JP2001517861A - 自動参照用としてセル電圧を使用する空気管理制御 - Google Patents

自動参照用としてセル電圧を使用する空気管理制御

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Abstract

(57)【要約】 金属−空気バッテリー用空気管理システム。システムは空気電極を有する少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングを含む。ハウジングには更に少なくとも１個の空気吸入口と、少なくとも１個の空気放出口と、ファンが作動しているときに開口を通して空気を押しやるように位置付けられたファンとを有する。これらの開口は遮蔽されておらず、開口の寸法は、ファンが停止しているときに、開口を通して空気の流れをほぼ無くするような大きさに作られる。また、システムは空気電極の電圧をモニターする電圧検知手段を有するファン制御手段含み、電圧が前もって定められたレベルに達したときファンを操作する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は一般的には電力用のバッテリー（電池）に関し、更に詳しくは、金属
−空気バッテリー用空気管理システムに関する。
【０００２】 （従来の技術） 金属−空気バッテリーセルは空気透過性のカソード（正極）と、アノード（負
極）とが水性の電解液によって分けられている。空気亜鉛バッテリーといった金
属−空気バッテリーの放電中は、外気からの酸素がカソードで水酸化物に変換さ
れ、亜鉛は水酸化物によってアノードで酸化され、水と電子とが放出され、電気
エネルギーが提供される。金属−空気バッテリーは比較的高いエネルギー密度を
有しており、それは金属や金属組成物といった重い物質ではなく、外気からの酸
素をカソードが電気化学反応の反応物質として利用しているためである。金属−
空気バッテリーセルは、十分な電力出力を供給するために共通のハウジング内に
複数セルバッテリーパックとしてしばしば並べ配置されている。
【０００３】 空気カソードへの酸素の安定供給は空気バッテリーを作動させるのに必要不可
欠である。いくつかの従来のシステムでは所定の出力を達成するのに十分な流量
で、空気カソードを通過する新たな外気の連続的な流れを押し流している。この
ような配置はＣｈｅｉｋｙの米国特許第４，９１３，９８３号に示されている。
Ｃｈｅｉｋｙは金属−空気バッテリーセルのパックに所定の外気の流れを供給す
るためにバッテリーハウジング内にファンを用いている。バッテリーが作動する
前は、機械的空気吸入口と空気排出口とは開口しており、ファンはハウジング内
へ、外へそして通過する空気の流れを作るために駆動されている。バッテリーの
作動が完了した後、空気ドアは密閉される。ハウジング内の残りの酸素はそれが
殆ど枯渇するまでアノードへ送られる。セル内に残っている残余の低電力は、次
回バッテリーを使用するときファンが再起動するのに十分な電力である、と開示
されている。
【０００４】 使用中にハウジング内へ十分な量の酸素が押し流されるのを確保する為に、Ｃ
ｈｅｉｋｙは所定の出力要求によるファンの速度を変えるマイクロプロセッサを
有するファン制御手段を開示している。特定の作動のための出力要求が大きいほ
どファンの速度は大きくなり、そしてバッテリーセルを通過する空気の流れも多
くなる。いくつかの所定のファン速度が、負荷のいくつかの所定の出力レベルに
よって開示されている。開示された負荷はコンピュータである。従って、ファン
の速度はコンピュータの種々の機能の出力要求に対して変化する。逆に、負荷が
加えられたとき、多くの他の公知の空気管理システムはファンを連続的に作動す
る。
【０００５】 十分な酸素量の必要性に加えて、もう１つの金属−空気バッテリーに関する関
心事はハウジングを通過する多すぎる酸素や他のガスの流入（admission）ある いは浪費（loss）である。例えば、金属−空気バッテリーの１つの問題は、外気
の湿度レベルがバッテリーをダメにするということである。金属−空気バッテリ
ーの平衡蒸気圧は通常約４５％の平衡相対湿度となる。外気湿度がバッテリーハ
ウジング内の平衡湿度より高いとき、バッテリーはカソードを通して空気から水
分を吸収し、フラディングと呼ばれる状態となりダメになる。フラディングはバ
ッテリーを漏電させるかもしれない。外気湿度がバッテリーハウジング内の平衡
湿度より低い場合は、金属−空気バッテリーは空気カソードを通して電解液から
水蒸気を放出し、乾燥してダメになる。従って、技術者は、バッテリーハウジン
グ内の湿度レベルと異なる外気湿度レベルがバッテリーの内へもしくは外へと水
分の正味の移動を生じることを認識している。これらの問題は特にバッテリーが
使用されていないときに関係する。それは湿気が、長時間に亘ってバッテリーハ
ウジングの内へあるいは外へと浸透する傾向があるからである。
【０００６】 金属−空気バッテリーに関連するもう１つの問題は、外気からバッテリーセル
へ二酸化炭素や汚染物質が運ばれることである。二酸化炭素は水酸化カリウムと
いった電解液を中和する傾向にある。従来、二酸化炭素吸収層が二酸化炭素をト
ラップするために外部のカソード表面に対して取り付けられていた。そのような
システムの例は米国特許第４，０５４，７２５号に示されている。
【０００７】 適切な湿度レベルを有するバッテリーセルを維持し、二酸化炭素を排除するこ
とは、密閉されたバッテリーハウジングに通常要求される。上述のように、Ｃｈ
ｅｉｋｙにより開示されたような先行技術のシステムは、使用する時にバッテリ
ーハウジング内の大きな開口を通して外気を押し流す為にある種のファンを用い
、また使用しない時には空気ドアを密閉していた。しかし、空気ドアがなかった
り、使用しない時に閉まらない場合には、大量の外気がハウジング内へ流れ込む
。この空気の流れは上述したハウジング内での湿度と二酸化炭素の問題を引き起
こす。外気中の酸素もセルを放電させ、それにより、「漏れ」電流とセルの効率
と寿命を下げることに繋がる。
【０００８】 しかし、空気ドアを使用しても、電池を使用しないときに、いくらかの量の酸
素と汚染物質がセル内へ流れ込む傾向がある。従って、ある程度の漏れ電流は避
けられないものである。空気ドアはこの漏れ電流と上記の他の問題に対し制限を
課してはいるが、空気ドアの使用はバッテリーハウジング自体の複雑さを増し、
バッテリー全体の製造コスト及び製造時間を増加させる。機械的空気ドアのもう
１つの欠点は、ドアが必ず開閉されなければならず、従って、バッテリーを使用
するのにいくつかのステップが追加されなければならない、という事実である。
【０００９】 本発明の譲受人は、１９９５年１０月１８日に出願の「拡散制御空気ドア」と
題する出願番号０８／５４４，７０７で現在米国特許第 号、および、１
９９５年１１月１３日に出願の「金属−空気バッテリー用拡散制御空気通気口及
び再循環空気制御」と題する出願番号０８／５５６，６１３の所有者である（証
拠書類Ａとしてここに添付）。これらの参照文献には本出願に用いられるいくつ
かの好ましい金属−空気バッテリーパックが開示されており、これらを本出願に
参照文献として引用する。ハウジング内の空気吸入口及び放出口は、ハウジング
の厚さ方向に対して垂直な方向の幅よりも、ハウジングの厚さ方向の長さが大き
くなっている。開口は遮蔽されておらず、そして、ファンが停止したとき空気吸
入口へ入る空気の流れと空気放出口から出る空気の流れとが実質的になくなるよ
うな寸法に作られている。
【００１０】 開口された空気ドアバッテリーハウジングの使用はバッテリー全体の設計を簡
単にし、バッテリーの使用を簡単にする。事実、これらのバッテリーハウジング
の設計では、金属−空気バッテリーが従来のバッテリー以上に作動する、即ちバ
ッテリーは空気ドアを開くといった何ら追加の動きもせずに与えられた負荷に対
して利用できるようになる。これらの設計での唯一の要求はファン又は他の空気
移動装置がセルに対して酸素の十分な流れを提供するために作動しなければない
ということである。
【００１１】 従って、これらの開口された空気ドア設計は従来のバッテリーとして機能する
金属−空気バッテリーの完成に近いが、金属−空気バッテリーの技術では多分に
自己調整することが必要である。このような金属−空気バッテリーは、機械的空
気ドアやファンのための別個のスイッチを必要とせずに、効率の良い方法で負荷
を変化させることと、作動していない期間を延長することとの両者を両立するこ
とができるであろう。しかし、機械的空気ドアがなくても、過剰な漏れ電流、フ
ラディング、乾燥あるいは環境汚染物質の過度な吸収を導くことにはならない。
【００１２】 つまり、所望の金属−空気バッテリーは、ユーザーが行う必要があるすべての
ことが負荷を取付けそして作動させることである、従来のバッテリーと同一な方
法で用いられるであろう。バッテリー自体は個別の活性化操作は必要ない。更に
、そのようなバッテリーはエネルギー効率がよく、静かな空気管理システムであ
る。
【００１３】 （発明の概要） 本発明は金属−空気バッテリー用の空気管理システムを提供する。システムは
、空気電極を有する少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングを含む。
ハウジングは、更に少なくとも１個の空気吸入口と、少なくとも１個の空気放出
口と、ファンが作動しているときに開口を通して空気を押しやるように位置付け
られたファンとを有する。これらの開口は遮蔽されておらず、開口の寸法は、フ
ァンが停止しているときに開口を通して空気の流れが殆どないように作られる。
また、システムは、空気電極の電圧を監視し、所定の電圧レベルに達したときフ
ァンを作動させるための電圧検知手段を有するファン制御手段を含んでいる。
【００１４】 ファン制御手段は、金属−空気セルの電圧が予め定められた電圧以下あるいは
等しくなったときにファンを作動させる。ファン制御手段はファンが作動する前
に、金属−空気セルに負荷があるか否かの第１の決定をする。同様に、ファン制
御手段はセルの電圧が予め定められた第２の電圧以上あるいは等しくなったとき
にファンを停止させる。ファン制御手段、金属−空気セル及びファンは回路を形
成している。電圧検知手段は電圧モニタ手段を含む。
【００１５】 本発明の特定の実施例では５個の金属−空気セルを有する６Ｖの金属−空気バ
ッテリーを含んでいる。そのようなバッテリーは取り出し値（drain rate）約０
．５Ｗで約２３０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有するとともに、取り出し値
約１．０Ｗで約２２０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する。ファンを起動す
る前もって定められた電圧は１個のセルあたり約１．０Ｖであり、ファンを停止
する前もって定められた第２の電圧は１個のセルあたり約１．１Ｖである。セル
の電圧が１個のセルあたり約１．０Ｖ以下あるいは等しいとき、電圧モニタはフ
ァンを作動させる。同様に、セルの電圧が１個のセルあたり約１．１Ｖ以上ある
いは等しいとき、電圧モニタはファンを停止させる。
【００１６】 本発明の方法は、ハウジング内に空気電極を有する少なくとも１個の金属−空
気セルを閉じ込める工程を含む。ハウジングは、ファンと、少なくとも１個の遮
蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気放出口と
を有する。更に、この方法は金属−空気セルの電圧が予め定められた電圧以下あ
るいは等しいとき、ハウジングを通過して空気を循環させるようにファンを作動
させ、金属−空気セルの電圧が予め定められた第２の電圧以上あるいは等しいと
き、ファンを停止させる。方法は、更に空気電極の電圧が予め定められた電圧以
下あるいは等しいとき、前記ファンを作動させる前に前記バッテリーに負荷があ
るか否かを決定することを含む。
【００１７】 従って、本発明の目的は、改良された金属−空気バッテリー用の空気管理シス
テムを提供することである。
【００１８】 本発明のもう１つの目的は、金属−空気バッテリー用の自己調整空気管理シス
テムを提供することである。
【００１９】 更に本発明の目的は、機械的空気ドアを有さない金属−空気バッテリー用の空
気管理システムを提供することである。
【００２０】 また、更に本発明の目的は、自動ファンを有する金属−空気バッテリー用の空
気管理システムを提供することである。
【００２１】 また、更に本発明の目的は、金属−空気バッテリー用の効率的な空気管理シス
テムを提供することである。
【００２２】 また、更に本発明の目的は、長期の保管寿命を有する金属−空気バッテリー用
の空気管理システムを提供することである。
【００２３】 また、更に本発明の目的は、金属−空気バッテリー用の静かな空気管理システ
ムを提供することである。
【００２４】 本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面と添付した請求の範囲とを関連させ
たとき、以下の発明の好ましい実施形態の記載から明らかとなるであろう。
【００２５】 （詳細な説明） 詳細について図面を参照すると、そこでは図面の全体に亘って同様の参照番号
は同様の部品に言及しているが、図１〜図４は本発明を具体化した金属−空気バ
ッテリー１０を示している。金属−空気バッテリー１０は、参照文献として引用
し、共有している、Ｓｉｅｍｉｎｓｋｉらの米国特許第５，６４１，５８８号、
Ｐｅｄｉｃｉｎｉらの米国特許第５，３５６，７２９号、米国特許出願番号０８
／５４４，７０７号、米国特許出願番号０８／５５６，６１３号に開示されたも
のや、あるいは、他の公知の空気バッテリーの構成と同様のものであっても良い
。
【００２６】 金属−空気バッテリー１０は、ハウジング２０内に囲まれた複数の金属−空気
セル１５を含む。ハウジング２０は、複数の換気開口２５を除いて外気からセル
１５を隔離している。図１及び図２に示す実施例において、単一の空気吸入口３
０と単一の空気放出口３５が用いられている。開口２５の数は、各々の開口２５
の形状と関連する開口２５の全体的な大きさほど重要ではない。
【００２７】 ハウジング２０そのものは、従来のほぼ密閉した構造の形式の何れでも良い。
ハウジング２０内のセル１５の数はバッテリー１０の要求される負荷の性質によ
る。本発明は、ハウジング２０内のセル１５の形状あるいはハウジング２０内の
セルの数には関係しない。従って、図１及び図２は、金属−空気バッテリーハウ
ジング２０の破断図を示し、本発明の必須の構成要素のみ、即ち、ハウジング２
０、１個以上のセル１５、空気穴２５を示す。図１及び図２には２個のセル１５
のみが示されているが、セル１５の数や形状はバッテリー１０の要求電力に依存
することは言うまでもない。
【００２８】 循環ファン４０は、ハウジング２０の内外に空気の流れを対流させ、ハウジン
グ２０内でガスを循環させ且つ混合させるために設けられている。図１に示す矢
印は、セル１５へ反応する空気を供給するためにハウジング２０内へ、外へ、あ
るいはその内部でのガスの標準的な循環を表わしている。ファン４０の能力もハ
ウジング２０の大きさとバッテリー１０の出力要求に依存している。ここで用い
られる「ファン」４０という用語は、ポンプを含む空気を動かすどのような装置
であってもよいことを意図している。
【００２９】 ファン４０は開口２５の１つと連通するようにハウジング２０内部あるいはハ
ウジングに隣接して配置することができる。ファン４０がハウジング２０内部に
配置されている場合、換気開口２５は、吸入口３０と排出口３５とがファン４０
に対して対向するような位置に位置付けられる。ファン４０と開口２５とをハウ
ジング２０内に位置決めするための唯一の要求は、ハウジング２０の中へ、外へ
あるいはハウジングを通して対流する空気流を作るために互いに十分に近接させ
ることである。ファン４０は従来の方法でハウジング内部にあるいは隣接して取
り付けることができる。ファン４０は通常、ガスケット４１又は、ファン４０の
高圧側と低圧側とを互いに隔離することができる従来の他の手段を用いて取り付
けられ、シールされている。
【００３０】 図２に示すように、ハウジング２０内部の複数のセル１５は、通常反応する空
気が充満した空間５０がセル１５の下方に位置するように配置される。空気充満
空間５０は空気充満空間入り口５５、空気通路６０、及び空気充満空間出口６５
を定める。ファン４０は、ハウジング２０を通過する空気の流れを効率的にする
ため、通常、空気充満空間入り口５５と空気充満空間出口６５との間で、しかも
空気充満空間入り口５５と空気充満空間出口６５とを分けるように位置付けられ
る。空気充満空間設計の例としては、上記の共有する参考文献に示されている。
上述のように、本発明は特定の空気充満空間設計には依存しない。
【００３１】 図３に示すように、複数の換気開口２５は好ましくは、それらの長さ２６、即
ちハウジング２０の厚さ方向を貫通する方向、がそれらの幅２７、即ちハウジン
グ２０の厚さ方向に対して垂直な方向より大きくなるような寸法で作られる。換
気開口２５の長さ２６と幅２７間との比が十分大きなものを用いることによって
、開口２５を通過する、ファン４０の助けなしでの空気の拡散を十分に取り除け
ることが分かった。「十分に取り除く」ことによって、これは、開口２５を通過
する酸素又は汚染物質の拡散速度が非常に小さくなるので、湿気の移動又は放出
電流が十分に小さく、バッテリー１０の効率や寿命に目に見えるほどの影響が殆
どない、ということを意味している。つまり、ファン４０が停止しているとき、
開口２５はそれを通してガスが拡散するのを阻むために十分に長くかつ狭くなっ
ている。
【００３２】 長さ２６と幅２７との間に要求される比率は、少なくとも約２対１である。こ
れらの比は、ファン４０が作動しているときに開口２５を通過する対流空気の流
れを許すと同時にファン４０が停止しているときに開口２５を通過する認めうる
拡散を抑制するのに十分なものである。長さ２６と幅２７間との比が大きなもの
を用いることが好ましい。バッテリー１０の性質により、この比率は２００対１
以上にできる。
【００３３】 使用に際しては、ファン４０が作動されたときにファン４０の吸い込みによっ
て空気吸入口３０へ外気が引き込まれる。次いで、図１の矢印４５で示されてい
るように、空気はファン４０を通過して空気充満空間５０へ引き込まれる。空気
は、空気充満空間入り口５５を通過して空気充満空間５０へ入り、通路６０を通
って移動し、セル１５用の反応する空気の流れを与え、空気充満空間出口６５を
介して外へ出る。次いで、空気は再びファン４０へ引き込まれ、空気はここで新
鮮な外気が入ってきたときには混合されるか、あるいは出口３５を介してハウジ
ング２０の外へ押し出される。ファン４０が停止したとき、開口２５を通過する
空気の拡散速度は、機械的空気ドアが必要としないような許容できるレベルに減
少する。
【００３４】 図１及び図４に示すように、本発明は電圧モニタ１００を含み、セル１５全体
にわたる電圧又は他の電気特性の決定し、ファン４０の作動の制御を行う。電圧
モニタ１００は、ハウジング２０の内部あるいはそれに隣接して都合の良い位置
に位置付けることができる。好ましい電圧モニタ１００は、Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔ
ｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓで販売されている商標ＭＡＸ８２１１とＭＡ
Ｘ８２１２といったプログラム制御できる電圧検出装置あるいは電圧感知装置で
ある。ファンの所望の作動に従い、電圧モニター１００は単純な「オン／オフ」
スイッチ用アナログ回路とすることができ、あるいはより複雑なアルゴリズム用
にマイクロプロセッサ（図示せず）を組み込むことができる。図１及び４の電圧
モニタ１００はアナログ回路である。
【００３５】 電圧モニタ１００はセル１５の空気電極１５０全体の電圧を決定する。空気電
極１５０は図４では想像線で示されている。各々のセル１５の空気電極１５０内
の亜鉛電位は比較的安定しており、空気電極１５０はセル１５内の残余酸素を検
知するのに用いられる。ハウジング２０内部の酸素は消耗されるので、各々の空
気電極１５０全体の電圧は降下する。一方、ハウジング２０内への酸素の流れが
増加するにつれて、空気電極１５０の電圧は上昇する。
【００３６】 好ましい空気電極１５０は、共有する米国特許第５，５６９，５５１号及び米
国特許第５，６３９，５６８号に開示されており、それらは参考文献として本出
願に引用される。米国特許第５，６３９，５６８号は双空気電極の金属−空気セ
ルに使用するスプリット型アノードが開示されている。亜鉛−空気バッテリーの
使用の発明が開示されているが、この発明は金属−空気バッテリーセルの他の型
にも応用できることはいうまでもない。
【００３７】 図４に示されているように、電圧モニタ１００はカソード・タブ１３０とアノ
ード・タブ１４０を介して電圧モニタ回路１０５内でセル１５に接続されている
。電圧モニタ回路１０５はファン４０も含む。ハウジング２０内部の全てのセル
１５はこの回路１０５に接続されている。セル１５の電圧は連続的にモニターさ
れ、前もって定められた電圧Ｖｐ１より下がらないようしている。電圧がＶｐ１ に下がったとき、ファン４０は作動し、次いで電圧が前もって定められた第２の
電圧Ｖｐ２に上昇するまで連続的に動かされる。その後、ファン４０は停止し、
電圧が再びＶｐ１に下がるまで停止した状態を維持する。前もって定められた電
圧Ｖｐ１及びＶｐ２は電圧モニタ１００内でプログラム制御可能な値である。
【００３８】 ファン４０の作動は図５に示されている。アルゴリズムは前もって定められた
値を有する「オン／オフ」タイプである。ステップ２０１に示すように、電圧モ
ニタ１００は空気電極１５０の電圧を測定する。ステップ２０２において、電圧
モニタ１００は電圧がＶｐ１以下あるいはそれと等しいか否かを決定する。もし
そうなら、ステップ２０３で電圧モニタ１００はファン４０を作動する。もしそ
うでなかったなら、ステップ２０４で電圧モニタ１００は電圧がＶｐ２以上ある
いはそれと等しいか否かを決定する。もしそうなら、ステップ２０５で電圧モニ
タ１００はファン４０を停止する。もしそうでなかったなら、電圧モニタ１００
はステップ２０１に戻る。このアルゴリズムを、バッテリー１０に負荷が存在す
るか否かをチェックする第１の追加ステップを加えるように改良してもよい。も
しそうなら、電圧モニタ１００は上述のようにステップ２０１に進む。もしそう
でなかったなら、ファン４０は停止状態を維持する。
【００３９】 その代わりに、ファン４０の速度を全体としてあるいは他の電気的パラメータ
ーとしてバッテリー１０の放出値に従って変更してもよい。言いかえれば、電圧
モニタ１００をこの技術の当業者に公知の従来の他のタイプの電気的センサーに
交換することもできる。たとえば、従来の電流センサ、即ちセンスレジスター（
sense resistor）が使用できる。このモニタ１００は取り出す電流の関数として
速度可変ファン４０の速度を設定できる。図５のアルゴリズムに変えて、回路１
０５は、決定された取り出し電流とファン４０用の電圧入力値とを比較する索引
テーブルを有する従来のマイクロプロセッサを含んでもよい。ファン４０の入力
電圧と速度は所定の出力取り出し電流を変化させる。本実施例の構成要素の物理
的配置は上記の配置と同一である。
【００４０】 本発明の動作は６Ｖバッテリー１０を用いた実施例で示される。そのようなバ
ッテリー１０は５個の金属−空気セル１５を有し、各々のセル１５は約１〜４Ａ
で約１．２Ｖあるいはこれより僅かに高い電圧を有する。アップコンバータ（図
示せず）も使用される。ハウジング２０は長さ２６と幅２７の比が約４対１の開
口２５を有する。ファン４０が作動している時のハウジングを通過するガスの流
量は、出力電流が約１Ａの場合に１分間当たり１５〜３０立方インチである。フ
ァン４０が停止したとき、ガス流量は、漏れ電流が１ｍＡ未満の状態で、１分間
当たり約０〜約０．０３立方インチあるいはそれ以下に減少する。ファン４０が
作動した状態での取り出し電流密度の、ファン４０が停止した状態での取り出し
電流密度に対する比は、効率的なバッテリー１０で少なくとも１００対１と予測
される。上記した、各々の寸法、容量、密度、流速及び他の要素はバッテリー１
０の全体の寸法及び要求される出力に依存することは言うまでもない。
【００４１】 第１の予め定められた電圧Ｖｐ１は、セル１５当たり約１．０Ｖ以下あるいは
バッテリー１０全体として約５．０Ｖ以下にすべきではない。電圧モニタ１００
がバッテリー１０の電圧がセル１５当たり約１．０Ｖあるいはバッテリー１０全
体で約５．０Ｖに達したと判断したとき、ファン４０が作動する。ファン４０は
それからバッテリー１０の電圧がセル１５当たり約１．１Ｖあるいはバッテリー
１０全体で約５．５Ｖに達するまでその状態を継続する。ファン４０は、電圧が
セル１５当たり約１．０Ｖあるいはバッテリー１０全体として約５．０Ｖに再度
達するまで停止状態を維持する。
【００４２】 上述のように与えられた取り出し値を想定した場合、本実施例の６Ｖバッテリ
ー１０では、未使用の期間中に、セル１５当たり約１．１Ｖからセル１５当たり
約１．０Ｖに下降してファン４０が駆動されるのは、約１ヶ月となる。バッテリ
ー１０の保管寿命は少なくとも数年である。バッテリー１０はファン４０を起動
することによるか、あるいは機械的空気ドアを開けることによるといった別個の
活性化操作を必要とすることなく、すぐに使用できるよう準備ができている。む
しろ、バッテリー４０はいつでも使用できる準備ができている。バッテリー１０
に負荷を与えて起動すると、セル１５の電圧がハウジング２０内の酸素を消耗し
ながら低下する。この電圧降下は、適量の酸素がハウジング２０内に導入されて
適切な電圧に回復するまでファン４０を駆動させる。
【００４３】 本発明の自己調整することに加えて、本発明はエネルギー効率的な空気管理シ
ステムも提供する。バッテリー１０の全体としての効率は、ファン４０の作動が
最小になると、上昇する。図６は、種々の取り出し値において、本発明のエネル
ギー対負荷の比３００を、ファンを有さないバッテリーのエネルギー対負荷の比
３１０および連続的に作動するファンでのエネルギー対負荷の比３２０と比較し
たものである。上述のように、殆どの空気管理システムでは、ファンを連続的に
作動させるか、あるいはＣｈｅｉｋｙに開示されているように速度可変ファンを
用いている。図６に示すように、本発明は、ファンを有さない空気管理システム
の９０％の効率を有している。
【００４４】 例えば、本発明の６Ｖバッテリーのエネルギー対負荷の比３００は約２３５Ｗ
ｈであり、ファンを有さない空気管理システムのエネルギー対負荷の比３１０は
約２５０Ｗｈである。連続的に作動しているファンを有する空気管理システムの
エネルギー対負荷の比３２０は約１３５Ｗｈにすぎない。従って、本発明の律動
的なファンの作動は、連続して作動するファンと比較して、ほぼ１００Ｗｈの改
善を示す。この改善は取り出し値が約５Ｗに達するまで維持される。この時点に
おいて、本発明のファン４０は基本的には連続的に作動する。
【００４５】 これらの効率性はＣｈｅｉｋｙの速度可変ファンでも可能であると思われるが
、本発明ではＣｈｅｉｋｙに開示されているような複雑な、負荷特異的なアルゴ
リズムよりはむしろ単純なオン／オフ・スイッチを使用している。言いかえれば
、Ｃｈｅｉｋｙは各々の異なったタイプの負荷に対して特定のアルゴリズムが必
要である。しかしながら、本発明は、ほぼあらゆるタイプの電気装置の電力を提
供するのに利用できる。
【００４６】 つまり、ここで述べたファン４０の律動的動きによって、種々の目標が達成さ
れる。
【００４７】 １．バッテリー１０の寿命は環境的な暴露という見地から最大となる。言いか
えれば、予め定められた電圧を維持するのに必要であるのに十分量なのみの酸素
がハウジング２０内へ入るようにしている。
【００４８】 ２．ファン４０の電力消費は、バッテリー１０全体として消費される電力の割
合として、最小にされる。例えば、低い取り出し値では５０％の使用率だけが要
求されていても良い。このことはバッテリー１０全体で消費される総エネルギー
を減少させる。
【００４９】 ３．ファン４０は使用率内で作動するので、バッテリー１０全体は連続的に作
動するファン４０を有するバッテリー１０より静かである。
【００５０】 本発明は、機械的空気ドアあるいはファンスイッチを必要とせずに比較的長い
保管寿命を有するバッテリー１０を提供することができる。本発明は、自動的に
駆動されるているというものよりは、非常用装置の電源として機能できる。それ
は分離した駆動ステップを必要としないからである。更に重要なことは、本発明
はファン４０を作動と、ファン４０に関連するエネルギーの取り出し量とを最小
にする効率的な空気管理システムを提供することである。
【００５１】 上記は本発明の好ましい実施例のみに関するものであり、以下の請求項に規定
されているような発明の意図及び視野から離れずに多数の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化するバッテリーハウジングの切り取り平面図であり、セル、フ
ァン及び空気穴の位置をハウジングに対する空気の流れの方向と組み合わせて示
している。
【図２】 図１の２−２線に沿って切断した縦断面図である。
【図３】 空気穴の絵画的線図である。
【図４】 電圧検知回路の概略図である。
【図５】 検知電圧に基くファン作動のフローチャートである。
【図６】 いくつかのファンを選択した、６Ｖバッテリーの空気管理システムの電力消費
を比較した図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年３月２４日（２０００．３．２４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】 本発明の譲受人は、「拡散制御空気ドア」と題する米国特許第５，６９１，０
７４号および１９９５年１１月１３日に出願の「金属−空気バッテリー用拡散制
御空気通気口及び再循環空気制御」と題する米国特許５，９１９，５８２号の所
有者でもある。これらの参照文献には本出願に用いられるいくつかの好ましい金
属−空気バッテリーパックが開示されている。ハウジング内の空気吸入口及び放
出口は、ハウジングの厚さ方向に対して垂直な方向の幅よりも、ハウジングの厚
さ方向の長さが大きくなっている。開口は遮蔽されておらず、そして、ファンが
停止したとき空気吸入口へ入る空気の流れと空気放出口から出る空気の流れとが
実質的になくなるような寸法に作られている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】 （詳細な説明） 詳細について図面を参照すると、そこでは図面の全体に亘って同様の参照番号
は同様の部品に言及しているが、図１〜図４は本発明を具体化した金属−空気バ
ッテリー１０を示している。金属−空気バッテリー１０は、参照文献として引用
し、共有している、Ｓｉｅｍｉｎｓｋｉらの米国特許第５，６４１，５８８号、
Ｐｅｄｉｃｉｎｉらの米国特許第５，３５６，７２９号、米国特許第５，６９１
，０７４号、米国特許第５，９１９，５８２号に開示されたものや、あるいは、
他の公知の空気バッテリーの構成と同様のものであっても良い。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３６】 好ましい空気電極１５０は、共有する米国特許第５，５６９，５５１号及び米
国特許第５，６３９，５６８号に開示されている。米国特許第５，６３９，５６
８号は双空気電極の金属−空気セルに使用するスプリット型アノードが開示され
ている。亜鉛−空気バッテリーの使用の発明が開示されているが、この発明は金
属−空気バッテリーセルの他の型にも応用できることはいうまでもない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４０】 本発明の動作は６Ｖバッテリー１０を用いた実施例で示される。そのようなバ
ッテリー１０は５個の金属−空気セル１５を有し、各々のセル１５は約１〜４Ａ
で約１．２Ｖあるいはこれより僅かに高い電圧を有する。アップコンバータ（図
示せず）も使用される。ハウジング２０は長さ２６と幅２７の比が約４対１の開
口２５を有する。ファン４０が作動している時のハウジングを通過するガスの流
量は、出力電流が約１Ａの場合に１分間当たり約２４５．８〜４９１．６立方セ
ンチメーターである。ファン４０が停止したとき、ガス流量は、漏れ電流が１ｍ
Ａ未満の状態で、１分間当たり約０〜約０．４９立方センチメーターあるいはそ
れ以下に減少する。ファン４０が作動した状態での取り出し電流密度の、ファン
４０が停止した状態での取り出し電流密度に対する比は、効率的なバッテリー１
０で少なくとも１００対１と予測される。上記した、各々の寸法、容量、密度、
流速及び他の要素はバッテリー１０の全体の寸法及び要求される出力に依存する
ことは言うまでもない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】削除
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレイ、 ゲイリー イー. アメリカ合衆国 30064 ジョージア州 マリエッタ ポロ クラブ ドライブ 1063 Ｆターム(参考） 5H025 AA05 BB00 CC10 CC28 CC33 MM06 5H032 AA01 AS01 CC01 CC23 HH05 HH08

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１個の金属−空気セルを囲むハウジングと、 前記少なくとも１個の金属−空気セルには空気電極を有し、 前記ハウジングには少なくとも１個の空気吸入口と少なくとも１個の空気放出
    口とを有し、 ファンが作動しているときに、前記空気を前記空気吸入口へ押し込むとともに
    前記空気放出口の外へ押しやるように位置付けられた前記ファンと、 前記開口は遮蔽されておらず、前記開口の寸法は、前記ファンが停止している
    ときに前記少なくとも１個の空気吸入口への前記空気の流れと、前記少なくとも
    １個の空気放出口からの前記空気の流れとをほぼ無くすような大きさで、 前記空気電極の電圧をモニターする電圧検知手段を含むファン制御手段と、 を有する金属−空気バッテリー用空気管理システムであって、 前記ファンの作動が前記ファン制御手段に対応している、金属−空気バッテリ
    ー用空気管理システム。
  2. 【請求項２】 前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もっ
    て定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記
    ファンを作動させる請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム
    。
  3. 【請求項３】 前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前もっ
    て定められた電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前記
    ファンを停止させる請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム
    。
  4. 【請求項４】 前記電圧検知手段は電圧モニタを含む請求項１に記載の金属
    −空気バッテリー用空気管理システム。
  5. 【請求項５】 前記空気電極は亜鉛アノードを含む請求項１に記載の金属−
    空気バッテリー用空気管理システム。
  6. 【請求項６】前記少なくとも１個の金属−空気セル、前記ファン及び前記フ
    ァン制御手段は回路を形成している請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空
    気管理システム。
  7. 【請求項７】 前記金属−空気バッテリーは５個の金属−空気セルを有する
    ６Ｖバッテリーを含む請求項１に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システ
    ム。
  8. 【請求項８】 前記金属−空気バッテリーは取り出し値が約０．５Ｗにおい
    て約２３０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する請求項７に記載の金属−空気
    バッテリー用空気管理システム。
  9. 【請求項９】 前記金属−空気バッテリーは取り出し値が約１．０Ｗにおい
    て約２２０Ｗ／ｈの定格負荷のエネルギーを有する請求項７に記載の金属−空気
    バッテリー用空気管理システム。
  10. 【請求項１０】 前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前も
    って定められた電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手段が前
    記ファンを作動させ、前記電圧検知手段で測定された前記空気電極の電圧が前も
    って定められた第２の電圧以上であるかあるいは等しいとき、前記ファン制御手
    段が前記ファンを停止させる、請求項７に記載の金属−空気バッテリー用空気管
    理システム。
  11. 【請求項１１】 前記前もって定めあれた電圧が１個のセルに対して約１．
    ０Ｖである請求項１０に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム。
  12. 【請求項１２】 前記前もって定められた第２の電圧が１個のセルに対して
    約１．１Ｖである請求項１０に記載の金属−空気バッテリー用空気管理システム
    。
  13. 【請求項１３】 バッテリーハウジングと、 前記ハウジング内の少なくとも１個の金属−空気セルと、 前記金属−空気セルには空気電極を有し、 前記ハウジング内に位置付けられるファンと、 前記ハウジングには、ファンが作動しているときに酸素が入ることを許容し、
    前記ファンが停止しているときにガスの移動がほぼ妨げられるような寸法で作ら
    れた少なくとも１個の空気引き込み口を有し、 前記ハウジングには、ファンが作動しているときにガスが出ることを許容し、
    前記ファンが停止しているときにガスの移動がほぼ妨げられるような寸法で作ら
    れた少なくとも１個の空気放出口を有し、 前記ファンと、前記少なくとも１個の金属−空気セルと、前記金属−空気セル
    の電圧を決定する電圧モニタとを含む電圧検知回路であって、前記電圧モニタが
    前記金属−空気セルの電圧の指示に応答して前記ファンを作動させる前記電圧検
    知回路と、 を含む金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
  14. 【請求項１４】 前記電圧モニタは負荷が前記金属−空気バッテリーに与え
    られているか否かを決定する、請求項１３に記載の金属−空気バッテリー用自己
    調整空気管理システム。
  15. 【請求項１５】 前記負荷が前記金属−空気バッテリーに与えられていると
    前記電圧モニタが決定した後で、前記金属−空気セルの電圧が前もって定められ
    た電圧以下であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを作動さ
    せる請求項１４に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
  16. 【請求項１６】 前記金属−空気セルの電圧が前もって定められた電圧以下
    であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを作動させる請求項
    １３に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
  17. 【請求項１７】 前記金属−空気セルの電圧が前もって定められた第２の電
    圧以上であるかあるいは等しいとき、前記電圧モニタが前記ファンを停止させる
    請求項１３に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気管理システム。
  18. 【請求項１８】 前記金属−空気セルの電圧が、再び、前記前もって定めら
    れた電圧以下になるかあるいは等しくなるまで、前記電圧モニタが前記ファンを
    停止させたままにする請求項１７に記載の金属−空気バッテリー用自己調整空気
    管理システム。
  19. 【請求項１９】 ハウジング内の少なくとも１個の金属−空気セルと、前記
    少なくとも１個の金属−空気セルには空気電極を有し、前記ハウジングの内部に
    含まれるファン、少なくとも１個の遮蔽されていない空気吸入口、および、少な
    くとも１個の遮蔽されていない空気放出口を有する前記ハウジングとを確定する
    工程と、 前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいと
    き、前記ハウジングを通して空気を循環させるようにする前記ファンを作動させ
    る工程と、 前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等
    しいとき、前記ファンを停止させる工程と、 を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する方法。
  20. 【請求項２０】 前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下である
    か等しいとき、前記ファンを作動させる前に、前記バッテリーに負荷があるか否
    かを決定するステップを、更に含む請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 ハウジングと、 前記ハウジングには、前記ハウジングの内部に含まれるファンと、少なくとも
    １個の遮蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気
    放出口とを有し、 前記ハウジング内に閉じ込められた少なくとも１個の金属−空気セルと、 前記少なくとも１個の金属−空気セルには、空気電極を有し、 前記空気電極の電圧が前もって定められた電圧以下であるかあるいは等しいと
    き、前記ハウジングを通して空気が循環するように前記ファンを作動させる手段
    と、 前記空気電極の電圧が前もって定められた第２の電圧以上であるかあるいは等
    しいとき、前記ファンを停止させる手段と、 を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する装置。
  22. 【請求項２２】 ハウジングと、 前記ハウジングには、前記ハウジングの内部に含まれるファンと、少なくとも
    １個の遮蔽されていない空気吸入口と、少なくとも１個の遮蔽されていない空気
    放出口とを有し、 前記ハウジング内に閉じ込められた少なくとも１個の金属−空気セルと、 前記バッテリーの取り出し電流を決定する手段と、 前記取り出し電流の前記決定に対応して前記ファンの速度を制御する手段と、 を含む金属−空気バッテリー内の空気の流れを制御する装置。
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