铝空气电池概念股Word格式.docx

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一种铝空气燃料电池系统

CN103296338A

摘要

本发明涉及一种铝空气燃料电池系统，具体地讲涉及一种带控温系统、排氢系统、过滤系统，电解液可循环的铝空气燃料电池系统。

该系统包括电解液箱、电池堆和通风系统；

还包括电解液上液系统、电解液回液系统、排氢系统、测温系统、过滤系统和散热系统。

该系统可以实现电解液可循环，有效的分离沉淀，控制氢气含量，控制电池的内部温度，满足大功率输出、长时间运行的需要，可以广泛应用于电动汽车用动力电池或大型备用电源领域。

权利要求（10）

1.一种铝空气燃料电池系统，包括电解液箱、电池堆和通风系统；

电解液箱位于电池堆的下方，通风系统置于电池堆单体间隙的侧面；

其特征在于还包括电解液上液系统、电解液回液系统、排氢系统、测温系统、过滤系统和散热系统；

电解液上液系统与位于其上部的电池堆的每个单电池管道连通；

电解液回液系统位于电池堆和电解液箱之间并与二者管道连接；

排氢系统置于电解液箱上；

测温系统位于电池堆中的不同部位和电解液箱中；

过滤系统安装于电解液箱内部并与电解液上液系统连通；

散热系统位于电解液回液系统与电解液箱之间并与二者管道连接。

2.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述系统中电解液循环流动，其循环路径依次经过电解液箱、过滤系统、电解液上液系统、电池堆、电解液回液系统、散热系统、电解液箱。

3.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述电解液上液系统包括缓冲器和泵；

所述缓冲器位于电池堆下方，缓冲器内部为中空的液体容器，下部或侧面开有电解液入口，上部通过若干个电解液出口与位于其上部的电池堆的每个单电池管道连通；

所述泵是由电信号控制开启或关闭的耐腐蚀的离心泵、隔膜泵或柱塞泵。

4.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述电解液回液系统包括用于将每个单电池流出的电解液汇集在一起并将其自然回流到电解液箱的电解液汇集箱。

5.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述通风系统包括由电信号控制开关的轴流风机。

6.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述散热系统包括冷凝器、控制阀和其开关由电解液箱内部电解液温度高低控制的、为冷凝器鼓风散热的散热风扇；

当电解液箱中的电解液温度低于规定上限时，从电池堆回流的电解液则不通过散热系统直接进入电解液箱；

当电解液温度高于规定上限，则通过控制阀的开关，电解液通过散热系统中的冷凝器经散热降温后进入电解液箱。

7.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述测温系统包括位于电池堆中的不同部位和电解液箱中的温度传感器。

8.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述排氢系统包括氢气传感器、排氢风扇和排氢管道；

当氢气传感器检测到氢浓度大于4%时,排氢风扇开启，通过排氢管道向电解液箱外排氢。

9.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述过滤系统主要包括斜管过滤器和若干层滤网；

斜管过滤器位于所述若干层滤网的下方；

第一层滤网为50-200目之间，第二层到最后一层的滤网为200-1800目之间。

10.根据权利要求1所述的铝空气燃料电池系统，其特征在于所述电池堆中每个单电池的底部边缘都设有电解液通道以及进液口，在单电池的上部，高于空气电极的边沿2-10mm处设有出液口。

说明

一种铝空气燃料电池系统

技术领域

[0001]

背景技术

[0002]

金属空气燃料电池是一种以空气中的氧为正极,金属为负极，中性或者碱性电解液为介质，在催化剂的作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源。

其中，金属作为阳极，在放电过程中被氧化溶解，释放出电子，空气中的氧气作为阴极活性物质，在放电过程中，经扩散通过空气电极进入电池内部接收外电路传导来的电子被还原。

和其他电池相比，金属空气电池的独特之处是其中的正极活性材料（氧气）不用储存携带，随用随取，增大了电池系统能量密度。

[0003]

随着现代制造技术和材料制备工艺的发展，空气电极的性能得到了很大的提高，金属空气电池的功率输出成倍增加，进一步扩展了金属空气电池的应用领域，由原来的备用电源领域发展到用于驱动电动自行车、电动汽车。

[0004]

在金属空气电池中，目前研究比较多的是锌空气电池、镁空气电池、铝空气电池、铁空气电池和锂空气电池，电解液体系可以是中性电解液、碱性电解液或有机电解液。

相对于氯化物中性电解液和有机电解液体系，碱性电解液具有更高的电导率，相应的电池系统能够更高功率输出，和中性电解液相比，碱性电解液电池系统的电池输出电压高，因此，对于输出功率要求较大的领域以使用碱性电解液为主。

碱性电解液主要是采用氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

但在碱性电解液体系中，也存在这一些需要解决的问题，以碱性铝空气电池为例，电池在放电过程中发生以下反应:

[0005]4Α1+302+6Η20—4A1（OH）

3

[0006]在强碱性介质中，电化学反应产物Al

（OH）3是可溶的，反应如下:

[0007]4Al+302+6H20+4Na0H—4A1

（OH）、+4Na+

[0008]然后在溶液中逐步达到饱和状态，重新析出Al

（OH）3固体。

[0009]4A1（OH）4+4Na+—4A1

（OH）3（固体）+4NaOH

[0010]

此时反应生成的氢氧化铝沉淀为结晶的三水铝石，随着反应的继续进行，这些沉淀物将产生以下不利影响:

&

#9312;

降低电解液的电导率；

#9313;

堵塞电解液通道。

因此，必须从电解液中分离出沉淀，使电池反应界面处的电解液保持不变，反应稳定进行。

[0011]

除了上述电池反应外，金属空气电池阳极还有一个副反应，以铝阳极为例，反应如下:

[0012]2A1+6H20—2A1（OH）3+3H2

（气体）

[0013]

该反应会析出氢气，消耗铝，但不产生电能，能量是以热的形式产生，结果会降低电池的能量输出效率，并且电池内部随着热的累积，使电解液的温度升高，电解液蒸发量增大。

[0014]

为提高金属空气电池的应用范围，更适合于大功率，长时间运行的领域，如电动汽车动力电池、大型备用电源等，需要对电池运行过程中产生的沉淀、氢气和热进行控制，以便电解液的温度、成分保持在一个合理的范围内，使得电池的功率输出稳定。

发明内容

[0015]

本发明的目的在于提供一种带控温系统、排氢系统、过滤系统，电解液可循环的铝空气燃料电池系统，可以有效的分离沉淀，控制氢气含量，控制电池的内部温度，满足大功率输出、长时间运行的需要，可以广泛应用于电动汽车用动力电池或大型备用电源领域。

[0016]本发明的技术方案如下:

[0017]

—种招空气燃料电池系统,包括电解液箱、电池堆和通风系统；

还包括电解液上液系统、电解液回液系统、排氢系统、测温系统、过滤系统和散热系统；

[0018]

电池系统的运行过程:

首先电解液全部存储于电解液箱中，然后由电信号控制打开电解液上液系统中的泵，经电池堆中的电解液缓冲器均匀分配后进入电池堆中的每一个单电池，当每个单电池充满电解液后，电池堆开始供电；

电解液流过电池堆后，经过电解液回液系统进入电解液箱，再经过电解液过滤系统，过滤去除反应固体产物，由电解液上液系统再注入电池堆实现电解液的循环，如果需要停止电池系统对外供电，将电解液上液系统停止或反向抽液，则电池堆中的电解液回到电解液箱，电池停止对外供电。

需要供电时，启动电解液上液系统，则电池系统重新恢复供电。

[0019]

所述系统中电解液循环流动，其循环路径依次为电解液箱、过滤系统、电解液上液系统、电池堆、电解液回液系统、散热系统、电解液箱。

[0020]

所述电解液上液系统包括缓冲器和泵；

其作用是将由泵抽上来的电解液均匀分配到电池堆中的每一个单电池。

管道和联接件为耐腐蚀材料构成，用于电解液的传输。

所述泵是由电信号控制开启或关闭的耐腐蚀的离心泵、隔膜泵或柱塞泵等单向泵或双向泵，用于将经过电解液过滤系统的电解液注入电池堆或将电池堆中的电解液放空。

[0021]

通过控制电解液上液系统的泵和控制阀的开关可以对电池进行停止工作和重新启动。

[0022]

其具体实施办法是:

首先用泵将电解液打入置于电池堆下部的电解液缓冲器内，在缓冲器内部，液体压力均等，在缓冲器的上部，根据需要分配到每个电池堆中单电池的数量，开出相应数量的出口，每个单电池与一个出口对应。

电解液在每个出口处的压力均等，在缓冲器的内部液面随着泵入电解液压力的增加而均匀的上升，缓冲器上部的电池堆，只要其入口的直径相同，溢出的高度位置一致的条件下，就可以确保在一定时间内进入每一个单体的电解液量是相等的，因而确保了单电池的电化学均匀性，一致性。

[0023]

所述电解液回液系统包括用于将每个单电池流出的电解液汇集在一起并将其自然回流到电解液箱的电解液汇集箱，所以要求电解液箱的位置低于电池堆。

[0024]

单电池串并联以后组成的电池堆可以与上液系统中的电解液缓冲器和回液系统中的电解液汇集箱组合，组合体包括电解液缓冲器的电解液入口，分别与每一个单电池连接的电解液出口，单电池的电解液出口穿过电解液汇集箱的顶面，电解液汇集后，由出口经管道流入电解液箱的电解液入口。

[0025]

所述通风系统包括由电信号控制开关的轴流风机。

轴流风机放置于电池堆单体间隙的侧面，其目的为保证供给空气电极在放电过程中所需的氧气含量，同时为去除电池放电过程中产生的多余热量，保证电池堆在不高于80°

C条件下稳定运行。

其通风方式可以是鼓风也可以是排风方式。

通风系统的开关由电信号控制。

[0026]

由于铝电极在放电过程中会有部分自放电，以及电池内阻压降损失两部分能量损失，这两部分能量将直接以热的形式释放，会使得电池电解液和电池堆温度升高，降低电池性能的稳定输出。

因此，设置了测温系统和散热系统。

[0027]

所述测温系统包括位于电池堆中的不同部位和电解液箱中的温度传感器。

用于检测电池堆外表温度和电解液温度，以便启动和关闭散热系统。

[0028]

所述散热系统包括冷凝器、控制阀和其开关由电解液箱内部电解液温度高低控制的、为冷凝器鼓风散热的散热风扇，以及必要的联接件和管道。

当温度传感器测得电解液温度低于规定上限，则不通过散热系统直接进入电解液箱，当温度传感器测得电解液温度高于规定上限，则通过控制阀的开关，通过散热系统经散热降温后进入电解液箱。

冷凝器散热风扇的开关由电解液箱内部电解液温度高低控制。

[0029]

测温系统和散热系统共同实现了控温的功能。

[0030]

电解液箱由耐腐蚀材料如ABS、尼龙、PP、PE等，或者金属外壳内衬上述几种材料制成，用于放置过滤系统、电解液和固体分离物，并带有管道阀门，用于排空电解液。

[0031]

所述排氢系统放置于电解液箱的上部用于检测电池自放电部分氢气产生的量，并通过排氢风扇向电解液箱外部排氢，降低氢气累积的风险，所述排氢系统包括氢气传感器、排氢风扇和排氢管道；

当氢气传感器检测到氢浓度大于4%时，排氢风扇开启，通过排氢管道向电解液箱外排氢。

[0032]

所述过滤系统安装于电解液箱内部，用于分离电池放电过程中产生的固体，降低电解液在电池堆中的流动阻力和固体产物对电解液电导率的影响。

过滤系统主要包括斜管过滤器和若干层的滤网，从回液系统流回电解液箱的电解液首先通过斜管过滤器，然后再通过斜管过滤器上方的多层不同孔径的滤网，每一层滤网的孔径不同，由左到右依次变细。

第一层的滤网一般在50-200目之间，第二层到最后一层的滤网应在200-1800目之间。

其产物过滤的效率可达60%以上。

[0033]

为了防止产物堵塞滤网的细孔，滤网采用斜置的方式，斜置角度一般在30-70度之间较为适宜。

斜管过滤器可以采用ABS、PP、尼龙等耐腐蚀材料，滤布可以采用不锈钢、尼龙等材料。

[0034]

铝合金电极在放电反应时，其产物初期是溶解于电解液中，逐步在碱液中形成氧化铝的过饱和溶液，随着反应的继续以及电解液的流动，逐步结晶析出，沉淀过滤箱中的温度、流动速度都低于电池堆内，因此结晶基本都在沉淀过滤箱内生成。

一般根据循环时间的快慢不同，生成的沉淀物的粒度须是在3-15

μ

m。

另外，由于如前所述的原因，铝电极均为合金电极，由于合金在结晶，热处理、轧制过程中，不可避免的都偏析位错等现象，使得电极在反应消耗过程中，有较大颗粒沉淀物脱离电极表面，进入溶液中，过滤的首要功能就是去除此类产物的影响。

[0035]

滤网的材料由耐碱的相关材料制备，如含镍的不锈钢材料，尼龙材料等等。

[0036]

在沉淀过滤箱的下部，每格均设有沉淀物储存空间。

没有通过过滤网的产物，由于重力的原因落入沉淀过滤箱底部的储存空间。

[0037]

按上述步骤，整体沉淀过滤箱，实现以下功能，当饱和溶液经过沉淀过滤器时，产生氢氧化铝沉淀，新结晶出的晶体不断长大到一定尺寸，这些晶粒经过过滤、沉淀，从电解液中脱离，过滤后的电解液返回电池，继续发生化学反应，直到电池反应结束。

[0038]

电池系统的重新充电模式是机械式充电模式，即电池的金属阳极全部耗尽后，移出放电产物，重新更换电解液和金属阳极。

[0039]

同时，可以在铝电极消耗完之前，可以多次激活、停止，可长时间停放，不产生自放电。

具体的实施办法如下:

[0040]

在电解液上液系统中使用泵上液，当电池系统不使用时，或者放电结束后，泵关闭，电解液自动回流，进入电解液箱，电池堆内的液面下降后，构成电池的电解液没有了，电池组的电化学反应终止，电池停止反应。

当电池堆内电极表面的电解液完全消耗完，电池的自放电也停止了，电池组可以继续长时间存放，以便下次继续使用，如此反复直到电池堆的额定容量完全放电完成后，更换铝电极及电解液，电池复原下次使用。

[0041]

单电池的制作方法:

单电池包括一个塑料壳体，该壳体的构成材料可以是尼龙、ABS工程塑料，聚丙类及其改性材料如PE等；

壳体的两边注塑前预埋空气电极，也可以采用后期粘接的方式与电池壳体连接，实现不漏液，空气电极边缘有焊接的金属导线与其他单体连接；

在每个单电池的底部边缘都有电解液通道以及进液口，在单电池的上部，高于空气电极的边沿2-10mm处设有出液口，电解液充满电池壳体后由上部溢出，回到沉淀过滤箱，实现电解液的循环。

[0042]

单电池与电解液箱、缓冲器等之间的连接均采用耐碱的功能材料制备的管道连接，如聚四氟乙烯、ABS工程塑料、尼龙等材料。

[0043]

每个单电池都留有足够的空间，插入金属阳极，阳极通过单电池上盖穿出和导线连接。

预留的间隙应综合考虑电解液的循环速度，电池系统使用的过滤状态，如果电池系统处于长时间大功率使用时,则单位时间内的反应产物量大,需要较大的电解液流量，及时将产物带出电池堆内，系统顺利运行；

反之，如果电池系统处于小电流长时间运行时，则不需要放大间隙，可降低电池堆的体积，提高单位体积，单位重量的储能量，提高系统的整体效倉泛。

[0044]

不论是在盐性电池还是在碱性电池中，纯铝乃至于高纯铝都不能直接作为电池的阳极。

这是基于以下两个原因:

首先是金属表面覆盖着致密的一层氧化膜，它致使铝的阳极过电位升高，降低了阳极的电压效率，因而降低了电池的输出功率；

其次，在含有腐蚀性离子溶液中还有强碱溶液中，铝的溶解度相当快，产生大量的氢气，这导致了阳极的法拉第效率降低。

作为铝空气电池的燃料，铝阳极尽可能要有高的电压及高电流效率。

[0045]

在本发明中，只要能满足上述要求的铝合金，均可用做此类产品的负极。

例如已经商业化的BDW合金、RX-808合金等等。

[0046]

单电池通过带有硅胶垫的上盖扣紧来实现密封。

金属电极穿过单电池上盖中预留的相同形状的空洞，之间加垫一个耐碱氟橡胶的密封垫，通过挤压，实现引出口的密封。

在电池上盖边沿上，也加有耐碱氟橡胶垫，通过电池上盖两端的扣紧装置，压紧后实现密封。

[0047]

组成电池堆的单体之间需留有1-10_的间隙，确保电池组在使用过程中，有足够的氧气流经空气电极的表面。

氧气的供给既可以是空气的自然流通带来的，也可以是采用风扇强制通风带来，如采用强制通风时，单电池之间的间隙可以随着通风量的加大而减少，缩小整体电池堆的体积。

[0048]

构成电池系统的几个主要备件电解液箱、电解液缓冲器、过滤系统、管道均由耐碱材料，诸如ABS工程塑料、聚四氟材料、尼龙、不锈钢及其改性材料如PE等构成，材质要求耐碱、老化速度慢。

[0049]

本发明的铝空气燃料电池系统克服了以往该类电池的常见弊端，具有明显优势:

电池的体系为密封系统；

电池系统加入了控温、过滤、排氢系统，提高了电池的稳定性和可靠性，更适合于作为电动汽车的动力电池系统；

#9314;

电解液可循环，电池系统可以重复开启和关闭，能够长时间放置而不发生自放电；

#9315;

电池的所有部件采用模具化生产，均匀稳定可靠。

附图说明

[0050]图1为本发明中电池系统示意图；

[0051]

图2为本发明中单电池的结构示意图；

[0052]

图3为本发明中带电解液缓冲器和电解液汇集箱的电池组示意图；

[0053]

图4为本发明中电解液缓冲器的示意图；

[0054]图5为本发明中过滤系统示意图。

具体实施方式

[0055]

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但不限于本实施例的内容。

[0056]实施例1

[0057]

—种招空气燃料电池系统,如图1所不，包括电解液箱5、电池堆I和通风系统8

；

电解液箱5位于电池堆I的下方，通风系统8置于电池堆单电池间隙的侧面；

还包括电解液上液系统7、电解液回液系统2、排氢系统9、测温系统4、过滤系统6和散热系统3

;

电解液上液系统7与位于其上部的电池堆I的每个单电池管道连通；

电解液回液系统2位于电池堆I和电解液箱5之间并与二者管道连接；

排氢系统9置于电解液箱5上；

测温系统4位于电池堆I中的不同部位和电解液箱5中；

过滤系统6安装于电解液箱5内部并与电解液上液系统7连通；

散热系统3位于电解液回液系统2与电解液箱5之间并与二者管道连接。

[0058]

首先电解液全部存储于电解液箱5中，然后由电信号控制打开电解液上液系统7中的泵，经电池堆I中的电解液缓冲器均匀分配后进入电池堆I中的每一个单电池，当每个单电池充满电解液后，电池堆I开始供电；

电解液流过电池堆I后，经过电解液回液系统2进入电解液箱5，再经过过滤系统6，过滤去除反应固体产物，由电解液上液系统7再注入电池堆I实现电解液的循环，如果需要停止电池系统对外供电，将电解液上液系统7停止或反向抽液，则电池堆I中的电解液回到电解液箱5，电池停止对外供电。

需要供电时，启动电解液上液系统7，则电池系统重新恢复供电。

[0059]

所述系统中电解液循环流动，其循环路径依次为电解液箱5、过滤系统6、电解液上液系统7、电池堆1、电解液回液系统2、散热系统3、电解液箱5。

[0060]

如图2、3和4所示，所述电解液上液系统7包括缓冲器24和泵；

所述缓冲器24位于电池堆I下方，缓冲器24内部为中空的液体容器，下部侧面开有电解液入口

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