JPH08511896A - 陰極空気再循環及び水分制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 空気陰極（２８）を有する金属空気電池（２０）用の空気管理システム（１０）が、陰極に入れられる空気と水分を制御するために提供される。反応物空気を再循環（４０）させ、電池用に必要な出力を発生させるために充分なだけの量の酸素を周囲空気から入れる（４６）ことによって、空気管理システムは金属空気電池によって利用される周囲空気と反応物空気の使用を最適化する。更に、本発明は操作中に電池によって使用された酸素を補充するのに充分なだけの量の周囲空気を入れる一方、周囲空気を再循環させる方法を提供する。更に本発明は、更なる水分制御を提供するため、負荷要求に基づいて金属空気電池にとって利用可能な酸素を増加または減少させる酸素供給（４２）制御回路を提供する。更に、酸素制御回路は負荷の特別な操作モードに基づいて、エア・インレット・バルブ（４７）を最適のセッティングに調節する。更に、発明は、インレット（４２）と、アウトレット（４７）と、空気が乱流のようにインレットからアウトレットに流れるようにするため、非線形通路を規定し、特に陰極（２８）の全表面領域をカバーする複数のバッフル（６８）を有する陰極プレナム（３９）とを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 陰極空気再循環及び水分制御 技術分野 本発明は一般に空気管理システムに関し、より詳細には、陰極に空気と水分を 入れるための制御に関する。 発明の背景 金属空気電池は水成電解質によって分離される通気性陰極と金属陽極とを含む 。例えば、亜鉛空気電池の操作中に、周囲空気からの酸素が陰極において水酸化 物イオンに変換され、亜鉛は陽極において酸化され、水酸化物イオンと反応し、 水と電子が開放されて電気エネルギーを提供する。金属空気電池の陰極は金属ま たは金属組成物等の重い材料よりむしろ周囲空気からの酸素を電気化学的反応に おける反応物として利用するので、金属空気電池は比較的高いエネルギー密度を 持つ。 金属空気電池セルは充分な量の電力出力を提供するために、しばしば多数のセ ル電池パックに配置される。加えて、電池の空気陰極を所望の出力を達成するの に充分な流量で連続する空気の流れに曝すことが必要である。このような配置は Ｃｈｅｉｋｙの第４９１３９８３号に示されており、そこでは金属空気電池セル のパックに空気の流れを供給するためにファンを使用している。金属空気電池が 抱える１つの問題は周囲の湿度が金属空気電 池の故障を引き起こし得ることである。金属空気電池の平衡蒸気圧は典型的に約 ４５％の平衡相対湿度を生じさせる。周囲の湿度が金属空気電池にとっての平衡 相対湿度値より大きい場合、金属空気電池は陰極を通して空気から水分を吸収し 、フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）と呼ばれる状態により故障するであろう 。フラッディングは電池のバーストを引き起こすかもしれない。周囲湿度が金属 空気電池にとっての平衡相対湿度値より小さい場合、金属空気電池は電解質から 空気陰極を通して水蒸気を開放し、ドライ・アウト（ｄｒｙ ｏｕｔ）により故 障するであろう。金属空気電池が使用されるほとんどの環境において、故障はド ライ・アウトから生じる。 金属空気電池が充分な電力出力を維持するために、適当な量の酸素を供給する ため陰極を横切る高い空気流が必要である。層状の空気流において、陰極と直接 接触する空気の層から急速に酸素が涸渇される。陰極を横切る周囲空気流量を増 加させることによって乱流を作り出すことが涸渇された酸素を戻す１つの方法で ある。しかしながら、周囲空気で空気流を増加させることは、周囲空気の相対湿 度に応じてフラッディングまたはドライ・アウトの問題を悪化させる。 陰極への酸素の供給を不十分にする別の問題は、陰極プレナムのデザインに起 因するのかもしれない。一般に、陰極プレナムは周囲空気を受け入れるインレッ トと、反応物空気を排出するアウトレットとを有する。Ｃｈｅｉ ｋｙの米国特許第４８９４２９５号は、金属空気電池セルの陰極に空気を入れる ため、線形の通風ダクト、もしくはＵ字型の通風ダクトのいずれかを有する空気 室ハウジングを開示している。空気は最初インレットからアウトレットへと陰極 を横切ってダクトの中心を下方に流れ、チャネリング効果を生じさせることがあ る。このチャネリング効果のために、空気流チャネルから離れた空気ポケットが 移動し、非常にゆっくりとした速度で新鮮な空気と置き換えられ、こうして金属 空気電池の出力を低下させることがある。チャネリング効果の減少が電池出力を 増大させるであろう。 周囲空気と反応物空気の流れを制御することによって、金属空気電池のフラッ ディングまたはドライ・アウトを引き起こす問題の幾つかを減少させることがで きよう。 Ｓａｎｄｅｒｓｏｎの米国特許第３４７３９６３号は周囲空気及び反応物空気 のための制御を提供する燃料電池システムを開示している。Ｓａｎｄｅｒｓｏｎ は電池の操作中に電池から得られる水分を積んだ反応物空気を再循環させ、電池 によって使用される周囲空気を湿らせている。再循環される湿った反応物空気は 二酸化炭素スクラバーにおいて二酸化炭素の吸収を高めるためにも使用されてい る。Ｓａｎｄｅｒｓｏｎの反応物空気を再循環させる方法が燃料電池のドライ・ アウトを防止する助けをする一方で、Ｓａｎｄｅｒｓｏｎはこのシステムに入る 周囲空気の適切な制御を提供してはいない。周囲空 気が高い湿度を持つ時、Ｓａｎｄｅｒｓｏｎは周囲空気における水分を補償する ための適切な制御を提供していない。従って、電池は周囲空気の結果としてフラ ッディングに曝されるかもしれない。冷却空気と反応物空気の供給が結合される ので、いずれも水分制御を提供するために別個に制限され得ない。Ｓａｎｄｅｒ ｓｏｎのシステムに入る周囲空気の完全な制御の欠如は上述した問題を緩和して いない。 Ｊａｃｑｕｅｌｉｎのフランス特許第２３５３１４２号は電池によって使用さ れる空気のための再循環通路を提供する電気化学的発電機用の空気供給システム を開示している。空気管理器は炭酸塩沈着物の局部的濃集を避け、入ってくる空 気（酸素）の量を変化させることによって電池の出力を変化させるようにデザイ ンされている。Ｊａｃｑｕｅｌｉｎは３つの操作モードを開示している。最大モ ード、スローモーションモード、そして所定の機能モードである。最大操作モー ドの間に、空気が大気から陰極を横切って入り、アウトレットを通して排気され る。最大操作モードの間、空気は再循環されない。空気が大気へと排気されてい る時に、空気の循環を補償するためにターボ排気装置が設けられている。空気の 相対湿度を補償するための制御がない最大モード中の操作は、上述したようなフ ラッディングとドライ・アウトの問題に曝されることになる。スローモーション モード中は、周囲空気は入れられず、また空気の排気も行われないの で、空気からの酸素供給は急速に涸渇される。これは低い、またはゆっくりとし た操作モードを生じさせる。所定の機能モード中は、新鮮な空気が混合バルブに よって設定される割合で空気と混合される。所定の機能モードでは、入れられる 周囲空気は最大操作モードにおけるようにフラッディングとドライ・アウトとい う問題に電池を曝すかもしれない。Ｊａｃｑｕｅｌｉｎの発明は電極の全表面上 の残留二酸化炭素の優れた分布を保証するために、電極上に一定のガス流を維持 することを提案している。フラッディングもしくはドライ・アウトの影響を減少 させながら、空気流を供給し、変化させて変化する負荷要求を満たすための如何 なる方法も提供されていない。更に、空気は陽極溶液を運ぶパイプと、一連の電 池を含む囲まれた空間に供給される。電池の全ての構成要素が空気流に曝される ので、酸素を供給するための空気の制御を妨げる冷却要件が予想されるであろう 。なぜなら、電気化学的反応のために必要である以上の空気がしばしば冷却のた めに必要とされるからである。 反応物空気を更に制御するために、１つの先行技術のデザインは反応物空気を 冷却空気流から分離する。このデザインでは、反応物空気の流量は冷却流に対し て減少され、フラッディングまたはドライ・アウトの影響を減少させる。更に本 発明の前に、空気電池に流れる空気の湿度を制御することが提案されている。 Ｂｅａｌ他による米国特許第４７２９９３０号は、過 渡的負荷が増大する間に、燃料電池発電所用の空気供給を調節し増大させる装置 を開示している。Ｂｅａｌはマイクロプロセッサーの入力に接続される出力を持 つ負荷モニターを提供しており、その出力は空気供給ラインにおいてモーター制 御されるバルブを調節する。加えられる負荷が増加する時、燃料電池の酸素涸渇 を防止するため、Ｂｅａｌは増大する負荷要求を満たすために、制御バルブが酸 素流を可能にするセッティングに達するのに必要な時間を計算している。Ｂｅａ ｌによれば、負荷要求を直ちに満たすために充分早く制御バルブを通して酸素供 給を増加させることができない場合、Ｂｅａｌは酸素を燃料電池により早く提供 するために、負荷要求が増大すると同時に開く補助ソレノイド・バルブを提供し ている。補助バルブは利用できる酸素によって作られる理論的な電流と、実際の 負荷要求との差が１つかそれ以上の予め選択された値以下に低下すると、閉じる ようになっている。Ｂｅａｌは負荷要求が増大した時に酸素供給を増加させる方 法を開示する一方、ドライ・アウトまたはフラッディングを防止するため乾燥空 気もしくは高い湿度を持つ空気の超過量を制限することにより水分制御を提供す るため、負荷要求が減少した時、燃料電池への酸素供給を減少させる方法を開示 してはいない。また、Ｂｅａｌは水分制御を提供するために、陰極によって利用 される反応物空気を再循環させることを開示してはいない。 上述したＣｈｅｉｋｙの米国特許第４９１３９８３号は空気流が可変速度ファ ンによって変えられる金属空気電池電源を開示している。金属空気電池セルは、 電源が使用されない時に容器を密閉するため、空気のインレットとアウトレット の前に移動可能なバッフルを備えた気密チャンバーの中に囲まれる。電源が入れ られると、空気バッフルは動かされて、空気流がエア・インレットに入るように し、空気はエア・アウトレットを通して排気される。エア・インレットを通して 空気流を制御するファンは、接続されるコンピューターの使用要件に応じて異な る速度で運転される。Ｃｈｅｉｋｙの’９８３は出力レベルを変えるためにエア ・インレットを通して空気陰極へと利用可能な空気を制限することを開示しては おらず、また電源を通る空気を再循環させてはいない。 発明の要約 一般的に言えば、本発明は空気陰極を具備する金属空気電池用の空気管理シス テムを提供する。本発明の空気管理システムは反応物空気を提供するために、空 気陰極に隣接するように空気流を向けさせ、反応物空気の流れを再循環させ、再 循環する反応物空気から電池によって取り除かれた酸素をほぼ補充するために充 分なだけの量で、再循環反応物空気の流れに周囲空気を入れる。 好ましい態様では、本発明は更に選択された電流出力を維持するために、反応 物空気の流れに入る周囲空気の量を計量する。空気管理システムは、反応物空気 を再循 環させ、電池のために必要な出力を発生させるために充分なだけの量の酸素を周 囲空気から入れ、それによってフラッディングやドライ・アウトという問題を減 少させることにより、金属空気電池によって利用される周囲空気と反応物空気の 使用を最適化する。 本発明は更に最適の空気供給が金属空気電池にとって利用可能かどうかを判断 するためのモニタを提供する。信号発生回路が電流モニタ回路により測定される ように引き出された電流に反応し、電池への酸素の供給が不十分であることを示 す第１の信号を提供し、また電池を過度の空気供給から保護するために金属空気 電池への空気供給を制限する必要を示す第２の信号を提供する。空気供給の調節 は更なる湿度制御を提供する助けをする。第１と第２の信号に反応して、電池へ の空気の不十分な供給もしくは空気制限の必要性を各々指示するために、指示器 を設けてもよい。指示器は視覚的表示であっても、可聴音であっても、あるいは 音声メッセージであってもよい。 空気管理システムのエア・インレットは最初に、電池に供給される酸素量を制 御するために、負荷の状態に基づいて所定の位置に設定される。入れられる酸素 量は負荷要求に基づいてエア・インレットを段階的に開くことにより、第１の信 号に応じて増加させることができる。入れられる酸素量は、印加される負荷のタ イプが変えられる時はいつでも、異なる所定の位置にエア・インレッ トを設定することによって増加させたり減少させることができる。更に、酸素量 はエア・インレット・バルブが所定の時間所定のセッティングより大きく開かれ た後、減少させることができる。酸素モニタの別の態様では、電流が負荷要求を 満たすのに不十分である時に、金属空気電池に空気を供給するために酸素制御回 路はエア・インレットを所定の時間開くことによって負荷によって引き出される 電流に反応する。 再循環される反応物空気を給湿するために、再循環通路に加湿機を組み込んで もよい。加湿機は再循環空気の湿度を監視する湿度モニタに応答して操作する。 あるいは、空気が給湿通路を通って進むのを防止するため、湿度モニタを使用し て、空気流を選択的にバイパスチャネルに向けさせてもよい。 周囲空気からの酸素の代わりに、陰極が必要とするのに応じて酸素を通路に送 るために、酸素発生器を設けてもよい。入れられる新しい空気の量に応じて、制 御された量の空気を排気するためのアウトレットが更に設けられる。 空気流が陰極の全表面積と反応することを保証するため、反応物空気の通路に 組み込まれる複数のバッフルによって空気流の方向を変えてもよい。反応物空気 の流れ方向を変えるために使用されるバッフルは、本質的に表面の全ての点をカ バーする、陰極の表面を横切るヘビ状通路を限定することができる。発明は好ま しくは、イン レット、アウトレット、及び空気がインレットからアウトレットへと流れる非線 形通路を規定する複数のバッフルを具備する陰極プレナムを提供する。 このように、本発明の目的は、反応物空気及び周囲空気の効果的な使用を提供 する、金属空気電池用の空気管理システムを提供することである。 更に、本発明の目的は、電池によって取り除かれた酸素をほぼ補充するような 方法で周囲空気を入れることである。 更に、本発明の目的は、選択された電流出力密度を維持する方法で、陰極を横 切る反応物空気を再循環させることである。 更に、本発明の目的は、周囲空気の湿度レベルにより、電池のフラッディング 及びドライ・アウトの影響を減少させながら、陰極を横切る高い空気流を提供す ることである。 更に、本発明の目的は、空気管理器内の選択された相対湿度を維持するために 、加湿機もしくはバイパスチャネルのいずれかを通るように、再循環空気を選択 的に向けさせることである。 更に、本発明の目的は、水分制御を提供するため、負荷要求に基づいて金属空 気電池に利用できる酸素を増加または減少させる酸素供給制御回路を提供するこ とである。 更に、本発明の目的は、電池に印加される特別な負荷 状態に基づいて、最適のセッティングで金属空気電池への酸素供給を維持するこ とである。 更に、本発明の目的は、陰極プレナムインレットからアウトレットへの直接的 な空気流によって生じられるチャネリング効果を減少させることである。 添付図面及び請求の範囲に関連して、本発明の好ましい態様の以下の説明を検 討すれば、本発明のその他の目的、特徴及び利点は自明となるであろう。 図面の簡単な説明 図１は金属空気電池に関連する、本発明の空気管理システムの横断面図で示さ れた概略図である。 図２は加湿機を空気管理システムに組み込んだ本発明の別の態様の概略図であ る。 図３は図１と図２に示された本発明の陰極プレナムの上面図である。 図４は自動的に制御されるエアバルブの態様を図示するフローチャートである 。 図５は自動的に制御されるエアバルブの別の態様を図示するフローチャートで ある。 発明の詳細な説明 更に詳細に、幾つかの図において同様な部品には同様な参照符号を付している 図面を参照すると、図１及び図２は、２機能空気電極を組み込んだ二次金属空気 電池２０のための本発明を具現化する空気管理システム１０を示している。電池 ケース２２内には、方形のサポート３ ２によって支持された陰極２８と、陽極３６と、電解液３４が配置されている。 反応物空気が循環する陰極プレナム３８を陰極２８の上に設けることができる。 金属空気電池２０の電池ケース２２内では、方形のサポート３２が、陽極３６と 陰極２８の周囲に装着されている。適切な空気陰極は、アメリカ合衆国特許第４ ３５４９５８号、第４５１８７０５号、第４６１５９５４号、第４９２７５１４ 号、第４４４４８５２号に開示されている。空気は、ガス透過性メンブレン３７ を通して陰極２８まで達する。適切な陽極３６は、アメリカ合衆国特許第４９５ ７８２６号に開示されているような巻き付け亜鉛陽極であり、その開示内容を参 考までにここに含めてある。陽極３６は、綿、レーヨン、改質ＣＭＣ、あるいは 、可湿性プラスチック・ファイバーといった吸湿性、可湿性、耐酸化性織布、あ るいは、不織布のシート３８で巻かれている。このシート３８は、アメリカ合衆 国特許第４９５７８２６号に開示されているようなＫＯＨ、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ 、ＣｓＯＨ、あるいは、類似のものといったＩ族金属水酸化物を含む水性塩基と いった適切な電解液３４に浸される。 図１及び図２に示したように、本発明の好ましい実施例に従って作成された空 気管理システム１０は、金属空気電池２０の反応物空気のための再循環通路４０ を含む。再循環された空気のための閉じられた通路を規定するために、陰極プレ ナム３８は、再循環通路４０に含まれて いる。陰極への再循環空気の流れは、陽極に隣接した冷却空気の流れから分離さ れている。再循環通路４０には、酸素発生器４２、あるいは、酸素の代替源とし て金属空気電池２０に隣接したその他の比較的純粋な酸素源を組み込むことがで きる。反応物空気の再循環を容易にするため、及び反応物空気の乱流を増大させ るために、ファン４４を再循環通路４０に配置する。通路を通る空気の流量は、 １分当たり０．５リットル以上であることが望ましい。再循環通路４０は、エア ・インレット４６とエア・アウトレット４８を有しており、それを通して、それ ぞれ、エア・インレット・バルブ４７及びエア・アウトレット・バルブ４９によ って空気の流れが制御される。エア・インレット４６とエア・インレット・バル ブ４７は、再循環する反応物空気から電池によって除去された酸素をほぼ入れ換 えるに十分な量だけ、周囲の空気を再循環する反応物空気に入れる。エアバルブ ４７が開いたときに、エア・アウトレット４８を通して反応物空気の相応した量 を排気することができる。選択した電流出力を維持するために、周囲空気を反応 物空気の流れに入れることができる。十分な量の空気が入ったら、バルブ４７及 び４８を閉じることができる。 周囲空気と反応物空気を再循環通路４０を通して再循環及び混合することによ って、上記で論じたフラッディングとドライ・アウトの問題を制御することがで きる。最初にエア・アウトレット・バルブ４８を閉じ、次に、 周囲空気から、電池への最初の空気の供給を得る。電池の動作を可能にするため に、十分な量の周囲空気が入れられたら、エア・インレット・バルブ４６が閉じ られ、再循環通路４０を通して空気が循環される。ファン４４は、負荷要求に対 応した割合で、循環する空気の流量を増大させる。 従来の電流センサとマイクロプロセッサ（図示せず）で構成される出力センサ 回路４３は、電流をモニタして、金属空気電池２０から、予め決定された負荷要 求を満たすには不十分な電流が引き出される時期を決定する。電流センサの出力 は、マイクロプロセッサによって分析される。また、マイクロプロセッサは、エ アバルブを定期的にリセットして、出力センサ回路４３に応じて、過剰な量の空 気が金属空気電池２０に供給されないことを保証する。負荷回路４５に沿ってセ ンサ回路４３を接続して、負荷４１によって引き出された電流をモニタする。負 荷回路４５は、一端で陰極端子８０に接続され、他端で陽極端子８２に接続され ている。 センサ回路４３は、出力信号を供給して、金属空気電池２０から引き出されて いる電流のレベルが空気の調整が適切であることを示す時期を表示する。動作の 変動モードを有する負荷の場合は、動作の特定のモードのために必要な電流の量 が変動する。出力センサ回路４３、特にマイクロプロセッサは、負荷状態をモニ タして、動作モードを決定し、動作モードを決定する際に、その特定 の状態に必要とされる電流の最小量を、引き出された実際の電流と比較すること ができる。例えば、負荷がコンピュータである場合、集積回路デバイスのステー タス・レジスタを読み取ることによって、マイクロプロセッサに接続された様々 な集積回路のステータスすなわち状態を決定することができる。デバイスの動作 の状態、あるいは、モードに応じて、必要とされる電流を発生させるために利用 できる空気を調整することができる。特定の状態について引き出されている電流 がその状態について必要とされる最小電流以下である場合には、不十分な電流の 引き出しが表示される。同様に、特定の状態について引き出されている電流は十 分であるが、必要以上の空気が金属空気電池２０に供給されている場合は、空気 の流れを制限する必要があることを示す信号が送出される。電流が不十分である か、あるいは、空気の流れを制限する必要があることを示す信号を、エアバルブ ・コントローラ、あるいは、ディスプレーといった応答回路に入力することがで きる。 本発明で利用される電流センサは、負荷に接続された導体の回りの磁場を感知 して、導体を流れる電流の量を決定することが望ましい。この方法に熟知した者 は、他の手段で引き出された電流を測定できるということが理解できる。変成器 タイプ・センサ、あるいは、ホール効果デバイスといった様々なタイプの電流セ ンサを使用して、導体を取り囲む磁場を測定することができる。変成 器タイプのセンサの場合、導体は、変成器の一次電磁エレメントの役割を果し、 コアの回りのワイヤに二次電磁エレメントの役割を果させる。一次導体の中の電 流に比例した電流が、二次エレメントに誘導される。ホール効果デバイスの場合 は、半導体センサが、コアの狭いスリットの中に挿入される。この半導体センサ は、導体によって誘導された磁場の存在と強度を検出し、そこから比例出力電圧 が生成される。導体の中を流れる電流に比例した出力電圧信号をマイクロプロセ ッサで測定、保存、及び分析することができる。 手動バルブ４７及び４９を使用している場合、応答回路は、適切なＬＥＤを点 灯するか、あるいは、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）に信号を入力することによっ て、酸素の量が不十分であること、あるいは、空気の供給を制限する必要がある ことを表示する視覚ディスプレーで構成することができる。また、酸素の量が不 十分であること、あるいは、空気の流れを制限する必要があることを示す信号を 従来のトーン発生器に入力するか、あるいは、従来の音響、あるいは、音声記録 ／再生チップに入力して、空気の供給に応じて予め決定されたメッセージを発生 させることができる。 図４及び図５を参照すると、センサ回路４３によって自動的に制御されたエア バルブを利用する本発明の実施例を説明するために、フロー図が示されている。 与えられた負荷によって、様々なモードの動作を利用すること ができる。そうしたモード（負荷状態）の各々について、最小、あるいは、最適 な電流の引き出しを決定し、各々の負荷状態について、適切な電流出力を生成す るために設計された最適なエアバルブのセッティングを決定することができる。 各々の負荷状態について、その負荷状態に対する最小、あるいは、最適な電流の 引き出しを、負荷に関連したメモリ、あるいは、センサ回路４３と関連したメモ リ・デバイス内に配置されたメモリ・テーブルに保存することができる。本発明 によって、そうした予め決定された最適な値を利用して、負荷要求を満たすため に適切な電流を生成できるように、電池で利用できる空気の量を調整することが できる。また、各々の負荷状態について、最適なバルブのセッティングを保存す ることができる。 更に詳細に、図４を参照すると、負荷要求が変化した時にエア・バルブが自動 的に調整されるように、金属空気電池への定常状態の酸素の流れを維持する本発 明の実施例が示してある。ステップ４０１では、センサ回路４３が現在の負荷状 態を読み取る。最初に、負荷状態は、フローチャートのループが最初に繰り返さ れる前に最も少ない電流を必要とする負荷状態に等しくセットされる。次に、ス テップ４０２で負荷状態が評価され、以前に負荷状態が決定されて以来の負荷状 態が変更されているかどうかを決定する。負荷状態が変更されている場合は、ス テップ４０３で、エアバルブを負荷状態の最適なセッ ティングに等しく調整するために信号が供給され、適切な量の空気が金属空気電 池２０に供給されて、適切な電流が生成される。この調整により、新しい負荷状 態に応じて、酸素の供給を増大、あるいは、削減することができる。ステップ４ ０４では、下記で論じるタイマが、各々の状態の変更に対して初期化される。ス テップ４０５では、センサ４３によって測定された、負荷により実際に引き出さ れている実際の電流が評価され、次に、ステップ４０６で、測定された電流が、 特定の負荷状態に必要とされる最小電流と比較される。引き出されている実際の 電流が、その負荷状態に必要とされる最小値以下である場合は、ステップ４０７ で予め決定された増分だけ、エアバルブを段階的に開けるために、信号が供給さ れる。次に、電流要求を満たすために十分な位置までエアバルブが開けられてい るかどうか決定するために、ステップ４０１、４０２、４０５及び４０６が繰り 返される。ステップ４０６では、電流の引き出しが負荷状態に必要とされる最小 値以下である場合は、ステップ４０７で更に予め決定された増分だけ、エアバル ブが段階的に開かれる。しかしながら、電流の引き出しが、ステップ４０６で予 め決定された特定の負荷状態に必要とされる最小値以上である（等しい、あるい は、超過する）場合は、ステップ４０８で、バルブが保存された最適なセッティ ングであるかどうかを決定するために、エアバルブが評価される。バルブの位置 が、特定の負荷状態に対する最適 なセッティングであれば、上記で論じたモニタリング・ステップが繰り返される 。しかしながら、ステップ４０８では、例えば、最適な状態よりも低い酸素含有 量を有する空気を補償するために、特定の負荷状態に関する最適なセッティング よりもエアバルブを段階的に広く開くことができる。長時間煙がその区域にあっ た場合は、そうした状況が発生することがある。 負荷によって引き出された電流が十分であるが、空気中の酸素の供給が低い場 合といった負荷状態に対して最適な位置を越えてバルブが開けられる状況に対処 するために、予めセットされた時間の経過後に最適な位置にバルブのセッティン グを戻すために、タイミング・ループを設ける。エアバルブが、特定の負荷状態 に対する最適なセッティングを越えたままにされている場合、空気の酸素含有量 が通常の構成に戻った時に必要以上の空気が金属空気電池２０に供給される。ス テップ４０９では、タイマがその初期セッティングにあり、特定の負荷状態に対 してタイマが開始されていないことを示している場合は、ステップ４１０でタイ マが開始される。ステップ４１１では、タイマがそのタイムリミットに達してい ない場合は、ステップ４０１で、評価ステップが再度開始される。しかしながら 、ステップ４１１で、タイマがそのタイムリミットに達している場合は、ステッ プ４１２で、タイマがその初期セッティングにリセットされる。次に、信号が供 給されて、タイムリミットが終了した後 でステップ４１３で最適な位置までエアバルブのセッティングを減少させる。金 属空気電池に供給された空気を削減、あるいは、制限するための方法を提供して 、空気が高湿度、あるいは、低湿度であるかどうかに応じて、電池のフラッディ ング及びドライ・アウトに関して上記で論じた問題が改善される。 詳細に図５を参照すると、自動的に制御されたエアバルブを利用する本発明の 別の実施例が示してある。図５に示した実施例は、図４に示した実施例のように 複雑なものではない。ステップ５０１では、負荷状態を決定してから、ステップ ５０２で、負荷の実際の電流の引き出しが決定される。ステップ５０３では、電 流の引き出しが負荷状態に必要とされる最小値よりも低ければ、マイクロプロセ ッサが、ステップ５０４で予め決定された時間エアバルブを開くための信号を生 成し、その時間の後で、エアバルブが閉じられる。十分な空気が入った後でバル ブを閉じることによって、フラッディングとドライ・アウトが制御される。空気 は金属空気電池２０によって利用され、負荷要求を満たすために十分な電流が生 成される。プログラムがステップ５０１に戻り、負荷状態をチェックし、再度、 ステップ５０２で電流引き出しをチェックする。引き出されている実際の電流が 、負荷状態に必要とされる最小値以下になる程、この閉じられたシステム内の酸 素が減少すると、予め決定されたタイムリミットの間、ステップ５０４で再度バ ルブが開けられ る。バルブを開けるための予め決定されたタイムリミットは、各々の負荷状態に ついて同じにするか、あるいは、負荷状態に従って変動させることができる。こ のシステムを用いれば、閉じたシステム内の酸素が減少するので負荷状態が同じ であっても、時間期間後に負荷が瞬間歪みを受け、引き出されている実際の電流 が、エアバルブが再度開かれるまで、必要とされる最小値以下まで低下する。エ アバルブが即座に開くので、電流が最適値以下に低下する時間期間が短くなる。 負荷に関連したマイクロプロセッサが、出力センサ、負荷状態の記憶場所及び エアバルブを評価して、上記のように適切な出力、あるいは、入力信号を生成、 あるいは、受け取る。図４及び図５に示したロジックを実行するために、適切な ソフトウエアを書き込むことができる。マイクロプロセッサの内部タイマを用い るか、あるいは、この方法に習熟した者が利用する一般的なタイミング・デバイ スを用いて、ソフトウエアでロジックで規定されたタイミング・ループを実行す ることができる。 電流の引き出しが不十分であることが表示されたら、エア・インレット・バル ブ４７を手動で開けるか、あるいは、従来の方法で制御ライン５０を介して、セ ンサ回路４３の中のソレノイド・バルブ・コントローラ（図示せず）によって自 動的に開くことができる。同様に、表示されたら、エア・アウトレット・バルブ ４７を手動で開けるか、あるいは、制御ライン５１を介して自動的に 開けて、上記のように空気を排出することができる。十分な量の空気が入ったら 、様々な操作モードを利用することができる。空気管理器１０に入った酸素の量 とファン４４が運転される速度の両方に応じて、低電流出力から高電流出力まで 操作モードを変動させることができる。入った空気が、高い酸素含有量を有して おり（例えば、酸素発生器の使用、あるいは、空気から別の成分を濾過すること によって）、１分当たり５００立方インチといった高速でファン４４が運転され る場合、最大操作モードを利用することができる。同様に、空気の酸素含有量が 低いか、あるいは、ファンの速度が低い場合には、中間及び低い操作モードを利 用することができる。 この方法に習熟した者は、負荷の性質に基づいて、図５及び図６の時間遅延及 び図５で要求されたバルブの開きの増分の増大を決定し、最適化することができ ることを理解するだろう。 交互にバルブ４６及び４７をセットして、選択した一定量の構成周囲空気を供 給し、湿度のアンバランスを最小にしながら、電池からの出力の一般的に安定し た状態を得ることができる。 酸素が減少した時に周囲空気を入れる代わりに、酸素発生器４２が、負荷要求 を満たすに十分な酸素を供給することができる。周囲空気が高い相対湿度を有す る場合は、発生器４２からの酸素の供給が、バッテリーのフラッディングの防止 を補助する上で重要な役割を果す。酸 素が反応物空気からなくなった場合に発生器４２からの酸素を利用することによ って、空気管理システム１０内の相対湿度を、より早く金属空気電池２０内の電 解液３４の水の蒸気圧力に均衡させることができる。上記のように類似の方法で 発生器４２からの酸素を利用すれば、様々な操作モードを利用することができる 。 この方法に習熟した者は、アメリカ合衆国特許第４９１３９８３号で示されて いるように、陰極２８を通る空気の流れの速度を制御することによって、金属空 気電池２０に接続された負荷の電流出力が影響をうける、ということを理解でき るだろう。上記で論じたように、周囲空気の制御と共に、陰極２８を通る空気の 流量を調整することを利用することができる。 図２には、より優れた湿度制御を可能にする本発明の代替実施例を示してある 。空気中の蒸気圧力が低い場合に再循環された反応物空気を加湿するために、加 湿器５２が再循環通路４０に一体化されている。加湿器５２は、反応物空気の湿 度をモニタする湿度モニタ５３に応じて動作することができる。バイパス・チャ ネル５４が、加湿器５２の回りに延び、十分に加湿された再循環空気のための代 替経路を提供する。加湿器モニタ５３に応じて動作可能なソレノイド・バルブ５ ６を使用して、加湿器５２及び／あるいは、バイパス・チャネル５４を通って再 循環する空気の流れの割合を制御することができる。加湿器は、加湿パッドとい った一般的なタイプの加湿器 で構成することができ、あるいは、湿気が空気に加えられる速度に応じて変動可 能とすることができる。 上述のように、周囲空気の相対湿度が電池の性能と使用寿命に影響を与えるこ とがある。加湿器５２は、再循環する反応物空気の湿度を良好に制御することが できる。ソレノイド・バルブ５６を用いて、空気の湿度に応じて、いずれかのチ ャネルを通じて、空気の流れの比率を選択的に制御して、金属空気電池２０のド ライ・アウト、あるいは、フラッディングを防止することができる。金属空気電 池２０が使用している空気の相対湿度をモニタすることによって、湿度モニタ５ ３は、可変であれば、制御ライン５７によって加湿器５２の出力を最適に制御す ることができる。同様に、湿度モニタ５３は、加湿器５２、あるいは、制御ライ ン５９によってバイパス・チャネル５４によって導かれた空気の比率を最適に制 御することができる。 湿度モニタ５３と関連したマイクロプロセッサ（図示せず）を普通にプログラ ムして、再循環している空気の最適な湿度を示す記憶値を実際に測定された湿度 と比較することができるので、マイクロプロセッサは、制御ライン５９を介して ソレノイド・バルブ５６を利用して、適切なチャネルを通して空気の流れを適切 に導くことができる。例えば、混合された循環空気の相対湿度が金属空気電池２ ０内の蒸気圧力以下である場合は、金属空気電池２０の適切な均衡状態に達する まで、空気の流れが 加湿器５２を通して導かれる。均衡状態に達した後、再循環する空気は、バイパ ス・チャネル５４を通して導かれる。入れられた周囲空気の相対湿度が、金属空 気電池２０に関する最適な湿度よりも僅かに高い場合、空気の流れは、バイパス ・チャネル５４を通して導かれる。周囲空気の相対湿度が金属空気電池２０がフ ラッディングの原因となるに十分に大きい場合は、均衡状態が達成されるまで周 囲空気の一部が酸素発生器４２からの酸素と混合され、バイパス・チャネル５４ を通して混合気を導くことができる。同時に、加湿器５２とバイパス・チャネル ５４の両方を通して空気の流れの一部を導くことによって、均衡を達成すること ができる。再循環通路４０、加湿器５２、バイパス・チャネル５４及び湿度モニ タ５３は、共に、金属空気電池２０が利用する空気にとって最適な動作状態を得 るために動作する。別に、図２の実施例には、前に説明した図１で参照した本発 明の機能上の観点が含まれる。 従って、反応物空気が再循環され、空気の湿気が制御されるので、本発明で新 しい周囲空気に晒れることによる金属空気電池のフラッディング、あるいは、ド ライ・アウトに関する問題が制御される、ということが分かる。 上記で論じたように、金属空気電池の陰極を通して空気を供給する以前の方法 が陰極の全表面を有効に利用することができないことがある。陰極プレナムは、 一般的に空気が陰極を通過するためのプレナム・インレット及 びアウトレットを備えている。陰極を通る空気の流れを制御するためにインレッ ト及びアウトレットだけを使用すると、陰極の全表面エリアを利用することなく 、空気が直接プレナム・インレットからアウトレットに流れ、酸素が減少すると 、酸素のない空気のポケットが陰極を通して生じるチャネリングの問題が生じる ことがある。図３を参照すると、プレナム・エア・インレット６２とプレナム・ エア・アウトレット６４とを備えた陰極プレナム３８が示されている。図３の矢 印で示したプレナム・エア・インレット６２からプレナム・エア・アウトレット ６４への非線形通路６６は、陰極２８の全表面を横切るさらに効果的な空気の流 れを生じる補助となり、更に効果的に金属空気電池２０からの電流出力を発生さ せるので、新しい周囲空気がそれ以上必要でなくなる。陰極を通過する非線形通 路を利用することによって、空気のチャネリングに関連した問題をなくす補助と なる乱流が生じる。バッフル６８は、プレナム・エア・インレット６２からプレ ナム・エア・アウトレット６４までの非線形通路６６を規定することができる。 プレナム・エア・インレット６２からプレナム・エア・アウトレット６４までの 非線形通路６６を一体化することによって、チャネリングの問題を克服する。非 線形通路６６が曲がりくねった経路を形成することが望ましい。陰極２８の表面 に平行なインレット６２の断面の幅が、インレットで空気の流れの通路６６に対 して横向きである陰極表面の 幅よりも小さいことが望ましい。 図２及び図３の空気管理システムに示したように、陰極プレナム３８を金属空 気電池２０に一体化することができる。図２及び図３に示した陰極プレナム３８ と再循環通路４０を利用することによって、本発明では、フラッディング、ある いは、ドライ・アウトの危険を増すことなく、所定の供給空気の出力効率を最適 化することができる。 前述の事項から、本発明によって、ドライ・アウト、あるいは、フラッディン グの影響を削減しながら、与えられた量の反応物空気と周囲空気を使用して、所 望の電流出力を最適に生成する空気管理システムが得られるということが分かる 。 前述の事項は、本発明の望ましい実施例にのみ関連するものであり、次のよう なクレームによって定義された本発明の範囲から外れることなく、多くの変更を 加えることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＺ，Ｖ Ｎ (72)発明者 チェリー、アーネスト スィー. アメリカ合衆国 30340 ジョージア州 ドーラヴィル ブルック ヴィュー 1718 【要約の続き】 複数のバッフル（６８）を有する陰極プレナム（３９） とを提供する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 空気陰極と陽極を持つ金属空気電池用の空気管理システムであって、該シ ステムは冷却空気を前記陽極に提供するため、前記陽極の表面に隣接する冷却空 気チャネルと、該冷却空気チャネルとは別に、反応物空気を提供するため前記陰 極に隣接する反応物空気チャネルとから成り、 反応物空気を提供するため空気陰極に隣接するように空気の流れを向けさせる 手段と、 空気陰極に隣接する場所から反応物空気を取り除き、反応物空気の流れを陰極 に戻すように再循環させる手段と、 前記電池による前記再循環する反応物空気から取り除かれた酸素をほぼ補充す るのに充分なだけの量で、前記再循環する反応物空気の流れに周囲空気を入れる 手段とを含む空気管理システム。 ２． 選択された出力電流密度を維持するため、反応物空気の流れに入る前記周 囲空気の量を制御する手段を更に含む請求項１に記載の装置。 ３． 前記陰極に隣接する空気の流れを再循環する手段が、前記陰極のアウトレ ット位置から前記陰極のインレット位置への通路を規定する請求項１に記載の装 置。 ４． 前記通路に置かれるファンを更に含む請求項３に記載の装置。 ５． 前記空気流の流量が乱流を増大するために毎分０.５リットル以上である 請求項４に記載の装置。 ６． 前記通路に組み込まれる加湿機を更に含む請求項３に記載の装置。 ７． 更に湿度モニタを含み、前記加湿機が該湿度モニタに反応して動作するこ とを特徴とする請求項６に記載の装置。 ８． 前記空気流を加湿機のまわりに選択的に向けさせるためのバイパスチャネ ルを更に含む請求項６に記載の装置。 ９． 前記空気流を前記バイパスチャネルを通るように選択的に向けさせるため の湿度モニタ手段を更に含む請求項８に記載の装置。 １０． 前記通路と連通する閉鎖された容積を規定するため、前記陰極を囲む陰 極プレナムを更に含む請求項３に記載の装置。 １１． 前記陰極プレナム内において乱流を増加させる手段を更に含む請求項１ ０に記載の装置。 １２． 前記閉鎖される通路に酸素を送るために接続される酸素発生器を更に含 む請求項１０に記載の装置。 １３． 制御された量の新しい空気を前記閉鎖された容積に入れる手段を更に含 む請求項１０に記載の装置。 １４． 前記新しく入れられた空気に応じて制御された量の空気を前記閉鎖され た容積から排気する手段を更に含む請求項１３に記載の装置。 １５． 負荷の操作中に、前記金属空気電池から負荷によって引き出される出力 電流を測定するために接続される電流モニタ回路と、 前記引き出された電流に反応して、電池への酸素の供給が不十分であることを 示す第１の信号を提供し、また電池を過度の空気供給から保護するために前記電 池への空気供給を制限する必要を示す第２の信号を提供する信号発生回路と、 を更に含む請求項２に記載の装置。 １６． 前記第１の信号に反応して前記電池への酸素の不十分な供給を指示し、 また前記第２の信号に反応して、前記電池への空気供給の制限の必要性を指示す る指示器を更に含む請求項１５に記載の装置。 １７． 前記指示器は視覚的表示から成る請求項１６に記載の装置。 １８． 前記指示器は可聴音から成る請求項１６に記載の装置。 １９． 前記指示器は音声メッセージから成る請求項１６に記載の装置。 ２０． 前記システムは前記陽極に冷却空気を提供するため、前記陽極の表面に 隣接する冷却空気チャネルと、該冷却空気チャネルとは別に、反応物空気を提供 するため前記陰極に隣接する反応物空気チャネルとから成る請求項１５に記載の 装置。 ２１． 前記第１と第２の信号に反応して、前記反応物 空気の一部を排気するための手段を更に含む請求項２０に記載の装置。 ２２． 前記陰極に隣接する場所から反応物空気を取り除き、反応物空気の流れ を前記陰極に戻すように再循環させる手段を更に含む請求項２０に記載の装置。 ２３． 前記エア・インレットと関連するインレットバルブと、前記第１と第２ の信号に反応して、該インレットバルブを通して前記金属空気電池に入れる空気 を制御するための空気制御回路とを更に含む請求項１５に記載の装置。 ２４． 前記負荷の操作モードにおける変化に反応して前記酸素量を制御するた め、前記負荷の操作モードに基づいて所定の最適位置に前記エア・インレット・ バルブを調節する請求項２３に記載の装置。 ２５． 前記空気制御回路は負荷要求に基づいて前記エア・インレット・バルブ を段階的に開くことにより、前記第１の信号に反応して入れられる空気量を増加 させる請求項２３に記載の装置。 ２６． 前記空気制御回路は、前記負荷の一定の操作モードの下で、前記エア・ インレット・バルブが所定の期間所定のセッティングより広く開かれた後、前記 第２の信号に反応して空気量を減少させる請求項２５に記載の装置。 ２７． 前記空気制御回路は、前記負荷の操作モードに基づいて所定の位置に前 記エア・インレット・バルブを 調節することにより、前記第２の信号に反応して空気量を減少させる請求項２３ に記載の装置。 ２８． 負荷の操作中に、前記金属空気電池から負荷によって引き出される出力 電流を測定するために接続される電流モニタ回路と、 前記電流が負荷要求を満たすために不十分である時に、前記金属空気電池に空 気を提供するため、前記引き出される電流に反応して所定の期間、周囲空気を入 れるための前記手段を開く酸素制御回路とをさらに含む請求項２に記載の装置。 ２９． 前記システムは前記陽極に冷却空気を提供するため、前記陽極の表面に 隣接する冷却空気チャネルと、該冷却空気チャネルとは別に、反応物空気を提供 するため前記陰極に隣接する反応物空気チャネルとから成る請求項２８に記載の 装置。 ３０． 前記第１と第２の信号に反応して、前記反応物空気の一部を排気するた めの手段をさらに含む請求項２９に記載の装置。 ３１． 空気陰極を有し、反応物空気プレナムを規定する金属空気電池用の空気 管理システムであって、 その一端でエア・インレットの前記プレナムに接続され、その他端でエア・ア ウトレットの前記プレナムに接続される空気通路と、 前記電池のまわりの一般的な空気循環から隔離された再循環システムを形成す る前記接続されたプレナムと通 路と、 前記再循環システムのまわりで空気を循環させる手段と、 前記再循環システム内で、前記電池の操作により取り除かれた酸素をほぼ補充 するのに充分なだけの量で空気を補充する手段と、 から成る空気管理システム。 ３２． 空気陰極と陽極を有する金属空気電池用の空気管理システムであって、 前記陰極に隣接するように向けられるが、前記陽極用の冷却空気チャネルとし ては指向されない反応物空気通路と、 前記通路は反応物空気を提供するため空気陰極に隣接するように空気の流れを 向けさせ、また空気陰極に隣接する場所から反応物空気を取り除き、反応物空気 の流れを陰極に戻るように再循環させるために操作され、 前記再循環された反応物空気の流れに周囲空気を入れるためのエア・インレッ トとから成る空気管理システム。