CN103515675A - 一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统 - Google Patents

一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组（1）、电解液存储盒（2）、电解液循环系统（3）、产物排出系统（4）及与金属/空气电池组并联的二次电池；该金属/空气电池系统的操作控制方法，包括金属/空气电池组对外放电：二次电池的充放电过程以及产物的排出及电解液的置换。与现有技术相比，本发明可实现电解液的自主加注和产物的自主排出，简化了电池维护过程；电解液间歇循环，循环泵不连续工作，降低了泵的能耗和电池工作过程的噪音；电池工作过程中产生的热量可随电解液排出电池外，依靠静态过程实现热量散出；电池停止工作后，电解液与金属阳极分割储存，避免了金属阳极在储存过程中的自腐蚀，提高了金属阳极的利用率。

Description

一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统
技术领域
本发明涉及金属/空气电池系统，具体地说是一种用于镁、铝、锌等电解液间歇循环式金属/空气电池系统。
背景技术
金属/空气电池是一种采用金属（如镁、铝、锌等）为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液或中性盐水作为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富、且价格低廉，因此金属/空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。金属/空气电池具有能量密度高、反应物和产物无污染、工作安静等特点。以镁/空气电池为例，其理论能量密度高达3910Wh/kg。镁/空气电池电极反应和电池总反应分别为，
阳极电极反应：Mg-2OH-→Mg(OH)2-2e-                       -2.69V(1)
阴极电极反应：1/2O2-H2O-2e-→2OH-                        +0.4V(2)
电池总反应：Mg-1/2O2-H2O→Mg(OH)2                        +3.09V(3)
由上式可知，镁/空气电池在反应过程中消耗金属镁、空气中的氧气和水，生成氢氧化镁。无论是反应物还是产物均无污染，且反应物廉价易得。镁/空气电池在使用前，需将电解液（常为氯化钠水溶液）加注至电池内。反应一段时间后，由于电解液中水的损失（反应消耗、蒸发损失）及产物在电解液中的累积，电解液变得粘稠，离子传导能力下降，导致电池性能下降。此时，需将产物排出并更换新的金属镁，从而使镁/空气电池继续工作。由上述镁/空气电池的工作过程可以看出，电解液管理方式是影响金属/空气电池稳定性、可维护性的重要因素。
常见的金属/空气电池电解液管理方式分为两种：一种为封闭式，即借助人工将电解液加注到独立的电解液腔中，电池工作过程中电解液不循环，产物通过人工排出及清理。另一种方式为循环式，即电解液借助泵自主加注，产物自动循环流动排出电池外。采用第一种电解液管理方式的镁/空气电池优点是结构简单、工作稳定。但是，它也具有一些不可避免的缺点：操作过程复杂，并且为了延长一次注液后电池连续反应时间，需将电池电解液腔体积增大，从而极大的增加了电池自身的体积。此外，由于电池在工作过程中会产生大量的热量，使电池内部温度逐渐升高，常需借助风扇散热控制电池内部温度。第二种电解液管理方式具有电解液加注和产物排出自主实现的优点，且电池工作过程中产生的热量可随电解液循环至电池外部。但是，这种方式需借助泵实现电解液的循环，不但增加了电池系统的内部功耗，也使电池运行过程中的噪音加大。由此可见，上述方式各有利弊，需要寻找更好的方法去解决现有金属/空气电池电解液管理方式的诸多问题，以满足金属/空气电池可维护性好、连续工作时间长、辅助部件能耗低和噪音小等要求。
发明内容
本发明针对现有金属/空气电池电解液管理方式的缺点，提出一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统及其操作控制方法。该金属/空气电池系统通过金属/空气电池组与二次电池的组合，使电解液间歇循环，降低泵的能耗，实现电解液的自主加注、产物和热量自主排出。具体实现方式为：
一种电解液间歇循环式金属空气电池系统，包括金属空气电池组（1)、电解液存储盒（2)、电解液循环系统（3)、产物排出系统（4）；金属空气电池组（1）与电解液存储盒（2）通过电解液循环系统（3）相连通；产物排出系统（4）与金属空气电池组（1）中单电池的各电解液腔相连通；
所述电解液循环系统（3）包括电解液加注总管路（5)、安置在电解液加注总管路（5）上的电解液加注泵（7)、电解液加注分管路（6)、电解液循环分管路（8)、电解液循环总管路（9）；电解液加注总管路（5）的一端与电解液储存盒（2）上的电解液加注口（10）相连，另一端通过电解液加注泵（7）与电解液加注分管路（6）的一端同时相连通，电解液加注分管路（6）的另一端分别与金属空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔下部相连通，电解液循环分管路（8）的一端分别与金属空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔的上部相连通，电解液循环分管路（8）的另一端同时与电解液循环总管路（9）的一端相连通，电解液循环总管路（9）的另一端与电解液存储盒（2）的电解液循环排出口（11）相连通；
所述产物排出系统（4）包括产物排出分管路（13)、产物排出总管路（12)、设置在产物排出总管路上的产物排出阀（14）；产物排出分管路（13）的一端分别与金属空气电池组（1）的各个电解液腔的底部相连通，另一端同时与产物排出总管路（12）的一端相连。
金属空气电池系统还包括一与金属空气电池组（1）相并联的二次电池，所述二次电池为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池中的一种或多种。
所述电解液加注泵（7）为蠕动泵、隔膜泵或磁力泵；产物排出阀（14）为电磁阀。
金属空气电池系统还包括一电路控制系统，用于控制电解液的加注和产物的排出。
所述电解液间歇循环式金属空气电池系统的操作控制方法，包括以下步骤：
a.金属空气电池组对外放电：金属空气电池系统工作前，开启电解液加注泵（7），使电解液通过电解液循环系统（3）加注至金属空气电池组（1）的各个电解液腔中，待电解液通过电解液循环总管路（9）排出后，关闭电解液加注泵（7），开启金属空气电池组（1），使其对外放电，并开始计时；
b.二次电池的充放电过程：待金属空气电池组（1）的电压值大于设定值V时，金属空气电池组（1）在对外放电的同时，为二次电池充电；否则金属空气电池组（1）只对外放电；
c.产物的排出及电解液的置换：计时结束后，金属空气电池组（1）停止为二次电池充电，此时二次电池对外放电，同时开启产物排出阀（14），排出产物后关闭产物排出阀（14），重新开始上述步骤a。
所述二次电池为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池中一种或多种。
所述电解液加注泵为蠕动泵、隔膜泵或磁力泵；产物排出阀为电磁阀。
与现有技术相比，本发明所述电解液间歇循环式金属/空气电池系统具有以下优点：
（1）电解液自主加注和产物自主排出，简化电池维护过程；
（2）电解液间歇循环，循环泵不连续工作，降低了泵的能耗和电池工作过程的噪音；
（3）电池工作过程中产生的热量随电解液排出电池外，依靠静态过程中实现热量散出；
（4）产物在排出电池外后，有适当的时间实现自动沉淀和过滤，使产物过滤更彻底；
（5）电池停止工作后，电解液与金属阳极分割储存，避免了金属阳极在储存过程中的自腐蚀，提高了金属阳极的利用率。
附图说明
图1为电解液间歇循环式金属/空气电池系统结构示意图。
图2为一种电解液间歇循环式镁/空气电池组恒电流放电曲线。其中，镁/空气单体电池阳极采用AZ61镁合金，阴极采用MnOx/C为催化剂，催化剂载量为5mg/cm2，电极有效面积为224cm2，镁/空气电池组由5节单体电池串联组成，放电电流密度为30mA/cm2，电解液为10%NaCl，放电环境为室温。
图3为一种电解液间歇循环式镁/空气电池恒电流放电过程中第15个循环单元电池内部温度变化曲线。其中，镁/空气单体电池阳极采用AZ61镁合金，阴极采用MnOx/C为催化剂，催化剂载量为5mg/cm2，电极有效面积为224cm2，镁/空气电池组由5节单体电池串联组成，放电电流密度为30mA/cm2，电解液为10%NaCl，放电环境为室温。
图4为一种金属/空气电池系统的电连接示意图。
图5为一种金属/空气电池系统控制器主程序流程示意图。
图中，1.金属/空气电池组；2.电解液存储盒；3.电解液循环系统；4.产物排出系统；5.电解液加注总管路；6.电解液加注分管路；7.电解液加注泵；8.电解液循环分管路；9.电解液循环总管路；10.电解液加注口；11.电解液循环排出口；12.产物排出总管路；13.产物排出分管路；14.产物排出阀；17.二次电池；18.二次电池充电电路；19.控制器；20.DC-DC模块；21.辅助部件的稳压电路；22.辅助部件控制电路；23.温度传感器；24.1号电压传感器；25.1号电流传感器；26.1号可控开关；27.2号可控开关；28.2号电流传感器；29.2号电压传感器；30.3号可控开关；31.3号电压传感器；32.3号电流传感器。
具体实施方式
如图1所示，一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统，包括由四节镁/空气单体电池串联构成的镁/空气电池组（1）；长方体电解液存储盒（2），用于存储间歇式供给镁/空气电池组的浓度为10%的NaCl溶液；电解液循环系统（3），用于为电解液的间歇循环提供传输通道；产物排出系统（4），用于定期排出Mg(OH)2等产物残渣；
电解液循环系统（3）包括电解液加注总管路（5)、安置在电解液加注总管路（5）上的蠕动泵（7）（用于电解液加注)、电解液加注分管路（6)、电解液循环分管路（8)、电解液循环总管路（9）；其中，电解液加注总管路（5）的一端与电解液储存盒（2）上的电解液加注口（10）相连，另一端通过蠕动泵（7）与电解液加注分管路（6）的一端同时相连通，电解液加注分管路（6）的另一端分别与金属/空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔下部相连通，电解液循环分管路（8）的一端分别与金属/空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔的上部相连通，电解液循环分管路（8）的另一端同时与电解液循环总管路（9）的一端相连通，电解液循环总管路（9）的另一端与电解液存储盒（2）的电解液循环排出口（11）相连通；电解液加注总管路和电解液加注分管路以及蠕动泵，用于将电解液存储盒中的电解液加注至镁/空气电池组的各个单电池的电解液腔中，而电解液循环分管路和电解液循环总管路，用于在电解液加注时，将各个单电池电解液腔中的气体排出，同时由于电解液循环分管路与各个单电池电解液腔的上部相连通，也可用于判断电解液是否已经加满。
产物排出系统（4）包括产物排出分管路（13)、产物排出总管路（12)、设置在产物排出总管路上的电磁阀（14）；产物排出分管路（13）的一端分别与金属/空气电池组（1）的各个电解液腔的底部相连通，另一端同时与产物排出总管路（12）的一端相连。
上述镁/空气电池系统还包括一与镁/空气电池并联的锂离子电池，用于在镁/空气电池产物排出时对外部供电，同时在镁/空气电池放电电压高于设定值时，用于被镁/空气电池充电。
图2为一种电解液间歇循环式镁/空气电池组恒电流放电曲线。其中，镁/空气单体电池阳极采用AZ61镁合金，阴极采用MnOx/C为催化剂，催化剂载量为5mg/cm2，电极有效面积为224cm2，镁/空气电池组由5节单体电池串联组成，放电电流密度为30mA/cm2，电解液为10%NaCl，放电环境为室温。可以看出，镁/空气电池在经历了24个放电循环后电池性能仍然稳定。
图3为图2所描述的镁/空气电池组恒电流放电过程中第15个循环单元电池内部温度变化曲线。可以看出，镁/空气电池内部温度随电池放电时间的增长而升高，这种热量的积聚不利于电池的安全和电流效率的提高。而采用本发明所述电解液间歇循环式镁/空气电池系统时，积聚的热量可随产物的排出而排出到电池外部，使得整个电池系统的温度不会升的过高，有利于电池的安全放电，同时也可降低红外噪声。
上述镁/空气电池系统的电连接示意图如图4所示。图中，镁/空气电池组（1）与锂离子电池（17）并联连接；锂离子电池充电电路（18），用于在镁/空气电池组的电压高于设定值时为锂离子电池（17）充电；控制器（19），用于检测传感器的信号，控制可控开关的通断，控制辅助部件的启停；DC-DC模块（20），用于为负载提供额定的工作电压；辅助部件的稳压电路（21），用于为系统内的辅助附件提供额定的工作电压；辅助部件控制电路（22），用于接收控制器的控制信号，分别控制包括泵、风扇、电磁阀等辅助部件的启停，温度传感器（23），用于检测金属/空气电池组的温度；1号电压传感器（24），用于检测金属/空气电池组的输出电压；1号电流传感器（25），用于检测金属/空气电池组的输出电流；1号可控开关（26），用于控制二次电池充电电路的启停；2号可控开关，用于控制锂离子电池是否放电；2号电流传感器，用于检测锂离子电池的输出电流；2号电压传感器（29），用于检测锂离子电池的输出电压；3号可控开关，用于控制DC-DC模块与负载之间的通断；3号电压传感器（31），用于检测系统的输出电压；3号电流传感器（32），用于检测系统的输出电流。
图5为一种镁/空气电池系统控制器主程序流程示意图。控制器上电后先进行初始化，然后进入自检程序，自检通过后进入运行状态，启动泵，将电解液存储盒（2）中的浓度为10%的NaCl水溶液通过电解液循环系统（3）加注至镁/空气电池组（1）各单电池电解液腔中。电解液注入完毕后，3号可控开关（30）闭合，镁/空气电池组（1）开始放电，控制器（19）开始计时。如果镁/空气电池组（1）的输出电压大于设定值V，锂离子电池充电电路（18）开始工作，为锂离子电池（17）充电。如果计时时间到，镁/空气电池组（1）结束对锂离子电池（17）充电，同时锂离子电池（17）进入放电状态。同时同时通过控制器（19）控制产物排出阀（14）开启，进入电解液置换程序。电解液置换完毕后重新进入下一个放电循环。

Claims (7)

1.一种电解液间歇循环式金属/空气电池系统，其特征在于：包括金属/空气电池组（1）、电解液存储盒（2）、电解液循环系统（3）、产物排出系统（4）；金属/空气电池组（1）与电解液存储盒（2）通过电解液循环系统（3）相连通；产物排出系统（4）与金属/空气电池组（1）中单电池的各电解液腔相连通；
所述电解液循环系统（3）包括电解液加注总管路（5）、安置在电解液加注总管路（5）上的电解液加注泵（7）、电解液加注分管路（6）、电解液循环分管路（8）、电解液循环总管路（9）；电解液加注总管路（5）的一端与电解液储存盒（2）上的电解液加注口（10）相连，另一端通过电解液加注泵（7）与电解液加注分管路（6）的一端同时相连通，电解液加注分管路（6）的另一端分别与金属/空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔下部相连通，电解液循环分管路（8）的一端分别与金属/空气电池组（1）的各个单电池的电解液腔的上部相连通，电解液循环分管路（8）的另一端同时与电解液循环总管路（9）的一端相连通，电解液循环总管路（9）的另一端与电解液存储盒（2）的电解液循环排出口（11）相连通；
所述产物排出系统（4）包括产物排出分管路（13）、产物排出总管路（12）、设置在产物排出总管路上的产物排出阀（14）；产物排出分管路（13）的一端分别与金属/空气电池组（1）的各个电解液腔的底部相连通，另一端同时与产物排出总管路（12）的一端相连。
2.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：金属/空气电池系统还包括一与金属/空气电池组（1）相并联的二次电池，所述二次电池为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池中的一种或多种。
3.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：所述电解液加注泵（7）为蠕动泵、隔膜泵或磁力泵；产物排出阀（14）为电磁阀。
4.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：金属/空气电池系统还包括一电路控制系统，用于控制电解液的加注和产物的排出。
5.一种权利要求2所述电解液间歇循环式金属/空气电池系统的操作控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
a.金属/空气电池组对外放电：金属/空气电池系统工作前，开启电解液加注泵（7），使电解液通过电解液循环系统（3）加注至金属/空气电池组（1）的各个电解液腔中，待电解液通过电解液循环总管路（9）排出后，关闭电解液加注泵（7），开启金属/空气电池组（1），使其对外放电，并开始计时；
b.二次电池的充放电过程：待金属/空气电池组（1）的电压值大于设定值V时，金属/空气电池组（1）在对外放电的同时，为二次电池充电；否则金属/空气电池组（1）只对外放电；
c.产物的排出及电解液的置换：计时结束后，金属/空气电池组（1）停止为二次电池充电，此时二次电池对外放电，同时开启产物排出阀（14），排出产物后关闭产物排出阀（14），重新开始上述步骤a。
6.如权利要求5所述电解液间歇循环式金属/空气电池系统的操作控制方法，其特征在于：所述二次电池为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池中一种或多种。
7.如权利要求5所述电解液间歇循环式金属/空气电池系统的操作控制方法，其特征在于：所述电解液加注泵为蠕动泵、隔膜泵或磁力泵；产物排出阀为电磁阀。
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