鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前全球能源供給日趨匱乏，人們正在積極探索新的能源。燃料電池由于其高效、 潔凈等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界新能源領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。鋁-空氣電池作為一種燃 料電池，以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，純鋁作為負(fù)極活性物質(zhì)。鋁-空氣電池由于能 量密度大，成為高能量、大功率備用電源的優(yōu)先選擇。
[0003] 由于采用的電解液不同，鋁-空氣電池的反應(yīng)機(jī)理亦不同。堿性條件下鋁-空氣 電池的主要反應(yīng)如下：
在堿性條件下，電池放電電壓較高，可適用于小功率電源，也可適用于中高功率電源。 中性條件下，反應(yīng)產(chǎn)物為不可溶的氫氧化鋁膠體，目前一般在電解液中添加特殊的抑制劑， 使膠體以結(jié)晶化粉末的形式從陽(yáng)極上脫落，避免其影響電池反應(yīng)的進(jìn)行。而在堿性條件下 反應(yīng)開(kāi)始的產(chǎn)物為可溶的Al (OH) 4，后期有氫氧化鋁析出，因此堿性性鋁-空氣電池在設(shè) 計(jì)上比較復(fù)雜，輔助設(shè)施也較多。
[0004] 目前鋁-空氣電池應(yīng)用技術(shù)取得了很大的發(fā)展，但是仍未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。主 要原因在于一些相關(guān)技術(shù)尚未十分成熟，仍存在一些問(wèn)題亟待解決。國(guó)內(nèi)關(guān)于鋁-空氣電 池的相關(guān)研究報(bào)道極少，也沒(méi)有對(duì)鋁-空氣電池電解液循環(huán)過(guò)濾的研究。國(guó)外研究中提到 一般的中、高功率大型鋁-空氣電池組需要電解液循環(huán)系統(tǒng)。電解液循環(huán)過(guò)程中添加特殊 的抑制劑，使電池反應(yīng)產(chǎn)物三水鋁石結(jié)晶沉淀，通過(guò)過(guò)濾的方法將其除去，但是分離裝置及 其過(guò)程尚不可知，也沒(méi)有相關(guān)的研究和報(bào)道。國(guó)內(nèi)關(guān)于鋁-空氣電池的相關(guān)研究和報(bào)道極 少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外對(duì)鋁-空氣電池的研究。因此有必要設(shè)計(jì)一種電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，用 特殊方法使三水鋁石結(jié)晶析出以便從電解液中分離，保證電池反應(yīng)順利進(jìn)行，延長(zhǎng)電池工 作時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)及方法，探討堿性鋁_空氣電 池電解液循環(huán)的可行性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定適當(dāng)?shù)碾娊庖貉h(huán)方式、沉淀過(guò)濾方式、電解液補(bǔ)充 方式。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，包括儲(chǔ)液槽、壓力栗、鋁空氣電池電堆、熱交換器、溫度 傳感器、電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽和過(guò)濾器，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于沉降槽中裝有超聲裝置和晶種添 加裝置，儲(chǔ)液槽帶有電解液自動(dòng)補(bǔ)加裝置。儲(chǔ)液槽的出料口經(jīng)壓力栗與鋁空氣電池電堆的 進(jìn)料口相連，鋁空氣電池電堆的出料口經(jīng)熱交換器和溫度傳感器與電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽的 進(jìn)料口相連，電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽的出料口經(jīng)過(guò)濾器、壓力表與儲(chǔ)液槽的進(jìn)料口相連。
[0007] -種利用上述系統(tǒng)對(duì)鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾的方法，包括如下步驟： 步驟一：鋁空氣電池電堆開(kāi)始工作后，壓力栗在鋁空氣電池電堆供電下工作，將電解液 從儲(chǔ)液槽中通入鋁空氣電池電堆； 步驟二：從鋁空氣電池電堆流出的反應(yīng)后的電解液在熱交換器中加熱，達(dá)到40-80°C 后，進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽，電解液達(dá)到電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽體積1/2-2/3后，壓力栗停 止工作，停止供液； 步驟三：電解液進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽后，超聲裝置開(kāi)始工作，同時(shí)，添加Al (OH) 3 晶種，在溫度、超聲、晶種的三重作用下，三水鋁石會(huì)快速沉降，控制超聲時(shí)間為40-60min， 晶種添加量為5-30g/L; 步驟四：沉降完成后的電解液進(jìn)入過(guò)濾器，在過(guò)濾器的作用下，進(jìn)一步過(guò)濾，保證三水 鋁石去除干凈，同時(shí)壓力栗可繼續(xù)工作，使需要處理的電解液繼續(xù)進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降 槽沉降； 步驟五：過(guò)濾完成的電解液會(huì)在儲(chǔ)液槽中收集，同時(shí)由于反應(yīng)后電解液濃度下降，需要 補(bǔ)充高濃度電解液，以維持濃度恒定。
[0008] 本發(fā)明中，所述電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽中裝有超聲裝置和晶種添加裝置，超聲裝置 功率可調(diào)，可根據(jù)場(chǎng)合選擇合適的超聲功率。超聲處理可以強(qiáng)化Al (OH) 3膠體顆粒沉降，促 進(jìn)Al (OH) 3從溶液中結(jié)晶析出；在超聲處理和靜置條件下，溶液中析出的沉淀質(zhì)量都隨時(shí) 間的增大而增大，但是超聲處理后，在相同的時(shí)間內(nèi)比靜置條件下析出的更多；晶種可以有 效加快電解液中Al (OH)3的結(jié)晶析出，同時(shí)，超聲處理和添加晶種可以起到協(xié)同作用，加快 Al (OH) 3的結(jié)晶析出。晶種為Al (OH) 3或者Al 203。
[0009] 本發(fā)明中，所述熱交換器可以控制電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽中電解液的溫度，溫度升 高，有利于Al (OH)3的沉降。電解液溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，溫度傳感器閉合通過(guò)電池反應(yīng)產(chǎn) 物沉降槽的通道，使電解液在熱交換器中循環(huán)加熱，直到電解液達(dá)到設(shè)定溫度值，溫度傳感 器打開(kāi)通道，電解液將進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽中進(jìn)行沉降處理。
[0010] 本發(fā)明中，所述過(guò)濾器為聚丙烯濾芯。
[0011] 本發(fā)明中，所述儲(chǔ)液槽裝有電解液補(bǔ)加系統(tǒng)，對(duì)于使用堿性電解液的鋁空氣電池 體系，隨著電池的不斷放電，電解液OH的濃度會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致Al (OH) 3更容易析出，影響 電池正常工作，因此，需要在電池工作過(guò)程中補(bǔ)加電解液，電解液補(bǔ)加系統(tǒng)可自動(dòng)補(bǔ)加電解 液，補(bǔ)加電解液濃度為高濃度電解液，濃度為15mol/L(溶解度為42g)左右。
[0012] 鋁-空氣電池進(jìn)行電解液循環(huán)的目的主要是使鋁陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鋁膠體 通過(guò)過(guò)濾裝置使其與電解液分離，從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到其他儲(chǔ)存裝置中，保證電池正常工作。 由于OH參與電池反應(yīng)，隨著放電深度的增大，其濃度下降，因此需要在反應(yīng)過(guò)程中適時(shí)地 補(bǔ)充電解液，使電解液濃度保持在一定水平。電池剛開(kāi)始工作時(shí)，電解液為強(qiáng)堿性，此時(shí)陽(yáng) 極反應(yīng)產(chǎn)物為Al (OH) 4，反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)Al (OH) 4達(dá)到飽和，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?使其成核結(jié)晶析出。反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，電解液濃度下降，產(chǎn)生氫氧化鋁膠體，此時(shí)可 添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┦蛊涑恋?。產(chǎn)生的沉淀通過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾裝置除去，從而達(dá)到凈化電解液 的目的。
[0013] 本發(fā)明研究鋁-空氣電池電解液的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，探討了超聲波對(duì)Al (011)3膠體 顆粒沉降過(guò)程的影響，研究了超聲波作用時(shí)間、功率、溫度對(duì)Al (OH)JK體顆粒沉降過(guò)程的 影響。同時(shí)還探討了添加Al (OH)3和Al 203作為晶種對(duì)溶液中Al (OH) 3結(jié)晶析出過(guò)程的影 響，探討了晶種的添加量對(duì)Al (OH)3結(jié)晶析出過(guò)程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，超聲時(shí)間為60min沉 降效果比較好；溫度升高有利于Al (OH)3W溶液中析出；Al (OH) 3作為晶種的效果要比Al2O3 更好，且添加量為20g/L時(shí)，結(jié)晶析出效果最佳；超聲波處理和添加晶種起協(xié)同作用，可以 加快Al (OH)3的結(jié)晶析出。利用聚丙烯濾芯可以將電池反應(yīng)產(chǎn)生的Al (OH) 3過(guò)濾除去。利 用高濃度電解液進(jìn)行補(bǔ)充，可以使電池保證正常工作，補(bǔ)充用電解液濃度為15mol/L (溶解 度42g)左右。
[0014] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、 本發(fā)明在沉降槽中安裝有超聲裝置和晶種添加裝置，對(duì)于鋁空氣電池電堆反應(yīng)過(guò)程 中產(chǎn)生的三水鋁石具有極強(qiáng)的過(guò)濾能力和過(guò)濾效率； 2、 儲(chǔ)液槽可自動(dòng)補(bǔ)加高濃度電解液，保證電池工作過(guò)程中電解液濃度的恒定。
[0015] 3、整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)所需的電能均可從電堆獲取，同時(shí)提供了一種成熟的循環(huán)工作方 式以供參考。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)； 圖2為不同溫度下沉降層厚度隨時(shí)間的變化； 圖3為不同功率下沉降層厚度隨時(shí)間的變化； 圖4為溶液中析出沉淀質(zhì)量隨功率的變化； 圖5為不同溫度下沉降層厚度隨時(shí)間的變化； 圖6為不同添加量下沉降層厚度隨時(shí)間的變化； 圖7為補(bǔ)充電解液和不充電電解液時(shí)的電壓-時(shí)間曲線(xiàn)； 圖8為補(bǔ)充電解液后電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)； 圖9為NaOH的溶解度曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0018] 實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)施例中的鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)由儲(chǔ)液槽1、壓力栗2、鋁空氣電池 電堆3、熱交換器4、溫度傳感器5、電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽6、過(guò)濾器7和壓力表8構(gòu)成，電池 反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽6中裝有超聲裝置9和晶種添加裝置10,儲(chǔ)液槽1帶有電解液自動(dòng)補(bǔ)加裝 置11。
[0019] 電池工作原理如下：電解液儲(chǔ)存在儲(chǔ)液槽1中，經(jīng)由壓力栗2將電解液通入鋁空氣 電池電堆3中，反應(yīng)后的電解液被送入熱交換器4,并經(jīng)過(guò)溫度傳感器5的檢測(cè)，當(dāng)熱交換器 4中電解液溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電解液方可進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽6中，同時(shí)電池反應(yīng)產(chǎn) 物沉降槽6中的超聲裝置9和晶種添加裝置10開(kāi)始工作，加速電解液中三水鋁石的沉降， 沉降后的電解液經(jīng)過(guò)過(guò)濾器7的進(jìn)一步過(guò)濾后，經(jīng)過(guò)壓力表8最終進(jìn)入儲(chǔ)液槽1中，同時(shí)， 電解液自動(dòng)補(bǔ)加裝置11補(bǔ)充高濃度電解液，以維持電解液濃度的平衡。
[0020] 一種利用上述系統(tǒng)對(duì)鋁空氣電池循環(huán)過(guò)濾的方法，包括如下步驟： 步驟一：鋁空氣電池電堆開(kāi)始工作后，壓力栗在鋁空氣電池電堆供電下工作，將電解液 從儲(chǔ)液槽中通入鋁空氣電池電堆； 步驟二：從鋁空氣電池電堆流出的反應(yīng)后的電解液在熱交換器中加熱，達(dá)到一定溫度 后，進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽，電解液達(dá)到電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽體積1/3-2/3后，壓力栗停 止工作，停止供液； 步驟三：電解液進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降槽后，超聲裝置開(kāi)始工作，超聲時(shí)間60min，同 時(shí)，添加一定量的Al (OH)3晶種，在溫度、超聲、晶種的三重作用下，三水鋁石會(huì)快速沉降； 步驟四：沉降完成后的電解液進(jìn)入過(guò)濾器，在過(guò)濾器的作用下，進(jìn)一步過(guò)濾，保證三水 鋁石去除干凈，同時(shí)壓力栗可繼續(xù)工作，使需要處理的電解液繼續(xù)進(jìn)入電池反應(yīng)產(chǎn)物沉降 槽沉降； 步驟五：過(guò)濾完成的電解液會(huì)在儲(chǔ)液槽中收集，同時(shí)由于反應(yīng)后電解液濃度下降，需要 補(bǔ)充高濃度電解液，以維持濃度恒定，高濃度電解液的濃度為15mol/L為最佳。
[0021] 實(shí)施例2 配制好飽和溶液后，對(duì)溶液進(jìn)行超聲處理。實(shí)驗(yàn)中用一個(gè)50mL的帶有刻度的量筒裝溶 液，并記錄沉降層厚度隨時(shí)間變化的值。處理完畢后通過(guò)真空抽濾的方法從溶液中分離得 到析出的沉淀物，進(jìn)行熱風(fēng)干燥。最后稱(chēng)量干燥物得到進(jìn)行分析。
[0022] 為了探究超聲波對(duì)Al (OH)3膠體顆粒沉降過(guò)程的影響，制備備飽