金属空气电池电堆的主动正压供氧系统

摘要

本发明公开了一种金属空气电池电堆的主动正压供氧系统，在电堆中各电池单体的正极外侧设置有通气板，通气板上设有暴露正极的通气窗，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；单体框架上设有与通气槽连通的进气口和排气口，相邻的电池单体的进气口之间和排气口之间在电池单体叠合拼接后一一对接，整个电堆形成连续的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，其中进气通道连接至气体输送设备，排气通道可连接气体回收设备。本发明解决了金属空气电池电堆中多个电池单体间内部空气的循环供给不均匀等问题，且结构简单、紧凑。

说明书

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，具体涉及金属空气电池电堆的主动正压供氧系统。

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放电反应而产生电能的一种化学电源。

金属空气电池采用的正极材料的最外层是防水透气层，具有透气性，外面的空气能够进入正极而反应腔体内部的电解液不会通过正极渗漏出来。为了保证电池放电反应的连续稳定，需要对正极持续通入空气。目前金属空气电池的空气供给方式是：1.靠正极消耗掉空气中的氧气后形成的负压状态而产生的自然流动；2.利用电堆侧面多个风扇进气的方式实现供给。这两种不均匀的进气方式的缺点是：(1)各电池单体正极散热不一致；(2)各电池单体负极消耗不一致，位于通风好的电池单体的消耗要超过通风差的电池单体的消耗，使得放电反应不均匀；(3)体积增大能耗增加。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供金属空气电池电堆的主动正压供氧系统，以解决现有的电堆中多个电池单体间内部空气循环供给效率低下、进气不均匀，结构复杂以及正极散热的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

金属空气电池电堆的主动正压供氧系统，所述电堆由至少两个金属空气电池单体级联叠合安装形成，所述电池单体包括单体框架、对称设置在单体框架两侧的正极、以及插设在单体框架内的负极，所述电堆的主动正压供氧系统包括：

设置在所述电池单体正极外侧的通气板，所述通气板上设有暴露正极的通气窗，所述通气板的外侧表面上设有若干通气槽，所有通气槽至少有一端与通气窗连通；

所述单体框架上贯穿设置与所述通气槽相连通的进气口和排气口，相邻的所述单体框架的进气口之间和排气口之间在所述电池单体叠合拼接后一一对接，以形成整个所述电堆的进气通道和排气通道，相邻所述电池单体的正极之间通过所述通气板上的通气窗和通气槽形成若干连通所述进气通道和排气通道的气流通道；其中，所述进气通道与带气体净化功能的气体输送设备连接，排气通道连接气体回收设备。

进一步，所述通气板上的通气窗位于电池单体内部放电反应区域在正极上的投影范围内。

进一步，所述通气窗内设置有分隔筋，所述分隔筋将通气窗分割为多个通气窗单元，所述分隔筋上也设置有通气槽，相邻的两个通气窗单元通过分隔筋上的通气槽相连通。

进一步，所述通气槽沿通气板的长度方向和宽度方向布置。

进一步，所述进气口和排气口均沿所述单体框架的叠合方向贯穿设置。

进一步，所述进气口设置在所述单体框架的底部，所述排气口设置有两个，两个所述排气口对称设置在所述单体框架的顶部两侧。

进一步，所述单体框架的外侧表面设有将所述通气板上的通气槽与进气口和排气口分别导通的导流槽，其中一个所述导流槽位于所述进气口与通气板底边之间设置；另一个水平设置于所述通气板顶边的上方，两端均与所述排气口相连通。

进一步，所述通气槽为半圆截面或椭圆截面或多边形截面。

本发明的有益效果体现在：

本发明的电池单体中，通气板作为与正极接触的部件，同时与相邻的电池单体上的通气板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，提升金属空气电池反应所需的空气供给的效率；如果将两侧通气槽封闭时，只使用上部两侧的排气口排气或在使用氧气瓶供气时可以通过将排出气体收集再循环，使电堆能够在封闭环境下面使用。

综上所述，本发明设计了一种主动正压供氧循环系统结构，解决了电堆中多个电池单体间内部空气的循环供给问题，气流通道结合正极固定结构设置，结构简单、紧凑，进气均匀，减小了电堆叠合安装后的体积，进气通道通过独立管路主动提供流动的循环空气，所需供气设备能耗极小，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，并且可以在低氧或无氧状态下连接氧气瓶运行，提高了金属空气电池的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例中的多个金属空气电池单体叠装的电堆结构示意图；

图2为实施例中的金属空气电池单体结构示意图；

图3为实施例中的金属空气电池的正极安装分解示意图；

图4为实施例中的单体框架结构示意图；

图5为实施例中的通气板结构示意图；

图6为实施例中的通气板侧视图；

图7为实施例中的金属空气电池单体上的空气流动路线示意图。

其中，1-单体框架，100-反应窗口，107-正极密封槽，121-进气口，122-排气口，123-导流槽，131-固定通孔；

2-正极，200-正极引出铜片，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-分隔筋；

3-负极，300-负极引出铜片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，图示中的电堆为若干个金属空气电池的单体按照级联连接的方式叠合组装而成，若干个电池单体在级联叠合拼装过程中，相邻的电池单体之间形成电堆主动正压供氧系统的进气通道、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提供空气，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。

具体如图2-图4所示，本实施例中的金属空气电池单体包括单体框架1、正极2和负极3，在单体框架1内部设有一个反应腔体，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，负极3固定插装在反应腔体内部，正极2通过通气板22压紧固定在单体框架1的叠合侧面上，将该侧面上设置的与反应腔体连通的反应窗口100遮蔽封盖，与反应腔体内部的负极3平行对置形成电解液流通的通道，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，同时空气能够进入反应窗口100的正极，为反应腔体内部的放电反应提供氧气。单体框架1上分别设有将正极2和负极3引出接线的正极引出铜片200和负极引出铜片300。本实施例旨在对电池正极的空气供给方式进行具体说明，有关金属空气电池的正极和负极均为本领域常规技术，本实施例在此不对正极材料和负极材料以及金属空气电池的发电原理进行赘述。

结合参见图5和图6，在将正极2和通气板22装配固定好之后，正极2内侧面的催化层与单体框架1内部放电反应区域接触，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。

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位于电池内部放电反应区域在正极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内设置有分隔筋23，分隔筋23将通气窗221分割为多个通气窗单元，分隔筋23上也设置有通气槽222，相邻的两个通气窗单元通过分隔筋23上的通气槽222相连通。

本实施例图示中的通气板22上设置的通气槽222为半圆槽或者椭圆截面或多边形截面的槽，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，在多个电池单体级联叠合的电堆中，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形成连通电池正极和电池外部的气流流道。

再次参见图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，提高电池正极所需氧气的利用效率；改善了正极的冷却散热问题，提高了正极的使用寿命。

结合参见图4和图7，本实施例将进气口121和排气口122分别位于电池单体框架1的上下方，其中进气口121位于通气板22下方的单体框架1上，排气口122位于通气板22上方的单体框架1上，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7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进行放电反应所需氧气的连续供给，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，或在两侧通气槽222封闭的情况下从通气板22上部的通气槽222通过上部导流槽123进入排气口122，通过排气通道回收多余的氧气。

电堆由多个电池单体级联叠合组装组成，在电池单体的单体框架1上沿叠合方向设有将电池单体叠合串接的固定通孔131，同时，将单体框架1上的进气口121和排气口122均沿电池单体的叠合方向贯通单体框架1设置，在级联叠合组装成电堆后，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，相邻电池单体的正极2之间通过通气板22上的通气窗221和通气槽222形成若干连通进气通道和排气通道的气流通道。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。