一种基于空气电池的一体化发电系统的制作方法

本发明涉及发电系统技术领域，更为具体来说，本发明为一种基于空气电池的一体化发电系统。

背景技术：

目前，对于氢燃料电池来说，其使用的燃料氢通常由储氢设备提供。但是，通过储氢设备为氢燃料电池供氢的方式存在如下问题：(1)现有氢燃料电池发电系统难以实现连续发电且供电能力受限，应用范围窄，储存的氢气容易被消耗完，特别对于负载用电需求较大的场合，上述情况更为明显；(2)在氢气耗完后需要重新充氢，充氢过程中无法使用氢燃料电池，充氢过程极为不方便且可能发生危险；(3)氢自身是易燃易爆物质，储存氢必然存在安全隐患。

因此，如何能够实现氢燃料电池的连续供电、拓宽氢燃料电池的应用范围、提高氢燃料电池的便利性以及安全性，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

技术实现要素：

为了解决现有氢燃料电池存在的无法连续供电、供电能力有限、应用范围窄、存在安全隐患、便利性较差、可靠性较低等问题，本发明创新地提供了一种基于空气电池的一体化发电系统，是一种将空气电池和氢燃料电池结合的联合发电系统，能够在制氢的同时进行发电，本发明能够对氢进行高效的收集，从而彻底解决了现有技术存在的诸多问题。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种基于空气电池的一体化发电系统，该发电系统包括氢燃料电池、发电堆、散热器、密闭反应液箱及气液分离器；所述密闭反应液箱与发电堆的进液口之间通过出液管连接，发电堆的出液口与散热器的进液口之间通过导液管连接，散热器的出液口与所述密闭反应液箱之间通过第一回液管连接；密闭反应液箱的上部与气液分离器的进气口之间通过排气管连接，气液分离器的排气口与所述氢燃料电池之间通过供气管连接；所述密闭反应液箱中装有反应液。

基于上述的技术方案，本发明有效实现了氢燃料电池和空气电池一体化、连续发电的目的，空气电池既是发电设备也是产氢设备，氢气随产随用，不需要再为氢燃料电池储备氢气，本发明不仅解决了氢燃料电池的供氢问题，且显著增强了发电系统整体的能量转换效率、实现了节能环保，从而彻底解决了现有技术存在的诸多问题。

进一步地，气液分离器的下部与所述密闭反应液箱之间通过第二回液管连接，所述第二回液管上设置有排液阀。

基于上述改进的技术方案，本发明能够实现对气液分离器除去的且液化后的水汽进行有效地回收，并且能通过排液阀对回流液体进行控制，从而保证反应液循环系统的持续稳定工作。

进一步地，所述密闭反应液箱包括箱体和箱盖，所述箱盖上开有排气孔，所述排气孔与所述排气管连接；在箱盖内侧且处于排气孔的正下方处固定有过滤网。

基于上述改进的技术方案，本发明不仅能通过密闭反应液箱实现回收及输出氢气的目的，实现对氢气的初步过滤，尽可能减少流向气液分离器的水汽，实现对氢气的初步纯化，进而提高本发明的发电效率。

进一步地，所述箱体上开有出液孔、第一回液孔及第二回液孔，所述出液孔与所述出液管连接，所述第一回液孔与所述第一回液管连接，所述第二回液孔与所述第二回液管连接；所述箱体内设置有过滤器，所述过滤器悬挂于箱盖内壁上，且过滤器上表面所处的高度小于第一回液孔的高度。

基于上述改进的技术方案，本发明能够对流回的液体和气体进行初步分离，从而使液体向下流、氢气向上排出，实现对氢气的高度纯化，为氢燃料电池提供高品质燃料；而且本发明还能从更换下的过滤器中回收反应产物。

进一步地，密闭反应液箱内反应液的体积小于密闭反应液箱的容积，过滤器的下表面处于反应液的液面上方；所述箱盖呈锥形且锥尖朝上。

基于上述改进的技术方案，本发明使反应液不充满反应液箱，能够确保密闭反应液箱内氢气有效的排出，并且通过过滤器对回流的反应液进行有效过滤，以满足本发明连续且稳定工作的目的。

进一步地，所述气液分离器内固定有至少一层滤网；所述气液分离器的进气口的高度低于排气口的高度，气液分离器内的滤网的高度大于进气口的高度且小于排气口的高度。

基于上述改进的技术方案，通过对滤网结构和位置的设计，使进入气液分离器的氢气水汽混合气体通过滤网，本发明能够实现对氢气中包含的水汽进行高效地滤除。

进一步地，气液分离器的下部开有排水口，所述排水口与所述第二回液管连接；所述气液分离器内固定有上下设置的上液位传感器和下液位传感器，所述上液位传感器和下液位传感器均与所述排液阀通信连接；气液分离器的高度大于密闭反应液箱的高度。

基于上述改进的技术方案，本发明能够根据气液分离器中的液体量控制是否将气液分离器中的液体回流至密闭反应液箱，且通过气液分离器的高度设计使气液分离产生的液体充分回流至密闭反应液箱。

进一步地，所述气液分离器包括集液箱体和集液箱盖，所述集液箱体与所述集液箱盖形成密闭空间；所述集液箱盖上固定有多根冷凝热管，冷凝热管的冷凝段朝上且伸出所述集液箱盖，冷凝热管的蒸发段朝下且置于所述密闭空间内；所述气液分离器的进气口的高度低于排气口的高度，气液分离器的下部开有排水口，所述排水口与所述第二回液管连接。

基于上述改进的技术方案，本发明提供了一种除湿性能较优异的气液分离器，通过冷凝热管的设置，本发明能够实现对回收的氢气进行高效除湿，而且环境温度越低，本发明的除湿效果越好。

进一步地，该发电系统还包括液泵，所述液泵设置于所述出液管上。

基于上述改进的技术方案，本发明能够通过液泵驱动的方式实现反应液的连续循环，在(铝)空气发电方案的基础上，保证空气电池可连续高效发电。

进一步地，所述发电堆包括多个相互串联的单体，所述单体包括密封壳体及设于所述密封壳体内的防水透气膜，所述防水透气膜将密封壳体分隔为上壳体和下壳体，所述上壳体上开有出气孔，所有单体的出气孔均与氢燃料电池的供气口连通。

基于上述改进的技术方案，通过对发电堆单体结构的特殊设计，本发明能实现在氢气产生的同时及时地收集，从而极大地提高对氢气的回收能力，为氢燃料电池及时、快速地提供充足的氢气作为燃料。

进一步地，所述发电堆为铝空气发电堆。

基于上述改进的技术方案，本发明优选地通过铝空气发电堆产生大量的氢气，以供氢燃料电池使用；大量实验表明，通过铝空气发电堆构建本发明的发电系统，能量转换效率更高、发电能力更强。

进一步地，所述散热器上安装有散热风扇，所述散热器具有多个翅片。

基于上述改进的技术方案，本发明能够显著地提高散热器的散热效果，有助于氢气和水汽的分离，从而进一步地提高氢气与水汽分离的效果。

进一步地，该发电系统还包括初级分离器，所述初级分离器串联于所述发电堆与所述散热器之间，初级分离器的上部与所述气液分离器连通。

基于上述改进的技术方案，本发明能够通过初级分离器对产生的氢气进行预先回收和纯化，提高氢气的回收率，从而为氢燃料电池提供足量的氢气。

本发明的有益效果为：本发明创新地将(铝)空气电池和氢燃料电池组成了一体化发电系统，该一体化发电系统不仅能够实现连续高效发电，而且还具有安全、方便、节能、环保、应用范围广等突出优点。

附图说明

图1为实施例一的基于空气电池的一体化发电系统的结构示意图。

图2为密闭反应液箱的剖视结构示意图。

图3为密闭反应液箱的立体结构示意图。

图4为密闭反应液箱的侧视结构示意图。

图5为一种形式的气液分离器的剖视结构示意图。

图6为另一种形式的气液分离器的立体结构示意图。

图7为另一种形式的气液分离器的剖视结构示意图。

图8为发电堆的一个单体的立体结构示意图。

图9为实施例二的基于空气电池的一体化发电系统的结构示意图。

图中，

1、氢燃料电池；10、出液管；11、导液管；12、第一回液管；13、排气管；14、供气管；15、第二回液管；16、排液阀；

2、发电堆；20、密封壳体；21、防水透气膜；22、出气孔；

3、散热器；

4、密闭反应液箱；40、箱体；400、出液孔；401、第二回液孔；402、第一回液孔；41、箱盖；410、排气孔；42、过滤网；43、过滤器；

5、气液分离器；50、滤网；51、进气口；52、排气口；53、排水口；54、上液位传感器；55、下液位传感器；56、冷凝热管；

6、液泵；

7、初级分离器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明一种基于空气电池的一体化发电系统进行详细的解释和说明。

实施例一：

如图1至8所示，本发明具体公开了一种基于空气电池的一体化发电系统，本发明涉及的空气电池可为铝空气电池、锂空气电池、锌空气电池等，本实施例采用的是铝空气电池，其中，铝空气电池以铝为燃料。

如图1所示，该发电系统包括氢燃料电池1、发电堆2、散热器3、密闭反应液箱4及气液分离器5，氢燃料电池1为成熟的氢燃料电池堆，以密闭反应液箱4提供的氢为燃料；上述密闭反应液箱4与发电堆2的进液口之间通过出液管10连接，发电堆2的出液口与散热器3的进液口之间通过导液管11连接，散热器3的出液口与密闭反应液箱4之间通过第一回液管12连接，密闭反应液箱4、出液管10、发电堆2、导液管11、散热器3、第一回液管12共同形成反应液的循环通道，其中，出液管10、导液管11、回液管均是用于输送反应液的输送管，本发明可以通过液泵等方式驱动反应液循环流动，在本实施例中，散热器3上安装有散热风扇，散热器3具有多个翅片，本实施例中采用的散热器类型为翅片管式散热器；密闭反应液箱4的上部与气液分离器5的进气口51之间可通过排气管13连接，气液分离器5的排气口52与氢燃料电池1之间可以通过供气管14连接，其中，排气管13、供气管14均是用于输送气体的输送管；且密闭反应液箱4中装有反应液，该反应液用于与空气电池堆接触、以实现发电。本实施例中，气液分离器5的下部与密闭反应液箱4之间通过第二回液管15连接，第二回液管15上设置有排液阀16。本实施例中，该发电系统还包括液泵6，本发明可通过液泵6实现反应液在循环通道内循环，液泵6设置于出液管10上。为提高氢气生产效率、便于大规模的投产应用，本实施例涉及的发电堆2为铝空气发电堆2。

如图2、3、4所示，密闭反应液箱4包括箱体40和箱盖41，箱盖41上开有排气孔410，排气孔410与排气管13连接；在箱盖41内侧且处于排气孔410的正下方处固定有过滤网42，以实现气体经过滤网42过滤后从排气孔410排出。结合图1所示，箱体40上开有出液孔400、第一回液孔402及第二回液孔401，出液孔400与出液管10连接，使反应液从出液孔400中流出，第一回液孔402与第一回液管12连接，使与铝空气电堆接触后的反应液流回至箱体40中，第二回液孔401与第二回液管15连接，使气液分离器5分离出的液体流回；箱体40内设置有过滤器43，过滤器43通过安装带等方式悬挂于箱盖41内壁上，且过滤器43上表面所处的高度小于第一回液孔402的高度，来自散热器3的气液混合液体被排泄到过滤器43中，实现对与铝接触后的反应液的过滤，本实施例设计时，确定需要的反应液量后，再确定箱体容积大小、高度、形状等；为了提高工作时的过滤效果，过滤器要保证悬空或部分埋入液体中。本实施例中，作为优选的技术方案，密闭反应液箱4内反应液的体积小于密闭反应液箱4的容积，过滤器43的下表面处于反应液的液面上方；本发明涉及的密闭反应液箱4可以是长方体、立方体、圆柱体或其它形状，比如图2、图3可表示具有不同箱盖结构的两种密闭反应液箱，本实施例中，箱盖41呈锥形且锥尖朝上，以减少反应液箱中的空气容积，排气孔410设于锥尖尖部。铝空气电池工作后，更换铝材料时，可以回收过滤网42中的反应产物。本发明密闭反应液箱4的特点是：反应液不装满，这样就保证密闭反应液箱4内部上部是空的，在这里氢气和反应液分离，氢气经排气孔410向氢燃料电池供气，排气孔410设置在箱盖的顶部，并在箱盖内侧、排气孔的正下方安装过滤网，以减少水汽的排出。本发明的一体化发电系统中，密闭反应液箱4既是液体贮存箱、也是集气箱，氢气在密闭反应液箱4与反应液分离，并经排气孔410后流向气液分离器5。

如图5所示，气液分离器5内固定有至少一层滤网50；气液分离器5的进气口51的高度低于排气口52的高度，气液分离器5内的滤网50的高度大于进气口51的高度且小于排气口52的高度，以使流入的混合气体被充分分离，本实施例通过多层滤网50设计方案实现对混合在氢气中的水汽的进一步凝结，以纯化氢气，纯化后的氢气从排气口52中输出，本实施例中，进气口51处于气液分离器5的中部且位于多层滤网的下方，凝结的水滴被收集在气液分离器5的下部；如图1所示，气液分离器5的下部开有排水口53，排水口53与第二回液管15连接，通过排液阀16的打开使排水口53与密闭反应液箱4连通；气液分离器5内可固定有上下设置的上液位传感器54和下液位传感器55，上液位传感器54和下液位传感器55均与排液阀16通信连接，排液阀16可以是一个电动阀门；当气液分离器5中收集的液体达到上液位传感器时，上液位传感器发出积液感应信号，排液管道上的排液阀得电打开，气液分离器中的液体被排到反应液箱，当气液分离器中的液体低于下液位传感器，下液位传感器可发出排空感应信号，排液阀关闭。为保证排液阀打开时，气液分离器中收集的液体能顺利排到反应液箱中，在系统中，气液分离器位于反应液箱的上方，即气液分离器5的高度大于密闭反应液箱4的高度，以使分离产生的液体顺利地流回密闭反应液箱4。在气液分离器5中氢气进一步被纯化，从而满足氢燃料电池的需要。在气液分离器被纯化的氢气流向氢燃料电池，在氢燃料电池中用来发电，从而实现了铝空气电池和氢燃料电池一体化发电的目的。

与图5中提供的气液分离器5作为并列的两个方案，如图6、7所示，本实施例还提供了另一种气液分离器5，这种气液分离器5包括集液箱体和集液箱盖，集液箱体与集液箱盖形成密闭空间；集液箱盖上固定有一根或多根冷凝热管56，冷凝热管56的冷凝段朝上且伸出集液箱盖，冷凝热管56的蒸发段朝下且置于密闭空间内；气液分离器5的进气口51的高度低于排气口52的高度，以使水蒸气尽可能地液化，气液分离器5的下部开有排水口53，排水口53与第二回液管15连接。当合上集液箱盖后，集液箱体和集液箱盖形成密闭空间，冷凝热管56的蒸发端位于气液分离器5(集液箱)进气口的上方，基于上述改进的结构，带有一定水蒸气的氢气进入气液分离器后，首先流经冷凝热管，水蒸气在热管上冷凝，从而纯化、干燥氢气，以满足氢燃料电池的需要。当有多根热管时，热管间有间隔。本实施例中热管用常温热管，其工作温度在0-100℃，0-100℃下可以正常工作。由于铝空电池发电是放热反应，产生的氢气温度在50℃左右，通常比环境温度高，这样，较高温度的气体到达气液分离器就可以启动热管工作，热管就高效地对氢气进行除湿，环境温度越低，除湿效果越好。

如图8所示，作为进一步的改进方案，本实施例提供的发电堆2包括多个相互串联的单体，单体包括密封壳体20及设于密封壳体20内的防水透气膜21，防水透气膜21将密封壳体20分隔为上壳体和下壳体，上壳体内部呈中空密封状态，上壳体上开有用于导出气体出气孔22，所有单体的出气孔22均与氢燃料电池1的供气口连通，形成有效的氢气排放通道、实现对氢气的收集和分配，达到对氢气更有效地回收的目的，本实施例的铝可设置于下壳体内，反应液在下壳体内流通和循环，下壳体上开有液体流入口和流出口(图中未示出)，本发明在连续工作较长时间后，只需要更换铝即可，铝更换过程具有方便、安全、快速等优点，在本发明提供的内容基础上，可通过多个发电堆并联或者单个具有足够铝的发电堆等方式实现极长时间(如几个月甚至几年)的不间断、连续供电。

以铝空气电池为例，无论是碱性条件下或盐性条件下，其在工作时都存在如下的腐蚀反应，此反应消耗铝，即2al+6h2o→2al(oh)3+3h2。

本实施例可按照如下方式进行工作：

本发明的一体化发电系统在工作时，液泵得电开启，铝空气电池发电部分所用反应液用泵连续循环，将密闭反应液箱4里的反应液送到铝空气发电堆2(电池堆)，反应液流经铝空气发电堆，再从铝空气发电堆出来，流入翅片散热器3，从翅片散热器流回至密闭反应液箱4，在密闭反应液箱4里，反应液被过滤，过滤后的反应液又由液泵输入铝空电池堆，如此循环；上述循环过程中，本发明能够使铝空电池可以连续高效发电，收集铝空电池发电时产生的氢气，并且将铝空电池产生的氢气进行气液分离(必要时进行干燥)后，向氢燃料电池供气；其中，反应液在流经铝空气电池堆时，与铝反应发电的同时产生氢气。伴随发电产氢的同时释放一定热量，由于铝空电池反应堆是密闭的，加上沿途的压力损失，因此在铝空电池堆内部有一定压力，在该压力作用下，反应产生的氢气与反应液形成气水混合液，在液泵的作用下，氢气被带到反应液箱；将铝空气电池的副产物氢气收集起来，作为氢燃料电池的燃料，实现将铝空气电池产生的电能和燃料电池产生的电能合并向负载供电，以显著增加发电系统的供电能力。

实施例二：

本实施例与实施例一基于相同的发明构思，其是在实施例一的基础上作出的进一步改进和优化；如图9所示，本实施例与实施例一基本相同，区别在于：本实施例涉及的发电系统还包括初级分离器7，初级分离器7串联于发电堆2与散热器3之间，本实施例中将初级分离器7设置于导液管11上，初级分离器7的上部与气液分离器5连通，从而实现将氢气和反应液的初步分离，将分离后的氢气引入二级气液分离器中，通过气液分离器进行二级分离；本实施例中，初级分离器7外形为锥形，结构细长，上端盖为圆锥体，锥顶中央开设出气孔，初级分离器7的侧壁上开有进液口和出液口，进液口设于上部、出液口设于下部，本实施例可在初级分离器7内壁上设置导流螺旋导流槽，水汽经进液口流入后进行充分冷凝。

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一个或多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。