JP6935012B2 - 回転するアノードおよびカソード組立体を有する空気金属バッテリ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第６２／５６７，９６３号（２０１７年１０月４日に出願）および米国特許出願第６２／７２０，９５７号（２０１８年、８月２２日に出願）の非仮特許出願の優先権を主張するものである。

[0002]本明細書で開示される主題は金属空気バッテリに関する。金属空気バッテリは、可動式の電源および固定されて分布される電源としての有望な用途を表すような高エネルギー密度電源を提供する。金属空気バッテリはハイブリッド自動車および飛行機に見られる内燃エンジンに取って代わる潜在能力を有する。その理由は、エネルギー密度および変換効率が、炭化水素燃料のものとほぼ等しいからである。

[0003]図１は、従来のアルミニウム−酸素のセルシステム１００の概略図を描いている。システム１００は、空気金属バッテリ１０２と、空気ブロア１０４または酸素供給１０６と、二酸化炭素スクラバ１０８とを備える。フィルタ１１２を備える電解質タンク１１０がさらに存在する。熱交換器１１４と、ポンプ１１６とを備える冷却システムが提供される。電解質ポンプ１１８は、空気金属バッテリ１０２およびガス分離器１２０を通って電解質を送り出す。ノックアウトタンク１２２および水素処理システム１２４がさらに存在する。

[0004]図２は、空気金属バッテリ１０２の一部分をさらに詳細に描いている。金属アノード２００と、電解質２０２と、空気呼吸カソード２０４が示されている。空気呼吸カソード２０４は、酸素の還元を促進する触媒を含む導電性マトリックスの中に埋設された導電性の電荷収集スクリーンを含むことができる。ガスに対して浸透性であるが液体の電解質に対して浸透性ではない疎水性層が存在する。化学反応のために必要である酸素が空気呼吸カソード２０４の中を通ることができるがそれでもアノードの表面に接触する定位置で液体の電解質を保持することができる。金属アノード２００は、亜鉛、マグネシウム、鉄、およびアルミニウムなどの、多様な金属から作られる。一実施形態では、金属アノード２００は、材料が低コストおよび低密度であることを理由として、アルミニウムである。

[0005]金属空気バッテリには、付随的な腐食（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）の問題が生じることが知られている。アノードプレートの縁部の腐食および表面の付随的な腐食が形状を変化させ、またこの腐食によるアノードとカソードとの間の距離の変化を理由としてＩ^２Ｒ損失（電気抵抗）を変化させる。新しい金属アノードの機械的装填により、電池電解質の排水後に電解質が捕捉されるのを防止することを目的とする高整合性の縁部シールが金属アノード上に必要となる。

[0006]金属空気バッテリの金属アノードが動作中に消費されることから、システムの性能および信頼性に関していくつかの問題を生じさせる。固定されたアノードカソードを有する金属空気バッテリには、カソードから離れるような金属アノード表面の腐食によりアノードとカソードとの間の抵抗が増大するという問題が生じる。加えて、カソードに直接には平行ではない金属アノードの縁部では、正常な環境において水素ガスを発生させる可能性もある付随的な腐食が生じる。金属アノードの縁部を保護することにおけるいくつかの方法が考え出されており、これらの方法はこの問題を制御するのに十分ではあるが、金
属アノードの機械的再装填を複雑なものとする。その理由は、アノードが電解質の中に直接に浸漬されることで、システムを完全に密閉することが必要となるからである。

[0007]金属空気バッテリ内の電気回路が遮断されると（例えば、停止する）、即座に電解質が金属と反応し、バッテリシステムから放出されなければならないような危険な量の水素ガスを生じさせる。水素気泡が迅速に電解質中にたまってバッテリの電気抵抗を増大させ、その結果、バッテリが即座に再起動される場合でも、水素気泡を有する電解質がシステムから流し出されるまでは最大電力が利用可能とはならない。このように電解質を圧送して流し出すには、システムから水素ガスを安全に除去するのを可能にするためにガスおよび液体を分離する「ノックアウト」システムが必要となる。ノックアウトシステムは、通常、溶液からガスを分離するのを可能にするためのバッフルを介する何らかの種類の液体のカスケードを使用する。金属空気バッテリから電解質を排水することを試みることにより電力出力が中断されるが、小さい液滴および金属アノードの液体膜コーディングが生じてそれにより大量の水素ガスが生じて金属を腐食し、それにより不均一な窪みおよび空隙を生じさせ、これらの窪みおよび空隙が効率およびシステムで利用可能となる電力の大きさを低下させることが分かっている。これらの問題の結果として、すべての金属空気バッテリは、起動されて、金属アノードを使い果たすようになるまで動作し続けることになるように、設計されている。まとめると、金属空気バッテリを停止させてからシステム全体にダメージを与えることなく金属空気バッテリを再起動することが非常に困難であり、したがって金属空気バッテリはアノードの寿命にわたって起動状態のままである。

[0008]いくつかの金属空気バッテリはアノードまたはカソードが位置を調整して金属アノード表面の腐食を追跡するのを可能にする。これがＩ^２Ｒ損失を低減する。しかし、これらのシステムはアノードカソード組立体の異なるエリアの間の電界の不一致性を生じさせない。加えて、このようなシステムは、すでに動作しているシステムから電解質を完全に除去するのを実現することができない。

[0009]上記の考察は単に概略的な背景情報のために提供されるものであり、特許請求される主題の範囲を決定することの一助として使用されることを意図されない。

[0010]第１の実施形態で、空気金属バッテリが提供される。空気金属バッテリは、カソード表面を有するカソード組立体であって、カソード組立体が、カソード組立体を通ってカソード表面から出る、電解質流体を圧送してそれによりカソード表面に静水力学の力（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）を生じさせるための流体経路を備える、カソード組立体と、カソード表面の近傍に配置されたアノードであって、アノードが、カソード組立体を基準としてアノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受によりカソード組立体の近傍に配置される、アノードと、スラスト軸受を回転させるためのシャフトであって、シャフトが、電荷を集める摺動導体に接触している、シャフトと、を備え、空気金属バッテリの動作中、アノードが電解質流体の流体力学の力により一定の距離でカソード表面から離間された状態を維持する。

[0011]第２の実施形態では、空気金属バッテリが提供される。空気金属バッテリは、アノードディスク、カソード、および電解質流体であって、カソード組立体が、カソード表面と、空気金属バッテリによって発生する電気を集めるための電気コレクタとを有し、カソード組立体が、カソード組立体を通ってカソード表面から出る、電解質流体を圧送してそれによりカソード表面に静水力学の力を生じさせるための流体経路を備え、カソード組立体が、空気チャンバを通すようにさらにはカソード表面を介して外に出すように酸素を運搬するための空気入口および空気出口を有する空気チャンバをさらに備える、アノード
ディスク、カソード、電解質流体と、カソード表面の近傍に配置されたアノードであって、アノードが、カソード組立体を基準としてアノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受によりカソード組立体の近傍に配置される、アノードと、スラスト軸受を回転させるためのシャフトであって、シャフトが、電荷を集める摺動導体に接触している、シャフトと、を備え、空気金属バッテリの動作中、アノードディスクが電解質流体の流体力学の力によりカソード表面から離間された状態を維持する。

[0012]第３の実施形態では、バッテリ組立体が提供される。バッテリ組立体は、複数の空気金属バッテリおよび電解質流体を包囲するハウジングであって、複数の空気金属バッテリ内の各空気金属バッテリがアノードディスクおよびカソード組立体を有し、カソード組立体が、カソード表面と、空気金属バッテリによって発生する電気を集めるための電気コレクタとを有し、カソード組立体が、カソード組立体を通ってカソード表面から出る、電解質流体を圧送してそれによりカソード表面に静水力学の力を生じさせるための流体経路を備え、カソード組立体が、空気チャンバを通すようにさらにはカソード表面を介して外に出すように酸素を運搬するための空気入口および空気出口を有する空気チャンバをさらに備え、アノードがカソード表面の近傍に配置され、アノードが、カソード組立体を基準としてアノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受によりカソード組立体の近傍に配置される、ハウジングを備え、バッテリ組立体が、複数の空気金属バッテリ内で各スラスト軸受を回転させてそれにより各アノードディスクを回転させるためのシャフトをさらに備え、シャフトが各空気金属バッテリ内の摺動導体に接触しており、各摺動導体が電荷を集め、空気金属バッテリの動作中、各アノードディスクが電解質流体の流体力学の力により対応するカソード表面から離間された状態を維持する。

[0013]本発明のこの簡単な説明は、１つまたは複数の例示の実施形態に従って、本明細書で開示される主題の概略を提供することのみを意図され、特許請求の範囲を解釈するためのあるいは本発明の範囲を定義するまたは限定するための案内として機能するものではない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって定義される。この簡単な説明は、後で詳細な説明においてさらに説明される概念の例示の選択を単純な形で紹介するために提供されるものである。この簡単な説明は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図されず、また、特許請求される主題の範囲を決定することにおける一助として使用されることを意図されない。特許請求される主題は、背景技術に記載される任意のまたはすべての不利益を解決する実装形態のみに限定されない。

[0014]本発明の特徴を理解することができるように、そのうちの一部が添付図面に示されている特定の実施形態を参照することにより本発明が詳細に説明され得る。しかし、図面が本発明の特定の実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定するものとしてみなされない、ことに留意されたい。その理由は、本発明の範囲が他の同様の効果的な実施形態を包含するからである。図面は正確な縮尺ではなく、本発明の特定の実施形態の特徴を説明するために概して強調が行われる。図面では、種々の図を通して同様の部品を示すために同様の参照符号が使用される。したがって、本発明をさらに理解することができるように、図面に関連させて読めるよう以下の詳細な説明を参照することができる。

[0015]金属空気バッテリを利用するシステムを示す概略図である。 [0016]金属空気バッテリを示す概略図である。 [0017]図３Ａは、アノードディスクを示す外形図である。図３Ｂは、アノードディスクを示す上面図である。 [0018]ディスク駆動モータにより部分的にカソードディスクの下で保持されるアノードディスクを示す外形図である。 [0019]カソードディスクを基準としたアノードディスクの移動を示している、図４の実施形態を示す上面図である。 [0020]図６Ａは、図４のカソードディスクを示す底面図である。図６Ｂは、カソードディスクを示す外形図である。 [0021]図７Ａは、アノードディスクを示す外形図である。図７Ｂは、アノードディスクを示す底面斜視図である。図７Ｃは、アノードディスクを示す底面図である。 [0022]図８Ａは両側式のアノードディスクを示す底面図である。図８Ｂは、アノードディスクを示す側面図である。図８Ｃは、アノードディスクを示す斜視図である。図８Ｄは、プラスチック製の設置用ブラケットに設置されたアノードディスクを示す斜視図である。 [0023]２つのアノードディスクを両側に配置したカソード組立体を示している、金属空気バッテリを示す分解図である。 [0024]カソード組立体を示す側面図である。 カソード組立体を示す外部図である。 カソード組立体の内部構造を示している、その半体を示す内部図である。 [0025]金属空気バッテリを示す側断面図である。 [0026]図１１Ａは、金属空気バッテリを示す上面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの金属空気バッテリを示す断面図である。 [0027]複数のセルを備える空気金属バッテリ組立体を示す側面図である。 [0028]隣接するカソード組立体からのアノードディスクの取り外しを示す図である。 [0029]図１４Ａは、開示された空気金属バッテリと共に使用されるための摺動可能な装填カートリッジ（ｓｌｉｄｉｎｇ ｌｏａｄ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）を示す図である。図１４Ｂは、開示された空気金属バッテリと共に使用されるための摺動可能な装填カートリッジを示す図である。図１４Ｃは、開示された空気金属バッテリと共に使用されるための摺動可能な装填カートリッジを示す図である。 [0030]図１５Ａは、摺動可能な装填カートリッジを示す追加の図である。図１５Ｂは、摺動可能な装填カートリッジを示す追加の図である。図１５Ｃは、摺動可能な装填カートリッジを示す追加の図である。 [0031]図１６Ａは、摺動可能な装填カートリッジと共に使用されるためのカソード組立体を示す図である。図１６Ｂは、摺動可能な装填カートリッジと共に使用されるためのカソード組立体を示す図である。 [0032]図１７Ａは、複数のセルを使用するバッテリ組立体を示す図である。図１７Ｂは、複数のセルを使用するバッテリ組立体を示す図である。図１７Ｃは、複数のセルを使用するバッテリ組立体を示す図である。 [0033]図１８Ａは、アノードディスクを変化させるのに使用される摺動可能な装填カートリッジを示す図である。図１８Ｂは、アノードディスクを変化させるのに使用される摺動可能な装填カートリッジを示す図である。図１８Ｃは、閉じられた状態の金属空気バッテリを示す図である。 [0034]図１９Ａは、摺動可能な装填カートリッジを示す別の図である。図１９Ｂは、摺動可能な装填カートリッジを示す別の図である。図１９Ｃは、摺動可能な装填カートリッジを示す別の図である。

[0035]本開示は、上述した付随的な腐食および危険な水素ガスの生成なしで電力の完全で迅速な中断を実現する金属空気バッテリに関連する。本開示はまた、最高電力までの迅速な再始動と、金属アノードの完全な消費にわたっての一定の電力出力の生成と、を実現する。開示された空気バッテリのいくつかの実施形態は、高整合性の縁部シールを必要とせず、動作を延ばすことを目的として金属空気バッテリシステムの中に自動で装填され得
る低コストの金属アノード構成を提供する。

[0036]図３Ａおよび３Ｂに示されるように、アノードディスク３００が、従来の空気バッテリにより受けた多くの従来の問題に対しての解決策を提供するように構成されて示されている。アノードディスク３００は、アノードディスク３００と等しい直径のプラスチック製の設置用ブラケット３０４に結合された金属（例えば、アルミニウム）から構成され得る。図３Ａ（側面図）および図３Ｂ（上面図）を参照されたい。プラスチック製の設置用ブラケット３０４は、モータ駆動式アーム４００（図４を参照）への自動の装填を容易にするために設置される中心シャフト３０６を有する。アノードディスク３００は、アノードディスク３００からの電気伝導性を実現するためのモータ駆動式アーム４００に設置される。モータ駆動式アーム４００は、電気モータで見られるようなものと同様のワイパブラシまたは他の誘導性磁気継手を介して電気を受け取る固定式の集電装置回路を備える。

[0037]図５を参照すると、金属空気バッテリの一実施形態は、アノードディスク３００と、単一のアームピボット５００上に設置されるモータ駆動式アーム４００とを有し、単一のアームピボット５００がディスク装填ステーション（未使用のディスクを装填するための）とバッテリカソードステーション（電力下で運転するための）との間で前後に移動することができる（矢印５０４を参照）。バッテリカソードステーションのカソードディスク５０２が図５に描かれている。カソードディスク５０２は、電荷を集めるのを実現するように、反応のための酸素交換を可能にするように、および動的な液体軸受および静的な液体軸受により活性電極の間隔保持を実現するように、設計される。

[0038]図６Ａ（底面図）および図６Ｂ（側面図）を参照すると、カソードディスク５０２が表面液体軸受チャンネル（ｓｕｒｆａｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ）６００を有し、表面液体軸受チャンネル６００を通して電解液が圧送され、それによりアノードディスク３００の表面の上方でカソードディスク５０２を「浮遊」させるのを可能にする。電解質が供給用孔６０２に入って流体経路６０４を通って移動してチャンネル６００から外に出る。カソードディスク５０２がアノードディスク３００のすぐ上の定位置で固定され、プラスチック製の設置用ブラケット３０４の方に向かって後方に化学研磨されるときのアノードディスク３００の表面に追従するために垂直方向に上下に移動することができる。このデザインが、アノードディスク３００とカソードディスク５０２との間の隙間を一定に維持することを目的としてカソードディスク５０２の表面減少に追従するようにアノードディスク３００が垂直方向に上下に移動するのを可能にすることを必要とする場合、この構成が逆にされてよい。電解質がカソード組立体から押し出される。一実施形態では、アノードディスクおよびカソード組立体が並置される。別の実施形態では、アノードディスクがカソード組立体の上方に配置される。

[0039]図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃを参照すると、単一ディスクの金属バッテリシステムの一実施形態が示されている。アノードディスク３００は、プラスチック製の設置用ブラケット３０４として機能する射出形成された円形ＰＶＣプラスチック設置用基部に結合または接着される５０００番系アルミニウムディスクまたは６０００番系アルミニウムディスクである。プラスチック製の設置用ブラケット３０４の中心に、溝を備える円形設置ポイント７００が存在し、これらの溝により、玉軸受を使用してモータ駆動式アーム４００に機械的に取り付けられることが可能となる。整流子リングブラシ７０２がプラスチック製の設置用ブラケット３０４の中に成形され、プラスチック製の設置用ブラケット３０４がアノードディスク３００に電気的に接続される。整流子リングブラシ７０２がその表面上で動作するブラシを有し、ブラシがバッテリ回路を完成することを目的としてモータ駆動の固定部分に電流を送る。グラファイト整流子ブラシはＤＣモータに見られるものと同様のものであり、新しいディスクを装填したり取り外したりすることを目的として引
っ込められ得る。図７Ｃの実施形態では、電気コレクタメッシュグリッドがカソードの背面上に配置され、ハッチ状の外観を与える。

[0040]動作の開始時、モータ駆動式アーム４００がディスク保管カラム（図示せず）の下を移動し、ここで、新しいディスクがモータ駆動式アーム４００上に装填される。次いで、モータ駆動式アーム４００が水平に移動し、ここでは、モータ駆動式アーム４００が上方に移動してカソードディスクの中心に係合される。電解質をカソードディスク５０２の表面上のチャンネル６００の中へ圧送してそれにより金属アノードディスク３００から固定された距離のところでカソードディスク５０２を浮遊させることにより、金属空気バッテリが始動される。すぐに電流が流れ始め、金属アノードディスク３００が数百ｒｐｍ（例えば、２００ｒｐｍから５００ｒｐｍ）でスピンさせられ、それによりディスクの縁部から電解質を除去するのを促進し、システムによって生成されたいかなるガスも積極的に排出するのを実現する。この低ｒｐｍのスピンにより、さらに、金属表面の一様な直流電気による腐食が促進され、それにより動作中にディスクが滑らかな状態で維持され、一様な高さで維持される。スピンするアノードディスクまたはカソードディスクの垂直方向の移動が動作中の電極隙間を一定に維持し、それにより、標準的な固定されたアノード金属空気バッテリシステムの腐食を原因とするような抵抗の増大を引き起こすことなく、厚い金属アノードをバッテリ内で使用することが可能となる。米国特許第４、０５３、６８５号で説明されるシステムが、カソードおよびアノードの移動が如何にしてより高い効率を実現してさらには単一セルシステム内で大幅により厚い金属アノードの使用するのを如何にして可能にするかを示している。

[0041]金属空気バッテリを停止させるために、電解質ポンプが停止させられ、アノードディスク３００がカソードディスク５０２から離れるように降下させられ、同時に毎分最大数千回転（ｒｐｍ）（例えば、大きいディスクの場合に１０００ｒｍｐを超えるかまたは小さいディスクの場合には２２００ｒｐｍを超える）までスピンさせられ、カソードディスク５０２から離れるように水平に移動させられる。これは、電解質を乾燥させるために金属表面をスピンさせるために行われるものである。この乾燥はアノードディスク３００上で迅速に行われ、同時にこの時点で空であるカソードディスク５０２から落下する残留電解質を除去する。他の実施形態では、アノードディスク３００の移動が制限される場合、カソードディスク５０２も同様にスピンさせられて乾燥される。これを達成するために他の機械的構成がシステムに組み込まれてもよい。例えば、アノードディスク３００がカソードディスク５０２の下から外れるように移動させられ得、それにより停止後にアノード表面への液滴が防止される。加えてまたは別法として、ドアまたは他のバリアがアノードディスクとカソードディスクとの間に導入され得、それにより電解質がアノード表面上に落下することを防止する。残留電解質をカソードの表面から除去するために機械的ワイパが使用されてもよいか、またはアノードの表面への重力による液滴を防止するためにシステムが完全に上下逆さにされてもよい。金属空気バッテリのいくつかの実施形態では、すべての化学反応を迅速に停止させるためにアノードディスクおよびカソードディスクの高「ｇ」スピンを利用することが望ましい。カソードまたはアノードが前後にまたは上下に移動するかは、それぞれのディスクでのスピン乾燥サイクルの次のことである。このスピン乾燥手法の１つの主要な利点は、ディスクの縁部が最も大きいＧ力を受けることを理由として、付随的な腐食を防止するためにアノードディスク３００のいかなる種類の縁部処理も必要ない、ということである。これにより、多くの従来のシステムで使用される液密シールが完全に排除される。このシールを排除することにより、標準的な金属空気バッテリシステムで見られるような完全なシールを必要とする平坦なプレート電極を装着する場合とは異なり、ディスクを容易に装着することが実現される。従来の正方形金属プレートの完全なシールの場合では通常工場環境において手動で装着することが必要であった。

[0042]アノードディスク３００のスピン制御のために使用されるモータ駆動式アーム４００は、完成システムのパッケージ深さを低減するために、平坦な「パンケーキ」スタイルのモータである。動作中、モータ駆動式アーム４００が液体軸受の非常に低い摩擦下で動作する。スピン乾燥中のディスクの慣性により、低電流の比較的小型のモードでも適し得るようにすることが可能となる。スキャナまたはオフィスプリンタで見られる種類の小型ステッパモータを使用することにより、スピンモータ／ディスクプラットフォームを水平方向において位置決めすることが達成され得る。

[0043]カソードディスク５０２は、埋設された金属ワイヤ集電体を備える低コストの木炭マトリックスから製造され得るか、または埋設された金属ワイヤ集電体を備える導電性シリコーンベースの材料から製造され得る。当業者にはよく知られる他のカソード材料が、カソードディスク５０２の製造に適用されてもよい。開示されたカソードディスク５０２に特有のものとして液体軸受チャンネル６００が存在し、動作中、液体軸受チャンネル６００を通って電解質が圧送される。これらの液体軸受チャンネル６００は製造時にカソードディスク５０２の中に機械加工されるかまたは成形され、最小の電解質の流れを利用するときの最大限の流体力学的なおよび／または静水力学的な持ち上げに見合うように位置決めおよびサイズ決定される。電解質流体が液体軸受チャンネル６００から放出されるときに、ここでは、アノードディスクは回転していてもまたは回転していなくてもよいが、静水力学の力が生じる。電解質流体が回転するディスクに接触するときに、流体力学の力が生じる。静水力学の力がディスクの回転を自己安定させ、それにより空気金属バッテリの動作中に一様な隙間を維持する。一実施形態では、隙間が１〜２ｍｍの間である。大型のディスクを利用する他の実施形態では、隙間が３〜５ｍｍであってよい。この一定の隙間が、ディスクの回転と相まって、ディスクの一様なスキャニングを可能にする。これにより、ディスクを対称性をもって消費することが促進される。

[0044]さらに、液体軸受チャンネル６００が、カソードディスク５０２の１セクションにわたって電界を一様にするのを促進するために位置決めされ、それにより、回転時、１回転中にアノードディスク３００の表面を「スキャニング」して、アノード表面の一様な化学研磨を実現する。描かれる実施形態では、４つのチャンネルが９０度の角度で示される。限定しないが説明のために、１７．８ｃｍ（７インチ）のアノードディスクを使用するバッテリが、０．６４ｃｍ（４分の１インチ）の幅および５ｃｍ（２インチ）の長さを有するチャンネルを使用することができる。より大型のディスクの場合、相対的サイズは概して等しくてよい。チャンネルはさらに、カソードの１セクションにわたって電界を一様にするのを促進するために位置決めされ、それにより、回転時、１回転中に、完成したアノードディスクの表面を「スキャニング」して、アノード表面の一様な化学研磨を実現する。動作中、端部ばねの力が電解液軸受によって支持され、その結果、動作中、アノード表面がカソード表面に実際には接触せず、代わりに約１ｍｍの液体隙間を有する。アノードディスクのための駆動モータが端部ケーシング上に設置され、ここではアノードディスクがインターロックされており、それにより、各ディスクに機械動力を伝えるシャフトを提供する（図１１Ａおよび図１１Ｂ）。

[0045]カソードディスク５０２が、カソード組立体の下から出すようにアノードディスク３００を移動させるのを可能にすることを目的として、スピンするアノードディスク３００から離れるように持ち上げられ得るように設置される。これが、磁気ソレノイドまたは電気モータシステムによって達成される。動作中、カソードディスク５０２の重量が電解液軸受によって支持され、したがって、静的な軸受動作中に、またはアノードディスク３００に対しての電解質の静水力学的作用中に、電解質供給ポンプによって決定される電解質供給圧力から外れるような積極的なモータ制御が行われない。

[0046] モータ駆動式アーム４００が単一アームピボット５００（図５を参照）に設置され得、単一アームピボット５００が、ディスク装填−取り外し機構の下でカソードディスク５０２までおよびカソードディスク５０２からアノードディスク３００を前後に移動させる。このデザインにより新しいディスクをコンパクトに保管することが可能となり、その時点においては装填されているがスピンさせられてはいない乾燥したディスクを完全な乾燥状態で保管することが可能となる。カソードディスク５０２およびアノードディスク３００の両方をスピンさせることにより、水平方向の駆動の必要性を排除する代替的構成が達成され得る。いずれのシステムも多様な用途に対して選択され得、あるいは適合され得、他のシステムに一体化されるのを促進するために選択され得る。いずれの解決策も起動・停止能力が等しい。

[0047]一実施形態では、バッテリが、アノードディスク８００と等しい直径のプラスチック製の設置用ブラケット８０２に結合される２つの対向する金属表面８１０を有するアノードディスク８００を備える。図８Ａおよび図８Ｂを参照されたい。アノードディスク８００の中心にスタブシャフト８０４が存在し、ここでは、対応するスロットに合わせて割出しされるスプライン８０８を用いて、ばね式導体８０６がスタブシャフト８０４に取り付けられる。このばね式導体８０６がアノードディスク８００の一方の側に設置され、その結果、ばね式導体８０６がアノードディスク８００に電気的に接続される。アノードディスク８００が、二切れのパンの間にあるチーズのようにカソード組立体の間に装填される。別の実施形態では、図８Ｃおよび８Ｄに示されるように、アノードディスク８００がプラスチック製の設置用ブラケット８１２の一方側に結合され、プラスチック製の設置用ブラケット８１２が、取付具８１４により、中心スタブシャフト８１６に機械的にまたは磁気的に取り付けられる形状を有する。アルミニウムアノードの中心には、アルミニウムアノードとモータシャフトとの間の電気接続を実現するばね接点が位置する。モータシャフトが、直列または並列の接続のために、アルミニウムからバッテリシステムまで電流を伝導する。

[0048]図９に示されるように、カソード組立体９００が、２つの隣接するアノードディスク８００を両側に配置している。カソード組立体９００の分解図が図１０に示される。カソード組立体９００が内部空隙を有し、この内部空隙は電解質を内部空隙に入れないように密閉されている。頂部に空気入口９０２および空気出口９０４が存在し、その結果、ファン（例えば、空気ブロア１０４）が内側空隙に入れるようにおよび内側空隙から出すように空気を移動させることができ、それによりカソード組立体９００の背面に酸素を提供する。電極が空気チャンバの両側に設置される。これらの電極は回路の異なる部分にあり、互いに電気的に接続されない。電極材が、空隙の内部からの酸素交換のためのエリアを提供する孔を有する金属プレート上で支持される。

[0049]図１０Ａ、１０Ｂ、および図１０Ｃに示されるように、表面１０００を備えるカソード組立体９００は、疎水性バインダを備える炭素ベースの粉末と、高速酸素還元反応（ＯＲＲ：Ｏｘｙｇｅｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）を実現する触媒物質とから構成される。このような材料は当技術分野で既知である。カソード組立体９００は各々の側に金属プレート１００２を有する両面式である。表面１０００は、表面１０００の中を酸素が通るのを可能にする導電性の電荷収集スクリーン１００４を有する。金属プレート１００２の外側表面１００６上に、十字形として等間隔に離間された４つの凹形の液体軸受チャンネル１００８を見ることができる。これらのチャンネル１００８が、電力生成、冷却、および液体軸受としての潤滑のために、電解質をアノードディスク８００まで運ぶ１つまたは複数の管に接続される。カソード組立体９００の内部に、密閉された軸受上に設置された回転式スピンシャフト１０１０が存在し、この回転式スピンシャフト１０１０が、一方のアノードディスクから隣のアノードディスクまで回転動力を伝える（例えば、図９の２つのアノードディスク８００を参照されたい）。一実施形態では、スラスト軸受が使用される。スラスト軸受は、作動流体として電解質を使用する静水力学のまた
は流体力学のスラスト軸受であってよい。スピンシャフト１０１０は、外側銅配線管または導電性メッシュなどの電荷コレクタをさらに有する。電荷コレクタが、アノードディスク８００からの集電のために摺動導体１０１２（例えば、炭素ブラシまたは同様の構造）に接続される。この電流が、対応する金属スクリーンに対向するカソード組立体９００に送られ、それにより金属空気バッテリの複数のセルの構成内で直列の電力接続を実現することが可能となる。

[0050]各カソード組立体の中心に密閉された軸受が存在し、軸受の各側にスピンシャフトが設置される。このスピンシャフト１０１０が、２つのカソード表面のうちの一方に電気接続のための整流子リングを収容する。整流子ブラシ１０１４が金属プレートのうちの一方に直接設置され、それによりカソードに対しての直接的な電気接続を実現する。各カソード組立体の基部にある４つの貫通孔１０１６が４つの支持棒に接続され、それによりカソード組立体が互いに自由に移動することが可能となる。この移動により、バッテリ動作中に金属を消費するときに各アノードディスクの厚さを変化させることが促進される。図１０Ｄに示されるように、下側のセットの支持棒の上に電気機械スペーサ１０１８が存在し、電気機械スペーサ１０１８が、使用済みのアノードディスクを取り外して新しい未使用のアノードディスクを装填するために、カソードを押して離間させる。カソードが順番に開けられ、それによりセルの全束に必要となるハウジングスペースが制限される。

[0051]図１１Ａは、複数の空気金属バッテリセルを備える空気金属バッテリ組立体の上面図を描いている。図１１Ａに示されるように、アノードディスク８００およびカソード組立体９００が、液体の電解質を収容するのを実現するハウジング１１００の内部で接続される。ハウジング１１００の底部に電解質収集パン（図１１Ａに示されないが、図１２の電解質収集パン１２０４を参照されたい）が存在し、電解質収集パンが、使用された電解質を各セルから収集し、ここで、電解質が共通ポンプ吸入口１２０６の中へ排水されて再調整のために送り出され、その後、セルチャンバの中に再導入される。カソードディスクが非導電性のカソード支持棒１２０８の上に設置され、非導電性のカソード支持棒１２０８が前後の自由な移動を可能にする。アノードディスク８００が内部においてカソード組立体９００の間に設置され、ここでは第１のディスクが単一の共通モータから直接に駆動される。各カソードディスクが、駆動モータの反対側の端部に位置するカソード支持棒１２０８上にある４つの圧縮ばね１１０２により対応するアノードディスク８００の表面の近傍で軽く押される。ばね端部に十分な空間が残され、その結果、任意の２つのカソード組立体９００が、アノードディスク８００の取り外しおよび装着を可能にするために十分に離れるように移動させられ得る。動作中、液体軸受システムの中へ圧送された電解質がカソード組立体９００を押して離間させ、ここでは圧縮ばね１１０２が緩んだ状態となり、その結果、動作中に等しいカソード−アノードの隙間が維持されるようになる。

[0052]図１１Ｂは、内部のシステムを説明するためにカソード組立体９００の頂部が切り取られていることを除いて、等しい上面図を示す。スピンシャフト１０１０および整流子ブラシ１０１４が示されている。

[0053]金属空気バッテリを始動させるために、アノードディスク８００が液体軸受の中で浸漬されるまで、液体がカソードチャンネル６００の中へ圧送される。主駆動モータが始動させられ、１００から２００ｒｐｍの低速で回転する。陰極の中心シャフト１２０２（図１２を参照）のところで、また逆の場合は陽極の最後のカソード組立体１２００のところで、バッテリから動力が送り出される。デバイスの側断面図である図１２を参照されたい。図１２は電解質収集パン１２０４を描いている。主駆動モータを停止させてさらに数秒後に電解質ポンプを停止させることにより、金属空気バッテリが停止させられる。次いで、電気機械スペーサ１０１８がアノードディスク８００の表面から離すようにカソード組立体９００を移動させ、このとき、主駆動モータが始動させられて２５００ＲＰＭを越えるようにアノードディスク８００をスピンさせ、それにより遠心力を利用して各ディスクの表面をきれいに拭き取る。バッテリは概して数秒で起動させたり停止させたりすることが可能で（例えば、１０秒未満）、アノードディスク上の金属を使い果たすかまたは電解質を使い果たすまで、動作することになる。大型のディスクの場合、３０秒が必要になる可能性がある。空気金属バッテリを迅速に切り換えることができる能力は、過剰な水素の生成を低減することおよびアノードディスクにダメージを与えるのを回避することを理由として、有利である。有利には、アノードディスク８００の浮遊する性質により、アノードディスク８００を容易に交換することが可能となる。図１３を参照されたい。

[0054]図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃに示されるように、アノードディスク１４００は、アノードディスク１４００を数秒で取り外したり装填したりするのを可能にする摺動可能な装填カートリッジ１４０２に設置され得る。装填カートリッジ１４０２は、付随の配線を有する１つの中心ディスク駆動モータ１４０４を収容する。装填カートリッジ１４０２の縁部には、カートリッジ駆動モータ（図示せず）に設置されるピニオンギアモータ（図１５Ｂを参照）に噛合するラックギア１４１４が組み込まれ、カートリッジ駆動モータが装填カートリッジ１４０２を持ち上げたり降下させたりする。装填カートリッジ１４０２は、セルモジュールケース１４０８上の見られる２つのトラック１４０６の上を動く。セルモジュールケース１４０８は、後方面に取り付けられるカソード１４１０を有し、その結果、カソード１４１０が、隣接するセルモジュールからの隣接するアノードディスクに接触する。セルモジュールは、空気金属バッテリ（図１を参照）を動作させるのに必要な支持システム装置を収容するエンクロージャの中に挿入されるように設計される。各々の単一セルモジュールは、セルモジュールケースのどちらかの側に溝トラック１４１２を有し、それにより外側ハウジング内でセルを位置合わせすることが可能となる。これらの溝トラック１４１２は正確に離間され、その結果、１つのセルが、アノードディスクを、隣接するモジュール内の対応するカソードの表面に近接させるようになる。

[0055]図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１５Ｃに示されるように、セルモジュールケース１４０８の一方側に空気入口１５００が存在し、空気入口１５００が、密閉された空気チャンバ１５０６の中へ加圧空気を入れるのを可能にし、ここでは一方の壁１５１０がカソード１５０８が存在する。これにより、酸素還元反応（ＯＲＲ）を促進するためにカソードの表面に対して酸素が供給される。さらに、内部にラック・ピニオンギアモータ１５０２が設置され、それによりディスクの取り外しおよび装填のために装填カートリッジ１４０２を移動させる。セルモジュールケース１４０８の底部に電解質入口１５０４が嵌め込まれており、電解質入口１５０４が電解質マニホルドに接続されており、未使用の電解質をモジュールの中へ送り、ここでは、電解質が、バッテリの動作中、可撓性管（図示せず）を介して、カソードの背面側に送られる。

[0056]カソード１６００が、ＯＲＲを可能にする触媒を含む炭素材料の円形の空気呼吸プレートを備える。円形のカソードが疎水性であることから、液体の電解質が、密閉された空気チャンバ１６０８の中へ漏洩することを防止する。空気圧の差に反応してカソードを矢印１６０４の方向に前方へと移動させるのを可能にする蛇腹ループを組み込むシール１６０２（例えば、シリコーンシールなどのエラストマ材料）がカソードを囲んで支持する。別の実施形態では、矢印１６０４の方向におけるカソード表面の移動を制御するために電気機械アクチュエータが使用される。互いに９０度で離間される４つのチャンネル１６０６がカソード１６００の表面の中に成形され、ここでは液体の電解質をカソード１６００の表面に供給する中心孔が存在する。この電解質により、固定されるカソード１６００の表面と回転するアノードディスクとの間に静水力学の軸受が形成され、それにより表
面間の隙間を約０．１６ｃｍ（１６分の１インチ）で維持する。カソード１６００が、カソードプレート後方での空気供給によるより高い圧力によりアノードの方に押され、その結果、アノードが消費されるときに隙間が維持される。

[0057]図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、図中に示されるようにバッテリハウジングの中に挿入された個別のセルモジュールから組み立てられる完成したバッテリを示す。セルモジュールは、１つの前のセルのアノードディスクを、次のセルモジュールの背面側にあるカソードの方に向けるように、配置される。バッテリ上にファン（図示せず）が設置され、ファンが、周囲空気を取り込んで周囲空気を空気入口１７００のところでカソード空気チャンバの中へ押し込み、ここでカソード電極の後方表面のところで酸素が消費される。直径０．１６ｃｍ（１６分の１インチ）の小さい送出孔１４１６を通して空気がカソードハウジングの頂部から外へゆっくりと送り出される。送出孔１４１６が、空気供給分に残る窒素を除去するのを可能にし、それにより新鮮な空気中の新しい酸素をカソード表面に到達させるのを可能し一方では依然としてアノードディスクの表面の方向にカソードを押して高い空気圧を提供するのに十分な気流で制限する。バッテリセルの束の各端部にカソードを有さない１つのセルモジュールが存在し、ここでは、電力が陽極の銅端子につながっており、バッテリセルの束のもう一方の端部にアノードディスクを有さないセルモジュールが存在し、ここでは、電力が陰極の銅端子につながっている。これらのセルモジュールは他のセルモジュールと等しいが、いずれの側の束に設置されるかに応じて、カソードまたはアノードを有さない。バッテリは、通常、直列に接続され、前のカソードからの電力が次のアノードディスクを経由することになる。

[0058]図１７Ｃに示されるように、バッテリハウジングの基部上に電解質収集パン１７０２が存在する。このパンは、各セルの下方にある共通のマニホルドに沿って各セルモジュールへ電解質を供給する小型のポンプ１７０４を有する。ラインを乾燥させて奇麗にし新鮮な乾燥空気をアノードの表面に提供するための、電解質管を通して新鮮な空気を吐出するエアサイドファンプレナム１７０６からのエアダクトがさらに存在する。

[0059]バッテリセルの束が、図１８Ａおよび１８Ｂに示されるようにディスクまたは完成したセルモジュールから迅速に離れて個別に変化させるのを可能にする。各アノードディスクがそのモータマウントから手動で取り外され、未使用のアノードディスクに取り替えられる。次いで、バッテリの始動に備えるために、システムがアノードディスクをセルの中まで引っ込める。セルモジュールのうちのいずれかに問題が生じる場合、セルモジュールが新しいセルモジュールに迅速に交換される。空気および電解質は下方を向くプラグ固定具であることから、それらが、新しいセルモジュールを取り外したり装着したりすることに干渉することはない。図１９Ａ、図１９Ｂ、および図１９Ｃには、完成したセルモジュールをさらに詳細に描いている。

[0060]記載される本説明は、本発明を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを作ったり使用したりすることおよび任意の組み込まれた方法を実施することを含めて当業者が本発明を実施するのを可能にするために、最良の形態を含めた例を使用するものである。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者の思いつく他の例を含むことができる。このような他の例が特許請求の範囲の文言と違わない構造要素を有するかまたは特許請求の文言に対して有意な違いを有さない等価の構造要素を含む場合、このような他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図される。

Claims (19)

1. 空気金属バッテリであって、前記空気金属バッテリが、
   カソード表面を有するカソード組立体であって、前記カソード組立体が、前記カソード組立体を通って前記カソード表面に設けられた表面液体軸受チャネルにつながり、電解質流体を圧送するための流体経路を備える、カソード組立体と、
   前記カソード表面の近傍に配置されたアノードであって、前記アノードが、前記カソード組立体を基準として前記アノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受により前記カソード組立体の近傍に配置される、アノードと、
   前記スラスト軸受を回転させるためのシャフトであって、前記シャフトが、電荷を集める摺動導体に接触している、シャフトと、
   を備え、
   前記空気金属バッテリの動作中、前記電解質流体が、前記流体経路を通って前記表面液体軸受チャネルへ圧送されて前記アノードと前記カソード表面の間に放出されることにより前記カソード表面に力を生じさせることで供給される前記電解質流体の力により一定の距離で前記アノードが前記カソード表面から離間された状態を維持する、
   空気金属バッテリ。
2. 前記カソード組立体が、空気チャンバを通すようにさらには前記カソード表面を介して外に出すように酸素を運搬するための空気入口および空気出口を有する空気チャンバをさらに備える、請求項１に記載の空気金属バッテリ。
3. 前記カソード組立体が、前記カソード表面を囲む蛇腹ループをさらに備え、前記蛇腹ループが、前記空気チャンバ内のガス圧力の変化に反応して前記カソード表面の移動を可能にする、請求項２に記載のバッテリ組立体。
4. 前記アノードがアノードディスクである、請求項１に記載の空気金属バッテリ。
5. 空気金属バッテリであって、前記空気金属バッテリが、
   アノードディスク、カソード組立体、および電解質流体であって、
   前記カソード組立体が、カソード表面と前記空気金属バッテリによって発生する電気を集めるための電気コレクタとを有し、前記カソード組立体が、前記カソード組立体を通って前記カソード表面に設けられた表面液体軸受チャネルにつながり、電解質流体を圧送するための流体経路を備え、
   前記カソード組立体が、空気チャンバを通すようにさらには前記カソード表面を介して外に出すように酸素を運搬するための空気入口および空気出口を有する空気チャンバをさらに備える、前記アノードディスク、カソード組立体、電解質流体と、
   前記カソード表面の近傍に配置されたアノードであって、前記アノードが、前記カソード組立体を基準として前記アノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受により前記カソード組立体の近傍に配置される、アノードと、
   前記スラスト軸受を回転させるためのシャフトであって、前記シャフトが、電荷を集める摺動導体に接触している、シャフトと、
   を備え、
   前記空気金属バッテリの動作中、前記電解質流体が、前記流体経路を通って前記表面液体軸受チャネルへ圧送されて前記アノードと前記カソード表面の間に放出されることにより前記カソード表面に力を生じさせることで供給される前記電解質流体の力により一定の距離で前記アノードが前記カソード表面から離間された状態を維持する、
   空気金属バッテリ。
6. 前記カソード組立体が、前記カソード表面を囲む蛇腹ループをさらに備え、前記蛇腹ループが、前記空気チャンバ内のガス圧力の変化に反応して前記カソード表面の移動を可能にする、請求項５に記載のバッテリ組立体。
7. 前記蛇腹ループがエラストマ材料を含む、請求項６に記載のバッテリ組立体。
8. 前記カソード組立体および前記アノードディスクが摺動可能な装填カートリッジ内に収容される、請求項５に記載のバッテリ組立体。
9. 前記摺動導体が炭素ブラシである、請求項５に記載のバッテリ組立体。
10. バッテリ組立体であって、前記バッテリ組立体が、
    複数の空気金属バッテリおよび電解質流体を包囲するハウジングであって、前記複数の空気金属バッテリ内の各空気金属バッテリがアノードディスクおよびカソード組立体を有し、
    前記カソード組立体が、カソード表面と、前記空気金属バッテリによって発生する電気を集めるための電気コレクタとを有し、前記カソード組立体が、前記カソード組立体を通ってカソード表面に設けられた表面液体軸受チャネルにつながり、電解質流体を圧送するための流体経路を備え、
    前記カソード組立体が、空気チャンバを通すようにさらには前記カソード表面を介して外に出すように酸素を運搬するための空気入口および空気出口を有する空気チャンバをさらに備え、
    アノードがカソード表面の近傍に配置され、前記アノードが、前記カソード組立体を基準として前記アノードを回転させるのを可能にするスラスト軸受により前記カソード組立体の近傍に配置される、
    ハウジングを備え、
    前記バッテリ組立体が、前記複数の空気金属バッテリ内で各スラスト軸受を回転させてそれにより各アノードディスクを回転させるためのシャフトをさらに備え、前記シャフトが各空気金属バッテリ内の摺動導体に接触しており、各摺動導体が電荷を集め、
    前記空気金属バッテリの動作中、前記電解質流体が、前記流体経路を通って前記表面液体軸受チャネルへ圧送されて前記アノードと前記カソード表面の間に放出されることにより前記カソード表面に力を生じさせることで供給される前記電解質流体の力により一定の距離で前記アノードが前記カソード表面から離間された状態を維持する、
    バッテリ組立体。
11. 隣接する空気金属バッテリに対して各空気金属バッテリを圧縮する少なくとも１つの圧縮ばねをさらに備える、請求項１０に記載のバッテリ組立体。
12. 前記複数の空気金属バッテリ内の各空気金属バッテリが摺動可能な装填カートリッジを備える、請求項１０に記載のバッテリ組立体。
13. 各空気金属バッテリの前記カソード組立体が前記カソード表面を囲む蛇腹ループをさらに備え、前記蛇腹ループが、前記空気チャンバ内のガス圧力の変化に反応して前記カソード表面の移動を可能にする、請求項１０に記載のバッテリ組立体。
14. 前記蛇腹ループがエラストマ材料を含む、請求項１３に記載のバッテリ組立体。
15. 請求項１に記載の空気金属バッテリを動作させるための方法であって、前記方法が、
    前記電解質流体の力を加えてそれにより前記カソード表面から前記アノードを離間させることを目的として、前記流体経路を通して前記電解質流体を圧送するステップと、
    毎分２００回転から毎分５００回転の間の速度で前記アノードを回転させるような所定の速度で前記シャフトを回転させるステップと、
    により、前記空気金属バッテリを用いて電気を発生させるステップ
    をさらに含む、方法。
16. 請求項１に記載の空気金属バッテリを動作させるための方法であって、前記方法が、
    少なくとも毎分１０００回転の速度で前記アノードを回転させるような第２の所定の速度で前記シャフトを回転させるステップと、
    電解質流体を除去することを目的として前記アノードをスピンさせて乾燥させるために、前記流体経路を通して前記電解質流体を圧送するのを停止するステップと、
    により、前記空気金属バッテリを停止させるステップ
    をさらに含む、方法。
17. 前記空気金属バッテリを停止させるステップが、３０秒未満で前記空気金属バッテリを停止させる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記空気金属バッテリを停止させるステップが、１０秒未満で前記空気金属バッテリを停止させる、請求項１６に記載の方法。
19. 前記シャフトを回転させるステップが、少なくとも毎分２２００回転の速度で回転させる、請求項１６に記載の方法。

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