(57)【要約】【課題】  【解決手段】  充電式の金属空気型の電気化学セルは、中央に配置され、折畳メカニズムによって互いに取着されている一対の空気カソード部分を一般に含む。アノードは、適切な電解質を通じて各々の空気カソード部分とイオン連絡するように配置される。再充電のために、前記アノード部分とイオン連絡する１対の第3の充電電極が提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料補給可能な金属空気型の電気化学セルであって、
折畳自在なメカニズムによって互いに取着されている一対のカソード部分と、
各カソード部分とイオン連絡し且つこの各カソード部分と電気的に分離されて配置されるアノード部分と、
前記アノード部分と前記カソード部分の間でのイオン連絡を提供するイオン媒体と、
前記アノード部分とイオン連絡する一対の第３の充電電極と
を有する。
【請求項２】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記の折畳自在メカニズムは前記カソード部分の閉縮を可能にし、前記カソード部分と前記アノード部分の間のスペースを開き充電の間に酸素の泡立ちを促進する。
【請求項３】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは前記カソード部分の閉縮を可能にし、充電の間または休止の間に空気源を切断する。
【請求項４】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは前記カソード部分の開拡を可能にし、放電の間に空気または酸素の供給のための空気チャネル用のスペースを更に拡張する。
【請求項５】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記カソード部分は着脱可能、取り替え可能、及び／または再生可能である。
【請求項６】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記アノード部分は着脱可能且つ取り替え可能である。
【請求項７】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは前記カソード部分の閉縮を可能にし、休止または充電プロセスの間、前記カソード部分を前記アノード部分から分離させる。
【請求項８】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは機械的アセンブリを有するものである。
【請求項９】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは電気（エレクトロ）・機械的アセンブリを有するものである。
【請求項１０】
請求項１記載の充電自在な金属空気セルにおいて、前記折畳自在メカニズムは形状記憶合金システムを有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属空気型電気化学セルに関する。本発明は、特に充電自在な金属空気型電気化学セル、及びそれに使用される折畳自在なカソードアセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学電源は、電気化学反応によって電気エネルギーを生成できるデバイスである。これらのデバイスは、亜鉛空気およびアルミニウム空気電池のような金属空気型の電気化学セルを含む。この種の金属電気化学セルでは、放電の間に金属酸化物に変換される金属から構成されるアノードが使用される。例えば、ある充電式の電気化学セルでは、アノードに電流が通されて、金属酸化物が金属に再変換されて、後の放電で使用可能となる。更に、燃料補給自在な金属空気型の電気化学セルでは、アノード材料が継続放電のために取替え可能なように構成される。通常、金属空気型の電気化学セルは、アノードと、カソードと、電解質とを含む。前記アノードは、一般に金属粒子が電解質中に浸漬されて、形成される。前記カソードは、一般に二機能性の半透膜と、酸素を還元するための触媒層とから成る。前記電解質は通常、導電性はないがイオン透過性を持つ苛性液である。
【０００３】
金属空気型の電気化学セルは、従来の水素ベースの燃料電池に比べて多くの長所を持つ。特に、亜鉛などの燃料は豊富にあり、金属またはその酸化物として存在可能であるので、金属空気型の電気化学セルから提供されるエネルギーの供給は実質的に無尽蔵である。さらに、太陽、水力発電、または他のエネルギー形態を使用して、非常に高いエネルギー効率で金属をその酸化物から変換して金属燃料の形態に戻すことができる。補給を必要とする従来の水素ベースの燃料セルとは異なり、金属空気型の電気化学セルの燃料は、電気的に再充電することによって再生可能である。金属空気型の電気化学セルの燃料は固体状でもよいので、取扱と保管が安全且つ簡単である。水素源の提供にメタン、天然ガスまたは液化天然ガスを使用し、汚染ガスを排出する、水素ベースの燃料セルとは対照的に、金属空気型の電気化学セルは全く排気を排出しない。金属空気燃料セル電池は大気温度（ａｍｂｉｅｎｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）で作動するが、酸水素燃料電池は１５０°Ｃから１０００°Ｃの温度範囲で通常作動する。金属空気型の電気化学セルは、従来の燃料セル（<０．８Ｖ）より高い出力電圧（１〜４．５ボルト）を提供可能である。
【０００４】
図１は、従来の金属空気セル１００を示すものであるが、壁に沿って形成される一対のカソード１０４を含む。前記セル１００は、アノード１０８、および充電電極の機能をする第３の電極１０６も含む。前記第３の電極１０６は、前記アノード１０８とイオンコンタクトするように配置され、第１のセパレータにより前記カソード１０４から電気的に分離され、第２のセパレータにより前記アノード１０６から電気的に分離される。前記セパレータは、同一または別々のものであってもよい。前記電極間のイオンコンタクトは、電解質１１０（例えば電解液、ゲル電解質またはそれらの組み合わせ）を介して提供される。
【０００５】
空気または他の酸素源からの酸素が、前記金属空気セル１００の空気カソード１０４用の反応体として使用される。酸素が前記カソード１０４内の反応位置に到達すると、水と一緒にヒドロキシルイオンに変換される。同時に、電子がリリースされ、外部回路で電気として流れる。前記ヒドロキシルは、電解質１１０を通過して、前記金属アノード１０８に移動する。前記ヒドロキシルが前記金属アノードに移動すると（例えば亜鉛から成るアノード１０８の場合）、水酸化亜鉛が亜鉛の表面に形成される。水酸化亜鉛は、酸化亜鉛に分解され、水がリリースされアルカリ性溶液に戻される。このように反応は完了される。
【０００６】
アノード反応は、以下の通りである。
【０００７】
【化１】
2005515606.tif 000002
【０００８】
【化２】
2005515606.tif 000003
【０００９】
カソード反応は、以下の通りである。
【００１０】
【化３】
2005515606.tif 000004
【００１１】
したがって、全体的なセル反応は、次の通りである。
【００１２】
【化４】
2005515606.tif 000005
【００１３】
充電の間、前記第３の電極１０６とイオンコンタクトする、消費されたアノード材料（すなわち、酸化金属）は、前記第３の電極１０６と消費されたアノード材料全体に電流（例えば金属空気システムでは２ボルト以上）を流すことにより、新しいアノード材料（すなわち金属）および酸素に変換される。充電の間、前記アノードは第３の電極を通じて充電される。電流が第３の電極中を流れて、アノード金属酸化物から酸素がリリースされ、金属に変換される。
【００１４】
前記第３の電極１０６があるので、前記カソード１０４は単一機能の電極であってもよく、例えば、前記第３の電極１０６が充電用に製造されるように、これは放電用に製造される。前記第３の電極１０６は、導電性の構造を有してもよい（例えば、メッシュ、多孔質板、発泡金属、ストリップ、ワイヤ、プレートまたは他の適切な構造）。特定の実施形態において、前記第３の電極１０６は多孔質で、イオン透過を可能にする。前記第３の電極１０６は、様々な導電性材料で形成可能で、銅、ステンレス鋼のような鉄合金、ニッケル、クロム、チタン、および類似物、且つ前述の材料のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ及び合金を含むがこれらに限定されるものではない。適切な充電電極は、ニッケル発泡金属のような多孔性金属を含む。
【００１５】
このセル構造は、二機能性電極を利用している充電式の電気化学セルと比較して、いくつかの長所がある。前記カソードの表面面積は、酸素変換を向上させるために最大限にするのが好ましいが、機械的強度に関する不利との釣り合いを考慮する必要はない。さらに、機械的強度および前記カソードの再充電中の触媒活性に関する障害（すなわち、再充電の間を通じた連続的電圧による）は、前記第３の電極の介在によって取除かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
それにもかかわらず、図１に関連して説明される第３の電極構造には問題が残る。例えば、再充電の間、アノードは再生可能であるが、カソードは再生されないので、カソードの寿命は限定される。前記カソードが前記セル内で固定される場合、交換または再生は不可能であるため、全体のセル寿命は短くなる。
【００１７】
さらに、前記セルが機能していない時、または、前記セルが再充電している間は、前記カソードへの空気供給を止めることが望ましい。これにより、前記カソードの二酸化炭素触媒活性低下（すなわち炭酸塩化）を防ぐ。
【００１８】
さらに、前記第３の電極で再充電の間にリリースされる酸素は、電極の間で閉じ込められる傾向を有することがある。これにより、前記アノードにおいて、遅い速度で再生される部分と、全く再生されない部分、または放電の間にまったく機能しない部分が生じる。
本分野において、改良された充電式の金属空気型の電気化学セル、特に電気化学セル用のカソードアセンブリへのニーズが残る。  
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述、またはその他の従来技術の問題および欠陥は、充電自在な金属空気型の電気化学セルが提供される本発明の幾つかの方法及び機器によって、解決または軽減される。前記充電式の金属空気型の電気化学セルは、中央に配置され、折畳メカニズムを有する相互に付着する一対の空気カソード部分を一般に含む。アノードは、適切な電解質を通じて各々の空気カソード部分とイオン連絡するように配置される。再充電ために、前記アノード部分とイオン連絡する１対の第３の充電電極が提供される。
【００２０】
１実施形態では、前記の折畳自在メカニズムは、前記カソード部分の閉縮を可能にし、前記カソード部分と前記アノード部分間のスペースを開き、充電中に溜まった酸素の除去を容易にする。
【００２１】
別の実施形態では、前記の折畳自在メカニズムは前記カソード部分の閉縮を可能にし、充電中または休止期間中に空気源を駆遮し、それによって炭酸化を防ぎ、カソードの有効寿命を延ばす。
【００２２】
更なる実施形態では、前記の折畳自在メカニズムは前記カソード部分の開拡を可能にし、放電の間に前記空気カソードに空気または酸素を供給する空気チャネル用のスペースを拡張する。
【００２３】
さらに別の実施形態において、前記カソード部分は、着脱、取り替え、及び／又は再生が可能である。
【００２４】
さらに別の実施形態において、前記の折畳自在メカニズムによって、前記カソード部分が閉縮され、休止または充電プロセスの間、前記カソード部分を電気的にアノード部分から分離することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の上述、及びその他の特徴及び利点は当業者であれば下記の詳細な説明及び図面から認識、及び理解される。
【００２６】
充電可能な金属空気型の電気化学セルが提供される。充電可能な金属空気型の電気化学セルは、金属燃料アノードと、空気カソードと、第３の電極と、前記アノードの主要表面の少なくとも一部とイオン連絡するセパレータとを含む。さらに、アノードの燃料補給を補助する構造が提供される。
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を例示的に説明する。説明を明確にするために、図に示される同様な特徴は、同じ参照番号で、代替実施形態で示される類似特徴は、類似する参照番号で示される。
【００２８】
次に図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、充電可能な金属空気型の電気化学セル２００が図示される。一対のアノード２０８は、内側のセル構造隔壁に沿って配置される。さらに、一対のカソードまたはカソード部分２０４は、前記セル構造の中央に配置され、一般に電解質２１０を通じて前記アノード２０８とイオン連絡する。前記カソード２０４は中央に配置されるので、簡単に取り替えが可能である。両方のカソード部分２０４は、折畳自在メカニズム２０２によって互いに取着される。前記折畳自在メカニズム２０２が含まれることにより、前記カソード間のエアーギャップ２１２の開閉が可能になる。前記折畳自在メカニズム２０２には、機械的アセンブリ、形状記憶合金構造、またはその類似物を含むが、これらに限定されるものではない。例えば、前記折畳自在メカニズムは、機械および電気機械技術分野の当業者にとって明白であるように、カムシステム、アクチュエータをベースにしたシステム、ばね、ラッチ、ギヤ、プーリー、または上記のいかなる組み合わせを有してもよい。
【００２９】
別の実施形態では、前記折畳自在メカニズム２０２は、形状記憶合金材料を有してもよく、これは前記カソード部分２０４と機械的に協働可能で、選択的に作動させると、前記形状記憶合金が変形され（例えばそれ自体が変形し）、前記カソード２０４の折畳が可能になる。複数の形状記憶合金が図示されるが、ここで留意すべきは１つの形状記憶合金のみの使用も可能であることである。前記形状記憶合金は、例えば、形状記憶合金材料で形成されるワイヤ、チューブ、プレート、または他の適切な構造であってもよい。これらの材料は、適切な熱処置が行われると、以前に定義された形および／またはサイズに戻る能力を実証している。これらの材料には、例えば、ニッケル‐チタン合金および銅ベースの合金（例えば銅−亜鉛−アルミニウムおよび銅−アルミニウム−ニッケル）を含んでもよい。
【００３０】
形状記憶合金は、温度および／または圧力の変化にさらされると、結晶相遷移を経る合金である。通常の状態において、形状記憶合金の高温状態（オーステナイト）からその低温状態（マンテンサイト）への遷移は、合金自体の組成、それが製造された熱−機械処理のタイプによって異なる温度範囲内で起こる。  
形状記憶合金の部分がオーステナイト相の間に、圧力が加えられ、前記部分がオーステナイトからマンテンサイト変態温度範囲に冷却されると、オーステナイト相からマンテンサイト相に変化し、前記形状記憶合金の形状は、加えられた圧力のため変形する。加熱の際に、マンテンサイト相からオーステナイト相へ変化すると、前記形状記憶合金部分は元の形状に戻る。
【００３１】
一般に、形状記憶合金は２つのクラスに分類できる。単方向及び双方向である。特定の温度領域に加熱すると、単方向形状記憶合金は定義済みの形を回復する。これは、適切な加熱ステップによってあらかじめ定義されるものである。単方向形状記憶合金は、冷却されても元の形へ戻らない。他方、双方向形状記憶合金は、冷却後、加熱前の形へ戻る。形状記憶合金に関する更なる詳細は公知であり、例えば、Ｄａｒｅｌ  Ｅ．Ｈｏｄｇｅｓｋｉｎ、Ｍｉｎｇ  Ｈ．ＷｕおよびＲｏｂｅｒｔ  Ｊ．Ｂｉｅｒｍａｎｎらによる「Ｓｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｌｌｏｙｓ」に記載されているが、ここで言及することにより本明細書に組み込まれるものとする。
【００３２】
したがって、形状記憶合金の不必要な変形が起こらないように、形状記憶合金の材料を選択する必要がある。セルの内部温度は、形状記憶合金を変形させるようなレベルに上がってはならない。代わりに、この内部温度を、故意に形状記憶合金の変形を誘導するためのメカニズムとして使用することができる。例えば、これはセルの過熱を防ぐための安全装置として有用となる場合がある。
【００３３】
通常、前記カソード部分２０４の制御された折畳を提供するために、加熱システム（図示せず）が使用される。加熱システムは、形状記憶合金の近辺に一つ以上の電熱器を含んでもよい。あるいは、電流を形状記憶合金に直接流して、所望の温度に加熱してもよい。エネルギーは、前記電池またはセルから直接、またはその代わりに外部または別に組み込まれた電池から得てもよい。例えば、形状記憶合金系または他の折畳自在メカニズム専用の小型の充電式電池でもよい。そのような専用電池は、本明細書において記載されるように、主要セルから放電の間などに再充電されてもよい。
【００３４】
ここで留意すべきは、電気的ショートを防止するために、前記形状記憶合金の一端または両端は、適切な電極上の絶縁体上に固定されなければならない点である。
【００３５】
単方向の形状記憶合金の変形の場合、合金が加熱されて、形状が変化すると（すなわち、一般に図２Ａから図２Ｂの位置までで示される）、前記形状記憶合金は通常元の構造に戻ることはない（すなわち図２Ａの構成、加熱した際に図２Ｂの構造に開拡する前記形状記憶合金の構造）。したがって、前記カソードをその休止または充電位置に戻すには外力が必要となり、それにより、加熱前の位置に前記形状記憶合金が戻される。この力は、マニュアルで、ばね、他の形状記憶合金アクチュエータ、または様々な他の機械的装置で提供されてもよい。さらに、これは自動システムでもよく、電子コントローラが元の位置に戻す必要性を決定し、その後に機械力用のシグナルを送信する。
【００３６】
前記の双方向形状記憶合金の場合、形状記憶合金の形を変化させるために使用される熱は、前記形を維持するために維持されなければならない。熱が冷めると、形状記憶合金は、加熱される前の形状記憶合金の形へ戻る。
【００３７】
単方向か双方向の形状記憶合金のどちらかで、加熱前及び加熱後の形状が、図２Ａと２Ｂで示される構成の異なる位置と関連可能であることに注意する。例えば、ある構成では、形状記憶合金の加熱前の形状が図２Ａにおいて表され、加熱後の形状は、図２Ｂで示される。代わりに、加熱前の形状は図２Ｂで、加熱後の形状は、図２Ａで表示される場合もある。本実施形態において、例えば双方向形状記憶合金の場合、不使用または充電位置を保持するために形状記憶合金を加熱する電力は、前記セル自体から得るようにしてもよい。
【００３８】
特に図２Ａを参照すると、前記カソードは充電モードで示される。カソードが折り畳まれると、カソード沿いの空気フローが減少し、またはブロックされ、その結果、再充電の間にカソードの二酸化炭素触媒活性低下が減少する。さらに、前記カソードが折り畳まれると、セル構造内のスペースが増え、そのため、酸素気泡が逃げることができる。さらに、折畳自在メカニズムによって得られたカソードの位置は、前記カソードをセルの残りの部分から分離するために使用し、カソードの不必要な劣化および前記セルの自己放電を防ぐことができる。
【００３９】
充電式のセルでは、前記空気カソードの関与を最小限かまたは排除した間にアノードを充電するのが望ましい場合がよくある。そのため、前記空気カソード（放電操作用）および第３の電極（再充電操作用）の間にある電気接続を切り替える必要がある。金属−空気技術は、いかなる利用可能な一次電池システムでも最も高い有効エネルギー密度を提供する。例えば、亜鉛−空気セルでは、酸素がセル内に拡散し、カソード反応体として使用される。前記空気カソードは、触媒的にアルカリの電解水溶液と一緒に酸素の反応を促進させ、放電の間に消耗したり変化したりしない。これの主な欠点、前記空気カソードが前記セルの放電には効率的に使用できないことである。これが部分的に消耗したり、変化すると、セルの性能、最終的にはセルの有効期間に悪影響を与える。このように、別の電極（すなわち第３の電極）を追加することにより、適切な亜鉛−空気セルの充電自在なセルを可能にする。図２Ａに示すように、再充電の間に電流がカソード中を流れないように配慮される。
【００４０】
図２Ｂは、放電モードのカソード位置を示す。この位置において、前記カソード２０４は前記アノード２０８の方へ押される。これにより、前記カソード２０４間の空気ギャップが大きくなり、反応に必要となる十分な空気／酸素が提供される。さらに、それは前記カソード２０４と前記アノード２０８の各セット間の電解質のギャップを減らし、その結果、セル内の抵抗が減少する。
【００４１】
次に図３Ａ〜３Ｄを参照すると、金属空気セルのさまざまな構成用の放電及び再充電の回路図が示される。図３Ａは、カソード３０２と、第３の電極３０４と、アノード３０６とを有する単一の金属空気セルの放電を示す。図３Ｂは、単一の金属空気電池の再充電を示す。図示はされないが、図３Ａおよび３Ｂの回路配置は、前記第３の電極に関連するスイッチまたは代替、および前記カソードに関連するスイッチまたは代替を通常必要とする。
【００４２】
図３Ｃは、放電の間に前記第３の電極が接続されたままのセルシステムの放電を示す。図３Ｄは、放電の間に前記第３の電極が接続されたままの直列のセルシステムの再充電を示す。充電の間、前記カソードはスイッチ／接点３０８により電気回路の残りの部分から分離される。放電の間、前記カソードはスイッチ／接点３０８により電気回路の残りの部分と接続される。したがって、スイッチが閉位置にある場合、前記カソードは第３の電極に接続している状態にあり、電気回路は放電操作用の配置にある。この配置において、放電経路の切替回路は、複数切替メカニズムに関連するさまざまな損害を最小にする。そのような損害には、前記スイッチの接続抵抗による内部抵抗の増加、放電の間の電力損失および発熱、および複数切替駆動メカニズムに関連する非効率性が含まれる。
【００４３】
理論に制限されることは所望するところではないが、前記空気拡散電極と前記アノード、また前記充電電極（しばしばニッケルで構成される）と前記アノードの組合せが相乗作用を生み出し、金属空気電気化学セルとニッケル−亜鉛電気化学セルの両方の性質を呈することが可能である。
【００４４】
前記スイッチが開位置に切り換えられると、前記カソードは隣接のセルの第３の電極にもはや接続されていないので、セル電気回路は充電用の配置になる。そのため、充電操作の間、電流はカソード中を流れない。
【００４５】
前記スイッチは、所望される電流及び／または電圧を処理できるものであれば従来のどのスイッチでもよい。適切なスイッチには、機械的スイッチ、半導体スイッチ、または分子的（化学的）スイッチ、またここで言及することにより本明細書に取り込まれる２００１年４月６日付け出願のＡｄｉｔｉ  Ｖａｒｔａｋ及びＴｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉによる米国特許出願第０９／８２７，９８２号明細書、表題「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  Ｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」に開示されるどのスイッチ方式でもよいが、これらに限定されるものではない。
【００４６】
従来のセルまたは硬いカソードのセル構造は、この切断を組み込むために追加の配置が必要となる。しかし、前記カソード２０４の折畳自在のカソード動作により、追加の配置なしに接点を容易に接続及び切断することができる。したがって、図４Ａと４Ｂに図示されるように、前記充電位置（図４Ａ）において前記カソード４０４は折畳位置にあり、前記接点４１４は開いた状態なので、カソードと第３電極４０８の接点は切断されている。前記放電位置（図４Ｂ）において前記接点は閉じられて、カソードと第３電極は接続されている。
【００４７】
更なる実施形態において別の特徴、すなわち、言及により本明細書に組み入れられるＳａｄｅｇ  Ｆａｒｉｓによる２００２年５月１４日付け出願の米国出願番号第１０／１４５，２７８号明細書、表題「Ｍｅｔａｌ  Ａｉｒ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｉｏｎｉｃ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」で詳細に説明されるイオン的分離システムを組み入れ可能である。さらに、前記セルは、Ｇｅｏｒｇｅ  Ｔｚｏｎｇ−Ｃｈｙｉ  Ｔｚｅｎｇ及びＣｒａｉｇ  Ｃｏｌｅによる２００２年２月１１日付け出願の米国出願番号第１０／０７４，８９３号明細書、表題「Ｍｅｔａｌ  Ａｉｒ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」において詳細に記載される楔形に構成させることができる。
【００４８】
アノード、カソードおよび第３の電極の配置（例えば相対位置）が本発明の範囲から逸脱せずにここで記載されたものと異なることが可能であることに留意されるべきである。例えば、図５Ａおよび５Ｂで示される１実施形態において、前記アノード５０６は第３の電極５０８およびカソード５０４の対の間に位置する。充電位置（図５Ａ）において、前記カソード５０４は、折畳位置にある。放電位置（図５Ｂ）において、折畳自在メカニズムは開拡して、カソード５０４をアノード５０６に近づけ、空気カソードへの空気路を開く。図６Ａと６Ｂで図示される別の実施形態では、各アノード６０６は一対の第３電極を含み、これにより充電が促進され、放電能率が最大化される。
【００４９】
更に、前記セルシステムの全体の形は、今まで図示されてきたプリズム型に限定されるものではない。例えば、図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂ、９Ａ及び９Ｂで示されるように、折畳自在メカニズムを利用したシステムは楔形構成でもよく、例えば、Ｇｅｏｒｇｅ  Ｔｚｏｎｇ−Ｃｈｙｉ  Ｔｚｅｎｇ及びＣｒａｉｇ  Ｃｏｌｅによる２００２年２月１１日付け出願の米国出願番号第１０／０７４，８９３号明細書、表題「Ｍｅｔａｌ  Ａｉｒ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」において詳細に記載される。図７Ａと７Ｂの実施形態において、前記充電電極７０８は、前記カソード７０４に対して前記アノード７０６の外側にある。前記カソード７０４とそれに関連する折畳自在メカニズム７０２は取外し自在で、且つ、前記第３の電極７０８は前記アノードアセンブリ中に残ることに注意する。例えば、充電式であるセルにおいて、アノードが再生される場合で、アノード部分が特定の再充電サイクル後に取替え可能な場合、前記第３の電極は再利用してもよい。
【００５０】
図８Ａおよび図８Ｂの実施形態において、前記充電電極８０８は、カソード８０４に近接するが、セパレータによって電気的に分離される。前記カソード８０４、前記充電電極８０８、およびそれに関連する折畳自在メカニズム８０２は着脱可能であることに注意する。例えば、充電式であるセルにおいて、前記アノードが再生される場合で、前記アノード部分が特定の再充電サイクル後に取替え可能な場合、前記カソードと関連する第３の電極は再利用してもよい。
【００５１】
図９Ａと９Ｂの実施形態において、前記充電電極９０８は、前記カソード９０６と前記アノード９０４の間にある。前記カソード９０４とそれに関連する折畳自在メカニズム９０２は取外し自在で、且つ、前記第３の電極９０８は前記アノードアセンブリ中に残されることに留意する。例えば、充電式であるセルにおいて、アノードが調整される場合で、アノード部分が特定の再充電サイクル後に取替え可能な場合、前記第３の電極を再利用してもよい。
【００５２】
前記アノード２０４は、一般に金属および／または金属酸化物などの金属成分、および集電装置から成る。充電可能なセルの場合、金属酸化物および金属成分の組み合わせを含む設計を利用することは、公知の技術である。任意で、イオン伝導媒体が前記アノード部分中に提供される。更に特定の実施形態において、前記アノードはバインダ及び／または適切な添加剤を有する。サイクルの間で形状変化を最小限にすると同時に、前記設計はイオン伝導率、容量、密度、および全体的放電度を最適化するものが好ましい。
【００５３】
前記金属成分は、主に、亜鉛、カルシウム、リチウム、マグネシウム、鉄合金、アルミニウムのような金属と金属化合物、前述の金属のうちの少なくとも１つの酸化物、または前述の金属のうちの少なくとも１つから成る組み合わせと合金とから構成されてもよい。これらの金属は、ビスマス、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、鉛、水銀、ガリウム、スズ、カドミウム、ゲルマニウム、アンチモン、セレニウム、タリウム、前述の金属のうちの少なくとも１つの酸化物、または前述の成分のうちの少なくとも１つから成る組み合わせを含む成分と混合、また合金化されてもよいがこれらに限定されるものではない。前記金属成分は、粉、繊維、粉塵、粒剤、フレーク、ニードル、ペレットまたは他粒子の形で提供されてもよい。特定の実施形態において、微粒金属、特に亜鉛合金金属が、金属成分として提供される。電気化学的プロセスによる変換の間、前記金属は一般に金属酸化物に変換される。
【００５４】
前記アノード集電装置は、導電性を提供することができ、任意に前記アノード部分にサポートを提供することができる導電性の材料であればいずれでもよい。前記集電装置は、銅、黄銅、ステンレス鋼のような鉄合金、ニッケル、炭素、導電性の重合体、導電性のセラミック、アルカリ性環境において安定で、電極を侵食しない他の導電性の材料、または上記材料の内少なくとも１つからなる組合せ及び合金を含む、様々な導電性材料で構成されてもよいが、これらに限定されるものではない。前記集電装置は、メッシュ、多孔質板、発泡金属材料、小板、ワイヤ、プレートまたは他の適切な構造の形式であってもよい。本明細書において記載されるように、特定の実施形態では電力出力端子として集電装置の延線が利用される。
【００５５】
前記電解質またはイオン伝導媒体は、一般にアルカリ媒体から成り、ヒドロキシルが金属および金属化合物に至るための経路を提供する。前記イオン伝導媒体は液体電解質が適切に収容される、浴槽の形であってもよい。特定の実施形態において、イオン伝導力を持つ量の電解質が前記アノード部分で備えられる。電解質は、一般にＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、別の材料、または前述の電解質媒体のうちの少なくとも１つから成っている組み合わせなどのイオン伝導材料を有する。特に、前記電解質は、約５％から約５５％のイオン伝導材料、好ましくは約１０％から約５０％のイオン伝導材料、より好ましくは約３０％から約４５％のイオン伝導材料の濃度を持つ液体電解質から構成されてもよい。当業者にとって明らかなように、他の電解質がそれの能力に応じて代替として使用することが可能である。
【００５６】
前記アノードの任意のバインダは主に、固体、またはある構成では略固体の形にアノード成分を維持させる。前記バインダは、一般に前記アノード材料及び集電装置に付着し、適切な構造を形成させ、前記アノードの接着目的のための適量が一般に提供される材料である。この材料は、電気化学的環境で化学的に不活性であるのが好ましい。特定の実施形態において、前記バインダ材料は、水に可溶、またはエマルションを形成可能であるが、電解質溶液には不可溶である。適切なバインダ材料は、ポリ四フッ化エチレン（例えば、デラウェア州ウィルミントン市のＥ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｃｏｒｐ．から市販されているＴｅｆｌｏｎ（登録商標）およびＴｅｆｌｏｎ（登録商標）Ｔ−３０）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、及び類似物に基づくポリマー及びコポリマー、前述のバインダ材料のうちの少なくとも１つを有する誘導物、組合せ、及び混合物を含む。しかし、当業者であれば、他のバインダ材料が使用可能であることが理解される。
【００５７】
腐食を防ぐために任意の添加剤を提供してもよい。適切な添加剤には、酸化インジウム、酸化亜鉛、ＥＤＴＡ、サーファクタント（例えばステアリン酸ナトリウム、カリウムラウリル硫酸エステル、Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−４００（コネティカット州ダンベリー市のＵｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  &  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐ．から入手可））、およびその他のサーファクタント、類似物、および誘導体、前述の添加剤のうちの少なくとも１つから成っている組み合わせおよび混合物を含むが、これらに限定されるものではない。しかし、当業者であれば、他のバインダ材料が使用可能であることが認識される。
【００５８】
前記カソードに供給される酸素は、いかなる酸素源からでもよく、例えば空気、洗浄された空気、ユーティリティまたはシステム供給による、或いは現場の酸素製造等から得られる純粋また略純粋な酸素、その他の処理された空気、または前述の酸素源のうちの少なくとも１つから成るいかなる組み合わせ等が可能である。
【００５９】
前記カソード部分は、従来の空気拡散カソードであってもよく、例えば、活性成分と炭素基板、及び集電装置などの適切な接続構造を一般に有する。一般的に、カソード触媒は、室温において少なくとも２０ミリアンペア／平方センチメートル（ｍＡ／ｃｍ２）の電流密度、好ましくは少なくとも５０  ｍＡ／ｃｍ２の電流密度、そしてより好ましくは少なくとも１００  ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を達成するように選択される。もちろん、より高い電流密度を、適切なカソード触媒および調合によって達成することができる。前記カソードは、例えば、放電と再充電の両方の間に作動可能な、二機能性であってもよい。しかし、本明細書で記載される前記システムを使用すると、前記第３電極は充電電極の機能をするので二機能性カソードの必要性がなくなる。
【００６０】
使用する炭素は、電気化学セル環境で化学的に不活性であるのが好ましく、様々な形体のものが可能であるが、炭素フレーク、グラファイト、他の表面面積の大きい炭素材、または前述の炭素形体のうちの少なくとも１つから成る組み合わせを含むがこれに限定されるものではない。
【００６１】
前記カソード集電装置は、導電性を提供することができるいかなる導電性材料でもよく、好ましくはアルカリ性溶液において化学的に安定したもので、任意で前記カソードにサポートを提供できるものがよい。前記集電装置は、メッシュ、多孔質板、発泡金属材料、小板、ワイヤ、プレートまたは他の適切な構造の形式であってもよい。前記集電装置は、酸素フローの妨げを最小限に抑える為に一般に多孔質である。前記集電装置は、銅、ステンレス鋼のような鉄合金、ニッケル、クロム、チタン、その類似物、及び上記の金属の少なくとも１つからなる組み合わせまたは合金を含むさまざまな導電性のある材料から製造可能である。適切な集電装置には、ニッケル発泡金属のような多孔性金属が含まれる。
【００６２】
また、前記カソード１１４では一般的にバインダーが使用され、基板材料、集電装置、及び触媒に接着し適切な構造を形成する任意の材料でよい。前記バインダは、前記炭素、触媒および／または集電装置を接着するための適量が一般に提供される。この材料は、電気化学的環境で化学的に不活性であるのが好ましい。特定の実施形態において、前記バインダ材料は、疎水特性も有する。適切なバインダ材料は、ポリ四フッ化エチレン（例えば、デラウェア州ウィルミントン市のＥ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｃｏｒｐ．から市販されているＴｅｆｌｏｎ（登録商標）およびＴｅｆｌｏｎ（登録商標）Ｔ−３０）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ−（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、及び類似物に基づくポリマー及びコポリマー、前述のバインダ材料のうちの少なくとも１つを有する誘導物、組合せ、及び混合物を含む。しかし、当業者であれば、他のバインダ材料が使用可能であることが理解される。
【００６３】
前記活性成分は一般に、前記カソードでの酸素反応を促進させる適切な触媒材料である。前記触媒材料は、前記カソードでの酸素反応を促進させるために効果的な量が一般に提供される。適切な触媒材料には、マンガン、ランタン、ストロンチウム、コバルト、白金、及び前述の触媒材料のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ及び酸化物が含まれるが、これらに限定されるものではない。例示的な空気カソードはＷａｙｎｅ  Ｙａｏ及びＴｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｆｏｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ」の表題の米国特許６３６８７５１号明細書において開示され、ここに言及することにより全文が本明細書に組み込まれたものとする。当業者であれば明らかなように、他の空気カソードがそれの能力に応じて代替として使用することが可能である。
【００６４】
前記アノードを電気的に前記カソードから分離するために、セパレータを電極間に提供することは、本技術分野で周知のことである。前記セパレータは、前記アノードと前記カソード間の十分なイオン移動を可能にすると同時に、前記アノードと前記カソード間を電気的に分離することができる市販のセパレータであればいずれでもよい。アノードアセンブリを形成するために、前記セパレータは、前記アノードの少なくとも１つの主要表面の少なくとも一部分、あるいは、前記アノードの全主要表面と、物理的およびイオン的に接触するように配置されてもよい。さらに別の実施形態では、前記セパレータは、前記アノードに隣接する前記カソードの表面の大部分と物理的およびイオン的に接触するように配置される。
【００６５】
前記セパレータおよびアノード間の物理的及びイオン的接触は、以下にように達成されてもよい。前記アノードの一つ以上の主要表面上に前記セパレータを直接取り付ける；前記アノードを前記セパレータで包む；前記アノードの構造的サポート用にフレームまたは他の構造を使用し、ここで前記セパレータはフレームまたは他の構造内の前記アノードに付着する；または、前記セパレータはフレームまたは他の構造に付着し、ここで前記アノードは前記フレームまたはその他の構造内に配置される。
【００６６】
前記セパレータは柔軟で、セル構成要素の電気化学的膨張および収縮に適応でき、セルの薬品に化学的に不活性であるのが好ましい。適切なセパレータは、織布、不織布、多孔質（例えばミクロ微小孔またはナノ微小孔）、多房、ポリマーシート、及びその類似物を含む形態で提供されるが、それらに限定されるものではない。前記セパレータ用の材料には、ポリオレフィン（例えばダウ・ケミカル社から市販されているＧｅｌｇａｒｄ（登録商標））、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、セルロース（例えばニトロセルロース、セルロースアセテート、及び類似品）、ポリエチレン、ポリアミド（例えばナイロン）、ふっ化炭素系の樹脂（例えば、スルホン酸基官能性を有するＮａｆｉｏｎ（登録商標）シリーズの樹脂（Ｄｕ  Ｐｏｎｔから市販されている））、セロハン、ろ紙、および前述の材料のうちの少なくとも１つから成る組み合わせが含まれるが、これに限定されるものではない。前記セパレータは、また添加剤および／またはコーティング（例えばアクリル化合物及びその類似品）を有し、これによりぬれ性（ｗｅｔｔａｂｌｅ）が向上し、電解質に対する透過性が向上する。
【００６７】
特定の実施形態において、前記セパレータは、水酸化物透過性の電解質等の電解質を含有する膜から成る。ぜ前記膜は、以下の理由で、水酸化物透過性の特徴を持つ可能性がある。ゼラチン質のアルカリ性物質等の水酸化物源をサポートできる物理的特性（例えば多孔性）、水酸化物源（例えば電解水溶液）をサポートできる分子構造、陰イオン交換性質（例えば陰イオン交換膜）、または水酸化物源の提供が可能なこれらの特性のうちの１つ以上の組み合わせである。
【００６８】
特定の実施形態において、電解質ゲルを進行電極（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）及び／または還元電極の表面に直接取り付けるか、または前記進行電極と還元電極間に自己サポート膜として取り付けるかのどちらでもよい。代わりに、前記ゲルは、基板（例えばセパレータ）によってサポートされ、進行電極と還元電極の間に組み入れられてもよい。
【００６９】
前記電解質（本明細書の種々のセパレータのいずれかの内部、または前記セル構造内一般の液体として）は、一般にイオン伝導材料からなり、前記金属アノードとカソード間のイオン伝導を可能にする。前記電解質は、一般に水酸化物透過性材料（例えばＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨまたは前述の電解質媒体のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ）を有する。好適な実施形態において、水酸化物透過性材料はＫＯＨを有する。特に、前記電解質は、約５％から約５５％のイオン伝導材料、好ましくは約１０％から約５０％のイオン伝導材料、より好ましくは約３０％から約４０％のイオン伝導材料の濃度を持つ電解液から構成される。
【００７０】
前記電解質用のゲル化剤は、材料に所望の粘稠度を提供する充分な量のいかなる適切なゲル化剤でもあってもよい。前記ゲル化剤は、ノースキャロライナ州シャーロットのＢＦ  Ｇｏｏｄｒｉｃｈ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な架橋ポリアクリル酸のＣａｒｂｏｐｏｌ（登録商標）ファミリ（例えばＣａｒｂｏｐｏｌ（登録商標）６７５）、Ａｌｌｉｅｄ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ（英国、ヨークシャー）から入手可能なＡｌｃｏｓｏｒｂ（登録商標）Ｇ１、およびポリアクリル酸のカリウムおよびナトリウム塩、のような架橋ポリアクリル酸（ＰＡＡ）；ウイスコンシン州ミルウォーキーのＡｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．から入手可能なカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）；ヒドロキシプロピルメチルセルロース；ゼラチン；ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）；ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）；ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）；ポリブチルビニルアルコール（ＰＢＶＡ）；前述のゲル化剤のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ、およびその類似物でもよい。通常、ゲル化剤濃縮は、約０．１％から約５０％、好ましくは約２％から１０％である。
【００７１】
任意の基板は、織布、不織布、多孔質（例えばミクロ微小孔またはナノ微小孔）、多房、ポリマー・シート、及びその類似を含む形態で提供されるが、これらに限定されるものではなく、還元電極と進行電極間の十分なイオン移動を可能にするものである。特定の実施形態において、前記基板は柔軟で、セル構成要素の電気化学的膨張および収縮に適応でき、セルの薬品に対し化学的に不活性である。前記基板用の材料には、ポリオレフィン（例えば、マサチューセッツ州バーリントンのＤａｒａｍｉｃ  Ｉｎｃ．から市販されているＧｅｌｇａｒｄ（登録商標））、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、セルロース（例えばニトロセルロース、セルロースアセテート、及び類似物）、ポリアミド（例えばナイロン）、セロハン、ろ紙および前述の材料のうちの少なくとも１つから成る組み合わせを含むが、これに限定されるものではない。基板は、また添加剤および／またはコーティング（例えばアクリル化合物及びその類似品）を有し、これによりぬれ性が向上し、電解質に対する透過性が向上される。
【００７２】
セパレータとしての水酸化物伝導膜の他の実施形態において、電解液などの水酸化物源をサポートする分子構造が提供される。そのような膜は、自己サポートの固体構造で電解液の伝導性の利点が得られるので所望される。特定の実施形態において、前記膜は、ポリマー材料及び電解質の複合物から製造されてもよい。ポリマー材料の分子構造により、電解質がサポートされる。架橋結合および／または重合の鎖が、電解質を保持するのに役立つ。
【００７３】
伝導性のセパレータの１実施形態では、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、またはポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）のようなポリマー材料が水酸化物源と一体的に厚膜を形成する。第１の形成において、１モルのＫＯＨおよび０．１モルの塩化カルシウムが、６０ミリリットルの水および４０ミリリットルの４水素フラン（ＴＨＦ）の混合液に溶かされる。塩化カルシウムは、吸湿剤として提供される。その後で、１モルのＰＥＯが前記混合液に添加される。第２の形成において、第１の形成の時と同じ材料が使用されるが、ＰＥＯの代わりにＰＶＣが使用される。前記水溶液は、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）タイプのプラスチック材料の基板に厚膜としてキャスティング（または被覆）される。他の基板材料では、好ましくは前記膜材質より高い表面張力を有するものが使用可能である。前記混合溶媒が塗布されたコーティングから蒸発する際、イオン伝導性の固体状膜（すなわち厚膜）が前記ＰＶＡ基板上に形成される。前記ＰＶＡ基板から前記固体状膜をはがすことによって、固体状でイオン伝導性の膜またはフィルムが形成される。上記の形成法を使用して、約０．２から約０．５ミリメータの範囲の厚さを有するイオン伝導性のフィルムを形成することが可能である。
【００７４】
セパレータとして適切な伝導力を有する膜の他の実施形態が、次の文献により詳細に記載される：１９９９年２月２６日付け出願のＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、Ｙｕｅｎ−Ｍｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ、及びＴｏｍ  Ｋａｒｅｎによる米国特許出願第０９／２５９０６８号明細書、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」；２０００年１月１１日付け出願のＴｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、及びＬｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉによる米国出願第０９／４８２，１２６号明細書、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｉｎ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」；２００１年８月３０日付け出願のＲｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによる米国出願第０９／９４３０５３号明細書、発明の名称「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」；２００１年８月３０日付け出願のＲｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによる米国出願第０９／９４２８８７号明細書、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」；上記の全明細書はここに引用することによりその全文は本明細書に取り込まれたこととする。これらの膜は一般に、水溶性のエチレン性の不飽和アミドおよび酸の群から選択される１つ以上のモノマーの重合生成物からなるポリマー材料、さらに任意で可溶性または水潤性のポリマー、またはＰＶＡ等の補強剤を有する。このような膜は、内部に一体化された電解液による高イオン透過性のために所望されるだけでなく、構造的なサポートと樹枝状結晶に対する耐性も提供するので、金属空気型の電気化学セルの充電のための適切なセパレータとなる。
【００７５】
特定の実施形態において、セパレータとして使用されるポリマー材料は、水溶性のエチレン性不飽和アミドおよび酸の群から選択された１つ以上のモノマーの重合生成物、且つ任意で水溶性または水膨潤ポリマーを有する。前記重合生成物は、サポート物質または基板上に形成されてもよい。前記サポート物質または基板は、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、セルロース、またはナイロン等のポリアミド等の織布または不織布であってもよいが、これらに限定されるものではない。さらに、前記重合生成物は、前記セルのアノードまたはカソード上に直接に形成されてもよい。
【００７６】
前記電解液は、上記のモノマーの重合の前、または重合の後に加えられてもよい。例えば、１実施形態においては、重合の前に電解質を前記モノマーと、任意の重合開始剤と、任意の強化性要素とを含む溶液に添加して、重合後ポリマー物質内に含有されるようにしてもよい。あるいは、前記重合は電解質なしで実行し、後で電解質を添加してもよい。
【００７７】
前記の水溶性エチレン性不飽和アミドおよび酸のモノマーは、メチレンビスアクリルアミド、アクリルアミド、メタクリル酸、アクリル酸、１−ビニル−２−ピロリジノン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、フマルアミド、フマル酸、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、３，３−ジメチルアクリル酸およびビニルスルホン酸のナトリウム塩、他の水溶性のエチレン性不飽和アミドおよび酸のモノマーまたは前述のモノマーのうちの少なくとも１つから成る組み合わせを含んでもよい。
【００７８】
補強要素の役割をする前記水溶性または水膨潤のポリマーは、ポリスルホン（陰イオン）、ポリ（ナトリウム４−スチレンスルホナート）、カルボキシメチルセルロース、ポリ（スチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）のナトリウム塩、コーンスターチ、他のいかなる水溶性または水膨潤ポリマー、または前述の水溶性または水膨潤ポリマーの少なくとも１つからなる組み合わせから構成されてもよい。前記補強要素の添加は、前記ポリマー構造の機械的強さを向上させる。
【００７９】
任意に架橋剤、例えばメチレンビスアクリルアミド、エチレンビスアクリルアミド、任意の水溶性のＮ，Ｎ’−アルキリデン  ビス（エチレン性の不飽和アミド）、他の架橋材、または前述の架橋剤のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ。
【００８０】
重合開始剤には、過硫酸アンモニウム、アルカリ金属過硫酸塩および過酸化物、他の開始剤、または前述の開始剤の少なくとも１つからなる組み合わせも含まれる。更に、開始剤を紫外線、Ｘ線、γ−放射線などを含む放射などの遊離基生成方法と組み合わせて使用してもよい。しかし、重合の開始には放射だけで十分に強力な場合、前記化学開始剤を添加する必要はない。
【００８１】
前記ポリマー材料を形成する１方法では、前記の選択された布が前記モノマー溶液（所望のイオン種入りまた無しで）に浸され、溶液コートされた布は冷却され、また重合開始剤が任意に添加される。前記モノマー溶液は加熱によって、または紫外線、ガンマ線、Ｘ線、電子ビームまたはそれの組み合わせの照射によって重合することもでき、それにより前記ポリマー材料が生成される。前記イオン種が重合された溶液に含まれる場合、水酸化物イオン（または他のイオン）は重合の後も溶液中に留まる。更に、前記ポリマー材料がイオン種を含まない場合は、例えば、このポリマー材料をイオン溶液に浸して添加してもよい。
【００８２】
重合は、一般に室温から約１３０℃まで温度範囲で実行され、好ましくは約７５℃から約１００℃の高い温度範囲である。任意に、前記重合は加熱と一緒に放射を使用して実行してもよい。あるいは、放射の強度に応じて、成分の温度を上げずに放射だけで実行することもできる。前記重合反応に役立つ放射タイプの例には、紫外線、γ線、Ｘ線、電子ビームまたはその組み合わせが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００８３】
前記膜の厚さを制御するために、重合の前にコートされた布を適切な型内に置いてもよい。あるいは、前記モノマー溶液でコートされた布をガラスやポリエチレンテラフタラート（ＰＥＴ）フィルム等の適切なフィルム）の間に配置してもよい。前記フィルムの厚さは、特定の用途での効果に基づいて変化することは当業者にとっては明白なことである。特定の実施形態において、例えば酸素を空気から分離するために、前記膜またはセパレータは約０．１ｍｍから約０．６ｍｍの厚さを有してもよい。実際の伝導性媒体はポリマー中核内の水溶液中に留まるので、膜の透過性は、液体電解質のものに匹敵し、室温においてかなり高いものである。前記セパレータの別の更なる実施形態において、陰イオン交換膜が使用される。幾つかの典型的陰イオン交換膜は、第四級アンモニウム塩構造の官能性を有する有機ポリマーと、強塩基性ポリスチレン・ジビニルベンゼン架橋タイプＩ陰イオン交換体と、弱塩基性ポリスチレン・ジビニルベンゼン架橋陰イオン交換体と、強塩基／弱塩基性ポリスチレン・ジビニルベンゼン架橋タイプＩＩ陰イオン交換体と、強塩基／弱塩基性アクリル陰イオン交換体と、強塩基性ペルフルオロアミン化陰イオン交換体と、ある種の粘土のような自然に発生している陰イオン交換体と、そして、前述の材料のうちの少なくとも１つから成っている組み合わせおよび混合物をベースにする。
【００８４】
上記に一般的に説明されたように、前記セパレータは、前記アノード及び／またはカソードの１つ以上の表面に接着またはイオン的に接触するように配置されてもよい。例えば、セパレータはアノードまたはカソードに押圧されてもよい。
【００８５】
適切な陰イオン交換膜の別の例が、米国特許第６，１８３，９１４号明細書に詳細記載されるものであるが、ここで言及することにより本明細書に組み込まれるものとする。前記膜には、（ａ）アルキル第四級アンモニウム塩構造を有する有機ポリマーと、（ｂ）窒素を含む、複素環式のアンモニウム塩と、および（ｃ）水酸化物陰イオン源を有するアンモニウムベースのポリマーを含む。
【００８６】
また別の実施形態において、結果として生じる膜の機械的強さは、好ましくはポリオレフィン、ポリエステル、ポリビニルアルコール、セルロースまたは、ナイロンなどのポリアミド等の織布または不織布のサポート物質または基板上に前記の合成物をキャスティングすることによって向上させることも可能である。
【００８７】
前記充電電極２０６は、導電性の構造を有してもよい（例えば、メッシュ、多孔質板、発泡金属、小板、ワイヤ、プレートまたは他の適切な構造）。特定の実施形態において、前記充電電極２０６は多孔質で、イオン透過を可能にする。前記充電電極２０６は、様々な導電性材料で形成可能で、銅、ステンレス鋼のような鉄合金、ニッケル、クロム、チタン、および類似物、前述の材料のうちの少なくとも１つから成る組み合わせ及び合金を含むがこれらに限定されるものではない。適切な充電電極は、ニッケル発泡金属のような多孔性金属を有する。
【００８８】
好適な実施形態が例示され、説明されてきたが、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなしにさまざまな修正および代替の作成が可能である。したがって、上記の説明は、例示のためであり、これにより限定されるものではないことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、従来の充電式の金属空気型の電気化学セルの概略図である
【図２Ａ】図２Ａおよび図２Ｂは、金属空気型の電気化学セルの１実施形態を示し、本明細書において詳細に記載される第３の電極およびカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムが含まれる。
【図２Ｂ】図２Ａおよび図２Ｂは、金属空気型の電気化学セルの１実施形態を示し、本明細書において詳細に記載される第３の電極およびカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムが含まれる。
【図３Ａ】図３Ａおよび図３Ｂはそれぞれ、本発明の１実施形態において使用される放電回路図と再充電回路図である。
【図３Ｂ】図３Ａおよび図３Ｂはそれぞれ、本発明の１実施形態において使用される放電回路図と再充電回路図である。
【図３Ｃ】図３Ｃおよび図３Ｄはそれぞれ、本発明の別の実施形態で使用される放電回路図と再充電回路図である。
【図３Ｄ】図３Ｃおよび図３Ｄはそれぞれ、本発明の別の実施形態で使用される放電回路図と再充電回路図である。
【図４Ａ】図４Ａおよび図４Ｂは金属空気型の電気化学セルの１実施形態の概略図であり、本明細書において詳細に記載される切替配置と、第３の電極と、カソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムとが含まれる。
【図４Ｂ】図４Ａおよび図４Ｂは金属空気型の電気化学セルの１実施形態の概略図であり、本明細書において詳細に記載される切替配置と、第３の電極と、カソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムとが含まれる。
【図５Ａ】図５Ａおよび５Ｂは、金属空気型の電気化学セルの別の実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムを利用したカソードと第３の電極間に配置されるアノードを含む。
【図５Ｂ】図５Ａおよび５Ｂは、金属空気型の電気化学セルの別の実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムを利用したカソードと第３の電極間に配置されるアノードを含む。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、金属空気型の電気化学セルの別の実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムをさらに利用した、前記アノードの一方の側に配置される第３の電極を含む。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、金属空気型の電気化学セルの別の実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムをさらに利用した、前記アノードの一方の側に配置される第３の電極を含む。
【図７Ａ】図７Ａおよび７Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムが利用される。
【図７Ｂ】図７Ａおよび７Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムが利用される。
【図８Ａ】図８Ａおよび８Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、第３の電極がそれに付着されるカソードを含み、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムがさらに利用される。
【図８Ｂ】図８Ａおよび８Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、第３の電極がそれに付着されるカソードを含み、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムがさらに利用される。
【図９Ａ】図９Ａおよび９Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、第３の電極がそれに付着されるアノードを含み、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムがさらに利用される。
【図９Ｂ】図９Ａおよび９Ｂは、楔型に配置された金属空気型の電気化学セルの実施形態の充電及び放電モードにおける概略図であり、第３の電極がそれに付着されるアノードを含み、本明細書において詳細に記載されるカソードアセンブリに内蔵される折畳自在メカニズムがさらに利用される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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