(57)【要約】電気化学セル及び使用又は動作方法が開示される。１つの態様において、電気化学セルの管理のための方法が開示され、この方法は、電気化学反応のための熱中性電圧を下回る又はその付近である動作電圧で電気化学セルを動作させることを含む。別の態様において、電気化学セルが開示され、電気化学セルは、複数の電極と、複数の電極間の電解質と、電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である電気化学セルの動作電圧で電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒とを備える。また、様々な触媒材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）との混合物を含む電気化学セルのための様々な触媒が開示される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と前記複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法であって、
動作温度で電気化学反応のための熱中性電圧を下回る又はその付近である前記電気化学セルのための動作電圧を生じさせるステップと、
前記動作電圧及び前記動作温度で前記電気化学セルを動作させて、前記電気化学反応を生成するステップとを含み、
前記複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒が、前記動作電圧及び前記動作温度での前記電気化学反応を促進する、方法。
【請求項２】
前記動作電圧が前記熱中性電圧を下回る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記動作電圧が前記熱中性電圧である又はその付近である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電気化学反応が吸熱電気化学反応であり、前記吸熱電気化学反応にヒータ又は発熱体から熱が印加される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記電気化学反応が吸熱電気化学反応であり、電気抵抗加熱、上流若しくは下流の廃熱、別個のプロセスの無関係廃熱、及び／又は周囲空気のうちの１つ又は複数から前記吸熱電気化学反応に熱が印加される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電気化学セルの能動冷却がない、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
断熱が前記電気化学セルを覆う、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記電気化学セルが水電解槽であり、前記電気化学反応が水電解である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記触媒が電極触媒水電解を促進する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記触媒が前記複数の電極のうちの両方に適用される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記触媒が、水電解のために前記熱中性電圧を下回る前記動作電圧で水電解を促進する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒が、貴金属、Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ、カーボンブラック上のＰｔ、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ、カーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、及びそれらの組合せの群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒が、ニッケル、ナノ粒子ニッケル、スポンジニッケル、ラネーニッケル、発泡ニッケル、ニッケル合金、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏ、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、及びそれらの組合せの群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記触媒が、スピネル、ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、ＬｉＣｏ２Ｏ４、及びそれらの組合せの群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記触媒が、ペロブスカイト、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、及びそれらの組合せの群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記触媒が、鉄、鉄化合物、ナノ粒子鉄粉末、モリブデン化合物、ＭｏＳ２、コバルト、コバルト化合物、ナノ粒子コバルト粉末、マンガン、マンガン化合物、ナノ粒子マンガン粉末、及びそれらの組合せの群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒が、乾燥時：
約５重量％〜約９５重量％のＰＴＦＥ、
約５重量％〜約９５重量％の触媒材料（複数可）を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記触媒が、乾燥時：
約５重量％〜約９０重量％のＰＴＦＥと、
約５重量％〜約９０重量％の被覆されていないカーボンブラックと、
約５重量％〜約９０重量％の触媒材料（複数可）とを含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記触媒が電流密度で熱を生成する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
電流密度が、前記電気化学セルを一定動作温度に又はその付近に維持するために変化される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記電流密度が波形で供給される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記触媒が５０ｍＡ／ｃｍ２以下の低電流密度で前記電気化学反応を促進する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記低電流密度が：
４０ｍＡ／ｃｍ２以下、
３０ｍＡ／ｃｍ２以下、
２５ｍＡ／ｃｍ２以下、
２０ｍＡ／ｃｍ２以下、
１８ｍＡ／ｃｍ２以下、
１６ｍＡ／ｃｍ２以下、
１４ｍＡ／ｃｍ２以下、
１３ｍＡ／ｃｍ２以下、
１０ｍＡ／ｃｍ２以下、又は
５ｍＡ／ｃｍ２以下である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気化学セルの前記動作温度が２０℃以上である、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気化学セルの前記動作温度が：
３０℃以上、
４０℃以上、
５０℃以上、
６０℃以上、
７０℃以上、
８０℃以上、
１００℃以上、
１５０℃以上、
２００℃以上、又は
４００℃以上である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電気化学セルの前記電気効率が７０％を超える、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記電気化学セルの前記電気効率が：
７５％を超える、
８０％を超える、
８５％を超える、
８７％を超える、
９０％を超える、
９３％を超える、
９５％を超える、
９７％を超える、
９９％を超える、又は
９９．９％を超える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の電極間に配置されるイオン交換膜がない、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数の電極間に配置される隔膜がない、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記電解質が液体電解質又はゲル電解質である、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記電気化学反応から少なくとも１つのガスが生成され、前記複数の電極のうちのいずれで形成される前記少なくとも１つのガスに気泡が実質的にない、又は前記複数の電極のうちのいずれでも前記少なくとも１つのガスの気泡が形成されない、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
電気化学セルであって、
複数の電極と、
前記複数の電極間の電解質と、
前記電気化学セルの動作電圧で電気化学反応を促進するために前記複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒とを備え、
前記動作電圧が電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である、電気化学セル。
【請求項３３】
前記動作電圧が前記熱中性電圧を下回る、請求項３２に記載の電気化学セル。
【請求項３４】
前記動作電圧が前記熱中性電圧である又はその付近である、請求項３２に記載の電気化学セル。
【請求項３５】
前記電気化学セルが水電解槽であり、前記電気化学反応が水電解である、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項３６】
吸熱電気化学反応である前記電気化学反応に熱を印加するためにヒータ又は発熱体を含む、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項３７】
前記ヒータ又は前記発熱体が電気抵抗加熱からの熱を印加する、請求項３６に記載の電気化学セル。
【請求項３８】
前記電気抵抗加熱が、前記電解質に接触している１つ又は複数の電気部品で起こる、請求項３７に記載の電気化学セル。
【請求項３９】
能動冷却システムがない、請求項３２〜３８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４０】
前記電気化学セルを包む断熱を含む、請求項３２〜３９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４１】
前記複数の電極間に配置されるイオン交換膜がない、請求項３２〜４０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４２】
前記複数の電極間に配置される隔膜がない、請求項３２〜４１のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４３】
前記電解質が液体電解質又はゲル電解質である、請求項３２〜４２のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４４】
前記電気化学反応から少なくとも１つのガスが生成され、前記複数の電極のうちのいずれで形成される前記少なくとも１つのガスに気泡が実質的にない、又は前記複数の電極のうちのいずれでも前記少なくとも１つのガスの気泡が形成されない、請求項３２〜４３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項４５】
複数の電極と前記複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルのための触媒であって、
貴金属、Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ、カーボンブラック上のＰｔ、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ、カーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ニッケル、ナノ粒子ニッケル、スポンジニッケル、ラネーニッケル、発泡ニッケル、ニッケル合金、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏ、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、スピネル、ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、ＬｉＣｏ２Ｏ４、ペロブスカイト、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、鉄、鉄化合物、ナノ粒子鉄粉末、モリブデン化合物、ＭｏＳ２、コバルト、コバルト化合物、ナノ粒子コバルト粉末、マンガン、マンガン化合物、及びナノ粒子マンガン粉末
の群から選択される１つ又は複数の触媒材料と、
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、の混合物を含み、
前記触媒が、前記電気化学反応のために前記熱中性電圧を下回る又はその付近である前記電気化学セルの動作電圧で電気化学反応を促進するために前記複数の電極のうちの少なくとも一つに適用されることができる、触媒。
【請求項４６】
前記触媒が、乾燥時、
約５重量％〜約９５重量％のＰＴＦＥと、
約５重量％〜約９５重量％の１つ又は複数の触媒材料とを含む、請求項４５に記載の触媒。
【請求項４７】
前記触媒が、乾燥時、
約５重量％〜約９０重量％のＰＴＦＥと、
約５重量％〜約９０重量％の被覆されていないカーボンブラックと、
約５重量％〜約９０重量％の１つ又は複数の触媒材料とを含む、請求項４５に記載の触媒。
【請求項４８】
前記触媒が前記複数の電極のうちの両方に適用される、請求項４５〜４７のいずれか一項に記載の触媒。
【請求項４９】
前記触媒が、水電解のために前記熱中性電圧を下回る前記動作電圧で水電解を促進する、請求項４５〜４８のいずれか一項に記載の触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本発明は、気液界面を伴う電気化学セルの効率的な又は改善された動作に関し、詳細には、排他的ではなく、１つ又は複数の気液界面での総括反応を促進する気液電気化学セルの効率的な又は改善された動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
[002]多数の電気化学セルが液気又は気液変換を促進する。気液界面を伴うため、そのような変換は典型的にエネルギー非効率的である。すなわち、そのような変換は典型的に本質的にエネルギーを浪費する。エネルギー非効率性は、触媒、導体及び電解質で起こる基礎プロセスに最もしばしば由来する。
【０００３】
[003]例えば、多くの電気化学的液気変換が液体電解質溶液におけるガス気泡の形成又は存在を伴う。したがって、塩素アルカリプロセスで使用される電気化学セルは、アノード及びカソードで、それぞれ、気泡の形態の塩素ガス及び水素ガスを典型的に発生させる。電気化学セルにおける気泡は、セルにおける化学的変換を行うために必要とされる電気エネルギーを増す影響を一般に有する。これは以下を含む影響から生じる：
（１）気泡形成：気泡を生じさせるためには、電極表面に直に隣り合う液体電解質における過飽和ガスが結合して小気泡を形成しなければならない。気泡は大きい内圧（「ラプラス」圧として知られている）によって最初に生じられ、そして保たれる。そのような気泡は典型的に非常に小さく、そして必要とされる内圧にラプラス圧が反比例するので、そのような気泡は高内圧のガスを必然的に含まなければならない。例えば、「Ａ  ｂｕｂｂｌｅ  ｃｕｒｔａｉｎ  ｍｏｄｅｌ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｉｎ  ｃｈｌｏｒａｔｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」という名称のＹａｎｎｉｃｋ  Ｄｅ  Ｓｔｒｙｃｋｅｒによる論文（Ｃｈａｌｍｅｒｓ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ発行、  Ｇｏｔｅｂｏｒｇ、  Ｓｗｅｄｅｎ、２０１２年）によれば、大気圧での電気化学的塩素酸塩製造においてカソードで形成される水素気泡は最初は直径およそ３．２ｎｍであると推定され、その結果気泡の内（ラプラス）圧はおよそ８２４バールでなければならない。そのような気泡を生成するために必要とされる追加エネルギーは気泡過電圧として当該技術で知られている。気泡過電圧は相当なものであり得る。上述した場合では、カソードでの水素による気泡形成だけで、セル電圧におよそ０．１Ｖを加えると推定された。一旦形成されると、非常に小さい初期気泡は気泡の大きい内圧の結果として自発的に膨張する。大気圧での塩素酸塩製造における水素発生の上述した場合では、初期気泡がおよそ０．１ｍｍの直径に膨張すると認められており、その段階で気泡内部の圧力が気泡外部の圧力に等しかった。
（２）「気泡被覆」／「気泡カーテン」：調査により、気泡が電極表面の割れ目、くぼみ、又は他のマイクロメートル若しくはナノメートルサイズの凹凸に典型的に形成されることが明らかになった。この影響は、ラプラス方程式に従って、気泡の半径が小さいほど、気泡内部の圧力は、気泡を押し上げ且つ気泡を保つために高くなければならないという事実によって引き起こされる。したがって、小体積であるが大半径を有する気泡を形成することに基本的な熱力学的（エネルギー）利点がある。これは、多くの電極表面に存在することがあるわずかな割れ目、くぼみ又は同様の凹凸内でのみ起こり得る。そのようなフィーチャ内に形成される気泡は球形ではなく、代わりにフィーチャの一部分−通常最深部分−を埋める。そのような気泡は非常に小さい体積を有する。しかしながら、そのようなフィーチャに形成される気泡は、くぼみ又は凹凸の長さに沿って延びる大半径を有する。より大きい半径は、そのような気泡の内圧が同じ体積の球形気泡より非常に低くてもよいことを意味する。そのような「くぼみ」ベースの気泡は、したがって、球形気泡より低レベルの当該ガスによる電解質過飽和で生じることになる。すなわち、そのようなフィーチャに形成される気泡、すなわち「くぼみ」ベースの気泡は、電極表面に球形気泡が形成される前に生じることが好まれる。
この種類の「くぼみ」ベースの気泡は電極表面の「くぼみ」フィーチャ内で典型的に始まり、次いでくぼみからほとんど球形形状に膨張する。結果的な気泡は次いで、気泡が最初に生じた「くぼみ」への気泡の付着によって電極の表面に保たれる。電極表面に多くのそのような付着気泡を有することの影響は、液体電解質と電極の有効表面との間に気泡「カーテン」を生じさせることである。この「気泡カーテン」（又は「気泡被覆」）は電極表面への電解質の移動を典型的に妨げて、反応を遅らせる又は停止さえさせる。この影響を克服するために、多くの電気化学セルが連続機械式圧送を利用して、電極の表面の電解質を一掃して表面気泡を取り除く。ポンプによって引き込まれる派生電流は電気化学セルの総合電力効率を減少させる。
（３）導電路における気泡（「空間率」）：気泡が電極表面から電解質へ放たれた後でさえ、気泡はセルにおける電力効率を依然として妨げる。電気用語では、気泡は、２つの電極間の液体電解質から成る導電路内の非導電性空隙である。そのような存在する非導電性空隙の数及び相対体積が大きいほど、セル全体の電気抵抗は大きい。この影響は「空間率」として当該技術で知られており、より大きい体積の気泡が生成されると、電流密度が増すにつれて特に顕著になる。塩素酸塩製造の上述した例では、高電流密度では、電極間の空間の６０％までが気泡によって占められてセル電圧をおよそ０．６Ｖだけ増加させることがあると推定されている。
【０００４】
[004]気液セル内の本質的非効率性の他の原因は電極間の電解質のオーム抵抗に関わる。電気回路を閉じるために、電解質は導電路を形成しており、導電路の抵抗が最小化される必要がある。関連する特定の反応に固有であることがある、ここでは論じられない、本質的非効率性のいくつかの他の原因がある。
【０００５】
[005]液気又は気液電気化学セルをより効率的に作動させる際の主要な問題点は、上記したものなどの本質的非効率性を減少させる又は最小化する方法を見つけることである。
【０００６】
[006]吸熱反応を伴う液気又は気液変換の場合には潜在的な緩和要因が存在する。吸熱反応は熱を消費しており、関連する電流に加え、そのような反応が熱を供給されなければならないことを意味する。その熱は、上記したもののような電力及びエネルギー非効率性に由来してもよい（そして、しばしば由来する）。すなわち、以上の言及した種類の本質的な電力及びエネルギー非効率性によって発生される熱は、反応によって必要とされる熱を部分的に供給するために使用されてもよく、その結果その熱は無駄にされない。
【０００７】
[007]理論上、セル内で本質的非効率性によって発生される余熱を反応によって必要とされる熱と釣り合わせることが実際に可能である。この状況はいわゆる「熱中性」電圧（すなわち熱中性電位）で存在する。熱中性電圧は、触媒、導体及び電解質での本質的非効率性から生じる熱が反応自体によって消費される熱に等しい、電気化学セルにおける電圧として定義される。熱中性電圧である電気化学セルのための動作電圧を使用して吸熱反応が実施されれば、システムへ投入されるエネルギーの全てが反応の生成物内のエネルギーに必然的に変換されるので、反応物は、少なくとも理論上、１００％のエネルギー効率で生成物に変換される。すなわち、電気及び熱エネルギー入力は、周囲と交換される過剰エネルギーなしで反応のために必要とされる（且つ反応の生成物に取り込まれる）電気及び熱エネルギーと一致される。対照的に、熱中性電圧を下回る電気化学セルのための動作電圧で反応が実施されれば、さもなければセルが次第に冷えていくようになるであろうシステムの自己冷却を回避するためにセルに熱が供給される必要がある。熱中性電圧を上回る電気化学セルのための動作電圧で反応が実施されれば、余熱が発生され、そしてセルは周囲に正味の熱を放射する−すなわち、セルは熱くなる。
【０００８】
[008]実際の状況は、もちろん、上記した種類の「本質的」非効率性に由来する熱以外に、大抵の電気化学セルがセルの電気部品における電気抵抗から生じる追加の熱も発生させるということである。その上、大抵の反応、特に周囲温度近くの（例えば１００°Ｃを下回る）液体電解質における気液界面を伴うものにとって、利用可能な触媒は典型的に、熱中性電圧で実行可能な動作を可能にするのに十分に効率的ではない。
【０００９】
[009]従来の電気化学セルは、したがって、熱中性電圧を十分に上回る動作電圧で動作し、セルが大量の余熱を発生させるが、余熱は、触媒、導体及び電解質での「本質的」非効率性の他に電気回路網における抵抗加熱の両方に由来する。
【００１０】
[010]大量の余熱の発生は、電気化学セルのエネルギー効率を最大化する観点から重大且つ困難な実際問題を典型的に構成する。第１に、余熱は典型的に、セルにおける一定温度を維持し且つ「熱暴走」を回避するために、適切な冷却システムによって除去されなければならない。電動チラーなどの冷却システムは、しかしながら、しばしばそれ自体が極めてエネルギー非効率的である。冷却システムは高価でもある。したがって、そのような電気化学セルが余熱を生じさせて無駄にするだけでなく、その余熱を除去するためにさらなるエネルギーが費やされなければならない。結果的な相乗作用は定期動作中に電気化学セルのエネルギー効率を劇的に減少させて、低総合エネルギー変換効率をもたらす。
【００１１】
[011]これらの制約は水電解槽の例によって例示されることができる。水電解（「水分解」とも呼ばれる）は、電気化学セル内で適切な電圧（動作電圧）の印加によって、水がその構成ガス、水素及び酸素に変換される電気化学プロセスである。周囲温度でのプロセスのための熱中性電圧は１．４８２Ｖである。この電圧で（セルの電気部品による実質的な抵抗加熱なく）動作されるセルは、理論上、セルの周囲と熱を交換せず、そして１ｋｇの水素を製造するために３９ｋＷｈの電気エネルギーを消費することになる。
【００１２】
[012]実際には、水電解槽はそれほど効率的ではない。例えば、定期動作中に水素を０．５〜１０ｋｇ／日発生させる既知の小規模商用水電解槽は典型的に１．８〜２．２Ｖで動作し、そして１ｋｇの生成水素当たり７５〜９０ｋＷｈを消費する。そのような電解槽の総合エネルギー効率は、したがって、４３〜５２％の範囲にある。すなわち、そのようなセルへ入力される電気エネルギーのわずか４３〜５３％が、生成される水素に含まれるエネルギーに変換される。１ｋｇの生成水素当たり３９ｋＷｈを上回って消費される追加エネルギーは、発生される余廃熱、及びエネルギーを大量消費するチラーが余廃熱を除去する必要性にほとんど起因する。
【００１３】
[013]提案されている将来の水素経済に対する水素の決定的重要性を考慮すれば、水電解槽のエネルギー効率を改善することが米国エネルギー省によって主要な技術的課題と考えられており、同エネルギー省は改善を促すためにこの点で公式目標を公表した。
【００１４】
[014]明確にするため、水電解槽及び他の種類の電気化学セルが、上述していない他の形態の本質的非効率性を呈することが留意されるべきである。１つの例はガス「クロスオーバ」の現象であり、この現象では、カソードで形成される水素が電極間の電解質及び任意のセパレータを通過して、アノードで形成される酸素に混入し、そしてアノードで形成される酸素が電解質及び任意のセパレータを通過して、カソードで形成される水素に混入する。これらの混入物が酸素における水素の爆発下又は上限界に接近すれば、安全問題が生じられたであろう。広範なクロスオーバは、アノード及び／又はカソードのファラデー効率を減少させる影響を典型的に有する。そのような場合には、例えば、水素を作るためにカソードで消費される電子は、その水素がアノードに移動し、そしてアノードでもとの水に変換されると、無駄になる。クロスオーバは水電解槽において２つのメカニズムによって起こることがある：（ｉ）ガスのうちの一方又は両方の微小気泡がセパレータの細孔に留まり、以てカソード液及びアノード液室間にガス経路を生じさせるプロセス、並びに（ｉｉ）電極間の（セパレータを通じた）液体電解質における溶存ガスの移動。
【００１５】
[015]要約すると、液気又は気液変換を促進する電気化学セルのエネルギー効率を改善することに関して重要な課題が存在する。これら及び他の問題点の結果として、気体及び液体又はゲルを伴う電気化学的変換を促進し、且つエネルギー及び電気ペナルティを回避、改良又は減少させる、新たな又は改善されたセル、装置及び／又は方法を対象とする。
【００１６】
[016]いかなる先行公報（若しくはそれに由来する情報）への、又はいかなる既知である事項への本明細書における言及も、先行公報（若しくはそれに由来する情報）又は既知の事項が、本明細書が関する努力傾注分野における周知の一般知識の一部を形成するという承認若しくは容認又はいかなる形態の示唆でもなく、そのようにとられるべきでもない。
【発明の概要】
【００１７】
[017]本「概要」は、「例」にさらに下記する簡略形態の概念の抜粋を導入するために設けられる。本「概要」は、特許請求される主題の主要な特徴又は必須の特徴の全てを特定するものとは意図されず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されるものとも意図されない。
【００１８】
[018]１つの態様において、電気化学セルの管理のための方法であって、電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である動作電圧で電気化学セルを動作させることを含む方法が提供される。別の態様において、複数の電極と、複数の電極間の電解質と、電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である電気化学セルの動作電圧での電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒とを備える電気化学セルが提供される。電気化学反応は吸熱電気化学反応であることが好ましい。
【００１９】
[019]別の態様において、電極と電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法が提供される。本方法は、熱中性電圧を下回る又はその付近である電気化学セルのための動作電圧を生じさせる、設定する、選択する又は印加することを含む。電気化学セルのための動作電圧は電気化学セルの動作温度に対して生じられ、設定され、選択され又は印加されることができる。動作電圧で且つ動作温度で電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに触媒が好ましくは適用される。一例では、動作電圧は、例えば、動作温度に依存することができる電気化学セルのための動作電圧を生じさせる又は結果的に印加する特定の電流密度を印加することによって、間接的に生じられる又は間接的に印加されることができる。
【００２０】
[020]動作電圧が熱中性電圧を下回るときに、吸熱電気化学反応が生じる。しかしながら、動作電圧が熱中性電圧を上回る又はわずかでも上回れば、弱発熱電気化学反応が生じる。
【００２１】
[021]別の態様において、複数の電極と複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法であって、動作セル電圧が電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近であるように動作電流密度及び動作温度（又は運転温度）を活用、選択又は印加することを含む方法が提供される。動作電圧で電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに触媒が適用され、そしてセルは損傷又は障害なく動作温度に耐えることができる。任意選択で、セルは断熱材料で包装又は部分的に包装されてもよい。
【００２２】
[022]別の態様において、複数の電極と複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法であって、動作電流密度を印加することと、セルの動作温度が、動作セル電圧が電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である新たな動作温度に変化するようにすることとを含む方法が提供される。動作電圧で電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに触媒が適用され、そしてセルは損傷又は障害なく動作温度に耐えることができる。任意選択で、セルは断熱材料で包装又は部分的に包装されてもよい。この態様において、管理の方法は「熱自己調整」として知られている。
【００２３】
[023]別の非限定態様例では、複数の電極と複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルのための触媒であって、
貴金属、Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ、カーボンブラック上のＰｔ、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ、カーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ニッケル、ナノ粒子ニッケル、スポンジニッケル、ラネーニッケル、発泡ニッケル、ニッケル合金、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏ、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、スピネル、ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、ＬｉＣｏ２Ｏ４、ペロブスカイト、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、鉄、鉄化合物、ナノ粒子鉄粉末、モリブデン化合物、ＭｏＳ２、コバルト、コバルト化合物、ナノ粒子コバルト粉末、マンガン、マンガン化合物、及びナノ粒子マンガン粉末
の群から選択される１つ又は複数の触媒材料と、
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）との混合物から成る触媒が提供される。
【００２４】
[024]触媒は、好ましくは必ずしも吸熱電気化学反応のためにではないが、熱中性電圧を下回る又はその付近である電気化学セルの動作電圧で電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方に適用されることができることが好ましい。
【００２５】
[025]別の態様において、複数の電極と複数の電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法であって、熱中性電圧を下回る又はその付近である動作電圧で電気化学セルを動作させることを含み、複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒が動作電圧で電気化学反応を促進する、方法が提供される。
【００２６】
[026]別の態様において、電気化学セルであって、複数の電極と、複数の電極間の電解質と、電気化学セルの動作電圧で電気化学反応を促進するために複数の電極のうちの少なくとも一つに適用される触媒とを備え、動作電圧が電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である、電気化学セルが提供される。
【００２７】
[027]１つの例では、動作電圧は熱中性電圧を下回る。別の例では、動作電圧は熱中性電圧である又はその付近である。別の例では、電気化学反応は吸熱電気化学反応であり、そして吸熱電気化学反応にヒータ又は発熱体から熱が印加されており、ヒータ又は発熱体は電気化学セル自体又は発熱体として作用するセルの部品を含んでもよい。別の例では、電気化学反応は吸熱電気化学反応であり、そして吸熱電気化学反応に電気抵抗加熱から熱が印加されており、電気抵抗加熱は電気化学セル自体又はセルの部品からの電気抵抗加熱を含んでもよい。別の例では、例えば冷却システムによる電気化学セルの能動冷却がない。別の例では、断熱が電気化学セルを部分的に又は完全に覆う。
【００２８】
[028]別の例では、電気化学セルは水電解槽であり、そして電気化学反応は水電解である。別の例では、触媒は電極触媒水電解を促進する。別の例では、触媒は電極のうちの両方に適用される。別の例では、触媒は、水電解のために熱中性電圧を下回る、それである又はその付近である動作電圧で水電解を促進する。
【００２９】
[029]別の例では、電極間に配置されるイオン交換膜がない。別の例では、電極間に配置される隔膜（例えばセパレータ）がない。別の例では、電解質は液体電解質又はゲル電解質である。別の例では、電気化学反応から少なくとも１つのガスが生成される。
【００３０】
[030]他の例では、複数の電極のうちの一方又は両方で、形成若しくは生成される少なくとも１つのガスの気泡がない、又は形成若しくは生成される少なくとも１つのガスの気泡が実質的にない。実施形態例では、「気泡形成が実質的にない」又は「実質的に気泡のない」又は「気泡が実質的にない」は、生成ガスの１５％未満が電解質における気泡の形態をとることを意味する。別の実施形態例では、生成ガスの１０％未満が電解質における気泡の形態をとる。他の実施形態例では、生成ガスの８％未満、５％未満、３％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満又は０．２５％未満が電解質における気泡の形態をとる。
【００３１】
[031]触媒は以下の触媒材料又はそれらの組合せのうちの１つ又は複数を含むことが好ましい。（ｉ）Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ（例えばカーボンブラック上のＰｔ）、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ（例えばカーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ）、ＩｒＯ２及びＲｕＯ２を含むがこれらに限定されない、遊離か担持かの貴金属；（ｉｉ）（ａ）ナノ粒子ニッケル、（ｂ）スポンジニッケル（例えばラネーニッケル）及び（ｃ）発泡ニッケルを含むがこれらに限定されないニッケル；（ｉｉｉ）ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏを含むがこれらに限定されないニッケル合金；（ｉｖ）限定することなく、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物及びそれらの組合せ；（ｖ）ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４及びＬｉＣｏ２Ｏ４を含むがこれらに限定されないスピネル；（ｖｉ）Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３及びＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含むがこれらに限定されないペロブスカイト；（ｖｉｉ）ナノ粒子鉄粉末などを含むがこれらに限定されない鉄の他に鉄化合物；（ｖｉｉｉ）ＭｏＳ２を含むがこれに限定されないモリブデン化合物；（ｉｘ）ナノ粒子コバルト粉末などを含むがこれらに限定されないコバルトの他にコバルト化合物；並びに（ｘ）ナノ粒子マンガン粉末などを含むがこれらに限定されないマンガンの他にマンガン化合物。また、触媒は、乾燥時、約５重量％〜約９５重量％のＰＴＦＥと、約５重量％〜約９５重量％の触媒材料とから成ることが好ましい。別の非限定例では、触媒は、乾燥時、約５重量％〜約９０重量％のＰＴＦＥと、約５重量％〜約９０重量％の無被覆カーボンブラックと、約５重量％〜約９０重量％の触媒材料とから成る。
【００３２】
[032]別の例では、触媒は印加電流密度で熱を生成する。別の例では、電流密度は、電気化学セルを一定動作温度に又はその付近に維持するために変化される。別の例では、電流密度は波形で供給される。別の例では、触媒は５０ｍＡ／ｃｍ２以下の低電流密度で電気化学反応を促進する。別の例では、電気化学セルの動作温度は２０°Ｃ以上である。別の例では、電気化学セルの電力効率は７０％を超える。
【００３３】
[033]例示的な実施形態がここで専ら非限定例として且つ添付の図を参照しつつ記載されることになる。添付の図に関連して記載される少なくとも１つの好ましいが非限定的な実施形態の、単に例として与えられる以下の説明から、様々な実施形態例が明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に利用されることができる液気電気化学セル例を概略的に描く（一定比率ではない）。
【図２】電気化学セルにおける液気界面に又はその近くに形成される気体に有効な任意選択を概略的に描く。
【図３】電気化学セルの管理のための方法例を例示する。
【図４】液気電気化学セルにおける空隙のための第１の配置例を概略的に描く。
【図５】液気電気化学セルにおける空隙のための第２の配置例を概略的に描く。
【図６】温度の関数としての水電解の（理論）セル電位及びエネルギー要件を描く。
【図７】２つのガス拡散電極を含み且つ標準動作電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２である電解槽例を概略的に描く。
【図８Ａ】８０°Ｃの温度で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧及び電流プロファイルを描く。
【図８Ｂ】８０°Ｃの温度で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧及び電流プロファイルを描く。
【図８Ｃ】８０°Ｃの温度で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧及び電流プロファイルを描く。
【図９Ａ】以下の条件で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧プロファイルを描く：（ａ）温度制御なしで周囲温度（２５°Ｃ）で。
【図９Ｂ】以下の条件で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧プロファイルを描く：（ｂ）温度制御しつつ、効率的な断熱なしで、８０°Ｃの温度で。
【図９Ｃ】以下の条件で１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で触媒例を含むセルに対して測定された様々な電圧プロファイルを描く：（ｃ）温度制御しつつ、効率的な断熱しつつ、８０°Ｃの温度で。
【図１０Ａ】本実施形態のセル例を描く。
【図１０Ｂ】本実施形態のセル例を描く。
【図１１】直列電気化学セル例のためのバスバー接続を描く。
【図１２Ａ】図１１におけるバスバーによって発生される熱に対するモデリングデータ例を描く。
【図１２Ｂ】図１１におけるバスバーによって発生される熱に対するモデリングデータ例を描く。
【図１３Ａ】図１１における様々な電気素子のうちの全てによって１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で発生される熱に対するモデリングデータ例を描く（触媒によって及び非機能電気部品によって発生される熱を無視する）。
【図１３Ｂ】図１１における様々な電気素子のうちの全てによって１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で発生される熱に対するモデリングデータ例を描く（触媒によって及び非機能電気部品によって発生される熱を無視する）。
【図１４Ａ】図１１における様々な電気素子の全てによって１０．８５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で発生される熱に対するモデリングデータ例を描く（触媒によって及び非機能電気部品によって発生される熱を無視する）。
【図１４Ｂ】図１１における様々な電気素子の全てによって１０．８５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で発生される熱に対するモデリングデータ例を描く（触媒によって及び非機能電気部品によって発生される熱を無視する）。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
[048]以下の様式、特徴又は態様は単に例として与えられており、１つ又は複数の好ましい実施形態の主題のより正確な理解を提供するために記載される。
【００３６】
電気化学セル例及び動作の方法
[049]２０１３年６月１１日出願の「Ｇａｓ  Ｐｅｒｍｅａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」のための国際公開第２０１３／１８５１７０号が参照により本明細書に援用され、また様々なアルカリ及び酸電解槽を含め且つガス生成電極を含め、ガス拡散電極及びその態様を記載しており、同電極は渦巻形にされるか又は「平板」型に保たれ、且つ本例で利用されることができる。
【００３７】
[050]参照により本明細書に援用され、且つ本例で利用されることができるセル、モジュール、構造及び、ガス生成電極を含む電極の例、並びに動作の方法のさらなる態様及び詳細が、２０１４年７月３０日出願の「Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」のための本出願人が先に提出した国際公開第２０１５／０１３７６６号、２０１４年７月３０日出願の「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」のための本出願人が先に提出した国際公開第２０１５／０１３７６５号、２０１４年７月３０日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｅｌｌ  Ｗｉｔｈ  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（ｓ）」のための本出願人が先に提出した国際公開第２０１５／０１３７６７号、２０１４年７月３０日に出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  ｆｏｒ  Ｍａｎａｇｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ」のための本出願人が先に提出した国際公開第２０１５／０１３７６４号、２０１４年１２月１０日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」のための本出願人が先に提出した国際公開第２０１５／０８５３６９号、並びに２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」及び「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されており、これらの特許出願全てが参照により本明細書に援用される。
【００３８】
[051]上記特許出願に記載されている電極、電気化学セル及び／又は動作の方法は本実施形態で使用されることができる。
【００３９】
[052]図１を参照すると、電気化学セル１０の非限定例が例示される。電気化学セル１０は、アノード２０及びカソード３０、すなわち電極２０、３０間に及び／又はそれらの付近に存在する電解質１５、好ましくは電解質圧力にさらされることができる液体電解質又はゲル電解質を含む。アノード２０はガス生成電極であり得、及び／又はカソード３０はガス生成電極であり得る。アノード２０又はカソード３０のいずれかが他方の電極に対して対向電極と称されることができる。例えば、電極２０及び対向電極３０、又は電極３０及び対向電極２０が設けられることができる。任意選択で、電極２０、３０の表面上に、表面に埋め込まれて又は表面近くに、適切な触媒（複数可）を含む導電層又は領域がある。アノード２０及びカソード３０での電極及び触媒層は気体に対して透過性であることが好ましい。電気化学セル１０は、電解質１５を含むためのハウジング又は容器４０を含む。アノード２０で生成される第１のガス７０があれば収集及び／又は輸送するために、アノード２０の一部として、それに隣り合って又はその隣に第１のガス領域、チャネル又は導管５０が形成される。カソード３０で生成される第２のガス８０があれば収集及び／又は輸送するために、カソード３０の一部として、それに隣り合って又はその隣に第２のガス領域、チャネル又は導管６０が形成される。第１のガス領域、チャネル又は導管５０及び第２のガス領域、チャネル又は導管６０は、電気化学セル１０に別々に又は一緒に設けられることができる。特定の反応に応じて、第１のガス７０及び／又は第２のガス８０が生成され、そして任意選択で電気化学セル１０から輸送されることができる。ガス出口の方向は単に例示のためであり且つ変更されることができる。
【００４０】
[053]第１のガス領域、チャネル又は導管５０は、電極２０に又はそれに隣り合って配置される１つ又は複数の空隙容量の１つの形態例を提供する。第２のガス領域、チャネル又は導管６０も、電極３０に又はそれに隣り合って配置される別の１つ又は複数の空隙容量の１つの形態例を提供する。
【００４１】
[054]電流が、関連する電流密度を有して、電極２０、３０に印加されるか、又は電圧（動作電圧）が電源を使用して電極２０、３０にわたって印加されることができる。アノード２０又はカソード３０のいずれの表面でも第１のガス７０及び／又は第２のガス８０の気泡は形成されない又は実質的に形成されない。すなわち、電気化学セルはアノード及び／又はカソードで気泡形成が実質的にない、すなわち実質的に気泡がない。これは、アノード及び／又はカソードで形成又は生成されるガスの１５％未満が電解質における気泡の形態をとることを意味する。特定例では、アノード２０及び／又はカソード３０は多孔質導電材料を含むことができるが、多孔質導電材料は可撓性であり得る。多孔質導電材料は透気性且つ透液性（すなわち電解質透過性）であることが好ましい。アノード２０及び／又はカソード３０は透気性材料を含む、又は透気性材料の隣にある、それに固定される、若しくはそれに隣り合うことができるが、透気性材料も可撓性であり得る。透気性材料は透気性且つ不透液性（すなわち電解質不透過性）であり、したがってアノード２０及び／又はカソード３０の複合構造は透気性且つ不透液性（すなわち電解質不透過性）、且つ任意選択で可撓性であり得ることが好ましい。透気性材料は非導電性であることが好ましい。アノード２０及び／又はカソード３０はガス拡散電極（ＧＤＥ）であり得る。任意選択的な例では、電解質１５は、ポンプを使用して電極２０、３０を越えて圧送されることができる。他の実施形態例では、生成ガスの１０％未満が電解質における気泡の形態をとる。他の実施形態例では、生成ガスの８％未満、５％未満、３％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満又は０．２５％未満が電解質における気泡の形態をとる。
【００４２】
[055]透気性材料への言及は、任意の形態又は種類の透気性媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素若しくは構造、又はそれらの組合せを含む一般的な言及として読まれるべきである。
【００４３】
[056]透気性材料への言及は、材料、媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造の少なくとも一部を通る又は横切る１つ又は複数の気体の移動、移送、浸透又は輸送を許容するように浸透性である任意の媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造（すなわち透気性材料）を含むとしても読まれるべきである。すなわち、透気性材料が作製される物質自体が透気性でも又はでなくてもよいが、物質から形成若しくは作製される、又は少なくとも部分的に形成若しくは作製される材料、媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造は透気性である。透気性材料は多孔質でもよく、少なくとも１つの非多孔質材料及び１つの多孔質材料の複合物でもよく、又は完全に非多孔質でもよい。透気性材料は「通気性」材料とも称されることができる。単に明確にする例として、いかなる限定も課すことなく、透気性材料の一例は多孔質母材であり、そして透気性材料が作製又は形成される物質の一例はＰＴＦＥである。
【００４４】
[057]電極は多孔質導電材料によって提供される又は多孔質導電材料を含むことができる。多孔質導電材料は透気性且つ透液性であることが好ましい。
【００４５】
[058]多孔質導電材料への言及は、材料、媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造の少なくとも一部を通る又は横切る１つ又は複数の気体及び／又は液体の移動、移送、浸透又は輸送を許容するように浸透性である任意の媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造（すなわち多孔質導電材料）を含むとしても読まれるべきである。すなわち、多孔質導電材料が作製される物質自体が透気及び／又は液性でも又はでなくてもよいが、物質から形成若しくは作製される、又は少なくとも部分的に形成若しくは作製される材料、媒体、物、層、膜、障壁、母材、要素又は構造は透気及び／又は液性である。多孔質導電材料は、例えば２種類以上の導電材料、金属材料から、又は導電若しくは金属材料（複数可）及び非金属材料（複数可）から構成される複合材料でもよい。
【００４６】
[059]単に明確にする例として、いかなる限定も課すことなく、多孔質導電材料の例は多孔質又は透過性金属、導体、メッシュ、グリッド、格子、布、織物若しくは不織構造、網又は多孔板を含む。多孔質導電材料は、また「金属様の」伝導の性質を有する材料でもよい。例えば、多孔質炭素布は、その導電性が金属のものと類似しているので、多孔質導電材料と考えられてもよい。
【００４７】
[060]多孔質導電材料は、例えば２種類以上の導電材料、金属材料から、又は導電若しくは金属材料（複数可）及び非金属材料（複数可）から構成される複合材料でもよい。さらには、多孔質導電材料は、透気性材料の少なくとも一部へ被覆される、例えば透気性材料と関連して使用される別の透気性材料の少なくとも一部へスパッタ被覆、又は被覆若しくは蒸着される１つ又は複数の金属材料でもよい。単に明確にする例として、いかなる限定も課すことなく、多孔質導電材料の例は多孔質又は透過性金属、導体、メッシュ、グリッド、格子、布、織物若しくは不織構造、網又は多孔板を含む。多孔質導電材料は透気性材料に付着される別の材料／層でもよく、又は透気性材料に及び／又は透気性材料の一部として形成されてもよい（例えば被覆又は蒸着によって）。
【００４８】
[061]電気化学セルは「平板」（すなわち積層）又は「渦巻」型で提供されることができる。平板は、電極（例えばカソード及び／又はアノード）が平面層又は実質的に平面層から形成されることを意味し、その結果平板電気化学セルは複数の平面電極又は実質的に平面電極から構成される。平板電気化学セルは他の平板電気化学セルとともに積層されて（電気化学セルの一続き又はアレイに重ねられる）、複数の電気化学セルの積層スタック（すなわち積層電気化学セル）を形成することができる。「平板」及び「渦巻」セル、モジュール又は反応器は２つ以上の層に積層される透気性、不透液性ガス拡散電極板又は層を典型的に伴っており、電極は、ガス生成電極を含め、スペーサ又はスペーサ層、例えば別個の電解質チャネルスペーサ（セルを通る液体電解質に対して透過性であり、且つ液体電解質の浸透を案内するものと意図される）及び／又はガスチャンネルスペーサ（セルを通る気体に対して透過性であり、且つ気体の浸透を案内するものと意図される）によって、互いから分離される。２種類以上のガスチャンネルがあってもよい。例えば、２つの別個のガスチャンネル、第１のガス（例えば水電解槽における水素）のために１つ及び第２のガス（例えば水電解槽における酸素）のためにもう１つがあってもよい。同様に、２つ以上の電解質のための別々のチャネルがあってもよい。例えば、塩素−次亜塩素酸殺菌成分を製造するのに適する変形食塩電解槽では、原料電解質（ＮａＣｌ溶液、２５％、ｐＨ２〜４）及び生成物電解質のための別々のチャネルがあってもよい。
【００４９】
[062]「渦巻」配置では、結果的な多電極スタックは巻心要素のまわりにきつく巻回され、以て渦巻セル又はモジュールを生じさせる。巻心要素は、配管する及び／又はセル若しくはモジュールの様々な部品を電気的に接続するための気液及び電気導管のうちの一部又は全てを含んでもよい。例えば、巻心要素は、スタックにおける１つ又は別の特定のガスのためのチャネルのうちの全てを単一の管へ結合してもよく、単一の管は次いで外部ガスタンクへの取付けのために便宜に弁が設けられる。巻心要素は、モジュールのアノード及びカソードをモジュール上の２つだけの外部電気接続部−陽極及び陰極−へ接続する電気的配置を同様に含んでもよい。
【００５０】
[063]他のモジュール配置に比べて渦巻セル又はモジュールの１つの主要な利点は、渦巻セル又はモジュールが比較的小さい全体の幾何学的フットプリント内で高い全体の電気化学的表面積を提供するということである。渦巻電気化学モジュールは、最小の合理的なフットプリント内で可能な限り高い有効表面積を提供すると考えられている。渦巻配置の別の利点は、丸い物体が角を伴う他の幾何形状より加圧しやすいということである。そのため、渦巻設計は、電気化学反応が高圧の印加によって有利に影響を受ける電気化学セルにとって有益であると認められている。
【００５１】
[064]反応器又はセル配置が渦巻であるか平板であるかにかかわらず、モジュール反応器ユニットは、他の同一のモジュールユニットに直ちに取り付けられ、以て反応器全体を必要とされる程度にシームレスに拡張するように設計されてもよい。結合されたモジュールユニット自体が、モジュールユニットに通される液体の全てを自ら内に含み且つ相互接続されたモジュール内に存在する気体のための第２の格納室としての役目をする第２のロバストなハウジング内に収容されてもよい。第２の外側のロバストなハウジング内の個々のモジュールユニットは直ちに及び簡単に取り外され、そして他の同一のモジュールと交換されてもよく、不良又は動作不十分なモジュールの簡単な置換を許容する。
【００５２】
ガス溶解度及び気泡形成を最小化する
[065]実施形態例では、ガス溶解度及び気泡形成を最小化することによって電気化学セルの動作を促進するための方法及びセルが、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌｓ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【００５３】
[066]本発明者らは、好ましくは１つ又は複数のガス生成電極である電極間の液体又はゲル電解質を伴う電気化学セルにおいて、セルにおける液体電解質内に（例えば、セルにおける電極の表面に）形成又は確立されることができる気体が３つの事のうちの１つをすることができると理解した：
（１）気体は液体電解質に溶解して移動することができる。
（２）気体は新たな独立気泡を形成することができる。
（３）気体は自然か人工かの現存の気泡（又は気体領域）に連結することができる。すなわち、気体は現存の気液界面を現存の気相又は領域へ横切ることができる。
【００５４】
[067]図２は、気液セルにおける液体電解質内に形成される気体に有効な、上記番号付けに従う３つの異なる経路１、２、３を概略形式で例示する。
【００５５】
[068]米国特許出願公開第２００８／０１６０３５７号に教示されるように、電気化学セルの電極間の液体電解質における溶存ガスの存在がより高い電気抵抗に至るので、上記経路（１）はエネルギー効率にとって一般に有害である。同経路は電極間のクロスオーバも助長する。
【００５６】
[069]「背景」項に与えられる理由で、上記経路（２）も、電極間の液体又はゲル電解質を有するセルの効率的な動作にとって一般に有害である。
【００５７】
[070]本発明者らは、既知の予想に反して、自然か人為かの「現存の気泡」（すなわち「ガス領域」又は「１つ若しくは複数の空隙容量」）が電極間の伝導路の外側に又は実質的に外側にあれば、上記経路（３）が、電極間の液体又はゲル電解質を有するセルの効率的な動作にとって必ずしも有害であるわけではないと理解した。
【００５８】
[071]１つ又は複数の「空隙容量」は１つ又は複数の多孔質構造によって提供されることができ、多孔質構造は１つ又は複数の透気性材料によって提供されることができる。１つ又は複数の空隙容量を提供する１つ又は複数の多孔質構造又は透気性材料は好ましくは透気性且つ不透液性又は実質的に不透液性である。１つ又は複数の空隙容量を提供する１つ又は複数の多孔質構造又は透気性材料は好ましくは非導電性でもある。
【００５９】
[072]本発明者らは、実際、経路（３）が、ガス形成がセルの動作及び効率にとって有害ではないことを保証する方式でガス形成を制御及び処理する潜在的に有用な手段を提供すると理解した。すなわち、本発明者らは、気泡形成を抑制又は阻止しようとする代わりに、セルの動作及び効率に影響を与えない又は実質的に影響を与えない方法でガス形成を受け入れて収容するように設計されている、自然か人為かの既存の気泡又はガス領域（すなわち１つ若しくは複数の空隙容量）にガス形成を向けることがより効果的かもしれないと予想外に理解した。
【００６０】
[073]その上、本発明者らは、ラプラス方程式の結果として、ガスが表面に独立した新たな気泡を形成する（「くぼみ」内か孤立型球形気泡としてか）より、液体内の新たに形成された又は溶存ガスが、自然か人為かの大きい既存の気泡又はガス領域に連結することが、実際、エネルギー的により好ましいと理解した。この理由は、大きい既存の気泡（ガス領域又は空隙容量とも考えられ得る）が、新たに形成された球形気泡又は表面「くぼみ」における新たに形成された気泡より大きい半径及びしたがって低い内（「ラプラス」）圧を必然的に有することになるからである。
【００６１】
[074]さらには、液体電解質内の溶存ガスの濃度も、自然か人為かの既存の気泡、ガス領域又は空隙容量付近で必然的に最小化されるが、その理由は気泡、領域又は容量が、過剰な気体分子が液相から流出するために通ることが好まれる追加の界面を提供するからである。特に、余剰ガスが液相から流出する手近な経路を気泡界面が提供するので、液体電解質がそのような気泡の近くで過飽和になることは事実上不可能である。このことは、液体電解質における溶存ガスの量が低いほど、電解質の電気抵抗は低く、そしてセルのエネルギー／電力効率は大きい一方、クロスオーバも抑制されるので重要である。
【００６２】
[075]したがって、特定の実施形態例で、本発明者らは、好ましくはガス生成電極とその対向電極との間の電気伝導路の外側に、実質的にガス生成電極とその対向電極との間の電気伝導路の外側に、部分的にガス生成電極とその対向電極との間の電気伝導路の外側に、ガス生成電極とその対向電極との間の電気伝導路の周辺に若しくはそれに隣り合って、及び／又はガス生成電極とその対向電極との間の電気伝導路に対して小横断面積を有して配置され、且つセルのガス生成電極とその対向電極との間の液体電解質又はゲル電解質の内側、その部分的に内側、それに隣り合う又はその近くであることができる、自然に生じたか人為かの１つ又は複数の空隙容量、例えば既存の気泡、ガス領域又はガス経路を用意することが、上記経路（２）を排除するだけでなく、上記経路（１）を最小化もする効果を有すると理解した。別の例では、対向電極はガス生成対向電極であり、その結果電極のうちの両方ともガス生成電極である。
【００６３】
[076]特定の実施形態例で、本発明者らは、高い、より高い又は最大の電解質伝導率の状態で液体電解質におけるガスの溶解及び／又はガスの拡散を減少させる、低下させる又は最小化するセルのための物理条件を選択することによって、上記経路（１）がさらに低減されることができることをさらに発見した。換言すれば：特定の実施形態例で、本発明者らは、高い、より高い又は最大のエネルギー効率の状態で溶存ガスがセルの動作に対して有することがある影響を減少させる、低下させる又は最小化するセルのための物理条件を構成又は選択することによって、セルへの経路（１）の有害作用がさらに低減されることができることを発見した。物理条件は以下のうちの１つ又は複数を含むがこれらに限定されない：
ａ．動作の温度；
ｂ．液相での電解質の種類及び濃度（電解質の表面張力を含む）；
ｃ．液体電解質に印加される圧力（使用されることができるガス拡散電極の圧力差を含む）；
ｄ．電極を分離するために使用されることができる任意のスペーサの性質；
ｅ．動作の様式；
ｆ．液体電解質の流量；及び
ｇ．液体電解質の流れ形（すなわち層又は乱流）。
【００６４】
[077]特定の実施形態例で、本発明者らは、上記物理条件の設定を導くために、フィックの法則、ヘンリーの法則、ラウールの法則、セネコフ式、ストークス−アインシュタイン（−サザランド）式及び同様の式などの物理法則を使用することが有益かもしれないと認めた。その後経験的測定を使用して物理条件の設定をさらに洗練することが有用かもしれない。
【００６５】
[078]特定の実施形態例で、本発明者らは、概して且つ限定することなく、セル内の物理条件が：
（Ｉ）電解質の電気コンダクタンス（典型的に、排他的ではなく、単位Ｓ／ｃｍ）を最大の合理的な程度に増加させる又は最大化する、
（ＩＩ）同時に電解質におけるガスの溶解（典型的に、排他的ではなく、単位ｍｏｌ／Ｌ）を最大の合理的な程度に低下させる又は最小化する、且つ
（ＩＩＩ）電解質における１つ又は複数の溶存ガスの拡散速度（典型的に、排他的ではなく、単位ｃｍ２／ｓ）を最大の合理的な程度に低下させる又は最小化する、
ように構成又は選択されるべきであると認めた。
【００６６】
[079]便宜上、上記（Ｉ）は「伝導係数」と称され、そして記号ＣＦを与えられる。概して、セル内で利用される物理条件は、ＣＦ（典型的に、排他的ではなく、単位Ｓ／ｃｍ）が最大の合理的な程度に増加又は最大化されるようであるべきである。電解質のコンダクタンス又は伝導率は電気抵抗率（Ωｃｍ−オームセンチメートル）の逆数である。したがって、伝導係数又は伝導率は電解質のイオン伝導度の尺度として使用される。使用される測定単位は典型的に、排他的ではなくジーメンス毎センチメートル（Ｓ／ｃｍ）である。
【００６７】
[080]便宜上、（ＩＩ）に上記（ＩＩＩ）を乗算した積は「ガス溶解及び拡散係数」と称され、そして記号ＧＤＤＦを与えられる。特定の実施形態例で、本発明者らは、概して且つ限定することなく、セル内で利用される物理条件は、ＧＤＤＦ（典型的に、排他的ではなく、単位：ｃｍ２．ｍｏｌ／Ｌ．ｓ）が最大の合理的な程度に低下又は最小化されるようであるべきであると認めた。複数のガスが関わる場合、それらのガスのＧＤＤＦの和が最大の合理的な程度に最小化されるべきである。
【００６８】
[081]ＧＤＤＦの式は液相での溶存ガスの拡散に対するフィックの法則に由来し、そして溶存ガスを拡散することが本実施形態の電気化学セルに存在する化学プロセスに対して有することがある影響を反映する。ＧＤＤＦが低いほど、溶存ガスが有する影響は少なくなる。すなわち、ＧＤＤＦが低いほど、上記経路（１）の影響は小さく、又は本実施形態の電気化学セルにおける化学反応への上記経路（１）の影響は小さい。
【００６９】
[082]便宜上、ＣＦをＧＤＤＦで除算した比率は「電解質係数」と称され、そして記号ＥＦを与えられる。概して且つ限定することなく、特定の実施形態例で、本発明者らは、セル内で利用される物理条件は、ＥＦ（典型的に、排他的ではなく、単位：Ｌ  ｓ／Ωｃｍ３  ｍｏｌ）が合理的な最大の程度に増加又は最大化されるようであるべきであると認めた。
【００７０】
[083]式ＥＦ＝ＣＦ／ＧＤＤＦは、液体電解質におけるガス溶解及び拡散の程度に対する液体電解質の電気伝導容量の比率を反映する。上記したように、特定の実施形態例で、本発明者らは、一定の電気化学セルが、液体電解質の電気コンダクタンスが増加又は最大化され、同時に液体電解質におけるガス溶解及び拡散の程度が低下又は最小化される場合に、最も効率的に動作すると認めた。
【００７１】
[084]物理条件を最も適切な又は最も妥協のない方式で設定することによって一旦上記係数の組合せが実現されると、電気化学セル設計の特徴は追加のエネルギー効率を実現するために変更、設定、作成又は実装されてもよい。電気化学セル設計特徴は以下のうちの１つ又は複数を含むがこれらに限定されない：
ａ．利用される電極間距離；
ｂ．利用される電流密度。
【００７２】
[085]便宜上、電極間距離（典型的に、排他的ではなく、単位：ｃｍ）は記号ＩＤを与えられる一方、電流密度（典型的に、排他的ではなく、単位：ｍＡ／ｃｍ２）は記号ＣＤを与えられる。
【００７３】
[086]特定の実施形態例で、本発明者らは、概して且つ限定することなく、セル内の設計の特徴、すなわち：電極間距離（ＩＤ；典型的に、排他的ではなく、単位：ｃｍ）及び電流密度（ＣＤ；典型的に、排他的ではなく、単位：ｍＡ／ｃｍ２）は、ＣＤの２乗にＩＤを乗算し且つＣＦで除算した積が最大の合理的な程度に低下又は最小化されるように設定されるべきであると認めた。便宜上、この式（（ＣＤ）２ｘＩＤ）／ＣＦ））は「電力密度係数」と称され、そして記号ＰＦ（典型的に、排他的ではなく、単位ｍＡ２．Ω／ｃｍ２）を与えられる。概して且つ限定することなく、セル内で利用される物理条件は、ＰＦが最大の合理的な程度に低下又は最小化されるようであるべきである。
【００７４】
[087]したがって、電力密度係数（ＰＦ）は：
ＰＦ＝（（ＣＤ）２ｘＩＤ）／ＣＦ
によって与えられる。
【００７５】
[088]電力密度係数（ＰＦ）は、電気化学セルにおける電極間で電流を押し進めるためになされなければならない仕事の率−すなわちガス生成電極の単位面積当たり消費される電力に関連がある。セルにおける増加したエネルギー及び電力効率には、セルにおける電極間で電流を駆動するためになされなければならない仕事率の低下又は最小化が必然的に伴わなければならない。量ＰＦは、したがって、セルのエネルギー効率の代用であり、且つエネルギー効率に逆相関する。
【００７６】
[089]特定の実施形態例で、本発明者らは、液体電解質におけるガス移動に起因して一方の電極から他方にクロスオーバする、本実施形態の電子合成セルにおいて発生されるガスの百分率を定量化することも有用であると認めた。このクロスオーバ量ＣＯは、百分率として、クロスオーバ（ＣＯ）の式によって提供される：
ＣＯ＝（ｎ．Ｆ．ＧＤＤＦ）／（ＩＤ．ＣＤ）ｘ１００（単位：％）
式中、
ｎ＝当該ガス生成電極で起こる可逆電気化学半反応で交換される電子の数（すなわち可逆酸化還元半反応における電子の数）、
Ｆ＝ファラデー定数＝９６，４８５クーロン／ｍｏｌ、
ＧＤＤＦ＝ガス溶解及び拡散係数、等しくは：
＝（溶存ガスの濃度［単位：ｍｏｌ／Ｌ］）ｘ（溶存ガスの拡散速度［単位：ｃｍ２／ｓ］）
（総括単位：ｃｍ２．ｍｏｌ／Ｌ．ｓ、
別表現されることもできる：ｍｏｌ／（１０００ｃｍ  ｓ）、
ＩＤ＝電極間距離（単位：ｃｍ）、
ＣＤ＝電流密度（単位：ｍＡ／ｃｍ２）、及び
上記式における個々の係数は以下の単位を有する：
（ｎ．Ｆ．ＧＤＤＦ）は単位：Ｃ．ｃｍ２／Ｌ．ｓを有する、
別表現されることもできる：Ｃ／（１０００ｃｍ  ｓ）、
別表現されることもできる：ｍＡ／ｃｍ
（ｎ．Ｆ．ＧＤＤＦ）／ＩＤは単位：ｍＡ／ｃｍ２を有する
ＣＤは単位：ｍＡ／ｃｍ２を有する
（ｎ．Ｆ．ＧＤＤＦ）／（ＩＤ．ＣＤ）ｘ１００は単位：％を有する。
【００７７】
[090]特定の実施形態例で、本発明者らは、概して且つ限定することなく、セルにおける物理条件及びセル内のセル設計の特徴が：
電解質係数ＥＦ（単位：Ｌ  ｓ／Ωｃｍ３  ｍｏｌ）が最大の合理的な程度に増加又は最大化される；
電力密度係数ＰＦ（単位：ｍＡ２Ω／ｃｍ２）が最大の合理的な程度に低下又は最小化される；且つ
クロスオーバＣＯ（％）が最大の合理的な程度に低下又は最小化される、
ように設定されれば、他の手法を使用して達成可能なものより大きい可能性がある相当なエネルギー効率が電気化学セルにおいて実現されることができると認めた。
【００７８】
[091]上記の全てを考慮に入れて、特定の実施形態例で、本発明者らは、上記したような物理条件及びセル設計特徴の精選の効果が、電気伝導路の外側に若しくは実質的に外側にある、又は電気伝導路間に小さい若しくは最小の影響だけを有するように配置される、自然か人為かの現存の気泡又はガス領域、すなわち１つ又は複数の空隙容量を用意する効果と組み合わされると、電気化学セルにおいてエネルギー効率の有意な改善が達成されるとさらに理解した。これらのエネルギー効率は、電極間の固体イオン交換膜の使用などの他の手法を使用して達成可能なものより大きい可能性がある。
【００７９】
[092]したがって、例えば、表１で留意されるように：従来のアルカリ電解槽など、ガスが気泡の形態で生成される電気化学セルは、液体電解質における気泡の影響に起因して、動作条件で電極間の０．６Ｖまでの典型的な電圧降下を経験することがある。
【００８０】
[093]対照的に、電極間に固体ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（商標）１１７ＰＥＭ膜（１８５μｍ厚；浸水）を活用し且つ８０°Ｃで１．８Ａ／ｃｍ２の典型的な電流密度で動作する従来のＰＥＭ電解槽は、非常により小さい０．２２９Ｖの電極間の抵抗降下を経験することになる。
【００８１】
[094]全てのうちの最良のものは、しかしながら、３ｍｍの電極間ギャップを有し且つ液体電解質として水性６Ｍ  ＫＯＨを使用して８０°Ｃで５０ｍＡ／ｃｍ２の典型的な電流密度で動作する現実施形態のアルカリ電解槽である。そのような電解槽はわずか０．０１１Ｖの電極間の抵抗降下を経験することになる。低電圧降下は高い又はより高い基本的なエネルギー及び電力効率と一貫している。
【表１】
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【００８２】
[095]たとえ上記例のＰＥＭ電解槽がその通常の動作電流密度の１／２０で（すなわち９０ｍＡ／ｃｍ２で）動作されることになったとしても、おそらく経済的に実行不可能ではあろうが、上記ＰＥＭ電解槽は上記アルカリ電解槽によって経験されるものより高い電圧降下を依然として経験するであろうことが留意されるべきである。
【００８３】
[096]これらの概念を要約すると、実施形態は、１つ又は複数のガス生成電極が気泡のない又は実質的に気泡のない方式で動作する電気化学セル及び使用又は動作の方法に関わる。電気化学セルはガス生成電極間に存在する隔膜を有しない。電気化学セルは特定の触媒−電解質システムを利用することが好ましい。電気化学セルは：
（ｉ）電解質濃度（例えば１つの例ではＫＯＨ濃度）；
（ｉｉ）電解質の温度；
（ｉｉｉ）電解質に印加される圧力；
（ｉｖ）電極間距離（例えばアノードとカソードとの間の距離）；及び
（ｖ）電流密度
を含む、電気化学セルの異なる変数の最良の設定を決定するように最適化される。
電気化学セルの最適化のために、これらの変数のどの設定が電気化学セルのガス生成電極による最適性能をもたらすかを決定することが必要とされる。
【００８４】
[097]電極性能を最適化することにきわめて重要であると考えられている、これらの変数間の３つの主な関係があり、これらの関係は上記したように：電解質係数（ＥＦ）、電力密度係数（ＰＦ）及びクロスオーバ（ＣＯ）である。以下の条件が同時に満たされるときに、最大又は最適電極性能が生じる：
ＥＦが最大化され、
ＰＦが最小化され、且つ
ＣＯが最小化される。
【００８５】
[098]この手法によって実現されるエネルギー効率は、電極間の固体イオン交換膜の使用などの他の手法を使用して達成可能なものより実質的である可能性があるだけでなく、それらのエネルギー効率は、従来のセルにおいてエネルギー損失が通常最大である状況で、すなわち、より高い圧力及び／又は電流密度で最も増幅される可能性もある。
【００８６】
[099]以上の掲載した５つの異なる変数（ｉ）〜（ｖ）のうち、３つは物理的反応態様である−すなわち、（ｉ）電解質濃度、（ｉｉ）温度及び（ｉｉｉ）圧力。しかしながら、その他の２つの変数は、事実上、工業量であり、且つ最適化を満足させる又は改善するために広範囲から設定されることができる、すなわち：（ｉｖ）電極間距離及び（ｖ）電流密度。
【００８７】
[0100]このことは、電解質係数（ＥＦ）が上記変数（ｉ）〜（ｉｉｉ）、すなわち（ｉ）電解質濃度、（ｉｉ）温度及び（ｉｉｉ）圧力によってのみ決定されるので重要である。対照的に、電力密度係数（ＰＦ）及びクロスオーバ（ＣＯ）は主に、（ｉｖ）電極間距離及び（ｖ）電流密度である、工業変数によって決定される。
【００８８】
[0101]実際、電力密度係数（ＰＦ）は電解質係数（ＥＦ）の一方の成分、すなわち電解質伝導係数（ＣＦ）によって軽微に影響される一方、クロスオーバ（ＣＯ）は電解質係数（ＥＦ）の他方の成分、すなわちガス拡散及び溶解係数（ＧＤＤＦ）によって軽微に影響される。
【００８９】
[0102]したがって、一般に、電解質係数（ＥＦ）がどこで最大になるであろうかという点では自然及び物理の法則によって制限される。しかしながら、電力密度係数（ＰＦ）及びクロスオーバ（ＣＯ）は、事実上、最適化のために決定又は設定されることができる。言い換えれば、電解質係数（ＥＦ）がどこで最大になるであろうかを見つけ、次いで工業量の利用可能な制御又は自由を使用して、電力密度係数（ＰＦ）及びクロスオーバ（ＣＯ）を同時に最小にさせる（ＣＯの場合にはゼロにさせる）又は同時にできる限り最小に近くさせることができる。
【００９０】
[0103]特定の実施形態例で、本発明者らは、したがって、以下によってガス生成電極間の液体又はゲル電解質を有する液気電気化学セルにおいてエネルギー節減が実現されることができることを発見した：
（１）以下の目的で、セルにおけるガス源の内側に、そこに、それに隣り合って又はその近くに、自然か人為かの１つ又は複数の大きい、予め形成された又は既存の気泡（すなわち空隙容量（複数可）、又はガス領域、又はガス経路、又は気泡領域）を用意する：
ｉ．液体電解質におけるガス溶解を低下させる又は最小化する、及び
ｉｉ．独立気泡形成を低下させる又は最小化する；
（２）自然か人為かの予め形成された又は既存のガス気泡（複数可）又は領域（複数可）を、電気化学セルの伝導路の外側に若しくは周辺に、又は電気化学セルの伝導路内で小横断面積だけを占有するように設け、その結果気泡の存在がセルの電気抵抗を実質的に増加させず；
及び／又は状況で：
（３）セル内の物理条件及びセル設計が以下のように設定される：
ｉ．電解質係数（ＥＦ；例えば、単位：Ｌ  ｓ／Ωｃｍ３  ｍｏｌ）が最大の合理的な程度に増加又は最大化される；並びに
ｉｉ．電力密度係数（ＰＦ；例えば、単位：ｍＡ２Ω／ｃｍ２）及びクロスオーバ（ＣＯ；例えば％）が最大の合理的な程度に低下又は最小化される。
【００９１】
[0104]特定の実施形態例で、本発明者らは、この手法によって実現されるエネルギー効率が、電極間の固体イオン交換膜の使用などの他の手法を使用して達成可能なものより実質的であることができるだけでなく、エネルギー効率が、従来のセルにおいてエネルギー損失が通常最大である状況で、すなわち、より高い圧力及び／又は電流密度で最も増幅されることもできるとさらに理解した。
【００９２】
[0105]１つの態様例では、ガス生成電極間の液体又はゲル電解質を有する液気電気化学セルが提供され：
（Ｉ）伝導路の外側に若しくは周辺にある又は電気化学セルの伝導路内で小横断面積だけを占有する１つ又は複数の空隙容量が電解質の内側に、その部分的に内側に、それに隣り合って又はその近くに設けられ、且つ
（ＩＩ）セルにおける物理条件及びセル設計が：
ｉ．電解質係数（ＥＦ；単位：Ｌ．ｓ／Ωｃｍ３．ｍｏｌ）が最大の合理的な程度に増加又は最大化される；並びに
ｉｉ．電力密度係数（ＰＦ；単位：ｍＡ２Ω／ｃｍ２）及びクロスオーバ（ＣＯ；％）が最大の合理的な程度に低下又は最小化される、
ように設定される。
【００９３】
[0106]１つ又は複数の空隙容量は、１つ又は複数の空隙容量へのガスの移動を促進するために、ガス形成源に直接隣り合う、その隣に、又はその内側に配置されることが好ましいが排他的ではない。１つ又は複数の「空隙容量」は１つ又は複数の多孔質構造によって提供されることができ、多孔質構造は透気性材料であり得る。１つ又は複数の空隙容量を提供する１つ又は複数の多孔質構造又は透気性材料は好ましくは透気性且つ不透液性又は実質的に不透液性である。
【００９４】
[0107]１つ又は複数の空隙容量は、電解質に対して透過性ではない（すなわち不透液性）が気体の通過を収容又は許容する（すなわち透気性）透気性材料（すなわち多孔質構造）によって提供されることが好ましいが排他的ではない。したがって、１つの好ましい形態では、空隙容量は透気性且つ不透液性多孔質構造（複数可）又は材料（複数可）によって提供される。１つ又は複数の空隙容量は好ましくは非導電性である。
【００９５】
[0108]水性液体電解質の場合には、１つ又は複数の空隙容量は、好ましくは、排他的ではなく、セルの動作中に液体電解質又はゲル電解質で満たされないままである、多孔質疎水性組立品、膜若しくは中空繊維、又はそのような構造の集合などの多孔質疎水性構造によって提供される。
【００９６】
[0109]空隙容量又は１つ若しくは複数の空隙容量は「既存の気泡」、「予め形成された気泡」、「ガス領域」、「ガス経路」、「ガス空隙」、「人工気泡」又は「人為気泡」であると考えられてもよい。空隙容量又は１つ若しくは複数の空隙容量はセルの電気伝導路の外側に若しくは周辺にある、又は電気伝導路内で小横断面積だけを占有することが好ましい。別の例では、空隙容量の横断面積は、電極の表面から延びる垂直方向に対して、電気伝導路の横断面積より小さい。
【００９７】
[0110]代替の好ましい実施形態において、空隙容量は、セルの伝導路における小横断面積の外側又は内側に静的に又は近静的に配置される１つ又は複数の自然気泡によって提供されてもよい。例えば、１つ又は複数の静的又は近静的な自然気泡は、セルの伝導路内の小横断面積の外側又は内側に設置される収容構造内に含まれても又は機械的に捕捉されてもよい。別の例では、１つ又は複数の自然な静的又は近静的気泡は、セルの伝導路における小横断面積の外側又は内側に単に形成されても又は設けられてもよい。
【００９８】
[0111]１つの好ましい実施形態において、電気化学セルは、移動ガスを受け入れて収容し、以てセルの効率を改善するように構成される１つ又は複数の空隙容量を含む。例えば、水性液体又はゲル電解質を持つセルは、隔離され且つ付近の環境とガス接触していない薄い高疎水性平膜又は中空繊維膜の部分を含んでもよい。薄い高疎水性平膜又は中空繊維膜のそのような隔離部分は、動作中にセル内に徐々にではあるが不適時に発生されるガスを受け入れて収容するように配置されてもよい。周囲から隔離されることに加えて、疎水性膜内の空隙容量は互いからも隔離されてもよく、又は空隙容量は互いとガス接触していてもよい。
【００９９】
[0112]疎水性膜はセルの電気経路の外側のセルの縁に設置されてもよく、又は疎水性膜は、例えば、電気経路に沿って長手方向の位置に配置され、以て電気抵抗のためにフットプリントを最小化してもよい。
【０１００】
[0113]例えば、空隙容量（複数可）は、ニッケル水素、鉛酸又はリチウムイオン電池を含むがこれに限定されず、独立ガス気泡の非管理形成が電池に損傷を与える又は電池の性能を劣化させる可能性を有する、過充電時に電池内に徐々にではあるが不適時に生じられるガスを収容してもよい。そのような応用では、空隙容量は、事実上、ガス形成を抑制するために通常組み込まれる犠牲材料に置き換わっても又は部分的に置き換わってもよい。空隙容量（複数可）は、放電時にガスを除去する逆の再結合反応の前に形成される多量のガスを保持するように「バッファタンク」としてさらに作用してもよい。
【０１０１】
[0114]別の例では、空隙容量（複数可）は、電気泳動又は電気浸透セルの動作中に形成されるガスを収容し、以てセルの動作を改善してもよい。さらなる非限定例では、空隙容量（複数可）は、固体又はゲル電解質をもつ電気化学セルにおいて気泡形成の発生を停止させる又は最小化するように作用してもよい。
【０１０２】
[0115]空隙容量が液体媒体内の環境からガス隔離している場合でさえ、空隙容量が相当量のガスを受け入れることが依然として可能であることが理解されることになる。このことが生じることができる理由は、空隙容量内の内部ガス圧力が空隙容量のいわゆる「バブルポイント」を超える点まで空隙容量が移動ガスを必然的に且つ競合的に収容することになるからである。その段階で、空隙容量と周囲液体媒体との間の界面で、１つ又は複数の気泡が非管理方式で生ずることになる。したがって、空隙容量が液体又はゲル媒体内でガス隔離していてもよいという事実は、空隙容量が相当量のガスさえ受け入れて収容するのを妨げない。用語「バブルポイント」は、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  ｆｏｒ  Ｍａｎａｇｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ」という名称の本出願人の国際公開第２０１５０１３７６４号に記載されている文脈で本明細書で使用され、同出願が参照により本明細書に援用される。
【０１０３】
[0116]別の好ましい実施形態において、空隙容量は移動ガスを単に受け入れて収容するだけでなく、代わりに又は付加的に、移動したガスをセルの別の部分から／に、又はセルへ／から完全に、例えば保持タンクに輸送するガス導管を形成する。例えば、空隙容量は、セルの電解質内で形成される不要ガスがセルから流出するように作用してもよい。
【０１０４】
[0117]例えば、空隙容量（複数可）は、ガス生成電極を含む電極間に存在する電解質から、セルの伝導路の外側に若しくは実質的に外側にあるセルの別の部分に、又はセルの外側にガスを輸送してもよい。他の例では、空隙容量は、電極間のセルの液体又はゲル電解質内の溶存ガスを連続的に除去し、以てセルの電気伝導率及びしたがって電力効率を改善するように作用してもよい。すなわち、空隙容量は、電解質を連続的に「脱気」し、そして空気中に溶存ガスを排出し、以て電解質の電気伝導率を改善するために使用されてもよい。
【０１０５】
[0118]他の例では、空隙容量（複数可）は、電解質内のガスの溶解を競合的に抑制し、以て電解質の電気伝導率を最大化するように作用してもよい。追加例では、空隙容量（複数可）は、セルへ特定の不活性ガスを搬送し、以て電解質を反応的に不活性であるガスで飽和させ且つ以てセルの総合効率を改善するように作用してもよい。
【０１０６】
[0119]別の好ましい実施形態において、空隙容量は電極と関連付けられてもよい。すなわち、空隙容量はガス拡散電極のガス側を形成してもよく、電極のガス側は電極間のセルの伝導路の外側に又は実質的に外側にあり、且つガス拡散電極のガス側はセルへの又はセルからのガスの移動を促進する。ガス拡散電極は電極で発生されるガスをセルから輸送するように作用してもよく、代替的に、ガス拡散電極はセルの外側からセルへガスを輸送するように作用してもよい。そのようなセルの例は「電子合成」又は「電子エネルギー」セルを含む。
【０１０７】
[0120]電気化学セルが少なくとも１つのガス拡散電極を含む実施形態において、セルは好ましくは、排他的ではなく以下の利点のうちの１つ又は複数を有する：
（１）以前は固体電極だけが実行可能又は経済的であったガス拡散電極の配備による種々の工業電気化学プロセスを便宜に且つ経済的に管理することができる能力；
（２）ガス拡散電極を活用する電気化学セルにおいて以前に可能であったより高い気体又は液体圧を印加することができる能力；
（３）ガス拡散電極を現在利用する工業電気化学セルにおける複雑且つ高価な均圧機器の必要性の排除。均圧機器は、液体電解質の漏洩に至るであろう、ガス拡散電極の気体及び液体側にわたる実質的な圧力差を回避するために必要であった；
（４）工業電気化学セル及び／又は装置における電極での（例えば対向電極での）エネルギー的に好ましいガス減極反応を便宜に且つ経済的に促進することができる能力であり、これはエネルギー効率の観点から魅力的であったが、以前は実行可能ではなかった；及び／又は
（５）障壁層又は膜が反応物／生成物ガスの輸送を許可するが水蒸気を排除するようにガス拡散電極に障壁層又は膜を加える可能性。
【０１０８】
[0121]セルは、「電解質係数」（ＥＦ；例えば、単位：ｍＡ．ｍｏｌ／Ｌ．ｓ）が最大の合理的な程度に増加又は最大化される条件で動作されることが好ましいが排他的ではない。「電解質係数」（ＥＦ；単位：ｍＡ．ｍｏｌ／Ｌ．ｓ）は、液体電解質におけるガス溶解及び拡散の程度に対する液体電解質の伝導容量の比率を反映する。複数のガスが関わる場合、「電解質係数」（ＥＦ；単位：ｍＡ．ｍｏｌ／Ｌ．ｓ）は、液体電解質におけるガス溶解及び拡散の程度のガスのうちの全てに関する和に対する液体電解質の伝導容量の比率を反映する。
【０１０９】
[0122]したがって、上記した物理条件は、セルにおける電極間の液体又はゲル電解質のコンダクタンスを増加させる又は最大化するように設定されることが好ましいが排他的ではない。さらには、上記した物理条件は、電極間の液体又はゲル電解質におけるガスの溶解を低下させ又は最小化し、以て電解質の電気コンダクタンスを増加させる又は最大化するように設定されることが好ましいが排他的ではない。代替例では、上記した物理条件は、好ましくは、排他的ではなく、電極間の液体又はゲル電解質に溶解されるガスの拡散速度を低下させる又は最小化するために設定される。第３の代替例では、上記した物理条件は、好ましくは、排他的ではなく、動作中及び／又はエネルギー若しくは電力効率の観点からセルの効率を増加させる又は最大化するように、電解質におけるガスの溶解か電解質におけるガスの拡散速度か、又はそれらの適切な組合せを低下させる又は最小化するために設定される。
【０１１０】
[0123]したがって、自然に生じたか人為かの１つ又は複数の空隙容量、例えば既存の気泡、ガス領域又はガス経路は異なる例に配置されることができる：
（ｉ）電極間の電気伝導路の外側に、
（ｉｉ）実質的に電極間の電気伝導路の外側に、
（ｉｉｉ）部分的に電極間の電気伝導路の外側に、
（ｉｖ）電極間の電気伝導路の周辺に若しくはそれに隣り合って、
（ｖ）電極間に且つ電気伝導路内に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有して、
（ｖｉ）電極間に且つ電気伝導路と平行に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有するように、
（ｖｉｉ）電極間に且つ電極のうちの一方若しくは両方に垂直に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有するように、及び／又は
（ｖｉｉｉ）セルの液体電解質若しくはゲル電解質の内側に、その部分的に内側に、それに隣り合って若しくはその隣に。
【０１１１】
[0124]セルは、クロスオーバ（ＣＯ；例えば％）が最大の合理的な程度に低下又は最小化される条件で動作されることができることが好ましいが排他的ではない。クロスオーバ（ＣＯ；％）は、液体電解質におけるガス移動に起因して一方の電極から他方に横切るガスの百分率である。
【０１１２】
[0125]実施形態例では、クロスオーバ（ＣＯ）は好ましくは４０％以下である。実施形態例では、クロスオーバ（ＣＯ）は３０％以下、２０％以下、１５％以下、１２％以下、１０％以下、８％以下、５％以下、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下又は０．５％以下である。各場合で、クロスオーバ（ＣＯ）は０％以上である。別の例では、クロスオーバ（ＣＯ）は０％に等しい又は約０％である。
【０１１３】
高圧動作
[0126]実施形態例では、高圧で電気化学セルの動作を促進するための方法が、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【０１１４】
[0127]特定の実施形態例で、本発明者らは、電気化学セルの動作が、本明細書に記載される条件で、多くの従来のシステムで実行可能であるより高い圧力で動作することが可能であるセルを可能にすることができることを発見した。付加的に、より高い圧力にはより大きなエネルギー効率及び／又はより高い電流密度が伴う。すなわち、特定の実施形態例で、本発明者らは、相当する従来のセルに対する、本明細書に記載される電気化学セル例を動作させる様式の利点が、これまで利用不可能又は実行不可能な圧力の条件で経済的に実行可能な動作を可能にするように、予想外に増幅されることを発見した。
【０１１５】
[0128]実施形態例の電気化学セルの印加圧力の増加は、アノード及び／又はカソードで収集される１つ又は複数のガスの純度を劣化させるべきではなく、少なくとも従来のセルにおいて観察される程度に近づくべきではない。その上、記載される方法で動作されると、そのようなセルは、相当する従来のセルより実質的に電気及びエネルギー効率的である。高圧での印加電流密度の増加も、ガス純度を従来のセルの場合のように劣化させるのではなく、漸次改善する効果を有することができる。これには高エネルギー効率及び／又は高電流密度が伴うことができる。この実現は、これまで利用不可能又は実行不可能な圧力及び／又は電流密度の条件で動作する新たな工業電子合成及び電子エネルギープロセスをもたらすことができるので、重要な実用性を有する。
【０１１６】
[0129]本明細書で使用される「圧力」（「高圧」への言及を含む）は、別途明記しない限り、「ガス圧力」（例えばガス生成物（複数可）圧力）を指し、この圧力は「電解質圧力」（例えば液体電解質圧力）に必然的に類似する又は近いが、いくぶん下回ることが留意されるべきである。「電解質圧力」は「ガス圧力」プラス「膜の湿潤圧力」を超えるべきではない（さもなければ膜は漏れて／あふれることになる）。概して、例として、「ガス圧力」は「電解質圧力」を約０．５バール〜約１．５バール下回るように典型的に設定される。
【０１１７】
[0130]実施形態例では、高圧（すなわち圧力）は好ましくは１０バール以上である。代替実施形態例では、高圧は好ましくは２０バール以上、３０バール以上、４０バール以上、５０バール以上、６０バール以上、７０バール以上、８０バール以上、９０バール以上、１００バール以上、２００バール以上、３００バール以上、４００バール以上又は５００バール以上である。
【０１１８】
[0131]例えば、本発明者らは、注目すべきことに、国際公開第２０１３／０６６３３１号に及び書籍「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」、Ａ．Ｇｏｄｕｌａ−Ｊｏｐｅｋによる（Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ、２０１５）の１６０〜１６１ページに記載されているように、高圧条件のアルカリ電解槽における（ｉ）セパレータを通じたガスクロスオーバの問題及び（ｉｉ）セパレータ全体のガス均圧の問題が、アノード及びカソードに適切なガス拡散電極を使用し、次いでセパレータを全面的に取り除くことによって、解決又は大幅に低減されることができることを発見した。
【０１１９】
[0132]ガス拡散電極が適切に高い湿潤圧力を有し、そして電極の気体側に比べて液体の圧力差が決してその湿潤圧力を超えるようにはされない限り、ガスクロスオーバが最小で且つ従来の電気化学セルにおいてより確実に少ない物理条件を見つけることが可能である。結果として、高圧で高純度のガスを生成することが可能になる。
【０１２０】
[0133]例えば、国際公開第２０１３／０６６３３１号に及び書籍「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」、Ａ．Ｇｏｄｕｌａ−Ｊｏｐｅｋによる（Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ、２０１５）の１６０〜１６１ページに記載されている、Ａｖａｌｅｎｃｅ  ＬＬＣによって開発された電解槽において観察されるように、隔膜、セパレータ又はイオン交換膜を取り除くことは、カソード液及びアノード液室の圧力を均一にすることに関連する困難も回避する。セパレータが取り除かれると、カソード液及びアノード液室は１つになり、その結果、少なくとも電解質に印加される圧力からは、カソードとアノードとの間に圧力差が存在することはできない。例えば、国際公開第２０１３／０６６３３１号に及び書籍「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」、Ａ．Ｇｏｄｕｌａ−Ｊｏｐｅｋによる（Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ、２０１５）の１６０〜１６１ページに記載されているような、Ａｖａｌｅｎｃｅ  ＬＬＣによって開発された上述した電解槽において観察されるように、気泡形成を回避することと協力して、セパレータの取外しは、セパレータの細孔を占めるガス気泡に由来するクロスオーバをさらに排除する。
【０１２１】
[0134]液体電解質における気泡の不在又は実質的な不在は、増加する電流密度が、「気泡過電圧」、「気泡カーテン」及び「空間率」影響から生じる電気抵抗増加及びエネルギー効率減少を生じさせないことをさらに意味する。この理由で、セル周囲で電解質を急速圧送する要件も低下した。代わりに、より高い電流密度（高圧で）が有益な効果を有しており、その効果は電極間の液体電解質における溶存ガスの移動に起因して起こるガスクロスオーバの相対量を緩和する及び減少させること伴う。そのような移動の速度はセパレータを通じた気泡移動の速度より非常に小さいであろう。その速度はまた、温度、液体電解質における塩類の濃度、電極の分離の程度、液体電解質に印加される圧力などを含め、利用される物理条件によって固定される。その速度が固定されるので、電流密度を（高圧の状態で）増すことによってガス発生全体の速度を増すことは、ガス生産全体の速度へのそのようなガスクロスオーバの相対寄与を減少させるように作用する。そのようにする際に、総合電流密度が増すにつれて、この種類のガスクロスオーバによって生じられる生成物ガスにおける不純物は、無視できるほどに小さいことも含み、より小さくなる。すなわち、高圧での電流密度の増加は発生されるガスの純度を増し、そしてこのことは高い総合電力効率で起こる。
【０１２２】
[0135]これらの性質は、現在は「高圧で高効率を有することは可能ではない」という趣旨の、米国エネルギー省の２０１５年次成果評価議事（水素生産及び運搬）におけるプロジェクトＰＤ１１７のための発表の記載と際立った対照を示す。その上、これらの予想外の性質は、国際公開第２０１３／０６６３３１号に及び書籍「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」、Ａ．Ｇｏｄｕｌａ−Ｊｏｐｅｋによる（Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ、２０１５）の１６０〜１６１ページに記載されている、Ａｖａｌｅｎｃｅ  ＬＬＣによって開発された電解槽に例示される、高圧アルカリ電解槽における基本的障害を克服しており、同電解槽の動作は、効率的に印加されることができる電流密度（高圧で）及び圧力の増加がますます不純なガスに至るという事実のうちの両方で制限され（以て、最終的に、最大印加圧力を制限する）。
【０１２３】
[0136]これらの性質の結果として、本明細書に及び、参照により本明細書に援用される、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」及び「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されている電気化学セル例は、予想外に、ガス圧縮機の必要性なしで、任意選択で高電流密度で且つ任意選択で高電力及びエネルギー効率で、高純度の高圧ガスを発生させるために使用されることができる。同様の原理が逆の状況、すなわち高電流密度で、高純度の高圧ガスを活用して、高電力及びエネルギー効率を達成する上述の種類の燃料電池に当てはまる。
【０１２４】
[0137]したがって、１つの態様において、実施形態は、ガス圧縮機なしで、液体電解質から高圧で１つ又は複数の高純度ガスを発生させる電気化学セルを提供する。セルは高電力及びエネルギー効率で動作することが好ましい。
【０１２５】
[0138]ガス生成電極ではガスの気泡は形成若しくは生成されない、又は実質的に形成若しくは生成されないことが好ましい。また、ガス生成電極と対向電極との間に、すなわちアノードとカソードとの間に配置される隔膜、セパレータ又はイオン交換膜がないことが好ましい。別の例では、方法は、電気化学セルに対するクロスオーバ（ＣＯ）が４０％以下であるように電極間の電極間距離（ＩＤ）を選択すること及び／又は電流密度（ＣＤ）を選択することを含む。任意選択で、クロスオーバ（ＣＯ）は０％に等しい又は約０％である。１つの例では、１つ又は複数の空隙容量がガス生成電極に又はそれに隣り合って設けられる。方法例は、５０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で且つ１０バール以上の圧力で電気化学セルを動作させることを含む。
【０１２６】
[0139]実施形態例では、ガスの高純度は好ましくは９０％以上である。代替実施形態例では、ガスの高純度は好ましくは９５％以上、９７％以上、９９％以上、９９．５％以上、９９．９％以上、９９．９９％以上、９９．９９９％以上、９９．９９９９％以上又は９９．９９９９９％以上である。別の例では、生成ガスは１００％に等しい又は約１００％の純度を有する。
【０１２７】
[0140]実施形態例では、高圧は好ましくは１０バール以上である。代替実施形態例では、高圧は好ましくは２０バール以上、３０バール以上、４０バール以上、５０バール以上、６０バール以上、７０バール以上、８０バール以上、９０バール以上、１００バール以上、２００バール以上、３００バール以上、４００バール以上又は５００バール以上である。
【０１２８】
[0141]別の態様において、電気化学セルは、高電流密度で且つガス圧縮機なしで液体電解質から高圧で高純度ガスを発生させる。
【０１２９】
[0142]別の例では、電気化学セルは、ガス圧縮機なしで液体電解質から高圧で高純度ガスを発生させるが、電気化学セルは、ガス拡散アノード及びガス拡散カソードのうちの少なくとも一方又は両方を結合し、その両方とも比較的高い湿潤圧力を有する。
【０１３０】
[0143]実施形態例では、高湿潤圧力は好ましくは０．２バール以上である。代替実施形態例では、高湿潤圧力は好ましくは０．４バール以上、０．６バール以上、０．８バール以上、１バール以上、１．５バール以上、２バール以上、２．５バール以上、３バール以上、４バール以上又は５バール以上である。
【０１３１】
[0144]実施形態例では、セル周囲で電解質を圧送する低減した又は軽微な要件だけが必要であり、電解質置換率は好ましくは１時間毎にセル容量の電解質の１置換未満である。代替実施形態例では、電解質置換率は好ましくは４５分毎にセル容量の電解質の１置換未満、３０分毎にセル容量の電解質の１置換未満、１５分毎にセル容量の電解質の１置換未満、１０分毎にセル容量の電解質の１置換未満、５分毎にセル容量の電解質の１置換未満、１分毎にセル容量の電解質の１置換未満、３０秒毎にセル容量の電解質の１置換未満、５秒毎にセル容量の電解質の１置換未満又は１秒毎にセル容量の電解質の１置換未満である。
【０１３２】
[0145]さらなる態様例では、動作中に気泡のない又は実質的に気泡のない１つ又は複数のガス拡散電極をもつ、電気化学セル又は燃料電池などの電子合成又は電子エネルギーセルが提供され、セルは高圧及び／又は高電流密度で動作させられる。同様の原理が逆の状況、すなわち：上述の種類のセルが、任意選択で高電流密度で、高圧（圧縮機を使用して又は使用せずに得られる）で高純度ガスを活用して、以て、任意選択で、高電力及びエネルギー効率を達成することができる状況に当てはまる。
【０１３３】
[0146]これらの例は以下を提供する：
（１）セルのアノードとカソードとの間にイオン透過膜を含まず、且つガス圧縮機の必要なしで、液体又はゲル電解質から高圧で高純度ガス又は１つ若しくは複数の純ガスを発生させる電気化学セル。
（２）セルのアノードとカソードとの間にイオン透過膜を含まず、且つ気泡のない方式又は実質的に気泡のない方式で動作して、ガス圧縮機の必要なしで、液体又はゲル電解質から高圧で高純度ガス又は１つ若しくは複数の純ガスを発生させる電気化学セル。
（３）セルのアノードとカソードとの間にイオン透過膜を含まず、且つ気泡のない又は実質的に気泡のない方式で動作して、ガス圧縮機の必要なしで、液体又はゲル電解質から高圧で高純度ガス又は１つ若しくは複数の純ガスを発生させる電気化学セルであり、セルが：
ｉ．高電流密度及び／若しくは高エネルギー効率で；並びに／又は
ｉｉ．電流密度の増加が生成ガスの純度の増加をもたらすように動作する。
突発且つ大間欠及び／又は揺動電流を伴う動作
【０１３４】
[0147]実施形態例では、間欠及び／又は揺動電流源で電気化学セルの動作を促進するための方法が、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ｔｈａｔ  ｏｐｅｒａｔｅｓ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ  ｗｉｔｈ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔｓ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【０１３５】
[0148]従来のアルカリ電解槽のような多くの既知のガス発生液体充填電気化学セルは、風力発電機、太陽パネル又は海洋波／潮力発電機のような再生可能エネルギー源によって供給されることがあるような、電気化学セルが極めて間欠的電流源に直接接続されると起こることがある電流の突然の且つ大きい増加を扱うことができない。電流の極度の急上昇の場合、そのようなセルにおいて大量のガスが非常に急速に生成されることがあり、潜在的な圧力バースト危険を生じさせ、その上、液体電解質をセルから潜在的に押し出し、以てセルに機械的にか電気化学的にか、又は両方で損傷を与える。
【０１３６】
[0149]多孔質電極が使用された場合、気泡の形成がこのように触媒に機械的に損傷を与え、触媒粒子の破砕又は侵食をもたらし得るので、細孔での突然の大規模気体発生を回避することも避けられない。突発電流サージによってセルが損傷を与えられ得る様々な他の手段がある。
【０１３７】
[0150]様々な特許が、電源電流があまりに強く急増したときに電源から液体充填セルを即座に又は漸次切り離す方法及び手順を教示している。例えば、米国特許出願公開第２０１４０１２０３８８号は充電中の電池用の遮断スイッチについて教示しており、遮断スイッチの起動が、生成されることができるいずれかのガスの圧力に連係されている。米国特許出願公開第２０１２０１８１９９２号は、間欠エネルギー源に接続される電池の電圧に連係される遮断スイッチについて教示している。米国特許出願公開第２０１１０１５６６３３号は、損傷を回避するために、入力間欠電流の電圧を変調する太陽熱発電システムについて教示している。従来のアルカリ電解槽は典型的に約３００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で動作されなければならず、電流又は電流密度のサージは同値のおよそ２０〜３０％に制限されている。
【０１３８】
[0151]対照的に、特定の例で、本発明者らは、低電流密度で最も経済的に動作する、本明細書に記載される電気化学セル例が、予想外に、電流の著しく大きく且つ突然のサージ又は変動の条件で、以降の性能の目立つ劣化なしで又はほとんどなしで、動作されることができることを発見した。
【０１３９】
[0152]実験により、本明細書に記載される電気化学セル例が、予想外の条件又は範囲で動作され、例えば数ミリ秒にわたって供給される、セルの通常の動作電流に比べて少なくとも２５倍の電流サージを定常的に扱うことができることが示された。その上、試験により、電気化学セルがそのような規模のサージを、６ヵ月を超える期間にわたって、連続的に且つ中断なく印加される数秒の間隔で、電気化学的性能の目立つ劣化なく、繰り返し扱うことができることが明らかになった。本発明者らの知識の限りでは、他のいかなるセル形式も、とりわけ他のいかなる液体含有セルもそのような性能が可能ではない。
【０１４０】
[0153]この真に注目すべき能力の原点は、液体内の新たに形成又は溶解されたガスが新たな気泡を形成するより、そのガスが大きい既存の気泡に連結することがエネルギー的により好ましいことにあると思われる。その上、液体電解質内の溶存ガスの濃度も、予め形成された気泡付近で最小化されて過飽和レベル下に保たれるが、その理由は気泡が、過剰な気体分子が液相から迅速且つ容易に流出するために通ることができる追加の界面を提供するからである。したがって、余剰ガスが液相から流出する手近で且つ好ましい経路を気泡界面が提供するので、液体電解質が現存の気泡の近くで過飽和になることは事実上不可能である。
【０１４１】
[0154]したがって、ガス拡散電極のガス側又は領域などの「人工気泡」が液体含有セルにおけるガスの形成点の近くに存在すれば、新たに形成されたガスは、新たな気泡を形成する又は液体内に過飽和的に溶解するよりむしろ、その「人工気泡」に連結することが強く好まれる。その上、その「人工気泡」が相当な体積及び大きい気液界面を有すれば、その気泡は、液相において極めて突然に形成される可能性がある非常に大量のガスさえも収容及び吸収することができる。言い換えれば、ガス拡散電極のガス側によって表される「人工気泡」は、液相内で非常に急速に形成される相当量のガスさえも急速に同化及び除去するバッファとして作用してもよい。このように、突然の大規模な気泡形成によって生じる可能性がある損傷は完全に排除されるか又は、少なくとも、相当な程度に緩和されることができる。
【０１４２】
[0155]さらには、ガス拡散電極のガス側によって表される「人工気泡」が液体電解質を通る電気伝導路の外側にあるので、大量のガスの突然の形成は必ずしも液体電解質の電気抵抗に実質的に影響を及ぼすわけではない。すなわち、突然の気泡形成の潜在的損傷作用が緩和されるだけでなく、セルの電気抵抗並びにそれゆえ電力及びエネルギー効率も実質的に無影響であることがきる。言い換えれば、セルは、電流の突然の且つ大規模なサージの間、従来のセルに対して増幅したエネルギー効率で動作することが可能であり続ける。
【０１４３】
[0156]これらの実現は以下を提供する：
（１）実質的な損傷を経験することなく印加電流の大きく且つ突然の増加及び／又は変動を受容する又は受けることが可能である液体又はゲル含有電気化学セルであり、セルが：
ｉ．液体又はゲル電解質を通る電気伝導路の外側に、又は実質的に外側に、又は部分的に外側に、又は周辺に、又は内側であるが小横断面をもたらすだけで配置される又は設けられる１つ又は複数の空隙容量と；
ｉｉ．集電器及び／又は電極と；
を含み、
ｉｉｉ．１つ又は複数の空隙容量は、印加又は供給電流の大きく且つ突然の増加及び／又は変動中に発生されるガスを収容することが可能であり；且つ
ｉｖ．セルにおける集電器及び／又は電極は、印加又は供給電流の大きく且つ突然の増加及び／又は変動を受容する又は受けることが可能である。
（２）実質的な損傷を経験することなく印加又は供給電流の大きく且つ突然の増加及び／又は変動を受容する又は受けることが可能である液体又はゲル含有セルを製造するための方法であり、方法が：
ｉ．１つ又は複数の空隙容量を、液体又はゲル電解質の内側に、それに隣り合って又はその近くにであるが、液体又はゲル電解質を通る電気伝導路の外側に、又は実質的に外側に、又は部分的に外側に、又は周辺に、又は内側であるが小横断面をもたらすだけで配置する又設けるステップと；
ｉｉ．セル内に集電器及び／又は電極を設けるステップと；
を含み、
ｉｉｉ．１つ又は複数の空隙容量は、そのようなサージ中に発生されるガスを収容することが可能であり；且つ
ｉｖ．セルにおける集電器及び／又は電極は、そのようなサージに関連する電流を受容することが可能である。
【０１４４】
[0157]一実施形態例では、１つ又は複数の空隙容量は、本明細書に前述したように、移動ガスを単に受け入れて収容するだけでなく、代わりに又は付加的に、移動したガスをセルの別の部分から／に、又はセルへ／から完全に、例えば保持タンクに輸送するガス導管を形成する。例えば、空隙容量（複数可）は、セルの電解質内で形成される不要ガスがセルから流出するように作用してもよい。
【０１４５】
[0158]例えば、１つ又は複数の空隙容量は、電気化学セルの電解質内で急速に形成されるガスがセルから外部保持タンクへ流出する、又は大気中に排気されるように作用することができる。実施形態例では、１つ又は複数の空隙容量は、急速に且つ突然に形成されるガスを、電極間に存在する電解質から、セルの伝導路の外側に若しくは実質的に外側にあるセルの別の部分に、又はセルの外側に輸送することができる。
【０１４６】
[0159]そのような実施形態において、好ましくは、排他的ではなく、導管及び保持タンク又は外部大気を含め、総空隙容量は、電流の急速な且つ突然のサージによって生じられる可能性があるガス容量に対して大きい又は非常に大きい。すなわち、好ましくは、排他的ではなく、総空隙容量は、電気化学セル内で早急に且つ突然に形成される可能性がある大量の１つ又は複数のガスを直ちに吸収する容量を提供するようなものである。
【０１４７】
[0160]別の態様において、太陽熱駆動又は風力駆動又は海洋波／潮力駆動再生可能エネルギー源などの間欠、揺動又は再生可能エネルギー源を、電流（直流、例えば太陽パネルから、又は交流、例えば風力タービンから、であることができる）の顕著な変調又は調節なく、直接活用することが可能な気液電気化学セルが提供される。例えば、太陽発電機又は風力発電機又は海洋波／潮力駆動の電流出力をほぼ均一な強度の交流へ変換する代わりに、そのような発電機によって生成される間欠電流の生出力が、本明細書に記載される電気化学セル例によって直接活用されることができる。このことはいくつかのエネルギー損失を排除し、太陽発電機、風力発電機及び海洋波／潮力発電機などの再生可能エネルギー源のより効率的な使用を可能にする。
【０１４８】
高電力及び／又はエネルギー効率動作
[0161]本発明者らは、例えば、本明細書に及び、参照により本明細書に援用される、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」及び「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されている電気化学セルを、電気化学反応を促進するときに高電力及びエネルギー効率で動作させるための新たな方法及び／又はシステムを特定した。そのような応用では、電気化学セルは、液気反応を促進する電気化学セルに関連する固有エネルギー非効率性を最小化する又は、少なくとも、顕著に減少させるように作用することができる。例えば、そのような場合に気泡が有することがあるエネルギー消費影響が実質的に緩和されることができる。
【０１４９】
[0162]特定の実施形態例で、本発明者らは、そのような電気化学反応のために、セルが動作することができる可能な限り最大のエネルギー効率を表す、いわゆる「熱中性電圧」を下回る、それである、その付近である又はその近くであるセル電圧で反応を持続可能に触媒することが可能である触媒が開発されることができることをさらに認識した。潜在エネルギー効率を適切に実現するために、本実施形態のセルを利用することが必要とされてもよく、このセルは、さもなければ存在したかもしれない本質的非効率性の最小化又は、少なくとも、顕著な低下をもたらす。電気化学反応は吸熱電気化学反応であることが好ましい。
【０１５０】
[0163]本明細書に記載される、周囲（例えば室）温度での又はその近くでの電気化学セル例の新たな動作の方法は、セルが低電流密度で経済的に実行可能に動作されてもよいという事実に基づく。新たな動作の方法は、本質的に吸熱である反応、すなわち熱を吸収する反応を促進するために活用されることもできる。このことが重要である理由は、その種類の反応のために、周囲（例えば室）温度で又はその近くで「熱中性」電圧を下回るセル電圧で反応を触媒する多くの触媒が利用可能であるかもしれないが、そうすることができるのも低電流密度でだけであるからである。
【０１５１】
[0164]したがって、本発明者らは、低電流密度で実行可能に動作するセル内で、低電流密度だけが生じる、周囲温度で又はその近くで、熱中性電圧を下回る、それである、その付近である又はその近くである動作電圧で適切な触媒を動作させることが、エネルギー効率的液気電気化学セルの開発への有用な手法を提供すると理解した。
【０１５２】
[0165]本発明者らは、固定電流密度では、そのようなセルの動作電圧が温度の上昇につれて下降することがあるとさらに理解した。すなわち、セルの温度を上昇させることによって、適切な触媒のために、熱中性電圧で、その付近で又はその近くでより高い電流密度が達成されることができる。セルが損傷又は障害なくより高い温度に耐えることが可能である限り、より高い温度でより高い電流密度で熱中性電圧で、その付近で又はその近くでセルを動作させることが可能である。
【０１５３】
[0166]したがって、本発明者らは、損傷又は障害なくより高い温度に耐えることが可能であるセル内で、より高い電流密度が生じる、より高い温度で、熱中性電圧を下回る、それである、その付近である又はその近くである動作電圧で適切な触媒を動作させることが、エネルギー効率的液気電気化学セルの開発への有用な手法を提供すると理解した。
【０１５４】
[0167]本発明者らは、「熱自己調整」として知られている、そのようなセルにおける熱管理への別の有用な手法が、セルの動作温度が熱パラメータに従って変化し且つ固定されないようにすることを伴うと付加的に理解した。すなわち、熱管理への有用な手法は、セルが「熱自己調整」の過程でセル自体の最適動作温度を見つけるようにすることを伴う。任意選択で、このことは、セルが断熱して包装された状態でなされてもよい。この手法は、必要に応じて特定の電流密度を印加することを伴う（適切な触媒の存在下で）。セルの温度で、印加電流密度が熱中性電圧より高いセルにおける電圧を生じさせれば、セルはそれ自体を漸次加熱することになる。セルがそれ自体を加熱するにつれて、セル電圧は典型的に下降することになる。印加された固定電流密度で、セル電圧が下降して熱中性電圧に、その付近に又はその近くになる時まで（断熱の質に応じて）、セルはそれ自体を加熱し続けることになる。その時点で、セルの温度は安定して、上昇しなくなるであろう。全過程の間に、セルは、断熱が許容する限り１００％に近いエネルギー効率で動作するであろう。印加される電流密度がセル電圧を下降させて熱中性電圧を下回れば、上記の逆が起こることになる（セルの動作温度の低下を生じさせる）。
【０１５５】
[0168]図３を参照すると、電極及び電極間の電解質を備える電気化学セルの管理のための方法３００が例示される。方法３００は、ステップ３１０で、電気化学反応のために熱中性電圧である、それを下回る又はその付近である電気化学セルのための動作電圧を生じさせることを含む。動作電圧は、例えば、動作温度で動作電圧を生じさせる特定の電流密度を印加することによって、間接的に印加されてもよい。ステップ３２０で、電気化学セルは動作電圧で且つ動作温度で動作されて、ステップ３３０で、電気化学反応をもたらす。電気化学反応は好ましくは吸熱電気化学反応又はさもなければ弱発熱電気化学反応である。動作電圧で電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方に触媒が適用される。
【０１５６】
[0169]したがって、電極と電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法が提供される。本方法は、熱中性電圧を下回る又はその付近である電気化学セルのための動作電圧を生じさせる、設定する、選択する又は印加することを含む。電気化学セルのための動作電圧は電気化学セルの動作温度に対して生じられ、設定され、選択され又は印加されることができる。動作電圧で且つ動作温度で電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方、そして任意選択で両方に触媒が好ましくは適用される。一例では、動作電圧は、例えば、動作温度に依存することができる電気化学セルへの動作電圧を生じさせる又は結果的に生じる又は印加する特定の電流密度を印加することによって、間接的に生じられる又は間接的に印加されることができる。
【０１５７】
[0170]特定の実施形態例で、本発明者らは、本明細書に記載される電気化学セル例が、例えば大規模且つエネルギー消費電気冷却システムの必要性を回避するように経済的に実行可能な方法で熱中性電位で、それを下回って又はその近くで動作されることができると理解した。この実現は、そのようなセルの熱管理及びエネルギー効率に対する重要な且つ広範囲の意味を有する。十分に高い温度で十分に強力な触媒により、参照により本明細書に援用される、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」及び「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されている種類の電気化学セル例が、経済的に実行可能な方法で熱中性電位で、それを下回って又はその近くで動作されることができる。
【０１５８】
[0171]特定の実施形態例で、本発明者らは、電極触媒水電解を促進する適切な触媒例を生成した。触媒（複数可）は、電気化学セルの動作電圧で好ましくは吸熱電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方又は両方に適用される。好ましいが非限定的な例では、触媒は以下の触媒材料のうちの１つ又は複数を含む：（ｉ）Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ（例えばカーボンブラック上のＰｔ）、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ（例えばカーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ）、ＩｒＯ２及びＲｕＯ２を含むがこれらに限定されない、遊離か担持かの貴金属；（ｉｉ）（ａ）ナノ粒子ニッケル、（ｂ）スポンジニッケル（例えばラネーニッケル）及び（ｃ）発泡ニッケルを含むがこれらに限定されないニッケル；（ｉｉｉ）ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏを含むがこれらに限定されないニッケル合金；（ｉｖ）限定することなく、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物及びそれらの組合せ；（ｖ）ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４及びＬｉＣｏ２Ｏ４を含むがこれらに限定されないスピネル；（ｖｉ）Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３及びＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含むがこれらに限定されないペロブスカイト；（ｖｉｉ）ナノ粒子鉄粉末などを含むがこれらに限定されない鉄の他に鉄化合物；（ｖｉｉｉ）ＭｏＳ２を含むがこれに限定されないモリブデン化合物；（ｉｘ）ナノ粒子コバルト粉末などを含むがこれらに限定されないコバルトの他にコバルト化合物；並びに（ｘ）ナノ粒子マンガン粉末などを含むがこれらに限定されないマンガンの他にマンガン化合物。
【０１５９】
[0172]別の例では、触媒（複数可）は上記触媒材料のうちの１つ又は複数から成り、ＰＴＦＥ（例えばＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからのアルコールに５％分散）と混合されてスラリーを生じさせる。スラリーは、好ましくは、排他的ではなく、電極（複数可）及び導体（複数可）へ層又は被覆で塗布、例えばナイフ塗布される。１つの特定の例では、乾燥後、触媒は約４０重量％のＰＴＦＥ、約６０重量％の触媒材料を含む。
【０１６０】
[0173]触媒における構成材料の上記百分率は変更されることができ、そして触媒は機能的なままであることができる。例えば、乾燥時、触媒のための適切な範囲は：
約３０重量％〜約７０重量％のＰＴＦＥ、及び
約３０重量％〜約７０重量％の触媒材料。
【０１６１】
[0174]別の例では、乾燥時、触媒のための適切な範囲は：
約５重量％〜約９５重量％のＰＴＦＥ、
約５重量％〜約９５重量％の触媒材料。
【０１６２】
[0175]別の例では、触媒（複数可）は上記触媒材料のうちの１つ又は複数から成り、適切なカーボンブラック（例えばＡｋｚｏ−Ｎｏｂｅｌによって供給される）と混合される。これらの成分は次いでＰＴＦＥ（例えばＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからのアルコールに５％分散）とさらに混合されてスラリーを生じさせる。スラリーは、好ましくは、排他的ではなく、電極（複数可）及び導体（複数可）へ層又は被覆で塗布、例えばナイフ塗布される。１つの特定の例では、乾燥後、触媒は、約５０重量％のＰＴＦＥ、約３７．５重量％の無被覆カーボンブラック及び約１２．５重量％の触媒材料を含む。
【０１６３】
[0176]触媒における構成材料の上記百分率は変更されることができ、そして触媒は機能的なままであることができる。例えば、乾燥時、触媒のための適切な範囲は：
約３０重量％〜約７０重量％のＰＴＦＥ、
約１８重量％〜約５８重量％の無被覆カーボンブラック、及び
約３重量％〜約２３重量％の触媒材料。
【０１６４】
[0177]別の例では、乾燥時、触媒のための適切な範囲は：
約５重量％〜約９０重量％のＰＴＦＥ、
約５重量％〜約９０重量％の無被覆カーボンブラック、及び
約５重量％〜約９０重量％の触媒材料。
【０１６５】
[0178]別の例では、電極間に配置されるイオン交換膜がない。別の例では、電極間に配置される隔膜がない。別の例では、電解質は液体電解質又はゲル電解質である。別の例では、電極のうちのいずれでも、生成ガス又は少なくとも１つのガスの気泡が生成若しくは形成されない、又は実質的にされない。
【０１６６】
[0179]熱中性電圧は、触媒及び関連する導体によって発生される熱が反応によって消費される熱に等しいセル電圧として定義される。触媒は、動作電圧で吸熱電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方に適用されることができる。吸熱電気化学反応が熱中性電圧で実施されれば、一定の時間にわたってセルへ投入されるエネルギーの全てが反応の生成物内のエネルギーに必然的に変換されるので、生成物への反応物の変換のエネルギー及び電力効率は定義上１００％である。すなわち、セルに入力される総電気及び熱エネルギーは、周囲に放射される過剰入力エネルギーなしで、反応の生成物に存在する総エネルギーと一致される。しかしながら、反応が熱中性電圧を上回って実施されれば、過剰エネルギーが通常、熱の形態で発生される。反応が熱中性電圧を下回って実施されれば、システムによる自己冷却を回避するためにエネルギー、通常、熱が加えられる必要がある。
【０１６７】
[0180]熱中性電圧を上回ってのみ経済的に動作することができる従来のセルは、動作中に適切な冷却システムによって除去されなければならない余熱を必然的に生じるであろう。チラーなどの冷却システムは典型的に高価且つエネルギー非効率的である。したがって、そのような従来のセルは、余熱を生じさせて無駄にする動作電圧で動作するだけでなく、その余熱を除去するためにさらなるエネルギーが費やされなければならない。結果的な相乗作用は、定期動作中にセルの総合エネルギー効率を劇的に減少させる影響を典型的に有するであろう。例えば、定期動作中に水素を０．５〜１０ｋｇ／日発生させる小規模水電解槽は、生成水素キログラム当たり７５〜９０ｋＷｈを典型的に消費する。しかしながら、１キログラムの水素を製造するのに必要とするエネルギーは、実際には、たった３９ｋＷｈである。この差は、発生される廃熱及びエネルギー非効率的なチラーが廃熱を除去する必要性にほとんど起因する。
【０１６８】
[0181]対照的に、熱中性電位で、それを下回って、その付近で又はその近くで動作する電気化学セルは、除去される必要がある実質的な余熱を生じさせない。電気化学セルが熱中性電位で、その付近で又はその近くで動作されることができれば、余熱はほとんど発生されず、正式な又は専用の冷却システムの必要なしに周囲に容易に失われていく。代替的に、余熱は、周囲温度より高い特定の動作温度を維持するために使用されることができる。電気化学セルが熱中性電位で動作されることができれば、周囲と交換される熱は全くない。電気化学セルが熱中性電位を下回って動作されることができれば、セル／システム温度を維持し且つセル／システムが冷却するのを防止するために、セル／システムに熱が印加されなければならない。
【０１６９】
[0182]しかしながら、そのような予想外の動作モードで、本発明者らは、そのような必要とされる熱が、電気を使用して、例えば抵抗加熱によって比較的容易に、効率的に且つ急速に生成されることができると理解した。その上、セル動作温度を維持するために必要とされるだけの熱のみを印加することが可能になり、以てセルがエネルギーを無駄にせず、可能である限り１００％に近い効率で動作することを保証する。
【０１７０】
[0183]これらの手段によって、電気化学セルにおける電気化学反応の熱管理は、現在可能であるより大幅に単純且つ効率的な事項になり得る。事実上、電気化学セルにおける加熱の共通の且つ通常問題を含む現象は、熱中性電位を下回って経済的に実行可能な方法で動作するセルの利点に変えられることができる。すなわち、その加熱は、セルが可能な限り最大の効率で動作していることを保証するために活用されてもよい。そのような任意選択は、経済的に実行可能であるために高電流密度で動作しなければならず、及び／又は高動作温度で回復不能なほど損傷又は障害を与えられる可能性がある従来のセルには利用可能ではない。
【０１７１】
[0184]例えば、水電解は吸熱プロセスである。１ｋｇの水素ガスを形成するために理論的に必要とされる３９ｋＷｈのうち、３３ｋＷｈは電気エネルギーの形態で供給されなければならず、そして６ｋＷｈは熱エネルギーの形態で供給されなければならない。
【０１７２】
[0185]既知の触媒は、典型的な周囲温度で熱中性電位以下で比較的低電流密度を産生するだけである。したがって、従来の水電解槽は、高電流密度で経済的に実行可能な方法でのみ動作されることができるため、いかなる種類の設備をもってしてもこの効果を活用することができない。従来の水電解槽は必然的に熱中性電圧を十分に上回る動作電圧で動作しなければならず、余熱の形成を引き起こし、余熱はさらなるエネルギーペナルティで除去されなければならない。
【０１７３】
[0186]セルが熱中性電圧をいくぶん上回って動作する場合でさえ、発生される余熱が、付加的に印加される電気熱とともに、セルをより最適の動作温度にまで暖め、そして正式な又は専用の冷却システムの必要なしにセルをその温度に維持するように、セルは熱中性電圧に十分に近いことになる。
【０１７４】
[0187]したがって、本発明者らは、そのような電気化学セルが、その電気部品によって生成される抵抗加熱が最小又は、より好ましくは、制御可能に低いように設計されれば、そのような抵抗加熱を使用して、電気化学セルをその動作温度に維持するために必要とされるだけの熱だけを印加することが可能になると認めた。このように、能動冷却の必要性は排除又は、少なくとも、実質的に減少されることができる。このことが重要である理由は、電気抵抗加熱の費用が能動冷却の費用より典型的に数桁安価であるからである。すなわち、そのような電気化学セルにおけるより高い総合熱効率を達成することが可能であるだけでなく、このことに、工業的応用では常に重要であるより低い経済的費用が伴うこともできる。
【０１７５】
[0188]要約すると、本発明者らは、上記要素の組合せが、吸熱反応のための電気化学気液セルが最小のエネルギーを浪費し且つ合理的に可能である限り１００％に近い効率で又は、少なくとも、これまで実行可能であると判明したより１００％に近い効率で動作することを保証することを可能にすることを発見した。これらの手段によって、電気化学セルにおける吸熱電気化学反応の熱管理は、現在可能であるより単純且つ効率的な事項になることができる。事実上、本実施形態は、電気化学セルにおける電気誘導加熱の共通の現象が困難な望ましくない問題からエネルギー及び費用節減の手段へ変えられる手段を提供する。すなわち、電気誘導加熱は、電気化学セルが最大の合理的なエネルギー効率で動作していることを保証するために活用されてもよい。
【０１７６】
[0189]これらの教示は、電気化学液気セルの熱管理、エネルギー効率及び資本費用に対する潜在的に重要な且つ広範囲の意味を有する。これらの任意選択は、高電流密度で実行可能にのみ動作する従来のセルにおいてこれまで利用可能ではなかった。特に、新たな手法は、余熱が浪費されるのではなく監視及び節約される必要がある有益な資源であることを教示する。
【０１７７】
[0190]本実施形態の利点は、吸熱プロセスである水電解の場合に特に明らかである。１ｋｇの水素ガスを形成するために理論的に必要とされる３９ｋＷｈのうち、３３ｋＷｈは電気エネルギーの形態で供給されなければならず、６ｋＷｈは熱エネルギーの形態で供給されなければならない。しかし、本発明者らは、何時間もの試験にわたって約８０℃においてわずか１．２５Ｖで持続された電気化学反応を促進する費用効果の高い水電解触媒を生成した。この動作電圧で、触媒は、１０ｍＡ／ｃｍ２の比較的低電流密度を発生させるだけである。熱中性電圧（８０℃で１．４７Ｖ）で、この触媒系は、およそ４８ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を発生させる。従来の水電解槽は、高電流密度でのみ実行可能に動作され得るため、いかなる種類の設備をもってしてもこの触媒によって生じる効果を活用することができない。従来の水電解槽は必然的に８０℃で熱中性電圧を十分に上回る動作電圧で動作しなければならず、余熱の形成を引き起こし、余熱は次いで付加的に、さらなるエネルギーペナルティで除去されなければならない。対照的に、本電気化学セルは、本質的非効率性を減少させ、低電流密度で実行可能に動作し、生成された触媒を８０℃で利用することができる。電気回路が制御可能に低い抵抗加熱を発生させるようにさらに構成されるとき、電気化学セルは付加的に、エネルギー消費電気冷却システムの必要性を回避するように動作されることができる。そのようなセルが熱中性電圧をいくぶん上回って動作する場合でさえ、発生される余熱が、付加的に印加される電気熱とともに、電気化学セルを温め、能動冷却システムの必要性なしに電気化学セルをその動作温度に維持するように、熱中性電圧に十分に近くしてもよい。例えば、本電気化学セルは、より高い温度（例えば１５０℃）に耐え、以て非常に高電流密度で熱中性電圧で、その付近で、又はその近くで、動作を許容するように製造されてもよい。本発明者らの知識の限りでは、既存の商用水電解槽も前に開示された商用水電解槽も、能動冷却システムの必要性を回避することができず、その動作温度の維持のために電気加熱のみに依拠してきた。
【０１７８】
[0191]したがって、１つの態様において、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
ｉｉ．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
ｉｉｉ．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１７９】
[0192]電気化学セルは水電解槽として使用されることができ、吸熱電気化学反応は水電解である。セルは、存在する本質的非効率性を最小化する又は少なくとも減少させる能力、及び吸熱電気化学反応の熱中性電圧で、その付近で、又はその近くで、触媒によって発生される電流密度で実行可能に動作する能力を与える設計及び材料を利用することが好ましいが排他的ではない。セルは、少なくとも低電流密度で、吸熱電気化学反応の熱中性電圧を下回って、それで、その付近で、又はその近くで、吸熱電気化学反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を利用することが好ましいが排他的ではない。
【０１８０】
[0193]１つの例では、電気化学セルの管理のための方法であって、吸熱電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である動作電圧で電気化学セルを動作させるステップを含む方法が提供される。別の例では、電極と、電極間の電解質と、電気化学セルの動作電圧で吸熱電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方に適用される触媒とを備える電気化学セルが提供される。
【０１８１】
[0194]電極と電極間の電解質とを備える電気化学セルの管理のための方法は、吸熱電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である動作電圧で電気化学セルを動作させるステップを含むことが好ましい。少なくとも１つのガスが、吸熱電気化学反応から生成される。また、動作電圧で吸熱電気化学反応を促進するために、電極のうちの少なくとも一方に触媒が適用される。電気化学セルは、電極と、電極間の電解質と、電気化学セルの動作電圧で吸熱電気化学反応を促進するために電極のうちの少なくとも一方に適用される触媒とを備えることが好ましい。動作電圧は、少なくとも１つのガスを生成する吸熱電気化学反応のために熱中性電圧を下回る又はその付近である。
【０１８２】
[0195]１つの例では、動作電圧は熱中性電圧を下回る。別の例では、動作電圧は熱中性電圧である又はその付近である。別の例では、吸熱電気化学反応にヒータ又は発熱体（例えば電流から熱を生成する電気抵抗素子）から熱が印加されており、ヒータ又は発熱体は電気化学セル又はヒータ又は発熱体として作用するセルの部品を含んでもよい。別の例では、吸熱電気化学反応に電気抵抗加熱から熱が印加される。
【０１８３】
[0196]他の例では、付加的に又は代替的に、別の発熱化学反応からの熱、液体若しくは流体（セルの部品を越えて若しくは通って循環することができる）からの熱、１つのガス、複数のガス、若しくは空気（セルの部品を越えて若しくは通って循環することができる）からの熱、及び／又はセル上へ誘導若しくは集束される放射熱などの他の加熱手段によって、吸熱電気化学反応に熱が印加される。
【０１８４】
[0197]他の例では、付加的に又は代替的に、例えば放熱器を使用して、電気抵抗加熱、上流若しくは下流の廃熱、例えばフィッシャー−トロプシュ反応器の動作からの廃熱、別個のプロセスの無関係の廃熱、及び／又は周囲空気のうちの１つ又は複数から、吸熱電気化学反応に熱が印加される。
【０１８５】
[0198]電気化学セルは水電解槽とすることができ、この場合には、吸熱電気化学反応は水電解である。この場合には、触媒は電極触媒水電解を促進する。触媒は電極のうちの両方に適用されることができる。１つの例では、触媒は、水電解のために熱中性電圧を下回る動作電圧で水電解を促進する。別の例では、触媒は印加電流密度で熱を生成する。別の例では、電流密度は、電気化学セルを一定動作温度に又はその付近に維持するために変化される。別の例では、電流密度は波形で供給される。
【０１８６】
[0199]実施形態例では、低電流密度は５０ｍＡ／ｃｍ２以下であることが好ましい。実施形態例では、低電流密度は、４０ｍＡ／ｃｍ２以下、３０ｍＡ／ｃｍ２以下、２５ｍＡ／ｃｍ２以下、２０ｍＡ／ｃｍ２以下、１８ｍＡ／ｃｍ２以下、１６ｍＡ／ｃｍ２以下、１４ｍＡ／ｃｍ２以下、１３ｍＡ／ｃｍ２以下、１０ｍＡ／ｃｍ２以下、又は５ｍＡ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【０１８７】
[0200]実施形態例では、電気化学セルの動作温度は２０℃以上であることが好ましい。実施形態例では、電気化学セルの動作温度は、３０℃以上、４０℃以上、５０℃以上、６０℃以上、７０℃以上、８０℃以上、１００℃以上、１５０℃以上、２００℃以上、又は４００℃以上であることが好ましい。
【０１８８】
[0201]電気加熱は抵抗加熱であり、セルの電気部品内で印加されることが好ましいが排他的ではない。抵抗加熱は、電解質に接触している電気化学セル内の１つ又は複数の電気部品で起こり、その結果この加熱がセルの動作で利用されることが好ましいが排他的ではない。抵抗加熱は、部品の固有抵抗によって発生及び変調されることが好ましいが排他的ではない。代替例では、抵抗加熱は、電流の入力／出力における特定の波形の印加によって発生及び／又は変調される。
【０１８９】
[0202]任意選択で、電気化学セルは、電気化学セルを包む断熱によって部分的に又は完全にその周囲から断熱されることができ、断熱は、１つ又は複数の断熱材料を使用して包む。
【０１９０】
[0203]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．吸熱電気化学反応のためにこれまでに達成可能な電気効率を改善し；
ｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９１】
[0204]実施形態例では、電気効率は、特定の時間にわたってセルによって発生される生成物内に組み込まれるエネルギーに対するセルへ投入されるエネルギーの比率として定義される。実施形態例では、電気効率は７０％を超えることが好ましい。他の実施形態例では、電気効率は、７５％を超える、８０％を超える、８５％を超える、８７％を超える、９０％を超える、９３％を超える、９５％を超える、９７％を超える、９９％を超える、又は９９．９％を超えることが好ましい。
【０１９２】
[0205]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲動作温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することを含み；
ｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９３】
[0206]触媒は電気触媒であり、アノード及び／又はカソードに適用され、アノード及び／又はカソード上で反応の過電圧を減少させる作用をすることが好ましい。
【０１９４】
[0207]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することと、
ｉｉ．セルが、吸熱電気化学反応のためにこれまでに達成可能な電気効率を改善することとを含み；
ｉｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９５】
[0208]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することと、
ｉｉ．セルが、低電流密度で実行可能に動作すること、及び／又は損傷若しくは障害なく動作温度に耐えることが可能であることとを含み；
ｉｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９６】
[0209]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．セルが、セルを部分的に又は完全に断熱内に包むことによって、その周囲から断熱されることを含み；
ｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９７】
[0210]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することと、
ｉｉ．セルが、セルを部分的に又は完全に断熱内に包むことによって、その周囲から断熱されることとを含み；
ｉｉｉ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９８】
[0211]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することと、
ｉｉ．セルが、低電流密度で実行可能に動作すること、及び／又は損傷若しくは障害なく動作温度に耐えることが可能であることと、
ｉｉｉ．セルが、セルを部分的に又は完全に断熱内に包むことによって、その周囲から断熱されることとを含み；
ｉｖ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０１９９】
[0212]別の態様では、吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
ｉ．周囲温度で又はその付近で反応の熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な１つ又は複数の触媒を使用することと、
ｉｉ．セルが、低電流密度で実行可能に動作すること、及び／又は損傷若しくは障害なく動作温度に耐えることが可能であることと、
ｉｉｉ．セルが、吸熱電気化学反応のためにこれまでに達成可能な電気効率を改善することと、
ｉｖ．セルが、セルを部分的に又は完全に断熱内に包むことによって、その周囲から断熱されることとを含み；
ｉｖ．この方法又はシステムは：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み：これは、
３．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって行われる、方法又はシステムが提供される。
【０２００】
[0213]別の態様では、水電解を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
（１）反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
（２）電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって、適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み；
（３）任意選択で：
ａ）セルが、達成可能な電気効率を改善し；
ｂ）セルが、周囲温度で又はその付近で熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な触媒を含み；任意選択でセルが：
（ｉ）Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ（例えばカーボンブラック上のＰｔ）、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ（例えばカーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ）、ＩｒＯ２、及びＲｕＯ２を含むがこれらに限定されない、遊離か担持かの貴金属；
（ｉｉ）（ａ）ナノ粒子ニッケル、（ｂ）スポンジニッケル（例えばラネーニッケル）、及び（ｃ）発泡ニッケルを含むがこれらに限定されないニッケル；（ｉｉｉ）ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏを含むがこれらに限定されないニッケル合金；（ｉｖ）限定することなく、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、及びそれらの組合せ；（ｖ）ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、及びＬｉＣｏ２Ｏ４を含むがこれらに限定されないスピネル；（ｖｉ）Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、及びＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含むがこれらに限定されないペロブスカイト；（ｖｉｉ）ナノ粒子鉄粉末などを含むがこれらに限定されない鉄の他に鉄化合物；（ｖｉｉｉ）ＭｏＳ２を含むがこれに限定されないモリブデン化合物；（ｉｘ）ナノ粒子コバルト粉末などを含むがこれらに限定されないコバルトの他にコバルト化合物；並びに（ｘ）ナノ粒子マンガン粉末などを含むがこれらに限定されないマンガンの他にマンガン化合物の触媒材料のうちの１つ又は複数を含む触媒を含み、
ｃ）セルが、低電流密度で実行可能に動作すること、及び／又は損傷若しくは障害なく動作温度に耐えることが可能であり；並びに／或いは
ｄ）セルが、セルを部分的に又は完全に断熱内に包むことによって、その周囲から断熱される、方法又はシステムが提供される。
【０２０１】
[0214]これらの実現は：
吸熱電気化学反応（水電解など）を促進する電気化学セルのための熱管理方法又はシステムであって：
１．反応のために熱中性セル電圧で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップと、
２．電気抵抗加熱を含むがこれに限定されない電気加熱の印加によって、適切な動作温度で、その付近で、又はその近くで、セルを維持するステップとを含み；
３．任意選択で：
ｉ．セルが、達成可能な電気効率を改善し；
ｉｉ．セルが、周囲温度で又はその付近で熱中性電圧である、その付近である、又はその近くである少なくとも低電流密度で反応を促進することが可能な触媒を含み；これらの触媒が、任意選択で：
（ｉ）Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ（例えばカーボンブラック上のＰｔ）、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ（例えばカーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ）、ＩｒＯ２、及びＲｕＯ２を含むがこれらに限定されない、遊離か担持かの貴金属；
（ｉｉ）（ａ）ナノ粒子ニッケル、（ｂ）スポンジニッケル（例えばラネーニッケル）、及び（ｃ）発泡ニッケルを含むがこれらに限定されないニッケル；（ｉｉｉ）ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏを含むがこれらに限定されないニッケル合金；（ｉｖ）限定することなく、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、及びそれらの組合せ；（ｖ）ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、及びＬｉＣｏ２Ｏ４を含むがこれらに限定されないスピネル；（ｖｉ）Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、及びＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含むがこれらに限定されないペロブスカイト；（ｖｉｉ）ナノ粒子鉄粉末などを含むがこれらに限定されない鉄の他に鉄化合物；（ｖｉｉｉ）ＭｏＳ２を含むがこれに限定されないモリブデン化合物；（ｉｘ）ナノ粒子コバルト粉末などを含むがこれらに限定されないコバルトの他にコバルト化合物；並びに（ｘ）ナノ粒子マンガン粉末などを含むがこれらに限定されないマンガンの他にマンガン化合物の触媒材料のうちの１つ又は複数を含み、
ｉｉｉ．セルが、低電流密度で実行可能に動作すること、及び／又は損傷若しくは障害なく動作温度に耐えることが可能であり；並びに／或いは
ｉｖ．セルが、セルを部分的に又は完全に断熱材料（複数可）内に包むことによって、その周囲から断熱される、方法又はシステムを提供する。
【０２０２】
高電流密度の動作
[0215]実施形態例では、高電流密度でのセルの動作を促進する方法が、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【０２０３】
[0216]実施形態例では、高電流密度は５０ｍＡ／ｃｍ２以上であることが好ましい。他の実施形態例では、高電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ２以上、１２５ｍＡ／ｃｍ２以上、１５０ｍＡ／ｃｍ２以上、２００ｍＡ／ｃｍ２以上、３００ｍＡ／ｃｍ２以上、４００ｍＡ／ｃｍ２以上、５００ｍＡ／ｃｍ２以上、１０００ｍＡ／ｃｍ２以上、２０００ｍＡ／ｃｍ２以上、又は３０００ｍＡ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【０２０４】
[0217]そのような高電流密度の動作では、この目的に対するセルの適合後、前述のセルは、同等の従来のセルに利用可能なものより実質的に高いエネルギー及び電気効率で動作してもよい。すなわち、適切に構成された、本明細書に記載される電気化学セル例の利点は、同等の従来のセルに対して高電流密度で最も強く増幅されてもよい。この発見は、多くの工業電子合成及び電子エネルギーセルが、最高の合理的な電流密度で動作することを目的とするので、重要な実用性を有する。したがって、実質的なエネルギー及び電気節減が達成されてもよい。
【０２０５】
[0218]さらに、経済的な実行可能性を達成するために高電流密度及び高エネルギー効率が必要な電気化学反応のために、この発見は、これまで利用不可能又は不実行可能であった新しい工業電子合成及び電子エネルギープロセスをもたらすことができる。
【０２０６】
[0219]国際公開第２０１３／１８５１７０号、国際公開第２０１５／０１３７６５号、国際公開第２０１５／０１３７６６号、国際公開第２０１５／０１３７６７号、及び国際公開第２０１５／０８５３６９号に記載されている種類のセルを含むがこれらに限定されない、本明細書に記載される電気化学セル例の適合は、集電器、バスバー、電気接続部、電源／受信器、及び他の部品に対する特別な設計又は修正を含んでもよい。例えば、前述の種類の電子合成セルの電源内の選択された部品は、高電流密度を扱うために特別に設計されてもよい。実施形態例では、上記の種類のセルの動作を促進する電源は、２０１６年１２月１４日に出願の「ＤＣ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ」のための本出願人の共存米国特許仮出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。同様に、高電流密度で電流を事実上分散させるために、必要とされる場合には、非対称形の導電性メッシュなどの新規な集電器が使用されてもよい。１つの特定の適合は、２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されている直列電気接続部の使用を含み、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【０２０７】
[0220]１つの態様例では、高電流密度で動作することが可能な巻心要素を有する渦巻電気化学セル、モジュール、又は反応器が提供され、巻心要素のまわりには、１つ又は複数の電極（例えばアノード又はカソードによって提供される少なくとも１つの電極対）が渦巻形に巻回されてもよい。少なくとも１つの電極対は、多電極アレイの一部を形成することができ、多電極アレイは、一連の平坦な可撓性のアノード及びカソードから構成されると考えられることができ、任意選択で、アノード及びカソードは渦巻形に巻回されることができる。「リーフ」は、１つ又は複数の電極、例えば１つの電極、１対の電極、複数の電極、又は何らかの他の形態の電極ユニットから構成される。リーフは可撓性としてよく、単体として繰り返されることができる。したがって、１つの例では、電極（複数可）は例えば少なくとも巻回されたときは可撓性である。いくつかの例では、巻回された後、電極（複数可）は、硬化プロセスを使用して硬化されてもよい。
【０２０８】
[0221]例えば、リーフは：
２つの電極、例えば２つのカソード若しくは２つのアノード；
電極対、例えばアノード及びカソード；又は
上記のいずれかの複数を部分的に含む又はによって形成されることができる。
【０２０９】
[0222]別の例では、リーフは、２つの電極間に気体又は流体チャネルを提供する電極ガスチャンネルスペーサ（すなわち例えば多孔質ポリマー材料から形成されることができるスペーサ材料、層、又はシート）の両側に配置された２つの電極材料層（両方の層がともにアノード又はカソードとして使用される）を部分的に含む又はによって形成されることができる。
【０２１０】
[0223]繰り返されたリーフは、一連の平板又は渦巻電極である多電極アレイを提供し、異なる極性の電極間（例えばアノードとカソードとの間）に介在する電気絶縁性の「流れチャネル」スペーサが、分離された液体チャネルを提供する。電気化学セル、モジュール、又は反応器はまた、任意選択で、エンドキャップと、１つ又は複数の外部要素とを含んでもよい。
【０２１１】
[0224]実施形態例では、高電流密度を促進することが可能な渦巻電気化学セルのための巻心要素及びエンドキャップであって、巻心要素、エンドキャップ、及び／又は外部要素が、エンドキャップとして提供される（１次）バスバーなどの導電性素子を備え又は含み；導電性素子が、電極からの導電性端部、又は導電性端部の一部、又は電極、又は（２次）バスバーを受け取ることができ、この電極が可撓性電極であってもよく、電極は、平板配置であってもよい又は巻心要素のまわりに渦巻にされてもよい、巻心要素及びエンドキャップが提供される。別の実施形態において、導電性素子は、電極に対する導電性リップ、又は導電性リップの一部、又は電極、又は（２次）バスバーを提供することができ、電極は可撓性電極であってもよく、任意選択で、電極は巻心要素のまわりに渦巻にされることができる。
【０２１２】
[0225]実施形態例では、すべてのアノード電極の集電器は、電極、リーフなどの組立品の一方の側でそれらの電極の上に張り出すように配置され、すべてのカソード電極の集電器は、アノード電極の他方の側でそれらの電極の上に張り出すように配置される。次いで、張り出しているアノード電極はすべて、単一の電気接続部に組み合わせられ、張り出しているカソード電極はすべて、単一の電気接続部に別個に組み合わせられる。この手法によって複数のリーフが接続される場合には、この方法の結果、これらのリーフの並列電気接続部をもたらし得る。
【０２１３】
[0226]これらの態様例では、例えば並列電気接続部で高電流密度を促進することが可能な単一の電気取付部品にリーフ内の電極を適切に集める、グループ化する、又は集合させるために、可撓性の電極リーフを有する電気接続部を形成する方法が提供される。これらの方法は、後述する手段の１つによって達成されることが好ましいが排他的ではない。
【０２１４】
[0227]例えば、１つの方法は、渦巻セルの一方の端部から延びる渦巻集電器間の金属性のウェッジを互いにかみ合わせることと、次いで互いにかみ合わされたウェッジを、接続バスが取り付けられた１次バスバーを介して電気的に接触させることとを含む（「ウェッジ法」）。代替例では、集電器、互いにかみ合わされたウェッジ、及びリングがともにボルト留めされてもよく、その場合この方法は「ボルトウェッジ法」として知られている：代替的に、集電器、ウェッジ、及びリングはともに溶接されてもよく、その場合この方法は、「溶接ウェッジ」法として知られている。ウェッジは中心リングから指状突出部内に狭く配置されてよく、その場合この方法は、「ナローウェッジ法」として知られている。代替的に、ウェッジは広く配置されてもよく、その場合この方法は、「ワイドウェッジ法」として知られている。
【０２１５】
[0228]「ウェッジ法」に対する変形形態：
ｉ．これらの方法では、アノード又はカソード電極、リーフなどからの張り出している集電器は、１群の導電性粉末（「粉末法」）又は小型の／顕微鏡的な球体（「球体法」）、及びリング内へ落とされる。その後、粉末又は球体は、集電器及びリングに確実に機械的及び電気的に接触される。例えば、粉末又は球体は、集電器及びリングに溶接されてよく、以て１次バスバーをセルのエンドキャップとして生じさせる。
ｉｉ．「はんだ法」：この方法では、アノード又はカソード電極、リーフなどからの張り出している集電器は、導電性リングを取り囲む粉末状のはんだ内へ落とされる。その後、はんだは、組立品を加熱することによって、集電器及びリングに確実に機械的及び電気的に接触される。
ｉｉｉ．「連続ウェッジ法」：この変形形態では、適切な厚さのワイア、例えば正方形、方形、三角形、又は平坦なワイアが、リングの周りに巻回される。ワイアは、「ウェッジ法」で使用される個別ウェッジに取って代わる。事実上、ワイアは連続ウェッジを形成する。張り出している集電器は、連続ウェッジの上へ落とされ、その結果、集電器が連続ウェッジと互いにかみ合い、集電器間の空間を埋める。その後、ワイアは、例えば組立品を溶接することによって、集電器及びリングに確実に機械的及び電気的に接触される。
ｉｖ．「渦巻法」：この手法では、エンドキャップに設けられる又はそれ自体がエンドキャップである円形の導体内に渦巻レッジを形成することによって、１次バスバーが製造される。アノード又はカソード上の張り出している集電器は、渦巻レッジに整合するように形成され、その結果、セルが渦巻にされたとき、張り出している集電器はレッジ上に落ち、巻線プロセス中にレッジに確実に連続して溶接されることができる。
【０２１６】
[0229]これらの実現は以下を提供する：
（１）電気化学反応のための電気化学セルであって：
巻回電極と；
電極の集電器に取り付けられたバスバーとを備え、集電器が渦巻であり、
バスバーが、高電流密度でセルの動作を提供するようなサイズ及び設計である、電気化学セル。
（２）電気化学反応から化学反応生成物を形成する渦巻電気化学セルであって：
中心軸線のまわりの電極渦巻と；
エンドキャップと；
エンドキャップの一部として提供されたバスバーとを備え；
バスバーが電極の集電器に取り付けられ、集電器が渦巻であり、
バスバーが、高電流密度でセルの動作を提供するようなサイズ及び設計である、電気化学セル。
【０２１７】
高電圧の動作
[0230]２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されているように、高電圧で動作する電気化学セル例が開示されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。１つの適合例は、セル例を電気的に直列に配列することを含む。
【０２１８】
[0231]実施形態例では、高電圧は２Ｖ以上であることが好ましい。他の実施形態例では、高電圧は、３Ｖ以上、５Ｖ以上、１０Ｖ以上、２５Ｖ以上、５０Ｖ以上、１００Ｖ以上、２５０Ｖ以上、５００Ｖ以上、１０００Ｖ以上、又は２０００Ｖ以上であることが好ましい。
【０２１９】
[0232]直列接続されたセルは、実質的により小さくより容易に接続された１次バスバーの使用を許容するという点で、渦巻形の関連する並列接続されたセルとは区別される。さらに、これらのセルは、前述の種類の渦巻セルを含む関連する並列接続されたセルによって一般に利用されるものより低い総合電流及び高い総合電圧の使用を許容する。これは、より低い総合電流が、より高い総合電流より小さい電気抵抗、したがってより小さい（熱）損失を提供するという点で、有利となり得る。さらに、低い総合電流及び高電圧を提供する電源は、一般に、高い総合電流及び低電圧を提供する電源ほど高価でない。実施形態例では、これらの種類の直列接続されたセルの動作を促進する電源は、２０１６年１２月１４日に出願の「ＤＣ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ」という名称の本出願人の共存米国特許仮出願に記載されており、同特許出願が参照により本明細書に援用される。
【０２２０】
[0233]言い換えれば、直列接続を有するセルは、同等の総合有効電気化学的面積及び同じ電流密度を有する並列接続を有するセルより高い総合電圧でより低い総合電流を消費する。そのようにする際に、直列接続を有するセルは、大きい総合電流が必要とされるときに必要なものより小さい１次バスバーを必要とする。
【０２２１】
[0234]セル内の直列配置の他の利点は、以下を含む：
（１）典型的に、同等の並列接続されたセルに比べて、直列接続されたセルにバスバーを接続する方がより簡単であり且つそれほど複雑でない。
（２）直列接続されたセルは、電流の大きく且つ突然のサージを扱うことができる改善された能力を示す（システムが一般により低い総合電流で動作するため）。
（３）直列接続されたセルは、総合電流が総合抵抗に影響を及ぼし、総合抵抗はセルの効率に関係するため、より高い固有抵抗の集電器の使用をさらに許容する。集電器がより高い固有抵抗を有する場合でさえ、より低い電流はより低い総合抵抗をもたらし、以てセルの効率に対する実質的ペナルティを回避する。
【０２２２】
[0235]並列接続されたセルに対する直列接続されたセルの欠点は、寄生電流の存在を含む。
【０２２３】
[0236]一実施形態例では、電気化学反応のための複数の電気化学セルが提供される。複数の電気化学セルは、第１のカソード及び第１のアノードを含む第１の電気化学セルを備え、第１のカソード及び第１のアノードのうちの少なくとも１つはガス拡散電極である。複数の電気化学セルはまた、第２のカソード及び第２のアノードを含む第２の電気化学セルを備え、第２のカソード及び第２のアノードのうちの少なくとも１つはガス拡散電極である。第１のカソードは、電子伝導路によって第２のアノードに電気的に直列接続されることが好ましい。
【０２２４】
[0237]第１のカソード及び第２のカソードでは電気化学反応の一部として化学還元が起こり、第１のアノード及び第２のアノードでは電気化学反応の一部として化学酸化が起こることが好ましい。特定の例では、第１のカソードがガス拡散電極である。別の例では、第１のアノードがガス拡散電極である。別の例では、第２のカソードがガス拡散電極である。別の例では、第２のアノードがガス拡散電極である。別の例では、第１のカソードと第１のアノードとの間に電解質が存在する。別の例では、第２のカソードと第２のアノードとの間にも電解質が存在する。
【０２２５】
[0238]第１のカソードと第１のアノードとの間に配置される隔膜又はイオン交換膜がないことが好ましい。また、第２のカソードと第２のアノードとの間に配置される隔膜又はイオン交換膜もないことが好ましい。別の例では、動作中に第１のカソードと第２のアノードとの間に電圧差がない。別の例では、動作中に第１のカソードと第２のカソードとの間に電圧差がない。
【０２２６】
[0239]セルの動作例では、第１のカソードで第１のガスが生成され、第１のカソードで形成される第１のガスの気泡が実質的にない、又は第１のガスの気泡が第１のカソードで形成されない。またセルの動作例では、第１のアノードで第２のガスが生成され、第１のアノードで形成される第２のガスの気泡が実質的にない、又は第２のガスの気泡が第１のアノードで形成されない。
【０２２７】
[0240]別の例では、動作中に第２のカソードで第１のガスが生成され、第２のカソードで形成される第１のガスの気泡が実質的にない、又は第１のガスの気泡が第２のカソードで形成されず、第２のアノードで第２のガスが生成され、第２のアノードで形成される第２のガスの気泡が実質的にない、又は第２のガスの気泡が第２のアノードで形成されないことが有利である。
【０２２８】
[0241]第１のカソードは透気性且つ不透液性であることが好ましい。一実施形態例では、第１のカソードは、透気性且つ電解質透過性の導電材料によって少なくとも部分的に提供される第１の電極と、透気性且つ電解質不透過性の材料によって少なくとも部分的に提供される第１のガスチャネルとを含む。別の実施形態例では、第１のガスは、第１のガスチャネル内で第１のカソードの長さに沿って輸送されることができる。別の実施形態例では、第２のアノードは、透気性且つ電解質透過性の導電材料によって少なくとも部分的に提供される第２の電極と、透気性且つ電解質不透過性の材料によって少なくとも部分的に提供される第２のガスチャネルとを含む。第２のガスは、第２のガスチャネル内で第２のアノードの長さに沿って輸送されることができる。
【０２２９】
[0242]一例では、第１のガスチャネルは、第２のガスチャネルに対向するように配置される。別の例では、第１のガスチャネル及び第２のガスチャネルは、第１の電極と第２の電極との間に配置される。第１のカソード及び第２のアノードは、平面とすることができる。第２のカソード及び第１のアノードもまた、平面とすることができる。第１のカソードは可撓性とすることができ、第２のアノードもまた可撓性とすることができる。
【０２３０】
[0243]実施形態例では、平板電気化学セル、モジュール、又は反応器内に可撓性リーフを電気的に直列接続する好都合且つ効率的な構成、配置、又は設計；すなわち多電極アレイであって、各可撓性リーフが、その１つ又は複数の電極に付随する封止されたガスチャネル又はチャネルを備える、多電極アレイも提供される。
【０２３１】
[0244]１組の実施形態例では、両面電極リーフが使用される。これらのリーフは、２つの電極間に気体又は流体チャネルを提供するガスチャンネルスペーサ（すなわち例えば多孔質ポリマー材料から形成されることができるスペーサ材料、層、又はシート）を含む電極ガスポケットの両側に配置された２つの電極材料層を備える。リーフ内の結果的なガスポケットは、典型的にガスポートを具備する。両面電極リーフの上面の集電器は、リーフの一方の側でそれらの電極の上に張り出すように配置され、リーフの底面の集電器は、リーフの他方の側でそれらの電極の上に張り出すように配置される。結果的なリーフが平板の多リーフ配置に均一に積層され、透液性の「流れチャネル」スペーサによって分離されたとき、張り出している集電器をスタックの両側で対に組み合わせることによって電気接続が形成される。すなわち、１つのリーフの上部電極は、そのリーフの上又は下にあるリーフの上部電極に接続され、２つのリーフの底部電極はまた、スタックの他方の側で互いに別個に接続される。この接続方法は、リーフのスタックの全長にわたって継続され、その結果スタック内のすべてのリーフが別のリーフに対の配置で接続される。この手法によって接続される複数のリーフの結果、スタック内の電極の直列電気接続が生じる。リーフ間の体積が液体又はゲル電解質によって満たされるとき、結果的なセルは、「側面接続された直列セル」として知られている。
【０２３２】
[0245]さらなる実施形態例では、電極リーフは、２つの別個の近接するガスポケットを備え、各ガスポケットには、その外側（すなわち隣り合うガスポケットとは反対側）に設けられた多孔質電極が付随する。次いで、可撓性であり得る結果的なリーフは、その上部に電極を有する積層配置を備え、その下に１つのガスポケットがあり、それに続いてその下に第２の別個のガスポケットがあり、それに続いてその下でリーフの底部に第２の電極がある。ガスポケットはそれぞれ、ガスポケットを上向きに保持するためにガスポケット内にガスチャネルスペーサを含んでもよく、各ガスポケットは典型的にガスポートを具備する。次いで、リーフの上部及び底部の２つの多孔質電極は、例えば２つのガスポケット又は２つのガスポケットの側面の回りを通過する金属相互接続によって、互いに電気的に接続される。そのような各リーフ内の２つのガスポケットは、互いから封止されており、これは一方のポケット内のガスが近接するポケット内へ進むことができず、逆も同様であることを意味する。次いで、この種類の２つのガスポケットを有する両面リーフは、互い重なって積層され、これらのリーフ間に透液性の「流れチャネル」スペーサがあり、以て複数のリーフを有する直列接続された「スタック」を生じさせる。リーフ間体積が液体又はゲル電解質によって満たされるとき、この種類の結果的なセルは、「バイポーラ直列セル」として知られている。
【０２３３】
[0246]上述した渦巻セルなどの同等の並列接続されたセルに比べてこの種類の直列接続されたセルが有する主要な利点は、これらのセルが１次バスバーに接続される方法を含む。
【０２３４】
[0247]前述のスタックのそれぞれの最上リーフの最上電極は、典型的にその長さに沿って１次バスバーに接続され、１次バスバーは典型的に、スタックの上部の一方の縁部に沿って走る金属バーの形態をとる。最下リーフの最下電極は、典型的にその長さに沿って第２の１次バスバーに別個に接続され、第２の１次バスバーは、スタックの底部の一方の縁部に沿って走る金属バーの形態をとる。２つのバスバーは典型的に、外部電源が接続される接続点（正極及び負極）を形成する。上述したように、そのようなスタックのより低い総合電流及びより高い総合電圧のため、各バスバーは典型的に、同じ電流密度で同じ総合電気化学有効表面積の同等の並列接続されたスタック（前述の種類の渦巻セルなど）内のバスバーより少ない金属を含み且つ全体的により小さい。さらに、バスバーは線形ロッドであるため、典型的に溶接などの手段を電気的に使用して接続するのがより簡単である。典型的に、前述の「ウェッジ法」、「ボルトウェッジ法」、「溶接ウェッジ法」、「ナロー又はワイドウェッジ法」、「粉末法」、「球体法」、「はんだ法」、「連続ウェッジ法」、又は「渦巻法」などのバスバーの取付けのための複雑な技法を使用する必要性はない。
【０２３５】
[0248]さらなる例では、直列接続されたリーフスタックが渦巻セルに巻回されてもよい。多孔質流れチャネルスペーサの「トリコット」パックが、スタック内に選択された数のリーフを収容するように構築されてもよく、これらのリーフのガスポケット（複数可）はそれぞれ、ガスポートを具備する。次いで、トリコットパック及びリーフは、中心巻心要素のまわりに巻回され、中心巻心要素は、各リーフ上のガスポートを巻心要素内の関連するガス導管に接続するように構成されている。単一のガスポケットを囲む両面電極を備えるリーフが使用される場合には、渦巻に続いて、リーフスタックの両側に、隣り合うリーフ上の上部電極及び下部電極の対の電気接続が形成され、以て渦巻アーキテクチャを有する「側面接続された直列セル」を生成する。２つの隣り合うガスポケットを囲む両面電極を備えるリーフ（上部電極と下部電極との間に電気相互接続を有する）の場合には、結果的な組立品は、渦巻アーキテクチャを有する「バイポーラ直列セル」を提供する。
【０２３６】
[0249]これらの手法は以下を提供する：
（１）電気化学反応のための電気化学セルであって：
電極リーフのスタックを備え；これらの電極リーフが、
介在する電気絶縁性の透液性スペーサによって互いから分離されており；
個々のリーフが、直列電気配置で互いに接続されている、電気化学セル。
（２）電気化学反応のための電気化学セルであって：
電気的に直列接続された電極リーフのスタックを備え：
スタック内の最上リーフ内の最上電極に１次バスバーが電気的に取り付けられ、
スタック内の最下リーフ内の最下電極に別個の１次バスバーが電気的に取り付けられ、
バスバーが、高電流密度でセルの動作を提供するようなサイズ及び設計である、電気化学セル。
【０２３７】
さらなる実施例
[0250]以下のさらなる実施例は、特定の実施形態についてのより詳細な議論を提供する。さらなる実施例は、本発明の範囲を限定するものではなく、単に例示的であるものと意図される。
【０２３８】
実施例１：空隙容量及びそれらの配置
[0251]電解質、例えば液体電解質に対して透過性ではないが気体の通過を収容又は許容する多孔質構造によって空隙容量（複数可）が提供され、すなわち多孔質構造は不透液性且つ透気性であることが好ましいが排他的ではない。水性液体電解質の場合には、空隙容量（複数可）は、セルの動作中に液体電解質で満たされないままである、多孔質疎水性組立品、膜、若しくは中空繊維、又はそのような構造の集合など、例えばＰＴＦＥから形成された多孔質疎水性構造によって提供されることが好ましいが排他的ではない。そのような場合には、空隙容量は、「人工気泡」又は「人為気泡」であると考えられてもよい。「人工気泡」又は「人為」気泡は、セルの電気伝導路の外側にある、又は電気伝導路内で小横断面積若しくはフットプリントだけを占有することが好ましい。
【０２３９】
[0252]代替の好ましい実施形態において、空隙容量は、セルの伝導路における小横断面積又はフットプリントの外側又は内側に静的に又は近静的に配置される１つ又は複数の自然気泡によって提供されることができる。例えば、１つ又は複数の静的又は近静的な自然気泡は、セルの伝導路内の小横断面積又はフットプリントの外側又は内側に設置される収容構造内に含まれても又は機械的に捕捉されてもよい。別の例では、１つ又は複数の自然な静的又は近静的気泡は、セルの伝導路における小横断面積又はフットプリントの外側又は内側に単に形成されても又は設けられてもよい。
【０２４０】
[0253]一実施形態において、電気化学セルは、移動ガスを受け入れて収容し、以てセルの効率を改善するように構成される１つ又は複数の空隙容量を含む。
【０２４１】
[0254]図４を参照すると、例えば、アノード１１０とカソード１２０との間に水性液体又はゲル電解質１０５を有する電気化学セル１００は、１つ又は複数の平膜１３０、例えば隔離され且つ膜１３０のまわりの環境とガス接触又は連通していない薄い高疎水性平膜又は中空繊維膜の短い部分を含んでもよい。膜１３０は、１つ又は複数の空隙容量を提供する。薄い高疎水性平膜又は中空繊維膜の隔離された部分は、動作中にセル内に徐々にではあるが不適時に発生されるガスを受け入れて収容するように配置されることができる。周囲から隔離されることに加えて、疎水性膜内の空隙はまた、互いから隔離されてもよく、又は互いとガス接触していてもよい。
【０２４２】
[0255]膜１３０は、電極間である電気伝導路（例えば伝導路が図５の面積１２５によって示されている）の外側又は周辺にあるセル１００の縁部又は壁によって提供される位置１４０に又はその付近に設置されることができ、これらの電極はガス生成電極であることが好ましい。代替的に又は付加的に、疎水性膜１３０は、電気伝導路に対して平行若しくは実質的に平行である又は電気伝導路に沿っている例えば長手方向の場所又は位置１５０に配置され、以て低減された又は最小の電気抵抗のために膜１３０の横断面積又はフットプリントを最小化することができる。膜１３０の位置又は場所１５０はまた、ガス生成電極のうちの１つ又は複数に直交している又は実質的に直交している、すなわちアノード１１０及び／又はカソード１２０に直交しているものと考えられることができる。
【０２４３】
[0256]例えば、空隙容量（複数可）を提供する適切な多孔質構造又は膜は、ニッケル水素、鉛酸、又はリチウムイオン電池を含むがこれに限定されず、独立ガス気泡の非管理形成が電池に損傷を与える又は電池の性能を劣化させる可能性を有する、過充電時に電池内に徐々にではあるが不適時に生じられるガスを収容してもよい。そのような応用では、空隙容量は、事実上、ガス形成を抑制するために通常組み込まれる犠牲材料に置き換わっても又は部分的に置き換わってもよい。空隙容量（複数可）は、放電時にガスを除去する逆の再結合反応の前に形成される多量のガスを保持するように「バッファタンク」としてさらに作用してもよい。
【０２４４】
[0257]別の例では、空隙容量（複数可）は、電気泳動又は電気浸透セルの動作中に形成されるガスを収容し、以てセルの動作を改善してもよい。さらなる非限定例では、空隙容量（複数可）は、固体又はゲル電解質を有する電気化学セルにおいて気泡形成の発生を停止させる又は最小化するように作用してもよい。ガス生成電極で生成されるガスの気泡が実質的にないことが好ましい。
【０２４５】
[0258]形態例では、１つ又は複数の空隙容量は：電解質の内側に、その部分的に内側に、若しくはそれに隣り合って配置される；及び／又はガス生成電極のうちの１つ又は複数に又はそれに隣り合って設置される。
【０２４６】
[0259]空隙容量（複数可）が液体媒体内の環境からガス隔離している場合でさえ、空隙容量（複数可）が相当量のガスを受け入れることが依然として可能であることを理解されたい。このことが生じることができる理由は、空隙容量内の内部ガス圧力が空隙容量のいわゆる「バブルポイント」を超える点まで空隙容量（複数可）が移動ガスを必然的に且つ競合的に収容することになるからである。その段階で、空隙容量と周囲液体媒体との間の界面で、１つ又は複数の気泡が非管理方式で生ずることになる。したがって、空隙容量（複数可）が液体又はゲル媒体内でガス隔離していてもよいという事実は、空隙容量（複数可）が相当量のガスさえ受け入れて収容するのを妨げない。
【０２４７】
[0260]第２の好ましい実施形態において、空隙容量（複数可）を提供する膜（複数可）は、移動ガスを単に受け入れて収容するだけでなく、付加的に又は代わりに、移動したガスをセルの別の部分から／に、又はセルへ／から完全に輸送するガス導管を形成する。例えば、空隙容量（複数可）は、セルの電解質内で形成される不要ガスがセルから流出するように作用することができる。
【０２４８】
[0261]図５を参照すると、例えば、１つ又は複数の空隙容量（複数可）を提供する膜１６０は、ガス生成電極１１０、１２０間に存在する電解質１０５から、セル１００の伝導路の外側に若しくは実質的に外側にあるセル１００の別の部分１８０に（例えば伝導路は面積１２５によって示されている）、又はセル１００の外側１７０に、ガスを輸送することができる。
【０２４９】
[0262]したがって、例では、１つ又は複数の空隙容量１３０、１６０と、ガス生成電極１１０、１２０と、少なくともガス生成電極１１０、１２０間の電解質１０５とを備える、電気化学反応からガスを生成する電気化学セル１００が提供される。動作中に、ガス生成電極１１０、１２０のうちの少なくとも一方に間欠又は揺動電流が供給され、ガスは、ガス生成電極１１０、１２０のうちの一方又は両方で生成され、１つ又は複数の空隙容量１３０、１６０によって受け取られる。
【０２５０】
[0263]例えば、空隙容量（複数可）を提供する膜（複数可）１６０は、ガス生成電極間の電解質内に徐々にではあるが不適時に生じられるガスのための経路を提供するように配置されることができる。例えば、このガスは、ニッケル水素、鉛酸、又はリチウムイオン電池を含むがこれに限定されず、独立ガス気泡の非管理形成が電池に損傷を与える又は電池の性能を劣化させる可能性を有する、過充電時に電池内に生じられる。そのような応用では、空隙容量は、事実上、ガス形成を抑制するために通常組み込まれる犠牲材料に置き換わっても又は部分的に置き換わってもよい。空隙容量（複数可）は、放電時にガスを除去する逆の再結合反応の前に形成される多量のガスを保持するように「バッファタンク」として作用するセル内の容積へガスを輸送してもよい。
【０２５１】
[0264]別の例では、空隙容量（複数可）を提供する膜（複数可）１６０は、ガス生成電極１１０、１２０間の電解質１０５から、セルの電気伝導路の外側にあるセル１００の別の部分１８０に、又はセルの外側１７０に、ガスを輸送することができる。例えば、電気泳動又は電気浸透セルの動作中、以てセルの動作を改善する。さらなる非限定例では、この種類の空隙容量（複数可）は、固体又はゲル電解質を有する電気化学セルにおいて気泡形成の発生を停止させる又は最小化するように作用してもよい。
【０２５２】
[0265]他の例では、空隙容量（複数可）は、ガス生成電極間の電気化学セルの液体又はゲル電解質内の溶存ガスを連続的に除去し、以てセルの電気伝導率及びしたがって電気効率を改善するように作用することができる。すなわち、空隙容量（複数可）は、電解質を連続的に「脱気」し、空気中に溶存ガスを排出し、以て電解質の電気伝導率を改善するために使用されることができる。
【０２５３】
[0266]したがって、図４及び図５は、１つ又は複数の空隙容量、例えば多孔質構造、既存の気泡、ガス領域、又はガス経路のための配置例を提供する。１つの例では、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、ガス生成電極（すなわちアノード１１０及びカソード１２０）間の電気伝導路の外側に、位置１４０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、実質的に電極間の電気伝導路の外側に、位置１４０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、部分的に電極間の電気伝導路の外側に、位置１４０又は外側位置１７０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、電極間の電気伝導路の周辺に又はそれに隣り合って、位置１４０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、電極間に且つ電気伝導路内に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有して、位置１５０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、電極間に且つ電気伝導路と平行に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有するように、位置１５０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、電極間に且つ電極のうちの一方又は両方に垂直に、電極間の電気伝導路に対して小横断面積を有するように、位置１５０に又はその近くに配置されることができる。さらなる例では、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、セルの液体電解質又はゲル電解質の内側に、その部分的に内側に、それに隣り合って、又はその近くに、位置１４０及び／又は位置１５０に又はその近くに配置されることができる。代替的に又は付加的に、膜１３０、１６０例によって提供される１つ又は複数の空隙容量は、電極に、その隣に、又はそれに隣り合って、及び電極間の電気伝導路の外側に、配置されることができ、例えば電極のうちの１つ又は複数に実質的に平行に且つ１つ又は複数の電極のガス側に配置されることができる。
【０２５４】
[0267]他の例では、空隙容量（複数可）は、電解質内のガスの溶解を競合的に抑制し、以て電解質の電気伝導率を最大化するように作用することができる。追加例では、空隙容量（複数可）は、セルへ特定の不活性ガスを搬送し、以て電解質を反応的に不活性であるガスで飽和させ且つ以てセルの総合効率を改善するように作用することができる。
【０２５５】
[0268]したがって、電気化学セルのガス生成電極間に電解質を有しており、電解質は液体電解質又はゲル電解質である、電気化学セルが提供される。電気化学セルは、電気化学セルによって生成されるガスを受け取る１つ又は複数の空隙容量を備え、１つ又は複数の空隙容量によって電解質内のガスの溶解が低減される又は回避される。さらに、ガス生成電極でガスの気泡が生成されない。
【０２５６】
[0269]形態例では、１つ又は複数の空隙容量は、電解質の内側に、その部分的に内側に、又はそれに隣り合って配置されることができる。１つの例では、１つ又は複数の空隙容量は、１つ又は複数の空隙容量へのガスの移動を促進し、その結果：
電解質係数（ＥＦ）が増大される／最大化される；
電力密度係数（ＰＦ）が低減される／最小化される；且つ
クロスオーバ（ＣＯ）が低減される／最小化される。
【０２５７】
[0270]１つの例では、１つ又は複数の空隙容量は、電解質からセルの伝導路の外側にあるセルの別の部分に、ガスを輸送する。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、電解質からセルの外側に、ガスを輸送する。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、セルへ不活性ガスを輸送する。
【０２５８】
[0271]別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、ガスに対して透過性であり且つ電解質に対して不透過性である多孔質構造によって提供される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、透気性且つ不透液性である多孔質構造によって提供される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、セルの動作中に電解質で満たされないままである多孔質疎水性構造によって提供される。
【０２５９】
[0272]別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、既存の気泡、ガス領域、又はガス経路である。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、収容構造によって静的に配置される少なくとも１つの自然気泡によって提供される。
【０２６０】
[0273]別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、電極間の電気伝導路の外側に配置される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、部分的に電極間の電気伝導路の外側に配置される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、電極間の電気伝導路の周辺に配置される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、電極間に且つ電極間の電気伝導路と平行に配置される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、電極間に且つ電極のうちの一方又は両方に垂直に配置される。
【０２６１】
[0274]別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、少なくとも一方の電極の一部として一体形成される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、少なくとも一方の電極に又はそれに隣り合って配置される。別の例では、１つ又は複数の空隙容量は、ガス拡散電極のガス側を少なくとも部分的に形成する。
【０２６２】
[0275]別の例では、電気化学セルの少なくとも一方の電極は、電解質に対して実質的に不透過性であり且つ少なくとも一方の電極のガス側に提供される非導電性の透気性材料と、少なくとも一方の電極の電解質側に提供される多孔質導電材料とを含む。
【０２６３】
実施例２：好ましい実施形態ではない水電解槽及び一体化された再生燃料電池電解槽。水電解中の熱中性電位を下回る動作
[0276]一体化された再生（又は可逆性）燃料電池（ＵＲＦＣ）は、２つのモード：（ｉ）燃料電池モード（典型的に水素及び酸素からの電気及び熱の生成を含む）、及び（ｉｉ）電解槽モード（電気及び熱を使用する水素及び酸素の生産を含む）で動作することができる触媒を有する電気化学セルである。燃料電池モードでは、Ｈ２−Ｏ２ＵＲＦＣは、以下の反応を実施する：
Ｏ２＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ＋電気＋熱  Ｅ０ｃｅｌｌ  １．２３Ｖ（対ＮＨＥ）．．．（１）
【０２６４】
[0277]Ｅｃｅｌｌに対する正符号は、熱力学的に正反応が好まれて自発的に起こり、電気及び熱を発生させることを示す。逆の電解槽モードでは、Ｈ２−Ｏ２ＵＲＦＣは、次の反応を促進する：
Ｈ２Ｏ＋電気＋熱→Ｏ２＋２Ｈ２  Ｅ０ｃｅｌｌ  −１．２３Ｖ（対ＮＨＥ）．．．（２）
【０２６５】
[0278]Ｅｃｅｌｌに対する負符号は、熱力学的には総括反応が好まれず、電流及び熱の印加によって駆動されなければならないことを示す。
【０２６６】
[0279]しかし実際には、今日の商用電解槽（好ましい実施形態ではない）は、動作中に熱の外部入力を必要としない。代わりに、今日の商用電解槽は、正味の熱を多くの場合大量に発生させ、この熱は、能動冷却システム、すなわち「チラー」によって除去されなければならない（科学出版物：Ｊ．Ｏ．Ｊｅｎｓｅｎ、Ｖ．Ｂａｎｄｕｒ、Ｎ．Ｊ．Ｂｊｅｒｒｕｎ、Ｓ．Ｈ．Ｊｅｎｓｅｎ、Ｓ．Ｅｂｂｅｓｅｎ、Ｍ．Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、Ｎ．Ｔｒｏｐｈｏｊ、Ｌ．Ｙｄｅ、「Ｐｒｅ−Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ」、Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  ＰＳＯ−Ｆ＆Ｕ  ２００６−１−６２８７、ＲＩＳＯ及びＤａｎｉｓｈ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２００８に記載されている）。
【０２６７】
[0280]このことが生じる理由は、それらの動作温度において、今日の商用電解槽（好ましい実施形態ではない）は、常に水電解（１．４８Ｖ）のために「熱中性」電位を十分に上回って動作するからであり、この「熱中性」電位は、水電解が全体的な吸熱反応から発熱反応に切り換わる電圧である。図６に示すように、水電解は１．４８Ｖを下回ると吸熱性になり、これは水電解が生成する熱が不十分であり、その周囲からの熱を抽出し、以て「冷たくなる」ようにしなければならないことを意味する。１．４８Ｖを上回ると、水電解は発熱性になり、これは水電解が余熱を生成し、電解槽がその周囲に熱を放射し且つ「熱くなる」ようにすることを意味する。これは、水素ガスが３３．３ｋＷｈ／ｋｇの電気エネルギー及び６．１ｋＷｈ／ｋｇの熱エネルギーを含むために起こる。３３．３ｋＷｈ／ｋｇの電気エネルギーを提供するために必要とされる理論的に最小の電位は、「平衡」電圧であり、これは２５℃で１．２３Ｖである。追加の６．１ｋＷｈ／ｋｇの熱エネルギーを生成するためには、より高い電圧−熱中性電圧−が必要とされる。前者（３３．３ｋＷｈ／ｋｇ）は、「より低い加熱値」（又はＬＨＶ）の水素に対応し；両者の和（３３．３＋６．１＝３９．４ｋＷｈ／ｋｇ）は、「より高い加熱値」（又はＨＨＶ）の水素に対応する。
【０２６８】
[0281]上記の量が知られているが、実際には、ほとんどの触媒が、室温で、特にアルカリ系で、熱中性電圧に又はその近くに水電解を促進する能力を有していない。
【０２６９】
[0282]水分解のための触媒材料は通常、駆動回路内の電気抵抗、電解質内のオーム抵抗、及び物質移動効果などの外的影響を最小化するため、低電流密度（例えば１０ｍＡ／ｃｍ２）で互いに比較されることに留意されたい。
【０２７０】
[0283]以下の例では、水電解中に熱中性電位を下回って動作する様々な触媒及び触媒の組合せによって被覆された延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）膜電極を利用する隔膜のないアルカリ電解槽の実施形態例が記載されている。最も活性の触媒の組合せは、カーボンブラック上のＰｔ（ＨＥＲ触媒材料）及びＮｉＣｏ２Ｏ４（ＯＥＲ触媒材料）を含み、これは電解槽モードにおいて８０℃で２．５時間後に１．２５Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２を達成した。少量のＮｉＣｏ２Ｏ４をカーボンブラックに置き換えることで、一体化された再生水素酸素燃料電池電解槽を生成し、これは８０℃及び１０ｍＡ／ｃｍ２において燃料電池動作で０．８７Ｖを発生させ（７４．４％のエネルギー効率、ＬＨＶ）、電解槽モードにおける２時間の動作後に１．２７Ｖを消費した（９２．１％のエネルギー効率、ＬＨＶ）。燃料電池動作中に発生された熱が電解槽動作中にセルの温度を維持するために使用されたと仮定して、このセルの総合ラウンドトリップ効率は６８．５％であった。
【０２７１】
実施例３：熱中性電圧を下回って動作する触媒を使用して吸熱電気化学反応を促進する電気化学セルの実施形態例の効率的な動作。好ましい触媒及び触媒材料。
[0284]好ましい実施形態において、空隙容量は電極と関連付けられてもよい。すなわち、空隙容量はガス拡散電極のガス側を形成してもよく、電極のガス側は電極間のセルの伝導路の外側に又は実質的に外側にあり、且つガス拡散電極のガス側はセルへの又はセルからのガスの移動を促進する。ガス拡散電極は、電極で急速且つ突然に発生されるガスをセルから輸送するように作用してもよい。そのようなセルの例は、電子合成又は電子エネルギーセルを含む。
【０２７２】
[0285]本明細書に記載されており、全てが参照により本明細書に援用される国際公開第２０１３／１８５１７０号、国際公開第２０１５／０１３７６４号、国際公開第２０１５／０１３７６５号、国際公開第２０１５／０１３７６６号、国際公開第２０１５／０１３７６７号、国際公開第２０１５／０８５３６９号に記載されている種類のセルを含むがこれらに限定されない電気化学セル例は、参照により本明細書に援用される２０１６年１２月１４日に出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ」という名称の本出願人の共存国際特許出願に記載されているように、高電流密度で動作するように修正されることができる。
【０２７３】
[0286]実施形態例では、電気化学セルは、エネルギー効率的に吸熱電気化学反応を促進する手段を提供する。
【０２７４】
[0287]この種類の動作を例示するために、アノード及びカソードである２つのガス拡散電極を含む水電解槽のための実施形態例を概略的に示す図７を考慮されたい。電解槽に対する標準的な動作電流は１０ｍＡであり（又は電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ２として表される）、且つ標準的な動作温度は８０℃である。例示的な目的で、セルはアルカリ電解槽であり、すなわちセルは、電解質として水性水酸化カリウム、水性ＫＯＨを含むアルカリ溶液中で、以下に示すように半反応による電気化学水分解を促進する。（酸性又は中性電解質も適切な触媒とともに代替的に使用され得る）。
アノード：４ＯＨ−→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
カソード：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−  Ｅｃｅｌｌ０  １．２３Ｖ
【０２７５】
[0288]図７の電気化学セル１０００は、以下の部品を備える：中心の貯水器１１００は、左側の水のない水素収集室１１１０と、右側の水のない酸素収集室１１２０を有する。貯水器１１００と水素収集室１１１０との間には、ガス拡散電極１１３０がある。貯水器１１００と酸素収集室１１２０との間には、ガス拡散電極１１４０がある。ガス拡散電極１１３０及び１１４０の表面上に又は表面近くに、アノード及び／又はカソードに適用された適切な触媒１１５０を含む導電層がある。電池１１６０によって導電層１１５０に直流電流が印加されると、外側回路１１７０に沿って電子が流れる。この電流により、水がガス拡散電極１１３０（カソード）の水素とガス拡散電極１１４０（アノード）の酸素とに分解される。これらの表面に気泡を形成する代わりに、酸素及び水素は、ガス拡散電極の疎水性の孔１１８０を通ってそれぞれ酸素ガス収集室１１２０及び水素ガス収集室１１１０内へ進む。液体の水は、ガス拡散電極のこれらの孔の疎水性表面及び水の表面張力により、水の液滴が水のバルクから切り離され、以てこれらの孔を通過するのを妨げるため、これらの孔を通過することができない。したがって、ガス拡散電極１１３０及び１１４０は、透気性且つ不透水性の障壁として作用する。
【０２７６】
[0289]好ましい例では、ガス拡散電極１１３０及び１１４０は、基板として、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙによって生産されているポリプロピレン付きＰｒｅｖｅｉｌ（商標）延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）膜を有した（平均孔径０．２μｍ、バブルポイント１．０〜１．２バール、浸水圧力４バール超）。これらの基板上に、触媒及び導電Ｎｉメッシュを含む導電層１１５０が堆積されている。Ｎｉメッシュは、２００行／インチを有し、ｅＦｏｒｍｉｎｇ  Ｉｎｃ．社によって供給された。
【０２７７】
[0290]好ましい例では、カソードにおける１１５０内の水素発生触媒は、ナノ粒子カーボンブラック上に堆積された白金のナノ粒子（１０重量％のＰｔ）（例えばＰｒｅｍｅｔｅｋ社によって供給される）が適切なカーボンブラック（例えばＡｋｚｏ−Ｎｏｂｅｌによって供給される）と混合された混合物を含む。次いでこれら２つの成分は、ＰＴＦＥ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからアルコール中に５％の分散で供給される）とさらに混合され、スラリーを生じさせる。スラリーは、電極及び導体上へ１つの層として被覆され、例えばナイフ被覆され、この層は乾燥後、約５０重量％のＰＴＦＥ、約３７．５重量％の被覆されていないカーボンブラック、及び約１２．５重量％のＰｔで被覆されたカーボンブラックを含むことが好ましいが排他的ではない。重量による白金の被覆範囲は、約０．７２ｇのＰｔ／ｍ２であり得る。
【０２７８】
[0291]好ましい例では、１１４０内（アノード側）の酸素発生触媒は、ＮｉＣｏ２Ｏ４のナノ粒子（例えばＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ社によって供給される）を含む。次いでＮｉＣｏ２Ｏ４粉末は、ＰＴＦＥ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからアルコール中に５％の分散で供給される）とさらに混合され、スラリーを生じさせる。スラリーは、電極及び導体上へ１つの層として被覆され、例えばナイフ被覆され、この層は乾燥後、約５０重量％のＰＴＦＥを含むことが好ましいが排他的ではない。重量によるＮｉＣｏ２Ｏ４の被覆範囲は、約４２７ｇのＮｉＣｏ２Ｏ４／ｍ２であり得る。
【０２７９】
[0292]代替の好ましい例では、１１４０内（アノード側）の酸素発生触媒は、ＮｉＣｏ２Ｏ４のナノ粒子（例えばＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ社によって供給される）が適切なカーボンブラック（例えばＡｋｚｏ−Ｎｏｂｅｌによって供給される）と混合されたものを含む。次いでＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック粉末は、ＰＴＦＥ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからアルコール中に５％の分散で供給される）とさらに混合され、スラリーを生じさせる。スラリーは、電極及び導体上へ１つの層として被覆され、例えばナイフ被覆され、この層は乾燥後、約５０重量％のＰＴＦＥを含むことが好ましいが排他的ではない。重量による被覆範囲は、約３２８ｇのＮｉＣｏ２Ｏ４／ｍ２及び約５７ｇのカーボンブラック／ｍ２であり得る。
【０２８０】
[0293]さらなる代替の好ましい例では、１１４０内（アノード側）の酸素発生触媒は、上述した好ましい水素発生触媒と同じであった。すなわち、酸素発生触媒は、ナノ粒子カーボンブラック上に堆積された白金のナノ粒子（１０重量％のＰｔ）（例えばＰｒｅｍｅｔｅｋ社によって供給される）が適切なカーボンブラック（例えばＡｋｚｏ−Ｎｏｂｅｌによって供給される）と混合された混合物を含む。次いでこれら２つの成分は、ＰＴＦＥ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈからアルコール中に５％の分散で供給される）とさらに混合され、スラリーを生じさせる。スラリーは、電極及び導体上へ１つの層として被覆され、例えばナイフ被覆され、この層は乾燥後、約５０重量％のＰＴＦＥ、約３７．５重量％の被覆されていないカーボンブラック、及び約１２．５重量％のＰｔで被覆されたカーボンブラックを含むことが好ましいが排他的ではない。重量による白金の被覆範囲は、約０．７２ｇのＰｔ／ｍ２であり得る。
【０２８１】
[0294]上記のアノード及びカソード触媒を含む図７のセルは、６Ｍ  ＫＯＨで満たされ、８０℃で維持され、電極間距離（ＩＤ）は３ｍｍであり、１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度（ＣＤ）がセルに印加された。これらの条件は、参照により本明細書に援用される２０１６年１２月１４日に出願の「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌｓ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されているように、電極間隔膜なしで、ガス拡散電極を利用する、気泡のない又は実質的に気泡のない水電解セルの動作のための近最適条件に等しかった。すなわち、
ｉ．電解質係数（ＥＦ；単位：Ｌｓ／Ωｃｍ３ｍｏｌ）は、合理的にできるだけ増大又は最大化され；
ｉｉ．電力密度係数（ＰＦ；単位：ｍＡ２Ω／ｃｍ２）及びクロスオーバ（ＣＯ；％）は、合理的にできるだけ低減又は最小化され、その結果：
ｉｉｉ．電極で形成されたガスは：
ａ）ガス拡散電極の気液界面を既存の気相又は領域へ横切ることによって、ガス拡散電極の既存のガス領域に連結するように強く誘起された；
ｂ）（ｉ）液体電解質に溶解して移動すること；又は（ｉｉ）新しい独立気泡を形成すること：を強く抑制された。
【０２８２】
[0295]これらの条件下での電気化学セルの電圧が、連続的に測定された。
【０２８３】
[0296]上記の触媒の組合せのうちの１つを有するセルが、室温で開始して、温度制御なしで１０ｍＡ／ｃｍ２で動作されたとき、セル電圧は、実験開始時の１．４０Ｖ超から、１時間後の１．６Ｖ超まで上昇した。その時点で、セルは触るとはっきりと冷たくなっていた。
【０２８４】
[0297]セルが明白に「自己冷却」し、且つ環境からの熱を引き込んでいるため（吸熱反応の場合に予想される）、実験は、８０℃の温度を維持するように設定された温度制御水槽にセルを浸漬させて繰り返された。
【０２８５】
カーボンブラック（アノード）あり及びカーボンブラック（アノード）なしで触媒：Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４を有するセル
[0298]図８Ａは、以下の触媒：（ｉ）Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）及びＮｉＣｏ２Ｏ４（アノード）、並びに（ｉｉ）Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）及びＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）を有するセルに対する実験中の１０ｍＡ／ｃｍ２における電圧プロファイルを示す。前者の場合に対する遊び時の影響をさらに実証するために、水槽は温度の迅速な均衡化を保証するために断熱又は撹拌されなかった。
【０２８６】
[0299]図８Ａに見ることができるように、１０ｍＡ／ｃｍ２における上記のシステムのどちらの場合でも、電気化学セル電圧は最初におよそ１．３Ｖで始まった（８０℃でおよそ１．１７Ｖへの水電解のためのセル電圧の下降と一貫しているはずである）。次いで電圧は、２．５時間の動作中に１．２４５〜１．２７５Ｖの領域に下降した。Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４（アノード）セルは、２．５時間後に平均およそ１．２５Ｖを達成し、Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）及びＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）セルは、２．５時間後に平均およそ１．２７Ｖを達成する。１．４７Ｖ（８０℃）の熱中性電圧で、セルはおよそ４８ｍＡ／ｃｍ２を発生させた。
【０２８７】
[0300]図８Ａのグラフの顕著な特徴は、上下に規則的に振動しているという事実である。これらの変動は、強く自己冷却する電気化学セルと、温度が８０℃を下回るたびにオンに切り換わる温度コントローラとの間の相互作用を反映する。各周期の底部は、ヒータコントローラ自体がオンに切り換わるのに十分にセルが自己冷却した点に対応する。各周期の頂部は、ヒータコントローラがセルを十分に加熱し、次いでヒータコントローラ自体がオフに切り換わる点に対応する。これらの変動は、Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４（アノード）の場合に、水槽の水が動作中に断熱又は撹拌されず、その結果加熱及び冷却動作がより積極的になったため、より極端になった。
【０２８８】
[0301]図８Ｂは、８０℃において１０ｍＡ／ｃｍ２で２．５時間の動作後の８０℃における２つのセルの線形掃引ボルタンモグラムを示す。見ることができるように、これらの曲線は、Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）セルによるおよそ１．３７Ｖでのより低い相対活量への湾曲を除いてほぼ同一である。Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）セルによるより低い相対活量への類似の湾曲は、図８Ａの１．２５時間のマークで起こった。これらの湾曲は、おそらくＰｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）セルのアノードカーボンブラック中の炭素の腐食によるものである。この種類の炭素腐食は通常、セルの性能を劣化させることが予想されるはずであり、これは図８Ｂでおよそ１．３７Ｖを上回り、且つ図８Ａでおよそ１．２５時間後に見られる。したがって図８Ａ〜図８Ｂのデータは、そのような炭素腐食が、少なくとも最初の１．２５時間の動作にわたって１．３７Ｖを下回るセル電圧では大きくないことを示唆する。
【０２８９】
[0302]図８Ｃは、２つのシステムの燃料電池としての性能を示す。見ることができるように、Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（アノード）セルは、燃料電池挙動に非常に特徴的な線形掃引ボルタンモグラムを示し、１０ｍＡ／ｃｍ２がおよそ０．８７Ｖで発生された。対照的に、Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−ＮｉＣｏ２Ｏ４（アノード）セルは、燃料電池の働きを全く示さなかった。
【０２９０】
[0303]したがって、カーボンブラック上のＰｔ（ＨＥＲ触媒材料）及びＮｉＣｏ２Ｏ４（ＯＥＲ触媒材料）を有するセルは、８０℃の電解槽として２．５時間後に１．２５Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２を達成した。これは、１１８％の水素のより高い加熱値（ＨＨＶ）に対する効率に等しい。
【０２９１】
[0304]カーボンブラック上のＰｔ（ＨＥＲ触媒材料）及びＮｉＣｏ２Ｏ４／カーボンブラック（ＯＥＲ触媒材料）を有するセルは、８０℃で一体化された再生水素酸素燃料電池電解槽として作用した。燃料電池モードで、このセルは、０．８７Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２を発生させており、これは、水素のより低い加熱値ＬＨＶに対する７４．４％のエネルギー効率に等しい。電解槽モードで、このセルは、２．５時間の動作後に１．２７Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２を消費しており、これは、９２．１％の水素のより低い加熱値ＬＨＶに対する効率（又はより高い加熱値ＨＨＶに対する１１６．５％の効率）に等しい。燃料電池動作中に発生される熱が電解槽動作中にセルの温度を維持するために使用されたと仮定すると、セルの総合ラウンドトリップ効率は６８．５％であった。
【０２９２】
セルの際立った特徴例：
[0305]本出願人らの知識の限りでは、上記のセルは、ある程度の余地を残して、これまで開発された最も効率的な水電解槽及び一体化された再生燃料電池電解槽を構成する。
【０２９３】
[0306]参照により本明細書に援用される２０１６年１２月１４日に出願の「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔｈｅ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌｓ」のための本出願人の共存国際特許出願に記載されているように、本実施形態のセルはまた、電極間にいかなる種類の隔膜又はイオン交換膜も不在の場合でも、１０ｍＡ／ｃｍ２でスタックから直接極めて純粋なガス（典型的に９９．９％超の純粋な水素及び９９．１％超の純粋な酸素）を生成する。現在最善の代替セル、すなわちＰＥＭ電解槽は、１０ｍＡ／ｃｍ２で実質的により少ない純粋なガスをスタックから発生させるように計画されている（９９．５％未満の純粋な水素及び９８．０％未満の純粋な酸素）。
【０２９４】
[0307]したがって、上記のセルの前例のないエネルギー効率は、以下の組み合わされた影響に帰することができる：
（ｉ）これらの電極におけるガス気泡の不在又は実質的な不在のため、電解中のアノード及びカソードのそれぞれにおける気泡過電圧エネルギーペナルティを回避する、
（ｉｉ）電極間隔膜が存在しない、８０℃で６Ｍ  ＫＯＨ電解質の極めて高いイオン伝導率を含む、気泡のない又は実質的に気泡のない条件下での動作の最適化された性質（すなわち高「電解質係数」ＥＦ、低「電力密度係数」ＰＦ、及び低「クロスオーバ」ＣＯの影響）、
（ｉｉｉ）触媒材料の本質的効率。
【０２９５】
触媒：Ｐｔ／カーボンブラック（カソード）−Ｐｔ／カーボンブラック（アノード）を有するセル
[0308]アノード上の炭素腐食が１．３７Ｖを下回るセル電圧で大きくないと思われることを考慮して、アノードとカソードの両方にカーボンブラック上のＰｔを有するセルの性能も試験された。すなわち、対称形のセル構成において、上述したカソード触媒の処方がアノードでも使用された。
【０２９６】
[0309]室温で開始して、温度制御なしで動作されたとき、セル電圧は、実験開始時の１．６Ｖ未満から、１時間後のおよそ１．７５Ｖまで上昇した。その時間中、電圧は連続的な増大を示し、これはそのカーボンブラックの腐食によるアノード触媒の実際の劣化と一貫している。これらの電圧では、セルが安定しかつ確実な性能をもたらさないことが明白である。図９Ａは、実験中のセルの電圧プロファイルを示す。
【０２９７】
[0310]しかし８０℃の一定温度で、温度制御水槽の断熱又は撹拌なしで（図９Ｂ）、セルが浸漬された温度制御水槽の積極的冷却により、セル電圧は１．３５〜１．４０Ｖの領域になった。約１．３５Ｖで、水槽の温度コントローラは、温度下降を止めようとして、加熱をオンにした。外部から印加される加熱の影響は、測定電圧をより低くすることである。しかし、外部加熱がオフにされるとすぐに、セルによって生じられる温度下降が再び始まり、ヒータコントローラは繰返しオンに切り換わり、ますます積極的に水の温度の安定化を試行した。図９Ｂで２５〜１００分の期間に見られるますます極端になる変動は、（冷却）電気化学セルと（加熱）温度コントローラとの間の相互作用を反映している。
【０２９８】
[0311]より安定したデータを得るために、次いで上記の実験が、同じ水槽において８０℃で繰り返されたが、今回は、急速な温度の均衡化を保証するために水槽が勢いよく撹拌され、原綿の層の中に水槽を包むことによって水槽を断熱した。この実験からの電圧トレースが図９Ｃに示されている。見ることができるように、最初の３時間にわたっておよそ１．３Ｖでより安定したトレースが得られた；その後、最大７時間にわたって、電圧は１．３２〜１．３３Ｖで安定していた。ヒータコントローラは、期間全体にわたってほぼ連続的に熱を供給した。
【０２９９】
上記のセルの他の際立った特徴例：
[0312]上記の例は、すでに論じたもの以外に、いくつかの独特の特徴を実証する。第１に、これらの例は、上述した触媒１１５０が、少なくとも一方の電極に適用されると、１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度及び８０℃の温度の標準的な動作条件下において、反応の熱中性電圧（８０℃で１．４７Ｖ）を十分に下回った少なくとも１．３５Ｖの動作電圧で、水電解反応を促進したことを実証する。その結果、電気化学セルはその周囲からの熱を吸収し、冷たくなった。その温度を維持するために、ヒータコントローラによって抵抗加熱を印加する必要があった。したがって、ヒータ又は発熱体から吸熱電気化学反応に熱が印加された。発熱体は、セル自体又はセルの一部であり得る（例えば、セルがおよそ４８ｍＡ／ｃｍ２で動作されたとき、その動作電圧はセル自体が動作温度で維持されることを示す熱中性電圧であった）。本出願人らの知識の限りでは、これは触媒又はより具体的には電気触媒の第１の例であり、この例は、反応のための熱中性電圧を下回る動作電圧において有用な電流密度で、何時間も、例えば１時間を超えて、２時間を超えて、４時間を超えて、又は６時間を超えて、水電解を持続可能に触媒することが示されている。すなわち、触媒は、水電解のための熱中性電圧を下回る動作電圧で水電解を触媒する。触媒は、印加電流密度で熱を吸収する。
【０３００】
[0313]第２に、ヒータコントローラ（又はヒータ自体としてのセル）は、セルの動作温度を維持するために必要とされるだけの熱のみを印加したことに留意されたい。ヒータコントローラは、ヒータ又は発熱体から吸熱電気化学反応に印加される熱の量を制御することができ、ヒータ又は発熱体は、ヒータ又は発熱体として作用する電気化学セル又はセルの１つ若しくは複数の部品を含み得る。これを効率的に管理するために、セルの周りに断熱、例えば断熱原綿が配置される又は巻き付けられる。断熱がセルから周囲への熱の全正味の交換を阻止した場合（すなわちセルによる熱の全ての放射を阻止した場合）、セルは事実上１００％のエネルギー効率で動作したはずである。実際は、断熱を通じてある程度の熱損失が起こり、この失われた熱だけセルの総合エネルギー効率が減少した。言い換えれば、セルの周りに巻き付けられた断熱原綿から放射された熱が少なければ少ないほど、セルは１００％のエネルギー効率に近づいたはずである。すなわち、電気化学セルの総合エネルギー効率は、その断熱効率によって部分的に決定される。
【０３０１】
[0314]第３の顕著な特徴は、セルに必要とされる能動冷却（例えば冷却システムによる）がないこと、すなわち冷却システムが必要とされないことである。熱管理は、能動冷却ではなく、能動的な電気誘起抵抗加熱によって行われた。これは、水電解槽に対する通常の状況と対照を示す。好ましい種類ではない従来の水電解槽では、電気誘起抵抗加熱は、追加の熱が除去されなければならず、これにはエネルギーペナルティが加えられるため、望ましくなく且つ望まれない。しかし本発明の場合、電気誘起抵抗加熱が望ましく、実際にはセルの電気化学性能を維持するために必要とされた。
【０３０２】
[0315]第４に、この例では、断熱、例えば断熱原綿包装を介した放射によるシステムの偶発的冷却は、性能の不安定性及びセルの総合エネルギー効率の下降をもたらすため、望まれない。実際にはこの理由のため、セルは断熱原綿層内に包まれなければならない。これはこの場合も、水電解槽に対する通常の状況との対照を示す。従来の水電解槽では、熱が多すぎることが問題であり、偶発的冷却はその問題を緩和するのに役立つため、偶発的冷却は非常に望ましい。
【０３０３】
[0316]したがって、従来の水電解セルに存在する通常のエネルギー及び熱管理の問題は全て、本実施形態では該当しない。セルの熱及びエネルギー管理は冷却ではなく加熱によって起こり、起こり得るあらゆる偶発的冷却（例えば空気冷却）は有利ではなく、代わりに有害であり、回避されるべきである。このときセルの総合エネルギー効率は、セルがその動作温度に加熱及び維持されることができる効率の関数である。
【０３０４】
[0317]実施形態例の主要な際立った特徴は、上記の問題の逆転が：（ｉ）従来のセルより容易に管理されること、（ｉｉ）従来のセルより安価に管理されること、及び（ｉｉｉ）最も決定的には、より高い総合エネルギー効率に達成する可能性が実質的により高いことである。
【０３０５】
[0318]これらの例はまた、電気化学セル及び電気化学セルを動作させる方法を示し、電気化学セルはガス生成電極と対向電極とを備え、ガス生成電極及び対向電極は電解質によって分離される。また、この場合は電極に又はそれに隣り合って、１つ又は複数の空隙容量が提供される。この方法は、少なくともガス生成電極に電流を供給することと、吸熱電気化学反応の結果として、ガス生成電極でガス（Ｈ２又はＯ２）を生成することとを含む。ガスは、１つ又は複数の空隙容量によって受け取られる。
【０３０６】
実施例４：熱中性電位を下回る水電解を促進する好ましい触媒及び触媒材料
[0319]他の触媒系の範囲が、同じ水素電極触媒、すなわち１０％のＰｔ／カーボンブラック（０．７２ｇのＰｔ／ｍ２）と類似の条件下で、酸素電極触媒として調査された。表２は、最も活性の触媒の選択された例に対して得られたデータを要約する。
【表２】
2018536766.tif 000004
【０３０７】
[0320]表２から見ることができるように、複数の触媒が、８０℃の動作温度で本実施形態のセルにおいて、熱中性電圧を下回る性能をもたらし、以てエネルギー効率がセルの気泡のない又は実質的に気泡のない性質、電極間隔膜又はイオン交換膜の不在、並びに「電解質係数」ＥＦ、「電力密度係数」ＰＦ、及び「クロスオーバ」ＣＯに対する適切な条件の使用に関係することを確証する。
【０３０８】
[0321]水素電極触媒及び酸素電極触媒の両方又はいずれかとしての有用性を有する好ましい触媒は、以下の好ましい触媒材料のうちの１つ若しくは複数又はそれらの組合せを含む：
（ｉ）Ｐｔ黒、炭素材料に担持されるＰｔ（例えばカーボンブラック上のＰｔ）、炭素材料上のＰｔ／Ｐｄ（例えばカーボンブラック上のＰｔ／Ｐｄ）、ＩｒＯ２、及びＲｕＯ２を含むがこれらに限定されない、遊離か担持かの貴金属；
（ｉｉ）（ａ）ナノ粒子ニッケル、（ｂ）スポンジニッケル（例えばラネーニッケル）、及び（ｃ）発泡ニッケルを含むがこれらに限定されないニッケル；
（ｉｉｉ）ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｏ、ＮｉＣｏＭｏを含むがこれらに限定されないニッケル合金；
（ｉｖ）限定することなく、酸化ニッケル、オキシ水酸化物、水酸化物、及びそれらの組合せ；
（ｖ）ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、及びＬｉＣｏ２Ｏ４を含むがこれらに限定されないスピネル；
（ｖｉ）Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、及びＢａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含むがこれらに限定されないペロブスカイト；
（ｖｉｉ）ナノ粒子鉄粉末などを含むがこれらに限定されない鉄の他に鉄化合物；
（ｖｉｉｉ）ＭｏＳ２を含むがこれに限定されないモリブデン化合物；
（ｉｘ）ナノ粒子コバルト粉末などを含むがこれらに限定されないコバルトの他にコバルト化合物；並びに
（ｘ）ナノ粒子マンガン粉末などを含むがこれらに限定されないマンガンの他にマンガン化合物。
【０３０９】
実施例５：電気化学セルの効率的な熱管理
[0322]本明細書に記載される実施形態電気化学セル例は、エネルギー効率及び性能を最適化することに関して新しい課題を呈することが、当業者には理解されよう。商用水電解セルなどの従来の電気化学セル（好ましい実施形態ではない）に存在する、発生される余熱を可能な限り放出及び放射することに関する焦点は、余熱が電気化学セル内で又は電気化学セルによって節約、管理、及び／又は活用されるべき有益な産物であると考えられる保全倫理に置き換えられる。
【０３１０】
[0323]したがって、本実施形態の電気化学セル内で熱が電気的に発生される方法は、例えば電気化学セルの回り又はその付近に配置されるときの電気化学セルの断熱の効率と同様に重要な問題になる。
【０３１１】
[0324]本電気化学セル調整する内で熱の発生及び損失を１つの方法は次のとおりである：
（１）電気化学セルに適用されることができる最も合理的な断熱を決定すること；
（２）電解質に接触しているその通電部品が化学反応に供給し且つ断熱が存在する状態で動作温度を維持するために必要とされる熱だけを発生させるように、電気化学セルを設計すること。
【０３１２】
[0325]すなわち、１つの手法は、通常動作中に電気化学セルによって発生される熱が、反応による熱の消費と断熱を通じて周囲に放射される熱の損失との和に少なくともある程度一致するように、電気化学セル及びその断熱を設計することである。
【０３１３】
[0326]これらの特徴は全て、容易に且つ正確にモデル化されることができ、これは、可能な限り最大の合理的なエネルギー効率を達成するように電気化学セルを合理的に設計することが可能になることを意味する。
【０３１４】
[0327]図１０Ａ及び図１０Ｂは、渦巻セル（図１０Ａ）及び直列（例えば積層）セル（図１０Ｂ）の形態の電気化学セル例を示す。そのような電気化学セルで使用されることができる端子バスバーの様々な可能な構成がある。図１１は、図１０Ｂに例示される直列セルのためのバスバーの設計例を示す。
【０３１５】
[0328]これらの種類の電気化学セルは、液体電解質が循環する封止された管状チャンバ内に収容されることができる。管状又は円筒型の温水ヒータ向けの断熱の種類は知られている。５０℃の水を含む管状の住居用温水ヒータによる最大熱損失に対するオーストラリアの標準は、９３．６ｋＪ／水ｋｇ／２４時間である。そのような温水ヒータのために製造される断熱は、容易に利用可能であり且つ安価であり、それらの断熱特性はまた十分に特徴付けられている。そのような断熱はまた、本電気化学セル例の絶縁にも適切である。断熱例は、繊維ガラス、ミネラルウール、セルロース、ポリウレタンフォーム、ポリスチレン（ＥＰＳ）、ケイ酸カルシウム、気泡ガラス、弾性発泡体、フェノールフォーム、ポリイソシアヌレート若しくはポリイソ、バーミキュライト、原綿、又はそれらの組合せを含むことができる。
【０３１６】
[0329]５０℃で動作する水電解セルは、１．４８Ｖの熱中性電圧を有し、水を分解するために必要とされる電気エネルギー及び熱エネルギーに対応する電圧は、それぞれ１．２１Ｖ及び０．２７Ｖである。
【０３１７】
[0330]したがって、本明細書に記載される電気化学セルが水電解槽として使用され、電気化学セル及びその管状のハウジングが、例えばオーストラリアの温水ヒータで使用される種類の断熱に包まれている場合、電気化学セルが５０℃で維持されるときに断熱を通じて放射されることになる熱の量が計算されることができる。
【０３１８】
[0331]そのようなセルが６６ｋｇの水性電解質を含む場合、そのようなセルは、その断熱を通じて１日当たり以下を放射することになる：
【数１】
2018536766.tif 000005
【０３１９】
[0332]これは、１日当たり１，７２０Ｗｈ又は１．７２ｋＷｈの放射エネルギーが廃棄されることに等しい。
【０３２０】
[0333]セルの動作電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２であり、且つ各アノード及びカソードのサイズが長さ２ｍ×幅０．３ｍ＝０．６ｍ２である場合、スタック内の各セルは、以下の総電流を消費することになる：
【数２】
2018536766.tif 000006
【０３２１】
[0334]６０Ａが１日当たり１つのセルで約０．０５４ｋｇの水素を発生させ、且つスタック内に２０セルあることを考慮すれば、直列セル全体で１日当たり合計１．０８ｋｇの水素を発生させることになる。
【０３２２】
[0335]熱中性電圧で１ｋｇの水素を生成するために必要とされる理論的に最小のエネルギーは３９ｋＷｈ（１．４８Ｖに等しい）であり、これは５０℃で３２ｋＷｈ（１．２１Ｖ）の電気エネルギー及び７ｋＷｈ（０．２７Ｖ）の熱エネルギーを含む。したがって、１．０８ｋｇの水素を生成するためにセルによって１日で必要とされる理論的に最小のエネルギーは以下のとおりである：
１．０８×３９＝４２．１２ｋＷｈ、このうち：
１．２１／１．４８×４２．１２＝３４．４４ｋＷｈが電気エネルギーとなり、
０．２７／１．４８×４２．１２＝７．６８ｋＷｈが熱エネルギーとなるはずである。
【０３２３】
[0336]したがって、断熱を通じて放射されるはずの熱を含むセルによって１日当たり必要とされる総エネルギーは、次のようになるはずである：
４２．１２（ｋＷｈ）＋１．７２（ｋＷｈ）＝４３．８４ｋＷｈ
反応に必要とされるエネルギー  放射によって廃棄されるエネルギー  必要とされる総エネルギー
【０３２４】
[0337]この総エネルギーのうち、
３４．４４ｋＷｈが電気エネルギーとして必要とされるはずであり、
９．４０ｋＷｈが熱エネルギーとして必要とされるはずである。
【０３２５】
[0338]最適の電気化学セルは、１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で動作されるとき、このエネルギーの混合を１日にわたって提供するように設計されることができる。
【０３２６】
[0339]触媒は、この印加電流密度で熱を生成する。セルで使用される触媒が５０℃において１．４２Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２の所望の電流密度を発生させることが可能であった場合、この印加動作電圧は、１．２１Ｖの電気エネルギー及び０．２１Ｖの熱エネルギーを含むはずである。言い換えれば、１０ｍＡ／ｃｍ２の印加電流密度において、触媒だけで１日にわたって以下を発生させるはずである：
１．２１／１．４８×４２．１２＝３４．４４ｋＷｈの電気エネルギー
（＝必要とされる電気エネルギーの１００％）
及び
０．２１／１．４８×４２．１２＝５．９８ｋＷｈの熱エネルギー
（＝必要とされる熱エネルギーの６０％）
【０３２７】
[0340]したがって、最適の総合効率を達成するために、電気化学セル内の他の電気部品は、１０ｍＡ／ｃｍ２で１日当たり以下の量の熱エネルギーを提供するように設計されなければならないはずである：
９．４０ｋＷｈ−５．９８ｋＷｈ＝３．４２ｋＷｈ
必要とされる熱  触媒によって生成される熱  必要とされる追加の熱エネルギー
【０３２８】
[0341]これは、以下の抵抗加熱容量に等しい：
３．４２ｋＷｈ／日／２４時間／日＝０．１４３ｋＷ＝１４３Ｗ
【０３２９】
[0342]言い換えれば、電気化学セル内の他の電気部品は、１０ｍＡ／ｃｍ２で動作されるとき、合計１４３Ｗの熱を放射するように理論上は設計されるはずである。
【０３３０】
[0343]このとき電気化学セル内のそれらの他の電気部品はまた、セル内で以下の累積電圧降下を受けるはずである：
【数３】
2018536766.tif 000007
【０３３１】
[0344]別の言い方をすれば：電気化学セルは、１．４２Ｖ＋０．１２Ｖ＝１．５４Ｖの総動作電圧が印加されるとき、電気化学セルが１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度をもたらすように設計されるべきである。その総動作電圧のうち、１．４２Ｖは触媒で費やされるべきであり、残りの０．１２Ｖは電解質に接触している他の電気部品の全てにおいて累積的に費やされるべきである。このときそれらの他の部品はまた、必要とされる１４３Ｗの抵抗加熱を発生させることになる。
【０３３２】
[0345]そのようなセルは、必要とされる熱（反応及び断熱を介した放射による）と電気化学セルによって供給される熱との間の合理的に最善の均衡を提供するはずである。このとき電気化学セルの総合エネルギー効率は、以下のとおりになる：
１．４８Ｖ／１．５４Ｖ×１００＝９６％の電気及びエネルギー効率。
【０３３３】
[0346]これは、現在の市販の水電解槽の「スタック」効率より実質的に良好である。
【０３３４】
実施例６：熱管理システムの実際の実装
[0347]上記の設計パラメータの理解を発展させた上で、次により効率的な電気化学セルを合理的に設計することが可能になる。これは、電気化学セルのモデル化、それに続く最も理想的な配置に反復的に近づくための実験的試験によって行われ得る。
【０３３５】
[0348]例えばバスバーなど、電気化学セル内の各電気部品によって発生される抵抗及び熱は、当技術分野では知られている標準的な等式を使用して計算されることができる。これらの計算は典型的に、当該電流における導電材料の抵抗率を利用し、これが温度補正され、且つ導体の横断面積に適用される。
【０３３６】
[0349]したがって例えば、図１１に示すバスバー２０００によって発生される熱が計算された。この計算が図１２Ａ及び図１２Ｂに示されている。そのようなモデル化計算はまた、電気部品の寸法が変動することを許容する。
【０３３７】
[0350]次いで、全ての電気部品によって生成され、したがって計算された熱は加算されて、これらの電気部品が必要とされる量の抵抗加熱を累積的に発生させるかどうかを判定することができる。この量は上記の例では１４３Ｗである。（電解質に接触している部品によって発生される熱だけが加算されるべきであることを理解されたい）。これらの電気部品が必要とされる量の抵抗加熱を累積的に発生させない場合、必要とされる量の抵抗加熱を累積的に発生させるまで、部品寸法が調整されてもよい。
【０３３８】
[0351]図１３Ａ及び図１３Ｂは、図１１に示す直列セル例内の全ての電気部品による熱の寄与を要約するモデル化データを示す。総合効率も計算され、ブロックＲ１３に示されている。見ることができるように、バスバー及び他の電気部品に利用される特定の導電材料及び寸法を使用し、且つ１０ｍＡ／ｃｍ２でセルを動作させることで、触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視して、１２０Ｗの熱だけを発生させる。これは、熱が少なすぎることが明白である。そのようなセルは、９７．９％の非常に高い電気効率（ブロックＧ２９参照）を表すはずであるが、冷たくなり、長期間にわたって反応を持続させないはずである。
【０３３９】
[0352]そのような事象に対処するいくつかの選択肢があり、以下を含む：
（１）システム内に別個の電気抵抗ヒータを含むこと、
（２）指定の電流密度でより多くの熱を生成するように部品を再設計すること、
（３）より高い電流密度でセルを動作させ、その結果より高い動作温度を得ること、及び／又は
（４）生成される熱を増大させる波形で電流を印加すること。
【０３４０】
生成される熱と消費される熱とを均衡させるための選択肢
選択肢１：セル内に別個の抵抗発熱体を含む
[0353]上記の状況を補正する最も簡単な選択肢は、上記の例に記載された種類の別個の熱コントローラ要素を含むことによって、セルの回路を変更することであろう。熱コントローラ要素は、電気抵抗加熱（例えば熱生成抵抗器又は熱生成可変抵抗器）によって必要とされる追加の熱を供給するように設定されるはずである。熱コントローラ要素はまた、温度計によってフィードバックループ内で生成される電気抵抗加熱の量を変動させ、以てセルをその動作温度に維持することもできる。この手法に伴う問題は、追加の電気エネルギーを消費し、セルの総合エネルギー効率を低減させることである。より良好な手法は、次に記載されるように、セル自体をヒータとして使用することであろう。
【０３４１】
選択肢２：抵抗加熱を提供する部品を再設計する
[0354]より基本的な選択肢は、熱を生成する電気部品を再設計することである。これに関する一例は、図１１のバスバー２０００である。１０ｍＡ／ｃｍ２及び５０℃でバスバー２０００によって発生される熱は、例えばリングのその横断面積を減少させることによって増大されてもよい。そのような減少は、リングの電気抵抗を増大させ、より多くの熱を生じさせるはずである。この種類の漸増的な変化が、動作条件下で発生される累積熱が所望どおりになるまで、上記のシナリオ例では１４３Ｗ（触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視する）になるまで、電気部品のうちの１つ又は複数に適用されてもよい。そのような修正は、図１２Ａ〜１３Ｂに示すモデル化手法を使用することによって容易に加えられることができる。この手法は実行可能であるが、正確なモデル化、及び場合により再設計を必要とする。より簡単な手法は、次に記載される「熱自己調整」と称されるものであり得る。
【０３４２】
選択肢３：セルの動作温度がより適切なレベルに変化し得る印加電流（密度）を（反復的に）調整／最適化する（「熱自己調整」）
[0355]この選択肢を例示するために、図１３Ａ及び図１３Ｂと同じであるが１０．８５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で計算されたモデル化データを示す図１４Ａ及び図１４Ｂを考慮されたい。見ることができるように、この電流密度では、触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視して、発生される熱の合計は、必要とされることが最初に判定された量に一致する１４３Ｗになると計算された。
【０３４３】
[0356]しかし、システムを１０．８５ｍＡ／ｃｍ２の印加電流密度に動かすことで、セルの動作電圧も増大させるはずであり、必要とされる電気及び熱エネルギーの理論的破壊を変化させ、場合により余熱を発生させる影響を有することに留意されたい。これにより、セルはより高い動作温度まで熱くなるはずである。水電解のためのセル電圧が温度の増大とともに全体として下降すると、印加電流密度によって生じられる電圧が熱中性電圧の近くに、その付近に、又はそれを下回って低下するまで、セルは熱くなり続けるはずである。その時点で、温度は安定し、増大を止める。このときセルは、新しい条件下でセル自体の最適動作温度を「発見」しているはずである−すなわちセルは「熱自己調整」に関与しているはずである。セルが新しい動作温度に損傷又は障害なく耐えることができることを条件として、この手法は、セルによって発生される熱と反応によって必要とされる熱とを均衡させる最善且つ最も簡単な方法のうちの１つを提供する。
【０３４４】
[0357]ＰＴＦＥ付きの延伸ＰＴＦＥ膜（ｅＰＴＦＥ）、６Ｍ  ＫＯＨ、及び３０バールの動作圧力を使用する本実施形態のセルは、１５０℃を超える温度で動作することが可能である。この理由は、ＰＴＦＥ付きのｅＰＴＦＥが３００℃まで安定しており、圧力３０バール６Ｍ  ＫＯＨは液体のままであり、１５０℃を超えて沸騰しないからである。対照的に、従来のアルカリ電解槽は、１１０℃を上回って動作することができない。その理由は、その温度で従来のアルカリ電解槽の隔膜（分離器）（典型的にＺｉｒｆｏｎ  Ｐｅｒｌ（商標））が６Ｍ  ＫＯＨ電解質によって回復不能なほど化学的に劣化されるからである。従来のＰＥＭ電解槽もまた、１１０℃を上回って動作することができない。その理由は、そのような温度でＰＥＭ膜が劣化し、回復不能なほど損傷されるからである。非常に高い動作温度に損傷又は障害なく耐える能力は、既存の従来の水電解槽に対して、本実施形態例の水電解セルの重要な利点を提供する。その理由は、これらの水電解セルが上述した種類の「熱自己調整」を使用することを許容するからである。
【０３４５】
[0358]「熱自己調整」にある原理は、以下のとおりである：セルの温度が上昇するにつれて、固定電流密度におけるそのセル電圧はそれに伴って低下する。より高い電流密度が印加されるとき、セル電圧は最初に増大し、余熱の発生を引き起こす。熱がセル内で保持される場合、これによりセル温度が増大し、またこれによりセル電圧が下降する。セルの温度は、セル電圧が熱中性電圧に又はその近くに下降するまで増大し続けることになる（適用される断熱の品質及び断熱を介して失われる熱の比率に応じる）。その時点で、セルが余熱の発生を止めるため、セル温度が安定し、上昇しなくなる。またセル温度は下降せず、これは新しい動作温度が確立されていることを意味する。プロセス全体にわたって且つその後、新しい動作温度において、セルは断熱が許容する限り１００％のエネルギー効率近くで動作するはずである。
【０３４６】
[0359]新しい動作温度では、必要とされる電気及び熱エネルギーの理論的破壊も変化されるはずであることに留意されたい。このとき１０．８５ｍＡ／ｃｍ２の印加電流密度において、システムは図１４Ａ及び図１４Ｂで生成される１４３Ｗを必要としない。すなわち、新しい状況を正確にモデル化するために、さらなる反復が必要とされ得る。これらは、新しい動作温度で必要とされる電気及び熱エネルギーを再計算し、それに続いて理論的に必要とされる電気及び熱エネルギーとセルによるそのようなエネルギーの計算された発生との間で良好な一致が得られるまで電流密度を調整することを伴うはずである。
【０３４７】
[0360]「熱自己調整」の危険性は、印加される電流密度が大きすぎ、その結果セル電圧が許容温度範囲内で熱中性電位まで低下することができないことである。その場合には、セルは過熱し、損傷又は障害を受けることになる。この理由のため、セル例の「熱自己調整」に関与する前に、システムの正確なモデル化及び実験的試験を有することが重要であり得る。
【０３４８】
[0361]したがって実際には、電気化学セルの通常動作の場合、電流密度が反復的に変更され、且つ制御され、以て起こり得る過熱及び理論と実際との間の変動を調整することが必要且つ好都合であろう。またこれは、電気化学セルを一定又はほぼ一定の動作温度に維持することが必要な場合にも必要であろう。すなわち、印加電流密度は、電気化学セルを適切な動作温度で又はその付近で維持するために変更されることができる。このようにして、システムの熱管理を実行する電源の自動化されたフィードバック制御が適用されてもよい。そのような自動化されたプロセスは、システムによって必要とされるエネルギーとシステムに供給されるエネルギーとのほぼ完全な又は少なくとも可能な限り最善の一致を許容するべきである。そのような自動化されたシステムは、使用される断熱によって許可される限り１００％近くのエネルギー効率でシステムを能動的に且つ自動的に維持することができるべきである。
【０３４９】
選択肢４：電流を波形で印加する
[0362]留意されたい最後の選択肢は、図１２Ａ〜１３Ｂに示す加熱に対する計算が、一定の電流密度が印加されるはずであると仮定して決定された事実に基づいている。しかし、電流密度を一定ではなく波形で供給又は印加することによって、加熱の量が増大されてもよい。すなわち、電流密度は、一定でない値として波形で供給されることができる。
【０３５０】
[0363]例えば、１０ｍＡ／ｃｍ２を一定に供給又は印加する代わりに、２０ｍＡ／ｃｍ２を１秒間、続いて０ｍＡ／ｃｍ２を次の１秒間印加し、これを無期限に繰り返すこともできる。そのような状況では、総合電流密度は依然として平均１０ｍＡ／ｃｍ２になり、平均電流はやはり６０Ａになるはずである。しかし、抵抗加熱は印加電流の二乗とともに増大する；抵抗加熱は線形には増大しない。したがって２０ｍＡ／ｃｍ２が印加された期間中、抵抗加熱は実質的に１０ｍＡ／ｃｍ２で抵抗加熱の２倍を超えるはずである。したがって、平均抵抗加熱は、一定の１０ｍＡ／ｃｍ２の場合を超えるはずである。
【０３５１】
[0364]生成される抵抗加熱を最適化するための当技術分野では知られている波形の変形が利用可能である。例えば、方形波の波形の電流が様々な時間間隔で印加され、以て必要とされる加熱を送達してもよい。他の例は、周期波形、階段波形、又は正弦波形を含む。
【０３５２】
実施例７：周囲温度で熱中性電圧を下回ると有用に動作しない触媒を使用する熱管理
[0365]本実施形態はまた、使用される触媒が周囲温度で熱中性電圧を下回ると実質的な又は有用な電流を生成しない電気化学セルに適用されることができることに留意されたい。
【０３５３】
[0366]例えば、前の例の直列セルを考慮されたい。セルは、１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において６０Ａの総電流でスタック内の２０セルにわたって動作する。セルは、その断熱を通じて１日当たり１．７２ｋＷｈのエネルギーを放射する。セルは、１日当たり１．０８ｋｇの水素をさらに発生させ、これはこのセルに以下が供給される必要があることを意味する：
４２．１２（ｋＷｈ）＋１．７２（ｋＷｈ）＝４３．８４ｋＷｈ
反応に必要とされるエネルギー  放射によって廃棄されるエネルギー  必要とされる総エネルギー
【０３５４】
[0367]この総エネルギーのうち、
３４．４４ｋＷｈが電気エネルギーとして必要とされるはずであり、
９．４０ｋＷｈが熱エネルギーとして必要とされるはずである。
【０３５５】
[0368]しかしここで、電気化学セルで使用される触媒が５０℃において１．５２Ｖで１０ｍＡ／ｃｍ２の所望の電流密度を発生させることだけが可能である場合を考慮されたい（前述の例のように１．４２Ｖではない）。
【０３５６】
[0369]第１の強調すべき点は、１．５２Ｖが１．４８Ｖの熱中性電圧を超え、その結果触媒が熱中性電圧を下回ると実質的な又は有用な電流を生成しないことである。
【０３５７】
[0370]第２に、この１．５２Ｖは１．２１Ｖの電気エネルギー及び０．３１Ｖの熱エネルギーを含むはずである。言い換えれば、１０ｍＡ／ｃｍ２の印加電流密度において、触媒だけで１日にわたって以下を発生させるはずである：
１．２１／１．４８×４２．１２＝３４．４４ｋＷｈの電気エネルギー
（＝必要とされる電気エネルギーの１００％）
及び
０．３１／１．４８×４２．１２＝８．８２ｋＷｈの熱エネルギー
（＝必要とされる熱エネルギーの９４％）
【０３５８】
[0371]したがって、最適の総合効率を達成するために、セル内の他の電気部品は、１０ｍＡ／ｃｍ２で１日当たり以下の量の熱エネルギーを提供するように設計されなければならないはずである：
９．４０ｋＷｈ−８．８２ｋＷｈ＝０．５８ｋＷｈ
必要とされる熱  触媒によって生成される熱  必要とされる追加の熱エネルギー
[0372]これは、以下の抵抗加熱に等しい：
０．５８ｋＷｈ／日／２４時間／日＝０．０２４ｋＷ＝２４Ｗ
【０３５９】
[0373]言い換えれば、電気化学セル内の他の電気部品は、１０ｍＡ／ｃｍ２で動作されるとき、合計２４Ｗの熱を放射するように理論上は設計されるはずである。
【０３６０】
[0374]触媒が異なることで、セルが発生させる熱が多すぎることが明白である。前述の例と同様に、生成される熱と必要とされる熱とを一致させるいくつかの手法がある。これらは以下を含む：
（１）指定の電流密度でより少ない熱を生成するように部品を再設計すること、
（２）より低い電流密度でセルを動作させること、又は
（３）必要とされる熱がより大きくなるように断熱を調整すること。
【０３６１】
生成される熱と消費される熱とを均衡させるための選択肢
選択肢１：抵抗加熱を提供する部品を再設計する
[0375]基本的な選択肢は、熱を生成する電気部品を再設計することである。これに関する一例は、図１１のバスバー２０００である。１０ｍＡ／ｃｍ２及び５０℃でバスバー２０００によって発生される熱は、例えばリングの横断面積を増大させることによって減少されてもよい。そのような増大は、リングの電気抵抗を減少させ、より少ない熱を生じさせるはずである。この種類の漸増的な変化が、動作条件下で発生される累積熱が６７Ｗではなく２４Ｗ（触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視する）になるまで、電気部品の１つ又は複数に印加されてもよい。そのような修正は、図１２Ａ〜１３Ｂに示す種類のモデルを使用するときに容易に加えられることができる。
【０３６２】
選択肢２：印加電流を反復的に調整／最適化する（「熱自己調整」の原理を利用する）
[0376]この選択肢では、触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視して、発生される熱の合計が、必要とされることが最初に判定された量に一致する２４Ｗになると計算されるまで、印加される電流密度が低減されるはずである。
【０３６３】
[0377]しかし、システムをより低い電流密度に動かすことで、印加電圧を低減させ、以て必要とされる電気及び熱エネルギーの理論的破壊を変化させる影響も有するはずであることに留意されたい。すなわちセルは、前述した「熱自己調整」の原理を使用してより低い動作温度に動いてもよい。セルが新しい動作温度に損傷又は障害なく耐えることができることを条件として、この手法は、セルによって発生される熱と反応によって必要とされる熱とを均衡させる最善且つ最も簡単な方法のうちの１つを提供する。しかしこの場合、セルが可能な限り最高のエネルギー効率に達成しない可能性が高くなる。
【０３６４】
[0378]上述したより低い電流密度において、システムは２４Ｗを必要としない。すなわち、モデル化においてさらなる反復が必要とされるはずであり、これは、必要とされる電気及び熱エネルギーを再計算し、それに続いて理論的に必要とされる電気及び熱エネルギーとセルによるそのようなエネルギーの計算された発生との間で良好な一致が得られるまで電流密度を調整することを伴う。
【０３６５】
[0379]実際には、同じことがセルの通常動作にも当てはまる。電流密度が変更され、例えば反復的に変更され、且つ制御され、以て理論と実際との間の変動を調整し、セルを一定の動作温度に維持することが必要且つ好都合であろう。
【０３６６】
[0380]この例は、本発明にとって、周囲温度において熱中性電圧で又は熱中性電圧を下回って適切な電流をもたらすことが可能な触媒を使用することが本質的でないが好ましいことを示す。本発明はまた、熱中性電圧付近であるが熱中性電圧を下回らない電圧で実質的な又は有用な電流を生成する触媒を使用して適用されてもよい。その場合には、セルへ投入される熱とセルによって必要とされる熱とを均衡させるために、セルの動作温度をより低く調整することが必要であろう。
【０３６７】
選択肢３：必要とされる熱を生成され熱とを均衡させるように断熱を調整する
[0381]触媒によって生成される熱が１０ｍＡ／ｃｍ２及び５０℃で１日当たり８．８２ｋＷｈであり、触媒及び非機能的部品によって生成される熱を無視して、電気部品によって動作条件下で発生される累積熱が６７Ｗ（＝１．６１ｋＷｈ）である場合、１つの解決策は、必要とされる総エネルギーが以下になるように断熱を調整することであろう：
３４．４４ｋＷｈ＋８．８２ｋＷｈ＋１．６１ｋＷｈ＝４４．８７ｋＷｈ
必要とされる電気エネルギー  触媒によって生成される熱  部品によって生成される熱  総エネルギー
【０３６８】
[0382]これは、断熱を通じて周囲に１日当たり放射される熱を以下のように変化させることによって達成されることができる：
４４．８７ｋＷｈ−４２．１４ｋＷｈ＝２．７２ｋＷｈ
総エネルギー  反応に必要とされるエネルギー  断熱を通じて放射されるエネルギー
【０３６９】
[0383]これは２，７２０Ｗｈに等しく、これは１日当たり９，７９２ｋＪの放射エネルギーに等しい。そのようなセルが６６ｋｇの水性電解質を含む場合、断熱は以下に指定されなければならない：
【０３７０】
９，７９２ｋＪ／日／６６ｋｇ＝１４８．４ｋＪ／水ｋｇ／２４時間
【０３７１】
[0384]この選択肢は、比較的エネルギーの無駄が多いという点で、制限された有用性を有することが理解されよう。累進的により非効率的な触媒の場合、この選択肢はまたすぐに実行不可能になるであろう。その理由は、触媒が周囲温度において熱中性電圧付近で少なくとも有用に動作することができるまで、能動冷却が必要になるからである。
【０３７２】
[0385]水電解の例示以外に、本明細書に記載する技法を使用して促進又は管理され得る多数の吸熱電気化学反応が存在することを当業者には理解されたい。
【０３７３】
[0386]本明細書及び以下の特許請求の範囲全体にわたって、文脈上別途必要としない限り、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という単語、及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」又は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの変形は、他の整数若しくはステップ又は整数若しくはステップ群の除外ではなく、記載の整数若しくはステップ又は整数若しくはステップ群の包含を示唆することが理解されよう。
【０３７４】
[0387]任意選択的な実施形態はまたおおまかに、本明細書に参照又は指示した部分、要素、及び特徴から、これらの部分、要素、又は特徴のうちの２つ以上のいずれか又は全ての組合せで、個々に又は集合的に構成されると言ってもよく、本発明が関係する当技術分野で知られている均等物を有する具体的な整数が本明細書に記載されており、そのような知られている均等物は、個々に記載した場合と同様に、本明細書に組み込まれていると考えられる。
【０３７５】
[0388]好ましい実施形態について詳細に記載したが、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの修正、変化、置換え、又は変更が当業者には明らかになることを理解されたい。
【図１】
2018536766.tif 000008
【図２】
2018536766.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018536766.tif 000014
【図８Ａ】
2018536766.tif 000015
【図８Ｂ】
2018536766.tif 000016
【図８Ｃ】
2018536766.tif 000017
【図９Ａ】
2018536766.tif 000018
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
2018536766.tif 000020
【図１０Ａ】
2018536766.tif 000021
【図１０Ｂ】
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【図１１】
2018536766.tif 000023
【図１２Ａ】
2018536766.tif 000024
【図１２Ｂ】
2018536766.tif 000025
【図１３Ａ】
2018536766.tif 000026
【図１３Ｂ】
2018536766.tif 000027
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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2018536766.tif 000031
2018536766.tif 000032
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