JPH11514137A - 金属空気電池内の空気濃度を減少させる空気管理システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハウジング、空気流経路及び、前記ハウジング内に置かれた少なくとも１つの金属空気セルを具備する充電式金属空気電池。前記ハウジングと連通した空気移動装置。前記金属空気セルが、セルの充電中に酸素及び水素を発生させる。前記空気移動装置が、前記空気流経路内で脈動空気流を生成して、前記発生気体の流れの方向を定める。

Description

【発明の詳細な説明】 金属空気電池内の空気濃度を減少させる 空気管理システム 技術分野 本発明は一般的には金属空気電池用の空気管理システムに関し、より特定的に は、ファンを用いる金属空気電池内の空気濃度を減少させる空気管理システムに 関する。 発明の背景 金属空気電池は複数の電気化学セルから成る。セルは各々がさらに、空気浸透 性の正極（cathode）及びこれと水性電解質によって分離された金属製の負極（a node）から成っている。金属空気電池は比較的高いエネルギー密度を有するが、 その理由は、それが、電気化学的反応における反応体として金属酸化物や他の減 極性金属組成物等の重い材料ではなく周辺空気を利用するからである。例えば、 亜鉛・空気電池セルの放電中には、周辺空気からの酸素は正極で水酸化イオンに 変換され、亜鉛は負極で酸化されて前記水酸化物イオンと反応し、水及び電子が 放出されて電気エネルギーとなる。 充電可能であり、したがって複数の放電サイクルにとって有用な金属空気セル は二次電池（secondary cell）と呼ばれる。電気的に充電可能な金属空気セルは 、前記 セルの負極と正極の間に電圧を印加して電気化学的反応を逆転させることによっ て充電される。充電の間、セルの負極は、放電中に形成された金属酸化物を卑金 属（base metal）に還元させることによって電解的に再生される。電解的再生に よって多量の酸素及び少量の水素が発生するが、これらはセルのそれぞれ空気浸 透成正極と通気孔を介して放出される。 金属空気電池は、周辺空気から取った酸素を電気化学的反応で反応体として用 いるので、比較的軽量で小型の電源となる。さらに、再充電可能であることによ って、金属空気電池は携帯式コンピュータや携帯電話等の携帯式装置にとって理 想的な電源である。 負極は、金属空気セル中で放電中に酸化されて電気的エネルギーを発生するこ とができるような金属から成っている。このような金属には、鉛、亜鉛、鉄、カ ドミウム、アルミニウム、マグネシウム等がある。亜鉛は、その利用可能性、エ ネルギー密度、安全性及び経費の点で優れているので通常は好まれる。適切な電 解質は、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＣｓＯＨ等の１族の金属酸化物を含む水 性電解質である。 金属空気電池セルはしばしば、共通のハウジング内に複数のセル電池パックと して配置されて、十分な電力出力を得るようになっている。前記ハウジングにと って、電池の出力と寿命を減衰させないように、使用していない間にセルに自己 放電を防止するために過度の周辺空気 からセルを密封する必要がある。しかしながら、このハウジングがあるために、 使用中はセルに酸素を供給する必要がある。 通常は、酸素は、酸素を約２１％包含する周辺空気によって供給される。周辺 空気は、セルの使用中は開放されているハウジングの通気孔を介して入ってくる 。ハウジング内では、周辺空気はセルの空気正極全体にわたって反応体空気とし て押し流される。反応体空気が空気正極を横断するに連れて、酸素はセルと反応 して減損する。反応体空気は、空気正極を通過すると、ハウジング外に排出され る。このようにして、セルを使用中は、周辺空気は、希望の電力出力を達成する に十分な流量で連続的にハウジング内に引き込まれる。このような装置が、チー キー(Cheiky)に対して認められた米国特許第４，９１３，９８３号に見られるが 、これは、電池ハウジング内のファンを用いて金属空気セルの空気正極に対して 周辺空気を供給するようになっている。 再循環式空気管理装置は、充電式金属空気電池と一緒に安全に動作できること が好ましい。充電式金属空気電池は、上述したように、充電中に酸素と水素を発 生するが、これらは非常に濃度が高くなると爆発しかねない。再循環式空気管理 装置を充電式金属空気電池と一緒に使用する場合、再充電によって発生した水素 と酸素のバルクは高濃度でセルに近接して電池ハウジング内に留まる。ファンが 連続的に動作して、ハウジング外部からの補給 空気によって気体の濃度希釈されると、電池は乾燥してついには故障する傾向が ある。したがって、充電式金属空気電池によって発生された気体が集積されるの を効果的に防止できるような再循環式空気管理装置が必要となる。 発明の概要 本発明は、金属空気電池用の改良型空気管理装置を提供することによって上記 の技術上の問題点を解決するより良い解決策を提供する。本発明は、ハウジング 、空気流経路及び、ハウジング内に置かれた少なくとも１つの金属空気セルを有 する充電式金属空気電池を提供する。空気移動装置（air movement device）は ハウジングと連通している。金属空気セルは、充電中に酸素と水素を発生する。 空気移動装置は空気流経路中で脈動する空気流を生成して、発生した気体を方向 付けする。 本発明の特定の実施態様では、ファンが空気移動装置として使用される。ファ ンは、充電中、充電完了直後及びその後に周期的間隔で動作する。ファンは常時 オン（on）である必要はないようにパルス動作する。ファンは、所定の事前決定 された長さの時間にわたってオンし、次に同じ長さの時間にわたってオフ（off ）となるようにパルス動作するのが好ましい。各事前決定された時間長は約１０ 秒から約２分である。ファンはまた、事前決定された時間間隔をおいて少なくと も１つのパルスを有す るようにしてもよい。この事前決定された時間間隔は約１０分毎から約１時間毎 である。各時間間隔において、ハウジング内の気体を周辺空気と混合または気体 を希釈することによって空気流経路内の発生酸素の濃度が大気レベルに近いレベ ルにまで減少するまで、ファンはこの時間間隔毎にパルス動作さえすればよい。 本発明による本方法は、金属空気電池内の気体濃度を減少させる。この電池は 、ハウジング内の複数の金属空気セル、ハウジング内の空気流経路及びハウジン グと連通するファンを有する。本方法は、セルの再充電中に酸素と水素を空気流 経路中に発生させるステップと、ファンをパルス動作させて空気流経路中に脈動 空気流（pulsating air flow）を生成して、空気流経路中の気体濃度を減少させ るステップと、を含む。この脈動ステップは、セルの充電中、セルの充電完了直 後またはセル充電完了後周期的に発生する。 再充電可能金属空気電池はそれ自体が二極（dual）の空気電極セルである。こ のセルのハウジングは１つまたは複数の通気用通路を有してもよい。この通気用 通路は各々が、空気移動装置をオフして非動作としたときに、ハウジング中への 空気流入を実質的に排除させるように選択された断面積と長さを有していること が好ましい。また、その代わりにハウジングが機械式通気ドアを設けても良い。 したがって、本発明の目的は金属空気電池のための改 良された空気管理装置を提供することにある。本発明の他の目的、特徴及び利点 は、以下の図面及び添付クレームと共に、本発明の好ましい実施態様に関する以 下の説明を読めば明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、内部の詳細を示すために部分的に破断された、本発明を組み込んだ電 池の第１の実施態様の絵画図である。 図２は、図１の電池の上面図である。 図３は、図４を線３−３で切った、図１の電池の内部の上面図である。 図４は、図３を線４−４で切った、図１の電池の内部の端面図である。 図５は、図３を線５−５で切った、図１の電池のハウジングのカバー部分の側 断面図である。 図６は、本発明の第２の実施態様による空気管理装置を含む金属空気電池の分 解斜視図である。 図７は、本発明の空気管理装置と接続された第１のチャネルの実施態様を内蔵 したセルスタックを持った図６の金属空気電池の電池ハウジングの別の角度から 見た斜視図である。 図８は、図６の金属空気電池のコントロールパネルの前面図である。 図９は、コントロールパネルのレセプタと配線を示す、 図６の金属空気電池の制御セクションハウジングの分解図である。 図１０は、空気正極アッセンブリ、負極及び水素通気孔を示す、図６の金属空 気電池のセルの断面図である。 図１１は、本発明の前記第１のチャネル実施態様と接続されたスペーサバリヤ の位置を示す、図６の金属空気電池の内部の線図的な上面図である。 図１２は、本発明の第１のチャネル実施態様と接続された図６の金属空気電池 のセルスタックの斜視図であって、空気正極アッセンブリとセルケースまたはセ ルハウジングの間におけるスペーサバリヤの位置付けを示す。 図１３は、第２のチャネル実施態様を利用した図６の金属空気電池の線図であ って、空気正極とセルケースまたはセルハウジングの間におけるスペーサバリヤ の位置付けを示す。 詳細な説明 複数の図面にわたって同様な参照符号が同様な部品を示す上記の図面をここで 参照すると、図１乃至５に、本発明による金属空気電池７０が示されている。電 池７０は：中心ジョイントのところで２つの部分が一緒に密封されているハウジ ング７２と、カバー部分７３と、底部部分７４と、を含む。ハウジング７２内で は、４つのセル７６−７９がそれぞれ２つのセルから成る２つのスタック中に置 かれている。図４に示すように、セル７６と セル７７が左側のスタックを形成し、セル７８とセル７９が前記左側スタックと 間隔を置いて分離された右側スタックを形成している。ファン８０が左右のスタ ック間の細長いスペース中に置かれている。このファンは、図３の矢印で示すよ うに、両スタック間のこのスペースに沿ってファン８０の負圧（negative press ure）側８１から正圧（positive pressure）側８２に送出するように方向付けさ れている。このファンによる空気流の流れ方向はここではファン８０の流れの主 軸と呼ぶことにする。このように、左側スタック、セル７６及びセル７７は、こ の流れの主軸の左側に置かれており、一方右側スタック、セル７８及びセル７９ は流れの主軸の反対側に置かれている。ファン８０は、これらセルの全長に沿っ てほぼ中央に置かれ、ファンとカバー７３の間のスペース及びハウジング７２の 底部７４のスペースは共にガスケット８３で充填されるのが好ましい。 図２から図５に最もよく示すように、ハウジング７２のカバー部分７３が中心 溝８５の形状を規定しているが、この溝８５はカバー７３の中心で最も深く、溝 がカバーの相対する両側エッジに近づくに連れて浅くなる。溝８５はファン８０ の流れの主軸と平行に配向している。図５に示すように、ファン８０の周辺部分 は溝の中心で溝中に突出している。１対の細長い拡散チューブ８７と８８が溝中 にそれぞれファンの反対側に存在し、両方のチューブがファンの互いに反対側で 互いに軸が一致した状 態となるように各チューブの一端がファンに近接した位置に配置されている。こ れらのチューブは、ファンから離れる互いに反対方向に溝に沿って上方に伸張し て、それらの他方の端がカバー７３の主面の近傍で終端している。 このように、チューブ８７と８８の内部の両端はファンのブレードの回転面内 でファンの隣に位置していて、ファンの能動領域の外部セクタを介して互いに対 面している。チューブ８７と８８は、ファンがオフされたときにハウジング内へ の空気流を実質的に遮断させるように選択された断面積と長さを有している。図 １から５に示す実施態様では、チューブはその各々の内部直径が約３／１６イン チ（３−６ｍｍ）で、長さが約７／８インチ（１８−２５ｍｍ）であるのが好ま しい。しかしながら、通気用開口部２５の上記の範囲と特徴に当てはまる限りい かなる寸法を採用しても良い。当業者には、ファンの静圧（static pressure） を増加したときには、チューブ８７と８８によって形成された通路の長さを増加 させるか直径を減少させるかまたはこの双方を実行するかしてもよいことが理解 されるだろう。ファンの静圧と通路の寸法の間のバランスは、ファンがオフした ときにハウジング内への空気流入量が十分に減少するところに見いだされる。 チューブ８７と８８で形成される通路を、カバー７３中に成形された開口部に 替えても良く、あるいは溝８５ を閉じることによって替えても良いということも理解されるだろう。 セル７６−７９は、参照してここに組み込まれる１９９５年４月２４日に発行 された出願番号第０８／４２８，５４０号に記載されているタイプの双極の空気 電極セルでもよい。このようなセルは、セルの両表面に隣接した空気正極及びこ れら正極間に置かれた亜鉛負極を有する。これら各セルは、出願番号第０８／４ ２８，５４０号に示すように、正極端子タブ９５及び負極端子タブ９６ならびに セルの側部に形成された水素通気孔９７を含む。セルスタック間の中央スペース ９８以外のハウジング周辺部の回りに伸張する複数のＵ字形の周辺ガスケット９ ０によって、さらにガスケット９０，９２及び９３によって形成されるチャネル ９９によって、セル７６−７９は、これらのスタック内で互いに間隔を置いて、 また、ハウジングのカバー７３及び底部７４からも間隔をおいて、分離されてい る。左中央ガスケット９２は、セル７６上のファンから、セル７７の下を通り、 セル７６と７７の間を伸張している。右中央ガスケット９３は、セル７８上と、 セル７９の下と，セル７８と７９の間においてファンから伸張している。ガスケ ット９２および９３はセルの幅の略３／５の距離だけファンから伸張している。 ガスケット９０、９２及び９３によって、セルの空気正極のすべてに隣接する空 気流のための空間が提供され、また、このような空間に空気が直接に流れるよう に なっている。 動作中は、図１と３に図示する矢印が示すように、ファンは、互いに分離した ２つの空気流経路に沿って同時に空気を循環させる。ファンの正圧側に加圧され た空気は左右両方の中央スペース９８から、それぞれのスタックのセル同士間お よびセルとハウジング間のチャネル９９の中に流れ込む。中央ガスケット９２と ９３は空気を空気正極の外部エッジに誘導し、周辺ガスケット９０は空気を空気 正極の領域に閉じこめる。中央ガスケットを通過すると、空気はファンの負圧の 側に流れて戻り再循環される。新しい、すなわち補給空気が、ファンの負圧側に あるチューブ８７を介して導入され、その一方で、ほぼ同量の空気がファンの正 圧側にあるチューブ８８を介して排出される。 ファンのブレードが、吸入された空気をハウジング内の空気と混合し、この吸 入空気のほとんどを再循環用空気流経路中に導入する。ファンは、セルの全長の 中央近傍に位置するのが好ましいが、互いに分離した空気流経路が同時に維持さ れるところであればスタック同士間のスペースに沿ったどこに位置させてもよい 。ファンがオンの間は、空気はチューブ８７と８８の中を流れるが、ファンがオ フされると、チューブ中の流れは、セルを有意なほどに放電させない程度に小さ な流れとなる。空気流経路が互いに分離している結果、これらの空気経路が同じ 数のセルを利用した周知の構成の場合より短いため に、両方のセルスタックを構成するすべてのセルが空気を迅速に受け取り、この 受け取った空気はより一様な酸素濃度を持つこととなる。言い換えれば、空気流 がファンに戻る前に最後の空気電極領域に到達したときに、空気がすでに横断し た空気電極の累積面積がより少ないものであり、したがって、先行システムの場 合より酸素の減損量が少ないのである。 電池７０が再充電されている間、水素ガスと酸素ガスが金属空気セル７６−７ ９によって発生される。水素ガスはセルの両側部の水素通気孔９７を通って排出 され、一方、酸素ガスはセルの頂部の通気開口部８９を通って排出される。発生 水素は水素通気孔９７によって中央スペースに入り、発生酸素はチャネル９９か ら中央スペース９８に入る。このようにして、この２種類の気体は近接して存在 する。放電中や放電後等のように酸素の存在により爆発するという水素の特性の ために、ファン８０はこれらの発生気体を中央スペース９８やチャネル９９から 除去するように操作される。 １実施態様では、ファン８０は同じ時間間隔でオン及びオフのパルス動作をし て、放電中に中央スペース９８とチャネル９９の中に脈動空気流を生成させてい る。ファン８０をパルス動作させることによって、中央スペース９８とチャネル ９９からの気体を除去、あるいは少なくとも希釈するに十分な空気流が生成され る。しかしながら、ファン８０を連続的に動作させると、セルがさら に乾燥したり充満したりしかねない。ファン８０は約１０秒にわたってパルスに 動作され、次に同じ時間にわたってオフされて、気体の濃度殊に酸素の高い濃度 を減少または減損させる。長いパルスになると最大で約２分ほど持続する。 代わりに、ファン８０を、放電中に、約１０分から６０分にわたる事前決定さ れた長さにわたってパルス間で休止させてもよい。例えば、ファン８０の１パル スが、放電中の３０分毎に約１分続くようにして、中央スペース９８とチャネル ９９内の酸素濃度が低い値に留まるようにしてもよい。チューブ８７と８８を通 過する空気流はファン８０がオンであればいつでも生成されるので、高濃度の発 生気体は周辺空気と混合され希釈されるからである。 ファン８０はまた、パージ運転での充電の直後にパルス動作して中央スペース ９８とチャネル９９の内部の気体濃度を減少させるようにしてもよい。ファン８ ０は、気体濃度を容認可能なレベルにまで減少させるために、充電後に約１０秒 から約２分にわたる少なくとも１つのパルスを有するようにしてもよい。ファン ８０は、中央スペース９８とチャネル９９内部の酸素濃度を大気レベル近傍にま で減少させるに十分な時間にわたって運転することのみ必要である。 酸素と水素は充電完了後でさえもセル７６−７９から漏れ続けることがあるの で、ファン８０もまた、充電完 了後しばらくは事前決定された時間間隔でパルス動作することが好ましい。例え ば、充電完了時の初期パージ運転が終了すると、ファンはその後、たとえば次の ２時間の間に各３０分というような事前決定された時間間隔で最大２分間の持続 時間を持つパルスを少なくとも１つ有する。さらに、ファン８０は、中央スペー ス９８とチャネル９９内部の酸素濃度を大気レベル近傍にまで減少させるのに十 分な時間だけオン状態を維持する必要がある。 図６−１２に、本発明による金属空気電池パック１０２内に単一空気電極セル を用いた代替実施態様を示す。電池パック１０２は、制御セクション１０４ａ及 びセルスタックセクション１０４ｂから成る２部分ハウジング１０４を具備する 。ハウジング１０４は成形プラスチック製であることが好ましい。 図７に示すように、ハウジングのセルスタックセクション１０４ｂは、複数の セルスタック１６０中に配置されている複数の電池セル１６２を封入している。 セルスタック１６０の数及びスタック１つ１つの中にある電池セルの数は、電池 パック１０２の寸法及び形状ならびに電池の負荷を駆動するに必要な電池セル１ ６２の数によって異なることがあるが、本発明の好ましい実施態様の電池パック １０２は各々が４つのセル１６２を持つセルスタック１６０を３つ具備している 。 前部スタック１６０ａ、中心スタック１６０ｂ及び後部スタック１６０ｃは、 互いに隣接して置かれている。 セルスタック１６０は、それらの間に垂直方向に空気が流れ込まないように、ホ ットメルト接着剤から成るビードによって互いに取り付けられている。セルスタ ック１６０同士間に空気が垂直方向に流れ込むのを防止するために、かしめ物や シール材等の代替材料を用いてよいことが当業者には理解されるだろう。その上 、個々のレベルにおけるセルの部品を一体に形成して、前記垂直方向の空気流を 防止してもよい。 セルスタック１６０は、セルスタック１６０ａの露出面の１部分を伸張する前 部壁１１４によってハウジングのセルスタックセクション１０４ｂ中に固定され ている。セルスタック１６０はハウジングのセルスタックセクション１０４ｂよ り狭く、セルスタック１６０の両側部に沿ってスペース１６４ａとスペース１６ ４ｂが設けられている。 図８と９に詳細を示すように、ハウジングの制御セクション１０４ａは、セル スタックセクション１０４ｂの窪部１０８と重なる伸張側部１０６を含む。制御 セクション１０４ａをセルスタックセクション１０４ｂに固定するために、１対 のつまみネジ１１０が制御セクション１０４ａの底部の凹部１０９内に取り付け られている。つまみネジ１１０は、１対のねじ付きリテーナ１１２に向けてつま みネジ１１０が後方に伸張する根本のつまみネジカバー１１１によって支持され ている。ハウジング１０４に侵入するところでは、つまみネジ１１０の回り に空気が流れないようにつまみネジ１１０はワッシャ状シール（図示せず）を積 載してしている。つまみネジ１１０がねじ付きリテーナ１１２中に固定されると 、ハウジングのセクションは実質的に気密性シールを形成する。 ハウジング１０４ａの制御セクションは、１対の電源出力ジャック１１８及び １つの充電コネクタ１２０を保持するコントロールパネル１１６を含む。この電 源出力ジャック及び充電コネクタは、プリント回路基板１２２，プリント回路基 板コネクタ１２４配線１２６及びコントロールパネルリセプタ１２８を介して電 池セル１６２に接続されている。 複数の発光ダイオード１３０及びテストアクチュエータ１３４がプリント回路 基板１２２上に表面搭載されている。これらの構成部品はコントロールパネル１ １６に形成された適当な開口部を通って伸張する。テストアクチュエータ１３４ は、アクチュエータ１３４からコントロールパネル１１６の開口部を通って伸張 するテストボタン１３２を押すことによって起動してもよい。発光ダイオード１ ３０は、テストアクチュエータ１３４が起動されると電池パック１０２の充電レ ベルを指示する。アラーム及び他の状態インジケータをプリント回路基板１２２ 上に装備してもよい。例えば、米国特許出願番号第０８／２２９，３６８号に開 示するような電池漏れアラームを装備してもよい。プリント回路基板１２２は、 再充電プロセスを制御可能とするような電子系を含むよう にしてもよいことが当業者には理解されるだろう。しかしながら、このような電 子回路系は、このような電子回路系の特定の性質とは無関係に空気管理機能を提 供する本発明の一部ではない。 空気交換開口部１４０が制御セクションハウジング１０４ａ中に備えられてい て、周辺空気がハウジング１０４内に導入されるようになっている。空気交換開 口部１４０は吸気突起１５２中に形成されている。空気交換開口部１４０は、約 ０．０５平方インチから約０．１５平方インチの面積を有する細長い矩形のスロ ットであることが好ましい。スロット１４０は、幅が０．１２インチで長さが０ ．８インチであることが望ましく、さらに面積は０．０９６平方インチであるこ とが好ましい。空気交換開口部１４０の前面では、装飾グリル１４４が、このグ リルを介して周辺空気が流れるように間隔付けされた垂直ポストによって形成さ れている。 スイッチアクチュエータ開口部１４６がコントロールパネル１１６に形成され ていて、通気ドアとしても作用するスイッチアクチュエータ１３８の前部突起１ ４８を受容するようになっている。アクチュエータ１３８は、フェースプレート の後部表面中に規定されたトラック（図示せず）中を滑動する。一体形成された 通気ドア突起１５０は通気ドア１３８から後方に伸張して、おおむね三角形の断 面を形成している。吸気突起１５２に対面する突起１５０の表面上に通気ドアガ スケット１５４が 固定されている。通気ドア１３８が突起１５２に向けて滑動すると、ガスケット １５４は空気交換開口部１４０を圧接してこれを密封する。アクチュエータ／通 気ドア１３８もまた、後方に伸張する突起１５６を規定して、以下に示すように 電気スイッチ１３６を起動するようになっている。 スイッチ１３６はプリント回路基板１２２上でアクチュエータ１３８に近接し たエッジのところに取り付けられており、これによって、アクチュエータ１３８ がプリント回路基板１２２に向けて滑動すると、スイッチ１３６が、突起１５６ によって機械的に起動されるようになっている。これによって、空気交換開口部 １４０が露出されるに連れて、周知の回路（図示せず）を介して空気移動装置１ ４２がオン状態となる。 空気移動装置１４２はファンであることが望ましく、以下そのように呼称する 。したがって、本書で用いられる「ファン（fan）」という用語は、空気を流動 させるために用いるいかなる装置をも意味するものと意図される。ファン１４２ は空気をハウジング１０４内で循環させて、電池セル１６２に対して反応空気を 提供する。ファンの定格容量は静圧ゼロで毎分約６．３立方フィートであること が好ましい。ファン１４２は以下に述べるようにハウジング１０４の内部に取り 付けられるか、またはハウジング１０４の外部に取り付けられる。後者の場合、 ファン１４２はハウジング１０４から空気を引き込み、次 に、それをハウジング１０４に戻す。ファン１４２はどんな適切な方法で取り付 けてもよい。 再度図６を参照すると、ファン１４２は空気交換開口部１４０と電池セル１６ ２の間に形成された空気プレナム１５８中に配置されている。ファン１４２は、 ファン１４２からの空気の流れが、電池セル１６２の前部に平行なコントロール パネル１１６に平行であるように位置付けされるのが好ましい。空気交換開口部 １４０はファン１４２の高圧側に配置されている。 ファン１４２からの空気が空気交換開口部１４０を過ぎて流れるに連れて、こ の空気の一部がハウジングの外部で空気交換開口部１４０を通って拡散流出され る。それと同時に、参照してここに組み込まれる共同所有の米国特許第５，３５ ６，７２９号に記載されるように、限定された量の空気が空気交換開口部１４０ を通ってハウジング中に拡散流入される。 図１０に、金属空気電池セル１６２の様々な構成部品を示す。セルケース１６ ６は、セル底部１６９，セルリッド１７４及び上方伸張周辺側壁１７１から成る ケース本体１６８を含む。空気正極アッセンブリ１７５は、セルケース本体１６ ８の底部に沿って、セルケース本体１６８内に配置されている。 空気正極アッセンブリ１７５は、セル底部１６９に沿った複数の開口部１７０ 及び、開口部１７０によって大気に露出されている空気正極１７２を具備する。 気体透 過性の疎水性膜１７３は、電解液の漏液を防ぎ、セル１６２内の湿度の量を減少 させると同時に、空気を通過させて正極１７２で反応させるため、正極１７２と 開口部１７０の間のセルケース１６６の内部に沿って、また、側壁１７１に沿っ て伸長する。 正極サポート１７８は正極１７２を、セルケース本体１６８内の本来の位置に 固定し、同時に、負極スクリーン１８０、アブソーベントセパレータ材料１８１ 及び電解液１８２を包含して支持している。セルリッド１７４は、セル本体１６ ８を封入し、シーム１８４に沿って本体１６８と合流している。電極リード１８ ３は、リッド１７４とセル側壁１７１の間を、側壁１７１に沿って正極１７２か ら、シーム１８４を通って伸張している。水性電解質１８２はセルケース１６６ を部分的に充填し、これによって、セルケース１６６内部の液体容量を規定して いる。残余の非固定の容量は、水性電解質１８２によって充填されるセルケース １６６の容量に依存してセルケース１６６内の気体容量を規定している。 亜鉛は、入手可能性、エネルギー密度、安全性及び低価格という点で負極１８ ０用の金属として好ましい金属である。ＫＯＨは好ましい電解質１８２である。 好ましい正極は、参照してここに組み込まれる米国特許代５，３０６，５７９号 に記載されている。 １つまたは複数の通気システム１９０がセルリッド１７４内に装備されていて 、セル１６２によって発生され た余分の気体をセルケース１６６の内部から排出し、これによって過度の圧力が セルケース１６６内に発生するのを防止する。各通気システム１９０は、小さな 気体出口孔１９１と、セルケースセクション内の凹部１９２と、気体透過性で疎 水性の膜１９３と、多孔性気体拡散器１９４と、気体透過性で疎水性の膜１９５ とを具備する。気体出口孔１９１はセルケースを通って伸張して、金属空気セル １６２の動作中に発生した気体を排出するための手段を提供する。凹部１９２の 内側では、膜１９３が気体排出孔１９１を覆うように気体透過性の疎水性膜１９ ３が凹部１９２の表面に取り付けられている。凹部１９２の形状は円形であるこ とが望ましい。気体拡散器１９４は複数の小孔を有し、気体排出孔１９１を覆う ように凹部１９２内の膜１９３に隣接して置かれている。他方の膜１９５はセル ケース１６６の内部表面に取り付けて、凹部１９２及び、凹部１９２内に固定さ れている気体拡散器１９４を覆うようにしてもよい。各通気システム１９０は、 参照してここに組み込まれる共通所有米国特許第５，３６２，５７７号によって 開示されるような構造を持っている。 図１２に示すように、セル１６２は、セルスタックハウジング１０４ｂの底部 に対面する正極アッセンブリと一緒に配置されている。セル１６２は、スペーサ バリヤ２１０の集合によって間隔付けされ分離された様々なレベルに置かれてい る。ハウジング１６２ａの底部に最も 近いセルは、１セットのスペーサバリヤ２１０ａによってハウジング１６２ａか ら分離されている。次のセル１６２ｂ自身は、１セットのスペーサバリヤ２１０ ｂによってセル１６２ａから分離されている。セル１６２ｃは、１セットのスペ ーサバリヤ２１０ｃによってセル１６２ｂから分離され、セル１６２ｄは、１セ ットのスペーサバリヤ２１０ｄによってセル１６２ｃから分離されている。１セ ットのスペーサバリヤ２１０ｅが、セル１６２ｄをハウジング１０４の頂部から 分離している。 本発明の１実施態様では、セルスタック１６０ｂ及び１６０ｃに隣接するスペ ース１６４ａは、フォームバリヤ１６７によって空気の流れから密封されている 。その上、スペース１６４ｂは、フォームバリヤ１６９によって空気の流れから 完全に密封されている。このようにして、空気のすべての流れは、すべての空気 正極の全領域にわたって伸張する空気経路に閉じこめられる。したがって、すべ ての空気正極の全領域にわたって反応空気が供給される。セルスタック１６０ａ に隣接するスペース１６４ａの空間部分が、プレナム１５８の延長部を形成する 。 ケースと同様に、個々のセル１６２の反対側のセルケーシングまたはハウジン グは対面壁を形成し、この対面壁はスペーサバリヤ２１０と共にそれぞれのセル のレベル間でチャネル２１２を形成している。このように、セルスタック１６０ は各々が５つの類似したチャネル２１ ２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ及び２１２ｅを垂直方向に間隔付けされ分 離されたレベルに有している。セル１６２同士間にある４つのチャネル２１２ａ 、２１２ｂ、２１２ｃ及び２１２ｄが、セル１６２に反応体空気を提供する。頂 部セル１６２ｄの上にあるチャネル２１２ｅが、当該セルから通気された水素ガ スを除去する。また、反応空気をそれらの上にあるセルに提供する他にも、チャ ネル２１２ｂ、２１２ｃ及び２１２ｄはさらに、それぞれセル１６２ａ、１６２ ｂ及び１６２ｃによって通気された水素ガスを除去する。 チャネル２１２は各々が、空気プレナム１５８に対して開放されている吸気端 ２１４及び排気端２１６を有する。空気プレナム１５８とチャネル２１２は一緒 になって、ハウジング１０４内の一般的な循環から隔離された空気通路を形成す る。 より具体的に言うと、本発明の１実施態様（図１１と１２）では、個々のレベ ルでチャネルを構成する各々の集合を成すスペーサバリヤ２１０は、ハウジング １０４ｂの前部端からセルスタック１６０ａ、１６０ｂ及び１６０ｃのエッジを 横断して、セルスタック１６０ｃの背部に沿って、次に、セルスタック１６０ｃ 及び１６０ｂの反対側に沿って伸張する第１のＵ字形のスペーサバリヤ２１３を 含む。第２のＬ字形スペーサバリヤ２１５は、スペーサ１６４ａから壁１１４の 内部に沿ってセルスタック１６０ａの中央点に進み、次にセルスタック１６０ ａ及び１６０ｂならびにセルスタック１６０ｃの１部分の中央を後方に下って伸 張する。 エアデフレクタ（deflector）２２０は空気プレナム１５８の中に配置されて いる。デフレクタ２２０は、プレナムの前部壁２２１から、ハウジングセクショ ン１０４ａ及び１０４ｂが組み立てられたときにセルスタック１６０ａを密封す る点にまで伸張する。デフレクタ２２０は垂直方向に伸張して、ハウジングの制 御セクション１０４ｂの内部の頂部及び底部を密封する。エアデフレクタ２２０ は、ファンからの空気の流れをチャネル２１２の吸気端２１４の方に偏向させる 。各チャネルの中で、空気は、吸気端２１４から後方にセルスタック１６０の一 方の側に沿って、セルスタック１６０ｃの背部を横断して、次にセルスタック１ ６０の他方の側に沿って前方に向かい、バリヤ２１３の端まで流れる。空気はチ ャネルから出てスペース１６４ａとプレナム１５８に進行し、次にファン１４２ に流れる。この空気流を矢印２１９で示す。 本発明のさらなる実施態様を、図１１に示すのと同じセル構成と関連して説明 する。本実施態様では、図１３に示すように、スペーサバリヤ２１７は、空気プ レナム１５８に平行なセルスタック１６０の側部に沿って横断方向に置かれてい る。スペース１６４は本実施態様では密封されてはいないが空気プレナムの一部 を形成している。 ファン１４２からの空気の流れはスペース１６４ａ中に流入しこれに沿って進 む。空間１６４ａ中では、流れの１部分はセルスタック１６０ａのチャネル２１ ２中に向かって反らされる。残りの空気流は、さらなる部分がセルスタック１６ ０ｂのチャネル２１２中に逸らされる空間１６４ａに沿ってさらに進む。この空 気の残余部分は、さらに空間１６４ａに沿って流れ、次にセルスタック１６０ｃ のチャネル中を進む。この空気は、すべてのセルスタック１６０のチャネル２１ ２を出て、空気プレナム１５８中に引き戻されるところのスペース１６４ｂ中に 進む。このように、空気の全体の流れは、すべての空気正極の領域全体にわたっ て伸張する空気通路に再び閉じこめられてこの全体領域に反応体空気を供給する 。 いずれのチャネル構成においても、セルスタック１６２が動作中は、反応体空 気は、空気プレナム１５８からチャネル２１２を通り空気プレナム１５８の背部 にまでファン１４２によって再循環される。反応空気は、チャネル２１４の吸気 端に侵入し、排気端２１６にまで流れる。反応体空気は、チャネル２１２中を流 れるに連れて、セル１６２の動作によって酸素が減損する。消費された酸素を補 うために、減損した空気の内の選択された量が、空気交換開口部１４０を通じて 周辺空気と交換される。減損した空気の内の限定された量だけが周辺空気と交換 されるのである。 単一空気交換開口部１４０から拡散によって空気を交 換する手段に対する代替手段として、第２の空気交換開口部１４１を、図１１中 で波線で示すように装備してもよい。第２の空気交換開口部１４１は、周辺空気 が第２の空気交換部１４１からハウジング１０４中に引き込まれ、再循環された 空気の１部分が空気交換開口部１４０を通ってハウジング１０４から排出される ように、ファン１４２の低圧力側に配置されている。 金属空気セルパック１０２が再充電されている間に、水素ガス及び酸素ガスが 金属空気セル１６２によって発生される。単一電極を用いた実施態様では、水素 ガスはセルリッド１７４のところで通気システム１９０を介して排出され、一方 に、酸素ガスはセル底部１６９のところで正極アッセンブリを介して排出される 。この発生された水素ガスは、各セルの通気システム１９０に直接隣接するチャ ネル２１２に流入し、酸素ガスは各セルの正極アッセンブリに直接隣接するチャ ネル２１２に侵入する。このように、これら２つの気体は互いに近接して存在す る。充電中や充電直後等のように水素ガスは酸素ガスが存在すると爆発する特性 を持つので、ファン１４２は、発生した気体をチャネル２１２から除去するよう に操作される。 ある実施態様では、ファン１４２は同じ時間にわたってオン／オフのパルス動 作をして、充電中にチャネル２１２を介して脈動空気流を生成する。ファン１４ ２をパルス動作させることによって、セル１６２及びチャネル ２１２から気体を除去するに十分な空気流が生成される。しかしながら、ファン １４２を連続して運転すると、セルがさらに乾燥したり充満したりしかねない。 ファン１４２は、約１０秒間動作して次に同じ１０秒間オフしてパルス動作し、 気体の濃度、特に酸素の高濃度を減少させたり除去させたりする。長いパルスで は最大約２分持続する。 代わりに、ファン１４２は、充電中に約１０分から約６０分の事前決定された 時間にわたってパルス動作の間に休止するようにしてもよい。例えば、チャネル ２１２内の酸素濃度を低く抑えるために、ファン１４２は、充電中の３０分毎に 約１分の持続時間をその１つのパルスが持つようにしてもよい。 ファン１４２はまた、パージ運転での充電直後にパルス動作させて、チャネル ２１２内の気体濃度を減少させるようにしてもよい。ファン１４２は、少なくと も１つのパルスを、約１０秒から約２分の充電直後に動作させて、気体濃度を容 認レベルにまで減少させるようにしてもよい。ファン１４２は、チャネル２１２ 内の酸素濃度を大気レベル近くにまで減少させるに十分な時間だけ運転する必要 があるだけである。 酸素と水素は、充電完了後でさえもセル１６２から漏れ続けるので、ファン１ ４２はまた、充電が完了後しても事前決定された時間間隔である時間にわたって パルス動作させるようにしてもよい。例えば、充電完了時の初 期運転後に、ファンはその後、次の２時間の間に事前決定された例えば３０分毎 という時間間隔で最大２分にわたって少なくとも１つのパルスを有するようにし てもよい。また、ファン１４２は、チャネル２１２内の酸素濃度を大気レベル近 くにまで減少させるに十分な時間にわたってオン状態に留まる必要があるだけで ある。 通気ドア１３８は、再充電中と再充電直後に開放位置に置かれて、ファン１４ ２によってチャネル２１２から流された発生気体を混合したり希釈したりできる ようにすることが好ましい。こうする代わりに、通気ドア１３８を、再充電とそ の後の全期間またはその一部にわたって閉じたままにしておいて、ファン１４２ によって生成された脈動空気流によって、チャネル２１２内の発生気体の高濃度 のポケットを減少させるようにしてもよい。同様に、通気ドア１３８は、再充電 が完了した後では周期的なファンのパルスの間は一般に閉じている。充電後に通 気ドア１３８を開放したままにしておくと、セルが乾燥しきってしまう（dry ou t）傾向がある。最後に、さらなる代替案として、ファン１４２が運転している ときにだけ、通気ドア１３８を開放する案があることが当業者には理解されるだ ろう。 上記の説明は本発明の好ましい実施態様にだけ関するものであり、以下のクレ ームによって記載される本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更が可能で ある。

【手続補正書】 【提出日】１９９９年２月１６日 【補正内容】 請求の範囲 １．ハウジングと、 前記ハウジング内の少なくとも１つの金属空気セルであって、セルの充電中に 前記金属空気セルが酸素及び水素を発生させるものと、 前記ハウジング内の空気流経路と、 前記ハウジングと連通する空気移動装置であって、前記空気移動装置が前記空 気流経路内で脈動空気流を発生させるものと、 を具備し、 前記空気流経路内で前記発生した酸素ガスの濃度が大気レベル近くに減少する まで前記空気移動装置がパルス動作する ことを特徴とする再充電可能な金属空気電池。 ２．前記空気移動装置がファンを具備することを特徴とする請求項１に記載の再 充電可能な金属空気電池。 ３．前記空気移動装置がセル充電中にパルス動作することを特徴とする請求項１ に記載の再充電可能な金属空気電池。 ４．前記空気移動装置が、事前決定された時間にわたってオン動作し、次に同じ 時間にわたってオフすることに よりパルス動作することを特徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電 池。 ５．前記空気移動装置のオン及びオフによるパルス動作の前記事前決定された時 間が各々約１０秒から約２分であることを特徴とする請求項４に記載の再充電可 能な金属空気電池。 ６．ハウジングと、 前記ハウジング内の少なくとも１つの金属空気セルであって、セルの充電中に 酸素および水素を発生するものと、 前記ハウジング内の空気流経路と、 前記ハウジングと連通する空気流動装置であって、前記空気流経路内に脈動空 気流を形成するものと を具備し、 前記空気流動装置がセルの充電が完了した直後にパルス動作する ことを特徴とする再充電可能な金属空気電池。 ７．前記空気移動装置が、前記セルの充電が完了した後、約３０秒から約２分の間 に少なくとも１つのパルス動作を実施することを特徴とする請求項６に記載の 再充電可能な金属空気電池。 ８．ハウジングと、 前記ハウジング内の少なくとも１つの金属空気セルであって、セルの充電中に 酸素および水素が発生するものと、 前記ハウジング内の空気流経路と、 前記ハウジングと連通する空気移動装置であって、前記空気流経路内に脈動空 気流を形成するものと を具備し、 前記空気移動装置は、セルの充電が完了した後に周期的にパルス動作する ことを特徴とする再充電可能な金属空気電池。 ９．前記空気移動装置が、事前決定された時間間隔をおいて少なくとも１つのパ ルスを発生することを特徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 １０．前記事前決定された時間間隔が約１０分毎から約１時間毎であることを特 徴とする請求項９に記載の充電式金属空気電池。１１ ．前記空気流経路中の前記水素及び前記酸素が再循環されることを特徴とす る請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。１２ ．前記電池が双極の空気電極セルを具備することを 特徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。１３ ．前記ハウジングが１つまたは複数の通気用通路を具備することを特徴とす る請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。１４ ．各前記通気用通路が、前記空気移動装置がオフされると、前記ハウジング 中への空気流が実質的に除去されるように選択された断面積及び長さを有するこ とを特徴とする請求項１３に記載の再充電可能な金属空気電池。１５ ．金属空気電池内の気体濃度を減少させる方法であって、 前記金属空気電池は、ハウジング内にある複数の金属空気セルと、前記ハウジ ング内の空気流経路と、前記ハウジングと連通するファンを具備し、 前記方法が、 セルを再充電している間に前記空気流経路中に酸素及び水素を発生させるステ ップと、 セルの充電が完了した後に前記ファンをパルス動作させて、前記空気流経路中 に脈動空気流を生成し、これによって前記空気流経路内の前記気体の濃度を減少 させるステップと、 を含むことを特徴とする方法。１６ ．前記パルス動作させるステップが、セルの充電完了直後に発生することを 特徴とする請求項１５に記載の方法。１７ ．前記パルス動作ステップが、セルの充電完了後に周期的に発生することを 特徴とする請求項１５に記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジングと、 前記ハウジング内の少なくとも１つの金属空気セルであって、セルの充電中に 前記金属空気セルが酸素及び水素を発生させるものと、 前記ハウジング内の空気流経路と、 前記ハウジングと連通する空気移動装置であって、前記空気移動装置が前記空 気流経路内で脈動空気流を発生させるものと、 を具備することを特徴とする再充電可能な金属空気電池。 ２．前記空気移動装置がファンを具備することを特徴とする請求項１に記載の再 充電可能な金属空気電池。 ３．前記空気移動装置がセル充電中にパルス動作することを特徴とする請求項１ に記載の再充電可能な金属空気電池。 ４．前記空気移動装置が、事前決定された時間にわたってオン動作し、次に同じ 時間にわたってオフすることによりパルス動作することを特徴とする請求項１に 記載の再充電可能な金属空気電池。 ５．前記空気移動装置のオン及びオフによるパルス動作 の前記事前決定された時間が各々約１０秒から約２分であることを特徴とする請 求項４に記載の再充電可能な金属空気電池。 ６．前記空気移動装置が、セルの充電が完了した直後にパルス動作することを特 徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 ７．前記空気移動装置が、前記セルの充電が完了した後、約３０秒から約２分の 持間に少なくとも１つのパルス動作を実施することを特徴とする請求項６に記載 の再充電可能な金属空気電池。 ８．前記空気移動装置が、セルの充電が完了した後に周期的にパルス動作するこ とを特徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 ９．前記空気移動装置が、事前決定された時間間隔をおいて少なくとも１つのパ ルスを発生することを特徴とする請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 １０．前記事前決定された時間間隔が約１０分毎から約１時間毎であることを特 徴とする請求項９に記載の充電式金属空気電池。 １１．前記空気流経路内の前記発生した酸素濃度が大気レベルの近くに減少する まで、前記空気移動装置がパルス動作することを特徴とする請求項１に記載の再 充電可能な金属空気電池。 １２．前記空気流経路中の前記水素及び前記酸素が再循環されることを特徴とす る請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 １３．前記電池が双極の空気電極セルを具備することを特徴とする請求項１に記 載の再充電可能な金属空気電池。 １４．前記ハウジングが１つまたは複数の通気用通路を具備することを特徴とす る請求項１に記載の再充電可能な金属空気電池。 １５．各前記通気用通路が、前記空気移動装置がオフされると、前記ハウジング 中への空気流が実質的に除去されるように選択された断面積及び長さを有するこ とを特徴とする請求項１４に記載の再充電可能な金属空気電池。 １６．金属空気電池内の気体濃度を減少させる方法であって、 前記金属空気電池は、ハウジング内にある複数の金属空気セルと、前記ハウジ ング内の空気流経路と、前記ハ ウジングと連通するファンを具備し、 前記方法が、 セルを再充電している間に前記空気流経路中に酸素及び水素を発生させるステ ップと、 前記ファンをパルス動作させて、前記空気流経路中に脈動空気流を生成し、こ れによって前記空気流経路内の前記気体の濃度を減少させるステップと、 を含むことを特徴とする方法。 １７．前記パルス動作させるステップが、セルの充電中に発生することを特徴と する請求項１６に記載の方法。 １８．前記パルス動作させるステップが、セルの充電完了直後に発生することを 特徴とする請求項１６に記載の方法。 １９．前記パルス動作ステップが、セルの充電完了後に周期的に発生することを 特徴とする請求項１６に記載の方法。