TW548869B - Metal air electrochemical cell system - Google Patents
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548869 A7 _______B7 五、發明説^ ~ f明背景 查明範疇 本發明係有關金屬空氣電化學電池，特別有關方便拋 棄式金屬空氣電化學電池系統。 先前技藝說明 習知電池有陽極、陰極及電解液包裝於密封容器。此 種包裝方便曰常使用，典型係於容易取得電池的位置及情 況下使用。但此種電池通常之儲存壽命有限因而導致於^ 些情況下例如緊急情況下不合所需。 如此處所示，說明一種可能有無限儲存壽命之金屬空 氣電化學電池。 發明概述 岫述及其它先前技藝之問題及缺點可由本發明之若 干裝置克服或改善，本發明提供一種金屬空氣電化學電 池。該金屬空氣電化學電池包括陽極金屬燃料提供於容器 内。谷為包含計量裝置，例如牙膏狀容器、糖漿狀容哭、 填隙管形容器、拋棄式調味品狀容器等。此等裝置之關鍵 特點為可將某種量之金屬燃料糊膏擠入適當結構體内，適 當結構體通常包括陰極、分隔件及集流器。 前文討論及其它本發明之特色及優點對熟諳技藝人 士由後文詳細說明及附圖將更明瞭暸解。 星簡要說明 第1圖為電化學電池系統示意圖； 第2圖顯示產生電化學能之系統； 本紙張尺度翻巾_緒準⑽）A4規格⑵0χ297公楚) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂· 4 548869 A7 B7 五、發明説明（2 ) 第3圖顯示另一產生電化學能之系統； 第4圖顯示結合產生電化學能系統之裝置； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第5圖顯示一裝置範例，該裝置可結合產生電化學能 之系統使用；以及 第6圖為採用多數電化學電池產生電化學能之系統之 示意圖。 具體實施例之詳細說明 揭示一種金屬空氣電化學電池，其通常包括陽極金屬 燃料可灌進容器。容器可包含計量裝置，例如牙膏狀容器、 糖漿狀容器、填隙管形容器、拋棄式調味品容器等。此等 計量裝置可輔助配漿定量金屬燃料糊膏至適當結構體内 部，適當結構體通常包括陰極、分隔件及集流器。 現在參照附圖說明本發明之具體實施例。為求說明的 清晰，附圖顯示之結構將以類似的參考編號表示，於不同 具體實施例顯示之類似特點將以類似的參考編號表示。 現在參照第1圖，說明一種系統100。系統100為金屬 空氣電化學電池，其當涵括金屬燃料於適當陰極盛裝結構 體時被激活。系統100通常包括含定量金屬燃料糊膏120之 容器110。容器110較好為計量裝置，其可例如以施力至容 器而提供定量金屬燃料。例如該力量可施加於容器110本 體、施加於容器末端或其組合。此種容器包括但非限於計 量裝置例如可壓扁或非可壓扁之牙膏狀容器、糖漿狀容 器、填隙管形容器、拋棄式調味品狀容器等。 金屬燃料被灌入陰極結構體150内部，其包括陰極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 548869 五、發明説明（ 130、分隔件140、陰極集淀匕器⑽及陽極集流器17〇。陰極 結構體150可為可與燃料糊膏12〇反應之任何適當形狀。 來自空氣或其它來源的氧氣被用作為陰極130之反應 物2氧氣到達陰極130内部的反應位址時，其連同水被轉 成氫氧離子。同時電子被放出而於外部電路跨集流器⑽、 Π0王電机机動。氫氧離子移動通過分隔件到達陽極材 料120(事先已經注人結構體丨湖部）。當氫氧離子到達陽 極（以燃料120為例例如包含鋅）時，於鋅表面上形成氫氧化 頁 鋅。氫氧化鋅分解成為氧化鋅，將水釋放入驗性溶液。如 此完成反應。 陽極反應為：
Zn + 40H--Zn(OH)2-4-h2e ⑴
Zn(OH) 24->ZnO + H20 + 20H- (2) 陰極反應為： (3) (4) 子傳導介質。某些 1/202 + H20 + 2e->20H' 如此總電池反應為：
Zn + l/202—ZnO 陽極糊膏通常包含金屬成分以及離 具體實施例中，離子傳導介質包含電解液如水性電解液及 膠凝劑，好配方可達成最理想離子傳導速率、冑度及& 放電深度’同時穩定（例如減少或消除儲存及/或操作期 的沉降）、移動性以及可泵送性。若干具體實施例中糊之黏 度為約0· 1 Pa.s至約50,_ Pa.s，較好㈣Pa.sJ_約2M⑻ Pa-s 及更好約 100 Pa.s 至約 2〇〇〇 pa.s。 ’ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 6 - 548869 A7 B7 五、發明説明（4 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 金屬組成主要包含可氧化金屬如鋅、鈣、鋰、鎂、含 鐵金屬、銘以及包含前述至少一種金屬之組合及合金。此 等金屬也可與下列組成合金化，包括但非限於鉍、鈣、鎂、 鋁、銦、鉛、汞、鎵、錫、編、鍺、錄、砸、蹄或包含至 少一種前述組成之組合。某些具體實施例中，陽極之金屬 組成包含鋅或含鋅組合及合金。 金屬成分可以粉末、灑粉、顆粒、薄片、針晶、丸粒 纖維或其它粒子形式提供。某些具體實施例中，顆粒狀金 屬特別鋅合金金屬係以約10至約325，較好約20至約300及 更好約30至約200之篩目大小提供。 電解液通常包含足量離子傳導材料俾允許金屬陽極 與陰極間的離子傳導。電解液通常包含離子傳導材料如 KOH、NaOH、LiOH、其它材料或包含至少一種前述電解 液介質的組合。特別電解液包含水性電解液及具有離子傳 導材料濃度約5%至約55%，較好約10%至約50%及更好約 30%至約 45%。 膠凝劑可為任何適當膠凝劑其足量提供預定糊膏稠 度。膠凝劑之百分比通常為約0.5%至約20%，較好約1%至 約10%及更好約1%至約5%。膠凝劑可為交聯聚丙烯酸 (PAA)例如卡玻波（Carbopol)族交聯聚丙烯酸（如卡玻波675) 得自（BF固力奇（BF Goodrich)公司，北卡羅萊那州夏洛 特，及聚丙烯酸及聚甲基丙烯酸之鉀及鈉鹽；羧甲基纖維 素（CMC)例如得自亞力胥（Aldrich)化學公司，威斯康辛州 密瓦基；羥丙基甲基纖維素；聚乙烯醇（PVA);聚（環氧乙 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 548869 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 烷）(PEO);聚丁基乙婦醇（PBVA);天然樹膠；寶麗吉 (Polygel) 4P(得自亞力胥公司）；分枝澱粉水如瓦特洛克 (Watedock) A221得自穀物處理公司，愛荷華州瑪絲卡 汀）；包含至少一種前述膠凝劑的組合等。 陰極集流器170係由任一種導電材料製成，該導電材 料可提供導電性，以及視需要地可對燃料糊膏120及/或結 構體150提供支持。集流器可呈篩網、多孔板、金屬發泡體、 長條、釘、絲、箔板或其它適當結構體形式。集流器可由 多種導電材料製成，此等導電材料包括但非限於銅、電鍍 鐵金屬如不鏽鋼、錫、黃銅、鉛、銀等，以及包含至少一 種前述材料之組合及合金。 視需要地可提供添加劑來防止腐蝕。適當添加劑包括 但非限於氧化銦；氧化鋅、EDTA、界面活性劑如硬脂酸納、 月桂基硫酸鉀、崔頓（Triton) X-400(得自永備化學及塑膠技 術公司，康乃狄格州丹伯利）及其它界面活性劑等以及包含 至少一種前述添加劑物料之衍生物、組合及混合物。但熟 諳技藝人士可決定使用其它添加劑物料。 陰極130可為習知空氣擴散性陰極例如包含活性組成 分以及碳基板連同適當收集結構如集流器。空氣陰極例如 揭示於共同審查中共同讓與的美國專利申請案第 09/415,449號，名稱「燃料電池之電化學電極」Wayne Yao 及Tsepin，申請日1999年10月8曰，以引用方式併入此處。 但如熟諳技藝人士顯然易知，依據其性能而定可使用其它 空氣陰極。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） $48869 >、發明説明（6 可 鍍 使用之石反幸父好對電化學電池環境呈化學惰性，且可以 多種形式提供包括但非限於碳薄片、石墨、其它高表面積 破材或包含至少一種前述碳形式的組合。陰極集流器可為 任、種可提供導電性、以及視需要地可對陰極Μ提供支持 之導電材料製成。集流器可呈篩網、多孔板、金屬發泡體、 長條、線/白、板或其它適當結構體形式。某些具體實施 例中集々,L為為多孔俾將氧流的梗阻減至最低。集流器 由多種導電材料製成，此等導電材料包括但非限於鎳、級 錄鐵金屬如不鏽鋼等以及包含至少一種前述材料組合及人 金。適當集流器包括多孔金屬如鎳發泡金屬。 广活性成分通常為適當催化劑材料俾辅助於陰極丨3 〇之 應 氧反應催化劑材料通常係以適合輔助於陰極⑽之氧反） 之數里提供。適當催化劑材料包括但非限：錳及其化合物、 鈷及其化合物、銘及其化合物以及包含至少一種前述催化 劑材料的組合。 為了電隔離燃料uo與陰極130，分隔件14〇提供於電 極間。分隔件140係設置成與陰極13〇作離子連通。當足量 燃料120注入結構體15〇時，透過分隔件14〇建立燃料丨2〇與 陰極130間的離子連通。分隔件⑽可為任何可電隔離燃料 12〇與陰極130、同時允許燃料12〇與陰極13〇間之離子運送 的市售分隔件。較好分隔件為可撓性，俾配合電池組成分 之電化學脹縮，以及分隔件對電池化學品呈化學惰性。適 當分隔件之提供形式包括但非限於織物、非織物、多孔（例 如微孔或奈米孔隙）、蜂巢狀、聚合物薄片等形式提供。分 548869 A7 __B7_ 五、發明説明（7 ) 隔件材料包括但非限於聚烯（潔葛（Gelgard)市面上得自希 葛（celgard) LLC，北卡羅萊那州夏洛特）、聚乙烯醇（PVA)、 纖維素（例如賽洛芳、乙酸纖維素等）、聚酸胺（例如尼龍）、 氟碳化合物型樹脂（例如拿菲昂（Nafion)族樹脂，其具有磺 酸官能基，市面上得自杜邦公司，德拉威州威明頓）、濾紙 及包含至少一種前述材料的組合。分隔件也可包含添加劑 及/或塗層如丙烯酸系化合物等俾讓其更可以電解液濕潤 以及對電解液之滲透性更高。又分隔件140包含固態膜，例 如述於共同審查中之共同讓與之：美國專利第6,183,914 號，名稱「以聚合物為主之氫氧離子傳導膜」，Wayne Yao， Tsepin Tsai，Yuen-Ming Chang及Muguo Chen，申請曰 1998 年9月17日，全文以引用方式併入此處；美國專利申請案第 09/259,068號，名稱「固體凝膠膜」，Tsepin Tsai，Muguo Chen，Wayne Yao，Yuen-Ming Chang，Lin-Feng Li及Tom Karen，申請日1999年2月26日，全文以引用方式併入此處； 以及美國專利申請案第09/482,126號，名稱「固體凝膠膜 分隔件於可再充電式電化學電池」，Muguo Chen，Lin-F eng Li及Tsepin Tsai，申請曰2000年1月11曰，全文以引用方式 併入此處。 現在參照第2圖，提供此處所述金屬空氣電化學電池 之另一具體實施例。系統200包括容器或管210其中含有定 量金屬燃料糊膏220。管210較好係以適當密封結構體製 成，例如蓋或密封端而該蓋或密封端可被切除。為了激活 電化學電池，由管210例如將定量燃料220擠入結構體250。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱） -10 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
548869 五、發明説明（8 !構體250之形狀通常為筒狀，但形狀可因特殊需求而異。 Μ2Π)之容積可依據特定需求改變。容積通常小於約… 至所需要的最大容積，依據特定用途以及實際上載運且由 f U㈣量決定。例如可設置大管而藉外力機械裝 L壓丨可例如藉人手以夠大力量施力擠壓。此外，可 $需要更高力’例如於管上用力—踩。—較佳具體實施例 ，例如於緊急情況下，管21G可為相對小尺寸而方便攜帶 例如攜帶於背包供緊急施用。 結構體250之容量隨所需電化學電池之容積改變。例 如結構體250之容積可類似習知電池的對應容積（例如 AAAA、AAA、AA、C、D 等）。 類似前文就系統100所述，結構體25〇包括陰極咖、 分隔件240及適當集流器260、27〇。 結構體250 —端通常為開放俾允許注入燃料糊膏 用於注入燃料糊膏220，該端無須對大氣為密封，也 無需其它特殊蓋結構。結構體㈣之反端可封閉或可開啟。 於結構體250末端為封閉案例’可設置永久性或活動性蓋。 活動蓋允許注入更多量金屬燃料糊膏22〇，同時將放電過的 糊τ擠掉。某些具體實施例中，若結構體25〇之末端為開 放，則當來自電化學電池之輸出電量減少時，可將額外量 燃料材料220注入結構體25〇内部俾提供實質連續放電、。里 結構體250例如可由塑膠、紙漿、金屬、陶瓷或任何 其它可對系統提供結構完整性的適當材料製成。為了允許 激活陰極230，結構體250較好為多孔或有其它適當開口或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公酱）
卜…參！_ (請先閲讀背面之注意事^1再填寫本頁) 、π— 548869 A7 —------B7__ 五、發明説明(9 ) "~~一 通風結構俾允許空氣接觸陰極230。 現在參照第3圖，示意顯示另一系統300之具體實施 例。系統300包含一容器31〇其中含有金屬燃料32〇，燃料可 〆主入、、、°構體350，結構體350包括陰極330、分隔件340及適 當集流器360、370,概略說明如前。結構體35〇之形狀可為 稜柱形。若干具體實施例中，也可於結構體350形成第二陰 極330及允許增加電流輸出量及更深的放電深度，特別於 矩形結構體350案例。 現在參照第4圖說明系統400，系統400包括耗電裝置 490。耗電裝置490包括結構體45〇，結構體45〇類似前述結 構體150、250、350且功能類似，但結構體45〇係設置於裝 置490内部。如此為了激發裝置，可由容器410將燃料420 庄入結構體450。當燃料放電時可被移出更換。若干具體實 %例中，各結構體45〇包括開放出口，則由容器提供新 鮮燃料420時，廢料可被排放。裝置490包括任何耗電裝置 例如收曰機、緊急照明燈、燈具、個人數位助理器、充電 器（例如用於膝上型電腦、無線電話等）或任何其它耗電裝 置。 現在參照第5圖顯示裝置515，其辅助施力而由容器 1 〇排放出玉屬燃料520。裝置5 15例如包含填隙槍型裝置， 例如包括容納容器510之適當結構，進一步包含適當機構例 如扳機作動機構，扳機作動機構施力於容器51〇而將材料 520注入適當結構（圖中未顯示）。 除了使用單一電化學電池外，也可以多種組態排列多 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格⑵〇χ297公爱) ---
、?τ— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 548869 A7 ------------B7___ 五、發明細(177 ~ '—- 個電化學電池俾提供多種輸出電壓。例如以金屬空氣燃料 糊β為例，例如含以鋅為主的材料之金屬空氣燃料糊膏， 輸出電壓為約1伏特至1,2伏特。如此多個電池可排列而共 同提供所需6伏特、12伏特或其它適當輸出電壓。 參照第6圖，系統600包括多個結構體65〇，結構體概 略類似前文所述且可罩於適當容器内部或以其它方式支 持。適量燃料糊膏620可直接由個別計量容器61〇注入各結 構體650,或另外可透過歧管625注入俾允許藉單次注入步 驟將燃料620注入多個結構體65〇。 使用此處所述系統，方便的攜帶型含容器與含陰極結 構體的組合可於視需要時產生電力。由於金屬燃料糊膏係 於容器内部而非於電池而與電解液及/或陰極作離子接 觸。又金屬燃料糊膏之腐蝕及/或氧化減至最低或完全消 除。因此金屬燃料糊膏具有極長壽命，約為十年或數十年。 雖然已經顯示及說明較佳具體實施例，但可未悖離本 發明之精隨及範圍做出多種修改及取代。如此須瞭解本發 明係供舉例說明而非限制性。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐）
(請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 訂丨 13 548869 A7 B7 五、發明説明（11 ) 元件標號對照 100...金屬空氣電化學電池系統 330...陰極 110...容器 340…分隔件 120...金屬燃料糊膏 350…陰極結構體 130...陰極 360…陰極集流器 140...分隔件 370…陽極集流器 150...陰極結構體 400...金屬空氣電化學電池系統 160...陰極集流器 410...容器 170...陽極集流器 420...金屬燃料糊膏 200...金屬空氣電化學電池系統 450…陰極結構體 210...容器 490…耗電裝置 220...金屬燃料糊膏 510...容器 240…分隔件 515...裝置 250...陰極結構體 520...金屬燃料糊膏 260...陰極集流器 600...金屬空氣電化學電池系統 270...陽極集流器 610...容器 300...金屬空氣電化學電池系統 620...金屬燃料糊膏 310…容器 625…歧管 320...金屬燃料糊膏 650…陰極結構體 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 14
Claims (1)
- 548869 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種產生電力之系統，包含： 一計量容器，其包含定量金屬燃料糊膏；以及 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一結構體，該結構體用以容納一陰極、一分隔件及 一陽極集流器及一陰極集流器，其中當將金屬燃料糊膏 由計量容器計量入結構體内部時，開始電化學反應而跨 集流器提供電壓。 2. 如申請專利第1項之系統，其中該計量容器包含可塌陷 容器。 3. 如申請專利第1項之系統，其中該計量容器包含糖漿狀 容器。 4. 一種產生電力之套件組，包含： 一計量容器，其包含定量金屬燃料糊膏；以及 一結構體，該結構體用以容納一陰極、一分隔件及 一陽極集流器及一陰極集流器，其中當將金屬燃料糊膏 由計量容器計量入結構體内部時，開始電化學反應而跨 集流器提供電壓。 5. —種於需要時製造電力之套件組，包含： 一結構體，該結構體用以容納一陰極、一分隔件及 一陽極集流器及一陰極集流器，其中當將金屬燃料糊膏 由計量容器計量入結構體内部時，開始電化學反應而跨 集流區提供電壓。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）申請曰期 QI.4-. 24- 案 號 Q( \〇ΗΊ6 類 别 HOI Μ ^ (以上各欄由本局填註） 一一_ n rn A4 ‘ / C4548869 雪1專利説明書 發明w 一、新型名稱 中文 金屬空氣電化學電池系統 英 文 METAL AIR ELECTROCHEMICAL CELL SYSTEM 姓 名 1. 艾恩·蕭Ian Shaw 2. 薩吉 M.斐利斯SadegM.Faris 一發明2 -、創作A 國 籍 美國U.S.A. 住、居所 1·美國紐約州約克鎮高地•史東尼霄巷3168號 3168 Stoneleigh Court, Yorktown Heights, New York, U.S.A. 2.美國紐約州普里森特維爾·波康棒柯河路24號 24 Pocantico River Road, Pleasantville, New York, U.S.A. 姓 名 (名稱） 美商·伊維歐尼克斯公司 eVionyx, INC. 國 籍 美國USA 三、申請人 住、居所 (事務所） 美國紐約州艾斯福德•行政大道85號 85 EXECUTIVE BOULEVARD, ELMSFORD, NY 10523, USA 代表人 姓 名 法蘭克P.麥克摩羅 FRANK P. McMORROW 裝 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）
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| GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |