(57)【要約】  本出願は、金属空気燃料電池、及び、装置及び製品のための長寿命で機械的に充電可能な直流電源としての使用を含む金属空気燃料電池の使用に関する。
2020503658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）アノードと、
（ｂ）位置決め可能な空気カソードと、
（ｃ）電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するように前記アノードと前記空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
（ｄ）前記吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ前記空気カソードが前記吸収材料層と接触したままとなるようにするべく構成される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
前記吸収材料層は、前記電解質を保持することによって前記アノードと前記カソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池。
【請求項２】
前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードは、前記空気カソードが前記吸収材料層を実質的に取り囲むとともに前記吸収材料層が前記アノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される請求項１に記載の金属空気燃料電池。
【請求項３】
前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードが積層配置を成して設けられる請求項１に記載の金属空気燃料電池。
【請求項４】
前記弾性空気カソード位置決め手段が前記電池の断面周長にわたって位置される請求項１から３のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項５】
前記弾性空気カソード位置決め手段は、前記空気カソード内に組み込まれる又は前記空気カソードとは別個に設けられるとともに、Ｏリング、変形可能な高分子材料、弾性（又はゴム）バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される請求項１から４のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項６】
前記金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される請求項１から５のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項７】
前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって使用のために活性化又は再活性化される請求項１から６のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項８】
前記吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために前記吸収材料層にイオンが予め含浸される請求項１から７のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項９】
前記吸収材料層は、イオンが予め含浸された第１の吸収材料副層と、イオンが予め含浸されていない第２の吸収材料副層とを備える請求項１から８のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１０】
前記金属空気燃料電池は、電解質を保持するように金属空気燃料電池を液体中に浸漬することによって使用のために活性化又は再活性化される請求項１から９のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１１】
前記吸収材料層は、保持される電解質又は水の吸着又は消耗時及び／又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる請求項１から１０のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１２】
前記吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１３】
前記吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１４】
前記アノードがマグネシウム合金を備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１５】
前記空気カソードがシート層を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１６】
前記空気カソードは、疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１７】
前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層と前記空気カソードとの間に位置されて前記吸収材料層を支持して収容する及び／又は吸収材料層中に捕捉されるアノード廃棄沈殿物から前記カソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える請求項１から１６のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１８】
使用時に製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらす請求項１から１７のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１９】
前記製品又は装置は、トーチ（懐中電灯、マグライト、ペンライトを含む）、ライト及び照明製品又は装置（グローブライト、ＬＥＤライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む）、安全性又は一時的な照明用途（道路工事を含む）、ランタン（キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む）、組み合わせ製品（懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯−ランタン組み合わせを含む）、家庭用製品（電動歯ブラシ及びシェーバーを含む）緊急ビーコン（ＥＰＩＲＢ及び指向性ファインダーを含む）、ラジオ（アナログ及びデジタル）、通信機器（ラジオ、ＣＢラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む）、玩具（すなわち、バッテリ給電式）、充電式製品用の電源バンク及びＵＳＢデバイス用の充電ドック（携帯電話、ｉ−ｐｏｄ、ｉ−ｐａｄを含む小型電子製品）から成るグループから選択される請求項１８に記載の金属空気燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属空気燃料電池、及び、装置及び製品のための長寿命で機械的に充電可能な直流電源としての使用を含む金属空気燃料電池の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
この明細書における任意の従前の刊行物又はそれから導き出される情報或いは既知の任意の事項への言及は、この明細書が関連する対象分野における共通の一般的知識の一部を従前の刊行物又はそれから導き出される情報或いは既知の事項が形成するという確認又は承認又は任意の形態の示唆として解釈されず、また、解釈されるべきでない。
【０００３】
多くの製品、特に家庭用及び携帯用機器は、単３電池、単２電池、及び、単１電池などのバッテリにより駆動されるように設計される。そのような伝統的なバッテリを使用するときの不利な点は、比較的短い動作寿命、及び、限られた保管寿命、すなわち、使用されていないときでさえも経時的な内部（閉鎖系）構成要素の劣化に起因する期限切れを含む。したがって、これらの装置は、太陽光発電又は灯油を含む他の電源によっても代替的に給電される。
【０００４】
代替電源として灯油を使用することの不利な点としては、高い毎月のコスト、環境汚染物質（地球温暖化の一因となっている大気中に放出された何百万トンものＣＯ２及びブラックカーボン）、健康への悪影響（例えば、肺、眼、皮膚、及び、全般的な健康）、潜在的な火災の危険性（可燃性に起因する）、安全な保管及び定期購入の問題、一部の製品及び装置（緊急ビーコン、ラジオ、通信機器、ＵＳＢデバイス用の充電ドックなど）の電源として適さないこと、及び、飲料として混同することにより偶発的に飲んでしまうことによって引き起こされる中毒の可能性さえ挙げられる。
【０００５】
太陽エネルギーを代替電源として使用することの不利な点としては、日照の量と日照期間のばらつき（特に冬季）、雨の影響（熱帯雨季／モンスーンシーズン中に太陽の潜在能力をほぼゼロまで低下させる可能性がある）、曇りの状態及び霧が発電量を（約１０〜８０％）減少させ得ること、影や靄も太陽パワーの効果を低下させ得ること、太陽の緯度（太陽の角度）の影響及び効果的な捕捉のために太陽捕捉装置の位置を調整する必要性、外的要素からの損傷及び窃盗のリスクを冒して離れて行く日光を捕捉するために屋外に設置しなければならないこと、及び、充電式でないことから寿命が尽きた時点で処分されなければならないという点でのソーラー装置自体の限界が挙げられる。
【０００６】
マグネシウム空気燃料電池などの金属空気燃料電池を伝統的な電池に代わるものとして使用することもできる。金属空気燃料電池は、以下、すなわち、高エネルギー密度、低価格、及び、長期保管の可能性を含む特定の利点を提供すると考えられている。
【０００７】
一般的に言えば、金属空気燃料電池は、空気カソードとアノードとの間の電解質として作用する海水又は他の食塩水などのイオン水溶液中に懸濁することによって動作する。空気カソードは酸素に晒されて電気化学反応が生じ得るようにする。この電気化学反応の副生成物としては、
ａ）水素ガス（及び微量の塩素ガス）の放出、及び、
ｂ）アノード劣化からの廃棄物（例えば金属水酸化物）
が挙げられる。
【０００８】
金属空気燃料電池技術は、電池からの電解質の漏洩、電極を過剰な電解質に晒すことにより性能が低下する、シール問題、ガス（例えば水素及び塩素）の蓄積及び排出の問題、暴走的な発熱酸化還元反応、アノード劣化に関連する廃棄物管理問題（例えば、定期的な洗浄及び電解質交換がない場合に燃料電池内の廃棄物材料蓄積により引き起こされるカソード寿命低下）によって引き起こされる危険な温度及び圧力上昇を含めて、その欠点を伴わないわけでない。
【０００９】
マグネシウム空気燃料電池は、アノードの交換を必要とするまでに５０〜１００時間の典型的な寿命を有する。また、空気カソードの性能は、多くの場合、たった１００〜２００時間の使用後又は最初の使用後の保管中でさえも非常に急速に低下する。幾つかの金属空気燃料電池は、空気カソード寿命を最大にするためにユーザによる厳しい定期的な保守及び洗浄行為を必要とする。
【００１０】
典型的な金属空気燃料電池形態は、Ｈｕｅｂｓｃｈｅｒ、Ｒ．Ｇらの米国特許第３，５１９，４８６号明細書（１９７０年７月７日）及びＬｏｕｉｅ，Ｈ．Ｐ．の米国特許第３，９６３，５１９号明細書（１９７６年６月１５日）によって例示される。
【００１１】
米国特許第３，５１９，４８６号明細書は、過剰な電解質を捕捉するために電池の底部に内部リザーバ／チャンバを含む捕捉型電解質燃料電池について記載する。捕捉された過剰の電解質は、電極及びマトリクスが位置される電解質プールを形成する。マトリクスは、繊維状アスベストマットなどの水酸化カリウムに耐性のある材料から形成される（第２欄第４〜５行目）。電解質の漏れを防ぐために電池がシールされなければならない。更に、リザーバは電池の底部に位置されるため、電池は、電解質の貯留及び電池の動作を確保にするために直立方向で位置されなければならない。
【００１２】
米国特許第３，９６３，５１９号明細書は、保護シールドスペーサを伴う他の捕捉型電解質燃料電池について記載する。スペーサは、電池に構造的強度を与えて、空気がカソードの全表面にわたって通過できるようにしつつカソードを保護する。この形態は、単３形態、単２形態、及び、単１形態の一次及び二次軽量金属空気電池としての用いるのに適さないと考えられていた初期の重枠金属／空気バッテリ構造に勝る進歩と考えられた。電解質を内部でシールするための液密構成が記載される。
【００１３】
米国特許第３，５１９，４８６号明細書も米国特許第３，９６３，５１９号明細書も圧力蓄積を軽減するために蓄積されたアノード劣化廃棄物を除去又は単離する及び／又は副生成物を排出するためのプロセスを記載していない。
【００１４】
金属空気燃料電池技術の開発が進行中である。例えば、日本のＡｑｕａ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍは、現在、少なくとも以下の３つのＰＣＴ特許出願に記載されているように金属空気燃料電池技術を進歩させようとしており、それらの「現実的なマグネシウム空気燃料」（ＲＭＡＦ）システム技術として市販される（ｈｔｔｐ：／／ａｑｕａｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｈｏｗ−ａｑｕａ−ｐｏｗｅｒｓ−ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−ｗｏｒｋｓ／、２０１６年１２月１９日にアクセスされたウェブサイト）。
【００１５】
国際公開第２０１４／０９７９０９号（Ａｑｕａ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ、日本；米国特許出願公開第２０１５／０３４０７０４号としても公開される）は、撥水性及び導電性炭素材料を含む層状カソード体を有する金属空気燃料電池を開示する。結果として得られる燃料電池は、高度に撥水性、通気性、及び、耐漏洩性があるとして記載されている。
【００１６】
国際公開第２０１４／１１５８８０号（Ａｑｕａ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ、日本；米国特許出願公開第２０１５／０３６４８００号としても公開される）は、電気化学反応を改善するためにアノードとカソードとの間の距離が比較的短いマグネシウム空気燃料電池を提供する。燃料電池の高さ及び幅、アノードとカソードとの相対的な位置、及び、反応ガス排出パイプを更に含む給水パイプの使用は、比較的長期間にわたって安定した電力供給を生成すると言われている。しかしながら、反応ガス排出パイプへの入口が電池内に位置される場合があるため、反応ガス排出パイプは電解質及び／又はガスを漏洩させる場合があり望ましくない。
【００１７】
国際公開第２０１４／１１５８７９号（Ａｑｕａ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ、日本；米国特許出願公開第２０１５／０３８０６９３号明細書としても公開される）は、蓋によってＯＮ／ＯＦＦされ得るマグネシウム空気燃料電池であって、締め付けられると端子が接触して電源がＯＮに切り替わるとともに緩められると電源がＯＦＦするマグネシウム空気燃料電池を開示する。
【００１８】
ＲＭＡＦ技術は、水で作動する１．５Ｖ単３バッテリを含む多くの市販製品に組み込まれていると理解される。（ｈｔｔｐ：／／ａｑｕａｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｂａｔｔｅｒｉｅｓ／、２０１６年１２月１９日アクセスされたＷｅｂサイト）しかしながら、ウェブサイトに開示されるように、Ａｑｕａ  Ｐｏｗｅｒバッテリは、小型の手動ピペットによる電解質の手動導入を必要とする所定のサイズの密閉システムとして構成される。
【００１９】
Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．，（米国）は、金属空気燃料電池技術を現在進歩させようとしている他の会社である。Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．のプラットフォーム技術は、最初の商品化された充電式亜鉛−空気バッテリに組み込まれていると理解される（ｈｔｔｐ：／／ｆｌｕｉｄｉｃｅｎｅｒｇｙ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／、２０１６年１２月１９日にアクセスされたウェブサイト）。
【００２０】
Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．，は、例えば、金属燃料酸化生成物の導電性を高めるためのドーパントの使用、すなわち、アノードが縮退的にドープされる（国際公開第２０１４／０６２３８５号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）；電着を向上させるための及び／又は電池の容量を拡張するイオン伝導媒体中の添加剤の使用（国際公開第２０１４／１６０１４４号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）；ヘテロイオン芳香族添加剤の使用（国際公開第２０１４／１６００８７号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）；ポリ（エチレングリコール）テトラヒドロフルフリルを含む添加剤の使用；及び、イオン伝導媒体中の添加剤の濃度の制御（国際公開第２０１６／１２３１１３号及び国際公開第２０１２／０３０７２３号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）を含む、金属空気燃料電池技術における様々な進歩について記載する。設計変更によりもたらされる他の特許請求の範囲に記載される進展としては、気体状酸化剤受容空間を収容すること（国際公開第２０１３／０６６８２８号、Ｆｌｕｉｄｉｃ．Ｉｎｃ）、廃棄微粒子の酸化を触媒するための触媒材料を含むキャッチトレイ（国際公開第２０１２／０１２３６４号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ。）、足場構造を有するアノード（国際公開第２０１１／１６３５５３号、Ｆｌｕｉｄｉｃ社）、複数の電極を有する燃料電池（それぞれ国際公開第２０１１／１３０１７８号及び国際公開第２０１２／０３７０２６号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）、及び、複数の燃料電池システム（それぞれ国際公開第２０１１／０３５１７６号、国際公開第２０１２／１０６３６９号及び国際公開第２０１０／０６５８９０号、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．）が挙げられる。
【００２１】
一般に、Ｆｌｕｉｄｉｃ、Ｉｎｃ．の金属空気燃料電池技術は、アノードが消費されないためにプロセスが可逆的であるという点で、更にアノードが「ドープ」される又はそれが劣化しないように被覆されるという点で従来の充電式バッテリに似ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第３，５１９，４８６号明細書
【特許文献２】米国特許第３，９６３，５１９号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１４／０９７９０９号
【特許文献４】国際公開第２０１４／１１５８８０号
【特許文献５】国際公開第２０１４／１１５８７９号
【特許文献６】国際公開第２０１４／０６２３８５号
【特許文献７】国際公開第２０１４／１６０１４４号
【特許文献８】国際公開第２０１４／１６００８７号
【特許文献９】国際公開第２０１６／１２３１１３号
【特許文献１０】国際公開第２０１２／０３０７２３号
【特許文献１１】国際公開第２０１３／０６６８２８号
【特許文献１２】国際公開第２０１２／０１２３６４号
【特許文献１３】国際公開第２０１１／１６３５５３号
【特許文献１４】国際公開第２０１１／１３０１７８号
【特許文献１５】国際公開第２０１２／０３７０２６号
【特許文献１６】国際公開第２０１１／０３５１７６号
【特許文献１７】国際公開第２０１２／１０６３６９号
【特許文献１８】国際公開第２０１０／０６５８９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
金属空気燃料電池技術における多数の進歩にもかかわらず、手頃な価格の入手可能な環境に優しい（再利用可能、リサイクル可能）、長い寿命（保管寿命及び／又は動作寿命）を有し、信頼性があり安全である装置及び製品に用いるために、その技術に関連する特定の不都合を克服するとともに特にバッテリの形態で直流電力の新たな供給源を提供する必要性が依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この明細書及び以下の特許請求の範囲の全体にわたって、文脈が別段に必要としなければ、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という単語及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」や「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのその変形は、述べられた整数又はステップ或いは一群の整数又はステップを含むことを意味するが、任意の他の整数又はステップ或いは一群の整数又はステップを排除することを意味しないものと理解される。
【００２５】
本発明は、
（ａ）アノードと、
（ｂ）位置決め可能な空気カソードと、
（ｃ）電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
（ｄ）吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
【００２６】
好ましくは、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、空気カソードが吸収材料層を実質的に取り囲むとともに吸収材料層がアノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される。
【００２７】
好ましくは、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、例えば空気カソードが吸収材料層を覆い且つ吸収材料層がアノードを覆うように積層体又は「サンドイッチ層状」配置を成して設けられる。
【００２８】
好ましくは、弾性空気カソード位置決め手段が金属空気燃料電池の断面周長にわたって位置される。
【００２９】
好ましくは、弾性空気カソード位置決め手段は、空気カソード内に組み込まれる又は空気カソードとは別個に設けられるとともに、Ｏリング、変形可能な高分子材料、弾性（又はゴム）バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される。
【００３０】
好ましくは、金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される。
【００３１】
好ましくは、金属空気燃料電池は、吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって（例えば、金属空気燃料電池を液体に浸すことによって）使用のために活性化又は再活性化される。
【００３２】
好ましくは、吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために吸収材料層にイオンが予め含浸される。
【００３３】
好ましくは、吸収材料層は、イオンが予め含浸される吸収材料の副層と、イオンが予め含浸されない吸収材料の副層とを備える。
【００３４】
好ましくは、吸収材料層は、保持される電解質の吸着又は消耗時及び／又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる。
【００３５】
好ましくは、吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える。吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備えることが更に好ましい。
【００３６】
好ましくは、アノードがマグネシウム合金を備える。
【００３７】
好ましくは、空気カソードがシート層を備える。空気カソードが疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備えることが更に好ましい。
【００３８】
好ましくは、金属空気燃料電池は、吸収材料層と空気カソードとの間に位置されて吸収材料層を支持して収容する及び／又はアノード廃棄沈殿物からカソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える。
【００３９】
一実施形態において、金属空気燃料電池は、製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらすようになっている及び／又はもたらすべく使用される。好ましくは、製品又は装置は、トーチ（懐中電灯、マグライト、ペンライトを含む）、ライト及び照明製品又は装置（グローブライト、ＬＥＤライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む）、安全性又は一時的な照明用途（道路工事を含む）、ランタン（キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む）、組み合わせ製品（懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯−ランタン組み合わせを含む）、家庭用製品（電動歯ブラシ及びシェーバーを含む）緊急ビーコン（ＥＰＩＲＢ及び指向性ファインダーを含む）、ラジオ（アナログ及びデジタル）、通信機器（ラジオ、ＣＢラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む）、玩具（すなわち、バッテリ給電式）、充電式製品用の電源バンク及びＵＳＢデバイス用の充電ドック（携帯電話、ｉ−ｐｏｄ、ｉ−ｐａｄを含む小型電子製品）から成るグループから選択される。
【００４０】
定義
本明細書中において別段に規定されなければ、以下の用語は、以下の一般的な意味を有すると理解される。
【００４１】
「空気透過性」とは、材料に関して、空気がそれを通って流れる、拡散する、或いはさもなければ通過することができるようにする又はそのような能力を有することを意味する。
【００４２】
「吸収性」とは、材料に関して、流体（液体又は気体）、特に液体を吸い上げる又は吸収することができる、そのような能力を有する、又は、そのような傾向があることを意味する。
【００４３】
「活性化する」とは、本発明の金属空気燃料電池に関して、使用の準備（活性又は作動）をすること、すなわち、金属空気燃料電池の酸化還元反応を通して電気を発生させることを意味する。
【００４４】
「収縮性」とは、材料又は物体に関して、縮小する又は収縮することによってサイズ及び／又は体積を減少させることができること又は減少させるようになっていることを意味する。
【００４５】
「浸漬」とは、何かを液中に短時間置く又は浸すプロセスを意味する。
【００４６】
「乾式保管」とは、乾燥状態、すなわち、低湿度環境中で且つ大気中の湿気がない状態で保管するプロセスを意味する。
【００４７】
「弾性」とは、材料又は物体に関して、伸張又は圧縮又は他の方法で変形された後に自発的にその元のサイズ及び形状を回復することができる又はそのような能力を有することを意味する。
【００４８】
「電解質」とは、イオンを含むとともに電気を伝導できる又はそのような能力を有する溶液（液体又はゲル、好ましくは液体）を意味する。
【００４９】
「拡張可能」とは、材料又は物体に関して、拡張によってサイズ及び／又は体積を増大させることができる又は増大するようになっていることを意味する。
【００５０】
「疎水性」とは、材料に関して、水を（引きつけたり吸収したりするのとは対照的に）はじくことができる又はそのような能力を有することを意味する。
【００５１】
「機械的に再充電可能」とは、燃料電池又はバッテリに関して、消費されたアノードの交換を意味し、例えばマグネシウムアノードの場合、マグネシウム材料は、化学反応中に放出される電子のための貯蔵媒体であり、また、マグネシウム材料はプロセスで消費される。
【００５２】
「圧力上昇」とは、気体に関して、シールシステム内又は密閉システム内でのガスに起因する圧力の上昇を意味する。
【００５３】
「保管寿命」とは、製品に関して、その製品がその本来の目的のための適合性を含めて使用可能であり続ける期間、長さ又は持続時間を意味する。
【００５４】
「通気」とは、気体に関して、例えば出口を介することを含む、シールシステム又は密閉システムから気体を放出するプロセスを意味する。
【００５５】
「廃棄物」とは、例えばマグネシウム金属空気燃料電池の場合のように、プロセスから生じる望ましくない材料又は副生成物、使用時に電池内の電気化学反応から生成される水酸化マグネシウム及び／又は水素及び塩素のようなガスを意味する。
【００５６】
「ウィッキング性」とは、毛細管作用によって液体を材料中へ又は材料を通じて吸収する又は引き込むプロセスを意味する。
【００５７】
本発明に係る金属空気燃料電池の好ましい実施形態を例示する添付の図に関連して本発明を更に説明する。本発明の他の実施形態も可能であり、したがって、添付図面の詳細は、本発明の前述の説明の一般性に取って代わるものとして理解されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】当該技術分野において知られるような従来のマグネシウム空気（ＭｇＯ２）燃料電池の断面切欠き側面図を示す。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係るマグネシウム空気燃料電池の断面部分切欠き側面図を示す。
【図２】液体電解質に浸漬された際の吸収材料層による液体電解質（生理食塩水）の取り込み（吸収）を説明するための図１Ｂのマグネシウム空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。
【図３Ａ】使用時の電池のガス蓄積（燃料電池反応副生成物）及び排出プロセスを説明するための図１Ａの従来のＭｇＯ２電池の断面切欠き側面図を示す。
【図３Ｂ】使用時の電池のガス蓄積（燃料電池反応副生成物）及び排出プロセスを説明するための図１Ｂの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。
【図４Ａ】使用からのカソード上の腐食性マグネシウムアノード廃棄沈殿物（燃料電池反応副生成物）の蓄積を説明するための図１ＡのＭｇＯ２電池の断面切欠き側面図を示す。
【図４Ｂ】使用からのカソード上の腐食性マグネシウムアノード廃棄沈殿物（燃料電池反応副生成物）の防止又は低減を説明するための図１Ｂの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。
【図５Ａ】使用中の電池内のマグネシウムアノード廃棄沈殿物（燃料電池反応副生成物）の堆積及び蓄積のプロセスを説明するための図１ＡのＭｇＯ２電池の断面切欠き側面図を示す。
【図５Ｂ】使用中の電池内の吸収材料によるマグネシウムアノード廃棄物の捕捉又は封じ込めを説明するための図１Ｂの金属空気燃料電池の断面切欠き側面図を示す。
【図６Ａ】吸収された液体電解質の取り込み／吸収（又は消耗）時及び／又は使用を通じた経時的なアノード廃棄沈殿物の収集時に吸収材料層の拡張（及び収縮）に対応するために（弾性Ｏリング又はメッシュなどの）弾性空気カソード位置決め手段を用いて適所に保持され又は位置された内部アノードロッド、中間吸収材料層、紙セパレータ層及び外部空気カソード層の同心層状（同軸配置）構造を説明するための本発明に係る金属空気燃料電池の斜視図を示す。
【図６Ｂ】吸収材料層の膨張前の同心層状（同軸）構造を説明するための図６Ａの燃料電池の断面切欠き正面図を示す。
【図６Ｃ】吸収材料層の拡張後の同心層状（同軸）構造を説明するための図６Ａの燃料電池の断面切欠き正面図を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係るマグネシウム空気燃料電池の分解図を該電池の様々な構成要素を例示するべく示す。
【図８】本発明の一実施形態に係る吸収材料層を説明するためのマグネシウム空気燃料電池の断面切欠き正面図を示す。
【図９】約７５０時間にわたる本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池１，２，３の耐久性（ミリアンペア）試験結果を与える（例１、実験１）。
【図１０】約５００動作時間にわたる従来のＭｇＯ２電池及び本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池に関する比較電力（ミリアンペア）試験結果を与える（例１、実験２）。
【図１１】約５００時間にわたる本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池１、２、３の性能試験結果（ミリアンペア）を与える（例１、実験３）。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１Ａは、当該技術分野において知られている伝統的なＭｇＯ２電池を示す。ＭｇＯ２電池は、水性電解質（３）を収容する密閉容器（２）内の中央に位置されるＭｇアノード（１）を備え、アノードが水性電解質（３）中へと吊り下げられる。外部雰囲気との酸化還元反応が起こることにより電解質を介してアノードとカソードとの間でイオン交換が行なわれるように空気カソード（４）が容器の外壁に組み込まれる。
【００６０】
図３Ａに示されるように、図１ＡのＭｇＯ２電池により生成されるガス副生成物は、密閉システム内の空隙（１２）内に蓄積する。これらのガス副生成物は、ガスが放出できるようにするが電解質（３）の漏れを防止する通気孔（１４）を通じて大気中に排出されなければならない（１３）。
【００６１】
図４Ａは、図１ＡのＭｇＯ２電池のアノード（１６）の劣化及び対応するアノード廃棄沈殿物（例えば、水酸化マグネシウム）のカソード（４）上への蓄積（１７）を示す。
【００６２】
図１Ａとは対照的に、図１Ｂは、マグネシウムアノード（５）が１つ以上の通気孔（７）を備える開放容器（６）内に位置されて吸収材料層（８）によって取り囲まれる本発明の一実施形態に係る金属空気燃料電池を示し、吸収材料層（８）は空気カソード（９）によって取り囲まれる。
【００６３】
図２は、図１Ｂの金属空気燃料電池による液体電解質（１０）の取り込みを示す。電解質（１０）は、吸収材料が電解質中に浸漬される際に矢印（１１）の方向のウィッキング作用を介して吸収材料層（８）により吸収される。
【００６４】
図３Ｂに示されるように、図１Ｂの金属空気燃料電池は、矢印の（１５）の方向でのガス交換（酸素吸入を含む）及びガス副生成物の排出を可能にする通気孔（７）を有する開放型ハウジングユニット（６）を備える。
【００６５】
アノード（５）はマグネシウムアノードとして記載されるが、適切なアノードをもたらすための代替金属、合金又は合金の組み合わせが一般に当業者に知られている。適切な代替金属としては、Ｌｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｎ及びＦｅが挙げられる。好ましくは、アノードは、以下の組成を有する「ＡＺ３１  Ｂ」などのマグネシウム合金を備える。
アルミニウム：２．５−３．５
銅：最大０．０５
鉄：最大０．００５
マグネシウム：バランス
マンガン：０．２分
ニッケル：最大０．００５
シリコン：最大０．１
亜鉛：０．６−１．４
【００６６】
アノード（５）は、金属空気燃料電池内に内部的に、好ましくは中央に位置されるようになっていてもよいため、アノードは、一般に、ロッド又は円筒の形状に形成されてもよく、押し出し成形により形成され得る。金属空気燃料電池がサンドイッチ層状（すなわち、積層体）配置を成して代替的に構成される場合には、アノード、吸収材料層、及び、空気カソードがそれぞれ略平坦な層として設けられてもよい。この形態は、既存の９Ｖバッテリなどの特定の矩形バッテリの形状に取って代わる際に特に望ましい場合がある。
【００６７】
本発明の金属空気燃料電池で用いるのに適し得る空気カソード（９）は一般に当業者に知られている。空気カソード（９）の適切な特性は、疎水性及び空気透過性を含む。好ましくは、空気カソード（９）は、拡張時及び収縮時の吸収材料層（８）の体積の変化に対応するようになっているシート層の形態を成す。好ましくは、空気カソード（９）は、疎水性且つ空気透過性があり、層状テフロン（登録商標）材料を備える。更により好ましくは、空気カソード（９）は、層状テフロン材料、カーボン、及び、ニッケルメッキワイヤを備えてもよい。
【００６８】
吸収材料層（８）は、電解質を吸収して吸収量の電解質を保持するのに適するようにする特性を有する材料であってもよい。吸収材料層（８）は、本質的に、吸収量の電解質中のイオンを空気カソードとアノードとの間に輸送するように機能する。したがって、吸収材料層は、電池の動作に必要とされるイオン架橋系（又はイオン移動橋）として作用すると考えられる。
【００６９】
吸収材料層（８）は、ウィッキング、引き込み、毛細管作用などのプロセスによって電解質を吸収する及び保持する又はとどめることができる吸収材料から形成されてもよい。吸収材料は、それが以下の特性のうちの１つ以上、好ましくは全てを有することに基づいて選択されてもよい。
・ウィッキング性及び電解質保持能力；
・液体電解質の吸収及び／又はアノード廃棄物の保持に起因する体積の増大に対応するように拡張する能力；
・固形廃棄物を捕捉する及び／又は保持するために固形粒子を封入する能力；
・「イオン架橋」として機能する能力、及び／又は、
・ガスの交換又は拡散を可能にする能力（すなわち、電池の動作中の酸素ガス拡散プロセス及びガス副生成物の放出のため）。
【００７０】
吸収材料層（８）は、通気吸水性、親水性及び／又は疎水性の材料の組み合わせから形成されてもよく、導電性又は非導電性であってもよい。適切な材料としては、マイクロファイバ、レーヨン、コットン、コットンウール、麻、ウール、ヘシアン、天然繊維木材パルプ、エアロゲル複合材料、竹繊維パルプ、及び／又は、それらの任意の適切な組み合わせから製造される織布又は不織布材料又はそれらの任意の適した組み合わせを挙げることができる。好ましくは、吸収材料層は、繊維状セルロース、竹繊維パルプ、又は、それらの組み合わせを備える。
【００７１】
吸収材料層（８）の性能は、例えば、ミズゴケ及びポリアクリレートの添加、並びに、当業者にはよく知られている石油由来の他の超吸収性ゲルの添加など、添加剤を用いて向上されてもよい。
【００７２】
電池は、吸収材料層が吸収量の電解質を備えるときに使用のために活性化又は再活性化されてもよい。吸収材料層（８）は、（吸収材料層にイオンが予め含浸される場合には）電解質又は水の吸収後に吸収量の電解質を備えてもよい。吸収材料層の好ましい代替的配置は、更に詳しく後述される図８に関連して提示されて説明される。
【００７３】
本発明の金属空気燃料電池に使用するのに適し得る電解質の種類は、当業者には一般的に知られている。適切な例としては、ＮａＣｌなどのイオン（例えば、塩水、海水及び生理食塩水）を含む水溶液、電解質（例えば、スポーツドリンク）、尿、及び、アルカリ溶液（例えば、ＫＯＨ）、並びに、水（例えば、吸収材料にイオンが予め含浸されるとき）を挙げることができる。
【００７４】
図４Ｂに示されるように、アノード廃棄沈殿物（１８）は、図１Ｂの金属空気燃料電池の吸収材料層（８）内に捕捉されて、空気カソード（９）と直接接触しないようにされる。このプロセスは図５Ａ及び図５Ｂのそれぞれにも同様に示され、この場合、図５Ａは、図１ＡのＭｇＯ２電池のカソード（４）上へのアノード廃棄沈殿物の蓄積（１７）を示し、一方、図５Ｂは、図１Ｂの金属空気燃料電池の吸収材料層（８）内のアノード廃棄沈殿物（１８）の捕捉を示す。
【００７５】
図６Ａは、吸収材料層（２０）によって実質的に取り囲まれる内部アノードロッド（１９）の同軸配置を与える本発明に係る金属空気燃料電池を与え、吸収材料層（２０）は紙セパレータ層（２０Ａ）によって実質的に取り囲まれる。また、紙セパレータ層（２０Ａ）は、空気カソード層（２１）によって実質的に取り囲まれる。空気カソード層（２１）は、吸収材料層（２０）との接触を保つために、弾性Ｏリング又はメッシュなどの弾性空気カソード位置決め手段（２２）によって位置決めされる。したがって、金属空気燃料電池は、液体電解質の取り込み（又は消耗）時及び／又は経時的なアノード廃棄沈殿物の収集時の吸収材料層の拡張（及び収縮）に対応することができる。別の構成では、例えば弾性材料を空気カソードに織り込むことなどすることによって、弾性空気カソード位置決め手段を空気カソード層に組み込むことができる。
【００７６】
図６Ａの燃料電池の断面図も、拡張前（図６Ｂ）及び拡張後（図６Ｃ）の吸収材料層（２０）を示すために与えられる。図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、空気カソード層（２１）は、弾性空気カソード位置決め手段によって、吸収材料層（２０）及び紙セパレータ層（２０Ａ）と接触して位置決めされたままである。
【００７７】
図７は、その様々な構成要素の幾つかを説明するための本発明に係る金属空気燃料電池の分解図を示す。マグネシウムアノード（２８）、吸収材料層（２９）、紙セパレータ層（２９Ａ）、及び、空気カソード（３０）は、空気カソード（３０）が紙セパレータ層（２９Ａ）を取り囲むように同軸に配置され、紙セパレータ層（２９Ａ）は吸収材料層（２９）を取り囲み、吸収材料層（２９）はマグネシウムアノード（２８）を取り囲む。本実施形態ではＯリングで形成される弾性空気カソード位置決め手段（２７）が、空気カソード（３０）と吸収材料層（２９）との間の接触を確保する。電極の同軸配列は通気孔付きハウジング（３２）内に位置される。通気孔付きハウジング（３２）は、それぞれがアノード（２８）に固定されるねじ（２４）により所定位置に保持される上蓋（２５）及び底蓋（３３）によってそれぞれの端部で閉じられる。上蓋（２５）の外側に位置される接触リング（２３）が、空気カソード（３０）からの端子を備えており、接触タブ（３１）によって空気カソード（３０）に接続される。ゴム製又はプラスチック製のＯリング（２７Ａ）及びプラスチック製ワッシャ（２６）が、電極配列の各端部及びその中に保持され電解質を他の構成要素からシールして腐食から保護する。
【００７８】
図７によって実証されるように、金属空気燃料電池の構成要素は、電極の配列にアクセスするために上蓋（２５）又は底蓋（３３）のいずれかを所定位置に保持するねじ（２４）のうちの１つを緩めることによって容易に交換され得る。したがって、マグネシウムアノード（２８）（及び空気カソード（３０））を容易に交換することができ、それにより、簡単な方法で機械的に再充電され得るエネルギー源を提供できる。
【００７９】
図８は、吸収材料層の好ましい実施形態を説明するための本発明の金属空気燃料電池の断面図を示す。金属空気燃料電池は、外周から内側に順に向かって、空気カソード位置決め手段３５と、空気カソード３４と、吸収材料層を支持して収容するとともにアノード廃棄沈殿物からカソードを隔離して保護するための紙セパレータ層３６と、吸収材料層の予め含侵された副層３７（イオンが予め含浸されている）と、吸収材料層の非含浸副層３８（イオンが予め含浸されていない）と、アノード３９とを備える。
【００８０】
図示の好ましい実施形態によれば、吸収材料の形態は、保持された電解質へのイオンの溶解の制御を可能にする。これにより、イオンが溶液に溶解されるときに生じる溶液の熱の散逸又は集中などの事態の制御を行なうことができる。また、この形態は、特に例えば予め含浸されたイオンが遅い溶解速度を有する場合に、吸収材料層の副層内の電解質の組成の制御も可能にし得る。これにより、カソードとアノードとの間の酸化還元反応が典型的には発熱性であることに留意すると、吸収材料層内及び金属空気燃料電池内の反応速度及び温度の制御を行なうことができる。このようにして、暴走する酸化還元反応により引き起こされるより高い温度は、暴走する酸化還元反応を制限するべくより大きな蒸発冷却及びそれに伴う電解質含有量の減少を可能にする吸収材料層の特定の領域内又は副層（例えば、図８に示される実施形態において与えられる副層３７）内に含まれ得る。
【００８１】
図面及び前述の説明によって示唆されるように、本発明の金属空気燃料電池は、好適には、電解質の吸収／放出時に及び／又はアノード廃棄物の捕捉時に吸収材料層の拡張及び収縮を可能にする。更に、本発明の潜在的な利点としては以下を挙げることができる。
・金属空気燃料電池は、吸収材料を電解質に浸すことによって要求に応じて簡単且つ都合よく活性化及び再活性化され得るとともに、使用間で乾燥できるようにすることにより非活性化され得る。これは、金属空気燃料電池に、構成要素が消費されない「休止」モード、及び、電池の性能出力の顕著な又は著しい損失を伴わずに長い保管寿命における関連する可能性をもたらす。
・電解質用の新規な吸上げ及び保持システムを提供することによって、かさばる水槽を回避し、電解質をより少なく必要とする構成を可能にし、それによって、例えば転倒による電解質漏れの可能性を排除しながら電池の重量を減らす直立位置からの燃料電池。
・開放型ハウジングユニット内に金属空気燃料電池を設けることによって、本発明は、ガス圧上昇及び電解質の効果的なシールなどの密閉型金属空気燃料電池システムに存在する欠点を克服できる一方で、酸素取り入れ及び副生成物の排出も改善できる。
・構成要素の便利な交換及びリサイクル。アノード、吸収材料層、及び、空気カソードは、環境に優しい機械的に再充電可能な装置を提供するために簡単且つ便利に交換及び再利用され得る、及び／又は、
・電解質用の新規なウィッキング・保持システムは、暴走する発熱反応を防ぐための熱制御の向上を可能にし得る。金属空気燃料電池は、アノードとカソードとの間に発熱酸化還元反応を生じさせることによって機能する。伝統的な金属空気燃料電池では、これにより、暴走する発熱反応の可能性がもたらされ、この発熱反応では、電池内の圧力及び熱が危険なレベルまで上昇する場合がある。本発明の吸収材料層は、電池内の温度が上昇するにつれて電解質の蒸発及び排出を改善できるようにする。これは、蒸発により利用可能な電解質を減少させることによって暴走する反応を制御し、それによって反応を遅くすることができる。電池内のいかなる酸化還元反応も電解質が完全に蒸発すると完全に停止し得る。
【００８２】
本出願の金属空気燃料電池は、それらのサイズに応じて、９０〜１００個の伝統的な単３電池の使用に相当する電源を潜在的にもたらすと考えられるこれは、標準的な炭素単３形乾電池と比較した材料の既知の蓄電量に基づく。単３標準炭素バッテリは、１ワット時（Ｗｈ）未満のエネルギー蓄積能力を有する（例えば、２０１６年１２月１９日にアクセスされたウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌａｂｏｕｔｂａｔｔｅｒｉｅｓ．ｃｏｍ／Ｅｎｅｒｇｙ−ｔａｂｌｅｓ．ｈｔｍｌ参照）。
表：単３電池のエネルギー蓄積（２０１６年１２月１９日にアクセスされたウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌａｂｏｕｔｂａｔｔｅｒｉｅｓ．ｃｏｍ／Ｅｎｅｒｇｙ−ｔａｂｌｅｓ．ｈｔｍｌから再現された表）。
【表１】
2020503658.tif 000003
【００８３】
使用されるマグネシウム合金は、材料１グラムの重量当たり１ワット時（Ｗｈ）の蓄積能力を有する。したがって、５０ｇのマグネシウム合金ロッドは５０ワット時の潜在的な蓄積をもたらすが、より重い又はより大きいマグネシウムロッド、例えば１５０グラムは１５０ワット時の蓄積をもたらす。マグネシウムガルバニックエネルギー密度に関する基準は以下の通りである。
【表２】
2020503658.tif 000004
【００８４】
例
本発明に係る金属空気燃料電池の性能を試験するために、本発明に従って構成されたプロトタイプ電池を用いて一連の実験が行なわれた。実験１では、プロトタイプ電池を単独で試験した。実験２及び３では、実質的に図１Ａ、図３Ａ及び図４Ａに従って構成された伝統的なＭｇＯ２燃料電池に対してプロトタイプ電池を試験した。
【００８５】
実験パラメータ
全ての試験において同一のアノード材料及びカソード材料が使用された。
【００８６】
マグネシウムアノード
以下の組成を有する押出マグネシウムＡＺ３１  Ｂロッド（アノード）は、約（典型的には）純度９６％のマグネシウムのマグネシウムアノード組成をもたらす。
アルミニウム：２．５−３．５
銅：最大０．０５
鉄：最大０．００５
マグネシウム：バランス
マンガン：０．２分
ニッケル：最大０．００５
シリコン：最大０．１
亜鉛：０．６−１．４
【００８７】
空気カソード
層状テフロン材、カーボン、及び、ニッケルメッキワイヤから成る十分な疎水性を有する空気カソード
【００８８】
従来のＭｇＯ２燃料電池の形態
従来のＭｇＯ２電池は、マグネシウムアノードが５％食塩水溶液電解質の容器内に収容されて、空気カソードが容器壁構造の一部を形成するように一般的に理解されている構成であった。
【００８９】
プロトタイプ電池の形態
プロトタイプ電池は、４５グラムのマグネシウムアノードと、層状テフロン材料、カーボン及びニッケルメッキワイヤから成る空気カソードとから成っていた。アノードが吸収材料（綿状の織布材料を巻いてマット状の物質に織り込んだもの）に封入された。空気カソードが吸収材料の周囲に巻き付けられて拡張を可能にするべく弾性Ｏリングで固定された。
【００９０】
試験方法論
電子測定は、気候制御された環境で保管された周知の電圧及びアンペア数測定精度（一般的には１％以内）の携帯型マルチメーターを使用して行なわれた。測定を開始する前に機器がウォームアップできるようにされた。
【００９１】
試験は、一般に湿度６５％、２５℃の一定の空気温度で気候制御された実験室内において２４時間ベースで行なわれた。伝統的なＭｇＯ２電池は、２４時間ごとに食塩水電解質を注意深く空にして交換することによって維持され、一方、プロトタイプ電池は、２４時間ごとに同じ食塩水に約１０秒間浸された。
【００９２】
３つのＬＥＤに給電する高効率ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の形態を成す電子負荷が使用された。この回路は、ＬＥＤの輝度を最大にしつつ、常に電池に作用する負荷を最大にするように特に設計された。
【００９３】
実験１：金属空気燃料電池の寿命と性能の向上（又は耐久試験）
実験は、電池１、電池２、及び、電池３とラベル付けされた３つの同一に構成されたプロトタイプ電池を用いて行なわれた。目標は、（一定の電気負荷下で）１．２ボルトを超えて２５０時間（製品で要求されている実行時間）にわたって少なくとも２５０ミリアンペアを生成することであった。
【００９４】
電池１及び電池２は連続的な電気負荷（すなわち１日２４時間）を有し、一方、対照電池３は電気負荷下で１日４時間にわたって作動した。
【００９５】
各電池の電圧は毎日記録されたのではなく、定期的にランダムに記録された。全ての電池は試験の持続期間中１．２Ｖを超えて、一般に１．３Ｖ〜１．６５Ｖに維持された。
【００９６】
結果
結果が以下の表１及び図９で与えられる。
表１：約７５０時間にわたる本発明の実施形態に係る電池１、２、３の耐久性試験結果（ミリアンペア）。
【表３】
2020503658.tif 000005
【００９７】
以下のように、結果は、プロトタイプ電池が２６４時間後に２５０ミリアンペア標的閾値を超えたことを示す。
電池１：４４０ｍＡ
電池２：３６０ｍＡ
電池３：３５０ｍＡ
【００９８】
試験持続期間が延ばされ、５０４時間後に再び２５０ｍＡ閾値を以下のように超えた。
電池１：２８０ｍＡ
電池２：４９０ｍＡ
電池３：５８０ｍＡ
【００９９】
電池２、３は引き続き性能向上を示した。
【０１００】
以下のように、７４０時間の時点で、３つの電池のうちの２つが依然として２５０ｍＡ標的出力閾値を超えた。
電池１：１８０ｍＡ
電池２：３４０ｍＡ
電池３：２８０ｍＡ
【０１０１】
同様の観察及び結果を伴う実験を数回繰り返した後、電池がライフサイクル耐久性予想（すなわち、２５０ｍＡ標的）を３倍上回ったと結論付けられた。
【０１０２】
これらの結果に基づき、電池が殆どの用途において少なくとも２５０時間、多くの場合５００時間を超えて、２５０ｍＡ及び１．２ボルトを超える満足に又は標的の出力で機能を果たすと予想される。
【０１０３】
実験２：カソードの寿命及び性能の向上
カソードの寿命及び性能を試験するために、同一に構成されたプロトタイプ電池（プロトタイプ電池１及びプロトタイプ電池２としてラベル付けされている）及び同一に構成された伝統的なＭｇＯ２電池（伝統的電池１及び伝統的電池２としてラベル付けされている）を用いて比較実験が行なわれた。
【０１０４】
結果
結果が以下の表２及び図１０で与えられる。
表２：約５００動作時間にわたる伝統的なＭｇＯ２電池と本発明の一実施形態に係るプロトタイプ電池との比較出力（ミリアンペア）。
【表４】
2020503658.tif 000006
【０１０５】
結果は、一般的に観察された初期の最初の活性化出力ピークの後、ＭｇＯ２の伝統的な電池が電気的性能を急速に低下させた後に安定したペースで劣化し続けたことを示す。５００時間の連続動作後、伝統的なＭｇＯ２電池は、当初の初期電力出力の１０％を超える出力を生成できなかった。
【０１０６】
対照的に、５００時間の連続動作の後、プロトタイプ電池は、ある場合には元の電力出力の７０％を超える出力を維持することができ、他の場合には出力の１００％を超えて維持することができた−初期の最初の活性化出力を遥かに上回る出力の向上を明らかに示している。
【０１０７】
Ｍｇ−Ａｉｒ電池の空気カソードの細孔が放電中及びマグネシウムの消費中に生じる沈殿物（例えば、水酸化マグネシウム沈殿物）によって益々塞がれるようになることはよく知られている。これは、次に酸素ガス拡散に悪影響を及ぼし、それにより、反応が低下して、空気−カソード性能が経時的に低下する。したがって、炭素系空気−カソード材料の微細構造及び空気透過性は、ＭｇＯ２電池の電気化学的性能に影響を及ぼす重要な因子である。
【０１０８】
検討すると、伝統的なＭｇＯ２電池の空気−カソードは、完全に劣化されて、固体の白色材料（固化した水酸化マグネシウム）で覆われるとともに、ひどく腐食され、したがってもはや使用できないことが観察された。
【０１０９】
対照的に、プロトタイプ電池の空気カソードは正常に見え、性能を殆ど又は全く損なうことなく今後の実験のために再利用された。
【０１１０】
同一の観察及び同一の結果を伴う幾つかの反復実験の後、伝統的なＭｇＯ２電池形態とは対照的に、プロトタイプ電池が改善された寿命及びカソードの性能を実証したと結論付けられた。
【０１１１】
実験３：吸収材料層中への廃棄物の蓄積に伴う金属空気燃料電池の性能の向上
本願の電池に組み込まれる廃棄物管理システムの利点及び有効性を特徴付けるために一連の実験及び試験が行なわれた。
【０１１２】
本発明の実施形態に従って試験された各電池用の吸収材料層は、女性用生理用品と同様の稠度を有する繊維状セルロース／竹材料から構成される。拡張可能なアノード封入吸収材料層は、数日まで続くことがあるイオン反応を開始して持続するために電解質溶液（塩水）中に浸漬した後にアノードとカソードとの間に「イオン架橋」をもたらすように機能した。以下の結果により実証されるように、イオン交換プロセスは、反応の副生成物として生成されるアノード廃棄物（水酸化マグネシウム）の蓄積を伴って経時的に電池において改善することが観察された。
【０１１３】
結果
結果が以下の表３及び図１１で与えられる。
表３：約５００時間にわたる本発明の一実施形態に係る電池１、２、３の性能試験結果（ミリアンペア）。
【表５】
2020503658.tif 000007
【０１１４】
結果は、水酸化マグネシウム「廃棄物」が蓄積するにつれて、マグネシウムアノード材料が完全に消費されるまで電池の電気的性能（電気出力）が実際に改善されることを示している。これは、実行された１００時間にわたる全ての試験から明らかである。すなわち、電力の初期の低下が安定になった時点で、結果は、電池出力がその後に次第に改善する結果として電気的性能（電力出力）が向上することを示す。
【０１１５】
理論に拘束されることを望まないが、本発明者らは、この予想外の現象が以下のいずれか又は全ての結果として起こり得ると考える。
・吸収材料層内に経時的に捕捉されるアノード廃棄物は、反応を促進するためのより良好な導電性経路又はイオン経路をもたらす；
・廃棄物の蓄積中に電池が拡張するにつれて、より多くの電解質が吸収材料によって吸着されて反応に利用可能になる；
・反応が起こっている電池の表面積が増大され、それにより、反応を増大させることができる、及び／又は
・空気カソードの細孔が水酸化マグネシウムの沈殿物から保護され、それにより、酸素ガス拡散が大きく損なわれることがない。
【０１１６】
実験及び観察の結果に基づいて、本発明に係る金属空気燃料電池の独特の形態、エンジニアリング、及び、動作は、吸収材料内のアノード廃棄沈殿物を濾過及び／又は捕捉できるようにし、それにより、
・空気カソード内で見出される細孔を廃棄微粒子による閉塞から保護し、その結果、空気カソードを横切る重要な酸素ガス拡散を可能にする；
・さもなければ空気カソードを劣化させる廃棄沈殿物を効果的に防止し、塩の侵入又は腐食（例えば、「塩クリープ」に起因する塩の移動、すなわち、塩の侵入及び／又は腐食をもたらす塩の結晶の移動）により、カソード並びに接点、配線及び／又は電子機器などの他の電池構成要素の寿命も潜在的に改善される；
・蓄積された廃棄物を除去するための電池の定期的な内部洗浄を不要にする、及び／又は、
・廃棄沈殿物が吸収材料内に集まる又は捕捉されるにつれて電池の性能を実際に高めることができる。
と考えられた。
【０１１７】
本発明に係る金属空気燃料電池は、発展途上国で使用するための手頃な価格で低コストの電源を提供することができる。そのような金属空気燃料は、最初の年の０．０５ドル／日の費用（装置の初期費用を含む）より少ない費用で１日当たり約５時間の軽い使用量をもたらすことができると予期される。これはその後の数年間で０．０１ＵＳＤ／日まで減少し得る。全ての構成部品が交換可能且つ代替可能である（第三世界の用途において理想的）とともに、短絡であってもアノード金属の消費以外に有害な影響を及ぼさないため、電池全体が本質的に安全であることに更に留意されたい。
【０１１８】
したがって、本発明に係る金属空気燃料電池は、持ち運び可能で軽量な（すなわち、大型の水槽及び／又は容器を回避する軽量で頑丈なユニット構造）、環境に優しい、交換可能で強力な（すなわち、特定の既知の金属空気燃料電池を用いるとこれまで不可能であった無数の電気的アプリケーションを駆動させるのに十分に強力となり得る）、スケーラブル且つ小型化された直流発電機（すなわち、単１電池及び他のバッテリなどのフォームファクタのみの「古典的」な以前は電池が支配していた領域で使用されるように小型化され得る）を提供し得る、及び／又は、製品及び装置のための（例えば、構成部品としての伝統的なバッテリ、太陽電池及び灯油と比較したときに）環境に優しい又は「無公害の」電源の可能性を与えることができるようになる。これは、構成部品が環境に優しく一般的に入手可能であり、それにより、装置全体の優れたリサイクル性が得られ、カソード自体も取り外し可能でリサイクルに適しているからである。
【０１１９】
当業者に明らかであると思われるような修正及び変形は、添付の特許請求の範囲に請求される本発明の範囲内に含まれる。
【図１Ａ】
2020503658.tif 000008
【図１Ｂ】
2020503658.tif 000009
【図２】
2020503658.tif 000010
【図３Ａ】
2020503658.tif 000011
【図３Ｂ】
2020503658.tif 000012
【図４Ａ】
2020503658.tif 000013
【図４Ｂ】
2020503658.tif 000014
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月20日(2018.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明は、
（ａ）アノードと、
（ｂ）位置決め可能な空気カソードと、
（ｃ）電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するようにアノードと空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
（ｄ）吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ空気カソードが吸収材料層と接触したままとなるようにするべく空気カソードを位置決めするように適合される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
吸収材料層は、電解質を保持することによってアノードとカソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池を提供する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３５】
文脈上別段の要求がない限り、「位置」は、動詞として使用される場合、何かを新しい場所または形状に配置または配置することを意味し、「位置決め」および「位置決め可能」はそれに応じて解釈されるべきである。
【手続補正３】
【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】
（ａ）アノードと、
（ｂ）位置決め可能な空気カソードと、
（ｃ）電解質を保持するように構成される吸収材料層であって、該吸収材料層はそれが前記アノードと接触するように前記アノードと前記空気カソードとの中間に位置される、吸収材料層と、
（ｄ）前記吸収材料層の体積の任意の変化に対応しつつ前記空気カソードが前記吸収材料層と接触したままとなるようにするべく前記空気カソードを位置決めするように構成される弾性空気カソード位置決め手段と、
を備え、
前記吸収材料層は、前記電解質を保持することによって前記アノードと前記カソードとの間のイオン移動橋として機能する、金属空気燃料電池。
【請求項２】
前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードは、前記空気カソードが前記吸収材料層を実質的に取り囲むとともに前記吸収材料層が前記アノードを実質的に取り囲むように同軸に配置される請求項１に記載の金属空気燃料電池。
【請求項３】
前記アノード、前記吸収材料層、及び、前記空気カソードが積層配置を成して設けられる請求項１に記載の金属空気燃料電池。
【請求項４】
前記弾性空気カソード位置決め手段が前記電池の断面周長にわたって位置される請求項１から３のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項５】
前記弾性空気カソード位置決め手段は、前記空気カソード内に組み込まれる又は前記空気カソードとは別個に設けられるとともに、Ｏリング、変形可能な高分子材料、弾性（又はゴム）バンド、又は、拡張可能なメッシュから選択される請求項１から４のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項６】
前記金属空気燃料電池が開放型ハウジングユニット内に収容される請求項１から５のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項７】
前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層が電解質を保持できるようにすることによって使用のために活性化又は再活性化される請求項１から６のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項８】
前記吸収材料層が水分を保持するときに電解質を形成するために前記吸収材料層にイオンが予め含浸される請求項１から７のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項９】
前記吸収材料層は、イオンが予め含浸された第１の吸収材料副層と、イオンが予め含浸されていない第２の吸収材料副層とを備える請求項１から８のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１０】
前記金属空気燃料電池は、電解質を保持するように金属空気燃料電池を液体中に浸漬することによって使用のために活性化又は再活性化される請求項１から９のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１１】
前記吸収材料層は、保持される電解質又は水の吸着又は消耗時及び／又はアノード廃棄物の捕捉時に体積を変化させる請求項１から１０のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１２】
前記吸収材料層が織布又は不織布の繊維材料或いはそれらの組み合わせを備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１３】
前記吸収材料層が繊維状セルロース、竹繊維、又は、それらの組み合わせを備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１４】
前記アノードがマグネシウム合金を備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１５】
前記空気カソードがシート層を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１６】
前記空気カソードは、疎水性で通気性を有するとともに層状テフロン材料を備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１７】
前記金属空気燃料電池は、前記吸収材料層と前記空気カソードとの間に位置されて前記吸収材料層を支持して収容する及び／又は吸収材料層中に捕捉されるアノード廃棄沈殿物から前記カソードを更に分離して保護する紙セパレータ層を更に備える請求項１から１６のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１８】
使用時に製品又は装置の動作に電力を供給するために用いる直流電源をもたらす請求項１から１７のいずれか一項に記載の金属空気燃料電池。
【請求項１９】
前記製品又は装置は、トーチ（懐中電灯、マグライト、ペンライトを含む）、ライト及び照明製品又は装置（グローブライト、ＬＥＤライト、ストロボライト、及び、クリスマスライトを含む）、安全性又は一時的な照明用途（道路工事を含む）、ランタン（キャンプ用ランタン及びちょうちんを含む）、組み合わせ製品（懐中電灯としての動作とランタンとしての動作との間で変換可能な懐中電灯−ランタン組み合わせを含む）、家庭用製品（電動歯ブラシ及びシェーバーを含む）緊急ビーコン（ＥＰＩＲＢ及び指向性ファインダーを含む）、ラジオ（アナログ及びデジタル）、通信機器（ラジオ、ＣＢラジオ、及び、小型オーディオ機器を含む）、玩具（すなわち、バッテリ給電式）、充電式製品用の電源バンク及びＵＳＢデバイス用の充電ドック（携帯電話、ｉ−ｐｏｄ、ｉ−ｐａｄを含む小型電子製品）から成るグループから選択される請求項１８に記載の金属空気燃料電池。
【国際調査報告】
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