专利名称：排气式氧电池的制作方法
技术领域：
技术领域一般地涉及电化学传感器，并且更具体地涉及氧传感器。
背景技术：
电化学氧传感器广为人知。这样的传感器通常依赖于传感器的第一和第二部分中的氧化还原反应。在这种情况下，位于传感器的第一部分中的贵金属阴极化学地还原氧气，、而平衡反应氧化传感器的第二部分中的可消耗阳极(例如铅)。通过使用离子型导电电解质而使阴极和可消耗阳极联接起来。传感器的第二部分可含有或填充有电解质。用该电解质使阳极饱和。纤维隔离件可将传感器的第一和第二部分隔开。纤维隔离件界定了传感器的第二部分，并且也用该电解质使纤维隔离件饱和。隔离件也与阴极接触，并且支持阴极和阳极之间的离子传输。在使用期间，氧气通过孔径和气相扩散隔障扩散至传感器的第一部分中以与阴极反应。孔径(毛细管)通常为设计中的扩散控制元件。这里考虑的传感器的类型中显示的膜是感测电极的支撑元件，并设计成不提供大的扩散阻力。以这样的方式，通过机械毛细管的公知性质而不是带(tape)的更加复杂和可变的性质来控制传感器的性能。存在不同类型的使用固体膜作为扩散隔障的传感器，其中，气体以固体溶解过程的形式渗透通过该隔障，但这具有不同类型的压力响应。排气孔更加广为人知并用于在燃料电池类型的化学传感器中释放压力，其中与可消耗部件的寄生消耗相关的缺陷不再如氧气情况中那样成为问题。实际上，因为这一原因，早期为了获得覆盖排气式氧传感器的专利覆盖而进行的尝试在其技术范围上受到限制。当电化学氧传感器良好地工作时，其运行可随时间逐渐变差。例如，隔离件可能泄露，从而允许传感器的第一和第二部分之间大量的气体传输。在传感器遭受温度变化的情况中，传感器内的气体的膨胀或收缩可能在隔离件上产生压力梯度，这会导致气泡受迫通过隔离件。当发生这种情形时，气体需要流过传感器的毛细管以补偿由于(一个或多个)气泡的移动而造成的体积变化，这与传感器运行的扩散原理不一致。通过传感器的第一部分的大量气体传输导致传感器在通常称为“故障(glitching) ”的过程中产生错误的读数。由于电化学气体传感器的重要性，需要能够提供更可靠传感器的方法。


图I是根据所说明的实施例一般地显示的电化学氧传感器的简化分解图；图2是图I的传感器的剖开的进一步简化视图3是另一个所说明的实施例的情况下的图I的传感器的剖开简化图；图4是图I的阳极的侧透视图；图5是另一个实施例的情况下的图I的阳极的侧透视图；并且图6是一个所说明的实施例的情况下的图I的主体的侧透视图。
具体实施例方式图I是根据一个所说明的实施例一般地显示的电化学氧传感器10的分解简化图。氧传感器10通常由壳体或主体12限定，其包括附接在主体12的第一端上的盖14。—对接线插脚16从主体12的第二端延伸。当连接到适当的测量电路时,来自传感器10的信号具有在插脚之间流动的电流的形式。例如，(来自传感器10)的电流被测量 为已知负载上的电位差。图2是图I的传感器10的剖开图，为了说明的目的而将其进一步简化。主体12通常被隔离件18分隔为第一腔室或隔室20和第二腔室或隔室22。第一隔室20由位于顶部的盖14、位于底部的隔离件18以及由主体12的内壁界定。类似地，第二隔室22由位于顶部的隔离件18、主体12的底部以及主体12的内壁界定。第一隔室20包括贵金属工作电极或阴极23。金属集电器24将阴极23与接线插脚16中的第一个电连接。在这种情况下，集电器24与阴极23的底部表面形成物理和电接触，在主体12的内壁中的缝槽中向下延伸并与接线插脚16电连接。第二隔室22包括可消耗阳极(例如成形的铅毛块(lead wool mass)) 26。阳极集电器28可从阳极26延伸并形成阳极26和一对接线插脚16中的另一个之间的电连接。第二隔室22还包括电解质30 (例如氢氧化钾或更常见的醋酸钾)，在将阳极26组装到主体12中之前将电解质30置于主体12内，或者在组装后将其注入主体12内。电解质30被吸收到阳极26和隔离件18中，并且允许在阳极26和主体12的内壁周围存在有限量的自由空间。该自由空间或体积允许阳极26在正常使用期间由于氧化而膨胀。该自由空间也允许在湿环境中使用传感器10期间电解质30的体积膨胀。一旦已经组装了传感器10，则阴极23、隔离件18和阳极26被保持成紧密的物理接触。将电解质30吸收到隔离件18中允许电解质30形成阴极23和阳极26之间经过隔离件18的离子型导电路径。为了允许氧扩散到第一隔室20中，通过使用穿过盖14的适当尺寸(例如100微米)的毛细管孔径32来提供扩散隔障。可在孔径32和阴极23之间设置(例如多孔PTFE的)扩散盘34以促进氧在阴极23上的扩散(蔓延)。如以上所提及的，隔离件18将壳体分为第一和第二隔室20、22。隔离件18可包括一层或多层具有相对小的微孔尺寸且带有良好毛细性质的玻璃纤维或类似材料，所述毛细性质将电解质30吸入隔离件18中。由于隔离件18具有比阳极26的铅毛块显著更低的微孔尺寸，因此隔离件18将变得完全浸没于电解质20中，并且从而在第一和第二隔室20、22之间提供相对良好的不可渗透密封。然而，如果第一和第二隔室之间的压力差超过隔离件18的气泡压力，则第一和第二隔室20、22之间将会形成泄漏，导致第一和第二隔室20、22之间的大量气流。第一和第二隔室之间的大量气流导致阴极23上的氧流远大于扩散所产生的氧流。结果是以上称为故障的显著读数错误。每当传感器10经历快速的温度变化，如从热的区域被带到冷的区域或者反过来，就尤其会出现故障。为了减少出现故障的可能性，传感器10被设置成在主体12的与扩散孔径32相对的那一侧上具有排气系统36。这种情况下，“相对”指的是在隔离件的相对侧。替代地，(一个或多个)排气孔可位于传感器的侧壁中。通常而言，排气孔可以在主体的任何位置，实际上理想的是，其应当从传感器的顶部出来从而排气孔和毛细管均暴露于相同的环境压力，而不是排气孔在仪器内部而毛细管位于仪器外部。在这方面，可选择排气系统36的尺寸和特征以使超过隔离件18的气泡压力的可能性最小化。例如，排气系统36包括一定尺寸和长度的孔径38，其能够单独操作或与排气孔覆盖膜联合地操作以平衡隔离件18上的压力。在这方面，孔径38可被选择为具有5-60微米的直径且长度在本申请中可在I. 0-2. 5mm变化。替代地，与附图所显示的方式相反，使排气孔从基座经过适当的“管”向上延伸至传感器的顶部可能是有益的。具有直径大于60微米的孔径的排气孔可能引起性能问题，特别是当传感器10由于失水而在干热环境中运行时，或由于氧从排气孔进入导致例如高背景电流。通常而言，应当强调的是，排气孔/覆盖膜的组合需要提供足够的气体进入(即具有足够的组合的孔隙度)以允许所需速度的体积流(bulk flow)以将环境变化所产生的压力差减小到特定范围内。明显地存在与孔隙度过低(即排气孔无法应对大的压力差)有关的问题，然而如果孔隙度过大，则压力均衡运行良好，但如同所注意到的，以铅的大得多的寄生消耗和其他不期望的效果为代价。没有将排气孔上的膜的渗透率自身设计成充当控制元件。也就是说，它与排气孔结合起来工作，并且对这一对进行调节以满足特定传感器设计的需要。最佳的组合将会根据电池设计的其余部分而变化。排气系统36可设置成具有覆盖孔径38的密封的多孔膜(例如PTFE) 40 (图I)。在这个方面，多孔膜40可被选择成具有在2000-6000格利秒(Gurley second)的范围内的某个预定渗透率。预定渗透率的使用控制了第二隔室内的压力，还阻止了水蒸气或电解质30透过或扩散到传感器之外，并且作为控制来自传感器10的水分流失的手段。实际上，PTFE膜可以对水蒸气扩散具有微不足道的限制，但将会防止液体泄露。为了进一步控制隔离件18上的压力，排气系统36还可包括第二隔室内的的一个或多个通道，所述一个或多个通道位于壳体12的内壁和阳极26之间并从排气孔径38向上延伸朝向第一腔室20。在这个方面，图3示出了通道42的示例，其在主体12的底部上延伸并且沿侧壁向上朝向隔离件18延伸。总体而言，通道42可形成于主体12的内壁中、阳极26的外表面上或者两者兼有。在这个方面，图4示出了由阳极26的外表面上的一个或多个沟槽形成或限定的通道42。图5示出了另一个所说明的实施例。在图5的情况中，一组彼此成直角的通道42可形成在阳极26的底部上，延伸到主体12的侧壁并然后向上朝向隔离件18延伸。在图4或图5的情况中，可在阳极26中形成与排气孔径38直接相邻的拱顶44，以在过压条件下促进气体46进入传感器10。图6示出了由主体12的内壁中的一个或多个沟槽形成或限定的一个或多个通道42。如上所述，通道42可在主体12的底部上延伸并沿侧壁向上朝向隔离件延伸。、
在义一个实施例中，图I的隔离件18可以设置有另外的毛细管层46，该毛细管层的第一部分与隔离件18同延，而其第二部分从隔离件18向外延伸，沿着主体12的侧壁在侧壁和阳极26之间向下延伸并在阳极26的底部上延伸。可在毛细管层46的底部中设置孔径以容纳图2的拱顶44。毛细管层46起到从排气系统36中将电解质30吸引或抽吸出来的作用。这不仅保证了通道42保持通畅，而且操作成将通过毛细作用将另外的电解质30带回阴极23和阳极26之间的界面，以便即使在传感器10开始从电解质30失去水分的情况下仍然保证传感器的可靠性。所说明的实施例之一的特征包括电化学氧传感器。该电化学传感器包括具有第一和第二隔室的壳体；位于壳体的第一隔室内的感测电极；位于壳体的第二隔室内的可消耗阳极；位于感测电极和可消耗电极之间分隔第一和第二隔室的多孔隔离件；使多孔隔离件和可消耗阳极饱和的电解质；位于壳体的第一端上在壳体的外表面和第一隔室之间延伸第一孔径，所述第一孔径允许气体通达感测电极；以及位于壳体的第二相对端侧壁上的排气系统，所述排气系统包括在壳体的外表面和第二隔室之间延伸的第二孔径并具有预定渗 透率，所述预定渗透率控制第二隔室中的压力和来自传感器的水分损失。该实施例进一步特征所包括的内容是，排气系统进一步包括覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜。该实施例的进一步特征包括在第二腔室内位于壳体的内壁和可消耗反电极之间并从第二孔径向第一腔室延伸的通道。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，预定渗透率具有2000-6000格利秒的范围。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，第二孔径进一步包括15-60微米的直径。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，第一孔径进一步包括100微米的直径。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，隔离件进一步包括毛细管层，毛细管层将电解质从排气系统的区域通过毛细作用带至或抽吸至隔离件的区域。在另一个实施例中，一个特征包括电化学氧传感器，该电化学氧传感器包括具有第一和第二隔室的壳体；位于壳体的第一隔室内的感电极；位于壳体的第二隔室内的可消耗阳极；位于感测电极和可消耗电极之间分隔第一和第二隔室的多孔隔离件；使多孔隔离件和可消耗阳极饱和的电解质；位于壳体的第一端上在壳体的外表面和第一隔室之间延伸的第一孔径，所述第一孔径允许气体通达感测电极；位于壳体的第二相对端上在壳体的外表面和第二隔室之间延伸的第二孔径；覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜；以及在第二腔室内位于壳体的内壁和可消耗反电极之间并从第二孔径向第一腔室延伸的通道。进一步的特征包括所述传感器，其中，覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜进一步包括2000-6000格利秒的渗透率。进一步的特征包括所述传感器，其中，第二孔径进一步包括15-60微米的直径。进一步的特征包括所述传感器，其中，通道被限定在壳体的内表面上。
进一步的特征包括所述传感器，其中，通道进一步包括至少O. 5mm2的截面积。进一步的特征所包括的内容是，通道被限定在可消耗阳极的外表面中。进一步的特征包括所述传感器，其中，通道进一步包括第二腔室内的多个通道，多个通道的每一个均位于壳体的内壁和可消耗反电极之间且均从第二孔径向第一腔室延伸。进一步的特征包括所述传感器，其具有被限定在可消耗阳极的外表面中并与第二孔径直接相邻的拱顶。进一步的特征包括所述传感器，其具有在隔离件和第二孔径之间延伸的纤维材料，其通过毛细作用将电解质从第二孔径带走。在又一个实施例中，该传感器包括具有第一和第二隔室的壳体；位于壳体的第一隔室内的感测电极；位于壳体的第二隔室内的可消耗阳极；位于感测电极和可消耗电极 之间分隔第一和第二隔室的多孔隔离件；使多孔隔离件和可消耗阳极饱和的电解质；位于壳体的第一端上在壳体的外表面和第一隔室之间延伸第一孔径，该第一孔径允许气体通达感测电极；位于壳体的第二相对端上在壳体的外表面和第二隔室之间延伸的直径为15-60微米的第二孔径；覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜，其具有2000-6000格利秒的渗透率；以及在第二腔室内位于壳体的内壁和可消耗反电极之间并从第二孔径向第一腔室延伸的通道。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，通道进一步包括多个通道。该实施例的进一步特征包括所述传感器，其中，多个通道进一步包括位于第二孔径上方在电极的底表面中的拱顶，多个通道从拱顶向外延伸。尽管以上对数个实施例进行了详细说明，但其它修改也是可能的。例如，图中所示的逻辑流程并不要求所显示的特定顺序或序列以获得期望的结果。从所描述的流程中可提供其它步骤或者可删除步骤，并且可以向所描述的系统增加其他部件或移除部件。其它的实施例可以落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种装置，包括 电化学氧传感器，所述电化学传感器进一步包括 具有第一和第二隔室的壳体； 位于所述壳体的第一隔室内的感测电极； 位于所述壳体的第二隔室内的可消耗阳极； 位于所述感测电极和所述可消耗电极之间的多孔隔离件，所述多孔隔离件分隔所述第一和第二隔室； 使所述多孔隔离件和所述可消耗阳极饱和的电解质； 位于所述壳体的第一端上在所述壳体的外表面和所述第一隔室之间延伸的第一孔径，所述第一孔径允许气体通达所述感测电极；和 位于所述壳体的第二相对端上的排气系统，所述排气系统包括在所述壳体的外表面和所述第二隔室之间延伸的第二孔径并具有预定渗透率，所述预定渗透率控制所述第二隔室中的压力和来自所述传感器的水分损失。
2.如权利要求I所述的装置，其中，所述排气系统进一步包括覆盖所述第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜。
3.如权利要求I所述的装置，进一步包括在所述第二腔室内位于所述壳体的内壁和所述可消耗反电极之间并从所述第二孔径向所述第一腔室延伸的通道。
4.如权利要求I所述的装置，其中，所述预定渗透率进一步包括2000-6000格利秒的范围。
5.如权利要求I所述的装置，其中，所述第二孔径进一步包括15-60微米的直径。
6.如权利要求I所述的装置，其中，所述第一孔径进一步包括100微米的直径。
7.如权利要求I所述的装置，其中，所述隔离件进一步包括毛细管层，所述毛细管层将电解质从所述排气系统的区域通过毛细作用带至或抽吸至所述隔离件的区域。
8.一种装置，包括 电化学氧传感器，所述电化学氧传感器进一步包括 具有第一和第二隔室的壳体； 位于所述壳体的第一隔室内的感测电极； 位于所述壳体的第二隔室内的可消耗阳极； 位于所述感测电极和所述可消耗电极之间的多孔隔离件，所述多孔隔 离件分隔所述第一和第二隔室； 使所述多孔隔离件和所述可消耗阳极饱和的电解质； 位于所述壳体的第一端上在所述壳体的外表面和所述第一隔室之间延伸的第一孔径，所述第一孔径允许气体通达所述感测电极； 位于所述壳体的第二相对端上在所述壳体的外表面和所述第二隔室之间延伸的第二孔径； 覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜；和 在所述第二腔室内位于所述壳体的内壁和所述可消耗反电极之间并从所述第二孔径向所述第一腔室延伸的通道。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述覆盖第二孔径的气体可透过而液体无法透过的膜进一步包括2000-6000格利秒的渗透率。
10.如权利要求8所述的装置，其中，所述第二孔径进一步包括15-60微米的直径。
11.如权利要求8所述的装置，其中，所述通道由位于所述壳体的内表面上的沟槽限定。
12.如权利要求8所述的装置，其中，所述通道进一步包括至少为O.5mm2的截面积。
13.如权利要求8所述的装置，其中，所述通道由位于所述可消耗阳极的外表面上的沟槽限定。
14.如权利要求8所述的装置，其中，所述通道进一步包括在所述第二腔室内的多个通道，所述多个通道的每一个均位于所述壳体的内壁和所述可消耗反电极之间且均从所述第二孔径向所述第一腔室延伸。
15.如权利要求8所述的装置，进一步包括被限定在所述可消耗阳极的外表面中并与所述第二孔径直接相邻的拱顶。
全文摘要
本发明涉及排气式氧电池，具体提供了一种电化学氧传感器。该电化学传感器包括具有第一和第二隔室的壳体、位于壳体的第一隔室内的感测电极、位于壳体的第二隔室内的可消耗阳极、位于感测电极和可消耗电极之间分隔第一和第二隔室的多孔隔离件、以及使多孔隔离件和可消耗阳极饱和的电解质。位于壳体的第一端上的第一孔径在壳体的外表面和第一隔室之间延伸，该第一孔径允许气体通达感测电极。位于壳体的第二相对端上的排气系统包括在壳体的外表面和第二隔室之间延伸的第二孔径并具有预定渗透率，所述预定渗透率控制第二隔室中的压力和来自传感器的水分损失。
文档编号G01N27/407GK102735738SQ20121011911
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月10日 优先权日2011年3月11日
发明者G·R·米切尔, M·威廉森, S·哈里斯 申请人:生命安全销售股份公司