一种金属/空气电池系统的制作方法

本发明涉及金属/空气电池系统，具体地说是一种高一致性金属/空气电池系统。

背景技术：

金属/空气电池是一种采用金属(如镁、铝、锌等)为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液作为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富且价格低廉，因此金属/空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。

由于金属/空气电池单体的工作电压只有1-1.5V，在遇到有较高额定电压的需求的用电设备时，多需将多个金属/空气单电池串联起来使用，以获得较高的输出电压；与此同时，大功率的金属空气电池则由于内部的不可逆性和欧姆极化等产生的化学反应热，50％左右的能量耗散为热量，这一部分热量使电池温度迅速上升，严重时导致电池电解液蒸发过快，造成电池反应面积减小，甚至造成阴极破坏。所以大功率的金属/空气电池系统多需采用循环电解液的方式来降低电池组的温度同时将循环产物带到系统外部。为了保证电解液的循环，电池组一般采用电解液下进上出的循环方式，多个电池组串联则需通过主流道实现连通，随着串联电池数量增加，单位时间内每个单池内的流量差异逐渐明显，导致单池内温度差异大，进而导致放电性能的差异，严重时因为温度失控导致阴极的损坏。目前常用的解决方案是增大主流道的截面积，但这样会使得电池组的尺寸急剧增大，降低系统的比能量。

现有技术中，可通过降低流速和增大主管路与支管路直径比两种方式来增加电池系统各单电池电解液注液的一致性。但降低流速有一定范围，流速太低，散热不满足要求；而增大主管路与支管路直径比，也有一定的限制，一方面因但支管路有排产物杂质需求同时需满足短路电流，即支路不能过细；另一方面主管路越大则越占用体积。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，发明一种高一致性金属/空气电池系统，实现流体均匀分配，提高电池系统比能量并延长阴极的实际使用寿命。

一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述液泵的进液口与储液单元相连通，所述液泵的出液口与换热器进液口相连，换热器排液口与金属/空气电池组的主注液口相连；所述金属/空气电池组的主排液口与储液单元相连通，形成闭合回路；所述金属/空气电池组，包括N节的串联连接的单电池，所述N为大于等于2的整数；所述单电池包括一单电池壳体,于单电池壳体中部设有垂直于单电池壳体底部的金属阳极，置于电池壳体内相对两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成电解液腔，单电池壳体下部设有单电池的液体注液口和上部设有液体排液口，液体注液口处设有两端开口的注液管道，液体注液口穿过注液管道的侧壁面与注液管道相连通；液体排液口处设有两端开口的排液管道，液体排液口穿过排液管道的侧壁面与排液管道相连通；从左至右N节的单电池壳体相互平行、依次排列，所述N节的单电池的注液管道依次串连形成注液主流道,所述N节的单电池的排液管道依次串连形成排液主流道,于所述相邻接的单电池壳体间留有空隙形成空气流道；所述注液主流道一端或两端设有主注液口,注液主流道内设置有流量均衡单元，实现电解液流动的一致性。

所述注液主流道一端设有主注液口,另一端密闭,所述流量均衡单元为一沿流体流动方向设置的隔板,隔板将注液主流道分隔成两个独立的区域，单电池的液体注液口处于其中一个区域内，隔板一端将主注液口分隔成两部分,另一端与注液主流道密闭端留有空隙,隔板将主注液口流体分配为两股，从电池组注液主流道两端流入单电池的液体注液口所在区域，注液主流道内的流体从注液主流道内流入单电池的液体注液口中，在有限空间内缩短单向流道长度。

所述注液主流道一端设有主注液口,另一端密闭,所述流量均衡单元为一楔形块，楔形块沿流体流动方向置于注液主流道内，使注液主流道垂直于流体流动方向的截面积从注液口方向起向密闭端逐渐均匀减小或阶梯性减小，注液主流道内的流体从注液主流道内流入单电池的液体注液口中。

所述注液主流道为圆形管道，其一端设有主注液口,另一端密闭,所述流量均衡单元为一沿轴线螺旋盘绕的挡片，长度与电池组主注液流道内流体流动方向的长度相同，螺距为相邻单电池注液口间距，外圆尺寸为主注液流道内径；单电池注液口处于相邻螺片之间。

所述注液主流道一端设有主注液口,另一端密闭,所述流量均衡单元可为一高度渐增式阵列凸起隔板，所述凸起高度从主注液方向起向密闭端逐渐递增；凸起隔板置于相邻单电池的液体注液口之间，凸起高度是指垂直于主注液流道内流体流动方向的高度。

所述流量均衡单元为上述结构的组合。

所述注液主流道一端设有主注液口,另一端密闭,所述流量均衡单元为一沿流体流动方向设置的隔板,于隔板上沿流体流动方向设有2个以上的通孔，隔板将注液主流道分隔成两个独立的区域，单电池的液体注液口处于其中一个区域内，主注液口流入的流体从另一区域流入单电池的液体注液口所在区域内，从主注液口至密闭端隔板上通孔孔径逐渐缩小，注液主流道内的流体从注液主流道内流入单电池的液体注液口中，在有限空间内缩短单向流道长度。

所述注液主流道或与单电池为一体，或与单电池为两个独立的部分。

所述均衡单元或与注液主流道加工为一体，或单独加工后置入注液主流道中；

与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池具有以下优点：

(1)高一致性的电解液流动有效控制单池性能(电压、温度等)，提高系统的放电容量，提高阳极利用率，有效延长阴极实际工况使用寿命；

(2)流量均衡单元内置于注液主流道内，在不增加主流道尺寸情况下合理提升流动一致性，降低系统体积，提高系统比能量。

附图说明

图1.一种金属空气电池组结构示意图；

图2.一种两端注液结构的金属空气电池组结构示意图；

图3.实施例1中隔板结构的流量均衡单元结构示意图；

图4.实施例2中截面形状为三角形楔形块结构的流量均衡单元结构示意图；

图5.实施例2中截面形状为梯形楔形块结构的流量均衡单元结构示意图；

图6.实施例3中高度渐增式阵列凸起隔板结构的流量均衡单元结构示意图；

图7.实施例3中另一种渐增式阵列凸起隔板结构的流量均衡单元结构示意图；

图8.实施例4中渐变通孔隔板结构的流量均衡单元结构示意图；

图9.实施例5中螺旋盘绕挡片结构的流量均衡单元结构示意图。

图中，1-单电池，2-注液主流道，3-排液主流道，4-主注液口，5-主排液口，6-主排液口A，7-主注液管路；8-隔板，9-隔板一端，10-隔板另一端，11-主注液流道A侧，12-主注液流道B侧，13-单电池注液口侧

具体实施方式

对比例1：

电池系统采用30个单电池串联组成，其中单体电池含两片阳极、四片阴极，阳极为铝合金，尺寸为160mm×150mm×3mm，单体电池阴极尺寸为170mm×160mm×3mm，单池极间距为2mm，电解液为7mol/L的NaOH溶液，电池组(图1所示)中的30个单电池串联连接，形成注液主流道(2)和排液主流道，电池系统中，主注液口(4)与换热器出液口连接，主排液口(5)与储液槽连接，形成电解液循环系统。图1为金属空气电池组结构示意图。通过循环泵进行电解液循环，电解液自主注液口流入电池组，通过各单电池的液体注液口流进各单电池，到达一定液位后进行排液，流经排液主流道回到储液槽中。表1为现有技术金属空气电池系统单电池流量数据表，远离主注液口的单电池标记为单电池1，从表中可以看出，单电池间最小流量49ml/min与最大流量493ml/min，相差430ml/min，差距较大，严重影响电池系统寿命和放电性能。考虑测试误差及电池差异，取单电池间流量平均值与最大流量和最小流量比较，最大流量比平均值大155ml/min，最小流量比平均值小256ml/min。

表1现有技术金属空气电池组单电池流量数据表

对比例2：

电池组采用30个单电池串联组成，其中单体电池含两片阳极、四片阴极，阳极为铝合金，尺寸为160mm×150mm×3mm，单体电池阴极尺寸为170mm×160mm×3mm，单池极间距为2mm，电解液为7mol/L的NaOH水溶液，电池组(图2所示)中的30个单电池(1)各自有注液口与排液口，相互串联叠加，形成电池组的注液主流道(2)和排液主流道(3)，两端则形成主注液口A(4)、主注液口B(6)、主排液口A(5)，图2为两端注液结构的金属空气电池组结构示意图。实际工程应用中，为减小单电池间的流量差异，采用图2所示的改进方式，将两个主注液口A(4)和B(6)同时注液汇总至主注液管路(7)进行电解液注液，以此来缩短电池组的注液流道长度。表2为对比例1中金属空气电池组的单电池流量分布表，从表中可以看出，单电池最小流量164ml/min与最大流量415ml/min，相差251ml/min，相比于对比例1有所缓解，但由于外置的主注液管路以及两个注液口的设置，增大了电池组的体积，同时增加了加工组装的难度及成本，降低系统的可靠性。

表2对比例2中金属空气电池组单电池流量分布表

实施例1

电池组结构与实施例1相同，但本实施例中仅使用一个主注液口和一个主排液口，在主注液流道内内置有一流量均衡单元，所述流量均衡单元为一隔板结构，沿流体流动方向设置，隔板宽度为主注液管管路直径30mm，长度与主流道长度相同为600mm，隔板一端(9)粘接紧贴主注液口A(4)端头处，将主流道中间注入电解液均匀划分为两部分，一部分从主注液口A处开始沿单电池注液口直接注入电池组各单电池内，另一部分由划分出的远离单电池侧的注液流道将电解液带至主注液口B(6)侧，B侧则通过端板进行密封，电解液则沿着隔板凹槽(10)部分流回单电池注液口侧流道，从B侧开始注入单电池内部，在主注液流道的有限空间内，实现了电解液的均匀加注。图3为本实施例中隔板结构的流量均衡单元结构示意图。表3为实施例1中金属空气电池组单电池流量分布表，从表中可以看出，单电池最小流量210ml/min，与平均值相差98ml；最大流量392ml/min，与平均值相差88ml；单池30与对比例2有明显改善，与此同时，实施例1在结构上有很大的简化，降低系统的重量体积及成本。

表3实施例1中金属空气电池组单电池流量分布表

实施例2

电池组结构与实施例1相同，但本实施例中在注液主流道内增加一个楔形隔板，所述隔板截面形状为直角三角形，直角边中的长边长度为主注液流道长度600mm，直角边中的短边长度为4/5主注液流道直径为24mm，斜边则对应主流道上单电池注液口侧，三角形隔板厚度约为主注液流道直径的1/2，为15mm厚。主注液口A侧注入电解液流经三角形隔板时，主流道内截面积逐渐减小，使得各单电池入口处静压相等，电解液能较均匀的注入单电池内部，主注液口B侧则通过端板进行密封，仅A侧注液即可。以9L/min进行注液，测得各单电池之间流量值如下表4所示。在金属空气电池系统进料流量不同时，直角边短边长度随注液流量调节。图4为本实施例中三角形隔板结构的流量均衡单元结构示意图。图5为实施例2中隔板截面形状为梯形结构的流量均衡单元结构示意图。图5所示实施例的测试结果与三角形隔板接近，但是单池30的流量值相对于三角形隔板增加30ml/min，可知对于提高系统最小流量值有所作用，减小差异值。

表4实施例2中金属空气电池组单电池流量分布表

实施例3

电池组结构与实施例1相同，但本实施例中在注液主流道内增加一渐增式阵列凸起隔板，隔板长度为主注液流道长度600mm，宽度为4/5主注液流道直径为24mm，阶梯凸起间距为单电池注液口间距20mm，从主注液口A侧开始，每个阶梯凸起左侧位于单电池注液口的右侧，阶梯型凸起最长边的高度为2/3主注液流道直径，20mm，阶梯型斜度为斜边侧对应主流道上单电池注液口侧。主注液口A侧注入电解液流经阶梯型隔板时，电解液由于阶梯凸起的作用，产生切向力注入单电池内，电解液能较均匀的注入单电池内部，主注液口B侧则通过端板进行密封，仅A侧注液即可。图6和7为实施例中渐增式阵列凸起隔板结构的流量均衡单元结构示意图。由测试结果可知，图6与图7对应的实施例测试结果，流量均匀程度略低于实施例2，但流量差异较对比例1有明显缩小，尤其在注液口附近的单池30处的几个单池，流量值有明显的升高，显著降低单电池30内的反应温度，避免阴极因高温的破坏，且图6对应的实施例的重量小于实施例2，有助于提高系统的比能量。

实施例4

电池组结构与实施例1相同，但本实施例中在主注液流道内增加渐变通孔隔板，隔板长度为主注液流道长度600mm，隔板宽度为28mm，厚度为2mm，隔板上均匀布置直径渐变的孔隙，孔隙数量可与单电池相同，为30个，也可为他的1/2，图示为15个，间距为2倍单电池注液口间距为40mm，孔径由4-28渐变，渐变孔隔板将主注液流道均匀分为两部分，注液时，电解液从注液流道侧(13)注入，通过隔板上的孔隙进入单电池注液口侧(14)流道，随着电解液的流动，出液口面积不断变小，保持注液主流道全长静压变化，出液口速度不等，进而使得流经各单电池的流量相等。图8为本实施例中渐变孔隔板结构的流量均衡单元结构示意图。经测试，单电池内的流量分布相较于实施例1有明显改善，但单电池内的支流道长度对均匀程度有较大影响，适用于串联节数相对少一点，单电池流道短一点的电池系统。

实施例5

电池组结构与实施例1相同，但本实施例中在注液主流道内增加螺旋盘绕挡片，长度与电池组主注液流道长度相同为600mm，，螺距为单电池注液口间距20mm，外圆尺寸为主注液流道内径30mm，螺旋轮廓为矩形8mm*3mm，可根据注液流量调节，流量大时，矩形面积大，旋向可以为左旋可以为右旋，主注液口A侧注入电解液通过螺旋隔板时，由螺旋切向力作用，较均匀的注入单电池内部，主注液口B侧则通过端板进行密封，仅一侧注液即可。图9为本实施例中螺旋隔板结构的流量均衡单元结构示意图。经测试可知，该结构下的电池组中单电池流量分布相较于实施例1有很大改善，但略低于实施例2，且因为该结构对电解液的流动阻力较小，在保证电解液流量的情况下，液泵的电压有明显降低，即系统功耗有所降低，有利于提高系统的放电容量。

经上述实施例中的实验验证，上述流量均衡单元的增加或通过内部两端注液降低流速，缩短单电池在一侧液流方向的数量，提高各单电池电解液注液的一致性；或通过将注液主流道内部分为两侧注液，通过渐变孔隙保持注液主流道全长静压变化，出液口速度相等，确保各单电池附近的注液流量相等，提高提高各单电池电解液注液的一致性；或通过渐改变注液主流道沿注液方向的截面积，使得各单电池入口处静压相等，即保证单位时间内注入单电池内的流量相等提高一致性，或通过螺旋换等内部扰流，产生切向力，提高各单电池电解液注液的一致性；通过电池系统高一致性的电解液流动有效控制单池性能(电压、温度等)，提高系统的放电容量，提高阳极利用率，有效延长阴极实际工况使用寿命；此外，流量均衡单元内置于注液主流道内，在不增加主流道尺寸情况下合理提升流动一致性，降低系统体积重量，提高系统比能量。