CN102265451A

CN102265451A - 具有流体消耗电池和流体管理器的装置

Info

Publication number: CN102265451A
Application number: CN2009801520706A
Authority: CN
Inventors: 理查德·A·朗甘; 小杰拉尔德·D·鲍德温; 迈克尔·J·布兰登二世; 马克·A·舒伯特
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-11-30
Also published as: JP2012513658A; EP2361447A4; EP2361447A2; US20110274997A1; WO2010075163A2; JP5552492B2; EP2361447B1; IL212754A0; WO2010075163A3; HK1157940A1

Abstract

一种电子装置，所具有的电池室在尺寸上适于承装一个或多个流体消耗电池。该装置包括可以处于电池室的盖子中的一个或多个流体入口。流体流量限制器被压缩在装置中的流体入口和流体消耗电池中的流体入口之间，以便流体从装置外面到电池的流体消耗电极的流速通过流体流量限制器的被压缩部分来控制。流体流量限制器可以包括泡沫材料。也可以在流体流量限制器的周界之处或附近设置密封部件；密封部件可以是流体流量限制器的更加高度压缩的部分或诸如O形环密封部件的分离部件。

Description

具有流体消耗电池和流体管理器的装置

技术领域

本发明主要涉及应用流体消耗电池的装置，尤其还涉及控制诸如空气的流体向具有流体消耗电极的电化学电池的流入。

背景技术

可以使用电化学单电池为多种便携式电子装置供电，电化学单电池使用来自单电池外部的诸如氧气和其它气体的流体作为活性材料产生电能，例如空气去极化、空气协助和燃料电池组单电池。例如，空气进入空气去极化或空气协助单电池，在该处空气可以用作正极活性材料或可以对正极活性材料再充电。氧还原电极促进氧气与单电池电解液的反应以及最后采用氧气对负极活性材料的氧化。在氧还原电极中促进氧气与电解液反应的材料经常被称为催化剂。然而，一些用在氧还原电极中的材料不是真正的催化剂，因为它们能够至少部分地被还原，尤其在相对高速放电的时段期间。

一种空气去极化单电池是锌/空气单电池。这种单电池用锌作为负极活性材料，并有含水碱性(例如KOH)电解液。可以用在锌/空气单电池中的氧化锰能够伴随着负极活性材料的氧化发生电化学还原，尤其当氧气扩散到空气电极中的速度不足时。这些氧化锰然后能够在较低速度放电或停止期间被氧气再次氧化。

空气协助单电池是包含可消耗的正极和负极活性材料及氧还原电极的混合电池。正极可以在相当长时间内保持高放电速率，但通过氧还原电极，氧气可在较低放电或非放电期间部分为正极再次充电，所以氧气用作总单电池放电容量的主要部分。这主要意味着，可以减少放入电池中的正极活性材料的量，而且可以增加负极活性材料的量来提高总电池容量。空气协助单电池的实例公开于通常指定为专利号为6,383,674和5,079,106的美国专利中。

已经提出了很多控制进入流体消耗电池的空气的量的方法。例如，使用阀门来控制空气的量，如那些公开于专利号为6,641,947的美国专利、申请公开号为2003/0186099的美国专利申请和申请公开号为2008/0085443的美国专利申请中。然而，一些传统阀门通常很难与电池一起使用，会要求相对复杂的电子器件和/或外界设备来操纵阀门，并且可能消耗来自电池的能量。另外地，传统的阀门通常提高了电池和/或装置的成本。

而且，在许多传统装置中，电池室用来承装一个或多个电池。然而，对一个或多个电池的诸如空气的流体的管理很难控制。为了控制流体进入电池中，可能需要提供整个电池室甚至整个装置的密封构件。这可能需要密封的电池室或装置壁，密封的电池室盖子和围绕电子或机械连接件的密封构件，这也会提高复杂性和装置的成本。

之前提到的方法通常很复杂、成本高，还会缩短电池的使用寿命。因此希望提供一种不需要来自电池的能量的空气管理器，该空气管理器允许廉价、可靠并且容易地控制在装置中使用的流体消耗电池的流体消耗电极的流体流入。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种装置，用来控制流体向由该装置所使用的流体消耗电池的流入。装置包括配置来承装至少一个具有流体消耗电极和第一流体入口的流体消耗电池的电池室。装置还包括设置在该装置的一部分中的第二流体入口。装置还包括设置在装置的壁和流体消耗电池之间的流体流量限制器，使流体从装置外面到流体消耗电极的流速通过流体流量限制器的被压缩部分来控制。

实施方案可以包括如下特征中的任何一个或任何组合：

●流体流量限制器包括泡沫材料；泡沫层可以包括一个或多个弹性泡沫材料；泡沫材料包括封闭的电池泡沫或敞开的电池泡沫；

●流体流量限制器在25％挠曲度下的坚度为0.0281到4218g/cm²。

●流量限制器包括多个组件；

●流量限制器包括多个层；单独的相邻的层可能互相粘结，或他们不互相粘结。

●流体流量限制器包括流体控制层和背衬层；在一个实施方案中，背衬层是可压缩的并有第一流体渗透率，流体控制层有第二流体渗透率，并且第一流体渗透率等于或大于第二流体渗透率；在一个实施方案中，流体控制层包括硅橡胶；

●装置包括一个盖子，流体流量限制器被压缩在盖子和所述至少一个流体消耗电池之间；

●第二流体入口形成于装置的并非盖子的壁中；

●流体流量限制器包括流体渗透通道，它从邻接于第二流体入口的流体流量限制器表面延伸到邻接于第一流体入口的流体流量限制器的表面；

●装置的壁包括向内的突起，并且流体限制器被压缩在突起的表面和所述至少一个流体消耗电池的表面之间，这样压缩在其间的流体流量限制器的流体渗透率小于流体渗透路径的流体渗透率。

●流体流量限制器包括在装置的壁和所述至少一个流体消耗电池之间的密封部件；在一些实施方案中，流体能够通过第二和第一流体入口流到流体消耗电极，基本防止流体流过密封部件；在一些实施方案中，密封部件包括环形密封部件；在一些实施方案中，流体流量限制器还包括从密封部件径向向内设置的部分，它压缩在第一和第二流体入口之间，同时流体渗透路径从邻接于第二流体入口的表面穿过被压缩的中心部分延伸到邻接于第一流体入口的相对表面。

●流体消耗电池有多个第一流体入口；

●装置有多个第二流体入口；

●所述至少一个流体消耗电池包括含有耗氧电极的空气消耗电池；并且

●所述至少一个流体消耗电池可更换地设置在装置中。

通过参照下文描述、权利要求书和附图，本发明的这些和其它的特征、优势和目标将被本领域的普通技术人员进一步理解和了解。

在此除非另行指定，所有公开的方法、特征、数值和范围在室温(约20-25℃)、环境大气压和相对湿度下确定。在数值既以标准国际单位显示又以非标准单位显示的情况下，标准国际单位与非标准单位进行等同换算。

附图说明

在图中：

图1是包含流体消耗电池的装置的立体图，其中电池室的盖子显示处于闭合位置；

图2是图1中显示的装置的立体图，其中，电池室的样子处于打开位置，该图显示了根据第一实施方案的附接到盖子的流体流量限制器；

图3是图1中所显示的装置的分解立体图，图示了电池、流体流量限制器和电池室盖子；

图4是图1中沿着线IV-IV截取的剖视图；

图5是根据第二实施方案的装置的局部立体图，该装置采用了附接到电池室盖子内部的流体流量限制器；

图6是图5所示的装置的经线VI-VI截取的剖视图；

图7是根据第三实施方案的装置的局部立体图，该图图示用于限制流入电池的电池室盖子的内表面上所设置的密封构件；

图8是图7中沿着线VIII-VIII截取的剖视图；

图9是为气体消耗电池设计空气管理系统的方法的流程图；

图10是储存在21℃和50％相对湿度下的PP355锌-空气单电池的作为存储时间的函数的极限电流的曲线图；

图11是储存在35℃和75％相对湿度下的PP355锌-空气单电池的作为存储时间的函数的极限电流的曲线图；

图12是储存在35℃和25％相对湿度下的PP355锌-空气单电池的作为存储时间的函数的极限电流的曲线图；

图13是总结极限电流测试结果的表，图10中的曲线图基于该表制作；

图14是总结极限电流测试结果的表，图11中的曲线图基于该表制作；

图15是总结极限电流测试结果的表，图12中的曲线图基于该表制作；以及

图16是单电池电流(以毫安为单位)作为三种泡沫流体流量限制器的百分比压缩率的函数的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方案包括含电化学单电池的电池，该电化学单电池将来自电池外部的流体(如氧气或另一种气体)用作用于其中一个电极的活性材料。单电池有流体消耗电极，如氧还原电极。单电池可以是空气去极化单电池、空气协助电池或燃料电池。电池也具有流体调节器，用于调节流体通过流体消耗电极(例如，空气去极化和空气协助电池中的空气电极)的速率，以提供来自电池外部的足量流体用于为单电池放电，尤其以高速或高能量进行，同时在低速或无放电期间，最小化流入流体消耗电极的流体的进入量和进出电池得失的水的增益或损失。

如在此所用，除非另行指定，术语“流体”是指在单电池产生电能过程中由流体消耗电池的流体消耗电极所消耗的流体。本发明在下文中例示带有氧还原电极的空气去极化单电池，但本发明更普遍使用在燃料电池中，燃料电池使用来自单电池外部的多种气体作为单电池两个电极的活性材料储存。

参照图1-8，根据多种实施方案，电气或电子发电装置10主要显示了应用流体消耗电池40和用于管理流体从电池40中流进和流出的空气管理器。根据一个实施方案，电子装置10可以是通常描述的远程控制装置。然而，可以理解的是，装置10可以是任何使用装置内流体消耗电池的电子装置，包括但不限于，助听器、音乐播放器、闪光灯、供电包和其它提供工作电能的装置。空气管理器控制诸如空气等的流体的流入和流出，在外部环境和流体消耗电池40之间流动，从而能够加强装置10的运行并延长电池40的寿命。

在示例性的实施方中，流体消耗电池40显示为空气去极化单电池，其使用形式为锌的金属活性材料作为负电极活性材料，并具有含水的碱性(例如，KOH)电解液。流体消耗电池40包括使用来自电池外部的流体(如氧气或另一种气体)作为其中一个电极的活性材料的电化学单电池。电池40具有流体消耗电极，如氧还原电极。根据多种实施方案，可以理解的是，流体消耗电池40可以包括空气去极化单电池、空气协助电池或燃料电池，并且电池可以如所示呈棱柱形或具有其它形状(如纽扣、圆柱和方形)，并且可配置为各种多种尺寸。

流体消耗电池40包括单电池外壳，它可包括第一外壳组件和第二外壳组件，如分别为罐子44和盖子48，也可以是有别于认为是罐子和盖子的形状或尺寸。为进行示例，下文中第一外壳组件被指定为罐子44，同时下文中第二外壳组件被指定为杯子48。例如，罐子44和杯子48都是由导电材料制成，但互相之间通过垫片46电绝缘。在一些实施方案中，罐子44作为流体消耗电池40的外部正极接触端子使用，而盖子48作为外部负极接触端子使用。电池40还包括：第一电极50，可以是正电极(即阴极)和流体消耗电极，在公开的实施方案中认为是空气电极；第二电极54，可以是负电极(即阳极)；和隔离件52，配置在第一和第二电极50和54之间。流体消耗电极50可以包括诸如氧化锰的催化剂材料、诸如碳或石墨的导电材料和诸如聚合物树脂的粘结剂。负极54包括诸如锌的金属和例如包含KOH或NaOH的含水碱性电解液。流体消耗第一电极50电耦接到罐子44，而第二电极54电耦接到盖子48。

罐子44主要包括其中设置一个或多个流体入口42的表面45，这样流体(如空气)可以流到单电池外壳的内部以致到达流体消耗电极50。在显示的实施案例中，罐子44有八(8)个设置在罐子44的上表面45中的流体入口42，然而，应该认识到，任意的具有多种大小和形状的多个流体入口42可以用来使流体通过空气管理器流到流体消耗电极50，空气管理器向流体消耗电极50提供受控的空气通路和分布。

装置10图解为含有带顶部、底部和侧壁的外壳12以及开口14，开口14通向形成于外壳12中的电池室16。电池室16包括开口14，开口14配置为其尺寸和形状适合承装一个或多个流体消耗电池40。应该认识到，尽管在此图示的是单个电池40，但是装置10可以使用一个或多个流体消耗电池40。装置10主要包括电连接件(未显示)，允许在每个流体消耗电池40和装置10内的电路之间形成电接触，这方面本领域的技术人员应该了解。电连接件可以包括设置在电池室中的用来与电池端部接触的导电触头，如罐子44的侧面和盖子48的顶部、流体流量限制器30的主外侧和因此提供的密封区域。

包含在外壳12中的有限定电池室16上方的顶表面的盖子或罩子18。盖子18可以由用户打开以允许通向电池室16，也可以被闭合以盖住电池室16和流体消耗电池40。为了确保盖子18闭合，盖子18可以包括锁定片22，该锁定片22接合在装置外壳12中的插槽24，以将盖子18保持处于闭合位置。当电池40需要移出和/或插入时，用户可以然后开动封锁片22脱离与插槽24的连接，并将盖子18到枢转至打开位置。

现在参照图1-4，根据第一实施方案，图解的装置10采用形式为流体流量限制器30的空气管理器。流体流量限制器30可以配置为紧靠盖子18的内表面。流体流量限制器30可以是有单层的单个组件，其中单层由流体可渗透且可压缩的材料制成，该材料可以控制在外部环境和电池40的流体入口42之间的流速。另外，当盖子18处于闭合位置以使流体在流体入口20和电池40上表面45之间做不到无限制流动时，流体流量限制器30可以提供紧靠流体消耗电池40上表面的流体密封。根据一个实施方案，由流体流量限制器30提供的密封可以允许诸如空气的流体从盖子中的流体入口20经过流体流量限制器30的厚度渗透到电池40的流体入口42，而同时防止未受限制的流体从流体流量限制器30的横向侧流动。根据另一实施方案，流体流量限制器30可以提供从流体入口20到流体入口42的有第一渗透速率的第一渗透路径，和来自流体流量限制器30的横向侧的处于第二渗透速率的第二渗透路径，从而使空气可以从侧面沿轴向传送，如果希望的话。在又一实施方案(未显示)中，流体入口20可以位于在盖子18和流体流量限制器30之间的界面外侧，如在电池室16的另一表面中，和/或在盖子18和开口14之间的缝隙可以作为流体入口发挥作用。在这个实施方案中，流体流量限制器30提供从流体流量限制器30的横向侧到流体入口42的渗透路径。流体流量限制器30可以用不同的方式配置，这样对于不同的装置具有不同的空气渗透速度。

流体流量限制器30可以通过粘附层32粘附在电池室16的表面(如盖子18)上。举例而言，粘附层32包括基于丙烯酸的粘结剂。通过将流体流量限制器30粘结到电池室16的内表面上，流体流量限制器30可以容易地与不同的电池一起使用，如不同的电池装入装置10或从装置10更换时。在一个实施方案中，粘结层32可以设置在流体流量限制器30上，使盖子18中的流体入口20不堵塞。根据其它的实施方案，粘结层32可以覆盖流体入口20，并可以选来用作流体渗透控制层，其具有期望的流体(如空气)渗透速率以调节流经其间的流体。在其它的实施方案中，流体流量控制材料可以粘结在电池室16的另一内表面上，或不设置粘结剂地设置在装置中。流体入口20可以位于盖子14中或电池室16的另一部分中，和/或盖子18和开口14之间的缝隙可以作为流体入口发挥作用。

如图2和3所示，流体流量限制器30可以具有类似于电池40上表面45的形状和尺寸，并且当盖子18闭合时，流体流量限制器30占用在盖子18和流体消耗电池40之间的空间体积，尤其是在流体入口20和流体入口42之间的区域内的空间体积。流体流量限制器30将从外部环境到流体消耗电池40的流体流动在受控的流体渗透速度下进行限制。流体流量限制器30基于压缩的流体流量限制器材料的流体渗透率来控制流体通路。当电池室16的盖子18闭合的时候，流体流量限制器30被压缩在盖子18内表面和流体消耗电池40的上表面45之间，从而紧靠电池40的表面45提供用于流体密封，这样通往罐子44中的流体入口42的流体被流体流量限制器30限制。

根据一个实施方案，流体流量限制器30包括可压缩的泡沫层，其允许流体消耗电池40和电池室16(包括盖子18)中的尺寸变化。流体流量限制器30可以包括泡沫材料，其为可压缩且空气限制的并且具有一个或多个层作为节流机制，流体流过该节流机制而到达装置10中的流体消耗电池40。流体流量限制器30还设置紧靠电池40表面45的可预测和再生的密封构件，并由于泡沫材料的弹性通过压缩保持流体密封构件。流体流量限制器30的紧靠流体消耗电池40的表面可以限制空气扩散，同时流体流量限制器30主体可以较少地限制空气扩散。主体材料的相对表面可以通过粘结剂可靠地固定在装置室壁上，如盖子18，或者可以使用其它合适的方式来固定流体流量限制器30。根据装置类型功能及其使用，可以改变用于流体流量限制器30的材料种类，并且可以改变密封要求。

流体流量限制器30可具有任意下文中所希望的性质。泡沫材料可以有开放或封闭的微孔泡沫结构，并且可选地一个或多个表面可以具有在主体泡沫上的外皮或可半渗透的辅助层。在一些实施方案中，泡沫材料可以包括带有快速恢复能力(低压缩设置/高恢复率)的弹性材料，以用于提供可密封的电池室16。例如，弹性体可以是弹性恢复的、交叉互连或硫化的弹性体。合适的弹性泡沫材料的例子包括如下材料中的一种或多种：聚氨酯弹性体、聚乙烯、聚氯丁二烯(聚丁橡胶)、聚丁二烯、氯代异丁烯异戊二烯橡胶、氯磺化聚乙烯、环氧氯丙烷、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、乙烯醋酸乙烯酯、氢化丁腈橡胶、聚异戊二烯、异戊二烯丁基橡胶(丁基)、丁二烯丙烯腈(如艾士达橡胶(Ashtabula Rubber)公司生产的BUNA-N^TM)、丁苯橡胶(如艾士达橡胶(Ashtabula Rubber)公司生产的BUNA-N^TM)、氟弹性体(杜邦生产的VITONand KALREZ

)、(聚)硅氧烷及它们的衍生物。

根据一个实施方案，泡沫型流体流量限制器30可以包括一侧上的泡沫层和粘结层32，粘附到电池室16的表面(例如盖子18)，或粘附到流体入口42位于其中的电池40的表面。很多种泡沫材料都是商业上可用的。一个例子是聚氨酯泡沫，例如McMaster Carr目录号：86375K161(罗杰斯公司生产的部件号为4701-60-20031-04)，它是两面带有外皮且一侧有粘结层32的敞开微孔聚氨酯泡沫的三边薄片。敞开微孔聚氨酯泡沫的另一个例子是McMaster Carr目录号：86375K132，它是两个表面带有外皮而没有粘结层的聚氨酯敞开微孔泡沫薄片。泡沫材料的另一个例子是聚乙烯泡沫，例如McMaster Carr目录号：8722K622，它是一侧带有外皮而没有粘结层的封闭微孔聚乙烯泡沫薄片。泡沫材料的又一个例子是乙烯醋酸乙烯酯泡沫，如McMaster Carr目录号：86095K41，它是没有外皮和粘结层的封闭微孔聚乙烯泡沫薄片。可以使用由其它材料制成的泡沫。当泡沫材料包括用于将流体流量限制器粘结到有流体入口的电池表面上或粘结到诸如盖子的电池室表面上的粘结层时，可去除的保护层可以覆盖粘合剂，直至流体流量限制器应用到单电池或电池室装置。

流体流量限制器材料优选为低潜变、抗氧化并且通过电池电解液和诸如湿度的环境条件来降解。材料可以形成薄片状，可以提供粘合剂衬垫，和/或材料可以批量购买，而其中所带的粘合剂容易应用到装置中。材料优选为在装置中至少-40℃到+90℃的温度范围内物理稳定。材料可以有在25％挠曲率(即当压缩到25％初始厚度的时候)下0.0281到7031g/cm²(0.4到100psi)范围内的坚度，优选为25％挠曲率下不高于4218g/cm²，更优选为25％挠曲率下不高于1758g/cm²，最优为25％挠曲率下不高于1055g/cm²。材料还应该包括合适的冲击强度、切变强度、拉扯限度和密度。材料可以有理想粗糙度的表面抛光；可以有对油、研磨料、眼泪、碰撞、天气、化学、电和火的抵抗性；并且可以有没有消极影响的可接受的湿度敏感度。

应该认识到，泡沫材料可以包括多层结构，如下文针对流体流量限制器60所进一步详细描述的。例如，可以在一侧或两侧上具有额外的外皮层，并且一个外皮层可以与罐子44接触。额外的外皮层可以包括流体限制材料，例如硅橡胶，将流体(如空气)侧漏(即未受限制的流体穿过在泡沫层30和罐子44之间的流动)最小化。泡沫材料和额外的外皮层的流体渗透率可以是相同的，或者渗透率可以是不同的，这样外皮层提供了例如空气流速控制的更加限制的材料。

可以通过对泡沫材料改变热、化学或热和化学二者的组合来实现具有理想流体渗透速度的控制层，来形成一个或多个外皮层。通过以这种方式熔化或溶解泡沫材料表面来减少上述的多孔性，可以实现理想的渗透性。

可以确定压缩泡沫材料紧靠罐子44所需要的力和泡沫压缩百分比，来实现用于装置10的电池40的最优电性能。利用流体流量限制器30为单电池提供流体控制，可以对由流体流量限制器30限制的流体消耗单电池进行电测试，以确定单电池的最大持续放电速率的能力。为实现这一目的，可以压缩紧靠于罐子44的上表面45的泡沫材料、覆盖流体入口42、保持单电池处于恒定电压(如1.0V)足够长的时间消耗流体的量(该流体能够包含在处于流体消耗电极50和罐子44顶部内表面之间的空间中的流体流量限制器30内)，然后在单电池放电时间结束时测试单电池电流。可以利用由不同的量压缩的流体流量限制器30来实现这一测试，以基于针对特定装置10的电流需求来确定最优压缩。

参照图5和6，根据另一实施方案，图解的装置10有空气管理器，它包括用于控制流体向流体消耗电池40的流入和流出的流体流量限制器60。在这个实施方案中，流体流量限制器60包括流体控制层62和背衬层64。当电池室盖子18处于闭合状态时，背衬层64提供了下压电池的力，并允许在电池40和电池室盖子18中的尺寸变化。与流体控制层62相比，背衬层64也允许流体相对不限制地通过。流体控制层62提供了电池40的表面45上的密封，并基于流体控制层材料的流体渗透率控制流体通路。流体流量限制器60有利地提供了流体控制层62的流体渗透率，该流体渗透率独立于流体流量限制器60的压缩量，因为基本上仅仅背衬层64被压缩。另外，可以设置在背衬层上的粘结层66，以将流体流量限制器60粘结到电池室16的内表面，例如盖子18。优选地，背衬层64的流体渗透率足够大，使通过流体流量限制器60的流体流动的速率(渗透流速)不受背衬层64限制。

在图5和6中显示的实施方案中，背衬层64可以由弹性泡沫材料制成，该弹性泡沫材料提供密封，从而当被充分压缩时防止流体在流体流量限制器60和罐子44上表面45之间泄露，并且该弹性泡沫材料允许流体从外部环境通过流体入口20相对不受限制地流到流体控制层62。背衬层64的实例可以包括泡沫，如上文所述的那些泡沫。泡沫可以是有低压缩设置的(即接近于初始非压缩厚度的良好的压缩恢复能力)敞开的微孔泡沫，并优选为背衬层64的流体渗透率大于流体控制层62的流体渗透率。

盖子18的内表面可以配置为具有向内的突起80，在这个实施方案中显示为大致围绕流体消耗电池40的包含流体入口42的上表面45的U形突起。突起80向下足够地延伸，以便在流体流量限制器60中设置高度压缩环，从而提供用于增强密封性以防止或减少流体的横向渗透。突起80可以是多种大小和形状，也可以用于在此描述的其它实施方案中，以通过泡沫压缩来增强密封作用。

流体控制层62可以提供流体渗透率，该流体渗透率取决于入口42的总表面积、渗透路径长度(例如厚度)和材料的流体渗透速率。流体控制层62可以是一个或多个外皮层的形式，阻止流体并允许空气流过受控速率的层62。流体控制层62在多孔上可以小于背衬层64。

如上文所述，可以通过将热或化学品应用于背衬层64的表面来形成外皮层，或者流体控制层62可以由不同材料制成，如硅酮或硅橡胶。硅橡胶对于氧气是可渗透的，因此可以控制氧气流入流体消耗电池40的流速。硅橡胶阻挡液体，但对于诸如氧气的气体有较高的渗透性，所以它可以使气体以受控速度通过。根据一个实例，硅橡胶流体控制层62的最大厚度可以是约0.82毫米(0.032英寸)，以允许最少量的氧气进入电池40。随着表面积的变化，最大厚度可以按比例改变。给定表面积、氧气渗透速率和渗透路径长度的需要，可以针对每个单电池根据单电池和装置电流消耗需求(current draw requirement)来提供优化氧气控制层62。

尽管根据一些实施方案在此显示和描述的是单层流体流量限制器30和双层流体流量限制器60，然而应该认识到，泡沫材料可以使用其它的多层，例如三或四层。另外，应该认识到，材料60可以通过以热或化学品来改变单一泡沫层以形成具有理想空气或流体渗透率的控制层62，而形成为具有背衬层64和外皮层62。根据一个实施方案，这也可以通过熔化或溶解泡沫表面减少多孔性来实现。

参照图7和8，根据第三实施方案，图示的装置10在盖子18内表面和流体消耗电池40的上表面45之间设置密封闭合。在这个实施方案中，密封构件70，例如环形密封件(例如O型密封圈，尽管不是必须环形)，设置紧靠盖子18的内表面。密封构件70提供了在流体入口42外部区域中紧靠流体消耗电池40的基础密封件，以便将流体入口42暴露于盖子18中的开口20。当盖子18处于闭合状态时，密封构件70受力紧靠电池的上表面45，并被固定就位以提供紧靠电池40的上表面45的足够的密封力。在这一实施方案中，在电池罐子44中的流体入口42和电池室盖子18之间存在缝隙，设置有集气室72，流体入口20设于其中。集气室72相对装置10的剩余部分密封，这样流体可以流入和流出盖子18的流体入口20，并能流进和流出电池40的流体入口42，从而确保通向电池40的合适的流体通路，密封构件70因此基本阻止了流体从电池室16和装置10的其它部位流到流体入口42，这样，流入集气室72中的流体流动根据流体入口20的数量和大小而被控制。密封构件70可以包括有低渗透速率的热固性弹性体，从而不允许足够多的流体泄露，以使装置10正常地满载运行。然而，用于密封构件70的材料可以选择为允许更多的流体渗透，例如，足以保持期望的电池开路电压或在功能减弱或“休眠”模式下运行装置10。可以使用的热固性弹性体材料包括丁腈橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、(聚)硅氧烷、丙烯腈丁二烯异戊二烯橡胶、氯丁橡胶和氟弹性体(如六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物，和四氟乙烯、偏二氟乙烯和六氟丙烯的三元聚合物)。

尽管在该实施方案中显示和描述的是开放容积的集气室72，然而，根据进一步的实施方案，应该认识到，流体流量限制器30或60中的一个可以插入到盖子18和电池40之间并与密封构件70结合使用。这样，举例而言，可以相对于密封构件70径向向内地设置流体流量限制器30或60，流体流量限制器60可以包括背衬层64和控制层62。可以通过电池罐子44中流体入口42或盖子18中流体入口20的数量和大小来限制流入电池40的流体流动的最大流速。

在采用泡沫型流体流量限制器的实施方案中，当电池安装在电池室并且电池室关闭时，基本上希望泡沫压缩了多于大约10％。优选地，泡沫压缩了至少约25％，更优选为至少约40％。如果泡沫未被足够压缩，流体流量限制器的流体渗透率可能太大，或者流体流量限制器和电池之间的密封可能不够，导致工作寿命缩短。另一方面，过度的泡沫压缩可能导致流到电池的流体不足以使装置正确运行，或泡沫性能(如坚度、压缩恢复性和流体渗透率)过快老化；所以优选为泡沫压缩不多于约75％，更优选为不多于约60％。

装置10有利地提供简单的解决途径，该途径允许针对多种装置设有独特的流体控制层，这样装置制造商可以例如为针对流体消耗电池40的不同放电要求提供不同模式。尽管在此已经公开和描述了流体管理器的多种实施方案，然而应该认识到，上文所述的各种流体管理器可以独立使用或互相结合使用，还可以与其它种类的流体管理器结合使用，包括位于装置10内或位于流体消耗电池40内或与流体消耗电池40相连的有源或无源的流体管理器。

存在不同程度的空气管理，开始是无空气管理、接下来是诸如节流的简单的空气限制，然后是更复杂的开关阀。总体来说，希望使用空气管理的程度是最简单和最廉价且满足由气体消耗电池对电子装置供电的需要。

图9是图示了用于确定空气管理器适合类型的方法900的流程图。对于气体消耗电池，方法900包括选择多种空气管理选择中的一种，包括无空气管理、无源空气管理(例如恒定节流，使用带有例如图1-8中图示并在如上文所述的流体流量限制器的空气管理器)和有源空气管理(例如开关阀或可变节流)。空气管理提供了对在外部环境和气体消耗电池之间流通的空气或其它气体的流入和流出的控制。除非另行指定，上述的“节流”及其派生词是指由空气管理器对空气或其它气体的流动进行的恒定的而非可变的限制。

方法900开始于方框902，其中提供或获得了用于装置的装置参数。装置可以包括在装置中使用气体消耗电池的电子装置，包括但不限于助听器、音乐播放器、闪光灯、供电包和其它提供工作电源的装置。装置的实例是图1中显示的装置10。参数包括与装置相关的信息，如工作电力需求、工作温度、用电模式、工作时间、停用时间和工作寿命。工作电力需求可以包括，例如，平均电力使用、最大电力使用、电力消耗类型(如恒定功率、恒定电流、恒定电阻或恒定电压)等。使用模式是对于装置典型的或希望的使用模式，例如连续的、变化的且间歇的、以及每个模式相对持续的。在一个实例中，模式是连续功率。在另一实例中，模式是间歇使用的，第一功率使用的时间段之后是改变功率使用的时间段。工作寿命是指，从电池第一次启动时的时刻起装置预期处于使用状态(包括运行和停用时间)经过的所希望或所期待的总时间长度，这期间不对电池进行更换或再充电。停用时间，也称为闲置时间，是对电池安装或充电之后装置处于不运转的时段，并包括装置初始使用之前的时间和初始使用之后但在取出电池或其容量基本完全使用之前的时间。

在方框904中选择气体消耗电池。在一个示例性实施方案中，电池是空气去极化单电池，使用形式为锌的金属活性材料作为负极活性材料，并且具有水碱性(例如KOH)电解液。气体消耗电池包括电化学单电池，该电化学单电池使用来自单电池外部的气体(例如氧气)作为其中一个电极的活性材料。电池具有气体消耗电极，例如氧还原电极。根据多个实施方案，应该认识到，气体消耗电池可以包括空气去极化单电池、空气协助单电池或燃料电池，并且电池可以为如图所示的棱柱形或具有其它形状(如纽扣、圆柱和方形)，也可以配置为多种不同尺寸。在这个实施方案中，电池本身不包含空气管理系统。然而，可以认识到，替换性的实施方案可以包括带有空气管理系统的空气消耗电池。

关于装置参数能否由电池满足而无需空气管理，这在方框906中进行确定。为了进行这一确定，将无空气管理的电池工作特性作为参考。无空气管理是指，提供给电池足量的空气而使电池能够达到最大放电速率(电流、功率等)。在一个例子中，参考针对无空气管理的电池显示电流对时间关系的图表，来了解性能是否合适。

在方框908中确定消极(即，无源)空气管理是否足以满足装置的需要。为了进行这一确定，参考带有消极空气管理的电池工作特性。消极空气管理，也称为节流，是指为电池提供有限且基本横定量的空气，将放电速率限制为小于电池能够运行所处于的满额放电速率，否则电池不能工作。在一个实例中，参考针对带节流空气管理的电池显示电流对时间关系的图表，来了解特性是否合适。

在方框910中确定有源空气管理是否足以满足装置的需要。为了进行这一确定，参考带有有源空气管理的电池工作特性。有源空气管理的使用允许向电池提供足量的空气，允许放电时由主动提供或供给流体所需要的达到最大放电速率，当需要少于最大放电速率时，减缓空气的提供。当基本上不对电池放电时，需要合适的密封来充分限制空气通往电池。可以参考针对带有有源空气管理的电池显示电流对时间关系的图表，来了解特性是否合适。

在方框902中选择合适的电池和合适的空气管理机制。如果将空气管理并入装置中，装置就可以用选择的空气管理机制和用于装置的电池室的密封构件来制造。

对于空气管理可以有利的是，电池初始激活之后，减少将气体消耗电池暴露于外部环境(例如，通过从电池的空气入口移走密封片或通过从密封的容器中移走电池)这一不希望的效果。例如，当碱性锌-空气电池暴露于电池外的空气时，由于氧气被还原且锌被氧化，甚至当电池没有为装置提供电力时，都消耗了电池的部分放电容量。电池外部空气中二氧化碳与电池的碱性电解液的反应以及与外面大气的水蒸气交换，都能导致随着时间推移电池倍率性能(rate capability)(电池能提供的最大电流)的降低；通常由于二氧化碳引起的这些效果大于由于水的得失引起的效果。已经发现，通常倍率性能的减退对于电池特性所造成的不良影响明显大于放电容量的损失。

例如，对于没有外加空气管理的电池以及带有不同程度节流的电池，优选为在希望的电池使用条件(例如，温度和湿度)下，随时间推移的电池倍率性能可以通过多次测试样品电池的极限电流确定。如果起初的倍率性能不足以满足将由电池供电的电池的最大电流需求，则这种电池种类是不适合的，能够选择另一种电池，或可以改造电池以提高它的倍率性能。如果初始倍率性能令人满意，则当完全敞开和当节流时所需倍率性能所能够保持的最大时间可以与电池将被使用所经过的希望时间相比，并且节流程度(如有)需要提供选择的希望使用时间。如果恒定节流不足够，则可以使用倍率性能数据来确定装设阀门是否足以满足装置的需求，以及如果如此，当阀关闭时何种密封程度是适合的、当阀处于打开状态时(完全或部分打开)何种程度的空气流动限制是适合的。

极限电流可以以多种方式测试，例如，可以基于特定电子装置或装置种类或基于所选择的节流条件，来选择特定测试。在一种极限电流测试中，在特定时段后(例如30秒)(使电流达到基本稳定的状态)在一个恒定电压下(例如1.1伏特)测量电流，。极限电流可以用电池节流或非节流测试。测试也能在多种环境条件(例如温度和湿度)下测试。除非另行指定，用于本示例性实施方案的极限电流测试是，恒定电压1.1伏特下30秒之后，在21℃和50％相对湿度的条件下，针对非节流电池的电流的毫安数(mA)的测试。

样品电池也可以在一种或多种放电方案下被测试以确定放电容量。如果希望的话，可以分多次在不同的环境条件和/或不同程度节流条件下进行。结果可以与希望的最小放电容量相比，在初始和/或一段时间之后节流或不节流的情况下，确定选择的电池有希望的容量。

使用倍率性能数据，如果希望的话补充容量数据，上文所述和图9所示的方法可以用来确定是否需要空气管理，以及如果需要的话，恒定节流或装设阀门在空气管理系统中是否足够。如果恒定节流足够，则数据可以用来确定所需的理想节流程度，从中可以限定空气渗透性质并且所选的合适材料。如果希望进一步增加整体工作寿命，则可以考虑有源空气管理。例如，对于两个或更多个装置工作模式的最大电流需求每一个均可以与倍率性能数据相比较，并且总体工作寿命可以从在每个工作模式中装置的数据和希望的时间比例确定。阀的位置可以设定为针对每个工作模式提供对于电池的理想空气限制程度。

例1

PP355棱柱锌-空气单电池在带有或不带有流体流量限制器的情况下测试。PP355可以是单独的单电池，基本呈矩形横截面且长约32.2mm、宽约13.7mm、高约5.0mm的棱柱状碱性锌-空气电池。阴极顶部的流体入口的总面积可以是8.46mm²。两侧均有外皮层且一侧有粘结层的毫米(0.031英寸)厚度的聚氨酯薄片(罗杰斯公司制造的McMaster Carr目录号为86375K161，商品号为4547，产品说明为4701-60-20031-04)，被切成足够大的片以完全覆盖阴极罐子的顶部。其它关于泡沫的信息包含在下面的表1中。将每片泡沫安装在使用粘结层的坚硬的无渗漏板上。单电池被制备以用于在无泡沫、带新泡沫和带再用泡沫的情况下进行测试。对于将要采用泡沫进行测试的单电池，安装的泡沫片被放置紧靠每个测试的单电池的罐子的顶部，并用907.2kg(2磅)重量紧靠于单电池压缩(足够重以将泡沫压于两个平板之间，压缩到最初泡沫厚度的59％)，这样泡沫将作为流体流量限制器发挥作用，控制空气可以通过流体入口进入单电池的速率。

在保持每个单电池在恒定电压1.0伏特下达48小时之后，在1.0伏特下测试单电池电流。在新的和再次使用泡沫的之间差别极小，二者相对没有紧贴于阴极罐子顶部压缩泡沫的同种电池而言，均有约1毫安(相当于0.0167cm³/min的空气渗透率)相比约100毫安(相当于1.67cm³/min的空气渗透率)的电流比率。测试显示，泡沫有效地将氧气进入单电池的速率降低了大约100的倍率，并且泡沫罐子可以在没有明显改变泡沫的流体渗透速率的情况下再次使用。

例2

PP355单电池如例1进行测试，通过改变量压缩带有三个不同种泡沫材料。泡沫的说明见表1。

结果总结在图16中，是毫安级别的单电池电流作为泡沫挠曲百分率的函数的曲线图，曲线延伸到100％挠曲率。结果显示了不同种泡沫材料(例如，表1中描述的泡沫A110，泡沫B110和泡沫C130)可以有不同的流体渗透速率，并且测得的电流(和空气和氧气渗透率)随着压缩的增大而减小(即减小挠曲率)。从59％的挠曲率的图16中，希望泡沫B120使足够的氧气渗透以提供3.2mA的电流(0.05cm³空气/分钟)，希望泡沫C130使足够的氧气渗透以提供2.4mA的电流(0.04cm³空气/分钟)。与敞开的微孔泡沫A110相比，关闭的微孔泡沫(B120和C130)有相对较低的氧气渗透速率。

表1

例3

当在不同空气暴露(恒定节流)条件和不同的环境条件(温度和湿度)下存储时，测试PP355电池以确定倍率性能随时间的变化。该例中的PP355电池具有含有约2.32克锌和KOH质量百分比约33％的氢氧化钾的负极。不同的节流条件允许空气以不同的速率进入电池，因此消耗了电池容量并以不同速率降低电池放电倍率性能。没有空气限制的情况下，在恒定电压1.1伏特下30秒之后测试时，新的PP355单电池产生约100mA(数量级)。当用类似于应用在锌-空气纽扣电池的密封片覆盖时，将最初的电池倍率性能降低或限制于约1μA(5个数量级)。将各种其它的可半渗透材料用于限制通向电池的空气通路来改变中介量值(intermediate degree)。将单电池在21℃和50％的相对湿度下储存于各种节流条件下。周期性地从储存中移出一些来自每种节流条件的单电池，移出节流带，并且非节流单电池关于极限电流测试进行测试，以确定倍率性能的下降，倍率性能被绘线作为针对每种节流储存情况所存储的时间函数。“T曲线”这一术语描述了节流时关于倍率性能的节流效果，T之后的数字提供了最大可持续速率的数量级近似，节流电池(mA)可以采用该数字提供毫安数。因此T100曲线表明节流的单电池能够维持100mA的电流，并且T0.001曲线表示节流的单电池可以提供1μA的电流。

根据这些测试的数据，绘制的“T曲线”描述了节流时关于倍率放电的节流效果，如图10所示。每条曲线采用字母“T”随后跟随数字而得以标识，数字提供了节流电池可以提供的最大可持续速率的毫安量的数量级近似值。形成的T曲线是在21℃的温度下的T100(线1006)、T10(线1005)、T1(线1004)、T0.1(线1003)、T0.01(线1002)、T0.001(线1001)，时间在x-轴，极限电流在y轴。每条曲线显示了在非节流倍率性能(以毫安为单位的极限电流)作为在节流条件下储存时间的函数的衰减，图13是同样测试结果的表格总结。

在与上文所述针对在21℃和50％相对湿度下的PP355电池相同的节流条件下，也针对极限电流测试在35℃、75％的相对湿度下储存的以及在35℃、25％的相对湿度下存储的PP355电池。所产生的T曲线相应显示在图11和12中，对应的表格总结分别显示在图14和15中。

对于此类T曲线，可以设计空气管理系统，以确保电池和装置如希望一样运行，或如例4所述确定电池和装置没有进行良好匹配。

例4

使用关于图10的曲线1000的方法900来选择用于装置的电池和空气管理系统。装置是蓝牙耳机，具备的要求是高达50mW恒定功率放电并且在21℃和50％相对湿度下达到1年的工作寿命。这些要求在方框902中获得。气体消耗电池可以在方框904中选择。从图10可见，PP355电池可以在1.1V下产生约100mA的电流(约110mW)，所以电池满足提供新电池时装置需要的功率的要求。

在方框906中，参照曲线1000确定空气管理是否足以满足装置特性。不采用空气管理，线1006(T100)显示电流输出将在4周内降到50mW以下。这样，无空气管理不是1年的工作寿命的选择。

在方框908中，参照曲线1000确定无源空气管理(恒定节流)是否将足以满足装置特性。线1005(T10)代表节流时可以在1.1V下仅提供达到10mA的单电池，它对于装置50mW的功率要求是不够的。通过线1006和1005之间的内插，估计了线T50，表明单电池可以在1.1V下提供50mA(或约55mW)，它将满足装置的最小功率需求，但希望的工作寿命将仅约为16周，比希望的1年短很多。因此，节流空气管理被确定不足以满足装置要求。

在方框910中，再一次参照曲线1000，确定有源空气管理(装设阀门)是否将足以满足装置特性。假设有源空气管理系统包括当关闭时产生类似于线1002(T0.01)工作特性的阀时，确定这种阀将在1年后允许约70mA(多于70mW)的倍率性能，这足以满足装置的要求。也从线1001中确定的是，提高的密封性将产生提高的工作特性并也将足以满足装置需求。结果，在方框912中选择有源空气管理系统和PP355电池。

Claims

1.一种装置，包括：

电池室，该电池室被配置为承装至少一个流体消耗电池，该流体消耗电池具有流体消耗电极和第一流体入口；

第二流体入口，被设置在装置的一部分中；以及

流体流量限制器，被设置为在第一和第二流体入口之间流体连通，并被压缩在装置的壁和流体消耗电池之间，这样从装置外侧到流体消耗电极的流体的流速被流体流量限制器的被压缩部分控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，流体流量限制器包括泡沫材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，泡沫材料包括一种或多种弹性泡沫材料。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，泡沫材料包括闭孔泡沫。

5.根据权利要求1到4的任何一项所述的装置，其特征在于，流体流量限制器具有在25％挠曲度下0.0281到4218g/cm²的坚度。

6.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，流体流量限制器包括多个组件。

7.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，流体流量限制器包括多个层。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，流体流量限制器包括流体控制层和背衬层。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，背衬层可压缩并且有第一流体渗透率，流体控制层有第二流体渗透率，第一流体渗透率等于或大于第二流体渗透率。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，流体控制层包括硅橡胶。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，至少两层互相粘合。

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，至少两层没有互相粘合。

13.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，该装置包括盖子，而且流体流量限制器被压缩在盖子和至少一个流体消耗电池之间。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，第二流体入口形成于装置的并非是盖子的壁中。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，第二流体入口形成于盖子中，并且流体流量限制器包括流体渗透路径，它从邻接于第二流体入口的流体流量限制器的表面行进到邻接于第一流体入口的流体流量限制器的相对表面。

16.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，装置的所述壁包括向内的突起，流体流量限制器被压缩在突起表面和至少一个流体消耗电池的表面之间，这样被压缩在其间的流体流量限制器的流体渗透率低于流体渗透路径的流体渗透率。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，流体流量限制器包括在装置的所述壁和至少一个流体消耗电池之间的密封部件。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，流体能够通过第二和第一流体入口流到流体消耗电极，并且流体被防止流过密封部件。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，密封部件包括环形密封构件。

20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，流体流量限制器还包括中心部位，该中心部分从密封部件径向向内设置，并被压缩在第一和第二流体入口之间，流体渗透路径从邻接于第二流体入口的表面穿过被压缩的中心部位到达邻接于第一流体入口的相对表面。

21.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，流体消耗电池有多个第一流体入口。

22.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，装置的壁有多个第二流体入口。

23.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述至少一个流体消耗电池包括带有耗氧电极的空气消耗单电池。

24.根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述至少一个流体消耗电池可更换地设置在装置中。

25.一种用于为气体消耗电池和电子装置的组合选择空气管理系统的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)获得装置参数；

(b)选择气体消耗电池；

(c)确定无空气管理是否足够；

(d)确定非活泼空气管理是否足够；

(e)确定活泼空气管理器是否足够；以及

(f)选择装置空气管理系统。

26.根据权利要求26所述的方法，其中选择非活泼空气管理，空气管理系统包括在装置中的流体入口和气体消耗电池的流体入口之间流体连通设置的流体流量限制器，其中流体流量限制器被压缩在装置的壁和气体消耗电池之间，这样从装置外面流到电池的气体消耗电极的流体的流速通过流体流量限制器的被压缩部分来控制。