[发明专利]具有带压力均衡的流体调节器的电池组

说明书

发明背景

本发明涉及用于控制流体如气体进出带有流体消耗电极的 电化学电池组和电池的速率的流体调节系统，并且涉及使用这种流体 调节系统的电池组和电池，尤其是空气去极化电池和电池组、空气辅 助电池和电池组以及燃料电池和电池组。

使用来自电池外部的流体(如氧气和其它气体)作为活性材 料以产生电能的电化学电池组电池(如空气去极化电池、空气辅助电池 和燃料电池的电池组电池)，可用于为各种便携式电子装置供电。例如， 空气进入到空气去极化电池或空气辅助电池中，在其中该空气可用作 正极活性材料或可对正极活性材料再充电。氧还原电极促进了氧气与 电池电解质的反应，并且最终促进了负极活性材料与氧气的氧化。促 进氧气与电解质反应的氧还原电极中的材料，时常被称为催化剂。然 而，氧还原电极中所用的一些材料并不是真正的催化剂，因为它们能 够被至少部分地还原，特别是在相对较高的放电速率期间。

一种空气去极化电池是锌/空气电池。这种电池使用锌作为 负极活性材料，并且具有碱溶液(例如KOH)电解质。可在锌/空气电池 的空气中使用的氧化锰能够在负极活性材料氧化的同时进行电化学 还原，特别是当氧气进入空气电极的扩散速率不足时。之后在较低的 放电速率或静止期间可由氧气再氧化这些氧化锰。

空气辅助电池是混合电池，其包含可消耗的正极和负极活 性材料以及氧还原电极。正极可维持高的放电速率达很长的时间段， 但在较低放电或不放电期间，氧气可通过氧还原电极而部分地使正极 再充电，所以氧气可用于总的电池放电容量的很大一部分。这意味着 可减少置入电池的正极活性材料的量并且可增加负极活性材料的量， 以提高总的电池容量。在共同转让的美国专利No.6,383,674和 No.5,079,106中公开了空气辅助电池的示例。

空气去极化电池、空气辅助电池和燃料电池的一个优势是 其较高的能量密度，因为至少其中一个电极的活性材料的至少一部分 来自电池外部的流体(例如气体)或由其再生而得。

这些电池的缺点是其能够达到的最大放电速率可能受限于 氧气可进入氧还原电极的速率。过去，已经做出了很多努力以提高氧 气进入氧还原电极的速率和/或控制可能造成无用反应的不良气体(例 如二氧化碳)的进入速率，以及控制水进入或损失的速率(这取决于电 池内外的相对的水蒸汽分压力)，该水可填充电池中意图分别用于容纳 增加的放电反应产物体积或使电池变干的空区。在美国专利 No.6,558,828；美国专利No.6,492,046；美国专利No.5,795,667；美国 专利No.5,733,676；美国专利公开No.2002/0150814以及国际专利公 开No.WO02/35641中可找到这些解决方案的示例。然而，改变这些气 体其中之一的扩散速率通常还会影响其它的气体。即使已做出努力以 平衡高的氧气扩散速率和低的CO₂和水的扩散速率之间的需求，也只 是取得了有限的成功。

在较高的放电速率下，更重要的是使足够的氧气进入到氧 还原电极中，但在较低的放电速率期间和当电池不使用的时候，增加 了最大限度地减小CO₂和水的扩散的重要性。为了只是在高速率放电 期间增加进入到电池中的气流，已使用了风扇来迫使空气进入到电池 中(例如，美国专利No.6,500,575)，但风扇及对其的控制可能增加了制 造的成本和复杂性，并且风扇，即便是微型风扇，也可能占用单个电 池、多电池电池组和装置中宝贵的容积。

已经提出的另一解决方案是使用阀来控制进入电池中的空 气量(例如，美国专利No.6,641,947和美国专利公开No.2003/0186099)， 但可能需要外部装置如风扇和/或相对复杂的电子装置来操作阀。

还有另一解决方案，其在氧还原电极和外部环境之间使用 不透水的隔膜，该隔膜具有可以因空气压力差(例如，由电池组放电时 氧气的消耗所产生的压力差)而打开和关闭的活叶(例如美国专利公开 No.2003/0049508)。然而，压力差可能很小，并且可能受到电池组外 部的大气条件的影响。

共同转让的美国专利公开No.2005/0136321公开了一种由 促动器操作的阀，该促动器响应作用于其上的势能变化来打开和关闭 阀。

发明概述