(57)【要約】  電気化学セルは、ミストがセルチャンバから逃げることを防止し、水分をセル内に保存するミスト除去システムを含む。例示的なミスト除去システムは、電気化学セルがひっくり返る転倒の際に電解質がセルチャンバから逃げることを削減または防止する流出防止装置を含む。ミスト除去システムは、水素と反応して水を生成する再結合部を含み、この水はセルチャンバ内に再導入され得る。ミスト除去システムは、酸／塩基反応のように、電解質と反応してｐＨを中性付近にする中和部を含む。ミスト除去システムは、ミストを捕捉するフィルタを含み、この水はセルチャンバ内に再導入され得る。ミスト除去システムは、水および他の液体がミスト除去システム内に入ることを防止するために疎水性フィルタを外面上に備える。
2019517097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルハウジングを備える電気化学セルであって、前記セルハウジングが、
ｉ）空気チャンバと、
ｉｉ）空気チャンバ空気入口と、
ｉｉｉ）空気チャンバ空気出口と、
ｉｖ）所定体積のイオン伝導性液体電解質を保持し、セルガスを含むガス空間を有する電解質チャンバと、
ｖ）前記空気チャンバと前記電解質チャンバとの間に構成された、ガス状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
ｖｉ）金属燃料を含み、前記電解質チャンバ内に少なくとも部分的に構成された燃料極と、
ｖｉｉ）前記電解質チャンバと排気ベントの間に構成され、前記イオン伝導性液体電解質を含むミストから前記セルガスを分離するミスト除去システムと、を備え、
前記燃料極が前記酸化剤還元極から離れて配置されて間隙を画定し、前記イオン伝導性液体電解質が前記間隙内にあり、
前記ミスト除去システムが前記所定体積のイオン伝導性液体電解質の上方に構成され、
前記ミスト除去システムが、
流出防止装置と、
前記ミストを捕捉する少なくとも１層のフィルタ媒質からなるフィルタ本体部と、を含み、
前記フィルタ本体部が、前記セルガスの透過を可能にする細孔を含む、電気化学セル。
【請求項２】
前記流出防止装置が、セルガスを前記流出防止装置を通って移動させるために入口から出口まで設けられた蛇行経路導管を含み、
前記蛇行経路導管の入口が、セルガスを受けるために前記電解質チャンバに面する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記流出防止装置が安全弁を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記安全弁が、下流側にシール座を有する導管内に保持されたボールを含み、前記ボールが前記シール座に押し付けられて、前記導管に入った液体が前記安全弁を通過することを防止する、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記フィルタ本体部が、前記セルの直立した向きにおいて上向きの頂点と、吸収されたイオン伝導性媒質を抜き出して前記電解質チャンバに戻すように前記頂点から下方に延びる本体表面とを有する凹形状に形成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記フィルタ本体部が、前記流出防止装置の下流側に構成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記ミスト除去システムが、前記セルガス内の水素ガスと反応して水を形成するように構成された水素再結合触媒を含む水素再結合部を更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
水素と前記再結合触媒との前記反応から得た前記水が、前記流出防止装置を通って前記セル内に戻される、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記水素再結合触媒が、ペロブスカイト、スピネル、白金系またはパラジウム系などの貴金属、ＭｎＯ2、ニッケル、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記水素再結合部が、前記流出防止装置の上流側に構成される、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記ミスト除去システムが、前記セルガスまたはミスト内に含まれる前記イオン伝導性液体電解質と反応し、それを中和させるように構成された中和媒質を含む中和部を更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記中和媒質が酸成分を含む、請求項１１記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記中和媒質が、クエン酸、シュウ酸、カルボン酸、スルファミン酸、安息香酸、ホウ酸、硫酸、塩酸、および硝酸からなる群から選択される酸成分を含む、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記中和媒質が固体酸を含む、請求項１１記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記中和部が前記フィルタの下流側に構成される、請求項１１記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記ミスト除去システムが、前記ミスト除去システムの排気端に構成された疎水性フィルタを更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記疎水性フィルタがフルオロポリマーフィルター媒質を含む、請求項１６に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記疎水性フィルタが、発泡微孔性フルオロポリマーフィルタ媒質を含む、請求項１６に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記ミスト除去システムが、
ａ）前記セルガス内の水素ガスと反応して水を形成するように構成された水素再結合触媒を含む水素再結合部と、
ｂ）前記セルガスまたはミスト内に含まれる前記イオン伝導性液体電解質と反応し、それを中和させるように構成された中和媒質を含む中和部と、
ｃ）前記ミスト除去システムの排気端に構成された疎水性フィルタと、を更に備え、
前記水素再結合部が、前記流出防止装置の下流側に構成され、
前記中和部が前記フィルタの下流側に構成され、
前記疎水性フィルタが、前記中和部の下流側であって、ミスト除去システムの外装上に構成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
前記ミスト除去システムが、第１のミスト除去スタックと第２のミスト除去スタックとを備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２１】
前記第１のミスト除去スタックおよび前記第２のミスト除去スタックがそれぞれ、中和部とフィルタ部とを含む、請求項２０に記載の電気化学セル。
【請求項２２】
前記第１のミスト除去スタックおよび前記第２のミスト除去スタックがそれぞれ、再結合部を含む、請求項２１に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
セルハウジングを備える電気化学セルであって、前記セルハウジングが、
ｉ）空気チャンバと、
ｉｉ）空気チャンバ空気入口と、
ｉｉｉ）空気チャンバ空気出口と、
ｉｖ）所定体積のイオン伝導性液体電解質を保持し、セルガスを含むガス空間を有する電解質チャンバと、
ｖ）前記空気チャンバと前記電解質チャンバとの間に構成された、ガス状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
ｖｉ）金属燃料を含み、前記電解質チャンバ内に少なくとも部分的に構成された燃料極と、
ｖｉｉ）前記イオン伝導性液体電解質を含むミストから前記セルガスを分離するように構成されたミスト除去システムと、を備え、
前記燃料極が前記酸化剤還元極から離れて配置されて間隙を画定し、前記イオン伝導性液体電解質が前記間隙内にあり、
前記ミスト除去システムが前記所定体積のイオン伝導性液体電解質の上方に構成され、
前記ミスト除去システムが、
流出防止装置および安全弁と、
前記イオン伝導性液体電解質の一部を吸収するための少なくとも１層のフィルタ媒質からなるフィルタ本体部と、
前記セルガス内の水素ガスと反応して水を形成するように構成された水素再結合触媒を含む水素再結合部と、
前記セルガスまたはミスト内の前記イオン伝導性液体電解質と反応し、それを中和させるように構成された中和媒質を含む中和部と、
前記ミスト除去システムの排気端に構成された疎水性フィルタと、を含み、
前記流出防止装置および安全弁が、
導管内に保持されたボールと、
前記導管の下流側のシール座と、を含み、
前記ボールが前記シール座に押し付けられて、前記導管に入った液体が前記安全弁を通過することを防止し、
前記フィルタ本体部は、前記セルガスの透過を可能にする細孔を含み、
前記水素再結合部が、前記流出防止装置の下流側に構成され、
前記中和部が前記フィルタの下流側に構成され、
前記疎水性フィルタが、前記中和部の下流側であって、ミスト除去システムの外装上に構成される、電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、米国特許仮出願第６２／３６５，９２４号（２０１６年７月２２日出願）に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
本開示は電気化学セル用のミスト除去および水管理システムに関し、特に空気吸入カソードを備え、液体イオン伝導性媒質を利用する電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの種類の電気化学セルは、セル内の電気化学反応を支持するために液体イオン伝導性媒質を用いている。電気化学セルは、任意の好適な燃料から構成される燃料極と接続された空気吸入極を利用する場合がある。例えば、金属空気電気化学セルシステムは複数のセルを含んでもよい。各セルはアノードとして働く燃料極を有しており、この電極において金属燃料が酸化される。また、各セルは空気吸入酸化剤還元極を有しており、この電極において周囲空気からの酸素が還元される。このようなセル内の液体イオン伝導性媒質は、上記電極間で酸化／還元されたイオンを伝達してもよい。
【０００３】
様々なイオン伝導性媒質において、イオン伝導性媒質からの水分の蒸発、電気分解（例えば、再充電または自己放電における水の分解）またはその他の要因による水分の喪失は、電気化学セルに弊害をもたらす可能性がある。特に運転に水を必要とするセルについてはなおさらである。一部の電気化学セルシステムにおいては、セルの充電および／または放電の際に様々なガスが発生する可能性がある。このようなガスはセルに対して有害であり、セルを破損させたり性能を低下させたりすることがある。例えば、発生したガスがセル内の限られた容積内で圧力を上昇させることにより、電気化学セルに障害が生じることがある。場合によっては、潜在的に揮発性のガスまたは混合ガスの発生によって、当該セルおよび潜在的にその周囲の部材に障害が生じることがある。よって、一部の電気化学セルは内部にベントを備えることによって、そのようなガスを周囲環境に逃し、分散させるように構成されている。例えば、米国特許出願第１３／５６６，９４８号は、電気化学セルの外部にガスを分散させるように構成された薄膜ガスベントを開示している。当該特許出願はＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許第９，２１４，７０８号として現在発行されており、参照により全体として本明細書に組み込まれる。他の例として、米国特許出願第１３／６６６，８６４号は、電気化学セルの外部にガスを分散させるように構成された親水性のガスベントを開示している。当該特許出願はＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許第９，２６９，９９６号として現在発行されており、参照により全体として本明細書に組み込まれる。他の電気化学セルは圧力解放弁を備えるように構成されてもよく、この圧力解放弁は、典型的には通常の圧力条件下では閉じられ、セル内の圧力が閾値量を超えた場合に開放される。圧力解放弁は、単に圧力が閾値限界より低くなるまで、セルから短時間ガスを流出させてもよい。
【０００４】
イオン伝導性媒質は水溶液であってもよい。好適な媒質には、例えば、硫酸、燐酸、トリフリン酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硝酸カリウム、または塩化リチウムを含む水溶液が含まれる。一部の実施形態において、イオン伝導性媒質は水性の水酸化カリウムである。一実施形態において、イオン伝導性媒質は、電解質を含んでもよい。例えば、米国特許出願第１２／７７６，９６２号において述べられているように、従来の液体電解質溶液を用いてもよく、または室温イオン液体を用いてもよい。当該特許出願はＡｒｉｚｏｎａ  Ｂｏａｒｄ  ｏｆ  Ｒｅｇｅｎｔｓの米国特許第８，８９５，１９７号として現在発行されており、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる。
【０００５】
液体電解質を含む一部の電気化学セルシステムでは、発生する様々なガスは、少量の液体電解質をその中に同伴する可能性があり、このことは結果として生じるミスト、エアロゾル、またはスプレーの放出のためにセルおよび周囲の部材に有害であり得る。本出願の意図は、電気化学セルにおける所定体積の液体電解質内で気泡が発生することによって生じるミストまたはエアロゾルを捕捉し、当該ミストの液体部分を液体電解質の主要量に戻す一方で、当該ミストの気体部分を周囲環境に分散する効果的で改良された方法を提供することである。
【０００６】
金属空気電気化学セルは、非常に高温および乾燥した環境を含む広範囲の環境条件で利用される。乾燥した環境中の金属空気電気化学セルは、液体イオン伝導性媒質から水分が損失する結果として、有効性および／または寿命が制限される可能性がある。従って、乾燥状態で動作する場合、セル内の水分を保存することが特に重要である。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は電気化学セル、例えば、ミスト除去システムを有する金属空気電気化学セルに関する。充電式金属空気電池などの金属空気電気化学セルは、通常のサイクル条件の間、イオン伝導性媒質または電解質からミストを生成する。金属燃料電極の自己放電は水素泡を発生させ得る一方、電解質中の金属燃料イオンを還元することによる金属燃料電極の充電は、水または水酸化物イオンの酸化を介して正電極上の酸素ガスの発生とバランスをとる。発生したガスは合体して気泡を形成し、これらの気泡が電解質の表面で破裂して電解質の微細ミストを生成する。生成された微細ミストはセルベントを通ってセルを出るガス流出物中に同伴される。ミスト除去システムがなければ、ミストは排気ベントを通ってセルから運び出され、それによって電解質の体積が減少する。
【０００８】
セル内に電解質を保存することは重要であり、特に乾燥した環境においてはなおさらである。本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、流出防止装置と、フィルタと、再結合部と、中和部と、疎水性フィルタとを含む。例示的なフィルタはミストを捕捉し、ミストをセルに戻すことができる。蛇行経路ベントまたは弁などの流出防止装置を用いて、転倒の際に液体電解質がセルから自由に流出することを防止または実質的に防止する。例示的な再結合部は、水素ガスと反応して水を形成する再結合触媒を含む。例示的な中和部は、酸性または腐食性の電解質と反応してそれを中和する。例示的な疎水性フィルタは、ミスト除去システムの外側に構成され、液体水がセルに入ることを防止または実質的に防止する。
【０００９】
本開示の電気化学セルは、各実施形態によれば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／３６５，８６６号に記載されているように、水分、すなわち水および二酸化炭素管理システムを更に含んでもよい。例示的な水分および二酸化炭素管理システムは、液体電解質を有する金属空気セル、燃料電池、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）、燃料電池、および特にアルカリ燃料電池を含む様々な電気化学セルにおいて利用され得る。例示的な水および二酸化炭素システムは、電気化学セルから流出する空気から当該セルに流入する空気へ水分を移動させるための湿気交換膜（ＨＥＭ）を含む。例示的な水および二酸化炭素システムは、電気化学セルに送達される前の流入空気から二酸化炭素を除去するスクラバを備えてもよい。多くの電気化学反応は、酸素が豊富な空気の供給または還元された二酸化炭素を伴う空気流の恩恵を受ける。例示的な水および二酸化炭素システムは、電気化学的セルから出る空気の少なくとも一部を、セルに流入する空気中に再循環させる再循環弁を備えてもよい。多くの電気化学セルは、熱と高湿度の排気流を生成するため、この水分を再循環によって保存することにより、システム内の水分を効果的に保存することができる。
【００１０】
様々な水管理技術が本明細書に記載されている。２０１６年３月２２日に出願され、「空気極を備えた蒸気循環機能付きの電気化学セル内の水管理システム（Ｗａｔｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ  ｗｉｔｈ  Ｖａｐｏｒ  Ｒｅｔｕｒｎ  Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ  Ａｉｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）」と題するＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許出願第１５／０７７，３４１号は、いくつかの他の水管理システムおよび技術を記載しており、当該特許出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００１１】
本開示の概要は、本開示の実施形態のいくつかの概括的な説明として提供され、限定することを意図するものではない。本開示の変形形態および代替形態を含む追加の例示的な各実施形態が本明細書に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面は、本開示の更なる理解のために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成し、本開示の各実施形態を説明し、明細書の記載と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【００１３】
【図１】浸漬された酸化剤還元極を有する電気化学セルの模式図である。
【００１４】
【図２】電気化学セルの境界壁を画定する酸化剤還元極を有する電気化学セルの模式図である。
【００１５】
【図３】例示的な電気化学セルの斜視図である。
【００１６】
【図４】ミスト除去システムを有する例示的な電気化学セルの断面模式図である。
【００１７】
【図５】例示的なミスト除去システムのブロック図である。
【００１８】
【図６】導管内にボールを有し、導管の下流端上にシール座を有する例示的な安全弁の断面図である。
【００１９】
【図７】ボールがシール座に押し付けられて、導管内の液体が安全弁を通過することが防止されている、図６に示された例示的な安全弁を示す。
【００２０】
【図８】第１のミスト除去スタックおよび第２のミスト除去スタックを備える例示的なミスト除去システムの断面図である。
【００２１】
【図９】導管内にボールを有し、導管の下流端上にシール座を有する例示的な安全弁の断面図である。
【００２２】
【図１０】例示的な安全弁の底面図または入口図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
対応する参照符号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。これらの図面は、本開示の実施形態のいくつかを説明する図であり、いかなる形においても本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。また、これらの図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、一部の特徴は特定の構成部分の詳細を示すために誇張されている場合がある。従って、本明細書に開示される具体的な構造的および機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に当業者に本開示を様々に用いることを教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００２４】
本明細書において用いられる場合、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含を含むことが意図されている。例えば、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されるものではなく、明白に列挙されていないか、あるいはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に本来備わっている他の要素を含んでもよい。また、本明細書に記載されている要素および構成部分の説明に「ａ」または「ａｎ」が用いられる。これは、単に便宜上のためであり、本開示の範囲の一般的な意味を与えるためである。この説明は、１つまたは少なくとも１つを含むように読まれるべきであり、単数形は、他の意図が明らかでない限り、複数形をも含む。
【００２５】
本開示の特定の例示的な各実施形態が本明細書に記載され、添付の各図面に示されている。記載された各実施形態は、本開示を説明するためのものに過ぎず、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本開示の他の各実施形態、および記載された各実施形態の特定の変形、組み合わせ、および改良は、当業者が思い付くであろうものであり、そのような代替的な各実施形態、組み合わせ、変形、改良は全て本開示の範囲内である。
【００２６】
本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、ミストまたはセルガスまたは蒸気の形態であってもよい、電気化学セルからの電解質などの液体イオン伝導性媒質の損失を制御するように構成される。ミスト除去システムは、例えば、安全ベント、バッフルまたは弁、フィルタ、水素再結合触媒、中和剤、および疎水性フィルタ、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、セルの転倒の際に、液体イオン伝導性媒質または電解質の漏れを防止または実質的に防止し、捕捉された水分並びに化学的に形成された水を抜き出してセルに戻すことによって水分を保存する。
【００２７】
例示的な実施形態において、ミスト除去システムは、安全ベント、バッフルまたは弁のような流出防止装置を備え、転倒の際に液体がセルから漏れることを防止または実質的に防止する。例示的な実施形態において、安全弁は、弁の少なくとも下流側にシール座を有する導管内を自由に移動する球状栓を含み、セルが転倒した場合、その内部の液体媒質が導管内に流れ、球面座に球状栓を押し付け、それによって栓をし、セルからの液体の流出を止める（または実質的に止める）。ただし、通常運転下では、球状栓の周囲を空気が流れ、セルを通気する。別の例示的な実施形態において、蛇行経路導管を有するベントは、液体電解質がセルからフィルタ内に直接漏れることを防止または実質的に防止する。安全ベントは、セルが落下し、液体電解質が安全ベントと直接接触する転倒の際に、フィルタおよびミスト除去システムの残りの部分上の静水頭を防止（または実質的に防止）および低減するために螺旋状、さもなければジグザグ状に延びる導管を含んでもよい。一実施形態において、例示的なミスト除去システムまたはミスト除去システムの流出防止装置は、栓をするか、さもなければ蓋をして封止されるなどにより、出荷中閉じられ、封止されていてもよい。圧力解放弁は、出荷中並びに運転中にセル内から圧力を解放するように構成されてもよく、セル内の圧力が閾値を超えたときに開くように構成されてもよい。
【００２８】
本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムはフィルタを含み、当該フィルタは安全ベントの下流側に構成されてもよく、不織布または織物のフィルタ媒質または膜を含んでもよい。例示的な実施形態において、このフィルタは凹状フィルタであり、このことは２０１６年２月２３日発行の「電気化学セル用凹状ガスベント（Ｃｏｎｃａｖｅ  Ｇａｓ  Ｖｅｎｔ  Ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ）」と題するＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許第９，２６９，９９８号明細書に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。例示的なフィルタは、イオン伝導性液体またはミストの一部を吸収するように少なくとも１つの層からなるフィルタ本体部を含む。本体部分は、直立した向きにあるときのセルの頂部に向かって配置された頂点と、吸収されたイオン伝導性媒質を抜き出して内部チャンバに戻すように前記頂点から下方に延びる各本体表面とを有する凹形状に形成される。本体部分は、ガスの透過を可能にするように細孔を含む。フィルタは、約８０％より高い効率、約９０％より高い効率、約９５％より高い効率、約９９％より高い効率、および提供された効率値の間およびそれらを含む任意の範囲を有するなど、安全ベントを通過するミストおよび蒸気の除去に非常に効率的であり得る。
【００２９】
一実施形態において、フィルタ層は少なくとも部分的に疎水性であってもよく、それによって、前述の合体および液滴の抜き出しが容易になり得る。非限定的な例として、フィルタ層はポリプロピレンフェルトを含んでもよい。そのような材料は、織物技術において知られている用語によるニードルパンチングによって形成されたランダム繊維の不均一なマットであってもよい。様々な実施形態において、フィルタ材料は、フェルト形状（すなわち可撓性）であってもよく、または剛性多孔質層を形成するために焼結されてもよく、またはこれらの材料が配列されたものであってもよい。フィルタ層８５は、任意の好適な材料から構成されてもよい。このような材料の非限定的な例には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フルオロポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、およびノリル（すなわち変性ポリフェニレンエーテル）、それらの組合せおよび誘導体が含まれるが、これらに限定されない。一部の実施形態において、材料の少なくとも一部は、表面処理（例えば、疎水性／親水性の改質）によって改質されてもよい。一部の実施形態において、フィルタは、鋼、ステンレス鋼、青銅、および銅などの構成金属を含むがこれらに限定されない多孔質金属フォームを含んでもよく、一部の実施形態においては、ニッケルおよびその合金などの金属層でコーティングされてもよい。
【００３０】
本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、セルの自己放電または過充電から形成され得る水素／酸素と反応する再結合触媒を含む水素再結合部を含む。水素再結合触媒は、酸素または他の支持媒質の存在下で水素と反応して水を形成する任意の好適な触媒であってもよい。例示的な再結合触媒には、ペロブスカイト、スピネル、白金系またはパラジウム系などの貴金属、ＭｎＯ2、ニッケル、またはこれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。例示的な再結合部は、電解質液に直接曝されないように再結合触媒を保護するために、流出防止装置およびフィルタの下流側に構成されてもよい。
【００３１】
本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、ミスト除去システムを通過するガス中の液体イオン伝導性媒質と反応する中和剤を含む。本明細書において用いられる場合、中和するとは、ミストまたは気相中の液体イオン伝導性媒質を中和媒質と反応させて、中性付近のｐＨ、例えば一部の実施形態において、４と１０の間、より好ましくは５と９の間、更により好ましくは６と８の間である反応生成物を生成することを意味する。例えば、酸を含む中和媒質を用いて、水酸化カリウムＫＯＨのような任意の腐食性電解質と反応させてもよい。中和剤は、固体酸、または炭素または他の支持媒質に担持された酸を含んでもよい。酸は、例えば、炭素または他の支持材料上にコーティングされてもよい。中和剤は、顆粒化または粉末中和媒質で構成されてもよく、充填床の形態であってもよい。中和剤は、イオン伝導性媒質との反応において中和媒質が消費されて補充が必要となるため、交換可能な中和モジュールに構成されてもよい。例示的な中和部は、流出防止装置、フィルタ、および再結合部の下流側に構成されてもよい。例示的な中和剤は、クエン酸、シュウ酸、カルボン酸、スルファミン酸、安息香酸、ホウ酸、硫酸、塩酸、および硝酸のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００３２】
本開示の各実施形態による例示的なミスト除去システムは、ミスト除去システムの出口に構成されてもよい疎水性フィルタを含み、それによって、いかなる液体も疎水性フィルタを通ってセルから逃さないようにし、かつ、水が環境からセル内に入ることを防止または実質的に防止する。疎水性フィルタは、微孔性フルオロポリマー膜などのフルオロポリマー、発泡ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜などの発泡フルオロポリマー膜、ポリマー膜、フォーム、織物媒質、または不織媒質などから構成されてもよい。微孔性媒質または膜は、コールターポロメーターにより、および／またはＡＳＴＭ  Ｆ  ３１６「バブルポイントおよび平均流孔試験による膜フィルタの孔径特性のための標準試験方法」に従って測定される、約５μｍ未満、約２μｍ未満、または１μｍ未満である平均流孔径を有してもよい。これらの膜は、本質的に疎水性であってもよく、または液体水ウエットアウトを防止または実質的に防止するために媒質の表面エネルギーを低減させる疎水性コーティングを含んでもよい。
【００３３】
本開示の各実施形態によるミスト除去システムは、ミスト除去を確実にするため、および場合によっては安全係数を得るために、ベントバッフルまたは弁、フィルタ、水素再結合触媒、中和剤、および疎水性フィルタを含む１つ以上の要素の多数の層を含んでもよい。例えば、疎水性フィルタ媒質の２つ以上の層をミスト除去モジュールに組み込んでもよい。別の実施形態において、複合スタック全体またはその一部が別個の層に複製される。
【００３４】
電気化学セル１００の各部は任意の好適な構造または組成からなっていてもよく、これにはプラスチック、金属、樹脂、またはこれらの組合せからなることが含まれるが、これらに限定されない。従って、セル１００は、複数の要素から形成したり、一体に成型したり、といった任意の方法で組み立て得る。様々な実施形態において、セル１００および／またはハウジング１１０は、米国特許第８，１６８，３３７号、第８，３０９，２５９号、第８，４９１，７６３号、第８，４９２，０５２号、第８，６５９，２６８号、第８，８７７，３９１号、第８，８９５，１９７号、第８，９０６，５６３号、第８，９１１，９１０号、第９，２６９，９９６号、第９，２６９，９９８号、および米国特許出願公開第２０１００３１６９３５号、第２０１１００７０５０６号、第２０１１０２５０５１２号、第２０１２００１５２６４号、第２０１２００６８６６７号、第２０１２０２０２１２７号、第２０１２０３２１９６９号、第２０１３００９５３９３号、第２０１３０１１５５２３号、および第２０１３０１１５５２５号のうちの１つ以上に記載された要素または構成を含んでもよく、これらはそれぞれ参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００３５】
図１は電気化学セル１００の概略断面図である。図示のように、電気化学セル１００の各構成部分は少なくとも部分的に、付属のハウジング１１０内に収容されてもよい。セル１００は、ハウジング１１０内に収容され、その中で循環してセル１００内でイオンを伝導するように構成された、電解質１２６のような液体イオン伝導性媒質１２４を利用する。イオン伝導性媒質は、時にハウジング１１０内で、例えば停滞域において、概ね静止することがあるが、セル１００はイオン伝導性媒質の対流を生成するように構成されてもよいことが理解され得る。一部の実施形態において、イオン伝導性媒質の流れは、セル１００内で発生したガスの泡によって生成される対流であってもよく、このことは例えば、米国特許出願番号第１３／５３２，３７４号に記載されており、この出願は全体として参照により上記に組み込まれる。これらの気泡は、本明細書で説明するように、例示的なミスト除去システムに運ばれる液体イオン伝導性媒質のミストを生成し得る。
【００３６】
図１に示された実施形態において、酸化剤還元極１５０が酸化剤還元極モジュール１６０と共にセルチャンバ１２０内に浸漬されるようにセルハウジングが構成されているが、様々な実施形態においては、セル１００の他の構成または配置も可能であることが理解され得る。例えば、図２において、セル１００の別の実施形態（具体的には、セル１００*）が提示されているが、ここで酸化剤還元極１５０*はセルチャンバ１２０の境界壁を画定しており、ハウジング１１０*の一部に封止されてこれらの間にイオン伝導性媒質が浸出することを防止または実質的に防止する。ただし、このような構成は、酸化剤還元極１５０*の破壊がセル１００*からのイオン伝導性媒質の漏れをもたらすという懸念があるため、一般的には好ましくない。いずれにせよ、一部のこのような実施形態において、以下により詳細に説明するセルチャンバ１２０内のイオン伝導性媒質の対流は、燃料電極１３０の上部を横切って、上方および酸化還元極１５０*から離れる方向にあってもよい。
【００３７】
図３に示すように、例示的な電気化学セル１００は、液体電解質を保持するハウジング１１０と、空気入口４０と、排気口またはベント４５とを備える。電気化学セルはまた、負荷および／または電源に接続するための端子４４も備える。カバー１１１がセルを覆って延びている。
【００３８】
図４に示すように、ミスト除去システム８０は、セルチャンバ１２０内で、イオン伝導性媒質１２４、電解質１２６の表面から、その表面へのガスのバブリングのために発生するミスト１２８を低減および／または除去し、および転倒の際に電解質が漏れることを防止または実質的に防止するように構成されている。ミスト除去システムは、ミスト１２８の逃げを防止または実質的に防止することによって、および水を生成する水素の反応を通して、電気化学セル１００の内部チャンバ１２２内の水分を保存する。図４には、セルチャンバ内の圧力が閾値圧力を超える場合など、必要に応じてセルチャンバ１２０内からの圧力を解放するように構成された圧力解放弁９４も示されている。
【００３９】
ミスト除去システムは、流出防止装置８２、およびセルハウジング１１０の内部チャンバ１２２と連通し、そのため、イオン伝導性媒質１２４および／またはその上のガス空間に曝される安全ベント８３を含む。例示的な安全ベントは、任意の液体電解質のミスト除去システムの下流部分への移動を遅らせる蛇行経路導管９９を含む。蛇行経路導管は、内部開口９５と外部開口９６との間に延長された導管長を作り出すために、螺旋状またはジグザグ状に前後に延びる比較的小型の導管であってもよい。
【００４０】
フィルタ８５は、安全ベントの下流側に構成され、吸収されたイオン伝導性媒質を抜き出してアノードチャンバに戻す凹形フィルタであってもよく、このことはＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許第９，２６９，９９８号「電気化学セル用凹状ガスベント（Ｃｏｎｃａｖｅ  Ｇａｓ  Ｖｅｎｔ  Ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ）」に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００４１】
例示的なミスト除去システムは、任意の水素と反応して水を形成する水素再結合触媒８７を有する水素再結合部８６を含む。触媒は、粒子またはアノード空間からセルハウジングを出るガスに曝されるミスト除去システムの表面のような支持材料上に構成されてもよい。空気は、疎水性フィルタを通ってミスト除去システムに入り、水素再結合反応に用いられる酸素を提供してもよい。セル内では、式Ｚｎ＋２Ｈ2Ｏ→Ｚｎ（ＯＨ）2＋Ｈ2に相当する金属アノードでの寄生腐食反応または水還元反応、または金属空気電池において用いられる金属の種類に応じた同様の反応が起こる可能性がある。このような水素ガスは、発生した酸素よりもはるかに少ない量であり得るが、セル１００内の水素の存在は一般的には望ましくないことが理解され得る。更に、電気化学セルからの排気流中の水素ガスを反応させて、セルからの水素の流出を防止（または実質的に防止）し、かつ、腐食反応中に失われた水を再生してセルに戻すことが望ましい。
【００４２】
例示的なミスト除去システムは、イオン伝導性媒質を中和するように構成された酸成分９２のような中和媒質９１を含む中和部９０を含む。例えば、イオン伝導性媒質は、腐食性である水酸化カリウム溶液を含んでもよく、中和剤は、固体酸または、例えば、炭素に組み込まれた酸のような支持材料と組み合わされた酸であってもよい。中和剤は、アノードチャンバまたはミストフィルタ材料８５によって捕捉されないイオン伝導性媒質を収容しているチャンバから排出されてもよい任意の反応性電解質を排除するように構成される。中和剤は、シリカなどのイオン伝導性媒質または分子篩を吸収および同伴し、または吸収およびそれと反応する吸収剤を含んでもよい。中和剤はまた、固体酸または塩基、または活性炭などの多孔質媒質に同伴された液体酸または塩基などの反応性材料を含んでもよい。イオン伝導性媒質が水酸化カリウムなどの塩基である場合、中和剤は、クエン酸、シュウ酸、カルボン酸、スルファミン酸、安息香酸、ホウ酸、硫酸、塩酸、および硝酸のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００４３】
図４に示されたミスト除去システム８０はまた、セルの外部から水分がセル内に入ることを防止または実質的に防止し、いかなる液体もミスト除去システムを通って流出しないように防止または実質的に防止してもよい疎水性フィルタ９８も含む。疎水性フィルタはまた、外面から液体が転がり落ちることを容易にし、内面上の結露が転がり落ちることを促進するために、凹形またはドーム形であってもよい。
【００４４】
図５はミスト除去システムのブロック図を示す。図示されているように、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、酸素ガス（Ｏ2）、並びに水素ガス（Ｈ2）がミスト除去システムに入ってもよい。安全弁のような流出防止装置は、図６および図７に示されるように、液体イオン伝導性媒質がセルチャンバから自由に流出することを防止または実質的に防止する。安全弁は、電気化学セルが倒されるなど、転倒の際に安全弁を介して液体がセルチャンバから流出するのを防止または実質的に防止する。安全弁の下流側には、安全弁を通過する可能性のある任意のミストを捕捉するためのフィルタがある。フィルタの下流側には、水素と反応して水を形成する再結合触媒を含む再結合部がある。酸素は、この反応のために周囲環境から利用可能であってもよく、疎水性フィルタを通して入ってもよい。再結合部の下流側には、ＫＯＨなどの残留している電解質と反応してそれを中和する中和部がある。ＫＯＨは塩基であり、中和媒質は、この典型的な塩基と反応してそれを中和する酸成分を含んでもよく、この反応は酸性または塩基性でなく、例えば４と１０の間、そして好ましくは５と９の間のｐＨを有する生成物を生成する。電解質が酸である場合、中和媒質は塩基を含んでもよい。中和部の下流側には、周囲環境から水がミスト除去システム内に入ることを防止または実質的に防止する疎水性フィルタがある。疎水性フィルタはまた、電解質などの液体がミスト除去システムを通って逃げることも防止または実質的に防止してもよい。中和部と再結合部は、位置を相互に置き換えられてもよいことが理解されるべきである。更に、一部の実施形態において、再結合部はフィルタおよび／または転倒弁の上流側に構成されてもよい。ただし、再結合部を液体電解質への直接曝露から保護することが好ましい。直接曝露によって再結合触媒の寿命および有効性が低下する可能性があるからである。
【００４５】
図６および図７に示すように、流出防止装置８２は、ボール３０２を有し、導管３０１を備えた安全弁３００であり、ボール３０２はガスがボールの周囲を入口３０５から出口３０６まで通過することができるように導管内を浮動または移動する。図６に示すように、ボールの上部および周囲のガスの流れは、ボールを持ち上げてガスがボールの周囲を流れることができるようにしてもよい。ただし、液体が安全弁に入ると、図７に示すように、液体がボール３０２をシール座３０４に対して押し上げて、液体が出口３０６から流出することを防止または実質的に防止する。従って、この安全弁は自己調整式であり、流出防止弁である。
【００４６】
図８に示すように、例示的なミスト除去システム８０は、第１のミスト除去スタック８１および第２のミスト除去スタック８１'を含む。ミスト除去スタックは、流出防止装置と、再結合部と、フィルタと、中和部と、疎水性フィルタとを含むミスト除去システムの２つ以上の構成部分を含む。第１のミスト除去スタックは、水素再結合部８６と、安全弁３００を含む流出防止装置と、フィルタ８５と、中和部９０と、疎水性フィルタ９８とを含む。第１のミスト除去スタック８１と第２のミスト除去スタック８１'との間には間隙すなわち空間が存在する。第２のミスト除去スタック８１'は、水素再結合部８６と、フィルタ８５と、中和部９０と、疎水性フィルタ９８とを含む。２層ミスト除去システムは、セルチャンバからの排出物の水分減少と中和をより確実にする。より少ない部品でミスト除去システムを構成し得ることが理解されるべきである。例えば、一部の実施形態において、フィルタ８５のみを用いてもよく、または中和剤９０のみを用いてもよい。使用されるミスト除去部品の数および種類は、用途、使用状態、および電気化学セルの使用が意図された環境に基づいて変更することができる。
【００４７】
図９に示すように、例示的な安全弁３００は、導管３０１内にボール３０２を有し、導管の下流端にシール座３０４を有する。出口３０６の下流３０８に凝縮する流体は、出口開口を通って流れ落ち、ボールの外周を回り込んで入口３０５を通って安全弁の下方のセルチャンバ内に戻る。ボールは再びシール座３０４に押し付けられ、セルがひっくり返った場合に液体がセルチャンバから漏れることを防止（または実質的に防止）する。
【００４８】
図１０に示すように、例示的な安全弁３００は、ボール（図示せず）を保持するためのバレル３１１と、液体が下流側から自由に流れてセルチャンバ内に戻ることができるように、バレルの内部からバリアの外部にかけて設けられた複数のスロット３１２、３１２'または開口とを有する。図示された各スロットは、バレル長の一部に沿って下方に延びる。バレル内に１つまたは２つ以上のスロットまたは開口を設けて、液体がそこを通って流れることができるようにしてもよい。バレルは、ボールを保持し、通気の必要に応じてボールが上下に動く、またはバレルの内部に沿って動く、またはボールが転倒時にバルブを封止することを可能にするための円筒状部材である。
【００４９】
当業者には、本開示において、開示の精神または範囲から逸脱することなく種々の変更、組み合わせ、および変形が可能であることは明白であろう。本明細書に記載の具体的な実施形態、特徴、および要素は、任意の好適な方法で変更および／または組み合わされてもよい。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入る本開示の変更、組み合わせ、および変形を包含することが意図される。
【図１】
2019517097.tif 000003
【図２】
2019517097.tif 000004
【図３】
2019517097.tif 000005
【図４】
2019517097.tif 000006
【図５】
2019517097.tif 000007
【図６】
2019517097.tif 000008
【図７】
2019517097.tif 000009
【図８】
2019517097.tif 000010
【図９】
2019517097.tif 000011
【図１０】
2019517097.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月22日(2018.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルであって、
ｉ）空気チャンバと、
ｉｉ）空気チャンバ空気入口と、
ｉｉｉ）空気チャンバ空気出口と、
ｉｖ）電解質チャンバと、
を含むセルハウジングと、
前記電解質チャンバ内のイオン伝導性液体電解質であって、前記電解質チャンバ内の前記電解質の上方にガス空間が画定され、前記ガス空間はセルガスを有する、イオン伝導性液体電解質と、
前記空気チャンバと前記電解質チャンバとの間の、ガス状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
前記電解質チャンバ内に少なくとも部分的に配置された、金属燃料を含む燃料極と、
前記電解質チャンバと排気ベントの間に構成され、前記イオン伝導性液体電解質を含むミストから前記セルガスを分離するミスト除去システムと、
を備え、
前記ミスト除去システムが前記所定体積のイオン伝導性液体電解質の上方に構成され、
前記ミスト除去システムが、
流出防止装置と、
前記セルガス内の水素ガスと反応して水を形成するように構成された水素再結合触媒を含む水素再結合部と、
前記ミストを捕捉する少なくとも１層のフィルタ媒質からなるフィルタ本体部と、
前記ミスト内に含まれる前記イオン伝導性液体電解質と反応し、それを中和させるように構成された中和媒質を含む中和部と、を含み、
前記フィルタ本体部が、前記セルガスの透過を可能にする細孔を含み、
前記中和部が、前記水素再結合部、前記フィルタ本体部、および前記流出防止装置の下流側に構成される、電気化学セル。
【請求項２】
前記流出防止装置が、セルガスを前記流出防止装置を通って移動させるために入口から出口まで設けられた蛇行経路導管を含み、
前記蛇行経路導管の入口が、セルガスを受けるために前記電解質チャンバに面する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記流出防止装置が安全弁を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記安全弁が、下流側にシール座を有する導管内に保持されたボールを含み、前記ボールが前記シール座に押し付けられて、前記導管に入った液体が前記安全弁を通過することを防止する、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記フィルタ本体部が、前記セルの直立した向きにおいて上向きの頂点と、吸収されたイオン伝導性媒質を抜き出して前記電解質チャンバに戻すように前記頂点から下方に延びる本体表面とを有する凹形状に形成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
水素と前記再結合触媒との前記反応から得た前記水が、前記流出防止装置を通って前記セル内に戻される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記水素再結合触媒が、ペロブスカイト、スピネル、白金系またはパラジウム系などの貴金属、ＭｎＯ２、ニッケル、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記水素再結合部が、前記流出防止装置の上流側に構成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記中和媒質が酸成分を含む、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記中和媒質が、クエン酸、シュウ酸、カルボン酸、スルファミン酸、安息香酸、ホウ酸、硫酸、塩酸、および硝酸からなる群から選択される酸成分を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記中和媒質が固体酸を含む、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記ミスト除去システムが、前記中和部の下流側において前記ミスト除去システムの排気端に構成された疎水性フィルタを更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記疎水性フィルタがフルオロポリマーフィルター媒質を含む、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記疎水性フィルタが、発泡微孔性フルオロポリマーフィルタ媒質を含む、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記ミスト除去システムが、第１のミスト除去スタックと第２のミスト除去スタックとを備え、前記第１のミスト除去スタックおよび前記第２のミスト除去スタックはそれぞれ、前記水素再結合部と、前記フィルタ本体部と、前記中和部とを含み、前記フィルタ本体部の各々は、前記セルガスの透過を可能にする細孔を含み、前記中和部の各々は、それぞれの前記スタック内の前記水素再結合部および前記フィルタ本体部の下流側に構成され、前記第２のミスト除去スタックが前記第１のミスト除去スタック上に積み重ねられている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記流出防止装置が安全弁を含み、
前記安全弁が、
導管内に保持されたボールと、
前記導管の下流側のシール座と、を含み、
前記ボールが前記シール座に押し付けられて、前記導管に入った液体が前記安全弁を通過することを防止し、
前記ミスト除去システムが、疎水性フィルタを更に含み、
前記疎水性フィルタが前記ミスト除去システムの排気端に構成され、
前記疎水性フィルタが、前記中和部の下流側であって、ミスト除去システムの外装上に構成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記ミスト除去システムが、前記水素再結合部と、前記フィルタ本体部と、前記中和部とを含むスタックを備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記燃料電極が前記酸化剤還元極から離れて配置されて間隙を画定し、前記イオン伝導性液体電解質が前記間隙内にある、請求項１に記載の電気化学セル。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2019517097.tif 000013
【国際調査報告】
2019517097.tif 000014
2019517097.tif 000015
2019517097.tif 000016