(57)【要約】  燃料電極は第１及び第２のコルゲート部分を備え、第１及び第２のコルゲート部分は自身のコルゲート軸についてずれた角度で互いに取り付けられて互いに補強している。第１のコルゲート部分は、第２のコルゲート部分に対して直交して延在してもよい。第１及び第２のコルゲート部分は金属ワイヤから形成してもよく、非常に高い体積空隙率及び高い表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有することができる。さらに、ワイヤのストランドは、ｓａ／ｖｏｌを最大にすると同時に集電体への高い導電性を可能にするように選択されてもよい。加えて、周期距離、振幅及び幾何学形状を含む波形の形状は、剛性要件及び電気化学セルの用途を考慮して選択される。燃料電極の厚みを小さくするために、第１及び第２のコルゲート部分にカレンダー加工又は圧潰を施してもよい。
2019532477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料で形成され、第１のコルゲート軸を有する第１のコルゲート部分であって、当該第１のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第１のコルゲート部分と、
導電性材料で形成され、前記第１のコルゲート軸からずらして配置される第２のコルゲート軸を有する第２のコルゲート部分であって、当該第２のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第２のコルゲート部分と、
前記第１のコルゲート部分と前記第２のコルゲート部分とを互いに取り付ける電極取付け部と、
を備える電気化学セルの燃料電極。
【請求項２】
前記第１のコルゲート軸からの前記第２のコルゲート軸のずれは、約２５度から約９０度の間である、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項３】
前記第２のコルゲート軸は前記第１のコルゲート軸から約４５度ずらして配置される、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項４】
前記第２のコルゲート軸は前記第１のコルゲート軸から約９０度ずらして配置される、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項５】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は、約０．５〜約１０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項６】
約０．２５〜約３０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項７】
約１．０〜約１０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項６に記載の燃料電極。
【請求項８】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は、約５０％〜約９５％の開口表面積を有する、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項９】
前記燃料電極は、約９０％〜約９９．５％の体積空隙率を有する、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１０】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の少なくとも一方は、当該コルゲート部分を貫通する前記複数の開口部を有するシートを含み、前記シートは実質的に均一な厚みを有する、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１１】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の少なくとも一方は、スクリーンを含む、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１２】
前記スクリーンは織りスクリーンである、請求項１１に記載の燃料電極。
【請求項１３】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部を有する、請求項１１又は１２に記載の燃料電極。
【請求項１４】
前記コルゲート軸方向延在部及び前記コルゲート横方向延在部はワイヤである、請求項１３に記載の燃料電極。
【請求項１５】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の両方がスクリーンであり、前記第１のコルゲート部分の前記コルゲート軸方向延在部は延在して集電体に接続される、請求項１３に記載の燃料電極。
【請求項１６】
前記第１のコルゲート部分は第１のコルゲート比を有し、前記第２のコルゲート部分は第２のコルゲート比を有し、
前記第１のコルゲート比及び前記第２のコルゲート比は共に０．７５より大きく且つ約５．０以下である、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１７】
前記取付け部はステッチである、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１８】
前記取付け部は、前記第１のコルゲート部分から前記第２のコルゲート部分の一部分の周りへと延在するステープルを含む、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項１９】
前記取付け部は、前記第２のコルゲート部分と融着した前記第１のコルゲート部分を有する溶接取付け部を含む、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項２０】
導電性材料で形成され、前記第２のコルゲート軸からずらして配置される第３のコルゲート軸を有する第３のコルゲート部分であって、当該第３のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第３のコルゲート部分を更に備え、
前記第３のコルゲート部分と前記第１コルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分とは、前記電極取付け部によって互いに取り付けられている、請求項１に記載の電極。
【請求項２１】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分はそれぞれ金属スクリーンである、請求項１に記載の燃料電極。
【請求項２２】
前記ワイヤは実質的に内部表面積を有さない、請求項１４に記載の燃料電極。
【請求項２３】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は共に、カレンダー加工される又は圧潰される、請求項１から２２の何れか一項に記載の燃料電極。
【請求項２４】
請求項１から２２の何れか一項に記載の前記燃料電極と、
カソードと、
前記燃料電極及び前記カソードと反応するイオン伝導性媒質と、
を備える電気化学セル。
【請求項２５】
前記電気化学セルは金属空気電池であり、前記カソードは空気極である、請求項２３に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第62/410,852号に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、電気化学的電力システムの燃料電極に関し、特に金属−空気再充電可能電力システムの燃料電極に関する
【背景技術】
【０００３】
電池及び電力システムの燃料電極は、当該燃料電極から及び当該燃料電極へと電流を流すのに、電解質などのイオン伝導性媒質との接触及び集電体との電気的結合を必要とする。多くのシステムにおいて、堆積させる燃料の厚さを最小にすると共に電極上への燃料の装填を可能とするべく、燃料電極と電解質との間の接触面積を大きくすることが望ましい。体積に対する表面積の比（表面積対体積比とも呼ばれ、ｓａ／ｖｏｌ又はＳＡ：Ｖと表記される、材料が占める単位体積当たりの表面積の量）が非常に高い燃料電極が望ましい。また、燃料の堆積が制限される可能性があることから、表面が電解質に容易に接触可能であり、燃料電極材料内に小さな内部空隙が存在しないことが望ましい。加えて、燃料電極の角部は電荷が集中する領域であることから、角部が少なく、また、デンドライトが形成されるのを防ぐべく滑らかな表面を有することが望ましい。燃料電極は通常金属製であり、燃料電極のコストを低く抑えるには、比表面積、すなわち、単位質量当たりの表面積ｍ2／ｇが大きい方が望ましい。
【０００４】
多孔質金属燃料電極は、高いｓａ／ｖｏｌを提供可能であるが、多くの用途においてコストが高い上に、不規則な形状の細孔を有する。多孔質金属内の細孔は様々なサイズを有し、多孔質金属の外部から多孔質金属内の最も内部の細孔へと曲がりくねった経路を呈する。内部表面領域への曲がりくねった経路及び非常に小さな細孔孔によって、電解質の流れが制限される可能性があり、その場合、交換速度及び反応速度の低下をもたらす。加えて、多孔質金属燃料電極内の細孔のいくつかは堆積物で塞がれる又は目詰まりすることがあり、目詰まりした細孔は反応に利用できなくなるので、時間の経過と共に有効なｓａ／ｖｏｌ比が低下する。電解質は、多孔質金属の外面から迷路のようにはりめぐらされた細孔を通って流れ、多孔質金属の深部内の細孔及び表面領域に到達させる必要がある。したがって、多孔質金属の構造は、初期のｓａ／ｖｏｌ比が高い一方で、物質移動が制限される可能性があり、また、細孔が閉塞されるとｓａ／ｖｏｌ比が経時的に減少する可能性がある。さらにコストが高いという問題もある。
【０００５】
さらに、燃料電極が曲がったり撓んだりすると、反対側の電極に接触してシステムをショートさせる可能性がある。シート状の材料からなる燃料電極は、そのような撓み及び湾曲の影響を受けやすい。これを防止するために、スペーサ又はセパレータを燃料電極と対向電極又はカソードとの間に配置して短絡を防止することが多い。燃料電極はスペーサと直接接触して配置される場合があり、この場合、反応に利用可能な表面積が減少する。また、スペーサはコストを増大させ、セル内の電解液の流れ及び混合の程度を減少させる可能性がある。
【０００６】
さらに、一部の電気化学システムでは、デンドライトなどの堆積物が燃料電極上に形成されて表面から延出する場合がある。デンドライトが反対側の電極と接触すると、システムを短絡させる可能性がある。デンドライトはまた、燃料電極の表面から外れてセルの底部に落下し、そこで堆積して反対側の電極まで到達して、短絡を引き起こす可能性がある。
【０００７】
電極構造の一部を形成するために金属発泡体（金属フォーム）又は３Ｄ発泡体が使用されたものも存在する。しかしながら、金属発泡体は、例えば、不規則性を生じさせる、開口面積が小さくなる、鋭い又は望ましくない角度及び角部を有する粗い表面が生成される、及び、表面積対体積比が小さい等、様々な理由から理想的ではない。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一態様は、電気化学セルの燃料電極を提供する。燃料電極は、導電性材料で形成された第１のコルゲート部分を備える。第１のコルゲート部分は第１のコルゲート軸、及び、当該第１のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する。第２のコルゲート部分は導電性材料で形成される。第２のコルゲート部分は第１のコルゲート軸とはずらして配置される第２のコルゲート軸を有する。また、当該第２のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する。電極取付け部は、前記第１のコルゲート部分と前記第２のコルゲート部分とを互いに取り付ける。
【０００９】
本発明の他の態様は、金属燃料が電着した上記の燃料電極と、空気極のようなカソードと、燃料電極とカソードとの間のイオン伝導性媒質とを備える電気化学セルを提供する。
【００１０】
本発明の上記以外の目的、特徴及び効果は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するべく本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明を助ける。
【００１２】
【図１】浸漬された酸化剤還元極を有する電気化学電池の模式図である。
【００１３】
【図２】電気化学電池の境界壁を画定する酸化剤還元極を有する電気化学電池の模式図である。
【００１４】
【図３】金属発泡体の表面の画像である。
【００１５】
【図４】金属発泡体の表面に堆積した燃料の断面図である。
【００１６】
【図５】金属ワイヤ上に堆積した燃料の断面図である。
【００１７】
【図６】図５に示したものよりも小さい２本の金属ワイヤ上に堆積した燃料の断面図である。
【００１８】
【図７】燃料堆積の厚さに対するデンドライト形成の確率を示したグラフである。
【００１９】
【図８】アンペア時に対する燃料堆積の厚さを示すグラフであり、異なる燃料電極に対応する２本の線が示されている。
【００２０】
【図９】可撓性のある金属スクリーンを示す。
【００２１】
【図１０】一軸方向に可撓性を有し反対の軸方向における波形によって補強されているコルゲート金属スクリーンを示す。
【００２２】
【図１１】第１のコルゲート部分の一例の斜視図である。
【００２３】
【図１２】図１１に示した第１のコルゲート部分のコルゲート軸端面図である。
【００２４】
【図１３】第２のコルゲート部分の一例の斜視図である。
【００２５】
【図１４】図１３に示した第２のコルゲート部分のコルゲート軸端面図である。
【００２６】
【図１５】別個に設けられる取付け部によって第２のコルゲート部分に取り付けられた第１のコルゲート部分を有する燃料電極の一例の斜視図である。
【００２７】
【図１６】図１５に示した燃料電極の一例のコルゲート軸端面図である。
【００２８】
【図１７】コルゲート横方向延在部よりも断面寸法が大きいコルゲート軸延在部を有する第１のコルゲート部分の一例の斜視図である。
【００２９】
【図１８】コルゲート軸延在部とコルゲート横方向延在部の断面を示す図である。
【００３０】
【図１９】第３のコルゲート部分の一例の斜視図である。
【００３１】
【図２０】図１９に示した第３のコルゲート部分のコルゲート軸端面図である。
【００３２】
【図２１】互いにオフセット角度で取り付けられた第１、第２及び第３のコルゲート部分を有するコルゲート燃料電極の一例の端面図である。
【００３３】
【図２２】互いにオフセット角度で取り付けられ、異なるコルゲート振幅及びコルゲートピッチを有する第１、第２及び第３のコルゲート部分を備えるコルゲート燃料電極の一例の端面図である。
【００３４】
【図２３】コルゲートシート材を貫通する別個に設けられた複数の開口部を有する第１のコルゲート部分の一例の斜視図である。
【００３５】
【図２４】鋸歯状の波形又はプリーツを有する第１のコルゲート部分の一例の端面図である。
【００３６】
【図２５】オフセットコルゲート軸角度における第１、第２及び第３のコルゲート部分の一例を示した図である。
【００３７】
【図２６】互いに取り付けられた第１、第２及び第３のコルゲート部分を有し、隣接するコルゲート部分間の波形に剥離した物質又はデンドライト物質が捕獲されている燃料電極の一例の側面図である。
【図２７】互いに取り付けられた第１、第２及び第３のコルゲート部分を有し、隣接するコルゲート部分間の波形に剥離した物質又はデンドライト物質が捕獲されている燃料電極の一例の側面図である。
【００３８】
【図２８】波形の山及び谷に直線状部分を有するコルゲート部分の一例の端面図である。
【図２９】波形の山及び谷に直線状部分を有するコルゲート部分の一例の端面図である。
【００３９】
【図３０】第１のコルゲート部分の谷に沿って延在するステッチ線取付け部によって取り付けられた第１及び第２のコルゲート部分を示す。
【００４０】
【図３１】第１のコルゲート部分の谷に沿ってステープルによって取り付けられた第１及び第２のコルゲート部分を示す。
【００４１】
【図３２】第１のコルゲート部分の谷に沿って溶接アタッチメントによって取り付けられた第１及び第２のコルゲート部分を示す。
【００４２】
【図３３】一実施形態に係る、燃料電極として使用され、電気化学セル内にカソードと共に配置されるコルゲート構造の一例を概略に示した端面図である。
【００４３】
【図３３】別の実施形態に係る、燃料電極として使用され、電気化学セル内にカソードと共に配置されるコルゲート構造の一例を概略に示した端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
同様な参照番号及び記号は、添付の複数の図面にわたって対応する部分を示している。これら図面は、本発明の実施形態のいくつかを説明するべく表されており、決して本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。また、図は必ずしも縮尺通りではなく、特定の構成要素の詳細を示すためにいくつかの特徴を誇張して表している場合がある。したがって、本明細書に開示された特定の構造上及び機能上の詳細は、限定事項として解釈されるべきではなく、単に本発明を様々に使用することを当業者に教示するための代表的な基本事項として解釈されるべきである。
【００４５】
本明細書で使用される、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」又はこれらに類する言葉は、非排他的な包含を意図している。例えば、列挙された要素を備えるプロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されず、明示的に列挙されていない要素又は当該プロセス、方法、物品もしくは装置に固有の他の要素を含み得る。また、「ａ」又は「ａｎ」の使用は、本明細書に記載の要素及び構成要素を説明するために採用されている。これは単に便宜上及び本発明の範囲の一般的な意味を与えるために行われている。したがって、以下の説明において、構成要素が一つ又は少なくとも一つ含まれるとして読まれるべきであり、そうでないことが明示的に示されていない限り、当該佼成要素が複数存在する場合も含まれる。
【００４６】
本明細書と参照により援用される文書とが矛盾する及び／又は矛盾する開示を含む場合、本明細書が優先されるものとする。
【００４７】
本発明の例示的な実施形態が本明細書及び添付の図面に示されている。記載された実施形態は、本発明を説明することのみを目的としており、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。当業者には本発明の他の実施形態ならびに記載された実施形態の特定の修正、組み合わせ及び改良が理解でき、そのような代替実施形態、組み合わせ、修正、及び改良はすべて本発明の範囲内である。
【００４８】
電気化学セル１００の様々な部分が任意の適切な構造及び組成を有しており、それらにはプラスチック、金属、樹脂、又はこれらの組合せを含むがこれらには限定されない。従って、セル１００は、複数の構成要素から形成したり、一体に成型したり、といったように任意の方法で組み立てることができる。様々な実施形態において、セル１００及び／又はハウジング１１０は、米国特許第８，１６８，３３７号、第８，３０９，２５９号、第８，４９１，７６３号、第８，４９２，０５２号、第８，６５９，２６８号、第８，８７７，３９１号、第８，８９５，１９７号、第８，９０６，５６３号、第８，９１１，９１０号、第９，２６９，９９６号、第９，２６９，９９８号、及び、米国特許出願公開第２０１０／０３１６９３５号、第２０１１／００７０５０６号、第２０１１／０２５０５１２号、第２０１２／００１５２６４号、第２０１２／００６８６６７号、第２０１２／０３２１９６９号、第２０１３／００９５３９３号、第２０１３／０１１５５２３号、第２０１３／０１１５５２５号の各明細書のうちの一又は複数に記載された構成要素又は構成を含んでおり、これらの各明細書は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００４９】
図１は電気化学セル１００の概略断面図である。図に示すとおり、電気化学セル１００の構成要素は少なくとも部分的に、対応するハウジング１１０内に収容されている。電気化学セル１００は、ハウジング１１０内に収容されその中で循環してセル１００内でイオンを伝導するように構成された電解質１２６のような液体イオン伝導性媒質を用いている。イオン伝導性媒質は時にハウジング１１０内で、例えば停滞領域において、概ね静止しているものの、セル１００はイオン伝導性媒質の対流を生成するように構成されていることが理解できる。ある実施形態では、イオン伝導性媒質の流れは、セル１００内に放出されたガスの泡によって生成される対流であってもよく、これは例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１１５５３２号明細書に記載されており、これら出願の全内容は参照ににより本明細書に組み入れられる。
【００５０】
図１に示す実施形態においては、セルハウジングは酸化剤還元極１５０が酸化剤還元極モジュール１６０とともに電池室１２０内に浸漬されるように構成されているが、様々な実施形態においては、セル１００の他の構成が可能であることが理解されよう。例えば、図２において、セル１００の他の実施形態（具体的には、セル１００*）が提示されているが、ここで酸化剤還元極１５０*は電池室１２０の境界壁を画定しており、ハウジング１１０*の一部に封止されてその間にイオン伝導性媒質が浸出することを防いでいる。このような実施形態では、以下により詳細に説明される電池室１２０内のイオン伝導性媒質の対流は、燃料電極１３０の上部を横切って、酸化剤還元電極１５０*から上方かつ離れる方向に流れる。
【００５１】
図３に示すように、従来技術の金属発泡体４００は、互いに融着して細孔４０４を有する相互に接続された網目を形成する。細孔の大きさは可変である。この構造は、内部多孔部分又は内部表面領域４０２を有する。内部表面領域は、外面へと延びる表面領域又は外面の下に存在する表面領域を指す。さらに、金属発泡体及び焼結金属の多くは、粗い又は非常に小さい半径の要素を有する不規則な形状の細孔及び表面を有する。この構造は、デンドライトの形成につながり得る多数の尖った縁部又は突起を有する。
【００５２】
当該技術分野において一般的に知られている、金属発泡体４００上の燃料堆積３００層に形成されたデンドライト（樹状突起）３１０を図４は示している。デンドライトは、低曲率半径要素４０９又は金属発泡体表面から突出する部分上に形成されている。本明細書に記載されるように、表面からの突出部及び／又は尖った角部は、デンドライト形成をもたらし得る電荷集中の領域であり得る。また図４には、わずかに燃料が堆積した又は全く燃料が堆積していない内部表面領域４０２が示されている。金属発泡体の表面上の燃料堆積層３００によって内部表面領域が塞がれ、金属発泡体の当該内部表面上への燃料堆積が妨げられている。
【００５３】
上述したように、電極構造の一部としてこれらのタイプの金属発泡体又は３Ｄ発泡体を使用することは、不不規則性を生じさせる、開口面積が小さくなる、鋭い又は望ましくない角度及び角部を有する粗い表面が生成される、及び、表面積対体積比が小さくなることから望ましくない又は最適ではない。
【００５４】
図５に示すように、燃料電極は、直径２０９を有する燃料要素又は金属ワイヤ２０７と、当該ワイヤの周囲に堆積して厚さ３０２を有する燃料堆積層３００とを備える。さらに、デンドライト３１０が燃料堆積層に形成されている。
【００５５】
図６に示されるように、燃料電極は、図５に示したワイヤよりも小さい直径２０９’を有するワイヤ２０７’を備える。この場合もやはり、ワイヤの周りに堆積した厚さ３０２’の燃料堆積層３００が存在する。図６の各ワイヤ２０７’上の燃料堆積層の厚さは、図５の燃料堆積層の厚さより小さいが、図６の燃料電極の方が燃料を堆積させる表面積が大きい。これは、ワイヤの直径が小さいため、同じ全体容積内であれば、より多くのワイヤを配置することができるからである。したがって、燃料は、この大きな表面積にわたって薄い一層の構造で広がる。
【００５６】
図７は、燃料堆積の厚さに対するデンドライト形成の確率グラフを示している。燃料堆積の厚さが増すにつれて、デンドライト形成の可能性が高まる。したがって、所定量の堆積において、図５に示す燃料電極はデンドライト形成の確率閾値を超える場合があるが、図６における燃料電極はデンドライト形成閾値を下回ったままである。
【００５７】
図８は、アンペア時間に対する燃料堆積の厚さを、２つの異なる燃料電極について示したグラフである。所定のアンペア時間において、燃料は燃料電極の利用可能な表面積上に堆積されるが、より大きな表面積を有する図６の燃料電極では、燃料堆積層の厚さ方向の成長が遅くなる。したがって、図６に示す燃料電極の場合、デンドライト閾値を超えるまでより長い時間動作可能であり、高い動作容量を有する。しかしながら、図６に示すワイヤは直径が小さいワイヤを含み、したがって、柔軟になる又は脆弱になる可能性があり、望ましくない。本明細書に記載のコルゲート電極は、小さい直径のワイヤスクリーン又は他の構成であっても十分な剛性を提供することが可能である。
【００５８】
電気化学セル用の燃料電極は、互いにずらして配置されたコルゲート軸を有するように構成されて互いに取り付けられた２つ以上のコルゲート部分（本明細書全体を通して「コルゲート構造」とも呼ばれる）を備える。コルゲート部分を設けることにより、高いｓａ／ｖｏｌ比を有する堅牢なコルゲート積層燃料電極を製造できる。一のコルゲート部分の波形方向を他のコルゲート部分に対して回転させることにより、燃料電極の構造的剛性を高めることができる。さらに、コルゲート燃料電極の開口面積は、必要に応じて最適に調整可能であり、また均一にしてそこを通過する流れに対する抵抗を少なくしてもよい。例えば、第１のコルゲート部分はセル内で垂直になるように構成されてもよく、第１のコルゲート軸はセルの上部から下部まで延びる。第２のコルゲート部分は、第１のコルゲート部分に対して直交する方向に構成されてもよく、水平方向又はセルを横切る方向に延在する。コルゲート軸はセルの垂直／水平方向と必ずしも一致する必要はなく、図示の実施形態において説明の便宜上これらの方向を参照している。第１及び第２のコルゲート部分は、取付け部によって互いに取り付けられてもよく、互いに取り付けられた２つのコルゲート部分が互いに支持及び補強される。それにより、垂直及び水平方向に、又は、第１のコルゲート軸に沿って及び第１のコルゲート軸に直交する方向に、より堅牢な及びねじれに対して剛性を有する燃料電極を作り出すことができる。第２のコルゲート部分は、第２のコルゲート軸オフセット角で設けられてもよい。すなわち、第２のコルゲート部分の軸は、第１のコルゲート軸に対してある角度をなすようにずらして配置されている。一実施形態では、第２のコルゲート軸オフセット角は、好ましくは、少なくとも約３０度以上、約４５度以上、約６０度、９０度以上、又は、与えられたオフセット角を含む任意の範囲内の角度である。一実施形態では、第１のコルゲート軸に対する第２のコルゲート軸のオフセットは、約２５度から約９０度の間である。一実施形態では、第２のコルゲート軸は第１のコルゲート軸から約４５度ずらして配置されている。別の実施形態では、第２のコルゲート軸は第１のコルゲート軸から約９０度ずらして配置されている。一実施形態では、コルゲート構造及び／又は燃料電極の厚みを減らすべく、第１のコルゲート部分及び／又は第２のコルゲート部分をカレンダー加工又は圧潰してもよい。燃料電極は、２個以上、３個以上、４個以上、５個以上、１０個以上、及びこれらの数を含む範囲内の任意の適切な数のコルゲート部分を備えてもよい。
【００５９】
コルゲート金属部分は、金属、ニッケル、亜鉛、銅、アルミニウム、鋼、白金、金、銀、パラジウム、めっき金属、ニッケルめっき鋼、ニッケルめっきステンレス鋼等を含む導電性材料を主に含む又はそれから構成されてもよい。金属は、電解質の種類、導電率の要件及びコスト要件を考慮して、特定の電気化学的用途に合わせて選択することができる。
【００６０】
図９は、可撓性の金属スクリーン２９７からなる燃料電極２００を示す。図では、金属スクリーンは第１の軸２９６の方向に丸められているが、垂直な第２の軸２９８を中心に丸められる又は容易に曲げられる又は撓ませることも可能である。本明細書で使用されている一つの軸又は複数の軸は通常、電極の形状に対応する平面の主軸又はＸ−Ｙ軸を指し、厚さ方向のＺ方向ではない。コルゲート軸とは、より具体的には、複数の波形が延在する方向に平行な軸を意味する。
【００６１】
図１０に示すように、金属スクリーン２９７をコルゲート加工して燃料電極の第１のコルゲート部分２１０を形成する。複数の波形はコルゲート軸２１１方向に延在し、複数の波形の山と谷はコルゲート軸に沿って整列している。コルゲート部分は可撓性であり、コルゲート横軸を表す湾曲した両方向矢印線によって示されるように、コルゲート横軸２１２内で容易にうねらせる又は撓ませることができる。しかしながら、第１のコルゲート部分における複数の波形によってコルゲート軸方向金属スクリーンの剛性を増大させるので、コルゲート軸方向に曲げる及び撓ませる力に抗するように堅牢になる。
【００６２】
織りスクリーン又は織られた布の場合、織り自体により、コルゲート軸方向延在部とコルゲート横方向延在部とが結合されている。メッシュは、留め具、接着剤、溶接又ははんだ付けによって互いに接続されているコルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部を含んでもよい。溶接される取付け部はスポット溶接のように離散的に配置されてもよい。溶接取付け部は、互いに融着される第１のコルゲート部分及び第２のコルゲート部分のような融着部材を含む。第１のコルゲート部分からの金属ワイヤを第２のコルゲート部分の金属ワイヤに溶接して溶接取付け部を形成することができる。熱及び圧力を印加して圧縮部分を互いに融着させてもよい。拡散接合も使用することができる。拡散接合は、異種であり得る２つの金属を互いに接合することができる固相溶接法である。拡散は、濃度勾配により、接続部分を横切る原子の移動を伴う。拡散接合は従来の溶接ほど多くの加熱を必要とせず、それゆえに、より強固な接合をもたらすことが可能であることから、好ましい。抵抗溶接又は超音波接合もまた、第１のコルゲート部分を第２のコルゲート部分に接合するのに使用され得る。
【００６３】
図１１及び図１２に示すように、一例である第１のコルゲート部分２１０は、第１のコルゲート軸２１１方向に延びるコルゲート軸方向延在部２２４と、第１のコルゲート軸に直交する第１のコルゲート横軸２１２方向に延びるコルゲート横方向延在部２２６とを含む。この実施形態では、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部は、ストランドで構成されており、ストランドの断面寸法よりもはるかに大きい長さ、例えば、少なくとも１０倍の長さを有するワイヤなどのストランドである。ストランド間に開口部２２２が形成され、イオン伝導性媒質又は電解質が開口部を通過して流れるのを可能にしている。図１２に示すように、第１のコルゲート部分２１０は、第１の側面２１４と第２の側面２１６との間に第１のコルゲート振幅２１８又は厚さ２１５を有する。コルゲートピッチ２２１又は波形の繰り返し単位の距離が、図示されている。
【００６４】
図１３及び図１４には、一例として第２のコルゲート部分２３０が示されている。第２のコルゲート部分２３０は、第２のコルゲート軸２３１に延びるコルゲート軸方向延在部２４４と、第２のコルゲート横軸２１２方向に延びるコルゲート横方向延在部２４６とを含む。この実施形態では、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部は、ストランドで構成されており、ストランドの断面寸法よりもはるかに大きい長さ、例えば、少なくとも１０倍の長さを有するワイヤなどのストランドである。ストランド間に開口部２４２が形成され、イオン伝導性媒質又は電解質が開口部を通過して流れるのを可能にしている。図１４に示すように、第２のコルゲート部分２３０は、第１の側面２３４と第２の側面２３６との間に第２のコルゲート振幅２３８又は厚さ２３５を有する。コルゲートピッチ２４１又は波形の繰り返し単位の距離が、図示されている。
【００６５】
図１５及び図１６に示すように、燃料電極２００の一例は、取付け部２８０によって第２のコルゲート部分２３０に取り付けられた第１のコルゲート部分２１０を含むコルゲート構造を有する。第１のコルゲート部分は、第２のコルゲート軸２３１から約９０度ずれた第１のコルゲート軸２１１を有し、第１及び第２のコルゲート部分はこれらのコルゲート軸に関して互いに実質的に直交するように構成されている（その他の角度が使用されてもよい）。第１のコルゲート部分２２２及び第２のコルゲート部分２４２の開口部又は開放空間は、電解質が燃料電極を自由に通過して流れることを可能にし、高い反応速度を可能にする。図１６に示すように、燃料電極２００は、第１の外側面２０４及び第２の外側面２０６との間の厚さ２０５を有する。２つのコルゲート部分を１つの位置に一緒に取り付け可能な、コルゲート部分ごとに別個に設けられる留め具２８２のような取付け部２８０によって、第１のコルゲート部分が第２のコルゲート部分２３０に取り付けられている。
【００６６】
例示的な実施形態では、燃料電極のコルゲート部分は、その上に燃料を堆積させるのに好ましい滑らかで連続的な外面を有する金属ワイヤで実質的に構成されており、燃料電極の取付け部（アタッチメント）は金属ワイヤとは異なる材料で作られてもよい。金属ワイヤは、例えば、外面に曲率半径を有する円形又は楕円形の断面形状であり得る。望ましくは、金属ワイヤは本質的に内部表面積を有さず、金属ワイヤの表面は本質的にいかなる空隙も含まない。ストランドの直径又は最大断面寸法は、約０．５ｍｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、約３ｍｍ以上、約５ｍｍ以上、約８ｍｍ以上、及びそれらの間の任意の範囲であり得る。燃料堆積のための表面積が増大するので、ワイヤは小さい直径を有することが望ましいが、直径が小さいほどワイヤメッシュ又はスクリーンはより柔軟になる。したがって、本明細書に説明されるように、ワイヤ又はストランドの複数の直径の組み合わせを、コルゲート部分において又は一のコルゲート部分から別のコルゲート部分へと利用してもよい。
【００６７】
図１７に示すように、第１のコルゲート部分２１０の一例は、コルゲート横方向延在部２２６よりも断面寸法が大きいコルゲート軸方向延在部２２４を有する。図１８は、コルゲート軸方向延在部２２４及びコルゲート横方向延在部２２６の断面を示している。コルゲート軸方向延在部は、コルゲート横方向延在部の断面寸法２２７よりも大きい断面寸法２２５を有する。図示されるように、ストランドが第１の端部２２８又は第２の端部２２９で集電体２０２と電気的に結合され得るので、集電に対する抵抗を減らすためにコルゲート軸方向延在部の直径をより大きくしている。
【００６８】
コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部のサイズならびにこれらの間の距離を調整することにより、電気化学セルシステムに対して最適化された特性を有するようにコルゲート部分を必要に応じて調整することが可能である。さらに、全てのコルゲート軸方向延在部とコルゲート横方向延在部とが断面寸法において同じである必要はない。例えば、コルゲート軸方向延在部の一部分は所定の直径を有し、残りの部分はそれより小さい直径を有してもよい。
【００６９】
一実施形態では、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分の両方がコルゲート横方向延在部を有してもよい。一実施形態による燃料電極では、互いに接合された第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを有し、第２のコルゲート軸は第１のコルゲート軸とはずらして配置される。第１のコルゲート部分及び／又は第２のコルゲート部分のコルゲート横方向延在部は集電体（例えば、２０２）まで延在してもよい。一実施形態では、この燃料電極において、第２のコルゲート軸は、第１のコルゲート軸から約４５度〜約９０度（両端値を含む）ずらして配置されてもよい。一実施形態では、この燃料電極において、第１のコルゲート部のコルゲート軸方向延在部は、第１のコルゲート部分のコルゲート横方向延在部よりも断面寸法が大きい。一実施形態では、第２のコルゲート部分ののコルゲート横方向延在部は、第２のコルゲート部分のコルゲート軸方向延在部よりも断面寸法が大きい。
【００７０】
図１９及び図２０には、例示的な第３のコルゲート部分２５０が示されている。第３のコルゲート部分２５０は、第３のコルゲート軸２５１に延びるコルゲート軸方向延在部２６４と、第３のコルゲート横軸２５２に延びるコルゲート横方向延在部２６６とを備える。この実施形態では、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部は、例えば、ストランドの断面寸法の少なくとも１０倍の長さのように、断面寸法よりも大幅に大きい長さを有するワイヤのようなストランドで構成されている。ストランド間に開口部２６２が形成され、イオン伝導性媒質又は電解質が開口部を通過して流れるのを可能にしている。図２０に示すように、第３のコルゲート部分２５０は、第１の側面２５４と第２の側面２５６との間に第３のコルゲート振幅２５８又は厚さ２５５を有する。コルゲートピッチ２６１又は波形の繰り返し単位の距離が、図示されている。第３のコルゲート部分は、波形の山２７５及び波形の底２７６を有し、ここで山は垂直軸２８７（厚さ方向又はＺ軸とも呼ばれる）方向における波形の最高点であり、底は最下点である。第３のコルゲート部分は、垂直軸２８７に対して直交する方向に延びる。
【００７１】
図２１に示すように、燃料電極２００の一例は、互いに取り付けられた第１のコルゲート部分２１０、第２のコルゲート部分２３０及び第３のコルゲート部分２５０を含むコルゲート構造を有する。第１及び第３のコルゲート部分は、整列した第１及び第３のコルゲート軸と整列する。第２のコルゲート部分は、第１のコルゲート部分と第３のコルゲート部分との間に構成され、第１のコルゲート軸と第３のコルゲート軸に対して９０度ずれたコルゲート軸を有する。第１のコルゲート部分及び第３のコルゲート部分は、取付け部２８０、すなわち、別個に設けられた複数の留め具２８３及び接着剤２８１の両方によって互いに取り付けられる。接着剤は、２つの隣接するコルゲート部分に接着するように設けられ、コルゲート部分のストランドの周囲に延在してそれを取り囲むように配置してもよい。
【００７２】
図２２に示すように、燃料電極２００の一例は、互いに取り付けられた第１のコルゲート部分２１０、第２のコルゲート部分２３０及び第３のコルゲート部分２５０を含むコルゲート構造を有する。図２１に示したように、第１のコルゲート部分２１０及び第３のコルゲート部分２５０は、互いに平行な第１のコルゲート軸及び第３のコルゲート軸に沿って配置されている。第２のコルゲート部分２３０は、第１のコルゲート部分２１０と第３のコルゲート部分２５０との間に構成され、第１のコルゲート軸及び第２のコルゲート軸に対して９０度ずれたコルゲート軸を有する。第１のコルゲート部分及び第３のコルゲート部分は、別々の取付け部２８２によって第２の部分２３０の両側に取り付けられている。３つのコルゲート部分の振幅及びコルゲートピッチは互いに異なっている。これは、例えば、一方の側に他方の側よりも大きい表面積を提供するように又は一方の方向に他方よりも大きな剛性を提供するように構成されてもよい。複数のコルゲート部分を有する任意の実施形態では、隣接する一対のコルゲート部分は、互いのコルゲート軸を任意の角度でずらして配置する一方、一つ置きに配置されているコルゲート部分の軸は平行とする又はずらして配置させてもよい。
【００７３】
別の実施形態では、第２のコルゲート部分２３０又は第３のコルゲート部分２５０の一方は、第１のコルゲート部分２１０に対して４５度のオフセット角度で配置されるように構成され、他方のコルゲート部分は、第１のコルゲート部分２１０に対して９０度のオフセット角度で配置されるように構成される。さらに別の実施形態では、燃料電極は、望ましくは３０度のオフセット角を有する４つのコルゲート部分を備え、第１のコルゲート部分が垂直に配置される場合、残りのコルゲート部分のうちの１つは約３０度のオフセット角で配置され、別の一つは約６０度のオフセット角度で配置され、最後の一つのコルゲート部分は約９０度のオフセット角度で配置される。この実施形態では、燃料電極は、撓み及び湾曲を防止するために複数の方向において補強されてもよい。
【００７４】
コルゲート部分は、波形、又は、複数の直線状の波形を有する鋸歯状のプリーツを有してもよく、それによって各波形は実質的に三角形の形状を形成している。波形は曲線部分又は１つ以上の半円部分を有していてもよい。実施形態の一例では、波形は、正弦波又は変形正弦波に似た波形を有する。波形は、台形波形状に近づくように変形された正弦波形状を有してもよい。波形は、波形の山と谷に沿って延びる直線部分と、山と谷の区間の間において実質的に垂直に（すなわち個々の部分のＺ方向又は厚さに）延びる又は垂直方向に対してある角度で延在する接続部分とを有してもよい。振幅に対するピッチの比はコルゲート比であり、これは複数の波形がどのくらい詰まっているか又はどのくらいの間隔を置いて配置されているかを規定している。例えば、コルゲート比が１の場合、振幅とピッチが等しいことを意味し、コルゲート比が２の場合、波形の高さが幅の２倍であることを意味する。高いコルゲート比はコルゲート部分が高いｓａ／ｖｏｌとなることを意味し、コルゲート部分の振幅、幅及び長さの積によって定義される体積内により多くの部材が存在することになる。コルゲート比が低い場合、剛性が低くなることになるのであまり望ましくないと考えられる。コルゲート軸と直交する方向のコルゲート部分の剛性は、コルゲート比が高いほど高くなる。
【００７５】
コルゲート比はまた、例えば、コルゲート部分の表面から剥がれ落ちる又は落下する可能性があるデンドライトや形成物をコルゲート部分が捕捉する能力に関係し得る。コルゲート部分は、約０．２５以上、約０．５以上、約０．７５以上、約１．０以上、約１．５以上、約２．０以上、約３．０以上、約５以上、約１０以上、又は、これらの数値の間の任意の大きさのコルゲート比を有してもよい。一実施形態によれば、コルゲート部分は、約０．２５〜約１０．０（両端値を含む）のコルゲート比を有することができる。一実施形態では、コルゲート部分は、約０．２５〜約５．０（両端値を含む）のコルゲート比を有してもよい。一実施形態では、コルゲート部分は、約０．２５〜約５．０（両端値を含む）のコルゲート比を有してもよい。別の実施形態では、コルゲート部分は、約３．０未満（両端値を含む）のコルゲート比を有してもよい。実際の振幅及びピッチ寸法は、電気化学セルのサイズに基づいて選択されてもよいが、約０．１ｃｍ以上、約０．２５ｃｍ以上０．５ｃｍ以上、約１ｃｍ以上、約２ｃｍ、約３ｃｍ以上、約５ｃｍ以上、及び、これらの値を含む間の任意の範囲程度である場合が多い。一実施形態では、振幅は、約０．１ｃｍ〜約３．０ｃｍ（両端値を含む）であってもよい。一実施形態では、振幅は、約０．１ｃｍ〜約１．５ｃｍ（両端値を含む）であってもよい。一実施形態では、ピッチは、約０．１ｃｍ〜約３．０ｃｍ（両端値を含む）であってもよい。一実施形態では、振幅は、約０．１ｃｍ〜約１．５ｃｍ（両端値を含む）であってもよい。
【００７６】
図２３及び図２４に示すように、第１のコルゲート部分２１０の一例は、コルゲート材料シート２２３を貫通する開口部２２２を有するコルゲート材料シート２２３を含む。材料シートは金属シートであってもよい。コルゲートは、三角形の波形２７０又はプリーツセグメントを形成する直線形部分２７１、２７２を有する鋸歯形状である。複数の波形が第１のコルゲート軸２１１内に延在し、コルゲート軸２１２は第１のコルゲート軸に対して直交又は垂直になっている。非限定的な実施形態において、開口部２２２は、第２の波形部分２７２に沿ってではなく、第１の波形部分２７１に沿ってコルゲートシートを貫通して形成され、開口部を通過してイオン伝導性媒質又は電解質が流れるのを可能にしている。開口部の位置、数又は面密度、及び形状は、それを通る電解液の適切な流れを提供するように選択され得る。さらに、開口部の位置は、燃料電極を通る電解質の流れ方向を生じさせるように選択されてもよく、流れはデンドライト物質の移動又は剥離を防ぐために上向き方向であってもよい。図２４に示すように、第１のコルゲート部分２１０は、直線状波形部分を有する鋸歯状波形又はプリーツを有する。鋸歯状波形は、波形の山２７５及び波形の谷２７６を有する。第１のコルゲート部分２１０は、第１の側面２１４と第２の側面２１６との間に第１のコルゲート振幅２１８又は厚さ２１５を有する。また、コルゲートピッチ２２１、すなわち波形の繰り返し単位の距離と、シート厚２１７とが図示されている。
【００７７】
開口部２２２は、打ち抜き、切断、レーザ切断、水切断などによって形成することができる。例示的な実施形態では、シートはエキスパンドメタルのシートであり、メタルシートは穿孔又は切断され、次いで延伸されることによりシート材に、通常はダイヤモンド形状となる開口部が形成される。エキスパンドメタルは材料透過性を有する金属シートを形成する安価な手段の一例であり、コルゲート部分を形成するべくコルゲート加工又はプリーツ加工を施すことができる。
【００７８】
図２５は、互いに対してコルゲート軸の角度をずらして配置された例示的な第１のコルゲート部分２１０、第２のコルゲート部分２３０及び第３のコルゲート部分２５０が示されている。第２のコルゲート部分２３０は、第１のコルゲート部分に対して第２のコルゲート軸オフセット角度２３３に配置されている。第３のコルゲート部分２５０は、第１のコルゲート部分に対して第１−第３コルゲート軸オフセット角度２５３に配置されており、第２のコルゲート部分に対して第２−第３コルゲート軸オフセット角度２７３に配置されている。この実施形態では、第２のコルゲート部分は、第１のコルゲート部分と第３のコルゲート部分の両方から約４５度のオフセット角度に配置されており、第３のコルゲート部分が第１のコルゲート部分と直交するように配置されている。本明細書に記載されるように、オフセット角度は、剛性、流れ及び／又は導電的な目的に応じて選択され得る。
【００７９】
図２６及び図２７には、燃料電極の一例が示されており、互いに取り付けられた第１のコルゲート部分２１０、第２のコルゲート部分２３０及び第３コルゲート部分２５０を有するコルゲート構造を備え、隣接するコルゲート部分間の波形に剥離した物質２９０又はデンドライト物質２９２が捕捉された状態が示されている。燃料電極は、第２のコルゲート部分２３０として、中央部にストランドを有するコルゲート電極部を有する。図２６には、第１のコルゲート部分２１０及び第３のコルゲート部分２５０として、外側に開口部を有するシート材から形成されたコルゲート部分が示されている。第１のコルゲート部分２１０及び第３のコルゲート部分２５０又は外側コルゲート部分における開口部は、大きな矢印で示されるように、燃料電極を通る上向きの流れを生成するように第２の波形部分２７２に形成されてもよい。あるいは、開口部を、外側コルゲート部分２１０、２５０の第１の波形部分２７１及び上側部分にのみ形成することにより、剥離物質２９０又はデンドライト物質２９２が開口部を通って沈降し外に出るのを防ぐことができる。プリーツ部分の上部のみに開口を設けることにより、剥離物質はコルゲート部分を通って燃料電極の底部２０３まで落ちる可能性を減らすことができる。この構成は、剥離した金属を酸化のために電極と接触状態に保つことができるので有益である。燃料電極２００の第１の端部２２８及び第２の端部２２９は、それぞれ燃料電極の上部２０１及び下部２０３で集電体２０２、２０２’と電気的に接続されている。
【００８０】
図２８及び図２９に示すように、コルゲート部分２１０の一例は、波形２７０の山２７５及び谷２７６に直線状部分を有する。直線状の山部分２７７及び直線状の谷部分２７８は、実質的にコルゲート横軸方向に延びており、図２７に示すように垂直軸に対してオフセット角度２８８をなす山−谷接続部２７９によって互いに結合されている。山−谷接続部２７９は、図２９に示すようにほぼ垂直である。このようなタイプのコルゲートは、コルゲート横軸を中心に高レベルの剛性を提供することができる。
【００８１】
図３０には、第１のコルゲート部分の谷２７６に沿って延在するステッチ線取付け部によって取り付けられた第１のコルゲート部分２１０及び第２のコルゲート部分２３０が示されている。ステッチ線取付け部は、連続的な取付け部２８４の一例である（離散的に間隔を空けて設けられる別個の取付け部とはは対照的である）。ステッチ線は、第１のコルゲート部分２１０のコルゲート軸２１１に沿って延びる。ステッチ線は下方に延びて第２のコルゲート部分２３０の山２７５’を第１のコルゲート部分の谷２７６へと引っ張って２つのコルゲート部分を互いにしっかりと取り付けることができる。
【００８２】
連続的な縫い目であるステッチ線は、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを互いに接合する連続的な糸によって作られ、望ましくは少なくとも１０個の縫い目を含む。糸は、フルオロポリマー、ポリプロピレンなどの、電解質中で実質的に非反応性であるポリマー材料等の合成材料であってもよい。糸は、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを物理的にも電気的にも結合する金属ワイヤなどの導電性材料とすることができる。糸は、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを互いに接続するために、離散的又は連続的に縫いこまれてもよい。糸は自立していないしなやかな材料であってもよく、この場合、糸は小さな押圧荷重又は曲げ荷重、例えば重力が加えられた時には形状を保持しない。例えば、糸は、面によって支持されていない時には撓み変形してもよい。
【００８３】
図３１には、第１のコルゲート部分の谷２７６に沿って延在する離散的に設けられる取付け部としてのステープル２９４によって取り付けられた第１のコルゲート部分２１０及び第２のコルゲート部分２３０が示されている。ステープルは、第１のコルゲート部分の谷から山へと、又は、第２のコルゲート部分の山に近接して延在してもよく、第２のコルゲート部分の山は第１のコルゲート部分の谷に隣接している。第１のコルゲート部分を第２のコルゲート部分に取り付けるために任意の数のステープルを使用することができ、ステープルは第１及び第２のコルゲート部分を互いに電気的に接続してもよい。
【００８４】
ステープルは、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを物理的かつ必要に応じて電気的に結合する金属又は導電性材料であり得る。ステープルは、例えば、第１のコルゲート部分の谷に沿って第２のコルゲート部分に取り付けられてもよい。ステープルは自立型であってもよく、この場合ステープルは重力のような小さい負荷の下では形状を維持する。
【００８５】
図３２には、第１のコルゲート部分の谷２７６に沿って延在し離散的に設けられたはんだ取付け部２９４によって取り付けられた第１のコルゲート部分２１０及び第２のコルゲート部分２３０が示されている。溶接取付け部は、第１のコルゲート部分と第２のコルゲート部分とを離散的に複数の場所又は点で接合するスポット溶接であり得る。第１のコルゲート部分２１０のワイヤ２９８は、第２のコルゲート部分２３０のワイヤ２９９と溶接してもよい。第１のコルゲート部分を第２のコルゲート部分に取り付けるために任意の数の溶接取付け部を使用することができ、溶接取付け部は第１及び第２のコルゲート部分を互いに電気的に接続してもよい。
【００８６】
はんだ、ステッチもしくはステッチ線における糸又はステープルのような導電性取付け部により、２つのコルゲート部分の電気的接続を提供してもよく、それによって電気抵抗を低減し均一な燃料堆積を促進することができる。
【００８７】
本明細書に開示される実施形態のいずれも、カレンダ加工又は圧潰をコルゲート部分に施してもよい。一実施形態では、２つ以上のコルゲート部分を一緒にカレンダー加工又は圧潰して、コルゲート構造の厚み、すなわち燃料電極の厚みを低減することができる。例えば、コルゲート部分を互いに対してある角度で位置決めした後、構造体に（例えば、機械的プレス又は他の圧力印加装置を介して）圧力を加えて、例えばコルゲート軸方向延在部及び／又はコルゲート横方向延在部を圧潰してもよい。一実施形態では、コルゲート部分のいくつかの延在部の少なくとも一部は、直線状ではない、及び／又はカレンダー加工もしくは圧潰によって元の構造的形状から変化又は変形していてもよい。一実施形態では、コルゲート構造の厚さは、その元の厚さ（すなわち、コルゲート部分に圧力が加えられる前の厚さ）から約５％から約５０％減少する。一実施形態では、コルゲート構造の厚さは、その元の厚さ（すなわち、コルゲート部分に圧力が加えられる前の厚さ）から約１０％から約２０％減少する。
【００８８】
コルゲート部分を圧潰又はカレンダー加工することは、コルゲート構造／燃料電極の厚さを減少させること、単位厚さ当たりの表面積を増加させること、及び、表面積対体積比をより大きくすることを含む多数の利点を提供できる。圧潰された又はカレンダー加工されたコルゲート部分はまた性能の向上を可能にし得る。所与の電極表面積及び所与の電極間ギャップ（例えば、空気カソードとアノード／燃料電極の手前側との間の距離）において、厚さを減少させることにより、同じ総燃料充填量／容量を維持しながら、燃料電極の重心を他方の電極（すなわち、充電中はＯＥＥ（酸素発生電極）もしくはその他の充電電極、又は、放電中は空気カソード）のより近くに移動させることが可能になり得る。これは電解質を通る全ＩＲ降下量を減少させ、それにより充電中のセル電圧を低下させ、放電中のセル電圧を増加させる。あるいは、所与の厚さ及び所与の電極間ギャップにおいて、表面積を増加させることにより、電流密度が低くなることから過電圧を減少させ、セル電圧を改善することができる。圧潰された／カレンダー加工されたコルゲート構造を使用すると同時に、サイクルもまた改善され得る。例えば、燃料電極の質量中心を移動させない場合、厚さの減少は電極間ギャップの増加を意味し、これは性能（すなわちセル電圧）に悪影響を及ぼすことなくサイクル性を助け、短絡の傾向及び確率を減らすことができる。電極ギャップ（すなわち、燃料電極の表側と裏側との間で測定される）の差が減少するので、面積／単位厚さの比の増加は燃料電極のより均一なめっき（充電）及び酸化（放電）をもたらし得る。
【００８９】
また、コルゲート構造の全表面積を増大させ、より小さな表面積を有する未圧潰のアノード／燃料電極と同じ厚さにまで圧潰した場合、アノード上の燃料の負荷（すなわち全質量又はセル容量）を増大させることができる。これによりエネルギー密度の増加がもたらされ、電解質中の燃料種の濃度も増加する。さらに、同じ負荷を維持しながら電極面積を増大させると、充電電流密度及び放電電流密度を減少させることができる可能性がある。これは、良好なサイクル特性にとって重要である、十分な電極間ギャップをて維持しながら性能及びサイクル特性の両方を向上させ得る。また、所与の容量に対してより大きな表面積を持つことは、平均膜厚、膜厚の不均一性及び関連する膜応力を減少させることができ、良好なサイクル特性を達成するために重要である。
【００９０】
コルゲート構造により不足を減らすことができることに加えて、圧潰／カレンダー加工されたコルゲート構造によって、燃料電極の表面から剥離してイオン伝導性媒質及びハウジング内へと落ちるデンドライトの量及びサイズを減らすことができ、セルの不足に対する感受性をさらに減らすことができる。
【００９１】
さらに、本開示を通して概して説明したように、本明細書に記載のコルゲート構造（すなわち、互いに対してオフセット角度をなすように配置された２つ以上のコルゲート部分、例えば、第１及び第２のコルゲート部分）は、燃料電極として使用することができ、高い表面積対体積比及び剛性を有する構造を提供するだけではなく、燃料電極設計の調整も可能にしている。例えば、（ワイヤ又は構成要素の）直径、織り密度（例えば１インチ当たりのワイヤ数）、コルゲートの振幅及び／又はピッチ、互いに結合／接合されたコルゲートスクリーン／部分の向き及び／又は数を変更することにより、任意の特性を調整及び変更することができる。特性としては、表面積対体積比、構造の導電率、開口部の割合、コルゲート構造の剛性又は強度（耐屈曲性）、空隙率、構造の厚さ、プロジェクト全体の構造表面積などが含まれる。また、滑らかな部分又はワイヤを使用することにより、円滑な燃料堆積及び良好なセルサイクルを実現できる。
【００９２】
本明細書に記載されたコルゲート構造の実施形態のいずれも、カソードと燃料電極と反応するイオン伝導性媒質とを有する電気化学セルにおける燃料電極／アノードとして使用され得る。図３３には、一実施形態に係る、電気化学セル内のカソード（例えば空気電極）及び他の任意の電極（例えばＯＥＥ）に対して燃料電極／アノードとして設けられた（例えば図１６に示されるような）コルゲート構造（いずれもイオン伝導性媒質と共にセルハウジング内に収容されている）配置例が示されている。集電体（例えば２０２）又は母線は、コルゲート部分（又はスクリーン）の近く、すなわちカソードに最も近いコルゲート構造の部分に取り付けられる。
【００９３】
さらに、開示されたコルゲート構造の各実施形態は、スポット溶接、ステープル、ステッチなどを介して互いに結合された複数の別個のコルゲートスクリーンから組み立てられた複合構造であるため、コルゲート構造の電気伝導度は、以下に示すような条件によって変化し得る。（ｉ）電気抵抗が異なる（すなわち、異なるピッチ及び／又は直径を有する）複数のスクリーンを結合すること、（ｉｉ）コルゲート構造がどのように母線と接続されるか（例えば、全てのスクリーンを一緒に母線接続すること、ＯＥＥ又はカソードに最も近いスクリーンのみ母線接続すること、ＯＥＥ又はカソードから離れたスクリーンのみ母線接続すること）、及び／又は、（ｉｉｉ）個々のスクリーン間の接合点の種類及び／又は密度を変更すること。これは、アノード／燃料電極上の燃料の分配に対する制御を可能にし得、サイクル特性の改善に有益である。例えば、図３４に示されるように、コルゲート構造は、図３３に示されるものと比較して、燃料電極／アノードを反転させた配置で組立てられる又は設けられてもよい。すなわち、コルゲート構造はセル内にカソード及び他の任意の電極（例えばＯＥＥ）と共に配置されて、集電体（例えば２０２）又は母線が最も遠いコルゲート部分（又はスクリーン）のみに取り付けられるようにしてもよい。言い換えると、カソードから最も遠いコルゲート構造の部分が、カソードが最も近い側に対してコルゲート構造の反対側又は外側に位置する。このようにしてアノード／燃料電池を組み立てることにより、電池のサイクルを改善することができる。
【００９４】
本明細書において、「山」及び「谷」という用語は、図面を参照して便宜上使用されているものであり、２つの方向又は特定の向きの間に構造的な違いが必ずしもあることを意味するものではない。したがって、必ずしも「山」がどの「谷」よりも垂直方向に高い必要はない。これらの用語は、燃料電極に対する特定の向きを示していると解釈されるべきである。谷は本質的に反対側の山であるため、山及び谷を第１の山及び第２の側の山と称することもできる。どのような用語が使用されていようとも、図面を参照する際の便宜上のものである。多くの実施形態において、燃料電極は垂直方向にある。
【００９５】
本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明において様々な変更、組合せ及び変形をなし得ることは当業者には明らかであろう。本明細書に記載の特定の実施形態、特徴及び要素は、任意の適切な方法で変更及び／又は組み合わせることができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内にある限り、本発明の変更、組合せ及び変形の範囲であることを意図している。
【００９６】
コルゲート部分の開口面積割合、すなわち開放部又は開口部が占める面積の割合は、コルゲート部分を通過するのに必要とされる流れの量、ならびに、コルゲート比、振幅及びピッチ寸法を含むコルゲート部分の他の因子に関して最適に設計され得る。例示的なコルゲート部分又はコルゲート燃料電極は、約５０％以上、７５％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上、及びそれらの間の任意の範囲の開口面積割合を有することができる。一実施形態によれば、コルゲート部分及び／又はコルゲート燃料電極は、約５０％から約９５％（両端値を含む）の間の開口面積割合を有してもよい。コルゲート電極は、電極を完全に貫通して第１の側から第２の側へと通じる開口領域を有することができ、それによって前記開口領域を通して第１の側から第２の側へ直線を引くことができる。コルゲート部分又は燃料電極は、電解質がそれこを通って流れることを可能にするために実質的に透過性であり得る。一実施形態では、燃料電極を構成するために使用される各コルゲート部分は大きな開口面積割合を有する一方、それらの組み立て（及びオフセット）後に、燃料電極は個々のコルゲート部分よりも小さい開口面積割合を有してもよい。例えば、一実施形態では、各コルゲート部分は、約５０％〜９５％の開口面積割合を有してもよい。そして、一実施形態によれば、前記コルゲート部分を使用して形成された燃料電極は、約５％から約８０％の開口面積割合を有してもよい。一実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、材料の平面を通過する透過率として約１００フレイザーと約５００フレイザーとの間の範囲（両端値を含む）の値を有してもよい。
【００９７】
互いに取り付けられた２つ以上のコルゲート部分から作られた燃料電極は、燃料電極によって画定される体積における開放部分の割合である体積空隙率が高く、空隙を通る電解質の良好な移動及び流動を可能にする。燃料電極の体積は、外形寸法の厚さ、燃料電極の長さ及び幅の積として定義される。コルゲート部分の一例では、約７５％以上、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上及びこれらの値の間の任意の値である、体積空隙率を有し得る。一実施形態では、燃料電極は、約８０％〜９９．５％（両端値を含む）の体積空隙率を有する。別の実施形態では、燃料電極は、約９０％〜約９９．５％（両端値を含む）の体積空隙率を有する。さらに別の実施形態では、燃料電極は、約９５％〜約９９．５％（両端値を含む）の体積空隙率を有する。
【００９８】
コルゲート部分及び／又は燃料電極の体積当たりの反応表面積（ｓａ／ｖｏｌ）を最大にし、イオン性流体又はイオン性電解質の効果的な交換を可能にすることが望ましい。例示的なコルゲート部分又はコルゲート燃料電極は、望ましくは、体積当たりに対する表面積の比が、約０．５以上、約１以上、約５以上、約１０以上である、及び、これらの値を含む範囲の任意の値のｓａ／ｖｏｌを有してもよい。一実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、約０．２５から約３０（両端を含む）の間のｓａ／ｖｏｌを有する。別の実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、約１．０〜約１０（両端を含む）の間のｓａ／ｖｏｌを有する。さらに別の実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、約２．０〜約６．０（両端を含む）の間のｓａ／ｖｏｌを有する。一実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、約１．０のｓａ／ｖｏｌを有する。一実施形態では、コルゲート部分及び／又は燃料電極は、約３．０のｓａ／ｖｏｌを有する。この値（ｓａ／ｖｏｌ）は、ワイヤの直径ならびに長さ方向及び幅方向の両方向における単位長さ当たりのワイヤ数、そしてコルゲート電極が占める体積を考慮することによっておよそ計算することができ、例えば、取付けられたコルゲート部分の振幅に、電極の占める面積、長さ、幅を乗じた値を考慮に入れることによっておおよそ計算することができる。例えば、断面が円形であるワイヤを利用した２４×２７×０．６ｃｍのサイズの織りスクリーンは、約１，４００ｃｍ2の表面積及び約３８９ｃｍ3の体積を有する。この例におけるｓａ／ｖｏｌは、約３．６ｃｍ2／ｃｍ3である。断面が直径約３ｍｍの円形であるワイヤと５ｍｍの長さを有する実質的に正方形の開口部とを有する織りスクリーンから作られた第１及び第２のコルゲート部分を備える例示的なコルゲート電極の密度は、約０．０６５ｇ／ｃｃ、又は０．８％の固体ニッケル密度である。
【００９９】
したがって、そのような変形例であっても本開示の特徴は完全に及び有効に達成されるだろう。上記に示した望ましい実施形態は、本開示の機能的及び構造的な原理を例示することを目的として説明及び図示されたものであり、本開示の原理の範囲内において変更可能である。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲の精神に含まれる全ての変形例について包含する。
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月22日(2018.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電極を備える再充電可能電気化学セルであって、
前記燃料電極は、
導電性材料で形成され、第１のコルゲート軸を有する第１のコルゲート部分であって、当該第１のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第１のコルゲート部分と、
導電性材料で形成され、前記第１のコルゲート軸からずらして配置される第２のコルゲート軸を有する第２のコルゲート部分であって、当該第２のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第２のコルゲート部分と、
前記第１のコルゲート部分と前記第２のコルゲート部分とを互いに取り付ける電極取付け部と、備え、
前記再充電可能電気化学セルは更に、
カソードと、
前記燃料電極及び前記カソードと反応するイオン伝導性媒質と、
充電中に前記燃料電極の前記コルゲート部分上に電着し、放電中に前記燃料電極において酸化される金属燃料と、を備える再充電可能電気化学セル。
【請求項２】
前記第１のコルゲート軸からの前記第２のコルゲート軸のずれは、約２５度から約９０度の間である、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項３】
前記第２のコルゲート軸は前記第１のコルゲート軸から約４５度ずらして配置される、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項４】
前記第２のコルゲート軸は前記第１のコルゲート軸から約９０度ずらして配置される、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項５】
前記コルゲート部分は、約０．５〜約１０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項６】
前記コルゲート部分は、約０．２５〜約３０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項７】
前記コルゲート部分は、約１．０〜約１０．０の表面積対体積比（ｓａ／ｖｏｌ）を有する、請求項６に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項８】
前記コルゲート部分は、約５０％〜約９５％の開口表面積を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項９】
前記燃料電極は、約９０％〜約９９．５％の体積空隙率を有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１０】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の少なくとも一方は、当該コルゲート部分を貫通する前記複数の開口部を有するシートを含み、前記シートは実質的に均一な厚みを有する、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１１】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の少なくとも一方は、スクリーンを含む、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１２】
前記スクリーンは、織りスクリーンである、請求項１１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１３】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部を有する、請求項１１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１４】
前記コルゲート軸方向延在部及び前記コルゲート横方向延在部はワイヤである、請求項１３に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１５】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の両方がスクリーンであり、前記第１のコルゲート部分の前記コルゲート軸方向延在部は延在して集電体に接続される、請求項１３に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１６】
前記第１のコルゲート部分は第１のコルゲート比を有し、前記第２のコルゲート部分は第２のコルゲート比を有し、
前記第１のコルゲート比及び前記第２のコルゲート比は共に０．７５より大きく且つ約５．０以下である、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１７】
前記電極取付け部はステッチである、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１８】
前記電極取付け部は、前記第１のコルゲート部分から前記第２のコルゲート部分の一部分の周りへと延在するステープルを含む、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項１９】
前記電極取付け部は、前記第２のコルゲート部分と融着した前記第１のコルゲート部分を有する溶接取付け部を含む、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２０】
導電性材料で形成され、前記第２のコルゲート軸からずれて配置される第３のコルゲート軸を有する第３のコルゲート部分であって、当該第３のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第３のコルゲート部分を更に備え、
前記第３のコルゲート部分と前記第１コルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分とは、前記電極取付け部によって互いに取り付けられている、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２１】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分はそれぞれ金属スクリーンである、請求項１に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２２】
前記ワイヤは実質的に内部表面積を有さない、請求項１４に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２３】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は共に、カレンダー加工される又は圧潰される、請求項１から２２の何れか一項に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２４】
前記電気化学セルは金属空気電池であり、前記カソードは空気極である、請求項１から２２の何れか一項に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２５】
充電電極を更に備える請求項２４に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２６】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分は共に、カレンダー加工される又は圧潰される、請求項２４に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２７】
金属燃料が充電中に燃料電極に電着し放電中に前記燃料電極で酸化される、再充電可能電気化学セルの前記燃料電極であって、
前記燃料電極は、
導電性材料で形成され、第１のコルゲート軸を有する第１のコルゲート部分であって、当該第１のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第１のコルゲート部分と、
導電性材料で形成され、前記第１のコルゲート軸からずらして配置される第２のコルゲート軸を有する第２のコルゲート部分であって、当該第２のコルゲート部分を貫通する複数の開口部を有する前記第２のコルゲート部分と、
前記第１のコルゲート部分と前記第２のコルゲート部分とを互いに取り付ける電極取付け部と、を備え、
前記コルゲート部分の前記導電性材料は、実質的に内部表面積を有さない滑らかで連続的な外面を有し、充電中に電着した前記金属燃料を前記外面で受容する、燃料電極。
【請求項２８】
前記第１のコルゲート部分及び前記第２のコルゲート部分の少なくとも一方は、スクリーンである、請求項２７に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項２９】
前記スクリーンは織りスクリーンである、請求項２８に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項３０】
前記スクリーンは、コルゲート軸方向延在部及びコルゲート横方向延在部によって形成される、請求項２８に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項３１】
前記コルゲート軸方向延在部及び前記コルゲート横方向延在部は、実質的に内部表面積を有さない前記導電性材料のワイヤである、請求項３０に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項３２】
請求項２７から３１の何れか一項に記載の前記燃料電極と、
カソードと、
前記燃料電極及び前記カソードと反応するイオン伝導性媒質と、
充電中に前記燃料電極の前記コルゲート部分上に電着し、放電中に前記燃料電極において酸化される金属燃料と、
を備える再充電可能電気化学セル。
【請求項３３】
前記電気化学セルは金属空気電池であり、前記カソードは空気極である、請求項３２に記載の再充電可能電気化学セル。
【請求項３４】
充電電極を更に備える請求項３３に記載の再充電可能電気化学セル。
【国際調査報告】
2019532477.tif 000037
2019532477.tif 000038