CN1428013A - 能保持基本恒定充满状态的可补充燃料电化学电源及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一个可补充燃料的电化学电源包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池。该一个或多个电池包括一个能构成内部电池腔的电池本体、一个位于该电池腔中供微粒材料与流体在其中流动的流动通路、一个位于该电池腔中的电活性区和一个流体力学设备，该设备邻近该流体流动通路或在该流体流动通路之内，它能为该电活性区充料或使该电活性区保持在恒定充满或电活性最强的状态。一种为一个或多个可补充燃料电化学电源充料或使它们保持恒定充满状态的方法包括提供上述装置和不断地、周期地或间断地使微粒材料与流体循环通过一个或多个电池的流体流动通路、通过该流体力学设备，从而使得该一个或多个电化学电池的电活性区被保持在恒定充满或电活性最强的状态。

Description

能保持基本恒定充满状态的 可补充燃料电化学电源及其使用方法
发明领域
本发明一般地说涉及一个可补充燃料的电化学电源，特别涉及一个能够被保持在基本充满或电活性最强状态的可补充燃料的电化学电源。
背景技术
现有传统电源的各种更有前途的替代物之一是金属/空气燃料电池。因为这些电池经济、对环境安全并可以完全更新，所以它们具有极大的潜力。金属/空气燃料电池既可以用于固定应用场所也可以用于移动应用场所，并特别适合各类电动车辆使用。
金属/空气燃料电池和蓄电池通过电化学作用组合金属与空气中的氧来产生电力。可以使用的金属包括锌、铁、锂和铝。也可以使用除了空气以外的氧化剂，如纯氧、溴或过氧化氢。锌/空气燃料电池和蓄电池通过同样的电化学过程产生电力。但是锌/空气燃料电池不会像原电池那样被丢弃。它们不像二次电池那样充电缓慢，它们也不像“机械再充电”电池那样需要重建。相反，锌/空气燃料电池在需要时添加额外的锌就可以在几分钟或几秒钟之内方便地补充燃料。而且，用于产生电力的锌可以完全回收和重新使用。
在需要更高比能量和/或希望快速再充电的场合，可以期待锌/空气燃料电池能够取代铅酸蓄电池。而且，在零排放、静音运行和/或更低维护成本成为重要因素的场合，也可以期待锌/空气燃料电池能够取代内燃机。
在一个示例性实施例中，锌“燃料”具有颗粒形状。锌在被消耗时释放电子来驱动一个负载(该电化学过程的阳极部件)。环境空气中的氧从该负载接收电子(阴极部件)。总体化学反应产生氧化锌，一种无毒的白色粉末。当全部或部分锌已被消耗并从而转变为氧化锌时，就可以除去该反应产物并添加新的锌颗粒与电解液为该燃料电池补充燃料。氧化锌(ZnO)产物通常在一个利用电解原理的、分离的单独再循环单元中被再加工成为锌颗粒和氧。该整个过程是一个可以无限重复利用的锌和氧的闭合循环。
一般而言，一个锌/空气燃料电池包括两个主要部件：该燃料电池本身和一个锌回收装置。该回收装置通常是固定不动的，它向该燃料电池提供锌颗粒、除去氧化锌并将它反向转变为锌金属燃料颗粒。也可以利用一个金属回收装置从任何其他用途的溶液中回收锌、铜或其他金属。
与可再充电蓄电池(譬如铅酸蓄电池)相比，锌/空气燃料电池技术有许多好处。这些好处包括非常高的比能量、高能量密度和能量与功率密度的解耦。而且，这些系统提供只需要标准供电电源的快速现场燃料补充方法。还有，这些系统提供更长的运行寿命，并有效地在所有时刻可靠精确地测量剩余的能量。
与内燃机相比，它的好处包括零排放、静音运行、更低维护成本和更高的比能量。若取代铅酸蓄电池，锌/空气燃料电池可以用来延长一部车辆的行驶里程并降低为增加有效载荷能量和/或提高性能所需的重量。锌/空气燃料电池使车辆设计人员有更大的灵活性来分配重量以便优化车辆动态特性。
在现有技术中，本申请受让人Metallic Power公司的锌/空气燃料电池包括一组以串联形式电气连接的电池。在使用之前，每个电池得到一种锌颗粒与电解液的混合物。每个电池中的锌颗粒构成一个阳极床。每个电池包括一个使锌在其中被电解溶解的电活性区。在传统的锌/空气燃料电池或“可补充燃料电池”中，整个阳极床的底部位于该电活性区之中并紧邻一个阴极。传统锌/空气燃料电池的一个示例可见授权给库珀(Cooper)的美国专利5,434,020和1999年7月15日提交的居提埃雷(Gutierrez)等人的美国专利申请序列号09/353,422。上部剩余部分的锌处于一个被称为料斗的不活动区中，不受电解溶解。这部分锌被认为是燃料。现有技术中的另一种方法是在放电之间完全更换锌电极。譬如，可以参看授权给埃文思(Evans)等人的美国专利5,441,820和授权给戈德曼(Goldman)等人的美国专利5,196,275。
在该电活性区中，锌被溶解，颗粒直径减小，颗粒床塌陷，从而使颗粒从料斗落入该电活性区。该电池的燃料补充通常是在每个电池中的锌燃料料位达到该料斗底部从而放电阶段结束时进行，这时小球状锌粒在电解液流中被流化，并被吸入可达整个电池装置通长的给料管。该给料管直接向每个电池卸料直到每个料斗都灌满锌为止。该放电和补充燃料阶段顺序出现。
这种电池充料方法有几个问题。这些问题是：1)补充燃料时有很大的电解旁路电流经由给料管在电池之间流过，2)该充料过程需要仔细平衡流动速率和锌的体积比例以便在避免通道堵塞的同时使锌的传输速率最高，3)即使采用最佳的锌传输速率也需要比较长的充料时间(对典型应用为10至20分钟)，4)该电池装置内的料斗体积不能用作产生电力的活性体积，5)为获得完全可靠的剩余燃料测量值需要测量每个料斗中锌的料位，以及6)很难充分进行该给料管与该电池壁间的机械密封来防止充料过程之间的枝状结晶生长。
首先，这一现有技术方法导致大的电解旁路电流流经电池之间的给料管，这降低了该燃料电池的效率，并能够导致枝状晶体的形成及电池之间灾难性的短路。在电池充料之后，使每个电池与该给料管在靠近该给料管与每个电池入口结合部的位置上进行密封可以降低该旁路电流。但是，这个区域中小球状锌粒的存在使得可靠密封难以实现。而且，这样的密封是一种机械设备，它需要形式的驱动功率，并应能够在接收到电气信号时打开和闭合，所以增加了该燃料电池的成本和复杂性。
其次，这一方法的充料过程十分耗时并需要仔细控制流动速率和锌体积比例，因为这些小球状物必须顺序充灌到每个电池，而且在充料后这些电池入口孔和给料管必须没有小球状锌粒。另外，使电池充料时间最短所需要的球状颗粒流的速率也会引起一些问题。锌/空气电池的一个主要优点是它可以快速补充燃料。但是用传统的方法，电解液流动速率和球状颗粒体积比例决定了充料速率。如果流动速率太高，那么该压力就可能损害这些电池。如果该球状颗粒比太高，那么这些球状颗粒就可能堆积并堵塞该通道。
采用这一传统方法的另一个缺点是，要消耗的燃料被储存在该燃料电池之内，即在料斗之中。该料斗占据了该燃料电池体积的相当大部分，明显缩小了对电化学活性有用的电池体积。所以不希望将该料斗区放在电池框架之内，因为该电池框架是该燃料电池系统中的一个贵重部件。
因而，所需要的是这样一种电化学电源，它使该电活性区基本占据每个电池的整个有用体积，从而使每个电池的电活性部分达到最大。该电池的设计应当使电池之间的旁路电流最小，并允许该电池恒定保持在充满燃料颗粒的状态以使电化学活性最强。该电池应当不需要复杂的充料过程或者很长的充料时间。
发明内容
所以，本发明要能使金属/空气燃料电池中的电活性区最大以使它基本占据该电池框架内的整个有用空间、能抑制电池之间产生旁路电流的可能性并能基本保持该燃料电池恒定充满金属燃料颗粒以使电化学活性最强。
本发明提供一种具有一个或多个适合利用微粒材料电极的可补充燃料电化学电源。该一个或多个电池包括一个能构成内部电池腔的电池本体、一个位于该电池腔内供微粒材料与流体通过的流动通路、一个基本占据该电池腔内除该流动通路外的全部区域的电活性区和一个流体力学设备，该设备紧邻该流动通路并能基本保持该电活性区处于一种恒定充满或电活性最强的状态。
本发明的上述方面的实现可以包括下述内容的任意部分或全部。一组电池，每个电池包括一个设计得能降低电池之间旁路电流的细长入口导管，其中这组电池包括一个适合将微粒材料与流体经由该细长入口导管输送到每个电池的入口集流管。而且有一个位置紧邻该流体流动通路或部分位于该流体流动通路之内的流体力学设备。该流体力学设备包括一组至少部分位于该流体流动通路之内的导流板，该导流板被设计得能将微粒与流体流引入该电活性区。该导流板在该电池内基本垂直取向并彼此平行，而且每块导流板都有一个至少部分位于该流体流动通路之内的、基本上为楔形的端头。该一个或多个电池包括一组电池，每个电池包括一个设计得能降低电池之间旁路电流的细长出口导管。而且，这组电池包括一个适合将不保留在该电池之内的微粒材料与流体通过该细长出口导管送出该电池的出口集流管。该电池包括一个底部和一个与该底部相连以便将该流体及电化学反应产物送出该电池的流体出口导管。该一个或多个电池包括一组电池，它们具有一个与每个电池的流体出口导管相连以便将该流体和电化学产物送出该电源的流体出口集流管。该电池包括通常形成四个分区的电池腔，一个第一分区代表该电池腔的上角，一个第二分区代表该电池腔的另一个上角，一个第三分区代表该电池腔中位于该第一分区下方的下角，一个第四分区代表该电池腔中位于该第二分区下方的另一个下角，该微粒材料和该流体流入该第一分区，该微粒和该流体流出该第二分区，其中不含任何明显数量微粒的流体流出该第四分区。该一个或多个电池一道构成一个锌/空气燃料电池装置。
本发明的另一个方面涉及一种保持可补充燃料电化学电源的一个或多个电池处于恒定充满状态的方法。该方法包括提供一个可补充燃料的电化学电源，该电源具有一个或多个适合利用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池包括一个构成一个内部电池腔的电池本体、一个位于该电池腔内供微粒材料与流体流过的流动通路、一个基本占据该电池腔内除该流动通路外的全部区域的电活性区和一个流体力学设备，该设备紧邻该流动通路并适合保持该电活性区处于基本恒定充满或电活性最强的状态。该流体力学设备还可用来使微粒材料与流体循环通过该一个或多个电池内的流动通路、通过该流体力学设备，以使该一个或多个电化学电池的电活性区基本保持在恒定充满或电活性最强的状态。
上面刚刚说明的本发明的方面的实现可以包括下述内容的任何部分或全部。在使微粒材料与流体循环通过该一个或多个电池之前用该微粒材料与流体充满该一个或多个电池的电活性区。该一个或多个电池包括一组电池，每个电池包括一个设计得能降低电池间旁路电流的细长入口导管，这组电池包括一个适合将微粒材料与流体经由该细长入口导管输送到每个电池的入口集流管。该流体力学设备至少部分位于该流体流动通路之内，不断使微粒材料与流体循环通过该一个或多个电池的流动通路的过程实际上包括使该微粒材料与流体循环通过该流体力学设备。这将使该微粒材料与流体流入该电池的电活性区，以便为该电活性区充料并保持该电活性区处于基本恒定充满的状态。该流体力学设备包括一组至少部分位于该流体流动通路之内的导流板，该导流板被设计得能将微粒与流体流导入相邻导流板之间的任何未填充空间。该力学设备实际上使微粒材料与流体不断循环通过该一个或多个电池，这也包括使该微粒材料与流体循环通过该导流板。这样就使该微粒材料与流体运动到相邻导流板之间的任何未填充空间以便为该电活性区充料并保持该电活性区处于基本恒定充满的状态。使该微粒材料与流体循环包括以流动速率使该微粒材料与流体循环，从而当相邻导流板之间的空间变得充满微粒材料时，该微粒材料与流体将流过这个区域而不堵塞该流动通路，并以相似的方法基本充满导流板之间的任何下游空间。这样的过程直到导流板之间的所有空间，从而整个电池，都被充满为止。这种流动最好是连续的，以便保持每个电池的电活性区处于基本恒定充满的状态，或者该流动是间歇的或周期的，以便周期地为该电活性区重新充料。在这两种情况下，如果希望的话都可以在这一流动过程中放电。该导流板最好，但不是必须，在该电池中基本垂直取向并彼此平行，每个导流板最好具有一个至少部分位于该流体流动通路之内的、基本为楔形的端头。该一个或多个电池是锌/空气电池。该微粒材料是小球状锌粒，该流体是氢氧化钾。该电池包括一个通常形成4个分区的电池腔，一个第一分区代表该电池腔的上角，一个第二分区代表该电池腔的另一个上角，一个第三分区代表该电池腔中位于该第一分区下方的下角，一个第四分区代表该电池腔中位于该第二分区下方的另一个下角。该微粒材料与该流体流入该第一分区，该微粒与该流体流出该第二分区，其中不含任何明显数量微粒的流体流出该第四分区。
本发明的另一个方面包括一个可补充燃料的电化学电源，它包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池。该一个或多个电池包括一个能构成一个内部电池腔的电池本体、一个位于该电池腔内供微粒材料与流体流动的流动通路、一个基本占据了该电池腔内除该流动通路外的全部区域的电活性区和紧邻该流动通路的装置，该装置能保持该电活性区处于基本恒定充满的、电活性最强的状态。
本发明还有一个方面涉及一个供便携式电源使用的机载燃料补充系统。该机载燃料补充系统包括一个微粒材料与流体源和一个适合产生电能的可补充燃料电化学电源。该电源和该微粒材料与流体源相连。该电源包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池。该一个或多个电池包括一个能构成一个电池腔的电池本体、一个位于该电池腔内供来自微粒材料与流体源的微粒材料与流体流动的流动通路、一个基本占据了该电池腔内除该流动通路外的全部区域的电活性区和一个紧邻该流动通路的流体力学设备，该设备能保持该电活性区处于基本恒定充满的、电活性最强的状态。至少有一台泵与该微粒材料与流体源以及该可补充燃料电化学电源互相连接。该泵能够将一个基本不变的、或者间歇或周期的来自该微粒材料与流体源的微粒材料与流体流传送到该一个或多个电池。
附图说明
本发明将参考所附例图进行说明，这些例图包括：
图1是按照本发明的实施例构造的一个金属/空气燃料电池的一幅示意图。
图2是按照本发明的实施例构造的一个金属/空气燃料电池的、沿图1中2-2线所取的一幅剖面图。
图3是图2所示一组导流板的实施例的一幅放大剖面图。
图4是图2和图3所示导流板中一块导流板的一幅放大剖面图。
图5类似于图2，是按照本发明的另一个实施例构造的金属/空气燃料电池的一幅剖面图。
图6是一个再循环/燃料补充系统和一辆工业机动车的一幅透视图，该工业机动车安装了一个按照本发明的一个实施例构造的金属/空气燃料电池。
图7是图4所示工业机动车的一幅侧向立面视图。
图8类似于图3，是符合本发明另一个实施例的一个流体力学设备的一幅剖面图，该设备能够保持电化学电池处于基本充满的、电活性最强的状态。
图9类似于图3，是符合本发明另一个实施例的一个流体力学设备的一幅剖面图，该设备能够保持电化学电池处于基本充满的、电活性最强的状态。
图10表示包括一个盒式可补充燃料的固定或便携式电源的本发明的一个实施例。
图11表示能生成供图10所示电源使用的燃料盒的一个再循环单元。
在这些例图中，相同的数码通常表示同一个、功能类似和/或结构类似的元件。
具体实施例
此处介绍的本发明的所有示例都与锌/空气燃料电池及系统有关。但重要的是应当指出，本发明可以应用于其他类型的电源、燃料电池和/或蓄电池。例如，本发明可以应用于其他金属/空气燃料电池，譬如铝/空气燃料电池、锂/空气燃料电池或铁/空气燃料电池，但不限于此。更一般地说，本发明可以应用于任何采用固态微粒物质作为氧化剂或还原剂的电化学设备，或者应用于采用空气以外的氧化剂的系统，譬如氧气、过氧化氢、溴或能够运载可溶氧化剂的液体。本发明还可以应用于金属回收系统。金属回收系统的一个示例是一个用电从水成溶液中回收锌的系统。所以，这里描述锌/空气燃料电池所用的示例不应被解释为对本发明范围和广度的限制。
参看图1，现在说明一个按照本发明的实施例构造的锌/空气燃料电池系统100。在“本发明的背景”一节已经说明了那些足以使读者获得能够理解本发明背景知识的、锌/空气燃料电池的基本要素。然而，有关锌/空气燃料电池系统的其他背景知识可见1999年11月24日授权的标题为“防止在金属/空气燃料电池、蓄电池或金属回收装置中形成枝状结晶的系统和方法”(System and Method for Preventing the Formation ofDendrites in a Metal/Air Fuel Cell，Battery or Metal Recovery Apparatus)的美国专利申请序列号09/449,176、1996年10月24日提交的标题为“为电化学电源补充燃料的方法和装置”(Method and Apparatus for Refuelingan Electrochemical Power Source)的美国专利号5,952,117和1999年7月15日提交的标题为“电化学电源燃料颗粒供料装置及其制造方法”(FuelParticle Feeding Apparatus for Electrochemical Power Source and Method ofMaking the Same)的美国专利申请序列号09/353,422，上述所有各项特此彷佛全文陈述一样整体参考编入。
参看图1和图2，锌/空气燃料电池系统100包括一个锌燃料箱102、一个锌/空气燃料电池装置或电源104、一个电解液处理单元106、一套管线系统108、一台或多台泵110和一个或多个在燃料电池运行过程中为锌颗粒和液体循环限定一个闭合流动回路的阀门(未画)。
流动介质中，譬如浓缩的氢氧化钾(KOH)电解液溶液中的小球状锌粒被存放在锌燃料箱102中。在另一个实施例中，这些颗粒可以是除锌之外的其他金属，譬如铝(铝/空气燃料电池)、锂(锂/空气燃料电池)、铁(铁/空气燃料电池)或者虽非金属但可以起氧化剂或还原剂作用的微粒材料，但不限于此。在另一个实施例中，该流动介质可以是一种流体，即液体或气体，而不是电解液。系统100的锌燃料箱102以及其他部件可以是一个集成组件的部件。另一种方法是，锌燃料箱102、电解液处理单元106或者它们和/或其他系统部件的组合可以是系统100的一个单独可分离的部件。
锌与电解液溶液从锌燃料箱102经由管线系统108被脉动或连续地送到电池装置104的入口集流管112。管线系统108可以包括一个或多个用以连接系统100各部件的流体连接设备，譬如管道、导管、弯管等。
电源104包括一组一个或多个双极电池114，通常每个电池形成一个平面并串连连接。出于演示目的，图1画了5个这样的电池，然而电源104中电池114的数量可以根据电源104的希望应用场合而变。每个电池114具有一个M伏的总开路电势。电源114的总开路电势P等于M伏×N，其中N是电源104中电池的数目。
每个电池114包括一个占据电池114的整个表面或侧面的空气正电极132和一个占据电池114另一边整个表面或侧面的锌负电极电流收集器134。在相邻两电池114的电极132与134之间可以插入一种多孔导电的物质，以使得空气可以由此吹入以便向每个空气正电极132供应氧气。直接将各电池114叠在一起，使得每个电池的负电极电流收集器134与相邻电池114的正电极表面经由该多孔导电物质物理接触，就可以构成双极电池装置104。如上所说，这一串联连接可提供(第一个负极134与最后一个正极132之间)一个P伏的总开路电势。这种方法可以构造极为紧凑的高电压双极电池装置104。而且，因为各电池114之间不用接线，加之电极132及134由很大的表面面积构成，所以各电池114之间的内阻极低。
入口集流管112最好以与电池114形成的平面垂直的方向穿过电源104的各电池114。入口集流管112将流化的锌经由入口导管或电池充料管116分配到各电池114。每个入口导管116位于各自的电池114之内。
锌微粒与电解液流过每个电池114中通常位于电池114平面内的某条流动通路115。向各电池114递送颗粒的方法是一种直流法。在流动的KOH电解液中的稀释微粒流经由导管116被送到电池114顶部的流动通路115。该微粒流经由流动通路115，穿过锌颗粒床，并通过输出管118从电池114的另一侧流出。该微粒流中的某些微粒被导流板140导入电活性区119。仍留在该微粒流中的微粒被移动带出电池114。这种直流法(连同导流板140)允许电活性区119基本占据该电池腔的全部，并能保持基本恒定被锌颗粒充满。结果，按电池腔体积而言，每个电池114的电化学电势达到最高值。
泵110可以被用来控制该电解液与锌流经系统100的流动速率。流经系统100的适当流动速率很重要。如果该流动速率太高，那么压力可能损坏电池114。如果该流动速率太低，那么可能很难保持电池114处于基本恒定充满的状态。电解液中的颗粒比例也很重要。如果颗粒比例太高，那么该颗粒可能堆积并堵塞系统100的通道。如果球状颗粒比例太低，那么可能很难保持电池114处于基本恒定充满的状态。因为存在一个基本不变的、穿过电池114顶部的电解液与锌的流动，所以相对于过去锌/空气燃料电池系统中所用的球状颗粒比例而言，该球状颗粒比例得到稀释。这有助于防止通道中的堆积与堵塞，有助于降低电池114之间的旁路电流。控制该电解液中小球状颗粒比例的一种方法是在锌/空气燃料箱102的出口处采用筛选或过滤装置(未画)。该锌与电解液流经系统100的流动速率和小球状锌粒比例应当能足以保持电池114中电化学活性最强。
进入每个单独电池的流动速率由如下两个流动要求决定：
a)为发生电化学反应所必须的通过该颗粒床的流动速率Qe。Qe由试验确定，可随该球状颗粒床的电气性能而变。
b)保证该球状颗粒能流化通过内部和外部的导管或通道并到达该电池所必须的流动速率QSi。QSi被称为斯托克斯(Stokes)流动速率，在第i根导管中，它由斯托克斯的计算最小流化速度US的经典表达式定义。US是该球状颗粒直径、颗粒密度和运载流体粘度及密度的函数。在现有工作情况下，希望该流体是氢氧化钾。斯托克斯方程为： U S = [ ( 4 3 ) ( gD p f ) ( ρ p - ρ f ρ p ) ] 2 - - - ( 1 )
其中Dp是该颗粒的直径，ρp是该颗粒的密度，ρf是该流体的密度，g是重力常数(9.81m/s2)，f是取决于雷诺数(Reynolds Number)的摩擦系数。
局部斯托克斯流动速率QS定义为：
QS＝(US*A)                              (2)
其中A是局部截面积。
保证球状颗粒流化通过第i根导管及通道的流动速率QSi等于：
QSi＝(US*Amaxi)                         (3)
其中Amaxi是第i根导管的最大截面积。而且我们定义Uf为该流体速度。为了适当流化，所有导管和通道中的Q都必须选得使该流动速度在各点大于斯托克斯速度，即：
(Uf/US)＞1处处成立                      (4)
对该流动速率最严格的要求是在每根导管中最宽的点确定的，在那里速度最低。如果关系式(4)在那里成立，那么就在该导管内所有其他各点成立。这就给出了为保证该球状颗粒能流化通过每根导管或通道而对通过该导管或通道的流动速率Qi的要求：
Qi＞(US*Amaxi)                          (5)
所以，进入每个电池的最小总流动速率取决于通道的数目与结构，并必须足以保证穿过该颗粒床的流动速率超过Qe，而且流经每个导管或通道的流动速率满足关系式(5)。
球状颗粒体积比例Xp等于球状颗粒的体积除以流体体积与颗粒体积之和。在该流动通路区域中，应在范围0.001＜Xp＜0.6之内，但最好是在范围0.01＜Xp＜0.2之内。这一比例应当小得足以使球状颗粒之间相互作用最小，以便保证它们遵守斯托克斯定理并始终能被流化，但仍然大得足以在不需要过高流体速率与泵吸功率的情况下保证该电池的适当颗粒充料速率。
当锌颗粒在电池114的电活性区119中溶解时，就产生可溶性的锌反应产物锌酸盐。该锌酸盐穿过靠近电池114底部123的筛网或过滤器122，并随同样流经电池114与过滤器122的电解液被冲出电池114的活性区。筛网或过滤器122使流出电池114的电解液中只含有几乎可以忽略的锌颗粒，或者不含有锌颗粒。流经电池114的电解液流不仅除去了可溶的锌反应产物，从而降低了电活性区119中放电产物的沉淀，同时它也带走了不需要的热量，所以有助于防止电池114过热。
电解液分别通过一个电解液出口导管128和电解液出口集流管130流出电池114和电池装置104。该电解液通过管线系统108被引到电解液处理单元106。可以用一台泵(未画)将电解液引入电解液处理系统106。电解液处理系统106用于从该电解液中除去锌酸盐与热量，以便能够将同样的电解液加入锌燃料箱102以供锌的流化。像锌燃料箱102一样，电解液处理单元106可以是带有系统100其他部件的集成组件的部件，也可以是系统100的单独的可分离部件。
为了能在电池114中发生该电化学反应，需要一种持续的氧气供应。为此，系统100的一个实施例可以在电池装置104的侧面包括一组空气送风机124和空气出口126，以便向每个电池114的空气阴极供应(含有该电化学反应所需氧气的)空气流。为了允许空气达到每个电池的空气阴极并流过电池装置104，电池114之间可以放置多孔物质，譬如一种镍泡沫材料。在另一个实施例中，为了产生电化学反应，可以向每个电池114供应除了空气以外的氧化剂，譬如纯氧、溴和过氧化氢，但不限于此。
参看图2，进出电池114的流动可以用一个四分区系统来描述，即该电池腔的分区1至4。分区1或第一分区代表该电池腔的一个上角，分区2或第二分区代表该电池腔的另一个上角，分区3或第三分区代表该电池腔中分区1下方的一个下角，分区4或第四分区代表该电池腔中分区2下方的另一个下角。在本发明的一个希望实施例中，锌微粒与电解液经由入口导管116进入该电池腔达到分区1，并经由输出导管118从分区2流出该电池腔。电解液与反应产物最好经由电解液出口导管128从分区4流出该电池腔。根据试验与计算模拟结果，本发明人认定，这一组合对优化电池114内的流体循环运行良好。尽管分区1至4分别画在左上角、右上角、左下角和右下角，但在本发明的另一个实施例中该分区可以赋予不同的分区号，譬如分区1至4可以代表右上角、左上角、右下角和左下角。
集流管112、120、130可以垂直于由装置104中的电池114构成的平面安装，以便使电池114通过各自的导管与集流管112、120、130连接。熟悉技术的人员十分清楚，该集流管的任意部分或全部可以采用与这里所显示及描述的集流管不同的、任何技术上众所周知的集流管结构，而且可以安装在电池114外部。而且，尽管集流管112、120、130的入口画在电池组的一端，但在实施装置104时可以将任何或全部集流管的入口安排在与这里所显示及描述的位置不同的其他位置。
现在特别参看图2与图3来更详细地说明锌/空气燃料电池114。锌/空气燃料电池114由燃料电池框架或电池本体136构成。燃料电池本体通常形成一个电池腔137。燃料电池腔137经由电池充料管116与入口集流管112相连。电解液和锌被送到电池充料管116并通过一个电池入口138流入电池腔137。该电解液和锌横穿该锌颗粒床顶部流过流动通路115。当该电解液与锌横穿该锌颗粒床顶部流动时，某些锌颗粒从该电解液流被引向电活性区119中的球状颗粒床。剩余的球状颗粒随该电解液通过出口导管118与出口集流管120流出，回到锌燃料箱102。电池充料管116很细但足够长，在实施例中大约为15cm，这使总旁路电流下降到小于10A。这实际上已经使电池之间由于该电解液而引起的导电率与寄生电流泄漏降到最低。这样就不再需要集流管112与电池入口138之间的密封设备。当电池114未被使用且泵110未运行时，给料管116将会排干，从而切断了该旁路电流的流动通路。
过去，因为电解旁路电流经由集流管在该电池之间流动，所以每个电池在电池充料之后要对该集流管密封来降低该旁路电流。这不仅难以构造一种在锌颗粒存在情况下能够封闭的可靠密封方法，而且使该电池对该集流管关闭就无法获得一个基本不变的横穿该锌颗粒床顶部的锌与电解液流来维持全满的颗粒床高度。在入口集流管112与电池入口138之间增加这根细长的电池充料管116可以不需要密封设备就将该旁路电流降低到一个可以接受的程度，从而允许基本不变的锌与电解液流来保持颗粒床高度全满，因而保持了该阳极床的最高电化学活性。
现在特别参看图3，导流板140是一种适合使每个电池的电活性区保持在基本恒定充满、电活性最强状态的流体力学设备117。在一个希望的实施例中，导流板140固定在靠近电池114顶部142的地方，实际上采取垂直方向并彼此平行。但是，该导流板不是必须垂直或彼此平行。另外，每个导流板140最好有一个至少部分位于流体流动通道115之内的、基本为楔形的端头141。如果存在未充填的或部分未充填的球状颗粒下降区，即导流板140之间和/或之下的空间，那么就要选择导流板140的尺寸、形状和间距，也就是说要进行结构设计以便在导流板140之间产生流体流动旋涡。
导流板140之间的这些旋涡使某些电解液与锌颗粒向下流到导流板140之间，从而填充导流板140之间和/或之下尚未充填的球状颗粒下降区。导流板140可以向下延伸穿过该电活性区，如果希望的话甚至可以达到电池114的底部。一旦两个相邻导流板140之间的球状颗粒区域(譬如区域A或B)中的球状颗粒高度被填充到达导流板140的顶部，即到达电活性区119的顶部144，该球状颗粒就不再堆积，它们移动到下一个导流板区域，譬如区域C。这样，通过提供一个流经流动通路115的电解液与锌颗粒流就可以使该球状颗粒床的整个上表面保持在充料线134处，并达到导流板140的端头141之上。因而，导流板140是一种能使电活性区144保持在基本恒定充满状态的流体力学设备。
因为该锌颗粒可以被保持在充料线144处，所以燃料电池114的电活性区119也可以达到这一点，从而使得燃料电池114的电活性区119按电池体积而言实际上大于过去可以得到的区域。重要的是应当指出，其他流体力学设备，包括其他导流板结构也可以用于这同一个目的。参看图8，它表示能使电活性区144保持在基本恒定充满状态的流体力学设备的另一个实施例的示例。在这个实施例中，交错排列的销钉212取代了导流板140。参看图9，它表示能使电活性区144保持在基本恒定充满状态的流体力学设备的另一个实施例的示例。在这个实施例中，一个螺旋形的“分离旋管”214起着与导流板140相同的作用。该流体力学设备的这些实施例的最重要的功能是，在能够使颗粒从流动通路115流到电活性区119的同时使流动通路115中(比较高的速度)与电活性区119中(比较低的速度)的流体速度产生差别。这就能使流动通路115中的颗粒填充到电活性区119，而不会有高速流体将数量明显的颗粒往回推动使之离开电活性区119。这一功能对一个可以接受的流体力学设备而言虽然不是必不可少的功能，但却是希望的功能。
球状颗粒的流动速率U(见图3)被设计得能够使该球状颗粒床在电解溶解条件下保持在一个基本不变的最优高度，即充料线144。然而，即使燃料电池114产生最大的电流量，球状颗粒床高度的下降也非常慢。所以，如果流过流动通路115的流动速率U基本不变，那么球状颗粒供给的速率就很低。结果，该电解液的流动速率和该球状颗粒体积比例就比较低。在另一个实施例中，可以用流经该一个或多个电池114的、球状颗粒与电解液的周期或间歇流(譬如脉动流)将球状颗粒床基本经常保持在充料线144处。在这个实施例中，该球状颗粒与电解液流也可以基本不变以保证充料速率正比于该球状颗粒床高度由于电解溶解而下降的速率。
参看图4，它表示一个单块导流板140的放大视图。保持该球状颗粒床处于最优高度的其他重要变量或导流板设计参数是导流板140的高度h、导流板140的宽度w、相邻导流板140的之间的间隔距离s、导流板140的倾斜角α和导流板140顶部冲击边缘的曲率半径。导流板140专用设计中涉及的变量(高度、宽度、间隔和顶部边缘形状)由导流板140顶部所需要的边界层的正确分离来决定。当该边界层分离时，它在下游产生一个该受限空间尺度的旋涡。导流管140之间的流动通常被认为是空穴流。在众多因素之中，该旋涡内的循环速度取决于该流动通路内的主流速度以及导流板140边缘的形状。尖锐的边缘导致快速分离并产生快的旋涡速度。光滑的边缘(如同机翼那样)导致平稳的分离和很低速的下游旋涡。
边界层的分离通常可以用布拉修斯(Blasius)方程和普朗特(Prandtl)方程一道描述。所以导流板140的设计参数严格来自边界层分离基本方程。对给定的流动以及给定的流体，导流板140之间的间隔可以根据瑟邦(Seban)方程计算。该流体力学设备的每个其他实施例(如图8与图9所示)也受同样的方程支配，将这些方程应用于每个特定问题都会得到一组新的高度、间隔和形状。根据经验，旋涡具有由限定它们的物理空间所给定的尺寸(普朗特混合长度)。通常边界层在距离分离点6个摄动高度之处重新附着。
导流板的设计参数(s、w、h、α、)可以用如下无量纲形式表示：
s′＝(s/D)，                            (6)
其中D是该流动通路的水力学直径，等于4倍该流动通路截面平均面积除以该流动通路截面的平均周长；
w′＝(w*n/L)，                          (7)
其中n是导流板数目，L是该流动通路区域的长度；
h′＝(h/H)，                            (8)
其中H是不包括该流动通路的电池高度；而且
′＝(e/w)                          (9)
这些无量纲参数的最佳范围为：
0.1＜s′＜30，最好为1＜s′＜3；
0＜w′＜0.95，最好为0.05＜w′＜0.3；
0＜h′＜1，最好为0.001＜h＜0.2；
Arcos(s/h)≤α≤90°，最好为α＝90°；而且
0＜′＜0.25，最好为0＜′＜0.01。
在图4中，冲击边缘画在导流板140的前沿(上游)面145上，但它也可以在下降(下游)面146上或者它们之间的任何位置。
参看图5，它描述一个根据本发明另一个实施例构造的锌/空气燃料电池150。锌/空气燃料电池150与上面所说的锌/空气燃料电池114类似，但电解液出口导管128和集流管130被电解液输入导管152与集流管154取代。在这个实施例中，锌微粒与电解液经由入口导管116进入该电池腔到达分区1，并经由出口导管118从分区2流出该电池腔。电解液处理单元106供应的电解液经由集流管154与电解液入口导管152进入该燃料电池腔的分区3。该电解液与反应产物一道向上流动穿过该电池腔，并通过出口导管118从分区2随该锌与电解液流一道流出。该锌/空气燃料电池的这一实施例是有利的，因为对于中等流动速率和高的电池放电速率，它能够有利于电解液向上流动通过该电活性区。
在本发明的另一个实施例中，上面针对图5描述的导管152与集流管154可以用来从该燃料电池腔的分区3除去电解液与反应产物，而不是向该燃料电池的这一部位提供电解液。这将会导致所供应的电解液向下流入分区3并流出导管152。在本发明的这个实施例中，锌微粒与电解液将仍然经由入口导管116进入该电池腔到达分区1，并经由出口导管118从分区2流出该电池腔。在接近电池150的底部122处最好安置一个类似于针对图1和图2所述的筛网或过滤器(未画)以防止锌微粒随电解液流出电池150。也可以采用颗粒与流体的入口、出口位置及结构不同的其他实施例。任何有用的实施例的实质要素是，它要让流体实际上流过整个电活性区以便带走热量与反应产物，而且它要能够将新鲜锌颗粒送到该电活性区。
参看图6与图7，一辆工业机动车200装备了金属/空气燃料电池系统100以便为驱动该机动车204的电动机202供电。熟悉技术的人员很容易理解，工业机动车200只是可以用金属/空气燃料电池系统100供电的无数便携式或移动式电动设备的一种。其他例子可以包括便携式或固定式发电机、叉车、地板清扫机与洗涤器、汽车、高尔夫球车、电动运输车辆、辅助供电单元和商用草坪与园艺设备，但不限于此。
燃料箱102可以在再循环/燃料补充系统210处重新装满。与现有技术中重新装满一组电池料斗所能达到的低得多的传输速率相比，这通常是用很高的锌传输速率来实现的，譬如采用流经大口径软管的高速、高体积比例的含锌流。在补充燃料过程中，已经被转变为电解液处理单元106中氧化锌(ZnO)的失效的锌被传送到锌再循环/燃料补充系统210，如图6所示。再循环/燃料补充系统210采用电解方法用来自电源插座(譬如墙上的电源插座)的交流电将氧化锌反向转变为小球状金属锌。该球状颗粒被储存在再循环/燃料补充系统210的一个容器内，在需要时随一个流动的电解液流用泵吸入锌/空气燃料电池系统100的燃料箱102。这可以与从电解液处理单元106中除去氧化锌同时进行，也可以与除去氧化锌按顺序进行。而且，这可以在燃料箱102被安装到该燃料电池(作为或不作为一个永久性的集成部件)的情况下进行，也可以在该燃料箱可与该燃料电池分离的情况下进行(见美国专利号5,952,117)。
参看图10，它表示了一个符合该专题发明的盒式可补充燃料的移动或固定电源300。在这个实施例中，燃料箱和/或电解液处理单元106构成一个可分离的燃料盒301a，该燃料盒耗尽后，可以用图11所示再循环单元305提供的、经过再生的一个燃料盒301b来替换。然后再循环单元305可以被用来再生该已耗尽的燃料盒301a以供电源300以后使用。
尽管上面描述了本发明的各种实施例，但它们只是作为示例加以介绍，而非仅限于此。所以，本发明的广度和范围不应受任何上述范例性实施例的限制，而只应根据下述权利要求以及它们的等效条款来定义。

Claims (58)

1、一个可补充燃料的电化学电源，它包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池包括一个能构成内部电池腔的电池本体，一条位于该电池腔内供微粒材料与电解液流动的连续、周期或间断的循环流动通路，一个位于该电池腔内的电活性区和一个位于该流动通路与该电活性区之间的流体力学设备，该设备允许微粒材料从该流动通路流入该电活性区，并适合保持该电活性区内的流体流动速度明显低于该流动通路内的流体流动速度，从而给该电活性区充料并保持它处于基本恒定充满或电活性最强的状态。
2、权利要求1的电源，其中上述一个或多个电池包括一组电池，每个电池包括一个或多个设计得能降低电池间旁路电流的入口导管，并且该入口导管能够将流体或者微粒材料与流体送到每个电池。
3、权利要求2的电源，其中入口集流管被连接到每个电池的每个上述入口导管以便将流体或者微粒材料与流体送到该电源。
4、权利要求1的电源，其中上述流体力学设备包括一组紧邻上述流体流动通路或至少部分位于其中的导流板，该导流板被设计得能将微粒材料与流体引导至该电活性区。
5、权利要求4的电源，其中上述导流板在该电池中基本垂直取向并彼此平行，每个导流板都有一个至少部分位于上述流体流动通路之内的、基本为楔形的端头。
6、权利要求4的电源，其中上述导流板基本平行并等距排列。
7、权利要求6的电源，其中0.1＜s′＜30，s′为两个相邻导流板之间的间隔除以该流动通路的水力学直径。
8、权利要求6的电源，其中1＜s′＜3。
9、权利要求6的电源，其中0＜w′＜0.95，w′为一块导流板的宽度除以沿该流动通路的导流板数目，再除以该导流板沿其排列的流动通路的长度。
10、权利要求6的电源，其中0.05＜w′＜0.3。
11、权利要求6的电源，其中0＜h′＜1，h′为一块导流板的高度除以该电池腔的不包括该流动通路的高度。
12、权利要求6的电源，其中0.001＜h′＜0.2。
13、权利要求6的电源，其中Arcos(s/h)≤α≤90°，α为一块导流板的长边与紧邻该导流板的流体通路中流体流动方向之间的夹角。
14、权利要求6的电源，其中α近似等于90°。
15、权利要求6的电源，其中0＜′＜0.25，′为一块导流板上最接近流动通路的末端的曲率半径除以一块导流板的宽度。
16、权利要求6的电源，其中0＜′＜0.01。
17、权利要求1的电源，其中该电池包括一个底部和一个连接到该底部、将该流体以及电化学反应产物送出该电池的流体出口导管。
18、权利要求1的电源，其中上述一个或多个电池包括一组电池，每个电池包括一个或多个设计得能降低电池间旁路电流的出口导管，该出口导管能够将不保留在该电池中的流体或者微粒材料与流体送出该电池。
19、权利要求18的电源，其中一个出口集流管被连接到每个电池的每个上述出口导管以便将流体或者微粒材料与流体送出该电源。
20、权利要求1的电源，其中上述电池包括一个通常形成四个分区的电池腔，一个第一分区代表该电池腔的一个上角，一个第二分区代表该电池腔的另一个上角，一个第三分区代表该电池腔中位于该第一分区下方的一个下角，一个第四分区代表该电池腔中位于该第二分区下方的另一个下角，上述微粒与上述流体适合流入该第一分区，上述微粒与上述流体中至少有一部分适合流出该第二分区，上述流体中至少有一部分不含任何明显数量上述微粒的流体流出该第四分区。
21、权利要求20的电源，其中上述微粒与上述流体适合流入上述第一分区，至少一部分上述微粒与上述流体适合流出上述第二分区，上述流体中至少有一部分不含任何明显数量上述微粒的流体流进该第三分区。
22、权利要求1的电源，其中上述微粒材料是锌或它的合金。
23、权利要求1的电源，其中上述微粒材料是铝或它的合金。
24、权利要求1的电源，其中上述流体是碱性电解液。
25、权利要求24的电源，其中上述流体包含氢氧化钾。
26、一种为可补充燃料电化学电源的一个或多个电池充料、或者保持该电池处于基本恒定充满状态的方法，该方法包括：
提供一个可补充燃料的电化学电源，该电源具有一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池包括一个构成内部电池腔的电池本体、一条位于该电池腔内供微粒材料与流体流过的流动通路、一个位于该电池腔内的电活性区和一个流体力学设备，该设备位于该流动通路之内或与之相邻，并能够为该电活性区充料，或者保持它处于基本恒定充满或电活性最强的状态；
连续地、周期地或间歇地使微粒材料与流体循环通过上述一个或多个电池内的流动通路，流过上述流体力学设备，从而使得上述一个或多个电化学电池的上述电活性区被保持在基本恒定充满或电活性最强的状态，或者周期地或间歇地被重新充料。
27、权利要求26的方法，它还包括在使微粒材料与流体循环通过该一个或多个电池之前用该微粒材料或者该微粒材料与流体来为该一个或多个电池的电活性区充料。
28、权利要求26的方法，其中微粒材料与流体的上述循环在该电源放电过程中进行。
29、权利要求26的方法，其中上述一个或多个电池包括一组电池，每个电池包括一个设计得能降低电池间旁路电流的入口导管，该组电池包括一个适合将微粒材料与流体通过该入口导管送到每个电池的入口集流管。
30、权利要求26的方法，其中上述流体力学设备至少部分位于该流体流动通路之内，使微粒材料与流体循环通过上述一个或多个电池的流动通路也包括使该微粒材料与流体循环通过上述流体力学设备，从而使至少部分上述微粒材料与流体流入该电池的电活性区，以便为该电活性区充料或者保持该电活性区处于基本恒定充满的状态。
31、权利要求26的方法，其中上述流体力学设备包括一组紧邻上述流体流动通路或部分位于其中的导流板，该导流板被设计得能将微粒材料与流体流引导至相邻导流板之间的任何未充填空间，使微粒材料与流体循环通过该一个或多个电池也包括使该微粒材料与流体循环通过该导流板，从而使至少部分上述微粒材料与流体运动到相邻导流板之间的任何未充填空间，以便为该电活性区充料或者保持该电活性区处于基本恒定充满的状态。
32、权利要求31的方法，其中使上述微粒材料与流体循环包括使上述微粒材料与流体以流动速率循环，从而使得当相邻导流板之间的空间充满微粒材料时，该微粒材料与流体能流过这个区域而不堵塞该流动通路，并实际上能以类似的方法为导流板之间的任何下游空间充料，直到导流板之间的所有空间、从而整个电池都被充满。
33、权利要求31的方法，其中上述导流板在该电池内基本垂直取向并彼此平行，每块导流板有一个与上述流体流动通路相邻或者至少部分位于其中的、基本为楔形的端头。
34、权利要求31的方法，其中上述导流板基本平行并等距排列。
35、权利要求34的方法，其中0.1＜s′＜30，s′为两个相邻导流板之间的间隔除以该流动通路的水力学直径。
36、权利要求34的方法，其中1＜s′＜3。
37、权利要求34的方法，其中0＜w′＜0.95，w′为一块导流板的宽度除以沿该流动通路的导流板数目，再除以该导流板沿其排列的流动通路的长度。
38、权利要求34的方法，其中0.05＜w′＜0.3。
39、权利要求34的方法，其中0＜h′＜1，h′为一块导流板的高度除以该电池腔的不包括该流动通路的高度。
40、权利要求34的方法，其中0.001＜h′＜0.2。
41、权利要求34的方法，其中Arcos(s/h)≤α≤90°，α为一块导流板的长边与紧邻该导流板的流体通路中流体流动方向之间的夹角。
42、权利要求34的方法，其中α近似等于90°。
43、权利要求34的方法，其中0＜′＜0.25，′为一块导流板最接近流动通路的末端的曲率半径除以一块导流板的宽度。
44、权利要求34的方法，其中0＜′＜0.01。
45、权利要求26的方法，其中上述微粒材料是锌或它的合金。
46、权利要求26的方法，其中上述微粒材料是铝或它的合金。
47、权利要求26的方法，其中上述流体是碱性电解液。
48、权利要求47的方法，其中上述流体包含氢氧化钾。
49、权利要求26的方法，其中上述电池包括一个通常形成四个分区的电池腔，一个第一分区代表该电池腔的一个上角，一个第二分区代表该电池腔的另一个上角，一个第三分区代表该电池腔中位于该第一分区下方的一个下角，一个第四分区代表该电池腔中位于该第二分区下方的另一个下角，上述微粒与上述流体流入该第一分区，上述微粒与上述流体中至少有一部分流出该第二分区，上述流体中至少有一部分不含任何明显数量上述微粒的流体流出该第四分区。
50、权利要求49的方法，其中上述微粒与上述流体流入该第一分区，上述微粒与上述流体中至少有一部分流出该第二分区，上述流体中至少有一部分不含任何明显数量上述微粒的流体流进该第三分区。
51、一个可补充燃料的电化学电源，它包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池包括一个构成内部电池腔的电池本体、一条位于该电池腔内供微粒材料与流体流过的流动通路、一个位于该电池腔内的电活性区和一个紧邻该流动通路或位于其内的装置，该装置能够为该电活性区充料，或者保持该电活性区处于基本恒定充满的、电活性最强的状态。
52、一个可补充燃料的电化学电源，它包括一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池包括一个构成内部电池腔的电池本体、一条位于该电池腔内供微粒材料与流体流过的流动通路、一个位于该电池腔内的电活性区和一个紧邻该流动通路或位于其内的流体力学设备，该设备能够为该电活性区充料，或者保持该电活性区处于基本恒定充满或电活性最强的状态。
53、一个可供移动、固定或便携式电动设备使用的电源系统，它包括：
一个微粒材料与流体源；
一个适合提供电能并与上述微粒材料与流体源相连的可补充燃料的电化学电源，该电源包括：
一个或多个适合使用微粒材料电极的电化学电池，该一个或多个电池的每一个都包括一个构成内部电池腔的电池本体、一条位于该电池腔内供来自上述微粒材料与流体源的微粒材料与流体流过的流动通路、一个位于该电池腔内的电活性区和一个紧邻该流动通路或位于其内的流体力学设备，该设备能够为该电活性区充料，或者保持该电活性区处于基本恒定充满或电活性最强的状态；以及
至少一台与上述微粒材料与流体源及上述可补充燃料的电化学电源互相连接的泵，它适合将来自上述微粒材料与流体源的微粒材料与流体流送到上述一个或多个电池。
54、一部包括权利要求53所述电源的电动车辆。
55、一台包括权利要求53所述电源的发电机。
56、权利要求53的电源，它被配置得可用燃料盒来补充燃料。
57、权利要求53的电源，它被配置得可用软管来补充燃料。
58、权利要求56的电源，它与一个设计得能使已耗尽燃料盒再生的再循环单元细合到一起。
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