JP2005538514A - 電気化学セルおよびシステム - Google Patents
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Abstract
電気化学セルおよび電気化学セルシステムが、開示される。
Description
本発明は、電気化学セルおよびシステムに関する。
電気化学セルは、一般的に、電源に使用される。セルは、典型的には、負極、正極、および、電解液を含む。負極は、酸化されることのできる活物質を含み、正極は、還元されることのできる活物質を含みあるいは消費する。負極活物質は、正極活物質を還元することができる。ある実施形態においては、正極物質と負極物質との直接反応を防止するために、負極および正極は、セパレータによって、お互いに電気的に絶縁される。
装置において、セルが、電気エネルギー源として使用される場合、負極（アノード）と正極（カソード）とが電気的に接触し、それによって、電子が装置に流れることができ、酸化還元反応が可能となり、電力の提供を発生させる。アノードおよびカソードに接触する、例えば、水酸化カリウムのような電解液は、電極間にあるセパレータを通って流れるイオンを含み、回路を形成し、放電中、セル全体における電荷バランスを維持する。
金属空気電気化学セルにおいては、正極活物質は、酸素であり、その酸素は、セルの外部にある大気からセル容器の１つかまたはそれ以上の空気孔を介してカソードへ供給される。酸素は、カソードにおいて還元され、金属は、アノードにおいて酸化される。
亜鉛空気セルのような金属空気電気化学セルにおいては、高いエネルギー密度を達成することができる。なぜなら、カソード活物質は、セル内に貯蔵されないからである。しかしながら、セルが、大気に連絡している場合、大気中のＣＯ２および水蒸気の出入りによる電解液の炭酸塩化のために、このエネルギー密度は、減少することがある。電池寿命を延ばすために、使用していないときにカソードを空気から隔離することは望ましいことではあるが（例えば、炭酸塩化を減少させるために）、使用中には空気に暴露される。例えば、活物質の均一な放電および／または比較的に大きく安定した動作電圧を提供するために、使用中には、空気を均一かつ十分にカソードに供給することは望ましいことである。１つかまたは複数のセルが必要なときに、１つかまたは複数の金属空気セルに空気を提供するために、また、１つかまたは複数のセルに負荷が存在しないときに、その１つかまたは複数のセルが周囲雰囲気（空気）に暴露されないようにするために、空気マネージャーと呼ばれることもあるシステムが、使用されてもよい。
本発明は、例えば、金属空気セルを有するような、電気化学セルおよびシステムに関する。
装置において使用されるとき、システムは、装置の所要電力に基づいて、良好に空気を管理する。一般的には、システムは、装置がオンであれば、システム内に存在する１つかまたは複数のセルを空気に暴露し、装置がオフであれば、１つかまたは複数のセルへの空気の流れを制限し、それによって、その１つかまたは複数のセルの寿命を延ばす。
一態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、空気流入路および空気流出路を有するカートリッジであり、使用中に、空気が、上記空気流出路を通って流れる空気とは実質的に反対方向に、上記空気流入路を通って流れる、上記カートリッジと、空気を上記空気流入路および上記空気流出路を通って移動させるように構成された上記カートリッジ内に存在するエアムーバーと、上記エアムーバーの動作を制御するように構成された上記カートリッジ内に存在する制御回路と、を含む電気化学セルシステムを特徴とする。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記空気流入路は、空気流入口を含み、上記空気流出路は、空気流出口を有し、上記空気流入口および上記空気流出口は、上記カートリッジの同一の端部に配置される。上記空気流入路および上記空気流出路は、上記カートリッジの両側に配置される。上記空気流出路は、実質的に、上記カートリッジの全長にわたって延びる。上記空気流出路は、それの長手方向に沿って異なる断面積を有する。上記エアムーバーは、羽根車およびモーターを含む。上記制御回路は、選択されたしきい値電流において上記エアムーバーを作動させる。
システムは、１つかまたはそれ以上の金属空気セルを上記カートリッジ内に含んでもよい。上記金属空気セルは、上記金属空気セルの一部分を取り巻きかつ上記金属空気セルの外側部分を規定するポリマー層または空気メンブランを含んでもよく、上記ポリマー層には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、および／または、Ｍｙｌａｒ（登録商標）が含まれる。使用中、空気は、まず最初に、上記金属空気セルの端部間の部分において、上記金属空気セルのポリマー層と接触することができる。
上記カートリッジは、電子装置の電池室にぴったりと嵌り込むような寸法を有してもよい。上記電池室は、複数の電池またはカートリッジを収容するような寸法を有してもよい。上記カートリッジは、ハウジングを含んでもよく、使用中、空気は、上記ハウジングの端部間において、上記ハウジング内へ案内されてもよい。上記カートリッジは、ハウジング、および、上記ハウジングの外部にある上記空気流出路の一部分を含んでもよい。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、第１の端部およびそれに向かい合った第２の端部を有するカートリッジであり、上記カートリッジは、空気流入口と空気流出口とを同一の端部にさらに含む、上記カートリッジと、上記カートリッジ内に存在するエアムーバーであり、上記エアムーバーは、空気を上記空気流入口から上記空気流出口へ移動させるように構成された、上記エアムーバーと、を含む電気化学セルシステムを特徴とする。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記カートリッジは、上記空気流入口を含む流路を含み、上記流路は、実質的に、上記カートリッジの全長にわたって延びる。上記カートリッジは、ハウジングを含み、上記流路の一部分は、上記ハウジングの外部にある。上記カートリッジは、ハウジングを有し、上記空気流入口および上記空気流出口は、上記ハウジングの外部にある。上記エアムーバーは、ファン（モーターおよび羽根車）を含む。上記システムは、上記エアムーバーの動作を制御するように構成された制御回路を上記カートリッジ内に有する。上記システムは、１つかまたはそれ以上の部分の金属空気セルを上記カートリッジ内に含む。上記カートリッジは、電子装置の電池室にぴったりと嵌り込むような寸法を有する。上記電池室は、複数の電池またはカートリッジを収容するような寸法を有する。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、内容積を有するカートリッジと、上記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルと、を含み、上記金属空気セルは、上記カートリッジの内容積の少なくとも５０％を占める、電気化学セルシステムを特徴とする。上記金属空気セルは、上記カートリッジの内容積の少なくとも６０％を占めてもよい。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、内容積を有するカートリッジと、上記カートリッジ内に存在するエアムーバーと、上記カートリッジ内に存在する制御回路と、を含み、上記エアムーバーおよび上記制御回路は、上記カートリッジの内容積の約２％未満を占める、電気化学セルシステムを特徴とする。上記エアムーバーおよび上記制御回路は、上記カートリッジの内容積の約１．６％未満を占めてもよい。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、カートリッジと、上記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルと、を含み、上記システムは、約４００Ｗｈ／Ｌよりも大きいエネルギー密度を有する、電気化学セルシステムを特徴とする。上記システムは、約４２０Ｗｈ／Ｌよりも大きいエネルギー密度を有してもよい。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムであって、カートリッジと、上記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルとを含み、上記システムは、約５．４Ａｈ／セルよりも大きい容量、例えば、約５．６Ａｈ／セルまたは約５．８Ａｈ／セルよりも大きい容量を有する、電気化学セルシステムを特徴とする。
別の態様において、本発明は、金属空気セルであって、アノードと、ポリマー層を貫通する開口を有する上記ポリマー層と、上記アノードと上記ポリマー層との間に存在するセパレータと、上記セパレータと上記ポリマー層との間に存在するカソードと、を含む金属空気セルを特徴とする。上記ポリマー層は、メッシュおよび／または弾性管状スリーブである。
別の態様において、本発明は、金属空気セルであって、アノードと、お互いに噛み合う向かい合った縁を有する外側層と、上記アノードと上記外側層との間に存在するセパレータと、上記セパレータと上記外側層との間に存在するカソードと、を含む金属空気セルを特徴とする。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記外側層の一方の縁は、蟻継ぎとして構成される。上記外側層は、金属を含む。上記外側層は、ポリマーを含む。上記外側層は、空気流入開口および／またはスリットを含む。
別の態様において、本発明は、金属空気セルであって、カソード集電体と、カソード端子から半径方向に延びる一体化された部分を有する上記カソード端子であり、上記一体化された部分が、上記カソード集電体に取り付けられた、上記カソード端子と、を含む金属空気セルを特徴とする。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記カソード端子は、上記カソード端子から半径方向に延びる複数の個々の一体化された部分を含み、上記複数の一体化された部分が、上記カソード集電体に取り付けられる。上記複数の一体化された部分は、上記カソード端子を中心にして等しい間隔を置いて配置される。上記カソード集電体は、上記一体化された部分に溶接される。上記金属空気セルは、上記カソード端子の一部分を取り巻くポリマーシールをさらに含む。
別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムを動作させる方法を特徴とする。この方法は、カートリッジの空気流入路を介して空気を第１の方向へ案内するステップと、上記カートリッジの空気流出路を介して空気を第１の方向と反対の第２の方向へ案内するステップと、を含み、空気は、上記カートリッジ内に存在するエアムーバーによって、上記空気流入路および上記空気流出路を介して案内される。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記方法は、上記カートリッジ内に存在する金属空気セルを、上記金属空気セルの端部間の部分において、空気と接触させるステップをさらに含む。上記方法は、上記金属空気セルを第２の金属空気セルと交換するステップをさらに含む。上記方法は、予め選択されたしきい値電流に基づいて、上記エアムーバーを作動させるステップをさらに含む。
さらに別の態様において、本発明は、電気化学セルシステムを動作させる方法であって、カートリッジの一方の端部に配置された空気流入口および空気流出口を備えた上記カートリッジを提供するステップと、空気を上記空気流入口の中へ案内するステップと、空気を上記空気流出口を通って上記カートリッジの外へ流すステップと、を備え、空気が、上記カートリッジ内に存在するエアムーバーによって、上記空気流入口から案内される、方法を特徴とする。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の特徴を含んでもよい。上記方法は、上記カートリッジ内に存在する金属空気セルを、上記金属空気セルの端部間の部分において、空気と接触させるステップをさらに含む。上記方法は、上記金属空気セルを第２の金属空気セルと交換するステップをさらに含む。
実施形態は、１つかまたはそれ以上の以下の利点を有する。本発明によるシステムは、金属空気電池内に流れ込む空気の流れを管理するための簡単かつ機能的なシステムを提供する。本発明によるシステムは、様々な装置に合わせるために、様々な形状で構成することができ、また、システムは、低価格で製造することができる。システムの動作は、単純である。ある実施形態においては、ユーザは、システムの動作を意識しなくてもよい。
本発明のその他の態様、特徴、および、利点が、本発明の好ましい実施形態の説明および特許請求の範囲から明らかとなる。
図１〜図４を参照すると、電気化学セルシステム２０は、再利用可能なカートリッジ２２、および、カートリッジ内に配置することのできる１つかまたは複数の交換可能な金属空気セル２４（ここでは、２個）を含む。カートリッジ２２は、使用中にセル２４に均一かつ十分な空気の流れを提供するように設計される。使用されていないときには、カートリッジは、セルを空気にできるだけ暴露させないようにし、それによって、セルの寿命を延ばす。
カートリッジ２２は、一般的には、電子装置の電池室にぴったりと嵌り込むような寸法および構造を有する。装置の例としては、カメラ、カメラ一体型ビデオ、携帯電話、玩具、ＣＤプレーヤ、または、懐中電灯などがある。カートリッジ２２は、１つかまたは複数のセル２４を収容するような寸法および構造を有するハウジング２６を含む。ハウジング２６は、例えば、成形または押出によって、例えば、金属またはプラスチックから製造されてもよい。図示されるように、ハウジング２６は、横に並べて配置された２つの円筒形セル２４を、例えば、摺動可能に収容するような寸法を備えた構造を有する。構造は、ハウジング２６の側面上に２つの凹部５６および５８を規定する。凹部５６は、切取部６０を含み、凹部５８は、切取部６２（図９）を含む。
カートリッジ２２は、空気の流れをハウジングから案内してセル２４に接触させるための構造をハウジング２６の側面上に含む。ハウジング２６の第１の側面上には、カートリッジ２２は、プレート組立品３２、例えば、Ｋｏｔ’ｌ ＪｉｎＬｏｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｗｅｎｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ ＰＲから市販されているＤＣモーター３５を含むエアムーバー３４、羽根車３７、制御回路３６、および、プレート３８（例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）のようなプラスチックからせ製造された薄い部材またはラベル）を含む。プレート組立品３２は、切取部６０に係合するように構成される。プレート組立品３２は、エアムーバー３４を収容する第１の円筒形部分４０、第１の円筒形部分から所定の間隔を置いて配置された第２の円筒形部分４２、および、２つの溝４４（図１および図４）を含む。溝４４は、第２の円筒形部分４２の端部から第１の円筒形部分４０へ延び、円筒形部分４０の開口４５を介して、部分４０と部分４２との間の間隙と流体連絡している。プレート３８が、プレート組立品３２上に覆い被されば（図３）、プレートおよび溝４４は、開口４５および円筒形部分４０を介してハウジング２６の内部と流体連絡する２つの空気流入路４６を形成する。
別の実施形態においては、エアムーバー３４は、ダイヤフラムポンプおよびそれの変形であってもよく、あるいは、ペリスタルポンプであってもよい。ポンプの例は、米国特許第６，２７４，２６１号、国際公開第００／３６６９６号、国際公開第０１／９７３１７号、国際公開第０１／９７３１８号、国際公開第０１／９７３１９号、および、国際公開第０２／３１９０６号、に記載されており、これらの明細書のすべては、その全体が参照してここに組み込まれる。
制御回路３６は、予め選択された動作モードに基づいてエアムーバー３４を制御するように構成される。例えば、ある実施形態においては、制御回路３６は、制御回路が所定の電圧または電流、例えば、約３０ミリアンペアのしきい値電流を検出したときに、エアムーバー３４を作動させるように設計されてもよい。検出された電圧または電流が、例えば、所定の値、例えば、しきい値電流を越えて逆方向に変化すれば、制御回路３６は、エアムーバー３４を停止させてもよい。制御回路３６の例が、図５に概略的に示される。
ハウジング２６の第１の側面の反対側にある第２の側面上には、カートリッジ２２は、一方の表面上に溝５０を規定する空洞キー４８を含む。図示されるように、空洞キー４８は、ハウジング２６の全長にわたって延びるが、別の実施形態においては、空洞キーは、ハウジングの全長の一部分だけに延びてもよい。空洞キー４８は、比較的に狭い部分５２および比較的に広い部分５４を含む。空洞キー４８が、凹部５８内に収容されると（接着剤で接合することによって）、空洞キーおよびハウジング２６は、空気流出路６４を規定し、その空気流出路６４においては、狭い部分５２が、切取部６２に隣接する。広い部分５４に沿った流路６４の断面積は、狭い部分５２に沿った流路の断面積よりも大きい。
ハウジング２６の端部において、カートリッジ２２は、ハウジングに取り付けられた接点端部組立品２８、および、ハウジングに着脱可能に取り付けられた端部キャップ３０を含む。図６および図７を参照すると、端部キャップ３０は、セル２４とハウジング２６の端部とに係合するように構成される。端部キャップ３０は、ロックピン６８、ばね接点７０、および、プルタブ７２を含む。ロックピン６８は、プレート組立品３２の円筒形部分４２に係合するように構成された弾性部材である。ロックピン６８は、円錐形またはマッシュルーム形の先端部分を有し、その先端部分は、端部キャップ３０がハウジング２６に完全に係合させられると、円筒形部分４２を通り過ぎて延び、端部キャップをハウジングにしっかりと固定する（図９）。ロックピン６８は、例えば、変形することのできるウレタンかまたはラテックス材料から製造されてもよい。ばね接点７０は、端部キャップ３０の内面に取り付けられ、セル２４の端子に接触し、セルを直列に電気的に接続する。例えば、端部キャップ３０の外面に取り付けられた一片の布であるプルタブ７２は、例えば、セルを交換するために、例えば、端部キャップ３０をハウジング２６から取り外すのに使用される。端部キャップ３０は、さらに、タング６５（ここでは、２つ）および２つのノッチ７４を含む。タング６５は、ハウジング２６内の所定の位置にセル２４を配置し、そのために、セルの外面とハウジングの内面との間には、間隙またはプレナムが存在する。ノッチ７４は、プレート組立品３２の溝４４と整列し、ハウジング２６への空気流入口を規定する。端部キャップ３０を取り付けるためのその他の機構が、可能である。例えば、端部キャップ３０は、ヒンジ式にカートリッジ２２に取り付けられてもよい。端部キャップ３０は、取り外せないようにしてセル２４に取り付けられてもよく、例えば、セル２４と一体化されて形成されてもよい。
図８を参照すると、接点端部組立品２８は、負極接点７６、正極接点７８、および、セル２４の端子に接触するばね接点８０を含む。負極接点７６は、電流検出のための一体化された分流抵抗器を含む（図５）。負極接点７６および正極接点７８は、分流および制御のリード線８２に接続され、そのリード線８２は、制御回路３６（図５）に接続する。接点端部組立品２８は、さらに、アライメントタング８４（ここでは、４つ）を含み、そのアライメントタング８４は、セル２４をハウジング２６内の所定の位置に配置し、セルの外面とハウジングの内面との間にプレナムを規定する。
１つの動作モードにおいては、システム２０、具体的には、制御回路３６が、システムが使用される装置からの予め定められたしきい値電流需要を検出すると、空気が、セル２４に供給される。制御回路３６が、しきい値電流を検出すると、制御回路３６は、エアムーバー３４を作動させる。図９を参照すると、その結果として、空気は、空気流入口および空気流入路４６を介して吸い込まれ、開口４５を通り、羽根車３７を通り、そして、円筒形部分４０と４２との間の間隙を通り、そこで、空気は、セル２４の外面に接触する（図９の黒矢印を参照）。空気は、まず最初に、セル２４の端部間にある部分に接触する。エアムーバー３４（モーター３５および羽根車３７）の力によって送り出されるので、空気は、セルの電気化学反応に使用されるに足る空気中の酸素の流量でもって、セル２４の長手方向に流れ、装置の所要電力を満足させる。そして、空気は、接点端部組立品２８まで流れ、方向を反転する。空気は、切取部６２を通り、流出路６４の比較的に狭い部分を通り、流出路の比較的に広い部分を通って流れ、空気流出口から出る。その他のしきい値電流あるいは検出機構が、エアムーバー３４を作動させるのに使用されてもよい。しきい値電流は、例えば、セル２４とハウジング２６との間にあるプレナムの大きさ、放電量、および／または、流入路４６および流出路６４の大きさに依存するものであってもよい。
別の実施形態においては、羽根車３７は、空気が、カートリッジ２２の外部から流出路６４を介して中へ吸い込まれあるいは吸引され、そして、流入路４６から吐き出されるような具合に回転するように構成されてもよい。すなわち、空気の流れは、上述した空気の流れを逆にしたものであってもよい。例えば、様々な電流需要のための様々なファン回転速度が、使用されてもよい。例えば、制御回路３６は、スイッチングトランジスタではなく、むしろ、アナログトランジスタを含んでもよい。
例えば、装置が、スイッチをオフにしたときに、制御回路３６が、しきい値以下の電流を検出すると、制御回路は、エアムーバー３４を停止させる。その結果として、エアムーバー３４は、システム２０の中へ空気を送り込むのを停止し、そして、セル２４を通過する空気の流れは、減少し（例えば、エアムーバーが作動しているときと比較して）、それによって、発生するかもしれない炭酸塩化および水蒸気発散を減少させ、セルの寿命を延ばす。
ここで、セル２４およびそのセルを製造する方法を説明する。
セル２４は、ハウジング２６の内部の所定の位置に配置されるように構成された円筒形金属空気電気化学セルである。図１０〜図１３を参照すると、セル２４は、カソード組立品１００、カソード組立品の一端に接続されたカソードシール１０２、および、カソード組立品の他端に接続されたアノードシール１０４を含む。カソード組立品１００は、集電体１０８上に形成されたカソード１０６を含む。集電体１０８の露出部分だけが、示される。集電体１０８のその他の部分は、カソード材料によって取り巻かれる。セパレータ（図示しない）が、カソードの内面に取り付けられ、例えば、カソードの内面に接着剤で接合される。空気メンブラン（図示しない）、オプションとしての吸取紙または空気拡散層１１０、および、スペーサー層１１２が、カソード１０６の外面に巻かれる。カソード組立品１００は、空洞１１４を規定するように形成され、その空洞１１４の中には、アノード材料１１５が、配置される。セル２４が、完全に組み立てられると、スペーサー層１１２は、セルの外面を規定する。ある実施形態においては、スペーサー層１１２の厚さは、セル２４の最小プレナムを規定する。スペーサー層１１２は、また、除外されてもよく、それによって、空気メンブランが、セルの外面を規定する。
カソード１０６は、集電体１０８の少なくとも一部分に形成された活性カソード混合物を含む。カソード混合物は、マンガン化合物のような触媒、炭素粒子、および、バインダーからなる混合物を含む。有益な触媒は、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ２のような酸化マンガンおよびそれらの組み合わせを含み、それらは、例えば、硝酸マンガンを混合および加熱することによって、あるいは、過マンガン酸カリウムを還元することによって、製造することができる。カソード１０６は、重量で約３％から約５％までの範囲にある触媒のような、重量で約１％から約２０％までの範囲にある触媒を含んでもよい。
炭素粒子は、炭素の特定の種類に何ら限定されない。炭素の例は、Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌｓ ２０００、および、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）、Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ Ｂｌａｃｋ（Ｃｈｅｖｒｏｎ，Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ）、Ｐｒｉｎｔｅｘ（Ｄｅｇｕｓｓａ ＡＧ，Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ（Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ，Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ）、および、Ｃａｌｇｏｎ ＰＷＡ（Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）を含む。カソード混合物は、重量で約５０％から約６０％までの範囲にある全炭素のような、重量で約３０％から約７０％までの範囲にある全炭素を含んでもよい。
バインダーの例は、ポリエチレン粉末、ポリアクリルアミド、ポルトランドセメント、および、ポリフッ化ビニリデンおよびポリテトラフルオロエチレンのようなフルオロカーボン樹脂を含む。ポリエチレンバインダーの例は、Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ ＨＡ−１６８１（Ｈｏｅｃｈｓｔ）という商標で市販されている。好ましいバインダーは、Ｔ−３０（ＤｕＰｏｎｔ）のようなポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含む。カソード混合物は、重量で約３０％から約４０％までの範囲にあるバインダーのような、重量で約１０％から約４０％までの範囲にあるバインダーを含んでもよい。カソード混合物は、触媒、炭素粒子、および、バインダーを混合することによって、生成されてもよい。別の実施形態においては、Ａｌｕｐｏｗｅｒ，ＩｎｃまたはＥＴＥＫから市販されているようなガス拡散電極が、使用されてもよい。
混合されたカソード混合物は、円筒形に形成されたグリッドメッシュ、平行四辺形メタル、または、エキスパンデッドメタルメッシュスクリーンのようなカソード集電体１０８に塗布され、カソード１０６を形成する。カソードを製造する方法は、例えば、射出成形または押出成形を含んでもよく、それらの方法は、１９９９年１０月１３日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／４１６，７９９号に記載されており、その米国特許出願第０９／４１６，７９９号は、その全体が参照してここに組み込まれる。
そして、集電体１０８は、カソード端子キャップ１１６に取り付けられ（例えば、溶接され）、そのカソード端子キャップ１１６は、セル２４のピップを形成する（図１１）。図１２Ａおよび図１５Ｂに示されるように、カソード端子キャップ１１６は、集電体１０８の露出部分に取り付けられた張り出し部分またはアーム１１７を含む。ある実施形態においては、カソード端子キャップ１１６は、集電体１０８に取り付けられた１つよりも多い、例えば、２つ、３つ、４つ、または、それ以上の張り出し部分１１７を含む。複数の張り出し部分１７は、カソード端子キャップ１１６をセル２４の縦軸の中心に配置するのを助けるために、お互いに等しい間隔を置いて配置されてもよい。カソード端子キャップ１１６の複数の張り出し部分１１７を集電体１０８に取り付けることは、さらに、頑丈かつ安定した取付を提供する。別の実施形態においては、集電体１０８（例えば、メッシュ）は、例えば、金属鋳造によって、１つかまたはそれ以上の張り出し部分１１７を有するカソード端子キャップ１１６と一体化されて形成されてもよい。集電体およびカソード端子キャップ組立品が、金型またはキャビティー内に配置されてもよく、そして、混合されたカソード混合物が、金型またはキャビティー内に射出されて、カソード１０６を形成してもよい。
カソード１０６の内面上には、セパレータが、カソードに取り付けられる（接着剤で接合される）。セパレータは、ポリプロピレンのような多孔質の電気的絶縁性を有するポリマーであってもよく、それは、電解液（以下で説明する）がカソード１０６に接触するのを可能にするものである。ある実施形態においては、セパレータは、２０００年５月１０日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／５６８，８１９号に記載されるように、溶液を塗布され、その溶液が乾燥したときに、カソード１０６上に形成されてもよく、その米国特許出願第０９／５６８，８１９号は、その全体が参照してここに組み込まれる。
ある実施形態においては、空気メンブランが、圧力、熱、および／または、接着剤によって、カソード１０６の外面に取り付けられる。メンブランは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような多孔質の電気的絶縁性を有するポリマーであってもよく、それは、酸素還元のために、空気が、セルの外面から活性部位に透過するのを可能にするものである。また、メンブランは、液体の水が電解液からセルの外部へ浸透するのを防止することもできる。
そして、カソード１０６（カソード端子１１６に取り付けられた）およびセパレータは、インサート成形キャビティー内に配置される。絶縁ディスク１１８、例えば、接着剤を備えた１枚のＭｙｌａｒ（登録商標）が、カソード端子１１６の内面上の所定の位置に配置され、カソード端子１１６を空洞１１４内のアノード材料１１５から電気的に分離する。そして、カソードシール１０２およびアノードシール１０４が、例えば、一般的なインサート成形技術によって（例えば、Ｎｉｓｓｅｉ ＮＣ−９０００Ｇ １１ システムを用いて）、形成され、それによって、カソード１０６は、シール間にしっかりと取り付けられる（図１２Ａおよび図１２Ｂ）。シール１０２および１０４は、電気的絶縁性を有する、アルカリ性電解物（ＫＯＨのような）に対して比較的に耐性のある、および／または、比較的に高い融点（例えば、約３２０℃）を有する材料から製造されてもよい。シール１０２および１０４に使用される材料の例は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、ナイロン、ポリエチレン、および、ポリプロピレンを含む。カソードシール１０２は、集電体１０８の露出部分、カソード端子１１６の部分、カソード本体の部分を取り巻く。カソードシール１０２は、カソード１０６の一部となり、端子１１６を絶縁して、それをアノード材料１１５に接触させない。
そして、空洞１１４は、アノード材料１１５を充填される。アノード材料１１５は、亜鉛および電解液の混合物を含む。亜鉛および電解液の混合物は、セル内の湿気を保持するのを助け、電解液がセルから漏れるのを防止し、および／または、亜鉛の粒子をアノード内に懸濁することのできるゲル化剤を含んでもよい。
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウム、または、ビスマスと合金にされた亜鉛粉末であってもよい。例えば、亜鉛は、約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍまでの範囲にある（例えば、５００ｐｐｍの）鉛、約４００ｐｐｍから約６００ｐｐｍまでの範囲にある（例えば、５００ｐｐｍの）インジウム、または、約５０ｐｐｍから約９０ｐｐｍまでの範囲にある（例えば、７０ｐｐｍの）アルミニウムと合金にされてもよい。好ましくは、亜鉛材料は、インジウム、アルミニウム、および／または、ビスマスを含んでもよい。亜鉛材料は、エアブローン亜鉛（ａｉｒ ｂｌｏｗｎ ｚｉｎｃ）またはスパン亜鉛（ｓｐｕｎ ｚｉｎｃ）であってもよい。適切な亜鉛粒子が、例えば、１９９８年９月１８日に出願された米国特許出願第０９／１５６，９１５号、１９９７年８月１日に出願された米国特許出願第０８／９０５，２５４号、および、１９９８年７月１５日に出願された米国特許出願第０９／１１５，８６７号に記載されており、それらのそれぞれの明細書は、その全体が参照してここに組み込まれる。
亜鉛の粒子は、球形または非球形であってもよい。例えば、亜鉛粒子は、形状が針状であってもよい（少なくとも２であるアスペクト比を有する）。亜鉛材料は、その大半が６０メッシュから３２５メッシュまでの範囲にある寸法を有する粒子を含む。例えば、亜鉛材料は、以下の粒度分布を有してもよい。
０〜３重量％の６０メッシュスクリーン
４０〜６０重量％の１００メッシュスクリーン
３０〜５０重量％の２００メッシュスクリーン
０〜３重量％の３２５メッシュスクリーン
０〜０．５重量％のパン（ｐａｎ）
０〜３重量％の６０メッシュスクリーン
４０〜６０重量％の１００メッシュスクリーン
３０〜５０重量％の２００メッシュスクリーン
０〜３重量％の３２５メッシュスクリーン
０〜０．５重量％のパン（ｐａｎ）
適切な亜鉛材料は、Ｕｎｉｏｎ Ｍｉｎｉｅｒｅ（Ｏｖｅｒｐｅｌｔ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）、Ｄｕｒａｃｅｌｌ（ＵＳＡ）、Ｎｏｒａｎｄａ（Ｃａｎａｄａ）、Ｇｒｉｌｌｏ（Ｇｅｒｍａｎｙ）、または、Ｔｏｈｏ Ｚｉｎｃ（Ｊａｐａｎ）から市販されている亜鉛を含む。
ゲル化剤は、吸水性ポリアクリレートである。吸水性ポリアクリレートは、米国特許第４，５４１，８７１号に記載されるように、１グラムのゲル化剤当たり約３０グラム未満の塩類溶液を吸収することのできる測定曲線を有し、その米国特許第４，５４１，８７１号は、参照してここに組み込まれる。アノードゲルは、アノード混合物中における亜鉛の乾燥重量で１％未満のゲル化剤を含む。好ましくは、ゲル化剤含有量は、重量で約０．２％から約０．８％までの範囲にあり、より好ましくは、重量で約０．３％から約０．６％までの範囲にあり、もっとも好ましくは、重量で約０．３３％である。吸水性ポリアクリレートは、懸濁重合によって製造されたポリアクリル酸ナトリウムであってもよい。適切なポリアクリル酸ナトリウムは、約１０５ミクロンから約１８０ミクロンまでの範囲にある平均粒度を有し、かつ、約７．５のｐＨ値を有する。適切なゲル化剤は、例えば、米国特許第４，５４１，８７１号、米国特許第４，５９０，２２７号、または、米国特許第４，５０７，４３８号に記載されている。
ある実施形態においては、アノード材料は、非イオン性界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤は、非イオン性有機リン酸化合物または非イオン性リン酸アリール（例えば、Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓから市販されているＲＡ６００またはＲＭ５１０）のような非イオン性リン酸塩界面活性剤であってもよく、それは、亜鉛表面上にコーティングされてもよい。アノード材料は、亜鉛材料の表面上にコーティングされた約２０ｐｐｍから約１００ｐｐｍまでの範囲にある界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤は、ガス発生抑制剤の役割をなすことができる。
電解液は、水酸化カリウムの水溶液であってもよい。電解液は、重量で約３５％から約４０％までの範囲にある水酸化カリウムのような、重量で約３０％から約４０％までの範囲にある水酸化カリウムを含んでもよい。電解液は、また、約１％から約２％までの範囲にある酸化亜鉛を含んでもよい。
図１３を参照すると、次に、セル２４は、アノード集電体組立品１２０を用いて、密封される。組立品１２０は、アノード端子を形成するアノードキャップ１２４に取り付けられた（例えば、溶接された）アノード集電体１２２（例えば、錫メッキされた真ちゅうのロッドまたは釘）を含む。集電体１２２およびアノードキャップ１２４（例えば、ニッケルメッキされた１１１０冷間圧延鋼から製造された）は、電気的絶縁性を有するシール部材１２６（例えば、ＡＢＳから製造された）に取り付けられる。シール部材１２６は、例えば、オーバーインサート成形によって、集電体１２２およびキャップ１２４に取り付けられてもよい。アノード集電体組立品１２０は、セル２４を密封するために、超音波溶接することによって、アノードシール１０４に取り付けられてもよい。
そして、吸取紙層１１０が、カソード１０６の外面に巻かれる。吸取紙層１１０は、空気を分配し、および／または、カソード１０６から漏れるかもしれない電解液などの材料を吸収するのに使用される。吸取紙層１１０は、織布または不織布であってもよく、空気透過性があり、吸水性があり、および／または、ＫＯＨのような電解液に対して安定性があるものである。吸取紙層１１０は、例えば、ワットマン紙、または、Ｐｅｌｏｎ（例えば、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｌｏｗｅｌｌ，ＭＡから市販されているＰ３、Ｐ５、Ｐ１２、または、Ｐ２８、非カレンダー加工ポリアミド不織布）であってもよい。
ある実施形態においては、吸取紙層１１０は、電解液の炭酸塩化が発生するのを減少させるために、水酸化カリウムのような、二酸化炭素と反応することのできる材料を含む。電解液の炭酸塩化は、セル２４の有効電解液の量を減少させることがある。炭酸塩化は、また、空気メンブランの多孔率を増大させて電解液をメンブランから漏れさせることのある炭酸カリウムを生成することによって、セル２４からの電解液の漏れを増大させることがある。ある実施形態においては、ＫＯＨのペーストが、吸取紙層１１０に塗布され、そして、乾燥させられてもよい。吸取紙層１１０は、カソード１０６の外部の所定の位置に配置されるので、二酸化炭素が、カソード内の電解液と反応する前に、吸取紙層上のＫＯＨは、二酸化炭素と反応することができる。その結果として、カソード内の電解液と反応することのできる二酸化炭素の量および電解液の漏れを減少させることができる。ＫＯＨのペーストは、格子または一連の縞のようなパターンで、吸取紙層１１０に塗布されてもよい。
そして、スペーサー層１１２が、吸取紙層１１０に巻かれる。スペーサー層１１２は、セル２４の外面を保護する非導電性（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリウレタン、または、シリコンゴムのようなポリマー）のメッシュスリーブまたはグリッドであってもよい。スリーブまたはグリッドは、例えば、弾性バンドのような比較的に柔軟性または弾性のあるものであってもよく、吸取紙層１１０をカソード１０６に密着した状態に維持するのを助ける。メッシュは、例えば、幅または径が約１／８インチである開口を有してもよい。吸取紙層１１０およびスペーサー層１１２は、お互いに接着剤で接合されてもよい。
ある実施形態においては、セル２４は、例えば、円筒形の金属、プラスチック、または、ゴム製のハウジングのような容器または外側ハウジングを含んでもよい。外側ハウジングまたはシュラウドは、１つかまたはそれ以上の空気流入ポートを含んでもよい。吸取紙層１１０および／またはスペーサー層１１２は、空気プレナムを容器の内面とカソード１０６の外面との間に規定するのを助けることができる。例えば、図２３および図２３Ａを参照すると、セル２４は、お互いに噛み合う向かい合った縁５０２を有する外側層５００を含んでもよい。図示されるように、縁５０２は、お互いに噛み合うピンおよびテールを有し、層５００を固定してほぼ円筒形に維持する。図２４Ａ〜図２４Ｅを参照すると、外側層５００は、金属またはプラスチックのような材料の平坦な素材５０４を切断することによって、例えば、レーザーカットすることによって、形成されてもよい（図２４Ａ）。素材５０４は、また、スリット５０６、ルーバー、および／または、空気流入開口を含むように切断されてもよい。そして、形成された素材は、縁５０２をお互いに合わせて固定するために、マンドレルに巻かれてもよい。縁５０２のための別の構造が、可能である。例えば、縁５０２は、矢じり状の構造、Ｔ字形の構造、または、縁をお互いに固定するのを可能にする何らかのその他の構造を含むように形成されてもよい。
別の実施形態においては、吸取紙層１１０および／またはスペーサー層１１２は、例えば、セル２４内の湿度レベルを一定に維持するのを助けるＰＴＦＥ（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓから市販されている）メンブランまたはＭｙｌａｒ（登録商標）メンブランのような空気透過性および液体不透過性のバリヤ層によって補完されてもよく、あるいは、そのようなバリヤ層と置き換えられてもよい。バリヤ層は、また、セル２４から電解液が漏れるのを制限し、また、セルの中へＣＯ２が入るのを制限し、また、セルが物理的に傷つかないようにするのを助けてもよい。ある実施形態においては、容器は、米国特許第６，２３２，００７号に記載されるように、ルーバーを含んでもよく、その米国特許第６，２３２，００７号は、それの全体が参照してここに組み込まれる。
保管中、セル２４は、セルの中と外との間を空気が流れるのを制限する取り外し可能なシート、例えば、酸素半不透過性および水素透過性のシートによって包まれてもよい。ユーザは、セル２４をハウジング２６の中に配置する前に、酸素がセルの内部に入り込むことができるように、そのシートをセルからはぎ取ってもよい。セル２４は、また、密封された金属袋内に保管されてもよく、そして、ユーザは、使用する前に、その袋からセルを取り出してもよい。
セル１０４は、例えば、単１、単２、単３、単４、または、単６のように、様々な寸法で製造されてもよい。別の実施形態においては、例えば、ハウジングの構造および／または装置の電池室の構造に応じて、セル２４は、長円形、楕円、または、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、または、８つ、または、それ以上の面を有する多角形のような非円形断面を有してもよい。断面は、規則的であってもよく、あるいは、規則的でなくてもよい。
（その他の実施形態）
別の実施形態においては、セル２０１は、継ぎ目のあるカソードを含む。上述した構造に類似する構造は同一の符号で示される図１４〜図１５を参照すると、継ぎ目のあるカソード２００は、カソード混合物を集電体１０８に塗布するが、集電体の露出した部分、すなわち、カソード混合物によってコーティングされない部分を残すことによって（例えば、マスクすることによって）、形成される。露出した部分は、平坦なシートによって形成される円筒の向かい合った縁部分に対応する。空洞１１４を規定するために、カソード２００は、（例えば、マンドレルの周りに）巻かれ、そして、集電体１０８の露出した縁部分が、お互いに接合され（溶接によって）、それが、カソード２００の長手方向に延びる継ぎ目（図示しない）を形成する。例えば、インサート成形によって、カソードシール１０２およびアノードシール１０４を形成するとき、継ぎ目は、内部継ぎ目２０２および外部継ぎ目２０４を形成することによって、覆われ、あるいは、密封される。継ぎ目２０２および継ぎ目２０４は、シール１０２とともにインサート成形によって形成されるポリマー（ＡＢＳ）ストリップまたはゴム製ストリップであってもよい。セル２４に関して上述したようにして、セル２０１を完成させてもよい。継ぎ目のないカソードは、継ぎ目のあるカソード、例えば、継ぎ目２０２および２０４を有するカソードよりも広い活性領域（例えば、露出した部分）を提供することができる。
別の実施形態においては、セル２０１は、継ぎ目のあるカソードを含む。上述した構造に類似する構造は同一の符号で示される図１４〜図１５を参照すると、継ぎ目のあるカソード２００は、カソード混合物を集電体１０８に塗布するが、集電体の露出した部分、すなわち、カソード混合物によってコーティングされない部分を残すことによって（例えば、マスクすることによって）、形成される。露出した部分は、平坦なシートによって形成される円筒の向かい合った縁部分に対応する。空洞１１４を規定するために、カソード２００は、（例えば、マンドレルの周りに）巻かれ、そして、集電体１０８の露出した縁部分が、お互いに接合され（溶接によって）、それが、カソード２００の長手方向に延びる継ぎ目（図示しない）を形成する。例えば、インサート成形によって、カソードシール１０２およびアノードシール１０４を形成するとき、継ぎ目は、内部継ぎ目２０２および外部継ぎ目２０４を形成することによって、覆われ、あるいは、密封される。継ぎ目２０２および継ぎ目２０４は、シール１０２とともにインサート成形によって形成されるポリマー（ＡＢＳ）ストリップまたはゴム製ストリップであってもよい。セル２４に関して上述したようにして、セル２０１を完成させてもよい。継ぎ目のないカソードは、継ぎ目のあるカソード、例えば、継ぎ目２０２および２０４を有するカソードよりも広い活性領域（例えば、露出した部分）を提供することができる。
ある実施形態においては、システム２０は、１つのセル、あるいは、２つよりも多い、例えば、４つ、６つ、または、８つかまたはそれ以上のセルを収容してもよい。図１６および図１７は、１つのセル３０２、および、そのセルを収容するように構成されたカートリッジ３０４を有するセルシステム３００を示す。セル３０２は、一般的には、上述したようなものである。カートリッジ３０４は、大まかに上述したように、カートリッジの一端に配置されたエアムーバー３０６を含む。使用中、空気は、カートリッジ３０４の一端（例えば、図示しない流入口に）に吸い込まれ、セル３０２とカートリッジとの間に規定された環状プレナムを介して送り出され、そして、カートリッジの他端（例えば、図示しない流出口から）から吐き出される。
図１８〜図２２は、４つのセル４０２およびカートリッジ４０３を有するセルシステム４００を示す。カートリッジ４０３は、セル４０２を収容するように構成されかつ一体化されて形成された２つの流路４０６を有するハウジング４０４を含む。図示されるように、カートリッジ４０３は、さらに、上述したようなプレート組立品、エアムーバー、制御回路、および、プレートを一般的に含む２つの組立品４２０を含む。一端において、カートリッジ４０３は、着脱可能な第１の端部キャップ４０８、および、カバー４１０を含む。端部キャップ４０８は、複数（ここでは、４つ）の開口４１３およびその開口と流体連絡する２つの流出口４１５を有する。カバー４１０は、２つの流入ポート４１１を有する。他端において、カートリッジ４０３は、第２の端部キャップ４１２を含み、その第２の端部キャップ４１２は、カートリッジに取り付けることができる。第２の端部キャップ４１２は、大まかに上述したような接点回路ボード４１４、エアムーバーハウジング４１６、および、そのエアムーバーハウジング内に存在するエアムーバー４１８を含む。
使用中、空気は、エアムーバー４１８によって、流入ポート４１１から吸い込まれ、流入路４０６を通って、端部キャップ４０８から端部キャップ４１２へ流れる。そして、空気は、端部キャップ４１２の開口４２２を通り、エアムーバーハウジング４１６を通って流れる。空気が、ハウジング４１６を出ると、空気は、ハウジング４０４を通り、セル４０２に接触する。そして、空気は、端部キャップ４０８の開口４１３を通り、流出口４１５を通り、システム４００の外へ流れる。ある実施形態においては、システム２０に関して上述したように、空気は、組立品４２０に沿って流れてもよい。別の実施形態においては、エアムーバー４１８は、システム４００を通過する空気の流れを逆にしてもよい。
別の実施形態においては、バリヤ層または空気メンブランの１つかまたはそれ以上の部分は、酸素、水、および、二酸化酸素のような物質がバリヤ層を通過する流量を調節するために、バリヤ層のその他の１つかまたはそれ以上の部分に比較して、変更される。例えば、流入路または流出路により近いバリヤ層の１つかまたはそれ以上の部分（すなわち、より短い拡散経路）は、均一な酸素流入を助長する（例えば、最大化する）ために、および／または、水の透過を改善する（例えば、最小化する）ために、１つかまたはそれ以上の流路からより遠いバリヤ層のその他の１つかまたはそれ以上の部分（すなわち、より長い拡散経路）よりも大きな透過抵抗を有してもよい。バリヤ層の１つかまたはそれ以上の部分は、１つかまたはそれ以上の物質を選択するために、バリヤ層のその他の１つかまたはそれ以上の部分と異なる質量透過抵抗または透過率を有してもよい。バリヤ層の１つかまたはそれ以上の部分は、バリヤ層のその他の１つかまたはそれ以上の部分と異なる多孔率を有してもよい。バリヤ層の１つかまたはそれ以上の部分は、バリヤ層のその他の１つかまたはそれ以上の部分と異なる見掛密度を有してもよい。これらのおよびその他の実施形態においては、バリヤ層の１つかまたはそれ以上の部分は、セルの周囲に沿って均一ではない。
水蒸気および／または酸素のような物質がバリヤ層を通過する質量透過抵抗のようなバリヤ層の特性を変更するために、例えば、増加または減少させるために、様々な方法が、使用されてもよい。ある実施形態においては、バリヤ層は、機械的な加工によって変更される。別の実施形態においては、バリヤ層の厚さが、変更される。バリヤ層を変更するその他の方法が、２００２年１月３０日に出願された発明の名称が「電池および電池システム（Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｎｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」である本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／０６０，７０１号およびこの出願と同じ日に出願された発明の名称が「電気化学セルおよびシステム（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」である米国特許出願第１０／２３６，１２６号（代理人整理番号第０８９３５−２６３００１号）に記載されており、これらの明細書は、その全体が参照してここに組み込まれる。
セルは、対称的または非対称的に配置されてもよい。セルは、縦に並べて配置されてもよく、および／または、横に並べて配置されてもよい。セルは、カートリッジ内において、直列に配置されてもよく、および／または、並列に配置されてもよい。
別の実施形態においては、その他の種類の電気化学セル、例えば、空気利用セル（ａｉｒ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｅｌｌ）が、使用されてもよい。空気利用セルは、例えば、米国特許第６，３７２，３７０号に記載されており、その明細書は、その全体が参照してここに組み込まれる。また、マグネシウム空気セルまたはアルミニウム空気セルのようなその他の種類の金属空気セルが、使用されてもよい。
セルを製造するその他の方法が、例えば、２００２年１月３０日に出願された本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／０６０，７０１号に記載されており、その明細書は、その全体が参照してここに組み込まれる。その他の金属空気セルおよびそれらのセルを製造する方法が、１９９９年８月１３日に出願された米国特許出願第０９／３７４，２７７号、１９９９年８月１３日に出願された米国特許出願第０９／３７４，２７８号、１９９９年１０月１３日に出願された米国特許出願第０９／４１６，７９９号、１９９９年１０月２６日に出願された米国特許出願第０９／４２７，３７１号、および、２０００年１月３１日に出願された米国特許出願第０９／４９４，５８６号に記載されており、それらの明細書のすべては、その全体が参照してここに組み込まれる。
以下の例は、具体的に説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。
図２５Ａ、図２５Ｂ、および、図２５Ｃを参照すると、電気化学セルシステムの例としての寸法（単位：ｍｍ）が示される。図示される構造および標準的な中程度の大きさのセルによれば、システムは、約１８．６ｃｃの容積を有し、そのうち、約１．５ｃｃ（または、８．１％）が、空気管理システムによって占められ、その空気管理システムは、空気マネージャーおよび制御回路を含む。利用できるセル容積は、セルごとに５．８ｃｃである。したがって、２セルシステムの場合、セルシステムの約６２％をセルのために利用することができる。セル容積は、セルとカートリッジとの間に１．０ｍｍの空気プレナムを備えた５．９Ａｈの継ぎ目のないセルに基づいている。
１０％の内部セル空隙率（亜鉛膨張のための）および２．２Ｖの平均動作電圧での６３％のセル効率に基づいて、以下の性能が、算出される。
電気化学セルシステムは、比較的に高い効率で動作することができる。例えば、システムは、約２．５Ｌ／ｈｒ〜約９Ｌ／ｈｒの流量、および、約０．５ｍｍ〜約１．２ｍｍの空気プレナム、例えば、１．０ｍｍの空気プレナムにおいて、約２．５〜約４のような比較的に低い理論的な空気率で動作させられてもよい。この流量は、径が３．８ｍｍの１８，０００〜２９，０００ＲＰＭで動作する羽根車を有するエアムーバーを用いて、達成することができる。また、システムは、比較的に低い流動損失を有し、システムが１アンペアで動作する最小限の空気流量で除算された理論的な所要空気量に基づいて、例えば、８０％かまたはそれ以上の流量効率を有する。システムのこの効率は、少なくとも部分的には、新鮮な反応空気がカソードにきわめて近接することによるものと考えられる。ある実施形態においては、エアムーバー出口とカソードとの間の距離は、約２ｍｍから約４ｍｍまでの範囲にある。
この明細書において言及した出版物および特許明細書のすべては、個々のそれぞれの出版物または特許明細書があたかもここで開示されたかのように、参照してここに組み込まれる。
その他の実施形態は、特許請求の範囲に含まれる。
Claims (79)
- 電気化学セルシステムであって、
空気流入路および空気流出路を備えたカートリッジであり、使用中に、空気が、前記空気流出路を通って流れる空気とは実質的に反対方向に、前記空気流入路を通って流れる、前記カートリッジと、
空気を前記空気流入路および前記空気流出路を通って移動させるように構成された前記カートリッジ内に存在するエアムーバーと、
を備えた電気化学セルシステム。 - 前記空気流入路が、空気流入口を備え、前記空気流出路が、空気流出口を備え、前記空気流入口および前記空気流出口が、前記カートリッジの同一の端部に配置された、請求項１に記載のシステム。
- 前記空気流入路および前記空気流出路が、前記カートリッジの両側に配置された、請求項１に記載のシステム。
- 前記空気流出路が、実質的に、前記カートリッジの全長にわたって延びる、請求項１に記載のシステム。
- 前記空気流出路が、それの長手方向に沿って異なる断面積を有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記エアムーバーがファンを備えた、請求項１に記載のシステム。
- 制御回路が、選択されたしきい値電流において前記エアムーバーを作動させる、請求項１に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、着脱可能な金属空気セルを収容するように構成された、請求項１に記載のシステム。
- 前記カートリッジ内に金属空気セルをさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、第１の端部および第２の端部を有し、前記エアムーバーが、前記金属空気セルの前記端部間に配置された、請求項９に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、第１の端部および第２の端部を有し、空気の流れが、前記金属空気セルの前記端部を越えて流れることがない、請求項９に記載のシステム。
- 前記エアムーバーが、前記金属空気セルから約４ｍｍ未満だけ離れている、請求項９に記載のシステム。
- 前記エアムーバーが、前記金属空気セルから約３ｍｍ未満だけ離れている、請求項９に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、前記金属空気セルの長手方向に沿って様々に異なる透過抵抗を有するポリマー層を備えた、請求項９に記載のシステム。
- 前記透過抵抗が、前記空気流入路からの距離に応じて変化する、請求項１４に記載のシステム。
- 空気の流れが、システム内を再循環しない、請求項１に記載のシステム。
- 前記エアムーバーの動作を制御するように構成された制御回路を前記カートリッジ内にさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、前記金属空気セルの一部分を取り巻くポリマー層を備え、前記ポリマー層が、前記金属空気セルの外側部分を規定する、請求項９に記載のシステム。
- 前記ポリマー層が、ポリプロピレンおよびＭｙｌａｒ（登録商標）からなるグループから選択された材料からなる、請求項１８に記載のシステム。
- 使用中に、空気が、まず最初に、前記金属空気セルの前記端部間の部分において、前記金属空気セルと接触する、請求項９に記載のシステム。
- 複数の金属空気セルを前記カートリッジ内にさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、電子装置の電池室にぴったりと嵌り込むような寸法を有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記電池室が、複数の電池を収容するような寸法を有する、請求項２２に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、ハウジングを備え、使用中に、空気が、前記ハウジングの端部間において、前記ハウジング内へ案内される、請求項１に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、ハウジングを備え、前記空気流出路の一部分が、前記ハウジングの外部にある、請求項１に記載のシステム。
- 電気化学セルシステムであって、
第１の端部およびそれに向かい合った第２の端部を備えたカートリッジであり、前記カートリッジが、空気流入口と空気流出口とを同一の端部にさらに備えた、前記カートリッジと、
前記カートリッジ内に存在するエアムーバーであり、前記エアムーバーが、空気を前記空気流入口から前記空気流出口へ移動させるように構成された、前記エアムーバーと、
を備えた電気化学セルシステム。 - 前記カートリッジが、着脱可能な金属空気セルを収容するように構成された請求項２６に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、前記空気流入口を含む流路を備え、前記流路が、実質的に、前記カートリッジの全長にわたって延びる、請求項２６に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、ハウジングを備え、前記流路の一部分が、前記ハウジングの外部にある、請求項２８に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、ハウジングを備え、前記空気流入口および前記空気流出口が、前記ハウジングの外部にある、請求項２６に記載のシステム。
- 前記エアムーバーが、モーターおよび羽根車を備えた、請求項２６に記載のシステム。
- 前記エアムーバーの動作を制御するように構成された制御回路を前記カートリッジ内にさらに備えた、請求項２６に記載のシステム。
- 前記カートリッジ内に金属空気セルをさらに備えた、請求項２６に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、前記金属空気セルの長手方向に沿って様々に異なる透過抵抗を有するポリマー層を備えた、請求項３３に記載のシステム。
- 前記透過抵抗が、前記空気流入路からの距離に応じて変化する、請求項３４に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、第１の端部および第２の端部を有し、前記エアムーバーが、前記金属空気セルの前記端部間に配置された、請求項３３に記載のシステム。
- 前記金属空気セルが、第１の端部および第２の端部を有し、空気の流れが、前記金属空気セルの前記端部を越えて流れることがない、請求項３３に記載のシステム。
- 前記エアムーバーが、前記金属空気セルから約４ｍｍ未満だけ離れている、請求項３３に記載のシステム。
- 前記エアムーバーが、前記金属空気セルから約３ｍｍ未満だけ離れている、請求項３３に記載のシステム。
- 空気の流れが、システム内を再循環しない、請求項２６に記載のシステム。
- 複数の金属空気セルを前記カートリッジ内にさらに備えた、請求項２６に記載のシステム。
- 前記カートリッジが、電子装置の電池室にぴったりと嵌り込むような寸法を有する、請求項２６に記載のシステム。
- 前記電池室が、複数の電池を収容するような寸法を有する、請求項４２に記載のシステム。
- 電気化学セルシステムであって、
内容積を有するカートリッジと、
前記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルと、を備え、
前記金属空気セルが、前記カートリッジの内容積の少なくとも５０％を占める、
電気化学セルシステム。 - 前記金属空気セルが、前記カートリッジの内容積の少なくとも６０％を占める、請求項４４に記載のシステム。
- 電気化学セルシステムであって、
内容積を有するカートリッジと、
前記カートリッジ内に存在するエアムーバーと、
前記カートリッジ内に存在する制御回路と、を備え、
前記エアムーバーおよび前記制御回路が、前記カートリッジの内容積の約２％未満を占める、
電気化学セルシステム。 - 前記エアムーバーおよび前記制御回路が、前記カートリッジの内容積の約１．６％未満を占める、請求項４６に記載のシステム。
- 電気化学セルシステムであって、
カートリッジと、
前記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルと、を備え、
前記システムが、約４００Ｗｈ／Ｌよりも大きいエネルギー密度を有する、
電気化学セルシステム。 - 前記システムが、約４２０Ｗｈ／Ｌよりも大きいエネルギー密度を有する、請求項４８に記載のシステム。
- 電気化学セルシステムであって、
カートリッジと、
前記カートリッジ内に着脱可能に配置された２つの金属空気セルと、を備え、
前記システムが、約５．４Ａｈ／セルよりも大きい容量を有する、
電気化学セルシステム。 - 前記システムが、約５．６Ａｈ／セルよりも大きい容量を有する、請求項５０に記載のシステム。
- 前記システムが、約５．８Ａｈ／セルよりも大きい容量を有する、請求項５０に記載のシステム。
- 金属空気セルであって、
アノードと、
ポリマー層を貫通する開口を有する前記ポリマー層と、
前記アノードと前記ポリマー層との間に存在するセパレータと、
前記セパレータと前記ポリマー層との間に存在するカソードと、
を備えた金属空気セル。 - 前記ポリマー層がメッシュである、請求項５３に記載の金属空気セル。
- 前記ポリマー層が、弾性のある管状スリーブである、請求項５３に記載の金属空気セル。
- 吸取紙層を前記カソードと前記ポリマー層との間にさらに備えた、請求項５３に記載の金属空気セル。
- 電気化学セルシステムであって、
前記電気化学セルシステムが、
ハウジングと、
前記ハウジング内に存在する金属空気セルと、
前記ハウジング内に存在するエアムーバーと、を備え、
前記金属空気セルが、
アノードと、
ポリマー層を貫通する開口を有する前記ポリマー層と、
前記アノードと前記ポリマー層との間に存在するセパレータと、
前記セパレータと前記ポリマー層との間に存在するカソードと、を備えた、
電気化学セルシステム。 - 金属空気セルであって、
アノードと、
お互いに噛み合う向かい合った縁を有する外側層と、
前記アノードと前記外側層との間に存在するセパレータと、
前記セパレータと前記外側層との間に存在するカソードと、
を備えた金属空気セル。 - 前記外側層の一方の縁が蟻継ぎとして構成された、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 前記外側層が金属からなる、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 前記外側層が、ポリマーからなる、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 前記外側層が空気流入開口を備えた、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 前記外側層がスリットを備えた、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 吸取紙層を前記外側層と前記カソードとの間にさらに備えた、請求項５８に記載の金属空気セル。
- ポリマー層を前記外側層と前記カソードとの間にさらに備えた、請求項５８に記載の金属空気セル。
- 電気化学セルシステムであって、
前記電気化学セルシステムが、
ハウジングと、
前記ハウジング内に存在する金属空気セルと、
前記ハウジング内に存在するエアムーバーと、を備え、
前記金属空気セルが、
アノードと、
お互いに噛み合う向かい合った縁を有する外側層と、
前記アノードと前記外側層との間に存在するセパレータと、
前記セパレータと前記外側層との間に存在するカソードと、を備えた、
電気化学セルシステム。 - 金属空気セルであって、
カソード集電体と、
カソード端子から半径方向に延びる一体化された部分を有する前記カソード端子であり、前記一体化された部分が、前記カソード集電体に取り付けられた、前記カソード端子と、
を備えた金属空気セル。 - 前記カソード端子が、前記カソード端子から半径方向に延びる複数の個々の一体化された部分を備え、前記複数の一体化された部分が、前記カソード集電体に取り付けられた、請求項６７に記載の金属空気セル。
- 前記複数の一体化された部分が、前記カソード端子を中心にして等しい間隔を置いて配置された、請求項６７に記載の金属空気セル。
- 前記カソード集電体が、前記一体化された部分に溶接された、請求項６７に記載の金属空気セル。
- 前記カソード端子の一部分を取り巻くポリマーシールをさらに備えた、請求項６７に記載の金属空気セル。
- 電気化学セルシステムであって、
前記電気化学セルシステムが、
ハウジングと、
前記ハウジング内に存在する金属空気セルと、
前記ハウジング内に存在するエアムーバーと、を備え、
前記金属空気セルが、
カソード集電体と、
カソード端子から半径方向に延びる一体化された部分を有する前記カソード端子であり、前記一体化された部分が、前記カソード集電体に取り付けられた、前記カソード端子と、を備えた、
電気化学セルシステム。 - 電気化学セルシステムを動作させる方法であって、
カートリッジの空気流入路を介して空気を第１の方向へ案内するステップと、
前記カートリッジの空気流出路を介して空気を第１の方向と反対の第２の方向へ案内するステップと、を備え、
空気が、前記カートリッジ内に存在するエアムーバーによって、前記空気流入路および前記空気流出路を介して案内される、
方法。 - 前記カートリッジ内に存在する金属空気セルを、前記金属空気セルの端部間の部分において、空気と接触させるステップをさらに備えた、請求項７３に記載の方法。
- 前記金属空気セルを第２の金属空気セルと交換するステップをさらに備えた、請求項７４に記載の方法。
- 予め選択されたしきい値電流に基づいて、前記エアムーバーを作動させるステップをさらに備えた、請求項７３に記載の方法。
- 電気化学セルシステムを動作させる方法であって、
カートリッジの一方の端部に配置された空気流入口および空気流出口を備えた前記カートリッジを提供するステップと、
空気を前記空気流入口の中へ案内するステップと、
空気を前記空気流出口を通って前記カートリッジの外へ流すステップと、を備え、
空気が、前記カートリッジ内に存在するエアムーバーによって、前記空気流入口から案内される、
方法。 - 前記カートリッジ内に存在する金属空気セルを、前記金属空気セルの端部間の部分において、空気と接触させるステップをさらに備えた、請求項７７に記載の方法
- 前記金属空気セルを第２の金属空気セルと交換するステップをさらに備えた、請求項７８に記載の方法。
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