高效回收反应产物的铝空气电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，更为具体来说，本发明涉及一种高效回收反应产物的铝空气电池系统。

背景技术：

铝空气燃料电池是铝和空气在电解质、催化剂的参与下进行化学反应而发电的化学电源，在发电的过程中消耗铝和氧气。铝空气电池的电解质可以是中性的也可以碱性的，其中，碱性电解质使用较多。常用的碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钾等。

在碱性铝空气电池发电过程中，以氢氧化钠电解质为例，存在以下反应：

2al+2naoh+6h2o＝2na[al(oh)4]+3h2↑(1)

4al+3o2+6h2o+4oh^-＝4al(oh)4^-(2)

2al+6h2o＝2aloh3↓+3h2↑(3)

电池单体的阳极铝与电解液中的氢氧化钠反应，生成四羟基合铝酸钠na[al(oh)4]，如反应式(1)所示，对于水性电解质铝空气电池，还存在反应式(3)所示的反应，阳极铝与电解液中的水发生反应，生成氢氧化铝al(oh)3。在水溶液中四羟基合铝酸钠na[al(oh)4]以na⁺和al(oh)4^-形式存在。而且在以上反应中，生成四羟基合铝酸钠的反应为主反应，生成氢氧化铝的反应为副反应，因此在反应产物中存在大量的四羟基合铝酸钠，四羟基合铝酸钠溶解在电解液中，同时也存在少量的氢氧化铝al(oh)3。

al(oh)3不溶于水，因此随着铝空气电池发电的进行，电解液中产物越来越多，对于电解液循环式铝空气电池系统，微小的反应产物al(oh)3颗粒随着电解液溶液一起循环。由于al(oh)3在电解质中不是以溶解状态存在，是固体状态，当其流经电池单体时，微小al(oh)3颗粒会粘附在电极上，从而降低系统的发电效率，降低系统的输出功率。

另外，随着反应的进行、铝阳极的消耗，电解液中的产物越来越多，电解液的电导率越来越低，系统的发电能力越来越低。电解质液体中的反应产物的增加，相应地反应物质在逐渐减少，铝阳极与反应物接触的概率越来越小，导致系统效率越来越低。因此，为保持系统的效率，现有技术是间隔更换整体电堆，废弃反应后的电解液，更换新的电解液。这种方式不适合经常使用的场合，如汽车使用等。

在铝空气电池发电的化学反应产物中，氢氧化铝是可用的物质，可回收利用，可用作阻燃剂、可用作药，还可以通过加热而得到氧化铝，可进一步加工得到铝，回收的铝可再次用来发电，从而形成铝空气燃料电池的可再生利用。

发电过程的反应产物氢氧化铝不溶于水，所以可以通过固液分离来获得氢氧化铝，减少电解液中的氢氧化铝。但固液分离不能分离反应主要产物四羟基合铝酸钠，四羟基合铝酸钠还在电解液中，参与电解液循环。随着发电的进行，由于反应产物四羟基合铝酸钠越来越多，使得电解液的性能逐渐下降，系统发电效率逐渐下降，同时，由于大量的铝以al(oh)4^-的形式存在，不能被回收。

因此，解决铝空气电池系统发电过程中反应产物的回收问题，尤其解决主产物四羟基合铝酸钠中的铝的回收问题，从而减少电解液中的反应产物、保持电解液的性能，使系统能长期高效发电，成为本领域重点关注且亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

为解决现有铝空气电池系统中随发电反应的进行，反应产物增多造成的电解液性能逐渐下降、系统发电效率逐渐下降等问题，本发明创新地提供了一种高效回收反应产物的铝空气电池系统，将四羟基合铝酸钠转化为不溶于水的氢氧化铝，通过固液分离将氢氧化铝从铝空气电池的电解液中分离出来，从而使电解液中的铝全部回收，同时显著减少电解液中的反应产物，进而保持电解液的性能，使系统长期高效发电。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种高效回收反应产物的铝空气电池系统，包括：离子膜电解厢、旋流器和电池堆，所述离子膜电解厢内设置有离子膜，所述离子膜将所述离子膜电解厢分隔成阴极室和阳极室，所述阴极室内设置有阴极板，所述阳极室内设置有阳极板，所述离子膜电解厢通过管道与所述旋流器的入口相连，所述离子膜电解厢与所述旋流器之间的管道上设有循环泵，所述旋流器的顶部溢流口通过管道与所述电池堆相连，所述电池堆通过管道分别与所述离子膜电解厢的阴极室和阳极室相连。

进一步地，所述阴极室和所述阳极室之间通过连接管道连通，所述连接管道上设有第一电磁阀。

进一步地，所述电池堆和所述离子膜电解厢之间的管道上设置有散热器，所述散热器的下方设有多个散热风扇。

进一步地，所述电池堆和所述离子膜电解厢之间的管道包括第一管道、三通管、第二管道和第三管道，所述第一管道的第一端与电池堆连接，所述第一管道的第二端与所述三通管连接，所述三通管的另外两端分别与所述第二管道和所述第三管道相连，所述第二管道接入所述阳极室内，所述第三管道接入所述阴极室内，所述第三管道上设有第二电磁阀。

进一步地，所述旋流器的下方设置有过滤回收装置，所述过滤回收装置设置在所述阳极室的上方。

进一步地，所述过滤回收装置包括l型过滤层，所述l型过滤层固定在所述离子膜电解厢的侧壁上，所述l型过滤层与所述离子膜电解厢的侧壁围成过滤槽。

进一步地，所述l型过滤层与所述离子膜电解厢的侧壁围成的过滤槽内可拆卸连接有反应物收集网。

进一步地，所述l型过滤层的底部和侧部均设有过滤孔，所述l型过滤层底部过滤孔的孔径相同，所述l型过滤层侧部过滤孔的孔径从下到上逐渐增大。

进一步地，所述离子膜电解厢上方盖设有盖板，所述盖板用于固定所述阴极板、离子膜和阳极板，所述盖板上设置有负极电极极耳和正极电极极耳。

进一步地，所述盖板上设有多个氧气排气孔和多个氢气排气孔。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的高效回收反应产物的铝空气电池系统将反应产物四羟基合铝酸钠转化为不溶于水的氢氧化铝，通过固液分离将氢氧化铝从铝空气电池电解液中分离出来，从而使电解液中的铝全部回收，同时显著减少电解液中的反应产物，进而保持电解液的性能，使系统长期高效发电。

(2)本发明提供的高效回收反应产物的铝空气电池系统通过过滤回收装置将分离出的氢氧化铝中携带的部分电解液过滤后回收利用，继续参加化学反应，实现电解液的循环利用，进一步保证电池系统长期处于高效率运行状态。

(3)本发明提供的高效回收反应产物的铝空气电池系统，通过离子膜电解，回收了部分发电用反应物质naoh，有利于长时间保持系统高效发电。

附图说明

图1为本发明的高效回收反应产物的铝空气电池系统的结构示意图。

图2为na⁺通过离子膜发生选择性电迁移示意图。

图3为离子膜电解原理示意图。

图4为盖板和离子膜电解厢的连接关系示意图。

图5为离子膜电解厢的俯视图。

图6为盖板的仰视图。

图中，

1、离子膜电解厢；2、旋流器；3、电池堆；4、散热器；5、阴极室；6、阳极室；7、循环泵；8、l型过滤层；9、反应物收集网；10、盖板；11、离子膜；12、阴极板；13、阳极板；14、第一电磁阀；15、第一管道；16、三通管；17、第二管道；18、第三管道；19、第二电磁阀；41、散热风扇；101、负极电极极耳；102、正极电极极耳；103、氧气排气孔；104、氢气排气孔；105、阴极板固定槽；106、离子膜固定槽；107、阳极板固定槽。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明提供的高效回收反应产物的铝空气电池系统进行详细的解释和说明。

如图1所示，本实施例具体公开了一种高效回收反应产物的铝空气电池系统，包括：离子膜电解厢1、旋流器2和电池堆3，离子膜电解厢1内设置有离子膜11，离子膜11将离子膜电解厢1分隔成阴极室5和阳极室6，阴极室5内设置有阴极板12，阳极室6内设置有阳极板13，离子膜电解厢1通过管道与旋流器2的入口相连，离子膜电解厢1与旋流器2之间的管道上设有循环泵7，旋流器2的顶部溢流口通过管道与电池堆3相连，电池堆3通过管道分别与离子膜电解厢1的阴极室5和阳极室6相连。

铝空气电池系统启动前，电解液存放离子膜电解厢1中，且电解液均布于阴极室5和阳极室6中，阴极室5和阳极室6的液位高度相同。系统工作时，循环泵7得电。电解液在循环泵7的作用下，离子膜电解厢1中的电解液被循环泵7输送，电解液经旋流器2的入口以一定速度流入旋流器2中，电解液在流经旋流器2时，形成向下旋流的外旋流和向上旋流的内旋流，外旋流以比重较大的物质氢氧化铝为主，内旋流以比重较轻的电解液为主，因此，电解液中固相物质氢氧化铝在旋流器2被分离，并经底流口排出。分离后不含氢氧化铝或含较少氢氧化铝的电解液经旋流器2的顶部溢流口流出，进入电池堆3，在电池堆3里电解液参与发电，在电池堆3发电过程，不断有主产物四羟基合铝酸钠生成及副产物氢氧化铝生成，电解液流出电池堆3时，变为富含四羟基合铝酸钠和氢氧化铝的溶液，富含四羟基合铝酸钠和氢氧化铝的溶液进入离子膜电解厢1内进行离子膜电解。

本发明采用离子膜电解技术将铝空气电池反应主产物四羟基合铝酸钠转化为氢氧化铝，采用固液分离技术将氢氧化铝从电解液中分离出来，从而既实现铝的回收，也保持电解液的性能。

离子膜电解原理：

优选地，离子膜11为nafion膜(nafion是聚四氟乙烯(teflon)和全氟-3，6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物)，nafion膜的内部结构通式可表示为：r-so3-h⁺(na⁺)，其中，r表示高分子结构。活性基团为带负电的-so3-基团和带正电的na⁺，在电场的作用下，离子膜11具有离子选择性通过能力。

由于磺酸基具有亲水性，所以离子膜11在溶液中溶胀后结构变松，形成许多微细弯曲的通道，使得na⁺可以从膜中通过。而膜中的-so3-和-coo-的位置固定，具有排斥c1^-和oh^-等阴离子的功能(如图2所示)，使它们不能通过离子膜11。随着电解的进行，阳极室溶液的ph值不断下降，相当于加入了酸，而阴极室的ph值不断升高，相当于加入了碱。因此，利用离子膜对na⁺的高选择性和透过性，通过电解提高四羟基合铝酸钠溶液的过饱和度，就可以析出氢氧化铝。

如图3所示，阳极板为钝化的金属钛板，阴极板为不锈钢平板，中间的离子膜为nafion膜。阴极室的溶液为naoh溶液，阳极室溶液为四羟基合铝酸钠溶液。电解时，阳极室和阴极室分别发生不同的反应。

在电场的作用下，na⁺通过离子膜发生选择性电迁移，即：

4na⁺(阳极室)→4na⁺(阴极室)

阴极析出h2，产生oh^-，与阳极室6迁移过来的na⁺结合，类似于食盐电解，使得在阴极室中可以获得高浓度的naoh溶液，产生oh^-的反应如下：

4h2o+4e^-→2h2+4oh^-

阳极室的四羟基合铝酸钠溶液电离并被快速酸化，发生如下反应：

4na[al(oh)4]→4na⁺+4al(oh)4^-

4al(oh)4^-+h2o-4e^-→4aloh3+4h2o+o2↑

四羟基合铝酸钠溶液离子膜电解的总反应方程式为：4na[al(oh)4]+2h2o＝4a1(oh)3(阳极)+4naoh(阴极)+o2(阳极)+2h2(阴极)

离子膜电解过程中，电流随电解的进行逐渐降低，当大量微小晶核析出时，电流急剧下降，停止电解。电解过程只改变了四羟基合铝酸钠溶液的ak(苛性比值)，并不改变溶液的结构。随着电解的持续进行，阳极室生成h⁺，四羟基合铝酸钠溶液过饱和度不断增加，分解得到加速。电解总的效果是使阳极室析出al(oh)3晶核和o2，在阴极室得到浓naoh和h2。在这个过程中，四羟基合铝酸钠溶液的过饱和度不断提高，氢氧化铝不断析出。这种通过离子膜电解将四羟基合铝酸钠转化为氢氧化铝的方法，高效快速。

本发明对铝空气电池系统发电过程的电解液进行处理，首先通过离子膜电解，将反应液中的主反应产物四羟基合铝酸钠转化为氢氧化铝，含有氢氧化铝的电解液经固液分离，将氢氧化铝分离出来，从而既保证了电解液的性质，又回收了氢氧化铝，一举两得。

如图1所示，阴极室5和阳极室6之间通过连接管道连通，连接管道上设有第一电磁阀14。电池堆3和离子膜电解厢1之间的管道上设置有散热器4，散热器4的下方设有多个散热风扇41。电池堆3和离子膜电解厢1之间的管道包括第一管道15、三通管16、第二管道17和第三管道18，第一管道15的第一端与电池堆3连接，第一管道15的第二端与三通管16连接，散热器4设置在第一管道15上，三通管16的另外两端分别与第二管道17和第三管道18相连，第二管道17接入阳极室6内，第三管道18接入阴极室5内，第三管道18上设有第二电磁阀19。

电池堆3流出的富含四羟基合铝酸钠和氢氧化铝的溶液在第一管道15上设置的散热器4中被冷却后，流经第一管道15进入三通管16。在三通管16处，电解液可以只通过第二管道17流入离子膜电解厢1的阳极室6，从而完成一次循环。电解液在三通管16处，也可以同时经第二管道17和第三管道18，同时流入离子膜电解厢1的阴极室5和阳极室6。

第一电磁阀14和第二电磁阀19均为常断电磁阀，得电时才导通。系统中，将第一电磁阀14和第二电磁阀19设计为同时得电、同时失电。当第一电磁阀14和第二电磁阀19失电时，阴极室5和阳极室6不导通，来自电池堆3的电解液只流入阳极室6。当第一电磁阀14和第二电磁阀19同时得电时，此时，阴极室5和阳极室6连通，此时电解液一部分经三通管16流入阴极室5，一部分经三通管16流入阳极室6。流入阴极室5的电解液与阴极室5中离子膜电解形成的电解液混合后，经连接管道和第一电磁阀14流入阳极室6。在阳极室6，来自阴极室5的电解液与阳极室6的电解液混合，混合后由循环泵7带动形成循环。

铝空气电池系统工作时，启动离子膜电解，在阴极室5析出h2，产生oh^-，与阳极室6迁移过来的na⁺结合，在阴极室5中可以获得高浓度的naoh溶液。由此可见，通过离子膜电解，回收了部分发电用反应物质naoh，有利于长时间保持系统高效发电。在阳极室6，四羟基合铝酸钠溶液电离并被快速酸化，并形成产物a1(oh)3，如此，阳极室6的电解液中较常规电解液，就有更多的氢氧化铝，这样，电解液在循环中，进入旋流器2的电解液中就含有较多的固相氢氧化铝，经旋流器2后，就会有更多的氢氧化铝被分离出来。

阴极室5中的电解液可以一直参与循环，也可以间歇地参与循环，优选地采用间歇式循环方式，第一电磁阀14和第二电磁阀19间歇式同时得电或同时失电，就可以实现阴极室5电解液间歇式循环。间歇式循环的优点是阴极室5的氢氧化钠富集到一定程度才更换，可以提高电解效率，节省电解电能。

用nafion膜作电解的离子膜11，也可用于氢氧化钾电解液的铝空气电池，工作原理与氢氧化钠电解液铝空气电池类似，只不过在电解时在阴极室5得到的是氢氧化钾，在阳极室6获得的仍然是氢氧化铝。

本发明的高效回收反应产物的铝空气电池系统，离子膜电解厢1集离子膜电解、电解液贮藏和氢氧化铝回收三大功能于一体，结构简单，操作方便，节省空间。

本发明对铝空气电池系统循环电解液进行离子膜电解，在电解液中四羟基合铝酸钠的浓度还不高时，电解就开始了，这样一直保持电解液中四羟基合铝酸钠的低浓度，如此，既维持了电解液的高性能，同时也使电解耗电很少。

如图1所示，旋流器2的下方设置有过滤回收装置，过滤回收装置设置在阳极室6的上方。过滤回收装置包括l型过滤层8，l型过滤层8固定在离子膜电解厢1的侧壁上，l型过滤层8与离子膜电解厢1的侧壁围成过滤槽。l型过滤层8与离子膜电解厢1的侧壁围成的过滤槽内可拆卸连接有反应物收集网9。l型过滤层8的底部和侧部均设有过滤孔，l型过滤层8底部过滤孔的孔径相同，l型过滤层8侧部过滤孔的孔径从下到上逐渐增大，这样可以加大液体的过滤。尤其当底部有一定反应产物后，通过底部过滤的能力会下降，并随着产物的堆积，过滤能力就会越来越小，这时侧部的过滤孔就逐渐起主导作用。

离子膜电解厢1被离子膜11分隔为两部分，一部分用作阴极室5，另一部分用作阳极室6，过滤回收装置设置在阳极室6部分，且位于阳极室6的上部，反应物收集网9放置在过滤槽内，经旋流器2底流口排出的氢氧化铝，收集在反应物收集网9内，以便方便的取走。在进行铝空气电池系统设计时，根据系统功率大小和用时长短确定所需的电解液量，根据电解液量确定离子膜电解厢1的大小和规格，并确保过滤回收装置始终位于电解液的上方，以便过滤回收装置内的氢氧化铝借助重力进一步分离电解液。

离子膜电解厢1可以有各种形式，可以是方形的，可以是圆形的，其显著特点是被离子膜11分为两部分，一部分用作阴极室5，另一部分用作阳极室6。

如图4所示，离子膜电解厢1上方盖设有盖板10，盖板10用于固定阴极板12、离子膜11和阳极板13，盖板10上设置有负极电极极耳101和正极电极极耳102，负极电极极耳101和正极电极极耳102用于接入电解需要的电源。当盖板10盖在离子膜电解厢1上时，阴极板12、离子膜11和阳极板13固定在离子膜电解厢1内，离子膜电解厢1被离子膜11分为两部分，有阴极板12的部分为阴极室5，有阳极板13的部分为阳极室6。

如图5所示，在离子膜电解厢1前后壁内侧设置有凸台，两个凸台和离子膜电解厢1后壁一起形成一个槽，另外两个凸台和离子膜电解厢1前壁一起形成一个槽，两个槽用于卡接离子膜11。

当阴极板12、阳极板13和离子膜11固定在盖板10上时，盖上盖板10，则离子膜11插入凸台与离子膜电解厢1前后壁一起形成放置离子膜11的槽内，同时阴极板12、阳极板13也放置到位。

如图6所示，盖板10上设有多个氧气排气孔103和多个氢气排气孔104。氧气排气孔103和氢气排气孔104设置在盖板10远离离子膜11部分，使电解时产生的氧气和氢气方便排除。氧气排气孔103设置在阳极室6右侧，氢气排气孔104和氧气排气孔103相距一定距离，以保证铝空气电池系统工作时不会有较高浓度的氢气和氧气相遇。

盖板10上还设置有用于嵌入阴极板12的阴极板固定槽105、用于嵌入离子膜11的离子膜固定槽106和用于嵌入阳极板13的阳极板固定槽107，阴极板固定槽105、离子膜固定槽106和阳极板固定槽107可以为凹槽也可以为通孔槽。装配时，先盖上盖板10，然后将阳极板13插入阳极板固定槽107，将离子膜11插入离子膜固定槽106，将阴极板12膜入阴极膜固定槽，更加方便更换和维护。

本系统由于采用离子膜电解处理铝空气电池系统的反应产物，在电解阳极室6回收了部分氧气，因此，对于密闭使用环境，减少了对外界氧气的依赖，更加适合密闭使用环境。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。