CN101192694A - 注入式锌空气金属燃料电池及更换其锌负极的方法 - Google Patents
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Abstract
一种注入式锌空气金属燃料电池，其由一组带有进料装置的电池单体与锌胶贮存槽连通构成，所述的电池单体的流动态胶锌电极注入口接进料装置的导入口，其流动态锌胶电极的溢流口接入锌胶贮存槽；在进料装置与电池单体间、电池单体与锌胶贮存槽间分别装有单向阀及截止阀。更换锌负极的方法步骤如下：1)打开电池下部的截止阀，启动驱动电机将电池型腔内的流动态锌胶全部排入锌胶贮存槽；2)关闭电池下部的截止阀，打开设置在进料装置与电池单体间的单向阀使锌胶贮存槽内的流动态锌胶全部排出，同时向锌胶贮存槽内注入新鲜的流动态锌胶；3)关闭单向阀，完成了锌负极更换。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域，尤其涉及一种注入式锌空气金属燃料电池及更换其锌负极的方法。
背景技术
以锌空气电池为代表的金属-空气电池从发明至今已有一百多年的历史，一百多年来许多国家对锌空气电池及其它金属-空气电池进行了大量的研究。由于锌空气电池具有容量大，比能量高，综合性能稳定，使用安全，价格低廉，对环境友好，长期以来受到广泛的关注，不断寻求锌空电池的应用市场。挖掘锌空电池的潜力，使其应用面逐渐扩大，不但在无人观测站、通讯机、航标灯、海洋浮标等设备上得到了广泛的应用，而且也大量进入了日常生活领域，如助听器、石英电子表、计算器。环境污染、能源危机一直是人们十分关注的问题，而汽车是能源消耗大户，也是制造环境污染的大户之一。因此，用于驱动汽车的动力电池研究一直是各国政府和研究工作者关注的问题。锌空气电池所具有的特性，使其在电动车电源的选择中很早就受到青睐。60年代，英国汽车公司和Crompton Parkinson公司根据电瓶车行程太小的缺点，并对铅酸电瓶车和锌空气电瓶车运行特性进行比较，合作设计了一辆主要用于城市的电力驱动小座车，为此研制了一种150～300 A h的锌空气电池。以色列电燃料公司(EFL)研制的机械再充式锌空气牵引电池，在德国Deutsche邮政车队和美国进行了性能测试。德国的测试结果(1995-1998年)表明，在技术上锌空气电池完全可用于驱动中型汽车(Mercedes2Benz 410E)，每次补充燃料后，可驱动汽车行驶400km以上。美国电能研究所(EPRI)的初步评估结果表明，以色列电燃料公司(EFL)研制出的锌空气电池和高功率Cd/Ni电池驱动的混合电动汽车的操作费用与目前的燃油汽车相当。美国设计了一种以锌粒填充床为阳极的机械再充式锌空气电池，在这种电池中，锌电极的四周设有电解液通道。放电时，由于锌的溶解导致锌粒填充床内部电解液的密度高于通道中的电解液，在密度差的作用下电解液发生自然对流，从而提高了电极内部的传质速度。以这种方法设计了55kW锌空气电池用作电动汽车的动力电源，比功率达到97W/kg，比能量达228Wh/kg。德国Chem-Tek研制的机械可充式锌空电池，取名为ZOXY。在EV-16上由新加坡综合技术学院和星际科技公司分别介绍和展出了P280、P250和P100电池。新加坡综合技术学院用Nissan的H40系列DE33型中巴车进行了行车试验。这些卓有成效的工作使锌空气金属燃料电池进入了电动车应用领域。但是，锌空气电池在电动汽车领域的应用至今也没有得到广泛的推广。主要原因在于，现有的锌空气电池负极结构和更换方式无法满足使用者的要求。例如，机械插块式锌空气金属燃料电池无法同传统充电电池一样进行充电，它需要通过更换金属锌极使电池得到能量补充，更换过程费时费力；填充床液体循环式锌空气金属燃料电池由于在结构上仍存在某些缺陷，很难显示锌空气电池的性能优势。再有传统锌空气金属燃料电池固定压型锌负极体表面存在钝化及内系统散热不畅的问题，都殛待解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种注入式锌空气金属燃料电池，这种结构的锌空气金属燃料电池金属锌负极更换时以加注形式实现，不需要解除电池串并联时电池各单体金属锌负极之间的连接导线，以此解决现有锌空气电池金属锌负极更换不方便的问题。
本发明的另一目的是提供一种有效更换注入式锌空气金属燃料电池锌负极的方法，更换方式与汽车加油相似，只要将新鲜的流动态锌胶注入锌胶贮存箱，同时把反应后的物质排出就完成了电池能量补充过程，所需时间只需10～15分钟。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种注入式锌空气金属燃料电池，其由一组带有进料装置的电池单体与锌胶贮存槽连通构成，所述的电池单体的流动态胶锌电极注入口接进料装置的导入口，其流动态锌胶电极的溢流口接入锌胶贮存槽；在进料装置与电池单体间、电池单体与锌胶贮存槽间分别装有单向阀及截止阀。
所述的电池单体外侧至少一面设有空气电极，内腔置负极集流体与空气电极平行设置在电池单体型腔内；在电池单体型腔下部设有截止阀和注入口，电池单体与进料装置连接的一侧设有流动态锌胶的输入流道；电池单体接至锌胶贮存槽的另一侧设有流动态锌胶的溢流管路；所述的进料装置由驱动电机、驱动连杆、容积泵组合构成。
所述的电池单体为两个以上需要以串、并联形式组成的任意电压和电流等级的电池组时，各电池单体间留有气道；且各电池单体可分别一对一或分组、全体共用一个锌胶贮存槽；该组电池中各电池单体上进料装置的容积泵也可分别一对一或分组、全体共用一个驱动电机及驱动连杆。
一种注入式锌空气金属燃料电池更换锌负极的方法，其方法步骤如下：
1)打开电池下部的截止阀将电池型腔内的流动态锌胶全部排入锌胶贮存槽。
2)关闭电池下部的截止阀，打开设置在锌胶贮存槽上的流动态锌胶的注入和排出口。
3)将锌胶贮存槽内的流动态锌胶全部排出。
4)向锌胶贮存槽内注入新鲜的流动态锌胶。
5)关闭设置在锌胶贮存槽上的流动态锌胶的注入和排出口，完成锌负极更换，使电池能量得到补充。
本发明的目的是提供一种注入式锌空气金属燃料电池组工作时流动态锌胶从锌胶贮存槽内，通过进料装置的单向阀、容积泵，在驱动电机和驱动连杆的作用下被定量、定压、定向、定时注入电池体内，流动态锌胶在电池体内流过空气电极和负极集流体经溢流竖管流回锌胶贮存槽，往复循环，直至流动态锌胶性能衰减。当流动态锌胶性能衰减后通过设置在锌胶贮存槽上的流动态锌胶的注入和排出口更换新鲜的流动态锌胶，完成电池能量补充。
本发明的优点是：
1、所述的注入式锌空气金属燃料电池改善了传统锌空气金属燃料电池固定压型锌负极体表面钝化问题，提高了电池电性能；
2、所述的注入式锌空气金属燃料电池内锌胶的流动将电池反应中的热量带走，起到了良好的冷却效果，解决了电池大电流功况下的电池散热问题；
3、所述的注入式锌空气金属燃料电池克服了现有锌空气金属燃料电池的结构缺陷，可快速、方便的更换负极；
4、所述的更换锌空气金属燃料电池负极的方法抛弃了传统锌空气金属燃料电池更换固定压型锌负极时需要解除电池串并联时电池各单体金属锌负极之间的连接导线，更换完成后又需要重新连接的繁琐过程，解决了传统锌空气金属燃料电池由于频繁解除连接、重新连接的可靠性差及连接正、负极柱寿命短等问题，达到了让锌空气金属燃料电池锌负极更换与汽车加油相似的便利，只需把反应后的物质排出同时将新鲜的流动态锌胶注入锌胶贮存槽就完成了能量补充过程，所需时间仅10～15分钟。
附图说明
图1 为本发明注入式锌空气金属燃料电池结构示意剖面图
图2 为本发明注入式锌空气金属燃料电池组外形结构示意图
具体实施方式
本发明注入式锌空气金属燃料电池由一组带有进料装置的电池单体与锌胶贮存槽连通构成。
如图1、图2所示，所述的电池单体由塑料外壳20、负极集流体12、负极引出13、正极引出14、空气电极15、流动态锌胶的流道6、流动态锌胶的溢流管路11及截止阀7和注入口8构成。负极集流体12、负极引出13相连接为电池的负极输出，正极引出14、空气电极15相连接为电池的正极输出，电池单体外侧至少一面设有空气电极15，负极集流体12与空气电极15平行设置在电池单体型腔内，截止阀7和注入口8设在电池单体型腔下部为佳，电池单体一侧设有流动态锌胶的流道6，另一侧设有流动态锌胶的溢流管路11，为保证电池的性能优异，所述的负极集流体12为经疏水处理的导电性能良好的铜、镍、钛等板材或网材。
所述的锌胶贮存槽9为流动态锌胶的储存装置，可以为任意形状的容器，除设有与截止阀、进料装置、溢流管路相连接的接口外，还设有流动态锌胶的注入和排出口10。
如图2所示，当需要由两个或两个以上电池单体以串、并联形式组成任意电流电压等级的电池组时，各电池单体间留有1～5mm气道19，以便于空气的流通。所有电池单体可共有一个或多个锌胶贮存槽。同时，若干(或全体)电池单体的进料装置的容积泵也可共用一个驱动电机及驱动连杆。
参见图1，电池工作时流动态锌胶从锌胶贮存槽内9通过进料装置的单向阀5、容积泵4，在驱动连杆3和驱动电机2的作用下被定量、定压、定向、定时经流道6、注入口8注入电池单体1内，流动态锌胶在电池体内流过空气电极15和负极集流体12之间的缝隙，经溢流管路11流回锌胶贮存槽9，往复循环，直至流动态锌胶性能衰减，反应终止。
参见图1，当流动态锌胶性能衰减，反应终止，需要对流动态锌胶进行更换时，首先打开电池单体1下部的截止阀7将电池型腔内的流动态锌胶全部排入锌胶贮存槽9，然后关闭电池单体1下部的截止阀7，打开设置在锌胶贮存槽9上的流动态锌胶的注入和排出口10，将锌胶贮存槽9内的流动态锌胶全部排出后向锌胶贮存槽9内注入新鲜的流动态锌胶，最后，关闭设置在锌胶贮存槽9上的流动态锌胶的注入和排出口10，完成锌负极更换，使电池能量得到补充。
所述注入式锌空气金属燃料电池单体型腔内的流动态锌胶的流体导向以纵向为佳以形成放射型流体，故电池单体内的流动态锌胶流动方向应纵向设置。在电池外单向阀内流动态锌胶的压力与电池内流动态锌胶的流动动能关系P外＞P内时，流动态锌胶循环流动，流动中发生了如下电化学反应产生电能：
空气电极(正极)：1/2O2+H2O+2e→20H-
流动态锌胶(负极)：Zn+2OH-→ZnO+2e
锌空气金属燃料电池结构设计过程中的参数控制：
1、流动态锌电极的流量控制在40～80ml/分钟时，电性能最佳。
2、电池单体1内型腔的横截面积为单向阀5与电池单体1连接接口的截面积的3～4.5倍最佳。
3、注入口8的开口面积要大于负极集流12与空气电极15之间缝隙的横截面积。
4、负极集流12与空气电极15之间缝隙的横截面积为流道6的横截面积的30％～50％。
本发明提出一种注入式结构的锌空气金属燃料电池，这种锌空气电池配合流动态锌胶电极，解决了锌空气电池负极更换不方便的问题，使得锌空气电池在电动车领域的广泛应用变得更为现实。注入式锌空气金属燃料电池摒弃了插块式锌空气金属燃料电池更换负极的繁琐过程，并解决了液体循环式锌空气金属燃料电池的结构缺陷。设计理念是让锌空气金属燃料电池的锌负极更换与汽车加油相似，只要将反应后的物质排出，同时把新鲜的流动态锌胶注入锌胶贮存箱就完成了能量补充过程，所需时间10～15分钟。反应后的物质可以进行还原处理，重新形成新鲜的流动态锌胶。
Claims (10)
1.一种注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：其由一组带有进料装置的电池单体与锌胶贮存槽连通构成，所述的电池单体的流动态胶锌电极注入口接进料装置的导入口，其流动态锌胶电极的溢流口接入锌胶贮存槽；在进料装置与电池单体间、电池单体与锌胶贮存槽间分别装有单向阀及截止阀。
2.根据权利要求1所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：所述的电池单体外侧至少一面设有空气电极，内腔置负极集流体与空气电极平行设置在电池单体型腔内；在电池单体型腔下部设有截止阀和注入口，电池单体与进料装置连接的一侧设有流动态锌胶的输入流道；电池单体接至锌胶贮存槽的另一侧设有流动态锌胶的溢流管路；所述的进料装置由驱动电机、驱动连杆、容积泵组合构成。
3.根据权利要求1所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：所述电池单体的负极集流体材质为经疏水处理的导电性能良好的铜、镍、钛板材或网材。
4.根据权利要求1所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：所述的一组电池单体为两个以上，需要以串、并联形式组成电池组时，各电池单体间留有气道。
5.根据权利要求4所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：所述的组成电池组的一组电池单体可分别一对一或分组、全体共用一个锌胶贮存槽。
6.根据权利要求4所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：所述组成电池组的一组电池单体的进料装置的容积泵可分别一对一或分组、全体共用一个驱动电机及驱动连杆。
7.根据权利要求2所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：电池单体内型腔的横截面积为单向阀与电池单体连接接口的截面积的3～4.5倍。
8.根据权利要求2所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：注入口的开口面积要大于负极集流与空气电极之间缝隙的横截面积。
9.根据权利要求2所述的注入式锌空气金属燃料电池，其特征在于：负极集流与空气电极之间缝隙的横截面积为流动态锌的流道的横截面积的30％～50％。
10.一种用于权利要求1所述的注入式锌空气金属燃料电池更换锌负极的方法，其特征在于方法步骤如下：
1)打开电池下部的截止阀将电池型腔内的流动态锌胶全部排入锌胶贮存槽；
2)关闭电池下部的截止阀，打开设置在锌胶贮存槽上的流动态锌胶的注入和排出口；
3)将锌胶贮存槽内的流动态锌胶全部排出；
4)向锌胶贮存槽内注入新鲜的流动态锌胶；
5)关闭设置在锌胶贮存槽上的流动态锌胶的注入和排出口，完成锌负极更换，使电池能量得到补充。
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