CN108232368B - 一种金属/空气电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述金属/空气电池组，包括N节的串联连接的单电池，所述N为大于等于2的整数；所述单电池包括一单电池壳体,所述相邻接的单电池壳体间具有液体注液主流道、排液主流道及空气流道；所述注液主流道内设置有流量均衡单元，外部与一电机连接，通过电机控制流量均衡单元的动作实现电解液流动的一致性。本发明具有高一致性的电解液流动有效控制单池性能(电压、温度等)，提高系统的放电容量，提高阳极利用率，有效延长阴极实际工况使用寿命；流量均衡单元内置于注液主流道内，在不增加主流道尺寸情况下合理提升流动一致性，降低系统体积，提高系统比能量。

Description

一种金属/空气电池系统
技术领域
本发明涉及金属/空气电池系统，具体地说是一种高一致性金属/空气电池系统。
背景技术
金属/空气电池是一种采用金属(如镁、铝、锌等)为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液作为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富且价格低廉，因此金属/空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。
由于金属/空气电池单体的工作电压只有1-1.5V，在遇到有较高额定电压的需求的用电设备时，多需将多个金属/空气单电池串联起来使用，以获得较高的输出电压；与此同时，大功率的金属空气电池则由于内部的不可逆性和欧姆极化等产生的化学反应热，50％左右的能量耗散为热量，这一部分热量使电池温度迅速上升，严重时导致电池电解液蒸发过快，造成电池反应面积减小，甚至造成阴极破坏。所以大功率的金属/空气电池系统多需采用循环电解液的方式来降低电池组的温度同时将循环产物带到系统外部。为了保证电解液的循环，电池组一般采用电解液下进上出的循环方式，多个电池组串联则需通过主流道实现连通，随着串联电池数量增加，单位时间内每个单池内的流量差异逐渐明显，导致单池内温度差异大，进而导致放电性能的差异，严重时因为温度失控导致阴极的损坏。目前常用的解决方案是增大主流道的截面积，但这样会使得电池组的尺寸急剧增大，降低系统的比能量。
现有技术中，可通过降低流速和增大主管路与支管路直径比两种方式来增加电池系统各单电池电解液注液的一致性。但降低流速有一定范围，流速太低，散热不满足要求；而增大主管路与支管路直径比，也有一定的限制，一方面因但支管路有排产物杂质需求同时需满足短路电流，即支路不能过细；另一方面主管路越大则越占用体积。
发明内容
本发明针对上述问题，发明一种高一致性金属/空气电池系统，实现流体均匀分配，提高电池系统比能量并延长阴极的实际使用寿命。
一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述液泵的进液口与储液单元相连，所述液泵的出液口与换热器进液口相连，换热器排液口与金属/空气电池组的电解液注液口相连；所述金属/空气电池组的电解液出液口与储液单元相连，形成闭合回路；所述金属/空气电池组，包括N节的串联连接的单电池，所述N为大于等于2的整数；所述单电池包括一单电池壳体,单电池壳体面内的垂直于单电池壳体底部的金属阳极，置于电池壳体内相对两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成的电解液腔；单电池壳体下部设有单电池的液体注液口和上部设有液体排液口，液体注液口处设有二端开口的注液管道，液体注液口穿过注液管道的侧壁面与注液管道相连通；液体排液口处设有二端开口的排液管道，液体排液口穿过排液管道的侧壁面与排液管道相连通；从左至右N节的单电池壳体相互平行、依次排列，所述N节的单电池的注液管道依次串连形成注液主流道,所述N节的单电池的排液管道依次串连形成排液主流道,于所述相邻接的单电池壳体间留有空隙形成空气流道；其特征在于：所述注液主流道一端或二端设有主注液口,所述注液主流道内设置有流量均衡单元，外部与一电机连接，通过电机控制流量均衡单元的动作实现电解液流动的一致性。
所述注液主流道为一直管,所述流量均衡单元为一沿轴线螺旋盘绕的挡片，长度与电池组注液主流道内流体流动方向的长度相同，螺距为相邻单电池液体注液口间距；所述挡片一端与电机的输出轴转动连接，电机控制挡片绕注液主流道的轴线转动。挡片的转动控制进入单电池液体注液口内的电解液量接近于定值。
所述叶片沿转动轴的轴向设置，其为N组，每组均与单电池的液体注液口相对应设置，每组叶片的个数为2片以上沿转动轴的径向均匀设置。N组叶片控制N个单电池液体注液口流量相近，提高电池组单电池间的液体流动一致性。
所述每组叶片的个数相同，分别为2个以上，所述叶片由层叠的二个板体构成，其中一个板体固定于转动轴上，另一个板体可于固定于转动轴上的板体表面滑动，N组叶片组上相对应的可滑动板体通过一根沿流体流动方向设置的连杆依次串连连接，2个以上连杆一端均固定于一个与注液主流道同轴的固定环上，通过固定环转动带动可滑动板体运动，进而改变叶片的面积，从而控制在相同转速下进入单电池的流量增大或减小。
所述注液主流道为一直管,所述流量均衡单元为一沿轴线螺旋盘绕的挡片，长度与电池组注液主流道内流体流动方向的长度相同，螺距为相邻单电池液体注液口间距；所述挡片一端与电机的输出轴转动连接，电机控制挡片绕注液主流道的轴线转动。
所述注液主流道为一直管,所述流量均衡单元为一沿轴线螺旋盘绕的挡片，长度与电池组注液主流道内流体流动方向的长度相同，螺距为相邻单电池液体注液口间距；所述挡片一端与电机的输出轴转动连接，电机控制挡片绕注液主流道的轴线转动。
所述流量均衡单元为一流量调节器，流量调节器由N个以上沿垂直流体流动方向设置的挡板，挡板之间通过二根沿流体流动方向设置的连杆依次串连连接，单电池注液口处于相邻挡板之间，二根连杆的一端分别经凸轮或曲柄滑块机构与电机传动连接，或一根连杆的一端与注液主流道固接，另一根连杆的一端分别经凸轮或曲柄滑块机构与电机传动连接，由电机带动连杆沿流体流动方向往复运动。
通过两根连杆的差动，实现流量调节器挡板的扭转，进而调节单电池液体注液口开启大小，控制进入单电池内流体流经的截面积，调节单电池间流量。
于单电池内设有用于检测单电池内温度的温度传感器，温度传感器与一温度控制器信号连接，电机经温度控制器与外电源连接。电机为一调速马达。
与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池具有以下优点：
(1)高一致性的电解液流动有效控制单池性能(电压、温度等)，提高系统的放电容量，提高阳极利用率，有效延长阴极实际工况使用寿命；
(2)流量均衡单元内置于注液主流道内，在不增加主流道尺寸情况下合理提升流动一致性，降低系统体积，提高系统比能量。
附图说明
图1金属/空气电池组结构示意图；
图2流量均衡单元为一带叶片转动轴示意图；
图3可滑动叶片转动轴结构示意图；
图4流量均衡单元为沿轴线螺旋盘绕的挡片示意图；
图5流量调节器结构示意图；
图6实施例与对比例测试结果；
图中，1-单电池，2-主排液口A，3-主注液口A，4-转动部件，5-电机。
具体实施方式
实施例
电池系统采用30个单电池串联组成，其中单体电池含两片阳极、四片阴极，阳极为铝合金，尺寸为160*150*3mm，单体电池阴极尺寸为180*160*2，单池极间距为2mm，电解液为7mol/L的NaOH溶液，电池组(1)中的30个单电池各自有注液口与排液口，相互串联叠加，形成电池组的注液主流道(2)和排液主流道(3)，两端则形成主注液口A(3)、主注液口B、主排液口A(2)、主排液口B，
实施例1，在注液主流道内增加同轴叶轮，叶轮转速与进入单电池内流量成正比，通过温度传感器检测单电池内的温度，同时反馈至电控室，电控部件将检测到的温度信号与电压或电流关联，输出电压信号或电流信号，控制可调速马达以响应的转速带动叶轮轴转动，进而控制点电池内流量。主注液口按照10L/min注液量进行注液，如图1所示，测得单电池内流量值如图6所示。
对比例1，为相同电池组，主注液口A进行注液，主注液口B封闭，测得单电池内流量分布如图6所示。
从图中可以看出，与对比例相比，实施例中测得的单电池内流量分布非常均匀，最大流量和最小流量相差小于50ml，而对比例中单电池内流量分布明显不均，最大流量和最小流量相差大于400ml。

Claims (7)

1.一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述液泵的进液口与储液单元相连，所述液泵的出液口与换热器进液口相连，换热器排液口与金属/空气电池组的主注液口相连；所述金属/空气电池组的主排液口与储液单元相连，形成闭合回路；所述金属/空气电池组，包括N节的串联连接的单电池，所述N为大于等于2的整数；所述单电池包括一单电池壳体，单电池壳体面内的垂直于单电池壳体底部的金属阳极，置于电池壳体内相对两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成的电解液腔；单电池壳体下部设有单电池的液体注液口和上部设有液体排液口，液体注液口处设有二端开口的注液管道，液体注液口穿过注液管道的侧壁面与注液管道相连通；液体排液口处设有二端开口的排液管道，液体排液口穿过排液管道的侧壁面与排液管道相连通；从左至右N节的单电池壳体相互平行、依次排列，所述N节的单电池的注液管道依次串连形成注液主流道,所述N节的单电池的排液管道依次串连形成排液主流道,于相邻接的单电池壳体间留有空隙形成空气流道；其特征在于：
所述注液主流道一端或二端设有主注液口，所述注液主流道内设置有流量均衡单元，外部与一电机连接，通过电机控制流量均衡单元的动作实现电解液流动的一致性；
注液主流道为一直管,所述流量均衡单元为一沿流体流动方向设置的转动轴，转动轴上带有叶片，所述转动轴与电机的输出轴转动连接，电机控制转动轴和叶片的转动。
2.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：所述叶片沿转动轴的轴向设置，其为N组，每组均与单电池的液体注液口相对应设置，每组叶片的个数为2片以上沿转动轴的径向均匀设置。
3.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：每组叶片的个数相同，分别为2个以上，所述叶片由层叠的二个板体构成，其中一个板体固定于转动轴上，另一个板体可于固定于转动轴上的板体表面滑动，N组叶片组上相对应的可滑动板体通过一根沿流体流动方向设置的连杆依次串连连接，2个以上连杆一端均固定于一个与注液主流道同轴的固定环上，通过固定环转动带动可滑动板体运动，进而改变叶片的面积，从而控制在相同转速下进入单电池的流量增大或减小。
4.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：所述注液主流道为一直管,所述流量均衡单元为一沿轴线螺旋盘绕的挡片，长度与电池组注液主流道内流体流动方向的长度相同，螺距为相邻单电池液体注液口间距；所述挡片一端与电机的输出轴转动连接，电机控制挡片绕注液主流道的轴线转动。
5.如权利要求1所述金属/空气电池系统，其特征在于：所述流量均衡单元为一流量调节器，流量调节器由N个以上沿垂直流体流动方向设置的挡板，挡板之间通过二根沿流体流动方向设置的连杆依次串连连接，单电池注液口处于相邻挡板之间，二根连杆的一端分别经凸轮或曲柄滑块机构与电机传动连接，或一根连杆的一端与注液主流道固接，另一根连杆的一端分别经凸轮或曲柄滑块机构与电机传动连接，由电机带动连杆沿流体流动方向往复运动。
6.如权利要求1-5任一所述金属/空气电池系统，其特征在于：于单电池内设有用于检测单电池内温度的温度传感器，温度传感器与一温度控制器信号连接，电机经温度控制器与外电源连接。
7.如权利要求6所述金属/空气电池系统，其特征在于：电机为一调速马达。
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