JP3051455B2 - 金属空気電池のための拡散制御空気通気孔と空気再循環マネージャー - Google Patents

金属空気電池のための拡散制御空気通気孔と空気再循環マネージャー

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般的には電池に関し、より詳細には金属
空気電池のための通気システムおよび空気マネージャー
システムに関する。
発明の背景 金属空気電池セルは、水性電解質によって隔てられた
通気性カソード（cathode）および金属アノード（anod
e）とを含む。亜鉛空気電池のような金属空気電池が放
電するときには、カソードにおいて周囲空気からの酸素
が水酸化物に変換され、アノードにおいて亜鉛がこの水
酸化物によって酸化され、水と電子が放出されて電気エ
ネルギーが生成される。金属空気電池は、そのカソード
が電気化学反応における反応体として金属または金属混
合物のようなより重たい材料ではなく周囲空気からの酸
素を用いるので比較的に高いエネルギー密度を有する。
金属空気電池セルは、十分な量の出力電力を提供するた
めに、多くの場合、複数のセル電池パックとして共通ハ
ウジング内に配列される。その結果として、比較的に重
量の軽い電池が得られる。
金属空気電池を動作させるためには、セルの空気カソ
ードに酸素を供給することが必要である。従来技術によ
るシステムの中には、所望の出力電力を得るために、十
分な流量で空気カソードに新しい周囲空気の連続的な流
れを吹き付けるものがある。このような構成は、チェイ
キ（Cheiky）への米国特許第4,913,983号に示される。
チェイキは、電気ハウジング内に配置されたファンを用
いて周囲空気の流れを金属空気電池セルのパックに供給
している。電池を動作させるときには、空気の吸気口お
よび排気口が開かれ、ファンが動かされて、ハウジング
に流入しハウジングを通ってその外にでる空気の流れが
つくりだされる。
金属空気電池に関する１つの問題は、周囲湿度レベル
によって電池が故障する場合があることである。金属空
気電池の平衡蒸気圧により、典型的には約45％の平衡相
対湿度となる。周囲湿度が電池ハウジング内の平衡湿度
よりも高い場合には、電池はカソードを介して空気から
水分を吸収し、そして、浸水（flooding）と呼ばれる状
態のために故障する。浸水は電池を破裂させることがあ
る。周囲湿度が電池ハウジング内の平衡湿度よりも低い
場合には、金属空気電池は、空気カソードを介して電解
質から水蒸気を放出し、そして、乾燥（drying out）の
ために故障する。したがって、この分野では、周囲空気
の湿度レベルと電池ハウジング内の湿度レベルとの差が
電池内外への相殺された水分量の移動を発生させること
が知られている。湿気は長時間を経ると電池ハウジング
の内または外のいずれにも浸透する恐れがあるので、こ
れらの問題は電池が使用されていないときにとくに重要
である。
金属空気電池に関するもう１つの問題は、周囲空気か
らの二酸化炭素が電池セル内に運ばれることである。二
酸化炭素は、水酸化カリウムのような電解質を中和する
傾向がある。これまでは、二酸化炭素を取り除くため
に、二酸化炭素吸収層がカソード外面の近くに配置され
てきた。このようなシステムの例は、米国特許第4,054,
725号に示される。
電池セルを適切なレベルの湿度に維持し、また、二酸
化炭素が入らないようにするには、一般的には閉鎖した
電池ハウジングが必要とされてきた。しかしながら、上
述したように、チェイキによって開示されるような従来
のシステムは、使用中に電池ハウジングを通して周囲空
気を吹き込むための簡単なファンを使用してきた。空気
が流入および流出できるように大きな開口部が設けられ
ている。これらの開口部は、一般的に、使用しないとき
には機械的な空気ドアによって閉鎖される。使用しない
ときにこの空気ドアがないかあるいは閉じない場合、大
量の周囲空気がハウジングに入り込む。この空気の流れ
が、上述したようにハウジング内で湿気および二酸化炭
素に関する問題を引き起こす。また、この周囲空気の中
の酸素がセルを放電させ、それによって、“漏れ”電流
を発生させ、かつ、セル効率およびセル寿命を減少させ
る。
しかしながら、空気ドアを使用したとしても、ある程
度の量の酸素および汚染物質は、使用していないときの
セルに入り込もうとする。したがって、ある程度の漏れ
電流は避けることができない。空気ドアはこの漏れ電流
およびその他の上述した問題を抑制しはするが、空気ド
アを使用することにより電池ハウジングの複雑さが増大
し、そして、電池全体の製造コストおよび製造時間が増
加する。
金属空気セルの利用形態の中には、Przybylaへの米国
特許第4,118,544号に示されるように空気ドアを必要と
しないものもある。Przybylaは、腕時計および補聴器で
使用される一次金属空気ボタンセルを開示する。このよ
うなセルは、きわめて低い電流レベルで一回限りの連続
的な放電をするときに動作する。本質的には、Przybyla
は、連続的な“漏れ”電流を利用し、きわめて低い電流
を必要とする装置を動作させようとするものである。
金属空気セルは、典型的には、比較的に大きな空気電
極表面を有するように設計されるので、所定の体積およ
び重量を有するセルから可能な限り大きな出力電力を得
ることができる。空気がいったん金属空気電池ハウジン
グの中に通気されたならば、酸素を含んだその空気を空
気電極表面の全体に一様にかつ効率的に分配しなければ
ならない。補給空気の量を実用最小限におさえながらハ
ウジング内に空気を分配するために、電池ハウジング内
にファンを備えた空気再循環マネージャーが開発されて
きた。しかしながら、複数のセルを有するシステムにお
いては、空気分配経路は、典型的には、ハウジングの周
辺部に空気ドアに隣接して配置されたファンからすべて
の空気電極表面全体へ冗長な距離にわたって延びる。１
つの例が米国特許第5,387,477号に示される。ここで
は、酸素は空気流から消耗されるので、多くの場合、分
配経路の末端における酸素濃度は、すべてのセルからの
最適な発電量に要求されるレベル以下に落ち込む。すべ
てのセルに外部空気を送り込み、そして、再循環させる
ことなくそれをすぐに排出することによってこの問題を
解決するシステムは、上述した浸水問題または乾燥問題
をこうむることになる。
このように、電池を使用していないときにそこでの拡
散を防止するための機械的な空気ドアまたはその他の機
械的な閉鎖手段を備えていない金属空気電池に用いるた
めの効果的な空気マネージャーシステムが必要とされて
きた。このシステムは、簡素化された電池ハウジングに
おいて所望の電力レベルでセルが動作するための新しい
酸素を対流によって供給するとともに、金属空気セルの
空気カソード全体にわたって安定した水蒸気平衡を維持
しなければならない。また、空気電極表面への空気分配
経路の長さを最小限にし、かつ、すべてのセルに分配さ
れる空気の酸素濃度の変動を最小限にする金属空気電池
ハウジングにおける空気再循環分配システムが必要とさ
れてきた。
発明の概要 本発明は、金属空気セルすなわち金属空気電池に用い
られる改善された通気システムを提供することを目的と
する。この通気システムは、所望の電力レベルでセルが
動作するのに必要とされる新しい酸素を供給するだけで
なく、金属空気セルの空気カソード全体にわたってより
安定した水蒸気平衡を維持し、機械的な空気ドアを必要
としない。また、この通気システムは、通気システムの
ファンが動作していないときにハウジング内での拡散を
ほぼ完全になくしてしまう金属空気電池ハウジングのた
めの空気通気孔を含む。
本発明によれば、この目的は、少なくとも１つの金属
空気セルを密閉するハウジングを有する金属空気電池の
ための通気システムによって達成される。このハウジン
グは、少なくとも１つの空気流入開口部と少なくとも１
つの空気流出開口部とを有する。ファンは、それが動作
しているときに、空気流入開口部の中へ空気を吸い込ん
で空気流出開口部から排気するように配置される。これ
らの開口部は、ハウジングの厚みを通る方向の長さがハ
ウジングの厚さ方向に垂直な方向の幅よりも大きくなる
ように寸法がとられる。これらの開口部は遮断されてお
らず、ファンが動作していないときに、空気流入開口部
に入り空気流出開口部からでる空気流を実質的に完全に
なくしてしまうように寸法がとられている。
より詳細には、本発明は、ファンが動作していれば、
空気カソード表面の１平方インチ（6.45cm2）あたり約5
0〜200mAの好ましい出力電流密度を有する金属空気電池
のための通気システムを提供する。それぞれの開口部
は、好ましくは、長さが幅に対して約２倍よりも大きい
比を有し、約0.03〜0.3インチ（0.76〜7.6mm）の幅に対
して約0.3〜1.5インチ（7.6〜38mm）の長さを有する。
約100〜3000立方インチ／分（1600〜49000cm3／分）の
能力を有するファンによって空気が対流させられる場合
には、これらの開口部は、好ましくは、約20〜80立方イ
ンチ／分（328〜1310cm3／分）の流量でその開口部を通
過させるように総合的に寸法がとられている。
開口部は、ファンが動作していないときにはドレイン
電流密度が空気カソード表面の１平方インチあたり1mA
（１cm2あたり0.155mA）以下となるように、その開口部
を通る拡散速度を減少させるように寸法がとられてい
る。電池の前記出力電流密度の前記ドレイン電流密度に
対する好ましい比は、少なくとも100:1である。ファン
が動作していないときの流量は、好ましくは、約0.01〜
0.2立方インチ／分（0.16〜3.3cm3／分）かまたはそれ
以下である。
さらに、本発明は、効率的な方法で空気をすべてのセ
ルに供給する金属空気電池ハウジング内の空気再循環分
配システムを提供することを目的とする。
本発明によれば、この目的は、金属空気電池ハウジン
グ内に空気再循環分配システムを含む金属空気電池によ
って達成される。この空気再循環分配システムは、分離
された２組の金属空気セルに同時に空気を分配するよう
に電池ハウジング内に配置されたファンを提供すること
によって、空気電極表面までの空気分配経路の長さを最
小限にし、また、すべてのセルに対して分配される空気
における酸素濃度の変動を最小限にするものである。こ
の構成においては、空気経路が同じ数のセルを用いた従
来の構成における空気経路よりも短いので、両方のセル
の組に存在するすべてのセルは素早く空気を受け取り、
その受け取られた空気はより均一な酸素濃度を有する。
本発明のこの側面を具体化した電池のハウジングにお
いては、ファンは、ファンの低圧側からファンの高圧側
への流れの主軸（flow axis）を規定する。電池は、さ
らに、ハウジングに設けられた少なくとも１つの通気開
口部と、ハウジング内の複数の金属空気セルにして、少
なくとも１つの第１のセルはファンの流れの主軸の第１
の側に配置され、少なくとも１つの第２のセルはファン
の流れの主軸の第２の側に配置されるものと、ファンの
高圧側から第１のセルの空気電極側に沿ってファンの低
圧側まで伸長する第１の空気経路と、ファンの高圧側か
ら第２のセルの空気電極側に沿ってファンの低圧側まで
伸長する第２の空気経路とを含み、ファンは第１および
第２の空気経路の両方に空気を同時に供給する。
この実施の形態において用いられる少なくとも１つの
通気開口部は、第１の具体例において説明された形態と
同じものであってもよく、あるいは、空気ドアを用いた
形態のものであってもよい。２つの細長い通路はファン
のそれぞれの側に開口し、また、これらの通路は、ファ
ンが動作していないときにその通路を介しての拡散をほ
ぼ完全になくしてしまうように選択された長さおよび径
を有することが好ましい。
図面の簡単な説明 図１は、本発明を具体化した電池ハウジングの概略平
面図であり、ハウジングに対する空気の対流方向と組み
合わせて、セル、ファン、および、空気開口部の位置を
示す。
図２は、図１に示される線２−２に沿った垂直断面図
である。
図３は、通気開口部の概略絵画図である。
図４は、本発明を具体化した電池の第２の実施の形態
の絵画図であり、内部を詳細に示すために一部分が切り
取られている。
図５は、図４に示される電池の平面図である。
図６は、図４に示される電池内部の図７に示される線
６−６に沿った平面図である。
図７は、図４に示される電池内部の図６に示される線
７−７に沿った端面図である。
図８は、図４に示される電池のハウジングのカバー部
分を図６に示される線８−８に沿って切断した側断面図
である。
詳細な説明 図面をより詳細に参照すると、図面を通して同一の符
号は同一の構成要素を参照しており、図１および図２
は、本発明を具体化した金属空気電池パック10を示す。
この金属空気電池10は、ハウジング20内に密閉された複
数のセル15を含む。亜鉛空気電池を用いた本発明の使用
方法が開示されるが、本発明は他の金属を用いた金属空
気電池セルにも適用できることを理解すべきである。
複数の通気開口部25を除けば、ハウジング20はセル15
を外部空気から隔離する。図１および図２に示される実
施の形態においては、１個の空気流入開口部30および１
つの空気流出口35が用いられる。以下で説明されるよう
に、開口部25の数は、それぞれの開口部25の形状に関連
した開口部25の全体の寸法ほどは重要ではない。ハウジ
ング20は、従来技術による相当に気密性のあるいかなる
形態の構造でもよい。
ハウジング20の内側および外側のいずれへも空気を対
流させハウジング20内の気体を循環および混合するため
に循環ファン40が提供される。図１に示される矢印45
は、セル15に反応気体を提供するために、ハウジング20
に流入し、ハウジング20から流出し、ハウジング20内を
流れる気体の典型的な循環を表現している。ファン40の
能力は、ハウジング20の大きさと電池10の需要電力とに
依存する。ここで使用される“ファン40"という用語
は、空気を流動させるのに使用されるあらゆる装置を意
味するものである。
ファン40は、開口部25の１つと連絡して、ハウジング
20内かまたはハウジング20の近傍に位置してもよい。フ
ァン40がハウジング20内に配置される場合、流入開口部
30および流出口35がそれぞれファン40をへだてて互いに
反対側に位置するように通気開口部25が配置される。フ
ァン40および開口部25のハウジング20内の配置に対する
唯一の条件は、ハウジング20に流入し、ハウジング20を
通って流れ、ハウジング20から流出する空気の対流をつ
くりだすために、両者がお互いにきわめて近接している
ことである。ハウジング20内かまたはハウジング20の近
傍へのファン40の取り付けは従来のどのような方法でも
よい。ファン40は、一般的には、ガスケット41かまたは
その他の従来の手段によって適切に閉鎖され、ファン40
の低圧側および高圧側をお互いから確実に隔離する。
図２に示されるように、ハウジング20内の複数のセル
15は、反応空気高圧部（plenum）50がセル15の下に位置
するように配置される。空気プレナム50は、一般的に
は、空気プレナム流入部55、空気通路60、および、空気
プレナム流出部65を規定する。ハウジング20を空気が効
果的に流れるように、ファン40は、一般的には、空気プ
レナム流入部55と空気プレナム流出部65との間に位置し
て空気プレナム流入部55を空気プレナム流出部65から隔
離する。
図３に示されるように、通気開口部25は、好ましく
は、それらの長さ26すなわちハウジング20の厚みを通る
方向がそれらの幅27すなわちハウジング20の厚みに垂直
な方向よりも大きくなるように寸法がとられる。通気開
口部25の長さ26と幅27との比を十分に大きくすることに
よって、この開口部25を介しての空気の拡散は、ファン
40の助けがなければ、実質的に完全になくなることが発
見された。“空気の拡散が実質的に完全になくなる”と
いう語句によって、開口部25を介しての酸素または汚染
物質の拡散速度はきわめて遅くなり、湿気の移動または
ドレイン電流は十分に小さいものとなり電池10の効率ま
たは寿命への顕著な影響はほとんどなくなることが意味
される。開口部25は、ファン40が動作していないときに
その開口部25を介して気体の拡散に対して障壁となるの
に十分な長さと幅の狭さを有する。
この長さ26と幅27との比は少なくとも約2:1であるこ
とが必要とされる。これらの比は、ファンが動作してい
ないときに開口部25を介して感知可能な拡散を阻止する
のに十分なものであり、その一方で、ファン40が動作し
ているときには空気が開口部25を介して対流するのを可
能とするものである。長さ26と幅27との比をより大きく
して使用することが望ましい。電池10の性質によって、
この比は200:1より大きくてもよい。
開口部25の望ましい総開口面積は、電池10の所望され
る容量に依存する。使用される開口部25の数は、すべて
の開口部25の開口面積の総計が前記望ましい総開口面積
に等しくなるかぎり任意に定められ、各、開口部25は障
壁機能を提供するための同一又は類似の幅27に対する長
さ26の比を有する。ここでは円形の開口部25は使用する
ことが開示されているが、要求されている比を有するも
のであれば従来技術によるどんな形状が使用されてもよ
い。さらに、開口部25は長さ方向にまっすぐでもあるい
は曲がっていてもよい。
使用時には、ファン40が動作しているときにファン40
の吸引力によって周囲空気が空気流入開口部30に吸い込
まれる。そして、この空気が、図１の矢印45で示される
ように、ファン40を通って空気プレナム50へ吸い込まれ
る。空気は、空気プレナム流入部55を通って空気プレナ
ム50に入り、空気通路60を流れて反応空気流をセル15に
提供し、空気プレナム流出部65を経由して流出する。そ
して、この空気が、再度、ファン40に吸い込まれ、そこ
で、流入してくる新鮮な周囲空気と混合されるかあるい
は空気流出口35を経由してハウジング20の外へ排気され
る。ファン40が動作していないとき、開口部25を介して
の空気の拡散速度は機械的な空気ドアを必要としない程
の許容できるレベルにまで減少する。
例えば、ポータブルコンピュータ（図示せず）に電力
を供給するように設計された電池パック10の好ましい実
施の形態においては、８個の電池セル15を備えた8Vの電
池10が使用される（さらに、アップコンバーター（図示
せず）が使用されてもよい）。それぞれのセル15は、約
１〜４アンペアで約1Vかまたはそれよりわずかに高い電
圧の出力を有する。約144〜176平方インチ（930〜1140c
m2）の総露出カソード面積を得るためにそれぞれのセル
15は約18〜22平方インチ（116〜142cm2）の露出カソー
ド面積（図示せす）を有する。したがって、電池10は、
ファンが動作しているときにはカソード表面の１平方イ
ンチあたり約50〜200mA（7.8〜31mA/cm2）の電流密度を
有する。ファン40は、約100〜3000立方インチ／分（160
0〜49000cm3／分）の能力を有する。
ファンが動作しているときにハウジング20を通る約20
〜80立方インチ／分（328〜1310cm3／分）の気体流を吸
い込むために、開口部25は、長さ26が約0.3〜1.5インチ
（7.6〜38mm）、好ましくは約1.0インチ（25.4mm）で、
そして、幅27が約0.03〜0.3インチ（0.76〜7.6mm）、好
ましくは約0.09インチ（2.3mm）で寸法がとられる。し
たがって、開口部25それぞれの総開口面積は、約0.0007
〜0.5平方インチ（0.0045〜3.2cm2）であり、長さ26の
幅27に対する比は、好ましくは約10:1である。
ファン40が動作していないときには、気体流量は、約
0.01〜0.2立方インチ／分（0.16〜3.3cm3／分）かまた
はそれ以下に減少し、漏れ電流は1mA以下である。ファ
ン40が動作しているときの出力電流密度とファン40が動
作していないときのドレイン電流密度との比は、効率の
よい電池10においては少なくとも100:1であることが期
待される。
上述した寸法、容量、密度、流量、および、その他の
パラメータは、ぞれぞれ、電池10の全体寸法要件および
電力要件に依存することが理解される。例えば、一般的
な電池10においては、出力電流密度が空気カソードの表
面積の１平方インチあたり10〜500mA（1.55〜77.5mA/cm
2）の範囲で容易に動作するかもしれない。また、コン
ピュータ機器以外の他の形態の電気機器が電池10によっ
て動かされることが理解される。
さらに、開口部25は、好ましくは、再充電するときに
ハウジング20の外へ酸素を優先的に拡散させるように寸
法がとられる。再充電中に酸素がカソード（図示せず）
で生成される。複数の開口部25は、ハウジング20内の酸
素分圧がハウジング20外の酸素分圧よりも高いレベルに
あるときにハウジング25の外に酸素を排気するように全
体の寸法がとられる。
本発明を具体化した電池70の第２の実施の形態が図４
〜図８に示される。電池70は、中央接合部においてお互
いが閉鎖される２つの部分すなわちカバー部分73とボト
ム部分74とからなるハウジング72を含む。ハウジング72
内には、４つのセル76〜79が、それぞれ、２つのセルか
らなる２つのスタックに配置されている。図７からわか
るように、セル76および77は左側スタックを形成し、セ
ル78および79は、左側スタックから一定間隔だけ離れて
配置された右側スタックを形成する。ファン80が、左側
スタックと右側スタックとの間の細長い間隙に配置され
る。このファンは、図６の矢印で示されるように、スタ
ック間の間隙に沿ってファン80の低圧側81から高圧側82
へ空気を送るような向きで配置される。ファンを通過す
る空気流の方向は、ここでは、ファン80の流れの主軸
（flow axis）と呼ばぶ。したがって、左側スタックす
なわち76および77は流れの主軸の左側に配置され、右側
スタックすなわちセル78および79は流れの主軸をへだて
て反対側に配置される。ファン80は、好ましくは、セル
の縦方向のほぼ中央に配置され、ファンとハウジング72
のカバー73およびボトム74との間の間隙にはガスケット
83が詰められる。
図５および図８にもっともわかりやすく示されるよう
に、ハウジング72のカバー部分73は中央の溝85を規定
し、この溝85はカバー73のまんなかで深く、溝がカバー
の反対側の端に接近するにつれてより浅くなる。溝85は
ファン80の流れの主軸に平行である。図８に示されるよ
うに、ファン80の周辺部分は、溝のまんなかで溝の中に
突き出る。一対の細長い拡散チューブ87および88がファ
ンのそれぞれの側の溝に横たわり、各チューブの一端は
ファンに隣接する位置へ開口し、これらのチューブはフ
ァンの両側でお互いに一直線に整列している。これらの
チューブは、ファンから遠ざかって反対方向に上向きに
溝に沿って伸長し、それらの他端はカバー73の主表面に
接して終端する。
したがって、チューブ87および88のそれぞれの内部の
端部は、ファンの羽根の回転経路のすぐそばに横たわ
り、ファンの作用領域の外周部分を介してお互いに向か
い合う。上述した第１の実施の形態での通気開口部25と
同じように、チューブ87および88は、ファンが動作して
いないときにハウジングへの空気流をほぼ完全になくす
ように選択された横断面積および長さを有する。図４〜
図８に示される実施の形態においては、チューブは、そ
れぞれ、好ましくは約3/16インチ（３〜6mm）の内径
と、約7/8インチ（18〜25mm）の長さとを有する。しか
しながら、通気開口部25に関して上述された範囲および
特徴を満足する寸法であればどのようなものでも用いる
ことができる。この分野に精通する者には、ファンの静
圧を増加させた場合には、チューブ87および88によって
形成される通路の長さを増加させ、および／または、そ
の径を減少させてもよいことは明白なことである。ファ
ンが動作していないときにハウジングへの空気流を十分
に減少させることができるためのファンの静圧と通路の
寸法との間のバランス関係は容易に見いだすことができ
る。
さらに、チューブ87および88によって提供される通路
は、その代わりとして、カバー73に成形された開口によ
るかまたは溝85に囲いをすることによって提供されても
よいことを理解すべきである。
セル76〜79は、セルの両方の表面に隣接する空気カソ
ードとそれらのカソード間にある亜鉛アノードとを有す
る形態のデュアル空気電極セルであってもよい。それぞ
れのセルは、カソードターミナルタブ95およびアノード
ターミナルタブ96と、セルの側面に形成された水素通気
孔97とを含む。セル76〜79は、セルスタック間の中央間
隙を除いてハウジングの周囲を取り巻くように伸長する
複数のＵ字形の周辺ガスケット90によって、そして、中
央ガスケット92および93によって、お互いから一定の間
隔だけ離れてそれらのスタックに配置され、またさら
に、ハウジングのカバー73およびボトム74から一定の間
隔だけ離れてそれらのスタックに配置される。左側の中
央ガスケット92は、それぞれ、ファンからセル76の上
と、セル77の下と、セル76と77との間とに伸長する。右
側の中央ガスケット93は、それぞれ、ファンからセル78
の上と、セル79の下と、セル78と79との間とに伸長す
る。ガスケット92および93は、セルの幅の約3/5だけフ
ァンから伸長する。ガスケット90、92、および、93は、
空気流を得るためにセルのすべての空気カソード近傍に
間隙が提供されることを保証するものであり、そしてま
た、空気流をそのような間隙に導くのである。
動作時には、ファンは、図４および図６において２つ
の矢印の円で示されるように、同時に２つの別々な空気
流経路に沿って空気を循環させる。ファンの高圧側で加
圧された空気は、中央間隙の左右両方からそれぞれのス
タックにあるセル間の間隙およびセルとハウジングとの
間の間隙に流れる。中央ガスケット92および93は空気カ
ソードの外側の端へ空気を案内し、周辺ガスケット90は
空気カソード領域に空気を留まらせる。中央ガスケット
を通過した後に、空気が旋回させられファンの低圧側に
戻るように再循環される。新しい空気または補給空気が
ファンの低圧側にあるチューブ87を介して取り込まれ、
同じ量の空気がファンの高圧側にあるチューブ88を介し
て吐き出される。ファンの羽根は、この流入する空気を
ハウジング内の空気と混合し、その流入した空気のほと
んどを再循環する空気流経路に押し出す。ファンは、好
ましくは、セルの縦方向の中央にあるが、分離した２つ
の空気流経路が同時に維持できるならば、スタック間の
間隙に沿ったいかなる位置に配置されてもよい。ファン
が動作しているあいだはチューブ87および88に空気の流
れが発生するが、ファンが動作していないときはチュー
ブにおける流れはきわめて小さいのでセルの大きな放電
は起こらない。分離された空気流経路のために、セルか
らなる両方のスタックにあるすべてのセルが空気を素早
く受け取り、その受け取られた空気はより均一な酸素濃
度を有するものである。なぜなら、この空気経路は、同
じ数のセルを用いた従来の構成における経路よりも短い
からである。言い換えれば、空気流がファンに戻るまえ
の最後の空気電極領域に到達したときに、この空気が通
過した累計の空気電極面積はより少ないものであり、し
たがって、従来のシステムの場合に消耗されるほどには
酸素が消耗されない。
これらのセルは、この分野に精通する者に良く知られ
た方法で直列にお互いが接続される。ファンは、これら
のセルで動作させられるように接続される。ケーブル99
がハウジングから伸長し、セルおよびファンを再充電回
路（図示せず）およびアップコンバーター（図示せず）
に接続する。このアップコンバーターは、電池の出力電
圧である例えば約4Vをファンを動作させるのに必要なレ
ベルである例えば約10Vにまで昇圧する。
図４〜８に示される実施の形態がデュアル空気電極セ
ルを用いて説明されたが、本発明はすべての形態の金属
空気セルからなる電池に対して役に立つものであること
を理解すべきである。さらにまた、ファンの流れの主軸
のそれぞれの側に存在するセルの数は１つであってもよ
く、あるいは、ファンが十分に空気を供給することがで
きるだけの数であってもよい。このようなセルは、図示
されるようにスタックされてもよく、あるいは、別の構
成で配置されてもよい。
以上の説明は本発明の好ましい実施の形態にだけ関係
するものであり、請求の範囲で定義されるような本発明
の精神と範囲を逸脱することなく多くの変更がこれにな
されてもよいことが理解されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許5356729（ＵＳ，Ａ) 米国特許5183222（ＵＳ，Ａ) 国際公開94／2966（ＷＯ，Ａ１) 欧州特許出願公開476484（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 12/06 - 12/08

Claims (31)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属空気セル（15）を周囲空気から隔離す
    るハウジングと、前記ハウジングに形成され周囲空気か
    ら反応空気を前記金属空気セル（15）に供給する少なく
    とも１つの通気開口部（25）と、空気流動装置（40）と
    を備えた金属空気セル（15）のための通気システムであ
    って、 前記通気システムは、前記通気開口部の前記金属空気セ
    ル側と前記周囲空気側との間に前記空気流動装置（40）
    の動作によって生じた圧力差に応答して反応空気を前記
    通気開口部（25）を通過させるように機能し、 前記通気開口部が遮断されずあるいは密閉されず、か
    つ、前記空気流動装置（40）が動作していないときに
    は、前記通気開口部の通路を通しての拡散が金属空気セ
    ル（15）の効率または寿命にほとんど影響を与えないほ
    ど遅くなるように、前記通路を通しての反応空気流を制
    限する程度に前記通気開口部が細長いものであることを
    特徴とする通気システム。
  2. 【請求項２】前記通気開口部（25）が管からなり、前記
    管の長さは前記管の幅より約２倍以上大きい請求項１記
    載の通気システム。
  3. 【請求項３】前記通気開口部が、少なくとも約7.6mm
    （0.3インチ）の長さを有する請求項１または２のいず
    れかに記載の通気システム。
  4. 【請求項４】前記通気開口部が、約7.6mm（0.3インチ）
    以上約38mm（1.5インチ）以下の長さと約0.76mm（0.03
    インチ）以上約7.6mm（0.3インチ）以下の幅とを有する
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の通気システム。
  5. 【請求項５】前記通気開口部が、約3mm以上約6mm以下の
    内径と約18mm以上約25mm以下の長さとを有する請求項１
    〜２のいずれかに記載の通気システム。
  6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の通気
    システムであって前記システムは複数の通気開口部を備
    えるもの。
  7. 【請求項７】前記通気開口部（25）は第１の通気開口部
    であり、第２の通気開口部（25）をさらに備え、前記通
    気システムは、前記空気流動装置（40）の動作に応答し
    て反応空気を前記第２の通気開口部（25）を通過させる
    ように機能し、前記第２の通気開口部が遮断されずある
    いは密閉されず、かつ、前記空気流動装置（40）が動作
    していないときには、前記第２の通気排気孔を介しての
    拡散が、前記金属空気セル（15）の効率または寿命にほ
    とんど影響を与えないほど遅くなるように、前記第２の
    通気開口部が前記第２の通気排気孔を介しての反応空気
    流を制限する程度に細長いものである、 ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
    通気システム。
  8. 【請求項８】前記空気流動装置（40）が動作していると
    きには、少なくとも約328cm3／分（20立方インチ／分）
    の流量でそこを通過させ、 遮断されずあるいは密閉されず、かつ、空気流動装置
    （40）が動作していないときには約0.16〜3.3cm3／分
    （0.01〜0.2立方インチ／分）の流量かまたはそれ以下
    でそこを通過させるように、 通気開口部（25）が全体として寸法設定されたことを特
    徴とする請求項７記載の通気システム。
  9. 【請求項９】前記空気流動装置が前記ハウジング内に存
    在し、 前記第１の通気開口部が、周囲環境から前記空気流動装
    置の低い圧力側に隣接する位置に伸長する吸入口であ
    り、 前記第２の通気開口部が、前記空気流動装置の高い圧力
    側に隣接する位置から周囲環境に伸長する排出口であ
    る、 ことを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の
    通気システム。
  10. 【請求項１０】前記通気開口部が遮断されずあるいは密
    閉されず、かつ、前記空気流動装置（40）が動作してい
    ないときには、前記１つかまたは複数の通気開口部を通
    過することのできる最大の空気量は、前記空気流動装置
    が動作しているときに前記１つかまたは複数の通気開口
    部を通過する空気量よりも1/100以下であることを特徴
    とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の通気システ
    ム。
  11. 【請求項１１】前記通気開口部が遮断されずあるいは密
    閉されず、且つ、前記空気流動装置（40）が動作してい
    ないときには、前記１つかまたは複数の通気開口部を通
    過することのできる空気量が、3.3cm3／分（0.2立方イ
    ンチ／分）以下であることを特徴とする請求項１〜10の
    いずれか１項に記載の通気システム。
  12. 【請求項１２】前記空気流動装置が動作しているときに
    は、前記１つかまたは複数の通気開口部を通過する空気
    量が、約328〜1310cm3／分（20〜80立方インチ／分）で
    あることを特徴とする請求項１〜10のいずれか１項に記
    載の通気システム。
  13. 【請求項１３】前記通気システムが複数の前記金属空気
    セル（15）に反応空気を供給するためのものである請求
    項１〜12のいずれか１項に記載の通気システム。
  14. 【請求項１４】電池（10）を規定するために、１つかま
    たは複数の金属空気セル（15）と組み合わせた請求項１
    〜13のいずれか１項に記載の通気システムであって、 空気流動装置（40）が動作しているときには、前記電池
    が出力電流を生成することができるために、空気が１つ
    かまたは複数の金属空気セル（15）に供給されるように
    空気が前記１つかまたは複数の通気開口部（25）を通過
    するように前記空気流動装置（40）が配置され、 前記通気開口部が遮断されずあるいは密閉されず、か
    つ、前記空気流動装置（40）が動作していないときに
    は、１つかまたは複数の前記通気開口部（25）は、前記
    電池（10）の放電を前記出力電流よりもかなり小さいド
    レイン電流にまで抑制するために、前記１つかまたは複
    数の通気開口部を通しての空気の流れを制限するように
    機能する、 ことを特徴とする請求項１〜13のいずれか１項に記載の
    通気システム。
  15. 【請求項１５】前記１つかまたは複数の通気開口部（2
    5）が、前記電池（10）によって生成されうるドレイン
    電流が出力電流よりも1/10以下程度にまで抑制されるよ
    うに動作することを特徴とする請求項14記載の電池。
  16. 【請求項１６】前記空気流動装置（40）が動作している
    ときには、前記電池は空気電極表面の6.45cm2（１平方
    インチ）あたり少なくとも10mAの出力電流密度を有する
    ことができ、 前記１つかまたは複数の通気開口部（25）が遮断されず
    あるいは密閉されず、かつ、前記空気流動装置（40）が
    動作していないときには前記電池はドレイン電流密度を
    持ち得るが、前記１つかまたは複数の通気開口部（25）
    は、ドレイン電流密度を空気電極表面の6.45cm2（１平
    方インチ）あたり1mAよりも小さい値に抑制するように
    動作する ことを特徴とする請求項14記載の電池。
  17. 【請求項１７】金属空気セル（15）と、前記金属空気セ
    ルを周囲空気から隔離するハウジングと、前記ハウジン
    グに形成され周囲空気から反応空気を前記金属空気セル
    に供給する通気開口部（25）とを備え、 前記通気開口部の前記金属空気セル側と前記周囲空気側
    との間の圧力差によって生じた空気の流れに応答して電
    流を供給する装置であって、 前記通気開口部の前記金属空気セル側と前記周囲空気側
    との間の前記圧力差は前記装置に含まれない空気流動装
    置によって形成されるものであり、 前記通気開口部（25）は、前記圧力差の形成に応答して
    前記金属空気セル（15）を動作させるのに十分な空気を
    通過させるように寸法を設定され、 前記通気開口部が遮断されずあるいは密閉されず、か
    つ、前記圧力差が存在していないときには、前記通気開
    口部を通しての拡散が、前記金属空気セル（15）の効率
    または寿命にほとんど影響を与えないほど遅くなるよう
    に、前記通気開口部がその通路を通しての空気の流れを
    制限する程度に細長いものである、 ことを特徴とする装置。
  18. 【請求項１８】前記通気開口部（25）が少なくとも約7.
    6mm（0.3インチ）の長さを有する請求項17記載の装置。
  19. 【請求項１９】前記通気開口部（25）が少なくとも約18
    mmの長さを有する管からなる請求項17記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記通気開口部（25）が複数の通路から
    なる請求項17〜19のいずれか１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】前記空気流動装置（40）が動作していな
    いときには、前記通気開口部（25）が、その通路を通し
    ての空気の流れを約0.16〜3.30cm3／分（0.01〜0.2立方
    インチ／分）かまたはそれ以下にまで減少させるように
    機能することを特徴とする請求項20記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記金属空気セル（15）が複数の金属空
    気セルからなる請求項17〜21のいずれか１項に記載の装
    置。
  23. 【請求項２３】空気流動装置（40）を備え、 前記空気流動装置（40）が動作しているときには、前記
    金属空気セルが出力電流を発生することができるため
    に、空気が前記１つかまたは複数の通気開口部（25）を
    通過して前記金属空気セル（15）に供給されるように前
    記空気流動装置（40）が配置され、 前記通気開口部が遮断されずあるいは密閉されず、か
    つ、前記空気流動装置（40）が動作していないときに
    は、前記１つかまたは複数の通気開口部（25）は、その
    通路を通しての空気の流れを制限するように作用し、そ
    れによって、前記装置が発生しうるドレイン電流を出力
    電流よりもかなり小さい程度にまで制限する、 ことを特徴とする請求項17〜22のいずれか１項に記載の
    装置。
  24. 【請求項２４】前記電池（10）によって発生されうるド
    レイン電流が、出力電流よりも1/10以下程度まで制限さ
    れる請求項23記載の装置。
  25. 【請求項２５】空気流動装置（40）の動作に応答して電
    流を供給する装置であって、 少なくとも１つの金属空気セル（15）と、 少なくとも１つの通気開口部（25）とを具備し、 前記通気開口部は、動作している前記空気流動装置（4
    0）と連係して機能するときには、空気電極表面の6.45c
    m2（１平方インチ）あたり少なくとも10mAであるような
    出力電流密度を供給するように前記セル（15）を動作さ
    せるために十分な空気を通過させることができ、 さらに、遮断されずあるいは密閉されず、かつ、前記空
    気流動装置の動作に影響されない状態にあるときには、
    前記セルのドレイン電流密度を空気電極表面の6.45cm2
    （１平方インチ）あたり1mA以下に制限するように動作
    すること、 を特徴とする装置。
  26. 【請求項２６】金属空気セル（15）への反応空気の流れ
    を制御する方法であって、 反応空気を前記金属空気セル（15）に供給するために反
    応空気が通気開口部（25）を通過させられるように空気
    流動装置（40）を動作させる段階と、 前記空気流動装置（40）が金属空気セル（15）に供給す
    るための反応空気を前記通気開口部（25）にあえて通過
    させることがないように前記空気流動装置（40）の動作
    を止める段階と、 前記空気流動装置（40）の動作を止める段階において、
    前記通気開口部（25）を遮断されずあるいは密閉されて
    いない状態に維持する段階とを備え、 前記通気開口部が遮断されずあるいは密閉されず、か
    つ、前記空気流動装置が動作していないときには、前記
    通気開口部を通しての拡散が前記金属空気セル（15）の
    効率または寿命にほとんど影響を与えない程度に遅いよ
    うに、前記通気開口部がそれを通しての空気の流れを制
    限するほどに細長いものであることを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】前記空気流動装置を動作させる段階にお
    いて、前記金属空気セル（15）は出力電流を発生するこ
    とができ、 前記空気流動装置の動作を止める段階において、前記金
    属空気セル（15）が発生しうるドレイン電流が、前記通
    気開口部（25）によって出力電流よりもかなり小さい程
    度にまで制限される、 ことを特徴とする請求項26記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記金属空気セル（15）によって発生し
    うるドレイン電流が、出力電流に対して1/10以下の小さ
    い値にまで制限される請求項27記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記空気流動装置（40）を動作させる段
    階において、前記金属空気セル（15）は、前記空気電極
    表面の6.45cm2（１平方インチ）あたり少なくとも10mA
    の出力電流密度を発生することができる請求項28記載の
    方法。
  30. 【請求項３０】請求項26〜29のいずれか１項に記載の通
    気システムであって前記システムは複数の通気開口部を
    備えるもの。
  31. 【請求項３１】前記金属空気セル（15）が複数の金属空
    気セルからなる請求項26〜30のいずれか１項に記載の方
    法。
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