(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池であって、空気極と、亜鉛スラリー負極と、電解槽と、を備えており、亜鉛スラリー負極は、集電体と、亜鉛スラリーと、を備えており、亜鉛スラリーは、亜鉛粒子と、アルカリ電解質と、上記アルカリ電解質に含まれる炭素添加剤および錯化剤とを備えており、上記電解槽は、アルカリ電解質を備え、上記空気極に隣接し、上記電解槽から上記亜鉛スラリー負極を分離する、水浸透性のイオン交換膜を備えている電池。
【請求項２】
上記炭素添加剤は、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック、およびカーボンナノ粒子からなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
上記亜鉛スラリーは、電池が充電状態にあるときは、１０オーム未満の電気抵抗値、および１５モル毎リットルより大きい亜鉛モル濃度を備えており、上記亜鉛粒子に対する上記炭素添加剤の割合は、重量で２．５から１０％の範囲内であり、上記亜鉛スラリー内の上記アルカリ電解質の割合は、体積で５０から８０％の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
上記亜鉛粒子は、１ミクロンから５００ミクロンの範囲内である平均サイズを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池。
【請求項５】
上記アルカリ電解質は、水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。
【請求項６】
上記空気極は、膜／電極接合体、および集電体を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池。
【請求項７】
集電体と、注液路と、排液路と、を備える負極材料と、上記負極材料の上記注液路および上記排液路に接続されたスラリー燃料貯留槽をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池。
【請求項８】
上記亜鉛スラリーは、電池が充電状態にあるときに、２５℃で、１０，０００から１，０００，０００センチポイズの範囲内である粘度を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池。
【請求項９】
上記錯化剤は、エチレンジアミン四酢酸、クエン酸、および水酸化アンモニウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１０】
貯水槽をさらに備えており、上記電解槽は、上記貯水槽に接続される注液路を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１１】
再充電可能な亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池であって、空気極と、亜鉛スラリー負極システムと、電解槽と、を備えており、亜鉛スラリー負極システムは、亜鉛スラリーと、スラリー燃料貯留槽と、スラリー回収物貯留槽と、負極集電体と、を備えており、亜鉛スラリーは、亜鉛粒子と、アルカリ電解質と、上記アルカリ電解質に含まれる錯化剤および炭素添加剤と、を備えており、負極集電体は、上記空気極に隣接する再充電可能な反応領域を有し、上記反応領域は、上記スラリー燃料貯留槽から充電状態にある新しいスラリーを受け入れ、放電状態にある消費済み亜鉛スラリーを上記スラリー回収物貯留槽へ提供するものであり、電解槽は、アルカリ電解質を備え、上記空気極に隣接し、上記電解槽と上記亜鉛スラリー負極との間に水浸透性のイオン交換膜（ＩＥＭ）が挿入されることを特徴とする電池。
【請求項１２】
上記負極集電体は、上記スラリー燃料貯留槽から新しい亜鉛スラリーを受け入れ、上記新しい亜鉛スラリーを上記空気極に再充電可能な反応領域として提供し、反応領域から消費済み亜鉛スラリーを、上記スラリー回収物貯留槽へ提供するコンベアベルトであることを口調とする請求項１１に記載の電池。
【請求項１３】
上記スラリー燃料貯留槽は、新しい亜鉛スラリーを、重力送りで上記負極集電体コンベアベルトへ供給し、上記負極集電体コンベアベルトは、消費済み亜鉛スラリーを重力送りで上記スラリー回収物貯留槽へ供給することを特徴とする請求項１２に記載の電池。
【請求項１４】
上記水浸透性のイオン交換膜は、上記負極集電体コンベアベルトに隣接し、同期して移動するコンベアベルトであることを特徴とする請求項１３に記載の電池。
【請求項１５】
予備の電解質貯留槽は、重力送りでアルカリ電解質を上記電解槽に供給することを特徴とする請求項１４に記載の電池。
【請求項１６】
上記炭素添加剤は、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック、およびカーボンナノ粒子からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１７】
上記新しい亜鉛スラリーは、１０オーム未満の電気抵抗値、および１５モル毎リットルより大きい亜鉛モル濃度を有することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１８】
上記亜鉛粒子に対する上記炭素添加剤の割合は、重量で２．５から１０％の範囲内であり、上記亜鉛スラリー内のアルカリ電解質の割合は、体積で５０から８０％の範囲内であり、上記亜鉛粒子は、１ミクロンから５００ミクロンの範囲内である平均サイズを有することを特徴とする請求項１７に記載の電池。
【請求項１９】
上記アルカリ電解質は、水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の電池。
【請求項２０】
上記空気極は、膜／電極接合体、および集電体を備えていることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の電池。
【請求項２１】
上記新しい亜鉛スラリーは、２５℃で１０，０００から１，０００，０００センチポイズの範囲内である粘度を有することを特徴とする請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の電池。
【請求項２２】
上記錯化剤は、エチレンジアミン四酢酸、クエン酸、および水酸化アンモニウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気化学セルに関連する。より具体的には、炭素添加剤、錯化剤、および予備の水源を伴う亜鉛スラリー負極を用いた、フロースルー型の空気極電池に関連する。
【背景技術】
【０００２】
フロースルー型の電池は、その長寿命性、設計の自由度、および高い信頼性のために、大規模エネルギーを貯蔵するための研究開発が集中的になされてきた。電池は、負極と正極との間でイオン（例えば金属イオン、ヒドロキシルイオン、陽子など）を交換してエネルギーの貯蔵および転換を実現する、電気化学デバイスである。従来の電池では、負極材料、正極材料、セパレータ、電解質、および集電体を含むすべての部材が、容量が固定された容器内に詰め込まれていた。そのエネルギーおよび容量は、当該電池が組み立てられたときから変更不可能である。フロースルー型の電池は、独立した格納容器内に貯蔵された負極材料および正極材料といった、イオン交換膜によって隔離された複数の集電体（電極）から成る。負極材料および正極材料は、フロースルー型の電池内を循環し、エネルギーを出力および貯蔵するため電気化学反応を行う。したがって、電池の容量およびエネルギーは、（１）電極材料（負極材料および正極材料）、（２）アノード液およびカソード液の濃度、および（３）アノード液およびカソード液の貯留槽の大きさによって決定される。
【０００３】
空気電池は、反応性の金属電極が正極として動作し、空気中の酸素が連続的に通過する、フロースルー型の正極電池であると考えてもよい。電極は通常、正極が、金属または金属化合物である負極から隔離されている。亜鉛は好適な材料であり、固相または粒子の形態であるときは、フロースルー型の負極として利用可能である。フロースルー型の亜鉛粒子の負極を用いる従来の電池は、亜鉛粒子のまわりが不動態化することを避けるために、多量の電解質が必要とされる。さらに、亜鉛粒子の負極は、連続的な加圧を必要とし、加圧を支持するために電解質の粘度を高めると、亜鉛濃度の低下という結果に至る。
【０００４】
高濃度の亜鉛を有し、低粘度のスラリーを用いたフロースルー型の亜鉛の負極を有する電池は、従来の電池に対して有利である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書において、空気極を低コストで亜鉛スラリー負極と接続することによって大規模容量を実現した亜鉛−空気電池について開示する。スラリー負極は、亜鉛−空気電池の機械的な再充電を可能とする。亜鉛−空気電池は、放電後に凝固しない、十分に低粘度である、高濃度の亜鉛スラリーの形態の負極を用いる。放電後に、消費済みスラリーは、接続された貯留槽から吸い出された新しいスラリーに置き換えられ、機械的な充電が実現される。スラリー負極は、亜鉛粒子、アルカリ溶液、錯化剤、および炭素添加剤を含む。電池のいくつかの特有の態様は、粘度を改善するために添加剤（例えばグラファイトまたはカーボンファイバー）、および錯化剤の使用を含む。この、粘度の改善によって、消費済みスラリーと新しいスラリーとの置き換え（すなわち、機械的な充電）のためにシステム内のスラリーを移動させる機構と、スラリーの乾燥を妨げるために、スラリー内部の十分な含水率を維持する機構とによって、化学反応が最後まで進むことができる。亜鉛−空気電池のこの型において、亜鉛スラリーは深い（８０％以上の）放電能力と、高いエネルギー密度を備える。スラリーは、連続的な加圧を必要としないので、電池の効率を改善することができる。
【０００６】
したがって、炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池が与えられる。電池は、空気極と亜鉛スラリー負極から作られる。亜鉛スラリー負極は、亜鉛粒子、およびアルカリ電解質を含んでおり、アルカリ電解質は、錯化剤および炭素添加剤を伴う。電解槽は、アルカリ電解質を備えており、空気極に隣接している。水浸透性のイオン交換膜が、電解槽を亜鉛スラリーから隔離している。炭素添加剤は、例えば、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック、またはカーボンナノ粒子であってもよい。亜鉛に対する炭素の割合は、重量で２．５から１０％の範囲内である。亜鉛スラリーに対するアルカリ電解質の割合は、体積で５０から８０％の範囲内である。
【０００７】
電池が充電状態（すなわち、亜鉛スラリーが新しい状態）にあるとき、亜鉛スラリーは１０オーム未満の電気抵抗値を有し、さらに１５モル毎リットルより大きい亜鉛モル濃度を有する。亜鉛スラリーは、電池が充電状態にあるときは、２５℃で１０，０００から１，０００，０００センチポイズ（ｃＰ）の範囲内である粘度を有する。
【０００８】
上述の亜鉛−空気電池のさらなる詳細については、以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池の部分断面図、および詳細な図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池の部分断面図、および詳細な図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、複数のスラリーパラメータ間の関係を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、複数のスラリーパラメータ間の関係を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、複数のスラリーパラメータ間の関係を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、負極集電体／流動経路の例示的な変化を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、負極集電体／流動経路の例示的な変化を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、負極集電体／流動経路の例示的な変化を示す。
【図４】図４は、例示的な負極の仕切りと、正極の境界面を示す。
【図５】図５は、再充電可能な亜鉛スラリー負極を用いた、重力送りの空気極電池を示す部分断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５の空気極電池の変化を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池の部分断面図、および詳細な図である。電池１００は、空気極１０２および亜鉛スラリー負極１０４を備えている。亜鉛スラリー負極１０４は、集電体１０６、亜鉛粒子１０８、アルカリ電解質１１０を備えており、アルカリ電解質１１０中には、炭素添加剤１１２および錯化剤１１３を備えている。全体として、亜鉛粒子１０８、アルカリ電解質１１０、錯化剤１１３、および炭素添加剤１１２は、亜鉛スラリー１０５を形成する。通常、亜鉛粒子１０８は、１ミクロンから５００ミクロンの範囲内である平均サイズ（直径）１１４を有する。なお、図面は大きさの比率を揃えていないことに注意する。また、粒子は、Ｚｎをマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、またはこれらの金属粒子の組み合わせに置き換えてもよいし、これらをＺｎに加えてもよい。電解槽１１５は、空気極１０２に隣接するアルカリ電解質１１７と、電解槽と亜鉛スラリー負極１０４との間に挿入された水浸透性のイオン交換膜１１９とを備えている。
【００１１】
炭素添加剤１１２は、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック、またはカーボンナノ粒子であってもよい。しかし、炭素の他の形態もまた、好適である。アルカリ電解質１１０および１１７は、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であってもよい。しかし、多くの他のアルカリ電解質も好適であることが知られている。いくつかの態様において、電解質は、亜鉛スラリー負極１０４が乾燥することを妨げるように、ＩＥＭ（Ion Exchange Membrane：イオン交換膜）１１９の全域に浸透する追加の（過剰な）水を含んでもよい。錯化剤１１３は、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、クエン酸、または水酸化アンモニウムであってもよい。しかし、これは錯化剤を網羅したリストではなく、他の錯化剤であってもよいことが、当業者によって知られるであろう。
【００１２】
充電状態において、亜鉛スラリー（すなわち、新しい亜鉛スラリー）は、１０オーム未満の電気抵抗値と、１５モル毎リットル（ｍｏｌ／Ｌ）より大きい亜鉛モル濃度を備えている。ここで用いる、「充電状態」は、電池反応材料が、負極から正極へ（外部の回路、例えば負荷を通して）電子を運ぶ−したがって電力を生成するような自発的な酸化還元反応を経験していない状態として定義される。「放電状態」は、ここでは、負極材料が酸化され、正極材料が還元されることによって引き起こされる、電力を生成する自発的な反応がなされた状態として定義される。新しいＺｎまたは新しいＺｎスラリーは、電荷的中性、または金属の形態である亜鉛を指す。消費済みＺｎまたは消費済みＺｎスラリーは、酸化され、ＺｎＯに転換された亜鉛を指す。ＺｎＯ中のＺｎは、２＋の電荷を有するイオンであり、Ｏ原子に対して２つの電子を失ったものである。消費済みスラリーは、ＺｎよりもＺｎＯの密度が低いため、より大きな体積を有する。
【００１３】
亜鉛１０８に対する炭素添加剤１１２の割合は、重量で２．５から１０％（ｗｔ％）の範囲内である。亜鉛スラリー中のアルカリ電解質１１０の割合は、体積で５０から８０％の範囲内である。亜鉛スラリーは、電池が充電状態にあるときに、２５℃で、１０，０００から１，０００，０００センチポイズ（ｃＰ）の範囲内である粘度を有する。
【００１４】
空気極１０２は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）１１６、および集電体１１８を備えている。図１Ｂに示すように、ＭＥＡ１１６は、触媒層１３０、およびガス拡散層（ＧＤＬ）１３２を備えている。膜１３３は、電解質１１７から触媒層１３０を分離する。触媒の作用剤は、炭素の導電層に埋め込まれた白金粒子であってもよい。ＧＤＬは、テフロン（登録商標）のような、いくつかの疎水性の作用剤を伴う炭素粒子および白金粒子の層を備えてもよい。ＧＤＬ１３２は、外側から空気を取り込むことができるが、乾燥を妨げるために、水および電解質を漏出から守る。
【００１５】
通常、集電体１１８および１０６は、高い伝導性を有する金属または金属で被覆された炭素材料である。集電体１０６および１１８は、負荷１２０と電気的に接続して示される。よく知られているように、ＭＥＡは燃料セルにおいて広く用いられており、フロースルー型の電池と、いくつかの特徴を共有する。
【００１６】
負極の仕切りは、注液路１２４、および排液路１２６を備えており、負極集電体１０６を収容する。負極スラリー貯留槽１２８は、負極の仕切りの注液路１２４および排液路１２６に接続される。ある態様において、電池１００は、貯水槽１３４、および貯水槽に接続される注液路１３６を有する電解槽１１５を備えている。
【００１７】
亜鉛−空気システムにおけるスラリーの使用は、電池容量を最大化するために、本明細書に開示する電池のスラリーにおける亜鉛濃度を、従来の機械的に再充電可能な電池の場合よりも、はるかに高くすることを可能とする。例えば、３０モル毎リットルの亜鉛を有するスラリーが証明されている。
【００１８】
他の特有な態様は、スラリーについて、炭素添加剤（例えばグラファイトまたはカーボンファイバー）および錯化剤を使用することである。錯化剤がないと、高濃度のスラリーが放電後に硬化するので、セルからスラリーを除去することがきわめて困難になる。スラリーの硬化または接合は、ＺｎがＺｎＯに転換されたときに、以下の２つの事象が発生することによって起こる。１つ目は、亜鉛粒子が小さくなり、多孔性の形態を有する酸化亜鉛によって、スラリー粒子の有効表面積が増加することである。これにより、粒子間の粘着力が強くなる。２つ目は、水が多孔性の酸化亜鉛内に補足されることにより、イオンの移動を可能とする媒体として利用することが不可能になり、したがって化学反応が停止することである。錯化剤は分子であり、通常、分子の周囲にある金属について、金属化合物を形成するために金属イオンと相互作用する。通常、この結果は、金属イオンが他の金属イオンと集合することを妨げる、金属イオンの封鎖となる。金属の錯体の形成は、また、これらの金属イオンの不動態化または周囲の他の化合物との反応を意味する。すなわち、錯化剤は、Ｚｎ２＋がＺｎＯとして析出することを妨げるために用いられる。
【００１９】
炭素材料について、スラリー混合物中に加えてもよい、電解質（電解液）の量は、炭素量に大きく依存することを見てきた。炭素が無ければ、電解質の体積は、亜鉛粒子間の空間内の毛管力によって維持される体積を越えることができない。この量は、従来の亜鉛−空気電池にて用いられる値と近似しており、このとき、スラリーは温砂（wet sand）のようにふるまい、加圧が非常に困難となる。この量を越えて液体を追加すると、底に亜鉛粒子が沈殿した、明らかに分離した混合物となる。そのような混合物は、すなわち、高圧において、過剰な液体が、より重い亜鉛粒子と異なる速度で移動するので、機械的に不安定である。少量の炭素材料をどのように添加しても、大きな表面積を有する炭素によって吸収されるので、かなり多量の電解質が追加されてもよい。結果として生じたスラリーは、より少ない粘度を備え、滑らかで、かつより安定した懸濁液である。さらに、炭素添加剤は、また、通常は深い放電後に亜鉛のみから構成されるスラリーである場合に起こる、凝固を妨げる。放電中、亜鉛粒子は、以下に示すＺｎ／ＺｎＯ酸化還元反応を通して酸化亜鉛に転換される。
Ｚｎ  ⇔  ２ｅ−＋ＺｎＯ２＋  （−１．２３Ｖ）
酸化亜鉛の体積は、放電前の亜鉛粒子の体積よりも２０％大きい。そのような膨張は、亜鉛のみのスラリーに対して放電後の凝固を引き起こし、システムを通してスラリーに加圧することを非常に困難とする。実際に見てみると、新しい従来の亜鉛スラリーが放電する（容量が７６％になる）と、ＺｎＯへの転換が、スラリーの体積の膨張および凝固を引き起こす。
【００２０】
図２Ａから２Ｃは、複数のスラリーパラメータ間の関係を示す。システムを通したスラリーの加圧が許容されている粘度の範囲で、安定した懸濁液を維持する限り、可能な限り炭素および電解質の量を削減することが望ましいことは明らかである。スラリーの最適化は、スラリーの構成と、当該スラリーの機械的／電気的パラメータとの間の関係に基づく。例えば、スラリーのＤＣ抵抗値（Ｒｓｌｕｒｒｙ）は、亜鉛に対する炭素の割合に依存する（図２Ａ）。同様に、スラリーのＤＣ抵抗値（Ｒｓｌｕｒｒｙ）は、スラリー全体の体積に対する液体の電解質のパーセンテージに依存する（図２Ｂ）。図２Ｂの点線は、亜鉛粒子の沈殿が発生するまでに追加してもよい液体の最大量を示す。したがって、点線は、１つの制約を提供する。スラリーの粘度は、また、図２Ｃに示す、亜鉛に対する炭素の割合に依存する。点線ＡおよびＢは、高いＤＣ抵抗値を生成する、スラリーの加圧が可能であり、炭素量が過剰ではない場合における粘度の範囲を画定する。また、亜鉛粒子の大きさが考慮される。亜鉛粒子が小さすぎるときは、自家放電が有効であってもよい。亜鉛粒子が大きすぎるときは、利用が削減され、沈殿が発生し、そして経路の壁面との摩擦が増加する。自家放電は、以下の反応（２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−）の結果として電解質における水の分離によるＯＨ−による、亜鉛の低率で、寄生振動である、自発的な酸化である。例えば、スラリーの抵抗に対する混合物に関する実験は、３６モル毎リットル（Ｍｏｌ／Ｌ）もの高い亜鉛濃度が可能であることを説明する。そのようなスラリーは、９５％ものクーロン効率（Coulombic efficiency）を有し、３０ミリアンペア毎平方センチメートル（ｍＡ／ｃｍ２）の電流密度で、１０回以上のサイクルにおいて９５％の容量を保持しつつ６３％を利用することを説明する。
【００２１】
【表１】
0006290509.tif 000002
図３Ａから３Ｃは、例示的な負極集電体／流動経路の変化を示す。図３Ａは、３．３ミリリットル（ｍＬ）／８ｃｍ２／３７００ｍＡ時（ｍＡｈ）の能力を有する、二重経路を有する負極集電体１０６を示す。図３Ｂは、３．６ｍＬ／８．７ｃｍ２／４１００ｍＡｈの能力を有する、Ｕ字型経路を有する負極集電体１０６を示す。図３Ｃは、４．６ｍＬ／１１．２ｃｍ２／３２００ｍＡｈの能力を有する、蛇状の経路を有する負極集電体１０６を示す。例えば、集電体は、スズのような金属で被覆されたグラファイト材料で作られてもよい。スラリーの体積（ｍＬ）は、電子の流動の計測値（ｍＡｈ）と直接関係している。負極と正極との間の反応領域（ｃｍ２）は、また、電流（電子の流動）がどれだけ生成されるかに影響する。
【００２２】
図４は、例示的な負極の仕切りおよび正極の境界面を示す。図示の例は、図３Ｃの、蛇状の経路を有する負極集電体１０６を用いる。また、ＭＥＡ１１６は、イオン交換膜またはセパレータ支持層に対してプレス加工された、炭素布またはカーボン紙上に固定された白金触媒の、図示しない構成を含んでもよい。ＭＥＡ１１６の炭素布／カーボン紙は、正極集電体１１８と交流する。電解槽１１５は、ＭＥＡ１１６と１つの面で交流し、水浸透性のＩＥＭ（図示しない）は、亜鉛スラリーと裏側の表面で交流する。集電体１１８は、ＭＥＡ１１６のほとんどの領域が空気と交流するように、メッシュであってもよい。カーボン紙は、酸化還元反応が起こる、ＭＥＡ／空気インターフェースから電子が通過できるように、導電性を有する。
【００２３】
図５は、再充電可能な亜鉛スラリー負極を用いた、重力送りの空気極電池を示す部分断面図である。電池５００は、空気極５０２および亜鉛スラリー負極システム５０４を備えている。亜鉛スラリー負極システム５０４は、亜鉛スラリー５０６を含んでいる。亜鉛スラリー５０６は、亜鉛粒子、アルカリ電解質、アルカリ電解質に含まれる錯化剤および炭素添加剤（図示しない）を含む。電解槽１１５は、空気極５０２に隣接し、水浸透性のＩＥＭ５１６が、電解槽内のアルカリ電解質から亜鉛スラリー５０６ａを分離する。通常、亜鉛粒子は、１ミクロンから５００ミクロンの範囲内である平均サイズを有する。大きな粒子は粘度を高め、一方、小さな粒子はより機械的に安定する（スラリーの沈殿を生じない）ものの、化学的には安定しない（自家放電をより受ける）。新しい亜鉛スラリー５０６ａは、１０オーム未満の電気抵抗値を有し、１５モル毎リットルより大きい亜鉛モル濃度を有する。
【００２４】
亜鉛スラリー負極システム５０４は、また、スラリー燃料貯留槽５０８、スラリー回収物貯留槽５１０、および空気極５０２に隣接する、再充電可能な反応領域５１４を伴う負極集電体５１２を備えている。反応領域５１４は、スラリー燃料貯留槽５０８から充電状態にある新しい亜鉛スラリー５０６ａを受け入れ、放電状態にある消費済み亜鉛スラリー５０６ｂをスラリー回収物貯留槽５１０に提供する。空気極５０２は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）１１６、および集電体１１８を備えている。
【００２５】
上述のように、電池の他の重要な特徴は、乾燥を妨げるために、スラリー内の十分な含水率を維持し、化学反応を最後まで進める方法である。水は、電解質において溶剤としての役割を担い、化学反応において必要なイオンを提供する塩、塩基、または酸を溶解する。また、水はこれらのイオンを左右に動かす媒体である。十分な水が無ければ、化学反応は終わり、電池は反応材料が使い尽くされる前であっても機能を停止する。換言すれば、電池の利用度が低下する。スラリーと空気極との間に介在する電解質の体積は、電解質とスラリーとの間の半浸透性の膜を介してスラリー中の水が消費されると、水を自動的に供給することができる。スラリーに水を補充するこの機能が無ければ、先に説明したように、スラリーは乾燥する。
【００２６】
図６Ａは、図５の空気極電池の変化を示す断面図である。図６Ｂは、図６Ａの詳細を示す。ある態様において、電池６００は、スラリー燃料貯留槽５０８から新しい亜鉛スラリー５０６ａを受け入れるコンベアベルト６０２とすることができる、負極集電体を備えている。コンベアベルト６０２は、例えば、ニッケルのような金属箔から作られてもよい。コンベアベルト集電体６０２は、再充電可能な反応領域６０４として、空気極５０２に対して新しい亜鉛スラリー５０６ａを提供する。コンベアベルト６０２は、反応領域６０４からの消費済み亜鉛スラリー５０６ｂを、スラリー回収物貯留槽５１０に入れる。スラリー燃料貯留槽５０８は、重力送りで新しい亜鉛スラリー５０６ａを負極集電体コンベアベルト６０２に送り、負極集電体コンベアベルトは、重力送りで消費済み亜鉛スラリー５０６ｂを、スラリー回収物貯留槽５１０へ送る。
【００２７】
上述の一態様において、水浸透性のイオン交換膜６０６は、負極集電体コンベアベルト６０２に隣接し、同期して移動するコンベアベルトである。イオン交換膜６０６とコンベアベルト集電体６０２との間の空間は、内部の抵抗値および放電率に影響する。亜鉛スラリー５０６ａの流動特性によって画定されたコンベアベルト集電体６０２と、放電された、消費済みスラリー５０６ｂの体積の膨張との間には、小さな角度が存在する。例えば、コンベアベルト６０２とイオン交換膜との間の隙間は、鉛直方向からの角度を定義するために、消費済みスラリー貯留槽５１０の近くよりも、新しいスラリー貯留槽５０８の近くの方が狭くてもよい。隙間または角度は、スラリーの過剰な緻密化を妨げ、コンベアベルト６０２からスラリーの除去を容易にするために、調整可能であってもよい。電池６００は、機械的に充電される（新しい亜鉛スラリーが供給される）限り、連続して動作してもよい。
【００２８】
任意の予備の貯水槽６０８が、イオン交換膜コンベアベルト６０６と空気極５０２との間の電解槽１１５に、水６１０を重力送りで供給するために用いられてもよい。この挑戦は、低い内部抵抗と、連続したイオン経路（ionic path）とを増進するために、スラリー／ＩＥＭ／空気極の間で親密な接触を生成する間、完全に消耗し、固体を含むスラリーを移動させるものである。ある態様において、任意の予備の貯水槽６０８が予備の電解質貯留槽であってもよいし、水６１０がアルカリ電極であってもよい。
【００２９】
他の選択肢のように、新しい亜鉛スラリー５０６ａの流動を助長し、制御するために、重力に加えてピストン６１２が用いられてもよい。図示しない他の態様において、電池が垂直の代わりに水平に設置された位置では、ピストンが新しい亜鉛スラリーを流すために用いられる唯一の力であってもよい。
【００３０】
図１の電池と同じように、図５、６Ａ、および６Ｂに示した電池における亜鉛スラリー５０６に含まれる炭素添加剤は、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック、またはカーボンナノ粒子であってもよい。亜鉛に対する炭素添加剤の割合は、重量で２．５から１０％の範囲内である。亜鉛スラリーにおけるアルカリ電解質の割合は、体積で５０から８０％の範囲内である。
【００３１】
新しい亜鉛スラリー５０６ａ（または消費済み亜鉛スラリー５０６ｂ）におけるアルカリ電解質は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であってもよい。予備の電解質１１７は、亜鉛スラリー内で用いられている電解質材料と同一であってもよいし、異なってもよい。
【００３２】
フロースルー型の電池が、電位を生成するための関連する方法に沿って与えられてきた。本発明を説明するために、材料と、スラリーの流動の構成の例が与えられてきた。しかし、本発明は単にこれらの例に限定されるものではない。本発明の他の変形および実施形態が、当業者によって見出されるであろう。
【００３３】
（他の説明）
本願の請求項は、「低温溶融塩（ＬＴＭＳ）の正極を備えた電池（Ｙｕｈａｏ  Ｌｕほか、１３／５６４，０１５号、２０１２年８月１日登録、Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｄｏｃｋｅｔ、ＳＬＡ３１６５号）」と題された特許出願の一部継続出願である、「イオン交換膜を備えたフロースルー型の金属電池（Ｙｕｈａｏ  Ｌｕほか、１４／０４２，２６４号、２０１３年９月３０日登録、Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｄｏｃｋｅｔ  ＳＬＡ３２９４号）」と題された特許出願の一部継続出願に対する優先権に基づく。これらの出願の両方は、参照によって本願に組み入れられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
0006290509.tif 000005
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
0006290509.tif 000007
【図３Ａ】
0006290509.tif 000008
【図３Ｂ】
0006290509.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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