话说铝燃料电池（6）：铝燃料电池技术参数及优势
来源:中国有色金属报 作者:王祝堂
时间:2017-09-12 13:44 点击:213次
铝燃料电池是一种发电设备，是一个“发电厂”，这种发电机的阳极为铝合金，阴极为空气，运行过程中（图1）通过消耗铝合金阳极、电解质（液）水和空气中的氧对外输出电能，运行过程中有Al（OH）3产生，是一种很有商业价值的副产物。实际上是一种在催化剂的催化作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源，是铝电解的逆过程。 实际发电电池是铝燃料电池与辅助电池（锂电池或镍氢电池）组成的混合系统，图1即为非常新能源有限公司的这样模式，其特点是：利用铝燃料电池比能量大的特点，以它作为能源包，贮存携带能量，恒功率输出，使用后整体更换；发挥镍-氢电池/锂电池输出性能好、充电效率高特点，将它们结合在一起，发挥各自优势，在铝燃料电池工作工始和结束时利用辅助电池循环电解液，完全控制铝燃料电池的自放电和搁置性能。 |
铝燃料电池技术参数
截至2016年，德阳东深新能源科技有限公司推向市场的铝燃料电池，由其特性及应用方向分为容量型及功率型两种，前者容量大比功率小，后者功率大比容量小。它们的技术参数（见表1）。容量型铝燃料电池主要适用于UPS（不间断电源，Uninterraptible Power Source），应用于通讯基站、移动式充电桩、智能微电网等；功率型铝燃料电池主要适用于牵引动力，应用于车辆、航空器、舰船等方面。
铝燃料电池的优点
铝燃料电池具有比能量大、成本较低、更换方便、绿色环保、安全可靠、适用性强、可长时间运行、生成物可全部回收循环利用等特点。
比能量大
铝燃料电池的理论比能量可达8178Wh/kg，是锂离子电池的4倍，其电源系统具有大电流、低噪声（≤35dB）、无红外特征、长航时（一次加或更换铝阳极可持续大电流供电7d~42d）。铝燃料电池的实际比能量可达350Wh/kg~500Wh/kg，为锂离子电池120Wh/kg~150Wh/kg的3倍，续航里程也相应为锂离子电池的3倍。以北京汽车集团的E150型电动车为便，锂离子电池携带的电量26kWh，而等同质量铝燃料电池可携带78kWh，续航里程390km，与燃油汽车一次加油行驶的里程相当。
运行成本较低，与燃油汽车的相当
根据童东风等与东深新能源科技有限公司的数据（图2），铝燃料电池电动车的铝、水消耗分别为3kg/100km、5L/100kg，按15000元/t铝价及3000元/t铝材加工费计算，铝耗成本为54元，电解质成本按1元/L计算，则铝燃料电池成本约59元/100km，而一般小型乘人行驶油耗约8L/100km，汽油价格按7.63元/L计算，则行驶费用为61元/100km。
制造成本较低
电池的制造成本用制造电池的费用除以电池可以储存的电量来表达，据东深新能源科技有限公司的统计，制造铝燃料电池为500元/kWh，仅为生产锂离子电池成本4000元/kWh的1/8。
更换简单易行方便
铝燃料电池运行放电时消耗的是铝和水为主，运行过程中只需要添加适量的水，运行周期完成后，仅需更换铝板或整体更换电池堆，操作快捷，简单方便，从操作时间和简易程度上来看与汽车加油时的相当，比蓄电池的充电时间短得多。断电后可迅速瞬间启动，电压稳定，电流输出正常。
铝燃料电池运行期间主要副产物是氢氧化铝Al（OH）3，对环境无害，且可循环利用，加工成纳米级高纯Al2O3，循环利用加工成本还不到10元/kg，而燃油汽车却存在严重的废气污染、锂离子电池汽车则有重金属污染等。铝燃料电池运行时无机械震动，非常平稳，无噪声，噪音≤35dB；无热源，不会起火，不会爆炸。无电磁特征，燃料利用率达92%以上。
安全可靠
物理化学性质稳定，不因暴露于空气中而发生腐蚀、发热、燃烧或爆炸；受到挤压撞击、跌落、刺穿等强力破坏，不会燃烧或爆炸；电池内芯工作温度40℃，无燃烧或爆炸等重大安全隐患；可长时间、大电流、持续发电。
通用性强，适用性广
铝燃料电池堆（组）采用模块化设计，可根据不同使用环境，各种用电需求快速组合，通用性强。大功率铝燃料电池设备可广泛应用于国民经济建设、群众生产生活和国防各个方面。
长时间运行
铝燃料电池特别适合在大电态势下长期连续地运行，无需充电。因此，铝燃料电池设备特别适合用作长时效UPS。
铝资源丰富，制造成本不高
虽然中国可用纯拜耳法提取氧化铝的三水铝土矿资源少，其他的铝土矿也不丰富，但就全球而言，铝土矿有的是，很丰富，地壳中的铝含量占其总质量的8%以上，同时铝是回收率很高的金属，回收能耗仅占原铝提取总能耗的5%，回收烧损也≤5%，铝是一种循环价值最高的金属，一种绿色金属，因此，铝燃料的价格可长期稳定在一个合理的范围内。
氢氧化铝回收
铝燃料电池在发电运作时，会产生絮状Al（OH）3沉淀，每消耗1kg铝可产生3kg的Al（OH）3，可制得2kg的Al2O3超细的纳米级粉粒（图3）。东深新能源科技有限公司用电池废浆制备的微粉氢氧化铝白度≥97%，达到了微粉要求；粒度相当均匀，d50产品粒度0.8μm~1.5μm，而进一步制得的氧化铝粉粒度可达到30nm。非常新能源科技有限公司采用独特铝合金阳极技术与电解液技术，通过严格控制电池系统，防止粗大晶粒产生，再经过一定的处理过程，制备的纳米级Al2O3的晶粒尺寸、粒度分布、化学纯度、整体色度均得到很好的控制，已在纳灯、混合动力汽车、电子衬底片、汽车尾气处理催化剂、紫外固化材料、医疗、光学薄膜、锂电池隔膜、车灯、LED照明、半导体、显示屏等领域获得广泛应用。
201709014网摘
4月初美国斯坦福大学以戴宏杰教授为首的研究小组发表了关于铝电池的论文，引起舆论的广泛关注。据悉，这种铝电池具有高效耐用、可燃性低、成本低、充电快速等优点，可成为常规电池的安全替代品。
过去十几年时间以来，研究人员曾尝试开发一种商用铝电池，但是都未成功，其中最大的挑战就是很难找到一种能够在经过了反复充电、放电周期后，还能提供充足电压的材质。2015年上半年，美国华人科学家终于冲破了瓶颈，研制出首款可商业应用的高性能铝电池。
该电池有三个特点，
一是在世界上独创了以流动的液体作为正极材料，电流与功率大，可以做到千、万安培级；
二是以铝作为材料，解决了铝的自腐问题，在世界上首次实现了铝大电流应用；
三是不需要充电桩，仅仅需要加入含固体的电池水，可以不受时间和空间的限制。
新型铝电池支持超快速充电，以智能手机为例，目前的锂电池充满电需要数小时时间，但铝电池充满电的时间仅需1分钟。凭借其成本低、安全性能高、充电快速、生命周期长等优点，铝电池在3C消费电子产品具有广阔的市场，还可用于在电网中储存可再生能源，另外，在电动汽车行业亦将备受青睐。
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铝是一种节能环保绿色金属
(1): 话说铝燃料电池
2017/06/05 16:43:04 来源:长江铝业网 作者:匿名 点击数： 1170次
【中国铝业网】铝是一种银白色金属，现在用的英文名“Aluminium”是从古罗马语“Alumen（明矾）”衍生来的，在北美洲用“aluminum”，在世界其他国家及地区则多用“Aluminium”。1807年英国化学家波特（J.H.Pott）用明矾制得氧化铝。1807年英国化学家戴维（H.Davy）试图电解熔融氧化铝制取金属，1808年他将这个预想的金属命名为“Aluminum”，后改为“Aluminium”。1825年丹麦科学家奥斯忒（H.C.Qersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，制得几毫克铝。1827年德国化学家沃勒（F.Wohler）用钾还原氧化铝，制得了少量较纯的铝，并描述了它的一些性质，不过在此之前，这个金属一直是实验室中的一种名贵“古董”。到1854年法国科学家德维尔（Henri Saint，Claite Deville）改进了以前的制备方法，用钠作为还原剂成功地生产了较多的以kg计的更纯的铝，价格比黄金的还贵一些，并建厂为皇室贵族生产一些头盔、餐具及玩具。1886年美国奥伯宁学院化学系大学生霍尔（C.M.Hall）与法国埃科尔矿业学院（Ecole des Mines）大学生埃罗（Paul L.Heroult）在大洋彼岸独立地发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解炼铝法，并分别在各自国家取得了专利。1888年霍尔组建了匹兹堡冶金公司（Pittsburgh Reduction Company），即当今的美国铝业公司（Alcoa）的前身，埃罗也在瑞士成立了产铝工厂。铝的生产从此进入了工业化，年年增加，一路攀升，1956年全世界原铝产量超过铜，成为仅次于钢的第二大金属，2016年全世界原铝产量59166kt，其中中国的产量32650kt，占世界总产量的55.18%，中国已成为世界原铝生产的全面领军者。
在此顺便说明一下，在提到铝时，不要在铝的前面加“金属”二字，因为汉字“铝”有“金”字偏旁，就说明它是一种金属，而由英文的“Aluminium”并不能看出它是什么状态与什么属性的物质，因此他们常说与书写为“metal aluminium(金属铝）”。
铝是地球和月球上最丰富的金属元素，占地球表面固体部分的8%以上，海水平均含0.5ppm铝。目前全世界查明的铝土矿工业储量约280×108t，储量丰富和产量较大的国家有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加、印度等国，他们的铝土矿多为优质的高铁低硅三水软铝石型，适用于以简单的成本较低的拜耳（Bayer）法生产氧化铝，而中国缺乏这种优质铝土矿，已探明的93%以上为一水硬铝石型，主要杂质为SiO2和少量的Fe2O3、TiO2，不适宜用纯拜耳法生产氧化铝，所以说中国并不是一个铝土矿资源丰富的国家。
铝的基本特性
铝是一种轻金属，化学符号Al，在元素周期表中属ⅢA族，原子序数13，原子量26.982，面心立方晶格，常见化合价+3099.99%Al的物理性质：20℃时密度2.70g/cm3，熔点660.1℃，沸点2520℃，0℃——100℃的平均比热容917J/（kg·k），20℃——100℃的平均线胀系数23.6×10-6/℃，20℃的体胀系数68×10-6/℃，熔化热10.47KJ/mo1，汽化热291.4KJ/mo1，热导率（0℃——100℃）238W/（m·k），电阻率（20℃）2.67μΩ·cm，电导率（62%——68%）IACS，撞击时不发火花，非磁性，反射全光谱辐射能，声音在铝中的传播速度5000m/s——6500m/s，对光的反射率85%——90%，25℃时热扩散率0.969cm2/s。
华学性能：铝在空气中会立即与氧形成薄的（0.005μm——0.02μm）氧化膜，它很致密，可阻止铝的继续氧化，因而有强的抗蚀性，但是铝是两种元素，与大多数稀酸只发生缓慢的反应，可迅速溶解于浓盐酸，而不与浓硝酸反应，因为发生了钝化，铝可与NaOH溶液发生强烈反应，铝可与氮、硫和卤族元素在高温下发生反应；99.50%Al在2.67%AlCl3溶液中对标准甘汞电极的自然电位-955.8mV，在3.5%NaCl溶液中对标准电极的孔蚀电位-732.2mV，铝有很好的可阳极氧化与电泳涂漆性能，可电镀性能也不错。铝的腐蚀有多种类型：普通腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀，应力腐蚀等，杂质的性质与分布状态决定它们对腐蚀的影响；影响腐蚀介质侵蚀能力最重要的因素是：浓度、温度、压力与运动。
力学性能：总体上，铝及铝合金有很好的力学性能，抗拉强度Rm从1070-H18合金的125N/mm2——7075-T6合金的570N/mm2，有些合金的Rm可以达到700N/mm2或更高一些，不少铝合金材料的Rm可接近软钢的；铝及铝合金有优秀的可压力加工性能，可加工成各种半成品，可工业化轧制宽2000mm，厚0.006mm的箔；其他的力学性能如弹性模量、疲劳性能、抗蠕变性能、断裂韧性、损伤容限等等都可以满足现代化工业发展的需求。
铝是一种节能环保的绿色金属
在上世纪60年代以前，人们都认为铝是一种耗能大与污染严重的金属，因为生产一吨原铝需要15000kWh以上的综合交流电：在原铝提取过程中，排放的气体有CO2、CO、HF、CF4、C2F6、SiF4、SO2、H2S、CS2、COS、H2O等，其中CO2是主要的，占75左右，另外，烟气中还含有微量的C、Al2O3、Na3AlF6、Na5AL3F14、NaAlF4、AlF3、CAF2等固体微粒，在这些排放物中最有害的是F，在现代化预焙糟原铝中产生的烟气经集气净化处理后，排放大气的烟气中的含F量可≤0.60kg/tAl，这就是说，一座800kt/a的原铝厂每年排放的有害物质F仍可达约480t。在生产中，每生产1t铝需要消耗约4t铝土矿，产生约3t固体废弃物，它们虽不是有毒的，但却是有害的。自上世纪70年代以来，人们开始对铝有了新的认识：
●能源储蓄银行
美国铝业协会公司认为铝是“能源储蓄银行”即在原铝提取过程中所消耗的能源，在其后的使用及回收过程中可以“支取”，还给社会。汽车的质量每减轻10%可节油8%；每使用1kg铝，可使车在合用期内减少20kg尾气排放；采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6倍——12倍。
●铝在使用过程中，由于零部件质量的减轻，以及抗蚀性的提高与寿命的延长，因而可减少温室气体排放。
●铝是一种可回收性极强的金属，每循环一次仅损失约5%，而回收的能耗及排放的温室气体，仅相当于原铝提取5%在一定程度上说，铝是一种“与世长存”的金属，自1988年至2016年全世界共生产了约13.5亿吨铝，至今仍有约75%在使用。
话说铝燃料电池（2）：铝电解与燃料电池原理
2017年06月26日 9:10 1518次浏览 来源： 中国有色网 分类： 新材料前沿
铝燃料电池的发电原理是铝电解原理的逆过程，所以先说说铝电解原理。
铝电解原理
自1988年到2016年，全世界共生产了约13.5亿吨原铝，都是用霍尔-埃罗（Hall-héroult）的冰晶石（Na3AlF6）-氧化铝（Al2O3）熔盐电解法生产的。这种工艺已经有129年的历史了，至今其原理没有变化，工艺也没有变化，但是实施提铝的主体设备——电解槽的结构却发生了很大变化。电耗由1892年霍尔槽的31000kWh/tAl（电流效率80%降到了2016年的12800kWh/tAl（直流电耗，电流效率96%以上），电解槽的容量由最初的几kA增加到中国东北大学设计院的NEUI600kA，电解槽的结构型式也发生了很大变化（图1、2）。
电解法原理就是将氧化铝溶解在熔融（950℃~970℃）的冰晶石、氟化铝等电解质中，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物在阴极上是液态铝却约950℃的原铝（99.5%~99.8%）Al，阳极上是气体，由（70%~80%)CO2、（20%~30%）SO2、少量氟化物和H2O等组成。所以阴极反应是：
Al3+（络合的）+3e→Al
而阳极反应是：602-（络合的）+3C-12e→3CO2
总反应式为：2Al2O3+3C→4Al+3CO2
在冰晶石-氧化铝电解质中，Al2O3含量通常保持在3%~5%，为了电解质性能稳定，往往还要添加少量铝、镁、钙和锂的化合物如氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等。提取1t原铝要消耗：1920kg~1940kg氧化铝、5kg~15kg冰晶石、20kg~30kg氟化铝、430kg~480kg阳极炭块。
燃料电池简介
铝燃料电池（Aluminium fuel cell）又有把它称为铝空气电池或铝空电池的，最好称为铝燃料电池，铝是阴极，如果阴极是Mg或锌则分别称为镁、锌燃料电池，氧是阳极。根据美国R.奥海尔（O'Hayre）等在《燃料电池基础（Fuel Cell Fundamentals）》一书给的定义：燃料电池是一个“工厂”，它将燃料输送进来，同时将产生的电输出，只要原材料（燃料）源源不断地供应，燃料电池就会不断地产出产品（电）。一个氢燃料电池即氢氧燃料电池燃烧发电的基本概念如图3所示。
图4为一个最简单的氢-氧燃料电池示意图，世界上首个燃料池是威廉·格罗夫（William Grove）1839年发明的。在图所示的燃料电池中，氢的燃烧可分为两个半电化学反应：
H2→←2H++2e-
1-2O2+2H++2e-=H2O
如果将这两个反应从空间上分开，那末由氢转换而来的电子在上述反应之前通过外电路流出，就可以用于做功，点亮灯泡。此种空间隔离就是电解质，它是一种只允许离子（带电的原子）通行而不允许电子通过的硫酸溶液，两个电极是铂制的。氢气由左边电极进入，分解成质子H+和电子，质子（离子）可通过电解质流动，而电子则通过连续两个铂电极的导线从左向右流行。
话说铝燃料电池（3）：铝燃料电池的重大进展
来源：中国有色金属报作者：综合报道 2017-07-03 10:47
中国对铝燃料电池研发始于上世纪90年代，现已成为世界最大的铝燃料电池研发与生产国，但研发技术与美国、以色列相比还有一些差距
世界上第一个燃料电池是威廉·格罗夫（William Grove）1939年发明的，至今已有78年的历史，经这些年的发展，已从单体铝燃料电池发展到有各种实用价值的电源（供电系统），如德阳东深新能源科技有限公司的堆砌式发电站和车载移动电站等。电池阳极为发生氧化反应的铝板，是电子流出的电极，阴是指发生还原反应的电极，是电子流入的电极。
中国铝燃料电池的发展
世界上铝燃料电池的较大规模研发始于上世纪60年代的美国，上世纪70年代他们集中于航海航标灯、矿井照灯等电源用电池的研究；上世纪80年代加拿大铝电源公司（Aluminum Power）采用铝合金阳极和有效的空气（氧）电极制成的电池体系在便携式电源、备用电源推向市场，为铝燃料电池的商化应用作出了很大贡献；2014年6月国外媒体报道了美国铝业公司与以色列菲涅金公司（Phinergy）联合研发的动力铝燃料装置在汽车上进行路况试跑，续航里程达1600km的世界纪录，在燃料电池发展史上具有里程碑意义，为动力铝燃料电池的发展作出了巨大贡献，使菲涅金公司成为世界铝燃料电池的领跑者。这种铝燃料电池系统阳极由50块铝板组成，每块质量500g，总质量25kg，每一块铝板提供的电力可使电动汽车行驶32km。2014年2月，美国铝业公司与菲涅金公司就铝燃料电池的进一步开发签订了合作协议，并于6月初在加拿大蒙特利尔一级方程式赛道上对铝燃料电池电动汽车进行了试驾，计划于2017年实现电动汽车专用铝燃料电池批量生产，推向世界市场。
中国对铝燃料电池研发始于上世纪90年代，现已成为世界最大的铝燃料电池研发与生产国，但研发技术与美国、以色列相比还有一些差距。中国从事相关技术研究的单位主要有中国科学院过程工程研究所、大连物理化学研究所、船舶重工712所、北京大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学、北京有色金属研究总院、四川德阳东深新能源科技有限公司、台州非常新能源科技有限公司、云南冶金集团创新金属燃料电池股份有限公司等。截至2016年中国生产新能源动力电池的大大小小企业约有150家。
东深新能源科技有限公司
该公司成立于2011年10月，位于四川省德阳市旌阳区高新产业区，国家高新技术企业，拥有自主知识及欧盟、美国发明专利多项，目前国内唯一《铝-空气金属料发电堆》标准备案企业，与美国UL总部、香港生产力促进局（HKPC）共同制定了铝燃料电池UL国际标准，国内率先实现铝燃料电池产业化企业之一，使中国铝燃料电池的研发及市场化取得重大进展。
东深新能源科技有限公司自2011年成立以来，取得的阶段性成就有：2012获得《燃料电池的结构和制备方法》专利转让；2013年制成50kW铝燃料发电机样机；2014年核心材料和关键技术取得实质性突破；2015年新能源汽车动力电池系统大功率铝燃料电池系统关键技术项目列入省科技厅支撑计划，铝燃料电池不间断电源系统（UPS）被省经委和省财政厅认定为四川省重大技术装备省内首台（套）产品；2016年《大功率铝燃料电池系统》获PCT（专利合作协定）欧盟授权英、法、德、意生效；2016年与中国铁塔集团签订1000台基站不间断电源系统合同，实现了铝燃料电池的商业化生产。
当下，东深新能源科技有限公司生产铝燃料电池系统有两大类：容量型（STK-X），主要适用于不间断电源，容量大，比功率小，应用于通讯基站、移动式充电桩、智能微电网等；功率型（FMG-X），这种电源功率大，容量小，主要用作牵引动力，应用于车辆、航空航天器、舰船等。
2017年2月24日，中国有色金属工业协会会长陈全训、副会长文献军等一行在考察德阳东深新能源科技有限公司时兴奋地说：“你们做了一件非常有意义的事情，铝燃料电池理论性的探讨走到了产业化，这是新能源革命突破，你们是开拓者。”陈全训对该公司寄予厚望，他对公司研发团队说：“铝燃料电池是个好项目，但要形成商品化、市场化将有大量事情要做，你们是开拓者，中国有色金属工业协会将支持你们的产品开发和推广应用，充分利用我们协会的优势，为你们提供帮助，今后我们要继续跟踪，希望你们的事业成功发展。”
非常新能源科技有限公司（SUPER）
该公司位于浙江省台州市，在研发铝燃料电池领域取得骄人的业绩，已开发出各种大中小型电源投入市场，与北京大学、台州市政府合作成立了“台州市非常金属燃料电池研究中心”，致力于提升铝燃料电池系统并实现产业化、开发混合系统并应用于电动汽车领域以及新的金属燃料电池系统等研究。
公司生产的多项铝燃料电池参加了2016美国拉斯维加斯展览。拥有一系列核心技术：铝合金电极的制备，阳极自腐蚀的抑制与钝化抑制及放电活性的提高；氧还原催化材料的制备及空气扩散电极的连续化生产；含活性添加剂电解液的制备与电解液处理系统，可以抑制阳极腐蚀，减少极化，提高电池效率；电解液循环系统、空气流通保障系统和电池组热管理系统；电池系统机械式再充电，合金阳极放电后机械换新；放电产物和电解液集中再生处理，制备高纯纳米氧化铝，实现产物价值提升，所有物质循环再利用。
采用新型催化剂配方制备空气电极，成本低、性能高，其单位面积放电密度已达到国外同类产品水平，填补了该类产品的国内空白。2013年率先建成国内首条连续化空气电极生产线。
公司获得10余项发明专利，拥有国内和国际专利授权，形成了具有自主知识产权的核心技术体系。利用电化学方法将发电产物制成高附加值纳米级氧化铝，或将是生产纳米级氧化铝的全新革命性技术，已在军工领域获得应用，荣获全军科技进步三等奖。
云南冶金集团创能金属燃料电池股份有限公司
创能公司自主研发铝燃料电池关键材料及其制备技术填补了云南省在此领域的空白：空气极成本低，而且使用寿命长达7000h，达到国际领先水平；自主生产的特种铝合金阳极板不但生产成本低，而且其性能可与奥科宁克铝业公司的高纯铝板相媲美；电解液性能达到世界领先水平，实现了废电解液综回收制备高附加值超细氧化铝粉、阻燃剂等多种产品的生产；产品获得授权专利4项、企业标准5项；已建成20MW铝燃料电池组装生产线，主导产品为随身电源、大中型备用电源、动力电源、辅助材料等，电源产品生产能力可达20万台/年。
铝燃料电池发展趋势
当前全世界动力电源研发单位与生产企业都把力量投放于燃料电池，而铝燃料电池的开发又是重中之重，因为铝燃料电池具有可比拟的诸多优点：铝的资源丰富，价格合理，铝燃料电池制造成本约为500元/kWh，是锂离子电池生产成本4000元/kWh的1/8；用于汽车上，运行成本与燃油汽车的相当或更低一些，铝燃料电池汽车百公里约消耗3kg铝、5L水与电解液，运行成本约59元，而一般乘人车的油耗约8L/100km，按7.63元/L计算约合61元；续航能力高于锂离子电池，铝燃料电池比能量可达到350Wh/kg~500Wh/kg，是锂离子电池120Wh~150Wh/kg的3倍，因此在同等质量时，铝燃料电池携带电量为锂离子电池的3倍，续航里程也是锂离子电池的3倍；更换方便，铝燃料电池消耗的是铝及水，运行过程中只需要换铝板与加适量水，操作简便；绿色环保，铝燃料电池运行期间主要副产物是Al（OH）3，不但对环境无害，而且可回收，制成纳米级Al2O3粉；绝对安全，不会产生燃烧爆炸。
国外简况
奥科宁克铝业公司与以色列菲涅金公司在开发铝燃料电池方面居世界领先水平，为此领域技术与制造工程的领跑者。日本丰田汽车公司研究院（Toyota Research Institute）将与美国斯坦福大学、麻省理工学院（MIT）、密歇根大学、纽约州立水牛城大学、康涅狄格大学以及英国的伊利卡（Ilika）研究所等合作研发基于人工智能（AI）的新能源电池材料。
中国工信部对汽车动力电池产业发展制定方案
2017年4月，国家工信部、发改委、科技部、财政部等有关部门联合印发出台《促进汽车动力电池产业发展行动方案》（以下简称《行动方案》）。《行动方案》提出分三个阶段推进我国动力电池发展：2018年，提升现有产品性价比，保障高品质电池供应；2020年，基于现有技术改进的新一代锂离子动力电池实现大规模应用；2025年，采用新化学原理的新体系电池力争实现技术变革和开发测试。
《行动方案》提出了5个方面的发展目标：大幅提升产品性能，2020年动力电池系统比能量力争比现有水平提高一倍达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下，2025年动力电池单体比能量达到500Wh/kg；二是产品安全性满足大规模使用需求，实现全生命周期的安全生产和使用；三是产业规模合理有序发展，2020年行业总产能1000亿Wh、形成产销规模400亿Wh以上的龙头企业；四是关键材料及零部件取得重大突破，2020年形成具有核心竞争力的创新型骨干企业；五是高端装备支撑产业发展，2020年实现装备智能化发展、制造成本大幅降低。
《行动方案》提出了实现发展目标的9项重点任务：建设动力电池创新中心，实施动力电池提升工程，加强新体系动力电池研究，推进全产业链协同发展，提升产品质量安全水平，加快建设完善标准体系，加强测试分析和评价能力建设，建立完善安全监管体系，加快关键装备研发与产业化。
《行动方案》的出台对加快推动我国汽车动力电池产业发展将起到巨大作用。
话说铝燃料电池（4）：铝燃料电池系统的运转
来源：中国有色金属报作者：王祝堂 2017-07-18 09:17点击：365 扫描到手机放大缩小
对原电池如铝燃料电池来说，铝释放电子，变成离子，铝是阳极，空气为阴极，阳极与阴极接通后，电子从阴极跑向阳极，而对普通的电池来说，有正、负极之分，电流从正极流向负极。铝燃料电池为铝电解的逆过程。
如前所述，铝燃料电池是以铝的“燃烧”产生电能。这里所说的“燃烧”实际上就是铝溶解于碱性溶液（电解质）中变铝离子（Al→Al+3+3e），放出3个电子（3e），是阳极，电子向阴极“跑”与空气中的氧之间的简单电化学反应放出能量产生电流的过程。我们可以认为燃料电池是一个“工厂”，它将燃料（铝）输送进来，同时将产生的电输出，只要有铝存在就会源源不断地产生电，这是燃料电池与传统电池的根本区别，虽然它们都依赖于电化学原理而工作。铝燃料电池由铝板阳极、空气板阴极和电解液组成。电解液一般为碱性溶液。铝燃料电池工作时还需要催化剂的催化作用，在催化剂的催化作用下发生化学反应而发电的一种化学电源。
对原电池如铝燃料电池来说，铝释放电子，变成离子，铝是阳极，空气为阴极，阳极与阴极接通后，电子从阴极跑向阳极，而对普通的电池来说，有正、负极之分，电流从正极流向负极。铝燃料电池为铝电解的逆过程。
铝燃料电池系统的运转，空气从左边进入，过滤清洗后流入铝燃料电池堆（铝空电池堆）阴极，这是第一步，也就是说要准备好足够的阳极铝板和供给氧的空气阴极板，以供给足够的氧；第二步是发生电化学反应，一旦发生电化学反应就会产生电流，电流大小与电化学反应速度息息相关，速度越快，产生的电流越多，为此，我们借助催化剂及精细的反应区域设计来提高反应速度；第三步是离子或电子传输，过程中发生的电化学反应将产生或消耗离子和电子，铝电极产生的离子被另一边空气（氧）电极消耗，电子也一样，为了保持电荷平衡，必须把它们从产生的区域传输到它们消耗的区域，一旦用电线把它们连接起来，电子就会从一个电极流向另一个电极，然而离子的流动就比电子困难得多，因为它比电子大得多，也重不少，必须靠电解质传输，铝燃料电池用的电解质为碱性溶液。第四步，生成物排出，任何一种燃料电池，除了产生电至少还会生成一种反应物，即使最简单的氢-氧燃料电池也会生成水，铝燃料电池会产生Al（OH）3，必须及时从电池中排出，否则就会在电池中随着时间延长而积累，阻碍铝与氧反应，最终电池会“窒息”而死。
铝燃料电池有运转的五要素：阳极、阴极、电解质、催化剂、反应生成物，将于下一文中一一介绍。现在，铝燃料电池已形成一个非常好的闭路循环。
铝燃料电池技术大致可归纳为：是一种直接的电化学能量转换装置，通过电化学反应直接把能量从一种形式（化学能）转换成另一种能形式——电能；铝燃料电池不像一般的电池，不会耗尽，而更像一个“工厂”，只要有燃料供给就会源源不断地产生电；铝燃料电池必须有阴阳两个电极，并被电解质一分为二；铝燃料电池的功率取决于其尺寸，能量取决于它的燃料存储量；电化学系统必须包含两个成对的半反应：氧化反应和还原反应，氧化反应释放电子，还原反应消耗电子；氧化反应发生在阳极铝电极，还原反应发生在阴极电极氧；铝燃料电池中产生的4个主要步骤为：燃料铝和氧这两个反应物输送、电化学反应、离子和电子传导、生成物Al（OH）3排除；用电流-电压曲线评估铝燃料电池性能，它表示在一个给定的电流负载下铝燃料电池的输出电压；由于损耗，实际的铝燃料电池性能总比理想的燃料电池差，主要损耗类型：活化损耗，欧姆（电阻）损耗，浓度损耗。
铝燃料电池与其他电池的性能对比见表1，由表中的数据可见，铝燃料电池的综合性能显着优于其他电池的。
在表1引入的9个定量指标中，最重要的是能量密度和功率密度，现在对它们作一解释，以便加深对铝燃料电池的认识。能量被定义为做功的能力，常用单位为J（焦耳）或Cal（卡路里或卡）；功率被定义为能量消耗或产生的速率，它的典型单位是W（瓦特或瓦），表示每秒钟消耗或产生的能量，1W=1J/s，由此可知，能量=功率×时间。
体积功率密度是指每单位体积（cm3、m3、L）的器件可提供的功率量，其典型单位为W/cm3或kW/m3。质量功率密度或比功率是指每单位质量的器件提供的功率量，其典型单位是W/g或kW/kg。
图4为一个最简单的氢-氧燃料电池示意图，世界上首个燃料池是威廉·格罗夫（William Grove）1839年发明的。在图所示的燃料电池中，氢的燃烧可分为两个半电化学反应：
H2→←2H++2e-
1-2O2+2H++2e-=H2O
如果将这两个反应从空间上分开，那末由氢转换而来的电子在上述反应之前通过外电路流出，就可以用于做功，点亮灯泡。此种空间隔离就是电解质，它是一种只允许离子（带电的原子）通行而不允许电子通过的硫酸溶液，两个电极是铂制的。氢气由左边电极进入，分解成质子H+和电子，质子（离子）可通过电解质流动，而电子则通过连续两个铂电极的导线从左向右流行。
话说铝燃料电池（5）：说说铝燃料电池五要素
2017/08/21 15:28:08 来源:中国有色金属报 作者:匿名 点击数： 1274次
【中国铝业网】笔者在此所说的铝燃料电池的五大要素是指构成电池的五大部分：阳极、阴极、电解质、催化剂、生成物Al(OH）3处理。现对它们的方方面面作一全面的简单介绍。
铝阳板
铝燃料电池的阳极是用铝合金制的，不能用纯铝，一是因为纯铝的钝化很快，极化严重。纯铝表面上的钝化膜即氧化膜（当然铝合金上也有）只有约5nm厚，但很致密，造成负极极化增大、电位正移和电压滞后。铝的氧化（钝化）过程可分为三个阶段：无定形Al2O3生成期、晶体氧化物形成期、氧化进程极慢期。
不可用纯铝的另一原因是，铝会在电解质中发生腐蚀，又称自放电，析出氢（6Al+6H2O=2Al（OH）3+3H2↑），降低电极的库伦效率、混合，以及加大传质系数。
工业纯铝中，Fe、Cu、Si等杂质使自腐蚀显着上升，添加Mn可抵消铁的不利影响，无锰时，Fe与Al形成Al3Fe，对基体铝呈阳性；有Mn时则形成Al6FeMn，其电位与基体铝的几乎相等。添加Mg会导致基体铝的阴极极化，使铝电位负移和较小腐蚀，同时若Mg含量较大，可产生Mg2Si，其电化学性质与铝的相近，缩小了电化学性质差异，降低铝的腐蚀。
铝电极在碱性电解液中的腐蚀速度、电化学活性与其晶体结构有关：纯铝晶体是各向异性的，活性点少，腐蚀在全电极表面上不均匀，加入某些合金化元素可减弱原有晶体的各向异性或消失，从而使整个电极表面发生均匀腐蚀，不过，一旦合金化元素含量过大，会形成新相，富集于晶界，使晶界优先溶解，造成电极不均匀腐蚀和自腐蚀速度上升。铝合金晶粒越细小与均匀，铝阳极表面溶解越均匀，铝电极电流效率越高。
铝表面那层致密的钝氧化膜使电池的内阻上升，限制其电化学活性的发挥。因此，优质的铝阳极必须有活化的氧化膜层，又有高的抗腐蚀性能，目前的研究表明，Ga、Bi、Pb、Sn、In、Mg、Ti、Mn、Ce、Si等元素既能提高氧化铝膜的活性又能抑制铝的腐蚀。例如锡离子Sn+4进入氧化铝膜后，取代了Al+3离子，并产生空穴，使氧化铝膜电阻明显下降，使铝电极电位明显负移，电流明显增大；Ga会沉积于铝阳极表面使其活化，Al-Sn-Ga合金阳极溶解时，Sn和Ga溶入溶液，Sn+4在铝电极表面沉积，随后Ga离子沉积于锡造成的空位内，从而电极表面不断产生新的活性点，因而Al-Sn-Ga合金有高的活化特性。
前面说过，Mn可以抵消Fe的不利影响，而且Al-Mn合金阳极极化时，由于Mn的富集形成了双层氧化膜，内层主要为Al2O3，但也有Mn，外层为Mn富层，Mn的电位更负些，提高了合金的活性。
哈尔滨工业大学研发的Al-0.3Ga-0.3Bi-0.45Pb四元铝合金有优秀的电化学性能，是一种铝燃料电池阳极好材料；中船重工公司研制出在4mol/L的NaOh溶液中电位为-1.37V（对Hg/HgO电极）的Al-Pb-Ga铝合金；内斯托利迪（Nestoridi）等发展的Al-0.1Sn-0.05Ga铝合金在NaCl溶液中的开路电位为-1.5V，电流密度＞0.2A/cm2（对SCE电极）；河南科技大学文九巴等对Al-Zn-In系阳极合金作了深入的组织与性能研究，研制出的Al-5Zn-0.03In-5Mg-0.05Ti-(0.1Si、0.5Mn、0.5Ce）阳极合金具有优秀的阳极性能。
上述合金的Ga、In、Zn、Sn等都是一些可与Al形成低熔点共晶体的元素，是可使铝电极能满足大电流放电要求，它们构成的低熔点共晶合金中的共晶体在电池工作温度下处于熔化状态，钝化氧化膜会变为微孔结构，从而增加电解液与铝基体面积，提高放电性能，电极电位负移。在纯铝中添加可形成低熔点共晶体的合金化元素后，材料的开路电压一般可向负方面移动500mV以上，其电化学性能得到了大幅度地提高。
铝在电解液中的腐蚀总伴随着析氢效应，可通过抑制析氢反应来抑制铝的腐蚀行为。由于析氢反应的难易与电极的氢超电位有关，因此添加高氢超电位元素可大大降低腐蚀，提高其利用率。提高氢超电位的元素有Bi、In、Pb、Hg、Cd、Sn、Tl（铊）、Zn等。
我们知道，铝阳极的电流效率和腐蚀形态取决它的微观结构，而这种微观结构与组织除受到合金化影响外，还与材料的热处理方面有很大关系。热处理对阳极铝合金的效果为：均匀处理，电位最负，极化小；退火，电位略正移，极化也小；淬火，极化加大，表面阳极溶解不均匀；淬火与时效，材料会含有热缺陷，腐蚀不均匀。在这4种热处理中，在对Al-Zn-In合金阳极的电流效率中以均匀化和退火有最高的电流效率，可达94%——98%；后两种处理会在材料的微观组织中引发热缺陷（断层槽），产生局部溶解腐蚀，阳极电流效率约69%。
铝阳极形状对电池性能也有一定影响，适合的电极形状可以降低铝阳极的腐蚀，增大电池功率和放电密度。对不同形状的铝阳极，如圆柱形、平板形、楔形等都有人作过研究，现在还很难说哪种形状最佳，但是当下用得多的还是平板式的。
空气电极与催化剂
铝燃料电池的核心是空气电极即阴极，由透气膜和催化剂组成，催化剂用的是铂pt，因为它有很好的活性、稳定性和选择性。氧化剂（氧气）存储在电池外部容器中，需要时才会在压力作用下流入电池阴极或用泵打入，实际上大多数电池都使用空气，用纯氧的不多，空气进入阴极之前应经过净化处理。
氧电极的研究主要集中在两方面：电极结构优化，提高氧的气相传质速度；高效催化剂与价格较低的催化剂，克服氧还原过程中严重的电化学极化。在铝燃料电池生产成本中，贵金属pt催化剂占有很大比例，而且贵金属催化剂对中毒和烧结很敏感。2016年，全世界的铂产量189.8吨，中国的产量3.3吨，上海黄金交易所的年平均价格221.81元/克。作为催化剂载体的碳本身也有一定的催化作用。
早期催化剂研究多集中于贵金属，如Ni、Ag、Pt等，它们不但价格高，而且没有从根本上解决催化活性问题。近些年来，在研究有机催化剂、金属复合氧化物催化剂，特别是在钙铁矿型复合氧化物催化剂方面取得了一定的成效。廉价的MnO2对氧的还原过程有一定的催化作用，而稀土氧化物为酸性，化学性质活泼，有催渗作用。以溶胶凝胶法制备的La0.6Ca0.4CoO3钙铁矿型氧化物催化剂对铝燃料电池的氧阴极有很好的催化作用，以它的含量为25%时催物效果最强。混合催化剂的催化性能往往比单一催化剂的好，例如5%La0.6CoO3+15%CaO、10%La0.6Ca0.4CoO3+10%CaO、5%La0.6Ca0.4CoO3+15%ZnO、10%La0.6Ca0.4CoO3+10%MnO2等都有相当好的电化学性能。
非常新能源科技有限公司成功地制备出高效的氧还原催化材料及空气扩散电极的连续化生产工艺，他们采用新型催化剂配方，制备的空气电极不但成本低而且性能优越，其放电密度与国外同类水平的相当，2013年该公司建成了国内首条连续化半自动化的燃料电池空气阴极生产线。
为了满足不断发展的智能电网、移动通讯、电动汽车和应急救灾的需要，中国科学院宁波材料研究所于2017年5月研制成功基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统，其能量密度高达510Wh/kg、容量20kWh、输出功率1000W，该系统可同时为1台电视机、1台电脑、1台电扇及10个60W照明灯泡同时供电。研究团队正在积极开发用于通讯基站备用电源和电动汽车增程器的5kW级大功率铝燃料电池系统。2016年，中国有约600万个通讯基站，在用1000多万组铅酸蓄电池组，急需以性能优秀的铝燃料电池取而代之。
电解质（液）与生成物Al(OH）3
当下，铝燃料电池用的电解质有碱性的也有中性的，但以碱性的为主，因为它能去除铝阳极上的氧化钝化膜，产生大电流，同时伴有严重的析氢腐蚀，常用的为NaOH或KOH溶液。中性电解质大多为NaCl溶液，虽然析氢腐蚀下降，但是电池反应会产生Al（OH）3，降低电解质电导率，而且会积累，要及时放出，否则电解质变成糊状或甚至半固态状。还有其他处理方法，如定期更换电解质、循环电解质，或向电解质添加晶种，使絮状Al（OH）3沉淀。酸性H2SO4电解质液的性能比中性NaCl溶液的好，因为Cl-离子可引发铝阳极表面均匀点蚀，加强这方面的研究，或将出现性能更好的电解质。
另外，据G.M.Wu等披露，聚乙烯醇（Poly Ving'alcoho，PVA）与聚丙烯酸（Poly acrylic acid,PAA）组成的固体电解质有良好的亲水性，且结构均匀，在碱性溶液中有优良的催化性，在PVA:PAA=10∶75时阳极利用率可达90%。
| 1铝空气燃料电池的工作原理 铝空气燃料电池是用高纯铝（铝含量99.999%)或铝合金作阳极，用氧（空气)电极作阴极，用碱或盐作电解液。在放电过程中阳极溶解，空气中的氧被还原而释放出电能。依据电解液来看，可分为碱性（电解液是碱类)和盐性（电解液是盐类，一般是盐水)铝空气燃料电池。铝是地球上含量最丰富的金属元素，在元素分布上占第三位，全球铝的工业储量已超过2.5×1010t。一个世纪以来，铝是世界上产量最大，应用最广的有色金属，1996年全球总产量达1.7×107t[12]。因此铝做阳极材料来源丰富。铝是一种活泼金属，它比金属锌、镁之类更有吸引力。因为铝的电化学当量很高，为2980Ah/kg，电极电位负，为除锂外质量比能量最高的金属，铝空气燃料电池的质量比能量实际可达到450Wh/kg，体积比能量小于铅酸电池，比功率为50～200W/kg[13]。铝反应时每个原子释放3个电子，而锌、镁仅释放2个，锂释放1个。 也就是说要产生相同数量的能量所需要的原料量，铝的最少。因此综合众多因素铝成为金属空气燃料电池阳极材料的最佳选择。图1显示了铝空气燃料电池与其它原电池系统：锌空气，锂圆柱型，锂离子，碱性，银，汞及锌-炭电池的比较，由图可知铝空气燃料电池具有最高的质量比能量密度和体积比能量密度，这一点与铝空气燃料电池具有极高的比功率密度是一致的。
电解液不同，铝空气燃料电池的反应机理亦不同。
由于铝金属的腐蚀反应，生成氢气，因此必须对电池系统进行安全处理，预留排气孔等处理。 一般盐性条件下铝空气燃料电池与碱性铝空气燃料电池的区别主要体现在反应产物，电压及功率上。盐性条件下，电压低适用于中小功率应用；而碱性条件下，电压高，既可适用于小功率，也可适用于中高功率应用如作电动汽车电源等。盐性条件下，反应产物为不可溶的三水铝石凝胶，目前通过在电解液中添加特殊的抑制剂，使胶体以结晶化粉末形式从阳极上剥落下来，从而不影响电池反应进行。而在碱性条件下反应产物为可溶的Al(OH)-4没有沉淀问题，因此比盐性铝空气燃料电池在设计上要简单的多，辅助设施要少得多。 2铝空气燃料电池的研究进展 2.1铝阳极的研究进展 铝空气燃料电池采用高纯铝或铝合金作电池阳极材料。本质上铝是耐侵蚀的，在其表面会自然形成一层Al2O3保护薄膜，其抑制了铝的氧化失电子反应。由于表面氧化膜的存在，即使在开路条件下，铝的大部分电势也会因阳极极化而损失掉[14]。 并且在碱性条件下，铝阳极很容易腐蚀，在开路条件下，腐蚀速度会随着阳极的溶解而逐渐增大。同时铝中杂质存在所产生的电化学局部电池，使铝在水溶液中的腐蚀反应会伴随氢气的产生，提出了安全处理问题[15]。因此应用在燃料电池中，铝必须在电池反应中表现很好的电化学活性，即具有低的腐蚀速度，低的阳极过电压和低的阳极腐蚀电势[16]。上述问题一般可以通过高纯铝(99.999%)与其它性能优越的金属元素合金化得以解决[17]。 现在已经发展到了由二元合金到添加七元甚至更多的程度，从而使铝阳极的性能大为改观。添加这些元素的目的是降低阳极的自溶腐蚀速度，改善铝的极化性能，提高阳极的电化学性能。我国哈尔滨工业大学早在83年就完成了四元铝合金的研究工作，成功的应用于3W铝空气燃料电池的研究。 之后九十年代又成功的研制出了新型五元铝合金，该合金性能优良，使铝电极在较宽的电流密度范围内具有较负的电位。在国外如印度，美国电技术研究公司和加拿大铝公司(1998年成立的)在这方面的研究取得了很大的进展。印度87年研究出的四元合金性能十分不错，该四元合金组成为Al-4%Zn-0.025%In-0.1%Bi，腐蚀速度为0.498mgcm-2min-1，开路电压为-1.450V，在150mAcm-2时开路电压为-1.157V，150mAcm-2时阳极效率为97%。并且其合金只是基于纯度为97%的商业铝，若为高纯铝合金，其性能将更加优越[18]。 通过在铝中添加少量铟、锰、镁、银、铊、镓或铋等形成的合金，可以使铝阳极具有很高的性能。目前普遍采用99.999%的高纯铝，合金中的杂质极少在10-5范围内，影响可以忽略。对于碱性铝空气燃料电池，发展到电解液中添加缓蚀剂。目前已经由单一缓蚀剂如柠檬酸盐，锡酸盐，In(OH)3，K2MnO4，CaO，BiO-3，Ga(OH)-4等发展到了复合缓蚀剂如Na2SnO3+In(OH)3，柠檬酸盐CaO等，很好的降低了阳极的自腐蚀。印度在缓蚀剂方面研究较多，技术较成熟。八九十年代报道也较多[19-22]，系统的研究了不同缓蚀剂体系对不同等级铝阳极及其合金阳极行为及腐蚀速度的影响和作用机理。对于中性铝空气燃料电池，已经发展到通过往电解液中加入特殊的抑制剂来消除反应产生的凝胶状物质三水铝石。由于凝胶状物质的产生，它会粘附在阳极的表面，阻止电极反应，从而降低了反应速率及阳极效率。 通过加入特殊的抑制剂如SnO-23[19]于电解液中，以抑制剂为晶核，使三水铝石以晶状粉末形式存在，这样自然沉淀于电解液的底层，从而消除了凝胶物质的不良影响，提高了反应速率，使铝阳极表现很好的性能。图2是一实际应用的铝空气燃料电池及其铝阳极极板。其阳极板形状为近似楔形，这与前南斯拉夫A.R.DESPIC教授所研究的可消耗的楔形阳极[23]的机理是一致的，提高了铝阳极的利用率。为了优化铝阳极的性能，又发展出了圆顶型的铝阳极版[24]，应用该形状的铝阳极板的海水铝空气燃料电池具有如下性质：放电过程中具有不变的阳极表面积；始终保持不变的阳极阴极距离；最小的阳极表面积与体积比，使自放电最小化；同时反应的凝胶产物能够随时被海水冲走而不会粘在电池表面。该种电极的研制成功，使得铝空气燃料电池的海下作业实际应用变为现实。 综上所述目前各国对铝阳极的研究技术比较成熟，对高纯铝及其合金的合理配比及作用机理的研究也较多。如天津大学对铝合金阳极活化机理研究进展的报道[13]就很有实际意义。这些将十分有利于铝空气燃料电池的发展。 2.2阴极的研究进展 铝空气燃料电池的高度发展得益于高性能氧(空气)电极的研究。氧电极的作用是还原氧。特点是还原氧时必须有催化剂。电化学原理如下：
理论上一些过渡元素可以作为很好的催化剂[25]实践中证明银、铂和锰等可作为反应的有效催化剂。由于氧在水溶液中的溶解度和扩散速度都很小，因而两相电极的电流密度小。随着有机粘接材料如聚四氟乙烯和先进制膜技术的发展，目前开始使用三相气体扩散电极[26]。图3是一盐性铝空气燃料电池结构简图。 这种三相气体扩散氧电极的结构简图如图4所示。 主要由防水透气层，催化层和导电层组成。 防水透气层主要由憎水材料聚四氟乙烯组成，加入成孔剂如Na2SO4，使其中形成大量毛细气孔，从而阻止了电解液的泄漏，而允许空气中透过毛细孔进入电解液内。 催化层由催化剂及其载体，聚四氟乙烯构成，是电极反应的场所。氧在这里被还原。 导电层是阴极电子集流器，同时也可以增加阴极的机械强度，一般是镍网或镀镍的铜网。 美国电技术研究公司及加拿大铝公司把研究的重点放在氧（空气)电极的催化剂及电极结构上，并取得了新的进展，高功率汽车用动力电池已经实用化。据报道加拿大铝公司的铝空气燃料电池与铅酸电池相比较可以使汽车的运行路程从75km提高到300km，能量密度是铅酸电池的7倍以上，并且所占空间仅为铅酸电池的1/7。 由于氧（空气)电极的研究一直是制约铝空气燃料电池发展的瓶颈所在。因此高性能的氧空气电极的研究对于铝空气燃料电池的深入发展起着至关重要的作用。
3铝空气燃料电池的应用研究进展 虽然铝空气燃料电池已经取得了很大的发展，但是目前仍未能实现商业化。主要原因在于一些相关技术仍未十分成熟，仍然存在一些问题没有解决。一般的中、高功率大型铝空气燃料电池组或电池堆都需要空气循环系统和电解液循环系统。对于空气循环系统主要是如何降低空气中的CO2，以消除空气电极上的碳酸盐的生成，提高电极性能。虽然银、铂有很好的催化作用，但是存在着催化剂中毒及失效问题，而且价格也比较昂贵，对于商业实用化也是一大障碍。同时四甲氧基卟啉络钴存在着失钴问题及空气循环系统的设计问题。因此必须开发质优价廉的新型催化剂如MnO2等，并且采用纳米技术也是很重要的研究课题。对于电解液循环系统虽然可以添加特殊的抑制剂，使三水铝石结晶沉淀，以便分离后电解液继续使用，但是分离装置及其进程仍不得而知，系统研究报道也没有。更何况国内关于铝空气燃料电池的相关研究，报道极少，因此远远落后于国外对铝空气燃料电池的研究。 目前国外对于如何解决上述问题已经取得了显著的成果。使得铝空气燃料电池的应用范围越来越广泛。早在80年代，美国加利福尼亚州制成的铝空气燃料电池作动力的电动汽车，补充一次燃料可以行驶1600km。前南斯拉夫贝尔格莱德大学的A.R.Despic教授与合作者研制的铝空气燃料电池汽车，补充一次铝电极，也可以行驶1600km[27]。 作为汽车用动力电源是铝空气燃料电池的一个主要应用。目前加拿大铝公司在这方面取得了长足的进展，该公司的车用动力电源的性能如前所述。 作为海上及军事应用，铝空气燃料电池也展示了其优越的性能优势。英国94年研制的海水铝空气燃料电池采用聚四氟乙烯Co3O4/C氧还原阴极，于海下环境操作该电池超过一年以上，能量密度为1008Wh/kg[28]，远远高于其他原电池系统。因此该领域应用前景广泛。 铝空气燃料电池的另一个主要应用，也是新闻及媒体广泛关注的应用，是作为手机及膝上电脑的便携式电源。也被称为‘个人电源’。据报道该种铝空气燃料电池能量密度是锂离子电池的75倍以上。加拿大铝公司在这方面上取得了很大的研究成果。目前该公司公布了一种新产品，使手机通话时间达到8h，并且备用时间接近6天[29]。该公司致力于优化产品欲使通话时间达到25h，备用时间达十天以上。目前加拿大TrimolGroup公司称该公司将于2002年春推出该公司的新一代铝空气燃料电池，使手机通话时间达24h或备用时间达到一个月。该种手机电池能量将是同尺寸锂离子电池的13倍。而且该公司研究的膝上电脑用铝空气燃料电池预计可以使用12h到24h，而用锂离子电池一般只能用30min到几个小时。图5是依据Nokia6000系列所用的手机电池性能比较图，由图可知铝空气燃料电池具有最好的容量性能12000mA·h，而锌空气电池和锂离子电池的容量分别为3500mA·h，900mA·h。 表1是加拿大TrimolGroup公司所设计的膝上电脑的便携式铝空气燃料电池的设计说明，由表中可知道，无论是从电池容量，还是从实际尺寸及工作环境条件等来看，该种电池的性能都是十分优越的。因此铝空气燃料电池在‘个人电源’方面的应用前景将是空前广大的，将来的发展也是必然的。
其它的潜在应用是无电、供电不足或是高电价地区，铝空气燃料电池都可以满足要求。同时也可以作为内燃机发电机的替代产品，以消除空气污染。国外的Voltek公司主要研制便携式电源，该公司设计生产的称为‘FuelPak’的产品，主要应用于应急电源，潜艇作业以及叉车等动力电源。 对于铝空气燃料电池的市场前景，Trimol公司预测如下。到2006年全球将有14～18亿移动电话用户，将耗用18～21.6亿支电池，手机用电池的销售额将达到1080亿美元，金属空气燃料电池将占6%的市场份额；到2006年全球将有1.51亿台便携式摄像机，25.8亿美元的市场，金属空气燃料电池将占12%的市场。同时膝上电脑为铝空气燃料电池的发展提供了另一个更加有吸引力的市场，到2006年全球将有2.4亿台膝上电脑，金属空气燃料电池预计将占有4%的市场份额。因此金属空气燃料电池的市场前景广阔，在未来几年内将取得更大的突破。 在国内发展铝空气燃料电池更是意义重大，市场广泛。在电动汽车方面，我国各重大城市汽车众多，空气污染严重，为铝空气燃料电池的发展提出了必要的课题，应该大力发展生态车。另一方面我国移动通讯事业飞速发展，手机电池市场广大，同时个人电脑的数量也急剧上升，因此发展高效电池势在必行。综合世界各国的发展，结合我国的实际国情，在我国大力发展铝空气燃料电池是十分必要的。 参考文献： [1]Li Jing hong.Metal/air fuel cell[R].21 st Century Fuel Cell Technology International Forum，2001.190-191. [2]选准蓄电池 避免走弯路[J].广东农机，1998，3：7- 9. [3]Gregory D P.金属空气电池（上)[J].电池，1985，50(1)：20-32. [4]Gregory D P.金属空气电池（下)[J].电池，1985，51(2)：20-29. [5]Status of the aluminum/air battery technology[J].Elec-trochem Soc，1992，11：584-598. [6]史鹏飞等.三瓦铝-空气电池的研究[J].电池，1992，22 (4)：152-154. [7]史鹏飞等.1千瓦铝空气电池的研究[J].电源技术，1993，1：11-17. [8]蒋太祥等.铝空气电池氧电极催化剂的工艺研究[J].电源技术，1994，2：23-27. [9]刘稚惠等.静止电解液中性铝空气电池设计[J].电源技术，1992，5：6-8. [10]刘稚惠等.船用大功率静止中性电解液铝空气电池组研究[J]1电源技术，1993，6：27-32. [11]汪振道等.海水铝空气燃料电池[J].电源技术，1997，21 (3)：106-113. [12]张曦等.铝化学电源研究进展[J].现代化工，1998，10：9-11. [13]秦学等.铝合金阳极活化机理研究进展[J].电源技术，2000，24 (1)：33-37. [14]Brown O R，Whitley J S.Electrochemical behavior of a-luminum in aqueous caustic solutions[J]. Electrochemica Acta，1987，32 (4)：545-556. [15]Hori Y，Takao J，Shomon H 1 Aluminum alloys for alu-minumprimary cell[J].Electrochemica Acta，1985，30 (9)：1121-1124. [16]Wilhelmsen W，Arnesen T，Hasvold Q，Stqrksen N J.The electrochemical behavior of Al-In alloys in alkaline electrolytes[J].Electrochemica Acta，1991，36 (1)：79-85. [17]史鹏飞等.新型铝合金阳极及其在碱性溶液中的电化学行为[J].电源技术，1992，6：5-9. [18]Sheik Mideen A，Ganesan M，Anbuklandain Athan M，et al.Development of new alloy of commercial aluminum with zinc，indium，tin，and bismuth as anodes for alka-line batteries[J].Power Sources，1987，27：233-244. [19]Albert H N，Anbukulandainathan M，Ganesan M，et al. Characterisation of different grades of commerciallypure a-luminum as prospective galvanic anodes in saline and alka-line battery electrolyte[J].Applied Electrochemistry，1989，19：547-551. [20]Macdonald D D，English C.Development of anodes for aluminum/air batteries solution phase inhibition of corro-sion[J]. Applied Electrochemistry，1990，20：405 -417. [21]Kapali V，Venkatakrishna Iyer S，Balaramachandran V，et al.Studies on the best alkaline electrolyte for aluminum/air batteries[J].Power Sources，1992，39：263 -269. [22]Gnana Sahaya Rosilda L，Ganesan M，et al.Influence of inhibitors on corrosion and anodic behavior of different of a-luminum in alkaline media[J].Power Sources，1994，50：321-329. [23]Despic A R.Design characteristics of an aluminum air battery with consumable wedge anodes[J].Applied Electrochemistry，1985，15：191-200. [24]Shen P K，Tseung A C C.Design of a dome shapes alu-minum water battery[J].Applied Electrochemistry，1994，24：145-148. [25]李春鸿.稀土元素在燃料电池中的应用[J].电源技术，1992，3：24-28. [26]唐伦成等.碱性燃料电池高效表面催化层的研究[J].电源技术，1995，19(1)：54-57. [27]Despic A R，Milanovic P D.Aluminum-air battery for electric vehicles[R].Rec Trav Inst Sciences Techniques Academic Serial Sciences Arts，1979，12(1)：1-18. [28]Shen P K，Tseung A C C.Development of an alu-minum/sea water battery for subsea applications[J].Pow-er Sources，1994，47：119-127. [29]Talk，talk，talk：“green power” aluminum/air fuel cell boosts phone use time to 8 hours[R].Fuel Cell Industry Report，2000.1(1) [30]Metal/air FC makes progress[R]1 Fuel Cell Industry Report，2001.2(3) |
| 标签：铝空气燃料电池 汞及锌-炭电池 电池 |
宁波研制出“石墨烯+”电池：让电动汽车续航翻两倍
| 来源：中国新闻网| 2017-07-19 17:19:39| 作者：李佳赟 |
图为浙江省石墨烯应用研究重点实验室主任刘兆平介绍铝空气电池系统 李佳赟 摄
中新网宁波7月19日电(记者 李佳赟)一直以来，电池续航是阻碍电动汽车发展的一大难关。而在浙江宁波，这一“续航魔咒”正被打破，新的研究技术有望解决电动汽车的“里程焦虑”。
记者从中科院宁波材料所获悉，近日该所研究团队利用石墨烯研制出千瓦级铝空气电池，其能量密度是当前商业化锂离子动力电池的4倍以上，1公斤铝就能让电动汽车跑60公里，让电动汽车续航翻两倍，在电动汽车增程器方面具有诱人的市场前景。
图为该项目团队进行研究实验 李佳赟 摄
据悉，该电池系统能量密度高达510Wh/kg、容量20kWh、输出功率1000W。通过实际演示显示，而该系统可同时为一台电视机、一台电脑、一台电风扇以及10个60W照明灯泡供电，初步验证了该铝空气电池系统的发电供电能力。
浙江省石墨烯应用研究重点实验室主任刘兆平介绍，如果将该电池用于新能源汽车上，可使车身轻盈，大大提高续航里程；如果用于手机充电宝上，则可大大提高输出电量。此外，传统通讯基站酸铅蓄电池3—4年更换一次，而宁波材料所研发的铝空气电池储存时间约15年，电池寿命要长得多。
“正是拥有能量密度高、价格低廉、资源丰富、绿色无污染、放电寿命长等优势，铝空气电池在通讯基站备用电源与电动汽车增程器应用方面具有诱人的市场前景。”刘兆平说。
图为该项目团队进行研究实验 李佳赟 摄
近年来，全球范围的金属空气电池研究一直没有停下脚步，但其产业发展仍面临诸多技术瓶颈，比如，电极功率密度有待提升、难以满足高功率输出与阳极利用率不高等。
而石墨烯这一“工业魔术”则让该项研究有了新的突破。中科院宁波材料所动力锂电池工程实验室高级工程师薛业建告诉记者，他们采用石墨烯复合锰基氧化物催化剂以及新型石墨烯基高效空气阴极将单体电池功率密度了提高25%，大幅度提升了金属空气电池综合性能。
据悉，研究团队正在积极设计开发用于通讯基站备用电源和电动汽车增程器的5kW级大功率铝空气电池系统。此外，宁波材料所已投入300万元购置的非标准生产线——中试实验线，预计8月底建成。这条生产线可年产金属空气电池阴极3.5万片，“超能电池”未来可批量生产上市。(完)
专利名称大功率铝-空气电池系统的制作方法
技术领域 本实用新型涉及直接将化学能转化为电能的装置，尤其涉及以水溶液为电解质的金属燃料电池，特别是涉及用铝-空气电池输出大功率电能的装置。
背景技术 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。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。在先中国专利91109160. 2名为“中性铝-空气电池及其制备方法”公开了一种采 用两单体电池构成的电池组，这种电池组结构采用密封工艺制成，电池组使用过程产生的反应沉积物无法及时清除。在先中国专利99251233. 5名为“铝空气电池”公开了一种铝空电池的结构，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，并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，因只有一个电池室,故电池电压低,且反应沉积物随电解液在电池内部流动，不易清除。实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种大功率铝-空气电池系统及其液流方式，解决现有技术铝-空电池沉淀物难以清除、电池组中单体电池间液流短路以及液流温度控制等问题。本实用新型为解决上述技术问题而提出的技术方案是，一种大功率铝-空气电池系统，包括铝-空气电池，而所述铝-空气电池至少是由两个、彼此以电串联或者电并联连接成电池组；该电池组的下方设有两个液流配置室，在该电池组的上方是配液器；所述各单体铝-空气电池经各自的出液管与所述液流配置室相通；该液流配置室经其各自的输液管与泵液腔相通；所述泵液腔通过汲液管与液流泵相通，该液流泵的送液管与所述配液器相通；该配液器通过各进液管同位于其下方的各单体铝-空气电池相通；铝-空气池系统运行时，分别调节与所述液流配置室相连接的所述出液管的出液管开关，控制所述电池组的电解液交替流入所述两液流配置室之一，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；位于该电池组外侧的电能输出端分别与所述电池组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。所述各液流配置室是完全对称的结构；所述各液流配置室分别设置有用于对电解液进行加热或冷却的加热/冷却管；所述各液流配置室的下部分别设置带有开关的沉淀物排出管，在所述各液流配置室壳体底部、设有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管一侧的倾斜式结构。[0008]所述泵液腔上设置有带有开关的泵液腔清洗液进液管和泵液腔清洗液出液管，用于对所述装置内部的清洗。所述配液器包括配液槽、与该配液槽相适配的上盖和位于该配液槽壳体外侧的、用于显示该配液槽内液面状态的液面显示器；所述配液槽是中部有上下可通透中空窗、四周为槽渠的槽形结构；与所述各单体电池连通的各进液管位于该槽渠底部；所述液流泵的送液管与槽渠连通；所述上盖下表面有与所述配液槽的中空窗相适配的“ 口 ”字形的凸楞，当该上盖盖在所述配液槽上时，该凸楞恰好套住或嵌入所述配液槽的中空窗，构成氢气传输通道；位于该配液器外部的电压电流调节器、电流电压显示器和电能输出端通过位于配液槽内的导电连接分别与该配液槽底部所述电池组的铝合金电极集流板和空气电极集流板相连；所述各单体电池产生的氢气经由配液槽中空窗和上盖的凸榜构成的氢气传输通道，从设置在所述上盖上的出气口向外排出。所述单体电池具有腔体结构，包括彼此分隔的进液分割室、电池反应室和出液分割室；所述配液器内的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、进液管电解液流入处，装有可转动、栅格结构的进液切 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；所述电池反应室至少有一侧壁为空气电极，与位于所述电池反应室内的铝合金电极构成电极组；所述铝合金电极位于该电池反应室内，并固定于定位槽中；所述铝合金电极和空气电极分别与该电池组的铝合金电极集流板和空气电极集流板电联接，所产生的氢气通过该电池反应室上部的敞开口进入所述配液器的氢气传输通道向外排出；所述电池反应室与出液分割室由一内隔壁相隔，在该内隔壁上端留有溢流槽令两者相通；该出液分割室被一横隔分隔为上下两区汇流区和出液区，横隔上设有向下导通的汇流管；所述电池反应室内的电解液经溢流槽流入所述汇流区，经汇流管流入其下部的出液区；所述出液区的下部有所述出液管与所述两个液流配置室相通；在所述出液区内、汇流管管口的下方，装有可转动、栅格结构的出液切割器，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。所述电池反应室的下部也可以是具有上大下小、有Η个侧面的棱柱形空腔，该棱柱形空腔的侧面和底面均嵌装有空气电极；所述电池反应室内嵌插有Η个棱柱形的铝合金电极，这Η个棱柱形的铝合金电极与电池反应室下部各侧壁的Η个空气电极一一对应，形成多组电极组；所述的Η个棱柱形铝合金电极面向与之对应的空气电极一侧，其下部具有与该空气电极平行的斜面结构。所述进液切割器和出液切割器是自带转轴的、可在电解液冲击下自行转动来斩断流过的电解液液流；或者是采用电路控制开合结构，用来斩断流过的电解液液流。在所述各液流配置室的出液管的端口处设有液流档板，该液流档板由数根连接柱与出液管相连，各连接柱彼此存有间隔，所述出液管内的电解液从各连接柱之间的间隔流出。所述电池反应室内的铝合金电极和空气电极是一组或多组；多组时，各铝合金电极和空气电极分别串联或/和并联，再分别电联接至所述铝合金电极集流板和空气电极集流板。所述进液分割室和电池反应室之间的进液管上连接有清洗液出液管，该清洗液出液管上装有清洗液出液开关。所述出液分割室的出液管上还连接有清洗液出液管,该清洗液出液管上装有清洗液出液管开关。同现有技术相比较，本实用新型的有益效果是本实用新型的大功率铝一空气电池系统的电池组中，各单体电池具有独立的进液分割室和出液分割室，其独特的电解液斩断结构，有效地解决了铝-空气电池组堆中各单体电池之间的短路问题；本电池结构采用的电解液循环方式，确保了铝一空气电池系统大功率运行过程中电极表面的离子扩散以及副产物从电极表面的及时移除以及随后的自动沉淀排出；本电池结构采用的配液器液流分配方式以及所配置的液面显示器，保证了电解液在各个单体电池中以相同的流速更均匀地分配，更加有利于电池组中各单体电池放电性能的一致性；本电池结构采用了双液流配置 室，液流配置室的进液设置了液流挡板，且液流配置室的侧板和底板采用了倾斜结构，保证了电解液中沉淀物的快速沉降和及时排出；所述液流配置室结构中设置了温控装置，用以保证系统运行过程中电解液的温度恒定；特别设置的清洗结构保证了系统长期运行的安全可靠；采用底部倾斜的柱形铝合金电极以及与铝合金电极倾斜底部相对的空气电极，可大大延长铝合金电极的放电时间，从而延长一次补加铝合金电极后系统的运行时间。本专利提出的这种铝-空气电池系统结构，适用于高比能量、大功率的铝一空气电池系统，具有安全可靠、成本低、对环境无污染的特点，非常适合用作动力电池、电站、备用电源等大功率的铝一空气电池系统，应用领域广泛。附图说明
图I是本发明的大功率铝-空气电池系统的优选实施例，从该电池系统正面看的轴测投影示意图；图2是所述优选实施例之电池系统的主视示意图；图3是所述优选实施例电池系统除去电池组3的一侧支撑板后之轴测投影示意图；图4是所述优选实施例电池系统的液流配置室2的轴测投影示意图；图5是所述优选实施例液流配置室2从上往下看的轴测投影示意图；图6是图5 A-A剖面的剖视轴测投影示意图；图7是图6 D部的放大轴测投影示意图；图8是所述优选实施例的配液器9之轴测投影示意图；图9是所述配液器9除去上盖93后的轴测投影示意图；图10是所述配液器9从底部仰视的轴测投影示意图；图11是所述配液器上盖93的轴测投影示意图；图12是所述配液器上盖93从底部仰视的轴测投影示意图；图13是所述单体电池34的轴测投影示意图；图14是所述图13 D-D首I]面的首I]视轴测投影不意图；图15是所述图13 B-B剂面的首I]视轴测投影不意图；图16是去掉侧板的一个单体铝-空电池34之内部结构轴测投影示意图；图17是所述铝-空电池系统除去电池组3的一侧支撑板后之轴测投影示意图；图18是所述优选实施例中采用棱柱形铝合极电极311的单体铝-空气电池34的轴测投影示意图；图19是图18 E-E剂面的首I]视轴测投影不意图；图20是图18的底部仰视示意图。
具体实施方式
下面，结合附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。参考图I至图3，本实用新型的优选实施例是设计、生产一种大功率铝-空气电池系统，包括单体铝-空气电池34，特别是所述单体铝-空电池34至少是两个、彼此电串联或者电并联连接成电池组3 ;该电池组3的下方设有两个液流配置室1、2，在该电池组3的上方是配液器9 ;所述各单体铝-空气电池34经各自的出液管348与所述液流配置室1、2相通；该液流配置室1、2经其各自的输液管11、21与泵液腔5相通；所述泵液腔5通过汲液 管71与液流泵7相通，该液流泵7的送液管72与所述配液器9相通；该配液器9通过各进液管91同位于其下方的各单体铝-空气电池34相通；铝_空气电池系统运行时，分别调节与所述液流配置室1、2相连接的所述出液管348的出液管开关，控制所述电池组3的电解液交替流入所述两液流配置室之一，电解液在该液流配置室I或2、泵液腔5、配液器9和电池组3之间循环，而另一液流配置室2或I则于处于电解液静置、沉淀物沉降处理及沉淀物排出过程中。所述电池系统通过位于电池组3处的电能输出端40+和40_对外输出电能，通过调节该电池系统的电流电压调节器81控制该电池系统对外输出的电流或者电压大小。该电池系统的电流电压显示器82用于显示对外输出电流及电压的大小。该电池系统运行过程中，处于单体电池34中的各铝合金电极311将不断溶解。伴随着铝合金电极311的不断溶解而生成的少量氢气经位于配液器上盖93上的出气口 933输出。参考图3至图7及图17，所述各液流配置室1、2具有完全对称的结构；所述各液流配置室I、2分别设置有用于对电解液进行加热或冷却的加热/冷却管14、24，以维持电池系统运行过程中电解液温度的恒定。所述各液流配置室1、2的下部分别设置带有开关151、251的沉淀物排出管15、25，在所述各液流配置室1、2的底部、设有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管15、25 —侧的倾斜式结构252，以保证电解液中的沉淀物能够顺利通过液流配置室的沉淀物排出管排出电池系统之外。在所述各液流配置室1、2的出液管348的端口处设有液流档板3481，该液流档板3481由数根连接柱3482与出液管348相连，各连接柱3482彼此存有间隔，所述出液管348内的电解液从各连接柱3482之间的间隔流出。所述大功率铝-空气电池系统运行过程中，通过分别调节单体铝-空电池34的出液管348上的开关3483、3484，控制各单体铝-空电池34内的电解液交替流入液流配置室I或者液流配置室2中，以保证液流配置室I和液流配置室2两者之中，一个处于电解液静置、沉淀物沉降及排出处理过程，另一个处于电解液在单体电池34、液流配置室2 (或者液流配置室I)、泵液腔
5、液配器9这四者之间的循环过程。所述泵液腔5上设置有带有开关的泵液腔清洗液进液管61和有带有开关的泵液腔清洗液出液管62，用于在铝-空气电池系统停止运行时对泵液腔5进行清洗，通过控制分别设置在泵液腔清洗液进液管61上的泵液腔清洗液进液管开关和泵液腔清洗液出液管62上的泵液腔清洗液出液管开关，实现清洗液的流入和流出。参考图8至图12，所述配液器9包括配液槽92、与该配液槽92相适配的上盖93和位于该配液槽92壳体外侧的、用于显示该配液槽92内液面状态的液面显示器94，通过配液器液面显示器94观察处于配液器9中的液面状态，据此调控位于各配液器进液管91的电解液压力；所述配液槽92是中部有上下可通透中空窗95、四周为槽渠96的槽形结构；与所述各单体电池34连通的各进液管91位于该槽渠96底部；所述液流泵7的送液管72与槽渠96连通；所述上盖93下表面有与所述配液槽92的中空窗95相适配的“ 口”字形的凸楞931，当该上盖93盖在所述配液槽92上时，该凸楞931恰好套住或嵌入所述配液槽92的中空窗95，构成氢气输出通道；位于该配液器9外部的电压电流调节器81和电流电压显示器82通过位于配液槽92内的导电连接84分别与该配液槽92底部所述电池组3的铝合金电极集流板31和空气电极集流板32相连；采用耐腐蚀绝缘材料覆盖处于配液器9内侧的导电连接84，使之与电解液隔离。所述各单体电池34产生的少量氢气经由配液槽92的中空窗95和上盖93的凸楞931构成的氢气输出通道，从设置在所述上盖93上的出气口 933向外排出。参考图13至图16，所述单体电池34具有腔体结构，包括彼此分隔的进液分割室341、电池反应室342和出液分割室343 ;所述配液器9内的电解液经进液管91流至进液分割室341，再经位于该分割室341下部的进液管3411流入电池反应室342 ;在该进液分割室341上方、进液管91电解液流入处，装有可转动、栅格结构的进液切割器349 ;由进液管91 流出的电解液恰好注入转动的进液切割器349的栅格上，被该进液切割器349的栅格斩断后流入进液分割室341。所述电池反应室342至少有一侧壁为空气电极321，本例中所述空气电极321安装在各单体电池反应室342的外壳的前后框架上，与位于电池反应室342内的铝合金电极311构成电极组，空气电极321与铝合金电极311之间由电解液隔离；所述铝合金电极311内嵌在该电池反应室内壁的定位槽3421中；所述铝合金电极311和空气电极321分别与该电池组3的铝合金电极集流板31和空气电极集流板32电联接，电池工作所产生的氢气通过该电池反应室342上部的敞开口进入所述配液器9的氢气输出通道向外排出。所述电池反应室342与出液分割室343由一内隔壁345相隔，在该内隔壁345上端留有溢流槽346令两者相通；该出液分割室343被一横隔分隔为上下两区汇流区3431和出液区3432，横隔上设有向下导通的汇流管3433。所述电池反应室342内的电解液经溢流槽346流入所述汇流区3431，经汇流管3433流入其下部的出液区3432 ;所述出液区3432的下部有所述出液管348与所述两个液流配置室1、2相通。在所述出液区3432内、汇流管3433管口的下方，装有可转动、栅格结构的出液切割器3434，由汇流管3433流出的电解液恰好注入该出液切割器3434的栅格上，即该电解液是被该出液切割器3434的栅格斩断后才流进该出液区3432。用于斩断电解液液流的所述进液切割器349和出液切割器3434是自带转轴的、可在电解液冲击下自行转动来斩断流过的电解液液流；或者是电路控制的开合结构，用来斩断流过的电解液液流。所述铝合金电极311与空气电极321之间保持适当的间隔。所述电池反应室342内的铝合金电极311和空气电极321是一组或多组；多组时，各铝合金电极311和空气电极321分别串联或/和并联，再分别电连接至所述铝合金电极集流板31和空气电极集流板32。电解液经单体电池反应室进液管3411由单体电池反应室342的底部进入单体电池反应室342内，并流经铝合金电极311与空气电极321之间的间隔空间由单体电池反应室溢流槽346流入单体电池出液分割室343。铝一空气电池系统运行过程中，位于单体电池反应室342内、处于电解液中的铝合金电极311发生阳极溶解反应，与电解液接触的空气电极表面发生氧气的还原反应。上述电极反应生成的电流经由铝合金电极集流板31和空气电极集流板32，由电能输出端40+、40 一输出。电解液经单体电池反应室溢流槽346流入单体电池出液分割室343的汇流区3431内，经汇流管3433流出后被单体电池出液分割室电解液斩断器3434斩断，防止了铝-空气电池系统内各个单体电池之间的短路。之后，电解液经单体电池出液管348进入液流配置室I或者液流配置室2。位于单体电池进液分割室341内的单体电池进液分割室电解液斩断器349以及位于单体电池出液分割室343内的单体电池出液分割室电解液斩断器3434也可以采用电路控制的开合结构来斩断电解液液流。电能输出端40+、40—的位置可以按照需要设置在系统不同的位置。本实施例中，所述铝一空气电池系统的液流方式是注入所述液流配置室I或2内的电解液经输液管11或21流入泵液腔5 ;所述液流泵7通过汲液管71汲取泵液腔5内的 电解液，经送液管72泵入所述配液器9内；所述配液器9内的电解液经各出液管91流入各单体电池34，电解液经各单体电池34的出液管348流入所述液流配置室I或者液流配置室2，电解液在该液流配置室I或2、泵液腔5、配液器9和各单体电池34之间循环，而另一液流配置室2或I则处于电解液静置、沉淀物沉降处理过程中，如此循环往复。所述“沉淀物沉降处理过程”包括通过所述各液流配置室下部的沉淀物排出管25或15向外排除沉淀物。所述“经所述配液器9的各出液管91流入各单体电池34”，还括如下步骤所述从出液管91流出的电解液先被位于进液分割室341内的、旋转着的进液切割器349斩断后流入进液分割室341、再经进液管3411流进电池反应室342内，再由溢流槽346流入所述汇流区3431，经汇流管3433流出的电解液被旋转着的出液切割器3434斩断之后流入出液区3432 ;再经所述出液管348流入液流配置室I或2。所述进液分割室341和电池反应室342之间的进液管3411上连接有清洗液出液管65，该清洗液出液管65上装有清洗液出液开关64。所述单体电池出液管348上还连接有清洗液出液管67，该清洗液出液管67上安装有清洗液出液管开关66。本实施例中，铝-空气电池系统运行一段时间后，可根据需要对整个系统进行清洗将液流配置室I、液流配置室2中的电解液经各自的沉淀物排出管15、25排出之后，关闭沉淀物排出管开关151、251。。将泵液腔内的电解液由泵液腔清洗液出液管62排出后，关闭泵液腔清洗液出液管开关。打开泵液腔清洗液进液管61的开关，从该泵液腔清洗液进液管61流入清洗液，在液流泵7的作用下，清洗液经由液流泵汲液管72进入配液器9，对配液器9进行清洗。之后，清洗液再经配液器出液管91进入单体电池34，对单体电池34中的进液分割室341、电池反应室342和出液分割室343进行清洗。控制单体电池的出液管348的开关3483、3484，以控制清洗液流入液流配置室I或液流配置室2中，分别对液流配置室I或液流配置室2进行清洗。之后，清洗液再经液流配置室I的输液管11或液流配置室2的输液管21进入泵液腔5。在液流泵7的作用下，清洗液在整个系统中循环直至清洗结束。之后，关闭液流泵7，将泵液腔5中的清洗液从泵液腔清洗液出液管62排出。同时，打开沉淀物排出管开关151、251、清洗液出液开关64、66，将液流配置室I、液流配置室2和电极室34中的清洗液分别从各液流配置室1、2的沉淀物排出管15和25、清洗液出液管65和67排出，完成对整个铝一空气电池系统的清洗。对铝-空气电池系统的清洗也可以只借助于液流配置室I或者只借助于液流配置室2来进行。本实用新型提出的铝-空气电池系统运行过程中，通过消耗铝合金电极和空气中的氧气，对外输出电能。在电池系统运行过程中，与空气电极表面相对面的招合金电极将不断溶解。因此，通过增加单体电池34中与空气电极表面相对面方向上铝合金电极的厚度，即采用柱形铝合金电极，可以延长一次补充铝合金电极后铝-空气电池系统的运行时间。参考图18至20，本发明的较佳的另一实例是，采用同前例中相类似的电池系统结构，所不同的是单体电池34的所述电池反应室342的下部是上大下小、有Η个侧面的棱柱形空腔，该棱柱形空腔的侧面和底面均嵌装有空气电极321 ;所述电池反应室内嵌插有Η个棱柱形的铝合金电极311，它们与位于电池反应室342下部棱柱形空腔侧壁的Η个空气电极321一一对应，形成多组电极组；各所述铝合金电极311面向与之对应的空气电极321 —侧，具有与该空气电极321平行的斜面结构。其中I。所述各铝合金电极311和空气电极321分别串联或/并联，再分别电联接至所述铝合金电极集流板31和空气电极集流板32。本实 施例中采用4个棱柱形的铝合金电极为例单体电池34的电池反室342中放入了 4个具有底部倾斜棱柱形的铝合金电极，单体电池34的所述电池反应室342的下部是上大下小、有Η个侧面的棱柱形腔体，该棱柱形腔体的侧面和底面均嵌装有空气电极321 ;空气电极321位于单体电池反应室外壳3420的四周及底部框架上，电池反应室342上的定位框架3110用于固定4个棱柱形铝合金电极311，该铝合金电极311位于该电池反应室342的内部，并与位于电池反应室342外侧的各空气电极321之间保持适当的间隔。所述铝合金电极311的支撑架3112位于该铝合金电极311的底部，对铝合金电极311起支撑作用。本实例中电解液的液流方式与前例无异。实际应用中，根据需要，单体电池34中的空气电极321的数量、位置以及形状可以不同，所述铝合金电极311的数量、位置以及形状与之配适，也将相应随之有所变化。
权利要求1.一种大功率铝-空气电池系统，包括单体铝-空气电池(34)，其特征在于 所述单体铝-空气电池(34)至少是两个、彼此电串联或者电并联连接成电池组(3);该电池组(3)的下方设有两个液流配置室(1、2)，在该电池组(3)的上方是配液器(9)； 所述各单体铝-空电池(34 )经各自的出液管(348 )与所述液流配置室(I、2 )相通；该液流配置室(I、2 )经其各自的输液管(11、21)与泵液腔(5 )相通；所述泵液腔(5 )通过汲液管(71)与液流泵(7)相通，该液流泵(7)的送液管(72)与所述配液器(9)相通；该配液器(9)通过各进液管(91)同位于其下方的各单体铝-空电池(34)相通； 铝-空气电池系统运行时，分别调节与所述液流配置室(1、2)相连接的所述出液管(348)的出液管开关，控制所述电池组(3)的电解液交替流入所述两液流配置室(1，2)之一，电解液在该液流配置室(I或2)、泵液腔(5)、配液器(9)和电池组(3)之间循环，而另一液流配置室(2或I)则于处于电解液静置、沉淀物沉降及排出处理过程中；位于该电池组(3)外侧的电能输出端(40+，40_)分别与所述电池组(3)的空气电极集流板(32)和铝合金电极集流板(31)相连通，并对外供电。
2.根据权利要求I所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述各液流配置室(1、2)是完全对称的结构；所述各液流配置室(1、2)分别设置有用于对电解液进行加热或冷却的加热/冷却管(14、24)。
3.根据权利要求I或2所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述各液流配置室(1、2)的下部分别设置带有开关(151、251)的沉淀物排出管(15、25 )，在所述各液流配置室(I、2 )壳体底部、设有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管(15、25 )一侧的倾斜式结构。
4.根据权利要求I所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述泵液腔(5)上设置有带有开关的泵液腔清洗液进液管(61)和泵液腔清洗液出液管(62)，用于对所述铝-空气电池系统停止运行时的内部清洗。
5.根据权利要求I所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述配液器(9)包括配液槽(92)、与该配液槽(92)相适配的上盖(93)和位于该配液槽(92)壳体外侧的显示该配液槽(92)内液面状态的液面显示器(94)； 所述配液槽(92)是中部有上下可通透中空窗(95)、四周为槽渠(96)的槽形结构；与所述各单体电池(34)连通的各进液管(91)位于该槽渠(96)底部；所述液流泵(7)的送液管(72)与槽渠(96)连通；所述上盖(93)下表面有与所述配液槽(92)的中空窗(95)相适配的“口 ”字形的凸楞(931)，当该上盖(93)盖在所述配液槽(92)上时，该凸楞(931)恰好套住或嵌入所述配液槽(92)的中空窗(95),构成氢气传输通道； 位于该配液器(9 )外部的电压电流调节器(81)、电流电压显示器(82 )通过位于配液槽(92)内的导电连接(84)分别与该配液槽(92)底部所述电池组(3)的铝合金电极集流板(31)和空气电极集流板(32)相连； 所述各单体电池(34)产生的氢气经配液槽(92)中空窗(95)和上盖(93)的凸楞(931)构成的氢气传输通道，由设置在所述上盖(93)上的出气口(933)向外排出。
6.根据权利要求I所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述单体电池(34)是腔体结构，包括彼此分隔的进液分割室(341)、电池反应室(342 )和出液分割室(343);所述配液器(9)内的电解液经进液管(91)流至该进液分割室(341)，再经该进液分割室(341)下部的进液管(3411)流入电池反应室(342);在该进液分割室(341)上方、进液管(91)中电解液流入处，装有可转动、栅格结构的进液切割器(349)，从进液管(91)流出的电解液恰好注入转动的进液切割器(349)栅格上，被该进液切割器(349)的栅格斩断后流入进液分割室(341)； 所述电池反应室(342)至少有一侧壁为空气电极(321)，与位于在所述电池反应室(342 )内的铝合金电极(311)构成电极组；所述铝合金电极(311)内嵌在该电池反应室的定位槽(3421)中；所述铝合金电极(311)和空气电极(321)分别与该电池组(3)的铝合金电极集流板(31)和空气电极集流板(32)电连接，所产生的氢气通过该电池反应室(342)上部的敞开口进入所述配液器(9)的氢气传输通道向外排出； 所述电池反应室(342)与出液分割室(343 )由一内隔壁(345)相隔，在该内隔壁(345)上端留有溢流槽(346)令两者相通；该出液分割室(343)被一横隔分隔为上下两区汇流区(3431)和出液区(3432)，横隔上设有向下导通的汇流管(3433)； 所述电池反应室(342 )内的电解液经溢流槽(346 )流入所述汇流区(3431)，经汇流管(3433)流入其下部的出液区(3432);所述出液区(3432)的下部有所述出液管(348)与所述两个液流配置室(I、2)相通； 在所述出液区(3432)内、汇流管(3433)管口的下方，装有可转动、栅格结构的出液切割器(3434)，由汇流管(3433)流出的电解液恰好注入该出液切割器(3434)的栅格上，即该电解液是被该出液切割器(3434)的栅格斩断后才流进该出液区(3432)。
7.根据权利要求6所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述电池反应室(342)的结构还可以是下部呈上大下小、有Η个侧面的棱柱，该棱柱的侧面和底面均嵌装有空气电极(321);所述电池反应室内嵌插有Η个棱柱形的铝合金电极(311)、与电池反应室(342)下部各侧壁的Η个空电气电极(321)——对应，形成多组电极组；各所述铝合金电极(311)面向与之对应的空气电极(321) —侧，是与该空气电极(321)平行的斜面结构；Η > I。
8.根据权利要求6所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述进液切割器(349 )和出液切割器(3434 )是自带转轴的、可在电解液冲击下自行转动来斩断流过的电解液液流；或者是电路控制的开合结构，用来斩断流过的电解液液流。
9.根据权利要求I或6所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 在所述各液流配置室(I、2)的出液管(348)的端口处设有液流档板(3481)，该液流档板(3481)由数根连接柱(3482 )与出液管(348 )相连，各连接柱(3482 )彼此存有间隔，所述出液管(348 )内的电解液从各连接柱(3482 )之间的间隔流出。
10.根据权利要求6或7所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述电池反应室(342)内的铝合金电极(311)和空气电极(321)是一组或多组；多组时，各铝合金电极(311)和空气电极(321)分别电串联或/和电并联，再分别电连接至所述铝合金电极集流板(31)和空气电极集流板(32)。
11.根据权利要求6所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于 所述进液分割室(341)和电池反应室(342)之间的进液管(3411)上连接有清洗液出液管(65 )，该清洗液出液管(65 )上装有清洗液出液开关(64 )。
12.根据权利要求6所述大功率铝-空气电池系统，其特征在于所述出液分割室(343)的出液管(348)上还连接有清洗液出液管(67)，该清洗液出液 管(67 )上装有清洗液出液管开关(66 )。
专利摘要一种大功率铝-空气电池系统，该系统至少由两个单体铝-空气电池(34)彼此以电串联或者电并联连接组成铝-空气电池组(3)；电池组(3)的下方设有两个液流配置室(1、2)，在电池组(3)的上方是配液器(9)；各单体铝-空气电池(34)经各自的出液管(348)与液流配置室(1、2)相通；液流配置室(1、2)经其各自的输液管(11、21)与泵液腔(5)相通；泵液腔(5)通过汲液管(71)与液流泵(7)相通，液流泵(7)的送液管(72)与配液器(9)相通；配液器(9)通过各进液管(91)同位于其下方的各单体铝-空气电池(34)相通。本实用新型的有益效果是适用于高比能量、大功率的铝－空气电池系统，具有安全可靠、成本低、对环境无污染的特点。
文档编号H01M8/02GK202737061SQ20122014782
公开日2013年2月13日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者王为, 齐燕玲 申请人:德阳东深新能源科技有限公司
X技术网 原文链接:http://www.xjishu.com/zhuanli/59/201220147822.html