[发明专利]用于流体消耗电池的流体调节微型阀装置

说明书

技术领域

本发明涉及适合用于在电池壳体的内部与外部之间控制一种或多种流体(特别是气体)的流量的流体调节微型阀装置，该电池(例如燃料电池或电池组)最好是包含该流体调节微型阀装置的空气去极化电池或空气辅助电池以及燃料电池和电池组。本发明公开了流体调节微型阀装置和包含该流体调节微型阀装置的电池的制造方法。

背景技术

使用一种来自电池外部的流体(例如氧气或其它气体)作为活性物质来产生电能的电化学电池可以用来为各种电子装置提供电力，该电化学电池例如为空气去极化电池、空气辅助电池和燃料电池的电池组电池。例如含有氧气的空气进入空气去极化电池或空气辅助电池中就可以用来作为正电极活性物质或再补充正电极活性物质。该氧气还原电极促进氧气与电池电解液的反应，并且最终使带有氧气的负电极活性物质氧化。氧气还原电极中促进氧气与电解液发生反应的物质通常被称为催化剂。但是，在氧气还原电极中使用的某些物质并不是真正的催化剂，因为它们可能处于至少部分还原的状态，特别是在较高速放电期间。

空气去极化电池的一种类型是锌/空气电池。这种电池使用锌作为负电极活性物质，并且具有碱溶液(例如氢氧化钾)电解质。可以在锌/空气电池中的空气电极中使用的氧化锰能使电化学还原能够与负电极活性物质的氧化一齐进行，特别是在进入空气电极内的氧气扩散速度不够的情况下。随后，这些氧化锰在低速放电或停止放电期间将被氧气重新氧化。

空气辅助电池是混合式电池，该电池包含可消耗的正和负电极活性物质以及氧气还原电极。该正电极可以保持很长时间的高速放电，但是通过氧气还原电极，在低速或不放电期间，氧气只能部分地使正电极重新充电，从而氧气可以用于电池总放电容量的很大部分。这就意味着可以减少放入电池内的正电极活性物质的量并且增加负电极活性物质的量，以便增加总电池容量。美国专利6,383,674和美国专利5,079,106中已经公开了空气辅助电池的若干实例。

空气去极化电池、空气辅助电池和燃料电池的一个优点是它们具有较高的能量密度，因为电极中的至少一个电极的至少一部分活性物质是来自该电池外部的一种流体(例如气体)或者是由该流体再生的。

这些电池的一个缺点是它们能达到的最大放电速度将受到氧气能进入该氧气还原电极的速度的限制。在过去，已经作出了许多努力来增加氧气进入氧气还原电极的速度和/或控制不良气体(例如二氧化碳)的进入速度，二氧化碳将引起无用的反应，以及控制水的进入或损耗的速度(它取决于电池内和外部的相对的水蒸汽分压力)，这些气体会使电池中的空隙充满，该空隙分别旨在用来容纳放电反应生成物的增加体积或使电池干燥。这些方法的实例可以在美国专利6,558,828；6,492,046；5,795,667；5,733,676；专利公开文本No.2002/015814和国际专利公开文本WO 02/35641中找到。但是，改变这些气体中的一种气体的扩散速度通常将会对其它气体造成影响。尽管已经做出许多努力来平衡氧气扩散的高速度与二氧化碳和水扩散的低速度的需要，但是迄今只取得有限的成功。

在较高的放电速度期间，使足够的氧气进入氧气还原电极是更重要的，但是在低速放电期间和在电池不使用期间，使二氧化碳和水的扩散减至最少的重要性增加了。为了只在高速放电期间使进入电池的空气流量增加，使用了风扇来迫使空气进入电池(例如美国专利6,500,575)，但是风扇及其控制装置将增加成本和制造的复杂性，并且风扇(即使是微型风扇)也将占有单个电池、多个蓄电池组合和装置内的宝贵的容积。

提出的另一种方法是使用微型阀来控制进入电池的空气量(例如美国专利6,641,947和美国专利公开文本No.2003/0186099)，但是需要外部装置(例如风扇和/或比较复杂的电子装置)来操纵该微型阀。

另外一种方法是在氧气还原电极与具有舌片的外部环境之间使用一张水不能透过的薄膜，该舌片可以根据例如当电池放电时的氧气消耗而产生的空气中的压差来打开和关闭。(例如美国专利公开文本No.2003/0049508)。但是，该压差可能很小并且将受到电池外部的大气情况的影响。

利用微型阀来控制进入电池的气体的量另外的一些方法在美国专利5,304,431；5,449,569；5,541,016；和5,837,394中进行了叙述，其中，微型阀使用硅或半导体基底，并且通过蚀刻、沉积和微机械加工方法而制成，这些专利的内容通过引用结合在本文中。