JPH11508728A - 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

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの金属空気電池セル１０を有するハウジングを備えた金属空気電池のための通気システムであって、ハウジング２０は少なくとも１つの空気流入口３０と少なくとも１つの空気流出口を備える。ファン４０はファンが動作しているときに空気を空気流入口に流入し空気流出口から流出させるように位置する。開口部はハウジングの厚さ方向の長さがそれと垂直方向の幅より大きく設定される。開口部はファンが止まっているときには閉鎖されず空気の流れが空気流入口から流入せず、流出口から流出しないようにサイズが設定されている。本発明の他の特徴は、バッテリハウジング７２内のファン８０が２つの分離した金属空気電池（７６−７９）のセットに同時に空気を供給するように配置されていることにある。このような構成において、両者の全てのセルが速やかに空気を受け取ることができ、空気経路が同数のセルを利用した従来技術の構成よりも短距離なためにその空気は酸素をより豊富に含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 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（cathod e）および金属アノード（anode）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、電池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 グ内で湿度および二酸化炭 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 方インチあたり約５０〜２００ｍＡ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インチの幅に対し て約０．３〜１．５インチの長さを有する。約１００〜３０００立方インチ／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４ ０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５ ０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２ ０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２ ６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平方インチの 露出カソード面積（図示せず）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の電流密度を有する。ファン４０は、約１００〜３０ ００立方インチ／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、好ましくは約１．０インチで、そして、幅２７が約０．０３〜０．３インチ 、好ましくは約０．０９インチで寸法がとられる。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４ ０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、それぞれ 、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）と呼ぶ。したがって、左側ス タックすなわちセル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８ ８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９ ６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７ ９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。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年１０月２６日 【補正内容】 請求の範囲 １．反応空気を金属空気セル（１５）に供給する通気開口部（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、前記空気流動装置（４０）の動作に応答して反応空気を 前記前記通気開口部（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．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．前記通気開口部が、少なくとも約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．前記通気開口部が、約０．３インチ以上約１．５イ ンチ以下の長さと０．０３インチ以上約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．前記通気開口部が、約３ｍｍ以上６ｍｍ以下の内径と約１８ｍｍ以上約２５ ｍｍ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．前記通気開口部（２５）を除いて前記金属空気セル（１５）を周囲空気から 隔離するハウジング（２０）をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１項に記載 の通気システム。 ７．前記通気開口部（２５）が複数の通路からなる請求項１〜６のいずれか１項 に記載の通気システム。 ８．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（２ ５）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１〜６のいずれか１項に記載の通気システム。 ９．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０．０１〜０．２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８記 載の通気システム。 １０．前記空気流動装置が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８または９のいずれかに記載の通気システム。 １１．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１〜１０のいずれか１項に記載の通気システム。 １２．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、０．２立法インチ／分以下であることを特徴とす る請求項１〜１１のいずれか１項に記載の通気システム。 １３．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２０〜８０立法インチ／分であることを特徴とす る請求項１〜１１のいずれか１項に記載の通気システム。 １４．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１〜１３のいずれか１項に記載の通気システム。 １５．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１〜１４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１〜１４のいずれか１項に記載の通気システム。 １６．前記１つかまたは複数の通気開口部（２５）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１５記載の電池。 １７．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１５記載の電池。 １８．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、 金属空気セル（１５）と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（２５）は、前記空気流動装置（４０）の動作に応答して前記 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。 １９．前記通気開口部（２５）が少なくとも約０．３インチの長さを有する請求 項１８記載の装置。 ２０．前記通気開口部（２５）が少なくとも約０．７インチの長さを有する管か らなる請求項１８記載の装置。 ２１．前記通気開口部（２５）が複数の通路からなる請求項１８〜２０のいずれ か１項に記載の装置。 ２２．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０．０１〜０．２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２１ 記載の装置。 ２３．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１８〜２ ２のいずれか１項に記載の装置。 ２４．空気流動装置（４０）をさらに備え、 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１８〜２３のいずれか１項に記載の装置。 ２５．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 少なくとも１０倍は小さい値にまで制限される請求項２４記載の装置。 ２６．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）にして、動作している前記空気流動装置 （４０）と連係して機能するときには、空気電極表面の１平方インチあたり少な くとも１０ｍＡであるようなドレイン出力電流密度を供給する提供するように前 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 １平方イ ンチあたり１ｍＡ以下に制限するように動作するものと、を備えることを特徴と する装置。 ２７．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、 空気流動装置（４０）を動作させて反応空気を通気開口部（２５）を通過させ 、その結果として、反応空気が前記金属空気セル（１５）に供給される段階と、 前記空気流動装置（４０）が反応空気を前記通気開口部（２５）を通過させて 反応空気を前記金属空気セル（１５）に供給しないように前記空気流動装置（４ ０）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（２ ５）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。 ２８．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２７記載の方法。 ２９．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２８記載の方法。 ３０．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２９記載の方法。 ３１．前記通気開口部（２５）が複数の通気開口部からなる請求項２７〜３０の いずれか１項に記載の方法。 ３２．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２７〜３ １のいずれか１項に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属空気電池であって、 動作しているときにハウジング内の空気を流動させるように動作するファンと 、前記ファンが動作しているときに電池出力電流を供給するように作用する複数 の金属空気セルとを含む該ハウジングと、 前記ハウジングに設けられた少なくとも１つの通気開口部とを備え、 前記金属空気電池は前記ファンが前記開口部を介して空気を流動させて空気を 前記金属空気セルに供給する放電モードと、前記ファンが動作せずかつ前記開口 部が遮断されないアイドルモードとを提供し、 前記開口部は、前記ファンが動作していないときの前記セルの放電を前記電池 出力電流よりもかなり小さい漏れ電流にまで減少させるように寸法が設定されて いる ことを特徴とする金属空気電池。 ２．前記開口部の長さの幅に対する比が少なくとも２：１である請求項１記載の 金属空気電池。 ３．前記ファンが、前記ファンの低圧側から前記ファンの高圧側への流れの主軸 を規定し、 前記ハウジング内の前記複数の金属空気セルが、前記ファンの流れの主軸の第 １の側に配置された少なくとも１つの第１のセルと前記ファンの流れの主軸の第 ２の側 に配置された少なくとも１つの第２のセルとを含み、 前記金属空気電池が、さらに、 前記ファンの前記高圧側から前記第１のセルの空気電極側に沿って前記ファン の前記低圧側まで伸長する第１の空気経路と、 前記ファンの前記高圧側から前記第２のセルの空気電極側に沿って前記ファン の前記低圧側まで伸長する第２の空気経路とを備え、 前記ファンが前記第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請 求項１記載の金属空気電池。 ４．前記ファンが、約１００立方インチ／分以上約３０００立方インチ／分以下 の能力を有する請求項１に記載の金属空気電池。 ５．前記金属空気電池が、前記ファンが動作していなければ、空気カソード表面 の１平方インチあたり１ｍＡより小さい漏れ電流密度を有し、 前記金属空気電池の出力電流密度が、前記ファンが動作していれば、空気カソ ード表面の１平方インチあたり約１０ｍＡ以上約５００ｍＡ以下である 請求項１記載の金属空気電池。 ６．前記ハウジングに設けられた前記少なくとも１つの通気開口部が少なくとも １つの流入開口部と少なくとも１つの流出開口部とを備え、前記漏れ電流は前記 電池出力電流の１／５０かそれよりも小さい請求項１記載の金 属空気電池。 ７．前記ファンが動作していれば約２０〜８０立方インチ／分の流量でそこを通 過させ、前記ファンが動作していなければ約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、前記複数の開口部が全体とし て寸法設定された請求項６記載の金属空気電池。 ８．前記金属空気電池が前記ファンが動作しているときに少なくとも７．２Ａの 電流が供給できるように前記複数のセルが協同して動作する請求項６記載の金属 空気電池。 ９．金属空気電池への空気流を制御する方法であって、 ハウジングが開口部とその開口部を通る流れの方向にほぼ垂直である開口部の 横断面積とを規定し、そのハウジング内に金属空気セルを閉じ込める段階と、 ファンを動作させて空気を開口部を介してハウジングに流動させる段階と、 前記ファンが開口部を介してハウジングに空気を流動させないように前記ファ ンの動作を止める段階と、 前記ファンを動作させる段階における横断面積が前記ファンの動作を止める段 階における横断面積とほぼ同じにするために、前記ファンを動作させる段階と前 記ファンの動作を止める段階とにおいて開口部を閉鎖されていない状態に保持す る段階と を備えることを特徴とする方法。 １０．前記ファンを動作させる段階において金属空気電池が供給することのでき る電流の、 前記ファンの動作を止める段階における金属空気電池の漏れ電流に 対する比が５０よりも大きい請求項９記載の方法。 １１．金属空気電池であって、 ハウジングと、 ファンの低圧側から該ファンの高圧側への流れの主軸を規定する該ファンと、 前記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、 少なくとも１つの第１のセルが前記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のセルが前記ファンの流れの主軸の第２の側に配置され た前記ハウジング内の該複数の金属空気セルと、 前記ファンの前記高圧側から前記第１のセルの空気電極側に沿って前記ファン の前記低圧側まで伸長する第１の空気経路と、 前記ファンの前記高圧側から前記第２のセルの空気電極側に沿って前記ファン の前記低圧側まで伸長する第２の空気経路とを備え、 前記ファンが前記第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 ことを特徴とする金属空気電池。 １２．前記金属空気電池は前記ファンが前記開口部を介して空気を流動させて空 気を前記複数の金属空気セルに供給する放電モードと、前記ファンが動作せずか つ前記開口部が密閉されないアイドルモードとを提供し、 前記複数の金属空気セルは、前記ファンが動作しているときに電池出力電流を 供給するように作用し、 前記開口部は、前記ファンが動作していないときの前記セルの放電を前記電池 出力電流よりもかなり小さい漏れ電流にまで減少させるように寸法が設定されて いる 請求項１１記載の金属空気電池。 １３．前記空気経路が、前記セルの空気電極側と前記ハウジングの壁との間に規 定される請求項１１記載の金属空気電池。 １４．前記複数の金属空気セルが、 第１のスタックにおける複数の前記第１のセルにして、前記第１のセルは垂直 方向に一定間隔だけ離れて配置されてそれらの間に前記第１の空気経路を規定す るものと、 第２のスタックにおける複数の前記第２のセルにして、前記第２のセルは垂直 方向に一定間隔だけ離れて配置されてそれらの間に前記第２の空気経路を規定す るものとを備え、 前記第１および第２のスタックは水平方向に一定間隔だけ離れて前記ハウジン グ内に配置され、前記ファンは 前記スタック間に形成された間隙に配置される請求項１１記載の金属空気電池。 １５．前記ハウジングに設けられた前記少なくとも１つの通気開口部が前記ファ ンに隣接する位置に開口する１対の細長い通気通路を備え、その１つは前記ファ ンの高圧側に配置されもう１つは前記ファンの低圧側に配置される請求項１１記 載の金属空気電池。 １６．前記通路のそれぞれについて、長さの幅に対する比が略２：１と２００： １との間にある請求項１５記載の金属空気電池。 １７．前記通路のそれぞれについて、幅が３ｍｍ以上６ｍｍ以下であり長さが１ ８ｍｍ以上２５ｍｍ以下である請求項１５記載の金属空気電池。 １８．前記金属空気電池が、前記ファンが動作していない場合に空気電極表面の １平方インチあたり１ｍＡよりも小さいドレイン電流密度を有する請求項１１記 載の金属空気電池。 １９．金属空気電池内の空気流を制御する方法であって、 ハウジングはその中にファンを有し、少なくとも１つの第１のセルが該ファン 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のセルが該ファンの 流れの主軸の第２の側に配置され、該ハウジング内に少なくとも２つの金属空気 セルを閉じ込める段階と、 前記ファンの高圧側から第１のセルの空気電極側に沿 って前記ファンの低圧側まで伸長する第１の空気経路と、前記ファンの高圧側か ら第２のセルの空気電極側に沿って前記ファンの低圧側まで伸長する第２の空気 経路と、に沿って同時に前記ファンから空気を送る段階と を備えたことを特徴とする方法。 ２０．前記ファンを動作させて空気を開口部を介して前記ハウジングに流入させ る段階と、 前記ファンが開口部を介して前記ハウジングに空気を流入させないように前記 ファンの動作を妨げる段階と、 前記ファンを動作させる段階における横断面積が前記ファンの動作を妨げる段 階における横断面積とほぼ同じにするために、前記ファンを動作させる段階と前 記ファンの動作を妨げる段階とにおいて開口部を密封されていない状態に保持す る段階とをさらに備え、 前記ファンを動作させる段階において金属空気電池が供給することのできる電 流と前記ファンの動作を妨げる段階における金属空気電池の漏れ電流との比が５ ０よりも大きい請求項１９に記載の方法。