铝空气电池循环过滤系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电解液循环过滤系统及方法。
【背景技术】
[0002] 当前全球能源供给日趋匮乏，人们正在积极探索新的能源。燃料电池由于其高效、 洁净等诸多优点，已成为当今世界新能源领域的开发热点之一。铝-空气电池作为一种燃 料电池，以空气中的氧气作为正极活性物质，纯铝作为负极活性物质。铝-空气电池由于能 量密度大，成为高能量、大功率备用电源的优先选择。
[0003] 由于采用的电解液不同，铝-空气电池的反应机理亦不同。碱性条件下铝-空气 电池的主要反应如下：
在碱性条件下，电池放电电压较高，可适用于小功率电源，也可适用于中高功率电源。 中性条件下，反应产物为不可溶的氢氧化铝胶体，目前一般在电解液中添加特殊的抑制剂， 使胶体以结晶化粉末的形式从阳极上脱落，避免其影响电池反应的进行。而在碱性条件下 反应开始的产物为可溶的Al (OH) 4，后期有氢氧化铝析出，因此碱性性铝-空气电池在设 计上比较复杂，辅助设施也较多。
[0004] 目前铝-空气电池应用技术取得了很大的发展，但是仍未能实现大规模应用。主 要原因在于一些相关技术尚未十分成熟，仍存在一些问题亟待解决。国内关于铝-空气电 池的相关研究报道极少，也没有对铝-空气电池电解液循环过滤的研究。国外研究中提到 一般的中、高功率大型铝-空气电池组需要电解液循环系统。电解液循环过程中添加特殊 的抑制剂，使电池反应产物三水铝石结晶沉淀，通过过滤的方法将其除去，但是分离装置及 其过程尚不可知，也没有相关的研究和报道。国内关于铝-空气电池的相关研究和报道极 少，远远落后于国外对铝-空气电池的研究。因此有必要设计一种电解液循环过滤系统，用 特殊方法使三水铝石结晶析出以便从电解液中分离，保证电池反应顺利进行，延长电池工 作时间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种铝空气电池循环过滤系统及方法，探讨碱性铝_空气电 池电解液循环的可行性，通过实验确定适当的电解液循环方式、沉淀过滤方式、电解液补充 方式。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 一种铝空气电池循环过滤系统，包括储液槽、压力栗、铝空气电池电堆、热交换器、温度 传感器、电池反应产物沉降槽和过滤器，主要创新点在于沉降槽中装有超声装置和晶种添 加装置，储液槽带有电解液自动补加装置。储液槽的出料口经压力栗与铝空气电池电堆的 进料口相连，铝空气电池电堆的出料口经热交换器和温度传感器与电池反应产物沉降槽的 进料口相连，电池反应产物沉降槽的出料口经过滤器、压力表与储液槽的进料口相连。
[0007] -种利用上述系统对铝空气电池循环过滤的方法，包括如下步骤： 步骤一：铝空气电池电堆开始工作后，压力栗在铝空气电池电堆供电下工作，将电解液 从储液槽中通入铝空气电池电堆； 步骤二：从铝空气电池电堆流出的反应后的电解液在热交换器中加热，达到40-80°C 后，进入电池反应产物沉降槽，电解液达到电池反应产物沉降槽体积1/2-2/3后，压力栗停 止工作，停止供液； 步骤三：电解液进入电池反应产物沉降槽后，超声装置开始工作，同时，添加Al (OH) 3 晶种，在温度、超声、晶种的三重作用下，三水铝石会快速沉降，控制超声时间为40-60min， 晶种添加量为5-30g/L; 步骤四：沉降完成后的电解液进入过滤器，在过滤器的作用下，进一步过滤，保证三水 铝石去除干净，同时压力栗可继续工作，使需要处理的电解液继续进入电池反应产物沉降 槽沉降； 步骤五：过滤完成的电解液会在储液槽中收集，同时由于反应后电解液浓度下降，需要 补充高浓度电解液，以维持浓度恒定。
[0008] 本发明中，所述电池反应产物沉降槽中装有超声装置和晶种添加装置，超声装置 功率可调，可根据场合选择合适的超声功率。超声处理可以强化Al (OH) 3胶体颗粒沉降，促 进Al (OH) 3从溶液中结晶析出；在超声处理和静置条件下，溶液中析出的沉淀质量都随时 间的增大而增大，但是超声处理后，在相同的时间内比静置条件下析出的更多；晶种可以有 效加快电解液中Al (OH)3的结晶析出，同时，超声处理和添加晶种可以起到协同作用，加快 Al (OH) 3的结晶析出。晶种为Al (OH) 3或者Al 203。
[0009] 本发明中，所述热交换器可以控制电池反应产物沉降槽中电解液的温度，温度升 高，有利于Al (OH)3的沉降。电解液温度低于设定温度时，温度传感器闭合通过电池反应产 物沉降槽的通道，使电解液在热交换器中循环加热，直到电解液达到设定温度值，温度传感 器打开通道，电解液将进入电池反应产物沉降槽中进行沉降处理。
[0010] 本发明中，所述过滤器为聚丙烯滤芯。
[0011] 本发明中，所述储液槽装有电解液补加系统，对于使用碱性电解液的铝空气电池 体系，随着电池的不断放电，电解液OH的浓度会逐渐下降，导致Al (OH) 3更容易析出，影响 电池正常工作，因此，需要在电池工作过程中补加电解液，电解液补加系统可自动补加电解 液，补加电解液浓度为高浓度电解液，浓度为15mol/L(溶解度为42g)左右。
[0012] 铝-空气电池进行电解液循环的目的主要是使铝阳极反应产生的氢氧化铝胶体 通过过滤装置使其与电解液分离，从电池内部转移到其他储存装置中，保证电池正常工作。 由于OH参与电池反应，随着放电深度的增大，其浓度下降，因此需要在反应过程中适时地 补充电解液，使电解液浓度保持在一定水平。电池刚开始工作时，电解液为强碱性，此时阳 极反应产物为Al (OH) 4，反应进行到一定程度时Al (OH) 4达到饱和，通过添加适当的添加剂 使其成核结晶析出。反应进行到一定程度时，电解液浓度下降，产生氢氧化铝胶体，此时可 添加适当的添加剂使其沉淀。产生的沉淀通过适当的过滤装置除去，从而达到净化电解液 的目的。
[0013] 本发明研究铝-空气电池电解液的循环过滤系统，探讨了超声波对Al (011)3胶体 颗粒沉降过程的影响，研究了超声波作用时间、功率、温度对Al (OH)JK体颗粒沉降过程的 影响。同时还探讨了添加Al (OH)3和Al 203作为晶种对溶液中Al (OH) 3结晶析出过程的影 响，探讨了晶种的添加量对Al (OH)3结晶析出过程的影响。研究发现，超声时间为60min沉 降效果比较好；温度升高有利于Al (OH)3W溶液中析出；Al (OH) 3作为晶种的效果要比Al2O3 更好，且添加量为20g/L时，结晶析出效果最佳；超声波处理和添加晶种起协同作用，可以 加快Al (OH)3的结晶析出。利用聚丙烯滤芯可以将电池反应产生的Al (OH) 3过滤除去。利 用高浓度电解液进行补充，可以使电池保证正常工作，补充用电解液浓度为15mol/L (溶解 度42g)左右。
[0014] 本发明具有如下优点： 1、 本发明在沉降槽中安装有超声装置和晶种添加装置，对于铝空气电池电堆反应过程 中产生的三水铝石具有极强的过滤能力和过滤效率； 2、 储液槽可自动补加高浓度电解液，保证电池工作过程中电解液浓度的恒定。
[0015] 3、整个循环系统所需的电能均可从电堆获取，同时提供了一种成熟的循环工作方 式以供参考。
【附图说明】
[0016] 图1为铝空气电池循环过滤系统； 图2为不同温度下沉降层厚度随时间的变化； 图3为不同功率下沉降层厚度随时间的变化； 图4为溶液中析出沉淀质量随功率的变化； 图5为不同温度下沉降层厚度随时间的变化； 图6为不同添加量下沉降层厚度随时间的变化； 图7为补充电解液和不充电电解液时的电压-时间曲线； 图8为补充电解液后电导率随时间变化的趋势； 图9为NaOH的溶解度曲线。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0018] 实施例1 如图1所示，本实施例中的铝空气电池循环过滤系统由储液槽1、压力栗2、铝空气电池 电堆3、热交换器4、温度传感器5、电池反应产物沉降槽6、过滤器7和压力表8构成，电池 反应产物沉降槽6中装有超声装置9和晶种添加装置10,储液槽1带有电解液自动补加装 置11。
[0019] 电池工作原理如下：电解液储存在储液槽1中，经由压力栗2将电解液通入铝空气 电池电堆3中，反应后的电解液被送入热交换器4,并经过温度传感器5的检测，当热交换器 4中电解液温度达到设定值时，电解液方可进入电池反应产物沉降槽6中，同时电池反应产 物沉降槽6中的超声装置9和晶种添加装置10开始工作，加速电解液中三水铝石的沉降， 沉降后的电解液经过过滤器7的进一步过滤后，经过压力表8最终进入储液槽1中，同时， 电解液自动补加装置11补充高浓度电解液，以维持电解液浓度的平衡。
[0020] 一种利用上述系统对铝空气电池循环过滤的方法，包括如下步骤： 步骤一：铝空气电池电堆开始工作后，压力栗在铝空气电池电堆供电下工作，将电解液 从储液槽中通入铝空气电池电堆； 步骤二：从铝空气电池电堆流出的反应后的电解液在热交换器中加热，达到一定温度 后，进入电池反应产物沉降槽，电解液达到电池反应产物沉降槽体积1/3-2/3后，压力栗停 止工作，停止供液； 步骤三：电解液进入电池反应产物沉降槽后，超声装置开始工作，超声时间60min，同 时，添加一定量的Al (OH)3晶种，在温度、超声、晶种的三重作用下，三水铝石会快速沉降； 步骤四：沉降完成后的电解液进入过滤器，在过滤器的作用下，进一步过滤，保证三水 铝石去除干净，同时压力栗可继续工作，使需要处理的电解液继续进入电池反应产物沉降 槽沉降； 步骤五：过滤完成的电解液会在储液槽中收集，同时由于反应后电解液浓度下降，需要 补充高浓度电解液，以维持浓度恒定，高浓度电解液的浓度为15mol/L为最佳。
[0021] 实施例2 配制好饱和溶液后，对溶液进行超声处理。实验中用一个50mL的带有刻度的量筒装溶 液，并记录沉降层厚度随时间变化的值。处理完毕后通过真空抽滤的方法从溶液中分离得 到析出的沉淀物，进行热风干燥。最后称量干燥物得到进行分析。
[0022] 为了探究超声波对Al (OH)3胶体颗粒沉降过程的影响，制备备饱