一種鋅粉電解裝置及電解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋅空氣燃料電池的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種鋅粉電解裝置及電解方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新能源和新能源汽車(chē)已被《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》明確規(guī)劃為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)，對(duì)我國(guó)能源、交通和國(guó)防等領(lǐng)域快速發(fā)展和相關(guān)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展具有重大意義。目前使用的車(chē)用動(dòng)力電池中鋰離子電池仍存在安全隱患，而氫燃料電池成本高，因此，迫切需要發(fā)展高安全性、較低成本、高比能量的動(dòng)力電池。
[0003]鋅空氣燃料電池主要由空氣電極、鋅電極、電解液和隔膜組成，以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)、金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì)，使用堿性電解液。空氣中的氧通過(guò)空氣電極的防水透氣層擴(kuò)散到催化層，在催化劑與電解液的界面上發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，同時(shí)鋅電極進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電流。與其它電池相比，鋅空氣燃料電池有著獨(dú)特的特點(diǎn):(I)電池比容量較大，比能量較高，實(shí)際上可以達(dá)到150?300Wh/kg。(2)使用簡(jiǎn)單，安全性好，鋅空燃料電池可連續(xù)放電，且不怕過(guò)放，免維護(hù)。(3)價(jià)格便宜，零污染，可再生，在使用中鋅空氣電池的正極消耗氧氣，且正極采用的是低成本的非貴金屬催化劑;負(fù)極消耗鋅，負(fù)極物質(zhì)放電完畢后變成氧化鋅，可通過(guò)電解還原成鋅，重新用作負(fù)極活性物質(zhì)，這樣不僅大大降低了使用成本，同時(shí)提高了對(duì)資源的有效利用。(4)放電電壓平穩(wěn)，放電時(shí)空氣電極催化劑本身不發(fā)生變化，鋅電極電壓平穩(wěn)。(5)鋅空氣燃料電池由于采用的是水溶液電解質(zhì)，不存在燃燒、爆炸的隱患，安全性高。
[0004]鑒于鋅空氣燃料電池低成本(制造成本低至?1.5元/Wh)、高安全性、較高比能量2 150Wh/kg等優(yōu)勢(shì)非常適合作為新能源汽車(chē)等電池，市場(chǎng)前景極為廣闊。眾所周知，電解鋅粉過(guò)程中，電解電流、電解質(zhì)濃度以及溫度將直接影響電解所得鋅粉的性狀，包括粒度、比表面積等。目前市場(chǎng)上的鋅粉均存在顆粒大、比表面積小、鋅粉活性低等特點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用在鋅空氣燃料電池上。
[0005]鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一種新的鋅粉電解裝置及電解方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種鋅粉電解裝置及電解方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中因制得的鋅粉顆粒大、比表面積小等缺點(diǎn)無(wú)法應(yīng)用在鋅空氣燃料電池上的問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種鋅粉電解裝置及電解方法，所述電解裝置包括:
[0008]反應(yīng)爸，所述反應(yīng)爸包括爸體，位于所述爸體上方的回流孔、加料口，與所述爸體連接的攪拌槳、第四溫度傳感器，位于所述釜體下方的出液管以及位于所述出液管上的球閥；
[0009]與所述出液管連接的第一換熱器；
[0010]與所述第一換熱器出口連接的第一儲(chǔ)液罐，所述第一儲(chǔ)液罐包括第一罐體、位于所述第一罐體上方的第一排氣孔、以及與所述第一罐體連接的第一溫度傳感器；
[0011]通過(guò)第一栗及第一輸液管道與所述第一儲(chǔ)液罐連接的第二儲(chǔ)液罐，所述第二儲(chǔ)液罐包括第二罐體、位于所述第二罐體上方的第二排氣孔、以及與所述第二罐體連接的第二溫度傳感器，所述第二儲(chǔ)液罐通過(guò)第三栗及回流管道與所述回流孔連接；
[0012]通過(guò)第二栗及第二輸液管道與所述第二儲(chǔ)液罐連接的至少一個(gè)電解槽，所述電解槽位于臺(tái)架上，所述電解槽包括槽體，與所述槽體連接的陰極、陽(yáng)極、第三溫度傳感器，以及位于所述槽體上方的溢流口，所述電解槽通過(guò)所述溢流口和溢流管道與所述第二儲(chǔ)液罐連接，所述溢流管道上連接有第二換熱器。
[0013]優(yōu)選地，所述電解槽的數(shù)量為2個(gè)，所述2個(gè)電解槽分別與所述第二輸液管道連接，且所述溢流口分別與溢流管道連接。
[0014]優(yōu)選地，所述電解裝置還包括位于所述電解槽上方的排風(fēng)罩。
[0015]優(yōu)選地，所述臺(tái)架為可升降臺(tái)架。
[0016]優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜為帶有加熱功能的反應(yīng)釜，所述反應(yīng)釜為搪瓷反應(yīng)釜、玻璃反應(yīng)Il或不銹鋼反應(yīng)Il中的一種。
[0017]優(yōu)選地，所述第一、第二換熱器中的換熱介質(zhì)為自來(lái)水，所述第一、第二換熱器為板式換熱器或列管換熱器中的一種。
[0018]優(yōu)選地，所述第一、第二儲(chǔ)液罐為聚丙烯儲(chǔ)液罐或聚乙烯儲(chǔ)液罐中的一種。
[0019]優(yōu)選地，所述第一、第二、第三栗均為磁力栗。
[0020]優(yōu)選地，所述電解槽為聚丙烯電解槽、聚乙烯電解槽或聚氯乙烯電解槽中的一種。
[0021]優(yōu)選地，陰極為金屬鎳或金屬鎂的一種，所述陽(yáng)極為金屬鎳或金屬鎂的一種。
[0022]本發(fā)明還提供一種鋅粉電解方法，所述鋅粉電解方法包括:
[0023]S1:向反應(yīng)釜中加入體積為Vl的去離子水，溫度為T(mén)l、質(zhì)量為Ml的KOH溶液，及質(zhì)量為M2的ZnO粉末，通過(guò)攪拌槳使所述ZnO粉末完全溶解，按化學(xué)反應(yīng)式2K0H+Zn0+H20 = K2[Zn(OH)4]進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所得K0^PK2[Zn(0H)4]的混合溶液中Zn(OH)A的濃度為Cl;
[0024]S2:將SI中得到的溶液經(jīng)第一換熱器流入第一儲(chǔ)液罐中，此時(shí)第一儲(chǔ)液罐內(nèi)Zn(0H)42—的濃度為Cl，溫度為T(mén)2;
[0025]S3:將第一儲(chǔ)液罐內(nèi)的溶液通過(guò)第一栗及第一輸液管道抽入至第二儲(chǔ)液罐內(nèi)作為電解母液，此時(shí)第二儲(chǔ)液罐內(nèi)Zn(OH)A的濃度為Cl，溫度為T(mén)2;
[0026]S4:向反應(yīng)釜中加入體積為Vl的去離子水，溫度為T(mén)l、質(zhì)量為Ml的KOH溶液，及質(zhì)量為M3的ZnO粉末，并通過(guò)攪拌槳使所述ZnO粉末完全溶解，按化學(xué)反應(yīng)式2K0H+Zn0+H20 = K2[Zn(OH)4]進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所得K0^PK2[Zn(0H)4]的混合溶液中Zn(OH)A的濃度為C2;
[0027]S5:將S4中得到的溶液經(jīng)第一換熱器流入第一儲(chǔ)液罐中作為電解補(bǔ)充溶液，此時(shí)第一儲(chǔ)液罐內(nèi)Zn(OH)A的濃度為C2，溫度為T(mén)2;
[0028]S6:將第二儲(chǔ)液罐內(nèi)的電解母液通過(guò)第二栗及第二輸液管道抽入至電解槽中，溶液流量為QI，在電解槽的陰陽(yáng)極之間施加電流I，使陰極按化學(xué)反應(yīng)式Zn (OH)42—+2e = Zn+40H—進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極按化學(xué)反應(yīng)式40H—-4e = Η2θ+θ2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)電解槽中溶液的溫度為T(mén)3;
[0029]S7:當(dāng)電解槽中溶液的液位達(dá)到溢流口的高度時(shí)，電解槽中的溶液通過(guò)溢流管道及第二換熱器流入第二儲(chǔ)液罐中，此時(shí)溢流溶液的流量為Ql、溫度為T(mén)2、Zn(0H)42—的濃度為C3，此時(shí)第一儲(chǔ)液罐中的電解補(bǔ)充溶液通過(guò)第一栗及第一輸液管道抽入第二儲(chǔ)液罐中，溶液流量為Q2，第二儲(chǔ)液罐中溢流溶液與電解補(bǔ)充溶液滿足(Q1*C3+Q2*C2)/(Q1+Q2)=C1;
[0030]S8:當(dāng)?shù)诙?chǔ)液罐中溶液的體積達(dá)到V2時(shí)，通過(guò)第三栗及回流管道將第二儲(chǔ)液罐中的溶液抽入至反應(yīng)釜中，直至反應(yīng)釜中溶液的體積達(dá)到V3時(shí)，停止第三栗，通過(guò)反應(yīng)釜將溶液的溫度升高至Tl，并向反應(yīng)釜中補(bǔ)充質(zhì)量為M4的ZnO粉末，通過(guò)攪拌槳使所述ZnO粉末完全溶解，按化學(xué)反應(yīng)式2K0H+Zn0+H20 = K2[Zn(0H)4]進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所得KOH和K2[Zn(0H)4]的混合溶液中Zn (0H) 42—的濃度為C2，使整個(gè)電解系統(tǒng)處于濃度恒定、溫度恒定、電流恒定的狀態(tài)。
[0031]如上所述，本發(fā)明的一種鋅粉電解裝置及電解方法，具有以下有益效果:本發(fā)明所述的鋅粉電解裝置通過(guò)向電解槽中連續(xù)補(bǔ)充濃度恒定、溫度恒定的電解質(zhì)溶液，使鋅粉析出與[Ζη(0Η)42—]的補(bǔ)充達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)電解過(guò)程在濃度恒定、溫度恒定、電流恒定的狀態(tài)下進(jìn)行，繼而得到性狀可控的鋅粉。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1顯示為本發(fā)明所述鋅粉電解裝置的主視圖。