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CN112886102B - 轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖 - Google Patents

轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖 Download PDF

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CN112886102B CN202110075470.4A CN202110075470A CN112886102B CN 112886102 B CN112886102 B CN 112886102B CN 202110075470 A CN202110075470 A CN 202110075470A CN 112886102 B CN112886102 B CN 112886102B
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Abstract

本发明公开一种轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖，该箱盖包括盖体和分流体；其盖体上开设多组上下贯通的出液流道和回液流道，分别与多个依次排列的单体电池一一对应设置；每组出液流道和回液流道分别用于与相应单体电池的电解液进口和电解液出口连通；其分流体封固设置在盖体的下表面，且分流体与多个出液流道外周的所述盖体围合形成内腔，在分流体或盖体上开设有连通内腔的进液口，以便电解液分别输送至多个单体电池。本方案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；同时针对单体电池的格栅及金属板负极作了进一步优化，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。

Description

轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖
技术领域
本发明涉及轨道交通供电技术领域，具体涉及一种轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖。
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轨道车辆的车载备用电池方案。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系统的空间占用。
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，本发明提供一种轨道车辆及其金属空气燃料电池、电解液箱和箱盖，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。
本发明提供的电解液箱的箱盖，该电解液箱用于与多个依次排列的单体电池相适配，所述箱盖包括盖体和分流体；其中，所述盖体上开设多组上下贯通的出液流道和回液流道，分别与多个依次排列的单体电池一一对应设置；每组所述出液流道和回液流道分别用于与相应所述单体电池的电解液进口和电解液出口连通；所述分流体封固设置在所述盖体的下表面，所述分流体与多个所述出液流道外周的所述盖体围合形成内腔，且所述分流体或所述盖体上开设有连通所述内腔的进液口，以便电解液分别输送至多个所述单体电池。
优选地，在水平投影面内，多个所述出液流道分别在所述进液口的两侧依次排列。
优选地，所述分流体的内腔通流截面配置为：自所述进液口向两侧呈逐渐递减的趋势变化。
优选地，所述盖体与所述分流体一体成型。
优选地，还包括设置在所述盖体上方的弯管；所述进液口开设在所述盖体上，所述盖体上还开设有上下贯通的过渡流道；所述弯管的管体竖向设置，其下方的两个管口分别与所述盖体上的所述进液口和所述过渡流道连通。
本发明还提供一种电解液箱，包括箱体和箱盖，其特征在于，所述箱盖采用如前所述的电解液箱的箱盖；所述箱体内固定设置有液流泵，所述液流泵的输出端口与前述方案的所述进液口连接，或者与前述方案的所述过渡流道连接。
本发明还提供一种金属空气燃料电池，包括多个依次排列的单体电池；还包括设置在单体电池下方的如前所述的电解液箱。
优选地，所述单体电池包括：外框壳体；金属板负极，插装在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；其中，所述格栅采用金属材料制成。
优选地，所述单体电池包括：外框壳体；金属板负极，插装在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；其中，所述格栅采用塑料制成，且所述格栅的与相邻所述单体电池相对侧的外表面上具有多个支撑部，所述支撑部突出于格栅本体。
优选地，所述金属板负极的两侧板面均具有多个绝缘支撑部，所述绝缘支撑部突出于金属板板体。
优选地，所述外框壳体的顶部或者所述外框壳体的顶部和底部，设置有与相邻所述单体电池相抵的定位凸块。
优选地，还包括配置在所述单体电池一侧的风机，所述风机的主送风方向与多个单体电池依次排列的方向垂直。
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液流系统的电解液箱盖提出了集流优化方案。具体地，该箱盖的盖体上开设多组上下贯通的出液流道和回液流道，分别与多个依次排列的单体电池一一对应设置；同时，在盖体下表面封固设置有分流体，该分流体与多个出液流道外周的盖体围合形成内腔，电解液可经由且分流体或盖体上开设有进液口进入该内腔，以分别输送电解液至各单体电池。相比于外设相应导流结构的方式，本方案将单体电池上游端的电解液流路径集成在电解液箱盖上，可有效节省外部空间占用，具有较高的系统集成度，如此设置，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。
在本发明的优选方案中，其分流体的内腔通流截面配置为：自进液口向两侧呈逐渐递减的趋势变化，由此，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，可确保各单体电池运行状态下的性能均衡稳定。
在本发明的另一优选方案中，在盖体上方的增设一弯管，连通分流体内腔的进液口开设在盖体上，同时盖体上还开设有上下贯通的过渡流道；相应地，管体竖向设置的弯管的下方两个管口分别与进液口和过渡流道连通，以在盖体上方形成电解液进入各单体电池的过渡路径。如此设置，列车运行产生晃动时，电解液可进入盖体上方的弯管，可避免自与单体电池的接口部位泄漏电解液；同时，基于该弯管的容纳空间，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。
在本发明的又一优选方案中，单体电池的塑料格栅外表面上设置有支撑部，该支撑部在其与相邻单体电池相对侧的外表面突出于格栅本体；基于支撑部的设置，在相邻单体电池之间形成相互支撑，即便在较高工作温度条件下，也不会出现单体电池的表面受热形变而堵塞单体电池间气路的情形，从而确保通流气路。此外，单体电池的格栅还可采用金属材料制成，如此设置，基于金属材料的物理属性，同样不会出现单体电池的表面受热形变而堵塞单体电池间气路的情形。上述两种优选方案，通过合理控制相邻单体电池之间的间隙，为提升电池集成度进一步提供了保障。
在本发明的又一优选方案中，在金属板负极的两侧板面均具有突出于金属板板体的绝缘支撑部。如此设置，可防止空气正极膜内凹问题，保证单体电池内部电解液的流畅性。
在本发明的又一优选方案中，单体电池外框壳体的顶部，或者外框壳体的顶部和底部，设置有与相邻单体电池相抵的定位凸块，由此可保证单体电池之间的气路间隙相同，可获得较好的定位安装可靠性，且不占用气路间隙空间。
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爆炸图；
图3为图1所示金属空气燃料电池的俯视图；
图4为具体实施方式所述电解液箱的箱盖的俯视图；
图5为该箱盖的仰视图；
图6为图4的A-A剖面图；
图7为图5的B-B剖面图；
图8为具体实施方式中所述单体电池的结构示意图；
图9中图8中所示单体电池的装配爆炸图；
图10示出了单体电池间顶部装配关系的示意图；
图11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12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1、外框壳体11、电解液进口111、电解液出口112、竖向流道113、顶部开口114、负极插装止口115、定位凸块116、金属板负极12、负极座121、金属板122、绝缘支撑部1221、插装部123、固定凸部124、空气正极模13、格栅14、电解液箱2、箱盖21、盖体211、出液流道2111、回液流道2112、进液口2113、过渡流道2114、分流体212、弯管213、箱体22、液流泵3、风机4。
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所示的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、图2和图3，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爆炸图，图3为图1所示金属空气燃料电池的俯视图。
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1，还包括设置在单体电池1下方的电解液箱2。本方案中，可集成控制电解液流的单体电池组的各单体电池1成行布置，可分别控制电解液流的各单体电池组成列布置。这里的“排列方向”是指，与单体电池1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2用于储存电解液，包括相适配的箱盖21和箱体22。成行排列的单体电池1通过配置在箱盖21上的分流体212分别建立电解液输送流道。请一并参见图4和图5，其中，图4为该箱盖的俯视图，图5为该箱盖的仰视图。
如图所示，该箱盖21的盖体211为板状结构，其上开设多组上下贯通的出液流道2111和回液流道2112，分别与多个依次排列的单体电池1一一对应设置；每组出液流道2111和回液流道2112分别用于与相应的单体电池1的电解液进口111和电解液出口112连通。也就是说，盖体211的每组出液流道2111和回液流道2112对应于一个单体电池1，盖体2111上的出液流道2111与该单体电池1的电解液进口111，其回液流道2112与该单体电池1的电解液出口112，以针对每个单体电池1分别构建电解液回路。
其中，在盖体211的下表面封固设置有分流体212，该分流体212与多个出液流道2111外周的盖体211围合形成内腔，且盖体211上开设有连通该内腔的进液口2113，以便电解液分别输送至各单体电池1。请一并参见图6和图7，其中，图6为图4的A-A剖面图，图7为图5的B-B剖面图。
本方案，出液流道2111的数量根据单体数量确定。也就是说，一个分流体212可集成控制成行排列的多个单体电池1的出液流道，将单体电池1上游端的电解液流路径集成在电解液箱盖21上，减少了外部空间的占用，具有较高的系统集成度。当然，作为另一种选择，连通该内腔的进液口2113也可以开设在分流体212上。
对于该金属空气燃料电池多行单体电池1的布置形式来说，分流体212相应设置为多个每行单体电池1均呈依次排列状。结合图2和图6所示，每个分流体212与相应的同行依次排列的多个单体电池1相应配置。结合图2所示，本方案在盖体211上设置有两组出液流道2111和回液流道2112，分别对应于两行排列的单体电池1。
对于该金属空气燃料电池多列单体电池1的布置形式来说，同行且相邻两列的多个单体电池1可由集成在盖体211上的一个分流体212集流控制，结合图2至图5所示。在水平投影面内，多个出液流道2111分别在进液口2113的两侧依次排列。具体如图4和图7所示，该分流体212的进液口2113位于分流体212本体的中部，多个出液流道2111分为位于进液口2113两侧的两组，每组出液流道2111与同侧相应列的多个单体电池1的电解液进口111相应设置。也就是说，位于图7所示进液口2113左侧的一组出液流道2111，用于与左侧列多个单体电池1连通；相应地，位于图7所示进液口2113右侧的一组出液流道2111，用于与右侧列多个单体电池1连通。由此，通过一个分流体212实现同行且相邻两列的多个单体电池1的集流控制。
进一步如图7所示，分流体212的内腔通流截面配置为：自进液口2113向两侧呈逐渐递减的趋势变化。由此，形成对进入每个单体电池1中电解液的合理控制，使得依次进入各单体电池1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1的性能均衡稳定。如图7所示，分流体212本体呈两头通径较细、中间通径略粗的管状体，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。
这里，盖体211和分流体212可以分体加工后进行组装，也可以采用用盖体211与分流体212一体成型工艺。
为了避免电解液的非常态溢出，可以对单体电池1的液流路径作进一步优化。结合图2、图3和图4所示，在盖体211上还开设有上下贯通的过渡流道2114，优选布置在进液口2113的相邻位置，相应地，在盖体211上方设置有弯管213。图中所示，对应于两行排布单体电池1的分流体212，弯管213和过渡流道2114等关联结构也相应配置为两个。
其中，弯管213的管体竖向设置，其下方的两个管口分别与盖体211上的进液口2113和过渡流道2114连通，以在盖体21的上方形成电解液进入各单体电池1的过渡路径。这样，列车运行产生晃动时，电解液可进入盖体211上方的弯管213，可避免自与单体电池1的接口部位泄漏电解液；同时，基于该弯管213的容纳空间，电解液也不会从单体电池1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。
可以理解的是，图中所示弯管结构为优选示例性示意，该弯管213可以采用不同的结构形式，只要满足在盖体211上方形成电解液冗余容纳空间的作用，均在本申请请求保护的范围内。
本实施方式所提供的电解液箱2，其箱体22内固定设置有液流泵3，该液流泵3的输出端口与盖体211上的过渡流道2114连接。液流泵3泵送输出的电解液，依次经由过渡流道2114、弯管213、进液口2113、分流体212的内腔，并分别通过各出液流道2111进入各相应的单体电池1内；每个单体电池1流出的电解液，经由盖体211上相应的设置的回液流道2112流回箱体22。
当然，对于进液口2113开设在分流体212本体上的方式(图中未示出)，液流泵3的输出端口与该进液口连接，也即，输送电解液直接进入相应分流体212的内腔。
通常，金属空气燃料电池的模块化设计需要最大限度地减小单体电池1间的尺寸。为了有效兼顾降低空间占用和确保气路间隙的问题，可针对单体电池1的两侧格栅14作进一步优化。请一并参见图8和图9，图8为本实施方式所述单体电池的示意图，图9为图8中所示单体电池的装配爆炸图。
该单体电池1的外框壳体11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13和格栅14构建相应单体电池1的电解液腔，其金属板负极12置于该电解液腔中。
其中，外框壳体11顶框开设有负极插装止口115，金属板负极12经由该负极插装止口115插装置于电解液腔中，并形成组装定位关系。两个空气正极模13和两个格栅14，分别依次固定在金属板负极12两侧的外框壳体11上，组装完成后形成单体电池1。
具体地，对于采用塑料制成格栅14，在格栅14的与相邻单体电池1相对侧的外表面上具有多个支撑部141，如图所示，该支撑部141突出于格栅14本体。基于支撑部141的设置，在相邻单体电池1之间形成相互支撑，即便在较高工作温度条件下，也不会出现单体电池1的表面受热形变而堵塞单体电池1间气路的情形，从而确保通流气路。
另外，基于确保通流气路的需求，该格栅14还可以采用金属材料制成；可以理解的是，高温使用状态下，该金属材料的特性使得格栅14可以保持良好的自体形态，可完全规避受热形变导致单体电池1间气路堵塞的问题出现。
为了避免空气正极模13内凹影响单体内部电解液的流场，作为优选，在金属板负极12的两侧板面均具有多个绝缘支撑部1221，该绝缘支撑部1221突出于金属板122板体。这样，即便空气正极膜13出现内凹，基于绝缘支撑部1221的设置，保证单体电池1内部电解液的流畅性。
进一步地，外框壳体11的顶部可设置有与相邻单体电池1相抵的定位凸块116。请一并参见图10，该示出了单体电池1间顶部装配关系的示意图.由此可保证单体电池1之间的气路间隙相同，可获得较好的定位安装可靠性，且不占用气路间隙空间。
当然，还可以采用这样的设计，将定位凸块116设置在外框壳体11的顶部和底部(图中未示出)，同样可以达成上述技术效果。
此外，该金属空气燃料电池还包括配置在单体电池1一侧的风机4，如图3所示，该风机4的主送风方向与多个单体电池1依次排列的方向垂直。如此设置，一方面在铝空燃料电池反应堆正常工作时，该风机4可对其内部的单体电池1进行送风，保证单体电池1有充足的氧气；另一方面，单体电池1工作时，内部发生化学反应产生电能的同时，也产生大量的热能还可由风机4构建的风路实现散热功能。整体上，既保证了铝空燃料电池的通风和散热，有减少了铝空电池反应堆的安装空间尺寸。
其中，外框壳体11两侧侧框均具有竖向流道113，以构建电解液流出路径。请一并参见图10所示，该图为本实施方式所述单体电池的外框壳体的结构示意图。
该竖向流道113的顶部开口114与外框壳体11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113连通的电解液出口112。具体地，电解液进口111位于底框的底面上，以与分流体212上相应的出液流道2111连通，工作过程中，电解液经由底部电解液进口111进入每个单体电池1中，并经由顶部两侧的顶部开口114流出电解液腔，然后依次通过两侧竖向流道113和电解液出口112流出单体电池1。
本方案中，该顶部开口114形成的流出液面低于负极插装止口115，正常使用状态下，电解液也不会从单体电池1的顶部溢出。应用本方案，基于竖向流道113的顶部开口114所形成的流出液面，低于负极插装止口115，也即电解腔内最高液面与顶部开口114齐平，即便单体电池1没有盖板的情况下，电解液也不会从单体电池1的顶部溢出。
进一步地，两个顶部开口114的通流总量大于电解液进口111的通流量；正常使用状态下，基于单体电池1内电解液的正常流速，可正常保障电解液在单体电池1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111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112与相应侧竖向流道113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11两侧侧框的竖向流道113顶部开口114，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113，进而经由位于底框底面两侧的电解液出口112分别流出单体电池1。如此设置，单体电池1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12，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12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9所示，该金属板负极12包括负极座121和金属板122，其中，该负极座121具有与所述负极插装止口115适配的插装部123，以可靠组装定位；同时，在负极座121底面集电部分具有固定凸部124，相应地，金属板122通过该固定凸部124悬置于负极座121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 (11)

1.电解液箱的箱盖，该电解液箱用于与多个依次排列的单体电池相适配，其特征在于，所述箱盖包括：
盖体，其上开设多组上下贯通的出液流道和回液流道，分别与多个依次排列的单体电池一一对应设置；每组所述出液流道和回液流道分别用于与相应所述单体电池的电解液进口和电解液出口连通；
分流体，封固设置在所述盖体的下表面，所述分流体与多个所述出液流道外周的所述盖体围合形成内腔，且所述分流体或所述盖体上开设有连通所述内腔的进液口，以便电解液分别输送至各所述单体电池；
还包括设置在所述盖体上方的弯管；所述进液口开设在所述盖体上，所述盖体上还开设有上下贯通的过渡流道；所述弯管的管体竖向设置，其下方的两个管口分别与所述盖体上的所述进液口和所述过渡流道连通；在水平投影面内，多个所述出液流道分别在所述进液口的两侧依次排列。
2.根据权利要求1所述的电解液箱的箱盖，其特征在于，所述分流体的内腔通流截面配置为：自所述进液口向两侧呈逐渐递减的趋势变化。
3.根据权利要求2所述的电解液箱的箱盖，其特征在于，所述盖体与所述分流体一体成型。
4.电解液箱，包括箱体和箱盖，其特征在于，所述箱盖采用权利要求1至3中任一项所述的电解液箱的箱盖；所述箱体内固定设置有液流泵，所述液流泵的输出端口与所述过渡流道连接。
5.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，还包括设置在单体电池下方的如权利要求4所述的电解液箱。
6.根据权利要求5所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述单体电池包括：
外框壳体；
金属板负极，插装在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；其中，所述格栅采用金属材料制成。
7.根据权利要求5所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述单体电池包括：
外框壳体；
金属板负极，插装在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；其中，所述格栅采用塑料制成，且所述格栅的与相邻所述单体电池相对侧的外表面上具有多个支撑部，所述支撑部突出于格栅本体。
8.根据权利要求6或7所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述金属板负极的两侧板面均具有多个绝缘支撑部，所述绝缘支撑部突出于金属板板体。
9.根据权利要求8所述的金属空气燃料电池，其特征在于，所述外框壳体的顶部或者所述外框壳体的顶部和底部，设置有与相邻所述单体电池相抵的定位凸块。
10.根据权利要求9所述的金属空气燃料电池，其特征在于，还包括配置在所述单体电池一侧的风机，所述风机的主送风方向与多个单体电池依次排列的方向垂直。
11.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5至10中任一项所述的金属空气燃料电池。
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