CN112234279A - 一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组。该电池组中所有金属电极均位于电解液池内；空气电极固定于电解液池侧壁的电极槽内；阳极循环装置的底座沿着电解槽侧壁的上表面固定于电解液池上；连杆传送机构通过支架固定于底座上方；连杆传送机构内部的同步带在连杆传送机构内循环运行；抬起凸块固定于底座上；阳极连接杆中上端连杆固定于同步带上，上端连杆和下端连杆之间可活动连接，下端连杆与夹持金属电极的固定架固定连接；当阳极连接杆转动到抬起凸块时，下端连杆位于抬起凸块上，固定架将夹持的金属电极带至电解液池上方。本发明可以提高金属电极的更换效率。

Description

一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，特别是涉及一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组。

背景技术

锂离子电池组作为目前广泛应用的动力电池，具有功率密度高，循环寿命长的特点，在动力设备中，应用广泛。但是锂离子电池也有其固有缺陷，一是能量密度低，在广泛使用锂离子电池作为能源的电动车领域，锂离子电池的低能量密度，造成了纯电动车的续航里程一直不尽如人意；锂离子电池对于充放电的温度有较高要求，一般的要求摄氏0℃以下，就不能充电，低于摄氏-10℃，就不能工作，对于寒冷地区冬季的使用造成很大不便。同时，锂离子电池固有的安全性问题以及回收难题，都使得迫切需要其他形式的电池对锂电池进行替代。

空气燃料电池除了在功率密度方面和锂电池有比较大的差距外，在能量密度，产物的环境友好性和安全性上，都较锂离子电池具有很大的优越性，是一个有前途的发展方向。空气燃料电池按照阳极不同，分为氢气燃料电池和金属燃料电池，氢燃料电池，采用氢气作为阳极，氧气作为阴极，产物是水。高压氢气的能量密度很大，但是高压氢气的储存运输难度较大，也存在较大的危险性，目前很多国家都停止了氢气燃料电池的开发。

金属空气电池，以活泼金属作为阳极，氧气作为阴极，产物为金属的盐或者氢氧化物。目前主要使用的活泼金属包括：镁，铝和锌。按照使用的电解液不同，分为酸性电解液电池，碱性电解液电池和中性电解液电池，其中，铝和锌只能使用酸性或者碱性电解液。由于镁的金属活性强于所述前者金属，可以采用中性盐溶液(比如NaCl溶液)作为电解液。

金属空气燃料电池组的金属阳极在供电过程中会不断损耗，当金属电极损耗殆尽，需要更换新的金属电极。传统的金属空气燃料电池在更换过程中，需逐个检查金属电极是否完全反应，并且需要中断电力供应，拆卸金属电极，且手续繁琐，当一次需要更换所有的电极时，对于损耗较低的单体，会造成金属的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，以提高金属电极的更换效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，包括：电解液池、阳极循环装置、抬起凸块、阳极连接杆、空气电极和金属电极；

所述电解液池内为电解液，所有金属电极均位于所述电解液池内；所述电解液池侧壁上开设电极槽，所述空气电极固定于所述电极槽内；所述空气电极的离子侧浸入所述电解液中，所述空气电极的空气侧暴露在所述电解液池外部的空气中；

所述阳极循环装置包括底座、支架和连杆传送机构；所述底座为中空的环形结构，所述底座与所述电解液池的形状匹配，所述底座沿着所述电解槽侧壁的上表面固定于所述电解液池上；所述连杆传送机构通过所述支架固定于所述底座上方；所述连杆传送机构内部置有同步带，所述同步带在所述连杆传送机构内循环运行；

所述抬起凸块固定于所述底座上，且所述抬起凸块的高度小于所述支架的高度；

所述阳极连接杆包括上端连杆、下端连杆和固定架；所述上端连杆的上端固定于所述同步带上，所述上端连杆的下端和所述下端连杆的上端之间可活动连接，所述下端连杆的下端与所述固定架固定连接，所述固定架用于夹持金属电极；

所述阳极连接杆随着所述同步带同步转动，所述固定架夹持的金属电极浸没在所述电解液池中的电解液中；当转动到所述抬起凸块时，所述下端连杆位于所述抬起凸块上，所述固定架将夹持的金属电极带至所述电解液池上方。

可选的，所述电解液池为环形槽，所述电解液池中的电解液的液面浸没所述金属电极的上边缘。

可选的，所述电解槽单侧壁为双层；所述底座沿着所述电解槽内侧壁的上表面固定于所述电解液池上；所述底座上包括向下的凸台，所述凸台卡接固定于所述电解槽内侧壁上。

可选的，所述抬起凸块包括第一凸块和两个第二凸块；两个所述第二凸块分别固定于所述第一凸块的两侧；所述第二凸块为梯形凸块，所述第一凸块的上表面与所述第二凸块的上表面共面，所述第二凸块中与所述第一凸块不接触的面为斜面；所述阳极连接杆转动到所述抬起凸块时，所述下端连杆从第一个所述第二凸块的斜面移动至所述第一凸块的上表面，再从所述第一凸块的上表面移动至第二个所述第二凸块的斜面，直至所述抬起凸块外部。

可选的，所述阳极连接杆还包括连接板，所述上端连杆的上端通过所述连接板固定于所述同步带上。

可选的，所述上端连杆的下端和所述下端连杆的上端之间通过销可活动连接；且所述上端连杆的下端包括限位机构，所述限位机构用于限制所述下端连杆的转动角度。

可选的，所述电解液池的侧壁上开设有进液口和出液口。

可选的，还包括：循环系统；

所述循环系统包括温度传感器、电子控制单元、沉淀池、滤网、循环泵和散热器；所述电解液池的出液口通过管路连接至所述沉淀池的第一入口，所述滤网固定于所述沉淀池内的出口位置；所述沉淀池的出口通过管路连接至所述循环泵的入口，所述循环泵的出口通过管路连接至所述散热器的入口，所述散热器的出口通过管路连接至所述电解液池的进液口；

所述温度传感器固定于所述电解液池内，所述温度传感器的信号输出端与所述电子控制单元连接，所述电子控制单元的输出端与所述循环泵的控制端连接，所述电子控制单元用于根据所述温度传感器的测量数据调节所述循环泵的流量。

可选的，还包括补液装置；

所述补液装置包括：液位传感器、液体浓度传感器、补液池、补液泵和单向阀；所述补液池中填充所述电解液，所述补液池的出口通过管路连接至所述补液泵的入口，所述补液泵的出口通过管路连接至所述单向阀的入口，所述单向阀的出口通过管路连接至所述沉淀池的第二入口；

所述液位传感器和所述液体浓度传感器均固定于所述电解液池中，所述液位传感器的信号输出端和所述液体浓度传感器的信号输出端均与所述电子控制单元的输入端连接，所述电子控制单元的输出端与所述补液泵的控制端连接，所述电子控制单元用于根据所述液位传感器和所述液体浓度传感器的测量数据调节所述补液泵的流量。

可选的，当所述电解液池中的电解液为酸性或碱性时，所述补液池中填充浓缩电解液；当所述电解液池中电解液为中性时，所述补液池中填充纯净水。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的金属空气燃料电池组的电池单元采用开放式结构，共用电解液，这样只需要一套控制系统就可以保证电解液的化学性质、产物含量和温度的稳定性。本发明采用开放式的大单体电池结构实现电池组稳定的输出，循环技术可保证电解液池中的金属电极面积为定值，所有电池单元放置在一个大的电解液池中，空气电极的空气侧暴露在外，以便吸收空气中的氧气，离子一侧浸在电解液中，金属电极浸没在电解液中，通过同步带循环转动，阳极连接杆带动固定夹同步转动，可以保证阳极均匀反应；并且在抬起凸块的作用下，阳极连接杆的下端连杆带动固定夹夹持的金属电极转动至电解液池外部，可以随时检查其消耗程度，提高金属电极检查效率。当需要对金属电极更换时，利用固定夹可实现对金属电极的快速更换，避免了对电池组的逐一检查，可以保证金属电极的更换不会造成输出的突变，也无需中断供电系统，大大简化了空气电池的维护，提升了维护效率，降低了人工和生产成本。

此外，本发明电解液池通过循环系统根据电解液池中的电解液温度实时调节循环流速，实现电解液彻底冷却的功能。而且本发明还通过补液装置随时对电解液池中的电解液进行补充，保证电解液可以浸没空气电极的离子侧以及金属电极，提高电池组的工作效率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中电解液池的结构示意图；

图2为本发明实施例1中阳极循环装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1中阳极连接杆的结构示意图；

图4为本发明实施例1中阳极连接杆的状态对比图；

图5为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组包括：电解液池、阳极循环装置、抬起凸块、阳极连接杆、空气电极和金属电极。

图1为本发明实施例1中电解液池的结构示意图。如图1所示，本实施例中电解液池1为环形电解液池，电解液池1中填充电解液，所有金属电极垂直浸在电解液中。所述电解液池1的侧壁上开设电极槽3，所述空气电极固定于所述电极槽3内，空气电极的离子侧浸入所述电解液中，空气电极的空气侧暴露在电解液池1外部的空气中。图中电极槽3为方形。电极槽3处可安装大面积整体式空气电极，此结构可减少开放式电池组的占地面积，提高空间利用率。电解液池1中电解液的高度要求浸没金属电极的上边缘而不能高于电解液池的上沿。

此外，本实施例中电解液池1的侧壁为环形双层侧壁。本实施例中电解液池1的侧壁上开设有进液口4和出液口2，方便电解液池1中电解液的后续循环和补充或更换。

图2为本发明实施例1中阳极循环装置的结构示意图。如图2所示，本实施例中，阳极循环装置包括底座7、支架8和连杆传送机构5。所述底座7为中空的环形结构，所述底座7与所述电解液池1的形状匹配，具体的，底座7与电解液池1的内侧壁环形形状匹配，所述底座7沿着所述电解槽内侧壁的上表面固定于所述电解液池1上。为了进一步固定所述阳极循环装置，底座7上还设置有向下凸台，凸台卡接固定于电解液池1的内侧壁上，以保证工作时的稳定性与可靠性。所述连杆传送机构5通过所述支架8固定于所述底座7上方，图中包括3个支架8。所述连杆传送机构5内部置有同步带，所述同步带在所述连杆传送机构5内循环运行。

如图2所示，本实施例中抬起凸块固定于所述底座7上，且所述抬起凸块的高度小于所述支架8的高度。图2中包括两个抬起凸块，两个抬起凸块分别位于阳极循环结构的两侧，两个抬起凸块结构相同。以其中一个抬起凸块为例进行具体说明。具体的，抬起凸块包括一个圆形凸块6和两个引导凸块9，两个引导凸块结构相同，引导凸块9为梯形，两个引导凸块9分别固定于圆形凸块6的两侧，且对称设置。圆形凸块6的上表面与两个引导凸块9的上表面共面，引导凸块9中与圆形凸块6不接触的面为斜面。

图3为本发明实施例1中阳极连接杆的结构示意图。如图3所示，所述阳极连接杆包括上端连杆11、下端连杆13和固定架12。所述上端连杆11的上端固定于所述同步带上，本实施例通过将连接板10与连杆传送机构5相连接，并与内部同步带进行粘接或者利用弹簧夹固定，将上端连杆11粘接到连接板10上，实现上端连杆11与同步带的固定。

上端连杆11的下端和所述下端连杆13的上端之间可活动连接，本实施例中通过销14实现活动连接，同时，所述上端连杆11的下端包括限位机构，所述限位机构用于限制所述下端连杆13的转动角度。所述下端连杆13的下端与所述固定架12粘连固定，所述固定架12用于夹持金属电极，实现金属电极随下端连杆13的旋转运动。

本实施例中，所述阳极连接杆随着所述同步带同步转动，所述固定架12夹持的金属电极浸没在所述电解液池1中的电解液中。当阳极连接杆转动到抬起凸块时，所述下端连杆13在抬起凸块上逐渐抬起，下端连杆13从第一个梯形凸块9的斜面移动至圆形凸块6的上表面，固定架12将夹持的金属电极带至所述电解液池上方，再从圆形凸块6的上表面移动至第二个梯形凸块9的斜面，直至整个抬起凸块外部。本发明的抬起凸块可以保证阳极连接杆在此处进行滑动，可以避免由于空间限制导致的金属电极在圆环处存在干涉的情况，并且可以保证金属电极在圆形凸块6处进行检查和更换。

阳极连接杆运动时的两种状态如图4所示，图4中左部分为下端连杆13未到达抬起凸块时的状态，此时，下端连杆13未抬起，金属电极可在电解液池1中进行放电。图4中右部分为下端连杆13到达抬起凸块中的圆形凸块6时的状态。当阳极连接杆运动到抬起凸块处时，先由引导凸块9将下端连杆13逐步抬起，后在圆形凸块6上进行旋转，此时金属电极脱离电解液池，可实现金属电极的逐一检查和更换，该结构巧妙利用环形槽的特点，可缩短电解液池1的槽宽，无需考虑金属电极在环形槽处的干涉问题。

根据功率要求，阳极消耗速率可以控制连杆传送机构5的运动速度，由于匀速运动时，浸在电解液中的阳极面积为定值，可有效控制电池组的稳定输出。本实施例在上端连杆11和下端连杆13中设有导线，固定夹12置有铜片进行导电，在连杆传送机构5中设有总线，可以汇集来自各阳极的电流，在大面积整体式空气电极的空气侧设有导线，与阳极的总导线共同构成电池组的输出模块。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上增加了循环系统。图5为本发明实施例2的结构示意图。如图5所示，本实施例中的循环系统包括温度传感器22、电子控制单元24、沉淀池18、滤网17、循环泵16和散热器15。所述电解液池的出液口2通过管路连接至所述沉淀池18的第一入口，所述滤网17固定于所述沉淀池18内的出口位置；所述沉淀池18的出口通过管路连接至所述循环泵16的入口，所述循环泵16的出口通过管路连接至所述散热器15的入口，所述散热器15的出口通过管路连接至所述电解液池的进液口4。所述温度传感器22固定于所述电解液池内，所述温度传感器22的信号输出端与所述电子控制单元24连接，所述电子控制单元24的输出端与所述循环泵16的控制端连接，所述电子控制单元24用于根据所述温度传感器22的测量数据调节所述循环泵16的流量。

相比于实施例1，本实施例加入循环系统后，组成智能化的金属空气电池系统。电解液池中温度传感器22的传感信号进入电子控制单元(ECU)24。循环水泵16的流量由ECU24根据温度传感器22的测量数据来确定，电解液池的出液口2流出的电解液到达沉淀池18中，被滤网17阻挡的沉淀沉积在沉淀池18的底部，可以移除和回收，清澈的电解液通过循环水泵16流经散热器15后，从进液口4返回电解液池中，实现了电解液池中电解液的冷却过程。

此外，本实施例还包括补液装置。所述补液装置包括：液位传感器23、液体浓度传感器25、补液池21、补液泵20和单向阀19。所述补液池21中填充所述电解液，所述补液池21的出口通过管路连接至所述补液泵20的入口，所述补液泵20的出口通过管路连接至所述单向阀19的入口，所述单向阀19的出口通过管路连接至所述沉淀池18的第二入口。所述液位传感器23和所述液体浓度传感器25均固定于所述电解液池中，所述液位传感器23的信号输出端和所述液体浓度传感器25的信号输出端均与所述电子控制单元24的输入端连接，所述电子控制单元24的输出端与所述补液泵20的控制端连接。补液泵20可以将补液池21中的浓缩电解液或纯水通过单向阀19注入沉淀池18，补液泵20的注入流量由ECU24根据液位传感器23和液体浓度传感器25的数据计算得到。当所述电解液池中的电解液为酸性或碱性时，所述补液池21中填充的为酸性或碱性浓缩电解液；当所述电解液池中电解液为中性时，所述补液池21中填充纯净水。

本实施例中，循环泵16、补液泵20、ECU24以及传感器22，23和25的供电都由金属空电池组提供，通过电源模块，获得不同用电器的所需的电压。

关于本发明上述装置的各个参数，具体计算过程如下：

1.电池单元(金属电极)数量的计算

设电池组额度输出功率为P，单体电池的额定功率为P₀，则电池个数

其中，round为取整函数。

2.同步带的设计

设同步带的需用工作拉力为T₀，单位长度质量为m，同步带的线速度为v，则额定功率P₁＝(T₀-mv²)v/1000。

为保证抗拉强度计算的有效性，引入两个计算系数，

设啮合系数为K_z，当啮合齿数Z_m小于6时，K_z＝1，当Z_m大于6时，K_z＝1-0.2(6-Z_m)。

设带宽系数为K_w，K_z＝(b_s/b_s0)1.14,其中b_s为同步带的实际宽度，b_s0为该种型号同步带的基准宽度，则额定功率

3.散热片的设计

设电池组发热系数为c，则发热功率P_h＝cP。

散热片额定流速为Q，出入口温差为ΔT，则额定散热功率P_e＝kQΔT，其中，k为电解液的比热容。

要求P_e＞P_h，给定Q之后，k为已知，则可以得到

已知ΔT和Q，就可以进行散热器设计

4.循环水泵的计算

流量：Q_p≥Q；

扬程p：整个系统的阻力系数为λ，则p≥λQ。

由于补液泵的流量和扬程较小，只需选择一个较小的潜水泵即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，包括：电解液池、阳极循环装置、抬起凸块、阳极连接杆、空气电极和金属电极；

所述电解液池内为电解液，所有金属电极均位于所述电解液池内；所述电解液池侧壁上开设电极槽，所述空气电极固定于所述电极槽内；所述空气电极的离子侧浸入所述电解液中，所述空气电极的空气侧暴露在所述电解液池外部的空气中；

所述阳极循环装置包括底座、支架和连杆传送机构；所述底座为中空的环形结构，所述底座与所述电解液池的形状匹配，所述底座沿着所述电解槽侧壁的上表面固定于所述电解液池上；所述连杆传送机构通过所述支架固定于所述底座上方；所述连杆传送机构内部置有同步带，所述同步带在所述连杆传送机构内循环运行；

所述抬起凸块固定于所述底座上，且所述抬起凸块的高度小于所述支架的高度；

所述阳极连接杆包括上端连杆、下端连杆和固定架；所述上端连杆的上端固定于所述同步带上，所述上端连杆的下端和所述下端连杆的上端之间可活动连接，所述下端连杆的下端与所述固定架固定连接，所述固定架用于夹持金属电极；

所述阳极连接杆随着所述同步带同步转动，所述固定架夹持的金属电极浸没在所述电解液池中的电解液中；当转动到所述抬起凸块时，所述下端连杆位于所述抬起凸块上，所述固定架将夹持的金属电极带至所述电解液池上方。

2.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述电解液池为环形槽，所述电解液池中的电解液的液面浸没所述金属电极的上边缘。

3.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述电解槽单侧壁为双层；所述底座沿着所述电解槽内侧壁的上表面固定于所述电解液池上；所述底座上包括向下的凸台，所述凸台卡接固定于所述电解槽内侧壁上。

4.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述抬起凸块包括第一凸块和两个第二凸块；两个所述第二凸块分别固定于所述第一凸块的两侧；所述第二凸块为梯形凸块，所述第一凸块的上表面与所述第二凸块的上表面共面，所述第二凸块中与所述第一凸块不接触的面为斜面；所述阳极连接杆转动到所述抬起凸块时，所述下端连杆从第一个所述第二凸块的斜面移动至所述第一凸块的上表面，再从所述第一凸块的上表面移动至第二个所述第二凸块的斜面，直至所述抬起凸块外部。

5.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述阳极连接杆还包括连接板，所述上端连杆的上端通过所述连接板固定于所述同步带上。

6.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述上端连杆的下端和所述下端连杆的上端之间通过销可活动连接；且所述上端连杆的下端包括限位机构，所述限位机构用于限制所述下端连杆的转动角度。

7.根据权利要求1所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，所述电解液池的侧壁上开设有进液口和出液口。

8.根据权利要求7所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，还包括：循环系统；

所述循环系统包括温度传感器、电子控制单元、沉淀池、滤网、循环泵和散热器；所述电解液池的出液口通过管路连接至所述沉淀池的第一入口，所述滤网固定于所述沉淀池内的出口位置；所述沉淀池的出口通过管路连接至所述循环泵的入口，所述循环泵的出口通过管路连接至所述散热器的入口，所述散热器的出口通过管路连接至所述电解液池的进液口；

所述温度传感器固定于所述电解液池内，所述温度传感器的信号输出端与所述电子控制单元连接，所述电子控制单元的输出端与所述循环泵的控制端连接，所述电子控制单元用于根据所述温度传感器的测量数据调节所述循环泵的流量。

9.根据权利要求8所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，还包括补液装置；

所述补液装置包括：液位传感器、液体浓度传感器、补液池、补液泵和单向阀；所述补液池中填充所述电解液，所述补液池的出口通过管路连接至所述补液泵的入口，所述补液泵的出口通过管路连接至所述单向阀的入口，所述单向阀的出口通过管路连接至所述沉淀池的第二入口；

所述液位传感器和所述液体浓度传感器均固定于所述电解液池中，所述液位传感器的信号输出端和所述液体浓度传感器的信号输出端均与所述电子控制单元的输入端连接，所述电子控制单元的输出端与所述补液泵的控制端连接，所述电子控制单元用于根据所述液位传感器和所述液体浓度传感器的测量数据调节所述补液泵的流量。

10.根据权利要求9所述的开放式阳极易更换的金属空气燃料电池组，其特征在于，当所述电解液池中的电解液为酸性或碱性时，所述补液池中填充浓缩电解液；当所述电解液池中电解液为中性时，所述补液池中填充纯净水。

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