JP5908251B2 - 階層型アノードのマルチモード充電 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許仮出願第61/414,579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，充電式電気化学セルシステムに関する。
電気化学セルが広く知られている。電気化学セルは，燃料の酸化が起こるアノード又は燃料極，酸化剤の還元反応が起こるカソード又は酸化剤極，及びイオンの輸送を支援するイオン伝導性媒体を備える。一部の金属空気セルにおける燃料極は，金属燃料の還元及び析出が起こる複数の電極本体を備える。かかる金属空気セルは，例えば，米国特許出願第12/385,489号（米国特許出願公開2009/0284229号として公開された。）及び第12/901,410号（米国特許出願公開2011/0086278号として公開された。）に開示されている。これらの出願の内容は，参照により本明細書に組み込まれる。
電気化学セルシステムは，複数の電気化学セルを含むものであってもよい。このような電気化学セルシステムにおいては，第１のセルの燃料極が第１の端子に接続され，当該セルシステムの各セルの酸化剤極が後段のセルの燃料極に接続され，最後のセルの酸化剤極が第２の端子に直列に接続される。このようにして，個別セルの各々において電位差が作られる。これらのセルは直列に接続されているので，第１の端子と第２の端子の間の電位差はこれらの合計となる。これらの端子は負荷Lに接続され，電流を発生させるための電位差を生じさせる。
本出願の目的の一つは，充放電の効率及び性能が改善された電気化学セル及び電気化学セルシステムアーキテクチャを提供することである。
本開示の一実施形態に従った電気化学セルは，互いに離間して配置された複数の浸透性電極本体を含む燃料極と，前記燃料極から離間している酸化剤極と，（a）酸化剤極，（b）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間している第３の電極，及び（c）前記燃料極の一部分から成る群より選択される充電用電極と，を備える。この電気化学セルは，前記電極と接触しているイオン伝導性媒体と，前記燃料極の複数の前記電極本体に接続されたコントローラとをさらに備える。前記コントローラは，前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに少なくとも一つの浸透性電極本体をカソードとして機能させて，前記充電用電極と前記浸透性電極本体の少なくとも一つとの間に電流を印加するように構成され，前記イオン伝導性媒体中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記少なくとも一つの浸透性電極本体に酸化可能な形態で金属燃料として析出し，前記析出によって前記浸透性電極本体の間に前記金属燃料が成長し，前記析出した金属燃料が前記浸透性電極本体間に電気的接続を確立し，前記コントローラは，前記析出した金属燃料の成長速度及び成長密度を調整するために，少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，各々がカソードとして機能している様々な数の前記浸透性電極本体に前記電流を選択的に印加するように構成されている。
本開示の他の実施形態に従って，電気化学セルを再充電する方法が提供される。この電気化学セルは，互いに離間して配置された複数の浸透性電極本体を含む燃料極と，前記燃料極から離間している酸化剤極と，（a）酸化剤極，（b）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間している第３の電極，及び（c）前記燃料極の一部分から成る群より選択される充電用電極と，を備える。この電気化学セルは，前記電極と接触しているイオン伝導性媒体と，前記燃料極の複数の前記電極本体に接続されたコントローラとをさらに備える。前記コントローラは，前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに少なくとも一つの浸透性電極本体をカソードとして機能させて，前記充電用電極と前記浸透性電極本体の少なくとも一つとの間に電流を印加するように構成され，前記イオン伝導性媒体中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記少なくとも一つの浸透性電極本体に酸化可能な形態で金属燃料として析出し，前記析出によって前記浸透性電極本体の間に前記金属燃料が成長し，前記析出した金属燃料が前記浸透性電極本体間に電気的接続を確立し，前記コントローラは，前記析出した金属燃料の成長速度及び成長密度を調整するために，少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，各々がカソードとして機能している様々な数の前記浸透性電極本体に前記電流を選択的に印加するように構成されている。
この方法は，前記少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，高密度段階的成長モードと高速成長モードとから選択する工程と，前記高密度段階的成長モード及び前記高速成長モードのうち選択されたモードに基づいて前記電気化学セルを充電する工程と，を備える。前記高密度段階的成長モードにおいては，前記充電する工程は，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形態で金属燃料として析出するように，前記アノードとして機能する前記充電用電極及び前記カソードとして機能する前記末端の電極本体とを用いて，前記浸透性電極本体のうち末端の電極本体に前記電流を印加する工程と，前記電気的接続が確立すると後段の浸透性電極本体の各々において発生する前記還元及び析出によって前記析出した金属燃料が前記末端の電極本体と後段の浸透性電極本体の各々との間に電気的接続を確立するように，前記析出によって前記浸透性電極本体間における前記金属燃料の成長が起こる工程と，を含む。前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，前記アノードとして機能する前記充電用電極とカソードとして機能する複数の電極本体の各々とを用いて，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形態で金属燃料として析出するように，前記電流を複数の前記電極本体に同時に印可する工程と，前記析出によって前記金属燃料間における前記浸透性電極本体の成長が起こる工程と，を含む。この方法は，前記充電する工程を終了するために前記電流を切断する工程をさらに備える。
本発明の上記以外の目的，特徴，及び効果は、以下の詳細な説明，図面，及び特許請求の範囲により明らかになる。
図１及び図２は，本発明の一実施形態に従って，二つの電気化学セル10を備える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。この燃料極12は，電極ホルダ16によって支持されている。また，この電気化学システム100は，システム100の一方側において電気化学セル10をカバーするために用いられるカバー19を備える。図１に示すとおり，システム100の反対側は，電極ホルダ16の一方を用いてカバーされる。
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。一実施形態において，燃料極12は，複数の浸透性電極本体12a-dを備えてもよい。この浸透性電極本体12a-dは，例えば，後述のように，セル10内を循環するイオン伝導性媒体から金属燃料粒子や金属燃料イオンを電着等の方法で取り込んで保持することができる任意の構造を有するスクリーンである。セル10の構成要素，例えば，燃料極12，その浸透性電極本体12a-d，及び酸化剤極14は，任意の好適な構造又は構成を採ることができ，ニッケル又はニッケル合金（ニッケル−コバルト，ニッケル−鉄，ニッケル−銅（すなわちモネル），又は超合金を含む），銅又は銅合金，真ちゅう，青銅，又はこれら以外の任意の好適な金属から構成される。一実施形態においては，浸透性電極本体12a-d及び／又は酸化剤極14の一部又は全部に触媒フィルムを取り付けることができる。この触媒フィルムは，上記の物質の一部から成る高比表面積物質を有していてもよい。一実施形態において，触媒フィルムは，溶射，プラズマ溶射，電析，又はこれら以外の任意の実用的なコーティング法などの技術によって形成される。
燃料は，鉄，亜鉛，アルミニウム，マグネシウム，又はリチウム等の金属であってもよい。金属という語は，周期表において金属とみなされる全ての元素を含み，電極本体に集積したときに原子，分子（金属ハイドライドを含む）形態，又は合金の形態をとり，特にアルカリ金属，アルカリ土類金属，ランタニド，アクチニド，及び遷移金属を含むがこれらに限定されるものではない。しかしながら，本発明は，特定の燃料に限定されるものではなく，他の燃料を用いることもできる。燃料は，イオン伝導性媒体に懸濁された粒子としてセル10に供給される。一部の実施形態においては，金属ハイドライド燃料がセル10において用いられる。
イオン伝導性媒体は，水溶液であってもよい。好適な媒体の一例は，例えば，硫酸，リン酸，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である。媒体としては，非水溶媒又はイオン性液体を用いることもできる。本明細書における非限定的な実施形態において，媒体は，水酸化カリウム水溶液である。一実施形態において，イオン伝導性媒体は電解質を含有していてもよい。例えば、公知の液体電解質又は半固体電解質の溶液を用いることができ，また，米国特許出願第12/776,962号（米国特許出願公開2010/0285375として公開された。）で説明されているように室温イオン性液体を用いることができる。米国特許出願第12/776,962号の内容は，参照により全体として本明細書に組み込まれる。一実施形態において半固体の電解質を用いる場合には，固体の多孔質電解質フィルム（すなわち疎構造のもの）を用いることができる。
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L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，燃料として亜鉛を用いる実施形態においては，副生成物の沈殿物又は還元性燃料種として酸化亜鉛が生成されることがある。酸化された亜鉛等の金属は，沈殿物を生成することなく，電解質溶液によって支持され，電解質溶液で酸化され，又は電解質溶液に溶媒和することもある（例えば，ジンケートは，燃料中に溶解した還元性燃料種となることがある。）。後述の再充電モードにおいては，酸化亜鉛等の還元性燃料種は，可逆的に還元され，再充電モードにおいてカソードとして機能する燃料極12の少なくとも一部に亜鉛等の燃料として沈殿することがある。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（一部の実施形態において浸透性電極本体12a-dと同様の構造又は構成を有する。）のいずれか，及び／又は，後述のように燃料極12の他の部分が，アノードとして機能する。放電モードと再充電モードと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を保持する空間18を定義する。また，電極ホルダ16は，セル10のインレット20及びアウトレット22を定義する。インレット20は，イオン伝導性媒体がセル10内に注入され，及び／又は，セル10を再循環できるように構成される。インレット20は，インレットチャネル24を介して空間18に接続され，アウトレット22は，アウトレットチャネル26を介して空間18に接続される。図３に示すとおり，インレットチャネル24及びアウトレットチャネル26は，イオン伝導性媒体が通過できるミアンダ状の蛇行した経路を提供する。インレットチャネル24によって定義されるミアンダ状の経路は，媒体の流れが淀んだり媒体中の微粒子が沈殿したりするおそれのある急なコーナーを有しないことが望ましい。後述するように，チャネル24，26の長さは，流体的に直列に接続されたセル間のイオン抵抗を増加させるように定められる。
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を空間18内に封入する。また，シール部材17は，インレットチャネル24及びアウトレットチャネル26を被覆する。シール部材17は，非導電性で電気化学的に不活性であり，直交方向（すなわち厚み方向）においてイオン伝導性媒体に対する浸透性を有するが，イオン伝導性媒体の横方向への移動を許容しないものであることが望ましい。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とのイオン導電を可能にし，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のための好適な材料の一例は，例えば，EPDM及びテフロン（登録商標）である。
図示の実施形態において，空間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。空間18は，イオン伝導性媒体及び沈殿物又は還元性燃料種が空間18に入ったときに，そのイオン伝導性媒体及び燃料が燃料極12の側面に沿って分布することができるように，複数のインレット34によってインレットチャネル24と接続されている。一部の実施形態において，空間18の一方の側，特に，インレットチャネル24に接続された側は，米国特許出願第12/901,410号で説明されているように，複数の流動化領域（fluidization zones）を含む。この米国出願の内容は参照に全体として本明細書に組み込まれる。他の実施形態において，イオン伝導性媒体は，米国特許出願第13/019,923号（米国特許出願公開2011/0189551として公開された。）に変更された米国特許仮出願第61/301,377号で説明されているように，ディフューザーを通って空間18内に供給される。これらの出願の内容は，参照により全体として本明細書に組み込まれる。様々な実施形態において，イオン伝導性媒体は，複数のセル10を並列又は直列に通過するように流れることができる。一部の実施形態において，イオン伝導性媒体は，並列及び直列の流れの組み合わせを用いることができる。また、様々な実施形態において，イオン伝導性媒体の流速は変動可能であり，一又は複数のセル10動作中に間欠的に流れるようにしてもよい（すなわち，しばらく静止している）。
図４に示すとおり，燃料極12が電極ホルダ16及び酸化剤極14に対して所定の位置に保持されるように，複数のスペ−サ40が電極ホルダ16に接続される。スペ−サ40の各々は，互いに離れて配置されており，燃料極12全体に広がっている。一実施形態において，図２に示すとおり，電極本体12a-12dを互いに電気絶縁できるようにスペ−サ40の各々の組が隣接する電極本体の間に配置されており，複数の浸透性電極本体12a-12dは複数のスペ−サ40の組によって分離されている。隣接する電極本体間のスペ−サ40の組の各々において，スペ−サ40は，スペ−サ40間にいわゆる「流路」42（後述する）が形成されるように互いに離間して配置される。流路42は，三次元構造であり，スペ−サ40の高さと実質的に等しい高さを有する。一実施形態において，スペ−サ40は，流路に相当する切り欠きを有する単一のフレームによって提供される。一実施形態において，流路42は，イオン伝導性媒体が流れることができるように構成された発泡体構造又はハニカム構造を含むことができる。一実施形態において，流路42は，流路中のイオン伝導性媒体の流れを妨げる格子状のピンを備えていてもよい。一実施形態において，当該フレーム，スペ−サ40，流路42，及び／又はこれら以外のセル10の要素は，射出成形によって形成されるプラスチック，又は，化学処理を用いて形成されるエポキシ絶縁材料によって規定される。図示した実施形態は如何なる意味においても限定的なものではない。
スペ−サ40は，セル10における電気化学反応に対して不活性となるように，非導電性で電気化学的に不活性である。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−サ40は，スペ−サ40を張力がかかった状態で電極ホルダ16に接続できるように，ポリプロピレン，ポリエチレン，ノリル，フッ素重合体等のプラスチック材料から形成される。様々な実施形態において，スペ−サ40は，熱接合又は超音波溶接／接合等の技術を用いて取り付けられるが，その取り付け方法はこれらには限られない。
図５に示した実施形態において，スペ−サの各々は，長尺の中間部44を有するとともに，その両端部に成形された接続部46を有する。成形された接続部46は，図６に示すように電極ホルダ16と実質的に同様の形状を有する開口部48に保持されるように構成される。図示の実施形態において，成形部46及び開口部48は，実質的に三角形形状を有しているが，図示の形状は如何なる意味においても限定的なものではない。この実質的に三角形の形状は，スペ−サ40の長尺部44の向かい合った側面に表面50を提供する。この長尺部44の向かい合った側面は，電極ホルダ16の対応する表面52に接触するように構成されている。表面50，52は，スペ−サ40の長尺部44の主軸MAに対して傾いており，スペ−サ40の張力がその主軸MAに沿ってかかるので，張力によって生成された力は，同じ領域に円形又は方形の形状を有する成形部と比較してより大きな面積を有する表面の全体に分散される。
スペ−サ40が端部46を介して電極ホルダ16に接続されると，電極ホルダ16の空間18全体に流路42が定義される。スペ−サ40は，流路レーン42aを，隣接する流路レーン42bから実質的に封止するように構成される。つまり，流路レーンは，イオン伝導性媒体が実質的に一方向に流れるように当該イオン伝導性媒体を案内できるように，スペ−サ40の一つによって仕切られる。具体的には，イオン伝導性媒体は，概して，燃料極12を横切りインレットチャネル24からアウトレットチャネル26に向かう第１の方向FDに流れる。たとえセル10の向きが流れが実質的に上方方向の重力に逆らう向きになっていても，イオン伝導性媒体が空間18を横切りアウトレットチャネル26の方向へ流れることができるように，インレットチャネル24とインレット34との間に好適な圧力降下が生成される。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-12d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-12dの反対側にある流路レーンへ浸透することもできる。
図７の実施形態に示されているように，電気化学セルシステム100におけるセル10の燃料極12は，燃料が燃料極12で酸化されたときに燃料から放出された電子が外部負荷Lに流れることができるように，外部負荷Lに選択的に接続されるものであってもよい。切り替えシステム60は，複数のスイッチを備えており，燃料極12の個別の浸透性電極本体12a-12dの各々を電気的に選択的に接続するとともに，浸透性電極本体12a-12dを酸化剤極14に選択的に接続することができる。図示のとおり，一部の実施形態において，電気化学セルシステム100は，他のセル10をさらに備えることもできる。一実施形態において，切り替えシステム60は，セル10の放電時に使用する外部負荷Lを接続又は切断し，又は，セル10の充電時に使用する電源PSを接続又は切断するように構成された端子セレクタシステム62を備えることができる。他の実施形態において，切り替えシステム60と端子セレクタシステム62とは分離されていてもよいが，一実施形態においては互いと通信できる。切り替えシステム60についての詳細は後述する。
酸化剤極14が外部負荷L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L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。この酸化剤としては，充電用電極における酸化において利用できる酸化剤の任意の種を用いることができる。この酸化剤の種は，例えば、自由イオン，又は，他のイオンもしくはイオン伝導性媒体の構成物質と結合又は配位結合したイオンであってもよい。一実施形態における酸化剤極14には空気極が含まれ，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、大気に存在する酸素が酸化剤となる場合には，酸化剤極14をセル内の開口部を介して大気に露出させるだけで，酸素を酸化剤極14へ十分に拡散／浸透させることができる。この開口部は，例えば，電気化学セルシステム100の中心に設けられたカバー19の溝54及び電極ホルダ16の溝56によって提供される。他の好適な酸化剤を用いることも可能であり，本明細書において説明された実施形態は，酸化剤として酸素を用いるものに限定されない。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。一実施形態において，米国特許出願第12/549,617号（米国特許出願公開2010/0119895として出願公開された）において説明されているように，セル10からの酸素をリサイクルしてもよい。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。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L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。上述のように酸化剤極14を負荷Lと接続及び分離するために，切り替えシステム60の一部分を酸化剤極14と負荷Lとの間に配置してもよい。切り替えシステム60の詳細及びその電気的構成は後述する。
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。スズ塩，鉛塩，銅塩，水銀塩，インジウム塩，ビスマス塩，又はこれら以外の高水素過電圧を有する任意の物質の塩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，琥珀酸塩，アンモニウム塩，又はこれらの以外の水素発生抑制添加物を添加することができる。一実施形態においては，Al/Mg等の金属燃料合金を用いて水素発生を抑制することができる。これら以外の添加物を追加的に又は代替的にイオン伝導性媒体に加えることができる。この添加物には，金属燃料の燃料極12への電着プロセスを増進させる添加物を含むがこれには限られない。この添加物は，米国特許出願第13/028,496号に変更された米国特許仮出願第61/304,928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。
セル10内の燃料が完全に酸化された後，又は，酸化された燃料イオンを燃料に還元することによってセル10内の燃料を再生することが求められる場合はいつでも，燃料極12及び酸化剤極14を外部負荷Lから切断し電源PSに接続することができる。上述のように，この接続は，例えば、切り替えシステム60及び端子セレクタシステム62を用いて行うことができる。
電源PSは，燃料極12と酸化剤極14との間に電圧を加えることによってセル10を充電するように構成され，これにより，燃料の還元種が還元されて浸透性電極本体12a-12dの少なくとも一つに析出（電着，electrodeposite）するとともに，対応する酸化反応，典型的には酸素を発生させる酸化種の酸化が酸化剤極14において起こる。発生した酸素は，セル10から排気される。酸素が酸化剤として用いられる一実施形態においては，水溶性電解液中の酸素イオンが酸化される。この酸素イオンは，燃料の酸化物（例えば、亜鉛が燃料の場合はZnO），水酸化物イオン（OH-），又は水分子（H2O）から得られる。参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第12/385,489号において説明されているように，一実施形態においては，燃料が浸透性電極本体に還元され，次第に他の浸透性電極本体12b-12dに一つずつ成長するように，浸透性電極本体のうち一つのみ，例えば浸透性電極本体12aのみが電源PSに接続される。後述するように，切り替えシステム60によって，浸透性電極本体12a-12d及び酸化剤極14が，セルの電気化学反応にどのように参加するかが制御される。
図８は，電気化学セルシステム100において，充電用電極として機能するセル10の充電用電極70が酸化剤極14とは別個に設けられる一実施形態を示す。図示のとおり，一部の実施形態においては，他のセル10が電気化学セルシステム100の一部となる。図２に示すとおり，スペ−サ72及びシール部材17を別個の充電用電極70と酸化剤極14との間に配置し，別個の充電用電極70を燃料極12と酸化剤極14との間に配置することができる。スペ−サ72は，非導電性であり，イオン伝導性媒体が流れることができる開口部を有している。
図７に関して説明される実施形態において，酸化剤極14は，上述のように，発電／放電時にカソードとして機能し，充電時にはアノードとして機能する。図８において，酸化剤極14は，発電／放電時には依然としてカソードとして機能するが，充電時には切断され，別個の充電用電極70が電源PSに接続されてアノードとして機能する。電流生成時には，燃料極12において燃料が酸化され，電子が生成される。生成された電子は，まず負荷Lに伝導されて電力を供給し，続いて酸化剤極14に伝導されて酸化剤を還元する（後述する）。別個の充電用電極70を含む実施形態においては，切り替えシステム60は，後述するように，浸透性電極本体12a-12d，酸化剤極14，及び別個の充電用電極70がセルの電気化学反応にどのように加わるかを制御することができる。
本発明の任意の実施形態においては，電極本体ごとの段階的な成長のために一つの電極本体にのみ電位を加えるのではなく，燃料極12の電極本体12a-12dのうちの任意のもの又はその全てにカソード電位を加えることもできる。一つの端子から広がる段階的な成長は，電着する燃料の密度を高めることができる点で優れている。具体的には，先に接続された電極本体における成長は，後段の各電極本体が段階的成長によって接続されている期間を通して継続する。この利点及びこれ以外の利点は，米国特許出願第12/385,489号においてさらに詳細に説明されている。この米国特許出願の内容は，参照により全体として本明細書に組み込まれる。全ての電極本体に同じ電位を加えた場合には，成長は，充電用電極間，つまり図７の実施形態における酸化剤極14及び図８の実施形態における別個の充電用電極70とそれに最も近い電極本体との間でショートが発生するまでの間のみ発生する。この方法により，より高速であるが密度が低い成長が可能となる。このような方法は，再充電に関する所定のニーズを満たすことができる。
図７及び図８に示した実施形態は，如何なる意味においても限定的なものと考えられるものではなく，セル10がどのようにして再充電可能に構成されるかを示す非限定的な例として提示されたものである。本発明の再充電モードは，切り替えシステム60との関連で後述される。他の例として，2010年9月17日出願の米国特許出願第12/885,268号（米国特許出願公開2011/0070506として出願公開された）は，充電／放電モードをセル内で切り替える充電式電気化学セルシステムの実施形態を説明している。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。
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の空間18のアウトレット36及びアウトレット22に接続されているアウトレットチャネル26に流れ込む。アウトレット22は，媒体がセル10内を循環する実施形態においてはインレット20に接続されてもよく，後述するように複数のセル10が流体的に直列に接続されている場合には，隣接するセルのインレットに接続されてもよい。一実施形態において，アウトレット22は，セル10内で使用された媒体を収集する容器に接続されていてもよい。上述のように，様々な実施形態において，イオン伝導性媒体の流れは可変であってもよい。イオン伝導性媒体は，例えば，複数のセル10を，直列又は並列に，一定の流速で又は流速を変化させて，連続的に又は間欠的に，流れることができる。
図１及び図２に示されたセル10は，流体的に直列に接続されてもよい。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（米国特許出願公開2010/0316935として出願公開された）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のセル10のアウトレット22は，第２のセル10のインレット20に流体的に接続されてもよく，第２のセル10のアウトレット22は第３のセルのインレット20に接続されてもよく，以下同様である。図１及び図２の実施形態は二つのセル10を図示しているが，追加的なセルを積層して図示したセルに流体的に接続することも可能である。上述の図３及び４に図示されているように，インレットチャネル24及びアウトレットチャネル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，流体的に接続された一組のセルの間のイオン抵抗は，個別のセル10内のイオン抵抗よりも大きくなる。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。
動作についての一実施形態において，析出した金属燃料を保持している燃料極12は負荷Lに接続され，酸化剤極14も負荷Lに接続される。イオン伝導性媒体は，正圧下でインレット20内に注入され，インレットチャネル24，空間18のインレット34を通って流路42に流れ込む。イオン伝導性媒体は，スペ−サ40の長尺の中間部22によって定義される流路42内の浸透性電極本体12a-12dを通って流れる。イオン伝導性媒体は，燃料極12の浸透性電極本体12a-12dを浸透して通過することもできる。イオン伝導性媒体は，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Lに伝導させ，一方，負荷L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。イオン伝導性媒体は，流路42を通過した後，空間18のアウトレット36を介して空間18から排出され，アウトレットチャネル24を通過して，セル10のアウトレット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PSの負極に接続され，充電用電極（例えば，酸化剤極14又は別個の充電用電極70）は，電源PSの正極に接続される。この接続は，後述するように，切り替えシステム60によって行われる。後述のように，充電モード又は再充電モードにおいては，燃料極12のカソード部分がカソードとなり，燃料極12のアノード部分，及び／又は充電用電極14，70がアノードとなる。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-12dに再析出し，その一方，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。また，流路42によって，粒子が電極に定着したり電極を覆うことを防止できる。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により均一に析出させることができ，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上に早期に析出したりすることを防止できる。不動態化は，燃料の利用度やサイクル寿命の低下に繋がるので望ましくない。
図１から図８の例は，限定的なものではなく，セルシステム100のセル10の一実施形態の一般原理を説明するためのみに提示されたものに過ぎず，任意のセル構造又は構成を用いることができる。セルシステムについては説明を行ったので，続いて本発明の切り替えシステム60の構造及び動作について説明する。
上述のように，セル10の充電モードにおいては，セル10の電極間に電位差が加えられる。充電時には，通常，酸化剤極14又は別個の充電用電極70のいずれか一方がアノードとして機能するが，アノード電位は他の電極，例えば燃料極12の電極本体の一部，に印加されてもよい。同様に，充電時には，カソード電位は，まず燃料極12の電極本体12aに印加されるが，燃料極12の他の浸透性電極本体12b-12dの一又は複数に印加されてもよい。このようにして，カソード電位を有する燃料極12の浸透性電極本体12a-12dは，充電時にカソードとして機能し，放電時にセル内で生成された酸化された燃料イオン等の還元性燃料種に対しては還元場所として働く。
還元性燃料種がカソード電位を有する浸透性電極本体12a-12dで還元されるときに，酸化剤極14又は別個の充電用電極70及び／又はアノード電位を有する浸透性電極本体12b-12dは，放電時にセル内で生成された還元酸化剤種等の酸化可能な酸素種を酸化する。このように，セル10が金属空気セルの場合には，還元性金属燃料種が還元されて燃料極12の浸透性電極本体12a-12dの一部に析出し，酸化可能な酸素種は酸化されて酸素ガスとなる。この酸素ガスは，セル10から排気される。この実施形態において，アノード電位を有する電極及び電極本体は，酸素発生電極（OEE）とみなすことができる。
充電時に，いずれの電極（すなわち，浸透性電極本体12a-d，酸化剤極14，及び／又は別個の充電用電極70）がアノード電位又はカソード電位を有するかを決定するために，後述するように，それらの間の電気的接続が切り替えシステム60によって制御される。
アノード電位を有する電極本体がカソード電位を有する電極本体と隣接するようにセル10の充電用の電位差をセル10の隣接する本体間に印加することは，燃料の成長にとって有利である。十分な燃料の成長がカソード電位を有する電極本体において発生した後は，先にアノード電位を有する一組の電極本体の一部分であった浸透性電極本体がカソード電位を有する一組の電極本体の一部分となるように，アノード電位を有する電極を変更することができる。N個の浸透性電極本体を備える一実施形態において，電源から浸透性電極本体2〜N及び充電用電極へアノード電位を印加する際には，全ての電極本体及び充電用電極を同時に接続し，続いて電極本体2〜Nの各々を順番に切断するようにしてもよい。または，一実施形態において，アノード電位を電源から浸透性電極本体2〜N及び充電用電極へ印加する際には，電極本体及び充電用電極を個別に順番に接続及び切断してもよい（電極本体2がアノード電位に接続され，続いて電極本体2が切断されるとともに電極3がアノード電位に接続され，同様の操作が最終的に充電用電極が接続されて成長が完了するまで継続される）。
一実施形態において，充電用電極は，充電時にアノード電位を受ける最後の電極のみであってもよい。例えば、充電用電極は，酸化剤極又は別個の電極であってもよい。充電用電極が別個の電極の場合には，当該電極は，燃料極の電極本体とは異なる特別の構造を有していてもよく，浸透性電極本体と同じ構造（すなわち，単にもう一つの電極本体）を有していてもよいが，充電時における燃料の成長はこの別個の電極を超えて継続することはないという点が異なる。
図１から図２で図示した上述の実施形態において，アノード電位を有する電極の段階的な変化は，アノード電位を有する電極がカソード電位を有する電極と離間した状態で隣接する電極本体であるように，浸透性電極本体12a-12dの各々を介する燃料の成長に従って起こる。以下に示す図面の実施形態に示されるように，切り替えシステム60は，アノード電位及びカソード電位の隣接する位置関係を維持するように，様々な電極及び電極本体を選択的に接続及び分離するように構成されてもよい。
図９ないし図１２は，セル10の切り替えシステム60の実施形態を示す。セル10は，第１の端子130及び第２の端子140を介して，電源PS，負荷L，又は他のセル10に直列に接続される。ここで，第１の端子130は，再充電時に負極（カソード）となり，第２の端子140は，再充電時に正極（アノード）となる。図示のとおり，セル10は，浸透性電極本体12a-12d，充電用電極70，及び酸化剤極14を備える燃料極12を有する。一実施形態において，複数のスイッチは，後述するように，セル10の充電モードにおいてアノード電位を印加するために，浸透性電極本体12b-12dの少なくとも一部を電源PS等の電源に選択的に接続し，カソード電位を少なくとも電極本体12aに印加することができる。
図９において，切り替えシステム60は，第１の端子130と第２の端子140とを直接に接続するように構成されたバイパススイッチ150を備える。バイパススイッチ150は，米国特許出願第12/885,268において説明されたものと同様のものである。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。セル10は，積層体の性能に影響を与える様々な理由により，バイパススイッチ150によってバイパスされてもよい。
例えば、充電用電極70とカソード電位を有する電極本体12a-12dとの間の充電時におけるショート（後述のように電圧測定で検出される）は，充電時における寄生電力の消費に繋がりうる。電気的ショートは，電流が充電極と燃料極との間で短絡されるので，充電極と燃料極との間での電圧の急降下に繋がりうる。他の例においては，放電時に高い力学的損失又は抵抗損を有する任意のセル10は，積層体のラウンドトリップでの効率や放電出力に影響を与える。また，放電時に他のセル10よりも早くセル10内で燃料を消費すると，セル10での電力反転や積層体の電力損失を引き起こすが，セル10の放電電圧が臨界値よりも低くなったときにそのセルを迂回することにより防止できる。放電時に亜鉛や他の燃料を完全に消費してしまうと，燃料極と酸化剤極との間の電圧を急降下させてしまう。セル10の動作を検出するためには，既に述べた以外にも任意の基準を用いることができる。本明細書で挙げる例は，非限定的なものである。一部のセル10は，電極の製造及び組み立てに関する収率の問題に起因して性能要件（例えば、放電時の最大出力）を満たさない可能性がある。これらのセル10は，常にバイパスモードに設定される可能性がある。他のセル10は，当初性能要件を満たすが，サイクル寿命の問題により，要求される限界値以下の性能となった後にバイパスモードに設定される可能性がある。このように，バイパススイッチ150を用いてセル10をバイパスすることにより，積層体の信頼性や性能を向上させることができる。
また，図９の切り替えシステム60は，酸化剤極14に関連付けられた酸化剤極スイッチ160を備える。酸化剤極スイッチ160は，燃料極12と酸化剤極14との間の電位によって第１の端子130と第２の端子140との間に接続された負荷Lに電流が流れるようにするため，放電時に閉じられている。第１の端子130及び第２の端子140は，放電時に，正及び負の極性をそれぞれ有する。
充電用電極スイッチ170は，電源PSが第１の端子130と第２の端子140との間に接続された場合に充電用電極70が第２の端子140に電気的に接続されるように，充電用電極70に関連付けられる。後述するように，充電用電極70には，常にアノード電位が印加されているとは限らず，一実施形態においては，電極本体12dとの間における燃料の成長が望まれる場合にのみアノード電位を有する。図示のとおり，電極本体12b-12dにそれぞれ関連付けられたスイッチ180，190，200が図示されている。これらのスイッチは，電極本体12b-12dを第２の端子140にも接続するように構成されている。
上述のように，カソード電位を有する電極における成長が改善するように，アノード電位を有する電極をカソード電位を有する電極に隣接して配置することが望ましい。これにより，例えば、アノード電位を有する電極が最も近くにあるカソード電位を有する電極から離れている場合（すなわち，中立の電極がアノード電位を有する電極とカソード電位を有する電極とを分離する場合）よりも燃料密度を増加させることができる。このような密度の改善は，初期のデンドライトがアノード電極本体とカソード電極本体との間で電流を運ぶために十分な断面を有していないため，デンドライトが当初はアノード電極本体に阻害された状態で接触することに起因する。つまり，過剰な電流が流れるヒューズと同様に，焼き切れてしまう。これにより，アノード電極本体とカソード電極本体との間の短絡が遅らされる。この短絡は，密度が増加して，個別に及び／又は全体で，阻害されずに電流を流すために十分な断面積を有するデンドライトが形成されたときに発生する。他の効果は，充電用電極70と燃料極12との間の距離がより小さな構成において，アノード電位を有する電極が最も近くにあるカソード電位を有する電極から離れている場合（すなわち，中立の電極がアノード電位を有する電極とカソード電位を有する電極とを分離する場合）の構成と比較して，電解質IRの損失が小さくなることである。このように，アノード電極とカソード電極との間の距離が小さいことによって得られるIR効率に関する効果は，電極間で金属の成長が起こる実施形態と水素イオンが還元される金属ハイドライド燃料等の他の実施形態の両方において実現される。
アノード電位を有する電極を段階的に変更し，アノード電位を有する電極とカソード電位を有する電極との間のシフトを考慮するために，充電モードにおけるセル10は，電流にセル10を迂回させないために，バイパススイッチ150を開放するように構成される。セルは充電モードに設定されているため，酸化剤極14がセル10から電気的に分離されるように，酸化剤極スイッチ160も開放されている。当初は燃料の成長は電極本体12aにおいて起こることが求められているので，電極本体12aのみが第１の端子130に電気的に接続され，カソード電位が印加される。電極本体12aに隣接する電極本体にアノード電位を確立するために，少なくとも電極本体12bが第２の端子140と電気的に接続される。図示の実施形態においてこの電気的接続を実現するために，少なくともスイッチ180が閉じられる。一実施形態においては，電極本体12c-12d及び充電用電極70も第２の端子140と電気的に接続され，アノード電位を有する。カソード電位を有する電極（すなわち，当初は電極本体12a）とアノード電位を有する電極（すなわち，当初は少なくとも電極本体12b）との間の電位差によって，イオン伝導性媒体内の還元性燃料種は，当初カソード電位を有する電極（電極本体12a）において還元され，イオン伝導性媒体中のカチオンは電極本体12b（及びアノード電位が印加される任意の他の電極本体／電極）において酸化される。
カソード電位を有する電極における燃料の成長が所定の段階，例えば、カソード電位を有する電極とアノード電位を有する電極との間に電気的接続が形成される段階まで進行すると，切り替えシステム60は，当該電極本体が印加されたカソード電位を有するように，アノード電位を有していた短絡した電極本体を切断し，電位差が隣接する電極本体間に再び形成される。このために，そのような電気的接続が存在しない場合には，アノード電位を電極本体に生成するために，隣接する電極本体が第２の端子140に電気的に接続されることがさらに必要となる。例えば、図９においては，電極本体12aにおける燃料の成長によって電極本体12bとのショートが起こると，電極本体12a及び電極本体12bの双方が，燃料の成長の電気的接続によってカソード電位を有するように，スイッチ180が開放される。他方，少なくとも電極本体12cがアノード電位を持つことによってカソード電位を有する電極とアノード電位を有する電極との間の電位差を得るための隣接する電極本体の分離が維持されるように，スイッチ190は閉じられる（既に閉じられている場合を除く）。
スイッチ190及び200を開放することで，カソード電位を有する電極とアノード電位を有する電極の段階的な交代を，追加的な進行が望ましくないか不可能になるまで，セル10全体を通じて継続することができる。例えば、別個の充電用電極70が備えられている図示の実施形態においては，進行が終了するのは，別個の充電用電極70がアノード電位を有する唯一の電極本体となり，燃料極12の全ての浸透性電極本体12a-12dがカソード電位を有するようになったときである。セル10の充電は，電極本体12dにおける燃料の成長によって電極本体12dと充電用電極70との間が電気的に接続されたときに終了するようにしてもよい。一実施形態において，切り替えシステム70は，過充電のための設定を有するように構成できる。過充電のための設定においては，セルは，スイッチ170を開くことでカソード電位を選択的に充電用電極70に印加し，スイッチ160を閉じ，アノード電位を酸化剤極14に印加し，これを用いて充電用電極70における燃料の成長を許容することによりセル10の追加的な充電を行うように構成されてもよい。
セル10の充電は，様々な実施形態において，複数の浸透性電極本体12a-12dの中の電極本体から電極本体へ進行してもよく，電圧，電流，電圧の勾配，電流の勾配，充電容量，又はインピーダンス値もしくはレジスタンス値等の基準に基づいて終了するようにしてもよい。このような測定値は，様々な実施形態において，電極本体12a-12dの中の一又は複数において取得されてもよく，一又は複数のセル10の全体に亘って取得されてもよい。一実施形態において，充電は，充電用電極と燃料極12の最後の浸透性電極本体12dとの間に配置された検出電極に基づいて終了される。
図９の実施形態において，セル10の放電時には，酸化剤極スイッチ160が閉じられ，充電用電極スイッチ170が開かれる。また、スイッチ180，190，200を開いて，燃料が電極本体12dから電極本体12aの順に消費されるようにする。このとき，電極本体12a-12d間の電気的接続は，燃料の成長を通じて行われている。このため，図示の実施形態においては，電極本体12a-12dは，酸化剤極スイッチ160によって酸化剤極14に短絡されていない。
続いて図１０を参照する。セル10の切り替えシステム60の他の実施形態が図示されている。上記と同様に，第１の端子130を第２の端子140に直接に接続してセル10を迂回するように構成されたバイパススイッチ150が備えられている。切り替えシステム60は，複数の接続スイッチ210a-dをさらに備えている。この接続スイッチ210a-dは，電極本体12b-dの各々を第１の端子130又は第２の端子140のいずれかに選択的及び段階的に接続するように構成されており，これにより，電極本体12b-dの各々が，カソード電位（すなわち，少なくとも電極本体12aに接続されている）又はアノード電位（すなわち，少なくとも充電用電極70に接続されている）のいずれかを有するようになる。図示のとおり，充電時には，セルが迂回されないように，バイパススイッチ150を開いておく。酸化剤極14が充電プロセス時に分離されているようにするために，酸化剤極スイッチ160も開かれている。少なくとも充電用電極70がアノード電位を有するようにするため，充電用電極スイッチ170は閉じられている。カソード電位を有する電極（当初は電極本体12aのみ）とアノード電位を有する電極との間の距離を最小限にするために，スイッチ210b，201c，及び210dを閉じて，第２の端子140との電気的接続を通じて形成されるアノード電位が電極本体12b-12d及び充電用電極70を通じて印加されるようにする。電極本体12aにおける燃料の成長が進行すると，電極本体12aは最終的には電極本体12bに接触する。このとき，一実施形態において，スイッチ210bは開かれており，電極本体12a-12bがカソード電位を有するとともに電極本体12c-12d及び充電用電極70がアノード電位を有するようにする。一実施形態においては，スイッチ210aも閉じて，電極本体12a-12b間の電気的接続が，燃料の成長の電気的接続以上により強固になるようにする。上述したように，スイッチ210c及び210dをそれぞれ開くことによってこのような工程が継続し，アノード電位を有する電極本体の数が減少する一方でカソード電位を有する電極の数が増える。上記と同様に，一部の実施形態において，スイッチ210b及びスイッチ210cは，カソード電位を有する電極の数が段階的に増加するとともに，次第に閉じられ，電極本体12a-12d間に強固な電気的接続を形成する。
図１０の実施形態において，セル10の放電時には，酸化剤極スイッチ160を閉じるとともに，充電用電極スイッチ170を開く。一実施形態において，スイッチ210a-210dは開いたままとし，燃料が電極本体12dから電極本体12aの順に消費されるようにしてもよい。このとき，電極本体12a-12d間の電気的接続は，燃料の成長を通じたものとなる。他の実施形態においては，スイッチ210a-210dを閉じて，燃料極12の全ての電極本体12a-12d間を電気的に接続し，燃料を燃料極12全体で酸化されるとともに酸化剤を酸化剤極14で還元されるようにしてもよい。本実施形態においてこのことが可能なのは，スイッチ170を開くことにより電極本体12a-dが酸化剤極スイッチ160によって酸化剤極14へ短絡しないようになるためである。
図１１には，セル10の切り替えシステム60の他の実施形態が示されている。上述したのと同様に，第１の端子130を第２の端子140に直接に接続してセル10を迂回するように構成されたバイパススイッチ150が備えられている。図１１の実施形態の切り替えシステム60は，電極本体12a-dの各々を充電用電極70に選択的に接続するように構成された複数の接続スイッチ210a-dをさらに備えている。上記と同様に，切り替えシステム60は，カソード電位を有する電極（すなわち，少なくとも電極本体12a）及びアノード電位を有する電極（すなわち少なくとも充電用電極70）を段階的に変更できるように構成される。図示のとおり，充電時には，セルが迂回されないようにバイパススイッチ150が開かれる。酸化剤極スイッチ160も開かれて，充電プロセスの際に酸化剤極14が切断されるようにする。少なくとも充電用電極70がアノード電位を有するように，充電用電極スイッチ170は閉じられる。スイッチ220a及びスイッチ170を通って第１の端子130から第２の端子140にセルが迂回されないようにするため，スイッチ220aは開かれる。カソード電位を有する電極（当初は電極本体12aのみ）とアノード電位を有する電極との間の距離を最小限にするために，少なくともスイッチ220bを閉じて，少なくとも電極本体12b及び充電用電極70がアノード電位を有するようにする。電極本体12aにおける燃料の成長が進行すると，電極本体12aは最終的に電極本体12bと接触する。このとき，一実施形態において，電極本体12a-12bがカソード電位を有するように（燃料の成長により接続される），スイッチ220bを開く。スイッチ220cが閉じられていない場合には，スイッチ220cを閉じて，少なくとも電極本体12c及び充電用電極70がアノード電位を有するようにする。上述したように，スイッチ210c及び210dをそれぞれ開くことによってこのような工程が継続し，アノード電位を有する電極本体の数が減少する一方でカソード電位を有する電極の数が増える。
図１０の実施形態において，セル10の放電時には，酸化剤極スイッチ160を閉じるとともに，充電用電極スイッチ170を開く。一実施形態において，スイッチ220a-220dを開いたままとし，燃料が電極本体12dから電極本体12aの順に消費されるようにしてもよい。このとき，電極本体12a-12d間の電気的接続は，それらの間の燃料の成長を通じたものとなる。
カソード電位を有する電極本体及びアノード電位を有する電極本体の段階的な交代は，カソード電位電極及びアノード電位電極という二つの観念上の電極を定義するN個の電極本体を有するセル10に置き換えて考えることができる。このセルにおいては，カソード電位電極の構成要素の組成は，当初は単一の電極本体であり，アノード電位電極は少なくとも隣接する電極本体を含むが他の電極本体の全てであってもよい。充電時には，燃料は，例えば、電極本体における追加的な成長が不可能になるまで（すなわち，カソード電位電極がアノード電位電極に短絡されるまで），カソード電位電極において成長する。このとき，カソード電位電極に隣接するアノード電位電極の電極本体は，燃料の成長によって形成される電気的接続及び／又は電気回路又はセルの電極本体に関連付けられたスイッチによって，カソード電位電極の一部となるように再構成される。このように再構成することにより，カソード電位電極は二つの電極本体を有し，アノード電位電極は当初の電極本体の数よりも一つ少ない数の電極本体を有するようになる。カソード電位電極とアノード電位電極との間の電位差が復活すると，上記と同様に，例えば、カソード電位電極の電極本体における燃料の追加的な成長が不可能になるまで.充電による燃料の成長も再開される。
カソード電位電極及びアノード電位電極の構成要素の組成の段階的な変化は，例えば電極本体に関連付けられたスイッチを開閉することにより，追加的な進行が求められていないか，又は，不可能となるまでセル全体で継続する。例えば、アノード電位電極が単一の電極本体のみを含むようになった場合には，追加的な進行は不可能である。セルの充電は，セルにおける燃料の成長により概念上のカソード電位電極と単一の電極本体のみを含む概念上のアノード電位電極との間が電気的に接続された後に終了する。
上記と同様に，様々な実施形態において，セル10の充電は，複数の浸透性電極本体12a-12dに含まれる電極本体から電極本体へ進行し，電圧，電流，電圧の勾配，電流の勾配，充電容量，又はインピーダンス値もしくはレジスタンス値等の基準に基づいて終了する。このような測定値は，様々な実施形態において，電極本体12a-12dの中の一又は複数において取得されてもよく，一又は複数のセル10の全体に亘って取得されてもよい。一実施形態において，充電は，充電用電極と燃料極12の最後の浸透性電極本体12dとの間に配置された検出電極に基づいて終了される。
上述したように，一実施形態において，複数の電気化学セル10をセルシステム100内で結合することができる。図１２Ａから図１２Ｃには，図９から図１１の実施形態の電気化学セルシステム100が示されているが，この電気化学セルシステム100は，N個の電気化学セル10を備えている。Nは２以上の整数であり，特定の数に限定されるものではない。図示のとおり，セル10の各々の切り替えシステム60におけるバイパススイッチ150は，第１の端子130と第２の端子140との間を直接に接続することにより，セル10の各々を選択的に迂回するように構成されている。このような接続を用いることにより，上述したように，欠点のあるセル10を迂回したり，他の任意の理由によりセル10を迂回することができる。また，セルシステム100の様々な実施形態において，切り替えシステム60の異なる実施形態（図９から図１１に示されているもの等）を，単一のセルシステム100において，互いに連動して用いることができる。
任意の実施形態において，切り替えシステム60のスイッチ（又は，本明細書において説明されたこれ以外の任意のスイッチ）として，任意の種類のものを用いることができる。スイッチという語は，記述されているモードや状態間での切り替えを行うことができる任意の装置を広く指し示すために用いられている。例えば、例示的な実施形態において，スイッチは，単極単投又は単極双投スイッチであってもよい。これらのスイッチは，回転式，スライド式，又はラッチリレー式のいずれの方式であってもよい。また，半導体スイッチを用いることもできる。スイッチは，電気的に作動されてもよく（電気化学リレー），磁気的に作動されてもよい。これら以外の当業者に明らかな作動方法を用いることもできる。これら以外にも任意の好適な種類のスイッチのを用いることができ，本明細書に開示された例は限定的なものではない。一実施形態において，スイッチが一方向のリーク電流を有する場合には，複数のスイッチを直列に接続することができる。例えば、MOSFET半導体スイッチのボディダイオードは，一方向に動作する。この場合，リーク電流は，MOSFET半導体スイッチを背中合わせに直列配置することで，除去することができる。
切り替えシステム60及び／又は端子セレクタシステム62におけるスイッチの動作を制御するために，任意の好適な制御メカニズムを設けることができる。図１３に示すように，一実施形態において，切り替えシステム60のスイッチは，コントローラ230によって制御されてもよい。コントローラ230は，任意の構造及び構成をとることができる。一実施形態において，コントローラ230は，電源PSから浸透性電極本体12b-d及び充電用電極70へのアノード電位の印加を管理するように構成されてもよい。コントローラ230は，イオン伝導性媒体からの金属燃料の還元性イオンを還元することにより，金属燃料の析出を浸透性電極本体12aから後段の電極本体12b-dの各々に向かって段階的に進行させ，後から接続される電極本体12b-dの各々にカソード電位を印加することができる。コントローラ230は，後から接続される電極本体の各々からアノード電位を除去し，少なくとも析出によっては接続されていなかった後段の電極本体又は充電用電極にアノード電位を印加し，最後の電極本体（すなわち電極本体12d）が先の電極本体12a-cへの析出によって電気的に接続されるようになる。このようなアノード電位の印加は，酸化剤の酸化種の酸化を許容し，又は，酸化を引き起こすように構成される。
一実施形態において，コントローラ230は，適切なスイッチ構成を決定する入力234に基づいてスイッチを作動させるハードワイヤード回路232を備えてもよい。コントローラ230は，複雑な決定を実行するマイクロプロセッサをさらに備えることもできる。一部の実施形態において，コントローラ230は，負荷Lと電源，及び，第１のセルとN番目のセルとの間の接続を管理するように動作することもできる（すなわち，上述の端子セレクタシステム62を制御することができる）。一部の実施形態において，コントローラ230は，所定の閾値に達した電圧の検出（所定の閾値を下回ったこと等）に応じて適切なバイパススイッチ150を作動させる適切なロジック又は回路を備えることができる。一部の実施形態において，コントローラ230は，センサ装置236をさらに備え，又は，センサ装置236に関連付けられてもよい。センサ装置236には，電圧計（デジタル又はアナログ），ポテンショメーター，又は，充電時に燃料の成長が継続する間にアノードとカソードの距離を維持できるように複数のスイッチの構成を変更するタイミングを決定するために用いられる前記以外の電圧測定装置が含まれるがこれらには限られない。これ以外にも，センサ装置236は，一部の実施形態において，セル10の電流，抵抗，又はこれら以外の任意の電気的又は物理的特性を測定することができ，この測定値を用いて，複数のスイッチの構成を変更するタイミングを決定することができる。例えば、センサ装置236は，電流スパイク又は二つの電極本体間の電位差の降下を測定することができる。一部の実施形態において，コントローラ230は，切り替えシステム60のスイッチを時間の漸進的な経過に基づいて制御することもできる。例えば、一実施形態においては，隣接する電極本体間で燃料の成長が進行する時間が既知であり，この既知の時間を用いて，電極を段階的に配線し直してアノードとカソードとの間の分離を維持するために切り替えシステム60を操作するタイミングを計算することができる。一実施形態において，コントローラ230は，切り替えシステム60のスイッチを制御して，セルの高効率モードを提供することができる。セルの高効率モードについては，米国特許仮出願第61/323,384（現在は米国特許出願第13/083,929として係属中）において説明されている。これら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。
一部の実施形態において，コントローラ230は，異なる充電モードを選択的に動作させるように構成される。例えば、あるモードにおいては，当初から複数の電極本体がアノード電位を有しているが，電極本体がカソード電位を与えられるにつれてその数は減少する。他のモードにおいては，任意の時間において単一の電極本体のみがアノード電位を有しており，先の電極本体にカソード電位が与えられると，アノード電位を有する電極本体が変更される。例えば、前者のモードでは，コントローラ230は，アノード電位が電極本体12b-d及び充電用電極70の各々に印加されるようにするため，再充電中に充電用電極70及び電極本体12b-dに関連付けられた全てのスイッチを閉じることができる。コントローラ230は，電極本体12b-dが段階的に電極本体12aと電気的に接続されてカソード電位を有するようになるのにともなって，電極本体12b-dの各々に関連付けられたスイッチを段階的に開くことができる。後者のモードでは，コントローラは，当初は，電極本体12bに関連付けられたスイッチのみを閉じて電極本体12bにアノード電位を与え，電極本体12aにカソード電位を与える。電極本体12aにおける燃料の成長が電極本体12bに到達すると，その間に電気的接続を形成し，コントローラ230は，電極本体12aとの電気的接続を通じて電極本体がカソード電位を有するように，電極本体12bにアノード電位を与えていた電極本体12bに関連するスイッチを開く。コントローラ230は，続いて電極本体12cに関連付けられているスイッチを閉じて，電極本体12cにアノード電位を与え，再び電位差を作り出して，燃料の成長を進行させる。このように，コントローラ230によるスイッチの再構成の進行は，上述のように，充電用電極70のみがアノード電位を有するようになるまで継続する。
図１４に示されるように，本発明の他の態様は，電気化学セル10を充電する方法240を含む。上述のように，電気化学セル10は，複数の浸透性電極本体12a-dを備える燃料極12を有する。四つの浸透性電極本体を示しているが，浸透性電極本体の数は二以上の任意の数であればよい。セル10は，酸化剤極14，及び充電用電極をさらに備える。充電用電極は，酸化剤極14又は別個の充電用電極70とすることができる。セル10は，伝導性媒体，及び，複数のスイッチを備える切り替えシステム60をさらに備える。複数のスイッチの少なくとも一部は，浸透性電極本体12a-dの一つ，酸化剤極14，及び充電用電極（すなわち，酸化剤極14又は別個の充電用電極70）と対応付けられている。充電モードにおいて，イオン伝導性媒体内の還元性燃料イオンは還元され，酸化可能な形態で燃料として少なくとも浸透性電極本体12aを含むカソードに析出し，酸化剤は，少なくとも隣接する浸透性電極本体12b-dを含むアノード及び／又は充電用電極（すなわち充電用電極70）において酸化される。
方法240は工程250において開始され，工程260において，充電用電極から遠位にあるカソード（すなわち，一実施形態において，当初は浸透性電極本体12aのみ）を電源PSの負極に電気的に接続するとともにアノード（すなわち，当初は少なくとも浸透性電極本体12b）を電源PSの正極に接続して，その電極間に電位差を生じさせる。方法240は続いて工程270に進み，燃料がカソード（すなわち少なくとも浸透性電極本体12a）に析出される。工程280に示されているように，方法240は，燃料の成長が閾値を超えて進行したか否かを判断する。一実施形態において，この閾値は，セル10が燃料の成長によって短絡し，カソード（すなわち浸透性電極本体12a）とアノード（すなわち浸透性電極本体12b）との間における燃料の成長によって電気的接続が形成されたときに確認される。図示のとおり，燃料の成長が閾値に到達しない場合には，工程270における燃料の成長が繰り返される。閾値に到達すると，本方法は工程290に進み，燃料の成長が可能であり望まれたものかさらに判断される。一実施形態において，工程290における判断は，浸透性電極本体12c-d等の追加の燃料の成長を受け入れる電極本体が存在するか否か確認することを含む。存在する場合には，本方法は工程300に進み，切り替えシステム60の複数のスイッチを用いて，接続されている電極本体（すなわち浸透性電極本体12b）をアノードから切断し，切り替えシステム60による接続が行われていない場合には次の隣接する電極本体（すなわち浸透性電極本体12c）をアノードに接続する。これにより，カソード（この時点では浸透性電極本体12a-bを含む）とアノード（少なくとも浸透性電極本体12cを含む）との間に電位差が発生する。方法240は続いて工程270に戻り，カソードにおける燃料の成長が継続される。工程290において追加の燃料の成長が不可能か又は望まれていない場合には，方法240は工程310に進み，少なくとも電源PSの負極をセル10から切断し，充電処理を終了する。方法240は工程320において終了する。
図１５に示されているように，本発明の他の側面は，電気化学セル10を放電する方法330を含む。この方法は，図１４に関して説明された方法と似ている。放電モードにおいては，浸透性電極本体12a-12dの燃料が酸化され（そして還元性燃料イオンとしてイオン伝導性媒体に吸収され），酸化剤が酸化剤極14で還元される。
方法330は工程340で開始され，工程350において，切り替えシステム60の複数のスイッチを用いて，燃料を含む浸透性電極本体12a-dを接続する。一実施形態において，セル10が完全に充電されている場合には，全ての浸透性電極本体12a-dは互いに電気的に接続される。セル10が放電モードの場合には，切り替えシステム60の複数のスイッチは，別個の充電用電極70（もしあれば）を電気的に切断するように構成される。一実施形態において，方法330は，工程360に進み，カソード（すなわち，空気カソード，酸化剤極14）を負荷Lの負極に電気的に接続するとともに，アノード（すなわち，電気的に接続された浸透性電極本体12a-dを含む燃料極12）を電源PSの正極に電気的に接続し，それらの間に電位差を発生させる。方法330は，工程370に進み，燃料が燃料極12において消費される。一実施形態においては，複数のスイッチ60が浸透性電極本体12a-dを接続するので，アノード電位が浸透性電極本体12a-dの各々に印加され，燃料が浸透性電極本体12a-dの各々又は任意のものにおいて消費される。工程380に示されるように，方法330は，続いて，任意の浸透性電極本体12a-dにおいて消費可能な燃料が消耗したか否か決定する。一実施形態において，電流センサ又は電圧センサを含む上記のセンサ装置236等のセンサをセル10内に設け，このセンサによって，消費可能な燃料が浸透性電極本体12a-dの一又は複数において消耗したタイミングを示すことができる。消耗が検出されなければ，方法330は工程370に戻って，放電が継続される。しかし，消費可能な燃料が浸透性電極本体12a-dの一又は複数において消耗した場合には，方法330は工程390に進み，消費可能な燃料を含む浸透性電極本体12a-dが残存しているか否かが決定される。この決定は，工程380における消耗に関する判断と同時に行うことができ，センサ装置236の検査によって，又はこれ以外の任意の適切な方法を用いて，実行することができる。
消費可能な燃料が浸透性電極本体12a-dの一又は複数に残っている場合には，方法330は工程400に進み，消費可能な燃料がなくなっている浸透性電極本体12a-dが燃料極12から切断されるように，切り替えシステム60によって複数のスイッチが調整される。一実施形態において，燃料は，当初は，酸化剤極14（図示の実施形態においては，例えば、浸透性電極本体12d）に最も近い電極本体から消費され，切り替えシステム60は，全ての燃料が浸透性電極本体12aにおいて消費されるまで，浸透性電極本体12d，12c，及び12bをこの順に切断する。浸透性電極本体12a-dのいずれもが消費可能な燃料を含まなくなった場合，又は，追加的な放電が求められていない場合（又は不可能な場合）には，方法は工程410に進み，負荷Lが切断される。一実施形態において，負荷Lは，消耗したセル10に，セル10が再充電されるまでの間，接続されたままであってもよい。この場合，セル10を切断して，電源PSに接続するようにしてもよい。方法330は，工程420において終了する。
図１６は，セル10の他の実施形態を示す。図示のとおり，図１６におけるセル10の実施形態は，五つの電極本体12a-eを備えた燃料極12を有する。セル10は，別個の充電用電極70（すなわち，専用のOEE）及び酸化剤極14をさらに備える。上記の実施形態において，セル10は，これらの電極及び電極本体を第１の端子130又は第２の端子140の一方に選択的に接続するように構成された切り替えシステム60を備える。切り替えシステム60は，コントローラ230を備えてもよい。コントローラ230は，回路232を用いて，接続された複数のスイッチを制御するように構成される。図示のとおり，コントローラ230は，センサ装置236を内蔵することができる。コントローラ230は，スイッチの制御方法に関する入力234を介して指示を受け取ることができる。
上記の実施形態と同様に，セル10は，第１の端子130を第２の端子140に直接に接続するように構成されたバイパススイッチ150を備えており，セル10に不良が存在する場合や，これ以外にセル10の使用が望ましくない理由がある場合に，セル10を迂回することができる。酸化剤極14は，酸化剤極スイッチ160による放電のために，第２の端子140に選択的に接続され，別個の充電用電極70は，充電用電極スイッチ170による充電のために選択的に第２の端子140に接続される。図示の実施形態において，電極本体12b-eは，電極本体スイッチ425b-eによって，第１の端子130又は第２の端子140のいずれかに選択的に接続される。ここで，「b」から「e」は，電極本体12b-eの中のどの電極本体が各スイッチと関連付けられているかを示す。図示の実施形態において示されているように，電極本体スイッチ425b-eは，電極本体12b-eの各々を，電極本体12a（及び第１の端子130）に関連付けられた第１のバス427a又は別個の充電用電極70（及び充電用電極スイッチ170を介して第２の端子140）に関連付けられた第２のバス427bのいずれかに，交互に接続するように構成される。一実施形態において，電極本体スイッチ425b-eは，単極双投スイッチ型であってもよい。一部の実施形態において，電極本体12b-eの各々を，電極本体12a（第１の端子130）もしくは別個の充電用電極70に電気的に接続し，又は，電極本体12aと別個の充電用電極70の両方から切断できるように，電極本体スイッチ425b-eは，三つの代替的な設定を有する。一実施形態において，このような電極本体スイッチ425b-eは，単極双投スイッチ型であってもよい。
電気化学セル10の充電時には，第１の端子130と第２の端子140との間に電源からの電力が供給される。第１の端子130と第２の端子140との間にショートが発生しないように，バイパススイッチ150は開放されている。セル10は充電モードにあって酸化剤極14は使用されないので，酸化剤極スイッチ160も開いている。したがって、充電時には，充電用電極スイッチ170が閉じられている。本実施形態においては，電極本体12b-eの各々が選択的にアノード又はカソードに接続されるので，上述した段階的OEEや米国特許仮出願第61/383,510及び米国特許出願第13/230,549において説明されている技術等の充電技術を用いることができる。これら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。一部の実施形態における電極本体スイッチ425b-eの動作については後述する。
続いて図１７のフローチャートを参照する。本発明の他の態様は，電気化学セル10の様々な充電モードに対応するアルゴリズム430を備える。アルゴリズム430の動作に関する説明は図１６に記載されたセル10の実施形態に関して行うが，アルゴリズム430は，任意の好適なメカニズムを用いて電気化学セル10の任意の好適な実施形態に実装することができる。非限定的な一実施形態において，電極本体スイッチ425b-eを用いる代わりに，より複雑な多重化切り替えシステム60を用いることができる。他の非限定的な実施形態においては，複数の単極単投スイッチをアレイ状に構成し，電極本体12a-e及び別個の充電用電極70のうちの二以上の電極間に電気的接続や電気的絶縁を提供する。電極本体12a-e及び／又は別個の充電用電極70を電気的に接続するための任意の好適なシステムを用いることができる。
一実施形態において，アルゴリズム430は，コンピュータが解釈可能な又はコンピュータによって可読な指示等の指示を含むことができる。この指示は，コントローラ230をプログラムし又はそれ以外の方法で制御する。一部の実施形態において，アルゴリズム430は，コントローラ230とネットワーク化され，又はそれ以外の方法でコントローラ230と接続されたシステムに配置されてもよい。一部の実施形態において，アルゴリズム430は，コントローラ230内，又は，切り替えシステム60のスイッチのプログラム制御が可能な他の任意のコントローラ内の媒体に保存されてもよい。
図示のとおり，アルゴリズム430は，工程440において，セル10の特定の充電モードを選択するように構成されてもよい。充電モードの選択は，任意の好適な判断基準450によって実行される。例えば、一実施形態において，判断基準450は，セル10の測定460を含んでもよい。セル10の測定460は，セルの状態の任意の好適な測定値であり，この測定値には浸透性電極本体12a-eにおける燃料の成長の電流状態に関連するセンサの読み取り値，切り替えシステム60によって形成された電気的接続における読み取り値，セル10からの又はセル10を通過する電圧及び／又は電流の測定値等を含んでもよいがこれには限られない。測定460を確定するために，コントローラ230は，第１の端子130と第２の端子140との間にあり，本実施形態においてセル10全体に伸びる配線を示しているセンサ装置236を用いることができる。
測定460には，環境の測定を含むことができる。一実施形態において，環境の測定460は，現在時刻の確認を含むことができる。例えば、セル10が太陽光発電システムに関連する場合には，日中の早いうちに充電することにより，日の入りに近づいてから充電する場合よりも様々な充電モードを利用することができる。環境の他の測定460 も可能である。例えば、非限定的な実施形態において，測定460は，環境の温度であってもよい。天候，環境光，セル10の動き（すなわち，セル10が車両内で用いられている場合には，異なるスピードやブレーキの種類に応じて異なる充電モードを用いることができる）などであってもよい。
判断基準450は，マニュアルによる上書き470を含むこともできる。マニュアルによる上書き470には，どの充電モードが求められているかという点についてのマニュアル選択の任意の形式を含むことができる。このようなマニュアルによる上書き470のためのマニュアル選択は，一実施形態において，入力234によってコントローラ230に提供される。一実施形態において，判断基準450は，制限480を備えることもできる。制限480は，例えば，所定の許容値又は設定の超過に基づいて，適切な充電モードを決定することができる。例えば、制限480は，測定460に基づくものであってもよく，例えば、電極又は電極本体の電位差，電極又は電極本体間の電流インピーダンスなどを含んでもよい。様々な実施形態において，制限480は，例えば，電圧，電流，電圧の勾配，電流の勾配，充電容量，又はインピーダンス値もしくはレジスタンス値に基づくものである。このような制限480は，一又は複数の電極本体12a-e又は一又は複数のセル10の測定460に基づくものであってもよい。
充電モードが工程440において選択されると，コントローラ230は，工程490において，充電モードを特定することができ，その充電モードに応じてセル10を充電することができる。一実施形態における充電モードは上述した段階的OEEを用いるものであるが，図示の実施形態においては，コントローラ230は，二以上の代替的な充電モード，つまり，段階的充電モード500及び並列充電モード600を選択するように構成される。他の実施形態において，追加的な又は代替的な充電モードを用いることも可能であり，アルゴリズム430に従うことができる。
図示の実施形態に示されているように，段階的充電モード500は，高容量充電モードである。このことは，セル10が電極本体12a-e間に高密度の燃料の成長を提供する方法で充電されたことを意味する。一部の実施形態において，この高容量充電モードは，充電プロセスを完了するまでにより長い時間間隔を必要とする可能性があるが，セル10内に大きなエネルギーを蓄積することができる。このような充電モードは，多くの用途において有用である。この用途には，緊急用バックアップ電源及び無停電電源が含まれるがこれらには限られない。これらの用途には，大量の電力が必要とされる場合があり，使用後にセル10を充電する時間を比較的長く確保することができる。このような実施形態においては，セル10内に蓄えられるエネルギー量が，充電速度よりも重要である。充電プロセスは燃料極12の電極本体間で概ね直列に行われるので，充電速度は他の実施形態のものと比較して遅くなる。セル10が燃料極12内に五つの電極本体12a-e及び別個の充電用電極70（すなわち，専用の酸素発生電極又はOEE）を備える図示の実施形態においては，段階的充電モード500は五つのフェーズを有する。
セル10が充電されていない場合には，段階的充電モード500は，第１フェーズ505から開始され，第１の電極本体12aのみがカソードを形成し，電極本体12b-e及び別個の充電用電極70は充電用電極を構成する。図１６の実施形態において，第１フェーズ505は，電極本体12b-eを別個の充電用電極70に第２のバス427bを介して接続する電極本体スイッチ425b-eを備える。第２のバス427bは，スイッチ170を介して第２の端子140に接続される。このように，電極本体12aのみが第１の端子130と電気的に接続され，電極本体12aと電極本体12b-e及び別個の充電用電極70によって形成される充電用電極のグループとの間に電位差が生成される。燃料の成長は，電極本体12aから隣接する電極本体12bに進む。
工程510において，燃料の成長が電極本体12aと電極本体12bとを短絡させるだけの量に達すると，段階的充電モード500は，工程515において，第２のフェーズに進む。第２のフェーズでは，電極本体12a-bがカソードを形成し，電極本体12c-e及び別個の充電用電極70が充電用電極を構成する。図１６の実施形態においては，第２のフェーズ515は，電極本体スイッチ425bを備える。電極本体スイッチ425bは，電極本体12bを，第２のバス427b上の充電用電極のグループから分離し，第１のバス427aを介して電極本体12aと電気的に接続する。工程510における電極本体12a-bが短絡したという判断は，任意の好適なメカニズムにより実行される。例えば、コントローラ230に関連付けられたセンサ装置236は，セル10の至る所で電圧降下又は電流スパイクを測定することができる。他の実施形態では，他のセンサ装置236は，工程515において，第２のフェーズに進む必要性を示す電気的接続を確認することができる。
セル10内で燃料の成長が進行するにつれて，段階的充電モード500は，接触している電極本体12b-eを第２のバス427bから電気的に分離し，その分離した電極本体を第１のバス427aに接続することで，電極本体を充電用電極からカソードに段階的に再配置する。電極本体スイッチ425b-eが単極三投スイッチである実施形態においては，電極本体スイッチ425b-eは，接触している電極本体12b-eを第１のバス427aに接続するか，又は，第１の端子130への電気的接続が燃料の成長を介したもののみとなるように電極本体スイッチ425 b-eを電気的に切断された位置へ移動させる。図１７のフローチャートに示されているように，段階的充電モード500は，工程520に進み，電極本体スイッチ425cの切り替え等によって電極本体12cが電極本体12dから切断される工程525の第３のフェーズに進む前に，電極本体12b-cの短絡を判断する。燃料の成長は，工程530において電極本体12c-d間がショートするまで進行する。このとき，第４のフェーズが工程535において開始され，電極本体スイッチ425dの切り替え等により電極本体12dが電極本体12eから電気的に切断され，電極本体12dが第１のバス427aに接続される。工程540では，電極本体12dと電極本体12eとを電気的にショートさせる燃料成長の進行が判断され，第５のフェーズ545が開始される。第５のフェーズでは，電極本体スイッチ425eの切り替え等により電極本体12eが別個の充電用電極70から電気的に切断され，電極本体12eが第１のバス427aに接続され，充電用電極12b-eがいずれも別個の充電用電極70に第２のバス427bを介して接続されていないようにする。
全ての電極本体12b-eが電極本体12aに接続されると，電極本体12a-e間の燃料の成長及び／又は第１のバス427aを介した電気的接続により，燃料が電極本体12eにおいて別個の充電用電極70の方向へこれらの電極間の電位差によって成長し続ける。最終的には，工程550において，電極本体12eが別個の充電用電極70と短絡したか，又は，閾値充電容量に到達したことが決定される。電極本体12eと別個の充電用電極70との短絡は，セル10において燃料が最大限に成長したことを示す。このような閾値容量は，セルが「過充電」とならないように定められる。例えば、一部の実施形態において，燃料の成長が別個の充電用電極70に到達し，別個の充電用電極70との電気的接続を構成することが望ましくない場合がある。一実施形態において，閾値充電容量は，セル10の最大許容充電容量の約80-100%となる。容量の測定は，任意の好適なメカニズムにより実行される。この容量測定メカニズムには，一部の実施形態において，センサ装置236を用いた測定や，コントローラ230を利用した充電容量の計算又は推定が含まれるがこれらには限られない。いずれにせよ，閾値容量に達すると，電極本体12eが別個の充電用電極70と短絡すると，セルはアイドル状態となり，将来の放電モードを待つことになる。
工程440における充電モードの選択中に，高速充電の要望が示された場合には，工程490において並列充電モード600が選択される。並列充電モード600においては，セル10内に小型セルが形成される。このセル10は，アノード又はカソードとして機能する電極本体12a及び別個の充電用電極70の間に電極本体を交互に有する。一実施形態において，並列充電モード600は，段階的充電モード500のN倍高速である（ここで，Nは金属燃料が設けられる電極本体の数である）。一実施形態において，所定の電極本体における成長速度は，金属燃料の析出の拡散律速電流密度によって制限される。この拡散律速電流密度は，粘性，濃度，拡散率等の様々な要素の影響を受ける。並列充電モード600は段階的充電モード500よりも高速ではあるが，析出総量は，電気的接続が全ての電極本体の間に形成されるまでに要した時間によって制限されるので，燃料の成長は段階的充電モード500よりも低密度となる可能性がある。一部の実施形態において，並列充電モード600によって充電されたセル10によって保持されるエネルギー密度は，段階的充電モード500で充電されたセル10の四分の一から二分の一となる可能性がある。並列充電モード600により適した用途の例には，例えば、フォークリフト等の電気自動車や乗用車等が含まれ，車両を短い充電間隔用いる場合等の高速充電が大充電密度よりも重要な場合に適している。
一実施形態において，並列充電モード600は，第１のフェーズ605で開始され，電極本体12a，12c，及び12eを第１の端子130に接続し，電極本体12b及び12d並びに別個の充電用電極70を第２の端子140に接続する。図１６の実施形態においては，充電時に電極本体12a，12c，及び12eが当初の時点でカソードとなるように電極本体12c及び12eを第１の端子130に接続するために，当初の時点で電極本体12c及び12eを第１のバス427aに接続するように電極本体スイッチ425c及び425eが制御される。同様に，充電時に電極本体12b及び12d（別個の充電用電極70と同様に）が当初の時点でアノードとなるように，電極本体12b及び12dを当初の時点で第２の端子140に接続するために，電極本体12b及び12dを第２のバス427bに接続するように，電極本体スイッチ425b及び425dが制御される。電極本体12b及び12dは，充電時に閉じられている充電用電極スイッチ170によって第２の端子140に電気的に接続される。
並列充電モード600の第１のフェーズ605における充電が進行するにつれて，カソードとして働く中間の電極本体12c及び12eにおいて，燃料は両方向へ成長する。図１６の実施形態において，金属燃料は，当初は，両電極間に電位差があるため，電極本体12aにおいて電極本体12bの方向へ成長する。燃料は，電極本体12cにおいて電極本体12bの方向と電極本体12dの方向の両方に成長する。同様に，電極本体12eにおいても，電極本体12dの方向と及び別個の充電用電極70の方向との両方向へ，燃料が成長する。充電時には，工程610において，多くの導通テストが行われる。具体的には，N個の電極本体については，任意のアノードと任意のカソードとの間に電気的接続が形成されたか判断するために，N-1回の導通テストが行われる。例えば、工程610aにおいては，電極本体12aが電極本体12bと短絡しているか判断される。同様に，工程610bにおいては，中間の電極本体（すなわち，図示された実施形態においては電極本体12c-d）が，隣接する電極本体のいずれかと短絡しているか判断される。また、工程610cにおいては，最後の電極本体（すなわち，「N-1」番目の電極であり，図１６においては電極本体12e）が別個の充電用電極70と短絡しているか判断される。
工程610における導通テストのいずれかにおいて，電気的接続がアノードとカソードとの間に形成されている場合には，並列充電モード600は，工程615において，反復して行われる次フェーズに進む。ここで，短絡された充電用電極（すなわち電極本体12b又は電極本体12d）は，第２の端子140から電気的に切断される。例えば、第１のバス427aと第２のバス427bとの間に短絡が起こっている場合には，電気的接続を除去するために切り替え可能なスイッチ425b-eをいずれも切り替えることができる。
一実施形態において，前記中間の電極本体12b-eは，並列充電モード600において形成された電気的接続に基づいて，アノードとしての機能からカソードとしての機能に，又はその逆に，再配置される。例えば、燃料の成長が電極本体12c（カソード）を電極本体12d（充電用電極）に電気的に接続する場合には，電極本体12eは引き続き燃料を成長させるが，コントローラ230は，燃料で結合された電極本体12c-dの部分を充電用電極として機能するように配置する。このとき，電極本体12eにおける両方向への燃料の成長が継続するように両電極本体スイッチ425c-dが電極本体12c-dを第２のバス427bを介して第２の端子140に接続する。電極本体12aにおける燃料の成長が電極本体12a-bを電気的に接続する場合には，電位差が電極本体12a-b間及び電極本体12c-d間に存在して電極本体12a-b （カソード）から電極本体12c-d（充電用電極）の方向へ追加的な燃料の成長が起こるように，電極本体12bは，第２のバス427bから電気的に分離される。
電極本体12eは，当初の時点では電極本体スイッチ425e及び第１のバス427aを介して第１の端子130と電気的に接続されたカソードであり，電極本体12eにおける燃料の成長によって別個の充電用電極70との短絡が発生する場合には，コントローラ230は，電極本体12e及び別個の充電用電極70並びにそれらの間の金属燃料が互いに接続された充電用電極として機能するように，電極本体スイッチ425eを切り替えて電極本体425eを第１のバス427aから電気的に切断する。電極本体12dがカソードとして再構成される場合には（例えば，電極本体12cとの電気的接続による），燃料の成長は，電極本体12dから電極本体12eの方向へその電極間の電位差により継続される。
このようにして，工程610において導通テストによる測定が行われ，工程620において，全ての電極本体12a-e及び別個の充電用電極70が短絡するか，又はセル10の閾値容量に到達するまで，電極本体12b-dの再構成は進行する。上記と同様に，閾値容量への到達は，任意の好適なメカニズムによって確認される。この容量測定メカニズムには，一部の実施形態において，センサ装置236を用いた測定や，コントローラ230を利用した充電容量の計算又は推定が含まれるがこれらには限られない。いずれにせよ，閾値容量に達するか又はセル10の全ての電極が短絡されると，セルはアイドル状態となり，将来の放電モードを待つことになる。
一部の実施形態において，コントローラ230は，電極本体12a-eの一部を段階的充電モード500で充電し，他の電極本体12a-eを並列充電モード600で充電するように，セル10を充電するように構成されてもよい。一部の実施形態において，充電速度及びエネルギー密度に関する要望の変化は，セル10が用いられる用途のリアルタイムの要望が考慮されるように，セル10の充電中はいつでも工程440において選択される充電モードにおいて実行される。一実施形態において，コントローラ230は，セル10の放電特性の時間変化を測定することができ，その測定結果に応じて工程440における充電モードの選択を変更することができる。非限定的な例示として，セル10が日中断続的に使用されるが夜間は使用あれない電気自動車に用いられる場合には，コントローラ230は，日中の高速充電のニーズに応じて並列充電モード600を用いて高速充電を行い，翌日の使用に備えてセル10により多くのエネルギーが蓄積されるようにするために，夜間は段階的充電モードを用いることができる。一実施形態において，コントローラ230は，より高度なものであってもよく，より複雑な最適エネルギー対充電速度の関係を計算して，セル10の使用に基づく理想的な実行時間を提供することができる。
一部の実施形態において，コントローラ230は，セル10を様々なモードで放電するように構成されてもよい。一部の実施形態において，アルゴリズム430は，充電モードと放電モードとの間で選択するように構成されてもよい。他の実施形態において，放電モードのために，別個の放電アルゴリズムを備えてもよい。一部の実施形態において，セル10の充放電の様々なモードを，より一般的な「セル動作」アルゴリズムによって管理しても良い。このアルゴリズムは，例えば，コントローラ230上で実行される。一部の実施形態においては，燃料だけが浸透性電極本体12a-eと電気的に接続されるようにするために，酸化剤極14及び遠位にある電極本体（すなわち浸透性電極本体12a）のみが負荷Lと電気的に接続されてもよい。放電時には，燃料は，電極本体12e（酸化剤極14の近くにある）から遠くにある電極本体12aに向かって段階的に消費される。中間にある浸透性電極本体12b-dの各々において燃料が十分に消費されると，これらの電極本体は，負荷Lに接続されている燃料極12から電気的に切断される。
一部の実施形態において，切り替えシステム60を用いることにより，浸透性電極本体12b-eを負荷Lに選択的に接続することができる。一実施形態においては，セル10の放電の間中，浸透性電極本体12b-eの全てを負荷Lに接続してもよい。他の実施形態において，どの電極本体（すなわち浸透性電極本体12b-e）が負荷Lと電気的に接続するかについての制御は，放電アルゴリズムによって決定され，具体的な放電モードに依存する。一実施形態において，浸透性電極本体12b-eを選択的に負荷Lと接続し，又は，選択的に負荷Lから切断する決定は，測定，マニュアルによる上書き，制限に基づいて行われる。これらは，工程440において充電モードを決定するために用いられた上述の判断基準450と同様のものである。例えば、浸透性電極本体の一つを接続又は切断する決定は，電圧，電流，電圧の勾配，電流の勾配，充電容量，又はインピーダンス値もしくはレジスタンス値等の基準に基づいて行われる。このような測定は，様々な実施形態において，電極本体12a-12eの一又は複数において行われてもよく，一又は複数セル10の全体において行われてもよい。一実施形態において，センサ装置236等のセンサは，電極本体12a-eの一又は複数及び／又はセル10の一又は複数と関連付けられており，測定を行うために用いられる。
上述のように，一実施形態において，センサ装置236は，例えば、電圧計（デジタル又はアナログ），ポテンショメーター，又はこれら以外の複数のスイッチの構成を変更するタイミングを決定するために用いられる電圧測定装置であってもよい。一部の実施形態において，センサ装置236は，電流，抵抗，又は，複数のスイッチの構成を変更するタイミングを決定するために用いることができる前記以外のセル10の任意の電気的特性又は物理的特性を測定することができる。一部の実施形態において，コントローラ230は，時間の漸進的な経過に基づいて切り替えシステム60のスイッチを制御することができる。例えば、一実施形態においては，隣接する電極本体間で燃料消費の時間が既知であれば，この既知の時間を用いて，切り替えシステム60を動作させるタイミングを計算し，電極本体12b-eのうち消耗したものを切断することができる。
これまでに説明した実施形態は，本発明の構造面及び機能面の原理を説明するためにのみ提示されたものであるから，限定的なものと解するべきではない。逆に，本発明は，特許請求の範囲の趣旨及び射程内にある全ての変更，代替物，及び改変を含むことを意図するものである。
本出願において請求項に記載された発明は，Fluidic, Inc.によって保有されるものであり，Fluidic, Inc.と前記Board of Regents for and on behalf of Arizona State Universityを代理するArizona Science and Technology Enterprises, LLCとの間で締結され，請求項に記載された発明が開発される前に効力を生じたライセンス契約の範囲内の活動に結果として開発されたものである。このライセンス契約は，米国特許法第103条(c)(2)及び(3)に規定する共同研究契約に当たるものである。
Claims (26)
- 互いに離間して配置された複数の浸透性電極本体を含む燃料極と，
前記燃料極から離間している酸化剤極と，
（a）酸化剤極，（b）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間している第３の電極，及び（c）前記燃料極の一部分から成る群より選択される充電用電極と，
前記電極と接触しているイオン伝導性媒体と，
前記燃料極の複数の前記電極本体に接続されたコントローラと，
を備え，
前記コントローラは，前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに少なくとも一つの浸透性電極本体をカソードとして機能させて，前記充電用電極と前記浸透性電極本体の少なくとも一つとの間に電流を印加するように構成され，前記イオン伝導性媒体中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記少なくとも一つの浸透性電極本体に酸化可能な形態で金属燃料として析出し，前記析出によって前記浸透性電極本体の間に前記金属燃料が成長し，前記析出した金属燃料が前記浸透性電極本体間に電気的接続を確立し，
前記コントローラは，前記析出した金属燃料の成長速度及び成長密度を調整するために，少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，各々がカソードとして機能している様々な数の前記浸透性電極本体に前記電流を選択的に印加するように構成されている電気化学セル。 - 前記コントローラが，
（1）前記電流が前記アノードとして機能する前記充電用電極を用いて前記浸透性電極本体のうち末端の電極本体に印加され，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形態で金属燃料として析出するように前記末端の電極本体が前記カソードとして機能し，前記析出によって前記浸透性電極本体間における前記金属燃料の成長が起こり，前記電気的接続が確立すると後段の浸透性電極本体の各々において発生する前記還元及び析出によって前記析出した金属燃料が前記末端の電極本体と後段の浸透性電極本体の各々との間に電気的接続を確立する高密度段階的成長モードと，
（2）前記アノードとして機能する前記充電用電極を用いて前記電流が複数の前記電極
本体に同時に印加され，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形態で金属燃料として析出するように複数の電極本体の各々がカソードとして機能し，前記析出によって前記金属燃料間における前記浸透性電極本体の成長が起こる高速成長モードと，
から選択するように構成された請求項１に記載の電気化学セル。 - 前記コントローラが，前記高速成長モードにおいて，前記電流を全ての前記電極本体に同時に印加するように構成された
請求項２に記載の電気化学セル。 - 前記コントローラが，前記高速成長モードにおいて，前記電流を全ての前記電極本体よりも少ない数の電極本体に対して同時に印加するように構成された請求項２に記載の電気化学セル。
- 前記コントローラが，再充電動作を実行する間に前記電流が印加される電極本体の数を変更するように構成された請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記コントローラが前記電気化学セルの状態を検出するセンサに接続され，前記入力パラメータが前記センサによって入力される請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記入力パラメータがユーザ入力によって入力される請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記入力パラメータが制限パラメータであり，前記コントローラがセル特性を前記制限パラメータと比較するようにさらに構成された請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記セル特性は，電圧，容量，電極間のインピーダンス，電極又は電圧の勾配，電流，検出電極に対する抵抗，又は前記充電用電極との短絡である請求項８に記載の電気化学セル。
- 前記イオン伝導性媒体が電解質である請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記コントローラと複数の電極本体との間に動作可能に接続された複数のスイッチをさらに備え，前記コントローラは，複数のスイッチの各々について開状態及び閉状態を制御して，前記電流を複数の電極本体の一部に選択的に印加するように構成された請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記高速成長モードにおいて，前記充電用電極がアノードとして機能する複数の電極本体の一部を含むとともに前記燃料極がカソードとして機能する複数の電極本体の一部を含むように前記電流が複数の電極本体に同時に印加され，アノードとして機能する複数の電極本体によってカソードとして機能する複数の電極本体の各々が互いから分離されている請求項２に記載の電気化学セル。
- 前記コントローラが充電／放電コントローラである請求項１、請求項２、請求項６、請求項８、及び請求項１２のいずれか１項に記載の電気化学セル。
- 電気化学セルを再充電する方法であって，
前記電気化学セルは，
互いに離間して配置された複数の浸透性電極本体を含む燃料極と，
前記燃料極から離間している酸化剤極と，
（a）酸化剤極，（b）前記燃料極及び前記酸化剤極から離間している第３の電極，及び（c）前記燃料極の一部分から成る群より選択される充電用電極と，
前記電極と接触しているイオン伝導性媒体と，
前記燃料極の複数の前記電極本体に接続されたコントローラと，
を備え，
前記コントローラは，前記充電用電極をアノードとして機能させるとともに少なくとも一つの浸透性電極本体をカソードとして機能させて，前記充電用電極と前記浸透性電極本体の少なくとも一つとの間に電流を印加するように構成され，前記イオン伝導性媒体中の還元性金属燃料イオンが還元されて前記少なくとも一つの浸透性電極本体に酸化可能な形態で金属燃料として析出し，前記析出によって前記浸透性電極本体の間に前記金属燃料が成長し，前記析出した金属燃料が前記浸透性電極本体間に電気的接続を確立し，
前記コントローラは，前記析出した金属燃料の成長速度及び成長密度を調整するために，少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，各々がカソードとして機能している様々な数の前記浸透性電極本体に前記電流を選択的に印加するように構成されており，
前記方法は，
前記少なくとも一つの入力パラメータに基づいて，高密度段階的成長モードと高速成長モードとから選択する工程と，
前記高密度段階的成長モード及び前記高速成長モードのうち選択されたモードに基づいて前記電気化学セルを充電する工程と，
前記充電する工程を終了するために前記電流を切断する工程と，
を備え，
前記高密度段階的成長モードにおいて，前記充電する工程は，
前記還元性金属燃料イオンが還元されて末端の浸透性電極本体に酸化可能な形態で金属燃料として析出するように，前記アノードとして機能する前記充電用電極及び前記カソードとして機能する前記末端の電極本体とを用いて，前記浸透性電極本体のうち末端の電極本体に前記電流を印加する工程と，前記電気的接続が確立すると後段の浸透性電極本体の各々において発生する前記還元及び析出によって前記析出した金属燃料が前記末端の電極本体と後段の浸透性電極本体の各々との間に電気的接続を確立するように，前記析出によって前記浸透性電極本体間における前記金属燃料の成長が起こる工程と，を含み，
前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，
前記アノードとして機能する前記充電用電極とカソードとして機能する複数の電極本体の各々とを用いて，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形態で金属燃料として析出するように，前記電流を複数の前記電極本体に同時に印加する工程と，前記析出によって前記金属燃料間における前記浸透性電極本体の成長が起こる工程と，を含む方法。 - 前記高速成長モードにおいて，前記充電用電極は，カソードとして機能する複数の前記電極本体に隣接する複数の電極本体の一又は複数を含む請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，カソードとして機能する前記電極本体のいずれかと前記充電用電極のいずれかとの間に形成された電気的接続を判断するために複数の電極本体の一又は複数において導通テストを実行する工程と，前記電極本体のいずれかを切断する工程と，をさらに備える請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記少なくとも一つの入力パラメータは，前記電気化学セルに対応づけられたセンサによって取得された測定値を含み，前記センサを用いて，前記電気化学セルの前記測定値を検出する工程をさらに備える請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記少なくとも一つの入力パラメータが，前記高密度段階的成長モード又は前記高速成長モードのユーザ入力によって入力されたユーザによる選択を含み，前記ユーザ入力を介してユーザの選択を取得する工程をさらに備える請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記少なくとも一つの入力パラメータが制限パラメータであり，前記コントローラは，セル特性を前記制限パラメータと比較して前記選択を実行する請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，前記電極本体の全てに同時に前記電流を印加する請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，前記電極本体の全てよりも少ない数の電極本体に同時に前記電流を印加する請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記充電する工程は，前記コントローラを用いて，再充電動作を実行する間に前記電流が印加される電極本体の数を変更する請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記電気化学セルの前記イオン伝導性媒体が電解質である請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記電気化学セルは，前記コントローラと複数の電極本体との間に動作可能に接続された複数のスイッチをさらに備え，前記充電する工程は，前記コントローラを用いて複数のスイッチの各々について開状態及び閉状態を制御することにより，前記電流を複数の電極本体の一部に選択的に印加する請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記高速成長モードにおいて，前記充電する工程は，前記充電用電極がアノードとして機能する複数の電極本体の一部を含むとともに前記燃料極がカソードとして機能する複数の電極本体の一部を含むように前記電流を複数の電極本体に同時に印加し，アノードとして機能する複数の電極本体によってカソードとして機能する複数の電極本体の各々が互いから分離されている請求項１４に記載の電気化学セル充電方法。
- 前記コントローラが充電／放電コントローラである請求項１４、請求項１７、請求項１９、及び請求項２４のいずれか１項に記載の方法。
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