專利名稱：注入式鋅空氣金屬燃料電池及更換其鋅負(fù)極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種注入式鋅空氣金屬燃料電池及更 換其鋅負(fù)極的方法。
背景技術(shù)：
以鋅空氣電池為代表的金屬-空氣電池從發(fā)明至今已有一百多年的歷史， 一百多年來(lái)許多國(guó)家對(duì)鋅空氣電池及其它金屬-空氣電池進(jìn)行了大量的研究。 由于鋅空氣電池具有容量大，比能量高，綜合性能穩(wěn)定，使用安全，價(jià)格低 廉，對(duì)環(huán)境友好，長(zhǎng)期以來(lái)受到廣泛的關(guān)注，不斷尋求鋅空電池的應(yīng)用市場(chǎng)。 挖掘鋅空電池的潛力，使其應(yīng)用面逐漸擴(kuò)大，不但在無(wú)人觀測(cè)站、通訊機(jī)、 航標(biāo)燈、海洋浮標(biāo)等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用，而且也大量進(jìn)入了日常生活 領(lǐng)域，如助聽(tīng)器、石英電子表、計(jì)算器。環(huán)境污染、能源危機(jī)一直是人們十 分關(guān)注的問(wèn)題，而汽車是能源消耗大戶，也是制造環(huán)境污染的大戶之一。因 此，用于驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)力電池研究一直是各國(guó)政府和研究工作者關(guān)注的問(wèn)題。
鋅空氣電池所具有的特性，使其在電動(dòng)車電源的選擇中很早就受到青睞。60 年代，英國(guó)汽車公司和Crompton Parkinson公司根據(jù)電瓶車行程太小的缺點(diǎn)， 并對(duì)鉛酸電瓶車和鋅空氣電瓶車運(yùn)行特性進(jìn)行比較，合作設(shè)計(jì)了一輛主要用 于城市的電力驅(qū)動(dòng)小座車，為此研制了一種150 300A h的鋅空氣電池。以 色列電燃料公司(EFL)研制的機(jī)械再充式鋅空氣牽引電池，在德國(guó)Deutsche郵 政車隊(duì)和美國(guó)進(jìn)行了性能測(cè)試。德國(guó)的測(cè)試結(jié)果(1995—1998年)表明，在技 術(shù)上鋅空氣電池完全可用于驅(qū)動(dòng)中型汽車(Mercedes2Benz 410E)，每次補(bǔ)充 燃料后，可驅(qū)動(dòng)汽車行駛400km以上。美國(guó)電能研究所(EPRI)的初步評(píng)估結(jié) 果表明，以色列電燃料公司(EFL)研制出的鋅空氣電池和高功率Cd/Ni電池驅(qū) 動(dòng)的混合電動(dòng)汽車的操作費(fèi)用與目前的燃油汽車相當(dāng)。美國(guó)設(shè)計(jì)了一種以鋅 粒填充床為陽(yáng)極的機(jī)械再充式鋅空氣電池，在這種電池中，鋅電極的四周設(shè)
有電解液通道。放電時(shí)，由于鋅的溶解導(dǎo)致鋅粒填充床內(nèi)部電解液的密度高于 通道中的電解液，在密度差的作用下電解液發(fā)生自然對(duì)流，從而提高了電極內(nèi)
部的傳質(zhì)速度。以這種方法設(shè)計(jì)了55kW鋅空氣電池用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源， 比功率達(dá)到97W/kg ,比能量達(dá)228Wh/kg。德國(guó)Chem-Tek研制的機(jī)械可充式鋅 空電池，取名為Z0XY。在EV-16上由新加坡綜合技術(shù)學(xué)院和星際科技公司分別 介紹和展出了P280、 P250和P100電池。新加坡綜合技術(shù)學(xué)院用Nissan的H40系 列DE33型中巴車進(jìn)行了行車試驗(yàn)。這些卓有成效的工作使鋅空氣金屬燃料電 池進(jìn)入了電動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域。但是，鋅空氣電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用至今也 沒(méi)有得到廣泛的推廣。主要原因在于，現(xiàn)有的鋅空氣電池負(fù)極結(jié)構(gòu)和更換方 式無(wú)法滿足使用者的要求。例如，機(jī)械插塊式鋅空氣金屬燃料電池?zé)o法同傳 統(tǒng)充電電池一樣進(jìn)行充電，它需要通過(guò)更換金屬鋅極使電池得到能量補(bǔ)充， 更換過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力；填充床液體循環(huán)式鋅空氣金屬燃料電池由于在結(jié)構(gòu)上仍 存在某些缺陷，很難顯示鋅空氣電池的性能優(yōu)勢(shì)。再有傳統(tǒng)鋅空氣金屬燃料 電池固定壓型鋅負(fù)極體表面存在鈍化及內(nèi)系統(tǒng)散熱不暢的問(wèn)題，都殛待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種注入式鋅空氣金屬燃料電池，這種結(jié)構(gòu)的鋅空 氣金屬燃料電池金屬鋅負(fù)極更換時(shí)以加注形式實(shí)現(xiàn)，不需要解除電池串并聯(lián) 時(shí)電池各單體金屬鋅負(fù)極之間的連接導(dǎo)線，以此解決現(xiàn)有鋅空氣電池金屬鋅 負(fù)極更換不方便的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一目的是提供一種有效更換注入式鋅空氣金屬燃料電池鋅負(fù) 極的方法，更換方式與汽車加油相似，只要將新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠注入鋅膠貯 存箱，同時(shí)把反應(yīng)后的物質(zhì)排出就完成了電池能量補(bǔ)充過(guò)程，所需時(shí)間只需 10 15分鐘。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案
一種注入式鋅空氣金屬燃料電池，其由一組帶有進(jìn)料裝置的電池單體與 鋅膠忙存槽連通構(gòu)成，所述的電池單體的流動(dòng)態(tài)膠鋅電極注入口接進(jìn)料裝置 的導(dǎo)入口，其流動(dòng)態(tài)鋅膠電極的溢流口接入鋅膠貯存槽；在進(jìn)料裝置與電池
單體間、電池單體與鋅膠貯存槽間分別裝有單向閥及截止閥。
所述的電池單體外側(cè)至少一面設(shè)有空氣電極，內(nèi)腔置負(fù)極集流體與空氣
電極平行設(shè)置在電池單體型腔內(nèi)；在電池單體型腔下部設(shè)有截止閥和注入口，
電池單體與進(jìn)料裝置連接的一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的輸入流道；電池單體接至
鋅膠lt存槽的另一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的溢流管路；所述的進(jìn)料裝置由驅(qū)動(dòng)電 機(jī)、驅(qū)動(dòng)連桿、容積泵組合構(gòu)成。
所述的電池單體為兩個(gè)以上需要以串、并聯(lián)形式組成的任意電壓和電流 等級(jí)的電池組時(shí)，各電池單體間留有氣道；且各電池單體可分別一對(duì)一或分 組、全體共用一個(gè)鋅膠貯存槽；該組電池中各電池單體上進(jìn)料裝置的容積泵 也可分別一對(duì)一或分組、全體共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)連桿。
一種注入式鋅空氣金屬燃料電池更換鋅負(fù)極的方法，其方法步驟如下
1) 打開(kāi)電池下部的截止閥將電池型腔內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排入鋅膠貯存槽。
2) 關(guān)閉電池下部的截止閥，打開(kāi)設(shè)置在鋅膠貯存槽上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注 入和排出口。
3) 將鋅膠貯存槽內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排出。
4) 向鋅膠貯存槽內(nèi)注入新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠。
5) 關(guān)閉設(shè)置在鋅膠貯存槽上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注入和排出口，完成鋅負(fù)極 更換，使電池能量得到補(bǔ)充。
本發(fā)明的目的是提供一種注入式鋅空氣金屬燃料電池組工作時(shí)流動(dòng)態(tài)鋅 膠從鋅膠貯存槽內(nèi)，通過(guò)進(jìn)料裝置的單向閥、容積泵，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)連 桿的作用下被定量、定壓、定向、定時(shí)注入電池體內(nèi)，流動(dòng)態(tài)鋅膠在電池體 內(nèi)流過(guò)空氣電極和負(fù)極集流體經(jīng)溢流豎管流回鋅膠貯存槽，往復(fù)循環(huán)，直至 流動(dòng)態(tài)鋅膠性能衰減。當(dāng)流動(dòng)態(tài)鋅膠性能衰減后通過(guò)設(shè)置在鋅膠貯存槽上的 流動(dòng)態(tài)鋅膠的注入和排出口更換新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠，完成電池能量補(bǔ)充。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池改善了傳統(tǒng)鋅空氣金屬燃料電池固
定壓型鋅負(fù)極體表面鈍化問(wèn)題，提高了電池電性能；
2、 所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池內(nèi)鋅膠的流動(dòng)將電池反應(yīng)中的熱量 帶走，起到了良好的冷卻效果，解決了電池大電流功況下的電池散熱問(wèn)題；
3、 所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池克服了現(xiàn)有鋅空氣金屬燃料電池的 結(jié)構(gòu)缺陷，可快速、方便的更換負(fù)極；
4、 所述的更換鋅空氣金屬燃料電池負(fù)極的方法拋棄了傳統(tǒng)鋅空氣金屬燃 料電池更換固定壓型鋅負(fù)極時(shí)需要解除電池串并聯(lián)時(shí)電池各單體金屬鋅負(fù)極 之間的連接導(dǎo)線，更換完成后又需要重新連接的繁瑣過(guò)程，解決了傳統(tǒng)鋅空 氣金屬燃料電池由于頻繁解除連接、重新連接的可靠性差及連接正、負(fù)極柱 壽命短等問(wèn)題，達(dá)到了讓鋅空氣金屬燃料電池鋅負(fù)極更換與汽車加油相似的 便利，只需把反應(yīng)后的物質(zhì)排出同時(shí)將新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠注入鋅膠貯存槽就 完成了能量補(bǔ)充過(guò)程，所需時(shí)間僅10 15分鐘。


圖1 為本發(fā)明注入式鋅空氣金屬燃料電池結(jié)構(gòu)示意剖面圖 圖2 為本發(fā)明注入式鋅空氣金屬燃料電池組外形結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明注入式鋅空氣金屬燃料電池由一組帶有進(jìn)料裝置的電池單體與鋅 膠貯存槽連通構(gòu)成。
如圖1、圖2所示，所述的電池單體由塑料外殼20、負(fù)極集流體12、負(fù) 極引出13、正極引出14、空氣電極15、流動(dòng)態(tài)鋅膠的流道6、流動(dòng)態(tài)鋅膠的 溢流管路11及截止閥7和注入口8構(gòu)成。負(fù)極集流體12、負(fù)極引出13相連 接為電池的負(fù)極輸出，正極引出14、空氣電極15相連接為電池的正極輸出， 電池單體外側(cè)至少一面設(shè)有空氣電極15，負(fù)極集流體12與空氣電極15平行 設(shè)置在電池單體型腔內(nèi)，截止閥7和注入口 8設(shè)在電池單體型腔下部為佳， 電池單體一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的流道6，另一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的溢流管路 11，為保證電池的性能優(yōu)異，所述的負(fù)極集流體12為經(jīng)疏水處理的導(dǎo)電性能 良好的銅、鎳、鈦等板材或網(wǎng)材。
所述的鋅膠貯存槽9為流動(dòng)態(tài)鋅膠的儲(chǔ)存裝置，可以為任意形狀的容器， 除設(shè)有與截止閥、進(jìn)料裝置、溢流管路相連接的接口外，還設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠 的注入和排出口 10。
如圖2所示，當(dāng)需要由兩個(gè)或兩個(gè)以上電池單體以串、并聯(lián)形式組成任 意電流電壓等級(jí)的電池組時(shí)，各電池單體間留有1 5mm氣道19，以便于空氣 的流通。所有電池單體可共有一個(gè)或多個(gè)鋅膠貯存槽。同時(shí)，若干(或全體) 電池單體的進(jìn)料裝置的容積泵也可共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)連桿。
參見(jiàn)圖1，電池工作時(shí)流動(dòng)態(tài)鋅膠從鋅膠貯存槽內(nèi)9通過(guò)進(jìn)料裝置的單向 閥5、容積泵4，在驅(qū)動(dòng)連桿3和驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的作用下被定量、定壓、定向、 定時(shí)經(jīng)流道6、注入口 8注入電池單體1內(nèi)，流動(dòng)態(tài)鋅膠在電池體內(nèi)流過(guò)空氣 電極15和負(fù)極集流體12之間的縫隙，經(jīng)溢流管路11流回鋅膠貯存槽9，往 復(fù)循環(huán)，直至流動(dòng)態(tài)鋅膠性能衰減，反應(yīng)終止。
參見(jiàn)圖1，當(dāng)流動(dòng)態(tài)鋅膠性能衰減，反應(yīng)終止，需要對(duì)流動(dòng)態(tài)鋅膠進(jìn)行更 換時(shí)，首先打開(kāi)電池單體1下部的截止閥7將電池型腔內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部
排入鋅膠貯存槽9，然后關(guān)閉電池單體i下部的截止閥7，打開(kāi)設(shè)置在鋅膠ie
存槽9上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注入和排出口 10，將鋅膠貯存槽9內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠 全部排出后向鋅膠貯存槽9內(nèi)注入新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠，最后，關(guān)閉設(shè)置在鋅 膠貯存槽9上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注入和排出口 10，完成鋅負(fù)極更換，使電池能 量得到補(bǔ)充。
所述注入式鋅空氣金屬燃料電池單體型腔內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠的流體導(dǎo)向以 縱向?yàn)榧岩孕纬煞派湫土黧w，故電池單體內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠流動(dòng)方向應(yīng)縱向設(shè) 置。在電池外單向閥內(nèi)流動(dòng)態(tài)鋅膠的壓力與電池內(nèi)流動(dòng)態(tài)鋅膠的流動(dòng)動(dòng)能關(guān) 系P^Prt時(shí)，流動(dòng)態(tài)鋅膠循環(huán)流動(dòng)，流動(dòng)中發(fā)生了如下電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能:
空氣電極(正極):l/202 + H20+2e — 20H—
流動(dòng)態(tài)鋅膠(負(fù)極)Zn + 20H—— Zn0+2e
鋅空氣金屬燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)控制
1、流動(dòng)態(tài)鋅電極的流量控制在40 80ml/分鐘時(shí)，電性能最佳。
2、 電池單體1內(nèi)型腔的橫截面積為單向閥5與電池單體1連接接口的截 面積的3 4. 5倍最佳。
3、 注入口 8的開(kāi)口面積要大于負(fù)極集流12與空氣電極15之間縫隙的橫 截面積。
4、 負(fù)極集流12與空氣電極15之間縫隙的橫截面積為流道6的橫截面積 的30% 50%。
本發(fā)明提出一種注入式結(jié)構(gòu)的鋅空氣金屬燃料電池，這種鋅空氣電池配 合流動(dòng)態(tài)鋅膠電極，解決了鋅空氣電池負(fù)極更換不方便的問(wèn)題，使得鋅空氣 電池在電動(dòng)車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用變得更為現(xiàn)實(shí)。注入式鋅空氣金屬燃料電池摒 棄了插塊式鋅空氣金屬燃料電池更換負(fù)極的繁瑣過(guò)程，并解決了液體循環(huán)式 鋅空氣金屬燃料電池的結(jié)構(gòu)缺陷。設(shè)計(jì)理念是讓鋅空氣金屬燃料電池的鋅負(fù) 極更換與汽車加油相似，只要將反應(yīng)后的物質(zhì)排出，同時(shí)把新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅 膠注入鋅膠貯存箱就完成了能量補(bǔ)充過(guò)程，所需時(shí)間10 15分鐘。反應(yīng)后的 物質(zhì)可以進(jìn)行還原處理，重新形成新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠。
權(quán)利要求
1、一種注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于其由一組帶有進(jìn)料裝置的電池單體與鋅膠貯存槽連通構(gòu)成，所述的電池單體的流動(dòng)態(tài)膠鋅電極注入口接進(jìn)料裝置的導(dǎo)入口，其流動(dòng)態(tài)鋅膠電極的溢流口接入鋅膠貯存槽；在進(jìn)料裝置與電池單體間、電池單體與鋅膠貯存槽間分別裝有單向閥及截止閥。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于所 述的電池單體外側(cè)至少一面設(shè)有空氣電極，內(nèi)腔置負(fù)極集流體與空氣電極平行設(shè)置在電池單體型腔內(nèi)；在電池單體型腔下部設(shè)有截止閥和注入口，電池單體 與進(jìn)料裝置連接的一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的輸入流道；電池單體接至鋅膠貯存槽 的另一側(cè)設(shè)有流動(dòng)態(tài)鋅膠的溢流管路；所述的進(jìn)料裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)連桿、 容積泵組合構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于所 述電池單體的負(fù)極集流體材質(zhì)為經(jīng)疏水處理的導(dǎo)電性能良好的銅、鎳、鈦板材 或網(wǎng)材。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于所述的一組電池單體為兩個(gè)以上，需要以串、并聯(lián)形式組成電池組時(shí)，各電池單 體間留有氣道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于所述的組成電池組的一組電池單體可分別一對(duì)一或分組、全體共用一個(gè)鋅膠貯存 槽。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于所述組成電池組的一組電池單體的進(jìn)料裝置的容積泵可分別一對(duì)一或分組、全體 共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)連桿。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于電池單體內(nèi)型腔的橫截面積為單向閥與電池單體連接接口的截面積的3 4. 5倍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于注入口的開(kāi)口面積要大于負(fù)極集流與空氣電極之間縫隙的橫截面積。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池，其特征在于負(fù)極集流與空氣電極之間縫隙的橫截面積為流動(dòng)態(tài)鋅的流道的橫截面積的30% 50%。
10、 一種用于權(quán)利要求l所述的注入式鋅空氣金屬燃料電池更換鋅負(fù)極的 方法，其特征在于方法步驟如下1) 打開(kāi)電池下部的截止閥將電池型腔內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排入鋅膠貯存槽；2) 關(guān)閉電池下部的截止閥，打開(kāi)設(shè)置在鋅膠貯存槽上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注 入和排出口；3) 將鋅膠貯存槽內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排出-，4) 向鋅膠ft存槽內(nèi)注入新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠；5) 關(guān)閉設(shè)置在鋅膠貯存槽上的流動(dòng)態(tài)鋅膠的注入和排出口，完成鋅負(fù)極
全文摘要
一種注入式鋅空氣金屬燃料電池，其由一組帶有進(jìn)料裝置的電池單體與鋅膠貯存槽連通構(gòu)成，所述的電池單體的流動(dòng)態(tài)膠鋅電極注入口接進(jìn)料裝置的導(dǎo)入口，其流動(dòng)態(tài)鋅膠電極的溢流口接入鋅膠貯存槽；在進(jìn)料裝置與電池單體間、電池單體與鋅膠貯存槽間分別裝有單向閥及截止閥。更換鋅負(fù)極的方法步驟如下1)打開(kāi)電池下部的截止閥，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電池型腔內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排入鋅膠貯存槽；2)關(guān)閉電池下部的截止閥，打開(kāi)設(shè)置在進(jìn)料裝置與電池單體間的單向閥使鋅膠貯存槽內(nèi)的流動(dòng)態(tài)鋅膠全部排出，同時(shí)向鋅膠貯存槽內(nèi)注入新鮮的流動(dòng)態(tài)鋅膠；3)關(guān)閉單向閥，完成了鋅負(fù)極更換。
文檔編號(hào)H01M12/06GK101192694SQ200610114690
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者劉偉春, 周利民, 周躍民, 王羽潔, 王艷境, 王菁迅 申請(qǐng)人:周利民;周躍民;王菁迅;劉偉春;王羽潔;王艷境