CN211320229U - 一种均压循环金属燃料电池及电池组 - Google Patents

一种均压循环金属燃料电池及电池组 Download PDF

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辛亦兵
郭鹏鹏
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Abstract

本申请涉及金属空气电池领域，特别是涉及一种均压循环金属燃料电池及电池组，包括中空的电池外壳、设于电池外壳内的金属极板、与所述金属极板接触并暴露在所述电池外壳外的电极端口、向电池外壳内注入电解液的的单体注液管以及用于排出电池外壳内电解液的单体排液管，所述单体注液管位于电池外壳内部的管道上均匀分布有多个第一微孔。还包括用于向任一个金属燃料电池注入电解液的总注液管，总注液管外还密闭套设有套管，套管通过单体注液管与电池外壳一一连通；总注液管位于套管内的管壁上均匀分布有多个第二微孔。本实用新型通过在单体注液管和总注液管上设置微孔克服了现有技术中存在电解液的交换盲区的问题，使电解液与金属极板充分反应。

Description

一种均压循环金属燃料电池及电池组
技术领域
本实用新型涉及金属空气电池领域，具体涉及一种均压循环金属燃料电池及电池组。
背景技术
金属燃料电池是化学电池的一种，其构造原理与干电池相似，不同的是它的氧化剂取自空气中的氧。空气电池以金属板为阴极，以碱性溶液为电解液，阳极则是空气中的氧或纯氧。目前空气电池常用锂、锌、镁和铝等金属作金属极板。由于空气电池的工作原理，需要持续向空气电池内输入电解液和排出用过的电解液，使空气电池内因金属极板的反应产物而粘度增加的电解液能被及时排出并更换。然而现有技术中电池内有多个金属极板，电解液的输入仅仅依靠一个位于极板一侧的输入口，电解液输入后，远离输入口一端的极板由于无法充分与新的电解液反应接触而形成反应盲区，且参与反应后的电解液无法被及时排出导致电池内阻增大。现有的电池组也采用简单的一个输入管与每个电池的输入口连接，容易因为压差而导致每个电池流入的电解液不等量。
申请人检索到另一种现有技术如下：中国发明专利，申请号： CN201710430137.4，具体包括电解液槽(17)、耐腐蚀泵(11)和出液管道(12)，所述的电解液槽(17)中装有电解液，所述的耐腐蚀泵(11)的进液管道(18)和电解液槽(17)相通，所述的耐腐蚀泵(11)的出液管道(12)接水流抽气机(13)的进液口，水流抽气机(13)的出液口接喷嘴(14)，所述的喷嘴(14)斜向下朝向塑料叶轮(16)，塑料叶轮的转轴(15)装在电解液槽(17)上，所述的塑料叶轮(16)的每一片叶片(21)上都设有由金属负极(5)，绝缘网栅(9)和空气正极(4)组成的单个金属空气电池，且每个金属空气电池分别并联一个超级电容器(6)，各个金属空气电池顺向串联成金属空气电池组，所述的金属空气电池组的正极和负极分别用导线连接到转轴(15)上的两个滑环(7)上，同两个滑环(7)分别接触的电刷 (8)为电解液循环型旋转式金属空气电池组的正极负极输出端，所述的正极负极输出端通过一个整流二极管(10)分别接到蓄电池(1)的正极负极，并连接调速控制装置(2)的两个输入端，调速控制装置(2)的两个输出端接耐腐蚀泵(11)的电动机(3)。
该发明利用金属负极的转动和根据输出电流调节耐腐蚀泵流量来达到电池组内电解液循环并与金属负极充分反应的目的。本实用新型提出另一种使电解液均压循环的装置。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的电解液输入后无法充分与极板接触而造成金属极板空置和电池组中电解液分布不均的问题，本申请提供一种能让电解液均匀参与反应，并充分利用电极板的均压循环金属燃料电池及电池组。
为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：
一种均压循环金属燃料电池，包括中空的电池外壳、设于电池外壳内的金属极板、与所述金属极板接触并暴露在所述电池外壳外的电极端口、向电池外壳内注入电解液的的单体注液管以及用于排出电池外壳内电解液的单体排液管，所述单体注液管和单体排液管分别位于金属极板的两侧，所述单体排液管的顶端高于所述金属极板的顶面，所述单体注液管在电池外壳内部的部分向单体排液管的方向延伸，所述单体注液管位于电池外壳内部的管道上均匀分布有多个第一微孔。
现有技术的电解液输入仅仅是靠一个输入口，根据最短路径原理，由于电解液的输入口和溢流口的连线在电池外壳的对角线上，新注入的电解液会按对角线直接到达溢流口，使得对角线下方区域的电解液得不到交换，存在交换盲区。则金属极板在对角线下方的部分无法接触到新注入的电解液，造成金属极板的浪费。同时，由于交换盲区中的电解液在与金属极板反应后，其反应产物以悬浊物的状态存在于电解液中，使电解液的粘度组件增加，导致电池的内阻增加，电量消耗大，电池发热量大，电池的散热负荷溶液增大。
本方案将单体注液管在电池外壳内延长，并在单体注液管上设置第一微孔。电解液进入单体注液管后经第一微孔输入到电池外壳内，由于第一微孔直径相对于单体注液管的内径极小，电解液在每个第一微孔处都以相同或相近的压强渗出，保证输入的电解液在电池外壳内将反应过的电解液均匀更新；配合延长的单体注液管，克服了现有技术中存在电解液的交换盲区的问题，使新注入的电解液与金属极板充分反应。
进一步的，所述第一微孔的直径为1-3mm。直径1-3mm为最优选，大于3mm 的时候会使电解液渗出过快，压力变小，造成电池外壳内的电解液流动性下降，不利于旧电解液的溢出回流，降低电池性能；小于1mm的微孔容易被电解液与金属极板反应产生的悬浊物堵塞，其次，第一微孔的数量固定，直径过小会造成单位时间内电解液的输入量小，电池内的电解液更新速度跟不上反应速度，影响实施效果。
进一步的，所述第一微孔沿单体注液管的轴向呈线性分布有一行或多行。设置多行第一微孔既增加电解液的渗出速率，又能减小个别微孔被悬浊物堵塞对整体的影响。
一种电池组，包括支架，所述支架上固定安装有多个金属燃料电池；还包括用于向任一个所述金属燃料电池注入电解液的总注液管，所述总注液管外还密闭套设有套管，所述套管通过所述单体注液管与电池外壳一一连通；所述总注液管位于套管内的管壁上均匀分布有多个开口朝下的第二微孔。
现有技术的电池组采用一个输入管与每一个电池单体的输入口连接，使电池组中的电池单体并联。然而，当电解液从输入管向输入口运动时，设距离电解液进入输入管处最近的电池单体为第一个电池单体，第一个输入口处压强最大，后面的输入口处压强逐渐减小。导致输入管中的电解液优先进入第一个电池单体，输入到后面电池单体中的电解液逐渐减少。从而第一个电池单体最贴近理想的工作状态，后面的电池单体由于输入的电解液不足以支持其内部的电解液循环更新而导致电解液中悬浊物过多，电池内阻逐渐增大，电池发热，而电池组的散热负荷过大。
本方案在通过套管与总注液管上第二微孔的配合，使电解液进入总注液管后，通过第二微孔向下输出到套管内，使套管内充满电解液，形成均压环境后再向单体注液管输送，从而达到均压的目的。相对于现有技术，避免了直接注液时压差所导致的流量变化，流入到每一个电池中的电解液几乎均等，使电池组中的电池均能达到理想工作状态。
进一步的，所述第二微孔的直径为2-5mm。第二微孔的直径可以比第一微孔直径大，由于总注液管输送的电解液需要供应到电池组的每一个金属燃料电池中，总注液管的流量为电池组中所有单体注液管的流量总和，第二微孔的直径较大能减小每个微孔的压力，同时，保证总注液管输送的电解液足以使电池组中的每个金属燃料电池完成内部电解液循环，达到理想工作状态。
进一步的，所述第二微孔沿所述总注液管的轴向呈线性分布有一行或多行。设置多行第二微孔能增加电解液的渗出速率，防止由于微孔数量不足而影响电解液的输送。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是现有技术电池单体的剖视结构示意图；
图2是现有技术电池组的结构示意图；
图3是现有技术电解液注入的示意图；
图4是本实用新型电池单体的俯视图；
图5是图4中A-A方向的剖视图；
图6是本实用新型中单体注液管的结构示意图；
图7是本实用新型电池组的结构示意图；
图8是本实用新型中总注液管的结构示意图；
图9是总注液管的电解液输入示意图；
图中：1-现有电池单体；2-输入口；3-输入管；4-电池外壳；5-电极端口； 6-金属极板；7-单体注液管；8-第一微孔；9-单体排液管；10-套管；11-总注液管；12-第二微孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1：
结合说明书附图4-7的一种均压循环金属燃料电池，包括中空的电池外壳 4、设于电池外壳4内的金属极板6、与所述金属极板6接触并暴露在所述电池外壳4外的电极端口5、向电池外壳4内注入电解液的单体注液管7，以及用于排出电解液的单体排液管9，所述单体注液管7和单体排液管9分别位于金属极板6的两侧，所述单体排液管9的顶端高于所述金属极板6，所述单体注液管7在电池外壳4内部的部分向单体排液管9的方向延伸，所述单体注液管7 位于电池外壳4内的部分均匀设置有多个第一微孔8。所述第一微孔8的直径为1-3mm。所述第一微孔8沿单体注液管7的轴向呈线性分布有一行或多行。
工作原理如下：
金属燃料电池也叫金属空气电池，以锌、铝、镁等金属或合金作为负极，在本实施例中，优选铝或铝合金作为负极，以空气中的氧或纯氧作正极。金属空气电池采用碱性电解质水溶液，本实施例中优选氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠 (NaOH)水溶液为电解质。以铝(Al)作为负极为例，负极反应为：4Al－ 12e-＝4Al3+，正极反应为：3O2+6H2O十12e-＝12OH-，总反应式：4Al+3O2十 6H2O＝4Al(OH)3。放电时，电池内发生化学反应生成Al(OH)3,在电解液中以悬浊物的形态存在，电解液的粘度逐渐增加，粘度过高的电解液既不利于其流动浸润，还会导致电池内阻增高，电池发热量大。
单体注液管7向电池外壳4内持续注入电解液，当电池外壳4内电解液的液面提升到单体排液管7的上端面以上后，电解液开始从电池外壳4内持续排出，电解液开始循环更新。由于单体排液管9的顶端即上端口所在的水平面高于金属极板6上端面所在的水平面，即使电池外壳4内的电解液不断循环更新，金属极板6始终浸润在电解液中。同时，由于在电池外壳4内，单体注液管7 向单体排液管9的方向有延长并设置多个第一微孔8，电解液在每个第一微孔8 处渗出时的压强相同，从而达到均压循环的目的。
值得说明的是，由于空气电池正极的特殊性，本实施例中的电池外壳4不是传统的封闭壳体，而是指能使氧进入电池内，电解液不流出电池的一种防水透气材料。另外，为了保护这种防水透气材料，其外部还可以设置一层保护层，例如网格状的保护板。
值得说明的是，在本实施例中，当只有一行第一微孔8时，第一微孔8在单体注液管7上的朝向，即第一微孔8轴线与水平面的角度，最优选为90度，即第一微孔8朝向金属极板6的方向。当设置两行第一微孔8时，则可是两行第一微孔8的轴线之间有10-30度的夹角，最优选为20度，保证金属极板6的两面均匀受液。
实施例2：
如说明书附图7-9所示的一种电池组，包括支架，所述支架上固定安装有多个实施例1所述的金属燃料电池；还包括用于向任一个所述金属燃料电池注入电解液的总注液管11，所述总注液管11外还密闭套设有套管10，所述套管 10通过所述单体注液管7与电池外壳4一一连通；所述总注液管11位于套管 10内的管壁上均匀分布有多个第二微孔12。所述第二微孔12的直径为2-5mm。所述第二微孔12沿所述总注液管11的轴向呈线性分布有一行或多行。
工作原理如下：
由于单个电池的放电量有限，在金属空气电池的实际使用时，都是将多个电池并联成电池组。电解液输入到总注液管11中，由于总注液管11上均匀设置有多个开口朝下的第二微孔12，电解液的液流朝下现将套管10中住满电解液，然后统一溢流到各个金属燃料电池的单体注液管7中，达到均压溢流的目的。电解液的流向如图9所示，对照如图3所示的现有技术中电解液总是优先流入最先经过的输入口，总注液管11上第二微孔12和套管10的配合能达到均压输入电解液的目的。
值得说明的是，在本实施例中，第二微孔12在总注液管11上的朝向优选朝下，即第二微孔12的轴线与水平面的角度，所述第二微孔12的轴线可以与水平面呈任一角度的夹角，第二微孔12的朝向不影响电解液从总注液管11输入到套管10。
值得说明的是，为了方便收集通过金属燃料电池的单体排液管9排出的废弃电解液，可以设置一个总排液管与电池组中的单体排液管9一一连接，将电解液集中排出，便于收集。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种均压循环金属燃料电池，包括中空的电池外壳(4)、设于电池外壳(4)内的金属极板(6)、与所述金属极板(6)接触并暴露在所述电池外壳(4)外的电极端口(5)、设置在电池外壳(4)底部并向电池外壳(4)内注入电解液的单体注液管(7)，以及用于排出电解液的单体排液管(9)，其特征在于：所述单体注液管(7)和单体排液管(9)分别位于金属极板(6)的两侧，所述单体排液管(9)的顶端高于所述金属极板(6)，所述单体注液管(7)在电池外壳(4)内部的部分向单体排液管(9)的方向延伸，所述单体注液管(7)位于电池外壳(4)内的部分均匀设置有多个第一微孔(8)。
2.根据权利要求1所述的一种均压循环金属燃料电池，其特征在于：所述第一微孔(8)的直径为1-3mm。
3.根据权利要求2所述的一种均压循环金属燃料电池，其特征在于：所述第一微孔(8)沿单体注液管(7)的轴向呈线性分布有一行或多行。
4.一种电池组，其特征在于：包括支架，所述支架上固定安装有多个权利要求3所述的金属燃料电池；还包括用于向任一个所述金属燃料电池注入电解液的总注液管(11)，所述总注液管(11)外还密闭套设有套管(10)，所述套管(10)通过所述单体注液管(7)与电池外壳(4)一一连通；所述总注液管(11)位于套管(10)内的管壁上均匀分布有多个开口朝下的第二微孔(12)。
5.根据权利要求4所述的一种电池组，其特征在于：所述第二微孔(12)的直径为2-5mm。
6.根据权利要求5所述的一种电池组，其特征在于：所述第二微孔(12)沿所述总注液管(11)的轴向呈线性分布有一行或多行。
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