具有可动式阴极的金属燃料电池 发明相关领域
本发明涉及燃料电池(即其中的阴极材料被持续地供给或可取得的电池)，例如空气去极化电池，其具有非可消耗之阴极部件并持续地供给气体(特别是氧)以作为氧化的阴极材料)。本发明特别涉及金属阳极燃料电池，具有一大的金属阳极对阴极之电化学比率，并具有流体或可通透性的流体/糊态中的阳极。
发明的背景技术
一般的电池系统具有低于大约200Whr/公斤之重量电化学容量。金属燃料电池(例如锌/空气电池)虽然属于最高的容量系统，然而其通常只适合于极低比率的应用中，例如远端信号灯、助听器和通信系统的应用。
尽管容量高，传统的金属燃料系统由于其有限的活性阴极去极化位置，而具有较差的阴极性能和实用性，因而导致低额定功率的特色。除此之外，因为有效的放电是被局限于一阳极之有限的表面深度，所以相对于总的金属阳极数量，阳极的利用率被最小化。因此，当在阳极上之氧化物层由于电池持续放电而增加的时候，非常厚的阳极将会造成逐渐增大的内电阻耗损。因而，为了合理的操作，有一个最大地阳极厚度，其通常只有数毫米。当放电电流或速率增加时，即使是这个小的有效厚度亦会进一步减少。
用来增加金属空气电池之利用性的方法，通常已实施固定的阴极与可动式的阳极(意即，例如带状或板状的新阳极材料在反应产物被移除时，被插入电池之内)以提高电池容量。另一种方式是，如在2000年5月12日提出的申请序号为第09/570798号的未授权申请(其公开内容在此一并提供以供参考)所描述的，阳极材料为一种可分配的或可流动的糊状物之形式，当反应产物从其中被消耗时，此阳极材料持续地被引入电池中。虽然有效，这里所述的后一系统通常需要金属糊状物输送装置(例如泵)以及一个储存系统以供连续的操作。
发明概述
本发明的一个目的是要提高燃料电池的电池容量和性能，更具体地说是具有含流体金属或糊状阳极的燃料电池，且更具体地说是金属空气电池，同时通过采用一个固定阳极糊池和一个可在阳极材料里面移动的阴极，来排除对于阳极运动与运动感应元件的需要。
本发明的进一步目的是通过除去用于阳极糊之运动的泵，来提高电池的体积效率。
本发明的另一个目的是在增加能量密度和电池放电容量的时候，增加阳极糊和可动阴极之利用效率并减少消耗的能量。
本发明的又一个目的是为电池提供一个可动的阴极，该可动阴极被推动，作为电化学电池放电和反应的功能。
通常本发明包含有一个具有非可消耗之阴极的燃料电池，例如一个空气去极化电池，其具有至少一个设置在一阳极材料中的阴极元件，该阴极元件可以移动通过该阳极材料。通常在新的阳极材料自一贮存器供应到电池时(当然此供应、空气或氧维持恒定)，反应产物(在空气去极化电池中，反应产物为阳极金属的氧化物)被从电池中当作废气而移除。这些阳极材料通常包含有可流动的金属粒子，例如碱金属和碱土金属或过渡金属(如镍、铁与锌及其各种不同的合金)。对水溶液电池而言，锌是最佳的，而对非水溶液电池而言，锂是最佳的。该阳极优选为流体或糊状材料池的形式，典型地为锌和电解质的浆状物或糊状物。
阳极的电化学容量是电池容量的局限因素，并且适于超过阴极的固定容量，优选的是通过数个因素(在电池本身之中或是来自一外部贮存器的固定的供给)。阴极元件具有适当包围的离子可渗透性隔离器材料(用于维持阴极的结构完整性并避免在阳极和阴极之间短路)，适于有效地移动，以致使其在阳极材料里移动或＂游泳＂，而维持活性的阳极材料和活性的阴极去极化元件之电化学接近。
在空气去极化电池中，阴极元件通常包含有一个非可消耗的元件，其包含导电性材料，例如附着于导电性栅板(conductive grid)的碳。在一个优选的实施例中，该阴极元件被包含在一个流线型的容器元件(例如为一个椭圆形的水平截面形状)里面，以减少曳引作用，并有助于阴极在阳极里面运动。为达到最大利用效率，阴极的高度基本上配合阳极糊的深度。该阴极与其设置在阳极里面的位置适于在阴极运动的期间、准许气体自一敞开及暴露的上端进入阴极，以进行有效的去极化。该阴极移动的速率足以导致基本上完全且有效地利用最近的阳极材料，并以新鲜的阳极材料持续地维持电化学耦合作用。
为了达到最大体积效率，优选的是，每个电池为扁平的外形并且包含有一空气扩散阴极、一隔离器与一镍基集电器，以及金属糊状物。隔离器材料之示例被公开于1999年2月26日提出申请的USSN第09/259068号申请案中，涉及导电性聚合物胶薄膜隔离器，其中形成阴离子及阳离子传导薄膜。该阴极有效地被覆盖或包裹在隔离器材料中。该薄膜的胶体组成物在其之液体相里面含有离子物质，因此该物质的作用像在液态电解质中一样，同时，固体胶组成物可阻止该液体相扩散至该装置之内。其他有用的隔离器材料被公开在于2000年1月11日提出申请的USSN第09/482,126号相关申请案中，其中公开了一种隔离器，它包含有承载体或基底以及一在其之液体相里面含有离子物质的聚合胶组成物。在制备该隔离器时，该离子物质在聚合之前被加到一种单体溶液中，并且在聚合之后维持被嵌入在所得到的聚合胶体内。该离子物质的作用如同液体电解质一样，而在同一时间，该聚合物基固体胶薄膜提供一平滑的、难以渗透的表面，以允许电池放电和充电的离子交换。有利的是，该隔离器会减少树枝状渗透并避免反应产物(例如金属氧化物)扩散到电池的其余部分。此外，所测得的该隔离器的离子传导率高于现有技术的固体电解质或电解质聚合薄膜。
适当的阴极结构被描述于1999年10月8日提出申请的USSN第09/415,449号申请案中，包含多孔金属泡沫材料基底，其中形成有一套相互连接的孔。一活性层与一厌水性多微孔气体扩散层这两者都被设置在金属泡沫材料基底的一个或多个的表面上。该金属泡沫材料基底是用作阴极的集电器。该多微孔层为塑胶材料，例如氟化聚合物(也就是PTFE(聚四氟乙烯))。该阴极也可以包含有微粒显微结构，在三维空间上互连多孔性的金属泡沫材料基底中，通过烧结聚合粘合剂而提供较强的连结来加强该结构。这些反应层最好是由与粘合剂相同之材料所制造。这有助于使单个的滚压操作能够同时使粘合剂渗入基底之内并在其之上形成反应层。所述这些申请案的公开内容被合并在此以供参考。
在一个优选的实施例中，阴极移动部件(例如一导线或连杆控制机构)以机械方式横向地移动该阴极通过该阳极材料。阴极移动部件的启动被耦合到阳极-阴极电耦中的压降感应器。特别是在一个锌空气电池中，当检测到电压急剧下降(表示基本上完全利用邻近的阳极材料)时，所述阴极移动部件在一段时间被启动，足以移动阴极到阳极材料内新的邻近处。在锌空气电池的一个较佳的实施例中，该电池的特点是为该阴极提供检测和推进部件，其中电池反应材料在体积上的变化之作用是推动阴极前进(当其形成时)。利用本发明之电池包括从用于向小型装置供电的小电池(所包含的电力为数瓦特的范围)，一直到数百万瓦功率级的大型供电电池。
本发明的上述的目的、特征和优点将通过以下所述和附图而变得更明显，其中：
图1是具有一个可见的空气收集节段的流体阳极材料之电池容器中的可动阴极之顶视图。
图2是示出具有流体阳极材料之阴极结构的图1之电池的剖面侧视图。
图3是示出一单一阴极元件之二维导向运动、以使其与阳极材料之耦合最佳化的电池之示意俯视图。
图4是示出在一个流体阳极里面的数个互相电气连接的阴极元件之较大电池的顶视图。
图5为适于通过在体积上增加电化学电池反应材料而自行推动的电池和可动阴极之顶视图。
图6为具有可反向移动的阴极与储存于可反向再组成之贮存器中的循环阳极材料和电化学电池反应产物的电池之示意图。
本发明的详细说明
在上述的具有可动式阴极的锌空气电池中，在邻近的阳极材料的放电之后，该阴极被移动或是以其它方式移到该阳极的另一个新金属糊状物节段。结果，该电池系统持续地成为全新的电池，而作为具有最大总放电容量的电化学电池准备用于额外的使用期限。
由于移动的阴极而致使在阴极和阳极之间经常可以取得全新的界面，因此一个其它形式的低放电率系统中，具有本发明之可动式阴极系统的电池适合于高放电率放电。高电阻被避免产生在阳极-阴极界面上，该高电阻通常会限制放电率。此外，一系列互相电连接的阴极(纵排可移动)也增加电池的功率和放电容量。在此后一实施例中，这些阴极最好是形成为梭形，借助于相对一活性的阴极界面而最小化阳极深度，以通过金属糊“池”。多个阴极和阳极可以被电气地设置为并联与串联结构之变型。
相比于其他的燃料电池设计，对于这些阴极仅需要比较简单的与体积上最小的驱动部件，且不再需要或采用用于供给金属阳极糊与排除反应产物的泵，因此而大幅简化电池的设计。此外，不需要分离的储存器和供给贮存器以持续地供给新的阳极材料。相反地，在本发明之结构中，贮存器实际上成为电池本身。
除此之外，此系统可轻易地适合于以电子方式再充电与以机械方式补充阳极糊，用于应用时的持续操作，例如为电动车辆提供一个可靠的动力源。因为该阳极被呈现为流体池，如果需要的话，它可以像电解液一样被轻易地补足，该电解液包含了该液态糊组成物之主要部分。
阴极的移动可以由各种部件以机械方式实现，如连接的齿轮、传动带等等。然而，一个优选实施例包含有对阴极形状的修改，利用电化学电池反应的特性以自行驱动的形式来实现必要的移动。在锌空气电池中，含有反应产物的锌(即，氧化锌)在阴极附近形成，它占据的体积比最初电池部件约大30％。结果，在放电期间一个相当大的压力将施加在阴极上。因此该阴极适合于为锥形的并具有一个平的或斜的后段表面(例如泪滴形结构)，以有效地导引该压力成为在适当的行进方向中的推力。
在另一个优选实施例中，该电池是可再充电的，例如在一个被称为机械性充电的过程中，用机械方式以新的金属糊置换消耗的金属糊。另一种方式是，通过应用外部电源对电池充电而电气地再生最初的阳极金属糊，以使电池充电并使金属氧化物糊状物转换为金属糊。利用任一实施例，该阴极可为第一次运行及其后设置成从左边移动到右边，然后借助于替换或再充电，而使该空气去极化阴极被反向以从右边移动到左边。
在另一个实施例中，通过使用补给贮存器来实现系统(一个或多个电池)的再生，如所述USSN第09/570798号相关申请案中所述，通过使用容器以提供新的阳极材料并容纳电池反应产物，这些操作是自动或手动实现的。利用从单个贮存器得到供应的若干个电池，隔离部件最好是被提供在贮存器供应和各个电池之间以及在各个电池与贮存器之腔室之间，该贮存器用来容纳燃料电池废气或电池反应材料。该隔离部件阻止在通过导电性阳极材料或导电性排除废料的电池之间的自放电电桥。
附图与优选实施例的详细说明
具体参照这些附图，如图1-5所示，一个锌/空气电池1包含在容器4内的一个锌阳极糊2与阴极/隔离器部件3，该锌阳极糊包含混合有电解质材料(例如，标准的35％KOH的水溶液)的锌粒子。
阴极/隔离器部件3包含在金属导电性基底上的高表面积传导性碳材料，该基底被包裹在一聚合性的离子可渗透性隔离器材料中。该阴极/隔离器3之上端3a暴露于空气中，以便氧气流入用于去极化(或者，如果阴极被完全浸入在流体阳极中，可以向其提供空气输送管)。阴极/隔离器3被连接至电压监视电路(未示出)的移动部件30所控制。当阳极和阴极的电化电池组合的电压降低到一预定之程度的时候，移动部件30将被启动以按照箭头所示的方向而移动阴极流过流体阳极，直到在阴极/隔离器3和新的阳极材料之间有一个新的电化学界面出现(如虚线所描述)。阳极2和阴极3之电气端子(未示出)便于连接至需要电流的外部装置。该阴极端子连接器3b(电连接至该端子与和该可动阴极)是可延伸的，且不论何时均为阴极提供电连接。
如图2所示，阴极/隔离器3延伸了该阳极的整个深度以使界面面积最大以及伴随的阳极利用最大化。阴极水平截面的椭圆形有助于阴极在使用期间通过阳极材料的移动。
如图3所示，借助于机械导引的该阴极，该阴极3在二维空间被移动，以在电池结构的阳极材料之整个不同的长度和宽度上，确保其之最大限度的利用。
图4概要地描述五个平行的阴极/隔离器部件30a-e，以增加阳极/阴极界面面积并增进阳极材料的利用，特别是在阴极部件之间或在阳极和容器之间的阳极的深度是大于数毫米时。根据所需要的电气结构，阴极的电气连接是可扩展的与被定向。要注意的是，在阳极和阴极之间的每个界面，可被设置成分离的电池，而整个电池1可以与分离的电抽头结合使用，以对数个分离的装置供电。另一种方式是，这些阴极可以并联接以提高放电率(在这些阴极纵排地移动时会有持续的增强)。
在图5中所示的阴极3′为近似的泪滴形并具有平坦部分31′。由于采用这种结构，逐渐增加的电池反应产物氧化锌之体积(比最初的锌大了约30％的体积)所造成的压力，将使得阴极3′向前“喷出”，直到该压力被消除，也就是在新阳极位置2′。该电池因此能够以一个自动推进阴极而被持续地更新，且不因为推进部件导致体积的任何损失。
在图6中所示的电池1′是一种复合结构，它采用可动式阴极以及所述未授权申请案的可更新及可逆的贮存器/储存系统。椭圆形的阴极3在方向上在是可逆的，以使其适应贮存器40中与反比例的腔室41和42的交换，腔室41和42分别保存新阳极材料与反应产物(主要为氧化锌)。当腔室42被完全充填且腔室41被用尽而在尺寸上减小时，该氧化锌被还原成活性锌阳极材料，且腔室42变成阳极供应腔室，而腔室41则变成反应产物的储存腔室。阴极3逆转方向以根据本发明有效充分地利用阳极。
应理解的是，上述的示例和附图为本发明的实施例之典型范例，且可针对电池、阴极和贮存器等的结构和部件加以变化，而不偏离本发明在权利要求书中所界定的范围。