具体实施方式

使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本公开的实施例提供了一种电池单元体结构，以便解决或至少部分地解决上述方形电池单体的结构缺陷。现在将参考图1-17来描述一些示例实施例。注意，在下文描述中，可能使用“燃料电池”作为示范实施的例子。但是本公开的范围不局限于此，任何能够采用在此描述的电池单元体结构均涵盖在本公开的范围内。

如图1、图2、图3所示，总体上，根据本公开的实施例的电池单元体结构主要包括电池本体100以及安装在电池本体100中的空气电极3和集流体4。

电池本体100是组成燃料电池的基本单元，将多个电池本体100进行串联或者并联从而形成一个整体的燃料电池模组。单独的一个电池单体也能够利用氧气为氧化剂发生化学反应，将化学能转化为电能的电池结构。本示例中电池本体100被构造为环状的中空结构，主要用于存储电解液或者固态金属负极。电池本体100的上端具有上接头8和/或所述电池本体的下端具有下接头9，以使得在相邻的两个电池单元体之间实现密封且可拆卸连接。

在一种可能的实施方式中，将电池本体100整体构造为圆柱体的筒体结构，一方面相较于现有的方形电池本体设计，圆柱形的电池单体其强度更高，耐压性更好；电解液在电池本体中流动阻力更小。另一方面，圆柱形结构密封性好，可水平放置和立式放置，大大提高了产品的多样化设计需求，可以根据不同的产品要求进行设计开发。

空气电极3主要作为电池本体100反应的正极，一般装于所述电池本体侧面；由于考虑本示例中电池本体的结构为圆柱形，故将空气电极3被构造成与所述电池本体的轴线Q对称，并安装在电池本体的内侧，使其能够与电池本体的外形相适应，提高空气电极3的强度。

集流体4设置在空气电极3上，主要用于导流相邻两个电池本体100的空气电极3，将相邻两个空气电极并联，实现电池空气电极反应面积增加，电池功率增加。集流体4的形状和大小可以根据空气电极3在电池本体100中尺寸和位置进行设置，只要能够实现上述目的均可。

如图1所示，在一些实施例中，电池本体100为通过电池壳体1与格栅骨架2共同组成圆柱形的筒体结构。

具体的，在一种可能的实施方式中，电池壳体1具有上接头8以及下接头9，其中上接头8为圆环状结构，上接头8内周侧设置有内螺纹；下接头9也为圆环状结构，下接头9的外周侧具有外螺纹。对于相邻的两个电池本体100，可以通过上接头8与下接头9进行螺纹连接，从而实现相邻的两个电池单体之间实现可拆卸连接；进一步可在上接头8与下接头9的连接部位添加密封圈、密封垫或者密封胶来实现密封，例如通过螺纹紧固压缩密封垫实现密封效果。

如图10所示，在另一种可能的实施方式中，上接头8以及下接头9可以是相互配合的两个法兰盘16，在法兰盘16边缘上进行打孔，通固定螺柱17将法兰盘16进行上下连接，作为电池单元体并联连接方式。

如图11所示，在另一种可能的实施方式中，上接头8以及下接头9可以通过半圆卡箍15进行连接，在半圆卡箍上设置凸起边缘151，快接卡盘上设C型凹槽，通过将半圆卡箍15与上接头和下接头的上下边缘凸起边进行配合，锁紧来实现电池单元体的上下连接。

本示例通过活接接头的设计，改变了电池的单体的属性特征，使其通用性更强，具有良好的扩展性。其结构适用于静态燃料电池，也可以用于动态液流燃料电池。尽管，本实施例列举了通过螺纹配合，法兰盘配合以及卡箍配合的方式，来实现相邻两个电池本体100之间的连接方式；本领域技术人员应当理解还可以采用其他方式实现上述技术目的，也应纳入本发明的范围，不作为对于本发明的限定。

进一步，如图1和图3所示，本示例中电池本体100至少存在三种形态。第一种，电池本体100的上端具有上接头8，其中上接头8是用于与其相邻的电池本体100的下接头9装配；电池本体100的下端密封设有下盖体6，第一种电池本体一般作为电池模组的尾部。第二种是电池本体100的上端具有上接头8，下端具有下接头9，第二种电池本体一般作为电池模组的中部。第三种，电池本体100的下端具有下接头9，其中下接头9是用于与相邻的电池本体的上接头8装配，电池本体100的上端密封设有上盖体5，第三种电池本体一般作为电池模组的头部。应当理解，当电池单元体结构100单独作为电池使用时，也可以在其的上端密封设置上接头，下端密封下接头。

如图3所示，在一种可能的实施方式中，上盖体5的外周设有出液口23，在下盖体6的底部设有进液口24。当电池模组作为静态燃料电池，其中出液口23以及进液口24均为密封状态。当电池模组作为动态液流燃料电池，出液口23和进液口24与电解液循环液冷系统相连接，其中电解液循环液冷系统用于将电池模组中电解液进行流动，在放电过程中控制电解液的温度。

在一些实施例中，电池壳体1中的上接头8和下接头9之间通过支撑骨架7固接，电池壳体1上套设或者嵌设有格栅骨架2。格栅骨架2与电池单体具有共同的轴线Q；格栅骨架2用于将空气电极3固定在电池壳体1的内侧或者外侧。

如图1和图2所示，具体的，格栅骨架2为一体设置时，其整体为圆环形。格栅骨架2中分布有由横条和竖条组成的格栅，且在侧面开设有接缝201，便于将格栅骨架2撑开，上接头8的外周形成第一连接环801，在下接头的外周形成第二连接环901，将格栅骨架2撑开，并套入电池壳体1中。其中，格栅骨架2的上端部与第一连接环801抵靠，格栅骨架2的下端部与第二连接环901接触。应当理解，第一连接环和第二连接环也可以形成在电池壳体1的内侧，从而便于将格栅骨架2嵌入设置在电池壳体1中。

需要说明的是，方形电池结构在运行的过程中电解液温度在50-60度左右，空气电极通过外部格栅进行固定，长时间的运行会造成空气电极内凹或外凸现象，其现象是因为电池在运行过程中冷热变化，空气电极表面发生冷热收缩现象，使其空气电极产生应力变化，其变化不可修复，最终会影响电池内部的热场和流场分布。

如图1、6以及12所示，为了解决上述问题，本示例将空气电极3设为弧形，格栅骨架2的一侧设有与空气电极3外形相匹配的卡槽13，卡槽13边缘凸起与空气电极基本厚度一致，将空气电极3安装于卡槽13内，限定空气电极3的上下左右移动方向，将其与弧形空气电极外置格栅骨架2成为整体结构。在格栅骨架2的一侧，为了更好的固定空气电极3，上接头8和下接头9具有与卡槽13相对应的压边部501,601；卡槽13与压边部501,601共同用于固定所述空气电极3。将空气电极3预先固定其形状，便于后续外置的格栅骨架与电池壳体1进行固定。本示例通过将空气电极与圆形的外格栅结合形成圆弧结构，大大提高了空气电极的强度，空气电极不会向内侧凹陷，使电池腔体内对空气电极在电池运作的时候内部液体压力向外作用力，使其电池腔体内压力均匀分配在空气电极表面，从而减小对电极的影响，有利于电池运行。

如图2所示，在另一些实施例中，格栅骨架2为分体设置，格栅骨架2包括由两组格栅单体2a拼接而成，空气电极3也被构造为与格栅单体2a对应的半圆形结构，其中空气电极3被构造成与所述电池本体的轴线Q对称结构。

格栅骨架2通过紧固组件与所述支撑骨架7可拆卸连接。具体的，如图7所示，紧固组件包括弧形凸座2a1，弧形凸座分布在格栅单体2a的侧边，相邻的两个格栅单体2a上的弧形凸座2a1共同组成一个紧固孔11；格栅锁10为一个圆环状结构，用于连接相邻的两个格栅单体2a，将格栅锁10嵌入设置在紧固孔11中；紧固部件12的一端穿过格栅锁，用于将格栅单体2a固定压覆在支撑骨架7上，本示例中紧固部件12为自攻螺丝。通过上述紧固装置可以更好的实现格栅骨架2与电池壳体1的装配，便于空气电极3与圆形的外格栅结合形成强度更高的圆弧结构，进一步提高了空气电极的强度。本领域技术人员应当理解，将格栅骨架2与电池壳体的安装也可以通过粘接、焊接等方式，在此不作为对本发明的限定。

如图13和图9所示，在一些实施例中，集流体4为长条形的板状结构，其与空气电极3焊接，用于将空气电极的电流汇集到导电连接片上，并与下一节电池本体进行并联或串联。集流体4的端部设置有导电部，相邻的两个电池之间的导电部通过外置的导电连接片14连接。在具体实施过程中，如图13(a)，导电部可以是集流体端部设有的集流体折弯导电片20，折弯导电片20与导电连接片14焊接；如图13(b)，导电部还可以是集流体端部设有集流体镶嵌外螺纹导电柱21，其与导电连接片14焊接；如图13(c)，导电部还可以是集流体端部设有集流体镶嵌内螺纹导电柱22，其与导电连接片14焊接。

如图14和图15所示，在一些实施例中，上接头8中密封设置有上盖体5；上盖体5中可拆卸安装有金属负极27；或者下接头9中密封设置有下盖体6，下盖体6中设置有金属负极27。应当理解，此处的金属负极27不论是位于上盖体还是在下盖体中都能参与电化学反应，实现电池的放电。

具体的，金属负极27具有接头部分271以及与所述接头部分271一体的延伸部分272；延伸部分为圆柱型结构，且所述延伸部分位于电池本体的中心位置呈圆柱型结构，并与空气电极(3)保持等距间隙。上盖体5中螺接有安装座25，在安装座25的下方开设有螺纹孔，接头部分271的外螺纹与螺纹孔配合实现金属负极的可拆卸装配，在安装座25的上方设有电极柱26，用于导电。

当应用于静态燃料电池时，延伸部分的末端具有开口，在金属负极27形成第一空腔；空气电极3与所述金属负极27之间形成第二空腔28；电解液可以从第二空腔28中流向第一空腔。金属负极的圆柱形结构腔体内为对称结构，负极到正极的电子传递路径长度是一致，电池内部不会产生过热现象，使电池运行更加稳定；通过流体型的设计，电解液分布在电池本体100内更加均匀，在放电时，电极与电解液充分接触，可以增大放电效率，另外，流体型的设计，便于热场均匀分布，有助于散热。

当应用于动态液流燃料电池时，延伸部分的末端保持密封。空气电极3与所述金属负极27之间形成第二空腔28，电解液通过循环液冷系统引导，在电池模组中循环，控制放电过程中电解液的温度。

如图17所示，本示例还提供一种金属燃料电池，其通过上述如图16所示的多个单个电池本体100组合而形成，在电池模组中注入电解液，形成金属燃料电池。当电池模组作为静态燃料电池时，电池模组为密封状态。当电池模组作为动态液流燃料电池时，出液口23与电解液循环液冷系统相连接，其中电解液在循环液冷系统中进行流动，控制电解液的温度。根据上述模块化设计的电池单体，能够根据产品需求，选择上述电池单元体结构的数量进行组装，来提高金属燃料电池整体的输出功率及电池容量。

应当理解，圆柱直径与空气电极边长成正比，集流体设在空气电极中间位置，空气电极围成圆弧状结构，在放电过程中电子迁移路径都是从空气电极向集流体汇聚，由此可知，圆柱直径越小，周长越短，电子迁移路径越短，过电流能力越强，内阻越小。圆柱直径不变，空气电极高度的增加，反应面积也随着增长，空气电极每增加1cm的高度，反应面积增加10％。发明人经过多次实验发现，在一个电池本体100中，空气电极3的高度为10-20cm；电池单元体圆柱体直径为4-10cm时，组成的电池模组的输出效率最佳。

由表1可知，在1m²的面积内阵列的圆柱形电池总数量，根据圆柱直径不同，在相同的高度条件下进行对比，可以得到单体电池的空气电极反应面积。通过电流密度计算单体电池输出功率，在1m²的面积内进行对比。

不同尺寸的圆柱形电池，其输出功率不同。圆柱的直径越小、排列数量越多，总功率越大；直径越大、排列数量越少，总功率越小。结合图表中所示，在单层排列的情况下，采用本发明中的设计方法，其电池结构通过上下并联的方式进行连接，电池的输出功率按照1倍、2倍、3倍的增加。保持占地面积不变时，增加高度可以提高金属燃料电池的整体输出功率，实现金属燃料电池高度集成大功率输出的设计想法。

表1 1平方米内电池排列数量及对应总功率参照表

由表2可知，本发明通过计算圆柱体的直径和圆柱体的高度，得到空气电极反应面积。结合表1和表2说明圆柱电池随着直径增加周长增加，高度的增加空气电极的面积也随着增加，但高度和直径不可能无限增加，结合实际条件单体电池内空气电极的高度最大不超过20cm。

本发明通过扩容连接的方式增加空气电极的面积来提高电池的输出功率。在附图表格中可以发现，将15cm高度的空气电极扩展到30cm，电池的输出功率翻一倍。

表2圆柱单元体电池反应面积体积及功率参照表

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

还需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“一”、“二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。