*铝燃料电池*收集
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話說鋁燃料電池（6）：鋁燃料電池技術參數及優勢
來源:中國有色金屬報 ??作者:王祝堂
時間:2017-09-12 13:44??點擊:213次
導語：鋁燃料電池具有比能量大、成本較低、更換方便、綠色環保、安全可靠、適用性強、可長時間運行、生成物可全部回收循環利用等特點。鋁燃料電池是一種發電設備，是一個“發電廠”，這種發電機的陽極為鋁合金，陰極為空氣，運行過程中（圖1）通過消耗鋁合金陽極、電解質（液）水和空氣中的氧對外輸出電能，運行過程中有Al（OH）3產生，是一種很有商業價值的副產物。實際上是一種在催化劑的催化作用下發生化學反應而產生電能的一種化學電源，是鋁電解的逆過程。 實際發電電池是鋁燃料電池與輔助電池（鋰電池或鎳氫電池）組成的混合系統，圖1即為非常新能源有限公司的這樣模式，其特點是：利用鋁燃料電池比能量大的特點，以它作為能源包，貯存攜帶能量，恒功率輸出，使用后整體更換；發揮鎳-氫電池/鋰電池輸出性能好、充電效率高特點，將它們結合在一起，發揮各自優勢，在鋁燃料電池工作工始和結束時利用輔助電池循環電解液，完全控制鋁燃料電池的自放電和擱置性能。 |
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鋁燃料電池技術參數
截至2016年，德陽東深新能源科技有限公司推向市場的鋁燃料電池，由其特性及應用方向分為容量型及功率型兩種，前者容量大比功率小，后者功率大比容量小。它們的技術參數（見表1）。容量型鋁燃料電池主要適用于UPS（不間斷電源，Uninterraptible Power Source），應用于通訊基站、移動式充電樁、智能微電網等；功率型鋁燃料電池主要適用于牽引動力，應用于車輛、航空器、艦船等方面。
鋁燃料電池的優點
鋁燃料電池具有比能量大、成本較低、更換方便、綠色環保、安全可靠、適用性強、可長時間運行、生成物可全部回收循環利用等特點。
比能量大
鋁燃料電池的理論比能量可達8178Wh/kg，是鋰離子電池的4倍，其電源系統具有大電流、低噪聲（≤35dB）、無紅外特征、長航時（一次加或更換鋁陽極可持續大電流供電7d~42d）。鋁燃料電池的實際比能量可達350Wh/kg~500Wh/kg，為鋰離子電池120Wh/kg~150Wh/kg的3倍，續航里程也相應為鋰離子電池的3倍。以北京汽車集團的E150型電動車為便，鋰離子電池攜帶的電量26kWh，而等同質量鋁燃料電池可攜帶78kWh，續航里程390km，與燃油汽車一次加油行駛的里程相當。
運行成本較低，與燃油汽車的相當
根據童東風等與東深新能源科技有限公司的數據（圖2），鋁燃料電池電動車的鋁、水消耗分別為3kg/100km、5L/100kg，按15000元/t鋁價及3000元/t鋁材加工費計算，鋁耗成本為54元，電解質成本按1元/L計算，則鋁燃料電池成本約59元/100km，而一般小型乘人行駛油耗約8L/100km，汽油價格按7.63元/L計算，則行駛費用為61元/100km。
制造成本較低
電池的制造成本用制造電池的費用除以電池可以儲存的電量來表達，據東深新能源科技有限公司的統計，制造鋁燃料電池為500元/kWh，僅為生產鋰離子電池成本4000元/kWh的1/8。
更換簡單易行方便
鋁燃料電池運行放電時消耗的是鋁和水為主，運行過程中只需要添加適量的水，運行周期完成后，僅需更換鋁板或整體更換電池堆，操作快捷，簡單方便，從操作時間和簡易程度上來看與汽車加油時的相當，比蓄電池的充電時間短得多。斷電后可迅速瞬間啟動，電壓穩定，電流輸出正常。
鋁燃料電池運行期間主要副產物是氫氧化鋁Al（OH）3，對環境無害，且可循環利用，加工成納米級高純Al2O3，循環利用加工成本還不到10元/kg，而燃油汽車卻存在嚴重的廢氣污染、鋰離子電池汽車則有重金屬污染等。鋁燃料電池運行時無機械震動，非常平穩，無噪聲，噪音≤35dB；無熱源，不會起火，不會爆炸。無電磁特征，燃料利用率達92%以上。
安全可靠
物理化學性質穩定，不因暴露于空氣中而發生腐蝕、發熱、燃燒或爆炸；受到擠壓撞擊、跌落、刺穿等強力破壞，不會燃燒或爆炸；電池內芯工作溫度40℃，無燃燒或爆炸等重大安全隱患；可長時間、大電流、持續發電。
通用性強，適用性廣
鋁燃料電池堆（組）采用模塊化設計，可根據不同使用環境，各種用電需求快速組合，通用性強。大功率鋁燃料電池設備可廣泛應用于國民經濟建設、群眾生產生活和國防各個方面。
長時間運行
鋁燃料電池特別適合在大電態勢下長期連續地運行，無需充電。因此，鋁燃料電池設備特別適合用作長時效UPS。
鋁資源豐富，制造成本不高
雖然中國可用純拜耳法提取氧化鋁的三水鋁土礦資源少，其他的鋁土礦也不豐富，但就全球而言，鋁土礦有的是，很豐富，地殼中的鋁含量占其總質量的8%以上，同時鋁是回收率很高的金屬，回收能耗僅占原鋁提取總能耗的5%，回收燒損也≤5%，鋁是一種循環價值最高的金屬，一種綠色金屬，因此，鋁燃料的價格可長期穩定在一個合理的范圍內。
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氫氧化鋁回收
鋁燃料電池在發電運作時，會產生絮狀Al（OH）3沉淀，每消耗1kg鋁可產生3kg的Al（OH）3，可制得2kg的Al2O3超細的納米級粉粒（圖3）。東深新能源科技有限公司用電池廢漿制備的微粉氫氧化鋁白度≥97%，達到了微粉要求；粒度相當均勻，d50產品粒度0.8μm~1.5μm，而進一步制得的氧化鋁粉粒度可達到30nm。非常新能源科技有限公司采用獨特鋁合金陽極技術與電解液技術，通過嚴格控制電池系統，防止粗大晶粒產生，再經過一定的處理過程，制備的納米級Al2O3的晶粒尺寸、粒度分布、化學純度、整體色度均得到很好的控制，已在納燈、混合動力汽車、電子襯底片、汽車尾氣處理催化劑、紫外固化材料、醫療、光學薄膜、鋰電池隔膜、車燈、LED照明、半導體、顯示屏等領域獲得廣泛應用。
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201709014網摘
4月初美國斯坦福大學以戴宏杰教授為首的研究小組發表了關于鋁電池的論文，引起輿論的廣泛關注。據悉，這種鋁電池具有高效耐用、可燃性低、成本低、充電快速等優點，可成為常規電池的安全替代品。
? 過去十幾年時間以來，研究人員曾嘗試開發一種商用鋁電池，但是都未成功，其中最大的挑戰就是很難找到一種能夠在經過了反復充電、放電周期后，還能提供充足電壓的材質。2015年上半年，美國華人科學家終于沖破了瓶頸，研制出首款可商業應用的高性能鋁電池。
? 該電池有三個特點，
一是在世界上獨創了以流動的液體作為正極材料，電流與功率大，可以做到千、萬安培級；
二是以鋁作為材料，解決了鋁的自腐問題，在世界上首次實現了鋁大電流應用；
三是不需要充電樁，僅僅需要加入含固體的電池水，可以不受時間和空間的限制。
? 新型鋁電池支持超快速充電，以智能手機為例，目前的鋰電池充滿電需要數小時時間，但鋁電池充滿電的時間僅需1分鐘。憑借其成本低、安全性能高、充電快速、生命周期長等優點，鋁電池在3C消費電子產品具有廣闊的市場，還可用于在電網中儲存可再生能源，另外，在電動汽車行業亦將備受青睞。
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鋁是一種節能環保綠色金屬
(1): 話說鋁燃料電池
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2017/06/05 16:43:04?來源:長江鋁業網 ??作者:匿名?點擊數：?1170次
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【中國鋁業網】鋁是一種銀白色金屬，現在用的英文名“Aluminium”是從古羅馬語“Alumen（明礬）”衍生來的，在北美洲用“aluminum”，在世界其他國家及地區則多用“Aluminium”。1807年英國化學家波特（J.H.Pott）用明礬制得氧化鋁。1807年英國化學家戴維（H.Davy）試圖電解熔融氧化鋁制取金屬，1808年他將這個預想的金屬命名為“Aluminum”，后改為“Aluminium”。1825年丹麥科學家奧斯忒（H.C.Qersted）用鉀汞齊還原無水氯化鋁，制得幾毫克鋁。1827年德國化學家沃勒（F.Wohler）用鉀還原氧化鋁，制得了少量較純的鋁，并描述了它的一些性質，不過在此之前，這個金屬一直是實驗室中的一種名貴“古董”。到1854年法國科學家德維爾（Henri Saint，Claite Deville）改進了以前的制備方法，用鈉作為還原劑成功地生產了較多的以kg計的更純的鋁，價格比黃金的還貴一些，并建廠為皇室貴族生產一些頭盔、餐具及玩具。1886年美國奧伯寧學院化學系大學生霍爾（C.M.Hall）與法國埃科爾礦業學院（Ecole des Mines）大學生埃羅（Paul L.Heroult）在大洋彼岸獨立地發明了冰晶石-氧化鋁熔鹽電解煉鋁法，并分別在各自國家取得了專利。1888年霍爾組建了匹茲堡冶金公司（Pittsburgh Reduction Company），即當今的美國鋁業公司（Alcoa）的前身，埃羅也在瑞士成立了產鋁工廠。鋁的生產從此進入了工業化，年年增加，一路攀升，1956年全世界原鋁產量超過銅，成為僅次于鋼的第二大金屬，2016年全世界原鋁產量59166kt，其中中國的產量32650kt，占世界總產量的55.18%，中國已成為世界原鋁生產的全面領軍者。
在此順便說明一下，在提到鋁時，不要在鋁的前面加“金屬”二字，因為漢字“鋁”有“金”字偏旁，就說明它是一種金屬，而由英文的“Aluminium”并不能看出它是什么狀態與什么屬性的物質，因此他們常說與書寫為“metal aluminium(金屬鋁）”。
鋁是地球和月球上最豐富的金屬元素，占地球表面固體部分的8%以上，海水平均含0.5ppm鋁。目前全世界查明的鋁土礦工業儲量約280×108t，儲量豐富和產量較大的國家有幾內亞、澳大利亞、巴西、牙買加、印度等國，他們的鋁土礦多為優質的高鐵低硅三水軟鋁石型，適用于以簡單的成本較低的拜耳（Bayer）法生產氧化鋁，而中國缺乏這種優質鋁土礦，已探明的93%以上為一水硬鋁石型，主要雜質為SiO2和少量的Fe2O3、TiO2，不適宜用純拜耳法生產氧化鋁，所以說中國并不是一個鋁土礦資源豐富的國家。
鋁的基本特性
鋁是一種輕金屬，化學符號Al，在元素周期表中屬ⅢA族，原子序數13，原子量26.982，面心立方晶格，常見化合價+3099.99%Al的物理性質：20℃時密度2.70g/cm3，熔點660.1℃，沸點2520℃，0℃——100℃的平均比熱容917J/（kg·k），20℃——100℃的平均線脹系數23.6×10-6/℃，20℃的體脹系數68×10-6/℃，熔化熱10.47KJ/mo1，汽化熱291.4KJ/mo1，熱導率（0℃——100℃）238W/（m·k），電阻率（20℃）2.67μΩ·cm，電導率（62%——68%）IACS，撞擊時不發火花，非磁性，反射全光譜輻射能，聲音在鋁中的傳播速度5000m/s——6500m/s，對光的反射率85%——90%，25℃時熱擴散率0.969cm2/s。
華學性能：鋁在空氣中會立即與氧形成薄的（0.005μm——0.02μm）氧化膜，它很致密，可阻止鋁的繼續氧化，因而有強的抗蝕性，但是鋁是兩種元素，與大多數稀酸只發生緩慢的反應，可迅速溶解于濃鹽酸，而不與濃硝酸反應，因為發生了鈍化，鋁可與NaOH溶液發生強烈反應，鋁可與氮、硫和鹵族元素在高溫下發生反應；99.50%Al在2.67%AlCl3溶液中對標準甘汞電極的自然電位-955.8mV，在3.5%NaCl溶液中對標準電極的孔蝕電位-732.2mV，鋁有很好的可陽極氧化與電泳涂漆性能，可電鍍性能也不錯。鋁的腐蝕有多種類型：普通腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕與剝落腐蝕，應力腐蝕等，雜質的性質與分布狀態決定它們對腐蝕的影響；影響腐蝕介質侵蝕能力最重要的因素是：濃度、溫度、壓力與運動。
力學性能：總體上，鋁及鋁合金有很好的力學性能，抗拉強度Rm從1070-H18合金的125N/mm2——7075-T6合金的570N/mm2，有些合金的Rm可以達到700N/mm2或更高一些，不少鋁合金材料的Rm可接近軟鋼的；鋁及鋁合金有優秀的可壓力加工性能，可加工成各種半成品，可工業化軋制寬2000mm，厚0.006mm的箔；其他的力學性能如彈性模量、疲勞性能、抗蠕變性能、斷裂韌性、損傷容限等等都可以滿足現代化工業發展的需求。
鋁是一種節能環保的綠色金屬
在上世紀60年代以前，人們都認為鋁是一種耗能大與污染嚴重的金屬，因為生產一噸原鋁需要15000kWh以上的綜合交流電：在原鋁提取過程中，排放的氣體有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，煙氣中還含有微量的C、Al2O3、Na3AlF6、Na5AL3F14、NaAlF4、AlF3、CAF2等固體微粒，在這些排放物中最有害的是F，在現代化預焙糟原鋁中產生的煙氣經集氣凈化處理后，排放大氣的煙氣中的含F量可≤0.60kg/tAl，這就是說，一座800kt/a的原鋁廠每年排放的有害物質F仍可達約480t。在生產中，每生產1t鋁需要消耗約4t鋁土礦，產生約3t固體廢棄物，它們雖不是有毒的，但卻是有害的。自上世紀70年代以來，人們開始對鋁有了新的認識：
●能源儲蓄銀行
美國鋁業協會公司認為鋁是“能源儲蓄銀行”即在原鋁提取過程中所消耗的能源，在其后的使用及回收過程中可以“支取”，還給社會。汽車的質量每減輕10%可節油8%；每使用1kg鋁，可使車在合用期內減少20kg尾氣排放；采用鋁所節省的能量是生產該零件所用原鋁耗能的6倍——12倍。
●鋁在使用過程中，由于零部件質量的減輕，以及抗蝕性的提高與壽命的延長，因而可減少溫室氣體排放。
●鋁是一種可回收性極強的金屬，每循環一次僅損失約5%，而回收的能耗及排放的溫室氣體，僅相當于原鋁提取5%在一定程度上說，鋁是一種“與世長存”的金屬，自1988年至2016年全世界共生產了約13.5億噸鋁，至今仍有約75%在使用。
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話說鋁燃料電池（2）：鋁電解與燃料電池原理
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2017年06月26日 9:10?1518次瀏覽?來源：?中國有色網???分類：?新材料前沿?
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鋁燃料電池的發電原理是鋁電解原理的逆過程，所以先說說鋁電解原理。
鋁電解原理
自1988年到2016年，全世界共生產了約13.5億噸原鋁，都是用霍爾-埃羅（Hall-héroult）的冰晶石（Na3AlF6）-氧化鋁（Al2O3）熔鹽電解法生產的。這種工藝已經有129年的歷史了，至今其原理沒有變化，工藝也沒有變化，但是實施提鋁的主體設備——電解槽的結構卻發生了很大變化。電耗由1892年霍爾槽的31000kWh/tAl（電流效率80%降到了2016年的12800kWh/tAl（直流電耗，電流效率96%以上），電解槽的容量由最初的幾kA增加到中國東北大學設計院的NEUI600kA，電解槽的結構型式也發生了很大變化（圖1、2）。
電解法原理就是將氧化鋁溶解在熔融（950℃~970℃）的冰晶石、氟化鋁等電解質中，在陰極和陽極上起電化學反應。電解產物在陰極上是液態鋁卻約950℃的原鋁（99.5%~99.8%）Al，陽極上是氣體，由（70%~80%)CO2、（20%~30%）SO2、少量氟化物和H2O等組成。所以陰極反應是：
Al3+（絡合的）+3e→Al
而陽極反應是：602-（絡合的）+3C-12e→3CO2
總反應式為：2Al2O3+3C→4Al+3CO2
在冰晶石-氧化鋁電解質中，Al2O3含量通常保持在3%~5%，為了電解質性能穩定，往往還要添加少量鋁、鎂、鈣和鋰的化合物如氟化鋁、氟化鈉、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰等。提取1t原鋁要消耗：1920kg~1940kg氧化鋁、5kg~15kg冰晶石、20kg~30kg氟化鋁、430kg~480kg陽極炭塊。
燃料電池簡介
鋁燃料電池（Aluminium fuel cell）又有把它稱為鋁空氣電池或鋁空電池的，最好稱為鋁燃料電池，鋁是陰極，如果陰極是Mg或鋅則分別稱為鎂、鋅燃料電池，氧是陽極。根據美國R.奧海爾（O'Hayre）等在《燃料電池基礎（Fuel Cell Fundamentals）》一書給的定義：燃料電池是一個“工廠”，它將燃料輸送進來，同時將產生的電輸出，只要原材料（燃料）源源不斷地供應，燃料電池就會不斷地產出產品（電）。一個氫燃料電池即氫氧燃料電池燃燒發電的基本概念如圖3所示。
圖4為一個最簡單的氫-氧燃料電池示意圖，世界上首個燃料池是威廉·格羅夫（William Grove）1839年發明的。在圖所示的燃料電池中，氫的燃燒可分為兩個半電化學反應：
H2→←2H++2e-
1-2O2+2H++2e-=H2O
如果將這兩個反應從空間上分開，那末由氫轉換而來的電子在上述反應之前通過外電路流出，就可以用于做功，點亮燈泡。此種空間隔離就是電解質，它是一種只允許離子（帶電的原子）通行而不允許電子通過的硫酸溶液，兩個電極是鉑制的。氫氣由左邊電極進入，分解成質子H+和電子，質子（離子）可通過電解質流動，而電子則通過連續兩個鉑電極的導線從左向右流行。
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話說鋁燃料電池（3）：鋁燃料電池的重大進展
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來源：中國有色金屬報作者：綜合報道??2017-07-03 10:47
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中國對鋁燃料電池研發始于上世紀90年代，現已成為世界最大的鋁燃料電池研發與生產國，但研發技術與美國、以色列相比還有一些差距
世界上第一個燃料電池是威廉·格羅夫（William Grove）1939年發明的，至今已有78年的歷史，經這些年的發展，已從單體鋁燃料電池發展到有各種實用價值的電源（供電系統），如德陽東深新能源科技有限公司的堆砌式發電站和車載移動電站等。電池陽極為發生氧化反應的鋁板，是電子流出的電極，陰是指發生還原反應的電極，是電子流入的電極。
中國鋁燃料電池的發展
世界上鋁燃料電池的較大規模研發始于上世紀60年代的美國，上世紀70年代他們集中于航海航標燈、礦井照燈等電源用電池的研究；上世紀80年代加拿大鋁電源公司（Aluminum Power）采用鋁合金陽極和有效的空氣（氧）電極制成的電池體系在便攜式電源、備用電源推向市場，為鋁燃料電池的商化應用作出了很大貢獻；2014年6月國外媒體報道了美國鋁業公司與以色列菲涅金公司（Phinergy）聯合研發的動力鋁燃料裝置在汽車上進行路況試跑，續航里程達1600km的世界紀錄，在燃料電池發展史上具有里程碑意義，為動力鋁燃料電池的發展作出了巨大貢獻，使菲涅金公司成為世界鋁燃料電池的領跑者。這種鋁燃料電池系統陽極由50塊鋁板組成，每塊質量500g，總質量25kg，每一塊鋁板提供的電力可使電動汽車行駛32km。2014年2月，美國鋁業公司與菲涅金公司就鋁燃料電池的進一步開發簽訂了合作協議，并于6月初在加拿大蒙特利爾一級方程式賽道上對鋁燃料電池電動汽車進行了試駕，計劃于2017年實現電動汽車專用鋁燃料電池批量生產，推向世界市場。
中國對鋁燃料電池研發始于上世紀90年代，現已成為世界最大的鋁燃料電池研發與生產國，但研發技術與美國、以色列相比還有一些差距。中國從事相關技術研究的單位主要有中國科學院過程工程研究所、大連物理化學研究所、船舶重工712所、北京大學、哈爾濱工業大學、武漢大學、天津大學、北京有色金屬研究總院、四川德陽東深新能源科技有限公司、臺州非常新能源科技有限公司、云南冶金集團創新金屬燃料電池股份有限公司等。截至2016年中國生產新能源動力電池的大大小小企業約有150家。
東深新能源科技有限公司
該公司成立于2011年10月，位于四川省德陽市旌陽區高新產業區，國家高新技術企業，擁有自主知識及歐盟、美國發明專利多項，目前國內唯一《鋁-空氣金屬料發電堆》標準備案企業，與美國UL總部、香港生產力促進局（HKPC）共同制定了鋁燃料電池UL國際標準，國內率先實現鋁燃料電池產業化企業之一，使中國鋁燃料電池的研發及市場化取得重大進展。
東深新能源科技有限公司自2011年成立以來，取得的階段性成就有：2012獲得《燃料電池的結構和制備方法》專利轉讓；2013年制成50kW鋁燃料發電機樣機；2014年核心材料和關鍵技術取得實質性突破；2015年新能源汽車動力電池系統大功率鋁燃料電池系統關鍵技術項目列入省科技廳支撐計劃，鋁燃料電池不間斷電源系統（UPS）被省經委和省財政廳認定為四川省重大技術裝備省內首臺（套）產品；2016年《大功率鋁燃料電池系統》獲PCT（專利合作協定）歐盟授權英、法、德、意生效；2016年與中國鐵塔集團簽訂1000臺基站不間斷電源系統合同，實現了鋁燃料電池的商業化生產。
當下，東深新能源科技有限公司生產鋁燃料電池系統有兩大類：容量型（STK-X），主要適用于不間斷電源，容量大，比功率小，應用于通訊基站、移動式充電樁、智能微電網等；功率型（FMG-X），這種電源功率大，容量小，主要用作牽引動力，應用于車輛、航空航天器、艦船等。
2017年2月24日，中國有色金屬工業協會會長陳全訓、副會長文獻軍等一行在考察德陽東深新能源科技有限公司時興奮地說：“你們做了一件非常有意義的事情，鋁燃料電池理論性的探討走到了產業化，這是新能源革命突破，你們是開拓者。”陳全訓對該公司寄予厚望，他對公司研發團隊說：“鋁燃料電池是個好項目，但要形成商品化、市場化將有大量事情要做，你們是開拓者，中國有色金屬工業協會將支持你們的產品開發和推廣應用，充分利用我們協會的優勢，為你們提供幫助，今后我們要繼續跟蹤，希望你們的事業成功發展。”
非常新能源科技有限公司（SUPER）
該公司位于浙江省臺州市，在研發鋁燃料電池領域取得驕人的業績，已開發出各種大中小型電源投入市場，與北京大學、臺州市政府合作成立了“臺州市非常金屬燃料電池研究中心”，致力于提升鋁燃料電池系統并實現產業化、開發混合系統并應用于電動汽車領域以及新的金屬燃料電池系統等研究。
公司生產的多項鋁燃料電池參加了2016美國拉斯維加斯展覽。擁有一系列核心技術：鋁合金電極的制備，陽極自腐蝕的抑制與鈍化抑制及放電活性的提高；氧還原催化材料的制備及空氣擴散電極的連續化生產；含活性添加劑電解液的制備與電解液處理系統，可以抑制陽極腐蝕，減少極化，提高電池效率；電解液循環系統、空氣流通保障系統和電池組熱管理系統；電池系統機械式再充電，合金陽極放電后機械換新；放電產物和電解液集中再生處理，制備高純納米氧化鋁，實現產物價值提升，所有物質循環再利用。
采用新型催化劑配方制備空氣電極，成本低、性能高，其單位面積放電密度已達到國外同類產品水平，填補了該類產品的國內空白。2013年率先建成國內首條連續化空氣電極生產線。
公司獲得10余項發明專利，擁有國內和國際專利授權，形成了具有自主知識產權的核心技術體系。利用電化學方法將發電產物制成高附加值納米級氧化鋁，或將是生產納米級氧化鋁的全新革命性技術，已在軍工領域獲得應用，榮獲全軍科技進步三等獎。
云南冶金集團創能金屬燃料電池股份有限公司
創能公司自主研發鋁燃料電池關鍵材料及其制備技術填補了云南省在此領域的空白：空氣極成本低，而且使用壽命長達7000h，達到國際領先水平；自主生產的特種鋁合金陽極板不但生產成本低，而且其性能可與奧科寧克鋁業公司的高純鋁板相媲美；電解液性能達到世界領先水平，實現了廢電解液綜回收制備高附加值超細氧化鋁粉、阻燃劑等多種產品的生產；產品獲得授權專利4項、企業標準5項；已建成20MW鋁燃料電池組裝生產線，主導產品為隨身電源、大中型備用電源、動力電源、輔助材料等，電源產品生產能力可達20萬臺/年。
鋁燃料電池發展趨勢
當前全世界動力電源研發單位與生產企業都把力量投放于燃料電池，而鋁燃料電池的開發又是重中之重，因為鋁燃料電池具有可比擬的諸多優點：鋁的資源豐富，價格合理，鋁燃料電池制造成本約為500元/kWh，是鋰離子電池生產成本4000元/kWh的1/8；用于汽車上，運行成本與燃油汽車的相當或更低一些，鋁燃料電池汽車百公里約消耗3kg鋁、5L水與電解液，運行成本約59元，而一般乘人車的油耗約8L/100km，按7.63元/L計算約合61元；續航能力高于鋰離子電池，鋁燃料電池比能量可達到350Wh/kg~500Wh/kg，是鋰離子電池120Wh~150Wh/kg的3倍，因此在同等質量時，鋁燃料電池攜帶電量為鋰離子電池的3倍，續航里程也是鋰離子電池的3倍；更換方便，鋁燃料電池消耗的是鋁及水，運行過程中只需要換鋁板與加適量水，操作簡便；綠色環保，鋁燃料電池運行期間主要副產物是Al（OH）3，不但對環境無害，而且可回收，制成納米級Al2O3粉；絕對安全，不會產生燃燒爆炸。
國外簡況
奧科寧克鋁業公司與以色列菲涅金公司在開發鋁燃料電池方面居世界領先水平，為此領域技術與制造工程的領跑者。日本豐田汽車公司研究院（Toyota Research Institute）將與美國斯坦福大學、麻省理工學院（MIT）、密歇根大學、紐約州立水牛城大學、康涅狄格大學以及英國的伊利卡（Ilika）研究所等合作研發基于人工智能（AI）的新能源電池材料。
中國工信部對汽車動力電池產業發展制定方案
2017年4月，國家工信部、發改委、科技部、財政部等有關部門聯合印發出臺《促進汽車動力電池產業發展行動方案》（以下簡稱《行動方案》）。《行動方案》提出分三個階段推進我國動力電池發展：2018年，提升現有產品性價比，保障高品質電池供應；2020年，基于現有技術改進的新一代鋰離子動力電池實現大規模應用；2025年，采用新化學原理的新體系電池力爭實現技術變革和開發測試。
《行動方案》提出了5個方面的發展目標：大幅提升產品性能，2020年動力電池系統比能量力爭比現有水平提高一倍達到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下，2025年動力電池單體比能量達到500Wh/kg；二是產品安全性滿足大規模使用需求，實現全生命周期的安全生產和使用；三是產業規模合理有序發展，2020年行業總產能1000億Wh、形成產銷規模400億Wh以上的龍頭企業；四是關鍵材料及零部件取得重大突破，2020年形成具有核心競爭力的創新型骨干企業；五是高端裝備支撐產業發展，2020年實現裝備智能化發展、制造成本大幅降低。
《行動方案》提出了實現發展目標的9項重點任務：建設動力電池創新中心，實施動力電池提升工程，加強新體系動力電池研究，推進全產業鏈協同發展，提升產品質量安全水平，加快建設完善標準體系，加強測試分析和評價能力建設，建立完善安全監管體系，加快關鍵裝備研發與產業化。
《行動方案》的出臺對加快推動我國汽車動力電池產業發展將起到巨大作用。
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話說鋁燃料電池（4）：鋁燃料電池系統的運轉
來源：中國有色金屬報作者：王祝堂??2017-07-18 09:17點擊：365?掃描到手機放大縮小
對原電池如鋁燃料電池來說，鋁釋放電子，變成離子，鋁是陽極，空氣為陰極，陽極與陰極接通后，電子從陰極跑向陽極，而對普通的電池來說，有正、負極之分，電流從正極流向負極。鋁燃料電池為鋁電解的逆過程。
如前所述，鋁燃料電池是以鋁的“燃燒”產生電能。這里所說的“燃燒”實際上就是鋁溶解于堿性溶液（電解質）中變鋁離子（Al→Al+3+3e），放出3個電子（3e），是陽極，電子向陰極“跑”與空氣中的氧之間的簡單電化學反應放出能量產生電流的過程。我們可以認為燃料電池是一個“工廠”，它將燃料（鋁）輸送進來，同時將產生的電輸出，只要有鋁存在就會源源不斷地產生電，這是燃料電池與傳統電池的根本區別，雖然它們都依賴于電化學原理而工作。鋁燃料電池由鋁板陽極、空氣板陰極和電解液組成。電解液一般為堿性溶液。鋁燃料電池工作時還需要催化劑的催化作用，在催化劑的催化作用下發生化學反應而發電的一種化學電源。
對原電池如鋁燃料電池來說，鋁釋放電子，變成離子，鋁是陽極，空氣為陰極，陽極與陰極接通后，電子從陰極跑向陽極，而對普通的電池來說，有正、負極之分，電流從正極流向負極。鋁燃料電池為鋁電解的逆過程。
鋁燃料電池系統的運轉，空氣從左邊進入，過濾清洗后流入鋁燃料電池堆（鋁空電池堆）陰極，這是第一步，也就是說要準備好足夠的陽極鋁板和供給氧的空氣陰極板，以供給足夠的氧；第二步是發生電化學反應，一旦發生電化學反應就會產生電流，電流大小與電化學反應速度息息相關，速度越快，產生的電流越多，為此，我們借助催化劑及精細的反應區域設計來提高反應速度；第三步是離子或電子傳輸，過程中發生的電化學反應將產生或消耗離子和電子，鋁電極產生的離子被另一邊空氣（氧）電極消耗，電子也一樣，為了保持電荷平衡，必須把它們從產生的區域傳輸到它們消耗的區域，一旦用電線把它們連接起來，電子就會從一個電極流向另一個電極，然而離子的流動就比電子困難得多，因為它比電子大得多，也重不少，必須靠電解質傳輸，鋁燃料電池用的電解質為堿性溶液。第四步，生成物排出，任何一種燃料電池，除了產生電至少還會生成一種反應物，即使最簡單的氫-氧燃料電池也會生成水，鋁燃料電池會產生Al（OH）3，必須及時從電池中排出，否則就會在電池中隨著時間延長而積累，阻礙鋁與氧反應，最終電池會“窒息”而死。
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鋁燃料電池有運轉的五要素：陽極、陰極、電解質、催化劑、反應生成物，將于下一文中一一介紹。現在，鋁燃料電池已形成一個非常好的閉路循環。
鋁燃料電池技術大致可歸納為：是一種直接的電化學能量轉換裝置，通過電化學反應直接把能量從一種形式（化學能）轉換成另一種能形式——電能；鋁燃料電池不像一般的電池，不會耗盡，而更像一個“工廠”，只要有燃料供給就會源源不斷地產生電；鋁燃料電池必須有陰陽兩個電極，并被電解質一分為二；鋁燃料電池的功率取決于其尺寸，能量取決于它的燃料存儲量；電化學系統必須包含兩個成對的半反應：氧化反應和還原反應，氧化反應釋放電子，還原反應消耗電子；氧化反應發生在陽極鋁電極，還原反應發生在陰極電極氧；鋁燃料電池中產生的4個主要步驟為：燃料鋁和氧這兩個反應物輸送、電化學反應、離子和電子傳導、生成物Al（OH）3排除；用電流-電壓曲線評估鋁燃料電池性能，它表示在一個給定的電流負載下鋁燃料電池的輸出電壓；由于損耗，實際的鋁燃料電池性能總比理想的燃料電池差，主要損耗類型：活化損耗，歐姆（電阻）損耗，濃度損耗。
鋁燃料電池與其他電池的性能對比見表1，由表中的數據可見，鋁燃料電池的綜合性能顯著優于其他電池的。
在表1引入的9個定量指標中，最重要的是能量密度和功率密度，現在對它們作一解釋，以便加深對鋁燃料電池的認識。能量被定義為做功的能力，常用單位為J（焦耳）或Cal（卡路里或卡）；功率被定義為能量消耗或產生的速率，它的典型單位是W（瓦特或瓦），表示每秒鐘消耗或產生的能量，1W=1J/s，由此可知，能量=功率×時間。
體積功率密度是指每單位體積（cm3、m3、L）的器件可提供的功率量，其典型單位為W/cm3或kW/m3。質量功率密度或比功率是指每單位質量的器件提供的功率量，其典型單位是W/g或kW/kg。
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圖4為一個最簡單的氫-氧燃料電池示意圖，世界上首個燃料池是威廉·格羅夫（William Grove）1839年發明的。在圖所示的燃料電池中，氫的燃燒可分為兩個半電化學反應：
H2→←2H++2e-
1-2O2+2H++2e-=H2O
如果將這兩個反應從空間上分開，那末由氫轉換而來的電子在上述反應之前通過外電路流出，就可以用于做功，點亮燈泡。此種空間隔離就是電解質，它是一種只允許離子（帶電的原子）通行而不允許電子通過的硫酸溶液，兩個電極是鉑制的。氫氣由左邊電極進入，分解成質子H+和電子，質子（離子）可通過電解質流動，而電子則通過連續兩個鉑電極的導線從左向右流行。
話說鋁燃料電池（5）：說說鋁燃料電池五要素
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2017/08/21 15:28:08?來源:中國有色金屬報 ??作者:匿名?點擊數：?1274次
【中國鋁業網】筆者在此所說的鋁燃料電池的五大要素是指構成電池的五大部分：陽極、陰極、電解質、催化劑、生成物Al(OH）3處理。現對它們的方方面面作一全面的簡單介紹。
鋁陽板
鋁燃料電池的陽極是用鋁合金制的，不能用純鋁，一是因為純鋁的鈍化很快，極化嚴重。純鋁表面上的鈍化膜即氧化膜（當然鋁合金上也有）只有約5nm厚，但很致密，造成負極極化增大、電位正移和電壓滯后。鋁的氧化（鈍化）過程可分為三個階段：無定形Al2O3生成期、晶體氧化物形成期、氧化進程極慢期。
不可用純鋁的另一原因是，鋁會在電解質中發生腐蝕，又稱自放電，析出氫（6Al+6H2O=2Al（OH）3+3H2↑），降低電極的庫倫效率、混合，以及加大傳質系數。
工業純鋁中，Fe、Cu、Si等雜質使自腐蝕顯著上升，添加Mn可抵消鐵的不利影響，無錳時，Fe與Al形成Al3Fe，對基體鋁呈陽性；有Mn時則形成Al6FeMn，其電位與基體鋁的幾乎相等。添加Mg會導致基體鋁的陰極極化，使鋁電位負移和較小腐蝕，同時若Mg含量較大，可產生Mg2Si，其電化學性質與鋁的相近，縮小了電化學性質差異，降低鋁的腐蝕。
鋁電極在堿性電解液中的腐蝕速度、電化學活性與其晶體結構有關：純鋁晶體是各向異性的，活性點少，腐蝕在全電極表面上不均勻，加入某些合金化元素可減弱原有晶體的各向異性或消失，從而使整個電極表面發生均勻腐蝕，不過，一旦合金化元素含量過大，會形成新相，富集于晶界，使晶界優先溶解，造成電極不均勻腐蝕和自腐蝕速度上升。鋁合金晶粒越細小與均勻，鋁陽極表面溶解越均勻，鋁電極電流效率越高。
鋁表面那層致密的鈍氧化膜使電池的內阻上升，限制其電化學活性的發揮。因此，優質的鋁陽極必須有活化的氧化膜層，又有高的抗腐蝕性能，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鋁膜的活性又能抑制鋁的腐蝕。例如錫離子Sn+4進入氧化鋁膜后，取代了Al+3離子，并產生空穴，使氧化鋁膜電阻明顯下降，使鋁電極電位明顯負移，電流明顯增大；Ga會沉積于鋁陽極表面使其活化，Al-Sn-Ga合金陽極溶解時，Sn和Ga溶入溶液，Sn+4在鋁電極表面沉積，隨后Ga離子沉積于錫造成的空位內，從而電極表面不斷產生新的活性點，因而Al-Sn-Ga合金有高的活化特性。
前面說過，Mn可以抵消Fe的不利影響，而且Al-Mn合金陽極極化時，由于Mn的富集形成了雙層氧化膜，內層主要為Al2O3，但也有Mn，外層為Mn富層，Mn的電位更負些，提高了合金的活性。
哈爾濱工業大學研發的Al-0.3Ga-0.3Bi-0.45Pb四元鋁合金有優秀的電化學性能，是一種鋁燃料電池陽極好材料；中船重工公司研制出在4mol/L的NaOh溶液中電位為-1.37V（對Hg/HgO電極）的Al-Pb-Ga鋁合金；內斯托利迪（Nestoridi）等發展的Al-0.1Sn-0.05Ga鋁合金在NaCl溶液中的開路電位為-1.5V，電流密度＞0.2A/cm2（對SCE電極）；河南科技大學文九巴等對Al-Zn-In系陽極合金作了深入的組織與性能研究，研制出的Al-5Zn-0.03In-5Mg-0.05Ti-(0.1Si、0.5Mn、0.5Ce）陽極合金具有優秀的陽極性能。
上述合金的Ga、In、Zn、Sn等都是一些可與Al形成低熔點共晶體的元素，是可使鋁電極能滿足大電流放電要求，它們構成的低熔點共晶合金中的共晶體在電池工作溫度下處于熔化狀態，鈍化氧化膜會變為微孔結構，從而增加電解液與鋁基體面積，提高放電性能，電極電位負移。在純鋁中添加可形成低熔點共晶體的合金化元素后，材料的開路電壓一般可向負方面移動500mV以上，其電化學性能得到了大幅度地提高。
鋁在電解液中的腐蝕總伴隨著析氫效應，可通過抑制析氫反應來抑制鋁的腐蝕行為。由于析氫反應的難易與電極的氫超電位有關，因此添加高氫超電位元素可大大降低腐蝕，提高其利用率。提高氫超電位的元素有Bi、In、Pb、Hg、Cd、Sn、Tl（鉈）、Zn等。
我們知道，鋁陽極的電流效率和腐蝕形態取決它的微觀結構，而這種微觀結構與組織除受到合金化影響外，還與材料的熱處理方面有很大關系。熱處理對陽極鋁合金的效果為：均勻處理，電位最負，極化小；退火，電位略正移，極化也小；淬火，極化加大，表面陽極溶解不均勻；淬火與時效，材料會含有熱缺陷，腐蝕不均勻。在這4種熱處理中，在對Al-Zn-In合金陽極的電流效率中以均勻化和退火有最高的電流效率，可達94%——98%；后兩種處理會在材料的微觀組織中引發熱缺陷（斷層槽），產生局部溶解腐蝕，陽極電流效率約69%。
鋁陽極形狀對電池性能也有一定影響，適合的電極形狀可以降低鋁陽極的腐蝕，增大電池功率和放電密度。對不同形狀的鋁陽極，如圓柱形、平板形、楔形等都有人作過研究，現在還很難說哪種形狀最佳，但是當下用得多的還是平板式的。
空氣電極與催化劑
鋁燃料電池的核心是空氣電極即陰極，由透氣膜和催化劑組成，催化劑用的是鉑pt，因為它有很好的活性、穩定性和選擇性。氧化劑（氧氣）存儲在電池外部容器中，需要時才會在壓力作用下流入電池陰極或用泵打入，實際上大多數電池都使用空氣，用純氧的不多，空氣進入陰極之前應經過凈化處理。
氧電極的研究主要集中在兩方面：電極結構優化，提高氧的氣相傳質速度；高效催化劑與價格較低的催化劑，克服氧還原過程中嚴重的電化學極化。在鋁燃料電池生產成本中，貴金屬pt催化劑占有很大比例，而且貴金屬催化劑對中毒和燒結很敏感。2016年，全世界的鉑產量189.8噸，中國的產量3.3噸，上海黃金交易所的年平均價格221.81元/克。作為催化劑載體的碳本身也有一定的催化作用。
早期催化劑研究多集中于貴金屬，如Ni、Ag、Pt等，它們不但價格高，而且沒有從根本上解決催化活性問題。近些年來，在研究有機催化劑、金屬復合氧化物催化劑，特別是在鈣鐵礦型復合氧化物催化劑方面取得了一定的成效。廉價的MnO2對氧的還原過程有一定的催化作用，而稀土氧化物為酸性，化學性質活潑，有催滲作用。以溶膠凝膠法制備的La0.6Ca0.4CoO3鈣鐵礦型氧化物催化劑對鋁燃料電池的氧陰極有很好的催化作用，以它的含量為25%時催物效果最強。混合催化劑的催化性能往往比單一催化劑的好，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等都有相當好的電化學性能。
非常新能源科技有限公司成功地制備出高效的氧還原催化材料及空氣擴散電極的連續化生產工藝，他們采用新型催化劑配方，制備的空氣電極不但成本低而且性能優越，其放電密度與國外同類水平的相當，2013年該公司建成了國內首條連續化半自動化的燃料電池空氣陰極生產線。
為了滿足不斷發展的智能電網、移動通訊、電動汽車和應急救災的需要，中國科學院寧波材料研究所于2017年5月研制成功基于石墨烯空氣陰極的千瓦級鋁空氣電池發電系統，其能量密度高達510Wh/kg、容量20kWh、輸出功率1000W，該系統可同時為1臺電視機、1臺電腦、1臺電扇及10個60W照明燈泡同時供電。研究團隊正在積極開發用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁燃料電池系統。2016年，中國有約600萬個通訊基站，在用1000多萬組鉛酸蓄電池組，急需以性能優秀的鋁燃料電池取而代之。
電解質（液）與生成物Al(OH）3
當下，鋁燃料電池用的電解質有堿性的也有中性的，但以堿性的為主，因為它能去除鋁陽極上的氧化鈍化膜，產生大電流，同時伴有嚴重的析氫腐蝕，常用的為NaOH或KOH溶液。中性電解質大多為NaCl溶液，雖然析氫腐蝕下降，但是電池反應會產生Al（OH）3，降低電解質電導率，而且會積累，要及時放出，否則電解質變成糊狀或甚至半固態狀。還有其他處理方法，如定期更換電解質、循環電解質，或向電解質添加晶種，使絮狀Al（OH）3沉淀。酸性H2SO4電解質液的性能比中性NaCl溶液的好，因為Cl-離子可引發鋁陽極表面均勻點蝕，加強這方面的研究，或將出現性能更好的電解質。
另外，據G.M.Wu等披露，聚乙烯醇（Poly Ving'alcoho，PVA）與聚丙烯酸（Poly acrylic acid,PAA）組成的固體電解質有良好的親水性，且結構均勻，在堿性溶液中有優良的催化性，在PVA:PAA=10∶75時陽極利用率可達90%。
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| 1鋁空氣燃料電池的工作原理 鋁空氣燃料電池是用高純鋁（鋁含量99.999%)或鋁合金作陽極，用氧（空氣)電極作陰極，用堿或鹽作電解液。在放電過程中陽極溶解，空氣中的氧被還原而釋放出電能。依據電解液來看，可分為堿性（電解液是堿類)和鹽性（電解液是鹽類，一般是鹽水)鋁空氣燃料電池。鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，在元素分布上占第三位，全球鋁的工業儲量已超過2.5×1010t。一個世紀以來，鋁是世界上產量最大，應用最廣的有色金屬，1996年全球總產量達1.7×107t[12]。因此鋁做陽極材料來源豐富。鋁是一種活潑金屬，它比金屬鋅、鎂之類更有吸引力。因為鋁的電化學當量很高，為2980Ah/kg，電極電位負，為除鋰外質量比能量最高的金屬，鋁空氣燃料電池的質量比能量實際可達到450Wh/kg，體積比能量小于鉛酸電池，比功率為50～200W/kg[13]。鋁反應時每個原子釋放3個電子，而鋅、鎂僅釋放2個，鋰釋放1個。 也就是說要產生相同數量的能量所需要的原料量，鋁的最少。因此綜合眾多因素鋁成為金屬空氣燃料電池陽極材料的最佳選擇。圖1顯示了鋁空氣燃料電池與其它原電池系統：鋅空氣，鋰圓柱型，鋰離子，堿性，銀，汞及鋅-炭電池的比較，由圖可知鋁空氣燃料電池具有最高的質量比能量密度和體積比能量密度，這一點與鋁空氣燃料電池具有極高的比功率密度是一致的。
電解液不同，鋁空氣燃料電池的反應機理亦不同。
由于鋁金屬的腐蝕反應，生成氫氣，因此必須對電池系統進行安全處理，預留排氣孔等處理。 一般鹽性條件下鋁空氣燃料電池與堿性鋁空氣燃料電池的區別主要體現在反應產物，電壓及功率上。鹽性條件下，電壓低適用于中小功率應用；而堿性條件下，電壓高，既可適用于小功率，也可適用于中高功率應用如作電動汽車電源等。鹽性條件下，反應產物為不可溶的三水鋁石凝膠，目前通過在電解液中添加特殊的抑制劑，使膠體以結晶化粉末形式從陽極上剝落下來，從而不影響電池反應進行。而在堿性條件下反應產物為可溶的Al(OH)-4沒有沉淀問題，因此比鹽性鋁空氣燃料電池在設計上要簡單的多，輔助設施要少得多。 2鋁空氣燃料電池的研究進展 2.1鋁陽極的研究進展 鋁空氣燃料電池采用高純鋁或鋁合金作電池陽極材料。本質上鋁是耐侵蝕的，在其表面會自然形成一層Al2O3保護薄膜，其抑制了鋁的氧化失電子反應。由于表面氧化膜的存在，即使在開路條件下，鋁的大部分電勢也會因陽極極化而損失掉[14]。 并且在堿性條件下，鋁陽極很容易腐蝕，在開路條件下，腐蝕速度會隨著陽極的溶解而逐漸增大。同時鋁中雜質存在所產生的電化學局部電池，使鋁在水溶液中的腐蝕反應會伴隨氫氣的產生，提出了安全處理問題[15]。因此應用在燃料電池中，鋁必須在電池反應中表現很好的電化學活性，即具有低的腐蝕速度，低的陽極過電壓和低的陽極腐蝕電勢[16]。上述問題一般可以通過高純鋁(99.999%)與其它性能優越的金屬元素合金化得以解決[17]。 現在已經發展到了由二元合金到添加七元甚至更多的程度，從而使鋁陽極的性能大為改觀。添加這些元素的目的是降低陽極的自溶腐蝕速度，改善鋁的極化性能，提高陽極的電化學性能。我國哈爾濱工業大學早在83年就完成了四元鋁合金的研究工作，成功的應用于3W鋁空氣燃料電池的研究。 之后九十年代又成功的研制出了新型五元鋁合金，該合金性能優良，使鋁電極在較寬的電流密度范圍內具有較負的電位。在國外如印度，美國電技術研究公司和加拿大鋁公司(1998年成立的)在這方面的研究取得了很大的進展。印度87年研究出的四元合金性能十分不錯，該四元合金組成為Al-4%Zn-0.025%In-0.1%Bi，腐蝕速度為0.498mgcm-2min-1，開路電壓為-1.450V，在150mAcm-2時開路電壓為-1.157V，150mAcm-2時陽極效率為97%。并且其合金只是基于純度為97%的商業鋁，若為高純鋁合金，其性能將更加優越[18]。 通過在鋁中添加少量銦、錳、鎂、銀、鉈、鎵或鉍等形成的合金，可以使鋁陽極具有很高的性能。目前普遍采用99.999%的高純鋁，合金中的雜質極少在10-5范圍內，影響可以忽略。對于堿性鋁空氣燃料電池，發展到電解液中添加緩蝕劑。目前已經由單一緩蝕劑如檸檬酸鹽，錫酸鹽，In(OH)3，K2MnO4，CaO，BiO-3，Ga(OH)-4等發展到了復合緩蝕劑如Na2SnO3+In(OH)3，檸檬酸鹽CaO等，很好的降低了陽極的自腐蝕。印度在緩蝕劑方面研究較多，技術較成熟。八九十年代報道也較多[19-22]，系統的研究了不同緩蝕劑體系對不同等級鋁陽極及其合金陽極行為及腐蝕速度的影響和作用機理。對于中性鋁空氣燃料電池，已經發展到通過往電解液中加入特殊的抑制劑來消除反應產生的凝膠狀物質三水鋁石。由于凝膠狀物質的產生，它會粘附在陽極的表面，阻止電極反應，從而降低了反應速率及陽極效率。 通過加入特殊的抑制劑如SnO-23[19]于電解液中，以抑制劑為晶核，使三水鋁石以晶狀粉末形式存在，這樣自然沉淀于電解液的底層，從而消除了凝膠物質的不良影響，提高了反應速率，使鋁陽極表現很好的性能。圖2是一實際應用的鋁空氣燃料電池及其鋁陽極極板。其陽極板形狀為近似楔形，這與前南斯拉夫A.R.DESPIC教授所研究的可消耗的楔形陽極[23]的機理是一致的，提高了鋁陽極的利用率。為了優化鋁陽極的性能，又發展出了圓頂型的鋁陽極版[24]，應用該形狀的鋁陽極板的海水鋁空氣燃料電池具有如下性質：放電過程中具有不變的陽極表面積；始終保持不變的陽極陰極距離；最小的陽極表面積與體積比，使自放電最小化；同時反應的凝膠產物能夠隨時被海水沖走而不會粘在電池表面。該種電極的研制成功，使得鋁空氣燃料電池的海下作業實際應用變為現實。 綜上所述目前各國對鋁陽極的研究技術比較成熟，對高純鋁及其合金的合理配比及作用機理的研究也較多。如天津大學對鋁合金陽極活化機理研究進展的報道[13]就很有實際意義。這些將十分有利于鋁空氣燃料電池的發展。 2.2陰極的研究進展 鋁空氣燃料電池的高度發展得益于高性能氧(空氣)電極的研究。氧電極的作用是還原氧。特點是還原氧時必須有催化劑。電化學原理如下：
理論上一些過渡元素可以作為很好的催化劑[25]實踐中證明銀、鉑和錳等可作為反應的有效催化劑。由于氧在水溶液中的溶解度和擴散速度都很小，因而兩相電極的電流密度小。隨著有機粘接材料如聚四氟乙烯和先進制膜技術的發展，目前開始使用三相氣體擴散電極[26]。圖3是一鹽性鋁空氣燃料電池結構簡圖。 這種三相氣體擴散氧電極的結構簡圖如圖4所示。 主要由防水透氣層，催化層和導電層組成。 防水透氣層主要由憎水材料聚四氟乙烯組成，加入成孔劑如Na2SO4，使其中形成大量毛細氣孔，從而阻止了電解液的泄漏，而允許空氣中透過毛細孔進入電解液內。 催化層由催化劑及其載體，聚四氟乙烯構成，是電極反應的場所。氧在這里被還原。 導電層是陰極電子集流器，同時也可以增加陰極的機械強度，一般是鎳網或鍍鎳的銅網。 美國電技術研究公司及加拿大鋁公司把研究的重點放在氧（空氣)電極的催化劑及電極結構上，并取得了新的進展，高功率汽車用動力電池已經實用化。據報道加拿大鋁公司的鋁空氣燃料電池與鉛酸電池相比較可以使汽車的運行路程從75km提高到300km，能量密度是鉛酸電池的7倍以上，并且所占空間僅為鉛酸電池的1/7。 由于氧（空氣)電極的研究一直是制約鋁空氣燃料電池發展的瓶頸所在。因此高性能的氧空氣電極的研究對于鋁空氣燃料電池的深入發展起著至關重要的作用。
3鋁空氣燃料電池的應用研究進展 雖然鋁空氣燃料電池已經取得了很大的發展，但是目前仍未能實現商業化。主要原因在于一些相關技術仍未十分成熟，仍然存在一些問題沒有解決。一般的中、高功率大型鋁空氣燃料電池組或電池堆都需要空氣循環系統和電解液循環系統。對于空氣循環系統主要是如何降低空氣中的CO2，以消除空氣電極上的碳酸鹽的生成，提高電極性能。雖然銀、鉑有很好的催化作用，但是存在著催化劑中毒及失效問題，而且價格也比較昂貴，對于商業實用化也是一大障礙。同時四甲氧基卟啉絡鈷存在著失鈷問題及空氣循環系統的設計問題。因此必須開發質優價廉的新型催化劑如MnO2等，并且采用納米技術也是很重要的研究課題。對于電解液循環系統雖然可以添加特殊的抑制劑，使三水鋁石結晶沉淀，以便分離后電解液繼續使用，但是分離裝置及其進程仍不得而知，系統研究報道也沒有。更何況國內關于鋁空氣燃料電池的相關研究，報道極少，因此遠遠落后于國外對鋁空氣燃料電池的研究。 目前國外對于如何解決上述問題已經取得了顯著的成果。使得鋁空氣燃料電池的應用范圍越來越廣泛。早在80年代，美國加利福尼亞州制成的鋁空氣燃料電池作動力的電動汽車，補充一次燃料可以行駛1600km。前南斯拉夫貝爾格萊德大學的A.R.Despic教授與合作者研制的鋁空氣燃料電池汽車，補充一次鋁電極，也可以行駛1600km[27]。 作為汽車用動力電源是鋁空氣燃料電池的一個主要應用。目前加拿大鋁公司在這方面取得了長足的進展，該公司的車用動力電源的性能如前所述。 作為海上及軍事應用，鋁空氣燃料電池也展示了其優越的性能優勢。英國94年研制的海水鋁空氣燃料電池采用聚四氟乙烯Co3O4/C氧還原陰極，于海下環境操作該電池超過一年以上，能量密度為1008Wh/kg[28]，遠遠高于其他原電池系統。因此該領域應用前景廣泛。 鋁空氣燃料電池的另一個主要應用，也是新聞及媒體廣泛關注的應用，是作為手機及膝上電腦的便攜式電源。也被稱為‘個人電源’。據報道該種鋁空氣燃料電池能量密度是鋰離子電池的75倍以上。加拿大鋁公司在這方面上取得了很大的研究成果。目前該公司公布了一種新產品，使手機通話時間達到8h，并且備用時間接近6天[29]。該公司致力于優化產品欲使通話時間達到25h，備用時間達十天以上。目前加拿大TrimolGroup公司稱該公司將于2002年春推出該公司的新一代鋁空氣燃料電池，使手機通話時間達24h或備用時間達到一個月。該種手機電池能量將是同尺寸鋰離子電池的13倍。而且該公司研究的膝上電腦用鋁空氣燃料電池預計可以使用12h到24h，而用鋰離子電池一般只能用30min到幾個小時。圖5是依據Nokia6000系列所用的手機電池性能比較圖，由圖可知鋁空氣燃料電池具有最好的容量性能12000mA·h，而鋅空氣電池和鋰離子電池的容量分別為3500mA·h，900mA·h。 表1是加拿大TrimolGroup公司所設計的膝上電腦的便攜式鋁空氣燃料電池的設計說明，由表中可知道，無論是從電池容量，還是從實際尺寸及工作環境條件等來看，該種電池的性能都是十分優越的。因此鋁空氣燃料電池在‘個人電源’方面的應用前景將是空前廣大的，將來的發展也是必然的。
其它的潛在應用是無電、供電不足或是高電價地區，鋁空氣燃料電池都可以滿足要求。同時也可以作為內燃機發電機的替代產品，以消除空氣污染。國外的Voltek公司主要研制便攜式電源，該公司設計生產的稱為‘FuelPak’的產品，主要應用于應急電源，潛艇作業以及叉車等動力電源。 對于鋁空氣燃料電池的市場前景，Trimol公司預測如下。到2006年全球將有14～18億移動電話用戶，將耗用18～21.6億支電池，手機用電池的銷售額將達到1080億美元，金屬空氣燃料電池將占6%的市場份額；到2006年全球將有1.51億臺便攜式攝像機，25.8億美元的市場，金屬空氣燃料電池將占12%的市場。同時膝上電腦為鋁空氣燃料電池的發展提供了另一個更加有吸引力的市場，到2006年全球將有2.4億臺膝上電腦，金屬空氣燃料電池預計將占有4%的市場份額。因此金屬空氣燃料電池的市場前景廣闊，在未來幾年內將取得更大的突破。 在國內發展鋁空氣燃料電池更是意義重大，市場廣泛。在電動汽車方面，我國各重大城市汽車眾多，空氣污染嚴重，為鋁空氣燃料電池的發展提出了必要的課題，應該大力發展生態車。另一方面我國移動通訊事業飛速發展，手機電池市場廣大，同時個人電腦的數量也急劇上升，因此發展高效電池勢在必行。綜合世界各國的發展，結合我國的實際國情，在我國大力發展鋁空氣燃料電池是十分必要的。 參考文獻： [1]Li Jing hong.Metal/air fuel cell[R].21 st Century Fuel Cell Technology International Forum，2001.190-191. [2]選準蓄電池 避免走彎路[J].廣東農機，1998，3：7- 9. [3]Gregory D P.金屬空氣電池（上)[J].電池，1985，50(1)：20-32. [4]Gregory D P.金屬空氣電池（下)[J].電池，1985，51(2)：20-29. [5]Status of the aluminum/air battery technology[J].Elec-trochem Soc，1992，11：584-598. [6]史鵬飛等.三瓦鋁-空氣電池的研究[J].電池，1992，22 (4)：152-154. [7]史鵬飛等.1千瓦鋁空氣電池的研究[J].電源技術，1993，1：11-17. [8]蔣太祥等.鋁空氣電池氧電極催化劑的工藝研究[J].電源技術，1994，2：23-27. [9]劉稚惠等.靜止電解液中性鋁空氣電池設計[J].電源技術，1992，5：6-8. [10]劉稚惠等.船用大功率靜止中性電解液鋁空氣電池組研究[J]1電源技術，1993，6：27-32. [11]汪振道等.海水鋁空氣燃料電池[J].電源技術，1997，21 (3)：106-113. [12]張曦等.鋁化學電源研究進展[J].現代化工，1998，10：9-11. [13]秦學等.鋁合金陽極活化機理研究進展[J].電源技術，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]史鵬飛等.新型鋁合金陽極及其在堿性溶液中的電化學行為[J].電源技術，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]李春鴻.稀土元素在燃料電池中的應用[J].電源技術，1992，3：24-28. [26]唐倫成等.堿性燃料電池高效表面催化層的研究[J].電源技術，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) |
| 標簽：鋁空氣燃料電池?汞及鋅-炭電池?電池 |
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寧波研制出“石墨烯+”電池：讓電動汽車續航翻兩倍
| 來源：中國新聞網|?2017-07-19 17:19:39|?作者：李佳赟 |
圖為浙江省石墨烯應用研究重點實驗室主任劉兆平介紹鋁空氣電池系統 李佳赟 攝
中新網寧波7月19日電(記者 李佳赟)一直以來，電池續航是阻礙電動汽車發展的一大難關。而在浙江寧波，這一“續航魔咒”正被打破，新的研究技術有望解決電動汽車的“里程焦慮”。
記者從中科院寧波材料所獲悉，近日該所研究團隊利用石墨烯研制出千瓦級鋁空氣電池，其能量密度是當前商業化鋰離子動力電池的4倍以上，1公斤鋁就能讓電動汽車跑60公里，讓電動汽車續航翻兩倍，在電動汽車增程器方面具有誘人的市場前景。
圖為該項目團隊進行研究實驗 李佳赟 攝
據悉，該電池系統能量密度高達510Wh/kg、容量20kWh、輸出功率1000W。通過實際演示顯示，而該系統可同時為一臺電視機、一臺電腦、一臺電風扇以及10個60W照明燈泡供電，初步驗證了該鋁空氣電池系統的發電供電能力。
浙江省石墨烯應用研究重點實驗室主任劉兆平介紹，如果將該電池用于新能源汽車上，可使車身輕盈，大大提高續航里程；如果用于手機充電寶上，則可大大提高輸出電量。此外，傳統通訊基站酸鉛蓄電池3—4年更換一次，而寧波材料所研發的鋁空氣電池儲存時間約15年，電池壽命要長得多。
“正是擁有能量密度高、價格低廉、資源豐富、綠色無污染、放電壽命長等優勢，鋁空氣電池在通訊基站備用電源與電動汽車增程器應用方面具有誘人的市場前景。”劉兆平說。
圖為該項目團隊進行研究實驗 李佳赟 攝
近年來，全球范圍的金屬空氣電池研究一直沒有停下腳步，但其產業發展仍面臨諸多技術瓶頸，比如，電極功率密度有待提升、難以滿足高功率輸出與陽極利用率不高等。
而石墨烯這一“工業魔術”則讓該項研究有了新的突破。中科院寧波材料所動力鋰電池工程實驗室高級工程師薛業建告訴記者，他們采用石墨烯復合錳基氧化物催化劑以及新型石墨烯基高效空氣陰極將單體電池功率密度了提高25%，大幅度提升了金屬空氣電池綜合性能。
據悉，研究團隊正在積極設計開發用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統。此外，寧波材料所已投入300萬元購置的非標準生產線——中試實驗線，預計8月底建成。這條生產線可年產金屬空氣電池陰極3.5萬片，“超能電池”未來可批量生產上市。(完)
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專利名稱大功率鋁-空氣電池系統的制作方法
技術領域 本實用新型涉及直接將化學能轉化為電能的裝置，尤其涉及以水溶液為電解質的金屬燃料電池，特別是涉及用鋁-空氣電池輸出大功率電能的裝置。
背景技術 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。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。在先中國專利91109160. 2名為“中性鋁-空氣電池及其制備方法”公開了一種采 用兩單體電池構成的電池組，這種電池組結構采用密封工藝制成，電池組使用過程產生的反應沉積物無法及時清除。在先中國專利99251233. 5名為“鋁空氣電池”公開了一種鋁空電池的結構，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，并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，因只有一個電池室,故電池電壓低,且反應沉積物隨電解液在電池內部流動，不易清除。實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題在于避免上述現有技術的不足之處而提出一種大功率鋁-空氣電池系統及其液流方式，解決現有技術鋁-空電池沉淀物難以清除、電池組中單體電池間液流短路以及液流溫度控制等問題。本實用新型為解決上述技術問題而提出的技術方案是，一種大功率鋁-空氣電池系統，包括鋁-空氣電池，而所述鋁-空氣電池至少是由兩個、彼此以電串聯或者電并聯連接成電池組；該電池組的下方設有兩個液流配置室，在該電池組的上方是配液器；所述各單體鋁-空氣電池經各自的出液管與所述液流配置室相通；該液流配置室經其各自的輸液管與泵液腔相通；所述泵液腔通過汲液管與液流泵相通，該液流泵的送液管與所述配液器相通；該配液器通過各進液管同位于其下方的各單體鋁-空氣電池相通；鋁-空氣池系統運行時，分別調節與所述液流配置室相連接的所述出液管的出液管開關，控制所述電池組的電解液交替流入所述兩液流配置室之一，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；位于該電池組外側的電能輸出端分別與所述電池組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。所述各液流配置室是完全對稱的結構；所述各液流配置室分別設置有用于對電解液進行加熱或冷卻的加熱/冷卻管；所述各液流配置室的下部分別設置帶有開關的沉淀物排出管，在所述各液流配置室殼體底部、設有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管一側的傾斜式結構。[0008]所述泵液腔上設置有帶有開關的泵液腔清洗液進液管和泵液腔清洗液出液管，用于對所述裝置內部的清洗。所述配液器包括配液槽、與該配液槽相適配的上蓋和位于該配液槽殼體外側的、用于顯示該配液槽內液面狀態的液面顯示器；所述配液槽是中部有上下可通透中空窗、四周為槽渠的槽形結構；與所述各單體電池連通的各進液管位于該槽渠底部；所述液流泵的送液管與槽渠連通；所述上蓋下表面有與所述配液槽的中空窗相適配的“ 口 ”字形的凸楞，當該上蓋蓋在所述配液槽上時，該凸楞恰好套住或嵌入所述配液槽的中空窗，構成氫氣傳輸通道；位于該配液器外部的電壓電流調節器、電流電壓顯示器和電能輸出端通過位于配液槽內的導電連接分別與該配液槽底部所述電池組的鋁合金電極集流板和空氣電極集流板相連；所述各單體電池產生的氫氣經由配液槽中空窗和上蓋的凸榜構成的氫氣傳輸通道，從設置在所述上蓋上的出氣口向外排出。所述單體電池具有腔體結構，包括彼此分隔的進液分割室、電池反應室和出液分割室；所述配液器內的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、進液管電解液流入處，裝有可轉動、柵格結構的進液切 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；所述電池反應室至少有一側壁為空氣電極，與位于所述電池反應室內的鋁合金電極構成電極組；所述鋁合金電極位于該電池反應室內，并固定于定位槽中；所述鋁合金電極和空氣電極分別與該電池組的鋁合金電極集流板和空氣電極集流板電聯接，所產生的氫氣通過該電池反應室上部的敞開口進入所述配液器的氫氣傳輸通道向外排出；所述電池反應室與出液分割室由一內隔壁相隔，在該內隔壁上端留有溢流槽令兩者相通；該出液分割室被一橫隔分隔為上下兩區匯流區和出液區，橫隔上設有向下導通的匯流管；所述電池反應室內的電解液經溢流槽流入所述匯流區，經匯流管流入其下部的出液區；所述出液區的下部有所述出液管與所述兩個液流配置室相通；在所述出液區內、匯流管管口的下方，裝有可轉動、柵格結構的出液切割器，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。所述電池反應室的下部也可以是具有上大下小、有Η個側面的棱柱形空腔，該棱柱形空腔的側面和底面均嵌裝有空氣電極；所述電池反應室內嵌插有Η個棱柱形的鋁合金電極，這Η個棱柱形的鋁合金電極與電池反應室下部各側壁的Η個空氣電極一一對應，形成多組電極組；所述的Η個棱柱形鋁合金電極面向與之對應的空氣電極一側，其下部具有與該空氣電極平行的斜面結構。所述進液切割器和出液切割器是自帶轉軸的、可在電解液沖擊下自行轉動來斬斷流過的電解液液流；或者是采用電路控制開合結構，用來斬斷流過的電解液液流。在所述各液流配置室的出液管的端口處設有液流檔板，該液流檔板由數根連接柱與出液管相連，各連接柱彼此存有間隔，所述出液管內的電解液從各連接柱之間的間隔流出。所述電池反應室內的鋁合金電極和空氣電極是一組或多組；多組時，各鋁合金電極和空氣電極分別串聯或/和并聯，再分別電聯接至所述鋁合金電極集流板和空氣電極集流板。所述進液分割室和電池反應室之間的進液管上連接有清洗液出液管，該清洗液出液管上裝有清洗液出液開關。所述出液分割室的出液管上還連接有清洗液出液管,該清洗液出液管上裝有清洗液出液管開關。同現有技術相比較，本實用新型的有益效果是本實用新型的大功率鋁一空氣電池系統的電池組中，各單體電池具有獨立的進液分割室和出液分割室，其獨特的電解液斬斷結構，有效地解決了鋁-空氣電池組堆中各單體電池之間的短路問題；本電池結構采用的電解液循環方式，確保了鋁一空氣電池系統大功率運行過程中電極表面的離子擴散以及副產物從電極表面的及時移除以及隨后的自動沉淀排出；本電池結構采用的配液器液流分配方式以及所配置的液面顯示器，保證了電解液在各個單體電池中以相同的流速更均勻地分配，更加有利于電池組中各單體電池放電性能的一致性；本電池結構采用了雙液流配置 室，液流配置室的進液設置了液流擋板，且液流配置室的側板和底板采用了傾斜結構，保證了電解液中沉淀物的快速沉降和及時排出；所述液流配置室結構中設置了溫控裝置，用以保證系統運行過程中電解液的溫度恒定；特別設置的清洗結構保證了系統長期運行的安全可靠；采用底部傾斜的柱形鋁合金電極以及與鋁合金電極傾斜底部相對的空氣電極，可大大延長鋁合金電極的放電時間，從而延長一次補加鋁合金電極后系統的運行時間。本專利提出的這種鋁-空氣電池系統結構，適用于高比能量、大功率的鋁一空氣電池系統，具有安全可靠、成本低、對環境無污染的特點，非常適合用作動力電池、電站、備用電源等大功率的鋁一空氣電池系統，應用領域廣泛。附圖說明
圖I是本發明的大功率鋁-空氣電池系統的優選實施例，從該電池系統正面看的軸測投影示意圖；圖2是所述優選實施例之電池系統的主視示意圖；圖3是所述優選實施例電池系統除去電池組3的一側支撐板后之軸測投影示意圖；圖4是所述優選實施例電池系統的液流配置室2的軸測投影示意圖；圖5是所述優選實施例液流配置室2從上往下看的軸測投影示意圖；圖6是圖5 A-A剖面的剖視軸測投影示意圖；圖7是圖6 D部的放大軸測投影示意圖；圖8是所述優選實施例的配液器9之軸測投影示意圖；圖9是所述配液器9除去上蓋93后的軸測投影示意圖；圖10是所述配液器9從底部仰視的軸測投影示意圖；圖11是所述配液器上蓋93的軸測投影示意圖；圖12是所述配液器上蓋93從底部仰視的軸測投影示意圖；圖13是所述單體電池34的軸測投影示意圖；圖14是所述圖13 D-D首I]面的首I]視軸測投影不意圖；圖15是所述圖13 B-B劑面的首I]視軸測投影不意圖；圖16是去掉側板的一個單體鋁-空電池34之內部結構軸測投影示意圖；圖17是所述鋁-空電池系統除去電池組3的一側支撐板后之軸測投影示意圖；圖18是所述優選實施例中采用棱柱形鋁合極電極311的單體鋁-空氣電池34的軸測投影示意圖；圖19是圖18 E-E劑面的首I]視軸測投影不意圖；圖20是圖18的底部仰視示意圖。
具體實施方式
下面，結合附圖所示之優選實施例進一步闡述本發明。參考圖I至圖3，本實用新型的優選實施例是設計、生產一種大功率鋁-空氣電池系統，包括單體鋁-空氣電池34，特別是所述單體鋁-空電池34至少是兩個、彼此電串聯或者電并聯連接成電池組3 ;該電池組3的下方設有兩個液流配置室1、2，在該電池組3的上方是配液器9 ;所述各單體鋁-空氣電池34經各自的出液管348與所述液流配置室1、2相通；該液流配置室1、2經其各自的輸液管11、21與泵液腔5相通；所述泵液腔5通過汲液 管71與液流泵7相通，該液流泵7的送液管72與所述配液器9相通；該配液器9通過各進液管91同位于其下方的各單體鋁-空氣電池34相通；鋁_空氣電池系統運行時，分別調節與所述液流配置室1、2相連接的所述出液管348的出液管開關，控制所述電池組3的電解液交替流入所述兩液流配置室之一，電解液在該液流配置室I或2、泵液腔5、配液器9和電池組3之間循環，而另一液流配置室2或I則于處于電解液靜置、沉淀物沉降處理及沉淀物排出過程中。所述電池系統通過位于電池組3處的電能輸出端40+和40_對外輸出電能，通過調節該電池系統的電流電壓調節器81控制該電池系統對外輸出的電流或者電壓大小。該電池系統的電流電壓顯示器82用于顯示對外輸出電流及電壓的大小。該電池系統運行過程中，處于單體電池34中的各鋁合金電極311將不斷溶解。伴隨著鋁合金電極311的不斷溶解而生成的少量氫氣經位于配液器上蓋93上的出氣口 933輸出。參考圖3至圖7及圖17，所述各液流配置室1、2具有完全對稱的結構；所述各液流配置室I、2分別設置有用于對電解液進行加熱或冷卻的加熱/冷卻管14、24，以維持電池系統運行過程中電解液溫度的恒定。所述各液流配置室1、2的下部分別設置帶有開關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、設有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管15、25 —側的傾斜式結構252，以保證電解液中的沉淀物能夠順利通過液流配置室的沉淀物排出管排出電池系統之外。在所述各液流配置室1、2的出液管348的端口處設有液流檔板3481，該液流檔板3481由數根連接柱3482與出液管348相連，各連接柱3482彼此存有間隔，所述出液管348內的電解液從各連接柱3482之間的間隔流出。所述大功率鋁-空氣電池系統運行過程中，通過分別調節單體鋁-空電池34的出液管348上的開關3483、3484，控制各單體鋁-空電池34內的電解液交替流入液流配置室I或者液流配置室2中，以保證液流配置室I和液流配置室2兩者之中，一個處于電解液靜置、沉淀物沉降及排出處理過程，另一個處于電解液在單體電池34、液流配置室2 (或者液流配置室I)、泵液腔
5、液配器9這四者之間的循環過程。所述泵液腔5上設置有帶有開關的泵液腔清洗液進液管61和有帶有開關的泵液腔清洗液出液管62，用于在鋁-空氣電池系統停止運行時對泵液腔5進行清洗，通過控制分別設置在泵液腔清洗液進液管61上的泵液腔清洗液進液管開關和泵液腔清洗液出液管62上的泵液腔清洗液出液管開關，實現清洗液的流入和流出。參考圖8至圖12，所述配液器9包括配液槽92、與該配液槽92相適配的上蓋93和位于該配液槽92殼體外側的、用于顯示該配液槽92內液面狀態的液面顯示器94，通過配液器液面顯示器94觀察處于配液器9中的液面狀態，據此調控位于各配液器進液管91的電解液壓力；所述配液槽92是中部有上下可通透中空窗95、四周為槽渠96的槽形結構；與所述各單體電池34連通的各進液管91位于該槽渠96底部；所述液流泵7的送液管72與槽渠96連通；所述上蓋93下表面有與所述配液槽92的中空窗95相適配的“ 口”字形的凸楞931，當該上蓋93蓋在所述配液槽92上時，該凸楞931恰好套住或嵌入所述配液槽92的中空窗95，構成氫氣輸出通道；位于該配液器9外部的電壓電流調節器81和電流電壓顯示器82通過位于配液槽92內的導電連接84分別與該配液槽92底部所述電池組3的鋁合金電極集流板31和空氣電極集流板32相連；采用耐腐蝕絕緣材料覆蓋處于配液器9內側的導電連接84，使之與電解液隔離。所述各單體電池34產生的少量氫氣經由配液槽92的中空窗95和上蓋93的凸楞931構成的氫氣輸出通道，從設置在所述上蓋93上的出氣口 933向外排出。參考圖13至圖16，所述單體電池34具有腔體結構，包括彼此分隔的進液分割室341、電池反應室342和出液分割室343 ;所述配液器9內的電解液經進液管91流至進液分割室341，再經位于該分割室341下部的進液管3411流入電池反應室342 ;在該進液分割室341上方、進液管91電解液流入處，裝有可轉動、柵格結構的進液切割器349 ;由進液管91 流出的電解液恰好注入轉動的進液切割器349的柵格上，被該進液切割器349的柵格斬斷后流入進液分割室341。所述電池反應室342至少有一側壁為空氣電極321，本例中所述空氣電極321安裝在各單體電池反應室342的外殼的前后框架上，與位于電池反應室342內的鋁合金電極311構成電極組，空氣電極321與鋁合金電極311之間由電解液隔離；所述鋁合金電極311內嵌在該電池反應室內壁的定位槽3421中；所述鋁合金電極311和空氣電極321分別與該電池組3的鋁合金電極集流板31和空氣電極集流板32電聯接，電池工作所產生的氫氣通過該電池反應室342上部的敞開口進入所述配液器9的氫氣輸出通道向外排出。所述電池反應室342與出液分割室343由一內隔壁345相隔，在該內隔壁345上端留有溢流槽346令兩者相通；該出液分割室343被一橫隔分隔為上下兩區匯流區3431和出液區3432，橫隔上設有向下導通的匯流管3433。所述電池反應室342內的電解液經溢流槽346流入所述匯流區3431，經匯流管3433流入其下部的出液區3432 ;所述出液區3432的下部有所述出液管348與所述兩個液流配置室1、2相通。在所述出液區3432內、匯流管3433管口的下方，裝有可轉動、柵格結構的出液切割器3434，由匯流管3433流出的電解液恰好注入該出液切割器3434的柵格上，即該電解液是被該出液切割器3434的柵格斬斷后才流進該出液區3432。用于斬斷電解液液流的所述進液切割器349和出液切割器3434是自帶轉軸的、可在電解液沖擊下自行轉動來斬斷流過的電解液液流；或者是電路控制的開合結構，用來斬斷流過的電解液液流。所述鋁合金電極311與空氣電極321之間保持適當的間隔。所述電池反應室342內的鋁合金電極311和空氣電極321是一組或多組；多組時，各鋁合金電極311和空氣電極321分別串聯或/和并聯，再分別電連接至所述鋁合金電極集流板31和空氣電極集流板32。電解液經單體電池反應室進液管3411由單體電池反應室342的底部進入單體電池反應室342內，并流經鋁合金電極311與空氣電極321之間的間隔空間由單體電池反應室溢流槽346流入單體電池出液分割室343。鋁一空氣電池系統運行過程中，位于單體電池反應室342內、處于電解液中的鋁合金電極311發生陽極溶解反應，與電解液接觸的空氣電極表面發生氧氣的還原反應。上述電極反應生成的電流經由鋁合金電極集流板31和空氣電極集流板32，由電能輸出端40+、40 一輸出。電解液經單體電池反應室溢流槽346流入單體電池出液分割室343的匯流區3431內，經匯流管3433流出后被單體電池出液分割室電解液斬斷器3434斬斷，防止了鋁-空氣電池系統內各個單體電池之間的短路。之后，電解液經單體電池出液管348進入液流配置室I或者液流配置室2。位于單體電池進液分割室341內的單體電池進液分割室電解液斬斷器349以及位于單體電池出液分割室343內的單體電池出液分割室電解液斬斷器3434也可以采用電路控制的開合結構來斬斷電解液液流。電能輸出端40+、40—的位置可以按照需要設置在系統不同的位置。本實施例中，所述鋁一空氣電池系統的液流方式是注入所述液流配置室I或2內的電解液經輸液管11或21流入泵液腔5 ;所述液流泵7通過汲液管71汲取泵液腔5內的 電解液，經送液管72泵入所述配液器9內；所述配液器9內的電解液經各出液管91流入各單體電池34，電解液經各單體電池34的出液管348流入所述液流配置室I或者液流配置室2，電解液在該液流配置室I或2、泵液腔5、配液器9和各單體電池34之間循環，而另一液流配置室2或I則處于電解液靜置、沉淀物沉降處理過程中，如此循環往復。所述“沉淀物沉降處理過程”包括通過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“經所述配液器9的各出液管91流入各單體電池34”，還括如下步驟所述從出液管91流出的電解液先被位于進液分割室341內的、旋轉著的進液切割器349斬斷后流入進液分割室341、再經進液管3411流進電池反應室342內，再由溢流槽346流入所述匯流區3431，經匯流管3433流出的電解液被旋轉著的出液切割器3434斬斷之后流入出液區3432 ;再經所述出液管348流入液流配置室I或2。所述進液分割室341和電池反應室342之間的進液管3411上連接有清洗液出液管65，該清洗液出液管65上裝有清洗液出液開關64。所述單體電池出液管348上還連接有清洗液出液管67，該清洗液出液管67上安裝有清洗液出液管開關66。本實施例中，鋁-空氣電池系統運行一段時間后，可根據需要對整個系統進行清洗將液流配置室I、液流配置室2中的電解液經各自的沉淀物排出管15、25排出之后，關閉沉淀物排出管開關151、251。。將泵液腔內的電解液由泵液腔清洗液出液管62排出后，關閉泵液腔清洗液出液管開關。打開泵液腔清洗液進液管61的開關，從該泵液腔清洗液進液管61流入清洗液，在液流泵7的作用下，清洗液經由液流泵汲液管72進入配液器9，對配液器9進行清洗。之后，清洗液再經配液器出液管91進入單體電池34，對單體電池34中的進液分割室341、電池反應室342和出液分割室343進行清洗。控制單體電池的出液管348的開關3483、3484，以控制清洗液流入液流配置室I或液流配置室2中，分別對液流配置室I或液流配置室2進行清洗。之后，清洗液再經液流配置室I的輸液管11或液流配置室2的輸液管21進入泵液腔5。在液流泵7的作用下，清洗液在整個系統中循環直至清洗結束。之后，關閉液流泵7，將泵液腔5中的清洗液從泵液腔清洗液出液管62排出。同時，打開沉淀物排出管開關151、251、清洗液出液開關64、66，將液流配置室I、液流配置室2和電極室34中的清洗液分別從各液流配置室1、2的沉淀物排出管15和25、清洗液出液管65和67排出，完成對整個鋁一空氣電池系統的清洗。對鋁-空氣電池系統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來進行。本實用新型提出的鋁-空氣電池系統運行過程中，通過消耗鋁合金電極和空氣中的氧氣，對外輸出電能。在電池系統運行過程中，與空氣電極表面相對面的招合金電極將不斷溶解。因此，通過增加單體電池34中與空氣電極表面相對面方向上鋁合金電極的厚度，即采用柱形鋁合金電極，可以延長一次補充鋁合金電極后鋁-空氣電池系統的運行時間。參考圖18至20，本發明的較佳的另一實例是，采用同前例中相類似的電池系統結構，所不同的是單體電池34的所述電池反應室342的下部是上大下小、有Η個側面的棱柱形空腔，該棱柱形空腔的側面和底面均嵌裝有空氣電極321 ;所述電池反應室內嵌插有Η個棱柱形的鋁合金電極311，它們與位于電池反應室342下部棱柱形空腔側壁的Η個空氣電極321一一對應，形成多組電極組；各所述鋁合金電極311面向與之對應的空氣電極321 —側，具有與該空氣電極321平行的斜面結構。其中I。所述各鋁合金電極311和空氣電極321分別串聯或/并聯，再分別電聯接至所述鋁合金電極集流板31和空氣電極集流板32。本實 施例中采用4個棱柱形的鋁合金電極為例單體電池34的電池反室342中放入了 4個具有底部傾斜棱柱形的鋁合金電極，單體電池34的所述電池反應室342的下部是上大下小、有Η個側面的棱柱形腔體，該棱柱形腔體的側面和底面均嵌裝有空氣電極321 ;空氣電極321位于單體電池反應室外殼3420的四周及底部框架上，電池反應室342上的定位框架3110用于固定4個棱柱形鋁合金電極311，該鋁合金電極311位于該電池反應室342的內部，并與位于電池反應室342外側的各空氣電極321之間保持適當的間隔。所述鋁合金電極311的支撐架3112位于該鋁合金電極311的底部，對鋁合金電極311起支撐作用。本實例中電解液的液流方式與前例無異。實際應用中，根據需要，單體電池34中的空氣電極321的數量、位置以及形狀可以不同，所述鋁合金電極311的數量、位置以及形狀與之配適，也將相應隨之有所變化。
權利要求1.一種大功率鋁-空氣電池系統，包括單體鋁-空氣電池(34)，其特征在于 所述單體鋁-空氣電池(34)至少是兩個、彼此電串聯或者電并聯連接成電池組(3);該電池組(3)的下方設有兩個液流配置室(1、2)，在該電池組(3)的上方是配液器(9)； 所述各單體鋁-空電池(34 )經各自的出液管(348 )與所述液流配置室(I、2 )相通；該液流配置室(I、2 )經其各自的輸液管(11、21)與泵液腔(5 )相通；所述泵液腔(5 )通過汲液管(71)與液流泵(7)相通，該液流泵(7)的送液管(72)與所述配液器(9)相通；該配液器(9)通過各進液管(91)同位于其下方的各單體鋁-空電池(34)相通； 鋁-空氣電池系統運行時，分別調節與所述液流配置室(1、2)相連接的所述出液管(348)的出液管開關，控制所述電池組(3)的電解液交替流入所述兩液流配置室(1，2)之一，電解液在該液流配置室(I或2)、泵液腔(5)、配液器(9)和電池組(3)之間循環，而另一液流配置室(2或I)則于處于電解液靜置、沉淀物沉降及排出處理過程中；位于該電池組(3)外側的電能輸出端(40+，40_)分別與所述電池組(3)的空氣電極集流板(32)和鋁合金電極集流板(31)相連通，并對外供電。
2.根據權利要求I所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述各液流配置室(1、2)是完全對稱的結構；所述各液流配置室(1、2)分別設置有用于對電解液進行加熱或冷卻的加熱/冷卻管(14、24)。
3.根據權利要求I或2所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述各液流配置室(1、2)的下部分別設置帶有開關(151、251)的沉淀物排出管(15、25 )，在所述各液流配置室(I、2 )殼體底部、設有令沉淀物滑向所述沉淀物排出管(15、25 )一側的傾斜式結構。
4.根據權利要求I所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述泵液腔(5)上設置有帶有開關的泵液腔清洗液進液管(61)和泵液腔清洗液出液管(62)，用于對所述鋁-空氣電池系統停止運行時的內部清洗。
5.根據權利要求I所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述配液器(9)包括配液槽(92)、與該配液槽(92)相適配的上蓋(93)和位于該配液槽(92)殼體外側的顯示該配液槽(92)內液面狀態的液面顯示器(94)； 所述配液槽(92)是中部有上下可通透中空窗(95)、四周為槽渠(96)的槽形結構；與所述各單體電池(34)連通的各進液管(91)位于該槽渠(96)底部；所述液流泵(7)的送液管(72)與槽渠(96)連通；所述上蓋(93)下表面有與所述配液槽(92)的中空窗(95)相適配的“口 ”字形的凸楞(931)，當該上蓋(93)蓋在所述配液槽(92)上時，該凸楞(931)恰好套住或嵌入所述配液槽(92)的中空窗(95),構成氫氣傳輸通道； 位于該配液器(9 )外部的電壓電流調節器(81)、電流電壓顯示器(82 )通過位于配液槽(92)內的導電連接(84)分別與該配液槽(92)底部所述電池組(3)的鋁合金電極集流板(31)和空氣電極集流板(32)相連； 所述各單體電池(34)產生的氫氣經配液槽(92)中空窗(95)和上蓋(93)的凸楞(931)構成的氫氣傳輸通道，由設置在所述上蓋(93)上的出氣口(933)向外排出。
6.根據權利要求I所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述單體電池(34)是腔體結構，包括彼此分隔的進液分割室(341)、電池反應室(342 )和出液分割室(343);所述配液器(9)內的電解液經進液管(91)流至該進液分割室(341)，再經該進液分割室(341)下部的進液管(3411)流入電池反應室(342);在該進液分割室(341)上方、進液管(91)中電解液流入處，裝有可轉動、柵格結構的進液切割器(349)，從進液管(91)流出的電解液恰好注入轉動的進液切割器(349)柵格上，被該進液切割器(349)的柵格斬斷后流入進液分割室(341)； 所述電池反應室(342)至少有一側壁為空氣電極(321)，與位于在所述電池反應室(342 )內的鋁合金電極(311)構成電極組；所述鋁合金電極(311)內嵌在該電池反應室的定位槽(3421)中；所述鋁合金電極(311)和空氣電極(321)分別與該電池組(3)的鋁合金電極集流板(31)和空氣電極集流板(32)電連接，所產生的氫氣通過該電池反應室(342)上部的敞開口進入所述配液器(9)的氫氣傳輸通道向外排出； 所述電池反應室(342)與出液分割室(343 )由一內隔壁(345)相隔，在該內隔壁(345)上端留有溢流槽(346)令兩者相通；該出液分割室(343)被一橫隔分隔為上下兩區匯流區(3431)和出液區(3432)，橫隔上設有向下導通的匯流管(3433)； 所述電池反應室(342 )內的電解液經溢流槽(346 )流入所述匯流區(3431)，經匯流管(3433)流入其下部的出液區(3432);所述出液區(3432)的下部有所述出液管(348)與所述兩個液流配置室(I、2)相通； 在所述出液區(3432)內、匯流管(3433)管口的下方，裝有可轉動、柵格結構的出液切割器(3434)，由匯流管(3433)流出的電解液恰好注入該出液切割器(3434)的柵格上，即該電解液是被該出液切割器(3434)的柵格斬斷后才流進該出液區(3432)。
7.根據權利要求6所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述電池反應室(342)的結構還可以是下部呈上大下小、有Η個側面的棱柱，該棱柱的側面和底面均嵌裝有空氣電極(321);所述電池反應室內嵌插有Η個棱柱形的鋁合金電極(311)、與電池反應室(342)下部各側壁的Η個空電氣電極(321)——對應，形成多組電極組；各所述鋁合金電極(311)面向與之對應的空氣電極(321) —側，是與該空氣電極(321)平行的斜面結構；Η > I。
8.根據權利要求6所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述進液切割器(349 )和出液切割器(3434 )是自帶轉軸的、可在電解液沖擊下自行轉動來斬斷流過的電解液液流；或者是電路控制的開合結構，用來斬斷流過的電解液液流。
9.根據權利要求I或6所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 在所述各液流配置室(I、2)的出液管(348)的端口處設有液流檔板(3481)，該液流檔板(3481)由數根連接柱(3482 )與出液管(348 )相連，各連接柱(3482 )彼此存有間隔，所述出液管(348 )內的電解液從各連接柱(3482 )之間的間隔流出。
10.根據權利要求6或7所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述電池反應室(342)內的鋁合金電極(311)和空氣電極(321)是一組或多組；多組時，各鋁合金電極(311)和空氣電極(321)分別電串聯或/和電并聯，再分別電連接至所述鋁合金電極集流板(31)和空氣電極集流板(32)。
11.根據權利要求6所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于 所述進液分割室(341)和電池反應室(342)之間的進液管(3411)上連接有清洗液出液管(65 )，該清洗液出液管(65 )上裝有清洗液出液開關(64 )。
12.根據權利要求6所述大功率鋁-空氣電池系統，其特征在于所述出液分割室(343)的出液管(348)上還連接有清洗液出液管(67)，該清洗液出液 管(67 )上裝有清洗液出液管開關(66 )。
專利摘要一種大功率鋁-空氣電池系統，該系統至少由兩個單體鋁-空氣電池(34)彼此以電串聯或者電并聯連接組成鋁-空氣電池組(3)；電池組(3)的下方設有兩個液流配置室(1、2)，在電池組(3)的上方是配液器(9)；各單體鋁-空氣電池(34)經各自的出液管(348)與液流配置室(1、2)相通；液流配置室(1、2)經其各自的輸液管(11、21)與泵液腔(5)相通；泵液腔(5)通過汲液管(71)與液流泵(7)相通，液流泵(7)的送液管(72)與配液器(9)相通；配液器(9)通過各進液管(91)同位于其下方的各單體鋁-空氣電池(34)相通。本實用新型的有益效果是適用于高比能量、大功率的鋁－空氣電池系統，具有安全可靠、成本低、對環境無污染的特點。
文檔編號H01M8/02GK202737061SQ20122014782
公開日2013年2月13日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者王為, 齊燕玲 申請人:德陽東深新能源科技有限公司
X技術網 原文鏈接:http://www.xjishu.com/zhuanli/59/201220147822.html
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轉載于:https://www.cnblogs.com/Teacher-Jing/p/7519139.html
總結
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