趙少寧，李艾華，蔡艷平，李慶輝

（第二炮兵工程大學(xué)五系，陜西 西安 710025）

0 引言

鋁空氣電池（AAFC）是一種將儲(chǔ)存于燃料內(nèi)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有比功率高、比能量高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié)能、高效率的發(fā)電系統(tǒng)。近年來，大型電池在固定電站和電動(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(guó)進(jìn)行鋁空氣電源設(shè)計(jì)的公司，如美國(guó)的Altekfuel公司、加拿大的Trimol集團(tuán)和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)[1-2]。

1 鋁空氣電池的工作原理

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)能等特點(diǎn)。其工作原理在于AAFC的負(fù)極是鋁合金，在電池放電時(shí)被不斷消耗且生成，正極是多孔性氧電極，跟電池的氧電極相同，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)，釋放出電能。電解液可分堿性溶液和中性溶液（NaCl或水溶液或海水）[3]。

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、電極極耳和電池框架等組成，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發(fā)生反應(yīng)。生成的反應(yīng)物沉淀隨電解液循環(huán)排出[4]?？諝怆姌O和鋁合金陽極是AAFC的核心部件。

圖1 鋁空氣電池單電池組成

2 鋁空氣電池系統(tǒng)組成

電池系統(tǒng)的目標(biāo)是在合適的場(chǎng)合和時(shí)間提供額定的動(dòng)力。基于此要求，一個(gè)電池系統(tǒng)一般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)和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[5-7]。

2.1 鋁空氣電池電池堆

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1.1～1.3 V，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 供給裝置

2.2.1 鋁陽極供給裝置

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)用廣泛和可攜帶性強(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 供液裝置

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（散熱）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 電池綜合管理裝置

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、電流和報(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)警處理和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（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 電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鋁空氣電池堆結(jié)構(gòu)組成

鋁空氣電池堆結(jié)構(gòu)由鋁空氣電池箱體和電解液儲(chǔ)液箱組成。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮結(jié)構(gòu)的尺寸和外形以及加工工藝。

3.1.1 結(jié)構(gòu)的尺寸和外形。

a.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。

b.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3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。電解液儲(chǔ)液箱結(jié)構(gòu)透視如圖4所示。

圖2 電池堆結(jié)構(gòu)

圖3 電池堆箱體頂蓋結(jié)構(gòu)

圖4 電解液儲(chǔ)液箱結(jié)構(gòu)透視

3.1.2 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 鋁空氣電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

a.使用的安全性和可靠性。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，通風(fēng)結(jié)構(gòu)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，保證了電池的安全性和可靠性。

圖5 通風(fēng)結(jié)構(gòu)

b.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)械式快速更換法簡(jiǎn)單易行。

c.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”，完成對(duì)箱體內(nèi)部的維護(hù)和保養(yǎng)。

d.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 結(jié)束語

AAFC系統(tǒng)作為包括供氣、供液、提供反應(yīng)物、水熱管理和控制等多個(gè)子系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，為了在電動(dòng)車輛中得到更加廣泛的工程化應(yīng)用，其電池堆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。綜合考慮鋁陽極采用機(jī)械更換方式和電解液循環(huán)的前提下，對(duì)于電池堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，符合性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了電池堆箱體和電解液儲(chǔ)液箱的快速裝配，達(dá)到電池使用的實(shí)用性、可靠性和安全性。

[1]桂長(zhǎng)清.鋁空氣電池的前景[J].電池，2002，32（5）：305-307.

[2]國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)，中國(guó)科學(xué)院能源研究所，清華大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和能源系統(tǒng)分析所項(xiàng)目組.中國(guó)能源開發(fā)中的環(huán)境問題[M].北京：中國(guó)建材出版社，1993.

[3]房振乾，劉文西，陳玉如.鋁空氣燃料電池的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2003，26（2）：67-72.

[4]史鵬飛，尹鴿平，夏保佳.1千瓦鋁空氣電池的研究[J].電池，1992，22（4）：152-154.

[5]Linden D.Handbook of Batteries[M].McGraw-Hill，Inc.，1995.

[6]黃瑞霞，朱新功.鋁空氣電池的應(yīng)用及設(shè)計(jì)[J].電池工業(yè)，2009，14（1）：60-64.

[7]施皮格爾.燃料電池設(shè)計(jì)與制造[M].馬 欣，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.