CN113140838A - 一种具有氢气利用功能的可装填铝燃料电池集成装置 - Google Patents

Abstract

一种具有氢气利用功能的可装填的铝燃料电池集成装置，由电池堆芯、电解液循环系统、空气循环系统、氢燃料电池、氢气储存设施组成；电池堆芯进一步由圆柱形电池单元、电池单元集成基座、电池单元集成室、电解液密封盖、空气密封盖、氢气密封盖、电解液出口沉淀箱、电解液入口室、软管和激振机组成；其中的圆柱形电池单元由圆柱形阴极和圆柱形阳极组成，圆柱形阴极进一步由阴极电极、阴极支撑框架、阴极电连接器组成，而圆柱形阳极进一步由阳极导电框架、阳极膜状网、铝燃料等组成；该电池集成装置使用强碱NaOH水溶液作为电解液，这将使得机械式地对铝燃料电池进行充电成为可能。

Description

一种具有氢气利用功能的可装填铝燃料电池集成装置

技术领域：

本发明属于与金属空气电池相关的领域，特别地是一种铝燃料电池，它与氢燃料电池的相关性在于：当铝燃料电池放电时所产生的氢气被用作为氢燃料电池的燃料。

背景技术：

铝燃料电池是一种由金属和空气发生电化学反应所形成的电池，它利用发生在阳极的铝氧化和发生在阴极的氧还原产生电流。典型地，空气阴极是一种片状膜，这种膜具有相对的两个面分别与空气和电解液接触。

关于铝燃料电池，已有一些公开发布的专利，如美国专利U.S.Pat.No.3598655，U.S.Pat.No.3518123，U.S.Pat.No.4551399，U.S.Pat.No.4756980，U.S.Pat.No.4925744。这些专利表述了一种平板式或半楔形电极结构，以及如何替换已消耗了的铝阳极。但是，这些平板式电池结构不足以将铝燃料电池带入广泛的工业化市场，要想实现铝燃料电池在类似于象电动汽车这种行业的大规模工业化应用，必须解决以下问题：

(1)从铝燃料电池放电过程中产生的氢气，在一定条件下会产生危害。因此，须要特别设计一种新的电池结构，使得氢气能够从电池的电解液和空气中分离出来，并以一种安全的方式加以利用。

(2)电解液通道须要一种新的特别设计，以提高在电解液离子导电室中电解液离子的导电性，并减少铝酸根离子Al(OH)₄ ^-在阳极铝表面的集聚。

(3)对平板式电极结构，随着电池放电时铝阳极的消耗，在空气阴极和铝阳极之间的间隙会增大，这会导致电池内阻增加从而降低电池放电效率，因此，须要有一种新的电极结构来解决这一问题。

据此，本发明专利的目标是：提供一种新的电池和电池堆心结构，使得氢气可以被收集起来，并作为氢燃料电池的供给源；构造一种新的电解液循环通道，以此增加电解液离子的导电性；采用一种新的电池电极结构使得电池在放电过程中阴阳极之间的间隙保持不变；为高功率的铝燃料电池提供一种结构可靠的、紧凑的、集成的电池堆芯结构。

本发明将对各种环境友好的交通运输工具有用，如汽车、客车、卡车、空中有人和无人运载器、水上或水下有人和无人运载工具等。

发明内容：

本发明的电池集成装置由含水的电解液铝燃料电池和氢气回收利用系统组成，其中的铝燃料电池进一步由电池堆芯、电解液循环系统和空气循环系统组成，其中的氢气回收利用系统进一步由氢燃料电池和氢气储存设施组成。氢燃料电池放电所需的氢气由铝燃料电池在放电时产生，在铝燃料电池中的含水电解液使用强碱性氢氧化钠NaOH作为溶质，用于制造电池的材料必须能够耐受电解液的腐蚀。

一旦铝阳极在含水的电解液中与阴极氧发生反应，形成含水的氧化铝从而被消耗，这个电池就不再能够放电。但是，可以以工业化的方式给这个电池重新充电，这个工业化的方式可以回收利用含水的氧化铝，使其转化为铝阳极。这一回收利用过程是铝电池的工业化广泛应用的关键，因此，本发明在铝燃料电池中使用强碱性电解液NaOH，以便放电后的电解液可以通过工业化过程进行铝燃料电池的再充电。

电池堆芯由圆柱形电池单元、电池单元集成基座、电池单元集成室、电解液密封盖、空气密封盖、氢气密封盖、电解液出口沉淀箱、电解液入口室、各种直径的软管和激振机组成。所有这些部件集成组装在一起形成氢气通道、电解液通道和一个被所有电池单元共享的空气通道。电池堆芯的外形可以是长方体、正方体、凌柱体或圆柱体。

进一步地，每一个电池单元由一个大直径的阴极和一个小直径的阳极组成，在阴极和阳极之间的圆柱形环状空间被定义为电解液离子导电室，这个电解液离子导电室被一些垂直支撑梁所分隔。每一个阴极由一个具有多层结构的阴极电极、阴极支撑框架和阴极电连接器组成，其中的阴极支撑框架由非导电、且耐电解液腐蚀的材料制造加工而成，其作用是作为支撑和加强阴极电极的一种结构，并作为防止阴极和阳极短路的防护结构；典型地，每一个阴极的阴极电极由催化活化层、疏水扩散层和电流收集层组成，催化活化层提供一个气体、电解液和催化剂三相结合的场所，使得氧气的还原反应能够发生，疏水扩散层向催化活化层提供反应气体，并阻止电解液穿过阴极渗出，而典型的电流收集层通常为一层镍网；阴极电极也可以是其它形式的复合材料电极。在圆柱形阴极的上部，有一个连接到电流收集层的阴极接线柱。在电池单元集成室内部、阴极外部的阴极与阴极之间，有一个不被阴极占据的剩余空间，这个充满反应气体的剩余空间被定义为阴极空气室。而在阴极内部，电解液可流过所说的电解液离子导电室。

每一个阳极由阳极导电框架、阳极膜状网、阳极接线柱、机械式弹簧盖和装填于阳极导电框架内的铝燃料组成。其中的阳极导电框架是一个双层圆柱壳导电金属结构，壳板厚度约为圆柱壳直径的3％，材料应能耐电解液腐蚀，双层圆柱壳之间的环状筒形空间是设计用来存放铝燃料的，这个环形筒形空间被定义为铝燃料反应室，它是铝燃料发生氧化反应的场所，在双层圆柱壳的底部，有一个连接加强内外圆柱壳的环形平面端板，用于防止铝燃料从铝燃料反应室掉落，这个环形平面端板被加工成多孔板，以便电解液中的晶种可以穿过多孔板上的孔，多孔板上的孔径为1.0到5.0微米，在电解液中添加晶种的目的是辅助氢氧化铝Al(OH)₃从电解液中沉淀析出，电解液中的晶种可由外部添加，也可由铝燃料反应室中的铝燃料经氧化反应缩小而来。双层圆柱壳中的内圆柱壳的高度应与阴极的高度一致，这个高度的大小取决于对电池单元输出电流的需求，在内圆柱壳的顶端设计有一个锥形帽，在锥形帽之下、内圆柱壳之内的圆柱形空间被称为圆柱形电解液通道空间，在内圆柱壳下端的圆盘形开口被称为电极电解液入口，电解液从电极电解液入口循环进入圆柱形电解液通道空间，双层圆柱壳的内圆柱壳和外圆柱壳均被加工成多孔结构，通过这些孔和铝燃料固体之间的缝隙，电解液会进一步从圆柱形电解液通道空间循环进入前面所说的电解液离子导电室。以上所述的铝燃料是一种可装填的、允许电解液流通的、可电子导通的多孔蜂窝铝或颗粒铝或其它形态铝，多孔蜂窝铝可以是整块装填的圆柱条形。所有的电池单元安装在电池单元集成基座上，电极电解液出口由电解液离子导电室下方的在电池单元集成基座上的环状多孔所形成，电解液由电极电解液出口流出电池单元进入电解液出口沉淀箱。双层圆柱壳的内圆柱壳和外圆柱壳上的孔径是变化的，由底部直径约为2.5毫米变化到上部直径约为5.0毫米，这一孔隙率在高度方向的变化是用来控制电解液离子导电室中电解液的流动样式的，以上所说的阳极电解液循环通道的设计是用来使电解液以平行于电解液中导电离子运动的方向进入电解液离子导电室，从而增进电解液离子的导电性，并使铝酸根离子能够容易从铝燃料表面扩散开。在双层圆柱壳的内圆柱壳内表面和外圆柱壳的外表面，分别都覆盖有与圆柱壳同心的筒状膜网，即阳极膜状网，该膜状网由耐电解液腐蚀的导电材料制造，并以导电方式连接于阳极导电框架，阳极膜状网的缝隙控制在1.0到5.0微米。在双层圆柱壳的内圆柱壳和外圆柱壳之间设计有垂直连接梁(典型地有三根)用来增加阳极导电框架的强度和导电性。典型地，装填前的铝燃料或装填后坍塌的铝燃料的直径大于环形平面端板上的孔径和阳极膜状网的缝隙，但小于铝燃料反应室的两个圆柱壳之间的间距。

为了导出电流和氢气，也为了增加铝燃料储量从而增加电池单元的功率输出，须要将阳极导电框架的双层圆柱壳的外圆柱壳从内圆柱壳的锥形帽处开始进一步向上延伸，这意味着外圆柱壳可以分为上下两个部分，下部为与铝燃料反应室同高的、被电解液淹没的圆柱壳，上部被称为电流氢气导出圆柱壳。通常，这个电流氢气导出圆柱壳的壳板厚度比下部圆柱壳要厚，其上根据须要在不同部位加工有螺纹，借助于这些螺纹和与其相匹配的螺帽、密封带，并通过电池单元集成基座、电解液密封盖、空气密封盖和氢气密封盖，可使电流氢气导出圆柱壳用来密封电解液、空气和氢气。电流氢气导出圆柱壳的内部空间形成了一个铝燃料存储空间，它可用来向铝燃料反应室提供新鲜的铝燃料，以填充已被消耗了的铝燃料，同时它也可用作为铝燃料的装填通道。在电流氢气导出圆柱壳的顶端，有一个可以向铝燃料施加压力的机械式弹簧盖，它可以使铝燃料固体间相互紧密接触，以及使铝燃料固体与阳极导电框架之间相互紧密接触，从而增加铝燃料的导电性，机械式弹簧盖上开有小孔，以便氢气向上流出。在与电解液离子导电室顶端处于同一水平位置的双层圆柱壳的外圆柱壳上开有一些小孔，这些小孔允许氢气从电解液离子导电室析出，并进入电流氢气导出圆柱壳。在电流氢气导出圆柱壳上部适当的位置设计有阳极接线柱。电池单元的剖面形状可以部分地是方形或矩形，如非螺纹密封部分可以是方形或矩形。

所有的电池单元都组装集成在电池单元集成基座上，电解液入口室、电解液出口沉淀箱、电池单元集成基座、电池单元集成室、电解液密封盖、空气密封盖和氢气密封盖以从下至上的顺序集成，从而形成电池堆芯。在电解液入口室的右侧，有两个堆芯电解液入口，从这两个堆芯电解液入口，电解液被引入电解液入口室；从电解液入口室，通过多根穿过电解液出口沉淀箱的软管，电解液被进一步引入到电池单元集成基座下的电极电解液入口和与其相连接的电解液入口管接嘴；从电极电解液入口，电解液流过阳极电解液循环通道和电解液离子导电室后，通过一组在电池单元集成基座下的电极电解液出口和与其相连的电解液出流孔，进入电解液出口沉淀箱；在电解液入口室的右边，有两个堆芯电解液出口，这个出口通过两个软管与电解液出口沉淀箱相连，从堆芯电解液出口，电解液流出电池堆芯之外，进入电解液循环系统。

在电解液入口室的右侧，有两个堆芯空气入口，从这两个堆芯空气入口，空气通过两个软管被引入到沉淀箱空气入口室，从沉淀箱空气入口室，通过连接到位于电池单元集成基座下的空气入口管接嘴的一组软管，空气进一步流入阴极空气室；在电解液密封盖上，有一些便于阴极接线柱穿过的孔，这些孔同时也用于使空气从阴极空气室流入接线柱空气室，接线柱空气室被定义为电解液密封盖和空气密封盖之间的空间；通过在电解液密封盖法兰下的空气出口管接嘴，空气从接线柱空气室流出，到此，可有两种方式控制空气循环走向：一是让空气直接流入大气，二是通过连接空气汇集管与空气出口管接嘴之间的一组软管，让空气汇集到电解液入口室边缘下的空气汇集管，从空气汇集管，经由堆芯空气出口，空气流出堆芯，进入堆芯外的空气循环系统，通过这种方式，空气循环的压力能够更好地被控制。此外，在接线柱空气室内，阴极接线柱和阳极接线柱以串联方式相连，串联后的接线再引出连接到电解液密封盖法兰下的堆芯接线柱上。

在空气密封盖和氢气密封盖之间所形成的空间被称为氢气收集室，产生于电解液离子导电室和铝燃料反应室的氢气经由电流氢气导出圆柱壳上升到氢气收集室，再通过氢气密封盖上方的氢气出口管接嘴，将氢气导出到电池堆芯外的氢气回收利用系统。

电池堆芯通过隔振器安装在交通工具(如汽车)的基座上，有一个激振机安装在电池堆芯的电解液入口室的下部，这个激振机的主要作用有二点：一是在必要时使电池堆芯振动以防止阴极上的小孔或阳极膜状网上的小孔阻塞，二是在必要时通过振动使铝燃料反应室中的铝燃料保持紧密接触，从而增加其导电性。在电池堆芯内，布置安装有各种传感器，可以测量电池堆芯内的压力、温度、电压、电流等，以便借助于电池堆芯外的各种外部循环系统控制电池集成装置的运行。

电解液循环系统位于电池堆芯的外面，主要包括管路、闸阀、粉末加水混合泵、沉淀液过滤泵、热交换器、各类储存箱等，其主要功能是维持电解液循环、调控电解液压力和温度、从电解液中过滤出氢氧化铝Al(OH)₃沉淀物、用水和氢氧化钠粉末制造新鲜电解液、向电解液中添加铝矾土(三氧化二铝)晶种以促进铝酸根离子结晶形成不溶解的Al(OH)₃、能够实现快速关闭和启动电池的电解液移出和注入等。

空气循环系统主要包括管路、闸阀、气泵、气热交换器等，其主要功能是通过控制其中的控制单元(如闸阀、气泵、气热交换器等)维持空气循环、调控空气压力、温度和流速。

氢气回收利用系统由氢燃料电池和氢气储存设施组成，氢燃料电池(HFB)具有和铝燃料电池(AAB)类似的结构，一个氢燃料电池(HFB)单元可以由铝燃料电池(AAB)作如下改变而获得：(1)以铝燃料电池(AAB)的电解液入口通道作为氢燃料电池(HFB)的氢气入口通道，(2)向上延伸铝燃料电池(AAB)的阳极框架的内圆柱壳以此形成氢燃料电池(HFB)的氢气出口通道，(3)将铝燃料电池(AAB)的铝燃料、阳极外膜状网、阳极内膜状网替换为氢燃料电池(HFB)的氢气扩散电极；同时对电池堆芯作如下改变：(1)以铝燃料电池(AAB)的电解液入口室用作为氢燃料电池(HFB)的氢气入口室，(2)在铝燃料电池(AAB)的空气密封盖和氢气密封盖之间增加一个氢燃料电池(HFB)的电解液出口密封盖。氢气储存设施包括管路、闸阀、气泵、氢气储存器等，氢气回收利用系统的功能包括调节以铝燃料电池(AAB)为电力的运载工具的电力需求、将多余的氢气储存到氢气储存器、调节氢气供给压力等。

以上所述的电池原理和构造的不仅适用于铝燃料电池，也适用于其它金属空气电池，如锌燃料电池，此时只须将阳极的铝燃料改为锌燃料。电解液也可用其它电解液，如氢氧化钾等，但有可能导致以工业化的方式给这个电池重新充电不可用。

附图说明：

说明书附图中的方向定义：上、下方向分别定义为Z轴的正方向和负方向，左、右方向分别定义为X轴的正方向和负方向，前、后方向分别定义为Y轴的正方向和负方向。

说明书附图中的引导线箭头可指代：整个零部件或整个集成体、箭头所指部位的空间、流体通道(或铝燃料运动)的流向。具体所指对象可根据上下文或附图情景区分。

图1是铝燃料电池和氢气回收利用系统的纲要性示意图，显示了本发明的原理和不同组成部分(或部件)之间的关系。

图2是体现本发明的铝燃料电池集成后的电池堆芯的三维等距视图(为使视图清晰，一些软管没有集成在图中)；图2A是部分集成没有完全到位的图2，目的是显示电池堆芯内部的电池单元；图2B是没有集成到电池堆芯的各种软管。

图3是集成的圆柱形电池单元；图3A是处在准备集成位置的阴极和阳极；图3B是阴极和阳极处在半集成位置的圆柱形电池单元；图3C是图3的剖视图；图3D是图3C的上部局部放大图；图3E是图3C的下部局部放大图。

图4是集成后的阴极；图4A是图4的剖视图；图4B是图4A的上部局部放大图；图4C是图4A的下部局部放大图。

图5是集成后的阳极，其中的铝燃料尚未装载；图5A是处在准备集成位置的阳极框架和阳极外膜状网；图5B是处在准备集成位置的阳极框架和阳极内膜状网，其中阳极外膜状网已集成到其工作位置；图5C是阳极外膜状网；图5D是阳极内膜状网；图5E是阳极接线柱；图5F是阳极的阳极框架(即阳极的部件之一)；图5G是图5F的剖视图；图5H是图5G的上部局部放大图；图5I是图5G的下部局部放大图；图5J是移除图5F的5a-5a位置以上部分的图5F的部分视图；图5K是图5J的上部局部放大图；图5L是移除图5F的5b-5b位置以上部分的图5F的部分视图；图5M是移除图5F的5c-5c位置以上部分的图5F的部分视图。

图6是电池单元集成基座；图6A是图6的左前部分的局部放大图；图6B是从下部视角位置看到的电池单元集成基座；图6C是图6B的左前部分的局部放大图；图6D是从正上方视角位置看到的电池单元集成基座；图6E是从正下方视角位置看到的电池单元集成基座。

图7显示了一个圆柱形电池单元集成在电池单元集成基座上的情况；图7A显示了七个圆柱形电池单元集成在电池单元集成基座上的情况。

图8是电池单元集成室。

图9是图7A所示集成部件进一步与电池单元集成室集成后的情况。

图10是电解液密封盖；图10A是移去空气密封侧边板后的电解液密封盖；图10B是电解液密封盖的空气密封侧边板；图10C是视角进一步上移后的图10A的左前部分的局部放大图；图10D是从下部视角位置看到的图10A；图10E是图10D的左前部分的局部放大图；图10F是图10A的左前部分的局部放大图；图10G是从右上视角位置看到的图10A的右前部分的局部放大图；图10H是空气出口管接嘴向上配置的图10A。

图11是图9所示集成部件进一步与电解液密封盖集成后的情况；图11A是电解液密封盖处在与图9准备集成位置时的示意图；图11B是从正上方视角位置看到的图11。

图12是空气密封盖。

图13是图11所示集成部件进一步与空气密封盖集成后的情况；图13A是空气密封盖处在与图11准备集成位置时的示意图。

图14是氢气密封盖；图14A是从下部视角位置看到的图14。

图15是图13所示集成部件进一步与氢气密封盖集成后的情况；图15A是氢气密封盖处在与图13准备集成位置时的示意图；图15B是从下部视角位置看到的图15。

图16是电解液出口沉淀箱；图16A是从下部视角位置看到的图16；图16B是空气密封板处在准备集成位置时的图16；图16D是移去空气密封板后的图16A；图16C是从上部视角位置看到的图16D；图16E是从正上方视角位置看到的图16D；图16F是从正下方视角位置看到的图16D。

图17是图15所示集成部件进一步与电解液出口沉淀箱集成后的情况；图17A是电解液出口沉淀箱处在与图15准备集成位置时的示意图。

图18是电解液入口室；图18A是移去空气汇集管后的电解液入口室；图18B是空气汇集管；图18C是从左上方视角位置看到的图18A；图18D是从右下方视角位置看到的图18A。

图19是电解液入口室处在与图17准备集成位置时的示意图，其完全集成到位的视图见图2。

具体实施方式：

图1是本发明的电池集成装置，主要由被点线分隔的铝燃料电池1000和氢气回收利用系统3000两大部分组成。铝燃料电池1000通过管路1016向氢气回收利用系统3000提供氢气，并通过气泵1036、闸阀1029、闸阀3005，将氢气提供给氢燃料电池3001产生电，从氢燃料电池3001流出的未消耗的氢气将通过加压泵3002、闸阀3004(此时关闭闸阀3006)被压缩进入储备压力容器3003；如果由铝燃料电池1000产生的氢气供给超过了电力需求，则氢气可通过闸阀3006、加压泵3002储备到压力容器3003；如果由铝燃料电池1000产生的氢气供给不足以满足电力需求，则可以通过闸阀3005、闸阀3007、泵3008向氢燃料电池3001提供氢气；在某些情况下如果不需要氢燃料电池3001提供电力，则由铝燃料电池1000产生的氢气可通过管路3009、闸阀3006、闸阀1029、加压泵3002(此时关闭闸阀3005、3004、3007)储备到压力容器3003。

如图1所示，铝燃料电池1000的电池堆芯1001通过入口管1013和出口管1011与电解液循环系统相连接，在正常的电池放电过程中，电解液经过闸阀1021、水蒸馏装置1003、气热交换器1002、沉淀液过滤泵1005、闸阀1042、闸阀1043、粉末加水混合泵(即压力泵)1006、电解液加热器1035、闸阀1023进行循环，在此过程中闸阀1022、1038、1018、1031和闸阀1039关闭；在正常电池放电过程中的必要时铝矾土(即三氧化二铝)晶种可通过三氧化二铝粉末容器1033、粉末供给装置1032和粉末加水混合泵1006加入到电解液中；在正常电池放电过程中，含水的氢氧化铝Al(OH)₃沉淀物可通过沉淀液过滤泵1005进行分离，在进一步通过水蒸馏装置1003移去含水沉淀物中的水分后，经由管路1015和闸阀1024储存到沉淀物收集箱1009，其中的水蒸馏装置1003可以利用温度较高的电解液中的热量进行水的蒸馏移除。

在新鲜电解液注入过程中，来自水箱1008的水和来自氢氧化钠粉末容器1007、粉末供给装置1030的氢氧化钠溶质由粉末加水混合泵1006进行混合，产生新鲜的电解液，再通过电解液加热器1035、闸阀1023(此时闸阀1038、1039关闭)将新鲜的电解液注入到电池堆芯1001。在移除已用过的电解液过程中，只需开启闸阀1022和1039，同时关闭闸阀1023、1038和闸阀1021。

在电池关闭过程中，电解液经过管路1011、闸阀1021流出电池堆芯1001，再通过水蒸馏装置1003、气热交换器1002、沉淀液过滤泵1005、闸阀1042、闸阀1018使电解液快速地注入电解液储存箱1019，在此过程中开启闸阀1039，并使闸阀1022、1038、1024、1043关闭。

在电池启动过程中，电解液经过管路1047、闸阀1018和闸阀1043流出电解液储存箱1019，再通过压力泵1006、电解液加热器1035、闸阀1038、管路1011快速地将电解液注入电池堆芯1001，在此过程中关闭闸阀1021、1022、1042、1031和闸阀1023。

如图1所示，新鲜空气经过入口管1012、闸阀1026、气泵1010被吸入到铝燃料电池1000的电池堆芯1001，没有使用消耗掉的空气经过出口管1017、闸阀1028从电池堆芯1001中排出；在某些情况下当须要控制进入电池堆心1001的空气的温度时，新鲜空气可由管路1044进入，经过气热交换器1002(热源来自于热的电解液)加热后，再经过闸阀1027、气泵1010注入到电池堆芯1001，此时闸阀1026、闸阀1046酌情关闭或半开；此外，来自于管路1045的热空气可通过闸阀1046以用作为空调的方式向运载工具(如汽车)内部供暖。

本发明的关键设备是如图2所示的电池堆芯1001，它主要由如图2A所示的圆柱形电池单元112、电池单元集成基座13、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18、电解液出口沉淀箱19、电解液入口室20、如图2B所示的各种直径的软管21和一个未在上述图中显示的激振机组成。

图3显示的是集成的圆柱形电池单元112，它由如图3A所示的阴极11和阳极12组成，图3B是阴极11和阳极12处在半集成位置的圆柱形电池单元112，图3C是图3的剖视图，图3D是图3C的上部局部放大图，图3E是图3C的下部局部放大图，由图3E和图3D可以看出电解液离子导电室11207是一个在阴极11和阳极12之间的圆柱形环状间隙空间，由图3D，图3E，图5K和图5L可以看出铝燃料反应室11206是一个在外圆柱壳12101和内圆柱壳12102之间形成的柱形环状间隙空间，其中的外圆柱壳12101和内圆柱壳12102在图5M和图5L中看得更清楚。

在图3E中，引导线箭头11203所指是电极电解液入口，箭头显示的是电解液循环进入电池单元112的方向；引导线箭头11204所指是电极电解液出口，箭头显示的是电解液循环流出电池单元112的方向；电解液首先进入圆柱形通道空间11205，通过阳极圆柱面上(如发明内容中所说，内外阳极圆柱面之间形成了阳极电解液循环通道)的小孔12108流入铝燃料反应室11206，再通过电池单元112底部阴极11和阳极12之间的环形缝隙11209流出电解液离子导电室11207，之后，由电极电解液出口11204处的电解液通道空间11210流出电池单元112。

在图3D中，引导线箭头11201显示的是铝燃料装载的方向，引导线箭头11202显示的是氢气从铝燃料储存空间11200中向上流出的方向，从图3D中可以看出电流氢气导出圆柱壳12105位于内圆柱壳12102的锥形帽12104之上，其中的内圆柱壳12102可以从图5G、图5L、图5M中看得更清楚；电流氢气导出圆柱壳的内部空间构成了铝燃料的储存空间11200，当铝燃料反应室11206中的铝燃料在放电过程中被消耗后，储存空间11200中的铝燃料会自动填充到铝燃料反应室11206中、并替换消耗掉的铝燃料，与此同时，储存空间11200也提供了一个铝燃料装载的通道；在电流氢气导出圆柱壳12105的顶部，有一个在图3D中没有画出的机械式弹簧盖，这个弹簧盖上开有一个或多个小孔，以便氢气可以由小孔向上流出；在图3D中，与电解液离子导电室11207顶部同一水平位置的外圆柱壳12101(由图5G、图5L、图5M可更清楚地看到外圆柱壳12101)上，开有半圆形孔11208，这个半圆形孔11208提供了一个使氢气由电解液离子导电室11207流出、并进入电流氢气导出圆柱壳12105内的储存空间11200的氢气导出通道。

图4显示的是集成后的阴极11，它由阴极电极1101、阴极支撑框架和阴极电连接器组成；如图4A、图4B、图4C所示，阴极支撑框架由上支撑环1105、垂直支撑梁1104和下支撑环1106组成，在下支撑环1106上，有一个用于与阳极装配用的定位缺口1108；如图4A、图4B所示，阴极电连接器由导电环1102和阴极接线柱1103组成。

图5显示的是尚未装载铝燃料状态下的阳极12，如图5A到5E所示，每一个电池单元112的阳极12典型地由阳极导电框架121(又称为阳极框架121)、阳极外膜状网1202、阳极内膜状网1203、阳极接线柱1204、机械式弹簧盖组成，其中机械式弹簧盖在图中没有画出，铝燃料在图中也没有显示被装入；除铝燃料外，阳极由对电解液不活泼的金属制造，图5F是阳极框架121，由图5G到图5M可以看出，阳极导电框架121具有由内圆柱壳12102和外圆柱壳12101组成的双层圆柱壳结构，在内圆柱壳12102和外圆柱壳12101之间的圆柱形环状空间是用来装载铝燃料的，这个圆柱形环状空间被称为铝燃料反应室11206，在铝燃料反应室11206内会有铝氧化反应发生。如图5G、图5I和图5M所示，在所说的双层圆柱壳的底部，有一个环形平面端板12106，它有两个作用，一是作为内圆柱壳12102和外圆柱壳12101的连接结构，二是作为一个装载结构，保持铝燃料不从铝燃料反应室11206漏掉；环形平面端板12106上开有多个小孔，这些小孔太小以致在图中看不见，但电解液中的晶种可以通过，从而形成晶种的通道。在内圆柱壳12102的顶部，有一个锥形帽12104，在这个锥形帽12104的下面、由内圆柱壳12102的内部所形成的空间形成了圆柱形电解液通道空间11205，电解液从内圆柱壳12102底部的电极电解液入口11203可以循环进入圆柱形电解液通道空间11205；通过内圆柱壳12102和外圆柱壳12101上的小孔12108、并通过铝燃料之间的缝隙，电解液进一步由圆柱形电解液通道空间11205循环进入电解液离子导电室11207(见图3E和图3D)，以上所述的通道即为阳极电解液循环通道。如图5J到图5M、图5H所示，为了给阳极框架121的强度进行加强、也为了增加阳极框架121的导电性，设计了多个(典型地是三个)连接内圆柱壳12102和外圆柱壳12101的垂直连接梁12103；为了便于与阴极进行装配，在阳极框架121的底部设计有定位销12107。如图5H所示，在阳极框架121的上部、从外圆柱壳12101向上延伸，设计有电流氢气导出圆柱壳12105，这个电流氢气导出圆柱壳12105的内部空间形成了铝燃料的储存空间11200；此外，在电流氢气导出圆柱壳12105的适当位置加工有螺纹，通过螺母、电池单元集成基座13和在螺纹对应位置的电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18等，电流氢气导出圆柱壳12105可用来对电解液、空气、氢气进行密封，其中的螺母在图中没有画出。

图6显示的是一个矩形电池单元集成基座13，如图6A，为了便于电池堆芯1001的集成，在这个电池单元集成基座的四周边缘，设计有法兰1301、法兰孔1305、密封槽1304；在如图6到图6E所示的具体实施方案中，设计有12排乘以13列、总共156个电池单元安装座；如图6A到6E所示，每个电池单元安装座由阴极安装座1302、阳极安装座1303、电解液入流孔1309、电解液出流孔1306、电解液入口管接嘴1307组成；如图6B到6E所示，在电池单元集成基座13的中间部位，设计有5排乘以6列、总共30个空气入口管接嘴1308和30个空气入口孔1310。

所有的电池单元112都集成在电池单元集成基座13上，如图2和图2A所示，电解液入口室20、电解液出口沉淀箱19、电池单元集成基座13、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18顺序地从电池堆芯1101的底部向顶部进行集成。电解液循环的路径是：电解液从电解液入口室20、通过软管21连接、并穿过电解液出口沉淀箱19，引入到电极电解液入口11203(见图3E，图5I)和在电池单元集成基座13下的电解液入口管接嘴1307(见图6B，图6C)；然后，电解液流过阳极电解液循环通道(这个阳极电解液循环通道是指圆柱形电解液通道空间11205、铝燃料间的缝隙、内圆柱壳12102和外圆柱壳12101上的小孔12108)和电解液离子导电室11207(见图3E，图3D)；最后，通过一组电极电解液出口11204(见图3E)和与出口11204相连通的、在电池单元集成基座下的电解液出流孔1306(见图6C，图6E)流入到电解液出口沉淀箱19。

图7显示的是1个圆柱形电池单元112集成到电池单元集成基座13上的情况，将所有156个电池单元112都集成到电池单元集成基座13上将会导致视图模糊不清，因此，为了使视图清晰起见，在图7A中，仅在电池单元集成基座13上集成了7个圆柱形电池单元112。装配时在电池单元112的下支撑环1106与电池单元集成基座13的阴极安装座1302之间装有密封垫圈。

图8显示的是电池单元集成室15，集成室15由集成室围墙1501、上法兰1502、下法兰1503、密封槽1504、法兰孔1505组成，其中的法兰、法兰孔是为了方便电池堆芯1001的集成；在集成室15上设计有搭扣桩1506，此搭扣是为了方便氢气密封盖18和铝燃料自动装填装置的安装固定和拆卸。

如图9所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15集成装配在电池单元集成基座13上形成了部分集成部件115。在电池单元集成室15内、电池单元112的阴极外的各个阴极11之间，存在一个剩余空间，这个空间被称为阴极空气室1151，在这个阴极空气室1151内充满了反应气体(如空气)以维持在气体扩散阴极11上的氧还原反应。

为了使电解液限制在电解液离子导电室11207，有必要设计一个如图10所示的电解液密封盖16；如图10A、10B所示，这个电解液密封盖16由电解液密封盖主体160、空气密封前后边板161、空气密封左右边板162组成。为了方便电池堆芯1001的集成装配，在电解液密封盖主体160的四周边缘，设计有法兰1600、法兰孔1605和如图10A所示的密封槽1604。在如图10A、图10C到图10G所示的具体实施例中，设计有12排乘以13列、共156个阳极终端-氢气引出孔1601；如图10E所示，为了便于电池单元112的集成装配，在电解液密封盖16的下面，为每一个阳极终端-氢气引出孔1601都设计有与其对应的阴极安装座1611；这些阳极终端-氢气引出孔1601允许电流氢气导出圆柱壳12105(见图5H)穿过电解液密封盖16，并通过螺帽对电解液进行密封；阳极电流也通过电流氢气导出圆柱壳12105引出到阳极接线柱1204。由图10A、图10C可以看出，本发明的具体实施例中设计有12排乘以13列、共156个阴极终端-空气引出孔1609，这些阴极终端-空气引出孔1609允许阴极接线柱1103穿过电解液密封盖16，使多个电池单元112可以电学地相互连通；这些阴极终端-空气引出孔1609还允许空气穿过电解液密封盖16、进入接线柱空气室1617，这个接线柱空气室1617是一个由电解液密封盖16和空气密封盖17之间的空间所定义的空间，在图10C、10F和图106中，接线柱空气室1617是由引导线箭头1617所指的空间。如图10E、10F和图10G所示，接线柱空气室1617中的空气通过旁通孔1612进入空气流通槽1610，再通过如图10D所示的电解液密封盖16的法兰1600下的空气出口管接嘴1608、由空气流通槽1610流出；这种方式可以可靠地控制空气循环，通过连接空气汇集管202和空气出口管接嘴1608之间的软管，空气流通槽1610中的空气流通到电解液入口室20边缘下的空气汇集管202(见图18B)；在某些不需要准确控制空气循环的情况下，如图10H所示，可以将空气出口管接嘴1608设计为向上伸出，这种方式可以通过空气出口管接嘴1608简单地将空气流通槽1610中的空气注入到周围的大气中。

在接线柱空气室1617，阴极接线柱1103(见图4A)和阳极接线柱1204(见图5B)电学地以串联方式相互连接，如图10A、10D、10G所示，第一根阴极终端电缆通过旁通孔1614由电池堆芯正极接线柱1603引出，最后一根阳极终端电缆通过旁通孔1613由电池堆芯负极接线柱1602引出；两根用于控制电池堆芯的信号电缆通过旁通孔1616和1615由信号电缆接线柱1607和1606引出。

如图11、图11A、图11B所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15、电解液密封盖16集成装配在电池单元集成基座13上形成了部分集成部件116。由图11B可以看出阴极接线柱1103和阳极接线柱1204能够容易地在接线柱空气室1617以串联方式进行连接。装配时在电池单元112的上支撑环1105与电解液密封盖16的阴极安装座1611之间装有密封垫圈。

图12是空气密封盖17，包括用于电池堆芯1001集成安装的法兰1701、法兰孔1705和用于与图14A所示的密封槽1804配合密封的向上凸起唇边1703；在图12中设计有12排乘以13列、总共156个阳极铝-氢气孔1702，这些个阳极铝-氢气孔1702允许电流氢气导出圆柱壳12105穿过空气密封盖17、并通过机械式弹簧盖上的螺母对空气进行密封；在机械式弹簧盖上的孔允许电流氢气导出圆柱壳12105中的氢气进入氢气收集室1706，这个氢气收集室1706是一个在空气密封盖17和氢气密封盖18之间所形成的空间；当机械式弹簧盖被卸下时，铝燃料可以装入图3D、图5H所示的储存空间11200。

如图13、图13A所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17集成装配在电池单元集成基座13上形成了部分集成部件117。由图13可以看出只有电池单元112的螺纹头露出在空气密封盖17的上面，以便机械式弹簧盖可以被拧紧。

图14是氢气密封盖18，包括盖板主体1801、突出在盖板主体1801下面的密封槽1804、形成上氢气收集室1806的氢气收集突出体1802、氢气出口管接嘴1803、与图8所示的搭扣桩1506相匹配的搭扣座1805。装填有密封垫圈的密封槽1804与向上凸起唇边1703相互压紧配合可以防止氢气从氢气收集室1706泄漏。

如图15、图15A、图15B所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18集成装配在电池单元集成基座13上形成了部分集成部件118。由图15、图15A可以看出，氢气密封盖18可以通过连接搭扣座1805(见图14)与搭扣桩1506(见图8)的弹簧搭扣(弹簧搭扣在图中没有画出)容易地卸去，一旦氢气密封盖18被卸去，铝燃料自动装填装置便可通过空气密封盖17上的向上凸起唇边1703和电池单元集成室15上的搭扣桩1506安装定位在电池堆芯1001上，以上述方式，一个装有铝燃料电池的交通运载工具(如汽车)就可以象汽车加油一样快速地重新装填铝燃料燃料。由图15B可以看出，到目前为止，还没有阐述电解液出口沉淀箱19、电解液入口室20与电解液出流孔1306、电解液入口管接嘴1307、空气入口管接嘴1308是如何相互关联的，以下来陈述这些连接关系。

图16是电解液出口沉淀箱19，如图16A、图16B所示，它由电解液出口沉淀箱主体190和空气密封板192组成，在电解液出口沉淀箱主体190上，设计有便于电池堆芯1001集成装配的法兰1900、密封槽1904、法兰孔1905；如图16C到图16F所示，在移去空气密封板192之后，可以更清楚地看到三个内部通道分别为电解液流入、电解液流出、空气吸入。

第一组156个沉淀箱电解液吸入孔1901在漏斗形壳体1910上形成了一个U形孔群，在漏斗形壳体1910的下面，设计有156个与沉淀箱电解液吸入孔1901相连通的沉淀箱电解液吸入管接嘴1911；当电解液出口沉淀箱19集成装配到部分集成部件118时，设计有156个适当直径的软管21，这些软管使得沉淀箱电解液吸入管接嘴1911连接到电解液入口管接嘴1307，这些连接软管允许电解液穿过电解液出口沉淀箱19循环进入圆柱形电池单元112；然后，通过电池单元集成基座13下的电解液出流孔1306，从电池单元112循环流出的电解液会进入漏斗形电解液室1919和电解液沉淀室1906；漏斗形电解液室1919是一个由漏斗形壳体1910所形成的空间，电解液沉淀室1906是一个由矩形电解液箱体1916所形成的空间；在矩形电解液箱体1916的右边，设计有2个沉淀箱电解液大孔1903，这2个大孔1903与矩形电解液箱体1916外的沉淀箱电解液出口管接嘴1913是连通的。须要说明的是，出于冗余设计的考虑，在图中的沉淀箱电解液吸入孔1901的个数要多于156个。

第二组30个沉淀箱空气吸入孔1902在漏斗形壳体1910的下面形成了一个较小的U形孔群，在漏斗形壳体1910的下面，设计有一个空气吸入箱体1917，在这个空气吸入箱体1917内设计有30个沉淀箱空气吸入管接嘴1912与30个沉淀箱空气吸入孔1902相连通；有一个由空气吸入箱体1917、矩形电解液箱体1916和空气密封板192所定义的U形空间，这个U形空间被称为沉淀箱空气吸入室1907，在空气吸入箱体1917的右边，有2个沉淀箱空气大入口1908与2个沉淀箱空气大管接嘴1918相连通；当电解液出口沉淀箱19集成装配到部分集成部件118时，有30个适当直径的软管21，这些软管可使沉淀箱空气吸入管接嘴1912连通到电池单元集成基座13下的空气入口管接嘴1308；空气从沉淀箱空气大管接嘴1918循环流入沉淀箱空气吸入室1907，然后，沉淀箱空气吸入室1907内的空气穿过电解液出口沉淀箱19进入电池单元集成室15内的阴极空气室1151。在空气吸入箱体1917上，设计有密封槽1914和螺栓孔1915以便空气密封板192可以集成密封。

如图17、图17A所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18、电解液出口沉淀箱19集成装配在电池单元集成基座13上形成了部分集成部件119。由图17、图17A可以看出，沉淀箱电解液出口管接嘴1913、沉淀箱空气大管接嘴1918还没有被解释它们是如何与电解液入口室20相互连通的，以下来陈述这些连接关系。

图18是电解液入口室20，它由如图18A所示的电解液入口室主体200和如图18B所示的4个空气汇集管202所组成。在空气汇集管202上，设计有空气汇集入口管接嘴2021、空气汇集管接嘴2023、空气汇集管主体2022、安装固定板2024、螺栓孔2025，以便空气汇集管202通过如图18D所示的安装固定座2014、螺栓孔2015固定在电解液入口室主体200上，4个空气汇集管202可以通过适当直径的软管21连接形成2个堆芯空气出口管接嘴，这2个堆芯空气出口管接嘴是8个空气汇集管接嘴2023中的某2个。

在电解液入口室主体200上，设计有法兰2000、密封槽2004、法兰孔2005以便电池堆芯1001集成装配，还设计有电池堆芯基座2007、螺栓孔2008以便电池堆芯1001安装固定在汽车等交通运输工具上。如图18C、18D所示，2个堆芯电解液入口2001、2个堆芯电解液出口2003、2个堆芯空气入口2002分别连通到2个堆芯电解液入口管接嘴2011、2个堆芯电解液出口管接嘴2013、2个堆芯空气入口管接嘴2012，从而形成电解液流入通道、电解液流出通道、空气吸入通道。电解液通过堆芯电解液入口2001、堆芯电解液入口管接嘴2011流入到电解液入口箱2006，电解液入口箱2006是一个限制在电解液入口室20和电解液出口沉淀箱19之间的空间。设计有一个激振机(在图中没有画出)可以被固定在空气汇集管202下面的2个电池堆芯基座2007之间。

如图19、图2所示，7个圆柱形电池单元112、电池单元集成室15、电解液密封盖16、空气密封盖17、氢气密封盖18、电解液出口沉淀箱19、电解液入口室20集成装配在电池单元集成基座13上形成了集成的电池堆芯1001。由图19可以看出，沉淀箱电解液出口管接嘴1913、沉淀箱空气大管接嘴1918分别通过适当直径的软管21与堆芯电解液出口管接嘴2013、堆芯空气入口管接嘴2012相连通。装配时各密封槽内均装填有密封垫；各密封盖与电池单元之间均有螺纹螺帽压紧的密封带密封；各管接嘴与软管之间均有螺纹螺帽压紧的密封带密封。

在电池堆芯1001内电解液循环的路径陈述如下，从电解液入口室20的堆芯电解液入口管接嘴2011开始，电解液进入电解液入口箱2006；通过连接从沉淀箱电解液吸入管接嘴1911到电解液入口管接嘴1307的软管21，电解液流入阳极电解液循环通道(即圆柱形通道空间11205、小孔12108、铝燃料缝隙等)，并流过电解液离子导电室11207；然后，通过一组电极电解液出口11204和与它相连通的在电池单元集成基座上的电解液出流孔1306，电解液流入到电解液出口沉淀箱19的漏斗形电解液室1919；通过连接从沉淀箱电解液出口管接嘴1913到堆芯电解液出口管接嘴2013的软管21，电解液进一步从电解液沉淀室1906流出到电池堆芯1001的外面。在电池堆芯1001外，堆芯电解液出口管接嘴2013和堆芯电解液入口管接嘴2011分别连接到如图1所示的电解液循环系统的出口管1011和入口管1013。

在电池堆芯1001内空气循环的路径陈述如下，通过连接从堆芯空气入口管接嘴2012到沉淀箱空气大管接嘴1918的软管21，空气首先流入沉淀箱空气吸入室1907；再通过连接从沉淀箱空气吸入管接嘴1912到空气入口管接嘴1308的软管，流入到阴极空气室1151；然后，通过阴极终端-空气引出孔1609和旁通孔1612，流入到接线柱空气室1617和空气流通槽1610；进一步地，通过连接从空气出口管接嘴1608到空气汇集入口管接嘴2021的软管，空气流入到空气汇集管202；堆芯空气出口管接嘴(8个空气汇集管接嘴2023中的2个)、堆芯空气入口管接嘴2012分别连接到如图1所示的空气循环系统的出口管1017和入口管1012。

在电池堆芯1001内氢气循环的路径陈述如下，氢气产生于圆柱形电池单元112内，它首先流入氢气收集室1706，然后，通过如图1所示的出口管1016连接到氢气出口管接嘴1803，并将氢气输送到氢气回收利用系统3000。

在本发明的实施例中，铝燃料可以通过铝燃料自动装填装置快速地装填到电池堆芯1001的圆柱形电池单元112中。如果铝燃料事先已经存放在交通运载工具(如汽车)的后备箱中，也可采用人工方式容易地将铝燃料装填到电池堆芯1001。

应用例一：

297个圆柱形电池单元集成装配在一个电池堆芯中，以串联方式连接形成一个30千瓦的铝燃料电池，此电池堆芯的尺寸为1.273米长×0.591米宽×0.830米高。同样地，一个由198个圆柱形电池单元集成装配成的20千瓦的电池堆芯的尺寸为0.899米长×0.591米宽×0.830米高，设计以上电池时电极的功率密度是每平方厘米0.252瓦。2组30千瓦铝燃料电池和1组20千瓦铝燃料电池配合在一起的总功率是80千瓦，这是一个典型的家用小轿车的功率需求，装载在上述电池组中的铝燃料可以提供1432.0千瓦小时的功率容量；在电池放电过程中，由电池组所产生的氢气可以储存在一个40兆帕105升的压力容器中，这40兆帕105升的氢气可以提供给一个辅助用的5千瓦的氢燃料电池使用17.9个小时，这89.5千瓦小时的氢气燃料电池的功率容量没有计算在1432.0千瓦小时的铝燃料电池的功率容量中。

应用例二：

在这个应用例中，2个30千瓦的铝燃料电池和一个20千瓦的氢燃料电池形成了一个80千瓦的电池组，氢气须要预先充入40兆帕350升的压力容器中，以便在铝燃料电池放电的初期氢燃料电池能够提供功率需求；30千瓦铝燃料电池堆芯的尺寸为1.273米长×0.591米宽×0.741米高，此电池堆芯的高度比应用例一中的高度低，但电极的功率密度是相同的。在这种情况下充满2个30千瓦电池堆芯的铝燃料和40兆帕350升的氢气可以提供1160.0千瓦小时的功率容量。2个30千瓦电池堆芯在放电时产生的氢气可以补充装入40兆帕350升的压力容器中，但这些氢气所能产生的电能没有计入1160.0千瓦小时的功率容量中。

应用例三：

在这个应用例中，775个圆柱形电池单元集成装配在一个电池堆芯中，以串联方式连接形成一个80千瓦的铝燃料电池，电池堆芯的尺寸为1.443米长×1.187米宽×0.830米高，此单个电池提供1432.0千瓦小时的功率容量，其它参数与应用例一相同。

Claims (18)

1.一种紧凑的、可充填的电池集成装置，其特征包括：

一种含水电解液铝燃料电池，其特征进一步包括电池堆芯、电解液循环系统、空气循环系统，强碱性含水电解液中的溶质为氢氧化钠NaOH，放电后的电解液可以通过工业化过程进行铝燃料电池的再充电；

一套氢气回收利用系统，其特征进一步包括氢燃料电池、储存传送元件、控制元件，其中的储存传送元件包括各种管路、氢气储存器，控制元件包括各种闸阀和气泵。

2.一种由权利要求1所定义的电池集成装置，其中所陈述的电解液循环系统由如下特征部分组成：

储存传送元件，包括水箱、电解液储存箱、沉淀物收集箱、粉末储存容器、管路；

控制元件，包括水蒸馏装置、气热交换器、沉淀液过滤泵、粉末加水混合泵、电解液加热器、粉末供给装置、闸阀。

3.一种由权利要求2所定义的电池集成装置，其特征是：

一种对电解液的控制和调节方法，这种方法通过所构建的在储存传送元件、控制元件之间的连接关系和通过开、关、调整控制元件，实现对电解液的压力、温度、流速、溶质(如NaOH)浓度、晶种浓度的控制和调节；

一种对沉淀物的过滤方法，这种方法通过使用所说的沉淀液过滤泵和水蒸馏装置，实现对氢氧化铝Al(OH)₃沉淀物的过滤；

一种对电池堆芯的控制和调节方法，这种方法通过所构建的在储存传送元件、控制元件之间的连接关系和通过开、关、调节控制元件，实现对电池堆芯的电流和电压的控制和调节。

4.一种由权利要求1所定义的电池集成装置，其中所陈述的空气循环系统由管路和控制元件组成，其中的控制元件包括闸阀、气泵、气热交换器；其特征是一种控制空气压力、温度、流速的方法，这种方法通过所构建的在管路、控制元件之间的连接关系和通过开、关、调节控制元件，实现对空气循环系统的控制。

5.一种由权利要求1所定义的电池集成装置，其特征是一种回收利用由铝燃料电池产生的氢气的方法、一种调节以铝燃料电池为动力的交通运输工具(如汽车)的电力需求的方法、一种将多余的氢气储存到氢气储存器并控制氢气供给量的方法，这些方法是通过所构建的在氢燃料电池、储存传送元件、控制元件之间的连接关系和通过开、关、调节控制元件实现的。

6.一种电池堆芯、或一种由权利要求1至权利要求5所陈述的电池堆芯，其外形特征可以是长方体、正方体、凌柱体或圆柱体，由如下特征部件组成或集成、并具有如下所说的特征：

一个或多个由圆柱形阴极和圆柱形阳极组装集成的圆柱形电池单元，电池单元的剖面形状可以部分地是方形或矩形，如非螺纹密封部分可以是方形或矩形；

一种电池单元集成基座，包括电池单元安装座、电解液入流孔、电解液出流孔、电解液入口管接嘴、空气入口管接嘴、空气入口孔、法兰、法兰孔、密封槽；

一种电池单元集成室，包括集成室围墙、上法兰、下法兰、密封槽、法兰孔、搭扣桩；

一种电解液密封盖，包括阳极终端-氢气引出孔、阴极安装座、空气流通槽、旁通孔、空气密封侧边板、空气出口管接嘴、电池堆芯正极接线柱、电池堆芯负极接线柱、信号电缆接线柱、法兰、法兰孔、密封槽；

一种空气密封盖，包括阳极铝-氢气孔、向上凸起唇边、法兰、法兰孔、密封槽；

一种氢气密封盖，包括盖板主体、氢气收集室、氢气出口管接嘴、搭扣座、密封槽；

一种电解液出口沉淀箱，包括沉淀箱电解液吸入孔、沉淀箱电解液吸入管接嘴、漏斗形壳体、漏斗形电解液室、电解液沉淀室、沉淀箱电解液大孔、沉淀箱电解液出口管接嘴、沉淀箱空气吸入孔、空气吸入箱体、沉淀箱空气吸入室、沉淀箱空气吸入管接嘴、沉淀箱空气大入口、沉淀箱空气大管接嘴、空气密封板、螺栓孔、法兰、法兰孔、密封槽；

一种电解液入口室，包括堆芯电解液入口、堆芯电解液出口、堆芯空气入口、堆芯电解液入口管接嘴、堆芯电解液出口管接嘴、堆芯空气入口管接嘴、电解液入口箱、空气汇集管、电池堆芯基座、螺栓孔、法兰、法兰孔、密封槽；

各种直径的软管，用于各种管接嘴之间的连接；

一个激振机，用于对电池堆芯进行激振，防止阴极孔和阳极膜状网孔被阻塞，并保持铝燃料紧密接触以增加其导电性；

装配时在电池单元的支撑环与电解液密封盖、电池单元集成基座的阴极安装座之间装有密封垫圈；各密封槽内均装填有密封垫；各密封盖与电池单元之间均有螺纹螺帽压紧的密封带密封；各管接嘴与软管之间均有螺纹螺帽压紧的密封带密封。

7.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其中的圆柱形阴极由如下特征部件组成或集成、并具有如下所说的特征：

一种阴极电极，包括催化活化层、疏水扩散层、电流收集层，阴极电极也可以是其它形式的复合材料电极；

一种由对电解液不活泼的、非导电材料制造的阴极支撑框架，包括上支撑环、垂直支撑梁、下支撑环及其上的定位缺口；

一种阴极电连接器，包括阴极接线柱、导电环，其中的导电环电学地连接到所说的电流收集层。

8.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其中的圆柱形阳极由如下特征部件组成或集成、并具有如下所说的特征：

一种内圆柱壳，其上加工有由底部大约2.5毫米到上部大约5.0毫米直径的小孔；

一种外圆柱壳，其上加工有由底部大约2.5毫米到上部大约5.0毫米直径的小孔；

多根垂直连接梁，用于使内圆柱壳与外圆柱壳相互连接；

一种环形平面端板，其上加工有直径在1.0到5.0微米之间的微孔；

一种锥形帽，用于使圆柱形电解液通道空间与铝燃料的储存空间分隔开；

多个用于电池单元集成装配用的定位销；

一种电流氢气导出圆柱壳，其上在电解液密封盖和空气密封盖两个位置加工有2道螺纹；

一种阳极外膜状网和阳极内膜状网，其上有1.0到5.0微米的缝隙；

一种阳极接线柱；

一种机械式弹簧盖，其上加工有用于氢气通过的孔；

一些填充在铝燃料反应室的铝燃料；

除装载的铝燃料外，圆柱形阳极由对电解液不活泼的、导电金属材料制造。

9.一种由权利要求8所定义的电池堆芯，其中的阳极导电框架由内圆柱壳、外圆柱壳、垂直连接梁、环形平面端板、锥形帽、定位销、电流氢气导出圆柱壳所构成，具有如下特征：

由内圆柱壳和外圆柱壳之间的空间所形成的铝燃料反应室；

由内圆柱壳和外圆柱壳上的小孔、铝燃料固体之间的缝隙、锥形帽之下的内圆柱壳之内的圆柱形电解液通道空间所形成的阳极电解液循环通道；

由电流氢气导出圆柱壳内的空间所形成的铝燃料储存空间；

由电流氢气导出圆柱壳内的空间所形成的铝燃料装载通道；

由电流氢气导出圆柱壳内的空间所形成的氢气向上逸出通道。

10.一种由权利要求9所定义的电池堆芯，其中的阳极电解液循环通道具有如下特征：

通过调整内圆柱壳和外圆柱壳上的孔隙率，控制电解液离子导电室电解液循环的流动样式、提高电解液离子导电室内电解液离子的导电性，并增进电解液离子导电室内铝酸根离子的扩散性。

11.一种由权利要求8所定义的电池堆芯，其特征是阳极导电框架与阳极膜状网、铝燃料、机械式弹簧盖、激振机、阳极接线柱一起形成的一种阳极电子导通(即导电)方式。

12.一种由权利要求8所定义的电池堆芯，其特征是在阳极膜状网上有缝隙、在环形平面端板上有微孔、在电池堆芯下部装有激振机，该特征提供了一种途径允许晶种漏入电解液出口沉淀箱，并在必要时可以以激振机激起电池堆芯振动的方式增加晶种漏入的效果。

13.一种由权利要求9所定义的电池堆芯，其特征是铝燃料反应室在电解液出口沉淀箱之上、从铝燃料反应室到电解液出口沉淀箱是电解液流动的方向、且在铝燃料反应室铝燃料可以通过铝氧化反应缩小成为晶种。

14.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其特征是在圆柱形阴极和圆柱形阳极之间构建了圆柱形环状电解液离子导电室、且在阴极上的阴极支撑框架提供了一个防止阴极和阳极短路的保护结构。

15.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其特征是：在电池堆芯内，电解液循环通道被构建为通过堆芯电解液入口管接嘴、电解液入口室、沉淀箱电解液吸入管接嘴、软管、电解液入口管接嘴、电极电解液入口、阳极电解液循环通道、电解液离子导电室、电极电解液出口、电解液出流孔、漏斗形电解液室、电解液沉淀室、沉淀箱电解液出口管接嘴、软管、堆芯电解液出口管接嘴，最后这个堆芯电解液出口管接嘴连通到电解液循环系统。

16.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其特征是：在电池堆芯内，空气循环通道被构建为通过堆芯空气入口管接嘴、沉淀箱空气入口室、沉淀箱空气吸入管接嘴、软管、空气入口管接嘴、阴极空气室、接线柱空气室、空气出口管接嘴、软管、空气汇集管、堆芯空气出口管接嘴，最后这个堆芯空气出口管接嘴连通到空气循环系统。

17.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其特征是：在电池堆芯内，氢气收集通道被构建为通过电流氢气导出圆柱壳、氢气收集室、氢气出口管接嘴，最后这个氢气出口管接嘴连通到氢气回收利用系统。

18.一种由权利要求6所定义的电池堆芯，其特征是：一种向电池堆芯自动或人工装载铝燃料的方法，这种方法是首先解开弹簧搭扣，移除氢气密封盖，进行人工装填；或在移除氢气密封盖后，将自动装填装置通过空气密封盖上的向上凸起唇边和电池单元集成室上的搭扣桩进行定位和固定，之后即可自动装填。

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