專利名稱:用于金屬-空氣電池組的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種模塊電池,用于一種多電池金屬-空氣電池組系統(tǒng),更詳細(xì)地說,用于一種在電動車輛中使用的系統(tǒng);以及涉及一種其中裝有一些所述電池的冷卻金屬-空氣電池組。
在1995年9月20日以公布號0673076公布的歐洲專利申請第94307391.6號中,描述和申請一種用于多電池金屬-空氣電池組系統(tǒng)的模塊電池,它包括一個具有兩個主表面的較平的電池外殼,并且裝有一對空氣電極形式的、相對地安置的、被間隔開的、可滲透空氣的、和不可滲透液體的陰極。在這對陰極之間限定一個空間,該空間對所述電池外殼的上邊緣開放,而在所述電池外殼的側(cè)面邊緣和底面則封閉;該空間被配置成可容納所述電池組的一個陽極。所述外殼的主表面的相當(dāng)大的部分是切掉的,以露出所述空氣電極的主要部分。其特征在于所述的兩個主表面是用這樣一種方式部分地開槽的,以致于與一個相鄰電池外殼的一個主壁的同樣開槽的外表面相結(jié)合,形成一個具有空氣進(jìn)口和出口的空氣空間;還在于所述空氣電極的露出部分是用至少由多個窄條組成的肋條來支承和加強(qiáng)的,這些窄條限定一些通路,用于引導(dǎo)空氣,使經(jīng)從所述空氣進(jìn)口通過所述空氣電極的所述部分而流向所述出口。
在此寫入所述公布申請的精神以及其中反映的技術(shù)狀態(tài),供參考。
根據(jù)所述專利中描述的基本模塊設(shè)計,制備和試驗了用于電動車輛的電池組,這些電池組獲得了一些重大成果以高達(dá)100kmh的速度驅(qū)動電動車輛達(dá)400km,而無需再充電電池組。
全部有電的電池組在工作期間都產(chǎn)生熱量,其中一個熱源是在諸電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),第二個熱源是對抗電池組本身歐姆電阻的電流流動。在大多數(shù)電池組中,上述熱量主要通過對流而自然消散。然而,用來驅(qū)動電動車輛的電池組旨在從一個小型電池組包中供應(yīng)高功率,并且如果沒有采取附加的冷卻措施,則可能出現(xiàn)高的溫度升高??紤]到需要把公路車輛設(shè)計成容許在高達(dá)45-50℃的環(huán)境溫度下工作,就使這一問題更嚴(yán)重了;在上述條件下,所產(chǎn)生的熱量可能使電池組溫度上升到一個引起電池組損壞的水平。
雖然高的工作溫度不一定有損于電池組性能,但有若干理由說明在這種電池組中提供某種冷卻裝置是正確的。首先,在自然冷卻的電池組中,內(nèi)側(cè)電池的工作溫度遠(yuǎn)高于電池組中周邊電池的工作溫度,從而導(dǎo)致諸電池之間有工作差異。第二,在需要時利用從電池組取出的熱量去加熱車輛乘員間,這常常有利的。和第三,必須防止由于電池組中固體和液體材料受熱而引起的性能過早惡化。
在美國專利754,969;3,767,468;4,007,315;4,463,064;4,578,324;和5,212,024中,描述一些用于有電電池組的冷卻系統(tǒng)。這些說明書公開各種在電池組中循環(huán)空氣之類冷卻氣體或水之類冷卻液體的系統(tǒng),用于從電池組中去除熱量。
在美國專利3,290,176和5,093,213中,描述一些用于電解液的冷卻系統(tǒng)。雖然上述系統(tǒng)具有某些優(yōu)點,尤其在實現(xiàn)電解液混合以拉平濃度差別方面更具優(yōu)勢,但這些系統(tǒng)需要泵送裝置,并且比使用直接空氣冷卻的系統(tǒng)要復(fù)雜和笨重。驚人的是,對于例如適用于公路車輛發(fā)動機(jī)電池組的尺寸約為24cm×24cm的各個電池組單元電池來說,電解液冷卻系統(tǒng)只從它排除約40瓦的熱量。
對于上述電池組單元電池尺寸來說,用來使冷卻空氣直接流過金屬集電器框頂部的系統(tǒng)只能維持約20瓦的排除容量,它大概只有實際公路車輛發(fā)動機(jī)電池組所需容量的25%。有可能通過使用一個大風(fēng)扇充分提高接觸空氣電極的反應(yīng)空氣的流動速度,以排除過量的熱量。這種裝置很適合于短期應(yīng)用,例如用于工作壽命只有幾分鐘的魚雷發(fā)動機(jī)的電池組。然而,如果流過空氣電極的空氣流動速度大大超過供應(yīng)反應(yīng)氧所需的速度,則最終會使來自空氣電極的電解液干燥,從而使電池產(chǎn)生不可接受的功率損失。
因為空氣中含有按體積計的約0.0314%的二氧化碳,已知這種氣體會惡化金屬-空氣電池的高效工作,這還會阻礙充分地提高用作冷卻介質(zhì)的反應(yīng)空氣的流速。因此,本發(fā)明人提出了一種適合與電池組一起使用的凈氣器,描述于歐洲專利申請95301398.4中,其公布號為0677883。用于排除CO2的凈氣器通常需要使用一種CO2的吸收材料,例如粒狀堿金屬氫氧化物和吸附于多孔載體上的含水堿金屬氫氧化物。無論使用何種吸收材料,吸收劑在長期使用以后會有化學(xué)消耗,需要更換或化學(xué)補(bǔ)充。只對含有足夠電池反應(yīng)所需氧氣的空氣量用凈氣器進(jìn)行處理,可以避免過早的耗盡吸收劑。然而,業(yè)已發(fā)現(xiàn),電池工作所需的空氣量不足以實現(xiàn)高的冷卻率。
在美國專利5,447,805中,還描述和申請用于電池組的冷卻系統(tǒng),例如在歐洲專利申請第94307391.6號中申請的冷卻系統(tǒng),該專利涉及一種用于多電池金屬-空氣電池組系統(tǒng)的模塊電池。這種電池包括一個具有兩個主表面的較平的電池外殼,并且裝有一對空氣電極形式的,相對地安置的、被間隔開的、可滲透空氣、和不可滲透液體的陰極。在這對陰極之間限定一個空間,該空間對所述電池外殼的上邊緣開放,而在所述電池外殼的側(cè)面邊緣和底面則封閉;該空間被配置成可容納所述電池組的一個陽極和電解液。所述外殼的主表面的相當(dāng)大的部分是切掉的,以露出所述空氣電極的主要部分。其特征在于所述的兩個主表面是用這樣一種方式部分地開槽的,以致于與一個相鄰電池外殼的一個主壁的同樣開槽的外表面相結(jié)合,形成一個具有空氣進(jìn)口和出口的空氣空間;還在于所述空氣電極的露出部分是用至少由多個窄條組成的肋條來支承和加強(qiáng)的,這些窄條限定一些通路,用于引導(dǎo)空氣,使它從所述空氣進(jìn)口通過所述空氣電極的所述部分而流向所述出口。其特征還在于所述外殼的至少一個主表面的上部裝有一個具有一個進(jìn)口和一個出口的流體流動通道,該進(jìn)出口裝在所述外殼的次表面的壁中,該通道用于引導(dǎo)進(jìn)入所述進(jìn)口的冷卻液穿出所述電池的上部區(qū)域,通過所述外殼部分的內(nèi)壁,與裝在所述開放空間的上部的電解液進(jìn)行熱交換。
在歐洲專利0744784中,描述和申請一種電化學(xué)鋅空氣多單元電池組,每個單元電池都屬于下述的型式它裝有一個外殼,該外殼具有一個底座和兩個主表面和兩個次表面,它們限定一個用于在其中容納一個鋅電極的內(nèi)空間;裝有至少一個通常平面形狀的、可滲透氣體但不可滲透液體的空氣電極,每個所述至少一個空氣電極皆裝于一個窗開口中,在至少一個主表面中提供該開口;裝有接觸所述鋅電極和所述空氣電極的電解液;和裝有用于引導(dǎo)反應(yīng)空氣從凈氣器流過兩個相鄰對接空氣電極的外表面的裝置。所述的電池組還具有冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置,該裝置包括一對裝于相鄰電池之間的被間隔開的薄板,每個薄板都具有類似于所述主表面的尺寸;和具有為了強(qiáng)制冷卻空氣流過所述薄板對之間而提供的裝置,所述薄板的外表面被安排成接觸和冷卻所述的反應(yīng)空氣。
歐洲專利申請第94307391.6號的模塊電池包括一個分離的電池外殼,其中兩個外殼對分體完全相同,并且在電池組裝期間和一條沿電池周邊形成的接縫結(jié)合在一起;該周邊就是諸接合邊,包括其頂邊和底邊。
然而,兩個外殼對分體的這種周邊并排焊接,發(fā)現(xiàn)有一些漏泄問題。
此外,使反應(yīng)空氣流過兩個對接空氣電極的外表面的裝置,是對需要制備和使用大量凈化反應(yīng)空氣的電池的外殼開放的。
此外,所述電池的制作,包括對準(zhǔn)兩個對稱的對分電池以便膠合,在機(jī)械上是困難的。
遇到的另一個問題是,在相鄰電池的集電器之間的電氣互連線是無掩蔽的,容易損壞和短路。
根據(jù)本發(fā)明,現(xiàn)在提供一種用于電化學(xué)鋅空氣多單元電池組的模塊電池,每個電池都屬于下述的型式它裝有一個外殼,該外殼具有兩個外主表面和兩個被隔離開的內(nèi)壁,所述的內(nèi)壁限定一個在其中裝有一個鋅電極的第一內(nèi)腔,并且與所述外主表面一起限定兩個用于接收反應(yīng)空氣的外腔;裝有兩個通常平面形狀的、可滲透氣體但不可滲透液體的空氣電極,每個所述電極裝于一個窗口狀開口中,在每個所述內(nèi)壁中提供該開口;裝有接觸所述鋅電極和所述空氣電極的電解液;和裝有用于引導(dǎo)所述反應(yīng)空氣流動的裝置,使該空氣流入在所述外殼的第一外側(cè)表面中提供的第一進(jìn)口,通過兩個所述外腔,基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的外表面,并且從在所述外殼的一個相對外側(cè)表面中提供的一個第二出口流出來。
在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例中,模塊電池是由一些對稱的分離電池對分塊形成的,其中第一個所述內(nèi)壁裝有一個框架狀開口,其大小可用緊密摩擦配合方式接收和容納一個第二所述內(nèi)壁,所述第一內(nèi)壁的一個底和相對側(cè)表面分別形成所述外殼的底座和側(cè)面,并且所述第一內(nèi)壁的頂部構(gòu)成組裝后電池的無縫上部。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的一些實施例中,每個所述的內(nèi)壁都備有一個周邊凹槽,其大小可接受所述兩個外主表面之一;和一個窗狀開口,其大小可接受所述兩個空氣電極之一。每個所述凹槽和每個所述開口都用來安置一個所述的電極和一個所述的表面,并且可以在所述外表面與所述周邊凹槽之間形成一個不可滲透空氣的接縫。
所述的電池最好裝有用于反應(yīng)空氣的一個單獨的進(jìn)口和一個單獨的出口,并且用于使所述反應(yīng)空氣流基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的所述外表面的所述裝置,最好包括一系列的基本上水平的條,它們支持于所述內(nèi)壁中的所述窗口狀開口中。在限定諸水平通路的上和下壁的所述諸條之間形成一些間隔,所述通路把從所述單獨進(jìn)口接收的所述反應(yīng)空氣引向所述的單獨出口。
會了解與由歐洲專利申請No.94307391.6原來期待的設(shè)計以及以此設(shè)計為基礎(chǔ)的專利截然不同,本發(fā)明的模塊電池是整裝的,具有許多比所述前電池好的優(yōu)點。更準(zhǔn)確地說,在前述電池設(shè)計和以此為基礎(chǔ)的電池組中,反應(yīng)空氣從一個公共歧管流過兩個相鄰電池之間,如果任一電池中發(fā)生漏泄,則電解液皆會流入所述的公共歧管。
此外,空氣電極雖然受到在其外表面上安置的支承和加強(qiáng)肋的部分保護(hù),但在為更換而從電池組抽出一個完整的電池時還是容易受到損壞。
與此截然不同,本發(fā)明首次提供一種整裝的電池,其中空氣電極裝于所述雙壁電池的一個內(nèi)壁內(nèi),并且反應(yīng)空氣在各電池內(nèi)的循環(huán)是在一個由所述雙壁形成的反應(yīng)空氣腔內(nèi)進(jìn)行的,即,是在相鄰的內(nèi)和外壁的各個表面之間,而不是在相鄰的電池之間進(jìn)行的。
在本發(fā)明中,最好通過對裝有所述電池的電池組安裝冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置,進(jìn)行各個電池的冷卻,所述裝置用于使冷卻空氣沿著兩個對接相鄰電池的主表面的外表面,在兩個相鄰地安置的電池之間流動;所述的諸表面被分別地安排成,在以所述的各個表面為界的各個外腔中接觸和冷卻所述的反應(yīng)空氣。
這樣,在本發(fā)明的一個進(jìn)一步優(yōu)選的方面,提供一種電化學(xué)鋅空氣多單元電池組,每個單元電池都屬于這樣一種類型它裝有一個外殼,該外殼具有兩個外主表面和兩個被間隔開的內(nèi)壁,所述的內(nèi)壁限定一個用于在其中安置一個鋅電極的第一內(nèi)腔,并且和所述的外主表面一起限定兩個用于接收反應(yīng)空氣的外腔;裝有兩個通常平面形狀的、可滲透氣體的、但不可滲透液體的空氣電極,每個所述的電極都被裝在一個窗口狀開口中,在每個所述內(nèi)壁中提供該開口;裝有接觸所述鋅電極和所述空氣電極的電解液;用于引導(dǎo)所述反應(yīng)空氣流動的裝置,使空氣流入一個在所述外殼的第一外側(cè)表面上提供的第一進(jìn)口,通過兩個所述外腔基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的外表面,并且從在所述外殼的一個相對外側(cè)表面中提供的一個第二出口流出來;和冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置,用于使冷卻空氣沿著兩個對接相鄰電池的主表面的外表面,在兩個相鄰地安置的電池之間流動,所述的表面分別被安排成,在以所述各個表面定界的各個外腔中接觸和冷卻所述的反應(yīng)空氣。
在本發(fā)明的這個方面的一個優(yōu)選實施例中,所述的空氣流動引導(dǎo)裝置包括風(fēng)扇裝置。
在本發(fā)明的這個方面的另一個優(yōu)選實施例中,所述的冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置包括裝于所述外殼中的排氣裝置,用于引導(dǎo)所述電池之間的自然空氣流動。
會理解到,根據(jù)本發(fā)明由單元電池形成的電池組具有用于兩個獨立空氣流的裝置,熱量從反應(yīng)空氣轉(zhuǎn)移到冷卻空氣。然而,兩個空氣流可以來自一個單獨的空氣風(fēng)扇,或者最好是來自獨立的源,以便容許利用數(shù)量較少的凈氣后的反應(yīng)空氣。以充足的數(shù)量供應(yīng)反應(yīng)空氣以便操作電組組,同時使用較大數(shù)量的冷卻空氣從反應(yīng)空氣中取出不想要的熱量。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的一些實施例中,所述的外殼的外主表面是用塑料材料制作的。值得注意,通常不把塑料看成是熱交換應(yīng)用中適宜的候選者,因為金屬的導(dǎo)熱率約比典型的固體塑料導(dǎo)熱率大1千倍。然而,這種考慮基于當(dāng)通過一個器壁由傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移熱量時實際發(fā)生情況的過于簡化的看法。有一層接觸上述器壁的相應(yīng)介質(zhì)薄膜,比如本發(fā)明中的空氣薄膜,復(fù)蓋器壁的加熱表面和冷卻表面。膜系數(shù)值取決于許多因素,其中有熱導(dǎo)率、粘度、密度和比熱等。精確的計算是復(fù)雜的,但一般說來,如果流動不是端流的,且熱交換壁是不厚的,則每個單獨膜的熱流阻力通常要比包含器壁的固體材料的阻力大許多倍;自然會有兩個上述空氣膜,并且與器壁密切接觸的靜止空氣薄膜是一個很差的熱導(dǎo)體。
在本發(fā)明中,上述考慮是很實際的;在此所述的外主表面的壁厚是很小的,大約為1毫米,并且由于限制風(fēng)扇功率消耗,預(yù)計空氣流動屬于層流。最終結(jié)果是,當(dāng)考慮總熱阻,且不只是單考慮壁材料的熱導(dǎo)率時,一個由固體塑料制作的薄壁在這種應(yīng)用中只是中等地次于金屬。
塑料在本發(fā)明的外殼的外表面的應(yīng)用中具有一些補(bǔ)償性的有吸引力的性質(zhì),例如電阻高,重量輕,制作成本低,且對由所述類型電池組中常用的堿性介質(zhì)引起的化學(xué)腐蝕具有優(yōu)秀的阻力。例如,把同樣厚度的銅和聚丙烯作比較,塑料在重量上具有9.9倍的優(yōu)點。這個優(yōu)點對于公路車輛發(fā)動機(jī)用的電池組來說是相當(dāng)重要的,其中輕重量是實現(xiàn)可接受的車輛性能的關(guān)鍵要求。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的一些實施例中,由活性金屬部件包圍的通常平的導(dǎo)電骨架構(gòu)件形成所述的鋅電極,把包含的多孔鋅顆粒制成一個用電解液浸透的膏劑的靜態(tài)床,并且所述外殼的所述內(nèi)部空間連通于一個相對于所述底座的開口,通過該開口可更換所述的鋅電極,以便用一個新充電的金屬電極進(jìn)行機(jī)械更換。
在美國專利5,354,625中,描述和申請一種金屬-空氣電源和空氣-管理者系統(tǒng)和一種在其中使用的金屬-空氣電池。然而,所述的專利提出一種在其頂部有一個空氣電極陰極和在其底部有一個固體電池盒的鋅-空氣電池,其中反應(yīng)空氣被引向一個在電池頂上的陰極壓力通風(fēng)系統(tǒng),而冷卻空氣則被引向一個在電池底部的冷卻空氣壓力通風(fēng)系統(tǒng)。這樣,很清楚,這個專利沒有講授或提出使用冷卻空氣去冷卻反應(yīng)空氣,而只是把冷卻空氣引向電池的不同表面而已,即,沒有空氣陰極。
象在所述專利的第6欄第6-13行中明確指出的那樣“此外,由于在該部件內(nèi)形成電池的一些迭架盤寄存器,故電池盒和盤形成一個在相鄰于各個空氣陰極的各腔中的陰極壓力通風(fēng)系統(tǒng),和一個與該空氣電極隔開的冷卻空氣壓力通風(fēng)系統(tǒng),借此可使反應(yīng)劑空氣引向空氣陰極,和可使冷卻空氣引向與各個空氣陰極隔開的各個電池盒的一部分”。
現(xiàn)在參照下述的說明圖結(jié)合某些優(yōu)選的實施例描述本發(fā)明,以便可以更充分地了解本發(fā)明。
現(xiàn)在專門詳細(xì)參考諸圖,強(qiáng)調(diào)指出,所示細(xì)節(jié)是實例性的,其目的只是說明性地討論本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例;并且介紹的目的在于對本發(fā)明的原理和概念方面提供認(rèn)為是最有用和易于了解的描述。在這方面,不企圖比基本了解本發(fā)明所需更詳細(xì)地描述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),結(jié)合附圖所作的描述在于使本專業(yè)的技術(shù)人員明了,在實踐中可以怎樣實施本發(fā)明的一些形式。
在附圖中
圖1是一個根據(jù)本發(fā)明裝有多個模塊電池的電池組的優(yōu)選實施例的透視非細(xì)節(jié)片斷圖;圖2是一個組裝后電池的透視片斷圖,說明所裝的電解液;圖3是一個圖2所示電池的部件分解圖;圖3a是一個圖2所示電池的一個上角的透視圖;圖3b是一個圖2所示電池的一個上角的透視圖,已從其中去掉封閉元件;圖3c是三個成套電池的一個截面?zhèn)纫晥D;圖4是一個實施例的示意圖,說明空氣流動的一個優(yōu)選裝置;圖5是一個實施例的平面圖,其中用于移動車輛的電池組裝有收集冷卻空氣的通風(fēng)系統(tǒng);圖6是一個電池細(xì)節(jié)圖,說明在組裝成一個密封單元時兩個被間隔開的內(nèi)壁;圖7是一個實施例的透視圖,裝有用于使反應(yīng)空氣流以均勻流動分布方式流過空氣電極外表面的裝置。
圖1中示出一個電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組10,這種類型的電池組用于多次放電和再充電循環(huán)。電池組10包含許多單元電池12,12a,適用于車輛發(fā)動機(jī)。一個歧管13把反應(yīng)空氣供給電池組內(nèi)一系列單元電池的每一個。
現(xiàn)在參考圖2和3,更詳細(xì)地描述一個裝于電池組10中的電池組單元電池12。
電池單元12具有一個外殼14,而外殼14具有兩個外主表面16和16’和兩個被隔開的內(nèi)壁18。內(nèi)壁18限定一個用于在其中容納一個鋅電極22的第一內(nèi)腔20,并且和外主表面16一起限定兩個用于接收反應(yīng)空氣26的外腔24。
在該實施例中,參照圖3可更清楚地看到,第一個所述內(nèi)壁18L安置一個框架狀開口19,其大小可按緊密摩擦裝配方式接收和容納一個第二所述內(nèi)壁18R,所述第一內(nèi)壁18L的一個底25和相對的側(cè)表面40和44分別形成所述外殼14的底和側(cè)面,并且所述第一內(nèi)壁的頂部21構(gòu)成所組裝電池的無縫上部。
鋅電極22由一個被活性金屬部件2包圍的一般平面形狀的導(dǎo)電框架構(gòu)件23方便地形成,它包含一些多孔鋅顆粒,它們被制成一個由電解液浸透的膏劑的靜態(tài)床。鋅電極22在安置時被保持于一個U形構(gòu)架28中,當(dāng)所用電極耗盡時可以取出來,用一個新的鋅電極22更換它。
如結(jié)合圖3a,3b和3c示出的圖3所示,內(nèi)壁18L裝有一個整體的電池接觸外殼3,外殼3包含一個彈簧夾觸點4,所述彈簧夾觸點4通過一個金屬導(dǎo)體5電連接于空氣電極的觸點6。觸點4適合于接收從相鄰電池的陽極集電器構(gòu)件23延伸的突緣7,其原因在于相鄰電池12,12’和12”的接觸外殼3,3’和3”具有階梯形套裝配置,如圖3C所示。
用罩8封閉外殼3,借此保護(hù)彈簧夾4和突緣7不致露出,所述外殼3和所述罩最好由不導(dǎo)電的抗KOH腐蝕的塑料制作。
將會看到,本裝置允許相鄰電池之間的內(nèi)部電氣互連,而不是外部連接。外部連接是由在美國專利5,447,805的圖1中看到的端子線夾48提供的。
外表面16和16’包括一些0.3至1.5mm厚的塑料片,在電池裝卸期間其強(qiáng)度足以保護(hù)空氣電極30免受物理損傷。塑料最好包括改性聚苯醚(noryl)和聚丙烯,因為它們重量輕,且化學(xué)阻力很好。
兩個通常平面形狀的可滲透氣體但不可滲透液體的空氣電極30被安置,在鋅電極22的每側(cè)各安置一個。在各個內(nèi)壁18中提供的窗口狀開口32中安裝每個空氣電極30。
各個內(nèi)壁18皆安置一個周邊凹槽,其大小可接受兩個外主表面16之一,和一個用于接受兩個空氣電極30之一的窗口32。凹槽31用于安置外表面16和16’,如圖3所示;且用于在外表面16和16’與周邊凹槽之間方便地形成一個不可滲透空氣的接縫。所述的接縫能夠用環(huán)氧基膠或者用超聲焊接形成。換句話說,主外表面16和16’和內(nèi)壁18能夠制成為一個單獨的完整單元。
在第一內(nèi)腔20中裝有一種電解液34,例如氫氧化鉀,它接觸鋅電極22和空氣電極30。
為了提供電池工作所需的氧氣,提供用于引導(dǎo)反應(yīng)空氣26流動的裝置,反應(yīng)空氣26來自在電池外殼14的一個第一外側(cè)表面40中提供的第一進(jìn)口38。分配反應(yīng)空氣流以通過兩個外腔24,基本上以均勻流動分布方式流過兩個空氣電極30的外表面。反應(yīng)空氣26,扣除所消耗的氧氣,通過一個在電池外殼14的一個相對外側(cè)表面44提供的第二出口42排出。
流過電池12的反應(yīng)空氣26由于在電池12中接觸熱空氣電極30而顯著受到加熱。
如上所述,在本發(fā)明中,可用冷卻空氣48(如圖1所示)冷卻受熱的反應(yīng)空氣26,它沿著各個電池的外表面16和16’流動,并且通過所述外表面的熱傳遞而產(chǎn)生冷卻;所述反應(yīng)空氣和所述冷卻空氣最好是以互相逆流的方向流動。
在所示的實施例中,冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置包括多個置于至少一個外表面上的向外突出部分46,在本實施例只于后外表面16’上。突出部分46充當(dāng)相鄰電池之間的間隔物,并且使冷卻空氣48流過位于兩個相鄰地安置的電池12和12a之間的空間50,如圖1所示。因此,雖然顯然可以在兩個外表面16和16’上都提供上述突出部分46,但只在一個所述對接外表面上設(shè)置突出部分46是足夠的。
冷卻空氣48不進(jìn)入電池12,但接觸兩個對接相鄰電池12和12a的兩個對接外主表面16和16’。表面16和16’被安排成接觸和冷卻各個外腔24中的反應(yīng)空氣26。這樣,即使采用高的冷卻空氣48的流動速度,也不因此而產(chǎn)生電池12的二氧化碳污染。這樣,電池?zé)崃靠刹糠值赝ㄟ^反應(yīng)空氣26直接排除,并且部分地通過冷卻空氣48從電池外表面16和16’排除熱量。在一個具有24cm正方形電池的電池組中,從每個電池12中至少排除50瓦熱量。
會了解,根據(jù)本發(fā)明的電池組,在冷卻空氣能夠流動于相鄰電池之間的情況下,還可用于摩托車和其它車輛,因為車輛的運動使空氣沿著電池組和在諸電池之間流動。其中,上述的間隔物或突出部分46是引導(dǎo)冷卻空氣流動于相鄰電池之間所需的唯一裝置,而在其它未公開的實施例中,所述的裝置可以包括通路、通風(fēng)孔、風(fēng)扇、以及它們的組合等。
最好是,還在兩個所述外表面16和16’上提供一些向內(nèi)的突出部分47,它可進(jìn)一步確保維持外反應(yīng)腔24內(nèi)的空間,以便所述反應(yīng)空氣的流動,如此前所述。
在圖4中可看到空氣流動的一個優(yōu)選裝置。冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置包括風(fēng)扇裝置52是有利的。
業(yè)已說明,電池12暴露于兩個獨立的空氣流中,使熱量從反應(yīng)空氣26傳遞到冷卻空氣48。
本實施例中的兩個空氣流皆源自一個單獨的空氣風(fēng)扇52。以充足的數(shù)量供應(yīng)反應(yīng)空氣26,使電池12工作;同時用更大數(shù)量的冷卻空氣48去從反應(yīng)空氣26中提取不想要的熱量。
冷卻空氣48的流量比反應(yīng)空氣26的流量至少大兩倍,這是有利的。
最好是,凈氣器54被安排成在所述反應(yīng)空氣26進(jìn)入電池12以前,從反應(yīng)空氣26中去除二氧化碳。凈氣器54裝有一種CO2吸收材料,例如粒狀堿金屬氫氧化物,或者吸附于多孔載體上的含水堿金屬氫氧化物。只對反應(yīng)空氣26使用凈氣器54,可避免材料56過早耗盡。更大數(shù)量的冷卻空氣48流過電池12的外表面16,并不流過凈氣器54。夸大地示出空間50的寬度,以便說明。
圖4中示出一個歧管58,它被安排成把反應(yīng)空氣26供給每個電池的進(jìn)口38。
圖5描述一個電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組60,它類似于圖1所示的電池組。用于驅(qū)動車輛62的電池組60裝有通風(fēng)口64,用于收集冷卻空氣48。電池組60被定向成使電池外殼14的外表面16之類的主表面與車輛62移動的方向一致。冷卻空氣48的流動引導(dǎo)裝置包括裝于電池外殼14內(nèi)的通風(fēng)裝置66,用于在電池之間引導(dǎo)自然空氣流動。用于提供反應(yīng)空氣26的小風(fēng)扇68是任選的。在本實施例中不需要在前面參考圖4所述的大風(fēng)扇52,從而節(jié)約重量、成本和寄生功率消耗。
圖6示出一個電池的細(xì)節(jié)兩個被隔開的內(nèi)壁18L和18R共同形成外殼14。一個匹配的左內(nèi)壁18L和一個右內(nèi)壁18R被安排成互相連接。左內(nèi)壁18L具有一個上通路70,它形成于所述左內(nèi)壁18L的頂部72。示出右內(nèi)壁18R的一個薄舌片74,它接合于通路70。左內(nèi)壁18L具有一個周邊框架狀開口19,它是沿兩側(cè)和底延伸的。右內(nèi)壁18R的大小適應(yīng)于框架狀開口19,并且在組裝時與框架狀開口19的頂緣76齊平?;ミB的內(nèi)壁18L和18R置于空氣電極、鋅電極和電解液之間,如參考圖2和3所示,但為了說明方便,在此略去這些部件和接觸外殼2。
圖7示出電池88的細(xì)節(jié),電池88裝有用于引導(dǎo)反應(yīng)空氣26流動的裝置,使它基本上以均勻流動分布方式流過圖3所示的兩個空氣電極30的外表面。
所述的裝置包括一系列的基本上水平的條90,它們支持于內(nèi)壁94的窗口狀開口92中。在諸條90之間形成的空間限定一些用于引導(dǎo)反應(yīng)空氣26的水平通路96的上和下壁,反應(yīng)空氣26是從第一進(jìn)口38接收的。反應(yīng)空氣26在通過條90之間以后,被引向第二出口42。
在示出的優(yōu)選實施例中,多個金屬薄條98在垂直方向延伸,互連和加強(qiáng)窄條90。金屬薄條98還對機(jī)械強(qiáng)度低的空氣電極30提供支承。金屬薄條98另一優(yōu)點是在水平通路96中建立更大湍流度的空氣流動,從而改進(jìn)電池效率和電池冷卻。
本專業(yè)技術(shù)人員顯然知道,本發(fā)明不限于上面說明性實施例的細(xì)節(jié),并且本發(fā)明可以用其它的具體形式實施,而不脫離本發(fā)明的精神或基本特征。因此認(rèn)為所介紹的這些實施例在所有方面都是說明性的,不是限制性的;本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書指出,而不由上面的描述指出;因此,在與權(quán)利要求書等效的意義和范圍內(nèi)的全部變更都被包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種用于一個多電池金屬-空氣電池組的模塊式鋅-空氣電池,包括一個外殼,它具有兩個外主表面和兩個被隔開的內(nèi)壁,所述的內(nèi)壁限定一個用于在其中容納一個鋅電極的第一內(nèi)腔,并與所述諸外主表面一起限定兩個用于接收反應(yīng)空氣的外腔;兩個一般平面的、可滲透氣體的、但不可滲透液體的空氣電極,每個所述的電極皆裝在各個所述內(nèi)壁中提供的一個窗口狀開口中;一電解液,它接觸所述的鋅電極和所述的空氣電極;以及用于引導(dǎo)所述反應(yīng)空氣流動的裝置,它使反應(yīng)空氣流入在所述外殼的第一外側(cè)表面中提供的第一進(jìn)口中,通過兩個所述外腔基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的外表面,并且從所述外殼的一個相對外側(cè)表面中提供的第二出口流出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,第一個所述內(nèi)壁裝有一個其大小可用緊密摩擦配合方式接收和容納第二個所述內(nèi)壁的框架狀開口,所述第一內(nèi)壁的底面和相對側(cè)表面分別形成所述外殼的底面和側(cè)面,且所述第一內(nèi)壁的頂部構(gòu)成所組裝電池的一個無縫上部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,所述的電池裝有用于反應(yīng)空氣的一個單獨進(jìn)口和一個單獨出口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中所述電池外殼的所述外主表面由一種塑料材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中用于使所述反應(yīng)空氣流基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的所述外表面的裝置包括,一系列的在所述內(nèi)壁中所述窗口狀開口內(nèi)支承的基本上水平的條;在所述條之間形成的空間限定水平通路的上和下壁,所述的通路把從所述第一進(jìn)口接收的所述反應(yīng)空氣引向所述的第二出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的模塊式電池,還包括多個在垂直方延伸且互連和加強(qiáng)所述條的薄條;它們還對所述空氣電極提供支承,同時在所述水平通路中建立一種湍流空氣流動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,每個所述內(nèi)壁皆裝有一個其大小適合于接受所述兩個外主表面之一的周邊凹槽,和一個其大小適合于接受所述兩個空氣電極之一的窗口狀開口;每個所述凹槽和每個所述開口皆用于安置一個所述電極和一個所述表面,并且使所述外表面與所述周邊凹槽之間容易形成一個不可滲透空氣的接縫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,所述的外主表面是用超聲焊接法連接于所述內(nèi)壁的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,還裝有一個歧管,它被安排成把反應(yīng)空氣供給各個電池的諸側(cè)面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,所述的外表面包括一些0.3至1.5mm厚的塑料片,其強(qiáng)度足以保護(hù)所述的空氣電極,使之在電池裝卸時免受物理損傷。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊式電池,其中,第一個所述內(nèi)壁裝有一個整體電池接觸外殼,該外殼含有一個彈簧夾接觸點,該接觸點通過一個金屬導(dǎo)體電連接于空氣電極的接觸點,所述彈簧夾接觸點適用于接受從一個相鄰電池的陽極集電器構(gòu)件延伸的一些凸緣;其中所述的整體電池接觸外殼具有一個階梯形配置,使相鄰電池之間可以套裝定位,且使一個相鄰電池的集電器構(gòu)件的凸緣可以插入其中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的模塊式電池,其中,所述的整體電池接觸外殼是用一個封閉構(gòu)件密封的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的模塊式電池,其中,所述的整體電池接觸外殼和所述的封閉構(gòu)件都是由不導(dǎo)電的抗KOH腐蝕的塑料制成的。
14.一種電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組,每個單元電池都屬于這樣的類型,裝有一個外殼,它具有兩個外主表面和兩個被隔開的內(nèi)壁,所述的內(nèi)壁限定一個用于在其中容納一個鋅電極的第一內(nèi)腔,并且和所述的外主表面一起限定兩個用于接收反應(yīng)空氣的外腔;兩個一般平面形狀、可滲透氣體,但不可滲透液體的空氣電極,每個所述的電極都被裝入一個在各個所述內(nèi)壁中提供的窗口狀開口中;一電解液,它接觸所述的鋅電極和所述的空氣電極;用于引導(dǎo)所述反應(yīng)空氣流動的裝置,它使所述空氣進(jìn)入一個在所述外殼的第一外側(cè)表面中提供的第一進(jìn)口,通過兩個所述的外腔基本上以均勻流動分布方式流過兩個所述空氣電極的外表面,并且從在所述外殼的一個相對外側(cè)表面中提供的一個第二出口流出;以及冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置,用于使冷卻空氣沿著兩個對接相鄰電池的主表面的外表面而流動于兩個相鄰地安置的電池之間,所述的表面被分別地安排成對由所述各表面定界的各個外腔中的所述反應(yīng)空氣進(jìn)行接觸和冷卻。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組,其中,所述的冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置包括風(fēng)扇裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組,其中,所述的冷卻空氣流動引導(dǎo)裝置包括在所述外殼中提供的通風(fēng)裝置,用于引導(dǎo)所述電池之間的自然空氣流動。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組,其中,所述冷卻空氣的流速比所述反應(yīng)空氣的流速至少大兩倍。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的電化學(xué)鋅-空氣多單元電池組,還包括一個凈氣器,它被安排成在所述反應(yīng)空氣進(jìn)入所述電池之前從所述反應(yīng)空氣中去除二氧化碳。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于電化學(xué)鋅—空氣多單元電池組的模塊式鋅空氣電池,每個電池裝有:一個外殼,它具有兩個外主表面和兩個被隔開的內(nèi)壁,該內(nèi)壁限定一個第一內(nèi)腔,并且和外主表面一起限定兩個外腔;兩個一般平面形狀、可滲透氣體但不可滲透液體的空氣電極;一電解液,它接觸鋅電極和空氣電極;和用于引導(dǎo)反應(yīng)空氣流動的裝置,它使反應(yīng)空氣流入第一進(jìn)口,以均勻流動分布方式流過兩個空氣電極的外表面,并且從第二出口流出。
文檔編號H01M12/06GK1233861SQ98107340
公開日1999年11月3日 申請日期1998年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月24日
發(fā)明者瑟蓋·金伯格, 約爾·吉朗, 亞羅恩·施里姆, 弗拉蒂米爾·施奈德, 亞歷克斯·古特金 申請人:電子燃料有限公司