专利名称：具有电池中充电电极充电/放电模式切换的可再充电电化学电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括多个电池的可再充电电化学电池系统，除了燃料电极和氧化剂电极之外，多个电池的每一个还包括充电电极。
背景技术：
已知具有串联连接的多个单独电化学电池的电化学电池系统。每一个单独电池包括在其处发生燃料氧化反应的阳极或者燃料电极，在其处发生氧化剂还原反应的阴极或者氧化剂电极，以及用于支持离子传输的离子传导介质。第一电池的燃料电极耦合到第一端子，电池系统内的每一个电池的氧化剂电极连接到后一电池的燃料电极，并且该串联中最后一个电池的氧化剂电极连接到第二端子。因而，在每一个单独电池内创建电势差，并且由于这些电池串联耦合，在第一端子和第二端子之间生成累积电势差。这些端子连接到负载， 创建驱动电流的电势差。
技术领域中需要更加有效率并且更加有效果的架构以使这样的电池系统能再充 H1^ ο发明内容
本发明的一个方面提供一种用于使用燃料和氧化剂生成电流的可再充电电化学电池系统。电池系统包括N个电化学电池，N个电化学电池中的每一个包括燃料电极，氧化剂电极，充电电极，以及连通电极的离子传导介质，其中N为大于或者等于二的整数。可以使用任意数量的电池。
多个开关可在以下模式之间切换
(1)放电模式，将每一个电池1到N-I的氧化剂电极耦合到后一电池的燃料电极以将电池耦合为放电串联，以使得在电池1的燃料电极与电池N的氧化剂电极耦合到负载时，在燃料电极处的燃料的氧化与在氧化剂电极处的氧化剂的还原在每一个电池内创建电势差，因而以电池1的燃料电极为阳极并且以电池N的氧化剂电极为阴极创建累积电势差用于向负载传送电流，以及
(2)充电模式，将每一个电池1到N-I的充电电极耦合到后一电池的燃料电极以将电池耦合为充电串联，以使得在电池1的燃料电极和电池N的充电电极耦合到电源从而以电池1的燃料电极为阴极并且以电池N的充电电极为阳极接收充电电势差时，在每一个电池内创建递增电势差以在燃料电极处还原可还原燃料物质并且在充电电极处氧化可氧化氧化剂物质，
对于N个电化学电池中的电池(X)，通过将前一电池(X-I)的处于充电模式的充电电极或者处于放电模式的氧化剂电极耦合到后一电池(X+1)的燃料电极，多个开关可切换到旁路模式。即，是前一电池的充电电极还是氧化剂电极是所耦合的电极分别取决于电池系统是处于充电模式还是放电模式。
在一个实施例中，电池彼此邻近装配，非传导屏蔽分隔每一对相邻电池的氧化剂电极和燃料电极，以使得仅电池间允许的电连接经由相关联的开关。
在另一实施例中，每一个电池可以是金属-空气电池，燃料电极包括金属燃料，氧化剂电极包括用于还原氧气的空气阴极，并且充电电极是用于将可氧化氧物质氧化为氧气的析氧电极。
系统可以包括耦合到电池1的燃料电极的第一端子，以及第二端子，其中多个开关包括可在在放电模式中将电池N的氧化剂电极耦合到第二端子与在充电模式中将电池N 的充电电极耦合到第二端子之间进行切换的开关。
对于电池1到N中的每一个，多个开关可选地可切换到旁路模式，其中
在对于电池1的旁路模式中，第一端子耦合到电池2的燃料电极；
在对于电池2到N-I的任意电池X的旁路模式中，在充电模式中前一电池(X-I) 的充电电极或者在放电模式中前一电池(X-I)的氧化剂电极耦合到后一电池(X+1)的燃料电极；以及
在对于电池N的旁路模式中，在充电模式中电池N-I的充电电极或者在放电模式中电池N-I的氧化剂电极耦合到第二端子。
多个开关可以包括用于每一个电池的三掷单刀开关，其中
用于电池1到N-I的每一个的三掷单刀开关的静触点连接到后一电池(X+1)的燃料电极并且用于电池N的三掷单刀开关的静触点连接到第二端子，
用于电池2到N的每一个的三掷单刀开关的第一选择触点至少连接到前一电池 (X-I)的静触点并且用于电池1的三掷单刀开关的第一选择触点至少连接到第一端子；
用于电池1到N的每一个的三掷单刀开关的第二选择触点连接到相关联的电池 (X)的充电电极；
用于电池1到N的每一个的三掷单刀开关的第三选择触点连接到相关联的电池 ⑴的氧化剂电极；以及
每一个三掷单刀开关的开关元件可在以下位置之间切换(1)将其静触点耦合到其第一选择触点的旁路位置，( 将其静触点耦合到其第二选择触点的充电位置，以及(3) 将其静触点耦合到其第三选择触点的放电位置，从而多个开关的充电模式通过开关元件处于其充电位置而建立，放电模式通过开关元件处于其放电位置而建立，并且每一个电池可以通过在多个开关的充电模式或者放电模式中将与其相关联的开关元件移动到旁路位置而被旁路。
作为另一替代，多个开关可以包括与每一个电池相关联的一对开关。与每一个电池相关联的一对开关是一对双掷单刀开关。
通过下面的详细描述，附图，以及所附权利要求书，本发明的其他目的，特征和优点将变得明显。
图1是根据本发明构建的电池系统的示意图2是根据本发明构建的电池系统的可选实施例的示意图3是示出堆叠的两个电池的分解截面图4a_图4d是根据本发明构建的电池系统的可选实施例的示意图，其开关处于不同的操作状态中；以及
图5a_图5d是根据本发明构建的电池系统的另一可选实施例的示意图，其开关处于不同的操作状态中。
具体实施方式
了用于使用燃料和氧化剂生成电流的可再充电电化学电池系统10的各种实施例。电池系统10可以具有任何结构和架构，并且所说明的实施例并非旨在形成限制。
电池系统10包括N个电化学电池12。数量N是大于或者等于二的任意整数，并且并不局限于任何特定数量。每一个电池12包括燃料电极14，氧化剂电极16，充电电极18， 以及连通电极14，16，18的离子传导介质。每一个电池12优选地被包装以防止离子传导介质的泄漏，离子传导介质可能是电解质或者用于在充电/放电期间使离子能传输的任何适合介质。例如，可以使用传统的液态或者半固态电解质溶液，或者可以使用室温离子液体， 如在美国专利申请No. 61/177，072中提及的，这里结合其全部内容。图1是示出电极和电池的基本结构用于方便理解电池操作的示意图。
燃料电极14(在放电期间也被称为阳极)可以具有任何构造或者配置。优选地，其由诸如导电网筛的导电材料形成。燃料电极14也可以由多个电极主体形成，诸如在美国专利申请No. 12/385，489中教导的，这里结合其全部内容作为参考。图3中的实施例示出了由非传导的电化学惰性绝缘体15a-15c分离的可通过电解质渗透的多个电极主体14a-14c。 图3示出了形成由3个电化学惰性绝缘体分离的燃料电极14的3个电极主体。然而，该结构和架构并不旨在形成限制。例如，电极主体的数量，尺寸和间隔可以从Pm任意变化到几 mm。燃料电极14是在放电期间在其处发生氧化的电极，并且在再充电期间燃料被电沉积在其上。优选地，燃料是金属或者选择的其他燃料，以使得当在燃料电极上沉积时，其能够被氧化以释放电子并且在电解质中提供能够随后在再充电期间被还原并且电沉积到燃料电极14上的氧化的燃料离子。
优选地，燃料为诸如锌，锰，铁或者铝的金属。燃料也可以是能够在电解质中从其氧化形式被还原且电沉积到燃料电极14上并且在燃料电极14上从其沉积形式被氧化的非金属。因而，优选在氧化和还原之间可逆的燃料。
氧化剂电极16(在放电期间也被称为阴极)也可以具有任何构造或者配置，并且可以具有供应给它的任何类型氧化剂用于在放电期间的还原反应。在所说明的实施例中， 氧化剂电极是空气呼吸阴极(也被称为空气阴极)。利用空气阴极作为氧化剂电极16，在放电期间，氧化剂电极16从环境空气吸收氧气，并且还原该氧气，因而形成还原的氧物质， 这会最终在电解质中或者在电极处与电池12中的氧化燃料发生反应。不需要必需从环境空气提取氧气或者其他氧化剂，并且也可以从所包含的源传送。
因而，在放电操作期间，在每一个单独电池12内，燃料在燃料电极14处被氧化并且氧化剂在氧化剂电极16处被还原，因而在燃料电极14和氧化剂电极16之间创建电势差，燃料电极具有阳极电势并且氧化剂电极16具有阴极电势(相对彼此)。还原的氧化剂物质和氧化的燃料可以在电池12内反应以形成副产物，氧化的燃料可以随后从这里被还原并且被电沉积在燃料电极14上，这将在下面讨论。
氧化剂电极16可以由各种材料制成，包括但不局限于碳，含氟聚合物，镍，银，锰氧化物，造孔剂及其任意组合。本公开并非旨在在这方面形成限制。
充电电极18位于燃料电极14和氧化剂电极16之间。然而，其可以位于另一位置， 诸如位于燃料电极14中与氧化剂电极16相对的侧。充电电极18仅在电池的充电期间使用，并且在这范围内用作阳极(在充电期间)。具体地说，在充电期间，阳极电势施加到充电电极18并且阴极电势施加到燃料电极14。这样，燃料电极14在充电期间用作阴极，并且对于诸如在放电期间在电池中创建的氧化燃料物质的可还原燃料物质用作还原场所。类似地，充电电极18将氧化诸如在放电期间在电池中创建的还原氧化剂物质的可氧化氧物质。 因而，在电池12为金属-空气电池时，可还原金属燃料物质被还原并且被电沉积在燃料电极14上，并且可氧化氧物质被氧化为氧气气体，该氧气气体可以作为废气从电池12排出。 在该实施例中，充电电极18可以是析氧电极(OEE)。
可氧化氧化剂物质可以是对于在充电电极处的氧化可用的氧化剂的任何物质。例如，该物质可以是自由离子，或者是键合到离子传导介质中的其他离子或组分或者与该其他离子或组分配位的离子。例如，在其中氧气为氧化剂的水溶性电解质溶液中，氧气离子被氧化，该氧气离子可以从燃料的氧化物(例如，在锌为燃料时的aio)，氢氧化物离子(0H—)， 或者水分子(H2O)获得。类似地，可还原燃料物质可以是对于在燃料电极处的还原可用的燃料的任何物质。例如，可还原燃料物质可以是自由离子，或者是键合到离子传导介质中的其他离子或组分或者与该其他离子或组分配位的离子。例如，在燃料为金属时，金属的离子被还原并且被电沉积在燃料电极上，该金属的离子可以从金属的氧化物，溶解在离子传导介质中的金属的盐，或者由介质中的其他离子或组分支持或者与该其他离子或组分配位的金属的离子获得。
充电电极18可以由各种材料制成，包括但不局限于涂覆有催化剂的导电网，该催化剂诸如镍，连同诸如含氟聚合物的键合剂一起保持的直径从几nm到几μ m的镍颗粒，诸如电沉积在导电网上的镍及其合金(例如，Ni-Co，Ni-Pt)的高表面电催化剂。在上面结合的美国专利申请No. 12/385, 489中公开了这方面的进一步教导，可以参照其更多细节。而且，对于其他相关教导可以参照美国专利申请No. 12/549，617，这里结合其全部内容作为参考。
单独电池12可以具有任意构造或者配置。例如，它们可以使用流动的液体电解质，诸如在两个上面结合的专利申请中教导的。电解质流可以平行于电极14，16，18经过每一个电池，并且该流可以在每一个电池12内循环。同样，也可以使用通常与电极14，16，18 垂直的流，并且其可以在每一个电池12内再循环。任何适合的泵可以用于生成所述流。也能够从诸如公共泵的相同流源向全部电池传送电解质的并行流，并且重新循环该并行流的并行输出。也能够在与其他电池的流隔离的其自身流电路上维持每一个单独电池12的电解质以消除由于混合电势造成的任何功率损失。在其他实施例中，可以没有流，并且电解质可以简单地保留在每一个单独电池12内。用于管理电池12本身内的氧化和还原反应的特定架构并不旨在形成限制。
如上面提及的，图3示出了用于电池12的堆叠的代表性结构设置。仅提供该示例用于说明目的并且并不旨在形成限制。以分解的截面图形式示出了两个电池12的堆叠用于说明基本的内部结构设置。在端部处提供一对外部壳体主体40，42，并且这些由诸如聚合物或者聚合物-合成物的非传导电化学惰性材料形成。在电池12之间提供非传导电化学惰性屏障19，其也可以由聚合物或者聚合物-合成物形成。
壳体主体40和屏障19分别具有用于容纳示出为包括多个电极主体14a_14c以及其相关联的隔离体15a-15c的燃料电极14的凹陷44。充电电极18邻近隔离体15c放置， 并且因而与每一个电池12中的燃料电极14分离。对电解质或者其他离子传导介质可渗透的另一电化学惰性并且非传导隔离体46位于每一个电池12的充电电极18附近。
可渗透密封部件48粘合到壳体主体40，42以及屏障19上的密封表面50。在每一个电池12中，可渗透密封件48包围凹陷44中的燃料电极14，充电电极18，以及各种隔离体和46。密封部件48是非传导并且电化学惰性的，并且优选地被设计为对于电解质(或者其他离子传导介质)在垂直方向上(即，经过其厚度)可渗透，但不允许电解质的横向传输。这使电解质12能经过密封部件48渗透，用于允许与相对侧的氧化剂电极16的离子传导以支持电化学反应，而不从电池12横向向外“吸”电解质12。密封部件48的适合材料的一些非限制示例为EPDM和特氟龙。
密封部件48还分别覆盖一系列入口和出口流体路径52，54。这些入口和出口流体路径52，M允许电解质流进和流出电池12，电池内的流在燃料电极14主体14a-14c以及充电电极18之间与燃料电极14主体14a-14c以及充电电极18平行地运动。这将流动的电解质包围在这些路径内。没有示出这些路径52，54的整体配置，这是由于特定配置不是本质的。可以使用任何构造或者配置，并且流路径可以串联耦合在电池12之间或者可以向电池并行传送所述流。没有对特定的流管理形成限制。
在每一个电池12中，氧化剂电极16位于密封部件48的与燃料电极14和充电电极18相对的侧。外围垫片56延伸在氧化剂电极16的外围周围并且提供氧化剂电极16与相邻结构(如所说明的，屏障19或者外部壳体主体42的相对壁)之间的密封。这防止了氧化剂电极16周围的任何电解质泄漏以及进入空气暴露的区域中。优选地，氧化剂电极16 对于氧化剂可渗透，但是对于电解质或者其他离子传导介质不可渗透，因而防止离子传导介质经过氧化剂电极的泄漏，但是允许氧化剂的吸收。该特性可以可选地使在再充电期间在充电电极18处生成的氧气气体能作为废气从电池排放。屏障19和壳体主体42的表面具有延伸到外部并且对于环境空气开放的凹槽58。这使空气能流入并且接触氧化剂电极 16以提供如这里讨论的氧气的还原。
图3的示例并不形成限制，并且仅为补充图1和图2的示意性说明的背景而提供。 可以使用任何电池构造或者配置。提供了对电池系统的理解，下面将注意力转向本发明的旁路切换方面。
如下面将进一步详细讨论的，系统10内的电池12的每一个串联连接。这通过可以在下面的模式之间切换的多个开关20建立
(1)放电模式。在放电模式中，开关20将每一个电池1到N-I的氧化剂电极16耦合到后一电池的燃料电极14以将电池耦合为放电串联。即，电池1的氧化剂电极16耦合到电池2的燃料电极14，电池2的氧化剂电极16耦合到电池3的燃料电极14，等等，电池 N-I的氧化剂电极16耦合到电池N的燃料电极14。结果，在电池1的燃料电极与电池N的氧化剂电极耦合到负载时，燃料电极14处燃料的氧化以及氧化剂电极16处氧化剂的还原在每一个电池12内创建电势差，因而创建累积电势差，在电池1的燃料电极处为阳极并且在电池N的氧化剂电极处为阴极，用于向负载传送电流。充电电极18不具有施加到其的电势，并且它们不作为串联电路的一部分连接。
(2)充电模式。在充电模式中，开关20将每一个电池1到N-I的充电电极18耦合到后一电池的燃料电极14以将电池耦合为充电串联。结果，在电池1的燃料电极14和电池N的充电电极18耦合到电源从而以阴极在电池1的燃料电极14处并且阳极在电池N的充电电极18处接收充电电势差时，在每一个电池内创建递增电势差以在燃料电极14处还原可还原燃料物质并且在充电电极18处氧化可氧化氧化剂物质。氧化剂电极16不具有施加到其的电势，并且它们不作为串行电路的一部分连接。
如上面提及的，电池12彼此邻近地装配，非传导屏障19分隔每一对相邻电池12 的氧化剂电极16和燃料电极14，以使得仅电池间允许的电连接经由相关联的开关20。在本领域中，可以将屏障的非传导绝缘属性称为单极。在所说明的实施例中，电极14，16，18 和屏障19通常彼此平行地设置以使得整个结构是堆叠的。
优选地，在其中电池12是金属-空气电池的实施例中，每一个屏障19具有形成在其面对相邻氧化剂电极的表面上的一系列凹槽58和作为向周围大气的端口的开口，因而允许环境空气经过这些端口和凹槽进入以暴露到空气呼吸的氧化剂电极16(即，空气阴极)。可以使用包括任何类型端口的其他变体用于向氧化剂电极16传送空气或者任何其他氧化剂。图1示意性示出了屏障19，其一些间隔被放大以清楚阐述各种电极，并且其工作结构配置可以采取任何适合的形式，诸如图3所示的。
在图1所说明的实施例中，存在N个开关20，意味着每一个电池12 —个开关。第一开关20选择性耦合到第一电池12的氧化剂电极16或者充电电极18并且耦合到第二电池12的燃料电极14。即，该开关具有连接到第二电池的燃料电极14的静触点，并且具有可在与两个其他选择触点的连接之间移动的开关元件26 —个选择触点用于连接到第一电池12的氧化剂电极16并且另一个选择触点用于连接到第一电池12的充电电极18。这种类型的开关通常被称为单刀双掷开关。对于具有多个主体的燃料电极14，诸如在图3中，可以进行燃料电极触点到并行的全部主体或者到端子主体的连接，如在上面结合的美国专利申请12/385，489中描述的。移动开关元件沈以连接到这两个触点中的一个在放电和充电模式之间建立选择，这是由于其在第一电池的氧化剂16或者充电电极18与第二电池的燃料电极14之间建立连接。图1示出了充电模式中的开关20，将后一电池12的燃料电极14 和充电电极18耦合到一起。放电模式由开关20的虚线位置代表。
第二开关20选择性耦合到第二电池12的氧化剂电极16或者充电电极18并且按照与第一开关在第一电池和第二电池之间的相同方式耦合到第三电池12的燃料电极14。 第三开关20同样选择性耦合到第三电池12的氧化剂电极16或者充电电极18并且耦合到第四电池12的燃料电极14。这对于电池1到N-I的每一个继续进行，以使得第N-I个开关选择性耦合到第N-I个电池12的氧化剂电极16或者充电电极18并且耦合到第N个电池的燃料电极14。这样，可以通常描述为，在电池系统10内，对于电池1到N-I中任意选择的电池X，相关联的开关20将该电池X的氧化剂或者充电电极选择性耦合到后一电池X+1的燃料电极。
系统10具有第一端子22和第二端子M。术语端子广泛用于描述用于将系统10 耦合到负载(在放电期间)和电源(在充电期间)的任何输入/输出连接。在所说明的实施例中，第一端子22耦合到第一电池12的燃料电极。关于第二端子M，其耦合到开关20 中的第N个。该第N个开关20与上面的其他开关的作用相同，除了其选择性耦合到第N个电池的氧化剂电极16或者充电电极18，并且耦合到第二端子M而不是后一电池的燃料电极。第N个开关20的开关元件沈按照与其他开关20的相同方式选择性移动以建立充电和放电模式。
在可选实施例中，可以省去第N个开关20，并且可以利用两个分离的端子代替第二端子M，这两个分离的端子中的一个耦合到第N个电池的氧化剂电极16，该氧化剂电极在放电期间耦合到负载，并且这两个分离的端子中的另一个耦合到第N个电池的充电电极，该充电电极在充电期间耦合到电源。因而，开关20将不用于第N个电池，这是由于可以经由其各自端子管理第N个电池的氧化剂电极16和充电电极18分别到负载和电源的连接性。
开关20可以由在30处示意性示出的控制器控制。控制器可以具有任意的构造和配置。其可以包括硬连线电路，其基于确定该电池应该处于放电模式还是充电模式的输入来简单操控开关20。作为选择，控制器30还可以包括用于执行更多复杂决定的微处理器。 控制器30还用于管理负载和电源与第一和第N个电池之间的连接性(并且具体为第一电池的燃料电极14，以及第N个电池的氧化剂电极16/充电电极18)。
在任意实施例中，开关20 (或者这里描述的任何其他开关)可以是任何类型，并且术语开关广泛地旨在描述能够在所描述的模式或者状态之间切换的任何设备。例如，开关 20可以是如所示出的单刀双掷类型。它们可以是绕枢轴旋转，滑动或者锁存的继电器类型。 而且，也可以使用基于半导体的开关。可以电地(电磁继电器)或磁地或者通过熟悉本领域的技术人员已知的其他方法激活开关。可以使用任何其他适合的类型的开关，并且这里的示例并不形成限制。
图2示出了与图1类似的可选实施例，除了向多个开关添加了一系列旁路开关32。 每一个旁路开关32耦合在来自该电池12的燃料电极14与后一电池12的燃料电极14之间。即，对于任意给定的电池X，在用于电池X的旁路开关32处于闭合位置时，电池X中的燃料电极14连接或者分流到电池X+1中的燃料电极14，从而在充电或者放电期间实现电池X的旁路。更具体地说，在图2的实施例中，每一个旁路开关32具有两个触点(a)连接到前一电池12的开关20的静触点(或者对于用于电池1的第一旁路开关12，该触点连接到端子22)的一个触点，该触点也连接到与旁路开关32相关联的电池12的燃料电极14，以及(b)连接到后一电池12的燃料电极14(或者对于用于第N个电池的旁路开关，连接到端子24)的另一触点。在用于电池2到N-I的任意给定旁路开关32的开关元件33闭合时， 这将前一电池的开关20的静触点(并且因而前一电池12的氧化剂电极16或者充电电极 18)耦合到后一电池12的燃料电极14。对于第一电池12，在旁路开关32的开关元件33闭合时，旁路开关32将端子22耦合到第二电池12的燃料电极14。并且对于第N个电池，在旁路开关的开关元件33闭合时，旁路开关32将第N-I个电池的开关20的静触点(并且因而该第N-I个电池12的氧化剂电极16或者充电电极18)耦合到端子M。
在电池X处于旁路模式时，电池X中的开关20优选地处于使得电池X的充电电极连接到电池X+1的燃料电极的位置中以避免电池X中燃料电极和氧化剂电极的短路。通常， 每一个旁路开关32处于打开条件下，并且因而在电池系统10的电路或者操作中不起作用。 然而，如果控制器30检测到任意给定电池没有正确操作(由于电池12串联，这会危及整个系统)时，用于该电池的旁路开关32会被切换到闭合位置，因而由于通过闭合的旁路开关 32建立的连接而旁路有问题的电池。具体地说，串联中前一电池的氧化剂电极16/充电电极18 (或者如果第一电池12被旁路则为端子22)能够耦合到该串联中后一电池的燃料电极14(或者如果第N个电池被旁路则为端子24)，因而在维持剩余操作电池12之间的串联连接的同时旁路有问题的电池。
电池可以出于影响堆叠的性能的多个原因而被旁路。例如，在充电期间电池中充电电极和燃料电极之间的短路(通过电压测量检测)导致在充电期间寄生功率的消耗。由于电流在充电电极和燃料电极之间被分流，因此电短路导致充电电极和燃料电极之间电压的突然下降。另一示例是在放电期间，其中具有较高动能或者欧姆损失的任何电池影响该堆叠的往返效率和放电功率。而且，在放电期间电池比其他电池更早的燃料消耗会导致该电池中的电压反向和堆叠功率损失，并且能够通过在放电电压下降到低于临界值时旁路该电池得到防止。放电期间锌或者其他燃料的完全消耗导致燃料电极和氧化剂电极之间电压的突然下降。可以使用检测电池性能的任何其他标准，并且这里的示例并不形成限制。某些电池可能由于产量问题以及与电极的制造和装配相关的问题而不满足性能要求(例如， 放电期间的最大功率)。这些电池会被永久放入旁路模式。其他电池会在开始时满足性能要求，然而在该性能下降到低于所要求的极限时会具有循环寿命问题并且会被放置在旁路模式。因而，旁路模式提供一种选择以增加该堆叠的可靠性和性能。
可以通过本领域已知的技术测量在充电期间燃料电极和充电电极之间以及在放电期间燃料电极和氧化剂电极之间的电压或者电势差。例如，电压计(数字或者模拟)或者电位计或者一个或者多个其他电压测量设备可以耦合在每一对电极或者成对的电极之间。 控制器30可以包括合适的逻辑或者电路用于对检测到电压达到预定阈值(例如，低于预定阈值的压降)做出响应而启动合适的一个或者多个旁路开关。
在第一电池12的燃料电极14，或者第一端子22之间包括这样的旁路开关也是优选地，以为第一电池12提供相同的旁路。同样，用于串联中的第N个电池12的旁路开关32 将被提供在耦合到第N个电池的燃料电极14的第N-I个开关20的燃料电极触点与第二端子M之间，因而使第N个电池能被旁路并且将第N-I个电池的氧化剂电极16/充电电极18 耦合到第二端子对。
图如-图4d示意性说明了使用成对的单刀双掷开关作为多个开关以提供充电和放电之间的切换以及旁路功能性的另一实施例。电池12部件相同，并且对于相同的部件使用相同的附图标记。从图4a_图4d可以看出，每一个电池具有一对单刀双掷开关。开关80 包括静态连接到一个触点并且在到两个其他选择触点的连接之间选择性移动的开关元件 82 这两个其他选择触点中的一个耦合到其相关联的电池12的燃料电极14，并且这两个其他选择触点中的另一个耦合到其相关联的电池12的充电电极18。对于用于第一电池12的开关80，耦合到第一电池的燃料电极14的触点也耦合到端子22。开关84还包括开关元件 86，其静态耦合到后一电池的燃料电极14以及后一燃料电极14所耦合的后一开关80的触点二者。开关元件86在到两个其他触点的连接之间选择性移动这两个其他触点中的一个耦合到其相关联的电池12的氧化剂电极16，并且这两个其他触点中的另一个耦合到其电池的开关80的静触点。对于用于第N个电池12的开关84，其静触点耦合到端子M。
现在将描述这些开关80和84的操作，并且可以通过其中具有合适的逻辑和/或电路的控制器30进行控制。
在图如中，开关处于正常充电的状态中。开关元件82和86中的每一个被移动某些位置以将其相关联的电池12的充电电极18耦合到后一电池12的燃料电极14 (或者对于关于第N个电池的开关80，84，耦合到端子24)。具体地说，每一个开关元件82被移动以与耦合到其相关联的电池12的充电电极18的触点连接，并且每一个开关元件86被移动以与耦合到开关80的静触点的触点连接。因而，氧化剂电极16与电路断开。
在图4b中，开关处于正常放电的状态中。每一个开关元件86被移动到某一位置以将其相关联的电池12的氧化剂电极16耦合到后一电池12的燃料电极14(或者对于用于第N个电池的开关84，耦合到端子24)。具体地说，每一个开关元件86被移动以与耦合到其相关联的电池12的氧化剂电极16的触点连接。开关80的开关元件82的位置在该正常放电状态中不相关，这是由于没有开关元件86连接到开关80的静触点，并且因而开关80 与电路断开(与充电电极18相同)。
图如示出了充电的状态，其中例如第二电池12被旁路。在该状态中，除了与第二电池12相关联的开关80之外，全部开关80，82都处于与图如所示的相同位置。然而，用于第二电池12的开关80的位置不同。具体地说，第二电池的开关80的开关元件82被移动到连接到耦合到用于第一电池12的开关84的静触点的触点的位置(在电池X被旁路的情况下，第一电池是第X-I个电池，第二电池是第X个电池)。因而，这将第一(第X-I个)电池12的充电电极18耦合到后一第三电池12 (第X+1个电池)的燃料电极14。这样，第二或者第X个电池被有效旁路，这是由于经由与第二电池12相关联的开关80，82在第一(第 X-I个)电池12的充电电极18与第三(第X+1个)电池12的燃料电极14之间建立了电流流动。同样，在其中第N个电池是被旁路的电池的情形下，将经由与第N个电池相关联的开关80，82在第N-I个电池12的充电电极18与端子M之间建立电流流动。并且在第一电池是被旁路的电池的情形下，将经由与第一电池相关联的开关80，82在端子22与第二电池的燃料电极14之间建立电流流动。
图4d示出了放电的状态，其中例如第二电池12被旁路。在该状态中，除了与第二电池12相关联的开关80，82之外，全部开关80，82都处于与图4b所示的相同位置。然而， 用于第二电池的开关80和82的位置不同(如上面注意到的，用于非旁路电池的开关80的位置不重要，并且可以选择任一位置；然而，在该电路结构中，第二电池的开关80的位置确实执行用于第二电池12的旁路功能性的一部分)。具体地说，第二电池的开关80的开关元件82被移动到连接到耦合到用于第一电池12 (第X-I个电池，第二电池再次为第X个电池)的开关84的静触点的触点的位置。而且，第二电池的开关84的开关元件86被移动到连接到第二(第X个)电池的开关80的静触点的位置。因而，这将第一(第X-I个)电池 12的氧化剂电极16耦合到第三(第X+1个)电池12的燃料电极14。这样，第二或者第X个电池被有效旁路，这是由于经由与第二电池12相关联的开关80，82在第一(第X-I个) 电池12的氧化剂电极16与第三(第X+1个)电池12的燃料电极14之间建立了电流流动。 同样，在第N个电池为被旁路的电池的情形下，将经由与第N个电池相关联的开关80，82在第N-I个电池12的氧化剂电极16与端子M之间建立电流流动。并且在第一电池为被旁路的电池的情形下，将经由与第一电池相关联的开关80，82在端子22与第二电池的燃料电极14之间建立电流流动。
图4中的配置允许在不短路电池X的燃料电极和充电电极的情况下将电池X置于旁路模式，这与图3中所示的配置的情况相同。
图fe-图5d示意性说明了使用单刀三掷开关以提供在充电和放电之间的切换以及旁路功能性的另一实施例。每一个电池12具有与其相关联的这样的开关90。每一个开关90具有静态连接到一个触点的开关元件92。对于第1到第N-I个电池，开关90的静触点耦合到后一电池12的燃料电极14。开关元件92在到三个其他选择触点的连接之间选择性移动该三个其他选择触点中的第一个至少耦合到前一电池的开关90的静触点以及其相关联的前一电池12的燃料电极14，该三个其他选择触点中的第二个耦合到其相关联的电池12的充电电极18，并且该三个其他选择触点中的第三个耦合到其相关联的电池的氧化剂电极16。对于关于第一电池12的开关90，第一选择触点耦合到端子22以及第一电池的燃料电极14。对于第N个电池，开关90的静触点耦合到端子对。
现在将描述这些开关90的操作，并且可以通过其中具有合适的逻辑和/或电路的控制器30进行控制。
图如示出了处于正常充电的状态的开关90。开关元件92的每一个被移动到连接到耦合到其相关联的电池12的充电电极18的第二选择触点的位置。这将相关联的电池12 的充电电极18耦合到后一电池的燃料电极14(或者对于第N个电池，第N个电池的充电电极18耦合到端子24)。因而，氧化剂电极16与电路断开。
图恥示出了处于正常放电的状态的开关。开关元件92的每一个被移动到连接到耦合到其相关联的电池12的氧化剂电极16的第三选择触点的位置。这将相关联的电池12 的氧化剂电极16耦合到后一电池的燃料电极14 (或者对于第N个电池，该第N个电池的氧化剂电极16耦合到端子24)。因而，充电电极18与电路断开。
图5c示出了充电的状态，其中例如第二电池12被旁路。在这种状态下，除了与第二电池12相关联的开关90之外，全部开关90处于与图如所示的相同位置。然而，用于第二电池12的开关90的位置不同。具体地说，用于第二电池12(第X个电池)的开关90的开关元件92被移动到连接到耦合到用于第一(第X-I个)电池的开关90的静触点的第一选择触点的位置。这将第一(第X-I个)电池12的充电电极18耦合到第三(第X+1个) 电池12的燃料电极14。这样，第二或者第X个电池被有效旁路，这是由于经由与第二电池 12相关联的开关90在第一(第X-I个)电池12的充电电极18与第三(第X+1个)电池 12的燃料电极14之间建立了电流流动。同样，在第N个电池为被旁路的电池的情形下，经由与第N个电池相关联的开关90在第N-I个电池12的充电电极18与端子M之间将建立电流流动。并且在第一电池为被旁路的电池的情形下，经由与第一电池相关联的开关90在端子22与第二电池的燃料电极14之间将建立电流流动。
图5d示出了放电的状态，其中例如第二电池12被旁路。在这种状态下，与图5c类似，除了与第二电池12相关联的开关90之外，全部开关处于与图恥所示的相同位置中。 然而，用于第二电池12的开关90的位置不同。具体地说，用于第二电池(第X个电池)的开关90的开关元件92被移动到连接到耦合到用于第一(第X-I个)电池的开关90的静触点的第一选择触点的位置，就像图5c的旁路条件情况一样。在图5d中，这将第一(第X-I 个)电池12的氧化剂电极16耦合到第三(第X+1个)电池12的燃料电极14。这样，第二或者第X个电池被有效旁路，这是由于经由与第二电池12相关联的开关90在第一(第 X-I个)电池12的氧化剂电极16与第三(第X+1个)电池12的燃料电极14之间建立了电流流动。同样，在其中第N个电池为被旁路的电池的情形中，经由与第N个电池相关联的开关90在第N-I个电池12的氧化剂电极16与端子M之间将建立电流流动。并且在第一电池为被旁路的电池的情形中，经由与第一电池相关联的开关90在端子22与第二电池的燃料电极14之间将建立电流流动，就像图5c的状态的情况一样。
利用这些实施例中的任意一个，旁路开关也能够用于旁路一组相邻的电池，如果这变得有必要这样做。因而，例如，如果一组三个电池被旁路(例如，电池X到X+2)，则这些旁路开关也将使这些电池能被从该组之前的电池(即，电池X-1)旁路到该组之后的电池 (即，电池X+3)，这根据所阐述的电路将能够意识到。因而，广泛地说，具有旁路功能性的这些实施例的每一个通常以使其开关能够对于电池建立旁路模式为特征。在该旁路模式中， 在充电期间被正常施加到该电池(电池X)的燃料电极14的电流(指代电子流动的实际方向)被重新导向或者分流以被施加到后一电池(X+1)的燃料电极，或者对于第N个电池为端子24。类似地，在放电期间从该电池X的燃料电极14汲取的电流将从后一电池(X+1)的燃料电极14汲取，或者对于第N个电池为端子M。优选地，这由通过切换断开电池X的氧化剂电极16和充电电极18进行，因而避免了在该电池X的燃料电极14与氧化剂电极16/ 充电电极18之间创建电化学连接，如在图4和5的实施例中示出的。可以使用任何适合的切换结构，包括但不局限于所说明的这些。
应该意识到，上面描述的开关的任意实施例(例如，实现充电模式，放电模式，旁路模式)也可以与具有动态改变的析氧电极/燃料电极的多个电化学电池一起使用，诸如在美国专利申请No. 61/383，510中描述的渐进电极，这里结合其全部内容作为参考。
例如，如在美国专利申请No. 61/383，510中描述的，燃料电极14可以包括多个可渗透电极主体，该可渗透电极主体可以是由能够捕获和保持来自在电池12中循环的离子传导介质的金属燃料的颗粒或者离子的任何形成物质制成的网。可渗透电极主体的每一个可以例如使用非传导和电化学惰性间隔体彼此电绝缘。在一些实施例中，每一个电池12也可以具有与电极主体相关联的其自身的多个开关以允许渐进燃料生长。
在充电期间，每一个电池12的充电电极18可以耦合到后一电池12的燃料电极 14。在一个实施例中，在充电期间，燃料电极14的第一电极主体⑴可以具有阴极电势并且电极主体的剩余部分和/或分离的充电电极可以具有阳极电势。在这样的实施例中，在燃料电极14的渐进燃料生长期间，燃料可以在具有阴极电势的第一电极主体(Y)上生长并且产生与具有阳极电势的相邻电极主体(Y+1)的短路。相邻电极主体(Y+1)可以然后与阳极电势的源断开以使得经过电连接，相邻电极主体(Y+1)也具有阴极电势。该过程可以对于电极主体的剩余部分继续直到进一步生长是不可能的(即，阴极电势被短路到具有阳极电势的最后电极主体或者分离的充电电极)。可以提供多个开关以彼此连接/断开电极主体和/或将电极主体与阴极或者阳极电势的源连接/断开。因而，在具有渐进燃料生长的这样的实施例中，充电电极18可以为与燃料电极14分离的充电电极或者可以至少是具有阳极电势的相邻电极主体，直到为全部其他电极主体。换句话说，充电电极18可以是分离的充电电极，与具有阴极电势的至少一个电极主体相邻的具有阳极电势的电极主体，和/ 或与具有阴极电势的至少一个电极主体相邻的具有阳极电势的一组电极主体。
因而，充电电极，如该术语在本申请的更宽泛的方面中使用的，不需要必需是仅起阳极充电作用(尽管其可以是)的静态或者专用电极，并且其有时可以是其上施加有阳极电势的燃料电极内的一个或者多个主体。因而，术语动态用于指代在充电期间用作充电电极并且接收阳极电势的一个或多个物理元件可以变化的事实。
在放电期间，电池12的氧化剂电极16可以有效连接到后一电池12的燃料电池14 并且燃料消耗将贯穿电极主体(其中电极主体之间的电连接贯穿燃料生长)。如果电池12 不正确工作或者出于其他原因，也可以使用上面描述的旁路切换特征旁路电池12。
而且，在一些实施例中，电池可以被设计为“双电池”。该术语指代位于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设置在位于空气电极和燃料电极之间的离子传导介质中。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 (可选地，充电电极可以动态充电，如上所述)。因而，空气电极可以共用公共端子，并且燃料电极具有其自己的端子，并且充电电极也可以共用公共端子。这样，从电化学上说，这样的双电池可以被认为是单个电池(尽管在该双电池内，诸如双向燃料生长的电池的某些方面会产生出于某些目的被认为是两个电池的双电池；然而，在对于模式放电和连接管理的较高水平，这些方面不太相关并且双电池可以被看作为单个电池)。一对空气电极与氧化剂电极16相对应，燃料电极与燃料电极14相对应，并且一对充电电极与充电电极18相对应。
仅提供前面说明的实施例以说明本发明的结构和功能原理，并且其不应该被认为形成限制。相反，本发明旨在涵盖位于下面的权利要求书的精神和范围内的全部修改，代替和改变。
权利要求
1.一种用于使用燃料和氧化剂生成电流的可再充电电化学电池系统，所述电池系统包括N个电化学电池，所述N个电化学电池中的每一个包括燃料电极，氧化剂电极，充电电极，以及连通所述电极的离子传导介质，其中N为大于或者等于二的整数；可切换到以下模式的多个开关(1)放电模式，将每一个电池1到N-I的所述氧化剂电极耦合到后一电池的所述燃料电极以将所述电池耦合为放电串联，以使得在电池1的所述燃料电极与电池N的所述氧化剂电极耦合到负载时，在所述燃料电极处的燃料的氧化与在所述氧化剂电极处的氧化剂的还原在每一个电池内创建电势差，因而以电池1的所述燃料电极为阳极并且以电池N的所述氧化剂电极为阴极创建累积电势差用于向所述负载传送电流，以及(2)充电模式，将每一个电池1到N-I的所述充电电极耦合到后一电池的所述燃料电极以将所述电池耦合为充电串联，以使得在电池1的所述燃料电极和电池N的所述充电电极耦合到电源从而以电池1的所述燃料电极为阴极并且以电池N的所述充电电极为阳极接收充电电势差时，在每一个电池内创建递增电势差以在所述燃料电极处还原可还原燃料物质并且在所述充电电极处氧化可氧化氧化剂物质，其中，对于所述N个电化学电池中的电池(X)，通过将前一电池(X-I)的处于所述充电模式的所述充电电极或者处于所述放电模式的所述氧化剂电极耦合到后一电池(X+1)的所述燃料电极，所述多个开关可切换到旁路模式。
2.根据权利要求1的电化学电池系统，其中所述电池彼此邻近装配，非传导屏蔽分隔每一对相邻电池的所述氧化剂电极和燃料电极，以使得仅电池间允许的电连接经由所述开关。
3.根据权利要求2的电化学电池系统，其中每一个电池是金属-空气电池，所述燃料电极包括金属燃料，所述氧化剂电极包括用于还原氧气的空气阴极，并且所述充电电极是用于将可氧化氧物质氧化为氧气的析氧电极。
4.根据权利要求3的电化学电池系统，其中所述金属燃料选自由锌，铝，铁和锰构成的组。
5.根据权利要求3的电化学电池系统，其中每一个非传导屏障包括用于使氧气能流到所述空气阴极的一个或者多个端口。
6.根据权利要求1的电化学电池系统，进一步包括耦合到电池1的所述燃料电极的第一端子，和第二端子，其中所述多个开关包括可在在所述放电模式中将电池N的所述氧化剂电极耦合到所述第二端子与在所述充电模式中将电池N的所述充电电极耦合到所述第二端子之间进行切换的开关。
7.根据权利6的电化学电池系统，其中所述多个开关可切换到对于所述电池1到N中的每一个的旁路模式，其中在对于电池1的所述旁路模式中，所述第一端子耦合到电池2的所述燃料电极；在对于电池2到N-I的任意电池X的所述旁路模式中，在所述充电模式中前一电池 (X-I)的所述充电电极或者在所述放电模式中前一电池(X-I)的所述氧化剂电极耦合到后一电池(X+1)的所述燃料电极；以及在对于电池N的所述旁路模式中，在所述充电模式中电池N-I的所述充电电极或者在所述放电模式中电池N-I的所述氧化剂电极耦合到所述第二端子。
8.根据权利要求7的电化学电池系统，其中多个开关包括用于每一个电池的三掷单刀开关，其中用于电池1到N-I的每一个的所述三掷单刀开关的静触点连接到后一电池(X+1)的所述燃料电极并且用于电池N的所述三掷单刀开关的静触点连接到所述第二端子，用于电池2到N的每一个的所述三掷单刀开关的第一选择触点至少连接到前一电池 (X-I)的所述静触点并且用于电池1的所述三掷单刀开关的第一选择触点至少连接到所述第一端子；用于电池1到N的每一个的所述三掷单刀开关的第二选择触点连接到相关联的电池 ⑴的所述充电电极；用于电池1到N的每一个的所述三掷单刀开关的第三选择触点连接到相关联的电池 (X)的所述氧化剂电极；以及每一个三掷单刀开关的开关元件可在以下位置之间切换(1)将其静触点耦合到其第一选择触点的旁路位置，(2)将其静触点耦合到其第二选择触点的充电位置，以及( 将其静触点耦合到其第三选择触点的放电位置，从而所述多个开关的所述充电模式通过所述开关元件处于其所述充电位置而建立，所述放电模式通过所述开关元件处于其所述放电位置而建立，并且每一个电池可以通过在所述多个开关的所述充电模式或者所述放电模式中将与其相关联的所述开关元件移动到所述旁路位置而被旁路。
9.根据权利要求7的电化学电池系统，其中所述多个开关包括与每一个电池相关联的一对开关。
10.根据权利要求9的电化学电池系统，其中与每一个电池相关联的所述一对开关是一对双掷单刀开关。
全文摘要
本发明的一个方面提供一种用于使用燃料和氧化剂生成电流的可再充电电化学电池系统(10)。电池系统包括N个电化学电池(12)，N个电化学电池(12)的每一个包括燃料电极(14)，氧化剂电极(16)，充电电极(18)，以及连通电极的离子传导介质，其中N是大于或者等于二的整数。可以使用任何数量的电池。电池系统(10)包括多个开关，其可切换到将每一个电池(12)的氧化剂电极(16)耦合到后一电池(12)的燃料电极(14)的放电模式，将每一个电池(12)的充电电极(19)耦合到后一电池(12)的燃料电极(14)的充电模式，以及将前一电池(12)的充电电极(18)或者氧化剂电极(16)耦合到后一电池(12)的燃料电极(14)的旁路模式。
文档编号H01M12/08GK102498602SQ201080040399
公开日2012年6月13日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月18日
发明者C·A·弗里森, G·弗里森, R·克里希南 申请人:流体公司