CN102549834B - 具有流管理系统的可再充电金属-空气电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学混合电池包括金属燃料电极和阴极。电极保持器(16)包括腔体(18)，用于保持燃料电极(12a、12b、12c)；至少一个入口，在腔体的一侧连接到腔体并被配置为向腔体供给离子导电介质；以及至少一个出口，在腔体的相对侧连接到腔体并被配置为允许离子导电介质流出腔体。多个间隔器(40)以彼此间隔的关系延伸跨越燃料电极(12a、12b、12c)以及腔体以限定在腔体中的多个流道。

Description

具有流管理系统的可再充电金属-空气电池
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年10月8日提交的美国临时专利申请61/249,917的优先权，该文件全文通过引用合并于此。
技术领域
本发明大体上涉及电化学电池，更具体地涉及金属-空气电池。
背景技术
使用金属作为燃料的电化学电池是已知的。这样的装置的例子示于例如美国专利7,276,309、6,942,105、6,911,274和6,787,260之中，这些文件全文合并于此。这些在先实施例的缺陷的短列表包括：在阳极空间和阴极空间中沉淀的反应产物的聚积，与馈送固体粒子燃料有关的问题，由于在仍未氧化的燃料附近的已经氧化的燃料的增大浓度而导致的燃料的净氧化的缓慢速率。
金属-空气电池典型地包括阳极、空气呼吸阴极和电解质，金属燃料在阳极被氧化，来自环境空气中的氧在空气呼吸阴极被还原，电解质用于支持氧化的/还原的离子的反应。
本申请还努力提供在为电池充电或再充电时管理流体流的有效的和改进的方式，流体流可以包括燃料微粒和/或沉淀物。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电化学电池，包括：燃料电极，与燃料电极间隔开的氧化剂电极，以及接触电极的离子导电介质。燃料电极和氧化剂电极被配置为在放电期间在燃料电极氧化金属燃料并在氧化剂电极还原氧化剂以在其间产生用于施加于负载的放电电势差。电化学电池还包括电极保持器，其包括腔体，用于保持燃料电极；至少一个入口，在腔体的一侧连接到腔体并被配置为向腔体供给离子导电介质；以及至少一个出口，在腔体的与至少一个入口的相对侧连接到腔体并被配置为允许离子导电介质流出腔体。电化学电池还包括多个间隔器，其以彼此间隔的关系延伸跨越燃料电极和腔体，以在腔体内限定多个流道，从而使得离子导电介质经由至少一个入口流入每一个流道、跨越燃料电极、并经由至少一个出口流出流道。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造用于电化学电池的燃料电极的方法。燃料电极包括多个可渗透电极体，以及在可渗透电极体之间延伸的多个基本平行的间隔器。该方法包括将材料注入多个腔体，每一个腔体由两个制造间隔器所限定，邻近可渗透电极体被保持为通过其间的制造间隔器而基本平行于彼此并彼此间隔开从而使得电极体延伸进入腔体，制造间隔器基本平行于彼此；硬化材料以形成燃料电极的基本平行的间隔器；以及将可渗透电极体与制造间隔器分离从而使得可渗透电极体和由该材料形成的基本平行的间隔器是单个整体单元。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于为电化学电池充电的方法。电化学电池包括：燃料电极，与燃料电极间隔开的氧化剂电极，充电电极，以及接触电极的离子导电介质。燃料电极和氧化剂电极被配置为在放电期间在燃料电极氧化金属燃料并在氧化剂电极还原氧化剂以在其间产生用于施加于负载的放电电势差。燃料电极和充电电极被配置为在再充电期间还原可还原种类的燃料以在燃料电极上电沉积燃料并通过从电源在其间施加再充电电势差来氧化可氧化种类的氧化剂。电化学电池还包括电极保持器，其包括腔体，用于保持燃料电极；至少一个入口，在腔体的一侧连接到腔体并被配置为向腔体供给离子导电介质；以及至少一个出口，在腔体的与至少一个入口的相对侧连接到腔体并被配置为允许离子导电介质流出腔体。电化学电池还包括多个间隔器，其以彼此间隔的关系延伸跨越燃料电极和腔体，以在腔体内限定多个流道，从而使得离子导电介质经由至少一个入口流入每一个流道、跨越燃料电极、并经由至少一个出口流出流道。该方法包括使包括可还原燃料种类的离子导电介质通过至少一个入口流入流道；在充电电极和燃料电极之间施加电流，充电电极作用为阳极，燃料电极作用为阴极，从而使得可还原燃料种类被还原并在燃料电极上被电沉积为可氧化形式的燃料；以及移除电流以中断充电。
通过下面的详细说明、附图以及所附权利要求书，本发明的其他方面将变得明显。
附图说明
参考所附示意图，以下将仅以示例的方式描述本发明的实施例，附图中相应的附图标记指示相应的部分，其中：
图1示出了包括两个电化学电池的电化学电池系统的截面图；
图2示出了图1的电化学电池系统的分解图；
图3示出了图1的电化学电池之一的电极保持器；
图4示出了保持第一电极的图3的电极保持器和连接到电极保持器的多个间隔器；
图5更详细地示出了图4的间隔器之一；
图6更详细地示出了图5的间隔器和图3的电极保持器之间的连接；
图7更详细地示出了部分地由图3的电极保持器所限定的流化区域；
图8示意性地示出了根据本发明的一个实施例的在电化学电池和外部负载以及电源之间的电连接；
图9示意性地示出了根据本发明的一个实施例的在电化学电池和外部负载以及电源之间的电连接；
图10示出了根据本发明的一个实施例的另一电化学电池的一部分的实施例；
图11示出了图10的细节A；以及
图12示出了沿着图11中的线XII-XII所截的电极的截面图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的一个实施例的包括两个电化学电池10的电化学电池系统100。如所示，每一个电池10包括第一电极12，以及与第一电极12间隔开的第二电极14。第一电极12由电极保持器16所支撑。电化学系统100还包括盖体19，其用于在系统100的一侧覆盖电化学电池10，而电极保持器16之一用于覆盖系统100的相对侧，如图1所示。
在一个实施例中，第一电极12是当电池10工作于放电或发电模式时作用为阳极的金属燃料电极，如以下将更为详细地描述的。在一个实施例中，第一电极12可以包括可渗透电极体12a，诸如制成能够通过电沉积或者其他方式捕获并保留来自循环于电池10中的离子导电介质的金属燃料微粒或离子的任何形式的筛，如以下将更为详细地描述的。
电池10的元件，包括例如第一电极12，其可渗透电极体12a，以及第二电极14，可以是任何合适的构造或形态，包括但不限于由镍或镍合金(包括镍钴、镍铁、镍铜(即蒙乃尔合金)、或超级合金)、铜或铜合金、黄铜、青铜、或任何其他合适的金属构造。在一个实施例中，催化剂膜可以被涂覆于第一电极12和/或氧化剂电极14，并具有可以由某些前面描述的材料制成的高表面材料。在一个实施例中，催化剂膜可以通过诸如热喷雾、等离子喷雾、电沉积、或任何其他微粒涂层方法的技术而形成。
燃料可以是金属，诸如铁、锌、铝、镁、或锂。使用金属这一术语意在包含在元素周期表上被视作金属的所有元素，包括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素、以及过渡金属，无论原子、分子(包括金属氢化物)、或当在电极体上收集时的合金形式。然而，本发明并非意在限制任何特定的燃料，其他也可以使用。燃料可以以悬浮于离子导电介质中的微粒的形式被提供给电池10。在某些实施例中，金属氢化物燃料可以被应用于电池10中。
离子导电介质可以是水溶液。合适的介质的例子包括水溶液，包括硫酸，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。介质也可以使用非水溶剂或离子液体。在此处所描述的非限定性实施例中，介质是水性氢氧化钾。在一个实施例中，离子导电介质可以包括电解质。例如，传统的液态或半固态电解质溶液可以被使用，或者室温离子液体可以被使用，如在2010年5月10日提交的美国专利申请12/776,962中提及的，该文件全文通过引用合并于此。在电解质是半固态的实施例中，多孔固态电解质膜(即以松散结构)可以被使用。
当第一电极12工作为阳极时，燃料可以在第一电极12处被氧化，而当第二电极14工作为阴极时，诸如氧的氧化剂可以在第二电极14处被还原，这是当电池10被连接到负载并且电池10处于放电或发电模式时的情形，如以下将更为详细地描述的。放电模式期间发生的反应可以在离子导电介质中产生副产品，例如包括可还原燃料种类的沉淀物。例如，在燃料为锌的实施例中，氧化锌可以被产生作为副产品沉淀物/可还原燃料种类。氧化的锌或者其他金属还可以由电解质溶液支撑、通过电解质溶液氧化或溶解于电解质溶液中，而不形成沉淀物(例如锌酸盐可以是保留在燃料中的溶解的可还原燃料种类)。在再充电模式(其将在下文中更为详细地描述)期间，例如氧化锌的可还原燃料种类可以被可逆地还原到第一电极12上并沉积为例如锌的燃料，第一电极12在再充电模式期间作用为阴极。在再充电模式期间，无论第二电极14还是下面描述的分离充电电极70作用为阳极。放电模式和充电模式之间的切换将在下文中更为详细地描述。
电极保持器16限定了腔体18，第一电极12被保持于腔体18之中。电极保持器16还为电池10限定了入口20和出口22。入口20被配置为允许离子导电介质进入电池10和/或通过电池10再循环。入口20可以经由入口通道24被连接到腔体18，而出口22可以经由出口通道26被连接到腔体18。如图3中所示，入口通道24和出口通道26可以各提供蜿蜒曲折的路径，离子导电介质可以穿过该路径而流动。由入口通道24所限定的蜿蜒路径优选地不包括任何尖锐的角，介质流可能在尖角停止或者介质中的微粒可能在尖角积聚。如以下将更为详细地描述的，通道24、26的长度可以被设计为在流体地串联连接的电池之间提供增大的离子电阻。
对于每一个电池10，可渗透密封元件17可以适当地被粘合于电极保持器16上的密封表面和/或盖体19之间，以将至少第一电极12封入腔体18之中。密封元件17还覆盖入口通道24和出口通道26。密封元件17是非传导性和电化学惰性的，并且优选地被设计为在正交方向(即，穿过其厚度)对离子导电介质是可渗透的，而不允许离子导电介质的侧向转移。这使得离子导电介质能够穿过密封元件17渗透，以实现与在相对侧的第二电极14的离子传导性，以支持电化学反应，而不会将离子导电介质从电池10向外侧向“毛细”。密封材料17的合适材料的一些非限定性例子是EPDM和
在所示实施例中，腔体18具有大体上矩形或正方形的截面，其基本匹配第一电极12的形状。腔体18的一侧，具体地，腔体18连接到入口通道24的一侧包括多个流化区域28，每一个流化区域28经由包括多个腔体入口34的多支管连接到入口通道24，从而使得当离子导电介质和任何燃料微粒、沉淀物、或可还原燃料种类进入腔体18时，离子导电介质和燃料进入流化区域28。如在图7中具体示出的，每一个流化区域28由相互成角度但彼此不接触的两个表面30、32所部分地限定，以限定相对于从入口34穿过流化区域28的中心而延伸的轴线的分叉表面。在所示实施例中，表面30、32基本限定了具有对入口34开放的开放底部的“V”，如图3中所示。尽管所示实施例将表面30、32示为相对地平直，但是该表面可以是弯曲的或者部分地弯曲的，只要表面30、32从入口34分叉。
流化区域28被配置为使得当具有微粒的离子导电介质经由入口通道24流入腔体18时，微粒在离子导电介质中被流化，这允许当离子导电介质接触第一电极12时微粒更为均匀地分散在离子导电介质中。当电化学电池10被定向为V形流化区域28的开放底部指向下时，这特别地有优势，如图7中所示。这是因为重力将倾向于引起微粒积聚于入口通道24和出口通道26之间的腔体18的入口端。通过将微粒在离子导电介质中流化，并通过提供跨越腔体18的压降，如以下将更为详细地描述的，微粒将更为均匀地流过腔体18，而在腔体18的入口端基本较少或没有积聚。通过跨越第一电极12的表面提供微粒的更为均匀的分布，这可以改善电池10的效率。
如图4中所示，多个间隔器40(每一个以彼此间隔开的关系延伸跨越第一电极12)可以被连接到电极保持器16，以使得第一电极12可以相对于电极保持器16以及第二电极14而被保持就位。在一个实施例中，第一电极12可以包含多个可渗透电极体12a-12c，如图2中所示，其可以由多个间隔器40的多个组所分离，从而使得每一组间隔器40被定位于邻近电极体之间，以将电极体12a-12c彼此电隔离。在邻近电极体之间的每一组间隔器40中，间隔器40被以间隔开的关系以以下方式定位，即在其间产生所谓“流道”42，如在以下将更为详细地描述的。流道42是三维的并且具有基本等于间隔器40的高度的高度。在一个实施例中，间隔器可以由具有对应于流道的开口的单个框架提供。在一个实施例中，流道可以包括泡沫或者蜂窝型结构，其被配置为允许离子导电介质从中流过。在一个实施例中，流道可以包括插脚阵列，其被配置为分裂穿过流道的离子导电介质的流。在一个实施例中，框架，间隔器，流道，和/或者电池的其他元件可以由通过注模形成的塑料、或者使用化学工艺形成的环氧树脂/绝缘材料所限定，如以下将更为详细地描述的。所示实施例并非意在以任何方式限定。
在一个实施例中，可渗透电极体12a-12c可以具有基本上相同的大小。在一个实施例中，可渗透电极体可以有不同的大小从而使得可以使用阶梯式台架配置，如在2010年6月24日提交的美国临时专利申请61/358,339中所描述的，该文件全文通过引用合并于此。
间隔器40是非传导性的和电化学惰性的，因此它们对于电池10中的电化学反应不活跃。间隔器40优选地被设定这样的大小以使得当它们连接到电极保持器16时，间隔器40受拉，这允许间隔器40向第一电极12或者电极体12a-12c之一施压，从而以相对于电极保持器16平坦的关系保持第一电极12或其电极体。间隔器40可以由塑料材料制成，诸如聚丙烯、聚乙烯、改性聚苯醚、含氟聚合物等，其允许间隔器受拉连接到电极保持器16。
在图5所示实施例中，每一个间隔器具有延长的中部44，以及在每端的成形的连接部分46。成形的连接部分46被配置为由具有基本类似的形状的开口48保持于电极保持器16中，如图6中所示。在所示实施例中，成形部分46和开口48具有基本三角的形状，然而所示形状并非意在以任何方式限定。基本三角的形状在间隔器40的延长部分44的相对侧提供了表面50，其被配置为接触电极保持器16上的相应表面52。因为表面50、52相对于间隔器40的延长部分44的主轴MA成角度，并且间隔器40中的拉力将沿着主轴MA，相比于相同面积的具有圆形或正方形的成形部分，由拉力所产生的力可以被分布于跨越更大的表面。
一旦间隔器40经由端部46被连接到电极保持器16，则跨越电极保持器16的腔体18限定流道42。间隔器40被配置为从由间隔器40之一所分离的邻近流道42b基本上封闭一个流道42a，从而使得离子导电介质被导向为大体上沿基本一个方向流动。具体地，离子导电介质可以大体上沿第一方向FD流动跨越第一电极12，从入口通道24至出口通道26。合适的压降被产生于入口通道24和流化区域28之间，从而使得离子导电介质可以流动跨越腔体18而到达出口通道26，即使当电池10被定向为使得流动基本向上并抵抗重力时。在一个实施例中，离子导电介质还可以沿第二方向SD渗透穿过第一电极12，或者个别的可渗透电极体12a-12c，并进入位于第一电极12或可渗透电极体12a-12c的相对侧的流道中。
如图8中所示，第一电极12连接到外部负载L，从而使得当燃料在第一电极12被氧化时由燃料放出的电子流到外部负载L。外部负载L可以被耦合到并行的可渗透电极体12a-12c中的每一个，如在2009年4月9日提交的美国专利申请12/385,489中所描述的，并且通过引用合并于此。
当第二电极14连接到外部负载L并且电池10工作于放电模式时，第二电极14作用为阴极。当作用为阴极时，第二电极14被配置为接收来自外部负载L的电子并且还原接触第二电极14的氧化剂。在一个实施例中，第二电极14包括空气呼吸电极，而氧化剂包括环境空气中的氧。
氧化剂可以通过被动传输系统被传送到第二电极14。例如，当出现在环境空气中的氧是氧化剂时，简单地通过电池中的开口将第二电极14暴露于环境空气可能足以允许氧散布/渗透到第二电极14中，电池中的开口诸如由盖体19中的沟槽54以及提供于电化学电池系统100中间的电极保持器16中的沟槽56所提供的开口。其他合适的氧化剂可以被使用，并且此处所描述的实施例不限于使用氧作为氧化剂。外围衬垫15可以适当地被定位于第二电极14的外围和盖体19或电极保持器16之间，以防止离子导电介质在第二电极14附近泄漏并进入沟槽54、56中的区域而暴露于空气。
在其他实施例中，泵，诸如空气扇，可以被用于在压力下将氧化剂传送到第二电极14。氧化剂源可以是氧化剂的内在源。同样地，当氧化剂是来自环境空气中的氧时，氧化剂源可以被宽泛地视作传送机制，无论其是被动的或主动的(例如，泵、风扇等)，通过该传送机制，空气被允许流到第二电极14。这样，术语“氧化剂源”意在涵盖内在源和/或被动地或主动地将氧从环境空气传送到第二电极14的设置。
当在第二电极14的氧化剂被还原，而在第一电极12的燃料被氧化为氧化形式时，能够被外部负载L所汲取的电得以产生。一旦第一电极12处的燃料完全氧化或者氧化由于燃料电极的钝化而停止，则电池10的电势耗尽。开关60可以被定位于第二电极14和负载L之间，从而使得第二电极14可以依照要求被连接到负载L和从负载L断开连接。
为了限制或阻止在放电模式期间和在静止(开路)周期期间在第一电极12处的氢析出，可以加盐以阻止这样的反应。锡、铅、铜、汞、铟、铋的盐，或者任何其他具有高的氢过电位的材料可以被使用。另外，酒石酸盐，磷酸盐，柠檬酸盐，琥珀酸盐，氨盐基或者其他的抑制氢析出的添加剂可以被添加。在一个实施例中，金属燃料合金，诸如铝/镁可以被用于抑制氢析出。
在电池10中的燃料完全氧化后，或无论何时期望通过将已经氧化的燃料离子还原成燃料而在电池10中再产生燃料，第一电极12和第二电极14可以从外部负载L断开并通过使用合适的开关62而耦合到电源PS，如图8中所示。电源PS被配置为通过在第一电极12和第二电极14之间加电势差而给电池10充电，从而使得可还原种类的燃料被还原并且电沉积到可渗透电极体12a-12c上，并且相应的氧化反应发生于第二电极14，其典型地是可氧化种类的氧化以析出氧，其可以从电池10排出。如在提交于2009年4月9日的美国专利申请12/385,489中详细描述的，其全文通过参考合并于此，仅有一个可渗透电极体，诸如12a，可以被连接到电源PS，从而使得燃料还原到可渗透电极体上并且逐渐地一个接一个地生长到其他的可渗透电极体12b-12c上。开关62可以控制电池10何时工作于放电模式何时工作于充电模式。
任何合适的控制机制可以被提供以在打开和关闭位置之间控制开关62的动作。例如，朝着打开位置偏置的继电器开关可以被使用，具有耦合到电源的感应线圈，其当充电开始时引起开关关闭。另外，允许到可渗透电极体12a-12c的独立连接的更复杂的开关可以用来提供到负载和来自负载的连接/断开，以及到彼此和来自彼此的连接/断开。
图9示出了一个实施例，其中第三电极70被提供以作用为充电电极，而非第二电极14。如图2中所示，第三电极70可以被定位于第一电极12和第二电极14之间，间隔器72和密封元件17被定位于第三电极70和第二电极14之间。间隔器72是非传导性的并且具有开口，离子导电介质可以穿过该开口流动。
在前面关于图8所描述的实施例中，第二电极14在电能生成/放电期间作用为阴极，并且在充电期间作用为阳极，如前面所描述的。在图9中，负载在再充电期间被并行地耦合到第一电极12的每一个可渗透电极体12a-12c，还耦合到第三电极70。在电流生成期间，第一电极12上的燃料被氧化，产生电子，其被传导以给负载L供电，然后被传导至第二电极14用于氧化剂的还原(如前面更为详细地描述的)。
也可能在本发明的任何实施例中向第一电极12的所有电极体12a-12c同时地施加阴极电势，而不是仅对一个电极体施加电势以产生逐体的逐渐生长。从一个端子发源的逐渐生长是有优势的，因为其提供了更高的密度。具体地，先前地连接的电极体中的生长继续，因为每一个后续体通过逐渐生长被连接。随着所有的电极体受到相同的电势，生长将仅发生直至充电电极和最接近其的电极体之间发生短路，在图8所示实施例中充电电极是第二电极14，在图9所示实施例中充电电极是第三电极70。因此，可能在该方式下具有某种更快、密度较低的生长，其可以服从于一定的再充电需要。
图8和图9中所示出的实施例不应被视为以任何方式为限定的，并作为电池10如何可以被配置为可再充电的非限定性示例而提供。例如，提交于2009年9月18日的美国临时专利申请61/243,970和提交于2010年9月17日的美国专利申请12/885,268，描述了在电池中具有充电/放电模式切换的可再充电电化学电池系统的实施例，该些文件全文通过引用合并于此。
另外，前面所描述的(例如，实现充电模式、以及放电模式)开关的实施例还可以与具有动态地改变氧析出(即，充电)电极/燃料电极的多个电化学电池一起使用，诸如在2010年9月16日提交的美国专利申请61/383,510中描述的进步方案，该文件全文通过引用合并于此。例如，如在美国临时专利申请61/383,510中所述，每一个电池10还可以具有其自身的与电极体相关联的多个开关以实现逐渐燃料生长。
例如，在一个实施例中，在充电期间，每一个电池10的充电电极可以被耦合到后续电池10的第一电极12。在一个实施例中，在充电期间，第一电极12的第一电极体12a可以具有阴极电势而其余电极体和/或分离充电电极可以具有阳极电势。在这样一个实施例中，在第一电极12的逐渐燃料生长期间，燃料可以生长于具有阴极电势的第一电极体12a上并引起和具有阳极电势的邻近电极体12b之间的短路。邻近电极体12b然后可以从阳极电势的源断开连接，以使得邻近电极体12b通过电连接也具有阴极电势。该过程可以继续到其余电极体直至不可能有新的生长(即，阴极电势已经短路到具有阳极电势的最后一个电极体或分离充电电极)。多个开关可以被提供以将电极体连接/断开于彼此和/或阴极或阳极电势的源。因此，在这样的具有逐渐燃料生长的实施例中，充电电极可以是与第一电极12分离的充电电极或者可以是具有阳极电势的、第一电极12的至少邻近电极体，直至所有其他电极体。换言之，充电电极可以是分离充电电极，位于邻近于具有阴极电势的至少一个电极体的具有阳极电势的电极体，和/或位于邻近于具有阴极电势的至少一个电极体的具有阳极电势的一组电极体。
因此，充电电极，该术语被用于本申请的更宽的方面之中，不必是仅起阳极充电作用的(尽管其可以是)静态的或专用电极，而是其有时可以是燃料电极中的一个体或多个体，阳极电势施加于其上。因此，术语动态被用于指示作用为充电电极并在充电期间接收阳极电势的物理元件可以变化。
在放电期间，电池10的第二电极14可以被可操作地连接到后续电池10的第一电极12，并且燃料消耗将通过电极体(其中电极体之间的电连接通过燃料生长)。如果电池10没有正确地作用或者因为其他原因，则电池10还可以使用旁路开关特性而被旁路，如在美国专利申请12/885,268中所描述的。
另外，在某些实施例中，电池可以被设计为“双电池”。该术语指示在燃料电极的相对侧的一对空气电极。在放电期间，空气电极通常处于相同的阴极电势并且燃料电极处于阳极电势。典型地，一对专用充电电极可以被布置于空气电极和燃料电极之间的离子导电介质中。在充电期间，充电电极通常处于相同的阳极电势，并且燃料电极处于阴极电势(替代地，充电电极可以动态地充电，如前面所描述的)。因此，空气电极可以共享公共端子，并且燃料电极具有其自身的端子，并且充电电极也可以共享公共端子。同样地，电化学地而言，这样一个双电池可以被视为单个电池(尽管在该双电池中，电池的一定方面，诸如双向燃料生长，可以引起双电池因为一定目的而被视为两个电池；然而，在用于模式放电和连接管理的较高级别，那些方面没有那么相关并且双电池能被视为单个电池)。在一个实施例中，那对空气电极可以对应于第二电极12，燃料电极可以对应于第一电极12，并且该对充电电极可以对应于第三电极70。
回到图4，在离子导电介质已经通过第一电极12之后，介质可以流入出口通道26，其被连接到电极保持器16的腔体18的出口36以及出口22。在介质在电池10中被再循环的实施例中，出口22可以被连接到入口20，或者当多个电池10流体地串联连接时被连接到邻近电池的入口，如以下将更为详细地描述的。在一个实施例中，出口22可以被连接到容器以收集已经在电池10中被使用的介质。
图1和图2中所示电池10可以被流体地串联连接。串联连接的电池的实施例的细节提供于提交于2008年12月5日的美国临时专利申请61/193,540以及提交于2009年12月4日的美国专利申请12/631,484之中，该些文件全文通过引用合并于此。第一电池10的出口22可以被流体地连接到第二电池10的入口20，并且第二电池10的出口22可以被连接到第三电池的入口20，等等。尽管图1和图2的实施例示出了两个电池10，然而额外的电池可以被堆叠并且流体地连接到所示的电池。由于由前面所描述的并示于图3和图4中的入口通道24和出口通道26所产生的蜿蜒曲折的路径，经由通道24、26用于介质的流动通路的长度大于每个电池10中的第一电极12和第二电极14之间的距离。这产生了该对流体地连接的电池之间的离子电阻，其大于单个电池10中的离子电阻。这可以降低或最小化电池堆叠100的内部离子电阻损失，如在2008年12月5日所提交的美国临时专利申请61/193,540以及在2009年12月4日所提交的美国专利申请12/631,484中所讨论的。
在工作中，已经有金属燃料沉淀于其上的第一电极12被连接到负载L并且第二电极14被连接到负载L。离子导电介质在正压强下进入入口20并流过入口通道24、腔体18的入口34，并流入流道42的流化区域28。离子导电介质在由间隔器40的延长的中部44所限定的流道42中流动跨越可渗透电极体12a-12c。离子导电介质还可以渗透穿过第一电极12的可渗透电极体12a-12c。离子导电介质同时地接触第一电极12和第二电极14，从而允许燃料氧化并传导电子到负载L，而氧化剂在第二电极14经由被负载L传导至第二电极14的电子所还原。在离子导电介质已经通过流道42之后，介质经由腔体18的出口36流出腔体18、通过出口通道24、并流出电池10的出口22。
当电池10的电势已经耗尽或当除此而外期望再充电电池10时，第一电极12被连接到电源PS的负端子并且充电电极被连接到电源PS的正端子，在图8所示实施例中充电电极是第二电极14而在图9所示实施例中充电电极是第三电极70。在充电或再充电模式中，第一电极12成为阴极并且充电电极14、70成为阳极。通过提供电子到第一电极12，燃料离子可以还原成燃料并且再沉淀到可渗透电极体12a-12c上，而离子导电介质以相同的方式循环穿过电池10，如前面关于放电模式所描述的。
流道42提供方向性，一致流动样式，乃至跨越第一电极12的离子导电介质的分布。流化区域28搅动在电池10的放电模式期间已经形成于离子导电介质中的微粒和任何沉淀物，并且阻止微粒在腔体的底部在介质之外沉淀，这允许微粒随着离子导电介质流动跨越第一电极12。流道42还可以阻止微粒沉淀和/或覆盖电极。当电池10处于充电模式时，微粒跨越第一电极12的改进的分布允许还原的燃料更为一致地沉淀到第一电极12上，这改善了在第一电极12上的燃料的密度，并且增加了电池10的容量和能量密度，从而增强了电池10的循环寿命。另外，通过具有在放电期间控制微粒或反应副产物的分布的能力，可以阻止副产物在第一电极12上的早期钝化/沉淀。钝化导致较低的燃料利用和较低的循环寿命，这是不期望的。
图10-图12示出了根据本发明的另一实施例的电化学燃料电池110。示于图10-图12中的电池110通常包括如前面所描述的电池10相同的特性，除了第一电极、间隔器、以及电极保持器之外。因此，仅有这些特性在下文中详细描述。例如，如在图10中所示，电池110包括定位于电极保持器116的腔体118中的第一电极112，从而使得第一电极112被电极保持器116所支撑，以及在第一电极112中产生流道142的多个间隔器140。
在一个实施例中，第一电极112是当电池110工作于放电或发电模式时作用为阳极的金属燃料电极，如以下将更为详细地描述的。在一个实施例中，第一电极112可以包含多个可渗透电极体112a-112f，如图12中所示。每个电极体可以包括筛，其被制成能够通过电沉积或者其他方式捕获并保留来自循环于电池110中的离子导电介质的金属燃料的微粒或离子的任何形式。
多个间隔器140，每个以彼此间隔开的关系延伸跨越第一电极112，可以被连接到电极保持器116以使得第一电极112可以相对于电极保持器116以及第二电极(未示于图10-图12中)而被保持就位。如图12中所示，可渗透电极体112a-112f可以由多个间隔器140的多个组所分离，从而使得每组间隔器140被定位于邻近电极体之间以将电极体112a-112f彼此电隔离。在邻近电极体之间的每一组间隔器140中，间隔器40被以间隔开的关系以以下方式定位，即在其间产生所谓“流道”142。间隔器140是非传导性的和电化学惰性的，因此它们对于电池110中的电化学反应不活跃。间隔器140可以由合适的塑料材料制成，诸如聚丙烯、聚乙烯、聚酯等。类似于前面所描述的流道42，流道142是三维的并且具有与间隔器140的高度基本相同的高度，如图12中所示。
在所示实施例中，腔体118具有基本匹配第一电极112的形状的大体上正方形的形状。腔体118的一侧或一端经由多个腔体入口134被连接到入口通道124。入口通道124被连接到入口120，离子导电介质通过入口120进入电池110。每一个腔体入口134基本对准相应的流道，如图11中所示。在离子导电介质流过流道142之后，离子导电介质可以通过腔体出口136离开腔体118，这示于图10中。
可渗透电极体112a-112f以及间隔器140可以在第一电极112被放置于电极保持器116中之前被形成为单个单元。换言之，示于图12中的第一电极可以使用任何合适的制造工艺而被形成为单个单元。例如，在一个实施例中，基本是所期望的流道142的大小的制造间隔器(未示出)可以被放置于邻近可渗透体112a-112f之间以将邻近可渗透电极体112a-112f保持为基本并行间隔开的关系。位于相同的邻近可渗透电极体之间的制造间隔器优选地基本平行于彼此并且沿着电极体112a-112f相同地间隔开，并且位于相同电极体的相对侧的制造间隔器优选地基本对准彼此。在电极体12a-12f以及制造间隔器就位并且通过任何合适手段被保持在一起之后，用于间隔器140的合适材料可以被注入制造间隔器之间并穿过可渗透电极体112a-112f。在材料变硬或固化之后，制造间隔器可以从第一电极112被移除以产生示于图12中的单个电极台架单元112。
在一个实施例中，可以制造注模，从而使得制造间隔器是模子的部分。模子中可以形成间隙以适应可渗透电极体112a-112f，并且还可以形成限定间隔器140的体积的腔体。电极体112a-112f的每一个可以以与邻近体成平行间隔开的关系被注入到模子中，并且用于间隔器140的材料然后可以被注入腔体以形成间隔器140。在材料在模子中冷却之后，可以从模子中取出作为包含可渗透电极体112a-112f和间隔器140的单个单元的第一电极112。当然，允许间隔器140整体地形成于可渗透电极体112a-112f上并穿过可渗透电极体112a-112f从而使得包括电极体112a-112f和间隔器的第一电极112是单个单元的任何合适制造方法可以被使用。前面所描述的方法并非意在以任何方式限定。
如同前面所描述的可渗透电极体12a-12c，在一个实施例中，可渗透电极体112a-112f可以具有基本相同的大小。在一个实施例中，可渗透电极体112a-112f可以有不同的大小，从而使得可以使用阶梯式台架配置，如在2010年6月24日提交的美国临时专利申请61/358,339中所描述的。
本发明的实施例并非意在反应副产物的管理，如前面所描述的，反应副产物在放电模式期间产生，并且反过来在再充电模式期间被还原并电沉积为燃料。相反，本发明的实施例能被用于可还原燃料种类不同于反应副产物并且被分别供应的情况。本发明的实施例提供了离子导电介质跨越第一电极的一致流动样式、以及离子导电介质在组成第一电极的可渗透电极体之间的均匀分布，这可以改善前面描述的电化学电池和系统的效率。
此处涉及电极，应理解在某些实施例中的不同结构可以取决于设备的工作模式以不同方式作用为一个或多个电极。例如，在某些氧化剂电极双工作用为充电电极的实施例中，同一个电极结构在放电期间作为氧化剂电极并在充电期间作为充电电极。类似地，在充电电极是动态充电电极的实施例中，燃料电极的所有的体在放电期间作为燃料电极；但在充电期间，体中的一个或多个通过接收电沉积的燃料作为燃料电极，而体中的其他一个或多个作为充电电极以析出氧化剂(例如，氧)，并且燃料电极随着电沉积的生长连接到更多的体而生长。因此，电极的引用被清楚地限定为在电池的不同工作模式期间能够具有多种电极功能的独特电极结构或功能性角色结构(并因此出于该原因可以考虑同一个多功能结构来满足多电极)。
前面所示实施例仅为了用于说明本发明的结构和功能原理而提供，并非意在限定。例如，本发明可以使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电极、和/或不同的整体结构配置或材料而得以实施。因此，本发明意在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围之中的所有修改、替代、改变、以及等同物。

Claims (24)

1.一种电化学电池，包括：
燃料电极；
与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；
接触所述电极的离子导电介质；
所述燃料电极和所述氧化剂电极被配置为在放电期间，在所述燃料电极氧化金属燃料并在所述氧化剂电极还原氧化剂，以在其间产生用于施加于负载的放电电势差；
电极保持器，其包括用于保持所述燃料电极的腔体，至少一个入口，其在所述腔体的一侧连接到所述腔体并被配置为向所述腔体供给所述离子导电介质，以及至少一个出口，其在所述腔体的与所述至少一个入口的相对侧连接到所述腔体、并被配置为允许所述离子导电介质流出所述腔体；以及
多个间隔器，其以彼此间隔的关系延伸跨越所述燃料电极和所述腔体，以在所述腔体内限定多个流道，从而使得所述离子导电介质经由所述至少一个入口流入每一个流道、跨越所述燃料电极、并经由所述至少一个出口流出所述流道，
其中所述燃料电极包括成间隔关系的多个可渗透体，并且所述多个间隔器被提供于所述可渗透体之间，以允许所述离子导电介质渗透穿过所述可渗透体并在所述流道中流动跨越所述可渗透体。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，还包括充电电极，其中所述燃料电极和所述充电电极被配置为在再充电期间，还原可还原种类的燃料以在所述燃料电极上电沉积所述燃料，并通过从电源在其间施加再充电电势差来氧化可氧化种类的氧化剂。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述充电电极选自包括以下项的组：(a)所述氧化剂电极，(b)与所述氧化剂电极间隔开的第三电极，以及(c)所述燃料电极的一部分。
4.根据权利要求3所述的电化学电池，其中所述燃料电极包括成间隔关系的多个可渗透电极体，并且所述充电电极在再充电期间是包括所述可渗透电极体中的至少某些的动态充电电极。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中每一个间隔器受拉在其相对端附着于所述电极保持器，以将所述燃料电极固定于所述电极保持器。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中每一个间隔器包括延长的中部以及在所述延长的中部的每一端的成形的端部，并且所述电极保持器包括对应于所述间隔器的成形的端部的多个成形的开口，从而使得每一个间隔器的端被所述成形的开口保持在所述电极保持器中。
7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中所述成形的端部以及成形的开口具有三角形形状。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述至少一个入口包括多个入口，其中所述至少一个出口包括多个出口，并且所述多个入口之一和所述多个出口之一与每个流道相关联，从而使得所述离子导电介质经由所述相关联的入口流入每个流道，跨越所述燃料电极，并经由所述相关联的出口流出所述流道。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述腔体包括在每个流道的入口处的分叉的表面，所述分叉的表面部分地限定了体积，在所述流道中的微粒通过流入所述流道的所述离子导电介质在所述体积中被流化。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述入口被配置为在所述电极保持器中的入口通道和所述流道之间提供压降。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其中每一个流道是三维的、并具有与限定所述流道的间隔器相同的高度。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述燃料在放电期间被氧化时在所述离子导电介质中形成氧化物。
13.根据权利要求1所述的电化学电池，其中每一个间隔器被模制到所述燃料电极内或所述燃料电极上。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述燃料电极包括成间隔关系的多个可渗透体，并且所述多个间隔器被模制到所述可渗透体内或所述可渗透体上，以将所述可渗透体保持为间隔关系，并允许所述离子导电介质渗透穿过所述可渗透体并在所述流道中流动跨越所述可渗透体。
15.一种制造用于电化学电池的燃料电极的方法，所述燃料电极包括多个可渗透电极体和延伸于所述可渗透电极体之间的多个平行的间隔器，所述方法包括：
将材料注入多个腔体，每一个腔体由两个制造间隔器所限定，邻近可渗透电极体通过其间的所述制造间隔器保持为平行于彼此并彼此间隔开，从而使得所述电极体延伸进入所述腔体，所述制造间隔器平行于彼此；
硬化所述材料以形成所述燃料电极的所述平行的间隔器；以及
将所述可渗透电极体与所述制造间隔器分离，从而使得所述可渗透电极体以及由所述材料形成的所述平行的间隔器是单个整体单元。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其中所述多个腔体在模子中形成。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其中所述制造间隔器是所述模子的组成部分。
18.根据权利要求15所述的制造方法，其中所述制造间隔器是独立的部分。
19.一种用于为电化学电池充电的方法，所述电化学电池包括
燃料电极；
与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；
充电电极；
接触所述电极的离子导电介质；
所述燃料电极和所述氧化剂电极被配置为在放电期间，在所述燃料电极氧化金属燃料并在所述氧化剂电极还原氧化剂，以在其间产生用于施加于负载的放电电势差；
所述燃料电极和所述充电电极被配置为在再充电期间，还原可还原种类的燃料以在燃料电极上电沉积所述燃料，并通过从电源在其间施加再充电电势差来氧化可氧化种类的氧化剂；
电极保持器，其包括用于保持所述燃料电极的腔体，至少一个入口，其在所述腔体的一侧连接到所述腔体并被配置为向所述腔体供给所述离子导电介质，以及至少一个出口，其在所述腔体的与所述至少一个入口的相对侧连接到所述腔体、并被配置为允许所述离子导电介质流出所述腔体；以及
多个间隔器，其以彼此间隔的关系延伸跨越所述燃料电极和所述腔体，以在所述腔体内限定多个流道，从而使得所述离子导电介质经由所述至少一个入口流入每一个流道，跨越所述燃料电极，并经由所述至少一个出口流出所述流道，
其中所述燃料电极包括成间隔关系的多个可渗透体，并且所述多个间隔器被提供于所述可渗透体之间，以允许所述离子导电介质渗透穿过所述可渗透体，并在所述流道中流动跨越所述可渗透体，
所述方法包括：
使包括可还原燃料种类的离子导电介质流动穿过所述至少一个入口并进入所述流道；
在所述充电电极和所述燃料电极之间施加电流，所述充电电极作用为阳极并且所述燃料电极作用为阴极，从而使得所述可还原燃料种类被还原并且在所述燃料电极上被电沉积为可氧化形式的燃料；以及
移除所述电流以中断充电。
20.根据权利要求19所述的充电方法，其中所述充电电极选自包括以下项的组：(a)所述氧化剂电极，(b)与所述氧化剂电极间隔开的第三电极，以及(c)所述燃料电极的一部分。
21.根据权利要求20所述的充电方法，其中所述充电电极在再充电期间是动态充电电极，并且包括所述可渗透电极体中的至少某些。
22.一种用于电化学电池的燃料电极，所述电化学电池包括：所述燃料电极；与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；接触所述电极的离子导电介质；所述燃料电极和所述氧化剂电极被配置为在放电期间，在所述燃料电极氧化金属燃料并在所述氧化剂电极还原氧化剂，以在其间产生用于施加于负载的放电电势差；以及电极保持器，其包括用于保持所述燃料电极的腔体，至少一个入口，其在所述腔体的一侧连接到所述腔体并被配置为向所述腔体供给所述离子导电介质，以及至少一个出口，其在所述腔体的与所述至少一个入口的相对侧连接到所述腔体并被配置为允许所述离子导电介质流出所述腔体；所述燃料电极包括：
成间隔关系的多个可渗透体，以及
多个间隔器，其以彼此间隔的关系延伸跨越所述燃料电极，以当所述燃料电极处于所述电化学电池中时在所述腔体内限定多个流道，从而使得所述离子导电介质经由所述至少一个入口流入每一个流道、跨越所述燃料电极、并经由所述至少一个出口流出所述流道，
其中所述多个间隔器被提供于所述可渗透体之间，以允许所述离子导电介质渗透穿过所述可渗透体并在所述流道中流动跨越所述可渗透体。
23.根据权利要求22所述的燃料电极，其中每一个间隔器被模制到所述燃料电极内或所述燃料电极上。
24.根据权利要求23所述的燃料电极，其中所述多个间隔器被模制到所述可渗透体内或所述可渗透体上，以将所述可渗透体保持为间隔关系，并允许所述离子导电介质渗透穿过所述可渗透体并在所述流道中流动跨越所述可渗透体。
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