一种铝空气电池系统和控制方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种铝空气电池系统和控制方法。

背景技术：

为满足不断发展的智能电网、移动通讯、电动汽车和应急救灾等不同需求，迫切需要开发出能量高、成本低、体积小、寿命长等优点的新型化学电源，而金属空气电池也称为金属燃料电池，是一种将金属材料的化学能量直接转换为电能的化学电源。由于铝空气电池具有能量密度高(理论能量密度可达8046wh/kg)、价格低廉、资源丰富(铝占整个地壳总重量7.45％)、环保(副产物氢氧化铝可回收再利用)等优势，因此受到国内外研究人员高度关注。

虽然铝空气电池具有许多优点，但也并不能实现大规模应用，因为铝空气电池在放电过程中不但需要消耗铝，还需要消耗大量的水而生成偏铝酸盐或者白色泥浆状的氢氧化铝沉淀物。理论上，铝空气电池每消耗1g铝，同时还要消耗1g水。实际上铝空气电池在水的消耗量上超过理论值，因为铝片在散热过程中也会加快水的蒸发，并且对于盐性电解液或者低浓度的碱性电解液，每消耗1g铝也会生产2.89g氢氧化铝，但由于氢氧化铝的吸水性能较强，使得1g氢氧化铝会吸收约4毫升水体而生成白色泥浆状的沉淀，因此每消耗1g铝将会生成11.56毫升的白色泥浆状沉淀。

与此同时，铝空气电池进行大电流放电过程中也会发热，而热量传导至电解液中会导致电解液温度上升，现有技术普遍采用散热风扇对电解液进行散热，但其散热效果较差。现有技术还普遍采用过滤泵对放电产物氢氧化铝进行过滤，但由于铝空气电池放电过程中产生氢氧化铝较多，如果只是简单地使用过滤泵分离氢氧化铝沉淀往往出现过滤效果较差等情况。另外现有技术中的铝空气电池大多数采用氢氧化钠或者氢氧化钾等碱性溶液作为电解液，但电解液需要提前几周或者几个月配对好，而提前配好的电解液容易吸收空气中的二氧化碳而产生碳酸盐，最终导致电解液失效。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种安全可靠、工作高效以及精准控制的铝空气电池系统，本发明还提出一种使用铝空气电池系统的控制方法，旨在解决现有技术铝空气电池存在的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种铝空气电池系统，包括分别通过管道与物料混匀装置相连的添加剂储存罐、电解质储存罐和水储存罐，所述物料混匀装置还与电解液储存罐相连，所述电解液储存罐分别通过管路与固液分离装置和铝空气电池组相连，所述铝空气电池组通过管道与所述固液分离装置相连，所述电解液储存罐、所述铝空气电池组以及所述固液分离装置形成循环回路；所述铝空气电池组还分别通过管道与所述水储存罐和清洗液储存罐相连。

优选地，所述添加剂储存罐和所述物料混匀装置相连的管路、所述电解质储存罐和所述物料混匀装置相连的管路、所述水储存罐和所述物料混匀装置相连的管路、所述物料混匀装置与所述电解液储存罐相连的管路、所述电解液储存罐与所述铝空气电池组相连的管路、所述水储存罐与所述铝空气电池组相连的管路、所述清洗液储存罐与所述铝空气电池组相连的管道，沿着流动方向设有控制阀和流量计；所述固液分离装置与所述电解液储存罐相连的管道设有流量计，所述铝空气电池与所述固液分离装置相连的管道，沿流动方向依次设有控制阀、水泵以及热交换器，所述控制阀、所述流量计和所述水泵分别与plc控制器电连接。

优选地，所述水储存罐内部设有电热丝和温度传感器与所述plc控制器电连接，所述电热丝在水体温度低于10℃时启动，所述水储存罐内水体温度恒定在20～60℃内。

优选地，所述铝空气电池组内部设有若干个铝空气电池单体，所述铝空气电池单体内部设有温度传感器、液位传感器以及ph值传感器分别与所述plc控制器电连接。

优选地，所述固液分离装置为旋流器。

优选地，所述添加剂储存罐内的添加剂为三水锡酸钠或聚丙烯酸钠；所述电解液储存罐内的电解质为氢氧化钾或氢氧化钠。

本发明还提出一种使用所述铝空气电池系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：所述铝空气电池系统需要启动，所述plc控制器分别控制各自与所述添加剂储存罐、所述电解质储存罐和所述水储存罐相连的控制阀打开，存储于所述添加剂储存罐、所述电解质储存罐和所述水储存罐的溶液通过管路汇聚于所述物料混匀装置内并搅拌混匀后以完成配液程序；

步骤s2：经所述物料混匀装置混匀的溶液经管路进入至所述电解液储存罐内，再经过管路进入至所述铝空气电池组内使其启动并发生氧化还原反应；

步骤s3：所述铝空气电池组单体内的所述温度传感器、所述液位传感器以及所述ph值传感器将检测到的温度值、液位高度以及ph值发送至所述plc控制器以进行相应调控；

步骤s4：所述铝空气电池系统停止工作后，所述铝空气电池组单体内的废液经管道输送至所述固液分离装置中进行滤液和滤渣分离，滤液再通过管道进入至所述电解液储存罐内再次储存。

优选地，所述步骤s1的所述添加剂储存罐、所述电解质储存罐和所述水储存罐向所述物料混匀装置输送溶液时，输送管道设有流量计与所述plc控制器相连以监控溶液流量。

优选地，所述步骤s1的配液程序包括以下步骤：

s11：设置于所述水储存罐内的温度传感器检测所述水储存罐内水体温度，若所述水储存罐内温度低于设定值，所述plc控制器控制所述电热丝发热以提高水体温度并直至水体温度高于设定值；

s12：所述plc控制器控制分别与所述水储存罐、所述电解质储存罐、所述添加剂储存罐的控制阀门打开，不同种溶液经管道进入至所述物料混匀装置内混匀1～5min。

优选地，所述步骤s3的所述温度传感器检测所述铝空气电池温度超过设定值，所述plc控制器控制所述散热风扇并配合热交换器换热降温，当电解液温度低于设定温度后，散热风扇关闭以及热交换器冷却液流动减慢；所述步骤s3的所述液位传感器检测液位低于预设定值，所述plc控制器控制所述水储存罐内水体进入至所述铝空气电池；所述步骤s3的所述ph传感器检测铝空气电池的ph值超过预设值，所述plc控制器控制所述添加剂储存罐、所述电解质储存罐和所述水储存罐的溶液进入所述物料混匀装置混匀再进入所述铝空气电池内。

本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：

本发明技术方案采用独特的管道连接结构设置和铝空气电池组单体结构设置，使铝空气电池在工作过程中被消耗的水体能够及时得到补充，避免电池因为电解液液位下降而导致输出功率下降进而影响电池的正常工作，从而有效保证铝空气电池的安全可靠正常工作。

本发明技术方案通过固液分离装置将铝空气电池工作过程中产生的氢氧化铝沉淀高效率地分离出来，通过将滤渣和滤液分离后，使滤液经相应管道回收至电解液储存罐内以作为铝空气电池工作的电解液，本发明技术方案通过热交换器配合散热风扇对铝空气电池的高温电解液进行高效冷却，保证铝空气电池内部温度控制在安全范围内。

本发明技术方案采用独特的配液装置结构，电池系统工作过程中所需的电解液可现配现用，这样可大大减小空气中的二氧化碳对碱性电解液的不利影响。另外本发明技术方案同时具有排气和液位检测、温度检测、ph检测和排废液检测，从而使本发明系统检测和控制更加精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明铝空气电池系统的结构示意图；

图2为本发明铝空气电池系统的工作流程图；

图3为本发明铝空气电池系统的配液程序流程图；

图4为本发明铝空气电池系统的温度检测反馈控制流程图；

图5为本发明铝空气电池系统的液位检测反馈控制流程图；

图6为本发明铝空气电池系统的ph值检测反馈控制流程图；

图7为本发明固液分离装置分离出的沉淀物的xrd图；

图8为本发明固液分离装置分离出的沉淀物的sem图；

图9为本发明实施例铝空气电池单体的主视图；

图10为本发明实施例铝空气电池单体的后视图；

图11为本发明实施例对比例1的铝空气电池的恒流放电曲线；

图12为本发明实施例对比例2的铝空气电池的恒流放电曲线。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种铝空气电池系统。

请参见图1至图10，在本发明实施例中，铝空气电池系统包括分别通过管道与物料混匀装置相连的添加剂储存罐、电解质储存罐和水储存罐，物料混匀装置还与电解液储存罐相连，电解液储存罐分别通过管路与固液分离装置和铝空气电池组相连，铝空气电池组通过管道与固液分离装置相连，电解液储存罐、铝空气电池组以及固液分离装置形成循环回路，另外铝空气电池组还分别通过管道与水储存罐和清洗液储存罐相连。

添加剂储存罐和物料混匀装置相连的管路、电解质储存罐和物料混匀装置相连的管路、水储存罐和物料混匀装置相连的管路、物料混匀装置与电解液储存罐相连的管路、电解液储存罐与铝空气电池组相连的管路、水储存罐与铝空气电池组相连的管路、清洗液储存罐与铝空气电池组相连的管道，沿着流动方向依次设有控制打开或关闭的控制阀以及监控溶液流量的流量计；固液分离装置与电解液储存罐相连的管道设有流量计，铝空气电池与固液分离装置相连的管道，沿流动方向依次设有控制阀、水泵以及热交换器，本实施例的控制阀和流量计分别与plc控制器电连接。

请参见图9和图10，本实施例的铝空气电池组由多个铝空气电池单体组合而成，每个铝空气电池单体在上下方向设有上孔、中孔以及下孔，并且每个铝空气电池单体主要包括铝阳极、空气电极以及外壳。其中上孔用于排气、液位检测、温度检测、ph值检测、向铝空气电池补充水以及向铝空气电池注入清洗液；而中孔用于向铝空气电池内部注入电解液，下孔用于排出铝空气电池中的废液。

请参见图1，具体地，本实施例的添加剂储存罐与物料混匀装置之间通过控制阀m1和流量计a相连，电解质储存罐与物料混匀装置之间通过控制阀m2和流量计b相连，水储存罐与物料混匀装置之间通过控制阀m3和流量计c相连，物料混匀装置与电解液储存罐之间通过控制阀m4和流量计d相连，水储存罐与铝空气电池组的上孔通过控制阀m5和流量计e相连，电解液储存罐与铝空气电池组的中孔之间通过控制阀m6和流量计f相连，铝空气电池组与泵a之间的管道设有控制阀m7，固液分离装置和电解液储存罐之间通过流量计g相连，清洗液储存罐与铝空气电池组的上孔通过控制阀m8和流量计h相连，并且电解液储存罐、铝空气电池组、泵a、热交换器以及固液分离装置依次通过相连而形成一个循环的回路。

请参图1和图4，本实施例中，铝空气电池内部设有温度传感器与plc控制器相连，并且设有热交换器和散热风扇实现能量交换，在铝空气电池系统进行启用之前，需要预先设置铝空气电池系统的电解液反应温度，温度传感器将检测到的温度信号传递至plc控制器，当铝空气电池内的电解液温度高于预设定值时，通过plc控制器控制散热风扇启动并通过热交换器使冷却液流动加快以通过风冷方式将电解液的温度迅速降低，当电解液温度逐渐降低至设定温度时，散热风扇关闭，并且热交换器的冷却液流动减慢。

请参图1和图5，本实施例中，铝空气电池内部设有液位传感器与plc控制器电连接，在铝空气电池系统启动前，预先设置铝空气电池系统的电解液液位高度，液位传感器将检测到的信号传递至plc控制器后，当电解液的液位低于预设定值时，控制阀m5被打开，水储存罐内的水体通过管道注入至铝空气电池组内，当电解液的液位到达设定值时，水储存罐的控制阀m5则被关闭。

请参图1和图6，本实施例中，铝空气电池内部设有ph值传感器与plc控制器电连接，在铝空气电池系统启用之前，预先设置铝空气电池系统的ph值，并且ph值传感器将检测到的信号传递至plc控制器，当ph值低于设定值而呈酸性时，控制器分别控制控制阀m1、控制阀m2以及控制阀m3打开，电解液配液程序启动，并且碱性电解液配对好后，电解液储存罐的控制阀m6打开，通过管路将电解液输送至铝空气电池组内部，而电解液液位达到预设定值后，控制阀m6被关闭。

请参图1至图10，本实施例的铝空气电池系统的工作原理：

当铝空气电池需要进行工作时，plc控制器控制控制阀m1、控制阀m2、控制阀m3分别打开，与此同时，相应的流量计a、流量计b以及流量计c分别记录添加剂、电解质、水分别进入物料混匀装置的量，多种物料进入至物料混匀装置后进行搅拌混匀1～5min，其中本实施例的添加剂为三水锡酸钠，电解质为氢氧化钠，从而配制为3mol/l氢氧化钠溶液(含三水锡酸钠1g/100ml)。

然后通过plc控制器控制控制阀m4打开，流量计d记录流经的溶液流量，进而通过管道输送至电解液储存罐内。随后，plc控制器控制控制阀m6打开，流量计f记录流经溶液的流量，并且溶液最终进入至铝空气电池中，使铝空气电池启动工作。

铝空气电池工作时，设置于铝空气电池上孔一侧的温度传感器、液位传感器以及ph传感器实时检测铝空气电池系统的工作参数，并将检测到的参数发送至plc控制器中，与此同时，铝空气电池工作过程中析出的氢气可通过铝空气电池的上孔向外排除，铝空气单池工作过程中产生的废液经过下孔向外排除，并且泵a能够加快废液向外排放速度，废液经过热交换器能够实现快速的散热，废液经过固液分离装置后，从而将滤渣和滤液完全分离，被分离出的滤液再次经过管道输送至电解液储存罐内。

需要说明的是，本实施例的固液分离装置的进液孔位于装置中部，而出滤渣孔位于装置下部，而出滤液孔位于装置上部，由于装置在结构上充分地利用了氢氧化铝沉淀的易沉淀特性以实现滤渣高效过滤。

当铝空气电池系统需要停止进行工作时，铝空气电池的废液被排出铝空气电池外部，而固液分离装置将滤液和滤渣分离后，滤液再次进入至电解液储存罐进行储存，以作为下次工作使用。若铝空气电池组内部有较多的沉淀物粘附于铝片或者空气电池上且无法通过泵a抽出时，plc控制器通过控制控制阀m8打开，储存于清洗液储存罐内的清洗液(可为0.1～2mol/l的硫酸或者盐酸溶液)通过管道进入至铝空气电池组内部，铝片和空气电极在清洗液中浸泡1～10min，使得粘附在铝片或空气电极上的沉淀物自动脱落，然后再经过泵a将废液抽出，然后再通过固液分离装置将清洗液和废渣进行分离。

请参见图11和图12，本实施例通过以下两个对比例对本发明技术方案进一步说明：

对比例1

铝片表面积为30平方厘米；铝片质量为30克；空气电极表面积为30平方厘米；电解液为90毫升4.5mol/l的氢氧化钠溶液，缓蚀剂为三水锡酸钠(1g/100ml)，然后使用蓝电电池测试系统对对比例1的电池进行500毫安的恒流放电测试，放电曲线请参见图11。

对比例1的实验结果为：

开路电压为1.9v、放电中压为1.37v、放电容量为17275.16mah、放电时间为放电时间34.5h、放电量为23.667wh；铝的消耗量为9.2g、阳极的能量密度为2572.5wh/kg。结合图11可知，对比例1的电池在连续且稳定地进行恒流放电100000s后，电压仍然较高，可达到1.3v以上，因此说明使用现配现用的碱性电解液的铝空气电池电化学性能较好。

对比例2

铝片表面积为30平方厘米；铝片质量为30克；空气电极表面积为30平方厘米；电解液为90毫升4.5mol/l氢氧化钠溶液，缓蚀剂为三水锡酸钠(1g/100ml)，配好的电解液先静置48天，其会与空气接触，使得碱性电解液吸收空气中的二氧化碳，得到碳酸化的碱性电解液，再进行实验。然后使用蓝电电池测试系统对本对比例2的电池进行500毫安的恒流放电测试，放电曲线参见图12。

对比例2的实验结果为：

开路电压为1.9v、放电中压为1.08v、放电容量为6409.14mah、放电时间为12h、放电量为6.92wh、铝的消耗量为3.95g、阳极的能量密度为1751.90wh/kg。

从图12可以观察到，采用已经在空气中静置48天的碱性电解液的铝空气电池在进行恒流放电过程中，电压较低且不稳定，电池能量密度明显下降。电池在连续稳定地恒流放电45000s后，电压快速下降。

对比例2采用已经在空气中静置48天的碱性电解液的铝空气电池的电化学性能比不上使用现配现用的碱性电解液的铝空气电池，碱性电解液长期与空气接触会导致碱性电解液的电化学性能下降，因此铝空气电池的碱性电解液最好现配现用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。