CN110299581A - 铝空气电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种铝空气电池系统，包括：电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、盘管、加热棒、热交换器、散热器、通风风扇、散热风扇和第一至第六电子泵，其中，电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、第一电子泵、第二电子泵、第三电子泵及第五电子泵通过管道连接构成液流循环子系统，电池组、电解液箱、工作液箱、加热棒、盘管、热交换器、通风风扇、散热风扇、散热器、第一电子泵、第四电子泵及第六电子泵通过管道连接构成热管理子系统。本发明能实现对铝空气电池的合理液流循环和散热循环，提高了铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

Description

铝空气电池系统

技术领域

本发明涉及铝电池技术领域，特别涉及一种铝空气电池系统。

背景技术

铝空气电池是一种以空气中的氧为正极、铝或者铝合金为负极，中性或者碱性水溶液为电解质的金属燃料电池。铝空气电池在运行过程中通过消耗金属铝和空气中的氧气对外输出电能，是一种化学电源。铝空气电池具有能量密度高，搁置寿命长，搁置性能无衰减，安全环保，工作噪音小等优点，非常适合作为备用电源和车载电源。

目前，已经实现量产铝空气电池多为100W以下的小功率电池，而输出功率在1000W以上的大功率铝空气电池产品则还没有实现量产。大功率铝空气电池系统较为复杂，除了电池组以外，还包括液流循环系统，热管理系统，自动控制系统等。因此，大功率铝电池在工作过程中会产生大量的热量，固体杂质和氢气，内部强碱性电解液还需要循环流动。因此，如果不能很好的实现液流循环和散热循环，会影响铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种铝空气电池系统，该系统能实现对铝空气电池的合理液流循环和散热循环，提高了铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种铝空气电池系统，包括：电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、盘管、加热棒、热交换器、散热器、通风风扇、散热风扇和第一至第六电子泵，其中，所述电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、第一电子泵、第二电子泵、第三电子泵及第五电子泵通过管道连接构成液流循环子系统，所述电池组、电解液箱、工作液箱、加热棒、盘管、热交换器、通风风扇、散热风扇、散热器、第一电子泵、第四电子泵及第六电子泵通过管道连接构成热管理子系统，其中，所述通风风扇集成在电池组上，通过所述通风风扇给电池组提供氧气，并进行散热；所述第一和第二三通阀分别与工作液箱和洗液箱连接，通过对所述第一和第二三通阀的切换对应使工作液箱中电解液和洗液箱中的洗液分别在电池组内循环流动；所述电解液箱和废液箱分别通过管道与工作液箱连接；所述电解液箱中储存有电解液，通过第二电子泵将部分电解液加入到工作液箱中，通过加热棒对工作液箱中储存的部分电解液进行加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内，当所述工作液箱中储存的部分电解液达到工作寿命后，通过第五电子泵将废电解液抽到废液箱中；所述盘管通过第六电子泵和管道与电解液箱连接，当工作液箱中的部分电解液温度高于第一预设温度时，所述部分电解液通过第六电子泵进入盘管，然后回到电解液箱中；所述废液箱放置在电解液箱内部，当电解液箱中充满电解液时，废液箱处于压缩状态，当电解液箱排空时，废液箱中充满废电解液，处于膨胀状态；所述散热器中的冷却液通过管道与热交换器的冷却液进出口连接，工作液箱中的电解液经过第一电子泵后通过管道与热交换器的热液体进出口连接，冷却液通过换热器与电解液完成热交换，再经过散热器将热量散到空气中，使电解液的温度保持在所述预设温度范围内。

根据本发明实施例的铝空气电池系统，由电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、第一电子泵、第二电子泵、第三电子泵及第五电子泵通过管道连接构成液流循环子系统，由电池组、电解液箱、工作液箱、加热棒、盘管、热交换器、通风风扇、散热风扇、散热器、第一电子泵、第四电子泵及第六电子泵通过管道连接构成热管理子系统，可以实现对铝空气电池的合理液流循环和散热循环，提高了铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的铝空气电池系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述电池组由多个单体电池串联而成，串联个数为18～48个，串联后的电池组具有一个电解液进液口和一个电解液出液口，其中，电解液进液口位于电池组的底部，电解液出液口位于电池组的顶部。

在一些示例中，所述电解液箱中的电解液通过电解液进液口注入到电池组中，然后经电解液出液口进入到工作液箱中，当电池组中有电解液循环流动时，铝空气电池系统即开始工作。

在一些示例中，在所述铝空气电池系统的初始状态下，所述工作液箱、电解液箱、废液箱和洗液箱中均没有液体，通过电解液加液口将电解液加入到电解液箱中，使废液箱处于压缩状态，通过洗液加入口将洗液加入到洗液箱中；当电解液箱充满电解液后，通过第二电子泵将部分电解液加入到工作液箱中，并通过加热棒给电解液加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内。

在一些示例中，在所述铝空气电池系统工作时，通过第一和第二三通阀切换到工作液箱，第一电子泵工作，使工作液箱中的电解液在电池组内循环流动，电池组开始对外放电，当工作液箱中储存的电解液达到工作寿命时，第一电子泵停止工作，电池组中的电解液回流到工作液箱，然后第五电子泵工作，第五电子泵将工作液箱中的废电解液抽到废液箱中，当工作液箱中的废电解液排空时，第五电子泵停止工作，第二电子泵工作，将电解液加入到工作液箱中，当工作液箱中的电解液达到预设体积时，第二电子泵停止工作，工作液箱中的电解液更换完毕，第一电子泵开始工作，电池组继续对外放电。

在一些示例中，其中，当工作液箱中的电解液温度高于第一预设温度时，第六电子泵和第四电子泵同时开始工作，其中，第四电子泵工作时，通过盘管完成电解液箱中电解液和工作液箱中电解液的热交换，使工作液箱中电解液温度降低，电解液箱中电解液温度升高，第六电子泵工作时，通过散热器和热交换器使工作液箱中电解液温度降低。

在一些示例中，所述铝空气电池系统停止工作时，第一电子泵停止工作，待电池组中电解液全部回流到工作液箱后，通过第一和第二三通阀切换到洗液箱，第三电子泵工作，将洗液送入电池组中，洗液在电池组内循环清洗预设时间后，第三电子泵停止工作，洗液回流至洗液箱中，预设时间为0.5min～60min。

在一些示例中，还包括：电源模块，用于铝空气电池系统启动和在所述工作液箱更换电解液时，提供所述铝空气电池系统所需的电能。

在一些示例中，所述工作液箱还用于通过排气口排放电池组工作过程中产生的氢气，水蒸气和碱蒸气。

在一些示例中，所述预设温度范围为10℃～100℃。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的铝空气电池系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的液流循环子系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的热管理子系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的铝空气电池系统。

图1是根据本发明一个实施例的铝空气电池系统的结构示意图。如图1所示，该铝空气电池系统包括：电池组1、工作液箱2、洗液箱3、电解液箱4、废液箱5、第一和第二三通阀(具体为第一三通阀6和第二三通阀7)、盘管8、加热棒9、热交换器10、散热器11、通风风扇12、散热风扇13和第一至第六电子泵(具体为第一电子泵P1、第二电子泵P2、第三电子泵P3、第四电子泵P4、第五电子泵P5和第六电子泵P6)。

其中，电池组1、工作液箱2、洗液箱3、电解液箱4、废液箱5、第一和第二三通阀7、第一电子泵P1、第二电子泵P2、第三电子泵P3及第五电子泵P5通过管道连接构成液流循环子系统，电池组1、电解液箱4、工作液箱2、加热棒9、盘管8、热交换器10、通风风扇12、散热风扇13、散热器11、第一电子泵P1、第四电子泵P4及第六电子泵P6通过管道连接构成热管理子系统。也即是说，该铝空气电池系统主要由液流循环子系统和热管理子系统组成，从而可以实现对铝空气电池的合理液流循环和散热循环，提高了铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

通风风扇12集成在电池组1上，通过通风风扇12给电池组1提供氧气，并进行散热。

第一三通阀6和第二三通阀7分别与工作液箱2和洗液箱3连接，通过对第一三通阀6和第二三通阀7的切换对应使工作液2中电解液和洗液箱3中的洗液分别在电池组1内循环流动。

电解液箱4和废液箱5分别通过管道与工作液箱2连接。

电解液箱4中储存有电解液，通过第二电子泵P2将部分电解液(如少量电解液)加入到工作液箱2中，通过加热棒9对工作液箱2中储存的部分电解液进行加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内，当工作液箱2中储存的部分电解液达到工作寿命后，通过第五电子泵P5将废电解液抽到废液箱5中。其中，预设温度范围为10℃～100℃。电解液的工作寿命为例如为：200 Wh/L～450Wh/L。工作液箱中的电解液只有在达到工作寿命时才进行更换。

盘管8设置在电解液箱4中，盘管8通过第六电子泵P6和管道与电解液箱4连接，当工作液箱2中的部分电解液的温度高于第一预设温度时，说明此时部分电解液的温度较高，则部分电解液通过第六电子泵P6进入盘管8，然后回到电解液箱4中。通过盘管8完成电解液箱4中电解液和工作液箱2中电解液的热交换，使工作液箱2中电解液温度降低，电解液箱4中的电解液温度升高。其中，盘管8的材质可以是铁、不锈钢、镍、镍合金、钛、钛合金等。

废液箱5放置在电解液箱4内部，当电解液箱4中充满电解液时，废液箱5处于压缩(即闭合)状态，当电解液箱4排空时，废液箱5中充满废电解液，处于膨胀(即打开)状态。其中，废液箱5例如可以为一个可收缩袋子或箱子或可以压缩的容器，也可以是带密封结构的活塞或运动件，其材质可以为PE、PP、PVC、聚四氟乙烯、三元乙丙胶、橡胶等。

散热器11中的冷却液通过管道与热交换器10的冷却液进出口连接，工作液箱2中的电解液经过第一电子泵P1后通过管道与热交换器10的热液体进出口连接，冷却液通过换热器与电解液完成热交换，再经过散热器11将热量散到空气中，使电解液的温度保持在预设温度范围内。其中，冷却液可以是水、有机溶剂水溶液，特别是乙二醇水溶液、丙三醇水溶液等。

在本发明的一个实施例中，电池组1由多个单体电池串联而成，串联个数例如为18～48个，串联后的电池组1具有一个电解液进液口和一个电解液出液口，其中，电解液进液口位于电池组1的底部，电解液出液口位于电池组1的顶部。

在本发明的一个实施例中，电解液箱4中的电解液通过电解液进液口注入到电池组1中，然后经电解液出液口进入到工作液箱2中，当电池组1中有电解液循环流动时，铝空气电池系统即开始工作。电解液例如为4mol/L～8mol/L的氢氧化钾或者氢氧化钠水溶液。

在本发明的一个实施例中，该铝空气电池系统的工作过程如下：

在铝空气电池系统的初始状态下，工作液箱2、电解液箱4、废液箱5和洗液箱3中均没有液体，通过电解液加液口将电解液加入到电解液箱4中，使废液箱5处于压缩状态，通过洗液加入口将洗液加入到洗液箱3中，当电解液箱4充满电解液后，通过第二电子泵P2将部分电解液加入到工作液箱2中，并通过加热棒9给电解液加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内，即使部分电解液的温度保持在合适的温度。

在铝空气电池系统工作时，通过第一三通阀6和第二三通阀7切换到工作液箱2，第一电子泵P1工作，使工作液箱2中的电解液在电池组1内循环流动，电池组1开始对外放电，当工作液箱2中储存的电解液达到工作寿命时，第一电子泵P1停止工作，电池组1中的电解液回流到工作液箱2，然后第五电子泵P5工作，第五电子泵P5将工作液箱2中的废电解液抽到废液箱5中，当工作液箱2中的废电解液排空时，第五电子泵P5停止工作，第二电子泵P2工作，将电解液加入到工作液箱2中，当工作液箱2中的电解液达到预设体积时，第二电子泵P2停止工作，工作液箱2中的电解液更换完毕，第一电子泵P1开始工作，电池组1继续对外放电。通过上述动作完成工作液箱2中废电解液与电解液箱4中电解液的交换，最终电解液箱4中电解液全部变成废电解液进入到废液箱5中。

其中，在系统工作时，当工作液箱2中的电解液温度高于第一预设温度水，第六电子泵P6和第四电子泵P4同时开始工作，其中，第四电子泵P4工作时，通过盘管8完成电解液箱4中电解液和工作液箱2中电解液的热交换，使工作液箱2中电解液温度降低，电解液箱4中电解液温度升高，第六电子泵P6工作时，通过散热器11和热交换器10使工作液箱2中电解液温度降低。

在铝空气电池系统停止工作时，第一电子泵P1停止工作，待电池组1中电解液全部回流到工作液箱2后，通过第一和第二三通阀7切换到洗液箱3，第三电子泵P3工作，将洗液送入电池组1中，洗液在电池组1内循环清洗预设时间后，第三电子泵P3停止工作，洗液回流至洗液箱3中。其中，预设时间例如为0.5min～60min。

在本发明的一个实施例中，该铝空气电池系统电源模块。电源模块用于铝空气电池系统启动和在工作液箱2更换电解液时，提供铝空气电池系统所需的电能。换言之，即在铝空气电池系统启动，以及工作液箱2在更换电解液等情况下，电池组1不对外放电，系统所需电能由电源模块提供。电源模块例如为锂电池、铅酸电池等。

在本发明的一个实施例中，工作液箱2还用于通过排气口排放电池组1工作过程中产生的氢气，水蒸气和碱蒸气。换言之，即电池组1工作过程中产生的氢气、水蒸气和碱蒸气进入到工作液箱2中，然后通过排气口排放。

综上，根据本发明实施例的铝空气电池系统，由电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、第一电子泵、第二电子泵、第三电子泵及第五电子泵通过管道连接构成液流循环子系统，由电池组、电解液箱、工作液箱、加热棒、盘管、热交换器、通风风扇、散热风扇、散热器、第一电子泵、第四电子泵及第六电子泵通过管道连接构成热管理子系统，可以实现对铝空气电池的合理液流循环和散热循环，提高了铝空气电池的稳定性、安全性及使用寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种铝空气电池系统，其特征在于，包括：电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、盘管、加热棒、热交换器、散热器、通风风扇、散热风扇和第一至第六电子泵，其中，

所述电池组、工作液箱、洗液箱、电解液箱、废液箱、第一和第二三通阀、第一电子泵、第二电子泵、第三电子泵及第五电子泵通过管道连接构成液流循环子系统，所述电池组、电解液箱、工作液箱、加热棒、盘管、热交换器、通风风扇、散热风扇、散热器、第一电子泵、第四电子泵及第六电子泵通过管道连接构成热管理子系统，其中，

所述通风风扇集成在电池组上，通过所述通风风扇给电池组提供氧气，并进行散热；

所述第一和第二三通阀分别与工作液箱和洗液箱连接，通过对所述第一和第二三通阀的切换对应使工作液箱中电解液和洗液箱中的洗液分别在电池组内循环流动；

所述电解液箱和废液箱分别通过管道与工作液箱连接；

所述电解液箱中储存有电解液，通过第二电子泵将部分电解液加入到工作液箱中，通过加热棒对工作液箱中储存的部分电解液进行加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内，当所述工作液箱中储存的部分电解液达到工作寿命后，通过第五电子泵将废电解液抽到废液箱中；

所述盘管通过第六电子泵和管道与电解液箱连接，当工作液箱中的部分电解液温度高于第一预设温度时，所述部分电解液通过第六电子泵进入盘管，然后回到电解液箱中；

所述废液箱放置在电解液箱内部，当电解液箱中充满电解液时，废液箱处于压缩状态，当电解液箱排空时，废液箱中充满废电解液，处于膨胀状态；

所述散热器中的冷却液通过管道与热交换器的冷却液进出口连接，工作液箱中的电解液经过第一电子泵后通过管道与热交换器的热液体进出口连接，冷却液通过换热器与电解液完成热交换，再经过散热器将热量散到空气中，使电解液的温度保持在所述预设温度范围内。

2.根据权利要求1所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述电池组由多个单体电池串联而成，串联后的电池组具有一个电解液进液口和一个电解液出液口，其中，电解液进液口位于电池组底部，电解液出液口位于电池组顶部。

3.根据权利要求2所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述电解液通过电解液进液口注入到电池组中，然后经电解液出液口进入到工作液箱中，当电池组中有电解液循环流动时，铝空气电池系统即开始工作。

4.根据权利要求3所述的铝空气电池系统，其特征在于，在所述铝空气电池系统的初始状态下，所述工作液箱、电解液箱、废液箱和洗液箱中均没有液体，通过电解液加液口将电解液加入到电解液箱中，使废液箱处于压缩状态，通过洗液加入口将洗液加入到洗液箱中；当电解液箱充满电解液后，通过第二电子泵将部分电解液加入到工作液箱中，并通过加热棒给电解液加热，使部分电解液的温度保持在预设温度范围内。

5.根据权利要求4所述的铝空气电池系统，其特征在于，在所述铝空气电池系统工作时，通过第一和第二三通阀切换到工作液箱，第一电子泵工作，使工作液箱中的电解液在电池组内循环流动，电池组开始对外放电，当工作液箱中储存的电解液达到工作寿命时，第一电子泵停止工作，电池组中的电解液回流到工作液箱，然后第五电子泵工作，第五电子泵将工作液箱中的废电解液抽到废液箱中，当工作液箱中的废电解液排空时，第五电子泵停止工作，第二电子泵工作，将电解液加入到工作液箱中，当工作液箱中的电解液达到预设体积时，第二电子泵停止工作，工作液箱中的电解液更换完毕，第一电子泵开始工作，电池组继续对外放电。

6.根据权利要求5所述的铝空气电池系统，其特征在于，其中，当工作液箱中的电解液温度高于第一预设温度时，第六电子泵和第四电子泵同时开始工作，其中，第四电子泵工作时，通过盘管完成电解液箱中电解液和工作液箱中电解液的热交换，使工作液箱中电解液温度降低，电解液箱中电解液温度升高，第六电子泵工作时，通过散热器和热交换器使工作液箱中电解液温度降低。

7.根据权利要求6所述的铝空气电池系统，其特征在于，在所述铝空气电池系统停止工作时，第一电子泵停止工作，待电池组中电解液全部回流到工作液箱后，通过第一和第二三通阀切换到洗液箱，第三电子泵工作，将洗液送入电池组中，洗液在电池组内循环清洗预设时间后，第三电子泵停止工作，洗液回流至洗液箱中。

8.根据权利要求1-7任一项所述的铝空气电池系统，其特征在于，还包括：

电源模块，用于铝空气电池系统启动和在所述工作液箱更换电解液时，提供所述铝空气电池系统所需的电能。

9.根据权利要求1所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述工作液箱还用于通过排气口排放电池组工作过程中产生的氢气，水蒸气和碱蒸气。

10.根据权利要求1或4所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述预设温度范围为10℃～100℃。