内部带有用于调节气流的鼓风机以及压敏阀的金属－空气电池的制作方法

专利名称：内部带有用于调节气流的鼓风机以及压敏阀的金属－空气电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学电池系统。
背景技术：
电化学电池通常被用作电力源。电池中带有一负电极和一正电极。负电极含有可被氧化的活性材料；正电极含有或消耗可被还原的活性材料。负电极的活性材料能将正电极的活性材料还原。在某些实施例中，为了防止正电极活性材料与负电极活性材料直接发生反应，利用一种隔离物使负电极与正电极之间实现相互电绝缘。
当电池被用作装置中的电力源时，与电极进行电接触，由此使电子流经用电装置，并允许两活性材料分别发生氧化反应和还原反应，以便于产生出电能。一种电解质—例如是氢氧化钾与两电极接触，其含有能穿过隔离物在两电极之间流动的离子，从而可使整个电池在放电过程中保持电荷的平衡。
在金属-空气电化学电池中，氧气在正电极(阴极)上被还原，金属在负电极(阳极)上被氧化。输送到阴极处的氧气是由电池外部的环境大气经电池筒壳上的一个或多个空气孔输入的。
为了延长电池的工作寿命，希望能在电池不使用时使阴极与空气隔绝开(例如为了减轻碳化作用)，但在使用时将阴极暴露在空气中。在使用过程中，希望能向阴极提供均匀而充足的空气量—例如为了使活性材料均匀地放电和/或获得相对较高的放电电压线型。

发明内容
本发明涉及一种电化学电池系统，该电池系统例如是具有金属-空气电池的系统。当这种系统被应用在电子装置中时，其能根据装置的功率需求对空气很好地进行管理。一般情况下，当装置工作时，系统将其中的电池暴露向空气，当装置关闭时，系统限制电池的空气流量，由此可延长电池的使用寿命。在一些实施方式中，为了调节空气流量，系统包括一鼓风机和机构，其中的机构例如是阀，其对压力的差异是敏感的。
在一个方面，本发明的特征在于提供了一种电化学电池系统，其包括一壳体；位于壳体中的金属-空气电池；一鼓风机，其与金属-空气电池保持流体连通；以及一压敏阀，其与鼓风机保持流体连通，并能对鼓风机作出响应。阀与鼓风机能对金属-空气电池的空气流量进行调节。
实施方式可包括下列的一个或多个特征。系统包括多个压敏阀。壳体包括一开孔。壳体包括一个第二压敏阀，其在所述开孔的横向上延伸。系统还包括一细长的中空构件，其沿壳体延伸，该构件形成了一条与金属-空气电池保持流体连通的通道。系统还包括一第二压敏阀，其在由构件形成的开孔的横向上延伸。鼓风机(例如是风扇)位于壳体中。系统还包括多个位于壳体中的金属-空气电池。电池可包括一种材料，该材料一第一部分的透气性与一第二部分的透气性不同。壳体可以是圆筒形或棱柱形。
压敏阀可包括一固定部分和一对鼓风机作出响应的可动部分，可动部分能相对于固定部分产生运动，从而在二者之间形成可变的间隙。压敏阀可包括两个能对鼓风机作出响应的可动部分，这两个可动部分之间可形成可变的间隙。压敏阀可包括一个能在第一方向以及与第一方向相反的第二方向上运动的可动部分。压敏阀可包括一个只能在一个方向上运动的可动部分。压敏阀可以是不允许水和/或二氧化碳透过的。压敏阀可包括聚合物和/或金属。
在通入到壳体中的空气流路上，鼓风机可位于压敏阀的上游和/或下游。
在另一方面，本发明的特征在于提供了一种金属-空气电池，其包括一阴极；一鼓风机，其与阴极保持流体连通；以及一压敏阀，其与鼓风机保持流体连通，并对其作出响应，压敏阀和鼓风机能对流向阴极的空气流量进行调节。
实施方式可包括下列的一个或多个特征。电池包括多个压敏阀。鼓风机(例如是风扇)在通向壳体的空气流路中可位于压敏阀的上游和/或下游。电池还包括一壳体，阴极、鼓风机、以及压敏阀位于该壳体中。
压敏阀可包括一固定部分和一能对鼓风机作出响应的可动部分，可动部分能相对于固定部分进行运动，从而在二者之间形成可变的间隙。压敏阀可包括两个能对鼓风机作出响应的可动部分，这两个可动部分之间能形成可变的间隙。压敏阀可包括一个只能在一个方向上运动的可动部分。压敏阀可以是不允许水和/或二氧化碳透过的。压敏阀可包括聚合物和/或金属。
在再一方面中，本发明的特征在于提供了一种对流向金属-空气电池的空气流量进行调节的方法，该方法包括步骤启动一个与金属-空气电池保持流体连通的鼓风机；以及，响应于由鼓风机产生的作用力，开启一压敏阀，以对电池的空气流量进行调节。
实施方式可包括下列的一个或多个特征。鼓风机响应于电流需求量而被启动。所述方法还包括操作停止鼓风机的工作而将压敏阀置于关闭状态。所述方法还包括步骤停止鼓风机的工作而使压敏阀处于休息状态。所述方法还包括步骤使空气流经一条与金属-空气电池保持流体连通的细长通道。
开启压敏阀的步骤可包括操作使压敏阀的一可动部分相对于一固定部分偏转和/或使两个可动部分偏转而在二者之间形成一个间隙。
实施方式可具有下列的一个或多个优点。用于调节空气流量的机构相对较为紧凑。结果就是，可在电池系统中容纳更多的活性材料，由此可提高电池系统的容量。系统提供了一种简单而有效的系统，其用于对流向金属-空气电池的空气流量进行管理。系统可被制为多种形状，以适合于多种不同的装置，且系统能低成本地制出。该系统的操作是很简单的。在某些实施方式中，系统的工作状况对使用者而言是透明可见的。
从下文对优选实施方式的描述以及后附的权利要求能清楚地领会到本发明的其它方面、特征、以及优点。


图1表示了电化学电池系统的一种实施方式；图2A和图2B分别表示了缝隙阀的一种实施方式在处于关闭状态和开启状态时的情形；图3A和图3B分别表示了缝隙瓣片阀的一种实施方式在处于关闭状态和开启状态时的情形；图4A表示了瓣片阀的一种实施方式，图4B是沿图4A中的4B-4B线对瓣片阀所作的剖面图，图4C表示了图4A所示瓣片阀处于开启状态时的情形；图5A、5B、5C表示了阀板的一些实施方式；图6表示了根据一种实施方式的电化学电池系统的一部分；图7中的轴测图表示了电化学电池系统的一种实施方式；图8是图7所示电化学电池系统的分解视图；图9中的轴测图表示了电化学电池系统的一种实施方式；图10表示了电化学电池系统的一种实施方式，图中表示的是模型化的几何形状；图11是图10所示模型化几何形状的示意图；图12中的图线表示了压力降(atm)与流量(cc/s)之间的关系；图13中的图线表示了压力降(atm)与流量(cc/s)之间的关系；图14中的图线表达的是压力降(atm)与流量(cc/s)之间的关系；图15中的图线表示了阀厚度(微米)与阀开启宽度(微米)之间的关系；图16中的图线表示了压力降(mbar)与阀开度(微米)之间的关系；图17表示了电化学电池系统的一种实施方式；图18中的图线表示了氧气分压与轴向距离之间的关系；以及图19中的图线表示了屏障层厚度或孔隙度因数与轴向距离之间的关系。
具体实施例方式
参见图1，一电化学电池系统20包括一壳体22，壳体上带有空气出入孔28和29；以及一电化学电池24，此处，该电池是一金属-空气电池，其被设计成放置在壳体的内部。壳体22和电池24围成了一个风室23，该风室环绕着电池。系统20采用常规的尺寸设计，以便于能装入到电子装置的电池仓中，其中的电子装置例如是电讯设备。例如，壳体22的尺寸可以与一种或多种普通的电池一例如AA型电池类似，系统20包括接线端26，其被设计成与电子装置上的对应接线端相接触。
通常情况下，系统20被设计成能在使用过程中向电池24提供均匀而充足的空气气流。当不使用时，系统20减轻电池24在空气中的暴露度、或者停止将电池暴露向空气，由此可延长电池的使用寿命。如图1所示，系统20还包括一第一阀板30，其具有一个或多个压敏阀33；一鼓风机32；以及一第二阀板34，其具有一个或多个压敏阀35。阀板30和34、以及鼓风机32(例如是风扇)被用来调节流入到壳体22中和从壳体中流出的空气流量。更具体来讲，阀板30和34分别包括一个或多个压敏阀33和35，这些压敏阀可对由鼓风机32所产生的作用力(例如吹力或抽吸力)作出响应。阀板33和35可根据鼓风机32是否被启动而开启和关闭，从而能对流向电池24的气流进行调节。
例如，在使用过程中，鼓风机32被启动—例如利用电池24发出的电能和壳体22中的残余氧气使鼓风机启动。鼓风机32在被启动后能在压敏阀33和35的相对两侧之间形成压差。具体来讲，鼓风机32将空气从开孔28吸入，从而向压敏阀33施加一个推力，以将压敏阀开启。空气流经压敏阀33和风室23，同时接触到电池24，以便于使电池的阴极发生反应，因而，系统20可发出电能。鼓风机32还吹顶着压敏阀35，以使其开启，从而可将空气从开孔29吹出。由鼓风机助动的空气对流将使得系统20具有相对较高的速度—例如相对于空气扩散的情况。当系统20不再使用时，停止鼓风机32的工作。由于压敏阀33和35不存在压差，压敏阀将关闭，从而减少或停止流向电池24的气流，由此可减缓电池的衰退—例如由于碳化作用。结果就是，可增加电池24的有效寿命。在一些实施方式中，气流被完全关断，此情况下，理论上的电池有效寿命将达到无限。
压敏阀33和压敏阀35可以是相同类型的阀(下文将对此进行描述)，或者，它们也可以是不同类型的阀。为便于描述，下文将只对压敏阀33进行描述，但所描述的内容也同样适用于压敏阀35。一种常用类型的压敏阀是由薄的弹性膜片构成的，该膜片被部分地设置在一支撑体—例如阀板30上。在膜片上制有一个孔口—例如一缝隙。孔口能根据作用在膜片上的作用力或膜片两侧的压差而闭合或开启。
参见图2A和图2B，在某些实施方式中，压敏阀33包括制在阀板30上的一缝隙阀36。阀板30例如可用具有足够厚度和/或刚性的塑料或金属制成，从而成为非柔顺性的。缝隙阀36包括两片用柔顺性材料制成的可动翼片或部分38，两翼片可根据阀上作用力的方向而在第一方向(箭头A)或相反的第二方向(箭头B)上一起偏转。在一休息状态(见图2A)中—例如当阀36不受作用力或作用力不足的情况下，两可动部分38闭合而形成一个密封部40。密封部40可以是不透气的，以阻止空气流经压敏阀36，或者该密封部可被制成降低流经压敏阀的空气流量，以允许特定量的空气流过，从而可维持一定水平的待机功率。例如，在停息状态，两可动部分38可形成一个间隙，该间隙小于压敏阀36厚度(T)的约1％。如果鼓风机32向压敏阀36施加了足够强的作用力(见图2B)，则可动部分38将偏转(沿箭头A或B)而在所述部分之间形成一间隙39，从而可允许空气流经压敏阀(箭头C方向)。当作用力不再足以使可动部分38偏转时一例如当鼓风机32停止工作时，可动部分将恢复到休息状态，由此可阻断或减少流经压敏阀36的气流。
参见图3A和图3B，在另外一些实施方式中，压敏阀33可包括一个制在阀板30上的缝隙瓣片阀42。缝隙瓣片阀42包括一固定部分44和一可动的翼片或部分46，可动翼片是用柔顺材料制成的，其可在一个方向(箭头D)上偏转。固定部分44可用非柔顺性的材料制成，和/或利用刚性的支撑物来加强该固定部分，其中，非柔顺性的材料例如是硬质聚合物或金属。如图所示，固定部分44可以与阀板30制成一体。在停息状态(见图3A)时，如果压敏阀42上不存在作用力或作用力不足，则固定部分44和可动部分46将形成一密封部48，其基本上等同于上述的密封部40。在某些实施方式中，密封部48被制成相对于垂直于压敏阀42的平面的轴线具有约30-70°的角度(α)。如果向缝隙瓣片阀42施加足够的作用力，可动部分46将(沿箭头D方向)偏转，从而在固定部分44与可动部分46之间形成一个间隙50，这样，空气可(沿箭头F方向)流经压敏阀42。当不再施加足够强的作用力时，可动部分46恢复到其休息状态，由此可阻断或减少流经压敏阀42的气流。
对于给定的作用力(或压差)，缝隙瓣片阀42所形成的间隙要大于缝隙阀36的间隙。在缝隙瓣片阀42中，只有一个翼片部分是可动的，而在缝隙阀36中却有两个翼片可动。另外，缝隙瓣片阀42的间隙50可随着压差的变化线性地增大，但在某些情况中，缝隙阀36中间隙39尺寸却会随着阀上所受作用力的增大而短暂地减小(随着构件的偏转，可动构件38的逆游“拐角”会暂时性地减小间隙39的尺寸)。此外，相比于缝隙阀36，缝隙瓣片阀42更易于制造。
压敏阀33还可采用其它的实施方式。一般来讲，压敏阀33可以是能响应于阀上所受压差或作用力调节阀的空气通流量的任何机构。例如，参见图4A-4C，一个类似于狗洞门的瓣片阀52是通过在一种柔顺性材料上切割出合适的构型而制成的。这样，瓣片阀52就能根据所施加的作用力而开启(见图4C)或关闭(见图4B)。在于＿＿日提交的、发明名称为“电极屏障物”的第＿＿号专利申请(代理人参考注册号为第M-4923)中就介绍了压敏阀的其它实施方式及其制造方法，该专利申请被结合到本申请中作为参考内容。
压敏阀33可用任何柔顺性材料制成，优选地采用那些不会发生或很少发生永久性变形的材料。在某些实施方式中，该材料的透气性较差，例如，氧气和/或二氧化碳无法扩散透过该材料。但是，在某些情况下，材料可具有预定的孔隙度，以允许预定量的空气扩散透过—例如为了维持一定的待机输出。所述材料可以是聚合物或金属，例如可以是铝等金属的薄箔。所用材料的实例包括乳胶、橡胶、聚丙烯、或聚乙烯。材料的厚度在约10微米到约250微米的范围内。例如，厚度可大于或等于10、50、100、150或200微米，和/或小于或等于250、200、150、100、或50微米。对于给定的厚度，材料的刚性和阀开启所需的功将取决于材料的杨氏模量。在某些实施方式中，材料的杨氏模量在约1MPa到10MPa的范围内。例如，材料的杨氏模量可大于或等于1、2、3、4、5、6、7、8或9MPa，和/或小于或等于10、9、8、7、6、5、4、3或2MPa。可通过将一层柔顺性材料连接(例如采用粘接剂)到阀板上、并用激光对材料层执行切割来制出压敏阀33。
可按照多种格局来布置压敏阀。图5A-5C表示了压敏阀33在阀板30上布置格局的一些实例。阀板30可带有一个或多个压敏阀33，例如可带有两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、或更多个压敏阀。压敏阀33可以为通常的直线形(图5A)或曲线形(见图5B和图5C)。压敏阀33的布置可以是对称的或非对称的。也可按照组合的形式使用压敏阀33。例如，一阀板上可带有一个或多个缝隙阀、一个或多个缝隙瓣片阀、一个或多个瓣片阀、和/或一个或多个不同类型的压敏机构。系统20可总共包括一个或多个阀板—例如可包括两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或更多个阀板。
为了调节空气流量，压敏阀33可被设置在系统20中的任何位置。在某些实施方式中，壳体22的一侧上具有一些空气出入孔，一个或多个压敏阀33沿横向延伸而遮住这些出入孔。壳体22上可带有放气孔，压敏阀33可横向延伸而遮住这些放气孔。在第6232007号美国专利中介绍了放气孔以及这些放气孔的布置方案，该专利被结合到本申请中作为参考。压敏阀33可被制成横罩着开孔28和/或29，且设置有或不设置阀板30和/或34。
鼓风机32被设计成向压敏阀33和35施加作用力，并能在风室23中形成预先选定的压降和流量。鼓风机32与一控制电路(图中未示出)进行接口连接。控制电路被设计成根据预先选定的工作模式对鼓风机32实施控制。例如，在某些实施方式中，控制电路可被设计成当其检测到使用该电池系统的电子装置请求一定的电压或电流(例如一阈值电流)时，则启动鼓风机32。如果测得电压或电流的改变超过了一个预定值—例如阈值电流，则控制电路可停止鼓风机32的工作。在于＿＿日提交的、名称为“电化学电池系统”的U.S.S.N＿＿号[备案号为08935-261001/M-4986]申请中描述了控制电路的一种实例，该申请被结合到本文中作为参考内容。可采用可变的风扇转速—例如为了应对可变的电流需求。例如，控制电路可包括一类比晶体管，而不是电阻器。鼓风机的一种实例是采用DC电机风扇，可从中国温州的Kot’lJinLong机械工厂购买该风扇。
在U.S.S.N＿＿号[备案号为08935-261001/M-4986]申请中描述了电池24多种不同的实施方式及其制造方法。其它的电池制造方法例如公开在与本申请属于同一受让人的U.S.S.N.10/060701号申请(申请日为2002年1月30日)中，该申请的全部内容都被结合到本申请中作为参考。在于1999年8月13日提交的U.S.S.N.09/374277、于1999年8月13日提交的U.S.S.N.09/374278、于1999年10月13日提交的U.S.S.N.09/416799、于1999年10月26日提交的U.S.S.N.09/427371、以及于2000年1月31日提交的U.S.S.N.09/494586号申请中介绍了其它的金属-空气电池及其制造方法，所有这些申请的内容都被结合到本申请中作为参考。
在一些实施方式中，例如可以用金属或塑料制成壳体22，例如可通过模制或挤型工艺来制造壳体。在一些实施方式中，壳体22的侧面上具有一个或多个开孔。这些开孔允许空气进入到壳体22中，以便于使电池24维持一定的待机电流。这些开孔还允许不参加反应的气体—例如氮气从壳体22中排出。作为替代方案或另外的方案，系统20可只包括一块阀板，以使得电池24可通过开孔28或29暴露给空气。作为替代方案或另外的方案，压敏阀33和/或35可以如上文所述的那样在处于停息状态时并非是气密的。
在一种工作模式下，当系统20—具体而言是控制电路检测到使用该系统的装置发出预定的阈值电流请求时，就向电池24输送空气。当控制电路检测到阈值电流时，控制电路启动鼓风机32—例如利用待机电流启动鼓风机，其中，待机电流是利用剩余空气、和/或从压敏阀33和35流入的空气、和/或其它开孔流入的空气而发出的。由鼓风机33产生的作用力将空气从开孔28抽入或吸入，并将压敏阀33的可动部件偏转到壳体22的内部，从而开启压敏阀33。空气流入到壳体22内部，并与金属-空气电池24相接触，以使其阴极发生反应。空气还流向压敏阀35，并使压敏阀35的可动部件向外偏转，由此允许空气经压敏阀35和开孔29从壳体22中排出。
在鼓风机32工作的过程中，压敏阀33和/或35可保持恒定的开启或部分开启。在某些工作模式中，压敏阀33和/或35在工作过程中循环地开启和关闭(或部分地开启和部分地关闭)，这样的操作例如是根据所需的电流和/或鼓风机32所施加的作用力而执行的。
当控制电路检测到电流小于阈值电流时—例如当装置关闭时，控制电路停止鼓风机32的工作。鼓风机32停止将空气抽吸和吹送过系统20，作用在压敏阀33和35上的作用力减小。结果就是，压敏阀33和35恢复到其休息状态，由此停止和/或减小了流经系统20的空气流量。这样可减轻对电池24的碳化作用，从而延长了电池的工作寿命。
参见图6，在其它实施方式中，鼓风机32位于第一阀板30的上游。当鼓风机32工作时，其向压敏阀33施加一个作用力—例如推顶力，从而使阀的可动部件偏转到壳体22中。
参见图17，在某些情况中，电池系统200包括阀板30和34，两阀板构成了系统的端部。如图所示，阀板30和34上带有接线端26，此情况下，无需另外设置任何开孔—例如开孔28和29。
在某些实施方式中，系统20可包括多个电池—例如具有两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、或更多个电池。图7和图8表示了一种系统100，其具有一壳体22、两个电池24、一鼓风机32、一控制电路102、以及一扩散通道或管体104。可按照上述的形式布置压敏阀。例如，压敏阀可被布置成横罩着扩散管104，靠近鼓风机32(位于其上游或下游)，并横罩着壳体22上的空气出入孔(图中未示出)和/或壳体的端部。图9表示了一种系统106，其具有一壳体22、四个电池24、以及扩散通道108。可按照上述的内容制出压敏阀。在U.S.S.N号申请[备案号为第08935-26001/M-4986]对系统100和106作了详细的描述。在于1999年9月21日提交的、名称为“用于金属-空气电池的空气管理系统”的其它的U.S.S.N 09/400020号申请中描述了具有扩散通道或扩散管的其它电池系统，该申请被结合到本申请中作为参考。
在其它实施方式中，可使用其它类型的电化学电池—例如空气辅助电池(air-assisted cell)。例如在第6372370号美国专利中就介绍了空气辅助电池，该专利的全部内容被结合到本申请中作为参考。还可使用其它类型的金属-空气电池—例如镁-空气电池或铝-空气电池。
电池24也可采用其它的构造。例如，电池24也可以是棱柱形的。在与本申请属于同一受让人的U.S.S.N.10/060701号申请(申请日为2002年1月30日)中就公开了棱柱形电池和壳体的一些实例，该申请的名称为“电池及电池系统”，其全部内容都被结合到本申请中作为参考。
本文所述的压敏阀和/或鼓风机可被用在普通的金属-空气电池中。例如，压敏阀可在金属-空气电池筒壳上空气出入孔的横向上延伸。在第6232007号美国专利中描述了金属-空气电池。
在其它一些实施方式中，电池24包括一屏障层(例如聚四氟乙烯—PTFE层)，该屏障层具有一个或多个部分，这些部分相对于屏障层上的其它部分经过了改造，以便于调节氧气和水等材料流过屏障层时的流速。例如，屏障层上更靠近入口(例如压敏阀33)的部分(即扩散路线较短的部分)的通流阻力要高于屏障层上离入口较远部分(即扩散路线较长的部分)的阻力，以便于改善(例如增大)氧气通流的均匀性和/或改善(例如降低)水的迁移性。对于选定的材料，屏障层上的一些部分与其它部分相比具有不同的质量转移阻力或渗透性。屏障层的一些部分可具有不同于其它部分的孔隙度。屏障层的一些部分可具有不同于其它部分的表观密度。在一些实施方式中，屏障层上包围着电池的一个或多个部分是非均匀性的。
在一些实施方式中，电池24包括一吸水层，其包裹缠绕在阴极的外面，例如用于吸收从电池中泄漏出的电解质等材料。该吸水层例如可以是Whatman纸或Pelon(一种未经压光处理的聚酰胺无纺布，其由马萨诸塞州Lowell地方的Freudenberg Nonwoven TechnicalProduct Division出品)。类似于上述的屏障层，可对该吸水层进行改造。
可采用多种方法来改变(例如增大或减小)屏障层和/或吸水层的特性，其中的特性例如是某种材料(例如水和/或氧气)透过该结构层的质量转移阻力。在某些实施方式中，屏障层的功效是机械性的。在另外一些实施方式中，屏障层的厚度被改变了。在U.S.S.N.10/060701号申请和第6232007号美国专利中描述了改造屏障层的其它方法。
下列的实例是示例性的，并非是为了进行限定。
实例1如下的实例介绍了一种用于设计电化学电池系统的方法，此处，该电池系统具有一AA型圆柱电池、一鼓风机、以及一个或多个压敏阀。
图10表示了一种电池系统150，其几何形状被表示为一个模型152，图11中示意性地表示了该几何模型。如图所示，d是风室的深度(cm)；W1是入口阀的开口宽度(cm)；Wo是出口阀的开度(cm)；t是阀的厚度(cm)；F是流量(cc/s)。所采用电池的长度为5.0cm，电池的直径为1.4cm。压敏阀被模型化为具有图5B所示结构的缝隙阀。系统被代入到Femlab中(可从马萨诸塞州伯灵顿市的Comsol公司购得)进行计算，并针对上述几何模型从入口到出口求解Navier Stoke公式。下表中列出了为设计参数所选择的最大—最小范围。
表1

出口宽度/入口宽度的比值通常为1，如果出口和入口具有不同的条件，则该数值会小一些。
采用上述的数值范围，利用小面居中的中心复合设计算法(SmallFace-Centered Central Composite Design算法，该算法存在于StatEase Design Expert中)，模拟出一个设计矩阵。求解获得入口、出口、以及出口与入口之间风室的压降。计算结果被用来推导下列的关系式dP1=1020t0.649F0.968W12.67---(1)]]>dP0=889t0.827FW02.81---(2)]]>dPPl=1130F1.03d3.27---(3)]]>dPSystem=dP1+dP0+dPPl---(4)]]>其中，dPl是经过入口的压降，dPo是经过出口的压降，dPPl是经过风室的压力降。dPSystem是系统总的压力降。基于由模型得到的响应参数，利用多变量回归算法推导出上述的关系式。
图12表示了流量和风室深度对压降的影响。阀的宽度为10微米，厚度为100微米。风室的压降只是风室深度和流量的函数。dPPl随着流量的增加而增大，且随着风室深度的增大而减小。
图13表示了对于相同的压敏阀流量和阀开口宽度对入口压降和出口压降的影响。阀的厚度为100微米。入口和出口的压降只是阀开口宽度、阀厚度以及流量的函数，dPl或dPo随流量的增大而增大，随开口宽度的增大而减小。
图14表示了对于相同的压敏阀流量和阀厚度对入口压降和出口压降的影响。阀的开口宽度为10微米。入口和出口的压降只是阀开口宽度、阀厚度以及流量的函数，dPl或dPo随流量的增大而增大，随开口宽度的减小而减小。
利用上述的观测结果，可采用下列的步骤来为鼓风机和缝隙阀设计参数。一般来讲，基于预期的电流而选定空气流量。然后，对于选定的流量，利用公式1-4描绘出阀厚度、开口宽度以及压降之间的关系曲线。选择一个阀厚度值，并根据公式1-4描绘出开口宽度与压降之间的变化规律。针对多种不同的制阀材料，确定出开口宽度与压降之间的变化规律，并找出这些规律曲线与前一曲线的交点。系统压降应当是阀压降的两倍。选择一个能实现合适压降和流量的鼓风机。
更具体来讲，首先确定出维持工作电流密度I(mA/cm2)所需的最小氧气平均分压(PO2)。％O2＝100+54.17-27.69*ln(I)。确定出系统通常将会遇到的电池电流，例如Icell＝0.5A。选择系统所需的空气流量(F)F=ξIcellRTnFpO2[1-%O2/100]---(5)]]>式中，F(法拉第常数)＝96487C/equiv；N(总的电子数)＝2.5；R(气体常数)＝82.06atm-cc/mol-K；对于大于0.5A的电流，ξ(化学计量系数)约等于1.0-4.0；pO2(大气条件下)＝0.21atm。d为定值，例如在0.5-1.5mm之间。
对于选定的设计参数，建立入口和出口处的压降状况(见图15)。所示计算结果针对的是Icell＝0.5A和d＝1.0m情况(在图15中，t和W1的单位是微米，而不是cm)。选择一可行的阀厚度—例如100微米。
入口/出口压降和Wl的压降被表示在图16中。按照公式1-2，维持空气流量所需的压降随阀开口宽度的增大而降低。但是，使一种特定膜片保持开启所需的压降则随着开口宽度的增大而增大。这两条曲线利用它们之间的交点确定出了入口或出口的压降。因而，由于不同的缝隙阀具有不同的交点(如图16所示)，所以缝隙阀的设计形式就确定了压降。缝隙阀的响应曲线取决于阀板的设计形式以及阀材料的杨氏模量。对于更为严格的材料选择方法，可利用针对不同设计和材料而开发的FEA软件(例如ANSYS)来形成响应曲线。
然后，选择能提供合适压降和流量的鼓风机。系统的总压降可由公式4求得，鼓风机可提供该压降。由于公式4表达了入口或出口宽度的压降(如上所述，是由缝隙阀决定的)与系统压降(该压降是由鼓风机提供的)之间的关系，所以应当一起来选择鼓风机和缝隙阀。响应性较差的缝隙阀一般需要更为强劲的鼓风机，这样的鼓风机可形成更大的压降，由此使压敏阀充分地张开，其开度足以维持空气流量。功率较低的鼓风机一般需要响应性更好的缝隙阀，以便于将其开启到足以维持空气流量的开度上。
实例2在一圆筒形的系统中，空气从一端进入，并与处于轴向上的电池表面发生反应，在轴向上，氧气分压存在一个梯度变化。出现该梯度的原因在于氧气的迁移存在阻力。该迁移阻力与风室的面积和电池上屏障层(例如Whatman纸或Teflon屏障层)的孔隙度成反比，并与风室的长度和屏障层的厚度成正比。对于给定的电流密度，进气口处的氧气分压最高，排气口处的氧气分压最低。氧气分压在轴向上的梯度还是系统所要应对的用电电流密度的函数。氧气分压存在梯度的结果就是阴极电流密度也存在梯度。阴极上的反应电流密度与氧气的浓度(或与之等效的氧气分压)成正比。在轴向上变化的反应电流会对锌的利用率造成不利影响。随着时间的延续，靠近入口处的电池部分会逐渐缺乏可用的锌，从而越来越少的锌参与到供应用电电流的反应中。最终的结果是，锌的电势很早地下降到截止电压以下，由该电池供电的装置停止工作。
为了消除氧气在轴向上的梯度以及由此引发的电流密度梯度(即使它们变得均匀)，可改变氧气向阴极表面迁移的阻力。可通过沿轴向改变阴极上屏障层(即Whatman纸或Teflon屏障层)的厚度和/或孔隙度，来改变氧气的迁移阻力。
下面将介绍一个通常的实例。例如，对于一定的用电电流密度，通过基于图18中的数据集1形成模拟模型(利用FEMLAB软件)，可计算出某种系统中氧气在轴向上的梯度分布，其中，在该系统中，空气从一端进入，并从另一端排出。然后，其中一个设计目的就是通过减小氧气分压的变化(例如将变化减到最小)来提高(例如增加到最大)锌的利用率。可通过改变屏障层厚度和/或屏障层孔隙度来实现这一目的。事实上，风室深度的变化是与此类似的，但其效果与屏障层厚度相反，此处将不作描述。
对于给定的几何形状和用电密度，氧气的梯度与屏障层中阴极表面垂直，并作为轴向坐标的函数，可用Fick第一定律表达该梯度。Fick第一定律阐述的这样的原理在阴极上的任何位置点y上，作为轴向坐标z的函数的电流密度j都与氧气浓度在垂直于阴极表面的方向上的梯度相关。该关系式可被表示为ΔuΔy(z)=-Vnj(z)nFXDϵ1.5]]>在上面的公式中，u是氧气浓度，其被表示为环境氧气的分数，y是垂直于阴极表面的坐标，z是轴向坐标，Vn是空气的摩尔体积，X是大气环境中氧气的摩尔份数，D是大气扩散系数，ε是膜片的孔隙度。一个设计目的是通过使函数j(z)均匀而提高阳极金属的利用率。为了使j(z)在z方向上不发生变化，优选地是，使Δu成为随z变化的均匀函数。从上述的公式可看出，通过使位于左侧分式的分母中的y相对于计算出的梯度成比例地线性地增加、或者使位于右侧分式的分母中的ε1.5成比例地减小，就能实现上述的目的。
在图19中表示了可使图18展示的分压梯度(数据集1)变得均匀的、对应的屏障厚度函数和屏障孔隙度函数。通过为数据集1拟合一个函数，并通过积分运算求得一个平均值，就能计算出屏障层厚度变化的泛函性。然后，通过用该浓度平均值去除数据集1的拟合函数，而获得图19所示的厚度因数。然后，将初始模拟运算中所用的厚度(从该厚度值得到了数据集1)与厚度函数进行相乘。如果所得到的屏障层厚度变量被用在系统中，则就能获得图18中数据集2所示的氧气平均分压。利用该平均值、并将所获得的泛函性提高到幂0.667，就能获得孔隙度的泛函性。将初始设定的孔隙度与屏障孔隙度因数进行相乘，也能生成数据集2，其中，当初始孔隙度与屏障孔隙度因数相乘时，其被用来生成数据集1。所获得的均匀分压将使得阳极具有很好的利用率。
一般来讲，优选地是采用厚度或孔隙度可变的连续薄膜。但是，如果制造这种具有连续孔隙度的屏障层在经济上是不可行的，则优选地是采用功效逐级变化的屏障层。作为举例，如果采用厚度逐级变化的屏障层，而不是采用原先的均匀厚度屏障层，则能获得很高的阳极利用率。制造厚度逐级变化的屏障层的成本较低。获得这种阶梯变化功效的一种方式是通过选用单层厚度为0.25δ的屏障层，其中，δ为初始厚度。然后，通过包裹10、6、4和2个单层，可获得2.5、1.5、1和0.5倍的厚度。
本文中提到的所有公开文件和专利都被同等程度地结合到本申请中作为参考，就如同具体指出每一文件和专利、并它们结合到本申请中作为参考一样。
在权利要求书中限定了其它的实施方式。
权利要求
1.一种电化学电池系统，其包括一壳体；一位于壳体中的金属-空气电池；一鼓风机，其与金属-空气电池流体连通；以及一压敏阀，其与鼓风机流体连通，并能对鼓风机作出响应，压敏阀与鼓风机能对流向金属-空气电池的气流进行调节。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括一固定部分和一对鼓风机作出响应的可动部分，可动部分能相对于固定部分产生运动，从而在所述部分之间形成可变的间隙。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括两个能对鼓风机作出响应的可动部分，这两个可动部分之间可形成可变的间隙。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括一个能在第一方向以及与第一方向相反的第二方向上运动的可动部分。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括一个只能在一个方向上运动的可动部分。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于系统包括多个压敏阀。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀是不允许水和二氧化碳透过的。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括聚合物。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于压敏阀包括金属。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于在通入到壳体中的空气流路上，鼓风机位于压敏阀的上游。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于在通入到壳体中的空气流路上，鼓风机位于压敏阀的下游。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于壳体包括一开孔。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于壳体包括一第二压敏阀，其在所述开孔的横向上延伸。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括一细长的中空构件，其沿壳体延伸，该构件形成了一条与金属-空气电池流体连通的通道。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于还包括一第二压敏阀，其在由构件形成的开孔的横向上延伸。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于鼓风机包括一风扇。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于鼓风机位于壳体中。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于系统包括多个位于壳体中的金属-空气电池。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于壳体是圆筒形的。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于壳体是棱柱形的。
21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电池包括一种材料，该材料的第一部分的透气性与它的第二部分的透气性不同。
22.一种金属-空气电池，其包括一阴极；一鼓风机，其与阴极流体连通；以及一压敏阀，其与鼓风机流体连通，并对其作出响应，压敏阀和鼓风机能对流向阴极的气流进行调节。
23.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀包括一固定部分和一对鼓风机作出响应的可动部分，可动部分能相对于固定部分运动，从而在所述部分之间形成可变的间隙。
24.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀包括两个能对鼓风机作出响应的可动部分，这两个可动部分之间可形成可变的间隙。
25.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀包括一个只能在一个方向上运动的可动部分。
26.根据权利要求22所述的电池，其特征在于系统包括多个压敏阀。
27.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀不允许水和/或二氧化碳透过。
28.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀包括聚合物。
29.根据权利要求22所述的电池，其特征在于压敏阀包括金属。
30.根据权利要求22所述的电池，其特征在于在通向阴极的空气流路上，鼓风机位于压敏阀的上游。
31.根据权利要求22所述的电池，其特征在于在通向阴极的空气流路上，鼓风机位于压敏阀的下游。
32.根据权利要求22所述的电池，其特征在于鼓风机包括一风扇。
33.根据权利要求22所述的电池，其特征在于还包括一壳体，阴极、鼓风机、以及压敏阀位于该壳体中。
34.一种对流向金属-空气电池的气流进行调节的方法，该方法包括步骤启动一个与金属-空气电池流体连通的鼓风机；以及响应于由鼓风机产生的作用力而开启一压敏阀以对流向电池的气流进行调节。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于鼓风机响应于电流需求量而被启动。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于还包括步骤停止鼓风机的工作而将压敏阀置于关闭状态。
37.根据权利要求34所述的方法，其特征在于还包括步骤停止鼓风机的工作而使压敏阀处于休息状态。
38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于开启压敏阀的步骤包括使压敏阀的一可动部分相对于一固定部分偏转。
39.根据权利要求34所述的方法，其特征在于开启压敏阀的步骤包括使两个可动部分偏转而在所述部分之间形成一个间隙。
40.根据权利要求34所述的方法，其特征在于还包括步骤使空气流经一条与金属-空气电池流体连通的细长通道。
全文摘要
本发明公开了一种电化学电池或电池系统，其包括一鼓风机，该鼓风机例如是一风扇(32)；以及一个或多个压敏机构(35)，其例如是缝隙阀，该压敏机构允许空气进入到电池或电池系统中、或从电池或电池系统中排出。所述压敏机构能对鼓风机作出响应，由此来调节流向电化学电池(例如是金属－空气电池)的空气流量。
文档编号H01M6/00GK1679205SQ03821081
公开日2005年10月5日 申请日期2003年9月5日 优先权日2002年9月6日
发明者S·莫图帕利, J·奥尼尔 申请人:吉莱特公司