CN210778821U - 可充电的钠-水气燃料电池单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型可充电的钠‑水气燃料电池单元采用包括液态金属钠在内的流体钠作为负极，水气或加氧的水气为氧化剂，以多管道阵列的结构解决了目前的钠燃料电池中的碱液排出不畅的问题，解决了充电时氧气气泡的排放问题。最终结构的钠燃料电池能够实现连续、高功率密度发电，又能在合理的电流下充电。本实用新型以钠离子导电隔膜为选择性钠离子透过介质，以无碳气体阴极作氢氧根离子的选择性渗漏介质，通过在上述隔膜与上述阴极之间所预留的间隔作为阳离子与阴离子混合的空间(即混合间)，完成电池的基本构造。通过上述多管道阵列形成的排碱管阵列交换混合间中的电化学反应产物，使电池的反应得以连续而高效地进行，进而获得连续、高功率密度的特点。

Description

可充电的钠-水气燃料电池单元

技术领域

本实用新型“可充电的钠-水气燃料电池单元”(以下简称“钠水可充电池”)涉及到燃料电池领域，具体地，涉及到使用金属钠的可充电燃料电池领域。

背景技术

化石能源和原子能是人类能量的主要来源，总会面临枯竭的问题。与化石能源相比，太阳能的优点是取之不尽，用之不竭。太阳能包括了风能、光能、潮汐能。为了能量的远距离传输，一般都是把上述的能量转换成电能，这样发出的电常称为风电、光电。光电和风电受自然条件的约制而波动，例如天阴下雨、晴天无风等情况下造成的太阳能、风能发电的波动，尤其是晚上需要大量用电的情况下光能发电几乎为零。这就涉及到电能的存储技术，具体地，涉及到大容量、高功率的电池技术。另一方面，电动汽车也涉及到上述的电池技术。除了大容量高功率外，电动汽车对电池的要求还包含高功率密度的要求。上述两种使用场景中，还对电池的成本、对环境友好、拆解回收等都有所要求，以保护人类生存的环境，实现可持续发展。

目前大量使用的锂电池采用“摇椅”方式工作。在阳极，需要用石墨将锂以离子的形式存储起来，避免锂枝晶带来的短路、死锂等问题，但是却造成锂的有效含量大大减低；在阴极，氧以变价化合物盐的形式存储起来，使参与到电化学反应能够有效利用的氧含量很低。上述石墨、变价化合物在电池的充放电过程中没有质量的变化，也不存储电能，是电池的辅助材料。在电池整体的全部材料中，辅助材料是直接参与电化学反应元素的至少十倍。只有降低起辅助作用材料的重量比例，才能够提高电池的能量密度。

能够大规模减少辅助材料的例子似乎是“钒液流电池”。电化学能量存储在水溶液中的变价钒离子中，除了外壳、容器等结构材料以外，电池本体只有质子交换膜不参与电化学反应，于是除了作为溶液的水以外的辅助材料的重量比例降到了最低。然而，钒流体电池的能量密度并不高，原因在于钒离子溶液中的绝大部分是水，而水是不参与电化学反应的。另外，钒离子剧毒、地球上的钒资源很少，比锂还少得多。

再一个实用的例子是氢燃料电池。氢作为阳极材料存储在高压储罐中，与氧在燃料电池中发生电化学反应，电池的主要辅助材料只有带铂催化剂的质子交换膜，其余材料只有外壳和电池的结构材料。氢与氧分别流入燃料电池的阳极和阴极，反应的结果为液态水，很容易向燃料电池外流出排掉。这可类比于“钒液流电池”的情形。不同的是，反应产物为水，没有必要存储起来，从道理上来说，氢燃料电池能量密度应该非常高。然而实际情况并非如此。氢气需要压缩才能存储。目前在最好的技术情况下，存储5公斤氢需要26升的高压罐，高压罐内部压力达到600个大气压，罐子自身的重量达到 100公斤。考虑到储氢罐的重量后，储氢系统中氢的重量比只有5％，这一因素大大降低了氢燃料电池总体的能量密度。此外，高压罐的易爆炸性、加上氢气在接头、阀门等关键部位漏气的可能性、氢气本身的易燃易爆特性等，使得氢燃料电池的使用场合受限。如果在地下车库有一辆车慢性漏气，整个车库、整栋楼房都非常危险。再则，氢燃料电池的电压低(只有0.6-0.8伏)，更使其容量成倍下降。再一缺点是，现有的氢燃料电池都无法充电。

若把氢燃料电池中的氢换成碱金属可以避免阳极材料的存储需要高压罐的问题，使用空气中的氧可以避免氧气的存储问题，即通常的钠(或锂)-空气电池的模式。然而，碱金属氧化物的熔点太高，达到800度以上，不能在合理的温度下形成液流排出电池之外。

美国专利US3703415号展示了一款钠-水电池，采用固体电解质薄膜，其开路电压为2.65伏，由于采用陶瓷作钠离子导电隔膜，室温下电阻太大，电流密度只有几毫安，若换用聚合物与钠盐的混合物作钠离子导电隔膜，又因为薄膜中的钠盐容易溶解于水中，造成机械强度下降、薄膜破裂而引起钠与水直接接触反应，不安全。

中国专利CN108365238A公布了一款液态金属燃料电池，电池结构为液态金属-固态导电隔膜-气体阴极-加湿的氧气或空气。由于固态电解质钠离子导电隔膜与气体阴极直接粘合，液态金属与湿氧电化学反应所生成的产物，即废弃料，无法流畅排放，使电池无法正常工作。虽然实用新型者声称，废弃料能够通过气体阴极中的微米间隙排出，而湿氧则从气体阴极中纳米间隙进入。然而，气体和液体的混合物要在同一介质中实现相对逆向流动，在实际中是不可能的。现说明如下：气体阴极为了获得最大的催化表面，其中的固体颗粒和颗粒之间的间隙都非常小，尺度一般在纳米至微米之间。所形成的排放废弃液的微通路既是弯曲的，直径大小也极不均匀。换言之，用以排放废弃液的、呈曲折形状的微通道中，不同位置的尺度也在纳米到微米之间。按照实用新型者的说法，废弃液通过较大的孔洞流出电池，而湿氧通过较小的孔洞进入电池，所以废弃液必定堵塞在微通道中半径较小之处，造成湿氧的通路不畅顺。再者，无论提高湿氧压力还是降低湿氧压力，废弃液所受压强与湿氧压强之差接近于零。如此，无法保证湿氧往电池里流入的同时废弃液还能向电池外流出。综上，该实用新型因废弃液无法排放，作为氧化剂的湿氧也无法进入电池内部，因而不具有实用性。再者，这种结构的金属燃料电池也属于一次性电池，无法充电。

虽然燃料电池有较高的储能密度，但是，传统的燃料电池不能充电，使其添加燃料的过程繁琐且危险，限制了燃料电池在电动汽车上的应用。

本实用新型选择钠作为储能介质制造可充电的燃料电池。以流体钠作为电池的燃料，取钠元素的以下几个优点：a.安全性好。钠的沸点接近1000度，所以钠燃烧时只是在表面燃，不容易形成鸣爆性气体因而不会爆炸。对比氢或者汽油(汽油的沸点为80度左右)，一旦燃烧就与空气混合，随即引起爆炸。b.钠比较容易保管在充有惰性气体或氮气或硅油的铁罐中，即使铁罐中有残余的氧，也只是在钠表面引起氧化，氧气耗尽以后氧化的过程即停止。c.电池的充电不必是连续的过程，使得充电的过程简单而安全，所用的电力可以是晚间用电低谷时段、光电风电的发电时段所发出的电力，也可以是常规市电、工业用电、水电、煤电、原子能电力。

实用新型内容

本实用新型主要解决目前的钠燃料电池中的碱液排出不畅的问题，也要解决钠燃料电池只能发电，无法充电的问题。

本实用新型钠水可充电池的结构如下。本实用新型钠水可充电池由燃料单元、钠离子导电隔膜、气体阴极、氧化剂单元、排碱管阵列、碱液汇集间构成。电池的负电极从燃料单元引出，电池的正电极从气体阴极引出。其中，燃料单元包括了燃料舱、填充于燃料舱中的流体钠，氧化剂单元包括了氧化剂舱和填充于氧化剂舱中的气体氧化剂。

本实用新型所称“钠离子导电隔膜”，是用离子型导电材料制造的隔膜，其特点是钠离子在其中的迁移率远大于(10倍以上)电子和其它离子(例如氢离子、氢氧根离子)的迁移率。典型的钠离子导电隔膜为Beta氧化铝陶瓷薄片。

本实用新型所称的“流体钠”，为钠或钠的混合物的以下三种形态或该三种形态的混合物：1.单质钠置于高于熔点(97度)以上的环境所形成的液体；2.钠与其他材料，例如钾、汞、锡等，组成的合金材料或金属间化合物，将其置于共融点温度以上使之熔融而形成的液体；3.含有钠的可流动复合材料(例如钠微球，钠合金微球，含钠微球的液体石蜡，镀铝的钠微球，及其类似材料)。流体钠在本实用新型钠水可充电池的作用是电池的负极消耗材料，即本实用新型钠水可充电池的燃料。

本实用新型所称“碱液”，为钠与水分子，或钠与氧水混合物分子在电化学反应后的生成物，其中包含了高温熔融状态的氢氧化钠，还可能包含有气体，还可能含有为了降低碱液的熔点而将氢氧化钠与其它化合物混合而组成的混合体。碱液的例子有：熔融状态的氢氧化钠、氢氧化钾与氢氧化钠的共融混合物、氢氧化铵与氢氧化钠的共融混合物，氢氧化钠与离子液体共混所形成的液体。由于本实用新型钠水可充电池的工作的特点，以及原料中存在的杂质，碱液中可能含有气体，例如水气、氢气、氧气、氮气。再者，因为空气和水中含有少量的二氧化碳和其它气体，碱液中还会含有少量固态物质，例如碳酸钠。考虑上述所有的可能后，本实用新型中碱液为含有氢氧化钠的液体、可能还含有气体和固体的流动体。

本实用新型钠水可充电池具有以下特征：

在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间留有间隙作为混合间，所述混合间内部空间被碱液所填充；所述排碱管阵列由多根排碱管组成，所述排碱管为穿越所述气体阴极和所述氧化剂单元的填充了所述碱液的管道。

本实用新型所称的“混合间”，指气体阴极与钠离子导电隔膜之间所留出的间隙加上混合间边框而构成的空间，该空间内填充了碱液。碱液作为电解质而起到离子传输、离子混合的作用。本实用新型结构中，钠离子导电隔膜为固体电解质，混合间中的碱液为液体电解质，因此本实用新型使用了固体和液体的双层电解质结构。从钠离子导电隔膜扩散到混合间中的钠离子、以及从气体阴极扩散过来的氢氧根离子因静电力和离子扩散运动在混合间传输、扩散混合，成为氢氧化钠，再与电化学反应生成的气体、外来杂质混合在一起形成碱液。本实用新型钠水可充电池在发电期间混合间中的碱液因连续生成而需要向外排放，在充电期间混合间中的碱液连续消耗而需要补充。

构成排碱管阵列的上述多条排碱管横截面的中心位置以均匀分布为佳。例如按矩阵排布，或按同心圆阵列、三角阵列、六角阵列排布，也可以是随机的均匀排布。

本实用新型所述“排碱管”用于混合间内部与混合间外部交换碱液。排碱管与混合间连通的管口 (本实用新型中简称为：排碱管入口)浸没在混合间中的碱液里，排碱管的另一端的管口(本实用新型中简称为：排碱管出口)与“碱液汇集间”连通。在发电期间，碱液通过排碱管的入口从混合间进入排碱管，再通过排碱管的出口向碱液汇集间排出；在充电期间，碱液汇集间中的碱液顺序通过排碱管出口、排碱管、排碱管入口向混合间输入。设置以多根排碱管构成排碱管阵列的目的是让碱液更容易进出混合间，从而提供更大的单位面积电流密度。在排碱管长度远小于直径情况下，排碱管管道的外形表现为通孔。

本实用新型所述“碱液汇集间”为发电模式下从排碱管阵列的出口所排出碱液的汇集空间，用于汇合、集中排碱管阵列出口排放的碱液。碱液汇集间的周边制造了碱液排放口，用于排出碱液。在碱液汇集间上还制造了无泡碱液注入口，用于注入无泡碱液以稀释碱液中气体的浓度。无泡碱液的例子是氢氧化钾与氢氧化钠的共融体、含氢氧化钠的离子液体，无泡碱液也可以是熔融的氢氧化钠。在发电模式下，碱液从排碱管出口进入碱液汇集间，经汇集后从碱液排放口排放到外部装置(例如气体分离器、碱液收集器)。在充电模式下，无泡碱液经无泡碱液注入口输入到碱液汇集间中，其中之一部分碱液流经排碱管出口，以液体涡流方式带出排碱管中充电所产生的氧气，再从碱液汇集间上的碱液排放口排出，另一部分经排碱管向混合间注入。无论在充电状态还是在发电状态，当碱液快速流过碱液汇集间时，碱液在排碱管出口附近产生涡流，使排碱管中的气泡得以快速排出到碱液汇集间，再从碱液排放口向外部装置排出。排碱管最好做成漏斗形状，就是为了排碱管在碱液汇集间的管口处产生涡流更容易，便于高效率带走气泡。

进一步地，所述钠离子导电隔膜最好由无机非金属材料薄片制成。采用无机非金属材料制造的隔膜的强度较大，使本实用新型钠水可充电池具有较好的可靠性。无机非金属材料的例子有：陶瓷材料，玻璃材料、无机单晶材料等。上述薄片的厚度在保证钠离子导电隔膜强度以及钠元素能够被有效地离解成钠离子的要求的前提下，越薄越好。采用无机非金属材料制造钠离子导电隔膜的优点在于该类材料具有耐高温、耐碱腐蚀且有较高的强度的特性。无机非金属材料做成的钠离子导电隔膜的例子之一是采用Beta氧化铝陶瓷薄片制造钠离子导电隔膜。Beta氧化铝陶瓷材料的主成分为氧化铝和氧化钠，可以添加例如镁、钙等金属氧化物以得到更好的离子导电性和老化性能。本领域的技术人员应该知道，除了用Beta氧化铝陶瓷制成薄片作为钠离子导电隔膜以外，还可以采用其它类型的无机非金属材料作为钠离子导电材料代替Beta氧化铝制成的薄片作为钠离子导电隔膜。

进一步地，为了保证气体阴极与钠离子导电隔膜之间的间隔厚度均匀、稳定，即为了保证所述混合间厚度的均匀、稳定，在气体阴极与钠离子导电隔膜之间的混合间内设置了(例如，制造了、放置了……)间隔子。本实用新型所称“间隔子”，指位于气体阴极与钠离子导电隔膜之间的、用于维持气体阴极与钠离子导电隔膜之间间隔的元件或元件组合。间隔子的三个实例如下：A.在混合间中的均匀分布的大量固体颗粒；B.在混合间中放置的网状或筛状垫片；C.气体阴极朝向混合间的那个表面，通过加工(例如，铣、模压、煅烧等)而制造成的凹凸形状(例如波浪形状)的构造；D.钠离子导电隔膜朝向混合间的那个表面，通过加工(例如，铣、模压、煅烧等)而制造成的凹凸形状(例如波浪形状)的构造。间隔子还可以是以上四个实例的组合。最好将气体阴极、间隔子、钠离子导电隔膜贴在一起组装在本实用新型钠水可充电池中，这样可使混合间厚度均匀、稳定。

进一步地，所述气体氧化剂为气态水。本实用新型所称“气态水”，为任意压强下、高于该压强下水的沸点的、水的气体相。气态水在本实用新型钠水可充电池的作用是电池的正极材料，即氧化剂。气态水由本实用新型钠水可充电池之外的外部装置提供。采用气态水作为气体氧化剂的优点在于，气态水比氧气更容易存储，比空气干净无杂质，能避免碱液中出现固相物(例如空气中的二氧化碳杂质产生高熔点的碳酸钠)；再有，气态水比氧容易被离解成离子，降低气体阴极表面催化剂的制造难度，且寿命更长。采用气态水作为气体氧化剂的缺点在于，气体阴极附近有氢气生成，会降低发电的效率。

进一步地，所述气体氧化剂也可以是含氧的气态水，在本实用新型中简称为“氧水气”。氧水气为气态水与氧气或空气的混合气体。氧水气在本实用新型钠水可充电池中的作用是电池的正极材料，即氧化剂。氧水气作为本实用新型钠水可充电池的气体氧化剂，与气态水相比，它能够降低氢的排放，提高本实用新型钠水可充电池的发电效率。其代价是，氧水气会加速无碳气体阴极的腐蚀，所含的氧气还会增加本实用新型钠水可充电池失控的可能性。因此，以氧水气作为本实用新型钠水可充电池的气体氧化剂更适用于固定式的钠水可充电池。氧水气由本实用新型钠水可充电池之外的外部装置提供。

进一步地，在氧化剂舱的舱壁制造有气态水或氧水气的入口。以便气态水或氧水气能够流入本实用新型的氧化剂舱。

进一步地，在氧化剂舱的舱壁还制造有残气排放口，以便排放氧化剂舱中的残气。此处的残气包括了本实用新型钠水可充电池中没有得到使用的气态物质，例如气态水、氢、氮、氧等。

进一步地，在燃料舱的舱壁制造有流体钠出入口。以便在发电状态时，外部的流体钠流入燃料舱；在充电状态时，从燃料舱向外部输出流体钠。

进一步地，在燃料舱的舱壁还制造有残钠排放口。以便从燃料舱向外部输出流体钠的残液。流体钠的残液指已经被使用过的单质钠含量较低的流体钠。

进一步地，所述气体阴极最好为无碳气体阴极。本实用新型所称“无碳气体阴极”，指不添加单质碳材料的气体阴极，例如覆盖或不覆盖催化剂的泡沫导电材料为主体的气体阴极。无碳气体阴极由水气或氧水气离解成氢氧根离子的材料制成，也是氢氧根的选择性渗漏介质。

采用无碳气体阴极作为本实用新型钠水可充电池的气体阴极的原因在于单质碳在高温下容易被气态水和氧气腐蚀。无碳气体阴极的具体实例是以烧结或粘结方式制造的包含大量开放式微米、纳米级气孔的以下元件：金属粉末片、碳化物粉末片、碳化物与金属的共混粉末片。无碳气体阴极中允许存在碳的化合物，例如粘合剂、有机氟化合物、有机硅化合物、碳酸盐等。正电极可以直接从无碳气体阴极引出，也可以在与无碳气体阴极相接触的金属网上引出，还可以分别从气体阴极引出以及从与无碳气体阴极相绝缘的金属网引出。作为带透气防渗漏层的、以泡沫金属为主体的无碳气体阴极制作方法的例子之一，可参考CN106611858A说明书中所描述的制造方法。若本实用新型钠水可充电池用气态水作为氧化剂，因气态水很容易离化，CN106611858A中所称的催化剂层并非绝对有必要。进一步地，在气态水或氧水气的压力大于碱液压力情况下，CN106611858A中所称的透气防水层也可被弃而不用。

以下说明本实用新型钠水可充电池的发电原理。

本实用新型钠水可充电池，当被加热到氢氧化钠的熔点以上时，阳极和阴极分别产生如下过程。

a.在阳极区域，钠原子在流体钠与钠离子导电隔膜的界面离化，钠原子通过负电极放出电子成钠离子，钠离子经过钠离子导电隔膜扩散进入混合间。化学反应式为：

Na→Na⁺+e^-

b.在阴极区域，使用气态水作为气体氧化剂的情况下，气态水在无碳气体阴极中离解成氢氧根和氢离子，氢氧根离子进入混合间，与钠离子混合生成的氢氧化钠进入从排碱管入口进入排碱管阵列；氢离子在无碳气体阴极通过正电极上获得的电子被还原，生成氢也从排碱管入口进入排碱管阵列。含有氢的碱液从排碱管的出口排放至碱液汇集间。阴极区域的化学反应式为：

H₂O+e^-→OH^-+H₂

c.在阴极区域，使用氧水气作气体氧化剂的情况下，氧水气经气体阴极从正电极获得电子还原而离解成氢氧根进入混合间，与钠离子混合生成的碱液从排碱管入口进入排碱管阵列。进一步地，碱液从排碱管的出口排放至碱液汇集间。阴极区域的化学反应式为：

2H₂O+O₂+e^-→4OH^-(氧水气中含有充足氧的情况)

若氧水气中氧的含量不足，则碱液中会有氢的成分。

钠水可充电池所产生的电能分别从正电极和负电极引出。

阳极与阴极所产生的正负离子在混合间中混合，生成以氢氧化钠为主的碱液。根据气体氧化剂的成分，分以下四种情况生成不同的物质。说明如下：

a.使用气态水作为气体氧化剂的情况下，在碱液中形成以氢氧化钠、氢气为主的成分。

b.使用氧水气且氧水气中水和氧的含量均严格按化学反应式配比的情况下，碱液中只有氢氧化钠的成分。

c.如果氧水气是气态水与空气混合而成，且水和氧的含量均严格按化学反应式配比的情况下，则碱液中主要有氢氧化钠，可能会有氮气成分。由于空气中所含的二氧化碳和其它气体会透过气体阴极漏入，所以碱液中有少量碳酸钠颗粒和其它成分。

d.如果气态水、氧水气中的水过量，水气会透过气体阴极漏入，碱液中可能会有水的成分。

以下说明本实用新型钠水可充电池的充电原理。

充电的电化学过程为电解过程。此情况下，对应于电源的负电极的阴极区域发生还原反应，对应于电源正电极的阳极区域发生氧化反应。

本实用新型钠水可充电池，当阴极接上外电源的负电极、阳极接上外电源的正电极，且电压超过 2.65伏，并被加热到氢氧化钠的熔点以上时，阴极和阳极分别产生如下过程。

a.在阴极区域，混合间中的钠离子在电场驱动下通过钠离子导电隔膜向燃料舱移动，并在钠离子导电隔膜与燃料舱中的流体钠的界面获得电子而还原成钠，金属钠通过在燃料舱开设的燃料出入口向外部装置输出。其化学反应式为：

Na⁺+e^-→Na

b.在阳极区域，在无碳气体阳极与碱液之间的界面附近，以及在排碱管阵列与碱液之间的界面附近，碱液中的氢氧根上失去电子而氧化，生成的氧和水被碱液通过排碱管阵列带到碱液汇流通道，通过碱液排放口向外部排出。其化学反应式为：

OH^--e^-→O₂+H₂O

以下说明本实用新型必须的正常工作环境和条件。

为保证本实用新型钠水可充电池能够连续工作，必须保证碱液的流动性。所以钠水可充电池的工作温度应高于碱液的熔点(纯氢氧化钠的熔点约为摄氏319度，但在含有水分的情况下、或有其它共融化合物(例如氢氧化钾)存在的情况下、或存在无泡碱液(例如离子液体)的情况下，碱液的熔点会显著低于319度)以上工作。碱液的熔点以上时，水和氢、氧、氮均呈现气体状态。由此，碱液于钠水可充电池的连续正常工作的状态下一般呈现出含气泡的液体的外观。

将钠水可充电池冷却到低于碱液熔融温度之下以后，碱液失去流动性，钠水可充电池对外输出电流减小。进一步地，温度低于流体钠熔融温度之下以后，元素钠难以在钠离子导电隔膜界面离化，电流逐渐减小直至基本停止产生电能。

以下说明本实用新型的优点。

由于采用了贯穿气体阴极和氧化剂单元的排碱管阵列，能够在不增加混合间厚度的条件下顺畅地排出混合间中的碱液，从而可以获得低内阻、连续高功率发电的新型燃料电池；在充电模式下以碱液汇集间通过排碱管阵列对混合间供应碱液、排出充电过程产生的氧气，而使充电过程既连续又高效。

此外，本实用新型使用气态水作为氧化剂避免了使用氧气作为氧化剂所生成的高熔点氧化钠或过氧化钠堵塞气体阴极的问题；采用无碳气体阴极代替普通气体阴极解决了燃料电池工作温度下的普通气体阴极被水、氧腐蚀的问题。

附图说明

图1、图2、图3、图4是本实用新型钠水可充电池实施例一的结构示意图。

图5是本实用新型钠水可充电池实施例二的结构示意图。

其中1为燃料单元，1a为燃料舱，1b为流体钠，1c为流体钠出入口，1d为流体钠流，1e为残钠排放口，1f为残钠，2为钠离子导电隔膜，3为混合间，3a为碱液，3b为混合间边框，4为无碳气体阴极，5为氧化剂单元，5a为氧化剂舱，5b为气态水或氧水气，5c为气态水或氧水气入口，5d外供气态水或氧水气，5e为废气排放口，5f为废气，6为排碱管，6a为排碱管入口，6b为排碱管出口，7 为碱液汇集间，7a为无泡碱液注入口，7b为无泡碱液，7c为碱液排放口，7d为排放的碱液，7e为氧化剂舱盖板，8为负电极，9为正电极，10为间隔子。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型钠水可充电池的实施方式作详细的说明。

实施例一：

以下对照图1、图2、图3、图4说明本实用新型的实施例一。

本实用新型钠水可充电池由燃料单元1、钠离子导电隔膜2、无碳气体阴极4、氧化剂单元5、排碱管阵列6x所构成。电池的负电极8从燃料单元1引出，电池的正电极9从无碳气体阴极4引出。其中，燃料单元1包括了燃料舱1a、填充于燃料舱1a中的流体钠1b；氧化剂单元5包括了氧化剂舱5a和填充于氧化剂舱5a中的气态水或氧水气5b；在所述无碳气体阴极4与所述钠离子导电隔膜2之间留有间隙作为混合间3；所述混合间3被碱液3a所填充。

依本实用新型钠水可充电池的实施例一，混合间3的厚度由混合间边框3b的厚度确定。

以下对照图1、图2、图3说明本实用新型的实施例一：

图1是本实用新型的主剖视图。图2是图1的A-A剖面，图3是图1的B-B剖面。结合图1、图 2、图3可以看出，排碱管阵列6x指穿过所述无碳气体阴极4和所述氧化剂单元5的多条排碱管6的集合，反言之，多条排碱管6集合在一起即是本实用新型所称的排碱管阵列6x。排碱管6的其中一端的管口6a与混合间3连通，排碱管6穿过了无碳气体阴极4和氧化剂单元5，排碱管6的另一端的管口6b与碱液汇集间7连通。管口6a比管口6b小，使排碱管6呈漏斗形状。本实施例中，排碱管6 由导电材料，(例如金属、包括碳化硅在内的非金属无机材料)所制造，且与无碳气体阴极4组合成一体。

以下对照图1、图4说明本实用新型的实施例一：

图4是氧化剂舱盖板7e的正面视图。氧化剂舱盖板7e用于分隔氧化剂舱5a与碱液汇集间7，氧化剂舱盖板7e左侧的空间为氧化剂舱5a，氧化剂舱盖板7e右侧的空间为碱液汇集间7。氧化剂舱盖板7e用于隔离氧化剂舱5a中的气态水5b与碱液汇集间7中的碱液3a。

以下对照图1、图2、图3、图4说明本实用新型的实施例一在发电模式下的工作过程：

以任何公知的方法将本实用新型加热到碱液3a的熔点以上，例如加热到350度。因为流体钠1b 熔点比碱液的熔点低，所以加热升温的过程流体钠1b先成为液态。负电极8和正电极9分别与负载的负极和正极连通。

在燃料单元1一侧看，外界的燃料供应系统提供的流体钠流1d经流体钠出入口1c进入燃料舱1a 内，成为流体钠1b。流体钠1b中的钠原子在钠离子导电隔膜2的界面上被电离，成为钠离子，钠原子释放的电子通过与流体钠1b在电气上接通的负电极8对外做功。电离后的钠离子进入钠离子导电隔膜2，经扩散进入混合间3的碱液之中，再通过排碱管入口6a进入排碱管6。

从氧化剂单元5一侧看，外供气态水5d通过气态水入口5c进入氧化剂舱5a内成为气态水5b，气态水5b在无碳气体阴极4中被电离为氢离子和氢氧根离子，其中的氢氧根离子进入混合间3与燃料单元1那一侧过来的钠离子一起，经排碱管入口6a进入排碱管6，混合成氢氧化钠。而排碱管6 内的氢离子则从与无碳气体阴极4、排碱管6在电气上连通的正电极9在排碱管6内获得电子而成为氢，混合间3中形成的部分氢气经过排碱管入口6a也进入到排碱管6内。于是排碱管6中的碱液3a 中既有氢氧化钠成分，也有氢气成分。排碱管6中的氢氧化钠和氢气经过氧化剂舱盖板7e外侧的排碱管出口6b进入碱液汇集间7。

无泡碱液7b(例如熔融的氢氧化钠、含氢氧化钠的离子液体)从无泡碱液注入口7a注入到碱液汇集间7中，无泡碱液7b在碱液汇集间7流过时在排碱管出口6b附近形成涡流，将排碱管6中的碱液3a中所含的气体部分，连同碱液中的液体部分一同从碱液排放口7c排放到外部装置中。外部装置的例子有：气液分离器、碱液收集器。

若本实用新型作为单纯的燃料电池用，经长时间发电过程后，燃料舱1a中的流体钠1b的杂质含量可能会逐渐升高，最终成为淀积在燃料舱底部的残钠1f。残钠排放口1e用于在这种情况下向本实用新型之外的装置或容器排出残钠1f，以清洁燃料舱1a。

一句话总结以上的过程：本实施例中的钠水可充电池被加温至350度以后，流体钠、气态水、无泡碱液分别输入到本实用新型钠水可充电池的对应入口，经过电化学反应后，残钠、碱液、废气分别从相应出口排出，正负电极对外输出电流。

以上发电模式下的气态水也可以直接替换成氧水气，除了没有氢气生成外，工作的过程基本一样。

以下说明本实施例的钠水可充电池在充电模式下的工作过程。

先将本实用新型以任何公知的方法加热到碱液熔点以上，例如加热到350度。因为流体钠熔点比碱液的熔点低，所以加热升温的过程中流体钠1b先成为液态。负电极8和正电极9分别与外置电源的负电源端子和正电源端子连通，调节外接电源的电压至2.65以上。优选地，为提高充电速率，最好把电压调高一点，例如3.5伏。

充电模式下，将无泡碱液7b从无泡碱液注入口7a注入碱液汇集间7，无泡碱液7b在碱液汇集间 7流过的时候一部分碱液在排碱管出口6b附近形成涡流，将排碱管6中的碱液3a中所含的气体部分 (气体来源和成分详见下述)带出，从碱液排放口7c排放到外部装置中。碱液3a中的另一部分依次从排碱管出口6b进入排碱管6，再到排碱管入口6a，最后进入了混合间3。

在燃料单元1一侧看，负电极8在电气上与流体钠1b接通。从排碱管入口6a进入了混合间3的碱液3a中的钠离子经钠离子导电隔膜2扩散到流体钠1b与钠离子导电隔膜的界面后，通过负电极8 至流体钠1b的电气通路而获得的电子，成为钠元素而溶于流体钠1b中。以上过程持续进行。于是燃料舱1a中的流体钠1b的体积随时间的增加而持续增加。增加后的流体钠1b从流体钠出入口1c溢出，形成向外输出的流体钠流1d，流体钠流1d中的流体钠1b被以任何公知的方法存储在外部装置中。充电模式下，残钠排放口1e处于关闭状态。

从氧化剂单元5一侧看，气态水入口5c处于关闭状态。从碱液汇流管7经排碱管出口6b进入排碱管6尚未进入混合间的无泡碱液，其氢氧根离子从无碳气体阴极4电气上连通的正电极9失去电子后在排碱管6中分解成氧和水，形成的氧气和水气随前述的过程形成的涡流经过排碱管出口6b进入碱液汇集间7。于是原本从无泡碱液注入口7a注入的无泡碱液7b流经排碱管出口6b时，增加了氧气和水的成分，在碱液汇集间7中成为含有气体的碱液3a。碱液汇集间7中的碱液3a通过碱液排放口 7c向外部装置排出。

如图1、图2、图3、图4所示，氧化剂舱盖板7e左侧的空间为氧化剂舱5a，氧化剂舱盖板7e 右侧的空间为碱液汇集间7。氧化剂舱盖板7e用于隔离氧化剂舱5a中的气态水5b与碱液汇集间7 中的碱液3a。

一句话总结以上的过程：加温至350度以后且正负电极分别接通对应的外电源后，无泡碱液7b 从无泡碱液注入口7a注入到本实用新型钠水可充电池，气态水入口5c和废气排放口5e关闭，残钠排放口1e关闭，流体钠1b从流体钠出入口1c向外部装置(例如，储钠罐)输出。含废气的碱液3a 从碱液排放口7c向外部装置排出。本实用新型钠水可充电池用正电极和负电极从外部电源获得能量。

实施例二：

以下对照图5说明本实用新型的实施例二。

本实用新型钠水可充电池由燃料单元1、钠离子导电隔膜2、无碳气体阴极4、氧化剂单元5、排碱管阵列6x所构成。电池的负电极8从燃料单元1引出，电池的正电极9从无碳气体阴极4引出。其中，燃料单元1包括了燃料舱1a、填充于燃料舱1a中的流体钠1b；氧化剂单元5包括了氧化剂舱 5a和填充于氧化剂舱5a中的气态水或氧水气5b；间隔子10被夹在所述无碳气体阴极4与所述钠离子导电隔膜2之间，所形成的间隙作为混合间3；所述混合间3被碱液3a所填充。

由于间隔子10被夹在所述无碳气体阴极4与所述钠离子导电隔膜2之间，所以如图5所示，本实用新型钠水可充电池的混合间3的厚度由间隔子10的厚度确定。间隔子10所用的材料须保证在 350度碱液浸泡中，间隔子的尺寸和化学性质都要保持稳定。

本实用新型的实施例二与实施例一的区别仅在间隔间3的厚度的确定方式，实施例一用边框确定间隔间3的厚度，实施例二用间隔子10的方式确定间隔间3的厚度。两相比较，用间隔子10方式确定间隔间3的厚度较为均匀一些。由此可知，发电模式下的工作过程与充电模式下的工作过程，实施例二与实施例一是一样的，就不另外说明了。

平板结构是直径为无穷大的管型结构，虽然以上内容是用平面结构说明了本实用新型的原理，但任何具有高等数学基础的普通技术员均能够根据以上原理，将本实用新型依据平面坐标至圆柱坐标的变换关系将本实用新型改变为管型结构。

Claims (8)

1.一种可充电的钠-水气燃料电池单元，由燃料单元、钠离子导电隔膜、气体阴极、氧化剂单元、排碱管阵列、碱液汇集间所构成；电池的负电极从燃料单元引出，电池的正电极从气体阴极引出；其中，燃料单元包括了燃料舱、填充于燃料舱中的流体钠，氧化剂单元包括了氧化剂舱和填充于氧化剂舱中的气体氧化剂；其特征在于：

(1)在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间留有间隙作为混合间，所述混合间的内部空间被碱液所填充；

(2)所述排碱管阵列由多根排碱管组成，所述排碱管为穿越所述气体阴极和所述氧化剂单元的填充了所述碱液的管道。

2.根据权利要求1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间设置了间隔子。

3.根据权利要求1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，所述气体阴极为无碳气体阴极。

4.根据权利要求1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，所述气体氧化剂为气态水或氧水气。

5.根据权利要求1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在氧化剂舱的舱壁制造有气态水或氧水气的入口。

6.根据权利要求5所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在氧化剂舱的舱壁还制造有残气排放口。

7.根据权利要求1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在燃料舱的舱壁制造有流体钠出入口。

8.根据权利要求7所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在燃料舱的舱壁还制造有残钠排放口。

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