JPH08510085A - 金属空気バッテリー用拡散制御式空気管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 所望の電力レベルでの電池の動作に必要となる新しい酸素を提供しつつも、金属空気電池の空気陰極全体でより安定した水蒸気と二酸化炭素の平衡を維持する空気管理装置システムが開示される。酸素が、ハウジング１５内の１つ以上の換気開口部１７を通して優先的に引き込まれ、バッテリー・ハウジング内の水蒸気と二酸化炭素の濃度がより安定し、その結果、陰極３０全体での移動が少なくなる。ファン２０は、バッテリー・ハウジング内の気体を循環させ、ハウジング内の酸素濃度がハウジング外の周辺空気と比較して減少しても、電池の動作に必要とされる酸素が空気陰極と接触する状態を維持する。したがって、電池は、乾燥やフラッジングが起こしづらくなり、電池に侵入する二酸化炭素が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】 金属空気バッテリー用拡散制御式空気管理装置 技術分野 本発明は、一般的に、バッテリー（batteries）に関し、より詳細には、制御 されたやり方で金属空気バッテリーに酸素を提供するためのシステムに関する。 発明の背景 金属空気バッテリー電池（metal-air battery cells）は、水性電解液により 分離された、空気透過可能な陰極（cathode）と金属製の陽極（anode）を備える 。例えば、亜鉛空気バッテリーでは、陽極は亜鉛を含み、放電の間に、周辺空気 からの酸素が陰極で水酸化物（hydroxide）に変換され、亜鉛が陽極で水酸化物 によって酸化され、水および電子が解放され、電気的なエネルギーが提供される 。金属空気電池の陰極は、金属または金属化合物のような重い物質ではなく、周 辺空気からの酸素を電気化学反応の反応物（reactant）として利用するため、金 属空気電池は比較的に高いエネルギー密度を持つ。金属空気バッテリー電池は、 たいていの場合、十分な量の電気出力（power output）を実現するために、１個 の共通のハウジング内に複数のセル・バッテリー・パックとして配列されている 。その結果、比較的軽量のバッテリーと なる。 一次及び二次金属空気バッテリーの両方が開発されてきた。再充電可能な金属 空気バッテリーは、金属空気バッテリー電池の陽極と陰極の間に電圧をかけ、電 気化学的な反応を逆にすることにより再充電される。酸素は、空気透過可能陰極 を通して大気に放出される。 したがって、電池の空気陰極への酸素の供給を実現する必要がある。いくつか の従来システムは、所望の電気出力を達成するのに十分な流量で、空気陰極に新 しい周辺空気の連続した流れを吹き流す。このような装置は米国特許4,913,983 に示されており、それはバッテリー・ハウジング内のファンを利用し、周辺空気 の流れを金属空気バッテリー電池のパックに供給する。 既知又は測定可能な周辺空気中の酸素濃度および所定の出力レベルで所定の金 属空気バッテリーを動作させるための酸素の要件が与えられたとすると、このよ うな動作に必要となる周辺空気の「化学式どおりの（stoichiometric）」量を計 算することができる。金属空気バッテリー用の多くの空気管理装置（air manage rs）が、空気の化学式通りの必須量の４倍から１０倍を提供するために、ハウジ ング内に補充（make-up）周辺空気を引き込む。 金属空気バッテリーの１つの問題点は、周辺湿度のレベルにより、金属空気バ ッテリーの故障が起こるという点である。金属空気バッテリーの平衡蒸気圧（eq uilibrium vapor pressure）により、通常約４５パーセントの 平衡相対湿度が生じる。周辺湿度が金属空気バッテリーの平衡相対湿度値を上回 る場合、金属空気バッテリーは、陰極を通して空気から水を吸収し、フラッジン グ（flooding）と呼ばれる状態により故障する。フラッジングによりバッテリー がバーストする可能性がある。周辺湿度が、金属空気バッテリーの平衡相対湿度 値を下回る場合、金属空気バッテリーは、空気陰極を通して電解液から水蒸気を 解放し、乾燥（drying out）により故障する。金属空気バッテリーが使用される 大部分の環境では、故障は乾燥から発生する。 周辺湿度が原因の問題は、酸素拡散電極（陰極）が通常、水蒸気を、気体状水 分子の類似した大きさ及び極性により酸素と同程度自由に通過させるので、空気 減極セル（air depolarized cells）において悪化する。ゆえに、空気が、放電 時にこのようなバッテリーに供給されるか、再充電時に排出されると（再充電可 能バッテリーの場合）、水蒸気も同様に陰極を自由に通過する。 したがって、技術的には、空気陰極上を通る空気中の、電池内の湿度レベルと 異なる湿度レベルにより、電池の中への又は電池の中からの水の正味量の移動が 生じ、上に概略したような問題につながりうることがわかっている。さらに、こ のような問題は、大量の新しい空気が連続して陰極上を流れる場合にさらに深刻 になる。 金属空気電池への新鮮な空気の連続供給に関連するもう一つの問題点は、水酸 化カリウム（potassium hydrox ide）等の電解液を中和する二酸化炭素の電池中への移動である。過去において は、外側の陰極表面に対して二酸化炭素吸収層を設置し、二酸化炭素を妨げてい た。このようなシステムの例は、米国特許番号4,054,725に示されている。 以前には、このような水及び二酸化炭素の転送の問題を懸念せずに冷却空気の 流れを調整できるように、金属空気バッテリーを通る、反応物である空気と冷却 空気の流れを分離することが提案されていた。これは、反応空気（reactant air ）自体の中にある、このような気体によって引き起こされる問題は解決しない。 Przybylａに対する米国特許4,118,544は、フラッジングと乾燥の問題点を説明 し、腕時計や補聴器とともに使用される一次金属空気ボタン電池を開示している 。電池は、気体の空気陰極への連絡経路内に障壁を置く。気体と水蒸気の電池内 部へのアクセスを制限する大きさに規定された１つ以上の通路（例えば、直径０ ．００１〜０．００２インチの１つの穴）が障壁内に形成され、電池の中への及 び電池の中からの過剰な水蒸気流入また流出を防止することを目的とする。この 特許は、酸素が放電の間に利用される際、電池内に部分的な真空が生じ、このよ うな部分的な真空がさらに空気を引き込むと仮定している。 Przybylaの目標は単に個々の電池の陰極への空気のアクセスを制限するだけの ようである。このアプローチは、 電池を乾燥またはフラッジングするのに使用できる乾燥した又は湿った周辺空気 の量を制限するが、空気の全成分が制限されるので、酸素の濃度が低くなり、電 池の使用可能な出力パワーレベルも減少するだろう。また、穴の数を増やして、 電力要求に見合った豊富で十分な酸素を電池内に供給できるようにすることもで きるが、その場合、不必要で余分な他の成分も中に入る。Przybylaは、いずれか の気体が、それ以外の気体に優先してその穴を通過するとは述べていない。ただ し、これは本質的に発生する可能性がある。いずれにせよ、Przybylaは、たとえ 複数の開口部を形成しても、ラップトップ型コンピュータのような装置を動作さ せるのに十分な電力を生成することは困難かもしれない小さい穴を教示している 。また、これらの穴は、特殊な製造技術を必要とするとも述べられている。 さらに、Przybylaの電池は、酸素を陰極表面に移動させるために、空気の成分 の受動的混合（passive mixing）に依存している。したがって、電池が、すでに 酸素が減少させられた（oxygen-depleted）気体からさらに酸素を使用する場合 、陰極に隣接する空気のクリティカルな層が酸素不足になる傾向がある。 フランス特許番号2,353,142では、少なくとも部分的に酸素が使い尽くされた 空気を金属空気電池から引き出し、それを三方弁を介して新鮮な空気とさまざま な割合で混合し、混合物を空気陰極に戻すことが提案されている。 この構成の１つの目的は、新鮮な空気を少なくとも部分的に酸素が使い尽くされ た空気で希釈して、入ってくる反応空気の酸素含有量を変化させることにより、 電池の出力を変化させることである。この構成の別の目的は、生成される電力の 関数として消費空気の流量が変化する場合にも、電極上で一定した気体の流れを 維持し、残留二酸化炭素と水蒸気の部分圧を電極上でうまく配分することを確実 にすることであると述べられている。それにより、二酸化炭素の局所的な乾燥ま たは局所的な集中を避けることが意図されている。このシステムに入る新鮮な空 気には、水蒸気と二酸化炭素が外部の周辺空気の割合で含まれている。電池への 又は電池からの水の移動は、平衡が再度確立されるまで発生する。新鮮な空気の 特定の成分を優先的に入れるための方法は開示されていない。 したがって、所望の電力レベルでの電池の動作に必要な新しい酸素を提供しつ つ、金属空気電池の空気陰極全体でより安定した水蒸気平衡を維持できる実践的 な空気管理システムが要望されていた。このようなシステムは、バッテリーの中 の空気陰極ごとに特殊なプレナム（plenum）を必要とするのではなく、複数のセ ルを囲うハウジングに適応可能でなければならない。 発明の要約 本発明は、金属空気電池または複数の電池から成るバッテリー用の空気管理シ ステムを提供することにより、 前記の技術の問題点を解決するためのさらに優れたアプローチを提供するもので 、そのシステムは、電池を封入するハウジングの中に周辺空気から酸素を優先的 に入れて、電池の動作中にハウジング内の気体から除去された酸素を補い、ハウ ジング内の気体を混合し、酸素が陰極に隣接する気体の層の中に存在することを 確実にする。酸素を優先的に入れることは、電池の動作により引き起こされるハ ウジング内の酸素濃度の減少時の、周辺空気と比較したハウジング内の酸素の部 分的な圧力の低下に基づいている。ハウジングの１つ以上の換気開口部は、優先 的に酸素をハウジング内に拡散する大きさに形成される。ファンは、ハウジング 内又はハウジングに隣接して配置され、ハウジング内に存在する気体の循環と混 合を行う。 一般的に説明すると、本発明は、少なくとも１個の金属空気電池を封入するた めのハウジングと、ハウジング内に存在する気体の循環と混合を行うために配置 されるファンとを具備する金属空気電池用のエンクロージャ（enclosure）を提 供するもので、そのハウジングは、少なくとも１つの換気開口部を除いては、ハ ウジング内部と周辺環境との間で気体が交換されるのを効果的に妨げ、１つまた は複数の換気開口部は、１個または複数の電池の動作によりハウジング内の酸素 濃度が減少した時に、酸素を優先的にハウジング内に拡散する大きさに形成され る。ハウジング内に優先的に酸素を拡散することによ り、空気陰極全体で水蒸気と二酸化炭素のより安定した平衡を維持しつつ、電池 の酸素に対するニーズを満たす。したがって、電池は、フラッジングや乾燥が減 る傾向になり、電解液を中和する電池内へ入る二酸化炭素が少なくなる。その結 果、所望の性能レベルで電池の寿命が伸びる。 １つまたは複数の換気開口部は、全体として、ハウジング内でほぼ安定した相 対湿度を維持しつつ、放電中に所望の出力電流密度を維持する大きさに形成され るのが望ましい。例えば、ラップトップ型コンピュータに動力を供給するには、 陰極表面の１平方センチメートルあたり２５〜５０ｍａの電流密度が望ましい。 さらに、１つまたは複数の換気開口部は、全体として、１つまたは複数の電池に よる水の損失または取得を、放電中１時間あたり約０．０１グラム未満に制限す る一方で、ハウジング内の酸素の部分的な圧力を、ハウジング外での酸素の部分 的な圧力より低いレベルで、かつ所望の出力電流密度を提供するのに必要なレベ ルより上に維持する大きさに形成されるのが望ましい。 本発明の１つの実施例においては、１つまたは複数の開口部の大きさは、全体 として、毎分約１０立方センチメートルまでの通過ガス流量を可能にする大きさ に形成される。これは、直径約３／３２インチの単一の換気開口部を使用して達 成できる。ただし、開口部の数は電池の大きさに応じて変えられうる。例えば、 ハウジングが、 空気陰極表面の１平方インチあたり約０．１立方インチから約１．５立方インチ の空き空間を封入する場合、全体として、空気陰極表面の１平方インチあたり毎 分約０．５立方センチメートルから約３立方センチメートルの通過ガス流量を可 能にするように、換気開口部の数が選択され、開口部の大きさが決められるのが 望ましい。また、開口部の形状も変化しうる。換気開口部のそれぞれは、約０． ００００７平方インチから約０．０３インチまでの範囲の開放領域を有するのが 望ましく、円形の開口部の場合、それは約０．０１インチから約０．２インチの 範囲の直径に相当する。全換気開口部の総開放領域は、空気陰極の１平方インチ あたり０．００００３〜０．０１平方インチの範囲に該当するのが望ましい。 ファンは、ハウジング内の空気を循環し混合するが、大量の空気が１つまたは 複数の換気開口部を通るように強制しないように配置されるのが望ましい。この ような構成においては、ファンは、開口部の優先拡散機能を妨害しない。注記し たように、ハウジングは複数の個別電池を具備し得る。そのような場合、本発明 の空気管理機能は、ハウジングと周辺空気の間の接触面で実行されることができ 、その場合、個別電池のそれぞれと結び付いた空気制限手段を備える必要はない 。さらに本発明は、いくつかの応用例においては、空気扉及び対応する動作機構 が排除されるので、金属空気バッテリーの構造を簡略化することができる。本発 明の利点は、空気陰極組成、 電池構成および制御回路構成に関係なく、すべての型の金属空気電池に有益とな ることが期待される。 酸素をハウジング内へ優先的に取り入れる結果、ハウジング内の酸素量を、化 学式通りの周辺空気の量で通常検出される量より少なくしつつも、ハウジング内 の空気の他の成分の量は、電池内部に関して平衡に達することができる。周辺空 気中の典型的な酸素濃度が約２１％であるのに対し、本発明に従って構築される バッテリーのハウジング内の酸素濃度は、電池の動作中約５〜１５％まで低下し うる。 本発明が二次バッテリーで実現される場合、再充電中に生成される酸素は、１ つまたは複数の換気開口部を通して優先的に排気される。 したがって、本発明の１つの目的は、金属酸素電池またはバッテリーの改善型 エンクロージャを提供することである。 本発明の更なる目的は、反応空気を金属空気電池またはバッテリーに供給する 改善された方法を提供することである。 本発明の更なる目的は、所望の電力レベルでの電池の動作に必要な新しい酸素 を提供する一方で、金属空気電池の空気陰極全体でより安定した水蒸気平衡を維 持する空気管理装置および方法を提供することである。 本発明の更なる目的は、各電池がその空気陰極に対して特殊なプレナムを必要 としないように、単独の金属空 気電池または複数の電池を封入するハウジングに利用できる空気管理装置システ ムを提供することである。 本発明の更なる目的は、周辺空気の反応空気容量中への導入を制限する空気管 理装置システムを提供することである。 本発明の更なる目的は、空気の有益な成分を反応空気容量中へ優先的に取り入 れる空気バッテリー・エンクロージャを提供することである。 本発明のその他の目的、特徴および利点は、図面および付加された請求項と共 に、以下の本発明の好適実施例の説明を検討すると明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を実施する金属空気バッテリーの平面図である。 図２は、図１の線２--２に沿って取られる縦の断面図である。 図３は、本発明を実現する２部分から成るバッテリーの前面等角図であり、電 池パックが制御セクションから分離されている状態を示している。 図４は、図３の２部分から成るバッテリーの背面等角図であり、電池パックが 制御セクションから分離されている状態を示し、詳細を示すために部分がさらに 細分化されている。 図５は、図３のバッテリーの制御セクションの前面平 面図である。 図６は、図３の制御セクションの部分の立体分解図である。 図７は、図５の線７--７に沿って取られる水平断面図である。 図８は、図４の線８--８に沿って取られる縦の断面図である。 図９は、図３のバッテリー・ハウジングの平面図であり、電池の位置およびハ ウジング内の空気の流れを示す。 詳細な説明 複数の図面にわたって同様の数字は類似した部分を示す図面をさらに詳細に参 照すると、図１および図２は、本発明を実現する金属空気バッテリー・パック１ ０を示す。バッテリー１０は、ハウジング１５の中に封入されるセル・スタック （cell stack）１２を具備する。ハウジング１５は、１つ以上の換気開口部１７ 以外では、セル・スタック１２を外気から隔離する。図１および図２で示される 実施例においては、直径３／３２インチの単独換気開口部１７が利用される。 循環ファン２０は、ハウジング１５内で気体を循環し混合するために設けられ る。図１に示される矢印２２は、反応空気をセル・スタック１２に提供するハウ ジング内の気体の典型的な循環を表している。ファンの容量は、ハウジング内の 空き空間の１立方インチあたり毎分約１ ０立方インチから約２００立方インチであるのが望ましい。ファン２０は、図示 されるように、ハウジング１５内に配置されることもできるし、ハウジングの外 部に取り付けることもできる。後者の場合、ファンは、ハウジング内に新鮮な空 気を取り込むために接続されず、空気をハウジングの中から引き出してから、そ れをハウジングに戻す。ファン２０は、任意の便利な方法で取り付けることがで き、ファンからハウジング１５およびセル・スタック１２へ伸びる支柱（struts ）２３により支えられているのが示されている。 ここで使用されている用語「ファン」は、空気を動かすのに使用されるあらゆ る装置を意味することが意図されている。ここで使用されている用語「主要な横 寸法（major transverse dimension）」は、開口部のもつとも広い寸法を指す。 図２に示されるように、セル・スタック１２は複数の個別金属空気電池２５を 具備できる。各電池は陰極プレナム２７を規定し、それに向けて、ハウジングの 中からの反応空気の無制限な供給が、電池の反対側に形成される循環開口部２８ を通過できる。陰極プレナムは空気陰極３０の下の容量を規定する。電池２５間 にスペーサを挿入または組込むことにより、交互に、反応空気空間が提供される 。 当業者は、空気陰極に多くの異なった触媒システム（catalyst system）が利 用できることが分かるであろう。 水蒸気の電池へのおよび電池からの移動を制御することに関する本発明の優位点 は、すべての空気陰極化学（chemistry）に応用できる。本発明に使用するのに 適した空気陰極の例は、ここに参照により取り入れられる米国特許番号4,354,95 8、4,518,705、4,615,954、4,927,514、および4、444、852に記載されている。 各金属空気電池２５は、陽極（不図示）および水酸化カリウムの通常の３８％ の溶液等の電解液が入った陽極／電解液チャンバ（chamber）３２も具備する。 陽極は、ここに参照により取り入れられる米国特許番号4,957,826に記載される 方法で作られ、配置される亜鉛ペーストから通常構成される。チャンバ３２の上 には、電池２５をその上に重ねられた電池から間隔を空けて配置する脚部（不図 示）により、冷却空気通路４０が形成される。 冷却ファン４２は、ハウジングの内側または外側のどちらかに具備される。図 ２に示されるように、冷却ファン４２は、入口４４を通してハウジング１５の側 面に周辺空気を引き込む。周辺空気は、冷却通路４０の露呈された端を覆うやり 方で密封するようにセル・スタック１２にかみ合わせるように伸びる冷却プレナ ム４５の中に強制的に入れられる。冷却空気プレナム４５の反対側の冷却空気通 路の端では、複数の冷却空気出口４７がハウジング１５に形成されている。出口 ４７の周辺を密封するために、セル・スタック１２とハウジング１５の側面の間 にガスケット５０が挟まれる。矢印５１により示さ れるように、冷却空気は入口４４を通して引き込まれ、出口４７を通って排気さ れ周辺大気に戻される。冷却空気の通路は、ハウジング１５内の反応空気から隔 離されている。 実施例 一対の亜鉛空気電池は、通常、図１および図２に示されるように配置される。 ハウジングの寸法は、高さ１．３インチ、幅３．２インチ、奥行６インチである 。各電池は、高さ０．３５インチ、幅３インチ、奥行５．３インチの約５．５立 方インチの体積を有する。冷却空気空間４０は、それぞれ高さ０．２インチで、 ０．２インチの空間１つが一番上の電池の上に設けられる。ハウジング内の空き 空間容量は、ファン２０と４０およびプレナム４５により占められる空間を除く と、約１１．９立方インチである。空気陰極のそれぞれの露呈領域は、合計１４ ．８平方インチとなるため、ハウジング内では空気陰極の１平方インチあたり０ ．４立方インチの空き容量が存在する。直径３／３２インチの単独換気開口部が ハウジング内に設けられ、ファン２０は毎分５００立方インチの容量を持つ。バ ッテリーは、３０％の相対湿度レベルの周辺環境内に配置され、電池は動作中温 度で２０°Ｆ上昇する。電池の出力は１アンペアで１．１３２ボルトであり、電 池からの水の損失は１時間に約０．００５グラムである。 このような電池は最高１３〜１６グラムの水を失い、動作を続行するので、乾 燥前の期待寿命は１０００時間を超える。高い相対湿度環境における水取得に対 する類似した緩衝効果も期待される。したがって、乾燥やフラッジングではなく 、電池の寿命に影響を及ぼす他の要因である陽極再充電効率等が、電池の寿命を 決定すると考えられる。 本発明は、図３〜９に示す金属空気バッテリー・パック６０でも実現される。 この実施例においては、空気管理装置および電気制御要素が再利用可能制御セク ション６２の中に具備され、その中に使い捨てセル・スタック・セクション６４ が差し込まれる。後述するように、セル・スタック・セクション６４は安価な材 料で構築でき、制御セクション６２は、電池が放電した際に次々と２個以上の充 電ずみセル・スタックと共に使用することもでき、使用されたスタックが、多数 の再充電サイクル後にその耐用年数の終わりに到達した際には、新しいスタック と共に使用することもできる。 再利用可能制御セクション６２は、成形されたプラスチック部分であることが できる開放端ハウジング６６を具備する。ハウジング６６は、フード付き開口部 ６７とフード付き開口部の周辺に伸長する周辺端６８を規定する。ハウジング６ ６は前壁６９も具備し、そこに、前壁とフード付き開口部の間のハウジングの部 分を横切って伸長するへこんだ縦の隔壁（bulkhead）７０が形成され る。雌コネクタ７１は、ハウジング６６の一方の側に隣接する隔壁７０から背面 方向に伸びる。コネクタは、後述するような方法で、制御セクション６２とセル ・スタック６４との間に電気的な接続を形成するよう配置される。 ハウジング６６の反対側には、ファン取り付けブラケット７５が、前壁６９に 対して対角にファン７６を配置し、ファンからの空気の流れを背面方向にハウジ ング６６の側面に向かって導く。空気は、図８に示される上部バッフル（upper baffle）７８ａと下部バッフル（lower baffle）７８ｂによりファン取り付けブ ラケット７５の回りを通過できないようになっている。バッフルは、ハウジング ６６から伸長し、取り付けブラケット７５と接する。図６および図９に示される ファン・ガスケット７７は、取り付けブラケットとバッフルのそれぞれの間に位 置され、図７に示されるように、セル・スタックが制御ハウジング６６に挿入さ れた際は、取り付けブラケットとセル・スタック６４の間にも位置される。この ようにして、ファン７６の低圧側と高圧側は互いに隔離される。ファン７６は、 毎分約５００立方インチの容量で空気を再循環するのが望ましい。 ハウジング６６の前壁６９は、前壁６９の前側で外方向に伸長し、通常は三角 形の断面を持つ空気入口突出部（air inlet projection）７９を規定する。最初 の実施例に関連して説明した換気開口部１７に類似した一対の 換気開口部８０は、空気入口突出部７９に位置し、ファン７６の低圧側と反対側 にある。開口部８０は、それぞれ直径が約３／３２インチである。 面板８２は、ハウジング６６の前壁６９の上にはまって前壁全体を覆う。換気 開口部８０の前では、飾り格子８３が間隔が空けられた垂直の柱から形成され、 格子を通ってガスが流れるようにする。また、空気扉としても働くスイッチ・ア クチュエータ８５の前突出部分８８を受けるために、スイッチ・アクチュエータ 開口部８４も面板８２に形成される。アクチュエータ８５は、面板の背面に規定 されるトラック（不図示）中でスライドする。一体形成される空気扉突出部８６ は、空気扉８５から背面方向に伸長し、通常は三角形の断面を形成する。空気入 口突出部７９に面する突出部８６の表面上に、空気扉ガスケット８７が固定され る。空気扉８５が突出部７９に向かってスライドすると、ガスケット７９が空気 開口部８０を押し付け、これらを密封する。空気扉８５と空気開口部８０の関係 は、図７でもっともよく理解することができる。また、アクチュエータ／空気扉 ８５は、後述するように、電気スイッチを作動させるために、背面方向に伸長す る突出部分８９も規定する。 一対の電源出力ジャック９０と９１並びに再充電コネクタ９３、テスト・アク チュエータ９５および一組の充電レベル・インジケータＬＥＤ９６はすべて、隔 壁７０と面板８２の間のくぼみに配置されるプリント回路基板 （ＰＣＢ）１００上に表面実装される。これらの構成要素は、面板８２内に形成 される適当な開口部を通して伸長する。スイッチ１０２は、アクチュエータ８５ に最も近い端でＰＣＢ１００に取り付けられおり、スイッチ１０２は、アクチュ エータ８５がＰＣＢ１００の方向にスライドされたとき、突出部分８９により機 械的に起動されるようになる。これにより、換気開口部８０があけられると、フ ァン７６が従来回路（不図示）を介してオンする。テスト・アクチュエータ９５ は、面板の開口部を通してアクチュエータ９５から伸長するテスト・ボタン１０ ４を押すことにより作動される。ＰＣＢ１００は、導体１０１によりコネクタ７ １に接続される。ボタン１０４を押すことでＬＥＤ９６によるバッテリーの充電 レベルの監視および表示を可能にし、再充電プロセスを制御できるようにするエ レクトロニクスをＰＣＢが具備できることは、当業者には理解されるだろう。し かしながら、このようなエレクトロニクスは本発明の一部ではなく、本発明は、 このようなエレクトロニタスの特定の性質に関係なく、空気管理に利益を提供す るものである。 図６に詳細に示される一対のつまみ（thumbscrews）９７は、制御セクション ６２をセル・スタック・セクション６４に固定するためにハウジング６６の底部 の凹部９４に取り付けられる。つまみ軸は図４、７および８で示されるようにハ ウジングを通って背面に伸長し、つまみカバー９８によりハウジングの前面で支 えられる。つま み軸がハウジング６６に進入するところで、つまみはワッシャ状のシール９９を 帯び、つまみ周辺の空気の流れを防ぐ。 セル・スタック・セクション６４は、複数の金属空気電池２５を含むセル・ス タック・ハウジング１１０を具備する。図９は、４個の１．２ボルトの電池から 成る３つのスタックが入った、つまり合計１２個の電池から成る１２ボルトのバ ッテリーを示す。セル・スタック・ハウジング１１０は、図３に示されるように 、ハウジングの前面でその上部、底部および側壁に形成されるくぼみ（indentat ion）１１２に囲まれる。くぼみ１１２は、図５に示されるように、制御セクシ ョン・ハウジング６６に入る。ガスケット１１３は、くぼみ１１２の端のまわり に伸長し、後部より前部へむかって狭くなっていくハウジング６６の内側とかみ 合う。電池２５は、ハウジング６６の上部内側部分とかみ合うために、前方に伸 長する一対のサポート・タブ（support tabs）１０９を具備する前壁１１１によ り保持される。 プリント回路基板１１４は、電池２５のスタックの側面に取り付けられ、セル と接続するための回路並びに電池の状態に関する情報を格納するメモリ・デバイ スを有する。ＰＣＢ１１４のエッジ・コネクタ１１５は前壁１１１を超えて前方 に伸長し、ハウジング６６のコネクタ７１により受け入れられるように位置が調 節される。一対のねじ込みナット（threaded nuts）または保持クリッ プ１１６が、つまみ９７を受け入れるためにハウジング１１０の前壁１１１の下 方端に取り付けられる。 図３及び９を参照すると、電池２５は、ハウジング１１０のファン側に沿って 空気伝達プレナム１１８を作り出すようにハウジング１１０内に配置され、その 中に、ハウジング１１０の前面にある開口部１１７を通してファン７６により空 気が吹き出される。セルの反対側に沿って、空気戻りプレナム１１９が形成され 、プレナム１１９からの空気は、ハウジング１１０のやはり前部、入り口開口部 １１７の反対側にある開口部１２０を通してファン７６に戻る。１２個の電池２ ５には、あわせて約１７８平方インチの空気陰極表面積がある。それぞれ直径３ ／３２インチの２個の空気入口／出口穴８０が設けられた場合、その穴は、セル ・スタック内の空気陰極の１平方インチあたり約０．００００８平方インチの穴 面積を提供する。 制御セタション６２およびセル・スタック・セクション６４は、図７に示され るように適合し、くぼみ１１２は、ハウジング６６の周辺端６８がハウジング１ １０のくぼんでいない部分に隣接するまで、かみ合うようにフード付き開口部６ ７内へ受け入れられる。２つのセクションが接合されると、ガスケット１１３は ハウジング６６の内側とかみ合い、重大な空気漏れが起こらないようにする。ま た、セル・スタック・コネクタ１１５は制御コネクタ７１とかみ合い、電池から の電力が配線導体 （wiring conductors）１０１を通して出力ジャック９０及び９１に流れ、再充 電電流がコネクタ９３から電池に流れるようにする。セクション６２と６４が組 み立てられると、つまみ９７が回され、ネジ込み保持器１１６へねじ込まれ、タ ブ１０９によってもその接合された構成で支えられているセクションが固定され る。 ファン７６により作り出される空気循環の経路は、図９の矢印１２１により示 される。スイッチ・アクチュエータ８５が図５に示されるように右側にスライド されると、換気開口部８０が開放され、スイッチ１０２は突出部８９によりかみ 合わされる。これにより、ファン７６が起動する。空気はハウジング６６から開 口部１１７を通してプレナム１１９へ吹き出される。開口部１１７は、プレナム １１８への空気の流れを重大に制限しない程度に十分に大きい。プレナム１１８ から、空気は、重なり合った電池を横切って、陰極反応空気プレナムおよび、最 初の実施例に関連して前述したタイプの冷却空気通路の両方を通して流れる。図 ３〜９の実施例においては、反応空気通路と冷却空気通路の両方が矢印１２１の 方向に位置調整され、冷却空気の流量と反応空気の流量の制御は分離されていな い。電池を横切った後、空気は空気戻りプレナム１１９に入り、無制限開口部１ ２０を通して、ファン７６による再循環のために制御セクション・ハウジング６ ６の中に引き入れられる。 空気がバッテリー内を再循環すると、新しい酸素が、 換気開口部１７に関連して前述したように換気開口部８０を通して優先的に入っ てくる。スイッチ・アクチュエータがその「オン」位置にあるときに露出される 開口部８０を除いて、組み立てられたバッテリー８０は実質上気密（airtight） であることを理解されなければならない。制御セクション６２とセル・スタック ・セクション６４の間にシール（seal）を形成するために、ガスケット１１３と ９９が設けられ、他のガスケットを、その他の漏れの可能性がある位置を密封す るために、当業者には既知の方法で設けることができる。 上記より、本発明が、所望の電力レベルで電池の動作に必要な新しい酸素を提 供しつつも、金属空気電池の空気陰極全体にわたってより安定した水蒸気と二酸 化炭素の平衡を維持する空気管理装置システムを提供することが理解されるだろ う。ファンがバッテリー・ハウジング内の気体を循環させるので、電池の動作に 必要とされる酸素は、ハウジング内のその濃度が減少しても、空気陰極と接触さ せられたままになる。酸素は、１つまたは複数の換気開口部を通して優先的に引 き込まれるので、水蒸気及び二酸化炭素の濃度はより安定した状態のままとなり 、その結果陰極全体での移動が少なくなる。したがって、電池は、乾燥やフラッ ジングを起こしづらくなり、電池に侵入する二酸化炭素が少なくなる。これは、 構築が容易であり、より複雑な機械的な空気扉や弁、ならびにそれに伴う自動制 御システムを必要としない構成によ り達成される。 ここで理解されなければならないのは、上記は、本発明の好適実施例のみに関 するものであり、以下の請求の範囲により定義される本発明の精神と範囲から逸 脱することなく、数多くの変更をそこに加えることができるということである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年６月１４日 【補正内容】 請求の範囲 １．少なくとも１つの金属空気電池を封入し、換気手段を除いて、その内部と 周辺環境との間での気体の交換を効果的に防止するハウジングおよびファンとを 具備する金属空気電池用エンクロージャであって、 前記換気手段が、前記電池の動作により生じる前記ハウジング内での酸素濃度 の減少時に、前記ハウジングの中へ酸素を優先的に拡散する大きさに形成されて いる１つまたは複数の換気開口部から構成され、 前記ファンが、前記拡散を破壊する入口流れまたは出口流れを作り出すことな く、前記ハウジング内の気体を循環させ、混合するように前記ハウジング内に配 置される ことを特徴とするエンクロージャ。 ２．前記換気開口部のそれぞれは、約０．００００７平方インチから約０．０ ３平方インチの開放領域を有することを特徴とする請求項１に記載のエンクロー ジャ。 ３．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、毎分約１０立方センチ メートルまでの通過気体拡散流量を可能にする大きさに形成されることを特徴と する請求項１に記載のエンクロージャ。 ４．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の損 失または取得を、放電中毎時約０．０１グラム未満に制限する大きさに形成され ることを特 徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。 ５．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の損 失または取得を、放電中毎時約０．００５グラム未満に制限する大きさに形成さ れることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。 ６．前記ハウジングが、前記換気開口部の内の一つを規定することを特徴とす る請求項１に記載のエンクロージャ。 ７．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、放電中、前記ハウジン グ内でほぼ安定した相対湿度を維持する大きさに形成されることを特徴とする請 求項１に記載のエンクロージャ。 ８．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記ハウジング内で前 記ほぼ安定した相対湿度を維持しつつ、放電中、所望の出力電流密度を維持する 大きさに形成されることを特徴とする請求項７に記載のエンクロージャ。 ９．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、ハウジング内の酸素の 部分的な圧力を、ハウジング外の酸素の部分的な圧力以下のレベルで、かつ前記 所望の出力電流密度を実現するのに必要となるレベルより上のレベルに維持する 大きさに形成されることを特徴とする請求項８に記載のエンクロージャ。 １０．前記ハウジングが、空気陰極表面の１平方センチメートルあたり約０． １立方センチメートルから約１． ５立方センチメートルの空き空間を封入し、 前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、空気陰極表面の１平方セン チメートルあたり毎分約０．５立方センチメートルから約３立方センチメートル の通過気体拡散流量を可能とする大きさに形成されることを特徴とする請求項１ に記載のエンクロージャ。 １１．前記ハウジングが、前記電池を含んだ第１セクションと前記ファンを含 んだ第２セクションとから構成され、 該セクションが、該セクション間の気体の開放通路を可能とするように構成さ れたセクション開口部で接合されることを特徴とする請求項１に記載のエンクロ ージャ。 １２．前記第２セクションは、前記電池を負荷に接続するための少なくとも１ つの端子を具備し、 前記第１及び第２セクションは、前記セクションが接合されるときに、前記電 池を１つまたは複数の前記端子に接続するためにかみ合う、かみ合いコネクタを 具備することを特徴とする請求項１１に記載のエンクロージャ。 １３．前記１つまたは複数の換気開口部および前記ファンは、空気陰極表面の １平方センチメートルあたり少なくとも２５ｍａの電流密度で前記電池を動作さ せるために十分な酸素を前記電池に供給することを特徴とする請求項１に記載の エンクロージャ。 １４．少なくとも１つの金属空気電池をハウジング内に閉じこめることと、該 ハウジングの内部と周辺環境と の間で気体を交換することと、前記ハウジング内の気体をファンを使って移動さ せることを含む、金属空気電池に反応空気を提供する方法であって、 優先的に酸素を拡散する大きさに形成されている少なくとも１つの換気開口部 を通した拡散によって、前記電池の動作により生じる前記ハウジング内の酸素濃 度の減少時に、前記ハウジング内へ優先的に酸素を拡散することにより、前記ハ ウジングの内部と周辺環境との間で気体を交換するステップと、 前記換気開口部を通した拡散を破壊する入口流れまたは出口流れを作り出すこ となく、ファンにより前記ハウジング内の気体を循環させ、混合するステップと 、から構成されることを特徴とする方法。 １５．気体を交換する前記ステップが、毎分約１０立方センチメートルまでの 、前記１つまたは複数の開口部を通る気体拡散流量を可能にするステップから構 成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １６．気体を交換する前記ステップが、前記電池による水の損失または取得を 、放電中毎時約０．０１グラム未満に制限する気体総量を可能にするステップか ら構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １７．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の 損失または取得を、放電中毎時約０．００５グラム未満に制限する大きさに形成 されることを特徴とする請求項１４に記載のエンクロージャ。 １８．酸素を優先的に前記ハウジングの中へ拡散する前記ステップは、 約０．００００７平方インチから約０．０３平方インチの範囲内にある開放領 域を持つ少なくとも１つの換気開口部を通して、前記ハウジングの内部と周辺環 境との間で気体を交換するステップから構成されることを特徴とする請求項１４ に記載の方法。 １９．前記ハウジング内へ酸素を優先的に拡散することにより、前記ハウジン グの内部と周辺環境との間で気体を交換する前記ステップは、前記換気開口部の 一つを通した拡散から構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 ２０．前記ハウジングが、前記電池を含む第１セクションと前記ファンを含む 第２セクションとを具備し、該セクションが、該セクション間の気体の開放通路 を可能にするように構成されるセクション開放部で接合されることを特徴とする 請求項１に記載のエンクロージャ。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１個の金属空気電池を封入するためのハウジングであって、該 ハウジングが、１つまたは複数の換気開口部を通った拡散を除いては、前記ハウ ジングの内部と周辺環境との間での気体の交換を効果的に妨げ、前記１つまたは 複数の換気開口部が、前記電池の動作により生じる前記ハウジング内での酸素濃 度の減少時に前記ハウジング内へ優先的に酸素を拡散する大きさに形成されてい るハウジングと、 前記拡散を破壊する入口流れ又は出口流れを作ることなく、前記ハウジング内 の気体を循環および混合するために配置されるファンと とから構成されることを特徴とする金属空気電池用のエンクロージャ。 ２．前記換気開口部のそれぞれは、約０．００００７平方インチから約０．０ ３平方インチの開放領域を有することを特徴とする請求項１に記載のエンクロー ジャ。 ３．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、毎分約１０立方センチ メートルまでの通過気体流量を可能にする大きさに形成されることを特徴とする 請求項１に記載のエンクロージャ。 ４．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の損 失または取得を、放電中毎時約０．０１グラム未満に制限する大きさに形成され ることを特 徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。 ５．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の損 失または取得を、放電中毎時約０．００５グラム未満に制限する大きさに形成さ れることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。 ６．前記ハウジングが、前記換気開口部の内の一つを規定することを特徴とす る請求項１に記載のエンクロージャ。 ７．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、放電中、前記ハウジン グ内でほぼ安定した相対湿度を維持する大きさに形成されることを特徴とする請 求項１に記載のエンクロージャ。 ８．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記ハウジング内で前 記ほぼ安定した相対湿度を維持しつつ、放電中、所望の出力電流密度を維持する 大きさに形成されることを特徴とする請求項７に記載のエンクロージャ。 ９．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、ハウジング内の酸素の 部分的な圧力を、ハウジング外の酸素の部分的な圧力以下のレベルで、かつ前記 所望の出力電流密度を実現するのに必要となるレベルより上のレベルに維持する 大きさに形成されることを特徴とする請求項８に記載のエンクロージャ。 １０．前記ハウジングが、空気陰極表面の１平方センチメートルあたり約０． １立方センチメートルから約１． ５立方センチメートルの空き空間を封入し、 前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、空気陰極表面の１平方セン チメートルあたり毎分約０．５立方センチメートルから約３立方センチメートル の通過気体流量を可能とする大きさに形成されることを特徴とする請求項１に記 載のエンクロージャ。 １１．前記ハウジングが、前記電池を含んだ第１セクションと前記ファンを含 んだ第２セクションとから構成され、 該セクションが、該セクション間の気体の開放通路を可能とするように構成さ れたセクション開口部で接合されることを特徴とする請求項１に記載のエンクロ ージャ。 １２．前記第２セクションは、前記電池を負荷に接続するための少なくとも１ つの端子を具備し、 前記第１及び第２セクションは、前記セクションが接合されるときに、前記電 池を１つまたは複数の前記端子に接続するためにかみ合う、かみ合いコネクタを 具備することを特徴とする請求項１１に記載のエンクロージャ。 １３．前記１つまたは複数の換気開口部および前記ファンは、空気陰極表面の １平方センチメートルあたり少なくとも２５ｍａの電流密度で前記電池を動作さ せるために十分な酸素を前記電池に供給することを特徴とする請求項１に記載の エンクロージャ。 １４．少なくとも１つの金属空気電池をハウジング内に閉じ込めるステップと 、 優先的に酸素を拡散する大きさ形成された少なくとも１つの換気開口部を通し た拡散により前記ハウジングの内部と周辺環境との間で気体を交換することによ り、前記電池の動作により生じる前記ハウジング内の酸素濃度の減少時に、前記 ハウジングの中へ酸素を優先的に拡散するステップと、 前記換気開口部を通した拡散を破壊する入口流れまたは出口流れを作ることな く、ファンにより前記ハウジング内の気体を循環し、混合するステップとから構 成されることを特徴とする反応空気を金属空気電池に提供する方法。 １５．気体を交換する前記ステップが、毎分約１０立方センチメートルまでの 、前記１つまたは複数の開口部を通る気体流量を可能にするステップから構成さ れることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １６．気体を交換する前記ステップが、前記電池による水の損失または取得を 、放電中毎時約０．０１グラム未満に制限する気体総量を可能にするステップか ら構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １７．前記１つまたは複数の換気開口部が、全体として、前記電池による水の 損失または取得を、放電中毎時約０．００５グラム未満に制限する大きさに形成 されることを特徴とする請求項１４に記載のエンクロージャ。 １８．酸素を優先的に前記ハウジングの中へ拡散する前記ステップは、 約０．００００７平方インチから約０．０３平方インチの範囲内にある開放領 域を持つ少なくとも１つの換気開口部を通して、前記ハウジングの内部と周辺環 境との間で気体を交換するステップから構成されることを特徴とする請求項１４ に記載のエンクロージャ。 １９．少なくとも１つの金属空気電池を封入するハウジングであって、該ハウ ジングが、単独の換気開口部を除いて、前記ハウジングの内部と周辺環境との間 の気体の交換を効果的に防止し、前記換気開口部が、前記電池の動作により生じ る前記ハウジング内での酸素濃度の減少時に、前記ハウジングの中へ優先的に酸 素を拡散する大きさに形成されているハウジングと、 前記換気開口部を通る拡散を破壊する入口流れまたは出口流れを作ることなし に、前記ハウジング内の気体を循環し、混合するよう配置されるファンとを具備 することを特徴とする金属空気電池用のエンクロージャ。 ２０．少なくとも１つの金属空気電池をハウジング内に閉じこめるステップと 、 前記電池の動作により生じる前記ハウジング内での酸素濃度の減少時に、前記 ハウジング内へ優先的に酸素を拡散する大きさに形成された単独換気開口部を通 してのみ前記ハウジングと周辺環境との間で気体を交換するステップと、 前記換気開口部を通る拡散を破壊する入口流れまたは 出口流れを作り出さずに、ファンにより前記ハウジング内の気体を循環させ、混 合するステップと、から構成されることを特徴とする反応空気を金属空気電池に 提供する方法。 ２１．放電中の金属空気バッテリー内または前記ハウジング内の１つまたは複 数の電池内でほぼ安定した相対湿度を維持する方法であって、 前記電池の動作により生じる前記ハウジング内の酸素濃度の減少時に、前記ハ ウジングの中へ優先的に酸素を拡散する大きさに形成された１つまたは複数の換 気開口部を通してのみ前記ハウジングの内部と周辺環境との間で気体を交換する ステップと、 前記換気開口部を通る拡散を破壊する入口流れまたは出口流れを作り出さずに 、ファンで前記ハウジング内の気体を循環させ、混合するステップとから構成さ れることを特徴とする方法。 ２２．少なくとも１つの金属空気電池を封入するハウジングと、 該ハウジング内の気体を循環させ、混合するように配置されるファンとから構 成され、 前記ハウジングは、前記電池を含む第１セクションと前記ファンを含む第２セ クションとを具備し、該セクションは、該セクション間の気体の開放通路を可能 とするように構成されるセクション開口部で接合され、 前記ハウジングは、少なくとも１つの換気開口部を除 いては、前記ハウジングの内部と周辺環境との間での気体の交換を効果的に防ぎ 、前記１つまたは複数の換気開口部は、前記電池の動作により生じる前記ハウジ ング内での酸素濃度の減少時に、前記ハウジングの中へ酸素を優先的に拡散する 大きさに形成されることを特徴とする金属空気電池用エンクロージャ。