一种大功率铝-空气电池系统的结构设计

2015-04-23周玉松齐艳玲

电源技术 2015年3期

周玉松，齐艳玲，王为

(天津大学化工学院应用化学系，天津 300072)

铝-空气电池是一种新型高能化学电源，它以铝合金为负极，空气电极为正极，中性或碱性水溶液为电解液，电池运行过程中通过消耗铝合金负极和空气中的氧气对外输出电能[1]。铝-空气电池不需充电，电池运行过程中可通过补充消耗的铝合金负极材料以维持电池持续运行，故也称为金属燃料电池。中性铝-空气电池以食盐水或海水为电解液，碱性铝-空气电池以氢氧化钠或氢氧化钾水溶液为电解液。该电池具有能量密度大、质量轻、材料来源丰富、无污染、可靠性高、寿命长、使用安全等优点，因此被称为是“面向21世纪的绿色能源”[2-3]。

人们一直致力于铝-空电池系统的研究以及结构的改进。刘文西等[4]公开了一种铝空气电池的结构，该结构采用整体组合式栅栏阳极，方便更换，同时组合式栅栏阳极可以移离电解液液面，以避免自行放电耗损阳极，采用循环流动的电解液可以冲刷铝板表面，避免反应沉积物遮蔽铝板。但这种电池在工作时只有一个电池室，故电池的电压低，且反应沉积物随电解液在电池内部流动，不易清除。史鹏飞等[5]公开了一种多个单体电池串联构成的电池组，这种电池组结构采用密封工艺制成，电池组使用过程中易产生短路问题。石忠东[6]设计了“不用充电的铝空气电池”，其特征是在中间带有隔板的塑料壳体壁的内侧设有催化层，壳体壁的外侧与催化层对应处设有防水层，壳体外壁上有与空气电极相连的铜网，塑料盖盖于壳体上，塑料盖上设有插入壳体内的铝板负极，壳体内放有5%食盐水溶液。这种电池中电解液静止，没有循环的液流系统，不利于铝-空气电池系统的长时间工作。

本文提出了一种大功率铝-空气电池系统的结构，解决了现有技术中存在的铝-空气电池沉淀物难以清除、电堆中单体电池间液流短路等问题。

1 铝-空气电池系统设计思路

铝-空气电池可以表示为：

(－)A l|电解液 |O2(空气)(+)

阴极反应：O2+2 H2O+4 e－→4OH－

阳极反应：Al－3 e－→ A l3+

总反应：4 Al+3O2+6 H2O→4 A l(OH)3

在本文的设计中，铝-空气电池体系电极反应的特点决定了其特有的设计思路：

(1)单体铝-空气电池由铝阳极、电解液和空气阴极组成，作为电化学反应发生的场所。为获得较高的输出电压和输出功率，故单体铝-空气电池体系采用单体串联的方式，构成铝-空气电池电堆。

(2)铝-空气电池体系运行过程的副产物是氧化铝絮状沉淀，为了能排出进入电解液以及附着在正负极上的沉淀，设计了液流配置室、配液器和电解液的循环体系。

综合考虑，铝-空气电池系统主要包括以下结构：铝-空气电池电堆、液流配置室、配液器和液流泵。

2 铝-空气电池系统的结构

根据上述思路，确定铝-空气电池系统的总体结构，见图1。

图1 铝-空气电池系统结构示意图

本文所述铝-空气电堆至少是由两个彼此以电串联的单体铝-空气电池连接成的电堆，以此获得较大的输出功率和稳定的输出电能。在电堆的下方设有两个液流配置室，上方则是配液器。各单体铝-空气电池经各自的出液管与液流配置室相通，而该液流配置室经其各自的输液管与泵液腔、液流泵相通，该液流泵的送液管与上述配液器相通。配液器通过各进液管与位于其下方的各单体铝-空气电池相联通，从而构成完整的液流回路。铝-空气电池系统运行时，调节与液流配置室相连接的出液管开关，控制电池组的电解液交替流入两液流配置室之一，电解液在该液流配置室、泵液腔、配液器和电池组之间循环，而另一液流配置室则处于电解液静置、沉淀物沉降处理过程中。位于该电堆外侧的电能输出端分别与电堆的空气电极集流板和铝合金电极集流板相连通，并对外供电。

2.1 铝-空气单体电池电堆

铝-空气电池电堆设计成由若干个铝-空气电池单体串联而成。单体铝-空气电池具有腔体结构，如图2所示，主要包括以下三部分：进液分割室、电池反应室和出液分割室。电解液经进液管流至进液分割室，再经该分割室下部的进液管流入电池反应室。在该进液分割室上方，装有进液切割器，流进该分割室的电解液恰好注入转动的进液切割器栅格上，被该进液切割器的栅格斩断后流入电池反应室。电池反应室侧壁为空气电极，铝合金电极位于电池反应室内。空气电极与铝合金电极同时处于电解液中。铝合金电极和空气电极分别与铝合金电极集流板和空气电极集流板连接以输出电池反应的电流。出液分割室分隔为汇流区和出液区，通过汇流管连通。电池反应室内的电解液经溢流槽流入汇流区，经汇流管流入其下部的出液区。在出液区内装有出液切割器，由汇流管流出的电解液恰好注入该出液切割器的栅格上，即该电解液是被该出液切割器的栅格斩断后才流进该出液区。铝-空气单体电池中设计的进液切割器和出液切割器，可在电解液冲击下自行转动来斩断流过的电解液液流，来解决电堆中单体电池间液流短路的问题。

图2 单体铝-空气电池内部结构示意图

2.2 液流配置室

铝-空气电池系统运行期间，会有氧化铝等沉淀物生成。形成于单体铝-空气电池内的氧化铝若不及时移除，会覆盖在铝阳极和空气阴极的表面，降低铝阳极放电效率，堵塞空气电极的进气孔道，增大电池电阻，进而影响铝-空气电池系统的正常运行。为了将形成的氧化铝沉淀物及时排出单体电池，设计了完全对称的液流配置室。当其中一个液流配置室工作时，另一个液流配置室用于沉降和排出沉淀物，这样可以保持铝-空气电池长时间不间断地工作，又能保证沉淀物的及时排出。液流配置室的内部结构如图3所示。

图3 液流配置室内部结构示意图

液流配置室通过出液管与铝-空气电池电堆相连接。当出液管流出的电解液撞击液流挡板后流进液流配置室中，沉淀物会在配置室底部沉积，通过沉淀物排出管排出铝-空气电池系统。

2.3 配液器

铝-空气电池系统的电堆由铝-空气电池单体串联而成，为保证电解液在单体电池内均匀分配，本系统设计了配液器，结构如图4所示，配液器为中空结构，通过送液管与液流泵相连，电解液经送液管进入配液器，在配液器中均匀分配电解液。并通过若干个出液管与每个铝-空气电池单体相通，将电解液均匀地分配到各个单体铝-空气电池中，结构如图5所示。