CN102027616A - 电化学电池,特别是带有非平行流的金属燃料电池 - Google Patents

电化学电池,特别是带有非平行流的金属燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学电池，该电化学电池在阳极和阴极之间带有间隔，用于输送包含携带来自固体燃料的离子的电荷的电解质和氧化剂的流。

Description

电化学电池，特别是带有非平行流的金属燃料电池
对相关申请的交叉引用
本申请要求2008年4月4日提交的专利申请号为No.61/064,955的美国临时专利申请的优先权，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及用于产生电力的电化学电池，更具体而言，金属-空气燃料电池。
背景技术
如果燃料电池未来变为可行的便携式电源，则需要针对若干个困难的持久性技术问题的解决方案。这些问题中有许多与质子交换膜的存在相关联，质子交换膜对诸如操作温度和薄膜湿度之类的各种因素高度灵敏。在便携式应用方面的努力大多数聚焦于缩小质子交换膜(PEM)燃料电池的大小。便携式电源，一般是指为便携式电子设备供电的电池的替代。此方法带有与较大规模的PEM燃料电池相关联的所有成本和效率问题。此外，尺寸的缩小会使这些问题中的某些问题更加严重，并给在商业上可行的产品引入了需要解决的更多的问题。
一种方法是将氧化剂和燃料饱和电解质的层流提供到在一端是阴极而在另一端是阳极的单一通道。参见，例如Membraneless Vanadium Redox Fuel Cell Using Laminar Flow(Ferrigno等人著，J.Amer.Chem.Soc.2002，124，12930-12931)；Fabrication and Preliminary Testing of a Planar Membraneless MicroChannel Fuel Cell(Cohen等人著，J.Power Sources，139，96-105)；以及Air-Breathing Laminar Flow-Based Microfluidic Fuel Cell(Jayashree等人著，J.Am.Chem.Soc，2005，127，16758-16759)。还请参见美国专利No.7,252,898和6,713,206。这些申请中的每个申请全文都被并入本申请中作为参考，作为背景教导。
此方法具有各种缺点。首先，燃料和氧化剂将在入口点的下游混合，浪费了大量的燃料。这是无效率的。第二，由于氧化剂跨越到阳极，许多氧化剂的扩散性导致阳极处的混合电势。这导致整个电池的效率低。第三，电池的体系结构限于几何形状、长度尺度，以及确保层流的电解质。
美国专利出版物No.2003/0165727和2004/0058203公开了其中燃料、氧化剂和电解质混合在一起然后流过阳极和阴极的混合的反应物燃料电池。这些出版物以引用的方式并入本文中。根据这些出版物，宣称阳极是可选择的，用于燃料氧化，宣称阴极是可选择的，用于氧化剂还原。这些出版物中的设计具有严重的缺点。首先，通常可以由电解质携带的某些氧化剂的量相对较低(例如，电解质中的氧溶解度相对于燃料溶解度通常十分低)。这意味着，对于混合的反应物需要相对高的流速，以确保有足够量的氧化剂流过电池。即，需要相对高的流速，以最大化阴极处的氧化剂暴露和反应。但是，增大流速需要更多的工作，如此，降低电池的整体功率效率。此外，由于它们的材料性质而可选择的电极，倾向于比非选择性的电极具有较低的反应活动率。因为这两个出版物中的设计主要依赖于对于阴极和阳极两者使用可选择性电极，这进一步地降低了电池的效率。
使用金属微粒作为燃料的燃料电池是已知的。例如，在美国专利No.7,276,309；6,942,105；6,911,274和6,787,260示出了这样的设备的示例，此处全文引用了这些专利作为参考。前面的这些实施例的缺点的简短列表包括：沉淀的反应产物在阳极区和阴极区积累，涉及固体颗粒燃料的馈送的问题，以及由于在至今仍未氧化的燃料的附近被氧化的燃料的浓度增大而导致的燃料的净氧化的迟缓速度。
本申请努力满足对避免使用质子交换膜而仍能有效率地和有效地操作的电化学电池技术的盼望已久的并且未解决的需求。在2007年12月21日提交的美国专利申请系列No.11/962,803中提供了无膜燃料电池的示例，该专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种与电解质、可氧化固体燃料以及氧化剂一起使用以产生电能的电化学电池。该电化学电池包括沿着流动路径提供的用于接纳至少包括电解质的流的可渗透电极体。该可渗透电极体被配置成允许电解质从其中流动。可渗透电极体还被配置成当固体燃料存在于从其中流动的电解质中时在其上聚集固体燃料，以便包括第一电极，用于氧化燃料以产生通过第一电极传导的电子。电化学电池还包括用于接纳电子和还原氧化剂的第二电极。第一电极和第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从可渗透电极体接纳流的间隔。电化学电池还包括连通到间隔的一个或多个回流通道，以及被配置成产生至少包括电解质的流的流生成器，所述流(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少输送电解质和形成的任何副产物。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括电解质、可氧化固体燃料以及排列成阵列的多个电化学电池的电化学电池系统。每个电化学电池都包括(i)沿着流动路径提供的用于接纳至少包括电解质的流的可渗透电极体，可渗透电极体被配置成允许电解质从其中流动，可渗透电极体还被配置成当固体燃料存在于从其中流动的电解质中时在其上聚集固体燃料，以便包括第一电极，用于氧化燃料以产生通过第一电极传导的电子；(ii)用于接纳电子和还原氧化剂的第二电极；(iii)第一电极和第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从可渗透电极体接纳流的间隔；以及(iv)连通到间隔的一个或多个回流通道。电化学电池系统还包括被配置成在每个电化学电池中产生至少包括电解质的流的一个或多个流生成器，所述流(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和通过被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开间隔。
根据本发明的一个方面，提供了用于使用电化学电池产生电流的方法。该方法包括使电解质和可氧化固体燃料流过沿着流动路径提供的可渗透电极体，可渗透电极体允许电解质从其中流动，并允许在其上从电解质聚集固体燃料，以便包括第一电极，第一电极与第二电极是分离的，以在它们之间形成间隔。该方法还包括在第一电极上氧化可氧化固体燃料，并在第二电极上还原氧化剂，从而产生电子，用于经由负载从第一电极传导到第二电极，并且被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子发生反应，以形成副产物。该方法还包括使电解质(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和通过被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开间隔。
根据本发明的一个方面，提供了一种与电解质和包括燃料和氧化剂的反应物一起使用的电化学电池。电化学电池包括电极，其中包括：(i)用于将燃料至少氧化为被氧化的燃料离子和电子的阳极，以及(ii)用于接受电子并将氧化剂至少还原为被还原的氧化剂离子的阴极。沿着流动路径提供了用于接纳包括电解质和对应的第一反应物的流的第一电极，用于接纳对应的第二反应物的第二电极。第一和第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从第一电极接纳流的间隔。电化学电池还包括连通到间隔的并且被布置为与第一电极相邻并与第二电极相对的一个或多个回流通道，以及被配置成产生至少包括电解质的流的流生成器，所述流(i)跨越间隔，从第一电极流向第二电极，以至少将电解质和由第一反应物在第一电极中的氧化或还原形成的离子输送离开第一电极并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和由被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开间隔。
通过下面的具体实施方式、各个附图，以及所附权利要求书，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是包括四个电化学电池的电化学电池系统的实施例的分解透视图；
图2是图1的电化学电池系统的顶视图；
图3是图2的电化学电池系统的沿着线III-III截取的剖面图；
图4是图2的电化学电池系统的沿着线IV-IV截取的剖面图；
图5是图1的电化学电池系统的下支座的底视图；
图6是图5的下支座的顶视图；
图7是图6的下支座的沿着线VII-VII截取的剖面图；
图8是图1的电化学电池系统的阳极座和多个阳极的分解透视图；
图9是图8的阳极座的顶视图；
图10是图8的阳极座的底部透视图；
图11是图1的电化学电池系统的歧管的底视图；
图12是图1的电化学电池系统的盖子的底视图；
图13是图1的电化学电池内的流动的示意图。
具体实施方式
图示出了要求保护的发明的各个方面的实施例。这些实施例决不能被视为限制性的，只作为便于理解有请求保护的发明的原理的示例。
图1-4示出了根据本发明的各实施例的在1一般性地表示的电化学电池系统。如下面所示和描述的，电化学电池系统1包括多个电化学电池10，在图4中的截面中更清楚地示出电化学电池10中的两个。虽然在此实施例中总共示出了四个电化学电池，但是，在系统中可以包括多一些或少一些的电化学电池。实际上，在某些应用中，可以创建并联的电化学电池的大的二维阵列，以提供增大功率的输出。所示出的实施例决不以任何方式做出限制。
如下面更详细地讨论的，每个电化学电池10都具有阴极12，以及阳极14(图1中示出了两个阳极，每个阳极都表示电化学电池10中的一个)。如此处所使用的，阳极14是系统的燃料被氧化的地方；如下面更详细地讨论的，阳极14包括在过滤器上捕获的固体燃料颗粒形式的燃料，但是，甚至在没有燃料存在的情况下，可以一般性地被称为阳极。电化学电池系统1还包括燃料和可以连接到燃料的电解质进口16和电解质源(未示出)，以及允许氧化剂进入系统的氧化剂输入端18。
电化学电池系统1包括被配置成支撑此处所描述的电化学电池系统1的组件的下支座20。为便于描述，电化学电池系统1被示为和描述为具有其中下支座20位于系统1的“底部”的朝向，但是，应该理解，系统1可以采取任何朝向。如此，任何方向参考都是相对于如图形所示的朝向做出的，并不旨在将工作实施例限制于任何特定朝向。如下面更详细地讨论的，每个电化学电池的阴极12都是由下支座20支撑的单一阴极。下支座20为每个电化学电池10形成了一个开口22，而每个开口被配置成相应的电化学电池的氧化剂输入端18，如下面更详细地讨论的。如图1所示，在下支座20和阴极12之间安置了衬垫24，以便在阴极12和下支座20之间提供密封。衬垫24被配置基本上成防止诸如电解质之类的任何液体从系统泄漏。
在其他实施例中，可以通过较小的分开的和单个的阴极而并非较大的“单一阴极”来提供每个电池的阴极。如此，单一阴极的使用并非限制性的。
下支座20还被配置成接纳被构建和被配置为容纳至少一个阳极14的阳极座26(在所示出的实施例中，提供了四个阳极)。下面将比较详细地讨论阳极座26。阳极14(具体而言，下面讨论并如图8所示的其过滤器体62)可以通过诸如夹子之类的保持管28保持在阳极座26中，虽然可以使用任何合适的固定装置。下支座20和阳极座26是如此配置的，使得它们的相应的顶表面基本上是共平面的，即，在系统组装之后，处于同一个平面上。如图1进一步示出的，电化学电池10包括在阳极座26和下支座20上延伸的衬垫30。
在衬垫30的顶部安置了过渡构件32，在过渡构件32的顶部还安置了再一个衬垫34。下面更详细地讨论了过渡构件32。歧管36在过渡构件32的对面一侧与衬垫34接触。歧管36包括燃料和电解质进口16和电解质和副产物出口38。作为选择，电解质和副产物出口38可以连接到一个可以用来将电化学电池系统1的电化学反应的副产物与电解质分开的系统，虽然副产物不需要分离即可重复使用电解质。副产物可以与电解质分离，以防止电池阻塞。
整个组件可以利用可以被插入到各种结构中所提供的对齐的孔40中的多个紧固件(未示出)，或利用任何其他合适的夹具，固定在一起，使得衬垫24、30、34将电化学电池系统1的各个组件密封在一起，以基本上防止液体从电化学电池系统1泄漏。虽然整个系统被示为具有基本上矩形的形状，但是，可以使用任何合适的形状和配置，并且所示出的配置不是限制性的。
在图5-7中比较详细地示出了下支座20。如上所述，下支座20被配置成支撑阴极12。更具体而言，下支座20包括空腔42，该空腔42提供被配置成支撑阴极12的支撑表面44。上文所讨论的开口22一直贯穿下支座20地延伸。分离开口22的棱条46还部分地形成支撑表面44，并被配置成支撑阴极12的中心部分。如此，阴极12被安置在空腔42中，并与支撑面44(以及上文所描述的衬垫24)啮合，使得阴极12通过由棱条46所定义的四个“窗口”22露出。此配置允许单一阴极12同时被所有四个电化学电池10使用，如下面更详细地讨论的。下支座20还可以包括带螺纹的开口48，它们被配置成接纳用于将整个电化学电池系统1固定在一起的紧固件。下支座20可以由诸如塑料之类的任何合适的非导电材料制成。
阴极12一般包括在外侧被可渗气层覆盖的多孔体，通过该层，氧化剂可以扩散，但是电解质不能透过。即，该层是可透气的，但是，电解质无法渗透(即，它是气体可渗透的，但不是液体可渗透的)。作为选择，多孔体还可以在内侧被液体可渗透层覆盖，通过该层，电解质可以透过，使得电解质可以接触多孔体。阴极12的多孔体具有高表面积，并包括对于氧化剂还原反应具有高活性的催化剂材料。在所示出的实施例中，阴极12具有基本上平面的配置。如图1所示，阴极12还具有矩形，更具体而言，正方形的配置。然而，此所示出的配置不是限制性的，阴极12可以具有除所示出的形状或配置以外的任何其他形状或配置。
阴极可以是被动式的或“呼吸”阴极，它诸如通过窗口或开口22被动地向氧化剂源(通常是周围空气中存在的氧)暴露，并吸收供电化学电池反应中消耗的氧化剂。即，氧化剂，通常是氧，将从周围空气渗透到阴极12中。如此，氧化剂不必主动地被抽到或以其他方式如通过入口被引向阴极。氧化剂被吸收或以其他方式渗透或接触阴极12所采用的阴极12任何一部分可以一般地被称为“输入端”。术语“输入端”可以广泛地涵盖将氧化剂传送到阴极的所有方式(该术语可以参考将燃料传送到阳极的任何方式类似地使用)。在所示出的实施例中，下支座20中的开口22形成氧化剂的输入端18，因为开口允许氧化剂进入与阴极12接触。
阴极12包括诸如氧化锰、镍、热解钴、活性碳、铂之类的催化剂材料，或任何其他催化剂材料或用于催化氧化剂的还原的在电解质中带有高氧还原活动的材料组合，下面将对其进行讨论。阴极12的多孔体可以包括催化剂材料。在所示出的实施例中，特别是对于便携式应用，阴极12可以具有大约1毫米或更小的厚度，并可以具有大约3.7厘米的长度和大约3.7厘米的宽度。当然，这样的尺寸只是作为示例提供的，决不试图以任何方式做出限制。这样的阴极是市场上可买到的，因此，此处将不提供关于阴极的更加详细的描述。
图8-10中示出了阳极座26的细节。如图8所示，每个阳极14(特别是其过滤器体62)由接纳阳极座26的空间或空腔50的阳极来接纳。类似于下支座20的支撑表面44，在阳极接纳空间50的下端提供了支撑表面52(如图9所示)。支撑表面52被配置成支撑阳极14，并在组装了电化学电池系统1之后防止阳极接触阴极12。如上文所讨论的，每个阳极14都可以通过保持管28保持在阳极接纳空间50内。保持管28在系统已经充满电解质之后防止阳极14在阳极接纳空间50内“浮动”。保持管28可以是压住阳极接纳空间50中的阳极座26的弹性材料，用于过盈型匹配。如果需要，保持管28可以从阳极座26移除，使得阳极14可以从阳极座26移除。在其他变体中，阳极可以被任何合适的装置保持，如以不可移动的方式保持。
图10示出了阳极座26的底边，即，面向阴极12的一边。阳极座26的底边包括被配置成直接接触阴极12的上表面的底表面54。如图10所示，在底表面54中提供了多个凹口56，以便形成棱条58。在组装系统1之后，阳极座26的棱条58一般与下支座20的棱条46对齐。棱条58基本上将四个电化学电池10彼此分隔到四个不同的腔中。棱条58还可以被配置成基本上防止电解质在不同的电化学电池10之间流动。由棱条所提供的轮廓还允许单一阴极12用于所有四个电化学电池10(或者可以使用任意数量)。
当电化学电池系统1被组装之后，阳极座26中的每个凹口56都与其中一个电化学电池10相对应，每个凹口56的深度都形成阳极14和阴极12之间的间隔60。间隔60通常是基本上空的间隔，用于允许液体从阳极14流动到阴极12，然后退出回流通道66(下面将讨论)。优选地，间隔60基本上是恒定的，但是，在某些配置中，可以改变。下面将更详细地讨论液体向间隔60的流入、流过和流出。
在一个实施例中，阳极14和阴极12之间的间隔60可以具有通道或其他特征，以便于电解质和被氧化的燃料的流动(如下面所讨论的)，但是没有质子交换膜，而是允许电解质和被氧化的燃料的液体流进间隔60，如下面所讨论的。例如，间隔60可以被仍允许流动的多孔的、非反应性，以及非导电的间隔件(如具有蜂窝配置或多孔烧结物的间隔件)占用。优选地，间隔60是允许对流流动的开放空间，如下面更详细地讨论的。
在所示出的实施例中，阳极14具有基本上圆柱的配置。然而，此配置不是限制性的，阳极可以具有除所示出的形状或配置以外的任何其他形状或配置。阳极14包括过滤器体62。过滤器体62被配置成允许电解质流过它，而同时从电解质中过滤或分离燃料颗粒。术语“过滤器”应该被广泛地解释为可以用来从电解质中分离和捕捉燃料的结构，即使燃料不是其纯形式。它是基本上包括阳极14的过滤器体62和捕获的燃料颗粒的组合。在一个实施例中，过滤器体62可以是碳过滤器，该碳过滤器由碳素纤维、黄铜、青铜、不锈钢、镍、蒙乃尔合金、任何其他高导电性过滤材料的密织的网格，或任何其他过滤材料制成。
可以使用形成阳极14的过滤器体62的其他材料或方法。例如，过滤器体可以包括通道、沟、孔、小孔、网格或能够从流过它的电解质捕获和保持燃料的颗粒的任何其他构造。在一个实施例中，过滤器体62可以包括黄铜、青铜、不锈钢、镍、蒙乃尔合金或任何其他高导电性材料的一个或多个丝网。过滤器体62可以是可以有效地充当过滤器的任何其他导体。在一个实施例中，可以通过电化学反应，如将燃料电沉积到丝网上，将燃料与电解质分离，以创建阳极。
除将过滤器体62保持在适当的位置之外，保持管28可以用来通过电导线64(如线路，如图3所示，并在图13中示意地表示为负(-)端子)提供到负载L的电连接。电导线64可以通过过渡构件32从保持管28布线，并从电化学电池10中出去，如下面更详细地讨论的。在其中导电丝网被用作过滤器体62的至少一部分的各实施例中，电导线64可以直接连接到丝网。
在一个实施例中，特别是对于便携式应用，阳极14的过滤器体62可以大致有0.5厘米的厚度，和1厘米的直径。这样的示例决不试图以任何方式做出限制，并且过滤器体62可以具有其他大小和配置。例如，对于较大规模的非便携式电化学电池，尺寸可以大得多，而对于较小规模的电化学电池，尺寸可以小得多。
阳极14处的燃料的氧化提供被氧化的燃料离子，这些离子可以退出过滤器体62并与电解质一起进入间隔60。通过将燃料颗粒保留在过滤器体62中，可以提供释放或解放的电子和所产生的燃料离子的恒定源。当燃料颗粒被耗尽时，补充燃料颗粒可以通过入口16与电解质一起流入系统。
如图8-10所示，每个电化学电池10都具有多个回流通道66，这些回流通道66沿圆周方向包围，并平行于阳极座26中的阳极接纳空间50延伸。每个回流通道66都具有大大地小于阳极接纳空间50的截面面积的截面面积。虽然对于每个电化学电池10示出了总共十六个通道66，但是可以使用具有任何合适的截面的多一些或少一些的通道。通道66的尺寸为将携带在电化学电池10中执行的电化学反应的副产物的电解质的正的回流提供到电解质和副产物出口38。具体而言，每个通道66都将间隔60连通到由阳极座26和密封阳极座26的顶边的衬垫30形成的回流空间68；而此回流空间68连通到如下面所讨论的出口38。在所示出的非限制性的实施例中，回流空间68是由电化学电池系统1的所有四个电化学电池10共享的公共空间。进一步地，提供阳极接纳空间50到过渡构件32的延伸的壁将回流空间68与此区域中的阳极接纳空间50分离。这样的配置允许从电化学电池系统1中单一返回，如下面更详细地讨论的。阳极座26优选地由诸如塑料之类的非导电的轻质材料制成，虽然可以使用任何合适的材料。
也可以使用支座26、通道66和回流空间68的其他合适的结构和配置，所示出的实施例不应被视为限制性的。
如图11所示，过渡构件32包括多个供给端口70。在组装电化学电池系统1之后，每个端口70都被配置成与阳极座26的每个阳极接纳空间50对齐，因此，与每个相应的阳极14对齐。如图4和11所示，端口70的上游部分72基本上是圆柱形状，并具有基本上恒定的直径，端口70的下游部分74基本上是截头圆锥体形状，使得最下游的位置处的直径大于连接到上游部分72的直径。如此处所使用的术语“上游”旨在表示与阳极14相比和燃料和电解质源更靠近，而如此处所使用的术语“下游”旨在表示与燃料和电解质源相比更靠近阳极14。通过让过渡构件32中的端口70的下游部分74的沿着燃料和电解质的流动路径的直径和截面面积增大，可以产生压降。只在阳极14的上游产生压降可以允许在电解质和燃料进入阳极14的过滤器体62时更稳定地流动。
过渡构件32还包括单一回流端口76，该回流端口76被配置成允许电化学电池10中的电化学反应的电解质和副产物从阳极座26中的回流空间68流向出口38流出。虽然示出了单一回流端口76，但是，应该理解，可以使用额外的端口来提供电解质和副产物从回流空间68和阳极14流走的通道。如图11所示，回流端口76连接到通道78，该通道78被配置成接纳电导线80，例如，可以连接到阴极12和外部负载L(在图13中示意地表示为正端子)的线路。虽然由于将由通道78中的流体产生的压力的增大而导致电解质和副产物可能不通过通道78退出电化学电池系统1，但是，可以使用合适的密封来防止电解质和副产物漏入通道78并从电化学电池系统1中漏出。
阴极12的电导线80可以经由过渡构件32的通道78引向过渡构件32的回流端口76，经由阳极座26的回流空间68，经由阳极座26经由其中一个通道66或经由为电导线80配置的单独的通道82，经由间隔60，并与阴极12接触。当然，可以使用其他路径来将负载连接到阴极12。所示出的实施例决不试图以任何方式作出限制。
如图11所示，可以为将每个阳极14连接到外部负载的每个电导线64提供电导线通道82。电导线通道82在配置方面可以类似于上文所描述的通道78。每个阳极14的电导线64可以通过通道82引向端口70，并引向阳极14的保持管28，从而，提供阳极14和外部负载之间的电连接。当然，也可以使用其他路径来将负载连接到阳极14，而所示出的实施例决不试图以任何方式做出限制。图13中示意地示出了阳极14和外部负载L之间的以及阴极12和外部负载L之间的连接。
图12示出了歧管36的底边(即，内边)84。底边84包括都连接到燃料和电解质进口16的多个入口通道86。通道86被置于歧管36和过渡构件32之间的衬垫34的顶表面封堵。当组装了电化学电池系统1时，每个通道86都具有连接到过渡构件32的其中一个端口70的远端88。如图所示，每个通道86都可以是弯曲的，使得没有地方聚集燃料的颗粒，即，没有可能随着时间的推移阻塞电解质和燃料颗粒的流动的流动“死角”。这也会增大流动中的湍流，以帮助使燃料颗粒在流中被搅动和悬浮。歧管36的底边84还包括单一出口通道90，该通道90被配置成将过渡构件32的回流端口76连接到电解质和副产物出口38。虽然出口通道90被示为是直的，但是，它也可以是弯曲的，像入口通道那样，虽然这样的配置一般不是必需的，因为电解质的出口流中应该没有燃料颗粒。
阳极14的过滤器体62连通到燃料和电解质源，用于接纳燃料和电解质的流。这可以通过过滤器体62的上游的燃料和电解质进口16形式的燃料输入来完成。上游被定义为相对于通过阳极14以及其过滤器体62的流。在一个实施例中，入口直接与阳极14以及其过滤器体62对齐。优选地，燃料和电解质源包括带有与电解质混合的燃料的单一源。然而，使用燃料和电解质的不同来源并将它们分开地提供到电化学电池10并只在阳极14的上游将它们混合，也在本发明的范围内。
在所示出的实施例中，燃料进口采取在歧管36中形成的通道86的形式，并将燃料和电解质源流动地连通到阳极14。如上文所讨论的，通道86与燃料和电解质源，以及用于将燃料和电解质传送到过渡构件32的歧管的端口70流动地连通。可以使用任何合适的连接、管道、通道或通路来将燃料和电解质从它们的源连通到阳极14。
在操作期间，随着电解质流过过滤器体62，固体燃料颗粒聚集在其上。聚集这一术语有意涵盖诸如通过过滤、电沉积，或任何其他合适的方式，在电极体上捕获固态的燃料。固体这一术语有意涵盖诸如通过过滤或电沉积可以与流分离的任何东西。发生燃料氧化，以将燃料至少氧化为仍保留电解质中的被氧化的燃料离子和通过连接到阳极14和阴极12的外部负载L由阳极14传导到阴极12的电子，如图13所示。下面将讨论氧化反应。
电化学电池10被配置成提供压差，该压差产生通过阳极14，到间隔60并流向阴极12的电解质的流，径向地从阳极14离开，并回到阳极座26中的通道66。然后，电解质流入回流空间68，通过过渡构件32中的回流端口76，然后，通过歧管36中发现的通道90，并从电解质和副产物出口38流出。
在间隔60内，电解质的输送流从阳极14的过滤器体62流过间隔60到达阴极12。术语“输送流”是指电解质跨越间隔的液体流，其将被氧化的燃料离子输送离开阳极14并流向阴极12。如此，通过使电解质流动，而并非仅仅依赖于电解质内的导电或扩散，对流地输送离子。相比之下，在带有质子交换膜的电化学电池中，薄膜本身是通过导电输送被氧化的燃料离子的电解质。这里，输送流的基本方向是远离阳极14，流向阴极12，然后，径向地向外，并回到回流通道66，与其中使氧化剂和燃料的两个流沿着平行于阳极和阴极的路径流动的现有技术的方法相反。换句话说，描述离开阳极14的流的矢量或梯度最初主要从一个电极朝向另一个电极(与平行于电极的朝向相反)，然后，在基本上平行但是与初始矢量相反，并径向地从离开阳极14的流向外的回流方向主要面向回流通道66，如图13所示。
虽然电化学电池系统1可以被动地操作，如通过重力供给或通过设备的运动(例如，对于便携式电池，如在手表中，可以使用来自用户的运动的动能来产生流)，但是，在一个实施例中，可以使用诸如小泵之类的流生成器来产生燃料和电解质的流。泵可以是任何合适的泵，如压电泵、离心泵、齿轮泵、蠕动泵等等。可以在各种配置和各种大小的电化学电池10中使用泵。流生成器可以具有任何结构或配置。如此，术语“流生成器”旨在广泛地涵盖用于产生流的主动的被供电的和被动式的不被供电的机构。
在进入图中所示出的电化学电池系统1之前，燃料可以通过螺旋推运系统、文丘里管，或任何其他合适的系统供给来将来自诸如干容器之类的燃料供应源的燃料颗粒输送到电解质中。电解质可以从电解质供应源输送到可以使用来将燃料与电解质混合的合适的容器，如“水柱”。一旦燃料颗粒悬浮在电解质中，就可以通过流生成器将燃料和电解质提供给阳极。
从图13可以看出，离开阳极14的初始流和进入回流通道66的回流以相邻和重叠方式彼此相反地流动(被称为“逆流”)。优选地，但不是必须的，回流通道66围绕在阳极14以及其接纳空间50周围，使得离开阳极14的初始流由流向并流入回流通道66内的回流围绕并在该回流内。优选地，但不是必须的，阳极14位于通过回流通道定义的几何形状的中心或与该中心对齐，如此，提供到所有回流通道66的流的均匀分布。
任何这样的被供电的流生成器都可以直接或间接地耦合到阳极和阴极，使得它可以取电，如此，提供自我供电的电化学电池10。可以提供电池或其他备选电源以为这样的流生成器初始供电，并可以使用开关来使得生成器能够根据需要从阳极和阴极或备选电源取电。控制器可以(i)在启动电化学电池操作之后预定时间，或者(ii)当它检测到电化学电池功率输出已经达到足以为流生成器进行自我供电的级别时，将流生成器从初始电源切换到电化学电池输出电源。
可以由被动输送系统将氧化剂输送到阴极12。例如，在周围空气中存在的氧是氧化剂的情况下，简单地经由开口22将阴极12暴露在周围空气中可以足以允许氧扩散/渗透到阴极多孔体中(而扩散进入阴极的部分可以被视为氧化剂输入端18)。可以使用其他合适的氧化剂，此处所描述的实施例不仅限于使用氧作为氧化剂。
在其他实施例中，可以使用诸如鼓风机之类的泵来在压力下将氧化剂传送到阴极12。氧化剂源可以是氧化剂的包含源。同样，当氧化剂是来自周围空气的氧时，氧化剂源可以广泛地被视为输送机构，无论它是被动式的(例如，空气的进口22)或主动式的(例如，泵、吹风器等等)，通过这些，允许空气流向阴极12。如此，术语“氧化剂源”旨在涵盖包含的氧化剂和/或被动地或主动地将氧从周围空气中传送到阴极12的布局。
在操作过程中，当阳极14和阴极12耦合到负载L时，将在阴极处发生至少氧化剂和流动到阴极12的电子之间的反应，如此，还原氧化剂。被还原的氧化剂离子可以与被氧化的燃料离子起反应，以完成电化学电池反应。下面将讨论氧化剂还原反应。
燃料可以是诸如铁、锌、铝、镁或锂之类的金属。“金属”这一术语意味着涵盖在元素周期表上被视为金属的所有元素，包括但不限于，碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素以及过渡金属，当聚集在电极体上时无论是原子形式还是分子形式。然而，本发明不试图限于任何特定燃料，而是可以使用其他燃料。例如，燃料可以包括可氧化有机固体或不溶混液体燃料胶束。可以将燃料作为悬浮在电解质中的颗粒提供给电化学电池系统。例如，燃料可以是锌的薄片、小球或枝晶。颗粒可以小到大约1μm，大到大约1毫米或者甚至更大。在一个实施例中，颗粒具有大约300μm的平均大小(即，有效直径)。电解质的流中所提供的燃料颗粒量取决于仍位于阳极中的颗粒的量。例如，如果在阳极有足够的燃料颗粒以产生所希望的电力量，那么，不需要经由电解质向阳极提供补充燃料颗粒。然而，如果燃料颗粒量被耗尽到电化学电池的性能明显降低的级别，则可以通过在极短时间内在电解质中提供高浓度燃料颗粒来给阳极补给燃料。一旦燃料颗粒聚集在多孔体中的阳极处，并且电化学电池的性能被恢复到其所希望的工作电平，则可以向电化学电池提供没有燃料颗粒的电解质，直到燃料颗粒量再次耗尽。可以提供合适的控制器，以监视功率输出，并控制燃料颗粒的供给。
电解质可以是水溶液。合适的电解质的示例包括包含硫酸、磷酸、三氟甲基磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。电解质还可以使用非水溶剂或离子液体。在此处所描述的非限制性实施例中，电解质是含水氢氧化钾。
为限制或抑制阳极处的氢放出，可以添加盐来延迟这样的反应。可以使用具有高氢超电势的锡、铅、铜、汞、铟、铋或任何其他材料的盐。另外，也可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、氨盐基或其他氢放出抑制添加剂。在一个实施例中，可以使用诸如铝/镁之类的金属燃料合金来抑制氢放出。
请参看一个非限制性实施例中的具体反应，使用氢氧化钾作为电解质(碱性的)、锌(Zn)颗粒作为燃料，周围空气中的氧(O2)作为氧化剂。
在阳极处，锌被氧化，如由反应式(1)所表示的：
Zn+4OH-→Zn(OH)4 2-+2e-(E°＝-1.216V)    (1)
在阴极处，氧被还原，如由反应式(2)所表示的：
2e-+1/2O2+H2O→2OH-(E°＝0.401V)        (2)
在溶液中，发生如由反应式(3)所表示的下列反应：
Zn(OH)4 2-→ZnO+H2O+2OH-                 (3)
如此，锌在阳极处被氧化，其阳离子(Zn2+)被四个OH-离子支持，以产生络合阴离子Zn(OH)42-。电解质溶液中的OH-离子的浓度由阴极处的氧化剂还原反应和从Zn(OH)42-阴离子的反应释放的OH-离子来维持。电解质流将相对不稳定的Zn(OH)42-离子输送离开阳极，如此防止锌离子在阳极14处还原回锌(这又提高了效率，因为电子自由地流过负载L，而不是被锌酸盐离子的还原消耗掉)。并且，在电解质中，溶液中的络合Zn(OH)42-阴离子发生反应，以提供水(H2O)、OH-离子，以及电解质中存在的氧化锌(ZnO)。通过从锌酸盐阴离子(Zn(OH)42-)去除两个OH-离子来形成氧化锌(ZnO)，剩余的两个OH-离子发生反应，以形成一个水分子(H2O)和ZnO产物。
如此，被还原的氧化剂(OH-)离子和被氧化的锌(Zn2+)离子之间的总体反应提供中间副产物Zn(OH)42-，该中间副产物最终发生反应，变为氧化锌(ZnO)。从上面阐述的代表性的反应方程式可以看出，反应的剩余成份相抵(即，它们被等量地消耗或产生)。如此，以其最简单的表达形式，阳极处的总体反应利用从负载接收到的电子还原阴极12处的氧化剂，在阳极处将燃料颗粒氧化，以将电子提供到负载，被还原的氧化剂离子和被氧化的燃料离子发生反应，以形成副产物，在此情况下，副产物为氧化锌。从阳极通向阴极的方向的输送流帮助支持和驱动此过程，并增大总体功率输出。
在阳极和/或阴极处和/或在间隔中可能发生更多的中间反应，所描述的反应并不试图排除任何副反应或中间反应。此外，反应是代表性的，并可以以不同的方式来表达，但是，一般的总反应会导致锌的氧化和氧的还原，以产生副产物氧化锌(ZnO)和驱动负载L的电流。氧化锌副产物可以随着电解质流出电化学电池。作为选择，氧化锌可以从流中恢复，锌可以被分离，并重新引入燃料和电解质源中。
虽然阳极-阴极方向的方向流帮助增大功率输出，但是，在某些情况或应用中，可能需要停止该流。甚至在停止该流的情况下，也可以产生一些电力，虽然功率输出将大大地小于当电解质流动并将被氧化的燃料离子输送离开阳极14并流向阴极12时的功率输出。这种没有或基本上没有流的“被动式的操作”状态可能对利用只需要少量的电力的待机模式或某些其他模式为设备(例如，膝上型计算机)供电有用。可以使用合适的控制器来控制提供任何流生成器来产生流，以在此被动状态和存在输送流的主动状态之间切换。
在设计各种部件时，可以在微流体规模制造结构和各种通道，以取得最适于便携的小的紧凑的尺寸。可以使用构造微电子器件的各种技术，如光刻、薄膜沉积、电化学加工，并可以使用微流体处理方法。可以使用这些技术来使得能够大规模制造根据本发明设计的电化学电池。
电解质以及燃料/氧化剂反应所产生的产品(例如，氧化锌)经由阳极座26的通道66经过阳极座26退出电化学电池10。
优选地，但不是必须的，根据本发明构造的电化学电池，包括上文或下文所描述的任何实施例，可以用于便携式应用中，如用于为膝上型计算机、蜂窝电话、便携式音频播放器、无线电子邮件设备，医疗设备，或人需要其便携性的任何其他设备供电。然而，应该理解，本发明也可以在大型的非便携式设备中实施，便携性的优点不试图是限制性的。相反地，本发明不仅限于便携性，而是它被认为特别对取得便携性有用。
从本公开可以看出，本发明的电化学电池提供若干个非限制性优点，包括但不限于：
-大多数金属微粒是稳定的，非挥发性的，如此，使它们相对安全地用于便携式物品中(与使用易燃燃料的燃料电池相反)；
-使用捕获微粒的可氧化燃料的过滤器允许通过向流动电解质添加更多电解质来轻松地补充燃料；
-阳极到阴极方向的流增大总体功率输出；
-可以调节流速和/或流中的燃料量，来调整功率输出；
-可以使流停止，以允许系统在低功率输出被动状态下操作；
-燃料-氧化剂反应的副产物可以是可以容易与电解质分离的沉淀物，如此，允许电解质反复使用/反复循环；
-与阳极室/空腔相邻的一个或多个回流通道的存在允许每个单个电化学电池具有其自己的输送和回流流动路径，而不会干扰相邻的电化学电池的操作，如此，在构造多个电化学电池阵列中提供了大量的自由；以及
-回流通道配置还提供紧凑设计。
根据本发明的任何方面设计的电化学电池不必具有所有这些优点，取决于所实施的特定实施例，本发明的各个方面可以取得这些优点中的一个、一些或全部。例如，不需要每个单个电化学电池都具有其自己的输送和回流流动路径，也不会干涉相邻的电化学电池的操作，可保证电池操作。在一个实施例中，相邻的电化学电池可以被配置成串联地操作，使得电解质可以在各电池之间流动。所示出的实施例决不试图以任何方式做出限制。
在本发明的某些实施例中，可以通过电沉积在阳极处聚集燃料。在这样的方法中，阳极体不一定通过从电解质捕获燃料颗粒来本身充当过滤器。相反，阳极体的电势可以变化，使得它充当用于还原燃料离子的阴极，如此，使电解质中的燃料阳离子在体上沉积。如此，阳极体可以广泛地表征为可渗透体，其包括燃料可以在其上面聚集(无论通过过滤、电沉积还是以其他方式)并且电解质可以经过其流过的任何体。
在其中被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子之间的形成副产物的反应是可逆的某些实施例中，可以有利地使用此电沉积方法。例如，在上文所讨论的使用锌作为燃料的实施例中，在操作过程中，可以允许氧化锌副产物累积并作为悬浮体或胶体保留在电解质中。然后，利用锌燃料对阳极体进行充电，可以将阴极电势施加于阳极体(现在实际上充当阴极)，使来自氧化锌的锌阳离子在阳极体上沉积。也可以使用当将阴极电势施加于阳极体时充当阳极的额外的电极。由于具有放电和再充电的能力，可以将电池用作反复可充电电池电源或可反复充电的后备电源。
在本发明的其他方面，离开阳极14的流的部分和返回到回流通道的流的部分之间的逆流的一般电池体系结构和布局可以与非微粒燃料和更传统的固定催化阳极一起使用。例如，可以参考上面包括的2007年12月21日提交的美国专利申请系列No.11/962,803来说明在这方面的合适的阳极、阴极、电解质、燃料以及氧化剂材料。一般流的布局的优点在微粒燃料上下文中是有利的，但是，也可以有利地与其他类型的电化学电池一起使用，以使得包括若干个垂直流类型电池的系统能够并行地排列。如此，电解质流过其中的电极可以一般被称为第一电极(通常是阳极)，间隔对面的电极可以一般被称为第二电极(通常是阴极，优选地，呼吸阴极)。同样，在第一电极被氧化或还原的对应的反应物可以被称为第一反应物(通常将是燃料)，而在第二电极被氧化或还原的对应的反应物可以被称为第二反应物(通常将是氧化剂)。然而，由于成份可以是颠倒的，术语“第一和第二”可以在更一般意义上使用，以涵盖任何一个备选方案。
前面的所示出的实施例仅仅是为了说明本发明的结构和功能原理，并不试图是限制性的。例如，本发明可以使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电解质，和/或不同的总体结构配置或材料来实施。如此，本发明旨在涵盖在下列所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的更改、替换、修改以及等效内容。

Claims (52)

1.一种与电解质、可氧化固体燃料以及氧化剂一起使用以产生电能的电化学电池，所述电化学电池包括：
沿着流动路径提供的用于接纳至少包括所述电解质的流的可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置成允许所述电解质从其中流动，所述可渗透电极体还被配置成当所述固体燃料存在于从其中流动的所述电解质中时在其上聚集所述固体燃料，以便包括第一电极，用于氧化所述燃料以产生通过所述第一电极传导的电子；
用于接纳电子和还原氧化剂的第二电极；
所述第一电极和所述第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从所述可渗透电极体接纳流的间隔；
连通到所述间隔的一个或多个回流通道；以及
被配置成产生至少包括电解质的流的流生成器，所述流(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和通过被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开所述间隔。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，还包括分开或一起包含电解质和固体燃料的供应源。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述固体燃料是由下列各物组成的组中选出：铁、锌、镁、铝以及锂。
4.根据权利要求3所述的电化学电池，其中，所述固体燃料是锌。
5.根据权利要求2所述的电化学电池，其中，所述电解质包括从包括硫酸、磷酸、三氟甲基磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾以及氯化锂的组中选择的至少一种水溶液。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中，所述电解质包括氢氧化钾。
7.根据权利要求1所述的与可氧化固体燃料微粒一起使用的电化学电池，其中，所述可渗透电极体是被配置成从所述电解质中过滤所述燃料微粒以便在其上聚集所述燃料的过滤器体。
8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中，所述过滤器体包括碳过滤器、黄铜丝网或青铜丝网。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，第二电极是让外表面暴露于周围空气使得所述氧化剂包括渗透所述第二电极的氧的气体可渗透电极。
10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第二电极在其所述外表面上包括气体可渗透而液体不可渗透的屏障薄膜，以便允许经由所述第二电极的所述外表面渗透所述氧化剂，并防止所述电解质流过所述第二电极的所述外表面。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第二电极的催化材料包括从包括氧化锰、镍、热解钴、活性碳以及铂的组中选择的材料。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述一个或多个回流通道被布置为与所述可渗透电极体相邻并与所述第二电极相对。
13.根据权利要求12所述的电化学电池，其中，所述一个或多个回流通道包括在所述可渗透电极体周围排列的多个回流通道。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中，所述可渗透电极体被电极支座支撑，而所述电极支座也具有从其中提供的多个回流通道。
15.根据权利要求14所述的电化学电池，其中，所述电极支座包括其中接纳了所述可渗透电极体的空腔，并且其中，所述空腔和所述回流通道彼此平行。
16.一种电化学电池系统，包括：
电解质；
可氧化固体燃料；以及
排列成阵列的多个电化学电池；
每个电化学电池都包括：
(i)沿着流动路径提供的用于接纳至少包括所述电解质的流的可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置成允许所述电解质从其中流动，所述可渗透电极体还被配置成当所述固体燃料存在于从其中流动的所述电解质中时在其上聚集所述固体燃料，以便包括第一电极，用于氧化所述燃料以产生通过所述第一电极传导的电子；
(ii)用于接纳电子和还原氧化剂的第二电极；
(iii)所述第一电极和所述第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从所述可渗透电极体接纳所述流的间隔；以及
(iv)连通到所述间隔的一个或多个回流通道；以及
被配置成在每个电化学电池中产生包括至少电解质的流的一个或多个流生成器，所述流(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和通过被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开间隔。
17.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，所述固体燃料是由下列各物组成的组中选出：铁、锌、镁、铝以及锂。
18.根据权利要求17所述的电化学电池系统，其中，所述固体燃料是锌。
19.根据权利要求16所述的电化学电池，其中，所述电解质包括从包括硫酸、磷酸、三氟甲基磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾，以及氯化锂的组中选择的至少一种水溶液。
20.根据权利要求19所述的电化学电池系统，其中，所述电解质包括氢氧化钾。
21.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，所述可氧化固体燃料包括固体燃料微粒，并且其中，每个电化学电池的所述可渗透电极体是过滤器体，被配置成从所述电解质中过滤所述固体燃料微粒以便在其上聚集所述燃料。
22.根据权利要求21所述的电化学电池系统，其中，所述过滤器体包括碳过滤器、黄铜丝网或青铜丝网。
23.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，每个电化学电池的所述第二电极是让外表面暴露于周围空气使得所述氧化剂包括渗透所述第二电极的氧的气体可渗透电极。
24.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，每个第二电极的催化材料包括从包括氧化锰、镍、热解钴、活性碳以及铂的组中选择的材料。
25.根据权利要求24所述的电化学电池系统，其中，每个第二电极都在其所述外表面上包括气体可渗透而液体不可渗透的屏障薄膜，以便允许经由所述第二电极的所述外表面渗透所述氧化剂，并防止所述电解质流过所述第二电极的所述外表面。
26.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，在每个电化学电池中，所述一个或多个回流通道被布置为与所述可渗透电极体相邻并与所述第二电极相对。
27.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中，在每个电化学电池中，所述一个或多个回流通道包括在所述可渗透电极体周围排列的多个回流通道。
28.根据权利要求27所述的电化学电池系统，其中，在每个电化学电池中，所述可渗透电极体被电极支座支撑，而所述电极支座也具有从其中提供的多个回流通道。
29.根据权利要求28所述的电化学电池系统，其中，每个电极支座包括其中接纳了所述可渗透电极体的空腔，并且其中，所述空腔和所述回流通道彼此平行。
30.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，所述电化学电池的所述第二电极是由共同的第二电极所提供的。
31.根据权利要求16所述的电化学电池系统，还包括将相邻的电化学电池的间隔彼此分离的壁。
32.根据权利要求16所述的电化学电池系统，其中，所述一个或多个流生成器是耦合到每个电化学电池的单一流生成器。
33.一种用于使用电化学电池产生电流的方法，所述方法包括：
将电解质和可氧化固体燃料流过沿着流动路径提供的可渗透电极体，所述可渗透电极体允许所述电解质从其中流动，并在其上从所述电解质聚集所述固体燃料，以便包括第一电极，所述第一电极与第二电极是分离的，以在它们之间形成间隔；
在所述第一电极上氧化所述可氧化固体燃料，并在所述第二电极上还原氧化剂，从而产生电子，用于经由负载从所述第一电极传导到所述第二电极，并且所述被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子发生反应，以形成副产物；以及
使电解质流动(i)跨越间隔，经过可渗透电极体，并流向第二电极，以至少将电解质和被氧化的燃料离子输送离开可渗透电极体并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和通过被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的副产物输送离开间隔。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述固体燃料是由下列各物组成的组中选出：铁、锌、镁、铝以及锂。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述固体燃料是锌。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述电解质包括从包括硫酸、磷酸、三氟甲基磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾以及氯化锂的组中选择的至少一种水溶液。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述电解质包括氢氧化钾。
38.根据权利要求33所述的方法，其中，所述第二电极是让外表面暴露于周围空气使得所述氧化剂包括渗透所述第二电极的氧的气体可渗透电极。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述第二电极在其所述外表面上包括气体可渗透而液体不可渗透的屏障薄膜，以便允许经由所述第二电极的所述外表面渗透所述氧化剂，并防止所述电解质流过所述第二电极的所述外表面。
40.根据权利要求33所述的方法，其中，所述一个或多个回流通道被布置为与所述可渗透电极体相邻并与所述第二电极相对，使得流向所述回流通道的流从所述第二电极流走。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述一个或多个回流通道包括在所述可渗透电极体周围排列的多个回流通道，使得流的离开所述可渗透电极体的部分和流的流向所述一个或多个回流通道的部分以重叠方式彼此相反地流动。
42.根据权利要求33所述的方法，其中，所述聚集包括利用所述可渗透电极体从所述电解质中过滤固体燃料微粒。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，使所述电解质和所述可氧化固体燃料流过所述可渗透电极体以通过过滤来执行固体燃料的聚集，和使所述电解质流过所述可渗透电极体并跨越所述间隔以执行被氧化的燃料离子的输送，是通过电解质的相同流动同时执行的。
44.根据权利要求33所述的方法，其中，所述聚集包括将所述固体燃料电沉积到所述可渗透电极体上。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，使所述电解质和所述可氧化固体燃料流过所述可渗透电极体以通过电沉积来执行固体燃料的聚集，以及使所述电解质流过所述可渗透电极体并跨越所述间隔以执行被氧化的燃料离子的输送是在不同的时间执行的，其中，所述可渗透电极体在所述电沉积过程中充当阴极，以还原在其上聚集的固体燃料。
46.一种与电解质和包括燃料和氧化剂的反应物一起使用的电化学电池，所述电化学电池包括：
电极，包括：(i)用于将所述燃料至少氧化为被氧化的燃料离子和电子的阳极，以及(ii)用于接受电子并将所述氧化剂至少还原为被还原的氧化剂离子的阴极；
沿着流动路径提供的用于接纳包括电解质和对应的第一反应物的流的第一电极，
用于接纳对应的第二反应物的第二电极，第一和第二电极是分离的，以在它们之间形成用于从第一电极接纳流的间隔；
连通到所述间隔的并且被布置为与所述第一电极相邻并与所述第二电极相对的一个或多个回流通道；以及
被配置成产生至少包括电解质的流的流生成器，所述流(i)跨越间隔，从第一电极流向第二电极，以至少将电解质和第一反应物在第一电极中的氧化或还原所形成的离子输送离开第一电极并流向第二电极，以及(ii)然后，经过一个或多个回流通道以至少将电解质和由被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子的反应所形成的任何副产物输送离开间隔。
47.根据权利要求46所述的电化学电池，其中，所述回流通道如此排列，使得流的离开所述第一电极的部分和流的流向所述一个或多个回流通道的部分以重叠方式彼此相反地流动。
48.根据权利要求47所述的电化学电池，其中，所述一个或多个回流通道包括在所述第一电极周围排列的多个回流通道。
49.根据权利要求46所述的电化学电池，其中，所述第一电极被支座支撑，而所述支座也具有从其中提供的多个回流通道。
50.根据权利要求49所述的电化学电池，其中，所述支座包括其中接纳了所述第一电极的空腔，并且其中，所述空腔和所述回流通道彼此平行。
51.根据权利要求50所述的电化学电池，其中，回流通道与所述第一电极排列在一起，所述第一电极与通过所述回流通道定义的几何形状的中心对齐。
52.根据权利要求46所述的电化学电池，其中，所述第一电极是阳极，而所述第一反应物是燃料，其中，所述第二电极是所述阴极，而所述第二反应物是氧化剂。
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