CN105489971A - 一种复合式铝空气电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合式铝空气电池系统，包括铝空气电池堆、氢燃料电池堆、超级电容组、锂电池组、电解液控制器和运行控制器；铝空气电池堆用来运行发电并产生氢气，氢燃料电池堆用来收集并利用所产生的氢气进行发电，超级电容组用来进行功率转换，锂电池组用来进行储能，电解液控制器连接所述铝空气电池堆，用来控制铝空气电池堆的运行，运行控制器用来调节所产生的电力并进行输出控制。本发明提供的一种复合式铝空气电池系统具有能量密度高、输出功率大、工作安全可靠、环保性能好、性价比高的特点，并且不需要复杂的电池管理系统，系统运行简单可靠。

Description

一种复合式铝空气电池系统
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种复合式铝空气电池系统。
背景技术
随着汽车产业的蓬勃发展，汽车对能源的消耗逐年增大，因而，环保、节能的电动汽车将逐渐普及。然而，作为电动汽车储能系统的传统电池尤其是锂离子电池都存在价格过高、比能量较低、回收再利用困难等缺点，已经成为制约电动汽车发展的最大瓶颈。电动车动力电池要求大功率输出、大电流充放电、储电量大、使用安全可靠、环保性好、性价比高等。现在主流的电池系统有锂离子电池、氢燃料电池、铝空气电池和超级电容等。
目前的锂离子电池存在着储电不足，续航短、价格昂贵及充放电安全问题；单一的铝空气电池功率密度低，液体电池通有缺陷，并且运行中会产生自腐蚀氢气，影响电池使用寿命；氢燃料电池燃料携带补充难，寿命短，并且成本高；超级电容储电少，能量密度很低，并且价格昂贵。目前已有的锂离子电池、氢燃料电池、铝空气电池和超级电容都有各自的优缺点，但是都不能单独满足电动车的应用要求。
铝空气电池是最有可能替代传统汽油实现零排放无污染的车载新能源，铝空气电池由催化空气阴极、电解质和金属铝阳极组成，其理论能质比为8.1kwh/kg，目前技术上能达到的水平为2～3kwh/kg，而用汽油机发电的能质比为2.4kwh/kg左右，两者相当。因此用铝空气电池作为车载新能源是最有可能实现的途径。
但是，现有的铝空气电池存在着自腐蚀析氢和功率密度小的问题，运行不稳定，并且其产生的能量利用率低、输出功率小，难以满足电动车的应用要求。
发明内容
针对以上问题，本发明专利目的在于设计了一种复合式铝空气电池系统，具有能量密度高、输出功率大、工作安全可靠、环保性能好、性价比高的特点，并且不需要复杂的电池管理系统，系统运行简单可靠。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种复合式铝空气电池系统，包括：
铝空气电池堆，包括多个铝空气电池单体，用来运行发电并产生氢气；
氢燃料电池堆，连接所述铝空气电池堆，用来收集并利用所产生的氢气进行发电；
超级电容组，与所述铝空气电池堆连接，包括多个超级电容单体，用来进行功率转换；
锂电池组，与所述铝空气电池堆连接，包括多个锂电池单体，用来进行储能；
电解液控制器，连接所述铝空气电池堆，用来控制铝空气电池堆的运行；
运行控制器，用来调节所产生的电力并进行输出控制。
进一步，本发明所述系统还包括与所述铝空气电池堆连接的收集装置，所述收集装置用来收集产生的氢气并输送到所述氢燃料电池堆。
进一步，本发明所述铝空气电池单体与所述超级电容单体采取二串一并连接方式。
进一步，本发明所述铝空气电池单体与所述锂电池单体采取三串一并连接方式。
进一步，本发明所述电解液控制器采取中性弱碱自平衡方式对电解液的PH值和浓度进行调节和控制。
进一步，本发明所述铝空气电池单体包括外壳、空气电极和铝电极，所述外壳顶部设置有密封盖。
进一步，本发明所述铝空气电池单体采用中性弱碱有机电解液，所述电解液包含有柠檬酸盐和乙二醇。
进一步，本发明所述系统还包括与所述铝空气电池堆连接的储能控制箱，所述超级电容组和锂电池组安装在所述储能控制箱内。
目前世界上铝空气电池的能量密度以美铝公司和以色列的Phinergy公司达到的最高水平为640wh/kg，本发明的AHLS复合铝空气电池的能量密度可达到1000wh/kg以上，每公斤铝能通过铝燃烧发电2.2kwh，加上氢燃料电池堆的吸氢发电量，综合平均已达到2.8度/每公斤，具有实用价值；
本发明提供的复合式铝空气电池系统与现有技术相比具有以下优点：
1、把铝空气电池和氢燃料电池两者有机结合，把铝空气电池产生的氢气作为氢燃料电池的燃料，形成了一种新型复合燃料电池，有效解决铝空气电池自腐蚀产生的氢气的缺陷，而且运行平稳，可长时间稳定工作；
2、具有大电流放电的动力性能，避免了铝空气电池功率密度小的缺陷，储电量大；
3、使铝空气电池的恒电流放电的性能得到充分利用，使铝空气电池和氢燃料电池的发电能力得到极大提高，增加发电量20％以上；
4、具有能量密度高、输出功率大、工作安全可靠、环保性能好、性价比高的特点，不需要复杂的电池管理系统，系统简单可靠。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是本发明一种复合式铝空气电池系统的系统构成图；
图2是本发明一种复合式铝空气电池系统的电连接图；
图3是本发明一种复合式铝空气电池系统的铝空气电池单体结构图；
图4是本发明一种复合式铝空气电池系统的实施例一的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种复合式铝空气电池系统，请参阅图1，包括铝空气电池堆、氢燃料电池堆、超级电容组、锂电池组、电解液控制器和运行控制器。铝空气电池堆包括多个铝空气电池单体，用来运行发电并产生氢气；氢燃料电池堆连接所述铝空气电池堆，用来收集并利用所产生的氢气进行发电；超级电容组与所述铝空气电池堆连接，包括多个超级电容单体，用来进行功率转换；锂电池组与所述铝空气电池堆连接，包括多个锂电池单体，用来进行储能；电解液控制器连接所述铝空气电池堆，用来控制铝空气电池堆的运行；运行控制器用来调节所产生的电力并进行输出控制。
铝空气电池和氢燃料电池两者有机结合，把铝空气电池产生的氢气作为氢燃料电池的燃料，形成了一种新型复合燃料电池，有效解决铝空气电池自腐蚀产生的氢气的缺陷，变害为利，增加额外发电量。把铝空气电池结合锂离子电池作为储能元件，使铝空气电池的恒电流放电的性能得到有效匹配，使铝空气电池的发电能力和氢燃料电池的储电能力得到充分发挥。把铝空气电池结合超级电容作为功率转換元件，使铝空气电池具有大电流放电的动力性能，避免了铝空气电池功率密度小的缺陷。
所述系统还包括与所述铝空气电池堆连接的收集装置，所述收集装置用来收集产生的氢气并输送到所述氢燃料电池堆。收集装置具有密封收集氢气并净化输出氢气的结构，铝空气电池堆在运行过程中所产生的氢气，通过收集装置收集并净化后输送到氢燃料电池堆，转变成电能输出。
请参阅图2，铝空气电池堆与超级电容组和锂电池组采用分布式储能网络连接。由于铝空气电池平台电压为1.2V，超级电容耐压2.7V，锂电池充电电压为3.2～3.6V，铝空气电池单体与超级电容单体采取二串一并连接方式，铝空气电池单体与锂电池单体采取三串一并连接方式。这种分布式储能网络连接方式具有天然的自匹配特性，能够最大限度地发挥铝空气电池的恒流放电性能，不仅输出电压平稳、动态内阻低，而且抗过充过放，电池寿命得到保障，并且不需要复杂的电池管理系统，系统简单可靠。
所述电解液控制器采取中性弱碱自平衡方式对电解液的PH值和浓度进行调节和控制。铝空气电池堆中的电解液在运行时，通过电解液控制器进行定时循环，电解液控制器采取中性弱碱自平衡策略对电解液的PH值和浓度进行调节，同时根据运行状态对液面高度及注液退液进行控制。
整个系统所发出的电力通过运行控制器调节后输出，运行控制器根据运行状态作指示和调整。
请参阅图3，所述铝空气电池单体包括外壳301、空气电极303和铝电极304，所述外壳顶部设置有密封盖302。外壳301两面装有空气电极303，外壳301内装有铝电极304，外壳301的顶部有密封盖302，产生的氢气通过排气孔307连通到下一级，外壳301上有两个电解液进出孔308和309，分别连到下一级。空气电极303通过正电极306引出作为电池正极输出，铝电极304通过负电极305引出作为电池负极输出。
铝空气电池单体的密封盖302可以打开和闭合，方便在铝电极304消耗完之后对铝电极304进行更换。这样，负极铝片为可替換件，在电池放电过程中消耗完后，可进行机械式替換，快速恢复电力
铝空气电池单体采用中性弱碱有机电解液，采用中性自平衡技术，使铝空气电池能长时间稳定工作，电解液含有柠檬酸盐及乙二醇，具有防堵防冻功能，冰点可达-40℃。
实施例一：
请参阅图4为本发明提供的实施例一。铝空气电池堆401由12片铝空气电池单体叠加组装而成，平台电压13.2伏，每片单体铝空气发电初始储电量为2.2Kwh，12片总储电量达到26Kwh。
铝空气电池堆401中的电解液在运行时，通过电解液控制器403进行定时循环，电解液控制器403内有多种传感器和电磁阀，采取中性弱碱自平衡策略对电解液的PH值和浓度进行调节，同时根据运行状态指令电泵对液面高度、液体温度、开机注液、关机退液等进行控制，使铝空气电池堆401在电解液控制器403控制下能长时间稳定运行。
铝空气电池堆401上面有密封盖进行密封，运行中所产生的氢气通过内部管道连通到氢气收集室405，氢气在收集室405净化后由管道输送到氢燃料电池堆402进行发电。在本实例中氢燃料电池堆402是一台14V80W的氢燃料电池堆，在铝空气电池堆401运行时，氢燃料电池堆402能产生50W的额外电力。
铝空气电池堆401通过电缆与储能控制箱404连接，储能控制箱404中装有超级电容组和锂电池组，其中超级电容组是由6只100F的超级电容串联而成，其中锂电池组是由4只40AH的锂电池串联而成，连接方式铝空气电池单体与超级电容单体采取二串一并连接方式，铝空气电池单体与锂电池单体采取三串一并连接方式。
铝空气电池堆401与氢燃料电池堆402所发出的电能，由储能控制箱404中的输出控制板统一调配后输出到外部负载。
本实例的AHLS复合式铝空气电池系统的电性能如下：
输出电压：13V；
输出平均功率：230W；
输出峰值功率：1800W；
初始装铝量：13Kg；
一次装铝连续发电时间：140小时；
一次装铝最大发电量：32Kwh。
用4至8台本实例的复合式铝空气电池系统串联后，足以推动一台小型电动轿车在路上正常行驶800至1500公里。具有能量密度高、输出功率大、工作安全可靠、环保性能好、性价比高的特点，特别是不需要复杂的电池管理系统，系统简单可靠。
本发明提供的复合式铝空气电池系统具有很高的实用价值。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，包括：
铝空气电池堆，包括多个铝空气电池单体，用来运行发电并产生氢气；
氢燃料电池堆，连接所述铝空气电池堆，用来收集并利用所产生的氢气进行发电；
超级电容组，与所述铝空气电池堆连接，包括多个超级电容单体，用来进行功率转换；
锂电池组，与所述铝空气电池堆连接，包括多个锂电池单体，用来进行储能；
电解液控制器，连接所述铝空气电池堆，用来控制铝空气电池堆的运行；
运行控制器，用来调节所产生的电力并进行输出控制。
2.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括与所述铝空气电池堆连接的收集装置，所述收集装置用来收集产生的氢气并输送到所述氢燃料电池堆。
3.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述铝空气电池单体与所述超级电容单体采取二串一并连接方式。
4.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述铝空气电池单体与所述锂电池单体采取三串一并连接方式。
5.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述电解液控制器采取中性弱碱自平衡方式对电解液的PH值和浓度进行调节和控制。
6.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述铝空气电池单体包括外壳、空气电极和铝电极，所述外壳顶部设置有密封盖。
7.根据权利要求1或6所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述铝空气电池单体采用中性弱碱有机电解液，所述电解液包含有柠檬酸盐和乙二醇。
8.根据权利要求1所述的一种复合式铝空气电池系统，其特征在于，所述系统还包括与所述铝空气电池堆连接的储能控制箱，所述超级电容组和锂电池组安装在所述储能控制箱内。
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