CN108172951B - 一种锌空气电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锌空气电池系统，包括锌空气电池组、电解液存储装置、氧气循环及补充装置；所述氧气循环及补充装置包括气体分离装置、氧气存储装置和氧气补充装置；所述氧气存储装置气体出口以及氧气补充装置气体出口与各自的气体减压装置连接后与所述锌空气电池组气体入口相连通；所述锌空气电池组气体出口依次与气体分离装置和所述氧气存储装置串联连通，构成气体循环流通的闭合回路。与现有技术相比，本发明在较低的使用成本下使用氧气作为锌空气电池的正极，相比于直接使用空气的锌空气电池系统，使用氧气使得系统性能大大提升，提高锌空气电池系统的能量效率。

Description

一种锌空气电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种锌空气电池系统，具体的涉及同时具有电解液循环功能和氧气循环功能的锌空气电池系统，本发明还涉及所述锌空气电池系统的控制方法。

背景技术

可再生能源，如风能、太阳能等，由于波动性、间歇性等特点，给现有电网的安全稳定运行带来极大的挑战，因此迫切需要额外的能源储存装置来实现动态供需平衡。电化学储能是利用大规模电池的充放电实现对可再生能源的调控，目前应用较多的有全钒液流电池、锌溴电池等，但现有电池技术面临成本高、安全性差的缺点。

锌空气电池是一种以锌为负极，氧气为正极的电池技术，其成本低廉、安全性高，在大规模电网储能中具有广阔的应用前景。但由于锌空气电池运行过程中涉及到氧气的消耗与析出反应。目前示范运行的锌空气电池以直接供应空气或氧气，充电过程产生气体直接排空的运行模式，该方法在长期运行过程中需要持续不断的气体供应，大大增加系统运行成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，发明了一种具有氧气循环利用装置的锌空气电池系统，将锌空气电池充电过程中产生的氧气收集，在放电时再次供给锌空气电池。由于理论上锌空气电池充电中产生的氧气量与放电所需的氧气量是相同的，因此本发明提出的氧气循环系统可以实现电池系统氧气的自给自足。同时，为了补充氧气循环系统不可避免的损耗，氧气循环系统添加补充单元，保障锌空气电池的安全稳定运行。本发明提出的氧气循环装置能够在较低的使用成本下使用氧气作为锌空气电池的正极，相比于直接使用空气的锌空气电池系统，使用氧气使得系统性能大大提升，提高锌空气电池系统的能量效率。

本发明通过以下技术方案解决上述问题，具体如下：

一种锌空气电池系统,所述锌空气电池系统包括锌空气电池组、电解液存储装置(或存储容器)、氧气循环及补充装置；所述氧气循环及补充装置包括气体分离装置、氧气存储装置(或容器)和氧气补充装置(或容器)；

所述锌空气电池组电解液注液口和排液口分别与电解液存储装置相连通，构成电解液循环闭合回路；该电解液循环闭合回路的设置一方面使得充电过程中单电池内部物料分布均匀，提高锌沉积的均匀性，有利于提高锌空气电池系统的循环稳定性，另一方面，在放电过程中，电解液溶解锌电极产物并带出电池组，避免放电产物在电池组内部沉降阻塞管路，提高系统运行稳定性。

所述锌空气电池组包括2节以上由锌电极、空气电极和充电电极组成的单电池；所述氧气存储装置气体出口以及氧气补充装置气体出口与各自的气体减压装置连接后与所述锌空气电池组气体入口相连通；所述锌空气电池组气体出口经气体分离装置与所述氧气存储装置串联连通，构成气体循环流通的闭合回路。所述氧气循环闭合回路的设置可以实现电池系统氧气的自给自足，降低电池系统的运行成本，提高系统的性能和能量效率。

所述氧气循环及补充装置还包括气体压缩装置和气体减压装置；所述气体压缩装置串联设置于所述气体分离装置和气体存储装置之间；所述气体减压装置串联设置于氧气存储装置与锌空气电池组气体入口之间，以及氧气补充装置与锌空气电池组气体入口之间。

所述压缩装置的设置大大降低了氧气存储装置的体积，有利于降低锌空气系统的占地面积，降低系统建设成本。所述气体压缩装置将收集的氧气增压后可储存在氧气存储装置中，压缩机增压压力范围1MPa-30MPa。

所述气体减压装置通过智能控制，有效控制氧气存储装置与氧气补充装置的供给与压力变换，及时补充系统放电所需氧气，提高系统运行稳定性。所述气体减压装置将氧气存储装置与氧气补充装置中的高压气体减压供气体循环用，减压装置进口压力范围1-30MPa，出口压力范围0-5MPa。

所述电解液存储装置设置有第一气体出口，所处第一气体出口与所述气体分离装置气体进口管路相连。所述第一气体出口的设置，使得充电电极反应时放出的氧气得到进一步的收集，提高氧气回收率并进一步提高系统能量效率，降低锌空气电池系统运行成本。

所述气体分离装置为气液分离器，所述气液分离器气体出口与氧气存储装置入口相连，所述气液分离器液体出口与电解液存储装置相连通。该发明使得随气体携带的电解液可以进一步被回收至电解液存储装置利用，并避免了碱性电解液对气体压缩装置的腐蚀，提高系统安全性与可靠性。

所述氧气补充装置为所述锌空气电池提供氧气。所述氧气补充装置为氧气气瓶等纯氧补充装置，并需要定期更换。该装置的设置补充了氧气回收不完全导致了锌空气电池放电不充分，避免了电池中锌活性物质的积累，与空气补充装置相比可以提高锌空气电池组放电电压，减小氧气补充装置的体积进而降低系统体积。

所述空气电极与充电电极可为一体的同一个电极，电极基底上负载同时具有氧还原和氧析出功能的双功能电催化剂；所述空气电极与充电电极可分别独立设置、为二个电极，二个电极基底上分别负载有氧还原电催化剂和氧析出电催化剂。

所述系统还包括控制单元，所述控制单元包括电解液循环控制部件、氧气循环及补充控制部件、气体压缩控制部件和电池组控制部件。

所述电解液循环控制部件包括电解液循环阀、电解液注排液阀和第一控制器(单片机)，所述电解液循环阀设置于电解液循环闭合回路中，所述电解液注排液阀设置于电解液存储单元上；所述第一控制器控制电解液循环阀和电解液注排液阀的动作；

所述氧气循环及补充控制部件包括氧气循环阀、氧气补充阀、气体流量计和第二控制器(单片机)，所述氧气循环阀设置于气体存储装置与锌空气电池组空气电池气体进口之间，所述氧气补充阀设置于气体补充装置与锌空气电池组空气电极气体进口之间，所述气体流量计设置于所述锌空气电池组空气电极气体进口处，所述第二控制器控制氧气循环阀和氧气补充阀的动作；

所述气体压缩控制部件包括气体压缩机和第三控制器(单片机)，所述第三控制器控制气体压缩机的启停动作；

所述电池组控制部件包括电池组开关、电流电压变化装置(DC/DC)、交流/直流变换装置(AC/DC)。

锌空气电池系统的控制方法包括以下步骤，

当锌空气电池组对外放电时，第一控制器控制电解液循环阀开启，同时第二控制器控制氧气循环阀开启；

当氧气存储装置压力低于设定值P_s时，所述第二控制器控制氧气补充阀开启；

当锌空气电池组的输出电压低于设定值V_s1时或系统放电容量达到设定值C_s1或手动停止时，所述第一控制器控制电解液循环阀关闭，第二控制器控制氧气补充阀及氧气循环阀关闭；

当锌空气电池系统充电时，第一控制器控制电解液循环阀开启，第三控制器控制氧气压缩装置开启；

当锌空气电池组电压达到设定值V_s2时或系统充电容量达到设定值C_s2或手动停止时，所述第一控制器控制电解液循环阀关闭，第三控制器控制氧气压缩装置关闭。

所述控制装置的设置可根据系统气体流量、输出电压等情况自动调节电解液及气体循环装置的运行，有利于实现系统的自动化运行，降低人工成本，并为系统的运行提供安全保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例所需使用的附图作简要的介绍。显然，下面描述中附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为锌空气电池系统示意图。

图2为锌空气电池系统控制流程图。

图3为实施例组装的锌空气电池的功率-电压曲线。

图4为对比例组装的锌空气电池的功率-电压曲线。

图5为对比例1组装的锌空气电池系统的充放电电压曲线。

具体实施方式

实施例1

以泡沫铜为负极集流体，商品空气电极为氧还原电极，泡沫镍负载NiFe-LDH为氧析出电极，含有0.5mol/L ZnO的8mol/L KOH溶液为电解液，与电解液存储装置、泵、氧气存储装置等其他必要附件组装具有电解液循环与氧气循环功能的锌空气单电池系统进行验证试验。图1为该锌空气电池系统的示意图，图3为该锌空气电池的功率-电压曲线，从图中可以看出锌空气单电池最大功率密度可达285mW·cm^-2，在100mA·cm^-2电流密度下输出电压可达1.12V。

对比例1

以泡沫铜为负极集流体，商品空气电极为氧还原电极，泡沫镍负载NiFe-LDH为氧析出电极，含有0.5mol/L ZnO的8mol/L KOH溶液为电解液，与电解液存储装置、泵等其他必要附件组装具有电解液循环功能的锌空气单电池系统进行验证试验。该锌空气电池系统无氧气循环功能，氧气供应依靠外界空气。图4为该锌空气电池的功率-电压曲线，从图中可以看出锌空气单电池最大功率密度仅为135mW·cm^-2，不足具有氧气循环系统的锌空气电池的一半，在100mA·cm^-2电流密度下输出电压约1.05V。

对比例2

以泡沫铜为负极集流体，商品空气电极为氧还原电极，泡沫镍负载NiFe-LDH为氧析出电极，含有0.5mol/L ZnO的8mol/L KOH溶液为电解液，与电解液存储装置、泵、氧气存储装置等其他必要附件组装具有电解液循环与氧气循环功能的锌空气单电池系统进行验证试验。该系统储液槽上端氧气收集口加一阀门，试验对比储液槽上端氧气是否回收对锌空气电池系统与氧气回收效率的影响。锌空气电池系统先进行50mA·cm^-2恒电流充电1h，后进行50mA·cm^-2恒电流放电，截止电压为0.8V。图5为该锌空气电池系统的充放电电压曲线,从图中可以看出，储液槽氧气回收时，锌空气电池氧气回收效率可达95％以上，若储液槽氧气不进行回收，系统氧气回收效率仅为65％左右。

对比例3

以1MW/5MWh系统为例，充电过程氧气消耗量及放电过程氧气生成量均约为1.49吨，若采用氧气循环，但没有进行气体压缩和减压时，氧气存储装置系统体积约为1000m³，若进行气体压缩和减压，假设氧气存储压力为20MPa，则氧气存储系统体积约为5m³，可见气体压缩和减压系统对于减小锌空气电池储能系统体积，降低投资成本是必要的。

Claims (9)

1.一种锌空气电池系统，其特征在于：所述锌空气电池系统包括锌空气电池组、电解液存储装置、氧气循环及补充装置；所述氧气循环及补充装置包括气体分离装置、氧气存储装置和氧气补充装置；

所述锌空气电池组电解液注液口和排液口分别与电解液存储装置相连通，构成电解液循环闭合回路；

所述锌空气电池组包括2节以上由锌电极、空气电极和充电电极组成的单电池；所述氧气存储装置气体出口以及氧气补充装置气体出口与各自的气体减压装置连接后与所述锌空气电池组空气电池气体进口相连通；所述锌空气电池组气体出口经气体分离装置与所述氧气存储装置串联连通，构成气体循环流通的闭合回路；

所述氧气循环及补充装置还包括氧气压缩装置；所述氧气压缩装置串联设置于所述气体分离装置和氧气存储装置之间。

2.如权利要求1所述锌空气电池系统，其特征在于：所述电解液存储装置设置有第一气体出口，所述第一气体出口与所述气体分离装置气体进口管路相连。

3.如权利要求2所述锌空气电池系统，其特征在于：所述气体分离装置为气液分离器，所述气液分离器气体出口与氧气存储装置入口相连，所述气液分离器液体出口与电解液存储装置相连通。

4.如权利要求1所述锌空气电池系统，其特征在于：所述氧气补充装置为所述锌空气电池提供氧气。

5.如权利要求1所述锌空气电池系统，其特征在于：所述空气电极与充电电极可为一体的同一个电极，电极基底上负载同时具有氧还原和氧析出功能的双功能电催化剂。

6.如权利要求1所述锌空气电池系统，其特征在于：所述空气电极与充电电极可分别独立设置、为二个电极，二个电极基底上分别负载有氧还原电催化剂和氧析出电催化剂。

7.如权利要求1所述锌空气电池系统，其特征在于：所述系统还包括控制单元，所述控制单元包括电解液循环控制部件、氧气循环及补充控制部件、气体压缩控制部件和电池组控制部件。

8.如权利要求7所述锌空气电池系统，其特征在于：

所述电解液循环控制部件包括电解液循环阀、电解液注排液阀和第一控制器，所述电解液循环阀设置于电解液循环闭合回路中，所述电解液注排液阀设置于电解液存储装置上；所述第一控制器控制电解液循环阀和电解液注排液阀的动作；

所述氧气循环及补充控制部件包括氧气循环阀、氧气补充阀、气体流量计和第二控制器，所述氧气循环阀设置于氧气存储装置与锌空气电池组空气电池气体进口之间，所述氧气补充阀设置于氧气补充装置与锌空气电池组空气电池气体进口之间，所述气体流量计设置于所述锌空气电池组空气电池气体进口处，所述第二控制器控制氧气循环阀和氧气补充阀的动作；

所述气体压缩控制部件包括氧气压缩装置和第三控制器，所述第三控制器控制氧气压缩装置的启停动作；

所述电池组控制部件包括电池组开关、电流电压变化装置、交流/直流变换装置。

9.一种权利要求1-8任一所述锌空气电池系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

当锌空气电池组对外放电时，第一控制器控制电解液循环阀开启，同时第二控制器控制氧气循环阀开启；

当氧气存储装置压力低于设定值P_s时，所述第二控制器控制氧气补充阀开启；

当锌空气电池组的输出电压低于设定值V_s1时或系统放电容量达到设定值C_s1或手动停止时，所述第一控制器控制电解液循环阀关闭，第二控制器控制氧气补充阀及氧气循环阀关闭；

当锌空气电池系统充电时，第一控制器控制电解液循环阀开启，第三控制器控制氧气压缩装置开启；

当锌空气电池组电压达到设定值V_s2时或系统充电容量达到设定值C_s2或手动停止时，所述第一控制器控制电解液循环阀关闭，第三控制器控制氧气压缩装置关闭。

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