TW396655B - Electrochemical cell - Google Patents
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Description
經濟部中央標準局貝工消贤合作社印裝 -— -, 五、發明説明 發明範園 此發明係關於電化 思化%池,,雖未限定而立係特 感測器及燃料電池中 、 1關於軋體 τ所用疋電化電池。 技藝背景 1 用於感測大f φ _ρ β . 、可氧化或可還原氣體(例如一氧化^ 電化氣體感測器通當α人+ 虱化碳)< 口(通常爲擴散障辟、、^. •夂%極及入 土 ’,以谷許大氣渗透至感測電拓。二r 極乃和電解質進行 %桎Ϊ兩電 測之氣體產生電化與β & 死地與經感 兒化予反應;其次其並能在反電極 、電解質或其它氣0 :大氣 飞也源中與氧產生電化學反應。兩士 用反應中所產生之齙 ·见"丨u係利 <離子以載運通過電解質並利用心 通過外部電路,雷饮士、 兒子載運 %谷d路中〈電流係指氣體之濃度 電極與怪電位電跋纟 · 兩'參考 路結合使用、,以維持感測電極 質之間的電位,以摔力扣从土、μ、 —及私池%解 * 乂項加操作時之穩足性<〇 以物理、、構义觀點而言,·感測器一般乃包含外殼 當成電解質所用之蓄槽:燈蕊,或基材.以支撑和電 電解質、、及和電接電連接之外部電終端,。本感測器電、、也大 多數係利用堆疊電極之方式排列,其例如美國專 4,406,770 號。 S_A_ 近來係已有經簡化之設計被提出•,請見例如美國專利案 US-A-5,1 83,550號' 其所揭示之氣體感測器:其中感測、反 及參考電極乃嵌裝於共陶瓷基材上之共平面 ,反 /丹操觸導 線係由電極延伸至基材之其它表面以進行電接觸_。 吾等同在中請之專利案w〇9腕76號(吾等之Μ” -4- 本紙张尺度適用中!8國家標準(OS ) Λ4規格(2ΐ〇χ 297公超) --------^-----裂------訂------東 (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁} 五、發明説明( 案PQ 12622)所揭示及申請之 ί --------^ —— 先况請背!£?之注意事項再填苟"¥夂) 材上以多孔性平面元件方式形係包含基材;在基 容許氣體能由大氣渗透至電極之:广及其爲多孔性以 外殼及嵌裝至該外殼之外部 丄含電解質之蓄槽之 熱之施加而連結至外殼•,故於個材㈣用壓力及 經密封並電連接至電^然h阻斷^作走中.,外殼係 解質渗透通過電極至電連接區域…孔而防止電 雖以上結構以成本降低之觀 缺#丄' & * ° 1承代表可觀之進步, …#成本h低卻以不犧牲品質 ' „ ,, ^ ; 貝〈嚴可要未係促使在設計上 匕做進一步 < 簡化4 發明簡述 此發明所根據之概念乃爲提供兩個可撓的塑膠薄片,其 中一個乃具有印刷在其之上的電極區域,•其係在邊緣周圍 彼此連結以形成電解質所用之蓄槽, .叩/、并以佘袋狀爲形 式。、 因此,本發明在第一個方面係提供至少包 泉 u 〇弗一及第二 薄片構件之電化電池,•至少一個該薄片構件乃台 G 3可透氣- 部份,•其上係配置一個或多個平面電極,第—乃Μ ^ 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 ' 久弔二溥片
構件之周園區域係被密封在一起,以形成含電解w、A , % 貝疋畜槽 ’及包含由每個該電極延伸跨過薄片構件密封之電連接裝 置 '以作爲外部電連接。. 在其它方面,•此發明係提供以多部份所形成之電化電、也 組合,'每部份係具有第一及第二薄片構件:每個薄片構件 乃含有可通氣之區域’,其上係配置平面電極,.第一及芽_ ------- -5 一 本紙张尺;1適用中®园家標準(CNS ) M規格(21〇x297公痠) A7 A7 經 部 t 央 標 隼 局 貝 工 消 t 合 作 社 印 裝 五、發明説明( 薄片構件之周園區域乃被密封在一起以形成含電解質之蓄 槽,‘及包含由該電極延伸跨過薄片構件密封之電連接裝置 ,以作爲外部電連接•,該组合係包含將第一及第二氣體引< 導至每部份之岐管裝置 >,以連接個別之第一及第二薄片構 件。, 於此發明較往後之具體實施例中,•利用使電極形成在不 同I薄片構件上,•配置第一氣體以使其流動通過第一薄片 構件之上及使第二氣體流動通過第二薄片構件之上係有可 能。刺如以合之岐管結構,.該組合乃能構成燃料電池 本發明之結構無論是氣體感測器或是燃料電池乃極爲簡 單,、其在實質上並能容許成本的節省。 曰 各種特定形式之結構乃有可能〖兩薄片構件可爲可撓性 ,可撓性係能容許電解質插入在兩薄片構件;爲· 個別薄=之部份%其乃經過折叠;故薄片構件爲面對面的 。可將交替之-個或二個薄片構件以薄片形<:其乃展現 具有二維t形狀,,例如薄片可良好形成在其之内以界定蓄 槽空間。•在其中-個可替換之較佳結構中,.薄片乃能以多 孔性PTFE之平面薄片形式形成,,以負擔所f之電極組態, 並可將可撓性塑膠外套焊接在PTFE薄片之邊緣以界定出蓄 槽、。 亦可使用第三薄片構件,•例如用於密封二個外薄片其較 低溶點之中間層t。第三薄片可爲高多孔性材料以固定電解 質〜於其它形式中:第三薄片構件乃能爲第二個電化;池 界足出弟一個蓄槽空間。 -6- 本紙張纽·巾關轉^Τ^ΤΓ4規格(210x 297公釐- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·
,1T 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明( 因此,本發明乃能容許以夂 ,f以各式形狀製造非常薄的組合(1 至2¾米I級數)。,此係容許其库 、 、應用在其中芏間是極有限的 氣體感測器,,例如於個人之衣物内或其上;產 乃能提供"可抛棄式”感測器之可能性·,其可能僅使用一次 或少次後隨即抛棄、。 因此製造及組合係可利用將哈e 口竹』扪用將電極印刷在可撓性基材之薄 片上而簡U後續經折疊—或數次•,或置於另_種材料 之薄片上、並後續將邊緣密封包圍以形成"茶袋"型結構,。燈 蕊及電解質係含於袋内’、並可利用熱、、黏著劑或機械力使 其密封ί諸此裝置乃能製成不規則狀:並且其乃適用在使 成本降低之高自動化水準内‘。 \ 當製造完全可撓結構之感測器時•,其實際上乃將被連接 至固定支架或嵌裝在固定外殼内'以防止因彎曲所造成之 可疑噪音、。因薄感測器之緊密特性,•可將其和控制電路配 置於個別基材之上:此基材亦可具有内建之擴散限制氣體 出入5 根據本發明之電化電池•乃能協助生產線之自動化製造及 组合。、因此,,以一或多捲方式儲存之薄片材料係可展開或 重疊、而後續電池之圖樣係可在同時之作業中由薄片|印 、切下及密封?對燃料電池而言:電池係可在例如薄片之 上以4 X 4之平面陣列方式形成·。 , 雖在電池中之電解質一般是以液體爲形式:其係可以膠 體或固體聚合物爲形式,t以塗敷或以其它方式固定至電極 對印刷在可通氣薄膜上之電極而言其必需達成三種功 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4规格(2丨0XH7公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_ 訂 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 ------------ B7__一 五、發明説明(5 ) 一 月匕以说組合成電化電池:、1)機械連接至電極:2)於電解質 中岔封及3)提供由電極至電池外部之傳導路徑·。 其中種類似於描述在W0 96/14576號中之較佳建造方 法\其係利用將多孔性PTFE薄片構件(電極)熱密封在電池 王體7L件之技術、。一但印刷電極流通過此密封時,,則其除 未提供其它元件及自動化能力外,,其係滿足所有三種要求,。 亦可使薄片構件黏著在一起丨此方法係可達到用在電池 組合二項之所有要求。、實際上其乃利用PTFE薄膜之孔隙完 成黏奢、·1¾建構之方法在容許易碎,或複雜電極之组合時乃 爲重要。、例如易碎之電極·係可能導因成本降低,。複雜之電 極乃包括不規則狀\多重印刷或密封在多於一個之平面气 ,例如包圍模之外部•。此組合方法對小型之可拋棄式感測 器(有限壽命)而言乃爲重要 '優點,:電極油墨結構非常小 的破裂:黏著劑可進入電極油墨及基材之孔隙以增加強度> ,而此方法乃非常的適用。、以此方法,,係可使用不同電連 接至電極之方法·,例如可將電極導線由電極延伸至外部電 連接I . 以低成本製造多重電池组合對燃料電池之製造而言乃爲 理t。、以狹帶形式製造之電池I係可應用以賦予陣列(其爲3 X 4),、此陣列乃在堆疊組合中形成個別的層,。每個電池的 其中一個電極乃在層之頂部而另外一個乃在底部:以容許 i氣及燃料氣可經由簡早之岐管系統而供應至相關的電極,。 其中一種較佳之堆疊組合乃包含以電池層交錯之固定隔 板裝置,、並在每層之每側上提供岐管結構以容許適當的氣 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公| > (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 經濟部中央標準局員工消f合作社印裝 A7 ____ B7 ' --------------— __________— _________ 五、發明説明(6 ) 體流入5在該層其中—側之第一個岐管係經配置以容許來 自一個方向之第一種氣體流入:而配直在層其它側上之第 一個岐管•係以和第—個岐管成直角之方式排列,以容許來 自和第一個方向成直角之第二種氣體流入?利用對岐管尺 十及形狀之調整可將該兩種氣體之體積及流率調整至所 需。, 於每層中可將電池串連以指定由電池所產生之電壓,, 並可將層並聯在一起以界定組合之最大電流/ 第二種唯疊組合乃爲將所有層製造在一條長的狹帶中,, 該狹帶乃被折疊成"鋸齒狀,•圖樣。、利用固定岐管/隔絕板排 列·,以容許空氣能以和折疊圖樣成直角之方式流動通過堆 田 登。> 於燃料電池之實例中,,薄片構件可能未將其周圍密封完 全包圍係有可能,、但可提供一個小的未密封區域以提供水 或電池内於操作期間所產生之其它液體一個洩放口,。 附圖之簡單説明
V 本發明之較佳具體實施例現將參考附圖以進行説明(,其 中: 圖1爲根據本發明其當作氣體感測器使用之電化電池之截 % 面圖具體實例八 圖2爲圖1之感測器之平面圖; 圖3爲圖1及2之氣體感測器經誇張後之截面圖•,其係被併 在個人用之氣體感測器中; 圖、斗爲根據本發明其當作燃料電池元件使用之電化電池具 -9- I- I- I- - I I- »» - -1 .1- I 11 f II _ (請先間讀背面之:;χ#事項再填窍本頁) ,1Τ 泉 本纸张尺度適用中國闽家標準(CNs ) Λ4規格(210 X 297公犛) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印繁 A7 --—----__—__B7 五、發明説明(7 ) ~--- 體實施例之截面圖;及 =5爲圖4燃料電池元件部份之透視圖〜其示出該元件如 哼炎裝在#此元件之燃料電池堆疊中。 較佳具體實施例説明 現參考圖1及2,、其示出包含〇25毫米厚之可撓性多孔 PTFE基材2並以氣體感測器爲形式之電化電池,,參考電極氕 工作電極6 '及反電極8乃印刷於其上•。如圖2中所示,,此 等電極一般爲矩形並以工作電極6配置在中心之並排方式配 置V故參考及反電極係可執行其功能而不會彼此干擾、。印 刷屯極41、、61、、81部份乃延伸至基材2其中一個邊緣以進行 外部電連接、。 電極係可利用例如網版印染,' 以來自置於基材上之懸吊 擇區吸入或眞空沈積、、噴塗、或適用於製造固體材料圖樣 化沈積之任何其它方法沈積至基材2上。、沈積可爲個別材料 或依序以層方式其多於一種的材料:以例如經其厚度而改 變電極材料之性質,•或將經提高導電係數之第二層添加於 氣體反應主要位置層之上或下、。 將電極印刷在自我支撑之可透氣基材2之上〗此係具有使 電極成爲更堅固並對震動及撞擊較不敏感而使其具有不易 破裂或刺透電極之優點s 將南吸收材料,及含電解質液體、或膠體之燈混1 〇置於電極 之上,、並將0.1毫米厚具有較PTFE熔點低之聚丙烯可撓性 塑膠薄片12置於燈蕊及基材之上、,以界定電解質所用之蓄 槽空間14。、薄片12及薄片2/系具有相同之平面形狀及尺寸,, -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Λ4規格(2丨M297公釐) ------J----^—. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -裳. 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _B7___ 五、發明说明(8 ) 並利用適當之加壓工具^將薄片邊緣在矩形之結合線16黏結, ,該工具乃將適當的熱及壓力施加至薄片,以使該黏結產生 作用、在其中黏結延伸通過連接區域41 : 61、· 81上之區域 中,、密封過程乃造成電極材料之空孔被阻斷,t其對由燈蕊 10退出之電解質形成障壁。斤得之感測器係具有不大於2毫 米之厚度Ϊ 使用時、’被感測之氣體乃滲透通過PTFE基材2至工作 電極6。、被感測氣體之擴散速率,係利用基材2之孔隙度控制 ,、故基材係成爲電池之擴散控制層 現參考圖3,此示出適用在以卡爲形式其爲個人使用所設 計之氣體感測器之電化電池,^該卡係可置於個人衣物之口 袋中或繫於衣物之外。、此卡乃包含一個堅硬的塑膠基材2〇 ’其上係嵌裝有電化電池22 (其爲圖1及2中所示之形式。 電子晶片26亦被嵌裝在基材2〇之上並電連接至電池22。此 電子晶片26係利用CMOS製程製造及提供電源(其被供以電 池組或太陽能動力電池)、、用於使電池及輸出裝置之電極產 生動力之控制電路以提供警報訊號。、提供殼28以覆蓋電池 22及晶片26'將孔30提供在基材中;以用於擴散_限制氣體 出入電池22之PTFE基材2。、 現參考圖4及5,、其示出根據本發明建造之燃料電池中所 用之電化電池4〇、電池40係包含第一及第二可撓薄片42、 44,,其每個乃以可透氣之PTFE形成〜並在其每個内表面1 分別印刷電極區域46、、48 '將含電解質材料進料之产站% 配置在介於電極之間 '兩薄片42: 44之組態爲矩形其 -1卜 本紙張尺度標準(CNS)从規格(τ^297 ______ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 A7 B7 五、發明説明(9 ) 四個邊緣彼此黏結以形成密封封套4、或電解質所用之蓄槽 。雖在圖中未示出:電極區域部份係以類似於圖丨及2中所 示之方式延伸通過黏結區域至薄片邊緣以做外部電連接,。 第一及第二矩形氣體岐管52 ; 54係被置於燃料電池元件40 之上及下、’其以側牆58之凸緣56夾住介在岐管之間的電池 40。,岐管係容許第一及第二種氣體之氣體出入/其中之一 種氣體通常爲燃料而另一種爲空氣、,其係分別對應電池4〇 之每側、燃料及aim乃擴散通過個別薄片42、· 44並與個別電 極46、,48乓應。、因此在電極46、48處產生電化學反應•,其 在外部電連接處產生電輸出 如圖5所示,^多個電池40乃堆疊成垂直堆疊级:第一種氣 體係以和第二種氣體所進入之侧0成垂直之方式由堆疊之 —側各2進入堆疊,。將連至電池4〇龙外部連接互凑,以由電 池40之堆疊提供經結合之電輸出。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁j
T -裝·
、1T 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 本紙張尺賴财_家標準(cnIJm規格
Claims (1)
- 請 先 閱 讀 背 面 之 注 $ 項 再 , 填一J t 訂'請 先 閱 讀 背 面 之 注 $ 項 再 , 填一J t 訂' 396655 ,,愁年A A佟正 申請專利範圍經濟部中央椟準局員工消費合作社印裂 岐管裝置,以接觸個別之第一及第二薄片構件。 8. 如申請專利範圍第7項之電化電池组合,其中每個 件係包含PTFE薄片。 9. 如申請專利範圍第7或8項之電化電池組合,其中第—及 第二薄片構件係界定多個燃料電池元件,其乃以矩形陣 列或以個別的列方式排列。 10. 如申請專利範園第9項之電化電池组合,其中燃料電池部 份係以一個配置在另一個之頂部上,每部份係含有燃料 電池矩陣,或經折疊之個別列,故列中之相鄰電池乃一 個配置在'另一個之頂部上。 11. 如申請專利範圍第7或8項之電化電池組合,其中燃料電 池部份係以一個配置在另一個之頂部上。 12. 如申請專利範圍第第9項之電化電池組合,其中每部份係 包含堅..固之隔板裝置,其在每個燃料電池元件之任一侧 上提供岐管以使氣體導至。 Π.如申請專利範圍第9項之電化電池組合,其中岐管裝置係 經排列以將第一及第二氣體由不同方向引導至每個燃料 /電池元件之相對侧。 14, 如申請專利範圍第7項之電化電池組合,其中第—及第二 薄片係利用施加壓,力及熱而黏結在一起。 15. 如申請專利範圍第7項之電化電池組,合,其中電極係具有 延伸通過薄片經密封在一起部份之部份,以界定該電連 -2 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS )八4規>格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) .士衣. 訂 396655 ,,愁年A A佟正 申請專利範圍經濟部中央椟準局員工消費合作社印裂 岐管裝置,以接觸個別之第一及第二薄片構件。 8. 如申請專利範圍第7項之電化電池组合,其中每個 件係包含PTFE薄片。 9. 如申請專利範圍第7或8項之電化電池組合,其中第—及 第二薄片構件係界定多個燃料電池元件,其乃以矩形陣 列或以個別的列方式排列。 10. 如申請專利範園第9項之電化電池组合,其中燃料電池部 份係以一個配置在另一個之頂部上,每部份係含有燃料 電池矩陣,或經折疊之個別列,故列中之相鄰電池乃一 個配置在'另一個之頂部上。 11. 如申請專利範圍第7或8項之電化電池組合,其中燃料電 池部份係以一個配置在另一個之頂部上。 12. 如申請專利範圍第第9項之電化電池組合,其中每部份係 包含堅..固之隔板裝置,其在每個燃料電池元件之任一侧 上提供岐管以使氣體導至。 Π.如申請專利範圍第9項之電化電池組合,其中岐管裝置係 經排列以將第一及第二氣體由不同方向引導至每個燃料 /電池元件之相對侧。 14, 如申請專利範圍第7項之電化電池組合,其中第—及第二 薄片係利用施加壓,力及熱而黏結在一起。 15. 如申請專利範圍第7項之電化電池組,合,其中電極係具有 延伸通過薄片經密封在一起部份之部份,以界定該電連 -2 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS )八4規>格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) .士衣. 訂39G655 六、申請專利範圍 接裝置。 16.如申請專利範圍第7項之電化電池組合,其中電解質係以 液體形式並被固定在燈蕊排列中,其或以膠體或聚合物 方式形成並被固定至電極之表面。 ------- _ρτ— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Γ 經濟部中央標隼局負工消費合作社印製 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐)39G655 六、申請專利範圍 接裝置。 16.如申請專利範圍第7項之電化電池組合,其中電解質係以 液體形式並被固定在燈蕊排列中,其或以膠體或聚合物 方式形成並被固定至電極之表面。 ------- _ρτ— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Γ 經濟部中央標隼局負工消費合作社印製 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐)
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