CN100380728C - 阀调节铅酸蓄电池的改进的催化剂设计 - Google Patents

阀调节铅酸蓄电池的改进的催化剂设计 Download PDF

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Abstract

一种用于蓄电池中使氧和氢气再化合并由此提高这种电池的性能和使用寿命的催化剂装置(10)。催化剂装置(10)可滤去催化剂毒物并控制再化合反应的温度。容器(14)在小室(22)内容纳催化剂(26)。催化剂毒物过滤器(28)设置在带有催化剂(26)的小室(22)内。气体和蒸汽进出小室(22)的移动是由微孔部分(30)控制的。选择微孔尺寸以使气体和蒸汽可以通过，而液体不能通过，并且还防止火花穿过。最好是，把微孔部分(30)做成密封小室(22)的开口(20)的盘。把过滤材料(28)作为一层放置在催化剂(26)与开口(20)之间，使得气体中的毒物在到达催化剂(26)之前必须穿过过滤材料(28)。

Description

阀调节铅酸蓄电池的改进的催化剂设计
相关申请的相互参照
本申请要求对1998年12月14日登记的申请号为60/112305、1998年12月24日登记的申请号为60/113579以及1999年8月12日登记的申请号为60/148536的美国临时专利申请的优先权，上述各项专利申请被包括在本文中作为参考。
技术领域
本发明涉及用于提高阀调节铅酸电池(VRLA)的使用寿命的催化剂的使用，并且涉及也可适用于想要将蓄电池组单元电池中产生的过量氧和氢再化合的其他类型的蓄电池的催化剂装置。更具体地说，本发明涉及使催化剂中毒最小并且控制催化反应的温度的改进的催化剂装置。
背景技术
如1998年11月2日登记的申请号为09/022336的美国专利申请中所公开的，可以通过添加用于使电池内的氧和氢再化合的催化剂来做出对VRLA电池的重大改进，将该申请通过引用合并于此。把催化剂添加到VRLA电池中的最佳方法是把催化剂与减压阀(有时称作减压孔或减压孔帽)结合，这提供了翻新现有电池以及为新电池加入催化剂的方便的装置。在美国专利申请09/022336中公开了一种供减压阀使用的新型催化剂装置。在催化剂的添加提供了VRLA电池性能和寿命的重大改进的同时，对催化剂本身、尤其是连同支撑或放置催化剂的结构和装置的另外改进，被认为对于获得催化剂的全部好处是必要的。
VRLA蓄电池组单元电池中高的充气率是由诸如热逸散、误动作的电力整流器、升压充电、在不正常的高电压变化率下充电以及本领域中众所周知的其他原因这类条件导致的。在铅酸蓄电池组单元电池中，由于水的电解而产生氧气和氢气。如果把催化剂装入正高速产生气体的单元电池内，催化剂将在高放热反应中催化氧和氢生成水。由此得到的焓能产生足以熔化许多常用的构成电池盖、电瓶壳或排气孔帽部件的塑料的热。这种高反应温度还可能限制可用于放置活性催化物质的材料。
如上述引用的申请号为09/022336的美国专利申请中所描述的催化剂装置，采用多孔性陶瓷管壳来容纳催化活性物质。这种多孔管壳允许气体进入容器内和水蒸汽从容器出来，并且如果由于气体点火引起火焰的话，防止火焰从容器内通到容器外。作为放热反应的结果，达到的温度主要由电池产生的气体量来控制。在VRLA电池正常工作时，反应温度一般不超过环境温度5°至10。但是，在高放气率的情况下，高于正常的温度可能发生，这会导致支撑催化剂管壳的、构成排气孔帽或者构成电池电瓶或电池盖的塑料熔化。高温还会使位于这些VRLA电池的排气孔帽中的放压阀变形。变形的放压阀将改变电池的工作特性。必须避免高到足以熔化用于组成电池的塑料的温度。
所发现的破坏铅酸电池的另一个问题是催化剂中毒。贵金属催化剂，诸如钯和铂，易于受许多能限制或消除催化剂效果的化学物质影响而中毒。可以在蓄电池组单元电池中产生或发现催化毒物。VRLA蓄电池是由可能排出使催化剂中毒的气体化合物的材料构成。这种毒物包括如用作聚氯乙烯(PVC)蓄电池壳和盖中增塑剂的phalates的有机化合物，以及其基本化学物质可作为电池极板中杂质存在并作为极板锈蚀排出的诸如硫化物、硫醇(mercaptins)、胺、锑化氢和磷酸盐的无机化合物。胺和mercaptins广泛地用作被许多厂商用在电池制造中的多元(multi-part)环氧树脂中的固化剂。还认为高电流密度的局部区域可能导致在电池内形成硫化氢。硫化氢也可作为收集极板中在电池寿命早期释放的硫化物(sulfur species)的干充电过程的副产品。人们认为诸如上述那些具有(-2)价电荷的化合物能结合催化剂激活点使催化剂变得无效。所述催化剂也可能受诸如覆盖在催化剂衬底上然后凝固在它上面的诸如phalates的大链分子毒化，产生阻止气体到达催化反应点的障碍物。硫化氢，SOx类以及其他硫化物也会毒化贵金属催化剂。
人们还认为更简单和更低成本的催化剂装置是需要的。
因此，本发明的一个目的是限制催化反应的温度。
本发明的另一个目的是防止催化剂中毒。
还有一个目的是降低催化剂装置的制造成本。
发明内容
按照本发明第一方面，一种用于使阀调节铅酸(VRLA)蓄电池内气体化合的装置，其特征在于，该蓄电池具有用于使气体从蓄电池单元电池中放出并防止来自所述蓄电池单元电池外部的氧气接触所述蓄电池单元电池中的负电极的减压阀，该装置包括：
具有容器壁并且限定内部小室的催化剂容器；
设置在所述小室内的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；
具有所述氧气与氢气可以通过其在所述内部小室和所述容器的外部之间流通的微孔的微孔部分；和
设置成至少消除所述氧气和氢气中催化剂毒物的一部分的催化剂毒物过滤器，所述毒物过滤器包括一种包含活性炭的材料。
可以选择微孔尺寸和展开的表面面积以便通过控制在任何给定时间能穿过并到达催化剂的气体量来控制催化反应温度。
所述容器最好是由无孔塑料制成的，并且具有到小室的开口。将开口密封的是形成微孔构件的微孔部分。这里过滤材料理想地是设置在小室中在催化剂与微孔构件之间。这迫使通过微孔构件进入小室的气体在到达催化剂以前首先穿过过滤器，由此使过滤器的效果最大。这种设计给出把毒物过滤器和温度控制合并成容易制造、成本低且对电池设计本身安全的一个实施例。它根据可通过限制与催化剂接触的氧和氢气的量来控制催化剂的反应热的原理工作。这种控制是通过选择适当的微孔尺寸、展开的和平面的表面面积、和/或氢和氧进入装有催化剂的容器所经过区域的壁厚度来实现的。这个区域是由多孔高温耐酸塑料制成的，后者本身具有憎水性，带有小得足以不允许氢火焰锋穿过(抗火焰保护)的微孔。然后氢气和氧气会穿过滤层，在它们接触到活性材料之前滤层会除去任何催化剂毒物。
按照本发明第二方面，一种与阀调节铅酸(VRLA)蓄电池配合使用的装置，其特征在于，所述电池具有限定蓄电池内部和外部环境的密封外壳，所述电池具有在防止来自所述外部环境的氧气接触所述外壳中的负电极的同时，使过量气体可从所述密封外壳中放出的减压阀，所述装置能够将氧气和氢气从蓄电池的内部环境化合；所述装置包括：具有内部小室和通向所述小室的开口的催化剂容器，所述容器基本上是无孔的；设置在所述容器内的催化剂，所述催化剂能使氧气和氢气起反应以生成水蒸汽；设置在所述小室内的催化剂毒物过滤器；安排来密封所述开口的微孔疏水性构件，所述微孔构件具有允许气体从那里穿过同时阻挡液体的适当尺寸的微孔；和所述容器被设置为使得当所述装置与所述蓄电池配合时，所述催化剂与所述电池的所述内部环境进行气体传递。
按照本发明第三方面，一种阀调节铅酸(VRLA)蓄电池，它包括：
限定所述电池的内部环境的密封的外壳；
位于所述外壳中的正电极；
位于所述外壳中与所述正电极隔开的负电极；
在所述外壳中与所述正电极和所述负电极接触的电解液；
在所述外壳内、在其中汇集氧气和氢气的气体空间；
使气体可以从外壳中放出并且避免来自外壳外部的氧气进入内部环境，从而接触所述负电极的减压阀；
安排成与在所述气体空间中的所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂装置，所述催化剂装置包括具有容器壁且限定内部小室的容器，所述催化剂装置还包括设置在所述内部小室内，与所述电池的所述内部环境进行气体传递的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；以及
设置成与所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂毒物过滤器。
按照本发明第四方面，一种与阀调节铅酸(VRLA)蓄电池配合使用的装置，其特征在于，所述电池具有限定蓄电池内部和外部环境的密封外壳，所述电池具有用于在防止来自所述外部环境的氧气接触所述外壳中的负电极的同时，使过量气体可从所述密封外壳中放出的减压阀，所述装置能够将氧和氢从蓄电池的内部环境化合；所述装置包括：
具有容器壁并且限定内部小室的催化剂容器；
设置在所述内部小室内的催化剂，所述催化剂能够使氧气和氢气反应而生成水蒸气；
微孔部分，其具有可供所述氧气和氢气从所述容器的外部进入所述内部小室的微孔；其中，在所述的微孔部分的微孔尺寸、平面表面积或厚度中选择至少一项，以控制可进入所述内部小室的所述氧气和氢气的数量或速率，从而控制由所述氧气和氢气的催化性化合而产生的热量；以及
所述催化剂容器被设置为使得当所述装置与所述蓄电池配合时，所述催化剂与所述电池的所述内部环境进行气体传递。
按照本发明第五方面，一种阀调节铅酸(VRLA)蓄电池，它包括：限定蓄电池单元电池的内部环境的密封的外壳；位于所述外壳中的正电极；位于所述外壳中与所述正电极隔开的负电极；在所述外壳中与所述正电极和所述负电极接触的电解液；在所述外壳内、在其中汇集氧气和氢气的气体空间；使气体可以从外壳中放出，并且避免来自外壳外部的氧气进入内部环境的减压阀；设置成与在所述气体空间中的所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂装置，所述装置包括具有容器壁且限定内部小室的容器，所述催化剂装置具有配置在所述小室中，与所述电池的所述内部环境进行气体传递的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；所述催化剂装置具有微孔部分，其具有可供所述氧气和氢气从所述容器的外部进入所述内部小室的微孔，其中在所述的微孔部分的微孔尺寸、平面表面积或厚度中选择至少一项，以控制可进入所述内部小室的所述氧气和氢气的数量或速率，从而控制由所述氧气和氢气的催化性化合而产生的热量。
还提供了本发明的其他实施例，诸如把微孔部分设置在容器壁中。
附图说明
图1是按照本发明的具有凸缘的装置的横剖视图；
图1A是图1的装置的分解图；
图1B是装上减压阀的图1的装置的透视图；
图2是由夹具固定减压阀的无凸缘的催化剂装置的透视图；
图2A是图2的夹具的透视图；
图2B是图2的催化剂装置的透视图；
图3是显示安装在减压阀孔开口中的1比4放大的本发明实施例的顶部的单块型蓄电池组单元电池的减压阀孔夹持器的顶部透视图；
图3A是图3的1比4放大的装置的分解图；
图4是催化剂装置的另一个实施例的正视图；
图5是本发明的另一个实施例的横剖视图；
图6是本发明的又一个实施例的横剖视图；
图7是本发明的另一个实施例的横剖视图；
图8是按照本发明的VRLA蓄电池组单元电池的示意图。
具体实施方式
参照图1、1A和1B，催化剂装置10设置成用于安装在VRLA蓄电池组单元电池一起使用的那类减压阀12上(图1B)。装置10具有圆柱形容器14并且被固定在整体凸缘16上。容器14具有限定内部小室22的壁18。容器14的上端开口22允许进入到小室20内，如下所述。容器14最好是由耐硫酸的并且适合于蓄电池组单元电池的内部环境高温塑料制成的。本实施例的容器的材料还应该不能透过液体和气体，以便气体只能通过开口20进入小室22内。最佳材料是由Dow Chemical制造的Questra。
凸缘16与容器14是一个整体并且被构造成适合于特定的减压阀12。对于其他制造商的减压阀，通过改变模芯连同容器14所用的模具容易提供为特定的孔专门配置的凸缘。这里，凸缘如所示设置成锁扣住减压阀12，图1B中的凸缘具有用于容纳孔12的锁紧销24a的孔24。可以使用不同于搭锁型连接的其他连接方式。例如，销24a可以为非锁紧型销，它插入凸缘的孔24中，然后例如通过热铆接或超声波装置将销24a的末端融化以把容器14固定在减压阀12上。
小室22包含用于使氧气和氢气化合的催化剂26。可以用诸如钯和铂的贵金属催化剂，对于所说明的实施例，活性碳衬底上的浸渍千分之五钯的催化剂26是最佳的。当然，如图中所示的代表催化剂26的均匀的球体是为了说明能够以诸如颗粒或细粉的许多种形式提供催化剂。
位于催化剂26和小室开口20之间的，是用于消除对催化剂有害的化合物的毒物过滤器28。对于在VRLA电池中发现的这类毒物适用的过滤材料包括活性碳、碳酸钾(K2CO3)、金属(如镍、钌、铜)以及金属盐。多种过滤材料的组合是最好的，因为一些过滤材料对于某种特定的毒物具有更高的亲和力或更有特效。在所示实施例中，325个筛孔的、以20％的K2CO3浸渍的活性碳的多层滤层是最佳的。
对于碱性毒物，可以通过用1/10摩尔HCL(盐酸)浸泡然后在180°F温度下烘干24小时来处理过滤材料以制造具有与碱性毒物反应的强亲合力的酸性过滤器。对于酸性毒物，可以通过用5％碳酸氢钠水溶液浸泡然后在180温度下烘干24小时来处理过滤材料以制造具有与酸性毒物反应的强亲合力的碱性过滤器。
装置10具有微孔部分30，通过它，气体和蒸汽能够在小室22与装置10外部的环境(蓄电池组单元电池的内部环境)之间流通。在本实施例中，微孔部分30采用固定在容器14中的台肩32上、如图所示盖在开口20上的盘形微孔构件30a的形式。微孔盘构件30a被热封或者被超声波焊接在适当的位置，参见倾斜边34，在那里作为焊接或热铆接过程的一部分把容器熔化。微孔构件30是由多孔材料，最好是塑料，如PVDF(聚偏氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)或者聚丙烯制成的，并且最好对电池中的水和电解液(铅酸电池中的硫酸)有疏水性。孔的尺寸是这样的，使得气体或水蒸汽可通过，但液体不能通过。类似地，微孔部分30应该具有小到足以使氢气焰锋不能穿过的孔尺寸。当微孔构件30a被密封在开口10中适当的位置时，催化剂26被完全密封在小室22内，使得气体或蒸汽仅能通过穿过微孔部分30(盘30a)的小孔在小室22与装置10外部的环境之间流通。
在催化剂26与微孔盘构件30a之间设置过滤器28的好处是显而易见的。可能含有对催化剂有害的化合物的进入小室22的气体，只有穿过过滤器28之后才能接触催化剂。有可能在小室22内设置催化剂与过滤器的混合体而不是所示的分层的各层。但是，一些毒物对于催化剂比起过滤材料有更强的亲合性，因此，当过滤材料和催化剂彼此接近时，可能会去毒害催化剂而不是到达过滤器。所示实施例通过迫使毒物先通过过滤器避免了这个问题。
本发明还使得有可能通过限制接触催化剂26的氧和氢气的量来控制催化剂中的反应热。如以上所讨论的，在微孔部分30中的微孔尺寸这样选择使得仅有气体或蒸汽能够通过，并且还起到防火屏障的作用。另外，选择最终选定的微孔尺寸、连同其他变量、如微孔构件30a的平面表面面积和厚度以控制可穿入小室22内、随后与催化剂26接触的气体的量或速率。这种接触决定了把氧和氢气化合成水的催化作用所产生的反应热。众所周知起到温度控制方法的作用的微孔尺寸是，但不限于，1至40微米。也可用微孔构件30厚度的变化连同选择微孔尺寸来控制温度。
在图1、1A和1B所示的实施例中，最佳结构有圆柱形的具有大约0.35立方英寸容积(0.45英寸内径)的小室22。催化剂26的体积(在活性碳衬底上的1/2％的钯)大约为0.12立方英寸；过滤材料28(用20％的K2CO3浸渍的325筛孔活性碳)的体积大约为0.23立方英寸。催化剂26和过滤材料28完全填满小室22，并且由微孔盘30a紧紧地固定在小室内，使得甚至在摇动装置10时也有最小的材料移动和混合。可以看到，本实施例具有按体积计1/3的催化剂比2/3的过滤材料的比例。
盘形微孔构件30是由PTFE构成的，厚为1/8英寸，直径为1/2英寸，并且具有25微米的微孔尺寸。这种结构提供了这样的装置10，其额定值约为1安培法拉第：在标准温度和压力下11-12毫升/分钟的2份氢和1份氧传到催化剂，并且在这些条件下产生在120至140的范围内的温度。
除了提供温度和毒物控制之外，本发明还提供了比以前的设计更简单的设计。一种以前的设计使用提供防火保护并且被疏水PTFE薄膜包裹在外部以防止内部的催化剂受潮的多孔性陶瓷小室。所述PTFE薄膜具有使氢气、氧气和气态的水可以穿过但是不让任何液体接触催化剂的特殊气孔。本发明使用固有地是疏水、防火并且是微孔的技术，而消除了对薄膜和陶瓷小室的需要同时都具有同样功能的技术(微孔部分30)。这导致更简单和更低成本的设计。
本发明还适用于不同厂商的许多不同的蓄电池单元电池和减压阀。如前面所讨论的，形成凸缘16以专门装配图1B中所示的减压阀12。可以把基本容器标准化并且使用设计成接纳模芯的模具来生产，以便产生构造成配合其他厂商制造的减压阀的凸缘。如果愿意，不需要加上凸缘，通过某些其他方式让容器保持在减压阀中。例如，在图2B中示出具有类似图1中所示的圆柱形容器14但没有凸缘16的装置10。如图2中所示，通过夹具36，在这里是如图2A中所示的笼式夹具，把无凸缘装置10固定在另一厂商的减压阀12上。笼式夹具本身具有用于固定在压孔12上的凸缘38，把减压阀12的柱24b插入孔38中并且将其熔化以便把插入夹具36的带有催化剂装置10的笼固定在减压阀12上。
对于一些电池设计，不可能把催化剂装置安装在减压阀上。图3中所示为用于具有其中装配有放压阀的孔夹持器42的单块型蓄电池单元电池的电瓶壳盖40的俯视图。这个具体实例的孔夹持器具有约为6毫米直径的开口44，以及在开口44周围的四个凹槽46。其他厂商的其他孔夹持器可能具有不同直径的开口44。在图3A中所示的是用于安装在孔夹持器42的开口44中的、具有不大于孔开口(在此实例中约6毫米)的直径(宽度)的更小型的催化剂装置10。容器14具有无孔壁18和进入小室22内的开口20。在小室22中是催化剂层26、过滤器层28，它们都被形成小微孔盘构件30a的微孔部分30密封而与蓄电池组单元电池的环境隔离。整体地连接至容器14的两个接头片48从容器伸出以装入夹持器42的凹槽46中，并且当把装置10装入图3中所示的开口44中时将装置10固定就位。
图3和3A中所示的结构额定值在大约1/4安培，小室22具有约0.02立方英寸的体积、其1/3至1/2被催化剂26填充，用过滤材料28填充其余部分。微孔盘构件30a是大约0.02平方英寸的表面面积、1/8英寸厚和25微米微孔尺寸的PTFE盘，所述微孔尺寸使在标准温度和压力下穿过催化剂的2份氢和1份氧可达到3-6毫升/分钟。
另一部分是简单地将催化剂装置10放入蓄电池组单元电池。在图4中示出适合于这样做的结构。这里催化剂装置10具有和一组支柱50一起形成的类似于图1的容器14，这些支柱50伸到具有微孔盘构件30a的容器的顶端51以上，使得无论催化剂装置10怎样连接在蓄电池中，微孔盘构件30a将不会恰好抵着可能阻碍气体流动的任何物体。
对于凝胶型VRLA电池，在电池内的喷溅作用(spitting action)可能将胶体覆盖在微孔盘构件30a上并且阻止气体接触催化剂，这要视催化剂装置10是如何放置的而定。可装上屏蔽作为分离件或者可能是模制容器本身的一部分来保护多孔疏水性盘和催化活性材料免于喷溅二氧化硅或硅胶。对于诸如AGM和电解质溶液电池的非胶体电池，这应该不是问题。
可以使催化剂管壳组件具有自关闭方式。如果反应热达到用于容纳活性材料的塑胶的熔化温度，它将熔化并且实际上覆盖活性材料。这种活性材料的实际覆盖将会阻塞贵金属活化点，造成催化剂失效和关闭所述反应。
从通过限制反应温度的观点来看可以看出使催化剂的使用更安全，甚至在电池处于高放气的情况下诸如升压充电或在电池失效模式下，这种设计的催化剂决不可能损坏电池。如果电池产生比催化剂预定再化合的更多的气体，则催化剂设计成将过多的气体分流。这种反应限制是由具有预定的气流率限制的多孔部分30来控制的。
因而，本发明可以被直接安装到低温塑料上，诸如聚丙烯、ABS和常用于蓄电池中的其他材料。可直接把这种催化剂安装在孔帽中或蓄电池的其他部件中。
现在参考图5的装置10描述本发明的另一个备选实施例。与前面的实施例不同，这里，多孔部分30是在容器壁18中。装置10具有圆柱形容器14，后者具有容器壁18并且形成小室22。开口20提供用于添加催化剂26的到小室的通道。把多孔部分30设置在容器14的壁18的至少一部分中，这里整个壁结构18是多孔的。容器14是由多孔塑料如PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚四氟乙烯、或聚丙烯制成的。用无孔塞52密封开口20使得气体或蒸汽仅可穿过壁18中的孔。类似上面讨论的实施例，选择多孔部分、这里是壁18的微孔尺寸以让气体通过、而不让液体通过、并且防止焰烽穿过。在这些参数中，可改变微孔尺寸以控制可穿过小室壁并且随后接触催化活性物质的气体量，即温度控制。用于温度控制的微孔尺寸最好是在1至40微米之间。也可以改变容器的壁厚连同微孔尺寸和容器的表面面积来控制温度。
无孔塞52最好是由本身不会排出催化剂毒物并且适合于蓄电池组单元电池内环境的环氧树脂制成的。这种材料包括基于丙烯酸的化合物，如15秒内被紫外线固化的Loctite材料3345，或者基于硅的化合物，如30秒内被紫外线部分固化、随后被二次湿气固化(moisture cure)的Loctite材料5091。当第一次灌注所述无孔塞时，玻璃纤维材料的填充起到催化剂26与塞52之间的屏障的作用。
热质材料54可以增加或不增加具有温控尺寸的微孔以帮助控制温度。如图4中看到的，催化剂26与可由陶瓷材料或塑料(例如聚丙烯、丙烯酸纤维)或金属(例如铝、紫铜、黄铜)的粉末构成的热质材料54混合在一起。普遍认为，粉状材料的尺寸应该小于或等于催化剂材料的尺寸，并且是大约2份热质材料对1份催化剂材料。这种设计被认为是通过提高小室的热质量，换言之，通过把反应热扩散到更大的质量上来起作用。
还可以把催化剂毒物过滤材料28加在图5中所示类型的装置10上。一种可能性是把过滤材料直接加在容器14的塑胶材料上。可把过滤材料28如活性碳在模制过程中浸渍到容器14的塑料中。做这件事的一种方式是把塑料与过滤材料28的粉末混合，然后把混合物模制以形成容器14。还加上所需尺寸的孔。一个实例是80％的PVDF和20％的具有K2CO3的活性碳混合。但是，过滤材料的添加可能减小容器的疏水性。如果想提高疏水性，可以加上如申请号为09/022336的美国专利申请中公开的包裹在容器14上的多孔PTFE薄膜。
另一种可能性(图5中未示出)是在小室22中混合过滤材料28与催化剂26。但是，如上所讨论的，这里没有迫使毒物首先通过过滤器，对催化剂具有高亲和力的毒物还可能毒化催化剂。
图6中所示为在多孔陶瓷型容器上增加毒物控制的方法。这里把K2CO3的过滤材料28涂敷在容器14的外侧。把陶瓷容器浸渍在溶解的过滤材料的水溶液中，然后将其烘干以留下过滤材料的涂层。然后把陶瓷容器包裹在起到微孔部分30的作用的多孔PTFE薄膜56中。也可以使用可溶于其他溶剂的过滤材料。
图7中所示是通过包裹物把过滤材料加在任何类型的容器上的方法。在容器14装入催化剂26和封住了开口20之后，浸渍了过滤材料的薄膜58包裹在容器14的外部。可把这种薄膜层压在多孔PTFE薄膜的背后，或者作为单独的薄膜安装，其上面需要单独的多孔PTFE薄膜包裹物56。
可以看出提供了一种具有优势的、可以比已知装置更简单和更低成本地生产的催化剂装置。而且，可包括毒物和温度控制功能。本发明还考虑到催化剂组件设计中的更大灵活性以便适应大量电池设计。例如，塑料容器，无论有没有孔，具有这样的优点：使甚至在不需要毒物和温度控制的实施例中，可以添加凸缘以用于轻易地安装到减压阀，并且由此取消对夹具如笼式夹具的需要。而且，可以为具体厂商的减压阀构造凸缘。
可通过其本身安装在减压阀上、或者一些放置催化剂的其他装置与蓄电池组单元电池内的气体接触、来把催化剂装置加在蓄电池组单元电池上。在图8中简单地示出VRLA电池60，它有密封的外壳62、具有活性材料的正电极64、具有活性材料并且与所述正电极隔开的负电极66以及与正电极和负电极(通常以板的形式)接触的电解液。可把电解液装在分隔装置中使得在电池内没有“自由”电解液。VRLA电池一般是在连续基础上长时间地例如超过五年被充电。这里所用的与电池充电有关的词“连续”是用来指电流的不间断流动以及电流的脉动流动，例如脉冲电流。一般是在具有略超过电池的、例如一般约2.15伏的开路电压值的值的电压下对VRLA电池充电的。短语“略超过”指在有电流的脉动流动的应用中不超过电池开路电压以上约0.3伏。在充电过程中电流的流动不间断的应用中，最好充电电压具有不大于电池的开路电压以上0.2伏的值。如上所讨论的，把催化剂装置10理想地安装在VRLA电池的减压阀12上，后者位于氧气和氢气汇集的外壳内的气体空间68中。减压阀12使过量气体可从密封外壳中放出并且最好是消除。因而，催化剂装置与减压阀12的结合使得在确保催化剂装置与用于再化合的气体接触的同时催化剂装置是可拆卸的。
所述VRLA电池60的减压阀12是一种单向阀门，只允许气体从电池中流出，以便防止电池过加压，同时防止气体从外部或电池的外部环境进入，因此，催化剂装置10中的催化剂16与VRLA电池60的内部环境进行气体传递，同时隔绝蓄电池单元电池以外的外部环境。
用于为VRLA电池的催化剂定尺寸的参数和考虑事项
普遍认为，在90在标准VRLA浮充充电电压下，标准AGMVRLA电池发出100毫升/天/100安小时(Ah)的氧氢混合物。还认为，在90下，带有催化剂的类似的AGM VRLA电池发出20毫升/天/100安小时的纯氢(由于正极板腐蚀)。这类放气数据表明，催化剂必须再化合80毫升/天/100安小时以保持VRLA蓄电池的负极板完全充电。
最小待化合的气体量：现有生产的最大AGM VRLA电池是1600安小时。法拉弟定律表明，用于将水分解成化学计量的氢和氧的1安培电流将产生在STP(标准温度压强)下11.3毫升/分钟的2H2-1O2。因而，在90°F在浮充充电的1600安小时的AGM VRLA电池中，催化剂必须再化合最多0.079安培的气体。(1600安小时/100安小时)*(80毫升/天/100安小时)/((11.3毫升/分)*(60分/小时)*(24小时/天))。
根据Arhennius方程由VRLA电池产生的气体量随电池工作温度而变。这个方程表明，温度每变化10℃由催化剂再化合的气体体积将会增大或减小约2倍。(温度升高10℃将使需要再化合的气体量变为原来的二倍(80毫升/天/100安小时@32℃＝160毫升/天/100安小时@42℃))。
VRLA电池厂商建议VRLA电池工作在77的温度控制环境中，90用于测试，并且以上数据计算表示最大再化合条件。
生热：氧和氢的再化合成水的反应将产生275BTU/ft3的热(1BTU＝252卡)。(1ft3的化学计量的氧-氢＝标准温度压强下的28310毫升气体)。因而对于每11.3毫升/分(1安培)的化学计量的氧氢，催化剂产生0.073BTU/分的热量。
最高稳态工作温度：这0.073Btu/分/安的热从催化剂通过热流释放(传导、对流、辐射)的组合分散到环境中。1安催化剂装置10的微孔盘是特殊设计的(通过指定微孔尺寸、表面面积、厚度等)以使11-12毫升/分的化学计量的氧氢气体可以进入催化剂小室并且使由此产生的水蒸汽可以散发到小室外。这种指定的气流率产生上述的0.073BTU/分/安的热，由催化剂把这些热分散到其周围的环境中，产生在催化剂小室的外表面测量到的120-140的稳态工作温度。
对于0.25安的催化剂装置10，有类似的生热与工作温度的关系。0.25安的催化剂装置的几何参数使3至6毫升之间的化学计量的氧氢可以进入催化剂，同时，所产生的水蒸汽从其中出来。这个数量的氧氢的再化合产生0.018至0.037BTU/分的热。所述热量产生在0.25安催化剂小室的外表面测量到的100-120的稳态工作温度。
由催化反应产生的焓是通过微孔膜的化学计量的氧氢气流率、可以用来与可获得的气体起反应的催化材料的量以及在催化剂小室内的催化材料的填充密度的函数。
通过微孔膜的气流率是膜的微孔尺寸、孔隙度和垂直于气流的表面面积的函数，并且是膜厚度(定义为垂直于气流的膜的长度)的反函数。
用于这种应用场合的适当地选择尺寸的微孔膜的实例是最佳实施例，后者采用具有垂直于气流的0.196平方英寸的表面面积、25微米的微孔尺寸、15％的孔隙度和0.125英寸的垂直于气流的厚度的微孔PTFE盘。这种尺寸的盘把化学计量的氧氢气流限制在10-15毫升/分，后者把催化剂实施例产生的焓限制在0.064BTU/分-0.090BTU/分。
关于过滤材料，过滤器可能具有吸收毒物的限定容量的有限寿命。因而在电池的使用期限内，可能需要更换过滤器或带有过滤器的容器。
应该明白，上面确定的配置仅是对代表本发明的应用的许多可能的特定实施例的说明。只要不背离本发明的精神和范围，按照本发明的原理可以容易地设计大量的各种其他方案。

Claims (31)

1.一种用于使阀调节铅酸(VRLA)蓄电池内气体化合的装置，其特征在于，该蓄电池具有允许气体从蓄电池单元电池中放出并防止来自所述蓄电池单元电池外部的氧气接触所述蓄电池单元电池中的负电极的减压阀，该装置包括：
具有容器壁并且限定内部小室的催化剂容器；
设置在所述小室内的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；
具有所述氧气与氢气可以通过其在所述内部小室和所述容器的外部之间流通的微孔的微孔部分；和
设置成至少消除所述氧气和氢气中催化剂毒物的一部分的催化剂毒物过滤器，所述毒物过滤器包括一种包含活性炭的材料。
2.权利要求1的装置，其特征在于：所述微孔部分设置在所述容器壁的至少一部分中。
3.权利要求2的装置，其特征在于：所述容器包括塑胶材料。
4.权利要求3的装置，其特征在于：所述微孔部分的所述微孔的尺寸在0.1至400微米范围内。
5.权利要求3的装置，其特征在于：所述毒物过滤器包括浸渍在所述塑胶材料中的材料。
6.权利要求1的装置，其特征在于：所述过滤器设置在所述小室内。
7.权利要求6的装置，其特征在于：所述过滤器设置在与所述催化剂相邻的层中。
8.权利要求1的装置，其特征在于：所述容器基本上是无孔的并且具有通向所述小室的开口，并且其中所述微孔部分包括微孔疏水性构件，所述构件安排来密封所述开口并且具有其尺寸使气体可以穿过那里到达所述小室的微孔。
9.权利要求1的装置，其特征在于：所述催化剂毒物过滤器包括碳酸钾。
10.权利要求1的装置，其特征在于：所述容器是由塑胶材料制成的并且固定在能安装到减压阀的凸缘上。
11.一种与阀调节铅酸(VRLA)蓄电池配合使用的装置，其特征在于，所述蓄电池具有限定蓄电池内部和外部环境的密封外壳，所述蓄电池具有用于在防止氧气接触所述外壳中的负电极的同时，使过量气体可从所述密封外壳中放出的减压阀，所述装置能够将从蓄电池的内部环境来的氧气和氢气化合；所述装置包括：
具有内部小室和通向所述小室的开口的催化剂容器，所述容器基本上是无孔的；
设置在所述小室内的催化剂，所述催化剂能使氧气和氢气起反应以生成水蒸汽；
设置在所述小室内的催化剂毒物过滤器；
安排来密封所述开口的微孔疏水性构件，所述微孔疏水性构件具有允许气体从那里穿过同时阻挡液体的适当尺寸的微孔；和
所述容器被设置为使得当所述装置与所述蓄电池配合时，所述催化剂与所述电池的所述内部环境进行气体传递。
12.权利要求11的装置，其特征在于：所述过滤器设置在所述催化剂与所述微孔构件之间。
13.权利要求11的装置，其特征在于：所述容器包括塑胶材料。
14.权利要求11的装置，其特征在于：所述微孔构件包括塑胶材料。
15.权利要求11的装置，其特征在于：所述容器是圆柱形的，具有不多于一个的所述开口，并且包括塑胶材料，其中所述微孔构件包括塑胶材料。
16.权利要求11的装置，其特征在于，所述容器安装在所述减压阀上。
17.权利要求11的装置，其特征在于：所述容器是由塑胶材料制成的并且固定在能安装到减压阀的凸缘上。
18.权利要求16的装置，其特征在于：所述容器被支撑在安装在所述减压阀上的夹具中。
19.权利要求11的装置，其特征在于还包括至少一个从所述容器伸出的接头片，所述接头片能与在所述外壳的减压阀夹持器中的互补的凹槽啮合，以便当将所述催化剂容器安装在所述蓄电池中时，将所述催化剂容器固定就位。
20.权利要求16的装置，其特征在于：所述外壳是卡接在所述减压阀上的。
21.一种阀调节铅酸(VRLA)蓄电池，它包括：
限定所述电池的内部环境的密封的外壳；
位于所述外壳中的正电极；
位于所述外壳中与所述正电极隔开的负电极；
在所述外壳中与所述正电极和所述负电极接触的电解液；
在所述外壳内、在其中汇集氧气和氢气的气体空间；
使气体可以从外壳中放出并且避免来自外壳外部的氧气进入内部环境、接触所述负电极的减压阀；
安排成与在所述气体空间中的所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂装置，所述催化剂装置包括具有容器壁且限定内部小室的容器，所述催化剂装置还包括设置在所述内部小室内，与所述电池的所述内部环境进行气体传递的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；以及
设置成与所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂毒物过滤器。
22.权利要求21的阀调节铅酸蓄电池，其特征在于：所述催化剂装置还包括微孔部分，所述微孔部分是这样设置的，并且具有这样选择尺寸的微孔，使得所述氧气和所述氢气可以从所述气体空间流通到所述小室，所述微孔部分对于所述电解液是疏水的。
23.权利要求22的阀调节铅酸蓄电池，其特征在于：所述毒物过滤器设置在所述小室内，并且所述微孔疏水部分包括单片的塑胶材料。
24.一种与阀调节铅酸(VRLA)蓄电池(60)配合使用的装置(10)，其特征在于，所述蓄电池具有限定蓄电池内部和外部环境的密封外壳，所述蓄电池具有用于在防止氧气接触所述外壳中的负电极的同时，使过量气体可从所述密封外壳中放出的减压阀，所述装置能够将从蓄电池(60)的内部环境来的氧和氢化合；所述装置包括：
具有容器壁(18)并且限定内部小室(22)的催化剂容器(14)；
设置在所述内部小室(22)内的催化剂(26)，所述催化剂(26)能够使氧气和氢气反应而生成水蒸气；
微孔部分(30)，其具有的微孔，可供所述氧气和氢气从所述容器(14)的外部穿过微孔进入所述内部小室(22)；其中，在所述的微孔部分(30)的微孔尺寸、平面表面积或厚度中选择至少一项，以控制可进入所述内部小室(22)的所述氧气和氢气的数量或速率，从而控制由所述氧气和氢气的催化性化合而产生的热量；以及
所述催化剂容器被设置为使得当所述装置与所述蓄电池配合时，所述催化剂与所述电池的所述内部环境进行气体传递。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述微孔部分(30)设置在所述容器壁(18)的至少一部分中。
26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述容器(14)包括塑胶材料。
27.根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述微孔部分(30)具有其尺寸在1至40微米范围内的微孔。
28.根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述容器(14)基本上是无孔的并且具有通向所述内部小室的开口(20)，且其中所述微孔部分(30)包括微孔疏水性构件，所述微孔疏水性构件配置成密封所述开口并且具有其尺寸使气体可以穿过那里到达所述小室(22)的微孔。
29.根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述容器(14)是由塑胶材料制成的，并且固定在能安装到所述减压阀的凸缘(16)上。
30.一种阀调节铅酸(VRLA)蓄电池，它包括：
限定蓄电池单元电池的内部环境的密封的外壳；
位于所述外壳中的正电极；
位于所述外壳中与所述正电极隔开的负电极；
在所述外壳中与所述正电极和所述负电极接触的电解液；
在所述外壳内、在其中汇集氧气和氢气的气体空间；
使气体可以从外壳中放出，并且避免来自外壳外部的氧气进入内部环境的减压阀；
设置成与在所述气体空间中的所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂装置，所述装置包括具有容器壁且限定内部小室的容器，所述催化剂装置具有配置在所述小室中，与所述电池的所述内部环境进行气体传递的催化剂，所述催化剂能够使氧气与氢气反应而生成水蒸汽；所述催化剂装置具有微孔部分，其具有可供所述氧气和氢气从所述容器的外部进入所述内部小室的微孔，其中在所述的微孔部分的微孔尺寸、平面表面积或厚度中选择至少一项，以控制可进入所述内部小室的所述氧气和氢气的数量或速率，从而控制由所述氧气和氢气的催化性化合而产生的热量。
31.根据权利要求30所述的一种阀调节铅酸(VRLA)蓄电池，还包括设置在所述催化剂装置中，与所述氧气和氢气的至少一部分接触的催化剂毒物过滤器。
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