CN210576047U - 一种金属空气电池及其电堆系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属空气电池及其电堆系统，电堆由多个电池单体级联叠装组成，电池单体包括单体框架、正极和负极：单体框架设有反应腔体以及反应腔体侧面的反应窗口，正极通过通气板压紧在反应窗口外侧的单体框架上，将反应窗口覆盖遮蔽，正极的内侧面与反应腔体的电解液接触；负极插装固定在反应腔体内部，与正极的内侧面平行设置，在单体框架上设置电解液以及空气的流通结构，叠合拼装的电堆结构简单、紧凑，提高了空气电池的体积能量密度，并且使得多个电池单体叠装的电堆电解液循环管路布置更加简化高效，进气通道通过管路主动提供流动的循环空气，并且可以在特定应用场景下连接氧气瓶运行，电堆组装方式简单可靠、组装效率高、一致性好，更适合工业化流水线批量生产。

Description

一种金属空气电池及其电堆系统

技术领域

本实用新型属于金属空气电池，具体涉及一种金属空气电池及其电堆系统。

背景技术

金属空气电池单体是以空气中的氧为正极活性物质，以金属为负极活性物质，以导电溶液为电解液，在正极催化剂的催化作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源。

金属空气电池的单体具有很多独特的优势，其燃料为金属材料，如铝、镁、锌，以及锂、钠等金属；因为燃料铝、镁、锌储量很丰富，金属空气电池资源可足量供应。正极活性物质是空气中的氧气，电池本身不用携带，电池所携带的能量大小由负极金属的量来决定，使得该种电池的实际比能量能够达到 865Wh/kg以上(目前锂离子电池在300Wh/kg以下)，有极大的性能优势。反应后的产物，可以通过继续加工后成为使用广泛的氧化物，如氧化铝，氧化镁等原材料，可应用于蓝宝石、手机屏、陶瓷、化妆品等众多行业。也可以利用风能、太阳能、水能等清洁能源或者电能富裕地区的电能重新电解氧化铝(或氧化镁)变为金属，然后再次安装到金属空气电池中放电。这样就可以实现集中大规模的生产，可以减少污染，减少排放，并且可以实现集中供电，分散使用，将成本较低的绿色电能转移到电能成本高的地方使用，将电能从能源易于获得的地方转移到能源难以获得的地方使用。可以真正实现无污染零碳排放的新能源汽车动力电池，过程中实现了无污染，零碳排放的绿色能源循环利用，金属空气电池在世界范围内日益引起重视。

目前金属空气电池因为需要连续提供电解液和空气，其组装的电堆内部电解液和空气通道复杂，电堆的整体结构冗杂，纳米级的反应生成物容易堵塞电解液的循环通道，维护难度极大，大量地占用了系统运行成本，降低了电池的工作效率。

同时金属空气电池中的负极为消耗电极，目前金属空气电池的金属负极多为单片结构，金属负极在使用过程中越来越薄，所以必须保留一定的厚度或纵横骨架结构防止金属负极跌落于电池单体的反应腔体内，这样会造成电池的负极金属板使用不完全，造成负极材料的浪费。电极引出连接件面积小，连接方式繁琐，组装复杂，连接电阻大，线路损耗严重，影响放电效率。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：针对现有的金属空气电池存在的结构复杂导致的电池工作效率不高的问题，提供一种新型的金属空气电池及其电堆系统。

本实用新型采用如下技术方案实现：

金属空气电池，包括单体框架、所述单体框架两侧面对称设置的正极以及所述单体框架中间设置的负极；

所述单体框架设有反应腔体以及反应腔体侧面的反应窗口；所述正极通过通气板压紧在反应窗口外侧的单体框架上，将反应窗口覆盖遮蔽，正极的内侧面与反应腔体内部的电解液接触；所述负极插装固定在反应腔体内部，与正极的内侧面平行设置；

所述单体框架上设有与反应腔体内部连通的入水口和出水口，所述反应腔体顶部两侧设置有溢流口，并通过溢流口与回流腔体连通；所述入水口位于反应腔体的底部中间；所述出水口位于回流腔体的底部；反应腔体内的电解液从入水口进入反应腔体后在负极和正极之间流通，通过溢流口和回流腔体从出水口流出；

所述通气板上设有暴露正极外侧面的通气窗。

进一步的，所述反应窗口外周的单体框架上设置一圈正极密封槽，所述正极密封槽内嵌装一圈正极密封圈，沿所述正极密封槽设有一圈若干热熔柱，所述正极密封圈、正极、通气板上分别设有与热熔柱一一对应的定位孔，所述热熔柱穿过正极密封圈、正极和通气板上的定位孔的端部通过热熔膨胀成热熔头，将正极密封圈、正极和通气板密封固定在单体框架上。

进一步的，所述单体框架的反应窗口设有将正极和电池内部的负极隔开的绝缘条。

进一步的，所述正极的侧边设置引出折边延伸至单体框架的前后端面，将正极引出铜片与引出折边压紧固定在单体框架的端面，所述正极引出铜片的接线端引出至单体框架的顶部进行电池排线。

进一步的，所述引出折边为正极集流体的金属网或金属板。

进一步的，所述反应腔体或回流腔体在高于溢流口位置的单体框架上设置有呼吸口。

在本实用新型的金属空气电池中，所述负极包括基板以及附着在基板表面的负极板，所述负极板与负极引出铜片接触，所述负极引出铜片露出固定在基板顶部设置的绝缘柄端部。

进一步的，所述基板的外边缘超出负极板的外边缘形成定位凸筋，所述反应腔体的顶部单体框架上设置与负极等宽的负极插槽，内部设有用于负极插装定位的负极定位挡板，所述负极定位挡板的内侧设置与负极上的定位凸筋导向限位的负极定位槽。

进一步的，所述负极两侧的负极定位挡板将反应腔体和两侧的回流腔体隔开，所述负极定位挡板顶部设置连通反应腔体和两侧回流腔体的两个溢流口，两个溢流口上均设置有向回流腔体伸出的台舌结构的溢流平台。

进一步的，所述绝缘柄与负极板之间的基板表面设有负极密封圈。

本实用新型还公开了一种电堆系统，通过本实用新型中的金属空气电池单体级联叠合拼装而成；

所述通气板的外侧表面上设有若干通气槽，所有的通气槽至少有一端与通气窗连通；所述单体框架上设有与通气槽连通的进气口和排气口，相邻电池的单体框架的进气口之间、排气口之间、入水口之间和排水口之间在电池单体叠合拼接后一一对接，整个电堆内部形成连续的进水通道、排水通道、进气通道和排气通道，相邻电池正极之间通过通气板上的通气窗口和通气槽形成若干连通进气通道和排气通道的气流通道；

所述反应腔体的底部为漏斗形的斜坡，所述入水口对接设置于斜坡的最低位置，所述入水口内设置有用于干扰流动液体流动平衡的扰流板；

其中，最外侧的入水口连接至电解液输送设备，最外侧的出水口连接至电解液回收设备，最外侧的进气口连接至带气体净化功能的气体输送设备，最外侧的排气口连接气体回收设备。

进一步的，所述进气口位于电池内部单体框架通气板的下方，所述排气口位于电池内部单体框架通气板的两侧面和上方。

本实用新型的金属空气电池中将入水口布置在反应腔体的底部，电解液从反应腔体的底部进入，然后逐渐充满反应腔体，通过反应腔体的顶部溢流到回流腔体，最终从出水口流出，实现电解液的循环流通。电解液将电池负极和正极全部浸满，电极材料的放电反应更加均衡，能够更高效地利用电极材料参与放电反应。

在单体框架上还设置有呼吸口与反应腔体连通，保证反应腔体内部的压力与外部的大气压一致，不会因为电解液进出产生的正压或负压对正极造成拉伸损坏，同时可以对电池工作时产生的气体排出或进行收集。

多个电池单体级联叠装的电堆之间通过入水口和出水口直接对接连接，只需要在电堆的最外侧两端通过管路连接电解液输送设备和电解液回收(净化处理)设备，整个电堆的电解液管路更简单。

电解液在电堆的循环通道可视为长管道输送，电解液在长管道内部流动时会在垂直于传送方向上产生“鱼腹式分布”效应，从而导致电堆中各个电池单体反应腔体内部的液面上升的幅度不一致，具体表现为：(1)单向供液时是由入水口一端向另一端高度递增，(2)双向供液时是两端的入水口端低中间部分高，甚至有的部分电池单体反应腔体内部电解液液面高度达不到溢流高度而不能够形成电解液循环。为了避免这一现象发生，本实用新型在单体框架的入水口内部设置有扰流板，通过扰流板对入水口对接通道内流动的电解液形成扰动，最终使得级联叠合的电池单体内部反应腔体的电解液液面上升幅度和流速趋于一致。

电解液经过反应腔体到达上部出口，从两侧回流腔体向下进入出水口流出，使级联叠合的电池单体内部电解液液面上升流速趋于一致，使各个电池单体间的放电反应一致，从而放电效率一致。

单体框架一般采用耐高温耐强碱的塑胶材质制作，在单体框架内与电解液接触的塑胶面上，均喷涂有耐强碱的超疏水材料，利用超疏水材料对水具有的排斥性，水滴在其表面无法滑动铺展而保持球型滚动状，从而达到滚动自清洁的效果，既能使得单体框架内部的腔壁能够保持洁净，还能防止电解液对单体框架内壁造成腐蚀。

本实用新型中的反应腔体内部与电解液有接触的塑料面上、顶部的溢流平台上、回流腔体内部均涂装有耐高温耐强碱的超疏水材料，其作用一是纳米级的反应生物不会粘附在其表面而形成斑块阻塞，作用二是当电解液通过溢流平台下落回流腔体时，液体形成间隙式的断流并单向导通，使得电池单体出水口的电阻增大，大大地减少了多个电池单体级联时由于输出端液流短路带来的电能损耗。

本实用新型中的的超疏水材料是耐高温耐强碱的PTFE涂料等有相同功能的其他材料。本实用新型还解决了电堆中各电池单体间主动正压空气循环供给问题，气流通道结合正极固定结构设置，采用通气板将电池单体上的正极固定，通气板作为与正极接触的部件，同时与相邻电池单体叠合形成对正极供气的通气部件。在通气板上设置通气窗和通气槽，结合电池单体上的进气口和排气口在叠合后形成的进气通道和排气通道，形成电堆之间连通的气流通道，空气通过风机等带有气体净化功能的气体输送设备鼓风从单体框架内部管道进入电池单体两侧面，通过相邻电池单体的通气板叠合后形成的气流通道，对电池的正极提供反应所需的氧气，空气从通气板的通气槽两侧或从上部两侧的排气口排出，实现多个电池单体之间的空气循环，主动正压流通的空气不但给正极提供了放电反应所需要的、足够的氧气，而且还带走了正极表面的热量，改善了正极的冷却散热问题，提高了正极的使用寿命，使电堆能够在封闭环境下面使用。

本实用新型的金属空气电池中还解决了正极密封安装操作繁琐并且密封不牢靠的问题，在单体框架的反应窗口外周设有若干个突出的热熔柱，热熔柱与单体框架一体成型，并在反应窗口的边缘设有正极密封槽，正极密封槽内放置正极密封圈，在正极密封圈的外侧放置正极，在正极的外侧放置通气板。正极以及通气板上均设有与单体框架上热熔柱对应的定位孔位，将所有正极和通气板上的定位孔位和热熔柱一一对齐后，将通气板和正极压紧，然后通过热熔设备一次将所有的热熔柱端部热熔形成倒扣的热熔头，热熔头膨胀后尺寸超过通气板上的定位孔位的直径，对通气板形成限位，通过这种方式将正极压紧紧固，单体框架上的反应窗口形成密封。

本实用新型的金属空气电池采用基板+负极板的复合负极结构，将参与放电反应的负极板通过基板插装固定在单体框架内部，在放电反应过程中，只有负极板与正极反应，可以直接将所有负极板全部反应完全，提高了负极金属材料的使用效率；基板采用不参与放电反应的不锈钢板或者非金属板，不会在使用过程中发生损耗，单片负极通过反应腔体内两侧的基板插槽安装，不会出现由于断裂导致负极掉落电池内部的情况；复合式负极采用通过插槽和定位槽放入的方式，更换金属燃料更简单快捷；负极与单体框架之间设有负极密封圈，能够有效地对单体框架内部的电解液起到密封作用。

综上所述，本实用新型从使用材料、引出极连接方式、空气循环方式和电解液循环方式入手进行电池的结构设计，解决了电池单体正极密封、正极均衡供氧、正极通风降温等问题，负极的密封和使用效率问题，正、负极引出连接问题，电解液高效循环问题，叠合拼装的电堆结构简单、紧凑，减小了电堆叠合安装后的体积，提高了电极材料的利用率，并且使得多组电池单体级联叠装时的电堆电解液循环管路布置更简化，进气通道通过管路主动正压提供流动的循环空气，改善了正极的冷却散热问题，提高了正极的使用寿命，并且可以在缺氧状态下连接氧气瓶运行，大大地提高了金属空气电池的输出能力和使用效率，提高了金属空气电池的适用范围；电堆组装方式简单可靠、组装效率高、一致性好，更适合批量生产，退役时还可以环保分类回收利用。以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的金属空气电池单体结构示意图。

图2为实施例中的金属空气电池单体的分解示意图。

图3为实施例中的单体框架结构示意图一。

图4为实施例中的单体框架结构示意图二。

图5为实施例中的单体框架内部反应腔体和回流腔体的位置示意图。

图6为实施例中的单体框架内部正极和负极之间的反应腔体局部示意图。

图7为实施例中的负极结构示意图。

图8为实施例中的正极结构示意图。

图9为实施例中的通气板结构示意图。

图10为实施例中的通气板侧视图。

图11为实施例中的电池内部电解液的流通路线示意图。

图12为实施例中的电池表面空气的流通路线示意图。

图13为实施例中的电堆结构示意图。

图中标号：

1-单体框架，100-反应窗口，101-绝缘条，102-反应腔体，103-负极插槽， 104-负极定位槽，105-负极引出固定孔，106-热熔柱，107-正极密封槽，111- 入水口，112-出水口，113-扰流板，114-呼吸口，115-溢流口，116-回流腔体， 121-进气口，122-排气孔，123-导流槽，131-固定通孔；

2-正极，200-正极引出铜片，201-引出折边，202-密封定位孔，203-引出固定孔，21-正极密封圈，22-通气板，221-通气窗，222-通气槽，223-通气板定位孔，23-侧盖，24-螺母挡片；

3-负极，300-负极引出铜片，301-基板，302-负极板，303-定位凸筋，304- 绝缘柄，305-负极密封圈。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的金属空气电池为本实用新型的具体实施方案，具体包括单体框架1、正极2和负极3，其中负极3为可以参与金属空气电池放电反应的金属电极，其参与放电反应的金属为铝板、镁板或锌板，固定插装在单体框架1的内部反应腔体内，正极2固定安装在单体框架1的反应窗口100上，将与反应腔体连通的反应窗口100覆盖遮蔽，正极2能够实现电解液的密封，同时为反应腔体内部的放电反应提供氧气。

具体如图2所示，本实施例的正极2通过通气板22压紧安装在反应窗口100 外侧的单体框架上，将单体框架内部反应腔体侧面的反应窗口100覆盖遮蔽。本实施例的单体框架1两侧面均设置直接连通至反应腔体的反应窗口100，因此单体框架1的两侧面分别对称布置两组正极2，与固定插装在单体框架1内部的两块负极板分别相对形成两组放电反应。正极2的侧边延伸至单体框架1的前后端面，单体框架1的前后端面通过侧盖23封闭，正极2的侧边通过螺母挡片 24和正极引出铜片200一同压紧固定在单体框架1的侧盖23上，正极引出铜片 200则用于正极引出接线。

结合参见图4，在位于反应窗口100外周的单体框架1设置一圈正极密封槽 107，密封槽107内嵌装一圈正极密封圈21，正极2通过通气板22压紧在单体框架的同时，将正极密封圈21压紧在正极密封槽107内，形成正极2与单体框架1的反应窗口100之间的密封，防止反应腔体内的电解液泄露。同时，沿正极密封槽107或者反应窗口100的外周还布置有一圈若干热熔柱106，热熔柱 106为与单体框架1一体注塑成型的等截面柱状结构。结合参见图8和图9，在正极2上设置有一圈与热熔柱106一一对应的密封定位孔202，在通气板22上设有一圈热熔柱106一一对应的通气板定位孔223，密封定位孔202和通气板定位孔223与热熔柱106为相同截面并且保持间隙配合，在安装正极2和通气板 22时，将所有的热熔柱106分别穿过正极2上的密封定位孔202和通气板22上的通气板定位孔223后，保持通气板22压紧正极2，热熔柱106的端部伸出通气板定位孔223，然后通过热熔设备将热熔柱106的端部通过热熔形成热熔头，热熔后的热熔头直径超过通气板22上的通气板定位孔223的孔径，从外侧将通气板22限定锁紧，通过通气板22将正极2压紧密封在单体框架1上。

本实施例将热熔柱106直接布置在正极密封槽107内部，同时，在正极密封圈21上设有一圈与热熔柱106一一对应的定位孔，正极密封圈21采用耐腐蚀软塑胶用模具整体成型，具有一定的弹性变形能力，可以将正极密封圈21上的定位孔孔径设置小于热熔柱的外径，这样能够使得密封圈与热熔柱之间保持一定的挤压变形，提高密封圈的定位和密封效果。

再次参见图4，在单体框架1的反应窗口100还设有若干根平行的绝缘条 101，绝缘条将正极和电池内部的负极隔开的绝缘条101，绝缘条101将反应窗口100进行分割，对正极2进行支撑，防止正极2因为反应窗口100面积过大发生变形后与负极接触短路。

再次参见图8，正极2的其中一侧边设置引出折边201延伸至单体框架1的前后端面，引出折边201上设置有一排引出折边固定孔203，利用该引出折边 201延伸至与固定在单体框架1端面，通过螺钉和螺母穿过引出折边固定孔203 将引出折边201和正极引出铜片200压紧接触，正极引出铜片200的接线端引出至单体框架的顶部进行电池排线，实现正极的电能输出。引出折边201采用正极集流体的金属网或金属板，金属网或金属板作为引出折边201连接正极2 与正极引出铜片200，正极两侧的金属网和正极引出铜片200的接触面积大，且用多个螺丝压紧连接在单体框架1的端面，电阻小、载流量大，达到了微欧级的连接电阻，解决了超过100A以上放电电流时的连接部分发热损耗的问题。正极引出铜片200折弯后可以延伸到叠合排布的下一个电池单体的顶部两侧平面与负极引出铜片300连接，实现多个电池单体组合的电堆排线，结构简单。正极2和通气板22的密封装配通过热熔设备对热熔柱一次性热熔完成，正极2的密封通过完整的正极密封圈21，易操作并可通过模具实现批量生产。

本实施例中的通气板22不仅作为将正极2压紧固定在单体框架1上的压紧部件，同时还作为对正极2进行通气的通气部件。再次参见图9，通气板22与除开引出折边以外的正极平面相同，这样能够将正极2服帖地压紧在单体框架1 上，通气板22紧贴正极2的内侧表面为光滑平面，保证对正极2表面压平，在通气板22上对应反应窗口100的区域设置有通气窗221，为了避免通气窗221 的空缺面积过大导致正极向外鼓胀变形，通气窗221由若干筋结构分成若干个，外部的氧气或者空气通过通气板22上的通气窗221接触到正极，并透过正极进入到反应窗口100提供放电反应所需的氧气。由于电池单体之间是通过级联叠合提高放电量，因此本实施例在通气板22远离正极的外侧表面设置若干连通至通气窗221的通气槽222，通气槽222的一端最终与通气窗221连通，另外一端贯通至通气板22的外边缘与电池系统的进气或出气通道对接。通气槽222可以如图5中所示采用纵横交错布置在通气板22外侧表面的半圆型槽，也可以根据电池的通气通道设置方式布置其他形式。多个电池单体级联叠合在一起的电堆通过该通气槽222可以实现空气或氧气的流动供给，改善了正极的冷却散热问题。

本实施例中的负极3采用复合式负极，如图2和图7所示，负极3是一种复合板式结构，包括负极引出铜片300、基板301以及负极板302，其中负极板 302采用参与金属空气电池内部放电反应的负极金属材料，一般为铝板、镁板或锌板，基板301为整个负极的固定安装结构，采用不与电解液发生反应并且耐高温、高强度的薄板材料，垂直定位于单体框架的正中部位；负极板302附着固定在基板301的表面，并通过基板301固定插装到单体框架1的内部，保持两边的正负极间平行且等距。负极引出铜片300为整个电池的引出负极连接部件，一端与负极板302通电接触，另一端则引出固定到基板301的顶部，整个复合式负极在插装到电池单体内部后，基板301的顶部连同负极引出铜片300 露于单体框架外部，便于电池排线。

具体的，本实施例在基板301的两侧面均贴附有负极板302，对应两块负极板302的负极引出铜片300一端夹于负极板302和基板301之间，另一端分别引出至基板顶部的两端，将复合式负极插入到单体框架的反应腔体内部后，两侧面的负极板302可分别与单体框架两侧面的正极发生两组并联的放电反应，提高电池单体的发电量。实际应用中，可以根据电池单体的内部结构以及电池额定发电功率设计选择在基板301的单面或者双面设置负极板302。负极板302 可以通过耐高温耐强碱的胶粘、焊接、冷轧、热轧、爆炸复合的方式固定贴附在基板表面。

结合参见图3，单体框架1内部设置有反应腔体102，反应腔体102两侧的单体框架上开设反应窗口100，在反应腔体102的顶部设置与负极3等宽的负极插槽103，负极3从负极插槽103插入单体框架1内部的反应腔体102内部。在反应腔体内设置两条负极定位槽104与负极插槽103对接，负极3的基板301 外边缘超出负极板302外边缘形成定位凸筋303，在将负极3通过负极插槽103 插入反应腔体102内部的过程中，定位凸筋303正好嵌入到负极定位槽104内部，整个负极3在负极定位槽104的导向作用下安装到位，并且负极3在反应腔体内部由负极定位槽104定位，如图5所示，避免负极板发生移位后与正极直接接触发生短路。

金属空气电池的正极2固定在单体框架1的外侧面将将反应腔体102的反应窗口100遮盖封闭，正极2与负极3的负极板302之间形成电解液自由流通的通道，反应窗口100通过正极2封闭，反应腔体102内部的电解液不能够从反应窗口流出，同时允许外部空气进入正极，空气中的氧气通过反应窗口100 与负极金属以及电解液发生放电反应进行发电，在反应窗口100上还布置由若干绝缘条101将反应窗口100进行分割，对正极2进行支撑，防止正极2因为反应窗口100面积过大发生变形后与负极接触短路。正极2通过单体框架1两端面的正极引出铜片延伸到单体框架顶部，与负极引出铜片一同进行电池的排线。金属空气电池的正极材料为现有材料，本实施例仅对本实用新型的复合式负极进行详细说明，有关金属空气电池的电解原理以及正极材料均为本领域常规技术，本实施例在此不对其进行赘述。

由于负极插装到单体框架1内部后，基板301的顶部暴露在单体框架顶部，一来便于设置负极引出铜片300，二来便于抓持更换负极。本实施例将基板301 的顶部固定设置绝缘柄304，绝缘柄304采用硬塑胶材料包裹基板顶部一体成型，整个绝缘柄304沿单体框架的横向布置，在将负极3插装到单体框架内部的反应腔体102后，将负极插槽103封闭，对应两组负极板的两组负极引出铜片300 固定设置在绝缘柄304的顶部并从绝缘柄的端部伸出，与单体框架1顶部的负极引出固定孔105锁紧固定。

在将负极3插入到单体框架1内部后，为了避免电解液从负极3和单体框架之间的装配缝隙泄漏，在负极3的基板顶部绝缘柄304和负极板302之间的与单体框架直接接触的基板上设置一圈负极密封圈305，负极密封圈305将负极 3的基板与单体框架之间的装配缝隙密封，负极密封圈305可以采用密封材料直接一体注塑成型在基板301上。设置负极密封圈305所在的基板宽度设置成小于负极板所在的基板宽度，形成一个颈部，两侧空出来的区域在负极插入到单体框架内部后，与反应腔体形成一个供电解液循环流通的溢流通道。

金属空气电池为了保证持续的放电反应，需要向反应腔体内持续通入电解液，结合图3和图4，在单体框架1内部反应腔体102对应单体框架1两侧面的位置分别设置反应窗口100，正极2通过通气板22压紧装配在单体框架1侧面上，将反应窗口100遮盖封闭，在正极2和反应窗口100外周的单体框架1之间装配一圈正极密封圈21，实现反应腔体102内部电解液在反应窗口100的密封，正极2能够实现电解液的密封，同时空气能够进入正极和反应窗口100为反应腔体内部的放电反应提供氧气。反应腔体102两侧设置两个竖直的回流腔体116，反应腔体102的顶部与回流腔体116的顶部溢流连通，入水口111设置在对应反应腔体102底部中间的单体框架1上，两组出水口112分别设置在对应两个回流腔体116底部的单体框架1上，反应腔体102内的电解液从入水口 111进入反应腔体102后在负极和正极之间流通，在电解液充满反应腔体102将负极和正极的放电反应区域全部浸没后，从反应腔体102的顶部溢流到回流腔体116从出水口112流出。

再次参见图5中所示，反应腔体102顶部设置开口的负极插槽103，电池的负极3通过负极插槽103插入反应腔体102内，在反应腔体102内部设有两组与负极3的侧边对应的负极定位挡板，负极3插入反应腔体102内部后，两侧边嵌入到负极定位挡板的负极定位槽内，将负极固定在反应腔体102内部，负极引出铜片300固定在负极3的顶部两端，实现负极的电能输出。反应腔体102 和回流腔体116通过负极定位挡板隔开，在负极定位挡板的顶部与单体框架内部之间设置溢流口115，充满反应腔体102的电解液通过溢流口115进入回流腔体，反应腔体102内部的电解液则将负极3上的负极金属板完全浸没，同时，反应窗口100全部处于反应腔体102的侧面内，将反应窗口100遮盖密封的正极2通过反应窗口100与插入反应腔体102内的负极3平行相对，相互之间隔开一个平行的、等距的空间供电解液流通，如图6中所示，电池的放电反应就发生在正极和负极相对的反应区域内。

另外如图4所示，反应腔体102或回流腔体116对应的单体框架上还设有呼吸口114，在反应腔体102内部的电解液液面上升或下降过程中，以保持反应腔体102内部的压力与外部的大气压平衡，避免正极2因为反应腔体102内部的压力变化而发生变形损坏，同时还可以通过该呼吸口114收集在电池工作过程中产生的气体。呼吸口114的设置位置要高于溢流口的位置，避免电解液从呼吸口114泄露。反应腔体102的底部设置成漏斗形的斜坡，斜坡的最低位置对接到入水口，这样反应腔体内部反应产生的大颗粒残渣会集中沉淀在反应腔体的底部，便于反应过后统一收集。

参见图11，在本实施例的金属空气电池单体内部，电解液从单体框架1中间底部的入水口111进入反应腔体102内部，随着电解液的不断输入，反应腔体102内部的电解液液面逐渐升高，直至液面达到反应腔体102两侧的负极定位挡板的最顶端，此时电解液充满正极和负极之间的空间，保证电极材料的全面反应，随着电解液的持续输送，反应腔体102内的电解液通过顶部的溢流口 115溢流进入到两侧的回流腔体116，并通过回流腔体116从出水口112回收，在溢流口115设置向回流腔体伸出的台舌结构作为溢流平台，当电解液通过溢流平台下落回流腔体时，液体形成间隙式的断流并单向导通，使得电池单体出水口的电阻增大，大大地减少了多个电池单体级联时输出端液流短路带来的电能损耗。整个过程中反应腔体内部的气体可以通过呼吸口114进出反应腔体，保证了反应腔体内部压力的平稳。

在图13的电堆中，将本实施例中两组以上的金属空气电池单体进行级联叠合组装即形成大容量的金属空气电池电堆系统，所有电池单体上的电解液循环通道对接形成电堆电解液循环系统。首先，本实施例中的入水口111、出水口112以及呼吸口114均沿单体框架的叠合组装方向贯通单体框架设置，另外在单体框架1上的非反应腔体区域还设置有将电池单体叠合串接的固定通孔131，固定通孔131同样沿单体框架的叠合组装方向贯通单体框架设置，入水口111、出水口112、呼吸口114以及固定通孔131均采用圆柱形孔，其中入水口111和出水口112的顶部分别与各自单体框架内的反应腔体102和回流腔体116相贯连通。

所有电池单体级联叠合时，通过连接杆穿过单体框架1上同轴对齐的固定通孔131，并且从两端利用压板将所有的电池单体叠合压紧，相邻单体框架上的入水口111之间、出水口112之间以及呼吸口114之间分别一一同轴对接连通，相邻对接的通道之间通过密封圈密封装配，将最外侧的电池单体上的入水口通过管路连接至电解液输送设备，一般是输送泵，最外侧的出水口通过管路连接至电解液回收设备，一般是回收箱，最外侧的呼吸口通过管路连接大气或者气体回收设备。

电解液在电堆的循环通道可视为长管道输送，电解液在长管道内部流动时会在垂直于传送方向上产生“鱼腹式分布”效应，从而导致电堆中各个电池单体反应腔体内部的液面上升的幅度不一致，具体表现为：(1)单向供液时是由入水口一端向另一端高度递增，(2)双向供液时是两端入水口端低、中间部分高，甚至部分电池单体反应腔体内部电解液液面高度达不到溢流高度而不能够形成电解液循环。为了避免这一现象发生，再次参见图4，本实施例在单体框架的入水口111内部设置有扰流板113，通过扰流板113对入水口对接通道内流动的电解液形成扰动，最终使得级联叠合的电池单体内部反应腔的电解液液面上升幅度和流速趋于一致。

另外，在图13中的电堆中，若干电池单体在级联叠合拼装过程中，电池单体的单体框架1之间形成电堆空气供给系统的进气通道、排气通道以及各个电池单体之间的气流流道，通过最外侧的进气口121连接气体输送设备，向电堆的各个金属空气电池单体主动正压提供空气，实现正极2的氧气供给，排气口 122实现气流的排放收集，实现空气在电堆内外的自由流通，主动正压流通的空气不但给正极提供了放电反应所需要的、足够的氧气，而且还带走了正极表面的热量，改善了正极的冷却散热问题，提高了正极的使用寿命。再次参见图4，在单体框架1内部的反应腔体对应单体框架1两侧面的位置分别设置反应窗口 100，正极2外侧贴设通气板22，并通过通气板22将正极2压紧装配在单体框架1侧面上，将反应窗口100遮盖封闭，在正极2和反应窗口100外周的单体框架1之间装配一圈正极密封圈21，单体框架1在反应窗口100的外周设置用于嵌装正极密封圈的正极密封槽107，实现反应腔体102内部电解液在反应窗口 100的密封，正极2能够实现电解液的密封，同时空气能够进入正极和反应窗口 100为反应腔内部的放电反应提供氧气。

结合参见图9和图10，在将正极2和通气板22装配固定好之后，正极2的内侧面与单体框架内部反应区域接触，通气板22上设有暴露正极2的通气窗 221，通气板22的外侧表面上设有若干通气槽222，所有的通气槽222至少有一端与通气窗连通。通气板22外侧设置一圈通气板定位孔223，通气板22通过通气板定位孔223与单体框架1固定，实现对正极2的压紧装配。

如图10所示，通气板22紧贴正极2的内侧表面为光滑平面，保证对正极2 表面压平，通气板22上的通气窗221位于电池内部反应区域在正极2上的投影范围内，为了避免通气窗221的空缺面积过大导致正极向外鼓胀变形，通气窗 221由若干分隔筋分成若干个，分隔筋上也设有将通气窗221之间连通的通气槽。

通气板22上设置的通气槽222为半圆型截面，通气槽222按照通气板22 的长度方向和宽度方向布置，即通气窗221与通气板22的长度侧边之间设置沿宽度方向布置的通气槽222，通气窗221与通气板22的宽度侧边之间设置沿长度方向布置的通气槽222，并且通气槽均贯通通气板的侧边和通气窗的侧边设置，这样使得所有的通气槽222一端与通气窗连通，另一端延伸至通气板22的端面，在多组电池单体叠合的电堆中，相邻电池单体的单体框架之间通过通气板22压紧接触，通气板22上对应的通气槽222以及通气窗221形成连通电池内部反应区域和电池外部的气流流道。

再次参见图1和图4，在单体框架1上还设有进气口121和排气口122，进气口121位于电池内部单体框架通气板的下方，排气口122位于电池内部单体框架通气板的两侧面和上方，进气口121和排气口122分别与装配在单体框架1 上的通气板22上的通气槽222导通，电堆中相邻单体的电池主1体的进气口121 之间和排气口122之间在电池单体级联叠合拼接后一一对接，形成电堆内部连续的进气通道和排气通道，进气通道和排气通道之间独立分开，并且分别与相邻单体之间的通气板22之间的通气窗口和通气槽形成的气流通道连通，形成整个电堆内部的空气供给通道网络，将最外侧单体的进气口通过管路与带有气体净化功能的气体输送设备连通，如气泵，通过进气通道向各个电池单体之间的气流通道输送空气气流，然后通过排气通道排出收集，实现空气在电堆内部的自由流动，提高电池内部反应区域所需氧气的利用效率。

如图4和图12所示，本实施例将进气口121和排气口122分别位于电池内部反应区域的两侧单体框架上，其中进气口121位于通气板22下方的单体框架上，排气口122位于通气板22上方的单体框架两侧，由于通气板22仅覆盖正极所在的区域，本实施例在进气口121与通气板22底边之间以及排气口122与通气板22顶边的单体框架外侧表面设置导流槽123，将通气板22上的通气槽与进气口121和排气口122分别导通。从进气口121进入的空气气流如图12中的箭头所示，通过底部的导流槽123分别进入到通气板22上的通风槽222内，并且沿着通风槽222经过通风窗221进入正极2，保证正极2进行放电反应所需的氧气连续供给，流动的气流部分从通气板22两侧的通气槽222直接排出电堆，另一部分从通气板22上部的通气槽222通过上部导流槽123进入排气口122，通过排气通道收集。

电堆是通过多个电池单体级联叠合组装的，电池单体上沿叠合方向上设有将电池单体叠合串接的固定通孔131，同时，将电池单体上的进气口121和排气口122均沿电池单体的叠合方向贯通电池单体设置，在叠合组装电堆后，固定通孔131之间、进气口121和排气口122之间同轴对接成完整的通道，其中固定通孔131通过导杆和连接件定位锁紧电堆，进气口121和排气口122形成空气供给的进气通道和排气通道。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.金属空气电池，其特征在于包括：

单体框架，设有反应腔体以及反应腔体侧面的反应窗口；

所述单体框架两侧面对称设置的正极，所述正极通过通气板压紧在反应窗口外侧的单体框架上，将反应窗口覆盖遮蔽，正极的内侧面与反应腔体内部的电解液接触；

以及所述单体框架中间设置的负极，所述负极插装固定在反应腔体内部，与正极的内侧面平行设置；

所述单体框架上设有与反应腔体内部连通的入水口和出水口，所述反应腔体顶部两侧设置有溢流口，并通过溢流口与回流腔体连通；所述入水口位于反应腔体的底部中间；所述出水口位于回流腔体的底部；反应腔体内的电解液从入水口进入反应腔体后在负极和正极之间流通，通过溢流口和回流腔体从出水口流出；

所述通气板上设有暴露正极外侧面的通气窗。

2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于：所述反应窗口外周的单体框架上设置一圈正极密封槽，所述正极密封槽内嵌装一圈正极密封圈，沿所述正极密封槽设有一圈若干热熔柱，所述正极密封圈、正极、通气板上分别设有与热熔柱一一对应的定位孔，所述热熔柱穿过正极和通气板上的定位孔的端部通过热熔膨胀成热熔头，将通气板和正极密封固定在单体框架上。

3.根据权利要求2所述的金属空气电池，其特征在于：所述单体框架的反应窗口设有将正极和电池内部的负极隔开的绝缘条。

4.根据权利要求3所述的金属空气电池，其特征在于：所述正极的侧边设置引出折边延伸至单体框架的前后端面，将正极引出铜片与引出折边压紧固定在单体框架的端面，所述引出折边采用与正极通电接触的金属网，所述正极引出铜片的接线端引出至单体框架的顶部进行电池排线。

5.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于：所述反应腔体或回流腔体在高于溢流口位置的单体框架上设置有呼吸口。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的金属空气电池，其特征在于：所述负极包括基板以及附着在基板表面的负极板，所述负极板与负极引出铜片接触，所述负极引出铜片露出固定在基板顶部设置的绝缘柄端部。

7.根据权利要求6所述的金属空气电池，其特征在于：所述基板的外边缘超出负极板的外边缘形成定位凸筋，所述反应腔体的顶部单体框架上设置与负极等宽的负极插槽，内部设有用于负极插装定位的负极定位挡板，所述负极定位挡板的内侧设置与负极上的定位凸筋导向限位的负极定位槽。

8.根据权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于：所述负极两侧的负极定位挡板将反应腔体和两侧的回流腔体隔开，所述负极定位挡板顶部设置连通反应腔体和两侧回流腔体的两个溢流口，两个溢流口上均设置有向回流腔体伸出的台舌结构的溢流平台。

9.电堆系统，其特征在于：通过权利要求1-8中任一项所述的金属空气电池级联叠合拼装；

所述通气板的外侧表面上设有若干通气槽，所有的通气槽至少有一端与通气窗连通；所述单体框架上设有与通气槽连通的进气口和排气口，相邻电池的单体框架的进气口之间、排气口之间、入水口之间和排水口之间在电池单体叠合拼接后一一对接，整个电堆内部形成连续的进水通道、排水通道、进气通道和排气通道，相邻电池正极之间通过通气板上的通气窗口和通气槽形成若干连通进气通道和排气通道的气流通道；

所述反应腔体的底部为漏斗形的斜坡，所述入水口对接设置于斜坡的最低位置，所述入水口内设置有用于干扰流动液体流动平衡的扰流板；

其中，最外侧的入水口连接至电解液输送设备，最外侧的出水口连接至电解液回收设备，最外侧的进气口连接至带气体净化功能的输送设备，最外侧的排气口连接至气体回收设备。

10.根据权利要求9所述的电堆系统，其特征在于：所述进气口位于电池内部单体框架通气板的下方，所述排气口位于电池内部单体框架通气板的两侧面和上方。

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