CN112201817A - 低温环境下启动的金属空气燃料电池系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统及运行方法，该系统包括：化学反应循环系统，包括水箱，用于存储电解液；太阳能加热循环系统，包括太阳能集热器、换热器、循环泵；太阳能集热器的入口端通过第一管路连通于换热器的出口端，循环泵位于第一管路上；太阳能集热器的出口端通过第二管路连通于换热器的入口端；其中，换热器安装于水箱中；冷却散热循环系统，包括散热泵、散热器、散热风扇；散热器的入口端通过第三管路连通于水箱的第二出口端，散热泵位于第三管路上；散热器的出口端通过第四管路连通于水箱的第二入口端。该系统保障了电池在低温环境下正常循环放电，提高了电池的稳定性、安全性、可靠性及使用寿命。

Description

低温环境下启动的金属空气燃料电池系统及运行方法
技术领域
本公开涉及金属空气燃料电池技术领域，具体涉及一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统及运行方法。
背景技术
金属空气燃料电池是一种以空气中的氧气为正极，以铝、镁、锌、锂、钠或者多元合金为负极，以中性或者碱性水溶液为电解质的金属空气燃料电池。金属空气燃料电池是一种化学电源，在运行过程中通过消耗金属铝、镁、锌、锂、钠或者多元合金与空气中的氧气发生化学反应产生电能对外输出。金属空气燃料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，非常适合作为应急备用电源及通讯基站电源。
但是，金属空气燃料电池在低温环境下放电性能差阻碍了其在应急备用电源上的推广和应用。由于金属空气燃料电池采用水系电解液，在低温环境下，电解液的电导率及反应活性低，电池在放电过程中存在一个缓慢的电解液反应加热过程，达到一定温度区间才能正常输出运行，反应时间较长，电池无法快速反应，而作为备用电源需要及时响应，瞬时输出功率。因此，目前亟需一种在低温环境下具备良好的功率输出稳定性及可靠性的金属空气燃料电池能够实时响应快速启动，以满足现有备用电源需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对以上技术问题，本公开的主要目的在于提供一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，用于解决上述技术问题的至少之一。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本公开提供了一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，包括：
化学反应循环系统，包括水箱，用于存储电解液；
太阳能加热循环系统，包括太阳能集热器、换热器、循环泵；太阳能集热器的入口端通过第一管路连通于换热器的出口端，循环泵位于第一管路上；太阳能集热器的出口端通过第二管路连通于换热器的入口端；其中，换热器安装于水箱中；
冷却散热循环系统，包括散热泵、散热器、散热风扇；散热器的入口端通过第三管路连通于水箱的第二出口端，散热泵位于第三管路上；散热器的出口端通过第四管路连通于水箱的第二入口端。
可选地，换热器的入口端及出口端位于水箱的一侧。
可选地，该太阳能加热循环系统还包括：单向阀，其位于太阳能集热器的出口端与换热器的入口端之间的第二管路上。
可选地，该冷却散热循环系统还包括：第二温度传感器，其位于散热器的出口端与水箱的第二入口端之间的第四管路上。
可选地，该金属空气燃料电池系统还包括：第一温度传感器，其位于水箱中，用于检测电解液的温度变化。
可选地，散热风扇安装于散热器中，用于循环冷却从水箱中经散热泵泵入散热器中的电解液。
可选地，该化学反应循环系统还包括：第一电堆、第二电堆、进液泵、进液管、回液管；第一电堆和第二电堆的入口端通过进液管连通于水箱的第一出口端，进液泵位于进液管上；第一电堆和第二电堆的出口端通过回液管连通于水箱的第一入口端。
可选地，该金属空气燃料电池系统还包括：加热器，加热器设置在水箱的底部。
可选地，该金属空气燃料电池系统还包括：液位计，液位计内置浮球；液位计位于水箱中。
本公开另一方面提供一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统的运行方法，包括：
S1、当水箱中电解液的温度低于反应温度时，启动太阳能加热循环系统，将太阳能集热器中的热水经换热器换热后对水箱中的电解液进行加热，当水箱中的第一温度传感器检测到电解液的温度达到反应温度时，停止循环泵的工作；
S2、启动进液泵，将水箱中达到反应温度的电解液经进液管泵入第一电堆和第二电堆中进行电化学反应循环，产生电能对外输出；
S3、在电化学反应的过程中，当第一温度传感器检测到电解液的温度高于反应温度时，启动散热泵，将水箱中高于反应温度的电解液泵入散热器中，通过散热风扇进行风冷散热，然后回流到水箱中进行冷却循环，经过风冷后将达到反应温度的电解液通过进液泵泵入化学反应循环系统进行反应循环；
S4、结束电化学反应，停止散热泵和进液泵的工作，关闭金属空气燃料电池系统。
(三)有益效果
本公开提供的一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，有益效果为：
(1)该金属空气燃料电池系统实现了金属空气燃料电池在低温环境下对电解液的温度调节控制，使电解液可以长期保持在反应温度区间内，保障电池在低温环境下正常循环放电，不受外界低温环境影响，提高了金属空气燃料电池的稳定性、安全性、可靠性及电池寿命。
(2)该金属空气燃料电池系统能够同时保证多个电堆正常循环放电，提高了金属空气燃料电池对外的供电能力。
(3)该金属空气燃料电池系统设置了加热器，当太阳能加热循环系统工作异常时，可采用加热器对水箱中的电解液加热，使水箱中的电解液升温并保持在反应温度区间，保障了金属空气燃料电池系统在低温环境下可以正常加热，提高了电池系统的可靠性好。
(4)该金属空气燃料电池系统设置了液位计，用于监测水箱内电解液的容量变化。当电解液容量低于设定安全值，电池系统停止工作，提示需要添加电解液，防止水箱内的电加热器干烧，导致水箱内电气件损坏。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例中提出的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统的结构图。
图2示意性示出了本公开实施例中提出的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统运行方法的流程图。
附图标记说明
1 水箱
2 太阳能集热器
3 散热器
4 第一电堆
5 第二电堆
6 散热泵
7 进液泵
8 循环泵
9 换热器
10 加热器
11 液位计
12 单向阀
13 进液管
14 回液管
15 散热风扇
16 第一温度传感器
17 第二温度传感器
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体细节，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1示意性示出了本公开实施例中提出的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统的结构图。
如图1所示，本公开提供一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，例如可以包括：化学反应循环系统，包括水箱1，用于存储电解液；太阳能加热循环系统，包括太阳能集热器2、换热器9、循环泵8；太阳能集热器2的入口端通过第一管路连通于换热器9的出口端，循环泵8位于第一管路上；太阳能集热器2的出口端通过第二管路连通于换热器9的入口端；其中，换热器9安装于水箱1中；冷却散热循环系统，包括散热泵6、散热器3、散热风扇15；散热器3的入口端通过第三管路连通于水箱1的第二出口端，散热泵6位于第三管路上；散热器3的出口端通过第四管路连通于水箱1的第二入口端。
进一步地，该化学反应循环系统还包括：第一电堆4、第二电堆5、进液泵7、进液管13、回液管14；第一电堆4和第二电堆5的入口端通过进液管13连通于水箱1的第一出口端，进液泵7位于进液管13上；第一电堆4和第二电堆5的出口端通过回液管14连通于水箱1的第一入口端。
请继续参照图1所示，在本公开实施例中，第一电堆4和第二电堆5内分别设有正极和阳极(图中未示出)，正极为多孔性氧电极，阳极可选用活泼固体金属，例如可以是铝、镁、锌、锂、钠或者多元合金中的一种。第一电堆4和第二电堆5为金属空气燃料电池的电化学反应过程提供反应场所，可分别进行电化学反应产生电能对外输出(图中未示出)。在一些实施方式中，也可设置两个以上的电堆，通过管路连通于水箱1。通过设置多个电堆可实现多个电堆同时正常循环放电，提高了金属空气燃料电池对外的供电能力和供电效率。
进一步地，在本公开实施例中，该金属空气燃料电池系统还包括第一温度传感器16，其位于水箱1中，用于检测电解液的温度变化。
在本公开实施例中，水箱1中的电解液通过进液泵7经进液管13分别泵入第一电堆4和第二电堆5中进行电化学反应循环，通过回液管14回流到水箱1中，形成化学反应循环系统。其中，化学反应循环系统的工作条件是：水箱1中电解液的温度满足电化学反应的反应温度条件(例如反应温度条件为20～50℃，当电解液的温度达到此温度条件时，化学反应循环系统才会启动工作。对于不同的金属空气燃料电池，其具有不同的反应温度条件，此时电解液的温度需相应地满足该反应温度条件，以使化学反应循环系统能够正常启动)，这样设置可以避免由于电解液温度过低而影响金属空气燃料电池的正常启动，导致金属空气燃料电池启动响应延迟及输出功率不够。
在本公开实施例中，太阳能加热循环系统包括太阳能集热器2、换热器9、循环泵8。其中，太阳能集热器2可置于金属空气燃料电池系统的外部，也可以设置在金属空气燃料电池系统的内部(例如通过集成的方式使得太阳能集热器2小型化，然后置于金属空气燃料电池系统内部)。太阳能集热器2的入口端通过第一管路连通于换热器9的出口端，循环泵8位于第一管路上；太阳能集热器2的出口端通过第二管路连通于换热器9的入口端；其中，换热器9安装于水箱中。进一步地，换热器9的入口端及出口端位于水箱1的一侧，以便与循环泵8及第一管路连通。由于换热器9需要长期浸泡在水箱1内的电解液(中性或者碱性水溶液)中，所以换热器9需采用耐腐蚀性的材质制备，例如不锈钢316。
进一步地，在本公开一些实施方式中，该太阳能加热循环系统还包括单向阀12，其位于太阳能集热器2的出口端与换热器9的入口端之间的第二管路上。通过设置该单向阀12，可防止太阳能加热循环系统在运行的过程中第二管路中的液体返流至太阳能集热器2中，保障了太阳能加热循环系统运行的稳定性。
其中，太阳能加热循环系统的工作过程是：在低温环境下，当水箱1中电解液的温度(例如-10℃)低于发生化学反应的反应温度区间(例如20～50℃)时，启动太阳能集热器2，将太阳能集热器2中的热水通过换热器9循环换热后对水箱1中的电解液进行加热，使水箱1中电解液的温度升温至化学反应的反应温度。当水箱1中的第一温度传感器16检测到电解液的温度达到反应温度后，停止循环泵8的工作。当水箱1中电解液的温度低于反应温度时，太阳能集热器2就会启动，这样可以保障金属空气燃料电池系统在非工作状态下时电解液也依然能保持在一个较高的启动温度区间。当金属空气燃料电池循环系统启动的时候，不会因为电解液温度过低而影响金属空气燃料电池的正常启动，出现金属空气燃料电池启动响应延迟及输出功率不够的现象。
在本公开实施例中，冷却散热循环系统包括散热泵6、散热器3、散热风扇15。其中，散热器3可安装于金属空气燃料电池系统的外部或者内部。散热器3的入口端通过第三管路连通于水箱1的第二出口端，散热泵6位于第三管路上；散热器3的出口端通过第四管路连通于水箱1的第二入口端。
进一步地，散热风扇15安装于散热器3中，用于循环冷却从水箱1中经散热泵6泵入散热器3中的电解液。
进一步地，冷却散热循环系统还包括第二温度传感器17，其位于散热器3的出口端与水箱1的第二入口端之间的第四管路上，用于检测第四管路中经散热风扇15冷却后的电解液的回液温度。通过检测得到第一温度传感器16和第二温度传感器17的温度差，通过该温度差值与反应温度区间的差距来调控散热风扇15的风速，具体过程是，当水箱1内的电解液在一个较高或较低的温度区间时，通过水箱1中的第一温度传感器16和位于散热器3的出口端与水箱1的第二入口端之间的第四管路上的第二温度传感器17检测得到的温度差值与反应温度区间的差距对散热风扇15的风量进行调节，以使水箱1中电解液的温度可以保持在一个较窄的适宜化学反应的温度区间，这样有利于提高电池堆体的反应活性，提高放电功率。
金属空气燃料电池运行启动后因电池放电过程中发生化学反应会产生大量的反应热，水箱1中的电解液温度不断升高，当第一温度传感器16检测到水箱1内电解液的温度(例如60℃)高于反应温度区间(例如20～50℃)时，散热泵6开启，将水箱1中的电解液泵入散热器3内，通过散热器3中的散热风扇15进行风冷散热，然后回流到水箱1中进行冷却循环。经过风冷后降温至反应温度的电解液进入化学反应循环系统进行反应循环。通过冷却散热循环系统对金属空气燃料电池在电化学反应过程中产生的反应热进行冷却降温，使得水箱1内的电解液可以维持在一个相对稳定的温度区间以满足金属空气燃料电池的放电需求，避免了因电解液温度过低或者过高对电池放电过程的影响。
在本公开一些实施方式中，金属空气燃料电池系统还可在水箱1的底部设置加热器10。当太阳能加热循环系统出现异常无法工作时，加热器10用于对水箱1中的电解液加热，当第一温度传感器16检测到电解液的温度达到化学反应的反应温度时，加热器10停止继续加热，通过保温的方式将水箱1中电解液的温度维持在化学反应所需的温度区间内，以满足电池正常放电的需求。通过设置加热器10，避免了太阳能加热循环系统失效的情况下对金属空气燃料电池系统在低温环境下启动的影响，提高了金属空气燃料电池系统的可靠性。
在本公开一些实施方式中，金属空气燃料电池系统还包括液位计11，液位计11内置浮球，液位计11位于水箱1中，用于监测水箱1内的电解液容量变化。当电解液低于设定安全值时，金属空气燃料电池系统停止工作，提示需要添加电解液，防止水箱1内的加热器10干烧，造成水箱1内的电气件损坏。通过设置液位计11，提高了金属空气燃料电池系统的安全性。
通过上述化学反应循环系统、太阳能加热循环系统、冷却循环系统等的设置，该金属空气燃料电池系统实现了金属空气燃料电池在低温环境下对电解液的温度调节控制，使电解液可以长期保持在一个温度区间内，保障电池在低温环境下正常循环放电，不受外界低温环境影响，提高了金属空气燃料电池的稳定性、可靠性、安全性及延长了电池寿命。
基于上述低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，本公开另一实施例提出一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统的运行方法，该方法是基于两个电堆同时工作的情况下，其流程如图2所示，包括：
S1、在低温条件下，当水箱1中电解液的温度低于反应温度(Tr)时，启动太阳能加热循环系统，将太阳能集热器2中的热水经换热器9换热后对水箱1中的电解液进行加热，当水箱1中的第一温度传感器16检测到电解液的温度达到反应温度时，停止循环泵8的工作；
S2、启动进液泵7，将水箱1中达到反应温度的电解液经进液管13泵入第一电堆4和第二电堆5中进行电化学反应循环，产生电能对外输出；
S3、在电化学反应的过程中，当第一温度传感器16检测到电解液的温度高于反应温度时，启动散热泵6，将水箱1中高于反应温度的电解液泵入散热器3中，通过散热风扇15进行风冷散热，然后回流到水箱1中进行冷却循环，经过风冷后将达到反应温度的电解液通过进液泵7泵入化学反应循环系统进行反应循环；
S4、结束电化学反应，停止散热泵6和进液泵7的工作，关闭金属空气燃料电池系统。
另外，需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各部件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)单向阀可以用直通阀、电磁阀来替代；
(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
以上的实施例仅仅是对本公开的优选实施方式进行描述，并非对本公开的范围进行限定，在不脱离本公开设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本公开的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本公开权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，包括：
化学反应循环系统，包括水箱(1)，用于存储电解液；
太阳能加热循环系统，包括太阳能集热器(2)、换热器(9)、循环泵(8)；所述太阳能集热器(2)的入口端通过第一管路连通于所述换热器(9)的出口端，所述循环泵(8)位于所述第一管路上；所述太阳能集热器(2)的出口端通过第二管路连通于所述换热器(9)的入口端；其中，所述换热器(9)安装于所述水箱(1)中；
冷却散热循环系统，包括散热泵(6)、散热器(3)、散热风扇(15)；所述散热器(3)的入口端通过第三管路连通于所述水箱(1)的第二出口端，所述散热泵(6)位于所述第三管路上；所述散热器(3)的出口端通过第四管路连通于所述水箱(1)的第二入口端。
2.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述换热器(9)的入口端及出口端位于所述水箱(1)的一侧。
3.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述太阳能加热循环系统还包括：单向阀(12)，其位于所述太阳能集热器(2)的出口端与所述换热器(9)的入口端之间的第二管路上。
4.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述冷却散热循环系统还包括：第二温度传感器(17)，其位于所述散热器(3)的出口端与所述水箱(1)的第二入口端之间的第四管路上。
5.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括：第一温度传感器(16)，其位于所述水箱(1)中，用于检测电解液的温度变化。
6.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述散热风扇(15)安装于所述散热器(3)中，用于循环冷却从所述水箱(1)中经所述散热泵(6)泵入所述散热器(3)中的电解液。
7.根据权利要求1所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述化学反应循环系统还包括：第一电堆(4)、第二电堆(5)、进液泵(7)、进液管(13)、回液管(14)；所述第一电堆(4)和所述第二电堆(5)的入口端通过所述进液管(13)连通于所述水箱(1)的第一出口端，所述进液泵(7)位于所述进液管(13)上；所述第一电堆(4)和所述第二电堆(5)的出口端通过所述回液管(14)连通于所述水箱(1)的第一入口端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括：加热器(10)，所述加热器(10)设置在所述水箱(1)的底部。
9.根据权利要求1-7任一项所述的低温环境下启动的金属空气燃料电池系统，其特征在于，所述金属空气燃料电池系统还包括：液位计(11)，所述液位计(11)内置浮球；所述液位计(11)位于所述水箱(1)中。
10.一种低温环境下启动的金属空气燃料电池系统的运行方法，其特征在于，包括：
S1、当水箱(1)中电解液的温度低于反应温度时，启动太阳能加热循环系统，将太阳能集热器(2)中的热水经换热器(9)换热后对所述水箱(1)中的所述电解液进行加热，当所述水箱(1)中的第一温度传感器(16)检测到所述电解液的温度达到所述反应温度时，停止循环泵(8)的工作；
S2、启动进液泵(7)，将所述水箱(1)中达到所述反应温度的所述电解液经进液管(13)泵入第一电堆(4)和第二电堆(5)中进行电化学反应循环，产生电能对外输出；
S3、在电化学反应的过程中，当所述第一温度传感器(16)检测到所述电解液的温度高于所述反应温度时，启动散热泵(6)，将所述水箱(1)中高于所述反应温度的所述电解液泵入散热器(3)中，通过散热风扇(15)进行风冷散热，然后回流到所述水箱(1)中进行冷却循环，经过风冷后将达到所述反应温度的所述电解液通过所述进液泵(7)泵入化学反应循环系统进行反应循环；
S4、结束电化学反应，停止所述散热泵(6)和所述进液泵(7)的工作，关闭金属空气燃料电池系统。
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WO2023098734A1 (zh) * 2021-12-03 2023-06-08 青岛海尔电冰箱有限公司 冰箱

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