TW552732B - Anode structure for metal air electrochemical cells - Google Patents

Description

552732 A7 _B7_ 五、發明説明（1 ) 發明技術背景 發明技術領域 本發明係有關供用於金屬空氣電化學電池之陽極結 構。 習知技藝描述 電化學動力源係電能可經其藉由電化學反應而產生 .之裝置。此等裝置包含金屬空氣電化學電池，諸如，鋅空 氣及紹空氣電池。金屬空氣電池一般包含陽極、陰極、使 陽極及陰極電隔離之隔板，及使陽極燃料材料與陰極間之 離子接觸之電解質。陰極一般包含具有用以還原氧之催化 層之空氣擴散電極。電解質一般係苛性液體，其係離子導 性但非電導性。陽極係可氧化之金屬，諸如，鋅、銘或鎂。 金屬空氣電化學電池具有數個優於傳統以氫為主之 燃料電池之優點。特別地，自金屬空氣電化學電池提供之 能量供應係實質上無窮盡，因為燃料（諸如，鋅）係豐富的， 且可以金屬或其氧化物存在。另外，太陽能、水力能，或 其它形式之能量可被用於使金屬以非常高能量效率自其氧 化物產物轉化回復至金屬燃料形成。另外，某些金屬空氣 電化學電池可藉由替換金屬陽極燃料而機械式再充電或再 次提供燃料。不同於傳統之以氫為主之燃料電池（其需要 重複填充），金屬空氣電化學電池之燃料可藉由重複充電 而恢復。金屬空氣電化學電池之燃料可為固態，因此，可 安全及輕易地處理及儲存。相對於以氫為主之燃料電池（其 係使用甲烷、天然氣或液化天然氣提供作為氫源及釋出污 4 (請先閲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） 552732 五、發明説明（3 為重新H、、加燃料’陽極與陰極間需I有特^ 提供重新添加燃料動作之門…1而為-距離以 T十勃作之間隙。傳統上，此間 質及隔板填充。但是， 、糸以氣解 部電阻會於使用期間產生敎，阻此内 來自带冰夕叙A 其胃造成各種損害。熱消 亞/A 會使電解質快速乾掉，及加速燃料電-也 :。降低内部電阻，陽極與陰極間之距離需為小且均 :.、、、而此於傳統上犧牲耐用性。於重新添加辦料方I 期間，若陽極與陰極間之距料足，陽極㈣傷陰極表面/ 但是，過量之間隙雖然降低陰極於重新添加燃料期間受損 之可能性，但增加内部電阻。因此，傳統上於陽極盘陰、 間提供充分間隙造成其間增加之内部電阻。 ^ 因此’於此項技藝中仍需一種改良之電池結構， 別是容納陽極膨脹及能㈣重新添加燃料之電池結構。 發明概要描诚 習知技藝之如上探討及其它問題及缺失係藉由本發 明之數組成物、方法及裝置克服或減緩，其中供用於金 空氣電化學電池之陽極被提供。此結構包含數個隔室，具 至少部份彼此隔離。使用此陽極結構之金屬空氣電池包含 具有-或多個以陽極材料部份填充之隔室之陽極結構， 此陽極材料呈離子性連通之陰極，及使陰極與陽極材料 電隔離之隔離器。包含於此一或多個隔室内之陽極材料 體積較佳係以陽極材料之預期膨脹為基準。 本發明之如上探討及其它之特徵及優點可被熟 項技#者自下列詳細描述及附圖而認知及暸解。 ‘屬 其 與 Ο 之 習此 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱） 極 特

".....,,..... (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 五、發明説明（4 ) 麗^簡要說明 第1A圖係此間之陽極έ士播 — ㈣、、、口構之具體例之等角透視圖； 第1Β圖係第1Α圖之陽極纟 圖 σ構之一隔室之等角透視 構：：―隔扳……陽㈣ 第2圖係金屬空氣電化學電池結構之示意表示圖； 圖；弟3Α圖係另一金屬空氣電化學電池結構之示意表示 β弟3Β圖顯示第3Α圖所示之金屬空氣電化學電池内 之陽極結構之移除；及 圖。第4圖係另一金屬空氣電化學電池結構之示意表示 詳細描沭 供用於金屬空氣電化學電池之陽極結構於此被揭 路。此結構包含數個隔室，其係至少部份彼此隔離。每一 隔室被作成特定尺寸以容納一含量之陽極材料，其具有比 此至之體積更少之體積。隔室内之額外空間被提供以容 、’、内於a化本反應期間發生之陽極材料膨脹。 現苓考附圖，本發明例示具體例將被描述。為使描 述清楚’圖中所示之相似特徵將以相似參考編號指示，I 另外具體例巾所示之相似特徵將以相似參考數字指示。 弟1A圖係格栅狀陽極結構12之一具體例之等角透 視圖。此陽極結構12包含數個隔室30。雖然格室3〇以 552732 五、發明説明（6 ) 較佳係少於約.5 B s /+ γ , P 且更仏係少於約〇·2 psi。再者，p 極材料之體積較佳传合t仏甘 、 、 ，、月b方；其内具阮極材料之陽極結構卫2 被用於電化學電池時能產生充分的電，於此間將進—步描 述。典型上’陽極材料4G之起始體積係與陽極材料之黏 度有關。一般’當陽極材料黏度增加，陽極材/料40之起 始體積減少，因此，當陽極材料黏度減少時，陽極材料4〇 之起始體積增加。 較佳地，格室30之體積係以陽極材料4〇之性質為 基準選擇。例如，—種選擇格室30體積之方法係設定格 ,30之深度（z-方向）。以任何寬度（γ_方向）為基準，由於 陽極膨脹之最大高度增加（Χ4向）被確定，其係以所欲電 化學操作（時間長度、電流密度等）為基準。因此，為使陽 極材料之整體接觸面積（有關於陰極）達最大，高度被選 擇’其較佳係接近或些微大於最大高度增加。 例如，於一具體例中，非導性陽極結構係以約60% 固體載荷之鋅漿料（使用2%之膠凝劑，諸如，

Carb〇p〇l®675，可得自 BF Goodrich Company，Charlotte， NC，35-45% K0H溶液）使用。此漿料具有相對較高之黏 度。因此，具有下列尺寸之格室3〇被使用： 1英吋寬-X-方向（25.4 mm) 1/8央忖南-y-方向（3.18 mm) 1/16英忖厚-z-方向（1·59 mm) 此結構之一側包含與其附接之電流收集器。鋅漿料 係被載荷於格室内至約1/16英吋（1.59 mm)之高度，於格 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（7 ) 室頂部留下丨/16英忖之開口，允精料之體積膨張。 於im英忖⑽侧）材料高度，z_方向之膨服可使用 之載荷固體_2%之Carb()p_675凝膠劑鋅槳料達最 去除。注意格室寬度非-重要限制，因此可更寬（例如 2X、3X、4X 或更寬）。 於起始使用其内具有陽極材料40之陽極結構U期 間，陽極材料與陰極間之離子性接觸面積_般係陽極材料 起始體積之函數（少於不具有格室3〇之陽極結構η之邱 份，即，格室30間之格栅）。隨時間，由於電化學反庫期 間發生之陽極材料膨脹，接觸面積將因而增加。 陽極材料40 -般包含金屬組份及離子導性介質。於 某些具體例中，離子導性介質包含電解質(諸如，水性電 解質）及膠凝劑。較佳地，此組成物使離子導性速率、= 度及放電整體深度達最佳。 山 金屬組份可主要包含可氧化金屬，諸如，鋅、鋁、 鎂、舞、鐘、二價鐵金屬及包含至少一前述金屬之混合物 及合金。此等金屬亦可與不受限地包含鉍、鈣、鎂、鋁、 銦鉈、水、鎵、錫、鎘、鍺、銻、硒、鉈或包含至少— 前述組份之混合物之組份混合。於某些具體例令，陽極之 金屬組份包含鋅或包含鋅之混合物及合金。 金屬組份可以粉末、粉塵、顆粒、薄片、針狀物、 鍵狀物、纖維或其它顆粒之形式提供。於某些具體例中， 顆粒狀金屬（特別是鋅合金金屬）被提供，其具有約1〇至 約325(較佳係約20至300，且更佳係約30至約200)之篩 552732 A7 B7 五、發明説明（8 ) 目尺寸。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 電解質一般包含使金屬陽極與陰極間產生離子導性 之離子導性材料。離子導性含量之電解質被提供於電化學 電池及/或陽極材料40内。電解質一般包含諸如KOH、 NaOH、LiOH、RbOH、Cs〇H之離子導性材料，其它材料， 或包含至少一前述電解質介質之組合物。於較佳具體例 中，氫氧化物導性材料包含KOH。特別地.，電解質可包 含具有約5%離子導性材料至約55%離子導性材料（較佳係 約10%之離子導性材料至約50%之離子導性材料，且更 佳係約30%之離子導性材料至約40%之離子導性材料）之 濃度之水性電解質。 陽極材料之膠凝劑可為足以提供材料之所欲稠度之 含量之任何適當之膠凝劑。膠凝劑可為交聯之聚丙烯酸 (PAA)，諸如，Carbopol®交聯聚丙烯酸族，例如，可得 自 BF Goodrich Company, Charlotte，NC 之 Carbopol®675、 可購自 Allied Colloids Limited (West Yorkshire, GB)之 Alcosorb®Gl及聚丙烯酸之鉀及鈉鹽；叛基曱基纖維素 (CMC)，諸如，可得自 Aldrich Chemical Co·，Inc., Milwakukee，WI者；羥基丙基甲基纖維素；明膠；聚乙 烯基醇（PVA);聚（環氧乙烷）(PE〇）；聚丁基乙烯基醇 (PBVA)；包含至少一前述膠凝劑之組合物等。一般，膠 凝劑之濃度係約0.1 %至約10%，較佳係約1%至約5%。 選擇性之添加劑可被提供以，例如，避免腐蝕。適 當添加劑不受限地包含氧化銦、氧化鋅、EDTA、表面活 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 552732 A7 B7 五、發明説明（9 ) 性劑（諸如，硬脂酸納、月桂基硫酸鉀、Triton® X-400(可 得自 Union Carbide Chemical & Plastics Technology Corp·， Danbury，CT)，及其它表面活性劑）等；及包含至少一前述 添加劑材料之衍生物、組合物及混合物。但是，熟習此項 技藝者能決定其它添加劑材料可被使用。 陽極結構12亦可包含電流收集器（未示出），其可為 任何能提供電導.性及選擇性能提供使陽極材料40保持於 陽極結構内之支撐之電導性材料。明顯地’若陽極結構由 電導性材料形成，係不需個別之電流收集器。若非導性材 料被作為陽極材料’電流收集器可被附者或其它方式固者 於陽極結構之一表面。電流收集器可為篩網、多孔板、金 屬發泡體、帶材、線材、箔材、板材或其它適合結構之形 式。較佳地，電流收集器係以促進放電過之金屬燃料之移 除之形式製備。電流收集器可由各種電導性材料形成，不 受限地包含銅、電鍍之二價鐵金屬（諸如，不鏽鋼）、錫、 銅、錯、銀、鎳、碳、電導性聚合物、電導性陶兗、其它 於鹼環境係安定且不會腐蝕電極之電導性材料，或包含至 少一前述材料之混合物及合金。 現參考第1C圖，陽極結構12包含附接於上之隔板 16。隔板16可為任何能使陽極材料40與電化學電池内之 相關陰極呈電隔離且能於陽極材料與陰極間具充分之流體 及離子運送之可購得隔板。較佳地，隔板係可撓性，以容 納電池組件之電化學膨脹及收縮，且對電池化學物品呈化 學惰性。適當隔板係以不受限地包含機織、非機織、多孔 12 (請先閲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） 552732 A7 B7 五、發明説明（10 ) (諸如，微多孔或毫微多孔）、蜂窩狀（cellular)、聚合物片 材等形式提供。作為隔板之材料不受限地包含聚烯烴（例 如，可購自 Celgard LLC，Charlotte，NC 之 Gelgard®)、聚 乙烯基醇（PVA)、纖維素（例如，硝基纖維素、纖維素乙酸 醋等）、聚醯胺（例如，耐綸）、氟碳化物型樹脂（例如，具 有石黃酸基官能性之Nafion®族樹脂，可購自 DuPont Chemicals，Wilmington，DE)、濾、紙及包含至少一前述材料 之組合物。隔板亦可包含添加劑及/或塗覆劑，諸如，丙 烯化合物等，以使其更可對電解質濕化及滲透。再者，隔 板16可提供電解質至電化學電池，例如，以固態薄膜形 式。適當薄膜係描述於共同讓渡之：美國專利第6，183,914 號案（發明名稱”以聚合物為主之氫氧化物導性薄膜”， Wayne Yao、Tsepin Tsai、Yuen-Ming Chang 及 Muguo Chen， 1998年9月17日申請）；美國專利申請序號09/259,068 號案（發明名稱”固態凝膠薄膜”，Muguo Chen、Tsepin Tsai、Wayne Yao、Yuen-Ming Chang、Lin-Feng Li 及 Tom Karen，1999年2月26曰申請）；美國專利第6,358,651 號案（發明名稱”可再充電之電化學電池内之固態凝膠薄膜 隔板”，Muguo Chen、Tsepin Tsai 及 Lin-Feng Li，2000 年1月11曰申請）；美國專利序號09/943,053號案（發明 名稱”聚合物基質材料”，Robert Callahan、Mark Stevens 及Muguo Chen，2001年8月31日申請）；及美國專利序 號09/942,887號案（發明名稱”併入聚合物基質材料之電化 學電池”，Robert Callahan、Mark Stevens 及 Muguo Chen， 13 (請先閲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（210 X 297公釐） 五、發明說明（11 ) 以供參考 2001年8月30申請)；其等在此係全部被併入 之用。 第2圖係圖示電化學電池n〇。電化學 金屬氧電池，其中金屬係自具 了為 么士椹1 ，、間之除極材料之陽極 ^ 2提供，Μ被供應至氧陰極U4。陽極結構U2 陰極U4M由隔板116保持彼此呈電隔離。自 另外來源之氧被作為金屬空氣電池u。之空氣陰極= 反應物。當氧到達陰極114内之反應位置 轉換成經基離子。同時，電子被釋出以電於電= «行經隔板116以到達陽極結構112内之陽極_動: &基到達金屬陽極（於包含，例如，鋅之陽極材料之情 ㈣表面上形成。氫氧化鋅分解成氧化鋅且使水 擇回鹼洛液。反應因而被完成。 陽極反應係： Ζπ + 40Η- -> Zn(OH)42- + 2e ⑴

Zn(〇H)42_ — ZnO + H2〇 + 20H- (2) 陰極反應係： 1/2 02 + H20 + 2e 2〇H' (3) 因此’整體電池反應係：

Zn + 1/2 〇2 -> ZnO ⑷ 供應至陰極114之氧可來自任何氧源，諸如，空氣； 滌氣空氣；純或實質上純之氧，諸如，來自公共事業⑽㈣ 或系統供應或來自裝置區内（〇n_site)之氧製備；任何其它 處理空氣；或包含至少一前述氧源之任何混合物。 552732 A7 B7 五、發明説明（13 ) 金屬。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 黏著劑亦典型上被用於陰極11 4，其可為任何黏著基 材材料、電流收集器及催化劑以形成適當結構之材料。黏 著劑一般係以適於稀釋劑、催化劑及/或電流收集器之黏 著目的之量。此材料較佳係對電化學環境呈化學惰性。於 某些具體例，黏著劑材料亦具有疏水特性。適當之黏著劑 材料包含以聚四氟乙烯（例如，鐵弗隆（Teflon®)·粉末或其 乳化液及 Teflon®T-30，可購自 E.I. du Pont Nemours and Company Corp·，Wilmington，DE)、石黃酸（Nafion®，可購自 E.I. du Pont Nemours and Company Corp.)、聚乙稀基醇 (PVA)、聚（環氧乙烷）（PEO)、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP)、 聚偏氟乙烯（PVDF)、聚二氟乙烷（PEF)等，及包含至少一 前述黏著劑材料之衍生物、組合物及混合物為主之聚合物 及共聚物。但是，熟習此項技藝者能暸解其它黏著劑材料 可被使用。 活性組份一般係用以促進陰極114之氧反應之適當 催化劑材料。催化劑材料一般係以促進陰極114之氧反應 之量提供。適當之催化劑材料不受限地包含：锰及其化合 物、鑭及其化合物、锶及其化合物、鈷及其化合物、鉑及 其化合物，及包含至少一前述催化劑材料之組合物。 為使陽極112與陰極114呈電隔絕，隔板116係於 電極間提供。於此間之電池110，隔板116可被置放於陽 極12上以至少部份容納陽極材料。 現參考第3A圖，單極化電池2 1 0之具體例被描述。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） _ 16 - 552732 五、發明説明（14 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 電池210包含陽極結構212及一對陰極部份21知及2丨4b。 隔板216a及216b被置於陽極212與陰極214a及21仆間 以呈電隔離。陽極結構212包含位於其它之陽極材料。隔 板216a及216b被置於陽極結構212之主要表面上。另外， 隔板216a及216b被置放於陰極214a及214b上。各種結 構對於熟習此項技藝者係明顯的。 第3B圖描述自電池21〇移除陽極結構212。此於可 機械式重新充電或重新添加燃料之結構係特別有用。使用 此間所述之陽極結構，用過之陽極結構之移除被促進，因 所欲之陽極結構使z_方向之膨脹達最小，於陽極及陰極 間留下原始提供之間隙。 、可| 第4圖顯示陰極結構320及陽極匣322，其等被組裝 形成電化學電池310。陰極結構320包含陰極表面314， 其可包含一對用以與一對陽極結構312a及312b呈離子性 連通之主要表面。另外，陰極結構可具有陰極表面314 , 其具有用以與一陽極結構（未示出）接觸之單一主要表面。 車乂仏地，一對主要陰極表面係以相反角度置放，一般係形 成楔形結構。 ' 有數個如上所述之具位於其内之陽極材料之格室。陽極 構312a及312b被形成或置放於匣322内之腔室之内表叫 上。此二陽極結構312a及312b間之角度較佳係接近形成 楔形形狀之陰極表面之角度，且更佳係地，此二陽極結構 312a及312b間之角度係與陰極表面之角度相同。 本紙張尺^謝關家標 陽極E 322包含一對陽極結構312a及312b，一般具 έ士 V、口 面 552732 A7 B7 換 五、發明説明（15 如上有關於第4圖所述之相似結構係更完整地描述 於美國專利申請案第1〇/074,893號案（發明名稱，，金屬空氣 弘池系統，George Tzeng 及 Craig Cole，2002 年 2 月 11 曰申請，其在此被併入以供參考之用）。 雖然第2-4圖描述某些金屬空氣電池結構，陽極結構 可用於許多其它金屬空氣電池結構。電池及其它組件之形 狀不限於方形或矩形；其可為管狀、圓狀、橢圓、多角形 或任何所欲形狀。再者，電池組件之結構（即，垂直、水 平或傾斜）可改變。 陽極結構之另一應用係於經由物理性分離與陰極呈 适擇性之離子連通之電池内，諸如，美國專利申請序號 10/XXX，XXX案（發明名稱，，併入反應速率控制系統之金屬 空氣電池”，Sadeg M· Faris，2002年5月14曰申請，其 請求美國臨時專利申請案6〇/29〇,945號案（2〇〇1年5月 曰申請）及60/313764號案（2001年8月21曰）（二者之發 明名稱係，，併入反應速率控制系統之金屬空氣電池”，皆係

Sadeg M. Faris，其等在此皆被併入以供參考之用）之優先 權。 各種益處係自此間所述之陽極結構及使用此陽極結 構之電化學電池衍生出。特別地，與陽極膨脹及形狀改變 有關之損害被去除。因此，陽極結構可輕易自電池移除， 因為組件間之距離保持固定。此於，例如’電池之重新添 加燃料係、特财用’其間用過之陽極結構可简的陽極結 構替換。另外’重新添加燃料可藉由移㈣極結構，替 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) M規格（21〇χ297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .、可丨 12陽極結構 16隔板 30隔室 40陽極材料 110電化學電池 112陽極結構 114陰極 116隔板 210單極化電池 552732 發明説明γ 〃之除極材料及替換再裝填燃料之陽極結構而完成。 口 u車乂仏具體例已被顯示及描述，各種改良及取代 可在未偏離本發明之精神及範圍下為之。因此，需瞭解本 發明係藉由例示而非限制之方式描述。 元件符號對照表】 212陽極結構. 2 14a，2 14b陰極部份 21 6a，216b 隔板 310電化學電池 312a，312b陽極結構 3 14陰極表面 320陰極結構 322陽極匣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐） 19

Claims (1)

1. 552732 A8 B8 C8 ______M_ 申凊專利範圍 種供用於金屬空氣電化學電池之陽極結構，包含·· 數们格至，其具有位於該陽極結構之陰極侧上之開口， 母一格室彼此係至少部份隔離以容納一含量之陽極材 料。 如申W專利範圍第1項之陽極結構，其中該陽極材料之 里破選擇以使該陰極側之方向之陽極膨脹達最小。 如申清專利範圍帛i項之陽極結構，其中該陽極材料之 黏度係與該格室内提供之陽極材料之體積有關。 如申明專利範圍第1項之陽極結構，其中該格室具有少 於10 mm之高度。 如申明專利範圍第1項之陽極結構，其中該格室具有少 於5 mm之高度。 6·如申請專利範圍第」項之陽極結構，其中該格室具有少 於3.25 mm之高度。 7.如申請專㈣圍第6項之陽極結構，其巾韻極材料於 該格室内被填充至少於h6 mm之高度。 δ.如申請專利範圍第7項之陽極結構，其中該陽極材料包 含6〇°/°之固體載荷之鋅，其係於具1 -3%膠凝劑之電解 質内。 9. 如申請專利_】項之陽極結構，其中該材料於該格 室内被填充至少於該格室高度之5〇%之高度。 10. —種金屬空氣電池，包含·· 如申請專利範圍第；[項之陽極結構，其t —或多個該格 室包含一含量之陽極材料， 本紙張尺度適财家標準(_ A4規格（210X297公幻 20 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   552732 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 與該陽極材料呈離子性連通之陰極，及 使該陰極與該陽極材料呈電隔離之隔板。 11. 如申請專利範圍第10項之金屬空氣電池，其中該陽 極材料包含金屬組份、苛性電解質及膠凝劑。 12. 如申請專利範圍第10項之金屬空氣電池，其中該隔 板被附著至該陽極結構之表面。 13. 如申請專利範圍第10項之金屬空氣電池，其中申請專 利範圍第1項之該陽極結構被建構成當陽極材料被實質 上放電時移除。 (請先閲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（210 X 297公釐） 21 本 β ；ΐ . ^ 申請曰期 qf. β.牛 案 號 ίί 11(^6 類 別 H〇m ^/〇s 以上各欄由本局填註） Α4 C4 Ιφ年闷私：:,Λ + 彻兄 552732 發明 專利説明書 發明 一、_ 中 文 供用於金屬空氣電化電池的陽極結構 英 文 ANODE STRUCTURE FOR METAL AIR ELECTROCHEMICAL CELLS 姓 名 曾宗溪George Tzong-Chyi Tzeng 發明 二' 國 籍 美國U.S.A. 住、居所 美國紐約州艾斯福德•諾柏山丘道102號 102 Nob Hill； Drive, Elms ford, NY, U.S.A. 姓 名 (名稱） 美商·伊維歐尼克斯公司 EVIONYX, INC. 國 籍 美國U.S.A. 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 訂 線 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） 裝 2 552732 、9一 五、發明説明（ 第9HH986號專利申請案說明書修正頁92年5月2〇曰 染氣體），金屬空氣電化學電池造成零污染釋放。金屬空氣 燃料電池於周圍溫度操作，而氫氧燃料電池典型上係於 15代至麵。C$1圍之溫度操作。金屬空氣電化學電池能 遞送比傳統燃料電池（<0·8 V)更高之輸出電壓（1-4·5 v)。 金屬空氣電化學電池之主要障礙之一係金屬之固有 體積膨脹，其中電極形狀會改變。電極形狀改變一般包含 鋅由電極之某些區域泳移至其它區域，且部份於當電池放 電期間活性電極材料溶解掉時發生。鋅電極之膨脹及變形 亦因金屬鋅及其氧化產物氧化鋅及氫氧化鋅之體積差異而 發生。電極於鋅以緻密固態層再次沈積時變形，因此，使 可獲得之活性電極材料達最小且妨礙電解質接近電極内 部。 另一障礙係有關於金屬空氣電池之重新添加燃料。若 陽極與陰極間之間隙非大到足以容納陽極膨脹，陰極會受 損且因而使重新添加燃料變困難或不可能。陽極與陰極間 之距離需固定。若陽極與陰極間之距離不固定，則陽極與 陰極間之放電會不均勻。此不均勻放電會造成陽極彎曲或 變形。陽極之彎曲係藉由因金屬氧化作用造成之體積變化 而造成。當陽極被彎曲，更接近陰極之陽極區域之放電比 陽極之其餘部份更快。此會增加變形。因此，不均勻放電 被放大’且問題持續至此彎曲造成電池失效為止，例如， 陽極紐路。再者，不均勾放電會降低電池之動力輸出。若 電池以非常高動力放電，接近陰極之陽極區域會被鈍化且 喪失功能性。 本紙張尺度適用中國國家標準（⑽）Μ规格⑵〇Χ297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 五、發明説明（） 矩形描述，但所欲地係任何適當形狀之格室可被使用。例 如，於某些具體例中，槽溝係所欲的，其具有相對較小之 局度（於X方向）及大的寬度（於y·方向）。格室彼此可呈 70全物理性隔離，或另外地，可彼此呈部份格離。例如， 孔洞或通道可於一或更多之格室間提供，以提供自連接袼 室之部份之接近途徑。此等孔洞或通道亦提供容納陽極膨 脹之額外體積。 陽極結構之建構材料可為任何能賦與所需結構整體 性之適當材料，且能耐電化學環境（包含電解質及熱限 制h此等材料可為電非導性，或另外為導性，其中陽極結 構12進一步作為電流收集器。適當之電非導性材料不受限 地包3丙埽胯丁二稀苯乙婦聚合物、聚氣乙稀、環氧玻璃、 氟碳化物、聚碳酸酯等，及包含至少一前述材料之混合物。 適當之導電材料不受限地包含銅、電鍍之二價鐵金屬（諸 如，不鏽鋼）、錫、銅、鉛、銀等，及至少一前述材料之混 合物及合金。 現參考第1B圖，格室30之放大圖被描述。格室3〇 包含一含Ϊ之陽極材料40。如上所述，陽極材料々ο之含 篁與格至3 0之體積有關，同時允許用以容納電化學反應期 間陽極材料膨脹之額外體積。較佳地，格室3〇之體積及陽 極材料40之含量（及其而之陽極材料4〇之性質，諸如，黏 度）被協調以使z軸方向之陽極膨脹呈最小（如第1B圖所 不） 般’格至30之體積及陽極材料40之含量被選擇以 使Z方向之陽極膨脹造成之壓力少於約1 psi，且 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（210X297公釐） 8 五、發明説明 552732 92, V 2 η A7 B7 · — .-- 陰極114可為傳統之空氣擴散陰極，例如，一般包含 活性組份及碳基質，及適當之連接結構，諸如，電流收集 器。典型上，陰極催化劑被選擇以達成於周圍空氣之至少 20笔安培/平方公分（mA/cm2)之電流密度，較佳係至少5〇 mA/cm，且更佳係至少1〇〇 mA/em2。當然，較高電流密 度可藉由適當陰極催化劑及配方物且改變氧純度及壓力而 達成。陰極114可為雙功能性，例如，其能於放電及重新 充電期間操作。例示之空氣陰極被揭示於相互關連之共同 讓渡之美國專利第6,368,751號案（發明名稱，，燃料電池之 電化學電極”，Wayne Yao 及 Tsepin Tsai，1999 年 10 月 8 曰申请’在此被全部併入以供參考之用）。其它空氣陰極可 被替代使用’但是，係依其性能能力而定，其對熟習此項 技藝者係顯而易知。 所用之碳較佳係對電化學電池環境呈化學惰性，且可 以各種不同形式提供，其不受限地包含碳薄片、石墨、其 它高表面積碳材料，或包含至少一前述碳形式之組合物。 陰極電流收集器可為任何能提供電導性及選擇性地能提供 對陰極114之支撐之電導性材料。電流收集器可為篩網、 多孔板、金屬發泡體、帶材、線材、箔材、板材或其它適 合結構之形式。於某些具體例中，電流收集器係多孔狀以 使氧流障礙達最小。電流收集器可由各種電導性材料組 成’其不受限地包含銅、鎳、鎳電鍍之二價金屬（諸如，不 鏽鋼）、鉻、鈦等，及包含至少一前述材料之混合物及合金。 適當電流收集器包含多孔狀金屬，諸如，鎳發泡體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4规格（2]〇\297公聲） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •馨·