JP2013534699A - 階段状スキャフォールド燃料アノードを備える電気化学セル - Google Patents

Abstract

電気化学セルは、負荷に接続されたときにアノードとして動作し、燃料を酸化するように構成され、電源に接続されたときカソードとして動作するように構成された燃料極を備える。燃料極は、複数のスキャフォールドとしての電極本体を備える。スキャフォールドとしての電極本体は、大きさが異なる。電源に接続されたときにアノードとして作用するように構成された充電用電極からより遠い位置では、電極本体はより大きく、充電用電極により近い位置では、電極本体はより小さい。負荷に接続されたとき、スキャフォールドとしての電極本体を含む燃料極は、電気化学セルのアノードとして作用し、電着された燃料が酸化される。

Description

本出願は、米国特許仮出願第６１／３５８，３３９号に基づく優先権を主張し、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、電力を発生する電気化学セル、より具体的には、電着された燃料を用いるセルに関する。

米国特許出願公開２００９／０２８４２２９号及び２０１１／００８６２７８号は、相互に離間する複数の浸透性電極本体で形成されるアノードを備える金属空気セルをそれぞれ開示する。金属燃料は、還元されて、電極本体に電着される。このようなタイプの設計においては、隣り合う電極本体同士が成長によって早期に短絡しないようにすることが試みられ、電極本体間の高密度な成長の機会を直ぐに中断させられてしまう。

本願は、上述の関連出願のひとつで開示されたセルであって、燃料が電極本体に電着されるようなセルで使用することができる、より改良されたセル構造を提供する。

本発明の一実施形態は、電気化学セルを動作させる方法を提供する。このセルは、互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と、前記燃料極から離間した酸化剤極とを備える。充電用電極は前記燃料極から離間している。前記充電用電極は、（ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）別個の充電用電極から構成されるグループから選択される。すなわち、前記充電用電極は酸化剤極であってもよく、システム内の第３の電極であってもよい。イオン伝導性媒質は電極と接触する。このイオンは、自由イオンの形態であってもよく、分子、又は混合された形態であってもよい。前記複数の浸透性電極本体は、前記充電用電極に近い近位浸透性電極本体と、前記充電用電極から遠い遠位浸透性電極本体とを有する。前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記近位浸透性電極本体の端部が、前記遠位浸透性電極本体の端部よりも内側に配置される。この方法は以下を工程を含む。

以下により電気化学セルを充電する工程。

（ｉ）前記充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間に電流を流し、前記充電用電極をアノードとして機能させ、前記少なくとも１つの浸透性電極本体をカソードとして機能させることにより、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着される工程。

（ｉｉ）前記電着により、前記浸透性電極本体間で燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する工程。

（ｉｉｉ）前記電流を取り除き、充電を終了する工程。

本発明の他の態様は、電気化学セルを提供する。このセルは、互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と前記燃料極から離間した酸化剤極とを備える。充電用電極は、前記燃料極から離間される。前記充電用電極は、（ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）別個の充電用電極から構成されるグループから選択される。イオン伝導性媒質は、イオンが電極間を移動するのを助ける。前記燃料極の前記複数の浸透性電極本体は、前記充電用電極に近い近位浸透性電極本体と前記充電用電極から遠い遠位浸透性電極本体とを有する。前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記近位浸透性電極本体の端部が、前記遠位浸透性電極本体の端部よりも内側に配置される。さらに、前記燃料極の前記浸透性電極本体の前記離隔した関係によって、電流が充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間を流れることができる。このような構成では、前記充電用電極がアノードとして機能し、前記少なくとも１つの浸透性電極本体がカソードとして機能する。その結果、還元性燃料イオンが還元されて、（カソードとして機能する）前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着される。この電着により、前記浸透性電極本体間で燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する。

本発明の他の態様は、電気化学セルを動作させる方法を提供する。このセルは、互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極を備える。酸化剤極は前記燃料極から離間する。さらに充電用電極も存在する。イオン伝導性媒質は前記電極に接触する。前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記浸透性電極本体の端部が、第１の方向で内側に向かって階段状に配置される。この方法は以下の工程を含む。

以下によって、電気化学セルを充電する工程。

（ｉ）前記充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間に電流を流し、前記充電用電極をアノードとして機能させ、前記少なくとも１つの浸透性電極本体をカソードとして機能させることにより、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着される工程。

（ｉｉ）前記電着により、前記浸透性電極本体の間で前記第１の方向に燃料が成長し、電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する工程。

（ｉｉｉ）前記電流を取り除き、充電を終了する工程。

本発明の他の態様は、電気化学セルに関する。このセルは、互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極を備える。酸化剤極は前記燃料極から離間する。充電用電極が存在する。イオン伝導性媒質は前記電極に接触する。前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記浸透性電極本体の端部が、第１の方向で内側に向かって階段状に配置される。前記燃料極の前記浸透性電極本体の離間した関係によって、電流は前記充電用電極と前記燃料極の前記少なくとも１つの浸透性電極本体との間を流れることができ、充電用電極がアノードとして機能し、前記少なくとも１つの浸透性電極本体がカソードとして機能し、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着され、前記電着により、前記浸透性電極本体の間で前記第１の方向に燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する。

本発明の他の様々な態様が、以下の詳細な説明、添付した図面及び添付した特許請求の範囲から明らかとなろう。

以下、本発明の様々な実施形態が、対応する参照符号が対応する構成要素を示す添付した図面を参照して、単に例示として説明される。

２つの電気化学セルを含む電気化学セルシステムを示す断面図である。

図１の電気化学セルシステムの分解図である。

図１の電気化学セルのうちの一方の電極ホルダを示す。

図３の電極ホルダが、燃料極及び電極ホルダに接続された複数のスペ−サを保持する様子を示す。

図４の複数のスペーサのうちの１つのスペーサをさらに具体的に示す。

図５のスペーサと図３の電極ホルダとの間の接続をさらに具体的に示す。

図３の電極ホルダにより部分的に定められる流動化ゾーンをさらに具体的に示す。

複数の 電極本体及びその上で起こる電着による燃料成長を示す電気化学セルの一実施形態の概略図である。

図８の成長過程を示す。

図８及び図９の連続する成長過程を示す。

図８に類似するが、他の実施形態の概略図である。

図８に類似するが、さらに他の実施形態の概略図である。

図８〜１２の電池に類似する電池の電極本体の一部の概略であり、電着による燃料成長を示し、有害な端部効果を強調する。

電着による燃料成長を示し、電極本体が階段状スキャフォールド構造（stepped scaffold configuration）を有する本発明の電池の一実施形態の一部の概略を示す。

図１４の成長過程を示す。

図４及び図１７の成長過程を示す。

図１４に類似するが、他の実施形態の概略図である。

図１４に類似するが、さらに他の実施形態の概略図である。

図１４に類似するが、さらに他の実施形態の概略図である。

図１に類似するが、階段状のスキャフォールド構造を有する他の実施形態の断面図である。

図２０の実施形態の分解図を示す。

（ａ）〜（ｃ）は、分解図及び断面図での電極本体の異なる実施形態の概略図である。

（ａ）〜（ｃ）は、図２２（ａ）〜（ｃ）とは異なる指向性を有する他の実施形態を示す。

本発明の原理は、金属燃料のような燃料がアノードに電着されるようないかなる電気化学セルにも広く適用できる。そのようなセルは、例えば、金属空気電池のような電池を含む。図面は、特許請求の範囲の発明の様々な態様の実施形態を示す。これらの実施形態は、限定を意図するものではなく、単に特許請求の範囲の発明の原理の理解を容易にするための例としてのみ示されるものである。

例えば、本発明の原理の電気化学セル１０は、いかなる設計又は構造を有しいてもよい。本明細書に記載された例は、限定を意図するものではない。例えば、セル１０は、以下の特許出願のいずれかに従って設計されてもよく、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる：米国特許出願第１２／３８５，２１７号 （米国特許出願公開２０１１／００３９１８１号）、米国特許出願第１２／３８５，４８９号 （米国特許出願公開２００９／０２８４２２９Ａ１号）、米国特許出願第１２／６３１，４８４号 （米国特許出願公開２０１０／０３１６９３５号）、米国特許出願第１２／５４９，６１７号 （米国特許出願公開２０１０／０１１９８９５号）、米国特許出願第１２／７７６，９６２号 （米国特許出願公開２０１０／０２８５３７５号）、米国特許出願第１２／８８５，２６８号 （米国特許出願公開２０１１／００７０５０６号）、米国特許出願第１３／０１９，９２３号、米国特許出願第１２／９０１，４１０号 （米国特許出願公開２０１１／００８６２７８号）、米国特許出願第１３／０８３，９２９号、米国特許出願第１３／０２８、４９６号、米国特許出願第１３／０８５，７１４、米国特許出願第６１／３３４，０４７号、米国特許出願第６１／３６５，６４５号、米国特許出願第６１／３７８，０２１号、米国特許出願第６１／４３９，７５９号、米国特許出願第６１／３９４，９５４号及び米国特許出願第６１／３８３，５１０号。図示した実施形態は、本発明が米国特許出願第１２／９０１，４１０号に開示されるものに類似の構造を有する電気化学セル１０に適用できることを示している。ただし、いかなる意味においても限定した解釈がされるものではない。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る２つの電気化学セルを含む電気化学セルシステム１００を示す。図示のとおり、各セル１０は、燃料極１２と、この燃料極１２から間隔をおいて配置された酸化剤極１４とを備える（それぞれ第１の電極及び第２の電極とする）。この燃料極１２は、電極ホルダ１６によって支持されている。この電気化学システム１００は、また、図１に示すように、このシステム１００の一方の側において電気化学セル１０を覆うために用いられるカバー１９を含み、電極ホルダ１６のうちの一方が、このシステム１００のうちの反対側を覆うように用いられる。

一実施形態において、燃料極１２は、後述するようにセル１０の放電動作モード又は発電モードにおいてアノードとして機能する金属燃料極である。第１の電極１２は、後に詳述するような、電着（electrodepositing）により、又は、他の方法により、電池１０において循環するイオン伝導性媒質から金属燃料の粒子又はイオンを捕捉して保持することが可能な組成（formation）により形成されたスクリーン（screen）といったような、浸透性（permeable）電極本体１２ａを含むことができる。 様々な 様々な実施形態において、燃料極１２は、カーボンファイバー、真ちゅう、青銅、ステンレス鋼、ニッケル、モネル（monel）、その他の高伝導物質、又はその他の物質を含むことができる。

燃料は、鉄、亜鉛、マグネシウム又はリチウムといったような金属とすることができる。金属という用語は、電極本体に収集されたときに、原子、分子（金属水素化物を含む）及び合金のいずれかの形態をとる、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタニド、アクチナイド及び遷移金属に限定されずこれらを含む、周期表において金属としてみなされるすべての元素を包含するように解釈されるものである。
しかしながら、本発明は、特定の燃料に限定されるように意図されたものではなく、他の燃料を用いてもよい。燃料は、イオン伝導性媒質に懸濁した粒子として電池１０に供給されるものであってもよい。

イオン伝導性媒質は水溶液であってもよい。好適な媒質には、例えば、硫酸、燐酸、トリフリン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硝酸カリウム又は塩化リチウムを含む水溶液が含まれる。一実施形態では、イオン伝導性媒質は、電解質を含みうる。媒質は、また、非水溶媒又はイオン溶液を用いることができる。本明細書において記載された非限定的な実施形態では、媒質は、水性の水酸化カリウムである。

燃料は、燃料極１２がアノードとして動作する場合に燃料極１２において酸化され、酸素等の酸化剤は、酸化剤極１４がカソードとして動作する場合、つまり後述するようにセル１０が負荷に接続されて放電モード又は発電モードにある場合に、酸化剤極１４において還元される。放電モードにおける反応によって、還元性燃料種等の副生成物の沈殿物がイオン伝導性媒体中に生成されることがある。例えば、燃料が亜鉛であるような実施形態では、酸化亜鉛が、副生成物沈殿物／還元性燃料種として生成されうる。後に詳述する充電モードの間には、還元性燃料種、例えば、酸化亜鉛が、逆に還元され、充電モードの間にカソードとして機能する第１の電極１２の上に、燃料、例えば亜鉛として堆積される。再充電モードにおいては、酸化剤極１４、又は別個の充電用電極７０（すなわち、第３の電極）、後述するように、又は燃料極自体の本体が、後述するようにアノードとして機能する。放電モードと再充電モードの切り替えについては後述する。

電極ホルダ１６は、燃料極１２を保持する空洞１８を定義する。電極ホルダ１６は、また、電池１０のための入口２０及び出口２２を定める。入口２０は、イオン伝導性媒質が電池１０に入り、及び／又は、電池１０を介して再循環することを可能にするように、構成される。入口２０は、入口チャネル２４を介して空洞１８に接続され、出口２２は、出口チャネル２６を介して空洞１８に接続される。図３に示すように、入口チャネル２４及び出口チャネル２６は、各々、イオン伝導性媒質が流れることが可能な蛇行した経路を形成してもよい。入口チャネル２４により定められた蛇行した経路は、好ましくは、媒質の流れが停滞し、又は、媒質における粒子が集まり、急な（sharp）角を含まないものとしてもよい。後に詳細に説明するように、チャネル２４、２６の長さは、直列に流れるように接続された複数の電池の間に、増加したイオン抵抗（ionic resistance）をもたらすように設計可能である。開示された実施形態に限定されず、他の設計や構造を用いることができる。

セル１０の各々について、浸透性シール部材１７は、電極ホルダ１６及び／又はカバー１９のシール面の間に適宜接着され、少なくとも燃料極１２を空洞１８内に封入する。シール部材１７は、また、入口チャネル２４及び出口チャネル２６を覆う。シール部材１７は、非伝導性であり電気化学的に不活性であって、好ましくは、イオン伝導性媒質の横方向の伝達を許すことなく、イオン伝導性媒質に対して直交する方向に（すなわちイオン伝導性媒質の厚み方向に）透過性を有する。これにより、イオン伝導性媒体はシール部材１７を通過して逆側にある酸化剤極１４とのイオン伝導を可能にし、イオン伝導性媒体をセル１０の横方向外方に「ウィッキング」させることなく電気化学反応を支援できる。シール部材１７に対する好適な材料の幾つかの例は、EPDM及びTEFLON（登録商標）である。

図示の実施形態において、空洞１８は、燃料極１２の形状と実質的に一致するほぼ長方形又は正方形の断面を有する。空洞１８の一方の側、具体的には、入口チャネル２４に接続された空洞１８の一方の側は、複数の流動化ゾーン２８であって、各々が、複数の空洞入口３４を含む多岐管（manifold）を介して入口チャネル２４に接続された複数の空洞入口３４を含み、これにより、イオン伝導性媒質及び任意の燃料粒子、沈殿物又は還元性燃料種が空洞１８に入ったときに、イオン伝導性媒質及び燃料が流動化ゾーン２８に入るようになっている。図７にさらに具体的に示されているように、各流動化ゾーン２８は、２つの表面３０、３２により部分的に定められており、これら２つの表面３０、３２は、互いに対して角度が付けられているが互いに接触せず、これによって、入口３４から流動化ゾーン２８の中心にまで延びる軸に関して広がる表面を定めるようになっている。図示した実施形態では、表面３０、３２は、図３に示すように、入口３４に対して開いた開放底面を有する実質的に「Ｖ」字を形成している。図示した実施形態は、表面３０、３２が比較的に直線であるように示しているが、これらの表面は、入口３４から広がる限りにおいて、湾曲していても又は部分的に湾曲していてもよい。

流動化ゾーン２８は、粒子を有するイオン伝導性媒質が入口チャネル２４を介して空洞１８に流入したときに、これらの粒子がイオン伝導性媒質の中において流動化されるように、構成されており、これにより、イオン伝導性媒質が燃料電極１２に接触したときに、これら粒子がよりイオン伝導性媒質の中に一様に分散することが可能になっている。このことは、図７に示すように、Ｖ字状の流動化ゾーン２８の開放底面が下方に向くように、電気化学セル１０が配向されているときに、特に有利である。これは、重力が、粒子を入口チャネル２４と出口チャネル２６との間における空洞１８の入口端に蓄積せしめる傾向があるからである。イオン伝導性媒質の中の粒子を流動化させることにより、及び、後に詳述するように空洞１８全体に圧力の低下（pressure drop）を与えることにより、粒子は、空洞１８全体にわたってより一様に流れ、空洞１８の入口端における蓄積を実質的に少なく又はなくすことができる。これにより、燃料電極１２の表面全体に粒子をより一様に分散させ、電池１０の効率を向上させることができる。

図４に示すように、互いに離間して配置された関係により燃料電極１２を横切って延びる複数のスペーサ４０が電極ホルダ１６に接続されて、燃料電極１２が電極ホルダ１６及び酸化剤電極１４に関して一定の位置を維持して保持されうるようになっている。一実施形態では、燃料電極１２は、複数のスペーサ４０の複数の組により分離されうる図２に示すような複数の透過性の電極本体１２ａ〜１２ｃを含むことができ、これにより、電極本体１２ａ〜１２ｃを互いに電気的に分離するために、スペーサ４０の各組が、隣接する複数の電極本体の間に配置されるようになっている。隣接する複数の電極本体の間におけるスペーサ４０の各組内において、複数のスペーサ４０が、後に詳述するようないわゆる「流路レーン（flow lanes）」４２をそれら複数のスペーサ４０の間に形成するような配置関係により配置されている。流路レーン４２は、立体的な（３次元の）ものであり、スペーサ４０の高さに実質的に等しい高さを有する。一実施形態では、これらのスペーサは、これらの流路レーンに対応する複数の切り欠き（cut-outs）を有する単体フレームにより提供されうるものである。一実施形態では、これらの流路レーンは、泡形又は蜂巣形の構造であってイオン伝導性媒質がこの構造を通って流れることを可能にする構造を含むことができる。一実施形態では、これらの流路レーンは、これらの流路レーンを通るイオン伝導性媒質の流れを乱す（disrupt）ように構成された複数のピンのアレイを含むことができる。図示した実施形態は、いかなる意味においても限定を意図したものではない。

スペーサ４０は、非伝導性であり電気化学的に不活性であって、電池１０における電気化学的反応に関して不活性となっている。スペ−サ４０の寸法は、スペ−サ４０を燃料極１２又は電極本体１２ａ〜１２ｃの一つに押し当てて燃料極１２又は電極本体を電極ホルダ１６に対して均一に保持できるように、電極ホルダ１６に接続された状態でスペ−サ４０に張力がかかるようなものであることが望ましい。スペーサ４０は、このスペーサ４０を張力を生じた状態により電極ホルダ１６に接続されるようにする、ポリプロピレン、ポリエチレン、ノリル、フルオロポリマ等といったようなプラスチック材料により形成されうる。

図５に示した実施形態では、各スペーサは、細長い中央部分４４と、各端部における形成された接続部分４６とを有する。これら形成された接続部分４６は、図６に示すように、電極ホルダ１６において実質的に類似した形状を有する開口４８により保持される。図示した実施形態では、形成された接続部分４６及び開口４８は、実質的に三角形状を有するが、ここで示された形状は、いかなる意味においても限定を意図したものではない。実質的に三角形の形状が、スペーサ４０の細長い部分４４の両側における表面５０であって、電極ホルダ１６における対応する表面５２に接触するように構成された表面５０を形成する。表面５０及び表面５２は、スペーサ４０の細長い部分４４の主軸ＭＡに関して角度が付されたものとなっており、スペーサ４０における張力はこの主軸ＭＡに沿ったものとなるので、その張力により生成される力は、同一の面積を有する円形状又は正方形状を有する形成された部分に比べて、より大きな表面に伝えられうる。

一旦、スペーサ４０が端部における部分４６を介して電極ホルダ１６に接続されると、流路レーン４２は、ホルダ１６の空洞１８を横切って定められる。スペーサ４０は、１つの流路レーン４２ａを複数のスペーサ４０のうちの１つにより分離された隣接する流路レーン４２ｂから本質的に密封するように構成されており、これにより、イオン伝導性媒質は、全体的に、実質的に１つの方向に流れるように案内されるようになっている。具体的には、イオン伝導性媒体は、概して、燃料極１２を横切り入口チャネル２４から出口チャネル２６に向かう第１の方向ＦＤに流れる。適切な圧力の低下が入口チャネル２４と流動ゾーン２８との間に生成され、これにより、イオン伝導性媒質の流れが実質的に上方向であって重力に反するように電池１０が配向されているときであっても、イオン伝導性媒質が空洞１８を横切って出口チャネル２６に流れることができるようになっている。一実施形態において、イオン伝導性媒体は、燃料極１２又は個別の浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを通って、第２の方向ＳＤ及び燃料極１２又は浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃの反対側にある流路レーンへ浸透することもできる。

また、図示した実施形態は限定するものではなく、単に、参考のための一動作例を示すに過ぎない。本明細書で説明した燃料極の構造は、その他の電池の構造で使用することもできる。

一実施形態において、燃料極１２は外部の負荷に接続されており、これにより、燃料が燃料極１２において酸化されたときに燃料により放出される電子が、外部の負荷に流れるようになっている。酸化剤極１４が外部負荷に接続され、セル１０が放電モードにおいて動作する際に、酸化剤極１４はカソードとして機能する。カソードとして機能するときに、酸化剤極１４は、電子を外部負荷から受け取り、酸化剤極１４に接触している酸化剤を還元するように構成される。一実施形態における酸化剤極１４には空気電極が含まれ、酸化剤には大気の酸素が含まれる。

酸化剤は、受動的な輸送システムによって酸化剤極１４に提供されてもよい。例えば、周囲空気に存在する酸素が酸化剤である場合には、カバー１９における溝５４、及び、電気化学セルシステム１００の中央に設けられた電極ホルダ１６における溝５６により与えられる開口のような、電池における開口を介して、単に酸化剤極１４を周囲空気に曝すことにより、酸素を酸化剤極１４に十分に拡散／浸透させることができる。他の適切な酸化剤を用いることができ、本明細書における記載した実施形態は、酸化剤として酸素を用いることに限定されるものではない。酸化剤極１４の周辺及び大気露出用の溝５４、５６内の領域にイオン伝導性媒体が漏れ出さないように、酸化剤極１４の外周とカバー１９又は電極ホルダ１６との間には、外周部ガスケット１５を適宜配置することができる。

他の実施形態においては、送風機等のポンプを用いて、酸化剤に圧力をかけて酸化剤極１４に供給してもよい。酸化剤源は、内蔵された酸化剤源であってもよい。同様に、酸化剤が大気から得られる酸素の場合には、受動的なものであれ能動的なもの（例えば、ポンプ、送風機等）であれ、空気が酸化剤極１４に流れるようにする供給メカニズムが広く酸化剤源とみなされる。このように、「酸化剤源」という語は、内蔵型の酸化剤、及び／又は、酸素を大気から酸化剤極１４に受動的にもしくは能動的に供給する構成の両方を含む。

外部負荷によって引き出される電気は、酸化剤が酸化剤極１４において還元され、燃料が燃料極１２で酸化されて酸化型になるときに生成される。燃料が燃料極１２において完全に酸化されたとき、又は、燃料極の不動態化により酸化が止まったときには、セル１０の電位が消耗している。スイッチが第２の電極１４と負荷との間に配置されることによって、酸化剤極１４が、必要に応じて、負荷に接続され負荷から切断されるようにすることができる。

放電モード及び休止（開回路）期間における燃料極１２での水素の発生を制限又は抑制するために、かかる反応を遅らせる塩を加えることができる。錫、鉛、銅、水銀、インジウム、ビスマスといった塩、又は、高い水素過電位を有する他の材料を用いることができる。また、酒石酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、コハク酸塩、アンモニウムといった塩、又は、他の水素放出抑制添加物を付加することができる。一実施形態では、水素の放出を抑えるために、Ａｌ／Ｍｇといったような金属燃料合金を用いることができる。

電池１０における燃料が全体的に酸化された後、又は、酸化した燃料イオンを還元して燃料に戻すことにより電池１０内に燃料を再生成することが望まれるときにはいつでも、燃料極１２及び酸化剤極１４が、適切なスイッチを用いて、外部の負荷から切断され電源に接続されるものとすることができる。燃料電極は、充電用電極（同じ実施形態において、酸化剤極であってもよい）である。電源は、燃料極１２と充電用電極との間に電位差を印加することにより電池１０を充電するように構成されており、これにより、燃料の還元可能な種が、還元され、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃの上に電着し、対応する酸化反応が充電用電極において発生し、これは通常酸素を放出する酸化可能な種の酸化であり、電池１０からオフガス（off-gassed）されうるものである。引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる２００９年４月９日に出願された米国特許出願第１２／３８５、４８９号に詳細に記載されているように、浸透性電極本体１２ａといったような浸透性電極本体のうちの１つのみが電源に接続されることによって、燃料が、この浸透性電極本体の上に還元し、連続的に、浸透性電極本体１２ｂ及び１２ｃの上に次々に成長する。スイッチは、電池１０がいつ放電モード及び充電モードにおいて動作するのかを制御することができる。

開位置と閉位置との間においてスイッチの動作を制御するために、任意の適当な制御メカニズムが用いられうる。例えば、開位置に向かって付勢されたリレースイッチが、電源に接続され充電が開始したときにこのリレースイッチを閉じる誘導性コイルとともに、用いられうる。また、半導体スイッチを用いることもできる。さらには、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃに個別に接続することを可能にするより複雑なスイッチが用いられて、負荷との接続／負荷からの切断、並びに、電極本体同士の接続及び切断をもたらすことができる。

図４に戻って、イオン伝導性媒体は、燃料極１２を通過した後、電極ホルダ１６の空洞１８の出口３６及び出口２２に接続されている出口チャネル２６に流れ込む。出口２２は、イオン伝導性媒質が電池１０において再循環されるような実施形態では、入口２０に接続され、又は、複数の電池１０が流動的に直列に接続されているときには、後に詳述するように、隣接する電池の入口に接続される。一実施形態では、出口２２は、電池１０において使用されたイオン伝導性媒質を収集するために容器に接続される。

図１及び図２に示した複数の電池１０は、流動的に直列に接続される。直列に接続されたセルの実施形態についての詳細な説明は、２００９年１２月４日に出願された米国特許出願第１２／６３１，４８４号に記載されている。この米国出願の内容は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。第１の電池１０の出口２２は、第２の電池１０の入口２０に流動的に接続され、第２の電池１０の出口２２は、第３の電池の入口２０に接続されるものとすることができ、以下同様である。図１及び図２の実施形態は、２つの電池１０を示しているが、さらなる電池が、重ねられ、図示した電池に流動的に接続されてもよい。上述の図３及び４に図示されているように、入口チャネル２４及び出口チャネル２６によって形成されたミランダ状の蛇行した経路によって、チャネル２４、２６を介した媒体の流路長は、セル１０の各々において、燃料極１２と酸化剤極１４との間の距離よりも長い。これにより、流動的に接続された複数の電池の間には、個々の電池１０内におけるイオン抵抗よりも大きなイオン抵抗が形成される。これにより、米国特許出願第１２／６３１、４８４に記載されているように、セル１００の積層構造の内部イオン抵抗損失を減少又は最小化することができる。

この電池は、また、分岐電流を無くし、又は減らすための分散チェンバーによって流動的に並列又は直列に接続されてもよい。このような実施形態は、２００９年１２月４日に出願された米国特許出願第６１／４３９，７５９号に記載されている。この米国出願の内容は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。動作時には、既に金属燃料が堆積している燃料極１２が負荷に接続され、酸化剤極１４が負荷に接続される。イオン伝導性媒質が、正の圧力の下、入口２０に入り、入口チャネル２４及び空洞１８の入口３４を通って流れ、流路レーン４２の流動化ゾーン２８に流入する。イオン伝導性媒質は、スペーサ４０の細長い中央部分４４により定められた流路レーン４２において浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを横切って流れる。イオン伝導性媒体は、燃料極１２の浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを浸透して通過することもできる。イオン伝導性媒質は、燃料極１２及び酸化剤極１４に同時に接触することにより、燃料を酸化して電子を負荷に伝導させ、一方、負荷によって酸化剤極１４に伝導された電子によって酸化剤極１４を還元することができる。イオン伝導性媒質が流路レーン４２を通過した後、イオン伝導性媒質が、空洞１８の出口３６を介して空洞１８から流出し、出口チャネル２６を通って電池１０の出口２２から流出する。

セル１０の電位が消耗した場合、又は、これ以外にセル１０の再充電が望まれる場合には、燃料極１２は、電源の負極、又は、例えば酸化剤極１４である充電用電極に接続される。別個の充電用電極７０又は、燃料極１２の本体自体は電源の正極に接続される。充電モード又は再充電モードでは、燃料極１２がカソードになり、充電用電極１４／７０がアノードになる。後述のように、電子を燃料極１２のカソード部分に供給することによって、燃料イオンは還元されて燃料となり、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃに再成長し、その一方で、イオン伝導性媒体は、放電モードに関して上述したのと同様にセル１０内を循環する。

流路レーン４２によって、燃料極１２全体に亘ってイオン伝導性媒体の方向性及び流通が提供される。流動化ゾーン２８は、粒子、及び、電池１０の放電モードの間にイオン伝導性媒質内に形成された粒子を攪拌し、これらの粒子がイオン伝導性媒質から出て空洞の底部に定着することを防止し、これにより、これらの粒子は、イオン電導性媒質とともに燃料極１２を横切って流れることができる。また、流路レーン４２は、これらの粒子が定着すること、及び／又は、電極を覆うことをも防止する。セル１０が充電モードのときには、燃料極１２全体に亘って微粒子が円滑に流通することにより、還元された燃料を燃料極１２により均一に成長させることができ、これにより、燃料極１２上の燃料の密度を向上させることができ、セル１０の性能及びエネルギー密度を向上させてセル１０のサイクル寿命を伸ばすことができる。また、放電時における沈殿物又は反応副生成物の流通を制御することができるので、副生成物が燃料極１２上で早期に不動態化したり燃料極１２上に早期に成長したりすることを防止できる。不活性化は、燃料の利用性を低下させること、及び、サイクル寿命を縮めることに繋がりうることであって、望ましくないものである。

上述のセル１０は、本明細書において、本発明の様々な態様を提供するものであり、限定を意図するものではない。同様に、図８〜図１２及びそれらに関する下記説明は背景技術の例として記載され、セル１０内の燃料極１２の前段の構造との関係で、金属燃料の燃料極１２への電着の詳細を示す。この説明以降、図１３は、燃料極１２が図８〜図１２に示されたものと同様の構造を有する場合にセル１０において生じる非効率性を表現する。しかし、図１４〜図２２及びそれらに関する説明は、本発明の実施形態の様々な態様を示す。これらの態様は、他の例に比べて、図１３の非効率性を軽減できる。上述されたようにセル１０ように、これら後半の図面は、流路に沿って、相互に離間されて配置される関係にある複数の浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを有する燃料極１２を示す。３つの浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃが図示されるが、いかなる数の浸透性電極本体が使用されてもよい。さらに、本明細書で説明されたような燃料極１２への電着は、いかなるタイプの電気化学セルにおいても見ることができ、上述のセル１０の例に限定されるものではない。したがって、電着は、セル１０に関して後述されるが、これは限定を意図するものではない。同じ参照番号が図面において用いられている場合、それらは同様の構造を示しており、説明を繰り返さない。

図８〜１０は、上述のものと同様の構造を有する電極１２の拡大図を示す。図８〜１０のセル１０は、燃料極１２から離間された充電用電極を含む。図示のように、充電用電極は、上述の燃料極１２及び酸化剤極１４とは別個の充電用電極７０であってもよい。幾つかの実施形態において、別個の充電用電極７０は、例えば、燃料極１２と酸化剤極１４との間に配置され、酸化剤極１４と同じ側において、燃料極１２と離れている。その他の実施形態において、燃料極１２は、酸化剤極１４と別個の充電用電極７０との間にあってもよい。しかし、幾つかの実施形態において、酸化剤極１４は、充電用電極の充電時に用いることができ、充電専用の別個の電極（すなわち、別個の充電用電極７０）が存在することは、必須ではない。他の実施形態において、
単数又は複数の燃料極１２の本体は、後述するように、充電用電極として機能することができる。空気呼吸（air breathing）カソードとして機能するのに適した多くの電極は、充電用電極のアノードとしてうまく機能することができない。そのため、図面において、別個の充電用電極７０が使用される。しかし、本発明は、限定を意図するものではなく、二機能性を有する酸化剤極を選択することも可能である。このような二機能性を有する酸化剤極は、電流発生時は空気呼吸カソードの役割を果たし、充電時は充電用電極のアノードとしての役割を果たすことができることを意味する。したがって、本発明における充電用電極へのいかなる説明も、酸化剤極１４と、充電時にアノードとして機能する別個の電極７０とのどちらにも適用できることとなる。より具体的には、説明した実施形態は別個の充電用電極７０としての充電用電極に関して説明されるが、同じ説明は酸化剤極１４が充電用電極である場合にも可能であることが理解される。また、（もし使用されるのであれば）流れも、それに応じたものとなることが理解される。

電気化学セル１０の充電は、還元性金属燃料イオンを備えるイオン伝導性媒質を浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃに沿った流路に沿って流すことによって、実行される。他の実施形態において、イオン伝導性媒質は、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを流れ抜けることもできる。適切な流れの方向であればどのようなものでも本発明で利用することができる。還元性燃料イオンは、イオン、原子、分子、又は混合体のうち適切な形態でイオン伝導性媒質に存在していてもよい。

還元可能な金属イオンを備えるイオン伝導性媒質は浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃに沿って流れ、電流を運ぶことができる電源としての外部ソースからの電流は、充電用電極７０と浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃのうちの末端の１つである浸透性電極本体１２ａとの間に適用される。このとき、充電用電極はアノードとして機能し、末端の浸透性電極本体１２ａはカソードとして機能する。その結果、還元性金属燃料イオンは、還元され、酸化可能な金属燃料の態様で末端の浸透性電極本体１２ａに電着される。前述の実施形態において、末端の浸透性電極本体１２ａは、充電用電極７０から遠い位置の電極本体である。これは、前述の実施形態において好ましいが、後述するように、その他の構成においては、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃのうちまた別の１つが末端の浸透性電極本体とされてもよい。

燃料が亜鉛でイオン伝導性媒質が水酸化カリウム（KOH）であるような非限定的な実施形態において、イオン伝導性媒質は、還元可能な形式で提供されることができ、好ましくは、酸化亜鉛（ZnO）として提供される。これにより、先行する実施形態に関して既に述べたとおり、酸化亜鉛は電流発生の副生成物であるので、セルは自身の電流発生動作によって生じる可逆反応可能な副生成物を用いて再充電されるという利点を有する。これにより、電流発生動作によって既にイオン伝導性媒質内の還元可能な酸化亜鉛が生成されているので、新たなソースから充電のための燃料を供給する必要がなくなる。そのような一実施形態において、還元反応は、以下の還元部位で起きる：

ＺｎＯ＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｚｎ＋２ＯＨ⁻ （１）

また、対応する酸化反応は、以下のように、（酸素発生電極としても参照される）アノードとして機能する充電用電極７０で起こる。この際、酸素種を酸化して、酸素ガスを生成する。この酸素ガスは、適切な態様で、任意にオフガスされる。

２ＯＨ⁻→２ｅ⁻＋１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ （２）

しかし、燃料は、亜鉛に限定される必要はなく、本願の上述の金属燃料を含むその他の金属燃料であってもよい。同様に、様々な実施形態において、イオン伝導性媒質は、違うものであってもよく、アルカリ性でも酸性でもよい。また、還元性燃料イオンは、電流発生動作の副生成物により提供される必要はなく、容易に可逆反応を起こすことができないような副生成物を生み出す燃料を使うことも本発明の範囲に含まれる。したがって、充電で使用されるイオン伝導性媒質に別個の燃料源から還元や電着に適した形式の燃料イオンが供給されるようなものも本発明の範囲に含まれる。この燃料源は、電流発生時に使用されるイオン伝導性媒質から離間され、副生成物を蓄積する。同様に、同じイオン伝導性媒質は、どちらの過程でも使用できるが、燃料は、再充電時に自身のソースから離間されて供給される。

充電時に、電着によって、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃの間に流れを浸透させる形態で、金属燃料が成長する。これにより、電着された金属燃料は、末端の浸透性本体１２ａと後段の浸透性電極本体１２ｂ及び１２ｃとの間に電気的接続を確立する。この成長の結果、後段の各浸透性電極本体１２ｂ及び１２ｃ間で電気的接続を確立する還元と電着が起こる。

「流れを浸透させる形態」とは、イオン伝導性媒質が依然として電極本体１２ａ〜１２ｃに沿って流れることができるような電極本体１２ａ〜１２ｃ間の金属の成長の形態である。したがって、その流れが継続することができ、成長は流れ方向をに関して横方向に優勢な特性を発揮する。これにより、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃ間の完全は詰まりや遮断が引き起こされる。成長は、他の構成とすることもでき、流れはどのような方向であってもよい。また、流れを伴うことなく、成長が起きるようにしてもよい。また、電場、流れの方向、又はその他の電気化学条件によって、アノードに向かう方向に又はアノードから離れる方向に又はその両方向に成長が起こってもよい。様々な実施形態において、成長は、密な枝状形態（dense branch morphology）、樹木状の成長形態（dendritic
growth morphologies）、又は移送が限定された成長の条件で生じるものとして知られるその他の形態として生じてもよい。成長は、次の浸透性電極本体への充分な指向性を有していてもよく、均一で平らな成長、又はその他の形態であってもよい。

図示の実施形態において、樹木状の成長を示し、その方向は充電用電極７０に向かうものとした。図面は、動作の基本原理がよりよく理解できるように、強調された形式で成長の形態を示す。特定の実行によると、成長は、典型的に、電極本体１２ａ〜１２ｃを通じて充分に密度が高い。

図８において、燃料イオンの初期還元と金属燃料の燃料極１２の前段の構造への電着が示される。樹木状体は、はじめに、末端の電極本体１２ａに電着され、成長を開始する。これは、電極本体１２ａが外部電流に接続されており、燃料イオンの還元と燃料のそれ自身への電着を引き起こすカソード電位を有していることが理由である（充電用電極７０は外部負荷に接続され、アノードとして機能する）。一方、残りの電極本体１２ｂ〜ｃは、初めは、外部電極に接続されていないため、不活性であり、還元部位として機能しない。成長は、電極本体１２ａから電極本体１２ｂへ向かう複数の樹木状体としての金属の成長を伴って継続する。これにより、電極本体１２ａと電極本体１２ｂとの電気的接続が確立される。その結果、次は電極本体１２ｂにカソード電位が印加されることとなる。

図９に示すように、成長は、その後、燃料イオンの還元及び金属燃料の電極本体１２ｂへの電着を伴って継続する。この成長は、電極本体１２ｂから電極本体１２ｃへ向かう他の複数の樹木状体としての金属成長を伴い継続する。これにより、電極本体１２ａと電極本体１２ｂと電極本体１２ｃとの間の電気的接続が確立される。これにより、今度は、電極本体１２ｃにもカソード電位が印加されることとなる。

図１０に示すように、成長は、その後、燃料イオンの還元と金属燃料の電極本体１２ｃへの電着を伴い継続する。この成長は、電極本体１２ｃから充電用電極（すなわち、別個の充電用電極７０）へ向かうその他の複数の樹木状体としての金属成長を伴い継続する。浸透性電極本体の数にかかわらず、成長パターンは、燃料極１２の浸透性電極本体を通じて継続する。最終的に、最後の電極本体１２ｃでの成長は、充電用電極に到達するので、回路が短絡し、成長の完了が示される。

流れが電極本体１２ａ〜１２ｃに並行する、又は流れのない実施形態において、末端の電極本体にとって、充電用電極（すなわち、再充電時に、アノードとして機能する電極）から遠い位置のものであることはより好ましい。それにより、充電用電極への成長が、自然とアノード電位に向かう傾向があるため、複数の電極本体１２ａ〜１２ｃを通じて進む。流れが電極本体１２ａ〜１２ｃを通るようなその他の実施形態において、末端の電極本体の配置を変更することが好ましい。それにより、流れが、充電用電極に向かい、又は、充電用電極から離れる。

図１１及び図１２は、本体１２ａ〜１２ｃのそれぞれが負荷に接続された前段の構造の他の実施形態を示す。このようなアプローチを用いることは望ましい。電力発生時（すなわち放電時）には酸化が電極１２を通じて起こり、負荷へ伝導する電子を開放する。電流収集目的の端子を電極本体１２ａ〜１２ｃに接続することにより、これらの電子は、電極本体から直接収集される。さらに、本体間の成長が消費されることによって、その他の電極本体から「切断」された電極本体で起こる酸化反応から電力の収集を依然可能とするため、この構成は望ましい。そのような条件は、様々な要因に基づく電力発生時又は放電時に起こる。幾つかの実施形態において、このことは、上述のように、負荷への接続に単一の端子を使用する場合に好ましい。

図１１は、図８に類似するが、燃料極１２の電極本体１２ａ〜１２ｃのそれぞれと、酸化剤極１４（本例では、充電用電極７０と同じではなく、図示のように、離れている電極）に負荷が選択的に接続される一実施形態を示す。したがって、電流発生時、（既に詳述したように）燃料極１２の燃料は酸化され、負荷に電力を伝導するとともに、酸化剤極１４に伝導して、酸化剤を還元する電子を発生する。図１１は、また、充電するために使用される目的で充電用電極７０と電極本体１２ａの間に接続される電源を概略的に示す。既に詳述のように、電源は、末端の電極本体１２ａと充電用電極７０との間に電圧差を印加する。それにより、燃料は、還元され、末端の電極本体１２ａに電着される。対応する酸化反応が充電用電極７０で起きる。上述のように、成長が連続的な態様で、電極本体１２ａから電極本体１２ｃへ向かう方向で確実に起こるようにするため、単数又は複数の電流アイソレータ９０が提供され、その他の電極本体１２ｂ及び１２ｃを電源につながる電流から絶縁する。

電流アイソレータ９０は、充電時の連続的な成長により可能にされる場合を除き、電流が電極本体１２ａ〜１２ｃを流れるのを防止する。電流アイソレータ９０は、また、電連続的な成長による接続だけが確立され、電極本体１２ｂ及び１２ｃが直接電源に接続されないようにする。それとは異なり、アイソレータ９０は、充電時に、回路を介して、電源の電位が直接それらの電極本体１２ｂ及び１２ｃに印加されるのを防止する。電流／電位がそれらの電極本体１２ｂ及び１２ｃに印加される唯一の方法は、上述のとおり電着による成長である。

電流アイソレータ９０は、いかなる形式であってもよく、特定のアイソレータに限定されるものでもない。例えば、電流アイソレータ９０は単数又は複数のダイオードによって提供されてもよい。このダイオードは、電極本体１２ａ〜１２ｃから負荷を含む回路部分に電子が流れ、反対方向の電流を防止するように方向付けられている。同様に、電流アイソレータ９０は、電極本体１２ａ〜１２ｃを負荷を有する回路部分に接続するための、電力発生／放電時には閉じられるスイッチである。このスイッチは、電極本体１２ａ〜１２ｃを回路から切断し絶縁するために、充電時には開く。いかなる適切な制御メカニズムが、開位置と閉位置の間のスイッチの動作を制御するために提供されてもよい。例えば、充電が始まるとスイッチを閉じさせる電源に接続された誘導コイルとともに、開位置に向かって付勢されるリレースイッチが用いられてもよい。さらに、複数の電極本体１２ａ〜１２ｃへのそれぞれの接続を可能にする、より複雑なスイッチを用いて、負荷に接続／負荷から切断し、相互に接続／切断することもできる。また、電流アイソレータは、電極本体１２ａにおける電流アイソレータ９０のスイッチと他の電極本体１２ｂ及び１２ｃでのワンウェイダイオードのような他の要素であってもよい。電流アイソレータの一般的な機能を説明するために、図１１で、電子の流れが点線及び実線の矢印で示される。

また、図１１の構成は、本明細書で説明した他の実施形態のいずれか、又は本発明の範囲内の他のいずれかの実施形態で動作するために変更することができる。例えば、充電時に他の電極本体（例えば本体１２ｃ）が末端の電極本体として使用された場合、電源がその電極本体に接続されて、単数又は複数の電流アイソレータが充電時に電極本体を、負荷を有する回路及びその他の電極本体から絶縁するため使用される。

図１２は、一実施形態を示す。酸化剤極１４が充電用電極でもある（従って、図中、１４／７０の符号が付された）。そして、上述のように、酸化剤極１４は、電力発生／放電時にカソードとして機能し、充電時にアノードとして機能する。図１２において、負荷は燃料極１２の電極本体１２ａ〜１２ｃのそれぞれに選択的に接続され、酸化剤極１４にも接続される。従って、（既に詳述のように）電流発生時に、燃料極１２の燃料が酸化され、負荷に電力供給するために伝導し、酸化剤を還元するために酸化剤極１４に伝導する電子が発生する。図１２は、また、酸化剤極１４及び末端の電極本体１２ａの間に接続され、充電するための電源を概略的に示す。既に詳述のように、電源は、末端の電極本体１２ａと酸化剤極１４との間に電位差を印加する。それにより、燃料が還元され、末端の電極本体１２に電着される。そして、対応する酸化反応が（充電用電極として機能する）酸化剤極１４で起きる。上述のように、連続的な態様で、電極本体１２ａから電極本体１２ｃへ向かう方向で確実に成長が起こるようにするため、単数又は複数の電流アイソレータ９０が提供され、その他の電極本体１２ｂ及び１２ｃを電源につながる電流から絶縁する。単数又は複数の、本例では１対の任意の第２の電流アイソレータ９２が提供され、電力発生時に電源を電極１２、１４／７０から分離する。任意の第３の電流アイソレータ９４が提供され、充電時に、酸化剤極１４及び電源を、負荷を有する回路及びその他の電極本体１２ａ〜１２ｃから絶縁する。

図１１の電流アイソレータと同様に、図１２の電流アイソレータ９０は、充電時に、電流がその他の電極本体１２ｂ及び１２ｃと電源の間を、回路を介して直接流れるのを防止する。また、燃料の連続的な成長により可能になる場合を除き、電極本体の間で電流が流れるのも防止される。それとは異なり、アイソレータ９０は、充電時に、回路を介して、電源の電位が直接それらの電極本体１２ｂ及び１２ｃに印加されるのを防止する。また、電流／電位がそれらの電極本体１２ｂ及び１２ｃに印加される唯一の方法は、上述のとおり電着による成長である。図示の構成において、ダイオードは絶縁機能を提供できないので、図１２の電流アイソレータ９０は、好ましくは、開位置と閉位置の間を動くスイッチである。同様に、第２の電流アイソレータ９２は、電力発生時に電極と電源の間を電流が流れるのを防止するが、充電時には電流から流れるのを許容する。また、第３の電流アイソレータ９４は、充電時に酸化剤極と負荷を有する回路部とその他の電極本体１２ａ〜１２ｃとの間を電流が流れるのを防止するが、電力発生時に負荷から酸化剤極１４に電流が流れるのを許容する。これらの第２及び第３の電流アイソレータは、幾つかのシステムにおいては省略されてもよい。同様に、また、電流／電位がそれらの電極本体１２ｂ及び１２ｃに印加される唯一の方法は、上述のとおり電着による成長である。電流アイソレータは、上述のものを含むいかなる形式であってもよく、特定のアイソレータに限定されるものではない。

また、本発明の様々な実施形態のいずれにおいても、カソード電位を一つの電極本体に印加して連続的な成長を発生させるのではなく、カソード電位をアノードの全ての電極本体に同時に印加することもできる。一方の末端から発生する連続的な成長は、より高密度に電着された燃料を提供する点で利点を有する。特に、予め接続された電極本体での成長は継続し、後段の本体がこの連続的な成長により接続される。しかし、連続的な成長は、より少ない電着のための活性領域しか提供できない。従って、一定の電流密度又は電位のとき、カソード電位を複数の電極本体に同時に印加するときに比べて、より時間が必要となる。全ての電極本体を同じ電位とすることにより、充電用電極１４／７０とそれに最も近い電極本体の間の短絡が生じるまでの間だけ成長が発生する。従って、この態様で、より早く、低密度の成長が可能となる。これは、特定の再充電に適している。

本発明のその他の実施形態は、電気アイソレータを使用することができるその他の切り替えメカニズムを含む異なる電気的接続及び電気回路を有していてもよい。例えば、米国特許出願第１２／８８５，２６８号の実施形態を参照することができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

スキャフォールドを有する上述のタイプの幾つかのセルに関して述べたように、充電時の燃料の成長は、燃料極１２から充電用電極７０に向かう方向に誘導される。そのような成長の方向は、イオン伝導性媒質の流れが電極と並行し、詳細を後述するセルに関しても見ることができる。そのような燃料の成長の方向は、イオン伝導性媒質の流れ、及び燃料極１２と充電用電極７０との間に存在する電場の線に起因する。

その概略が図８〜１２に示されたセル１０は、一般的に、燃料極１２の電極本体１２ａ〜１２ｃを同様の平面寸法として示される。図１３に示すように、本タイプの幾つかのセル１０は、主に燃料極１２と充電用電極７０との間の電場の線に関連するので、成長は電極本体１２ａ〜１２ｃの端部の方がより大きくなる。そのような極端な成長は、電極本体１２ａ〜１２ｃのそれぞれの間に形成される電気的接続を、望むよりも早く引き起こしてしまう。末端の電極本体１２における端部での極端な成長は、浸透性電極本体の端部での電気的接続を引き起こし、後段の電極本体での成長の開始をより早く引き起こし、最初の電極本体での内側部での成長の密度が減少させてしまう。例えば、図１３に示すように、端部での成長は浸透性電極本体１２ｃを浸透性電極本体１２ｂに電気的に接続させ、浸透性電極本体１２ｂでの高密度な成長がないまま、電極本体１２ｃでの成長を開始させる。電極本体１２ａ〜１２ｃの端部間でのそのような早すぎる電気的接続を遅らせるために、この端部効果は、本発明によって後述のように是正される。

端部での成長の影響を防止するため、浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃのための階段状のスキャフォールド構造が利用可能である。浸透性電極本体の平面寸法は、成長の方向に従ってより小さくなっていく。これにより、端部での成長によっても浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃが接触し、電気的に接続されることがない。図１４の実施形態に示すように、電極本体１２ａ〜１２ｃは、浸透性電極本体１２ａが電気化学セルを充電する末端の電極本体と定義され、充電用電極７０からより遠くに位置するように構成されてもよい。図示の実施形態において浸透性電極本体１２ｃとして示される近位電極本体は、離間して充電用電極７０と隣り合っている。３つより少ない浸透性電極本体を用いるその他の実施形態（２つの浸透性電極本体が燃料極１２に備えられる実施形態）において、遠位電極本体は、電極本体１２ａのままでもあってよいが、近位電極本体は電極本体１２ｂであってもよい。同様に、３つより多くの浸透性電極本体がある場合（８つの浸透性電極本体が燃料極１２に備えられる実施形態）には、近位電極本体は、例えば、電極本体１２ｈであってもよい。

図示した構成において、遠位電極本体である浸透性電極本体１２ａは、電極本体１２ａ〜１２ｃのうち、もっとも大きな平面寸法を有している。充電用電極７０に向かって樹木状体が形成ような方向において、後段の各電極本体１２ｂ及び１２ｃは、実質的により小さな平面寸法を有している（平面寸法は、本体の外周面によって画定される通常の表面積を示し、必ずしもそれ自体が平面でなくてもよい）。例えば、図１４の実施形態で示すように、末端の遠位電極本体１２ａは、図において浸透性電極本体１２ｃとして示される充電用電極７０のより近くに位置する近位電極本体に比べて、大きな平面寸法を有する。２つより多くの浸透性電極本体を有する実施形態において、樹木状体が成長する方向の後段の各電極本体は、それより前段の電極本体より小さな平面寸法を有する。より大きな電極本体の少なくとも１つの端部は、後段のより小さな電極本体よりも外側に延びている。すなわち、各電極本体は、遠くから近くに向かう方向で、連続的に小さくなる寸法を有しており、各電極本体の端部（単数又は複数の辺）は、連続的な態様で、より遠くなる方向に隣り合う電極本体の端部に比べてより内側に配置される。燃料極１２の外周端部と平行に、電極本体１２ｃのより近い端部が遠位電極本体１２ａの端部よりも内側に配置されるような構成において、階段状のスキャフォールドの外形が形成される。幾つかの実施形態において、電極本体１２ａ〜１２ｃのサブグループのみが、階段状の構造を有している。

多くの実施形態において、電極本体１２ａ〜１２ｃの幾つか又は全ての端部の周りに絶縁物質が提供されてもよい。絶縁物質は、さらに、上述のより極端な成長のような、電極本体１２ａ〜１２ｃの端部における粗く、不均一な成長に対する保護を提供することができる。絶縁物質は、外枠や端部のみをカバーし、端部よりも内側までしか延びない。絶縁物質が本体のほぼ全周に亘って延びる場合、それは外枠となる。絶縁物質は、プラスチック、ゴム又はガラスから形成される絶縁物質を含む最適な設計及び構成であってよいが、それらに限定されるものではない。幾つかの実施形態において、絶縁物質は、被覆材として適用することもできる。一実施形態において、絶縁物質は、エポキシ樹脂又はその他もポリマーを備えていてもよい。

図１５及び図１６は、図１４からの成長の形態の進展を、動作の基本原理がより理解しやすいように強調した形式で示す。特定の実行によると、成長は典型的に電極本体１２ａ〜１２ｃを通じて充分に密度が高い。

燃料イオンの初期還元及び金属燃料の電着時、樹木状体が末端の電極本体１２ａで成長し始める。これは、電極本体１２ａが外部電流に接続され、カソード電位を有することによる。カソード電位は、燃料イオンの還元と燃料の電着を発生させる（一方、充電用電極７０は外部負荷に接続され、アノードとして機能する）。逆に、残りの電極本体１２ｂ及び１２ｃは、外部電流に接続されていないため、最初は不活性であり、還元部位としては機能しない。

成長は、電極本体１２ａから電極本体１２ｂへ向かう複数の樹木状体としての金属の成長を伴って継続する。これにより、電極本体１２ａと電極本体１２ｂとの電気的接続が確立される。これにより、次は電極本体１２ｂにカソード電位が印加されることとなる。図１５に示すように、電極本体１２ｂのカソード電位は、電極本体１２ｃに向かう方向に、樹木状体を形成させる。電極本体１２ｂの端部での極端な成長を発生させる電場によって、成長のこの段階で、電極本体１２ｃへの電気的接触が生じてしまい、電極本体１２ｃの端部は極端な成長の部位に延びる。階段状のスキャフォールド構造は、そのような重なりを防止するので、電極本体１２ｂと１２ｃの電気的接続は遅れる。それにより、カソード電位が電極本体１２ｃに印加されるのも遅れる。従って、電極本体１２ｃに短絡する前の電極本体１２ｂでの成長のための期間が長くなる（電極本体１２ａと１２ｂとの間でも同じような遅れが生じる。）。

成長は、その後、燃料イオンの還元及び金属燃料の電極本体１２ｂへの電着を伴って継続する。この成長は、電極本体１２ｂから電極本体１２ｃへ向かう他の複数の樹木状体としての金属成長を伴い継続する。結果的に、電極本体１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの間の電気的接続が遅れることとなる。これにより、図１６に示すように、電極本体１２ｃはカソード電位が印加されることとなり、樹木状体の充電用電極へ向かう成長が始まる。

この成長は、燃料イオンの還元及び金属燃料の電極本体１２ｃへの電着を伴って継続する。結果的に、電極本体１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの電気的接続が確立される。これにより、電極本体１２ｃにはカソード電位が印加されることとなり、樹木状体の充電用電極に向かう成長が始まる。この成長パターンは、燃料極１２の浸透性電極本体１２ａ〜１２ｃを通じて継続する。結果的に、最後の本体１２ｃでの成長は、充電用電極に到達し、回路を短絡させ、成長が終わったことを示す。

階段状のスキャフォールド構造は、一般的に、本明細書に記載される他のいかなる実施形態でも使用することができる。例えば、図１７に示すように、充電用電極７０は、段階的に、充電用電極に最も近い電極本体より小さくなってもよい。図示の実施形態において、充電用電極７０は、最も小さい電極本体１２ｃより小さい。一実施形態において、成長は、燃料極１２と充電用電極７０との間の電場に応じた角度で起こってもよい。そのような一実施形態は、近位電極本体１２ｃと充電用電極との間の早すぎる短絡を防ぐことができ、近位電極本体１２ｃでのより高密度の成長が可能となる。他の実施形態において、充電用電極７０は、充電用電極７０に最も近い電極本体より大きなものであってもよい。他の実施形態において、充電用電極７０は、充電用電極７０に最も近い電極本体と同じ寸法であってもよい。別個の酸化剤極１４を有する構成において、燃料が電着される電極本体で最も広いものとなるように、酸化剤極１４の寸法が選択されてもよい。これにより、確実に、放電時の燃料の酸化を完了することができる。

他の例では、図１８に示されるように複数の電極本体１２ａ〜１２ｃが末端の電極本体１２ａに接続されてもよい。電気化学セルの放電時に、電極本体１２ａ〜１２ｃは相互に選択的に接続されていてもよく、又は、図１１の実施形態に関して述べたように、それぞれが選択されて、単数又は複数の電流アイソレータ９０を介して、負荷に接続されてもよい。同様に、図１９に示す酸化剤極１４も充電用電極７０（１４／７０の符号が付されている）に接続される実施形態のように、充電のための電源が末端の電極本体１２ａと酸化剤極１４との間に、単数又は複数の、本例では１対の任意の第２の電流アイソレータ９２を介して接続されている場合、スキャフォールド構造が利用できる。電流アイソレータ９２は、電流発生動作時に、電源を切断していてもよい。そのような一実施形態は、図１２の実施形態に関する上述の実施形態に類似する。同様に、任意の第３の電流アイソレータ９４は、負荷と酸化剤極１４/充電用電極７０の間で使用され、充電時に、電流が酸化剤極と負荷を備える回路部と他の電極本体１２ａ〜１２ｃの間を流れるのを防止する。電流アイソレータ９４は、電力発生時に、電流が負荷から酸化剤極１４へ流れるのを許容する。

図２０及び図２１に示すように、階段状のスキャフォールド構造が、図１及び図２に最初に示された電極本体１２ａ〜１２ｃを有する構成である電気化学セルシステム１００で利用される。図示のように、酸化剤極１４（すなわち、空気呼吸カソード）は、浸透性電極本体１２ａの最も大きな部分より大きなものとしてもよい。充電用電極７０は、浸透性電極本体１２ａの最も大きな部分と同じような大きさで示されているが、他の実施形態では、上述のように、充電用電極７０は、浸透性電極本体１２ａ又は最も小さな浸透性電極本体１２ｃより大きく又は小さくてもよい。

最終的に、図２２ａ〜図２２ｃに、非限定的な例として示されるように、上述の実施形態同様、階段状のスキャフォールド構造は、様々な実施形態において、電極本体１２ａ〜１２ｃの１つの端部（図２２ａ）、電極本体１２ａ〜１２ｃの２つの端部
（図２２ｂ）、又はそれ以上の端部（すなわち、図２２ｃ）に適用される。充電用電極７０の位置は形状やイオン伝導性媒質のセル１０内での流れの方向によって、階段状のスキャフォールド構造のそのような変更を行うことが望ましい。同様に、そのような実施形態において、電極本体の方向は異なっていてもよい。非限定的な例として、図２３ａ〜図２３ｃに示すように、各電極本体１２ａ〜１２ｃと充電用電極７０は、垂直方向ではなく、水平方向としてもよい。さらに、幾つかの実施形態において、電極本体１２ａ〜１２ｃのサブグループだけが、階段状のスキャフォールド構造を有することもある。（そして、そのサブグループ内で近位及び遠位本体が特定される。）。

また、幾つかの実施形態において、セルを「バイセル（bi-cell）」と呼ぶことがある。この用語は、燃料極の両端にある１対の空気電極を意味する。放電時、これらの空気電極は、ほぼ同一のカソード電位にあり、燃料極はアノード電位にある。典型的に、１対の専用の充電用電極は、空気電極と燃料極の間のイオン伝導性媒質内に配置される（空気電極は、上述のように、充電用電極であってもよく、後述のように充電用電極は燃料極の本体であってもよい。）。充電時に、充電用電極は、ほぼ同一のアノード電位にあり、燃料極は、カソード電位にある（また、上述のように、充電用電極が動的に充電される）。したがって、空気電極は、共通の端子を共有することができ、燃料極は専用の端子を有し、充電用電極はまた共通の端子を共有することができる。したがって、電気化学的にいえば、このようなバイセルは、単一のセルとして捉えることができる（バイセル内では、両方向の燃料成長といったような電池の特定の特徴によって、１つのバイセルは、複数の特定の目的のための２つの電池として考えられるが、しかしながら、モード放電及び接続管理のためのより高いレベルにおいては、これらの特徴は、関連の薄いものであり、１つのバイセルは、機能的に、単一の電池として捉えることができる。）。一実施形態において、１対の空気電極は、第２の電極１２に対応し、燃料極は、第１の電極１２に対応し、１対の充電用電極は、第３の電極７０に対応する。

また、上述したスイッチの様々な実施形態（例えば、充電モード及び放電モードを可能にするためのスイッチ）のいずれもが、引用によりその全内容が本明細書に組み入れられる、２０１０年９月１６日に出願された米国特許出願第６１／３８３，５１０号に記載された連続的なものといったような、動的に変化する酸素を放出する（すなわち、充電する）電極/燃料極を有する複数の電気化学セルとともに用いられることができる。例えば、米国仮特許出願第６１／３８３，５１０号に記載されたように、各セル１０は、電極本体に関連付けられた専用の複数のスイッチを有して、連続的な燃料成長を可能にする。

例えば、一実施形態において、充電時に、各セル１０の充電用電極は、後段のセル１０の燃料極１２に接続されてもよい。一実施形態において、充電時に、燃料極１２の第１の電極本体１２ａは、カソード電位を有し、残りの電極本体及び／又は任意の別個の充電用電極はアノード電位を有するものとすることができる。これにより、それらの本体及び別個の充電用電極は、集まって、充電用電極として機能する。そのような一実施形態において、燃料極１２が連続的な燃料成長をする間、燃料は、カソード電位を有する燃料電極本体１２ａにおいて成長し、アノード電位を有する隣接する電極本体１２ｂと短絡する。隣接する電極本体１２ｂは、アノード電位のソースから切断され、それにより、電着された金属により、電気的な接続が確立され、隣接する電極本体１２ｂはまたカソード電位を有する。このプロセスは、さらなる成長が不可能となる（すなわち、カソード電位が、アノード電位を有する最後の電極本体、又は、別個の充電用電極と短絡する）まで、残りの電極本体についても継続することができる。電極本体を互いに接続／切断するために、及び／又は、複数の電極本体をカソード電位のソース又はアノード電位のソースに接続／切断するために、複数のスイッチを用いることができる。従って、連続的な燃料成長を有するような実施形態では、充電用電極は、燃料極１２と別個の充電用電極であり、少なくとも第１の電極１２の隣接する電極本体であるか、アノード電位を有する他の全ての電極本体であってもよい。すなわち、充電用電極は、別個の充電用電極、カソード電位を有する少なくとも１つの電極本体に隣接して配置されたアノード電位を有する１つの電極本体、及び／又は、カソード電位を有する少なくとも１つの電極本体に隣接して配置されたアノード電位を有する電極本体のグループであってもよい。

従って、図示のように、充電用電極７０は、燃料極１２の一部と考えられ、初めは本体１２ｂ又は本体１２ｂ及びその後段であってもよく、カソード電位が本体１２ａに印加される。そして、本体１２ｂは、アノード電位から切断されるが、カソード電位に接続され、本体１２ｃ（又は本体１２ｃ及びその後段）
は、充電用電極７０となる。従って、このように、充電用電極は、その用語が本出願のより広い態様において用いられているように、アノード充電という役割を果たすに過ぎない静的な又は個別の電極である必要は必ずしもなく（そうであってもよいが）、時には、アノード電位が印加される燃料電極内における１又は複数の本体であってもよい。よって、動的という用語は、充電時、充電用電極として機能し、かつ、アノード電位を受ける物理的な１又は複数の構成要素が、変化しうる、という事実を意味するために用いられる。

本明細書において複数の電極について言及したが、幾つかの実施形態における様々な構造は、１又はそれ以上の電極として、デバイスの動作モードに依存して、異なる態様で機能することができるものである、ということを理解されたい。例えば、酸化電極が充電用電極として二機能性のものであるような幾つかの実施形態では、同一の電極構造が、放電時には酸化電極として作用し、充電時には充電用電極として作用する。同様に、充電用電極が動的充電用電極であるような実施形態では、燃料電極のすべての本体が放電時には燃料電極として作用するが、充電時には、それら本体のうちの１又はそれ以上の本体が、電着した燃料を受け取ることにより燃料電極として作用し、それら本体のうちの１又はそれ以上の他の本体が、充電用電極として作用して酸化剤（例えば酸素）を放出し、燃料電極が、電着成長がそれら本体のうちのさらに多くの本体に繋がるにつれて、成長する。このように、電極に対する参照は、特別な電極構造及び機能的な役割のうちのいずれかとして表現上定義されるものであり、多数の電極機能を可能にする構造は、セルの異なる複数の動作モードの間において役割を果たしうる（したがって、同一の多機能性の構造は、この理由により、多数の電極を満たすものとして考えられる）。

上述した様々な実施形態は、専ら本発明の構造的及び機能的な原理を示すために与えられたものであって、限定的なものとして意図されたものではない。例えば、本発明は、異なる燃料、異なる酸化剤、異なるイオン伝導性媒質、及び／又は、異なる全体的な構造的構成又は材料を用いて、実施することが可能なものである。このように、本発明は、添付した特許請求の範囲の思想及び範囲内にある、あらゆる修正、代用、変更及び均等物を包含するように意図されたものである。

Claims (38)

1. 電気化学セルを動作させるための方法であって、
   前記セルは、
   互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と、
   前記燃料極から離間した酸化剤極と、
   （ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）前記酸化剤極から離間した別個の充電用電極から構成されるグループから選択され、前記燃料極から離間した充電用電極と、
   前記電極に接触するイオン伝導性媒質と、
   を備え、
   前記燃料極の前記複数の浸透性電極本体は、前記充電用電極に近い近位浸透性電極本体と前記充電用電極から遠い遠位浸透性電極本体とを有し、
   前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記近位浸透性電極本体の端部が、前記遠位浸透性電極本体の端部よりも内側に配置され、
   前記方法は、
   （ｉ）前記充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間に電流を流し、前記充電用電極をアノードとして機能させ、前記少なくとも１つの浸透性電極本体をカソードとして機能させることにより、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着される工程と、
   （ｉｉ）前記電着により、前記浸透性電極本体間で燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する工程と、
   （ｉｉｉ）前記電流を取り除き、充電を終了する工程と、
   よって電気化学セルを充電する工程を備える、
   方法。
2. 前記近位電極本体は、前記遠位浸透性電極本体よりも小さな平面寸法を有する、
   請求項１に記載の方法。
3. アノードとして機能する前記燃料極の前記浸透性電極本体の前記燃料を酸化して、カソードとして機能する前記酸化剤極で前記酸化剤を還元し、それにより、負荷を介して前記燃料極から前記酸化剤極に伝導する電子を発生し、酸化された前記燃料イオン及び還元された前記酸化剤イオンが再反応して副生成物を生成することにより、電気化学セルを使用して電流を発生させる工程をさらに備える、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記酸化剤は、酸素を有しており、前記酸化剤極は、大気を吸収し、還元するように構成された電極を備える、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記還元性燃料イオンは還元性金属燃料イオンであり、前記電着された燃料は電着された金属燃料である、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記還元性金属燃料イオンは、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム又はリチウムのイオンを有し、前記電着された金属燃料は、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム又はリチウムである、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記電気化学セルの充電時に、
   前記電流が前記浸透性電極本体の末端の１つに流され、前記還元性金属燃料イオンが還元されて、前記末端の浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着され、
   前記電着により、前記浸透性電極本体間を金属燃料が成長し、前記電着した金属燃料が前記末端の浸透性電極本体と前記近位浸透性電極本体との間の電気的接続を確立し、前記電気的接続の確立によって前記近位浸透性電極本体での堆積が起こる、
   請求項５に記載の方法。
8. 前記燃料極は、単数又は複数の中間浸透性電極本体をさらに備え、
   前記末端の電極本体と前記近位浸透性電極本体との間の電気的接続は、前記単数又は複数の中間浸透性電極本体を介して確立され、前記電気的接続の確立によって前記還元及び堆積が前記単数又は複数の中間浸透性電極本体で起こる、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記イオン伝導性媒質は、電解質である、
   請求項７に記載の方法。
10. 前記電気化学セルの充電時に、前記電解質は、前記浸透性電極本体を通る流路を流れ、前記電着により、流れを浸透させる形態で、前記金属燃料の成長が起こる、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記金属燃料の前記成長は、密な枝状形態の成長及び樹木状の成長から構成されるグループから選択される、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属燃料の前記成長は、前記充電用電極に向かう、
    請求項１０に記載の方法。
13. 前記末端の浸透性電極本体は、前記遠位浸透性電極本体である、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記金属燃料の前記成長は、密な枝状形態の成長及び樹木状の成長から構成されるグループから選択される、
    請求項１２に記載の方法。
15. 前記金属燃料の前記成長は、密な枝状形態の成長及び樹木状の成長から構成されるグループから選択される、
    請求項１３に記載の方法。
16. 前記充電用電極は、前記酸化剤極である、
    請求項１に記載の方法。
17. 前記充電用電極は、前記酸化剤極から離間された前記別個の充電用電極である、
    請求項１に記載の方法。
18. 前記燃料極の外周端部の少なくとも一部が絶縁物質で覆われている、
    請求項１に記載の方法。
19. 前記絶縁物質は、プラスチック及び／又はエポキシ樹脂を備える、
    請求項１８に記載の方法。
20. 互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と、
    前記燃料極から離間した酸化剤極と、
    （ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）前記酸化剤極から離間した別個の充電用電極から構成されるグループから選択され、前記燃料極から離間した充電用電極と、
    前記電極に接触するイオン伝導性媒質と、
    を備え、
    前記燃料極の前記複数の浸透性電極本体は、前記充電用電極に近い近位浸透性電極本体と前記充電用電極から遠い遠位浸透性電極本体とを有し、
    前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記近位浸透性電極本体の端部が、前記遠位浸透性電極本体の端部よりも内側に配置され、
    前記燃料極の前記浸透性電極本体の前記離隔した関係によって、電流が充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間を流れることができ、前記充電用電極がアノードとして機能し、前記少なくとも１つの浸透性電極本体がカソードとして機能し、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着され、この電着により、前記浸透性電極本体間で燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する、
    電気化学セル。
21. 前記近位電極本体は、前記遠位浸透性電極本体よりも小さな平面寸法を有する、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
22. 前記燃料極は、単数又は複数の中間浸透性電極本体をさらに備え、
    前記単数又は複数の中間浸透性電極本体は前記遠位浸透性電極本体及び前記近位浸透性電極本体の間で互いに離間した関係にあり、前記充電用電極により近い前記浸透性電極本体は、充電用電極により近い浸透性電極本体よりも小さな平面寸法を有し、前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、近位及び中間浸透性電極本体の端部が、遠ざかる方向に隣り合う電極本体より内側になるように連続的に配置される、
    請求項２１に記載の電気化学セル。
23. 前記酸化剤は、放電モードで、大気を吸収し、還元するように構成されている、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
24. 前記充電用電極は、前記複数の浸透性電極本体のいずれの浸透性電極本体よりも大きな面積である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
25. 前記充電用電極は、前記複数の浸透性電極本体のいずれの浸透性電極本体よりも小さな面積である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
26. 前記酸化剤極は、前記複数の浸透性電極本体のいずれの浸透性電極本体よりも大きな面積である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
27. 前記燃料極は、前記遠位浸透性電極本体及び前記近位浸透性電極本体の間に、単数又は複数の中間浸透性電極本体をさらに備え、
    前記電極本体は互いに離間しており、
    前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、近位及び中間浸透性電極本体の端部が、遠ざかる方向に隣り合う電極本体より内側になるように連続的に配置される、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
28. 前記還元性燃料イオンは還元性金属燃料イオンであり、前記電着された燃料は電着された金属燃料である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
29. 前記還元性金属燃料イオンは、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム又はリチウムのイオンを有し、前記電着された金属燃料は、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム又はリチウムである、
    請求項２８に記載の電気化学セル。
30. 前記イオン伝導性媒質は、電解質を有する、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
31. 前記充電用電極は、前記酸化剤極である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
32. 前記充電用電極は、前記酸化剤極から離間された前記別個の充電用電極である、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
33. 前記燃料極の外周端部の少なくとも一部を絶縁するように構成された絶縁物質をさらに備える、
    請求項２０に記載の電気化学セル。
34. 前記絶縁物質は、プラスチック及び／又はエポキシ樹脂を備える、
    請求項３３に記載の電気化学セル。
35. 電気化学セルを動作させるための方法であって、
    前記セルは、
    互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と、
    前記燃料極から離間した酸化剤極と、
    充電用電極と、
    前記電極に接触するイオン伝導性媒質と、
    を備え、
    前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記浸透性電極本体の端部が、第１の方向で内側に向かって階段状に配置され、
    前記方法は、
    （ｉ）前記充電用電極と前記燃料極の前記浸透性電極本体の少なくとも１つとの間に電流を流し、前記充電用電極をアノードとして機能させ、前記少なくとも１つの浸透性電極本体をカソードとして機能させることにより、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着される工程と、
    （ｉｉ）前記電着により、前記浸透性電極本体の間で前記第１の方向に燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する工程と、
    （ｉｉｉ）前記電流を取り除き、充電を終了する工程と、
    よって電気化学セルを充電する工程を備える、
    方法。
36. 前記充電用電極は、（ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）前記酸化剤極から離間した第３の充電用電極、及び（ｃ）前記燃料極の単数又は複数の本体から構成されるグループから選択される、
    請求項３５に記載の電気化学セル。
37. 互いに離間した関係に配置された複数の浸透性電極本体を備える燃料極と、
    前記燃料極から離間した酸化剤極と、
    充電用電極と、
    前記電極に接触するイオン伝導性媒質と、
    を備え、
    前記燃料極の外周端部の少なくとも一部と平行に、前記浸透性電極本体の端部が、第１の方向で内側に向かって階段状に配置され、
    前記燃料極の前記浸透性電極本体の離間した関係によって、電流は前記充電用電極と前記燃料極の前記少なくとも１つの浸透性電極本体との間を流れることができ、前記充電用電極がアノードとして機能し、前記少なくとも１つの浸透性電極本体がカソードとして機能し、還元性燃料イオンが還元されて、前記少なくとも１つの浸透性電極本体に、酸化可能な態様で燃料として電着され、前記電着により、前記浸透性電極本体の間で前記第１の方向に燃料が成長し、前記電着した燃料が前記浸透性電極本体間の電気的接続を確立する、
    電気化学セル。
38. 前記充電用電極は、（ａ）前記酸化剤極、及び（ｂ）前記酸化剤極から離間した第３の充電用電極、及び（ｃ）前記燃料極の単数又は複数の本体から構成されるグループから選択される、
    請求項３７に記載の電気化学セル。
    

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