大功率鋁空氣電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大功率鋁空氣電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁空氣電池（aec）是一種將存儲(chǔ)在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為能耗的發(fā)電裝置。它比能源效率高，壽命長(zhǎng)，所以比功率和能量更高。這是一個(gè)環(huán)保、節(jié)能、高效的發(fā)電系統(tǒng)。近年來,大型電池在固定電站、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有了成功的突破,同時(shí)由于用戶對(duì)產(chǎn)品需求功能的差異化,針對(duì)不同工況研發(fā)的產(chǎn)品日趨完善。目前攻克了鋁陽極制備的技術(shù)瓶頸,AAFC又進(jìn)入了一個(gè)新的研發(fā)熱潮。各國進(jìn)行鋁空氣電源設(shè)計(jì)的公司,如美國的Altekfuel公司,加拿大的Trimol集團(tuán),Israeli公司等。大功率AAFC是以特制鋁合金為燃料,常壓空氣為氧化劑的供電系統(tǒng)。研究的大功率AAFC箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)象為:采用常壓空氣為氧化劑(兼做冷卻劑),空氣通過風(fēng)扇供給,以特制鋁合金為燃料,采用機(jī)械更換的供給方式。電池箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)用,可靠和安全等目的。1aafc電池的形成原理鋁空氣電池是一種直接、高效地將儲(chǔ)存在燃料(鋁)和氧化劑(如氧氣、空氣)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)設(shè)備,它具有功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率高、可持續(xù)供電等優(yōu)點(diǎn),且環(huán)保節(jié)能。其工作原理在于AAFC的負(fù)極是鋁合金,在電池放電時(shí)被不斷消耗,生成Al(OH)3,正極是多孔性氧電極,跟H2/O2電池的氧電極相同,電池放電時(shí),從外界進(jìn)入電極的氧氣(空氣)在電解質(zhì)、活性劑和催化劑的三相界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),生成OH-,釋放出電能。電解液可分為兩種,一種是堿性溶液,另一種為中性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)。AAFC電池單體是由鋁合金陽極、結(jié)構(gòu)件、防水透氣膜、集流排、電極極耳、電池框架等組成,如圖1所示。當(dāng)向電解液中供入氧氣后,進(jìn)入電解液的空氣在空氣電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)離化出氫氧根離子和電子,氫氧根離子經(jīng)由電解液轉(zhuǎn)移到負(fù)極,在鋁合金負(fù)極上氫氧根離子和鋁反應(yīng)生成Al(OH)3。生成的反應(yīng)物沉淀隨電解液循環(huán)排出?？諝怆姌O和鋁合金陽極是AAFC的核心部件。2aafc電源系統(tǒng)的組成電池系統(tǒng)的目標(biāo)是在合適的場(chǎng)合和合適的時(shí)間提供額定的動(dòng)力?；诖朔N要求,一個(gè)電池系統(tǒng)一般包括帶有一套附屬配件的電池組。一個(gè)完整的AAFC電源系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電源綜合管理裝置等部分組成。對(duì)于大功率AAFC電池系統(tǒng)來說,主要由電池堆、供給裝置和電源綜合管理裝置等幾個(gè)部分組成。2.1單體電池串聯(lián)堆電池單體的電壓很低,在1.6V左右,在一定的負(fù)載下,電池單體的輸出電壓通常為1.1~1.3V,這意味著要提供足夠的電壓就必須將多個(gè)電池串聯(lián)起來,把單體電池串聯(lián)起來就是電池堆。電池堆電壓是多個(gè)電池電壓的總和。傳統(tǒng)的金屬空氣電池堆采用雙極板式的堆疊結(jié)構(gòu)。2.2供應(yīng)設(shè)施2.2.1換換換換，換目前AAFC的陽極供給主要采用機(jī)械更換的方式。機(jī)械更換是一種操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、可攜帶型強(qiáng)的方式,特別適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸不便的狀況,可大量貯備。2.2.2電解池和冷源控制電解液既是電池電化學(xué)反應(yīng)的載體,又是它的參與者。電池工作時(shí),泵送電解液流經(jīng)正負(fù)極間的空隙到達(dá)各單電池頂端的堰并由各支路回到電解液池,一部分電解液經(jīng)過熱交換器(冷源是冷卻風(fēng)扇提供的空氣流)進(jìn)行溫度控制。2.2.3空氣供給裝置電化學(xué)反應(yīng)是放熱過程。如果熱量產(chǎn)生率太高,電池堆就會(huì)出現(xiàn)過熱,影響反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)電池堆的冷卻不充分會(huì)使電池堆內(nèi)部的溫度超出正常的工作溫度范圍,對(duì)電池性能造成壞的影響?？諝夤┙o裝置兼做散熱使用,通過4個(gè)直流調(diào)速風(fēng)扇鼓入外部空氣。另有散熱盤管負(fù)責(zé)電池堆的溫度控制,采用包絡(luò)的方式環(huán)繞在箱體內(nèi)部。2.3電池運(yùn)行控制部分電池運(yùn)行管理裝置包括電池運(yùn)行控制部分、電堆檢測(cè)和反饋部分、電力輸出部分。電堆檢測(cè)及反饋部分包括溫度、電壓、電流、報(bào)警等傳感器,它通過在電池的關(guān)鍵位置安裝不同的傳感器實(shí)現(xiàn)電池堆信息的及時(shí)反饋;電池運(yùn)行控制部分包括溫度控制裝置、水位控制、電壓控制、電流控制、功率調(diào)節(jié)與控制、報(bào)警處理、元器件自檢及控制等;電力輸出部分主要包括電壓、電流、功率轉(zhuǎn)變裝置(由DC/DC、DC/AC等電流電壓轉(zhuǎn)變裝置)和電壓、電流、功率補(bǔ)償裝置(磷酸鐵鋰電池)。3電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1電池堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大功率鋁空氣電池堆結(jié)構(gòu)由鋁空氣電池箱體和電解液儲(chǔ)液箱兩部件組成。在它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾方面的內(nèi)容:(1)結(jié)構(gòu)的尺寸和外形(1)電池主體結(jié)構(gòu)尺寸的大小是影響電池堆結(jié)構(gòu)外形及尺寸的主要因素。首先要考慮的因素是在實(shí)現(xiàn)電池功能要求的基礎(chǔ)上,盡可能使其結(jié)構(gòu)緊湊。電池堆寬度由單體電池寬度和導(dǎo)風(fēng)罩尺寸共同確定;高度由單體電池高度及電解液水位共同確定;電池堆結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度主要由串聯(lián)而成的單體電池的厚度來決定;電池堆的外形為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),作為供液裝置的電解液儲(chǔ)液箱位于電池箱體正下方,電解液的循環(huán)是通過四氟活塞電磁閥和耐腐蝕軟管來進(jìn)行,作為空氣供給裝置的風(fēng)扇與電池堆疊放在一起,和電池控制電路板及DC/DC等部件的外形尺寸綜合考慮來確定電池箱體結(jié)構(gòu)的高度。(2)電池堆整體外形采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),由電池堆箱體和電解液儲(chǔ)液箱組成。電池堆箱體一側(cè)安裝有三個(gè)直流調(diào)速風(fēng)扇,與導(dǎo)風(fēng)罩配合使用鼓入外部空氣;與風(fēng)扇同一側(cè)頂部裝有電源輸出接口。電池堆箱體可拆解為電堆模塊殼體和電堆上滑蓋板,電堆模塊殼體下方設(shè)有進(jìn)液口和回液口,通過四氟活塞電磁閥連接到電解液儲(chǔ)液箱,電池綜合管理裝置可在后期加工制作上緊固在電池堆兩側(cè)。電解液儲(chǔ)液箱尺寸按照電池堆的尺寸來設(shè)計(jì),頂部貫通有進(jìn)液口和回液口以及冷卻水的進(jìn)出口等結(jié)構(gòu)。電池箱體結(jié)構(gòu)的裝配圖如圖2所示。電池堆箱體的頂蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。電解液貯藏槽結(jié)構(gòu)透視圖如圖4所示。(2)加工工藝性考慮到電池堆的可制造性,電池堆箱體由電堆模塊殼體和電堆上滑蓋板組成,電解液儲(chǔ)液箱為封閉結(jié)構(gòu),因此電堆模塊殼體和電解液儲(chǔ)液箱的加工工序一致,包括原材料→裁剪→沖壓→折彎→鉆孔→攻絲→焊接等過程,電堆上滑蓋板由原材料→裁剪→沖壓→折彎加工而來,然后進(jìn)行裝配即得電池箱體。3.2單體內(nèi)部大厚度鋁電極復(fù)合涂層堆的工作原理由于電池堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)放出熱量,影響電池性能,嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致過熱電解液溢出損壞設(shè)備。電池箱體的通風(fēng)由空氣導(dǎo)流罩和通風(fēng)格柵共同來實(shí)現(xiàn)。通過供風(fēng)管道和路徑使空氣均勻地進(jìn)入每個(gè)單體側(cè)翼的導(dǎo)流槽而順利地導(dǎo)出,從而使單體兩側(cè)的氧氣順利地進(jìn)入單體內(nèi)部,保證每個(gè)單體內(nèi)部有足夠量的氧化反應(yīng),同時(shí)也帶走一部分熱量起到散熱的作用,結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。在非工作狀態(tài)下,電解液不流入電池堆,鋁陽極可拆卸,都保證了電池的安全性和可靠性。(2)不同工況對(duì)于性能指標(biāo)要求不同,電池堆箱體可從兩側(cè)做伸拉式調(diào)整,串聯(lián)適量的鋁陽極滿足設(shè)計(jì)要求。鋁陽極的機(jī)械式快速更換法操作簡(jiǎn)單易行。(3)考慮到電池的維護(hù)保養(yǎng),可將電解液儲(chǔ)液箱中灌入“清洗劑”,通過試運(yùn)行完成對(duì)箱體內(nèi)部的維護(hù)和保養(yǎng)。(4)電池堆箱體下部和電解液儲(chǔ)液箱有進(jìn)液口和回液口,可在兩者結(jié)合部位通過簡(jiǎn)便的螺栓連接快速將電池堆箱體和電解液儲(chǔ)液箱裝配在一起。4電動(dòng)車輛電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大功率AAFC系統(tǒng)作為包括供氣、供液、提供反應(yīng)物、水熱管理和控