JP2003515889A - 金属／空気燃料電池、バッテリー、又は金属再生装置において、樹枝状結晶の形成を抑制するシステム及び方法 - Google Patents

金属／空気燃料電池、バッテリー、又は金属再生装置において、樹枝状結晶の形成を抑制するシステム及び方法

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Abstract

(57)【要約】 燃料電池、バッテリー、もしくは金属再生システムにおける樹枝状結晶の形成を阻害するためのシステムと方法が開示されている。電解液は一般的に、インプットとアウトプットマニフォールド装置を使って、継続的に電池内に注入される。そして、そのマニフォールドは、スタックに含まれる電池の数と同数の複数のチャンネルを持つ。そのシステムと方法は一以上の樹枝状結晶排除領域を与え、樹枝状結晶の形成を排除する。その樹枝状結晶排除領域はそれぞれの電池もしくはそれぞれのマニフォールド内に作られ、樹枝状結晶と関連する電気化学的反応が起こるのを阻害する。樹枝状結晶排除領域は、その領域に亜鉛のような金属負極が実質的に存在せず、かつ、その領域、もしくは、その領域に隣接する領域に、電池の正極が実質的に存在することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の属する技術分野） この発明は、燃料電池、バッテリー、もしくは、金属再生装置において、樹枝
状結晶が形成されることによって起こる短絡を排除するシステムと方法に関する
。
【０００２】 （従来の技術） 今日存在する従来の電源に対する、より有望な代替物の一つに、金属／空気燃
料電池が挙げられる。これらの燃料電池は、変換効率が良く、環境的に安全で、
完全に再生可能であるため、強力な潜在能力を持っているといえる。金属／空気
燃料電池は、静止したものにも応用しうるし、動いているものにも応用しうる。
そして、金属／空気燃料電池は、とりわけあらゆるタイプの電気自動車における
使用に適している。
【０００３】 金属／空気燃料電池やバッテリーは、空気中の酸素と金属を電気化学的に反応
させることによって、電気を生み出す。使用可能な金属として、亜鉛、鉄、リチ
ウム、アルミニウムが挙げられる。純粋な酸素や臭素、過酸化水素のような、空
気以外の酸化剤も使うことができる。亜鉛／空気燃料電池もバッテリーも同様の
電気化学的プロセスによって電気を生み出す。しかし、亜鉛／空気燃料電池は一
次電池と違って廃棄されることはない。それらは、二次電池と違ってゆっくりと
再充電されることもない。また、「機械的に再充電される」バッテリーのように
は再生されない。亜鉛／空気燃料電池は、必要な時に亜鉛を添加することで、一
、二分で補給することができる。その上、電気を発生させるのに使われる亜鉛は
、完全に回復可能で再利用可能である。
【０００４】 より高い比エネルギーが必要とされる場合、および／または、急速な再充電が
望まれる場合において、亜鉛／空気燃料電池は、鉛―酸バッテリーに取って代わ
ることが期待される。その上、排出物が全くなく、動作が静かで、および／また
は、保守費用がより安いことが重要である場合において、亜鉛／空気燃料電池は
内部燃焼エンジンに取って代わることが期待される。
【０００５】 ある実施形態においては、亜鉛の「燃料」は粒子の形で供給される。亜鉛は消
費され、負荷に対して駆動する電子を放出する（電気化学的プロセスの酸化反応
の部分）。また、大気中の酸素が負荷から入ってきた電子を受け取る（還元反応
の部分）。全体の化学反応によって、無毒な白色の粉末である酸化亜鉛が生成さ
れる。亜鉛の全部または一部が消費され、酸化亜鉛に変換された時、反応生成物
を取り除き、さらに、新しい亜鉛粒子や電解液を加えることによって、燃料電池
に、燃料補給することができる。
【０００６】 酸化亜鉛の生成物は一般的に、電気分解を使った再生装置であって、分離独立
した再生装置の中で亜鉛粒子と酸素に加工処理される。全プロセスは閉じたサイ
クルであって、亜鉛と酸素はそのサイクルの中を無期限に循環する。
【０００７】 総体的に言えば、亜鉛／空気燃料電池システムは２つの主要なコンポーネント
を含む。つまり、それは、燃料電池そのものと亜鉛再生装置である。再生装置は
一般的に固定して用いられ、燃料電池に亜鉛粒子を供給し、酸化亜鉛を取り除き
、酸化亜鉛を燃料としての亜鉛金属粒子に変換する役目を果たす。金属再生装置
は、他の目的のために亜鉛、銅、もしくは他の金属を、溶液から再生するために
用いても良い。
【０００８】 亜鉛／空気燃料電池技術が、鉛−酸バッテリーのような再充電可能なバッテリ
ーより優れた利点は無数にある。これらの利点には、比エネルギーがとても高く
、エネルギー密度が高く、および、エネルギー密度と出力密度を分離できること
等がある。さらに、これらのシステムによって、燃料補給をその場で急速に行う
ことができ、それには標準電源さえあれば良い。さらに、これらのシステムによ
って、潜在的な寿命はより長くなり、常時エネルギーを保存する正確で信頼性の
ある、有用な方法が与えられる。
【０００９】 内部燃焼エンジンより優れた利点は、排出物がなく、動作が静かで、保守費用
が安く、比エネルギーがより高いことである。積載容量を増加させ、および／ま
たは、パフォーマンスを高めるために、車内の空間を広げたり、もしくは、重量
を減らしたりされるが、そのために、鉛−酸バッテリーに代わって、亜鉛／空気
燃料電池を使うことができる。亜鉛／空気燃料電池によって、自動車の開発者は
、さらに柔軟に、重量を配分して、自動車の動力学を最適化することができるよ
うになる。
【００１０】 （発明が解決しようとする課題） 一般的な亜鉛／空気燃料電池スタックは、互いに電気的に直列接続された多数
の電池を含む。一般的に、亜鉛／空気燃料電池スタックを作動させている間、電
解液は継続的に電池内に供給される。電解液の供給は、亜鉛／空気バッテリーも
しくは亜鉛再生装置においても役に立ちうる。電解液は一般的に、インプットと
アウトプットのマニフォールド装置を使って燃料電池スタック内に注入される。
このマニフォールド装置は、燃料電池スタックを構成する電池と同数の多数のチ
ャンネルを有する。この並列接続は、チャンネル内に樹枝状結晶を形成する原因
となる。この樹枝状結晶は燃料電池スタックやブロック電解液流を短絡させてし
まう。
【００１１】 これに関連した、樹枝状結晶の形成の問題は、米国特許３,７７３,５６１号の
中で扱われている。しかし、この発明は、バッテリーや燃料電池が停止して電解
液がシステムを流れなくなった時に、樹枝状結晶の成長を抑制し電解液チャンネ
ル内の短絡を阻止するといった解決策を提供するものである。
【００１２】 したがって、動作中の燃料電池、バッテリー、もしくは、金属再生装置内の樹
枝状結晶の形成によって引き起こされる短絡と電解液チャンネル遮断を、電解液
がシステム内を流れている時に排除するシステムと方法が必要となる。
【００１３】 （課題を解決するための手段） したがって、この発明によって、亜鉛／空気燃料電池、および／または、他の
タイプの電池やバッテリー、および／または、金属再生装置における樹枝状結晶
の形成を抑制する。一般的に、亜鉛／空気燃料電池スタックは、電気を生み出す
ために互いに電気的に直列接続された、多数の亜鉛／空気セルを含む。高濃度の
水酸化カリウム(KOH)を含む、水溶液中の電解液は、セルスタック内のそれぞれ
の電池内に継続的に注入される。また、他の電解液を使っても良い。
【００１４】 スタック内に含まれる電池の数と同数の多数のチャンネルを有する、インプッ
トおよびアウトプットマニフォールド装置は、一般的に、並列に接続されたそれ
ぞれのセル内に電解液を注入するため、または、並列に接続されたそれぞれのセ
ル内から電解液を取り出すために使われる。電気伝導性の電解液を含んだ、この
並列接続が、チャンネル内に亜鉛の樹枝状結晶の形成をもたらすことが問題であ
る。亜鉛の樹枝状結晶がチャンネル内にかなり長く成長する時、異常な短絡が起
こる。また、樹枝状結晶は適切な電解液の流れを阻害しうる。
【００１５】 この発明は、一つもしくはそれ以上の樹枝状結晶排除領域(ＤＥＺs)を与え、
樹枝状結晶の形成を抑制する。樹枝状結晶排除領域は、それぞれのセル内に作ら
れ、樹枝状結晶の形成に関係する電気化学的反応が起こるのを抑制する。その領
域には実質的に金属負極が存在せず、その領域内もしくはその領域に隣接する領
域には実質的には正極が存在することを特徴とする。それに加えて、それぞれの
樹枝状結晶排除領域は、樹枝状結晶の形成されやすい場所、つまり、マニフォー
ルドの導管と電池の境界付近に位置している。
【００１６】 ＤＥＺsは亜鉛／空気燃料電池、バッテリー、亜鉛再生装置、および、他の電
気化学的システムにおいて樹枝状結晶を排除するために使うことができる。亜鉛
／空気燃料電池に関する、ある実施形態において、樹枝状結晶排除領域とは、電
解液がセルの中に入ったりセルの中から出たりする領域に、燃料としての亜鉛粒
子もしくは亜鉛粒子に接触した電気伝導体が存在しないようにするものである。
ある実施形態においては、亜鉛が樹枝状結晶の形成をしやすい領域に存在しない
ように、亜鉛負極を、マニフォールドの導管とセルの境界領域から離すように縮
める。他の実施形態においては、正極をマニフォールドの導管とセルの境界領域
、および、マニフォールド自身の中まで伸ばす。それに加えて、亜鉛負極に接触
した電気伝導体が実質的にこの領域には存在しないようにする。一般的に、最も
樹枝状結晶を形成しやすい領域は、正極の影響を受けないマニフォールドチャン
ネルの中か、もしくは、セルの端付近でマニフォールドチャンネルに隣接した部
分、に存在する。樹枝状結晶を形成されやすい領域の特徴は、亜鉛負極表面付近
の局所的な電場に対して、隣りにある高電位のセルが持つ影響が、正極の影響よ
りも大きくなることである。負極、もしくは、負極に接触している電気伝導体が
、もはや、樹枝状結晶排除領域には存在しないので、樹枝状結晶に関係する電気
化学的反応は起こり得ない。それゆえ, 樹枝状結晶は排除される。
【００１７】 （発明の実施の形態） ここで開示されたこの発明の具体例のすべては亜鉛／空気燃料電池システムと
その装置に関係する。しかし、この発明は、他のタイプの電池、バッテリー、お
よび／または、金属再生システムにも適用されうることに注意することが重要で
ある。金属再生システムの具体例としては、電流を与えることによって水溶液か
ら亜鉛を再生させるシステムがあげられる。ここで使われた、亜鉛／空気燃料電
池についての具体例によって、この発明の範囲や広さを限定して解釈すべきでは
ない。
【００１８】 図１は、この発明のある実施形態に従って、第一のコンポーネントとしての単
一の亜鉛／空気燃料電池１と、それに関係した、電気を発生させるための電気化
学的プロセスをあらわしたブロック線図を示している。亜鉛／空気燃料電池１は
亜鉛ブロック２（亜鉛カラム２とも呼ばれる）を備える。ある実施形態において
は、多数の亜鉛粒子を使った亜鉛カラム２が作られる。亜鉛の固体ブロックを使
うよりもむしろ亜鉛粒子を使うことの利点は、小さい粒子を使うことによって再
補給のプロセスが容易になることである。ある実施形態においては、再補給は、
必要とされる亜鉛粒子を定期的に析出させることによってなされる。分子供給装
置の具体例が、１９９９年７月１５日に提出された、米国特許出願０９／３５３
,４２２号、発明の名称「電気化学的電源のための粒子供給装置とその方法」の
中で見られる。そして、それはここで全体として引用されている。その他の実施
形態においては、亜鉛のカラム２は亜鉛の固体ブロックである。
【００１９】 図示したように、亜鉛のカラム２は電池１の負極を形成する。空気極6は電池1
の正極である。図示したように、酸素は、正極６の膜状の部分を通って供給され
る。電解液１２、つまり、カリウムイオン、水酸化物イオン、亜鉛酸塩イオン（
反応生成物）、および、水からなる濃縮された水酸化カリウム溶液の供給は燃料
電池１内で行われる。
【００２０】 図１に示したように、２つの主要な電気化学的一次反応式８と１０が、亜鉛負
極２と正極６においてそれぞれ起こっている。これらの反応によって燃料電池１
は電気を発生させる。亜鉛負極２においては、下記の反応が起こる。 Zn+4OH- →Zn(OH)4 2-+2e
【００２１】 これに従って、亜鉛負極２は電解液１２の中で水酸化物イオンと反応し、亜鉛
の反応生成物である、亜鉛酸塩と２つの電子を生成する。図示したように、電子
は抵抗性の負荷４を駆動する。この半反応式８によって、およそ1.2ボルトの理
論的なポテンシャルが発生する。ある種の亜鉛再生装置においては、外部電圧を
与えることによって簡単に逆反応をおこすことができる。
【００２２】 正極６においては第二の反応が以下のように起こる。 1/2O2+2e+H2O→2OH-
【００２３】 この反応式１０では、上記のように、亜鉛負極２から得られた２つの電子を消
費し、水と酸素と反応して水酸化物イオンが生成される。この半反応式１０はお
よそ０．４ボルトの理論的なポテンシャルを発生する。このようにこの単一の燃
料電池の理論的ポテンシャルは、２つの反応式８と１０から得られるポテンシャ
ルの和、つまり、およそ１．６ボルトである。しかし、回路を開いた状態での実
際の電圧はおよそ１．４ボルトである。図示したように、このポテンシャルは、
図１に示した方向に、電子の流れを起こし、電子の流れは負荷４を通る。ある種
の亜鉛再生装置においては、外部電圧を加えることによって簡単に逆反応をおこ
すことができる。
【００２４】 図２は、一般的な亜鉛／空気電池の電気的ポテンシャルを示したグラフである
。実線１３は回路を開いた状態のポテンシャルを表し、破線１５は一般的な負荷
をかけた状態での燃料電池のポテンシャルを表している。
【００２５】 図示したように、回路を開いた状態のポテンシャルは、電池1の電極と電解液
内では一定であり、電極／電解液界面１４と１６では、ポテンシャルは上昇する
。とりわけ、亜鉛極２内では、回路を開いた状態でのポテンシャルは０と定義さ
れ、図示したように亜鉛と電解液の界面１４で正の方向に上昇する。回路を開い
た状態でのポテンシャルは電解液／空気正極の界面１６に至るまでは一定に保た
れる。この具体的な実施形態において、回路を開いた状態での全ポテンシャル１
９は、およそ１．４ボルトである。
【００２６】 破線１５は負荷４のような一般的な抵抗性の負荷を与えた状態でのポテンシャ
ルプロファイルを示している。図示したようにポテンシャルは負荷をかけた状態
では電池内で一定でなく、ポテンシャルは電極内と電解液内ではオームの法則に
従って直線的に減少し、界面１４と１６では実質的に増加する。矢印１７は、一
般的な負荷を与えた状態での電池１の全ポテンシャルを表している。そして、そ
れは回路を開いた状態でのポテンシャル１９より幾分小さくなっている。
【００２７】 図３は電池1の二極式スタック２４を示したブロック線図である。この例では
、個々の電池1、１０個が互いに積層され、回路を開いた状態でのポテンシャル
がおよそ１４ボルト（すなわち、１．４ボルト×１０）の二極式スタック２４を
形成する。この実施形態で示したように、空気正極６がそれぞれの電池１のある
面全体を覆うように、燃料電池１は配置され、設計される。この具体例において
は、空気正極表面６はそれぞれの電池1の右側に示されている。同様に、亜鉛負
極が燃料電池１の逆側の面全体を覆っている。この具体例においては、亜鉛負極
集電体２はそれぞれの燃料電池１の左側に示されている。
【００２８】 それゆえ、それぞれの電池の負極集電体２は隣接した電池１の正極表面６と物
理的に接触するように、燃料電池１を積層させることによって、簡単に二極式ス
タック２４が形成される。上記のように、この直列接続は、回路を開いた状態で
の全ポテンシャル（最初の負極２２と最後の正極２０間のポテンシャル）およそ
、１４ボルトを与える。このような方法で非常にコンパクトで高電圧の二極式ス
タック２４が組み立てられる。さらに、電池間にワイヤーが使われておらず、電
極が広い表面を持つので、電池間の内部抵抗は非常に低い。
【００２９】 上記のように、酸素を一定に供給することが、正極６において電気化学反応１
０が起こるために必要となる。ある実施形態では、電気伝導性を有する多孔性物
質を電池１の間に挿入し、それによって空気を中へ注入させる。空気が注入され
、それぞれの空気正極６における薄膜を通って酸素が供給されるように、その物
質は多孔性であるべきである。また、負極が、隣接した電池の正極と電気的に接
続された時に、直列接続の抵抗率が低くなるように、その物質は電気的伝導性を
有する必要がある。上記の具体的な実施形態では、この目的のためにニッケルの
気泡性物質６を電池間に挿入する。
【００３０】 ある実施形態では、ポンプを使い、空気正極６に対して空気（化学反応式１０
に必要な酸素を含む）を一定に流す。それに加えて、別の実施形態では、それぞ
れの燃料電池１内に電解液１２を一定に流すためのポンプを使う。これらを構成
要素として持つシステムの具体例が図４に示されている。
【００３１】 図４は、電池システムの具体例であり、そのシステムはこの発明のある実施形
態として、送風機２６と電解液ポンプ２７を備える。図示したように、送風機２
６を、電池スタック２４に組み合わせる。送風機２６は正極６に酸素を含む大気
の一定の流れを与え、化学反応式１０を促進させる。同様に、電池スタック２４
に電解液１２を一定に流す電解液ポンプ２７を使う。電池にとって重要な点は、
それぞれの電池内の亜鉛粒子ベッド２を再循環の流れによって継続的に洗浄する
ということである。これによって、溶解性の亜鉛反応物質である亜鉛酸塩を取り
除き、電極の活性領域に放電生成物が析出することを抑制できる。それに加えて
、電解液１２を循環させることによって不必要な熱を取り除き、燃料電池１が過
熱することを防止できる。図示したように、電解液管理装置２８を使って、電解
液から亜鉛酸塩や熱を取り除くことにより、同じ電解液を燃料電池スタック２４
を循環させることができる。
【００３２】 図５はマニフォールド装置３０の簡略図を示したブロック線図である。マニフ
ォールド装置は、電池スタック２４内のそれぞれの電池１に電解液１２を流すた
めに使われる。それぞれの燃料電池１から、同量の電解液１２を取り除くために
、同様のマニフォールド装置（ここでは示されてはいない）が使われる点に注意
されたい。ある実施形態においては、後者のマニフォールドは、燃料電池スタッ
ク２４の後部の底面で燃料電池スタックと接続される。一般的に、二極式スタッ
ク２４が動作している間、電解液１２は、それぞれの電池１内に一定量注入され
る。一般的なマニフォールド３０の構造を、より正確な具体例として表した詳細
な図を、参照数字３０ｃとして示す。
【００３３】 マニフォールド３０を、スタック２４内のそれぞれの電池１と、作動中、接続
することにより、ある問題が起こる。電解液１２は、イオン性の電気伝導体であ
る。したがって、マニフォールド３０を図４に示されたような形で電池スタック
２４に接続し、電解液をその中に流すと短絡が起きてしまう。このことは、次の
点を考えれば良くわかる。即ち、マニフォールドポート３０aは、ポテンシャル
が０ボルトである電池のある部分と接続されている一方、マニフォールドポート
３０ｂはポテンシャルが１４ボルトである電池のある部分と接続されている。こ
の電圧の勾配によって負の水酸化物イオンはマニフォールド３０を通って高いポ
テンシャルの方向（この例でいうと左から右）に移動する。この短絡の結果とし
て望ましくない熱の散逸が起こり、燃料電池スタック２４内で全パワーが減少す
る。
【００３４】 この問題は、マニフォールド３０によって起こる短絡パスの抵抗を増加させる
ことによって、無視しうる程度まで減少することができる。ある実施形態では、
マニホールド３０をできるだけ長く、かつ、細く作ることで、これを達成するこ
とができる。これを行えば、マニフォールド内の電気抵抗は実質的に増加し、そ
れゆえ、パワーの散逸は受け入れられるレベルまで減少する。
【００３５】 しかし、電解液と接続する必要があることと、それによって起こるマニフォー
ルド３０内の短絡のために別の問題が起こる。この問題について、図６と図７を
用いて以下に述べる。
【００３６】 図６は、直列接続された３つの燃料電池１を簡略的に示したブロック線図であ
る。この図は上記のように、短絡の原因を良く表している。図示したように電池
１（４０）は電池２（４２）と電気的に接続され、同様に、電池２は電池３（４
４）と電気的に接続される。マニフォールド３０は図示したようにそれぞれの燃
料電池に並列に接続されている。図に記載の具体例では、それぞれの燃料電池の
ポテンシャルは左から右に行くに従って増加する。
【００３７】 その結果、図示したように、燃料電池１に接続されたマニフォールドの分岐３
０aに沿った軸方向の電場の成分は燃料電池１の方向を向いており、水酸化物イ
オンが、より高いポテンシャルを持つ燃料電池２と３の方向に向かって、電場と
逆に移動する原因となる。上記のようにこの短絡によって燃料電池スタックの全
出力は減少するが、マニフォールド３０の直径を減少させ、長さを増加させるこ
とによって、許容できるレベルまで押さえられる。しかし、それによってもっと
深刻な他の問題が発生する。この問題はマニフォールド内で亜鉛の樹枝状結晶が
形成されることに関する。
【００３８】 特に、亜鉛／電解液界面において、電場が増加することによってマニフォール
ド３０の中に亜鉛の樹枝状結晶が形成される。この亜鉛の樹枝状結晶は成長して
全マニフォールド内のいたるところで断続的に連結され、破局的な短絡をもたら
す。
【００３９】 図７は亜鉛の樹枝状結晶５５の形成と、樹枝状結晶の問題に対する解決法を示
したブロック線図である。以下に示したように、その解決法には、この発明の実
施形態に従って、樹枝状結晶の形成を排除するために使われる樹枝状結晶排除領
域を用いることが含まれる。
【００４０】 図７は、２つの燃料電池スタック５０と５２の平面図を表したものである。燃
料電池スタック５０と５２は、簡単のため燃料電池を２つだけ示したものである
ことに注意しなければならない。燃料電池５０について説明する。燃料電池１と
２は、電解液マニフォールド３０cによって連結され、作動中に電解液１２をそ
れぞれの燃料電池に運ぶ。図示したように、それぞれの燃料電池１と２における
電場は、空気正極６と亜鉛負極を分けている電解液であって、界面１４と界面１
６の間の大量の電解液の中で右向きに延びる。この電場は、電解液の全域でのオ
ームの電圧降下のために起こる。ここで、このオームの電圧降下は、図２に示し
たようにイオン電流に関連する。
【００４１】 マニフォールド内の領域において、燃料電池のポテンシャルが、右向きに高く
なることによって引き起こされる分岐電流は、２つのパスを持つことが可能であ
ることに注意しなければならない。燃料電池に入ると、分岐電流は燃料電池のセ
パレーター（ここでは示されてない）を通って直接的に空気正極６に流れるか、
もしくは、亜鉛極２の表面の近くに流れてから、亜鉛極から空気極に流れる。亜
鉛極内へ流れる電流は亜鉛を析出させるカソード反応を必要とするので、亜鉛の
樹枝状結晶５５をもたらすのは、後者のパスである。このカソード反応は、化学
反応式８の逆の反応である。亜鉛の表面もしくは、亜鉛負極に接続したいかなる
電気伝導体の表面おいても、この反応が起こりうることに注意しなければならな
い。
【００４２】 燃料電池２のような単一の燃料電池において、亜鉛は、亜鉛負極２において酸
化される（化学反応式８）。酸素が空気正極６において還元される時、それに対
応する還元反応が起こる（化学反応式１０）。
【００４３】 しかし、燃料電池１と２が互いに接続されると次の反応が起こる。まず、亜鉛
が、燃料電池２内の亜鉛負極２において酸化される。しかし、それに対応した還
元反応については、酸素が燃料電池２の空気正極６において還元されるだけでな
く、少量の酸素が燃料電池１の空気正極６において還元され、少量の亜鉛も燃料
電池１内の亜鉛負極で還元される。この最後の反応は反応式８の逆の反応であり
、ある種の亜鉛再生の操作において電解液から亜鉛を再生するために使われる反
応と全く同じ反応である。この逆反応の式は亜鉛の樹枝状結晶５５の原因となる
。
【００４４】 亜鉛の表面付近の電解液中において、燃料電池の亜鉛負極に向いた電場であっ
て、図に示したような電場が存在することによって逆の反応が起こる。グラフ５
４を用いて説明すると、燃料電池スタック５０における、Ａ−Ａ’の切断図に対
応する電気的ポテンシャルの概略図が示されている。亜鉛表面端から離れるに従
ってポテンシャルが増加すること、すなわち、電場が亜鉛表面にむくことに注意
しなければならない。逆の反応が起こるために２つの条件が存在することに注意
すべきである。ここで、２つの条件とは、亜鉛のような金属からの電子を受け取
ることができることと、表面付近の電解液において金属の方向に向いた電場が存
在することである。一般的にいつも満たされる第３の条件は、電解液の中に亜鉛
酸塩が存在し、樹枝状結晶が成長するのに必要な亜鉛を供給することである。
【００４５】 その結果、グラフ５４に示したように、まさにこれらの条件が満たされる領域
において、樹枝状結晶が形成される。
【００４６】 燃料電池スタック５２はこの発明のある実施形態であり、この問題の解決方法
を示している。詳細には、樹枝状結晶排除領域(ＤＥＺ)５７を設けることによっ
て、樹枝状結晶が形成されるのを防ぐ。樹枝状結晶排除領域(ＤＥＺ)５７とは、
その領域（電場が亜鉛の方向に向いている領域）からは、負極２から亜鉛粒子が
実質的に取り除かれ、その領域もしくはその領域に隣接する領域内に実質的に正
極が存在し、亜鉛負極から延びている領域であることを特徴とする。ある実施態
様において、亜鉛粒子は電解液マニフォールド３０が燃料電池１から出たり入っ
たりするところで取り除かれる。代わりに、空気正極６が電解液マニフォールド
３０まで延びていても良い。
【００４７】 このように、マニフォールド３０の出口と入口付近に十分な樹枝状結晶排除領
域５７を作ることによって、樹枝状結晶５５が形成されることを防ぐことができ
る。図示したように、燃料電池３に入る分岐電流によって、酸素は空気正極６で
還元されるが、この樹枝状結晶排除領域には、亜鉛が存在せず、電子を得ること
ができないので、負極２では亜鉛は還元されない。
【００４８】 概略図５６について説明すると、燃料電池スタック５２のＢ−Ｂ’方向の切断
図に対応する電気的ポテンシャルが示されている。電気的ポテンシャルは亜鉛が
存在する領域では、一定であることに注意しなければならない。このように、樹
枝状結晶はこの領域では形成されない。その樹枝状結晶排除領域５７は破線で表
されている。
【００４９】 図８はこの発明のある実施形態に従って、樹枝状結晶排除領域７０と７２が導
入されている燃料電池を示したブロック線図である。簡単のため、樹状結晶排除
領域がスタック２４の最初と最後の燃料電池のみに示されている。それぞれの燃
料電池が２つの樹枝状結晶排除領域７０と７２を含むということに注意すること
が重要である。樹枝状結晶排除領域７０と７２は、図示したように、マニフォー
ルド３０がそれぞれの燃料電池１に入るところと出るところに作られる。出口で
のマニフォールドは、この具体例では示されていない。
【００５０】 ある実施形態では、樹枝状結晶排除領域７０と７２を形成する立方体状の構造
物を作るために、ナイロンのスクリーンを使う。樹枝状結晶排除領域７０と７２
として使われた長さ、幅、厚さは、この発明の特別な実施形態において使われた
、燃料電池１の形状的、電気化学的特徴に依存する。
【００５１】 最適な樹枝状結晶排除領域の大きさや形を決定するために使うことのできる計
算の具体例を以下に説明する。これは、カルフォルニア州のカールスバッドにあ
るメタリックパワー社によって製造された亜鉛／空気燃料電池１という、特定の
実施形態に特有な具体例である点に注意されたい。しかし、この具体例を読めば
、その技術分野の当業者にとって、形状的、電気的、化学的に違った構成を持つ
、他の燃料電池、バッテリー、および／または、燃料電池再生システムに対する
同様の計算やシミュレーションをどのように行えば良いかは明らかである。
【００５２】 次の具体例は、レバノンのフルエントコーポレーションによって製造された有
限要素法のソフトウェアー「ＦＩＤＡＰ」を使って実行された一連の計算を記述
したものであり、この計算により樹枝状結晶排除領域(ＤＥＺ)が有効となる条件
を決定した。２０ミリ×２０ミリの領域が、実用的なあらゆる状況下で有効であ
ると結論付けられた。
【００５３】 ＤＥＺは立方体や特別な形状である必要はなく、それは、燃料電池に隣接した
マニフォールド内の全体に配置しても、部分的に配置しても良いことに注意しな
ければならない。
【００５４】 この樹枝状結晶排除領域は、電解液の導管３０が燃料電池の中に入る部分であ
って、亜鉛負極２の隅部分に導入された。上記のように、樹枝状結晶５５は、こ
の近くに形成される傾向にあるが、それは、隣接した燃料電池から導管に沿って
流れる分岐電流のためである。燃料電池に入る時、分岐電流には２つのパスが可
能である。つまり、燃料電池の電解液とセパレーターを通って空気正極６に直接
的に流れるもの、もしくは、亜鉛粒子ベッド２の表面近くへ流れ、セパレーター
を通ってベッドから空気極６への流れるものである。
【００５５】 亜鉛のベッドへの電流の流れにより、亜鉛を析出させるカソード反応（即ち、
化学反応式８と逆の反応）が進むので、亜鉛の樹枝状結晶５５の原因となるのは
、この後者のパスである。この亜鉛への電流が避けられる条件を決定するために
計算を行った。
【００５６】 その計算は、燃料電池１の三次元の体積内における電流とポテンシャルの分布
を決定するものである。図９はこの具体例での計算において用いられた幾何学的
配置を示している。この図を見る時、Ｚ軸８０を、幾分観測者から離れた方向を
向いたＸ軸８２とＹ軸８４に対して上方向であると考えたほうが良い。燃料電池
がオペレーティングポジションにある時、本当の上方向はＹ軸のマイナス方向で
ある。
【００５７】 観測者の視点は、セパレータ８６を備えた側面を上にした電池を上から見たも
のである。電解液（および分岐電流）を電池まで運ぶ導管３０は、図に示したよ
うに、長い直方体の構造をしている。ＤＥＺｓ９０は、導管３０の右端に位置す
る小さな立方体である。２つのＤＥＺ９０の水平な壁９２と９４は亜鉛ベッドの
表面であり、一つの水平の壁９６は燃料電池の上部（物理的に）であり、残りの
水平の壁９８は部分的に導管３０の口であり、部分的に燃料電池の側面である。
大きな板状の物体（この図においては４つの物体に分割されている）はセパレー
タ８６（電解液を含む）である。以下の計算はこれらの物体内の電流の分布とポ
テンシャルの分布を決定する。
【００５８】 電気化学者はそのような分布を、「第一の」分布、「第二の」分布、「第三の
」分布と考える。第一の分布は、反応速度論や物質輸送が無視され、電解液１２
内の電気伝導によってのみ分布が決定される時に結果として現れる分布である。
第二の分布においては、反応速度論が加えられ、第三の分布においては、物質輸
送が加えられる。以下の計算は第一の分布である。その計算は、３つの物体（導
管３０、ＤＥＺ９０、および、セパレータ８６）についてラプラスの式を解く必
要がある。
【００５９】 その計算では、セパレータ８６内の電解液の伝導率は、ＤＥＺ９０内における
電解液１２の伝導率より小さいかもしれないという事実は無視した。また、この
計算では、長く細い導管３０（この具体例での実際の大きさは５ミリ×３．４ミ
リ×２５０ミリ）を有すると不便であるため、それを避けるために、その幾何学
的配置は図９(２ミリ×２ミリ×２０ミリ)に示したものにした。
【００６０】 その上、電解液１２の伝導率は、導管３０の抵抗が実際の導管の抵抗と同じに
なるように調整される。計算された解は、電流密度が物体間の境界で連続的であ
るという必要条件を満たしている。ポテンシャルの勾配のみが物理的な重要性を
もつので、ポテンシャルは任意の値に設定できる。この例では、セパレーターの
空気極サイドの電解液のポテンシャルが０となるよう選択した。導管の左側（遠
いサイド）での電解液のポテンシャルは１に設定した。
【００６１】 ラプラスの式は線形的である。したがって、もし、導管の端でのポテンシャル
が１０倍に増加するならば、ポテンシャルと電流の分布は、単純に１０倍に変化
する。同じことが他のどの要因にも当てはまる。それゆえ、このポテンシャルに
１を選択すれば、他のポテンシャルに対する結果が、単純な掛け算により与えら
れる。ＤＥＺ９０に接触している亜鉛表面９４と９２での電解液のポテンシャル
を均一と仮定し、計算の中でそれを変化させる。ＤＥＺ９０に接触している亜鉛
表面９４と９２での電解液のポテンシャルが、変化させた主要パラメーターであ
り、その他のパラメーターはＤＥＺ９０の大きさ（ｙ方向、ｘ方向において）で
ある。計算は５ミリ×５ミリのＤＥＺと２０ミリ×２０ミリのＤＥＺに対して行
った。
【００６２】 ソフトウェアーＦＩＤＡＰを使った実際のコンピュータ計算を行った。このソ
フトウェアーは、複雑な三次元幾何学における流体の流れ、熱、質量輸送の問題
を解決することを意図している。それは、熱伝導の問題を解決するために一般的
に使われる。しかし、まれに電気化学の電池における電気伝導の計算のために使
われる。それらは、類似の境界条件を有するラプラスの式を解く必要があるので
、幸運にも両者は同等である。
【００６３】 電気伝導の場合のポテンシャルは、熱伝導における温度に変わり、電気伝導の
場合の電流密度は、熱伝導における熱流束に変わる。その計算の唯一の煩雑な点
は、ＦＩＤＡＰから出力を表したプロットが「温度」や「熱流束」を含む符号を
もつ点である。
【００６４】 結果 図１０は５ミリ×５ミリのＤＥＺ９０の場合のポテンシャル分布を計算したも
のである。温度について言及した説明が付いているが図１０に表されているのは
ポテンシャルの等高線である。結果は、導管３０の軸を通りｘ−ｚ平面に平行な
平面に対するものである。ＤＥＺ９０は中央より少し左よりに位置し、コンジッ
ト３０の端１００は遠い左サイドにある。右側にはギャップ１０２があり、亜鉛
ベッドと空気極間のセパレータによって占められている。そのセパレータはまた
、ＤＥＺ９０の上部１０４の全域に広がっている。そして、このセパレータの上
側の表面上のポテンシャルは（任意に）０とおく。
【００６５】 導管の遠い左サイド１０４はポテンシャル１であり、亜鉛表面での電解液のポ
テンシャルはこの計算においては０．５と置いている。これはＤＥＺの右側での
ポテンシャルである。（電場の方向に沿った）ポテンシャルの勾配の下方向への
電流の流れと、この図のポテンシャルの等高線によって、亜鉛表面での電流と電
場が亜鉛表面から離れる方向を向くこと、すなわち、亜鉛表面での反応は還元的
というよりも酸化的であり、樹枝状結晶は形成されないことを意味する。分岐電
流は導管から流れるが（ポテンシャルの勾配は導管の口に向かって下降している
）、この電流は亜鉛表面まで届かない。
【００６６】 図１１は、同じ条件で、図１０と垂直な方向の図面の結果をプロットしたもの
である。これは、ｚ軸に平行な図面である。標準的なオペレーティングポジショ
ンでは燃料電池の上部は、この図の底面である。また導管は左側にあり、ＤＥＺ
は中央近くに位置している。矢印は亜鉛表面（ＤＥＺの上部と右側）上の電流の
方向を示している。矢印の長さはその位置での電流密度の大きさを示している。
コンピュータは（様々なｚ方向の位置で）すべての矢印を示しているので、それ
ぞれの矢印においていくつかの矢じりが見られる。重要な結果は、図１０と一致
していて、どの矢も亜鉛の方向を向いていないということである。
【００６７】 図１０と１１の結果を与える計算において、亜鉛ベッドの表面におけるＤＥＺ
内の電解液のポテンシャルに対して、０．５という値を使用した。直感的にわか
るように、亜鉛表面のポテンシャルは低くすると、電流がその表面に流れはじめ
るポイントがどこかになければならない。例えば、もし、亜鉛表面での電解液の
ポテンシャルが０であるならば、それは、空気極の方のセパレータと同レベルの
ポテンシャルであり、電流はセパレータに流れるのと同じ位簡単に亜鉛表面に流
れるだろう。
【００６８】 そこで、一連の計算を実行し、その中で、亜鉛表面での電解液のポテンシャル
を、初め０．１へ、次０．０５へ、０．００３へ、０．００２５へと徐々に減ら
した。図１２は０．００２５の時の結果を示している。スケールが幾分拡大され
ていることを除けば、図１２の視点は図１０の視点と同じである。等高線を見れ
ば、ポテンシャルの勾配が亜鉛表面から離れるに従って下がっていること、すな
わち、電流は亜鉛表面から離れる方向に流れることが明らかになる。これは、図
１３において確かめることができる。図１３はすべての電流が亜鉛表面からＤＥ
Ｚに流れている図１１の時と同じ視点から見たものである。
【００６９】 しかし、電流の大きさは図１１よりも図１３のほうが実質的に小さい、すなわ
ち、電流の大きさは、右上の参照ベクトルの長さと比較した矢印の長さから決定
されるということに注意しなければならない。
【００７０】 亜鉛表面における電解液のポテンシャルは図１４と１５においてはさらに0.00
2まで減少している。図１４を見ればポテンシャルの下方向の勾配が、図の底面
近くの亜鉛表面に流れることがわかる。これは図１５で確かめられる。図１５で
は矢じりが亜鉛表面を向いている。
【００７１】 この結果から、亜鉛表面のポテンシャルが０．００２５と０．００２の間のど
こかで、分岐電流が亜鉛表面上に樹枝状結晶を形成し始めるポテンシャルが見ら
れる。亜鉛表面のポテンシャルが０．００１より低い時（図１６と１７）、亜鉛
に流れる電流としては、表面に向かって流れる電流が優勢になる。亜鉛表面（セ
パレータ８６に対して上側の表面を含む）での電流分布の、他の視点から見た図
が図１８として表されている。樹枝状結晶を生み出す電流は、セパレータから最
も遠く導管の入口に最も近い亜鉛表面のある部分で最も大きい。
【００７２】 図１０から図１８の計算は５ミリ×５ミリのＤＥＺを使って実行された。２０
ミリ×２０ミリのＤＥＺの結果が図１９から図２１に示されている。図１０と図
１１と視点は同じであるがスケールが違う図１９と図２０において、亜鉛表面で
の電解液のポテンシャルが0.2を持ち、この表面上の亜鉛から離れたところでは
どこでも、そのポテンシャルの下向きの勾配が亜鉛表面から離れる方向を向いて
いるのが見られる。亜鉛表面でのポテンシャルは０．０５、０．０２５、０．０
０５、０．０００５最後には５×１０-7へと下げた。最後の場合についてだけ、
図２１に示すように、亜鉛へ電流の流れが発生していた。
【００７３】結論 上記の結論は、もし、セパレータの空気極サイドでの電解液に関して、ＤＥＺ
に接する亜鉛での電解液のポテンシャル（セパレータの空気極サイドでの電解液
のポテンシャルに対する）が、電池から離れたコンジットの端での電解液のポテ
ンシャル（セパレータの空気極サイドでの電解液のポテンシャルに対する）の少
なくとも０．２５パーセントであるならば、５ミリ×５ミリのＤＥＺが樹枝状結
晶を阻害するのに有効であることを示している。２０ミリ×２０ミリのＤＥＺは
、より低いポテンシャル（０．０５％以上）でも有効であるはずである。セパレ
ータの空気極サイドの電解液に対する、亜鉛表面での電解液のポテンシャルは、
燃料電池の電流が増加するに従って、増加する。
【００７４】 したがって、低電流では、燃料電池は樹枝状結晶を形成する危険性が高い。図
１８は、樹枝状結晶を避けるのに十分な、高い放電速度を概算するのに役に立つ
。図の左に向いた矢の大きさはセパレータ８６を通って流れる電流を示している
。参照ベクトル、もしくは、右上にプロットされた最大ベクトルを見ると、これ
らの矢がおよそ０．４×１０-3の値を持つことが明らかになる。これを実際の単
位に変換するために電解液の伝導度（約５０ohm-1meter-1）と、１０００の換算
係数と、導管の端での電圧（最悪の場合で１０ボルト）を掛けることが必要であ
り、３５０Ａ/m2が得られる。
【００７５】 図１８は亜鉛表面での電解液ポテンシャルが０．００１の場合である。樹枝状
結晶を発生させる電流が０．００２ではっきり現れ（図１５）、０．００２５で
は現れない（図１３）。これは、一次電流分布であるので、０．００２５でのセ
パレータを通った電流密度は３５０A/m2×(０．００２５/０．００１)＝８７０A
/m2＝０．０８７A/cm2となるだろう。セパレータは27cm×16cmであるので、これ
によって、０．０８７×２７×１６＝３８Ａｍｐの電流が与えられる。これは、
樹枝状結晶を阻害するのに必要な最小値である。２０ミリ×２０ミリのＤＥＺで
必要な最小値は９アンペアである。この電流は標準的な動作電流以下であるので
、２０ミリ×２０ミリのＤＥＺ（もしくはそれより大きいもの）が使われる時、
樹枝状結晶の問題は出ないはずである。
【００７６】 この発明の様々な実施形態が上のように記載されているが、それらは、制限す
るために表されたのではなく、単に具体例として表されたことを理解すべきであ
る。このように、この発明の幅と範囲は上記の一般的な実施形態によって制限さ
れるべきものではなく、特許請求の範囲と、それに均等の範囲に従って定義され
るべきである。
【図面の簡単な説明】
この発明は、添付された図面に関して以下に記載されている。
【図１】 図１は、この発明のある実施形態に従って、第一のコンポーネントとしての単
一の亜鉛／空気燃料電池と、それに関係する、電気を生み出す電気化学的プロセ
スを示したブロック線図を示している。
【図２】 図２は、典型的な亜鉛／空気燃料電池によって発生した電気的ポテンシャルの
プロファイルを示したグラフである。
【図３】 図３は、この発明のある実施形態に従って、亜鉛／空気燃料電池の二極式のス
タックを示したブロック線図である。
【図４】 図４は、この発明のある実施形態に従って、送風機と電解液ポンプを示した燃
料電池システムの具体例である。
【図５】 図５は、この発明のある実施形態に従って、燃料電池スタック内のそれぞれの
燃料電池中に電解液の流れを与えるために使われたマニフォールド装置の概略図
を示したブロック線図である。
【図６】 図６は、この発明のある実施形態に従って、直列接続された３つの燃料電池の
概略図を示したブロック線図である。
【図７】 図７は、この発明のある実施形態に従って、亜鉛の樹枝状結晶の形成と、樹枝
状結晶の問題に対する解決策を示したブロック線図である。
【図８】 図８は、この発明のある実施形態に従って、樹枝状結晶排除領域70と72が挿入
された燃料電池を示したブロック線図である。
【図９】 図９は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使わ
れた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料電
池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１０】 図１０は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１１】 図１１は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１２】 図１２は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１３】 図１３は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１４】 図１４は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１５】 図１５は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１６】 図１６は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１７】 図１７は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１８】 図１８は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図１９】 図１９は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図２０】 図２０は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。
【図２１】 図２１は、この発明のある実施形態に従って、典型的な計算を述べるために使
われた例示的レポートからの結果である。それらの計算は、最適化された、燃料
電池内の樹枝状結晶排除領域の外面的形態を決定するために行われる。 これらの図においては、参照番号は一般的に同一の要素、機能的に類似の要素
、および／または、構造的に類似の要素を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5H030 AA06 AS08 5H032 AA02 AA09 AS03 AS04 CC02 CC12 5H050 AA07 AA15 BA20 CA12 CB13 FA01 GA04

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気化学的電源又は金属再生システムにおいて樹枝状結晶の
    形成を抑制するシステムであって、 互いに連結され、各々が正極と電解液に浸した金属含有の負極とを備えた、２
    以上のセルと、 前記２以上のセルに電解液を出し入れするための導管を複数備えた、少なくと
    も一つのマニフォールドと、 導管とセルの境界付近に位置する領域であって、その領域内における樹枝状結
    晶の形成を実質的に防止できる所定の大きさを有し、その領域には負極又は負極
    と電気的に接続されたいかなる電子伝導体が実質的に存在せず、その領域又はそ
    の領域に隣接した領域に正極が実質的に存在することを特徴とする樹枝状結晶排
    除領域と、 を備えたことを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 前記樹枝状結晶排除領域が、前記導管内に位置することを特
    徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記樹枝状結晶排除領域が、前記セル及び前記導管内に位置
    することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記電気化学的電源が、金属／空気燃料電池であることを特
    徴とする請求項１に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記電気化学的電源が、金属／空気バッテリーであることを
    特徴とする請求項１に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記電気化学的電源が、亜鉛／空気燃料電池であることを特
    徴とする請求項１に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記電気化学的電源が、亜鉛／空気バッテリーであることを
    特徴とする請求項１に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記金属再生システムが、亜鉛再生システムであることを特
    徴とする請求項１に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 前記負極が、多数の亜鉛粒子を含むことを特徴とする請求項
    １に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 複数の樹枝状結晶排除領域を備え、前記複数の樹枝状結晶
    排除領域が、それぞれのセル内のマニフォールドの入口と出口に位置することを
    特徴とする請求項１に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 複数の樹枝状結晶排除領域を具え、前記複数の樹枝状結晶
    排除領域が、それぞれのマニフォールドの導管内に位置することを特徴とする請
    求項１に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記亜鉛粒子が、前記樹枝状結晶排除領域内に入らないよ
    うに、樹枝状結晶排除領域が作られることを特徴とする、請求項９に記載のシス
    テム。
  13. 【請求項１３】 前記樹枝状結晶排除領域が、それぞれのセル又は導管の中
    で、他のセルからの分岐電流が存在する領域に配置されることを特徴とする請求
    項１に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 前記樹枝状結晶排除領域が、その表面に、多孔性の遮壁を
    形成することによって構成されたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記多孔性の遮壁が、電気伝導性の低いメッシュ材料から
    できていることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 前記樹枝状結晶排除領域が、立方体のブロック形状である
    ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
  17. 【請求項１７】 前記マニフォールドの導管が、前記セルへ金属粒子を与え
    たり、前記セルから金属粒子を取り除いたりするように配置されていることを特
    徴とする請求項１に記載のシステム。
  18. 【請求項１８】 前記樹枝状結晶排除領域が、前記マニフォールドを通過す
    る分岐電流が実質的に正極に向かうように形成されたことを特徴とする請求項１
    に記載のシステム。
  19. 【請求項１９】 各々が金属負極と正極を含み、互いに連結された２以上の
    セルを備えており、電気伝導性溶液を内部に有するマニフォールドによって各セ
    ルが少なくとも１つの他のセルに接続されている電気化学的電源、もしくは、金
    属再生システムにおいて、樹枝状結晶の形成を抑制する方法であって、 前記電源もしくは金属再生システムを、前記電源の場合には、主要な電流が負
    極から正極へ流れるよう動作させ、前記金属再生装置の場合には、セルを通って
    正極から負極へ流れるよう動作させるステップと、 前記マニフォールドを通じて流れる分岐電流を、実質的に電池の正極に方向付
    けるステップと、 を備えることを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 前記電気化学的電源が、亜鉛／空気燃料電池であることを
    特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記金属の負極が、複数の亜鉛粒子を含むことを特徴とす
    る請求項１９に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記負極を、前記正極に比べて、前記マニフォールドから
    より離れるよう縮めることによって、前記分岐電流を方向付けるステップを行う
    ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記正極を、前記負極に比べて、前記マニフォールドのよ
    り内側に延ばすことによって、前記分岐電流を方向付けるステップを行うことを
    特徴とする請求項１９に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記負極と正極間の主要な電流を増加させることによって
    、前記分岐電流を方向付けるステップを行うことを特徴とする請求項１９に記載
    の方法。
  25. 【請求項２５】 前記負極と正極間の電気伝導性流体層内の電場を増加させ
    ることによって、前記分岐電流を方向付けるステップを行うことを特徴とする、
    請求項１９に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記マニフォールド内の電気伝導性溶液中で発生した電場
    が、前記負極で終わるのを実質的に避けることによって、前記分岐電流を方向付
    けるステップを行うことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
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