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1鋁-空氣電池系統(tǒng)設(shè)計思路

鋁-空氣電池可以表示為：(－)Al|電解液|O2(空氣)(+)陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e－→4OH－陽極反應(yīng)：Al－3e－→Al3+總反應(yīng)：4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3在本文的設(shè)計中，鋁-空氣電池體系電極反應(yīng)的特點決定了其特有的設(shè)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(xué)反應(yīng)發(fā)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(lián)的方式，構(gòu)成鋁-空氣電池電堆。(2)鋁-空氣電池體系運行過程的副產(chǎn)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(fù)極上的沉淀，設(shè)計了液流配置室、配液器和電解液的循環(huán)體系。綜合考慮，鋁-空氣電池系統(tǒng)主要包括以下結(jié)構(gòu)：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(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述思路，確定鋁-空氣電池系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，見圖1。本文所述鋁-空氣電堆至少是由兩個彼此以電串聯(lián)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(wěn)定的輸出電能。在電堆的下方設(shè)有兩個液流配置室，上方則是配液器。各單體鋁-空氣電池經(jīng)各自的出液管與液流配置室相通，而該液流配置室經(jīng)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(lián)通，從而構(gòu)成完整的液流回路。鋁-空氣電池系統(tǒng)運行時，調(diào)節(jié)與液流配置室相連接的出液管開關(guān)，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(huán)，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(cè)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(shè)計成由若干個鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成。單體鋁-空氣電池具有腔體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括以下三部分：進液分割室、電池反應(yīng)室和出液分割室。電解液經(jīng)進液管流至進液分割室，再經(jīng)該分割室下部的進液管流入電池反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)室。電池反應(yīng)室側(cè)壁為空氣電極，鋁合金電極位于電池反應(yīng)室內(nèi)。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(yīng)的電流。出液分割室分隔為匯流區(qū)和出液區(qū)，通過匯流管連通。電池反應(yīng)室內(nèi)的電解液經(jīng)溢流槽流入?yún)R流區(qū)，經(jīng)匯流管流入其下部的出液區(qū)。在出液區(qū)內(nèi)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(qū)。鋁-空氣單體電池中設(shè)計的進液切割器和出液切割器，可在電解液沖擊下自行轉(zhuǎn)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。

2.2液流配置室鋁-空氣電池系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(shè)計了完全對稱的液流配置室。當(dāng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。液流配置室通過出液管與鋁-空氣電池電堆相連接。當(dāng)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(tǒng)。

2.3配液器鋁-空氣電池系統(tǒng)的電堆由鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成，為保證電解液在單體電池內(nèi)均勻分配，本系統(tǒng)設(shè)計了配液器，結(jié)構(gòu)如圖4所示，配液器為中空結(jié)構(gòu)，通過送液管與液流泵相連，電解液經(jīng)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4液流泵液流泵和泵液腔使電解液不斷循環(huán)，帶出反應(yīng)中各個單體所產(chǎn)生的沉淀及產(chǎn)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(tǒng)中循環(huán)。

3結(jié)束語

本文設(shè)計了一種大功率鋁-空氣電池體系的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)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?？梢灶A(yù)計，該系統(tǒng)在應(yīng)急電源、電動汽車和信號電源等方面，具有良好的應(yīng)用前景。

作者：周玉松齊艷玲王為單位：天津大學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系