(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが複数の電極及びハウジングに含まれる水性のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理するシステムであって、それぞれの電気化学電池は、
前記電気化学電池から排出される湿気を含んだ気相を受け取る第１の空気管と、
前記第１の空気管と連通し、前記湿気を含んだ気相から水分を抽出するように構成され
た乾燥ユニットと、
抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、乾燥剤を選択的に加熱す
る加熱器と、
前記乾燥ユニットを前記水性のイオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記電気化学電池の少なくとも一の前記水性のイオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、を備え、
前記一の又は複数の電気化学電池の充電時に、前記乾燥ユニットから周囲空気への直接の連通が閉じられるよう構成される、システム。
【請求項２】
前記電気化学電池は、燃料極、空気室及び酸化還元電極を備え、
前記酸化還元電極は、前記水性のイオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有し、
前記燃料極は、前記水性のイオン伝導性媒質に浸され、前記第１の空気管は、前記湿気を含んだ気相を湿気を含んだ空気として、前記一の又は複数の電気化学電池の前記空気室から受け取る、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記乾燥ユニットと連通する前記第１の空気管へと流れる、前記湿気を含んだ気相の流れを生成する送風機を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記空気室から前記第１の空気管へと流れる、前記湿気を含んだ空気の流れを生成する送風機を更に備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記一の又は複数の電気化学電池の外部からの周囲空気を受け取るための前記空気室の空気流入口に、前記送風機が接続されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記空気室から一定量の前記湿気を含んだ空気を受け取り、受け取った前記湿気を含んだ空気を前記空気室に戻すための再循環管を更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記電気化学電池の外部からの周囲空気を受け取るための前記空気流入口に接続された空気流入管を更に備え、
前記空気再循環管が前記空気流入管に接続されて、前記一定量の湿気を含んだ空気と前記一の又は複数の電気化学電池の外部からの前記周囲空気とを混合して混合空気とし、当該混合空気が前記空気室に供給される、請求項６のシステム。
【請求項８】
前記空気室と前記乾燥ユニットとの間に位置する弁を更に備え、
前記弁は、前記乾燥ユニットから抽出された水分が前記空気室へと戻るのを防ぐように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記湿気を含んだ気相から水分が抽出された後に、前記乾燥ユニットからの乾燥した空気の流出を可能とする空気流出口と、
前記乾燥ユニットから前記乾燥した空気の流出を防ぐために、前記空気流出口を選択的に塞ぐ弁と、を更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記空気流出口と関連付けられた前記弁は、前記乾燥ユニットと前記空気流出口とを接続する第１位置と、前記乾燥ユニットと前記戻り管とを接続する第２位置との間で可動な三方弁である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記水性のイオン伝導性媒質の液位を決定する液位センサを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記液位センサは前記加熱器に接続されて、前記乾燥ユニットを加熱して前記乾燥ユニットからの前記抽出された水分を放出することにより前記水性のイオン伝導性媒質に水を補充するべく、前記加熱器を作動させる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記戻り管及び前記加熱器に接続された熱電対を更に備え、
前記熱電対は、前記戻り管内の加熱された水分の流れの終了を判断して、前記加熱器の動作を停止させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の弁が開放されて、前記乾燥ユニットによって前記湿気を含む気相から前記水分が抽出された後の乾燥した空気が前記乾燥ユニットからの流出を可能とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の弁が開放されて、前記第１の空気管に沿って湿気を含んだ空気が前記乾燥ユニットへと流れるようにする、請求項２に記載のシステム。
【請求項１６】
放電時に、前記空気室から前記第１の空気管への前記湿気を含んだ空気の流れを生成するように構成された送風機を更に備え、
前記送風機は、前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を受け取るように構成された空気流入口と接続される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記湿気を含んだ空気の一部が、前記空気室から前記空気流入口へと迂回されて、前記空気室内へと前記湿気を含んだ空気の前記一部が再循環される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の前記弁、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の前記弁及び前記送風機は、前記空気室の相対湿度が約３０〜８０％に維持されるように選択的に制御される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記乾燥ユニットと空気流出口との間にこれらの間の連通を閉じるための弁が設けられ、前記加熱器が作動して前記乾燥ユニットが加熱され、前記一の又は複数の電気化学電池の充電時に、前記乾燥ユニットから抽出された水分が開放される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記一の又は複数の電気化学電池の充電時には、前記第１の空気管と前記乾燥ユニットとの間の弁が閉じられる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記抽出された水分は、水蒸気の形態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記乾燥ユニットは、乾燥剤を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記乾燥剤は、シリカゲル、活性炭、酸化アルミニウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、モンモリロナイト粘土、及び、分子篩のうちの一つ又は複数を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記乾燥ユニットと複数の前記一の又は複数の電気化学電池とを接続するように構成された前記戻り管と関連付けられるマニホールドを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記抽出された水が、前記一の又は複数の電気化学電気のうち、前記水性のイオン伝導性媒質の低い液位を有する第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質を補充し、当該補充は、前記一の又は複数の電気化学電気のうち前記水性のイオン伝導性媒質の高い液位を有する第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質に対する水分の補充よりも前に行われる、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記マニホールドから前記第１の電気化学電池及び前記第２の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記第１の電気化学電池及び前記第２の電気化学電池のそれぞれについて、前記水性のイオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第２の電気化学電池の前記戻り口と前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記抽出された水分が前記第１の電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記酸化還元電極は、前記水性のイオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項２に記載のシステム。
【請求項２９】
それぞれが複数の電極及びハウジングに含まれる水性のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理する方法であって、それぞれの電気化学電池は、
前記一の又は複数の電気化学電池から排出される湿気を含んだ空気を乾燥ユニットで受け取る工程と、
前記乾燥ユニットを介して、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出する工程と、
前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程と、
前記抽出した水分を、前記乾燥ユニットから前記電気化学電池の少なくとも一の前記水性のイオン伝導性媒質へと向かわせる工程と、
前記一の又は複数の電気化学電池の充電時に、前記乾燥ユニットを周囲空気に対して閉じる工程と、を備える方法。
【請求項３０】
前記電気化学電池は、燃料極、空気室及び酸化還元電極を備え、
前記酸化還元電極は、前記水性のイオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有し、
前記燃料極は、前記水性のイオン伝導性媒質に浸され、前記湿気を含んだ空気は、前記一の又は複数の電気化学電池の前記空気室から受け取る、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記湿気を含んだ空気の前記乾燥ユニットへの流れを生成する工程を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記流れは、送風機によって生成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を、前記空気室で受け取る工程を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記湿気を含んだ空気の一部を再循環させて、周囲空気と混合して混合空気とし、前記混合空気が前記空気室へと戻るようにする工程を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記乾燥ユニットから抽出された水分が、前記空気室へと戻るのを防ぐ工程を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記乾燥ユニットにより前記湿気を含んだ空気から水が抽出された後に、前記乾燥ユニットからの乾燥した空気の流出を、空気流出口に関連付けられた弁を利用して選択的に許可する工程を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
前記空気流出口に関連付けられた前記弁は、前記乾燥ユニットと前記空気流出口とを接続する第１位置と、前記乾燥ユニットと前記水性のイオン伝導性媒質とを接続する第２位置との間で可動な三方弁である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記水性のイオン伝導性媒質の液位を検出する工程を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記水性のイオン伝導性媒質の液位を検出する工程において、前記水性のイオン伝導性媒質の所定の液位よりも低いことが検出された場合に、加熱器を作動させる工程を備える、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記乾燥ユニットから前記水性のイオン伝導性媒質への前記抽出された水分の流れを検出して、前記抽出された水分の前記流れが終了した場合に加熱器の作動を停止させる工程を更に備える、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記抽出された水分の前記流れを検出する工程は、熱電対を利用することを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の弁を開放して、前記湿気を含む空気から前記水分を抽出した後の乾燥した空気の前記乾燥ユニットからの流出を可能とする工程を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項４３】
前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の弁を開放して、前記湿気を含む空気を受け取ることを可能とする工程を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項４４】
放電時に、前記空気室から前記乾燥ユニットへの前記湿気を含んだ空気の流れを生成する工程を更に備え、
前記流れは、前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を受け取るように構成された空気流入口に接続された送風機によって生成される、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記湿気を含んだ空気の一部が前記空気室から前記空気流入口へと迂回された後、前記空気室内へと前記湿気を含んだ空気の前記一部が再循環される工程を更に備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の前記弁、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の前記弁、及び、前記送風機を制御して、前記空気室の相対湿度が約３０〜８０％に維持する工程を更に備える、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記乾燥ユニットを前記周囲空気に対して閉じる工程は、前記乾燥ユニットを前記空気室に対して閉じることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項４８】
前記抽出された水分は、水蒸気の形態である、請求項２９に記載の方法。
【請求項４９】
前記乾燥ユニットを介して前記湿気を含んだ空気から水分を抽出する工程は、前記湿気を含んだ空気を乾燥剤に晒すことを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項５０】
前記乾燥剤は、シリカゲル、活性炭、酸化アルミニウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、モンモリロナイト粘土、及び、分子篩のうちの一つ又は複数を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記抽出した水分を、前記乾燥ユニットから前記水性のイオン伝導性媒質へと向かわせる工程は、前記抽出した水分を複数の前記一の又は複数の電気化学電池に分配することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項５２】
前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記抽出された水が、前記一の又は複数の電気化学電池のうち、前記水性のイオン伝導性媒質の低い液位を有する第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質を補充し、当該補充は、前記の又は複数の電気化学電池のうち前記水性のイオン伝導性媒質の高い液位を有する第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質に対する水分の補充よりも前に行われる、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記乾燥ユニットを複数の前記一の又は複数の電気化学電池へ接続するよう構成される戻り管と関係するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドから前記第１の電気化学電池及び前記第２の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記第１の電気化学電池及び前記第２の電気化学電池のそれぞれについて、前記水性のイオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第２の電気化学電池の前記戻り口と前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記向かわせる工程において前記抽出された水分が前記第１の電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記酸化還元電極は、前記水性のイオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項３０に記載の方法。
【請求項５６】
電気化学電池システムであって、
燃料極と、
ハウジングに含まれる水性のイオン伝導性媒質と、
第１の空気室と、
前記水性のイオン伝導性媒質に面する一の面と、前記第１の空気室に面する対向面とを有する酸化還元電極と、を備える第１の電気化学電池と、
第２の空気室を画定する第２モジュールに搭載される第２の酸化還元電極を有する第２の電気化学電池と、
前記第１の電気化学電池の前記第１の空気室から湿気を含んだ空気を受け取るための第１の空気管と、
前記第１の空気管と連通し、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出するように構成された乾燥ユニットと、
抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、前記乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器と、
前記乾燥ユニットを前記水性のイオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記水性のイオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、
を備え、
前記第２の電気化学電池よりも、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質の液位が低い場合には、前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が補充される前に、前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記第１の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が前記抽出された水分によって補充される、電気化学電池システム。
【請求項５７】
前記乾燥ユニットは、前記空気室及び前記第２の空気室に接続される、請求項５６に記載の電気化学電池システム。
【請求項５８】
前記第２の電気化学電池は更に、前記電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質とは別個の第２の水性のイオン伝導性媒質を備える、請求項５６に記載の電気化学電池システム。
【請求項５９】
前記戻り管は、前記抽出された水分を、前記水性のイオン伝導性媒質及び前記第２の水性のイオン伝導性媒質へと移動させる、請求項５８に記載の電気化学電池システム。
【請求項６０】
前記第２の電気化学電池は、前記第２の酸化還元電極、前記燃料極、及び、前記水性のイオン伝導性媒質を有する、請求項５６に記載の電気化学電池システム。
【請求項６１】
前記電気化学電池及び前記第２の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記電気化学電池及び前記第２の電気化学電池のそれぞれについて、前記水性のイオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が、前記電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第２の電気化学電池の前記戻り口と前記第２の電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記抽出された水分が前記電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記電気化学電池の前記水性のイオン伝導性媒質が前記電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項５６に記載の電気化学電池システム。
【請求項６２】
前記電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第２の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項６１に記載の電気化学電池システム。
【請求項６３】
前記酸化還元電極は、前記水性のイオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項５６に記載の電気化学電池システム。
【請求項６４】
それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理するシステムであって、
水分を格納する乾燥ユニットと、
前記乾燥ユニットから水蒸気を選択的に放出するべく、前記乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器と、前記乾燥ユニットを前記複数の電気化学電池それぞれの前記イオン伝導性媒質に接続して、前記乾燥ユニットからの前記水蒸気を受け取るべく、前記電気化学電池のそれぞれと関連付けられている複数の戻り管と、を備え、
前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を前記水蒸気が優先的に流れるようにする、システム。
【請求項６５】
前記乾燥ユニットと前記複数の戻り管との間に設けられたマニホールドを更に備える、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６６】
前記複数の戻り管のそれぞれから前記複数の電気化学電池のそれぞれへと延在する複数の戻り口がそれぞれ、前記複数の電気化学電池の対応する一つの前記イオン伝導性媒質の液位を規定する、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６７】
前記複数の電気化学電池のそれぞれに対して規定された前記液位は、同じである、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
前記複数の電極は、燃料極及び酸化還元電極を含む、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６９】
それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理する方法であって、
乾燥ユニットに水分を格納する工程と、
前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、水蒸気を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程と、
前記乾燥ユニットから、対応する電気化学電池にそれぞれ関連付けられた複数の戻り管へと前記水蒸気を通過させる工程と、を備え、
前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を前記水蒸気が優先的に流れるようにする、方法。
【請求項７０】
前記複数の電極は、燃料極及び酸化還元電極を含む、請求項６９に記載の方法。
【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、２０１３年２月１１日に出願された米国特許出願第６１／７６３，４２３号の優先権を主張し、この米国特許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】
本発明は電気化学電池に関し、特にイオン伝導性媒質を利用する電気化学電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの種類の電気化学電池は、電池内の電気化学反応を支援するために液体イオン伝導性媒質を用いている。電気化学電池は、好適な燃料から構成される燃料極と接続された空気吸入酸化剤極を利用する場合がある。例えば、金属空気電気化学電池システムは複数の電池を含んでいる。各電池はアノードとして働く燃料極を有しており、この電極において金属燃料は酸化される。また、各電池は空気吸入酸化剤還元電極を有しており、この電極において周囲空気からの酸素が還元される。このような電池の内部の液体イオン伝導性媒質は、上記電極間で酸化／還元されたイオンを伝達している。
【０００４】
様々な液体イオン伝導性媒質において、イオン伝導性媒質からの水分の蒸発、電気分解（例えば、再充電における水の分解）又はその他の要因による水分の喪失は、電気化学電池に弊害をもたらす。例えば、イオン伝導性媒質が塩になることによって、電気化学電池の酸化剤極が詰まってしまい、性能が低下して、場合によっては、機能喪失に至ることもある。このような塩化又はその他の故障は、例えば、酸化剤極の空気側又は酸化剤極の一部が過剰に乾燥してしまう場所で発生する。更に、イオン伝導性媒質の水分含有量が減少すると、媒質の溶媒化能力、すなわち、溶質を溶解する能力を低下させる、又は、媒質中の溶質のパーセント濃度が高くなる。
【０００５】
本願の開示は、電気化学電池における空気吸入酸化剤極における湿度を制御すると共に、電気化学電池における所望の水分含有量を維持することを目的とする。
【０００６】
本開示の先に示した例では、空気吸入電極を備える電気化学電池について記載したが、本開示はこれに限定することを意図していない。本発明は、液体のイオン伝導性媒質を備える任意の電気化学電池に対して適用可能である。例えば、様々な容量及びサイズの水が満たされた電池（例えば、鉛酸、Ｎｉ−Ｃｄ）にも適用可能である。電気分解による水の分解で生成される酸素及び水素ガスを放出するためのベント又は低圧解放弁を備えるベント型電池がある。（例えば、蒸発及び／又は電気分解）によって失われた電解質は、通常メンテナンス時に定期的に交換する必要がある。電池に水を補充する方法は当技術分野で周知であり、例えば、手動での補給、高圧手動注入及び一括補水システムが知られている。一括補水システムでは、液体貯水器又はタンクが、管を介して、各電気化学電池と関連付けられた水弁アセンブリに接続されている。このような電池の補水システムは周知であり、例えば、米国特許第４，３８６，１４１、５，２８４，１７６、５，４５３，３３４、６，１６４，３０９、６，７８６，２２６、７，０４０，４３１、７，５５６，０５６号及び米国特許出願、２００６／０２８１０００及び２０１１／０２３６７３０に記載されている。弁アセンブリはそれぞれ、機械式レベル制御弁、一般的なフロート弁を備え、電解質が所定の液位に達すると、水の流れを遮断するように構成される。しかしながら、これらの機械式弁は時に作動しない又は固まってしまい、水の流れを止めることができない場合がある。これは、特に、乾燥した塩が弁を詰まらせてしまうことがある水性アルカリ電池（例えば、Ｎｉ−Ｃｄ）の場合に問題となることが多い。これを防ぐために、高圧バーストで動作する弁が開発されている。しかしながら、このような高圧システムは、典型的に、ポンプのパワーと長期の信頼性が要求される。
【０００７】
したがって、本願の開示は、液体のイオン伝導性媒質を備える任意の電気化学電池において、ポンプ、貯水器及び機械式レベル制御弁を使用することなく、水の量を維持するための受動的水管理システムを提供する。
【発明の概要】
【０００８】
一実施形態に従ったシステムは、それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理するものであり、前記電気化学電池に関連する湿気を含んだ気相を受け取る第１の空気管を備える。当該システムはまた、前記第１の空気管と連通し、前記湿気を含んだ気相から水分を抽出するように構成された乾燥ユニットを備える。前記システムは更に、抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、乾燥剤を選択的に加熱する加熱器を備える。前記システムは更に、前記乾燥ユニットを前記イオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記イオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、を備える。
【０００９】
別の実施形態に従った方法は、それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理するものであって、前記一の又は複数の電気化学電池からの湿気を含んだ空気を乾燥ユニットで受け取る工程を備える。当該方法はまた、前記乾燥ユニットを介して、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出する工程を備える。方法は更に、前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程を備える。方法は更に、前記抽出した水分を、前記乾燥ユニットから前記イオン伝導性媒質へと向かわせる工程を備える。
【００１０】
別の実施形態によれば、電気化学電池システムが電気化学電池を備えている。当該電気化学電池は、燃料極と、液体のイオン伝導性媒質と、空気室と、前記イオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有する酸化還元電極と、を備える。前記システムはまた、前記電気化学電池の前記空気室から湿気を含んだ空気を受け取るための第１の空気管を備える。前記システムは更に、前記第１の空気管と連通し、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出するように構成された乾燥ユニットを備える。前記システムは更に、抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器を備える。前記システムは更に、前記乾燥ユニットを前記イオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記イオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、を備える。
【００１１】
別の実施形態に従ったシステムは、それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理するものであって、水分を格納する乾燥ユニットを備える。前記システムはまた、水蒸気を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器を備える。前記システムは更に、前記乾燥ユニットを前記複数の電気化学電池それぞれの前記イオン伝導性媒質に接続して、前記乾燥ユニットからの前記水蒸気を受け取るべく、前記電気化学電池のそれぞれと関連付けられている複数の戻り管を備える。前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、前記水蒸気が優先的に塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を流れるようにする。
【００１２】
別の実施形態に従った方法は、それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理するものであって、乾燥ユニットに水分を格納する工程を備える。当該方法は更に、前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、水蒸気を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程を備える。方法は更に、前記乾燥ユニットから、対応する電気化学電池にそれぞれ関連付けられた複数の戻り管へと前記水蒸気を通過させる工程を備える。前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、前記水蒸気が優先的に塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を流れるようにする。
【００１３】
本発明の他の態様は、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る。
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、添付する概略図を参照しつつ、単に例示として説明する。この概略図において、対応する参照符号は、対応する構成要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】水管理システムに接続されるように構成された浸漬酸化還元電極を有する電気化学電池の一実施形態を概略的に示した図である。
【００１６】
【図２】水管理システムに接続されるように構成された浸電気化学電池の別の実施形態を概略的に示した図である。
【００１７】
【図３】図１及び図２のような電気化学電池に接続され得る水管理システムの一実施形態を示した図である。
【００１８】
【図４】一般的な水管理システムに接続される複数の電気化学電池を備える電気化学電池システムを概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
一実施形態に係る以下に詳細に説明する電池の水管理システムにおいて、電気化学電池は、空気吸入酸化剤極を備える。このような一実施形態では、水管理システムは、電気化学電池内の水量を維持する機能及び空気吸入電極に関する湿度の制御を行う機能の両方を提供する。電気化学電池内の水の量を維持することが主要な機能であることから、空気吸入電極を備えない電気化学電池に対しても一実施形態と関連するシステムを適用可能であることは明らかである。このような一実施形態では、空気吸入電極の湿度を管理する機能は必要ない。
【００２０】
図１は電気化学電池１００の一実施形態の概略断面図である。図に示すとおり、電気化学電池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。電池１００は、ハウジング１１０内に収容されその中で循環して電池１００内でイオンを伝導するように構成された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、例えば停滞領域やその他の一定量のイオン伝導性媒質において、概ね静止しているものの、電池１００はイオン伝導性媒質の還流を生成するように構成され得ることが理解できる。ある実施形態では、このような還流は、制御された方向を有する気泡によって生成される。この気泡は、電池内の電気化学プロセスによって、スパージャを使用して、又は、その他の気泡生成工程によって、生成される。ある実施形態では、還流は、これに限定されないが、例えば、ポンプのようなその他の還流生成器によって生成される。ある実施形態では、局所的な加熱によって、液体を還流させることができる。
【００２１】
電気化学電池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、電池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、電池１００及び／又はハウジング１１０は、米国特許出願第１２／３８５，２１７号、第１２／３８５，４８９号、第１２／５４９，６１７号、第１２／６３１，４８４、第１２／７７６，９６２号、第１２／８８５，２６８号、第１２／９０１，４１０号、第１３／０２８，４９６号、第１３／０８３，９２９号、第１３／１６７，９３０号、第１３／１８５，６５８号、第１３／２３０，５４９号、第１３／２９９，１６７号、第１３／３６２，７７５号、第１３／５２６，４３２号、第１３／５３１，９６２号、第１３／５３２，３７４号、第１３／５６６，９４８号、及び第１３／６６８，１８０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。
【００２２】
電気化学電池１００の構成は実施形態によって様々に異なるが、図１の断面図に示す実施形態では、筐体１１０内に電池室１２０を備える。イオン伝導性媒質は一般的に、電池室１２０内で塊で存在するが、電池室１２０内を還流してもよいし、電池室１２０を通過するように（例えば、一の電気化学電池１００から別の電気化学電池１００へと、若しくは、貯水器から電気化学電池１００へと又はその反対に）流れてもよい。電池１００の燃料極１３０は、イオン伝導性媒質に接触するように電池室１２０内で支持されている。一実施形態において、燃料極１３０は、後述するように電池１００の放電動作モード（すなわち、発電モード）においてアノードとして機能する金属燃料極である。図示するように、一部の実施形態では燃料極１３０は複数の透過性電極本体１３０ａ−ｅを含む。図の実施形態では５個の透過性電極本体１３０ａ−ｅが用いられているが、他の実施形態ではこの数は任意である。各透過性電極本体１３０ａ−ｅは、電着により、又は、他の方法により、電池室１２０を通過するか又は他の態様でその中に存在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。一実施形態において、電極本体１３０ａは端子電極本体であり、この端子電極本体は、充電時に金属燃料が電極本体１３０ａ−ｅの全体に付着して電極本体１３０ａから電極本体１３０ｅに向かう方法に成長するように構成される。上記段落で参照により組み込まれた米国特許出願第１３／１６７，９３０号明細書に記載されるように、図の実施形態において、透過性電極本体１３０ａ−ｅは階段状スカフォード（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｓｃａｆｆｏｌｄ）構成となるように異なる大きさを有しているが、他の実施形態においては、透過性電極本体１３０ａ−ｅは実質的に同じ大きさを有する。
【００２３】
一部の実施形態において、複数のスペーサが透過性電極本体１３０ａ−ｅを隔てており、これにより燃料極１３０内に流路が形成される。一部の実施形態において、複数のスペーサはハウジング１１０に接続されて燃料極１３０がハウジング１１０に対して適切な位置に保持されるようになっているが、他の実施形態では、スペーサは透過性電極本体１３０ａ−ｅの間及び場合によっては燃料極１３０及び充電用電極１４０の間に成型され、透過性電極本体１３０ａ−ｅ（及び場合によっては充電用電極１４０）が複合電極モジュールの一部となっている。このような構成は、米国特許出願公開第２０１１／００８６２７８号として公開され、先に参照によって本明細書に全体が組み込まれた米国特許出願第１２／９０１，４１０号明細書に記載されている。様々な実施形態において、スペーサは非伝導性であり電気化学的に不活性であって、電池１００における電気化学的反応に関して不活性となっている。一部の実施形態において、スペーサは適切なプラスチック材料、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ノリル、ＡＢＳ、フッ素重合体、エポキシ、などから形成される。燃料極１３０内の流路は三次元的に構成され、スペーサと実質的に等しい高さを有している。スペーサは全体に垂直方向に向けられており、泡を生成する充電用電極に平行な流路を形成するようになっているが、例えば以下に述べるように燃料極の最上部が塞がれているがこれに限定されない他の実施形態においては、スペーサは透過性電極本体１３０ａ−ｅを通り抜ける方向に向けられた流路を形成する方向に向けられている。しかし、スペーサ及び／又は流路は任意付加的なものであって、実施形態によっては省略されてもよい。
【００２４】
例えば図に示すような電池１００の一部の実施形態において、充電用電極１４０は燃料極１３０から離間して配置され、端子電極本体１３０ａから遠位（すなわち、電極本体１３０ｅに対して近位）となっている。一部の実施形態において、充電用電極１４０は燃料極１３０の一部である（例えば、透過性電極本体１３０ｂ−１３０ｅのうちの一又は複数である場合を含む）。燃料極１３０の場合と同様に、充電用電極１４０は電池室１２０内に配置され、イオン伝導性媒質と接触するようになっている。図の実施形態において、充電用電極１４０は透過性電極本体１３０ａ−ｅと類似の段階的な構成となっている。しかし、他の実施形態においては、充電用電極１４０は少なくとも透過性電極１３０ａ−ｅのうち最も長いものと同じ長さにわたって延在し、この場合電極本体１３０ａ−ｅは階段状スカフォード（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｓｃａｆｆｏｌｄ）構成であるか、又は寸法が異なっている。以下により詳細に述べるが、充電用電極１４０は液体イオン伝導性媒質内に存在する酸化可能な酸化剤種の酸化に関与するように構成され、電池１００の充電中に、酸化した金属燃料種の還元及び燃料極１３０における金属燃料の成長を促進する。従って、一部の実施形態において、充電用電極１４０は酸素発生電極として特徴づけることができる。というのは、以下に詳述するように、電気化学電池１００の充電中に充電用電極１４０から酸素ガスの泡が発生するからである。
【００２５】
さらに図１は酸化剤還元電極１５０を示しており、この酸化剤還元電極１５０は燃料極１３０及び充電用電極１４０から離間し、端子電極本体１３０ａから遠位にある。図に示すとおり、酸化剤還元電極１５０は封止され、又はその他の方法で組み立てられて酸化剤還元電極モジュール１６０となり、これが電池室１２０内のイオン伝導性媒質に浸漬される。少なくとも１つの空気流路１６５が酸化剤還元電極モジュール１６０の内部へ延在し、空気又は他の酸化剤を酸化剤還元電極モジュール１６０のハウジングと酸化剤還元電極１５０との間に形成された空隙１７０に供給する。空隙１７０内の空気又は他の酸化剤が、酸化剤還元電極１５０に酸化剤を供給することが理解できる。このような構成の更なる詳細については、先に参照によって全体が本明細書に組み込まれている米国特許出願第１３／５３１，９６２号明細書（発明の名称：「電気化学電池システム用の浸漬可能な気体状の酸化剤カソード」）に記載されている。上記では空気流路１６５が、管状又は同様な構成を有しているが、これは、イオン伝導性媒質が酸化還元電極モジュール１６０を通過可能とする（例えば、空気流路１６５のどちらか一方側へと向かう）と同時に、酸化還元電極１５０へと酸化剤を供給するのを容易にしていることは明らかである。
【００２６】
図１には示されていないが、ある実施形態では、空気流路１６５は、空隙１７０へと延びる又は空隙１７０から延出する別個の空気流路流入口及び流出口をそれぞれ有してもよく、空気流路１６５が空隙１７０を通過する空気流経路の一部を形成することを可能にしてもよい。空気流経路については、以下に詳細に説明する。上記の空気流路流入口及び空気流路流出口は、ある実施形態では、イオン伝導性媒質を通過して酸化還元電極モジュール１６０まで延びる共通のハウジングを共有してもよく、別の実施形態では、空気流路１６５が、イオン伝導性媒質を通過して酸化還元電極モジュール１６０まで延びる一対の間隔を空けて設けられた空気経路を備えてもよい。
【００２７】
図に示すように、別個の充電用電極１４０を含む実施形態において、この別個の充電用電極１４０は酸化剤還元電極１５０及び燃料極１３０の間に配置されている。この別個の充電用電極１４０がない電池１００の実施形態においては、酸化剤還元電極１５０は電池１００の充電中及び放電中のいずれにも（すなわち、充電中はアノードとして、放電中はカソードとして）用いることができる。
【００２８】
電池１００の構成要素、例えば、燃料極１３０、その透過性電極本体１３０ａ−ｅ、別個の充電用電極１４０、及び酸化剤還元電極１５０は、任意の好適な構造又は構成を採ることができ、例えば、ニッケル又はニッケル合金（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）、又は超合金を含む）、銅又は銅合金、真ちゅう、青銅、炭素、白金、銀、銀−パラジウム、又はこれら以外の任意の好適な金属又は合金から構成される。一部の実施形態において、燃料極１３０、別個の充電用電極１４０、及び酸化剤還元電極１５０などの電池１００の構成要素のうちの一又は複数は、耐劣化性のより強い材料でめっきした高導電性材料からなる。例えば、一部の実施形態では、電池の一又は複数の構成要素は、ニッケル、すず、銀、金又はその他の化学的に同等な材料によってめっきされた銅で構成される。上述したように、一部の実施形態において、燃料極１３０は透過性の金属スクリーン（すなわち、透過性の電極本体１３０ａ−ｅ）から形成され、これが金属燃料の成長プラットフォームを捕捉、保持、及び提供するように構成される。同様に、一部の実施形態において、別個の充電用電極１４０は透過性電極本体１３０ａ−ｅのうちの１つと類似の構成を有している。他の実施形態において、充電用電極１４０は他の構成を有し、燃料極１３０と電位差を生じるように構成され、電気化学電池１００の充電中に燃料極上の燃料成長を促す。以下でより詳しく述べるように、充電用電極１４０は放電工程中に酸素気泡を発生させるように構成され、これがイオン伝導性媒質内での浮力によって電池１００内を上昇し、イオン伝導性媒質の還流を発生させる。
【００２９】
燃料極１３０及び充電用電極１４０と同様に、酸化剤還元電極１５０も任意の適切な構造又は構成を有している。例えば、酸化剤還元電極１５０は電気化学電池１００内での酸素還元を行うように構成されており、電池１００の放電中に燃料極１３０と電位差を生じるように構成される。一実施形態において、酸化剤還元電極１５０はメッシュ又はコーティングを有する活性層を含み、これは電気化学反応を促進する「活性材料」として特徴づけられる。従って、一実施形態において、酸化剤還元電極１５０は、活性材料がイオン伝導性媒質と接触しそれを通して燃料極１３０との間でイオンが相互に伝導されるように、電池ハウジング１１０内に配置される。一部の実施形態において、活性材料は触媒粒子又は触媒材料、導電性マトリックス、及び疎水性材料の混合物を焼結して複合材料としたものか又は他の方法で積層したものによって形成される。様々な実施形態において、活性材料は限定的ではないが上述したような金属のうちの一又は複数から構成される。一部の実施形態において、活性材料は触媒フィルムを含むが、これは様々な実施形態において溶射、プラズマ溶射、電着、又は他の任意の粒子被覆方法を含むがこれらに限定されない技術によって形成される。
【００３０】
この活性材料には集電装置が電気的に接続されており、電池１００が放電モードにあるときに、酸化剤還元反応における消費のために負荷から電子を受け取るように構成される。同様に、電池１００が充電モードにあるときに、（酸化剤還元電極１５０が充電用電極として機能しているならば）集電装置は活性材料において酸化反応から電子を回収して電源ＰＳに送達し、活性材料での電気化学反応に関与するように構成される。集電装置は、内部に間隙を有する金属スクリーンからなる構成を含むがこれに限定されない好適な構造及び構成を有する。様々な実施形態において、集電装置は限定的ではないが活性層として上述したような金属又は合金から構成される。
【００３１】
酸化剤還元電極１５０にはさらに一又は複数の疎水性の材料が含まれており、これらの材料は略ガス透過性だが液体は透過しない。これによって電池ハウジング１１０内にイオン伝導性媒質を収容し、又は他の方法で（酸化剤還元電極モジュール１６０内の）酸化剤還元電極１５０に対応する空隙を維持する。疎水性とは文脈によっては「嫌水性」と理解され得るが、本明細書において用いられている通り、疎水性とは単にイオン伝導性媒質内の水だけでなくイオン伝導性媒質全体の浸透に耐えそれを透過しないことを意味することを理解すべきである。従って、疎水性の材料は疎湿性、すなわち「嫌液性」ともみなすことができる。酸化剤還元電極１５０は全体として液体を透過しないが、気体状の酸化剤は透過する。よって気体状の酸化剤は酸化剤還元電極１５０の活性材料と接触し、電池１００の放電中に発生する電気化学反応において酸化剤として機能する。様々な実施形態において、疎水性材料は活性材料を支持するのが容易になる任意の好適な構造又は構成を有しており、気体状の酸化剤に対して略透過性を有し、イオン伝導性媒質に対して略透過性を有さない。
【００３２】
一部の実施形態において、疎水性材料は活性材料及び／又は集電装置の支持材として機能する。疎水性材料は実施形態によって異なるが、一部の実施形態においては、疎水性材料はフッ素重合体からなる、又は他の態様でフッ素重合体を含む。例として、様々な実施形態では、疎水性材料はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ又はＴｅｆｌｏｎ（登録商標）とも称する）からなり、これは一部の実施形態においては熱機械的に延ばされる（ｅＰＴＦＥ又はＧｏｒｅ−Ｔｅｘ（登録商標）とも称する）。他の実施形態において、疎水性材料はフッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰとも称する）、フッ素重合体、又は、その他の任意の疎水性バインダー（例えば、ポリプロピレン及び／又はポリエチレン）からなる。一部の実施形態において、疎水性材料は微小な細孔径を有しており、例えば、約１ミクロン未満又はより具体的な例では約５０から約２００ナノメータであるがこれには限定されない。一部の実施形態においては、疎水性材料は酸化剤還元電極１５０の厚みにわたって引っ張り強度が限定されている。従って、一部の実施形態において、疎水性材料は酸化剤透過性強化層によって強化されている。この酸化剤透過性強化層の例は、先に参照によって全体が本明細書に組み込まれた米国特許出願第１３／６６８，１８０号明細書（名称：「酸化剤極用の外部ＰＴＦＥ層強化」）に記載されている。
【００３３】
燃料極１３０は、任意の好適な燃料から構成され得る。具体的には、金属燃料として選択される材料は、同様なイオン伝導性媒質と化学反応性を有し、対向電極における活物質（例えば、金属空気電池の酸化剤極における酸素）よりも陽性である材料であってもよい。一実施形態において、燃料極の支持材は、気体状、液体状又は蒸気状の燃料（例えば、燃料は、水素、炭化水素、アルコール）に対して透過性を有してもよい。例えば、アルカリＨ２／Ｏ２燃料電池では、燃料極において水が生成される。燃料極において生成される水分の一部は、空気電極へと再循環されてもよいことは明らかである。このような実施形態の一部では、放電時及びアイドル状態における乾燥剤による吸収により燃料から水分が分離され、空気電極へと脱着及び供給され得る。酸性燃料電池では、陽子を介したイオン流が、燃料極から空気電極へと移動する。陽子はこの移動の間に水和されて、電気浸透抗力を引き起こし、燃料極における水分喪失につながる。そこで、上記で概略を説明したアルカリ燃料電池の場合と同様な仕組みを使用して、空気電極の出口から燃料極の入口へと水分を再循環させることができると考えられる。
【００３４】
一実施形態において、電池１００で用いられる燃料は、鉄、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、マンガン、カドミウム、鉛、ゲルマニウム、ナトリ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、これに限定されないが、電極本体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、遷移後及び遷移金属を含む、周期表において金属又は半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。一実施形態において、燃料は、イオン伝導性媒質に懸濁した粒子として電池１００に供給されるものであってもよい。
【００３５】
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。一実施形態において、イオン伝導性媒質は、例えばエチレン・カーボネート、炭酸ジメチル、又はその他の好適な有機溶剤を含む。一部の実施形態において、イオン伝導性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、先に参照によって全体が組み込まれた米国特許出願第１２／７７６，９６２号明細書において述べられているように、従来の液体電解質溶液を用いてもよく、室温イオン液体を用いてもよい。一部の実施形態において、例えば、先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１３／０２８，４９６号明細書及び米国特許出願第１３／５２６，４３２号明細書に記載されたような、燃料極１３０上の金属燃料の電着工程を増進する添加剤を含むがこれに限定されない添加剤を、イオン伝導性媒質に加えてもよい。このような添加剤は燃料粒子の目の粗い樹枝状成長を低減し、よって例えばこのような燃料粒子が燃料極１３０から分離する可能性を低減する。ある実施形態では、イオン伝導性媒質は、米国特許出願第１３／５２６，３４２号明細書に記載されたような任意の好適な分離剤又はイオン交換膜を有してもよい。
【００３６】
電池１００の動作中に、燃料は燃料極１３０がアノードとして動作する場合に燃料極１３０において酸化され、酸素、Ｃｌ２、又は、その他の任意の好適な酸化剤は、酸化剤還元電極１５０がカソードとして動作する場合、つまり後述するように電池１００が負荷に接続されて放電モード又は発電モードにある場合に、酸化剤還元電極１５０において還元される。放電モードにおける反応によって、還元性燃料種等の副生成物の沈殿物がイオン伝導性媒質中に生成されることがある。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。後述の再充電モードにおいては、酸化亜鉛、亜鉛酸塩イオン等の還元性燃料種は、可逆的に還元され、カソードとして機能する燃料極１３０の少なくとも一部に亜鉛等の燃料として沈殿することがある。同時に、酸化剤還元電極１５０又は別個の充電用電極１４０、及び／又は燃料極１３０の他の部分はアノードとして機能し、酸化可能な酸素種（例えば、ＯＨ−イオン）をイオン伝導性媒質内で酸化して酸素ガスを発生させる。一実施形態においては、酸化可能な酸素種は、放電中に電池１００内で生成される還元された酸化剤種でもよい。
【００３７】
一部の実施形態においては、酸化剤は受動システムによって酸化剤還元電極１５０に供給されるが、これは例えば空気中の酸素を酸化剤還元電極１５０内に拡散又は浸透させるのに十分である。しかし他の実施形態においては、酸化剤を酸化剤還元電極に移動させるための他の酸化剤源もしくは機構を用いてもよい。例えば、一実施形態においては、空気ポンプＡＰ等のポンプを用いて、酸化剤に圧力をかけて酸化剤還元電極１５０に供給してもよい。空気ポンプＡＰは、空気又はその他の酸化剤の一定又は間欠的な流れを生成するように構成された、送風機又は他の空気移動装置からなる構成を含むがこれに限定されない好適な構造又は構成を有する。酸化剤源は、内蔵された酸化剤源であってもよい。一実施形態において、例えば先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１２／５４９，６１７号明細書に記載されているように、酸素は電気化学電池モジュール１００から再循環してもよい。同様に、酸化剤が大気から得られる酸素の場合には、受動的なものであれ能動的なもの（例えば、ポンプ、送風機等）であれ、空気が酸化剤還元電極１５０に流れるようにする供給メカニズムが広く酸化剤源とみなされる。このように、「酸化剤源」という語は、内蔵型の酸化剤、及び／又は、酸素を大気から酸化剤還元電極１５０に受動的にもしくは能動的に供給する構成の両方を含む。別の実施形態において、カソードにおいて還元される種が、電気化学電池（例えば、鉛酸電池又はＮｉ−Ｃｄ電池）内に完全に格納されてもよい。
【００３８】
様々な実施形態において、透過性電極本体１３０ａ−ｅ、別個の充電用電極１４０、及び酸化剤還元電極１５０は、電池１００を電源ＰＳ、負荷、又は他の電池１００と直列に接続するように構成されたスイッチング・システムによって接続されてもよい。放電中に、燃料極１３０は負荷に接続され、アノードとして動作して、燃料が燃料極１３０で酸化されたときに金属燃料によって放出された電子が外部負荷に流れることになる。酸化剤還元電極１５０は放電中にカソードとして機能し、外部負荷から電子を受け取って、酸化剤還元電極１５０と接触する酸化剤、特に電池１００の周囲の空気中の酸素、電池１００内に供給され酸素、又は電池１００から再循環される酸素を還元するように構成される。
【００３９】
スイッチング・システムの動作は実施形態によって異なり、一部の実施形態においてこの動作は、先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１３／２９９，１６７号明細書に記載されたものと類似している。他の例として、一実施形態において、先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１２／３８５，４８９号明細書に詳述されるように、外部負荷は透過性電極本体１３０ａ−１３０ｅの一部に並列接続される。他の実施形態において、外部負荷は酸化剤還元電極１５０から遠位にある端子透過性電極本体１３０ａのみに接続され、燃料消費は各透過性電極本体１３０ａ−１３０ｅの間から直列に発生する。一部の実施形態において、先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１２／８８５，２６８号明細書（出願日：２０１０年９月１７日）に詳述されるように、電池１００は充電／放電モードの切替えができるように構成される。
【００４０】
一部の実施形態において、電極本体１３０ａ−ｅ、酸化剤還元電極１５０、及び／又は充電用電極１４０のうちの一又は複数はスイッチング・システム又は他の回路によって相互に接続され、電池１００の充電及び放電の制御を選択的に促進する。このスイッチング・システムに対応するスイッチはコントローラによって制御され、このコントローラは、一部の実施形態において、先に参照によって組み込まれた米国特許出願第１３／０８３，９２９号明細書、同第１３／２３０，５４９号明細書、及び同１３／２９９，１６７号明細書に記載されるものと略適合する任意の好適な構造及び構成を有している。様々な実施形態において、スイッチング・システムのスイッチの制御はユーザによる選択、センサによる読取り値、又は他の任意の入力によって決定される。一部の実施形態において、コントローラはまた負荷、電源ＰＳ、及び複数の電池１００の間の接続性を管理する機能を有する。一部の実施形態において、コントローラは、所定の閾値に達した電圧の検出（所定の閾値を下回ったこと等）に応じて各電池１００に対応するバイパススイッチを作動させる、適切なロジック又は回路を備えることができる。
【００４１】
図１に示すように、電池室１２０内のＬの液位までイオン伝導性媒質が充填される。以下に詳細に説明するように、戻り口１８０を設けて、電池室１２０にイオン伝導性媒質又はその構成要素（例えば、水）を追加することを可能として、イオン伝導性媒質の液位Ｌを上昇させてもよい。図１の断面図では、このような経路の存在が不明瞭であるが、戻り口１８０は、空気流路１６５と同様に、管状に形成されて、イオン伝導性媒質の所望の流路（存在する場合）を塞ぐことがないように構成され得る。様々な実施形態において、戻り口１８０のその他の構成が可能である。例えば、ある実施形態では、戻り口１８０は、少なくとも部分的に電池ハウジング１１０に成形されてもよい。以下に詳細に記載するように、一実施形態では、戻り口１８０の少なくとも一部分がイオン伝導性媒体内（例えば、電池室１２０）へと延在するように構成してもよく、それにより、イオン伝導性媒質の液位がＬになるようにしてもよい。図１に示すように、水管理システムが、空気流路１６５と戻り口１８０との間に接続されてもよく、空隙１７０内の湿度レベルを管理すると同時に、水として湿気を最捕獲して、当該水を戻り口１８０へと流して、電池室１２０内のイオン伝導性媒質を補充するように構成されてもよい。水管理システムは、本開示の特徴であり、以下に詳細に説明する。
【００４２】
図１に示す実施形態においては、電池ハウジング１１０は酸化剤還元電極１５０が酸化剤還元電極モジュール１６０とともに電池室１２０内に浸漬されているが、様々な実施形態においては、電池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、電池１００の他の実施形態（具体的には、電池１００＊）が提示されているが、ここで酸化剤還元電極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。酸化剤還元電極１５０＊が故障した場合にイオン伝導性媒質が電池１００＊から漏出する可能性があるため、一部の実施形態においては、電池室１２０内のイオン伝導性媒質の還流は、上方かつ酸化剤還元電極１５０＊から離れて燃料極１３０の上端を横切る方向に向かうようにしてもよい。酸化還元電極１５０＊の境界壁を有する電気化学電池１００＊には上記のような不都合な点を有するが、このような構成の電気化学電池１００＊が存在する場合もあることは明らかであり、本願の水管理システムに組み込まれる可能性もある。
【００４３】
図２に示すように、一実施形態では、上記のような電気化学電池１００＊の組み込みは、酸化剤還元電極１５０＊を外側空気室１９０で囲むことを含み得る。図示の実施形態では、外側空気室１９０は、電池ハウジング１１０＊に対してシールされているが、別の実施形態では、外側空気室１９０は酸化還元電極１５０＊に対してシールされてもよい、又は、概して電気化学電池１００＊を大体囲むように構成されてもよい。他の構成もまた可能である。ある実施形態では、外側空気室１９０は電気化学電池１００＊の一部分に対してシールされてもよいし、別の実施形態では、外側空気室１９０は単純に電気化学電池１００＊に隣接してもよいし、大まかに言うと電気化学電池１００＊に取り付けられてもよいことは明らかである。図の実施形態では、外側空気室１９０は、酸化還元電極１５０＊と外側空気室１９０の壁との間に空気で満たされた空間である空隙１７０を形成している。図１の酸化還元電極モジュール１６０から延出する実施形態と同様に、空気流路１６５は外側空気室１９０から延出してもよく、それにより空隙１７０と水管理システムとの間に空気が流れる経路を形成している。
【００４４】
図３には、水管理システム２００の一実施形態が模式的に示されている。水管理システム２００は、図１及び図２の実施形態の水管理システムとしても利用できることは明らかである。図３にはまた、電気化学電池１００が概略的に図示されている。図に示すように、電池ハウジング１１０は、液位Ｌを満たすような一定量のイオン伝導性媒質を収容する電池室１２０を画定している。燃料極１３０及び別個の充電用電極１４０が、イオン伝導性媒質に浸漬される。酸化還元電極１５０もイオン伝導性媒質に浸漬されて、酸化還元電極モジュール１６０に対してシールされて、空隙１７０が保持される。図３に示すように、空気流路１６５は、空気流路流入口２１０及び空気流路流出口２２０を含む。このような構成において、以下に詳細に説明するが、外部のソース（例えば、周囲空気又は収容されている酸化源）からの酸化剤を含む空気の流れが、空気流路流出口２２０へと流れ出る前に、空気流路流入口２１０を介して空隙１７０へと流入する。図３の概略図では、空気流路流入口と空気流路流出口とが酸化還元電極１５０に対して異なる間隔で設けられているように見えるが、当該図は空気流の動きを単純化して概略的に示したに過ぎず、ある実施形態では、空気流路流入口２１０及び空気流路流出口２２０が、酸化還元電極１５０の平面と平行な面に互いに並ぶように配置されてもよい。
【００４５】
図３の水管理システム２００を、当該システム内の空気の流れの観点で説明する。別の気相が水又は湿気分を運ぶ実施形態では、空気の流れはその他の気相である可能性があることは明らかである。図示するように、空気流入口２３０は、電気化学電池１００及び水管理システム２００の外部からの空気を受け取る。ある実施形態では、水管理システム２００外部の大気中の周囲空気からの空気であってもよいし、別の実施形態では、収容されている酸化剤源（例えば、純粋酸素又は混合酸素のタンク）からの空気であってもよい。空気が周囲の大気から供給される実施形態では、空気流入口２３０は、空気から粒子又はその他の汚染物質を取り除くように構成されたフィルタ又はその他の濾過構造を有してもよい。このようなフィルタは必要に応じて設けられ、ある実施形態では設けられない。図に示すように、水管理システム２００は、空気流入口２３０からの空気を酸化還元電極１５０と関連付けられた空気流路１６５の空気流路流入口２１０へと流すような流れを生成する位置に設けられた送風機２４０又はその他の気流生成器を備えてもよい。
【００４６】
空気流入口２３０に入る空気は、通常、空隙１７０内の空気と比較して乾燥していることは明らかである。これは、電池室１２０内のイオン伝導性媒質に浸漬及び接触している酸化還元電極１５０が、多孔質であることに起因すると考えられる。疎湿性のコーティング及びその他の機構によってイオン伝導性媒質が酸化還元電極１５０に浸透するのを防ぐようにすることができるが、それでもなお、イオン伝導性媒質からの水（例えば、水蒸気）は、ゆっくりと酸化還元電極１５０を通過して、空隙１７０内の空気の湿度が上昇することは明らかである。詳細には、浸透圧力によって、酸化還元電極１５０に接する側のイオン伝導性媒質から、酸化還元電極１５０の空気側へと水が浸透する。このような浸透は、空隙内の相対的な湿度が低い場合（すなわち、約１０％）に多く発生する。
【００４７】
空気流が空隙１７０を横断し、空隙１７０内の水分からの湿気を含んだ空気が増加した後、当該空気流は、空気流路流出口２２０を介して酸化還元電極モジュール１６０から流出してもよい。空気流路流出口２２０から出た後の空気流の相対的な湿度は様々であり得るが、ある実施形態では、空隙１７０から流出後の空気の相対的な湿度は、約７０％である。空気再循環器２５０を使用して、空気流の一部が空気流入口２３０へと再び向かうようにしてもよいことは明らかである。空気再循環器２５０は、例えば、送風機２４０の上流の位置で、空気流路流出口２２０を空気流路流入口２１０へと接続する。図示の実施形態では、空気再循環器２５０が、空気流入口２３０と送風機２４０との間で空気流の一部を再循環させており、湿気を含んだ空気の一部が、空気流入口２３０に入る相対的に乾燥した空気と混合されるようになっているが、その他の構成も可能である。ある実施形態では、空気再循環器２５０は、例えば、湿気を含んだ空気（例えば、約７０％の湿度）と相対的に乾燥した空気（例えば、湿度約１０％の周囲空気）と混合させることにより、空気流入口２３０に入る周囲空気の相対的な湿度を約３０％にまで高くするように構成してもよい。この場合、空気流路流入口２１０を通過して空隙１７０へと連続する空気は、電気化学電池１００及び水管理システム２００の外部の乾燥した周囲空気よりも湿度が高くなる。
【００４８】
空隙１７０からの湿気の一部を再循環させることは、酸化還元電極１５０の性能及び寿命にとって有利であることは明らかである。例えば、再循環により、空隙１７０内の空気、特に、空気流路流入口２１０における空気が、乾燥し過ぎるのを防ぐことができる。酸化還元電極１５０の空気側の空気が乾燥し過ぎると、イオン伝導性媒質からの水が浸透圧力に屈して、酸化還元電極１５０を通過して空隙１７０内に入る割合が高くなる。多くの水分が抜けるほど、酸化還元電極１５０におけるイオン伝導性媒質の濃度が高くなる。濃度が高くなると、電池室１２０からのイオン伝導性媒質の濃度が低いことから酸化還元電極１５０の高濃度を薄めようとする傾向が強まり、酸化還元電極１５０における浸透圧が増加する。浸透圧が増加すると、酸化還元電極１５０は、気泡、剥離、時には破裂を含む構造的劣化が起こりやすくなり、電気接点の喪失及び／又は空隙１７０を満たすはずのイオン伝導性媒質の漏れを引き起こす場合があり、その場合、電気化学電池１００が部分的に又は完全に動作しなくなる可能性がある。
【００４９】
空気流路流出口２２０を出た湿気を含んだ空気の残りは、選択的に閉じることが可能な弁２６０を通過して、以下に説明する乾燥ユニット２７０へと入る。一実施形態において、弁２６０は、空気流が空気再循環器２５０へと分岐する点を超えた空気流経路のいずれの位置に配置されてもよく、ある実施形態では、弁２６０は乾燥ユニット２７０内に位置してもよい。更に、弁２６０は、任意の適切な構造又は構成を有してもよく、ある実施形態では、逆止弁又はリード弁であってもよく、単純に望ましくない逆流を防ぐように構成されてもよい。ある実施形態における弁２６０の動作（例えば、選択的に開閉される場合）について以下に詳細に説明する。
【００５０】
乾燥ユニット２７０はまた、任意の適切な構造又は構成を有してもよく、弁２６０を通過した湿気を含んだ空気から水分を選択的に捕捉及び放出させる。ある実施形態では、乾燥ユニット２７０は、乾燥剤を有するチャンバを備えてもよい。一実施形態において、乾燥ユニット２７０はシリカゲルを備えてもよく、又は、湿気を含んだ空気から水分を吸収するのにその他の吸湿剤を使用してもよい。例えば、ある実施形態では、乾燥ユニット２７０は、活性炭、酸化アルミニウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、モンモリロナイト粘土及び／又は分子篩を備えてもよい。発熱水吸収性及び吸熱水吸収性を有するその他の構造又は構成を、更に又は上記に替えて利用してもよい。これに代えて、乾燥ユニット中の空気から湿気を分離するその他の機構を使用してもよい。非制限的な一例として、乾燥ユニットは、ユニット内の空気からの水分を凝縮及び分離するように構成された太陽熱蒸留器を備えてもよい。また、ある実施形態では、受動的又は能動的な冷却凝縮ユニットを採用することができる。例えば、能動的な冷却凝縮ユニットは、ペルチェ素子／熱電素子によって構成することができる。乾燥剤内の湿気から水分を吸収して格納するように構成された乾燥ユニット２７０の実施形態では、乾燥剤を加熱することによって選択的に水分を放出することができることは明らかである。この場合、図示の実施形態では、乾燥ユニット２７０は、乾燥剤を加熱するべく選択的に起動させることができる加熱器２７５を備えてもよい。図３の概略図では、加熱され放出された水／蒸気が乾燥ユニット２７０からどのように流出するかについては示していないが、流出経路２８０に水が入ることを可能にする様々な構成が様々な実施形態で可能であることは明らかである。例えば、乾燥ユニット２７０は、角度をつけた台を使用して構成して、流出経路２８０へとつなげてもよい。別の例では、加熱器２７５は、水分を蒸気に変換できるように水分を加熱して、蒸気を流出経路２８０へと向けるように構成してもよい。
【００５１】
図３に示すように、切り替え弁２９０は、流出経路２８０を、空気流出口３００、又は、電気化学電池１００の戻り口１８０へと延出する戻り管３１０の何れかに選択的に接続するように構成される。図示の実施形態の切り替え弁２９０は一例に過ぎず、その他の実施形態では、乾燥ユニット２７０を選択的に空気流出口３００及び戻り口１８０へと接続する複数の弁及び経路を使用してもよい。ある実施形態では、切り替え弁２９０は、典型的には、戻り管３１０を閉じる位置に設けられて、電池のイオン電導性媒質からの水分の蒸発を防ぐようにしてもよい。切り替え弁２９０はまた、戻り管３１０を開く位置に配置されてもよいし、水を解放してイオン電導性媒質に水を戻すべく乾燥ユニット２７０を使用する場合には必要に応じて空気流出口３００を閉じる位置に切り替え弁２９０を配置してもよい。ある実施形態では、切り替え弁２９０は空気流出口３００を戻り口１８０に接続するように構成されてもよく、それにより、空気流出口３００を外側液体流入口として利用することが可能となり、技術者は空気流出口３００を使用して電池室１２０へとイオン電導性媒質を注入したり、更に水を注いでイオン電導性媒質の濃度を下げたり、所望の電解液の液位に調整することを可能としてもよい。
【００５２】
切り替え弁２９０が流出経路２８０と戻り管３１０との間で開かれると、乾燥ユニット２７０から水が戻り管３１０へ流れるのがいつ止まったかを判断する機構が設けられることは明らかである。以下に詳細に説明するように、加熱器２７５を作動させることによって水を放出させることができる場合、水の流れがいつ止まったかを知ることにより、水管理システム２００が加熱器２７５の動作を停止させるべきかを判断することが可能となる。水の流れの停止を判断する機構は実施形態によって様々であってもよいが、図示の実施形態において、熱電対３２０を戻り管３１０内を流れる水又は水の流れに接触させるように戻り管３１０内に設けてもよい。その他にも、熱電対３２０の数多くの異なる配置が可能であり、例えば、熱電対３２０を乾燥ユニット２７０内に配置してもよい。ある実施形態では、複数の熱電対が適している。図示の実施形態では、熱電対３２０が、加熱器２７５の加熱による、戻り管３１０内の周囲空気のベースライン温度を超える水の温度上昇を検出してもよい。熱電対３２０を横切って水が流れなくなると、熱電対は温度の下降を検出して、その結果、加熱器２７５の動作を停止させてもよい。加熱器２７５によって乾燥ユニット２７０内の水を流れさせるように構成された実施形態では、同様に、水の流れの方が乾燥した空気よりも高い測定温度を有することは明らかであり、したがって、熱電対３２０を同様に動作させて、温度の下降を検出すると水がもはや電池室１２０には戻らないと判断して、加熱器２７５を停止させてもよい。以下に詳細に説明するように、熱電対３２０を切り替え弁２９０の制御装置に接続して、水の流れが止まったら、加熱器２７５の動作に関連して切り替え弁２９０の設定を変更するように構成してもよい。
【００５３】
電気化学電池１００の動作によって、水管理システム２００の動作を変更してもよいことは明らかである。具体的には、水管理システム２００は、電気化学電池１００が充電モードである時と放電モードである時とで、異なった動作をしてもよい。例えば、電気化学電池１００が放電している場合の一実施形態では、燃料極１３０と酸化極１５０との間で電位差が発生しており、燃料極１３０における金属燃料が酸化され、酸化剤（例えば、空気流入口２３０で受け取った空気中の酸素）が酸化還元電極１５０において還元される。湿気は空隙１７０を通過する空気の流れに移動するので、弁２６０を解放して空気流路流出口２２０を出た空気の流れが乾燥ユニット２７０に入るようにしてもよい。上記したように、空気再循環器２５０を使用して湿気を含んだ空気の一部を再循環してもよいことは明らかである。ある実施形態では、空気再循環器２５０は、調整弁を備えてもよい。例えば、局所的な空気再循環弁を局所的な気候（例えば、相対湿度）又はその他の指標に応じて調整してもよい。ある実施形態では、切り替え弁２９０を開いて大気が入るようにしてもよい（例えば、流出経路２８０と空気流出口３００をつなげて、乾燥ユニット２７０内の湿気を含んだ空気によって湿気が吸収されて、乾燥した空気が大気へと放出される）ことは明らかである。乾燥ユニット２７０はしたがってイオン伝導性媒質からの水分を吸収する。イオン伝導性媒質からの水分が吸収されない場合には、酸化還元電極１５０を介して大気中へと逃げるので蒸発を引き起こし、イオン伝導性媒質の濃度が上昇する。
【００５４】
電気化学電池１００が再充電モードになると、酸素イオンが酸化されて、別個の充電用電極１４０及び／又は燃料極１３０の一方の部分から酸素ガスが放出され、燃料イオンが少なくとも燃料極１３０の他方の部分から放出されて、少なくとも燃料極１３０の他方の部分において金属燃料がめっきされる。一実施形態において、再充電モードの間は弁２６０を閉じて（酸化還元電極１５０がアイドル状態となるため）、加熱器２７５によって乾燥ユニット２７０を加熱して当該乾燥ユニットから水分を放出させてもよい。弁２６０を閉じることにより、乾燥ユニット２７０からの水が空気再循環器２５０及び／又は空気流入口２３０へと（例えば、蒸気として）放出されるのを防ぐことができる。そして、加熱器２７５による加熱中には、切り替え弁２９０を大気（及び空気流出口３００）に対しては閉じるようにすると同時に、流出経路２８０と戻り管３１０との間は開くようにしてもよい。このように、加熱された水が戻り管３１０を通過して戻り口１８０へと向かい、イオン伝導性媒質の表面で凝縮する又はイオン伝導性媒質と再結合する。上記で示したように、加熱された水（例えば、蒸気）が戻り管３１０を通過しなくなり、そのことが熱伝対３２０によって確かめられた場合、乾燥ユニット２７０で吸収された水分がイオン伝導性媒質へと戻されたことが明らかであるから、加熱器２７５を停止させてもよい。
【００５５】
ある実施形態では、複数の電気化学電池が、共通の水管理システムを共有してもよい。このような水監視システムは、当該水管理システムと関連付けされた複数の電気化学電池のそれぞれが、所定量のイオン伝導性媒質を保持しているかを確認するように構成されてもよい。例えば、図４には、電気化学電池１００ａ及び電気化学電池１００ｂの両方に対して使用可能なように構成された水管理システム３００が概略的に示されている。以下に説明するように、その他の実施形態では、更なる電気化学電池１００を使用してもよいことは明らかである。更に、別の実施形態では、その他の電気化学電池（例えば、電気化学電池１００＊）を追加して又は上記に代えて使用してもよい。水管理システム３３０の構成要素は概して、水管理システム２００で使用された構成要素と同様であり、対応する構成要素には同じ参照番号を付与して説明する。例えば、以下で詳細に説明するように、空気流入口２３０、送風機２４０、弁２６０、乾燥ユニット２７０、加熱器２７５及び熱伝対３２０はそれぞれ、水管理システム２００について上記で説明した対応する構成要素と同様な機能を実行してもよい。
【００５６】
図示の実施形態では、電気化学電池１００ａ及び電気化学電池１００ｂの両方がそれぞれ、燃料極１３０及び充電用電極１４０を備え、燃料極１３０及び充電用電極１４０は、電池ハウジング１１０によって画定される電池室１２０内のイオン伝導性媒質に浸されている。電池室１２０を区別するべく、電池室１２０ａには電気化学電池１００ａが関連付けられ、電池室１２０ｂには電気化学電池１００ｂが関連付けられる。図示するように、酸化還元電極１５０はイオン伝導性媒質に浸漬され、酸化還元電極モジュール１６０に対してシールされており、これらの間に空隙１７０が保持されるようになっている。空隙１７０を区別するべく、電気化学電池１００ａの空隙を１７０ａ、電気化学電池１００ｂの空隙を１７０ｂとする。更に、空隙を１７０ａ及び１７０ｂを、電気化学電池１００ａ及び１００ｂに及び電気化学電池１００ａ及び１００ｂから延出する空気流路を１６５ａ及び１６５ｂと関連付ける。
【００５７】
水管理システム２００と同様に、水管理システム３３０は、空気流入口２３０を介して酸化剤を含む空気を受け取るように構成され得る。当該空気流は、送風機２４０によって形成されてもよく、電気化学電池１００ａーｂのそれぞれに当該空気流が向かうように構成される。図４に示すように、一実施形態において、当該空気流は、流入空気マニホールド３４０によって分配されてもよい。図に概略的に示した流入空気マニホールド３４０は、前記空気流を、空気流路を１６５ａ及び１６５ｂの空気流路流入口２１０ａ及び２１０ｂへとそれぞれ分配しているが、他の実施形態では、更なる電気化学電池が流入空気マニホールド３４０からの空気流入を受けてもよい。空気流路流入口２１０ａ及び２１０ｂを通過した後、空気流は空隙を１７０ａ及び１７０ｂにおいて湿気を吸収した後、空気流路流出口２２０ａ及び２２０ｂを介して浸漬された酸化還元電極モジュール１６０から流出する。図に示すように、一実施形態では、湿気を含んだ複数の空気流が、水管理システム３３０の流出空気マニホールド３５０において一緒になってもよい。図の実施形態の流出空気マニホールド３５０は、電気化学電池１００ａ及び１００ｂと接続されているが、他の実施形態では、更なる電気化学電池１００（又は電気化学電池のその他の構成）を更に、又は、これに代えて、流出空気マニホールド３５０に接続されてもよい。
【００５８】
ある実施形態では、図４に示すように、空気再循環器２５０は、流出空気マニホールド３５０から延出する別個の系統であってもよい。このような構成は、空気流に伴う圧力上昇を低下させることができることは明らかである。そして、空気再循環器２５０は、湿気を帯びた前記空気流の一部を空気流入口２３０へと向かわせて、空隙を１７０ａ及び１７０ｂにおける空気が乾燥し過ぎるのを防ぐことができる。したがって、湿気を帯びた空気の主要流路３６０が、流出空気マニホールド３５０と乾燥ユニット２７０との間に延在し、流出空気マニホールド３５０から流れ込んだ湿気を含んだ空気から乾燥ユニット２７０が水分を捉えるのを容易にしている。ある実施形態では、図示するように、加熱器２７５が乾燥ユニット２７０を加熱している時に逆流を防いでいる弁２６０が、湿気を帯びた空気の主要流路３６０内に位置してもよい。
【００５９】
水管理システム３３０の図示の実施形態では、（水管理システム２００の実施形態に示されている）共通流出経路２８０と関連付けられている切り替え弁２９０の代わりに、乾燥ユニット２７０から延出する別個の経路が存在する。より詳細には、関連する空気流出弁３８０を有する空気流出経路３７０は、（例えば、電気化学電池が放電モードで動作する場合に）乾燥／使用済み空気を選択的に放出してもよい。更に、戻り管３１０が、乾燥ユニット２７０から直接延出して蒸気分配マニホールド３９０に接続される。図示するように、蒸気分配マニホールド３９０は、戻り口１８０（電気化学電池１００ａの戻り口１８０ａ及び電気化学電池１００ｂの戻り口１８０ｂ）に接続されて、捕捉された水分が電池室１２０ａ及び１２０ｂへとそれぞれ戻るように構成してもよい。図の実施形態の蒸気分配マニホールド３９０は電気化学電池１００ａ及び１００ｂに接続されているが、他の実施形態では、更なる電気化学電池１００（又は電気化学電池のその他の構成）を更に、又は、これに代えて、蒸気分配マニホールド３９０に接続してもよい。更に、蒸気分配マニホールド３９０と電気化学電池１００ａの戻り口１８０ａとの間の流路経路が、電気化学電池１００ａ及び１００ｂとの間で数回屈曲したルートとして示されているが、これは全体的な接続関係を図示するために概略的に示したにすぎず、このような形態に限定することを意図していない。
【００６０】
水管理システム２００と同様に、ある実施形態では、水管理システム３３０は、電気化学電池１００が充電モード又は放電モードであるかに応じて異なる動作を行ってもよい。ある実施形態では、複数の電気化学電池１００は同時に充電モードになるように構成されてもよく、その場合、水管理システム３３０は、一連の複数の電気化学電池１００と協働するように動作を変更してもよい。ある実施形態では、水管理システム３３０は、複数の電気化学電池１００のそれぞれと関連付けされる更なる複数の弁を備えてもよく、当該複数の弁は、複数の電気化学電池１００のそれぞれのための水管理システム３３０における充電モードオペレーション及び放電モードオペレーションを提供するべく、その開閉が個別に制御され得る。
【００６１】
一実施形態において、複数の電気化学電池１００が放電モードになっている場合、空気が空気流入口２３０へと入り、空気の流れが送風機２４０によって生成されてもよい。そして空気流が流入空気マニホールド３４０によって分割されてそれぞれ、空隙１７０ａ及び空隙１７０ｂへと流れる空気流となる。空気流が湿気を含んだ後、当該空気流は空気流路流出口２２０ａ及び２２０ｂから流れ出て、流出空気マニホールド３５０で一緒になる。湿気を含んだ空気の一部は空気再循環器２５０によって再循環されてもよく、湿気を含んだ空気の残りは、湿気を帯びた空気の主要流路３６０（及び弁２６０）を通過して乾燥ユニット２７０に入ってもよい。乾燥ユニット２７０内の空気流から湿気が吸収されて、乾燥した空気が空気流出経路３７０に流れ出る（空気流出弁３８０を開けることにより、乾燥した空気を大気へと排出することが可能）。
【００６２】
電気化学電池１００の充電又はアイドル状態の間に、加熱器２７５を作動させて、乾燥ユニット２７０内で吸収された水分を放出してもよい。加熱の間、水又は蒸気の流れが空隙１７０ａ及び空隙１７０ｂへと戻ってしまうのを防ぐべく弁２６０を閉じておいてもよく、また、水管理システム３３０及び電気化学電池１００から水分又は蒸気が排出されてしまうのを防ぐべく空気流出弁３７０を閉じてもよい。弁２６０が逆流を防ぐように構成された一方向弁（例えば、リード弁）である場合、弁２６０を閉じる動作は自動で行われてもよい。乾燥ユニット２７０が加熱されると、水の蒸気が戻り管３１０を通って蒸気分配マニホールド３９０へと進み、更に、電気化学電池１００のそれぞれと関連付けされた戻り口１８０ａ及び１８０ｂへと向かう。そして、先に説明したように、熱伝対３２０又はその他のセンサが、電池室１２０ａ及び１２０ｂに向けて水がもはや戻り管３１０を通過していないと判定した場合には、加熱器２７５による加熱を停止してもよい。
【００６３】
ある実施形態では、複数の電気化学電池の充電時は、送風機２４０を分離するように構成されてもよく、別の実施形態では、空気再循環器２５０を湿気を含む空気が循環するように送風機２４０を接続したままにしてもよい。ある実施形態では、送風機２４０は、パルス状に又は間欠的に動作してもよく、別の実施形態では、送風機２４０は連続的に動作してもよい。更に、送風機２４０は、電気化学電池１００（又は、電気化学電池に関連付けられたメインコントローラ）と関連付けられたタイミング回路、制御回路、及び／又は、水管理システム３３０と関連付けられたセンサを介して制御されてもよい。他の実施形態においては、他の構成も可能である。
【００６４】
上記したように、電気化学電池１００の充電（又はアイドル状態）時には、加熱器２７５を作動させて水蒸気を戻り口１８０ａ及び１８０ｂへと向かわせてもよい。一実施形態において、例えば、水管理システム３３０の閉鎖系において温度が上昇した場合、放出された水分が加圧されることが考えられる。放出された水は加圧された状態で戻り管３１０を通って電気化学電池１００へと向かう。ある実施形態では、戻り口１８０ａ及び１８０ｂは、イオン伝導性媒質の液位自己平準化機能を有してもよいことは明らかである。例えば、加熱器２７５が乾燥ユニット２７０から水を蒸気の形態で放出するように構成されている実施形態では、弁２６０によって逆流が阻止され、空気流出弁３８０によって水管理システムから外気へと逃げることを阻止された蒸気は、戻り管３１０を通って戻り口１８０ａ及び１８０ｂへと向かうように流れることは明らかである。ある実施形態では、蒸気の形態の水分の流れが、戻り口１８０ａ及び１８０ｂにおける圧力水頭の制御によりバランスがとれた状態である場合には、乾燥ユニット２７０と電気化学電池１００との間に弁が存在しない構成も可能であることは明らかである。上記したように戻り口１８０ａ及び１８０ｂがそれぞれ電池室１２０ａ及び１２０ｂに延出する場合には、延出する長さは、イオン伝導性媒質の所定の最低限の液位（レベル）を画定するように設定されてもよい。この場合、イオン伝導性媒質の液位が充分である時には、戻り口１８０ａ及び１８０ｂは閉じた状態となり、水蒸気はイオン伝導性媒質と接する所に水頭圧及び一定の背圧を発生させる。一の電気化学電池１００における背圧は、水蒸気を、戻り口１８０によって画定される液位を下回る液位のイオン伝導性媒質を有する別の電気化学電池１００へと逆流させるようにできる。この場合、当該別の電気化学電池１００において蒸気が凝集して、充分な量のイオン伝導性媒質を有する前記一の電気化学電池１００の電池室１２０を充填する代わりに、前記別の電気化学電池の電池室１２０を補充することになる。
【００６５】
水管理システム３３０の液位自己平準化機能は、図４に示された電気化学電池１００ａ及び１００ｂを参照することにより理解できる。図示するように、電気化学電池１００ａにおけるイオン伝導性媒質液位Ｌａは、電気化学電池１００ａにおけるイオン伝導性媒質液位Ｌｂと比較して高くなっている。具体的には、電気化学電池１００ａにおけるイオン伝導性媒質液位Ｌｂは、戻り口１８０ｂの下であるが、電気化学電池１００ａにおけるイオン伝導性媒質液位Ｌａは、戻り口１８０ａの最遠端にある又はそれを上回った位置である。この場合、加熱器２７５によって生成され、戻り口１８０ａを移動する水蒸気は、イオン伝導性媒質と接する所で水頭圧及び背圧を発生させる。図に示すように、水頭圧によって戻り口１８０ａ内でイオン伝導性媒質の液位がＬａ（２）となる一方、関連する背圧により、水蒸気は優先的に最も抵抗の少ない経路（例えば、戻り口１８０ｂ）を横断して、電池室１２０ｂ内で凝集して液位Ｌｂを上昇させると考えられる。所定の最低液位のイオン伝導性媒質を少なくとも有する電池室１２０に起因する水頭圧及び背圧は、これら電気化学電池１００から溢れさせるようなことはなく、所定の最低液位よりも少ないイオン伝導性媒質を有する電池室１２０を充填することから、複数の電気化学電池１００にわたって液位自己平準化機能を達成することが可能となる。
【００６６】
ある実施形態では、電気化学電池１００は、イオン伝導性媒質の液位を確認するように構成された液位センサ４００（液位センサ４００ａ及び４００ｂ）を備えてもよいことは明らかである。液位センサ４００ａ及び４００ｂは、これに限定されないが、浮力／フロートセンサ、光学センサ、熱センサ、導電センサ等の構造又は構成であってもよい。一実施形態において、複数の電気化学電池のうちの一つ又は複数のイオン伝導性媒質が所定の液位を下回った場合に、加熱器２７５を起動させて（更に、弁２６０及び弁３８０を閉じて）、乾燥ユニット２７０から水分を放出させてもよい。他の実施形態では、タイマ回路又は同様な制御機構に基づいて、補充を自動で行ってもよい。ある実施形態では、乾燥ユニット２７０に関連付けされたセンサにより、いつ加熱器２７５を作動させるべきかを決定してもよい。非制限的な一例として、センサが、乾燥剤が完全に飽和しており乾燥ユニット２７０内の湿度レベルが上昇している（これ以上乾燥剤で水分を吸収することができない状態を示唆する）と判定した場合に、加熱器２７５により水分を気化させて、電池室１２０を充填するようにしてもよい。その他の構成が可能であり、実施形態によって異なってもよい。
【００６７】
ある実施形態では、乾燥ユニット２７０を選択的に外気に開放して、乾燥ユニット２７０が大気中の水分を捕捉及び保持できるようにしてもよい。あるいは、電池から空気流路を流れてくる空気ではなく、その他外部ソースからの空気を受け取ってもよい。例えば、この構成は、空気吸入電極を備えない電気化学電池により適している。水管理システム２００又は３３０が電気化学セル１００から水を抽出するように構成された上記のような実施形態において、乾燥ユニット２７０は、電気化学電池１００の空気流路流出口２２０からの経路を選択的に閉じて（例えば、弁２６０を閉じることにより）もよく、これにより、乾燥ユニット２７０が外気から湿気を含んだ空気を引き抜く時に、空気流路流出口２２０からの湿気を含んだ空気が予期することなく外気中に失われてしまうのを防ぐことができる。一実施形態において、抽出した水を放出するべく加熱器２７５が乾燥ユニット２７０を加熱している時に、外気への開口部を弁２６０又は別の弁を使用して同様に閉じてもよく、それにより抽出された水分が戻り管３１０に向かうようにすることができる。ある実施形態では、水管理システム２００又は３３０のような水管理システムは、電気化学電池１００からの湿気を捕捉するように構成されていない場合がある。このような実施形態の場合、外気（又はその他の外部ソース）への開口部は、乾燥ユニット２７０が湿気を捕捉して電気化学電池１００へと次に開放するための主要な又は唯一の湿気を含んだ空気の供給源であってもよい。このような実施形態の一部では、湿気を含んだ空気は単純に空隙１７０に保持されもよいし、空気再循環器２５０を使用して循環されてもよいし、大気へと放出されてもよい。
【００６８】
上記の構造、構成及び配置は例に過ぎず、異なる実施形態では異なってもよい。ある実施形態では、弁は、動作するのに外部制御装置を必要としない受動的な弁であってもよい。ある実施形態では、弁は、作動させる外部手段を備える能動的な弁であってもよい。例えば、本発明で使用される弁は、これに限定されないが、三方弁、リード弁、バイメタル・スナップ型逆止弁等の任意の好適な構成であってもよい。弁は任意の好適なソースによって作動され、これに限定されないが、例えば、サーボ、電子制御装置、熱（例えば、加熱器２７５からの熱）、又は、圧力（例えば、送風機２４０によって生成される空気流からの圧力、又は、加熱された水蒸気に関連する圧力）のようなソースによって作動されてもよい。更に、マニホールド、パイプ、チューブ、連結装置又はその他の空気／水流経路は、これに限定されないが、金属、プラスチック及び／又はゴムのような任意の好適な材料で形成されてもよい。電気化学電池（例えば、電気化学電池１００）又は水管理システム（例えば、水管理システム３３０）のその他の構成要素も同様に、様々な構造又は構成を有してもよい。
【００６９】
上述した実施形態は、専ら本発明の構造的及び機能的な原理を例示するために提供されており、限定することを意図したものではない。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、全ての修正、代用、変更及び均等物を包含するように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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