JP2018518022A - ハイブリッド電気化学セルシステムおよび動作方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、米国特許仮出願第62/171,003号(2015年6月4日出願)に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
− 金属カソードと空気/酸化剤電極とが結合されて金属カソードの金属を酸化し、その金属が、還元されてアノード/燃料電極に結合され、そのアノード/燃料電極が酸化されるというその通常の使用のために金属カソードに補充される、メンテナンスまたは「トップオフ」モード。
− 一方のサブセルのアノードと酸素発生電極とが結合して、共通のイオン伝導性媒体の循環を助ける発生酸素を生成し、他方のサブセルが放電のような反応を経る、対流モード。
− 別個のアノード/燃料電極を有する各サブセルが、出力の増加および/または充電状態の管理の強化のために共に機能することを可能にする制御手法および/またはアーキテクチャ。
− ハイブリッドセル内のサブセルの深放電制御の強化。
− 充電状態の強化のための充電モード。
本出願のその他の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになろう。
1)アノード(例えば、Zn金属燃料電極、Fe金属燃料電極など)と金属カソード(例えば、Ni電極、Ag電極など)とを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加するモードであって、電気化学反応は、Zn燃料電極において、例えば、Zn(OH)2+2e-→Zn+2OH-に従い、また、Ni正電極において2Ni(OH)2+2OH-→2NiOOH+2H2Oに従って進行し、全体の電気化学反応は2Ni(OH)2+Zn(OH)2→2NiOOH+Zn+2H2Oに従って進行してもよい。
2)アノード(例えば、Zn金属燃料電極、Fe金属燃料電極)とOEEとを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加するモードであって、電気化学反応は、ZnアノードにおいてZn(OH)2+2e-→Zn+2OH-に従い、また、OEEにおいて2OH-→1/2O2+H2O+2e-に従って進行し、全体の電気化学反応は2Zn(OH)2→2Zn+O2+2H2Oに従って進行してもよい。
3)金属カソード(例えば、Ni電極、Ag電極)と空気カソードとを含むサブセルを充電するために電流を選択的に印加することによるメンテナンス充電モードであって、電気化学反応は、Ni電極において2Ni(OH)2+2OH-→2NiOOH+2H2Oに従い、また、第1のサブセルの空気カソードにおいて1/2O2+H2O+2e-→2OH-に従って進行し、全体の電気化学反応は2Ni(OH)2+1/2O2→2NiOOH+H2Oに従って進行してもよい。これは、第2のサブセルの金属カソード(例えば、Ni電極)、すなわち、一般に、空気電極と対になっていない金属電極の「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うためのメンテナンス工程として実施されてもよい。
1)アノード(例えば、Zn金属燃料電極、Fe金属燃料電極)と金属カソード(例えば、Ni電極、Ag電極)とを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するモードであって、電気化学反応は、ZnアノードにおいてZn+2OH-→Zn(OH)2+2e-に従い、また、Niカソードにおいて2NiOOH+2H2O→2Ni(OH)2+2OH-に従って進行し、全体の電気化学反応は2NiOOH+Zn+2H2O→2Ni(OH)2+Zn(OH)2に従って進行する。
2)アノード(例えば、Zn金属燃料電極、Fe金属燃料電極)と空気電極または空気カソードとを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するモードであって、電気化学反応は、ZnアノードにおいてZn+2OH-→Zn(OH)2+2e-に従い、また、空気カソードにおいて1/2O2+H2O+2e→2OH-に従って進行し、全体の電気化学反応は2Zn+O2+2H2O→2Zn(OH)2に従って進行する。
3)アノード(例えば、Zn金属燃料電極、Fe金属燃料電極)と空気カソードとを含むサブセルを放電することによって電流を選択的に生成するメンテナンス深放電モードであって、電気化学反応は、ZnアノードにおいてZn+2OH-→Zn(OH)2+2e-に従い、また、空気カソードにおいて1/2O2+H2O+2e→2OH-に従って進行し、全体の電気化学反応は2Zn+O2+2H2O→2Zn(OH)2に従って進行する。金属燃料電極に関連するメンテナンスモードは過去に、米国特許出願第14/512,933号および米国仮出願第61/938,922号に記載されており、全体として本明細書に組み込まれる。メンテナンス深放電の反応に変わりはないが、この放電は、電極をクリーニングまたはリセットするために、亜鉛または他の燃料を意図的に酸化するように駆動される。
1)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ726およびアノード(例えば、Zn)スイッチ720を閉じる(オン)ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を充電するモード。
2)金属カソードスイッチ726、カソード遮断スイッチ750、および深放電バイパススイッチ752を閉じる(オン)ことによって外部電流をセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にし、メンテナンス工程として金属カソード716を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
3)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ726およびアノード(例えば、Zn)スイッチ710を閉じる(オン)ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を放電するモード。
4)OEEスイッチ724およびアノード(例えば、Zn)スイッチ710を閉じる(オン)ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を充電するモード。
5)空気カソードスイッチ722およびアノード(例えば、Zn)スイッチ720を閉じる(オン)ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を放電するモード。
6)カソード遮断スイッチ750およびアノード(例えば、Zn)スイッチ720を閉じ(オン)、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ754を作動させることによって、電流を、図16および図17にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード710からセル外に流すことができる。
1)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ826およびアノード(例えば、Zn)スイッチ821を閉じる(オン)ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を充電するモード。
2)金属カソードスイッチ826、カソード遮断スイッチ850、および深放電バイパススイッチ852を閉じる(オン)ことによって外部電流をセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にし、メンテナンス工程として金属カソード816を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
3)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ826およびアノード(例えば、Zn)スイッチ821を閉じる(オン)ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を放電するモード。
4)OEEスイッチ824およびアノード(例えば、Zn)スイッチ820を閉じる(オン)ことによって外部電流をサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を充電するモード。
5)空気カソードスイッチ822およびアノード(例えば、Zn)スイッチ820を閉じる(オン)ことによって電流をサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を放電するモード。
6)カソード遮断スイッチ850およびアノード(例えば、Zn)スイッチ820を閉じ(オン)、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ854を作動させることによって、電流を、図16および図17にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード810からセル外に流すことができる。
1)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ1026およびアノード(例えば、Zn)スイッチ1021を閉じる(オン)ことによって外部電流をターミナル1045、1047を介してサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を充電するモード。
2)金属カソードスイッチ1026、カソード遮断スイッチ1050、および深放電バイパススイッチ1052を閉じる(オン)ことによって外部電流を端子1026、1042を介してセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にし、メンテナンス工程として金属カソード1016を充電して「トップオフ」または「メイクアップ」充電を行うモード。
3)第2のサブセルカソード(例えば、Ni)スイッチ1026およびアノード(例えば、Zn)スイッチ1021を閉じる(オン)ことによって電流を端子1045、1047を介してサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第2のサブセル(例えば、Ni−Zn)を放電するモード。
4)OEEスイッチ1024およびアノード(例えば、Zn)スイッチ1020を閉じる(オン)ことによって外部電流を端子1040、1042を介してサブセルに流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を充電するモード。
5)空気カソードスイッチ1022およびアノード(例えば、Zn)スイッチ1020を閉じる(オン)ことによって電流を端子1040、1042を介してサブセルから外部負荷に流し、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)を放電するモード。
6)カソード遮断スイッチ1050およびアノード(例えば、Zn)スイッチ1020を閉じ(オン)、残りのスイッチは開放(オフ)状態にして、第1の金属−空気サブセル(例えば、Zn−空気)をメンテナンス深放電するモード。深放電スイッチ1054を作動させることによって、電流を、図16および図17にそれぞれ示す深放電線形レギュレーション法または深放電抵抗ステップ法により、アノード1010からセル外に流すことができる。
1)外部負荷からの電力が利用可能な場合、1802にてNi−Znを充電する。第1の工程として、NiZn/Zn−空気セルが、Ni電極をセル正端子(+ve)に接続し、Zn電極をセル負端子(−ve)に接続することにより、Znアノードを用いてNi電極を充電する。1804にてNi容量(Cni)がNi電極の最大所定充電容量を超える場合、1806にてZn電極がOEEを用いて充電されてもよい。1808にてZn容量(Czn)がZn電極の最大所定充電容量を超える場合は、1810にてNi電極が空気呼吸カソードを負電極として用いて充電されることになる。
2)1806にてZn−OEEを充電する。この時、充電電力が利用可能であり、Ni電極が1804にて最大容量まで充電される場合、Zn電極は、1806にて、OEEをセル正(+ve)端子に接続し、Zn電極をセル負(−ve)端子に接続することによって充電される。1812にてZn容量(Czn)がZn電極の所定の最大充電容量を超える場合、セルは完全に充電されており、バイパスされるので、直列および/または並列に接続された他のセルが1814にて充電を完了できるようになる。
3)1810にてNiカソードを充電する。この時、充電電力が利用可能であり、Zn電極が1808にて完全に充電されている一方でNi電極の充電が必要な場合、Ni電極は、1810にて、Ni電極をセル正(+ve)端子に接続し、空気呼吸カソードをセル負(−ve)端子に接続することによって充電される。1816にてNi容量がNi電極の所定の最大充電容量を超える場合、セルは完全に充電されており、バイパスされるので、直列および/または並列に接続された他のセルが1814にて充電を完了できるようになる。
4)1814にて放電バイパス。セルが完全に充電されている場合、すべての電極がセル端子から接続を絶たれ、セルは、例えば、セル正端子(+ve)をセル負端子(−ve)に接続する固体スイッチを用いてバイパスされる。これにより、直列および/または並列に接続されたモジュール内の他のセルが充電を継続できるようになる。
1)1820にてNi−Znを放電する。この時、充電電力が利用できない場合、Ni電極をセル正(+ve)端子に接続し、Zn電極をセル負(−ve)端子に接続することにより、NiZnを最初に放電する。1822にてZn電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、1824にてセルがバイパスされるので、直列および/または並列に接続された他のセルが放電を継続できるようになる。1826にてNi電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、1828にてZn電極が空気呼吸カソードを用いて放電される。
2)1828にてZn−空気を放電する。この時、1826にて、充電電力が利用できず、Ni電極が完全に放電されている場合、Zn電極は、空気呼吸カソードをセル正(+ve)端子に接続し、Zn電極をセル負端子(−ve)に接続することにより、空気呼吸カソードを用いて放電を継続することになる。1830にてZn電極の容量がゼロまたは所定の最小値に達する場合、1824にてセルがバイパスされるので、直列および/または並列に接続された他のセルが放電を継続できるようになる。
3)1824にて放電バイパス。この時、セルが完全に放電されている場合、またはメンテナンスなどのためにバイパスされることが選択されている場合、すべての電極はセル端子から接続を絶たれ、セルは、例えば、セル正端子(+ve)をセル負端子(−ve)に接続する固体スイッチを用いてバイパスされる。これにより、直列および/または並列に接続されたモジュール内の他のセルが放電を継続できるようになる。
Claims (23)
- ハイブリッド電気化学セルであって、
i.第1の電気化学サブセルを形成する第1の電極対であって、前記第1の電気化学サブセルが、金属燃料電極と空気電極とを含むことにより金属−空気バッテリ化学組成として特徴付けられる、第1の電極対と、
ii.第2の電気化学サブセルを形成する第2の電極対であって、前記第2の電気化学サブセルが、前記第1の電気化学サブセル内のものと同種の金属燃料を有する金属燃料電極を含み、前記第2の電気化学サブセルが前記第1の電気化学サブセルとは異なるバッテリ化学組成として特徴付けられる、第2の電極対と、
iii.各電極対を連絡する少なくとも1つのイオン伝導性媒体と、
iv.各電極対に結合されたコントローラであって、放電モードで、少なくとも1つのサブセルから電流を選択的に生成し、充電モードで、少なくとも1つのサブセルに電流を選択的に印加するように構成され、少なくとも1つの入力パラメータに基づいて前記充電モードおよび前記放電モードを制御するコントローラと、を備えたハイブリッド電気化学セル。 - 前記コントローラと前記電極に関連付けられた端子との間に動作可能に結合された複数のスイッチを更に備え、前記コントローラが、前記複数のスイッチのそれぞれについて開状態及び閉状態を制御するように構成され、当該コントローラが、動作モード間の選択を行うように構成されており、前記動作モードは、
i.前記第1の電気化学サブセルが放電モードにあり、前記第2の電気化学サブセルがアイドルモードにある(所定の電圧、SOC、電流に達するまで)高エネルギー放電モードと、
ii.前記第2の電気化学サブセルが放電モードにあり、前記第1の電気化学サブセルがアイドルモードにある(所定の電圧、SOC、電流に達するまで)高出力放電モードと、
iii.前記第1の電気化学サブセルが放電モードにあり、前記第2の電気化学サブセルが放電モードにある(所定の電圧、SOC、電流に達するまで)高出力並列放電モードと、
iv.少なくとも1つのサブセルが「深放電」モード、リセットモード、またはトップオフ充電モードにあるメンテナンスモードと、を含む、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。 - 前記第1のサブセルと前記第2のサブセルとが共通の金属燃料電極を共有する、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記第1のサブセルと前記第2のサブセルとが共通の電気化学的酸化可能種を共有する、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記共通の電気化学的酸化可能種が、亜鉛、アルミニウム、鉄、ニッケル、銀からなる群から選択される、請求項4に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記共通の電気化学的酸化可能種が亜鉛である、請求項4に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記コントローラが前記ハイブリッド電気化学セルの状態を検知するセンサに動作可能に接続され,前記入力パラメータが前記センサによって検知された前記状態である、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記第2の電気化学サブセルがアルカリバッテリ化学組成として特徴付けられる、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記第2の電気化学サブセルがニッケル−亜鉛バッテリ化学組成として特徴付けられる、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記イオン伝導性媒体がアルカリ性電解質である、請求項1記載のハイブリッド電気化学セル。
- 共通のイオン伝導性媒体内の2つの隣接する電極間に位置するセパレータを更に備えた、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記イオン伝導性媒体が、前記第1および前記第2のサブセルの両方に共通する電解質であることにより、前記第1および前記第2の電極対を連絡する、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 各電極対がハウジングによって画定される別個の電解質貯蔵部内に設けられるような形態で、各サブセルが、それぞれ特異なイオン伝導性媒体を含む、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- サブセルをコントローラに接続する1つの系の電気スイッチ間のサブセル交換が容易になるように、各サブセルハウジングが、隣接するサブセルハウジングにモジュラー構成で機械的に固定される、請求項12に記載のハイブリッド電気化学セル。
- サブセルの電極の交換が容易になるように、前記電極がモジュラー構成で設けられる、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記第1の電気化学サブセルが、間隔を空けて配置された一連の透過性電極体を含む金属燃料電極を含む、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記第1の電気化学サブセルが充電電極を含み、前記充電電極が、(a)空気電極、(b)金属燃料電極および空気電極から離間した第3の電極、及び、(c)燃料電極の一部、からなる群から選択される、請求項1に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記第2の電気化学サブセルが放電モードにある間、前記第1の電気化学サブセルの前記充電電極が、前記イオン伝導性媒体内に対流を生成する、請求項17に記載のハイブリッド電気化学セル。
- 前記セルレベル電力コンバータが、ハイブリッド電気化学セルから出力された一定電圧を維持することによって、放電モードにある各電気化学サブセルからの異なる電圧出力を調整する電圧レギュレータである、請求項18に記載の電気化学セルシステム。
- 前記セルレベル電力コンバータが、ハイブリッド電気化学セルから出力された一定電圧を維持することによって、放電モードにある各電気化学サブセルからの異なる電圧出力を調整する電流レギュレータである、請求項18に記載の電気化学セルシステム。
- 前記電力コンバータが、少なくとも1つの入力パラメータに基づいて出力された電気エネルギーを選択的に維持する、請求項18に記載の電気化学セルシステム。
- 前記電力コンバータが、前記ハイブリッド電気化学セルの状態を検知するセンサに動作可能に接続され、前記入力パラメータが前記センサによって検知された前記状態である、請求項21に記載の電気化学セルシステム。
- 前記入力パラメータが、電圧測定値、電流測定値、インピーダンス測定値、温度、ユーザの指示、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項21に記載の電気化学セルシステム。
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