JP2005538513A - 内部空気送り器を有する金属空気電池および空気の流れを規制する圧力感知バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 使用していないときは正極を空気の流れから隔離し、使用中に空気の流れに触れさせることにより、電池の寿命を伸ばすこと。
【解決手段】 電気化学電池または電池システムは、ファン（３２）のような空気送り器と、スリットバルブのような１または複数の圧力感知機構とを備えており、これらのものにより空気が電池またはシステムに対して流入または流出することができるようになっている。前述の圧力感知機構は空気送り器に応答し、このことにより金属空気電池のような電気化学電池への空気の流れを規制している。

Description

本発明は、電気化学電池システムに関する。

電気化学電池は、一般的に電力源として用いられる。電池は、負極および正極を有している。負極は、酸化可能な活物質を含んでおり、正極は、還元可能な活物質を含みまたは消費している。負極活物質は、正極活物質の還元を行うことができる。ある実施の形態において、正極材料および負極材料の直接的な反応を防止するために、負極および正極はセパレータにより電気的に互いに隔離されている。

機器内で電池が電力源として用いられるときに、両電極の電気的な接触が行われ、電子が機器内を流れるようにし、酸化および還元反応が各々発生して電力を生じさせるようにする。電極に接触する電解液、例えば水酸化カリウムは、両電極の間にあるセパレータを通過して流れるイオンを含んでおり、放電中における電池の充電バランスを維持するようになっている。

金属空気電池に係る電気化学電池において、正極（カソード）において酸素が還元され、負極（アノード）において金属が酸化される。電池の缶に設けられた１または複数の空気孔を通って外部の大気中から電池内に送られた酸素が正極に供給される。

電池の寿命を伸ばすために、使用していないときは、（例えば、炭酸還元を行うために）正極を空気の流れから隔離し、使用中に空気の流れに触れさせることが好ましい。使用中において、均一かつ十分な空気アクセスを正極に提供し、例えば活物質の均一な放電および／または比較的高い放電電圧を得ることが好ましい。

本発明は、例えば、このような金属空気電池を有するような電気化学電池システムに関する。電気機器内で使用されるときに、システムにより機器の必要電力に応じて良好な空気の管理を行うことができる。概して、機器が使用される際にシステムはシステム内の電池を空気に触れさせ、機器が使用されない際には電池への空気の流れを制限する。このことにより、電池の寿命を伸ばすことができる。実施の形態において、空気の流れを規制するために、システムは空気送り器および例えばバルブのような差圧に反応する機構を備えている。

一形態において、本発明は、ハウジングと、ハウジング内に設けられた金属空気電池と、金属空気電池に流体連通する（すなわち、空気等の流体が金属空気電池に流れることができるようになっている）空気送り器と、空気送り器に流体連通し、この空気送り器に応答する圧力感知バルブとを備えた金属空気電池システムを特徴とする。バルブおよび空気送り器は、金属空気電池への空気の流れを規制することができるようになっている。

実施の形態は、１または複数の下記の特徴を含んでいる。システムは、複数の圧力感知バルブを備えている。ハウジングは開口を有している。ハウジングは、この開口に設けられた第２の圧力感知バルブを有している。システムは、ハウジングに沿って延び、金属空気電池に流体連通するチャネルを画定する細長い中空体を更に備えている。システムは、この中空体により区画される開口に設けられた第２の圧力感知バルブを更に備えている。空気送り器は例えばファンからなり、ハウジングの内部に設けられている。システムは、更に複数の金属空気電池をハウジング内に備えている。電池は、第１の部分においてガス浸透性を有する材料を含み、このガス浸透性は、当該材料の第２の部分におけるガス浸透性とは異なるようになっていてもよい。ハウジングは円筒形状または角柱形状であってもよい。

バルブは、静止部分と、空気送り器に応答する移動部分とを有し、移動部分は静止部分に対して両部分間で可変の隙間を画定するよう移動することができるようになっていてもよい。バルブは、空気送り器に応答する２つの移動部分を有し、これらの移動部分は両部分間で可変の隙間を画定するようになっていてもよい。バルブは、第１の方向および第１の方向に対して逆方向である第２の方向に移動することができる移動部分を有していてもよい。バルブは、一方向のみに移動することができる移動部分を有していてもよい。バルブは、水および／または二酸化炭素を通さないようになっていてもよい。バルブはポリマーおよび／または金属を含んでいてもよい。

空気送り器は、ハウジング内における空気流路に沿って、バルブの上流側および／または下流側に設けられていてもよい。

他形態において、本発明は、正極と、正極に流体連通する空気送り器と、空気送り器に流体連通し、この空気送り器に応答する圧力感知バルブであって、当該バルブおよび前述の空気送り器が正極への空気の流れを規制することができるようになっているような圧力感知バルブとを備えた金属空気電池を特徴とする。

実施の形態は、１または複数の下記の特徴を含んでいる。電池は複数の圧力感知バルブを有している。空気送り器は例えばファンからなり、ハウジング内の空気流路に沿って、バルブの上流側および／または下流側に設けられていてもよい。電池は、正極、空気送り器およびバルブをカバーするハウジングを更に備えている。

バルブは、静止部分と、空気送り器に応答する移動部分とを有し、移動部分は静止部分に対して両部分間で可変の隙間を画定するよう移動することができるようになっていてもよい。バルブは、空気送り器に応答する２つの移動部分を有し、これらの移動部分は両部分間で可変の隙間を画定するようになっていてもよい。バルブは、一方向のみに移動することができる移動部分を有していてもよい。バルブは、水および／または二酸化炭素を通さないようになっていてもよい。バルブは、ポリマーおよび／または金属を含んでいてもよい。

他形態において、本発明は、金属空気電池への空気の流れを規制する方法を特徴とし、この方法は、金属空気電池に流体連通する空気送り器を駆動する工程と、電池への空気の流れを規制するために、空気送り器により発生する力に応じて圧力感知バルブを開く工程と、を備えている。

実施の形態は、１または複数の下記の特徴を含んでいる。空気送り器は、電流需要に応じて駆動するようになっている。当該方法は、空気送り器の駆動を止め、バルブを閉止位置に移動させる工程を更に含んでいる。当該方法は、空気送り器の駆動を止め、バルブを休止位置に移動させる工程を更に含んでいる。当該方法は、金属空気電池に流体連通する細長いチャネル空気を流す工程を更に備えている。

バルブを開く工程は、バルブの静止部分に対して移動部分を反らせる工程および／または２つの移動部分を反らせて両部分間で隙間を画定する工程を含んでいてもよい。

実施の形態は、１または複数の下記の利点を含んでいる。空気の流れを規制する機構は比較的小さなものである。その結果、システム内に、より活発な部材を配置することができ、その結果システムの能力を向上させることができる。システムは、金属空気電池への空気の送りを管理するための単純かつ機能的なシステムとなる。システムは、異なる機器に適合するよう様々な形状のものとして形成することができ、またシステムは比較的低コストで製造することができる。システムの操作は単純である。ある実施の形態において、システムの操作は使用者にとって分かり易いものとなっている。

本発明の他の形態、特徴および利点は好ましい実施の形態の記載および特許請求の範囲の記載から明らかであろう。

図１に示すように、電気化学電池システム２０は、空気アクセス開口２８，２９を有するハウジング２２と、金属空気電池からなりハウジングの内部に設置されるよう設けられた電気化学電池２４とを備えている。ハウジング２２および電池２４は、電池の周囲にプレナム２３を画定する。システム２０は概して電気機器、例えば通信機器の電池室に適合するような寸法となっている。例えば、ハウジング２２は１または複数の従来の電池、例えば単三電池に似た寸法となっていてもよく、システム２０は電気機器の対応する端子に接触するよう設けられた端子２６を有している。

システム２０は、概して使用中において均一かつ十分な空気が流れるような電池２４を準備するよう設計されている。使用中でない場合には、システム２０は、電池２４の空気への露出を減少または停止し、電池の寿命を伸ばしている。図１に示すように、システム２０は、１または複数の圧力感知バルブ３３を含む第１のバルブプレート３０と、空気送り器３２と、１または複数の圧力感知バルブ３５を含む第２のバルブプレート３４とを更に備えている。プレート３０，３４および空気送り器３２（例えば、ファン）は、ハウジング２２へ流入するまたはハウジング２２から流出する空気の流れを規制するために用いられる。さらに具体的に説明すると、プレート３０，３４は１または複数の圧力感知バルブ３３，３５を各々含み、これらの圧力感知バルブ３３，３５は空気送り器３２により発生する力（例えば、吹き付けまたは吸い込みによる力）に反応する。バルブ３３，３５は空気送り器３２が駆動している場合であっても駆動していない場合であっても開閉を行うことができ、このことにより電池２４への空気の流れを調整している。

例えば、使用中において、例えば電池２４からの動力およびハウジング２２内の残余酸素を用いながら、空気送り器３２が駆動される。駆動されたときに、空気送り器３２はバルブ３３，３５の両側の間で差圧を発生させる。とりわけ、空気送り器３２は開口２８を介して空気を吸い込み、バルブ３３に対して力を働かせてこのバルブを開口させている。空気はバルブ３３およびプレナム２３を介して流れ、電池の正極を反応させるために電池２４に接触し、これによりシステム２０は電力を供給することができる。同様に、空気送り器３２はバルブ３５に対して吹き付けを行い、このバルブを開かせて開口２９の外に空気を吹き出させている。空気搬送の補助を行う空気送り器によって、空気の拡散を行う場合に比べてシステム２０の効率を比較的高めることができる。システム２０を使用しない場合には、空気送り器３２の駆動が停止される。バルブ３３，３５に差圧が加えられることがなくなり、これらのバルブは閉じて電池２４への空気の流れが減少または停止し、このことにより電池の例えば炭酸化作用による劣化が抑制される。その結果、電池２４の駆動寿命が増加する。空気の流れが完全に規制される本実施の形態においては、駆動寿命は理論上無限大となる。

バルブ３３およびバルブ３５は同じ種類のバルブ（後述）または互いに異なる種類のものである。説明の都合上、バルブ３３のみについて述べるが、バルブ３５についても以下の記載を同様に適用することができる。一般的な種類の圧力感知バルブは、部分的にサポート上に配置された薄い弾力性のある膜、例えば膜プレート３０から形成されている。開口（例えばスリット）が膜に形成されている。開口は、膜に働く力または膜の両側の差圧の機能により開閉を行うことができる。

同じ実施の形態の図２Ａおよび図２Ｂに示すように、バルブ３３はバルブプレート３０上に形成されたスリットバルブ３６を含んでいる。バルブプレート３０は、例えば十分に厚いおよび／または堅いプラスチックまたは金属製のものからなり、柔軟なものではない。スリットバルブ３６は、柔軟な材料から形成された２つの移動ウイングまたは移動部分３８を含んでいる。これらの柔軟な材料はともに、バルブに作用する力の方向に基づいて第１の方向（矢印Ａ）または逆方向の第２の方向（矢印Ｂ）に反ることができるようになっている。休止位置（図２Ａ）において、例えばバルブ３６に力が作用しなかったり不十分であったりする場合には、移動部分３８は閉止してシール４０を形成する。シール４０は、空気がバルブ３６を介して流れることを抑止するような気密なものとすることができ、またはシールは、バルブを介した空気の流れを減少させ、例えば予め設定された量のみの空気の流れを許容し、予備電力のレベルを維持するよう形成することができる。例えば、休止位置において、移動部分３８は、バルブ３６の厚さ（Ｔ）の約１％未満の隙間を区画する。空気送り器３２（図２Ｂ）により十分に強い力がバルブ３６に作用した場合には、移動部材３８は（矢印ＡまたはＢ方向に）反り、両部分間で隙間３９を形成し、空気がバルブ３６を介して（矢印Ｃ方向に）流れることができるようになる。力が部分３８を反らせるのに十分な大きさではなくなった場合には、例えば空気送り器３２の駆動が停止した場合には、これらの部分は休止位置に戻り、バルブ３６を通る空気の流れが停止したり減少したりする。

他の実施の形態において、図３Ａ，３Ｂに示すように、バルブ３３は、バルブプレート３０上に形成されたスリットフラップバルブ４２を含んでいる。スリットフラップバルブ４２は、静止部分４４および一方向（矢印Ｄ）に反ることができる柔軟な材料から形成された移動ウイングまたは移動部分４６を含んでいる。静止部分４４は、例えば堅いポリマーまたは金属のような柔軟ではない材料を用いることにより形成され、および／または静止部分を剛体サポートにより補強することにより形成されている。図示のように、静止部分４４はバルブプレート３０と一体化して形成されている。休止位置（図３Ａ）において、例えばバルブ４２に力が作用しなかったり不十分であったりする場合には、静止部分４４および移動部分４６は概して上述のシール４０と同様のシール４８を形成する。ある実施の形態において、シール４８は、バルブ４２の平面の軸垂線に対する角度（α）が約３０−７５°となるよう形成されている。十分な力がスリットフリップバルブ４２に加えられたときには、移動部分４６は（矢印Ｄ方向に）反り、部分４４，４６間で隙間５０を形成し、空気がバルブ４２を通って（矢印Ｆ方向に）流れることができるようになる。十分に強い力が加えられなくなった場合には、移動部分４６は休止位置に戻り、バルブ４２を介する空気の流れが停止したり減少したりする。

印加された力が作用したとき（または圧力損失により）、スリットフラップバルブ４２はスリットバルブ３６と比較してより大きな隙間を形成する。スリットフラップバルブ４２においては一つのウイング部分のみが移動するのに対し、スリットバルブ３６では２つのウイングが移動する。さらに、スリットフラップバルブ４２の隙間５０は圧力損失の働きにより直線的に大きくなることができるが、ある場合においてバルブ３６に作用する力が増加したときにスリットバルブ３６の隙間３９の大きさは一時的に減少する。（膜が反っているときに移動部分３８の上流側の「隅部」が一時的に隙間３９の大きさを減少させる。）また、スリットフラップバルブ４２はスリットバルブ３６よりも比較的容易に製造することができる。

バルブ３３として他の実施の形態を用いることもできる。概して、バルブ３３は、差圧またはこのバルブに加えられた力に反応して当該バルブを通過する空気の流れを調整することができるような様々な機構とすることができる。例えば、図４Ａ−Ｃに示すように、柔軟な材料において適当な形状に切断されることによりドアに似たフラップバルブ５２が形成されていてもよい。フラップバルブ５２は印加された力の機能により開いたり（図４Ｃ）閉じたり（図４Ｂ）する。バルブ３３の他の実施の形態は、それを形成する方法も含めて、「空気電極電池」と名付けられたクライアント番号Ｎｏ．Ｍ−４９２３に記載されており、これにより参照を行うことができる。

バルブ３３は、好ましくは永久歪が比較的小さいまたはゼロである柔軟な材料から形成することができる。ある実施の形態において、材料はガスに対して比較的不浸透性となっており、例えば酸素および／または二酸化炭素が材料を通って拡散することができないようになっている。しかしながら、ある場合には、予め設定された量の空気が材料を通過して拡散することができるよう、例えばスタンバイ・レートを維持するよう、この材料は予め設定された間隙率を有していてもよい。材料はポリマーまたは金属とすることができ、例えばアルミニウムのような薄い金属箔とすることができる。材料としては、ラテックス、ゴム、ポリプロピレンまたはポリエチレンが例示される。材料の厚さは約１０μｍ〜約２５０μｍの範囲内となっている。例えば、厚さは、１０、５０、１００、１５０または２００μｍより大きなものまたは同一のものとすることができ、および／または２５０、２００、１５０、１００または５０μｍより小さなものまたは同一のものとすることができる。厚さが定められたときに、材料の剛性およびバルブを開口させるのに必要とされる機能は、材料のヤング率によって決まる。ある実施の形態において、材料のヤング率は約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａとなっている。例えば、材料のヤング率は、１、２、３、４、５、６、７、８または９ＭＰａより大きなものまたは同一のものとすることができ、および／または１０、９、８、７、６、５、４、３または２ＭＰａより小さなものまたは同一のものとすることができる。バルブ３３は、例えば接着剤を用いて柔軟な材料のシートをバルブプレートに取り付け、シートの部分をレーザーで切断することにより形成することができる。

圧力感知バルブを設置するために多くの構造を用いることができる。図５Ａ−５Ｃは、バルブプレート３０上のバルブ３３の構造のある例を示す。バルブプレート３０は１または複数の、例えば２、３、４、５、６、７、８またはそれ以上のバルブ３３を含むことができる。バルブ３３は概して線形のもの（図５Ａ）または湾曲したもの（図５Ｂ、５Ｃ）とすることができる。バルブ３３は対称的にまたは非対称的に配置される。バルブ３３を組み合わせたものを用いることもできる。例えば、バルブプレートは１または複数のスリットバルブ、１または複数のスリットフラップバルブ、１または複数のフラップバルブ、および／または１または複数の異なる種類の圧力感知機構を含んでいる。システム２０は、１または複数のバルブプレート、例えば、２、３、４、５、６、７、８またはそれ以上のものを含んでいる。

バルブ３３は空気の流れを規制するものであればシステム２０のいかなる場所にも設置することができる。ある実施の形態において、ハウジング２２は側面に空気アクセス開口を含んでおり、１または複数のバルブ３３がこの開口に設けられて覆うようになっている。ハウジング２２はルーバー（鎧状板）を含んでいてもよく、バルブ３３はこのルーバーに設けられて覆うようになっている。ルーバーは、このルーバーの設置も含めて、米国特許第６，２３２，００７号に記載されており、これにより参照を行うことができる。バルブ３３は、バルブプレート３０および／または３４とともに、あるいは関係なく、開口２８および／または２９に形成されている。

空気送り器３２はバルブ３３、３５に対して力を作用させるよう構成されており、予め選択された圧力損失およびプレナム２３を通過する流速を与えるようになっている。空気送り器３２は、制御回路（図示せず）に接続されている。制御回路は、予め選択された動作モードに従って空気送り器３２を制御するよう構成されている。例えば、ある実施の形態において、システム２０が用いられている電気機器から、一定の電圧または電流、例えば電流の閾値を制御回路が検知したときに空気送り器３２を駆動するよう、当該制御回路は設計されている。検知された電圧または電流が予め設定された値、例えば閾値を超えて変化したときに、制御回路は空気送り器３２の駆動を停止させることができる。制御回路の例としては、「電気化学電池システム」と名付けられた「Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．０８９３５−２６１００１／Ｍ−４９８６」に記載されており、これにより完全に参照を行うことができる。変化する電流要求のために、ファンの速度を変化させることができる。例えば、制御回路はレジスタよりもむしろアナログのトランジスタを含んでいてもよい。空気送り器３２の一例としては、Ｋｏｔ´ｌ ＪｉｎＬｏｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ、Ｗｅｎｚｈｏｕ、Ｃｈｉｎａ ＰＲから入手可能なＤＣモータファンが挙げられる。

電池２４は、異なる実施の形態の電池および製造方法も含めて、米国特許出願に係る「Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．０８９３５−２６１００１／Ｍ−４９８６」に記載されている。電池の他の製造方法は、例えば２００２年１月３０日に出願された米国特許出願１０−０６０，７０１号に記載されており、これにより参照を行うことができる。他の金属空気電池およびその製造方法は１９９９年８月１３日に出願された米国特許出願９−３７４，２７７号、１９９９年８月１３日に出願された米国特許出願９−３７４，２７８号、１９９９年１０月１３日に出願された米国特許出願９−４１６，７９９号、１９９９年１０月２６日に出願された米国特許出願９−４２７，３７１号、２０００年１月３１日に出願された米国特許出願９−４９４，５８６号に記載されており、これにより完全に参照を行うことができる。

実施の形態において、ハウジング２２は、例えば成形または射出によって金属またはプラスチックから形成されたものとすることができる。実施の形態において、ハウジング２２は１または複数の開口を側面に有している。開口により、スタンバイ電流を維持しながら空気が電池２４のためにハウジング２２に入ることができるようになっている。代わりにまたはさらに付け加えて、システム２０は１つのバルブプレートのみを内蔵し、電池２４は開口２８または２９を介して空気に触れるようになっていてもよい。代わりにまたはさらに付け加えて、バルブ３３および／または３５は、上述のように休止位置にあるときに気密となっていなくてもよい。

ある動作モードにおいて、システム２０、とりわけ制御回路が、このシステムが使用される機器から予め設定された閾値の電流需要を検出したときに、電池２４に空気が供給される。制御回路が閾値の電流を検出したときに、この回路は例えば残余空気および／またはバルブ３３、バルブ３５あるいは他の開口を通過する空気により生成されるスタンバイ電流を用いて空気送り器３２を駆動する。空気送り器３２により生成された力は開口２８を介して空気を引き込みまたは吸い込み、バルブ３３の移動膜をハウジング２２内部側に反らせ、バルブ３３を開口させる。空気はハウジング２２の内部に流入し、正極と反応するよう金属空気電池２４に接触する。また、空気はバルブ３５に流れ、バルブ３５の移動膜を外方に反らせ、このことにより空気を、バルブ３５および開口２９を通過させてハウジング２２から排出する。

空気送り器３２の駆動時間中、バルブ３３および／または３５は常に開いたまま、または部分的に開いたままとなっている。ある動作モードにおいて、例えば空気送り器３２により加えられた需要電流および／または力によって、バルブ３３および／または３５は動作中に開閉を交互に行う（または部分的に開いたり部分的に閉じたりする）。

電流が閾値の電流以下であることを制御回路が検出したときには、例えば機器が停止したときには、制御回路は空気送り器３２の駆動を停止させる。空気送り器３２はシステム２０において空気の吸い込みおよび送風を停止し、バルブ３３、３５に加えられる力が減少する。その結果、バルブ３３、３５は休止位置に戻り、このことによりシステム２０における空気の流れが停止および／または減少する。電池２４の炭酸化作用が減少し、電池の寿命が伸びる。

他の実施の形態を示す図６において、空気送り器３２は第１のバルブプレート３０の上流側に設けられている。駆動の際に、空気送り器３２はバルブ３３に対して力、例えば送風による力を与え、このバルブ３３の移動膜がハウジング２２内に反るようになる。

ある場合には、図１７に示すように、電池システム２００は、システムの端部を形成するバルブプレート３０、３４を内蔵する。図示のように、バルブプレート３０、３４は端子２６を含み、例えば開口２８、２９のような追加の開口は必要とされない。

ある実施の形態において、システム２０は複数の電池、例えば、２、３、４、５、６、７、８またはそれ以上のものを有している。図７および図８に示すように、システム１００は、ハウジング２２と、２つの電池２４と、空気送り器３２と、制御回路１０２と、拡散チャンネルまたはチューブ１０４とを備えている。圧力感知バルブは、上述のように設置することができる。例えば、バルブは、拡散チューブ１０４に設けてもよく、空気送り器３２に隣接して（空気送り器３２の上流側または下流側に）設けてもよく、ハウジング２２内の空気アクセス開口（図示せず）に設けてもよく、および／またはハウジングの端部に設けてもよい。図９に示すように、システム１０６は、ハウジング２２と、４つの電池２４と、拡散チャンネル１０８とを備えている。バルブは上述のように形成されたものとすることができる。システム１００および１０６は、その詳細が米国特許出願の「Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．０８９３５−２６１００１／Ｍ−４９８６」に記載されている。拡散チャンネルまたはチューブを有する他の電池システムは、１９９９年９月２１日に出願され「金属空気電池の空気管理システム」と名付けられた米国特許出願９−４００，０２０号に記載されており、これにより参照を行うことができる。

他の実施の形態において、電気化学電池の他の種類のものとして例えば空気補助電池を用いることもできる。空気補助電池は、例えば米国特許第６，３７２，３７０号に記載されており、これにより完全に参照を行うことができる。金属空気電池の他の種類のものとして例えばマグネシウム空気電池またはアルミニウム空気電池を用いることもできる。

電池２４を他の構造とすることもできる。例えば、電池２４を角柱形状のものとしてもよい。ハウジング２２もまた角柱形状となる。角柱形状の電池およびハウジングは、２００２年１月３０日に出願され「電池および電池システム」と名付けられた米国特許出願１０−６０，７０１号に記載されており、これにより完全に参照を行うことができる。

上述のバルブおよび／または空気送り器は、従来の金属空気電池に用いることができる。例えば、バルブは金属空気電池の缶内にある空気アクセス開口に設けることができる。金属空気電池は米国特許第６，２３２，００７号に記載されている。

他の実施の形態において、電池２４は、仕切り層（例えばポリテトラフルオロエチレン層）を有している。この仕切り層は、１または複数の部分を有し、この部分は、酸素や水のような材料の当該仕切り層を通過する流速に適合するよう、他の仕切り層の部分に対して性質を変化させている。例えば、入口（例えばバルブ３３）に近い仕切り層の部分（すなわち、より短い拡散通路）は、入口から遠く離れた仕切り層の他の部分（すなわち、より長い拡散通路）よりも通過抵抗が高くなっており、均一な酸素のアクセスをより都合の良いものとし（例えば、最大とし）、および／または水の通過をより都合の良いものとする（例えば、最小とする）。仕切り層の部分は、当該仕切り層の他の部分に対して異なる大きさの通過抵抗または選択された材料に対する浸透性を有している。仕切り層の部分は、当該仕切り層の他の部分に対して異なる見かけ密度を有している。仕切り層の部分は、当該仕切り層の他の部分に対して異なる間隙率を有している。実施の形態において、仕切り層の一または複数の部分は電池の周囲には形成されていない。

実施の形態において、電池２４は正極の外側を覆うブロッタ層を有し、例えば電解液のような電池から漏洩するおそれがある材料を吸収している。ブロッタ層としては、例えばＷｈａｔｍａｎ ＰａｐｅｒまたはＰｅｌｏｎ（不織布の光沢のないポリアミド繊維（Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ、Ｌｏｗｅｌｌ、ＭＡ））を用いることができる。ブロッタ層は、上述のように仕切り層と同様にその性質を変えることができる。

性質を変化させるにあたり、例えば仕切り層および／またはブロッタ層の性質、具体的には水および／または酸素のような材料の当該層に係る通過抵抗を増減させるような、様々な方法を用いることができる。ある実施の形態において、仕切り層は機械的に機能する。他の実施の形態において、仕切り層の厚さが修正される。仕切り層の性質を変化させる他の方法は、米国特許出願１０−６０，７０１号および米国特許第６，２３２，００７号に記載されている。

実施例について以下に述べるが、この実施例に限定されるものではない。

以下の実施例は、円筒形状の単三電池と、空気送り器と、１または複数の圧力感知バルブとを有する電気化学電池システムの設計方法について述べている。

図１０に、モデル形状１５２とともに表示される電池システム１５０を示す。このモデル形状１５２は図１１に概略的に示されている。図において、ｄはプレナムの深さ（ｃｍ）であり、Ｗ_Ｉは入口バルブの開口幅（ｃｍ）であり、Ｗ_Ｏは出口バルブの開口（ｃｍ）であり、ｔはバルブの厚さ（ｃｍ）であり、Ｆは流速（ｃｃ／ｓ）である。使用される電池の長さは５ｃｍであり、使用される電池の直径は１．４ｃｍである。モデルとされるバルブは、図５Ｂの構成を有するスリットバルブである。システムはＦｅｍｌａｂ（Ｃｏｍｓｏｌ、Ｉｎｃ．、Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ、ＭＡより入手可能）が用いられ、入口から出口まで幾何学的にナビエ・ストーク（Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ）方程式が解かれる。設計パラメータの最大値および最小値の範囲は以下のように選択される。

出口幅／入口幅の割合は通常は１であり、出口と入口とが異なる状態となったときには小さくなる。

上述の範囲を用いて、設計マトリクスの模擬実験がＳｍａｌｌ Ｆａｃｅ−Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｄｅｓｉｇｎアルゴリズム（ＳｔａｔＥａｓｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔより入手可能）を使用することにより行われる。入口、出口および入口と出口との間のプレナムを通過する際の圧力損失が算出される。結果は、下記の相関関係を解くのに用いられる。

ｄＰ_Ｉは、入口を通過する際の圧力損失であり、ｄＰ_Ｏは、出口を通過する際の圧力損失であり、ｄＰ_ｐｌは、プレナムを通過する際の圧力損失であり、ｄＰ_{Ｓｙｓｔｅｍ}は、システムの総圧力損失である。上述した相関関係は、モデルにより得られる反応の多変量回帰アルゴリズムを使用することにより解かれる。

図１２は、圧力損失に関する流速およびプレナムの深さの影響を示す。バルブの幅は１０μｍであり、バルブの厚さは１００μｍである。プレナムを通過する圧力損失はプレナムの深さおよび流速のみの関数となっている。流速が増加するにつれてｄＰ_ｐｌが増加し、プレナムの深さが増加するにつれてｄＰ_ｐｌが減少する。

図１３は、入口および出口において同一のバルブが使用されている場合における、圧力損失に関する流速およびバルブ開口幅の影響を示す。バルブの厚さは１００μｍである。入口または出口を通過する際の圧力損失は、バルブ開口幅、バルブの厚さおよび流速のみの関数となっている。流速が増加するにつれてｄＰ_ＩまたはｄＰ_Ｏが増加し、開口幅が増加するにつれてｄＰ_ＩまたはｄＰ_Ｏが減少する。

図１４は、入口および出口において同一のバルブが使用されている場合における、圧力損失に関する流速およびバルブ開口厚さの影響を示す。バルブ開口幅は１０μｍである。入口または出口を通過する際の圧力損失は、バルブ開口幅、バルブの厚さおよび流速のみの関数となっている。流速が増加するにつれてｄＰ_ＩまたはｄＰ_Ｏが増加し、開口幅が減少するにつれてｄＰ_ＩまたはｄＰ_Ｏが減少する。

上述の観察結果を用いることにより、空気送り器およびスリットバルブのパラメータの設計を行う際に以下のステップを用いることができる。概して、流速は望ましい電流に基づいて選択される。このため、流速を選択するにあたり、式（１）〜（４）を用いてバルブ厚さ、開口幅および圧力損失の間の関係がグラフ化される。バルブ厚さが選択され、開口幅と圧力損失との関係が式（１）〜（４）よりグラフ化される。様々なバルブ材料における開口幅と圧力損失との関係がグラフ化され、先行して作成されたグラフとの交差点が発見される。システムの圧力損失はバルブの圧力損失の２倍の大きさとなる。そして、適切な圧力損失および流速が得られる空気送り器が選択される。

とりわけ、適用される電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ^２）を維持するために必要とされる酸素分圧（Ｐ_Ｏ２）の最小平均値が最初に算出される。％Ｏ_２＝１００＋５４．１７−２７．６９^＊ｌｎ（Ｉ）である。システムにおける通常の電池の電流（例えばＩ_ｃｅｌｌ＝０．５Ａ）が決定される。システムに必要とされる空気の流速（Ｆ）が選択される。

式（５）において、Ｆ（ファラデー定数）は９６，４８７Ｃ／ｅｑｕｉｖ．であり、Ｎ（電子の総数）は２．５であり、Ｒ（気体定数）は８２．０６ａｔｍ−ｃｃ／ｍｏｌ−Ｋであり、電流が０．５Ａよりも大きい場合におけるξ（化学量数）は１．０−４．０であり、ｐ_Ｏ２（外気）は０．２１ａｔｍである。ｄは例えば０．５−１．５ｍｍに固定されている。

選択された設計パラメータにおいて、入口および出口にける圧力損失の状態が定められる（図１５参照）。図示される計算は、Ｉ_ｃｅｌｌ＝０．５Ａ、ｄ＝１．０ｍによるものである（図１５において、ｔおよびＷ_Ｉの単位はｃｍではなくμｍである）。現実的なバルブの厚さ（例えば１００μｍ）が選択される。

入口／出口の圧力損失およびＷ_Ｉは図１６に示される。流速を維持するために必要とされる圧力損失は、式（１）−（２）により、バルブ開口幅の増加とともに減少する。しかしながら、特定の膜の開口を維持するために必要とされる圧力損失は、開口幅の増加とともに増加する。これらの２つの曲線は、交差点により入口または出口の圧力損失を決定する。異なるスリットバルブは異なる交差点を生じさせるので（図１６参照）、スリットバルブの設計により圧力損失が決定される。スリットバルブの対応曲線は、バルブプレートの設計およびバルブの材料のヤング率によって決まる。材料選択のより厳密な方法として、異なる設計および材料のためのＦＥＡソフトウェア（例えばＡＮＳＹＳ）を用いて対応曲線を生成してもよい。

そして、最適な圧力損失および流速を得ることができる空気送り器が選択される。空気送り器が提供するシステムの圧力損失は、式（４）により与えられる。式（４）に示される入口または出口の幅の圧力損失（上述のようにスリットバルブにより決定される）とシステムの圧力損失（空気送り器により決定される）との関係により、空気送り器およびスリットバルブは同時に選択されなければならない。反応性がより悪いスリットバルブは、概してより大きな圧力損失を得ることができるより強力な空気送り器を必要とし、その結果、流速を維持するのに十分なバルブ幅を開かせている。あまり強力ではない空気送り器は、概して流速を維持するために十分な幅を開かせるようなより反応性が良いスリットバルブを必要とする。

一端から空気が流入し、軸方向に配置された電池の表面で反応を行う円筒形状のシステムにおいて、酸素分圧の軸方向の段階的な変化が生じる。この段階的変化は、酸素の搬送に対する抵抗の結果である。この搬送抵抗は、プレナムの面積および電池の表面にある仕切り層（例えば、Ｗｈａｔｍａｎ紙またはテフロン仕切り）の間隙率に対して逆比例し、プレナムの長さおよび仕切り層の厚さに対して直接的に比例する。与えられた電流密度において、酸素分圧はガスの入口で最大となりガスの出口で最小となる。また、分圧の軸方向における段階的変化は、システムをサポートするために適用された電流密度の関数となっている。酸素分圧の段階的変化により、正極の電流密度に段階的変化が生じる。正極における反応電流密度は、酸素の濃度（または同様の分圧）に直接的に比例する。反応電流が軸方向に変化することにより、亜鉛の活用に悪影響を及ぼす。時間とともに、電池の入口側に近い部分において、比較的亜鉛の使用がより妨げられ、適用される電流を生み出すために活用される亜鉛の量が次第に少なくなる。その結果、亜鉛の電位が早期にカットオフ電圧よりも低くなるまで急激に低下し、機器が作動しているときに電池が停止する。

軸方向の酸素およびその結果として生じる電流密度の段階的変化を修正するために（均一化を行うために）、正極の表面における酸素の搬送抵抗を変化させている。搬送抵抗は軸方向における正極の仕切り層（例えば、Ｗｈａｔｍａｎ−ｐａｐｅｒまたはテフロン）の厚さおよび／または間隙率、あるいはプレナムの深さの変化により調整される。

これより一般的な実施例について説明する。例えば、適用されるある電流密度において、一端から空気が流入し他端から排出されるようなシステムの軸方向の酸素の段階的変化は、図１８のデータセット１により示される生成模擬実験（ＦＥＭＬＡＢソフトウェアを使用）により計算される。一つの目的は、酸素分圧の段階的変化を減少させる（例えば、最小とする）ことにより亜鉛の活用を増加させる（例えば、最大とする）ことである。このことは、仕切り層の厚さおよび／または仕切り層の間隙率を変化させることにより達成される。実際には、プレナムの深さの変化も似たようなものとなるが、仕切りの厚さとは反対となり、ここでは言及しない。

与えられた幾何学式および適用される電流密度により、軸座標の関数としての、仕切り層内の正極の表面における通常の酸素の段階的変化は、フィックの第１の法則により表される。フィックの第１の法則は、軸座標ｚの関数としての電流密度ｊが、正極のいかなる場所においても、正極の表面の通常の方向における酸素濃度の段階的変化ｙと関連していることを示している。関連式は以下のように示される。

上述式において、ｕは周囲の酸素の一部としての酸素濃度であり、ｙは表面の通常座標であり、Ｖ_ｎは空気のモル体積であり、Ｘは周囲の酸素のモル比率であり、Ｄは周囲の拡散係数であり、εは膜の間隙率である。一つの目的は、ｊ（ｚ）を均一とすることにより負極金属の活用を最大限とすることである。ｊ（ｚ）をｚ方向に変化させないことにより、好ましくは△ｕはｚの関数として均一化される。上述の方程式により、このことは、左手側の分母におけるｙを比例的に線形増大させ、一方、右手側の分母における算出された段階的変化またはレンダーε^１．５を比例的に減少させることにより可能となる。

図１８（データセット１）に一様に示される分圧の段階的変化を発生させるような、対応する仕切りの厚さの関数および仕切りの間隙率の関数を図１９に示す。この仕切りの厚さの変化の相関性は、関数をデータセット１に当てはめ、一体化によって平均を得ることにより計算される。この濃度の平均値は、図１９に示すように、データセット１に適合する関数を分割して厚さの乗数を得るために使用される。データセット１により発生する原初の模擬実験に用いられる厚さは、厚さの関数により乗算される。その結果、厚さが変化するような仕切りがシステムに用いられる場合には、図１８のデータセット２に示される平均酸素分圧が得られる。平均値を用い、結果として得られる相関性を間隙率の相関性の０．６６７の大きさまで向上させる。データセット１の生成に使用される原初の間隙率の乗算を行うときに、またデータセット２の生成に使用される仕切りの間隙率の乗算を行う。得ることが可能な均一化された分圧により、より良い負極の活用が行われる（データシート２参照）。

一般に、厚さまたは間隙率が変化する連続的なフィルムを用いることが好ましい。しかしながら、このような連続的な性質を有する仕切り層の生産が経済的に実現不可能である場合には、ステップ関数の仕切りを用いることが好ましい。一例として、原初の均一の厚さの代わりに用いられる場合に、仕切りの厚さのステップ状のラインにより良好な負極の活用を行うことができる。ステップ関数の仕切りの厚さは、生産するのに高価ではない。ステップ関数を実行する一つの方法は、厚さが０．２５δ（δは原初の厚さ）である単層の仕切り層を選択することにより行われる。このことにより、２．５、１．５、１および０．５Ｘを得ることができ、１０、６、４および２層の層を各々覆うことができる。

それぞれの公開公報または特許が明確にかつ個々に参照により盛り込まれるのと同一程度に、この出願で述べられた全ての公開公報および特許が参照により盛り込まれる。

他の実施の形態は特許請求の範囲内に記載されている。

電気化学電池システムの実施の形態を示す図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、各々閉止位置および開口位置にあるスリットバルブの実施の形態を示す図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、各々閉止位置および開口位置にあるスリットフラップバルブの実施の形態を示す図である。 図４Ａは、フラップバルブの実施の形態を示す図であり、図４Ｂは、図４Ａのバルブの４Ｂ−４Ｂ矢視断面図であり、図４Ｃは、開口位置における図４Ａのバルブを示す図である。 図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、バルブプレートの実施の形態を示す図である。 電気化学電池システムの実施の形態を示す部分図である。 電気化学電池システムの実施の形態を示す斜視図である。 図７の電気化学電池システムの分解図である。 電気化学電池システムの実施の形態を示す斜視図である。 電気化学電池システムの実施の形態を示す図であって、モデル構造を示す図である。 図１０のモデル構造の説明図である。 圧力損失（ａｔｍ）と流速（ｃｃ／ｓ）との関係を示すグラフである。 圧力損失（ａｔｍ）と流速（ｃｃ／ｓ）との関係を示すグラフである。 圧力損失（ａｔｍ）と流速（ｃｃ／ｓ）との関係を示すグラフである。 バルブの厚さ（μｍ）とバルブの開口幅（μｍ）との関係を示すグラフである。 圧力損失（ａｔｍ）とバルブの開口（μｍ）との関係を示すグラフである。 電気化学電池システムの実施の形態を示す図である。 酸素分圧と軸方向距離との関係を示すグラフである。 仕切り厚さまたは間隙率の乗数と軸方向距離との関係を示すグラフである。

Claims (40)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられた金属空気電池と、
   前記金属空気電池に流体連通する空気送り器と、
   前記空気送り器に流体連通し、この空気送り器に応答する圧力感知バルブであって、当該バルブおよび前記空気送り器が前記金属空気電池への空気の流れを規制することができるようになっているような圧力感知バルブと、
   を備えたことを特徴とする電気化学電池システム。
2. 前記バルブは、静止部分と、空気送り器に応答する移動部分とを有し、前記移動部分は前記静止部分に対して両部分間で可変の隙間を画定するよう移動することができるようになっていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記バルブは、空気送り器に応答する２つの移動部分を有し、これらの移動部分は両部分間で可変の隙間を画定するようになっていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記バルブは、第１の方向および第１の方向に対して逆方向である第２の方向に移動することができる移動部分を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記バルブは、一方向のみに移動することができる移動部分を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 圧力感知バルブは複数設けられていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記バルブは、水および二酸化炭素を通さないようになっていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記バルブはポリマーを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 前記バルブは金属を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 前記空気送り器は、前記ハウジング内における空気流路に沿って、前記バルブの上流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 前記空気送り器は、前記ハウジング内における空気流路に沿って、前記バルブの下流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
12. 前記ハウジングは開口を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
13. 前記ハウジングは、前記開口に設けられた第２の圧力感知バルブを有することを特徴とする請求項１１記載のシステム。
14. 前記ハウジングに沿って延び、前記金属空気電池に流体連通するチャネルを画定する細長い中空体を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のシステム。
15. 前記中空体により画定された開口に設けられた第２の圧力感知バルブを更に備えたことを特徴とする請求項１３記載のシステム。
16. 前記空気送り器はファンを有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
17. 前記空気送り器は前記ハウジング内に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
18. 金属空気電池は前記ハウジング内に複数設けられていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
19. 前記ハウジングは円筒形状であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
20. 前記ハウジングは角柱形状であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
21. 前記電池は、第１の部分においてガス浸透性を有する材料を含み、このガス浸透性は当該材料の第２の部分におけるガス浸透性とは異なることを特徴とする請求項１記載のシステム。
22. 正極と、
    前記正極に流体連通する空気送り器と、
    前記空気送り器に流体連通し、この空気送り器に応答する圧力感知バルブであって、当該バルブおよび前記空気送り器が前記正極への空気の流れを規制することができるようになっているような圧力感知バルブと、
    を備えたことを特徴とする金属空気電池。
23. 前記バルブは、静止部分と、空気送り器に応答する移動部分とを有し、前記移動部分は前記静止部分に対して両部分間で可変の隙間を画定するよう移動することができるようになっていることを特徴とする請求項２２記載の電池。
24. 前記バルブは、空気送り器に応答する２つの移動部分を有し、これらの移動部分は両部分間で可変の隙間を画定するようになっていることを特徴とする請求項２２記載の電池。
25. 前記バルブは、一方向のみに移動することができる移動部分を有することを特徴とする請求項２２記載の電池。
26. 圧力感知バルブは複数設けられていることを特徴とする請求項２２記載のシステム。
27. 前記バルブは、水および二酸化炭素を通さないようになっていることを特徴とする請求項２２記載のシステム。
28. 前記バルブはポリマーを含むことを特徴とする請求項２２記載のシステム。
29. 前記バルブは金属を含むことを特徴とする請求項２２記載のシステム。
30. 前記空気送り器は、正極への空気流路に沿って、前記バルブの上流側に設けられていることを特徴とする請求項２２記載の電池。
31. 前記空気送り器は、正極への空気流路に沿って、前記バルブの下流側に設けられていることを特徴とする請求項２２記載の電池。
32. 前記空気送り器はファンを有することを特徴とする請求項２２記載の電池。
33. 前記正極、前記空気送り器および前記バルブをカバーするハウジングを更に備えたことを特徴とする請求項２２記載の電池。
34. 金属空気電池への空気の流れを規制する方法において、
    前記金属空気電池に流体連通する空気送り器を駆動する工程と、
    電池への空気の流れを規制するために、空気送り器により発生する力に応答して圧力感知バルブを開く工程と、
    を備えたことを特徴とする方法。
35. 前記空気送り器は、電流需要に応答して駆動することを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 空気送り器の駆動を止め、バルブを閉止位置に移動させる工程を更に備えたことを特徴とする請求項３４記載の方法。
37. 空気送り器の駆動を止め、バルブを休止位置に移動させる工程を更に備えたことを特徴とする請求項３４記載の方法。
38. 前記バルブを開く工程は、当該バルブの静止部分に対して移動部分を反らせる工程を含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
39. 前記バルブを開く工程は、２つの移動部分を反らせて両部分間で隙間を画定する工程を含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
40. 前記金属空気電池に流体連通する細長いチャネルに空気を流す工程を更に含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。

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