【手続補正書】
【提出日】令和1年5月29日(2019.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】ハイブリッド電気化学セルシステムおよび動作方法
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、米国特許仮出願第６２／１７１，００３号（２０１５年６月４日出願）に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
再充電可能な電気化学セルは、入力電流をエネルギーとして蓄積する充電、および蓄積されたエネルギーを出力電流として出力または放出する放電を行うように設計されている。各バッテリ化学組成には、エネルギー密度、電力密度、効率、再充電可能性、コスト等について特定の利点および不利点がある。ハイブリッドバッテリを製造するための各種バッテリ化学組成の効果的な組み合わせは、単一のバッテリ化学組成では得られない可能性のある重要な利点をもたらし得る。典型的に、ハイブリッドバッテリは、それぞれが別個のハウジングおよび特定のバッテリ化学組成に関連するイオン伝導性媒体を有するサブセルとして提供され得る。共通の電解質を用いるハイブリッドシステムの例が、米国特許公開第２０１４／０２７２４７７Ａ１号に示されており、そこでは、ハイブリッドコンデンサ−バッテリシステムを作り出すためにニッケル−金属水素化物セルと電気化学コンデンサとの間で共有されるアルカリ電解質が開示されている。
【０００３】
金属−空気バッテリは、貯蔵酸化剤がカソードに貯蔵されるほとんどのバッテリ化学組成とは異なり、空気中の酸素を酸化剤源として用いるため、エネルギー密度の点で重要な利点をもたらす。継続的で実質的に無制限な酸化剤源の存在により、原理上、高エネルギー密度の実現が可能になる。
【０００４】
米国特許公開第２０１１／０２５０５１２Ａ１号はまた、より短い充電／放電サイクル中の効率を高め、より長いチェンジャー／放電サイクルのための貯蔵能力を高めるように設計されたシステムを示す。上記出願では、空気電極またはニッケル電極に結合されて共通の電解質中で各種のセル挙動を作り出す可能性のある燃料電極が用いられている。
【発明の概要】
【０００５】
本出願は、それぞれが異なるセル化学を有する２つ（またはそれ以上）のサブセルを含むハイブリッドセルという観点から様々な発明的特徴を開示する。これらの発明的特徴には、以下に限定されないが、次のようなものが含まれる。
−  金属カソードと空気／酸化剤電極とが結合されて金属カソードの金属を酸化し、その金属が、還元されてアノード／燃料電極に結合され、そのアノード／燃料電極が酸化されるというその通常の使用のために金属カソードに補充される、メンテナンスまたは「トップオフ」モード。
−  一方のサブセルのアノードと酸素発生電極とが結合して、共通のイオン伝導性媒体の循環を助ける発生酸素を生成し、他方のサブセルが放電のような反応を経る、対流モード。
−  別個のアノード／燃料電極を有する各サブセルが、出力の増加および／または充電状態の管理の強化のために共に機能することを可能にする制御手法および／またはアーキテクチャ。
−  ハイブリッドセル内のサブセルの深放電制御の強化。
−  充電状態の強化のための充電モード。
本出願のその他の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
以下の図面は例示のためのものであり、限定を目的としたものではない。簡潔さと明瞭さのため、所与の構造のすべての特徴が、それが描かれるすべての図において必ずしも参照番号を付されるわけではない。また、同一の参照番号が同一の構造を示すとは限らない。むしろ、同一の参照番号は、同一でない参照番号と同様に、類似の特徴または類似の機能を有する特徴を示すために用いられる場合もある。
【０００７】
【図１】ハイブリッドセルの様々な物理的構成を示す模式図。
【０００８】
【図２】可能な直列端子構成を示す図。なお、図２ａは共通の燃料電極を有する実施形態についての直列端子構成を示す模式図であり、図２ｂは別個の金属燃料電極を有する実施形態についての直列端子構成を示す模式図である。
【０００９】
【図３】並列端子構成を示す概略図。
【００１０】
【図４】単極型および２極型電極部品を示す概略図。
【００１１】
【図５】部品の薄電極構成を示す概略図。
【００１２】
【図６】部品の対称構成を示す概略図。
【００１３】
【図７】サブセル間で共有される共通のアノードを含む直列接続されたセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図。
【００１４】
【図８】各サブセル用の独立したアノードを含む直列接続されたセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図。
【００１５】
【図９】直列接続されたハイブリッドセルについてのモジュールレベル回路アーキテクチャを示す図。
【００１６】
【図１０】並列接続されたハイブリッドセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図。
【００１７】
【図１１】並列接続されたハイブリッドセルについてのモジュールレベル回路アーキテクチャを示す図。
【００１８】
【図１２】放電モードの例示的な動作ロジックを示す図。
【００１９】
【図１３】充電モードの例示的な動作ロジックを示す図。
【００２０】
【図１４】回路アーキテクチャを示す図。なお、図１４（ａ）はオプトカプラドライブを有効にする回路アーキテクチャを示し、図１４（ｂ）は絶縁電力供給装置を有効にする回路アーキテクチャを示す。
【００２１】
【図１５】パワーＭＯＳＦＥＴ回路アーキテクチャを示す図。
【００２２】
【図１６】線形レギュレーション法により深放電を可能にする回路アーキテクチャを示す図。
【００２３】
【図１７】抵抗ステップ法により深放電を可能にする回路アーキテクチャを示す図。
【００２４】
【図１８】例示的なＮｉＺｎ／Ｚｎ−空気ハイブリッドセルの充電および放電プロトコルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の開示では、ハイブリッド電気化学セルを動作させるためのシステムおよび方法を説明する。ここで、このセルは、第１の電気化学サブセルを形成する第１の電極対を含み、第１の電気化学サブセルは、金属燃料電極と空気電極とを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。このハイブリッドセルは、第２の電気化学サブセルを形成する第２の電極対を更に含み、第２の電気化学サブセルは、第１の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料を有する金属燃料電極を含み、第２の電気化学サブセルは、第１の電気化学サブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる。このセルは、各電極対を連絡する少なくとも１つのイオン伝導性媒体と、各電極対に結合されたコントローラとを含む。コントローラは、放電モードで、少なくとも１つのサブセルから電流を選択的に生成し、充電モードで、少なくとも１つのサブセルに電流を選択的に印加するように構成される。
【００２６】
図１は、空気電極、すなわち、カソードと対になった亜鉛金属燃料電極、すなわち、アノードを含む第１のサブセルと、カソードであるニッケル電極と対になった第２のアノードである亜鉛金属燃料電極を含む第２のサブセルとを有するハイブリッドセルのいくつかの可能な物理的構成を示す図である。図１に図示された実施形態において、第１のハイブリッドセル構成１１０、第２のハイブリッドセル構成１２０、および第３のハイブリッドセル構成１３０間に共通する態様は、１）例えば、亜鉛など、共通の金属燃料化学がサブセル間で共有されること、および２）すべての電極が、共通の電気回路構成および関連コントローラに接続されること、である。
【００２７】
第１セルのハイブリッドセル構成１１０において、第１のサブセル１１２ａおよび第２のサブセル１１２ｂは共通のイオン伝導性媒体を共有せず、第１のイオン伝導性媒体１１４ａは、サブセル１１２ａに関連付けられ、別個の第２のイオン伝導性媒体１１４ｂは、サブセル１１２ｂに関連付けられている。第１のサブセル１１２ａは、金属燃料電極１１６ａ（例えば、Ｚｎ）と空気電極１１７ａとを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。第２の電気化学サブセル１１２ｂは、第１の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料（例えば、Ｚｎ）を有することを特徴とする別個の金属燃料電極１１６ｂと、正電極、すなわち、カソード１１８ｂ（例えば、Ｎｉ）とを含む。アノードおよびカソードという用語は、それぞれが持つ放電の役割を指すことに留意されたい。アノードという用語は負電極という用語と交換可能であり、カソードという用語は正電極という用語と交換可能であり得る。（同様に、燃料電極および酸化剤電極という用語は、それぞれに関与する反応物を指して用いられてもよい）。第２のサブセル１１２ｂの正電極、すなわち、カソード１１８ｂの唯一の要件は、それが金属燃料電極１１６ｂよりも大きい、すなわち、より正の標準的な酸化還元電位を有するように特徴付けられることである。第２の電気化学サブセル１１２ｂは、第１の電気化学サブセル１１２ａとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる。電極１１６ａ、１１６ｂ、１１７ａ、および１１８ｂは、概略的に１１９で示される共通の電気回路構成および関連コントローラに接続される。電気回路構成およびコントローラに関するより詳細な回路図については、後により詳細に説明する。
【００２８】
再び図１を参照し、第２のハイブリッドセル構成１２０は、概略的に１２４で示され、各電極対を連絡する共通のイオン伝導性媒体を共有する第１のサブセル１２２ａと第２のサブセル１２２ｂとを含む。第１のサブセル１２２ａは、金属燃料電極１２６ａ（例えば、Ｚｎ）と空気電極１２７ａとを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。第２の電気化学サブセル１２２ｂは、第１の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料（例えば、Ｚｎ）を有することを特徴とする別個の金属燃料電極１２６ｂと、正電極、すなわち、カソード１２８ｂ（例えば、Ｎｉ）とを含む。第２の電気化学サブセル１２２ａは、第１の電気化学サブセル１２２ａとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる。電極１２６ａ、１２６ｂ、１２７ａ、および１２８ｂは、概略的に１２９で示される共通の電気回路構成および関連コントローラに接続されている。電気回路構成およびコントローラに関するより詳細な回路図については、後により詳細に説明する。
【００２９】
図１の第３のハイブリッドセル構成１３０を参照すると、第１のサブセル＃３２ａと第２のサブセル１３２ｂは、共通の金属燃料電極１３６（例えば、Ｚｎ）を共有している。また、両サブセルは、概略的に１３４で示される共通のイオン伝導性媒体を含む。第１のサブセル１３２ａは、金属燃料電極１３６（例えば、Ｚｎ）と空気電極１３７ａとを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。第２の電気化学サブセル１３２ｂは、第１の電気化学サブセル１３２ａ内にある同じ金属燃料電極１３６（例えば、Ｚｎ）と、正電極、すなわち、カソード１３８ｂ（例えば、Ｎｉ）とを含む。
【００３０】
図１は、二機能性（すなわち、放電時に酸素を還元し、充電時に酸素を発生する）であってもよい単一の特異な空気電極（構成１１０の１１７ａ、構成１２０の１２７ａ、および構成１３０の１３７ａ）を示しているが、一部の実施形態においては、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）を空気電極に加えて設け、空気電極が主に放電時の酸素還元に用いられ、酸素発生電極が主に充電時の酸素発生に用いられるようにしてもよい。電極１３６、１３７ａ、および１３９ｂは、概略的に１３９で示される共通の電気回路構成および関連コントローラに接続される。電気回路構成およびコントローラに関するより詳細な回路図については、後により詳細に説明する。
【００３１】
図２は、可能な直列端子構成を示す図である。図２ａは、共通の燃料電極２１０を有する実施形態（例えば、図１の１３０）についての直列端子接続を示し、そこでは、第１のサブセルが空気カソード２１２および酸素発生電極（ＯＥＥ）２１４と対になった燃料電極２１０を含む。この例において、空気カソード２１２は、特異なＯＥＥ電極２１４とは別個の特異な電極であるが、他の実施形態においては、空気電極が単一の二機能性電極として設けられ、放電モードで酸素を還元し、充電モードで酸素を発生するようにしてもよく、その場合には、特異な別個の酸素発生電極（ＯＥＥ）は存在しない。図２ｂにおいて、第２のサブセルは、正電極、すなわち、カソード２１６（例えば、Ｎｉ）と対になった第１の電気化学サブセル２１０（例えば、Ｚｎ）と同じ燃料電極２１０を含む。図２ａの端子構成は、概略的に２３０で示される外部負荷または電力供給装置に接続された単一の正端子２２２および単一の負端子２２４を示す。
【００３２】
図２ｂは、各サブセルが特異な金属燃料電極を含む実施形態（例えば、図１の１１０および１２０）についての直列端子接続を示す。図２ｂにおいて、金属燃料電極２５０ａ（例えば、Ｚｎ）は、一般に空気電極２５２およびＯＥＥ２５４と対になっているのに対し、金属燃料電極２５０ｂ（例えば、Ｚｎ）は、一般に正電極、すなわち、カソード２５６（例えば、Ｎｉ）と対になっている。直列端子構成は、動作中に、結合された対を交換するというオプションを可能にし、例えば、メンテナンスモード中に、燃料電極２５０ａを正電極２５６と対にすることができ、燃料電極２５０ｂを空気電極２５２および／またはＯＥＥ２５４と対にすることができる。図２ｂは、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）２５４および特異な空気カソード２５２を示しているが、一部の実施形態においては、特異な空気カソード２５２および特異なＯＥＥ２５４の代わりに単一の空気電極が設けられ、その単一の空気電極が二機能性である、すなわち、放電時に酸素を還元し、充電時に酸素を発生してもよい。図２ｂの端子構成は、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる第１のサブセルに関連付けられた正端子２６２ａおよび負端子２６４ａ、および第１のサブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる第２のサブセルに関連付けられた正端子２６２ｂおよび負端子２６４ｂを示す。第１の正端子２６２ａは、正端子スイッチ２７２を介して第２の正端子２６２ｂに接続されてもよく、第１の負端子２６４ａは負端子スイッチ２７４を介して第２の負端子２６４ｂに接続されてもよく、正端子２６２ｂおよび負端子２６４ａは、概略的に２８０で示される外部負荷または電力供給装置に更に接続されて、各端子が直列に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
図３は、各サブセルが特異な金属燃料電極を含むハイブリッドセルの並列端子構成を示す図である。この図において、金属燃料電極３１０ａ（例えば、Ｚｎ）は、空気カソード３１４およびＯＥＥ３１６と対になっているのに対し、燃料電極３１０ｂ（例えば、Ｚｎ）は、カソード３１２（例えば、ニッケル電極）と対になっている。図３は、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）３１６および特異な空気カソード３１４を示しているが、一部の実施形態においては、特異な空気電極および特異なＯＥＥ電極の代わりに単一の空気電極が設けられ、その単一の空気電極が二機能性である、すなわち、放電時に酸素を還元し、充電時に酸素を発生するようにしてもよい。図３の並列端子構成は、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる第１のサブセルに関連付けられた電源にスイッチ３３０ａによって接続された正端子３２２ａおよび負端子３２４ａを示す。正端子３２２ｂおよび負端子３２４ｂは、スイッチ３３０ｂを介して、第１のサブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる第２のサブセルに関連付けられた電源に接続される。
【００３４】
図４は、単極型および２極型電極部品を示す図である。一部の実施形態において、ハイブリッドセルの金属電極は、例えば、より高い出力能力を有するハイブリッドセルを得るために、図４ａに示すように、それぞれ単一の金属電極の形態で設けられてもよい。図４ａの例は、３つの単独の燃料電極、例えば、Ｚｎ（４１０ａ、４１０ｂ、および４１０ｃ）、２つの空気電極（４１２ａおよび４１２ｂ）、および２つの金属カソード、例えば、Ｎｉ（４１４ａおよび４１４ｂ）を示す。この例において、それぞれについて単独の空気電極が図示されているが、他の実施形態においては、別個の空気カソードと別個のＯＥＥ電極とを設けてもよい。図４ｂに示すように、これらの電極は、セルの充電容量を増加させ、電極交換を可能にし、より高いエネルギー密度を有するハイブリッドセルを得るため、またそれらを組み合わせた目的のために、複数の金属電極の形態で設けられてもよい。図４ｂの例において、４つの単独の燃料電極、例えば、Ｚｎ（４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、および４２０ｄ）、２つの空気電極（４２２ａおよび４２２ｂ）が示されている。金属カソード、例えば、Ｎｉは、電極４２４ａと４２４ｂとが組み合わされ、電極４２４ｃと４２４ｄとが組み合わされるように、構造的結合部４３０を用いて対として組み合わされる。
【００３５】
図５は、薄電極構成を示す図であり、そこでは、概略的に破線５１０で示される複数の金属燃料電極、例えば、Ｚｎが、簡略化のために５１２と表示された複数の金属カソード、例えば、Ｎｉと交互に設けられて、特定の化学（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）のサブセルの中心マトリックスを形成する。構造的結合部５３０、スペーサ５４０、またはそれらの組み合わせを用いて所望の構成を設定してもよい。図５の説明図において、（Ｎｉ−Ｚｎ）サブセルの中心マトリックスの境界部に空気電極５１４を設けて、金属燃料アノード５１０と空気電極５１４とを含むサブセルの第２のマトリックスを形成してもよく、このサブセルの第２のマトリックスが金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。
【００３６】
図６は、２つのアノード６１０ａおよび６１０ｂ（例えば、Ｚｎ金属燃料電極）と、それらの間に位置する２つの金属カソード（例えば、Ｎｉ）６１２ａおよび６１２ｂとを含むハイブリッドセルについての対称構成を示す図である。図６のハイブリッドセルは、２つの空気カソード６１４ａおよび６１４ｂと２つのＯＥＥ６１６ａおよび６１６ｂとを更に含み、各ＯＥＥ６１６は、燃料電極６１０と空気カソード６１４との間に配置される。図６の例において、２つの金属カソード（例えば、Ｎｉ）６１２ａおよび６１２ｂが示されているが、一部の実施形態においては、単一の金属カソードが設けられてもよい。対称構成および動作方法に関する更なる詳細は、米国特許出願第１４／６１９，３７３号に更に記載され、全体として本明細書に組み込まれる。
【００３７】
本明細書で用いられる「金属カソード」という用語は、放電中に還元される（および再充電中に酸化される）金属を含むカソードを指す。ここでの例は、Ｎｉ（ＯＨ）２からＮｉＯＯＨに還元され、逆に酸化するＮｉ電極を含む。この用語は、還元／酸化されていない触媒金属を有するカソードを意味するものではない。一実施形態によれば、本明細書で開示されるハイブリッドセルは、以下を含む様々な充電モードに従って動作されてもよい。
１）アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極など）と金属カソード（例えば、Ｎｉ電極、Ａｇ電極など）とを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加するモードであって、電気化学反応は、Ｚｎ燃料電極において、例えば、Ｚｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-→Ｚｎ＋２ＯＨ-に従い、また、Ｎｉ正電極において２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ-→２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏに従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｎｉ（ＯＨ）2＋Ｚｎ（ＯＨ）2→２ＮｉＯＯＨ＋Ｚｎ＋２Ｈ2Ｏに従って進行してもよい。
２）アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）とＯＥＥとを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加するモードであって、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-→Ｚｎ＋２ＯＨ-に従い、また、ＯＥＥにおいて２ＯＨ-→１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｚｎ（ＯＨ）2→２Ｚｎ＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏに従って進行してもよい。
３）金属カソード（例えば、Ｎｉ電極、Ａｇ電極）と空気カソードとを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加することによるメンテナンス充電モードであって、電気化学反応は、Ｎｉ電極において２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ-→２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏに従い、また、第１のサブセルの空気カソードにおいて１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→２ＯＨ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｎｉ（ＯＨ）2＋１／２Ｏ2→２ＮｉＯＯＨ＋Ｈ2Ｏに従って進行してもよい。これは、第２のサブセルの金属カソード（例えば、Ｎｉ電極）、すなわち、一般に、空気電極と対になっていない金属電極の「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うためのメンテナンス工程として実施されてもよい。
【００３８】
一実施形態によれば、本明細書で開示されるハイブリッドセルは、以下を含む様々な放電モードに従って動作されてもよい。
１）アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）と金属カソード（例えば、Ｎｉ電極、Ａｇ電極）とを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するモードであって、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ＋２ＯＨ-→Ｚｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-に従い、また、Ｎｉカソードにおいて２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２ＮｉＯＯＨ＋Ｚｎ＋２Ｈ2Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）2＋Ｚｎ（ＯＨ）2に従って進行する。
２）アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）と空気電極または空気カソードとを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するモードであって、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ＋２ＯＨ-→Ｚｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-に従い、また、空気カソードにおいて１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ→２ＯＨ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｚｎ＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ→２Ｚｎ（ＯＨ）2に従って進行する。
３）アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）と空気カソードとを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するメンテナンス深放電モードであって、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ＋２ＯＨ-→Ｚｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-に従い、また、空気カソードにおいて１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ→２ＯＨ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｚｎ＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ→２Ｚｎ（ＯＨ）2に従って進行する。金属燃料電極に関連するメンテナンスモードは過去に、米国特許出願第１４／５１２，９３３号および米国仮出願第６１／９３８，９２２号に記載されており、全体として本明細書に組み込まれる。メンテナンス深放電の反応に変わりはないが、この放電は、電極をクリーニングまたはリセットするために、亜鉛または他の燃料を意図的に酸化するように駆動される。
【００３９】
一部の実施形態において、ハイブリッドセルは、アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）、または任意の適当な構成または材料からなる他の補助電極と、ＯＥＥとを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加することによって対流モードに入ってもよく、このモードでは、例えば、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ（ＯＨ）２＋２ｅ−  →  Ｚｎ＋２ＯＨ−に従い、また、ＯＥＥにおいて２ＯＨ-→１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-に従って進行し、第１のサブセルについて全体の電気化学反応は２Ｚｎ（ＯＨ）2→２Ｚｎ＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏに従って進行してもよい。同時に、第２の電気化学サブセルは、アノード（例えば、Ｚｎ金属燃料電極、Ｆｅ金属燃料電極）と金属カソード（例えば、Ｎｉ電極、Ａｇ電極）とを含む第２のサブセルを放電することによって電流を選択的に生成する放電モードにあり、このモードでは、電気化学反応は、ＺｎアノードにおいてＺｎ＋２ＯＨ-→Ｚｎ（ＯＨ）2＋２ｅ-に従い、また、Ｎｉカソードにおいて２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ-に従って進行し、第２のサブセルにおける全体の電気化学反応は２ＮｉＯＯＨ＋Ｚｎ＋２Ｈ2Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）2＋Ｚｎ（ＯＨ）2に従って進行する。一部の実施形態において、第２のサブセルを放電中に、イオン伝導性媒体内に対流をもたらすことが有利である場合がある。
【００４０】
図７は、共通のアノード金属燃料電極７１０（例えば、Ｚｎ、Ｆｅ）と共通のイオン伝導性媒体とを含む直列接続されたハイブリッドセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図である。第１の電気化学サブセルは、アノード７１０と、空気カソード７１２と、酸素発生電極（ＯＥＥ）７１４とを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。図７は、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）７１４および特異な空気カソード７１２を示しているが、一部の実施形態においては、特異な空気カソードおよび特異なＯＥＥの代わりに単一の空気電極が設けられてもよく、その場合には、空気電極が二機能性である、すなわち、放電時に酸素を還元し、充電時に酸素を発生する。第２の電気化学サブセルは、第１のサブセルと同じアノード７１０と、金属カソード７１６（例えば、Ｎｉ、Ａｇ）とを含むことにより、第１の電気化学サブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられるが、第１の電気化学サブセルと同じ金属燃料アノード７１０を共有する。
【００４１】
一実施形態において、各電極は、スイッチ、すなわち、高出力トランジスタに関連付けられてもよく、この高出力トランジスタは、例えば、コントローラと電極に関連付けられた端子との間に動作可能に結合された電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。図７に示されているように、金属燃料電極７１０はスイッチ７２０に関連付けられ、空気カソード７１２はスイッチ７２２に関連付けられ、酸素発生電極（ＯＥＥ）７１４はスイッチ７２４に関連付けられ、金属カソード７１６はスイッチ７２６に関連付けられる。一実施形態において、各スイッチは、ゲートドライバ７３０、すなわち、コントローラからの低電力入力を受け取り、例えば、各電極に関連付けられた電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である高出力トランジスタのゲート、すなわち、スイッチ用の高電流駆動入力を生成する。図７の直列端子構成は、電流出力のための負荷への接続または電流入力のための電源への接続に用いられ、バイパススイッチ７４４を介して接続された単一の正端子７４０および単一の負端子７４２を示す。更に、図７は、空気カソード７１２を深放電バイパススイッチ７５２および深放電スイッチ７５４に接続するカソード遮断スイッチ７５０を示す。深放電スイッチ７５４の機能および関連する回路構成については、後に図１６および図１７において説明する。
【００４２】
一実施形態において、コントローラは、複数のスイッチのそれぞれについて開状態および閉状態を制御するように構成されてもよく、また、コントローラは動作モード間の選択を行うように構成されてもよい。図７を参照し、コントローラは、以下を含む様々な動作モード間の選択を行ってもよい。
１）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ７２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ７２０を閉じる（オン）ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を充電するモード。
２）金属カソードスイッチ７２６、カソード遮断スイッチ７５０、および深放電バイパススイッチ７５２を閉じる（オン）ことによって外部電流をセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にし、メンテナンス工程として金属カソード７１６を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
３）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ７２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ７１０を閉じる（オン）ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を放電するモード。
４）ＯＥＥスイッチ７２４およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ７１０を閉じる（オン）ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を充電するモード。
５）空気カソードスイッチ７２２およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ７２０を閉じる（オン）ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を放電するモード。
６）カソード遮断スイッチ７５０およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ７２０を閉じ（オン）、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ７５４を作動させることによって、電流を、図１６および図１７にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード７１０からセル外に流すことができる。
【００４３】
図８は、各サブセルに対して独立したアノード、すなわち、金属燃料電極を含む直列接続されたセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図である。第１の電気化学サブセルは、アノード８１０（例えば、Ｚｎ金属燃料電極）と、空気カソード８１２と、酸素発生電極（ＯＥＥ）８１４とを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。図８は、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）８１４および特異な空気カソード８１２を示しているが、一部の実施形態においては、特異な空気カソードおよび特異なＯＥＥの代わりに単一の空気電極を設けられてもよい。
【００４４】
第２の電気化学サブセルは、独立したアノード８１１（例えば、Ｚｎ）と金属カソード８１６（例えば、Ｎｉ）とを含むことにより、第１の電気化学サブセルとは異なるバッテリ化学組成、すなわち、Ｎｉ−Ｚｎとして特徴付けられるが、第１の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料、例えば、Ｚｎを共有する。
【００４５】
一実施形態において、各電極は、スイッチ、すなわち、高出力トランジスタに関連付けられてもよく、この高出力トランジスタは、例えば、コントローラと電極に関連付けられた端子との間に動作可能に結合された電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である図８に示されているように、金属燃料電極８１０はスイッチ８２０に関連付けられ、金属燃料電極８１１はスイッチ８２１に関連付けられ、空気カソード８１２はスイッチ８２２に関連付けられ、酸素発生電極（ＯＥＥ）８１４はスイッチ８２４に関連付けられ、金属カソード８１６はスイッチ８２６に関連付けられる。一実施形態において、各スイッチは、ゲートドライバ８３０、すなわち、コントローラからの低電力入力を受け取り、例えば、各電極に関連付けられた電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である高出力トランジスタのゲート、すなわち、スイッチ用の高電流駆動入力を生成する。図８の直列端子構成は、バイパススイッチ８４４を介して接続された単一の正端子８４０および単一の負端子８４２を示す。更に、図８は、空気カソード８１２を深放電バイパススイッチ８５２および深放電スイッチ８５４に接続するカソード遮断スイッチ８５０を示す。深放電スイッチ８５４の機能および関連回路構成については、後に図１６および図１７において説明する。
【００４６】
一実施形態において、コントローラは、複数のスイッチのそれぞれについて開状態および閉状態を制御するように構成されてもよく、また、コントローラは動作モード間の選択を行うように構成されてもよい。図８を参照し、コントローラは、以下を含む様々な動作モード間の選択を行ってもよい。
１）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ８２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ８２１を閉じる（オン）ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を充電するモード。
２）金属カソードスイッチ８２６、カソード遮断スイッチ８５０、および深放電バイパススイッチ８５２を閉じる（オン）ことによって外部電流をセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にし、メンテナンス工程として金属カソード８１６を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
３）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ８２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ８２１を閉じる（オン）ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を放電するモード。
４）ＯＥＥスイッチ８２４およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ８２０を閉じる（オン）ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を充電するモード。
５）空気カソードスイッチ８２２およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ８２０を閉じる（オン）ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を放電するモード。
６）カソード遮断スイッチ８５０およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ８２０を閉じ（オン）、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ８５４を作動させることによって、電流を、図１６および図１７にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード８１０からセル外に流すことができる。
【００４７】
図９は、図７および図８に示す例示的な直列接続されたハイブリッドセルのような直列接続されたハイブリッドセルについてのモジュールレベル回路アーキテクチャを示す図である。ハイブリッドセル（９１０、９１０’、９１０ｎ）は、モジュールの放電および充電動作のためにブースト／充電装置９２０に動作可能に直列接続される。
【００４８】
ブースト／充電装置９２０は、１）出力電圧がその入力電圧より大きいＤＣ−ＤＣ電力コンバータであるブーストコンバータ、すなわち、昇圧コンバータと、２）充電器、すなわち、電圧逓減・電流逓増コンバータであるバックコンバータ、という構成要素を含む。
【００４９】
一実施形態において、ブーストコンバータ素子は、少なくとも２つの半導体（例えば、ダイオードおよびトランジスタ）と、少なくとも１つのエネルギー蓄積素子（例えば、コンデンサ、インダクタ、またはこれら２つの組み合わせ）を含んでもよく、一種のスイッチモード電力供給装置（ＳＭＰＳ）として特徴付けられてもよい。別の例として、ブーストコンバータ素子は、電気工学分野における当業者に一般に知られている電流供給プッシュプルコンバータとして設けられてもよい。一実施形態において、ブーストコンバータは、コンバータ（例えば、従来のブーストコンバータ、電流供給プッシュプルなど）の入力側にパワーインダクタを有するように選択されてもよい。一部の実施形態において、出力電圧リップルを低減するために、コンデンサ（時に、インダクタと組み合わせて）を含むフィルターをブーストコンバータ素子の出力に追加してもよい。
【００５０】
一実施形態において、充電器素子は、コンバータの出力側（例えば、従来のバック、電圧プッシュプル、フルブリッジコンバータなど）にパワーインダクタを有するように選択されてもよい。一例として、充電器は、インダクタ内の電流が２つのスイッチ（例えば、トランジスタおよびダイオード）によって制御される、当業者に公知のバックコンバータとして設けられてもよい。
【００５１】
図１０は、並列接続されたハイブリッドセルについてのセルレベル回路アーキテクチャを示す図である。第１の電気化学サブセルは、アノード１０１０（例えば、Ｚｎ）と、空気カソード１０１２と、酸素発生電極（ＯＥＥ）１０１４とを含むことにより、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる。図１０は、特異な酸素発生電極（ＯＥＥ）１０１４と特異な空気カソード１０１２を示しているが、一部の実施形態においては、両方の機能に対して単一の空気電極が設けられてもよい。第２の電気化学サブセルは、独立したアノード１０１１（例えば、Ｚｎ）と金属カソード１０１６（例えば、Ｎｉ）とを含むことにより、第１の電気化学サブセルとは異なるバッテリ化学組成、例えば、Ｎｉ−Ｚｎとして特徴付けられるが、第１の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料、例えば、Ｚｎを共有する。
【００５２】
一実施形態において、各電極は、スイッチ、すなわち、高出力トランジスタに関連付けられてもよく、この高出力トランジスタは、例えば、コントローラと電極に関連付けられた端子との間に動作可能に結合された電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。図１０に示されているように、金属燃料電極１０１０はスイッチ１０２０に関連付けられ、金属燃料電極１０１１はスイッチ１０２１に関連付けられ、空気カソード１０１２はスイッチ１０２２に関連付けられ、酸素発生電極（ＯＥＥ）１０１４はスイッチ１０２４に関連付けられ、金属カソード１０１６はスイッチ１０２６に関連付けられる。一実施形態において、各スイッチは、ゲートドライバ１０３０、すなわち、コントローラからの低電力入力を受け取り、例えば、各電極に関連付けられた電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である高出力トランジスタのゲート、すなわち、スイッチ用の高電流駆動入力を生成する。
【００５３】
図１０の並列端子構成は、金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる第１のサブセルに関連付けられた第１のバイパススイッチ１０４４を介して接続された第１の正端子１０４０および第１の負端子１０４２を示す。また、図１０の並列端末構成は、第１のサブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる第２のサブセルに関連付けられた第２のバイパススイッチ１０４９を介して接続された第２の正端子１０４５および第２の負端子１０４７を示す。更に、図１０は、空気カソード１０１２を深放電バイパススイッチ１０５２および深放電スイッチ１０５４に接続するカソード遮断スイッチ１０５０を示す。深放電スイッチ１０５４の機能および関連回路構成については、後に図１６および図１７において説明する。
【００５４】
実施形態において、コントローラは、複数のスイッチのそれぞれについて開状態および閉状態を制御するように構成されてもよく、また、コントローラは動作モード間の選択を行うように構成されてもよい。図１０を参照し、コントローラは、以下を含む様々な動作モード間の選択を行ってもよい。
１）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ１０２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ１０２１を閉じる（オン）ことによって外部電流をターミナル１０４５、１０４７を介してサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を充電するモード。
２）金属カソードスイッチ１０２６、カソード遮断スイッチ１０５０、および深放電バイパススイッチ１０５２を閉じる（オン）ことによって外部電流を端子１０２６、１０４２を介してセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にし、メンテナンス工程として金属カソード１０１６を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
３）第２のサブセルカソード（例えば、Ｎｉ）スイッチ１０２６およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ１０２１を閉じる（オン）ことによって電流を端子１０４５、１０４７を介してサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第２のサブセル（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ）を放電するモード。
４）ＯＥＥスイッチ１０２４およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ１０２０を閉じる（オン）ことによって外部電流を端子１０４０、１０４２を介してサブセルに流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を充電するモード。
５）空気カソードスイッチ１０２２およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ１０２０を閉じる（オン）ことによって電流を端子１０４０、１０４２を介してサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）を放電するモード。
６）カソード遮断スイッチ１０５０およびアノード（例えば、Ｚｎ）スイッチ１０２０を閉じ（オン）、残りのスイッチは開放（オフ）状態にして、第１の金属−空気サブセル（例えば、Ｚｎ−空気）をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ１０５４を作動させることによって、電流を、図１６および図１７にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード１０１０からセル外に流すことができる。
【００５５】
図１１は、並列接続されたハイブリッドセル（１１１０、１１１０’、１１１０ｎ）についてのモジュールレベル回路アーキテクチャを示す図であり、これらのハイブリッドセルはそれぞれ図１０に示されたセルと同等のものであってもよい。第１の金属−空気サブセルは、回路１１３０−１１３０’−１１３０ｎを介して第１のブースト／充電器１１２０に動作可能に接続されてもよい。第２のサブセルは、回路１１４０−１１４０’−１１４０ｎを介して第２のブースト／充電器１１２２に動作可能に接続されてもよい。この例示的なモジュール回路構成は、モジュールの並列放電および充電動作を可能にする。
【００５６】
図１２は、ハイブリッドセルの放電モードについての例示的な動作ロジックを示す図である。例示的な実施形態として、以下の例を、第１の亜鉛−空気サブセルと第２のＮｉ−Ｚｎサブセルとを含むハイブリッドセルに関して説明する。１２０２にて外部グリッド電力がオフになると、および／または外部負荷に電力を供給する要求があると、Ｎｉ−Ｚｎサブセルの充電状態（ＳＯＣ）、すなわち、１２０４にて充電容量が評価されてもよい。一実施形態において、充電容量は、電圧測定値、電流測定値、インピーダンス測定値、時間経過、またはそれらの組み合わせから決定されるか、または既に決定されていてもよい。Ｎｉ−Ｚｎサブセルの充電容量が所定の値を上回っている場合、Ｎｉ−Ｚｎサブセルは１２０６にて放電モードに入ってもよい。一部の実施形態において、このモードは高出力放電モードと呼ばれてもよく、このモードでは、Ｎｉ−Ｚｎサブセルが負荷に放電し、金属−空気サブセルがアイドルである。１２０８にて、放電しているＮｉ−Ｚｎサブセルの出力能力が外部負荷の電力要求を下回る場合、ハイブリッドセルは１２１０にて高出力並列放電モードに入ってもよく、このモードでは、Ｎｉ−ＺｎサブセルおよびＺｎ−空気サブセルが同時に放電されて負荷に電力が供給される。
【００５７】
再び図１２を参照し、１２０４にてＮｉ−Ｚｎサブセルの充電容量が所定の充電容量を下回る場合、１２１２にてＺｎ−空気サブセルの充電容量が評価されてもよい。Ｚｎ−空気サブセルの充電容量が所定の値を上回っている場合、Ｚｎ−空気サブセルは１２１４にて放電モードに入ってもよい。一部の実施形態において、このモードは高エネルギー放電モードと呼ばれてもよく、このモードでは、第１のＺｎ−空気サブセルが負荷に放電し、第２のＮｉ−Ｚｎサブセルがアイドルである。１２１２にてＺｎ−空気サブセルの充電容量が所定の充電容量を下回り、１２１６にて外部グリッド電力が利用できない（オフ）、または外部負荷からの要求がない場合、ハイブリッドセルは１２１８にてアイドルモードに入ってもよい。そうではなく、１２１６にて外部グリッド電力が利用可能（オン）である、または外部電源から利用可能な電力がある場合、ハイブリッドセルは１２２０にて充電モードに入ってもよい。
【００５８】
図１３は、ハイブリッドセルの充電モードについての例示的な動作ロジックを示す図である。例示的な実施形態として、以下の例を、第１の亜鉛−空気サブセルと第２のＮｉ−Ｚｎサブセルとを含むハイブリッドセルに関して説明する。１３０２にて外部グリッド電力が利用できない（オフ）、および／または外部負荷からの要求がない場合、ハイブリッドセルは１３０４にてアイドルモードに入ってもよい。１３０２にて外部グリッド電力または外部電源が利用可能になると、１３０６にてＮｉ−Ｚｎサブセルが充電されてもよい。Ｎｉ−Ｚｎサブセルの充電状態（ＳＯＣ）、すなわち、１３０８にて充電容量が評価されてもよい。１３０８にてＮｉ−ＺｎサブセルのＳＯＣが所定の最大値を上回っている場合、１３１０にてＺｎ−空気セルのＳＯＣが評価されてもよい。１３１０にてＺｎ−空気サブセルのＳＯＣが所定の最大値を上回っている場合、ハイブリッドセルは１３２０にてアイドルモードに入ってもよく、このモードでは、セルは充電された状態のままである。そうではなく、１３１０にてＺｎ−空気サブセルのＳＯＣが所定の最大値を下回っており、外部グリッド電源が１３１２にて利用可能である場合、Ｚｎ−空気サブセルは１３１４にて充電モードに入ることになる。１３１６にてＺｎ−空気サブセルのＳＯＣが所定の最大値を上回っている場合、ハイブリッドセルは１３２０にてアイドルモードに入ってもよく、このモードでは、セルは充電された状態のままである。
【００５９】
１３０８にてＮｉ−Ｚｎサブセルが所定の最大値を下回っている場合、１３３０にて外部電源が利用できなくなれば、ハイブリッドセルは１３４０にて放電モードに入ってもよい。１３３０にて外部電源が利用可能であり、Ｚｎ−空気サブセルのＳＯＣが１３３２にて所定の最大値を下回っている場合、Ｎｉ−Ｚｎサブセルは１３０６にて充電モードを継続することになる。しかし、１３３２にてＺｎ−空気サブセルのＳＯＣが所定の最大値を上回っている場合、第２のサブセルのニッケル電極が１３３４にてメンテナンス「トップオフ」充電モードに入ることになり、このモードでは、電気化学反応は、Ｎｉ電極において２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ−→２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏに従い、第１のサブセルの空気カソードにおいて１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→２ＯＨ-に従って進行し、全体の電気化学反応は２Ｎｉ（ＯＨ）2＋１／２Ｏ2→２ＮｉＯＯＨ＋Ｈ2Ｏに従って進行してもよい。これは、第２のサブセルの金属電極（例えば、Ｎｉ電極）、すなわち、一般に、空気電極またはＯＥＥと対になっていない金属電極の「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うためのメンテナンス工程として実施されてもよい。
【００６０】
１３３６にてニッケル電極の容量が所定の最大値に達すると、ハイブリッドセルはアイドルモードに入ってもよく、このモードでは、セルは充電された状態のままである。１３３６にてニッケル電極の容量が所定の最大値を下回ったままであり、１３３８にて外部電源が利用できない場合、セルは１３４０にて放電モードに入ってもよい。ニッケル電極の容量が１３３６にて所定の最大値に達すると、ハイブリッドセルはアイドルモードに入ってもよく、このモードでは、セルは充電された状態のままである。１３３６にてニッケル電極の容量が所定の最大値を下回ったままであり、１３３８にて外部電源が利用できない場合、セルは１３４０にて放電モードに入ってもよい。
【００６１】
例えば、電極、コントローラ、およびゲートドライブに関連付けられた端子に動作可能に結合された電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である高出力トランジスタのスイッチング、すなわち、作動を可能にする、またはオプトカプラドライブ（図１４（ａ）参照）を関連する絶縁電力供給装置（図１４（ｂ）参照）と共に有効にする、例示的な回路アーキテクチャを示す図も示される。ゲートドライブ、すなわち、電力増幅器は、コントローラからの低電力入力を受け取り、例えば、各電極に関連付けられた電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である高出力トランジスタのゲート、すなわち、スイッチ用の高電流駆動入力を生成する。
【００６２】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示された実施形態において、スイッチ、すなわち、ＦＥＴの、それを閉（オン）状態に設定する作動は以下の工程に従っていてもよい。１）ドライバ１４１０は、コントローラからの電圧入力（例えば、＋５Ｖ）をより大きな信号（例えば、＋１２Ｖの信号振幅）に増幅する。２）変圧器１４２０は方形波（例えば、２００ｋＨｚの周波数）で駆動されて、二次巻線１４３０ａ〜１４３０ｄ上に４つの絶縁電圧（例えば、＋１２Ｖ）レールを生成する。３）コントローラは、絶縁電圧信号（例えば、＋１２Ｖ）をＦＥＴ１４４０ａまたは１４４０ｂの両端（すなわち、ゲート・ツー・ソース）に通過させるオプトカプラドライブ１４４０にイネーブル信号（例えば、＋５Ｖ）を送ることにより、スイッチを作動して閉（オン）設定を行う。
【００６３】
図１５に示された実施形態によれば、電力金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、電極に関連付けられた端子に動作可能に結合されたスイッチとして設けられてもよい。図１５の例において、３つの金属燃料アノード（１５１０、１５２０、および１５３０）とカソード１５４０とは、正極セル端子１５５０と負極セル端子１５５２との間で、所定の抵抗要件（例えば、１〜２ｍＯｈｍ）を満たすように並列構成において接続されている。図１５の例において、ＯＥＥ１５６０およびカソード１５４０に、それぞれの端子への、および／またはそれぞれの端子からの望ましくない電流の流れを防止するために「バック・ツー・バック」ＦＥＴ構成を用いてもよいことが当業者に理解され得る。
【００６４】
図１６は、線形レギュレーション法により深放電を可能にする回路アーキテクチャを示す図である。図１６は、図７の機能ブロック７５４、図８の機能ブロック８５４、および図１０の機能ブロック１０５４について深放電スイッチおよび関連する回路構成の更に詳細な回路図の例を示す。図１６の回路構成を動作させる例示的な方法は以下の工程に従ってもよい。１）コントローラは、可変デューティサイクル（０〜１００％）を有する方形波（例えば、１ｋＨｚ）を生成する。２）増幅器１６１０は、信号（ＴＰ１１における）を＋５Ｖ（最大）および−０．５Ｖ（最小）の振幅でレベルシフトする。３）抵抗器１６２０およびコンデンサ１６２２は、方形波信号をＤＣ値にフィルタリングし、このＤＣ値は増幅器１６１２への基準電圧として用いられる。４）増幅器１６１２は、閉ループ線形レギュレータとして動作し、それにより、増幅器１６１２は、ピン１６４０（フィードバック）およびピン１６４２（基準）において等しい電圧を維持するようにＭＯＳＦＥＴ１６３０（線形領域における）を制御する。５）ピン１６４０における一定電圧は、抵抗器１６５０および１６５２（例えば、１０〜５００ｍＯｈｍ）の両端に一定電流をもたらし、それによって、コントローラによって決定される一定の放電電流を設定する。６）ＭＯＳＦＥＴ１６３２は、電流がＭＯＳＦＥＴ１６３０本体ダイオードを通ってカソード１６６０（例えば、図１５の１５４０）内に確実に流れないようにする。    負極セル端子ＣＥＬＬ＿Ｘ＿ＮＥＧは、図１５の１５５２に対応する。
【００６５】
図１７は、抵抗ステップ法によって深放電を可能にする回路アーキテクチャを示す図である。図１７は、図７の機能ブロック７５４、図８の機能ブロック８５４、および図１０の機能ブロック１０５４について深放電スイッチおよび関連する回路構成の更に詳細な回路図の例を示す。図１７の回路構成を動作させる例示的な方法は以下の工程に従ってもよい。１）コントローラは、深放電モード中の負荷要求を決定し、適切なゲートドライブ、すなわち、オプトカプラ（１７１０、１７１２、１７１４、および／または１７１６）を有効にする。２）オプトカプラは、絶縁電圧（例えば、＋１２Ｖ）を接続して各スイッチ、すなわち、ＦＥＴ（１７２０、１７２２、１７２４、および／または１７２６）を作動、すなわち、閉じる、すなわち、オンし、これらＦＥＴ（１７２０、１７２２、１７２４、および／または１７２６）は、続いてカソード１７３０および負極セル端子１７４０（例えば、図１５の１５５２）の両端に抵抗負荷を接続する。３）ＭＯＳＦＥＴ１７５０は、電流がカソード１７３０（例えば、図１５の１５４０）に確実に流れ込まないようにする。
【００６６】
図１８は、例示的なＮｉＺｎ／Ｚｎ−空気ハイブリッドセルの充電および放電プロトコルを示す。この非限定的な例において、単一のＺｎ電極が、放電目的のためにＮｉ電極と空気呼吸カソードとの間で共有される。他の実施形態において、セル設計は、正の放電電極のそれぞれに対して専用の、または複数のＺｎ電極を用いてもよい。
【００６７】
図１８に示された実施形態によれば、本明細書で開示されるハイブリッドセルは、以下を含む様々な充電モードに従って動作されてもよい。
１）外部負荷からの電力が利用可能な場合、１８０２にてＮｉ−Ｚｎを充電する。第１の工程として、ＮｉＺｎ／Ｚｎ−空気セルが、Ｎｉ電極をセル正端子（＋ｖｅ）に接続し、Ｚｎ電極をセル負端子（−ｖｅ）に接続することにより、Ｚｎアノードを用いてＮｉ電極を充電する。１８０４にてＮｉ容量（Ｃｎｉ）がＮｉ電極の最大所定充電容量を超える場合、１８０６にてＺｎ電極がＯＥＥを用いて充電されてもよい。１８０８にてＺｎ容量（Ｃｚｎ）がＺｎ電極の最大所定充電容量を超える場合は、１８１０にてＮｉ電極が空気呼吸カソードを負電極として用いて充電されることになる。
２）１８０６にてＺｎ−ＯＥＥを充電する。この時、充電電力が利用可能であり、Ｎｉ電極が１８０４にて最大容量まで充電される場合、Ｚｎ電極は、１８０６にて、ＯＥＥをセル正（＋ｖｅ）端子に接続し、Ｚｎ電極をセル負（−ｖｅ）端子に接続することによって充電される。１８１２にてＺｎ容量（Ｃｚｎ）がＺｎ電極の所定の最大充電容量を超える場合、セルは完全に充電されており、バイパスされるので、直列および／または並列に接続された他のセルが１８１４にて充電を完了できるようになる。
３）１８１０にてＮｉカソードを充電する。この時、充電電力が利用可能であり、Ｚｎ電極が１８０８にて完全に充電されている一方でＮｉ電極の充電が必要な場合、Ｎｉ電極は、１８１０にて、Ｎｉ電極をセル正（＋ｖｅ）端子に接続し、空気呼吸カソードをセル負（−ｖｅ）端子に接続することによって充電される。１８１６にてＮｉ容量がＮｉ電極の所定の最大充電容量を超える場合、セルは完全に充電されており、バイパスされるので、直列および／または並列に接続された他のセルが１８１４にて充電を完了できるようになる。
４）１８１４にて放電バイパス。セルが完全に充電されている場合、すべての電極がセル端子から接続を絶たれ、セルは、例えば、セル正端子（＋ｖｅ）をセル負端子（−ｖｅ）に接続する固体スイッチを用いてバイパスされる。これにより、直列および／または並列に接続されたモジュール内の他のセルが充電を継続できるようになる。
【００６８】
図１８に示された実施形態によれば、本明細書で開示されるハイブリッドセルは、以下を含む様々な充電モードに従って動作されてもよい。
１）１８２０にてＮｉ−Ｚｎを放電する。この時、充電電力が利用できない場合、Ｎｉ電極をセル正（＋ｖｅ）端子に接続し、Ｚｎ電極をセル負（−ｖｅ）端子に接続することにより、ＮｉＺｎを最初に放電する。１８２２にてＺｎ電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、１８２４にてセルがバイパスされるので、直列および／または並列に接続された他のセルが放電を継続できるようになる。１８２６にてＮｉ電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、１８２８にてＺｎ電極が空気呼吸カソードを用いて放電される。
２）１８２８にてＺｎ−空気を放電する。この時、１８２６にて、充電電力が利用できず、Ｎｉ電極が完全に放電されている場合、Ｚｎ電極は、空気呼吸カソードをセル正（＋ｖｅ）端子に接続し、Ｚｎ電極をセル負端子（−ｖｅ）に接続することにより、空気呼吸カソードを用いて放電を継続することになる。１８３０にてＺｎ電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、１８２４にてセルがバイパスされるので、直列および／または並列に接続された他のセルが放電を継続できるようになる。
３）１８２４にて放電バイパス。この時、セルが完全に放電されている場合、またはメンテナンスなどのためにバイパスされることが選択されている場合、すべての電極はセル端子から接続を絶たれ、セルは、例えば、セル正端子（＋ｖｅ）をセル負端子（−ｖｅ）に接続する固体スイッチを用いてバイパスされる。これにより、直列および／または並列に接続されたモジュール内の他のセルが放電を継続できるようになる。
【００６９】
上記の明細書および各例は、ある程度の独自性を持って、または１つ以上の個々の実施形態に関して説明された例示的な実施形態を提供するが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく開示された実施形態に多数の変更を加えることができる。従って、本方法およびシステムの様々な例示的実施形態は、開示された特定の形態に限定されることを意図しない。むしろ、それらは、請求項の範囲内に入るすべての変更および代替を含み、示されたもの以外の実施形態が、図示された実施形態の特徴の一部またはすべてを含んでもよい。例えば、構成要素は省略されてもよく、単体の構造として組み合わされてもよく、および／または接続関係が置換されてもよい。また、適切な場合には、上記の例のうちの何れかの態様が、記載された他の例のうちの何れかの態様と組み合わされて、同等または異なる特性および／または機能を有し、同じまたは異なる問題に対処する更なる例を形成してもよい。同様に、上記の利益および利点が、１つの実施形態に関連し得ること、またはいくつかの実施形態に関連し得ることが理解されるであろう。