CN112635798B - 利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统及方法，包括电解液箱、电堆箱和用于使电解液在电解液箱、电堆箱之间循环的循环管道，所述的循环管道上设置有循环泵；还包括消氢装置、连接装置和控制装置；本发明利用消氢装置，可使金属空气电池发生自腐蚀副反应过程中产生的氢气与空气中的氧气反应释放出热量，并将释放的热量用于加热电解液，使电解液的温度上升到合适的温度值，提高了金属空气电池的性能，解决了金属空气电池在低温环境下，启动时间长、放电性能差的问题；本发明还利用连接装置和控制装置，控制消氢装置是否对电解液箱加热，以保证电解液的温度能够稳定在最佳温度值附近，进一步提高了金属空气电池的放电性能。

Description

利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统及方法

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统及方法。

背景技术

金属空气电池的原理是利用化学反应释放出电能，其中电池的负极为金属，正极为氧气，以铝空气电池为例，在催化剂的良好催化活性作用下，能够将氧气还原为氧离子，电池正常工作时的化学主反应如式(1)所示：

4Al+3O₂+4OH^-+6H₂O→4[Al(OH)₄]^-； (1)

在低温的情况下，由于电解液的温度限制，导致催化剂的活性不足，无法将氧气还原为氧离子，此时电池的主要化学反应为自腐蚀副反应，如式(2)所示：

2Al+2OH^-+6H₂O→2[Al(OH)₄]^-+3H₂； (2)

由上述铝空气电池的化学主反应和自腐蚀副反应过程可以看出，现有的金属空气电池还存在下述缺陷：

第一，我国幅员辽阔，东北地区气温低，金属空气电池在低温环境下，启动时间长，启动过程中主要化学反应为自腐蚀副反应，放电性能差；且自腐蚀副反应的过程中会伴有一定量的氢气产生，在密闭电池内，如果氢气的浓度超过4％，会有爆炸风险；

第二，为了解决金属空气电池在低温环境下，启动时间长、放电性能差的问题，通常利用电加热装置加热电解液，但是此方式将消耗额外的电能，同时还将导致金属空气电池的结构复杂，出错率高；

综上所述，随着金属空气电池技术发展，低温启动和密闭环境消氢问题日益凸显，现有技术往往将两者孤立，造成系统复杂，资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统及方法，能够利用氢气和氧气反应过程中产生的热量加热电解液，解决低温环境下金属空气电池启动时间长、放电性能差的问题，同时使用的氢气为自腐蚀副反应产生的氢气，提高了金属空气电池的安全性和放电性能，消除了爆炸的安全隐患。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，包括电解液箱、电堆箱和用于使电解液在电解液箱、电堆箱之间循环的循环管道，所述的循环管道上设置有循环泵；还包括消氢装置、连接装置和控制装置，所述的消氢装置通过连接装置设置在电解液箱的上方；所述的消氢装置包括消氢箱体，消氢箱体的底面采用导热材料制成，消氢箱体内铺设有消氢催化剂，消氢箱体上还开设有氢气入口、空气入口和出气口，所述氢气入口与电堆箱的出气口连通，所述空气入口与外界空气连通；所述的连接装置包括电磁铁、弹簧和铁块，所述的弹簧用于连接电磁铁的铁芯和铁块；所述的电磁铁的铁芯和铁块分别固定在电解液箱的上表面和消氢箱体底面的对应位置；所述的控制装置包括微处理器和设置在电解液箱底部的温度变送器，温度变送器的输出端与微处理器的输入端电连接，微处理器的输出端通过电磁铁控制电路与电磁铁的线圈电连接。

所述消氢箱体的底面采用铝或石墨片制成。

所述的连接装置共四个，四个连接装置分别设置在电解液箱的上表面四角处。

所述的电解液箱的上表面和消氢箱体的底面的四角的对应位置均设置有凹槽，所述的电磁铁的铁芯和铁块分别设置在电解液箱的上表面和消氢箱体的底面的凹槽内。

利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的方法，包括以下步骤：

步骤1：向消氢箱体内铺设消氢催化剂；

步骤2：金属空气电池工作前，微处理器设置电解液加热温度T1；

步骤3：金属空气电池工作时，微处理器通过设置在电解液箱底部的温度变送器采集电解液箱内的电解液温度，若电解液温度低于T1，则微处理器控制电磁铁动作，电磁铁通过磁力吸附铁块、压缩弹簧，使消氢箱体的底面与电解液箱的上表面接触，通过消氢过程产生的热量为电解液箱加热；

步骤4：金属空气电池工作结束。

本发明的有益效果：

本发明利用消氢装置，可使金属空气电池发生自腐蚀副反应过程中产生的氢气与空气中的氧气反应释放出热量，并将释放的热量用于加热电解液，使电解液的温度上升到合适的温度值，提高了金属空气电池的性能，解决了金属空气电池在低温环境下，启动时间长、放电性能差的问题；

本发明还利用连接装置和控制装置，控制消氢装置是否对电解液箱加热，以保证电解液的温度能够稳定在最佳温度值附近，进一步提高了金属空气电池的放电性能。

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；

图3为本发明实施例中所述的铝板消耗速率示意图。

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：本发明所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，包括电解液箱3、电堆箱2和用于使电解液在电解液箱3、电堆箱2之间循环的循环管道5，所述的循环管道5上设置有循环泵4；还包括消氢装置、连接装置和控制装置，所述的消氢装置通过连接装置设置在电解液箱3的上方；所述的消氢装置包括消氢箱体6，消氢箱体6的底面采用导热材料制成，消氢箱体6内铺设有消氢催化剂，消氢箱体6上还开设有氢气入口、空气入口和出气口；所述的连接装置包括电磁铁7、弹簧8和铁块9，所述的弹簧8用于连接电磁铁7的铁芯和铁块9；所述的电磁铁7和铁块9分别固定在电解液箱3的上表面和消氢箱体6底面的对应位置；所述的控制装置包括微处理器和设置在电解液箱3底部的温度变送器，温度变送器的输出端与微处理器的输入端电连接，微处理器的输出端通过电磁铁7控制电路与电磁铁7的线圈电连接。

本发明所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统的工作原理为：

金属空气电池1自腐蚀副反应产生的氢气通过氢气入口进入消氢箱体6内，通过消氢催化剂和空气中的氧气发生反应生成水的过程中会产生大量的热；若金属空气电池1在低温环境下工作，启动时间长，启动过程中主要化学反应为自腐蚀副反应，此时，所述的消氢箱体6的底面的温度将升高，进一步的，微处理器通过设置在电解液箱3底部的温度变送器采集电解液箱3内的电解液温度，若电解液温度低于设定值(电解液正常工作时的温度值)，则微处理器控制电磁铁7动作，电磁铁7通过磁力吸附铁块9、压缩弹簧8，使消氢箱体6的底面与电解液箱3的上表面接触，通过消氢过程产生的热量为电解液箱3加热，直至电解液温度达到设定值，此时，微处理器控制电磁铁7失电，电磁铁7的铁芯失去磁性，弹簧8恢复原状，使消氢箱体6的底面与电解液箱3的上表面分离，金属空气电池1正常工作。

优选的：所述消氢箱体6的底面采用铝或石墨片制成；铝材为金属材料中，价格和导热性适中的材料，金、银等贵金属的导热性更好，但价格昂贵；石墨片为非金属材料中价格和导热性适中的材料，本领域技术人员也可根据生产需要做出其他替换选择，这里不再赘述。

优选的：所述的连接装置共四个，四个连接装置分别设置在电解液箱3的上表面四角处，保证消氢箱体6的底面与电解液箱3的上表面接触和分离时的稳定性。

优选的：所述的电解液箱3的上表面和消氢箱体6的底面的四角的对应位置均设置有凹槽，所述的电磁铁7的铁芯和铁块9分别设置在电解液箱3的上表面和消氢箱体6的底面的凹槽内；凹槽的设置，一方面可以优化空间利用，另一方面也能进一步保证消氢箱体6的底面与电解液箱3的上表面接触和分离时的稳定性。

优选的：还包括散热器10，所述的散热器10设置在电解液箱3、电堆箱2之间的循环管道5上，所述的微处理器的输出端通过散热器10控制电路与散热器10的输入端电连接；通过散热器10的设置，还能够降低电解液的温度，使电解液的温度稳定在最佳工作温度区间内，进一步提高金属空气电池1的性能。

如图2所示：本发明所述的利用自消氢方式加热金属空气电池1电解液的方法，包括以下步骤：

步骤1：向消氢箱体6内铺设消氢催化剂；

步骤2：金属空气电池1工作前，微处理器设置电解液加热温度T1；

步骤3：金属空气电池1工作时，微处理器通过设置在电解液箱3底部的温度变送器采集电解液箱3内的电解液温度，若电解液温度低于T1，则微处理器控制电磁铁7动作，电磁铁7通过磁力吸附铁块9、压缩弹簧8，使消氢箱体6的底面与电解液箱3的上表面接触，通过消氢过程产生的热量为电解液箱3加热；

步骤4：金属空气电池1工作结束。

实施例一：

下面将以具体实施例对本发明的技术方案做进一步描述：

电解液温度不高时，金属空气电池1发生的自腐蚀副反应产生的氢气通过氢气入口进入消氢箱体6内，通过消氢催化剂和空气中的氧气发生反应生成水，并释放出热量：

H₂(g)+O₂(g)→H₂O(l)+Q₁；

其中H₂(g)和O₂(g)为0kJ/mol，H₂O(l)为-285.8kJ/mol，因此释放的热量为Q₁为285.8kJ；

据历史经验，电解液在低温条件下，金属空气电池1主要发生自腐蚀副反应时，自腐蚀副反应中铝板最高消耗速率为5～20mg/cm²·min，本实施例中取5mg/cm²·min计算；随着金属空气电池1的运行，自腐蚀副反应减弱，化学主反应增强，铝板用于产生氢气的消耗速率降低；电解液在常温条件下，金属空气电池1主要发生化学主反应，此时，伴随的自腐蚀副反应中铝板消耗速率为0.03～1mg/cm²·min，本实施例中取0.03mg/cm²·min，由于此数值太小，后续计算直接省略；我国东北地区冬天平均温度为-20℃，按-20℃低温启动计算，从金属空气电池1开始运行到满载输出，历时为90min～180min,本实施例中取90min计算；金属空气电池1参与自腐蚀副反应的铝板面积按市场某典型铝空气电池单体铝板计算，尺寸为10cm×20cm；

如图3所示，根据金属空气电池1开始运行到满载输出铝板用于产生氢气的消耗速率(即自腐蚀副反应中铝板的消耗速率，本实施例中取平均值2.5mg/cm²·min)，可计算得出自腐蚀副反应中单体铝板的消耗总量为：

自腐蚀副反应中单体铝板的消耗总量＝自腐蚀副反应中铝板消耗速率*自腐蚀副反应时间*单体铝板表面积*2(单体铝板双面参与自腐蚀副反应)＝2.5mg/cm²·min*90min*10cm*20cm*2＝90000mg＝90g，即每块单体铝板参与自腐蚀副反应的摩尔数为3.34mol，按市场某典型金属空气电池1放电输出功率3kW计算，3kW需要30个单体铝板，共有3.34mol*30≈100mol铝参与产氢反应，依据自腐蚀副反应式(2)计算共产生氢气150mol，依据式(3)计算共产生热量Q₁为42870kJ；

电解液比热容约为水的0.8倍，则消氢装置中产生的热量加热50L电解液温升为：

在我国东北地区，冬天平均气温为-20℃，从-20℃到常温25℃，温差为45℃，远低于255℃,即在无其他加热措施前提下，将金属空气电池1自腐蚀副反应产生氢气全部消除掉所产生的热量完全可以满足50L电解液温升45℃的需要；

进一步的，单体铝板双面参与自腐蚀副反应的速率为2.5mg/cm²·min*10cm*20cm*2＝1g/min,依据自腐蚀副反应式(2)对应的氢气产生速率为1.25L/min,由于消氢催化剂密度为0.7g/cm³,则单体铝板消耗的消氢催化剂体积应不小于1.78L，则30个单体铝板消耗的消氢催化剂体积应不小于1.78L*30＝53.4L；

典型产品金属空气电池1需要电解液50L，设电解液箱3外部尺寸为36.8×36.8×36.8cm,则表面积为8125.44cm²；设定消氢箱体6的表面积的尺寸与电解液箱3的表面积的尺寸相同，则在消氢箱体6内按8cm高度全部铺设，即可铺设约65L消氢催化剂，既能够满足需要。

本发明的有益效果为：

本发明利用消氢装置，可使金属空气电池1发生自腐蚀副反应过程中产生的氢气与空气中的氧气反应释放出热量，并将释放的热量用于加热电解液，使电解液的温度上升到合适的温度值，提高了金属空气电池1的性能，解决了金属空气电池1在低温环境下，启动时间长、放电性能差的问题；

本发明还利用连接装置和控制装置，控制消氢装置是否对电解液箱3加热，以保证电解液的温度能够稳定在最佳温度值附近，进一步提高了金属空气电池1的放电性能。

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 (5)

1.利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，包括电解液箱、电堆箱和用于使电解液在电解液箱、电堆箱之间循环的循环管道，所述的循环管道上设置有循环泵；其特征在于：还包括消氢装置、连接装置和控制装置，所述的消氢装置通过连接装置设置在电解液箱的上方；所述的消氢装置包括消氢箱体，消氢箱体的底面采用导热材料制成，消氢箱体内铺设有消氢催化剂，消氢箱体上还开设有氢气入口、空气入口和出气口，所述氢气入口与电堆箱的出气口连通，所述空气入口与外界空气连通；所述的连接装置包括电磁铁、弹簧和铁块，所述的弹簧用于连接电磁铁的铁芯和铁块；所述的电磁铁的铁芯和铁块分别固定在电解液箱的上表面和消氢箱体底面的对应位置；所述的控制装置包括微处理器和设置在电解液箱底部的温度变送器，温度变送器的输出端与微处理器的输入端电连接，微处理器的输出端通过电磁铁控制电路与电磁铁的线圈电连接。

2.根据权利要求1所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，其特征在于：所述消氢箱体的底面采用铝或石墨片制成。

3.根据权利要求1所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，其特征在于：所述的连接装置共四个，四个连接装置分别设置在电解液箱的上表面四角处。

4.根据权利要求3所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统，其特征在于：所述的电解液箱的上表面和消氢箱体的底面的四角的对应位置均设置有凹槽，所述的电磁铁的铁芯和铁块分别设置在电解液箱的上表面和消氢箱体的底面的凹槽内。

5.利用权利要求4所述的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的系统所进行的利用自消氢方式加热金属空气电池电解液的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：向消氢箱体内铺设消氢催化剂；

步骤2：金属空气电池工作前，微处理器设置电解液加热温度T1；

步骤3：金属空气电池工作时，微处理器通过设置在电解液箱底部的温度变送器采集电解液箱内的电解液温度，若电解液温度低于T1，则微处理器控制电磁铁动作，电磁铁通过磁力吸附铁块、压缩弹簧，使消氢箱体的底面与电解液箱的上表面接触，通过消氢过程产生的热量为电解液箱加热；

步骤4：金属空气电池工作结束。

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