CN112787003B - 金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆 - Google Patents

金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆，该金属空气燃料电池包括沿所述单体电池的排列方向设置的分流器，所述分流器具有与其内腔连通的进液口和出液口；所述出液口为位于所述进液口旁侧的多个，多个所述出液口与多个所述单体电池的电解液进口相应连通设置，并沿所述分流器的本体依次间隔排列；所述分流器的内腔配置为：自所述进液口至多个所述出液口，所述内腔的通流截面呈逐渐递减的趋势变化。本方案可有效降低电池组装所需的装配空间，具有较高的集成度，同时可有效规避电解液溢出的故障发生。

Description

金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆
技术领域
本发明涉及轨道交通供电技术领域，具体涉及一种金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆。
背景技术
金属空气燃料电池是一种新型高能化学电源。以铝空燃料电池为例，铝空燃料电池放电时，需要将电解液送入单体电池内部，通过电化学反应放电。由于对环境的影响相对较小，金属空气燃料电池的应用前景较为广泛。
为解决长距离运行车辆故障停车时的供电问题，提出了使用铝空燃料电池作为车载备用电池方案。然而，受限于安装空间有限的现实情况，需要降低金属空气燃料电池的空间占用；例如但不限于，有效控制铝空燃料电池反应堆的液流***的空间占用。
另外，基于轨道车辆的运行特点，还需要规避自单体电池溢出电解液的可能性。
有鉴于此，亟待针对金属空气燃料电池提供创新解决方案，以提高集成度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种金属空气燃料电池及应用该电池的轨道车辆，通过金属空气燃料电池的优化，可有效降低电池组装所需的装配空间，为在轨道列车上应用金属空气燃料电池提供了可靠的技术保障。
本发明提供的金属空气燃料电池，包括多个依次排列的单体电池；还包括沿所述单体电池的排列方向设置的分流器，所述分流器具有与其内腔连通的进液口和出液口；所述出液口为位于所述进液口旁侧的多个，多个所述出液口与多个所述单体电池的电解液进口相应连通设置，并沿所述分流器的本体依次间隔排列；所述分流器的内腔配置为：自所述进液口至多个所述出液口，所述内腔的通流截面呈逐渐递减的趋势变化。
优选地，依次排列的所述单体电池布置为多行，所述分流器相应设置为多个，每个所述分流器与同行依次排列的多个所述单体电池相应配置。
优选地，依次排列的所述单体电池布置为多列，每个所述分流器与同行且相邻的两列的多个所述单体电池相应配置；所述分流器的进液口位于分流器本体的中部，多个所述出液口分为位于所述进液口两侧的两组，每组所述出液口与同侧相应列的多个所述单体电池的电解液进口相应设置。
优选地，所述单体电池包括：外框壳体，其顶框开设有负极插装止口，其两侧侧框具有竖向流道，且所述竖向流道的顶部开口与所述外框壳体的电解液腔连通，其底框的底面上设置有分别与两侧所述竖向流道连通的电解液出口，所述电解液进口位于所述底框的底面上，所述顶部开口形成的流出液面低于所述负极插装止口；金属板负极，通过所述负极插装止口置于所述外框壳体的电解液腔中；两个空气正极模和两个格栅，分别依次固定在所述金属板负极两侧的所述外框壳体上。
优选地，两个所述顶部开口的通流总量大于所述电解液进口的通流量。
优选地，所述金属板负极为铝板负极。
优选地，所述电解液进口位于所述底框的底面中部。
优选地，沿通流方向，每个所述电解液出口与相应侧所述竖向流道对中设置。
优选地，所述金属板负极包括负极座和金属板，所述负极座具有与所述负极插装止口适配的插装部和位于负极座底面的固定凸部，所述金属板通过所述固定凸部悬置于所述负极座的下方。
本发明还提供一种轨道车辆，包括备用电池，所述备用电池采用如前所述的金属空气燃料电池。
与现有技术相比，本发明另辟蹊径针对单体电池提出了集流分流器。具体地，该分流器具有与其内腔连通的进液口和出液口，多个出液口与相应单体电池的电解液进口分别连通设置，由此，电解液经由该分流器依次进入各单体电池内腔，可大大减少液流***的空间占用，集成度较高；同时，该分流器的内腔通流截面呈逐渐递减的趋势变化，自进液口至多个依次排列出液口的通流截面的渐变状态，使得进入每个单体电池的电解液具有趋于一致的流动速度和压力。如此设置，本方案合理控制了电池装配所需空间，极大地降低了在轨道车辆上配置金属空气燃料电池的总体设计难度，并可确保各单体电池运行状态下的性能均衡稳定。
在本发明的优选方案中，在单体电池外框壳体的底框底面形成电解液进口，电解液经由该进口流入电解液腔；通过该外框壳体两侧侧框的竖向流道顶部开口，形成与电解液腔连通的流出口，反应后的电解液经由顶部两侧进入两侧侧框的竖向流道，进而经由位于底框底面上的电解液出口分别流出单体电池。本方案中，竖向流道的顶部开口所形成的流出液面低于负极插装止口，也即电解腔内最高液面与顶部开口齐平，即便单体电池没有盖板的情况下，电解液也不会从单体电池顶部溢出，从而可完全避免单体电池溢出电解液的故障发生，安全可靠性较高。
在本发明的另一优选方案中，两个顶部开口的通流总量大于电解液进口的通流量，从而保证出液口的流量始终大于进液口的流量；正常使用状态下，基于单体电池内电解液的正常流速，可正常保障电解液在单体电池内腔液面均衡，进一步确保不会出现电池溢出电解液的故障。
在本发明的又一优选方案中，该单体电池的电解液进口位于底框的底面中部，如此设置，单体电池内部所形成的电解液流场具有一个较为显著的特点，在其电解液腔的中间顶部液流速度较慢，试验结果显示该区域的化学反应相对较弱，使得金属板的集电部分得以进一步简化，从而能够有效降低设计及工艺成本。
附图说明
图1为具体实施方式所述金属空气燃料电池的整体结构示意图；
图2为图1中所示两行单体电池的装配***图；
图3示出了一种分流器的结构示意图；
图4示出了另一种分流器的结构示意图；
图5为具体实施方式所述单体电池的示意图；
图6为图5中所示单体电池的装配***图；
图7为具体实施方式所述单体电池的外框壳体的纵向剖面图；
图8示出了该单体电池内部电解液流场的示意图。
图中：
单体电池10、外框壳体101、电解液进口1011、电解液出口1012、竖向流道1013、顶部开口1014、负极插装止口1015、金属板负极102、负极座1021、金属板1022、插装部1023、固定凸部1024、空气正极模103、格栅104、分流器20、进液口201、出液口202、电解液箱30、液流泵40。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
不失一般性，本实施方式以图1所示单体电池排列方式作为描述主体，详细说明该金属空气燃料电池的创新方案；该方案中，电解液箱上方的单体电池以四行两列方式排布，电解液由下至上供给至每个单体电池，以在其内腔实现相应的化学反应。应当理解，单体电池的设置数量及其串并联方式非本申请的核心发明点所在，并对本申请请求保护的技术方案未构成实质性限制。
请一并参见图1和图2，其中，图1为本实施方式所述金属空气燃料电池的整体结构示意图，图2为图1所示金属空气燃料电池的装配***图。
如图所示，该金属空气燃料电池包括多个依次排列的单体电池10，还包括沿单体电池的排列方向设置的分流器20，这里的“排列方向”是指成行布置且可由一个分流器20集成控制的单体电池组，本方案中具体为与单体电池10布置关系中成“行”方向相同的排列方向。
具体地，位于下方的电解液箱30用于储存电解液，通过配置在单体电池10下方的分流器20分别建立电解液输送通道。请一并参见图3，该图示出了一种分流器的结构示意图。
该分流器20具有与其内腔连通的进液口201和出液口202，进液口201用于与液流泵40的泵送输出端口连通，在该进液口201的旁侧设置多个出液口202。结合图3所示，多个出液口201与多个单体电池10的电解液进口1011相应连通设置，并沿该分流器20的本体依次间隔排列；分流器20本体上的出液口202数量根据单体数量确定。也就是说，一个分流器20可集成控制成行排列的多个单体电池10的进液通道，电解液经由该分流器20依次进入各单体电池10内腔，减少了液流***的空间占用。
本方案中，分流器20的内腔配置为：自进液口201至多个出液口202，该内腔的通流截面呈逐渐递减的趋势变化，由此形成对进入每个单体电池10中电解液的合理控制，使得依次进入各单体电池10内腔的电解液具有趋于一致的流动速度和压力，确保运行状态下各单体电池10的性能均衡稳定。如图3所示，分流器20本体呈两头管径较细、中间管径略粗的管状体，当然也可以根据需要采用不同的结构形式实现，只要能够满足上述流体控制功能的需要均可。
对于该金属空气燃料电池多行单体电池10的布置形式来说，结合图2所示，分流器20相应设置为多个。每行单体电池10均呈依次排列状。每个分流器20与相应的同行依次排列的多个单体电池10相应配置。
对于该金属空气燃料电池多列单体电池10的布置形式来说，结合图2所示，同行且相邻两列的多个单体电池10可由一个分流器20集流控制。具体如图3所示，该分流器20的进液口201位于分流器本体的中部，多个出液口202分为位于该进液口201两侧的两组，每组出液口202与同侧相应列的多个单体电池10的电解液进口1011相应设置。也就是说，位于图3所示进液口201左侧的一组出液口202，用于与左侧列多个单体电池10连通；相应地，位于图3所示进液口201右侧的一组出液口202，用于与右侧列多个单体电池10连通。由此，通过图3所示分流器20实现同行且相邻两列的多个单体电池10的集流控制。
可以理解的是，本实施方式提出的分流器20不局限用于控制相邻两列单体电池10，还可针对一列单体电池10进行独立控制。请一并参见图4，该图示出了另一种分流器的结构示意图。
与图3所示分流器20相比，图4所示的分流器20仅在进液口201的一侧布置有一组出液口202。为了清楚示意两个实施例的区别和联系，相同的构成和结构在图中以相同标记进行示明。
为了进一步提高电池运行的可靠稳定性，避免电解液非正常溢出，本方案针对单体电池10的本体结构进行了相应优化改进。请一并参见图5、图6和图7，其中，图5为本实施方式所述单体电池的示意图，图6为图5中所示单体电池的装配***图，图7为本实施方式所述单体电池的外框壳体的结构示意图。
该单体电池10的外框壳体101为基础构成，其顶框、底框及两侧侧框围合形成中部空间，以与两侧依次配置的空气正极模103和格栅104构建相应单体电池10的电解液腔，其金属板负极102置于该电解液腔中。
其中，外框壳体101顶框开设有负极插装止口1015，金属板负极102经由该负极插装止口1015插装置于电解液腔中，并形成组装定位关系。
其中，外框壳体101两侧侧框均具有竖向流道1013，以构建电解液流出路径。结合图7所示，竖向流道1013的顶部开口1014与外框壳体101中部的电解液腔连通，同时在其底框的底面上设置有分别与两侧竖向流道1013连通的电解液出口1012。具体地，电解液进口1011位于底框的底面上，以与分流器20上相应的出液口202连通，工作过程中，电解液经由底部电解液进口1011进入每个单体电池10中，并经由顶部两侧的顶部开口1014流出电解液腔，然后依次通过两侧竖向流道1013和电解液出口1012流出单体电池10。
本方案中，该顶部开口1014形成的流出液面低于负极插装止口1015，正常使用状态下，电解液也不会从单体电池10的顶部溢出。
其中，两个空气正极模103和两个格栅104，分别依次固定在金属板负极102两侧的外框壳体101上，结合图5和图6所示，组装完成后形成单体电池10。
应用本方案，基于竖向流道1013的顶部开口1014所形成的流出液面，低于负极插装止口1015，也即电解腔内最高液面与顶部开口1014齐平，即便单体电池10没有盖板的情况下，电解液也不会从单体电池10的顶部溢出。
进一步地，两个顶部开口1014的通流总量大于电解液进口1011的通流量；正常使用状态下，基于单体电池10内电解液的正常流速，可正常保障电解液在单体电池10内腔的液面均衡，确保不会溢出电解液的故障发生。
另外如图所示，本方案的电解液进口1011位于底框的底面中部。作为优选，沿通流方向，每个电解液出口1012与相应侧竖向流道1013对中设置。
电解液经由该进口流入电解液腔，通过该外框壳体101两侧侧框的竖向流道1013顶部开口1014，形成与电解液腔连通的流出口；反应后的电解液经由顶部两侧进入两侧侧框的竖向流道1013，进而经由位于底框底面两侧的电解液出口1012分别流出单体电池10。如此设置，单体电池10内部所形成的电解液流场具有一个较为显著的特点，在其电解液腔的中间顶部液流速度较慢，请一并参见图8，该图示出了该单体电池内部电解液流场的示意图。
试验结果显示，在电解液腔的中间顶部区域的化学反应相对较弱，使得金属板负极102的集电部分得以进一步简化，从而能够有效降低设计及工艺成本。结合图6所示，该金属板负极102包括负极座1021和金属板1022，其中，该负极座1021具有与所述负极插装止口1015适配的插装部1023，以可靠组装定位；同时，在负极座1021底面集电部分具有固定凸部1024，相应地，金属板1022通过该固定凸部1024悬置于负极座1021的下方。在满足电池化学反应功能要求的基础上，具有结构简单可靠的优点。
除前述金属空气燃料电池外，本实施方式还提供一种轨道车辆，其采用前述金属空气燃料电池作为备用电池。需要说明的是，该轨道车辆的其他功能构成非本申请的核心发明点所在，本领域普通技术人员可以采用现有技术实现，故本文不再赘述。
需要说明的是，本实施方式所述金属空气燃料电池可以为铝空燃料电池，其金属板负极为铝板负极。同样地，该铝空燃料电池的作用机理非本申请的核心发明点所在，本领域普通技术人员可以采用现有技术实现，故本文不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.金属空气燃料电池，包括多个依次排列的单体电池；其特征在于，还包括沿所述单体电池的排列方向设置的分流器，所述分流器具有与其内腔连通的进液口和出液口；所述出液口为位于所述进液口旁侧的多个，多个所述出液口与多个所述单体电池的电解液进口相应连通设置，并沿所述分流器的本体依次间隔排列；所述分流器的内腔配置为：自所述进液口至多个所述出液口，所述内腔的通流截面呈逐渐递减的趋势变化；其中，所述单体电池包括：
外框壳体，其顶框开设有负极插装止口，其两侧侧框具有竖向流道，且所述竖向流道的顶部开口与所述外框壳体的电解液腔连通，其底框的底面上设置有分别与两侧所述竖向流道连通的电解液出口，所述电解液进口位于所述底框的底面上，所述顶部开口形成的流出液面低于所述负极插装止口；
金属板负极，通过所述负极插装止口置于所述外框壳体的电解液腔中；
两个空气正极模和两个格栅，分别依次固定在所述金属板负极两侧的所述外框壳体上；
两个所述顶部开口的可通流总量大于所述电解液进口的可通流量。
2.根据权利要求1所述的金属空气燃料电池，其特征在于，依次排列的所述单体电池布置为多行，所述分流器相应设置为多个，每个所述分流器与同行依次排列的多个所述单体电池相应配置。
3.根据权利要求2所述的金属空气燃料电池，其特征在于，依次排列的所述单体电池布置为多列，每个所述分流器与同行且相邻的两列的多个所述单体电池相应配置；所述分流器的进液口位于分流器本体的中部，多个所述出液口分为位于所述进液口两侧的两组，每组所述出液口与同侧相应列的多个所述单体电池的电解液进口相应设置。
4.根据权利要求1所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述金属板负极为铝板负极。
5.根据权利要求4所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述电解液进口位于所述底框的底面中部。
6.根据权利要求5所述的金属空气燃料电池，其特征在于，沿通流方向，每个所述电解液出口与相应侧所述竖向流道对中设置。
7.根据权利要求6所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述金属板负极包括负极座和金属板，所述负极座具有与所述负极插装止口适配的插装部和位于负极座底面的固定凸部，所述金属板通过所述固定凸部悬置于所述负极座的下方。
8.轨道车辆，包括备用电池，其特征在于，所述备用电池采用权利要求1至7中任一项所述的金属空气燃料电池。
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