CN1244257A - 电化电池 - Google Patents

Abstract

一种电化电池,取第一和第二片件(2,12)的形状,其中至少一个片件是透气的,之上安排一个或多个平面电极(4,6,8)。第一和第二片件(2,12)的周边区域密封在一起,以形成一个包含电解质的密封外壳或储存器。电连接装置(41,61,81)从各电极(4,6,8)伸过片件(2,12)的密封,以提供外部电连接。

Description

电化电池

本发明涉及电化电池，并且虽然不是专门地，但是特别涉及用于气体传感器和燃料电池的电化电池。

用于传感大气中可氧化或可还原气体(例如一氧化碳)的电化气体传感器通常包括一个传感或工作电极，一个反电极和一个允许大气透入传感电极的入口(通常为一个扩散膜)。两个电极都和电解质接触，以便首先在传感电极处和所传感气体产生电化反应，并且其次在反电极处和大气中的氧、电解质或其他气源产生电化反应。电流由反应产生的离子传过电解质，并且由电子传过外部电路，电路中的电流指示气体浓度。可以和一个恒电势电路结合使用一个参考电极，以保持传感电极与电池电解质之间的电位差，以便提高操作的稳定性。

按照物理结构，传感器一般包括一个起电解质储存器作用的外壳，一个使电解质与电极保持接触的芯件或基体，以及与电极电连接的外部电端子。现有大部分传感器电池使用叠式电极布置，例如像US-A-4,406,770那样。

最近提出了简化设计的建议，例如参见US-A-5,183,550，它公开了一种气体传感器，其中传感电极、反电极和参考电极安装在一个共陶瓷基片上的共平面中，使接触引线从电极伸到基片的另一表面，以供电连接。

我们的共同待审申请WO 96/14576(我们的参考号PQ12622)公开并叙述了一种气体传感器，它包括一个基片，几个在基片上以多孔平面元件形成的电极，并且基片为多孔，以允许气体从周围环境透入电极，一个包含电解质的储存器的壳，以及几个安装在壳上的外部端子，其中基片通过加压和加热结合到壳上，以便在单组件操作下，使壳密封，并且与电极电连接，同时阻塞电极的多孔性，以防止电解质透过电极到达电连接区。

虽然上述结构按照降低费用来说表现相当好的优越性，不过在不牺牲质量的条件下对降低费用的坚决要求迫使进一步简化设计。

本发明是基于提供两个柔性塑料片的概念而提出的，一个上面印有电极区，这两个柔性塑料片沿它们的边沿周围结合在一起，以形成电解质的储存器，而不取茶袋形式。

因此，本发明在第一方面提供一种电化电池，它至少包括第一和第二片件，片件中至少一个包括一个透气部分，其上安排一个或多个平面电极，第一和第二片件的周边区被密封在一起，以形成一个包含电解质的储存器，以及包括从各所述电极伸过片件的密封处的电连接装置，以供外部电连接。

在又一个方面，本发明提供一种由多个部分形成的电化电池组件，各部分具有第一和第二片件，各片件包括一个透气区，其上安排一个平面电极，第一和第二片件的周边区被密封在一起，以形成一个包含电解质的储存器，以及包括从所述电极伸过片件的密封处的电连接装置，以供外部电连接，所述组件包括导管装置，以把第一和第二气体引到各部分，以便与各自第一和第二片件接触。

在本发明后面的实施例中，通过在不同的片件上形成电极，有可能安排第一气体在第一片件上流动，并且第二气体在第二片件上流动。例如，应用一种适当的导管结构，该组件可以构成燃料电池。

本发明不论是取气体传感器还是取燃料电池的结构都极其简单，并且节省相当多的费用。

可能有各种特定形式的结构。两个片件可能都为柔性，柔性允许在它们之间插入电解质。两个片件可以是单片的部分，使该单片折叠，以便片件面对面。可选择地，可以由一片形成一个或两个片件，使该片具有三维形状，例如一个片可以在其中形成一个凹部，以限定储存器空间。可选择地在一种优选结构中，一个片可以形成为多孔PTFE的平片，带有要求形状的电极，并且可以使柔性塑料封闭片焊接在PTEF片的边沿，以限定储存器。

还可以使用一个第三片件，例如一个用于密封两个外片的低熔点的中间层。第三片可以是高度多孔材料，以便保持电解质。在又一种形式下，第三片件可以限定一个用于第二电化电池的第二储存器空间。

本发明因此允许以各种形状生产非常薄的组件(约1mm到2mm数量级)。这样允许用于气体传感器，其中空间非常有限，例如在个人衣服上或衣服中。生产非常便宜为“可处理”传感器提供了可能性，这些传感器可以只用一次或很少几次，然后就处理掉。

因此，通过在一个柔性基片材料的片上印刷电极，然后折叠一次或多次，或布置在另一个材料片对面，之后密封边沿周围，以形成一个“茶袋”型结构，可以简化生产和组装。芯件和电解质包含在袋内，并且可以通过加热、粘合剂或机械力来密封。这样的装置可以制成不规则形状，并且适合于高度自动化，以降低费用。

在生产完全柔性结构的传感器情况下，实际上它们通常将附着在一个刚性支持件上或安装在一个刚性壳中，以防止由于弯曲引起的乱真噪声。由于薄传感器的紧凑性质，有可能在单基片上安排控制电子电路。这种基片其中还可能设有限制气体扩散的入口。

按照本发明的电化电池使它们自身有利于在生产线上自动制造和组装。因此存储在一个或多个轧辊中的片料可以展开和重叠，并且然后压制电池的图形，在片的同时操作中切割和密封。对于燃料电池，电池可以在片上按平面阵列，例如4×4来形成。

虽然电池中的电解质通常取液体形式，但是它可以是凝胶和固态聚合物形式，粘贴或固定在电极上。

对于印刷在透气膜上的电极，为了组装成电化电池，必须实现三个功能：1)机械附着电极，2)密封在电解质中，以及3)提供从电极到电池外部的导电通路。

如WO 96/14576所述类似，一种优选构造方法使用加热密封技术，以把多孔PTFE片件(电极)密封到电池本体部件上。由于印刷电极穿过这个密封，所以无需附加部件而使所有三项要求得到满足，并且另外提供自动化的能力。

片件还可以粘在一起，这种方法能实现电池组件的所有三项要求。实际中利用PTFE膜的多孔性来实现粘合。这种构造方法对允许组装脆性或复合电极来说很重要。使用脆性电极例如可能起因于降低费用。复合电极包括不规则形状，多个印刷或在不只一个平面中的密封，例如在模件外侧周围。这种组装方法对小型可处理传感器(有限寿命)来说很重要。优点是：电极油墨结构几乎不破裂，粘合剂能进入多孔的电极油墨和基片，以增加强度，而且该方法非常适用。应用这种方法，可以使用不同方法与电极电连接，例如使用从电极延伸到外部电连接的电极引线。

以低费用生产多电池组件的能力对制造燃料电池来说是理想的。以条形生产电池可能适合于提供一种阵列(比如说3×4)，这种阵列形成叠式组件中的单层。各电池的一个电极在该层的顶部，而另一个电极在底部，以允许空气和燃料气体通过简单的导管系统供给有关电极。

优选叠式组件包括刚性隔片装置，它使电池的各层交错，并且在各层的各侧上提供一种导管结构，以允许适当气体流入。在层的一侧上的第一导管安排为允许第一气体从一个方向流入，并且第二导管安排在层的另一侧，与第一导管安排成直角，以允许第二气体从和第一气体成直角的方向流入。通过调节导管的尺寸和形状，能使两种气体的体积或流率设置为希望值。

在各层中，电池可以串联连接，以指示由电池产生的电压，并且这些层可以并联连接在一起，以便限定组件的最大电流。

第二叠式组件使所有层制成一个长条，它按“Z字”图形叠起。使用刚性导管/隔片布置，以允许空气和折叠图形成直角流过叠件。

在燃料电池的情况下，有可能片件或许不沿它们的周边完全密封，而是可能设置一个小未封区，以便为在操作期间在电池内部产生的水或其他液体提供排口。

现在将参考附图叙述本发明的优选实施例，其中：

图1是按照本发明用作气体传感器的电化电池的实施例的断面图；

图2是图1传感器的平面图；

图3是图1和图2气体传感器结合在气体传感器中以供个人使用的分解断面图；

图4是按照本发明用作燃料电池元件的电化电池的实施例的断面图；以及

图5是图4燃料电池元件的部分的透视图，表示元件是怎样安装在这样元件的燃料电池叠件中的。

现在参考图1和图2，示出了一种取气体传感器形式的电化电池，它包括一个0.25mm厚的柔性多孔PTFE基片2，其上印有一个参考电极4，一个工作电极6和一个反电极8。如图2所示，这些电极一般为矩形，并且并排安排，使工作电极6安排在中央，以便参考电极和反电极能执行它们的功能而不相互干扰。印刷电极部分41、61、81延伸到基片2的一个边沿，以与外部电连接。

例如通过网板印刷、从置于基片上的悬浮体对所选择区域进行抽吸或真空沉积、喷涂或任何其他适合产生固体材料的图形沉积的方法，在基片2上沉积电极。沉积可以为单种材料，或按层依次使用一种以上材料，以便例如通过其厚度来改变电极材料的特性，或在气体反应的主要场所的层上或层下添加一个提高导电率的第二层。

在自支持的不透气基片2上印刷电极。这样具有优点，以使电极较为坚硬，并且对振动和撞击较不敏感，使得难以破裂或戳穿电极。

芯件10为高吸性材料，并且包含电解质液体或凝胶的填料，它安排在电极上，而柔性塑料片12为0.1mm厚的聚丙烯，它具有比PTFE低的熔点，并且安排在芯件和基片上，以限定电解质的储存器空间14。片12和片2在平面中具有相同的形状和尺寸，并且通过适当的加压工具，对片进行适当加热或加压以实行结合，使片的边沿沿矩形结合线16结合在一起。在连接区41、61、81上结合延伸的区域中，密封过程使电极材料的多孔阻塞，它对电解液从芯件10流出构成阻挡。结果形成的传感器具有不大于2mm的厚度。

在使用中，所传感气体透过PTFE基片2到达工作电极6。所传感气体的扩散率由基片2的多孔性来控制，以便基片成为电池的扩散控制。

现在参考图3，本图表示适合用作气体传感器的电化电池，它设计供个人使用，取可以放入个人衣服的口袋中或附于衣服的外面上的卡形。该卡包括一个刚性塑料基片20，其上安装图1和图2所示形状的电化电池22。在基片20上还安装一个电子电路片26，它与电池22电连接。电子电路片26由CMOS工艺制造，并且提供一个电源(提供一个蓄电池或太阳能电池)、使电池的电极激励的控制电路，以及提供报警信号的输出装置。设置一个盖28，以覆盖电池22和电路片26。在基片中设置一个孔30，以限制气体扩散进入电池22的PTFE基片2。

现在参考图4和图5，示出了一种按照本发明构成的用于燃料电池的电化电池40。电池40包括第一和第二柔性片42、44，各由透气PTFE形成，并且在其各自内表面上印刷了各个电极区46、48。包含电解质材料的填料的芯件50安排在电极之间。两个片42、44形状为矩形，并且沿它们的四边相互结合，以为电解液形成一个密封外壳或储存器，虽然图中未示出，但是电极区的部分以与图1和图2所示类似方式，伸过结合区到达片的边沿，以供外部电连接。第一和第二矩形集气管52、54布置在燃料电池元件40之上和之下，用侧壁58的凸缘56把电池40夹在导管之间。导管允许第一和第二气体进入，分别到达电池40的各侧，一种气体通常为燃料，而另一种为空气。燃料和空气通过各个片42、44扩散，并且与各自电极46、48起反应。因此在电极46、48处产生电化反应，在外部电连接处产生电输出。

如图5所示，多个电池40按垂直叠件60叠放，第一气体从与侧面64成直角的叠件的一侧62进入叠件，第二气体在侧面64进入。电池40的外部连接互连，以便从电池40的叠件提供组合电输出。

Claims (17)

1.一种电化电池，包括第一和第二片件，片件中至少一个包括一个透气部分，其上安排一个或多个平面电极，第一和第二片件的周边区域密封在一起，以形成一个包含电解质的储存器，以及包括电连接装置，从各所述电极伸过片件的密封处，以供外部电连接。

2.根据权利要求1的电池，包括一个第三片件，安排在第一和第二片件之间。

3.根据权利要求1的电池，包括一个第三片件，其周边区域结合到第一和第二片，以便限定一个第二储存器。

4.根据上述任何权利要求的电池，其中第一片件包括一个平面多孔PTFE片，其上形成电极，并且第二片件包括一个柔性塑料片。

5.根据上述任何权利要求的电池，其中第一、第二和第三电极在一个片件上形成，它们并排安排。

6.根据上述任何权利要求的电池，和用于操作气体传感器的电路装置一起，安装在一个刚性平面基片部件上。

7.一种电化电池组件，由多个部分形成，各部分具有第一和第二片件，各片件包括一个透气部分，其上安排一个平面电极，第一和第二片件的周边区域密封在一起，以形成一个包含电解质的储存器，以及包括电连接装置，从所述电极伸过片件的密封处，以供外部电连接，所述组件包括导管装置，以把第一和第二气体引到各部分，以便与各自第一和第二片件接触。

8.根据权利要求7的电池，其中各片件包括一个PTFE片。

9.根据权利要求7或8的电池，其中第一和第二片件限定多个燃料电池元件，它们或按矩形阵列安排或按单行安排。

10.根据权利要求9的电池，其中使燃料电池的各部分安排为一个在另一个的顶部上，各部分包括燃料电池的阵列，或折叠的单行，以便该行中的相邻电池安排为一个在另一个的顶部上。

11.根据权利要求7或8的电池，其中燃料电池的部分安排为一个在另一个的顶部上。

12.根据权利要求7至10中任何一项的电池，其中各部分包括刚性隔片装置，在各燃料电池元件的任何一侧提供导管，以把气体引到其中。

13.根据权利要求7至12中任何一项的电池，其中导管装置安排为从不同方向把第一和第二气体引到各燃料电池元件的相对侧。

14.根据上述任何权利要求的电池，其中第一和第二片通过加压和加热结合在一起。

15.根据上述任何权利要求的电池，其中电极具有伸过片的密封在一起的部分的部分，以便限定所述电连接装置。

16.根据上述任何权利要求的燃料电池，其中电解质形式为液体，并且保持在芯件装置中，或以凝胶或聚合物形式形成，并且附于电极的表面上。

17.一种大致上如参考附图所述的电化电池。

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