CN107768779A - 圆柱形液流金属空气电池及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布液设计相对简单的圆柱形液流金属空气电池及电池组。该圆柱形液流金属空气电池包括进液帽、空气阴极、出液帽、金属阳极以及阳极帽。该圆柱形液流金属空气电池及电池组的结构简单紧凑，由于电解液可以采用从下至上的旋流方式，因此电解液在整个电池内部能够均匀流动，不易形成死角，有利于发挥更好的电池性能，而且该圆柱形液流金属空气电池的电解液循环方式，只需要设置简单的能够使电解液旋转流动上升的注液口及出液口即可，无需复杂的匀流布液装置，因而装备成本相对较低，可广泛推广使用。

Description

圆柱形液流金属空气电池及电池组

技术领域

本发明涉及空气电池技术领域，尤其是涉及一种圆柱形液流金属空气电池及电池组。

背景技术

金属空气电池是以金属为负极活性材料和空气电极经电化学反应组合而成的一种燃料电池。其发挥了燃料电池的众多优点，将锌、铝、镁等金属作为电池负极，与空气电极构成一个连续产生电能的装置，具有无毒、安全、高能量密度的优点。金属空气电池反应过程中会有大量反应产物在电解液中产生，例如，铝空气电池反应产生氢氧化铝沉淀，镁空气电池会产生氢氧化镁沉淀，同时，在较大功率放电情况下，还会产生大量热量，这时维持温度稳定是十分必要的。采用液流式的电池结构是一个很好的解决方案，即电池设计进液和出液，电解液在电池内流动，一方面有利于反应产物和热量及时带出，另一方面还利于增强扩散，提高放电倍率性能。目前液流式的金属空气电池多为平板框式结构，为了保证电解液在平板结构内均匀的流动，通常需要设置较为复杂的布液结构(控制电解液在电解池内均匀流动的装置)。另外对于平板式结构的金属空气电池，空气电极通常布置在平板的两个表面，底边和侧面都需要设置塑料框架，辅助材料相对校多，整体较为笨重。

发明内容

基于此，有必要提供一种布液设计相对简单的圆柱形液流金属空气电池及电池组。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种圆柱形液流金属空气电池，包括进液帽、空气阴极、出液帽、金属阳极以及阳极帽；

所述进液帽具有阴极安装套，所述进液帽设有进液口，所述进液口通过注液口与所述阴极安装套围成的内部空间相连通；

所述出液帽具有出液腔，并设有与所述出液腔相连通的连通口、出液口以及阳极安装口；

所述空气阴极为两端开口的空心圆筒状结构，所述空气阴极的一端与所述阴极安装套连接，另一端与所述出液帽连接，所述空气阴极的内部空腔与所述阴极安装套围成的内部空间相连通，并通过所述连通口与所述出液腔相连通；

所述金属阳极为圆柱形结构，所述金属阳极安装在所述阳极帽上，所述金属阳极依次穿过所述阳极安装口、所述出液腔及所述连通口后插入至所述空气阴极中，所述金属阳极与所述空气阴极之间形成有供电解液流动的流通空间，从所述进液口经由所述注液口进入的电解液能够在所述流通空间内旋转流动并从所述出液口流出；

所述阳极帽盖设在所述阳极安装口上。

在其中一个实施例中，所述进液帽具有液仓，所述液仓的内部为加液腔，所述进液口与所述加液腔连通，所述注液口设在所述液仓的圆柱形侧壁上并与所述加液腔连通；

所述阴极安装套围绕所述液仓设置，所述阴极安装套与所述液仓之间具有进液间隙，所述进液间隙通过所述注液口与所述加液腔连通，所述进液间隙与所述流通空间连通。

在其中一个实施例中，所述阴极安装套套设在所述空气阴极上，所述空气阴极的内壁与所述液仓的外壁之间形成所述进液间隙。

在其中一个实施例中，所述注液口紧靠所述进液间隙的底部，所述出液口设在所述出液腔的侧壁上且所述出液口紧靠所述出液帽的顶部；且沿所述液仓的圆柱形侧壁的周向，所述注液口的内壁呈斜面状，相应地，沿所述出液帽的周向，所述出液口的内壁也呈斜面状，以使从所述注液口进入所述进液间隙的电解液与能够旋转上升，并最终从所述出液口流出。

在其中一个实施例中，所述液仓的上方设有卡槽，所述金属阳极插入在所述空气阴极内的一端设在所述卡槽内。

在其中一个实施例中，所述连通口及所述阳极安装口分别位于所述出液腔的两端，且所述阳极安装口的内径小于所述出液腔的内径。

在其中一个实施例中，所述金属阳极的一端设有安装孔，所述阳极帽具有与所述安装孔相适配的安装柱，所述金属阳极与所述阳极帽通过所述安装孔与所述安装柱可拆卸式连接。

在其中一个实施例中，所述阳极帽上设有阳极引出端，所述出液帽上设有阴极引出端。

一种电池组，包括支架以及多个上述任一实施例所述的圆柱形液流金属空气电池，所述圆柱形液流金属空气电池安装在所述支架上。

在其中一个实施例中，其中至少有两个所述圆柱形液流金属空气电池共阳极帽设置，且共同的阳极帽构成一体式结构的阳极安装板。

上述圆柱形液流金属空气电池及电池组的结构简单紧凑，由于电解液可以采用从下至上的旋流方式，因此电解液在整个电池内部能够均匀流动，不易形成死角，有利于发挥更好的电池性能，而且该圆柱形液流金属空气电池的电解液循环方式，只需要设置简单的能够使电解液旋转流动上升的注液口及出液口即可，无需复杂的匀流布液装置，因而装备成本相对较低。

附图说明

图1为一实施方式的圆柱形液流金属空气电池(以下简称为金属空气电池)的结构示意图；

图2为图1所示金属空气电池的剖视图；

图3为图1所示金属空气电池中金属阳极部分拔出后的结构示意图；

图4为图1中进液帽的结构示意图；

图5为图1中进液帽的剖视图；

图6为图1中出液帽的结构示意图；

图7为图1中金属阳极及阳极帽的分解示意图；

图8为一实施方式的电池组的结构示意图；

图9为图8所示电池组中金属阳极拆卸后的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合图1、图2和图3，一实施方式的圆柱形液流金属空气电池100包括进液帽110、空气阴极120、出液帽130、金属阳极140以及阳极帽150。

在本实施方式中，进液帽110具有阴极安装套111。进液帽110设有进液口112，进液口112通过注液口113与阴极安装套111围成的内部空间相连通。出液帽130具有出液腔(图中未标示)，并设有与出液腔相连通的连通口131、出液口132以及阳极安装口133。空气阴极120为两端开口的空心圆筒状结构。空气阴极120的一端(优选作为底端)与阴极安装套111连接，另一端(优选作为顶端)与出液帽130连接。空气阴极120的内部空腔与阴极安装套111围成的内部空间相连通，并通过连通口131与出液腔相连通。金属阳极140为圆柱形结构，金属阳极140安装在阳极帽150上。金属阳极140依次穿过阳极安装口133、出液腔及连通口131后插入至空气阴极120中，并且金属阳极140与空气阴极120之间形成有供电解液流动的流通空间141。从进液口112经由注液口113进入的电解液能够在流通空间141内旋转流动并从出液口132流出。阳极帽150盖设出液帽130的在阳极安装口133上。

请参图4和图5，在一个具体的实施例中，进液帽110具有液仓114。液仓114的内部为加液腔115。进液口112与加液腔115连通。注液口113设在液仓114的圆柱形侧壁上并与加液腔115连通。阴极安装套111围绕液仓114设置，阴极安装套111与液仓114之间具有进液间隙116。进液间隙116通过注液口113与加液腔115连通，进液间隙116与流通空间141连通。

在图示所示实施例中，阴极安装套111套设在空气阴极120上。空气阴极120的内壁与液仓114的外壁之间形成上述进液间隙116。具体地，阴极安装套111可以与空气阴极120螺纹连接，或者粘接等方式实现密封连接。

请结合图4和图6，注液口113紧靠进液间隙116的底部，出液口132设在出液腔的侧壁上且出液口132紧靠出液帽130的顶部。沿液仓114的圆柱形侧壁的周向，注液口113的内壁呈斜面状，相应地，沿出液帽130的周向，出液口132的内壁也呈斜面状，以使从注液口113流出的电解液能够从圆柱形液仓114的切线方向进入进液间隙116，并在进液间隙116、流通空间141以及出液腔内旋转上升后，沿出液帽130内壁的切线方向经由出液口132流出。

在本实施方式中，进液帽110在进液口112处设有进液柱，相应地，出液帽130在出液口132处设有出液柱，以便于与外接容器连接。

进一步，请参图4和图5，液仓114的上方设有卡槽117。卡槽117的槽底与加液腔115之间隔开。金属阳极140插入在空气阴极120内的一端设在卡槽117内。通过设置卡槽117，可以是金属阳极140更为稳定的固定在空气阴极120中。

请参图6，在一个实施例中，出液帽130为空心的圆柱体结构。其连通口131及阳极安装口133分别位于出液腔的两端，且阳极安装口133的内径小于出液腔的内径，也即在出液腔上端围绕阳极安装口133具有边沿，以便于安装阳极帽150。进一步，金属阳极140的外径与圆形的阳极安装口133的内径相适配，以使金属阳极140穿过阳极安装口133后能够与阳极安装口133的内壁密封抵接。

请参图7，在一个实施例中，金属阳极140的一端设有安装孔142。阳极帽150具有与安装孔142相适配的安装柱151。金属阳极140与阳极帽150通过安装孔142与安装柱151可拆卸式连接。如在一个具体的实施例中，安装孔142内设有内螺纹，安装柱151外设有外螺纹，安装柱151与金属阳极140螺纹连接。

进一步，如图2所示，在一个实施例中，圆柱形金属阳极140为空心的圆柱管状结构，且圆管状的金属阳极140内设置液体阻隔，防止电解液贯通进入且内部空心部分。

请参图1、图2、图6和图7，在一个实施例中，阳极帽150上设有阳极引出端152。出液帽130上设有阴极引出端134。阳极引出端152作为电池的负极，阴极引出端134作为电池的正极。

上述圆柱形液流金属空气电池100在装配时，可先将金属阳极140固定于阳极帽150上。将金属阳极140通过出液帽130上的阳极安装口133，插入空气阴极120中，其下端卡在卡槽117上，以实现金属阳极140的固定，组成完整的单体电池。

在运行时，将电解液从进液帽110上的进液口112经过注液口113进入进液间隙116，如沿切线方向进入进液间隙116，由于是切线方向进入，电解液在空气阴极120内流动会形成自下而上的旋流，然后电解液从出液口132流出，如沿切线方向从出液口31流出，如此循环。

在反应过程中，空气阴极120作为电池正极吸收外界的反应气，发生还原反应，而金属阳极140发生的氧化反应，不断被消耗，产生的反应产物和热量能及时随着自下而上的旋流电解液被带出，从而能保证电池100高效稳定的放电。空气阴极120与出液帽130上的阴极引出端134导电连接，金属阳极140与阳极帽上的阳极引出端152导电连接，电池100产生的电流分布由阴极引出端134和阳极引出端152汇集流出流入。待金属阳极140消耗殆尽，可以阳极帽150提起将剩余的金属阳极140拔出，重新换上新的金属阳极140，然后重新插入，重复使用。

请结合图1、图8和图9，本实施方式还提供了一种电池组200，其包括支架210以及多个上述任一实施例所述的圆柱形液流金属空气电池100。圆柱形液流金属空气电池100安装在支架210上。

在一个实施例中，其中至少有两个圆柱形液流金属空气电池100共阳极帽150设置，且共同的阳极帽150构成一体式结构的阳极安装板202。进一步，各个圆柱形液流金属空气电池100的阳极引出端152也设在共同的阳极安装板202上。通过共同的阳极安装板202，可以同时提起多个电池100的金属阳极140。

该电池组200在使用时，将每一个阳极引出端152都按上金属阳极140，然后一同插入，固定好即可以使用。更换金属阳极140也很方便。电池组200中多个电池100的电引出方式可以采用串联连接方式，也可以采用并联连接方式，或者串联、并联混合方式。

上述圆柱形液流金属空气电池100及电池组200的结构简单紧凑，由于电解液可以采用从下至上的旋流方式，因此电解液在整个电池100内部能够均匀流动，不易形成死角，有利于发挥更好的电池性能，而且该圆柱形液流金属空气电池100的电解液循环方式，只需要设置简单的能够使电解液旋转流动上升的注液口113及出液口132即可，无需复杂的匀流布液装置，因而装备成本相对较低，可以广泛推广应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，包括进液帽、空气阴极、出液帽、金属阳极以及阳极帽；

所述进液帽具有阴极安装套，所述进液帽设有进液口，所述进液口通过注液口与所述阴极安装套围成的内部空间相连通；

所述出液帽具有出液腔，并设有与所述出液腔相连通的连通口、出液口以及阳极安装口；

所述空气阴极为两端开口的空心圆筒状结构，所述空气阴极的一端与所述阴极安装套连接，另一端与所述出液帽连接，所述空气阴极的内部空腔与所述阴极安装套围成的内部空间相连通，并通过所述连通口与所述出液腔相连通；

所述金属阳极为圆柱形结构，所述金属阳极安装在所述阳极帽上，所述金属阳极依次穿过所述阳极安装口、所述出液腔及所述连通口后插入至所述空气阴极中，所述金属阳极与所述空气阴极之间形成有供电解液流动的流通空间，从所述进液口经由所述注液口进入的电解液能够在所述流通空间内旋转流动并从所述出液口流出；

所述阳极帽盖设在所述阳极安装口上。

2.如权利要求1所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述进液帽具有液仓，所述液仓的内部为加液腔，所述进液口与所述加液腔连通，所述注液口设在所述液仓的圆柱形侧壁上并与所述加液腔连通；

所述阴极安装套围绕所述液仓设置，所述阴极安装套与所述液仓之间具有进液间隙，所述进液间隙通过所述注液口与所述加液腔连通，所述进液间隙与所述流通空间连通。

3.如权利要求2所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述阴极安装套套设在所述空气阴极上，所述空气阴极的内壁与所述液仓的外壁之间形成所述进液间隙。

4.如权利要求2所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述注液口紧靠所述进液间隙的底部，所述出液口设在所述出液腔的侧壁上且所述出液口紧靠所述出液帽的顶部；且沿所述液仓的圆柱形侧壁的周向，所述注液口的内壁呈斜面状，相应地，沿所述出液帽的周向，所述出液口的内壁也呈斜面状，以使从所述注液口进入所述进液间隙的电解液与能够旋转上升，并最终从所述出液口流出。

5.如权利要求2所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述液仓的上方设有卡槽，所述金属阳极插入在所述空气阴极内的一端设在所述卡槽内。

6.如权利要求1～5中任一项所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述连通口及所述阳极安装口分别位于所述出液腔的两端，且所述阳极安装口的内径小于所述出液腔的内径。

7.如权利要求1～5中任一项所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极的一端设有安装孔，所述阳极帽具有与所述安装孔相适配的安装柱，所述金属阳极与所述阳极帽通过所述安装孔与所述安装柱可拆卸式连接。

8.如权利要求1～5中任一项所述的圆柱形液流金属空气电池，其特征在于，所述阳极帽上设有阳极引出端，所述出液帽上设有阴极引出端。

9.一种电池组，其特征在于，包括支架以及多个如权利要求1～8中任一项所述的圆柱形液流金属空气电池，所述圆柱形液流金属空气电池安装在所述支架上。

10.如权利要求9所述的电池组，其特征在于，其中至少有两个所述圆柱形液流金属空气电池共阳极帽设置，且共同的阳极帽构成一体式结构的阳极安装板。