[发明专利]控制流向流体消耗电池的流体的系统和方法

说明书

技术领域

概括地说，本发明涉及用于控制流体(例如气体)进出具有流体消耗电极的电化学电池和单电池的速率的流体管理系统，并涉及使用了这种流体管理系统的电池和单电池，特别是空气去极化、空气辅助和燃料单电池和电池。

背景技术

为了给各种便携式电子设备供电，可以电化学电池，例如，空气去极化、空气辅助和燃料单元电池，这些电化学电池使用来自电池外部的诸如氧气和其它气体的流体作为活性材料来产生电能。例如，空气进入空气去极化或空气辅助单元，其中，空气可用作正极活性材料或能再充电正极活性材料。氧还原电极促进了氧气与电池电解液的反应，并最终促进了氧气对负极活性材料的氧化。促进氧气与电解液的反应的氧还原电极中的材料通常称为催化剂。然而，用在氧还原电极中的一些材料不是真正的催化剂，因为它们至少部分地被还原，特别是在相对高速放电的时间段中。

一种类型的空气去极化电池是锌/空电池。这种类型的电池使用锌作为负极活性材料，并具有水溶粘合剂(例如，KOH)电解液。可用在锌/空电池空气电极中的锰氧化物能进行电化学还原，伴随着负极活性材料的氧化，特别是当氧气扩散到空气电极中的速率不足够时。这些锰氧化物随后在较低速率放电或休眠的时间段中由氧气再氧化。

空气辅助电池是包含可消耗的正负极活性材料以及氧还原电极的混合电池。正极可在大量时间段内维持高速放电，但是通过氧还原电极，氧气可在较低放电或不放电的时间段内部分地对正极再充电，因此，氧气可用于整个电池放电容量的相当大部分。这意味着，可以减少放入电池的正极活性材料的量并可以增加负极活性材料的量，以提高整个电池的容量。空气辅助电池的示例公开在共同转让的美国专利No.6,383,674和5,079,106中。

空气去极化、空气辅助和燃料电池的优势在于它们的能量密度大，因为至少一个电极的至少一部分活性材料来自或重新产生自来自电池外部的流体(例如，气体)。

这些电池的缺点在于它们能达到的最大放电速率受限于氧气进入氧还原电极的速率。过去，已经努力地提高氧气进入氧还原电极的速率，和/或控制造成浪费反应的不期望气体(例如，二氧化碳)的进入速率，以及水进入或损失的速率(取决于电池外内相对的水蒸汽局部压力)，这可以充满电池内的空隙空间，空隙空间本来用于分别容纳增加的放电反应产品或使电池干燥。可以在美国专利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No.2002/0150814和国际专利申请No.WO02/35641。然而，改变这些气体中一种气体的扩散速率通常也会影响到其它气体。即使当已经做出努力来平衡高速率氧气扩散和低速率CO₂和水扩散的需要时，也仅仅取得了有限的成功。

在较高的放电速率下，使足够的氧气进入氧还原电极更加重要，但是在较低放电速率的时段以及没有使用电池的时段中，最小化CO₂和水扩散的重要性增加。为了仅在高速放电时段增加流进电池的空气，已经使用风扇来迫使空气进入电池(例如，美国专利No.6,500,575)，但是风扇和对它们的控制给制造增加了成本和复杂性，而且风扇即使是微型风扇也在各个单电池、多单元电池组和设备中占据了有价值的空间。

已经提出的另一方式是使用阀门来控制进入电池的空气量(例如，美国专利No.6,641,974和美国专利公开No.2003/0186099)，但是仍然需要外部装置(例如，风扇和/或相对复杂的电子器件)来操作阀门。

又一方式已经在氧还原电极与外部环境之间使用不透水膜，其具有能根据压差(例如，源自电池放电时氧气的消耗)开启和关闭的挡水板(例如，美国专利公开No.2003/0049508)。然而，压差可能很小，并且受电池外部大气状况的影响。

共同转让的美国专利公开No.2005/0136321公开一种由致动器操作的阀门，致动器响应于横跨致动器所施加电势的变化来开启和关闭阀门。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于控制提供给流体消耗电池的流体的方法。该方法包括提供流体管理系统的步骤，流体管理系统包括用于调节流体行进进入电池的流体消耗电极的速率的阀门和用于操作阀门的致动器。该方法还包括感测流体管理系统的操作状况和基于感测到的操作状况确定将阀门维持在开启位置所需的最短时间的步骤。该方法还包括当需要较大的电池电输出时控制阀门的运行以开启阀门，将阀门维持在开启位置达所需的最短时间以及当需要较小的电池电输出时控制阀门的运行以关闭阀门的步骤。