(57)【要約】  陰極と、陰極室と、陽極と、陽極室を備えた燃料電池。陽極室は、陽極集電子によって少なくとも部分的に画成されている。陰極室は、陰極によって少なくとも部分的に画成されている。陽極室は、電解液を下流方向に流す１本または複数本の陽極流路を備えている。陽極集電子は、陽極室内に突き出して電解液中の懸濁粒子を捕集する複数の粒子捕集体を備えていてもよい。
2018528595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と、
陽極集電子および前記陽極集電子によって少なくとも部分的に画成された陽極室を備える陽極と、
前記陰極によって少なくとも部分的に画成された陰極室とを備え、
前記陽極室が、電解液を下流方向に流す１本または複数本の陽極流路を備えている、燃料電池。
【請求項２】
前記陽極集電子が、前記陽極室内に突き出して電解液中の懸濁粒子を捕集する複数の粒子捕集体を備えている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記複数の粒子捕集体が、前記陽極室内の電解液の流れを乱して、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促すように構成されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記粒子捕集体が横長部材を備えている、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記横長部材が前記陽極流路の幅まで延びている、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記横長部材と前記陽極集電子の平面部分との間で上流方向に画成される角度が、１０度から９０度の間、または２０度から８０度の間、または３０度から７０度の間、または９０度から１２０度の間、または１２０度から１８０度の間である、請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記陽極集電子の平面部分に対する前記横長部材の高さが、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲である、請求項４ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記陽極集電子の平面部分に対する前記横長部材の高さ（ｉ）と前記陽極室の高さ（ｉｉ）との比率が、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲である、請求項４ないし７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
１リニアセンチメートル当たりの前記粒子捕集体の数が、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲である、請求項２ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
隣接する前記粒子捕集体間の距離が、前記陽極集電子の平面部分に対する前記粒子捕集体の高さより短い、請求項２ないし９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記複数の粒子捕集体が、前記陽極集電子上に前記粒子の均一な層を形成するように構成された配列で配置されている、請求項２ないし１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記陽極室が並行流れ構成を備えている、請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記陽極室が蛇行流れ構成を備えている、請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記陽極流路が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１の範囲の長さ対幅比からなる、請求項１ないし１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記陽極流路の幅が、２ｍｍから２０ｃｍ、５ｍｍから１０ｃｍ、または１ｃｍから５ｃｍの範囲である、請求項１ないし１４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記陰極と前記陽極集電子が平坦である、請求項１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記陽極集電子の表面積が１ｃｍ２から１ｍ２の範囲である、請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記陽極室内の電解液流れ場の高さが、０．５ｍｍから４ｍｍ、１ｍｍから３ｍｍ、または２ｍｍである、請求項１ないし１７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記燃料電池が亜鉛空気燃料電池であり、前記粒子が亜鉛粒子である、請求項１ないし１８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記電解液が水酸化カリウムである、請求項１ないし１９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれかに記載の燃料電池を複数個備える燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記複数の燃料電池が、水平向きで、互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記複数の燃料電池が、垂直向きで、互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
請求項１ないし２０のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池の出口と流体連通する金属電解槽と、
前記金属電解槽の出口および前記燃料電池の入口と流体連通するタンクとを備えた、金属空気燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料電池が亜鉛空気燃料電池であり、前記金属電解槽が亜鉛電解槽である、請求項２４に記載の金属空気燃料電池システム。
【請求項２６】
（ｅ）陽極室を水平向きにして、対応する陽極集電子を前記陽極室の下方に配置するステップと、
（ｆ）電解液中に懸濁させた金属粒子を前記陽極室内を流れるように供給するステップと、
（ｇ）前記金属粒子の層を前記陽極集電子上に形成させるステップと、
（ｈ）前記層の均一な形成を維持するステップと
を含む、金属空気燃料電池の充電方法。
【請求項２７】
前記ステップ（ｃ）が、
（ｉｖ）前記電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを所定の流速に維持すること、
（ｖ）前記電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを周期的に停止させること、および
（ｖｉ）前記陽極集電子上に複数の粒子捕集体を設けること
のうちの１つ以上を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ステップ（ｄ）が、前記陽極室内の電解液の一様な流れを与えることを含む、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記一様な流れを与えることは、前記陽極室内の下流方向において継続する圧力低下と前記下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記下流方向において継続する圧力低下と前記下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることは、前記陽極室に並行流路または蛇行流路を設けることを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記並行流路または蛇行流路を設けるステップ（ｄ）が、５０：１ないし２：１、２５：１ないし４：１、または６：１ないし５：１の長さ対幅アスペクト比によって規定される並行流路または蛇行流路用の流路を設けることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ステップ（ｃ）が、０．２ｍｍから２．０ｃｍ、または１ｍｍから１．０ｃｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの深さまで前記層を形成することを含む、請求項２６ないし３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記ステップ（ｃ）が、前記陽極室の高さに対する前記層の深さの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さに前記層を形成することを含む、請求項２６ないし３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記ステップ（ｂ）が、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の金属粒子を供給することを含む、請求項２６ないし３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記陽極室内の電解液の流速が１ｃｍ３／秒から５０００ｃｍ３／秒の範囲である、請求項２６ないし３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記陽極室内の電解液の流速が、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲である、請求項２６ないし３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
前記陽極室内の電解液のゲージ圧が０．１ｐｓｉから１５ｐｓｉの範囲である、請求項２６ないし３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
前記陽極室内の電解液のゲージ圧が２ｐｓｉから１０ｐｓｉの範囲である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記陽極室を横切る方向の圧力低下が１５ｐｓｉ未満である、請求項２６ないし３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
前記金属粒子が亜鉛粒子である、請求項２６ないし３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
前記電解液が水酸化カリウム水溶液である、請求項２６ないし４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
前記水酸化カリウムの濃度が、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５％重量である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記燃料電池から５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度を取り出すことを含む、請求項２６ないし４２のいずれかに記載の方法。
【請求項４４】
前記燃料電池に負荷を加えることと、１時間から２０時間の間放電することを含む、請求項２６ないし４３いずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛空気燃料電池などの金属空気燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気燃料電池は、高いエネルギー効率を提供するにもかかわらず、環境への影響が低く、低コストでもある。亜鉛空気燃料電池は、金属空気燃料電池の一例である。亜鉛空気燃料電池においては、燃料として亜鉛金属が供給され、酸素源として空気が供給され、電解液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ性水溶液が供給される。電気回路が閉じられると、陽極が、以下の陽極すなわち負極反応によって亜鉛金属を消耗する。
Ｚｎ＋４ＫＯＨ→Ｋ２Ｚｎ（ＯＨ）４＋２Ｋ＋＋２ｅ  （１）  Ｅ０＝−１．２１６Ｖ
【０００３】
亜鉛金属は水酸化カリウムと反応して消耗され、亜鉛酸カリウム（Ｋ２Ｚｎ（ＯＨ）４）が形成されて、電子が陽極電流導体に放出される。
【０００４】
酸素は陰極に供給され、陰極上のＨ２Ｏおよび電子と反応して水酸基イオン（ＯＨ−）を形成する。陰極すなわち正極反応は、従って以下の通りである。
１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ→２ＯＨ−  （２）  Ε０＝０．４０１Ｖ
【０００５】
反応式（２）からの水酸基イオンと反応式（１）からのカリウムイオンは、その後陽極において反応式（１）で再び亜鉛金属と反応する。
【０００６】
この反応スキームによれば、亜鉛の酸化と酸素の還元によって化学エネルギーの電気エネルギーへの変化が引き起こされる。これらの反応が長時間にわたって進行するためには、亜鉛金属および空気の継続的な供給のみならず、系からの絶え間ない電子流入手段、すなわち、負荷との接続が存在しなければならない。
【０００７】
従来の亜鉛と空気による実現例では、金属電極が有する亜鉛量が定量であったために、利用可能エネルギーが制限され、繰り返し使用時の電極のサイズ拡大による再充電性の難点があった。電極面積を減少させると、燃料電池システムの電力が減少する。
【０００８】
改良された金属空気燃料電池が望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
本明細書に記載の発明は多数の局面を有しており、その一部は燃料電池、燃料電池スタック、金属空気燃料電池システム、および金属空気燃料電池の充電方法に関する。
【００１０】
一局面においては、燃料電池が提供される。燃料電池は、陰極と、陽極集電子および陽極集電子によって少なくとも部分的に画成された陽極室を備える陽極と、陰極によって少なくとも部分的に画成された陰極室とを備えている。陽極室は、電解液を下流方向に流す１本または複数本の陽極流路を備えている。
【００１１】
陽極集電子は、陽極室内に突き出して電解液中の懸濁粒子を捕集する複数の粒子捕集体を備えていてもよい。
【００１２】
複数の粒子捕集体は、陽極室内の電解液の流れを乱して、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促すように構成されていてもよい。
【００１３】
粒子捕集体は横長部材を備えていてもよい。横長部材は陽極流路の幅まで延びていてもよい。横長部材と陽極集電子の平面部分との間で上流方向に画成される角度は、１０度から９０度の間、または２０度から８０度の間、または３０度から７０度の間、または９０度から１２０度の間、または１２０度から１８０度の間であってもよい。陽極集電子の平面部分に対する横長部材の高さは、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲であってもよい。陽極集電子の平面部分に対する横長部材の高さ（ｉ）と陽極室の高さ（ｉｉ）との比率は、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲であってもよい。
【００１４】
１リニアセンチメートル当たりの粒子捕集体の数は、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲であってもよい。隣接する粒子捕集体間の距離は、陽極集電子の平面部分に対する粒子捕集体の高さより短くてもよい。複数の粒子捕集体は、陽極集電子上に粒子の均一な層を形成するように構成された配列で配置されていてもよい。
【００１５】
陽極室は、並行流れ構成または蛇行流れ構成を備えていてもよい。陽極流路は、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１の範囲の長さ対幅比からなっていてもよい。陽極流路の幅は、２ｍｍから２０ｃｍ、５ｍｍから１０ｃｍ、または１ｃｍから５ｃｍの範囲であってもよい。
【００１６】
陰極と陽極集電子は平坦であってもよい。陽極集電子の表面積は１ｃｍ２から１ｍ２の範囲であってもよい。
【００１７】
陽極室内の電解液流れ場の高さは、０．５ｍｍから４ｍｍ、１ｍｍから３ｍｍ、または２ｍｍであってもよい。
【００１８】
燃料電池は亜鉛空気燃料電池であってもよく、粒子は亜鉛粒子であってもよい。電解液は水酸化カリウムであってもよい。
【００１９】
別の局面によれば、燃料電池スタックが提供される。燃料スタックは、本明細書に記載の複数の燃料電池を備えている。複数の燃料電池は、水平向きで、互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成していてもよいし、垂直向きで、互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成していてもよい。
【００２０】
別の局面によれば、金属空気燃料電池システムが提供される。金属空気燃料電池システムは、本明細書に記載の燃料電池と、燃料電池の出口と流体連通する金属電解槽と、金属電解槽の出口および燃料電池の入口と流体連通するタンクとを備えている。燃料電池は亜鉛空気燃料電池であってもよく、金属電解槽は亜鉛電解槽であってもよい。
【００２１】
別の局面によれば、金属空気燃料電池の充電方法が提供される。この方法は、
（ａ）陽極室を水平向きにして、対応する陽極集電子を陽極室の下方に配置するステップと、
（ｂ）電解液中に懸濁させた金属粒子を陽極室内を流れるように供給するステップと、
（ｃ）金属粒子の層を陽極集電子上に形成させるステップと、
（ｄ）層の均一な形成を維持するステップと
を含む。
【００２２】
ステップ（ｃ）は、
（ｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを所定の流速に維持すること、
（ｉｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを周期的に停止させること、および
（ｉｉｉ）陽極集電子上に複数の粒子捕集体を設けること
のうちの１つ以上を含んでいてもよい。
【００２３】
ステップ（ｄ）は、陽極室内の電解液の一様な流れを与えることを含んでいてもよい。一様な流れを与えることは、陽極室内の下流方向において継続する圧力低下と下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることを含んでいてもよい。下流方向において継続する圧力低下と下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることは、陽極室に並行流路または蛇行流路を設けることを含んでいてもよい。並行流路または蛇行流路を設けることは、５０：１ないし２：１、２５：１ないし４：１、または６：１ないし５：１の長さ対幅アスペクト比によって規定される並行流路または蛇行流路用の流路を設けることを含んでいてもよい。
【００２４】
ステップ（ｃ）は、０．２ｍｍから２．０ｃｍ、または１ｍｍから１．０ｃｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの深さまで層を形成することを含んでいてもよい。ステップ（ｃ）は、陽極室の高さに対する上記層の深さの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さまで上記層を形成することを含んでいてもよい。
【００２５】
ステップ（ｂ）は、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の金属粒子を供給することを含んでいてもよい。
【００２６】
陽極室内の電解液の流速は１ｃｍ３／秒から５０００ｃｍ３／秒の範囲であってもよい。陽極室内の電解液の流速は、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲であってもよい。
【００２７】
陽極室内の電解液のゲージ圧は、０．１ｐｓｉから１５ｐｓｉ、または２ｐｓｉから１０ｐｓｉの範囲であってもよい。陽極室を横切る方向の圧力低下は１５ｐｓｉ未満であってもよい。
【００２８】
金属粒子は亜鉛粒子であってもよく、電解液は水酸化カリウム水溶液であってもよい。水酸化カリウムの濃度は、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５％重量であってもよい。
【００２９】
上記方法は、燃料電池から５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度を取り出すことを含んでいてもよい。上記方法は、燃料電池に負荷を加えることと、１時間から２０時間の間放電することを含んでいてもよい。
【００３０】
上記の説明は本発明の特定の局面を要約したものに過ぎず、いかなる方法でも本発明を限定することを意図したものでも、そのように解釈されるべきでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
発明の非限定的な実施形態を示す以下の図面において、
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の部分破断側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す実施形態における図１Ａに示す図と直交する部分破断側面図である。
【図２】図２は、図１Ａに示す実施形態の部分拡大破断側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にかかる陽極室の部分上面図である。
【図４】図４Ａないし図４Ｆは、本発明の様々な実施形態の部分破断側面図である。
【図５】図５Ａないし図５Ｃは、本発明の実施形態にかかる様々な陽極室の部分上面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の上面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の上面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態にかかる金属空気燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の説明を通して、本発明のより十分な理解を与えるために具体的な詳細を述べる。しかしながら、本発明は、これらの詳細なく実施される場合もある。他の例では、発明を不必要に不明瞭にすることを避けるため、周知の要素が図示されていないか、または詳細に説明されていない。したがって、明細書および図面は、制限する意味ではなく、例示する意味で考えられるべきである。
【００３３】
本明細書では、方向を示す多くの慣例表現がその意味の明確化の助けとなるよう以下の通りに採用されている。
本書で使用される「上流」および「下流」は、陽極室の入口から陽極室の出口への電解液の流れに対する特徴要素の方向、向き、位置または配置に関しており、陽極室の入口からの陽極室内の第１の位置に対して、電解液の流路に沿って入口により近い陽極室内の第２の位置が「上流」であり、電解液の流路に沿って入口からより離れた陽極室内の第３の位置が「下流」である。
本書で使用される「横、横方向の」、「横、横方向に」等は、陽極室の入口から陽極室の出口へ、または陽極流路の入口から陽極流路の出口への電解液の流れと直交する方向に関する。
本書で使用される「水平」および「水平に」は地面と平行する向きを意味する。
本書で使用される「上」、「下」、「上方」、「下方」は、陽極室が実質的に水平向きにされたときの特徴要素の向き、位置または配置を意味する。
【００３４】
本書で使用される用語「燃料電池」は、当業者であれば理解できる電気化学的装置を意味する。用語「燃料電池」は、「フローバッテリー」および類似の専門用語として知られる装置を制限なく含む。
【００３５】
陽極層に関連して本書で使用される用語「均一な」は、金属粒子の実質的に一様な分布を有する陽極層を意味する。
【００３６】
本書で使用される用語「実質的に」は、作用、特性、結果の完全なもしくは完全に近い範囲または程度を意味する。例えば、「実質的に」継続する圧力低下は、圧力低下が完全に継続するか、または完全に近く継続することを意味することになる。絶対完全性からの逸脱の厳密な許容度は、具体的な文脈に依存する場合もある。しかしながら、一般的に言えば、完全状態に近いとは、全くの完全状態が得られた場合と同じ総体的な結果を有するようなものであろう。作用、特性もしくは結果の完全なまたは完全に近い欠如を指すべく否定的な意味で使用される場合にも、「実質的に」の使用は同様に当てはまる。例えば、「実質的に」圧力低下なしとは、圧力低下の完全な欠如か、またはその影響が圧力低下が全くなかった場合と同じほどの完全に近い圧力低下の欠如を意味する。換言すれば、「実質的に」圧力低下なしとは、その測定可能な影響がない限りずっと、測定可能な圧力低下がまだあるかもしれないことを意味する。
【００３７】
亜鉛空気燃料電池用の従来の陽極層は、２つの方法のうちの１つによって形成される。１つの方法は、充填亜鉛粒子の緻密層を形成し、その緻密層に高圧で電解液を流すことである。発明者らはこの方法に関する少なくとも２つの欠点を見出した。第１に、燃料電池が機械的に耐え得る圧力の量によって、ポンプ圧が約１０ｐｓｉ未満に制限されることであり、それより高い圧力は、燃料電池にあまりに過大な機械的応力を加えることになる。第２に、ポンプ圧を下げることで、使用可能な粒径の範囲が制限されることである。１０ｐｓｉ未満のポンプ圧の場合、平均粒径が２００ミクロンを超える陽極層でしか有効ではない。それより小さい粒子を使用した場合には、十分な亜鉛溶解反応を維持するためには、高過ぎるポンプ圧、例えば、１００ｐｓｉもの高いポンプ圧が必要になる。
【００３８】
もう１つの方法は、ポンプで亜鉛粒子のスラリーまたは懸濁液を陽極室に送り込むことである。充填粒子層がない場合、ポンプ圧ははるかに低く、例えば、８ｐｓｉ未満である。しかしながら、この方法に関して、発明者らは、粒子が陽極集電子と一時的に接触するだけであり、従って、発生する電流密度が任意の時点で形成される一時的な接触の数によって制限されることを見出した。
【００３９】
本発明の特許請求の範囲は高エネルギー効率の金属空気燃料電池に関する。一実施形態では、実質的に水平向きの陽極室を有する燃料電池が提供される。電解液中に懸濁した１５ｎｍから３００ミクロンの範囲などの小さい金属粒子が、ポンプにより１０ｐｓｉ未満などの低圧で陽極室に送り込まれる。重力沈降と、電解液の流速制御、電解液流の断続的停止および陽極集電子上への粒子捕集体の設置のうちの１つ以上とによって、低い電解液圧で金属粒子の緻密層が陽極集電子上に形成される。この方法の利点としては、低い電解液圧（ポンプエネルギーコストおよび機械的応力の低減）、小さい金属粒子径（電流発生の増加）などが挙げられ、それらは陽極層の上面に沿ってのみならず、陽極層中でも生じる陽極反応によって可能になる。いかなる時点でも、より多くの金属粒子が互いにかつ陽極集電子と接触状態になる。これにより、電極反応と電流発生に寄与する金属粒子の総表面積は、はるかにより大きくなり、ひいてはより高いエネルギー効率をもたらす。また、陽極層に沿ったかつ陽極層中の電解液流が、酸化金属の反応生成物を反応サイトから除去する。
【００４０】
図１Ａは、発明の一実施形態にかかる燃料電池スタック１０の一部を示す。燃料電池スタック１０は、上下に積み重ねられた複数の燃料電池からなる。図１Ａは、第１の燃料電池２と、燃料電池２の下方にある同一の部分的な第２の燃料電池２’の一部を示している。実施形態によっては、燃料電池スタックが１個の燃料電池のみからなる場合もある。燃料電池スタック１０など、実施形態によっては、燃料電池が水平向きで互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する。実施形態によっては、燃料電池が垂直向きで互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する。図１Ｂは、図１Ａと直交する方向で見た燃料電池スタック１０の別の側面図を示す。
【００４１】
燃料電池スタック１０の燃料電池２は、陰極室１２、陰極１４、陽極室１６、陽極集電子１８、およびセパレータ２０を備えている。図１Ａに示す燃料電池スタック１０の燃料電池２’の部分は、陰極室１２’、陰極１４’、および陽極室１６’を備えている。セパレータ２０は、陰極１４と陽極室１６の間の電気接触を防止する一方、両者間のイオン導通を可能にする。接触ピン２２’は、陽極集電子１８を陰極１４’に電気的に接続して回路を閉じる。別の構成では、接触ピン２２’と陽極集電子１８が一体的に形成される。燃料電池スタック１０の燃料電池２の構成要素については、本明細書でさらに詳細に説明されるが、燃料電池２’等、燃料電池スタック１０の他の燃料電池の構成要素の特徴および機能が燃料電池２の構成要素の特徴および機能に相当することは理解されるであろう。
【００４２】
当分野で既知のように、陰極室１２と陰極１４の適切な構造および構成は、陰極室１２内を流れる空気（気流の方向を矢印２４で表す）から陰極１４での酸素の電気化学的還元によって酸素を抽出し、形成された水酸化物を陽極室１６内へ移動させる（酸素抽出／還元および水酸化物イオン移動の方向を矢印２６で表す）ように設けられている。燃料電池スタック１０など、実施形態によっては、陰極１４は概ね平坦である。
【００４３】
陽極室１６は、その内部において電解液中に懸濁した金属粒子３０を矢印２８で表す下流方向に流すように成形されている。実施形態によっては、金属粒子は、亜鉛、アルミニウム、ベリリウム、カルシウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ナトリウム、チタン、またはこのような金属の混合物であってもよい。例示の実施形態では、金属粒子３０は亜鉛粒子である。実施形態によっては、金属粒子の粒径が、５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲であってもよい。
【００４４】
実施形態によっては、電解液は、水酸化アルカリ水溶液など、アルカリ性であってもよい。実施形態によっては、水酸化アルカリ水溶液は、水酸化カリウム水溶液または水酸化ナトリウム水溶液であってもよい。実施形態によっては、水酸化アルカリ水溶液の濃度が、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５重量％の範囲であってもよい。他の実施形態では、電解液が非アルカリ性である場合もある。
【００４５】
燃料電池２など、実施形態によっては、陽極集電子１８は、アルカリ性水溶液中で高導電率と高安定性を有する材料からなる。実施例となる実施形態では、陽極集電子は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン、銅、金、銀、マグネシウム、インジウム、鉛、または炭素であってもよい。他の実施形態では、これらおよび他の元素の組み合わせの合金または導電性酸化物が使用される。実施形態によっては、陽極集電子１８は概ね平坦である。陽極集電子１８は、陰極１４との間に陽極室１６を少なくとも部分的に画成させるようにして陰極１４の反対側に配置されている。実施形態によっては、陰極１４および陽極集電子１８の各表面積が１ｃｍ２から１ｍ２の範囲であってもよい。実施例となる実施形態では、陰極１４および陽極集電子１８の表面積はそれぞれ約５００ｃｍ２であり、約３ｍｍ隔てられている。
【００４６】
燃料電池２など、実施形態によっては、陽極集電子１８は、陽極室１６内に突き出した複数の粒子捕集体３２を備えている。粒子捕集体３２は、電解液中の懸濁粒子３０を捕集するとともに陽極室１６中に流すのに適したいかなる形状および構成を有していてもよい。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、粒子３０を捕捉して陽極集電子１８上で陽極層３４への形成を促進させるのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列を有する。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、陽極室１６中の電解液の流れを乱し、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促進させる一連の障害を設定するのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列を有する。図４Ａないし図４Ｆは、粒子捕集体３２の他の可能な形状の側面図の非限定的な例を示す。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、電解液の循環を向上させるために多孔質であってもよく、孔、スリットなどを有していてもよい。特定の実施形態では、粒子捕集体３２は導電性の網から形成される。網は、孔径を粒子の捕捉を容易にするのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列に制限したほうがよい。
【００４７】
特定の実施形態では、粒子捕集体３２が陽極集電子１８と同じ導電性材料から構成される。他の実施形態では、粒子捕集体３２が別の導電性材料または非導電性材料から構成されてもよい。特定の実施形態では、粒子捕集体３２が陽極集電子１８と一体的に形成される。他の実施形態では、粒子捕集体３２が別個に形成された後、陽極集電子１８に連結されてもよい。実施形態によっては、陽極集電子１８の表面に、均一な陽極層３４を形成するのに十分な粒子捕集体３２が設けられている。
【００４８】
図２に示すように、各粒子捕集体３２は、陽極室１６内を下流に向かって流れる粒子３０を受け入れる開口３５を少なくとも部分的に画成している。燃料電池２など、実施形態によっては、開口３５が概ね上流または下流方向に面していてもよい。また、各粒子捕集体３２は、捕捉した粒子３０を内部に蓄積するよう成形されたポケットまたは穴３７も少なくとも部分的に画成している。開口３５は穴３７と流体連通している。燃料電池２など、実施形態によっては、開口３５が穴３７の開口を画成している。開口３５および穴３７の大きさは、粒子捕集体３２と陽極集電子１８の平面部分との間で上流方向に画成される角度３８によって部分的に定められてもよい。実施形態によっては、角度３８は、５度から９０度、または２０度から７０度、または３０度から６０度の間であってもよい。実施形態によっては、角度３８は、９０度から１２０度、または１２０度から１８０度の間であってもよい。
【００４９】
図３に示すように、陽極室１６は、内部壁４８によって隔てられた、実質的に平行する複数の陽極流路４４に細分されていてもよい。図１ないし図３に示す実施形態では、粒子捕集体３２は横長のスクープである。実施形態によっては、各スクープ３２の横幅Ｗｐｃが陽極流路４４の幅Ｗａｃまで延びている。実施形態によっては、１リニアセンチメートル（上流／下流方向における）当たりの粒子捕集体３２の数は、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲である。実施形態によっては、隣接する流路内の電解液が同じ方向に流れてもよい。他の実施形態では、隣接する流路内の電解液が反対方向に流れてもよい。
【００５０】
実施形態によっては、粒子捕集体３２の特徴が微細であり、単なる陽極流路４４の表面粗さの上昇分とみなすことができる。滑らかな平面に対する表面粗さの上昇分は、４：１から１０，０００：１、または１０：１から１０００：１、または５０：１から５００：１の範囲である。
【００５１】
実施形態によっては、粒子捕集体３２は、均一な陽極層３４の形成を促すとともに電解液の一様な流れを妨げない千鳥配列または他の繰り返し配列やランダムな配列で配置されていてもよい。図５Ａないし図５Ｃは、粒子捕集体３２の他の可能な構成の上面図の非限定的な例を示す。
【００５２】
図２に示すように、粒子捕集体３２の高さＨｐｃは、陽極室１６内の電解液の流れを著しくは妨げない高さに制限されている。実施形態によっては、陽極集電子１８の平面部分に対する高さＨｐｃは、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲である。実施形態によっては、陽極室１６の高さ（Ｈａｃ）に対する高さＨｐｃの比率は、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲である。
【００５３】
陽極層３４の形成は、陽極室１６内の電解液の流れを著しくは妨げないことを確実にするために（さらに以下に説明するように）制御される。実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂが粒子捕集体３２の高さＨｐｃを超えない。実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂは、０．２ｍｍから２０ｍｍ、または１ｍｍから１０ｍｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの範囲であってもよく、実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂは、陽極室の高さＨａｃに対する深さＤａｂの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さであってもよい。実施形態によっては、深さＤａｂは陽極層３４の大部分または全体にわたって均一である。
【００５４】
図６Ａに示すように、陽極室１６は、入口４０と、出口４２と、蛇行状に連結された複数の流路４４とを備えている。実施形態によっては、各流路４４は、電解液の流れの方向において実質的に継続する電解液の圧力低下があり、横方向において実質的に圧力低下がないことを特徴とする、電解液の一様な流れを促進するように寸法決定されている。実施形態によっては、各流路４４の長さ対幅アスペクト比が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１である。
【００５５】
実施形態によっては、流路４４は、図６Ｂに示す並行流れ構成など、他の構成で配置されていてもよい。陽極室１６は、入口４０と、出口４２と、平行に連結された複数の流路４４とを備えている。実施形態によっては、各流路４４は、電解液の流れの方向において実質的に継続する電解液の圧力低下があり、横方向において実質的に圧力低下がないことを特徴とする、電解液の一様な流れを促進するように寸法決定されている。実施形態によっては、各流路４４の長さ対幅アスペクト比が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１である。並行流れの流路間での分配を容易にするために多岐管５６が使用されている。
【００５６】
実施形態によっては、流路４４の他の構成を、蛇行流れ流路と並行流れ流路の組み合わせとして形成することができる。
【００５７】
動作時、電気が必要とされると、電解液中に懸濁させた金属粒子３０が陽極室１６に装入され、空気が陰極室１４に装入される。陽極集電子１８上には、以下のメカニズム、すなわち、（ｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子３０の流れを、一部の金属粒子３０を陽極集電子１８上に沈降させるほど遅い所定の流速に維持すること、（ｉｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子３０の流れを周期的に停止させて一部の金属粒子３０を陽極集電子１８上に沈降させること、および（ｉｉｉ）陽極集電子１８上に本明細書に記載の複数の粒子捕集体３２を設けて金属粒子３０を捕集することのうちの１つ以上によって金属粒子３０の均一な層が制御可能に形成される。実施形態によっては、上記のメカニズムのそれぞれについて、陽極室１６を実質的に水平向きにして重力で陽極集電子１８上に粒子３０を沈降させ、陽極層３４を形成する。
【００５８】
したがって、陽極層３４の粒子３０は、陽極集電子１８および／または陽極層３４内の他の粒子３０と接触状態になる。その後、陽極層３４の上面に沿う粒子３０が陽極反応を起こす。陽極反応は、陽極層３４の上面で主に生じ、陽極集電子１８へと下方に向かうにつれて減少する。
【００５９】
電解液は、陽極層３４の上方を粒子３０と直接接触しながら流れることで、陽極反応を発生させる。また、電解液が反応サイトに流れることにより、酸化金属の生成物（例えば、亜鉛酸カリウム）が除去される。陽極反応を起こすために電解液を陽極層３４内に流す必要がないので、（ｉ）より低い電解液圧を利用して、ポンプエネルギーコストを低減させるとともに、燃料電池２に対する機械的応力を低減させてもよく、かつ／または（ｉｉ）より小さい金属粒子３０を使用して、電解液圧を上昇させたり電解液流速を低下させたりせずに効率を上げてもよい。実施形態によっては、金属粒子３０の粒径は、５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲であってもよい。電解液は主に亜鉛粒子層の上面を流れるが、一部の流れは層内に浸透することになる。同様に、陽極層３４の最下部でのゆっくりした陽極反応によって形成される亜鉛酸カリウムは、ゆっくりと染み出して電解液の主流に戻ることになる。
【００６０】
陰極１４と陽極集電子１８との間の回路を閉じて負荷を加えることにより、燃料電池２から電流が取り出されてもよい。燃料電池スタックからの電流取り出しは、端板と個々の燃料電池を、例えば接続ピン２２で接続し、負荷を加えることによって促進される。実施形態によっては、５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度が負荷によって取り出され、放電が１時間から２０時間の間生じる。実施形態によっては、燃料電池２または燃料電池スタック１０は、負荷の接続を切ることで、活性反応の停止状態であっても、実質的な完全充電状態で維持される。燃料電池２または燃料電池スタック１０の実質的な完全充電状態は、完全に充填された陽極層３４を維持することで保存される。
【００６１】
陽極集電子１８上への粒子３０の均一な層の形成は、陽極室１６内の電解液の一様な流れを与えることによっても促進される。一様な流れは、陽極室１６内の下流方向において実質的に継続する圧力低下を与えること、および横方向の圧力低下を最小限に与えるかまたは実質的に与えないことによって達成される。実施形態によっては、陽極室１６全体を通して、電解液の流れがわずかしかまたは全くない再循環領域すなわち「死角」が実質的になく、電解液が実質的に同じ流速で移動する。
【００６２】
実施形態によっては、陽極室１６内の電解液の流速は、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲である。
【００６３】
実施形態によっては、電解液は、０．１ｐｓｉから１５ｐｓｉ、または１ｐｓｉから１２ｐｓｉ、または２ｐｓｉから１０ｐｓｉの範囲のゲージ圧で陽極室１６に装入される。実施形態によっては、陽極室内の電解液のゲージ圧は５ｐｓｉ未満である。ゲージ圧とは、大気圧をゼロ基準として比較した圧力（すなわち、絶対圧と大気圧との差）を意味する。
【００６４】
図７は、発明の一実施形態にかかる金属空気燃料電池システム２００を示す。システム２００は、燃料電池２１０と、電解槽２２０と、未使用燃料のタンク２３０とを備えている。燃料電池２１０は、例えば燃料電池２からなっていてもよい。燃料電池２１０は、複数の燃料電池２からなって燃料電池スタックを形成していてもよい。１つ以上のポンプ（図示せず）が、システム２００に電解液と金属粒子および／または生成物種を送り込む。特に、使用済燃料（例えば、亜鉛酸塩などの酸化金属）は、燃料電池２１０の出口から送出され、貯蔵可能なタンク２３０に送り込まれる。その後、使用済燃料は、タンク２３０から電解槽２２０に送出することができる。実施形態によっては、使用済燃料が燃料電池２１０から電解槽２２０に直接送り込まれてもよい。電解槽２２０は金属燃料を再生させ、続いて金属燃料はタンク２３０に送出される。金属燃料は、例えば、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の樹枝状亜鉛粉末であってもよい。この金属燃料は、燃料電池２１０による使用のために必要とされるまで、タンク２３０に貯蔵される。実施形態によっては、再生された金属燃料が燃料電池２１０に直接ポンプで送り返されてもよい。
【００６５】
構成要素（例えば陰極、陽極集電子など）が上記で言及される場合、特に指示しない限り、当該構成要素への言及は、記載された構成要素の機能を実行する（すなわち、機能上等しい）いかなる構成要素も、発明の例示の実施形態においてその機能を実行する開示された構造と構造上等しくない構成要素も含め、当該構成要素の等価物として含むと解釈されるべきである。
【００６６】
本願は、本発明の一般原則を用いた本発明のいかなる変形物、用途または適用物も包含するものである。さらに、本願は、本発明が関係し、添付の特許請求の範囲による限定の範囲内にある当分野において周知または慣例的な行為に含まれるような本開示からの逸脱を包含するものである。したがって、特許請求の範囲は、上記の説明で述べた好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体として上記の説明と整合する最も広範囲の解釈を与えられるべきである。
【図１Ａ】
2018528595.tif 000003
【図１Ｂ】
2018528595.tif 000004
【図２】
2018528595.tif 000005
【図３】
2018528595.tif 000006
【図４Ａ】
2018528595.tif 000007
【図４Ｂ】
2018528595.tif 000008
【図４Ｃ】
2018528595.tif 000009
【図４Ｄ】
2018528595.tif 000010
【図４Ｅ】
2018528595.tif 000011
【図４Ｆ】
2018528595.tif 000012
【図５Ａ】
2018528595.tif 000013
【図５Ｂ】
2018528595.tif 000014
【図５Ｃ】
2018528595.tif 000015
【図６Ａ】
2018528595.tif 000016
【図６Ｂ】
2018528595.tif 000017
【図７】
2018528595.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月25日(2017.1.25)
【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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛空気燃料電池などの金属空気燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気燃料電池は、高いエネルギー効率を提供するにもかかわらず、環境への影響が低く、低コストでもある。亜鉛空気燃料電池は、金属空気燃料電池の一例である。亜鉛空気燃料電池においては、燃料として亜鉛金属が供給され、酸素源として空気が供給され、電解液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ性水溶液が供給される。電気回路が閉じられると、陽極が、以下の陽極すなわち負極反応によって亜鉛金属を消耗する。
Ｚｎ＋４ＫＯＨ→Ｋ２Ｚｎ（ＯＨ）４＋２Ｋ＋＋２ｅ  （１）  Ｅ０＝−１．２１６Ｖ
【０００３】
亜鉛金属は水酸化カリウムと反応して消耗され、亜鉛酸カリウム（Ｋ２Ｚｎ（ＯＨ）４）が形成されて、電子が陽極電流導体に放出される。
【０００４】
酸素は陰極に供給され、陰極上のＨ２Ｏおよび電子と反応して水酸基イオン（ＯＨ−）を形成する。陰極すなわち正極反応は、従って以下の通りである。
１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ→２ＯＨ−  （２）  Ε０＝０．４０１Ｖ
【０００５】
反応式（２）からの水酸基イオンと反応式（１）からのカリウムイオンは、その後陽極において反応式（１）で再び亜鉛金属と反応する。
【０００６】
この反応スキームによれば、亜鉛の酸化と酸素の還元によって化学エネルギーの電気エネルギーへの変化が引き起こされる。これらの反応が長時間にわたって進行するためには、亜鉛金属および空気の継続的な供給のみならず、系からの絶え間ない電子流入手段、すなわち、負荷との接続が存在しなければならない。
【０００７】
従来の亜鉛と空気による実現例では、金属電極が有する亜鉛量が定量であったために、利用可能エネルギーが制限され、繰り返し使用時の電極のサイズ拡大による再充電性の難点があった。電極面積を減少させると、燃料電池システムの電力が減少する。
【０００８】
改良された金属空気燃料電池が望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
本明細書に記載の発明は多数の局面を有しており、その一部は燃料電池、燃料電池スタック、金属空気燃料電池システム、および金属空気燃料電池の充電方法に関する。
【００１０】
一局面においては、燃料電池が提供される。燃料電池は、陰極と、陽極集電子および陽極集電子によって少なくとも部分的に画成された陽極室を備える陽極と、陰極によって少なくとも部分的に画成された陰極室とを備えている。陽極室は、電解液を下流方向に流す１本または複数本の陽極流路を備えている。
【００１１】
陽極集電子は、陽極室内に突き出して電解液中の懸濁粒子を捕集する複数の粒子捕集体を備えていてもよい。
【００１２】
複数の粒子捕集体は、陽極室内の電解液の流れを乱して、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促すように構成されていてもよい。
【００１３】
粒子捕集体は横長部材を備えていてもよい。横長部材は陽極流路の幅まで延びていてもよい。横長部材と陽極集電子の平面部分との間で上流方向に画成される角度は、１０度から９０度の間、または２０度から８０度の間、または３０度から７０度の間、または９０度から１２０度の間、または１２０度から１８０度の間であってもよい。陽極集電子の平面部分に対する横長部材の高さは、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲であってもよい。陽極集電子の平面部分に対する横長部材の高さ（ｉ）と陽極室の高さ（ｉｉ）との比率は、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲であってもよい。
【００１４】
１リニアセンチメートル当たりの粒子捕集体の数は、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲であってもよい。隣接する粒子捕集体間の距離は、陽極集電子の平面部分に対する粒子捕集体の高さより短くてもよい。複数の粒子捕集体は、陽極集電子上に粒子の均一な層を形成するように構成された配列で配置されていてもよい。
【００１５】
陽極室は、並行流れ構成または蛇行流れ構成を備えていてもよい。陽極流路は、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１の範囲の長さ対幅比からなっていてもよい。陽極流路の幅は、２ｍｍから２０ｃｍ、５ｍｍから１０ｃｍ、または１ｃｍから５ｃｍの範囲であってもよい。
【００１６】
陰極と陽極集電子は平坦であってもよい。陽極集電子の表面積は１ｃｍ２から１ｍ２の範囲であってもよい。
【００１７】
陽極室内の電解液流れ場の高さは、０．５ｍｍから４ｍｍ、１ｍｍから３ｍｍ、または２ｍｍであってもよい。
【００１８】
燃料電池は亜鉛空気燃料電池であってもよく、粒子は亜鉛粒子であってもよい。電解液は水酸化カリウムであってもよい。
【００１９】
別の局面によれば、燃料電池スタックが提供される。燃料スタックは、本明細書に記載の複数の燃料電池を備えている。複数の燃料電池は、水平向きで、互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成していてもよいし、垂直向きで、互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成していてもよい。
【００２０】
別の局面によれば、金属空気燃料電池システムが提供される。金属空気燃料電池システムは、本明細書に記載の燃料電池と、燃料電池の出口と流体連通する金属電解槽と、金属電解槽の出口および燃料電池の入口と流体連通するタンクとを備えている。燃料電池は亜鉛空気燃料電池であってもよく、金属電解槽は亜鉛電解槽であってもよい。
【００２１】
別の局面によれば、金属空気燃料電池の充電方法が提供される。この方法は、
（ａ）陽極室を水平向きにして、対応する陽極集電子を陽極室の下方に配置するステップと、
（ｂ）電解液中に懸濁させた金属粒子を陽極室内を流れるように供給するステップと、
（ｃ）金属粒子の層を陽極集電子上に形成させるステップと、
（ｄ）層の均一な形成を維持するステップと
を含む。
【００２２】
ステップ（ｃ）は、
（ｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを所定の流速に維持すること、
（ｉｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを周期的に停止させること、および
（ｉｉｉ）陽極集電子上に複数の粒子捕集体を設けること
のうちの１つ以上を含んでいてもよい。
【００２３】
ステップ（ｄ）は、陽極室内の電解液の一様な流れを与えることを含んでいてもよい。一様な流れを与えることは、陽極室内の下流方向において継続する圧力低下と下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることを含んでいてもよい。下流方向において継続する圧力低下と下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることは、陽極室に並行流路または蛇行流路を設けることを含んでいてもよい。並行流路または蛇行流路を設けることは、５０：１ないし２：１、２５：１ないし４：１、または６：１ないし５：１の長さ対幅アスペクト比によって規定される並行流路または蛇行流路用の流路を設けることを含んでいてもよい。
【００２４】
ステップ（ｃ）は、０．２ｍｍから２．０ｃｍ、または１ｍｍから１．０ｃｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの深さまで層を形成することを含んでいてもよい。ステップ（ｃ）は、陽極室の高さに対する上記層の深さの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さまで上記層を形成することを含んでいてもよい。
【００２５】
ステップ（ｂ）は、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の金属粒子を供給することを含んでいてもよい。
【００２６】
陽極室内の電解液の流速は１ｃｍ３／秒から５０００ｃｍ３／秒の範囲であってもよい。陽極室内の電解液の流速は、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲であってもよい。
【００２７】
陽極室内の電解液のゲージ圧は、０．６９ｋＰａから１０３．４ｋＰａ、または１３．８ｋＰａから６８．９ｋＰａの範囲であってもよい。陽極室を横切る方向の圧力低下は１０３．４ｋＰａ未満であってもよい。
【００２８】
金属粒子は亜鉛粒子であってもよく、電解液は水酸化カリウム水溶液であってもよい。水酸化カリウムの濃度は、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５％重量であってもよい。
【００２９】
上記方法は、燃料電池から５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度を取り出すことを含んでいてもよい。上記方法は、燃料電池に負荷を加えることと、１時間から２０時間の間放電することを含んでいてもよい。
【００３０】
上記の説明は本発明の特定の局面を要約したものに過ぎず、いかなる方法でも本発明を限定することを意図したものでも、そのように解釈されるべきでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
発明の非限定的な実施形態を示す以下の図面において、
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の部分破断側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す実施形態における図１Ａに示す図と直交する部分破断側面図である。
【図２】図２は、図１Ａに示す実施形態の部分拡大破断側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にかかる陽極室の部分上面図である。
【図４】図４Ａないし図４Ｆは、本発明の様々な実施形態の部分破断側面図である。
【図５】図５Ａないし図５Ｃは、本発明の実施形態にかかる様々な陽極室の部分上面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の上面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の上面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態にかかる金属空気燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の説明を通して、本発明のより十分な理解を与えるために具体的な詳細を述べる。しかしながら、本発明は、これらの詳細なく実施される場合もある。他の例では、発明を不必要に不明瞭にすることを避けるため、周知の要素が図示されていないか、または詳細に説明されていない。したがって、明細書および図面は、制限する意味ではなく、例示する意味で考えられるべきである。
【００３３】
本明細書では、方向を示す多くの慣例表現がその意味の明確化の助けとなるよう以下の通りに採用されている。
本書で使用される「上流」および「下流」は、陽極室の入口から陽極室の出口への電解液の流れに対する特徴要素の方向、向き、位置または配置に関しており、陽極室の入口からの陽極室内の第１の位置に対して、電解液の流路に沿って入口により近い陽極室内の第２の位置が「上流」であり、電解液の流路に沿って入口からより離れた陽極室内の第３の位置が「下流」である。
本書で使用される「横、横方向の」、「横、横方向に」等は、陽極室の入口から陽極室の出口へ、または陽極流路の入口から陽極流路の出口への電解液の流れと直交する方向に関する。
本書で使用される「水平」および「水平に」は地面と平行する向きを意味する。
本書で使用される「上」、「下」、「上方」、「下方」は、陽極室が実質的に水平向きにされたときの特徴要素の向き、位置または配置を意味する。
【００３４】
本書で使用される用語「燃料電池」は、当業者であれば理解できる電気化学的装置を意味する。用語「燃料電池」は、「フローバッテリー」および類似の専門用語として知られる装置を制限なく含む。
【００３５】
陽極層に関連して本書で使用される用語「均一な」は、金属粒子の実質的に一様な分布を有する陽極層を意味する。
【００３６】
本書で使用される用語「実質的に」は、作用、特性、結果の完全なもしくは完全に近い範囲または程度を意味する。例えば、「実質的に」継続する圧力低下は、圧力低下が完全に継続するか、または完全に近く継続することを意味することになる。絶対完全性からの逸脱の厳密な許容度は、具体的な文脈に依存する場合もある。しかしながら、一般的に言えば、完全状態に近いとは、全くの完全状態が得られた場合と同じ総体的な結果を有するようなものであろう。作用、特性もしくは結果の完全なまたは完全に近い欠如を指すべく否定的な意味で使用される場合にも、「実質的に」の使用は同様に当てはまる。例えば、「実質的に」圧力低下なしとは、圧力低下の完全な欠如か、またはその影響が圧力低下が全くなかった場合と同じほどの完全に近い圧力低下の欠如を意味する。換言すれば、「実質的に」圧力低下なしとは、その測定可能な影響がない限りずっと、測定可能な圧力低下がまだあるかもしれないことを意味する。
【００３７】
亜鉛空気燃料電池用の従来の陽極層は、２つの方法のうちの１つによって形成される。１つの方法は、充填亜鉛粒子の緻密層を形成し、その緻密層に高圧で電解液を流すことである。発明者らはこの方法に関する少なくとも２つの欠点を見出した。第１に、燃料電池が機械的に耐え得る圧力の量によって、ポンプ圧が約６８９４８Ｐａ未満に制限されることであり、それより高い圧力は、燃料電池にあまりに過大な機械的応力を加えることになる。第２に、ポンプ圧を下げることで、使用可能な粒径の範囲が制限されることである。６８９４８Ｐａ未満のポンプ圧の場合、平均粒径が２００ミクロンを超える陽極層でしか有効ではない。それより小さい粒子を使用した場合には、十分な亜鉛溶解反応を維持するためには、高過ぎるポンプ圧、例えば、６８９４７６Ｐａもの高いポンプ圧が必要になる。
【００３８】
もう１つの方法は、ポンプで亜鉛粒子のスラリーまたは懸濁液を陽極室に送り込むことである。充填粒子層がない場合、ポンプ圧ははるかに低く、例えば、５５．２ｋＰａ未満である。しかしながら、この方法に関して、発明者らは、粒子が陽極集電子と一時的に接触するだけであり、従って、発生する電流密度が任意の時点で形成される一時的な接触の数によって制限されることを見出した。
【００３９】
本発明の特許請求の範囲は高エネルギー効率の金属空気燃料電池に関する。一実施形態では、実質的に水平向きの陽極室を有する燃料電池が提供される。電解液中に懸濁した１５ｎｍから３００ミクロンの範囲などの小さい金属粒子が、ポンプにより６８．９ｋＰａ未満などの低圧で陽極室に送り込まれる。重力沈降と、電解液の流速制御、電解液流の断続的停止および陽極集電子上への粒子捕集体の設置のうちの１つ以上とによって、低い電解液圧で金属粒子の緻密層が陽極集電子上に形成される。この方法の利点としては、低い電解液圧（ポンプエネルギーコストおよび機械的応力の低減）、小さい金属粒子径（電流発生の増加）などが挙げられ、それらは陽極層の上面に沿ってのみならず、陽極層中でも生じる陽極反応によって可能になる。いかなる時点でも、より多くの金属粒子が互いにかつ陽極集電子と接触状態になる。これにより、電極反応と電流発生に寄与する金属粒子の総表面積は、はるかにより大きくなり、ひいてはより高いエネルギー効率をもたらす。また、陽極層に沿ったかつ陽極層中の電解液流が、酸化金属の反応生成物を反応サイトから除去する。
【００４０】
図１Ａは、発明の一実施形態にかかる燃料電池スタック１０の一部を示す。燃料電池スタック１０は、上下に積み重ねられた複数の燃料電池からなる。図１Ａは、第１の燃料電池２と、燃料電池２の下方にある同一の部分的な第２の燃料電池２’の一部を示している。実施形態によっては、燃料電池スタックが１個の燃料電池のみからなる場合もある。燃料電池スタック１０など、実施形態によっては、燃料電池が水平向きで互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する。実施形態によっては、燃料電池が垂直向きで互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する。図１Ｂは、図１Ａと直交する方向で見た燃料電池スタック１０の別の側面図を示す。
【００４１】
燃料電池スタック１０の燃料電池２は、陰極室１２、陰極１４、陽極室１６、陽極集電子１８、およびセパレータ２０を備えている。図１Ａに示す燃料電池スタック１０の燃料電池２’の部分は、陰極室１２’、陰極１４’、および陽極室１６’を備えている。セパレータ２０は、陰極１４と陽極室１６の間の電気接触を防止する一方、両者間のイオン導通を可能にする。接触ピン２２’は、陽極集電子１８を陰極１４’に電気的に接続して回路を閉じる。別の構成では、接触ピン２２’と陽極集電子１８が一体的に形成される。燃料電池スタック１０の燃料電池２の構成要素については、本明細書でさらに詳細に説明されるが、燃料電池２’等、燃料電池スタック１０の他の燃料電池の構成要素の特徴および機能が燃料電池２の構成要素の特徴および機能に相当することは理解されるであろう。
【００４２】
当分野で既知のように、陰極室１２と陰極１４の適切な構造および構成は、陰極室１２内を流れる空気（気流の方向を矢印２４で表す）から陰極１４での酸素の電気化学的還元によって酸素を抽出し、形成された水酸化物を陽極室１６内へ移動させる（酸素抽出／還元および水酸化物イオン移動の方向を矢印２６で表す）ように設けられている。燃料電池スタック１０など、実施形態によっては、陰極１４は概ね平坦である。
【００４３】
陽極室１６は、その内部において電解液中に懸濁した金属粒子３０を矢印２８で表す下流方向に流すように成形されている。実施形態によっては、金属粒子は、亜鉛、アルミニウム、ベリリウム、カルシウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ナトリウム、チタン、またはこのような金属の混合物であってもよい。例示の実施形態では、金属粒子３０は亜鉛粒子である。実施形態によっては、金属粒子の粒径が、５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲であってもよい。
【００４４】
実施形態によっては、電解液は、水酸化アルカリ水溶液など、アルカリ性であってもよい。実施形態によっては、水酸化アルカリ水溶液は、水酸化カリウム水溶液または水酸化ナトリウム水溶液であってもよい。実施形態によっては、水酸化アルカリ水溶液の濃度が、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５重量％の範囲であってもよい。他の実施形態では、電解液が非アルカリ性である場合もある。
【００４５】
燃料電池２など、実施形態によっては、陽極集電子１８は、アルカリ性水溶液中で高導電率と高安定性を有する材料からなる。実施例となる実施形態では、陽極集電子は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン、銅、金、銀、マグネシウム、インジウム、鉛、または炭素であってもよい。他の実施形態では、これらおよび他の元素の組み合わせの合金または導電性酸化物が使用される。実施形態によっては、陽極集電子１８は概ね平坦である。陽極集電子１８は、陰極１４との間に陽極室１６を少なくとも部分的に画成させるようにして陰極１４の反対側に配置されている。実施形態によっては、陰極１４および陽極集電子１８の各表面積が１ｃｍ２から１ｍ２の範囲であってもよい。実施例となる実施形態では、陰極１４および陽極集電子１８の表面積はそれぞれ約５００ｃｍ２であり、約３ｍｍ隔てられている。
【００４６】
燃料電池２など、実施形態によっては、陽極集電子１８は、陽極室１６内に突き出した複数の粒子捕集体３２を備えている。粒子捕集体３２は、電解液中の懸濁粒子３０を捕集するとともに陽極室１６中に流すのに適したいかなる形状および構成を有していてもよい。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、粒子３０を捕捉して陽極集電子１８上で陽極層３４への形成を促進させるのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列を有する。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、陽極室１６中の電解液の流れを乱し、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促進させる一連の障害を設定するのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列を有する。図４Ａないし図４Ｆは、粒子捕集体３２の他の可能な形状の側面図の非限定的な例を示す。実施形態によっては、粒子捕集体３２は、電解液の循環を向上させるために多孔質であってもよく、孔、スリットなどを有していてもよい。特定の実施形態では、粒子捕集体３２は導電性の網から形成される。網は、孔径を粒子の捕捉を容易にするのに適切なサイズ、形状、構成および／または配列に制限したほうがよい。
【００４７】
特定の実施形態では、粒子捕集体３２が陽極集電子１８と同じ導電性材料から構成される。他の実施形態では、粒子捕集体３２が別の導電性材料または非導電性材料から構成されてもよい。特定の実施形態では、粒子捕集体３２が陽極集電子１８と一体的に形成される。他の実施形態では、粒子捕集体３２が別個に形成された後、陽極集電子１８に連結されてもよい。実施形態によっては、陽極集電子１８の表面に、均一な陽極層３４を形成するのに十分な粒子捕集体３２が設けられている。
【００４８】
図２に示すように、各粒子捕集体３２は、陽極室１６内を下流に向かって流れる粒子３０を受け入れる開口３５を少なくとも部分的に画成している。燃料電池２など、実施形態によっては、開口３５が概ね上流または下流方向に面していてもよい。また、各粒子捕集体３２は、捕捉した粒子３０を内部に蓄積するよう成形されたポケットまたは穴３７も少なくとも部分的に画成している。開口３５は穴３７と流体連通している。燃料電池２など、実施形態によっては、開口３５が穴３７の開口を画成している。開口３５および穴３７の大きさは、粒子捕集体３２と陽極集電子１８の平面部分との間で上流方向に画成される角度３８によって部分的に定められてもよい。実施形態によっては、角度３８は、５度から９０度、または２０度から７０度、または３０度から６０度の間であってもよい。実施形態によっては、角度３８は、９０度から１２０度、または１２０度から１８０度の間であってもよい。
【００４９】
図３に示すように、陽極室１６は、内部壁４８によって隔てられた、実質的に平行する複数の陽極流路４４に細分されていてもよい。図１ないし図３に示す実施形態では、粒子捕集体３２は横長のスクープである。実施形態によっては、各スクープ３２の横幅Ｗｐｃが陽極流路４４の幅Ｗａｃまで延びている。実施形態によっては、１リニアセンチメートル（上流／下流方向における）当たりの粒子捕集体３２の数は、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲である。実施形態によっては、隣接する流路内の電解液が同じ方向に流れてもよい。他の実施形態では、隣接する流路内の電解液が反対方向に流れてもよい。
【００５０】
実施形態によっては、粒子捕集体３２の特徴が微細であり、単なる陽極流路４４の表面粗さの上昇分とみなすことができる。滑らかな平面に対する表面粗さの上昇分は、４：１から１０，０００：１、または１０：１から１０００：１、または５０：１から５００：１の範囲である。
【００５１】
実施形態によっては、粒子捕集体３２は、均一な陽極層３４の形成を促すとともに電解液の一様な流れを妨げない千鳥配列または他の繰り返し配列やランダムな配列で配置されていてもよい。図５Ａないし図５Ｃは、粒子捕集体３２の他の可能な構成の上面図の非限定的な例を示す。
【００５２】
図２に示すように、粒子捕集体３２の高さＨｐｃは、陽極室１６内の電解液の流れを著しくは妨げない高さに制限されている。実施形態によっては、陽極集電子１８の平面部分に対する高さＨｐｃは、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲である。実施形態によっては、陽極室１６の高さ（Ｈａｃ）に対する高さＨｐｃの比率は、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲である。
【００５３】
陽極層３４の形成は、陽極室１６内の電解液の流れを著しくは妨げないことを確実にするために（さらに以下に説明するように）制御される。実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂが粒子捕集体３２の高さＨｐｃを超えない。実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂは、０．２ｍｍから２０ｍｍ、または１ｍｍから１０ｍｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの範囲であってもよく、実施形態によっては、陽極層３４の深さＤａｂは、陽極室の高さＨａｃに対する深さＤａｂの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さであってもよい。実施形態によっては、深さＤａｂは陽極層３４の大部分または全体にわたって均一である。
【００５４】
図６Ａに示すように、陽極室１６は、入口４０と、出口４２と、蛇行状に連結された複数の流路４４とを備えている。実施形態によっては、各流路４４は、電解液の流れの方向において実質的に継続する電解液の圧力低下があり、横方向において実質的に圧力低下がないことを特徴とする、電解液の一様な流れを促進するように寸法決定されている。実施形態によっては、各流路４４の長さ対幅アスペクト比が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１である。
【００５５】
実施形態によっては、流路４４は、図６Ｂに示す並行流れ構成など、他の構成で配置されていてもよい。陽極室１６は、入口４０と、出口４２と、平行に連結された複数の流路４４とを備えている。実施形態によっては、各流路４４は、電解液の流れの方向において実質的に継続する電解液の圧力低下があり、横方向において実質的に圧力低下がないことを特徴とする、電解液の一様な流れを促進するように寸法決定されている。実施形態によっては、各流路４４の長さ対幅アスペクト比が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１である。並行流れの流路間での分配を容易にするために多岐管５６が使用されている。
【００５６】
実施形態によっては、流路４４の他の構成を、蛇行流れ流路と並行流れ流路の組み合わせとして形成することができる。
【００５７】
動作時、電気が必要とされると、電解液中に懸濁させた金属粒子３０が陽極室１６に装入され、空気が陰極室１４に装入される。陽極集電子１８上には、以下のメカニズム、すなわち、（ｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子３０の流れを、一部の金属粒子３０を陽極集電子１８上に沈降させるほど遅い所定の流速に維持すること、（ｉｉ）電解液中に懸濁させた金属粒子３０の流れを周期的に停止させて一部の金属粒子３０を陽極集電子１８上に沈降させること、および（ｉｉｉ）陽極集電子１８上に本明細書に記載の複数の粒子捕集体３２を設けて金属粒子３０を捕集することのうちの１つ以上によって金属粒子３０の均一な層が制御可能に形成される。実施形態によっては、上記のメカニズムのそれぞれについて、陽極室１６を実質的に水平向きにして重力で陽極集電子１８上に粒子３０を沈降させ、陽極層３４を形成する。
【００５８】
したがって、陽極層３４の粒子３０は、陽極集電子１８および／または陽極層３４内の他の粒子３０と接触状態になる。その後、陽極層３４の上面に沿う粒子３０が陽極反応を起こす。陽極反応は、陽極層３４の上面で主に生じ、陽極集電子１８へと下方に向かうにつれて減少する。
【００５９】
電解液は、陽極層３４の上方を粒子３０と直接接触しながら流れることで、陽極反応を発生させる。また、電解液が反応サイトに流れることにより、酸化金属の生成物（例えば、亜鉛酸カリウム）が除去される。陽極反応を起こすために電解液を陽極層３４内に流す必要がないので、（ｉ）より低い電解液圧を利用して、ポンプエネルギーコストを低減させるとともに、燃料電池２に対する機械的応力を低減させてもよく、かつ／または（ｉｉ）より小さい金属粒子３０を使用して、電解液圧を上昇させたり電解液流速を低下させたりせずに効率を上げてもよい。実施形態によっては、金属粒子３０の粒径は、５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲であってもよい。電解液は主に亜鉛粒子層の上面を流れるが、一部の流れは層内に浸透することになる。同様に、陽極層３４の最下部でのゆっくりした陽極反応によって形成される亜鉛酸カリウムは、ゆっくりと染み出して電解液の主流に戻ることになる。
【００６０】
陰極１４と陽極集電子１８との間の回路を閉じて負荷を加えることにより、燃料電池２から電流が取り出されてもよい。燃料電池スタックからの電流取り出しは、端板と個々の燃料電池を、例えば接続ピン２２で接続し、負荷を加えることによって促進される。実施形態によっては、５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度が負荷によって取り出され、放電が１時間から２０時間の間生じる。実施形態によっては、燃料電池２または燃料電池スタック１０は、負荷の接続を切ることで、活性反応の停止状態であっても、実質的な完全充電状態で維持される。燃料電池２または燃料電池スタック１０の実質的な完全充電状態は、完全に充填された陽極層３４を維持することで保存される。
【００６１】
陽極集電子１８上への粒子３０の均一な層の形成は、陽極室１６内の電解液の一様な流れを与えることによっても促進される。一様な流れは、陽極室１６内の下流方向において実質的に継続する圧力低下を与えること、および横方向の圧力低下を最小限に与えるかまたは実質的に与えないことによって達成される。実施形態によっては、陽極室１６全体を通して、電解液の流れがわずかしかまたは全くない再循環領域すなわち「死角」が実質的になく、電解液が実質的に同じ流速で移動する。
【００６２】
実施形態によっては、陽極室１６内の電解液の流速は、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲である。
【００６３】
実施形態によっては、電解液は、０．６９ｋＰａから１０３．４ｋＰａ、または６．９ｋＰａから８２．７ｋＰａ、または１３．８ｋＰａから６８．９ｋＰａの範囲のゲージ圧で陽極室１６に装入される。実施形態によっては、陽極室内の電解液のゲージ圧は３４．５ｋＰａ未満である。ゲージ圧とは、大気圧をゼロ基準として比較した圧力（すなわち、絶対圧と大気圧との差）を意味する。
【００６４】
図７は、発明の一実施形態にかかる金属空気燃料電池システム２００を示す。システム２００は、燃料電池２１０と、電解槽２２０と、未使用燃料のタンク２３０とを備えている。燃料電池２１０は、例えば燃料電池２からなっていてもよい。燃料電池２１０は、複数の燃料電池２からなって燃料電池スタックを形成していてもよい。１つ以上のポンプ（図示せず）が、システム２００に電解液と金属粒子および／または生成物種を送り込む。特に、使用済燃料（例えば、亜鉛酸塩などの酸化金属）は、燃料電池２１０の出口から送出され、貯蔵可能なタンク２３０に送り込まれる。その後、使用済燃料は、タンク２３０から電解槽２２０に送出することができる。実施形態によっては、使用済燃料が燃料電池２１０から電解槽２２０に直接送り込まれてもよい。電解槽２２０は金属燃料を再生させ、続いて金属燃料はタンク２３０に送出される。金属燃料は、例えば、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の樹枝状亜鉛粉末であってもよい。この金属燃料は、燃料電池２１０による使用のために必要とされるまで、タンク２３０に貯蔵される。実施形態によっては、再生された金属燃料が燃料電池２１０に直接ポンプで送り返されてもよい。
【００６５】
構成要素（例えば陰極、陽極集電子など）が上記で言及される場合、特に指示しない限り、当該構成要素への言及は、記載された構成要素の機能を実行する（すなわち、機能上等しい）いかなる構成要素も、発明の例示の実施形態においてその機能を実行する開示された構造と構造上等しくない構成要素も含め、当該構成要素の等価物として含むと解釈されるべきである。
【００６６】
本願は、本発明の一般原則を用いた本発明のいかなる変形物、用途または適用物も包含するものである。さらに、本願は、本発明が関係し、添付の特許請求の範囲による限定の範囲内にある当分野において周知または慣例的な行為に含まれるような本開示からの逸脱を包含するものである。したがって、特許請求の範囲は、上記の説明で述べた好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体として上記の説明と整合する最も広範囲の解釈を与えられるべきである。
【手続補正２】
【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】
陰極と、
陽極集電子および前記陽極集電子によって少なくとも部分的に画成された陽極室を備える陽極と、
前記陰極によって少なくとも部分的に画成された陰極室とを備え、
前記陽極室が、電解液を下流方向に流す１本または複数本の陽極流路を備えており、
前記陽極集電子が、前記陽極室内に突き出して電解液中の懸濁粒子を捕集する複数の粒子捕集体を備えており、
前記複数の粒子捕集体が、前記陽極室内の電解液の流れを乱して、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促すように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
前記粒子捕集体が横長部材を備えている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記横長部材が前記陽極流路の幅まで延びている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記横長部材と前記陽極集電子の平面部分との間で上流方向に画成される角度が、１０度から９０度の間、または２０度から８０度の間、または３０度から７０度の間、または９０度から１２０度の間、または１２０度から１８０度の間である、請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記陽極集電子の平面部分に対する前記横長部材の高さが、０．２ｍｍから５．０ｍｍ、または０．５から３．０ｍｍ、または１．０から２．０ｍｍの範囲である、請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記陽極集電子の平面部分に対する前記横長部材の高さ（ｉ）と前記陽極室の高さ（ｉｉ）との比率が、０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲である、請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
１リニアセンチメートル当たりの前記粒子捕集体の数が、０．５から１０、または１から５、または１から２の範囲である、請求項２ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
隣接する前記粒子捕集体間の距離が、前記陽極集電子の平面部分に対する前記粒子捕集体の高さより短い、請求項２ないし７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記複数の粒子捕集体が、前記陽極集電子上に前記粒子の均一な層を形成するように構成された配列で配置されている、請求項２ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記陽極室が並行流れ構成を備えている、請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記陽極室が蛇行流れ構成を備えている、請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記陽極流路が、５０：１から２：１、２５：１から４：１、または１０：１から５：１の範囲の長さ対幅比からなる、請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記陽極流路の幅が、２ｍｍから２０ｃｍ、５ｍｍから１０ｃｍ、または１ｃｍから５ｃｍの範囲である、請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記陰極と前記陽極集電子が平坦である、請求項１ないし１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記陽極集電子の表面積が１ｃｍ２から１ｍ２の範囲である、請求項１ないし１４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記陽極室内の電解液流れ場の高さが、０．５ｍｍから４ｍｍ、１ｍｍから３ｍｍ、または２ｍｍである、請求項１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記燃料電池が亜鉛空気燃料電池であり、前記粒子が亜鉛粒子である、請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記電解液が水酸化カリウムである、請求項１ないし１７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれかに記載の燃料電池を複数個備える燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記複数の燃料電池が、水平向きで、互いに上下に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記複数の燃料電池が、垂直向きで、互いに横に積み重ねられて燃料電池スタックを形成する、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
請求項１ないし１８のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池の出口と流体連通する金属電解槽と、
前記金属電解槽の出口および前記燃料電池の入口と流体連通するタンクとを備えた、金属空気燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料電池が亜鉛空気燃料電池であり、前記金属電解槽が亜鉛電解槽である、請求項２２に記載の金属空気燃料電池システム。
【請求項２４】
（ｅ）陽極室を水平向きにして、前記陽極室に突き出した複数の粒子捕集体を備えた対応する陽極集電子を前記陽極室の下方に配置するステップと、
（ｆ）電解液中に懸濁させた金属粒子を前記陽極室内を流れるように供給するステップと、
（ｇ）前記複数の粒子捕集体が、前記陽極室内の電解液の流れを乱して、粒子捕集体上または粒子捕集体間への粒子の沈降を促し、前記陽極集電子上に前記金属粒子の層を形成させるステップと、
（ｈ）前記層の均一な形成を維持するステップと
を含む、金属空気燃料電池の充電方法。
【請求項２５】
前記ステップ（ｃ）が、
（ｉｖ）前記電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを所定の流速に維持すること、および
（ｖ）前記電解液中に懸濁させた金属粒子の流れを周期的に停止させること
のうちの１つ以上を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステップ（ｄ）が、前記陽極室内の電解液の一様な流れを与えることを含む、請求項２４または２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記一様な流れを与えることは、前記陽極室内の下流方向において継続する圧力低下と前記下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記下流方向において継続する圧力低下と前記下流方向と直交する方向において最小限の圧力低下を与えることは、前記陽極室に並行流路または蛇行流路を設けることを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記並行流路または蛇行流路を設けるステップ（ｄ）が、５０：１ないし２：１、２５：１ないし４：１、または６：１ないし５：１の長さ対幅アスペクト比によって規定される並行流路または蛇行流路用の流路を設けることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ（ｃ）が、０．２ｍｍから２．０ｃｍ、または１ｍｍから１．０ｃｍ、または２ｍｍから４ｍｍ、または０．５ｍｍから２ｍｍの深さまで前記層を形成することを含む、請求項２４ないし２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記ステップ（ｃ）が、前記陽極室の高さに対する前記層の深さの比率が０．１から０．６、または０．２から０．５、または０．３から０．４の範囲になる深さに前記層を形成することを含む、請求項２４ないし３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
前記ステップ（ｂ）が、粒径が５ｎｍから１ｍｍ、５ｎｍから０．５ｍｍ、または５ｎｍから０．３ｍｍの範囲の金属粒子を供給することを含む、請求項２４ないし３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
前記陽極室内の電解液の流速が１ｃｍ３／秒から５０００ｃｍ３／秒の範囲である、請求項２４ないし３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記陽極室内の電解液の流速が、１Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から７Ｌ／分、または３Ｌ／分から５Ｌ／分の範囲である、請求項２４ないし３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記陽極室内の電解液のゲージ圧が０．６９ｋＰａから１０３．４ｋＰａの範囲である、請求項２４ないし３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記陽極室内の電解液のゲージ圧が１３．８ｋＰａから６８．９ｋＰａの範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記陽極室を横切る方向の圧力低下が１０３．４ｋＰａ未満である、請求項２４ないし３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
前記金属粒子が亜鉛粒子である、請求項２４ないし３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
前記電解液が水酸化カリウム水溶液である、請求項２４ないし３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
前記水酸化カリウムの濃度が、５重量％から６０重量％、または２０重量％から５０重量％、または３０重量％から４５％重量である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料電池から５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度を取り出すことを含む、請求項２４ないし４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
前記燃料電池に負荷を加えることと、１時間から２０時間の間放電することを含む、請求項２４ないし４１いずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
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