一种铝-水电化学电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种铝

【技术实现步骤摘要】
一种铝
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水电化学电池系统


[0001]本专利技术属于海洋化学和能源应用的
，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
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水电化学电池系统。

技术介绍

[0002]铝
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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。
[0003]铝
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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。
[0004]以铝合金作为电池阳极的铝
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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
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0.1％、Zn 0.01
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0.5％、Bi 0.1
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0.5％、Sn 0.1
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0.5％、Cd 0.01
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0.2％、Pb 0.02
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0.1％、Mn 0.02
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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。
[0005]早在20世纪80年代，国外就大力开展了铝
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水燃料电池的相关研究，国内的研究起步相对较晚。目前，铝
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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。
[0006]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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。

技术实现思路

[0010]本专利技术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。本专利技术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。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术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：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝
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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，其特征在于，所述铝水电池(23)包括电池单元(23
‑
1)，所述电池单元(23
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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)和阳极外壳(4)，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)之间设置有密封圈(3)，所述阴极外壳(1)内有腔室(1
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1)，阳极外壳(4)与两侧的阴极外壳(1)拆卸式连接；所述的反应系统包括阳极(10)、阳极支架(14)和阴极(6)，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
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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)；所述的正负极包括两根上下分布的电极棒(12)和连接器(13)，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；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
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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
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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)。2.根据权利要求1所述的一种铝
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水电化学电池系统，其特征在于：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，所述的阳极外壳(4)为环形结构，且所述阳极外壳(4)与两侧的阴极外壳(1)依次通...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨灿军，吴泽亮，夏庆超，马姝阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：