CN112542599B - 一种金属空气电池双向自清洁系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属空气电池双向自清洁系统及方法，包括电堆箱、电解液箱和用于使电解液在电堆箱和电解液箱之间的循环的电解液循环机构；还包括冲洗机构和控制机构；冲洗机构包括冲洗箱、第一耐酸泵、第二耐酸泵、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第一冲洗管道和第二冲洗管道；控制机构包括控制电源、微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计；本发明可通过分别设置在冲洗箱的第一口和第二口处的第一PH探针计和第二PH探针计反馈空气电极上残留的电解液及其反应残留物的多少，控制机构以此选择单向冲洗或者双向冲洗，不仅能够加快冲洗的效率，还能保证将空气电极上残留的电解液及其反应残留物冲洗干净。

Description

一种金属空气电池双向自清洁系统及方法

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种金属空气电池双向自清洁系统及方法。

背景技术

金属空气电池是利用化学反应放出电能，其中空气电极为正极，金属电极为负极，空气电极和金属电极在电解液作用下反应放电，现有的电解液一般为主要成分为NaOH的碱性电解液。系统工作时，电解液流过空气电极，当系统停止时，残留电解液附着在空气电极上，而这些残留物在空气电极上长期附着会严重影响空气电极的氧还原催化性能和透气性能，从而导致空气电极使用寿命和放电性能明显降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属空气电池双向自清洁系统及方法，用以解决系统停止工作时，长期附着在空气电极上的电解液残留物严重影响空气电极的催化性能和透气性能，从而导致空气电极使用寿命和放电性能明显降低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属空气电池双向自清洁系统，包括电堆箱、电解液箱和用于使电解液在电堆箱和电解液箱之间的循环的电解液循环机构；还包括冲洗机构和控制机构；

所述的电解液循环机构包括耐碱泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一循环管道和第二循环管道；所述的电解液箱的出液口通过第一循环管道和设置在第一循环管道上的耐碱泵、第一电磁阀与所述的电堆箱的进液口连通，所述的电堆箱的出液口通过第二循环管道和设置在第二循环管道上的第二电磁阀与所述的电解液箱的回液口连通；

所述的冲洗机构包括冲洗箱、第一耐酸泵、第二耐酸泵、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第一冲洗管道和第二冲洗管道；所述的冲洗箱内盛放有酸性冲洗液，所述的冲洗箱的第一口通过第一冲洗管道和设置在第一冲洗管道上的第三电磁阀、第四电磁阀与所述的电堆箱的进液口连通；所述的电堆箱的出液口通过第二冲洗管道和设置在第二冲洗管道上的第四电磁阀、第五电磁阀与所述的冲洗箱的第二口连通；所述的第三电磁阀设置在冲洗箱的第一口处，所述的第一耐酸泵通过第一支管并联在第三电磁阀的两端；所述的第六电磁阀设置在冲洗箱的第二口处，所述的第二耐酸泵通过第二支管并联在第六电磁阀的两端；

所述的控制机构包括控制电源、微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计；所述的控制电源设置在金属空气电池内为微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计供电；所述的微处理器通过信号采集电路采集金属空气电池的启停信号，所述的第一流量计和第二流量计分别设置在电堆箱的进液口和出液口处，所述的第一PH探针计和第二PH探针计分别设置在所述的冲洗箱的第一口和第二口处，所述的第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计的输出端通过信号处理电路与微处理器的输入端连接，所述的微处理器的输出端通过控制电路与耐碱泵、第一耐酸泵、第二耐酸泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀的控制端电连接。

所述的控制电源可采用锂电池电源。

所述的微处理器可采用PLC。

所述的酸性冲洗液可采用HCL溶液。

一种金属空气电池双向自清洁方法，包括以下步骤：

步骤1：所述的微处理器采集到金属空气电池开始工作信号，控制所述的耐碱泵、第一电磁阀、第二电磁阀动作，所述的电解液箱内的电解液通过第一电磁阀、第一循环管道进入电堆箱，使电堆箱内发生放电反应，且电解液通过所述的第二电磁阀和第二循环管道回流入电解液箱，电解液以上述过程循环，直至金属空气电池停止工作，进入步骤2；

步骤2：所述的微处理器采集到金属空气电池停止工作信号，控制所述的耐碱泵停止，并控制所述的第一电磁阀、第二电磁阀关闭；且所述的微处理器还通过第一流量计和第二流量计判断电堆箱内的电解液是否全部回流，进入步骤3；

步骤3：当所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值均为零时，即电堆箱内的电解液全部回流时，进入步骤4；若所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值不全为零时，进入步骤3；

步骤4：所述的微处理器控制第四电磁阀和第五电磁阀开启，并同时控制第一耐酸泵和第六电磁阀开启，盛放在所述的冲洗箱内的酸性冲洗液在第一耐酸泵的驱动作用下依次通过第一口、第一支管、第一耐酸泵第四电磁阀和第一冲洗管道进入电堆箱，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第二冲洗管道、第五电磁阀、第六电磁阀和第二口回流入冲洗箱；上述过程中，所述的微处理器采集第一耐酸泵打开后T1时间内由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值，进入步骤5；

步骤5：若所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值的差值大于PH差值阈值，则进入步骤6；若所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值的差值不大于PH差值阈值，则进入步骤7；

步骤6：所述的微处理器控制第一耐酸泵和第六电磁阀关闭，并控制第二耐酸泵和第三电磁阀开启，盛放在所述的冲洗箱内的酸性冲洗液在第二耐酸泵的驱动作用下依次通过第二口、第二支管、第二耐酸泵第五电磁阀和第二冲洗管道进入电堆箱，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第一冲洗管道、第四电磁阀、第三电磁阀和第一口回流入冲洗箱，进入步骤7；

步骤7：所述的微处理器采集由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值，直至所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值相等，微处理器控制第一耐酸泵、第二耐酸泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀全部关闭。

所述的T1为5分钟，所述的PH差值阈值为2。

本发明的有益效果：

首先，本发明能够使冲洗机构在控制机构的控制下，对系统停止工作后空气电极上附着的电解液及其反应残留物进行冲洗，并利用冲洗液的循环能力，将冲洗液与电解液中和反应残留物带入冲洗箱，避免碱性电解液及其反应残留物长期附着在空气电极上影响空气电极的催化性能和透气性能，从而有效的提高了空气电极的使用寿命和放电性能；

其次，本发明还可通过分别设置在冲洗箱的第一口和第二口处的第一PH探针计和第二PH探针计反馈空气电极上残留的电解液及其反应残留物的多少，控制机构以此选择单向冲洗或者双向冲洗，不仅能够加快冲洗的效率，还能保证将空气电极上残留的电解液及其反应残留物冲洗干净。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

如图1所示：本发明所述的一种金属空气电池双向自清洁系统，包括电堆箱1、电解液箱2和用于使电解液在电堆箱1和电解液箱2之间的循环的电解液循环机构；还包括冲洗机构和控制机构；

所述的电解液循环机构包括耐碱泵4、第一电磁阀5、第二电磁阀7、第一循环管道6和第二循环管道8；所述的电解液箱2的出液口通过第一循环管道6和设置在第一循环管道6上的耐碱泵4、第一电磁阀5与所述的电堆箱1的进液口连通，所述的电堆箱1的出液口通过第二循环管道8和设置在第二循环管道8上的第二电磁阀7与所述的电解液箱2的回液口连通；

所述的冲洗机构包括冲洗箱3、第一耐酸泵15、第二耐酸泵17、第三电磁阀9、第四电磁阀11、第五电磁阀16、第六电磁阀12、第一冲洗管道10和第二冲洗管道13；所述的冲洗箱3内盛放有酸性冲洗液，所述的冲洗箱3的第一口通过第一冲洗管道10和设置在第一冲洗管道10上的第三电磁阀9、第四电磁阀11与所述的电堆箱1的进液口连通；所述的电堆箱1的出液口通过第二冲洗管道13和设置在第二冲洗管道13上的第四电磁阀11、第五电磁阀16与所述的冲洗箱3的第二口连通；所述的第三电磁阀9设置在冲洗箱3的第一口处，所述的第一耐酸泵15通过第一支管14并联在第三电磁阀9的两端；所述的第六电磁阀12设置在冲洗箱3的第二口处，所述的第二耐酸泵17通过第二支管18并联在第六电磁阀12的两端；

所述的控制机构包括控制电源、微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计，所述的控制电源设置在金属空气电池内为微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计供电；所述的微处理器通过信号采集电路采集金属空气电池的启停信号，所述的第一流量计和第二流量计分别设置在电堆箱1的进液口和出液口处，所述的第一PH探针计和第二PH探针计分别设置在所述的冲洗箱3的第一口和第二口处，所述的第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计的输出端通过信号处理电路与微处理器的输入端连接，所述的微处理器的输出端通过控制电路与耐碱泵4、第一耐酸泵15、第二耐酸泵17、第一电磁阀5、第二电磁阀7、第三电磁阀9、第四电磁阀11、第五电磁阀16和第六电磁阀12的控制端电连接。

需要说明的是，所述的微处理器采集开关（本发明中为金属空气电池开关）的启停信号属于现有成熟技术，且所述的信号处理电路为现有成熟技术，比如可采用依次连接的滤波电路、整形电路、放大电路和A/D转换电路，进一步的，所述的控制电路可带用泵控制电路和电磁阀控制电路，这里不再赘述。

优选的：所述的控制电源可采用锂电池电源，以保证控制机构的正常运行。

优选的：所述的微处理器可采用PLC，PLC价格便宜，响应速度快，适用范围广。

优选的：所述的酸性冲洗液可采用浓度较低的HCL溶液，因为现有的空气金属电池的电解液的主要成分为碱性的NaOH，浓度较低的HCL溶液可保证在不损坏金属电极的情况下，对空气电极上附着的碱性电解液进行良好的冲洗。

如图2所示：利用上述的金属空气电池双向自清洁系统所进行的一种金属空气电池双向自清洁方法，包括以下步骤：

步骤1：所述的微处理器采集到金属空气电池开始工作信号，控制所述的耐碱泵4、第一电磁阀5、第二电磁阀7动作，所述的电解液箱2内的电解液通过第一电磁阀5、第一循环管道6进入电堆箱1，使电堆箱1内发生放电反应，且电解液通过所述的第二电磁阀7和第二循环管道8回流入电解液箱2，电解液以上述过程循环，直至金属空气电池停止工作，进入步骤2；

步骤2：所述的微处理器采集到金属空气电池停止工作信号，控制所述的耐碱泵4停止，并控制所述的第一电磁阀5、第二电磁阀7关闭；且所述的微处理器还通过第一流量计和第二流量计判断电堆箱1内的电解液是否全部回流，进入步骤3；

步骤3：当所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值均为零时，即电堆箱1内的电解液全部回流时，进入步骤4；若所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值不全为零时，进入步骤3；

步骤4：所述的微处理器控制第四电磁阀11和第五电磁阀16开启，并同时控制第一耐酸泵15和第六电磁阀12开启，盛放在所述的冲洗箱3内的酸性冲洗液在第一耐酸泵15的驱动作用下依次通过第一口、第一支管14、第一耐酸泵15第四电磁阀11和第一冲洗管道10进入电堆箱1，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第二冲洗管道13、第五电磁阀16、第六电磁阀12和第二口回流入冲洗箱3；上述过程中，所述的微处理器采集第一耐酸泵15打开后T1时间内由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值，进入步骤5；

步骤5：若所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值的差值大于PH差值阈值，则进入步骤6；若所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值的差值不大于PH差值阈值，则进入步骤7；

步骤6：所述的微处理器控制第一耐酸泵15和第六电磁阀12关闭，并控制第二耐酸泵17和第三电磁阀9开启，盛放在所述的冲洗箱3内的酸性冲洗液在第二耐酸泵17的驱动作用下依次通过第二口、第二支管18、第二耐酸泵17第五电磁阀16和第二冲洗管道13进入电堆箱1，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第一冲洗管道10、第四电磁阀11、第三电磁阀9和第一口回流入冲洗箱3，进入步骤7；

步骤7：所述的微处理器采集由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值，直至所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值相等，微处理器控制第一耐酸泵15、第二耐酸泵17、第一电磁阀5、第二电磁阀7、第三电磁阀9、第四电磁阀11、第五电磁阀16和第六电磁阀12全部关闭。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明的技术方案，以金属阳极为铝为例进行说明：

所用的电解液的主要成分为NaOH，在金属空气电池工作一段时间后，电解液中主要物质为NaOH、Al（OH）₃、NaAl（OH）₄、H₂O等，因此冲洗箱3内的冲洗液可选择稀释后的酸类，如低浓度HCl；HCl与电解液发生的主要反应方程式如下：

NaOH+HCl→NaCl+H₂O；

Al（OH）₃+3HCl→AlCl₃+3H₂O；

NaAl（OH）₄+4HCl→NaCl+ AlCl₃+ 4H₂O；

由上述反应可看出，经冲洗后生成物主要为NaCl、AlCl₃和H₂O，可在冲洗液的循环作用下回流入冲洗箱3；

所述的步骤5中，若由第一耐酸泵15提供动力冲洗T1时间之后，所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值的差值大于PH差值阈值，则说明所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的冲洗液的PH值相差较大，即所述的电解液箱2内还残留有较大量的碱性电解液，则进入步骤6，即由第二耐酸泵17提供动力进行反向冲洗，双向冲洗能够加强冲洗作用，更快的将空气电极上附着的电解液冲洗干净；若由第一耐酸泵15提供动力冲洗T1时间之后，所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值的差值不大于PH差值阈值，则说明所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的冲洗液的PH值相差较小，即所述的电解液箱2内残留的碱性电解液的量较少，则继续由第一耐酸泵15提供动力冲洗即可；步骤7中，所述的冲洗箱3的第一口和第二口处的PH值相等时，即表明所述的电解液箱2内不在残留有碱性电解液，可以停止冲洗。

优选的：所述的T1为5分钟，所述的PH差值阈值为2，需要注意的是，所述的T1和所述的PH差值阈值均可通过有限次实验标定，这里不再赘述。

与现有技术相比，本发明所述的一种金属空气电池双向自清洁系统及方法的有益效果为：

首先，本发明能够使冲洗机构在控制机构的控制下，对系统停止工作后空气电极上附着的电解液及其反应残留物进行冲洗，并利用冲洗液的循环能力，将冲洗液与电解液中和反应残留物带入冲洗箱3，避免碱性电解液及其反应残留物长期附着在空气电极上影响空气电极的催化性能和透气性能，从而有效的提高了空气电极的使用寿命和放电性能；

其次，本发明还可通过分别设置在冲洗箱3的第一口和第二口处的第一PH探针计和第二PH探针计反馈空气电极上残留的电解液及其反应残留物的多少，控制机构以此选择单向冲洗或者双向冲洗，不仅能够加快冲洗的效率，还能保证将空气电极上残留的电解液及其反应残留物冲洗干净。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种金属空气电池双向自清洁系统，包括电堆箱、电解液箱和用于使电解液在电堆箱和电解液箱之间的循环的电解液循环机构；其特征在于：还包括冲洗机构和控制机构；

所述的电解液循环机构包括耐碱泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一循环管道和第二循环管道；所述的电解液箱的出液口通过第一循环管道和设置在第一循环管道上的耐碱泵、第一电磁阀与所述的电堆箱的进液口连通，所述的电堆箱的出液口通过第二循环管道和设置在第二循环管道上的第二电磁阀与所述的电解液箱的回液口连通；

所述的冲洗机构包括冲洗箱、第一耐酸泵、第二耐酸泵、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第一冲洗管道和第二冲洗管道；所述的冲洗箱内盛放有酸性冲洗液，所述的冲洗箱的第一口通过第一冲洗管道和设置在第一冲洗管道上的第三电磁阀、第四电磁阀与所述的电堆箱的进液口连通；所述的电堆箱的出液口通过第二冲洗管道和设置在第二冲洗管道上的第四电磁阀、第五电磁阀与所述的冲洗箱的第二口连通；所述的第三电磁阀设置在冲洗箱的第一口处，所述的第一耐酸泵通过第一支管并联在第三电磁阀的两端；所述的第六电磁阀设置在冲洗箱的第二口处，所述的第二耐酸泵通过第二支管并联在第六电磁阀的两端；

所述的控制机构包括控制电源、微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计；所述的控制电源设置在金属空气电池内为微处理器、第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计供电；所述的微处理器通过信号采集电路采集金属空气电池的启停信号，所述的第一流量计和第二流量计分别设置在电堆箱的进液口和出液口处，所述的第一PH探针计和第二PH探针计分别设置在所述的冲洗箱的第一口和第二口处，所述的第一流量计、第二流量计、第一PH探针计和第二PH探针计的输出端通过信号处理电路与微处理器的输入端连接，所述的微处理器的输出端通过控制电路与耐碱泵、第一耐酸泵、第二耐酸泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀的控制端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池双向自清洁系统，其特征在于：所述的控制电源采用锂电池电源。

3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池双向自清洁系统，其特征在于：所述的微处理器采用PLC。

4.根据权利要求1所述的一种金属空气电池双向自清洁系统，其特征在于：所述的酸性冲洗液采用HCL溶液。

5.利用权利要求1所述的一种金属空气电池双向自清洁系统所进行的一种金属空气电池双向自清洁方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：所述的微处理器采集到金属空气电池开始工作信号，控制所述的耐碱泵、第一电磁阀、第二电磁阀动作，所述的电解液箱内的电解液通过第一电磁阀、第一循环管道进入电堆箱，使电堆箱内发生放电反应，且电解液通过所述的第二电磁阀和第二循环管道回流入电解液箱，电解液以上述过程循环，直至金属空气电池停止工作，进入步骤2；

步骤2：所述的微处理器采集到金属空气电池停止工作信号，控制所述的耐碱泵停止，并控制所述的第一电磁阀、第二电磁阀关闭；且所述的微处理器还通过第一流量计和第二流量计判断电堆箱内的电解液是否全部回流，进入步骤3；

步骤3：当所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值均为零时，即电堆箱内的电解液全部回流时，进入步骤4；若所述的第一流量计和第二流量计反馈的流量值不全为零时，进入步骤3；

步骤4：所述的微处理器控制第四电磁阀和第五电磁阀开启，并同时控制第一耐酸泵和第六电磁阀开启，盛放在所述的冲洗箱内的酸性冲洗液在第一耐酸泵的驱动作用下依次通过第一口、第一支管、第一耐酸泵第四电磁阀和第一冲洗管道进入电堆箱，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第二冲洗管道、第五电磁阀、第六电磁阀和第二口回流入冲洗箱；上述过程中，所述的微处理器采集第一耐酸泵打开后T1时间内由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值，进入步骤5；

步骤5：若所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值的差值大于PH差值阈值，则进入步骤6；若所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值的差值不大于PH差值阈值，则进入步骤7；

步骤6：所述的微处理器控制第一耐酸泵和第六电磁阀关闭，并控制第二耐酸泵和第三电磁阀开启，盛放在所述的冲洗箱内的酸性冲洗液在第二耐酸泵的驱动作用下依次通过第二口、第二支管、第二耐酸泵第五电磁阀和第二冲洗管道进入电堆箱，与空气电极上残留的电解液进行中和反应，并依次通过第一冲洗管道、第四电磁阀、第三电磁阀和第一口回流入冲洗箱，进入步骤7；

步骤7：所述的微处理器采集由第一PH探针计和第二PH探针计反馈的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值，直至所述的冲洗箱的第一口和第二口处的PH值相等，微处理器控制第一耐酸泵、第二耐酸泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀全部关闭。

6.根据权利要求5所述的一种金属空气电池双向自清洁方法，其特征在于：所述的T1为5分钟，所述的PH差值阈值为2。

Images