(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池セルの操作方法であって、前記セルは、
離間して配置された一連の透過性電極本体を含む第１の電極と、
前記第１の電極から離間して配置された第２の電極と、
前記第１の電極から離間して配置され、（ａ）前記第２の電極及び（ｂ）第３の電極からなる群より選択される充電用電極と、
還元可能な燃料イオンを含み、前記第１、第２及び充電用電極を連絡するイオン伝導媒体とを有し、
前記操作方法は、
（１）前記充電用電極と少なくとも１つの前記透過性電極本体との間に電流を加えて、前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに前記少なくとも１つの透過性電極本体をカソードとして機能させ、前記還元可能な燃料イオンが前記少なくとも１つの透過性電極本体において還元され酸化可能な形態で燃料として析出されるようにし、
（２）前記析出が前記透過性電極本体間で燃料を成長させ、前記析出した燃料が前記透過性電極本体間の電気的接続を確立するようにし、
（３）前記電流を除去して前記充電を終わらせることによって前記電気化学電池セルを充電する電気化学電池セルの操作方法。
【請求項２】
アノードとして機能する前記第１の電極の前記透過性電極本体において燃料を酸化するとともに、カソードとして機能する前記第２の電極において酸化剤を還元することによって前記電気化学電池セルを用いて電流を生成し、これにより電子が生成され、生成された電子が前記第１の電極から前記第２の電極へ負荷を介して伝導され、前記酸化された燃料イオン及び前記還元された酸化剤イオンが反応して副生成物を生成する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記還元可能な燃料イオンが還元可能な金属燃料イオンであり、前記析出した燃料が析出金属燃料である請求項１又は２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
前記電気化学電池セルの充電時に、
前記電流が、前記透過性電極本体の端子用電極本体とアノードとして機能する前記充電用電極との間に加えられ、前記端子用電極本体をカソードとして機能させ、前記還元可能な金属燃料イオンが還元されて酸化可能な形態で金属燃料として前記透過性電極本体に析出するようにし、
前記析出が、前記析出した金属燃料が前記端子用電極本体と後段の各透過性電極本体との間に電気的接続を確立し、前記電気的接続が確立すると前記還元及び析出が後段の各透過性電極本体において起こるように前記透過性電極本体間で前記金属燃料を成長させる請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記イオン伝導媒体が電解質である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電気化学電池セルの充電時に、前記電解質が前記透過性電極本体を通過する流路に沿って流れ、前記析出による前記金属燃料の成長は流れが通過可能な形態に起こる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極間にギャップが設けられ、
前記セルが前記ギャップと連絡する単数又は複数の帰還流路をさらに含み、
前記電気化学電池セルを用いた電流の前記生成がさらに、前記流路に沿って前記第１の電極から前記第２の電極へ向かう方向に前記電解質を流れさせることを含み、（ａ）前記第１の電極の前記透過性電極本体を通過して前記第２の電極に向かって前記ギャップを横切って流れることにより、少なくとも前記電解質及び前記酸化された燃料イオンを前記第１の電極から離れ前記第２の電極に近づく方向に輸送し、（ｂ）続いて前記単数又は複数の帰還流路を通過して流れることにより、少なくとも前記電解質及び前記酸化された燃料イオン及び前記還元された酸化剤イオンの前記反応によって生成された前記副生成物を前記ギャップから離れる方向に輸送する請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記充電時に、前記電解質が前記第１の電極から前記充電用電極に向かう方向に流れる請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記充電時に、前記電解質が前記充電用電極から前記第１の電極に向かう方向へ流れる請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記充電時に、前記電解質の流れが逆転し、前記充電用電極から前記第１の電極に向かう方向への流れとなる請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属燃料の成長が前記充電用電極から離れる方向に起こる請求項８又は９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属燃料の成長が前記充電用電極に向かう方向に起こる請求項８又は９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属燃料の成長が前記充電用電極に近づく方向及び離れる方向の両方向に起こる請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記端子用透過性電極本体が前記充電用電極に隣接する前記電極本体である請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記端子用透過性電極本体が充電用電極から遠位にある前記電極本体である請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記端子用透過性電極本体が前記充電用電極に隣接する前記電極本体と前記充電用電極から遠位にある前記電極本体との間にある中間の電極本体である請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記電気化学電池セルの充電に用いられる前記還元可能な燃料イオンが、前記電解質中の前記酸化された燃料イオン及び前記還元された酸化剤イオンから生成される副生成物によって提供される請求項６又は７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記電極本体が互いに及び前記負荷と並列に接続され、少なくとも１つの電流アイソレータが前記端子用電極本体と前記他の電極本体と前記負荷との間に接続され、
前記少なくとも１つの電流アイソレータによって、充電時に前記端子用電極本体に加えられた前記電流が前記他の電極本体に流れることを防ぎ、
前記電気化学電池セルの使用時には、前記少なくとも１つの電流アイソレータが前記電流が前記端子用電極本体から前記負荷へ流れることを許容する請求項４に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属燃料の成長が高密度枝状形態の成長及び樹枝状の成長からなる群より選択される請求項６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
離間して配置された一連の透過性電極本体を含む第１の電極と、
前記第１の電極から離間して配置された第２の電極と、
前記第１の電極から離間して配置され、（ａ）前記第２の電極及び（ｂ）第３の電極からなる群より選択される充電用電極と、
還元可能な燃料イオンを含み、前記第１、第２及び充電用電極を連絡するイオン伝導媒体とを有し、
前記第１の電極の前記透過性電極本体の離間された配置によって、前記充電用電極と少なくとも１つの前記透過性電極本体との間に電流を加えて、前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに前記少なくとも１つの透過性電極本体をカソードとして機能させることができ、前記還元可能な燃料イオンが前記少なくとも１つの透過性電極本体において還元され酸化可能な形態で燃料として析出されるようにし、前記析出が前記透過性電極本体間で燃料を成長させ、前記析出した燃料が前記透過性電極本体間の電気的接続を確立する電気化学電池セル。
【請求項２１】
アノードホルダのキャビティ内に前記第１の電極の前記透過性電極本体が取り付けられるホルダをさらに備え、前記イオン伝導媒体が前記キャビティ内に存在し、前記第２の電極が前記イオン伝導媒体を通過させない請求項２０に記載の電気化学電池セル。
【請求項２２】
前記第２の電極が放電時に酸素を還元する空気極である請求項２１に記載の電気化学電池セル。
【請求項２３】
前記第１の電極が前記析出した燃料を保持し、前記燃料が放電時に酸化される金属である請求項２２に記載の電気化学電池セル。
【請求項２４】
前記金属が亜鉛、鉄、アルミニウム、及びマグネシウムからなる群より選択される請求項２３に記載の電気化学電池セル。
【請求項２５】
注入口と排出口とが前記キャビティと連絡し、前記イオン伝導媒体が前記キャビティを通過して流れることができるようにする請求項２３に記載の電気化学電池セル。
【請求項２６】
前記第１の電極の前記透過性電極本体がスクリーンである請求項２３に記載の電気化学電池セル。
【請求項２７】
前記イオン伝導媒体が水溶液である請求項２３に記載の電気化学電池セル。
【請求項２８】
前記水溶液がアルカリ性である請求項２７に記載の電気化学電池セル。
【請求項２９】
前記充電用電極が前記第２の電極とは別に設けられた請求項２０又は２３のいずれか１項に記載の電気化学電池セル。
【請求項３０】
前記充電用電極が前記第２の電極である請求項２０に記載の電気化学電池セル。
【請求項３１】
前記電極本体が互いに並列に接続されるとともに前記負荷とも並列に接続され、少なくとも１つの電流アイソレータが端子用電極本体と他の電極本体と前記負荷との間に接続され、
前記少なくとも１つの電流アイソレータが充電中に端子用電極本体に加えられる前記電流が他の電極本体へ流れることを防ぎ、
前記少なくとも１つの電流アイソレータが、前記電気化学電池セルの使用時における前記端子用電極本体から前記負荷への前記電流の流れを許容する請求項２０又は２３のいずれか１項に記載の電気化学電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は電力を生成する電気化学電池セルに関し、特に析出する燃料を用いる電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属を燃料として用いる電気化学電池セルが知られている。このような装置の例が、例えば、米国特許第７，２７６，３０９号、６，９４２，１０５号、６，９１１，２７４号、及び６，７８７，２６０号に示されている。これらの米国特許は参照により全体として本明細書に組み込まれる。これらの従来例の問題点には、析出した反応生成物がアノード領域やカソード領域において蓄積されること、固体粒子燃料の供給に関すること、酸化していない燃料の近くに酸化した燃料が集まることによって燃料の酸化が遅くなることなどが含まれる。
【０００３】
粒子状物質を用いない金属空気電池セル又は金属空気電池も知られている。金属空気電池セルの多くは、金属燃料を酸化するアノードと、大気から得た酸素を還元する空気呼吸カソードと、酸化・還元されたイオンの反応を支援する電解質とを含む。
【０００４】
本出願は、高効率で改善された電池セルの充電手法又は再充電手法を提供する。この手法は、燃料の析出が起こる（electrodeposited）任意の種類の電池セルに用いることができる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様は、電気化学電池セルの操作方法を提供する。このセルは、離間して配置された一連の透過性電極本体を含む第１の電極と、この第１の電極から離間して配置された第２の電極とを含む。充電用電極は第１の電極から離間して配置される。この充電用電極は（ａ）第２の電極及び（ｂ）第３の電極からなる群より選択される。つまり、充電用電極は、このシステムにおける第２の電極又は第３の電極である。イオン伝導媒体は前記電極を連絡し、還元可能な燃料イオンを含む。このイオンは自由イオンとして存在してもよく、分子又は錯体として存在してもよい。この方法は、以下を含む。
【０００６】
Ａ．電気化学電池セルを以下により充電すること。
【０００７】
ｉ．前記充電用電極と少なくとも１つの透過性電極本体との間に電流を加えて、前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに前記少なくとも１つの電極本体をカソードとして機能させ、前記還元可能な燃料イオンが前記少なくとも１つの透過性電極本体において還元され酸化可能な形態で燃料として析出されようにする。
【０００８】
ｉｉ．前記析出が前記透過性電極本体間で燃料を成長させ、前記析出した燃料が前記透過性電極本体間の電気的接続を確立するようにする。
【０００９】
ｉｉｉ．前記電流を除去して前記充電を中止させる。
【００１０】
Ｂ．アノードとして機能する前記第１の電極の前記透過性電極本体において燃料を酸化するとともにカソードとして機能する前記第２の電極において酸化剤を還元することによって前記電気化学電池セルを用いて電流を生成し、これにより電子が生成され、生成された電子が前記第１の電極から前記第２の電極へ負荷を介して伝導され、前記酸化された燃料イオン及び還元された酸化剤イオンが反応して副生成物を生成する。
【００１１】
本発明の他の態様は、電気化学電池セルの充電方法を提供する。このセルは、離間して配置された一連の透過性電極本体を含む第１の電極と、この第１の電極から離間して配置された第２の電極とを含む。充電用電極は第１の電極から離間して配置される。この充電用電極は（ａ）第２の電極及び（ｂ）第３の電極からなる群より選択される。イオン伝導媒体は前記電極を連絡し、還元可能な燃料イオンを含む。
【００１２】
この方法は、以下を含む。
【００１３】
ｉ．前記充電用電極と少なくとも１つの透過性電極本体との間に電流を加えて、前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに前記少なくとも１つの電極本体をカソードとして機能させ、前記還元可能な燃料イオンが前記少なくとも１つの透過性電極本体において還元され酸化可能な形態で燃料として析出されるようにする。
【００１４】
ｉｉ．前記析出が前記透過性電極本体間で燃料を成長させ、前記析出した燃料が前記透過性電極本体間の電気的接続を確立するようにする。
【００１５】
ｉｉｉ．前記電流を除去して前記充電を中止させる。
【００１６】
一実施形態において、前記電極本体は互いに及び前記負荷と並列に接続される。少なくとも１つの電流アイソレータが前記端子用電極本体と前記他の電極本体と前記負荷との間に接続される。この少なくとも１つの電流アイソレータによって、充電時に前記端子用電極本体に加えられた前記電流が前記他の電極本体に流れることを防ぐ。また、前記電気化学電池セルの使用時には、前記少なくとも１つの電流アイソレータによって前記電流が前記端子用電極本体から前記負荷へ流れることが供される。
【００１７】
本発明の他の態様は、以下の詳細な説明、添付図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】４つの電気化学電池セルを含む電気化学電池セルシステムの実施形態の分解斜視図である。
【００１９】
【図２】図１の電気化学電池セルシステムの平面図である。
【００２０】
【図３】図２の電気化学電池セルシステムのIII-III線に沿った断面図である。
【００２１】
【図４】図２の電気化学電池セルシステムのIV-IV線に沿った断面図である。
【００２２】
【図５】図１に示した電気化学電池セルシステムの下側基部の底面図である。
【００２３】
【図６】図５に示した下側基部の平面図である。
【００２４】
【図７】図６に示した下側基部のVII-VII線に沿った断面図である。
【００２５】
【図８】アノードホルダ及び図１に示した電気化学電池セルシステムの複数のアノードの分解斜視図である。
【００２６】
【図９】図８に示したアノードホルダの平面図である。
【００２７】
【図１０】図８に示したアノードホルダの底面斜視図である。
【００２８】
【図１１】図１に示した電気化学電池セルシステムのマニホールドの底面図である。
【００２９】
【図１２】図１に示した電気化学電池セルシステムのカバーの底面図である。
【００３０】
【図１３】図１に示した電気化学電池セル内の流れの概略図である。
【００３１】
【図１４】電流発生動作中に充電するための積層された透過性電極本体を備える電気化学電池セルの概略図である。
【００３２】
【図１５】図１４に示した電池セルの充電動作中の概略図である。
【００３３】
【図１６】電極本体及び析出した燃料の成長を示す分離された概略図である。
【００３４】
【図１７】図１６に示した析出した燃料の成長が進行する様子を示す。
【００３５】
【図１８】図１６及び１７に示した燃料の成長がさらに進行する様子を示す。
【００３６】
【図１９】図１６に類似する概念図であるが他の実施形態を示す。
【００３７】
【図２０】図１６に類似する概念図であるが他の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の原理は、アノードにおいて金属燃料等の燃料が析出される（electrodeposited）任意の電気化学電池セルに広く適用される。このような電池セルには例えば金属空気電池等の電池が含まれる。請求項に記載された本発明の様々な態様の実施形態が添付図面に示されている。これらの実施形態は、いかなる意味においても限定的なものではなく、請求項に記載された発明の原理の理解を促すための例にすぎない。
【００３９】
例えば、本発明の原理が利用される電気化学電池セルの一例が２００８年８月２８日に出願された米国仮出願第６１／１３６，３３０号に示されている。この米国仮出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００４０】
これ以外の本発明の実施形態における電気化学電池セルシステムの例を図１〜４に示す。電気化学電池セルシステムは遍く参照符号１で表される。以下で説明される通り、この電気化学電池セルシステム１には複数の電気化学電池セル１０が含まれ、この電気化学電池セル１０のうち２つの断面が図４に一層明確に示されている。本実施形態においては合計４つの電気化学電池セルが示されるが、システムに含まれる電気化学電池セルはこれより多くとも少なくともよい。現に幾つかの用途においては、出力を増大させるために、大きな２次元アレイの平行電気化学電池セルを作ることができる。他の実施形態ではセルは直列に配置される。本実施形態はいかなる意味においても発明を限定することを意図するものではなく例示にすぎない。
【００４１】
以下で詳細に説明されるように、電気化学電池セル１０はカソード１２とアノード１４（図１に示された２つのアノードのそれぞれが１つの電気化学電池セル１０を表す）とをそれぞれ有する。本明細書での用法の通り、アノード１４はシステムの燃料が酸化される場所である。以下で詳細に説明されるように、アノード１４は導電性電極本体に析出する固体燃料形態の燃料を含むが、燃料が存在しないときであってもアノードと称される。電気化学電池セルシステム１は、注入口１６及び酸化剤注入口１８も含む。酸化剤注入口１８から酸化剤がシステムに注入される。幾つかの実施形態におけるセルは、燃料を内蔵し注入口を別体の燃料源に接続する必要がない金属空気電池等の電池であってもよい。同様に、酸化剤も内蔵されていてもよい。
【００４２】
電気化学電池セルシステム１は下側基部２０を含み、この下側基部２０は本実施形態の電気化学電池セルシステム１の構成要素を支持するように構成されている。便宜上、電気化学電池セルシステム１は下側基部２０がシステム１の「底部」に位置する向きに記載されているが、システム１はどのような向きに配置されてもよい。このように、向きに関する言及は、いずれも図面において示されている向きについてなされるものであり、実際の実施態様を特定の向きに限定することを意図するものではない。以下で詳細に説明されるように、各電気化学電池セルのカソード１２は、下側基部２０に支持される単一のカソードである。下側基部２０は各電気化学電池セル１０の開口部２２を画定し、各開口部は各電気化学電池セルの酸化剤注入口１８となるように構成される。この点については以下でさらに説明する。図１に示されるように、ガスケット２４は下側基部２０とカソード１２との間に配置され、カソード１２と下側基部２０との間がシールされるようにする。ガスケット２４は電解質等の液体がシステムから実質的に漏れないように構成される。
【００４３】
他の実施形態における各セルのカソードは、大きな「単一のカソード」に代えて、小さく、分離された、個別の複数のカソードによって実現することができる。このように、単一のカソードを用いることは発明を限定することを意図するものではない。
【００４４】
下側基部２０は、アノードホルダ２６を収容するように構成される（また、本実施形態においては、４つのアノードが備えられる）。このアノードホルダ２６は、アノード１４を保持するように構成、配置される。アノードホルダ２６は以下でさらに詳細に説明される。アノード１４はクリップ等の固定部材２８によってアノードホルダ２６に固定されてもよい。ただし、任意の適合可能な固定装置を用いることができる。下側基部２０及びアノードホルダ２６は、システムを組み立てた状態において、それぞれの上面が実質的に面一で同一平面上に存在するように構成される。図１に示されるように、電気化学電池セル１０はアノードホルダ２６及び下側基部２０の全域に伸びるガスケット３０を含む。
【００４５】
ガスケット３０の上部には移行部材３２が配置され、この移行部材３２の上部には別のガスケット３４が配置される。移行部材３２は以下でさらに詳細に説明される。マニホールド３６は、移行部材３２とは逆側からガスケット３４に接触する。マニホールド３６は注入口１６と排出口３８とを含む。
【００４６】
一例として、排出口３８は、電気化学電池セルシステム１の電気化学反応の副生成物を電解質から分離するシステムに接続される。ただし、副生成物が分離されなくとも、電解質を再利用又は再循環することができる。幾つかの実施形態においては、セルの目詰まりを防止するために副生成物が電解質から分離されるが、このことは必ずしも必要ではない。分離された副生成物は、再充電時に、アノードにおける還元のために電解質に再度導入されてもよい。他の実施形態において、副生成物はセル内の電解質に溶解していることもあるし、析出物として存在することもある。この副生成物は、セルを再充電するために、アノードにおける還元で用いることができる。このような実施形態において、注入口１６及び排出口３８を循環ポンプに接続し、副生成物を分離することなく再循環する電解質の流れを生成してもよい。
【００４７】
アッセンブリ全体は、穴４０に挿入された複数の留め具（不図示）又はその他の適合する留め具とともに締め付け固定され、ガスケット２４、３０、３４が電気化学電池セルシステム１の様々な構成要素を封止して電気化学電池セルシステム１の外へ液体が実質的に漏れないようにする。穴４０は位置決めされており様々な構造を有する。システム全体は実質的に長方形の形状を有するように記述されているが、任意の好適な形状及び構成を用いることができ、図示された構成は限定的なものではない。
【００４８】
下側基部２０は図５〜７においてさらに詳細に示される。上述のように、下側基部２０はカソード１２を支持するように構成される。具体的には、下側基部２０は、カソード１２を支持するように構成された支持面４４を提供するキャビティ４２を有する。上述の開口部２２は下側基部２０の全体にわたって延在する。開口部２２を分離するリブ４６も、支持面４４を部分的に画定する。リブ４６はカソード１２の中心部分を支持するように構成される。このように、カソード１２は、キャビティ４２内に配置され、支持面４４（及び上述のガスケット２４）と係合し、リブ４６によって画定される４つの「窓」２２からカソード１２が露出するようにする。この構成によって、単一のカソード１２が４つの電気化学電池セル１０の全てに同時に使用されるようになる。この点については以下でさらに説明する。下側基部２０はねじ穴４８をさらに含んでもよい。このねじ穴４８は、電気化学電池セルシステム１全体を締め付け固定するために用いられる留め具を収容するように構成される。下側基部２０は、プラスチック等の好適な非導電性の物質から作ることができる。
【００４９】
カソード１２は、通常、多孔質体を含み、この多孔質体は、その外側がガス透過層によって覆われている。酸化剤はこのガス透過層を通って拡散することができるが、電解質は通過することができない。つまり、この層はガス透過性であるが電解質は透過させない（つまり、ガス透過性であるが液体透過性ではない）。一例として、この多孔質体は、その内側が液体透過性層によって覆われている。電解質はこの液体透過性層を通過し、多孔質体に接触することができる。カソード１２の多孔質体は高表面積であり、酸化剤還元反応に高活性を有する触媒材料を含む。本実施形態におけるカソード１２は実質的に平面状に構成される。図１に示されるように、カソード１２は長方形に構成され、より具体的には正方形に構成される。しかし、この図示された構成は限定的なものではなく、カソード１２は、図示された以外の任意の形状又は構成をとることができ、任意の組成の材料を有することができる。
【００５０】
このカソードは、受動的な又は「呼吸する」カソードであり、例えば上記窓又は開口部２２を通じて酸化剤源（通常は大気中の酸素）に受動的に露出され、電気化学電池セル反応に用いられる酸化剤を吸収する。つまり、酸化剤は通常は酸素であり、大気からカソード１２内へ透過する。したがって、酸化剤を積極的に循環させたり注入口等からカソードの方に案内する必要はない。カソード１２のうち酸化剤が吸収され又は透過する部分を「流入部（input）」と総称することがある。流入部という用語は、酸化剤をカソードに供給する全ての方法を広く含む（また、この用語は、燃料をアノードに供給する全ての方法についても同様に用いられる）。本実施形態においては、酸化剤が下側基部２０の開口部２２でカソード１２に接触することができるので、開口部２２が酸化剤の流入部１８を画定する。
【００５１】
カソード１２は触媒材料を含む。触媒材料は、例えば、酸化マンガン、ニッケル、熱分解コバルト、活性炭、プラチナ等の酸化剤の還元を触媒するために電解質において高酸素還元活性を有する任意の触媒材料もしくは混合材料である。この点については以下で詳述する。カソード１２の多孔質体はこの触媒材料を含むことができる。本実施形態におけるカソード１２は、特に携帯用の用途については、厚さ約１ｍｍ未満、長さ約３．７ｃｍ、幅約３．７ｃｍである。この寸法は例示として提供されたもので、この寸法はいかなる意味においても限定的なものではない。この種のカソードは市販されているので、本明細書においてカソードについてこれ以上の詳細な説明は省略する。
【００５２】
アノードホルダ２６の詳細が図８〜１０に示される。図８に示されるように、各アノード１４は、アノードホルダ２６のアノード収容空間又はアノード収容キャビティ５０に収容される。図１４〜２０に図示されるように、互いに離間した複数の電極本体を用いて各アノードを構成することができる。この点は以下で詳細に説明される。下側基部２０の支持面４４と同様に、支持面５２（図９に示される）がアノード収容空間５０の下端に設けられる。この支持面５２はアノード１４を支持するように構成され、電気化学電池セルシステム１の組み立て後にアノードがカソード１２に接触しないようにする。上述のように、各アノード１４は固定部材２８によってアノード収容空間５０に固定されてもよい。固定部材２８は、システムに電解質を充填した後に、アノード１４がアノード収容空間５０内において浮き上がることを防止する。固定部材２８は、締りばめのために、アノード収容空間５０においてアノードホルダ２６に押し当たる弾性材であってもよい。アノード１４をアノードホルダ２６から取り外すために、必要に応じて固定部材２８をアノードホルダ２６から取り外してもよい。他の変形例において、アノードは、任意の好適な手段で固定され、例えば取り外し不能に固定される。
【００５３】
図１０はアノードホルダ２６の底面側、すなわちカソード１２に面する側を図示する。アノードホルダ２６の底面側にはカソード１２の上面と直接接触するように構成された底面５４が含まれる。図１０に示されるように、底面５４には複数の凹部５６が設けられ、リブ５８を形成している。アノードホルダ２６のリブ５８は、システムを組み立てた状態において、下側基部２０のリブ４６と整列する。このリブ５８は、４つの電気化学電池セル１０を互いに実質的に分離させ、４つの別個のチェンバーにする。このリブ５８は、電解質が異なる電気化学電池セル１０間を流れないように構成される。これらのリブで提供される輪郭によって、単一のカソード１２が４つの（又は使用される任意の数の）電気化学電池セル１０全てについて使用できるようになる。
【００５４】
アノードホルダ２６の凹部５６はそれぞれ電気化学電池セル１０の１つに対応し、各凹部５６の深さによって、電気化学電池セルシステム１が組み立てられた際のアノード１４とカソード１２との間のギャップ６０が画定される。このギャップ６０は、通常、本質的に空隙であり、流体がアノード１４からカソード１２に流れ、帰還流路６６（以下で説明する）に戻ることができるようにする。好ましくは、ギャップ６０は基本的に一定であるが、幾つかの構成においては変更可能である。ギャップ６０へ流入し、ギャップ６０を通過し、ギャップ６０から流出する液体の流れについては以下でさらに詳述する。
【００５５】
一実施形態において、アノード１４とカソード１２との間のギャップ６０は、流路等の電解質及び酸化した燃料（以下で説明する）の流れを促進する特徴を有するが、プロトン交換膜は有しない。その代わりに、電解質及び酸化した燃料がギャップ６０へ流れるようにする。この点については以下で説明する。例えば、ギャップ６０は、ハニカム構造を有するスペーサ又は多孔質フリット等の多孔質性、非反応性、非導電性であるが流体の流れを許容するスペーサによって占められていてもよい。ギャップ６０は対流が起きる空間であることが好ましい。この点については以下でさらに説明する.
【００５６】
本実施形態においては、アノード１４は実質的に円筒形の構造を有する。しかし、この構造は限定的なものではなく、アノードは図示されたもの以外の任意の形状又は構造を有することができる。アノード１４は以下で説明するように複数の電極本体を含む。各電極本体は、電解質がその内部を通過して流れることができるように構成され、再充電時には各電極本体に燃料が析出できるようにする。アノード１４を構成するのは、単数又は複数の電極本体と捕獲された燃料粒子である。一実施形態において、各本体は、カーボンファイバから生成されるカーボンフィルタ、真ちゅう、青銅、ステンレス鋼、ニッケル、モネル等の高伝導性物質の編みメッシュ、又はこれら以外の任意の物質である。
【００５７】
アノード１４の電極本体を形成するために上記以外の物質又は方法を用いることができる。例えば、電極本体は、流路、溝、穴、細孔、メッシュ、又はこれら以外の通過する電解質から析出した燃料を受け取ることができる任意の形状及び構成を含む。一実施形態における電極本体は、真ちゅう、銅、ステンレス、ニッケル、モネル等の高導電性物質からなる単数又は複数のスクリーンを含んでもよい。電極本体は、析出時に還元領域として働くこれら以外の任意の導体であってもよい。
【００５８】
固定部材２８は、アノード１４を所定位置に保持することに加えて、ワイヤ等の導線６４を介して負荷Ｌとの電気的接触を提供するために用いることができる（図３に図示されており、図１３にも概略的に負極として表されている）。導線６４は固定部材２８から移行部材３２を経由して電気化学電池セル１０の外へ案内される。この点については以下でさらに説明する。導電性スクリーンがアノード１４の少なくとも一部として用いられる実施形態においては、導線６４をそのスクリーンに直接接続してもよい。
【００５９】
アノード１４において燃料が酸化されることによって、酸化された燃料イオンが提供され、この燃料イオンが電解質によってイオン伝導される。アノードの電極本体に燃料を保持することによって、放出又は開放された電子及びその結果得られる燃料イオンを継続的に供給する供給源が提供される。
【００６０】
図８〜１０に示されるように、各電気化学電池セル１０は、アノードホルダ２６のアノード収容空間５０の周囲を周方向に囲み、アノード収容空間５０に平行に延伸する複数の帰還流路６６を有する。各帰還流路６６は、アノード収容空間５０の断面積よりも実質的に小さい断面積を有する。各電気化学電池セル１０には合計で１６の流路６６が図示されているが、より多くの又はより少ない数の、任意の好適な断面積を有する流路を用いることができる。流路６６の寸法は、電気化学電池セル１０における電気化学反応の副生成物を、電解質及び副生成物の排出口３８へ運ぶための順方向の電解質帰還流を提供するように決められる。具体的には、各流路６６は、ギャップ６０を帰還スペース６８へ連絡する。この帰還スペース６８は、アノードホルダ２６とアノードホルダ２６の上面側を封止するガスケット３０とによって画定されており、以下に説明されるように排出口３８に連絡される。本実施形態においては、帰還スペース６８は電気化学電池セルシステム１の４つの電気化学電池セル１０全てによって共有される共用スペースである。また、アノード収容空間５０を移行部材３２へ伸長させる壁によって、この領域において帰還スペース６８がアノード収容空間５０から分離される。このような構成によって、電気化学電池セルシステム１からの単一の帰還路が可能となる。この点については以下でさらに説明する。アノードホルダ２６は好ましくはプラスチック等の非導電性で軽量の物質から生成される。ただし、任意の好適な物質を用いることができる。
【００６１】
ホルダ２６、流路６６及び帰還スペース６８について、上記以外の好適な構造及び構成を用いることができる。本実施形態は限定的なものではない。
【００６２】
図１１に示されるように、移行部材３２は複数の供給ポート７０を含む。各ポート７０は、電気化学電池セルシステム１を組み立てた状態において、アノードホルダ２６の各アノード収容空間５０と、つまり各アノード１４と、整列するように構成される。図４及び１１に示されるように、ポート７０の上流部７２は、実質的に円筒形状であり、実質的に一定の直径を有する。ポート７０の下流部７４は、最も下流側の位置における直径が上流部７２に接続される部分の直径よりも大きくなるように、実質的にフラスコ円錐型の形状である。「上流」という用語は、本明細書における用法の通り、アノード１４よりも流入部１６に近いことを意味し、「下流」という用語は、本明細書における用法の通り、流入部１６よりもアノード１４に近いことを意味する。移行部材３２におけるポート７０の下流部７４の直径及び断面積を、燃料及び電解質の流路に沿って増加させることにより圧力降下が生じる。アノード１４のわずかに上流側に圧力降下を起こすことにより、アノード１４に流入する電解質及び燃料析出物の流れをより一定にすることができる。
【００６３】
移行部材３２は帰還ポート７６をさらに含む。この帰還ポート７６は、電解質及び電気化学電池セル１０における電気化学反応の副生成物がアノードホルダ２６の帰還スペース６８から排出口３８へ流れるように構成されている。単一の帰還ポート７６が図示されているが、追加的なポートを用いて、帰還スペース６８及びアノード１４から電解質及び副生成物を流出させるための流路を提供することもできる。図１１に示されるように、帰還ポート７６は、ワイヤ等の導線８０を収容するように構成された流路７８に接続されている。この導線８０は、カソード１２及び外部負荷Ｌ（図１３に正極として概略的に現されている）に接続される。流路７８を通る流れによって作り出される圧力が増加しても、電解質及び副生成物が流路７８を経由して電気化学電池セルシステム１から漏れ出すことは起こりにくいが、電解質及び副生成物が流路７８へ及び電気化学電池セルシステム１から外へ漏れ出さないように、好適なシールが用いられる。
【００６４】
カソード１２の導線８０は、移行部材３２の流路７８を通って移行部材３２の帰還ポート７６に案内され、アノードホルダ２６の帰還スペース６８を通って、流路６６又は導線８０のために構成された別個の通路８２を通り、ギャップ６０を通って、カソード１２に連絡する。負荷をカソード１２に接続するために他の経路を用いることも当然可能である。本実施形態は如何なる意味においても限定的なものではない。
【００６５】
図１１に示されるように、各アノード１４を外部負荷に接続する導線６４のそれぞれについて電線用通路８２が提供される。電線用通路８２は上述した流路７８と同様の構成を有する。各アノード１４用の導線６４は通路８２を通ってポート７０及びアノード１４の固定部材２８へ案内され、アノード１４と外部負荷との間に電気的接続を提供する。負荷とアノード１４を接続するために他の通路を用いることも当然可能であり、本実施形態は如何なる意味においても限定なものではない。アノード１４と外部負荷Ｌ及びカソード１２と外部負荷Ｌとの接続は図１３に概略的に示されている。
【００６６】
図１２は、マニホールド３６の底部（内側部）８４を示す。この底部８４はいずれも注入口１６に接続された複数の注入路８６を含む。この注入路８６は、マニホールド３６と移行部材３２との間に配置されたガスケット３４の上面によって閉塞される。各注入路８６は、それぞれ先端部８８を有する。この先端部８８は、電気化学電池セルシステム１が組み立てられた状態で移行部材３２のポート７０の１つに接続される。図示されているように、各注入路８６は、電解質の析出物が集積する場所を作らないように、つまり、電解質及び析出した副生成物粒子の流れを詰まらせる流れの「滞留場所」が時間の経過とともに発生しないように、曲線状に構成される。このような構成により、流れの中に乱流を増加させ、副生成物が流れの中で攪拌され浮遊している状態に保つこともできる。マニホールド３６の底部８４には、移行部材３２の帰還ポート７６を電解質及び副生成物の排出口３８に接続する単一の排出路９０も含まれる。排出路９０は直線状に図示されているが、注入口のように曲線状であってもよい。ただし、曲線状の構造は必ずしも必要ではない。
【００６７】
アノード１４の各電極本体は、電解質の流れを受け入れるために、流入部１６と連絡していてもよい。一実施形態において、この注入口はアノード１４と直接整列する。好ましくは、燃料及び電解質の供給源は、電解質と混合された燃料の単一の供給源を含む。しかし、燃料及び電解質についてそれぞれ別個の供給源を用い、燃料及び電解質を電気化学電池セル１０に個別に供給し、アノード１４のわずかに上流で混合することも本発明の範囲に含まれる。これとは別に、セルを通常は別個の燃料供給源を有しない電池として機能させ、再充電を完了させるために追加の燃料が必要とされ又は望まれる場合に補充のために燃料粒子を投入することもできる。また、外部燃料供給源を一切省略することにより、セルを内蔵型電池（self-contained battery）とすることも可能である。さらに、別個の容器、貯蔵庫、又は分離器に流入させるのではなく、上述のように帰還流路からの再循環電解質を燃料注入口から受け入れることもできる。
【００６８】
本実施形態において、注入口は、マニホールド３６に形成され流入部１６をアノード１４と流体連通させる注入路８６の形状をとる。注入路８６は、上述のように、流入部１６及び電解質を移行部材３２に流入させるためのマニホールドのポート７０と流体連通している。任意の好適な接続部、導管、流路、又は通路を用いて電解質をアノード１４に流入させることができる。
【００６９】
動作時には燃料の酸化が起こる。燃料が酸化されると、少なくとも、電解質に留まる酸化燃料イオンと、アノード１４からカソード１２に外部負荷Ｌを通って伝導される電子とが生じる。外部負荷Ｌは、図１３に示されるように、アノード１４及びカソード１２に接続されている。酸化反応は以下で説明される。
【００７０】
電気化学電池セル１０は、電解質の流れを作りだす圧力差を提供するように構成される。この電解質の流れは、アノード１４を通過してギャップ６０に流入し、カソード１２に向かい、径方向にアノード１４から離れ、アノードホルダ２６の流路６６に帰還する。この流れは、続いて帰還スペース６８に流入し、移行部材３２の帰還ポート７６を通り、マニホールド３６の通路９０を通って、電解質及び副生成物の排出口３８に流れ出る。
【００７１】
電解質の輸送流れは、ギャップ６０内において、アノード１４のアノード本体６２からカソード１２へギャップ６０を横切って流れる。「輸送流れ」という用語は、ギャップを横切り酸化された燃料イオンをアノード１４からカソード１２へ運搬する電解質の流体の流れを意味する。このように、イオンは、電解質中の伝導や拡散のみに依存するのではなく、流れている電解質の対流によっても運搬される。対照的に、プロトン交換膜を備える電気化学電池セルでは、その膜自身が、酸化された燃料イオンを伝導により運搬する電解質である。本実施形態においては、輸送流れの主要な方向は、アノード１４から離れてカソード１２に向かい、そして径方向外方に向かってから帰還流路６６に帰還するというものである。これは、酸化剤及び燃料の２つの流れがアノード及びカソードに平行な経路に沿って流れる従来技術の手法と異なる。換言すれば、図１３に示されるように、アノード１４から離れる方向の流れを記述するベクトル又は勾配は、まず、主に１つの電極から他の電極に向かって方向付けられ（電極に平行な向きではない）、続いて帰還流路６６に向かい、帰還方向に方向付けられる。帰還方向は、アノード１４から離れる流れの当初のベクトルの径方向外方において、このアノード１４から離れる流れの当初のベクトルと実質的に平行であるが逆向きの方向である。この流れの構成は任意である。
【００７２】
電気化学電池セルシステム１は、自重や装置の動き（例えば、時計等に備えられる携帯型電池セルについては、ユーザの動きによる力学的エネルギーを用いて流れが生成される）等によって受動的に動作することができるが、一実施形態においては、電解質の流れを生み出すために小さなポンプ等の流れ生成体を用いることもできる。このポンプとして、圧電ポンプ、遠心力ポンプ、ギアポンプ、蠕動ポンプ等の任意の好適なポンプを用いることができる。ポンプは様々な構成をとることができ、様々な大きさの電気化学電池セル１０において用いることができる。流れ生成体は任意の構造、構成をとることができる。このように、「流れ生成体」という用語は、流れを生成するための動力源を有する能動的な機構と動力源を有しない受動的な機構との両方を広く含むことが意図されている。
【００７３】
図１３に示されているように、アノード１４を離れる最初の流れと帰還流路６６に流入する帰還流とは、隣接し重なり合って互いに逆方向に流れる（対向流（counterflow）と称される）。帰還流路６６は、アノード１４及びその収容スペース５０の周囲を取り囲み、アノード１４を離れる最初の流れが帰還流路６６に向かって流れ込む帰還流の中に取り囲まれるようにすることが望ましいが必ずしもその必要はない。アノード１４は、帰還流路によって定義される配置の中心に位置し、又はその中心に整列し、それによって全ての帰還流路６６に均等に流れを運搬することが望ましいが必ずしもその必要はない。
【００７４】
電動の「流れ生成体」は、電力を取得するために直接又は間接にアノード及びカソードと結合されてもよい。これにより、自己給電型の電気化学電池セル１０が提供される。流れ生成体に初期動力を提供するための電池又は他の電源を備えてもよく、流れ生成体がアノードやカソード又は他の電源から必要に応じて電力を取得できるようにスイッチを用いることもできる。制御部は、（１）電気化学電池セルの動作開始から所定時間経過後、又は（２）電気化学電池セルの出力電力が流れ生成体を自己給電するために十分なレベルに達したことを検出したとき、に流れ生成体を初期電源から電気化学電池セル出力電力に切り替えることができる。
【００７５】
酸化剤は受動的な運搬システムによってカソード１２に供給される。例えば、大気に存在する酸素が酸化剤として用いられる場合には、開口部２２を介してカソード１２を大気に露出させるだけでカソードの多孔質体（拡散がカソードへ侵入する部分を酸化剤注入口１８と称することがある）に酸素を拡散／透過させることができる。これら以外にも好適な酸化剤を用いることができ（液体の酸化剤又は電解質中に溶媒和された酸化剤も用いることができる）、本明細書の実施形態は酸化剤として使用されるものを酸素に限定するものではない。
【００７６】
他の実施形態において、酸化剤をカソード１２に圧力下で供給するために、送風機等のポンプを用いてもよい。酸化剤供給源は、内蔵の酸化剤供給源であってもよい。また、酸化剤が大気からの酸素である場合には、酸化剤供給源は受動的（例えば、大気へのアクセス開口部２２）であると能動的（例えばポンプ、送風機）であるとを問わず供給メカニズムと考えられ、この供給メカニズムによって空気をカソード１２に送ることができる。このように、「酸化剤供給源」という用語は、内蔵された酸化剤、及び／又は、受動的又は能動的に酸素を大気からカソード１２に供給する配置、を含むことを意図している。
【００７７】
動作時には、アノード１４及びカソード１２が負荷Ｌに連結され、少なくとも酸化剤とカソード１２へ流れてくる電子との反応がカソードにおいて起こり、酸化剤が還元される。還元された酸化剤イオンは酸化された燃料イオンと反応し、電気化学電池セル反応を完了させる。酸化剤還元反応は以下で説明される。
【００７８】
燃料は、例えば、鉄、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、又はリチウム等の金属である。金属という文言は、周期表において金属とされている全ての元素を含む意味で用いられており、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタニド金属、アクチニド金属、及び遷移金属を含むがこれらに限られない。これらの金属は、原子又は分子の形態で電極本体に集積する。例えば、燃料は、球状又は樹枝状結晶の亜鉛の小断片であってもよい。この粒子は、約１μｍほどの小ささであってもよく、約１ｍｍ又はそれ以上に大きくともよい。一実施形態において、この分子の平均サイズ（つまり有効直径）は約３００μｍである。しかし、本発明は特定の燃料には限定されず、他の燃料を用いることもできる。例えば、燃料は、酸化状態で水溶性であり還元状態で不溶性であるレドックス活性を有する固体有機物であってもよい。
【００７９】
電解質は水溶液であってもよい。好適な電解質は、例えば、硫酸、リン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硝酸カリウム、又は塩化リチウムを含む水溶液である。電解質として非水溶性の溶媒又はイオン液体を用いることもできる。任意のイオン伝導性の媒体を用いることができる。本明細書の一実施形態においては、電解質は水溶性の水酸化カリウムである。
【００８０】
アノードにおける水素の発生を制限し抑制するために、水素を発生する反応を抑制する塩を加えてもよい。スズ、鉛、銅、水銀、インジウム、ビスマスの塩、又は高水素過電圧を有するこれら以外の任意の材料を用いることができる。また、酒石酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、コハク酸エステル、アンモニウム、又はこれら以外の水素発生を抑制する添加剤が加えられる。一実施形態において、Ａｌ−Ｍｇ等の金属燃料合金も水素発生を抑制するために用いることができる。これらは任意であり省略することもできる。
【００８１】
一実施形態における具体的な反応について説明する。この実施形態では、水酸化カリウム（アルカリ性）が電解質として用いられ、亜鉛（Ｚｎ）粒子が燃料として用いられ、大気中の酸素（Ｏ２）が酸化剤として用いられる。
【００８２】
アノードでは、反応式（１）で表されるように亜鉛が酸化される。
Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-(E0=-1.216V)（１）
【００８３】
カソードでは、反応式（２）で表されるように酸素が還元される。
2e-+1/2O2+H2O→2OH-(E0=0.401V)（２）
【００８４】
溶液中では、反応式（３）で表される反応が起こる。
Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-（３）
【００８５】
このように、亜鉛がアノードで酸化され、その陽イオン（Zn2+）が４つのOH-イオンに担持されて錯アニオンZn(OH)42-が生成される。電解質溶液内のOH-イオンの濃度は、カソードにおける酸化剤還元反応及びZn(OH)42-アニオンの反応によるOH-イオンの放出によって維持される。電解質の流れは、比較的不安定なZn(OH)42-イオンをアノードから離れる方向に運搬し、亜鉛イオンがアノード１４において還元されて亜鉛に戻らないようにする（これにより、電子が亜鉛酸イオンの還元によって消費されるのではなく負荷Ｌを通って自由に流れるので効率が向上する）。また、電解質では、錯イオンZn(OH)42-が溶液中で反応し、水（H2O）、OH-イオン、及び酸化亜鉛（ZnO）を提供する。酸化亜鉛（ZnO）は、電解質中に現れる。酸化亜鉛(ZnO)は、亜鉛酸アニオン(Zn(OH)42-)から２つのOH-イオンを除去することによって生成され、残された２つOH-イオンは反応して１つの水分子(H2O)とZnO生成物を生成する。
【００８６】
このように、還元された酸化剤のイオン(OH-)と酸化された亜鉛(Zn2+)イオンとの間の反応全体により、中間副生成物Zn(OH)42-が生成され、最終的には酸化亜鉛(ZnO)となる。上述の代表的な反応式から理解されるように、反応後に残る成分は釣り合いがとれている（つまり、消費量と生成量が同量である）。このように、最も単純に表現した場合には、全体の反応は、カソード１２において負荷から受け取った電子を用いて酸化剤を還元し、アノードにおいて燃料粒子を酸化して負荷に電子を供給し、還元された酸化剤イオンと酸化された燃料イオンとを反応させて副生成物、本実施形態では酸化亜鉛、を生成するということである。アノードからカソードに向かう方向の輸送流れによってこのプロセスを維持し促進することができ、全体の出力を増加させることができる。
【００８７】
追加的な中間反応はアノード及び／又はカソードにおいて、及び／又はギャップ内で起こり得る。上述した反応はいずれの側面又は中間生成物においても排他的なものであることを意図しない。また、説明した反応は代表的なものであり、異なる表現方法も可能であるが、通常の全体の反応は亜鉛の酸化と酸素の還元を行い、副生成物である酸化亜鉛(ZnO)と負荷Ｌを駆動する電流とを生成することである。副生成物である酸化亜鉛は、電気化学電池セルから電解質とともに流れ出す。一例として、酸化亜鉛は、その流れから回収され、亜鉛が分離されて燃料及び電解質供給源に再投入される。同様に、セル内を再循環される電解質に酸化亜鉛を保持しておき、充電時にアノード１４で再び還元してもよい。
【００８８】
アノードからカソードに向かう方向の流れによって出力は増加するが、その流れを止めることが望ましい状況や応用例も存在する。流れがない場合の出力は、電解質が流れており酸化された燃料イオンがアノード１４からカソード１２の方向へ運搬される場合に比べて有意に減少するが、流れが止まったとしてもある程度の出力は生成される。このような流れが無い又は本質的に流れが無い「受動動作」状態は、待機モード等の少量の電力を使用するモードを備える装置（例えばラップトップコンピュータ）に電力供給する際に有用である。任意の好適な制御部が、流れを生成する任意の流れ生成体を制御するために用いられ、受動状態と輸送流れが存在する能動状態とが切り替えられる。
【００８９】
様々な部品を設計する際に、構造及び様々な流路をミクロ流体スケールで製造することができ、これにより携帯性に優れた小さくコンパクトな大きさが実現される。リソグラフィ、薄膜形成、電気化学的処理、及びミクロ流体処理手法等のマイクロエレクトロニクスの様々な形成技術を用いることができる。これらの技術によって、本発明に従って設計される電気化学電池セルを大規模に製造することができる。
【００９０】
電解質及び燃料／酸化剤反応の生成物（例えば酸化亜鉛）は、アノードホルダ２６の流路６６を通り電気化学電池セル１０から排出される。
【００９１】
本発明に従って構成される電気化学電池セルは、携帯用途に用いられることが好ましいが、そのような用途には限られない。本発明に従って構成される電気化学電池セルには、上述した実施形態又は以下で説明する実施形態が含まれる。携帯用途には、ラップトップコンピュータ、携帯電話、携帯型音楽プレイヤー、無線電子メール機器、医療装置、又はこれら以外の人間による携帯性が望まれる装置が含まれる。しかし、本発明は、より大型の携帯できない装置においても実施することができ、携帯性による有利な効果は限定的なものではない。このように本発明は携帯性を有するものに限定されないとはいっても、携帯性を実現するために特に有用である。電池セルは金属空気電池として構成されてもよい。また、自動車への応用やバックアップ電源への応用も可能である。
【００９２】
本明細書から理解されるように、本発明の電気化学電池セルによって、次に掲げるような多くの非限定的な効果が実現される。
【００９３】
―  大部分の金属は安定しており非揮発性であるため、携帯可能な物体を相対的に安全なものにする（可燃性燃料を用いる燃料電池とは対照的である）。
【００９４】
―  アノードからカソードの方向への流れを用いて全体の出力を増加させることができる。
【００９５】
―  流速の調節により出力を調整することができる。
【００９６】
―  流れを任意に停止させてシステムを低出力の受動状態で動作させることができる。
【００９７】
―  アノードスペース／キャビティ近傍に単数又は複数の帰還流路が存在することによって、近傍の電気化学電池セルの動作に干渉することなく、個別の各電気化学電池セルがそれぞれの運搬流れ経路及び帰還流れ経路を任意に持つことができる。これにより、複数の電気化学電池セルアレイを構成する自由度が大きくなる。
【００９８】
―  任意の帰還流路の構成によって小型設計が提供される。
【００９９】
本発明の各態様に従って設計される電気化学電池セルは、これらの効果を全て奏するものである必要はない。本発明の様々な態様は、具体的な実装態様に応じ、これらの効果のうちの１つ、複数、又は全てを実現することができる。例えば、近傍の電気化学電池セルの動作に干渉しない限り、個別の電気化学電池セルの輸送及び帰還流れのために流路をそれぞれに有する必要はない。一実施形態において、近傍の電気化学電池セルは、電解質がセル間を流れることができるように直列に動作するように構成されてもよい。本実施形態は如何なる意味においても限定的なものであることを意図するものではない。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態において、燃料（金属等）はアノードに析出することによって集積される。そうするためには、アノード本体の電位を変更することによって、燃料イオンを還元するためにアノードがカソードとして働くようにし、これにより電解質中の燃料カチオンをアノード本体に析出させることができる。このように、アノード本体は、透過性の物体として広く特徴付けられ、燃料が集積することができ（フィルタリング、析出等による集積）、電解質が通過することができる物体を含む。
【０１０１】
金属燃料セルに関するこれまでの記述は説明を目的とするものであり、限定的なものではない。本発明、特に以下で説明される析出技術（electrodeposition technique）は様々なセル配置において用いることができる。このようなセル配置には、例えば、アノード及びカソードに平行な方向に流れが発生するセル、流れが全く存在しないセル、電気的に及び／又は流体的に直列接続されたセルの組などを含む。複数のアノード用本体を用いる析出技術に関する以下の説明は、上述したセルやそれ以外のタイプのセルにおいて用いることができる。
【０１０２】
酸化された燃料イオンと還元された酸化剤イオンとの副生成物を形成する反応が可逆的な実施形態においては、この析出の手法を用いることにより有利な効果を奏することができる。例えば、亜鉛を燃料として用いる上述の実施形態において、副生成物である酸化亜鉛は、動作中に懸濁液又はコロイドとして電解質中に蓄積され、そのまま存在することができる（ある条件下ではこの副生成物は電解質中に亜鉛酸イオンとして存在することができる）。そして、アノード本体を亜鉛燃料で再充電する場合には、カソード電位がアノード本体に与えられて（この場合アノード本体がカソードとして働く）、酸化亜鉛の亜鉛カチオンをアノード本体に析出させる。カソード電位がアノード本体に与えられたときにアノードとして働く追加的な電極を用いることもできる。放電及び再充電できるセルは、再充電可能なバッテリー電源又は再充電可能なバックアップ電源として用いることができる。
【０１０３】
本発明の他の態様において、セルの全体構造、及び、アノード１４から離れる流れの部分と帰還流路に帰還する流れの部分との間の対向流の配置は、非粒子燃料及びより古くから使われている固定化触媒アノードとともに用いることもできる。例えば、この点について２００７年１２月２１日に出願された米国特許出願１１／９６２，８０３号を参照することができる。同米国特許出願は、好適なアノード、カソード、電解質、燃料、及び酸化剤物質を教示している。この流れの全体的な配置も他の種類の電気化学電池セルとともに用いて有利な効果を奏することができ、この流れの全体的な配置によって多くの直交流型セルを含むシステムが並列配置される。このように、電解質が通過する電極は一般に第１の電極と称され（通常はアノードである）、ギャップの反対側にある電極は一般に第２の電極と称される（通常はカソードであり、好ましくは呼吸するカソードである）。同様に、第１の電極で酸化又は還元される対応する反応物質は第１の反応物質と称され（通常は燃料である）、第２の電極で酸化又は還元される対応する反応物質第２の反応物質と称される（通常は酸化剤である）。しかし、構成要素を逆にすることができるので、第１及び第２という用語は他の可能な構成も含むより一般的な意味で用いられる。
【０１０４】
図１４〜１８は、より具体的に第１の電極（すなわち、セルの電流発生動作中にアノードとして機能する電極）における金属燃料の析出に関連する。本開示の析出法の側面は任意の種類の電気化学電池セルにおいて用いることができ、電解質の流れがセルの電力生成を支援する上述した種類のセルに限定されない。したがって、上述した種類のセルを示す図を参照して析出法が説明されるが、この説明は限定的なものではない。しかし、説明される析出法は、上述した種類のセルにおいて特に有利な効果を奏する。この点については以下で説明する。図１４〜１８において前の図と同じ参照番号が使用される場合には、同じ構成への言及がなされており、そのような構成については図１４〜１８を参照して説明を繰り返さない。
【０１０５】
図１４及び１５は、様々な機能の理解を助けるために、セル１０の寸法をやや強調して概略的に示している。同様に、図１６〜１８は、金属燃料の析出の成長がより容易に把握できるように、金属燃料で充電される電極をセル１０の他の部分から分離し、強調して示す。このような表現は発明を限定することを意図しておらず、説明の目的でなされているに過ぎない。これらの図に示されるように、セル１０は流路に沿って離間して配置された一連の透過性電極本体１４ａ−ｈを有する第１の電極１４（８つの本体部が示されているが、任意の数の電極を用いることができる）を含む。第１の電極１４は電流生成中にアノードとして機能する。セル１０は、電流生成中にカソードとして機能する第２の電極１２も含む。上述の実施形態に示す場合には、第２の電極１２は、大気から吸収した酸素を還元する空気呼吸カソードである。しかし、電流生成中にカソードとして機能する任意の種類の電極が第２の電極１２になりえるが、本発明は必ずしも空気呼吸電極に限定されない。第２の電極１２は第１の電極１４から離間しており、好ましくは上述した実施形態と同様にギャップ６０によって隔てられている。
【０１０６】
セル１０は第１の電極１４から離間して配置される充電用電極をさらに含む。本実施形態においては、充電用電極は第１の電極１４から離間して第２の電極１２と逆側に第３の電極１５が配置される。幾つかの実施形態において、第３の電極１５は、第１の電極１４から離間して、例えばギャップ６０の中等の、第２の電極１２と同じ側に配置されてもよい。しかし、幾つかの実施形態においては、充電の際には第２の電極１２が充電用電極として用いられるので、充電用の別個の電極の存在は必ずしも必要ではない。本実施形態においては、空気呼吸カソードとして用いるのに適した電極の大部分が充電用電極のアノードの役割をうまく果たさないので、別個の充電用電極１５が用いられる。本発明は限定的なものであることを意図しておらず、２つの機能、つまり電流生成時の空気呼吸カソードの役割と充電時の充電用電極の役割の両方を果たすことができる第２の電極を選択することも可能である。このように、本明細書における充電用電極に関する言及は第２の電極１２又は充電時にアノードとして機能する別個の電極１５のいずれかに向けられたものとみなされる。より具体的には、本実施形態においては充電用電極を第３の電極１５と呼んで説明するが、第２の電極１２が充電用電極として用いられる場合にも同じ説明が当てはまり、流れ（もしあれば）もそれに応じて方向付けられる。
【０１０７】
図１４及び図１５に示されるように、透過性電極本体１４ａ−ｈは不活性で非導電性のセパレータ１７ａ−ｈによって分離されてもよい。これらのセパレータ１７ａ−ｈは、透過性電極本体１４ａ−ｈ同士を分離し電気的に遮蔽するように設計されている。これらのセパレータは、通常、電極本体１４ａ−ｈの外周に沿って設けられ、電極本体１４ａ−ｈがセパレータの開口した内側領域において互いに向けて露出される。一例として、セパレータ１７ａ−ｈの内側領域は、通過する電解質の流れを実質的に妨害せずに透過性電極本体１４ａ−ｈの分離を維持するための構造をとる。他の非限定的な例において、セパレータは、金属燃料の析出の成長形態を支援し管理するために、この内側領域に格子配置等の構造を含むことができる。この点については以下でさらに詳細に説明される。しかし、セパレータの使用は任意であり、分離を維持するための周辺構造への固定支持ポイント等の、セパレータ以外の透過性電極本体１４ａ−ｈの分離を維持する方法も使用することができる。
【０１０８】
上記の実施形態と同様に、セルは、ギャップ６０と連絡する単数又は複数の帰還流路をさらに含む。しかし、この構成は必ずしも必要ではない。特に、流れがアノード及びカソードに平行な流れ型セルにおいては、流れは単純に一方向から入って他のポートから出ていき、図示されている特別に設計された帰還流路は必要がない。
【０１０９】
電気化学電池セルの充電は、還元可能な金属燃料イオンを含む電解質を、透過性電極本体１４ａ−ｈを通過する流路に沿って流すことによって実行される。還元可能な燃料イオンは、電解質中に、イオン、原子、分子、又は錯体等の任意の好適な形態で存在することができる。図１５に示されるように、一実施形態において、充電時の電解質の流れは図１４に示される電流生成時の向きと逆である。この点は、先行する実施形態を参照して既に述べた。その結果、流れは第１の電極１４から充電用電極１５に向かう方向に進む。以下で説明されるように、充電時と電流生成時とで電解質の流れを逆向きにすることは独立した効果を有する任意の手法であり、充電時と電流生成と流れを同じ方向にすることも本発明に含まれる（例えば、第２の電極１２が充電用電極として用いられる場合や、ギャップ６０内等の第２の電極１２と同じ側に別個の充電用電極が設けられた場合）。他の実施形態において、流れが第１の電極１４及び第２の電極１２と平行な場合には、その流れの方向は重要ではない。また、他の実施形態においては、流れがまったく存在しない。
【０１１０】
還元可能な金属イオンを含む電解質は透過性電極本体を通って流れるが、外部電源、例えばポテンショスタット等の電流を供給する電源、からの電流は、充電用電極１５と透過性電極本体１４ａ−ｈの端子用電極本体１４ａとの間に流れ、充電用電極をアノードとして機能させ、端子用透過性電極本体１４ａをカソードとして機能させる。その結果、還元可能な金属燃料イオンは還元されて酸化可能な形態で透過性電極本体１４ａに金属燃料として析出される。本実施形態においては、端子用透過性電極本体１４ａは充電用電極１５と隣接する電極本体である。この構成は本実施形態において望ましいものである。他の配置においては、透過性電極本体１４ａ−ｈの他の電極を端子用透過性電極本体として用いることもできる。この点については以下で説明する。
【０１１１】
一実施形態において、燃料は亜鉛であり、電解質は水酸化カリウム（KOH）である。これらの燃料及び電解質は、上述した実施形態で用いられたものと同じである。電解質中には、亜鉛イオンが任意の還元可能な形態で、好ましくは酸化亜鉛（ZnO）の形態で提供される。この構成によれば、酸化亜鉛が上述の実施形態に関連して説明した電流発生動作の副生成物であるため、セルが自身の電流発生動作において生成される可逆的な副生成物を用いて再充電することができるという有利な効果を奏する。このように、電流発生動作によって電解質中に還元可能な酸化亜鉛が作られるため、充電用に未使用の供給源から燃料を供給する必要がなくなる。かかる実施形態においては、還元領域において次のような還元反応が起こる。
【０１１２】
ZnO+H2O+2e-→Zn+2OH-（４）
【０１１３】
また、アノードとして機能する充電用電極１５（酸素放出電極と称されることもある）で、次のように、酸素種を酸化して酸素ガスを生成することで、対応する酸化反応が起こる。酸素は、任意の方法でガス化される。
【０１１４】
2OH-→2e-+1/2O2+H2O（５）
【０１１５】
しかしながら、燃料は亜鉛に限られず、本出願において既に述べたものを含む亜鉛以外の任意の金属燃料を用いることができる。同様に、電解質として別のものを用いることができ、様々な実施形態においてアルカリ性又は酸性のものを用いることができる。また、必ずしも電流発生動作の副生成物によって還元可能な燃料イオンが提供される必要はなく、容易に可逆変化を起こすことができない副生成物を生成する燃料を用いることも本発明の範囲に含まれる。このように、電解質に別個の燃料供給源から還元及び析出に適した形態で燃料イオンを供給し、その燃料イオンを用いて充電することも本発明の範囲に含まれる。この場合、燃料供給源は電流生成時に用いられる電解質とは別個のものであり、副生成物は蓄積される。同様に、同一の電解質を両方の処理で用い、再充電時に燃料を別の供給源から提供するようにすることもできる。
【０１１６】
充電時には、透過性電極本体１４ａ−１４ｈに、流れが通過可能な態様で析出による金属燃料の成長が起こり、析出した金属燃料が端子用透過性電極本体１４ａと後段の透過性電極本体１４ｂ−ｈとの間に電気的接続を確立する。この成長の結果として電気的接続が確立されると、還元及び析出が後段の透過性電極本体１４ｂ−ｈのそれぞれで起こる。
【０１１７】
流れが通過可能な態様という用語は、電解質が電極本体１４ａ−ｈを通過して流れることができるような電極本体１４ａ−ｈ間での金属の成長態様を意味する。したがって、この電解質の流れは継続することができ、金属の成長は、透過性電極本体１４ａ−ｈの小孔や開口を完全に目詰まりさせたり遮断したりする側方への顕著な傾向を示さない。金属の成長は任意の構成をとることができる。また、任意の方向の流れが許容される。流れが存在する方が好ましいが、流れがなくとも成長を起こすことは可能である。
【０１１８】
金属の成長は、例えば、高密度の枝状形態（dense branch morphology）で又は樹枝状に発生する。このような形態で起こる成長は次の透過性電極本体に向かう十分な方向性を有し、したがって、流れが電極本体を通過することを許容しつつ近傍の電極本体１４ａ−ｈとの間で接触を確立することができる。また、成長は概ね均一なめっき成長として発生することもある。この概ね均一なめっき成長が起きる場合には、側方の成長が小孔や開口を閉塞する前に本体１４ａ−ｈ間の方向の成長によって近接する電極本体間での接触が確立されるように、透過性電極本体１４ａ−ｈ間の距離が本体中の小孔又は開口の距離よりも小さいことが望ましい。しかし、この空間配置が決定的要因にならないように、流れによってめっき成長に方向性を与えることも可能である。
【０１１９】
本実施形態において見られる成長は樹枝状であり、この成長は充電用電極１５に向かう向きと逆方向に向かう（すなわち、流れとも逆方向である）。図１６〜１８には、動作の基本原理がより良く理解されるように、成長形態が強調して示される。実際の成長は、通常、電極本体１４ａ−ｈのスタック全体においてより高密度に起こる。
【０１２０】
図１６には、初期の燃料イオンの還元及び金属燃料の析出が示されている。デンドライト（樹状突起）は、まず電極本体１４ａに析出し、成長を開始する。これは、電極本体１４ａが外部電流に接続されており、燃料イオンの還元及び燃料の析出を起こすカソード電位を有しているためである（一方、充電用電極１５は外部負荷に接続されアノードとして機能する）。対照的に、他の電極本体１４ｂ−ｈは、外部電流に接続されていないため、当初は作動せず還元領域として機能しない。この成長が継続し、電極本体１４ａから電極本体１４ｂの方向へ金属が一連のデンドライトとして成長する。これにより、やがて電極本体１４ａと１４ｂとの間に電気的接続が確立され、電極本体１４ｂがカソード電位を有するようになる。
【０１２１】
成長はさらに続き、図１７に示されるように、燃料イオンが還元されて金属燃料として電極本体１４ｂに析出する。この成長が継続して金属が成長し、他の一連のデンドライトが電極本体１４ｂから電極本体１４ｃに向かって成長する。これにより、電極本体１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ間の電気的接続が確立され、電極本体１４ｃがカソード電位を有するようになる。
【０１２２】
さらに成長は続き、図１８に示されるように、燃料イオンが還元されて金属燃料として電極本体１４ｃに析出する。この成長が継続し金属が成長して、他の一連のデンドライトが電極本体１４ｃから電極本体１４ｄに向かって成長する。これにより、電極本体１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄ間の電気的接続が確立され、電極本体１４ｄがカソード電位を有するようになる。この成長パターンは、第１の電極１４の透過性電極本体１４ａ−ｈのスタック全体の最後まで継続する。最終的には、最後の電極本体１４ｈでの成長が充電用電極に到達し、これにより回路がショートして成長が完了したことが示される。
【０１２３】
一般的に、任意の時間において、金属燃料の成長の大部分は、カソード電位が与えられた最後の（すなわち最も直近の）電極本体に関連付けられる。つまり、電解質が電極本体１４ａ−１４ｈを通過しこれらに直交して流れる本実施形態においては、電解質の流れに対して最も上流のカソード電極本体に金属燃料の成長の大部分が関連付けられる。これは、燃料イオンの濃度が上流側でより高く、これにより最初に接触するカソード電極で多くの燃料イオンが電解質から還元され、その結果、下流（すなわち、電極本体１４ａに向かう方向）にある後段の電極本体においては、還元や析出に用いられるイオンが少なくなるためである。このように、図１８においては、電極本体１４ｄの電気的接続が確立されてカソード電位を有するようになると、還元反応の大部分は電極本体１４ｄ及び電極本体１４ｄから上流側へ広がる任意のデンドライト又はそれ以外の成長形態において起こる。同様に、還元及び析出のある程度の部分は電極本体１４ｃ及びその成長形態に関連付けられるが、イオン濃度が低いので、電極本体１４ｃでの還元及び析出は少ない。また同様に、電極本体１４ａ、１４ｂ及びそれらの成長形態に関連付けられる還元及び析出は除々に少なくなり、本体１４ａでは最も少なくなる。このように成長の勾配が漸減することにより、最も還元が進んでいない還元領域において還元及び析出の量が最大となり、下流にある先行する還元領域でも継続して析出が起こってその密度を増加させることができる（通過する流れが妨害されるほど多くの析出が起こらないことが好ましい）。本発明はこの段階的な成長密度に限定されるものではない。
【０１２４】
本実施形態における成長パターンは比較的特殊なものであり特筆すべきものである。一般に、電気化学電池セルを再充電する際に、樹枝状又はそれ以外の成長形態はカソード（すなわち透過性電極本体）からアノード（すなわち電用電極１５）の方向へ向かうことが多い。このことは、本発明の技術分野において望ましくないものと一般に考えられており、電気化学電池セルの多くは、そのような成長を抑制し又は防ぐために、電解質にデンドライト阻害剤を使用するなど様々な手段を用いている。しかし、本実施形態においては、成長は許容するもののその向きが逆方向になるように、流速、燃料イオン濃度、及び外部電流（より具体的には透過性電極本体１４ａ−ｈ及び充電用電極１５に与えられる電位）が制御される。具体的な科学理論による制約を受けることなく、充電用電極１５への流れを用いることにより、成長が充電用電極１５の方向に現れるという全体傾向に対して拡散律速凝集が支配的影響を及ぼすようにすることができる（すなわちアノード充電時）。拡散律速凝集によって、析出の成長が還元可能な燃料イオンの密度勾配の向きに現れる傾向が見られる。本実施形態においては、各電極本体１４ａ−ｈにおいてカソード電位によって規定される還元領域を横切って電解質が流れるときにイオンが還元されるので、上流側（すなわち充電用電極から離れた位置）における電解質中のイオン濃度は下流側（すなわち充電用電極の近くの位置）よりも大きくなる。このように、適切な流速及び起こりうる拡散との関連で適切な濃度を維持することによって、還元領域の上流と下流との間の濃度の差を制御して、析出する金属が充電用電極１５から離れる方向へ成長するようにすることができ、これにより、充電用電極１５に向かう方向に成長が現れるという一般的な傾向を支配することができる。
【０１２５】
具体的な成長パターンを支配するパラメータは、パラメータ相互の関連性によって変化する。例えば、流速が高速になると、電解質が還元電位に露出する時間が必然的に少なくなるので、通常、任意の還元領域における燃料イオンの変動が少なくする。これにより、充電用電極に近づく方向への成長が起こりやすくなる。一方、流速が低速の場合には充電用電極から離れる方向への成長が起こりやすくなる。同様に、充電用電極と電極本体との間の電位差が大きくなると、充電用電極に近づく方向への成長が起こりやすくなる一方、電位差が小さいと逆方向への成長が起こる。また、任意の還元領域において、燃料イオン濃度が高いと上流側と下流側との間の勾配が小さくなり、充電用電極に近づく方向への成長が起こりやすくなる。一方、イオン濃度が低いと逆向きの成長が起こりやすい。また、他の要因、例えば温度、ｐＨ、又はこれら以外の電解質の特徴も成長の方向に影響を与える。これらの要因は競合する関係にあり、単一の要因によって最終的な成長パターンが完全に決定付けられることはないので、充電用電極から離れる方向への望ましい成長を実現するために、これらの要因は互いとの関係で変更及び調整され、その結果、電極本体のスタックが析出した燃料で充填される。
【０１２６】
この方法で実現される成長の有利な効果は、成長する方向が競合していることによって、電極本体１４ａ−ｈの間でその成長をより緩やかに発生させることができ、その結果、成長が進行するにつれて成長がより密に起こるようにできることである。
【０１２７】
本発明の配列を変更して充電用電極１５から遠位にある電極本体１４ｈを端子用電極本体とした態様も本発明の範囲に含まれる。このような配置においては、充電用電極１５から遠ざかる方向ではなく近づく方向が望ましい成長の方向となる。このような場合、流れを逆向きにして充電用電極１５から遠ざかる方向（すなわち、電極本体１４ａから電極本体１４ｈに向かう本実施形態の通常の電流生成方向）に流れるようにすることができる。この配置においては、そのアノード電位によって金属が充電用電極１５に近づく方向に成長するという自然な傾向と、充電用電極１５に近づく上流側において燃料イオン濃度が高いという点との両方の理由によって、充電用電極１５に近づく方向への燃料の成長が圧倒的に優勢である。この態様も可能であり、本発明の広範な範囲に含まれるが、成長を反対方向へ方向付ける競合的な要因がほとんど又は全く存在しないので、この成長は非常に急速に起こる可能性があり、得られる成長の形態は低密度となる可能性がある。より具体的には、成長がより急速に起こるため、電極本体間の接続がより急速に確立され、これにより電極本体の各組間の成長が低密度となる傾向がある。このことは、幾つかの実施形態においては好ましい可能性がある。
【０１２８】
上述のように、第２の電極１２又はギャップ６０内等の第２の電極と同じ側にある別個の第３の電極を充電用電極とすることも可能である。この場合、電極本体１４ａは充電のための端子用電極本体として用いられ、流れは、第１の電極１４から充電用電極に近づく方向（すなわち、第１の電極１４において電極本体１４ａから電極本体１４ｈへの方向）に流れる。このような手法においては、電位差が析出の方向性に関して主要な要因であり、流れ透過性の成長が端子用電極本体１４ａから電極本体１４ｈに近づく方向に向けて現れるようにすることが望ましい。このような配置においては、成長が濃度勾配の方向（すなわち上流方向）に現れるという傾向からもたらされる競合的な要因によって、有益に成長密度を向上させることができる。または、流れを逆転させて充電用電極から離れて第１の電極を通り抜けるようにし（すなわち、第１の電極１４において電極本体１４ｈから電極本体１４ａへ向かう方向）、その結果、この方向において電位及び濃度の勾配の両方が成長の方向性に影響を与えるようにすることも可能である。
【０１２９】
同様に、第２の電極１２又は第２の電極１２と同じ側にある別個の電極のいずれかが充電用電極になる場合には、電極本体１４ｈを充電時に端子用電極本体として用い、流れが第１の電極１４から充電用電極に近づく方向に向かうようにすることができる（すなわち、第１の電極１４において電極本体１４ａから電極本体１４ｈへの方向であり、通常の電流生成方向と同じ方向である）。この手法において、流れ透過性の成長が端子本体１４ｈから電極本体１４ａへ向かう方向（すなわち充電用電極から離れる方向）に現れるように析出の方向性を決めるための主要な要因は濃度勾配である。この成長パターンは、充電用電極の位置や流れの方向は逆向きであるが、図１４−１８に示された実施形態と類似する。この実施態様における密度は、電位により誘起される充電用電極に近づく方向の成長の傾向と濃度により誘起される流れの上流方向への成長の傾向との競合によって実現される値となる。
【０１３０】
他の実施形態においては、第１の電極１４の両方向性の充電を提供することが可能である。例えば、充電中に、第１の電極１４から充電用電極１５に向かう方向に流れる電解質を、１回又は複数回、反対方向（すなわち、充電用電極１５から第１の電極１４に近づく方向）に流れるようにすることができる。その結果、両方の方向への成長が実現され、これにより充電用電極１５に近づく方向及び離れる方向の二方向への金属燃料の成長が提供される。このような手法においては、電極本体１４ａ−ｈのいずれか１つ（中間の電極本体の任意の１つを含む）が端子用電極本体として用いられる。このように、本発明の最も広い態様は、単一方向の成長に限定されるものではない。
【０１３１】
上述のように、電極と直交する流れではなく電極と平行な流れのあるセル内で、又は流れの無いセル内で、複数の電極本体の析出技術を実施することができる。このような実施形態においては、端子用電極本体を充電用電極（すなわち、再充電時にアノードとして機能する電極）から遠位に配置し、充電用電極に近づく方向の成長がアノード電位に向かって成長するという自然な傾向によって起こり、この成長が複数の電極本体１４ａ−１４ｈを経て進展するようにすることが望ましい。
【０１３２】
充電を完了するために、電流が除去されて充電が終了する。
【０１３３】
充電が完了すると、そのセルは電流を生成するために用いることができる。セルは、先行する実施形態に関連して説明された方法を含む任意の方法で動作させることができる。金属燃料は、アノードとして機能する第１の電極１４の透過性電極本体１４ａ−ｈで酸化される。また、酸化剤はカソードとして機能する第２の電極１２で還元される。この結果、生成された電子は第１の電極から第２の電極へ負荷を介して伝導され、酸化された燃料イオンと還元された酸化剤イオンとが反応して電解質中に副生成物が生成される。先行の実施形態に関連して説明されたように、電解質は、好ましくは、流路に沿って第１の電極１４から第２の電極１２へ向かう方向へ流れ、（ａ）第１の電極１４の透過性電極本体１４ａ−ｈを通りギャップ６０を横切って第２の電極１２の方向へ流れることにより、少なくとも電解質と酸化された燃料イオンとを第１の電極１４から離れて第２の電極１２へ向かう方向に輸送し、（ｂ）続いて単数又は複数の帰還流路６６を通って流れることにより、少なくとも電解質及び酸化された燃料イオンや還元された酸化剤イオンの反応により形成された副生成物をギャップ６０から離れる方向に輸送する。電流生成は、先行する実施形態に関連して説明したように電解質が流路に沿って流れることで起こることが望ましいが、任意の種類の電気化学電池セルを用いる上述の充電方法を使用することも本発明の範囲に属する。この電気化学電池セルには、平行な流れを用いるものや流れに依存した電流生成の支援を行わないものも含まれる。
【０１３４】
図１４−１８に示される実施形態においては、第２の電極１２に隣接する透過性電極本体１４ｈを、（充電用の端子用電極本体であるか否かには関係なく）電流が供給される負荷に接続するための端子用電極本体として用いてもよい。実際には、酸化は電極本体１４ａ−ｈのスタック全体で起こるが、その消費は電極スタックを通り第２の電極１２に近づく方向に段階的に進む。この消費は、具体的には、第２の電極から遠位にある電極本体１４ａから隣接する電極本体１４ｈに至るまで段階的に進む。この段階的進行は、酸化された燃料イオンがスタック中の隣接電極本体１４ｈの上流において生成され、酸化領域として機能するアノード電極本体及びその成長形態に露出され続けるため、この酸化された燃料イオンが再還元される傾向にあるため起こると考えられる。これにより「カスケード」効果が得られる。つまり、上流のアノード領域において燃料が酸化され、スタック全体を通して段階的に還元される。このようにして、燃料が第２の電極の方向に段階的に消費される。最終的には、スタック全体で起こる酸化全体の正味の結果として、酸化された燃料イオンがギャップに流入して隣接する電極本体１４ｈから離れる方向へ移動し、これにより、上述の残りの燃料セル反応がギャップで起こるようにする。このように、酸化された燃料イオンが隣接する電極本体１４ｈから離れる方向に輸送されることに基づいて、全体の最終的な反応により継続的に電子が生成される。この動作は、酸化された燃料イオンを電極本体１４ｈから離れる方向へ積極的に輸送する上述した輸送流れを用いることにより改善される。このようにして、燃料消費の進行は（一実施形態に関連して説明すると）電極本体１４ａ及びその関連する成長形態において始まり、各電極本体が分離されて機能しなくなり電極本体１４ｈにおける燃料が最終的に消費されるまで、電極スタック全体にわたって進行する。ここに述べたこと本発明を限定するためになされたのではなく、燃料を消費する他の配置を提供してもよいし、流れはいずれの方向に流れても又は全く用いられなくともよい。
【０１３５】
図１９及び２０は、スタック中の本体１４ａ−１４ｈが負荷と連結された他の実施形態を示す。このような手法を用いることで、電力生成時（すなわち放電時）に、酸化をスタック全体で起こすことができ、その結果開放された電子を負荷へ伝導することができる。電流を集めるための端子を電極本体１４ａ−１４ｈ全てに接続することにより、電子を各電極本体から直接集めることができる。また、この配置は、本体間の成長を消費して他の電極本体から「非接続」となった電極本体から、その電極本体で継続中の酸化反応による電流を収集することができる点でも望ましい。このような状況は、様々な要因に基づいて電力生成又は放電時に起こる。幾つかの実施形態において、このような手法は、上述のように、負荷との接続に単一の端子を用いるよりも望ましい。
【０１３６】
しかし、上述した燃料の段階的成長を実現しようとするときには、電極本体を全て並列に接続することは望ましくないこともある。その代わり、１つの（又は選択された少数の）電極を充電時に外部回路に接続することが望ましい。
【０１３７】
図１９は図１６と類似する実施形態を示すが、負荷が、第１の電極１４の電極本体１４ａ−１４ｈのそれぞれと並列に、また第２の電極１２（ここでは充電用電極１５とは異なるもので、図１４及び図１５に示されるようにギャップによって離間されている）と接続されている。したがって、電流生成時には、燃料は第１の電極１４で酸化され、生成された電子が負荷に電力を供給するために伝導され、続いて酸化剤の還元（既に詳細に述べた）のために第２の電極１２に伝導される。図１９にはさらに、充電用電極１５と電極本体１４ａとの間に接続され、充電のために用いられる電力供給装置が概略的に示されている。既に詳細に説明したように、電力供給装置は、燃料が還元されて端子用電極本体１４ａに析出し、対応する酸化反応が充電用電極１５で起こるように、端子用電極本体１４ａと充電用電極１５との間に電位差を与える。上述のように、成長が、電極本体１４ａから電極本体１４ｈに近づく方向にスタック全体を通して段階的に起こるようにするために、単数又は複数の電流アイソレータ９０が提供され、他の電極本体１４ｂ-１４ｈを電力供給装置に接続された回路から絶縁させる。
【０１３８】
電流アイソレータ９０によって、充電時における燃料の段階的な成長によるものを除き、電極本体１４ａ−１４ｈ間の電流の流れを防止することができる。電流アイソレータ９０はさらに、段階的な成長による接続のみが確立されるように、電極本体１４ｂ-１４ｈが電力供給装置と電気的に直接接続されないようにする。換言すれば、アイソレータ９０によって、電力供給装置の電位が充電時に電流によって電極本体１４ｂ-１４ｈに直接加えられないようにする。このようにして、電流／電位が電極本体１４ｂ-１４ｈに加えられる唯一の方法は、上述のようにスタックにおいて析出された成長を経由するもののみとなる。電流アイソレータ９０は任意の形態を取ることができ、特定のアイソレータに限定されるものと解すべきではない。例えば、電流アイソレータ９０は、電極本体１４ａ−１４ｈから負荷を含む回路部への電流の流れは許容するが逆向きの電流の流れを阻止するように配置された単数又は複数のダイオードであってもよい。同様に、電流アイソレータ９０は、電力生成／放電時には閉じて負荷を含む回路部に電極本体１４ａ−１４ｈを接続し、充電時には開放して電極本体１４ａ−１４ｈをその回路から分離、絶縁するスイッチであってもよい。開位置と閉位置との間でスイッチ動作を制御する任意の好適な制御機構が提供される。例えば、開位置の方向に付勢されたリレースイッチを用いることができる。このリレースイッチは、電力供給装置に接続された誘導コイルを備え、電力供給装置によって充電開始時にスイッチが閉じられる。また、複数の電極本体１４ａ−１４ｈへの個別接続を可能にするより複雑なスイッチを用い、負荷及び電極間の接続／切断を実現することもできる。また、電流アイソレータを別種の構成要素とすることもできる。例えば、電極本体１４ａの電流アイソレータ９０としてスイッチを用い、電極本体１４ｂ-１４ｈ用には一方向ダイオードを用いることができる。電子の流れは、図１９において点線及び実線で示され、電流アイソレータの機能を全体的に示している。同様の絶縁を提供する任意の好適な電子部品を用いることもできる。
【０１３９】
また、図１９の構成は、本明細書において示された任意の他の実施形態又は本発明の範囲に含まれる任意の他の実施形態において機能するように適宜変更を加えることができる。例えば、他の電極本体（例えば本体１４ｈ）が充電時に端子用電極本体として用いられる場合には、電力供給装置はその電極本体と接続され、単数又は複数の電流アイソレータは充電時に負荷を含む回路及び他の電極本体からその電極本体を絶縁するために用いられる。
【０１４０】
図２０は、第２の電極１２が充電用電極を兼ねる実施形態を示す（したがって、この図において、充電用電極は参照符号１２及び１５で表される）。したがって、上述したように、第２の電極１２は電力生成／放電時にカソードとして機能し充電時にはアノードとして機能する。図２０において、負荷は第１の電極１４の電極本体１４ａ−１４ｈのそれぞれ及び第２の電極１２と並列に接続される。したがって、電流生成時には、第１の電極１４において燃料が酸化され、生成された電子が負荷に伝導されて電力を供給し、続いて酸化剤の還元のために第２の電極１２に伝導される（既により詳しく説明した）。図２０はさらに、第２の電極１２と端子用電極本体１４ａとの間に接続され充電に用いられる電力供給装置を概略的に示す。既に詳しく説明したように、電力供給装置は、端子用電極本体１４ａと第２の電極１２との間に電位差を加え、その結果、燃料が還元されて端子用電極本体１４ａに析出し、対応する酸化反応が第２の電極１２（充電用電極として機能する）において起こるようにする。成長が電極本体１４ａから電極本体１４ｈに向かってスタック全体を通して段階的に起こるようにするために、上述のように、単数又は複数の電流アイソレータ９０が提供され、他の電極本体１４ｂ-１４ｈを電力供給装置に接続された回路から絶縁する。また、単数又は複数の（本実施例では一組の）第２の電流アイソレータ９２を設け、電力生成時に電力供給装置を電極１２、１４及び１５から絶縁してもよい。第３の電流アイソレータを設け、充電時に第２の電極１２及び電力供給装置を、他の電極本体１４ａ−１４ｈ及び負荷を含む回路から絶縁するようにしてもよい。
【０１４１】
図１９における電流アイソレータと同様に、図２０における電流アイソレータ９０も、燃料の段階的成長による流れを除き、充電時に他の電極本体１４ｂ−１４ｈと電力供給装置との間で回路を経由して電流が直接流れないようにすることができる。また、電流アイソレータ９０によって電極本体間に電流が流れることを防ぐこともできる。換言すれば、アイソレータ９０は、充電時に電力供給装置の電位が電極本体１４ｂ-１４ｈに回路を介して直接加えられることを防ぐことができる。したがって、上述したように、電流／電位は、電極本体１４ｂ-１４ｈにスタックにおける析出の成長を通してのみ加えられる。図示された構成ではダイオードは絶縁の機能を果たさないので、図２０における電流アイソレータ９０は開位置と閉位置との間で動作するスイッチであることが望ましい。同様に、第２の電流アイソレータ９２も、電力生成時に、電流が電極と電力供給装置との間を流れることを防止することができるが、充電時には電流が電力供給装置から流れることを許容する。また、第３の電流アイソレータ９４は、充電時に、第２の電極と負荷を含む回路部分との間及び第２の電極と他の電極本体１４ａ−１４ｈとの間の電流の流れを防ぐが、電力生成時には、電流が負荷から第２の電極１２へ流れることを許容する。これらの第２及び第３の電流アイソレータは幾つかのシステムにおいては省略可能である。このような構成によって、電流／電位が電極本体１４ｂ-１４ｈに加えられる唯一の方法は、上述のように、スタックにおいて析出した成長を経由することである。電流アイソレータは、上述したものを含む任意の形態を取ることができ、特定のアイソレータに限定されるものではない。
【０１４２】
本発明の任意の実施形態においては、電極本体ごとの段階的な成長を起こすためにカソード電位を１つの電極本体に加えるのではなく、カソード電位をアノードの電極本体全てに同時に加えることも可能である。１つの端子から広がる段階的な成長は、高密度を提供するので、効果的である。特に、段階的成長によって後段の本体が接続される間、先行して接続された電極本体における成長が継続する。しかし、段階的成長には、カソード電位を複数の電極本体に同時に加える場合よりも多くの時間を要する。同一の電位が加えられた電極本体を用いる場合には、充電用電極１２、１５と近接する電極本体との間でショートが起こるまでの間しかその成長は起こらない。このようにして、より短時間で低密度の成長を実現することができる。この方法は、幾つかの再充電の用途に適している。
【０１４３】
上述の実施形態は、専ら本発明の原理の構成及び機能を説明する目的で提示されたものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。例えば、本発明は、様々な燃料、様々な酸化剤、様々な電解質、及び／又は様々な全体構成又は物質を用いて実施することができる。このように、本発明は、請求項に記載された本発明の趣旨及び範囲に属する全ての変更、代替物、修正、及び均等物を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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