(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び酸化剤を用いて電流を生成する充電式電気化学セルシステムであって，
燃料極と，酸化剤極と，充電極と，当該燃料極，当該酸化剤極，及び当該充電極を連絡させるイオン伝導性媒体とをそれぞれ備えるN個の電気化学セルと（Nは２以上の整数），
コントローラの制御により切替可能な複数のスイッチであって，
（1）前記セル1の燃料極及び前記セルNの酸化剤極が負荷に接続されるときに，前記燃料極における燃料の酸化及び前記酸化剤極における酸化剤の還元が各セル内で電位差を作りだして前記セル1の燃料極でアノードとなり前記セルNの酸化剤極でカソードとなる合計の電位差を作り出すようにし，電流を前記負荷に供給するセル1からセルN-1の各々の前記酸化剤極を後段のセルの前記燃料極に接続して前記セルを放電直列に接続する放電モードと，
（2）前記セル1の燃料極及びセルNの前記充電極が電源に接続されて前記セル1の燃料極においてカソードであるとともにセルNの前記充電極においてアノードである充電電位差が印可されるときに漸増の電位差が各セル内で生成されて前記燃料極において還元可能な燃料種を還元するとともに前記充電極において酸化可能な酸化剤種を酸化するように，セル1からセルN-1の各々の前記充電極を後段のセルの前記燃料極に接続して前記セルを充電直列に接続する充電モードと，
の間で切替可能なものと，
を備え，
前記複数のスイッチが，前記コントローラの制御により，前記充電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記充電極，又は，前記放電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記酸化剤極を後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続することにより，前記N個の電気化学セルのセル（X）に関してバイパスモードに切り替え可能であるセルシステム。
【請求項２】
前記セルは，隣接するセルと組み合わせられており，隣接するセルの組の各々の酸化剤極と燃料極とが非導電性バリアによって分離され，当該セル間の電気的接続が前記スイッチを介した接続のみとなるようにする請求項１の電気化学セルシステム。
【請求項３】
各セルは，金属燃料を有する前記燃料極と酸素を還元するための空気カソードを有する前記酸化剤極とを備えた金属-空気セルであり，前記充電極は，酸化可能酸素種を酸化して酸素にする酸素発生電極である請求項２の電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記金属燃料が，亜鉛，アルミニウム，鉄，及びマンガンから成る群より選択される請求項３の電気化学セルシステム。
【請求項５】
各非導電性バリアは，酸素を前記空気カソードに流入させるための単数又は複数のポートを備える請求項３の電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記セル1の燃料極に接続された第一の端子と，第二の端子と，をさらに備え，前記複数のスイッチは，前記放電モードにおける前記セルNの酸化剤極の前記第二の端子への接続と，前記充電モードにおいてセルNの前記充電極の前記第二の端子への接続とを切替可能なスイッチを含む請求項１の電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記複数のスイッチは，前記セル1から前記セルNの各々をバイパスモードへ前記コントローラの制御により切替可能であり，
セル1が前記バイパスモードの場合には，前記第一の端子がセル2の前記燃料極に接続され，
セル2からセルN-1の中の任意のセルXが前記バイパスモードの場合には，前記充電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記充電極が，又は，前記放電モードにおいては前記前段のセル（X-1）の前記酸化剤極が，後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続され，
セルNが前記バイパスモードの場合には，前記充電モードにおいてはセルN-1の前記充電極が，又は，前記放電モードにおいては前記セルN-1の前記酸化剤極が，前記第二の端子に接続される請求項６の電気化学セルシステム。
【請求項８】
前記複数のスイッチは，各セルについて単極三投スイッチを備え，
セル1からセルN-1の各々の前記単極三投スイッチの固定接点が前記後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続されるとともに，セルNの前記単極三投スイッチの固定接点が前記第二の端子に接続され，
セル2からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第一の選択的接点が少なくとも前記前段のセル（X-1）の前記固定接点に接続され，セル1の前記単極三投スイッチの第一の選択的接点が少なくとも前記第一の端子に接続され，
セル1からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第二の選択的接点が，対応するセル（X）の前記充電極に接続され，
セル1からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第三の選択的接点が，前記対応するセル（X）の前記酸化剤極に接続され，
単極三投スイッチのスイッチ要素が，（1）その固定接点がその第一の選択的接点に接続されるバイパス位置，（2）その固定接点がその第二の選択的接点に接続される充電位置，及び（3）その固定接点がその第三の選択的接点に接続される放電位置の間で前記コントローラの制御により切替可能であり，
これにより，前記スイッチ要素を前記充電位置にすることで前記複数のスイッチの前記充電モードが確立され，前記スイッチ要素を前記放電位置にすることで前記放電モードが確立され，前記複数のスイッチの前記充電モード又は前記放電モードのいずれかにおいて対応する前記スイッチ要素を前記バイパス位置に移動させることによって各セルがバイパスされる，
請求項７の電気化学セルシステム。
【請求項９】
前記複数のスイッチが各セルに対応する一組のスイッチを備える請求項７の電気化学セルシステム。
【請求項１０】
各セルに対応する前記一組のスイッチが一組の単極二投スイッチを備える請求項９の電気化学セルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許仮出願第61/243,970号に基づく優先権を主張し、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は，燃料極及び酸化剤極に加えて充電極をそれぞれ有する複数のセルを備える充電式電気化学セルシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
直列に接続された複数の個別の電気化学セルを有する電気化学セルシステムが広く知られている。個別のセルの各々は，燃料の酸化反応が起こるアノード又は燃料極，酸化剤の還元反応が起こるカソード又は酸化剤極，及びイオンの輸送を支援するイオン伝導性媒体を備える。第一のセルの燃料極は第一の端子に接続され，セルシステム内にある各セルの酸化剤極は後段のセルの燃料極に接続され，直列接続された最後のセルの酸化剤極は第二の端子に接続される。このようにして個別セルの各々において電位差が作られる。これらのセルは直列に接続されているので，第１の端子と第２の端子の間で生成された電位差が合計の電位差となる。これらの端子は負荷に接続され，電流を発生させるための電位差となる。
【０００４】
かかるセルシステムを再充電することができるより効率的でより高性能のアーキテクチャが望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によって，燃料及び酸化剤を用いて電流を生成する充電式電気化学セルシステムが提供される。このセルシステムは，燃料極，酸化剤極，充電極，及びこれらの電極を連絡させるイオン伝導性媒体をそれぞれ有するN個の電気化学セルを備える。Nは２以上の整数であり，任意の数のセルを用いることができる。
【０００６】
複数のスイッチは，以下のモードに切替可能である。
【０００７】
（1）セル1の燃料極及びセルNの酸化剤極が負荷に接続されるときに，前記燃料極における燃料の酸化及び前記酸化剤極における酸化剤の還元が各セル内で電位差を作りだして前記セル1の燃料極でアノードになるとともに前記セルNの酸化剤極でカソードになる合計の電位差を作り出すように，負荷に電流を供給するセル1からセルN-1の各々の酸化剤極を後段のセルの燃料極に接続して前記セルを放電直列に接続する放電モード。
【０００８】
（2）セル1の燃料極及びセルNの前記充電極が電源に接続されて前記セル1の燃料極においてカソードであるとともにセルNの前記充電極においてアノードである充電電位差を印可されるときに漸増の電位差が各セル内で生成されて前記燃料極において還元可能な燃料種を還元するとともに前記充電極において酸化可能な酸化剤種を酸化するように，セル1からセルN-1の各々の前記充電極を後段のセルの前記燃料極に接続して前記セルを充電直列に接続する充電モード。
【０００９】
この複数のスイッチは，前記充電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記充電極，又は，前記放電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記酸化剤極を後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続することにより，前記複数のスイッチが前記N個の電気化学セルのセル（X）に関してバイパスモードに切り替え可能である。すなわち，前段のセルの充電極又は酸化剤極が接続されているか否かは，セルシステムが充電モードにあるか放電モードにあるかによってそれぞれ定められる。
【００１０】
一実施形態において，前記セルは，隣接するセルと組み合わせられており，隣接するセルの組の各々の酸化剤極と燃料極とが非導電性バリアによって分離され，当該セル間の電気的接続が前記スイッチを介した接続のみとなるようにする。
【００１１】
他の実施形態において，各セルは，金属燃料を有する前記燃料極と酸素を還元するための空気カソードを有する前記酸化剤極とを備えた金属-空気セルであり，前記充電極は，酸化可能酸素種を酸化して酸素にする酸素発生電極である。
【００１２】
このシステムは，前記セル1の燃料極に接続された第一の端子と，第二の端子と，をさらに備え，前記複数のスイッチは，前記放電モードにおける前記セルNの酸化剤極の前記第二の端子への接続と，前記充電モードにおいてセルNの前記充電極の前記第二の端子への接続とを切替可能なスイッチを含むものであってもよい。
【００１３】
前記複数のスイッチは，前記セル1からセルNの各々をバイパスモードへ切替可能である。
【００１４】
セル1が前記バイパスモードの場合には，前記第一の端子がセル2の前記燃料極に接続される。
【００１５】
セル2からセルN-1の中の任意のセルXが前記バイパスモードの場合には，前記充電モードにおいては前段のセル（X-1）の前記充電極が，又は，前記放電モードにおいては前記前段のセル（X-1）の前記酸化剤極が，後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続される。
【００１６】
セルNが前記バイパスモードの場合には，前記充電モードにおいてはセルN-1の前記充電極が，又は，前記放電モードにおいては前記セルN-1の前記酸化剤極が，前記第二の端子に接続される，
【００１７】
前記複数のスイッチは，各セルについて単極三投スイッチを備える。
【００１８】
セル1からセルN-1の各々の前記単極三投スイッチの固定接点は，前記後段のセル（X+1）の前記燃料極に接続されるとともに，セルNの前記単極三投スイッチの固定接点が前記第二の端子に接続される。
【００１９】
セル2からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第一の選択的接点は，少なくとも前記前段のセル（X-1）の前記固定接点に接続され，セル1の前記単極三投スイッチの第一の選択的接点が少なくとも前記第一の端子に接続される。
【００２０】
セル1からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第二の選択的接点は，対応するセル（X）の前記充電極に接続される。
【００２１】
セル1からセルNの各々の前記単極三投スイッチの第三の選択的接点は，前記対応するセル（X）の前記酸化剤極に接続される。
【００２２】
単極三投スイッチのスイッチ要素は，（1）その固定接点がその第一の選択的接点に接続されるバイパス位置，（2）その固定接点がその第二の選択的接点に接続される充電位置，及び（3）その固定接点がその第三の選択的接点に接続される放電位置の間で切替可能であり，
これにより，前記スイッチ要素を前記充電位置にすることで前記複数のスイッチの前記充電モードが確立され，前記スイッチ要素を前記放電位置にすることで前記放電モードが確立され，前記複数のスイッチの前記充電モード又は前記放電モードのいずれかにおいて対応する前記スイッチ要素を前記バイパス位置に移動させることによって各セルがバイパスされる。
【００２３】
他の代替手段として，前記複数のスイッチが各セルに対応する一組のスイッチを備えてもよい。この各セルに対応する前記一組のスイッチは，一組の単極二投スイッチを備えることができる。
【００２４】
本発明の上記以外の目的，特徴，有利な効果は，以下の詳細な説明，添付図面，及び特許請求の範囲によって明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従って構成されたセルシステムの模式図
【００２６】
【図２】本発明に従って構成されたセルシステムの他の実施形態の模式図
【００２７】
【図３】積層された二つのセルを示す分解断面図
【００２８】
【図４ａ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図４ｂ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図４ｃ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図４ｄ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【００２９】
【図５ａ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図５ｂ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図５ｃ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【図５ｄ】本発明に従って構成され，様々な動作状態にあるスイッチを備えたセルシステムの他の実施形態の模式図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
添付図面は，燃料及び酸化剤を用いて電流を生成する充電式電気化学セルシステム10の様々な実施形態を図示するものである。セルシステム10は，任意の構成及びアーキテクチャをとることができ，図示された実施形態は限定的なものではない。
【００３１】
セルシステム10は，N個の電気化学セル12を備える。Nは２以上の任意の整数であり，特定の数に限定されるものではない。各セル12は，燃料極14，酸化剤極16，充電極18，及び電極14，16，18を連絡させるイオン伝導性媒体を備える。各セル12は，イオン伝導性媒体の漏れを防止するためにケースに収容されていることが望ましい。このイオン伝導性媒体は，電解液であってもよいが，充放電中にイオン輸送を可能にする任意の好適な媒体を用いることができる。例えば、従来の液体電解質又は半固体電解質を用いることができ，米国特許出願第61/177,072号で述べられているように室温イオン性液体を用いることもできる。米国特許出願第61/177,072号の内容は全体として本明細書に組み込まれる。図１は，セルの動作を理解するための電極及びセルの基本的な配置を示す模式図である。
【００３２】
燃料極14（放電時にはアノードとも呼ばれる）は，任意の構造又は構成を有することができ，好ましくは，導電性メッシュスクリーン等の導電性物質から構成される。燃料極14は，米国特許出願第12/385,489号に開示されているように，複数の電極本体から構成されていてもよい。米国特許出願第12/385,489号の内容は，参照により全体として本明細書に組み込まれる。図３の実施形態は，複数の電極本体14a乃至14cを示す。この電極本体14a乃至14cは，非導電性で電気化学的に不活性なアイソレータ15a乃至15cによって分離されている。電解液は，このアイソレータ15a乃至15cを透過することができる。図３には，三つの電気化学的に不活性なアイソレータによって分離された三つの電極本体によって構成された燃料極14を示したが，本発明はこの構成及びアーキテクチャに限定されるものではない。例えば、電極本体の数，寸法，及び間隔は，マイクロメートルからミリメートルの範囲で任意に変更可能である。燃料極14は，放電時に酸化が起こり，再充電時に燃料が析出する電極である。この燃料は，好ましくは，燃料極に析出するときに酸化されて電子を自由化させ，酸化燃料イオンを電解液中に供給する，金属又はそれ以外の燃料である。この酸化された燃料イオンは，再充電時に還元されて燃料極14に析出する。
【００３３】
この燃料は，好ましくは，亜鉛，マンガン，鉄又はアルミニウム等の金属である。この燃料は，電解液中における酸化された状態から燃料極14に析出可能であるとともに，燃料極14に析出した状態から酸化可能な非金属であってもよい。このように酸化と還元が可逆的に起こる燃料が好ましい。
【００３４】
酸化剤極16（放電時にはカソードとも呼ばれる）は，任意の構造又は構成をとることができ，放電時の還元反応ために供給される酸化剤の任意の種を有していてもよい。図示の実施形態において，酸化剤極は空気吸入カソード（空気カソードとも呼ばれる）である。酸化剤極16として空気カソードを用いるので，酸化剤極16は，放電時には，大気から酸素を吸収しその酸素を還元することによって，還元された酸素種を生成する。この還元された酸素種は，最終的には，電解液中で又は電極においてセル12内の酸化された燃料と反応する。酸素等の酸化剤は，必ずしも大気中に由来するものでなくともよく，内蔵された供給源に由来するものであってもよい。
【００３５】
このように，放電動作時には，個別のセル12内において，燃料が燃料極12において酸化されるとともに酸化剤が酸化剤極14において還元されることにより，燃料極12と酸化剤極14との間に電位差が作り出される。このとき，燃料極はアノード電位を有し，酸化剤極16はカソード電位を有する（互いに相対的なものである）。この還元された酸化剤種及び酸化された燃料は，セル12内で反応して副生成物を生成しうる。後述のように，この副生成物から酸化された燃料が還元されて燃料極14に析出しうる。
【００３６】
酸化剤極16は，炭素，フッ素重合体，ニッケル，銀，酸化マンガン，細孔形成物質（pore formers）及びこれらの任意の組み合わせ等の様々な材料から生成され得るが，本開示の内容はこれらに限定されるものではない。
【００３７】
充電極18は，燃料極14と酸化剤極16との間に配置されるが，これ以外の場所に配置されてもよい。例えば，充電極18は，燃料極14の酸化剤極16と逆側に配置されてもよい。充電極18はセルの充電時にのみ使用され，充電時にはその性能の範囲内（in that capacity）でアノードとして機能する。具体的には，充電時には，アノード電位が充電極18に印可され，カソード電位が燃料極14に印可される。これにより，燃料極14は，充電時にカソードとして振る舞い，放電時にセルにおいて生成された酸化燃料種等の還元可能な燃料種にとって還元場所として働く。同様に、充電極18は，放電時にセルにおいて生成された還元酸化剤種等の酸化可能な酸素種を酸化する。このように，セル12が金属空気セルの場合には，還元可能な金属燃料種は還元されて燃料極14に析出し，酸化可能な酸素種は酸化されて酸素ガスとなる。この酸素ガスは，セル12から排出されうる。本実施形態において，充電極18は酸素発生電極（OEE）であってもよい。
【００３８】
酸化可能な酸化剤種は，充電極における酸化に利用できる酸化剤の任意の種である。例えば、この種は，自由イオン，又は，他のイオンもしくはイオン伝導性媒体中の成分と結合もしくは配位結合したイオンであってもよい。例えば、酸化剤として酸素を用いる水系電解液においては，酸素イオンが酸化される。この酸素イオンは，燃料の酸化物（例えば、亜鉛が燃料の場合にはZnO），水酸化物イオン（OH-），又は水分子（H2O）から得られる。同様に、還元可能な燃料種は，燃料極における還元のために利用できる燃料の任意の種である。例えば、還元可能な燃料種は，自由イオン，又は，他のイオンもしくはイオン伝導性媒体中の成分と結合もしくは配位結合したイオンであってもよい。例えば、金属を燃料として用いる場合には，当該金属のイオンが還元されて燃料極に析出する。この金属イオンは，当該金属の酸化物，イオン伝導性媒体に溶解している当該金属の塩，又は他のイオンもしくは媒体中の成分に担持もしくは配位結合された当該金属のイオンから得られる。
【００３９】
充電極18は，様々な材料，例えば，ニッケル等の触媒で被覆された導電性メッシュ，フッ素重合体等のバインダーで固められた直径が数ナノメートルから数マイクロメートルのニッケル粒子，導電性メッシュに析出するニッケル及びニッケル合金（例えば、Ni-Co，Ni-Pt）等の高表面積電解触媒等から形成されるがこれらには限られない。この点の開示は，既に本明細書に組み込まれた米国特許出願第12/385,489号においてさらに説明されているので，より具体的な内容については同出願を参照されたい。また，これ以外にも，米国特許出願第12/549,617において関連する開示がなされている。同出願の内容も，参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００４０】
個別のセル12は，任意の構造又は構成を備えることができ，例えば，上記の本明細書に組み込まれた二つの特許出願に開示されている流動液体電解液を用いることができる。電解液の流れは，電極14，16，18に平行に各セルを通過することができ，この流れは各セル12内で再循環可能である。同様に，電極14，16，18に概ね直交する流れを用いることもできる。この流れは，各セル12内で再循環されてもよい。任意の好適なポンプを用いることで，このような流れを生成できる。電解液の平行な流れを共通ポンプ等の一つの供給源から全てのセルに供給し，その流れの平行なアウトプットを再循環させることもできる。電位の混合による電力損失を避けるために，個別のセル12の各々の電解液を，他セルの流れから分離された自セルの流路に留めておくこともできる。他の実施形態においては，流れを無くし，電解液が単純に個別のセル12の各々の内部に留まるようにしてもよい。セル12内における酸化還元反応を管理するための具体的なアーキテクチャは限定的なものではない。
【００４１】
上述のように，図３は，セル12の積層体の代表的な立体構造を示す。この例は，説明のみを目的として提示されるものであり，本発明を限定するものではない。内部の基本的な立体構造を図示するために，二つのセル12の積層体が分解断面図に示されている。一組の外部ハウジング本体40，42が両端部に設けられている。このハウジング本体40，42は，ポリマーやポリマー複合材等の非導電性の電気化学的に不活性な材料から形成されている。非導電性の電気化学的に不活性なバリア19がセル12間に設けられている，このバリア19もポリマー又はポリマー複合材から形成される。
【００４２】
ハウジング本体40及びバリア19は，燃料極14を受け入れるための凹部44をそれぞれ備える。燃料極14は，複数の電極本体14a乃至14c及び対応するアイソレータ15a乃至15cを備えるように図示されている。充電極18は，アイソレータ15cの近傍に配置されており，これにより各セル12内において燃料極14から分離されている。電気化学的に不活性で非導電性の他のアイソレータ46が各セル12の充電極18の近傍に配置されており，このアイソレータ46は，電解液又はそれ以外のイオン伝導性媒体を透過させる。
【００４３】
浸透性のシール部材48は，ハウジング本体40，42及びバリア19のシール面50に接着される。各セル12において，浸透性のシール48は，燃料極14，充電極18，及び様々なセパレータ15a乃至15c及び46を凹部44に封止する。シール部材48は，非導電性で電気化学的に不活性であり，電解液（又はそれ以外のイオン伝導性媒体）を直交する方向には透過させる（すなわち、厚みを通過する）が，電解液の横方向へは輸送しないように構成されることが望ましい。これにより，電解液はシール部材48を透過し，逆側にある酸化剤極16とのイオン導電を可能にし，電解液をセル10の横方向外方に「ウィッキング」させることなく電気化学反応を支援できる。シール部材17のための好適な材料の一例は，例えば，EPDM及びテフロン（登録商標）である。
【００４４】
シール部材48は，一連の注入用流路52及び排出用流路54もそれぞれカバーする。電解液は，これらの注入用流路52及び排出用流路54を介して，セル12内へ，また，セル12から外部へ流れることができる。この流れは，セル内において燃料極本体14a乃至14c及び充電極18に平行に流れ，またこれらの間を流れる。これにより，流動する電解液がこれらの流路内に封じ込められる。流路52，54の全体構成は図示されていないが，具体的な構成は本質的なものではなく，任意の構造又は構成を用いることができる。この流路は，セル12間で直列に接続されてもよいし，流れをセルに並列に供給してもよい。本発明は，流れの具体的な制御方法に限定されるものではない。
【００４５】
各セル12において，酸化剤極16は，シール部材48の燃料極14及び充電極18と反対側に設けられる。外周部ガスケット56は，酸化剤極16の外周の周囲に延伸しており，酸化剤極16と近傍の構造（図示のように，バリア19の対向する壁又は外部ハウジング本体42）とをシールする。これにより，電解液が酸化剤極16の周囲から空気露出用の領域へ漏れることを防止できる。好ましくは，酸化剤極16は，酸化剤を透過するが電解液やそれ以外のイオン伝導性媒体は透過させないものであり，これによりイオン伝導性媒体が酸化剤極を通って漏れることを防止する一方で酸化剤を吸収できるようにする。この特徴により，再充電時に充電極18において発生する酸素ガスをセルから排出することができる。バリア19及びハウジング本体42の表面には，外部へ延伸して大気に通じる溝58が設けられている。これにより，空気が流入して酸化剤極16に接触し，本明細書で説明するように酸素を還元することができる。
【００４６】
図３の例は限定的なものではなく，図１及び図２の模式図を補完するために提示されたに過ぎない。任意のセル構造又はセル構成を用いることができる。セルシステムについて説明したので，続いて，本発明のバイパススイッチングの側面について説明する。
【００４７】
以下でさらに詳細に説明されるように，システム10におけるセル12の各々は直列に接続される。この接続は，以下に示すように，放電モードと充電モードとの間で切替可能な複数のスイッチ20によって実現される。
【００４８】
（1）放電モード
放電モードにおいては，スイッチ20は，セル1からセルN-1の各々の酸化剤極16を後段のセルの燃料極14と接続することで，セルを放電直列接続する。すなわち，セル1の酸化剤極16はセル2の燃料極14に接続され，セル2の酸化剤極16はセル3の燃料極14に接続され，以下も同様である。そして，セルN-1の酸化剤極16はセルNの燃料極14に接続される。その結果，セル1の燃料極及びセルNの酸化剤極が負荷に接続されると，燃料極14における燃料の酸化及び酸化剤極16における酸化剤の還元によって各セル12において電位差が生じ，これによりセル1の燃料極をアノードとしセルNの酸化剤極をカソードとする合計の電位差を作り出して負荷に電流を流すことができる。充電極18には電圧は印可されず，充電極18は，この直列回路の一部分としては接続されない。
【００４９】
（2）充電モード
充電モードにおいては，スイッチ20は，セル1からセルN-1の各々の充電極18を後段のセルの燃料極14に接続することで，セルを充電直列接続する。その結果，セル1の燃料極14を陰極としセルNの充電極18を陽極とする充電容電位差をかけるためにセル1の燃料極14及びセルN充電極18が電源に接続されると，各セルにおいて漸増の電位差が生じ，燃料極14において還元可能な燃料種が還元され，充電極18において酸化可能な酸化剤種が酸化される。酸化剤極16には電圧は印可されず，酸化剤極16は，この直列回路の一部分としては接続されない。
【００５０】
上述のように，セル12は，対応づけられたスイッチ20を介した電気的接続のみが許容されるように，非導電性のバリア19によって隣接するセル12の酸化剤極16と燃料極14とを分離した状態で互いに組み合わせられる。非導電性バリアの絶縁特性は，本発明の技術分野において単極と呼ばれることもある。図示の実施形態においては，電極14，16，18及びバリア19は，全体の構成が積層体構成となるように，概して互いに並列に配置されている。
【００５１】
セル12が金属-空気セルである実施形態においては，各バリア19は，隣接する酸化剤極に面した表面に形成された一連の溝58及び周囲雰囲気へのポートとしての開口を有しており，これにより大気がそのポート及び溝から流入して空気吸入酸化剤極16（すなわち、空気カソード）に露出することが好ましい。空気又はそれ以外の任意の酸化剤を酸化剤極16に供給するために，これ以外の変形態様，例えば任意の種類のポートを用いることができる。図１は，様々な電極を明瞭に図示するために，バリア19がその間隔を強調して模式的に示されている。使用に供するための構造面の構成は，任意の好適な形態を取ることができる。図３に示したものは，その一例である。
【００５２】
図１に例示された実施形態においては，N個のスイッチ20が存在する。つまり，各セル12に対して一つのスイッチが設けられている。第一のスイッチ20は，第一のセル12の酸化剤極16又は充電極18のいずれかと選択的に接続するとともに第二のセル12の燃料極14に接続する。すなわち，このスイッチは，第二のセルの燃料極14と固定的に接続されており，二つの選択的な接点，すなわち第一のセル12の酸化剤極16に接続するための接点及び第一のセル12の充電極18に接続するための接点，との結合部の間で可動に構成されたスイッチ要素26を有する。この種のスイッチは，一般に単極双投スイッチと呼ばれている。図３に示されているような複数の電極本体を有する燃料極14については，燃料極の接点との接続は，電極本体全てに並列になされてもよく，本明細書に組み込まれた米国特許出願第12/385,489号で説明されているように端子本体になされてもよい。二つの接点のうちの一つと接続するためのスイッチ要素26の動きによって，第一のセルの酸化剤極16又は充電極18と第二のセルの燃料極14との接続を確立して放電モードと充電モードの選択を確立する。図１は，充電モードのスイッチ20を示しており，燃料極14と後段のセル12の充電極18を接続している。放電モードは，破線で示されたスイッチ20の位置によって表されている。
【００５３】
第二のスイッチ20は，第一のセルと第二のセルとを接続する第一のスイッチと同様に，第二のセル12の酸化剤極16又は充電極18と選択的に接続するとともに第三のセル12の燃料極14と接続する。これと同様に，第三のスイッチ20は，第三のセル12の酸化剤極16又は充電極18と選択的に接続するとともに第四のセル12の燃料極14と接続する。このような接続は，N-1番目のスイッチがN-1番目のセル12の酸化剤極16又は充電極18と選択的に接続されるとともにN番目のセルの燃料極14と接続されるようにするため，セル1からセルN-1の各々において繰り返される。このように，セルシステム10においては，セル1からセルN-1の中から任意に選択されたセルXに関し，対応するスイッチ20は，当該セルXの酸化剤極又は充電極と選択的に接続するとともに後段のセルX+1の燃料極と接続する，と一般化して説明することができる。
【００５４】
システム10は，第一の端子22及び第二の端子24を備える。端子という用語は，システム10を負荷（放電時）及び電源（充電時）に接続するための任意の入力接続／出力接続を説明するために広く用いられる。図示の実施形態において，第一の端子22は，第一のセル12の燃料極と接続されている。第二の端子24は，スイッチ20のN番目のものと接続される。このN番目のスイッチ20は，上述した他のスイッチと同様に機能するが，N番目のセルの酸化剤極16又は充電極18と選択的に接続し後段のセルの燃料極ではなく第二の端子24に接続する。N番目のスイッチ20のスイッチ要素26は，他のスイッチ20と同様に動作し，充電モード及び放電モードを確立する。
【００５５】
他の実施形態においては，N番目のスイッチ20が省略され，第二の端子24が二つの別個の端子に置き換えられる。二つの別個の端子のうちの一つの端子は，放電時に負荷に接続されるN番目のセルの酸化剤極16に接続され，他の端子は，充電時に電源と接続されるN番目のセルの充電極に接続される。このように，N番目のセルにおいては，N番目のセルの酸化剤極16及び充電極18の負荷及び電源との接続は各々の端子を介して行われるので，スイッチ20は用いられない。
【００５６】
スイッチ20は，模式的に参照符号30で表されているコントローラによって制御される。当該コントローラは，任意の構造及び構成をとることができ，セルを放電モードと充電モードのいずれにするか決定する入力に基づいてスイッチ20を単純に操作するハードワイヤード回路を含む。コントローラ30は，より複雑な決定を実行するためのマイクロプロセッサを任意の構成として備えてもよい。コントローラ30は，負荷及び電源と第一のセル及びN番目のセル（特に，第一のセルの燃料極14及びN番目のセルの酸化剤極16／放電電極18）との間の接続を管理する機能も有する。
【００５７】
いずれの実施形態においても，スイッチ20（又は本明細書において開示されているその他の任意のスイッチ）は，いかなる種類のものであってもよく，スイッチという語は，開示されているモード又は状態を切り替えることができる任意の装置を広く指し示すことを意図している。例えば、スイッチ20は，図示のとおり単極双投型であってもよい。これらのスイッチは，回転式，スライド式，又はラッチリレー式のいずれの方式であってもよい。また，半導体スイッチを用いることもできる。スイッチは，電気的に作動されてもよく（電気化学リレー），磁気的に作動されてもよい。これら以外の当業者に明らかな作動方法を用いることもできる。これら以外にも任意の好適な種類のスイッチを用いることができ，本明細書に開示された例は限定的なものではない。
【００５８】
図２は，他の実施形態を示す。この実施形態は，バイパススイッチ32が複数のスイッチに追加された点を除いて図１の実施形態に類似している。バイパススイッチ32の各々は，セル12の燃料極14と後段のセル12の燃料極14との間に接続される。すなわち，任意のセルXについて，セルXの燃料極14は，セルXのバイパススイッチ32が閉位置にあるときにセルX+1の燃料極14と接続又は短絡され，充電時又は放電にセルXをバイパスする。より具体的には，図２の実施形態におけるバイパススイッチ32の各々は二つの接点を有している。すなわち，（a）一つの接点は，前段のセル12のスイッチ20の固定接点（又は，セル1の第一のバイパススイッチ12の場合は端子22），及び，バイパススイッチ32と対応するセル12の燃料極14に接続され，（b）他方の接点は，後段のセル12の燃料極14（又は，N番目のセルのバイパススイッチの場合は端子24）に接続される。セル2からセルN-1の任意のバイパススイッチ32のスイッチ要素33が閉じられているときに，前段のセルのスイッチ20の固定接点（従って当該前段のセル12の酸化剤極16又は充電極18）を後段のセル12の燃料極14に接続する。第一のセル12については，バイパススイッチ32のスイッチ要素33が閉じられているときに，バイパススイッチ32によって端子22が第二のセル12の燃料極14に接続される。N番目のセルについては，バイパススイッチのスイッチ要素33が閉じられているときに，バイパススイッチ32によって，N-1番目のセルのスイッチ20の固定接点（従ってN-1番目のセル12の酸化剤極16又は充電極18）が端子24に接続される。
【００５９】
セルXがバイパスモードにあるときには，セルXのスイッチ20は，セルXの充電極がセルX+1の燃料極と接続されてセルXにおける燃料極と酸化剤極との短絡を防止する位置にあることが望ましい。バイパススイッチ32の各々は，平常時には開状態にあり，回路又はセルシステム10の動作には何ら影響を与えない。しかしながら，いずれかのセルが正しく動作していないことがコントローラ30によって検知された場合（セル12が直列接続されているため，この場合にはシステム全体が正しく動作しなくなる）には，当該セルのバイパススイッチ32は閉位置に切り替えられ，閉じられたバイパススイッチ32により確立された接続によって問題のセルをバイパスする。具体的には，直列の前段のセルの酸化剤極16／充電極18（又は第一のセル12がバイパスされる場合には端子22）を直列接続の後段のセルの燃料極14（又はN番目のセルがバイパスされる場合には端子24）と接続することができ，これにより，残りの動作しているセル12の直列接続を維持しつつ問題のセルをバイパスすることができる。
【００６０】
セルは，積層体の性能に影響を与える様々な理由によってバイパスされうる。例えば、セル充電時に充電極と燃料極との短絡が起こると（電圧測定によって検出される），充電時に寄生電力が消費されてしまう。電気的短絡が起こると，充電極と燃料極との間で電流がシャントして充電極と燃料極との間の電圧が突然低下する。他の例においては，放電時に高い力学的損失又は抵抗損を有する任意のセルが，積層体のラウンドトリップでの効率や放電電力に影響を与える。また，放電時に他のセルよりも早くセル内で燃料を消費してしまうと，当該セルでの電力反転や積層体の電力損失を引き起こすが，このような現象は，セルの放電電圧が臨界値よりも低くなったときにそのセルを迂回することにより防止できる。放電時に亜鉛や他の燃料を完全に消費してしまうと，燃料極と酸化剤極との間の電圧を急降下させてしまう。セルの性能を検出するためには，既に述べた以外にも任意の基準を用いることができる。本明細書で挙げる例は非限定的なものである。一部のセルは，電極の製造及び組み立てに関する収率の問題に起因して性能要件（例えば、放電時の最大出力）を満たさない可能性がある。これらのセルは，常にバイパスモードに設定される可能性がある。他のセル10は，当初性能要件を満たすが，サイクル寿命の問題により，要求される限界値以下の性能となった後にバイパスモードに設定される可能性がある。このようにして，積層体の信頼性や性能を向上させることができる。
【００６１】
充電時には燃料極と充電極との間の電圧又は電位差が測定され，放電時には燃料極と酸化剤極との間の電圧又は電位差が，既知の技術により測定されてもよい。例えば、電圧計（デジタル又はアナログ），ポテンショメーター，又は，それ以外の電圧測定装置を電極間に接続することができる。コントローラ30は，所定の閾値に達した電圧の検出（所定の閾値を下回ったこと等）に応じて適切なバイパススイッチを作動させる適切なロジック又は回路を備えることができる。
【００６２】
また，第一のセル12も同じようにバイパス可能とするために，第一のセル12の燃料極14と第一の端子22との間に同様のバイパススイッチを設けることが望ましい。同様に，直列接続のN番目のセル12のバイパススイッチ32は，N番目のセルの燃料極14に接続されるN-1番目のスイッチ20の燃料極接点と第二の端子24との間に設けられ，これによりN番目のセルをバイパスしてN-1番目セルの酸化剤極16／充電極18を第二の端子24に接続することができる。
【００６３】
図４ａ乃至図４ｄは，充電・放電の切替とバイパス機能を提供する複数のスイッチとして単極双投スイッチの組を用いる他の実施形態を模式的に示す。セル12の構成要素は同一であるため，共通の構成要素には同一の参照符号を用いる。図４ａ乃至図４ｄに示されているように，各セルは一組の単極双投スイッチを備える。スイッチ80は，一つの接点に固定的に接続され，他の二つの選択的接点の間を選択的に動くスイッチ要素82を備える。この二つの選択的接点の一方は，対応するセル12の燃料極14に接続され，他方は対応するセル10の充電極18に接続される。第一のセル12のスイッチ80については，第一のセルの燃料極14に接続される接点が端子22にも接続される。スイッチ84は，後段のセルの燃料極14及び後段の燃料極14が接続されている後段のスイッチ80の接点の両方と固定的に接続されるスイッチ要素86をさらに備える。スイッチ要素86は，他の二つの接点の間を選択的に動く。この二つの接点の一方は，対応するセル12の酸化剤極16に接続され，他方は，当該セルのスイッチ80の固定接点に接続される。N番目のセル12のスイッチ84については，その固定接点が端子24に接続される。
【００６４】
続いて，スイッチ80及び84の動作について説明する。スイッチ80及び84は，コントローラ30の適切なロジック及び／又は回路によって制御される。
【００６５】
図４ａにおいて，スイッチは通常充電状態にある。スイッチ要素82及び86の各々は，対応するセル12の充電極18を後段のセル12の燃料極14（又はN番目のセルスイッチ80，84の場合には端子24）に接続する位置に動かされる。具体的には，スイッチ要素82の各々は，対応するセル12の充電極18に接続された接点と接続するように切り替えられ，スイッチ要素86の各々は，スイッチ80の固定接点に接続された接点と接続するように切り替えられる。このように，酸化剤極16は，回路から切断されている。
【００６６】
図４ｂにおいては，スイッチは通常放電状態にある。スイッチ要素86の各々は，対応するセル12の酸化剤極16を後段のセル12の燃料極14（又はN番目のセルのスイッチ84の場合には端子24）に接続する位置に切り替えられる。具体的には，スイッチ要素86の各々は，対応するセル12の酸化剤極16に接続された接点に接続するように切り替えられる。この通常放電状態においては，スイッチ要素86はいずれもスイッチ80の固定接点と接続されており，スイッチ80が回路から切断されているので（充電極18と同様），スイッチ80のスイッチ要素82の位置は重要ではない。
【００６７】
図４ｃは，一例として第二のセル12がバイパスされている場合の充電状態を示す。この状態においては，第二のセル12に対応するスイッチ80以外の全てのスイッチ80，82は，図４ａに示した位置と同じ位置にある。しかしながら，第二のセル12のスイッチ80は異なる位置にある。具体的には，第二のセルのスイッチ80のスイッチ要素82は，第一のセル12のスイッチ84の固定接点に接続された接点に接続される位置に切り替えられている（セルXがバイパスされる場合には，第一のセルはX-1番目のセルであり第二のセルはX番目のセルである）。このようにして，第一の（X-1番目の）セル12の充電極18が後段の第三のセル12（X+1番目のセル）の燃料極14に接続される。このように，電流の流れが第二のセル12に対応するスイッチ80，82を介して第一の（X-1番目の）セル12の充電極18と第三の（X+1番目の）セル12の燃料極14との間で確立されるので，第二の又はX番目のセルが実質的にバイパスされる。同様に，N番目のセルがバイパスされる場合には，電流の流れがN番目のセルに対応するスイッチ80，82を介してN-1番目セル12の充電極18と端子24との間で確立される。また，第一のセルがバイパスされる場合には，電流の流れが第一のセルに対応するスイッチ80，82を介して端子22と第二のセルの燃料極14との間で確立される。
【００６８】
図４ｄは，一例として第二のセル12がバイパスされている場合の放電状態を示す。この状態においては，第二のセル12に対応するスイッチ80，82以外の全てのスイッチ80，82が，図４ｂに示した位置と同じ位置にある。しかしながら，第二のセルのスイッチ80及び82は異なる位置にある（上述のように，バイパスされないセルのスイッチ80の位置は重要ではなく，いずれの位置にあってもよい。しかしながら，この回路配置においては，第二のセルのスイッチ80の位置は，第二のセル12に対するバイパス機能を一部実行する）。具体的には，第二のセルのスイッチ80のスイッチ要素82は，第一のセル12（第二のセルがX番目のセルの場合にはX-1番目のセル）のスイッチ84の固定接点に接続された接点に接続される位置に切り替えられる。また，第二のセルのスイッチ84のスイッチ要素86は，第二の（X番目の）セルのスイッチ80の固定接点に接続された位置に切り替えられる。このように，第一の（X-1番目の）セル12の酸化剤極16が第三の（X+1番目の）セル12の燃料極14に接続される。このように，電流の流れが第二のセル12に対応するスイッチ80，82を介して第一の（X-1番目の）セル12の酸化剤極16と第三の（X+1番目の）セル12の燃料極14との間で確立されるので，第二の又はX番目のセルが実質的にバイパスされる。同様に，N番目のセルがバイパスされる場合には，電流の流れがN番目のセルに対応するスイッチ80，82を介してN-1番目のセル12の酸化剤極16と端子24との間で確立される。第一のセルがバイパスされる場合には，電流の流れが，第一のセルに対応するスイッチ80，82を介して端子22と第二のセルの燃料極14との間で確立される。
【００６９】
図４の構成によって，図３に示す構成のようにセルXの燃料極と充電極とを短絡させることなく，セルXをバイパスモードにすることができる。
【００７０】
図５ａ乃至図５ｄは，充電・放電の切替とバイパス機能を提供する複数のスイッチとして単極三投スイッチの組を用いる他の実施形態を模式的に示す。各セル12は，対応するスイッチ90を備える。スイッチ90の各々は，一つの接点と固定的に接続されるスイッチ要素92を備える。1番目からN-1番目のセルについては，スイッチ90の固定接点が後段のセル12の燃料極14に接続される。スイッチ要素92は，三つの選択的な接点の間を選択的に切り替えられる。すなわち，第一の接点は，前段のセルのスイッチ90の固定接点及び対応する前段のセル12の燃料極14に少なくとも接続され，第二の接点は，対応するセル12の充電極18に接続され，第三の接点は，対応するセルの酸化剤極16に接続される。第一のセル12のスイッチ90については，第一の選択的接点が端子22及び第一のセルの燃料極14に接続される。N番目のセルについては，スイッチ90の固定接点が端子24に接続される。
【００７１】
続いて，これらのスイッチ90の動作について説明する。スイッチ90は，コントローラ30の適切なロジック及び／又は回路によって制御される。
【００７２】
図５ａは，通常充電状態におけるスイッチ90を示す。スイッチ要素92の各々は，対応するセル12の充電極18に接続される第二の選択的接点に接続される位置に切り替えられる。これにより，対応するセル12の充電極18が後段のセルの燃料極14に接続される（又はN番目のセルの場合にはN番目のセルの充電極18が端子24に接続される）。このように，酸化剤極16は，回路から切断されている。
【００７３】
図５ｂは，通常放電状態のスイッチを示す。スイッチ要素92の各々は，対応するセル12の酸化剤極16に接続される第三の選択的接点に接続される位置へ切り替えられる。これにより，対応するセル12の酸化剤極16が後段のセルの燃料極14に接続される（N番目のセルの場合にはN番目のセルの酸化剤極16が端子24に接続される）。このように，充電極18は，回路から切断されている。
【００７４】
図５ｃは，一例として第二のセル12がバイパスされている場合の充電状態を示す。この状態においては，第二のセル12に対応するスイッチ90以外の全てのスイッチ90は，図５ａに示した位置と同じ位置にある。しかしながら，第二のセル12のスイッチ90は異なる位置にある。具体的には，第二のセル（X番目のセル）のスイッチ90のスイッチ要素92は，第一のセル（X-1番目のセル）のスイッチ90の固定接点に接続された第一の選択的接点に接続される位置に切り替えられている。このようにして，第一の（X-1番目の）セル12の充電極18が第三のセル12（X+1番目のセル）の燃料極14に接続される。このように，電流の流れが第二のセル12に対応するスイッチ90を介して第一の（X-1番目の）セル12の充電極18と第三の（X+1番目の）セル12の燃料極14との間で確立されるので，第二の又はX番目のセルが実質的にバイパスされる。同様に，N番目のセルがバイパスされる場合には，電流の流れがN番目のセルに対応するスイッチ90を介してN-1番目セル12の充電極18と端子24との間で確立される。また，第一のセルがバイパスされる場合には，電流の流れが第一のセルに対応するスイッチ90を介して端子22と第二のセルの燃料極14との間で確立される。
【００７５】
図５ｄは，一例として第二のセル12がバイパスされている場合の放電状態を示す。この状態においては，図５ｃと同じように，第二のセル12に対応するスイッチ90以外の全てのスイッチが，図５ｂに示した位置と同じ位置にある。しかしながら，第二のセルのスイッチ90は異なる位置にある。具体的には，第二のセル（X番目のセル）のスイッチ90のスイッチ要素92は，図５ｃのバイパス状態と同じく，第一のセル12（X-1番目のセル）のスイッチ90の固定接点に接続される第一の選択的接点に接続される位置に移動する。このように，電流の流れが第二のセル12に対応するスイッチ90を介して第一の（X-1番目の）セル12の酸化剤極16と第三の（X+1番目の）セル12の燃料極14との間で確立されるので，第二の又はX番目のセルが実質的にバイパスされる。同様に，N番目のセルがバイパスされる場合には，電流の流れがN番目のセルに対応するスイッチ90を介してN-1番目のセル12の酸化剤極16と端子24との間で確立される。第一のセルがバイパスされる場合には，図５ｃの状態と同じく，電流の流れが，第一のセルに対応するスイッチ90を介して端子22と第二のセルの燃料極14との間で確立される。
【００７６】
これらの実施形態においては，バイパススイッチは，必要に応じて，隣接するセルのグループをバイパスするために用いることもできる。例えば，セルのグループ（例えば、セルXからセルX+2）がバイパスされる場合には，図示の回路から理解されるように，バイパススイッチによって，グループの前段のセル（すなわち、セルX-1）から当該グループ後段のセル（すなわち、セルX+3）にバイパスされる。このように，バイパス機能を備える実施形態は，セルに対してバイパスモードを確立することができるスイッチを備えるものとして概ね特徴付けられる。このバイパスモードにおいて，充電時にセル（セルX）の燃料極14に通常印可される電流（実際の電子の流れの方向を指す）は，方向を変えられるか短絡されて，後段のセル（X+1）の燃料極，又は，N番目のセルの場合には端子24に印可される。同様に、放電時にセルXの燃料極14から流れる電流は，後段のセルの燃料極14（X+1），又は，N番目のセルの場合には端子24から流れる。この動作は，図４及び図５の実施形態において示されたように，スイッチングにより切断されたセルXの酸化剤極16及び充電極18によってなされ，セルXの燃料極14と酸化剤極16／充電極18との間に電気化学的接続が形成されないようにすることが望ましい。図示された任意の好適なスイッチ構成を用いることができるが，本発明は図示されたものには限定されない。
【００７７】
上述したスイッチの任意の実施形態は，（例えば、充電モード，放電モード，バイパスモードを可能にするために）動的に変化する酸素発生電極／燃料極を備える複数の電気化学セルとともに用いることもできる。このような電気化学セルは，例えば，米国特許出願第61/383,510に開示されている漸進的なセルであってもよい。この米国特許出願の内容は，参照により，全体として本明細書に組み込まれる。
【００７８】
例えば、米国特許出願第61/383,510に開示されているように，燃料極14は，複数の浸透性の電極本体を備えることができる。この電極本体は，セル12を循環するイオン伝導性媒体から金属燃料の粒子又はイオンを捕獲又は保持することができる任意の構成から成るスクリーンであってもよい。浸透性電極本体の各々は，例えば非導電性で電気化学的に不活性な種を用いることにより，互いに電気的に絶縁されてもよい。一部の実施形態においては，漸進的に燃料を成長させるために，各セル12自身に電極本体に対応づけられた複数のスイッチをさらに設けてもよい。
【００７９】
充電時には，各セル12の充電極18が後段のセル12の燃料極14に接続されてもよい。一部の実施形態において，充電時には，燃料極14の第一の電極本体（Y）は，カソード電位を有することができ，これ以外の電極本体及び／又は別個の充電極はアノード電位を有することができる。かかる実施形態においては，燃料極14において漸進的に燃料が成長する際に，燃料は，カソード電位を有する第一の電極本体（Y）で成長し，アノード電位を有する隣接する電極本体（Y+1）と短絡を生じる。そして，隣接する電極本体（Y+1）も電気的接続を通じてカソード電位を有するように，隣接する電極本体（Y+1）は，アノード電位源から分離される。このプロセスは，電極本体の残りの部分においても，これ以上成長できなくなるまで（すなわち、カソード電位がアノード電位を有する最後の電極本体又は別個の充電極と短絡するまで）継続する。複数のスイッチを備えることにより，電極本体を互いに及び／又はカソード電位源又はアノード電位源と接続／切断することができる。このように，斬新的な燃料成長が起こる実施形態においては，充電極18は，燃料極14と別個の充電極であってもよく，又は，アノード電位を有する少なくとも隣接する電極本体や他の電極本体全体であってもよい。換言すれば，充電極18は，別個の充電極であり，カソード電位を有する電極本体の少なくとも一つに隣接するアノード電位を有する電極本体，及び／又は，カソード電位を有する電極本体の少なくとも一つに隣接するアノード電位を有する電極本体のグループであってもよい。
【００８０】
このように，充電極は，本出願においては広義に用いられるが，アノードの充電の役割のみを果たす固定の又は専用の電極である必要は必ずしもなく（そのようなものであってもよい），アノード電位が印可される燃料極内で電極本体となってもよい。したがって，動的という語は，充電極として機能して充電時にアノード電位を印可される物理的要素が変化しうるという事実を示すために用いられる。
【００８１】
放電時に，セル12の酸化剤極16を後段のセル12の燃料セル14に動作可能に接続して，電極本体を通じて燃料を消費してもよい（電極本体間の電気的接続が燃料成長によって起こる場合）。セル12が他の理由で適切に動作しない場合には，セル12は，上述のバイパススイッチング機能を用いてバイパスされてもよい。
【００８２】
また，一部の実施形態において，セルを「バイセル」と呼ぶことがある。この語は，燃料極の反対側にある一組の空気電極のことを指す。この空気電極は，放電時に概して同じカソード電位にあり，燃料極はアノード電位にある。典型的には，一組の専用の充電極が，空気極と燃料極との間のイオン伝導性媒体中に配置される。充電時には，充電極が概して同じアノード電位にあり，燃料極がカソード電位にある（又は，上述のように，充電極が動的に変化することができる）。このように，空気極は共通の端子を共用することができ，燃料極は自らの端子を備える。充電極も共通の端子を共有することができる。このように，かかるバイセルは，電気化学的には単一のセルと見なしうる（バイセル内においては，双方向の燃料成長等のセルの所定の側面のために所定の目的においてはバイセルを二つのセルと考えることもできるが，放電モード及び接続制御に関するより高いレベルにおいては，かかる側面は関連性が低くバイセルは単一のセルとみなしうる）。一組の空気極は酸化剤極16に対応し，燃料極は燃料極14に対応し，一組の充電極は充電極18に対応する。
【００８３】
上記の例示的な実施形態は，本発明の構造や機能的な原理を説明するために提示されたに過ぎず，限定的なものではない。むしろ，本発明は，以下の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にある全ての変更，代替物，及び修正を含むことを意図している。
【図１】
0005521044.tif 000002
【図２】
0005521044.tif 000003
【図３】
0005521044.tif 000004
【図４ａ】
0005521044.tif 000005
【図４ｂ】
0005521044.tif 000006
【図４ｃ】
0005521044.tif 000007
【図４ｄ】
0005521044.tif 000008
【図５ａ】
0005521044.tif 000009
【図５ｂ】
0005521044.tif 000010
【図５ｃ】
0005521044.tif 000011
【図５ｄ】
0005521044.tif 000012