(57)【要約】  アノード、電流コレクタ、およびその電流コレクタとアノードとの間の多孔質非導電性スペーサを含むものなどの、単一電解質溶液で作動できる電気化学セルおよび電池が開示されている。膜無し電気化学セルおよび電池も開示されている。ここに開示された電気化学セルおよび電池は、例えば、電気を発性させるか、または水素を生成するために、および電気または水素をプロセス用途に供給するために、使用することができる。
2020511599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルにおいて、
ａ．アノード、
ｂ．電流コレクタ、および
ｃ．前記電流コレクタと前記アノードとの間の多孔質非導電性スペーサ、
を含む電気化学セル。
【請求項２】
単一の電解質溶液をさらに含む、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記セルが電解質で飽和している、請求項２記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記セルが電解質浴中に浸漬されていない、請求項３記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記セルが細孔性材料内に包まれている、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記アノードがアルミニウムである、請求項６記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記電流コレクタが、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体から選択される、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記電流コレクタが炭素発泡体である、請求項８記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、請求項１０記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記電解質が、水および１種類以上の塩を含む、請求項２記載の電気化学セル。
【請求項１３】
少なくとも１つの塩が酸化剤である、請求項１２記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記電解質が２つの塩を含む、請求項１２記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含む、請求項１４記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、請求項１５記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記電解質が水またはアルコールの一方を含む、請求項２記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記電解質がカソード液である、請求項１７記載の電気化学セル。
【請求項１９】
酸化剤をさらに含む、請求項１７記載の電気化学セル。
【請求項２０】
金属塩をさらに含む、請求項１９記載の電気化学セル。
【請求項２１】
前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、請求項２０記載の電気化学セル。
【請求項２２】
前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、請求項２１記載の電気化学セル。
【請求項２３】
塩基をさらに含む、請求項１７記載の電気化学セル。
【請求項２４】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項２３記載の電気化学セル。
【請求項２５】
前記セルが負荷機器に電気的に接続されている、請求項１から２４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２６】
請求項１から２４いずれか１項記載の電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池であって、負荷機器に電気的に接続されている電気化学電池。
【請求項２７】
請求項２５記載の電気化学セルにより電気または水素を生成する工程、および該電気または水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【請求項２８】
請求項２６記載の電気化学電池により電気または水素を生成する工程、および該電気または水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【請求項２９】
電気化学セルを製造する方法であって、
１）請求項１および５から１１いずれか１項記載の電気化学セルであって、電解質を含まない電気化学セルを提供する工程、および
２）前記セルを単一の電解質溶液と接触させる工程、
を有してなる方法。
【請求項３０】
前記セル上に前記単一の電解質溶液を吹き付けることによって、該セルを該電解質溶液と接触させる工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
点滴によって、前記セルを前記単一の電解質溶液の液滴と接触させる工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記セルを前記単一の電解質溶液の噴霧された霧と接触させる工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
電気化学セルを作動させる方法において、
１）請求項１記載の電気化学セルであって、単一の電解質溶液をさらに含む電気化学セルを提供する工程、
２）前記電気化学セルが作動して、電気、水素、または電気と水素の両方を生成するように、該電気化学セルを負荷機器に電気的に接続する工程、および
３）作動中に前記セルに追加の電解質溶液、またはその１つ以上の成分を供給する工程、
を有してなる方法。
【請求項３４】
４）作動中に前記電気化学セルから、使用済みの電解質溶液、またはその１つ以上の成分を抜き取る工程、
をさらに含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
３）追加の電解質溶液、またはその１つ以上の成分を供給すると同時に、４）使用済みの電解質溶液、またはその１つ以上の成分を抜き取る工程を含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記単一の電解質溶液が、以下の成分：溶媒、酸化剤、金属塩、および塩の１つ以上を含む、請求項３３から３５いずれか１項記載の方法。
【請求項３７】
コンデンサを製造する方法であって、請求項１から２５いずれか１項記載の電気化学セルの前記電流コレクタまたはアノード側から負荷機器を外す工程を有してなる方法。
【請求項３８】
前記負荷機器を再接続する工程をさらに含む、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
請求項１から２５いずれか１項記載の電気化学セルにおいて前記電流コレクタまたはアノードの少なくとも一方からの負荷機器の取り外し、および再接続を交互に行う過程によって調製されたコンデンサ。
【請求項４０】
前記セルが細孔性材料内に包まれている、請求項１から４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項４１】
前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、請求項１から４および４０のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項４２】
前記アノードがアルミニウムである、請求項４１記載の電気化学セル。
【請求項４３】
前記アルミニウムがスクリーンの形態にある、請求項４２記載の電気化学セル。
【請求項４４】
前記スクリーンにおけるアルミニウムの厚さが約０．１ｍｍと約０．３ｍｍの間にある、請求項４３記載の電気化学セル。
【請求項４５】
前記電流コレクタが炭素発泡体である、請求項１から４および４０から４４のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項４６】
前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、請求項１から４および４０から４５のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項４７】
前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、請求項４６記載の電気化学セル。
【請求項４８】
前記スペーサがスクリーンである、請求項４６記載の電気化学セル。
【請求項４９】
前記スクリーンにおける前記スペーサの厚さが約０．１ｍｍと約０．８ｍｍの間にあり、該スペーサがビニル被覆ポリエステルである、請求項４８記載の電気化学セル。
【請求項５０】
前記アノードと、第２の電気化学セルからの隣接する電流コレクタとの間に金属導体をさらに含み、請求項１記載の電気化学セルがフローセルとして作動するように作られている、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項５１】
前記金属導体が銅線である、請求項５０記載の電気化学セル。
【請求項５２】
前記細孔性材料がサージカル・テープである、請求項４０から５１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項５３】
前記電解質が、水および１つ以上の塩を含み、前記塩の内の少なくとも１つが酸化剤である、請求項２から４および４０から５２のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項５４】
前記電解質が２つの塩を含む、請求項５３記載の電気化学セル。
【請求項５５】
前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含む、請求項５４記載の電気化学セル。
【請求項５６】
前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、請求項５５記載の電気化学セル。
【請求項５７】
請求項１から４および４０から５６のいずれか１項記載の電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池であって、負荷機器に電気的に接続されている電気化学電池。
【請求項５８】
直列に配置された２つ以上の電気化学セルを含む、請求項５７記載の電気化学電池。
【請求項５９】
並列に配置された２つ以上の電気化学セルを含む、請求項５７記載の電気化学電池。
【請求項６０】
直列および並列に配置された電気化学セルを含む、請求項５７記載の電気化学電池。
【請求項６１】
水および１つ以上の塩を含む電解質をさらに含み、前記塩の内の少なくとも１つが酸化剤である、請求項５７から６０いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項６２】
前記電解質が２つの塩を含む、請求項６１記載の電気化学電池。
【請求項６３】
前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含み、前記電気化学電池がフロー電池として作られている、請求項６２記載の電気化学電池。
【請求項６４】
前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、請求項６３記載の電気化学電池。
【請求項６５】
電気を生じる、請求項５７から６４いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項６６】
水素を生じる、請求項５７から６４いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項６７】
電気と水素を生じる、請求項５７から６４いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項６８】
請求項６５記載の電気化学電池により生じた電気を用途に供給する工程を有してなる方法。
【請求項６９】
請求項６６記載の電気化学電池により生じた水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【請求項７０】
前記用途が携帯電話用電波塔または車両である、請求項６８記載の方法。
【請求項７１】
前記用途が燃料電池または車両である、請求項６９記載の方法。
【請求項７２】
前記電解質が水またはアルコールの一方を含む、請求項２から４および４０から５６のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項７３】
前記電解質がカソード液である、請求項７２記載の電気化学セル。
【請求項７４】
酸化剤をさらに含む、請求項７２または７３記載の電気化学セル。
【請求項７５】
金属塩をさらに含む、請求項７４記載の電気化学セル。
【請求項７６】
前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、請求項７５記載の電気化学セル。
【請求項７７】
前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、請求項７６記載の電気化学セル。
【請求項７８】
塩基をさらに含む、請求項７２から７７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項７９】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項７８記載の電気化学セル。
【請求項８０】
水またはアルコールの一方を含む電解質をさらに含む、請求項５７から６０いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項８１】
前記電解質がカソード液である、請求項８０記載の電気化学電池。
【請求項８２】
酸化剤をさらに含む、請求項８０または８１記載の電気化学電池。
【請求項８３】
金属塩をさらに含む、請求項８２記載の電気化学電池。
【請求項８４】
前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、請求項８３記載の電気化学電池。
【請求項８５】
前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、請求項８４記載の電気化学電池。
【請求項８６】
塩基をさらに含む、請求項８０から８５いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項８７】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項８６記載の電気化学電池。
【請求項８８】
電気化学セルにおいて、
ａ）アノード、
ｂ）電流コレクタ、および
ｃ）前記電流コレクタと前記アノードとの間の多孔質非導電性スペーサ、
を含み、
前記電気化学セルが電解質を含まない、電気化学セル。
【請求項８９】
前記セルが細孔性材料内に包まれている、請求項８８記載の電気化学セル。
【請求項９０】
前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、請求項８８または８９記載の電気化学セル。
【請求項９１】
前記アノードがアルミニウムである、請求項９０記載の電気化学セル。
【請求項９２】
前記アノードがスクリーンの形態にある、請求項９０または９１記載の電気化学セル。
【請求項９３】
前記スクリーンにおける前記アノードの厚さが約０．１ｍｍと約０．３ｍｍの間にある、請求項９２記載の電気化学セル。
【請求項９４】
前記電流コレクタが、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体から選択される、請求項８８から９３いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項９５】
前記電流コレクタが炭素発泡体である、請求項９４記載の電気化学セル。
【請求項９６】
前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、請求項８８から９５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項９７】
前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、請求項９６記載の電気化学セル。
【請求項９８】
前記スペーサがスクリーンである、請求項８８から９７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項９９】
前記スクリーンにおける前記スペーサの厚さが約０．１ｍｍと約０．８ｍｍの間にあり、該スペーサがビニル被覆ポリエステルである、請求項９８記載の電気化学セル。
【請求項１００】
前記電気化学セルが、単一の電解質溶液を含み、負荷機器に電気的に接続されており、該セルが、約１０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）と約６８０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）の間の電力を生じる、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項１０１】
前記電気化学セルが、単一の電解質溶液を含み、負荷機器に電気的に接続されており、該セルが、約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じる、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項１０２】
非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記金属固体から前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動する、電気化学セル。
【請求項１０３】
前記電解質水溶液が塩基性であり、前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、請求項１０２記載の電気化学セル。
【請求項１０４】
前記電解質水溶液が水酸化ナトリウムをさらに含む、請求項１０２記載の電気化学セル。
【請求項１０５】
前記金属固体が、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、請求項１０２から１０４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１０６】
前記金属固体がホイル形態のアルミニウムである、請求項１０５記載の電気化学セル。
【請求項１０７】
多孔質安定剤をさらに含む、請求項１０２から１０６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１０８】
金属硫酸塩をさらに含み、前記電流コレクタが炭素発泡体であり、前記多孔質安定剤がグラスウールまたはホウケイ酸塩もしくはその両方である、請求項１０２から１０７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１０９】
前記金属硫酸塩がＮａ２ＳＯ４である、請求項１０８記載の電気化学セル。
【請求項１１０】
ｐＨが１２より大きい、請求項１０２から１０９いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１１１】
前記ｐＨが１３より大きい、請求項１１０記載の電気化学セル。
【請求項１１２】
前記ｐＨが１４より大きい、請求項１１１記載の電気化学セル。
【請求項１１３】
約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、請求項１０２から１１２いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１１４】
金属固体の平方センチメートル当たりに生じる電力が約６００ｍＷと約１０００ｍＷの間である、請求項１１３記載の電気化学セル。
【請求項１１５】
フローモードで作動するように作られている、請求項１０２から１１４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１１６】
請求項１０２から１１５いずれか１項記載の電気化学セルに追加の酸化剤を供給する工程を含む方法。
【請求項１１７】
電解質水溶液を含む流入流をさらに含む、請求項１１５記載の電気化学セル。
【請求項１１８】
前記流入流が酸化剤をさらに含む、請求項１１７記載の電気化学セル。
【請求項１１９】
前記酸化剤が、ペルオキシ二硫酸ナトリウムまたはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液もしくはその両方である、請求項１１８記載の電気化学セル。
【請求項１２０】
前記セルから水溶液が流出する、請求項１１５から１１９いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１２１】
前記セルから流出する前記水溶液が、金属硫酸塩を含む、請求項１２０記載の電気化学セル。
【請求項１２２】
前記酸化剤が塩基性水溶液中にある、請求項１１８または１１９記載の電気化学セル。
【請求項１２３】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項１２２記載の電気化学セル。
【請求項１２４】
前記酸化剤が固体のＮａ２Ｓ２Ｏ８である、請求項１１８または１１９記載の電気化学セル。
【請求項１２５】
約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、請求項１１５から１２４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１２６】
約４０ワット時／電解質のｋｇと８０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、請求項１２５記載の電気化学セル。
【請求項１２７】
請求項１１５から１２６いずれか１項記載の電気化学セルの片側から前記負荷機器を取り外す工程を有してなる、コンデンサを製造する方法。
【請求項１２８】
前記負荷機器を再接続する工程をさらに含む、請求項１２７記載の方法。
【請求項１２９】
請求項１０２から１２６いずれか１項記載の電気化学セルにおいて、前記電流コレクタまたはアノードの少なくとも一方から前記負荷機器を交互に取り外し、再接続する過程によって調製されたコンデンサ。
【請求項１３０】
約１０ワット時／電解質のｋｇと約６０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、請求項１２５記載の電気化学セル。
【請求項１３１】
非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記金属固体から前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動し、ｐＨが１２以上である、電気化学セル。
【請求項１３２】
前記非金属電流コレクタが炭素発泡体であり、前記酸化剤がペルオキシ二硫酸塩であり、前記金属固体がアルミニウムである、請求項１３１記載の電気化学セル。
【請求項１３３】
非金属電流コレクタ、酸化剤、および１つ以上のアノードと接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記１つ以上のアノードから前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動し、ｐＨが１０以上である、電気化学セル。
【請求項１３４】
前記１つ以上のアノードが金属である、請求項１３３記載の電気化学セル。
【請求項１３５】
前記金属が、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、またはこれらの内の少なくとも１つを含む合金である、請求項１３４記載の電気化学セル。
【請求項１３６】
前記アノードが絶縁体により隔てられている、請求項１３３から１３５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１３７】
前記アノードが、アルミニウムであり、ホイル形態にある、請求項１３５記載の電気化学セル。
【請求項１３８】
前記ｐＨが１２以上である、請求項１３３から１３７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１３９】
電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、酸化剤を含む第１の極性電解質溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、適切な金属イオンを含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【請求項１４０】
各極性電解質溶液が多孔質安定剤をさらに含む、請求項１３９記載の電気化学セル。
【請求項１４１】
フローモードのために作られている、請求項１３９または１４０記載の電気化学セル。
【請求項１４２】
前記第１の極性電解質溶液が水性である、請求項１３９から１４１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１４３】
前記酸化剤がバナジウムイオンである、請求項１３９から１４２いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１４４】
前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、請求項１３９から１４２いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１４５】
前記酸化剤がＣｌＯ−である、請求項１３９から１４２いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１４６】
前記第１の極性電解質溶液が塩基をさらに含む、請求項１３９から１４５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１４７】
前記塩基が、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｓｒ（ＯＨ）２、およびＢａ（ＯＨ）２から選択される、請求項１４６記載の電気化学セル。
【請求項１４８】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項１４７記載の電気化学セル。
【請求項１４９】
前記第１の極性電解質溶液のｐＨが約８と約１４の間である、請求項１４６から１４８いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１５０】
前記第１の極性電解質溶液のｐＨが約１１と約１４の間である、請求項１４９記載の電気化学セル。
【請求項１５１】
前記多孔質安定剤がホウケイ酸塩である、請求項１４０から１５０いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１５２】
前記分離剤が塩である、請求項１３９から１５１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１５３】
前記塩が塩化カルシウムである、請求項１５２記載の電気化学セル。
【請求項１５４】
前記塩が硫酸ナトリウムである、請求項１５２記載の電気化学セル。
【請求項１５５】
前記セルがフローモードで作動するように作られている、請求項１３９から１５４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１５６】
塩基、酸化剤、および分離剤を含む水溶液を含む流入溶液をさらに含む、請求項１５５記載の電気化学セル。
【請求項１５７】
前記塩基が水酸化ナトリウムであり、前記分離剤が硫酸ナトリウムであり、前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、請求項１５６記載の電気化学セル。
【請求項１５８】
前記セルから、塩基および硫酸ナトリウムを含む水溶液が流出する、請求項１５５から１５７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１５９】
塩基の水溶液を含む流出溶液をさらに含む、請求項１５５から１５７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６０】
前記塩基が水酸化ナトリウムである、請求項１５９記載の電気化学セル。
【請求項１６１】
前記第１の極性電解質溶液内に電流コレクタが配置されている、請求項１３９から１６０いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６２】
前記電流コレクタが金属である、請求項１６１記載の電気化学セル。
【請求項１６３】
前記電流コレクタが非金属である、請求項１６１記載の電気化学セル。
【請求項１６４】
前記電流コレクタが炭素発泡体である、請求項１６３記載の電気化学セル。
【請求項１６５】
前記第１と第２の極性電解質溶液の間に配置されたグラスウールをさらに含む、請求項１３９から１６４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６６】
前記第２の極性電解質溶液がアルコールを含む、請求項１３９から１６５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６７】
前記適切な金属イオンがＺｎ２＋である、請求項１３９から１６６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６８】
前記適切な金属イオンがＡｌ３＋である、請求項１３９から１６６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１６９】
前記第２の極性電解質溶液が、アルコール溶液であり、塩基をさらに含む、請求項１３９から１６８いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１７０】
前記塩基がＫＯＨである、請求項１６９記載の電気化学セル。
【請求項１７１】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項１６９記載の電気化学セル。
【請求項１７２】
前記第２の極性電解質溶液のｐＨが約８と約１４の間である、請求項１６９から１７１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１７３】
前記第２の極性電解質溶液のｐＨが約１１と約１４の間である、請求項１７２記載の電気化学セル。
【請求項１７４】
前記分離剤が塩であり、前記アルコールが、エタノール、メタノール、またはその両方である、請求項１６６から１７３いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１７５】
前記塩がＣａＣｌ２である、請求項１７４記載の電気化学セル。
【請求項１７６】
前記塩が硫酸ナトリウムである、請求項１７４記載の電気化学セル。
【請求項１７７】
前記アルコールがエタノールである、請求項１６６から１７６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１７８】
前記第２の極性電解質溶液内に電流コレクタが配置されている、請求項１３９から１７７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１７９】
前記電流コレクタが金属である、請求項１７８記載の電気化学セル。
【請求項１８０】
前記電流コレクタが非金属である、請求項１７８記載の電気化学セル。
【請求項１８１】
前記電流コレクタが炭素発泡体である、請求項１８０記載の電気化学セル。
【請求項１８２】
前記セルがフローモードで作動するように作られている、請求項１６６から１８１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１８３】
アルコール、塩基、分離剤、および適切な金属イオンに解離できる金属を含む極性溶液を含む流入流をさらに含む、請求項１８２記載の電気化学セル。
【請求項１８４】
前記アルコールが、エタノールまたはメタノールもしくはその両方であり、前記塩基が水酸化ナトリウムであり、前記適切な金属イオンがＡｌ３＋である、請求項１８３記載の電気化学セル。
【請求項１８５】
アルコール、塩基、および分離塩を含む流出流をさらに含む、請求項１６６から１８４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１８６】
前記分離塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、請求項１８５記載の電気化学セル。
【請求項１８７】
前記アルコールがエタノールである、請求項１８５または１８６記載の電気化学セル。
【請求項１８８】
前記第２の極性電解質溶液中で水素ガスが生成される、請求項１３９から１８７いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項１８９】
前記水素ガスが水素圧縮機に向けられる、請求項１８８記載の電気化学セル。
【請求項１９０】
請求項１３９から１８９いずれか１項記載の電気化学セルを１つ以上と、水素圧縮機とを備えた電池システム。
【請求項１９１】
水素が、プロセス用途に電力を供給するために使用される、請求項１９０記載の電池システム。
【請求項１９２】
前記プロセス用途が燃料電池である、請求項１９１記載の電池システム。
【請求項１９３】
電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、Ａｌ３＋を含む第２の極性電解質アルコール溶液、および
ｅ．前記第１と第２の極性電解質溶液の両方の中のホウケイ酸塩、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【請求項１９４】
前記第１の極性電解質溶液と第２の極性電解質溶液が異なる密度のものであり、該第１の極性電解質溶液がハロゲン化物塩をさらに含み、該第２の極性電解質溶液が金属硫酸塩をさらに含む、請求項１９３記載の電気化学セル。
【請求項１９５】
前記アルコールがメタノールまたはエタノールであり、前記ハロゲン化物塩がＣａＣｌ２であり、前記金属硫酸塩がＮａ２ＳＯ４である、請求項１９４記載の電気化学セル。
【請求項１９６】
前記第１と第２の極性電解質溶液のｐＨが、各々約１１から約１３となるように調節されている、請求項１９５記載の電気化学セル。
【請求項１９７】
前記第１と第２の極性電解質溶液が塩基をさらに含む、請求項１９３記載の電気化学セル。
【請求項１９８】
前記塩基が、ナトリウム、カルシウムまたはカリウムの水酸化物である、請求項１９７記載の電気化学セル。
【請求項１９９】
前記カソードが、銅、炭素、またはその両方であり、前記アノードがアルミニウムである、請求項１９３から１９８いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２００】
前記カソードが銅ブラシである、請求項１９９記載の電気化学セル。
【請求項２０１】
前記ホウケイ酸塩が「Ｐｙｒｅｘ」ウールである、請求項１９３から２００いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２０２】
前記セルがフローモードで作動するように作られている、請求項１９３から２０１いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２０３】
請求項１９３から２０２いずれか１項記載の電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池。
【請求項２０４】
前記電気化学セルの数が１より多く、該電気化学セルが並列配置で配列されている、請求項２０３記載の電気化学電池。
【請求項２０５】
前記セルがボルト電堆で配列されている、請求項２０４記載の電気化学電池。
【請求項２０６】
前記電池が電気をプロセス用途に供給する、請求項２０３から２０５いずれか１項記載の電気化学電池。
【請求項２０７】
前記プロセス用途が、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具から選択される、請求項２０６記載の電気化学電池。
【請求項２０８】
請求項１９３から２０２いずれか１項記載の電気化学セルからの電気をプロセス用途に供給する方法。
【請求項２０９】
前記プロセス用途が、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具から選択される、請求項２０８記載の方法。
【請求項２１０】
前記ホウケイ酸塩が、約８マイクロメートルの細孔径を有する、請求項２０１記載の電気化学セル。
【請求項２１１】
電気化学セルにおいて、
ａ．非金属カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接した非金属アノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、および
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、金属固体を含む第２の極性電解質アルコール溶液、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【請求項２１２】
前記金属固体が、粉末形態で前記溶液中に分散しており、前記第１と第２の極性電解質溶液の両方の中にホウケイ酸塩が入れられている、請求項２１１記載の電気化学セル。
【請求項２１３】
前記金属が亜鉛である、請求項２１２記載の電気化学セル。
【請求項２１４】
前記金属がアルミニウムである、請求項２１２記載の電気化学セル。
【請求項２１５】
前記非金属カソードが炭素発泡体である、請求項２１１から２１４いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２１６】
前記非金属アノードが炭素発泡体である、請求項２１１から２１５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２１７】
前記粉末の平均粒径が約５マイクロメートル未満である、請求項２１２から２１６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２１８】
前記粉末の平均粒径が約５マイクロメートルと約３０マイクロメートルの間である、請求項２１２から２１６いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２１９】
請求項２１１から２１８のいずれか１項記載の第２の極性電解質溶液に酸化剤を添加する工程を有してなる、電気化学セルにおいて電流を高める方法。
【請求項２２０】
電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、酸化剤を含む第１の電解質水溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、金属と酸化剤を含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
前記第１と第２の電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【請求項２２１】
前記第２の極性電解質溶液がアルコール溶液である、請求項２２０記載の電気化学セル。
【請求項２２２】
前記アルコールがエタノールまたはメタノールである、請求項２２１記載の電気化学セル。
【請求項２２３】
前記酸化剤が、Ｓ２Ｏ８２−またはペルオキシ二硫酸ナトリウム、もしくはその両方であり、前記金属がアルミニウムであり、前記分離剤が硫酸ナトリウムであり、前記カソードとアノードが炭素発泡体である、請求項２２０から２２２いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２２４】
前記第１と第２の電解質溶液中に多孔質安定剤がある、請求項２２３記載の電気化学セル。
【請求項２２５】
前記多孔質安定剤が、グラスウール、ホウケイ酸塩、またはその両方である、請求項２２４記載の電気化学セル。
【請求項２２６】
フローモードで作動するように作られている、請求項２２０から２２５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２２７】
請求項２２０から２２６いずれか１項記載の電気化学セルに追加の酸化剤を供給する工程を有してなる方法。
【請求項２２８】
電解質水溶液を含む流入流をさらに含む、請求項２２６または２２７記載の電気化学セル。
【請求項２２９】
前記流入流が酸化剤をさらに含む、請求項２２８記載の電気化学セル。
【請求項２３０】
前記酸化剤が、ペルオキシ二硫酸ナトリウム、またはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液、もしくはその両方である、請求項２２９記載の電気化学セル。
【請求項２３１】
前記セルから水溶液が流出する、請求項２２６および２２８から２３０のいずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２３２】
請求項２２６および２２８から２３０のいずれか１項記載の電気化学セルから金属硫酸塩を除去する工程を有してなる方法。
【請求項２３３】
前記酸化剤が塩基性水溶液中にある、請求項２２９記載の電気化学セル。
【請求項２３４】
前記塩基がＮａＯＨである、請求項２３３記載の電気化学セル。
【請求項２３５】
前記酸化剤が固体のＮａ２Ｓ２Ｏ８である、請求項２２９または２３０記載の電気化学セル。
【請求項２３６】
約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じる、請求項２２０から２３５いずれか１項記載の電気化学セル。
【請求項２３７】
約４０ワット時／電解質のｋｇと約８０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、請求項２０８記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１７年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／４７０７７２号、２０１７年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／４７９５４８号、２０１７年５月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５０６４２２号、２０１７年６月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／５１８５２３号、２０１７年７月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／５３０６８７号、２０１７年７月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／５３１２７４号、および２０１７年１２月６日に出願された米国仮特許出願第６２／５９５１７１号に対する優先権、およびその恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、電気化学セルおよび電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国エネルギー情報局は、世界のエネルギー消費量が２０４１年までに４８％増加すると予測しており、地球規模の産業が、これらの新たな機会に急速に適応している。それらの努力の核心に、より効率的であり、より環境にやさしく、より手頃な価格であり、より便利な新たな電池の需要がある。米国国防総省は、２０２５年までに、再生可能資源からエネルギーの２５％を生成する目標を掲げている。それに加え、米軍は、密かに燃料電池自動車を出動させるときに、容易に入手できる水素供給源を持たなければならない。
【０００４】
液体電池が、フロー型または非フロー型のいずれかで、当該技術分野において公知であり、電解質が液体であることを除いて、固体電池と同じ原理で作動する。そのような電池は、還元・酸化化学に基づく電気化学セルからなる。酸化がセルのアノード側で生じ、還元がカソード側で生じる。電気化学セルで使用される溶媒は様々である。多くの状況において、電気化学セルの両側で水溶液が使用され、各側（カソード側およびアノード側）が電極（すなわち、それぞれ、カソードおよびアノード）と接触している。２つの半電池の電極が電気接点に配置されると、電流が流れることができる。電荷平衡を維持するために、電気化学セルは、イオンの通過も可能にしなければならない。ある電池では、このことは、アノード溶液からカソード溶液を隔てる塩橋により行われる。この塩橋は、２つの溶液が混ざるのを防ぐ。従来技術には、それらの溶液がもし混ざれば、直接化学反応によって、半電池が破壊され得ることが教示されている。
【０００５】
ある電気化学セルは、短絡を防ぎ、多数の電解質溶液を隔てるために膜または塩橋を配置している。そのような膜は、費用がかかり、時間の経過により容易に劣化する。特許文献１には、膜のない状態で使用でき、２つ以上の非混和性電解質を使用する電気化学セルが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１７／１０６２１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、ある実施の形態において、単一の電解質溶液、アノード、電流コレクタ、およびその電流コレクタとアノードとの間の多孔質非導電性スペーサを含む、電気化学セルおよび電池（フローセルおよびフロー電池を含む）の改良設計を含む。典型的なフロー電池とは対照的に、そのような実施の形態におけるアノードおよび電流コレクタは、電解質中に浸漬される必要はない。追加の実施の形態は、多数の電解質を含む膜無し電気化学セルおよび電池の改良設計を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の実施の形態は、単一の電解質溶液で作動できる電気化学セルおよび電池を含む。そのような実施の形態の１つにおいて、アノード、電流コレクタ、およびそのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサを含む電気化学セルが提供される。単一の電解質溶液で作動できる電気化学セルおよび電池の追加の設計も提供される。
【０００９】
本開示のさらなる実施の形態において、これらの電気化学セルの１つ以上を含み、負荷機器をさらに含む電気化学電池が提供される。
【００１０】
本開示のまたさらなる実施の形態において、本開示のこれらの電気化学セルまたは電気化学電池もしくはその両方により電気を用途に供給する方法が提供される。
【００１１】
本開示の追加の実施の形態において、本開示のこれらの電気化学セルまたは電気化学電池もしくはその両方により水素を用途に供給する方法が提供される。
【００１２】
さらなる実施の形態は、それぞれ、カソードとアノードにある別々の第１と第２の電解質溶液を含有するある膜無し電気化学セル；これらの電気化学セルを含む電池；そのセルと電池により水素、電気またはその両方を用途に供給する方法；コンデンサ；およびこれらの実施の形態に関連する様々な方法を含む。
【００１３】
追加の実施の形態および特徴が、以下の詳細な説明に含まれ、その説明から当業者により容易に明白となるか、または図面および特許請求の範囲を含む説明に記載されたように実施の形態を実施することによって認識されるであろう。
【００１４】
添付図面は、本開示の一部を構成する。図面は、ある例示の実施の形態のさらなる理解を与える働きをする。本開示および特許請求の範囲は、図面に示された実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の電気化学セルの１つの実施の形態の概略図
【図２】本開示の電気化学電池の１つの実施の形態の概略図
【図３】本開示による電気化学セルの実施の形態の概略ブロック図
【図４Ａ】本開示による電気化学セルの実施の形態の概略ブロック図
【図４Ｂ】本開示による電気化学セルの実施の形態の概略ブロック図
【図５】本開示の電気化学セルの実施の形態の概略図
【図６】本開示の電気化学セルの実施の形態の概略図
【図７】本開示の電気化学セルの実施の形態の概略図
【図８】フローモードの本開示の電気化学セルの実施の形態の概略図
【図９】本開示の電気化学セルの実施の形態の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ここで、様々な実施の形態をより詳しく説明する。先の一般的な説明および以下の詳細な説明は両方とも、例示であり、説明に過ぎず、本開示または特許請求の範囲を制限するものではないことを理解すべきである。図面に示されたものを含む、特定の実施の形態または特徴のどの議論も、本開示の特定の例示の態様を示す働きをする。本開示および特許請求の範囲は、ここに具体的に述べられたか、または図面に示された実施の形態に限定されない。
【００１７】
本開示の実施の形態は、単一の電解質溶液で作動できる電気化学セルおよび電池を含む。そのようなセルおよび電池は、膜、塩橋、または他の技術によって隔てられる多数の電解質溶液を必要としない。そのような実施の形態の１つにおいて、アノード、電流コレクタ、およびそのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサを含む電気化学セルが提供される。
【００１８】
ここに記載された電気化学セルのこの実施の形態および他の実施の形態を含む、本開示の電気化学セルは、電気、水素、またはその両方を用途に供給するための電池を形成するために使用することができる。電気的用途の例としては、携帯電話用電波塔の非常用電源もしくはウィンドファームまたはソーラーファーム用の非常用電源などのグリッド用途が挙げられる。電気は、車両、家庭用電化製品、消費財または玩具に電力を供給するためにも使用できる。水素を生成するために運転するように作られている場合、その水素は、電力生産のための燃料電池または車両などの用途に、もしくは、例えば、エンジンまたは燃焼炉に供給することができる。電気化学セルは、主に電気が供給される、主に水素が供給される、またはその両方が様々な比率で供給されるように作ることができる。いくつかの実施の形態において、本開示のセルおよび電池は、電解質がセルまたは電池に加えられ、次いで、使用後に取り出され、それによって、セルまたは電池への電解質を補充するという点で、フローモードで運転する。
【００１９】
本開示の例示の電気化学セルにおいて、アノードは、非導電性スクリーンなどの多孔質非導電性スペーサと物理的に接触しており、このスペーサは、次に、炭素発泡体などの電流コレクタと物理的に接触している。他の実施の形態において、そのスペーサは、アノード、電流コレクタ、またはその両方と物理的に接触しておらず、それどころか、アノード、電流コレクタ、またはその両方からある距離に配置されている。
【００２０】
その多孔質非導電性スペーサの目的は、電流コレクタのアノードとの物理的に接触を防ぐことにある。多孔質スペーサに関する「非導電性」という用語は、そのスペーサが電気伝導性ではないことを意味する。そのスペーサは、電解質に対して多孔性であり、電解質溶液中の陰イオンおよび陽イオンに対して非選択的様式で多孔質でもある。その多孔質スペーサは、電気伝導性ではないことにより、その中に電子を通過させない。スペーサのこれらの特徴は、多数の電解質溶液の分離を維持するためにしばしば使用される、従来の電池における塩橋および膜からスペーサを差別化する。有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンなどの、多くの異なるタイプの非導電性多孔質材料をスペーサに使用することができる。そのような有機高分子の１つに、ビニル被覆ポリエステルがある。スペーサの厚さは、大抵、約０．１ｍｍと約０．８ｍｍの間である。
【００２１】
サージカル・テープなどの細孔性材料を使用して、物理的完全さを維持するのに役立つように、電気化学セルを巻いてもよい。その巻き付けは、電気化学セルを完全に包み込む必要はない。
【００２２】
ここに記載された電気化学セルのこの実施の形態および他の実施の形態を含む、本開示の電気化学セル内の電流コレクタおよびアノードは、適切な材料から選択してよい。適切な電流コレクタ材料の例に、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体におけるような炭素がある。例えば、導電性炭素布（炭素発泡体とも称される）は、多くの実施の形態に適した電流コレクタであり、導電性材料である。単一の電解質溶液を有する実施の形態に適したアノードは、周期表の第１３族の金属およびその合金を含む。これらの金属と合金の例としては、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウム、並びにこれらの内の少なくとも１つを含む合金が挙げられる。合金の一例は、ガリンスタンという名称を有し、これは、ガリウム、インジウムおよびスズの合金である。
【００２３】
多くの実施の形態において、電気化学セルは、単一の電解質溶液をさらに含む。その電気化学セルは、その電解質に関して飽和されることがある。いくつかの実施の形態において、そのセルは、電解質浴中に浸漬されていない。例えば、電解質の点滴、吹き付けまたは噴霧による飽和によって、そのセルを活性化させて、電気または水素もしくはその両方を生じることができる。電流コレクタの一例に、炭素発泡体がある。その電解質は、炭素発泡体がそのような例において飽和されるまで、またはその前に、セル上に吹き付けられることがある。電気また水素もしくはその両方が生じるときに、そのセルに追加の電解質（または塩、酸化剤、または塩基などの他の材料）を吹き付けるか、または他のやり方で供給して、その飽和を維持し、塩および酸化物を取り替えてもよい。実際に、再循環器を使用して、電解質または他の材料を連続的に再循環させ、セルに供給することができる。それゆえ、存在する電解質の大きい供給源を維持する必要がなく、これにより、従来技術のフローセルと比べて、費用と質量の両方が節約される。
【００２４】
これらと他の実施の形態において、電気化学セルのアノードは、例えば、アルミニウムから製造される。多くの実施の形態において、アルミニウムはシートの形態にある。多くの他の実施の形態において、アルミニウムは、スクリーンまたは他の薄い多孔質構造の形態にある。アルミニウムスクリーンの厚さは、例えば、約０．０５ｍｍと約０．５ｍｍの間、または約０．１ｍｍと約０．３ｍｍの間にあることがある。いくつかの実施の形態において、電流コレクタは炭素発泡体であり得、多孔質非導電性スペーサは、有機高分子またはサージカル・テープなどの非導電性スクリーンであり得る。そのような高分子の１つに、ビニル被覆ポリエステルがある。
【００２５】
追加の実施の形態に、１）アノード、電流コレクタ、そのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサ、および単一の電解質溶液を含む電気化学セル、２）アノード、電流コレクタ、そのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサ、および単一の電解質溶液から実質的になる電気化学セル、および３）アノード、電流コレクタ、そのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサ、および単一の電解質溶液からなる電気化学セルがある。
【００２６】
電気化学セルは、大抵、電気化学電池を形成するために金属導体により互いに接続される。金属導体の一例に、銅線などの銅がある。それゆえ、例えば、１つの電気化学セル上のアルミニウムアノードは、そのセル上の多孔質非導電性スペーサと接触しており、そのスペーサは、次に、炭素発泡体電流コレクタと接触している。このアルミニウムアノードは、隣接する電気化学セル上の電流コレクタへの金属導体とも接触しており、この隣接する電気化学セルは、それ自体の多孔質非導電性スペーサおよび対応するアノードと接触している。このようにして、一連の電気化学セルを接続することができる。この一連の電気化学セルの末端では、末端の電気化学セルは、電気化学電池全体が電気化学セルの直列および並列配置の両方を有するように、追加の一連の電気化学セルに、または用途などの負荷機器に接続することができる。
【００２７】
いくつかの実施の形態において、電気化学セルは、フローセルとして作動するようにも作られている。そのセルは、例えば、フロー電池を支援するようにフローセルとして作ることができる。そのような電池において、電解質は、充電が必要ないように、電池の作動中に連続的にセルに供給することができる。
【００２８】
本開示の多くの実施の形態において、電解質は、水および１種類以上の塩を含む。水および他のものを含む、電解質に使用するための溶媒の例が、表１に見つけられるであろう。
【００２９】
【表１】
2020511599.tif 000003
【００３０】
多くの実施の形態において、電解質に加えられる塩が２つある。そのような塩の例に、ペルオキシ二硫酸塩（ペルオキシ二硫酸ナトリウムなど）、次亜塩素酸塩、および硫酸塩（硫酸ナトリウムなど）が挙げられる。その電解質は、さらに、水酸化ナトリウムなどの塩基を含んでもよい。それらの塩の内の１つに、酸化剤がある。それゆえ、多くの実施の形態において、電解質は、酸化剤を含有し、表３に見られる金属塩などの追加の塩も含有し、その金属塩および酸化剤の陰イオン部分は異なる。
【００３１】
表２の化合物の非限定リスト、または場合によっては、それらの対応する塩と酸は、供給され、解離して、酸化剤を形成してもよい。ここに用いられているように、「酸化剤」という用語は、酸化を行うために加えられる化合物、並びにその化合物の解離から結果として生じる陰イオンを称する。それゆえ、ペルオキシ二硫酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ８）、ペルオキシ二硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、およびペルオキシ二硫酸陰イオン（Ｓ２Ｏ８２−）は全て、ここに使用されるように酸化剤である。例えば、ペルオキシ二硫酸塩酸化剤の酸または塩形態が本開示の電解質に添加される場合、陰イオン形態への解離があるであろう。陰イオン形態は、別の種を酸化する働きをし、次に還元される形態である。
【００３２】
【表２】
2020511599.tif 000004
【００３３】
他の塩は、例えば、表３に見られる化合物のいずれか１つであることがある。
【００３４】
【表３】
2020511599.tif 000005
【００３５】
第２の塩は、金属イオンを生じるように解離する化合物であるべきである。そのような金属塩の例に、硫酸ナトリウムがある。
【００３６】
多くの実施の形態において、電解質は、強塩基などの塩基をさらに含有する。強塩基の例としては、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｓｒ（ＯＨ）２、Ｂａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、またはその組合せが挙げられる。特別な例の１つが、ＮａＯＨである。
【００３７】
さらなる実施の形態において、電解質は、水またはアルコールの一方を含む。その電解質は、例えば、カソード液であり得る。この電解質中に酸化剤および金属塩が存在する場合、これらの２つは異なる陰イオン成分を有し得る。酸化剤の例にペルオキシ二硫酸ナトリウムがあり、金属塩の例に硫酸ナトリウムがある。この電解質は、水酸化ナトリウムなどの塩基をさらに含むことがある。
【００３８】
さらなる実施の形態は、
ａ．アノード、
ｂ．電流コレクタ、および
ｃ．その電流コレクタとアノードとの間の多孔質非導電性スペーサ、
を含む電気化学セルであって、電解質を含まない電気化学セルを含む。
【００３９】
このアノード、電流コレクタ、およびスペーサは、それらの構成要素について先に記載した１つ以上の特徴または特性を有することがある。そのような実施の形態は、例えば、ある場所で構成され、次いで、別の場所に輸送されることがあり、そこで、使用するために電解質（単一の電解質溶液など）と接触させられる。
【００４０】
本開示は、単一の電解質溶液で作動できる電気化学セルの追加の実施の形態を含む。例えば、非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触する単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が、金属固体から電流コレクタに負荷機器を介して移動する、電気化学セルが提供される。
【００４１】
そのようなセルにおいて、例えば、電解質水溶液は塩基性であり得、酸化剤はＳ２Ｏ８２−であり得る。電解質水溶液は、例えば、水酸化ナトリウムをさらに含むことがある。適切な金属固体としては、周期表の第１３族のもの、およびその合金が挙げられる。これらの金属および合金の例としては、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウム、並びにこれらの内の少なくとも１つを含む合金が挙げられる。金属固体の一例に、ホイルの形態にあるアルミニウムなどのアルミニウムがある。このセルは、多孔質安定剤をさらに含むことがある。一例において、そのセルは金属硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４など）を含むことがあり、その電流コレクタは炭素発泡体であり、多孔質安定剤は、グラスウールまたはホウケイ酸塩もしくはその両方である。セルのｐＨは、例えば、１２より大きい、１３より大きい、または１４より大きいことがある。
【００４２】
このようなセルは、単一の電解質溶液を使用することができ、例えば、約１０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）と約６８０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）の間の電力を生じるであろう。そのセルは、電解質のｋｇ当たりで測定した場合、例えば、約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間、約４０ワット時／電解質のｋｇと約８０ワット時／電解質のｋｇの間、または約１０ワット時／電解質のｋｇと約６０ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じるであろう。金属固体の平方センチメートル当たりに生じる電力は、例えば、約６００ｍＷと約１０００ｍＷの間であり得る。本開示の他の電気化学セルに関するように、このセルは、フローモードで作動するように作られることがある。そのセルは、例えば、ペルオキシ二硫酸ナトリウムまたはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液もしくはその両方などの酸化剤をさらに含むことがある電解質水溶液を含む流入流を含むことがある。酸化剤（固体のＮａ２Ｓ２Ｏ８または溶液中のＮａ２Ｓ２Ｏ８など）、例えば、塩基性水溶液中のＮａ２Ｓ２Ｏ８をセルに供給することができ、ここで、塩基は、例えば、水酸化ナトリウムであってよい。このセルは、流出流をさらに含むことがある。その流出流は、水溶液を含むことがあり、例えば、金属硫酸塩も含むことがある。
【００４３】
さらなる実施の形態は、単一の電解質溶液を使用して作動できる本開示の電気化学セルの片側から負荷機器を外す工程を含む、コンデンサを作る方法を含む。この方法は、負荷機器を再接続する工程をさらに含む。さらなる実施の形態は、その電気化学セル内の電流コレクタまたはアノードの少なくとも一方からの負荷機器の取り外しおよび再接続を交互にするプロセスにより調製されたコンデンサを含む。
【００４４】
単一の電解質溶液で作動できる追加の実施の形態は、非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が金属固体から電流コレクタに負荷機器を介して移動し、ｐＨが１２以上である電気化学セルである。一例として、非金属電流コレクタは炭素発泡体であり得、酸化剤はペルオキシ二硫酸塩であり得、金属固体はアルミニウムであり得る。
【００４５】
単一の電解質溶液で作動できる追加の実施の形態は、非金属電流コレクタ、酸化剤、および１つ以上のアノードと接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が１つ以上のアノードから電流コレクタに負荷機器を介して移動し、ｐＨが１０以上である電気化学セルである。
【００４６】
適切なアノードは、周期表の第１３族の金属、およびその合金を含む。これらの金属および合金の例としては、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウム、並びにこれらの内の少なくとも１つを含む合金が挙げられる。金属の一例に、ホイルの形態にあるアルミニウムなどのアルミニウムがある。アノードは、絶縁体により隔てることもできる。いくつかの実施の形態において、ｐＨは１２以上である。
【００４７】
単一の電解質溶液で作動できる電気化学セルの一例が、実施例７に与えられており、図９に示されている。
【００４８】
本開示の追加の実施の形態は、本開示の電気化学セルを製造する方法を含む。この方法は、１）アノード、電流コレクタ、およびそのアノードと電流コレクタとの間の多孔質非導電性スペーサを含む電気化学セルを提供する工程、および２）そのセルを単一の電解質溶液と接触させる工程を含む。このセルは、例えば、電解質溶液をセル上に吹き付けることによって、電解質溶液と接触させることができる。その電解質は、浸漬などによって、まとめて施しても差し支えない。電解質溶液は、点滴による液滴として、または噴霧された霧として、セルに施しても差し支えない。電解質は、バルク区画内で、またはここに与えられた技術の任意の組合せで、供給することもできる。
【００４９】
さらなる実施の形態は、１）上述の実施の形態のいずれかによる電気化学セルであって、単一の電解質溶液を含む電気化学セルを提供する工程、２）そのセルを作動させて、電気、水素、または電気と水素の両方（セルが負荷機器に接続されているときなど）を生じる工程、および３）その作動中にセルに追加の電解質溶液（またはその１種類以上の成分）を提供する工程を含む、フローモードで電気化学セルを作動させる方法などの方法を含む。そのような実施の形態は、４）その作動中に、例えば、セルに追加の電解質溶液（またはその１種類以上の成分）を提供するのと同時に、使用済みの電解質溶液（またはその１種類以上の成分）をセルから抜き取る工程をさらに含み得る。これらの実施の形態における電解質溶液は、ここに記載されたようなセルに適したどの組成を有してもよい。その電解質溶液の成分の例としては、酸化剤、金属塩、および塩基が挙げられる。さらなる実施の形態は、このセルを含む電池に行われる方法を含む。
【００５０】
本開示の他の態様において、本開示の電気化学セルを含む電気化学電池が提供される。電気化学電池は、１つ以上のセルを含有し、負荷機器に電気的に接続される。この負荷機器は、線における抵抗であっても、または用途へのものであっても、またはその両方であっても差し支えない。本開示の電気化学電池は、その負荷機器を通る電気、水素、またはその両方を生成するために使用してもよい。その電池は、例えば、電気または水素に有利に働くように作ることができる。水素製造は、ｐＨおよびアノードの比表面積を調節することによって、制御することができる。アルカリ性溶液で始めると、ｐＨが上昇し、使用されるアノードの比表面積が大きくなるにつれて、製造される水素が多くなる。例えば、アルミニウムの表面積は、アルミニウムスクリーンを何回も折り重ねることによって、増加させてもよい。酸化剤の濃度が上昇し、溶液が次第にアルカリ性になる場合、電気に有利に働くであろう。
【００５１】
本開示の実施の形態は、ここに開示されたセルまたは電池によって生成される電気、水素、または電気と水素の両方を用途に供給する方法をさらに含む。そのような用途の例としては、携帯電話の電波塔、車両および燃料電池が挙げられる。
【００５２】
理論により束縛されないが、以下の説明は、本開示の電気化学セルおよび電池のいくつかの実施の形態がどのように働くかを説明すると考えられる。例えば、多くの実施の形態において、アノードはアルミニウムであり、カソードは炭素発泡体の電流コレクタと接触するカソード液であり、そのカソード液は、水、硫酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、およびペルオキシ二硫酸ナトリウムを含む電解質であり、ここで、炭素発泡体の電流コレクタおよびアノードは、積み重ねられており、多孔質非導電性スペーサにより隔てられており、各積層体は、銅線などの導体によって電気的に接続されている。そのような構成が、概して、図１および図２に見られる。
【００５３】
理論により束縛されないが、そのような実施の形態において、アルミニウムはアノードで式（Ａ）にしたがって酸化され、式（Ｂ）にしたがって電流コレクタの表面で過硫酸塩の還元が起こる：
2020511599.tif 000006
【００５４】
しかしながら、アルミニウムの酸化から入手できる２つの余計な電子がある。多くの実施の形態において、プロトンは還元されて、アルミニウムアノードで水素ガスを形成することが観察される。それゆえ、水が解離して、Ｈ＋およびＯＨ−を形成し、次いで、２つの余計な電子が、Ｈ＋を水素ガスに還元するのに利用でき、酸化剤が還元される場合、そのような水素ガスの発生が、電流コレクタではなく、アルミニウムアノードで観察されるとさらに考えられる。電解質がエタノールである場合、同じ水素発生が観察されるので、水酸化物イオン自体が解離して、Ｈ＋を形成することも可能であろう。したがって、先に開示されたように、電解質もアルコールと水またはアルコールであり得、その一例がエタノールである。
【００５５】
先に鑑みて、電流コレクタは、「カソード電流コレクタ」として特徴付けることができるであろう。何故ならば、電流コレクタは、電流コレクタの表面で電解質溶液内の酸化剤を還元する電子を分配するからであり（先の式Ｂにしたがって）、その電解質溶液はカソード液として特徴付けることができる。このカソード電流コレクタは、例えば、カソード液内に埋め込むか、またはカソード液と他のやり方で適切に接触させることができ、そのカソード液は、カソード電流コレクタでの還元のための酸化剤の供給源である。
【００５６】
図１において、一連の３つの電気化学セルが示されている。各セルは、シートまたはスクリーンの形態にあるアルミニウムなどのアノード１００を含有する。アノード１００は、多孔質非導電性スペーサ１１０と物理的に接触している。このスペーサは、アノードと電流コレクタ１２０との間の物理的接触を防ぐスクリーンである。電流コレクタは、多くの場合、炭素発泡体であり、スペーサは、例えば、サージカル・テープ、またはビニル被覆ポリエステルであることがある。アノード１００、電流コレクタ１２０およびスペーサ１１０の積層体１６０は、物理的完全さのためにサージカル・テープで必要に応じて包まれることがある。各セルは、隣接するセルと電気的に接触しており、隣接するセルのアノード１００および電流コレクタ１２０は、銅線１３０などの導体を通じて電気的に接触している。
【００５７】
電解質はセル上に堆積されるが、図１のセルは電解質中に浸漬されていない。その電解質は、上に吹き付けられるか、もしくは噴霧によって供給されるか、または区画化されることがある。このことは大抵、炭素発泡体が電流コレクタである場合にそのように行われ、その炭素発泡体は飽和される。他の実施の形態において、セルは、電解質溶液中に浸漬される。電解質は、湿潤状態において、回路が作られたときに、溶液中に還元が起こるように、カソード液として働く。
【００５８】
図２は、直列の図１のセル構成要素が、銅１４０などの導体を通じて、負荷機器１５０にさらに接続されている電池を示している。この状態において、電解質が電池上に堆積されたときに、電流および／または水素が生成され、アノードで水素還元が起こる。ｐＨ、アノードの表面積および使用される酸化剤の量に応じて、電池が主に電気、水素、またはその２つの組合せを生じるか否かを決定できる。負荷機器１５０は、携帯電話の電波塔などの用途または他のグリッド用途であり得る。あるいは、水素が生成される場合、例えば、燃料電池、もくしは水素を燃焼させるための炉またはエンジンに供給するために、各アノードで、水素を収集することができる。
【００５９】
下記に記載される追加の実施の形態は、それぞれ、カソードおよびアノードで別々の第１と第２の電解質溶液を含有する特定の膜無し電気化学セル；本開示の電気化学セルを含む電池；そのセルおよび電池により水素、電気、またはその両方を用途に供給する方法；本開示の電気化学セルにおける電流を高める方法；およびこれらの実施の形態に関連する様々な方法を含む。
【００６０】
例えば、本開示の１つの実施の形態は、電気化学セルであって、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離でそのカソードに隣接したアノード、
ｃ．そのカソードと接触し、その距離内に配置された、酸化剤を含む第１の極性電解質溶液、
ｄ．そのアノードと接触し、その距離内に配置された、適切な金属イオンを含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
第１と第２の電解質溶液は、互いに接触しており、非混和性であり、その第１と第２の電解質溶液の間に膜がない、電気化学セルを含む。
【００６１】
この実施の形態において、各極性電解質溶液は、ホウケイ酸塩などの多孔質安定剤を含むことがある。第１の極性電解質溶液は、水性であることがあり、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｓｒ（ＯＨ）２、またはＢａ（ＯＨ）２などの塩基も含むことがある。この第１の極性電解質溶液のｐＨは、例えば、約８と約１４の間、または約１１と約１４の間にあることがある。酸化剤は、例えば、バナジウムイオン、Ｓ２Ｏ８２−、またはＣｌＯ−であることがある。この実施の形態における例示の分離剤に、塩化カルシウムまたは硫酸ナトリウムなどの塩がある。
【００６２】
この電気化学セルは、フローモードで作動するように作られることがある。このセルは、例えば、塩基（水酸化ナトリウムなど）、酸化剤（Ｓ２Ｏ８２−など）および分離剤（硫酸ナトリウムなど）を含む流入溶液を含むことがある。このセルからの流出流は、塩基（塩基の水溶液を含む）および硫酸ナトリウムを含むことがあり、この塩基は水酸化ナトリウムであることがある。
【００６３】
電流コレクタは、第１の電解質溶液、第２の電解質溶液、またはその両方の中に配置されることがある。例示の電流コレクタは、金属並びに炭素発泡体などの非金属を含む。この電気化学セルは、第１と第２の極性電解質溶液の間に配置されたグラスウールも含むことがある。
【００６４】
いくつかの実施の形態において、第２の極性電解質溶液はアルコールを含む。この溶液は、ＫＯＨまたはＮａＯＨなどの塩基をさらに含むアルコール溶液であることがある。第２の極性電解質溶液のｐＨは、例えば、約８と約１４の間、または約１１と約１４の間にあることがある。第２の極性電解質溶液中の適切な金属イオンとしては、Ｚｎ２＋およびＡｌ３＋が挙げられる。
【００６５】
いくつかの実施の形態において、分離剤は塩（ＣａＣｌ２または硫酸ナトリウムなど）であり、第２の極性電解質溶液中のアルコールは、エタノール、メタノール、またはその両方である。いくつかの実施の形態において、第２の極性電解質溶液は、アルコールを含み、フローモードで働くように作られており、流入流は、アルコール（エタノール、メタノール、またはその両方など）、塩基（水酸化ナトリウムなど）、分離剤、および適切な金属イオン（Ａｌ３＋など）に解離できる金属を含む極性溶液を含む。このセルの流出流は、アルコール（エタノールなど）、塩基（水酸化ナトリウムなど）および分離塩（硫酸ナトリウムなど）を含むことがある。
【００６６】
ここに記載された電気化学セルは、例えば、第２の電解質溶液中で水素ガスを生成することができ、そのガスを水素圧縮機に向けることができる。したがって、本開示のさらなる実施の形態は、前記電気化学セルの１つ以上および水素圧縮機を含む電池システムを含む。そのようなシステムは、例えば、燃料電池などのプロセス用途に電力を供給するために使用することができる。
【００６７】
本開示の別の実施の形態は、電気化学セルであって、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離でそのカソードに隣接したアノード、
ｃ．そのカソードと接触し、その距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、
ｄ．そのアノードと接触し、その距離内に配置された、Ａｌ３＋を含む第２の極性電解質アルコール溶液、および
ｅ．その第１と第２の電解質溶液の両方の中のホウケイ酸塩、
を含み、
第１と第２の電解質溶液は、互いに接触しており、非混和性であり、その第１と第２の電解質溶液の間に膜がない、電気化学セルを含む。
【００６８】
その第１の極性電解質溶液および第２の極性電解質溶液は、異なる密度のものであることがあり、第１の電解質溶液はハロゲン化物塩（ＣａＣｌ２など）を含むことがあり、第２の電解質溶液は金属硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４など）を含むことがある。第２の極性電解質アルコール溶液は、例えば、エタノールまたはメタノールを含むことがある。
【００６９】
いくつかの実施の形態において、第１の電解質溶液と第２の電解質溶液のｐＨは、例えば、各々、約１１から約１３に調節することができる。各溶液は、ナトリウム、カルシウム、またはカリウムの水酸化物などの塩基を含むことがある。いくつかの実施の形態において、カソードは、銅（銅ブラシなど）、炭素、またはその両方であり、アノードはアルミニウムである。ホウケイ酸塩は、例えば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）ウールであってよい。いくつかの実施の形態において、ホウケイ酸塩は、約８マイクロメートルの細孔径を有する。
【００７０】
この電気化学セルは、フローモードで運転するように作ることができる。追加の実施の形態は、前記セルの１つ以上を含む電気化学電池を含む。その電池が電気化学セルを複数含む場合、それらのセルは、例えば、並列配列に揃えられ、ボルタ電堆に配置されることがある。この電気化学セルまたは電池は、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具を含む、プロセス用途に電気を供給できるであろう。
【００７１】
本開示の別の実施の形態は、電気化学セルであって、
ａ．非金属カソード、
ｂ．ある距離でそのカソードに隣接した非金属アノード、
ｃ．そのカソードと接触し、その距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、および
ｄ．そのアノードと接触し、その距離内に配置された、金属固体を含む第２の極性電解質アルコール溶液、
を含み、
第１と第２の電解質溶液は、互いに接触しており、非混和性であり、その第１と第２の電解質溶液の間に膜がない、電気化学セルを含む。
【００７２】
いくつかの実施の形態において、その金属固体は、粉末形態で第２の電解質溶液中に分散されているのに対し、ホウケイ酸塩は、第１と第２の電解質溶液の両方の中に入れられている。例示の金属は、亜鉛およびアルミニウムを含む。粉末形態にある金属は、例えば、約５マイクロメートル未満の平均粒径、または約５マイクロメートルと約３０マイクロメートルの間の平均粒径を有することがある。非金属カソードおよび非金属アノードは、例えば、炭素発泡体から製造することができる。さらなる実施の形態は、電気化学セルにおける電流を高める方法であって、この電気化学セルの第２の電解質溶液に酸化剤を添加する工程を含む方法を含む。
【００７３】
本開示の別の実施の形態は、電気化学セルであって、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離でそのカソードに隣接したアノード、
ｃ．そのカソードと接触し、その距離内に配置された、酸化剤を含む第１の電解質水溶液、
ｄ．そのアノードと接触し、その距離内に配置された、金属と酸化剤を含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
第１と第２の電解質溶液は、互いに接触しており、非混和性であり、その第１と第２の溶液の間に膜がない、電気化学セルを含む。
【００７４】
いくつかの実施の形態において、第２の極性電解質溶液は、エタノールまたはメタノールなどのアルコール溶液である。またいくつかの実施の形態において、酸化剤は、Ｓ２Ｏ８２−またはペルオキシ二硫酸ナトリウム、もしくはその両方であり、金属はアルミニウムであり、分離剤は硫酸ナトリウムであり、カソードとアノードは炭素発泡体である。多孔質安定剤（グラスウール、ホウケイ酸塩、またはその両方など）が、必要に応じて、第１と第２の電解質溶液中に提供されることがある。
【００７５】
この電気化学セルは、フローモードで作動するように作られることがある。そのセルは、電解質水溶液および必要に応じて、酸化剤（ペルオキシ二硫酸ナトリウムまたはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液またはその両方など）を含む流入流を含むことがある。それゆえ、本開示の実施の形態は、電気化学セルに追加の酸化剤を提供する工程を含む方法である。酸化剤（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８など）は、例えば、塩基性水溶液中に設けられることがあり、その塩基はＮａＯＨであることがある。酸化剤は、固体として提供されることもある。そのセルは、セルから流出し、例えば、硫酸ナトリウムを含むことがある水溶液をさらに含むことがある。
【００７６】
いくつかの実施の形態において、そのセルは、約１０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）と約６８０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）の間の電力を生じることがある。そのセルは、電解質のｋｇ当たりで測定した場合、約４０ワット時／電解質のｋｇと約８０ワット時／電解質のｋｇの間など、約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じることがある。
【００７７】
以下の開示は、先に詳述した実施の形態および本開示の他の実施の形態の説明をさらに与える。
【００７８】
先に述べたものなどの、本開示の様々な実施の形態は、単一の電解質溶液を含有する電気化学セルを含む。いくつかの実施の形態において、単一の電解質溶液は、金属固体、水、塩基、酸化剤、および電流コレクタを含有する。この溶液は、いくつかの実施の形態において、塩基性である。電気接触が、炭素発泡体などの電流コレクタと、金属固体との間に外部の負荷機器を通じて行われる。一般的な金属の例に、アルミホイルなどのアルミニウムがあり、水酸化ナトリウムなどの塩基、および添加される酸化剤は、ペルオキシ二硫酸ナトリウムであることがあり、これは次に解離する。このペルオキシ二硫酸塩は、作動するときに、硫酸塩になる。硫酸ナトリウムなどの金属硫酸塩の添加などによって、追加の硫酸塩を加えてもよい。グラスウールまたはホウケイ酸塩などの多孔質安定剤が使用されることがある。そのような実施の形態において、電解質溶液は１つしかなく、セルは、酸化剤がセル中に補給されるフローモードで作動されることがある。添加される酸化剤は、水酸化ナトリウムのような塩基に関するように水溶液としてであっても、または粒状ペルオキシ二硫酸ナトリウムに関するように固体として添加されてもよい。硫酸ナトリウムがセル内で形成するときに、それは、必要に応じて、脱塩装置により、または他の機構により、除去することができる。
【００７９】
２つの電解質溶液によって、スーパーチャージ（supercharging）も行われることがある。これらの実施の形態において、ペルオキシ二硫酸ナトリウムなどの酸化剤が、第２の電解質溶液に添加される。これらの実施の形態において、第２の電解質溶液中の金属はアルミニウムであり得、その溶液は、メタノール、エタノール、またはその両方などのアルコール溶液である。グラスウールまたはホウケイ酸塩などの多孔質安定剤も使用されることがある。水酸化ナトリウムなどの塩基が、硫酸ナトリウムなどの分離剤におけるように存在する。そのような実施の形態における第１の電解質溶液は、水性であり得、ＮａＯＨなどによって、塩基性に維持される。ペルオキシ二硫酸ナトリウムなどの酸化剤が使用され、硫酸ナトリウムなどの金属硫酸塩が、必要に応じて添加される。グラスウールまたはホウケイ酸塩などの多孔質安定剤も使用されることがある。そのような実施の形態において、ペルオキシ二硫酸塩、または別の適切な酸化剤が第２の電解質溶液に添加され、この添加により、電流の発生が高まる。そのような電流の高まりは、５０％程度であろう。
【００８０】
単一溶液の実施の形態により生じる電力は、例えば、約１０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）と約６８０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）の間であろう。そのセルは、電解質のｋｇ当たりで測定した場合、例えば、約４０ワット時／電解質のｋｇと約８０ワット時／電解質のｋｇの間を含み、さらに約１０ワット時／電解質のｋｇと約６０ワット時／電解質のｋｇの間を含む、１０ワット時／電解質のｋｇと１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じるであろう。アルミニウムに関するように、使用される金属固体の表面積に対して測定した場合、約６００Ｗ／ｃｍ２と約１０００ｍＷ／ｃｍ２の間の電力密度が観察される。
【００８１】
典型的に、電気化学セルは、電気的短絡を生じる可能性のために、単一の電解質で作動することは予測されないであろう。しかしながら、提示されたシステムにおいて、短絡なく、持続期間に亘り、電流に対する相当な高まりを示すことが可能であった。電気化学セルの一端からリード線を外し、次に、それを再接続することなどによって、電気化学セルの回路が開かれ、その後閉じられたときに、約８００ｍＡまでの電流のスパイクが観察される。
【００８２】
理論により束縛されないが、単一電解質系において回路を開いた際に、アノードが負に帯電し、イオン二重層により囲まれ、例えば、図９の電気化学セルに基づくコンデンサを考えた場合、ナトリウムイオンと硫酸イオンが、イオン二重層を構成すると考えられる。ナトリウムは、負に帯電した表面（シュテルン層）の隣で凝縮し、ナトリウムイオンと硫酸イオンの両方が、その表面から拡散層を形成する。そのようなコンデンサは、実際に、自動充電式コンデンサである。例えば、図９のセルに関して、電池の回路が開かれたときに、Ｓ２Ｏ８２−陰イオンまたは２Ｈ＋陽イオンは、固体アルミニウム原子と相互作用し続けつつ、それらを不安定な＋２の酸化状態にしようとする。この不安定さを補うために、酸化されたアルミニウム原子は、固体アルミニウムに第３の電子を与えるが、回路が開いているために、固体アルミニウムは、その電子を電流コレクタに移動させられない。この効果が固体アルミニウムを負に帯電させ、電荷中性を維持するために、伝統的なイオンの二重層分布が形成され、固体アルミニウムの表面近くで陽イオンが密集する。回路が閉じたときに、これらの蓄積された電子が電流コレクタに送られるが、再び、電荷中性を維持する必要性のために、それらは、１度に全ては送られず、最初にピークとなり、電気化学的拡散勾配で緩和する二重層中のイオンの段階的再分配のために、時間の経過により徐々に降下するように放出される。回路の開閉を交互にすることによって、多数のアノードを用いて、電流を最大にすることができる（１つのアノード回路が開いている間に、充電し、別のものを閉じて、放電することができる）。
【００８３】
理論により束縛されないが、アルミニウムは、非負の酸化状態＋３、＋２、＋１および０で存在し得るが、電池の標準作動条件下では、＋３および０の状態のみがエネルギー的に安定であり、この０状態が固体アルミニウム相である。Ｓ２Ｏ８２−または２Ｈ＋などの強力な酸化剤が０状態のアルミニウム原子と反応したときに、アルミニウム原子をエネルギー的に不安定な＋２の酸化状態にしようとしつつ、固体アルミニウム原子から２つの電子を取り去る（それ自体を２ＳＯ４２−に還元する）。この状態はエネルギー的に好ましくないので、アルミニウム原子は、第３の電子を発生させて、それを安定な＋３状態にする。この第３の電子は、固体アルミニウムを通じて負荷機器に、その後、電流コレクタに伝導され、カソード液が別のＳ２Ｏ８２−陰イオンを還元する。
【００８４】
比較すると、Ｚｎは非負の酸化状態＋２、＋１および０で存在し得るが、０および＋２状態のみがエネルギー的に好ましい。それゆえ、Ｓ２Ｏ８２−陰イオンが０酸化状態の亜鉛原子と反応したときに、亜鉛原子から２つの電子を取り去って、それを安定な＋２状態にし、電流は生じない。しかしながら、亜鉛から１つの電子を取り去ることのできる−１状態の酸化剤がある場合、アルミニウムの場合におけるように、電流を生じることができる。
【００８５】
そのような単一電解質系において、酸化剤が、１つ以上の追加の電子を放出して安定な酸化状態に自発的に移行するであろう還元剤の不安定な酸化状態を作り出すのに十分な電子を取り去るように、酸化剤と還元剤の対が選択されることがある。そのような対において、その不安定な酸化状態は、安定な酸化状態よりも低い酸化状態である。この安定な酸化状態は、不安定な酸化状態と比べて、＋１または＋２以上の酸化状態を有するであろう。例えば、アルミニウムにおいて、安定な酸化状態の＋３は、不安定な酸化状態よりも１つ多い（＋１）。
【００８６】
そのような単一電解質の電気化学系の多くの実施の形態において、１つの電流コレクタに多数のアノードが使用されることがある。例えば、アノードがアルミニウムである場合、アルミホイルパケットが、絶縁体などにより互いから隔てられて、多数のアルミニウムアノードを作ることがある。粒子状アルミニウムが使用される場合、そのような個々の粒子は、多数のアノードの機能を果たすことがある。
【００８７】
電流を制御するために、ｐＨも使用することができる。ｐＨが中性である場合、Ａｌ２Ｏ３フイルムが固体表面上に形成されるので、Ｓ２Ｏ８２−は固体アルミニウムを酸化することができない。その系は、１２のｐＨより大きいまたはそれより高いなど、アルカリ性が強いので、ＯＨ−陰イオンが酸化アルミニウムフイルムを破壊し、それによって、Ｓ２Ｏ８２−陰イオンが電流を生じることができる。ＮａＯＨからのものなどのＯＨ−イオンの添加、または硫酸の添加などによるＨ＋イオンの添加のいずれかにより、ｐＨを調節することによって、ＯＨ−の利用可能性およびそれゆえの電流の制御を調整することができる。表面が十分に活性化されているという条件で、１０辺りなどのより低いｐＨも機能するであろう。
【００８８】
他の実施の形態において、本開示の電気化学セルおよび電池は、第１の電解質溶液（カソードでの）を第２の電解質溶液（アノードでの）から分離するための膜または他の器具を必要とせずに作動する。「膜無し」または「膜を必要としない」または「膜がない」という用語もしくはその効果に対する単語が使用される場合、それが意味するのは、第１と第２の電解質溶液（およびそれらの実施の形態における第３の電解質溶液）の間に膜または他の種類の分離器がないことである。
【００８９】
複数のセルを含む、１つ以上のセルの電気化学電池は、本開示の電気化学セルを並列または直列に組み合わせることによって、調製することができる。その例に、セルのボルタ電堆がある。そのようなセルおよび電池を使用して、ソーラーファーム、ウィンドファーム、水素圧縮機、電気自動車などの車両、配電網、家庭用電化製品、消費財、および玩具などのプロセス用途に電気を供給することができる。
【００９０】
ここに記載された電気化学セルのこの実施の形態および他の実施の形態を含む、本開示の電気化学セル内のカソードおよびアノードは、適切な材料から選択することができる。適切なカソードの例に、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体におけるような炭素がある。例えば、導電性炭素布（炭素発泡体とも称される）は、多くの実施の形態にとって適したカソードであり、導電性材料である。多数の電解質を有する膜無しセルの実施の形態に適したアノードとしては、白金、亜鉛、リチウム、ニッケル、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウム、並びに炭素発泡体を含む炭素などの非金属材料が挙げられる。
【００９１】
本開示の実施の形態に含まれる第１と第２の電解質溶液は、極性であり、異なる密度のものであることがある。多くの場合、第１の極性電解質溶液の１つ以上は、水および分離剤を含有する。本開示のこれらと他の実施の形態において、２つの極性電解質溶液は非混和性である。第１の電解質溶液がＨ２Ｏを含み、第２の電解質溶液がエタノール、メタノール、またはその組合せを含む場合、それらの溶液は、通常、混和性であろう。しかしながら、そのような流体を非混和性にするために、分離剤を使用することができる。その分離剤は、アルコールと水の混合物に加えることができ、十分な濃度で、２つの溶液を分離し、その非混和性を維持する。その分離剤は多くの場合、塩である。いくつかの実施の形態において、その溶液は、その塩に関して飽和している。塩の例としては、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化リチウムおよび塩化アンモニウムなどの、金属のハロゲン化物またはアンモニウム塩が挙げられる。そのような塩の他のものに、特に、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸カリウム、および硫酸アンモニウムがある。第１または第２の電解質溶液中に同じまたは異なる塩が存在してもよい。例えば、両方に硫酸ナトリウムが存在してもよい。他の実施の形態において、第１の電解質溶液中に、硫酸ナトリウムまたは塩化ナトリウムなどの塩が存在し、第２の電解質溶液中に塩化アンモニウムが存在することがある。さらに他の実施の形態において、第１の電解質溶液中に塩化カルシウムが存在し、第２の電解質溶液中に硫酸ナトリウムが存在することがある。それらの塩は、多くの場合、それぞれの溶液中で、その溶解限度でまたはその近くで飽和している。
【００９２】
本開示の多くのセルにおいて、第１の電解質溶液は水溶液であり、第２の電解質溶液はアルコール溶液である。各電極での溶液は、酸化・還元が起こり、それゆえ、電気を生じるように必要な成分を含有しなければならない。第２の電解質溶液に使用するのに適したアルコールに、メタノールおよびエタノールがある。
【００９３】
第１または第２の電解質溶液に使用する極性溶媒の例が、先の表１に見つかるであろう。選択された特定の系の溶媒は、その溶媒中に入れられた対応する塩を解離するように十分な双極子モーメントのものであるべきである。いくつかの実施の形態において、硫酸（例えば、１Ｍ）などの強酸を使用して、第１の極性電解質溶液を酸性にしてよく、一方で、第２の極性電解質溶液は中性である。
【００９４】
他の実施の形態において、第１と第２の極性電解質溶液の両方とも塩基性である。これらの溶液は、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｓｒ（ＯＨ）２、Ｂａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、またはその組合せなどの塩基の添加などによって、塩基性にすることができる。電気化学回路を完成するために、第１の極性電解質溶液に酸化剤が添加され、第２の極性電解質溶液に適切な金属イオンが添加される。第１の極性電解質溶液に使用される一般的な極性溶媒は水である。第２の電解質溶液に使用される一般的な溶媒としては、エタノール、メタノール、アセトニトリル、またはその組合せが挙げられる。
【００９５】
酸化剤の例が、先の表２に見つけることができ、溶液中で適切な金属イオンに解離できる化合物の例が、先の表３に見つけることができる。酸化剤による金属酸化は、熱力学的に自発的であるという条件で、どの金属イオン酸化剤の対を選択してもよい。本開示に一般に使用される金属イオンとしては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、およびＶが挙げられる。
【００９６】
図３は、第１と第２の電解質を含む電気化学セルの実施の形態を示している。電気化学セル１０は、第１の電解質溶液２０がカソード１２と接触し、第２の電解質溶液２２がアノード１４と接触するように、第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２により隔てられたカソード１２およびアノード１４を含む。第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２は、非混和性であり、互いと接触しており、それゆえ、アノード１４とカソード１２との間でイオンと電子の交換（例えば、Ｈ＋およびｅ−）を可能にすることができる。各セル１０は、回路１８によって、負荷機器１６に電気的に接続されて、その回路を通じての電流フローを可能にすることができる。その概略図において電解質溶液およびカソードとアノードの電極を接続する垂直線は、導体ではなく、単にその概略図を観察し易くするためであることに留意のこと。
【００９７】
特定の実施の形態において、第１の電解質溶液２０は、正の電解質すなわちカソード液であることがありり、第２の電解質溶液２２は、負の電解質すなわち被分析物（および非混和性）であることがある。多くの実施の形態において、第１の電解質溶液および第２の電解質溶液の密度は異なり、セル１０が、カソード１２を底部にして垂直に向けられたときに、浮力効果によって、第２の電解質溶液２２が第１の電解質溶液２０の上に重なるように、第１の電解質溶液２０は第２の電解質溶液２２よりも緻密である。
【００９８】
多くの実施の形態において、セル１０は、必要に応じて、例えば、フロー電池を支援するように、フローモードで作動するように作られることがある。そのような電池において、電解質溶液は、電池の作動中にセルに連続的に供給される。例えば、第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２は、セル１０中に、それぞれ、導管２１および２５を通じて、図３に示されるように、それぞれ、タンク３０または他の適切な貯蔵装置などの第１の供給源から、およびタンク３２または他の適切な貯蔵装置などの第２の供給源から、カソード１２とアノード１４との間に流入することができる。第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２は、それぞれ、導管２３および２７を通じて、セル１０からさらに流出することができる。それらは、廃液タンクまたは他のタンクに向けることができる。いくつかの実施の形態において、流れは、セル１０を再充電するために、その他のタンクから逆にできるであろう。その流れは、ポンプ５０、５２によって、もしくは毛管現象、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力によって、生じることがある。第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２の流れは、層流様式内に維持されることがある。代わりの実施の形態において、第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２は、セル１０を通って流れず、交換式であることがある。
【００９９】
電解質が調製されたときに、典型的に、電解質、多くの場合、固体が溶媒内に入れられ、次いで、電解質溶液になる。例えば、電解質が、そこに溶けることができる溶媒内に入れられたときに、電解質固体の溶解により、イオンを生じ、それらが十分に溶けると、その溶媒が電解質溶液になる。それに加え、アノードで酸化が起こり、カソードで還元が起こるように、他の成分がその溶媒に加えられる。そのような成分の例に、亜鉛金属がある。亜鉛は、作動している電気化学セルのアノードに加えられると、Ｚｎ２＋に酸化する。カソード側では、そのような成分の一例にＮＨ４ＶＯ３があり、これは、溶け、解離して、Ｖ５＋を生じ、これは、作動している電気化学セル内でＶ４＋に還元される。本開示の多くのそのような実施の形態において、第１の電解質溶液は、ＣｌＯ−、Ｆｅ３＋、Ｖ５＋、Ｂｒ２、およびＳ２Ｏ８２−から選択されるイオンに解離する成分を含み、そのイオンはカソードで還元される。これらと他の実施の形態において、第２の電解質溶液は、Ｌｉ＋、Ｃａ２＋、Ａｌ３＋、Ｍｇ２＋、Ｖ２＋、Ｚｎ２＋、ＳｉＯ３２＋、［Ｚｎ（ＣＮ）４］２−、および［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−から選択されるイオンに酸化する成分を含み、そのイオンは、アノードでの酸化により生じる。
【０１００】
いくつかの実施の形態において、カソードでは、バナジウムがＶ５＋からＶ４＋への還元を経る。いくつかの実施の形態において、アノードでは、亜鉛がＺｎ（固体）からＺｎ２＋に酸化される。正に帯電したイオンを流れさせるために、アノード側で亜鉛固体を有するメタノール溶液に、塩化アンモニウムがさらに加えられる。その塩化アンモニウムは溶解し、溶液中に正に帯電したイオンとしてＮＨ４＋を、負に帯電したイオンとしてＣｌ−を提供するのに十分に解離する。カソード側では、正に帯電したイオンは、Ｖ５＋水溶液に硫酸（Ｈ２ＳＯ４）および硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）の両方を添加することによって、与えられる。溶解とＨ＋およびＮａ＋への解離により、電気化学セルのカソード側で、正に帯電したイオンおよび負に帯電したイオンとしてのＳＯ４２−が与えられる。それに加え、硫酸ナトリウムは、第１と第２の電解質溶液の混合を防ぎ、それらの非混和性を維持する。さらに、水はメタノールよりも緻密なので、浮力によって、メタノール溶液がより緻密な水溶液の上に重なる。非混和性流体のこの層化（塩水は、メタノールまたはエタノールと非混和性である）により、分離のための膜の必要性が効果的かつ都合よくなくなる。そのような実施の形態は、ここにさらに記載するように、フローまたは非フロー操作のために作られることがある。さらに、そのような実施の形態において、亜鉛は、導電性炭素などの導電性材料と接触することがあり、カソード溶液も、そのような導電性材料と接触することがある。
【０１０１】
いくつかの実施の形態において、アノードはアルミニウムであり、カソードは炭素または鋼鉄であり、第１の電解質溶液は水とＣｌＯ−を含有し、第２の電解質溶液はエタノールまたはメタノールを含有する。そのような実施の形態において、例えば、各電解質は、ＮａＯＨなどの塩基、および非混和性電解質溶液を生じる塩ＬｉＣｌを含有する。そのような電気化学セルにより供給される電圧は、１．５ボルトと２．１ボルトの間である。そのような電気化学セルは、約０．２および約０．３アンペアを含む、約０．１アンペアと約０．４アンペアの間のアンペア数を生じることができる。ＣｌＯ−を提供する成分の例に、Ｎａ（ＣｌＯ）およびＣａ（ＣｌＯ）２がある。そのようなセルにおいて、ＣｌＯ−は、式１にしたがって、カソードで還元される：
【０１０２】
【化１】
2020511599.tif 000007
【０１０３】
第２の電解質は、式２の通りＡｌ３＋に酸化するアルミニウムなどの、酸化する金属である成分を含有することができる：
【０１０４】
【化２】
2020511599.tif 000008
【０１０５】
別のアノードの選択肢は、式３の通りに酸化するマグネシウム：
【０１０６】
【化３】
2020511599.tif 000009
【０１０７】
または式４の通りに酸化するバナジウム：
【０１０８】
【化４】
2020511599.tif 000010
【０１０９】
であろう。
【０１１０】
いくつかの実施の形態において、アノードはリチウム固体であり、溶媒はプロピレンカーボネートおよびジメトキシエタンである。カソードは、銅などの適切な金属であってよく、硫酸ナトリウムも添加される。これらの実施の形態において、アノードとカソードの電解質溶液の両方が塩を含有する。例示の塩は、ＭｇＣｌ２などの金属ハロゲン化物塩である。電解質溶液中にＭｇＣｌ２が使用される場合、１オームの抵抗で、３．１５Ｖの電圧および０．１Ａ／ｃｍ２の電流が得られるであろう。アンペア数がＡ／ｃｍ２として記録される場合、それにより意味されることは、比面積ではなく面面積当たりのアンペア数である。例えば、炭素発泡体の２平方センチメートル片は、その２平方センチメートルの面面積よりもずっと大きい比面積を有する。
【０１１１】
他の実施の形態において、第１の極性電解質水溶液は、Ｓ２Ｏ８２−、ＮａＯＨ、金属硫酸塩またはＣａＣｌ２などの金属ハロゲン化物などの塩、および銅ブラシ、炭素発泡体、またはその組合せなどの銅などの金属カソードを含有する。金属硫酸塩の例に、Ｎａ２ＳＯ４がある。このＳ２Ｏ８２−イオンは、例えば、第１の電解質溶液中でそのイオンに解離する塩に由来する。その塩は、例えば、Ｎａ２Ｓ２Ｏ８であることがある。銅は、例えば、ブラシなどのワイヤ形態にあることがある。例えば、第１の電解質溶液と異なる密度の第２の極性電解質アルコール溶液は、メタノール、エタノール、またはその両方などのアルコール、ＮａＯＨ、Ｎａ２ＳＯ４などの金属硫酸塩を含む硫酸塩などの塩を含有する。アノードの例に、アルミニウムなどの金属アノードがある。あるいは、アノードは、炭素発泡体などの非金属材料であることがあり、粉末形態などの金属固体が、アノード溶液中に分散されることがある。そのような金属粉末の例に、アルミニウムおよび亜鉛がある。前記溶液中の金属粉末は、アノード自体が金属であれば酸化するであろう同様の様式で、電気化学セルの作用によって酸化する。
【０１１２】
いくつかの実施の形態において、第１の極性溶液は、水性であり、ＣａＣｌ２またはＮａ２ＳＯ４のような塩などの分離剤を含有する。そのような実施の形態において第１の電解質溶液と接触するカソードは、銅のような金属または炭素発泡体のような非金属であってよい。グラスウールなどの安定剤または「Ｐｙｒｅｘ」などのホウケイ酸塩を使用してもよい。そのような溶液中の酸化剤は、多くの場合、例えば、Ｎａ２Ｓ２Ｏ８から供給されることがあるＳ２Ｏ８２−である。そのような実施の形態において、第２の極性溶液は、多くの場合、エタノールまたはメタノールなどのアルコールである。そのような実施の形態において第２の電解質溶液と接触するアノードは、多くの場合、アルミニウムまたは炭素発泡体である。Ｎａ２ＳＯ４などの分離剤は、多くの場合、第１の極性電解質溶液、第２の極性電解質溶液、またはその両方の中に飽和濃度またはそれに近い濃度で分散されている。適切な金属イオンは、多くの場合、例えば、アルミホイルまたはアルミニウム粉末から供給されることがあるＡｌ３＋などのアルミニウムである。そのような実施の形態において、例えば、Ｚｎ２＋も使用されることがある。第１と第２の極性電解質溶液の両方とも、ｐＨがより高く、多くの場合、１１と１４の間にあるＮａＯＨなどの塩基によって、塩基性にすることができる。多くのそのような実施の形態において、第２の極性電解質溶液中で水素ガスが生成される。そのようなガスは、排気され、燃料電池などのプロセス用途に供給されることがある。水素は、例えば、供給前に、水素圧縮機に送ることができる。１つ以上のセルから生じる電気を使用して、水素圧縮機に電力を供給してもよい。電気化学セルは、電解質溶液が補充され、使用済み溶液が除去されるそのような作動において、フローモードで運転することができる。
【０１１３】
補充されているときに、流入溶液は、第１の極性電解質溶液の塩基、酸化剤、および分離剤を含み、かつアルコール、適切な金属イオンに解離できる金属、塩基、および分離剤を含む水溶液であることがある。流出溶液は、第１の電解質溶液の塩基と分離剤、並びに第２の極性電解質溶液のアルコール、塩基、および分離剤を含む。適切な金属イオンがＡｌである場合、流出溶液は、Ａｌ２Ｏ３も含有することがある。
【０１１４】
これらの実施の形態の特定の態様において、各溶液のｐＨは、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、または別の塩基を使用して、塩基性にされている。そのような塩基によって、ｐＨは、約８と約１４の間、約９と約１４の間、約１０と約１４の間、約１１と約１４の間、約１２と約１４の間、約１１と約１３の間、並びに約８、９、１０、１１、１２、１３、および１４を含む約８と約１４の間の全ての値に調節することができる。
【０１１５】
その電気化学セルは、多孔質安定剤をさらに含有することがある。その多孔質安定剤は、流体を通過させることができ、また、第１と第２の電解質溶液に亘り配置することができ、乱流運動中を含め、溶液間の分離を維持するのに役立つ。多孔質安定剤は、どの多孔質媒体であってもよい。多孔質安定剤の例に、グラスウールおよび「Ｐｙｒｅｘ」を含むホウケイ酸塩がある。この多孔質安定化は、第１と第２の電解質溶液の各々に使用してよく、２つの電解質溶液を含有する電気化学セルを、わずかな流体置換により急激に回転、跳ね返り、または循環させることができる。ホウケイ酸塩の例に、約８μｍの細孔径を有するホウケイ酸塩がある。「Ｐｙｒｅｘ」ウールがそのようなホウケイ酸塩の一例である。そのような電気化学セルは、フローモードまたは非フローモードで運転できる。そのような電気化学セルは、従来技術のセルよりも優れた電流密度および電圧を有することができる。例えば、これらの実施の形態の電気化学セルは、約１オームの抵抗で１８時間に亘り測定して、約２．０７Ｖおよび約０．１６Ａ／ｃｍ２の電圧とアンペア数で始まり、約１．５５Ｖおよび約０．０８８Ａ／ｃｍ２で終わった。
【０１１６】
多孔質安定剤の使用は、本開示の電池および電気化学セルの以下の特徴の内のいくつかまたは全てに影響する：湿潤性境界条件；スリップ無しとスリップ有りの境界条件；抵抗率および摩擦を含む伝導性；隣接する流体間の分散度または混合；気孔率（例えば、流れの相対体積）；ねじれ（例えば、軌道の長さおよび複雑さ）；接続性（例えば、種および電気）；粒径分布（例えば、充填）；相対的伝導性（例えば、多相抵抗性）；多重スケール（例えば、離散スケール分離）；表面吸収性（例えば、二重層容量）；表面反応性（例えば、擬似容量）；属成作用（例えば、溶解または堆積）；および膨潤（例えば、界面張力）。多孔質媒体は、ナノ構造およびナノ粒子を含むことがある。そのような多孔質媒体は、例えば、カソードまたはアノードで使用されることがある。そのような多孔質媒体のさらに別の例に、細孔またはナノ多孔質黒鉛がある。
【０１１７】
隣接するセルを分離して、そのような電池の短絡を防ぎ、それでも、電気通信を提供するために、分離器または相互接続体が使用されることがある。電気化学セルの第１と第２の電解質溶液の間に安定剤も使用されることがある。
【０１１８】
アノードが、炭素発泡体などの非金属であり、アルミニウムまたは亜鉛などの金属がアノード溶液に固体として添加される場合、それは多くの場合、粉末の形態にあり、一般的な粒径は、平均サイズが５マイクロメートル未満であるものである。他の実施の形態において、平均サイズは約５マイクロメートルと約３０マイクロメートルの間である。多くの実施の形態において、粉末は、溶液が濁って見えるように、溶液中に分散している。そのような分散体は、セルの性能にとって有用である。一般に、粒子が小さいほど、ストークスの法則にしたがって、粒子が分散体から沈降するのに長く時間がかかる。それゆえ、懸濁液の安定性の観点から、より小さい粒子が好ましい。
【０１１９】
カソードでは、いくつかのそのような実施の形態の半電池反応は：
【０１２０】
【化５】
2020511599.tif 000011
【０１２１】
であるのに対し、いくつかの実施の形態のアノードでの半電池反応は：
【０１２２】
【化６】
2020511599.tif 000012
【０１２３】
であり、但し、アルミニウムが、アノードであるか、または固体としてアノード溶液中に懸濁されており、
【０１２４】
【化７】
2020511599.tif 000013
【０１２５】
が、アノード自体が亜鉛であるアノードでの半電池反応であるか、または固体としてアノード溶液中に懸濁されている場合である。
【０１２６】
これらと他の実施の形態において、塩基性条件下で電気化学セル内の化学反応によって、水素ガスが放出されることがある。都合よいことに、石油製品からの水素製造とは異なり、水素は、ＣＯ２またはＣＯを放出せずに生成されるであろう。結果として得られた水素は、貯蔵または再分配のために収集するか、追加のエネルギー生成のために白金膜を有する第２の電気化学セルに送ることができる。例えば、適切な金属イオンがＡｌ３＋であり、第２の極性電解質溶液が、メタノール、エタノール、またはその両方などの極性溶媒を含有する場合、そのような電気化学セル内のその後の反応の結果として、水素ガスが放出されることがある。ここでの適切な酸化剤はＳ２Ｏ８２−である。
【０１２７】
このように、生じている別個の反応が３つある。１つの反応において、プロトンが、アノードで水素ガスを形成するために還元されている。別の反応では、アルミニウムが酸化されており、ＮａＣｌ（ＯＨ）４を形成する。最後に、カソードでは、酸化剤（Ｓ２Ｏ８２−など）がＳＯ４２−に還元される。
【０１２８】
所定の濃度の反応体について、水素ガスが生成される速度は、例えば、第２の極性電解質溶液中のアルミニウムなどの金属と、銅／炭素との間の距離の関数である。距離が大きいほど、水素ガスが放出される速度が遅くなり、電流が小さくなる。その上、表面積が大きいほど、一般に、水素が生成される速度が大きくなるという点で、表面積がその速度に影響する。水素は、フローモードまたは非フローモードで生成されてよい。
【０１２９】
電気化学セルが電気を自発的に生じるために、金属アノードは酸化剤によって酸化可能であり、酸化剤はカソードで還元される。本開示の電気化学セルが、水素ガスを生成するためにさらに使用される場合、ひいては、例えば、メタノールまたはエタノールを含む極性溶液中にＮａＯＨなどの塩基と共に、アノード側に適切な金属イオンが存在する。適切な金属は、第２の極性電解質溶液中で塩基と接触するように配置されたときに、水素を生成するものである。そのような金属は、負である金属・金属イオン酸化還元電位を有する。そのような流体の例としては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、またはイソプロピルアルコールなどのアルコールが挙げられる。水は、アルコールとの混合物中などにおける別のそのような流体であるが、分離塩の存在下では、水は、本開示の電気化学セルのカソード側に集まる傾向にある。電池から生じる水素の量は、約１０ｋｇと約１００ｋｇの間、およびそれらの間の全ての値を含む、一日当たり約１００ｋｇまでの水素であることがある。水素ガスは、そのような電気化学セルに使用するために収集することができる。３ｃｍ２のＡｌ金属が第２の極性電解質溶液中に入れられた単一の電気化学セルは、概して図８にしたがって構成された電気化学セルにおいて測定されて、毎時約０．５ｋｇのＨ２を生成した。第２の極性電解質溶液中に入れられる金属の表面積が大きいほど、より多くの水素が生成される。適切な金属イオンを生成するために第２の極性電解質溶液中に入れられる金属は、アルミニウムシートなどのシートとして設けられることがあり、折り重ねられた、または蛇行した形状のシートも提供されることがある。アルミニウム固体の他の形態に、スラリー中などの粉末、またはナノ構造がある。将来使用するために、圧縮条件下などで、水素が貯蔵されることがある。水素の用途の例に燃料電池がある。そのような燃料電池は、例えば、車両に動力を与えるために使用されることがある。
【０１３０】
本開示のいくつかの実施の形態において、第２の極性電解質溶液に酸化剤を添加することによって、電流が高められる、または「スーパーチャージされる」ことがある。例えば、アルミニウムがアルコール溶液または水溶液と共に入れられる電気化学セルにおいて、アルコール溶液にペルオキシ二硫酸ナトリウムを加えて、電気化学セルから観察される電流を高めることがある。さらに他の実施の形態において、そのように電流を高めるために、第２の極性電解質溶液は必要ない。本開示の電気化学電池において、複数の電気化学セルを積み重ねることが有用であろう。セルの積み重ねは、例えば、３つ以上の異なる密度を有する３つの以上の非混和性流体を使用することによって、可能になるであろう。そのような実施の形態において、アノードから第２の距離にある第１のカソードと反対の第２のカソードが提供され、第２のカソードおよび第２の電解質溶液と接触する第３の電解質溶液がさらに提供され、ここで、第３と第２の電解質溶液は、互いに接触しており、非混和性であり、その第３と第２の電解質溶液の間に膜はない。この第３の電解質溶液は、極性であることがあり、最初の２つの電解質溶液より密度が大きい。水より緻密な第３の電解質溶液の例に、溶媒としてプロピレンカーボネートを含有するものがある。この第３の電解質溶液は、塩を含有することがあり、その塩に関して飽和していることがある。そのようなセルを有する電池は、フローモードまたは非フローモードで作られることがある。
【０１３１】
図４Ａに示されるような、本開示による少なくとも１つの実施の形態において、電池は、第１の電解質溶液２０、第２の電解質溶液２２、および第３の電解質溶液２４を含むセル１１を含むことがある。そのような実施の形態において、セル１１は、２つのアノード１４で作動して、回路１８を通じて負荷機器１６に供給される電気を生じる１つのカソード１２を含む。そのような実施の形態において、第３の電解質溶液２４は、第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２よりも緻密である。第３の電解質溶液２４は、第１の電解質溶液２０および／または第２の電解質溶液２２に対して非混和性である。したがって、第２の電解質溶液２２が第１の電解質溶液２０の上の層内に配置され、第１の電解質溶液２０が第３の電解質溶液２４の上の別の層内に配置される。例えば、それぞれ、導管２１および２５を通じて、フローモードで電解質溶液をセルに供給するために、電解質溶液の供給源として働く、随意的なタンク３０および３２、並びにポンプ５０および５２（もしくは、毛管作用、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力によって）を使用してもよい。第１の電解質溶液２０および第２の電解質溶液２２は、それぞれ、導管２３および２７を通じて、セル１１からさらに流出することができる。それらは、廃棄タンクまたは他のタンクに向けられてもよい。いくつかの実施の形態において、流れは、セル１１を再充電するために、その他のタンクから逆にすることができる。他の実施の形態において、そのセルは、上部と底部にカソードを、中間にアノードを配置しても差し支えない。
【０１３２】
図４Ａに示されるように、第３の電解質溶液２４は、フローモードで使用されることがあるポンプ５４（もしくは、毛管作用、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力）によって、導管３１を通じて第３の供給源３４からセル１１に供給することができる。第３の電解質溶液２４は、導管３３を通じて、セル１１からさらに流出することができる。これは、廃棄タンクまたは別のタンクに向けられてもよい。いくつかの実施の形態において、流れは、セル１１を再充電するために、その別のタンクから逆にすることができる。第３の電解質溶液２４がセル１１を通って流れる実施の形態において、第３の電解質溶液２４は廃棄タンクまたは他のタンクに向けられることがある。いくつかの実施の形態において、流れは、セルを再充電するために、他のタンクから逆にすることができる。あるいは、第３の電解質溶液２４は、セル１１を通って流れないが、置換可能であることがある。この概略図において、電解質溶液およびカソードとアノードの電極を接続する垂直線は、導体ではなく、単にその概略図を観察し易くするためであることに留意のこと。
【０１３３】
図４Ｂにおいて、電気化学セル１１ａは、２つのカソードおよび１つのアノード１４が設けられた三層系である。第１の電解質溶液２０はカソード１２および第２の電解質溶液２２と接触しており、第２の電解質溶液２２は、次に、アノード１４および第３の電解質溶液２４と接触している。カソード１２は、第３の電解質溶液２４および回路１８を通じて負荷機器１６と接触している。随意的な還元剤（Ｈ２ガスなど）２６が導管３１ａを通じてＨ２をアノード１４に供給することがある。流動タンク、導管、およびポンプ（もしくは、毛管作用、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力による）を使用して、フローモードで電気化学セル１１ａを運転し、それゆえ、再充電を可能にすることがある。その概略図において電解質溶液およびカソードとアノードの電極を接続する垂直線は、導体ではなく、単にその概略図を観察し易くするためであることに留意のこと。
【０１３４】
いくつかの実施の形態において、第１と第２の電解質溶液は、第１の電解質溶液中に塩が存在するために、異なる密度のものであり、非混和性であり、膜がなく接触している。さらに、前記セルは、非フローモードで運転するように作られている。並列または直列構成および／またはボルタ電堆などのように、そのようなセルから電池を作ることができる。そのような電池からの電気は、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具などのプロセス用途に供給することができる。
【実施例】
【０１３５】
実施例１−電気化学セルの作製
Ａｌアノード：２００ｍｍ×２５ｍｍの一片のアルミニウムスクリーンを切断し、このスクリーンを縦方向で半分に三回折り畳み、２５ｍｍ×２５ｍｍの正方形の８層厚とする。
【０１３６】
炭素発泡体電流コレクタ：１００ｍ×２５ｍｍの一片の炭素フェルトを切断する。この炭素フェルトを縦方向で半分に二回折り畳み、２５ｍｍ×２５ｍｍの正方形の４層厚とする。
【０１３７】
銅線：約１００ｍｍの長さの裸の銅線を切断する。
【０１３８】
銅線とＡｌアノードの組立て：一本の銅線をアルミニウムスクリーンの真ん中に通し、よって、銅の上に４層があり、銅の下に４層があるようにする。銅線の端部の１０ｍｍのところを、部分的に包むように曲げて、銅線、４層のアルミニウム、銅線、および４層のアルミニウムとなるようにする。銅線を一旦曲げたら、そのアセンブリを一緒にホチキスで留めて、銅線が落ちるのを防ぎ、良好な接触を確実にする。
【０１３９】
銅線と炭素発泡体電流コレクタの組立て：一本の銅線を炭素発泡体の真ん中に通し、銅線の上に２層があり、銅線の下に２層があるようにする。銅線の端部の１０ｍｍのところを、部分的に包むように曲げて、銅線、２層の炭素発泡体、銅線、および２層の炭素発泡体となるようにする。銅線を一旦曲げたら、そのアセンブリを一緒にホチキスで留めて、銅線が落ちるのを防ぎ、良好な接触を確実にする。
【０１４０】
アルミニウム、銅線、および炭素発泡体の全体のアセンブリは、ここでは「ユニット」と称される。
【０１４１】
実施例２−ユニットの互いの組立て
多孔質非導電性スペーサの切断：ビニル被覆ポリエステルスクリーンの３５ｍｍ×３５ｍｍ片を切断する。このスクリーンは、１つのユニットのアルミニウムアノードが、別のユニットの炭素発泡体電流コレクタに触れず、電池の短絡を防ぐことを確実にするためのスペーサとして働く。
【０１４２】
２つのユニットの互いの組立て：第１のユニットからのアルミニウム、スペーサ、および第２のユニットからの炭素発泡体のサンドイッチを作製する。次に、このサンドイッチを一層の３Ｍ製サージカル・テープで巻き、これにより、アルミニウムと炭素との間の間隙がスペーサの厚さであるように、サンドイッチ構造体が軽く圧縮されることが確実になる。このサージカル・テープは、電池が適度に飽和したことを確実にするために露出されたときに、電解質を吸収するためのスポンジとしての機能も果たす。このサンドイッチは積層体と称されることもある。
【０１４３】
直列の電気化学セルを作製するために所望なだけ多くのユニットについて、この組立てを繰り返すことができる。セルの端部を一般的な負荷機器を通じて接続して、電気化学電池を作製することができる。本開示の電解質に暴露された際に、電気または水素もしくはその両方が生成され、用途に供給することができる。
【０１４４】
実施例３−膜のない非混和性電解質溶液を有するＡｌ／ペルオキシ二硫酸塩電気化学セル／電池
図５の概略図にしたがって構成された非フロー式電気化学セル／電池（図面のフロー部分以外）を調製した。この図は、電気化学セルおよび電池の両方を示し、電池は、１つ以上の電気化学セルを含有すると定義される。このセル／電池は、ガラスビーカー内に製造した。アルミニウム固体を、アノード６２として使用し、回路１８および負荷機器１６を通じてカソード６３に電気的に接続し、特定の実験に応じて、炭素布または銅に繋いだ。このアノードは、エタノールまたはメタノールを含有する（多数回試験した）を含有する電解質溶液２２ｃ内に置き、これに、硫酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムを添加した。カソードは、電解質溶液２０ｃと接触するように置き、水酸化ナトリウム、塩化カルシウム、およびＮａ２Ｓ２Ｏ８を添加した。各溶液は極性であるが、その異なる電解質溶液は非混和性である。さらに、それらは異なる密度を有し、ペルオキシ二硫酸塩溶液がより緻密であり、それゆえ、底部にあり、それほど緻密ではない中性アルコール（エタノールまたはメタノール）溶液が上にある。アノード電極はアルミニウムである。「Ｐｙｒｅｘ」ウールが、カソードとアノードの間でビーカーに入れられている。「Ｐｙｒｅｘ」ウールは、中に流体が入り込む多孔質媒体を形成する。他のホウケイ酸塩などの他の多孔質媒体材料を使用してもよい。
【０１４５】
ナトリウムとカルシウムの塩の濃度は、それらが、その系のそれぞれの溶解限界にあるまたはそれに近いようなものであった。図５のセル／電池は、それぞれ、導管２１および２５を通じて、随意的なタンク３０と３２およびポンプ５０と５２（もしくは毛管現象、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力によって）を取り付けることによって、フローモードで運転することもできる。セル／電池からの流出流２３および２７は、反転極性により再充電目的のために廃棄タンクまたは外部タンクに送ることができる。フロー動作において、層の厚さを増減させるために流体の添加速度を使用して、層内の圧力を変化させることができる。Ａｌ（固体）→Ａｌ３＋などのアノードでの酸化反応速度は、電解質溶液内の２つの圧力を調節することにより（２つの溶液の厚さを制御する速度を調節することにより）、制御することができ、その圧力は、転じて、例えば、Ｓ２Ｏ８２−イオンなどのカソード溶液中のイオンに対するアルミニウムの近接性を変える。
【０１４６】
実施例４−膜のない非混和性電解質溶液を有するＺｎ／ペルオキシ二硫酸塩電気化学セル／電池
図６の概略図にしたがって構成された非フロー式電気化学セル／電池（図面のフロー部分以外）を調製した。この図は、電気化学セルおよび電池の両方を示し、電池は、１つ以上の電気化学セルを含有すると定義される。このセル／電池は、ガラスビーカー内に製造した。炭素発泡体を、アノード電極６２ａとして使用し、回路１８および負荷機器１６を通じてカソード６３ａに電気的に接続した。このカソードも炭素発泡体であった。このアノードは、実験に応じてエタノールまたはメタノールを含有する（多数回運転を行った）を含有する電解質溶液２２ｄ内に置き、これに、亜鉛粉末、硫酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムを添加した。カソードは、電解質水溶液２０ｃと接触するように置き、水酸化ナトリウム、塩化カルシウム、およびＮａ２Ｓ２Ｏ８を添加した。各溶液は極性であるが、その異なる電解質溶液は非混和性である。さらに、それらは異なる密度を有し、ペルオキシ二硫酸塩溶液がより緻密であり、それゆえ、底部にあり、それほど緻密ではない中性アルコール（エタノールまたはメタノール）溶液が上にある。「Ｐｙｒｅｘ」ウールが、カソードとアノードの間でビーカーに入れられていた。「Ｐｙｒｅｘ」ウールは、中に流体が入り込む多孔質媒体を形成する。他のホウケイ酸塩などの他の多孔質媒体材料を使用してもよい。
【０１４７】
ナトリウムとカルシウムの塩の濃度は、それらが、その系のそれぞれの溶解限界にあるまたはそれに近いようなものであった。図６のセル／電池は、それぞれ、導管２１および２５を通じて、随意的なタンク３０と３２およびポンプ５０と５２（もしくは毛管現象、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力によって）を取り付けることによって、フローモードで運転することもできる。セル／電池からの流出流２３および２７は、反転極性により再充電目的のために廃棄タンクまたは外部タンクに送ることができる。３時間に亘り運転した後、１オームで、エタノール中において１．７５Ｖと１．８９Ｖの間の電圧、および０．１２Ａ／ｃｍ２の電流が記録され、メタノール中で約１．５２Ｖおよび０．１２Ａ／ｃｍ２が記録された。
【０１４８】
フロー操作において、層の厚さを増減させるために流体の添加速度を使用して、層内の圧力を変化させることができる。Ｚｎ（固体）→Ｚｎ２＋などのアノードでの酸化反応速度は、電解質溶液内の２つの圧力を調節することにより（２つの溶液の厚さを制御する速度を調節することにより）、制御することができ、その圧力は、転じて、例えば、Ｓ２Ｏ８２−イオンなどのカソード溶液中のイオンに対する亜鉛の近接性を変える。この反応は、セルまたは多数のセルを有する電池を再充電できるように可逆的であってもよい。
【０１４９】
実施例５−膜のない非混和性電解質溶液を有するＡｌ／ペルオキシ二硫酸塩電気化学セル／電池の追加の実施の形態
図７の概略図にしたがって構成された非フロー式電気化学セル／電池（図面のフロー部分以外）を調製した。この図は、電気化学セルおよび電池の両方を示し、電池は、１つ以上の電気化学セルを含有すると定義される。このセル／電池は、ガラスビーカー内に製造した。炭素発泡体を、アノード電極６２ａとして使用し、回路１８および負荷機器１６を通じてカソード６３ａに電気的に接続した。このカソードも炭素発泡体であった。このアノードは、実験に応じてエタノールまたはメタノールを含有する（多数回運転を行った）を含有する電解質溶液２２ｅ内に置き、これに、アルミニウム粉末、硫酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムを添加した。カソードは、電解質水溶液２０ｃと接触するように置き、水酸化ナトリウム、塩化カルシウム、およびＮａ２Ｓ２Ｏ８を添加した。各溶液は極性であるが、その異なる電解質溶液は非混和性である。さらに、それらは異なる密度を有し、ペルオキシ二硫酸塩溶液がより緻密であり、それゆえ、底部にあり、それほど緻密ではない中性アルコール（エタノールまたはメタノール）溶液が上にある。「Ｐｙｒｅｘ」ウールが、カソードとアノードの間でビーカーに入れられている。「Ｐｙｒｅｘ」ウールは、中に流体が入り込む多孔質媒体を形成する。他のホウケイ酸塩などの他の多孔質媒体材料を使用してもよい。
【０１５０】
ナトリウムとカルシウムの塩の濃度は、それらが、そのシステムのそれぞれの溶解限界にあるまたはそれに近いようなものであった。図７のセル／電池は、それぞれ、導管２１および２５を通じて、随意的なタンク３０と３２およびポンプ５０と５２（もしくは毛管現象、逆浸透、ラチェット、膨潤圧、または重力によって）を取り付けることによって、フローモードで運転することもできる。セル／電池からの流出流２３および２７は、反転極性により再充電目的のために廃棄タンクまたは外部タンクに送ることができる。３時間に亘り運転した後、約１．９Ｖの電圧および０．１４Ａ／ｃｍ２の電流が記録された。
【０１５１】
フロー操作において、層の厚さを増減させるために流体の添加速度を使用して、層内の圧力を変化させることができる。Ａｌ（固体）→Ａｌ３＋などのアノードでの酸化反応速度は、電解質溶液内の２つの圧力を調節することにより（２つの溶液の厚さを制御する速度を調節することにより）、制御することができ、その圧力は、転じて、例えば、Ｓ２Ｏ８２−イオンなどのカソード溶液中のイオンに対するアルミニウムの近接性を変える。
【０１５２】
実施例６−Ａｌ／ペルオキシ二硫酸塩フロー電池および水素製造
図８は、フローモードの電気化学セルの概略図である。フロー電池には、電解質の連続的補充により瞬時に再充電できるという利点がある。多くの様式で、フロー電池は燃料電池のようであるが、フロー電池は、水素と酸素を使用せずに、液体電解質を利用する。レドックスフロー電池のアノード側に大抵ある金属は微細粉末の形態にあり、これは、分析物と予混されて、コロイド懸濁液を形成し、酸化が起こる多孔質炭素電流コレクタにポンプで通される。カソード側では、還元工程のために、カソード液中に強力な酸化剤が溶けている。例示の単一セルのアンペア数は、０．２５Ａ／ｃｍ２から０．１Ａ／ｃｍ２に及び、電圧は１．５Ｖから３．２５Ｖに及ぶ。第１の電解質溶液は、水にＮａＯＨ、Ｎａ２ＳＯ４およびＮａ２Ｓ２Ｏ８を添加することによって製造される。電解質溶液を補充し、流動目的にために除去できるように、流入ポートおよび流出ポートが設けられている。この第１の電解質溶液は、炭素発泡体電流コレクタを使用し、グラスウールで安定化されている。流入溶液は、水、ＮａＯＨ、Ｎａ２ＳＯ４およびＮａ２Ｓ２Ｏ８を含有するのに対し、流出流は、水、ＮａＯＨ、およびＮａ２ＳＯ４である。多くの場合、プラスチックから製造される、孔を有する材料を使用して、第１の電解質溶液を第２の電解質溶液から分離してよく、その材料はグラスウールを含有することがある。
【０１５３】
第２の電解質溶液は、ＮａＯＨ、Ａｌ粉末およびＮａ２ＳＯ４をエタノールに加えることによって、製造される。Ｎａ２ＳＯ４は、第１の電解質水溶液を第２の電解質エタノール溶液から分離し続けるのに十分に高い濃度で加えられる。第２の電解質溶液のために流入流および流出流が与えられ、流入流は、粉末形態のＡｌが添加されたＮａＯＨおよびＮａ２ＳＯ４のエタノール溶液である。流出流は、エタノール、水酸化ナトリウム、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＳＯ４、およびＮａＡｌ（ＯＨ）４を含有する。電流コレクタは、負荷機器を通じて、第１の電解質溶液の電流コレクタと電気的に接触している炭素発泡体である。グラスウールが第２の電解質溶液を安定化させる。電気化学過程中、水素ガスが第２の電解質溶液中で形成され、図８に示されるように、例えば、燃料電池などのプロセス用途に水素を供給するために、水素圧縮機へと除去されてもよい。この電気化学セルにより生じた電気を使用して、この水素圧縮機に電力を供給してもよい。例えば、第２の電解質溶液中に入れられた９００ｃｍ２のアルミニウムシートは、少なくとも０．１Ａ／ｃｍ２の電流を供給し、１オームおよび２ボルトで９０Ａの電流を生じるはずであり、これにより、１８０ワットの電力が供給される。それゆえ、直列の６個の電気化学セルは、典型的な水素圧縮機を運転するのに十分すぎるほどであろう。
【０１５４】
このように、アノード側（エタノール）では、固体のアルミニウムが電子を生じ、カソード側では、強力な酸化剤（Ｓ２Ｏ８２−またはＣｌＯ−のような）が電子を受け取る。Ａｌ（固体）→Ａｌ３＋＋３ｅ−およびＳ２Ｏ８２−＋２ｅ−→２ＳＯ４２−の半反応が、実質的な電流（１．４Ａ／ｃｍ２−アノード）を生じ、これを使用して圧縮機を駆動できる。理論で束縛されないが、これらの反応が塩基性環境中で行われる場合、ひいては、アノード側で起こる非常に重要な反応が他に３つあり、これによっても、アルミニウムが酸化され、水素ガスが結果として製造される。
【０１５５】
実施例７−コンデンサとして使用できる、単一溶液を有する電気化学セル
非フローモードの電気化学セルを図９にしたがって調製した。しかしながら、このセルはフローモードで運転することができ、図９は、それがどのように行えるかを示している。
【０１５６】
１０グラムのペルオキシ二硫酸ナトリウム、１０グラムの水酸化ナトリウム、１０グラムの硫酸ナトリウム、および２００ｍｌの水から電解質溶液を調製した。電気化学セル内において、１．５グラムのＡｌホイルを１×２×１ｃｍのブロック内に押し込み、銅線を通じてセル内の計器に接続し、このセルに２０ｍｌの電解質溶液を加えた。炭素発泡体電流コレクタもセル内の計器に接続した。したがって、電気化学セル２０ｄは、硫酸ナトリウムを添加したことを除いて、２０ｃと似ている。約４５分の過程に亘り、Ａｌホイルの近くのセルに、濃縮（２Ｍ）ペルオキシ二硫酸ナトリウムおよびＮａＯＨ（ｐＨ１５）を滴下した。このセルにより提供される電力が約４００ミリワットと約６００ミリワットの間に及ぶように、合計で約２０ｍｌが加えられるまで、滴下した。続いて、アノードの近くに少量の固体のペルオキシ二硫酸ナトリウムを加え、電力が７５０ミリワットに急上昇し、次いで、約１０分間で６００ミリワットの定常状態に達することが観察された。固体のペルオキシ二硫酸塩の添加により、熱および相当な水素ガスも放出された。
【０１５７】
電力の急上昇は、ペルオキシ二硫酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムの添加などにより酸化剤を添加し、その後、銅線の切断などによる電気化学回路の開放によって、得られるであろう。切断は、コンデンサを構築するために使用してもよい。次に、コンデンサの電荷は、銅線を再び接続し、回路を閉じることによって、放電されるであろう。還元・酸化静電容量は、回路が開いている間にアルミニウムの連続的な酸化により化学的に充電されて、アルミニウム上に正味の負電荷が作られ、これは転じて、二重イオン層（ナトリウムおよび硫酸塩）をアルミニウム表面の隣に形成させ、陽イオンが表面に向きやすいと考えられる。その後回路を閉じると、アノードが負荷機器を通じて急激に放電し、その二重層が同時に壊れ、コンデンサとして一般に知られているものを作り出す。開いて閉じた回路を迅速に循環させると、持続可能な大電流を生じることができる。このコンデンサは、自己充電性であり、配置する酸化剤の量およびｐＨによって制御することができる。
【０１５８】
回路の開閉のこのサイクルは、バルク電解質および固体アルミニウムがその系を通過させられるのと同時に繰り返してもよい。あるいは、結果として生じた硫酸ナトリウム、酸化アルミニウムおよびアルミン酸ナトリウムを除去してもよい。
【０１５９】
先の様々な記載において、電気化学セルは垂直に積み重ねられている。代わりの実施の形態において、例えば、隣接する電気化学セルは、電池を製造するために、他の向きに配置されてもよい。
【０１６０】
本開示による様々な実施の形態が考えられる。そのような実施の形態は、電気化学セルおよび電池を提供する手段として、様々な方法、過程、手順、工程、および操作で用いることができる。本開示は、図面と先の説明に詳しく示し、記載してきたが、それは、特徴の制限ではなく、説明として考えるべきでり、特定の例示の実施の形態のみが示され、記載されていると理解すべきである。当業者には、本開示から実質的に逸脱せずに、例示の実施の形態に多くの改変が可能であることが認識されよう。したがって、そのような改変の全てが、以下の特許請求の範囲に定義されたような本開示の範囲内に含まれることが意図されている。実際に、本開示は、包括的であること、または本開示の範囲を限定することは意図されていない。
【０１６１】
本開示の非限定的な実施の形態の追加のリストが、条項の形態で下記に与えられている。
【０１６２】
条項１．電気化学セルにおいて、
ａ．アノード、
ｂ．電流コレクタ、および
ｃ．前記電流コレクタと前記アノードとの間の多孔質非導電性スペーサ、
を含む電気化学セル。
【０１６３】
条項２．単一の電解質溶液をさらに含む、条項１の電気化学セル。
【０１６４】
条項３．前記セルが電解質で飽和している、条項２の電気化学セル。
【０１６５】
条項４．前記セルが電解質浴中に浸漬されていない、条項３の電気化学セル。
【０１６６】
条項５．前記セルが細孔性材料内に包まれている、条項１の電気化学セル。
【０１６７】
条項６．前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、条項１の電気化学セル。
【０１６８】
条項７．前記アノードがアルミニウムである、条項６の電気化学セル。
【０１６９】
条項８．前記電流コレクタが、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体から選択される、条項１の電気化学セル。
【０１７０】
条項９．前記電流コレクタが炭素発泡体である、条項８の電気化学セル。
【０１７１】
条項１０．前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、条項１の電気化学セル。
【０１７２】
条項１１．前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、条項１０の電気化学セル。
【０１７３】
条項１２．前記電解質が、水および１種類以上の塩を含む、条項２の電気化学セル。
【０１７４】
条項１３．少なくとも１つの塩が酸化剤である、条項１２の電気化学セル。
【０１７５】
条項１４．前記電解質が２つの塩を含む、条項１２の電気化学セル。
【０１７６】
条項１５．前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含む、条項１４の電気化学セル。
【０１７７】
条項１６．前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、条項１５の電気化学セル。
【０１７８】
条項１７．前記電解質が水またはアルコールの一方を含む、条項２の電気化学セル。
【０１７９】
条項１８．前記電解質がカソード液である、条項１７の電気化学セル。
【０１８０】
条項１９．酸化剤をさらに含む、条項１７の電気化学セル。
【０１８１】
条項２０．金属塩をさらに含む、条項１９の電気化学セル。
【０１８２】
条項２１．前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、条項２０の電気化学セル。
【０１８３】
条項２２．前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、条項２１の電気化学セル。
【０１８４】
条項２３．塩基をさらに含む、条項１７の電気化学セル。
【０１８５】
条項２４．前記塩基がＮａＯＨである、条項２３の電気化学セル。
【０１８６】
条項２５．前記セルが負荷機器に電気的に接続されている、条項１から２４のいずれか１つの電気化学セル。
【０１８７】
条項２６．条項１から２４いずれか１つの電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池であって、負荷機器に電気的に接続されている電気化学電池。
【０１８８】
条項２７．条項２５の電気化学セルにより電気または水素を生成する工程、および該電気または水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【０１８９】
条項２８．条項２６の電気化学電池により電気または水素を生成する工程、および該電気または水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【０１９０】
条項２９．電気化学セルを製造する方法であって、
１）条項１および５から１１のいずれか１つの電気化学セルであって、電解質を含まない電気化学セルを提供する工程、および
２）前記セルを単一の電解質溶液と接触させる工程、
を有してなる方法。
【０１９１】
条項３０．前記セル上に前記単一の電解質溶液を吹き付けることによって、該セルを該電解質溶液と接触させる工程を含む、条項２９の方法。
【０１９２】
条項３１．点滴によって、前記セルを前記単一の電解質溶液の液滴と接触させる工程を含む、条項２９の方法。
【０１９３】
条項３２．前記セルを前記単一の電解質溶液の噴霧された霧と接触させる工程を含む、条項２９の方法。
【０１９４】
条項３３．電気化学セルを作動させる方法において、
１）条項１の電気化学セルであって、単一の電解質溶液をさらに含む電気化学セルを提供する工程、
２）前記電気化学セルが作動して、電気、水素、または電気と水素の両方を生成するように、該電気化学セルを負荷機器に電気的に接続する工程、および
３）作動中に前記セルに追加の電解質溶液、またはその１つ以上の成分を供給する工程、
を有してなる方法。
【０１９５】
条項３４．
４）作動中に前記電気化学セルから、使用済みの電解質溶液、またはその１つ以上の成分を抜き取る工程、
をさらに含む、条項３３の方法。
【０１９６】
条項３５．３）追加の電解質溶液、またはその１つ以上の成分を供給すると同時に、４）使用済みの電解質溶液、またはその１つ以上の成分を抜き取る工程を含む、条項３４の方法。
【０１９７】
条項３６．前記単一の電解質溶液が、以下の成分：溶媒、酸化剤、金属塩、および塩の１つ以上を含む、条項３３から３５いずれか１つの方法。
【０１９８】
条項３７．コンデンサを製造する方法であって、条項１から２５いずれか１つの電気化学セルの前記電流コレクタまたはアノード側から負荷機器を外す工程を有してなる方法。
【０１９９】
条項３８．前記負荷機器を再接続する工程をさらに含む、条項３７の方法。
【０２００】
条項３９．条項１から２５いずれか１つの電気化学セルにおいて前記電流コレクタまたはアノードの少なくとも一方からの負荷機器の取り外し、および再接続を交互に行う過程によって調製されたコンデンサ。
【０２０１】
条項４０．前記セルが細孔性材料内に包まれている、条項１から４いずれか１つの電気化学セル。
【０２０２】
条項４１．前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、条項１から４および４０のいずれか１つの電気化学セル。
【０２０３】
条項４２．前記アノードがアルミニウムである、条項４１の電気化学セル。
【０２０４】
条項４３．前記アルミニウムがスクリーンの形態にある、条項４２の電気化学セル。
【０２０５】
条項４４．前記スクリーンにおけるアルミニウムの厚さが約０．１ｍｍと約０．３ｍｍの間にある、条項４３の電気化学セル。
【０２０６】
条項４５．前記電流コレクタが炭素発泡体である、条項１から４および４０から４４のいずれか１つの電気化学セル。
【０２０７】
条項４６．前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、条項１から４および４０から４５のいずれか１つの電気化学セル。
【０２０８】
条項４７．前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、条項４６の電気化学セル。
【０２０９】
条項４８．前記スペーサがスクリーンである、条項４６の電気化学セル。
【０２１０】
条項４９．前記スクリーンにおける前記スペーサの厚さが約０．１ｍｍと約０．８ｍｍの間にあり、該スペーサがビニル被覆ポリエステルである、条項４８の電気化学セル。
【０２１１】
条項５０．前記アノードと、第２の電気化学セルからの隣接する電流コレクタとの間に金属導体をさらに含み、条項１の電気化学セルがフローセルとして作動するように作られている、条項１の電気化学セル。
【０２１２】
条項５１．前記金属導体が銅線である、条項５０の電気化学セル。
【０２１３】
条項５２．前記細孔性材料がサージカル・テープである、条項４０から５１いずれか１つの電気化学セル。
【０２１４】
条項５３．前記電解質が、水および１つ以上の塩を含み、前記塩の内の少なくとも１つが酸化剤である、条項２から４および４０から５２のいずれか１つの電気化学セル。
【０２１５】
条項５４．前記電解質が２つの塩を含む、条項５３の電気化学セル。
【０２１６】
条項５５．前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含む、条項５４の電気化学セル。
【０２１７】
条項５６．前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、条項５５の電気化学セル。
【０２１８】
条項５７．条項１から４および４０から５６いずれか１つの電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池であって、負荷機器に電気的に接続されている電気化学電池。
【０２１９】
条項５８．直列に配置された２つ以上の電気化学セルを含む、条項５７の電気化学電池。
【０２２０】
条項５９．並列に配置された２つ以上の電気化学セルを含む、条項５７の電気化学電池。
【０２２１】
条項６０．直列および並列に配置された電気化学セルを含む、条項５７の電気化学電池。
【０２２２】
条項６１．水および１つ以上の塩を含む電解質をさらに含み、前記塩の内の少なくとも１つが酸化剤である、条項５７から６０いずれか１つの電気化学電池。
【０２２３】
条項６２．前記電解質が２つの塩を含む、条項６１の電気化学電池。
【０２２４】
条項６３．前記電解質が、ペルオキシ二硫酸塩および硫酸塩を含み、塩基をさらに含み、前記電気化学電池がフロー電池として作られている、条項６２の電気化学電池。
【０２２５】
条項６４．前記ペルオキシ二硫酸塩がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記硫酸塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、条項６３の電気化学電池。
【０２２６】
条項６５．電気を生じる、条項５７から６４いずれか１つの電気化学電池。
【０２２７】
条項６６．水素を生じる、条項５７から６４いずれか１つの電気化学電池。
【０２２８】
条項６７．電気と水素を生じる、条項５７から６４いずれか１つの電気化学電池。
【０２２９】
条項６８．条項６５の電気化学電池により生じた電気を用途に供給する工程を有してなる方法。
【０２３０】
条項６９．条項６６の電気化学電池により生じた水素を用途に供給する工程を有してなる方法。
【０２３１】
条項７０．前記用途が携帯電話用電波塔または車両である、条項６８の方法。
【０２３２】
条項７１．前記用途が燃料電池または車両である、条項６９の方法。
【０２３３】
条項７２．前記電解質が水またはアルコールの一方を含む、条項２から４および４０から５６のいずれか１つの電気化学セル。
【０２３４】
条項７３．前記電解質がカソード液である、条項７２の電気化学セル。
【０２３５】
条項７４．酸化剤をさらに含む、条項７２または７３の電気化学セル。
【０２３６】
条項７５．金属塩をさらに含む、条項７４の電気化学セル。
【０２３７】
条項７６．前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、条項７５の電気化学セル。
【０２３８】
条項７７．前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、条項７６の電気化学セル。
【０２３９】
条項７８．塩基をさらに含む、条項７２から７７いずれか１つの電気化学セル。
【０２４０】
条項７９．前記塩基がＮａＯＨである、条項７８の電気化学セル。
【０２４１】
条項８０．水またはアルコールの一方を含む電解質をさらに含む、条項５７から６０のいずれか１つの電気化学電池。
【０２４２】
条項８１．前記電解質がカソード液である、条項８０の電気化学電池。
【０２４３】
条項８２．酸化剤をさらに含む、条項８０または８１の電気化学電池。
【０２４４】
条項８３．金属塩をさらに含む、条項８２の電気化学電池。
【０２４５】
条項８４．前記酸化剤および前記金属塩が異なる陰イオン成分を有する、条項８３の電気化学電池。
【０２４６】
条項８５．前記酸化剤がペルオキシ二硫酸ナトリウムであり、前記金属塩が硫酸ナトリウムである、条項８４の電気化学電池。
【０２４７】
条項８６．塩基をさらに含む、条項８０から８５いずれか１つの電気化学電池。
【０２４８】
条項８７．前記塩基がＮａＯＨである、条項８６の電気化学電池。
【０２４９】
条項８８．電気化学セルにおいて、
ａ）アノード、
ｂ）電流コレクタ、および
ｃ）前記電流コレクタと前記アノードとの間の多孔質非導電性スペーサ、
を含み、
前記電気化学セルが電解質を含まない、電気化学セル。
【０２５０】
条項８９．前記セルが細孔性材料内に包まれている、条項８８の電気化学セル。
【０２５１】
条項９０．前記アノードが、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、条項８８または条項８９の電気化学セル。
【０２５２】
条項９１．前記アノードがアルミニウムである、条項９０の電気化学セル。
【０２５３】
条項９２．前記アノードがスクリーンの形態にある、条項９０または条項９１の電気化学セル。
【０２５４】
条項９３．前記スクリーンにおける前記アノードの厚さが約０．１ｍｍと約０．３ｍｍの間にある、条項９２の電気化学セル。
【０２５５】
条項９４．前記電流コレクタが、鋼鉄、炭素の黒鉛同素体、金属含浸炭素、および炭素発泡体から選択される、条項８８から９３いずれか１つの電気化学セル。
【０２５６】
条項９５．前記電流コレクタが炭素発泡体である、条項９４の電気化学セル。
【０２５７】
条項９６．前記多孔質非導電性スペーサが、有機高分子、サージカル・テープ、ガラス繊維膜、グラスウール、木、紙、布、カード紙、およびナイロンから選択される、条項８８から９５のいずれか１つの電気化学セル。
【０２５８】
条項９７．前記スペーサがビニル被覆ポリエステルである、条項９６の電気化学セル。
【０２５９】
条項９８．前記スペーサがスクリーンである、条項８８から９７のいずれか１つの電気化学セル。
【０２６０】
条項９９．前記スクリーンにおける前記スペーサの厚さが約０．１ｍｍと約０．８ｍｍの間にあり、該スペーサがビニル被覆ポリエステルである、条項９８の電気化学セル。
【０２６１】
条項１００．前記電気化学セルが、単一の電解質溶液を含み、負荷機器に電気的に接続されており、該セルが、約１０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）と約６８０ワット時／（電解質＋アノード金属のｋｇ）の間の電力を生じる、条項１の電気化学セル。
【０２６２】
条項１０１．前記電気化学セルが、単一の電解質溶液を含み、負荷機器に電気的に接続されており、該セルが、約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じる、条項１の電気化学セル。
【０２６３】
条項１０２．非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記金属固体から前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動する、電気化学セル。
【０２６４】
条項１０３．前記電解質水溶液が塩基性であり、前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、条項１０２の電気化学セル。
【０２６５】
条項１０４．前記電解質水溶液が水酸化ナトリウムをさらに含む、条項１０２の電気化学セル。
【０２６６】
条項１０５．前記金属固体が、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、およびこれらの内の少なくとも１つを含む合金から選択される、条項１０２から１０４のいずれか１つの電気化学セル。
【０２６７】
条項１０６．前記金属固体がホイル形態のアルミニウムである、条項１０５の電気化学セル。
【０２６８】
条項１０７．多孔質安定剤をさらに含む、条項１０２から１０６のいずれか１つの電気化学セル。
【０２６９】
条項１０８．金属硫酸塩をさらに含み、前記電流コレクタが炭素発泡体であり、前記多孔質安定剤がグラスウールまたはホウケイ酸塩もしくはその両方である、条項１０２から１０７のいずれか１つの電気化学セル。
【０２７０】
条項１０９．前記金属硫酸塩がＮａ２ＳＯ４である、条項１０８の電気化学セル。
【０２７１】
条項１１０．ｐＨが１２より大きい、条項１０２から１０９のいずれか１つの電気化学セル。
【０２７２】
条項１１１．前記ｐＨが１３より大きい、条項１１０の電気化学セル。
【０２７３】
条項１１２．前記ｐＨが１４より大きい、条項１１１の電気化学セル。
【０２７４】
条項１１３．約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、条項１０２から１１２のいずれか１つの電気化学セル。
【０２７５】
条項１１４．金属固体の平方センチメートル当たりに生じる電力が約６００ｍＷと約１０００ｍＷの間である、条項１１３の電気化学セル。
【０２７６】
条項１１５．フローモードで作動するように作られている、条項１０２から１１４のいずれか１つの電気化学セル。
【０２７７】
条項１１６．条項１０２から１１５のいずれか１つの電気化学セルに追加の酸化剤を供給する工程を含む方法。
【０２７８】
条項１１７．電解質水溶液を含む流入流をさらに含む、条項１１５の電気化学セル。
【０２７９】
条項１１８．前記流入流が酸化剤をさらに含む、条項１１７の電気化学セル。
【０２８０】
条項１１９．前記酸化剤が、ペルオキシ二硫酸ナトリウムまたはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液もしくはその両方である、条項１１８の電気化学セル。
【０２８１】
条項１２０．前記セルから水溶液が流出する、条項１１５から１１９のいずれか１つの電気化学セル。
【０２８２】
条項１２１．前記セルから流出する前記水溶液が、金属硫酸塩を含む、条項１２０の電気化学セル。
【０２８３】
条項１２２．前記酸化剤が塩基性水溶液中にある、条項１１８または１１９の電気化学セル。
【０２８４】
条項１２３．前記塩基がＮａＯＨである、条項１２２の電気化学セル。
【０２８５】
条項１２４．前記酸化剤が固体のＮａ２Ｓ２Ｏ８である、条項１１８または１１９の電気化学セル。
【０２８６】
条項１２５．約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、条項１１５から１２４のいずれか１つの電気化学セル。
【０２８７】
条項１２６．約４０ワット時／電解質のｋｇと８０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、条項１２５の電気化学セル。
【０２８８】
条項１２７．条項１１５から１２６のいずれか１つの電気化学セルの片側から前記負荷機器を取り外す工程を有してなる、コンデンサを製造する方法。
【０２８９】
条項１２８．前記負荷機器を再接続する工程をさらに含む、条項１２７の方法。
【０２９０】
条項１２９．条項１０２から１２６のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記電流コレクタまたはアノードの少なくとも一方から前記負荷機器を交互に取り外し、再接続する過程によって調製されたコンデンサ。
【０２９１】
条項１３０．約１０ワット時／電解質のｋｇと約６０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、条項１２５の電気化学セル。
【０２９２】
条項１３１．非金属電流コレクタ、酸化剤、および金属固体と接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記金属固体から前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動し、ｐＨが１２以上である、電気化学セル。
【０２９３】
条項１３２．前記非金属電流コレクタが炭素発泡体であり、前記酸化剤がペルオキシ二硫酸塩であり、前記金属固体がアルミニウムである、条項１３１の電気化学セル。
【０２９４】
条項１３３．非金属電流コレクタ、酸化剤、および１つ以上のアノードと接触した単一の電解質水溶液を含む電気化学セルであって、電流が前記１つ以上のアノードから前記電流コレクタに負荷機器を通じて移動し、ｐＨが１０以上である、電気化学セル。
【０２９５】
条項１３４．前記１つ以上のアノードが金属である、条項１３３の電気化学セル。
【０２９６】
条項１３５．前記金属が、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、またはこれらの内の少なくとも１つを含む合金である、条項１３４の電気化学セル。
【０２９７】
条項１３６．前記アノードが絶縁体により隔てられている、条項１３３から１３５のいずれか１つの電気化学セル。
【０２９８】
条項１３７．前記アノードが、アルミニウムであり、ホイル形態にある、条項１３５の電気化学セル。
【０２９９】
条項１３８．前記ｐＨが１２以上である、条項１３３から１３７のいずれか１つの電気化学セル。
【０３００】
条項１３９．電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、酸化剤を含む第１の極性電解質溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、適切な金属イオンを含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【０３０１】
条項１４０．各極性電解質溶液が多孔質安定剤をさらに含む、条項１３９の電気化学セル。
【０３０２】
条項１４１．フローモードのために作られている、条項１３９または１４０の電気化学セル。
【０３０３】
条項１４２．前記第１の極性電解質溶液が水性である、条項１３９から１４１のいずれか１つの電気化学セル。
【０３０４】
条項１４３．前記酸化剤がバナジウムイオンである、条項１３９から１４２のいずれか１つの電気化学セル。
【０３０５】
条項１４４．前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、条項１３９から１４２のいずれか１つの電気化学セル。
【０３０６】
条項１４５．前記酸化剤がＣｌＯ−である、条項１３９から１４２のいずれか１つの電気化学セル。
【０３０７】
条項１４６．前記第１の極性電解質溶液が塩基をさらに含む、条項１３９から１４５のいずれか１つの電気化学セル。
【０３０８】
条項１４７．前記塩基が、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｓｒ（ＯＨ）２、およびＢａ（ＯＨ）２から選択される、条項１４６の電気化学セル。
【０３０９】
条項１４８．前記塩基がＮａＯＨである、条項１４７の電気化学セル。
【０３１０】
条項１４９．前記第１の極性電解質溶液のｐＨが約８と約１４の間である、条項１４６から１４８のいずれか１つの電気化学セル。
【０３１１】
条項１５０．前記第１の極性電解質溶液のｐＨが約１１と約１４の間である、条項１４９の電気化学セル。
【０３１２】
条項１５１．前記多孔質安定剤がホウケイ酸塩である、条項１４０から１５０のいずれか１つの電気化学セル。
【０３１３】
条項１５２．前記分離剤が塩である、条項１３９から１５１のいずれか１つの電気化学セル。
【０３１４】
条項１５３．前記塩が塩化カルシウムである、条項１５２の電気化学セル。
【０３１５】
条項１５４．前記塩が硫酸ナトリウムである、条項１５２の電気化学セル。
【０３１６】
条項１５５．前記セルがフローモードで作動するように作られている、条項１３９から１５４のいずれか１つの電気化学セル。
【０３１７】
条項１５６．塩基、酸化剤、および分離剤を含む水溶液を含む流入溶液をさらに含む、条項１５５の電気化学セル。
【０３１８】
条項１５７．前記塩基が水酸化ナトリウムであり、前記分離剤が硫酸ナトリウムであり、前記酸化剤がＳ２Ｏ８２−である、条項１５６の電気化学セル。
【０３１９】
条項１５８．前記セルから、塩基および硫酸ナトリウムを含む水溶液が流出する、条項１５５から１５７のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２０】
条項１５９．塩基の水溶液を含む流出溶液をさらに含む、条項１５５から１５７のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２１】
条項１６０．前記塩基が水酸化ナトリウムである、条項１５９の電気化学セル。
【０３２２】
条項１６１．前記第１の極性電解質溶液内に電流コレクタが配置されている、条項１３９から１６０のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２３】
条項１６２．前記電流コレクタが金属である、条項１６１の電気化学セル。
【０３２４】
条項１６３．前記電流コレクタが非金属である、条項１６１の電気化学セル。
【０３２５】
条項１６４．前記電流コレクタが炭素発泡体である、条項１６３の電気化学セル。
【０３２６】
条項１６５．前記第１と第２の極性電解質溶液の間に配置されたグラスウールをさらに含む、条項１３９から１６４のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２７】
条項１６６．前記第２の極性電解質溶液がアルコールを含む、条項１３９から１６５のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２８】
条項１６７．前記適切な金属イオンがＺｎ２＋である、条項１３９から１６６のいずれか１つの電気化学セル。
【０３２９】
条項１６８．前記適切な金属イオンがＡｌ３＋である、条項１３９から１６６のいずれか１つの電気化学セル。
【０３３０】
条項１６９．前記第２の極性電解質溶液が、アルコール溶液であり、塩基をさらに含む、条項１３９から１６８のいずれか１つの電気化学セル。
【０３３１】
条項１７０．前記塩基がＫＯＨである、条項１６９の電気化学セル。
【０３３２】
条項１７１．前記塩基がＮａＯＨである、条項１６９の電気化学セル。
【０３３３】
条項１７２．前記第２の極性電解質溶液のｐＨが約８と約１４の間である、条項１６９から１７１のいずれか１つの電気化学セル。
【０３３４】
条項１７３．前記第２の極性電解質溶液のｐＨが約１１と約１４の間である、条項１７２の電気化学セル。
【０３３５】
条項１７４．前記分離剤が塩であり、前記アルコールが、エタノール、メタノール、またはその両方である、条項１６６から１７３のいずれか１つの電気化学セル。
【０３３６】
条項１７５．前記塩がＣａＣｌ２である、条項１７４の電気化学セル。
【０３３７】
条項１７６．前記塩が硫酸ナトリウムである、条項１７４の電気化学セル。
【０３３８】
条項１７７．前記アルコールがエタノールである、条項１６６から１７６のいずれか１つの電気化学セル。
【０３３９】
条項１７８．前記第２の極性電解質溶液内に電流コレクタが配置されている、条項１３９から１７７のいずれか１つの電気化学セル。
【０３４０】
条項１７９．前記電流コレクタが金属である、条項１７８の電気化学セル。
【０３４１】
条項１８０．前記電流コレクタが非金属である、条項１７８の電気化学セル。
【０３４２】
条項１８１．前記電流コレクタが炭素発泡体である、条項１８０の電気化学セル。
【０３４３】
条項１８２．前記セルがフローモードで作動するように作られている、条項１６６から１８１のいずれか１つの電気化学セル。
【０３４４】
条項１８３．アルコール、塩基、分離剤、および適切な金属イオンに解離できる金属を含む極性溶液を含む流入流をさらに含む、条項１８２の電気化学セル。
【０３４５】
条項１８４．前記アルコールが、エタノールまたはメタノールもしくはその両方であり、前記塩基が水酸化ナトリウムであり、前記適切な金属イオンがＡｌ３＋である、条項１８３の電気化学セル。
【０３４６】
条項１８５．アルコール、塩基、および分離塩を含む流出流をさらに含む、条項１６６から１８４のいずれか１つの電気化学セル。
【０３４７】
条項１８６．前記分離塩が硫酸ナトリウムであり、前記塩基が水酸化ナトリウムである、条項１８５の電気化学セル。
【０３４８】
条項１８７．前記アルコールがエタノールである、条項１８５または１８６の電気化学セル。
【０３４９】
条項１８８．前記第２の極性電解質溶液中で水素ガスが生成される、条項１３９から１８７のいずれか１つの電気化学セル。
【０３５０】
条項１８９．前記水素ガスが水素圧縮機に向けられる、条項１８８の電気化学セル。
【０３５１】
条項１９０．条項１３９から１８９のいずれか１つの電気化学セルを１つ以上と、水素圧縮機とを備えた電池システム。
【０３５２】
条項１９１．水素が、プロセス用途に電力を供給するために使用される、条項１９０の電池システム。
【０３５３】
条項１９２．前記プロセス用途が燃料電池である、条項１９１の電池システム。
【０３５４】
条項１９３．電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、Ａｌ３＋を含む第２の極性電解質アルコール溶液、および
ｅ．前記第１と第２の極性電解質溶液の両方の中のホウケイ酸塩、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【０３５５】
条項１９４．前記第１の極性電解質溶液と第２の極性電解質溶液が異なる密度のものであり、該第１の極性電解質溶液がハロゲン化物塩をさらに含み、該第２の極性電解質溶液が金属硫酸塩をさらに含む、条項１９３の電気化学セル。
【０３５６】
条項１９５．前記アルコールがメタノールまたはエタノールであり、前記ハロゲン化物塩がＣａＣｌ２であり、前記金属硫酸塩がＮａ２ＳＯ４である、条項１９４の電気化学セル。
【０３５７】
条項１９６．前記第１と第２の極性電解質溶液のｐＨが、各々約１１から約１３となるように調節されている、条項１９５の電気化学セル。
【０３５８】
条項１９７．前記第１と第２の極性電解質溶液が塩基をさらに含む、条項１９３の電気化学セル。
【０３５９】
条項１９８．前記塩基が、ナトリウム、カルシウムまたはカリウムの水酸化物である、条項１９７の電気化学セル。
【０３６０】
条項１９９．前記カソードが、銅、炭素、またはその両方であり、前記アノードがアルミニウムである、条項１９３から１９８のいずれか１つの電気化学セル。
【０３６１】
条項２００．前記カソードが銅ブラシである、条項１９９の電気化学セル。
【０３６２】
条項２０１．前記ホウケイ酸塩が「Ｐｙｒｅｘ」ウールである、条項１９３から２００のいずれか１つの電気化学セル。
【０３６３】
条項２０２．前記セルがフローモードで作動するように作られている、条項１９３から２０１のいずれか１つの電気化学セル。
【０３６４】
条項２０３．条項１９３から２０２のいずれか１つの電気化学セルを１つ以上含む電気化学電池。
【０３６５】
条項２０４．前記電気化学セルの数が１より多く、該電気化学セルが並列配置で配列されている、条項２０３の電気化学電池。
【０３６６】
条項２０５．前記セルがボルト電堆で配列されている、条項２０４の電気化学電池。
【０３６７】
条項２０６．前記電池が電気をプロセス用途に供給する、条項２０３から２０５のいずれか１つの電気化学電池。
【０３６８】
条項２０７．前記プロセス用途が、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具から選択される、条項２０６の電気化学電池。
【０３６９】
条項２０８．条項１９３から２０２のいずれか１つの電気化学セルからの電気をプロセス用途に供給する方法。
【０３７０】
条項２０９．前記プロセス用途が、ソーラーファーム、ウィンドファーム、家庭用電化製品、消費財、および玩具から選択される、条項２０８の方法。
【０３７１】
条項２１０．前記ホウケイ酸塩が、約８マイクロメートルの細孔径を有する、条項２０１の電気化学セル。
【０３７２】
条項２１１．電気化学セルにおいて、
ａ．非金属カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接した非金属アノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、Ｓ２Ｏ８２−を含む第１の極性電解質水溶液、および
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、金属固体を含む第２の極性電解質アルコール溶液、
を含み、
前記第１と第２の極性電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の極性電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【０３７３】
条項２１２．前記金属固体が、粉末形態で前記溶液中に分散しており、前記第１と第２の極性電解質溶液の両方の中にホウケイ酸塩が入れられている、条項２１１の電気化学セル。
【０３７４】
条項２１３．前記金属が亜鉛である、条項２１２の電気化学セル。
【０３７５】
条項２１４．前記金属がアルミニウムである、条項２１２の電気化学セル。
【０３７６】
条項２１５．前記非金属カソードが炭素発泡体である、条項２１１から２１４のいずれか１つの電気化学セル。
【０３７７】
条項２１６．前記非金属アノードが炭素発泡体である、条項２１１から２１５のいずれか１つの電気化学セル。
【０３７８】
条項２１７．前記粉末の平均粒径が約５マイクロメートル未満である、条項２１２から２１６のいずれか１つの電気化学セル。
【０３７９】
条項２１８．前記粉末の平均粒径が約５マイクロメートルと約３０マイクロメートルの間である、条項２１２から２１６のいずれか１つの電気化学セル。
【０３８０】
条項２１９．条項２１１から２１８のいずれか１つの第２の極性電解質溶液に酸化剤を添加する工程を有してなる、電気化学セルにおいて電流を高める方法。
【０３８１】
条項２２０．電気化学セルにおいて、
ａ．カソード、
ｂ．ある距離で前記カソードに隣接したアノード、
ｃ．前記カソードと接触し、前記距離内に配置された、酸化剤を含む第１の電解質水溶液、
ｄ．前記アノードと接触し、前記距離内に配置された、金属と酸化剤を含む第２の極性電解質溶液、および
ｅ．分離剤、
を含み、
前記第１と第２の電解質溶液が、互いに接触しており、非混和性であり、該第１と第２の電解質溶液の間に膜がない、電気化学セル。
【０３８２】
条項２２１．前記第２の極性電解質溶液がアルコール溶液である、条項２２０の電気化学セル。
【０３８３】
条項２２２．前記アルコールがエタノールまたはメタノールである、条項２２１の電気化学セル。
【０３８４】
条項２２３．前記酸化剤が、Ｓ２Ｏ８２−またはペルオキシ二硫酸ナトリウム、もしくはその両方であり、前記金属がアルミニウムであり、前記分離剤が硫酸ナトリウムであり、前記カソードとアノードが炭素発泡体である、条項２２０から２２２のいずれか１つの電気化学セル。
【０３８５】
条項２２４．前記第１と第２の電解質溶液中に多孔質安定剤がある、条項２２３の電気化学セル。
【０３８６】
条項２２５．前記多孔質安定剤が、グラスウール、ホウケイ酸塩、またはその両方である、条項２２４の電気化学セル。
【０３８７】
条項２２６．フローモードで作動するように作られている、条項２２０から２２５のいずれか１つの電気化学セル。
【０３８８】
条項２２７．条項２２０から２２６のいずれか１つの電気化学セルに追加の酸化剤を供給する工程を有してなる方法。
【０３８９】
条項２２８．電解質水溶液を含む流入流をさらに含む、条項２２６または２２７の電気化学セル。
【０３９０】
条項２２９．前記流入流が酸化剤をさらに含む、条項２２８の電気化学セル。
【０３９１】
条項２３０．前記酸化剤が、ペルオキシ二硫酸ナトリウム、またはペルオキシ二硫酸陰イオンを含む溶液、もしくはその両方である、条項２２９の電気化学セル。
【０３９２】
条項２３１．前記セルから水溶液が流出する、条項２２６および２２８から２３０のいずれか１つの電気化学セル。
【０３９３】
条項２３２．条項２２６および２２８から２３０のいずれか１つの電気化学セルから金属硫酸塩を除去する工程を有してなる方法。
【０３９４】
条項２３３．前記酸化剤が塩基性水溶液中にある、条項２２９の電気化学セル。
【０３９５】
条項２３４．前記塩基がＮａＯＨである、条項２３３の電気化学セル。
【０３９６】
条項２３５．前記酸化剤が固体のＮａ２Ｓ２Ｏ８である、条項２２９または２３０の電気化学セル。
【０３９７】
条項２３６．約１０ワット時／電解質のｋｇと約１００ワット時／電解質のｋｇの間の電力を生じる、条項２２０から２３５のいずれか１つの電気化学セル。
【０３９８】
条項２３７．約４０ワット時／電解質のｋｇと約８０ワット時／電解質のｋｇの間の電力が生じる、条項２０８の電気化学セル。
【符号の説明】
【０３９９】
１０、１１    セル
１２、６３、６３ａ    カソード
１４、６２、６２ａ、１００    アノード
１６、１５０    負荷機器
１８    回路
２０    第１の電解質溶液
２０ｃ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ    電解質溶液
２０ｄ    電気化学セル
２１、２３、２５、２７、３１、３３    導管
２２    第２の電解質溶液
２４    第３の電解質溶液
２６    還元剤
３０、３２    タンク
５０、５２    ポンプ
１１０    多孔質非導電性スペーサ
１２０    電流コレクタ
１３０    銅線
１４０    銅
１６０    積層体
【図１】
2020511599.tif 000014
【図２】
2020511599.tif 000015
【図３】
2020511599.tif 000016
【図４Ａ】
2020511599.tif 000017
【図４Ｂ】
2020511599.tif 000018
【図５】
2020511599.tif 000019
【図６】
2020511599.tif 000020
【図７】
2020511599.tif 000021
【図８】
2020511599.tif 000022
【図９】
2020511599.tif 000023
【国際調査報告】
2020511599.tif 000024
2020511599.tif 000025
2020511599.tif 000026