专利名称：气冷式金属－空气电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷却的金属-空气电池。
特别是，本发明提供了一种可靠的气冷装置，适用于从用作车辆动力装置的机械可充电锌-空气电池中提取大量热量。
所有电池在工作期间产生热量，一个原因是电池中发生化学反应，第二个原因是电流流动遇到电池自身的欧姆电阻。在大多数电池中，这些热量主要通过对流自然地散失。然而，用来给电动车辆提供动力的电池可设计成能从小型电池封套中提供大的功率，如果不采取附加冷却措施，可能呈现高的温升。更严重的问题是，车辆需要设计成能在高达45-50℃的环境温度下工作，在这种情况下，产生的热量可能使电池温度升高到导致电池破坏的水平。
在高温工作温度未必有损于电池性能时，也存在一些认为在这类电池中有某种冷却装置的理由。第一、在自然冷却电池中，内部单元会在比电池周围的单元更高的温度下工作，从而导致电池间的工作差异。第二、当需要时，经常可利用从电池提取的热量来加热车辆的乘客单元。第三、必须防止由于热量引起的电池中的固态和液态材料的过早破坏。
电池的冷却系统已在美国专利754,969；3,767,468；4,007,315；4,463,064；4,578,324，和5,212,024中描述。这些说明书中公开了使如空气的冷却气体、或如水的液体在电池中循来去除其热量的各种系统。
电解质的冷却系统已在美国专利3,290,176和5,093,213中描述。虽然这些系统具有一定优点，尤其在实现电解质混合均匀以去除浓度差方面，但这些系统需要抽吸装置，并且比使用气冷的系统更复杂和笨重。令人惊奇地，电解质冷却系统从尺寸约24cm×24cm的每个原电池，例如适用于用在车辆动力装置的电池中的原电池中仅提取约40瓦的热量。
设计成使冷却空气流横穿过金属电流集电体框架顶部的系统对上述原电池尺寸仅保持约20瓦的交换容量，仅是在实际车辆动力装置电池中所需容量的约25％。通过使用大的鼓风机来增加与空气电极接触的反应空气的流速，能够足以除去任何多余热量。这种装置很适于短期使用，例如用作鱼雷动力装置的电池中，它仅有几分钟的使用寿命。然而，如果通过空气电极的空气流速极大地超过提供反应氧气所需要的，将最终导致空气电极的电解质变干，这将导致电池难以接受的能量损失。
因为空气中含体积约0.0314％的二氧化碳，并已知这种气体有损于金属-空气电池的高效率工作，这给充分增加用作冷却介质的反应空气流带来进一步的障碍。因此，本发明人提出一种形式的清洁器装置，它适合与电池一起使用，正如美国申请No.08/210,333中描述的。除去CO2的清洁器装置通常包括使用CO2吸收材料，例如在多孔吸收剂上吸收的晶状碱金属氢氧化物或水合的碱金属氢氧化物。无论使用何种吸收剂材料，在彻底使用后吸收剂将会化学耗尽，需要替换或化学补充。通过使用清洁器来为电池反应处理含有充足氧气的大量空气，就可避免过早地吸收剂耗尽。然而，已发现电池工作所需的空气量不足以实现高速率冷却。
本发明的一个目的是提供一种具有高热量抽取容量系统的锌-空气电池，能够从用在道路车辆动力装置电池中的电池尺寸的每个单元中除去最小值50瓦的热量。
而且，本发明的另一目的是通过使用强制空气冷却系统从相邻于电池单元的主表面的空气中除去热量。
本发明目的是这样实现的提供一电化学锌-空气多单元电池，每一单元有一外壳，外壳有一底座、两主要表面和两次要表面，限定了在其中包含锌电极的内部空间；至少一空气可渗透而液体不可透过的大致平板的空气电极，至少一个空气电极的每个安装在至少一个主要表面的窗口上；与锌电极和空气电极相接触的电解质；使来自清洁器的反应空气流穿过两相邻界面的空气电极的外面的装置；电池还具有气冷，流向导引装置，它包括设置在相邻单元之间的一对隔开的薄板，每一薄板与主表面有相似尺寸，以及具有使冷气在一对薄板间流动的装置，薄板的外面设置成与反应空气接触并冷却反应空气。
在本发明的最佳实施例中，提供了一种如上所述的锌-空气电池，其中所述的薄板由塑料制成。
在本发明的最佳实施例中，提供一种锌-空气电池，其中所述的冷却空气的流速超过所述反应空气流速的至少两倍。
在本发明的优选例中，上述锌电极由大体平面的导电框架部件组成，框架原件被活性金属组分包围，包括形成浆的固定层的多孔锌颗粒，该固定层用电解质浸渍，上述外壳的上述内部空间同相对于上述底座的开口相联，通过上述底座可拆卸上述锌电极，能用新补充的电极机械替换。
现在很清楚，本发明的电池具有用于两个单独空气流、将热量从反应空气传到冷空气的装置，然而，两个空气流由单一鼓风机产生。提供足量的反应空气起动电池，而更大量的冷空气用于从反应空气中抽取不要的热量。
已完成有关具有24cm×24cm的单元的电池试验，发现能从每单元中抽取80瓦热量。这结果足以满意操作在车辆动力装置中必须经济运行的小型、高功率电池。
注意到通常认为塑料在热交换应用中不适合作为选择材料，由于金属具有比一般固体塑料大约高1000倍的热导率。然而，该观点依据当通过壁传导热量时实际发散热量的简单观点。壁的热表面和冷表面覆盖一薄层相应介质，在本发明申请中空气与壁相接触。膜层散热系数值取决于许多因素，其中热传导系数、粘度、密度和比热。准确计算复杂，但通常，除非空气流为紊流并且热交换壁厚，抗每单一膜层的热量流动一般比构成壁的固定材料的抵抗大许多倍。当然，有两个这样的空气膜层，并且与壁紧密接触的静止空气薄膜层热传导性差。
这种考虑在本发明中具有特别作用，所用壁厚度非常小，约1mm，由于鼓气机功率消耗的限制，期望空气流成层状。最终结果是，当考虑总耐热性时，不仅考虑壁材料的导热性，在本申请中，固体塑料构成的壁仅在一定程度次于金属。
塑料有几个具有补偿性的有吸收力的性能，可用作本发明的冷空气流引导装置，例如重量轻、制造成本低和优良的耐所述类型电池中通用的碱性介质的化学腐蚀。例如，将同厚度的铜与聚丙烯相比，塑料具有轻9.9倍的重量优势。该优点在用于车辆动力装置的电池中是很重要的，其中低重量对获得可接受的车辆性能而言是一关键要求。
现在参考附图、结合优选实施例进行描述，将更为充分地理解本发明。
参考具体详细图，重点在于用例子表示细节，并且目的仅在示意讨论本发明的优选实施例，和为了提供最有用的并且最易理解的本发明的概念及原理的描述。这样，不试图示出本发明的结构细节，而只是示出为理解本发明所必要的部分，通过附图的描述使本领域技术人员明白在实际中如何实施本发明的几种形式。
图1是根据本发明的冷却式电池的最佳实施例的分解透视图；图2是一个原电池的分解透视图；图3是由气冷装置分开的一对电池的示意图；图4是一实施例的分解正视图，其中一延伸气流通道设置在一对薄板之间；图5是一个实施例的分解透视图，多个平行气流通道设置在一对薄板之间；以及图6是在具有接收来自鼓风机的气流的气流分流管的电池中的空气流动示意图。
图1是用于多次充放电循环类型的电化学锌-空气多单元电池10。在图3中更详细表示了冷气流导引装置12从多支管14接收空气，多支管14沿电池10的长度方向设置，多支管出口16连接到进气口18。
冷气20通过出口24离开电池外壳22。为方便起见，在本实施例中多支管14沿电池单元26的上边缘设置。根据空间情况和使用方便，多支管14能设置成从单元26布置侧引入冷空气20。
现在参照图2，更详细了解电池单元26之一，电池单元26设有单元外壳28，单元外壳28有单元底30、两个主表面32和两个次要表面34，它们限定了一内部空间36。在其内包含可重新替换的多孔锌颗粒电极38，它起阳极作用，被电解质40浸渍。内部空间36连通于与底面30相对的开口42。
单元26是电池10的一部分，机械地可再重新充电。开口42允许选择的拆卸可重新替换的锌电极38。并用新充电的金属电极替换。
在所示的实施例中，在每个单元中有两个空气渗透、但液体不透过大致平面的空气电极44，起阴极作用。每个空气电极44固定在栅格窗口46中，栅格窗口46设置在主表面32。保持在内部空间中的电解质40与锌电极38和两个空气电极44接触。电池输出通过一对端子夹子45传输。
图3表示多支管装置46，用于导引来自清洁器50的反应空气流48通过两个相邻界面的空气电极44的外面。
冷空气流引导装置12大致包括一对间隔开的薄板52，薄板52设置在相邻单元26之间。每个薄板52与单元主表面32有相似的尺寸。如图所示，一对间隔开的薄板52最好形成一个整体装置54，整体装置54形成具有多个空气通道56的空心板。
薄板52适合由铜制成，通过镀镍、银或铱来提供防腐。
通过用如聚丙烯的塑料可实现低重量和低制造成本。由于所用的薄壁厚度-1mm或更小-由塑料制成的整体流向装置54将提供一可接受的性能水平，正如前面所解释的。
如鼓风机58的装置用于强迫冷气20在一对薄板52之间流动。薄板52的外面设置成与反应空气48接触，并冷却反应空气。
在所示的实施例中，鼓风机58由电驱动。然而，在车辆上经常存在转轴(未示出)，此转轴借助一条或多条带来用于驱动各种车辆辅助设备。此种轴或带实际上是现有的，鼓风机58可由此驱动。
冷空气20的流速最好超过反应空气48的流速的至少两倍。鼓风机58有两个不同尺寸的叶轮部件60和62，两个都由同一马达64驱动，并能方便地提供空气流。
参考图6，将进一步涉及冷空气的供给。
图4表示冷气引导装置54的细节，其中延长的蛇状气流通道66用于在一对薄板68间引导冷气20。冷气入口70设置在通道66的一末端72，而出口74设置在其相对的末端。延长的气流通道66允许更多时间的热交换，从而降低了图3所示的较热反应空气48和冷空气20之间的全部温度差。
图5描绘了薄冷却板78的另一实施例。多个平行气流通道80设置在一对薄冷却板78之间，冷气入口(未显示)沿板78的一个边缘82设置，而空气出口(未示出)沿板78的相对边84设置。本实施例提供了更快的空气流动和比图4描述的装置更少的压降。
图6是锌-空气电池10的气流装置，进一步设有空气分流器86。
分流器86接收来自鼓风机90的气流88，鼓风机90设有仅一个叶轮。分流器90引导一部分气流，一般是一小部分到CO2清洁器50，然后到空气电极，用作反应空气48。分流器86引导剩余气流20到冷气流12的引导装置。
由鼓风机90提供给电池壳22的全部空气通过出口24而排除。如果需要的话，从出口24直接到车辆乘客单元加热器92，如果不需要，在94排出到大气。
如果需要，鼓风机90具有另一出口支管96，用于乘客单元98的通风。
对本领域技术人员来说，本发明显然不局限于前述实施例的细节，本发明可以其它具体形式来实施，而不脱离本发明特性，因此希望考虑本实施例的各个方面来说明，但不是限制性的，参照附加权利要求，而非前面的描述，在权利要求中的等同装置和范围的各种变化都包含于其中。
权利要求
1 一种电化学锌-空气多单元电池，每个单元设有一个外壳，该外壳具有一个底面、两个主表面和两个次表面，限定了一个在其中包含锌电极的内部空间；至少一空气渗透、但液体不渗透的大致平面形的空气电极，所述至少一个空气电极的每个固定在窗口中，窗口设置在至少一个所述主表面；与所述锌电极和所述空气电极接触的电解质；以及用于引导来自清洁器的反应空气流通过两相邻界面的空气电极外表面的装置；所述电池还具有冷空气；由设置在相邻单元之间的一对隔开的薄板构成的气流导引装置，每一薄板与主表面有相似尺寸；以及设有使冷气在所述一对薄板间流动的装置，所述薄板的外面设置成与反应空气接触并冷却所述的反应空气。
2 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述的一对隔开的薄板是成空心板的一个整体装置。
3 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述的薄板由塑料制成。
4 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述的薄板由铜制成。
5 如权利要求4的锌-空气电池，其特征在于所述的铜板镀有从镍、银和铱中选择的金属。
6 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于在所述的一对薄板之间设有一延长长度的气流通道，冷气入口设置在所述通道的一个末端，而出口设置在其相对的末端。
7 如权利要求1的锌一空气电池，其特征在于在所述一对薄板之间设有多个平行的气流通道，冷空气入口沿所述薄板的一侧设置，而空气出口沿所述薄板的相对侧设置。
8 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述冷空气流引导装置包括沿所述电池长度方向设置的多支管，多支管出口连接到所述空气入口。
9 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述冷气的流速超过所述反应空气的流速至少两倍。
10 如权利要求1的锌-空气电池，还进一步设置有气流分流器，它接收来自鼓风机的气流，并且把一部分气流引入所述的阴极板，用作反应空气，而把剩余的气流引导到所述的冷气流引导装置。
11 如权利要求1的锌-空气电池，其特征在于所述锌电极是由活性金属成分包围的大致成平面的导电框架构件构成，包括由电解质浸渍、形成浆的固定层的多孔锌颗粒，并且所述外壳的所述内部空间与相对于所述底面的开口相连，通过该开口可拆卸所述的锌电极，能用新补充的金属电极进行机械替换。
全文摘要
一种电化学锌－空气多单元电池,每个单元有一外壳,该外壳具有一个底面、两个主表面和两个次表面,至少一个空气渗透、但液体不透过的空气电极,至少一个空气电极的每个固定在窗口中;与锌电极和空气电极接触的电解质;用于引导来自清洁器的反应空气流穿过两个相邻界面的空气电极的外面的装置,电池还具有冷却空气;由位于两相邻单元间的一对隔开的薄板构成的气流引导装置;用于使冷气在一对薄板间流动的装置。
文档编号H01M12/02GK1183653SQ9612344
公开日1998年6月3日 申请日期1996年11月26日 优先权日1996年11月26日
发明者塞奇·金伯格 申请人:电子燃料有限公司