铝空气燃料电池堆的设计与实现

赵少宁，李艾华，蔡艳平，李庆辉

（第二炮兵工程大学五系，陕西 西安 710025）

0 引言

铝空气电池（AAFC）是一种将储存于燃料内的化学能直接转换为电能的发电装置，具有比功率高、比能量高和寿命长等优点，是一种环保节能、高效率的发电系统。近年来，大型电池在固定电站和电动汽车等领域有了成功的突破，同时由于用户对产品需求功能的差异化，针对不同工况研发的产品日趋完善。目前攻克了铝阳极制备的技术瓶颈，AAFC又进入了一个新的研发热潮。各国进行铝空气电源设计的公司，如美国的Altekfuel公司、加拿大的Trimol集团和Israeli公司等。大功率AAFC是以特制铝合金为燃料，常压空气为氧化剂的供电系统[1-2]。

1 铝空气电池的工作原理

铝空气电池是一种直接、高效地将储存在燃料（铝）和氧化剂（如氧气、空气）中的化学能转化为电能的电化学设备，它具有功率密度和能量转换效率高、可持续供电等优点，且环保节能等特点。其工作原理在于AAFC的负极是铝合金，在电池放电时被不断消耗且生成，正极是多孔性氧电极，跟电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧气（空气）在电解质、活性剂和催化剂的三相界面发生电化学反应，释放出电能。电解液可分碱性溶液和中性溶液（NaCl或水溶液或海水）[3]。

AAFC电池单体是由铝合金阳极、结构件、防水透气膜、集流排、电极极耳和电池框架等组成，如图1所示。当向电解液中供入氧气后，进入电解液的空气在空气电极上发生电化学反应离化出氢氧根离子和电子，氢氧根离子经由电解液转移到负极，在铝合金负极上氢氧根离子和铝发生反应。生成的反应物沉淀随电解液循环排出[4]。空气电极和铝合金阳极是AAFC的核心部件。

图1 铝空气电池单电池组成

2 铝空气电池系统组成

电池系统的目标是在合适的场合和时间提供额定的动力。基于此要求，一个电池系统一般带有一套附属配件的电池组。一个完整的AAFC电源系统由动力装置、功率转换系统和电源综合管理装置等部分组成。对于大功率AAFC电池系统来说，主要由电池堆、供给装置和电源综合管理装置等几个部分组成[5-7]。

2.1 铝空气电池电池堆

电池单体的电压很低，在1.6V左右。在一定的负载下，电池单体的输出电压通常为1.1～1.3 V，这意味着要提供足够的电压就必须将多个电池串联起来，把单体电池串联起来就是电池堆。电池堆电压是多个电池电压的总和。传统的金属空气电池堆采用双极板式的堆叠结构。

2.2 供给装置

2.2.1 铝阳极供给装置

目前，AAFC的阳极供给主要采用机械更换的方式。机械更换是一种操作简单、应用广泛和可携带性强的方式。特别适用于偏远地区运输不便的状况，可大量贮备。

2.2.2 供液装置

电解液既是电池电化学反应的载体，又是它的参与者。电池工作时，泵送电解液流经正负极间的空隙到达各单电池顶端的堰并由各支路回到电解液池，一部分电解液经过热交换器（冷源是冷却风扇提供的空气流）进行温度控制。

2.2.3 空气供给（散热）装置

电化学反应是放热过程。如果热量产生率太高，电池堆就会出现过热，影响反应的进行。对电池堆的冷却不充分，会使电池堆内部的温度超出正常的工作温度范围，对电池性能造成坏的影响。空气供给装置兼做散热使用，通过4个直流调速风扇鼓入外部空气。另有散热盘管负责电池堆的温度控制，采用包络的方式环绕在箱体内部。

2.3 电池综合管理装置

电池运行管理装置包括电池运行控制部分、电堆检测和反馈部分、电力输出部分。电堆检测及反馈部分包括温度、电压、电流和报警等传感器，它通过在电池的关键位置安装不同的传感器实现电池堆信息的及时反馈；电池运行控制部分包括温度控制装置、水位控制、电压控制、电流控制、功率调节与控制、报警处理和元器件自检及控制等；电力输出部分主要包括电压、电流、功率转变装置（DC／DC、DC／AC等电流电压转变装置）和电压、电流、功率补偿装置（磷酸铁锂电池）。

3 电池堆结构设计

3.1 铝空气电池堆结构组成

铝空气电池堆结构由铝空气电池箱体和电解液储液箱组成。在结构设计中，主要考虑结构的尺寸和外形以及加工工艺。

3.1.1 结构的尺寸和外形。

a.电池主体结构尺寸的大小是影响电池堆结构外形及尺寸的主要因素。首先要考虑的因素是在实现电池功能要求的基础上，尽可能使其结构紧凑。电池堆宽度由单体电池宽度和导风罩尺寸共同确定；高度由单体电池高度及电解液水位共同确定；电池堆结构长度主要由串联而成的单体电池的厚度来决定；电池堆的外形为长方体结构，作为供液装置的电解液储液箱位于电池箱体正下方，电解液的循环是通过四氟活塞电磁阀和耐腐蚀软管来进行，作为空气供给装置的风扇与电池堆叠放在一起，和电池控制电路板及DC／DC等部件的外形尺寸综合考虑来确定电池箱体结构的高度。

b.电池堆整体外形采用长方体结构，由电池堆箱体和电解液储液箱组成。电池堆箱体一侧安装有3个直流调速风扇，与导风罩配合使用鼓入外部空气；与风扇同一侧顶部装有电源输出接口。电池堆箱体可拆解为电堆模块壳体和电堆上滑盖板，电堆模块壳体下方设有进液口和回液口，通过四氟活塞电磁阀连接到电解液储液箱，电池综合管理装置可在后期加工制作上紧固在电池堆两侧。电解液储液箱尺寸按照电池堆的尺寸来设计，顶部贯通有进液口和回液口以及冷却水的进出口等结构。电池箱体结构的装配如图2所示。电池堆箱体的顶盖结构如图3所示。电解液储液箱结构透视如图4所示。

图2 电池堆结构

图3 电池堆箱体顶盖结构

图4 电解液储液箱结构透视

3.1.2 加工工艺性。

考虑到电池堆的可制造性，电池堆箱体由电堆模块壳体和电堆上滑盖板组成。电解液储液箱为封闭结构，因此，电堆模块壳体和电解液储液箱的加工工序一致，包括原材料→裁剪→冲压→折弯→钻孔→攻丝 → 焊接等过程。电堆上滑盖板由原材料→裁剪→冲压→折弯加工而来，然后进行装配即得电池箱体。

3.2 铝空气电池堆结构设计的优点

a.使用的安全性和可靠性。由于电池堆内部电化学反应放出热量，影响电池性能，严重情况可导致过热电解液溢出损坏设备。电池箱体的通风由空气导流罩和通风格栅共同来实现。通过供风管道和路径，使空气均匀地进入每个单体侧翼的导流槽顺利地导出，从而使单体两侧的氧气顺利地进入单体内部，保证每个单体内部有足够量的氧化反应，同时也带走一部分热量起到散热的作用，通风结构如图5所示。在非工作状态下，电解液不流入电池堆，铝阳极可拆卸，保证了电池的安全性和可靠性。

图5 通风结构

b.不同工况对于性能指标要求不同，电池堆箱体可从两侧做伸拉式调整，串联适量的铝阳极满足设计要求。铝阳极的机械式快速更换法简单易行。

c.考虑到电池的维护保养，可将电解液储液箱中灌入“清洗剂”，完成对箱体内部的维护和保养。

d.电池堆箱体下部和电解液储液箱有进液口和回液口，可在两者结合部位通过简便的螺栓连接，快速将电池堆箱体和电解液储液箱装配在一起。

4 结束语

AAFC系统作为包括供气、供液、提供反应物、水热管理和控制等多个子系统的发电系统，为了在电动车辆中得到更加广泛的工程化应用，其电池堆结构的设计尤为关键。综合考虑铝阳极采用机械更换方式和电解液循环的前提下，对于电池堆结构进行了初步设计，符合性能指标要求，实现了电池堆箱体和电解液储液箱的快速装配，达到电池使用的实用性、可靠性和安全性。

[1]桂长清.铝空气电池的前景[J].电池，2002，32（5）：305-307.

[2]国家计划委员会，中国科学院能源研究所，清华大学技术经济和能源系统分析所项目组.中国能源开发中的环境问题[M].北京：中国建材出版社，1993.

[3]房振乾，刘文西，陈玉如.铝空气燃料电池的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2003，26（2）：67-72.

[4]史鹏飞，尹鸽平，夏保佳.1千瓦铝空气电池的研究[J].电池，1992，22（4）：152-154.

[5]Linden D.Handbook of Batteries[M].McGraw-Hill，Inc.，1995.

[6]黄瑞霞，朱新功.铝空气电池的应用及设计[J].电池工业，2009，14（1）：60-64.

[7]施皮格尔.燃料电池设计与制造[M].马 欣，译.北京：电子工业出版社，2008.