CN113258173B - 汽车用整体式充填锌空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车用整体式充填锌空气电池，包括电池箱体、多个单体电池、空气过滤装置、锌粉存储仓和电解液循环系统，多个单体电池并排设在电池箱体中，单体电池包括空气电极和阳极，锌粉存储仓设在电池箱体的上方，空气过滤装置与电池箱体相连通，经由空气过滤装置过滤后的空气与空气电极发生还原反应，阳极用于锌粉发生氧化反应，电解液循环系统与电池箱体相连。

Description

汽车用整体式充填锌空气电池
技术领域
本发明属于空气电池技术领域，具体涉及一种汽车用整体式充填锌空气电池。
背景技术
随着工业迅猛发展，石化燃料消耗急增，石化燃料在燃烧过程中会产生大量二氧化碳，产生的二氧化碳不能透过红外幅射，使地球温度升高，形成“温室效应”，导致冰川融化，自然灾害频发。目前我国石油年消耗量约7亿吨，其中汽车耗油3亿多吨。
汽车动力电池采用氢为燃料的电池是今后的发展方向，质子燃料电池热效率高，清洁环保无噪音，负载响应速度快，运行维护方便；但是，价格昂贵，高温寿命以及稳定性并不理想，燃料供应体系还存在许多问题（如：氢的生产，成本与储存），使得质子燃料电池还未广泛应用。
目前，95%的电动汽车使用锂离子电池，而质子燃料电池仅占5%。锂离子电池价格较贵，易燃易爆，循环寿命短，报废电池回收工艺复杂。因此，越来越多的人把目光转向以活泼金属（Li,Zn,Mg,Al）为燃料的金属燃料电池。
锌空气电池是金属燃料电池的一种。早在1879年出现锌空气电池，由于没有合适空气电极结构和有效的催化剂，放电电流密度小，制约了其发展。1960年以后，PTFE材料应用于空气电极，随着燃料电池的研究与发展，也为锌空气电池的发展带来契机。
锌空气电池的优点是容量大，由于正极（阴极）活性物质是空气中的氧，理论上正极容量无限，电池容量只决定于锌负极（阳极）的容量；理论比能量可达1350wh/kg；而且锌来源广、价格低廉、成本低；锌空气电池的放电曲线十分稳定、内阻小、大电流放电和脉冲放电性能好；能在-20～80℃的范围内正常工作；此外，锌空气电池的回收简单、再生成本低、无污染、对环境友好、安全性好和不会因短路起火爆炸。
国内外电动汽车用锌空气电池主要采用机械充电式和锌料循环式两种结构。申请号为：CN201120072378.4发明专利，公开了一种新型机械扦块式锌空气电池，用新的阳极取代已消耗的阳极，更换新的阳极作业耗用人力多。阳极制作时，锌粉与添加剂、粘结剂、溶剂混合为胶状物涂在集流体上，压成薄板，并经热处理固化制成新的阳极。工序繁多，耗时费力。另外，也有不需要制成阳极板的方式，采用循环活性物质方法将锌粉混合物泵入阳极室进行电化学反应，反应产物回收锌粉返回使用。
由于电池由数百个单体锌空气电池组成，如何将锌膏均匀分配至每个单体电池是个难题，而且有的锌膏掺有其他添加物，给锌的回收带来麻烦。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种汽车用整体式充填锌空气电池。
根据本发明的一个方面，提供了一种汽车用整体式充填锌空气电池，包括电池箱体、多个单体电池、空气过滤装置、锌粉存储仓和电解液循环系统，多个单体电池并排设在电池箱体中，单体电池包括空气电极和阳极，锌粉存储仓设在电池箱体的上方，空气过滤装置与电池箱体相连通，经由空气过滤装置过滤后的空气与空气电极发生还原反应，阳极用于锌粉发生氧化反应，电解液循环系统与电池箱体相连。
在一些实施方式中，电解液循环系统包括电解液贮存槽和泵体，电解液贮存槽设在电池箱体的下端，泵体用于将电解液贮存槽的电解液排出至电池箱体中，然后再流入到单体电池中，单体电池上设有溢流孔。
在一些实施方式中，还包括排出装置，排出装置设在电池箱体的下端，排出装置用于将电池箱体中的含有氧化锌的电解液排出至电解液贮存槽中。
在一些实施方式中，锌粉存储仓中设有锌粉耙平装置，锌粉耙平装置包括螺杆、刮板和微型电机，微型电机的输出轴与螺杆相连，刮板与螺杆相连，微型电机通过螺杆带动刮板移动。
在一些实施方式中，还包括电极支撑架，单体电池还包括隔膜，空气电极设在电极支撑架上，隔膜设在空气电极上。
在一些实施方式中，排出装置包括电磁铁、弹簧、阀板和吊杆，电磁铁设在电池箱体和电极支撑架之间的空间内，吊杆的下端与阀板相连，电池箱体的下端设有开口，阀板用于抵住开口，吊杆的上端用于与电磁铁相连，弹簧套在吊杆上。
在一些实施方式中，电磁铁、弹簧和吊杆均有四个。
在一些实施方式中，空气过滤装置包括风机、空气过滤器、干燥器、二氧化碳吸附剂和氧气瓶，风机与空气过滤器相连，空气过滤器和干燥器相连，干燥器和二氧化碳吸附剂相连，氧气瓶设在空气过滤器和干燥器之间的管路上。
在一些实施方式中，锌粉存储仓的上端设有透气防潮盖。
本发明的有益效果为：
本发明中，在电池箱体中装入多个（如数百个）单体电池，由于在电池箱体的上端设置有锌粉存储仓，锌粉存储仓中可以设有锌粉耙平装置，锌粉耙平装置可以将锌粉存储仓中锌粉耙均匀，让锌粉均匀分配在数百个单体电池中，可以解决锌粉分配不均匀的问题；此外，由于锌粉是直接加入作为负极（阳极）的一部分，因此，不用配成锌膏，也不用碾压成型，不含粘接剂及其它添加剂，可以解决负极钝化，自溶解及析氢的技术难题；此外，活性物质锌粉利用率大幅提高，利用率可以达到80%～90%。
再者，本发明设置有电解液循环系统，通过电解液循环系统可以将电解液加入到电池箱体中，然后进入到单体电池中，电解液不干涸且不稀释。电解液循环系统可以减少浓差极化，降低电池内阻，并且提高电池工作电压。
通过空气过滤装置，可以确保进入电池的空气干净不含二氧化碳，避免了电解液碳酸化。根据动力需要调节进气量与含氧量。含氧提高，使电流密度加大。
再者，本发明产生的氧化锌，可以通过回收再生系统，将氧化锌进行还原，氧化锌还原生成的氧气又可以供给空气过滤装置。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的汽车用整体式充填锌空气电池的结构示意图；
图中：1-电池箱体；11-底板；2-空气电极；3-阳极；4-空气过滤装置；41-风机；42-空气过滤器；43-干燥器；44-二氧化碳吸附剂；45-氧气瓶；5-锌粉存储仓；51-螺杆；52-刮板；53-透气防潮盖；6-电解液循环系统；61-电解液贮存槽；62-泵体；7-排出装置；71-电磁铁；72-弹簧；73-阀板；74-吊杆；75-密封件；8-电极支撑架；9-隔膜。
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。
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“及／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。
图1示意性的显示了本发明一种实施方式的汽车用整体式充填锌空气电池的结构。
如图1所示，一种汽车用整体式充填锌空气电池，包括电池箱体1、多个单体电池、空气过滤装置4、锌粉存储仓5和电解液循环系统6，多个单体电池并排设在电池箱体1中，单体电池包括空气电极2和阳极3。此外，该汽车用整体式充填锌空气电池还可以包括排出装置7、电极支撑架8；本实施例中的单体电池还可以包括隔膜9。
在本实施例中，图1中仅示意了其中一个单体电池，实际上，在电池箱体1中安装有数百个单体电池，每个单体电池的安装方式相同；锌粉存储仓5可以安装在电池箱体1的上方，空气过滤装置4与电池箱体1相连通，经由空气过滤装置4过滤后的空气与空气电极2发生还原反应，阳极上则相应的发生氧化反应，生成氧化锌。
本实施例中的阳极3可以包括厚度为0.1～0.8mm光滑的镍板、不锈钢板、铜板、黄铜板中一种集流体以及锌粉组成，数百个单体电池组成本发明，锌粉可以在阳极3处发生氧化反应，而电解液循环系统6则可以与电池箱体1相连。
在本实施例中，如图1所示，电解液循环系统6可以包括电解液贮存槽61和泵体62，电解液贮存槽61可以安装在电池箱体1的下端，泵体62可以通过管路与电解液贮存槽61相连，泵体62还可以通过管路与电池箱体1相连，通过泵体62可以将电解液贮存槽61中的电解液排出至电池箱体1中，然后进入到单体电池中；同时，而在单体电池的上端设有溢流孔；当电池箱体1中的电解液的体积小于设定值范围时，可以通过泵体62向电池箱体1中补充电解液，电池箱体1再将电解液排入到单体电池中，当单体电池中的电解液的体积大于设定值范围时，可以通过溢流孔将电解液排出，而溢流孔可以与电解液贮存槽61相连通，溢流孔流出的电解液可以排出至电解液贮存槽61中。
在本实施例中，如图1所示，可以在电池箱体1的下端设置排出装置7，在电池箱体1的下端设置有开口，通过打开排出装置7，单体电池中的电解液可以流入到电池箱体1中，电池箱体1中的含有氧化锌的电解液排出至电解液贮存槽61中。
在本实施例中，如图1所示，锌粉存储仓5中可以安装有锌粉耙平装置，锌粉耙平装置可以包括螺杆51、刮板52和微型电机，微型电机的输出轴与螺杆51相连，刮板52与螺杆51相连，如可以在刮板52的背面上设置有丝母，丝母套在螺杆51上，因此，当微型电机启动时，微型电机的输出轴可以带动螺杆51转动，螺杆51转动时，可以带动丝母移动，丝母可以带动刮板52移动，刮板52在移动过程中，可以耙平锌粉存储仓5中锌粉，当图1中的锌粉存储仓5与电池箱体1连通时，锌粉存储仓5中的锌粉可以均匀掉落在电池箱体1中，因此，锌粉可以均匀分布在各个单体电池中。
如图1所示，在本实施例中，电极支撑架8可以安装在电池箱体1中，空气电极2可以安装在电极支撑架8上，隔膜9可以安装在空气电极2上；从图1中可以看出，单体电池的结构从左往右依次为：空气电极-隔膜-锌粉-阳极-锌粉区-隔膜-空气电极。
在本实施例中，空气电极2共有三层，外层为防水透气层，中间层为镍丝网或泡沫镍集流体，内层为催化剂层，催化剂层上可以设置有MnO2/C、Ag/C、V2O5/C、La0.6Ca00.4CO2O3、Co2O3/C中的一种或几种作为催化剂，空气电极2处的氧气发生还原反应。
另外，电极支撑架8可以采用PE、PP、PA、PS、ABS等工程塑料制成；上述的电解液贮存槽61可以采用铝合金材料制成，也可以在电解液贮存槽61处设置水冷夹套，水冷夹套可以与水冷箱相连通，通过水冷夹套可以对电解液贮存槽61降温。
在本实施例中，如图1所示，排出装置7可以包括电磁铁71、弹簧72、阀板73和吊杆74，电磁铁71可以安装在电池箱体1和电极支撑架8之间的空间内，吊杆74的下端可以穿过电池箱体1的底板11并与阀板73固定相连，电池箱体1的下端可以成型有开口，阀板73可以用来抵住开口，弹簧72套在吊杆74上，即弹簧72的下端可以固定在吊杆74上，当电磁铁71通电时，吊杆74的上端可以与电磁铁71相连，同时弹簧72被压缩，此时阀板73可以抵住开口，使得电池箱体1中的电解液不会漏出，当电磁铁71断电时，在弹簧72回复力的作用下，弹簧72可以带动吊杆74向下移动，同时吊杆74的下端可以带动阀板73向下移动，将开口打开，电池箱体1中的电解液可以从开口处流出；当然电池箱体1中的电解液可以直接流出至外部，或者流出至电解液贮存槽61中。此外，可以增加密封件75，密封件75可以防止单体电池和电池箱体1中的电解液漏出。
在本实施例中，电磁铁71、弹簧72和吊杆74均有四个，通过两个电磁铁71、弹簧72和吊杆74可以更容易带动阀板73上下移动，从而打开电池箱体1下端的开口或者抵住电池箱体1下端的开口。
在本实施例中，如图1所示，空气过滤装置4可以包括风机41、空气过滤器42、干燥器43、二氧化碳吸附剂44和氧气瓶45，风机41可以通过管路与空气过滤器42相连，空气过滤器42通过管路和干燥器43相连，干燥器43通过管路和二氧化碳吸附剂44相连，氧气瓶45可以设置在空气过滤器42和干燥器43之间的管路上。由于设置有氧气瓶45，因此，可以根据需要来调节电池箱体1内氧气的量，从而增大本发明的功率。
在本实施例中，锌粉存储仓5的上端设有透气防潮盖53，可以通过压缩空气的方式将锌粉送入锌粉存储仓5中，空气则可以从透气防潮盖53排出。
此外，在本实施例中，可以设置电池管理系统BMS，通过电池管理系统BMS可以检测本发明的电压、电流和温度等数据，还可以通过电池管理系统BMS进行SOC估算，均衡控制，安全管理，故障报警及处理，通讯功能等。并且，根据功率输出控制含有氧化锌的电解液的阀板73的动作频率与时间长短，相应地控制锌粉加入量，还可以根据温度控制冷却水量。
本发明中，在电池箱体中装入多个（如数百个）单体电池，由于在电池箱体的上端设置有锌粉存储仓，锌粉存储仓中可以设有锌粉耙平装置，锌粉耙平装置可以将锌粉存储仓中锌粉耙均匀，让锌粉均匀分配在数百个单体电池中，可以解决锌粉分配不均匀的问题；此外，由于锌粉是直接加入作为负极（阳极）的一部分，因此，不用配成锌膏，也不用碾压成型，不含粘接剂及其它添加剂，可以解决负极钝化，自溶解及析氢的技术难题；此外，活性物质锌粉利用率大幅提高，利用率可以达到80%～90%。
再者，本发明设置有电解液循环系统，通过电解液循环系统可以将电解液加入到多个电池箱体中，然后再流入到单体电池中；因此，电解液不干涸且不稀释。电解液循环系统可以减少浓差极化，降低电池内阻，并且提高电池工作电压。
通过空气过滤装置，可以确保进入电池的空气干净不含二氧化碳，避免了电解液碳酸化。根据动力需要调节进气量与含氧量。含氧提高，使电流密度加大。
再者，本发明产生的氧化锌，可以通过回收再生系统，将氧化锌进行还原，氧化锌还原生成的氧气又可以供给空气过滤装置4。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：包括电池箱体(1)、多个单体电池、空气过滤装置(4)、锌粉存储仓(5)和电解液循环系统(6)，多个单体电池并排设在所述电池箱体(1)中，所述单体电池包括空气电极(2)和阳极(3)，所述锌粉存储仓(5)设在所述电池箱体(1)的上方，所述空气过滤装置(4)与电池箱体(1)相连通，经由空气过滤装置(4)过滤后的空气与空气电极(2)发生还原反应，所述阳极(3)用于锌粉发生氧化反应，所述电解液循环系统(6)与所述电池箱体(1)相连，所述锌粉存储仓(5)中设有锌粉耙平装置，所述锌粉耙平装置包括螺杆(51)、刮板(52)和微型电机，所述微型电机的输出轴与所述螺杆(51)相连，所述刮板(52)与所述螺杆(51)相连，所述微型电机通过螺杆(51)带动所述刮板(52)移动，当微型电机启动时，微型电机的输出轴带动螺杆(51)转动，螺杆(51)转动时，带动丝母移动，丝母带动刮板(52)移动，刮板(52)在移动过程中，能够耙平锌粉存储仓(5)中的锌粉，当锌粉存储仓(5)与电池箱体(1)连通时，锌粉存储仓(5)中的锌粉能够均匀掉落在电池箱体(1)中，因此，锌粉能够均匀分布在各个单体电池中；锌粉耙平装置能够将锌粉存储仓中锌粉耙均匀，让锌粉均匀分配在数百个单体电池中。
2.根据权利要求1所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：所述电解液循环系统(6)包括电解液贮存槽(61)和泵体(62)，所述电解液贮存槽(61)设在所述电池箱体(1)的下端，所述泵体(62)用于将电解液贮存槽(61)的电解液排出至电池箱体(1)中，所述单体电池上设有溢流孔。
3.根据权利要求1所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：还包括排出装置(7)，所述排出装置(7)设在所述电池箱体(1)的下端，所述排出装置(7)用于将电池箱体(1)中的含有氧化锌的电解液排出至电解液贮存槽(61)中。
4.根据权利要求1所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：还包括电极支撑架(8)，所述单体电池还包括隔膜(9)，所述空气电极(2)设在所述电极支撑架(8)上，所述隔膜(9)设在所述空气电极(2)上。
5.根据权利要求3所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：所述排出装置(7)包括电磁铁(71)、弹簧(72)、阀板(73)和吊杆(74)，所述电磁铁(71)设在所述电池箱体(1)和电极支撑架(8)之间的空间内，所述吊杆(74)的下端与所述阀板(73)相连，所述电池箱体(1)的下端设有开口，所述阀板(73)用于抵住所述开口，所述吊杆(74)相连，所述弹簧(72)套在所述吊杆(74)上。
6.根据权利要求5所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：所述电磁铁(71)、弹簧(72)和吊杆(74)均有四个。
7.根据权利要求1所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：所述空气过滤装置(4)包括风机(41)、空气过滤器(42)、干燥器(43)、二氧化碳吸附剂(44)和氧气瓶(45)，所述风机(41)与所述空气过滤器(42)相连，所述空气过滤器(42)和干燥器(43)相连，所述干燥器(43)和二氧化碳吸附剂(44)相连，所述氧气瓶(45)设在所述空气过滤器(42)和干燥器(43)之间的管路上。
8.根据权利要求1所述的汽车用整体式充填锌空气电池，其特征在于：所述锌粉存储仓(5)的上端设有透气防潮盖(53)。
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