CN102037593B - 电化学电池，特别是具有电沉积燃料的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过金属燃料在电池阳极上电沉积而使电池充电的方法。

Description

电化学电池,特别是具有电沉积燃料的电池
发明领域
本申请涉及用于发电的电化学电池，更具体地涉及使用电沉积燃料的电池。
背景技术
采用金属作为燃料的电化学电池是已知的。此类器件的实例在例如美国专利7,276,309、6,942,105、6,911,274和6,787,260中得到展示，通过引用将这些专利整体并入本文。这些在先实施方案的缺点的简短列举包括：沉淀的反应产物在阳极区和阴极区累积，与固体颗粒燃料的供给相关的问题，归因于尚未氧化的燃料附近增加的氧化燃料浓度而缓慢的燃料净氧化速率。
不使用微粒的金属-空气电池或蓄电池也是已知的。金属-空气电池典型地包含其金属燃料受到氧化的阳极、来自环境空气的氧气在其上被还原的吸气式阴极、以及用于支持被氧化的/被还原的离子的反应的电解质。
本申请也致力于提供对电池充电或再充电的有效且改良的方法，该方法可用于任何类型的在其中电沉积燃料的电池。
概述
本发明的一个方面提供操作电化学电池的方法。所述电池包含第一电极，该第一电极包含一系列的以隔开方式布置的可渗透电极体，以及与第一电极隔开的第二电极。充电电极与第一电极隔开。所述充电电极选自(a)第二电极和(b)第三电极。也就是说，所述充电电极可以是第二电极，或者它可以是所述系统中的第三电极。离子传导介质将这些电极连通而且包含可还原的燃料离子。所述离子可以呈自由的离子形式，或者呈分子或络合形式。所述方法包括：
A.如下对所述电化学电池充电：
i.在所述充电电极与所述可渗透电极体中的至少一个之间施加电流，其中充电电极充当阳极而至少一个可渗透电极体充当阴极，使得所述可还原的燃料离子还原并且以可氧化形式的燃料电沉积在至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积造成所述燃料在所述可渗透电极体之间生长使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；和
iii.移除电流以中断充电；
B.使用该电化学电池通过如下方式产生电流：将充当阳极的第一电极的可渗透电极体上的燃料氧化以及将充当阴极的第二电极处的氧化剂还原，由此生成电子用于从第一电极经由负载传导至第二电极，以及氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子反应形成副产物。
本发明的另一方面提供用于将电化学电池充电的方法。所述电池包含第一电极，该第一电极包含一系列的以隔开方式布置的可渗透电极体，以及与第一电极隔开的第二电极。充电电极与第一电极隔开。所述充电电极选自(a)第二电极和(b)第三电极。离子传导介质将这些电极连通而且包含可还原的燃料离子。
所述方法包括：
i.在所述充电电极与所述可渗透电极体中的至少一个之间施加电流，其中充电电极充当阳极而至少一个可渗透电极体充当阴极，使得所述可还原的燃料离子还原并且以可氧化形式的燃料电沉积在至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积造成所述燃料在所述可渗透电极体之间生长使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；和
iii.移除电流以中断充电。
在一种非限制性实施方案中，所述电极体可以彼此以及与负载并联连接。在末端电极体与其它电极体和负载之间可以连接至少一个电流隔离器。该至少一个电流隔离器防止在充电期间对末端电极体施加的电流传导至其它电极体。另外，该至少一个电流隔离器容许在使用所述电化学电池时电流从末端电极体传导至负载。
从以下的详细说明、附图以及所附的权利要求，本发明的其它方面将会变得明显。
附图简要说明
图1为包括4个电化学电池的电化学电池系统的一种实施方案的分解透视图；
图2为图1电化学电池系统的顶视图；
图3为沿着III-III线的图2电化学电池系统的横截面图；
图4为沿着IV-IV线的图2电化学电池系统的横截面图；
图5为图1电化学电池系统的下基座的底视图；
图6为图5下基座的顶视图；
图7为沿着VII-VII线的图6下基座的横截面图；
图8为图1电化学电池系统的阳极支座和多个阳极的分解透视图；
图9为图8阳极支座的顶视图；
图10为图8阳极支座的底部透视图；
图11为图1电化学电池系统的歧管的底视图；
图12为图1电化学电池系统的盖子的底视图；
图13为图1电化学电池内流动的示意图；
图14为具有用于再充电的可渗透电极体堆叠体的电化学电池在其产生电流的操作过程中的示意图；
图15为图14的电池在其充电操作过程中的示意图；
图16为电极体以及在其上生长的电沉积燃料的分解示意图；
图17显示图16中生长的进行；
图18显示图16和17中生长的继续进行；
图19为类似于图16的示意图，但是显示一种替代性实施方案；和
图20显示类似于图16的示意图，但是显示了另一替代性实施方案。
详述
本发明的原理可以宽泛地应用于其中在阳极上电沉积燃料(例如金属燃料)的任何电化学电池。这些电池可以包括蓄电池，例如金属-空气蓄电池。附图说明了所要求保护的发明多个方面的实施方案。这些实施方案决不意图是限制性的，而且只是打算作为实例以便于理解所要求保护的发明的原理。
例如，本发明的原理可以随之一起应用的电化学电池的一种非限制性实例在2008年8月28日提交的美国临时申请61/136,330中得到展示，通过引用将该申请整体并入本文。
图1-4举例说明按照本发明实施方案的电化学电池系统(一般以1表示)的另一实例。正如下文所说明和描述，电化学电池系统1包括多个电化学电池10，在图4中以横截面更清楚地显示所述电化学电池10中的两个。尽管该实施方案中举例说明总共4个电化学电池，但是在所述系统中可以包括更多或更少的电化学电池。实际上，在某些应用中，可以制造并联电化学电池的大型二维阵列从而提供增大的功率输出。在另外的实施方案中，所述电池可以是串联的。所示的实施方案并不意图以任何方式进行限制，而仅仅是实例。
如同下文更详细论述的，每个电化学电池10具有阴极12和阳极14(在图1中显示出2个阳极，其各自代表所述电化学电池10中的一个)。本文使用的阳极14为所述系统的燃料被氧化之处。如同下文更详细论述的，阳极14由导电性电极体上电沉积的固体燃料形式的燃料构成，但是即使当没有燃料存在时一般也可以称为阳极。电化学电池系统1还可以包括入口16以及容许氧化剂进入系统的氧化剂输入端18。在一些实施方案中，所述电池可以是蓄电池，使得燃料是自给的，例如金属-空气蓄电池，因而不需要将入口与独立的燃料源连接。同样，氧化剂也可以是自给的。
电化学电池系统1包括设置用于支撑本文所述的电化学电池系统1的部件的下基座20。出于描述目的，将电化学电池系统1说明及描绘成具有如下的取向：下基座20位于系统1的“底部”，但是应当理解系统1可以按任何方式取向。因而，任何的方向基准都是关于如附图所示的取向而做出的，并不意图将指导性实施方案限于任何特定的取向。如同下文更详细论述的，每个电化学电池的阴极12是由下基座20支撑的单体阴极。下基座20限定每个电化学电池10的开口22，每个开口被设置为各个电化学电池的氧化剂输入端18，正如下文更详细所述。如图1所示，衬垫24位于下基座20与阴极12之间，以便在阴极12与下基座20之间提供密封。设置衬垫24用于基本上防止任何流体如电解质从系统中泄漏。
在另外的实施方案中，每个电池的阴极可以由较小的、分离的且单个的阴极提供，而不是较大的“单体阴极”。因而，单体阴极的使用并不意图是限制性的。
另外设置下基座20用于容纳阳极支座26，构造并布置该阳极支座以支持阳极14(在所示的实施方案中提供4个阳极)。阳极支座26将在下文更详细论述。阳极14可以由夹持器28(例如夹具)夹持在阳极支座26中，然而可以使用任何合适的固定装置。设置下基座20和阳极支座26以便在组装所述系统时它们各自的顶面是基本上共面的，即处于同一平面中。如同图1中进一步说明的，电化学电池10包括延伸跨越阳极支座26和下基座20的衬垫30。
在衬垫30之上布置过渡构件32，并且在过渡构件32之上布置另一衬垫34。过渡构件32在下文更详细论述。歧管36在与过渡构件32相对侧上与衬垫34接触。歧管36包括入口16和出口38。
作为选择，出口38可以与如下系统连接：该系统可以用于从电解质中分离电化学电池系统1的电化学反应的副产物，然而为了电解质再使用或再循环并不需要分离该副产物。在一些实施方案中可以从电解质中分离副产物以防止电池堵塞，但这不是必需的。分离出的副产物可以任选地重新引入电解质中以便再充电期间在阳极上还原。在另外的实施方案中，副产物可以保留在溶液中或者作为沉淀物保留在电池内的电解质中，其可以用于在阳极上还原以便使电池再充电。在这样的实施方案中，入口16和出口38可以与循环泵连接从而在不分离副产物的情况下产生再循环电解质流。
可以用多个可以插入到各个结构体中所提供的定位孔40的紧固件(未示出)或者用任何其它合适的夹具将整个组件夹在一起，以便衬垫24、30、34将电化学电池系统1的各个部件密封在一起，从而基本上防止流体从电化学电池系统1泄漏。尽管整个系统是以具有基本上矩形的形状进行举例说明，但是可以采用任何合适的形状和构造，该示例性构造不是限制性的。
下基座20更详细地示于图5-7。如上所述，设置下基座20用于支撑阴极12。更具体地，下基座20包括空腔42，其提供设置用于支撑阴极12的支撑表面44。上述的开口22一直延伸贯穿下基座20。将开口22隔开的肋条46也部分地限定支撑表面44，并且设置用于支撑阴极12的中央部分。因而，阴极12布置在空腔42中并且与支撑表面44(以及上述的衬垫24)接合，使得阴极12通过由肋条46所限定的4个“窗口”22露出。这种构造容许单体阴极22同时被全部4个电化学电池10所用，正如下文更详细所述。下基座20还可以包括带螺纹的孔48，设置该孔以容纳用于将整个电化学电池系统1夹在一起的紧固件。下基座20可以由任何合适的不导电材料如塑料制成。
阴极12一般包含外侧由透气性层覆盖的多孔体，氧化剂可以扩散通过该透气层，但是电解质不可以通过。也就是说，所述层是气体可渗透的，但不是电解质可渗透的(即，它是透气性的而不是透液性的)。作为选择，所述多孔体也可以在内侧覆盖以电解质可以通过的透液性层，使得电解质可以接触该多孔体。阴极12的多孔体具有高的表面积而且包含对氧化剂还原反应具有高活性的催化剂材料。在所示的实施方案中，阴极12具有基本上平坦的构造。如图1所示，阴极12也具有矩形的、更特别是正方形的构造。然而，该示例性构造不是限制性的，阴极12可以具有除示例以外的任何其它形状或构造，任一种都可以具有任意的材料组成。
所述阴极可以是被动或“吸气”式阴极，其例如通过窗口或开口22以被动方式暴露于氧化剂源(典型为环境空气中存在的氧气)，并且吸收氧化剂以供电化学电池反应中的消耗。也就是说，氧化剂(典型地是氧气)将会从环境空气中渗入阴极12。因而，不需要例如经由入口将氧化剂以主动方式泵送或者以其它方式引导至阴极。阴极12中氧化剂由之被吸收或者以其它方式渗透或接触阴极12的任何部分都可以被通称为“输入端”。术语输入端可以宽泛地包括所有将氧化剂输送至阴极的方式(而且该术语可以参照任何将燃料输送至阳极的方式类似地使用)。在所示的实施方案中，下基座20中的开口22限定氧化剂输入端18，因为该开口容许氧化剂与阴极12接触。
阴极12包含催化剂材料，例如氧化锰、镍、热解钴、活性炭、铂、或者在电解质中对于氧化剂的催化还原具有高的氧还原活性的任何其它催化剂材料或材料混合物，下文将对此进行讨论。阴极12的多孔体可以包含催化剂材料。在所示的实施方案中，特别是对于便携式应用，阴极12可以厚约1mm或更小，可以长约3.7cm和宽约3.7cm。当然，提供上述尺寸作为实例，并不意图以任何方式进行限制。这样的阴极可商购得到，因此本文未提供阴极的更详细说明。
阳极支座26的细节示于图8-10。如图8所示，由阳极支座26的阳极容纳区或腔50容纳每个阳极14。正如将在下文详细所述，将多个隔开的电极体用于构成每个阳极，例如在图14-20中所示。类似于下基座20的支撑表面44，在阳极容纳区50的下端提供支撑表面52(示于图9)。设置支撑表面52用于支撑阳极14而且在组装所述电化学电池系统之后防止阳极与阴极12接触。如上所述，每个阳极14可以由夹持器28夹持在阳极容纳区50内。夹持器28防止阳极14在所述系统充满电解质之后在阳极容纳区50内“漂浮”。夹持器28可以是弹性材料，其在阳极容纳区50中压向阳极支座26以便形成过盈式配合。在需要时，可以从阳极支座26中取出夹持器28，使得可以从阳极支座26中取出阳极14。在另外的变体中，阳极可以通过任何合适的手段夹持，例如以不可取出的方式夹持。
图10说明阳极支座26的底部，即面向阴极12的一侧。阳极支座26的底部包括设置用于直接接触阴极12顶面的底面54。如图10所示，在底面54中提供多个凹进处56以便形成肋条58。阳极支座26的肋条58在系统1组装时大体上对准下基座20的肋条46。肋条58基本上将4个电化学电池10彼此分隔到4个不同的腔室中。还可以设置肋条58以基本上防止电解质在不同的电化学电池10之间流动。由肋条所提供的划界也顾及单体阴极12用于全部4个电化学电池10(或者可能采用的任何数字)。
阳极支座26上的每个凹进处56对应于电化学电池10中的一个，而且当所述电化学电池系统1组装时，每个凹进处56的深度限定阳极14与阴极12之间的间隙60。该间隙60典型地将是基本上未占据的间隙，以容许流体从阳极14流动到阴极12然后退出回流通道66(在下文论述)。优选地，间隙60基本上不变，但是在一些构造中它可以改变。流体流入、流经和流出间隙60将在下文更详细论述。
在一种实施方案中，阳极14与阴极12之间的间隙60可以具有用于促进电解质和氧化的燃料流动(如下文论述)的沟道或其它特征，但是没有质子交换膜，相反容许电解质和氧化的燃料液流(flow)进入间隙60中，如下文所述。例如，间隙60可以被仍然容许流动的多孔、非反应性且不导电的间隔物所占据，例如具有蜂窝构造或多孔材质(frit)的间隔物。优选地，间隙60为容许对流的开放空间，正如下文更详细所述。
在所示的实施方案中，阳极14具有基本上圆柱形的构造。然而，这种构造并不意图是限制性的，阳极可以具有除示例以外的任何其它形状或构造。如下所述，阳极14包含多个电极体。设置每个电极体以容许电解质流动通过，同时使得燃料能够在再充电期间电沉积于其上。一个或多个电极体与捕集的燃料颗粒的组合构成阳极14.在一种实施方案中，每个电极体可以是由碳纤维制成的碳过滤器，黄铜、青铜、不锈钢、镍、蒙乃尔合金、任何其它高电导率材料、或者任何其它材料的紧密编织的网状物。
可以采用形成阳极14的电极体的其它材料或方法。例如，所述电极体可以包括沟道、槽、钻孔、孔隙(pore)、网眼、或者能够从流动穿过或经过它的电解质中接收电沉积的燃料颗粒的任何其它形成物。在一种实施方案中，电极体可以包括一个或多个由黄铜、青铜、不锈钢、镍、蒙乃尔合金或任何其它高电导率材料制的网板(screen)。电极体可以是能够在电沉积中充当还原场所的任何其它导体。
除了将阳极14固定在适当位置以外，夹持器28还可以用于经由电引线64、如金属线(示于图3而且在图13中示意性地表示成负极(-)端子)向负载L提供电连接。可以使电引线64的路径为从夹持器28出发并且经由过渡构件32伸出电化学电池10，正如下文更详细所述。在将导电筛网充当阳极14的至少一部分的实施方案中，电引线64可以直接与该筛网连接。
燃料在阳极14处的氧化提供由电解质离子传导的氧化燃料离子。通过在阳极的电极体上保留燃料，可以提供释出或放出的电子和由此得到的燃料离子的连续来源。
如图8-10所示，每个电化学电池10具有多个回流通道66，其沿周边围绕阳极支座26中的阳极容纳区50并且与之平行地延伸。每个回流通道66具有显著小于阳极容纳区50的横截面积的横截面积。尽管对于每个电化学电池10举例说明了总共16个通道66，但是可以采用更多或更少的具有任何合适的横截面的通道。设定通道66的尺寸以提供携带有在电化学电池10中进行的电化学反应的副产物的电解质往电解质和副产物出口38的正向回流。具体地，每个通道66将间隙60与阳极支座26和密封阳极支座26顶面的衬垫30所限定的回流区68连通；该回流区68如下所述与出口38连通。在所示的非限制性实施方案中，回流区68为电化学电池系统1的全部4个电化学电池10所共享的公共空间。此外，提供阳极容纳区50至过渡构件32的延伸的壁将回流区68与该区域中的阳极容纳区50分隔开。这样的构造容许流出电化学电池系统1的单程回流，正如下文更详细所述。阳极支座26优选由不导电的轻质材料(例如塑料)制成，然而可以使用任何合适的材料。
还可以采用其它合适的结构和构造用于支座26、通道66和回流区68，不应认为所示实施方案是限制性的。
如图11所示，过渡构件32包括多个供给端口70。设置每个端口70，以在电化学电池系统1组装时，与阳极支座26的每个阳极容纳区50、并且因此与每个相应的阳极14对准。如图4和11说明的，端口70的上游段72基本上是圆柱形而且具有基本上不变的直径，而端口70的下游段74基本上是截头圆锥形，使得最下游位置处的直径大于连到上游段72的直径。本文使用的术语“上游”意图指相比阳极14更靠近入口16，本文使用的术语“下游”意图指比入口16更靠近阳极14。通过具有沿着燃料和电解质的流动路径直径和横截面积增大的过渡构件32中端口70的下游段74，可以产生压降。刚好在阳极14上游产生压降可以允许电解质和任何燃料沉淀物在进入阳极14时更恒定的流动。
过渡构件32还包括单个回流端口76，设置其用于容许电解质和电化学电池10中电化学反应的副产物从阳极支座26中的回流区68流向出口38。尽管显示的是单个回流端口76，但是应理解可以使用额外的端口为电解质和副产物流动离开回流区68和阳极14提供通路。如图11所示，回流端口76与设置用于容纳电引线80(例如金属线)的通道78相连，该电引线80可以与阴极12和外部负载L相连(其在图13中也示意性地表示成正极端子)。尽管电解质和副产物归因于将会由经过通道78的流动所产生的压力增加而可能不经由通道78离开电化学电池系统1，但是合适的密封可以用于防止电解质和副产物泄漏进入通道78并且从电化学电池系统1漏出。
阴极12的电引线80的路径可为穿过过渡构件32的通道78，进入过渡构件32的回流端口76，穿过阳极支座26的回流区68，经由通道66之一或者经由为电引线80设置的单独通道82穿过阳极支座26，穿过间隙60，并且与阴极12接触。当然，可以使用其它路径来连接负载与阴极12。所示的实施方案并不意图以任何方式进行限制。
如图11所示，可以为将每个阳极14与外部负载连接的每条电引线64提供电引线通道82。电引线通道82在构造上可以类似于上述通道78。每个阳极14的电引线64的路径可以为穿过通道82，进入端口70并且到达阳极14的夹持器28，从而在阳极14与外部负载之间提供电连接。当然，可以使用其它路径来连接负载与阳极14，所示的实施方案并不意图以任何方式进行限制。阳极14与外部负载L之间以及阴极12与外部负载L之间的连接示意性地示于图13。
图12说明歧管36的底侧(即内部侧)84。底侧84包括多个全都与入口16相连的入口通路86。通路86由位于歧管36与过渡构件32之间的衬垫34的顶面封闭。每条通路86具有在组装电化学电池系统1时与过渡构件32的端口70之一相连的末端88。如图所示，每条通路86可以是弯曲的，使得不存在电解质中的任何沉淀物聚集的地点，即，不存在随着时间可能阻塞电解质和任何沉淀的副产物颗粒流动的流动“死点”。这也增加流动中的湍流，从而帮助保持任何副产物在液流中搅动和悬浮。歧管36的底侧84还包括单个出口通路90，其设置用于将过渡构件32的回流端口76与电解质和副产物出口38连接。尽管以直的通路举例说明该出口通路90，但是它可以象入口通路那样弯曲，虽然这样的构造一般不是必需的。
阳极14的每个电极体可以任选地与入口16连通以便接收电解质流。在一种实施方案中，入口直接对准阳极14。优选地，燃料和电解质源包含其中燃料与电解质混合的单一来源。然而，采用单独的燃料源和电解质源并将它们独立输送至电化学电池10并且刚好在阳极14上游将它们混合，这也在本发明的范围内。或者所述电池可以通常作为蓄电池运行，没有单独的燃料源，或者如果为了完全再充电而需要或期望附加的燃料，选择注入燃料颗粒作为补充。还可以省略任何外部燃料源，使所述电池作为自给式蓄电池。另外，如上所述，燃料入口可以接收来自回流通道的再循环电解质，而不是流向任何单独的容器、储罐或分离器。
在所示的实施方案中，入口呈通路86的形式，其在歧管36中形成并且使输入端16与阳极14流体连通。如上所述，通路86与输入端16、以及歧管的端口70流体连通以便使电解质流向过渡构件32。任何合适的连接、导管、沟道或通路可以用于使电解质流向阳极14。
运行过程中，发生燃料氧化以使燃料至少氧化成留在电解质中的氧化的燃料离子以及由阳极14经过外部负载L传导至阴极12的电子，该外部负载如图13所示与阳极14和阴极12相连。氧化反应将在下文论述。
可以设置电化学电池10以提供压差，其产生经过阳极14、进入间隙60而且朝着阴极12、径向离开阳极14并回到阳极支座26的通道66中的电解质流动。然后，电解质流入回流区68，穿过过渡构件32的回流端口76，接着穿过歧管36中的通路90，从而流出电解质和副产物出口38。
在间隙60内，电解质输送流从阳极14的阳极体62流过间隙60流往阴极12。术语“输送流”是指穿过该间隙的电解质液流，其将氧化的燃料离子输送离开阳极14并朝着阴极12输送。因而，所述离子通过使电解质流动以对流方式输送，而不是仅仅依赖电解质内的传导或扩散。相反，在具有质子交换膜的电化学电池中，该膜本身为通过传导输送氧化的燃料离子的电解质。这里，在所示的实施方案中，输送流的主要方向为离开阳极14朝向阴极12，然后在径向朝外并回到回流通道66中，这与使氧化剂和燃料两种料流沿着与阳极和阴极平行的路径流动的现有技术途径不同。换而言之，描绘离开阳极14的液流的矢量或梯度最初主要从一个电极朝向另一电极(与使其朝向平行于电极不同)，然后主要在基本上平行于最初矢量但是与之相反的回流方向上朝向回流通道66，从而使液流径向朝外离开阳极14，如图13所示。这种流动构造是任选的。
尽管电化学电池系统1可以被动方式运行、例如通过重力自流进料或者通过器件的运动(例如，对于便携式电池如手表中的便携式电池，来自使用者运动的动能可以用于产生流动)，但是在一种实施方案中，可以将流动发生器例如小型泵用于产生电解质的流动。所述泵可以是任何合适的泵，例如压电泵、离心泵、齿轮泵、蠕动泵等。所述泵可以用于各种构造中以及各种尺寸的电化学电池10中。流动发生器可以具有任何结构或构造。因而，术语流动发生器意图宽泛地包括用于产生流动的主动驱动和被动非驱动的机构。
如同从图13中可以看出的，离开阳极14的初始液流和进入回流通道66的返回液流以相邻和重叠的方式彼此相反地流动(称为逆流)。优选地，但非必要地，回流通道66在周边环绕阳极14及其容纳区50，使得离开阳极14的初始液流被流向且流入回流通道66的返回液流包围且处于其内。优选地，但非必要地，阳极14处于或对准由回流通道所限定的几何形状的中心，从而可使液流均匀分布朝向所有的回流通道66。
任何上述用电驱动的流动发生器可以任选地直接或间接地与阳极和阴极连接以便它能够汲取电力，从而提供自驱动的电化学电池10。可以提供蓄电池或其它可供选择的电源以最初驱动上述流动发生器，而且可以利用开关使该发生器能够根据需要从阳极和阴极或者该可供选择的电源汲取电力。控制器要么(i)在启动电化学电池运行之后预定的时间要么(ii)在检测到电化学电池功率输出已经达到足以自行驱动流动发生器的水平时，使流动发生器从初始的电源切换到电化学电池输出功率。
氧化剂可以通过被动输送系统提供至阴极12。例如，在环境空气中存在的氧气作为氧化剂的情况下，使阴极12经由开口22简单地暴露于环境空气可能足以容许氧气扩散/渗透入阴极多孔体(扩散进入阴极的部位可以看作氧化剂输入端18)。可以使用其它合适的氧化剂(包括液体氧化剂或在电解质中溶剂化的氧化剂)，本文所述的实施方案不限于使用氧气作为氧化剂。
在另外的实施方案中，可以使用任选的泵(例如鼓风机)将氧化剂在压力下输送至阴极12。氧化剂源可以是内含式氧化剂源。同样，当氧化剂为来自环境空气的氧气时，氧化剂源可以被宽泛地看作容许空气经由其流动至阴极12的输送机构，无论它是被动的(例如，空气的通路开口22)还是主动的(例如，泵、鼓风机等)。因而，术语“氧化剂源”意图包括所含的氧化剂和/或用于以被动或主动方式将氧气从环境空气输送至阴极12的布置。
运行过程中，当阳极14和阴极12与负载L相连时，至少在氧化剂和流到阴极12的电子之间的反应将会在阴极处发生，从而使氧化剂还原。还原的氧化剂离子可以与氧化的燃料离子反应以完成电化学电池反应。氧化剂还原反应将会在下文论述。
所述燃料可以是金属，例如铁、锌、铝、镁或锂。术语金属意味着包括周期表上认为是金属的所有元素，其包括但不限于在电极体上聚集时呈原子或分子形式的碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素和过渡金属。例如，燃料可以是锌的薄片、小球或分支。颗粒可以小至1μm左右，大到1mm左右乃至更大。在一种实施方案中，颗粒的平均尺寸(即有效直径)约为300μm。然而，本发明并不意图限于任何特定的燃料，可以使用其它燃料。例如，燃料可以由氧化还原活性有机固体组成，其在氧化态下可溶，在还原态下不溶。
所述电解质可以是水溶液。合适电解质的实例包括含硫酸、磷酸、三氟甲磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。电解质还可以使用非水溶剂或离子性液体。可以采用任何离子传导介质。在本文所述的非限制性实施方案中，电解质为含水氢氧化钾。
为了限制或抑制阳极上放出氢气，可以加入盐以阻碍这样的反应。可以采用亚锡、铅、铜、汞、铟、铋的盐，或任何其它氢过电位高的物质。另外，可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、铵盐或其它抑制氢气放出的添加剂。在一种实施方案中，可以使用金属燃料合金如Al/Mg来抑制氢气放出。这些是任选的而且可以省去。
着眼于一种非限制性实施方案中的具体反应，将氢氧化钾用作电解质(它是碱性的)，锌(Zn)颗粒用作燃料，环境空气中的氧气(O2)用作氧化剂。
在阳极，锌被氧化，如方程(1)所示：
Zn+4OH-→Zn(OH)4 2-+2e-(E°＝-1.216V)(1)
在阴极，氧气被还原，如方程(2)所示：
2e-+1/2O2+H2O→2OH-(E°＝0.401V)    (2)
在溶液中，发生下列反应，如方程(3)所示：
Zn(OH)4 2-→ZnO+H2O+2OH-             (3)
因而，锌在阳极被氧化，其正离子(Zn2+)被4个OH-离子簇拥以产生络合阴离子Zn(OH)4 2-。电解质溶液中的OH-离子的浓度通过阴极上的氧化剂还原反应以及从Zn(OH)4 2-阴离子的反应释放OH-离子来保持。电解质流将相对不稳定的Zn(OH)4 2-离子输送离开阳极，从而防止锌离子在阳极14还原回锌(这进而提高效率，因为电子自由流动通过负载L而不是被锌酸根离子的还原消耗)。在电解质中，络合Zn(OH)4 2-阴离子在溶液中反应以提供水(H2O)、OH-离子和存在于电解质中的氧化锌(ZnO)。氧化锌(ZnO)通过从锌酸盐阴离子(Zn(OH)4 2-)中脱除两个OH-离子而形成，剩余的两个OH-离子反应以形成一个水分子(H2O)和ZnO产物。
因而，还原的氧化剂(OH-)离子与氧化的锌(Zn2+)离子之间的总反应提供Zn(OH)4 2-中间副产物，其最终反应变成氧化锌(ZnO)。如同从上述代表性的反应方程中可以看出的，反应的剩余成分平衡(即，它们以相等量消耗或生成)。因而，在其最简单的表达形式中，阳极上的总反应使氧化剂在阴极12处通过接收来自负载的电子而被还原，在阳极氧化燃料颗粒以向负载供给电子，而且使还原的氧化剂离子与氧化的燃料离子反应以形成副产物，在这种情况下是氧化锌。在从阳极朝着阴极方向上的输送流帮助维持和推动这一过程并且提高总的功率输出。
在阳极和/或阴极上和/或间隙中可能发生另外的中间反应，所述的反应并不意图排除任何副反应或中间反应。另外，所述反应是代表性的而且可以不同地表达，但是一般的总反应导致锌的氧化和氧气的还原以产生氧化锌(ZnO)副产物和驱动负载L的电流。氧化锌副产物可以随电解质流出电化学电池。作为选择，可以从液流中回收氧化锌而且可以分离锌并重新引入燃料和电解质源。同样地，氧化锌可以保留在再循环通过电池的电解质中，并且稍后在充电期间在阳极14上重新还原。
尽管阳极-阴极方向上的定向流动帮助提高功率输出，但是在某些情形或应用中，可能期望中断该流动。即使当停止流动时，也可能产生一些电力，然而功率输出会显著小于当电解质流动而且将氧化的燃料离子输送离开阳极14并朝着阴极12输送的时候。没有或基本上没有流动的这种“钝态运行”状态对于驱动待机模式(例如膝上型计算机)或者一些只需要少量电力的其它模式下的装置可能是有用的。可以用任选的合适控制器控制提供用于产生流动的任何流动发生器，从而在这种钝态与存在输送流的积极状态之间切换。
设计各个部件时，可以在微流体尺度上制造所述结构和各种沟道，从而获得最适合于便携性的小型、紧凑的尺寸。可以采用微电子器件形成中的各种技术，例如光刻法、薄膜沉积、电化学加工，以及可以采用微流体加工方法。这些技术可以用于使按照本发明设计的电化学电池的大规模生产成为可能。
电解质和所得的燃料/氧化剂反应的产物(例如氧化锌)经由阳极支座26的通道66穿过阳极支座26离开电化学电池10。
优选地，但非必要地，按照本发明(包括上述或下述任一实施方案在内)构造的电化学电池可以用于便携式应用，例如用于驱动膝上型电脑、手机、便携式音频播放器、无线电子邮件装置、医疗设备、或者人们期望其便携性的任何其它装置。然而，应当理解本发明可以在更大规模的非便携式装置上实施，便携性的优点并不意图是限制性的。相反，本发明不限于便携性，而是认为对于实现便携性特别有用。所述电池可以设置作为金属-空气蓄电池。它还可以用于汽车应用或者作为备用电源。
如同从本公开中可以看出的，本发明的电化学电池提供许多非限制性的优点，其包括但不限于：
-大多数金属是稳定和非挥发性的，因而使得它们在便携式物品中的应用相对安全(与采用可燃性燃料的燃料电池不同)；
-在阳极至阴极方向上的流动可以任选地用于提高总的功率输出；
-可以任选地调整流动速率以调节功率输出；
-可以任选地停止流动以容许系统在低功率输出的钝态下运行；
-一个或多个与阳极区/腔相邻的回流通道的存在可以任选地容许每个独立的电化学电池具有其自己的输送和回流流路而不干扰相邻电化学电池的运行，从而为构造多重电化学电池阵列时提供了宽范围的自由度；和
-任选的回流通道构造也顾及小型化设计。
按照本发明任一方面设计的电化学电池不需要具有全部这些优点，本发明的各个方面可以根据所执行的具体实施方案实现这些优点中的一个、一些或全部。例如，每个独立的电化学电池不必为了电池运行具有其自己的输送和回流通路而不干扰相邻电化学电池的运行。在一种实施方案中，可以设置相邻的电化学电池串联运行使得电解质可以在电池之间流动。所示的实施方案并不意图以任何方式进行限制。
在本发明的优选实施方案中，燃料(金属或其它)可以通过电沉积在阳极上聚集。在这样的方法中，阳极体的电位改变，使得它充当阴极用于燃料离子还原，从而使电解质中的燃料阳离子在该阳极体上电沉积。因而，所述阳极体可以宽泛地以可渗透物体为特征，它包括燃料可以在其上聚集(经由过滤、电沉积或其它方式)而且电解质可以穿过其流动的任何物体。
金属作燃料的电池的前述说明仅供参考，并不意图是限制性的。本发明、特别是下述的电沉积技术可以用于众多不同的电池布置中，例如包括其中流动处于平行于阳极和阴极的方向上的电池、其中完全不存在流动的电池、以电和/或流体串联方式连接的一组电池等等。将多重电极体用于阳极的电沉积技术的下列说明可以用于上述或任何其它类型的电池中。
该电沉积方法可以有利地用于其中氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子之间形成副产物的反应可逆的某些实施方案。例如，在用锌作为燃料的上述实施方案中，运行过程中可以容许氧化锌副产物累积和保留在电解质中作为悬浮体或胶体(或者在一些条件下该副产物可以作为锌酸根离子保留在电解质中)。接下来，为了使具有锌燃料的阳极体再充电，可以向阳极体施加阴极电位(此刻其充当阴极)，从而使来自氧化锌的锌阳离子在阳极体上沉积。向阳极体施加阴极电位时还可以使用充当阳极的另一电极。具有放电和再充电能力的情况下，所述电池可以用作可再充电的蓄电池电源或可再充电的备用电源。
在本发明另外的方面中，通用的电池构造以及离开阳极14的液流部分与回到回流通道的液流部分之间的逆流的布置可以用于非粒状燃料和更传统的固定催化阳极。例如，在这点上对于合适的阳极、阴极、电解质、燃料和氧化剂材料的教导，可以参考2007年12月21日提交的美国专利申请11/962,803。该通用的流动布置也可以有利地用于其它类型电化学电池，以及使包含若干正交流动型电池的系统能够并联布置。因而，电解质穿过其流动的电极一般可以被称为第一电极(其典型地将会是阳极)，在所述间隙对面的电极一般可以被称为第二电极(其典型地将会是阴极，优选吸气式阴极)。同样地，在第一电极处氧化或还原的相应反应物可以被称为第一反应物(其典型地将会是燃料)，在第二电极处氧化或还原的相应反应物可以被称为第二反应物(其典型地将会是氧化剂)。然而，由于部件可以反转，术语第一和第二可以在更一般的意义下使用以覆盖任一种替代方案。
图14-18更具体地涉及金属燃料在第一电极(即，所述电池的电流产生操作过程中充当阳极的电极)上的电沉积。本公开的电沉积方法这一方面可以在任何类型的电化学电池中使用，不限于其中电解质流动维持电池发电的上述类型的电池。因而，尽管参照描绘上述电池的图来说明该方法，但这并不意图是限制性的。然而，所述的电沉积方法在上述电池中具有特别的优点，正如下文所述。在图14-18以及前面的附图之间使用相同的标记数字的情况下，应当理解是指类似的结构，不必在这里参照图14-18重复那些结构的说明。
图14和15示意性地而且以稍微夸大的尺寸显示电池10以便可以更好地理解各种运作。同样，图16-18显示与电池10其它部件分离的装载金属燃料的电极的放大图，以便可以更容易地看到金属燃料电沉积的生长。这并不意图是限制性的，只是出于说明目的。如同在图中可以看出的，电池10包含第一电极14，其包含一系列沿着流动路径以隔开方式布置的可渗透电极体14a-h(尽管显示出8个电极体，但是可以采用任意数目)。第一电极14在电流产生过程中充当阳极。电池10还包含第二阴极12，其在电流产生过程中充当阴极。如同前面的实施方案的情况下，第二阴极12可以是吸气式(air breathing)阴极，其使从环境空气中吸收的氧气还原。然而，它可以是在电流产生过程中充当阴极的任何其它类型的电极，本发明未必限于吸气式电极。第二电极12与第一电极14隔开，优选类似于如上所述的实施方案由间隙60隔开。
电池10还包括与第一电极14隔开的充电电极。在所示的实施方案中，充电电极是在与第二电极12相反的一侧上与第一电极14隔开的第三电极15。在一些实施方案中，第三电极15可以在第二电极12的同一侧与第一电极14隔开，例如通过处于间隙60中。然而，在一些实施方案中，第二电极12可以在充电期间用作充电电极，单独的专用于充电的电极的存在不是必需的。在所示的实施方案中，采用单独的充电电极15，因为大多数适合用作吸气式阴极的电极在充电电极的阳极作用方面表现不良。然而，本发明并不意图是限制性的，可以选择双重功能的第二电极，意味着它既可以在电流产生过程中起吸气式阴极的作用，又可以在充电期间起阳极充电电极的作用。因而，本文中任何提及充电电极可以认为适用于第二电极12或独立的在充电期间充当阳极的电极15。更特别地，虽然参照作为充电电极的第三电极15来描述示例性实施方案，但是应当理解在第二电极12是所述充电电极的情况下可以采用相同的说明；而且应当容易地理解流动(如果采用的话)可以相应地取向。
如同在图14和15中可以看出的，作为选择，所述可渗透电极体14a-h可以被惰性不导电的隔离物17a-h分隔开。设计这些隔离物17a-h以保持可渗透电极体14a-h之间的分离和电绝缘。这些隔离物将会典型地提供在电极体14a-h周边附近，使得电极体在隔离物的空旷内部范围内彼此暴露。作为选择，隔离物17a-h也可以包括在该内部区域中的结构体，从而在不明显阻碍电解质由之流动的情况下帮助保持可渗透电极体14a-h的分离。作为另一种非限制性的选择，隔离物也可以包括在该内部区域中的结构体，例如栅格装置，从而帮助和引导金属燃料沉积的生长形态，这在下文进一步描述。然而，隔离物的使用是任选的，可以采用保持可渗透电极体14a-h分离的其它方法，例如保持所述分离的相对周围结构的刚性安装点。
类似于前面的实施方案，所述电池另外包含一个或多个与间隙60连通的回流通道66。然而这不是必需的。特别地，在流动平行于阳极和阴极的液流基电池中，液流可以经由端口简单地进入一侧而从另一侧离开，不需要所示的特别设计的回流通道。
通过使包含可还原的金属燃料离子的电解质沿着流动路径流动穿过可渗透电极体14a-h而进行电化学电池充电。可还原的燃料离子可以按任何合适形式存在于电解质中，例如离子、原子、分子或络合形式。如同在图15中可以看出的，在一种可能的实施方案中，如上文关于前面的实施方案所述，在充电期间电解质流动与图14所示的电流产生方向相反。结果，液流在从第一电极14朝向充电电极15的方向上运转。如同将在下文论述的，这是有其自己的益处的任选方法，同样处在本发明的范围内的是保持与电流产生过程中相同方向上的流动(这例如可以是其中将第二电极12用作充电电极的情况，或者其中充电电极是与第二电极12同一侧如处于间隙60中的单独电极的情况)。在另外的实施方案中，例如其中流动平行于第一和第二电极12、14的情况下，流动方向是无关紧要的；在另外的实施方案中可能完全不存在流动。
在包含可还原金属离子的电解质流动穿过可渗透电极体的同时，在充电电极15与可渗透电极体14a-h的末端电极体14a之间施加来自外部电源(例如恒电位仪)或能够提供电流的任何其它电源的电流，其中该充电电极充当阳极，该末端可渗透电极体14a充当阴极。结果，可还原的金属燃料离子被还原并且在末端可渗透电极体14a上作为可氧化形式的金属燃料电沉积。在所示的实施方案中，末端可渗透电极体14a为最接近充电电极15的电极体。虽然这在所示实施方案的范围内是优选的，但是在另外的布置中，可渗透电极体14a-h中的另外一个可以充当末端可渗透电极体，如下所述。
在一种非限制性实施方案中，燃料为锌，电解质为氢氧化钾(KOH)，这是与上述实施方案中所用的相同燃料和电解质。在电解质中，锌离子可以按任何合适的可还原形式提供，优选以氧化锌(ZnO)的形式。这是有利的，因为氧化锌是就在先实施方案而言的上述电流产生操作的副产物，从而电池可以用其自身电流产生操作的可逆副产物进行再充电。这消除了为每次充电从新鲜来源供给燃料的需要，因为电流产生操作已经在电解质中产生可还原的氧化锌。在这样的实施方案中，还原反应如下在还原场所发生：
ZnO+H2O+2e-→Zn+2OH-    (4)
应的氧化如下在充当阳极(也称为氧气放出电极)的充电电极15上发生，将氧物种氧化以产生氧气，该氧气可以任选地用任何合适的方式排放：
2OH-→2e-+1/2O2+H2O     (5)
然而，所述燃料不必限于锌，还可以使用任何其它金属燃料，包括本申请上文提及的那些中的任一种。同样地，电解质可以不同，而且在不同的实施方案中可以是碱性或酸性的。另外，由电流产生操作的副产物提供可还原的燃料离子不是必须的，同样处在本发明范围内的是采用下述燃料：该燃料产生并非容易地可逆的副产物。因而，同样处在本发明范围内的是，从独立的燃料源向用于充电的电解质供给呈适合于还原和电沉积的形式的燃料离子，该燃料源与电流产生过程中所用的而且累积副产物的电解质分开。同样地，在两个过程中可以使用同一电解质，但是在再充电期间燃料可以由其自己的来源单独提供。
充电期间，电沉积导致金属燃料以液流可渗透的形态在可渗透电极体14a-14h之间生长，使得电沉积的金属燃料在末端可渗透电极体14a与其后的每个随后的可渗透电极体14b-h之间建立电连接。由于这种生长，在所述电连接建立之后，在每个随后的可渗透电极体14b-h上发生还原和电沉积。
术语液流可渗透的形态是指设置电极体14a-h之间的金属生长形态使得电解质仍然能够流动穿过电极体14a-h。因而，容许流动持续，所述生长不表现出将会造成可渗透电极体14a-h的孔或开口完全阻塞或堵塞的显著横向特征。所述生长可以具有任何的这类构造。容许的流动可以是任何方向上的。还可以在没有任何流动的情况下发生所述生长，然而流动是优选的。
例如，所述生长可以作为密集的分支形态发生或者它可以是枝状的。在这些形态下，所述生长将会具有足够的朝向下一个可渗透电极体的方向性，从而保证在相邻电极体14a-h之间建立连接，同时仍然容许流动继续从其中穿过。另外，所述生长可以作为大体上均匀的镀敷生长发生。在大体上均匀的镀敷生长的情况下，优选可渗透电极体14a-h之间的距离小于电极体中的孔或开口的距离，使得在横向生长封闭该孔或开口之前，在相邻电极体14a-h之间的方向上的生长在相邻电极体之间建立接触。然而，所述流动也可以向镀敷生长提供一些方向性使得这种间隔不是关键因素。
在所示的实施方案中，显示的生长是枝状的，而且该生长处在与充电电极15相反的方向上(即，它也是与流动相反的方向)。图16-18以放大形式说明生长形态从而更好地理解操作的基本原理。在实际执行中，所述生长将会典型地在电极体14a-h的堆叠体中各处明显更密集。
图16中，显示出燃料离子的初始还原和金属燃料的电沉积。分支最初在末端电极体14a上电沉积并在其上开始它们的生长。这是由于电极体14a与外部电流相连，而且具有造成燃料离子还原和燃料在其上电沉积的阴极电位(同时充电电极15与外部负载相连并且充当阳极)。相比之下，其余电极体14b-h由于它们没有与外部电流相连而最初是待用的且并不充当还原场所。所述生长继续，其中金属作为一连串从电极体14a朝向电极体14b的分支生长。这于是在电极体14a和14b之间建立电连接，这进而使电极体14b此刻也具有向它施加的阴极电位。
此后所述生长继续，其中燃料离子被还原并且在电极体14b上作为金属燃料电沉积，如图17所示。这种生长继续，其中金属作为另外一连串从电极体14b朝向电极体14c的分支生长。这于是在电极体14a、14b和14c之间建立电连接，这进而使电极体14c此刻也具有向它施加的阴极电位。
此后所述生长继续，其中燃料离子被还原并且在电极体14c上作为金属燃料电沉积，如图18所示。这种生长继续，其中金属作为另外一连串从电极体14c朝向电极体14d的分支生长。这于是在电极体14a、14b、14c和14d之间建立电连接，这进而使电极体14d此刻也具有向它施加的阴极电位。这种生长方式将会持续遍及第一电极14中可渗透电极体14a-h的整个堆叠体。最终，在最末的电极体14h上的生长可能到达充电电极，从而使电路短路并且表示生长完成。
一般而言，在任何给定的时间，大多数的金属燃料生长将会与最后(即，最新近)的施加以阴极电位的电极体相关。也就是说，在电解质以正交方式流动穿过电极体14a-14h的示例性实施方案中，它将会与关于电解质流动为最上游的阴极电极体相关。认为出现这种情况的原因是在上游燃料离子的浓度更大，因而燃料离子将会在所遇到的第一个阴极电极处从电解质中还原，这进而使得较少的离子可用于下游(即，朝着末端电极体14a的方向)在随后的电极体上还原和沉积。因而，在图18中，一旦与电极体14d建立起电连接使它具有阴极电位，大多数还原就会在电极体14d上发生，任何分支或其它生长形成物在上游方向上从其发起。同样地，一些还原和电沉积可能与电极体14c及其生长形成物相关，但这将会是较少的程度，因为可用离子的浓度将会较小。同样地逐渐更少的还原和电沉积将会与电极体14a和14b以及它们的生长形成物相关，其中电极体14a经历的最少。这种逐渐减小的生长梯度是有益的，因为它容许最大量的还原和电沉积在最新的还原场所发生，但是容许一些持续的电沉积在下游于先前的还原场所发生以提高它们的密度(但是优选不会过多使得从其穿过的流动受阻碍)。这种渐进的生长密度不应当被认为是限制性的。
在所示的实施方案中，生长方式是相对非典型的而且值得注意。一般而言，将电化学电池再充电时，枝状或其它生长形态倾向于从阴极(即可渗透电极体)朝着阳极(即充电电极15)生长。在本领域中这往往被认为是不期望的，许多电化学电池采用各种手段抑制或避免这类生长，例如在电解质中使用分支抑制剂。然而，在所示的实施方案中，可以控制流动速率、燃料离子浓度、和外部电流(以及更特别是对可渗透电极体14a-h和充电电极15施加的电位)，使得容许生长，但是其方向反转。不受任何特定科学理论束缚，认为采用朝着充电电极15的流动使扩散受限聚集(diffusion limited aggretation)能够主导朝着充电电极15(即，充电期间的阳极)发生的生长的一般趋势。在扩散受限聚集的情况下，所述趋势对于电沉积生长为在可还原燃料离子的浓度梯度方向上出现。在所示的实施方案中，由于那些离子随电解质流经由各个电极体14a-h上的阴极电位所建立的还原场所而被还原，在上游一侧(即，远离充电电极)电解质中的离子浓度大于下游一侧(即，朝着充电电极)。因而，通过关于电位差保持适当的流动速率和浓度，可以操纵还原场所上游和下游的浓度差以在远离充电电极15的方向上建立电沉积金属的生长，从而支配朝着充电电极15的方向上发生的生长的一般趋势。
控制这种特定的生长方式的参数可以变化，因为它们是相互关联的。例如，较高的流速将会典型地在任何给定还原场所提供较小的燃料离子差，因为本质上电解质体积暴露于还原电位较少的时间。这可能有助于朝着充电电极方向上的生长，而较低的流速将会有助于远离充电电极的生长。同样，充电电极与电极体之间较高的电位差也可能趋向有助于朝着充电电极方向上的生长；而较低的电位差可能作用相反。另外，较高的燃料离子浓度可能导致任何给定还原场所的上游侧与下游侧之间较小的梯度，同样有助于朝着充电电极方向上的生长；而较低的浓度可能作用相反。此外，其它因素，例如温度或电解质的pH或其它特性，可能有助于生长的方向性。由于所有这些因素存在竞争而且它们之中没有单独一个压倒性地支配最终的生长方式，因此它们可以相对于彼此改变和调整从而在远离充电电极的方向上实现期望的生长，使得电极体堆叠体可以填充电沉积的燃料。
以这种方式实现生长的一个优点在于生长方向之间的竞争可以容许生长在电极体14a-h之间更缓慢地发生，使得所述生长在它们之间进行时更致密地发生。
同样在本发明范围内的是，改变布置并且使充电电极15远端的电极体14h作为末端电极体。在这样的布置中，期望的生长方向将会是朝着充电电极15，而不是远离它。在这样的情形下，可以将液流反转使得它流动远离充电电极15(即，在所示实施方案的正常电流产生方向中，其从电极体14a流向电极体14h)。在这种布置中，燃料朝着充电电极15的生长将会压倒性地占优势，这既是由于金属因充电电极15的阳极电位而朝着它生长的天然趋势，又是由于在朝着充电电极15的上游一侧上燃料离子的浓度将会较大。虽然这是可行的而且在本发明的宽范围内，但是生长会非常迅速地发生，因为在相反方向上很少或没有竞争，所得到的生长形态可能不那么致密。更特别地，由于生长将会更快地发生，电极体之间的连接将会更快地建立，因而每组电极体之间的生长将会倾向于较不致密。这在某些实施方案中可能是期望的。
如上文提及的，充电电极还可以是第二电极12或者是在第二电极的同一侧(例如处于间隙60中)的独立的第三电极。在这种情况下，出于充电目的可以将电极体14a用作末端电极体，液流可以在从第一电极14朝着充电电极的方向(即，在第一电极14内从电极体14a到电极体14h)上进行。在这样的途径中，电位差将会优选成为电沉积方向性的主导因素，使得液流可渗透的生长从末端电极体14a朝着电极体14h生长。上述布置中来自在浓度梯度(即，上游)方向上发生生长的趋势的一些竞争可以有利地提高生长密度。或者，可以使液流反转以穿过第一电极远离充电电极(即，在第一电极14内从电极体14h到电极体14a)，使得电位和浓度梯度有助于该方向上的生长方向性。
同样，在充电电极为第二电极12或与第二电极12同一侧的单独的电极的情况下，出于充电目的可以将电极体14h用作末端电极体，液流可以在从第一电极14朝着充电电极的方向(即，在第一电极14内从电极体14a到电极体14h，它与正常的电流产生方向相同)上进行。在这种途径中，电沉积方向性的主导因素可能是浓度梯度，使得液流可渗透的生长从末端电极体14h朝向电极体14a(即，远离充电电极)。这在生长方式上类似于图14-18所示的实施方案，虽然充电电极的位置和液流方向颠倒。这里将会存在由电位推动的朝着充电电极生长的趋势与浓度推动的在液流上游生长的趋势之间的竞争所实现的密度。
在另外的实施方案中，可以为第一电极14提供双向充电。例如，在充电期间的一个或多个时机，在从第一电极14朝着充电电极15的方向上流动的电解质可以反转为在相反方向上(即，从充电电极15朝着第一电极14)流动。结果，两类生长都可以实现，从而提供金属燃料朝向和远离充电电极15的双向生长。在所述末端电极体为电极体14a-h中的任一个(包括中间电极体中的任一个)的情况下，可以采用上述途径。因而，本发明最宽的方面并不意图限于单向生长。
如同前文提及的，可以在流动平行于电极而不是垂直穿过它们的电池中或者在完全没有流动的电池中实施这种多重电极体沉积技术。在这样的实施方案中，所述末端电极体将会优选是充电电极(即，再充电期间充当阳极的电极)远端的电极体，使得朝着充电电极的生长通过其朝着阳极电位生长的天然趋势进行穿过该多重电极体14a-h。
为了完成充电，然后移除电流以中断充电。
一旦充电完成，所述电池就可以用于产生电流。可以按任何方式运行电池，包括如上关于在先的实施方案所述的方式。金属燃料在充当阳极的第一电极14的可渗透电极体14a-h上被氧化，氧化剂在充当阴极的第二电极12上被还原。结果，生成电子用于从第一电极经由负载传导至第二电极，而且氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子在电解质中反应以形成副产物。优选地，如上文关于在先的实施方案所述，电解质沿着流动路径流动，其在从第一电极14朝着第二电极12的方向上流动(a)穿过第一电极14的可渗透电极体14a-h并且朝着第二电极12跨越间隙60从而将至少该电解质和氧化的燃料离子输送离开第一电极14并朝着第二电极12，以及(b)接着穿过一个或多个回流通道66从而将至少该电解质和通过氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子的反应所形成的副产物输送离开间隙60。虽然优选电流产生在电解质流过如同关于在先的实施方案所述的流动路径的情况下发生，但是同样处在本发明范围内的是，上述充电方法用于任何类型的电化学电池，包括具有平行液流的电池或不依赖液流参与电流产生的电池。
在图14-18所示的实施方案中，作为选择可以将最靠近第二电极12的可渗透电极体14h用作旨在连接到负载(向该负载提供电流)的末端电极体(不管它是否为出于充电目的的末端电极体)。虽然实际情况是氧化可能遍及电极体14a-h的堆叠体发生，但是消耗是在朝着第二电极12的方向上进展并贯穿电极堆叠体。具体地，消耗从第二电极远端的电极体14a进展逐渐贯穿直到最接近的电极体14h。认为出现这种情况的原因是氧化的燃料离子在所述堆叠体中该最接近的电极体14h的上游生成，但是由于它们继续暴露于用作氧化位点的阳极电极体及其生长形成物，它们趋于重新还原。这提供“级联”效应，其中上游阳极位点的燃料氧化和重新还原渐进地贯穿所述堆叠体，这又造成燃料在第二电极的方向上逐渐被消耗。最后，作为遍及该堆叠体发生的氧化的整体最终结果，氧化的燃料离子进入所述间隙并且行进离开该最接近的电极体14h，从而使剩余的燃料电池反应能够如上所述在间隙中发生。因而，总的净反应将会基于氧化的燃料离子输送离开该最接近的电极体14h而提供电子的连续生成。通过利用上述输送液流增强这种作用，该液流主动地将氧化的燃料离子输送离开电极体14h。照此，燃料消耗的进展在电极体14a及其相关的生长形成物处开始(就该非限制性的示例性实施方案而言)，然后贯穿该电极堆叠体，其中每个电极体变成断开和不起作用，直到电极体14h处的燃料最终消耗为止。这并不意图是限制性的，可以提供使燃料的消耗成为可能的其它布置，而且液流可以处于任何方向上或者根本不用该液流。
图19和20显示替代性实施方案，其中所述堆叠体的电极体14a-14h中的每一个与负载连接。采用上述手段是理想的，因为在发电(即，放电)过程中，氧化可以遍及该堆叠体发生，从而释放电子用于传导至负载。通过将集流用的端子与所有的电极体14a-14h连接，可以直接从每个电极体收集这些电子。此外，由于这种布置仍然顾及从因电极体之间生长的消耗而与其它电极体“断开”的电极体上正在进行的氧化反应收集电流，该布置是理想的。上述情形可能基于多种因素在发电或放电期间发生。在一些实施方案中，相比于如上所述将单一端子用于连接负载，这可能是优选的。
然而，在企图产生上述的燃料渐进生长时，使所有电极体并联在一起可能是不期望的。相反，期望使一个(或选定的几个)电极在充电期间与外部电路相连。
图19显示类似于图16的实施方案，但是使负载与第一电极14的电极体14a-14h中的每一个并联连接，而且还与第二电极12(在这种情况下它与充电电极15不同，而且如图14和15所示由所述间隙隔开)连接。从而，在电流产生过程中，第一电极14上的燃料被氧化，产生电子，该电子被传导用于驱动所述负载然后被传导至第二电极12用于氧化剂的还原(如上文更详细论述的)。图19还示意性地说明用于充电目的的在充电电极15和电极体14a之间连接的电源。如上文更详细论述的，该电源在末端电极体14a和充电电极15之间施加电位差，使得燃料被还原并电沉积至末端电极体14a上以及相应的氧化反应在充电电极15发生。为了确保如上文所述以从电极体14a起在朝着电极体14h的方向上贯穿该堆叠体的渐进方式发生生长，提供一个或多个电流隔离器90以使其它电极体14b-14h与连到电源的电路隔离。
电流隔离器90阻止电流在电极体14a-14h之间流动，除非当充电期间燃料的渐进生长使得电流能够流动时。电流隔离器90也隔离电极体14b-14h使其不与电源直接连接，使得唯一的连接是由所述渐进生长所建立的。换而言之，隔离器90阻止在充电期间电源的电位经由电路直接施加于那些电极体14b-14h。照此，电流/电位施加于那些电极体14b-14h的唯一方式是经由如上所述在堆叠体内的电沉积生长。电流隔离器90可以采取任何形式，不应认为具体的隔离器是限制性的。例如，可以由一个或多个二极管提供电流隔离器90，该二极管取向成容许电子从电极体14a-14h流向包含负载的电路部分，但是阻止相反方向上的任何电流。同样地，电流隔离器90可以是开关，它在发电/放电期间闭合以将电极体14a-14h与包含负载的电路部分连接，并且在充电期间打开以使电极体14a-14h与该电路断开和隔离。可以提供任何合适的控制机构以控制该开关在打开与闭合位置的动作。例如，可以使用偏置于打开位置的继电器开关，其具有与电源连接的感应线圈，它在充电开始时引起所述开关的闭合。此外，可以使用更复杂的顾及电极体14a-14h中多个的单独连接的开关，从而提供与负载的连接/断开、以及彼此的连接/断开。另外，电流隔离器可以是不同的元件，例如电极体14a处的电流隔离器90是开关，其它电极体14b-14h处是单向二极管。电子的流动在图19中用虚线箭头和实线箭头显示，从而说明电流隔离器的一般功能。可以使用提供这类隔离的任何其它合适的电学部件。
另外，可以改变图19的构造以便按本文所述的替代性实施方案、或本发明范围内的任何其它实施方案中的任一种运行。例如，如果在充电期间将另一电极体(例如，电极体14h)用作末端电极体，则电源可以与该电极体连接，而且在充电期间可以使用一个或多个电流隔离器以使该电极体与包含负载和其它电极体的电路隔离。
图20显示第二电极12也是充电电极(因此，它在图中同时标为12和15)的实施方案。因而，如上所述，第二电极12在发电/放电期间充当阴极，在充电期间充当阳极。在图20中，负载以并联方式与第一电极14的电极体14a-14h中的每一个连接，还与第二电极12连接。从而，在电流产生过程中，第一电极14上的燃料被氧化，产生电子，该电子被传导用于驱动所述负载然后被传导至第二电极12用于氧化剂的还原(如上文更详细论述的)。图20还示意性地说明用于充电目的的在第二电极12和末端电极体14a之间连接的电源。如上文更详细论述的，该电源在末端电极体14a和第二电极12之间施加电位差，使得燃料被还原并电沉积至末端电极体14a上，以及相应的氧化反应在第二电极12(用作充电电极)发生。为了确保如上所述以从电极体14a起在朝着电极体14h的方向上贯穿该堆叠体的渐进方式发生生长，提供一个或多个电流隔离器90以使其它电极体14b-14h与连到电源的电路隔离。另外，提供一个或多个(在这种情况下是一对)任选的第二电流隔离器92以在发电过程中使所述电源与电极12、14和15隔离。提供任选的第三隔离器以在充电期间使第二电极12和电源与包含负载和其它电极体14a-14h的电路隔离。
类似于图19中的电流隔离器，图20中的电流隔离器90在充电期间阻止电流经由电路在其它电极体14b-14h与电源之间直接流动、以及在电极体之间直接流动，除非当燃料的渐进生长使得电流能够流动时之外。换而言之，隔离器90阻止在充电期间电源的电位经由电路直接施加于那些电极体14b-14h。因而，电流/电位只是经由如上所述在堆叠体内的电沉积生长施加于电极体14b-14h。优选地，图20中的电流隔离器90是在打开与闭合位置之间移动的开关，因为二极管不会提供该示例性设计中的隔离功能。同样地，第二电流隔离器92在发电过程中阻止电流在电极与电源之间流动，但是在充电期间容许电流从电源流动；第三电流隔离器94在充电期间阻止电流在第二电极与包含负载和其它电极体14a-14h的电路部分之间流动，但是在发电过程中容许电流从负载到第二电极12流动。这些第二和第三电流隔离器可以在一些系统中省略。照此，电流/电位施加于那些电极体14b-14h的唯一方式是经由如上所述在堆叠体内的电沉积生长。电流隔离器可以采取任何形式，包括上文提及的那些，不应认为具体的隔离器是限制性的。
还可以在本发明实施方案的任一种中向阳极的所有电极体同时施加阴极电位，而不是仅对一个施加以产生逐个电极体的渐进式生长。由一个末端发起的渐进式生长是有利的，因为它提供更大的密度。特别地，在每个随后的电极体通过进行中的生长连接时，先前连接的电极体上的生长继续进行。然而，渐进式生长与同时对多个电极体施加阴极电位相比花费更多的时间。在所有电极体受到相同电位的情况下，所述生长只会发生直到充电电极12/15与最接近它的电极体之间出现短路为止。因而，可以用这种方式得到更快但是不那么致密的生长，这可能服从某些再充电的需要。
前述示例性实施方案只是为了举例说明本发明结构和功能上的原理而提供，并不意图是限制性的。例如，使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电解质、和/或不同的整体结构构造或材料可以实施本发明。因而，本发明意图包括所附权利要求的精神和范围内的所有改进、替代、变换和等价物。

Claims (84)

1.操作电化学电池的方法，其中所述电池包含：
第一电极，其包含一系列的以隔开方式布置的可渗透电极体；
与第一电极隔开的第二电极；
与第一电极隔开的充电电极，所述充电电极选自(a)第二电极和(b)第三电极；
将电极连通的离子传导介质，所述离子传导介质包含可还原的燃料离子；
其中所述方法包括：
A.如下使所述电化学电池充电：
i.在所述充电电极与所述可渗透电极体中的至少一个之间施加电流，其中充电电极充当阳极而所述至少一个可渗透电极体充当阴极，使得所述可还原的燃料离子还原并且以可氧化形式的燃料电沉积在所述至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积造成所述燃料在所述可渗透电极体之间生长使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；和
iii.移除电流以中断充电；
B.使用该电化学电池通过如下方式产生电流：将充当阳极的第一电极的可渗透电极体上的燃料氧化以及将充当阴极的第二电极处的氧化剂还原，由此生成电子用于从第一电极经由负载传导至第二电极，以及氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子反应形成副产物。
2.权利要求1的方法，其中所述可还原的燃料离子为可还原的金属燃料离子以及所述电沉积的燃料为电沉积的金属燃料。
3.权利要求2的方法，其中在所述将电化学电池充电的过程中：
在所述可渗透电极体中的末端电极体与充当阳极的充电电极之间施加电流，该末端电极体充当阴极，使得可还原的金属燃料离子还原并且在该末端可渗透电极体上作为可氧化形式的金属燃料电沉积；
所述电沉积造成金属燃料在可渗透电极体之间生长，使得电沉积的金属燃料在末端电极体与每个随后的可渗透电极体之间建立电连接，其中所述电连接建立后在每个随后的可渗透电极体上发生所述还原和沉积。
4.权利要求3的方法，其中所述离子传导介质为电解质。
5.权利要求4的方法，其中在所述将电化学电池充电的过程中，电解质沿着流动路径流动穿过可渗透电极体，所述电沉积造成金属燃料以液流可渗透的形态生长。
6.权利要求5的方法，其中在充电期间，电解质在从第一电极朝着充电电极的方向上流动。
7.权利要求6的方法，其中金属燃料的生长是在远离充电电极的方向上。
8.权利要求7的方法，其中所述末端可渗透电极体是最接近充电电极的电极体。
9.权利要求5的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
10.权利要求6的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
11.权利要求7的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
12.权利要求8的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
13.权利要求5的方法，其中在充电期间电解质在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
14.权利要求13的方法，其中金属燃料的生长是在朝着充电电极的方向。
15.权利要求14的方法，其中所述末端可渗透电极体是充电电极远端的电极体。
16.权利要求13的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
17.权利要求14的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
18.权利要求15的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
19.权利要求6的方法，其中在充电期间使电解质流动反转以在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
20.权利要求19的方法，其中金属燃料的生长是朝着和远离充电电极双向的。
21.权利要求20的方法，其中所述末端可渗透电极体是在最接近充电电极的电极体与充电电极远端的电极体之间的中间电极体。
22.权利要求19的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
23.权利要求20的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
24.权利要求21的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
25.权利要求5的方法，其中用于将电化学电池充电的可还原的燃料离子由电解质中的通过氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子所形成的副产物提供。
26.权利要求5的方法，其中在第一和第二电极之间提供间隙，而且所述电池进一步包含与该间隙连通的一个或多个回流通道；
其中所述用该电化学电池产生电流进一步包括：
使电解质沿着流动路径流动，其在从第一电极朝着第二电极的方向上(a)穿过第一电极的可渗透电极体并且朝着第二电极流过所述间隙从而将至少所述电解质和氧化的燃料离子输送离开第一电极并朝向第二电极，以及(b)然后穿过一个或多个回流通道从而将至少该电解质和通过氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子的反应所形成的副产物输送离开所述间隙。
27.权利要求26的方法，其中在充电期间，电解质在从第一电极朝着充电电极的方向上流动。
28.权利要求27的方法，其中金属燃料的生长是在远离充电电极的方向上。
29.权利要求28的方法，其中所述末端可渗透电极体是最接近充电电极的电极体。
30.权利要求26的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
31.权利要求27的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
32.权利要求28的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
33.权利要求29的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
34.权利要求26的方法，其中在充电期间电解质在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
35.权利要求34的方法，其中金属燃料的生长是在朝着充电电极的方向。
36.权利要求35的方法，其中所述末端可渗透电极体是充电电极远端的电极体。
37.权利要求34的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
38.权利要求35的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
39.权利要求36的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
40.权利要求27的方法，其中在充电期间使电解质流动反转以在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
41.权利要求40的方法，其中金属燃料的生长是朝着和远离充电电极双向的。
42.权利要求41的方法，其中所述末端可渗透电极体是在最接近充电电极的电极体与充电电极远端的电极体之间的中间电极体。
43.权利要求40的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
44.权利要求41的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
45.权利要求42的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
46.权利要求26的方法，其中用于将电化学电池充电的可还原的燃料离子由电解质中的通过氧化的燃料离子与还原的氧化剂离子所形成的副产物提供。
47.权利要求3的方法，其中所述电极体彼此以及与负载并联连接，并且其中在末端电极体与其它电极体和负载之间连接至少一个电流隔离器，
其中所述至少一个电流隔离器在充电期间阻止施加于末端电极体的电流传导至其它电极体，和
其中在使用所述电化学电池时所述至少一个电流隔离器容许电流从末端电极体传导至负载。
48.将电化学电池充电的方法，其中所述电池包含：
第一电极，其包含一系列的以隔开方式布置的可渗透电极体；
与第一电极隔开的第二电极；
与第一电极隔开的充电电极，所述充电电极选自(a)第二电极和(b)第三电极；
将电极连通的离子传导介质，所述离子传导介质包含可还原的燃料离子；
其中所述方法包括：
i.在所述充电电极与所述可渗透电极体中的至少一个之间施加电流，其中充电电极充当阳极而所述至少一个可渗透电极体充当阴极，使得所述可还原的燃料离子还原并且作为可氧化形式的燃料电沉积在所述至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积造成所述燃料在所述可渗透电极体之间的生长使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；和
iii.移除电流以中断充电。
49.权利要求48的方法，其中所述可还原的燃料离子为可还原的燃料离子以及所述电沉积的燃料为电沉积的金属燃料。
50.权利要求49的方法，其中所述将电化学电池充电的过程中：
在所述可渗透电极体中的末端电极体与充当阳极的充电电极之间施加电流，该末端电极体充当阴极，使得可还原的金属燃料离子还原并且在该末端可渗透电极体上作为可氧化形式的金属燃料电沉积；
所述电沉积造成金属燃料在可渗透电极体之间生长，使得电沉积的金属燃料在末端电极体与每个随后的可渗透电极体之间建立电连接，其中所述电连接建立后在每个随后的可渗透电极体上发生所述还原和沉积。
51.权利要求50的方法，其中所述离子传导介质为电解质。
52.权利要求51的方法，其中在所述将电化学电池充电的过程中，电解质沿着流动路径流动穿过可渗透电极体，所述电沉积造成金属燃料以液流可渗透的形态生长。
53.权利要求52的方法，其中在充电期间，电解质在从第一电极朝着充电电极的方向上流动。
54.权利要求53的方法，其中金属燃料的生长是在远离充电电极的方向上。
55.权利要求54的方法，其中所述末端可渗透电极体是最接近充电电极的电极体。
56.权利要求52的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
57.权利要求53的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
58.权利要求54的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
59.权利要求55的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
60.权利要求52的方法，其中在充电期间电解质在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
61.权利要求60的方法，其中金属燃料的生长是在朝着充电电极的方向。
62.权利要求61的方法，其中所述末端可渗透电极体是充电电极远端的电极体。
63.权利要求60的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
64.权利要求61的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
65.权利要求62的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
66.权利要求53的方法，其中在充电期间使电解质流动反转以在从充电电极朝着第一电极的方向上流动。
67.权利要求66的方法，其中金属燃料的生长是朝着和远离充电电极双向的。
68.权利要求67的方法，其中所述末端可渗透电极体是在最接近充电电极的电极体与充电电极远端的电极体之间的中间电极体。
69.权利要求66的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
70.权利要求67的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
71.权利要求68的方法，其中所述金属燃料的生长选自密集分支形态生长和枝状生长。
72.电化学电池，其包含：
第一电极，其包含一系列的以隔开方式布置的可渗透电极体；
与第一电极隔开的第二电极；
与第一电极隔开的充电电极，所述充电电极选自(a)第二电极和(b)第三电极；
将电极连通的离子传导介质，所述离子传导介质包含可还原的燃料离子；
其中第一电极的所述可渗透电极体的隔开关系使得电流能够在充电电极与可渗透电极体中的至少一个之间施加，其中充电电极充当阳极而所述至少一个可渗透电极体充当阴极，使得可还原的燃料离子还原并且以可氧化形式的燃料电沉积在所述至少一个可渗透电极体上，由此该电沉积造成所述燃料在可渗透电极体之间生长使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接。
73.权利要求72的电化学电池，其进一步包含具有腔的阳极支座，第一电极的可渗透电极体被容纳在所述腔内。
74.权利要求73的电化学电池，其中第二电极是用于在放电期间还原氧气的空气电极。
75.权利要求74的电化学电池，其中第一电极在其上具有电沉积的燃料，且所述燃料是用于在放电期间氧化的金属。
76.权利要求75的电化学电池，其中所述金属选自锌、铁、铝和镁。
77.权利要求75的电化学电池，其中第一电极的可渗透电极体是由黄铜、青铜、不锈钢、镍或蒙乃尔合金制的网板。
78.权利要求75的电化学电池，其中离子传导介质是水溶液。
79.权利要求78的电化学电池，其中所述水溶液是碱性。
80.权利要求72的电化学电池，其中所述充电电极是独立的在充电期间充当阳极的电极。
81.权利要求72的电化学电池，其中所述充电电极是第二电极。
82.权利要求75的电化学电池，其中所述充电电极是独立的在充电期间充当阳极的电极。
83.权利要求72的电化学电池，其中所述电极体彼此以及与负载并联连接，并且其中在末端电极体与其它电极体和负载之间连接至少一个电流隔离器，
其中所述至少一个电流隔离器在充电期间阻止施加于末端电极体的电流传导至其它电极体，和
其中在使用所述电化学电池时所述至少一个电流隔离器容许电流从末端电极体传导至负载。
84.权利要求75的电化学电池，其中所述电极体彼此以及与负载并联连接，并且其中在末端电极体与其它电极体和负载之间连接至少一个电流隔离器，
其中所述至少一个电流隔离器在充电期间阻止施加于末端电极体的电流传导至其它电极体，和
其中在使用所述电化学电池时所述至少一个电流隔离器容许电流从末端电极体传导至负载。
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