CN109830712A - 一种氯镁燃料电池电解液再生系统及再生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氯镁燃料电池电解液再生系统及再生方法，涉及移动动力电源技术领域，包括热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤‑萃取装置、再生电解液输送和储存装置。本发明采用二级净化原理，其中一级净化是由冷却加过滤实现的；二级再生是将电解质溶液与另外一种密度差别较大，且不互溶或互相溶解度极小的液体介质相混合，将氯化镁萃取到第二种介质中。本发明的电解液再生系统增加了电池的可使用性，使其能再生使用，增加了电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及移动动力电源技术领域，具体涉及一种氯镁燃料电池电解液再生系统及再生方法。
背景技术
能源是当今社会发展不可或缺的重要物质。随着化石燃料的过度开采，将面临着严重的资源枯竭问题，并且化石燃料的大量使用也造成了环境的严重污染，开发新能源迫在眉睫。传统的发电方法主要是火力发电、水力发电、风力发电以及核能发电法，在提供大量电量的时候，仍暴露出了不少难以忽视的问题，比如环境污染、效率低下、难以储存等。
目前，市面上最多的是锂电池，有着能量密度高、重量轻、自放电率低，无记忆效应、高低温适应性强等优点，技术相对成熟，利于推广。但是也存在着安全性差、不能大电流放电、生产条件高、成本高的缺点。氢燃料电池有着无污染、无噪声、高效率的优势，但当下制造氢气最主要的方法还是电解水，需要消耗大量的电能，造成大量的能量损失，另外还有成本高，难以加氢的问题。
镁是一种含量丰富、密度小、比强度高、热疲劳性能好、有良好导热性、电磁屏蔽能力强的金属材料，具有较负的电极电位和较高的能量密度，可用作电池材料。目前研究的镁燃料电池主要是镁-空气燃料电池和镁-过氧化氢燃料电池，其电解质主要是中性盐电解质。镁具有活泼的化学性质，在中性盐电解质中活性较高，但是以氧气和过氧化氢作为氧化剂，在中性盐电解液中会被电化学催化还原为氢氧根离子，产生氢氧化镁沉淀，易覆盖在镁合金阳极表面，降低电化学反应活性，电池的实际开路电压降低，阳极效率降低，导致电池失效，大大缩短燃料电池的寿命。非一次使用的电池，一般对镁燃料电池要求放电完成后更换电解液，并且需要对电极进行清洗，以除去氢氧化镁沉淀，这给电池的使用带来了不便。
氯镁燃料电池，以性能优良的多元镁合金板为阳极，氯气为氧化剂，钠盐非水溶液为电解液，能有效减缓镁板的自腐蚀，但为了增加电池的可使用性，使其能再生使用，增加电池的使用寿命，亟需一种可靠的电解液再生系统。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述问题，为了提高电池的可使用性，使其能再生使用，增加使用寿命，本发明提供一种氯镁燃料电池电解液再生系统及再生方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种氯镁燃料电池电解液再生系统，包括依次连接的热交换装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置，热交换装置与液态氯气储存和输送装置连接，热交换装置以及再生电解液输送和储存装置均连接氯镁燃料电池，热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置均与控制系统电性连接。
进一步地，热交换装置包括热交换器，热交换器分别与氯镁燃料电池的入口和出口连接，热交换器与氯镁燃料电池的出口之间设置有阀门和第一液体流量泵。
进一步地，液态氯气储存和输送装置包括与热交换器的入口连接的氯气罐，氯气罐出口与热交换器之间设置有阀门和气体流量泵。
进一步地，过滤-萃取装置包括依次连接的分离器、回收储存罐、萃取搅拌器以及与热交换器的出口连接的过滤器，过滤器的出口与萃取搅拌器连接，萃取搅拌器的出口与分离器的入口连接，分离器的出口和回收储存罐之间设置有阀门和第二液体流量泵。
进一步地，再生电解液输送和储存装置包括电解液储存罐，电解液储存罐与氯镁燃料电池的入口连接，且与分离器的出口连接，电解液储存罐的出口和分离器之间设置有阀门和第三液体流量泵。
进一步地，氯镁燃料电池中设置有分别用于检测温度、电压和氯化镁浓度的第一传感器。
进一步地，氯镁燃料电池与热交换器之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第二传感器。
进一步地，氯气罐外的阀门连接有压力传感器。
进一步地，分离器和电解液储存罐之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第三传感器。
进一步地，利用再生系统对氯镁燃料电池电解液进行再生的方法，包括一级净化和二级再生；
一级净化：将液态氯气储存和输送装置中的低温液态氯气送出，与待再生的电解液在热交换装置中进行热交换，降温后的电解液中的氯化镁析出，然后过滤；
二级再生：将过滤后的电解液与萃取介质输送至过滤-萃取装置进行混合，电解液中的氯化镁萃取到萃取介质中，再将萃取后的电解液通过再生电解液输送和储存装置进行储存或输送。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明采用二级净化原理，其中一级净化是由冷却加过滤实现的，二级再生是将电解质溶液与另外一种密度差别较大，且不互溶或互相溶解度极小的液体介质相混合，将氯化镁萃取到第二种介质中。对氯镁燃料电池的氯化镁进行净化再生，使其再生使用，提高了电池的可使用性，延长了电池的使用寿命；
2、本发明的输送装置是通过设置由电驱动或压力驱动液体流量泵，将电解液抽送到再生系统中，或将再生之后的电解质溶液送回到电池中，或将完成萃取分离后的萃取液抽出分离器，送入电池壳体外，以及设置由电驱动或压力驱动的气体流量泵，将氯气输送到电池中的机械系统，完成系统的循环输送；
3、本发明通过在氯镁燃料电池中设置传感器，在氯气罐外的阀门设置压力传感器，以及在再生系统的管路中设置传感器，实时显示和比对标准信号，经运算后驱动控制系统，实现控制氯气定量输送、电解液升温/降温、再生和回送等动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1是本发明氯镁燃料电池电解液再生系统的结构图；
图中标记为：1-第一传感器，2-氯镁燃料电池，3-第二传感器，4-第一液体流量泵，5-热交换器，6-气体流量泵，7-压力传感器，8-氯气罐，9-过滤器，10-萃取搅拌器，11-回收储存罐，12-第二液体流量泵，13-分离器，14-第三传感器，15-第三液体流量泵，16-电解液储存罐，17-控制系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种氯镁燃料电池电解液再生系统，包括依次连接的热交换装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置，热交换装置与液态氯气储存和输送装置连接，热交换装置以及再生电解液输送和储存装置均连接氯镁燃料电池，热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置均与控制系统电性连接。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
本发明较佳实施例提供的一种氯镁燃料电池电解液再生系统，包括依次连接的热交换装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置，热交换装置与液态氯气储存和输送装置连接，热交换装置以及再生电解液输送和储存装置均连接氯镁燃料电池2，热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置均与控制系统17电性连接，所述控制系统17可采用STM32F103单片机控制系统。
优选地，热交换装置包括热交换器5，热交换器5分别与氯镁燃料电池2的入口和出口连接，热交换器5与氯镁燃料电池2的出口之间设置有阀门和第一液体流量泵4，第一液体流量泵4将电池中的电解液抽送到再生系统中供再生处理。
优选地，液态氯气储存和输送装置包括与热交换器5的入口连接的氯气罐8，氯气罐8出口与热交换器5之间设置有阀门和气体流量泵6，气体流量泵6用于将来自气化装置的低温氯气输送到电池本体中。
优选地，过滤-萃取装置包括依次连接的分离器13、回收储存罐11、萃取搅拌器10以及与热交换器5的出口连接的过滤器9，过滤器9的出口与萃取搅拌器10连接，萃取搅拌器10的出口与分离器13的入口连接，分离器13的出口和回收储存罐11之间设置有阀门和第二液体流量泵12，第二液体流量泵12用于将完成萃取分离后的萃取液抽出分离器，送入电池壳体外，以便回收再利用。
优选地，再生电解液输送和储存装置包括电解液储存罐16，电解液储存罐16与氯镁燃料电池2的入口连接，且与分离器13的出口连接，电解液储存罐16的出口和分离器13之间设置有阀门和第三液体流量泵15，第三液体流量泵15用来抽取经二级净化再生的电解质溶液，并送回电池本体中。
优选地，氯镁燃料电池中设置有分别用于检测温度、电压和氯化镁浓度的第一传感器1，本发明中可采用惠德尔自动化科技有限公司生产的型号为TR02028温度传感器，金特莱电子有限公司生产的型号为DH-A-53M/SA电压传感器，美国EMC公司公司生产的MPR E-Scan氯化镁浓度传感器；氯镁燃料电池与热交换器之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第二传感器3，本发明中可采用惠德尔自动化科技有限公司生产的型号为TR02028温度传感器和美国EMC公司公司生产的MPR E-Scan氯化镁浓度传感器；分离器和电解液储存罐之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第三传感器14，本发明中可采用惠德尔自动化科技有限公司生产的型号为TR02028温度传感器和美国EMC公司公司生产的MPR E-Scan氯化镁浓度传感器；氯气罐外的阀门连接有压力传感器，本发明中可采用GE Druck公司公司生产的型号UNIK5000压力传感器。
优选地，热交换器5、萃取搅拌器10、分离器13的体积比为1：1：1，氯镁燃料电池中工作过的电解质溶液在热交换器5中与氯气罐8中引出的冰冷氯气进行热交换，实现充分降温后，降温过程中析出氯化镁，经过过滤器9进行过滤，将过滤后的溶液在萃取搅拌器10中与纯水充分混合，氯化镁从有机电解质溶液中交换到水中，该混合液导入分离器13静置分离；在热交换器5中析出的氯化镁在萃取搅拌器10中与水混合成混合液，热交换器5与萃取搅拌器10体积相同，热交换器5和萃取搅拌器10中单位体积的氯化镁的量也是相同的，氯化镁的混合液从萃取搅拌器10中导入同体积的分离器13静置分离，在该过程中氯化镁的总量不变。
利用再生系统对氯镁燃料电池电解液进行再生的方法，包括一级净化和二级再生；
一级净化：将液态氯气储存和输送装置中的低温液态氯气送出，与待再生的电解液在热交换装置中进行热交换，降温后的电解液中的氯化镁析出，然后过滤；
二级再生：将过滤后的电解液与萃取介质输送至过滤-萃取装置进行混合，电解液中的氯化镁萃取到萃取介质中，再将萃取后的电解液通过再生电解液输送和储存装置进行储存或输送。
本发明的工作原理为采用二级净化原理，第一级净化是由冷却加过滤实现，通过将来自工作过一定时间或发出一定电能的氯镁燃料电池2的电解质溶液(处于较高温度，约>60℃)在热交换器5中与刚刚从氯气罐8中引出的冰冷氯气进行热交换，实现充分降温，在降温过程中氯化镁析出，经过过滤器9进行过滤。氯气管道中氯气的排出量由功率控制系统来进行调节，即用户端的指令。第二级再生，通过将第一级过滤后的溶液在萃取搅拌器10中与纯水充分混合，氯化镁将从有机电解质溶液中交换到水中，混合液导入分离器13，两种液体自动分层，下层富水，上层溶液则是再生的电解质溶液，启动电驱动的第三液体流量泵15抽取再生电解质溶液进入电池持续工作。下层的水溶液则可启动第二液体流量泵12排入回收储存泵11中进行储存，可进行多次净化后提取出纯水，对萃取搅拌器10中所需纯水进行供给。电解液储存罐16中装有备用的电解液，可补充新电解液。
氯镁燃料电池2中设置有检测温度、电压和氯化镁浓度的第一传感器1，当监测到氯镁燃料电池2电压下降25％后通过第一传感器1自动触发再生系统，氯气罐8外的阀门与压力传感器7相连，氯镁燃料电池2与热交换器5之间的管路中设置有用于检测温度和氯化镁浓度的第二传感器3，分离器13和电解液储存罐16之间的管路中设置有用于检测温度和氯化镁浓度的第三传感器14，由于再生系统还包括有与热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置电性连接的控制系统，控制系统包括显示器17，因此第二传感器3和第三传感器14均可在控制系统17的显示器中实时显示和比对标准信号，经运算后驱动控制系统，控制氯气定量输送、电解液升温/降温、再生和回送等动作。整个系统是间歇式工作的，根据第一传感器1和压力传感器7的信号，激活第一液体流量泵4以及气体流量泵6，打开氯镁燃料电池2的电解液排出口和氯气罐8的氯气排出口的阀门，排出电解液。在再生电解液不足的时候打开电解液储存罐16的排出阀门，注入新电解液。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：包括依次连接的热交换装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置，所述热交换装置与液态氯气储存和输送装置连接，所述热交换装置以及再生电解液输送和储存装置均连接氯镁燃料电池，所述热交换装置、液态氯气储存和输送装置、过滤-萃取装置、再生电解液输送和储存装置均与控制系统电性连接。
2.根据权利要求1所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：所述热交换装置包括热交换器，所述热交换器分别与氯镁燃料电池的入口和出口连接，所述热交换器与氯镁燃料电池的出口之间设置有阀门和第一液体流量泵。
3.根据权利要求2所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：液态氯气储存和输送装置包括与所述热交换器的入口连接的氯气罐，所述氯气罐出口与所述热交换器之间设置有阀门和气体流量泵。
4.根据权利要求2所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：过滤-萃取装置包括依次连接的分离器、回收储存罐、萃取搅拌器以及与所述热交换器的出口连接的过滤器，所述过滤器的出口与萃取搅拌器连接，所述萃取搅拌器的出口与所述分离器的入口连接，所述分离器的出口和回收储存罐之间设置有阀门和第二液体流量泵。
5.根据权利要求4所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：再生电解液输送和储存装置包括电解液储存罐，所述电解液储存罐与氯镁燃料电池的入口连接，且与所述分离器的出口连接，所述电解液储存罐的出口和分离器之间设置有阀门和第三液体流量泵。
6.根据权利要求1所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：所述氯镁燃料电池中设置有分别用于检测温度、电压和氯化镁浓度的第一传感器。
7.根据权利要求2所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：所述氯镁燃料电池与热交换器之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第二传感器。
8.根据权利要求3所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：所述氯气罐外的阀门连接有压力传感器。
9.根据权利要求4所述的氯镁燃料电池电解液再生系统，其特征在于：所述分离器和电解液储存罐之间的管路中设置有分别用于检测温度和氯化镁浓度的第三传感器。
10.利用权利要求1-9任一项所述的再生系统对氯镁燃料电池电解液进行再生的方法，其特征在于：包括一级净化和二级再生；
一级净化：将液态氯气储存和输送装置中的低温液态氯气送出，与待再生的电解液在热交换装置中进行热交换，降温后的电解液中的氯化镁析出，然后过滤；二级再生：将过滤后的电解液与萃取介质输送至过滤-萃取装置进行混合，电解液中的氯化镁萃取到萃取介质中，再将萃取后的电解液通过再生电解液输送和储存装置进行储存或输送。
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