CN201048156Y - 碱性锌空气电池模块及电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碱性锌空气电池模块及电池，包括夹持在上下电池框之间的上下空气极，隔膜，锌电极组成将电池模块安装到壳体内，在壳体上安装通风设施，壳体外设置有封闭的空气过滤池与气泵，气泵将经过过滤的空气送入壳体中。这样的装置设计既可以通过双面电极的使用提高锌空气电池的容量，又可以方便电池在放电结束后，更换锌电极；而且空气过滤系统的设计可有效地避免二氧化碳对电池的不利影响。

Description

碱性锌空气电池模块及电池

技术领域：

本实用新型属于电池技术领域，特别涉及可过滤空气的锌空气电池模块及电池。

背景技术：

锌空气电池因为其具有比能量高、工作电压平稳、安全性好、绿色环保、制造成本低等优点而具有广阔的应用前景。因此，积极开发锌空气电池是解决环保和能源危机的重要途径。目前，锌空气动力电池通常被设计成机械更换式，即电池放电结束后，通过更换其中的锌电极以达到电池的“充电”效果。专利“一种便于更换锌电极的锌空气电池装置”(申请号：200610039690.7)介绍了一种不仅使锌电极更换方便、快速，且可避免更换过程中损坏空气极的锌空气电池装置。该装置的弊端主要体现在由于使用了单面空气极，因此，电池的容量低，使用范围受到限制。其次，锌空气电池广泛使用碱性电解液，包括氢氧化钠和氢氧化钾等。在电池工作中，空气中的氧气参与电化学反应中产生电能。问题在于，空气中不仅仅有电池反应需要的氧气，也含有对电池反应不利的二氧化碳。尤其是碱性电解液工作环境中，二氧化碳进人电池，使碱性电解液碳酸化，形成碱金属的碳酸盐或亚碳酸盐。当碳酸盐在阴极中结晶时，阴极会受到损坏，并会堵塞空气的通路，从而影响到电池的使用寿命和供电能力。目前没有锌空气电池使用中加设过滤二氧化碳的设备的报道。

发明内容：

本实用新型提出一种装有空气过滤系统的碱性锌空气电池模块及电池，碱性锌空气电池模块采用了双面空气极，既增加了电池容量，又方便电池更换锌电极；碱性锌空气电池模块还可避免空气中的二氧化碳对电池性能的不利影响。

本实用新型的技术方案如下：

碱性锌空气电池模块，包括有由集流体与外敷锌膏构成的锌电极，上、下空气极，隔膜，上、下电池框，从空气极和集流体上分别通过导线引出作为电池的正负极；其特征在于：所述的锌电极外用包裹隔膜包裹，锌电极的上、下方分别放置有上、下空气极，锌电极与上、下空气极均为平板形状，上、下空气极与锌电极的上、下表面之间分别有隔膜进行隔离，上、下电池框分别夹持在上、下空气极的表面，并固定连接。

所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于所述的上、下电池框内有若干个支撑条，支撑条上有突出块，突出块用于支撑上、下空气极的表面。

所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于沿电池框上有高度与锌电极平齐的内框，内框外有溢流槽。

所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于所述的上、下电池框结构相同，电池框的上下表面分别有能够相互契合的凹槽与凸块。

碱性锌空气电池，包括有封闭的壳体，由集流体与外敷锌膏构成的锌电极，上、下空气极，隔膜，上、下电池框，从空气极和集流体上分别通过导线引出作为电池的正负极；其特征在于：所述的锌电极外用包裹隔膜包裹，锌电极的上、下方分别放置有上、下空气极，锌电极与上、下空气极均为平板形状，上、下空气极与锌电极的上、下表面之间分别有隔膜进行隔离，上、下电池框分别夹持在上、下空气极的表面，并固定连接后水平安装在壳体内，壳体上安装有通风设施，壳体外设置有封闭的空气过滤池与气泵，空气过滤池内装有吸收二氧化碳的液体，气泵的送气口通入空气过滤池的底部，空气过滤池的顶部联通有出气管送入壳体内。

所述的碱性锌空气电池，其特征在于所述的空气过滤池的吸收二氧化碳的液体中安装有过滤网。

所述上、下电池框通常由塑料注塑而成，也可采用布胶板材料制成。电池框中间有间隔等距离平行排布的若干支撑条，支撑条上、下两而均有突出块，等间距分布，电池框上的内框由不导电的、高度与包裹锌电极的隔膜平齐的塑料制成，内框外是溢流槽，内框以内用于安装锌空气电池部件，支撑条上依次放置下空气极、隔膜、用包裹隔膜包裹的锌电极、隔膜、上空气极。

上、下电池框的四边分别设有四个定位孔，上、下电池框可以通过安装在定位孔内的螺栓固定连接。

当二个或二个以上碱性锌空气电池模块叠放在一起时，由于上、下电池框结构相同，电池框的上下表面分别有能够相互契合的凹槽与凸块，这样叠放在一起的电池框之间通过凹槽与凸块配合，成为一个整体。

由于上、下电池框的支撑条上设置了突出块，突出块用于顶压上、下空气极表面。突出块之间的空间形成上、下空气极的通风口；这样既可使得空气极、与隔膜和锌膏之间充分接触，又可以通过突出块之间的空间形成的通风口，保持通畅的氧气扩散空间。

所述空气过滤池通常由塑料注塑而成，内部设置了之字形不锈钢滤网，之字形不锈钢滤网上再设置一道拦截水蒸汽的不锈钢网，以破坏可能溢出的水膜，以利于经过过滤的气体输入至壳体内参与电池反应，

气泵通常是直流泵，通常在40只电池组成的电池组中，其选用规格为24V，气量为10L/min，一般同时备有两个。

电池壳体顶部安装了通风设施是小风扇，可选规格为24V，0.09A，直径80mm，用于电池使用中散热和除去经过过滤系统的水汽对电池的不利影响。

这样的装置设计既可以通过双面电极的使用提高锌空气电池的容量，又可以方便电池在放电结束后，更换锌电极；而且空气过滤系统的设计可有效地避免二氧化碳对电池的不利影响。

该电池装置中，锌电极被包裹隔膜包裹后平铺在上、下空气极中间，单电池的组装是将上、下电池框通过四边的固定螺栓固定在一起，然后进行放电，放电结束后，松开固定螺栓取下上电池框，掀开上空气极，锌电极的取出口即是电极面，该取出口远大于现有立式放置的机械插块式锌空气电池装置的取出口，从而可方便、快速地实现锌电极在反应结束后的更换，即便锌电极在放电反应过程中发生增厚扭曲变形也不会被卡住；在更换锌电极时，由于取出锌电极前上空气极已先与下电池框分离，故不会出现为了更换锌电极导致的上空气极受损，而下空气极与待更换的锌电极之间有隔膜相隔，更换的过程也不象现有立式放置的机械插块式锌空气电池装置那样直接抽出锌电极，而是用工具将锌电极刮下，通常反应后的锌膏结成块状，刮起非常方便，因此不会损伤下空气极。这种电池结构的好处还体现在，在空气极的有效寿命内，下空气极的安装只需一次即可，每次只要更换锌电极后，将上空气极盖在锌电极上，重新组装好电池即可继续放电，非常方便。由于该电池装置采用了空气过滤系统，因此，空气中的二氧化碳对电池的不利影响可以得到有效地控制，经过二氧化碳过滤器，空气得到净化，避免了电解液的碳酸化带来的不利影响。电池壳体顶部安装了风扇设备可以有助于系统散热并除去经过过滤系统的水汽带来的不利影响。

附图说明：

图1是本实用新型锌空气电池电池框结构示意图。

图2是本实用新型电池的结构示意图。

图3是本实用新型电池模块结构分解图。

图4是本实用新型电池空气过滤系统的结构示意图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

参见各附图。

实施例1：

本实用新型锌空气电池模块，包括由集流体8敷锌膏1构成的锌电极，以及上、下电池框2和3、上下隔膜4和5，上下空气极6和7，其中，空气极6、7和集流体8分别通过导线引出作为电池的正负极；其特征在于：在平放的下电池框3的上部放置下空气极7，然后依次放置下隔膜5，用包裹隔膜9包裹的锌电极、上隔膜4、上空气极5、上电池框2，电池模块组装后放置在电池密封壳体10内，该壳体10外设置了空气过滤装置11以及配套气泵12，壳体顶部设置了通风设施13。

所述锌膏1由电解锌与比重为1.3的KOH溶液和聚丙烯酸钠按5-6∶3-4∶0.01-0.1的重量比调和成膏糊状而成。本实施例单电池中，将电解锌与比重为1.3的KOH溶液和聚丙烯酸钠按重量比为60％∶39.5％∶0.5％的比例调和成膏糊状，存放1天后即成锌膏1。

所述集流体8采用金属导体如铜或锌制作的薄板，作为收集、输出电流的一个电极。

所述隔膜4、5是隔离空气极和锌电极的部件，通常采用耐碱隔膜纸或尼龙布制作，同包裹锌电极的包裹隔膜9。所述空气极6、7，是采用聚四氟乙烯乳液作粘结剂，将活性炭、石墨、乙炔黑、二氧化锰按重量比4∶2-4∶1-2∶2-4混合，辊压在镀镍铜网上，在180-200℃烘箱内烘烤20-50分钟，冷却到室温后，在面向空气极的一面压上一层厚0.1-0.15mm的聚四氟乙烯薄膜制成。也可参照现有公开技术如《化学电源》(中南大学出版社，2000年，P126-133)中所述的方法制作。

所述上、下电池框2、3通常由塑料注塑而成，也可以是布胶板材料制成。本实施例中采用工程塑料注塑电池框，电池框2、3的外观尺寸为195mm×155mm，高12mm；沿电池框内周边粘贴不导电的、高度与包裹锌电极的隔膜平齐的塑料条16，该塑料条16将槽内空间分为两部分，外围空间是溢流槽17，内部空间是锌极槽18。围成锌极槽的塑料条16尺寸为厚2mm高10mm，锌极槽18的外形尺寸为164mm×124mm，内尺寸为160mm×122mm。支撑条14的尺寸是108mm×4mm×8mm，其高度的6mm伸出槽体的底部，支撑条14在电池框内每间隔15mm均匀分布，每个支撑条上分布着直径为4mm，厚度为1mm的突出块15，两突出块圆心之间的间隔是20mm，在支撑条上下均匀分布，突出块15压在空气极6、7上既可使得空气极、隔膜和锌膏充分接触，又可以保持通畅的氧气扩散空间。定位销20高11mm，位于电池框的四个边脚，定位孔19直径7mm，高19mm，位于电池框的四边中间位置。

将厚度为0.1mm的铜皮裁成154mm×114mm大小的矩形作为集流体8，在包裹锌膏的隔膜9内放置180g锌膏1，平铺至大小与空气极尺寸相当，然后在锌膏上平放集流体8，在该集流体8平铺180g锌膏1，然后用包裹电极将上下两部分锌膏1和集流体8包裹在一起，将集流体上焊接铜导线穿过包裹隔膜的预留位置引出框体之外，作为负极。包裹锌膏的隔膜9是十字形。

上空气极6大小为158mm×124mm×0.7mm，下空气极7大小为154mm×114mm×0.7mm，上下空气极串联作为正极，焊接铜导线并引出框体之外，上隔膜4尺寸为167mm×127mm×0.1mm，下隔膜5尺寸为150mm×110mm×0.1mm。

电池壳体根据负载需要的电量进行设计，即能够将需要的电池个数放置到壳体内即可，同时壳体的顶部中间设置了圆形的通风口，通风口安装了风扇，电池不用的时候将通风口外盖盖住，避免空气不利影响，电池使用的时候，打开外盖，风扇即可以利用电池发电而工作，以利于通风散热。

二氧化碳过滤器是长方形的盒状外形，壳体尺寸为260×45×220，盒盖开有四个孔，分别外接四根软管，其中外侧的两根管连接两根管径为5mm的不锈钢管，伸入过滤器内200mm处，内侧两根软管接外设的直流气泵。该过滤器自顶盖向下20mm处水平设置了一道200目的不锈钢网，尺寸为255×40×1mm，用于拦截水雾。底部向上设置了3道之字形200目的不锈钢网，尺寸为255×40×1mm。不锈钢管穿过上述4道不锈钢网。过滤器内盛有高度高于之字形网20mm的工业废碱30。过滤器的两根外侧的软管连接电池壳体的进风口，该进风口接有两根深入电池壳体底部的不锈钢管，管径为5mm，该管壁上两侧分布着若干个直径2mm的通风孔，经过过滤的气体从通风孔出来均匀地给电池供应反应气体。过滤器的顶部固定了两个直流气泵，电压为24V，耐压30V，空载气量为15L/min，负载气量为10L/min。

然后按照以下方式进行单电池和电池组的组装：

将下空气极7放置在下电池框3的底部内，周边通过热封的方法固定，在下空气极7上平铺下隔膜5，然后秤取一定的锌膏1，并平铺在包裹隔膜9的中部，然后在锌膏1上放置集流体8，在集流体8上平铺同样重量的锌膏1，用隔膜9将上下两层锌膏包裹，隔膜充分润湿，集流体8的极耳从隔膜9的预留位置穿出，以便接线。将隔膜9包裹的秤取好锌膏的锌电极放置在下隔膜5上，然后盖上上隔膜4以及上空气极6，之后将上电池框2的底部支撑条14压在上空气极6上，四个边脚的定位销20固定在下电池框3的相应位置，四边的定位孔19相互对应，并扣上螺丝，拧紧，此时，突出块15将空气电极面，隔膜面和锌电极面紧密接触在一起，上下空气极的极耳进行连接引出作为正极。单电池即可组装完成。锌空气电池制成后，放在塑料袋或电池盒内密封存放。

将电池平放在电池壳体内，壳体顶部设有通风的风扇，将电池正负极引出的导线与负载相连，过滤器按照前述方式安装好，根据电池可以提供的电压范围选择直流气泵电池就可以正常工作了。本实施例单电池的额定输出是1V10A。

需要额定输出6V10A的电池组工作时，取上述单电池6片平叠在一起，将正负极引出的导线按串联的方式连接起来作为电池组，将电池组的正负极与负载相连，过滤器按照前述方式安装好，根据电池可以提供的电压范围选择直流气泵，电池就可以正常工作了。

需要12V20A电池组工作时，取上述单电池24片，分两组，每组12片叠放在一起，空气极向上，电极组成2个12V的电池组，再将这两组并联即可满足要求，然后将过滤器按照前述方式安装好，根据电池可以提供的电压范围选择直流气泵，电池就可以正常工作了。。

本实用新型锌空气电池当工作至锌膏不能维持电池正常输出要求时，可以方便地通过更换锌膏或锌电极使电池再工作：打开上电池框2，掀开上空气电极6和上隔膜4，刮去锌电极上的旧锌膏，换上新的包裹电极，装入新的锌膏1，集流体可以继续使用；或直接更换锌电极。按安装步骤重新组装成单电池后，电池又可以继续使用。旧锌膏放入电解槽内还原成锌后，又可以循环使用。

更换锌电极时，打开空气极后，锌电极的取出口即是电极面，该取出口远大于现有立式放置的机械插块式锌空气电池装置的取出口，故可方便、快速地实现锌电极在反应结束后的更换；且由于取出锌电极前上空气极已先与电池框分离，故不会出现为了更换锌电极导致的上空气极受损，而且锌电极被包裹电极包住，反应后一般成块状的锌，在更换中不易损伤到下空气极。过滤器设置在电池系统外，不影响更换锌电极的操作过程。

Claims (6)

1.碱性锌空气电池模块，包括有由集流体与外敷锌膏构成的锌电极，上、下空气极，隔膜，上、下电池框，从空气极和集流体上分别通过导线引出作为电池的正负极；其特征在于：所述的锌电极外用包裹隔膜包裹，锌电极的上、下方分别放置有上、下空气极，锌电极与上、下空气极均为平板形状，上、下空气极与锌电极的上、下表面之间分别有隔膜进行隔离，上、下电池框分别夹持在上、下空气极的表面，并固定连接。

2.根据权利要求1所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于所述的上、下电池框内有若干个支撑条，支撑条上有突出块，突出块用于支撑上、下空气极的表面。

3.根据权利要求1所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于沿电池框上有高度与锌电极平齐的内框，内框外有溢流槽。

4.根据权利要求1所述的碱性锌空气电池模块，其特征在于所述的上、下电池框结构相同，电池框的上下表面分别有能够相互契合的凹槽与凸块。

5.碱性锌空气电池，包括有封闭的壳体，由集流体与外敷锌膏构成的锌电极，上、下空气极，隔膜，上、下电池框，从空气极和集流体上分别通过导线引出作为电池的正负极；其特征在于：所述的锌电极外用包裹隔膜包裹，锌电极的上、下方分别放置有上、下空气极，锌电极与上、下空气极均为平板形状，上、下空气极与锌电极的上、下表面之间分别有隔膜进行隔离，上、下电池框分别夹持在上、下空气极的表面，并固定连接后水平安装在壳体内，壳体上安装有通风设施，壳体外设置有封闭的空气过滤池与气泵，空气过滤池内装有吸收二氧化碳的液体，气泵的送气口通入空气过滤池的底部，空气过滤池的顶部联通有出气管送入壳体内。

6.根据权利要求5所述的碱性锌空气电池，其特征在于所述的空气过滤池的吸收二氧化碳的液体中安装有过滤网。

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