一種大功率鋁-空氣電池系統的結構設計

周玉松，齊艷玲，王 為

(天津大學化工學院應用化學系，天津 300072)

鋁-空氣電池是一種新型高能化學電源，它以鋁合金為負極，空氣電極為正極，中性或堿性水溶液為電解液，電池運行過程中通過消耗鋁合金負極和空氣中的氧氣對外輸出電能[1]。鋁-空氣電池不需充電，電池運行過程中可通過補充消耗的鋁合金負極材料以維持電池持續運行，故也稱為金屬燃料電池。中性鋁-空氣電池以食鹽水或海水為電解液，堿性鋁-空氣電池以氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液為電解液。該電池具有能量密度大、質量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長、使用安全等優點，因此被稱為是“面向21世紀的綠色能源”[2-3]。

人們一直致力于鋁-空電池系統的研究以及結構的改進。劉文西等[4]公開了一種鋁空氣電池的結構，該結構采用整體組合式柵欄陽極，方便更換，同時組合式柵欄陽極可以移離電解液液面，以避免自行放電耗損陽極，采用循環流動的電解液可以沖刷鋁板表面，避免反應沉積物遮蔽鋁板。但這種電池在工作時只有一個電池室，故電池的電壓低，且反應沉積物隨電解液在電池內部流動，不易清除。史鵬飛等[5]公開了一種多個單體電池串聯構成的電池組，這種電池組結構采用密封工藝制成，電池組使用過程中易產生短路問題。石忠東[6]設計了“不用充電的鋁空氣電池”，其特征是在中間帶有隔板的塑料殼體壁的內側設有催化層，殼體壁的外側與催化層對應處設有防水層，殼體外壁上有與空氣電極相連的銅網，塑料蓋蓋于殼體上，塑料蓋上設有插入殼體內的鋁板負極，殼體內放有5%食鹽水溶液。這種電池中電解液靜止，沒有循環的液流系統，不利于鋁-空氣電池系統的長時間工作。

本文提出了一種大功率鋁-空氣電池系統的結構，解決了現有技術中存在的鋁-空氣電池沉淀物難以清除、電堆中單體電池間液流短路等問題。

1 鋁-空氣電池系統設計思路

鋁-空氣電池可以表示為：

(－)A l|電解液 |O2(空氣)(+)

陰極反應：O2+2 H2O+4 e－→4OH－

陽極反應：Al－3 e－→ A l3+

總反應：4 Al+3O2+6 H2O→4 A l(OH)3

在本文的設計中，鋁-空氣電池體系電極反應的特點決定了其特有的設計思路：

(1)單體鋁-空氣電池由鋁陽極、電解液和空氣陰極組成，作為電化學反應發生的場所。為獲得較高的輸出電壓和輸出功率，故單體鋁-空氣電池體系采用單體串聯的方式，構成鋁-空氣電池電堆。

(2)鋁-空氣電池體系運行過程的副產物是氧化鋁絮狀沉淀，為了能排出進入電解液以及附著在正負極上的沉淀，設計了液流配置室、配液器和電解液的循環體系。

綜合考慮，鋁-空氣電池系統主要包括以下結構：鋁-空氣電池電堆、液流配置室、配液器和液流泵。

2 鋁-空氣電池系統的結構

根據上述思路，確定鋁-空氣電池系統的總體結構，見圖1。

圖1 鋁-空氣電池系統結構示意圖

本文所述鋁-空氣電堆至少是由兩個彼此以電串聯的單體鋁-空氣電池連接成的電堆，以此獲得較大的輸出功率和穩定的輸出電能。在電堆的下方設有兩個液流配置室，上方則是配液器。各單體鋁-空氣電池經各自的出液管與液流配置室相通，而該液流配置室經其各自的輸液管與泵液腔、液流泵相通，該液流泵的送液管與上述配液器相通。配液器通過各進液管與位于其下方的各單體鋁-空氣電池相聯通，從而構成完整的液流回路。鋁-空氣電池系統運行時，調節與液流配置室相連接的出液管開關，控制電池組的電解液交替流入兩液流配置室之一，電解液在該液流配置室、泵液腔、配液器和電池組之間循環，而另一液流配置室則處于電解液靜置、沉淀物沉降處理過程中。位于該電堆外側的電能輸出端分別與電堆的空氣電極集流板和鋁合金電極集流板相連通，并對外供電。

2.1 鋁-空氣單體電池電堆

鋁-空氣電池電堆設計成由若干個鋁-空氣電池單體串聯而成。單體鋁-空氣電池具有腔體結構，如圖2所示，主要包括以下三部分：進液分割室、電池反應室和出液分割室。電解液經進液管流至進液分割室，再經該分割室下部的進液管流入電池反應室。在該進液分割室上方，裝有進液切割器，流進該分割室的電解液恰好注入轉動的進液切割器柵格上，被該進液切割器的柵格斬斷后流入電池反應室。電池反應室側壁為空氣電極，鋁合金電極位于電池反應室內。空氣電極與鋁合金電極同時處于電解液中。鋁合金電極和空氣電極分別與鋁合金電極集流板和空氣電極集流板連接以輸出電池反應的電流。出液分割室分隔為匯流區和出液區，通過匯流管連通。電池反應室內的電解液經溢流槽流入匯流區，經匯流管流入其下部的出液區。在出液區內裝有出液切割器，由匯流管流出的電解液恰好注入該出液切割器的柵格上，即該電解液是被該出液切割器的柵格斬斷后才流進該出液區。鋁-空氣單體電池中設計的進液切割器和出液切割器，可在電解液沖擊下自行轉動來斬斷流過的電解液液流，來解決電堆中單體電池間液流短路的問題。

圖2 單體鋁-空氣電池內部結構示意圖

2.2 液流配置室

鋁-空氣電池系統運行期間，會有氧化鋁等沉淀物生成。形成于單體鋁-空氣電池內的氧化鋁若不及時移除，會覆蓋在鋁陽極和空氣陰極的表面，降低鋁陽極放電效率，堵塞空氣電極的進氣孔道，增大電池電阻，進而影響鋁-空氣電池系統的正常運行。為了將形成的氧化鋁沉淀物及時排出單體電池，設計了完全對稱的液流配置室。當其中一個液流配置室工作時，另一個液流配置室用于沉降和排出沉淀物，這樣可以保持鋁-空氣電池長時間不間斷地工作，又能保證沉淀物的及時排出。液流配置室的內部結構如圖3所示。

圖3 液流配置室內部結構示意圖

液流配置室通過出液管與鋁-空氣電池電堆相連接。當出液管流出的電解液撞擊液流擋板后流進液流配置室中，沉淀物會在配置室底部沉積，通過沉淀物排出管排出鋁-空氣電池系統。

2.3 配液器

鋁-空氣電池系統的電堆由鋁-空氣電池單體串聯而成，為保證電解液在單體電池內均勻分配，本系統設計了配液器，結構如圖4所示，配液器為中空結構，通過送液管與液流泵相連，電解液經送液管進入配液器，在配液器中均勻分配電解液。并通過若干個出液管與每個鋁-空氣電池單體相通，將電解液均勻地分配到各個單體鋁-空氣電池中，結構如圖5所示。

圖4 配液器的內部結構示意圖

圖5 配液器的外部結構示意圖

2.4 液流泵

液流泵和泵液腔使電解液不斷循環，帶出反應中各個單體所產生的沉淀及產生的熱量。并且生成的沉淀也能在泵液腔中沉積，通過出液管將沉淀排出。液流泵的出液口與配液器的進液口相連，使電解液能源源不斷地在鋁-空氣電池系統中循環。

3 結束語

本文設計了一種大功率鋁-空氣電池體系的結構，該系統能保證鋁-空氣電池電堆大功率輸出電能的同時安全長時間地運行。可以預計，該系統在應急電源、電動汽車和信號電源等方面，具有良好的應用前景。

[1]王兆文,李慶峰,高炳亮,等.鋁-空氣電池的開發與應用[J].有色金屬,2002,18(1):38-41.

[2]鞠克江,劉長瑞,唐長斌,等.鋁空氣電池研究進展與應用前景[J].電池,2009,39(1):50-52.

[3]馬正青,左列,龐旭,等.鋁電池研究進展[J].船電技術,2008(5):257-261.

[4]劉文西,李振亞.鋁空氣電池:中國,CN99252133.5[P].2000-11-08.

[5]史鵬飛,夏保佳,尹鴿平,等.多個單體串聯的鋁空氣電池:中國,90222922.2[P].1991-06-26.

[6]石忠東.不用充電的鋁空氣電池:中國,01278570.9[P].2002-10-23.