質(zhì)通過 腔18的出口 36流出腔18,穿過出口通道24,并流出電池10的出口 22。
[0099] 當(dāng)電池10的電勢已經(jīng)耗盡時，或者當(dāng)另外期望對電池10再充電時，燃料電極12 連接到電源PS的負(fù)極端子，并且充電電極連接到電源PS的正極端子，所述充電電極可以是 氧化劑電極14或單獨的充電電極70?？梢酝ㄟ^下面討論的切換系統(tǒng)60進(jìn)行這種連接。在 充電或再充電模式下，燃料電極12的陰極部分成為陰極，燃料電極12和/或充電電極14、 70的陽極部分成為陽極，這在下文更詳細(xì)描述。通過向燃料電極12的陰極部分提供電子， 燃料離子可以還原為燃料，再沉積在可滲透的電極主體12a-12d上，這在下文更詳細(xì)描述； 而離子導(dǎo)電介質(zhì)以與上面關(guān)于放電模式描述的相同方式循環(huán)通過電池10。
[0100] 流動通道42提供離子導(dǎo)電介質(zhì)穿過燃料電極12的方向性和分布。流動通道42 還可以防止微粒沉淀和/或覆蓋電極。當(dāng)電池10處于充電模式時，微粒在整個燃料電極12 的改善的分布允許還原的燃料更均勻沉積在燃料電極12上，這提高燃料電極12上的燃料 的密度，增加電池10的容量和能量密度，從而提高電池10的循環(huán)壽命。此外，通過具有控 制放電過程中沉淀物或反應(yīng)副產(chǎn)物的分布的能力，可以阻止副產(chǎn)物在燃料電極12上的早 期鈍化/沉積。鈍化導(dǎo)致較低的燃料利用率和較低的循環(huán)壽命，這是不符合需要的。
[0101] 圖1-圖8的例子并不是限制性的，只是提供用于理解電池系統(tǒng)100的電池10的 實施方式的一般原則的上下文?？梢允褂萌魏坞姵貥?gòu)造或配置。在理解提供的電池系統(tǒng)的 情況下，轉(zhuǎn)向關(guān)注本發(fā)明的切換系統(tǒng)60的配置和操作。
[0102] 如上所述，在電池10的充電模式過程中，在電池10內(nèi)橫跨電極施加電勢差。在充 電過程中，雖然氧化劑電極14或單獨的充電電極70-般作為陽極發(fā)揮功能，但可以向其他 電極（如燃料電極12中的一些電極主體）施加陽極電勢。同樣，在充電過程中，最初可以 將陰極電勢施加到燃料電極12的電極主體12a，但最初也可以施加到燃料電極12的一個或 多個其他可滲透的電極主體12b-12d。因此，那些具有陰極電勢的燃料電極12的可滲透的 電極主體12a-12d在充電過程中作為陰極發(fā)揮作用，并作為對于可還原的燃料物質(zhì)（例如， 電池在放電過程中產(chǎn)生的氧化的燃料離子）的還原位置發(fā)揮作用。
[0103] 隨著可還原的燃料物質(zhì)在那些具有陰極電勢的可滲透的電極主體12a_12d上被 還原，氧化劑電極14或單獨的充電電極70和/或那些具有陽極電勢的可滲透的電極主體 12b-12d將氧化可氧化的氧物質(zhì)（例如，電池在放電過程中產(chǎn)生的還原的氧化劑物質(zhì)）。因 此，當(dāng)電池10是金屬-空氣電池時，可還原的金屬燃料物質(zhì)正在被還原并電沉積在燃料電 極12的一些可滲透的電極主體的12a-12d上；可氧化的氧物質(zhì)正在被氧化為可以從電池 10釋放的氧氣。在該實施方式中，那些具有陽極電勢的電極和電極主體可以被認(rèn)為是析氧 電極（OEE)。
[0104] 為了確定在充電過程中哪些電極（即，可滲透的電極主體12a-12d、氧化劑電極14 和/或單獨的充電電極70)具有陽極電勢或陰極電勢，其間的電連接可以通過切換系統(tǒng)60 控制，這在下文更詳細(xì)討論。
[0105] 用于對電池 10充電的電勢差施加于電池 10中的相鄰主體之間，使得具有陽極電 勢的電極主體與具有陰極電勢的電極主體相鄰，這對于燃料增長（fuel growth)可以是有 利的。一旦在具有陰極電勢的電極主體上發(fā)生充分的燃料增長，具有陽極電勢的電極可能 改變，以至于以前是一組具有陽極電勢的電極主體的一部分的可滲透的電極主體可能成為 一組具有陰極電勢的電極主體的一部分。在其中存在N個可滲透的電極主體的實施方式 中，從電源向可滲透的電極主體2至N和充電電極施加陽極電勢可以包括同時將所有電極 主體和充電電極連接在一起，然后依次斷開電極主體2至N的每個電極主體?？蛇x擇地，在 一個實施方式中，從電源向可滲透的電極主體2至N和充電電極施加陽極電勢可以包括依 次單獨地連接和斷開每一個電極主體和充電電極（使得電極主體2連接到陽極電勢，然后 斷開，并且電極3連接到陽極電勢，依此類推，直到最終連接充電電極而完成增長）。
[0106] 在一個實施方式中，在充電過程中，充電電極可以只是最后的電極來接收陽極電 勢。例如，充電電極可以是氧化劑電極或單獨的電極。當(dāng)充電電極是單獨的電極時，它可以 具有不同于燃料電極的電極主體的專用的構(gòu)造，或可以與可滲透的電極主體相同（即，只 是又一個電極主體），但對于充電過程中燃料的增長并不繼續(xù)的事實失去原有效用。
[0107] 在圖1-圖2所示的上述實施方式中，對于哪些電極具有陽極電勢的漸進(jìn)改變可以 遵循通過每個可滲透的電極主體12a_12d的燃料增長，使得具有陽極電勢的電極保持為與 具有陰極電勢的電極相鄰間隔開的電極主體。如在以下附圖的實施方式中所示，開關(guān)系統(tǒng) 60可以被配置為選擇性地連接和斷開各種電極和電極主體，以保持陽極電勢和陰極電勢的 相鄰定位。
[0108] 圖9-圖12顯示電池10的切換系統(tǒng)60的實施方式。電池10通過第一端子130 和第二端子140可連接到電源PS、負(fù)載L或串聯(lián)的其他電池10,其中，第一端子130在再充 電過程中是負(fù)極（陰極），第二端子140在再充電過程中是正極（陽極）。如圖所示，電池 10具有包含可滲透的電極主體12a-12d的燃料電極12、充電電極70和氧化劑電極14。在 一個實施方式中，多個開關(guān)可以選擇性地將可滲透的電極主體12b-12d中的至少一些耦合 至電源（如電源PS)，以在電池10的再充電模式過程中施加陽極電勢，其中向至少電極主體 12a施加陰極電勢，這在下文更詳細(xì)描述。
[0109] 在圖9中，切換系統(tǒng)60包括旁路開關(guān)150,該旁路開關(guān)150配置為在第一端子 130和第二端子140之間提供直接連接。旁路開關(guān)150可以類似于美國專利申請公布 2011/0070506所述的旁路開關(guān)，在此通過參考將其完整引入。出于許多影響堆疊的性能的 原因，電池 10可以由旁路開關(guān)150進(jìn)行旁路。
[0110] 例如，在充電過程中具有陰極電勢的電極主體12a_12d和充電電極70之間的短 路（如下所述，通過電壓測量檢測的）可以導(dǎo)致充電過程中寄生電源的代價。由于電流在 充電電極和燃料電極之間的分流，電短路可以導(dǎo)致充電電極和燃料電極之間的電壓突然下 降。另一個例子是在放電過程中，具有較高的動能或歐姆損耗的任何電池10影響堆疊的往 返效率和放電功率。此外，電池10在放電過程中比其他電池10較早的燃料消耗可以導(dǎo)致 電池10中的電壓反轉(zhuǎn)和堆疊的功率損耗，而且可以通過在放電電壓低于某一臨界值時對 電池10進(jìn)行旁路來防止。在放電過程中鋅或其他燃料的完全消耗導(dǎo)致燃料電極和氧化劑 電極之間的電壓突然下降。可以使用用于檢測電池10的性能的任何其他標(biāo)準(zhǔn)，且此處的例 子是非限制性的。由于產(chǎn)量問題和有關(guān)電極的制造和裝配的問題，某些電池10可能無法滿 足性能要求（例如，在放電過程中的最大功率）。這些電池10可以以旁路模式永久放置。 其他電池10最初可以滿足性能要求，但是，可能具有循環(huán)壽命問題，且可以在性能低于所 需的限制后被置于旁路模式中。因此，通過旁路開關(guān)150對電池10進(jìn)行旁路提供了對于增 加堆疊的可靠性和性能的選擇。
[0111] 圖9的切換系統(tǒng)60還包括與氧化劑電極14關(guān)聯(lián)的氧化劑電極開關(guān)160。氧化劑 電極開關(guān)160在放電過程中將是關(guān)閉的，使得跨燃料電極12和氧化劑電極14的電勢可以 允許電流由第一端子130和第二端子140(其在放電過程中分別具有正和負(fù)的極性）之間 連接的負(fù)載引出。
[0112] 充電電極開關(guān)170可以與充電電極70關(guān)聯(lián)，使得當(dāng)在第一端子130和第二端子 140之間連接電源PS時，充電電極70可以電連接到第二端子140。正如下面所討論的，充電 電極70可能并不總是具有施加于其上的陽極電勢，并且在一個實施方式中，可能當(dāng)需要在 它和電極主體12d之間的燃料增長時，才具有陽極電勢。也顯示分別與電極主體12b-12d關(guān) 聯(lián)的開關(guān)180、190和200,所有這些同樣被配置為連接電極主體12b-12d到第二端子140。
[0113] 正如所指出的，有利的是具有陽極電勢的電極與具有陰極電勢的電極相鄰，從而 具有陰極電勢的電極上的增長增強。例如，相比具有陽極電勢的電極離最近的具有陰極電 勢的電極更遠(yuǎn)（即，如果中性電極將具有陽極電勢的電極和具有陰極電勢的電極分開）， 這種增強可以包括燃料增長的更大密度。這種增強的密度可能是由于初始的枝狀晶體 (dendrite)，其首先接觸遭到破壞的陽極主體，因為它們?nèi)狈ψ銐虻臋M截面來傳送陽極主 體和陰極主體之間的電流。也就是說，它們類似于受到過量電流的熔絲元件而熔化。這延 遲陽極主體和陰極主體之間的短路，這在以下情況下發(fā)生：密度進(jìn)一步增加，以提供足夠的 橫截面積（單獨地和/或共同地）的枝狀晶體，使得實現(xiàn)無干擾的電流傳導(dǎo)。另一個優(yōu)點 可以是：相比其中具有陽極電勢的電極離最接近的具有陰極電勢的電極更遠(yuǎn)（即，中性電 極將具有陽極電勢的電極和具有陰極電勢的電極分開）的配置，其中充電電極70和燃料電 極12之間的距離較低的配置中的電解質(zhì)IR損失較低。這種由陽極電極和陰極電極之間的 較少的距離產(chǎn)生的IR效率優(yōu)勢，可以在一些實施方式（其中，金屬的增長是在電極之間發(fā) 生）和在其他的實施方式（例如，其中氫離子正在被還原的金屬氫化物燃料）中實現(xiàn)。
[0114] 為了實現(xiàn)對于哪些電極具有陽極電勢的漸進(jìn)修改，為了說明具有陽極電勢的電極 和與具有陰極電勢的電極之間的轉(zhuǎn)變，將配置處于充電模式的電池10使得旁路開關(guān)150是 打開的，使得電流不繞過電池10。因為電池處于充電模式，氧化劑電極開關(guān)160也是打開 的，使得氧化劑電極14與電池10電斷開。由于最初電極主體12a上需要燃料增長，所以只 有電極主體12a電連接到第一端子130,向其施加陰極電勢。為了在與電極主體12a相鄰 的電極主體上建立陽極電勢，至少電極主體12b將電連接到第二端子140。為了實現(xiàn)圖示 實施方式中的這種電連接，至少關(guān)閉開關(guān)180。在一個實施方式中，電極主體12c-12d、充電 電極70也可以電連接到第二端子140,從而也可以具有陽極電勢。由于具有陽極電勢的電 極（即最初的電極主體12a)和具有陰極電勢的電極（即最初至少電極主體12b)之間的電 勢差，離子導(dǎo)電介質(zhì)中的可還原的燃料物質(zhì)可以在具有最初的陰極電勢的電極（電極主體 12a)還原，而離子導(dǎo)電介質(zhì)中的陽離子在電極主體12b(和向其施加陽極電勢的任何其他 主體/電極）氧化。
[0115] -旦在具有陰極電勢的電極上的燃料增長發(fā)展到某一點，例如，在具有陰極電勢 的電極和具有陽極電勢的電極之間形成電連接的點，切換系統(tǒng)60可以斷開具有陽極電勢 的短路電極主體，使得該電極主體具有施加于其的陰極電勢，并且同樣可以在相鄰的電極 主體之間形成電勢差。如果電連接沒有已經(jīng)存在，則這可能需要將相鄰的電極主體進(jìn)一步 電連接到第二端子140,從而在該主體上建立陽極電勢。例如，在圖9中，一旦電極主體12a 上的燃料增長導(dǎo)致與電極主體12b短路，打開開關(guān)180,使得這兩個電極主體12a和（通過 燃料增長的電連接的）電極主體12b具有陰極電勢。另一方面，關(guān)閉開關(guān)190(如果之前沒 有已經(jīng)關(guān)閉），使得至少電極主體12c具有陽極電勢，從而針對具有陰極電勢的電極和具有 陽極電勢的電極之間的電勢差保持相鄰電極主體分離。
[0116] 對于哪些電極具有陰極電勢和哪些電極具有陽極電勢的漸進(jìn)轉(zhuǎn)變可能會在開關(guān) 190和200打開的情況下在整個電池10中繼續(xù)，直至不需要或不可能有進(jìn)一步的進(jìn)展。例 如，在其中存在單獨的充電電極70的圖示說明的實施方式中，當(dāng)單獨的充電電極70是唯一 的具有陽極電勢的電極主體并且燃料電極12的所有可滲透的電極主體12a-12d具有陰極 電勢時，進(jìn)展會結(jié)束。當(dāng)電極主體12d上的燃料增長導(dǎo)致電極主體1