(57)【要約】  電気化学電池は、負荷に接続されたときにアノードとして動作して燃料を酸化するように構成された燃料電極を含む。電極ホルダが、上記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、上記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、上記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を含む。複数のスペーサが、互いに距離をおいた関係により、上記燃料電極及び上記空洞を横切って延びて、上記空洞に複数の流路を定める。
2013507741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電極と、
該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、
これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、
を具備し、
前記燃料電極及び前記酸化電極が、放電の間において、前記燃料電極において金属燃料を酸化し、前記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を前記燃料電極と前記酸化電極との間に発生させる、ように構成されており、
さらに、
前記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、前記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、前記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダと、
互いに距離をおいた関係により前記燃料電極及び前記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、前記イオン伝導性媒質が、前記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切り、前記少なくとも１つの出口を介して前記流路から流出するようになっている、複数のスペーサと、
を具備する電気化学電池。
【請求項２】
さらに充電電極を具備し、
前記燃料電極及び前記充電電極が、再充電の間において、電源から前記燃料電極と前記充電電極との間に再充電電位差を印加されることにより、前記燃料の還元可能な種を還元して前記燃料を前記燃料電極の上に電着させ、前記酸化剤の酸化可能な種を酸化する、ように構成されている、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
前記充電電極が、（ａ）酸化電極、（ｂ）前記酸化電極から距離をおいて配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料電極の一部、からなる群から選択されたものである、請求項２に記載の電気化学電池。
【請求項４】
前記燃料電極が距離をおいた関係にある複数の透過性の電極ボディを含み、
前記充電電極が、再充電の間に、前記透過性の電極ボディのうちの少なくとも幾つかの電極ボディを含む動的充電電極である、請求項３に記載の電気化学電池。
【請求項５】
各スペーサが、該スペーサの両端において、張力を生じた状態により前記電極ホルダに取り付けられて、前記燃料電極を前記電極ホルダに固定している、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項６】
各スペーサが、細長い中央部分と、該細長い中央部分の各端部における形成された端部部分と、を含み、
前記電極ホルダが、前記スペーサの前記形成された端部部分に対応する複数の形成された開口を含んで、各スペーサの端部が前記電極ホルダにおける前記形成された開口により保持されることができるようになっている、請求項５に記載の電気化学電池。
【請求項７】
前記形成された端部部分及び前記形成された開口が実質的に三角形状を有する、請求項６に記載の電気化学電池。
【請求項８】
前記少なくとも１つの入口が複数の入口を含み、
前記少なくとも１つの出口が複数の出口を含み、
前記複数の入口のうちの１つの入口、及び、前記複数の出口のうちの１つの出口が各流路に関連付けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記関連付けられた入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切って、前記関連付けられた出口を介して前記流路から流出するようになっている、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項９】
前記空洞が、各流路の入口において広がる表面を含み、
該広がる表面が、前記流路における粒子が該流路に流入するイオン伝導性媒質とともに流動化される空間を部分的に定める、請求項８に記載の電気化学電池。
【請求項１０】
前記入口が、前記電極ホルダの入口チャネルと前記流路との間に圧力の低下をもたらすように構成される、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１１】
前記燃料電極が、距離をおいた関係にある複数の透過性のボディを含み、
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの間に設けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記透過性のボディを通って浸透し、前記流路における前記透過性のボディを横切って流れる、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１２】
各流路が、立体的なものであって、前記流路を定める前記スペーサと実質的に等しい高さを有する、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
放電の間に酸化された前記燃料が、前記イオン伝導性媒質の中に酸素を形成する、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１４】
各スペーサが前記燃料電極の中に又は該燃料電極の上に成形される、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１５】
前記燃料電極が、距離をおいた関係にある複数の透過性のボディを含み、
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの中に又は該複数の透過性のボディの上に成形されて、該複数の透過性のボディが距離をおいた関係により保持され、前記イオン伝導性媒質が前記複数の透過性のボディを通って浸透し、かつ、前記流路における前記複数の透過性のボディを横切って流れることができるようになっている、請求項１４に記載の電気化学電池。
【請求項１６】
複数の透過性の電極ボディと該複数の透過性の電極ボディの間に延びる実質的に平行な複数のスペーサとを含む、電気化学電池のための燃料電極を製造する方法であって、
各々が、互いに実質的に平行な２つの製造スペーサにより定められる複数の空洞に材料を注入する段階であって、隣接する前記複数の透過性の電極ボディが、これらの間にある前記製造スペーサを用いて実質的に互いに平行にかつ互いに距離をおいて保持されており、前記複数の透過性の電極ボディが前記複数の空洞の中に延びるようにする、段階と、
前記材料を硬化させて前記燃料電極の前記実質的に平行なスペーサを形成する段階と、
前記製造スペーサから前記透過性の電極ボディを分離して、前記透過性の電極ボディと前記材料から形成された前記実質的に平行なスペーサとが単一の一体的なユニットとなる段階と、
を含む方法。
【請求項１７】
前記複数の空洞が金型の中に形成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記製造スペーサが前記金型の一体的な部品である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記製造スペーサが個々の部品である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
燃料電極と、
該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、
充電電極と、
これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、
を具備し、
前記燃料電極及び前記酸化電極が、放電の間において、前記燃料電極において金属燃料を酸化し、前記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を前記燃料電極と前記酸化電極との間に発生させる、ように構成されており、
前記燃料電極及び前記充電電極が、再充電の間において、電源から前記燃料電極と前記充電電極との間に再充電電位差を印加されることにより、前記燃料の還元可能な種を還元して前記燃料を前記燃料電極の上に電着させ、前記酸化剤の酸化可能な種を酸化する、ように構成されており、
さらに、
前記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、前記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、前記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダと、
互いに距離をおいた関係により前記燃料電極及び前記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、前記イオン伝導性媒質が、前記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切り、前記少なくとも１つの出口を介して前記流路から流出するようになっている、複数のスペーサと、
を具備する電気化学電池を充電する方法であって、
還元可能な種を含む前記イオン伝導性媒質を前記少なくとも１つの入口を通して前記流路に流入させる段階と、
前記充電電極をアノードとして機能させ前記燃料電極をカソードとして機能させて、前記充電電極と前記燃料電極との間に電流を印加して、前記還元可能な燃料種が、還元され、前記燃料電極において酸化可能な形により燃料として電着されるようになっている段階と、
前記電流を除去して前記充電を切断する段階と、
を含む方法。
【請求項２１】
前記充電電極が、（ａ）前記酸化電極、（ｂ）該酸化電極から距離をおいて配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料電極の一部分、からなる群から選択されたものである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電極が距離をおいた関係にある複数の透過性の電極ボディを含み、
前記充電電極が、再充電の間に、動的充電電極であって、前記透過性の電極ボディのうちの少なくとも幾つかの電極ボディを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願に対する参照
本出願は、２００９年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６１／２４９,９１７号からの優先権の利益を請求するものであり、この出願の全内容が引用により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本出願は、一般的には電気化学電池に関し、より特定的には金属空気電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料として金属を用いた電気化学電池が知られている。かかるデバイスの例としては、例えば、その全内容が本明細書に組み入れられる米国特許第７,２７６,３０９号、第６,９４２,１０５号、第６,９１１,２７４号及び第６,７８７,２６０号に示されている。これらの従来技術に係る実施形態の問題点を簡単なリストとして示すと、アノード領域及びカソード領域に沈殿した反応生成物が蓄積すること、固体粒子燃料の供給に関連した問題、まだ酸化していない燃料の近くにある酸化した燃料の濃度が高いことに起因して、燃料の正味酸化のレートが低いこと、がある。
【０００４】
金属空気電池は、通常、金属燃料が酸化される場所であるアノードと、周囲空気からの酸素が還元される場所である空気吸入式（air breathing）電極と、酸化／還元したイオンの反応を支持するための電解質と、を含む。
【０００５】
本出願は、また、電池を充電又は再充電する間に、燃料粒子、及び／又は、沈殿物を含みうる流体の流れを管理する効率的かつ改善された方法を提供することを意図したものである。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃料電極と、該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、を含む電気化学電池が提供される。上記燃料電極及び上記酸化電極は、放電の間において、上記燃料電極において金属燃料を酸化し、上記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を上記燃料電極と上記酸化電極との間に発生させる、ように構成される。この電気化学電池は、また、上記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、上記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、上記イオン伝導性媒質が上記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダを含む。この電気化学電池は、また、互いに距離をおいた関係により上記燃料電極及び上記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、上記イオン伝導性媒質が、上記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、上記燃料電極を横切り、上記少なくとも１つの出口を介して上記流路から流出するようになっている、複数のスペーサを含む。
【０００７】
本発明の一態様によれば、電気化学電池のための燃料電極を製造する方法が提供される。上記燃料電極は、複数の透過性の電極ボディと、該複数の透過性の電極ボディの間に延びる実質的に平行な複数のスペーサと、を含む。この方法は、各々が、互いに実質的に平行な２つの製造スペーサにより定められる複数の空洞に材料を注入する段階であって、隣接する上記複数の透過性の電極ボディが、これらの間にある上記製造スペーサを用いて実質的に互いに平行にかつ互いに距離をおいて保持されており、上記複数の透過性の電極ボディが上記複数の空洞の中に延びるようにする、段階と、上記材料を硬化させて上記燃料電極の上記実質的に平行なスペーサを形成する段階と、上記製造スペーサから上記透過性の電極ボディを分離して、上記透過性の電極ボディと上記材料から形成された上記実質的に平行なスペーサとが単一の一体的なユニットとなる段階と、を含む。
【０００８】
本発明の一態様によれば、電気化学電池を充電する方法が提供される。この電気化学電池は、燃料電極と、該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、充電電極と、これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、を具備する。上記燃料電極及び上記酸化電極は、放電の間において、上記燃料電極において金属燃料を酸化し、上記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を上記燃料電極と上記酸化電極との間に発生させる、ように構成される。上記燃料電極及び上記充電電極は、再充電の間において、電源から上記燃料電極と上記充電電極との間に再充電電位差を印加されることにより、上記燃料の還元可能な種を還元して上記燃料を上記燃料電極の上に電着させ、上記酸化剤の酸化可能な種を酸化する、ように構成される。この電気化学電池は、また、上記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、上記空洞の上記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、上記イオン伝導性媒質が上記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダを含む。この電気化学電池は、また、互いに距離をおいた関係により上記燃料電極及び上記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、上記イオン伝導性媒質が、上記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、上記燃料電極を横切り、上記少なくとも１つの出口を介して上記流路から流出するようになっている、複数のスペーサを含む。この方法は、還元可能な種を含む上記イオン伝導性媒質を上記少なくとも１つの入口を通して上記流路に流入させる段階と、上記充電電極をアノードとして機能させ上記燃料電極をカソードとして機能させて、上記充電電極と上記燃料電極との間に電流を印加して、上記還元可能な燃料種が、還元され、上記燃料電極において酸化可能な形により燃料として電着されるようになっている段階と、上記電流を除去して上記充電を切断する段階と、を含む。
【０００９】
本発明の他の様々な態様が、以下の詳細な説明、添付した図面及び添付した特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
以下、本発明の様々な実施形態が、対応する参照符号が対応する構成要素を示す添付した図面を参照して、単に例示として説明される。
【００１１】
【図１】図１は、２つの電気化学電池を含む電気化学電池システムを示す断面図である。
【００１２】
【図２】図２は、図１の電気化学電池システムの分解図である。
【００１３】
【図３】図３は、図１の電気化学電池のうちの一方の電極ホルダを示す。
【００１４】
【図４】図４は、図３の電極ホルダであって、第１の電極とこの電極ホルダに接続された複数のスペーサを保持する電極ホルダを示す。
【００１５】
【図５】図５は、図４の複数のスペーサのうちの１つのスペーサをさらに具体的に示す。
【００１６】
【図６】図６は、図５のスペーサと図３の電極ホルダとの間の接続をさらに具体的に示す。
【００１７】
【図７】図７は、図３の電極ホルダにより部分的に定められる流動化ゾーンをさらに具体的に示す。
【００１８】
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る電気化学電池と外部の負荷と電源との間における電気的接続を模式的に示す。
【００１９】
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る電気化学電池と外部の負荷と電源との間における電気的な接続を模式的に示す。
【００２０】
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る別の電気化学電池の一部分の一実施形態を示す。
【００２１】
【図１１】図１１は、図１０の「詳細Ａ」部分を示す。
【００２２】
【図１２】図１２は、図１１のXII-XII線に沿った電極の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る２つの電気化学電池を含む電気化学電池システムを示す。図示のように、各電池１０は、第１の電極１２と、この第１の電極１２から距離をおいて配置された第２の電極１４と、を含む。第１の電極１２は、電極ホルダ１６によって支持されている。この電気化学システム１００は、また、図１に示すように、このシステム１００の一方の側において電気化学電池１０を覆うために用いられるカバー１９を含む一方、これら電極ホルダ１６のうちの一方が、このシステム１００のうちの反対の側を覆うように用いられる。
【００２４】
一実施形態では、第１の電極１２は、電池１０が後に詳述するような放電モード、すなわち、電気発生モードにおいて動作するときに、アノードとして機能する金属燃料電極である。一実施形態では、第１の電極１２は、後に詳述するような、電着（electrodepositing）により、又は、他の方法により、電池１０において循環するイオン伝導性媒質から金属燃料の粒子又はイオンを捕捉して保持することが可能な組成（formation）により形成されたスクリーン（screen）といったような、透過性（permeable）電極ボディ１２ａを含むことができる。
【００２５】
例えば、第１の電極１２、この電極１２の透過性電極ボディ１２ａ、及び、第２の電極１４を含む、電池１０の構成要素は、ニッケル若しくはニッケル合金（ニッケル−コバルト、ニッケル−鉄、ニッケル−銅（すなわちモネル）又は超合金）、胴若しくは胴合金、真鍮、青銅、又は、任意の他の好適な金属により限定されることなくこれにより構成された、任意の好適な構造又は構成を有するものとすることができる。一実施形態では、触媒フィルム（catalyst film）が、第１の電極１２及び／又は酸化体電極１４に付与され、また、上述した材料のうちの幾つかにより形成されうる高表面材料を有することができる。一実施形態では、触媒フィルムは、熱スプレー、プラズマスプレー、電着、又は、任意の他の粒子被覆方法により形成することが可能なものである。
【００２６】
燃料は、鉄、亜鉛、マグネシウム又はリチウムといったような金属とすることができる。金属という用語は、電極ボディに収集されたときに、原子、分子（金属水素化物を含む）及び合金のいずれかの形態をとる、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタニド、アクチナイド及び遷移金属に限定されずこれらを含む、周期表において金属としてみなされるすべての元素を包含するように解釈されるものである。しかしながら、本発明は、特定の燃料に限定されるように意図されたものではなく、他の燃料を用いてもよい。燃料は、イオン伝導性媒質に懸濁した粒子として電池１０に供給されるものであってもよい。幾つかの実施形態では、金属水素化物燃料が電池１０において用いられうる。
【００２７】
イオン伝導性媒質は水溶液であってもよい。好適な媒質には、例えば、硫酸、燐酸、トリフリン酸、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が含まれる。媒質は、また、非水溶媒又はイオン溶液を用いることができる。本明細書において記載された非限定的な実施形態では、媒質は、水性の水酸化カリウムである。一実施形態では、イオン伝導性媒質は、電解質を含みうる。例えば、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２０１０年５月１０日に出願された米国特許出願第１２／７７６,９６２号に記載されたように、従来の液体又は半固体の電解質溶液が用いられ、又は、室温のイオン溶液が用いられる。一実施形態では、電解質が半固体である場合には、多孔質固体電解質膜（すなわち、疎性構造（loose structure））が用いられうる。
【００２８】
第１の電極１２がアノードとして作用するときに、燃料が第１の電極１２において酸化され、第２の電極１４がカソードとして作用するときに、酸素といったような酸化剤が第２の電極１４において還元され、これは、後に詳述するように、電池１０が負荷に接続され放電モードすなわち電気生成モードにある場合のことである。放電モードの間に生ずる反応は、副産物、例えば、還元可能な燃料種（reducible fuel species）を含む沈殿物をイオン伝導性媒質に生成しうる。例えば、燃料が亜鉛であるような実施形態では、酸化亜鉛が、副産物沈殿物／還元可能な燃料種として生成されうる。酸化した亜鉛又は他の金属は、また、沈殿物（例えば、亜鉛酸塩が燃料に残存する電気分解された還元可能な燃料種でありうる）を形成することなく、電解質溶液により保持され、電解質溶液を用いて酸化され、又は、電解質溶液に溶媒和されうる。後に詳述する充電モードの間には、還元可能な燃料種、例えば、酸化亜鉛が、逆に還元され、充電モードの間にカソードとして機能する第１の電極１２の上に、燃料、例えば亜鉛として堆積される。充電モードの間には、第２の電極１４及びこれとは別体の後述する充電電極７０のうちのいずれかが、アノードとして機能する。放電モードと充電モードとの切換えについては、後に詳細に説明する。
【００２９】
電極ホルダ１６が、第１の電極１２が保持される空洞１８を定める。電極ホルダ１６は、また、電池１０のための入口２０及び出口２２を定める。入口２０は、イオン伝導性媒質が電池１０に入り、及び／又は、電池１０を介して再循環することを可能にするように、構成される。入口２０は、入口チャネル２４を介して空洞１８に接続され、出口２２は、出口チャネル２６を介して空洞１８に接続されうる。図３に示すように、入口チャネル２４及び出口チャネル２６は、各々、イオン伝導性媒質が流れることが可能な蛇行した経路を形成しうる。入口チャネル２４により定められた蛇行した経路は、好ましくは、媒質の流れが停滞しうる、又は、媒質における粒子が集まりうる、急な（sharp）角を含まない。後に詳細に説明するように、チャネル２４、２６の長さは、流れるように直列接続された複数の電池の間に増加したイオン抵抗（ionic resistance）をもたらすように設計可能なものである。
【００３０】
各電池１０について、透過性の（permeable）シール部材１７が、電極ホルダ１６及び／又はカバー１９における密封表面の間に適当に結合されて、少なくとも第１の電極１２を空洞１８の中に封入している。シール部材１７は、また、入口チャネル２４及び出口チャネル２６を覆う。シール部材１７は、非伝導性であり電気化学的に不活性であって、好ましくは、イオン伝導性媒質の横方向の伝達を許すことなく、イオン伝導性媒質に対して直交する方向に（すなわちイオン伝導性媒質の厚み方向に）透過である。これにより、イオン伝導性媒質は、シール部材１７に浸透することができ、反対の側における第２の電極１４に対するイオン伝導性を可能にして、電池１０から横方向に外側にイオン伝導性媒質を「運ぶこと」（wicking）なく、電気化学的な反応を支持することができる。シール部材１７に対する好適な材料の幾つかの例は、EPDM及びTEFLON（登録商標）である。
【００３１】
図示した実施形態では、空洞１８は、第１の電極１２の形状に実質的に合致する、略矩形状又は正方形状の断面を有する。空洞１８の一方の側、具体的には、入口チャネル２４に接続された空洞１８の一方の側は、複数の流動化ゾーン２８であって、各々が、複数の空洞入口３４を含む多岐管（manifold）を介して入口チャネル２４に接続された複数の空洞入口３４を含み、これにより、イオン伝導性媒質及び任意の燃料粒子、沈殿物又は還元可能な燃料種が空洞１８に入ったときに、イオン伝導性媒質及び燃料が流動化ゾーン２８に入るようになっている。図７にさらに具体的に示されているように、各流動化ゾーン２８は、２つの表面３０、３２により部分的に定められており、これら２つの表面３０、３２は、互いに対して角度が付けられているが互いに接触せず、これによって、入口３４から流動化ゾーン２８の中心にまで延びる軸に関して広がる表面を定めるようになっている。図示した実施形態では、表面３０、３２は、図３に示すように、入口３４に対して開いた開放底面を有する実質的に「Ｖ」字を形成している。図示した実施形態は、表面３０、３２が比較的に直線であるように示しているが、これらの表面は、入口３４から広がる限りにおいて、湾曲していても又は部分的に湾曲していてもよい。
【００３２】
流動化ゾーン２８は、粒子を有するイオン伝導性媒質が入口チャネル２４を介して空洞１８に流入したときに、これらの粒子がイオン伝導性媒質の中において流動化されるように、構成されており、これにより、イオン伝導性媒質が第１の電極１２に接触したときに、これら粒子がよりイオン伝導性媒質の中に一様に分散することが可能になっている。このことは、図７に示すように、Ｖ字状の流動化ゾーン２８の開放底面が下方に向くように、電気化学電池１０が配向されているときに、特に有利である。これは、重力が、粒子を入口チャネル２４と出口チャネル２６との間における空洞１８の入口端に蓄積せしめる傾向があるからである。イオン伝導性媒質の中の粒子を流動化させることにより、及び、後に詳述するように空洞１８全体に圧力の低下（pressure drop）を与えることにより、粒子は、空洞１８全体にわたってより一様に流れ、空洞１８の入口端における蓄積を実質的に少なく又はなくすことができる。これにより、第１の電極１２の表面全体に粒子をより一様に分散させることにより、電池１０の効率を向上させることができる。
【００３３】
図４に示すように、各々が互いに距離をおいて配置された関係により第１の電極１２を横切って延びる複数のスペーサ４０が電極ホルダ１６に接続されて、第１の電極１２が電極ホルダ１６及び第２の電極１４に関して一定の位置を維持して保持されうるようになっている。一実施形態では、第１の電極１２は、複数のスペーサ４０の複数の組により分離されうる図２に示すような複数の透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃを含むことができ、これにより、電極ボディ１２ａ−１２ｃを互いに電気的に分離するために、スペーサ４０の各組が、隣接する複数の電極ボディの間に配置されるようになっている。隣接する複数の電極ボディの間におけるスペーサ４０の各組内において、複数のスペーサ４０が、後に詳述するようないわゆる「流路（flow lanes）」４２をそれら複数のスペーサ４０の間に形成するような配置関係により配置されている。流路４２は、立体的な（３次元の）ものであり、スペーサ４０の高さに実質的に等しい高さを有する。一実施形態では、これらのスペーサは、これらの流路に対応する複数の切り欠き（cut-outs）を有する単体フレームにより提供されうるものである。一実施形態では、これらの流路は、泡形又は蜂巣形の構造であってイオン伝導性媒質がこの構造を通って流れることを可能にする構造を含むことができる。一実施形態では、これらの流路は、これらの流路を通るイオン伝導性媒質の流れを乱す（disrupt）ように構成された複数のピンのアレイを含むことができる。一実施形態では、電池のフレーム、スペーサ、流路及び／又は他の構成要素は、射出成形により形成されたプラスチック、又は、後に詳述するような化学プロセスを用いて形成されたエポキシ／絶縁材料により定められうる。図示した実施形態は、いかなる意味においても限定することを意図したものではない。
【００３４】
一実施形態では、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃは、実質的に同一のサイズを有することができる。一実施形態では、透過性の電極ボディは、異なるサイズを有することによって、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２０１０年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／３５８,３３９号に記載されたように、段のある足場（stepped scaffold）構成を用いることができる。
【００３５】
スペーサ４０は、非伝導性であり電気化学的に不活性であって、電池１０における電気化学的反応に関して不活性となっている。好ましくは、スペーサ４０は、電極ホルダ１６に接続されたときに張力を生じて、これにより、第１の電極１２、又は、電極ボディ１２ａ−１２ｃのうちの１つを押圧して、電極ホルダ１６に関して平らな関係により第１の電極１２又はこの第１の電極１２のボディを保持するように、スペーサ４０の大きさが決められる。スペーサ４０は、このスペーサ４０を張力を生じた状態により電極ホルダ１６に接続されるようにする、ポリプロピレン、ポリエチレン、ノリル、フルオロポリマ等といったようなプラスチック材料により形成されうる。
【００３６】
図５に示した実施形態では、各スペーサは、細長い中央部分４４と、各端部における形成された接続部分４６と、を有する。これら形成された接続部分４６は、図６に示すように、電極ホルダ１６において実質的に類似した形状を有する開口４８により保持される。図示した実施形態では、形成された接続部分４６及び開口４８は、実質的に三角形状を有するが、ここで示された形状は、いかなる意味においても限定を意図したものではない。実質的に三角形の形状が、スペーサ４０の細長い部分４４の両側における表面５０であって、電極ホルダ１６における対応する表面５２に接触するように構成された表面５０を形成する。表面５０及び表面５２は、スペーサ４０の細長い部分４４の主軸ＭＡに関して角度が付されたものとなっており、スペーサ４０における張力はこの主軸ＭＡに沿ったものとなるので、その張力により生成される力は、同一の面積を有する円形状又は正方形状を有する形成された部分に比べて、より大きな表面に伝えられうる。
【００３７】
一旦、スペーサ４０が端部における部分４６を介して電極ホルダ１６に接続されると、流路４２は、ホルダ１６の空洞１８を横切って定められる。スペーサ４０は、１つの流路４２ａを複数のスペーサ４０のうちの１つにより分離された隣接する流路４２ｂから本質的に密封するように構成されており、これにより、イオン伝導性媒質は、全体的に、実質的に１つの方向に流れるように案内されるようになっている。具体的には、イオン伝導性媒質は、全体的に、入口チャネル２４から出口チャネル２６に向かって第１の電極１２を横切って第１の方向ＦＤに流れうる。適切な圧力の低下が入口チャネル２４と流動ゾーン２８との間に生成され、これにより、イオン伝導性媒質の流れが実質的に上方向であって重力に反するように電池１０が配向されているときであっても、イオン伝導性媒質が空洞１８を横切って出口チャネル２６に流れうるようになっている。一実施形態では、イオン伝導性媒質は、また、 may also permeate through the 第２の方向ＳＤにおいて、第１の電極１２、すなわち、個々の透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃを通って浸透し、第１の電極１２、すなわち、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃの反対側にある流路に至る。
【００３８】
図８に示すように、第１の電極１２は外部の負荷Ｌに接続されており、これにより、燃料が第１の電極１２において酸化されたときに燃料により放出される電子が、外部の負荷Ｌに流れるようになっている。外部の負荷Ｌは、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２００９年４月９日に出願された米国特許出願第１２／３８５,４８９号に詳細に記載されているように、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃの各々に並列に接続されうる。
【００３９】
第２の電極１４は、この第２の電極１４が外部の負荷Ｌに接続され、電池１０が放電モードで動作するときに、カソードとして機能する。第２の電極１４は、カソードとして機能するときに、外部の負荷Ｌから電子を受け取り、第２の電極１４に接触する酸化剤を還元する、ように構成されている。一実施形態では、第２の電極１４は、空気吸入式（air breathing）電極により構成され、酸化剤は、周囲の空気における酸素により構成される。
【００４０】
酸化剤は、受動型伝達システムにより第２の電極１４に伝達されうる。例えば、周囲空気に存在する酸素が酸化剤である場合には、カバー１９における溝５４、及び、電気化学電池システム１００の中央に設けられた電極ホルダ１６における溝５６により与えられる開口といったような、電池における開口を介して、単に第２の電極１４を周囲空気に曝すことにより、酸素を第２の電極１４に十分に拡散／浸透させることができる。他の適切な酸化剤を用いることができ、本明細書における記載した実施形態は、酸化剤として酸素を用いることに限定されるものではない。外周ガスケット１５が、第２の電極１４の外周と、カバー１９又は電極ホルダ１６との間に適切に配置されて、イオン伝導性媒質が第２の電極１４の周りから漏れて空気に曝すための溝５４、５６における領域に至ることを防止することができる。
【００４１】
他の実施形態では、送風機（air blower）といったようなポンプが、圧力下において第２の電極１４に酸化剤を伝えるために用いられうる。酸化剤源は、酸化剤の抑制した（contained）源でありうる。同様に、酸化剤が周囲空気からの酸素であるときには、酸化剤源は、受動型であろうと能動型（例えばポンプ及び送風機等）であろうと、空気が第２の電極１４に流れることを可能にする、伝達システムとして広く解釈されうる。このように、「酸化剤源」という用語は、抑制した（contained）酸化剤、及び／又は、周囲空気から第２の電極１４に対して受動的に又は能動的に酸素を伝達するための構成を包含するように意図されたものである。
【００４２】
外部の負荷Ｌにより取り出すことが可能な電気は、第２の電極１４における酸化剤が還元されたときに生成される一方、第１の電極１２における燃料は、酸化されて酸化された形態となる。一旦、第１の電極１２において燃料が全体的に酸化されると、又は、酸化が燃料電極の不活性化（passivation）に起因して阻まれると、電池１０の電位が使い果たされる。スイッチ６０が第２の電極１４と負荷Ｌとの間に配置されることによって、第２の電極１４が、必要に応じて、負荷Ｌに接続され負荷Ｌから切断されるようにすることができる。
【００４３】
放電モードの間及び静止（開回路）時間期間の間において水素の放出を制限又は抑えるために、そのような反応を阻止すべく塩を加えることができる。錫、鉛、銅、水銀、インジウム、ビスマスといった塩、又は、高い水素過電位を有する他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、コハク酸塩、アンモニウムといった塩、又は、他の水素放出抑制添加物を付加することができる。一実施形態では、水素の放出を抑えるために、Al/Mgといったような金属燃料合金を用いることができる。
【００４４】
電池１０における燃料が全体的に酸化された後、又は、酸化した燃料イオンを還元して燃料に戻すことにより電池１０内に燃料を再生成することが望まれるときにはいつでも、第１の電極１２及び第２の電極１４が、図８に示すように、適切なスイッチ６２を用いて、外部の負荷Ｌから切断され電源ＰＳに接続されるものとすることができる。電源ＰＳは、第１の電極１２と第２の電極１４との間に電位差を付与することにより電池１０を充電するように構成されており、これにより、燃料の還元可能な種が、還元され、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃの上に電着し、対応する酸化反応が第２の電極１４において発生し、これは通常酸素を放出する酸化可能な種の酸化であり、電池１０からオフガス（off-gassed）されうるものである。引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２００９年４月９日に出願された米国特許出願第１２／３８５,４８９号に詳細に記載されているように、透過性の電極ボディ１２ａといったような透過性の電極ボディのうちの１つのみが電源ＰＳに接続されることによって、燃料が、この透過性の電極ボディの上に還元し、連続的に、透過性の電極ボディ１２ｂ−１２ｃの上に次々に成長する。スイッチ６２は、電池１０がいつ放電モード及び充電モードにおいて動作するのかを制御することができる。
【００４５】
開位置と閉位置との間においてスイッチ６２の動作を制御するために、任意の適当な制御メカニズムが用いられうる。例えば、開位置に向かって付勢されたリレースイッチが、電源に接続され充電が開始したときにこのリレースイッチを閉じる誘導性コイルとともに、用いられうる。さらには、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃに個別に接続することを可能にするより複雑なスイッチが用いられて、負荷との接続／負荷からの切断、並びに、電極ボディ同士の接続及び切断をもたらすことができる。
【００４６】
図９は、第２の電極１４ではなく、第３の電極７０が、充電電極として機能するように設けられた実施形態を示す。図２に示すように、第３の電極７０と第２の電極１４との間にスペーサ７２及びシール部材１７が配置されるように、第３の電極７０が、第１の電極１２と第２の電極１４との間に配置されるものとすることができる。スペーサ７２は、非伝導性であり、開口を有し、この開口を通ってイオン伝導性媒質が流れることができる。
【００４７】
図８に関して上述した実施形態では、上述したように、第２の電極１４が、電力生成／放電の間においてカソードとして機能し、充電の間においてアノードとして機能する。図９においては、充電の間には、負荷が、第１の電極１２の透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃの各々、及び、第３の電極７０に並列に接続される。電流生成の間には、第１の電極１２において燃料が酸化されて電子が生成され、この電子は、負荷Ｌに電力を与えるべく伝えられた後、酸化剤の還元のために第２の電極１４に伝えられる（後に詳細に説明するように）。
【００４８】
本発明の様々な実施形態のいずれにおいても、カソード電位を１つのボディのみに印加してボディごとの連続的な成長を生成するのではなく、カソード電位を第１の電極１２のすべてのボディ電極１２ａ−１２ｃに印加することもできる。１つの端子から生ずる連続的な成長は、より高い密度をもたらすので、有利である。具体的には、予め接続した複数の電極ボディにおける成長は、各ボディが連続的な成長により次々接続されるにつれて、継続する。すべての電極ボディが同一の電位を受けると、成長は、充電電極の間に短絡が発生するまで起こるに過ぎない。ここで、充電電極とは、図８の実施形態における第２の電極１４、及び、図９の実施形態における第３の電極７０、並びに、充電電極に最も近い電極ボディである。よって、この方法により、より早く、より密度の低い成長を実行することが可能であり、これは、特定の充電要求に応じて変更可能なものである。
【００４９】
図８及び図９に示した実施形態は、いかなる意味においても限定するものとして考えるべきものではなく、電池１０が充電可能となるようにどのように構成されるのかについての非限定的な例として与えられたものである。例えば、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる、２００９年９月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／２４３,９７０号、及び、２０１０年９月１７日に出願された米国特許出願第１２／８８５,２６８号が、電池において切り替わる充電／放電モードを備えた充電可能な電気化学電池システムの様々な実施形態を説明している。
【００５０】
また、上述したスイッチの様々な実施形態（例えば、充電モード及び放電モードを可能にするためのスイッチ）のいずれもが、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２０１０年９月１６日に出願された米国特許出願第６１／３８３,５１０号に記載された連続的なものといったような、動的に変化する酸素を放出する（すなわち、充電する）電極／燃料電極を有する複数の電気化学電池とともに用いられうる。例えば、米国仮特許出願第６１／３８３,５１０号に記載されたように、各電池１０は、また、複数の電極ボディに関連付けられた、その電池１０に専用の複数のスイッチを有して、連続的な燃料成長を可能する。
【００５１】
例えば、一実施形態では、充電の間において、各電池１０の充電電極は、次の電池１０の第１の電極１２に結合されうる。一実施形態では、充電の間において、第１の電極１２の第１の電極ボディ１２ａがカソード電位を有し、残りの電極ボディ、及び／又は、別の充電電極が、アノード電位を有するものとすることができる。このような実施形態では、第１の電極１２の連続的な燃料成長の間には、燃料は、カソード電位を有する第１の電極ボディ１２ａにおいて成長し、アノード電位を有する隣接する電極ボディ１２ｂとともに短絡を生じさせる。隣接する電極ボディ１２ｂは、この後、アノード電位のソースから切断され、これにより、電気的な接続により、隣接する電極ボディ１２ｂは、また、カソード電位を有する。このプロセスは、さらなる成長が不可能となる（すなわち、カソード電位が、アノード電位を有する最後の電極ボディ、又は、別の充電電極と短絡する）まで、残りの電極ボディについても継続されうる。複数の電極ボディを互いに接続／切断するために、及び／又は、複数の電極ボディをカソード電位のソース又はアノード電位のソースに接続／切断するために、複数のスイッチが用いられうる。よって、連続的な燃料成長を有するこのような実施形態では、充電電極は、第１の電極１２とは別の充電電極であり、又は、少なくとも、第１の電極１２の隣接する電極ボディであるか、アノード電位を有する他のすべての電極ボディでありうる。別言すれば、充電電極は、別の充電電極、カソード電位を有する少なくとも１つの電極ボディに隣接して配置されたアノード電位を有する１つの電極ボディ、及び／又は、カソード電位を有する少なくとも１つの電極ボディに隣接して配置されたアノード電位を有する電極ボディ群でありうる。
【００５２】
このように、充電電極は、その用語が本出願のより広い態様において用いられているように、アノード充電という役割を果たすに過ぎない静的な又は個別の電極である必要は必ずしもなく（そうであってもよいが）、時には、アノード電位が印加される燃料電極内における１又は複数のボディでありうる。よって、動的という用語は、充電の間において、充電電極として機能し、かつ、アノード電位を受ける物理的な１又は複数の構成要素が、変化しうる、という事実を意味するために用いられる。
【００５３】
放電の間において、電池１０の第２の電極１４は、次の電池１０の第１の電極１２に作動的に接続されるものとすることができ、燃料の消費は、複数の電極ボディによりなされる（複数の電極ボディの間における電気的接続は燃料成長によってなされる）。電池１０が適当に又は他の理由により機能しない場合、電池１０はまた、米国特許出願第１２／８８５,２６８号に記載されたように、バイパス切替構成を用いてバイパスされうる。
【００５４】
また、幾つかの実施形態では、複数の電池が「２重電池（bi-cells）」として設計されうる。この用語は、燃料電極の両端にある１対の空気電極を意味する。放電の間において、これらの空気電極は、ほぼ同一のカソード電位にあり、燃料電極は、アノード電位にある。通常は、１対の個別の充電電極が、空気電極と燃料電極との間にあるイオン伝導性媒質の中に配置されうる。充電の間において、充電電極は、ほぼ同一のアノード電位にあり、燃料電極は、カソード電位にある（或いはまた、上述したように、充電電極が動的に充電される）。よって、空気電極は、共通の端子を共有することができ、燃料電極は、専用の端子を有し、充電電極はまた共通の端子を共有することができる。したがって、電気化学的にいえば、このような２重電池は、単一電池として捉えることができる（２重電池内では、両方向の燃料成長といったような電池の特定の特徴によって、１つの２重電池は、複数の特定の目的のための２つの電池として考えられるが、しかしながら、モード放電及び接続管理のためのより高いレベルにおいては、これらの特徴は、関連の薄いものであり、１つの２重電池は、単一の電池として考えることが可能なものである）。一実施形態において、１対の空気電極は、第２の電極１４に対応し、燃料電極は、第１の電極１２に対応し、１対の充電電極は、第３の電極７０に対応しうる。
【００５５】
図４に戻り、イオン伝導性媒質は、第１の電極１２を通過した後、電極ホルダ１６の空洞１８の出口３６と出口２２とに接続された出口チャネル２６に流入しうる。出口２２は、イオン伝導性媒質が電池１０において再循環されるような実施形態では、入口２０に接続され、又は、複数の電池１０が流動的に直列に接続されているときには、後に詳述するように、隣接する電池の入口に接続されうる。一実施形態では、出口２２は、電池１０において使用されたイオン伝導性媒質を収集するために容器に接続されうる。
【００５６】
図１及び図２に示した複数の電池１０は、流動的に直列に接続されうる。直列に接続された複数の電池の実施形態についての詳細は、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる、２００８年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６１／１９３,５４０号、及び、２００９年１２月４日に出願された米国特許出願第１２／６３１,４８４号において説明されている。第１の電池１０の出口２２は、第２の電池１０の入口２０に流動的に接続され、第２の電池１０の出口２２は、第３の電池の入口２０に接続されるものとすることができ、以下同様である。図１及び図２の実施形態は、２つの電池１０を示しているが、さらなる電池が、重ねられ、図示した電池に流動的に接続されうる。上述し、さらに図３及び図４に示された、入口チャネル２４及び出口チャネル２６により生成された曲がりくねった蛇行した経路に起因して、チャネル２４、２６を介したイオン伝導性媒質のための流路の長さは、電池１０の各々における第１の電極１２と第２の電極１４との間における距離よりも長い。これにより、流動的に接続された複数の電池の間には、個々の電池１０内におけるイオン抵抗よりも大きなイオン抵抗が形成される。これにより、２００８年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６１／１９３,５４０号、及び、２００９年１２月４日に出願された米国特許出願第１２／６３１,４８４号において説明されているように、複数の電池１００のスタックの内部イオン抵抗損失を低減又は最小化することができる。
【００５７】
動作時には、既に金属燃料が堆積している第１の電極１２が負荷Ｌに接続され、第２の電極１４が負荷Ｌに接続される。イオン伝導性媒質が、正の圧力の下、入口２０に入り、入口チャネル２４及び空洞１８の入口３４を通って流れ、流路４２の流動化ゾーン２８に流入する。イオン伝導性媒質は、スペーサ４０の細長い中央部分４４により定められた流路４２において透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃを横切って流れる。イオン伝導性媒質は、また、第１の電極１２の透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃを通って浸透しうる。イオン伝導性媒質は、同時に第１の電極１２及び第２の電極１４に接触し、これにより、燃料が酸化し電子を負荷Ｌに伝えることを可能にする一方、酸化剤は、負荷Ｌにより第２の電極１４に伝えられる電子を介して、第２の電極１４において還元される。イオン伝導性媒質が流路４２を通過した後、イオン伝導性媒質が、空洞１８の出口３６を介して空洞１８から流出し、出口チャネル２６を通って電池１０の出口２２から流出する。
【００５８】
電池１０の電位が使い果たされたときには、又は、他の理由により電池１０を充電することが望まれるときには、第１の電極１２が電源ＰＳの負の端子に接続され、充電電極、すなわち、図８に示した実施形態では第２の電極１４、及び、図９に示した実施形態では第３の電極７０が、電源ＰＳの正の端子に接続される。充電モード又は再充電モードでは、第１の電極１２がカソードになり、充電電極１４、７０がアノードになる。第１の電極１２に電子を供給することにより、燃料イオンが、還元され燃料に入り、透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃの上に再度堆積しうる一方、イオン伝導性媒質が、放電モードに関連して上述したものと同様の動作により、電池１０を循環する。
【００５９】
流路４２は、方向性（directionality）、一様な流れのパターン、さらには、第１の電極１２を横切るイオン伝導性媒質の伝達をももたらす。流動化ゾーン２８は、粒子、及び、電池１０の放電モードの間にイオン伝導性媒質内に形成された粒子を攪拌し、これらの粒子がイオン伝導性媒質から出て空洞の底部に定着することを防止し、これにより、これらの粒子は、イオン電導性媒質とともに第１の電極１２を横切って流れることができる。また、流路４２は、これらの粒子が定着すること、及び／又は、電極を覆うことをも防止する。電池１０が充電モードにあるときには、粒子による第１の電極１２を横切った伝達が改善されることにより、第１の電極１２の上により一様に還元した燃料が堆積することが可能となり、これにより、第１の電極１２における燃料の密度が改善され、電池１０の容量及びエネルギー密度が増加し、したがって、電池１０のサイクル寿命を高めることができる。また、粒子の伝達及び反応副産物を制御する能力を有することにより、第１の電極１２の上に副産物が早期に不活性化／堆積することが防止されうる。不活性化は、燃料の利用性を低下させること、及び、サイクル寿命を縮めることに繋がりうることであって、望ましくないものである。
【００６０】
図１０〜図１２は、本発明の別の実施形態に係る電気化学燃料電池１１０を示す。図１０〜図１２に示された電池１１０は、第１の電極、スペーサ及び電極ホルダを除いて、上述した電池１０と略同一の特徴を含むものである。したがって、以下、これらの特徴のみについて詳細に説明する。例えば、図１０に示すように、電池１１０は、電極ホルダ１１６の空洞１１８に配置された第１の電極１１２を含み、第１の電極１１２が、電極ホルダ１１６、及び、第１の電極１１２において流路１４２を形成する複数のスペーサ１４０より支持されるようになっている。
【００６１】
一実施形態では、第１の電極１１２は、電池１１０が後述するような放電モードすなわち電気生成モードにおいて動作するときに、アノードとして機能する金属燃料電極である。一実施形態では、第１の電極１１２は、図１２に示すように、複数の透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを含みうる。各電極ボディは、電着により、又は、他の方法により、電池１１０において循環するイオン伝導性媒質から金属燃料の粒子又はイオンを捕捉して保持することが可能な組成（formation）により形成されたスクリーン（screen）を含むことができる。
【００６２】
各々が互いに距離をおいて配置された関係により第１の電極１１２を横切って延びる複数のスペーサ１４０が電極ホルダ１１６に接続されて、第１の電極１１２が電極ホルダ１１６及び第２の電極（図１０〜図１２には示されていない）に関して一定の位置を維持して保持されうるようになっている。図１２に示されたような浸透性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆは、複数のスペーサ１４０の複数の組により分離されて、スペーサ１４０の各組が隣接する複数の電極ボディの間に配置され、電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを互いに電気的に分離するようになっている。隣接する複数の電極ボディの間におけるスペーサ１４０の各組内において、複数のスペーサ１４０が、いわゆる「流路（flow lanes）」１４２をそれら複数のスペーサ１４０の間に形成するような配置関係により配置されている。スペーサ１４０は、非伝導性であり電気化学的に不活性であって、電池１１０における電気化学的反応に関して不活性となっている。スペーサ１４０は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル等といったような適当なプラスチック材料により形成されうる。上述した流路４２と同様に、流路１４２は、図１２に示すように、立体的な（３次元の）ものであり、スペーサ１４０の高さに実質的に等しい高さを有する。
【００６３】
図示した実施形態では、空洞１１８が、第１の電極１１２の形状に実質的に合致する略正方形状を有する。空洞１１８の一方の側又は一端が、複数の空洞入口１３４を介して入口チャネル１２４に接続されている。入口チャネル１２４は、入口１２０であってこの入口１２０を通ってイオン伝導性媒質が電池１１０に入るための入口１２０に接続されている。各空洞入口１３４は、図１１に示すように、実質的に、対応する１つの流路に合わせて配向されている。イオン伝導性媒質は、流路１４２を通過した後、図１０に示されているように、空洞出口１３６を介して空洞１１８から出ることができる。
【００６４】
透過性のボディ１１２ａ−１１２ｆ及びスペーサ１４０は、第１の電極１１２が電極ホルダ１１６に配置される前に、単一のユニットとして形成されうる。換言すれば、図１２に示す第１の電極は、任意の適当な製造プロセスを用いて単一のユニットとして形成されうる。例えば、一実施形態では、所望される流路１４２のサイズと実質的に同じサイズである複数の製造スペーサ（図示せず）が、隣接する透過性のボディ１１２ａ−１１２ｆの間に配置されて、実質的に並行に距離をおいた関係により、隣接する透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを保持することができる。同一の隣接する透過性の電極ボディの間に配置される複数の製造スペーサは、好ましくは、実質的に、互いに平行であって、電極ボディ１１２ａ−１１２ｆに沿って等しい距離がおかれたものであり、同一の電極ボディの両側に配置された複数の製造スペーサは、好ましくは、実質的に互いに合せて配向される。電極ボディ１１２ａ−１１２ｆ及び製造スペーサが、任意の適当な手段により、一定の位置を維持し、一緒に保持された後、スペーサ１４０について用いられるべき適当な材料が、複数の製造スペーサの間に、かつ、透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを横切って、注入されうる。その材料が硬化した後、製造スペーサが第１の電極１１２から除去されて、図１２に示すような単一の電極足場（scaffold）ユニット１１２が形成される。
【００６５】
一実施形態では、製造スペーサが金型の部分となるように、射出金型が製造されうる。透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを収容するためのスロット（slots）が形成され、スペーサ１４０のための体積を定める空洞もまた形成されうる。電極ボディ１１２ａ−１１２ｆの各々が、隣接するボディに対して平行に距離をおいた関係により金型に挿入された後、スペーサ１４０のために用いられるべき材料が空洞に注入されて、スペーサ１４０が形成されうる。その材料が金型の中において冷却された後、第１の電極１１２が、透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆ及びスペーサ１４０を含む単一のユニットとして、金型から取り出されうる。スペーサ１４０が、電極ボディ１１２ａ−１１２ｆの上にかつこれらのボディを横切って一体的に形成されて、電極ボディ１１２ａ−１１２ｆを含む第１の電極１１２が単一のユニットとなることを可能にする、任意の適当な製造方法が用いられうる。説明してきた方法は、いかなる意味においても限定的なものとして意図されたものではない。
【００６６】
上述した透過性の電極ボディ１２ａ−１２ｃと同様に、一実施形態では、透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆは、実質的に同一のサイズを有することができる。一実施形態では、透過性の電極ボディ１１２ａ−１１２ｆは、異なるサイズを有して、２０１０年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／３５８,３３９号に記載されたように、段のある足場（stepped scaffold）構成を用いることができる。
【００６７】
本発明の様々な実施形態は、上述したように放電モードの間において生成され、逆に、再充電の間に還元され燃料として電着される、反応副産物の管理に限定されるものではない。実際には、本発明の様々な実施形態は、還元可能な燃料種が、反応副産物とは異なったものであって、反応副産物とは別に供給される、ような場合にも用いられうる。本発明の様々な実施形態は、イオン伝導性媒質の第１の電極を横切る一様な流れパターン、さらには、第１の電極を構成する透過性の電極ボディの間にイオン伝導性媒質を伝えること、を提供するものであり、これにより、上述した電気化学電池及びシステムの効率を向上させることができる。
【００６８】
本明細書において複数の電極について言及したが、幾つかの実施形態における様々な構造は、１又はそれ以上の電極として、デバイスの動作モードに依存して、異なる態様で機能することができるものである、ということを理解されたい。例えば、酸化電極が充電電極として２重機能性のものであるような幾つかの実施形態では、同一の電極構造が、放電の間には酸化電極として作用し、充電の間には充電電極として作用する。同様に、充電電極が動的充電電極であるような実施形態では、燃料電極のすべてのボディが放電の間には燃料電極として作用するが、充電の間には、それらボディのうちの１又はそれ以上のボディが、電着した燃料を受け取ることにより燃料電極として作用し、それらボディのうちの１又はそれ以上の他のボディが、充電電極として作用して酸化剤（例えば酸素）を放出し、燃料電極が、電着成長がそれらボディのうちのさらに多くのボディに繋がるにつれて、成長する。このように、電極に対する参照は、特別な電極構造及び機能的な役割のうちのいずれかとして表現上定義されるものであり、多数の電極機能を可能にする構造は、電池の異なる複数の動作モードの間において役割を果たしうる（したがって、同一の多機能性の構造は、この理由により、多数の電極を満たすものとして考えられる）。
【００６９】
上述した様々な実施形態は、専ら本発明の構造的及び機能的な原理を示すために与えられたものであって、限定的なものとして意図されたものではない。例えば、本発明は、異なる燃料、異なる酸化剤、異なる電解質、及び／又は、異なる全体的な構造的構成又は材料を用いて、実施することが可能なものである。このように、本発明は、添付した特許請求の範囲の思想及び範囲内にある、あらゆる修正、代用、変更及び均等物を包含するように意図されたものである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【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】
燃料電極と、
該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、
これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、
を具備し、
前記燃料電極及び前記酸化電極が、放電の間において、前記燃料電極において金属燃料を酸化し、前記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を前記燃料電極と前記酸化電極との間に発生させる、ように構成されており、
さらに、
前記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、前記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、前記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダと、
互いに距離をおいた関係により前記燃料電極及び前記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、前記イオン伝導性媒質が、前記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切り、前記少なくとも１つの出口を介して前記流路から流出するようになっている、複数のスペーサと、
を具備し、
前記燃料電極が、距離をおいた関係にある複数の透過性のボディを含み、
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの間に設けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記透過性のボディを通って浸透し、前記流路における前記透過性のボディを横切って流れる電気化学電池。
【請求項２】
さらに充電電極を具備し、
前記燃料電極及び前記充電電極が、再充電の間において、電源から前記燃料電極と前記充電電極との間に再充電電位差を印加されることにより、前記燃料の還元可能な種を還元して前記燃料を前記燃料電極の上に電着させ、前記酸化剤の酸化可能な種を酸化する、ように構成されている、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
前記充電電極が、（ａ）酸化電極、（ｂ）前記酸化電極から距離をおいて配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料電極の一部、からなる群から選択されたものである、請求項２に記載の電気化学電池。
【請求項４】
前記燃料電極が距離をおいた関係にある複数の透過性の電極ボディを含み、
前記充電電極が、再充電の間に、前記透過性の電極ボディのうちの少なくとも幾つかの電極ボディを含む動的充電電極である、請求項３に記載の電気化学電池。
【請求項５】
各スペーサが、該スペーサの両端において、張力を生じた状態により前記電極ホルダに取り付けられて、前記燃料電極を前記電極ホルダに固定している、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項６】
各スペーサが、細長い中央部分と、該細長い中央部分の各端部における形成された端部部分と、を含み、
前記電極ホルダが、前記スペーサの前記形成された端部部分に対応する複数の形成された開口を含んで、各スペーサの端部が前記電極ホルダにおける前記形成された開口により保持されることができるようになっている、請求項５に記載の電気化学電池。
【請求項７】
前記形成された端部部分及び前記形成された開口が実質的に三角形状を有する、請求項６に記載の電気化学電池。
【請求項８】
前記少なくとも１つの入口が複数の入口を含み、
前記少なくとも１つの出口が複数の出口を含み、
前記複数の入口のうちの１つの入口、及び、前記複数の出口のうちの１つの出口が各流路に関連付けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記関連付けられた入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切って、前記関連付けられた出口を介して前記流路から流出するようになっている、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項９】
前記空洞が、各流路の入口において広がる表面を含み、
該広がる表面が、前記流路における粒子が該流路に流入するイオン伝導性媒質とともに流動化される空間を部分的に定める、請求項８に記載の電気化学電池。
【請求項１０】
前記入口が、前記電極ホルダの入口チャネルと前記流路との間に圧力の低下をもたらすように構成される、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１１】
各流路が、立体的なものであって、前記流路を定める前記スペーサと実質的に等しい高さを有する、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１２】
放電の間に酸化された前記燃料が、前記イオン伝導性媒質の中に酸素を形成する、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
各スペーサが前記燃料電極の中に又は該燃料電極の上に成形される、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１４】
前記燃料電極が、距離をおいた関係にある複数の透過性のボディを含み、
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの中に又は該複数の透過性のボディの上に成形されて、該複数の透過性のボディが距離をおいた関係により保持され、前記イオン伝導性媒質が前記複数の透過性のボディを通って浸透し、かつ、前記流路における前記複数の透過性のボディを横切って流れることができるようになっている、請求項１３に記載の電気化学電池。
【請求項１５】
複数の透過性の電極ボディと該複数の透過性の電極ボディの間に延びる実質的に平行な複数のスペーサとを含む、電気化学電池のための燃料電極を製造する方法であって、
各々が、互いに実質的に平行な２つの製造スペーサにより定められる複数の空洞に材料を注入する段階であって、隣接する前記複数の透過性の電極ボディが、これらの間にある前記製造スペーサを用いて実質的に互いに平行にかつ互いに距離をおいて保持されており、前記複数の透過性の電極ボディが前記複数の空洞の中に延びるようにする、段階と、
前記材料を硬化させて前記燃料電極の前記実質的に平行なスペーサを形成する段階と、
前記製造スペーサから前記透過性の電極ボディを分離して、前記透過性の電極ボディと前記材料から形成された前記実質的に平行なスペーサとが単一の一体的なユニットとなる段階と、
を含む方法。
【請求項１６】
前記複数の空洞が金型の中に形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記製造スペーサが前記金型の一体的な部品である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記製造スペーサが個々の部品である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
燃料電極と、
該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、
充電電極と、
これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、
を具備し、
前記燃料電極及び前記酸化電極が、放電の間において、前記燃料電極において金属燃料を酸化し、前記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を前記燃料電極と前記酸化電極との間に発生させる、ように構成されており、
前記燃料電極及び前記充電電極が、再充電の間において、電源から前記燃料電極と前記充電電極との間に再充電電位差を印加されることにより、前記燃料の還元可能な種を還元して前記燃料を前記燃料電極の上に電着させ、前記酸化剤の酸化可能な種を酸化する、ように構成されており、
さらに、
前記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、前記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、前記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダと、
互いに距離をおいた関係により前記燃料電極及び前記空洞を横切って延びて該空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、前記イオン伝導性媒質が、前記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切り、前記少なくとも１つの出口を介して前記流路から流出するようになっている、複数のスペーサと、
を具備し、
前記燃料電極が、距離をおいた関係にある複数の透過性のボディを含み、前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの間に設けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記透過性のボディを通って浸透し、前記流路における前記透過性のボディを横切って流れる電気化学電池を充電する方法であって、
還元可能な種を含む前記イオン伝導性媒質を前記少なくとも１つの入口を通して前記流路に流入させる段階と、
前記充電電極をアノードとして機能させ前記燃料電極をカソードとして機能させて、前記充電電極と前記燃料電極との間に電流を印加して、前記還元可能な燃料種が、還元され、前記燃料電極において酸化可能な形により燃料として電着されるようになっている段階と、
前記電流を除去して前記充電を切断する段階と、
を含む方法。
【請求項２０】
前記充電電極が、（ａ）前記酸化電極、（ｂ）該酸化電極から距離をおいて配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料電極の一部分、からなる群から選択されたものである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記充電電極が、再充電の間に、動的充電電極であって、前記透過性の電極ボディのうちの少なくとも幾つかの電極ボディを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
電気化学電池のための燃料電極であって、
前記電気化学電池は、前記燃料電極と、該燃料電極から距離をおいて配置された酸化電極と、これらの電極に接触するイオン伝導性媒質と、を具備し、前記燃料電極及び前記酸化電極が、放電の間において、前記燃料電極において金属燃料を酸化し、前記酸化電極において酸化剤を還元して、負荷に印加するための放電電位差を前記燃料電極と前記酸化電極との間に発生させる、ように構成されており、さらに、前記燃料電極を保持するための空洞と、該空洞の一方の側において該空洞に接続され、該空洞にイオン伝導性媒質を供給するように構成された、少なくとも１つの入口と、前記空洞の前記少なくとも１つの入口とは反対の側において該空洞に接続され、前記イオン伝導性媒質が前記空洞から流出することを可能にするように構成された、少なくとも１つの出口と、を備えた電極ホルダを具備し、前記燃料電極は、
距離をおいた関係にある複数の透過性のボディと、
互いに距離をおいた関係により前記燃料電極を横切って延びて該燃料電極が前記電気化学電池内に存在するときに前記空洞に複数の流路を定める複数のスペーサであって、前記イオン伝導性媒質が、前記少なくとも１つの入口を介して各流路に流入し、前記燃料電極を横切り、前記少なくとも１つの出口を介して前記流路から流出するようになっている、複数のスペーサと、を具備し、
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの間に設けられて、前記イオン伝導性媒質が、前記透過性のボディを通って浸透し、前記流路における前記透過性のボディを横切って流れる燃料電極。
【請求項２３】
各スペーサが前記燃料電極の中に又は該燃料電極の上に成形される、請求項２２に記載の燃料電極。
【請求項２４】
前記複数のスペーサが、前記複数の透過性のボディの中に又は該複数の透過性のボディの上に成形されて、該複数の透過性のボディが距離をおいた関係により保持され、前記イオン伝導性媒質が前記複数の透過性のボディを通って浸透し、かつ、前記流路における前記複数の透過性のボディを横切って流れることができるようになっている、請求項２３に記載の燃料電極。
【国際調査報告】
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