专利名称：使用可再封隔膜的金属空气电池的空气管理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池，更具体地涉及金属空气电池的空气管理系统。
背景技术：
金属空气包括空气可渗透的阴极和用电解液分开的金属阳极。在金属空气电池，例如锌空气电池放电时，周围空气中的氧在阴极上转换成氢氧化物，锌在阳极上被氢氧化物氧化，从而释放出水和电子并提供电能。金属空气电池具有相对较高的能量密度，因为其阴极利用周围空气中的氧作为电化学反应的反应剂而不是如金属或金属化学物之类的较重材料。金属空气电池经常是将多个原电池排列在一个共用外壳中以提供足量的电能输出。其结果是得到重量较轻的电池。
为了使空气电池工作，必须给电池的空气阴极提供一氧源。一个空气管理系统通常用于提供反应性的空气并在电池不工作时隔绝空气阴极。某些现有系统使空气阴极与大气广泛相通或使用一风扇系统将新的周围空气流由开口送到空气阴极，用足以获得所需要的电能输出的速率供氧。该敞开式空气阴极或开口通常在不使用时以密封带，栓塞，机械门等予以密封，因为在周围空气中的水蒸气和氧会使电池在某些情况下溢流，干涸或放电，从而导致电池效率和寿命的降低。扩散控制开口如美国专利5,691,074号所述已被运用到空气管理装置中，然而，为了达到更长的储存寿命有时可能需要更严密的隔绝。
上述密封系统例如密封带，通常设计成单次使用，当再次密封开口时则需要新的密封装置例如新密封带。机械门通常是耐用的，从而能够多次打开和关闭。该门通常是位于电池的外壳上从而使可废弃电池体能有一个门机构，甚至在电池耗尽电能时也能将它回收使用。然而，该机构需要昂贵的移动零件而且密封困难。
于是长期以来需要一种可再次使用的、实用的密封系统以防止在电池不使用时出现水蒸气传送和漏电流。在电池寿命内该系统应是简单而可重复工作的，进而减少可废弃另件以降低成本和保护环境。基于此，当每个电池达到其使用寿命的终点时，不废弃空气管理系统会是有效的。如果电池能分为可废弃部份和可重新使用部份，则将达两部份连接起来的简单而可靠的连接装置是需要的。
发明内容
本发明试图为金属空气电池提供一种改进的通风系统和改进的通风方法，其自身寿命很长而且在储存期间基本上能完全保持其原有电能。
根据本发明，该目的是用如下金属空气电源系统来实现的，即具有两个用可自密封的隔膜分开的空气通道部分和用于刺穿隔膜的空心针。
因此，本发明提供一种金属空气电池用的通风系统，它具有用来密封至少一个金属空气原电池的外壳或壳体，至少一个可自密封的隔膜和一个或多个空心针。该壳体具有至少一个开口，该开口用可自密封的隔膜覆盖而同反应气体源或外界空气隔开。这样，该隔膜将空气通道分为两部分。始于电池的空气阴极的第一部分被包封在壳体中并终止于隔膜。与外界空气相通的第二部分包括空心针的管状通道，当空心针刺穿该隔膜时，则两部分连通而形成完整的空气通道以将反应性气体例如氧气由外界空气输送到空气阴极。
本发明以在该第二部分同外界空气连通的一个或多个开口为金属空气电池提供多模式的通风系统。至少一个空气移动装置设置在该第二部分以便该装置能为所要求的电能提供满意的空气流动速率。如果该开口优选设计，电池的漏电流当空气移动装关闭面电池处于非使用状态时可降低。此外，最佳设计的开口还可防止电池因同外界空气的水气交换而产生溢流或干涸。这样，其最低模式用于储存，中等模式用于非使用时，最高模式是由空气移动装置工作以提供电能。
本发明进一步提供一电源系统，它具有带至少一个可自密封的隔膜和带一个或多个空心针的空气管理装置的一电池组。该电池组可单独储存以保持其原始电能。当需要该电源时，空气管理装置同电池组一定工作。
本发明进一步提供带一空气管理装的电气装置和带一可自密封隔膜的可废弃的电池组。该空气管理装置同电气装置如此结合，以让消费者只需买一可废弃的电池组即可。
本发明进一步提供一电池组，该电池组包括一个或多个装在外壳中的金属空气原电池，该外壳具有以可再密封的隔膜密封的空气开口。
本发明进一步提供一可再利用的通风系统，该通风系统同上述电池组一道工作。该通风系统有一个或多个空心针，至少一个空气移动装置或风扇，以及一个或多个用于空气进出的开口。
本发明的其它特征和优点当结合附图和所提出的权利要求对本发明的较佳实施例的以下描述进行研究之后将变得更加明显。
图1是实施本发明的电池组壳体和空心针的俯视图，它表示了电池，开口，隔膜和空心针的位置，指出了空心针进入壳体的移动方向。
图2是沿图1的2-2线的垂直横剖视图，显示空心针准备刺穿隔膜的情况。
图3是用空心针插入电池组壳体的垂直横剖视图。
图4是本发明第2实施例的透视图，显示包括一位置紧邻装备有空心针的空气管理装置的隔膜的电池组。
图5是沿图4的5-5线的垂直横剖视图。
图6是紧邻本发明的第3实施例的空气管理装置的电池组的俯视简图。
图7是包括空气移动装置和紧邻本发明第4实施例穿刺装置的电池组的俯视简图。
图8是电池组和包含在根据本发明的第5实施例的电气装置的空气移动装置的俯视简图。
图9是根据本发明的第6实施例的金属空气电池或电源的透视图。
图10是沿图9的10-10线的垂直剖视图。
图11是沿图9的11-11线的水平纵剖视图。
图中，
10原电池12外壳14开口 16隔膜18空气室20原电池组22空心针26纵向管状通道30电池组32外壳34原电池组 38隔膜36开口 40铅板42空气室具体实施方式
下面更详细地参阅附图，各图中相同的标号表示相同的部分，图1、2、3表示本发明的一个实施例。这个实施例适用于电池的连续工作以提供能源和在无风扇的情况下产生电能而提供充足的氧。该金属空气电池包括多个封装在电池外壳12中的原电池10，既然本发明应用到原始和二次金属空气电池，所以第一实施例和以下实施例的原电池都类似于这些公开或公知的内容。美国专利5721065号公开了原始金属空气电池用的适合另件。二级电池也可使用带有或者不带实施本发明的空气移动装置，如美国专利5569551号中所描述的那样。各种类型的金属空气电池都可以从使用本发明中受益。该图作为具体例证被夸大了。虽然公开的内容是本发明使用的是锌空气电池，但应当知道，本发明适用于其它类型的金属空气电池。本发明可用于原始电池和二级电池。
该外壳12将多个原电池10和外界空气隔绝开并开了一个开口14，该开口14以可自密封的隔膜16覆盖。该电池10通常这样安排，即，使反应性空气的通风道18位于电池10下方。该空气通风道18通常限定了通向电池10的空气阴极的空气通道。该隔膜16固定在外壳12的较低位置并在该开口14处终止了空气通道。电池组20包括原电池10，通风道18，外壳12和隔膜16。电池组20没有任何空气排出孔。
空心针22的位置使其可以刺穿隔膜16。空心针22可用板或壳体之类支撑以使其能够作往复纵向移动。空心针22有一针尖24，一纵向管形通道26和一形成通道的圆管形壁。空心针22最好处在垂直于隔膜16的位置以便空心针22向隔膜16的纵向移动能使针尖24刺穿隔膜16的位置28那部分并使隔膜材料紧紧地环绕在空心针的外壁以形成密封(图3)。空心针22的部分长度插入隔膜16内并被环绕空心针22的隔膜材料夹持住。这样，纵向管形通道26就提供了一条通向外界空气的空气通道。
通过已插入的空心针22的纵向反向移动(图3)，空心针22被拔出而隔膜16重新封闭并将已刺穿的部分26重新密封从而使电池组20和外界空气隔绝开。这种机构类似于插入皮下的针由疫苗瓶隔膜中拔出的状况。该空心针22可以反复地重新插入隔膜16并从隔膜16再次拔出。
电池组20可以在使用前或者当原电池10未活化时予以储存。因为该原电池10未暴露到新鲜的空气中而漏电流可以最小，它们同以带空气通风孔的外壳密封的任何原电池相比，其趋势是具有更长的储存寿命。当电池组20在使用中或者当原池10具有活性时，空心针22刺穿隔膜16而纵向管状通道26提供如前所述的通向外界空气的空气通道。这样，原电池10为给负载供电以供给足够的电流。因此本发明能够使电池具有长的储存寿命并至始至终供给足够的电能而不使用任何复杂的机械门或任何单次使用的密封带。空心针22的纵向管状通道或空心部分26的大小设计得当其限制空气由外界空气流入的速率时满足负载功率对氧的需求。如果空心针22太细，管状通道可允许流过的空气流就太小。如果空心针22太粗，则隔膜16不容易重新封闭管状通道。如果其长度小于1/8”，则要空心针刺穿隔膜16是困难的和/或管子不能限制空气流速以得到所希望的最大值。如果其长度大于1/2”，则控制该空心针22并用空心针22刺穿隔膜16是困难的。
虽然图1表示的是单针，但任何数量的纵向管状通道，即，任何数量的空心针都能用于满足电能需求。两个或多个空心针会是最好的，因为可提供一个或多个进气或排气管状通道。例如，对于两个空心针的电池组需要如上所述的同样电能时，每个空心针所需的管状通道其横截面积为0.05-0.25英时2而其长度为0.2-0.5英时。
壳体材料为机械独立结构材料，可以是塑料、金属、陶瓷或其他普通非透气性材料。通过塑料外壳的某些气体渗透性是可以允许的。因为大多数电解质是酸或碱，耐酸或碱的材料为最好。隔膜16通常是用橡胶、合成橡胶或者对隔膜16具有自动重密封特性的已知化合物制造的。适合的隔膜材料包括那些用于在药瓶中保护药品的材料，例如硅树脂，聚四氟乙烯(PTFE)/硅树脂，天然橡胶，异丁橡胶，PTFE/天然橡胶，PTFE/异丁橡胶，碳氟橡胶，合成橡胶Viton等。这些材料一般均为不透气的或者难于渗水者，这使电池组同外界空气或其他任何反应气体源很好地隔绝并使其具有长的储存寿命。进而，低渗透性防止了外界空气中或高或低浓度的水蒸气对原电池10造成的溢流或干涸。
然而，当最好要有高的初始开路电压以避免用户发现新电池组就表现出很低的电压时，可以使用半渗透性材料。这种半透性材料能让氧或反应性气体通过从而保证原电池10的开路电压足够高以便立即使用。这种情况下的隔膜材料通常选用硅橡胶或硅树脂以及其他氧的半渗透性材料。
举例来说，氧渗透系数为19685(cm3-mm/m2·日·大气压)的典型的硅橡胶用于开口面积为6cm2的电池组20时，而允许的漏电流约为1mA时，则在25℃所需的氧气流速为5.47cm3/日。这样，隔膜的厚度t可用下式计算tα19685×6×10-4×0.21/5.47＝0.45(mm)应当清楚，对管状通道、开口、隔膜以及壳体尺寸的上述限制取决于电能需求，而电能需求又根据同电池组20连接的电气装置的情况而变化。
本发明的其他实施例如图4和5所示。如第一实施例那样，当插入容许空气进入的空心针时，电池组30适于连续使用。金属空气电池包括多个封装在电池壳体32中的原电池10。该图为说明实例而被夸大了。壳壳体32限定了一电池组34并将多个原电池10同外界空气隔绝，除了用可自动密封的隔膜38覆盖的开口36之外。位于电池组34底面的该开口36用格板40可将每个原电池10划分开，该格板40用壳体材料制成。该格板40可作为隔膜38的机械支撑。在这个实施例中，在电池组34中存在一小的反应性空气的通风室42。隔膜38固定在电池组34的底面并在开口36处封住对外界空气的空气通道。因此，电池组34在空气阴极与电解质之间的隔离板的阴极端上无任何空气出口。
一个通风室外壳44限定了一空气通风室箱体46并具有多个空心针48和开口50。该通风室箱体46可以设置在适当位置并用作空气收集通风室。具有针尖部52和纵向管状通道54的空心针48位于空气通风室箱体46的上表面。在上表面的任何位置的任意数量的空心针可用于满足电能需求。最好在每个开口36处都有一个或多个空心针。
如第一实施例所述，当它们不使用，非活化或储存时，原电池10同外界空气隔绝开，从而使其具有最小的漏电流和长的储存寿命。当电池组34处于使用中或原电池10活化时，通风道箱体46同电池组相互连接，使得空心针针尖部52刺穿隔膜38的相应部分56而空心针48穿过隔膜38以提供通向通风室58的空气通道。管状通道54的总的横截面积通常大于开口50的横截面积，从而使通过管状通道54的空气总流量大于通过开口50者。因此，就在通风道箱体同电池组相互连接之后，由原电池10提供的可用电流将快速地增加并消耗通风室58中的活性气体如氧气，随后将逐渐降低直到使用完所储存的氧。最终，可使用的电池将变成常数并由通过开口50的空气流速来决定。这样，对于连接电气装置的初始高电能需求的令人满意的电流特性可通过管状通道54的总横截面积和开口50以及通风室58的容积来控制。
当稳定电流需要很低时，开口50的尺寸最好如下设计，即其长度一通过外壳44厚度方向要大于其宽度一垂直于外壳44厚度方向，从而使空气通过开口50的扩散基本上被限制。所谓“基本上限制”是指在输出电流变得几乎为常数之后，氧或污染物通过开口50的扩散速率如此之慢以至水气的传送足够小而且对原电池10的效率或寿命的冲击表现得也很小。
如第一实施例中所述，通风室箱体46与电池组34的连接也可拆开，即可将空心针48由隔膜38拔出，而隔膜38会自动再密封。这样，使用过的电池组在储存期间可保持其所剩余的电能。进而，隔膜38可用半渗透性材料制成，从而使其在如上所述的长期储存后，其初始开路电压仍会维持足够高。外壳32，开口36，隔膜38，通风室箱体46，空心针48，其管状通道54以及开口50的尺寸、数量及材料均可联系到第一实施例所述较佳地变化。尤其是，空心针48最好较短以利于在不丧失其功能的条件下控制操作。
在如上两个实施例中，当没有负载连接到电池上时，为保护电池不溢流或干涸，电池组必须与通风室箱体拆开连接而使隔膜再密封。另一实施例如图6所示，它具有同图1所示相同的电池组20，这个实施例提供了一个电池组，它能够在同通过隔膜的空心针保持连接的情况下而不产生溢流或干涸。该电池组20的特点与第一实施例中所述的相同，然而，该图显示，它具有一空气管理装置60，该装置有一管理装置外壳62，两极空心针70，72，一个作为空气移动装置的风扇80，两个通过外壳62的壁连接到外界空气的扩散限制管或隔绝管82，84。
该空气管理装置的位置使空心针70，72能刺穿隔膜16。空心针70，72是空心的，且其针尖86，88是锋利的，以如第一实施例所述刺穿隔膜16的部位90，92。空心针70，72位于空气管理装置外壳62的上表面以便空气管理装置能同电池组20下部的隔膜16连接在一起。空气管理装置外壳62基本上是不透气的，仅有两个空心针70，72的管状通道94，96和开口82，84与外壳62之外相通。风扇80在外壳中的位置使得其将外壳62中的空间分为98和100两个腔室，并在外壳中产生一空气流和/或压力差。使其产生由电池流出的空气流经管状通道94再经管状通道96流进电池。腔室100的压力使空气流经管状通道96并经管子84再从腔室100流出到外部。与此同时，在腔室98中产生的低压使空气由电池经管状通道94抽出，而且补充的空气由外界经管子82吸进腔室98。补充的空气随后在空气管理装置和电池之间再循环。
管状通道94，96的尺寸通常大于开口82，84，从而管状通道94，96中空气流动的阻力小于开口82，84。这样，更多的空气通常经管状通道94，96以再循环方式流动。
当电池组20没有同空气管理装置连接时，电池外壳12和隔膜16隔绝了电池从而使电池10具有长的储存寿命。当电池10处于使用状态或活化时，通过以空心针70，72刺穿隔膜16到空心针长度的约半程时，空气管理装置60和电池组20连接在一起。这样，管状通道94，96就提供了空气由电池10的空气阴极(未显示)流到空气管理装置60的腔室98，100的通路，当腔室98，100大而以反应性气体充满且管状通道94，96又粗时，其初始可用电流特性类似于第二实施例中的有关描述。由于开口82，84是扩散限制管，当风扇80不工作，甚到当隔膜维持被空心针70，72穿刺的状态时，电池10可具有长的储存寿命。管状通道94，96可以通过隔绝电池10的方式变成扩散限制管。
扩散限制管由于其隔绝功能而被认为是隔绝通道或扩散限制通道。根据美国专利5691074号中的一个实例，扩散限制通道的功能在于限制可以到达空气阴极的氧气量以使金属空气电池的自放电、漏电或漏极电流减到最小。
当风扇80不迫使空气流经扩散限制通道82，84(或变为94，96)时，扩散限制通道82，84(或变为94，96)还使水气对金属空气电池的有害冲击减到最小。暴露在具有高湿度的周围空气中的金属空气电池会通过其空气电极吸收过多的水而由于被称作“溢流”的现象而失效。另外，暴露到具有低湿度的周围空气中的金属空气电池会通过空气电极由其电解液中释放过多的水蒸气而由于被称作“干涸”的现象而失效。
根据将空气和水传送进入金属空气电池或由其中排出的隔绝或扩散限制通道的效率可以用术语“隔绝率”来描述。“隔绝率”是当电池的氧电极完全暴露到周围空气中时其水分的损失或增加的速率同电池的氧电极与周围空气隔绝时其水分的损失或增加的速率的比值(除了通过一个或多个限制性开口，即扩散限制通道之外。)例如，给定同一个金属空气电池，其电解液为约35％KOH的水溶液，内部的相对湿度约为50％，周围空气的相对湿度约为10％而且无风扇强制通风时，则电池的氧电极完全暴露到周围空气中时其水分损失应大于电池的氧电极与周围空气隔绝时其水分损失(除了通过一个或多个扩散限制通道之外)的100倍。在这个例子中，隔绝率应大于100比1。
更具体地说，每个扩散限制通道82，84(或变为94，96)最好其宽度通常垂直于空气流经的方向，而其长度通常平行于空气流经方向。其长度和宽度的选择条件是当空气移动装置不强制空气流经扩散限制通道82，84(或变为94，96)时，基本上消除了空气扩散限制通道82，84(或变为94，96)的流动或扩散。长度应大于宽度，最好长度应大于宽度约两倍。最好使用较大的长宽比。根据金属空气电池的性质，该比值可大于200比1。然而，最佳的长宽比约为10比1。
隔绝或扩散限制通道82，84(或变为94，96)可构成必定存在于周围空气和氧电极之间的空气通路的一部分。每个扩散限制通道82，84(或变为94，96)可以限定通过外壳62的厚度，但最好将其做成如上所述的管子形式。
通常，扩散限制通道可以是圆管，而对于某些应用，其长度可约为0.3-2.5英时或更长，最好约为0.88-1英时；其内径约为0.03-0.3英时，最好约为0.09-0.19英时。对于如上应用每个扩散限制通道的总开口面积；在垂直于空气流经方向测量，相应而约为0.007-0.5平方英时。在另外的应用中，扩散限制通道的长度可约为0.1-0.3英时或更长，最好约为0.1-0.2英时；其内径约为0.01-0.05英时，最好约为0.15英时。对于特殊用途的扩散限制通道的最佳尺寸将与扩散限制通道和阴极通风道的几何形状，所使用的特殊的空气移动装置以及为使电池达到所希望的输出电能所需要的空气量有关。
例如，在设计用于给便携式计算机(未显示)供电的电池组20的最佳实施例中，使用具有6个原电池10的6伏电池。每个电池10的输出为，电流约为1-4安培时电压约为1伏或稍高。对于整个电池组所暴露的阴极总面积约为108-132平方英时，每个电池10所暴露的阴极面积(未显示)约为18-22平方英时。因此，该电池的电流密度约为每平方英时阴极表面约为50-200mA。为了满足这个功率要求，所需要的空气流量为33-200英时3/分。
该扩散限制通道不一定非要圆管形，只要能提供所需要的隔绝的任何横剖面形状均可使用。隔绝通道不需要沿其长度都是均匀的，只要每个扩散限制通道的至少一部分能提供所需要的隔绝都可。进而，隔绝限制通道沿其长度可以是直的或弯曲的。事实上，扩散限制通道可由二维表面空间距离之间的间隙来形成，只要空气分子必须流经一足够限制的通道从周围空气流动到空气阴极。其他典型的扩散限制通道和系统在美国专利US5691074号和美国专利申请08/556613号中都有描述，而且这些文件中所公开的所有内容都作为本案的参考。
再参看图6，当风扇80打开时，相当大量的空气由空气管理装置外壳62之外经开口82流入，并同经管状通道94进入的空气混合，然后经管状通道96进入通风道18并经开口84排出外壳62之外。这样，该电池组可供给所连接的电气装置以所需要的电能。该风扇的转速可以调节以供给所需要的电能。该风扇由原电池10提供的能源工作，其连接的引线和端点未示于图6中。
由于开口82，84为扩散限制通道，流经该通道82，84的空气量会是较一定的。因此该通道82，84最好设计和安排成当空气移动装置或风扇80工作时允许足量的空气流经它，以便产生足量的输出电流，一般至少为50mA，最好至少为130mA可以由金属空气电池10获得。此外，扩散限制通道82，84最好设计成限制空气经它流动和扩散，使得金属空气电池在风扇80没有强制空气流经通道82，84时能够提供给负载的漏极电流小于输出电流的1/50或更小，这样，当风扇80关掉而电池中的湿度水平相对恒定时，仅有极少量的空气经通道扩散。电池中的水蒸气保护空气阴极(未显示)以避免将其暴露到氧气中。空气阴极借组于水蒸汽与周围空气充分隔绝，从而使电池10在不用机械门之类密封通道82，84的情况下具有长的储存寿命。此外，扩散限制通道82，84最好设计成能提供大于50比1的隔绝率。
当空气管理装置设计成与原电池组20分离时，原电池10基本上与外界空气是隔绝的，其漏极电流可低到如原电池组20第一次使用前的储存模式那样。在半渗透性隔膜16的帮助下，电池的初始开路电压可以保持。当空气管理装置60同电池组20结合时，开口82，84可以仅仅是与外部空气相通的空气通道，在风扇关掉的情况下漏极电流如上所述减小。当风扇打开时，流过负载的电流可以在几种模式之间改变，这些模式通过控制风扇速度调节以满足电能需求。
由于空气管理装置60可以同另外的电池组一起重新使用，即使在原电池组20的能量消耗完之后，因而可将可废弃的部分最小化。外壳12，开口14，隔膜16，空气室18，空气管理装置外壳62，空心针70，72，其管状通道94，96，腔室98，100，风扇80以及开口82，84等，它们的尺寸，数量和材料最好同前述实施例中所使用的类似另件相关的描述变化。
尤其是，当空心针70，72很大以致其管状通道94，96可能比扩散限制通道还大时，风扇80可从外部吸入更多空气。于是空气阴极暴露在包含较高浓度氧的空气中，以致当风扇80接通时电池可提供更多的能量。另一方面，当风扇80断开而空气管理装置60同原电池组20结合时，即当电池暂时处于非活性时，该原电池同周围空气未完全隔绝，周围空气的湿度或高或低，使原电池10更容易因如上所述的“溢流”或“干涸”现象而失效，如果空气控制装置60同原电池组20的结合脱离，使空气通道由隔膜16重新封闭，则可避免这种问题。
根据本发明的另一实施例的原电池组110示于图7。原电池组外壳112包住原电池10，反应性气体通风道(未显示)以及包括用风扇118隔开的两个气室114，116的空气管理装置部分。开口120将气室114，116同通风道连接。开口122横跨两个气室114，116并用隔膜124覆盖和密封而使其同外部空气隔绝。空气管理装置是一个具有风扇118的空气移动装置，它使空气在两个气室114和116之间流动和/或产生压力差。两个空心针126，128固定在针板130上并处于刺穿隔膜124的部位132，134的位置。该空心针126，128具有尖锐的针尖136，138和如上所述的管状通道140，142。
当原电池10未使用或处于非活性时，空心针126，128同隔膜124离开，原电池的隔绝处于如上所述的最大化状态。当隔膜是用半渗透性材料制成时，储存时可以保持令人满意的原电池的初始开路电压。当原电池10使用或处于活性时，空心针126，128刺穿隔膜124的部位132，134，以提供由原电池的空气阴极(未显示)到外界空气的空气通道。当风扇打开时，室中的空气同补充的新鲜空气一起经管状通道140，142循环，而负载电流可通过改变风扇速度调节以满足所连接的电气装置的高电能需求。
当风扇断开原电池组必须良好隔绝时，则管状通道的尺寸可为如上所述的扩散限制隔绝管。当空心针126，128脱开隔膜124时，原电池10基本上与外界空气完全隔绝，其漏极电流可降到极小，如同在原电池组110第一次使用前的储存模式那样。在半渗透性隔膜124的作用下，可保持原电池的初始开路电压。当空心针126，128刺穿隔膜124的部位132，134时，管状通道140，142可以是通向外部空气的唯一通道，在风扇关闭的情况下，如上所述漏极电流可降低。当风扇打开时，流过负载的电流可通过控制风扇速度调节在几种模式之间改变以满足电能需求。
在这个实施例中，一个小零件例如针板130就可以在无任何电接触的情况下作为开关来起动电池组并对电池予装的电气装置提供电能。外壳112，开口120，122，隔膜124，通风道(未显示)，气室114，116，风扇118，空心针126，128，其管状通道140，142以及针板130的尺寸，数量和材料均可按如上所述的目的改变。
另一个实施例示于图8，其包括一个原电池组150和装置在电气装置154上的空气管理头152。该原电池组150包括一外壳156，原电池10，在原电下方的反应性气体通风道(未显示)以及紧邻用隔膜162覆盖的开口160的超级通风道158。一对连接到原电池10的正极和负极引线(未显示)的端子164，166位于外壳156的外部并朝向空气管理头152。外壳156如其它实施例所述在隔膜162的作用下使原电池同外部空气隔绝。该超级通风道158可将新鲜空气扩散并同在外壳156中残留的空气混合，然后将基本上均匀的反应性气体如氧供应每个空气阴极。另一种模式是，可省略超级通风道，将空心针直接插入外壳内的反应性气体通风道中。当隔膜162是用半渗透性材料制成时，储存时可保持原电池的初始开路电压。
空气管理头152包括一个外壳170，它限定了一个用以承接原电池组150的面向外的矩形槽172。两个带球突176的连接臂174限定了该槽以容纳和连接原电池组150的一部分。在原电池组外壳156相对的两个外侧壁上的两个槽178由于臂174的弹性弯曲所产生的力的作用使球突176卡在其中，这类似于棘爪机构的作用。两个端子180，182位于槽172的底面上以分别同端子164，166连接。两个电接头184，186或硬线设置在管理头152的外侧面上以电原电池组150供给电气装置154以电能。
两个气室188，190形成在用空气移动装置例如风扇192分开的空气管理头中，空心针194由气室188伸出而空心针196由气室190伸出。气室188，190分别通过管子198，200同外部空气连通。该管子198，200(图示)最好是如上所述类型的扩散限制隔绝管，而空心针194，196具有较大的开口202，204，是用于空气无阻碍地流动而非隔绝用。
这样，原电池组150以可再移开的方式由空气管理头卡住，与此同时空心针194，196刺穿隔膜162。空心针194，196具有锐利的针尖206，208，用以刺穿隔膜162的相应部位210，212，而管状通道202，204在原电池10的空气阴极(未显示)和两个气室188，190之间提供空气通道。
风扇192在两个气室188和190之间产生空气流和/或压力差，而风扇192则位于两者之间，开口198，200同外部空气或反应性气体源相通，以使得反应性气体例如氧以如上所述的方式经开口198，200之一和管状通道或开口202，204之一进入并到达原电池10的空气阴极。
在这个实施例中，空气管理头是装在电气装置154中，从而消费者仅需购买原电池组150即可。该电池组可以在以下两种完全密封的条件下储存一种是使用不渗透的隔膜162，另一种是使用下渗透的胶带(未显示)固定到半渗透的隔膜162上。在后一种情况下，零售商店可在除去该胶带之后储存电池组150，而消费者可在使用前的某个时候除去胶带，从而使电池组具有令人满意的初始开路电压。外壳156，开口160，隔膜162，通风道(未显示)，超级气室158，气室188，190，风扇192，开口198，200，空心针194，196，管状通道202，204和其他另件的尺寸，数量和材料最好可如上述改变。
另一个实施例示于图9，10和11。圆住形金属空气电池或电源具有空气管理头220和类似于图6所示的实施例的电池组222。空气管理头220有圆柱形连接头224，外壳226，两个开口228，230，以及一个正极端子232。电池组有一负极端子234，外壳236，带两个正极端子240的连接部分238，两个负极端子242，以及一个长条形的可自密封的隔膜244。
空气管理头220进而包括两个位于圆筒224内相互对置的正极端246，两个负极(未显示)以同负极端246相互垂直的位于圆筒224内，两个空心针248，250平行于电池的轴向，两个用风扇256分开的气室252，254以及一个风扇控制器258。
两个气室252，254由圆板260和其他管壁限定并在由一个空气移动装置例如风扇256分开的空气管理头中形成。空心针248由气室252伸出而空心针250由气室254伸出。气室252，254分别由开口228，230(图示)同外部空气连通。开口228，230最好是如上所述型式的扩散限制隔绝管，空心针248，250具有较大的开口262，264，设计用作空气自由流动而非隔绝目的。电池组222进一步包括具有阳极凝胶266的两个原电池，阳极容器268，空气阴极270，隔绝端板272，274，276，电流收集器和引线278，280以及空气通风道282。端板276有一长条隔膜244覆盖的狭长开口。两个负极242用接线280同阳极容器268相连。两个正极240用接线(未显示)同空气阴极270的电流收集器(未显示)相连。这四个电极都位于连接部份238的外圆周面上以便同空气管理头220的圆筒形连接头224内的相应电极连接以供应风扇256以电能。电源的负极232也用接线(未显示)连接到端子246。风扇控制器258也予连接以控制由电池组222供应电流到风扇256。如果长条形隔膜244是用半渗透性材料制成，当储存时令人满意的电池初始开路电压可予维持。
电池组222以可拆卸的方式同空气管理头220连接，同时空心针248，250刺穿长条形隔膜244。为了将电池组222局部锁紧在空气头220上，可设置连接器(未显示)，例如前述实施例中的球突和凹槽之类。空心针248，250具有锐利的针尖284，286以刺穿隔膜244的相应部位288，290。而管状通道262，264提供了由电池的空气阴极270到两个气室252，254的空气通道。
风扇256在两个气室252和254之间产生空气流和/或压力差。开口228，230同外部空气相通以使氧能以如上所述的方式通过开口228，230之一和管状通道262，264之一进入而到达电池的空气阴极270。
在这个实施例中，空气管理头220是可以拆开供重新使用的，因而消费者只需购买电池组222即可。该电池组可在以下两种完全密封的条件下储存；一种是使用非渗透性隔膜244，另一种是可用非渗透性胶带(未显示)固定在半渗透性隔膜上244上。在后一种情况下，零售商店可在除去胶带之后储存电池组222，而消费者可在使用前的某个时候除去胶带，从而使电池组具有令人满意的电池的初始开路电压。外壳236，隔膜244，通风道282，气室252，254，风扇256，开口228，230，空心针248，250，管状通道262，264以及其它另件的尺寸，数量和材料最好可按如上所述改变。尤其是，圆柱形连接头224可制成与外壳226相同的尺寸，以使整个电池做成例如“AA”类的标准电池。
如上所述为本发明的最佳实施例的描述。在不违背本发明的精神和附加的权利要求中所提出的本发明的保护范围的情况下可进行各种代换和改变，这要根据专利法的规定，包括等效物原则来进行解释。
权利要求
1.一种金属空气电源系统，其特征在于包括一个容纳一个或多个金属空气电池的盒体，每个电池包括一空气电极；一种结构，它在该盒体中提供了由空气电极到可刺穿的，可再密封的包含容纳所述电池的盒体的至少一部分的隔膜的第一空气通道；空心针，它形成连接到反应性气体源的第二空气通道，而且该空心针处于能刺穿该隔膜的位置。
2.根据权利要求1的一种金属空气电源系统，其特征在于在该第二空气通道中进一步包括至少一条扩散限制通道。
3.根据权利要求2的一种金属空气电源系统，其特征在于该扩散限制通道是由所述的空心针限定的。
4.要据权利要求2的一种金属空气电源系统，其特征在于在该空气通道中进一步包含至少一个空气移动装置。
5.根据权利要求4的一种金属空气电源系统，其特征在于该空气移动装置位于所述的空心针和所述的扩散限制通道之间。
6.根据权利要求1的一种金属空气电源系统，其特征在于进一步包括在该第二空气通道中，至少一条进气扩散限制通道和至少一条排气扩散限制通道；以及在该空气通道中至少一个空气移动装置。
7.根据权利要求6的一种金属空气电源系统，其特征在于该空气移动装置位于所述空心针和所述扩散限制通道之间。
8.根据权利要求1的一种金属空气电源系统，其特征在于进一步包括在同所述空心针和反应性气体源连通的该第二空气通道中具有至少一个扩散限制通道；以及在所述空气电极和所述隔膜之间的第一空气通道中具有至少一个空气移动装置。
9.根据权利要求8的一种金属空气电源系统，其特征在于该隔膜包括对所述反应性气体为半渗透性膜片。
10.根据权利要求1的一种金属空气电源系统，其特征在于该隔膜包括对所述反应性气体为半渗透性膜片。
11.根据权利要求1的一种金属空气电源系统，其特征在于在所述空气电极和所述隔膜之间进一步包括至少一个空气移动装置。
12.一种金属空气电池组，其特征在于包括一个容纳有一个或多个金属空气原电池的外壳，该外壳同所述原电池的空气电极一起限定一反应性气体通风道；一个形成该外壳的外壁的一部份的可刺穿的，可再密封的隔膜，该隔膜用一空气通道同该通风道连接。
13.一种用于金属空气电池的通风系统，其特征在于包括，一个位于盒体中的空气移动装置；一个或多个位于上述盒体中允许外部空气进入的通风孔；一个或多个由上述盒体向外伸出的空心针。
全文摘要
一种用于金属空电池的空气管理系统,包括可再密封的隔膜以及一个或多个空心针。该隔膜将空气通道分为二部分,其中一部分是从电池的空气阴极到隔膜,而另一部分是从隔膜到外部空气。空心针具有管状通道以连接这两部分。当空心针被拔出时,该隔膜会将其撕开的部分重新密封起来。同时公开的还有包括风扇和那样的空心针的可重新使用的空气管理装置。该空气管理装置能够连接到具有能被空心针刺穿的隔膜的可弃式电池组。
文档编号H01M6/50GK1334975SQ99816236
公开日2002年2月6日 申请日期1999年12月20日 优先权日1998年12月18日
发明者克里斯托弗·S·佩蒂西尼, 约翰·D·威兹格瑞特 申请人:Aer能源公司