(57)【要約】  システムの作動中に取り外しが可能なスクラバーからセル中に空気を引き込む空気流装置を用いる電気化学セルを提供する。スクラバーが取り外されているとき、空気流装置によって生成された負圧によって、周囲空気がセルハウジングに入ることで、スクラバーを用いない連続的な作動が可能になる。水分管理システムはセルからの流出空気を湿度交換モジュールに通し、ここで水分を流入空気に移動することで、流入空気の湿度を高める。弁を含む再循環機構は、制御装置が流出空気の少なくとも一部を流入空気に戻して再循環させることを可能にする。このシステムは流入バイパス管路及び流入バイパス弁を含み、これにより湿度の高い流入空気をスクラバーに通さずにセルの流入口内に送ることが可能である。スクラバーは可逆性又は非可逆性のスクラバー媒質を含む。
2019521497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉ）空気室と、
ｉｉ）空気室流入口と、
ｉｉｉ）空気室流出口と、
ｉｖ）所定量の電解液を保持する電解液室と、
ｖ）前記空気室と前記電解液室との間に配置された、気体状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
ｖｉ）燃料極と、
を含むセルハウジングと、
ｉ）スクラバー媒質と、
ｉｉ）流入空気流出口と結合するように構成されたスクラバー流入口と、
ｉｉｉ）前記空気室流入口と結合するように構成されたスクラバー流出口と、
を含む筐体を含むスクラバーモジュールと、
を備えた電気化学セルであって、
前記燃料極において燃料が反応させられ、前記燃料極が前記酸化剤還元極から間隔を空けて配置されることによってギャップを画定し、前記電解液は当該ギャップ内に配置され、
前記スクラバーモジュールは取り外し可能に前記セルハウジングに取り付けが可能であり、それによって前記電気化学セルは前記スクラバーが取り外された状態で作動する、電気化学セル。
【請求項２】
前記電解液がイオン伝導性電解液である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記燃料極は金属燃料を含み、少なくとも部分的に前記電解液内に配置され、前記燃料極は前記酸化剤還元極から間隔を空けて配置されることによってギャップを画定し、前記イオン伝導性電解液は当該ギャップ内に配置される、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記スクラバーから前記空気室流入口を通って前記セルハウジングに入る空気の流れは、前記セルハウジングから前記流入空気流出口を通って前記スクラバーに入る空気の流れよりも少量の二酸化炭素を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記スクラバー媒質が非可逆性スクラバー媒質である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記非可逆性スクラバー媒質は、ソーダ石灰、苛性ソーダ、水酸化カリウム、水酸化リチウム、過酸化リチウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蛇紋岩、ケイ酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、かんらん石、分子篩、アミン、モノエタノールアミン、及び／又はこれらの誘導体及び／又は組み合わせからなる群から選択される、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記スクラバー媒質が可逆性スクラバー媒質を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記可逆性スクラバー媒質がアミン基を含む、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記スクラバーが加熱要素を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記加熱要素は前記電気化学セルから前記スクラバー媒質に熱を方向付ける受動加熱要素である、請求項９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記加熱要素はマイクロプロセッサを含む制御システムによって制御される電気加熱要素を含む、請求項９に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記ハウジングは、前記セルハウジングへの流入空気と前記空気室からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含む湿度交換モジュールを含み、
前記湿度交換膜は、前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して前記流入空気に移動される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記湿度交換膜がイオン伝導性ポリマーを含む、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記湿度交換膜がパーフルオロスルホン酸ポリマーを含む、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記流入空気は前記湿度交換モジュールを通った後に前記スクラバーモジュールに流入する、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
排出空気の一部を前記流入空気に移動する再循環機構をさらに備え、
前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
排出空気の一部を前記流入空気に移動する再循環機構をさらに備え、
前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記再循環機構は弁であり、当該弁は前記制御システムによって制御される、請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記再循環機構はバッフルであり、当該バッフルは前記排出空気と前記流入空気との間の圧力差によって受動的に制御される、請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
再循環機構は前記湿度交換モジュールの上流側に配置され、前記排出空気の一部は前記湿度交換モジュールを通った後に前記流入空気中に再循環される、請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項２１】
前記セルハウジングから排出空気を排出するように構成された空気流装置を含み、
前記空気流装置は前記セルハウジング内に低減された圧力を発生させ、当該低減された圧力によって前記流入空気を、前記湿度交換モジュールの流入側と、前記スクラバーと、前記空気室と、前記湿度交換モジュールの流出側とを通して前記セルハウジング内に引き込む、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項２２】
前記スクラバーが前記電気化学セルから取り外されているとき、前記セルハウジング内の低減された圧力は、周囲空気の流れを前記空気室流入口を通して前記スクラバーに引き込み、
それによって前記電気化学セルは前記スクラバーが取り外された状態で作動する、請求項２１に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
流入バイパス弁と、流入バイパス管路とをさらに含み、当該流入バイパス管路は流入空気を前記スクラバーを通さずに前記セル室に向かわせる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２４】
前記流入バイパス弁は前記制御システムによって制御される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２５】
前記流入空気流出口を前記空気室流入口に結合する管路を含むバイパスアダプタをさらに含み、当該バイパスアダプタは流入空気を前記スクラバーを通さずに前記セル室に向かわせる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２６】
前記スクラバー媒質を加熱する加熱要素をさらに含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２７】
ｉ）空気室と、
ｉｉ）空気室流入口と、
ｉｉｉ）空気室流出口と、
ｉｖ）所定量の電解液を保持する電解液室と、
ｖ）前記空気室と前記電解液室との間に配置された、気体状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
ｖｉ）燃料極と、
を含むセルハウジングと、
ｉ）スクラバー媒質と、
ｉｉ）流入空気流出口と結合するように構成されたスクラバー流入口と、
ｉｉｉ）前記空気室流入口と結合するように構成されたスクラバー流出口と、
を含む筐体を含むスクラバーモジュールと、
前記セルハウジングへの流入空気と前記空気室からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含む湿度交換モジュールと、
排出空気の一部を前記流入空気に移動する再循環機構と、
を備えた電気化学セルであって、
前記燃料極において燃料が反応させられ、前記燃料極が前記酸化剤還元極から間隔を空けて配置されることによってギャップを画定し、前記電解液は当該ギャップ内に配置され、
前記スクラバーモジュールは取り外し可能に前記セルハウジングに取り付けが可能であり、それによって前記電気化学セルは前記スクラバーモジュールが取り外された状態で作動し、
前記湿度交換膜は、前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して前記流入空気に移動され、
前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、電気化学セル。
【請求項２８】
ａ）電気化学セルを提供する工程であって、当該電気化学セルは、
空気室と、
空気室流入口と、
空気室流出口と、
所定量のイオン伝導性電解液を保持する電解液室と、
前記空気室と前記電解液室との間に配置された、気体状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
金属燃料を含み、少なくとも部分的に前記電解液室内に配置された燃料極と、
を含むセルハウジングと、
スクラバー媒質と、
スクラバー流入口と、
スクラバー流出口と、
を含む筐体を含むスクラバーモジュールと、
前記セルハウジングへの流入空気と前記空気室からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含む湿度交換モジュールと、
再循環弁を含む再循環機構と、
前記セルハウジングから排出空気を排出するように構成された空気流装置と、
を含み、
前記燃料極が前記酸化剤還元極から間隔を空けて配置されることによってギャップを画定し、前記イオン伝導性電解液は当該ギャップ内に配置され、
前記スクラバーモジュールは取り外し可能に前記セルハウジングに取り付けが可能であり、それによって前記電気化学セルは前記スクラバーモジュールが取り外された状態で作動し、
前記湿度交換膜は、前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して前記流入空気に移動され、
前記再循環機構は排出空気の一部を前記流入空気に移動するように構成され、
前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、工程と、
ｂ）前記空気流装置を作動させて、前記セルハウジング内に低減された圧力を発生させ、当該低減された圧力によって前記流入空気を、前記湿度交換モジュールの流入側と、前記スクラバーと、前記空気室と、前記湿度交換モジュールの流出側とを通して前記セルハウジング内に引き込む工程と、
ｃ）前記再循環弁を開くことによって、前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、工程と、
を備える、電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項２９】
再循環機構は前記湿度交換モジュールの上流側に配置され、前記排出空気の一部は前記湿度交換モジュールを通った後に前記流入空気中に再循環される、請求項２８に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項３０】
前記スクラバーは加熱要素を含み、前記スクラバー媒質に吸収された水分は、前記スクラバーを通る前記流入空気及び前記加熱要素による前記スクラバー媒質の加熱によって前記セルハウジング内に放湿される、請求項２８に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項３１】
前記電気化学セルが能動的に電気を発生していないときに前記空気流装置を作動させて、周囲環境の水分を前記スクラバー媒質に吸収する工程と、引き続いて
前記吸収された水分を、前記スクラバーを通る前記流入空気及び前記加熱要素による前記スクラバー媒質の加熱によって前記スクラバー媒質から放湿する工程と、
をさらに備える、請求項３０に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第６２／３６５，８６６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。
【０００２】
本発明は電気化学セル用の水分及び二酸化炭素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】
【０００３】
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、好適な燃料から構成され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いる。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は酸化される。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。このようなセルの内部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いる。
【０００４】
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、再充電又は自己放電における水の分解）又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。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。例えば、水の損失によりイオン伝導性媒質が塩化することによって、電気化学セルの酸化剤極が詰まってしまい、性能が低下して、極端な場合にはセルの完全な機能停止に至ることもある。このような塩化又はその他の故障は、例えば、酸化剤極の空気側又はその一部が過剰に乾燥してしまう部位で発生する。さらに、イオン伝導性媒質の水分含有量が減少すると、媒質の溶媒化能力、すなわち、溶質を溶解する能力が低下するか、又は、媒質中の溶質のパーセント濃度が高くなることによって、イオン伝導性媒質の機能に悪影響を及ぼす。
【０００５】
金属空気電気化学セルは、非常に高温で乾燥した環境を含む広範囲の環境条件で利用されている。これらのセルは、液体イオン導電性媒質からの水分の損失の結果として、有効性及び／又は寿命が制限され得る。
【０００６】
これまでに開発された電気化学セル用の水保存及び管理システムは、例えば、米国特許出願第１４／１７６８８８号（２０１４年２月１０日出願、Ｆｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．）に開示されている。当該出願はバッテリ用水管理システムの一例を提供するものであり、そ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。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は電気化学セルに関し、例えば、非常に乾燥した環境を含む広範囲の環境条件において効果的に作動可能な金属空気電気化学セルに関する。多くの電気化学反応は、酸素が豊富な空気の供給又は二酸化炭素が低減された空気流の恩恵を受ける。また、アルカリ性電解液を含むアルカリ燃料電池又は充電式バッテリシステムにおいては、二酸化炭素が電解液と反応して炭酸カリウムを形成し、これが水酸化物濃度を下げ、亜鉛などの金属種の溶解度を下げることによって、電解液の導電率を下げる場合がある。さらに、空気極の細孔内に炭酸塩が沈殿すると、電極が損傷し、細孔構造が拡大し、漏れが発生する可能性がある。本明細書に記載の水分、すなわち水、及び二酸化炭素管理システムのいくつかの実施形態は、燃料電池、特にアルカリ燃料電池及び高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池を含む様々な電気化学セルに利用できることを理解されたい。周囲条件で空気と開放連通する空気吸入極を使用する金属空気電池のようなアルカリ電気化学セルでは、二酸化炭素が空気から空気吸入極を通って電解液に吸収され、水分（水）が電解液から空気吸入極を通した蒸発によって空気（周囲）へ漏出する。本開示は、例えば１つの実施形態に従って、空気から吸収される二酸化炭素の量および空気に漏出する水分を減少させるために複数（例えば、４つ）の機構及び／又は方法を利用する。それらはすなわち、空気吸入極室に入る前の空気から二酸化炭素を除去するための二酸化炭素スクラバーと、蒸発によって空気吸入極室を出る空気流に漏出した水分を、空気吸入極室に入る空気流に戻す湿度交換膜（ＨＥＭ）と、空気吸入極室を出る二酸化炭素が少なく湿気を多く含む空気の一部を、空気吸入極室に入る空気流に戻すように方向付ける空気再循環機構と、通常のセルの電気化学反応中に発生したガスのためにミストの状態でセルから出る電解液の液滴を捕捉し、当該液体をセルに戻すベントフィルタ、である。これらの機構は相互依存的に、又は相互に独立して作動することによって、電解液に吸収される二酸化炭素の量を低減し、セルから失われる水分の量を低減する。
【０００８】
本発明の概要は、本発明のいくつかの実施形態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。本発明の変形形態および代替形態を含む追加の例示的な実施形態が本明細書に記載される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
添付の図面は、本発明のさらなる理解のために提供され、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成し、発明の実施形態を説明し、明細書の記載と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１０】
【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。
【００１１】
【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。
【００１２】
【図３】セルハウジングから取り外されたスクラバーモジュールを有する例示的な電気化学セルの側面斜視図である。
【００１３】
【図４】取り外されたスクラバーモジュール及び流入口から流出口まで配置されたバイパスアダプタを有する例示的な電気化学セルの側面斜視図である。
【００１４】
【図５】セルハウジングに取り付けられたスクラバーモジュールを有する例示的な電気化学セルの側面斜視図である。
【００１５】
【図６】再循環バルブ及びスクラバーを含む水分管理システムを有する例示的な電気化学セルの上面図である。
【００１６】
【図７】水分管理システムを有する例示的な電気化学セルの上面斜視図である。
【００１７】
【図８】制御システムを有する例示的な電気化学セルの上面斜視図である。
【００１８】
【図９】電気化学セルのマニホールド部内の例示的な流出バイパス管路を示す。
【００１９】
【図１０】加熱要素を有する例示的なスクラバーの分解図である。
【００２０】
【図１１】水分及び二酸化炭素管理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。
【００２１】
【図１２】水管理システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
複数の図面に記載される同一の参照記号は同一の部分を示す。これらの図面は本開示のいくつかの実施形態の例示であり、いかなる意味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。さらに、これらの図面は必ずしも縮尺通りではなく、特定の構成要素の詳細を示すために一部の特徴が誇張されている場合がある。したがって、本明細書に開示された特定の構造上および機能上の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に本発明を様々に使用することを当業者に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。
【００２３】
本明細書に用いられるように、「備える」、「含む」、「有する」、又はこれらを変形した用語は、非排他的な包含を含むように意図されている。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のみに限定されず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含み得る。また、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書に記載の要素および構成要素を説明するために採用されている。これは単に便宜上および開示の範囲の一般的な意味を与えるために行われる。こうした記載は１つまたは少なくとも１つを含むように解釈されるべきであり、単数形の場合も別途意味が明らかでない限り複数を含む。
【００２４】
本開示の特定の例示的な実施形態が本明細書に記載されており、添付の図面に示されている。記載された実施形態は、本開示の例示のみを目的としており、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。本開示の他の実施形態、ならびに記載された実施形態の特定の修正形態、組み合わせ、および改良は、当業者に想到可能であり、そのような代替実施形態、組み合わせ、修正、改良はすべて本開示の範囲内である。
【００２５】
本開示の実施形態による例示的な水分及び二酸化炭素システムは、電気化学セルを出る空気の少なくとも一部がセルへの流入空気に再循環される再循環機構を含んでもよい。多くの電気化学セルは熱と高湿度の排出空気を生成するため、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可能になる。
【００２６】
本開示の実施形態による例示的な水分及び二酸化炭素管理システムは、電気化学セルの空気吸入極を含む室からの流出空気から当該室への流入空気に水分を移動させるための湿度交換膜（ＨＥＭ）を含む。ＨＥＭは水分交換材を含み、この水分交換材は例えばパーフルオロスルホン酸ポリマーなどのアイオノマーを含む膜である。ＨＥＭは、例えば酸化剤還元極の空気室から電気化学セルの外に出る空気から、セルへの流入空気を分離し、それによってセルを出る空気に含まれていた水分は、膜の内外における相対湿度（ＲＨ）の差異のために湿度交換膜を通って流入空気に移動する（高ＲＨでの空気流出、低ＲＨでの空気流入）。酸化剤還元極の空気室を出る空気、すなわち空気室からの流出空気は、温かく湿っているので、比較的多量の水分を運ぶことができ、この水分によりＨＥＭが効果的に機能することが可能になる。この流出空気は、セル内を流れる際に液体イオン伝導性媒質から水分を取り込み、化学反応によって生じる熱のために加熱される。空気室から流出空気はより高温であり、比較的高い水分含有量を有していてもよい。例えば、空気室からの流出空気は、流入空気よりも１０℃、２０℃、３０℃、または４０℃高温であり得る。セル内の電気化学反応は空気室を加熱し、また空気室内の空気を加湿する。例えば、空気室からの流出空気は、流量、システムの規模、及び環境条件に応じて、約７０％超、約８０％超、約９０％超、約９５％超、および実質的に完全飽和の相対湿度を有することができる。一例として、流入空気は、３０℃でわずか２０％の相対湿度という非常に乾燥した状態であってもよく、５０℃で９０％の相対湿度を有する空気室からの流出空気をＨＥＭの反対側に有するＨＥＭモジュールの付近を通過することによって、セルに入る前の当該流入空気の湿度が約７０％に上昇してもよい。ＨＥＭは、ＨＥＭの多数の層、折り目、ひだ、又は波形を含むモジュール状に構成することで、空気流が流れなければならない表面積の量を増大させ、それによって移動される水分の量を増大させるようになっていてもよい。一実施形態によれば、市販の又は工業生産されたＨＥＭ又はＨＥＭモジュールを使用することができる。例示的なＨＥＭまたはＨＥＭモジュールは、例えば、カナダのブリティッシュコロンビア州バンクーバーのＤＰｏｉｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能であり、本明細書で開示されたシステムで使用することができる。しかしながら、この例は限定的であることを意図しない。
【００２７】
本開示の実施形態による例示的な水分及び二酸化炭素管理システムは、空気室からの流出空気の一部を直接流入空気に再導入し、それによって流入空気の水分レベルを増加させるように構成され得る、弁または他の機構などの再循環機構を含む。電気化学セルが非常に乾燥した環境に配置されているとき、流出空気を流入空気へ再循環することで、システム内の水分を効果的に保存することができる。再循環機構は、流入空気がＨＥＭに達する前の上流に、又はＨＥＭの下流に配置されてもよい。一実施形態では、再循環機構をＨＥＭの上流に配置し、それによって流出空気がＨＥＭを通過して流れることで再循環の前にＨＥＭを温かく湿った状態に維持することが好ましい場合がある。本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、ＨＥＭは、温かく湿った状態に維持されるとより効果的に機能することがある。再循環機構は、制御システムによって操作される弁であるか、または圧力によって自動的に制御されるバッフルであり得る。制御システムは、流入空気及び流出空気の相対湿度、すなわちＲＨ、周囲のＲＨ、液体電解質レベルなど、システム内外の水分レベルを監視して、いつどのくらいの量の再循環を流入空気に対して行うかを決定することができる。酸化剤還元極の空気室を出る空気、すなわち空気室からの流出空気は、温かく湿っているので、その一部又は一定量を流入空気に再循環させることができる。一実施形態では、空気室からの流出空気がいつ再循環され、どのくらいの部分または量が再循環されるかを制御するためにバルブが開閉される。例えば、非常に乾燥した環境では、空気室からの流出空気の大部分、例えば、約４０％以上、約５０％以上、約７０％以上、約９０％以上、又は全部、あるいは上記パーセントの間（両端を含む）の任意の部分が再循環され得る。空気室からの流出空気のうちの残りの部分は、空気流装置を通してセルの外に放出してもよい。
【００２８】
例えば、一実施形態では、例示的な電気化学セルは、セルへの流入空気の約５０％をセルからの流出空気から提供する再循環機構を利用することができる。周囲空気すなわち流入空気は、約４００ｐｐｍの二酸化炭素、５０％の相対湿度、及び２１．２％の酸素を含み得る。セルからの流出空気は、スクラバー及び／又はセル内の反応に起因する約０％などの低い二酸化炭素濃度、１００％ＲＨ、及び約１２％の低い酸素濃度を有してもよい。周囲空気とセルからの流出空気が再循環機構を通って混合されると、セルへの流入空気は２００ｐｐｍの二酸化炭素濃度、約７５％の相対湿度、および１８％の酸素を有することになる。電気化学セルは、酸素については３または４化学量論量で作動するように構成されてもよく、したがって、わずかに減少した酸素濃度は発電能力の損失を引き起こさない。加えて、電気化学セルの寿命を延ばす湿度レベルの増加および二酸化炭素レベルの減少から大きな利益があるであろう。
【００２９】
本開示の実施形態による例示的な水分及び二酸化炭素管理システムは、電解液などの液体イオン伝導性媒質の損失を制御するために組み込むことができるミスト除去システムを含む。ミスト除去システムは、バッフル又はバルブ、フィルター、水素再結合触媒、中和剤及び疎水性フィルターを含み得る。例示的なミスト除去システムは、水素を反応させて水を形成し、この水は排出されて電気化学セル内に戻されてもよい。自己放電又はセル充電中の金属空気セルの場合のように、通常のセル動作中に発生するガスは、気泡として電解液の表面に上昇して当該表面で破裂する。気泡の破裂する作用は電解液の細かいミストを発生させ、それが流出ガス流と共にセルから出る。この電解液ミストを再捕捉してそれを電解液に戻すために、例示的なミスト除去フィルタがこのガス流中に配置される。
【００３０】
運用可能な相対湿度の範囲、すなわち空気室内の湿度範囲は、例えば、周囲空気及びセルの温度に加えて、特定のイオン伝導性媒質に依存し得る。例えば、水酸化カリウムなどの水性塩電解質は吸湿性として特徴づけられてもよい。例えば、水性のＫＯＨ電解質を含むセルの場合、相対湿度が約５０％未満であれば酸化剤還元極又は空気極を通して水の損失が生じる。周囲の相対湿度が８０％より高ければ（又は約８０％よりも高ければ）、酸化剤還元極又は空気極を通してセル内へ水が吸収される。空気極からの水の放出は、５０℃から８０℃までの空気温度範囲において約５０％より高い相対湿度で発生する。５０％以上８０％以下の相対湿度、すなわち中間範囲の相対湿度は中性的として特徴づけられる。例えば、セル内に７０％の相対湿度が流入した場合、５０℃で２５０ｍｌの水が喪失され、２５℃では僅かに１５ｍｌの水が喪失される（これは合計８リットルの容積を有するセルにおいては無視できると考えられる）。これらの数値範囲は、付加的に、及び／又は代替的に、イオン伝導性媒質によって、及びその吸湿性／疎湿性によって変化することが理解されよう。
【００３１】
様々な水管理技術が本明細書に記載されており、開示されたシステムと共に使用され得る。Ｆｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許出願第１５／０７７３４１号（２０１６年３月２２日出願、「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）」）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いる。当該特許出願は参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【００３２】
本開示の実施形態による例示的な水分及び二酸化炭素管理システムは、セルへの流入空気から二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するためのスクラバーモジュールを備える。ソーダ石灰などのいくつかの例示的なスクラバー媒質は、二酸化炭素と反応するためにいくらかの水分を必要とする。スクラバー媒質は、流入空気からいくらかの水分を吸収してもよい。この吸収された水分は、スクラバーを加熱することによってセルに再導入されてもよい。加熱は、セルから発生した熱を用いてスクラバーを加熱する受動的な加熱でもよく、又は専用の抵抗加熱素子を用いてスクラバーを加熱してもよい。
【００３３】
例示的なスクラバーシステムは、スクラバーへの流入空気が加湿されているときにより効果的に作動し、したがって、ＨＥＭを通過した後にスクラバーへの流入空気を受け取ることは、システム全体の有効性を改善し得る。スクラバーは、それを通る空気流から水分の一部を吸収することができ、この吸収された水分はスクラバーを加熱することによってセルに再導入することができる。加熱は、セルから発生した熱を用いてスクラバーを加熱する受動的な加熱でもよく、又はコントローラによって制御される専用の抵抗加熱素子を用いてスクラバーを加熱してもよい。受動加熱の場合、電気化学セルからの熱は、スクラバーモジュール、特にスクラバー媒質に伝導され得る。伝導性要素は、スクラバー媒質に伝導する加熱量を増加させるように構成されてもよい。能動的加熱の場合、電気抵抗加熱素子はスクラバー及び／又はスクラバー媒質を加熱するように構成される。電気化学セルによって発生した電流は、電気抵抗加熱素子を連続的に流れることができ、あるいは制御システムによって作動されるスイッチによってオンオフさせることができる。やはり、制御システムは、スクラバーヒータの加熱を起動するために使用される１つまたは複数のセンサから入力値を受け取ることができる。例示的な実施形態では、電気化学セルは、電気化学セルが電力を生成するように作動していないときでも空気流装置を作動させ、それによって周囲環境からスクラバー媒質内に水分を吸収し、この水分は後にスクラバー媒質から放湿、すなわち放出されて電気化学セルへ流入する。例えば、制御システムは続いてスクラバー媒質を加熱して、吸収された水分をスクラバー媒質から放出することができる。
【００３４】
例示的なスクラバーは、可逆性又は不可逆性のスクラバー媒質を含む。可逆性スクラバー媒質は、例えば、加熱によって再活性化されてもよく、この場合、吸収された二酸化炭素がスクラバー媒質から脱着されて放出される。可逆性スクラバー材料は、約７０℃以上、又は約９０℃以上に加熱することによって再活性化することができる。したがって、可逆性スクラバー媒質を含む場合、吸収された水分を放出するために加熱されるように構成されているスクラバーモジュールもまた再活性化されてもよい。不可逆性スクラバー媒質は二酸化炭素と反応すると、化学的に変化して消費される。不可逆性又は可逆性のスクラバー媒質は、湿度レベルを調整するために定期的にパージされてもよく、可逆性媒質の場合には吸収された二酸化炭素を放出するためにパージされてもよい。可逆性スクラバー媒質が加熱されている間にパージサイクルを実行して、脱着された二酸化炭素をシステムからより効果的にパージすることができる。スクラバーパージサイクルの間、スクラバーを通る空気の流れは反転されてもよい。その場合、ファンなどの空気流装置は反転され、よって空気はセルを通ってスクラバーの中へそして空気取入口から外へ押し出される。さらに、スクラバーを通る空気の流量は増加させることができ、その場合、流量は標準的な操作上の流量よりも少なくとも２倍、３倍、５倍、１０倍又はそれ以上大きい。これは、例えばファン速度を上げることによって達成することができる。さらに別の実施形態では、弁を用いることによって、空気がスクラバーを通って流れた後にシステムの出口から直接出ることが可能になる。この際、空気はセルハウジングを通過することがなく、及び／又はスクラバーを出た後にＨＥＭの付近を通過することがない。
【００３５】
スクラバー媒質は、ソーダ石灰、苛性ソーダ、水酸化カリウム、水酸化リチウム、過酸化リチウム、酸化カルシウム、蛇紋岩、ケイ酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、かんらん石、分子篩、アミン、モノエタノールアミン、及び／又はそれらの誘導体及び／又は組み合わせからなる群から選択される媒質又は材料を含む。アミンスクラバー媒質は可逆性だが、ソーダ石灰は不可逆性である。
【００３６】
金属空気電気化学セルへの流入空気から二酸化炭素を除去するように構成されたスクラバーは、現在審査中のＦｌｕｉｄｉｃ  Ｉｎｃ．の米国特許出願第１５／０７７３４１号（２０１６年３月２２日出願、「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）」）に記載されており、当該特許出願は参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【００３７】
電気化学セル１００の様々な部分が任意の適切な構造又は組成を有しており、それらにはプラスチック、金属、樹脂、又はこれらの組合せを含むがこれらには限定されない。従って、セル１００は、複数の構成要素から形成したり、一体に成型したり、といったように任意の方法で組み立てることができる。様々な実施形態において、セル１００及び／又はハウジング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、及び米国特許出願公開第２０１０／０３１６９３５号、第２０１１／００７０５０６号、第２０１１／０２５０５１２号、第２０１２／００１５２６４号、第２０１２／００６８６６７号、第２０１２／０２０２１２７号、第２０１２／０３２１９６９号、第２０１３／００９５３９３号、第２０１３／０１１５５２３号、及び第２０１３／０１１５５２５号の各明細書のうちの一又は複数に記載された構成要素又は構成を含んでおり、これらの各明細書は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００３８】
図１は電気化学セル１００の概略断面図である。図に示すとおり、電気化学セル１００の構成要素は少なくとも部分的に、対応するハウジング１１０内に収容されている。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、電解液１２６などの液体イオン伝導性媒質１２４を用いている。イオン伝導性媒質は時にハウジング１１０内で、例えば停滞領域において、概ね静止しているものの、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いることが理解できる。ある実施形態では、イオン伝導性媒質の流れは、セル１００内に放出されたガスの泡によって生成される対流であってもよく、これは例えば、米国特許出願番号第１３／５３２，３７４号に記載されており、この出願の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
【００３９】
図１に示す実施形態においては、セルハウジングは酸化剤還元極１５０が酸化剤還元極モジュール１６０とともに電池室１２０内に浸漬されるように構成されているが、様々な実施形態においては、セル１００の他の構成が可能であることが理解されよう。例えば、図２において、セル１００の他の実施形態（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*は電池室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その間にイオン伝導性媒質が浸出することを防止又は実質的に防止している。しかしながら、場合によっては、そのような構成は、酸化剤還元極１５０*の故障がセル１００*からのイオン伝導性媒質の漏出の原因となるという懸念のために、一般的に好ましくない。それにもかかわらず、いくつかのそのような実施形態では、以下により詳細に説明される電池室１２０内のイオン伝導性媒質の対流は、上に向かった後に酸化剤還元極１５０*から離れて燃料極１３０の頂部を越える方向に生じ得る。
【００４０】
図３に示すように、例示的な電気化学セル１００は、セルハウジング１１０に取り外し可能に取り付け可能なスクラバーモジュール６０を有する。スクラバーモジュール６０は、電気化学セルが作動している間に電気化学セルから取り外すことができる。空気が空気流装置によってセル内に引き込まれるので、スクラバモジュールを取り外しても空気が流入口６５に入ることが依然として可能である。これにより、電気化学セルの動作を妨げることなく、保守または交換のためにスクラバーモジュールを取り外すことが可能になる。スクラバーが取り付けられた通常の動作では、空気は、空気取入口４０を通って引き込まれ、流出口６１を通ってスクラバ内に向かい、スクラバー６０の流入口６２内へと送られる。その後、空気は、スクラバー６０の流出口６４を通ってスクラバーを出て、流入口６５を通ってセルハウジング内に戻る。空気は、空気流入口６５から酸化剤還元極の空気室（図示せず）に入る。カバー１１１は、電気化学セルハウジング１１０の上部、すなわちセルマニホールドアセンブリ１１４の上に構成される。カバーとマニホールドアセンブリは、セルの構成要素を保護し、埃、雨、その他の環境要素の侵入を防止する。排気口４５は、セルの内部室からガスを排気するための出口として構成されている。
【００４１】
図４に示すように、スクラバーモジュール６０が電気化学セル１００から取り外され、バイパスアダプタ７７が流出口６１から流入口６５まで延びている。流入空気は、流出口６１を通ってバイパスアダプタの流出口端部７９に入り、バイパスアダプタ７７を通り、バイパスアダプタのセル流入端部７８から出て流入口６５に入る。バイパスアダプタは、スクラバーが取り外されている間にＨＥＭが利用されるときに湿った空気がセル内に流入することを可能にする。バイパスアダプタによって、過剰な水分損失を発生させずにスクラバーなしでセルを作動させることが可能になる。図示のバイパスアダプタは、流入空気を流入口に通すための補助管路を有する物理的コネクタである。図１２に示すように、このバイパス流は、セルの一部として構成された入口バイパス管路と、入口バイパス管路までの流れを開くための弁によって実現できることが理解できる。
【００４２】
図５に示すように、スクラバーモジュール６０は、マニホールドアセンブリ１１４の流出口６１及び流入口６５に取り付けられている。セル４４の端子は、マニホールドアセンブリ１１４から延出するように示されている。
【００４３】
図６から図８を参照すると、例示的な電気化学セル１００は、湿度交換膜モジュール５０、弁又はバッフルなどの再循環機構７０、及びスクラバー６０を含む水分管理システム５９を有する。周囲空気は、空気取入口４０を通ってセルに入り、ＨＥＭの流入側５１に沿って通過し、そこでＨＥＭの流出側５２に沿って流れる空気から水分を取り込む。次いで、空気は流出口６１を通過し、スクラバーの流入口からスクラバーモジュール６０内に流れる。次に空気はスクラバー媒質を通って流れ、そこで二酸化炭素が空気流から除去される。その後、空気はセルハウジング１１０内に戻り、カソード入口４１内へ、そして続いて酸化剤還元極空気室内へと流れ込む。空気は空気室を通って空気室出口４２、すなわちカソード入口とは反対側のセルハウジングの端部にあるカソード出口から流出する。次いで、空気は、マニホールドアセンブリ１１４の底部に沿って延びる流出バイパス管路を通って流れる。空気は、バイパス入口４７に流入し、流出バイパス管路（図示せず）を通ってバイパス出口４９から流出する。次いで、空気流はＨＥＭの流出側５２を越えて流れる。空気流の一部は再循環弁７０を通って流入空気に戻るように方向を変えることができる。残りの空気は、空気流装置５６を通ってセルハウジングから排出される。セル端子４４は、セルハウジング１１０の頂部から延出するように示されている。複数のセンサリード４６が電気化学セル１００の頂部から延びるように示されている。本明細書に記載されるように、センサリードは、電解液のレベル、および／または空気室の湿度レベルを測定することができる。図８に示すように、制御システム１０２はセンサリードから入力を受け取り、再循環機構すなわち弁の開閉、及びそれを通る流量の調整を行う。制御システムは、システムに引き込まれる流量を変更することができ、セルが電力を生成するように作動していないときでもシステム全体に空気を引き込むことができる。スクラバーを通って引き込まれる空気中の水分は、スクラバー媒質によって吸収され、後の使用のために保持されてもよく、この場合、スクラバーはシステムによって受動的にまたは能動的に加熱される。図８に示される例示的な制御システムは、制御回路１０４とマイクロプロセッサ１０６とを備える。制御システムは、図５に示すようにマニホールドアセンブリ１１４およびカバー１１１の上に構成され、制御システム１０２の上方に延びる。
【００４４】
図９に示すように、流出バイパス管路４８はマニホールドアセンブリ１１４の下で延びている。空気室を出た空気は、バイパス入口４７に向けられ、管路を通ってバイパス出口４９に流れる。その後、空気はＨＥＭ５０に流入するか、またはその一部が再循環機構を通って流入空気に合流する。空気室は、セルハウジングの長さの一部にわたって延在する。
【００４５】
図１０に示すように、スクラバーモジュール６０は、スクラバー媒質６６を加熱するために制御システムと結合するように構成されている加熱要素６９を含むことができる。図示のスクラバー媒質は、可逆性スクラバー媒質６７、すなわち可逆性スクラバー媒質の温度を上昇させることによって放出される二酸化炭素を吸収するスクラバー媒質である。加熱要素６９は、スクラバー媒質を効果的に加熱するためにスクラバーモジュールハウジング６８内に延在するが、ハウジングの外面に構成されてもよい。ヒータコネクタは、スクラバーモジュールがセルハウジングに取り付けられたときに加熱要素を制御システムと容易に結合することを可能にする。制御システムは、加熱要素をオンにし、電気化学セル内の弁を制御して、スクラバーを通る流れを制御するが、このときスクラバーは、スクラバー媒質から二酸化炭素を効果的に除去するために加熱されている。
【００４６】
図１１に示すように、空気は、電気化学セル１００のマニホールドアセンブリ１１４に流れ込み、スクラバー６０を通った後、空気室１７０に流れ込む。図示されるように、空気は、セルハウジング１１０の内部室１２２内に構成された空気室１７０に入る。空気は空気室を横切って流れ、内部室を出てそこで流出バイパス管路４８に入る。圧力リリーフバルブ９４は、閾値限度を超えたときにセルチャンバ１２０内から圧力を逃がすように構成される。また、図１１にはミスト除去システム８０が示されている。このミスト除去システム８０は、表面に向かってガスが泡立つことによって電解液の表面から発生するミストを減少および／または除去し、転倒の場合に電解液１２６の漏れを防止または実質的に防止するように構成される。ミスト除去システムは安全ベント８２を備える。この安全ベント８２は、セルハウジング１１０の内部チャンバ１２２と連通しており、したがってイオン伝導性媒質１２４および／またはその上のガス空間に露出している。例示的な安全ベントは、ミスト除去システムの下流部分への液体電解質の移動を遅くする曲がりくねった管路を提供する。別の例示的な安全ベントはボール弁を含む。このボール弁は、直立時には圧力差によって空気がボールの周囲に向かうことを可能にし、転倒時には液体イオン伝導性媒質がボールを弁座に押し付けることによって密閉して液体の損失を防止または実質的に防止する。安全ベントの下流にフィルタ８４が配置されるが、このフィルタ８４は、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第９，２６９，９９８号に記載されているように、吸収されたイオン伝導性媒質を排出してアノード室に戻す凹形フィルタとすることができる。
【００４７】
例示的なミスト除去システム８０は、水素と反応して水を形成する水素再結合触媒を含む水素再結合部８６を含む。上記触媒は、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粒子またはミスト除去システムの表面などの支持材料上に配置することができる。水素再結合反応に必要な酸素を供給するために、空気が疎水性フィルター９８を通ってミスト除去システムに入るように構成してもよい。疎水性フィルタは、電気化学セルへの水の浸入を防止または実質的に防止し得る。
【００４８】
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などの中和剤媒質９１を含む中和部９０を含む。例えば、イオン伝導性媒質は苛性アルカリである水酸化カリウム溶液を含むことができ、中和剤は固体酸又は炭素若しくは他の何らかの支持材料上の酸とすることができる。中和剤は、アノード室またはイオン伝導性媒質を含む室から排出される反応性ガスを減らすように構成される。
【００４９】
図１２は、例示的な水分（水）管理システム５９、および二酸化炭素管理システム１３のブロック図を示す。これら２つのシステムは、湿気を保存し、二酸化炭素が少ない流入空気を電気化学セルに供給するように連携して作動することができる。湿気管理システムは、セルが作動しているときに通常温かく湿気を含むセルの流出排気から湿気を引き出すことによって、流入空気の湿度を増加させる。ＨＥＭモジュール５０は、ＨＥＭ５４によって分離された流入側５１と流出側５２とを有する。流入空気の水分レベルおよび二酸化炭素レベルは、弁またはバッフルなどの再循環機構７０を通る流出空気の少なくとも一部を再循環させることによってさらに調整することができる。図示されるように、再循環機構は、流入空気がＨＥＭに達する前の上流の位置にある。再循環された流出空気は、ほとんどの場合、周囲の空気よりも比較的高い水分含有量およびより低い二酸化炭素濃度を有するであろう。水分管理システムはまた、スクラバー６０を組み込んでおり、ここでスクラバー媒質は流入空気から水分を吸収する。スクラバー媒質は、適切に水分補給されているとより効果的に機能する。さらに、スクラバー媒質中に吸収された水分は、定期的に放湿され、電気化学セル室１２０内を通り、続いて水分管理システムの残りの部分を通る。水分管理システムは、流入バイパス管路７５および弁７６をさらに含む。マイクロプロセッサ１０６を含む制御システム１０２は、流入バイパス弁および／または再循環弁７２を含む弁を開閉して、システムを効率的に作動させ、水分を保存することができる。例えば、スクラバーが取り外されてもよく、制御装置が、流入空気をバイパス管路を通してセル室１２０の流入口６５に向けてもよい。
【００５０】
当業者には、本発明において、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく多様な修正、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。本明細書に記載の特定の実施形態、特徴、および要素は、任意の適切な方法で修正および／または組み合わせが可能である。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、本開示の修正、組合せおよび変形を網羅することを意図している。
【図１】
2019521497.tif 000003
【図２】
2019521497.tif 000004
【図３】
2019521497.tif 000005
【図４】
2019521497.tif 000006
【図５】
2019521497.tif 000007
【図６】
2019521497.tif 000008
【図７】
2019521497.tif 000009
【図８】
2019521497.tif 000010
【図９】
2019521497.tif 000011
【図１０】
2019521497.tif 000012
【図１１】
2019521497.tif 000013
【図１２】
2019521497.tif 000014
【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】
ｉ）空気室と、
ｉｉ）空気室入口と、
ｉｉｉ）空気室出口と、
ｉｖ）所定量のイオン伝導性電解液を保持する電解液室と、
を含むセルハウジングと、
前記空気室と前記電解液室との間に配置された、気体状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
燃料極と、
周囲空気を前記セルハウジング内に引き込むための空気取入口と、
前記空気取入口と連通する空気流出口と、
前記空気室入口と連通する空気流入口と、
前記空気取入口を通して前記セルハウジング内に流入空気を引き込むように構成された空気流装置と、
前記空気流入口及び前記空気流出口に接続され、前記流入空気から二酸化炭素を除去するように構成されたスクラバーモジュールであって、
ｉ）スクラバー媒質と、
ｉｉ）前記空気流出口と結合するように構成されたスクラバー入口と、
ｉｉｉ）前記空気流入口と結合するように構成されたスクラバー出口と、
を含む筐体を含むスクラバーモジュールと、
を備えた電気化学セルであって、
前記スクラバーモジュールは取り外し可能に前記セルハウジングに取り付けが可能であり、それによって前記電気化学セルは前記スクラバーモジュールが取り外された状態で作動し、
前記空気流装置は、前記スクラバーモジュールが取り外された状態で、前記流入空気を前記空気流入口を通して前記セルハウジング内に引き込むことが可能に構成された、電気化学セル。
【請求項２】
前記燃料極は金属燃料を含み、少なくとも部分的に前記電解液内に配置され、前記燃料極は前記酸化剤還元極から間隔を空けて配置されることによってギャップを画定し、前記イオン伝導性電解液は当該ギャップ内に配置される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記スクラバー媒質が非可逆性スクラバー媒質である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記非可逆性スクラバー媒質は、ソーダ石灰、苛性ソーダ、水酸化カリウム、水酸化リチウム、過酸化リチウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蛇紋岩、ケイ酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、かんらん石、分子篩、アミン、モノエタノールアミン、及び／又はこれらの誘導体及び／又は組み合わせからなる群から選択される、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記スクラバー媒質が可逆性スクラバー媒質を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記可逆性スクラバー媒質がアミン基を含む、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記スクラバーモジュールが加熱要素をさらに含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記加熱要素は前記電気化学セルから前記スクラバー媒質に熱を方向付ける受動加熱要素である、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記加熱要素はマイクロプロセッサを含む制御システムによって制御される電気加熱要素を含む、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記セルハウジングは、前記空気取入口と前記空気室出口からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含む湿度交換モジュールを含み、
前記湿度交換膜は、前記空気流出口の上流に配置された前記空気取入口を通して引き込まれる前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して移動される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記湿度交換膜がイオン伝導性ポリマーを含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記湿度交換膜がパーフルオロスルホン酸ポリマーを含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記流入空気は前記湿度交換モジュールを通った後に前記スクラバーモジュールに流入する、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
排出空気の一部を前記空気室出口から、前記空気取入口を通して引き込まれた前記流入空気に移動する再循環機構をさらに備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
排出空気の一部を前記空気室出口から、前記空気取入口を通して引き込まれた前記流入空気に移動する再循環機構をさらに備える、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記再循環機構は弁であり、当該弁は制御システムによって制御される、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記再循環機構はバッフルであり、当該バッフルは前記排出空気と前記流入空気との間の圧力差によって受動的に制御される、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
再循環機構は前記湿度交換モジュールの上流側に配置され、前記排出空気の一部は前記湿度交換モジュールを通った後に前記流入空気中に再循環される、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記空気流装置は前記流入空気を、前記湿度交換モジュールの流入側と、前記スクラバーと、前記空気室と、前記湿度交換モジュールの流出側とを通して前記セルハウジング内に引き込むように構成される、請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
前記スクラバーが前記電気化学セルから取り外されているとき、前記空気流装置は、周囲空気の流れを前記空気流入口を通して引き込むことによって、前記セルハウジング内に低減された圧力を生成するように構成された、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２１】
流入バイパス弁と、流入バイパス管路とをさらに含み、当該流入バイパス管路は流入空気を前記スクラバーモジュールを通さずに前記セル室に向かわせる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２２】
前記流入バイパス弁は制御システムによって制御される、請求項２１に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
前記空気流出口を前記空気流入口に結合する管路を含むバイパスアダプタをさらに含み、当該バイパスアダプタは流入空気を前記スクラバーモジュールを通さずに前記バイパスアダプタを通して前記セル室に向かわせる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２４】
湿度交換モジュールと再循環機構をさらに備え、
前記湿度交換モジュールは、前記セルハウジングへの流入空気と前記空気室出口からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含み、
前記湿度交換膜は、前記空気流出口の上流に配置された前記空気取入口を通して引き込まれた前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して前記流入空気に移動され、
前記再循環機構は排出空気の少なくとも一部を前記流入空気に移動するように構成され、
前記空気室出口からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２５】
マニホールドアセンブリをさらに備え、前記空気取入口、前記空気流入口、及び前記空気流出口は前記マニホールドアセンブリの一部であり、前記空気流装置は前記マニホールドアセンブリ内に配置される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２６】
ａ）電気化学セルを提供する工程であって、当該電気化学セルは、
空気室と、
空気室流入口と、
空気室流出口と、
を含むセルハウジングと、
所定量のイオン伝導性電解液を保持する電解液室と、
前記空気室と前記電解液室との間に配置された、気体状酸化剤を還元する酸化剤還元極と、
金属燃料を含み、少なくとも部分的に前記電解液室内に配置された燃料極と、
前記空気流入口を通る前記流入空気から二酸化炭素を除去するスクラバーモジュールであって、
スクラバー媒質と、
スクラバー入口と、
スクラバー出口と、
を含む筐体を含むスクラバーモジュールと、
前記セルハウジングへの流入空気と前記空気室からの排出空気との間に配置された湿度交換膜を含む湿度交換モジュールと、
前記セルハウジングから排出空気を排出するように構成された空気流装置と、
を含み、
前記スクラバーモジュールは取り外し可能に前記セルハウジングに取り付けが可能であり、それによって前記電気化学セルは前記スクラバーモジュールが取り外された状態で作動し、
前記湿度交換膜は、前記流入空気に暴露された流入側と、前記排出空気に暴露された流出側とを含み、
前記排出空気は水分を含み、当該水分は前記湿度交換膜を通して前記流入空気に移動される、工程と、
ｂ）前記空気流装置を作動させて、前記セルハウジング内に低減された圧力を発生させ、当該低減された圧力によって前記流入空気を、前記湿度交換モジュールの流入側と、前記スクラバーと、前記空気室と、前記湿度交換モジュールの流出側とを通して前記セルハウジング内に引き込む工程と、
を備える、電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項２７】
前記セルは、前記セルハウジング内に配置された再循環弁を含む再循環機構をさらに備え、前記再循環機構は排出空気の一部を前記流入空気に移動するように構成され、前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動され、前記方法は、
前記再循環弁を開くことによって、前記空気室からの排出空気の少なくとも一部が前記再循環機構を通って前記流入空気に移動される工程をさらにを備える、請求項２６に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項２８】
再循環機構は前記湿度交換モジュールの上流側に配置され、前記排出空気の一部は前記湿度交換モジュールを通った後に前記流入空気中に再循環される、請求項２７に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項２９】
前記スクラバーは加熱要素を含み、前記スクラバー媒質に吸収された水分は、前記スクラバーを通る前記流入空気及び前記加熱要素による前記スクラバー媒質の加熱によって前記セルハウジング内に放湿される、請求項２６に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【請求項３０】
前記電気化学セルが能動的に電気を発生していないときに前記空気流装置を作動させて、周囲環境の水分を前記スクラバー媒質に吸収する工程と、引き続いて
前記吸収された水分を、前記スクラバーを通る前記流入空気及び前記加熱要素による前記スクラバー媒質の加熱によって前記スクラバー媒質から放湿する工程と、
をさらに備える、請求項２６に記載の電気化学セル内の水分を保存するための方法。
【国際調査報告】
2019521497.tif 000015
2019521497.tif 000016
2019521497.tif 000017