CN1791999A - 可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池包括可更换的并且可再充电的金属燃料阳极、空气阴极、第三电极、和与阳极主表面的至少一部分离子接触的隔板。在另一实施例中，可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池包括放电电池和充电电池。放电电池包括空气阴极构件，适于容纳可更换并且可再充电的金属燃料阳极，当在空气阴极构件中插入阳极时，在金属燃料向金属氧化物进行电化学转化的过程中产生电能。充电电池包括充电电极结构，适于容纳可更换并且可再充电的金属燃料阳极(通常在此阳极放电之后，或在用于放电的阳极开始使用前)，当所述阳极插入充电电极结构中时，在施加电能的条件下金属氧化物转化为金属燃料。此外，提供便于阳极还原的各种结构。

Description

可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池
发明背景
发明领域
本发明涉及金属空气电化学电池。具体而言，本发明涉及可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池以及用于此的阳极组件。
原有技术的描述
电化学电源是能够借助电化学反应产生电能的装置。这些装置包括金属空气电化学电池，例如锌空气和铝空气电池。这种金属电化学电池采用由金属构成的阳极，在放电过程中该金属转化为金属氧化物。某些电化学电池例如是可再充电的，这样电流可经过阳极以将金属氧化物重新转化为金属以便下一次放电。此外，可加燃料的金属空气电化学电池是这样构成的：可以更换阳极材料以便连续地放电。总的来说，金属空气电化学电池包括阳极、阴极、和电解液。阳极通常由浸在电解液中的金属粒子形成。阴极通常包括双功能的半透膜和用于还原氧的催化层。电解液通常是传导离子但不导电的腐蚀性液体。
金属空气电化学电池具有优于传统的氢基燃料电池的许多优点。特别是，因为燃料如锌资源丰富并能够以金属或其氧化物的形式存在，所以由金属空气电化学电池提供的能量供给实际上是用之不竭的。金属空气电化学电池的燃料可以是固态的，因此它安全、易于处理和储存。与采用甲烷、天然气或液化天然气作为氢源并放出污染气体的氢基燃料电池相比，金属空气电化学电池是没有污染的。金属空气燃料电池组在室温下工作，而氢-氧燃料电池一般在150℃至1000℃的温度范围内工作。金属空气电化学电池能够比常规的燃料电池(＜0.8V)提供更高的输出电压(1-4.5伏特)。
金属空气电化学电池的理想和便利的结构是这样的：其中，金属燃料是以硬质卡片的形式，在电化学消耗过程中可对此硬质卡片进行更换，也称作“机械再充”。
然而，就目前所知的可机械再充的或可加燃料的金属空气电池还不能与机械再充结合进行再充电。
本技术领域仍需要一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统。
发明概述
通过本发明的几种方法和设备克服或缓解了原有技术的上述和其它问题和缺陷，其中提供了一种可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池系统。
在一种实施例中，可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池包括可更换的并且可再充电的金属燃料阳极、空气阴极、第三电极、以及与阳极主表面的至少一部分离子接触的隔板。
在另一实施例中，可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池包括放电电池和充电电池。放电电池包括适于容纳可更换并且可再充电的金属燃料阳极的空气阴极构件，当金属燃料阳极被插入空气阴极构件中时，在金属燃料向金属氧化物进行电化学转化的过程中该放电电池产生电能。充电电池包括适于容纳可更换并且可再充电的金属燃料阳极的充电电极结构(通常在这种阳极放电之后，或者在用于放电的阳极开始使用之前)，当金属燃料阳极被插入充电电极结构中时，该充电电池将金属氧化物转化为电能应用时的金属燃料。
此外，提供便于阳极加燃料的各种结构。
本领域的普通技术人员从下面的详细描述和附图中能够明白和理解本发明的上述和其它特点和优点。
附图的简要说明
图1A-1C表示金属空气电池一般的放电和充电操作；
图2A表示可加燃料并且可再充电的组件的一般实施例；
图2B-2D表示与可加燃料并且可再充电的组件一起使用的典型部件；
图3表示包括可加燃料组件和可再充电组件的可加燃料并且可再充电的系统的一般实施例；
图4A-4D表示包括可加燃料组件和可再充电组件的可加燃料并且可再充电的系统的第一实施例；
图5A-5D表示与包括可加燃料组件和可再充电组件的可加燃料并且可再充电的系统一起使用的典型部件；
图6A-6D表示包括电解液管理和空气管理的流体管理系统；
图7A-7B表示用于去除一个或多个阳极结构的抓取结构；
图8A-8C表示包括可加燃料组件和可再充电组件的可加燃料并且可再充电的系统的第二实施例；
图9A-9C表示与包括可加燃料组件和可再充电组件的可加燃料并且可再充电的系统一起使用的典型部件；以及
图10A-10C和11A和11B表示包括电解液管理和空气管理的流体管理系统。
最佳实施例的详细描述
工作部件和电池操作的一般性描述
提供一种可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池。总的来说，可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池包括金属燃料阳极、空气阴极、第三电极、以及在阳极和阴极之间允许离子接触并保持电绝缘的一个或多个隔板。此外，提供便于阳极加燃料的结构。
现在参考附图，描述本发明的示意性实施例。为了清楚说明，图中示出的相同部件用相同的参考标记表示，在选择性实施例中示出的类似部件用类似的参考标记表示。
图1A是电化学电池100a的示意图。电化学电池100a可以是金属氧电池，其中金属由金属阳极结构112提供，氧被提供到氧阴极114。阳极112和阴极114通过隔板116彼此保持电绝缘。电池和电池中部件的形状不限于正方形或矩形；也可以是管状、球形、圆形、椭圆形、多边形或任意需要的形状。此外，尽管电池部件在图1中被示为基本上垂直的，但是电池部件的结构即垂直、水平或倾斜可以变化。
在放电操作中，来自空气或其它来源的氧用作金属空气电池100a的空气阴极114的反应剂。当在阴极114中氧到达反应位置时，它与水一起转化为氢氧离子。与此同时，释放出电子以作为外电路中的电流流动。氢氧离子穿过隔板116到达金属阳极112。当氢氧离子到达金属阳极时(在阳极112包括例如锌的情况下)，在锌表面上形成氢氧化锌。氢氧化锌分解成氧化锌并将水释放回碱溶液。反应由此完成。
阳极反应是：
         (1)
       (2)
阴极反应是：
            (3)
因此，总的电池反应是：
                   (4)
阳极112通常包括金属组分如金属和/或金属氧化物和集流器。对于可再充电电池，本领域已经采用了这样一种配方：它包括金属氧化物和金属组分的结合。作为选择，离子导电介质设置在阳极112中。此外，在某些实施例中，阳极112包括粘合剂和/或适当的添加剂。作为优选，该配方在使循环过程中形状的变化最小的同时使离子导电速率、容量、密度和整个放电深度最佳化。
金属组分可主要包括金属和金属化合物如锌、钙、锂、镁、黑色金属、铝、至少一种上述金属的氧化物、或者包括至少一种上述金属的组合物和合金。这些金属还可以与其它组分混合或合金化，所述其它组分包括铋、钙、镁、铝、铟、铅、汞、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊、至少一种上述金属的氧化物、或包括至少一种上述组分的组合物，但不限于此。金属组分以粉末、纤维、粉尘、小颗粒、薄片、针状、球状或其它粒子的形式提供。在某些实施例中，把小颗粒金属、尤其是锌合金金属设置为金属组分。在电化学工艺的转化过程中，金属一般转化为金属氧化物。
阳极集流器可以是能够提供导电性并作为选择能够对阳极112提供支撑的任何导电材料。集流器可由各种导电材料形成，包括铜、黄铜、黑色金属如不锈钢、镍、碳、导电聚合物、导电陶瓷、在碱性环境下稳定并且不腐蚀电极的其它导电材料、或者包含至少一种上述材料的组合物和合金。集流器以网板、多孔板、发泡金属、带、线、板或其它适用结构的形式。正如在此描述的那样，某些实施例利用集流器的延续部分作为功率输出端子。
离子导电介质通常包括碱性介质，从而为氢氧离子到达金属和金属化合物提供路径。离子导电介质可以浴槽的形式，其中适当地包含了液态的电解液。在某些实施例中，在阳极112中提供离子导电量的电解质。电解质通常包括离子导电材料如KOH、NaOH、LiOH、其它材料、或包括至少一种上述电解质介质的组合物。尤其是，电解质可包括水性电解质，该水性电解质具有约5％离子导电材料至约55％离子导电材料的浓度，优选具有约10％离子导电材料至约50％离子导电材料的浓度，更优选具有约30％离子导电材料至约45％离子导电材料的浓度。但也可根据电解液的性能采用其它电解质，这对于本领域技术人员是显而易见的。
所选用的阳极112的粘合剂使阳极组分在某些特定结构中基本上保持固态或基本上固态的形式。粘合剂可以是通常粘接阳极材料和集流器以形成适当结构的任何材料，通常以适于阳极粘接目的的量提供。这种材料优选对于电化学环境是化学惰性的。在某些实施例中，粘合剂材料可溶于水或在水中可形成乳液，但是不溶于电解液中。合适的粘合剂材料包括以聚四氟乙烯(例如，购自E.I.du Pont Nemours and Compony Corp.，Wilmington，DE的Teflon®和Teflon®T-30)、聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等为基础的聚合物和共聚物、包括至少一种上述粘合剂材料的衍生物、组合物和混合物。但本领域技术人员会认识到还可以采用其它粘合剂材料。
可提供选择性添加剂以便防止腐蚀。适用的添加剂包括：氧化铟；氧化锌，EDTA，表面活性剂如硬脂酸钠、月桂基硫酸钾、Triton®X-400(购自Union Carbide Chemical & Plastics Technology Corp.，Danbury，CT)和其它表面活性剂；等等；以及包括至少一种上述添加剂材料的衍生物、组合物和混合物，但不限于此。但本领域的技术人员确定可采用其它添加剂材料。
提供到阴极114的氧可来自任何氧源，例如：空气；净化后的空气；纯或基本上纯的氧，如来自公用事业设备或系统源，或来自氧产生的场所；任何其它处理后的空气；或包括至少一种上述氧源的任何组合。
阴极114可以是常规的空气扩散阴极，例如通常包括活性组分和碳基板，并连同适当的连接结构如集流器。作为选择，阴极114可包括同时适于充电和放电的双功能电极。典型地，选择阴极催化剂以便在环境空气下达到至少20毫安/平方厘米(mA/cm2)的电流密度，优选至少50mA/cm2，更优选至少100mA/cm2。当然，利用适当的阴极催化剂和配方可获得更高的电流密度。阴极114可以是双功能的，例如，它在放电和再充电的过程中都能够进行工作。
所用的碳优选对于电化学电池环境是化学惰性的并且以各种形式提供，包括碳薄片、石墨、其它高表面积碳材料、或至少一种上述碳形式的组合，但不限于此。
阴极集流器可以是能够提供导电性并优选在碱性电解液中化学稳定的任何导电材料，作为选择，集流器能够对阴极114提供支撑。集流器是以网板、多孔板、发泡金属、条、线、板的形式或其它合适的结构。集流器通常是多孔的以使氧流动阻碍减至最低。集流器可由各种导电材料形成，这些材料包括铜、黑色金属如不锈钢、镍、铬、钛等、以及包括至少一种上述材料的组合物和合金，但不限于此。合适的集流器包括多孔金属，如发泡镍金属。此外，这里示出了阴极的实施例，由此围绕着构成为容纳阳极的结构大体地将阴极折叠起来，其中集流器设置在折叠后的阴极的折缝处(例如参见图9A)。
一般还在阴极114中使用粘合剂，粘合剂可以是粘接基板材料、集流器和催化剂以形成适当结构的任何材料。通常以适于碳、催化剂和/或集流器的粘接目的的量提供粘合剂。这种材料优选对于电化学环境是化学惰性的。在某些实施例中，粘合剂材料还具有疏水特性。合适的粘合剂材料包括以聚四氟乙烯(例如，购自E.I.du Pont Nemours and Compony Corp.，Wilmington，DE的Teflon®和Teflon®T-30)、聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等为基础的聚合物和共聚物、包括至少一种上述粘合剂材料的衍生物、组合物和混合物。但本领域技术人员会认识到还可以采用其它粘合剂材料。
活性组分通常是适当的催化剂材料以在阴极114进行氧反应。通常以有效量提供催化剂材料以在阴极114进行氧反应。合适的催化剂材料包括锰、镧、锶、钴、铂、包括至少一种上述催化剂材料的组合物和氧化物，但不限于此。Wayne Yao和Tsepin Tsai的发明名称为“用于燃料电池的电化学电极”的共同受让的美国专利6,368,751公开了一种典型的空气阴极，在此将其全部内容引作参考。然而也可根据其性能采用其它空气阴极，这对于本领域技术人员是显而易见的。
为了将阳极112与阴极114电绝缘，在电极之间设置隔板116。隔板116以与阳极112的至少一个主表面的至少一部分或阳极112的所有主表面物理和离子接触的方式设置，由此形成阳极组件。在进一步的实施例中，隔板116以充分与紧靠阳极112的阴极114的(各)表面物理和离子接触的方式设置。
可通过以下方式实现在隔板和阳极之间的物理和离子接触：将隔板116直接设置在阳极112的一个或多个主表面上；用隔板116包住阳极112；利用框架或其它结构对阳极112进行结构支撑，其中把隔板116固定到在框架或其它结构内的阳极112上；或者把隔板116固定到框架或其它结构上，其中在框架或其它结构中设置阳极112。
隔板116可以是能够使阳极112和阴极114电绝缘并同时允许阳极112和阴极114之间充分进行离子传输的任何商业隔板。作为优选，隔板116是挠性的，以调节电池组分的电化学膨胀和收缩，并对电池化学品呈化学惰性。合适的隔板被设置成纺织的、无纺的、多孔的(如微孔或毫微孔)、泡沫状、聚合物片等形式，但不限于此。用于隔板的材料包括聚烯烃(例如，购自Dow化学公司的Gelgard®)、聚乙烯醇(PVA)、纤维素(硝化纤维素、醋酸纤维素等)、聚乙烯、聚酰胺(例如，尼龙)、碳氟型树脂(例如，购自杜邦公司的具有磺酸基官能团的Nafion®系列树脂)、玻璃纸、滤纸、以包括至少一种上述材料的组合，但不限于此。隔板116还可以包括添加剂和/或涂层，如丙烯酯化合物等，从而使它们更易润湿和透过电解液。
在某些优选实施例中，隔板116包括在其中结合有电解质的薄膜，如传导氢氧离子的电解质。由于下述原因该薄膜具有传导氢氧离子的性质：能够支撑氢氧离子源如凝胶状碱性材料的物理特性(例如孔隙率)；支撑氢氧离子源的分子结构，如水性电解质；阴离子交换性质，如阴离子交换膜；或能够提供氢氧离子源的一种或多种这些特性的组合。
电解质(这里在隔板116的所有变化中)通常包括离子导电材料以允许在金属阳极和阴极之间进行离子传导。电解质通常包括传导氢氧离子的材料如KOH、NaOH、LiOH、RbOH、CsOH或包括至少一种上述电解质介质的组合。在优选实施例中，传导氢氧离子的材料包括KOH。尤其是，电解质可包括水性电解质，该水性电解质具有约5％离子导电材料至约55％离子导电材料的浓度，优选具有约10％离子导电材料至约50％离子导电材料的浓度，更优选具有约30％离子导电材料至约40％离子导电材料的浓度。
在以下文献中更详细地描述了适合作为隔板116的导电薄膜的优选实施例：1999年2月26日申请的、Muguo Chen、Tsepin Tsai、Wayne Yao、Yuen-Ming Chang、Lin-Feng Li和Tom Karen的、发明名称为“固态凝胶薄膜”、申请号为09/259068的美国专利申请；2000年1月11日申请的、Muguo Chen、Tsepin Tsai、和Lin-Feng Li的、发明名称为“在可充电电化学电池中的固态凝胶薄膜隔板”、专利号为6358651的美国专利；2001年8月30日申请的、Robert Callahan、Mark Stevens和Muguo Chen的、发明名称为“聚合物基质材料”的、申请号为09/943053的美国专利申请；2001年8月30日申请的、Robert Callahan、Mark Stevens和MuguoChen的、发明名称为“带有聚合物基质材料的电化学电池”的、申请号为09/942887的美国专利申请；在此将它们的全部内容引作参考。这些薄膜通常由含有一种或多种单体的聚合产物的聚合材料形成，这些单体选自水溶性的烯键式不饱和酰胺和酸、和选择性的水溶性或水溶胀性聚合物、或加强剂如PVA。这种薄膜不仅是因为结合其中的液体电解质的高离子导电性而是理想的，而且它们还提供了结构支撑并耐枝晶生长，由此提供了适合于金属空气电化学电池再充电的隔板。
可在支撑材料或基板上形成聚合产物。支撑材料或基板可以是纺织或无纺织物如聚烯烃、聚乙烯醇、纤维素、或是聚酰胺如尼龙。此外，聚合产物可直接形成在电池的阳极或阴极上。
在上述单体聚合之前或聚合之后加入电解质。例如，在一种实施例中，在聚合前将电解质加入到含有单体、任选的聚合引发剂和任选的加强成分的溶液中，在聚合后电解质嵌入聚合物材料中。作为选择，可以在没有电解质的条件下完成聚合，其中随后加入电解质。
水溶性烯键式不饱和酰胺和酸单体可包括亚甲基二丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、1-乙烯基-2-吡咯烷酮、N-异丙基丙烯酰胺、富马酰胺、富马酸、N，N-二甲基丙烯酰胺、3，3-二甲基丙烯酸、以及乙烯基磺酸的钠盐、其它水溶性烯键式不饱和酰胺和酸单体，或者包含至少一种上述单体的组合物。
用作加强成分的水溶性或水溶胀性聚合物可包括聚砜(阴离子的)、聚(4-苯乙烯磺酸钠)、羧甲基纤维素、聚(苯乙烯磺酸-共-顺丁烯二酸)的钠盐、谷类淀粉、任何其它的水溶性或水溶胀性聚合物、或包含至少一种上述水溶性或水溶胀性聚合物的组合。加强成分的加入提高了聚合物结构的机械强度。
作为选择，还可以包含交联剂，例如亚甲基二丙烯酰胺、乙烯二丙烯酰胺、任何水溶性的N，N’-亚烷基-二(烯键式不饱和酰胺)、其它交联剂、或者包含至少一种上述交联剂的组合。
还可以包括聚合引发剂，例如过硫酸铵、碱金属过硫酸盐和过氧化物、其它引发剂、或者含有至少一种上述引发剂的组合。此外，可结合自由基产生方法例如紫外线、X-射线、γ-射线等的照射使用引发剂。但如果照射本身就足以引发聚合，则不需要加入化学引发剂。
在形成聚合材料的一种方法中，在单体溶液(在有或没有离子的情况下)浸泡选择的织物，对涂覆了溶液的织物进行冷却，选择性地添加聚合引发剂。单体溶液可通过加热、利用紫外线、γ-射线、X-射线、电子束照射、或这些方法的组合进行聚合，其中得到聚合材料。当在聚合溶液中含有离子时，在聚合后氢氧离子(或其它离子)保留在溶液中。此外，当聚合材料不包含离子时，例如通过把聚合材料浸泡在离子溶液中的方式引入离子。
薄膜的聚合一般在从室温到约130℃的温度范围内进行，但优选在约75℃至约100℃的高温下进行。作为选择，利用照射和加热的结合进行聚合。作为选择，根据照射强度、在不提高成分温度的条件下单独利用照射进行聚合。在聚合反应中有用的照射类型的例子包括紫外线、γ-射线、X-射线、电子束、或这些方法的组合，但不限于此。
为了控制薄膜的厚度，可在聚合前将涂覆后的织物放在合适的模具中。作为选择，涂覆有单体溶液的织物可以放置在合适的薄膜如玻璃和聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)膜之间。基于该膜在特定应用中的作用，本领域的技术人员很容易对膜的厚度进行改变。在某些实施例中，例如从空气中分离氧，薄膜或隔板可具有约0.1mm-0.6mm的厚度。因为实际的导电介质保留在聚合物骨架中的水性溶液内，所以与液体电解质的导电性相比，薄膜的导电性在室温下明显高。
正如在上面总体讨论的那样，以与阳极和/或阴极的一个或多个表面离子接触的方式粘接或设置隔板。例如，隔板可压在阳极或阴极上。
现在参见图1B，示意性描述金属空气电化学电池的再充电池100b。电池100b包括阳极112和充电电极115，它们与隔板116离子接触、电绝缘。在工作中，当电源(例如，对于金属-空气系统高于2伏特)跨接在充电电极115和阳极112之间时，与充电电极115离子接触的已消耗阳极材料或新的可再充电阳极结构(即，包括氧化金属)转化为新鲜的阳极材料(即，金属)和氧。充电电极115可包括导电结构，例如网板、多孔板、发泡金属、条、线、板或其它适当结构。在某些实施例中，充电电极115是多孔的以使离子迁移。充电电极115可以各种导电材料的形式，包括铜、黑色金属如不锈钢、镍、铬、钛等、及其组合、以及含有至少一种上述材料的合金，但不限于此。适当的充电电极包括多孔金属如发泡镍金属。
作为选择，双功能电极114可用在电池100a中，从而通过在电极112和114之间施加电压完成充电。然而，这种结构一般不是优选的，因为当放电电极同时作为充电电极时放电寿命和性能往往会下降。
在图1C中描述了同时包括充电电极115和放电空气阴极114的一种结构，其中金属空气电池100c能够放电和再充电。电池100c包括离子接触的阳极112和阴极114。此外，充电电极115以与阳极112离子接触的方式设置，充电电极115利用隔板117与阴极114电绝缘、利用隔板116与阳极112电绝缘。隔板116和117可以相同或不同。由于充电电极115的存在，阴极114可以是单功能电极，例如在充电电极115设计为充电时阴极114设计为放电。在工作中，当电源(例如，对于金属-空气系统高于2伏特)跨接在充电电极115和消耗后的阳极材料之间时，与充电电极115离子接触的已消耗阳极材料(即，包括氧化金属)转化为新鲜的阳极材料(即，金属)和氧。
集成的可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池系统的总的实 施例
现在参见图2A，描述可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池系统200的示意图，以及由支撑结构240支撑的相关系列的可更换的并且可再充电的阳极结构212。在系统200中，多个阳极结构212放电，然后在同一单元(或相同单元)中充电。系统200通常包括多个容纳结构，各容纳结构的结构和尺寸能够容纳可更换的并且可再充电的阳极结构212，能够对阳极结构进行充放电。
用于集成的可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池系统的典 型系统和结构
现在参见图2B，提供了单个可加燃料并且可再充电的金属空气电化学电池210的分解示意图。电池210一般是单极电池，其中阳极212一般设置在一对活性阴极部分214A和214B之间。此外，在阴极214A和214B以及阳极212之间分别设置第三充电电极215A和215B。以与阳极212的两个主表面离子联系的方式设置一对隔板216A和216B。在优选实施例中，隔板216A和216B包括其中结合有电解质的薄膜，如上所述。这种薄膜不仅使阳极212与第三电极215A和215B绝缘，还尽量减少甚至防止了由阳极212朝向第三电极215A和215B生长枝晶。由于这种枝晶的形成会引起短路，因此是不希望的。电池210还包括一对间隔件220A和220B，它们通常用于分别在第三电极215A和215B和阴极214A和214B之间提供恒定的距离。
现在参见图2C，描述阳极组件211。阳极组件211包括一般设置在支撑框架222中或之上的阳极材料部分212。在某些实施例中，在阳极材料212的相对主表面上设置一对隔板216A和216B。此外，设置盖部224，盖部224为阳极组件211提供附加的结构支撑，进一步提供一般用于空气进入、释放气体和/或电连接的路径226。如上所述，典型框架222包括使空气经过和释放气体的三个开口227，使导电元件连接到阳极的两个开口228。在阳极材料212的相对侧上设置一对间隔件220A和220B，它们通常用于保持在阳极材料212和阴极214之间的物理隔离。所描述的间隔件220A和220B包括多个延伸部分，例如杆，这些延伸部分延伸到间隔件220A和220B的顶部(参见图2C)。这些延伸部分一般与顶部224中的相应开口匹配，并且可利用紧固件如螺母固定。在另一实施例中，在间隔件220A和22B的底部设置多个开口以便将间隔件保持在一起。这种实施例非常有用，例如，当提供间隔件216A和216B时，尤其当间隔件216A和216B包括其中结合有电解质的薄膜时。
如上所述，阳极组件211可包括阳极材料和隔板(优选是含有电解质的薄膜)。作为选择，第三电极可包括在各阳极组件211中(而不是在此进一步描述的相应电池体230中)。例如，可围绕在阳极材料212上设置的隔板包裹充电电极，其中阳极和充电电极可作为整体的阳极组件211一起插入和去除。在此结构中，充电电极215不仅用作充电电极，而且还作为结构支撑，甚至随着阳极组件211的反复去除和插入，它也有利于延长使用寿命。
现在参见图2D，描述包括在电池体230中插入的阳极组件211的组装后可加燃料并且可再充电的电化学电池210。在某些实施例中，电解质浴槽(bath)用作离子导电介质，电池体230构成为含有一定量的电解质。第三电极可结合在电池体230中，如图2B所示，或者可以结合在如上所述的阳极组件211中。
在电池体230的相对侧上设置一对阴极214A和214B。作为优选，将电池体230构造成在电池体230的各侧上设置电解质存储池以包含足够的充电用电解质。为了密封电解质存储池，电池体230可包括合适的密封部分。作为选择，例如，可在电池体230上设置一个或多个散热器，以去除在电池210中产生的热量。此外，可在放电过程中循环电解质以去除热量。
在阳极组件211包括第三电极或一对第三电极的情况下，整个组件可在从电池体230中取出之后在单独的电解槽内进行充电。因此，在放过电的阳极组件211进行再充电的同时电池210可利用其它阳极组件211加燃料。此系统便于采用极少的硬件和再充电组件对阳极组件211进行再生。
采用分离的放电和充电组件的可加燃料并且可再充电的金属空气电 化学电池系统的总的实施例
图3是金属空气电化学电池系统300的总的示意图，包括电池放电系统302和电池充电系统352。两个系统302和352包括一个或多个容纳结构，所述容纳结构的构造和大小能够容纳一个或多个阳极结构312。如上所述，当电池放电系统302的第一组阳极结构的容量降低时，该组可被移至邻近的电池充电系统352，或者选择性地传输至远距离的电池充电系统352，将新的第二组阳极结构插入电池放电系统302中。以此方式，可由电池放电系统302产生电能，与其中使用者必须等待金属燃料再充电的系统相比，电池放电系统302的中断时间仅限于取出消耗后的金属燃料并插入锌的金属燃料所需的时间。
这还可以与常规的现有系统进行比较，在常规系统中，去除的阳极不能在保持完好无损的同时进行充电-现有的系统剥去阳极并以松散的形式再生金属燃料，然后利用该材料制造新阳极。因此，直接给使用者提供了方便，使它们替换并再充电，而不需要完全处理以再充电。
采用分离的放电和充电组件的可加燃料并且可再充电的金属空气电 化学电池系统的典型系统和结构
放电和充电组件的第一实施例
在此描述的可加燃料的并且可再充电的金属空气电化学电池系统中采用的放电和充电组件可以是各种结构类型。在这里描述的特定实施例中，放电和充电组件主要以把多个单独的电池结构排列并连接在一起的方式形成，从而形成整体的放电组件和整体的充电组件。
例如，现在参见图4A和4B，描述金属空气电化学电池放电组件302的一种实施例。图4A总体表示正从中取出金属燃料的组件302，图4B表示其中插入了金属燃料的组件302。
金属空气电化学电池放电组件302包括多个电化学放电电池310，它们通常以棱柱形结构设置。各电化学放电电池310包括：在其中具有活性空气阴极(未示出)的空气阴极构件314；包括金属燃料阳极部分(未示出)和从集流器(未示出)延伸出的L-形汇流条324的可更换阳极结构320，其中L形汇流条装配到阳极电端子328中，所示出的阳极电端子328安装在阴极结构314的一侧上。多个电化学放电电池310组装在一起并安装在流体管理单元340上，单元340通常使空气流和电解质受到控制，正如在此更详细地描述。
可将阳极结构320去除，例如，以中断电化学电池的放电，阳极结构320插入到在充电系统352中对应的充电电池355中(图4C示出)，或者利用新的阳极结构取代此阳极结构，对阳极结构充电，或者使阳极结构恢复活性(这里统称作“加燃料”)。
现在参见图4C，示出充电单元352。充电单元352包括多个充电电池355(例如，起到与相对于图1B所一般性描述的作用)，它的构造和尺寸能够容纳可更换和可再充电的阳极结构320。外部电流通过汇流条358提供给充电电极、通过汇流条360提供给阳极，其中各阳极端子324紧密配合在开口362中，使得在汇流条360和阳极端子324之间形成电连接。
充电电极可操作性地设置在各电池355中，构造并设置成当插入时与阳极组件320离子接触。作为优选，对于各阳极组件320设置一对充电电极，以允许从阳极的两个主表面进行充电。
作为选择，在充电电极结合在可更换并且可再充电的阳极组件320中的情况下，各充电电池355包括适当的电连接结构，当包括这种充电电极的阳极组件320插入充电电池355中时，该电连接结构使电流提供到充电电极。
在某些实施例中，在存在液体电解质的条件下进行充电操作，因此使充电电池的构造和尺寸能够容纳电解质。
现在参见图4D，在没有流体管理单元340的情况下示出电化学电池放电组件302。为了机械完整性、以尽量减小甚至消除电解液泄漏现象，将多个电池310(在其中没有阳极结构320的情况下)组装并铸造成一体组件。可通过浇铸、旋转铸、或其它合适的制造技术进行铸造。除了用于电解质管理和空气管理的孔之外，铸造基本上围绕整个结构提供了涂层，下面进一步描述它的实施例。
在优选实施例中，让铸造壳体在原位聚合(相对于让熔融材料得以设置)。选择用于原位聚合的单体，从而使得在例如阴极的孔中发生聚合和可能的交联以形成紧密密封，由此防止了(illuminating)从自然的多孔阴极的边缘泄漏电解质，提供了结构性粘接，支撑了所有的电池部件。优选的材料类型包括聚氨酯，如购自Tekcast Industries，Inc.New RochelleNY(由Alumilite Corporation，Kalamazoo Michigan.制造)的TEK塑料聚氨酯。本领域的技术人员会认识到，在电池结构中包括合适的板或其它模制结构，从而在电池之间提供空气路径，在电池结构中中心地形成用于电解质和阳极组件的口袋。
各阴极和阳极结构的第一实施例
现在参见图5A、5B和5C，分别描述分解的阴极结构、分解的阳极结构和组装好的电池。此外，图5D描述在电池截面图中的空气和电解质管理结构。
总的来说，放电电池310包括阴极结构314和可更换的阳极结构320。阴极结构314包括支撑框架370，框架370包括顶部382，顶部382的构造和尺寸通常能够容纳阳极结构320，优选在阳极结构320的一个或多个边缘或表面上设置缝隙，用以电解质(在其中采用液体电解质的系统中)和/或用以在放电操作中调节电池膨胀。
如上所述，在阴极结构支撑框架370的相对侧上设置一对空气阴极部分373、375。阴极部分373、375可例如通过模制成型一体地形成在框架中，或者粘接或采用其它方式固定到框架370。还可以包括一对隔板316a，通常用以防止在插入时在活性阴极部分373、375和阳极结构320之间的电接触。另外设置在阴极支撑框架370上的是阴极电端子318，它电连接到阴极集流器(未示出)。
相邻空气阴极部分375的是空气管理结构376。总的来说，空气管理结构376允许受控的空气流经过空气阴极部分375，正如图5D中的箭头377所示。因此，空气管理结构376应当紧紧地设置或固定在活性阴极部分375之上到(to)框架370。当多个电池组装成电池放电系统302时，相邻于框架370的相对侧上的空气阴极部分373设置相邻电池的空气管理结构(未示出)。因此，空气管理结构376同时为在支撑框架370中的空气阴极部分375以及在相邻电池中的空气阴极部分(相当于在所描述的单一电池中的空气阴极部分373)提供空气流。
作为选择，电解质管理结构可一体地包括在空气管理结构376中。如图5A和5D所述，空气管理结构376的底部从右向左倾斜(图5A和5D示出)。因此，在液体电解质渗出到相邻空气管理结构376的阴极部分的情况下，由于重力作用电解质会落入底部的倾斜部分，借助用于排出空气的相同出口进一步使电解液离开电池。
此外，在框架370自身中还设置了电解质管理结构。如图5D所示，紧靠框架370的内腔室顶部设置开口384，该框架370提供了通向过流或循环管388的路径。形成为含有液体电解质的内部腔室可预填充有电解质，或者如上所述，可包括一系统以选择性地例如经由入口368提供电解质。如果电解质的量达到开口384的高度，电解质将经由通道和出口388流出电池。通道和出口388可一体地形成为框架370的一部分，或者作为选择可包括一个或多个管道部分或其它管子，如图5A所示。通道和出口388还可用于使析出气体、例如在某些类型的金属空气电化学反应过程中析出的氢溢出(独立于空气排出装置)。
图5B表示典型阳极结构320的分解图。阳极结构320通常包括框架390、一对金属燃料支撑结构或栅板392和顶部密封部分394。金属燃料(示意性表示为板396，尽管可以理解燃料可以以粉末、膏状物、纤维或在栅板392中支撑的其它“松散”形式)通常设置在栅板392和框架390之间，典型地具有在框架390的各侧上设置的一对金属集流器(未示出)。在阳极结构320上还设置了一对隔板316b(或包裹在阳极结构周围的单个隔板)。该隔板可以是含有上述薄膜的电解质，可包括电解质源，以及尽量减少或防止枝晶透过。
作为选择，框架390可以是导电框架，以增强集流性能。框架390通常会构造成具有第一面和第二面的开口矩形，电端子324从一部分开口矩形中延伸出来。所示的顶部密封394是楔形结构。例如，当顶部密封394由弹性材料制成时，这是特别有用的，这样当顶部密封394插入阴极结构314中时提供了气密密封。
作为优选，阳极结构320安装在阴极结构314中，在它们之间保持间隔，此间隔允许离子导电介质即电解质设置在阳极材料和阴极之间，同时还对在放电过程中由于金属向金属氧化物的转化而引起的阳极体积膨胀进行调节。支撑板栅392还能够机械地支撑阳极材料和调节膨胀。
一种组装阳极的方法，包括：将箔粘附在框架390的两侧上；在箔上散布所需量的金属燃料材料(其中，对所需量进行选择，从而在当电池组装时保持与空气阴极的有效距离的同时提供所需的电池容量)；将板栅挤压在金属燃料材料上；以及将隔板粘附于板栅。在优选实施例中，将隔板粘附于板栅的互连部分以便增加结构的整体性，并且还提供了牢固的压力配合，防止如果在电化学反应的过程中金属燃料材料膨胀导致的隔板的脱离。在组装阳极的另一方法中，在安装集流器箔之前，将固体塑料构件放置在框架的开口部分。这通常有助于使液体保持在集流器之间的区域之外，尤其是在如果电解质开口384的高度高于板栅的高度的情况下。在组装阳极的另一方法中，在安装集流器箔之前，将可压缩构件放入导电框架的开口部分。如果在电化学反应过程中阳极材料膨胀，这提供了体积调节量。
为了便于阳极结构320的组装，一系列的突出部分从导电框架390向外伸出，它们对应于在金属燃料支撑结构392上的容纳部分。这些允许迅速、精确地组装，提高了阳极结构320的整体结构完整性，尤其适应于阳极膨胀的发生。
流体(空气和电解质)管理结构的第一实施例
现在参见图6A-6D，进一步描述流体管理单元340。总的来说，流体管理单元340提供用于使空气流经过阴极结构314的空气管理结构376的结构。此外，流体管理单元340可选择性地提供对来自空气管理结构376(例如，它可以靠重力下降到底部倾斜部分，经过空气排出口离开电池)和/或经过通道386和出口388的过剩电解质的处理。
具体而言，流体管理单元340通常包括空气排出孔402和电解质泄漏开口404。过剩电解质，例如，如上所述来源于空气管理结构376和/或经过通道386和出口388的电解质，或者循环流过电池的电解质可流到电池之外，进入通道406至开口404。
另外，空气一般经过区域410进入电池(例如，经过空气管理结构376的入口)，例如，该区域410可容纳风扇或吹风机。作为选择，在电池内可采用洗涤系统，以从周围空气中去除二氧化碳。流过区域410的空气经由开口412进入电池，经过通道414分散到多个电池。废空气经由通道406和开口402离开系统。因此，空气管理结构376能够将废空气和过流/泄漏的电解质传送到同一通道406。
除了提供流体管理之外，流体管理单元340还可以构造成对整个电池结构提供增强的机械完整性。例如，如图6A和6B所示，可提供一系列的导轨416，以及肋条418。此外，空气管理设计允许空气入口和出口都位于电池底部上，因此可围绕电池顶部提供更多的材料支撑，这通常对于良好密封是至关重要的。
图6D表示包括流体管理结构340的组件302，结构340包括指向各电池310的管路342。例如，可以在没有电解质的条件下提供各电池，当需要时，例如启动泵或其它流体转移装置(未示出)，将电解质从存储箱引入各电池中。作为选择，例如在电池放电过程中电解质可连续地或间歇地循环，以除去热量。同样，在充电操作中，可包括类似的结构以去除固体并防止或尽量减少枝晶生长。作为选择，可包括夹紧结构或阀以增加电解质流动的控制。向各电池310运送电解质的管路的长度有助于增加电阻，由此消除或减少了短路的可能性，而短路是在常规情况下在金属空气电化学电池中采用分享电解质源时会遇到的。
用于去除和插入阳极结构的抓取结构的实施例
现在参见图7A和7B，描述抓取结构430，该结构通常用于进行阳极结构320的去除。抓取结构430通常包括固定到支撑框架438上或与支撑框架438一体形成的支撑把手432。通常对支撑框架438的边缘进行构造和尺寸设置以便装配在系统组件302的顶部上。例如，支撑框架438的部分440构造成装配在阳极端子324之上。此外，抓取结构430包括可移动把手434，把手434固定到可移动框架436上或与框架436一体形成，可移动框架436向上移动(通常使可移动把手434接近于支撑把手432)。可移动框架436包括一对滑动的钩组件442，钩组件444按照箭头444所示的方向滑动，当然移动范围受到在可移动框架406中对应狭缝的限制。滑动钩组件各包括多个钩子446，它们对应于在阳极结构320上的钩眼448(例如参见图5C)。在描述了多个钩子446的同时，应理解还可以采用单个钩子，一次取出一个阳极结构。因此，为了便于取出多个阳极结构320，钩子446与阳极结构的钩眼448对齐。然后将滑动钩组件442滑入特定位置使得钩子446位于钩眼448内。然后，通过夹紧支撑把手432和可移动把手434，把可移动把手434拔出，这样连接的阳极结构320就从组件中拔出了。当然，本领域的技术人员会认识到各种方式都是可行的，包括将类似于结构430的抓取结构集成在自动阳极加燃料系统中。
放电和充电组件的第二实施例
现在参见图8A-8C，示出了金属空气电化学电池放电组件和充电组件的另一实施例。图8A中以其中的燃料描述了金属空气电化学电池放电组件502，图8B中示出了包括去除的燃料结构、放电组件和充电组件的系统，图8C示出了没有连接/密封容器的情况下示出的放电组件。
金属空气电化学电池放电组件502包括通常以棱柱形结构设置的多个电化学放电电池510。各电化学放电电池510包括：其中具有活性空气阴极(未示出)的空气阴极构件514；和包括金属燃料阳极部分(未示出)的可更换阳极结构520。
阴极结构520的组件530(图8C)通常位于具有盖体534的容器532内。组件530可由铸造形成，正如上面所述的那样。类似地，在具有盖体564的容器562中设置充电结构或支撑结构的组件(例如，其中充电电极与阳极结构集成一体)以形成充电组件552。将组件502安装在流体管理单元540上(组件552可以安装在类似的流体管理结构上)，该管理单元540通常使空气流和电解质受到控制，正如在此更详细的描述。
组件502和552的一个重要特点是一体的密封盖534、564，它们还提供了与阴极或充电电极的电连接。总的来说，阳极结构520包括从该结构顶部伸出的导体524。当盖体534关闭时，安装在盖体534内部的阴极电端子518接近导体524。端子518借助挠性导体(未示出)连接到阴极，以调节例如由在组件530中的孔536支撑的盖体534的开启和闭合。因此，通过将盖体534(或564)闭合的方式完成放电(或充电)，盖体534(或564)具有两个作用：密封系统以防止电解质溢出；和使对电极之间电连接。
可以去除阳极结构520，例如，以便中断电化学电池放电，插入到充电系统552中对应的充电电池555中，或者用新阳极结构取代该阳极结构，对阳极结构充电或使该阳极结构恢复活性(这里统称作“加燃料”)。
充电单元552包括多个充电电池555(例如，起到上面参照图1B总体描述的作用)，该电池555的构造和尺寸能够保持可更换并且可再充电的阳极结构520。将外部电流通过端子558提供到充电电极、通过端子560提供到阳极，其中各阳极端子524与在盖体564中的相应充电电极导体相匹配。应注意，可依据可操作的导体连接变换端子558和560。
各阴极和阳极结构的第二实施例
现在参见图9A、9B和9C，分别描述分解的空气阴极构件、组装好的空气阴极构件和阳极结构。阴极结构514包括支撑框架570，框架570包括顶部开口582，顶部开口582的构造和尺寸通常能够容纳阳极结构520，优选在阳极结构520的一个或多个边缘或表面上设置缝隙，用以电解质(在其中采用液体电解质的系统中)和/或用以在放电操作中调节电池膨胀。
如上所述，在阴极结构支撑框架570的相对侧上围绕空气阴极部分575。阴极575可例如通过模制成型一体地形成在框架中，或者粘接或采用其它方式固定到框架570上，或者在形成组件530时将阴极575层叠并随后向该位置进行浇铸。在框架570和阴极575的各侧之间还可以包括一对隔板516a，通常用以防止在插入时在活性阴极部分575和阳极结构520之间的电接触。另外设置在阴极支撑框架570上的是阴极集流器517，它电连接到端子518(未示出)。
相邻空气阴极部分575的是空气管理结构576。总的来说，空气管理结构576允许受控的空气流经过空气阴极部分575，正如图11A中的箭头577所示。因此，空气管理结构576应当紧紧地设置或固定在活性阴极部分575之上到框架570。当多个电池组装成电池放电系统502时，相邻于在框架570的相对侧上的空气阴极部分575设置相邻电池的空气管理结构(未示出)。因此，空气管理结构576同时为在支撑框架570中的空气阴极部分575以及在相邻电池中的空气阴极部分提供空气流。
图9C表示典型阳极结构520的分解图。阳极结构520通常包括其中具有金属燃料的框架和在阳极结构520的主表面上的一对隔板(或围绕阳极结构的单个隔板)(未示出)。隔板可以是含有上述薄膜的电解质，隔板可包括电解质源、以及尽量减少或防止枝晶刺穿。
阳极结构520还包括基本上横穿阳极结构顶部的细长端子524，以便与在容器盖中的阴极端子匹配。
作为优选，阳极结构520安装在阴极结构514中，在它们之间保留空间，该空间允许离子导电介质即电解质位于阳极材料和阴极之间，在放电过程中该空间还能够调节由于金属向金属氧化物的转化所引起的阳极体积膨胀。
流体(空气和电解质)管理结构的第二实施例
现在参见图10A-10C，进一步描述流体管理单元540。总的来说，流体管理单元540提供用于使空气流经过阴极结构514的空气管理结构576的结构。此外，流体管理单元可选择性地提供对来自空气管理结构576和/或电解液循环管理结构的过剩电解质的处理。
参见图11A，示出空气管理结构，其中引入空气(例如，借助风扇或吹风机，作为选择，其中CO2由洗涤器去除)，并流过由箭头577表示的流动路径。此外，设置控制阀579，以增加或减少电解质流量。
此外，参见图11B，在框架570自身还提供了电解质管理，类似于上面对框架370的描述。在各电池的底部设置电解质入口568，电解质流过管路569进入含阳极电池的主表面。管路569的长度增加了整个流体的电阻，由此消除了当采用共用电解质存储箱时经常遇到的短路。接近框架内部腔室的顶部设置开口586，提供了通向过流或循环管588的路径。此外，设置控制阀589，通常用以增加或减小电解质流量。
各种材料可用于在此描述的电池框架部件、间隔件或其它支撑结构，这些材料优选对于系统化学品呈惰性。这种材料包括：热固性塑料；热塑性塑料；以及橡胶材料，如聚碳酸酯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚磺酸酯、聚醚磺酸酯、聚芳基醚酮、Viton®(购自EI DuPont de Nemours & Co.，Wilmingtong Delaware)、乙烯丙烯二烯单体、乙烯丙烯橡胶以及包括至少一种上述材料的混合物，但不限于此。
在示出并描述了优选实施例的同时，在没有脱离本发明的实质和范围的条件下可以对其进行各种修改和替代。因此，应理解，已经以示意性而非限制性的方式描述了本发明。

Claims (38)

1.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，包括：
金属燃料阳极；
空气阴极构件，其构造和尺寸能够容纳金属燃料阳极；
第三电极；以及
以与阳极的至少一个主表面离子接触的方式设置的隔板。
2.根据权利要求1的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，进一步包括在燃料阳极和空气阴极之间的间隔件。
3.根据权利要求2的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，所述间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在间隔件的第一侧上，空气阴极设置在间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在阳极和间隔件的第一侧之间。
4.根据权利要求2的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，所述间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在间隔件的第一侧上，空气阴极设置在间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在空气阴极阳极和间隔件的第二侧之间。
5.根据权利要求2的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，进一步包括用于该燃料阳极的框架和顶部，将该顶部构造为允许流体经框架上的至少一个开口流通，并且构造为电连接的通路，该顶部进一步构造为连接到间隔件。
6.根据权利要求5的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中间隔件包括至少一个用于连接顶部的延伸部分。
7.根据权利要求1的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，进一步包括用于该燃料阳极的框架和顶部，将该顶部构造为允许流体经框架上的至少一个开口流通，并且构造为电连接的通路，该顶部进一步构造为连接到间隔件。
8.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，包括：
金属燃料阳极；
包括在该阳极的相对侧上的第一和第二空气阴极的空气阴极构件，该空气阴极构件的构造和尺寸能够容纳金属燃料阳极；
第一和第二个第三电极；以及
各自以与阳极的第一和第二主表面离子接触的方式设置的第一和第二隔板。
9.根据权利要求8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，进一步包括在燃料阳极的第一主表面和第一空气阴极之间的第一间隔件和在燃料阳极的第二主表面和第二空气阴极之间的第二间隔件。
10.根据权利要求9的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，第一间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在第一间隔件的第一侧上，空气阴极设置在第一间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在阳极和第一间隔件的第一侧之间，第二间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在第二间隔件的第一侧，空气阴极设置在第二间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在阳极和第二间隔件的第一侧之间。
11.根据权利要求9的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，第一间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在第一间隔件的第一侧上，空气阴极设置在第一间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在空气阴极和第一间隔件的第二侧之间，第二间隔件包括第一侧和第二侧，其中阳极设置在第二间隔件的第一侧上，空气阴极设置在第二间隔件的第二侧上，此外，其中第三电极设置在空气阴极和第二间隔件的第二侧之间。
12.根据权利要求9的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，进一步包括用于该燃料阳极的框架和顶部，将该顶部构造为允许流体经框架上的至少一个开口流通，并且构造为电连接的通路，该顶部进一步构造为连接到第一和第二间隔件。
13.根据权利要求12的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中第一和第二间隔件各包括至少一个用于连接顶部的延伸部分。
14.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中阳极包括金属材料和金属氧化物材料。
15.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中阳极包括金属材料、金属氧化物材料和离子导电材料。
16.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中隔板包括其中含有电解质的薄膜。
17.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中隔板包括选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸的一种或多种单体的聚合产物。
18.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中隔板包括选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸的一种或多种单体的聚合产物、以及水溶性或水溶胀性聚合物。
19.根据权利要求1或8的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池，其中隔板包括在支撑材料上形成的、选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸的一种或多种单体的聚合产物。
20.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括：
放电电池系统，包括空气阴极构件，该空气阴极构件的构造和尺寸能够容纳具有电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极；和
充电电池系统，包括充电电极结构，该结构适合于容纳需要电能转化以产生或补充电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极。
21.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括：
放电电池系统，包括空气阴极构件，该空气阴极构件的构造和尺寸能够容纳具有电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极，该放电电池系统装在具有盖子的容器中，盖子包括与空气阴极电连接的阴极电接点，盖子的构造和尺寸允许阴极电接点与阳极上的电接点匹配；和
充电电池系统，包括充电电极结构，该结构适合于容纳需要电能转化以产生或补充电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极。
22.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括：
放电电池系统，包括空气阴极构件，该空气阴极构件的构造和尺寸能够容纳具有电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极；和
充电电池系统，包括充电电极结构，该结构适合于容纳需要电能转化以产生或补充电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极，该充电电池系统装在具有盖子的容器中，盖子包括与充电电极电连接的充电电极电接点，盖子的构造和尺寸允许充电电极电接点与阳极上的电接点匹配。
23.一种可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括：
放电电池系统，包括空气阴极构件，该空气阴极构件的构造和尺寸能够容纳具有电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极，该放电电池系统装在具有盖子的容器中，盖子包括与空气阴极电连接的阴极电接点，盖子的构造和尺寸允许阴极电接点与阳极上的电接点匹配；和
充电电池系统，包括充电电极结构，该结构适合于容纳需要电能转化以产生或补充电容量的可更换并且可再充电的金属燃料阳极，该充电电池系统装在具有盖子的容器中，盖子包括与充电电极电连接的充电电极电接点，盖子的构造和尺寸允许充电电极电接点与阳极上的电接点匹配。
24.根据权利要求1、8、20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包括：
通常设计成具有第一表面和第二表面的开口矩形的导电框架结构，其具有从框架结构的一部分伸出的电端子；
至少一个集流器，其具有在框架结构的第一表面上的第一表面部分和在框架结构的第二表面上的第二表面部分；
至少一个金属燃料支撑构件，邻接于集流器第一表面部分和第二表面部分；和
一定量的金属燃料，设置在金属燃料支撑构件上。
25.根据权利要求21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阴极结构包括：
具有第一侧和第二侧的支撑框架；
具有在第一侧上的第一空气阴极部分和在第二侧上的第二空气阴极部分的至少一个空气阴极；和
在至少第一侧上的空气管理部分。
26.根据权利要求21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中充电电极结构包括：
具有第一侧和第二侧的支撑框架；和
具有在第一侧上的第一充电电极部分和在第二侧上的第二充电电极部分的至少一个充电电极。
27.根据权利要求1、8或20的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阴极结构包括：
具有第一侧和第二侧的支撑框架；
具有在第一侧上的第一空气阴极部分和在第二侧上的第二空气阴极部分的至少一个空气阴极；
在至少第一侧上的空气管理部分；和
与空气阴极电连接的阴极电端子。
28.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中将液体电解质通过在空气阴极构件中的入口提供到放电电池系统，另外，其中，空气阴极构件包括过流孔，该过流孔和与空气阴极构件一体化的通道流体连通，该通道与出口流体连通。
29.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括多个空气阴极构件以形成多个放电电池，其中，从共用存储箱通过与各放电电池相连的细长通道和在空气阴极构件的入口提供液体电解质，此外，其中，空气阴极构件包括过流孔，该过流孔和与空气阴极构件一体化的通道流体连通，该通道与出口流体连通以返回到电解质存储箱。
30.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中将液体电解质通过在充电电极结构中的入口提供到充电电池系统，另外，其中，充电电极结构包括过流孔，该过流孔和与充电电极结构一体化的通道流体连通，该通道与出口流体连通。
31.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，包括多个充电电极结构以形成多个充电电池，其中，从共用存储箱通过与各充电电池相连的细长通道和在充电电极结构中的入口提供液体电解质，此外，其中，充电电极结构包括过流孔，该过流孔和与充电电极结构一体化的通道流体连通，该通道与出口流体连通以返回到电解质存储箱。
32.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包封在隔板中。
33.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包封在隔板中，该隔板包括其中含有电解质的薄膜。
34.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包封在隔板中，该隔板包括选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸的一种或多种单体的聚合产物。
35.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包封在隔板中，该隔板包括选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸的一种或多种单体的聚合产物、以及水溶性或水溶胀性聚合物。
36.根据权利要求20、21、22或23的可再充电的并且可加燃料的金属空气电化学电池系统，其中阳极结构包封在隔板中，该隔板包括在支撑材料上形成的、选自水溶性烯键式不饱和酰胺和酸中的一种或多种单体的聚合产物。
37.一种操作金属空气电化学电池的方法，包括：
在包括空气阴极构件的放电电池中对第一可更换并且可再充电的金属燃料构件进行放电，直至可更换金属燃料构件的电化学容量减小；
去除第一可更换并且可再充电的金属燃料构件；
在放电电池中插入第二可更换并且可再充电的金属燃料构件；
在充电电池中对第一可更换并且可再充电的金属燃料构件进行充电。
38.根据权利要求37的方法，进一步包括将第一可更换并且可再充电的金属燃料构件运送至在与放电电池的位置不同的位置处的充电电池。
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