电化学电池和操作其的方法专利检索-燃料气体燃料种类专利检索查询-专利查询网

电化学 电池和操作其的方法

阅读：938发布：2024-01-08

专利汇可以提供电化学电池和操作其的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及电化学电池和操作其的方法。电化学电池包括：包括一个或多个使用氧气作为正极活性物质的金属空气单元电池的电池模块；配置成将空气供应到所述电池模块和调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度的空气供应单元；和配置成控制述空气供应单元的氧气浓度调节操作的控制单元。此外，操作所述电化学电池的方法包括：使用空气供应单元将空气供应到电池模块，所述电池模块包括一个或多个使用空气中的氧气作为正极活性物质的金属空气单元电池；和控制所述空气供应单元以调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。，下面是电化学电池和操作其的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.电化学电池，包括：
包括一个或多个电化学单元电池的电池模块；
配置成将空气供应到所述电池模块和调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度的空气供应单元；和
配置成控制所述空气供应单元的氧气浓度调节操作的控制单元。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述空气供应单元配置成通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：调节从所述空气吸收的氮气的量，和其中所述空气供应单元通过所述控制单元控制。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以可变地调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度，或
其中所述控制单元配置成根据所述电池模块的状态将供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度保持在所选择的浓度。
4.如权利要求3所述的电化学电池，其中，
当所述氧气浓度小于所选择的浓度时，所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以增加供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度，和
当所述氧气浓度大于所选择的浓度时，所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以降低供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
5.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以将供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度恒定地保持在基于供应到所述电池模块的空气的总含量的约30体积％至小于约100体积％的范围内。
6.如权利要求1所述的电化学电池，进一步包括配置成测量选自如下的至少一个参数的感测单元：所述电池模块中的氧气浓度、所述电池模块中的温度、所述电池模块的电压、所述电池模块的电流输出、和将连接到所述电池模块的负载的负载电阻。
7.如权利要求6所述的电化学电池，其中所述控制单元配置成基于通过所述感测单元测量的所述至少一个参数控制所述空气供应单元以调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
8.如权利要求7所述的电化学电池，其中所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以在所述电池模块的放电操作期间当所述电池模块的电压小于所选择的电压时增加供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
9.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述空气供应单元包括：
配置成从所述空气供应单元的外部吸入空气的空气吸入单元；和
配置成通过从所吸入的空气分离氧气而产生氧气的氧气产生单元。
10.如权利要求9所述的电化学电池，其中所述氧气产生单元配置成经由吸附/解吸方法或经由膜方法过滤氧气。
11.如权利要求10所述的电化学电池，其中所述吸附/解吸方法为选自如下的至少一种：变压吸附方法、变温吸附方法、变压变温吸附方法、和真空变压吸附方法。
12.如权利要求9所述的电化学电池，其中所述氧气产生单元包括：
连接到所述电池模块且配置成将分离的氧气供应到所述电池模块的第一出口端口；和配置成排出在分离氧气之后剩余的气体的第二出口端口。
13.如权利要求12所述的电化学电池，其中所述空气供应单元配置成通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：使通过所述第一出口端口或所述第二出口端口排出的气体的一部分回流到所述氧气产生单元，和
其中所述空气供应单元通过所述控制单元控制。
14.如权利要求12所述的电化学电池，其中所述空气供应单元进一步包括配置成存储氧气的氧气存储单元。
15.如权利要求14所述的电化学电池，其中所述空气供应单元配置成通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：将来自所述氧气存储单元的氧气供应到所述第一出口端口，和
其中所述空气供应单元通过所述控制单元控制。
16.如权利要求9所述的电化学电池，其中所述空气供应单元进一步包括配置成从吸入的空气除去水分的水分除去单元。
17.如权利要求16所述的电化学电池，其中所述控制单元配置成控制所述空气供应单元以在所述电池模块的充电期间通过停止所述氧气产生单元的操作而仅将除去水分的空气供应到所述电池模块。
18.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述空气供应单元包括：
配置成从所述空气供应单元的外部吸入空气的空气吸入单元；
配置成从吸入的空气除去水分和提供除去水分的空气的水分除去单元；和配置成存储氧气的氧气存储单元，
其中所述空气供应单元进一步配置成通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：将来自所述氧气存储单元的氧气与所述除去水分的空气混合，和其中所述空气供应单元通过所述控制单元控制。
19.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池模块包括一个或多个使用空气中的氧气作为正极活性物质的金属空气单元电池、或者一个或多个通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的燃料电池。
20.操作电化学电池的方法，所述方法包括：
使用空气供应单元将空气供应到电池模块，所述电池模块包括一个或多个电化学单元电池；和
控制所述空气供应单元以调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度从而操作所述电化学电池。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述空气供应单元通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：调节从所述空气吸收的氮气的量。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述空气供应单元根据所述电池模块的状态可变地调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
23.如权利要求20所述的方法，其中，当所述电池模块中的氧气浓度小于所选择的浓度时，所述空气供应单元增加供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
24.如权利要求20所述的方法，其中当所述电池模块中的氧气浓度大于所选择的浓度时，所述空气供应单元降低供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
25.如权利要求20所述的方法，其中所述空气供应单元将供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度保持在基于所述空气的总含量的约30体积％至小于约100体积％的范围内。
26.如权利要求20所述的方法，进一步包括测量选自如下的至少一个参数：所述电池模块中的氧气浓度、所述电池模块中的温度、所述电池模块的电压、所述电池模块的电流输出、和将连接到所述电池模块的负载的负载电阻。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述空气供应单元基于所述至少一个参数调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
28.如权利要求27所述的方法，其中，当在所述电池模块的产生电的操作期间所述电池模块的电压小于所选择的电压时，所述空气供应单元降低供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。
29.操作电化学电池的方法，所述方法包括：
使用空气供应单元将空气供应到包括一个或多个金属空气单元电池的电池模块；
测量所述电池模块中的氧气浓度；和
调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度以将所述电池模块中的氧气浓度保持在所选择的浓度从而操作所述电化学电池，
其中调节空气中的氧气浓度包括增加或降低所述空气中的非氧气的量。

说明书全文

电化学 电池和操作其的方法

技术领域

[0001] 本公开内容涉及电化学电池和操作(运行)其的方法。

背景技术

[0002] 在电化学电池之中，金属空气电池和燃料电池具有在于如下的共同特征：包括氧气(氧)的空气被供应到正极。例如，金属空气电池包括多个金属空气单元电池(cell)，且所述金属空气单元电池各自包括吸收和放出离子的负极以及使用空气中的氧气作为活性物质的正极。从外部引入的氧的还原/氧化反应在正极处发生，且金属的氧化/还原反应在负极处发生。金属空气电池将由所述氧化/还原反应产生的化学能转变为电能并输出所述电能。例如，金属空气电池在放电期间吸收氧气且在充电期间放出氧气。

[0003] 另外，燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转化成电能的装置并且是一种只要向其供应燃料便能够连续地产生电的发电装置。在燃料电池中，当将包括氧气的空气供应到阴极并且将燃料例如甲醇或氢气供应到阳极时，通过在阴极和阳极之间的电解质膜发生电化学反应，由此产生电。发明内容

[0004] 额外的方面将部分地在随后的描述中阐明，且部分地将由所述描述明晰，或者可通过所呈现的示例性实施方式的实践获悉。

[0005] 根据一个示例性实施方式的方面，电化学电池包括：包括一个或多个电化学单元电池的电池模块；配置成将空气供应到所述电池模块和调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度的空气供应单元；和配置成控制所述空气供应单元的氧气浓度调节操作的控制单元。

[0006] 所述空气供应单元可配置成在所述控制单元的控制下通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：调节空气中的氮气的吸附量。

[0007] 所述控制单元可配置成控制所述空气供应单元以根据所述电池模块的状态可变地调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。

[0008] 所述控制单元可控制所述空气供应单元以将所述电池模块中的氧气浓度恒定地保持在预设浓度。

[0009] 当所述氧气浓度小于所述预设浓度时，所述控制单元可控制所述空气供应单元以增加供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度，和当所述氧气浓度大于所述预设浓度时，所述控制单元可控制所述空气供应单元以降低供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。

[0010] 预设氧气浓度可在基于所述空气的总含量的等于或大于约30％的值和小于约100％的值之间的范围内。

[0011] 所述控制单元可控制所述空气供应单元以将供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度恒定地保持在基于所述空气的总含量的等于或大于约30％的值和小于约100％的值之间的范围内。

[0012] 所述电化学电池可进一步包括配置成测量如下的至少一个参数的感测单元：所述电池模块中的氧气浓度、所述电池模块中的温度、所述电池模块的电压、所述电池模块的电流输出、和将连接到所述电池模块的负载的负载电阻。

[0013] 所述控制单元可基于通过所述感测单元测量的所述至少一个参数控制所述空气供应单元以调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。

[0014] 当在所述电池模块的产生电的操作期间所述电池模块的电压小于预设电压时，所述控制单元可控制所述空气供应单元以增加供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度。

[0015] 所述控制单元可包括配置成显示通过所述感测单元测量的所述至少一个参数的显示单元和配置成接收使用者命令的输入单元。

[0016] 所述控制单元可通过所述输入单元将所述电池模块中的氧气浓度控制在一个浓度。

[0017] 所述空气供应单元可包括：配置成从外部吸入空气的空气吸入单元；和配置成通过从所吸入的空气分离氧气而产生氧气的氧气产生单元。

[0018] 所述氧气产生单元可配置成经由吸附/解吸方法或膜方法过滤氧气。

[0019] 所述吸附/解吸方法可为从如下之中选择的至少一种：变压吸附(PSA)方法、变温吸附(TSA)方法、变压变温吸附(PTSA)方法、和真空变压吸附(VSA)方法。

[0020] 所述氧气产生单元可包括：连接到所述电池模块以将分离的氧气供应到所述电池模块的第一出口端口；和配置成排出在分离氧气之后剩余的气体的第二出口端口。

[0021] 所述空气供应单元可配置成在所述控制单元的控制下通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：使通过所述第一或第二出口端口排出的气体的一部分回流到所述氧气产生单元。

[0022] 所述空气供应单元可进一步包括配置成存储氧气的氧气存储单元。

[0023] 所述空气供应单元可配置成在所述控制单元的控制下通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：将所述氧气存储单元中的氧气供应到所述第一出口端口。

[0024] 所述空气供应单元可进一步包括配置成从吸入的空气除去水分的水分除去单元。

[0025] 所述控制单元可控制所述空气供应单元以在所述电池模块的充电操作期间通过停止所述氧气产生单元的操作而仅将除去水分的空气供应到所述电池模块。

[0026] 所述空气供应单元可包括：配置成从外部吸入空气的空气吸入单元；配置成从吸入的空气除去水分的水分除去单元；和配置成存储氧气的氧气存储单元。

[0027] 所述空气供应单元可进一步配置成在所述控制单元的控制下通过如下调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度：将所述氧气存储单元中的氧气与所述除去水分的空气混合。

[0028] 所述电化学电池可包括一个或多个使用空气中的氧气作为正极活性物质的金属空气单元电池、或者一个或多个通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的燃料电池。

[0029] 根据另一示例性实施方式的方面，操作电化学电池的方法包括：使用空气供应单元将空气供应到电池模块，所述电池模块包括一个或多个电化学单元电池；和控制所述空气供应单元以调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度从而操作所述电化学电池。

[0030] 还公开了操作电化学电池的方法，所述方法包括：

[0031] 使用空气供应单元将空气供应到包括一个或多个电化学单元电池的电池模块；测量所述电池模块中的氧气浓度；和调节供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度以将所述电池模块中的氧气浓度保持在所选择的浓度从而操作所述电化学电池，其中调节空气中的氧气浓度包括增加或降低空气中的非氧气的量。附图说明

[0032] 由结合附图考虑的示例性实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中：

[0033] 图1为根据一个示例性实施方式的电化学电池的方块图；

[0034] 图2为图1中图解的电化学电池的根据一个示例性实施方式的空气供应单元的方块图；

[0035] 图3为图2中图解的空气供应单元的根据一个示例性实施方式的氧气产生单元的图；

[0036] 图4为图2中图解的空气供应单元的根据另一示例性实施方式的氧气产生单元的图；

[0037] 图5为图1中图解的电化学电池的根据另一示例性实施方式的空气供应单元的方块图；

[0038] 图6为电压(伏，V)对放电容量(毫安时/克，mAh/g)的图，其显示在电化学电池为金属空气电池的情况下，所述电化学电池的根据氧气浓度的充电和放电性能；

[0039] 图7和8为比容量(mAh/g)对循环数(次数)的图，其显示在电化学电池为金属空气电池的情况下，所述电化学电池的根据氧气浓度的充电性能和放电性能；

[0040] 图9为循环数(次数)对氧气浓度(体积百分数，％)的图，其显示在电化学电池为金属空气电池的情况下，根据一个示例性实施方式的电化学电池的氧气浓度和当所述电化学电池的比容量达到初始比容量的约80％的水平时的充电和放电循环数之间的关系；和[0041] 图10为根据一个示例性实施方式的操作电化学电池的方法的流程图。

具体实施方式

[0042] 在下文中，将参照附图进一步详细地描述能够控制氧气浓度的电化学电池和操作所述电化学电池的方法，其中相同的附图标记始终指的是相同的元件。在附图中，为了清楚，放大元件的尺寸。下列示例性实施方式仅仅是示例性的，且可对其进行多种变型。将理解，当一个元件被称为“在”另外的元件“上”、“连接到”或“结合到”另外的元件时，其可直接在所述另外的元件上、连接到或结合到所述另外的元件，或者可存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，则不存在中间元件。

[0043] 将理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述多种元件、组分、区域、层和/或部分，但这些元件、组分、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用于使一个元件、组分、区域、层或部分区别于另外的元件、组分、区域、层或部分。因此，在不背离本文中的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组分”、“区域”、“层”或“部分”可称为第二元件、组分、区域、层或部分。

[0044] 本文中使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的且不意图为限制性的。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“所述(该)(the)”也意图包括复数形式，包括“至少一个(种)”，除非内容清楚地另外指明。“至少一个(种)”将不被解释为限于“一个(种)”。“或”意味着“和/或”。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”、或者“含有”和/或“含”当用在本说明书中时，表明存在所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或组分，但不排除存在或增加一种或多种另外的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组分、和/或其集合。

[0045] 此外，相对术语例如“下部”或“底部”以及“上部”或“顶部”可在本文中用于描述如图中所图解的一个元件与另外的元件的关系。将理解，除图中所描绘的方位之外，相对术语还意图包括装置的不同方位。例如，如果将图之一中的装置翻转，被描述为在其它元件的“下部”侧的元件则将定向在所述其它元件的“上部”侧。因此，取决于图的具体方位，示例性术语“下部”可涵盖“下部”和“上部”两种方位。类似地，如果将图之一中的装置翻转，被描述为“在”其它元件“下面”或“之下”的元件则将定向“在”所述其它元件“上方”。因此，示例性术语“在……下面”或“在……之下”可涵盖在……上方和在……下面两种方位。

[0046] 如本文中使用的“约”或“大约”包括所陈述的值并且意味着在如由本领域普通技术人员考虑到所讨论的测量和与具体量的测量有关的误差(即，测量系统的限制)而确定的对于具体值的可接受的偏差范围内。例如，“约”可意味着在所陈述的值的一种或多种偏差范围内，或者在±30％、20％、10％、5％范围内。

[0047] 除非另外定义，在本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同。将进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的那些，应被解释为其含义与它们在相关领域的背景和本公开内容中的含义一致，并且将不以理想化或过度形式的意义进行解释，除非在本文中清楚地如此定义。

[0048] 在本文中参照作为理想化实施方式的示意图的横截面图描述示例性实施方式。这样，将预计到作为例如制造技术和/或公差的结果的与图的形状的偏差。因而，本文中描述的实施方式不应解释为限于如本文中所图解的区域的具体形状，而是包括由例如制造所导致的形状上的偏差。例如，图示或描述为平坦的区域可具有粗糙的和/或非线性的特征。此外，所图示的尖锐的角可为圆形的。因而，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状不意图图示区域的精确形状且不意图限制本权利要求的范围。

[0049] 图1为根据一个示例性实施方式的电化学电池100的方块图。参照图1，根据所述示例性实施方式的电化学电池100可包括：包括金属空气单元电池的电池模块120、配置成将空气供应到电池模块120的空气供应单元110、配置成控制空气供应单元110的操作的控制单元130、和包括多个传感器的感测单元140。

[0050] 电池模块120可包括例如一个或多个使用氧气作为正极活性物质的金属空气单元电池、或者一个或多个通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的燃料电池。例如，在其中电池模块120包括一个或多个金属空气单元电池的实施方式中，电池模块120中的金属空气单元电池各自可通过金属的氧化和氧气的还原产生电。例如，当所述金属为锂(Li)时，所述金属空气单元电池可在放电期间通过其中锂(Li)与氧气反应以产生锂氧化物(Li2O2)的反应而产生电。在充电时，锂(Li)离子可由锂氧化物还原，且可产生氧气。在电化学电池100中使用的金属不限于Li，且可使用除锂(Li)之外的其它金属，且其反应原理可基本上与锂(Li)相同。例如，电池模块120可包括选自如下的至少一种：钠(Na)空气单元电池，锌(Zn)空气单元电池，钾(K)空气单元电池，钙(Ca)空气单元电池，镁(Mg)空气单元电池，铁(Fe)空气单元电池，铝(Al)空气单元电池，以及包括选自Na、Zn、K、Ca、Mg、和Fe的至少一种的合金空气单元电池。

[0051] 另外，在其中电池模块120的电化学单元电池为燃料电池的实施方式中，电池模块120中的各燃料电池可通过如下产生电：将通过燃料的氧化产生的化学能直接转化成电能。
例如，当将包括氧气的空气供应到阴极并且将燃料例如甲醇或氢气供应到阳极时，通过在所述阴极和所述阳极之间的电解质膜发生电化学反应，由此产生电。

[0052] 如以上进一步描述的，由于电池模块120在电的产生期间使用氧气，因此连续地将氧气供应到电池模块120是合乎需要的。将氧气供应到电池模块120可通过如下进行：将来自大气的空气(例如大气空气)供应到电池模块120或者将氧气从氧气存储单元(例如储存的液态氧)供应到电池模块120。当将空气从大气供应到电池模块120时，由于所述空气中的氧气浓度为仅21体积百分数(％)，因此为了向电化学电池充分地供应氧气，可将来自大气的空气压缩至约5巴的压力，且可将其供应到电池模块120。当将高压压缩空气供应到电池模块120时，电池模块120中的金属空气单元电池可被机械地磨损和破坏。另外，由于需要大量的能量来对空气进行压缩，因此可降低电化学电池100的总效率。

[0053] 根据所述示例性实施方式的空气供应单元110可配置成调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度，代替将压缩空气供应到电池模块120。例如，在空气供应单元110从大气吸进空气之后，空气供应单元110可通过除去空气中存在的水分和氮气而增加供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。特别地，空气供应单元110可配置成通过如下改善电化学电池100的性能：根据电池模块120的操作状态调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。

[0054] 控制单元130可配置成控制空气供应单元110的氧气浓度调节操作。例如，控制单元130可控制空气供应单元110以将电池模块120中的氧气浓度保持在所选择的值例如预设的特定值，或者控制单元130可根据电池模块120的操作状态主动地调节电池模块120中的氧气浓度。例如，控制单元130可基于通过感测单元140的传感器向控制单元130提供的电池模块120的状态参数控制空气供应单元110的氧气浓度调节操作。控制单元130的操作可使用软件或半导体处理器芯片实施。

[0055] 感测单元140可包括配置成测量电池模块120的多个(各种)状态参数的多个(各种)传感器。状态参数指的是从电池模块120接收的信息，其评定电池模块120的总体状态。例如，感测单元140可包括配置成测量空气中的氧气浓度的氧气浓度传感器141、配置成测量电池模块120中的温度的温度计142、配置成测量在电池模块120的充电或放电操作期间的电压的伏特计143、配置成测量来自电池模块120的电流输出的安培计144、和配置成测量将连接到电池模块120的负载的负载电阻的欧姆计145。为了监控电池模块120的状态，感测单元140可进一步包括除上述传感器之外的多个(各种)传感器。感测单元140可向控制单元
130提供通过选自氧气浓度传感器141、温度计142、伏特计143、安培计144、和欧姆计145的至少一个传感器测量的结果。

[0056] 如所期望的，如图1中所图解的，控制单元130可包括：配置成接收使用者命令的输入单元132，以及配置成显示通过感测单元140测量的一个或多个参数或者显示从电池模块120接收的操作信息的显示单元131。例如，显示单元131可显示电池模块120中的氧气浓度和温度，以及所述金属空气单元电池的电压、电流、以及充电和放电次数。所述显示单元还可向使用者提供对于电化学电池100的维护的信息。控制单元130可由使用者通过输入输入单元132的命令操作。例如，使用者可通过输入单元132选择电化学电池100的氧气浓度的范围或操作模式。在那种情况下，控制单元130可控制空气供应单元110以将电池模块120中的氧气浓度恒定地保持在所选择的浓度，例如，通过输入单元132输入的浓度。替代地，控制单元130可间歇地或可变地控制空气供应单元110以将电池模块120中的氧气浓度保持在所选择的浓度，例如，通过输入单元132输入的浓度。

[0057] 此外，根据需要，控制单元130可进一步包括通信模块(未示出)。所述通信模块可连接到有线或无线网络且配置成传输关于控制单元130的操作状态或电池模块120的状态参数的信息和接收使用者命令。因此，管理人员或使用者可监控电化学电池100的状态和通过所述通信模块远程输入命令。

[0058] 图2为图1中图解的电化学电池100的根据一个示例性实施方式的配置成调节氧气浓度的空气供应单元110的方块图。参照图2，空气供应单元110可包括配置成从外部吸入空气的空气吸入单元111、配置成从吸入的空气除去水分的水分除去单元112、和配置成通过从吸入的空气分离氧气而产生氧气的氧气产生单元113。空气吸入单元111可配置成在控制单元130的控制下调节从空气供应单元110的外部吸入的空气的量。水分除去单元112在图2中被图解为在空气流动方向上设置在氧气产生单元113的上游例如前面，但是在水分除去单元112和氧气产生单元113之间，其布置顺序可变化。例如，氧气产生单元113可在空气流动方向上设置在水分除去单元112的上游例如前面。另外，水分除去单元112和氧气产生单元113可集成在一起以提供单一构造(配置)。在下文中，为了方便，将进一步描述其中水分除去单元112设置在氧气产生单元113前面的实施方式。

[0059] 水分除去单元112可配置成从通过空气吸入单元111吸入的外部空气除去水分。在其中电池模块120的电化学单元电池是金属空气单元电池的实施方式中，当在空气中存在水分时，当所述金属空气单元电池放电时可产生氢氧化锂，且因此，电化学电池100的能量密度可降低且其电池寿命可缩短。在这点上，水分除去单元112可被替代地称为空气干燥器。尽管未详细地图解，但是水分除去单元112可包括例如配置成吸附空气中的水分的吸附单元、以及配置成加热所述吸附单元且使吸附至所述吸附单元的水分解吸的加热单元。从所述吸附单元解吸的水分可通过水分出口端口112a排放到外部。

[0060] 然而，在其中电池模块120的电化学单元电池是燃料电池的实施方式中，可从空气供应单元110省略水分除去单元112。

[0061] 通过水分除去单元112干燥的空气可供应到氧气产生单元113。氧气产生单元113可通过除去存在于经干燥的空气中的非氧气例如二氧化碳和氮气而增加氧气浓度。例如，氧气产生单元113可配置成经由吸附/解吸方法或膜方法过滤氧气。通过氧气产生单元113经由吸附/解吸方法或膜方法过滤的氧气可通过第一出口端口113a供应到电池模块120。为此，第一出口端口113a可设置在氧气产生单元113和电池模块120之间。在分离氧气之后剩余的气体例如氧气贫化的空气可通过第二出口端口113b排放到外部。

[0062] 如图2中所图解的，为了促进将氧气浓度调节到期望的浓度，可将通过第一或第二出口端口113a或113b排放的气体回流到氧气产生单元113。例如，可将从第一出口端口113a供应到电池模块120的空气的一部分回流到氧气产生单元113。为此，可在通过第一出口端口113a连接到氧气产生单元113的回流路径的分支点处设置第一阀114a。控制单元130可控制第一阀114a以调节从第一出口端口113a回流到氧气产生单元113的空气的量。以类似的方式，可将通过第二出口端口113b排放的空气的一部分从第二出口端口113b回流到氧气产生单元113。为此，可在通过第二出口端口113b连接到氧气产生单元113的回流路径的分支点处设置第二阀114b。控制单元130可控制第二阀114b以调节从第二出口端口113b回流到氧气产生单元113的空气的量。

[0063] 图3为图2中图解的空气供应单元110的根据一个示例性实施方式的氧气产生单元113的图。图3中图解的氧气产生单元113可配置成经由吸附/解吸方法过滤氧气。在这种情况下，空气供应单元110可在控制单元130的控制下通过如下调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度：调节从空气吸附的氮气的量。例如，参照图3，氧气产生单元113可包括彼此平行地设置的第一吸附单元31和第二吸附单元32。第一吸附单元31可包括第一吸附剂
31a和第一再循环单元31b，且第二吸附单元32可包括第二吸附剂32a和第二再循环单元
32b。

[0064] 第一和第二吸附剂31a和32a可起到吸附存在于空气中的杂质例如氮气的作用。例如，第一和第二吸附剂31a和32a可包括选自如下的至少一种：沸石LiX、氧化铝、金属-有机骨架(MOF)、和沸石咪唑酯(咪唑)骨架(ZIF)。所述MOF可包括配位到有机分子的金属离子或金属离子簇且可包括形成一级、二级、或三级多孔结构的结晶化合物。另外，所述ZIF可包括包含通过咪唑酯配体连接的式MN4的四面体簇的纳米多孔化合物，其中M为金属，例如元素周期表的第3-13族、或第3-12族的金属。

[0065] 第一和第二再循环单元31b和32b可起到使饱和的第一和第二吸附剂31a和32a再循环的作用。为了使饱和的第一和第二吸附剂31a和32a再循环，第一和第二再循环单元31b和32b各自可配置成能够调节相应的第一和第二吸附单元31和32各自的内部压力和内部温度。

[0066] 具有上述结构的氧气产生单元113可经由变压吸附(PSA)方法操作。例如，通过增加第一吸附单元31的内部压力，非氧气例如氮气可吸附到第一吸附剂31a。剩余的空气例如已从其除去非氧气且具有增加的氧气浓度的空气可从第一吸附单元31排放到第一出口端口113a。此外，通过降低第二吸附单元32的内部压力，可使吸附到第二吸附剂32a的氮气从第二吸附剂32a解吸，且解吸的氮气可从第二吸附单元32排放到第二出口端口113b。当第一吸附剂31a饱和时，第一吸附单元31的内部压力可降低，且第二吸附单元32的内部压力可增加。在这种情况下，可在第一吸附单元31中进行解吸操作，且可在第二吸附单元32中进行吸附操作。以这样的方式，第一和第二吸附单元31和32可在吸附和解吸之间交替地变动。因此，可通过调节第一和第二吸附单元31和32各自的内部压力而选择供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。

[0067] 然而，氧气产生单元113的操作方式不限于PSA方法。例如，除PSA方法之外，氧气产生单元113可配置成通过选自如下的至少一种操作：变温吸附(TSA)方法、变压变温吸附(PTSA)方法、和真空变压吸附(VSA)方法。PSA方法指的是如下的技术：起初使用第一和第二吸附剂31a和32a在高的分压下吸附或俘获特定的气体(例如非氧气或杂质)，并且当分压降低时解吸或排放所述特定的气体。TSA方法指的是如下的技术：起初在室温下将特定的气体吸附或俘获到第一和第二吸附剂31a和32a，并且当温度增加时解吸或排放所述特定的气体。PTSA方法指的是其中将PSA方法和TSA方法组合的技术。VSA指的是如下的技术：起初在大气压附近的压力下将特定的气体吸附或俘获到第一和第二吸附剂31a和32a，并且使用真空解吸或排放所述特定的气体。

[0068] 图4为图2中图解的空气供应单元110的根据另一示例性实施方式的氧气产生单元113的图。图4中图解的氧气产生单元113可配置成使用膜方法过滤氧气。参照图4，氧气产生单元113可包括泵36以及配置成从空气分离氮气和氧气的氧气分离模块34。膜35可设置在氧气分离模块34中以选择性地分离氧气。在图4中，为了方便，图解单一的膜35，但是可以多层结构设置多个膜。例如，膜35可包括化合物例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF氧化物)。

[0069] 通过水分除去单元112干燥的空气可供应到氧气分离模块34，且氧气分离模块34中的膜35可过滤所述空气中的氧气。如所期望的，为了通过将充足量的空气供应到氧气分离模块34而改善分离效率，可进一步在水分除去单元112和氧气分离模块34之间设置空气压缩机(未示出)。在氧气分离模块34中分离氧气之后剩余的气体例如氮气可通过第二出口端口113b排放到氧气分离模块34的外部。可使用泵36通过如下将氧气从第一出口端口113a供应到电池模块120：将从氧气分离模块34放出的氧气通过第一出口端口113a且朝向电池模块120泵送。此外，为了调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度，可将通过水分除去单元112干燥的空气的一部分与从泵36放出的氧气混合。例如，可在水分除去单元112和泵36之间设置阀37，且控制单元130可控制阀37以调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。

[0070] 图5为图1中图解的电化学电池100的根据另一示例性实施方式的空气供应单元110’的方块图。参照图5，空气供应单元110’可进一步包括配置成存储液态的纯氧的氧气存储单元115。氧气存储单元115可通过第一阀114a连接到第一出口端口113a。当由氧气产生单元113供应的空气中的氧气浓度不足时，控制单元130可控制第一阀114a以将来自氧气存储单元115的氧气与从氧气产生单元113供应的空气混合且由此增加供应到电池模块120的氧气的浓度。

[0071] 氧气存储单元115可与氧气产生单元113一起使用或者用于代替氧气产生单元113。例如，空气供应单元110’可包括空气吸入单元111、水分除去单元112、和氧气存储单元
115，且不包括氧气产生单元113。在这种情况下，可将氧气存储单元115中的氧气与通过水分除去单元112干燥的空气混合。控制单元130可通过如下调节从空气供应单元110’供应到电池模块120的空气中的氧气浓度：调节与经干燥的空气混合的来自氧气存储单元115的氧气的量。

[0072] 如上所述，在根据所述示例性实施方式的电化学电池100中，控制单元130和空气供应单元110’可配置成将电池模块120中的氧气浓度调节至期望的浓度。在下文中，将描述可提供电化学电池100的改善的操作的氧气浓度。例如，图6-9为显示电化学电池100根据供应到电池模块120的空气中的氧气浓度的性能变化的图，例如在其中电池模块120的电化学单元电池为金属空气单元电池的实施方式中。

[0073] 图6为显示电化学电池100的根据氧气浓度(21体积百分数(％)、40％、70％、和100％)的充电和放电性能的图，例如在其中电池模块120的电化学单元电池为金属空气单元电池的实施方式中。在图6的图中，使用锂金属作为负极。在放电期间能量密度保持在约
0.24毫安时/平方厘米(mAh/cm2)，且进行放电直至电压降低到约1.7伏(V)。另外，在充电期间，所施加的电压为约4.3V。参照图6的图，当电压大于约1.7V时，且当氧气浓度为约100％时，放电容量是最大的，在约550毫安时/克(mAh/g)。当氧气浓度为约21％时，放电容量是最小的，在约200mAh/g。在从约40％的氧气浓度到约70％的氧气浓度的顺序，放电容量增加。
在40％的氧气浓度下的放电容量为在约100％的氧气浓度下的放电容量的约80％，且在约
70％的氧气浓度下的放电容量与在约100％的氧气浓度下的放电容量没有显著不同。

[0074] 图7为显示电化学电池100的氧气浓度(21％、40％、70％、和100％)对充电和放电循环数的影响的图，例如在其中电池模块120的电化学单元电池为金属空气单元电池的实施方式中。在图7的图中，使用锂金属作为负极。在放电期间能量密度保持在约0.24毫安时/2
平方厘米(mAh/cm )，且进行放电直至电压降低到约1.7V。另外，在充电期间，所施加的电压为约4.3V。显示，在重复多个充电和放电循环之后，当放电容量保持在约100mAh/g时，在约
21％的氧气浓度下达到的充电和放电循环数与在约100％的氧气浓度下达到的充电和放电循环数类似。还显示，在进行充电和放电循环约20次之后，在约21％和约100％的氧气浓度下出现所述电化学电池的性能劣化。当氧气浓度为约70％时，充电和放电循环数是最大的。

[0075] 图8为显示当重复充电和放电循环时在容量保持在约300mAh/g时，电化学电池100的氧气浓度(21％、40％、50％、60％、70％、80％、和100％)对充电和放电循环数的影响的图，例如在其中电池模块120的电化学单元电池为金属空气单元电池的实施方式中。当比容量达到初始比容量的约80％即240mAh/g的水平时，在约50％和约70％的氧气浓度下，充电和放电循环数是最佳的。当氧气浓度为约21％时，仅记录了一次约300mAh/g的放电容量，且放电容量从第二次充电和放电循环起降低。在第七次充电和放电循环时，在约80％和约100％的氧气浓度下的比容量达到初始比容量的约80％的水平。

[0076] 图9为显示图8的结果中的电化学电池100的氧气浓度和在初始比容量的约80％的比容量时的充电和放电循环数之间的关系的图。参照图9，显示，当氧气浓度在约50％-约70％的范围内时，充电和放电循环数是最大的，且当氧气浓度大于或小于约50％-约70％的范围时，充电和放电循环数减小。

[0077] 由以上描述的结果，当氧气浓度为约100％时，电化学电池100的放电效率可暂时改善，但是当重复充电和放电循环时，电化学电池100的劣化快速地加快。不受理论限制，认为，因为电极、电解质等由于过量的氧气的存在而被容易地氧化，所以所述劣化可发生。因此，当将100％氧气供应到电化学电池100时，电化学电池100的电池寿命可缩短。另外，当氧气浓度为约21％时，在放电效率以及充电和放电循环数方面，电化学电池100的性能降低。

[0078] 如由以上可看出的，为了改善电化学电池100的性能和电池寿命，电化学电池100可在大于约21％且小于约100％的氧气浓度下操作。例如，控制单元130可将供应到电化学电池100的电池模块120的空气中的氧气浓度调节成在等于或大于约30％的值且小于约100％的值的范围内。更特别地，基于电池模块120的所期望的参数，控制单元130可将供应到电池模块120的空气中的氧气浓度调节成在等于或大于约35％的值且小于约95％的值、约40％-约93％的范围内、在约50％-约80％、或约55％-约75％的范围内。

[0079] 尽管已经参照图6-9描述了其中电池模块120的电化学单元电池为金属空气单元电池的实施方式，但是即使当电池模块120的电化学单元电池为燃料电池时，将供应到电池模块120的空气中的氧气浓度调节成在适当的范围内也可为有利的。

[0080] 控制单元130可基于由制造者在软件或硬件中预设的模式或者根据通过输入单元132输入的使用者的命令操作。

[0081] 例如，最简单的控制方法是不考虑电池模块120的状态的前馈控制方法。可将通过空气供应单元110供应的空气中的氧气浓度固定在具体的(特定的)值，且可使用控制单元130控制空气供应单元110使得所供应的空气具有具体的(特定的)氧气浓度，而不管电池模块120中的实际氧气浓度如何。在这种情况下，电化学电池100可不包括感测单元140。氧气浓度传感器141可仅设置在第一出口端口113a中，第一出口端口113a起到空气供应单元110和电池模块120之间的空气通道的作用。在这种情况下，当第一出口端口113a中的氧气浓度小于预设浓度时，控制单元130可控制空气供应单元110以增加氧气浓度，和当第一出口端口113a中的氧气浓度大于预设浓度时，控制单元130可控制空气供应单元110以降低氧气浓度。

[0082] 控制单元130可以考虑到电池模块120的状态的反馈方法控制空气供应单元110。例如，控制单元130可通过感测电池模块120中的氧气浓度而控制空气供应单元110以将电池模块120中的氧气浓度恒定地保持在所选择的例如预设的浓度范围。在这种情况下，氧气浓度传感器141可设置在电池模块120中。当电池模块120中的氧气浓度小于所选择的浓度时，控制单元130可控制空气供应单元110以增加供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。
另外，当电池模块120中的氧气浓度大于所选择的浓度时，控制单元130可控制空气供应单元110以降低供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。例如，控制单元130可控制空气供应单元110以将供应到电池模块120的空气中的氧气浓度恒定地保持于在等于或大于约30％的值且小于约100％的值的范围内、或在等于或大于约35％的值且小于约95％的值的范围内、或在约50％-约80％的范围内的具体的(特定的)所选择的浓度。

[0083] 另外，控制单元130可基于电池模块120中的氧气浓度以及其它状态参数进行反馈控制。即，控制单元130可感测电池模块120的总体状态(例如状况)且可根据所感测的状态控制空气供应单元110以间歇地例如可变地调节供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。例如，可基于多种参数例如电池模块120中的温度、电池模块120的电压、来自电池模块120的电流输出、和将连接到电池模块120的负载的负载电阻(其各自通过感测单元140测量)，增加或降低电池模块120中的氧气浓度。当在放电期间电池模块120的电压小于所选择的例如预设的电压时，为了改善电池模块120的效率，控制单元130可控制空气供应单元110以增加供应到电池模块120的空气中的氧气浓度。另外，当电池模块120中的温度偏离所选择的例如预设的温度范围、来自电池模块120的电流输出大于所选择的例如预设的电流、和将连接到所述电池模块的负载的负载电阻增加时，可增加空气中的氧气浓度。类似地，当来自电池模块120的电流输出小于所选择的电流，和电化学电池100的负载电阻可降低时，空气中的氧气浓度可降低。

[0084] 图10为根据一个示例性实施方式的操作电化学电池100的方法的流程图。当参照流程图简单地描述上述反馈方法时，所述反馈方法可与图10中显示的基本上相同。参照图10，当开始电化学电池100的放电操作(或产生电的操作)(S100)时，控制单元130可控制空气供应单元110以发起供应空气到电池模块120的流动(S101)。当空气被供应到电池模块
120时，氧气浓度传感器141可测量电池模块120中的氧气浓度且可向控制单元130提供所测量的氧气浓度(S102)。控制单元130可将通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度与预设氧气浓度范围的下限值C1比较(S103)。当通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度小于所选择的例如预设的氧气浓度范围的下限值C1时，控制单元130可控制空气供应单元110以增加氧气浓度(S104)。当通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度大于预设氧气浓度范围的下限值C1时，控制单元130可将通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度与预设氧气浓度范围的上限值C2比较(S105)。当通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度大于预设氧气浓度范围的上限值C2时，控制单元130可控制空气供应单元110以降低氧气浓度(S106)。可重复操作S102到S106直至通过氧气浓度传感器141测量的氧气浓度在预设氧气浓度范围(C1到C2)内。

[0085] 感测单元140可感测除氧气浓度之外的电池模块120的其它状态参数(S107)。为了方便，感测状态参数的操作S107在图10的流程图中被图解为在测量氧气浓度的操作S102之后发生，但不限于此。例如，感测状态参数的操作S107可在测量氧气浓度的操作S102之前进行，或者操作S107和操作S102可同时进行。

[0086] 控制单元130可基于在操作S107中感测的状态参数确定是否存在增加氧气浓度的因素(S108)。例如，当电池模块120的放电电压小于所选择的例如预设的电压、电池模块120中的温度可偏离所选择的温度范围、来自电池模块120的电流输出可大于所选择的电流、和/或将连接到电化学电池100的负载的负载电阻可大于预设负载电阻时，控制单元130可分别增加氧气浓度范围的的下限值C1和上限值C2(S109)。可重新测量电池模块120中的氧气浓度(S102)以评价是否增加电池模块120中的氧气浓度。

[0087] 控制单元130还可基于在操作S107中感测的状态参数确定是否存在降低氧气浓度的因素(S110)。例如，当电池模块120的放电电压大于所选择的电压、电池模块120中的温度在所选择的温度范围内、来自电池模块120的电流输出小于所选择的电流、和/或将连接到所述电池模块的负载的负载电阻小于所选择的负载电阻时，控制单元130可分别降低氧气浓度范围的下限值C1和上限值C2(S111)。可重新测量电池模块120中的氧气浓度(S102)以评价是否降低电池模块120中的氧气浓度。

[0088] 当电化学电池100进行充电操作时，可省略电池模块120的氧气供应，且可代替地在电池模块120中产生氧气。因此，在这些条件下，可省略通过空气供应单元向电池模块120供应氧气。更确切地，电池模块120中的氧气浓度可降低。因此，在这种情况下，控制单元130可仅操作空气供应单元110的水分除去单元112且可停止氧气产生单元113的操作。在那种情况下，可仅将除去水分的空气供应到电池模块120。此时，供应到所述电池模块的空气中的氧气浓度可为约21％的浓度，其等于大气中的氧气浓度。

[0089] 配置成进行参照图10描述的操作的控制单元130可以在计算机上可执行的软件的形式体现。例如，可将实现上述功能的软件作为在非临时性的计算机可读的记录介质上的计算机可读的编码储存。所述计算机可读的记录介质为任何数据存储器件。所述非临时性的计算机可读的记录介质的实例可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、光盘-ROM(CD-ROM)、磁带、软盘、和光学数据存储器件。所述非临时性的计算机可读的记录介质还可经由有线或无线网络分配。当必要时，可实施所述软件使得传输或接收关于控制单元130的操作状态或电池模块120的状态参数的信息。此外，控制单元130可包括致力于执行进行参照图10描述的操作的软件的硬件。例如，控制单元130可包括致力于执行所述软件的电子电路或微处理器。

[0090] 为了帮助理解本公开内容，已经描述了且在附图中图解了能够控制氧气浓度的电化学电池和操作所述电化学电池的方法的示例性实施方式。然而，将理解，所述示例性实施方式是实例，不应限制本公开内容的范围。将理解，本公开内容不限于本文中呈现的图解和描述。可由本领域技术人员进行多种变型。

[0091] 应理解，本文中描述的示例性实施方式应仅在描述的意义上考虑且不用于限制的目的。各示例性实施方式中的特征或方面的描述应被认为可用于其它示例性实施方式中的其它类似特征或方面。

[0092] 尽管已经参照附图描述了一个或多个示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离如由所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节方面的多种变化。

标题	发布/更新时间	阅读量
燃料电池堆、双极板及气体扩散层	2020-05-08	1032
一种甲醇燃料电池阳极及其制备方法	2020-05-08	922
一种机载燃爆装置的供气系统及其控制方法	2020-05-08	329
一种废漆渣综合处理装置	2020-05-11	919
一种中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池阳极的产电装置及其产电方法	2020-05-08	750
一种燃料电池气体扩散层及其制备方法	2020-05-08	693
一种增程器冷启动系统及汽车	2020-05-11	559
一种新型燃料电池保压实验台架	2020-05-08	691
一种半气化燃烧生物质热风炉	2020-05-08	756
一种轴流式气体增压风机及其应用的燃料电池	2020-05-08	997

电化学电池和操作其的方法

电化学电池和操作其的方法

技术领域

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：