CN105206789A - 具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方面提供电化学电池系统，包括至少一个电化学电池，其被配置为选择性地连接到负载以通过使用燃料和氧化剂产生电流而对电池放电。电化学电池系统可以选择性地连接到电源以对电池再充电。电化学电池系统包括多个电极和位于其中的电极主体。电化学电池系统还包括切换系统，配置为允许用于对每个电化学电池充电的阳极的渐进移动，保持与渐进移动的阴极的最小距离，所述阴极是燃料增长的位置。

Description

具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统
本申请是申请日为2011年09月09日、申请号为201110274724.1、发明名称为“具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统”的发明专利申请的分案申请。
本申请要求美国临时申请61/383,510的优先权，在此通过参考将其完整引入。
技术领域
本发明涉及可再充电的电化学电池系统。
发明背景
电化学电池是公知的。电化学电池包括：阳极或燃料电极，在该电极发生燃料氧化反应；阴极或氧化剂电极，在该电极发生氧化剂还原反应；和支持离子转运的离子导电介质。在如在美国专利申请公布2009/0284229、2011/0086278和2011/0189551以及在美国专利申请13/028，496(所有这些在此通过参考将其完整引入)中公开的一些金属-气体电池中，燃料电极包括多个骨架电极主体，金属燃料在其上还原和电沉积。
电化学电池系统可以包括多个电化学电池。在一些这样的电化学电池系统中，第一电池的燃料电极可以连接到第一端子，电池系统内的每个电池的氧化剂电极可以连接到后续电池的燃料电极，该系列的最后电池的氧化剂电极可以连接到第二端子。因此，在每个单个电池内产生电势差，而且因为这些电池串联连接，在第一端子和第二端子之间产生累积电势差。这些端子连接到负载L，产生驱动电流的电势差。
特别地，本申请努力提供用于对电化学电池和电化学电池系统再充电和放电的更切实高效的体系结构。
发明内容
本发明的一个方面提供一种使用燃料和氧化剂产生电流的可再充电的电化学电池系统。电池系统包括电化学电池。电化学电池包括燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数。所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料。电池还包括：氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；和充电电极，所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极。电池另外包括离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应。在电池中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为在放电模式中氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差。电池系统另外包括：多个开关，用于选择性地将所述燃料电极的电极主体2至N的每个和所述充电电极耦合到电源，以在再充电模式中施加阳极电势，其中在所述再充电模式中通过所述电源向电极主体1施加阴极电势。电池系统还包括控制器，所述控制器被配置为在所述再充电模式中控制所述多个开关，以便对从所述电源向所述可渗透的电极主体2至N和所述充电电极按照渐进方式施加所述阳极电势进行管理，使得通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接的电极主体施加所述阴极电势。该开关的管理还可以使得从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，以及至少向通过所述电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过所述电沉积连接的情况下向所述充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质。
本发明的另一个方面提供一种对电化学电池进行充电的方法。电化学电池包括燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数。所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料。电池还包括：氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；和充电电极。所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极。电池还包括离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应。在电池中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为在放电模式中氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差。所述方法包括：通过将电极主体1耦合到电源而向电极主体1施加阴极电势。所述方法还包括通过选择性地将电极主体2至N耦合到用于施加阳极电势的电源，对向电极主体2至N施加阳极电势进行管理。这种管理可以使得通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接电极主体施加所述阴极电势。该管理还可以包括从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，和至少向通过电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过电沉积连接的情况下向充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质。所述方法还可以包括使所述电源解除耦合，以停止充电。
本发明的其他目标、特点和优点从下面的详细描述、附图和所附的权利要求变得明显。
本发明还涉及以下项目：
1.一种使用金属燃料和氧化剂产生电流的可再充电的电化学电池系统，所述电池系统包括：
电化学电池，包括：
(i)燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数，所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料；
(ii)氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；
(iii)充电电极，所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极；和
(iv)离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应；
其中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为，在放电模式中，氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料，并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差；
多个开关，用于选择性地将所述燃料电极的电极主体2至N的每个和所述充电电极耦合到电源，以在再充电模式中施加阳极电势，其中在所述再充电模式中通过所述电源向电极主体1施加阴极电势；
控制器，所述控制器被配置为在所述再充电模式中控制所述多个开关，以便对从所述电源向所述可渗透的电极主体2至N和所述充电电极按照渐进方式施加所述阳极电势进行管理，使得：(a)通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接的电极主体施加所述阴极电势；(b)从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，和(c)至少向通过所述电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过所述电沉积连接的情况下向所述充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质。
2.根据项目1所述的电化学电池系统，还包括多个彼此相邻组装的电化学电池，以及分开每对相邻电池的氧化剂电极和燃料电极的非导电屏障，使得其间的唯一允许的电连接是通过所述多个开关的至少一个。
3.根据项目2所述的电化学电池系统，其中，通过将前一电池充电模式下的充电电极或放电模式下的氧化剂电极耦合至后一电池的燃料电极，每个电池的所述多个开关可切换至旁路模式。
4.根据项目2所述的电化学电池系统，其中，电池是具有包含金属燃料的燃料电极、包含用于还原氧气的空气阴极的氧化剂电极和作为用于氧化可氧化的氧物质为氧气的析氧电极的充电电极的金属-空气电池。
5.根据项目3所述的电化学电池系统，其中，所述金属燃料选自锌、铝、铁和锰。
6.根据项目3所述的电化学电池系统，其中，每个非导电的屏障包括一个或多个用于使得氧气流向所述空气阴极的端口。
7.根据项目1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关包括可在将电池耦合到负载和将电池耦合到电源之间切换的开关。
8.根据项目1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关的每个与所述多个可渗透的电极主体的每个、所述充电电极和所述氧化剂电极之一相关联。
9.根据项目1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关可切换成将可渗透的电极主体1至可渗透的电极主体N渐进地连接到所述充电电极。
10.根据项目1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关可切换成将可渗透的电极主体1至可渗透的电极主体N的每个选择性地连接到所述充电电极。
11.根据项目1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关可切换成将可渗透的电极主体1至可渗透的电极主体N的每个选择性地连接到所述燃料电极。
12.根据项目1所述的电化学电池系统，进一步包括控制器，所述控制器被配置为选择性地打开和关闭所述多个开关的至少一个。
13.根据项目12所述的电化学电池系统，其中，所述控制器被配置为响应与电池相关联的一个或多个传感器。
14.根据项目13所述的电化学电池系统，其中，所述一个或多个传感器被配置为测量至少两个可渗透的电极主体之间的高于阈值的电势差的降低或高于阈值的电流的增加中的至少一个。
15.根据项目12所述的电化学电池系统，其中，所述控制器被进一步配置为选择性地打开和关闭所述多个开关的至少一个，以向不具有所述阴极电势的所有可渗透的电极主体2-N施加所述阳极电势。
16.根据项目12所述的电化学电池系统，其中，所述控制器被进一步配置为选择性地打开和关闭所述多个开关的至少一个，以仅向与具有所述阴极电势的可渗透的电极主体1-N中的至少一个相邻的、可渗透的电极主体2-N中的一个或所述充电电极施加所述阳极电势。
17.一种用于对电化学电池进行充电的方法，
其中，所述电化学电池包括：
(i)燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数，所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料；
(ii)氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；
(iii)充电电极，所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极；和
(iv)离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应；
其中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为，在放电模式中，氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料，并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差；
所述方法包括：
通过将电极主体1耦合到电源而向电极主体1施加阴极电势；
通过选择性地将电极主体2至N耦合到用于施加阳极电势的电源，对向电极主体2至N施加阳极电势进行管理，以使得：
(a)通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接的电极主体施加所述阴极电势；
(b)从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，和
(c)至少向通过电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过电沉积连接的情况下向充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质；和
使所述电源解除耦合，以停止充电。
18.根据项目17所述的方法，其中，施加所述阴极电势包括控制与电池相关联的多个开关的打开/关闭状态。
19.根据项目17所述的方法，其中，对施加所述阳极电势进行管理包括控制与电池相关联的多个开关的打开/关闭状态。
20.根据项目19所述的方法，其中，控制所述多个开关的打开/关闭状态包括将可渗透的电极主体2至可渗透的电极主体N连接到所述充电电极，并随着燃料增长电连接并施加来自可渗透的电极主体1至N的阴极电势，渐进地将可渗透的电极主体2至N与所述充电电极断开。
21.根据项目17所述的方法，其中，对施加所述阳极电势进行管理包括由控制器控制多个开关，所述控制器响应与电池相关联的至少一个传感器。
22.根据项目21所述的方法，其中，所述至少一个传感器被配置为测量至少两个可渗透的电极主体之间的高于阈值的电势差的降低或高于阈值的电流的增加。
23.根据项目21所述的方法，其中，所述至少一个传感器被配置为测量时间间隔的推移。
附图说明
图1说明包括两个电化学电池的电化学电池系统的横截面图；
图2说明图1的电化学电池系统的分解图；
图3说明图1的电化学电池之一的电极支架；
图4说明图3的电极支架，支持连接到电极支架的多个隔板(spacer)和燃料电极；
图5更详细地说明图4的隔板之一；
图6更详细地说明图5的隔板和图3的电极支架之间的连接；
图7图解说明根据本发明的电池系统的实施方式的电化学电池和外部负载或电源之间的电连接；
图8图解说明根据本发明的电池系统的实施方式的电化学电池和外部负载或电源之间的电连接；
图9图解说明根据图8的电池系统的实施方式的切换系统；
图10图解说明根据图8的电池系统的另一个实施方式的切换系统；
图11图解说明根据图8的电池系统的另一个实施方式的切换系统；
图12A至图12C图解说明根据图8的电池的另一个实施方式的切换系统的、进一步包括多个电池的图9至图11的实施方式；
图13图解说明进一步包括控制器的、类似于图11的实施方式的切换系统；
图14显示说明根据本发明的对电池充电的方法的一个实施方式的流程图；
图15显示说明对电池放电的方法的一个实施方式的流程图。
本发明的图解实施方式的详细说明
图1和图2说明根据本发明的实施方式的电化学电池系统100，其包括配置为在其中利用液体离子导电介质的两个电化学电池10。可以理解，本文描述的电化学电池系统100仅仅是示例性的，且在其他实施方式中，电化学电池10或电化学电池系统100的功能或组件可以变化。例如，在不同的实施方式中，离子导电介质可以流过多个电池10，或可以在单电池10之内循环。在一些实施方式中，离子导电介质可能一般不在电池10中流动。可以理解，电化学电池系统100的部分，例如但不局限于其中的一个或多个电池10和/或及其组成部分，可以在各实施方式中不相同。例如，每个电化学电池10或电化学电池系统100的其他组成部分的各个部分可以具有任何合适的结构或组成，包括但不限于由塑料、金属、树脂或其组合形成。因此，每个电池10可以以任何方式组装，包括由多个元件组成、整体成型等。在各实施方式中，电池10和/或其外壳可以包括来自一个或多个以下专利的元件或排列：美国专利申请12/385,217、12/385,489、12/549,617、12/631,484、12/776,962、12/885,268、13/028,496、13/083,929、61/358,339、61/383,510和61/414,579，每个在此通过参考将其完整引入。但是，如图1所示的实施方式所描绘，每个电池10包括燃料电极12和与燃料电极12隔开的氧化剂电极14。燃料电极12由电极支架16支撑。如图1所示，电化学系统100还包括盖19，其用于在系统100的一侧覆盖电化学电池10，而电极支架16的一个是用于覆盖系统100的对侧。
在一个实施方式中，燃料电极12是金属燃料电极，如下面进一步的详细讨论，其在电池10以放电或产生电流模式操作时，作为阳极发挥功能。在一个实施方式中，如下面进一步详细讨论，燃料电极12可以包括多个可渗透的电极主体12a-12d，如由任何能够通过电沉积或以其他方式捕捉并保留来自在电池10中循环的离子导电介质的金属燃料的粒子或离子的形成方法制成的筛网(screen)。电池10的组成部分例如包括燃料电极12、其可渗透的电极主体12a-12d和氧化剂电极14，该电池10的组成部分可以具有任何合适的构造或配置，包括但不限于由镍或镍合金(包括镍-钴、镍-铁、镍-铜(即莫内尔合金)或高温合金(superalloy))、铜或铜合金、黄铜、青铜或任何其他合适的金属构造。在一个实施方式中，催化剂膜可以应用于可渗透的电极主体12a-12d和/或氧化剂电极14的部分或全部，且具有可以由上文所述的一些材料制成的高表面积的材料。在一个实施方式中，催化剂膜可以通过例如热溅射、等离子体溅射、电沉积或任何其他颗粒涂覆方法的技术形成。
燃料可以是金属，如铁、锌、铝、镁或锂。金属这个术语指包括元素周期表上被认为是金属的所有元素，包括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素和过渡金属，当在电极主体上聚集时，是原子、分子(包括金属氢化物)或合金的形式。然而，本发明不旨在限于任何特定的燃料，可以使用其他的燃料。可以向电池10提供作为悬浮在离子导电介质中的颗粒的燃料。在一些实施方式中，金属氢化物燃料可以用于电池10中。
离子导电介质可以是水溶液。合适的介质的例子包括：包含硫酸、磷酸、三氟甲磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。介质也可以使用非水溶剂或离子液体。在本文所述的非限制的实施方式中，介质为氢氧化钾水溶液。在一个实施方式中，离子导电介质可以包括电解质。例如，可以使用传统的液体或半固体电解质溶液，或者在室温下可以使用离子液体，如在美国专利申请12/776,962中提到的那些，在此通过参考将其完整引入。在电解质是半固体的实施方式中，可以使用多孔固态电解质膜(即松散的结构)。
当燃料电极12作为阳极操作时，燃料可以在燃料电极12氧化；当氧化剂电极14作为阴极操作时，氧化剂(如氧气)可以在氧化剂电极14还原，如在下面进一步详细讨论，这是当电池10连接到负载L且电池10处于放电或产生电流模式时的情况。在放电模式过程中发生的反应可以产生副产物沉淀，例如，离子导电介质中的可还原的燃料物质。例如，在燃料是锌的实施方式中，氧化锌可以作为副产物沉淀/可还原的燃料物质而产生。氧化的锌或其他金属也可以由电解质溶液承载、受电解质溶液氧化或在电解质溶液中溶剂化，而不形成沉淀(如锌酸盐可以是保留在燃料中的溶解的可还原的燃料物质)。在下面进一步详细讨论的再充电模式过程中，可还原的燃料物质(例如氧化锌)可以可逆地还原，且可以作为燃料(例如锌)沉积在燃料电极12的至少部分上，所述燃料电极12在再充电模式过程中作为阴极发挥功能。在再充电模式过程中，如下所述，氧化剂电极14或单独的充电电极70(在一些实施方式中其可以具有与可渗透的电极主体12a-12d类似的构造或配置)和/或燃料电极12的另一部分作为阳极发挥功能。下文进一步详细讨论放电和再充电模式之间的切换。
电极支架16限定在其中保持燃料电极12的腔18。电极支架16也限定电池10的入口20和出口22。入口20配置为允许离子导电介质进入电池10和/或通过电池10再循环。入口20可以通过入口通道24连接到腔18，且出口22可以通过出口通道26连接到腔18。如图3中所示，入口通道24和出口通道26每个可以提供蜿蜒曲折的通路，离子导电介质可以流动通过所述通路。由入口通道24限定的蜿蜒的通路优选不包含任何尖角，介质在所述尖角中的流动可能变得停滞不前或介质中的任何微粒可能会聚集在所述尖角中。正如下文进一步的详细讨论，可以设计通路24、26的长度，以提供在以流体方式串联连接的电池之间的增加的离子电阻。
对于每个电池10，适当时可以将可渗透的密封构件17结合在电极支架16的密封面和/或盖19之间，以至少将燃料电极12包封在腔18中。密封构件17还覆盖入口通道24和出口通道26。密封构件17是非导电性和电化学惰性的，并优选设计为在正交方向中(即通过其厚度)对于离子导电介质可渗透，而不允许离子导电介质的横向转运。这使得离子导电介质可渗透通过密封构件17，实现与相对侧的氧化剂电极14的离子导电性，从而支持电化学反应，而并不使得离子导电介质从电池10横向向外“通过毛细作用被传送”(“wicking”)。用于密封构件17的合适的材料的一些非限制性的例子是EPDM和
在图示的实施方式中，腔18的横截面一般呈长方形或正方形，基本上与燃料电极12的形状相匹配。腔18可以通过多个入口34连接到入口通道24，使得当离子导电介质和沉淀物或可还原的燃料物质进入腔18时，离子导电介质和燃料沿燃料电极12的侧面分布。在一些实施方式中，腔18的一侧(具体地说，连接到入口通道24的腔18的一侧)可以包括多个流态化区(fluidizationzone)，如在美国专利申请公布2011/0086278中描述的那些，在此通过参考将其完整引入。在其他实施方式中，离子导电介质可以通过扩散体(diffuser)进入腔18，如在美国专利申请公布2011/189551中描述的，在此通过参考将其完整引入。
如图4所示，多个隔板40(其中每个彼此隔开地穿过燃料电极12而延伸)可以连接到电极支架16，使得燃料电极12可以相对于电极支架16和氧化剂电极14保持在原位。在一个实施方式中，如图2所示的多个可渗透的电极主体12a-12d，可以由多个隔板40的组分开，使得每组隔板40定位于相邻的电极主体之间以使得电极主体12a-12d相互电隔离。下面更详细地讨论，在相邻电极主体之间的每组隔板40中，隔板40以一种在其间产生所谓的“流动通道”(“flowlane”)42的方式相互间隔定位。流动通道42是三维的，且高度与隔板40的高度大致相等。在一个实施方式中，隔板40可以由具有对应于流动通道的式样(cut-outs)的单一框架提供。在一个实施方式中，流动通道42可以包括泡沫-或蜂窝式结构，其被配置为允许离子导电介质流动穿过。在一个实施方式中，流动通道42可以包括配置为破坏通过流动通道的离子导电介质的流动的栓(pin)的阵列。在一个实施方式中，电池10的框架、隔板40、流动通道42和/或其他元件可以通过塑料注塑成型，或使用化学过程形成的环氧/绝缘材料来限定。所示的实施方式不旨在以任何方式限制。
隔板40是非导电性和电化学惰性的，所以它们关于电池10中的电化学反应方面无活性。隔板40优选具有这样的尺寸，使得当它们连接到电极支架16时，隔板40处于拉伸状态，这使得隔板40挤压燃料电极12或电极主体12a-12c之一，从而保持燃料电极12或其主体相对于电极支架16处于平面关系。隔板40可以由塑料材料(如聚丙烯、聚乙烯、改性聚苯醚(noryl)、含氟聚合物等)制成，其允许隔板40以拉伸状态连接到电极支架16。
在如图5所示的实施方式中，每个隔板具有拉长的中间部分44和在每个末端的成形连接部分46。成形连接部分46配置为由如图6所示的形状与电极支架16大致相似的开口48保持。在图示说明的实施方式中，成形连接部分46和开口48具有基本上三角的形状，但图示说明的形状不旨在以任何方式限制。基本上三角的形状在配置为接触电极支架16上的相应表面52的隔板40的拉长部分44的两侧上提供表面50。由于表面50、52相对于隔板40的拉长部分44的主轴MA成角度，且隔板40的张力将沿主轴MA，所以相比具有同样面积的圆形或正方形形状的成形部分，拉伸产生的力可以横跨较大的表面分布。
一旦隔板40已经通过末端部分46连接到电极支架16，流动通道42被限定为横跨电极支架16的腔18。隔板40被配置为基本上将一个流动通道42a相对于相邻的流动通道42b进行封锁，其由隔板40之一分开，使得将离子导电介质引导为一般以基本上一个方向流动。具体来说，离子导电介质一般可以沿第一方向FD穿过燃料电极12流动，从入口通道24流向出口通道26。在入口通道24和入口34之间产生合适的压力降低，使得离子导电介质可以流过腔18和流向出口通道26，甚至当电池10定向使得流动基本上向上和对抗重力时也是如此。在一个实施方式中，离子导电介质也可以以第二方向SD渗透通过燃料电极12或单个可渗透的电极主体12a-12d，并进入位于燃料电极12或可渗透的电极主体12a-12d的相对侧上的流动通道中。
如图7的实施方式所示，电化学电池系统100中的电池10的燃料电极12可以选择性地连接到外部负载L，使得随燃料在燃料电极12氧化而由燃料放射出的电子可以流向外部负载L。包括多个开关的切换系统60可以选择性电连接燃料电极12的每个单独的可渗透的电极主体12a-12d，也可以选择性地将可渗透的电极主体12a-12d连接到氧化剂电极14。如图所示，在一些实施方式中，电化学电池系统100可以进一步包括其他电池10。在一个实施方式中，切换系统60可以包括端子选择器系统62，配置为对用于使电池10放电的外部负载L进行耦合或解除耦合，或者对用于使电池10充电的电源PS进行耦合或解除耦合。在另一个实施方式中，切换系统60和端子选择器系统62可以是单独的，但在一个实施方式中，可以互相连通。下面更详细地讨论切换系统60。
当氧化剂电极14连接到外部负载L并且电池10以放电模式操作时，氧化剂电极14作为阴极发挥功能。当作为阴极发挥功能时，氧化剂电极14被配置为接收来自外部负载L的电子并还原接触氧化剂电极14的氧化剂。氧化剂可以是对于在充电电极氧化可用的任何氧化剂物质。例如，物质可以是游离离子、或与离子导电介质中的其他离子或组分结合或配位的离子。在一个实施方式中，氧化剂电极14包括空气呼吸电极(airbreathingelectrode)，并且氧化剂包括周围空气中的氧气。
氧化剂可以由被动转运系统递送到氧化剂电极14。例如，如果周围空气中存在的氧气是氧化剂，则只通过电池内的开口(例如在电化学电池系统100的中心处提供的电极支架16的凹槽56和盖19的凹槽54所提供的开口)将氧化剂电极14暴露到周围空气，可以足以允许氧气扩散/渗透进入氧化剂电极14。可以使用其他合适的氧化剂，此处所描述的实施方式不局限于使用氧气作为氧化剂。适当时，可将外围垫圈(gasket)15定位于氧化剂电极14的外围和盖19或电极支架16之间，以防止离子导电介质在氧化剂电极14周围泄漏和进入用于空气暴露的凹槽54、56的区域中。
在其他实施方式中，泵(如风机)可以用于在压力下向氧化剂电极14递送氧化剂。氧化剂的来源可以是蓄存的氧化剂(containedoxidizer)的来源。在一个实施方式中，如在美国专利申请12/549,617中公开的(在此通过参考将其完整引入)，氧气可以从电池10循环使用。同样，当氧化剂是来自周围空气中的氧气时，氧化剂来源可以广泛地视为被动或主动(如泵、风机等)的递送机构，通过该递送机构允许空气流向氧化剂电极14。因此，术语“氧化剂来源”意图涵盖蓄存的氧化剂和/或用于从周围空气向氧化剂电极14被动或主动递送氧气的布置。
当在氧化剂电极14的氧化剂还原时，产生可以由外部负载L引出的电力，而在燃料电极12的燃料被氧化成氧化形式。一旦燃料电极12的燃料完全氧化或由于燃料电极的钝化而氧化停止，电池10的电势耗尽。切换系统60的部分可以定位在氧化剂电极14和负载L之间，使氧化剂电极14可以根据需要与负载L连接和断开。同样，下面提供有关切换系统60及其电气配置的更多细节。
为了限制或抑制在放电模式过程中和静态(开路)时段内在燃料电极12的析氢，可以添加盐来减缓这种反应。可以使用锡、铅、铜、汞、铟、铋或具有高氢超电势的任何其他材料的盐。此外，可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、铵盐或其他抑制析氢的添加剂。在一个实施方式中，金属燃料合金(如Al/Mg)可以用于抑制析氢。也可以另外或者作为替代手段地向离子导电介质添加其他添加剂，包括但不限于例如美国专利申请13/028,496(在此通过参考将其完整引入)中描述的增强燃料电极12上的金属燃料的电沉积过程的添加剂。
电池10中的燃料已完全被氧化后，或每当期望通过将氧化的燃料离子还原回燃料来再生电池10内的燃料时，燃料电极12和氧化剂电极14可以与外部负载L解除耦合并与电源PS耦合。如上所述，例如通过使用切换系统60和端子选择器系统62可以进行这样的连接。
电源PS被配置为通过向燃料电极12和氧化剂电极14之间施加电势差而对电池10充电，使得燃料的可还原的物质被还原并电沉积在可渗透的电极主体12a-12d的至少一个上，并在氧化剂电极14上发生相应的氧化反应，这通常是可氧化的物质氧化而析出可以从电池10释放(off-gassed)的氧气。在其中氧气是氧化剂的实施方式中，电解水溶液中的氧离子被氧化。氧离子可从燃料的氧化物(例如，当锌是燃料时，为氧化锌)、氢氧根离子(OH-)或水分子(H2O)获得。如美国专利申请12/385,489(在此通过参考将其完整引入)详细描述，在一个实施方式中，只有一个可渗透的电极主体(如12a)连接到电源PS，使得燃料还原在该可渗透的电极主体上，并逐一地渐进增长到其他可渗透的电极主体12b-12d上。切换系统60可以控制可渗透的电极主体12a-12d和氧化剂电极14如何参与电池的电化学反应，这在下文作更详细描述。
图8显示一个实施方式，其中，提供电化学电池系统100中的电池10的单独的充电电极70作为充电电极而不是氧化剂电极14发挥该功能。同样，在一些实施方式中，如图所示，其他电池10可以是电化学电池系统100的一部分。如图2所示，单独的充电电极70可以定位于燃料电极12和氧化剂电极14之间，其中隔板72和密封构件17定位于单独的充电电极70和氧化剂电极14之间。隔板72是不导电的，且具有离子导电介质可以流动通过的开口。
在上述关于图7的实施方式中，氧化剂电极14在产生电流/放电过程中作为阴极发挥功能，并如上所述在充电过程中作为阳极发挥功能。在图8中，氧化剂电极14在产生电流/放电过程中仍然为阴极，但在充电过程中可以断开连接，而单独的充电电极70连接到电源PS作为阳极发挥功能。在产生电流的过程中，燃料电极12上的燃料被氧化，产生被引导对负载L供电、然后被引导向氧化剂电极14用于还原氧化剂(如上文详细讨论)的电子。在包括单独的充电电极70的实施方式中，切换系统60可以控制可渗透的电极主体12a-12d、氧化剂电极14和单独的充电电极70如何参与电池的电化学反应，这在下文更详细的描述。
在本发明的任何实施方式中，也可以向燃料电极12的电极主体12a-12d的任何或全部而不是只是一个施加阴极电势，以产生逐主体渐进的增长。从一个端子开始的渐进增长是有利的，因为它提供更大的电沉积的燃料的密度。具体来说，随着每个后续主体通过渐进增长相连，先前连接的电极主体的增长继续。这种和其他优势在美国专利申请12/385,489(在此通过参考将其引入)中更详细的讨论。在所有电极主体经受同样的电势的情况下，将只发生增长，直到在充电电极(图7的实施方式的氧化剂电极14和图8的实施方式的单独的充电电极70)及与其接近的电极主体之间发生短路为止。因此，可以获得以这种方式的更快但密度更小的增长，这可能是适合某些再充电的需要。
图7和图8所示的实施方式不应被视为以任何方式限制，并提供为电池10如何可以被配置为可再充电的非限制性的例子。本发明的再充电模式，在切换系统60的情况下，在下文作更详细的讨论。另一个例子是美国专利申请公布2011/0070506(在此通过参考将其全部内容引入)描述在电池中具有充电/放电模式切换的可充电的电化学电池系统的实施方式。
回到图4，在离子导电介质通过燃料电极12之后，介质可以流入连接到出口22和电极支架16的腔18的出口36的出口通道26。如在下面进一步的详细讨论，当多个电池10以流体方式串联连接时，在其中介质在电池10中再循环的实施方式中，出口22可以连接到入口20或连接到相邻电池的入口。在一个实施方式中，出口22可以连接到容器以收集在电池10已使用的介质。
图1和图2所示的电池10可以以流体方式串联连接。串联连接的电池的实施方式的细节在2009年12月4日提交的美国专利申请12/631,484中提供，在此通过参考将其完整引入。第一电池10的出口的22可以以流体方式连接到第二电池10的进口20，第二电池10的出口22可以连接到第三电池的入口20，依此类推。虽然图1和图2的实施方式说明两个电池10，额外的电池可以堆叠和以流体方式连接到图示说明的电池。由于如上所述以及图3和图4所示，入口通道24和出口通道26产生的蜿蜒曲折的通路，介质通过通路24、26的流动通路的长度大于每个电池10中的燃料电极12和氧化剂电极14之间的距离。这在以流体方式连接的电池对之间产生离子电阻，其大于单个电池10中的离子电阻。如美国专利申请12/631,484所讨论，这可以减少或最小化电池100的堆叠的内部离子电阻损失。
在操作的一个实施方式中，其上已经沉积有金属燃料的燃料电极12连接到负载L，并且氧化剂电极14连接到负载L。离子导电介质在正压力下进入入口20，流动通过入口通道24、腔18的入口34，并进入流动通道42。离子导电介质流动穿过隔板40的拉长的中间部分22限定的流体通道42中的可渗透的电极主体12a-12d。离子导电介质也可以渗透穿过燃料电极12的可渗透的电极主体12a-12d。离子导电介质同时接触燃料电极12和氧化剂电极14，从而使得燃料氧化和传导电子到负载L，而氧化剂在氧化剂电极14处通过由负载L传导到氧化剂电极14的电子还原。在离子导电介质通过流动通道42后，介质通过腔18的出口36流出腔18，穿过出口通道24，并流出电池10的出口22。
当电池10的电势已经耗尽时，或者当另外期望对电池10再充电时，燃料电极12连接到电源PS的负极端子，并且充电电极连接到电源PS的正极端子，所述充电电极可以是氧化剂电极14或单独的充电电极70。可以通过下面讨论的切换系统60进行这种连接。在充电或再充电模式下，燃料电极12的阴极部分成为阴极，燃料电极12和/或充电电极14、70的阳极部分成为阳极，这在下文更详细描述。通过向燃料电极12的阴极部分提供电子，燃料离子可以还原为燃料，再沉积在可渗透的电极主体12a-12d上，这在下文更详细描述；而离子导电介质以与上面关于放电模式描述的相同方式循环通过电池10。
流动通道42提供离子导电介质穿过燃料电极12的方向性和分布。流动通道42还可以防止微粒沉淀和/或覆盖电极。当电池10处于充电模式时，微粒在整个燃料电极12的改善的分布允许还原的燃料更均匀沉积在燃料电极12上，这提高燃料电极12上的燃料的密度，增加电池10的容量和能量密度，从而提高电池10的循环寿命。此外，通过具有控制放电过程中沉淀物或反应副产物的分布的能力，可以阻止副产物在燃料电极12上的早期钝化/沉积。钝化导致较低的燃料利用率和较低的循环寿命，这是不符合需要的。
图1-图8的例子并不是限制性的，只是提供用于理解电池系统100的电池10的实施方式的一般原则的上下文。可以使用任何电池构造或配置。在理解提供的电池系统的情况下，转向关注本发明的切换系统60的配置和操作。
如上所述，在电池10的充电模式过程中，在电池10内横跨电极施加电势差。在充电过程中，虽然氧化剂电极14或单独的充电电极70一般作为阳极发挥功能，但可以向其他电极(如燃料电极12中的一些电极主体)施加阳极电势。同样，在充电过程中，最初可以将阴极电势施加到燃料电极12的电极主体12a，但最初也可以施加到燃料电极12的一个或多个其他可渗透的电极主体12b-12d。因此，那些具有阴极电势的燃料电极12的可渗透的电极主体12a-12d在充电过程中作为阴极发挥作用，并作为对于可还原的燃料物质(例如，电池在放电过程中产生的氧化的燃料离子)的还原位置发挥作用。
随着可还原的燃料物质在那些具有阴极电势的可渗透的电极主体12a-12d上被还原，氧化剂电极14或单独的充电电极70和/或那些具有阳极电势的可渗透的电极主体12b-12d将氧化可氧化的氧物质(例如，电池在放电过程中产生的还原的氧化剂物质)。因此，当电池10是金属-空气电池时，可还原的金属燃料物质正在被还原并电沉积在燃料电极12的一些可渗透的电极主体的12a-12d上；可氧化的氧物质正在被氧化为可以从电池10释放的氧气。在该实施方式中，那些具有阳极电势的电极和电极主体可以被认为是析氧电极(OEE)。
为了确定在充电过程中哪些电极(即，可渗透的电极主体12a-12d、氧化剂电极14和/或单独的充电电极70)具有阳极电势或阴极电势，其间的电连接可以通过切换系统60控制，这在下文更详细讨论。
用于对电池10充电的电势差施加于电池10中的相邻主体之间，使得具有阳极电势的电极主体与具有阴极电势的电极主体相邻，这对于燃料增长(fuelgrowth)可以是有利的。一旦在具有阴极电势的电极主体上发生充分的燃料增长，具有阳极电势的电极可能改变，以至于以前是一组具有阳极电势的电极主体的一部分的可渗透的电极主体可能成为一组具有阴极电势的电极主体的一部分。在其中存在N个可渗透的电极主体的实施方式中，从电源向可渗透的电极主体2至N和充电电极施加阳极电势可以包括同时将所有电极主体和充电电极连接在一起，然后依次断开电极主体2至N的每个电极主体。可选择地，在一个实施方式中，从电源向可渗透的电极主体2至N和充电电极施加阳极电势可以包括依次单独地连接和断开每一个电极主体和充电电极(使得电极主体2连接到阳极电势，然后断开，并且电极3连接到阳极电势，依此类推，直到最终连接充电电极而完成增长)。
在一个实施方式中，在充电过程中，充电电极可以只是最后的电极来接收阳极电势。例如，充电电极可以是氧化剂电极或单独的电极。当充电电极是单独的电极时，它可以具有不同于燃料电极的电极主体的专用的构造，或可以与可渗透的电极主体相同(即，只是又一个电极主体)，但对于充电过程中燃料的增长并不继续的事实失去原有效用。
在图1-图2所示的上述实施方式中，对于哪些电极具有阳极电势的渐进改变可以遵循通过每个可渗透的电极主体12a-12d的燃料增长，使得具有阳极电势的电极保持为与具有阴极电势的电极相邻间隔开的电极主体。如在以下附图的实施方式中所示，开关系统60可以被配置为选择性地连接和断开各种电极和电极主体，以保持阳极电势和阴极电势的相邻定位。
图9-图12显示电池10的切换系统60的实施方式。电池10通过第一端子130和第二端子140可连接到电源PS、负载L或串联的其他电池10，其中，第一端子130在再充电过程中是负极(阴极)，第二端子140在再充电过程中是正极(阳极)。如图所示，电池10具有包含可渗透的电极主体12a-12d的燃料电极12、充电电极70和氧化剂电极14。在一个实施方式中，多个开关可以选择性地将可渗透的电极主体12b-12d中的至少一些耦合至电源(如电源PS)，以在电池10的再充电模式过程中施加阳极电势，其中向至少电极主体12a施加阴极电势，这在下文更详细描述。
在图9中，切换系统60包括旁路开关150，该旁路开关150配置为在第一端子130和第二端子140之间提供直接连接。旁路开关150可以类似于美国专利申请公布2011/0070506所述的旁路开关，在此通过参考将其完整引入。出于许多影响堆叠的性能的原因，电池10可以由旁路开关150进行旁路。
例如，在充电过程中具有阴极电势的电极主体12a-12d和充电电极70之间的短路(如下所述，通过电压测量检测的)可以导致充电过程中寄生电源的代价。由于电流在充电电极和燃料电极之间的分流，电短路可以导致充电电极和燃料电极之间的电压突然下降。另一个例子是在放电过程中，具有较高的动能或欧姆损耗的任何电池10影响堆叠的往返效率和放电功率。此外，电池10在放电过程中比其他电池10较早的燃料消耗可以导致电池10中的电压反转和堆叠的功率损耗，而且可以通过在放电电压低于某一临界值时对电池10进行旁路来防止。在放电过程中锌或其他燃料的完全消耗导致燃料电极和氧化剂电极之间的电压突然下降。可以使用用于检测电池10的性能的任何其他标准，且此处的例子是非限制性的。由于产量问题和有关电极的制造和装配的问题，某些电池10可能无法满足性能要求(例如，在放电过程中的最大功率)。这些电池10可以以旁路模式永久放置。其他电池10最初可以满足性能要求，但是，可能具有循环寿命问题，且可以在性能低于所需的限制后被置于旁路模式中。因此，通过旁路开关150对电池10进行旁路提供了对于增加堆叠的可靠性和性能的选择。
图9的切换系统60还包括与氧化剂电极14关联的氧化剂电极开关160。氧化剂电极开关160在放电过程中将是关闭的，使得跨燃料电极12和氧化剂电极14的电势可以允许电流由第一端子130和第二端子140(其在放电过程中分别具有正和负的极性)之间连接的负载引出。
充电电极开关170可以与充电电极70关联，使得当在第一端子130和第二端子140之间连接电源PS时，充电电极70可以电连接到第二端子140。正如下面所讨论的，充电电极70可能并不总是具有施加于其上的阳极电势，并且在一个实施方式中，可能当需要在它和电极主体12d之间的燃料增长时，才具有阳极电势。也显示分别与电极主体12b-12d关联的开关180、190和200，所有这些同样被配置为连接电极主体12b-12d到第二端子140。
正如所指出的，有利的是具有阳极电势的电极与具有阴极电势的电极相邻，从而具有阴极电势的电极上的增长增强。例如，相比具有阳极电势的电极离最近的具有阴极电势的电极更远(即，如果中性电极将具有阳极电势的电极和具有阴极电势的电极分开)，这种增强可以包括燃料增长的更大密度。这种增强的密度可能是由于初始的枝状晶体(dendrite)，其首先接触遭到破坏的阳极主体，因为它们缺乏足够的横截面来传送阳极主体和阴极主体之间的电流。也就是说，它们类似于受到过量电流的熔丝元件而熔化。这延迟阳极主体和阴极主体之间的短路，这在以下情况下发生：密度进一步增加，以提供足够的横截面积(单独地和/或共同地)的枝状晶体，使得实现无干扰的电流传导。另一个优点可以是：相比其中具有阳极电势的电极离最接近的具有阴极电势的电极更远(即，中性电极将具有阳极电势的电极和具有阴极电势的电极分开)的配置，其中充电电极70和燃料电极12之间的距离较低的配置中的电解质IR损失较低。这种由阳极电极和阴极电极之间的较少的距离产生的IR效率优势，可以在一些实施方式(其中，金属的增长是在电极之间发生)和在其他的实施方式(例如，其中氢离子正在被还原的金属氢化物燃料)中实现。
为了实现对于哪些电极具有阳极电势的渐进修改，为了说明具有阳极电势的电极和与具有阴极电势的电极之间的转变，将配置处于充电模式的电池10使得旁路开关150是打开的，使得电流不绕过电池10。因为电池处于充电模式，氧化剂电极开关160也是打开的，使得氧化剂电极14与电池10电断开。由于最初电极主体12a上需要燃料增长，所以只有电极主体12a电连接到第一端子130，向其施加阴极电势。为了在与电极主体12a相邻的电极主体上建立阳极电势，至少电极主体12b将电连接到第二端子140。为了实现图示实施方式中的这种电连接，至少关闭开关180。在一个实施方式中，电极主体12c-12d、充电电极70也可以电连接到第二端子140，从而也可以具有阳极电势。由于具有阳极电势的电极(即最初的电极主体12a)和具有阴极电势的电极(即最初至少电极主体12b)之间的电势差，离子导电介质中的可还原的燃料物质可以在具有最初的阴极电势的电极(电极主体12a)还原，而离子导电介质中的阳离子在电极主体12b(和向其施加阳极电势的任何其他主体/电极)氧化。
一旦在具有阴极电势的电极上的燃料增长发展到某一点，例如，在具有阴极电势的电极和具有阳极电势的电极之间形成电连接的点，切换系统60可以断开具有阳极电势的短路电极主体，使得该电极主体具有施加于其的阴极电势，并且同样可以在相邻的电极主体之间形成电势差。如果电连接没有已经存在，则这可能需要将相邻的电极主体进一步电连接到第二端子140，从而在该主体上建立阳极电势。例如，在图9中，一旦电极主体12a上的燃料增长导致与电极主体12b短路，打开开关180，使得这两个电极主体12a和(通过燃料增长的电连接的)电极主体12b具有阴极电势。另一方面，关闭开关190(如果之前没有已经关闭)，使得至少电极主体12c具有阳极电势，从而针对具有阴极电势的电极和具有阳极电势的电极之间的电势差保持相邻电极主体分离。
对于哪些电极具有阴极电势和哪些电极具有阳极电势的渐进转变可能会在开关190和200打开的情况下在整个电池10中继续，直至不需要或不可能有进一步的进展。例如，在其中存在单独的充电电极70的图示说明的实施方式中，当单独的充电电极70是唯一的具有阳极电势的电极主体并且燃料电极12的所有可渗透的电极主体12a-12d具有阴极电势时，进展会结束。当电极主体12d上的燃料增长导致电极主体12d和充电电极70之间的电连接时，电池10的充电可以随后结束。在一个实施方式中，切换系统70可以被配置为具有过充电配置，其中电池可以被配置为选择性地通过打开开关170和关闭开关160向充电电极70施加阴极电势，向氧化剂电极14施加阳极电势，通过允许充电电极70上的燃料增长利用它对电池10进一步充电。
在图9的实施方式中的电池10的放电过程中，氧化剂电极开关160将被关闭，而充电电极开关170将被打开。此外，开关180、190和200将被打开，燃料消耗将是从电极主体12d至电极主体12a，其中，电极主体12a-12d之间的电连接是通过燃料的增长实现的。在图示说明的实施方式中，这就是没有通过氧化剂电极开关160将电极主体12a-12d短路到氧化剂电极14的原因。
继续图10，针对电池10图示切换系统60的另一个实施方式。同样存在旁路开关150，该旁路开关150被配置为将第一端子130直接连接至第二端子140，绕过电池10。切换系统60还包括一系列的连接开关210a-210d，这些开关配置为选择地和渐进地连接电极主体12b-12d的每个至第一端子130或第二端子140，使得电极主体12b-12d的每个具有阴极电势(即连接到至少电极主体12a)或阳极电势(即连接到至少充电电极70)。如图所示，在充电过程中，旁路开关150将打开，所以电池不被绕过。氧化剂电极开关160也将是打开的，使得氧化剂电极14在充电过程中是断开的。充电电极开关170将被关闭，使得至少充电电极70具有阳极电势。为了促进具有阴极电势的电极(最初只是电极主体12a)和具有阳极电势的电极之间的最小距离，开关210b、201c和210d将被关闭，使得通过电极主体12b-12d以及充电电极70施加通过对于第二端子140的电连接产生的阳极电势。随着电极主体12a上的燃料增长的进展，它最终将接触电极主体12b。在一个实施方式中，此时开关210b将打开，使得电极主体12a-12b具有阴极电势，而电极主体12c-12d和充电电极70具有阳极电势。在一个实施方式中，开关210a也将被关闭，使得超出燃料增长的电连接，形成电极主体12a-12b之间的更强的电连接。如上所述，随着具有阳极电势的电极主体的数量缩小，而具有阴极电势的电极数目增长，可以分别在打开开关210c和210d的情况下继续这样的进展。同样，在一些实施方式中，开关210b和210c在进展中可以关闭，以随着具有阴极电势的电极的数量渐进增长，在电极主体12a-12d之间形成更强的电连接。
在图10的实施方式中的电池10的放电过程中，氧化剂电极开关160将被关闭，而充电电极开关170将被打开。在一个实施方式中，开关210a-210d可以保持打开，并且燃料消耗将是从电极主体12d至电极主体12a，其中电极主体12a-12d之间的电连接是通过燃料的增长实现的。在另一个实施方式中，开关210a-210d可以关闭，从而使得在燃料电极12的所有电极主体12a-12d之间存在电连接，并且燃料在整个燃料电极12中被氧化，而氧化剂在氧化剂电极14被还原。在这种实施方式中，这是允许的，因为打开的开关170还可以防止电极主体12a-12d通过氧化剂电极开关160短路到氧化剂电极14。
用于电池10的切换系统60的另一个实施方式如图11所示。再次，切换系统60包括旁路开关150，配置为选择性地直接连接第一端子130到第二端子140，以绕过电池10。图11的切换系统60的实施方式还包括另一系列的连接开关220a-220d，配置为选择性地连接电极主体12a-12d的每个到充电电极70。再次，切换系统60可以配置为使得那些具有阴极电势的电极(即至少电极主体12a)和具有阳极电势的电极(即至少充电电极70)的渐进改变。如图所示，在充电过程中，旁路开关150将打开，使电池不被绕过。氧化剂电极开关160也将是打开的，所以，在充电过程中氧化剂电极14断开。充电电极开关170将被关闭，以便使得至少充电电极70具有阳极电势。开关220a将被打开，使得不从第一端子130至第二端子140通过开关220a和开关170对电池旁路。为了促进具有阴极电势的电极(最初只是电极主体12a)和具有阳极电势的电极之间的最小距离，至少开关220b将被关闭，使得至少电极主体12b以及充电电极70具有阳极电势。由于电极主体12a上燃料增长的进展，它最终接触电极主体12b。在一个实施方式中，此时开关220b将打开，使得电极主体12a-12b具有阴极电势(通过燃料增长连接)。开关220c然后将关闭(如果之前没有关闭)，使得至少电极主体12c以及充电电极70将具有阳极电势。如上所述，随着具有阳极电势的电极主体的数量缩小，而具有阴极电势的电极主体的数量增长，可以在分别打开开关210c和210d的情况下继续这样的进展。
在图11的实施方式的电池10的放电过程中，氧化剂电极开关160将被关闭，而充电电极开关170将被打开。在一个实施方式中，开关220a-220d可以保持打开，并且燃料消耗可以是从电极主体12d至电极主体12a，其中电极主体12a-12d之间的电连接是通过其间的燃料增长实现的。
相对于哪些电极主体具有阳极电势、对于哪些电极主体具有阴极电势的渐进转变可以类推为具有N个定义两个概念电极(阴极电势电极和阳极电势电极)的电极主体的电池10。在电池中，阴极电势电极的成分组成可以开始于单一的电极主体，而阳极电势电极可以包括至少相邻的电极主体直至所有其他的电极主体。在充电过程中，燃料在阴极电势电极上增长，直到例如在电极主体上不可能进一步增长(即，阴极电势电极短路到阳极电势电极)。此时，通过由燃料增长形成的电连接和/或通过使用与电池的电极主体相关联的电路或开关，与阴极电势电极相邻的阳极电势电极的电极主体被重新分配成为阴极电势电极的一部分。经过重新分配，阴极电势电极现在包括两个电极主体，而阳极电势电极具有比其初始的电极主体数量少的电极主体数量。由于电势差可以在阴极电势电极和阳极电势电极之间恢复，来自充电的燃料增长可以恢复，同样直到例如在阴极电势电极的电极主体上不可能进一步增长。
阴极电势电极和阳极电势电极的成分组成的渐进转变可以在整个电池中继续，例如，在打开和/或关闭与电极主体相关联的开关的情况下，直至不需要或不可能有进一步的进展。例如，一旦阳极电势电极只包括单个电极主体，不可能有进一步的进展。当电池上的燃料增长导致在只包括单个电极主体的概念阳极电势电极和概念阴极电势电极之间形成电连接时，电池的充电随后可以结束。
如前所述，在一个实施方式中，在电池系统100中可以组合多个电化学电池10。图12A-图12C中显示图9-图11的实施方式的电化学电池系统100，但是包括N个电化学电池10。数目N是任何大于或等于2的整数，并且不局限于任何具体数值。如图所示，每个电池10的切换系统60中的旁路开关150被配置为通过提供第一端子130和第二端子140之间的直接连接选择性地绕过每个电池10。这样的连接同样可以被用于对有缺陷的电池10进行旁路或出于任何其他原因进行旁路。此外，在电池系统100的各种实施方式中，切换系统60(如在图9-图11中发现的那些)的不同实施方式可以用于彼此结合使用在单一的电池系统100中。
在任何实施方式中，切换系统60的开关(或本文所述的任何其他开关)可以是任何类型，并且术语开关被广泛用来描述能够在所述的模式或状态之间切换的任何设备。例如，在一些非限制性的实施方式中，开关可以是单刀单掷或单刀双掷。它们可以是旋转、滑动或闭锁继电器类型。此外，也可以使用基于半导体的开关。该开关可以是电激活(机电式继电器)或磁激活或通过本领域技术人员公知的其他方法激活。可以使用任何其他合适类型的开关，且本文的例子不是限制性的。在一个实施方式中，如果开关具有一个方向的漏电流，可以串联连接多个开关。例如，基于MOSFET半导体的体二极管的开关将在一个方向上传导，并且漏电流可以通过将基于MOSFET半导体的开关背靠背串联放置来消除。
可以提供任何合适的控制机制，来控制端子选择器系统62和/或切换系统60中的开关的动作。如图13所示，在一个实施方式中，切换系统60的开关可以由控制器230控制。控制器230可以具有任何构造和配置。在一个实施方式中，控制器230可以被配置为对从电源PS向可渗透的电极主体12b-12d和充电电极70施加阳极电势进行管理。控制器230可以通过还原来自离子导电介质的可还原的金属燃料的离子，使得电沉积金属燃料，所述电沉积从可渗透的电极主体12a向每个后续电极主体12b-12d渐进增长，以对每个后续连接的电极主体12b-12d施加阴极电势。控制器230也可以使得从每个后续连接的电极主体除去阳极电势，并可以使得向通过电沉积未连接的至少后续的电极主体施加阳极电势或在其中最后的电极主体(即电极主体12d)已经通过电沉积电连接到在前的电极主体12a-12c的情况下向充电电极施加阳极电势。阳极电势的这种施加可以被配置为允许或导致氧化剂的可氧化的物质的氧化。
在一个实施方式中，控制器230可以包括硬连线电路232，其基于输入234操纵开关，确定正确的开关配置。控制器230可以还包括用于执行更复杂的决定(作为任选)的微处理器。在一些实施方式中，控制器230也可以发挥功能来管理负载L和电源与第一个电池和第N个电池(即，可以控制上文所述的端子选择器系统62)之间的连接性。在一些实施方式中，控制器230可以包括适当的逻辑或电路，用于驱动适当的旁路开关150，以响应检测到电压达到预定阈值(如低于预定阈值的下降)。在一些实施方式中，控制器230可以进一步包括传感设备236或与其相关联，包括但不限于电压表(数字或模拟)或电势计或其他电压测量装置或设备，其可以用于确定何时修改多个开关的配置，例如，随着充电过程中燃料增长的进展保持阳极和阴极的邻近。在一些实施方式中，传感设备236可以代替地测量整个电池10或电池10的电流、电阻或任何其他电气或物理属性，所述属性可用于确定何时修改多个开关的配置。例如，传感设备236可以测量电流尖峰，或两个电极主体之间的电势差的下降。在一些实施方式中，在时间增量推移的基础上，控制器230可以控制切换系统60的开关。例如，在一个实施方式中，相邻电极主体之间的燃料增长进展的时间可以是已知的，并用于计算何时操作切换系统60，以渐进地对电极重新布线来保持阳极和阴极之间的相邻分离。在一个实施方式中，控制器230可以控制切换系统60的开关，以为电池提供高效率的模式，这在美国申请专利13/083,929中公开，在此通过参考将其完整引入。
在一些实施方式中，控制器230可以配置为选择性地进入不同的充电模式。例如，在一种模式中，多个电极主体最初可以具有阳极电势，但数量随着电极主体获得阴极电势而下降。在另一种模式中，只有单个电极主体在任何特定时间具有阳极电势，且具有阳极电势的电极主体随着前电极主体获得阴极电势而变化。例如，在前者模式中，控制器230可以关闭所有与再充电过程中充电电极70和电极主体12b-12d相关联的开关，使得向电极主体12b-12d的每个和充电电极70施加阳极电势。随着电极主体12b-12d渐进地变为与电极主体12a电连接从而具有阴极电势，控制器230然后可以渐进地打开与电极主体12b-12d的每个相关联的开关。在后一种模式中，控制器可以最初只关闭与电极主体12b相关联的开关，给予电极主体12b阳极电势，而电极主体12a具有阴极电势。当电极主体12a上的燃料增长到达电极主体12b时，产生其间的电连接，控制器230可以打开与电极主体12b相关联的开关，其给予电极主体12b阳极电势，使得电极主体通过其与电极主体12a的电连接而具有阴极电势。控制器230然后可以继续关闭与电极主体12c相关联的开关，以向电极主体12c提供阳极电势，同样产生电势差和燃料增长的进展。如上文所述，由控制器230控制的开关再分配的这些进展可以继续通过或直到只有充电电极70具有阳极电势。
由图14可以看出，本发明的另一个方面可以包括用于对电化学电池10充电的方法240。再次地，电化学电池10包括包含多个可渗透的电极主体12a-12d的燃料电极12。尽管列出4个可渗透的电极主体，但任何大于或等于2的数值都是可能的。电池10还包括氧化剂电极14和充电电极，其可以是氧化剂电极14或单独的充电电极70。电池10另外包括离子导电介质和包含多个开关的切换系统60，其中多个开关的至少一些与充电电极(即氧化剂电极14或单独的充电电极70)、氧化剂电极14和可渗透的电极主体12a-12d之一相关联。在充电模式过程中，离子导电介质中的可还原的燃料离子被还原和作为燃料以可氧化的形式电沉积在包含至少可渗透的电极主体12a的阴极上，而氧化剂在包含可渗透的电极主体12b-12d中的至少相邻的电极主体和/或充电电极(即充电电极70)的阳极上氧化。
方法240在250开始，且包括在260电连接远离充电电极的阴极(即在一个实施方式中，最初只是可渗透的电极主体12a)到电源PS的负极端子，及电连接阳极(即最初至少可渗透的电极主体12b)到电源PS的正极端子，在其间产生电势差。方法240在270继续，其中，燃料电沉积在阴极(即至少可渗透的电极主体12a)上。如步骤280中所示，方法240可以通过确定燃料增长是否已经进展到超出阈值量而继续。在一个实施方式中，当电池10被在阴极(即可渗透的电极主体12a)和阳极(即可渗透的电极主体12b)之间产生通过燃料增长的电连接的燃料增长而短路时，阈值量可以是确定的。如图所示，如果燃料增长还没有达到阈值量，则重复在270燃料的增长。一旦达到阈值量，该方法在290继续，其中可以确定进一步的燃料增长是否可能和需要。在一个实施方式中，在290的确定可以包括确定是否存在额外的电极主体(如可渗透的电极主体12c-12d)，燃料的增长可以继续。如果是这样的话，该方法在300继续，通过使用切换系统60的多个开关将连接的电极主体(即可渗透的电极主体12b)与阳极断开，如果之前没有通过切换系统60连接，则将下一个相邻的电极主体(即可渗透的电极主体12c)连接到阳极。这在阴极(现在包括渗透电极主体12a-12b)和阳极(包括至少可渗透的电极主体12c)之间产生电势差。方法240然后返回到270，其中燃料增长在阴极上继续。如果在290进一步的燃料增长不可能或不需要，通过断开至少电源PS的负极端子与电池10以停止充电过程，方法240继续到310。方法240然后在320结束。
如图15所示，本发明的另一个方面可以包括一种对电化学电池10放电的方法330，这可能类似于上文有关图14的描述。在放电模式过程中，在可渗透的电极主体12a-12d上的燃料氧化(从而消耗进入离子导电介质成为可还原的燃料离子)，而氧化剂在氧化剂电极14还原。
方法330在340开始，且包括在350使用切换系统60的多个开关来连接包含燃料的可渗透的电极主体12a-12d。在一个实施方式中，如果电池10是完全充电的，所有可渗透的电极主体12a-12d将彼此电连接。在电池10处于放电模式时，切换系统60的多个开关被配置为与单独的充电电极70(如果存在)电断开。在一个实施方式中，方法330在360通过电连接阴极(即，空气阴极，氧化剂电极14)到负载L的负极端子，及电连接阳极(即，燃料电极12，包含电连接的可渗透的电极主体12a-12d)到电源PS的正极端子，从而在其间产生电势差而继续。方法330在370继续，其中，燃料在燃料电极12上消耗。在一个实施方式中，因为多个开关60连接可渗透的电极主体12a-12d，因而向可渗透的电极主体12a-12d的每个施加阳极电势，且燃料可以从可渗透的电极主体12a-12d的每个或任何一个消耗。如步骤380所示，通过确定可消耗的燃料是否已从任何可渗透的电极主体12a-12d耗尽，方法330可以继续。在一个实施方式中，传感器(如上述的传感装置236)，其可以包括电流传感器或电压传感器，可以存在于电池10中，并可以指示可消耗的燃料何时已经从一个或多个可渗透的电极主体12a-12d耗尽。如果没有检测到耗尽，随着方法330返回到步骤370，放电可以继续。然而，如果可消耗的燃料已经从一个或多个可渗透的电极主体12a-12d耗尽，那么方法330可以在步骤390继续，其中可以确定是否存在包含可消耗的燃料的任何剩余的渗透电极主体12a-12d。这种确定可以与步骤380中耗尽的确定同时作出，并可以通过传感装置236的测量或其他任何适当的方法来作出。
如果可消耗的燃料保留在一个或多个可渗透的电极主体12a-12d上，方法330可以在步骤400继续，其中，切换系统60调整多个开关，使得任何缺乏可消耗的燃料的可渗透的电极主体12a-12d与燃料电极12断开。在一个实施方式中，燃料的消耗最初可以来自最接近氧化剂电极14的电极主体(例如，上述图示说明的实施方式中的可渗透的电极主体12d)，且切换系统60可以依次断开可渗透的电极主体12d、12c和12b，直到所有的燃料从可渗透的电极主体12a消耗。一旦电极主体12a-12d没有一个包含可消耗的燃料，或不再需要进一步的放电(或不可能)，该方法可以在步骤410继续，其中，可以断开负载L。在一个实施方式中，当电池耗尽时，负载L可以保持连接到电池10，直到电池10再充电，在这种情况下，它可以断开，使得电池10可以转而连接到电源PS。方法330然后在420结束。
已经提供上述图示说明的实施方式，仅是为了说明本发明的结构和功能原理，且不应被视为限制性的。相反，本发明意图包括在下列权利要求的精神和范围内的所有修改、替换和改变。

Claims (17)

1.一种使用金属燃料和氧化剂产生电流的电化学电池系统，所述电池系统包括：
电化学电池，包括：
(i)燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数，所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料；
(ii)氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；
(iii)充电电极，所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极；和
(iv)离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应；
其中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为，在放电模式中，氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料，并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差；
多个开关，用于选择性地将所述燃料电极的电极主体2至N的每个与所述负载耦合；
一个或多个传感器，与电极主体2至N相关联，被配置用于确定可消耗的燃料在电极主体2至N的每个上的存在；和
控制器，所述控制器被配置为在放电模式中控制所述多个开关，以便从负载断开一个或多个传感器检测到燃料已从其上耗尽的电极主体2至N的每一个。
2.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，电池是具有包括金属燃料的燃料电极和包括用于还原氧气的空气阴极的氧化剂电极的金属-空气电池。
3.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述金属燃料选自锌、铝、铁和锰。
4.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关包括可在将电池耦合到负载和将电池耦合到电源之间切换的开关。
5.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关的每个与所述多个可渗透的电极主体和所述氧化剂电极中的一个相关联。
6.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述控制器被配置为对与电池相关联的一个或多个传感器响应。
7.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述一个或多个传感器被配置为测量电流、电阻和电压的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的电化学电池系统，其中，所述电化学电池是可再充电的。
9.根据权利要求8所述的电化学电池系统，其中，所述充电电极是用于氧化可氧化的氧物质为氧气的析氧电极。
10.根据权利要求8所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关的每个与所述多个可渗透的电极主体、所述充电电极和所述氧化剂电极中的一个相关联。
11.一种使用金属燃料和氧化剂产生电流的电化学电池系统，所述电池系统包括：
电化学电池，包括：
(i)燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数，所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料；
(ii)氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；和
(iii)离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应；
其中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为，在放电模式中，氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料，并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差；
多个开关，用于选择性地将所述燃料电极的电极主体2至N的每个与所述负载耦合；
一个或多个传感器，与电极主体2至N相关联，被配置用于确定可消耗的燃料在电极主体2至N的每个上的存在；和
控制器，所述控制器被配置为在放电模式中控制所述多个开关，以便从负载断开一个或多个传感器检测到燃料已从其上耗尽的电极主体2至N的每一个。
12.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，电池是具有包括金属燃料的燃料电极和包括用于还原氧气的空气阴极的氧化剂电极的金属-空气电池。
13.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，所述金属燃料选自锌、铝、铁和锰。
14.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关包括可在将电池耦合到负载和将电池耦合到电源之间切换的开关。
15.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，所述多个开关的每个与所述多个可渗透的电极主体和所述氧化剂电极中的一个相关联。
16.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，所述控制器被配置为对与电池相关联的一个或多个传感器响应。
17.根据权利要求11所述的电化学电池系统，其中，所述一个或多个传感器被配置为测量电流、电阻和电压的一种或多种。
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