(57)【要約】  燃料及び酸化剤を用いて電流を生成する充電式電気化学セルシステムが提供される。このシステムは，複数の電気化学セルを含む。コントローラはアノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加するように構成され、これによって、イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着される。コントローラは充電極と、別個のセルの燃料極の間の第３の電極とに選択的に電流を印加することによって、燃料極に電着される金属燃料の均一性を高める。コントローラはいくつかのスイッチを制御して電極に電流を印加し、システムの異なるモードを選択する。また、電気化学セルシステムを充電及び放電する方法、及び異なるモードを選択する方法が提供される。
2018508965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学セルであって、各々が
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、
前記複数の電極に結合され、前記複数のセルの放電及び充電動作を制御するコントローラと、
を備える電気化学セルシステム。
【請求項２】
前記コントローラが，
（ａ）第１の充電モードにおいて、アノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加することによって、前記イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着され、
（ｂ）第２の充電モードにおいて、少なくとも１つの充電極と燃料極との間に電流を印加するとともに、異なる数の充電極に電流を選択的に印加し、前記燃料極に電着される前記金属燃料の成長の速度及び密度に影響することによって、前記燃料極に電着される前記金属燃料の均一性を高める
ように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項３】
前記コントローラと前記複数の電極との間に作動的に結合された複数のスイッチをさらに備え、前記コントローラは前記複数のスイッチの各々について開状態及び閉状態を制御するように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記コントローラが，（ｃ）放電モードにおいて、燃料極がアノードとして機能し、前記酸化剤還元極がカソードとして機能するように、前記燃料極を負荷に接続し、酸化された燃料が前記燃料極から前記負荷に流れ、前記酸化剤還元極が任意の受け取った酸化剤を還元するようにさらに構成される、請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは標準充電モードを備え、当該標準充電モードにおいては、前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項３に記載の電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第２の充電モードは高均一性モードであり、当該高均一性モードにおいては、
前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが継続的又は断続的に閉じられて、前記第３の充電極に電流が提供される、
請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは高対流充電モードを備え、当該高対流充電モードにおいては、前記第２の充電極の各々に対応する一又は複数の第４のスイッチが継続的に又は断続的に閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項８】
高対流充電モードをさらに備え、当該高対流充電モードにおいては、前記第２の充電極の各々に対応する一又は複数の第４のスイッチが継続的に又は断続的に閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項５に記載の電気化学セルシステム。
【請求項９】
高均一性モードをさらに備え、当該高均一性モードにおいては、
前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが継続的又は断続的に閉じられて、前記第３の充電極に電流が提供される、
請求項８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１０】
前記高対流充電モードはさらに、前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチを備え、前記一又は複数の第１のスイッチは継続的又は断続的に閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供される、請求項８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは並行充電モードを備え、当該並行充電モードにおいては、
前記セルシステム内の前記第１の充電極の各々に対応する第１のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する第２のスイッチの各々が閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが閉じられて、アノードとして機能する前記第３の充電極に電流が提供され、
前記第２の充電極の各々に対応する第４のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供される、
請求項３に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは混合モードを備え、当該混合モードにおいては、前記セルシステム内の前記第１の充電極の各々に対応する第１のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の１つに対応する第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の１つに電流が提供される一方、他の燃料極に対応する他のスイッチが開かれる、請求項３に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１３】
前記燃料極が間隔を空けて配置された一連の透過性電極体を含む、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１４】
前記充電極の各々が、（ａ）前記酸化剤極、（ｂ）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間して配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料極の一部、からなる群から選択されたものである、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１５】
前記コントローラが，再充電動作を実行する間に電流が印加される充電極の数を変更するように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは少なくとも１つの入力パラメータに基づいて複数の充電モードから選択するように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１７】
前記コントローラが前記電気化学セルの状態を検知するセンサに作動的に接続され，前記入力パラメータが前記センサによって検知された前記状態である、請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１８】
前記入力パラメータがユーザ入力による入力を含む請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１９】
前記入力パラメータが制限パラメータを含み、前記コントローラがセル特性を前記制限パラメータと比較するようにさらに構成された請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２０】
前記セル特性は、電圧、累積充電容量、電極間のインピーダンス、電極電圧の勾配、電流、検知電極に対する抵抗、又は短絡事象を含む請求項１９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２１】
前記コントローラが充電／放電コントローラからなる請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２２】
第４の充電極をさらに備え、前記コントローラは当該第４の充電極に電流を印加して、放電の際にアノードとして機能させるように構成された、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２３】
電気化学セルシステムを充電する方法であって、前記電気化学セルシステムは、
複数の電気化学セルであって、各々が、
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、
前記複数の電極に結合され、いくつかの異なる充電モードから選択するように構成されたコントローラと、
を備え、
前記方法は、
ｉ．以下の（ａ）（ｂ）のいずれかによって、前記コントローラを用いて前記電気化学セルシステムを充電する工程と、
（ａ）第１の充電モードにおいて、アノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加することによって、イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着され、又は
（ｂ）第２の充電モードにおいて、少なくとも１つの充電極と燃料極との間に電流を印加するとともに、異なる数の充電極に電流を選択的に印加し、前記燃料極に電着される金属燃料の成長の速度及び密度に影響することによって、前記燃料極に電着される前記金属燃料の均一性を高める、
ｉｉ．前記充電する工程を停止するべく、電流を遮断する工程と、
を含む方法。
【請求項２４】
前記第１の充電モードは標準充電モードであり、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第１の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の充電モードは高均一性モードであり、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加し、前記第３の充電極に継続的又は断続的に電流を印加することによって、電流を有する前記充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の充電モードは高対流充電モードであり、前記充電する工程は、前記第２の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第２の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
高対流充電モードをさらに備え、前記充電する工程は、前記第２の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第２の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
高均一性モードをさらに備え、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加し、前記第３の充電極に継続的又は断続的に電流を印加することによって、電流を有する前記充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の充電モードは並行充電モードであり、前記充電する工程は、前記第１、第２、第３の充電極の各々に電流を同時に印加することによって、前記第１、第２、第３の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の充電モードは混合モードであり、前記充電する工程は、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流を印加する工程を含み、前記燃料極の１つがカソードとして機能する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記混合モードにおいて、前記方法は、第１の充電極の状態に関する少なくとも１つの入力パラメータの受け取りが調整ユニットへの給電を指示するまで電流を印加する工程を含み、前記少なくとも１つの入力パラメータの受け取りの後、前記調整ユニットにおける前記第１の充電極への電流の印加を中断する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記コントローラと前記各電極との間で作動的に結合された複数のスイッチを切り換えて、選択された充電モードに基づいて前記電気化学セルを充電する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記燃料極が間隔を空けて配置された一連の透過性電極体を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記充電極の各々が、（ａ）前記酸化剤極、（ｂ）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間して配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料極の一部、からなる群から選択されたものである、請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記コントローラにおいて少なくとも１つの入力パラメータを受け取る工程をさらに含み、前記コントローラは少なくとも１つの入力パラメータに基づいて複数の充電モードから選択するように構成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３６】
前記コントローラに結合されたセンサによって前記電気化学セルの状態を検知する工程をさらに含み、前記入力パラメータは前記センサによって入力される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記入力パラメータがユーザ入力によって入力される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
セル特性を前記入力パラメータと比較する工程をさらに含み、前記入力パラメータは制限パラメータを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記セル特性は、電圧、累積充電容量、電極間のインピーダンス、電極電圧の勾配、電流、検知電極に対する抵抗、又は短絡事象を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記コントローラが充電／放電コントローラからなる、請求項２３に記載の方法。
【請求項４１】
電気化学セルシステムを放電する方法であって、前記電気化学セルシステムは、
複数の電気化学セルであって、各々が、
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの電極と接触するイオン伝導性媒質と、
前記複数の電極に結合され、いくつかの異なる充電モードから選択するように構成されたコントローラと、
を備え、
前記方法は、
前記コントローラを用いて前記電気化学セルシステムを放電し、当該システム内の前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つを一定時間充電しながら当該システム内の残りの電気化学セルを放電する工程を備え、
前記少なくとも１つの電気化学セルを充電する工程は、カソード電位の前記燃料極のうちの一又は複数とアノード電位の前記充電極のうちの１つとの間に電流を印加することによって、前記イオン伝導性媒質から酸素が発生して前記燃料極が充電される際に少なくとも１つの電気化学セル内に対流を発生させる工程を含む、方法。
【請求項４２】
電気化学セルであって、
燃料極と、
酸化剤極と、
酸素発生電極と、
外部酸素に暴露された酸化剤還元空気電極と、
前記各電極に共通でありかつ接触する水性のイオン伝導性媒質と、
を備え、
前記燃料極及び前記酸化剤極は放電モードで動作可能であり、当該動作において、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力し、
前記酸素発生電極及び前記酸化剤還元空気電極は、両者の間に電流を印加することによって前記水性のイオン伝導性媒質内に対流を発生させるように動作可能であり、当該動作において、前記酸素発生電極はアノードとして作用して、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することにより前記セル内で酸素を発生して対流を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する、電気化学セル。
【請求項４３】
アノード電位の電流を前記酸素発生電極に提供し、カソード電位の電流を前記酸化剤還元空気電極に提供することによって、前記対流を発生させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項４２に記載の電気化学セル。
【請求項４４】
電気化学セルを放電する方法であって、前記セルは燃料極と、酸化剤極と、酸素発生電極と、外部酸素に暴露された酸化剤還元空気電極と、前記各電極に共通でありかつ接触する水性のイオン伝導性媒質と、を備え、前記方法は、
前記燃料極及び前記酸化剤極を放電モードで動作させる工程であって、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力する工程と、
前記酸素発生電極と前記酸化剤還元空気電極との間に電流を印加することによって、前記水性のイオン伝導性媒質内に対流を発生させる工程であって、前記酸素発生電極はアノードとして作用し、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することによって酸素を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する、工程と、
を備える方法。
【請求項４５】
前記セルは電流を電源から前記各電極に提供するように構成されたコントローラをさらに備え、前記方法は前記コントローラを使って、
アノード電位の電流を前記酸素発生電極に提供し、
カソード電位の電流を前記酸化剤還元空気電極に提供して前記対流を発生させる
工程をさらに備える、請求項４４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、米国特許仮出願第６２／１３５，５１１号（２０１５年３月１９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。
【０００２】
本発明は、電着金属燃料を備える電気化学セルに関し、特に、より均一な金属燃料めっきを可逆的に生成するための電気化学セルシステムの構成及び運用に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属−空気電池、鉛蓄電池及びニッケル亜鉛電池のような金属を燃料として使用した様々な種類の電気化学セルが知られている。例えば、典型的な金属−空気電池は、金属燃料が酸化される燃料極と、放電モード時に周囲空気内の酸素が還元される空気極（カソード）とを備える。充電モードでは、金属燃料が還元されて燃料極において電着し、後の放電プロセスのために金属燃料が蓄えられる。同時に、金属酸化物から解離した酸化剤のイオンを充電極が酸化すると、酸素ガスが発生する。電気化学セルは、酸化イオン／還元イオンの反応を助けるための電解質を備える。
【０００４】
電着金属燃料は電解質内に電界が発生した結果堆積される。燃料極の周りの電流の分布は、その表面に電気めっきされる金属燃料の厚さ及び均一性に影響する。例えば、燃料電極の縁部及び角部は、一般に、比較的高い電界、言い換えれば比較的高い電位、比較的高い金属燃料電着速度、したがってデンドライト形成の比較的高い可能性によって特徴付けられる。
【０００５】
とりわけ、本出願は、より均一な金属燃料めっきを可逆的に製造するために電着された金属燃料を含む電気化学セルを効果的かつ改善した方法で作動させることを試みている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一態様によって，燃料及び酸化剤を用いて電流を生成する充電式電気化学セルシステムが提供される。このセルシステムは，複数の電気化学セルを含む。各電気化学セルは、燃料極と、燃料極から離間した酸化剤極と、酸化剤極と燃料極との間に位置する第１の充電極と、前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、を備える。セルシステムは、別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、前記複数の電極に結合されたコントローラと、をさらに含む。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、電気化学セルシステムを充電する方法が提供される。このセルシステムは，複数の電気化学セルを含む。各電気化学セルは、燃料極と、燃料極から離間した酸化剤極と、酸化剤極と燃料極との間に位置する第１の充電極と、前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、を備える。セルシステムは、別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、前記複数の電極に結合されたコントローラと、をさらに含む。このコントローラはいくつかの異なる充電モードから選択するように構成される。このコントローラは以下の（ａ）（ｂ）のいずれかによって、電気化学セルに充電するように構成される。（ａ）アノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加することによって、イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着され、又は（ｂ）少なくとも１つの充電極と燃料極との間に電流を印加するとともに、少なくとも１つの充電極に電流を選択的に印加し、前記燃料極に電着される金属燃料の成長の速度及び密度に影響することによって、前記燃料極に電着される前記金属燃料の均一性を高める。この方法は，前記充電する工程を中断するために前記電流を遮断する工程をさらに備える。
【０００８】
コントローラは、標準充電モード、高均一性モード、高対流充電モード、並行充電モード、及び混合モードを含む複数の充電モードから選択するように構成される。また、コントローラは複数の放電モードから選択する。
【０００９】
さらに別の態様によれば、複数の電気化学セルを含む電気化学セルシステムを放電する方法が提供される。システム内の各電気化学セルは、燃料極と、燃料極から離間した酸化剤極と、酸化剤極と燃料極との間に位置する第１の充電極と、前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの電極と接触するイオン伝導性媒質と、を備える。コントローラは複数の電極と結合される。コントローラはいくつかの異なる充電モードから選択するように構成される。前記方法は、前記コントローラを用いて前記電気化学セルシステムを放電し、当該システム内の前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つを一定時間充電しながら当該システム内の残りの電気化学セルを放電する工程を備え、前記少なくとも１つの電気化学セルを充電する工程は、カソード電位の前記燃料極のうちの一又は複数とアノード電位の前記充電極のうちの１つとの間に電流を印加することによって、前記イオン伝導性媒質から酸素が発生して前記燃料極が充電される際に少なくとも１つの電気化学セル内に対流を発生させる工程を含む、方法。
【００１０】
別の態様によれば、燃料極と、酸化剤極と、酸素発生電極と、外部酸素に暴露された酸化剤還元空気電極と、前記各電極に共通でありかつ接触する水性のイオン伝導性媒質と、を備える電気化学セルが提供される。前記燃料極及び前記酸化剤極は放電モードで動作可能であり、当該動作において、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力する。前記酸素発生電極及び前記酸化剤還元空気電極は、両者の間に電流を印加することによって前記水性のイオン伝導性媒質内に対流を発生させるように動作可能であり、当該動作において、前記酸素発生電極はアノードとして作用して、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することにより前記セル内で酸素を発生して対流を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する。
【００１１】
さらに別の態様によれば、電気化学セルを放電する方法が提供される。この方法は、前記セルの前記燃料極及び前記酸化剤極を放電モードで動作させ、この動作において、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力する工程と、前記セルの前記酸素発生電極と前記酸化剤還元空気電極との間に電流を印加することによって、水性のイオン伝導性媒体内に対流を発生させる工程と、を含む。前記酸素発生電極はアノードとして作用して、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することにより前記セル内で酸素を発生して対流を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する。
【００１２】
コントローラを用いて上述のいずれかのモードを選択することによって、放電中に継続的又は断続的に対流を発生させることができる。
【００１３】
本発明の他の特徴及び利点が、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】
【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。
【００１５】
【図１】一実施形態に従う、２つの電気化学セルを備える電気化学セルシステムの断面概略図である。
【００１６】
【図２】一実施形態に従う、図１に示すバイセル又はシステムを複数接続したシステムを示す図である。
【００１７】
【図３】一実施形態に従うバッテリの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の非限定的な実施形態例として、図１に、電気化学セルシステム１００の概略的な断面図を示す。図に示すように、電気化学セルシステム１００の構成要素は、一定量のイオン伝導性媒質を収容するように構成され参照番号１０４で概略的に示された内部電池室を画定する付随するハウジング１０２内に少なくとも部分的に収容され得る。一実施形態において、別個の複数のハウジング１０２を連結して、これら複数のハウジング１０２にわたって分布するイオン伝導性液体を共有してもよく、イオン伝導性液体が複数のハウジング１０２間で循環するようにしてもよい（例えば、流体ポンプによって駆動させる）。一実施形態において、システム１００は、共有される一つのハウジング１０２内に収容されその中で循環してセルシステム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。より具体的には、以下にさらに説明するように、実施形態に従って、共有されるハウジング１０２は、２つのセル１１０ａ，１１０ｂ、すなわちバイセルを収容し、イオン伝導性媒質がセル１１０ａ，１１０ｂの両方に共有されるように構成される。一実施形態において、ハウジング１０２内の液体イオン伝導性媒質の量は、液位Ｌに達してもよい。イオン伝導性媒質は時にハウジング１０２内で、例えば停滞領域において、概ね静止しているものの、セルシステム１００はイオン伝導性媒質の対流を生成するように構成されていることが理解できる。一部の実施形態では、イオン伝導性媒質の流れは、セル１００内で発生したガスの泡によって生成される対流であってもよく、これは例えば、米国特許第８，９０６，５６３号及び第９，２６９，９９６号、及び米国特許出願公開第２０１３／０１１５５２３号に記載されており、これら特許及び出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。電気化学セル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、セル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、電気化学セルシステム１００は、米国特許第８，１６８，３３７号、第８，３０９，２５９号、第８，４９１，７６３号、第８，４９２，０５２号、第８，６５９，２６８号、第８，８７７，３９１号，第８，８９５，１９７，第８，９０６，５６３号，第８，９１１，９１０号，第９，１０５，９１０号，第９，１０５，９４６号，第９，１７８，２０７号，第９，２６９，９９５号，第９，２６９，９９６号，米国特許出願公開第２０１０／０３１６９３５号，第２０１１／００７０５０６号，第２０１１／０２５０５１２号，第２０１２／０３２１９６９号，第２０１３／０１１５５２３号，第２０１３／０１１５５２６号，第２０１４／００９１６３１号，第２０１４／０２２７６１５号，及び第２０１５／０１０４６７９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。
【００１９】
セルシステム１００の一実施形態において、図１に示すように、複数のセル１１０が共通のハウジング１０２に共に収容されてもよい。このような組み立てによりエネルギー及び／又は電力密度を向上させ、各セルから生成される気泡の相互作用に基づいて所望の流れ方向が得やすくなり、及び／又は個別の部品の数が減るため又はその他の理由により生産コストを下げることもできる。図１の組立体には２つのセル１１０ａ，１１０ｂ（サブセルとも称する）が収容され、そのためこのシステムはバイセル１００という。図１に示すように、２つのサブセル（個別にいえばセル１１０ａ，１１０ｂ）はバイセル１００を規定し、共通のイオン伝導性媒質に含まれることが理解されよう。他の実施形態には追加のセルを含めることもできる（すなわち、トライセル（ｔｒｉ−ｃｅｌｌ）、クアッドセル（ｑｕａｄ−ｃｅｌｌ）、ペンタセル（ｐｅｎｔａ−ｃｅｌｌ）などを形成する）。他の実施形態では、各セル１１０ａ，１１０ｂは別々のハウジング内に収容されてもよく、これらのハウジングは別個の容積のイオン伝導性媒質を収容するように構成された内部電池室をそれぞれ画定する。これら別々のハウジングは結合され、その全体に亘って分布するイオン伝導性媒質を共有してもよい。このような構成において、例えば、各セルは共通の電子部品、スイッチ、回路、及び／又はコントローラを共有してもよい。
【００２０】
一部の実施形態では、複数のセル１１０は共通の電極を共有してもよい。他の実施形態、例えば、図１の実施形態では、各セル１１０ａ，１１０ｂは対応する燃料極１１２ａ，１１２ｂ、酸化剤極１１４ａ，１１４ｂ、及び充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ｂ１，１１６ｂ２（互いに離間している）を収容する。図１に示すように、燃料極１１２ａ、酸化剤極１１４ａ、及び充電極１１６ａ１，１１６ａ２はセル１１０ａと対応する。同様に、燃料極１１２ｂ、酸化剤極１１４ｂ、及び充電極１１６ｂ１，１１６ｂ２はセル１１０ｂと対応する。充電極１１６ａｂ３は共通の電極であり、セル１１０ａ，１１０ｂによって共有される。一部の実施形態において、共通の充電極１１６ａｂ３はなくてもよい。一部の実施形態では、一のセル１１０の燃料極１１２は、その他のセル１１０と関連付けられた酸化剤還元極１１４及び／又は充電極１１６における電気化学的反応に関わる場合が考えられることは明らかである（例えば、セル１１０ａと関連付けれらた燃料極１１２ａが、セル１１０ｂと関連付けられた酸化剤還元極１１４ｂ及び／又は充電極１１６ｂと接続されてもよい）。セル１１０ａ及びセル１１０ｂは異なるセルとして記述されているが、一又は複数の態様において、これらのセルの電極は全体として単一のセルとして機能してもよい。例えば、燃料極１１２ａ，１１２ｂは共同で放電し、酸化剤極１１４ａ，１１４ｂは共同で酸化剤を還元してもよい。後述のように、他の一又は複数の態様においてはセル１１０ａ，１１０ｂは別々に作動することもできるため、これらのセルは異なるセルとして記述される。よって、これらのセルを異なる別個のものとして言及しても、これらのセルがすべての態様で電気化学的な意味において完全に別個又は異なるものであることを意味しない。後述のように、電気化学的な意味において異なるセルが共通の電極を共有してもよい。例えば、２つの酸化剤極が共通の燃料極を共有する場合でも、異なる電気化学の対が存在するため、これらはやはり２つのセルであり得る。
【００２１】
セルシステム１００の燃料極１１２ａ，１１２ｂは、イオン伝導性媒質に接触するように内部電池室１０４内で支持されてもよい。一実施形態において、燃料極１１２ａ，１１２ｂの各々は、セルシステム１００の放電時又は電力生成モード時にはアノードとして機能し、セルシステム１００の充電時又は電力消費モード時にはカソードとして機能する金属燃料極である。燃料は、イオン伝導性媒質に懸濁した粒子としてバイセル１００に供給されてもよい。燃料極は、透過性電極体（メッシュ、スクリーン等）として設けられてもよい。透過性電極体は、電着により又は他の方法により、電池室１０４を通過するか又は他の態様で電池室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任意の組成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）により形成されたスクリーンを含み得る。透過性電極体の構成及び動作については、先に参照により組み込まれた米国特許、特許出願公開、特許出願第８，１６８，３３７号、第８，３０９，２５９号、第８，６５９，２６８号、第２０１１／００７０５０６号、第９，１７８，２０７号、第９，１０５，９４６号、第８，９１１，９１０号に記載されている。
【００２２】
セル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、鉛、カドミニウム、ニッケル又はリチウムなどの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、半金属、貧金属、遷移後及び遷移金属を含む、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。
【００２３】
図１に示す実施形態では、各セル１１０ａ，１１０ｂに対して単一の燃料極１１２ａ，１１２ｂが関連付けられているが、別の実施形態では、全内容が参照により本明細書に組み入れられた米国特許第８，３０９，２５９号、第８，９１１，９１０号、及び第９，１７８，２０７号明細書に記載されるように、燃料極１１２ａ，１１２ｂは、複数の離間した透過性電極体によって構成されていてもよい。例えば、上記で参照により組み込まれた米国特許第８，６５９，２６８号明細書に記載されるように、複数の電極体は階段状の構成となるように異なる大きさを有してもよいし、他の実施形態においては、電極は実質的に同じ大きさを有してもよい。ある実施形態では、共通燃料極は、複数の隣接するセル１１０ａ，１１０ｂの燃料極であってもよい。例えば、図示の実施形態において、燃料極１１２ａ及び燃料極１１２ｂを、セル１１０ａ及びセル１１０ｂが共有する共通燃料極で置き換え、共通充電極１１６ａｂ３が存在しなくてもよい。
【００２４】
酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂは任意の適切な構造及び構成を有してもよい。一実施形態において、各酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂは電気化学セルシステム１００内での酸素還元をサポートするように構成されており、セルシステム１００の放電中に燃料極１１２ａ，１１２ｂと電位差を生じるように構成される。この酸化剤還元極は金属−空気電気化学セル内で用いられてもよい。他の実施形態において、酸化剤還元極はＮｉ−Ｚｎ、鉛−酸、Ａｇ−Ｚｎ、及びＮｉ−Ｃｄなどの他のタイプの電気化学セル用に構成されてもよい。
【００２５】
一実施形態において、各酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂは「活性材料」として特徴づけられるメッシュ又はコーティングを有する活性層を含んでもよい。活性材料は、酸素還元に関連する電気化学反応を促進する。従って、一実施形態において、酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂは、活性材料がイオン伝導性媒質と接触して、燃料極１１２ａ，１１２ｂとの間でイオンが相互に伝導されるように、電池室１０４内に配置される。一部の実施形態において、酸化還元極の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、一の又は複数の金属及び／又はその酸化物によって構成されてもよく、例えば、これら限定されないが、マンガン、銀、ニッケル、プラチナ、ランタン、ストロンチウム及びコバルト等によって構成されてもよい。酸化剤極についての更なる詳細については、上記で全内容が本明細書に組み入れられた米国特許出願公開第２０１３／０１１５５２３号、第２０１３／００２２８８１号、第２０１３／０１１５５２５号及び第２０１３／０１１５５２６号を参照されたい。
【００２６】
一実施形態において、酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂは封止されるか又はその他の方法で組み立てられて酸化剤還元極モジュールとなり、これが電池室１０４内のイオン伝導性媒質に浸漬される。少なくとも一つの空気流路（個別には、図１の空気流路１１８ａ，１１８ｂ）が酸化還元極モジュール内へと延出して、酸化還元極１１４ａ，１１４ｂへと空気又はその他の酸化剤を供給する。このような構成の詳細については、上記で全内容が参照により本明細書に組み入れられた米国特許出願公開第２０１３／０１１５５２３号明細書に記載されている。
【００２７】
図に示すように、少なくとも１つの別個の充電極を有する実施形態において、充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ｂ１，１１６ｂ２は様々な位置に配置される。図１に示す実施形態では、充電極は各酸化剤還元極と燃料極との間に配置される。特に、充電極１１６ａ２はセル１１０ａ内の酸化剤還元極１１４ａと燃料極１１２ａの間に配置される。同様に、充電極１１６ｂ２はセル１１０ｂ内の酸化剤還元極１１４ｂと燃料極１１２ｂの間に配置される。この配置によりいかなるデンドライト形成においても、燃料極１１２ａ，１１２ｂからそれぞれ対応する酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂへの架橋を防ぐことができる。これは、酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂに向かって成長する燃料が最初に充電極１１６ａ２，１１６ｂ２に接触し、燃料と充電極とが短絡するためである。様々な機能の中で、充電極１１６ａ２，１１６ｂ２は、再充電中の酸素発生によって、イオン伝導性媒質のガス発生による循環を提供することもできる。
【００２８】
加えて、図１に示す実施形態では、各セル１１０ａ，１１０ｂに関連付けられた他の別個の充電極は、燃料極に面する側と反対側の酸化剤還元極の遠位側に配置される。すなわち、充電極１１６ａ１は、セル１１０ａ内の燃料極１１２ａと対向する側とは反対側の酸化剤還元極１１４ａの遠位側に位置する。同様に、充電極１１６ｂ１は、セル１１０ｂ内の燃料極１１２ｂと対向する側とは反対側の酸化剤還元極１１４ｂの遠位側に位置する。酸化剤還元極１１４ａ、１１４ｂの遠位側の充電極１１６ａ１，１１６ｂ１のこのような配置により、各第２充電極をアノードとして機能させ、燃料極１１２ａ、１１２ｂをカソードとして機能させるように、各充電極１１６ａ１，１１６ｂ１に電流を印加することができる。様々な機能の中で、充電極１１６ａ１，１１６ｂ１はイオン伝導性媒質の循環に影響を与えることもできる。
【００２９】
図１に示す実施形態は、燃料極１１２ａ，１１２ｂの間に配置された共通充電極１１６ａｂ３をさらに含む。充電極１１６ａｂ３は、燃料極１１２ａ，１１２ｂに対してより均一な電界を提供し、また、燃料極間の粗い又は樹枝状の成長を低減または阻止することができる。
【００３０】
燃料極１１２ａ，１１２ｂの場合と同様に、充電用電極１１６ａ２，１１６ｂ２，１１６ａ１，１１６ｂ１は電池室１０４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。充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ｂ１，１１６ｂ２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、セル１１０ａ，１１０ｂの充電中に、酸化した金属燃料種の還元及び燃料極１１２ａ，１１２ｂ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、充電極１１６ａ２，１１６ｂ２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、電気化学セル１１０ａ，１１０ｂの充電中に充電極１１６ａ２，１１６ｂ２で進行する還元処理によってガス種（Ｏ2）が発生するからである。
【００３１】
充電の間に生成される気泡は、充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ｂ１，１１１６ｂ２上で発生しそこから液体電解質の液位Ｌに向かって上昇することにより、イオン伝導性媒質の流れを生じる。一実施形態において、矢印１２０によって概略的に示された流れのパターンが発生する。イオン伝導性媒質のその他の様々な流れのパターンが可能であり、例えば、上記で引用した米国特許第８，９０６，５６３号及び第９，２６９，９９６号に記載されたパターンが挙げられる。さらに、図１には示されていないが、一部の実施形態では、拡散器、流れ転向体又はその他の流れ変更体を実装してもよい。形成される流れのパターンは、どの充電極がアノード電位を受けてガス種（例えば、Ｏ2）を発生させているかに依存し、したがって、異なる流れパターンを異なる態様で作り出すことができる。
【００３２】
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、水酸化リチウム又は塩化リチウムを含む水溶液が含まれる。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、電解質を含み得る。例えば、先に参照によって組み込まれた米国特許第８，８９５，１９７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第８，８７７，３９１号及び特許出願公開第２０１２／０３２１９６９号明細書に記載されたような、燃料極１１２ａ，１１２ｂ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、例えば、燃料粒子のデンドライトの成長を抑制し、放電時に燃料極１１２ａ，１１２ｂから燃料粒子が分離する可能性を低減する、及び／又は、セルシステム１００内部の電極間での望ましくない電気的接触が発生する可能性を低減する。
【００３３】
様々な非限定的な実施形態において、燃料極１１２ａ，１１２ｂ、酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂ、及び別個に設けられた充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ｂ１，１１６ｂ２を、スイッチング・システム（図１に概略的に示す）によって接続してもよく、当該スイッチング・システムは、セル１１０ａ，１１０ｂ及びセルシステム１００を電源ＰＳ、負荷又は他のセルと直列及び／又は並列に接続するように構成されている。当業者であれば、負荷は外部負荷であり、例えば、放電中には図示の電源ＰＳの位置にあることを理解されたい。
【００３４】
放電中に、燃料極１１２ａ，１１２ｂ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１１２ａ，１１２ｂ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。酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂ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、酸化剤還元極１１４ａ，１１４ｂと接触する酸化剤、特にセル１１０ａ及びセル１１０ｂの周囲の空気中の酸素、セル１１０ａ，１１０ｂ内に供給される酸素又はセル１１０ａ，１１０ｂから再循環される酸素を還元するように構成される。
【００３５】
放電反応はまた、燃料を酸化する燃料電極と、還元反応に関与する酸化剤電極とを含むことができる。これらの反応には、Ｐｂ−酸、Ｎｉ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−Ｆｅバッテリなどのバッテリーセルで生じる電気化学反応が含まれるが、これらのバッテリに限定されない。例示的な実施形態を、図３を参照して以下により詳細に説明する。
【００３６】
充電中に、各燃料極１１２ａ，１１２ｂがそれぞれスイッチＳ112a，Ｓ112bを介して電源ＰＳに接続されてカソードとして動作することで、イオン伝導性媒質内の燃料種（例えば、酸化された燃料イオン）が還元され、燃料極１１２ａ，１１２ｂにおいて電着される。充電極１１６ａ２，１１６ｂ２は、スイッチＳc1，Ｓc2によって電源ＰＳに結合され、充電中にアノードとして機能し、特にイオン伝導性媒質中に酸素を放出することによって、充電極１１６ａ２，１１６ｂ２に接触するイオン伝導性媒質中の酸化剤種（例えば、還元された酸素イオン）を酸化させる。様々なスイッチングシステム構成及びその動作が可能であり、例えば、先に参照した米国特許第８，３０９，２５９号、第８，９１１，９１０号、第９，１０５，９４６号、第９，１７８，２０７号、及び米国特許出願公開第２０１１／００７０５０６号、及び第２０１１／０２５０５１２号明細書に記載されている。
【００３７】
図１に示す実施形態において、スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1はそれぞれ充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ａｂ３，１１６ｂ２，１１６ｂ１に対応している。スイッチＳ112a，Ｓ112bは、それぞれ燃料電極１１２ａ，１１２ｂと対応している。スイッチＳc1，Ｓc2は、充電極に対応し、充電極及び／又は充電極と酸化剤電極との間に電流を供給することができる。スイッチは電極とコントローラ、電源ＰＳ、及び／又は負荷との間の電気的接続を提供する（又は制限する）。図１のスイッチの描写は単なる模式的な表現であり、したがって、スイッチの位置、配置、又は（各電極との）対応関係を限定することを意図するものではない。
【００３８】
スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1，Ｓc1，Ｓc2，Ｓ112a，Ｓ112bはコントローラによって制御される。すなわち、コントローラは各スイッチの開状態及び閉状態を制御するように構成されている。以下でさらに詳細に説明するように、充電モード中、コントローラはアノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に（電源ＰＳからの）電流を印加し、これによりイオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元され、燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着される。コントローラは、少なくとも１つの入力パラメータに基づいて少なくとも１つの充電極に電流を選択的に印加して、燃料極に電着される金属燃料の成長の速度と密度に影響することによって、燃料極に電着される金属燃料の均一性を高めるように構成されている。コントローラは、任意の構造及び構成をとることができる。コントローラは、セルを放電モードと充電モードのいずれにするか決定する入力に基づいてスイッチを単純に操作するハードワイヤード回路を含む。コントローラは、より複雑な決定を実行するためのマイクロプロセッサを任意の構成として備えてもよい。コントローラは、負荷と電源ＰＳとの間の接続を管理する機能を有してもよい。
【００３９】
コントローラは、センサ（図１には図示せず）に動作可能に接続されてもよい。センサは、電圧、累積充電容量、インピーダンス、電流、及び抵抗を含む電気化学セルの状態を感知することができる。センサは電気化学セルの他の状態を感知してもよい。コントローラはセルの動作を決定する際にセンサによって感知された状態を入力として用いてもよい。あるいは、コントローラはユーザによって入力された入力パラメータを使用してセルを操作してもよい。コントローラは、セル特性を制限パラメータと比較するように構成することができる。セル特性は、電圧、累積充電容量、電極間インピーダンス、電極電圧の勾配、傾き変化率、電流、検知電極に対する抵抗、又は短絡事象を含むことができる。
【００４０】
いずれの実施形態においても，スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1，Ｓc1，Ｓc2，Ｓ112a，Ｓ112b（又は本明細書において開示されているその他の任意のスイッチ）は，いかなる種類のものであってもよく，スイッチという語は，開示されているモード又は状態を切り替えることができる任意の装置を広く指し示すことを意図している。例えば、スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1，Ｓc1，Ｓc2，Ｓ112a，Ｓ112bのうちの任意のもの又はそのすべては、図１の実施形態に示すような単極単投（ＳＰＳＴ）型であってもよい。これらのスイッチは、回転式，スライド式，又はラッチリレー式のいずれの方式であってもよい。また、半導体スイッチ又はその他のソリッドステートスイッチを用いることもできる。スイッチは、電気的に作動されてもよく（電気化学リレー）、磁気的に作動されてもよい。これら以外の当業者に明らかな作動方法を用いることもできる。これら以外にも任意の好適な種類のスイッチを用いることができ，本明細書に開示された例は限定的なものではない。
【００４１】
セルシステム１００の充放電中に発生する電気化学的反応は、酸化還元（レドックス）反応であることは明らかである。例えば、金属燃料が亜鉛である一実施形態では、イオン伝導性媒質は、亜鉛燃料として燃料極１１２ａ，１１２ｂにめっきされる還元可能亜鉛を含む。このような一実施形態では、還元反応が燃料極１１２（還元部位）において発生し、Ｚｎ（ＯＨ）42-＋２ｅ-→Ｚｎ＋４ＯＨ-と表され得る。対応する酸化反応は充電極１１６ａ２，１１６ｂ２で発生し、２ＯＨ-→Ｈ2Ｏ＋１／２Ｏ2＋２ｅ-と表され得る。したがって、充電極１１６ａ２，１１６ｂ２は、セルシステム１００内で酸素ガスを生成することが理解でき、このことから酸素発生電極と特徴付けられる。また、一部の実施形態では、異なる金属燃料が使用され、この場合には、酸素ガス又は別の気体をセルシステム１００内で発生させる異なる化学反応が起きる。別の例として、燃料極はＺｎであり、充電極はＮｉ−Ｚｎ電気化学セルを形成するニッケル電極として特徴付けることができる。例えば、充電極反応は、２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→２Ｎｉ（ＯＨ）2＋２ＯＨ-と表され得る。
【００４２】
金属燃料が亜鉛である一実施形態では、酸化反応は化学反応式Ｚｎ→Ｚｎ2+＋２ｅ-と表すことができる。亜鉛イオンは、イオン伝導性媒質中の水酸化イオンと結合して、Ｚｎ2+＋４ＯＨ-→Ｚｎ（ＯＨ）42-となる。ジンケート（Ｚｎ（ＯＨ）42-）は、イオン伝導性媒質中を流れて、後にセルシステム１００が充電される時に燃料極１１２ａ，１１２ｂにおいて亜鉛燃料へと還元可能な状態となる。酸化された亜鉛はまた、イオン伝導性媒質中に酸化亜鉛沈殿物（ＺｎＯ）を形成し得る。
【００４３】
セル１００の充電及び放電中の燃料の成長及び消費は、様々な要因によって影響され得る。そのような要因の１つが、燃料極の周囲の電流の分布である。特に、燃料極の周囲の電界設定は、電極上の電気めっきされた金属の厚さ及び均一性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、燃料電極の縁部及び角部は、一般に、比較的高い電界、言い換えれば比較的高い電位、比較的高い金属燃料電着速度、したがってデンドライト形成の比較的高い可能性によって特徴付けられる。後述するように、セル内の電流分布を制御するために、充電極に対して燃料極を適切に配置することによって、特定の領域における高電流密度を均質化して低減し、これが角部及び突起部における電着速度を低下させ、金属燃料メッキ層を平坦化して、燃料電極上により均一な厚さの堆積物を形成することができる。
【００４４】
後に詳述するが、複数のスイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1，Ｓc1，Ｓc2，Ｓ112a，Ｓ112bはコントローラにより、システム１００内のセル１１０ａ，１１０ｂが様々な充電モードで動作してセル内の電界を制御するように制御される。スイッチの閉位置への移動により、電源ＰＳから、例えばそれぞれの対応する電極へ電流が供給される。充電モードには、以下が含まれる（各充電モードにおいて充電中の燃料極にカソード電位が印加される）。
【００４５】
（１）標準充電モード標準モードでは、スイッチは、燃料極１１２ａ、１１２ｂと酸化剤還元極１１４ａ、１１４ｂとの間に配置される充電極１１６ａ２，１１６ｂ２にアノード電位の電流が印加されるように構成される。また、燃料極１１２ａ、１１２ｂには、カソード電位の電流が印加される。各充電極１１６ａ２，１１６ｂ２はアノードとして機能し、燃料極１１２ａ、１１２ｂはカソードとして機能し、還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａ、１１２ｂに電着される。図１の実施形態において、セル１１０ａについては、電流が充電極１１６ａ２に印加されるようにスイッチＳa2が閉じられる。また、スイッチＳ112aを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ａにカソード電位の電流を印加する。充電極１１６ａ２はアノードとして機能し、燃料極１１２ａはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａに電着される。同様に、セル１１０ｂについては、電流が充電極１１６ｂ２に印加されるようにスイッチＳb2が閉じられる。スイッチＳ112bを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ｂにカソード電位の電流を印加する。充電極１１６ｂ２はアノードとして機能し、燃料極１１２ｂはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ｂに電着される。スイッチＳa2，Ｓb2は、両方の充電極１１６ａ２，１１６ｂ２によって共有される共通の電流に結合することができる。
【００４６】
（２）高均一性モード高均一性モードでは、標準充電モードの場合と同様に、やはり燃料極１１２ａ、１１２ｂと酸化剤還元極１１４ａ、１１４ｂとの間に位置する充電極１１６ａ２，１１６ｂ２に、アノード電位の一定の電流を印加し、燃料極１１２ａ，１１２ｂにカソード電位の一定の電流を印加するようにスイッチを構成する。また、セル１１０ａ、１１０ｂの燃料極１１２ａ、１１２ｂの間に位置する充電電極１１６ａｂ３には、断続的又は一定のカソード電位の電流が印加される。図１の実施形態において、標準充電モード（１）で上述したように、スイッチＳa2，Ｓb2は、電流が充電極１１６ａ２，１１６ｂ２に印加されるように閉じられる。スイッチＳ112a，Ｓ112bを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ａ，１１２ｂに（それぞれ）カソード電位の電流を印加する。一実施形態では、スイッチＳ3は、断続的に電流が充電極１１６ａｂ３に印加されるように、コントローラによってパルス状に断続的に開閉される。あるいは、一実施形態において、スイッチＳ3を一定期間閉状態のままにすることによって、電流を充電極１１６ａｂ３に常時印加してもよい。充電極１１６ａｂ３への電流は、燃料極１１２ａ，１１２ｂの周囲の電界を変化させて、電流密度の分布の均一性を高め、燃料極１１２ａ，１１２ｂ上のより均一な金属燃料電着をもたらす。
【００４７】
（３）高対流充電モード高対流充電モードでは、スイッチは、燃料極１１２ａ、１１２ｂと対向する側とは反対側に配置されている、それぞれ対応する（それぞれの）酸化剤還元極１１４ａ、１１４ｂの遠位側に位置する充電極１１６ａ１，１１６ｂ１にアノード電位の電流が印加されるように構成される。各充電極１１６ａ１，１１６ｂ１はアノードとして機能し、各燃料極１１２ａ、１１２ｂはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａ、１１２ｂに電着される。図１の実施形態において、セル１１０ａについては、電流が充電極１１６ａ１に印加されるようにスイッチＳa1が閉じられる。また、スイッチＳ112aを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ａにカソード電位の電流を印加する。充電極１１６ａ１はアノードとして機能し、燃料極１１２ａはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａに電着される。同様に、セル１１０ｂについては、スイッチＳb1を閉じて充電極１１６ｂ１に電流を印加し、スイッチＳ112bを閉じて電源ＰＳから燃料極１１２ｂにカソード電位の電流を印加する。充電極１１６ｂ１はアノードとして機能し、燃料極１１２ｂはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ｂに電着される。遠位充電極１１６ａ１，１１６ｂ１は、セル内に発生したガスの泡を生成して、イオン伝導性媒質の対流を生じる。充電極１１６ａ１，１１６ｂ１の充電の間に生成される気泡は、充電極１１６ａ１，１１６ｂ１上で発生しそこから液体電解質の液位Ｌに向かって上昇することにより、イオン伝導性媒質の流れを生じる。高対流充電モードは、燃料極１１２ａ，１１２ｂ上のより均一な金属燃料堆積を促進し、セル内の金属燃料イオンの濃度勾配を回避する手段として、電解質の局所的な停滞を防止することができる。一部の実施形態では、スイッチＳa1，Ｓb1は継続的に閉じられてもよく、他の実施形態では、スイッチＳa1，Ｓb1は例えば、経過時間、電圧測定値、電流測定値、導電率測定値、インピーダンス測定値、ユーザコマンド、又はこれらの組み合わせに基づいて断続的に閉じてもよい。スイッチＳa1，Ｓb1は、まとめて制御されてもよく、別々に制御されてもよい。例えば、一部の実施形態において、高対流充電モードのように、スイッチＳb1が（断続的に）開いている間に、スイッチＳa2はスイッチＳa1と共に（断続的に）閉じられてもよく（すなわち、充電極１１６ａ２がアクティブである）、このようにして充電極１１６ａ１によって生成される対流を補う。同様に、スイッチＳa1が開いている間に、スイッチＳb2はスイッチＳb1と共に（断続的に）閉じられてもよく（すなわち、充電極１１６ｂ２がアクティブである）、このようにして充電極１１６ｂ１によって生成される対流を補う。こうして、電解質は、これらのスイッチが閉じられている間に、それぞれのカソード（すなわち、燃料極１１２ａ又は１１２ｂ）の裏側で混合されてもよい。
【００４８】
（４）並行充電モード並行充電モードでは、充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ａｂ３，１１６ｂ１，１１６ｂ２のすべてに対して同時に充電が行われる。図１の実施形態において、スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1は閉じられる。スイッチＳ112a，Ｓ112bも閉じられる。電源ＰＳからの電流は、複数の充電極１１６ａ１，１１６ａ２，１１６ａｂ３，１１６ｂ１，１１６ｂ２（アノードとして機能する）及び燃料極１１２ａ，１１２ｂ（カソードとして機能する）のそれぞれに同時に印加され、還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａ，１１２ｂに電着される。いかなる特定の理論にも縛られるものではないが、このモードは、より低い充電電圧、したがってより高い効率を提供し得る。これは均一性モードと比較して、アノードスクリーン上の金属燃料電着物における均一性を潜在的に犠牲にしている可能性がある。
【００４９】
（５）混合モード混合モードでは、スイッチは、セルのうちの一方、例えばセル１１０ａが充電され、他方、例えばセル１１０ｂが放電されるように構成される。例えば、充電極１１６ａ２にはアノード電位の電流が印加され（よってアノードとして機能する）、システム１００内のセル１１０ａの単一の燃料極１１２ａにカソード電位の電流が印加され、選択された単一の燃料極１１２ａはカソードとして機能し、還元性金属燃料イオンは還元されて選択された燃料極１１２ａ上に電着される。図１の実施形態において、セル１１０ａについては、電流が充電極１１６ａ２に印加されるようにスイッチＳa2が閉じられる。スイッチＳ112aを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ａにカソード電位の電流を印加する。燃料極１１２ａに対応するスイッチＳ112aが閉じられて電流が供給されている間は、燃料極１１２ｂに対応するスイッチＳ112bが開かれるか又は外部負荷に接続され、燃料極１１２ｂが放電する。すなわち、燃料極１１２ｂで金属燃料が酸化され、燃料極１１２ｂがアノードとして作用し、酸化剤極１１４ｂ（セル１１０ｂの放電時にカソードとして作用する）で酸化剤が還元されて、両者の間に負荷に印加するための放電電流が発生する。例えば、セルをリセットする必要がある場合、この混合モードで動作すると、一方の側（例えば１１０ａ）が半分又は全容量に充電される（他方の側はリセット／放電される）（例えば１１０ｂが放電される）。そのような場合、燃料極１１２ｂは低濃度でリセットされ、不動態化された酸化物の溶解を回避するだけでなく、不動態化を低減させないようにすることができる。これにより、両方のアノードの充電と放電を同時に行う（ＩＲ損失を低減する）高電力／効率モードで主に動作しながら、よりクリーンなリセットが得られます。当業者には、このモードは過電圧を減少させ、それによって金属燃料電着の均一性を改善し得ることが理解されよう。この混合モードでは、充電極の状態に関する少なくとも１つの入力パラメータが調整ユニットへの給電を指示するまで、スイッチＳa2又はＳb2を閉じて、充電極１１６ａ２又は１１６ｂ２のいずれかに電流を供給することができる。次に、スイッチＳa2又はＳb2を開いて、調整ユニット内の充電極への電流を遮断することができる。
【００５０】
上記の変形例として、一実施形態において、スイッチＳa2，Ｓb2は以下のように構成される。すなわち、両方の充電極１１６ａ２，１１６ｂ２にアノード電位の電流が印加され、システム１００内の単一の燃料極（１１２ａ又は１１２ｂ）にカソード電位の電流が印加され、選択された単一の燃料極はカソードとして機能し、還元性金属燃料イオンは還元されて選択された燃料極上に電着される。図１の実施形態において、例えば、電流が充電極１１６ａ２，１１６ｂ２に印加されるようにスイッチＳa2，Ｓb2が閉じられる。スイッチＳ112aを閉じて、電源ＰＳから燃料極１１２ａにカソード電位の電流を印加する。充電極１１６ａ２，１１６ｂ２はそれぞれアノードとして機能し、燃料極１１２ａはカソードとして機能し、これにより還元性金属燃料イオンが還元されて燃料極１１２ａに電着される。燃料極１１２ａに対応するスイッチＳ112aが閉じられて電流が供給されている間は、燃料極１１２ｂに対応するスイッチＳ112bが開かれるか又は外部負荷に接続され、燃料極１１２ｂが放電する。すなわち、燃料極１１２ｂで金属燃料が酸化され、燃料極１１２ｂがアノードとして作用し、酸化剤極１１４ｂ（セル１１０ｂの放電時にカソードとして作用する）で酸化剤が還元されて、両者の間に負荷に印加するための放電電流が発生する。よって、例えば、セルをリセットする必要がある場合、この混合モードで動作すると、一方の側（例えば１１０ａ）が半分又は全容量に充電される（他方の側はリセット／放電される）（例えば１１０ｂが放電される）。そのような場合、燃料極１１２ｂは低濃度でリセットされ、不動態化された酸化物の溶解を回避するだけでなく、不動態化を低減させないようにすることができる。また、このモードでは、第１の充電極の状態に関する少なくとも１つの入力パラメータが調整ユニットへの給電を指示するまで、スイッチＳa2，Ｓb2を閉じて、充電極１１６ａ２，１１６ｂ２の各々に電流を供給することができ、その後これらのスイッチを開いて、調整ユニット内の第１の充電極への電流を遮断することができる。
【００５１】
逆に、混合放電モードでは、スイッチは以下のように構成される。すなわち、酸化剤極１１４ａ，１１４ｂの一方または両方に（例えば、スイッチＳc1，Ｓc2の一方又は両方を介して）カソード電位の電流が印加され、これによって酸化剤極１１４ａ，１１４ｂの一方又は両方がカソードとして機能し、単一の燃料極（１１２ａ）がアノードとして機能し、金属燃料が選択された／単一の燃料極（１１２ａ）上で酸化される。他方の燃料電極（１１２ｂ）は、燃料極（１１２ａ）にアノード電位の電流を流している間に放電する。
【００５２】
このような混合モードの構成の詳細については、上記で参照した米国特許出願公開第２０１５／０２２８９９１号明細書に記載されている。
【００５３】
さらに、多数のセルのための複数のスイッチがコントローラによって制御されて、多数のセルを含むシステム内の各セル１００を制御することができる。例えば、図２に概略的に示すように、システム２００は、例えば直列に接続された複数のセル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ等を含むことができる。図２には５つのセルが示されているが、このような構成に限定されるものではない。システム２００は例えば、２つのセル、あるいは２０個のセルを含んでもよい。セルは、図２に示すバイセルであってもよく、又は他の構成の電極群を含むセルであってもよい。
【００５４】
セル１００ａ，１００ｂ等の各々及び／又はセルのシステム２００全体は、いくつかの放電モードを使用して制御することができる。前述したように、単一セルの標準放電モードでは、セルシステム１００が放電モード又は発電モードで動作するとき、各燃料極１１２ａ，１１２ｂはアノードとして機能する。但し、セル１００ａ，１００ｂ等のシステム２００はいくつかの放電モードを使用して制御することができる。システム２００の放電中に、各セル１００ａ，１００ｂの燃料極（例えば、１１２ａ（及び場合によっては１１２ｂ））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。各セル１００ａ，１００ｂの酸化剤還元極（例えば、１１４ａ（及び場合によっては１１４ｂ））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り、酸化剤還元極と接触する酸化剤を還元するように構成される。システム２００の放電モードには、以下が含まれる（各モードにおいて燃料極が負荷に接続され、アノードとして動作する）。
【００５５】
（１）一部（部分連続放電モード）又は全部（全連続放電モード）の燃料極が連続的に放電される連続放電モードを含む、上述の放電モード。
【００５６】
（２）放電／断続対流モード。このようなモードでは、セル１００ａ，１００ｂ等のシステム２００は放電する。システム放電の間、セルの少なくとも１つ（例えば、セル１００ａ）は、短時間（放電時間より短い）の間、オフラインにされるかバイパスされ、その短期間に電流が供給されることによって充電モードに置かれる。それによってその特定のセル内に対流を生じさせ、ある程度の燃料電着もまた生じる。一実施形態では、各セルは周期的に、あるいは、例えばそのような短時間にわたって連続して充電され、システム２００内の残りのセルがその選択されたセルの充電中に放電してもよい。別の実施形態では、複数のセル、例えば１００ａ及び１００ｂが短時間充電され、システム２００内の残りのセルが放電してもよい。したがって、コントローラを用いてスイッチ（例えば、スイッチＳa1，Ｓa2，Ｓ3，Ｓb2，Ｓb1，Ｓc1，Ｓc2，Ｓ112a，Ｓ112b）を制御することによって、そのスイッチに関連する選択されたセルをバイパスする（または選択されたセルを充電する）ことができる。システム２００の放電中に選択されたセルを充電する充電モードは、例えば、前述の充電モード（１）〜（５）のいずれかであってもよい。別のセルがカソードとして動作している間に一方のセルに電荷を印加する例は、米国特許第９，１０５，９４６号及び第９，２１４，８３０号、及び米国特許出願公開第２０１６／００６４７８９号に記載されており、これらは全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【００５７】
変形又は代替の放電／断続対流モードにおいて、セル１００ａ，１００ｂ等のシステム２００は同様に放電しているが、対流の生成方法が異なる。システム放電の間に、セルの少なくとも１つを短時間（放電時間より短い時間）オフラインにするか又はバイパスし、カソード電位の燃料極のうちの１つ以上とアノード電位の充電極のうちの１つ以上の間に電流を印加することによって、その特定のセル内で対流を生成する。したがって、図１に例として示すように、スイッチＳc1およびＳc2は、そのような目的のために、酸化剤極１１４ａ及び１１４ｂに関連付けられてもよい。例えば、コントローラは、スイッチＳc1及び／又はＳc2及び充電極のスイッチのいずれかを閉じてアノード電位を印加することによって、酸化剤極１１４ａ，１１４ｂの一方または両方にカソード電位を有する電流を印加するように構成することができる。その結果、充電極によって水性電解質（例えば、水又はＯＨ-イオン）から酸素ガスが放出され、セル内に対流を生成する。しかし、酸化剤還元極における酸素還元逆反応は、酸素種含有量を補充して、電解質破壊／損失を減少させる。したがって、このモードは、燃料電極を充電することなく、周期的対流のためにセル内に酸素ポンプを生成するために利用されてもよい。
【００５８】
別の実施形態によれば、専用充電極１１８がセル１００のハウジング１０２内に設けられ、対流による混合を提供するために放電中にアノードとしてのみ作用するように構成される。図１の例に示すように、専用の充電極１１８は、ハウジングの底部に設けられ、セル１１０ａ，１１０ｂの垂直に配置された燃料極及び充電極に相対して延びている。他の実施形態において、専用の充電極１１８はハウジング１０２の頂部又は側部の近傍に設けられる。この実施形態を上述の放電／断続対流モードに用いた場合、コントローラはアノード電位の電流を専用の充電極１１８に（例えば、図１では非表示のスイッチを介して）印加する。一又は複数の酸化剤還元極はこの反応のためのカソード電位の対極として作用してもよい。これは直前の放電／断続対流モードの変形例で説明したのと同じです。専用の充電極１１８は、必要に応じて、より長期間の充電ではなく、これらの短いバーストに任意に適合させることができる。
【００５９】
上記の様々な充電モードの説明は、特に図１に示されるセルの実施形態に関してなされたものである。しかしながら、動作モードは、非限定的な例示的実施形態に示された構成に限定されず、１つの燃料極を有するセル又は３つ以上のサブセルを有するセルを含む他の実施形態に適用されてもよい。同様に、バイセル及び／又はシステム２００を参照して説明した放電モードは限定されることを意図していない。
【００６０】
例えば、専用の充電極１１８の使用は図１に示すバイセル内での使用に限定されない。一実施形態によれば、純粋に放電中に内部対流によって混合するための専用電極は、ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）又は鉛蓄電池又は電解質水溶液中の他の電極対に実装することができる。図３は、ハウジング内に酸素発生電極３０６と酸化剤還元空気電極３０８とを備え、ニッケル電極３０２及び亜鉛電極３０４によってセルからの放電出力を得るともにセル内に対流を発生させる、Ｎｉ−Ｚｎバッテリ３００の例示的な概略図を示している。放電中に亜鉛電極３０４はアノードとして作用し、ニッケル電極３０２はカソードとして作用して、負荷（図示せず）への出力電流を生成する。逆に、電源（図示せず）からの電流入力が亜鉛電極３０４及びニッケル電極３０２に印加され、亜鉛電極３０４はカソードとして作用してその上に亜鉛を電気めっきし、ニッケル電極３０２はアノードとして作用してニッケルを還元する。このＮｉ−Ｚｎ機能性は従来のものであり、他の電極対も同様に使用することができる。
【００６１】
酸素発生電極３０６及び酸化剤還元空気電極３０８は、電極３０６によって発生した酸素ガスを介して対流を発生させるために用いられる。酸化剤還元空気電極３０８は先の実施形態と同じであり、カソードとして作用するとき、例えば空気から酸素を還元する。このように、コントローラは、電源からの電流（セル自体、他のセル、または外部ソースの放電から得てもよい）を提供して酸素発生電極３０６にアノード電位を印加することにより、電解質水溶液（すなわち、イオン伝導性媒質）の酸素種を酸化し、酸素泡を発生させて電解質水溶液に対流を生じさせるとともに、酸化剤還元空気電極３０８にカソード電位を印加して酸素を還元し、その還元種を電解質溶液に供給する。これにより、電解質溶液から酸素種を枯渇させずに、また酸素種を分解せずに、対流を生成することができる。また、これにより、他の実施形態と同様に、セル内に酸素ポンプが形成される。必要に応じて、放電中に対流を発生させるために他の電極が放電している間に、酸素発生作用を任意に行うことができる。これは特に長時間の放電の場合、放電の効率を高めるのに役立つ。
【００６２】
一実施形態によれば、放電中に、（コントローラを使用して）上記のモードのいずれかを選択することによって連続的または断続的に対流が生成されてもよい。
【００６３】
Ｏ2（気泡）が酸化剤極１１４ａ，１１４ｂから生成されるので、上述した放電モードの各々は、イオン導電性媒質／電解質を分解することなく内部対流を可能にする。
【００６４】
一実施形態では、例えば、モード（１）〜（３）のような前述の充電モードのいずれかを単一のセル（例えば１１０ａ）の電極に適用し、他方のセル（１１０ｂ）を遮断することができる。すなわち、１つのセル、例えば１１０ａについて、（１）〜（３）のいずれかのモードでは、対応するスイッチを電源に接続することにより、アノード電位の電流が充電極１１６ａ２又は１１６ａ１に印加され（前述のとおり）、燃料極１１２ａにカソード電位の電流が印加される。セル１００ｂ内の電極は遮断され、電流は供給されない（例えば、スイッチはいずれも電源又は負荷に接続されない）。
【００６５】
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、様々な燃料、酸化剤、電解質、及び／又は、全体の構造的な構成又は材料を用いて実施され得る。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】
2018508965.tif 000003
【図２】
2018508965.tif 000004
【図３】
2018508965.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月19日(2017.1.19)
【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】
複数の電気化学セルであって、各々が
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、
各々が前記各電極のうちの１つと対応しコントローラと作動的に結合された複数のスイッチであって、当該コントローラは、前記複数のスイッチの各々について開状態及び閉状態を制御することによって前記複数のセルの放電及び充電動作を制御するように構成され、当該放電及び充電動作の各々の間、前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つが開状態であり、前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つが閉状態である、複数のスイッチと、
を備える電気化学セルシステム。
【請求項２】
前記コントローラが，
（ａ）第１の充電モードにおいて、アノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加することによって、前記イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着され、
（ｂ）第２の充電モードにおいて、少なくとも１つの充電極と燃料極との間に電流を印加するとともに、異なる数の充電極に電流を選択的に印加し、前記燃料極に電着される前記金属燃料の成長の速度及び密度に影響することによって、前記燃料極に電着される前記金属燃料の均一性を高める
ように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項３】
前記複数の電気化学セルは直列に接続される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記コントローラが，（ｃ）放電モードにおいて、燃料極がアノードとして機能し、前記酸化剤極がカソードとして機能するように、前記燃料極を負荷に接続し、酸化された燃料が前記燃料極から前記負荷に流れ、前記酸化剤極が任意の受け取った酸化剤を還元するようにさらに構成される、請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは標準充電モードを備え、当該標準充電モードにおいては、前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第２の充電モードは高均一性モードであり、当該高均一性モードにおいては、
前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが継続的又は断続的に閉じられて、前記第３の充電極に電流が提供される、
請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは高対流充電モードを備え、当該高対流充電モードにおいては、前記第２の充電極の各々に対応する一又は複数の第４のスイッチが継続的に又は断続的に閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項８】
高対流充電モードをさらに備え、当該高対流充電モードにおいては、前記第２の充電極の各々に対応する一又は複数の第４のスイッチが継続的に又は断続的に閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供される、請求項５に記載の電気化学セルシステム。
【請求項９】
高均一性モードをさらに備え、当該高均一性モードにおいては、
前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチが閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する一又は複数の第２のスイッチが閉じられて、前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが継続的又は断続的に閉じられて、前記第３の充電極に電流が提供される、
請求項８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１０】
前記高対流充電モードはさらに、前記第１の充電極の各々に対応する一又は複数の第１のスイッチを備え、前記一又は複数の第１のスイッチは継続的又は断続的に閉じられて、前記第１の充電極の各々に電流が提供される、請求項８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは並行充電モードを備え、当該並行充電モードにおいては、
前記セルシステム内の前記第１の充電極の各々に対応する第１のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、
前記燃料極の各々に対応する第２のスイッチの各々が閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の各々に電流が提供され、
前記第３の充電極に対応する第３のスイッチが閉じられて、アノードとして機能する前記第３の充電極に電流が提供され、
前記第２の充電極の各々に対応する第４のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第２の充電極の各々に電流が提供される、
請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは複数の充電モードから選択するように構成され、第１の充電モードは混合モードを備え、当該混合モードにおいては、前記セルシステム内の前記第１の充電極の各々に対応する第１のスイッチの各々が閉じられて、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流が提供され、前記燃料極の１つに対応する第２のスイッチが閉じられて、カソードとして機能する前記燃料極の１つに電流が提供される一方、他の燃料極に対応する他のスイッチが開かれる、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１３】
前記燃料極が間隔を空けて配置された一連の透過性電極体を含む、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１４】
前記充電極の各々が、（ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間して配置された第３の電極、からなる群から選択されたものである、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１５】
前記コントローラが，再充電動作を実行する間に電流が印加される充電極の数を変更するように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは少なくとも１つの入力パラメータに基づいて複数の充電モードから選択するように構成される、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１７】
前記コントローラが前記電気化学セルの状態を検知するセンサに作動的に接続され，前記入力パラメータが前記センサによって検知された前記状態である、請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１８】
前記入力パラメータがユーザ入力による入力を含む請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１９】
前記入力パラメータが制限パラメータを含み、前記コントローラがセル特性を前記制限パラメータと比較するようにさらに構成された請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２０】
前記セル特性は、電圧、累積充電容量、電極間のインピーダンス、電極電圧の勾配、電流、検知電極に対する抵抗、又は短絡事象を含む請求項１９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２１】
前記コントローラが充電／放電コントローラからなる請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２２】
第４の充電極をさらに備え、前記コントローラは当該第４の充電極に電流を印加して、放電の際にアノードとして機能させるように構成された、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２３】
電気化学セルシステムを充電する方法であって、前記電気化学セルシステムは、
複数の電気化学セルであって、各々が、
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
別個の電気化学セルの前記燃料極の間に配置された第３の充電極と、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの前記電極と接触するイオン伝導性媒質と、
前記複数の電極に結合され、いくつかの異なる充電モードから選択するように構成されたコントローラと、
を備え、
前記方法は、
ｉ．以下の（ａ）（ｂ）のいずれかによって、前記コントローラを用いて前記電気化学セルシステムを充電する工程と、
（ａ）第１の充電モードにおいて、アノードとして機能する少なくとも１つの充電極とカソードとして機能する燃料極との間に電流を印加することによって、イオン伝導性媒質中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記燃料極上に金属燃料として酸化可能な形態で電着され、又は
（ｂ）第２の充電モードにおいて、少なくとも１つの充電極と燃料極との間に電流を印加するとともに、異なる数の充電極に電流を選択的に印加し、前記燃料極に電着される金属燃料の成長の速度及び密度に影響することによって、前記燃料極に電着される前記金属燃料の均一性を高める、
ｉｉ．前記充電する工程を停止するべく、電流を遮断する工程と、
を含む方法。
【請求項２４】
前記第１の充電モードは標準充電モードであり、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第１の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の充電モードは高均一性モードであり、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加し、前記第３の充電極に継続的又は断続的に電流を印加することによって、電流を有する前記充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の充電モードは高対流充電モードであり、前記充電する工程は、前記第２の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第２の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
高対流充電モードをさらに備え、前記充電する工程は、前記第２の充電極の各々に電流を印加することによって、前記第２の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
高均一性モードをさらに備え、前記充電する工程は、前記第１の充電極の各々に電流を印加し、前記第３の充電極に継続的又は断続的に電流を印加することによって、電流を有する前記充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の充電モードは並行充電モードであり、前記充電する工程は、前記第１、第２、第３の充電極の各々に電流を同時に印加することによって、前記第１、第２、第３の充電極の各々がアノードとして機能し、前記燃料極がカソードとして機能するようにする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の充電モードは混合モードであり、前記充電する工程は、アノードとして機能する前記第１の充電極の各々に電流を印加する工程を含み、前記燃料極の１つがカソードとして機能する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記混合モードにおいて、前記方法は、第１の充電極の状態に関する少なくとも１つの入力パラメータの受け取りが調整ユニットへの給電を指示するまで電流を印加する工程を含み、前記少なくとも１つの入力パラメータの受け取りの後、前記調整ユニットにおける前記第１の充電極への電流の印加を中断する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記コントローラと前記各電極との間で作動的に結合された複数のスイッチを切り換えて、選択された充電モードに基づいて前記電気化学セルを充電する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記燃料極が間隔を空けて配置された一連の透過性電極体を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記充電極の各々が、（ａ）前記酸化剤極、（ｂ）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間して配置された第３の電極、及び、（ｃ）前記燃料極の一部、からなる群から選択されたものである、請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記コントローラにおいて少なくとも１つの入力パラメータを受け取る工程をさらに含み、前記コントローラは少なくとも１つの入力パラメータに基づいて複数の充電モードから選択するように構成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３６】
前記コントローラに結合されたセンサによって前記電気化学セルの状態を検知する工程をさらに含み、前記入力パラメータは前記センサによって入力される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記入力パラメータがユーザ入力によって入力される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
セル特性を前記入力パラメータと比較する工程をさらに含み、前記入力パラメータは制限パラメータを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記セル特性は、電圧、累積充電容量、電極間のインピーダンス、電極電圧の勾配、電流、検知電極に対する抵抗、又は短絡事象を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記コントローラが充電／放電コントローラからなる、請求項２３に記載の方法。
【請求項４１】
電気化学セルシステムを放電する方法であって、前記電気化学セルシステムは、
複数の電気化学セルであって、各々が、
燃料極と、
前記燃料極から離間して設けられる酸化剤極と、
前記酸化剤極と前記燃料極との間に配置される第１の充電極と、
前記酸化剤極の前記燃料極と向かい合う側とは反対の側に配置された第２の充電極と、
を備える複数の電気化学セルと、
前記複数の電気化学セルに共通であり、各々の電気化学セルの電極と接触するイオン伝導性媒質と、
各々が前記各電極のうちの１つと対応しコントローラと作動的に結合された複数のスイッチであって、当該コントローラは、前記複数のスイッチの各々について開状態及び閉状態を制御することによっていくつかの異なる充電モードから選択するように構成され、当該いくつかの異なる充電モードの各々の間、前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つが開状態であり、前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つが閉状態である、複数のスイッチと、
を備え、
前記方法は、
前記コントローラを用いて前記電気化学セルシステムを放電し、当該システム内の前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つを一定時間充電しながら当該システム内の残りの電気化学セルを放電する工程を備え、
前記少なくとも１つの電気化学セルを充電する工程は、カソード電位の前記燃料極のうちの一又は複数とアノード電位の前記充電極のうちの１つとの間に電流を印加することによって、前記イオン伝導性媒質から酸素が発生して前記燃料極が充電される際に少なくとも１つの電気化学セル内に対流を発生させる工程を含む、方法。
【請求項４２】
電気化学セルであって、
燃料極と、
酸化剤極と、
酸素発生電極と、
外部酸素に暴露された酸化剤還元空気電極と、
前記各電極に共通でありかつ接触する水性のイオン伝導性媒質と、
を備え、
前記燃料極及び前記酸化剤極は放電モードで動作可能であり、当該動作において、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力し、
前記酸素発生電極及び前記酸化剤還元空気電極は、両者の間に電流を印加することによって前記水性のイオン伝導性媒質内に対流を発生させるように動作可能であり、当該動作において、前記酸素発生電極はアノードとして作用して、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することにより前記セル内で酸素を発生して対流を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する、電気化学セル。
【請求項４３】
アノード電位の電流を前記酸素発生電極に提供し、カソード電位の電流を前記酸化剤還元空気電極に提供することによって、前記対流を発生させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項４２に記載の電気化学セル。
【請求項４４】
電気化学セルを放電する方法であって、前記セルは燃料極と、酸化剤極と、酸素発生電極と、外部酸素に暴露された酸化剤還元空気電極と、前記各電極に共通でありかつ接触する水性のイオン伝導性媒質と、を備え、前記方法は、
前記燃料極及び前記酸化剤極を放電モードで動作させる工程であって、前記燃料極はアノードとして機能し、前記酸化剤極はカソードとして機能して電流を出力する工程と、
前記酸素発生電極と前記酸化剤還元空気電極との間に電流を印加することによって、前記水性のイオン伝導性媒質内に対流を発生させる工程であって、前記酸素発生電極はアノードとして作用し、前記水性のイオン伝導性媒質の酸素種を酸化することによって酸素を発生させ、前記酸化剤還元空気電極はカソードとして作用して酸素を還元する、工程と、
を備える方法。
【請求項４５】
前記セルは電流を電源から前記各電極に提供するように構成されたコントローラをさらに備え、前記方法は前記コントローラを使って、
アノード電位の電流を前記酸素発生電極に提供し、
カソード電位の電流を前記酸化剤還元空気電極に提供して前記対流を発生させる
工程をさらに備える、請求項４４に記載の方法。
【国際調査報告】
2018508965.tif 000006
2018508965.tif 000007
2018508965.tif 000008
2018508965.tif 000009
2018508965.tif 000010