CN110474134B - 一种铝空气电池单体、系统及不间断电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝空气电池单体，包括：电池外壳、铝电极、铝电极连接柱、铝电极盖板和空气电极；所述铝电极与所述铝电极连接柱连接；所述铝电极连接柱贯穿所述铝电极盖板；所述铝电极设置在所述电池外壳内部的电池腔体中；所述空气电极设置在所述电池外壳的外表面；所述电池外壳还包括了第一入孔和第一出孔，所述第一入孔设置于所述电池外壳的下部，所述第一出孔设置于所述电池外壳的上部；本发明还公开了一种铝空气电池系统及不间断电源系统；本发明通过构建铝空气电池系统，并将其运用到不间断电源系统中，以解决现有技术中的UPS系统配备铅酸蓄电池成本高的技术问题，从而通过低成本的铝空气电池替代部分铅酸蓄电池，进而实现降低运营成本。

Description

一种铝空气电池单体、系统及不间断电源系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种铝空气电池单体、系统及不间断电源系统。
背景技术
铝空气电池的优点是比能量高(锂离子电池的2～3倍)、成本低、环保、可以通过更换铝片实现机械式充电，缺点是比功率低(锂离子电池的10～30％)、启动慢。铝的价格仅为镍的七分之一，未来量产时价格较低廉。铝金属的耗用和回收再生并不是商业化的障碍，电池的产物主要是氢氧化铝，可以通过回收实现再利用。铝空气电池能量密度高、功率密度低的特点决定了其应用范围比较窄，必须找到适合铝空气电池的应用场景才有可能实现铝空气电池的产业化。国内外均有将铝空气电池应用于电动汽车的研究。但是，铝空气电池功率密度低，意味着将占用车内较多的空间。电动汽车内部的空间是很宝贵的，短期内铝空气电池应用于电动汽车还比较困难。通讯基站备用电源(不间断电源)受空间的影响较小，可以使用功率密度较低的电池，有可能是首个大规模应用铝空气电池的领域。
UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply)，即不间断电源，是将蓄电池(多为铅酸免维护蓄电池)与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断(事故停电)时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。
据统计，随着我国电网稳定性的不断提高，通讯基站停电时间绝大多数情况下在五分钟以内，超过两个小时的停电每年只会发生几次。根据《中国南方电网2016企业社会责任报告》，2016年，广州全年中心城区停电时间仅4.6小时。在通讯基站的运营中，铅酸蓄电池应付2小时以内的停电；若停电时间超过2小时，则由专人去启动柴油发电机以确保通讯基站的供电。一台柴油发电机可以为多个通讯基站供电。目前，在大多数地区，每个通讯基站按其2个小时的耗电量(6～8度电)配备铅酸蓄电池。因此，铅酸蓄电池数量较多，通讯基站备用电源的维护工作量较大。而实际上，超过3/4的铅酸蓄电池每年实际使用的次数仅为一两次。频繁的维护工作显得效益不高。
目前，国内已有研究人员将质子交换膜燃料电池应用于通讯基站备用电源。铝空气电池也是一种燃料电池。燃料电池普遍存在响应速度慢的缺点，若UPS单独使用铝空气电池，将无法匹配设备的实际工况，无法应付短时间(比如几秒钟)的停电。
可见，现有技术中的UPS系统配备铅酸蓄电池具有成本高的缺点。
发明内容
本发明提供了一种铝空气电池单体、系统及不间断电源系统，通过构建铝空气电池系统，并将其运用到不间断电源系统中，以解决现有技术中的UPS系统配备铅酸蓄电池具有成本高的技术问题，从而通过低成本的铝空气电池替代部分铅酸蓄电池，进而实现降低运营成本。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种铝空气电池单体，包括：电池外壳、铝电极、铝电极连接柱、铝电极盖板和空气电极；
所述铝电极与所述铝电极连接柱连接；所述铝电极连接柱贯穿所述铝电极盖板；所述铝电极设置在所述电池外壳内部的电池腔体中；所述空气电极设置在所述电池外壳的外表面；
所述电池外壳还包括了第一入孔和第一出孔，所述第一入孔设置于所述电池外壳的下部，所述第一出孔设置于所述电池外壳的上部。
作为优选方案，所述铝电极盖板上还设置有至少一个排气孔。
作为优选方案，所述空气电极与所述电池外壳的接触通过粘接剂密封。
本发明实施例还提供了一种铝空气电池系统，包括：如上述所述的铝空气电池单体、第一压力泵和含有电解液的电解液罐；
所述电解液罐设置有第二入孔和第二出孔；所述铝空气电池单体中的第一入孔通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，所述铝空气电池单体中的第一出孔与所述第二入孔连接。
作为优选方案，所述第二入孔设置在所述电解液罐的上部，所述第二出孔设置在所述电解液罐的中部。
作为优选方案，所述电解液为盐溶液或碱性溶液。
作为优选方案，所述铝空气电池单体的数量为1～1000个，所述铝空气电池单体之间通过所述入孔和出孔相互连接。
作为优选方案，所述铝空气电池系统还包括：第一三通阀、第二三通阀、第二压力泵和含有清洗液的清洗液罐；
所述清洗液罐设置有第三出孔和第三入孔；
所述第一三通阀的第一端与所述第一入孔连接，第二端通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，第三端与所述第三入孔连接；
所述第二三通阀的第一端与所述第一出孔连接，第二端与所述第二入孔连接，第三端通过所述第二压力泵与所述第三出孔连接。
本发明实施例还提供了一种不间断电源系统，包括：如上述任一项所述的铝空气电池系统、充电器、铅酸蓄电池、整流器、滤波电路、逆变器和开关；
所述铝空气电池系统与所述充电器电连接，所述整流器与所述充电器电连接，所述充电器、所述铅酸蓄电池与所述逆变器依次电连接；所述滤波电路的一端与外置电源输入端电连接，另一端与所述整流器电连接；所述开关的一端与外置电源输出端电连接，另一端与所述逆变器电连接；所述整流器与所述逆变器电连接。
作为优选方案，所述铅酸蓄电池替换为锂离子电池或镍氢电池。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明通过构建铝空气电池系统，并将其运用到不间断电源系统中，以解决现有技术中的UPS系统配备铅酸蓄电池具有成本高的技术问题，从而通过低成本的铝空气电池替代部分铅酸蓄电池，进而实现降低运营成本。
附图说明
图1：为本发明实施例中的铝空气电池单体的剖视图；
图2：为本发明实施例中的铝空气电池单体的左视图；
图3：为本发明实施例中的铝空气电池单体的俯视图；
图4：为本发明实施例中的铝空气电池系统的结构示意图；
图5：为本发明实施例中的不间断电源系统的结构示意图；
图6：为本发明实施例中的铝空气电池的I-V及I-P性能测试曲线图；
图7：为本发明实施例中的不间断电源系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
请参照图1，本发明优选实施例提供了一种铝空气电池单体，包括：电池外壳、铝电极、铝电极连接柱、铝电极盖板和空气电极；
所述铝电极与所述铝电极连接柱连接；所述铝电极连接柱贯穿所述铝电极盖板；所述铝电极设置在所述电池外壳内部的电池腔体中；所述空气电极设置在所述电池外壳的外表面；
所述电池外壳还包括了第一入孔和第一出孔，所述第一入孔设置于所述电池外壳的下部，所述第一出孔设置于所述电池外壳的上部。
在本实施例中，所述铝电极盖板上还设置有至少一个排气孔。
在本实施例中，所述空气电极与所述电池外壳的接触通过粘接剂密封。
本发明实施例还提供了一种铝空气电池系统，包括：如上述所述的铝空气电池单体、第一压力泵和含有电解液的电解液罐；
所述电解液罐设置有第二入孔和第二出孔；所述铝空气电池单体中的第一入孔通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，所述铝空气电池单体中的第一出孔与所述第二入孔连接。
在本实施例中，所述第二入孔设置在所述电解液罐的上部，所述第二出孔设置在所述电解液罐的中部。
在本实施例中，所述电解液为盐溶液或碱性溶液。
在本实施例中，所述铝空气电池单体的数量为1～1000个，所述铝空气电池单体之间通过所述入孔和出孔相互连接。
在本实施例中，所述铝空气电池系统还包括：第一三通阀、第二三通阀、第二压力泵和含有清洗液的清洗液罐；
所述清洗液罐设置有第三出孔和第三入孔；
所述第一三通阀的第一端与所述第一入孔连接，第二端通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，第三端与所述第三入孔连接；
所述第二三通阀的第一端与所述第一出孔连接，第二端与所述第二入孔连接，第三端通过所述第二压力泵与所述第三出孔连接。
本发明实施例还提供了一种不间断电源系统，包括：如上述任一项所述的铝空气电池系统、充电器、铅酸蓄电池、整流器、滤波电路、逆变器和开关；
所述铝空气电池系统与所述充电器电连接，所述整流器与所述充电器电连接，所述充电器、所述铅酸蓄电池与所述逆变器依次电连接；所述滤波电路的一端与外置电源输入端电连接，另一端与所述整流器电连接；所述开关的一端与外置电源输出端电连接，另一端与所述逆变器电连接；所述整流器与所述逆变器电连接。
在本实施例中，所述铅酸蓄电池替换为锂离子电池或镍氢电池。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
一种配备铝空气电池的不间断电源，如图5所示，包括滤波电路、整流器、逆变器、开关、充电器、铝空气电池系统、铅酸蓄电池；所述铝空气电池系统，如图4所示，包括铝空气电池单体、三通阀、泵、电解液罐、清洗液罐；所述铝空气电池单体，如图1至图3所示，包括电池外壳、空气电极、电池腔体、铝电极、铝电极连接柱、铝电极盖板、排气孔。
铝空气电池系统与充电器通过电路连接，充电器与铅酸蓄电池通过电路连接，铅酸蓄电池与逆变器通过电路连接。
所述铝空气电池单体有第一入孔(即孔A)、第一出孔(即孔B)与外部管道相通，孔A位于电池单体的下部，孔B位于电池单体的上部；所述电解液罐有第二入孔(即孔C)、第二出孔(即孔D)与外部管道相通，孔C位于电解液罐的上部，孔D位于电解液罐的中部；所述清洗液罐有第三出孔(即孔E)、第三入孔(即孔F)与外部管道相通，孔E位于清洗液罐的中部，孔F位于清洗液罐的上部；所述铝空气电池单体与第一三通阀1、第二三通阀2通过管道连接；三通阀1与泵1、清洗液罐、铝空气电池单体通过管道连接；三通阀2与泵2、电解液罐、铝空气电池单体通过管道连接；泵1与三通阀1、电解液罐通过管道连接；泵2与三通阀2、清洗液罐通过管道连接；电解液罐和清洗液罐位于铝空气电池单体的下方。铝空气电池工作时，A口是电池的进液口，泵将电解液从电解液罐送入到电池中，当到达指定液位之后，铝空气电池开始工作，多余的电解液从B口溢出，流回电解液罐。铝空气电池不工作时，铝片必须与电解液分离。这种设计的优点是，铝空气电池停止工作后，电解液或清洗液能顺着管道自然流回电解液罐和清洗液罐，减少额外的能量损失。反应产物(Al(OH)3)自然沉降于电解液罐底部或清洗液罐底部，不易引起管道堵塞。
当铝空气电池因为使用多年而管道堵塞时，调整三通阀1和三通阀2，使清洗液罐与铝空气电池单体通过管道联通。清洗液为酸性溶液。清洗液从电堆的B口进，A口出，目的是溶解堆积在管道内的反应产物(Al(OH)3)，中和残余的碱，恢复电池系统管道到畅通。
每个铝空气电池单体的功率为9W，参考图6，输出电压为1.5V，空气电极的功率密度为50mW cm-2，相应的，空气电极的面积为180cm2。一个2000W的铝空气电池系统内部有224个铝空气电池单体，一共7组，每组32个铝空气电池单体，每组的输出电压为48V，相应的空气电极的面积为4.03m2。
UPS的输出电压设置为48V。因为60V是安全电压，也就是说只要低于60V的电压就不需要采取额外的安全防护措施，48V电池的充电电压最高56V，已经很接近60V，即48V电池电压是安全电压下的最高电压等级了。P＝UI，相同的输出功率P下，48V电源系统工作时，电流仅为12V电源系统的1/4。热损失Q＝I2Rt，因此相应的Q只有其1/16。所以，市场上的电动汽车大多采用48V的电池系统。设计48V的铝空气电池系统，除了能满足通讯基站的备用电源的现实需要之外，还有利于日后其应用于电动汽车当中。
铝空气电池的电解液为盐溶液或碱性溶液，溶质为氯化钠或氢氧化钠，溶剂为水。
所述空气电极与电池外壳的接触部用耐酸碱的粘接剂密封；铝电极连接柱与电池腔体内的铝电极和外部电路连接；铝电极连接柱贯穿铝电极盖板；铝电极盖板上有排气孔。排气孔排出电化学反应过程中产生的气体，主要是氢气。
实施例1的配备铝空气电池的在线式UPS的工作流程图如图7所示。市电正常时，市电经过整流、滤波后为负载供电。市电停止时，铅酸蓄电池为负载供电。计时器从停电开始时启动。如果停电时间不超过25分钟，铝空气电池不启动。如果停电时间超过25分钟，启动铝空气电池系统，铝空气电池系统为负载供电，铅酸蓄电池暂停为负载供电。当市电恢复正常，铝空气电池停止为负载供电，电解液流回电解液罐，市电为负载供电，同时，市电为铅酸蓄电池充电。铅酸蓄电池不用时处于浮充状态。
实施例2
主要内容与实施例1相同，不同之处在于，在实施例1的基础上，将铅酸蓄电池改为锂离子电池，铝空气电池单体的数量为1个。
实施例3
主要内容与实施例1相同，不同之处在于，在实施例1的基础上，将铅酸蓄电池改为镍氢电池，铝空气电池单体的数量为1000个。
本发明与现有技术相比，优点在于：
1.配备铝空气电池的在线式UPS比常规在线式UPS使用成本更低。铝空气电池空气电极的使用时间越长，电池的经济性越好。
2.独特的电池系统结构设计使铝空气电池停止工作后，电解液或清洗液能顺着管道自然流回电解液罐和清洗液罐，减少额外的能量损失。反应产物(Al(OH)3)自然沉降于电解液罐底部或清洗液罐底部，不易引起管道堵塞。
3.用铝空气电池替代部分铅酸蓄电池可以减少铅酸蓄电池带来的环境污染。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铝空气电池系统，其特征在于，包括：铝空气电池单体、第一压力泵和含有电解液的电解液罐；
所述电解液罐设置有第二入孔和第二出孔；所述铝空气电池单体中的第一入孔通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，所述铝空气电池单体中的第一出孔与所述第二入孔连接；
还包括：第一三通阀、第二三通阀、第二压力泵和含有清洗液的清洗液罐；
所述清洗液罐设置有第三出孔和第三入孔；
所述第一三通阀的第一端与所述第一入孔连接，第二端通过所述第一压力泵与所述第二出孔连接，第三端与所述第三入孔连接；
所述第二三通阀的第一端与所述第一出孔连接，第二端与所述第二入孔连接，第三端通过所述第二压力泵与所述第三出孔连接；
所述铝空气电池单体包括：电池外壳、铝电极、铝电极连接柱、铝电极盖板和空气电极；所述铝电极与所述铝电极连接柱连接；所述铝电极连接柱贯穿所述铝电极盖板；所述铝电极设置在所述电池外壳内部的电池腔体中；所述空气电极设置在所述电池外壳的外表面；所述电池外壳还包括了第一入孔和第一出孔，所述第一入孔设置于所述电池外壳的下部，所述第一出孔设置于所述电池外壳的上部；
所述铝电极盖板上还设置有至少一个排气孔；
所述空气电极与所述电池外壳的接触通过粘接剂密封。
2.如权利要求1所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述第二入孔设置在所述电解液罐的上部，所述第二出孔设置在所述电解液罐的中部。
3.如权利要求1所述的铝空气电池系统，其特征在于，所述电解液为盐溶液。
4.一种不间断电源系统，其特征在于，包括：如权利要求1至权利要求3中任一项所述的铝空气电池系统、充电器、铅酸蓄电池、整流器、滤波电路、逆变器和开关；
所述铝空气电池系统与所述充电器电连接，所述整流器与所述充电器电连接，所述充电器、所述铅酸蓄电池与所述逆变器依次电连接；所述滤波电路的一端与外置电源输入端电连接，另一端与所述整流器电连接；所述开关的一端与外置电源输出端电连接，另一端与所述逆变器电连接；所述整流器与所述逆变器电连接。
5.如权利要求4所述的不间断电源系统，其特征在于，所述铅酸蓄电池替换为锂离子电池或镍氢电池。
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