CN111430848A - 自分离反应产物的铝空气电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自分离反应产物的铝空气电池系统，包括电解液箱、旋流器和电池堆，电解液箱通过管道与旋流器的入口相连，电解液箱与旋流器之间的管道上设有循环泵，旋流器的顶部溢流口通过管道与电池堆相连，电池堆通过管道与电解液箱相连，旋流器的下方设置有过滤回收装置。本发明的自分离反应产物的铝空气电池系统通过旋流器将反应产生的反应产物与电解液分离，降低电解液中不溶的Al(OH)3含量，改善空气电极性能保持性，增强系统的反应效率，使系统长期处于高效率运行状态；并将分离出的反应产物中携带的部分电解液过滤后回收利用，继续参加化学反应，实现电解液的循环利用，进一步保证电池系统长期处于高效率运行状态。

Description

自分离反应产物的铝空气电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更为具体来说，本发明涉及一种自分离反应产物的铝空气电池系统。
背景技术
铝空气燃料电池是铝和空气在电解质的参与下进行化学反应而发电的化学电源，在发电的过程中消耗铝和氧气。铝空气电池的电解质可以是中性的也可以碱性的，其中，碱性电解质使用较多。常用的碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钾等。碱性电解质中铝空气电池的反应产物为Al(OH)3。
Al(OH)3不溶于水，因此随着铝空气电池发电的进行，电解液产物越来越多，对于电解液循环式铝空气电池系统，微小的反应产物Al(OH)3颗粒随着电解液溶液一起循环。由于Al(OH)3在电解质中不是以溶解状态存在，而是固体状态，当其流经电池单体时，微小Al(OH)3颗粒会粘附在电极上，从而降低系统的发电效率，降低系统的输出功率。
另外，随着反应的进行、铝阳极的消耗，电解液中的产物越来越多，电解液的电导率越来越低，系统的发电能力越来越低。随着电解质液体中反应产物的增加，相应地反应物质在逐渐减少，铝阳极与反应物接触的概率越来越小，导致系统效率越来越低。为保持系统的效率，现有技术是间隔更换整体电堆，废弃反应后的电解液，更换新的电解液。这种方式不适合经常使用的场合，如汽车使用等。
因此，解决铝空气电池系统反应产物的处理问题，从而改善空气电极性能保持性，改善系统的反应效率，使系统能长期高效率运行，成为本领域重点关注且亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决现有铝空气电池系统中处理反应产物的效率低、空气点击性能保持性低、系统运行效率低等问题，本发明创新地提供了一种自分离反应产物的铝空气电池系统，该自分离反应产物的铝空气电池系统能将反应产生的反应产物与电解液分离，降低电解液中不溶的Al(OH)3含量，改善空气电极性能保持性，增强系统的反应效率，使系统长期处于高效率运行状态。同时为进一步回收利用铝空气电池反应产物创造条件，将分离出的反应产物中携带的部分电解液回收利用，继续参加化学反应，节约资源。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种自分离反应产物的铝空气电池系统，包括：电解液箱、旋流器和电池堆，所述电解液箱通过管道与所述旋流器的入口相连，所述电解液箱与所述旋流器之间的管道上设有循环泵，所述旋流器的顶部溢流口通过管道与所述电池堆相连，所述电池堆通过管道与所述电解液箱相连，所述旋流器的下方设置有过滤回收装置。
进一步地，所述过滤回收装置包括固定槽和过滤网，所述过滤网固定在所述固定槽中，所述过滤网将所述固定槽分隔成上下两层，所述固定槽的底部设有通孔，所述固定槽通过所述通孔与排液管连接。
进一步地，所述固定槽的上层可拆卸连接有第一反应物收集网。
进一步地，所述排液管与所述电解液箱连接，所述排液管上设有液体泵。
进一步地，所述固定槽的下层安装有液位传感器，所述液位传感器与控制器通信连接，所述控制器与所述液体泵通信连接。
进一步地，所述过滤回收装置包括L型过滤层，所述L型过滤层固定在所述电解液箱的侧壁上，所述L型过滤层与所述电解液箱的侧壁围成U型槽。
进一步地，所述L型过滤层与所述电解液箱的侧壁围成的U型槽内可拆卸连接有第二反应物收集网。
进一步地，所述L型过滤层的底部和侧部均设有过滤孔，所述L型过滤层底部过滤孔的孔径相同，所述L型过滤层侧部过滤孔的孔径从下到上逐渐增大。
进一步地，所述电池堆和所述电解液箱之间还设置有散热器，所述电池堆通过管道与所述散热器相连，所述散热器通过管道与所述电解液箱相连，所述散热器的下方还设有多个散热风扇。
进一步地，所述旋流器包括圆柱段和所述圆柱段底部连接的一个或多个圆台段，所述多个圆台段沿轴向依次连接。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的自分离反应产物的铝空气电池系统通过旋流器将反应产生的反应产物与电解液分离，降低电解液中不溶的Al(OH)3含量，改善空气电极性能保持性，增强系统的反应效率，使系统长期处于高效率运行状态，同时为进一步回收利用铝空气电池反应产物创造条件。
(2)本发明提供的自分离反应产物的铝空气电池系统将分离出的反应产物中携带的部分电解液过滤后回收利用，继续参加化学反应，实现电解液的循环利用，进一步保证电池系统长期处于高效率运行状态。
附图说明
图1为实施例一的自分离反应产物的铝空气电池系统的结构示意图。
图2为实施例二的自分离反应产物的铝空气电池系统的结构示意图。
图3为实施例三的自分离反应产物的铝空气电池系统的结构示意图。
图4为旋流器的结构示意图。
图中，
1、电解液箱；2、旋流器；3、电池堆；4、散热器；5、循环泵；6、过滤回收装置；7、第一反应物收集网；8、第二反应物收集网；9、排液管；10、排液阀；11、液体泵；12、散热风扇；21、圆柱段；22、第一圆台段；23、第二圆台段；61、固定槽；62、过滤网；63、L型过滤层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的自分离反应产物的铝空气电池系统进行详细的解释和说明。
如图1～3所示，本实施例具体公开了一种自分离反应产物的铝空气电池系统，包括：电解液箱1、旋流器2和电池堆3，电解液箱1通过管道与旋流器2的入口相连，电解液箱1与旋流器2之间的管道上设有循环泵5，旋流器2的顶部溢流口通过管道与电池堆3相连，电池堆3通过管道与电解液箱1相连，电解液箱1、旋流器2和电池堆3形成循环系统，旋流器2的下方设置有过滤回收装置6。
电池堆3和电解液箱1之间还设置有散热器4，电池堆3通过管道与散热器4相连，散热器4通过管道与电解液箱1相连，散热器4的下方还设有多个散热风扇12，增强散热效果。
旋流器2的工作原理为：将具有一定密度差的固液、固气、液液、液气等两相或多项混合物以一定的压力或初速度由切线方向或渐开线方向给入旋流器，流体在旋流器内部作高速旋转运动，流体粗相在离心力的作用下，在旋转运动的同时向下、向外运动，最终形成外旋流，外旋流以底流的形式从底流口排出；而密度或直径较小的组分轻相在旋转运动的同时向内、向上运移，最终形成内旋流，内旋流以溢流的形式经顶部溢流口排出，从而完成分离任务。
本实施例在铝空气电池电解液循环系统中，设置旋流器2以分离电解液中的固态Al(OH)3。系统工作时，循环泵5将电解液从电解液箱1吸出，电解液经管道经旋流器2的入口而进入旋流器2内，电解液由切线方向或渐开线方向等给入旋流器2，电解液在旋流器2内部作高速旋转运动，电解液在运动过程中产生很强的离心力场，使电解液中的反应产物Al(OH)3在离心力的作用下，在旋转运动的同时向下、向外运动，最终形成外旋流，外旋流以底流的形式从旋流器2的底流口排出，即反应产物Al(OH)3和部分电解液从旋流器2的底流口排出，过滤回收装置6将底流中的产物Al(OH)3和电解液分离，分离出的Al(OH)3收集利用，分离出的电解液可以直接排出，也可以循环回电解液箱1中实现循环利用，再次参与化学反应；而液体旋转运动的同时向内、向上运移，最终形成内旋流，电解液内旋流以溢流的形式经旋流器2的顶部溢流口排出，从而完成分离任务。图中箭头所示方向为电解液流动方向。电解液经旋流器2分离得到电解反应产物Al(OH)3固体和含少量Al(OH)3的低浓度电解液，低浓度电解液经旋流器2的顶部溢流口和管道进入电池堆3，在电池堆3里，低浓度电解液参与发电化学反应，在电解液流经电池堆3的过程中，电解液中的Al(OH)3浓度逐渐升高，直到电池堆3出口，电解液成为较高浓度Al(OH)3的电解液，较高浓度Al(OH)3的电解液经管道被排放到电解液箱1中。电解液箱1中的较高浓度Al(OH)3的电解液由循环泵5经管道输送到旋流器2的入口，经入口进入旋流器2，较高浓度Al(OH)3的电解液在旋流器2的固液相被分离，这样周而复始地循环，既获得了反应产物，又保证了参与反应的电解液的“清洁”，使铝空气电池系统高效发电。
电解液中的反应产物Al(OH)3在旋流器2分离后经底流口排到过滤回收装置6中，经旋流器2分离出来的Al(OH)3固体还含有一定电解液，这部分电解液和Al(OH)3在过滤回收装置6进一步进行过滤。
实施例一：如图1所示，过滤回收装置6包括固定槽61和过滤网62，过滤网62固定在固定槽61中，过滤网62将固定槽61分隔成上下两层，固定槽6的上层可拆卸连接有第一反应物收集网7，固定槽61的底部设有通孔，固定槽61通过通孔与排液管9连接，排液管9上连接有排液阀10。
过滤回收装置6位于旋流器2的下方，并确保旋流器的底流Al(OH)3落入过滤回收装置6内，该底流含有少量的电解液。旋流器2排出的Al(OH)3落入第一反应物收集网7内，在重力作用下，底流Al(OH)3携带的水或电解液经过滤网62进一步被过滤；系统无论是在发电中，还是处于停机状态，该过滤作用都持续进行，所以最后得到的是几乎不含电解液的Al(OH)3，可以定期取走盛有反应产物Al(OH)3的第一反应物收集网7，以回收Al(OH)3。
固定槽61的下层为电解液收纳容层，通过排液管9上的排液阀10定期排出固定槽6的电解液，以保证得到无液体反应产物Al(OH)3。
实施例二：如图2所示，过滤回收装置6包括固定槽61和过滤网62，过滤网62固定在固定槽61中，过滤网62将固定槽61分隔成上下两层，固定槽6的上层可拆卸连接有第一反应物收集网7，固定槽61的底部设有通孔，固定槽61通过通孔与排液管9连接，排液管9与电解液箱1连接，排液管9上设有液体泵11。过滤回收装置6回收到的电解液由液体泵11泵回电解液箱1中，这样可减少电解液的损失，实现电解液的循环利用。液体泵11可以采用周期性的间歇工作模式。
在一些实施例中，固定槽61的下层安装有液位传感器，液位传感器与控制器通信连接，控制器与液体泵11通信连接。当液位传感器感应到固定槽61下层的电解液液位达到液位传感器处时，液位传感器将信号传输给控制器，控制器控制液体泵11工作，将过滤回收装置6回收到的电解液泵回电解液箱1中。
优选地，固定槽61的横截面为方形或者圆形。
实施例三：如图3所示，过滤回收装置6包括L型过滤层63，L型过滤层63固定在电解液箱1的侧壁上，L型过滤层63与电解液箱1的侧壁围成U型槽。L型过滤层63与电解液箱1的侧壁围成的U型槽内可拆卸连接有第二反应物收集网8。
本实施例电解液箱1位于旋流器2的下方，并确保分离出来的反应产物落入L型过滤层63中；电解液箱1分为两部分，一部分用来过滤和盛装分离的反应产物，一部分用来装电解液，过滤盛装反应产物部分位于电解液箱1的上部，即过滤回收装置6位于电解液箱1的上部，保证电解液始终位于过滤回收装置6的下方，不会淹没过滤后的反应产物。
与散热器4连接的管道插入电解液箱1中，并避开过滤回收装置6，使电解液直接排放到电解液箱1内，液体泵11通过管道与旋流器2的入口相连，液体泵11吸取电解液箱1内的电解液，与旋流器2连接的管道插入电解液箱1中，并避开过滤回收装置6。
在一些实施例中，循环泵5为潜水泵，循环泵5置于电解液箱1内的电解液中。
L型过滤层63的底部和侧部均设有过滤孔，L型过滤层63底部过滤孔的孔径相同，L型过滤层63侧部过滤孔的孔径从下到上逐渐增大，保证反应产物收集槽的过滤效果。L型过滤层63底部过滤孔大小一致，L型过滤层63侧部过滤孔从下到上孔径逐渐增大，这样可以加大液体的过滤。尤其当底部有一定反应产物后，通过底部过滤的能力会下降，并随着产物的堆积，过滤能力就会越来越小，这时侧部的过滤孔就逐渐起主导作用。
旋流器2包括圆柱段21和圆柱段21底部连接的一个或多个圆台段，多个圆台段沿轴向依次连接。即旋流器2可以是两段式的，仅由圆柱段和圆柱段底部连接的一个圆台段构成；旋流器2也可以是多段式的，由圆柱段和两个以上不同锥角的圆台段构成，圆柱段与大锥角圆台段相接，最小锥角的圆台段与底流口相接。如图4所示，旋流器2由圆柱段21、第一圆台段22和第二圆台段23构成，第二圆台段23的锥角小于第一圆台段22的锥角。
本发明的自分离反应产物的铝空气电池系统可以分离粒径为几十纳米到微米甚至更大粒径的反应产物，保持电解液的有效性，保持铝空气燃料电池系统长时间高效发电。本发明的系统同样也适用于锌空气电池、镁空气电池等金属燃料电池。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“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必须针对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至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，包括：电解液箱(1)、旋流器(2)和电池堆(3)，所述电解液箱(1)通过管道与所述旋流器(2)的入口相连，所述电解液箱(1)与所述旋流器(2)之间的管道上设有循环泵(5)，所述旋流器(2)的顶部溢流口通过管道与所述电池堆(3)相连，所述电池堆(3)通过管道与所述电解液箱(1)相连，所述旋流器(2)的下方设置有过滤回收装置(6)。
2.根据权利要求1所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述过滤回收装置(6)包括固定槽(61)和过滤网(62)，所述过滤网(62)固定在所述固定槽(61)中，所述过滤网(62)将所述固定槽(61)分隔成上下两层，所述固定槽(61)的底部设有通孔，所述固定槽(61)通过所述通孔与排液管(9)连接。
3.根据权利要求2所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述固定槽(61)的上层可拆卸连接有第一反应物收集网(7)。
4.根据权利要求2或3所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述排液管(9)与所述电解液箱(1)连接，所述排液管(9)上设有液体泵(11)。
5.根据权利要求4所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述固定槽(61)的下层安装有液位传感器，所述液位传感器与控制器通信连接，所述控制器与所述液体泵(11)通信连接。
6.根据权利要求1所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述过滤回收装置(6)包括L型过滤层(63)，所述L型过滤层(63)固定在所述电解液箱(1)的侧壁上，所述L型过滤层(63)与所述电解液箱(1)的侧壁围成U型槽。
7.根据权利要求6所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述L型过滤层(63)与所述电解液箱(1)的侧壁围成的U型槽内可拆卸连接有第二反应物收集网(8)。
8.根据权利要求6或7所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述L型过滤层(63)的底部和侧部均设有过滤孔，所述L型过滤层(63)底部过滤孔的孔径相同，所述L型过滤层(63)侧部过滤孔的孔径从下到上逐渐增大。
9.根据权利要求1所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述电池堆(3)和所述电解液箱(1)之间还设置有散热器(4)，所述电池堆(3)通过管道与所述散热器(4)相连，所述散热器(4)通过管道与所述电解液箱(1)相连，所述散热器(4)的下方还设有多个散热风扇(12)。
10.根据权利要求1所述的自分离反应产物的铝空气电池系统，其特征在于，所述旋流器(2)包括圆柱段和所述圆柱段底部连接的一个或多个圆台段，所述多个圆台段沿轴向依次连接。
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