(57)【要約】【課題】【解決手段】ハイブリッド型電気化学セルシステムが提供される。一の実施例において、このハイブリッド型システムは、陰極と、電解質と、複数の陽極部分を含む。第１の陽極部分は、電解質を介して陰極とイオン伝導し、第２の陽極部分は電解質を介して陰極とイオン伝導する。第１の陽極部分、電解質、及び陰極は、電力発生電気化学セルを構成する。さらに、第２の陽極部分、電解質、及び陰極は、補助電気化学セルを構成する。他の実施例において、分離式陰極部分が提供される。
2005509244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド型電気化学セルシステムであって、
陰極と、
電解質と、
第１の陽極部分であって、電解質を介して陰極とイオン伝導（ｉｏｎｉｃ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）する第１の陽極部分と、
第２の陽極部分であって、電解質を介して陰極とイオン伝導する第２の陽極部分と、を有し、
第１の陽極部分と、電解質と、陰極は、電力発生電気化学セルを構成し、さらに、前記第２の陽極部分と、電解質と、陰極は、補助電気化学セルを構成するハイブリッド型電気化学セルシステム。
【請求項２】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記補助電気化学セルはガスセパレータを有する。
【請求項３】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記補助装置はガスセンサを有する。
【請求項４】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記電力発生電気化学セルは金属空気電池を有する。
【請求項５】
請求項４の電気化学セルシステムであって、前記陰極は空気拡散電極を有する。
【請求項６】
請求項４の電気化学セルシステムであって、前記補助電気化学セルはガスセパレータを有する。
【請求項７】
請求項４の電気化学セルシステムであって、前記電解質は硬質イオン導電性材料を有する。
【請求項８】
請求項７の電気化学セルシステムであって、前記硬質イオン導電性材料は水酸化物導電性膜を有する。
【請求項９】
請求項８の電気化学セルシステムであって、前記補助電気化学セルは酸素セパレータを有する。
【請求項１０】
請求項１の電気化学セルシステムであって、さらに第１の陽極部分とイオン伝導する充電電極を有する。
【請求項１１】
請求項１０の電気化学セルシステムであって、充電電極と第１の陽極部分間の前記イオン伝導は、電解質を介している。
【請求項１２】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記第１の陽極部分は燃料補給できる。
【請求項１３】
請求項１２の電気化学セルシステムであって、前記第１の陽極部分は陽極燃料テープを有する。
【請求項１４】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記第１の陽極部分は酸化電極を有し、さらに前記燃料源は酸化性燃料を酸化電極に配布するように供給される。
【請求項１５】
請求項１の電気化学セルシステムであって、前記第２の陽極部分は酸素発生材料を有する。
【請求項１６】
ハイブリッド型電気化学セルシステムであって、
第１の陰極部分と第２の陰極部分と、
電解質と、
第１の陽極部分であって、電解質を介して第１の陰極部分とイオン伝導する第１の陽極部分と、
第２の陽極部分であって、電解質を介して第２の陰極部分とイオン伝導する第２の陽極部分とを有し、
前記第１の陽極部分と、電解質と、第１の陰極部分は、電力発生電気化学セルを構成し、
さらに、前記第２の陽極部分と、電解質と、第２の陰極部分は、補助電気化学セルを構成するハイブリッド型電気化学セルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハイブリッド型電気化学セルシステムに関するものであり、より具体的には自己出力電気化学セルベースの補助装置を含むハイブリッド型電気化学セルシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルを電池として使用することに加え、この電気化学セルは様々な補助装置として使用できることが知られている。これらの補助装置は、これに限定されるものではないが、ガスセパレータ及び／またはポンプ、例えば電圧センサ、圧力センサ、腐食センサ、ガスセンサ等のセンサ、発光電気化学セルの他、電源として以外の機能を有する他の電気化学セルを含む。
【０００３】
これらの補助装置は通常、装置の機能を達成する適切な電圧を提供するため、電源分離式の構造を必要とする。現在、この電源スキームは、例えば電池またはその他の電気接続機器等の一つまたは複数の分離式の電源を必要とする。
【０００４】
従って、ここで提案されているように、電源を提供するための電気化学セルの一つまたは複数の構成要素（例えば、電池または燃料セル）及び、電気化学セルベースの補助装置を共有するような簡易なシステムを提供することが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従来技術の上記で議論した、及びその他の問題や欠点は、ハイブリッド型電気化学セルシステムを提供する本発明のいくつかの方法及び装置によって、打開または解消される。一の実施例において、ハイブリッド型システムは、陰極と、電解質と、複数の陽極部分とを含む。第１の陽極部分は、電解質を介して陰極とイオン伝導し、第２の陽極部分は、電解質を介して陰極とイオン伝導（ｉｏｎｉｃ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）する。第１の陽極部分、電解質、及び陰極は、電力発生電気化学セルを構成する。さらに、第２の陽極部分、電解質、及び陰極は、補助電気化学セルを構成する。他の実施例において、分離陰極部分は提供される。
【０００６】
本発明の上記で議論した、及びその他の機能及び利点は、下記の詳細な記述及び図面から当業者によって評価され、理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ハイブリッド型電気化学セルシステムが提供される。一の実施例において、このハイブリッド型システムは、陰極、電解質、及び複数の陽極部分を含む。第１の陽極部分は、電解質を介して陰極とイオン伝導し、第２の陽極部分は、前期電解質を介して前期陰極とイオン伝導する。第１の陽極部分、電解質、及び陰極は、電池または燃料セルといったような電力発生電気化学セルを構成する。さらに、第２の陽極部分、電解質、及び陰極は、補助電気化学セルを構成する。補助電気化学セルは、これに限定されるものではないが、ガスセパレータ及び／またはポンプ、電圧センサ、圧力センサ、腐食センサ、ガスセンサ等のセンサ、発光電気化学セルの他、電源として以外の機能を有する他の電気化学セル、または前記補助電気化学セルの少なくとも一つを有する組み合わせを含んでもよい。他の実施例において、分離陰極部分は、システム中の各タイプのセルのために提供される。
【０００８】
添付図面に示される図を参照して、本発明の説明実施例は、下記に詳細に記述される。説明の明確にするために、添付図面中、同様の特徴は、同様の参照数字で示されるものとし、図面中、代替実施例に示される同様の特徴は、同様の参照数字で示されるものとする。
【０００９】
図１を参照すると、ハイブリッド型電気化学セル１００が、概略的に示されている。ハイブリッド型システム１００は、陰極１１０と、電解質１２０と、第１の陽極部分１３０と、第２の陽極部分１４０とを含む。一般的に、第１の陽極部分１３０は、電力発生電気化学セルを構成するために、電解質１２０を介して、陰極１１０とイオン伝導する。電池及び燃料セルといったような電力発生電気化学セルは、既知の電気化学に基づいて作動する。
【００１０】
さらに、第２の陽極部分１４０は、補助電気化学セルを構成するために、電解質１２０を介して陰極１１０とイオン伝導する。補助電気化学セルは、これに限定されるものではないが、ガスセパレータ及び／またはポンプ、電圧センタ、圧力センサ、腐食センサ、ガスセンサ等のセンサ、発光電気化学セルの他、電源として以外の機能を有する他の電気化学セル、または前記の補助電気化学セルの少なくとも一つを有する組み合わせを含んでもよい。補助電気化学セルは、その作動を可能にするために、電力発生電気化学セルによって作動する。代替的に、補助電気化学セルを起動する力の一部は、熱力学的力であってもよく、ここにおいて、陰極１１０と第２の陽極部分１４０間の圧力差が、電気化学反応及びセルを起動されるものであってもよい。補助電気化学セルにおいて、熱力学的原動力は、さらに電気力（例えば、陽極部分１３０、電解質１２０、及び陰極１１０によって構成される電力発生電気化学セルからの）と一緒になってもよい。
【００１１】
電力発生電気化学セルと補助電気化学セル間の電気的接続を確立するために、導体１５０が使用されてもよい。導体１５０は、陽極部分１３０、１４０間を電気的に接続するストラップまたはワイヤーといったような導体や、例えば重複または隣接によるような陽極部分１３０、１４０間の電気的接続であってもよく、またはそれらの組み合わせを有するものであってもよい。
【００１２】
陰極１１０は、電力発生電気化学セル及び利用される補助電気化学セルの特定のタイプに対応する適切な電極を有してもよい。一般的に、陰極１１０は、陽極部分１３０、１４０によって共有される電極である。例えば、空気拡散電極が、陰極１１０として使用されてもよい。概して、空気拡散陰極は、電流コレクタといったような適切な接続構成を伴い、有効成分及び炭素ベース基板を含む。陰極１１０は、二重の機能を有し、例えば、放電及び再充電両方で使用できる。好ましい空気陰極は、一般にＷａｙｎｅ  ＹａｏとＴｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉらによって１９９９年１０月８日に出願された同じ出願人の同時係属の米国特許出願番号第０９／４１５，４４９号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｆｏｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ」に開示されており、全体としてこの参照により本明細書に組み込まれる。他の空気陰極が、その代わりに使用されてもよく、しかしながら、そのことは当業者にとって明確であるように、その性能に応じてである。
【００１３】
陽極部分１３０は、発電できる適切な電極材料であればいかなるものでもよい。陽極部分１３０は、一回放電式（例えば、使い捨て）であっても、再充電可能陽極材料を使用している再充電可能電気化学材料であってもよい。例えば、金属空気電気化学セルにおいて、陽極は、金属構成物質、及び任意で、バインダ及び／または電解質を含んでもよい。
【００１４】
前記金属構成物質は、主に酸化金属、例えば、亜鉛、カルシウム、リチウム、マグネシウム、鉄類、アルミニウム、及び組み合わせ、及び少なくとも前記金属の一つを有する合金を有してもよい。
【００１５】
陽極部分１４０は、補助電気化学セルの補助的機能を容易にすることができる電極材料であればどれでもよい。例えば、補助電気化学セルは、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年４月１７日に出願された同時係属の特許出願番号第０９／８３６，１１９号、発明の名称「Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」で開示されているようなガスセパレータを有してもよい（これは、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって１９９９年８月１２日に出願された特許出願番号第０９／３７３，４６９号、発明の名称「Ｏｘｙｇｅｎ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」の同時係属の一部継続出願であり、両特許出願は、この参照により本明細書に組み込まれる）。従って、ガスセパレータとして、前期陽極部分１４０は、酸素発生電極のようなガス発生電極を有する。一般的に、酸素発生電極は、ニッケルまたは組み合わせ、及びニッケルを有する合金のような酸素発生触媒を有する。一つの特に有用なニッケル合金は、ラネーニッケルである。酸素発生電極は、離散構造として提供されてもよく、直接膜上に構成されてもよい。
【００１６】
電解質１２０は、電力発生電気化学セル及び補助電気化学セル形態のタイプに応じて適切な電解質を有する。適切な電解質は、これに限定されるものではないが、酸性溶液、塩基性溶液、中性溶液、またはイオン導電性膜を含む。特定の実施例において、前期電解質１２０は、イオン導電性膜を有する。電解質１２０において、イオン伝導のタイプ（例えば、陰イオンまたは陽イオン）は、使用されているセルのタイプに応じて変動する。
【００１７】
好ましい実施例において、電解質１２０は、水酸化導電性膜を有する。適切な膜は、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、Ｙｕｅｎ−Ｍｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ及びＴｏｍ  Ｋａｒｅｎによって、１９９９年２月２６日に出願された米国特許出願番号０９／２５９，０６８号、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」と、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、及びＬｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉによって、２０００年１月１１日に出願された米国特許出願番号０９／４８２，１２６号、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｉｎ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」と、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年８月３０日に出願された米国特許出願番号０９／９４３，０５３号、発明の名称「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」と、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年８月３０日に出願された同時係属の米国特許出願番号０９／９４２，８８７号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」とに記述されており、これらの全ての特許出願は、全体として、この参照により本明細書に組み込まれる。これらの膜は、十分なイオン伝導率及び室温での表面酸素交換率を提供する。室温システムの利用は、材料の選択において、より大きな柔軟性を許容し、強い構造を許容し、さらに比較的安い材料費と低温作動により、全体のシステム費を低減することができる。
【００１８】
ある実施例において、膜は、ゲル状のアルカリ材料のような水酸化源を保持することができる物理的特徴（例えば、多孔性）を有する。他の実施例において、前記システムは、分子構造と水酸化源の合成物を有する高分子膜、例えば水性電解質のような、を必要とする。さらなる実施例において、前記システムは、陰イオン交換膜を必要とする。
【００１９】
膜は、以下により水酸化物誘導特性を有する：ゲル状のアルカリ材料のような水酸化源を保持することができる物理的特徴（例えば，多孔性）；水性電解質のような水酸化源を保持する分子構造；陰イオン交換膜のような陰イオン交換特性：または水酸化源を提供することのできる一つまたは複数の特徴の組み合わせ。
【００２０】
ある実施例において、膜は、ゲル状のアルカリ溶液のような水酸化源を保持することのできる物理的特徴（例えば、多孔性）を含む材料を有する。
【００２１】
一般的に、水酸化源を保持することのできる物理的特徴を有する材料のタイプは、電解質ゲルを有する。電解質ゲルは、発生（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）及び／または還元（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）電極の表面に直接適応されるか、または発生及び還元電極間の自立した膜として適応されてもよい。代わりに、ゲルは、基板によって保持され、及び発生及び還元電極間に組み込まれてもよい。
【００２２】
電解質（ここで膜の全てのバリエーションにおいて）は、一般的に金属陽極と陰極間のイオン伝導を許容するイオン導電性材料を有する。一般的に、電解質は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、または前記電解質触媒の少なくとも一つを有する組み合わせといったような水酸化伝導性材料を有する。好ましい実施例において、水酸化導電性材料は、ＫＯＨを有する。特に、電解質は、約５％から約５５％のイオン導電性材料の濃度、好ましくは、約１０％から約５０％のイオン導電性材料そして、さらに好ましくは、約３０％から約４０％のイオン導電性材料の濃度を含む水性電解質を有してもよい。
【００２３】
膜のためにゲル化剤は、材料の望ましい一貫性を提供するために十分な量で適切なゲル化剤であればいかなるものでもよい。ゲル化剤は、ＢＦ  Ｇｏｏｄｒｉｃｈ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮＣから市販されている架橋ポリアクリル酸（例えば、Ｃａｒｂｏｐｏｌ（登録商標）６７５）のＣａｒｂｏｐｏｌ（登録商標）類、Ａｌｌｉｅｄ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ（Ｗｅｓｔ  Ｙｏｒｋｓｈｉｒｅ、ＧＢ）から市販されているＡｌｃｏｓｏｒｂ（登録商標）Ｇ１、及びポリアクリル酸のカリウム及びナトリウム塩のような架橋ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ、ＷＩから市販されているようなカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ゼラチン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリブチルビニルアルコール（ＰＢＶＡ）、前記ゲル化剤の少なくとも一つを有する組み合わせ、その他でもよい。
【００２４】
前記任意の基板は、これに限定されるものではないが、織布、不織布、多孔質（例えば、微小孔性またはナノ多孔性）、細胞、高分子シート、及び同様なものを含む形態で提供されてもよく、それらは、還元及び発生電極間で十分なイオン輸送を許容することができる。ある実施例において、基板は、セルの構成成分の電気化学的伸縮を適応させるのに柔軟であり、セル材料に対して化学的に不活性である。基板のための材料は、これに限定されるものではないが、ポリオレフィン（例えば、Ｄａｒａｍｉｃ  Ｉｎｃ．，Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ，ＭＡから市販されているＧｅｌｇａｒｄ（登録商標））、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、セルロース（例えば、ニトロセルロース、酢酸セルロース、及び同様のもの）、ポリアミド（例えば、ナイロン）、セロハン、濾紙、及び前記材料の少なくとも一つを有する組み合わせを含む。基板は、また電解質に対してより可溶性、及び透過性にするために、アクリル酸化合物及び同様のものといった添加物及び／またはコーティングを有してもよい。
【００２５】
ここで水酸化導電性膜の他の実施例において、分子構造は、水性電解質のように水酸化源を保持するように提供される。そのような膜は、水性電解質の導電性利点が、自立した硬質構造の中で達成されるであろうことが、望ましい。ある実施例において、膜は、高分子材料と電解質の合成物から組み立てられるものである。高分子材料の分子構造は、電解質を保持する。架橋及び／または高分子構造は、電解質を維持する働きをする。
【００２６】
水酸化源を保持する分子構造の一つの例において、塩化ビニル（ＰＶＣ）またはポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）といったような高分子材料は、水酸化源と一体化され厚膜として構成される。第１の調合物において、ＫＯＨ１モルと塩化カルシウム０．１モルが、６０ミリリットルの水と４０ミリリットルのテトラヒドロゲンフラン（ＴＨＦ）との混合液に溶解される。塩化カルシウムは、吸湿性剤として提供される。その後、ＰＥＯ１モルが混合物に加えられる。第２の調合物においては、ＰＥＯをＰＶＣに置き換えて、前記第１の化学式の材料と同じものが使われる。前記溶液は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）タイププラスティック材料のような基板上に厚膜として注入される（またはコートされる）。好ましくは、フィルム材料よりも高い表面張力を有する他の基板材料が、使用される。混合された溶媒は、適用されたコーティングから蒸発するため、イオン伝導性の硬質膜（例えば厚膜）が、ＰＶＡ基板上に構成される。硬質膜をＰＶＡ基板から剥がすことにより、硬質のイオン伝導膜またはフィルムが構成される。上記調合物を使用することで、約０．２ミリメータから約０．５ミリメータの範囲で厚みを有するイオン伝導フィルムを構成することが可能である。
【００２７】
分子構造の他の実施例は、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、Ｙｕｅｎ−Ｍｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ及びＴｏｍ  Ｋａｒｅｎによって、１９９９年２月２６日に出願された米国特許出願番号０９／２５９，０６８号、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」と、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、及びＬｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉによって、２０００年１月１１日に出願された米国特許出願番号０９／４８２，１２６号、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｉｎ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」と、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年８月３０日に出願された米国特許出願番号０９／９４３，０５３号、発明の名称「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」と、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｃａｌｌａｈａｎ、Ｍａｒｋ  Ｓｔｅｖｅｎｓ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年８月３０日に出願された米国特許出願番号０９／９４２，８８７号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」とにさらに詳細に記述されており、これらの全ての特許出願は、全体として、この参照により本明細書に組み込まれる。高分子材料は、水溶性のエチレン化された不飽和アミド及び不飽和酸の群、及び任意で水溶性または水膨潤性高分子化合物から選択される一つまたは複数の単量体の重合物を有する。重合された生成物質は、保持材料または基板上に構成されてもよい。保持材料または基板は、これに限定されるものではないが、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、セルロースまたはナイロンといったポリアミドのような織布または不織布でもよい。
【００２８】
電解質は、上記単量体の重合の前、または重合後に加えられてもよい。例えば、一つの実施例において、電解質は、単量体、任意の重合開始剤、及び重合前に任意の強化要素を含む溶液に加えられ、それは、重合後、高分子材料の中に組み込まれたままである。その代わりに、重合は、電解質なしで達成され、前記電解質は、その後に含ませるようにしてもよい。
【００２９】
水溶性のエチレン化された不飽和アミド及び不飽和酸単量体は、メチルビスアクリルアミド、アクリルアミド、メタクリル酸、アクリル酸、１−ビニル−２−ピロリジノン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、フマルアミド、フマル酸、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、３，３−ジメチルアクリル酸、ビニルスルホン酸のナトリウム塩、その他の水溶性のエチレン化された不飽和アミド及び不飽和酸単量体、または前記単量体の少なくとも一つを有する組み合わせを含んでもよい。
【００３０】
水溶性または水膨潤性の高分子化合物は、補強要素として作用し、ポリスルホン酸（陰イオン）、ポリ（ナトリウム４−スチレンスルホン酸）、カルボキシメチルセルロース、ポリ（スチレンスルホン酸−ｃｏ−マレイン酸）のナトリウム塩、コーンスターチ、及びその他の水溶性または水膨潤性高分子化合物、または前記水溶性または水膨潤性高分子化合物の少なくとも一つを有する組み合わせを含んでもよい。補強要素の添加は、高分子構造の機械的強度を増す。
【００３１】
任意で、架橋剤は、例えば、メチレンビスアクリルアミド、エチレンビスアクリルアミド、水溶性のＮ，Ｎ’−アルキリデン−ビス（エチレン化された不飽和アミド）のどれでも、その他の架橋剤、または前記架橋剤の少なくとも一つを有する組み合わせを含んでもよい。
【００３２】
重合開始剤は、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸アルカリ金属、及び過酸化物アルカリ金属、その他の開始剤、または前記開始剤の少なくとも一つを有する組み合わせをもまた含んでもよい。さらに、開始剤は、例えば、紫外線、Ｘ線、γ線、及び同様のものを含む放射線といったようなラジカル発生方法と組み合わせて使用される可能性がある。しかしながら、化学的開始剤は、放射線が単独で、重合を開始するのに十分な強度を有するものであるならば、加えられる必要はない。
【００３３】
高分子材料を構成する一つの方法において、選択された布は、単量体溶液（イオン種を含むまたは含まない）に浸され、溶液のコートされた布は、冷やされ、重合開始剤は、任意で加えられる。単量体溶液は、紫外線、ガンマ線、ｘ線、電子線、またはこれらの組み合わせで、熱し、照射することによって重合されて、前記高分子材料が生成される。イオン種が重合された溶液に含まれているとき、水酸化物イオン（またはその他のイオン）は、重合後、溶液中に残る。さらに、高分子材料がイオン種を含まないとき、例えば、イオン溶液中に高分子材料を浸すことによって加えられてもよい。
【００３４】
重合は、一般的に、室温から約１３０℃までの温度で実施されるが、好ましくは、約７５℃から約１００℃までの高温で実施される。任意で、重合は、放射線を熱と併用して実施されてもよい。その代わりに、重合は、放射線の強度に応じて、材料の温度を上昇させることなく放射線だけを使用して実行されてもよい。重合反応において有効な放射線のタイプの例は、これに限定されるものではないが、紫外線、ガンマ線、ｘ線、電子線、またはそれらの組み合わせを含む。
【００３５】
膜の厚さを管理するために、コートされた布は、重合前に適切な型に置かれてもよい。その代わりに、単量体溶液でコートされた布は、ガラス及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムといったような適切なフィルム間に置かれてもよい。特定の適用におけるその効率に基づいて膜厚が変更されてもよいことは、当業者にとって明白である。ある実施例において、例えば、空気から酸素を分離するために、膜またはセパレータは、約０．１ｍｍから約０．６ｍｍの厚さを有してもよい。実際の伝導媒体は、高分子化合物基幹内で水溶液中に残るので、膜の伝導性は、液体電解質の伝導性に相当し、それは、室温で極めて高い。
【００３６】
ここで水酸化伝導性膜のさらなる実施例において、陰イオン交換膜が使用される。いくつかの理想的な陰イオン交換膜は、第４級アンモニウム塩構造機能性、強塩基ポリスチレンジビニルベンゼン架橋タイプＩ陰イオン交換体、弱塩基ポリスチレンジビニルベンゼン架橋陰イオン交換体、強塩基／弱塩基ポリスチレンジビニルベンゼン架橋タイプＩＩ陰イオン交換体、強塩基／弱塩基アクリル陰イオン交換体、強塩基ペルフルオロアミノ化陰イオン交換体、ある粘土といったような天然起源陰イオン交換体、及び前記材料の少なくとも一つを有する組み合わせ及び混合物を有する有機高分子化合物に基づいている。
【００３７】
適切な陰イオン交換膜の例は、米国特許出願番号６，１８３，９１４号にさらに詳細に記述されており、ここで参照として組み込まれている。膜は、（ａ）アルキル第４級アンモニウム塩構造を有する有機高分子化合物、（ｂ）窒素含有複素環式アンモニウム塩、及び（ｃ）水酸化陰イオン源を有するアンモニウム塩基化高分子化合物を含む。
【００３８】
図２を参照すると、ハイブリッド型電気化学セルシステム２００が、概略的に示されている。システム２００は、陰極２１０と、電解質２２０と、第１の陽極部分２３０と、第２の陽極部分２４０とを含むシステム１００と類似した構成要素を有する。上記のように、第１の陽極部分２３０と陰極部分２１０は、電力発生電気化学セルを構成し、第２の陽極部分２４０と陰極２１０は、補助電気化学セルを構成する。さらに、システム２００は、充電電極２６０を含むものであって、一般的に陽極部分２３０と陰極２１０間の電気的接続を妨げるセパレータ（図示せず）を介して、陽極部分２３０とイオン伝導的に配置される。充電電極２６０は、陽極部分２３０の再充電を可能にする。ハイブリッド型セルシステム２００において、陽極部分２３０と電解質２２０は、好ましくは、再充電可能な電気化学セル作用のために適切である。例えば、そのようなシステムは、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ、Ｗａｙｎｅ  Ｙａｏ、Ｙｕｅｎ−Ｍｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ、Ｌｉｎ−Ｆｅｎｇ  Ｌｉ、及びＴｏｍ  Ｋａｒｅｎによって、１９９９年２月２６日に出願された米国特許出願番号０９／４８２，１２６号、発明の名称「Ｓｏｌｉｄ  Ｇｅｌ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｉｎ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」にさらに詳細に記述されており、この参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
システム２００において、充電電極２６０を含めて、電力発生電気化学セルの再充電は、陰極２１０への有害な影響なく可能になる。
【００４０】
図３を参照すると、ハイブリッド型電気化学セルシステム３００が描かれている。システム３００は、図３中で充電電極３６０として示されている充電電極が、電解質３２０を介して陽極部分３３０とイオン伝導し配置されることを除いては、システム２００と類似する。この設計は、陽極部分２３０と充電電極３６０間の付加セパレータの必要性を除去する。
【００４１】
図４を参照すると、システム４００は、概略的に示されており、陽極部分４３０として描かれている陽極部分は、燃料が補給可能であることを除いて、システム１００と類似する。陽極部分４３０は、実施連続モード、またはその代わりに実施バッチモードにおいて燃料補給可能であってもよい。実施連続モードにおいて、水素ストリーム、メタノールストリーム、または他の酸化液体物質のような燃料は、特定の燃料のために最適化される（例えば、触媒される）電極に導かれてもよい。陽極部分４３０の電極は、電解質４２０とイオン伝導する（例えば、システム１００において描かれている類似の構成状態である）。
【００４２】
さらに、実施バッチモードにおいて、陽極部分４３０は、システム１００に関して前述に類似している陽極材料を有してもよい。陽極材料の放電において、陽極材料は、取り除かれ、新しい陽極材料に置き換えられてもよい。例えば、陽極部分４３０は、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓと、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉによって、１９９８年５月７日に出願された米国特許出願番号０９／０７４，３３７号、発明の名称「Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」と、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｗｅｎｂｉｎ  Ｙａｏ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、１９９８年７月１６日に出願された米国特許出願番号０９／１１６，６４３号、発明の名称「Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｍｅｔａｌ−Ｆｕｅｌ  Ｃａｒｄｓ」に開示されているようなカードの形であり、すべてこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００４３】
さらに、実施連続モードの他のタイプにおいて、陽極部分は、例えば、テープの形で陽極材料の連続供給を有してもよい。また、陰極４１０及び／または電解質４２０は、連続供給作用（図示せず）のために構成されてもよい。そのような構成は、例えば、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓによって、１９９３年１０月５日に出願された特許出願番号５，２５０，３７０号、発明の名称「Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ａｒｅａ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｂａｔｔｅｒｙ」と、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓ、Ｙｕｅｎ−Ｍｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、及びＷａｙｎｅ  Ｙａｏによって、１９９７年１０月６日に出願された米国特許出願番号０８／９４４，５０７号、発明の名称「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅｔａｌ  Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓと、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉによって、１９９８年７月９日に出願された米国特許出願番号０９／１１２，５９６号、発明の名称「Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐａｔｈ  Ｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｆｕｅｌ  Ｔａｐｅ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｍｏｄｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」と、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｔｈｏｍａｓ  Ｊ．  Ｌｅｇｂａｎｄｔ、Ｍｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎ及びＷａｙｎｅ  Ｙａｏによって、１９９８年７月３日に出願された米国特許出願番号０９／１１０，７６２号、発明の名称「Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｍｅｔａｌ  Ｆｕｅｌ  Ｔａｐｅ  ａｎｄ  Ｌｏｗ−Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と、Ｓａｄｅｇ  Ｍ．  Ｆａｒｉｓ、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｔｈｏｍａｓ  Ｌｅｇｂａｎｄｔ、Ｗｅｎｂｉｎ  Ｙａｏ、及びＭｕｇｕｏ  Ｃｈｅｎによって、２００１年２月２０日に出願された米国特許出願番号６，１９０，７９２号、発明の名称「Ｉｏｎｉｃａｌｌｙ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｂｅｌｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ａ  Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と、Ｔｓｅｐｉｎ  ＴｓａｉとＷｉｌｌｉａｍ  Ｍｏｒｒｉｓによって、１９９９年３月１５日に出願された米国特許出願番号０９／２６８，１５０号、発明の名称「Ｍｏｖａｂｌｅ  Ａｎｏｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ」と、Ｔｓｅｐｉｎ  Ｔｓａｉ、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｆ．  Ｍｏｒｒｉｓによって、２０００年３月１５日に出願された米国特許出願番号０９／５２６，６６９号、発明の名称「Ｍｏｖａｂｌｅ  Ａｎｏｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ」にさらに詳細に記述されており、すべてこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００４４】
本発明のハイブリッド型電気化学セルシステムは、どのような電気化学セルに基づいたシステムにでも有利に利用されるものであって、電解質は共有されてもよい。さらに、ハイブリッド型電気化学セルシステムのある実施例は、陰極を共有してもよい。これらの共有された構成要素は、従来の取り組み方にわたって多くの利点を可能にする。分離電力源の必要性を除去するので、さらに小さい構造要素が、構成されてもよい。さらに、ハイブリッド型電気化学セルシステムは、様々な電気化学セルに基づいた補助装置に適応できる。さらに、ある実施例において、高温は、ハイブリッド型電気化学セルを作用するのに必要とされず、特に、前記膜は、低温で（例えば、室温）イオン伝導性である。また、多くのアプリケーションにおいて、陰極のみならず、同様に電解質も共有されて可能性があるので、十分なコスト削減が認識される。
【００４５】
好ましい実施例は、図示及び記述されていると同時に、様々な修正及び代替は、本発明の要旨と範囲を逸脱することなく提供されてもよい。それに応じて、当然のことながら、本発明は、実施例として及び限定なく記述されている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、ハイブリッド型電気化学セルシステムの一つの実施例の略図である。
【図２】図２は、ハイブリッド型電気化学セルシステムの他の実施例の略図である。
【図３】図３は、ハイブリッド型電気化学セルシステムの他の実施例の略図である。
【図４】図４は、ハイブリッド型電気化学セルシステムのさらなる実施例の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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