專利名稱：電化電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化電池，并且雖然不是專門地，但是特別涉及用于氣體傳感器和燃料電池的電化電池。
用于傳感大氣中可氧化或可還原氣體(例如一氧化碳)的電化氣體傳感器通常包括一個(gè)傳感或工作電極，一個(gè)反電極和一個(gè)允許大氣透入傳感電極的入口(通常為一個(gè)擴(kuò)散膜)。兩個(gè)電極都和電解質(zhì)接觸，以便首先在傳感電極處和所傳感氣體產(chǎn)生電化反應(yīng)，并且其次在反電極處和大氣中的氧、電解質(zhì)或其他氣源產(chǎn)生電化反應(yīng)。電流由反應(yīng)產(chǎn)生的離子傳過電解質(zhì)，并且由電子傳過外部電路，電路中的電流指示氣體濃度。可以和一個(gè)恒電勢(shì)電路結(jié)合使用一個(gè)參考電極，以保持傳感電極與電池電解質(zhì)之間的電位差，以便提高操作的穩(wěn)定性。
按照物理結(jié)構(gòu)，傳感器一般包括一個(gè)起電解質(zhì)儲(chǔ)存器作用的外殼，一個(gè)使電解質(zhì)與電極保持接觸的芯件或基體，以及與電極電連接的外部電端子。現(xiàn)有大部分傳感器電池使用疊式電極布置，例如像US-A-4,406,770那樣。
最近提出了簡化設(shè)計(jì)的建議，例如參見US-A-5,183,550，它公開了一種氣體傳感器，其中傳感電極、反電極和參考電極安裝在一個(gè)共陶瓷基片上的共平面中，使接觸引線從電極伸到基片的另一表面，以供電連接。
我們的共同待審申請(qǐng)WO 96/14576(我們的參考號(hào)PQ12622)公開并敘述了一種氣體傳感器，它包括一個(gè)基片，幾個(gè)在基片上以多孔平面元件形成的電極，并且基片為多孔，以允許氣體從周圍環(huán)境透入電極，一個(gè)包含電解質(zhì)的儲(chǔ)存器的殼，以及幾個(gè)安裝在殼上的外部端子，其中基片通過加壓和加熱結(jié)合到殼上，以便在單組件操作下，使殼密封，并且與電極電連接，同時(shí)阻塞電極的多孔性，以防止電解質(zhì)透過電極到達(dá)電連接區(qū)。
雖然上述結(jié)構(gòu)按照降低費(fèi)用來說表現(xiàn)相當(dāng)好的優(yōu)越性，不過在不犧牲質(zhì)量的條件下對(duì)降低費(fèi)用的堅(jiān)決要求迫使進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)。
本發(fā)明是基于提供兩個(gè)柔性塑料片的概念而提出的，一個(gè)上面印有電極區(qū)，這兩個(gè)柔性塑料片沿它們的邊沿周圍結(jié)合在一起，以形成電解質(zhì)的儲(chǔ)存器，而不取茶袋形式。
因此，本發(fā)明在第一方面提供一種電化電池，它至少包括第一和第二片件，片件中至少一個(gè)包括一個(gè)透氣部分，其上安排一個(gè)或多個(gè)平面電極，第一和第二片件的周邊區(qū)被密封在一起，以形成一個(gè)包含電解質(zhì)的儲(chǔ)存器，以及包括從各所述電極伸過片件的密封處的電連接裝置，以供外部電連接。
在又一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種由多個(gè)部分形成的電化電池組件，各部分具有第一和第二片件，各片件包括一個(gè)透氣區(qū)，其上安排一個(gè)平面電極，第一和第二片件的周邊區(qū)被密封在一起，以形成一個(gè)包含電解質(zhì)的儲(chǔ)存器，以及包括從所述電極伸過片件的密封處的電連接裝置，以供外部電連接，所述組件包括導(dǎo)管裝置，以把第一和第二氣體引到各部分，以便與各自第一和第二片件接觸。
在本發(fā)明后面的實(shí)施例中，通過在不同的片件上形成電極，有可能安排第一氣體在第一片件上流動(dòng)，并且第二氣體在第二片件上流動(dòng)。例如，應(yīng)用一種適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管結(jié)構(gòu)，該組件可以構(gòu)成燃料電池。
本發(fā)明不論是取氣體傳感器還是取燃料電池的結(jié)構(gòu)都極其簡單，并且節(jié)省相當(dāng)多的費(fèi)用。
可能有各種特定形式的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)片件可能都為柔性，柔性允許在它們之間插入電解質(zhì)。兩個(gè)片件可以是單片的部分，使該單片折疊，以便片件面對(duì)面。可選擇地，可以由一片形成一個(gè)或兩個(gè)片件，使該片具有三維形狀，例如一個(gè)片可以在其中形成一個(gè)凹部，以限定儲(chǔ)存器空間?？蛇x擇地在一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，一個(gè)片可以形成為多孔PTFE的平片，帶有要求形狀的電極，并且可以使柔性塑料封閉片焊接在PTEF片的邊沿，以限定儲(chǔ)存器。
還可以使用一個(gè)第三片件，例如一個(gè)用于密封兩個(gè)外片的低熔點(diǎn)的中間層。第三片可以是高度多孔材料，以便保持電解質(zhì)。在又一種形式下，第三片件可以限定一個(gè)用于第二電化電池的第二儲(chǔ)存器空間。
本發(fā)明因此允許以各種形狀生產(chǎn)非常薄的組件(約1mm到2mm數(shù)量級(jí))。這樣允許用于氣體傳感器，其中空間非常有限，例如在個(gè)人衣服上或衣服中。生產(chǎn)非常便宜為“可處理”傳感器提供了可能性，這些傳感器可以只用一次或很少幾次，然后就處理掉。
因此，通過在一個(gè)柔性基片材料的片上印刷電極，然后折疊一次或多次，或布置在另一個(gè)材料片對(duì)面，之后密封邊沿周圍，以形成一個(gè)“茶袋”型結(jié)構(gòu)，可以簡化生產(chǎn)和組裝。芯件和電解質(zhì)包含在袋內(nèi)，并且可以通過加熱、粘合劑或機(jī)械力來密封。這樣的裝置可以制成不規(guī)則形狀，并且適合于高度自動(dòng)化，以降低費(fèi)用。
在生產(chǎn)完全柔性結(jié)構(gòu)的傳感器情況下，實(shí)際上它們通常將附著在一個(gè)剛性支持件上或安裝在一個(gè)剛性殼中，以防止由于彎曲引起的亂真噪聲。由于薄傳感器的緊湊性質(zhì)，有可能在單基片上安排控制電子電路。這種基片其中還可能設(shè)有限制氣體擴(kuò)散的入口。
按照本發(fā)明的電化電池使它們自身有利于在生產(chǎn)線上自動(dòng)制造和組裝。因此存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)軋輥中的片料可以展開和重疊，并且然后壓制電池的圖形，在片的同時(shí)操作中切割和密封。對(duì)于燃料電池，電池可以在片上按平面陣列，例如4×4來形成。
雖然電池中的電解質(zhì)通常取液體形式，但是它可以是凝膠和固態(tài)聚合物形式，粘貼或固定在電極上。
對(duì)于印刷在透氣膜上的電極，為了組裝成電化電池，必須實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能1)機(jī)械附著電極，2)密封在電解質(zhì)中，以及3)提供從電極到電池外部的導(dǎo)電通路。
如WO 96/14576所述類似，一種優(yōu)選構(gòu)造方法使用加熱密封技術(shù)，以把多孔PTFE片件(電極)密封到電池本體部件上。由于印刷電極穿過這個(gè)密封，所以無需附加部件而使所有三項(xiàng)要求得到滿足，并且另外提供自動(dòng)化的能力。
片件還可以粘在一起，這種方法能實(shí)現(xiàn)電池組件的所有三項(xiàng)要求。實(shí)際中利用PTFE膜的多孔性來實(shí)現(xiàn)粘合。這種構(gòu)造方法對(duì)允許組裝脆性或復(fù)合電極來說很重要。使用脆性電極例如可能起因于降低費(fèi)用。復(fù)合電極包括不規(guī)則形狀，多個(gè)印刷或在不只一個(gè)平面中的密封，例如在模件外側(cè)周圍。這種組裝方法對(duì)小型可處理傳感器(有限壽命)來說很重要。優(yōu)點(diǎn)是電極油墨結(jié)構(gòu)幾乎不破裂，粘合劑能進(jìn)入多孔的電極油墨和基片，以增加強(qiáng)度，而且該方法非常適用。應(yīng)用這種方法，可以使用不同方法與電極電連接，例如使用從電極延伸到外部電連接的電極引線。
以低費(fèi)用生產(chǎn)多電池組件的能力對(duì)制造燃料電池來說是理想的。以條形生產(chǎn)電池可能適合于提供一種陣列(比如說3×4)，這種陣列形成疊式組件中的單層。各電池的一個(gè)電極在該層的頂部，而另一個(gè)電極在底部，以允許空氣和燃料氣體通過簡單的導(dǎo)管系統(tǒng)供給有關(guān)電極。
優(yōu)選疊式組件包括剛性隔片裝置，它使電池的各層交錯(cuò)，并且在各層的各側(cè)上提供一種導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，以允許適當(dāng)氣體流入。在層的一側(cè)上的第一導(dǎo)管安排為允許第一氣體從一個(gè)方向流入，并且第二導(dǎo)管安排在層的另一側(cè)，與第一導(dǎo)管安排成直角，以允許第二氣體從和第一氣體成直角的方向流入。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)管的尺寸和形狀，能使兩種氣體的體積或流率設(shè)置為希望值。
在各層中，電池可以串聯(lián)連接，以指示由電池產(chǎn)生的電壓，并且這些層可以并聯(lián)連接在一起，以便限定組件的最大電流。
第二疊式組件使所有層制成一個(gè)長條，它按“Z字”圖形疊起。使用剛性導(dǎo)管/隔片布置，以允許空氣和折疊圖形成直角流過疊件。
在燃料電池的情況下，有可能片件或許不沿它們的周邊完全密封，而是可能設(shè)置一個(gè)小未封區(qū)，以便為在操作期間在電池內(nèi)部產(chǎn)生的水或其他液體提供排口。
現(xiàn)在將參考附圖敘述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中


圖1是按照本發(fā)明用作氣體傳感器的電化電池的實(shí)施例的斷面圖；圖2是圖1傳感器的平面圖；圖3是圖1和圖2氣體傳感器結(jié)合在氣體傳感器中以供個(gè)人使用的分解斷面圖；圖4是按照本發(fā)明用作燃料電池元件的電化電池的實(shí)施例的斷面圖；以及圖5是圖4燃料電池元件的部分的透視圖，表示元件是怎樣安裝在這樣元件的燃料電池疊件中的。
現(xiàn)在參考圖1和圖2，示出了一種取氣體傳感器形式的電化電池，它包括一個(gè)0.25mm厚的柔性多孔PTFE基片2，其上印有一個(gè)參考電極4，一個(gè)工作電極6和一個(gè)反電極8。如圖2所示，這些電極一般為矩形，并且并排安排，使工作電極6安排在中央，以便參考電極和反電極能執(zhí)行它們的功能而不相互干擾。印刷電極部分41、61、81延伸到基片2的一個(gè)邊沿，以與外部電連接。
例如通過網(wǎng)板印刷、從置于基片上的懸浮體對(duì)所選擇區(qū)域進(jìn)行抽吸或真空沉積、噴涂或任何其他適合產(chǎn)生固體材料的圖形沉積的方法，在基片2上沉積電極。沉積可以為單種材料，或按層依次使用一種以上材料，以便例如通過其厚度來改變電極材料的特性，或在氣體反應(yīng)的主要場所的層上或?qū)酉绿砑右粋€(gè)提高導(dǎo)電率的第二層。
在自支持的不透氣基片2上印刷電極。這樣具有優(yōu)點(diǎn)，以使電極較為堅(jiān)硬，并且對(duì)振動(dòng)和撞擊較不敏感，使得難以破裂或戳穿電極。
芯件10為高吸性材料，并且包含電解質(zhì)液體或凝膠的填料，它安排在電極上，而柔性塑料片12為0.1mm厚的聚丙烯，它具有比PTFE低的熔點(diǎn)，并且安排在芯件和基片上，以限定電解質(zhì)的儲(chǔ)存器空間14。片12和片2在平面中具有相同的形狀和尺寸，并且通過適當(dāng)?shù)募訅汗ぞ?，?duì)片進(jìn)行適當(dāng)加熱或加壓以實(shí)行結(jié)合，使片的邊沿沿矩形結(jié)合線16結(jié)合在一起。在連接區(qū)41、61、81上結(jié)合延伸的區(qū)域中，密封過程使電極材料的多孔阻塞，它對(duì)電解液從芯件10流出構(gòu)成阻擋。結(jié)果形成的傳感器具有不大于2mm的厚度。
在使用中，所傳感氣體透過PTFE基片2到達(dá)工作電極6。所傳感氣體的擴(kuò)散率由基片2的多孔性來控制，以便基片成為電池的擴(kuò)散控制。
現(xiàn)在參考圖3，本圖表示適合用作氣體傳感器的電化電池，它設(shè)計(jì)供個(gè)人使用，取可以放入個(gè)人衣服的口袋中或附于衣服的外面上的卡形。該卡包括一個(gè)剛性塑料基片20，其上安裝圖1和圖2所示形狀的電化電池22。在基片20上還安裝一個(gè)電子電路片26，它與電池22電連接。電子電路片26由CMOS工藝制造，并且提供一個(gè)電源(提供一個(gè)蓄電池或太陽能電池)、使電池的電極激勵(lì)的控制電路，以及提供報(bào)警信號(hào)的輸出裝置。設(shè)置一個(gè)蓋28，以覆蓋電池22和電路片26。在基片中設(shè)置一個(gè)孔30，以限制氣體擴(kuò)散進(jìn)入電池22的PTFE基片2。
現(xiàn)在參考圖4和圖5，示出了一種按照本發(fā)明構(gòu)成的用于燃料電池的電化電池40。電池40包括第一和第二柔性片42、44，各由透氣PTFE形成，并且在其各自內(nèi)表面上印刷了各個(gè)電極區(qū)46、48。包含電解質(zhì)材料的填料的芯件50安排在電極之間。兩個(gè)片42、44形狀為矩形，并且沿它們的四邊相互結(jié)合，以為電解液形成一個(gè)密封外殼或儲(chǔ)存器，雖然圖中未示出，但是電極區(qū)的部分以與圖1和圖2所示類似方式，伸過結(jié)合區(qū)到達(dá)片的邊沿，以供外部電連接。第一和第二矩形集氣管52、54布置在燃料電池元件40之上和之下，用側(cè)壁58的凸緣56把電池40夾在導(dǎo)管之間。導(dǎo)管允許第一和第二氣體進(jìn)入，分別到達(dá)電池40的各側(cè)，一種氣體通常為燃料，而另一種為空氣。燃料和空氣通過各個(gè)片42、44擴(kuò)散，并且與各自電極46、48起反應(yīng)。因此在電極46、48處產(chǎn)生電化反應(yīng)，在外部電連接處產(chǎn)生電輸出。
如圖5所示，多個(gè)電池40按垂直疊件60疊放，第一氣體從與側(cè)面64成直角的疊件的一側(cè)62進(jìn)入疊件，第二氣體在側(cè)面64進(jìn)入。電池40的外部連接互連，以便從電池40的疊件提供組合電輸出。
權(quán)利要求
1.一種電化電池，包括第一和第二片件，片件中至少一個(gè)包括一個(gè)透氣部分，其上安排一個(gè)或多個(gè)平面電極，第一和第二片件的周邊區(qū)域密封在一起，以形成一個(gè)包含電解質(zhì)的儲(chǔ)存器，以及包括電連接裝置，從各所述電極伸過片件的密封處，以供外部電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電池，包括一個(gè)第三片件，安排在第一和第二片件之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電池，包括一個(gè)第三片件，其周邊區(qū)域結(jié)合到第一和第二片，以便限定一個(gè)第二儲(chǔ)存器。
4.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的電池，其中第一片件包括一個(gè)平面多孔PTFE片，其上形成電極，并且第二片件包括一個(gè)柔性塑料片。
5.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的電池，其中第一、第二和第三電極在一個(gè)片件上形成，它們并排安排。
6.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的電池，和用于操作氣體傳感器的電路裝置一起，安裝在一個(gè)剛性平面基片部件上。
7.一種電化電池組件，由多個(gè)部分形成，各部分具有第一和第二片件，各片件包括一個(gè)透氣部分，其上安排一個(gè)平面電極，第一和第二片件的周邊區(qū)域密封在一起，以形成一個(gè)包含電解質(zhì)的儲(chǔ)存器，以及包括電連接裝置，從所述電極伸過片件的密封處，以供外部電連接，所述組件包括導(dǎo)管裝置，以把第一和第二氣體引到各部分，以便與各自第一和第二片件接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電池，其中各片件包括一個(gè)PTFE片。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的電池，其中第一和第二片件限定多個(gè)燃料電池元件，它們或按矩形陣列安排或按單行安排。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電池，其中使燃料電池的各部分安排為一個(gè)在另一個(gè)的頂部上，各部分包括燃料電池的陣列，或折疊的單行，以便該行中的相鄰電池安排為一個(gè)在另一個(gè)的頂部上。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或8的電池，其中燃料電池的部分安排為一個(gè)在另一個(gè)的頂部上。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任何一項(xiàng)的電池，其中各部分包括剛性隔片裝置，在各燃料電池元件的任何一側(cè)提供導(dǎo)管，以把氣體引到其中。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任何一項(xiàng)的電池，其中導(dǎo)管裝置安排為從不同方向把第一和第二氣體引到各燃料電池元件的相對(duì)側(cè)。
14.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的電池，其中第一和第二片通過加壓和加熱結(jié)合在一起。
15.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的電池，其中電極具有伸過片的密封在一起的部分的部分，以便限定所述電連接裝置。
16.根據(jù)上述任何權(quán)利要求的燃料電池，其中電解質(zhì)形式為液體，并且保持在芯件裝置中，或以凝膠或聚合物形式形成，并且附于電極的表面上。
17.一種大致上如參考附圖所述的電化電池。
全文摘要
一種電化電池,取第一和第二片件(2,12)的形狀,其中至少一個(gè)片件是透氣的,之上安排一個(gè)或多個(gè)平面電極(4,6,8)。第一和第二片件(2,12)的周邊區(qū)域密封在一起,以形成一個(gè)包含電解質(zhì)的密封外殼或儲(chǔ)存器。電連接裝置(41,61,81)從各電極(4,6,8)伸過片件(2,12)的密封,以提供外部電連接。
文檔編號(hào)G01N27/49GK1244257SQ9718127
公開日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1997年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月7日
發(fā)明者約翰·羅伯特·道吉森, 馬爾科姆·特雷頓·奧斯丁 申請(qǐng)人:研究中心實(shí)驗(yàn)室(有限)