CN114361657B - 一种单电解质铝空气电池单体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单电解质铝空气电池单体结构，包括电池壳体、双极板和电池上壳，所述电池上壳安装在电池壳体上部；所述电池壳体包括单电解质导流区、电化学反应区、阳极插槽、出液口和极板固定扣，所述单电解质导流区位于所述电池壳体底部；所述单电解质导流区包括进液口、电解液引流通道、电解液导流格栅和空气通道，所述电化学反应区位于所述电池壳体中部，所述电化学反应区包括铝阳极、支撑格栅、空气极、U型空气极槽和阴极极耳，所述电池壳体上方设有出液口；所述电池壳体上设有极板固定扣，所述双极板通过极板固定扣定位安装在电池壳体两侧。本发明提高了通过电解液散热效率，避免了铝阳极因流速不均匀造成的腐蚀速率差异。

Description

一种单电解质铝空气电池单体结构

技术领域

本发明涉及铝空气电池领域，特别涉及一种单电解质的铝空气电池。

背景技术

随着人口的不断增长，人们对能源的需求量不断增加。然而，传统的化石能源数量有限，且对环境也会造成污染。随着科学技术的不断进步，以风能、太阳能、核能、生物质能和潮汐能等为典型代表的新能源在节能减排方更所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著，其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。但是太阳能、风能、潮汐能能等清洁能源都是低密度能源，单一的清洁能源作用有限。

铝空气电池是一种铝空气电池，以铝作为阳极材料，空气作为阴极材料，以不同导电性能好的溶液作为电解质，通过电化学反应产生电能。铝空气电池具有理论比能量高的特点，可达到8100Wh/kg，虽然目前的实际比能量只达到350Wh/kg，但也是铅酸电池的7～8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。同时还具有质量轻，对环境无危害等优势，因此具有很高的发展前景。

然而在铝空气电池运行过程中，往往伴随着发热严重，还会产生大量反应产物，这些反应产物会影响电池的放电性能；铝阳极更换方式繁琐、耗时，不利于实际运用，以及电池模组中空气极散热及供氧不一致的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种单电解质的铝空气电池，可以解决铝空气电池存在电池过热，反应物沉淀不能及时排除，铝电极快速拆卸，上盖板与电极导体、电池壳体密封等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种单电解质铝空气电池单体结构，包括电池壳体、双极板和电池上壳，所述电池上壳安装在电池壳体上部；

所述电池壳体包括单电解质导流区、电化学反应区、阳极插槽、出液口和极板固定扣，

所述单电解质导流区位于所述电池壳体底部，用于引导电解质均匀运输到电化学反应区；所述单电解质导流区包括进液口、电解液引流通道、电解液导流格栅和空气通道，所述进液口与电解液引流通道连通，所述电解液引流通道为渐缩流道，所述电解液引流通道通过导流格栅与电化学反应区连通，用于使电解液均匀的竖直向上运动；所述电解液引流通道的渐缩端下方设有空气通道，且空气通道与电解液引流通道不连通；

所述电化学反应区位于所述电池壳体中部，所述电化学反应区包括铝阳极、支撑格栅、空气极、U型空气极槽和阴极极耳，所述电池壳体上方设有阳极插槽，所述铝阳极可穿过阳极插槽安装在电池壳体的腔体中，所述铝阳极两侧安装支撑格栅；所述支撑格栅外侧设有U型空气极槽，所述空气极一端密封安装在所述U型空气极槽内；所述空气极另一端通过阴极极耳密封固定；

所述电池壳体上方设有出液口；所述电池壳体上设有极板固定扣，所述双极板通过极板固定扣定位安装在电池壳体两侧。

进一步，所述双极板包括壳体、进气口、空气引流通道、空气导流格栅、空气极窗、支撑柱和出气口，所述壳体底部设有进气口，且进气口与空气通道连通；所述壳体上部设有出气口；所述壳体内部设有阵列分布的支撑柱，所述空气极窗通过支撑柱支撑；所述空气极窗覆盖在所述空气极上形成密封，防止所述双极板内的气体泄漏；所述进气口的周围设有空气引流通道，用于引导气体；所述空气引流通道通过空气导流格栅与空气极窗内部导通。

进一步，所述电池上壳的侧边设有壳体密封圈，用于所述电池上壳与所述电池壳体的密封，所述电池上壳的下侧设有排气孔，用于排放淤积在电池单体内的氢气，所述排气孔下侧安装有疏水透气膜，防止电解液从所述排气孔泄漏。

进一步，所述电池壳体上侧为矩形的阳极插槽，所述铝阳极从阳极插槽插入所述电池壳体，所述阳极插槽顶部设有环形槽，用于安装电池上壳，所述出液口位于所述进液口相反的方向。

进一步，所述电池壳体顶部两侧设有极板固定扣，用于连接双极板，避免所述电池壳体的方槽向内发生形变。

进一步，所述双极板外设有极板固定桩，所述电池壳体底部设有固定槽，用于安装所述双极板对应位置的固定桩，防止所述双极板发生横向位移。

进一步，所述电池上壳的中间设有圆形的阳极极耳插孔，用于安装铝阳极的导杆；所述阳极极耳插孔内部安装有阳极密封圈，用于所述电池上壳与铝阳极导杆之间的密封，所述铝阳极导杆暴露在所述电池上壳的部位作为阳极极耳。

进一步，所述导流格栅为密集分布的竖直格栅。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述的单电解质的铝空气电池，提供一种电解液引导的结构，通过设置引流通道、导流结构的方式，逐步引导电池内部电解液流动，使得电解液能够均匀的向上流动，解决了铝空气电池单体在运行过程中电解液流动不稳定、不均匀、有沉积的问题，提高了通过电解液散热效率，避免了铝阳极因流速不均匀造成的腐蚀速率差异。

2、本发明所述的单电解质的铝空气电池，提供了一种空气极安装密封、固定方式，与同类型的铝空气电池相比，添加了U型空气极槽，将空气极安装在槽内，并通过密封胶进行二次密封，极大的避免的空气极侧漏液的问题。

3、本发明所述的单电解质的铝空气电池，提供了一种新的双极板结构，设计外凸的空气极窗，能够很好的与空气极对接，实现了空气供给侧的密封，为提供富氧或纯氧提供了基础的密封环境；同时，双极板下侧的多级引流设计使富氧或纯氧能够均匀运输到空气极上，避免了空气测出现供氧不足的情况。

4、本发明所述的单电解质的铝空气电池，提供了一种铝阳极的固定安装方式，简化了固定结构，通过壳体密封圈完成上壳与电池壳体的紧固，利用阳极密封圈将铝阳极固定在上壳中，并且避免了该处的漏液；同时，该连接方式使铝阳极更容易从电池中、从上壳上抽取、更换，提高了铝阳极的跟换速度。

附图说明

图1为本发明所述的单电解质的铝空气电池三维图。

图2为本发明所述的单电解质的铝空气电池爆炸图。

图3为本发明所述的电池壳体三维图。

图4为本发明所述的电池壳体俯视图。

图5为本发明所述的电池壳体剖视图。

图6为本发明所述的双极板三维图。

图7为本发明所述的双极板剖视图。

图8为本发明所述的电池上壳三维图。

图9为本发明所述的电池上壳剖视图。

图中：

1-电池壳体；11-导流区；111-进液口；112-电解液引流通道；113-电解液导流格栅；114-空气通道；115-固定槽；12-电化学反应区；121-铝阳极；122-支撑格栅；123-空气极；124-U型空气极槽；125-阴极极耳；131-阳极插槽；132-出液口；133-极板固定扣；2-双极板；21-进气口；22-空气引流通道；23-空气导流格栅；24-空气极窗；25-支撑柱；26-出气口；27-极板固定桩；3-电池上壳；31-排气孔；32-壳体密封圈；33-阳极极耳插孔；34-阳极密封圈；35-疏水透气膜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的单电解质铝空气电池单体结构，包括电池壳体1、双极板2和电池上壳3，所述电池上壳3安装在电池壳体1上部；

如图3、图4和图5所示，所述电池壳体1包括单电解质导流区11、电化学反应区12、阳极插槽131、出液口132和极板固定扣133，所述单电解质导流区11位于所述电池壳体1底部，用于引导电解质均匀运输到电化学反应区12；所述单电解质导流区11包括进液口111、电解液引流通道112、电解液导流格栅113和空气通道114，所述进液口111是内径为4mm圆管管道，可以理解的，其内径可以但不限于4mm，可根据单体的大小调整，选择1mm到10mm不等的内径。进液口111的外延部位可连接外部电解液出液管或电池组外部进液总管。所述进液口111与电解液引流通道112连通，所述电解液引流通道112为渐缩流道，用来对电解液进行初步引导，其倾斜程度根据电池单体的长度调整。电解液导流格栅113位于电解液引流通道112上方，所述电解液引流通道112通过导流格栅113与电化学反应区12连通，用于对电解液进行二次引导，使电解液均匀的竖直向上运动，减少因流速不均匀造成的铝阳极腐蚀速率；电解液导流格栅113的厚度为1mm，间距为2.5mm，可以理解的，电解液导流格栅113的厚度与间距可以但不限于该值，当电解液引流通道112无法很好的对电解液进行引导时，可通过缩小流速较快的部位的电解液导流格栅113的间距，增大该处的流动阻力，从而达到电解液流速均匀的目的。所述电解液引流通道112的渐缩端下方设有空气通道114，且空气通道114与电解液引流通道112不连通，用于运输双极板2所需要的空气。

所述电化学反应区12位于所述电池壳体1中部，所述电化学反应区12包括铝阳极121、支撑格栅122、空气极123、U型空气极槽124和阴极极耳125，所述电池壳体1上方设有阳极插槽131，所述铝阳极121可穿过阳极插槽131安装在电池壳体1的腔体中，所述铝阳极121两侧安装支撑格栅122，支撑格栅122用于分隔铝阳极121与空气极123，避免由于铝阳极121安装倾斜和/或空气极123向内变形造成的阴极与阳极接触，从而造成接触部位电池短路和/或电解液流动受阻，进而造成铝空气电池局部过热。支撑格栅122的竖直设计能够极大地避免支撑格栅对电解液流动造成的影响。所述支撑格栅122外侧设有U型空气极槽124，即电化学反应区两侧的边缘设有U型空气极槽124，所述空气极123一端密封安装在所述U型空气极槽124内，并通过耐碱性腐蚀密封胶填充密封；所述空气极123另一端通过阴极极耳125密封固定，该设计极大地避免了空气极泄漏问题。同时，该设计是空气极更换更加便捷，当某处空气极破损时，能够更方便的更换。

阳极插槽131位于电池壳体1上侧，阳极插槽131为一个方槽，且面积略大于铝阳极，铝阳极从该处插入电池壳体。所述电池壳体1上方设有出液口132，铝空气电池在运行过程中副反应产生的大部分氢气能够通过出液口132排除电池。所述电池壳体1上设有极板固定扣133，用于固定安装在电池壳体两侧的双极板，同时避免阳极插槽向内变形，从而避免铝阳极被挤压，进一步减少铝阳极的更换难度。

如图6和图7所示，所述双极板2包括壳体、进气口21、空气引流通道22、空气导流格栅23、空气极窗24、支撑柱25、出气口26和极板固定桩27，所述壳体底部设有进气口21，且进气口21与空气通道114连通，其位置与电池壳体1的空气通道114对应，从空气通道114运输过来的富氧空气或纯氧从进气口21进入壳体内部，流经空气引流通道22、空气导流格栅23进入空气极窗24，最后运输到空气极123上，供电化学反应消耗。在双极板2的中间两侧均设有空气极窗24，其位置对应于电池壳体1上的空气极123，空气极窗24上网状结构用于支撑空气极123，避免其在运行过程中向外发生变形；所述壳体内部设有阵列分布的支撑柱25，所述空气极窗24通过支撑柱25支撑，防止网状结构受力向内变形；所述空气极窗24覆盖在所述空气极123上形成密封，防止所述双极板2内的气体泄漏；所述进气口21的周围设有空气引流通道22，引流通道22为弧形的叶片，将运输进来的空气更多的引导至远离进气口21的一侧，同时靠近进气口21的上侧设有一组格栅，用于减少该处的富氧空气或纯氧流动；所述空气引流通道22通过空气导流格栅23与空气极窗24内部导通，用于二次引导流经的富氧空气或纯氧，其分布原理与电解液导流格栅113相似，可在空气流量较大的地方对空气导流格栅23进行加密，从而达到富氧空气或纯氧流速均匀的目的。所述双极板2外设有极板固定桩27，所述电池壳体底部设有固定槽115，用于安装所述双极板对应位置的固定桩27，防止所述双极板2横向发生横向位移。所述壳体上部设有出气口26；在出气口26的附近还设有弧形的空气引导结构，能够使经过空气极窗的富氧空气或纯氧更够顺利输送出双极板2，避免双极板内出现无氧区，从而影响电化学反应。

如图8和9所示，所述电池上壳3的侧边设有壳体密封圈32，用于所述电池上壳3与所述电池壳体1的密封，所述电池上壳3的下侧设有排气孔31，用于排放淤积在电池单体内的氢气，所述排气孔31下侧安装有疏水透气膜35，防止电解液从所述排气孔31泄漏。在电池上壳3的中间设有圆形的通孔，即为阳极极耳插孔33，用于安装铝阳极121的导杆，铝阳极121的导杆为圆柱形，与铝阳极的材料相同，由铝材整个加工而成，可以理解的，铝阳极121的导杆的形状可以但不限与圆柱形，但圆柱形结构更加有利于密封圈密封。在阳极极耳插孔33内部安装有阳极密封圈34，用于电池上壳3与铝阳极121导杆之间的密封，避免电解液从该处泄漏，从而腐蚀电路。铝阳极121的导杆暴露在所述电池上壳3的部位作为阳极极耳，与外部电路连接。在阳极极耳插孔33内部的两侧设有矩形的短柱，其宽度略小于电池壳体1中阳极插槽131的宽度，当电池上壳3安装在电池壳体1上时，可以防止阳极插槽131因无受力点而造成的变形。在这些矩形短柱上设有2个排气孔31，用于排除电池运行过程中淤积在电池单体上侧的氢气。可以理解的，排气孔31的数量可以但不限于2个。在排气孔31的下侧均安装有疏水透气膜35，防止电解液从排气孔31出溢出。在矩形短柱周围设有壳体密封圈32，当电池上壳3安装进电池壳体1中时，壳体密封圈32会填充在电池上壳3与电池壳体1之间，实现电池上壳3与电池壳体1之间的密封。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，包括电池壳体(1)、双极板(2)和电池上壳(3)，所述电池上壳(3)安装在电池壳体(1)上部；

所述电池壳体(1)包括单电解质导流区(11)、电化学反应区(12)、阳极插槽(131)、出液口(132)和极板固定扣(133)，

所述单电解质导流区(11)位于所述电池壳体(1)底部，用于引导电解质均匀运输到电化学反应区(12)；所述单电解质导流区(11)包括进液口(111)、电解液引流通道(112)、电解液导流格栅(113)和空气通道(114)，所述进液口(111)与电解液引流通道(112)连通，所述电解液引流通道(112)为渐缩流道，所述电解液引流通道(112)通过导流格栅(113)与电化学反应区(12)连通，用于使电解液均匀的竖直向上运动；所述电解液引流通道(112)的渐缩端下方设有空气通道(114)，且空气通道(114)与电解液引流通道(112)不连通；

所述电化学反应区(12)位于所述电池壳体(1)中部，所述电化学反应区(12)包括铝阳极(121)、支撑格栅(122)、空气极(123)、U型空气极槽(124)和阴极极耳(125)，所述电池壳体(1)上方设有阳极插槽(131)，所述铝阳极(121)可穿过阳极插槽(131)安装在电池壳体(1)的腔体中，所述铝阳极(121)两侧安装支撑格栅(122)；所述支撑格栅(122)外侧设有U型空气极槽(124)，所述空气极(123)一端密封安装在所述U型空气极槽(124)内；所述空气极(123)另一端通过阴极极耳(125)密封固定；

所述电池壳体(1)上方设有出液口(132)；所述电池壳体(1)上设有极板固定扣(133)，所述双极板(2)通过极板固定扣(133)定位安装在电池壳体(1)两侧；

所述双极板(2)包括壳体、进气口(21)、空气引流通道(22)、空气导流格栅(23)、空气极窗(24)、支撑柱(25)和出气口(26)，所述壳体底部设有进气口(21)，且进气口(21)与空气通道(114)连通；所述壳体上部设有出气口(26)；所述壳体内部设有阵列分布的支撑柱(25)，所述空气极窗(24)通过支撑柱(25)支撑；所述空气极窗(24)覆盖在所述空气极(123)上形成密封，防止所述双极板(2)内的气体泄漏；所述进气口(21)的周围设有空气引流通道(22)，用于引导气体；所述空气引流通道(22)通过空气导流格栅(23)与空气极窗(24)内部导通。

2.根据权利要求1所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述电池上壳(3)的侧边设有壳体密封圈(32)，用于所述电池上壳(3)与所述电池壳体(1)的密封，所述电池上壳(3)的下侧设有排气孔(31)，用于排放淤积在电池单体内的氢气，所述排气孔(31)下侧安装有疏水透气膜(35)，防止电解液从所述排气孔(31)泄漏。

3.根据权利要求1所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述电池壳体(1)上侧为矩形的阳极插槽(131)，所述铝阳极(121)从阳极插槽(131)插入所述电池壳体(1)，所述阳极插槽(131)顶部设有环形槽，用于安装电池上壳(3)，所述出液口(132)位于所述进液口(111)相反的方向。

4.根据权利要求1所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述电池壳体顶部两侧设有极板固定扣(133)，用于连接双极板(2)，避免所述电池壳体(1)的方槽向内发生形变。

5.根据权利要求1所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述双极板(2)外设有极板固定桩(27)，所述电池壳体底部设有固定槽(115)，用于安装所述双极板对应位置的固定桩(27)，防止所述双极板(2)发生横向位移。

6.根据权利要求4所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述电池上壳(3)的中间设有圆形的阳极极耳插孔(33)，用于安装铝阳极的导杆；所述阳极极耳插孔(33)内部安装有阳极密封圈(34)，用于所述电池上壳(3)与铝阳极(121)导杆之间的密封，所述铝阳极导杆暴露在所述电池上壳(3)的部位作为阳极极耳。

7.根据权利要求1所述的单电解质铝空气电池单体结构，其特征在于，所述导流格栅(113)为密集分布的竖直格栅。