一種大功率鋁-空氣電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周玉松，齊艷玲，王 為

(天津大學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，天津 300072)

鋁-空氣電池是一種新型高能化學(xué)電源，它以鋁合金為負(fù)極，空氣電極為正極，中性或堿性水溶液為電解液，電池運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)消耗鋁合金負(fù)極和空氣中的氧氣對(duì)外輸出電能[1]。鋁-空氣電池不需充電，電池運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)補(bǔ)充消耗的鋁合金負(fù)極材料以維持電池持續(xù)運(yùn)行，故也稱為金屬燃料電池。中性鋁-空氣電池以食鹽水或海水為電解液，堿性鋁-空氣電池以氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液為電解液。該電池具有能量密度大、質(zhì)量輕、材料來(lái)源豐富、無(wú)污染、可靠性高、壽命長(zhǎng)、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，因此被稱為是“面向21世紀(jì)的綠色能源”[2-3]。

人們一直致力于鋁-空電池系統(tǒng)的研究以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。劉文西等[4]公開(kāi)了一種鋁空氣電池的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用整體組合式柵欄陽(yáng)極，方便更換，同時(shí)組合式柵欄陽(yáng)極可以移離電解液液面，以避免自行放電耗損陽(yáng)極，采用循環(huán)流動(dòng)的電解液可以沖刷鋁板表面，避免反應(yīng)沉積物遮蔽鋁板。但這種電池在工作時(shí)只有一個(gè)電池室，故電池的電壓低，且反應(yīng)沉積物隨電解液在電池內(nèi)部流動(dòng)，不易清除。史鵬飛等[5]公開(kāi)了一種多個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成的電池組，這種電池組結(jié)構(gòu)采用密封工藝制成，電池組使用過(guò)程中易產(chǎn)生短路問(wèn)題。石忠東[6]設(shè)計(jì)了“不用充電的鋁空氣電池”，其特征是在中間帶有隔板的塑料殼體壁的內(nèi)側(cè)設(shè)有催化層，殼體壁的外側(cè)與催化層對(duì)應(yīng)處設(shè)有防水層，殼體外壁上有與空氣電極相連的銅網(wǎng)，塑料蓋蓋于殼體上，塑料蓋上設(shè)有插入殼體內(nèi)的鋁板負(fù)極，殼體內(nèi)放有5%食鹽水溶液。這種電池中電解液靜止，沒(méi)有循環(huán)的液流系統(tǒng)，不利于鋁-空氣電池系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間工作。

本文提出了一種大功率鋁-空氣電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的鋁-空氣電池沉淀物難以清除、電堆中單體電池間液流短路等問(wèn)題。

1 鋁-空氣電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

鋁-空氣電池可以表示為：

(－)A l|電解液 |O2(空氣)(+)

陰極反應(yīng)：O2+2 H2O+4 e－→4OH－

陽(yáng)極反應(yīng)：Al－3 e－→ A l3+

總反應(yīng)：4 Al+3O2+6 H2O→4 A l(OH)3

在本文的設(shè)計(jì)中，鋁-空氣電池體系電極反應(yīng)的特點(diǎn)決定了其特有的設(shè)計(jì)思路：

(1)單體鋁-空氣電池由鋁陽(yáng)極、電解液和空氣陰極組成，作為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。為獲得較高的輸出電壓和輸出功率，故單體鋁-空氣電池體系采用單體串聯(lián)的方式，構(gòu)成鋁-空氣電池電堆。

(2)鋁-空氣電池體系運(yùn)行過(guò)程的副產(chǎn)物是氧化鋁絮狀沉淀，為了能排出進(jìn)入電解液以及附著在正負(fù)極上的沉淀，設(shè)計(jì)了液流配置室、配液器和電解液的循環(huán)體系。

綜合考慮，鋁-空氣電池系統(tǒng)主要包括以下結(jié)構(gòu)：鋁-空氣電池電堆、液流配置室、配液器和液流泵。

2 鋁-空氣電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述思路，確定鋁-空氣電池系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 鋁-空氣電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文所述鋁-空氣電堆至少是由兩個(gè)彼此以電串聯(lián)的單體鋁-空氣電池連接成的電堆，以此獲得較大的輸出功率和穩(wěn)定的輸出電能。在電堆的下方設(shè)有兩個(gè)液流配置室，上方則是配液器。各單體鋁-空氣電池經(jīng)各自的出液管與液流配置室相通，而該液流配置室經(jīng)其各自的輸液管與泵液腔、液流泵相通，該液流泵的送液管與上述配液器相通。配液器通過(guò)各進(jìn)液管與位于其下方的各單體鋁-空氣電池相聯(lián)通，從而構(gòu)成完整的液流回路。鋁-空氣電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)與液流配置室相連接的出液管開(kāi)關(guān)，控制電池組的電解液交替流入兩液流配置室之一，電解液在該液流配置室、泵液腔、配液器和電池組之間循環(huán)，而另一液流配置室則處于電解液靜置、沉淀物沉降處理過(guò)程中。位于該電堆外側(cè)的電能輸出端分別與電堆的空氣電極集流板和鋁合金電極集流板相連通，并對(duì)外供電。

2.1 鋁-空氣單體電池電堆

鋁-空氣電池電堆設(shè)計(jì)成由若干個(gè)鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成。單體鋁-空氣電池具有腔體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括以下三部分：進(jìn)液分割室、電池反應(yīng)室和出液分割室。電解液經(jīng)進(jìn)液管流至進(jìn)液分割室，再經(jīng)該分割室下部的進(jìn)液管流入電池反應(yīng)室。在該進(jìn)液分割室上方，裝有進(jìn)液切割器，流進(jìn)該分割室的電解液恰好注入轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)液切割器柵格上，被該進(jìn)液切割器的柵格斬?cái)嗪罅魅腚姵胤磻?yīng)室。電池反應(yīng)室側(cè)壁為空氣電極，鋁合金電極位于電池反應(yīng)室內(nèi)?？諝怆姌O與鋁合金電極同時(shí)處于電解液中。鋁合金電極和空氣電極分別與鋁合金電極集流板和空氣電極集流板連接以輸出電池反應(yīng)的電流。出液分割室分隔為匯流區(qū)和出液區(qū)，通過(guò)匯流管連通。電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液經(jīng)溢流槽流入?yún)R流區(qū)，經(jīng)匯流管流入其下部的出液區(qū)。在出液區(qū)內(nèi)裝有出液切割器，由匯流管流出的電解液恰好注入該出液切割器的柵格上，即該電解液是被該出液切割器的柵格斬?cái)嗪蟛帕鬟M(jìn)該出液區(qū)。鋁-空氣單體電池中設(shè)計(jì)的進(jìn)液切割器和出液切割器，可在電解液沖擊下自行轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)斬?cái)嗔鬟^(guò)的電解液液流，來(lái)解決電堆中單體電池間液流短路的問(wèn)題。

圖2 單體鋁-空氣電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 液流配置室

鋁-空氣電池系統(tǒng)運(yùn)行期間，會(huì)有氧化鋁等沉淀物生成。形成于單體鋁-空氣電池內(nèi)的氧化鋁若不及時(shí)移除，會(huì)覆蓋在鋁陽(yáng)極和空氣陰極的表面，降低鋁陽(yáng)極放電效率，堵塞空氣電極的進(jìn)氣孔道，增大電池電阻，進(jìn)而影響鋁-空氣電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了將形成的氧化鋁沉淀物及時(shí)排出單體電池，設(shè)計(jì)了完全對(duì)稱的液流配置室。當(dāng)其中一個(gè)液流配置室工作時(shí)，另一個(gè)液流配置室用于沉降和排出沉淀物，這樣可以保持鋁-空氣電池長(zhǎng)時(shí)間不間斷地工作，又能保證沉淀物的及時(shí)排出。液流配置室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液流配置室內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

液流配置室通過(guò)出液管與鋁-空氣電池電堆相連接。當(dāng)出液管流出的電解液撞擊液流擋板后流進(jìn)液流配置室中，沉淀物會(huì)在配置室底部沉積，通過(guò)沉淀物排出管排出鋁-空氣電池系統(tǒng)。

2.3 配液器

鋁-空氣電池系統(tǒng)的電堆由鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成，為保證電解液在單體電池內(nèi)均勻分配，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了配液器，結(jié)構(gòu)如圖4所示，配液器為中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)送液管與液流泵相連，電解液經(jīng)送液管進(jìn)入配液器，在配液器中均勻分配電解液。并通過(guò)若干個(gè)出液管與每個(gè)鋁-空氣電池單體相通，將電解液均勻地分配到各個(gè)單體鋁-空氣電池中，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 配液器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 配液器的外部結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 液流泵

液流泵和泵液腔使電解液不斷循環(huán)，帶出反應(yīng)中各個(gè)單體所產(chǎn)生的沉淀及產(chǎn)生的熱量。并且生成的沉淀也能在泵液腔中沉積，通過(guò)出液管將沉淀排出。液流泵的出液口與配液器的進(jìn)液口相連，使電解液能源源不斷地在鋁-空氣電池系統(tǒng)中循環(huán)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種大功率鋁-空氣電池體系的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能保證鋁-空氣電池電堆大功率輸出電能的同時(shí)安全長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行。可以預(yù)計(jì)，該系統(tǒng)在應(yīng)急電源、電動(dòng)汽車和信號(hào)電源等方面，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]王兆文,李慶峰,高炳亮,等.鋁-空氣電池的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].有色金屬,2002,18(1):38-41.

[2]鞠克江,劉長(zhǎng)瑞,唐長(zhǎng)斌,等.鋁空氣電池研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].電池,2009,39(1):50-52.

[3]馬正青,左列,龐旭,等.鋁電池研究進(jìn)展[J].船電技術(shù),2008(5):257-261.

[4]劉文西,李振亞.鋁空氣電池:中國(guó),CN99252133.5[P].2000-11-08.

[5]史鵬飛,夏保佳,尹鴿平,等.多個(gè)單體串聯(lián)的鋁空氣電池:中國(guó),90222922.2[P].1991-06-26.

[6]石忠東.不用充電的鋁空氣電池:中國(guó),01278570.9[P].2002-10-23.