CN1342336A - 使用薄膜或风箱之金属－空气电池的空气管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于金属－空气电池的空气管理器,利用一薄膜或风箱以将空气从一或多个空气开口流进或流出,或者是将空气从入口流向出口。可由一线性致动器使该薄膜或风箱往复运动,该致动器如一电磁振荡器或一形状记忆合金线。可使用如微继电器的微机械作为致动器。该电池包含一或多个空气通道,最好包含一诸如细长管形隔离通道,可在当空气移动装置不工作时,防止空气流入空气电极中,甚至当管路未封闭下仍有此作用。其结果为一改进的用于金属－空气电池单元的空气移动装置,其占据电池化学作用所用的空间的最小部分,对当没有从金属－空气电池单元中抽取功率时用于隔离空气电极的先进系统是有用的,且可在一相当低功率耗损速率下发展出用于高速度空气移动的高压。本发明中的说明包含棱形及圆柱形电池。

Description

使用薄膜或风箱之金属-空气电池的空气管理系统

发明领域

本发明的发明领域系有关于藉一激励空气移动装置提供反应气体的型式的金属-空气电池，尤其是与一空气移动装置有关，其中该空气移动装置使用一薄膜或风箱以使空气可进出一或多个开口，或者是使空气从一入口流动到出口处。

背景技术

一般来说，如锌-空气电池单元这样的金属-空气电池单元使用一或多个空气可透过的阴极，此阴极由液态电解液与一金属锌阳极分开。在电池单元工作期间，来自周围空气的氧气在一或多个阴极中转换产生氢氧离子。然后该金属锌阳极由氢氧离子氧化。在电化反应中产生水及电子并提供电力。

起初，金属-空气电池单元只有限商业应用于一些装置，如可使用在助听器上，其需要相当低的功率。在这些电池单元中，允许空气进入空气阴极的空气开口相当小，使得电池单元由于外部相对湿度及电池单元内的水蒸气压力之间典型的差异，在不发生浸润或干枯(flooding or dryingout)下可工作一段时间。但是，此电池单元的功率输出太低而没有办法操作如数码相机(camcorder)，移动电话或膝上型计算机之类的装置。而且，将典型的“钮扣电池单元”的空气开口放大并不实际，因为将由于浸润或干枯而缩短使用寿命。

为了增加金属-空气电池单元中的功率输出，使得可使用在如数码相机，移动电话，或膝上型计算机的操作装置中，开发了空气管理器使提供反应性空气流动予一或多个金属-空气电池单元的空气阴极，而在不需要有任何的输出时将该金属-空气电池单元与周围空气及湿度相间隔开。与传统上使用的电化功率源比较下，包含管理器的金属-空气电池单元提供相当高的功率输出，以及长的使用年限，而且重量相对地轻。这些优点一部份乃因为该金属-空气电池单元使用来自周围空气的氧气作为在电化反应中的反应剂，而不必需如金属或金属化合物的较重材料。此管理器的例子可参见美国专利号4,913,983、5,356,729以及5,691,074。

但是，大部份空气管理器的缺点为其使用的空气移动装置，典型地为一风扇或空气泵，其装置占据相当大的空间，否则可使用于延长电池寿命的电化反应。减少空间来试图提供小尺寸的，如AA圆柱尺寸的金属-空气电池单元提出一项重大的挑战，该尺寸现今在许多电子装置中作为标准的尺寸使用。

除了体积大外，在金属-空气电池中使用的空气移动装置也耗损储存在金属-空气电池单元中的能量，否则这些能量可作为向负载输出的功率。用于控制空气管理器的复杂电子装置可增加此储存能量的使用，而且，大部份使用在金属-空气电池单元中的空气移动装置在低压下分配空气至阴极充气室，必需限定通过阴极表面的所有区域的流动通道以均匀分配空气予整个阴极表面。因此，带动补充空气的功能及混合和分配电池内空气的功能已分开。在金属-空气电池单元中作为空气移动装置的风扇的另一项缺点为产生杂音，其杂音将使得诸如移动电话装置的使用者沮丧。

结果，金属-空气电池单元的关键性优点为由空气电极的低重量产生的高能量密度，此优点却为用于一有效空气管理器所需要的空间和功率及产生的噪声所抵消。

因此，在技术中需要有一种空气管理器，其包含一空气移动装置，此空气移动装置占据较小的使用于电池化学作用的体积，对当不从金属-空气电池单元中取出电力时用于隔离空气电极的先进系统，该装置相当安静，在阴极充气室中不需要复杂的挡板装置(baffle system)以分配空气，只要相当简单的控制，且耗损的功率相当低。

发明概述

本发明提供一种用于金属-空气电池单元的改进的空气移动装置，其只占据电池化学作用需用的少量的体积，当没有从金属-空气电池单元对功率时本装置适于作隔离空气电极的先进系统，而且能在相对低的功率耗损下发出高速度空气移动。

依据本发明的设计理念，本发明的目的用提供一种空气移动装置来完成，它以移动空气交替进出一通道而将周围空气提供予金属-空气电池单元的空气电极，该通道系从该空气电极延伸向外部环境。

在一优选实施例中，空气移动装置为一薄膜或由一线性致动器(linearactuator)移动的风箱，如电磁振荡器或一形状记忆合金线。这些可以是一或多个通道，最好包含一隔离通道，诸如细长管形状，可使当空气移动装置不运作时，防止空气流动到空气电极，甚至当管没有封住时也一样。在此实施例中，带动补充空气的功能与用于金属-空气电池单元空气之循环及混合的功能结合，其方式为使得补充空气流具有足够的压力及速度以提供混合及循环。补充空气的进入点可加以定位，使利用沿扩散的空气流的惯性力及热力以执行循环及混合功能。而且，本实施例中的空气移动装置可具有相当简单的控制及功率耗损要求，只使用储存在电池中少于5％的能量。尤其是，当致动器为一形状记忆线或电磁振荡器，提供固定的电压及附带的电压转换必需的控制及需要运转风扇及鼓风机的调节均可省掉。

依据本发明其它的设计理念，本发明提供一往复运动的隔膜以移动空气，一或多个通风通道，其延伸过该隔膜且可经运作以提供外部空气予金属-空气电池单元如同隔膜往复运动一样。该通风通道可为一管路，其一端连接在隔膜的开口，该管路与该隔膜一起往复运动。在一较佳实施例，该隔膜为一起伏形膜。

依据本发明其它的设计理念，本发明提供一用于金属-空气能源的通风系统，该系统具有一或多个电池单元，各电池单元包含一空气电极，且至少一通过对立表面之间的空气通道。各表面限定一通过它的开口，通过该表面的开口彼此相间隔开。该通道可通过足够的空气以使得当与一运行的空气移动装置一起时，可运行该电池单元，且在通道不密封，而且不受该运行的空气移动装置影响下可继续运行以限制流过通道的气流，以保护该电池单元。最好，该相对的表面之一为一可移动薄膜，且空气移动装置包含薄膜及一用于往复运动薄膜的致动器。当空气移动装置不往复运动薄膜时，将薄膜定位在紧邻该另一对面的静止位置上。在此静止位置上，为了实际上的目的，最好表面接触于对应开口之间的区域，其中心最好沿该表面间隔一段至少为开口直径1.5倍的距离。该表面不一定要接触，只要开口分开够远的话即可，取决于表面之间的间距大小而定，以阻滞空气通过开口之间，如同由上述隔离通道提供的结果一般。

依据本发明的另一设计理念，本发明提供一金属-空气电池，此电池包含一圆柱形外壳，此外壳含有一对金属-空气电池单元及一对相对的由一般呈矩形的阴极空气充气室间隔开的空气阴极，及一空气管理器，此空气管理器包含一由阴极空气充气室限定在该外壳内的空气通道，该阴极空气充气室在外壳的一端连接到一位在外壳之弦(chordal)壁面及圆柱形壁面之间所形成的返回充气室中。一空气移动装置可运行来使得空气流轴向流过阴极充气室，及反方向轴向流过返回充气室。该外壳更进一步包含一空气入口，最好为一隔离管，提供外部空气予该空气移动装置，及一空气出口，最好为一隔离管，可将流过返回充气室中至少一部份的空气流到电池的外部。该空气移动装置可为一在与阴极充气室相对齐的周向导件内往复运动的薄膜。

依据本发明的设计理含，本发明在一金属-空气电池中提供一空气管理器；一入口和一出口；一安装在空气通道中的微振荡器；及一薄膜空气泵。此电池包含一外壳，此外壳内有一或多个金属-空气电池单元，各金属-空气电池单元有一空气电极。该空气管理器包含一位在该外壳内的空气通道及此通道延伸邻近到该金属-空气电池单元之空气电极处；该入口及出口，各延伸在该空气通道及外壳外部之间；该泵连接到该微振荡器中，该微振荡器使薄膜振动以使得空气沿入口及出口之间的空气通道流动。该微振荡器可令薄膜在20000Hz或更大的频率下振荡，该频率大于一般人耳可听到的频率。该电池也形成一再循环通道，其设置位置使得一部份在空气通道中流动的空气旁路该出口。

在本实施例的优选型式中，电池包含一对金属-空气电池单元及一对相面对的空气阴极，其由一般为矩形的空气充气室间隔开，包含了圆柱形外壳的中心轴。阴极电流收集器延伸将空气充气室分开，该空气信通为由该阴极电流收集器限定的U形空间，成为其跨过该充气室的路程之一部份。

依据本发明的另一设计理念，本发明提供一用于金属-空气电池的空气移动装置，其中该电池包含一或多个金属-空气电池单元，该空气移动装置包含一韧性膜片，一延伸过该膜片至少一部分并附于它的叶弹簧，一形状记忆线，其两端部连接叶弹簧，使得当该线在松弛状态下可沿叶弹簧松弛地置于其上；及一电路，此电路视需要连接该线的端部位到电池单元中，以将电流导引通过该线，导致该线收缩，且因此弯曲该叶弹簧，使得薄膜变形来让在电池内的空气流动。

本发明多种不同实施例中的空气移动装置和空气通道提供改进的空气管理器，其可使用在包含一或多个金属-空气电池单元的金属-空气电池中。从上述的说明中了解，本发明大部份的设计理念可应用在单个的金属-空气电池单元或多个电池单元的电池中及应用在棱形的及圆柱形的金属-空气电池单元及电池中。

由下文中的说明并参考附图及所附的权利要求书可更进一步了解本发明的目的、特征及优点。

附图说明

图1为实现本发明的圆柱形金属-空气电池的分解图。

图2为沿图1之线2-2所示之轴向截面图。

图3为沿图2之线3-3所示之径向截面图。

图4为图1-3电池单元之内部的仰视图，其中已去除包封匣底部。

图5为依据本发明之金属-空气电池单元第二实施例的轴向截面图。

图6为图4之金属-空气电池单元的局部截面图，其中显示在不动作位置下的薄膜。

图7为依据本发明的金属-空气电池单元的第三实施例的局部轴向截面图。

图8为依据本发明第四实施例之棱形金属-空气电池单元的内部之俯视图。

图9为视依据本发明之圆柱形金属-空气电池的第五实施例之局部轴向截面图，系沿图10之线9-9所示者。

图10为沿图9之线10-10所示之俯视截面图。

图11为依据本发明第六实施例之用于图9所示之型式的风箱之另一驱动机构的视图。

图12为依据本发明第七实施例之薄膜驱动机构的侧视截面图。

图13为图12的驱动机构的正视图。

图14为依据本发明的金属-空气电池第八实施例的轴向截面图。

图15为图14的电池单元上部内部的图。

图16为图14及15的电池中使用的微继电装置的分解图。

图17之依据本发明的金属-空气电池第九实施例的侧向正视图。

图18为沿图20线18-18的轴向截面图。

图19为沿图20线19-19的轴向截面图。

图20为沿图18之线20-20之径向截面图。

具体实施方式

现在请参考附图，其中各附图中相同的标号表示相同的组件。图1显示一圆柱形金属-空气电池10的组件之分解图。图2及图3显示一组装好的电池。该电池10系组装在一导电的圆柱形包封匣(外壳)12内，其中包含双阴极金属-空气电池单元20。一封盖30包围包封匣12的上方，且形成与包封匣12绝缘的一端。

电池单元20包含两个支撑在载体架组件25之间的矩形空气阴极22a及22b。该空气阴极在包封匣12的中心处彼此相面对，且互相隔离而形成贯通包封匣12的中心轴的中心阴极充气室。最好为悬浮在电解膏或凝胶(gel)中之锌粒子的阳极材料26灌入由各阴极22a，22b，包封匣12及框架25所形成的空间中。一传统上使用的隔离器(图中没有显示)隔离各阳极及阴极。灌封材料27将阴极材料夹持定位。如图3及4显示的最佳例子，框架组件25及包封匣12之间的空间提供一对侧充气室28，以进行空气再循环，此将于下文中加以说明。

阳极材料26在包封匣的底部由一支撑板33限制，只有与阴极充气室24及侧充气室28相通一开口除外，如图4所示。该支撑板离包封匣的底部一段短的距离展布于该包封匣12的截面上。在支撑板33下方的下充气室36包含一隔离管34，此将于下文中加以说明。隔离管经包封匣12上的开口37与外部空气相联通。包封匣12作为一阳极电流收集器，其在包封匣的底部形成一阳极端子39。该包封匣的圆柱形表面可覆以绝缘膜(图中没有显示)。一阴极电流收集器38从端子14沿着电池的中心轴向下延伸到阴极充气室，在此其电连接于埋在空气阴极22a及22b的电流收集器栅极(图中没有显示)。

在包封匣12的上端定位一空气移动组件40。一印刷电路板(PCB)42携带一控制电路，此电路控制包含线圈44及磁铁46之电磁振荡器的工作。该线圈44附于PCB 42的底部，且磁铁46可套装于电流收集器38且位在线圈44的圆柱形开口内。磁铁连接薄膜48，绕薄膜周围贴于包封匣，或者是可允许空气在向上的行程中通过薄膜的周围。或代之以，薄膜可包含等压开口(图中没有显示)。在控制电路的控制下，从电池单元供应到线圈的电流导致磁铁往复运动，此又使得薄膜往复运动或振荡。

空气可在薄膜48正上方的空间到PCB 42的上部空间之间自由流通。在上部空间中，另一隔离管32从包封匣开口(图中没有显示)向电池内部延伸。管32的内部端可视需要安装一瓣阀35，最好此阀由mylar或者是其它的韧性材料制造，当空气强迫通过管路向该阀体时，此材料将移开而打开该管，且随后当空气流动终止时，将回到管32端未受应力的位置。瓣阀可完全紧贴在管路端，但是不需封闭该管路。

运行时，电流以可令薄膜48往复运动的方式通过线圈44。如果薄膜为固体且其边缘封闭，且视需要才安装的瓣阀35不存在时，一个方向中的各移动行程将推动空气使离开隔离管32及隔离管34中之第一个隔离管，并且吸空气入另一个隔离管。随后之移动行程将推动空气离开该另一个隔离管，且抽吸空气使通过该第一个隔离管。在各移动行程中，薄膜以高速度将空气吸入通过隔离管中的一管路，且此新空气与阴极充气室内的空气混合。

在另一例子中，可安装薄膜以允许在向上的移动行程中空气旁路该薄膜，且安装了瓣阀35。在此模式中，建立通过管32的空气流，该管提供入口使气流继续通过阴极充气室，进入下充气室36，且经管34提供出口出去。

薄膜可由多种不同的韧性材料制造而成，其中包含热塑性弹性体(TPE)，如由Advanced Elastomer Systems公司生产的Santoprene热塑橡胶。由薄膜产生的空气脉冲的时序可依据来自电池单元20的输出的需要改变。如果在考虑到噪音，通常在人耳能听到的振动频率以下的频率就将提供足量的空气以使电池单元20工作。例如，往复运动1mm移动行程的直径2cm的薄膜在每移动行程下移动约0.3cc体积；以15HZ频率，此薄膜将产生每分钟约300cc的空气流。此频率能由电子式调整，或藉由调整随磁铁46移动的质量来调整频率。

当薄膜空气移动器不动作时，隔离管32，34限制氧及水蒸汽的与外部空气的交换以保护电池单元。此将于下文中加以说明该隔离管的特性。

依据本发明第二实施例结构之单一圆柱形金属-空气电池单元50显示在图5及6中。在一导电电池单元包封匣52内，跨该包封匣径向定位一圆形空气阴极54。上述说明的型式的阳极材料灌入阴极54及隔离器(图中没有显示)下包封匣中，而进入在包封匣52底部的一弹性组件59，如非反应性海绵状物。该弹性组件59具有一弹簧功能以将阳极材料顶压在隔离器和阴极上。阳极电流收集器棒57从导电的包封匣沿包封匣52的中心轴向阳极材料延伸。

在空气阴极54上方间隔一段短距离处，含有空气开口62贯穿的圆支持隔膜60延伸横跨包封匣52。在阴极54及隔膜60之间形成一空气阴极充气室61。在隔膜60上安装一电磁线圈63，最好中心位在包封匣轴处。一起伏形膜64展布于隔膜60上部的包封匣中。薄膜64包含一中心区65，其最好为占据包封匣52大部份截面面积的相当刚性的平面组件，及具有U型截面的环状转折66。转折66，最好中心区65也是，由一弹性聚合物或橡胶形成，且转折66的外周围附在包封匣52上。在薄膜中心处，附有一磁铁68且向下延伸在线圈63的轴向开口处，以对线圈作轴向相对移动。另外，线圈63及磁铁68形成一电磁振荡器，其以往复运动方式驱动起伏形膜64。导致此动作的电流从电池单元50经在展布于薄膜64上方的包封匣的PCB 69上安装的控制电路提供予线圈63。

在薄膜64的中心区65中形成的开口67，位于径向离开电池中心轴处。弹性覆层71提供到PCB 69的下面，且在该层上形成一开口73，其与PCB中的开口74对齐。最好开口73的大小与开口67的大小类似，且其中心定位在一个位置上，此位置在与开口67的中心间距最好为开口直径至少1.5倍的一径向平面上。须了解可提供多于一个开口67或73或两者都多于一个。开口67，73的大小可依据需要的空气交换量改变。在PCB 69上方之包封匣52中提供一个或多个外部的空气开口75。在包封匣的上方提供阴极端子76。端子76电连接阴极54，且与包封匣52的其余部份绝缘。

在图5及图6之电池单元50的工作中，电流以需要使薄膜64往复运动的方式通过线圈63。中心区65的移动长度从最高位置到最低位置最好为1mm或更大，对“AA”大小之电池单元50中最好为约2mm到约3mm的范围之内。磁铁68将薄膜向下拉时，在阴极充气室61中空气压缩，且因此通过开口67出去。此动作也将空气从PCB 69上方拉向PCB及薄膜之间的空间，在此与离开充气室61的空气相混合，且倾向于将空气从外部经空气开口75拉向电池单元。当薄膜向上移动时，空气从薄膜上方吸入阴极充气室61，且在薄膜上方的空气抽入PCB 69上方的空间。这样，从外部包含新鲜氧气的空气渐向阴极充气室61流动，且耗损的空气则逐渐流出电池单元中。在此一阶段，进入及离开的空气大量混合在一起。大面积的薄膜64在阴极充气室内建立一压力，此导致快速空气流流过开口67，趋于与充气室内的氧气均匀混合，而使得空气阴极54的耗损达到最适化。

在向上的移动行程中，最好薄膜区65与覆层71贴合或者是移动到很近该层处，如图6中所示者。在抽空气时，此导致在薄膜上方空间中空气可被有效地替换。当空气移动功能不作用时，薄膜最好停止在向上的位置，使得倾向在开口67及73之间移动的空气可有效的避免在其间流动，关键的是薄膜及覆层完全封住开口之间的通道。例如，当表面之间的间隙约0.2mm或更小时，且开口67及73之间的距离约2mm或更大时，间隙将阻止空气分子扩散，其中包含氧气及水蒸汽，其方式与上面说明之隔离管32及34的保护功能类似。

图7中显示金属-空气电池单元80的另一实施例，其类似电池单元50。在此实施例中，显示在空气阴极54上方有一罩子81。此罩子具有小开口，以应用熟知的方式控制向阴极的空气流，它可应用于本申请中公开的任何的空气阴极。一起伏形膜85展布空气阴极54上方的电池单元包封匣内，而一磁铁87附在其表面上。一隔离管89连接薄膜，且从薄膜的开口向上延伸。在薄膜85上方，一PCB 91包含控制电路，且支撑向下延伸用于以接纳磁铁87的线圈92。PCB 91形成可令隔离管89自由通过的开口93。

在电池单元80的运作中，电流以使得薄膜85往复运动的方式通过线圈63。隔离管89与薄膜一起移动。在向下的移动行程中，压缩在薄膜及罩子81之间的阴极充气室84的空气，由薄膜强迫经管89流出。在一向上的移动行程中，薄膜经管89将空气高速吸入阴极充气室中。在薄膜上方的空气因经过空气开口75的空气交换与来自外部的新氧气混合。因此，补充的氧气和通过管89吸入的空气一起进入阴极充气室内部。当薄膜空气移动器不动作时，隔离管89限制氧气与水蒸汽和外部空气的交换，以保护该电池单元。文中没有特别予以说明之电池单元80的组件其结构与动作与电池单元50中的组件类似。

图8显示依据本发明另一实施例构成之棱形金属-空气电池单元100。金属-空气电池单元100包含一棱形外壳102，在此外壳102中定位多个棱形型式之金属-空气电池单元(图中没有显示)。在外壳102的外壁103上安装风箱104，通过开口105与外壳内部相联通。风箱最好为电子型式的金属风箱，其中有一具有手风琴式弯折的侧壁119包围平面组件120。一形状记忆合金线107连接风箱104的平面组件120，其穿过开口105跨电池单元外壳102，且接在对面侧外壳壁106的连接器108处。一对入口隔离及分配管110伸入外壳内，分几支将空气分配给各个单元。管110分支成多个空气入口111，其按阵列的布局，使得进入入口111的高压空气将导致进入外壳102内的空气电极表面的空气混合及循环。在靠近管110进入外壳102的位置处，其每一个包括一内部mylar瓣阀112，安装此瓣阀可防止空气经管110流出该外壳。空气经从壁面106延伸入外壳的出口隔离管114流出外壳。由经连接导线117，118连到金属线107端的定时电路116提供功率予形状记忆线107。

形状记忆合金线107，意思是指例如由镍钛合金(具有镍钛几乎等原子量的线)，可“记忆”一特定形状。在低温下形成此形状记忆合金线成为所需要的形状，然后挟住且加热过转变温度到回火温度。当冷却时，形状记忆合金线可容易地变形。此后，线路在加热下回到回火的形状。在去除掉热源后，线被强迫回到变形的形状，且可重复该循环。然后可在不使用传统马达，电磁线圈或其它的致动器下，该形状记忆合金线可提供机械位移。一较佳的形状记忆合金由Dynalloy公司或加州的Erin所销售者，或以商标为“Flexinol”销售的致动器线。

当电流跨线路107流过时，它被以应用熟知的方式加热及收缩其形态从图8之虚线所示者改变为实线所示者。此导致风箱压缩在外壳102内的空气且经出口管114排放某些空气。瓣阀112限制空气经入口管110排出。当线路107冷却时，风箱104的弹簧作用可使得线107张开，而使得风箱回到扩张的形态。此动作可减少在外壳内的压力，而将空气通过管110吸入。当线路107不令风箱作此循环时，隔离管110及114限制氧气及水蒸气与外部空气之间的交换以保护电池单元。

在本发明的多个不同实施例中形状记忆合金线107(及此将于下文中加以说明的线136及163)的线规必需尽可能减小以使得其热容量达到最小，而仍提供移动负载所需要的张力强度。可使用多个并联的线。可使用0.025时(0.6mm)的线规作为用于行动电子装置的电池块及单个电池单元中的空气移动器。

图9及10显示依据本发明另一实施例的电池125。电池125包含包封匣127内的双阴极电池单元20，其形态与图1的第一实施例相同。当使用的标号与图1之实施例对应的组件相同时，其结构及组成类似先前说明的实施例。但是在电池125中，阴极22a及22b延伸到与之绝缘的包封匣127的内部壁面相邻的位置。在相面对的阴极之间形成矩形的阴极充气室129。从包封匣127的底部中的开口处，一隔离管130向上延伸入充气室129中，最好到一近充气室中心的位置，且径向接近阴极电流收集器棒38处。

一圆形支撑板132展布在阳极及阴极组件上方的包封匣127内，且在阴极充气室129上形成一开槽133以允许空气自由流动。风箱134在近包封匣127之周围处连接板132，沿该开槽133密封。由形状记忆合金线136压缩且膨胀该风箱，其中该形状记忆合金线从一在近风箱中心的连接器143向下经阴极充气室129延伸到与包封匣底部绝缘的连接器140处。从安装在PCB 145的控制电路经连接到连接器140的导线139及经连接到连接器143的导线141提供一使线136工作的电流。

在操作电池125时，线136供应电流，该线依据熟知的方式加热及收缩，以导致风箱134压缩阴极充气室129内的空气，而经隔离管130去除一些空气。当线136冷却时，风箱134的弹簧作用使得线136伸张，而使得风箱回到膨胀的形状。此动作减少充气室129的压力，而且在高速度下经管130抽入空气。可使用升高的压力给空气以速度，来进行充分的混合，而使得阴极充气室内的氧气浓度达到所需要的程度。高压允许高度节流的隔离管130，这可去除图7所示的型式的阴极罩，此导致比容量(rate capability)及电池能量密度的改进，当风箱不移动时，隔离管130限制氧气及水蒸气与外部空气之间的交换以保护电池单元20。为了得到更好的空气分配，可安装多于一个隔离管。此管的长度为可变动者，而且当风箱膨胀及收缩时，各管可替代执行入口及出口功能。

图11中显示用于往复运动在图8及9之实施例中使用型式的风箱148之替代系统。该风箱148充满管状包封匣147的截面。提供一对可控制的电磁铁150，152，一个位在风箱内及另一在外。以顺序的方式将电磁铁激励来在一个方向相对包封匣147拉动风箱的平面组件，然后在另一方向拉动。

图12及13中显示修改的薄膜空气移动装置158。空气移动装置158可使用在图1或图9之型式的电池中，及使用在图5所示之电池单元。在一阴极充气室上方定位以展布于电池单元包封匣155的空气移动装置组件158包含一由弹性聚合物制造的弹性膜片160，如Santoprene热塑形橡胶。一由金属或塑料制造成的平叶弹簧162形成横越膜片160之宽度或直径的叠层。一形状记忆合金线163之各端连接到叶弹簧162的两相对端。在其松弛状态下线松抵叶弹簧，然后具有可图12之虚线所示的形态。提供来自金属-空气电池的电池单元的电流的定时电路165由导线166连接到线163的端头，使得电流在一段由电路165决定的周期期间流向线163。当由电流加热时，线163收缩，由于其缩短，叶弹簧162弯曲导致膜160以如图12之实线所示方式弯曲。然后，当线163冷却时，弹簧162的弹性回复力使得线张开到原来的长度，且将膜片160拉回平坦的位置，膜片的这种往复运动使得空气在上述电池单元或电池之一中沿着由风箱或起伏形膜移动空气之相同的通道移动。

由形状记忆合金线收缩所产生的弯曲运动也可以由压电致动器提供。

依据本发明第八实施例构成且使用一微型空气移动装置的电池170显示在图14，15及16中。电池170包含在一包封匣172中的双阴极电池单元，其形态如图9之实施例中所示者。但是，从端子14向下延伸的阴极电流收集器174在包封匣172的底部上方终止，且填满阴极22a及22b之间的阴极充气室之全部宽度中。电流收集器棒174通过的支撑板176封闭电池单元和上充气室182，但是在阴极充气室一侧定位的被微继电器驱动的空气泵178及通风开口180除外，该开口允许空气从阴极充气室的另一侧向上充气室流动。

一隔离管185从包封匣172的开口186伸入阴极电流收集器174一侧上的上充气室182。一第二隔离管188从在包封匣172中的开口189伸入在阴极电流收集器174另一侧的上充气室182。在两隔离管之间，上充气室由如图15中所示的一双挡板分开。一挡板192在空气泵178及管185之间从包封匣壁向收集器174延伸。另一挡板194(图中虚线所示者)在通风开口180及管188之间从包封匣壁面向收集器174延伸。

图16显示在微机器技术中熟习本技术者熟知之一种微继电器驱动器198，适用于空气移动装置178。适当的微继电器可参见美国专利5,778,513。在该微继电器驱动器198中，一主框架200支撑平面铜线圈202及金制接触垫片204。在上框架206内，一金分路垫片208，可移动坡莫合金极件210及一可移动的硅平台212覆盖该线圈及接触垫片。一薄膜214(仅显示一部份以揭示其内部细节)实际上连接得与硅平台212一起振荡。此薄膜及微继电器共同形成微振荡器空气移动装置178。

该薄膜214配置一空气旁路装置(图中没有显示)使得空气移动装置以单一方向将空气泵到阴极充气室中。因此可看出形成一空气流动通道以使得空气经隔离管188进入，可在阴极充气室的一侧在一U型通道中向下泵送，且回到另一侧向上经开口180，且经隔离管185离开电池。驱动器198的微继电器可在一般人耳可听到的频率以上的速率，如20，000Hz或更高的频率下振荡。在此高的泵送速率下，甚至每一移动行程中移动的空气量相当小，但流动速率高，且跨空气移动装置的压力差高。跨隔离管188的压力差可为lpsi或更高，此有可能将隔离管的截面积减少到0.1平方毫米或更小，而仍可将足量的空气抽入以使电池的电池单元工作。

挡板192，194显示为完全分开上充气室182，但是，须了解挡板194可被穿孔以允许由空气移动装置所抽送的一部份空气可再循环。

图17到20中显示依据本发明另一实施例构成之电池220。该电池220包含在一包封匣224内具有与图1之第一实施例相同的基本形态的双阴极电池单元。当使用的标号为图1实施例中对应的组件所使用的时，其结构及组合类似在先的实施例。如图17所示，包封匣224为杯形，且其上方形成环状缘225以将内部组件夹持在位，此将于下文中加以说明。一绝缘层227封闭包封匣的上方，且将包封匣与作为阴极端的导电盖229分开。最好一绝缘卷绕层230形成薄层于包封匣224的外圆柱形壁面上。包封匣224作为阳极电流收集器，且其底部形成阳极端子226。

现在请参考图18到20，一具有一底部支撑碟237及竖立墙面238的U形夹持器236装有电池单元20的阳极材料26及阴极22a及22b。一隔离器242显示在各电池单元的阳极及阴极之间。在阴极22a及22b之间形成阴极空气充气室24，且一阴极电流收集器38从阴极端子229经绝缘层227且向下延伸到充气室24的整个长度。

电池单元夹持器236的壁面238展布包封匣224截面的一弦以形成两侧返回充气室28。在底部支撑碟237中，形成对应阴极充气室24的开槽239以允许空气从阴极充气室流入弦壁面238及弧形电池单元包封匣224之间的返回充气室28。

一空气移动装置组件250定位在包封匣224的上端。图示的PCB 252提供跨包封匣224上端的结构组件，且由缘225夹持定位，其中该缘系和PCB一起形成在位。该PCB携带控制电路来控制包括一线圈255及磁铁257之电磁振荡器的操作。线圈255连接到PCB 252的底部，且磁铁257绕电流收集器38设置，且位在线圈255的圆柱形开口内。磁铁可连接薄膜260，此薄膜在薄膜导件262内移动。此导件为环状组件，其连接到封装材料27上方的包封匣224，且在各返回充气室28上方各形成一对空气开口266。导件262提供一圆柱形周向导件壁面263，薄膜260可在其内移动。薄膜260允许空气在向上移动行程上通过薄膜的周围或者是可包含为同一目的的压力均化开口(图中没有显示)。在控制电路控制下从电池单元向线圈供应的电流导致磁铁往复运动，其在导件壁面263内往复运动或振荡该薄膜。

一入口隔离管270从封盖229中的开口269经绝缘层227及PCB 252斜向延伸到薄膜260上方的点。出口隔离管274从封盖229中的开口273经绝缘层227及PCB 252处伸到导件壁263的外侧的点。因此，当应用熟知的方式提供电流脉冲予线圈255时，薄膜运行如同一空气泵经管270将空气抽入，而将空气抽送过在电流收集器38两侧上的空气阴极22，经开槽239，向上经返回充气室28及开口266，再经管274离开电池单元。在此模式中薄膜在阴极充气室内建立一压力。由薄膜产生之空气脉冲的时序可依据来自电池220之输出需要加以决定。当薄膜空气移动装置不动作时，隔离管限制氧气及水蒸气与外部空气之间的交换以保护电池单元。该膜空气泵的功率愈大，则隔离管270及274能是更好的节流及保护管。

须了解用于驱动上述特定实施例中说明之往复运动的致动器可使用在说明的其它实施例中。而且，由上述不同实施例说明之致动器提供的往复运动也可以由马达，压电组件，或流体操作的气缸或隔间进行。

参考上述有关隔离通道之说明，这些隔离通道最好可结构及配置为在空气移动装置工作时允许通足量的气流通过它，而使有足量输出电流，至少50ma，最好至少为130ma可从该金属-空气电池单元中得到。另外，构成该隔离通道要限制当空气移动装置不强迫气流流过隔离通道时通过它的气流及其扩散，使得金属-空气电池单元可提供予负载的漏电流小于输出电流的因数为50或更大。另外，最好构成隔离通道以提供大于50比1的“隔离比率”。

该“隔离比率”为当电池单元氧气电极完全曝露在周围的空气中时的水耗损或增加。与当电池单元氧气电极与周围空气隔离而只通过一个或几个有限的开口时水耗损率或增益比较的比率。例如，给予相同的金属-空气电池单元，其有包含水中约35％KOH的电解液，内部相对湿度约50％，周围空气的相对湿度约10％，而且没有由风扇产生的强迫对流，则氧气电极完全曝露在周围空气时电池单元的水耗损必需为具有与周围空气完全隔离只是通过上述说明的型式之一个或多个隔离通道之氧气电极的电池单元之水耗损的100倍。在此例子中，可得到大于100∶1的隔离比率。

尤其，各隔离通道有实际上垂直于通过它的流向的宽度，平行于流动方向的长度。选择的长及宽度使实际上可去除当空气移动装置不强迫气流通过隔离通道时通过隔离通道的气流和扩散。长度大于宽度，更好是长度大于宽度的两倍。最好使用较大长度及宽度之间的比率。依据金属-空气电池单元的性质，该比率大于200比1。但是，长宽的最佳比率为10∶1。

隔离通道只能形成空气在周围环境及氧气电极之间必需通过的路径之一部份的。各隔离通道可通过电池外壳及电池单元包封匣的厚度限定，但是最好为管形，如上述。在任何一例子中，该隔离通道可为圆柱形，且对于某些应用，各隔离通道的长度介于约0.3到2.5时之间或更长，最好是在约0.88到1.0之间，而内部直径约0.03到0.3时，最好是0.09到0.19时。这些应用中各隔离通道的开口面积(在垂直流动的方向量测)因此约0.0007到0.5平方时。在其它的应用中，如小圆柱形电池单元，该隔离通道之长度约0.1到0.3时或更大，最好是0.1到0.2时，而内径约0.01到0.05时，而最好是0.015时。对于特定的应用其最好的尺寸与通道和阴极充气室的几何形状、使用特定空气移动装置、及在必需的水平下操作电池单元需要的空气体积有关。

隔离通道不必需为圆柱者，任何可提供需要隔离的截面形状都可以使用。隔离通道不必在其长度方向呈均匀者，只要各隔离通道中至少有一部份可提供需要的隔离即可。而且，隔离通道之长度方向可为直的或弯曲的。

其它示例的隔离通道及系统参见美国专利第5691074号及美国专利申请第08/556,613号，而这些文件公开的内容在此列为本文之参考。

虽然文中已用优选实施例说明本发明，需了解可对其加以更改及变更，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明范围。

Claims (20)

1.一种用于金属-空气电池单元或电池单元之电池的通风系统，其特征是包括：

至少一通道，其可运行来用以联通外围环境与金属-空气电池单元；以及

一空气移动组件，操作该组件以使得空气交替流动；

从外围环境经通道向金属-空气电池单元流动；以及

从金属-空气电池单元附近经通道向外围环境流动。

2.如权利要求1所述的通风系统，其特征是其中该通道中至少有一部份为一隔离通道，当未封闭该通道及该空气移动组件不运行时，该隔离通道用来限制流过的气流。

3.如权利要求1所述的通风系统，其特征是其中该空气移动组件包含一往复运动的风箱。

4.如权利要求1所述的通风系统，其特征是其中该空气移动组件包含一往复运动的薄膜。

5.如权利要求3或4所述的通风系统，其特征是其中该往复运动空气移动组件包含一致动器，其可响应一电刺激而移动一隔膜，该致动器包含一形状记忆合金。

6.如权利要求3或4所述的通风系统，其特征是所述致动器包含一电磁振荡器

7.一种用于含一或多个金属-空气电池单元的金属-空气电池的通风系统，其特征是此系统包含：

一隔膜；

至少一通风通道，该通风通道延伸过该隔膜，而且可以运行以联通周围环境与该金属-空气电池单元；及一致动器，其可运行以使得该隔膜往复运动，此种运动使得空气经过该通道供应至该金属-空气电池单元。

8.如权利要求7所述的通风系统，其特征是其中该通道包含一扩散管，安装该扩散管以与该隔膜一起移动。

9.一种用于至少一金属-空气电池单元的通风系统，其特征是包含：

至少一通道，其可运行来联通周围环境及该金属-空气电池单元；

以及

一空气移动组件，其安装在一导管中，且运行来使得空气经通道流到金属-空气电池单元中，该空气移动组件包含：

一韧性膜片，其中包含起伏形膜，该起伏形膜包含由连接该导管之环部位所包围的中心部位，该环部位具有一可变动的U形截面；以及

一致动器，其可运行来使得该中心部位往复运动，该环部位因该中心部位往复运动而适应地改变截面以维持仍连接到该导管上。

10.如权利要求9所述的通风系统，其特征是其中尚包含在该中心部位上的第一通气孔，及位在该中心部位之通道中的一隔膜，该隔膜上形成与该第一通气孔相间隔的第二通气孔，当该中心部位趋近该隔膜时，该第一及第二通气孔为该通道一部份。

11.如权利要求10所述的通风系统，其特征是其中在该隔膜及该中心部位最为接近时，该通气孔之间的距离与该隔膜及中心部位之间的距离比为约2∶1或更大。

12.一种金属-空气电池，其特征是在该金属-空气电池内包含一具有一或多个金属-空气电池单元的外壳，各金属-空气电池单元有一空气电极，一空气管理器包含：

一在该外壳内形成的空气通道，且延伸到金属-空气电池单元之空气电极附近；

一入口及一出口，各延伸在该通道及在外壳外部之周围环境之间；

一安装在该通道中的微振荡器；以及

一连接该微振荡器的薄膜空气泵；

其中该微振荡器使该薄膜振荡，其振荡频率在人耳可听见的范围之外，而使得空气沿着该入口及出口之间的通道移动。

13.如权利要求12所述的金属-空气电池，其特征是其中该金属电池包含一对金属-空气电池单元及一对相面对的空气阴极，由一般呈矩形的空气充气室间隔开，其中该空气充气室包含一圆柱形外壳的中心轴，阴极电流收集器延伸可将该空气充气室分开，其中该空气通道为一由该阴极电流收集器所限定的U形空间，成为跨过该空气充气室该路程的一部份。

14.如权利要求13所述的金属-空气电池，其特征是其中该入口及各该出口均包含一隔离通道。

15.一种用于金属-空气电源的通风系统，其特征是包含：

各包含一空气电极的一或多个电池单元；

至少一通过该面对之表面之间的空气通道，各表面形成一通过它的开口，且通过该表面的该开口彼此相间隔开，该通道可通过足量的空气来与一运行的空气移动装置一起，使该电池单元运行，而且当通道没有封闭，且不受运行中之空气移动装置影响，该通道可更进一步工作，以限制流过该通道的空气流。

16.如权利要求15的通风系统，其特征是结合该空气移动装置，其中该相对之表面中之一个包含一可动薄膜，且该空气移动装置包含该薄膜，及用于往复运动该薄膜的致动器；

该薄膜被定位得当该空气移动装置不往复运动该薄膜时，让该薄膜可非常接近该另一个相对的表面；以及

其中该空气移动装置不往复运动该薄膜时，该开口之间的距离对该表面之间的距离比为约2∶1或更大。

17.一种金属-空气电池，其特征是在该金属-空气电池内包含一圆柱形外壳，该外壳容置一对金属-空气电池单元及一对相面对、为一中心阴极空气充气室间隔开的空气阴极，一空气管理器包括：

一位于该外壳内的空气通道，系由该阴极空气充气室所限定，在该外壳的一端连接到在该外壳之弦壁面及一圆柱形壁面之间形成的返回充气室而形成；以及

一空气移动装置，可运行来移动空气流使轴向流过该阴极空气充气室且在反方向上轴向通过该返回充气室。

18.如权利要求17所述的金属-空气电池，其特征是尚包含一空气入口，其提供外部空气予该空气移动装置，及一空气出口，用于将流过该返回充气室的空气中至少一部份引到该电池的外部，该空气入口及空气出口为隔离通道，此隔离通道工作以使得当所述空气移动装置不动作时，保护该电池单元。

19.一种用于金属-空气电池的空气移动装置，该金属-空气电池包含一或多个电池单元，其特征是该空气移动装置包括：

一韧性膜片；

一叶弹簧，其延伸过该韧性膜片之至少一部份且连接在其上；

一形状记忆线，该线之两端部位连接到该叶弹簧上，使得当该线在松弛状态时，可以松弛地沿该叶弹簧配置；以及

可视需要连接该线之端部到该电池单元的电路，以使一电流可流过该线，使得该线收缩，因此弯曲该叶弹簧，且使得该膜片变形以令该电池内的空气流动。

20.一种用于金属-空气电池的空气移动装置，该金属-空气电池包含一或多个电池单元，其特征是该空气移动装置包括：

一包含一可动平台的微振荡器；

一薄膜，连接该薄膜以与该可动平台一起往复运动而使得该电池内的空气运动；以及

一电路，该电路视需要提供来自该电池单元的功率以使该微振荡器运行。

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