CN1370337A - 用于金属空气电池组的空气管理系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于金属空气电池的空气管理系统。该系统包括:(a)一外壳(2、4),它有一空气推动器(30)和一空气出口;和(b)一盒子,它可从外壳中取出。盒子包括(i)一金属空气电池(6);(ii)一空气入口(46),其位置朝着盒子的第一端并与盒子的第一侧相邻;(iii)一空气出口(48),其位置朝着盒子的第二端并与盒子的第二侧相邻;(iv)一第一扩散管(26),它与盒子的空气入口(25)连通;(v)一第二扩散管,它与盒子的空气出口连通;(vi)一第一分布管(28),它与第一扩散管(26)连通;和(vii)一第二分布管,它与第二扩散管连通。

Description

用于金属空气电池组的空气管理系统
本发明一般地涉及用于金属空气电池组的空气管理系统。
电池组是常用的电能源。电池组包含一通常称为阳极的负极和一通常称为阴极的正极。阳极含有可以被氧化的活性材料，阴极包含或消耗可以被还原的活性材料。阳极活性材料能还原阴极活性材料。为了防止阳极材料和阴极材料直接反应，阳极和阴极用通常称为隔板的薄板状材料彼此电绝缘。
当电池组在一装置如蜂窝电话中作为电能源时，使阳极与阴极产生电接触，使电子流过该装置并允许产生各自的氧化反应和还原反应，以提供电能。与阳极和阴极接触的电解液含有流过两个电极之间的隔板的离子，以在放电时维持整个电池的电荷平衡。
在一金属空气电化学电池中，阴极的氧减少，而金属则在阳极被氧化。氧气要经过容器中的一个或几个空气出入口从电池外面的大气空气供至电池中。
在不活动期，不需要有空气从外界扩散入电池中。实际上还宁愿使供至电池中的空气为最少，因为空气扩散至电池中可造成电池的湿度水平改变。当外部大气的湿度水平低于电池的时，电池会干涸。当外部大气的湿度水平高于电池之时，电池会溢出。此外，当空气扩散至电池中时，阳极可过早被氧化。
一空气管理系统通过控制包括氧、二氧化碳和水的空气流入和流出该系统而提高一金属空气电池组系统的活化的贮存寿命。在电池组的使用期间，一空气推动器如一风扇将足够的空气移入和移出该系统，以保证良好的性能。
空气流沿电池的活性表面的分布可能是不均匀的。不均匀的空气流能在电池组中产生“热点”，在该处，阳极和阴极的反应比电池组中的其它区域更多。热点可导致不一致的电池组性能，和不能实现电池组的最大容量。
本发明的空气管理系统提供该系统中所包含的电池组的提高的活化的贮存寿命，并提供电池组在使用时的良好性能。空气均匀地沿电池组的活性表面被导向，从而使性能为最佳。此外，该系统是为了便于消费者使用而设计的。
一方面，本发明以用于金属空气电池的空气管理系统为特色。该系统包括：(a)一外壳，它有一空气推动器和一空气出口；和(b)一盒子，它可从外壳中取出。盒子包括(i)一金属空气电池；(ii)一空气入口，其位置朝向盒子的第一端并与盒子的第一侧相邻；(iii)一空气出口，其位置朝向盒子的第二端并与盒子的第二侧相邻；(iV)一第一扩散管，它与盒子的空气入口连通，第一扩散管沿盒子的第一侧延伸；(V)一第二扩散管，它与盒子的空气出口连通，第二扩散管沿盒子的第二侧延伸；(Vi)一第一分布管，它与第一扩散管连通，第一分布管从第一扩散管沿盒子的第一侧延伸，经过一方向变化并与一空气压力通风系统相邻，第一分布管包括许多与空气压力通风系统连通的开口；和(Vii)一第二分布管，它与第二扩散管连通，第二分布管从第二扩散管沿盒子的第二侧延伸，经过一方向变化并与一空气压力通风系统相邻，第二分布管包括许多与空气压力通风系统连通的开口。
空气推动器可将空气送入盒子的空气入口和/或从盒子的空气出口抽出空气。扩散管有助于在不活动期使输入和输出盒子的水蒸汽为最少。因此，扩散管有助于防止电池溢出或干涸。
当金属空气电池用尽时，盒子可以从外壳中取出并用新的盒子代替。包括空气推动器的外壳可以与新的盒子一起使用，而不是换掉。此设计有助于使使用空气管理系统的费用为最少。这还减小了盒子的尺寸，而它本身又使在盒子必须更换时产生的废弃物量为最少。
另一方面，本发明以用于金属空气电池的空气管理系统为特色。该系统包括：(a)一外壳，它有一空气推动器和一空气出口；和(b)一盒子，它可从外壳中取出。盒子包括(i)一金属空气电池，(ii)一空气入口；(iii)一空气出口；(iV)一与空气入口连通的第一扩散管和一与空气出口连通的第二扩散管；(V)一与第一扩散管连通的第一分布管和一与第二扩散管连通的第二分布管；以及(Vi)一划出许多与第一分布管连通的开口的第一板和一划出许多与第二分布管连通的开口的第二板。扩散管、分布管和开口共同合作，划出许多空气流动路径，该路径在盒子的空气入口处开始，继续经过盒子并在盒子的空气出口处终止。所有这些空气流动路径的长度基本相等。
另一方面，本发明以一种控制金属空气电池组中的空气流动的方法为特色。该方法包括：(a)将至少一个金属空气电池封闭在一盒子内，该盒子有一空气出口和一空气入口；以及(b)在盒子内推动空气，使其经过许多空气流通路径的任一个。这些空气流动路径的每一个经过盒子的空气入口，经过一扩散管，经过一分布管，沿电池的活性表面并经过盒子的空气出口。所有空气流动路径的长度基本相等。该方法可包括将空气送入盒子的空气入口和/或从盒子的空气出口抽出空气。
来自大气的空气被从空气推动器如吹风机排出的空气压入盒子中，或作为供至一空气推动器如真空装置的进气被从盒子抽出。空气流过包含在盒子中的电池的活性表面，然后从盒子出来，而不是经过盒子再循环。
如同此外所用的那样，“可取下”指的是该部分容易例如被消费者取下，而不需要工具或过大的力。
如同此外所用的那样，“朝”指的是，在构件上的某个位置，相对于该构件上的已知点，在构件的总长度的30％以内，最好在20％或10％以内。
本发明的其它特色和优点将从其优选的实施例的说明并从其权利要求书明白。
图1为本发明的盒子的分解图。
图2为本发明的盒子的局部剖视图。
图3为本发明的盒子的俯视剖视图。
图4为本发明的空气管理系统的分解图。
图5为本发明的空气管理系统的外观图。
本发明的空气管理系统可以与像蜂窝电话这样的装置一起使用。空气均匀地经过金属空气电池的活性表面被导向，以致可以得到比较一致的电池组性能。
参看图1，一盒子包括一下壳2和一上壳4。盒子可以用任何一种不透空气的材料如塑料或金属或其组合制造。四个金属空气电池6包含在盒子中。可以采用任何类型的金属空气电池例如棱柱形电池、钮扣电池、圆柱形电池和双极结构电池。电池可以如Linden的Handbook ofBattenes第2版(1995)所述的那样制备。电池按两叠布置。每一叠中的电池垂直隔开一段距离，以在一叠的电池之间划出一空气流动路径8。这些电池的阴极(活性表面)在这一叠中彼此朝向。各叠沿水平彼此隔开一段距离。
盒子的内板10有许多开口12。此外，板10有一脊14。在装配时，板10、脊14和盒壁16界定一长而狭的路径，它用作扩散管并用作盒子的分布管。开口12与分布管连通。
内板20也包括一脊(未示出)。内板20、脊和盒壁22界定一空气出口压力通风系统，该系统包括一第二分布管和一第二扩散管，内板20有与分布管连通的开口24。在此实施例中，扩散管与分布管在盒子中与其做成一体，因此不能从盒子中取下。此设计节省空间，而且采用这种设计的盒子的生产比较便宜。
参看图2，空气如箭头25所示流入盒子的空气入口。它沿扩散管26的长度流动，然后转过180°。它流经分配管28，转过90°，然后流经开口12。在空气流过电池以后，它被收集在一第二分布管中(未示出)。它转过180°，流经一第二扩散管(未示出)。然后如箭头31所示经过空气出口流出盒子。
扩散管和分布管经过180°左右的转弯连接。转弯使空气路径成为比较盘旋的，因此有助于在风扇切断时提高电池的绝缘。
参看图3，它较详细地示出空气流经盒子的路径。空气经过空气入口46进入盒子。空气流经一扩散管(未示出)、流经一分布管(未示出)并流经开口12。为了清楚起见，并未示出所有的开口。空气流过电池，然后经过开口24。空气以后流经一第二分布管(未示出)，流经一第二扩散管，然后流经空气出口48。
如图3所示，空气在流经盒子时可采取任何一个空气流动路径a、b或c。这些路径的长度，从盒子的空气入口，经过盒子，到达盒子的空气出口，基本都是相等的。因此，活性表面的所有部分都受到基本相同的空气流量，像“热点”和电池不稳定性这样的问题都可以避免。
扩散管的构形和尺寸有助于在吹风机30切断时保持流经盒子的空气为最少。每个扩散管有一1～8mm2左右的截面积和一10～70mm左右的长度。扩散管的尺寸做成允许经过盒子的流量在空气推动器切断时少于3.46×10-2L/h左右，最好少于3.46×10-3L/h左右。受限制的空气流有助于使电池的自放电为最少，并有助于减少电解液的碳化。它还有助于保持电池中的恒定的湿度水平，并有助于进入电池的氧气与CO2量为最少。虽然受限制的空气流有许多优点，但是宁可至少有一些氧气留在电池中。如果氧气的水平太低，可能会在一段不活动期后难于使空气推动器启动。
盒子中的各个金属空气电池6共同合作，界定一电池组，该电池组在空气推动器接通时能产生至少300mA的电流。在某些实施例中，电池组在空气推动器接通时产生至少500mA、900mA、1000mA或1700mA的电流。在其它实施例中，电池组在空气推动器接通时按空气阴极表面有一1～200mA/cm2左右，作为例子，有10～110mA/cm2左右的输出电流密度。
参看图4，外壳包括一盖32、一吹风机30、一空气出口33、一包装松开按钮34、一盒子触点38和一底板42。用于吹风机的座44是做在包装外壳中的，因此不需要用于吹风机的单独的外壳。盒子包括对准突起45，它有助于使用者按正确的取向定位盒子。
当电压降低至临界水平以下时，吹风机30接通。当吹风机接通时，空气从外壳的空气出口33送入盒子的空气入口46。空气如上所述经过盒子移动，然后经过空气出口48从盒子出来。
参看图5，外壳互锁装置的盒子锁紧突起50和盒子松开闩52将盒子夹持在外壳中。盒子松开闩还起着使空气从外壳出来的目的。
当盒子中的电池用尽时，整个盒子可容易地取下，然后换以新的盒子。盒子和外壳的构形做成只在盒子在外壳中放在正确位置上时才互锁。也就是说，盒子与外壳只在盒子中的空气入口与外壳的空气出口对准时才互锁。此外，电触头在此位置上对齐。此构形防止使用者将盒子在外壳中放成顶朝下或转过180°。
在此应用中所提到的所有刊物和专利在此处都被结合，以作为参考，其程度如同每个单独的刊物或专利都被专门地或单独地指出，以作为参考被结合的。
其它实施例在下列权利要求书的范围之内。

Claims (32)

1.一用于金属空气电池的空气管理系统，它包括：
(a)一外壳，它有一空气推动器和一空气出口；
(b)一盒子，它可从上述外壳中取出，上述盒子有第一和第二端部、第一和第二侧面，以及
(i)一金属空气电池；
(ii)一空气入口，其位置朝着上述盒子的上述第一端，并与上述盒子的上述第一侧相邻；
(iii)一空气出口，其位置朝着上述盒子的上述第二端，并与上述盒子的上述第二侧相邻；
(iV)一第一扩散管，它与上述盒子的上述空气入口连通，上述第一扩散管沿上述盒子的上述第一侧延伸；
(V)一第二扩散管，它与上述盒子的上述空气出口连通，上述第二扩散管沿上述盒子的上述第二侧延伸；
(Vi)一第一分布管，它与上述第一扩散管连通，上述第一分布管从上述第一扩散管沿上述盒子的上述第一侧延伸，经过一方向变化，并与一空气压力通风系统相邻，上述第一分布管包括许多与上述空气压力通风系统连通的开口；
(Vii)一第二分布管，它与上述第二扩散管连通，上述第二分布管从上述第二扩散管沿上述盒子的上述第二侧延伸，经过一方向变化，并与一空气压力通风系统相邻，上述第二分布管包括许多与上述空气压力通风系统连通的开口。
2.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述盒子进一步包括：
(a)一第一板，它划出上述第一分布管的上述开口，其中，上述第一板包括一脊，以及上述第一板和上述脊形成上述第一扩散管的两个壁和上述第一分布管的两个壁；以及
(b)一第二板，它划出上述第二分布管的上述开口，其中，上述第二板包括一脊，以及上述第二板和上述脊形成上述第二扩散管的两个壁和上述第二分布管的两个壁。
3.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述扩散管，上述分布管和上述开口合作，划出许多经过上述盒子的上述空气流动路径，所有上述路径的长度基本相等。
4.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述外壳中的上述空气推动器将空气送入上述盒子的上述空气入口中。
5.如权利要求4的空气管理系统，其特征为，上述空气推动器为为一吹风机。
6.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述外壳中的上述空气推动器从上述盒子的上述空气出口抽出空气。
7.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述扩散管的尺寸做成使在上述空气推动器切断时经过扩散管的空气流量小于3.46×10-2L/h左右。
8.如权利要求7的空气管理系统，其特征为，上述扩散管的尺寸做成使在上述空气推动器切断时经过扩散器的空气流量小于3.46×10-3L/h左右。
9.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，每个上述扩散管有一1～8mm2左右的截面积，和一10～70mm左右的长度。
10.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述盒子包括许多金属空气电池。
11.如权利要求10的空气管理系统，其特征为，上述电池成叠放置，以及每叠包括两个电池，它们沿垂直方向彼此隔开一段距离，以在其间划出一空气流动路径。
12.如权利要求11的空气管理系统，其特征为，上述盒子包括两叠电池，以及上述叠沿水平彼此隔开一段距离。
13.如权利要求10的空气管理系统，其特征为，上述电池合作，划出一电池组，该电池组在上述空气推动器接通时产生至少为300mA的电流。
14.如权利要求13的空气管理系统，其特征为，上述电池合作，划出一电池组，该电池组在上述空气推动器接通时产生至少为500mA的电流。
15.如权利要求14的空气管理系统，其特征为，上述电池合作，划出一电池组，该电池组在上述空气推动器接通时产生至少为1000mA的电流。
16.如权利要求15的空气管理系统，其特征为，上述电池合作，划出一电池组，该电池组在上述空气推动器接通时产生约为1700mA的平均电流。
17.如权利要求13的空气管理系统，其特征为，上述电池组在上述空气推动器接通时按空气阴极表面有一1～200mA/cm2左右的输出电流密度。
18.如权利要求17的空气管理系统，其特征为，上述电池组在上述空气推动器接通时按空气阴极表面有一10～110mA/cm2左右的输出电流密度。
19.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述空气推动器产生经过上述盒子的空气流量约为0.04～40L/h。
20.如权利要求19的空气管理系统，其特征为，上述空气推动器产生经过上述盒子的空气流量约为4～40L/h。
21.如权利要求1的空气管理系统，其特征为，上述外壳和上述盒子的构形要做成使在上述盒子放在上述外壳中时，上述外壳中的上述空气出口和上述盒子中的上述空气入口是基本对准的。
22.如权利要求21的空气管理系统，其特征为，上述外壳进一步包括一盒子松开元件，以允许空气从上述外壳出来。
23.如权利要求22的空气管理系统，其特征为，上述盒子进一步包括一锁紧突起，其形状做成与上述盒子松开元件互锁。
24.用于金属空气电池的空气管理系统，它包括：
(a)一外壳，它有一空气推动器和一空气出口；
(b)一盒子，它可从上述外壳中取出，上述盒子具有：
(i)一金属空气电池；
(ii)一空气入口；
(iii)一空气出口；
(iV)一与上述空气入口连通的第一扩散管和一与上述空气出口连通的第二扩散管；
(V)一与上述第一扩散管连通的第一分布管和一与上述第二扩散管连通的第二分布管；
(Vi)一划出许多与上述第一分布管连通的开口的第一板和一划出许多与上述第二分布管连通的开口的第二板；
其特征为，上述扩散管、上述分布管和上述开口合作，划出许多空气流动路径，该路径从上述盒子的上述空气入口，经过上述盒子，到达上述盒子的上述空气出口，所有上述路径的长度基本相等。
25.用于在金属空气电池组中控制空气流动的方法，该方法包括：
(a)将至少一个金属空气电池封闭在一盒子内，上述盒子有一空气入口和一空气出口；以及
(b)在盒内推动空气，使其经过许多空气流动路径的任一个，
其特征为，上述路径的每一个经过上述盒子的上述空气入口，经过一扩散管，经过一分布管，沿电池的活性表面，并经过上述盒子的上述空气缺口，
以及所有上述路径的长度基本相等。
26.如权利要求25的方法，其特征为，上述空气流动路径的每一个经过两个扩散管和两个分布管。
27.如权利要求25的方法，其特征为，上述空气流动路径的每一个经过板中的一个开口。
28.如权利要求25的方法，其特征为，空气通过在上述盒子外面的空气推动器移动经过上述盒子。
29.如权利要求28的方法，其特征为，上述空气推动器将空气推入上述盒子中。
30.如权利要求29的方法，其特征为，上述空气推动器从上述盒子抽出空气。
31.如权利要求25的方法，其特征为，步骤(b)包括将空气移经一扩散管，将空气流动的方向改变180°，然后将空气移经分布管。
32.如权利要求31的方法，其特征为，步骤(b)包括将空气移经一扩散管，将空气流动的方向改变180°，将空气移经一分布管，将空气流动的方向改变90°，然后将空气移过金属空气电池的活性表面。
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