱动依次替换；过滤单元20上存在卡扣用来定位，当正在使用的过滤单元20堵塞了一定的氢氧化铝沉淀后，驱动电推驱动器17工作，带动推杆18在过滤腔19内水平移动将堵塞的过滤单元20从过滤单元20的一端的开口弹出到外环境中，由下一个过滤单元20接替过滤，更换过滤单元20时电解液停止流动。
方便加工，本实施例中所述的过滤单元20包括单元外壳22与位于单元外壳22内的过滤棉芯21，本实施例中为了提高密封性，在单元外壳22对应定位置设置楔形槽用于存放o型圈来实现与过滤腔19之间的密封，同时后期在单元外壳22四壁上均设置一张圆形薄膜，以实现通过形变来实现过滤单元20内外压平衡。
本实施例中所述储液罐26中存储有一定的电解液8以及氢气泡7，在储液罐26上设置有可以排出氢气泡7的疏水透气层26-1以及能够从外环境补充纯水的注水口26-2。
为了方便安装，本实施例中所述腔室1-1的内壁为倾斜设置，所述阴极6设置在腔室1-1内的底部小口径处，所述阴极外壳1、阳极外壳4由塑料材料制成的。
为了提升电池的性能，本实施例中所述的铝水电池23为片状模块化结构，包括一个以上堆叠并联设置的电池单元23-1，通过依次增加堆叠电池单元23-1来提升电池的性能。
在本实施例中阳极外壳4与阴极外壳1为圆柱形，截面积相同，且为了安装稳定，设置螺丝为4个，对应的螺母也为4个，因此为了方便安装电极棒12、两个为进水口、两个为出水口以及固定4个螺丝，在阴极外壳1以及阳极外壳4上布置有位置一一对应的十个通孔，方便安装以及连通。
本申请人需要说明的是阳极的厚度可根据功率或能量密度要求而变化，为了更高的功率密度，可使用较薄的阳极，为了较高的能量密度，可增加阳极的质量，阳极最佳的厚度约为2-5mm。在实施例中使用的为含有约0.15wt％In和0.15wt％Ga的铝合金固体阳极，铝合金阳极依次进行500℃固溶6h、淬火、烘干、150℃回火8h、空气中自然冷却的处理，电池可通过替换固体阳极进行机械充电。
本实施例涉及的阴极具有高表面积，其由网络材料组成并在其表面沉积镍或铂。在实施例中使用的阴极是由镀铂的导电镍网组成。阴极与阳极之间通过电解液隔开。阴极的厚度可根据功率或能量密度要求而变化，在一个电池中可使用一个或多个阴极。而经过验证:阴极性能较好时的厚度约为40-100um。
本实施例使用的阴极6是镀铂的导电镍网；本实施例中使用的电解液8中KOH的浓度为0.5M，溶剂成分为H2O40Methanol20Acetonitrile40。
本发明创造的技术性效果如下：
1、首先使用高活性高负电位的铝合金作为阳极，同时内部使用电解液，能够有效的缓解铝金属阳极的自腐蚀且具有良好的导电性；
2、另外电解液是经过维持系统进行循环流动的，因此后期会回到电池内，保证水的浓度高，其从阴极回到原电池，有效降低了阳极附近的水浓度，缓解了阳极的自腐蚀；
3、电池设置有2个进水口，2个出水口，在更换电解液时，电解液流动会产生湍流，可以有效带走阴极表面吸附的气泡；
4、同时电解液内含有氢气泡，具有空化作用，在更换时可以对铝金属阳极表面产生较强的冲刷作用，有效的带走阳极表面的氢氧化铝絮状物；
5、能够有效可靠的处理了电池组工作产物，使电池组得以持续稳定的在海洋环境下为设备提供电力；同时电池组通过密封圈实现内部电解液与外部海水环境的隔离，简单可靠，电池组的正负极仅需2个电极棒便可以接出电池，方便对多个电池进行并联堆叠；
6、在本实施例中电池组固定时仅需4个螺栓，操作简单，结构稳定性好；
7、同时将过滤器设置成壳更换过滤棉芯式的结构，能够有效避免了因为过滤器的堵塞而影响电池工作寿命的问题；
8、将氢气的释放与补水功能集合在储液罐里有效的简化了结构，使系统的工作更加的可靠、稳定。
综上所述，本发明能够为海洋环境中的设备如声纳浮标、海上救生信号灯、UUV、海洋剖面仪等提供超长时间的稳定供电。本发明与现有的金属海水燃料电池相比，可以对电池在海洋环境下运行时产生的各种实际问题进行解决，使电池安全稳定持久的运行
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均应该落在本发明的保护范围之内。
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