CN104393370B - 铝合金空气电池装置 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金空气电池装置，包括壳体，壳体内设有阳极和阴极，阳极上设有阳极引出电极，阴极上设有阴极引出电极，壳体内还设有电解质溶液，还设有储液罐，储液罐通过管路与壳体内部连接，管路上设有电解质泵，以使电解质溶液在储液罐和壳体之间流动。本发明提供的一种铝合金空气电池装置，通过控制阳极浸入电解质溶液的深浅，从而来控制电池的放电速度。当电池不需要工作时，使阳极脱离电解质溶液，这样不仅杜绝了电池因不用时发生的自放电反应，而且大量无功消耗阳极的自腐反应此时也被杜绝，避免了阳极中的铝被大量浪费，从而大幅提高铝钠合金空气电池的比能量。

Description

铝合金空气电池装置
技术领域
本发明涉及金属空气电池的技术领域，特别是一种铝合金空气电池装置。
背景技术
在已知的金属空气化学电池中，铝空气电池原理与本发明最为相近。铝空气电池利用铝作为电池的阳极，催化氧气做阴极，强碱性溶液作为电解质溶液，当铝与氧气分别在两极发生化学反应时，电池放电。以电解质为氢氧化钠(钾和钠的化学性质十分相近电解质溶液也可用氢氧化钾溶液替换氢氧化钠钾溶液)溶液为例此时电池中发生的化学反应有：
阳极：4Al-12e＝4Al3+
阴极：3O2+6H2O+12e＝12OH-
总反应式：4Al+3O2+6H2O+4NaOH＝4NaAl(0H)4+E(电)↑+H(热)↑
4NaAl(OH)4＝4NaOH+4Al(OH)3
同时阳极表面会发生自腐反应：
2Al+6H2O+2NaOH＝2NaAl(OH)4+3H2↑
铝空气电池最大的优点为可以为各种用电设备提供超长时间的续航，在为汽车续航供电方面，目前最好纪录是换一次铝空气电池续航里程达到了1600公里。有记载2014年铝空气电池的实际比能量达到了350wh/kg，是铅酸电池的8倍，镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。但是，铝空气电池的理论比能量值是8100wh/kg，这意味着目前铝空气电池有着大量的能量被浪费掉了，电池的比能量有待大幅提高。通过分析可知自腐反应是铝空气电池能量无功消耗的最大因素，同时电池停止工作后发生的自放电效应也是电池能量无功消耗另一因素。目前制约铝空气电池大规模应用另一原因是放电速率过于缓慢，电压滞后，由于目前的铝空气电池大多采用99.99％的纯铝板做阳极浸没于电解质溶液中，这样与电解质溶液接触面大小值一定，且这个值不大，所以参与化学反应的铝原子数量一定且数值较小造成电池放电速度缓慢，而且放电速度为不可控。当铝空气电池工作时，铝与氧气发生化学反应生成电能的同时也生成了大量的热量，大量热量在电池内聚集如果不及时排除，轻则会造成电池工作不稳定，重则造成电池损坏，甚至会发生爆炸，产生安全问题。目前的铝空气电池并没有一套简单有效的排热系统及方法。因此，只有将铝空气电池的上述瓶颈问题进行有效解决，铝空气电池才会得到广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金空气电池装置，使电池的放电速度可控，电解质溶液可自动输入、排出，优选的方案中，空气可自动输入、排出，且便于散热，降低因热量而产生的安全风险。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种铝合金空气电池装置，包括壳体，壳体内设有阳极和阴极，阳极上设有阳极引出电极，阴极上设有阴极引出电极，壳体内还设有电解质溶液，还设有储液罐，储液罐通过管路与壳体内部连接，管路上设有电解质泵，以使电解质溶液在储液罐和壳体之间流动。
所述的阳极上设有多个垂直的柱状空隙。
所述的阴极为多孔隙银基催化阴极板，阴极位于阳极的下方，阴极上部设有集气罩，排气管上端开口位于靠近集气罩内顶部的位置；
排气管与排气泵连通，多孔隙银基催化阴极板底部与进气管连接，进气管与进气泵连通；
集气罩内还设有第一液位传感器和第二液位传感器。
所述的阴极通过多个支撑轮滑动支撑在壳体内，并上下浮动。
所述的阴极通顶部设有限位栅板，以保持阴极和阳极之间的间距。
还设有散热装置，热管蒸发端位于壳体内，冷凝端与散热翅片连接，在壳体内还设有温度传感器。
壳体顶部还设有氢气排出管，氢气排出管上设有氢气排出开关阀，壳体内设有氢气浓度传感器。
壳体顶部至少对角位置设有倒置电解质排出液管，倒置电解质排出液管设有第一防倒置阀和第二防倒置阀，倒置电解质排出液管上还设有防倒置泵，在壳体还设有防倒置开关。
本发明提供的一种铝合金空气电池装置，具有的有益效果如下：
1、如图1所示，通过设置电解质溶液的外置储液罐，配合液位传感器和电解质泵，实现电解质溶液的液面升降控制系统。即相当于控制阳极浸入电解质溶液的深浅，从而来控制电池的放电速度。当电池不需要工作时，电解质溶液液面升降控制系统可将电解质溶液液面降至阳极下底表面以下，使阳极脱离电解质溶液，这样不仅杜绝了电池因不用时发生的自放电反应，而且大量无功消耗阳极的自腐反应此时也被杜绝，避免了阳极中的铝被大量浪费，从而大幅提高铝钠合金空气电池的比能量。
电解质溶液液面升降控制系统共同配合后，自腐反应消耗的阳极大幅减少，比能量与现有单体式纯铝板空气电池相比大幅提高。
且电解质溶液液面升降控制系统共同配合后，放电速度实现可控制。
2、通过将电池阳极采用铝钠合金或铝钾合金，相应地电解质溶液中的氢氧化钠或氢氧化钾始终得到缓慢补充，电解质溶液浓度不随时间变长逐渐被空气中的微量酸性气体消耗而降低，因电池放电速度也与电解质溶液浓度有关，故该结构可增加电池放电性能的稳定性。通过将电池阳极采用铝钠合金或铝钾合金，相应地当电池工作时阳极表面产生点蚀，大幅增加阳极的反应速率。其原理是当电池工作时，由于钠或钾的金属活泼性质强于铝，在阳极表面的钠或钾原子可先于铝发生化学反应，以钠为例反应方程如下：
阳极：4Na-4e＝4Na+
阴极：O2+2H2O+4e＝4OH-
总反应式：4Na+O2+2H2O＝4NaOH
反应最终生成物为氢氧化钠或氢氧化钾，补充进电解质溶液。
阳极采用铝钠合金或铝钾合金，钠或钾比例含量为0.1％-30％之间，来使电解质溶液中氢氧化钠或氢氧化钾含量不会下降。而且钠或钾在先反应后，对于阳极有点蚀效应，也可加快后继的反应速率。
3、如图1所示，通过将阳极的结构设置为，从底部到顶面有多个柱状空隙的块状或柱状铝合金块或铝合金片，来使阳极增大可与电解质溶液接触的接触面积，与相同体积的单纯铝板相比即可大幅度提高电池放电速度。阳极采用此结构也为本发明实现放电速度可控制提供了必要条件。电池放电速度控制原理是：通过上升或降低电池中的电解质溶液液面，来改变阳极与电解质溶液的接触面积大小，从而控制电池放的电速度。
本发明通过采用铝钠合金或铝钾合金做阳极与阳极含柱状空隙结构共同作用后，放电速度与现有单体式纯铝板空气电池相比大幅提高。
4、如图1所示，通过多孔隙银基催化阴极板制成的阴极将空气中的氧气催化，来使氧气得到阳极电极输送来的电子后在阴极发生化学反应。通过在多孔隙银基催化阴极板的两边侧下方加装足够浮力的浮子，两侧各安装多个支撑轮，以及顶部设置限位栅板的方式来达到阴极始终与阳极保持固定距离和姿态稳定的目的，从而使电池放电更加稳定。通过在阴极的上方加装集气罩来收集已消耗过氧气的剩余空气。避免剩余空气中残留的氧气在电池中到处逸散，直接和阳极中的铝和钠发生化学反应，从而避免无功消耗电池能量。通过进气管给多孔隙银基催化空气阴极板提供氧气。通过集气罩内的排气管来排出集气罩中的空气，优选的，排气管的顶端位于集气罩内的顶部。通过进气、排气控制使空气能自动及时的输入和排出，保证电池的正常工作。本发明的阴极结构及相应空气自动输、排系统，使放电性能更加稳定。
5、如图1所示，通过利用热管原理制成的导热管，换热片和散热片的结构，配合温度传感器和控制装置组成电池自动散热系统，将本发明电池工作时产生的热量不断排出至电池外，避免电池内部因热量聚集造成电池内部温度过高，而产生不良后果。自动散热系统使电池实现高效散热。
6、设置的排氢气装置和防倒置装置，可有确保电池的安全，在氢气浓度较高的时候，将多余的氢气从氢气排出管排出，在电池出现倒置的时候，为避免安全事故，将电解质溶液通过防倒置泵排出到储液罐内，防倒置泵由额外的电池供电。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：阳极1，金属密封外壳2，绝缘材料密封壳3，柱状孔隙4，电解质溶液5，集气罩6，支撑轮7，浮子8，多孔隙银基催化阴极板9，第一液位传感器10，进气管11，排气管12，阴极引出电极13，第二液位传感器14，第三液位传感器15，温度传感器16，进气泵17，排气泵18，防倒置开关19，控制装置20，可充电电池21，风扇22，储存的电解质溶液23，储液罐24，排液泵25，输液泵26，液管27，热管28，散热翅片29，防倒置泵30，第二防倒置阀31，阳极引出电极32，氢气浓度传感器33，氢气排出开关阀34，氢气排出管35，倒置电解质排出液管36，第一防倒置阀37、限位栅板38、阴极39。
具体实施方式
如图1中所示，一种铝合金空气电池装置，包括壳体，本例中的壳体采用双层的结构，内层绝缘材料密封壳3采用耐腐蚀的塑料，外层金属密封外壳2采用金属材质，壳体内设有阳极1和阴极39，阳极上设有阳极引出电极32，阴极上设有阴极引出电极13通过导线分别向外界提供电源的负极与正极，用于连接负载，壳体内还设有电解质溶液5，
优选的如图1中，还设有储液罐24，储液罐24通过管路与壳体内部连接，管路上设有电解质泵，以使电解质溶液在储液罐24和壳体之间流动。当需要增加发电量时，输液泵26启动，将电解质溶液输入到壳体内，而当需要减少发电量时，排液泵25将电解质溶液排入到储液罐24内。输液泵26和排液泵25可以由自发电驱动，也可以设置单独的电池驱动。
当本发明需要停止工作时，控制装置20驱动排液泵25将电解质溶液通过液管27从电池的壳体中排出到储液罐24中，直到第三液位传感器15给出电解质溶液液面的信号时停止。此时使阳极脱离电解质溶液，这样不仅杜绝了电池因不用时发生的自放电反应，而且大量无功消耗阳极的自腐反应此时也被杜绝，避免了阳极中的铝被大量浪费，从而大幅提高铝钠合金空气电池的比能量。根据输出的电压或电流，控制电解质溶液浸没阳极1的高度，即可控制输出电压或电流的大小。
所述的阳极1为铝钠合金或铝钾合金，电解质溶液5相应地为氢氧化钠或氢氧化钾。
优选的，铝钠合金中钠的体积比为0.1～30％；
铝钾合金中钾的体积比为0.1～30％。
优选的，铝钠合金中钠的体积比为3～12％；
铝钾合金中钾的体积比为3～12％。
进一步优选的，铝钠合金中钠的体积比为4％；
铝钾合金中钾的体积比为4％。使电解质溶液中氢氧化钠或氢氧化钾含量不会下降。提高电池放电的稳定性。
优选的，所述的阳极1上设有多个垂直的柱状空隙104。以增大与电解质溶液的接触面积。为确保面积增大和减少随着液位升降而保持线性关系，因此，本例采用了垂直的柱状空隙104结构。
优选的如图1中，在本例中，采用阴极位于阳极下方的结构，所述的阴极为多孔隙银基催化阴极板9，多孔隙银基催化阴极板9上部设有集气罩6，排气管12上端开口位于靠近集气罩6内顶部的位置；
排气管12与排气泵18连通，多孔隙银基催化阴极板9底部与进气管11连接，进气管11与进气泵17连通；
集气罩6内还设有第一液位传感器10和第二液位传感器14。在使用过程中，进气泵17持续工作，气体通过进气管11进入到多孔隙银基催化阴极板9，空气中的氧气在银基材料的催化下发生化学反应，并被消耗。消耗过氧气的空气穿过多毛细孔银基催化空气阴极板6向上逸散，被集气4罩全部收集，当反应过程中产生的气体使集气罩6内的气体过多时，此时第二液位传感器14获得液位信号，驱动控制装置，例如单片机，启动排气管12上的排气泵18，将多余的气体排出，直至第一液位传感器10获得液位信号时停止。
优选的，所述的阴极通过多个支撑轮7滑动支撑在壳体内，本例中优选为绝缘材料密封壳3内，并上下浮动。在阴极安装有多个浮子，以使阴极浮动，在阴极的顶部设有限位栅板，以使阴极与阳极之间保持合适的距离，在浮子的驱动下，整个阴极趋于向上浮起，直至限位栅板接触到阳极1的下端，从而限制了阴极与阳极之间的距离，以获得最佳的发电效率。由于阳极在发电过程中会不断损耗，阴极可以在阳极损耗以后继续浮起，始终保持阴极与阳极之间为最佳发电间距。支撑轮7用于使阴极在浮动过程中更为平稳。
需要说明的是，对于本发明的结构，本例中采用了阳极和阴极上下排列的结构，但是采用并列布置的结构，也是可以实现本发明的技术效果的，即阴极和阳极并列布置，通过调节电解质溶液的液面升降，控制阳极浸入电解质溶液的深浅，同样可以实现控制电池的放电速度。
优选的，还设有散热装置，热管28蒸发端位于壳体内，冷凝端与散热翅片29连接，散热翅片29一侧设有风扇22，在壳体内还设有温度传感器16。热量由热管28引导到散热翅片29，然后由风扇进行散热。本例中的风扇优选的由独立的电池供电。
优选的，壳体顶部还设有氢气排出管35，氢气排出管35上设有氢气排出开关阀34，壳体内设有氢气浓度传感器33。在检测到氢气浓度高于设定值时，控制装置20即控制氢气排出开关阀34开启，排出氢气，确保电池安全。
优选的，壳体顶部至少对角位置设有倒置电解质排出液管36，倒置电解质排出液管36设有第一防倒置阀37和第二防倒置阀31，倒置电解质排出液管36上还设有防倒置泵30，在壳体还设有防倒置开关19。由此结构，当电池发生倾覆时，防倒置开关19发出信号，控制装置20控制此时第一防倒置阀37和第二防倒置阀31之中位于下方的一个防倒置阀开启，同时防倒置泵30启动，将电解质溶液排放到储液罐24，以确保安全。进一步优选的，防倒置泵30、第一防倒置阀37和第二防倒置阀31采用额外的电池驱动，以避免在铝合金空气电池出现故障的情况下无法获得电源。进一步优选的，还设有安全电磁阀，安全电磁阀在得电状态关闭，在失电状态下开启，使铝合金空气电池内的电解质溶液排空。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝合金空气电池装置，包括壳体，壳体内设有阳极(1)和阴极(39)，阳极上设有阳极引出电极(32)，阴极上设有阴极引出电极(13)，壳体内还设有电解质溶液(5)，其特征是：还设有储液罐(24)，储液罐(24)通过管路与壳体内部连接，管路上设有电解质泵，以使电解质溶液在储液罐(24)和壳体之间流动；
所述的阴极(39)为多孔隙银基催化阴极板(9)，阴极位于阳极(1)的下方，阴极上部设有集气罩(6)，排气管(12)上端开口位于靠近集气罩(6)内顶部的位置；
排气管(12)与排气泵(18)连通，多孔隙银基催化阴极板(9)底部与进气管(11)连接，进气管(11)与进气泵(17)连通；
集气罩(6)内还设有第一液位传感器(10)和第二液位传感器(14)。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：所述的阳极(1)上设有多个垂直的柱状空隙(104)。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：所述的阴极(39)通过多个支撑轮(7)滑动支撑在壳体内，并上下浮动。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：所述的阴极(39)顶部设有限位栅板(38)，以保持阴极和阳极(1)之间的间距。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：还设有散热装置，热管(28)蒸发端位于壳体内，冷凝端与散热翅片(29)连接，在壳体内还设有温度传感器(16)。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：壳体顶部还设有氢气排出管(35)，氢气排出管(35)上设有氢气排出开关阀(34)，壳体内设有氢气浓度传感器(33)。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金空气电池装置，其特征是：壳体顶部至少对角位置设有倒置电解质排出液管(36)，倒置电解质排出液管(36)设有第一防倒置阀(37)和第二防倒置阀(31)，倒置电解质排出液管(36)上还设有防倒置泵(30)，在壳体还设有防倒置开关(19)。
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