JP2022519575A - 閉じ込められた電解質を有する電気化学システム - Google Patents

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Abstract

例えば電解槽における、閉じ込められた電気化学セル又は接続された電気化学セルの群（例えばスタック）内での電解質の管理及び制御のためのシステム及び方法を本明細書で述べる。システム及び方法の様々な実施形態は、セル間の寄生伝導経路の排除、及び／又はセル内の流体圧力の正確な受動制御を提供する。いくつかの実施形態では、生成された気体又は他の生成物をセルから効率的に収集及び除去しながら、一定体積の電解質が各セル内に実質的に保持される。【選択図】 図１

Description

関連出願への相互参照
[0001]本出願は、２０１９年２月１日出願の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ」という名称の米国特許仮出願第６２／７９９，９６６号、及び２０１９年５月３０日出願の「Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許仮出願第６２／８５４，７５７号の利益を主張するものであり、上記特許出願それぞれの全体を、本明細書と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み込む。
[0002]本発明は、一般に電気化学システムに関連し、いくつかの実施形態では、より詳細には、気体生成物を生成するための電気化学セルのセル、スタック、及び動作に関する。
[0003]何十年にもわたり、分子形態での水素（Ｈ２）は価値のある商品となっている。その用途には、典型的には、アンモニア製造、炭化水素の接触分解、及び他の工業用途が含まれる。
[0004]水素はエネルギー貯蔵媒体として働くこともあり、将来のエネルギー経済において役割を果たすものと認識されている。この用途での水素の使用のために期待される方法の１つは、天然ガスグリッドへの注入によるものであり、天然ガスグリッドでは、水素ガスの形でエネルギーを貯蔵するための膨大な容量がすでに利用可能である。この用途は、パワーツーガス（Ｐ２Ｇ）又はグリーン水素と呼ばれる。Ｐ２Ｇ及びグリーン水素技術が普及するにつれて、電解槽によって消費される電力は増加する。
[0005]既存の電解槽システムには、効率を低下させ、システムの複雑さを増し、コストの増加につながる多くの欠点がある。
[0006]添付図面を参照して、様々な実施形態を詳細に述べる。特定の例及び実装形態への言及は、説明のためのものであり、他の実装形態の包含を排除することは意図されていない。様々な実施形態の様々な構成要素、サブシステム、及び変更形態は、他の実施形態の構成要素、サブシステム、又は変更形態と結合し直されて、さらなる実施形態を形成することができる。
[0007]水素及び他の気体を生成するための水の電気分解は、現在、２つのタイプのシステムで行われている。ポリマー電解質膜（又はプロトン交換膜、どちらもＰＥＭと略される）電解槽は、固体ポリマー電解質を利用して、正極と負極の間でプロトンを伝導する。そのようなシステムは、一般に、純粋な脱イオン水をセルのスタックに圧送することを含み、各セルが、固体ポリマー電解質を含む。固体ポリマー電解質は、一般に非常に薄く、従来、低抵抗でより高い電流密度の動作を可能にする。さらに、固体ポリマー電解質膜は、膜を通って一方の半電池から他方の半電池に横切る気体の量を実質的に制限する傾向があり、その結果、気体の純度が高くなり、損失が減少する。
[0008]しかし、固体ポリマー電解質はまた、液体又はゲル電解質よりもイオン伝導に対する抵抗がより高い傾向がある。より高い抵抗は、より高い効率損失をもたらす。ＰＥＭ電解槽は、白金族金属触媒及びチタン又は金担体構造などの高価な材料を必要とする傾向もある。その結果、ＰＥＭ電解槽は、それらの利点にもかかわらず、生成及び動作にかなりのコストがかかることがある。
[0009]第２のタイプであるアルカリ電解槽は、アルカリ電解質水溶液を使用して、非導電性セパレータを横切って電極間でイオンを伝導する。アルカリ電解槽は、材料のコストがより低いという利益があり、場合によっては、電解質の高い導電性により、性能の向上を示すことがある。ＰＥＭ電解槽と比較して、アルカリ電解槽は気体クロスオーバの影響を受けにくい傾向がある。それにもかかわらず、アルカリ電解槽は他の問題の影響を受けやすいままである。アルカリ電解槽の最も重大な欠点の１つは、いわゆる「シャント電流」によって引き起こされる寄生損失である。
[0010]従来技術のアルカリ電解槽では、電解反応で分解される水は、セルスタックを通してポンプで圧送される電解質水溶液中の水である。スタックを通して電解質を循環させることは、よく混合された電解質溶液に電極をさらす、溶解された気体をセルの外部に除去することができる、水酸化物（又は他の電解質）濃度を簡単に維持することができるなど、様々な利益を提供する。
[0011]そのようなアルカリ電解質システムは、一般に、マニホルド又は他の一般的な電解質フローチャネルを使用して、電解質をスタックの全てのセルに、且つセルを通して送る。導電性電解質を含むこれらの一般的なチャネルは、電流が流れることができるセル間に導電性経路を生成する。これらの「シャント電流」は、セル内の所望の電気化学反応をサポートせず、したがって、寄生損失と呼ばれることもある一種の非効率性を表す。
[0012]シャント電流を軽減又は排除するためのほとんどの手法は、効果が最小限でしかない、コストがかかる、又はさらなるシステム非効率性をもたらす傾向がある。それにもかかわらず、シャント電流によって課せられるコスト及び非効率性は、アルカリ電解槽を動作させるための不可避のコストとして広く受け入れられている。
[0013]本出願人は、シャント電流を回避するために別の手法を採用し、その過程においていくつかの他の利点を把握した。流動電解質システムアーキテクチャの課題に取り組むのではなく、本出願人は、「プラントのバランス」の機能をセルスタックの各層に統合することによって、セルスタック全体を通して電解質を流す必要性をなくす電気化学セルスタックアーキテクチャを開発した。そのようなシステムでは、各セル又は半電池は、セル又は半電池内に閉じ込められ、任意の他のセルの電解質から流体的に隔離されたある量の電解質を含む。そのように閉じ込められた電解質は、スタック内の他のセルとの望ましくない導電性経路を形成することがない。その結果、寄生シャント電流がなくされる。シャント電流の回避は、従来のアルカリ電解槽で実現可能なよりも多くのセルを単一のスタック内に組み込むことができるなど、従来のアルカリ電解槽では得られない利益を提供し、以て、より高いスタック電圧を実現し、全体的な効率を向上させる。また、流れる電解質がないことにより、（一般に、本明細書では「気体クロスオーバ」又は単に「クロスオーバ」と呼ばれる）一方の半電池で生成された気体を対半電池にクロスオーバさせる傾向がある力を軽減することによって、気体純度の改善が可能になる。
[0014]本明細書におけるアルカリ電解システムへの言及にもかかわらず、本明細書で述べるデバイス、システム、及び方法は、様々な化学物質生成電解槽、電池システム、燃料セルシステム、水、材料、又は化学物質を精製するための電気化学システム、及び他の電気化学セルシステムを含む広範な電気化学セル及びシステムに適用することができることを当業者は理解されよう。
[0015]本明細書で述べる独自のアーキテクチャは、以下のものを含めたいくつかの構成要素及びサブシステムを備える。各セル又は半電池内に水性電解質を実質的に閉じ込めるための電解質閉じ込めシステム、閉じ込めシステムから逃げる電解質を捕捉するための電解質捕捉システム、セル又は半電池から逃げた電解質をセル又は半電池チャンバに戻すための電解質返還システム、各セル又は半電池に補給液（例えば、いくつかの実施形態では脱イオン水）を供給して、セル内の電気化学反応で消費される液体（例えば水）を、セパレータ膜の両側の圧力差を実質的に最小化しながら補充するための受動圧力駆動型の水供給システム、生成された気体を、外部気体圧縮を必要とせずに高圧で収集するための高圧気体収集システム、及びセル内の流体の容積膨張及び収縮に対応するための容積膨張システム。
[0016]上記のサブシステムのいくつかの実施形態はまた、本明細書で「空洞」ポンプと呼ぶ独自のポンプ構成を利用することもある。また、本明細書における電気化学システムの実施形態は、システム内の最小数の点で、能動流体圧力制御の下で様々な圧力領域及び圧力勾配を受動的に、しかし自動的に制御するように構成されることもある。
[0017]いくつかの実施形態では、本明細書で述べる電気化学システムは、様々な圧力領域間の相対的な圧力差を所望の範囲内で維持しながら高い絶対圧力で動作させることができる。気体生成電気化学セルを高い絶対圧力で動作させることにより、特定の用途によって必要とされる圧力まで気体を加圧するための追加の圧縮機を必要とせずに（又はその必要性を減らして）、気体を高圧で生成及び送達することができる。
[0018]様々な実施形態において、高圧で（すなわち、大気圧よりも高い絶対圧力で）動作される電気化学システムは、１つ又は複数の圧力容器内に、又は大気圧に対して所望の程度の圧力を保持するように構成されたプレートアンドフレームセルスタックを使用することによって、セルスタック及び／又は他の構造を含むことがある。いくつかの実施形態では、高い絶対圧力での動作は、１つ又は複数のセル領域を不活性又は最小反応性気体（例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、又はこれら若しくは他の気体の様々な組合せ）で予圧することによって達成することができる。他の実施形態では、高い動作圧力は、補給液（例えば水）を所望の絶対圧力でセルスタックに圧送することによって最初に確立及び／又は維持されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、電気化学システムは、約１０ｂａｒ、２０ｂａｒ、３０ｂａｒ、４０ｂａｒ、５０ｂａｒ、６０ｂａｒ、７０ｂａｒ、８０ｂａｒ、９０ｂａｒ、１００ｂａｒ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、３０ａｔｍ、４０ａｔｍ、５０ａｔｍ、６０ａｔｍ、７０ａｔｍ、８０ａｔｍ、９０ａｔｍ、１００ａｔｍ、又はそれよりも大きい絶対圧力に予圧されて動作されることがある。
[0019]一態様では、電解質閉じ込め電気化学セルのスタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、ａ）第１の電極と接触する電解質の第１の体積を含む第１の半電池チャンバと、ｂ）対電極と接触する電解質の第２の体積を含む第２の半電池チャンバと、ｃ）第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、ｄ）第１の半電池と連通する第１の電解質捕捉及び返還システムとを備え、第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池チャンバから逃げる電解質の第１の体積から、捕捉された電解質を受け取り、捕捉された電解質を、電解質返還導管を通して第１の半電池チャンバ及び第２の半電池チャンバの少なくとも一方に押し流して戻すように構成された、電解質閉じ込め電気化学セルのスタックが提供される。いくつかの実施形態では、個々の電気化学セルの捕捉及び返還システムは、スタックの他の電気化学セルの捕捉及び返還システムから流体的に隔離されることがある。いくつかの実施形態では、スタックは、隣り合うセルを連結する双極板を備える双極スタックを備えることがある。
[0020]電気化学システムは、第２の半電池チャンバと連通する第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備えることがあり、第２の電解質捕捉及び返還システムは、第２の半電池チャンバから逃げる電解質の第２の体積から電解質を捕捉し、捕捉された電解質を第１の半電池チャンバ、第２の半電池チャンバ、又はその両方に押し流して戻すように構成されている。
[0021]第１及び第２の電解質捕捉及び返還システムは、液気分離チャンバを備えることがある。液気分離チャンバは、液体電解質の捕捉を可能にするために重力を使用すると共に、生成ガスを含む気体の流れを可能にするヘッドスペースを有することがある。第１及び第２の電解質捕捉及び返還システムは、気体除去マニホルドと流体連通することがあり、気体除去マニホルドは、スタックの各電気化学セルと流体連通する。第１及び第２の電解質捕捉及び返還システムは、気体除去液体を含むことがある。気体除去液体は、所定の流体圧力範囲内に維持されることがある。
[0022]電気化学システムは、気体及び液体電解質が第１の半電池チャンバ又は第２の半電池チャンバからそれぞれ第１の電解質捕捉及び返還システム又は第２の電解質捕捉及び返還システムに逃げる流体逃がし要素をさらに備えることがある。流体逃がし要素は、流体の流れへの抵抗を与えるように構成されることがある。流体逃がし要素は、流体の流れに非線形の抵抗を与えるように構成されることがあり、流体は気体と液体との両方を含む。流体逃がし要素は、気体のボーラスと液体のボーラスとが直列にのみ流れることができる出口チャネルを備えることがある。流体逃がし要素は、本明細書で述べる実施形態によれば、１つ若しくは複数の出口チャネル及び／又は１つ若しくは複数の膜を備えることができる。いくつかの実施形態では、流体逃がし要素は、本明細書で述べる実施形態によれば、１つ若しくは複数の出口チャネル及び／又は１つ若しくは複数の膜からなることがある。
[0023]電解質捕捉及び返還システムは、電解質捕捉容積を備えることがある。電解質捕捉及び返還システムは、半電池と電解質捕捉容積との間に配置された膜を備えることがある。電解質捕捉及び返還システムは、例えば、生成ガス出口と電解質捕捉容積との間に配置された電解質捕捉及び返還システムの電解質を維持しながら、生成ガスの流れを促進するための膜を備えることがある。電解質捕捉及び返還システムは、電解質を第１の半電池又は第２の半電池に戻すように構成された１つ又は複数のポンプを備えることがある。電解質捕捉及び返還システムは、例えば、電気化学セルの２つの半電池間で電解質の混合を可能にするように構成される。
[0024]電気化学システムは、電池、フロー電池、又は燃料セルでもよい。電気化学システムは、アルカリ電解セルでもよい。電気化学セルは、生成ガスとして水素ガス及び酸素ガスを生成する。電解質はアルカリ性水溶液でもよい。電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、又はそれらの任意の組合せを含むことがある。
[0025]電気化学セルは、第１の半電池及び第２の半電池と流体連通する膨張チャンバをさらに備えることがあり、膨張チャンバは、電解質中の気泡が混合流体の体積を増加させるときに半電池チャンバの一方又は両方の流体の体積膨張を可能にするように構成される。膨張チャンバは、第１の半電池と第２の半電池との間の圧力勾配を低減するように構成される。膨張チャンバは、第１の半電池と第２の半電池とで実質的に等しい圧力、例えば、２ａｔｍ未満、１ａｔｍ未満、０．５ａｔｍ未満、又は任意選択で０．２５ａｔｍ未満の圧力差を維持することができる。膨張チャンバは、電解質捕捉及び返還システムと流体連通することがある。
[0026]電気化学セルは、膨張チャンバと動作的に連通する膨張抵抗器をさらに備えることがある。膨張抵抗器は、ばね、ベローズ、ダイヤフラム、バルーン、膨張チャンバの物理的特性、又はそれらの任意の組合せでもよい。膨張チャンバは、第１の半電池及び第２の半電池からの電解質の分離を維持するための分割器を備えることがある。そのような分割器は、２つの半電池内の流体圧力の平衡を可能にするように構成されることもある。膨張チャンバは、膨張に対する抵抗を与えて、膨張チャンバ容積が閾値容積を超えるときに流体圧力の増加を引き起こすことがある。膨張チャンバは、膨張に対する抵抗を与えて、膨張チャンバ容積の増加と共に流体圧力を線形に、幾何学的に、指数関数的に、段階的に、又は他の形で増加させることがある。
[0027]電気化学セルは、電気化学セルと流体連通する補給液供給源をさらに備えて、補給液を第１の半電池、第２の半電池、又はその両方に提供する。電気化学システムは、補給液供給源と電気化学セルとの間に配置された一方向弁をさらに備えることがある。補給液供給源は、スタックの各電気化学セルと流体連通している供給マニホルドによって電気化学セルに提供されることがある。一方向弁は、供給マニホルドと電気化学セルとの圧力差に基づいて、電気化学セルへの補給液の流れを調整することができる。補給液は脱イオン水でもよい。
[0028]電気化学システムは、電気化学セルのそれぞれに動作可能に接続され、捕捉された電解質を電解質捕捉容積から半電池チャンバの一方又は両方に押し流すように構成されたポンプ、例えば空洞ポンプ又は容積式ポンプをさらに備えることがある。ポンプは、電解質返還チャネルを通して液体と気体との両方を押し流すことが可能であり得る。ポンプは、作動流体によって取り囲まれた導管の圧縮可能な区域を備えることがある。スタックの各電気化学セルは、電気化学セルの外部のハウジング容積内に少なくとも１つの圧縮可能な導管区域を備えることがある。スタックの各電気化学セルの各半電池チャンバは、ハウジング容積内に圧縮可能な導管区域を備えることがある。作動流体は、全ての電気化学セルの圧縮可能な導管区域を取り囲む連続的なハウジング容積に含まれることがある。
[0029]スタックは、角柱状の層状構成（例えばプレートアンドフレーム構成）、円形円筒形構成、渦巻状のジェリーロール構成、角柱状のジェリーロール構成、又は任意の他の丸められたジェリーロール構成で配置されることがある。
[0030]一態様では、少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルを具備する電気化学システムであって、少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルが、ａ）電解質と、ｂ）電解質の第１の部分と接触する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを備える第１の半電池と、ｃ）電解質の第２の部分と接触する第２の電極、並びに第２の電解質捕捉及び返還システムを備える第２の半電池と、ｄ）第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備え、第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池から押し出された電解質を捕捉し、押し出された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく第１の半電池に戻すように構成され、第２の電解質捕捉及び返還システムが、第２の半電池から押し出された電解質を捕捉し、押し出された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく第２の半電池に戻すように構成される、電気化学システムが提供される。
[0031]第１の電解質捕捉及び返還システムは、第２の半電池から流体的に隔離されることがあり、第２の電解質捕捉及び返還システムは、第１の半電池から流体的に隔離されることがある。
[0032]一態様では、少なくとも１つの生成ガスを生成する方法であって、ｉ）電気化学システムを準備するステップであって、電気化学システムが、少なくとも１つの電気化学セルを備え、少なくとも１つの電気化学セルが、ａ）電解質と、ｂ）電解質の第１の部分と連通する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを有する第１の半電池と、ｃ）電解質の第２の部分と連通する第２の電極、並びに第２の電解質捕捉及び返還システムを含む第２の半電池と、ｄ）第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備える、ステップと、ｉｉ）第１の電解質捕捉及び返還システムによって第１の半電池から押し出された電解質の少なくとも一部を捕捉し、捕捉された電解質を第１の半電池に戻すステップと、ｉｉｉ）第２の電解質捕捉及び返還システムによって第２の半電池から押し出された電解質の少なくとも一部を捕捉し、捕捉された電解質を第２の半電池に戻すステップと、ｉｖ）少なくとも１つの電気化学セルで電解質を反応させ、以て、少なくとも１つの生成ガスを生成するステップと、を含む方法が提供される。
[0033]一態様では、水素ガス及び酸素ガスを生成するための方法であって、ｉ）電解槽を準備するステップであって、電解槽が、複数の電気化学セルを備え、複数の電気化学セルがそれぞれが独立して、ａ）水性電解質と、ｂ）水性電解質の第１の部分と連通する第１の電極、第１の電解質捕捉及び返還システム、並びに酸素ガス捕捉システムを有する第１の半電池と、ｃ）水性電解質の第２の部分と連通する第２の電極、第２の電解質捕捉及び返還システム、及び水素ガス捕捉システムを含む第２の半電池と、ｄ）第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備える、ステップと、ｉｉ）第１の電解質捕捉及び返還システムによって第１の半電池から押し出された電解質の少なくとも一部を捕捉し、捕捉された電解質を第１の半電池に戻すステップと、ｉｉｉ）第２の電解質捕捉及び返還システムによって第２の半電池から押し出された電解質の少なくとも一部を捕捉し、捕捉された電解質を第２の半電池に戻すステップと、ｉｖ）電気化学セルそれぞれの水性電解質を電気分解し、以て、水素ガス及び酸素ガスを生成し、各酸素ガス捕捉システムが互いに流体連通し、各水素ガス捕捉システムが互いに流体連通する、ステップと、を含む方法が提供される。いくつかの態様では、捕捉及び返還システムは、液体形態及び／又はミスト形態でいずれかの半電池から押し出された電解質の８０％、９０％、９５％、９９％、９９．９％、９９．９９％、又は９９％～１００％（質量％又は容積％）を捕捉し、少なくとも、捕捉された電解質を、それが捕捉されたセル又は半電池に戻すように構成されることがある。
[0034]第１の電解質捕捉及び返還システムは、各電気化学セルの第２の電解質捕捉及び返還システムと流体連通することがある。第１の電解質捕捉及び返還システム並びに第２の電解質捕捉及び返還システムは、個々の電気化学セルに関連付けられ、電解槽内の他の電気化学セルの電解質捕捉及び返還システムから流体的に隔離されることがある。
[0035]電気化学システムとして述べる様々な実施形態及び特徴が、本明細書で述べる様々な方法、電解槽、及び他のシステムと統合されることがあることを当業者は理解されよう。
[0036]一態様では、ａ）作動流体を含むハウジングチャンバと、ｂ）複数の導管であって、それぞれハウジングの一部を通って延び、各導管が、ハウジング内に位置し、作動流体によって取り囲まれた圧縮可能な領域を備え、各導管が、圧縮可能な領域の上流に配置された上流の一方向弁と、圧縮可能な領域の下流に配置された下流の一方向弁とを有する、複数の導管と、ｃ）ハウジングチャンバと連通するアクチュエータと、を備える空洞ポンプであって、アクチュエータが、導管の圧縮可能な領域を少なくとも部分的に圧縮するのに十分な圧縮及び／又は膨張力を作動流体に加えるように構成されている、空洞ポンプが提供される。
[0037]作動流体は、非圧縮性液体又は圧縮性気体でもよい。上流の一方向弁のいくつか又は全て、及び下流の一方向弁のいくつか又は全ては、ハウジングチャンバの外部に位置することがある。上流の一方向弁のいくつか又は全て、及び下流の一方向弁のいくつか又は全ては、ハウジングチャンバの内部に位置することもある。
[0038]導管の圧縮性領域のいくつか又は全ては、圧縮性配管の区域を備えることがある。本明細書で述べる電気化学システム及び方法は、本明細書で述べる空洞ポンプの導管として、電解質返還導管のいくつか又は全てを使用することができる。空洞ポンプハウジングは、電気化学スタックハウジングの一部分を備えることがある。
[0039]ハウジングチャンバは、積み重ねられたプレートアンドフレームセルスタック構造の層に複数のアパーチャを含むことがある。空洞ポンプは、ハウジングチャンバ内の作動流体が圧縮性導管区域内の流体を押し流すことを可能にするように構成されたハウジング内に又はハウジングに隣り合って配置された圧縮性導管区域をさらに備えることがある。
[0040]以下の詳細な説明において、添付図面を参照して例示的実施形態を述べる。
セル固有の電解質捕捉及び返還システムを有する電気化学システムの概略図である。 セル固有の電解質捕捉及び返還並びに容積膨張システムを有する電気化学システムの概略図である。 空洞ポンプの概略概念図である。 セルフレーム構造など平面状の基板に実装された例示的な空洞ポンプの概略分解斜視図である。 図３Ｂの例示的な空洞ポンプの断面図である。 スタックを利用する電解槽システムの概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を備えた電解槽の特定の動作段階中の流体圧力、流量、及び容積の関係を示す概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を備えた電解槽の特定の動作段階中の流体圧力、流量、及び容積の関係を示す概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を備えた電解槽の特定の動作段階中の流体圧力、流量、及び容積の関係を示す概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を備えた電解槽の特定の動作段階中の流体圧力、流量、及び容積の関係を示す概略図である。 補給液がセルから出ることなくセルに受動的に送達されることがある電気化学システムの概略図である。 補給液が正極と負極との間の電極間空間に受動的に送達される電気化学システムの概略図である。 セル内の電気化学反応によって生成された気体を含む、流れる気体によって冷却されるように構成された電気化学システムの概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を備える電気化学システムであって、一方の半電池が電解質及び／又は補給液で満たされ、対半電池が、対半電池で生成された気体及び対半電池チャンバを通って押し流される気体を含めた気体のみを含む、電気化学システムの概略図である。 電解質閉じ込め特徴部を利用する気体冷却式ＰＥＭ（プロトン交換膜）又はＡＥＭ（アニオン交換膜）電気化学セルの概略図である。 プレートアンドフレームセルスタックの電気化学セルの例示的実施形態の構成要素の分解図である。 双極プレートアンドフレームセルスタックに含まれるように構成された平面状のセルフレームの第１の側における電解質閉じ込め特徴部の例示的な配置を示す平面図である。 図１２の平面状セルフレームの第２の側における電解質閉じ込め特徴部の例示的な配置を示す平面図である。 図１２Ａに示される線Ｘ－Ｘを通して取られた、セルスタックの２つの隣り合うセルのセルフレームに統合された膨張容積の断面図である。 プロセス水構成要素とは独立した熱管理構成要素を有する電解槽システムの例示的実施形態の概略図である。 プロセス水構成要素とは独立した熱管理構成要素を有する電解槽システムの例示的実施形態の概略図である。 特定の実施形態による、冷却剤を循環させることができる冷却剤導管を有する例示的な多層冷却双極板の概略分解図である。 特定の実施形態による、例示的な低流量ＰＥＭ電解槽の電気化学セルのいくつかの特徴部の概略図である。 特定の実施形態による、例示的な低流量ＡＥＭ電解槽の電気化学セルのいくつかの特徴部の概略図である。 特定の実施形態による、ＬＦＩＥ電解槽のいくつかの特徴部の概略図である。 電気化学システムの動作を制御するために本明細書で述べる方法及びプロセスを自動的に実行するために使用することができるコンピュータ又は電子制御装置の構成要素を概略的に示すブロック図である。
[0063]これらのサブシステムそれぞれの原理、実施形態、及び例を、図面を参照して以下に詳細に述べる。図面は、電解質閉じ込め特徴部及び構成要素を示す電気化学システムの様々な例を概略的に示す。図面は、理解及び説明をしやすくするように意図された方法で構成要素を示すという意味で概略的な図示を含むが、そのようなシステムの多くの実際の実装形態は、典型的には、様々な構成要素の非常に異なる相対的な向き、縮尺、及び位置を利用する。
[0064]例えば、例示される様々な構成要素の相対的なサイズ及び向きは、そのようなシステムの実際の物理的実装形態におけるそのような構成要素の実際のサイズ又は向きと必ずしも相関しない。具体例として、図１は、セル電極１０２、１０４、セパレータ１０６、電解質捕捉容積１１０、１１２、電解質返還チャネル１１４、１１６、及び気体除去マニホルド１２２、１２４を含む、セル１００の全ての構成要素を共通の断面で示す。任意の電解質捕捉容積を、本明細書では交換可能に電解質収集容積と呼ぶことができる。いくつかの実際の実装形態では、セルのセパレータ１０６及び電極１０２、１０４は、それらの２次元表面が図示の断面に平行な平面にあるように、図示の向きに対して直角に向きを定められることがある。多くの可能な配置のなかでもとりわけ図１２及び図１３を参照して本明細書で述べる例示的な配置を含め、多くの異なる向き及び配置が可能である。
[0065]図１のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、半電池チャンバ１４２、１３２、セパレータ１０６、電極１０２、１０４、流体逃がし要素１６０、１６２、１６４、電解質収集容積１１０、１１２、気体収集容積１８６、１８８、電解質返還導管１１４、１１６を含むことがある。供給マニホルド１７８及び気体除去マニホルド１２２、１２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの全ての他のセル及びさらなる処理機器に連結することができる。いくつかの実施形態では、電解質返還導管１１４、１１６での流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルの返還導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば、空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
使用する用語の定義
[0066]本明細書で使用するとき、「セル」又は「全電池」という用語は、イオン伝導経路（例えば、液体電解質、塩橋、固体ポリマー電解質、又はイオン伝導のための他の経路）によってアノード電極がカソード電極に接続される電気化学ユニットを表す。セルは、電解セル（電極間に印加される電圧及び／又は電流によって駆動される）又はガルバニックセル（自発的な反応が電極間に電圧差を生成し、この電圧差により、外部電気回路を通して電流を駆動させることができる）でよい。
[0067]本明細書で使用するとき、「半電池」という用語は、セルの単一の電極（カソード若しくはアノード）又はその１つの電極に関連する構造を表すことがある。全電池は、電気化学的に互いに相互作用する２つの電極を必要とするので、特定された半電池と相互作用する電極は、最初に特定された半電池に対する「対電極」又は「対半電池」と呼ばれることがある。半電池の電圧は、「基準電極」に対して測定することができ、以て「半電池電圧」を提供する。全電池電圧は、全電池の両方の半電池電極の半電池電圧の（典型的には絶対値の）和である。
[0068]一般に、電気化学セルは、第１の半電池及び第２の半電池を備え、第１の半電池は第１の電極を備え、第２の半電池は第２の電極を備え、第２の電極は、第１の電極とは異なる電位である。一般に、一方の半電池において、他方の半電池と比較して逆極性の反応が生じる。例えば、電気化学セルの動作中、酸化（又は還元）が第１の半電池で生じ、還元（又は酸化）が第２の半電池で生じる。例えば、電気化学セルの動作中、第１及び第２の電極が電気化学セルの動作中に互いに直接的に又は間接的に電気連通しているとき、第１の半電池の第１の電極に電流が流入し、第２の半電池の第２の電極から電流が流出し、又はその逆も同様である。
[0069]「半電池チャンバ」は、半電池又はその電極を備えるチャンバ若しくは容積及び／又は構造である。例えば、第１の半電池チャンバは、第１の電極（又は少なくともその一部、例えば第１の電極の表面）、任意選択で電解質、任意選択で反応物種（反応物気体又は液体など）、及び任意選択で生成種（生成された気体）、並びに任意選択で他の構造、例えば柔軟性の導電性気体出口層、フローチャネル、又は他の構造を含むことがある。例えば、半電池チャンバの壁又は容積境界表面は、電極、双極板、セルフレーム、又は他の構造の表面でもよい。半電池チャンバの境界は、物理的な物体の物理的な表面など、物理的な境界に完全に又は部分的に対応することがある。半電池チャンバの境界は、半電池チャンバと別のチャンバ、容積、構造、又は導管との間の空間、平面、仮想面、又は位置など、非物理的な境界に完全に又は部分的に対応することもある。必須ではないが、典型的には、全電池の２つの半電池チャンバ（例えばアノード及びカソードに対応する）は、セパレータによって分離される。典型的には、任意の２つの半電池チャンバは、互いに対して相互排他的な容積（重複しない容積）を有する。
[0070]本明細書で使用するとき、「流体」という用語は、流動可能な状態の物質を表す。流体は、液体のみ、気体のみ、又は気体と液体の混合物を含むことがある。いくつかの場合には、流体は、高い粘性の液体又は「ゲル」物質を含むこともある。本明細書で使用するとき、「気体」は、記載するシステムで得られる圧力及び温度条件下において気相での任意の物質を表す。例えば、「気体」は、酸素ガス（Ｏ２）、水素ガス（Ｈ２）、塩素ガス（Ｃｌ２）、水蒸気、又は他の気体若しくは気体混合物を含むことがある。
[0071]本明細書で使用するとき、互いに「流体連通」していると表される２つ以上の領域は、それらの領域間を流体が移動することができる経路を示す。そのような経路は、移流、対流、浮力、拡散、流れ、若しくは他の流体輸送機構などによって流体（液体及び／又は気体）が輸送する又は輸送されることがあるチャネル、チューブ、膜、導管、容積、パイプ、ホース、又は他の構造を含むことがある。特に明記しない限り、「流体連通」という用語は、弁又は他の構造によって流れが選択的に又は断続的に遮断されることがある流体経路を含むこともある。流体連通している領域は、直接的な流体連通でも間接的な流体連通でもよい。間接的な流体連通をしている２つの領域は、流体が２つの領域の間を流れることができる中間経路又は構造を含むことがある。また、本明細書では、流体連通している領域を表すために、「流体的に接続された」という用語も使用される。
[0072]本明細書で使用するとき、「電解質」という用語は、一般に、電気化学セルの一方又は両方の半電池に存在する任意の液体又は液体のような物質（例えば流動性ゲル）を表すことがある。したがって、「電解質」は、アルカリ電解質、酸性電解質、ブライン若しくは海水など反応物を含む溶液、脱イオン水、又は他の液体若しくは溶液を含むことがある。例示的なアルカリ電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、又はそれらの組合せなどのアルカリ性水溶液を含むことがある。例示的な酸性電解質は、塩酸や硫酸などの酸性水溶液を含むことがある。いくつかの電解質は、未精製水、精製水、脱イオン水、又は高度に精製された水及び／又は高度に脱イオン化された水などの中性ｐＨ水溶液を含むことがある。電解質は、イオン液体や溶融塩などを含むこともある。
[0073]特定の電気化学システムのための電解質の選択は、他のシステム構成要素に基づくことがある。例えば、アイオノマー層（「固体電解質」層としても知られる）を備えるセパレータ膜が選択される場合、電解質は、実質的に精製水及び／又は脱イオン水のみを含むことがある（しかし、いくつかの実施形態では、ＡＥＭなどいくつかのアイオノマー層膜を、アルカリ性又は酸性電解質と共に使用することもできる）。セパレータ膜が多孔質ポリマー、セラミック、又は他の膜を含む場合、電解質は、典型的にはアルカリ性又は酸性溶液を含む。本明細書で述べる様々な実施形態において、「電解質」という用語は、特に明記しない限り、これらの構成の全てを包含するために包括的に使用される。
[0074]本明細書で使用するとき、「補給液」という用語は、本明細書で述べるような電気化学セル内での電気化学反応で消費される任意の液体を含むことがある。用語が示唆するように、多くの実施形態では、補給液は、電気化学セルに供給されて、そのセルでの電気化学反応で消費された液体を埋め合わせる（すなわち補充する）。多くの場合、補給液は、高純度の脱イオン水又はより純度の低い水などの水を含むことがある。いくつかの実施形態では、補給液は、電解質溶液を含むことがあり、これは、セルの他の部分で使用されるのと同じ電解質、又は異なる組成を有する電解質溶液でよい。さらなる実施形態では、補給液は、液体の他の混合物（水性又は非水性）を含むことがあり、その少なくともいくつかの成分は、電気化学セルで消費されると予想される。
[0075]本明細書で使用するとき、「脱イオン水」という用語は、少なくとも固体微粒子、溶解された又は（気泡として）同伴される気体、及び溶解されたイオンを除去するように処理された水を表すことがある。脱イオン水は、様々な程度に脱イオン化されることがあり、導電率（又は抵抗率）に関して測定又は報告することができる。完全に脱イオン化された水は、典型的には、１８メガオームｃｍを超える電気抵抗、又は約０．０５５５５マイクロジーメンス／ｃｍ未満の導電率を有するものとして報告される。「超純」水とは、典型的には、少なくとも１メガオームｃｍの電気抵抗（又は１マイクロジーメンス／ｃｍ未満の導電率）を有する水を表す。温度が導電率（及び抵抗）に強い影響を与えるので、これらの測定は典型的には２５℃で行われる。本明細書におけるシステム及び方法の任意の態様での使用に関して述べる脱イオン水は、（２５℃で）約２０マイクロジーメンス／ｃｍ未満の導電率を有することがある。いくつかの実施形態又は用途では、約１マイクロジーメンス／ｃｍ未満又は約０．０６マイクロジーメンス／ｃｍ未満の導電率を有する脱イオン水を使用することができる。いくつかの実施形態又は用途は、約０．０５５マイクロジーメンス／ｃｍの導電率を有する理論的に「純粋な」水を使用することがある。
[0076]本明細書で使用するとき、「セパレータ」又は「セパレータ膜」という用語は、共通の電気化学セルの正極と負極との間に配置され、正極と負極との間のイオン伝導を可能にしながら正極と負極との非導電性分離を形成する機能を行う任意の構造を表すことがある。セパレータは、実質的にゼロのイオン抵抗、若しくはイオン拡散に対する最小の抵抗を生成する開放構造のスペーサ、又はイオン拡散に対するより大きな抵抗を生成する構造、例えば、多孔性、微孔性、若しくはナノ多孔性の膜（例えばポリマー膜）、ゲル、ビーズ、固体の電気的に絶縁性でありイオン伝導性のシート（例えば、アイオノマー、「固体電解質」膜、プロトン交換膜、又はアニオン交換膜）、セラミック、又は本明細書でのさらなる詳細及び例において述べる他の構造又は材料などを含むことがある。いくつかの実施形態では、「ＰＥＭセパレータ」という用語は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）アイオノマー層を単独で、又は他の層と組み合わせて備えるセパレータを表す。いくつかの実施形態では、「ＡＥＭセパレータ」という用語は、アニオン交換膜（ＡＥＭ）アイオノマー層を単独で、又は他の層と組み合わせて備えるセパレータを表す。
[0077]本明細書で使用するとき、「液気セパレータ」という用語は、液気混合物を別々の液体流と気体流とに分解することが可能な１つ又は複数の構造を表すことがある。様々な例示的な液気セパレータ構造を、本明細書で以下に図示して述べる。
[0078]本明細書で使用するとき、「受動制御」という用語は、電子制御装置、センサ、電子制御式アクチュエータ、電気モータ、又はポンプ（若しくは他の制御機構）に依拠せず、エネルギーを消費しない制御方法及び機構を表す。「受動」制御方法及びデバイスは、典型的には、減衰特性、変形特性、弾性特性など、特定の特性を備えた材料又はデバイスを備える自己管理フィードバックループの使用を伴う。受動制御は、本明細書で定義する「能動」制御法とは対照的であり、「能動」制御法は、典型的には、システムの状態若しくは状態変化（温度、圧力、ｐＨなど）を監視するセンサ、及び／又は電子制御装置の制御下でシステム条件を維持する電動アクチュエータを含む。そのような能動制御法は、エネルギーを消費し、したがって、システム全体のエネルギー消費を考慮すると寄生的な性質である。
[0079]「捕捉及び返還システム」は、半電池チャンバから出る電解質を収集し、それを半電池チャンバ及び／又は同じセルの対電極半電池チャンバに戻すように構成されたシステム（導管、チャンバ、デバイス、膜、要素などを含む）を表す。一実施形態では、例えば、捕捉及び返還システムは、生成ガスと半電池から逃げた電解質との分離を容易にするために、電解質収集容積（１１０、１１２）及び気体分離容積（１８２、１８４）を備える。捕捉及び返還システムは、捕捉された電解質を、その電解質が逃げたセルの一方又は両方の半電池チャンバに戻すように配置及び構成された電解質返還導管と、スタックの任意の他のセルからの電解質と混合することなく、捕捉された電解質を電解質返還導管を通して押し流すように配置及び構成された隔離されたポンプ又はポンプ構成要素とをさらに備えることもある。様々な他の有用な構成要素が、捕捉及び返還システムに含まれる、又は捕捉及び返還システムと組み合わせて使用されることがあり、本明細書で述べる。
[0080]本明細書では、セル領域、構造、又は容積は、同じセル又は異なるセルの１つ又は複数の他の領域、構造、又は容積から「流体的に隔離されている」と表されることがある。そのような用法では、「流体的に隔離されている」という用語は、構造間の直接の流体（気体及び／又は液体）の流れを妨げる１つ又は複数の恒久的な不透過性の流体障壁によって分離された領域、構造、又は容積を表す。同様に、２つ以上の領域、構造、又は容積は、互いに「電気的に絶縁されている」と表されることがあり、これは、１つ又は複数の非導電性（又は電気絶縁性）材料又は構造が、一方から他方に電流が流れるのを妨げることを示す。いくつかの実施形態では、第１のセル又は半電池から収集された気体が他のセル又は半電池から収集された気体と合流される場合でさえ、且つ補給水が共通の供給源からセル又は半電池に送達される場合でさえ、第１のセル又は半電池の捕捉及び返還システムは、他のセルの捕捉及び返還システムから流体的に隔離及び／又は電気的に絶縁されている。いくつかの実施形態では、２つ以上のセル又は半電池の電解質返還システムは、共通の圧送又は作動流体が両方のセル又は半電池の空洞ポンプを駆動する場合でさえ、互いに流体的に隔離されることがある。システムは、セル間の電気連絡（例えば双極接続）又はスタック間の電気連絡（例えばスタック間の直列又は並列電気接続）を可能にしながら、他のセルから流体的に隔離されることもある。２つの領域が互いに流体的に隔離されているとき、それらは互いに流体連通していない。
[0081]「接触」は、例えば、物理的連通、化学的連通、電気化学的連通、及び／又はイオン連通などを含む、電解質と電極との任意の動作的連通を表す。例えば、接触は、電解質が化学種、触媒、又は電極の構造と化学的又は電気化学的に反応することを可能にするような電極と電解質とのイオン連通を表すことがある。電解質は、複数の電極と接触していることがある。電極は、電解質に部分的に若しくは完全に浸漬されることがあり、又は電解質中に存在するイオンは、セパレータ（例えば、湿潤若しくはゲル化セパレータ、若しくは他の湿潤／ウィッキング構造、固体アイオノマー、又は他のイオン伝導構造）を通して伝導されることがある。電極と電解質との接触は、酸化物層又は固体電解質界面層など、界面層又は界面材料などの１つ又は複数の中間構造を含むことがある。
[0082]本明細書で使用される「スタック」又は「セルスタック」は、電気的、物理的、及び／又は論理的構造における複数の電気化学セルの任意のグループ分けを表す。スタックは、任意の物理的な幾何形状又は構成を表すことがある。例えば、スタックは、直列、並列、又はより複雑な構成で接続された電気化学セルを表すことがある。スタック内の個々の電気化学セルは、角柱状の層状構成、同心円筒状構成、巻かれた「ジェリーロール」構成（渦巻状、角柱状、又は他の形でのロール）などで構成されることがある。それにもかかわらず、電解質を各セルに閉じ込める利益は、直列接続された双極セルスタック構成で最も有益になる。セルスタックは、フィルタプレス構成で構成することができ、この構成は「プレートアンドフレーム」構成とも呼ばれ、互いに積層された複数の層で構成され、セルスタック内の個々のセルそれぞれに流体を送達する及びそこから流体を除去するためのマニホルドを備える。
[0083]電解セルのグループは、双極構成でセルスタックに配置されることがあり、隣り合う電気化学セルが、液体と気体との両方に対して不透過性である導電性双極板を介して電気的に直列に連結される。各双極板は、一方の側に、第１のセルの正の半電池に関連付けられた正電荷を有し、反対側の面に、直に隣り合うセルの負の半電池に関連付けられた負の電荷を有する。
[0084]本明細書で使用するとき、「マニホルド」という用語は、一般に、セルスタックを通って延在し、セルスタックの全ての個々のセルに共通である流体搬送チャネルを表す。セルスタックの全てのセルに「共通」なものとして述べるマニホルド又は特徴部は、各セルに流体を送達する又は各セルから流体を除去することができる。共通のマニホルドは、流体的に並列の配置で各セルと流体連通する。本明細書で述べる電解質閉じ込めシステムの１つの主な利益は、導電性流体を含む共通のマニホルドが概してなくされ、以て寄生シャント電流のための経路をなくすことである。
[0085]本明細書で使用するとき、いくつかの特徴部若しくは構造は、特定のセル若しくは半電池に「固有」であると述べられる、又はスタックの各セル（若しくは半電池）は、各セルに「固有」の特徴部を有すると表されることがある。セル又は半電池に「固有」のものとして特定される構造又は特徴部は、任意の他のセル又は半電池からの任意の構造、特徴部、気体、又は液体と相互作用することなく、そのそれぞれのセル又は半電池の他の構造又は特徴部のみと相互作用することができる構造又は特徴部である。
[0086]本明細書で使用するとき、水の「消費」、又は「消費される」水は、水素ガスと酸素ガスへの水の電気化学的、電解変換又は分解を表す。例えば、プロセス水などの水がセルで消費される速度は、セルで水が水素ガスと酸素ガスとに電気化学的に変換又は分解される速度を表す。セルでの水の消費速度は、限定はしないが、セルに関連する温度（例えば、プロセス水の温度、電極温度、及び／又は他の固体セル構成要素）、セルに関連する圧力（セルの一方又は両方のチャンバ内の流体圧力など）、及び／又はセルに印加される電流、及び電気化学反応が効率的に生じるようにプロセス水で十分に濡らされた電極反応部位の利用可能性を含めた因子に依存する。
[0087]「イオン交換電解槽」という用語は、本明細書では、アニオン及び／又はカチオン（プロトンを含む）を交換するように構成された固体ポリマー電解質膜を利用する電解槽を包含する総称として使用される。したがって、「イオン交換電解槽」という用語は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）（ＣＥＭと略されるカチオン交換膜としても知られている）、ＡＥＭ（アニオン交換膜）、又はイオノマー材料を含む、イオノマー材料からなる、若しくは本質的にイオノマー材料からなる他の膜を利用する電解槽を含む。そのような膜は、独立した自立構造（例えば材料のシート）として作製されることがあり、又は、１つ若しくは複数の電極表面をアイオノマー（及び任意選択で他のポリマー）の１つ若しくは複数の層でコーティングすることなどによって正極若しくは負極と統合されることがあり、膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。
[0088]「アイオノマー」は、一般に、電気的に中性の単位と、ポリマー主鎖に共有結合されたイオン化された単位との交互の繰り返し単位から構成されるポリマーとして定義される。そのようなイオン化された単位は、多くの場合、カルボン酸基である。ポリマー主鎖に化学的に結合されているイオン性基の性質に応じて、イオン性ポリマー（アイオノマー）は、カチオン性物質、アニオン性物質、及びカチオン性基とアニオン性基との両方を含む両性電解質に分けられることがある。市販されているアイオノマー膜は比較的少ないが、例えばＭ．Ｒ． Ｔａｎｔ、Ｋ．Ａ． Ｍａｕｒｉｔｚ、及びＧ．Ｌ． Ｗｉｌｋｅｓ編「Ｉｏｎｏｍｅｒｓ； Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（１９９７， ＩＳＢＮ－１３： ９７８－０７５１４０３９２３）に記載されているように、広範囲のアイオノマー材料が研究されている。例示的なアイオノマーは、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）（登録商標）によってサーリン（ＳＵＲＬＹＮ）（登録商標）及びニュクレル（ＮＵＣＲＥＬ）（登録商標）の商標名で販売されているエチレンアクリル酸コポリマー（ＥＡＡ）を含む。
[0089]例示的なＰＥＭ材料は、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）（登録商標）の商標で知られているデュポン（登録商標）からの膜のカテゴリなどのスルホン化テトラフルオロエチレンベースのフルオロポリマー－コポリマー（例えばパーフルオロスルホン酸、すなわちＰＦＳＡ）を含む。例示的なＡＥＭ膜は、サスタニオン（ＳＵＳＴＡＮＩＯＮ）（登録商標）の商標名でＤｉｏｘｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから販売されている様々な膜を含む。ＦＵＭＡＴＥＣＨ ＢＷＴ ＧｍｂＨ社も、フマペン（ＦＵＭＡＰＥＭ）（登録商標）、フマセプ（ＦＵＭＡＳＥＰ）（登録商標）、フミオン（ＦＵＭＩＯＮ）（登録商標）、及びフメア（ＦＵＭＥＡ）（登録商標）の商標名で様々なアイオノマー膜を販売しており、それらの任意のものを、本明細書で述べるイオン交換電解槽で使用することができる。任意の他のＰＥＭ、ＡＥＭ、又は他のアイオノマー材料を含む膜も、本明細書で述べるイオン交換電解槽で使用することができる。
[0090]水素発生触媒や酸素発生触媒などの触媒への本明細書における言及は、特定された反応を触媒することができることが知られている任意の触媒を含むことを意図され、白金族金属、稀少な貴金属（ｐｒｅｃｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ）、貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）、卑金属、２つ以上の金属の合金、高表面積炭素、高表面積金属若しくは金属合金構造、導電性ポリマー、又は所望の電気化学若しくは化学反応を触媒することが実証されている他の材料を含むことがある。
[0091]様々な実施形態では、本明細書で述べるアーキテクチャ、システム、及び方法を、様々な電気化学システム及びプロセスに適用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書で述べる特徴を有する電気化学システムは、水性アルカリ水酸化物電解質（例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、又はそれらの組合せ）を使用して電解質中の水を負極で水素ガスに、正極で酸素ガスに分解する、アルカリ電解槽システムでよい。他の実施形態では、本明細書で述べる電気化学システムは、酸性水溶液、中性ｐＨ水溶液、イオン液体、溶融塩などの他の液体電解質を使用することができる。
[0092]本明細書でのいくつかの実施形態は、水を水素ガスと酸素ガスとに電解分離するために最適化されたシステムを参照して述べるが、本明細書で述べる様々なシステム、方法、構造、及び実施形態は、本明細書で述べるシステムとの構造的又は機能的類似性を有する他の電気化学システムにも適用することができる。
電解質閉じ込めシステムの構成要素及び概念の概説
[0093]図１は、電解質をセル１００に閉じ込めるように構成された電解槽システムの１つのセル及び他の構成要素を概略的に示す。図示されるセル１００は、セパレータ１０６によって互いに離間された正極１０４と負極１０２を含む。正極１０４は、正の半電池チャンバ１３２内に示され、ある体積の正の電解質１３１が正極１０４を浸漬し、正の気体ヘッドスペース１３４が、電解質１３１の液位１３６の上に示されている。同様に、負極１０２は、負極１０２を浸漬するある体積の負の電解質１３０を含む負の半電池チャンバ１４２に示され、負の気体ヘッドスペース１４４が、電解質１３０の液位１４６の上に示されている。本明細書の様々な実施形態で述べるように、気体ヘッドスペースは、一方又は両方の半電池チャンバに存在することも、存在しないこともある。
[0094]いくつかの実施形態では、ヘッドスペース分割器１５０は、ヘッドスペースを別々の正のヘッドスペース１３４（正極性の半電池のヘッドスペース）と負のヘッドスペース１４４（負極性の半電池のヘッドスペース）とに分離するために存在することがあり、以て、電極１０４、１０２によって生成された気体が混合するのを防ぐ。様々な実施形態において、セパレータ１０６又は他のセル構成要素が、一方の半電池チャンバから他方への気体クロスオーバを最小限に抑える又は妨げるように構成されることもある。
[0095]いくつかの実施形態では、負のヘッドスペース領域１４４は、負の気体除去マニホルド１２２と連通していることがあり、正のヘッドスペース領域１３４は、正の気体除去マニホルド１２４と連通していることがある。いくつかの実施形態では、一方又は両方の気体除去マニホルド１２２、１２４は、気体除去液体１５２を含むことがある。
[0096]様々な実施形態において、１つ又は複数の流体逃がし要素１６０、１６２、１６４は、各半電池チャンバ１３２、１４２と対応する気体除去マニホルド１２４、１２２との間の経路を提供することがある。そのような流体逃がし要素１６０、１６２、１６４は、半電池チャンバ１３２、１４２から逃げる液体電解質１３０、１３１の量を実質的に制限しながら、半電池チャンバ１３２、１４２からの気体の逃げを可能にするように構成されることがある。いくつかの実施形態では、流体逃がし要素は、それぞれの半電池チャンバと対応する気体除去マニホルドとの所望の圧力差を維持するように構成されることもある。例えば、様々な気体逃がし要素は、約０．０１ｍｂａｒ～約１ｂａｒ以上の圧力差を維持するように構成されることがある。図１は、複数の流体逃がし要素の構造及び位置を示しており、それらの詳細は、本明細書で以下にさらに述べる。
[0097]いくつかの実施形態では、負の半電池チャンバ１４２及び正の半電池チャンバ１３２は、それぞれの電解質収集容積１１０、１１２と連通していることもある。各電解質収集容積１１０、１１２は、それぞれの電解質返還導管１１４、１１６と流体連通していることがあり、電解質返還導管１１４、１１６は、１つ又は複数のポンプ１７２、１７４の力の下で電解質をそれぞれの半電池チャンバに戻すことができる。
[0098]図１はまた、供給マニホルド１７８からセル１００に補給液を送達して、セルから消費される又は他の形で除去される液体を補充するように構成された供給入口１７６を示し、そのような液体は、電極１０２、１０４で１つ又は複数の気体に変換されることによって消費され、気体除去マニホルド１２２、１２４を通してセルから除去される液体を含む。補給液は、蒸気形態（例えば水蒸気）で、セルから除去された液体を補充することもできる。水から水素を生成するための水電解槽システムの場合、補給液は、脱イオン水又は特定の用途に十分な純度の他の水など、実質的に純粋な水でよい。他の実施形態では、補給液は、水と混合されたある量の電解質液体又は他の液体を含むことがある。
[0099]様々な実施形態において、本明細書で述べる特徴及び利点を含む電気化学システムは、単極又は双極スタック構成で構築することができる。いくつかの実施形態では、本明細書で述べる特徴部及びサブシステムは、セルスタック内の個々の層及びセルに統合されることがある。いくつかの実施形態では、いくつかの特徴部又はサブシステムがスタック内に統合されることがあり、他の特徴部又はサブシステムがスタックの外部に提供されることがある。例示的な単極及び双極スタック構成は、デンマーク工科大学（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｎｍａｒｋ）及びデンマークのＲＩＳＯのＪ． Ｏ． Ｊｅｎｓｅｎ、Ｖ． Ｂａｎｄｕｒ、Ｎ． Ｊ． Ｂｊｅｒｒｕｍ、Ｓ． Ｈ． Ｊｅｎｓｅｎ、Ｓ． Ｅｂｂｅｓｅｎ、Ｍ． Ｍｏｇｅｎｓｅｎ、Ｎ． Ｔｒｏｐｈｏｊ、Ｌ． Ｙｄｅによる刊行物「Ｐｒｅ－ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ， ＰＳＯ－Ｆ＆Ｕ ２００６－１－６２８７， Ｄｒａｆｔ ０４－０２－２００８」の３３～３９ページに記載されており、本明細書では、この文献を「Ｊｅｎｓｅｎレポート」と呼ぶ。
[00100]水電解槽は従来、単極と双極の２つに分類されてきた。単極電解槽では、同じ極性の電極が互いに並列に電気的に接続される。最も古い形式の水の工業用電気分解は、電解質で一部充填されたタンク内で一連の電極（すなわち交互のアノード及びカソード）が垂直に且つ互いに並列に懸架されているタンク電解槽を使用する。代替電極、通常はカソードは、ある電極区室から別の電極区室への気体の通過を妨げるダイヤフラムによって取り囲まれている。ダイヤフラムは、気体に対して不透過性であるが、セルの電解質に対して透過性である。アセンブリ全体が、一連の気体収集器から吊り下げられる。単一のタンクタイプのセルは通常、複数の電極を含み、同じ極性の全ての電極が電気的に並列に接続される。
[00101]双極電解槽では、電極は、電気的に直列に互いに接続される。双極設計の電解槽は、比較的多数の電極の単一の大規模なアセンブリを備えることがあり、各電極は、一方の側がカソードであり、他方の側がアノードである。最近の電解槽設計は、１つのセルの正極が次のセルの負極に直接接続されるようにスタックを使用する。セルの双極アセンブリは、電解質がマニホルド分岐されて各セルを並行して流れ、同様に水素及び酸素の出口ラインがスタックを通ってマニホルド分岐されるので、見かけ上はフィルタプレスに似ている。アセンブリは、プレートアンドフレームフィルタプレスの場合と同様の方法で、複数の重い長手方向締結ボルトによって保持される。各電極は、隣り合う電極から絶縁され、電気的に直列である。電極の各対は、分離ダイヤフラムを伴って、個々のセルユニットを形成する。実際には、フィルタプレスタイプのセルは通常、各セルに個別の電極を有して構成され、それらの電極は、あるセルの水素キャビティを次のセルの酸素キャビティから離して保ちながら、導電体として働く固体金属（又は他の導電性材料）セパレータプレート（「双極板」）を介して電気的に接続される。電流の方向は、「セルスタック」の一端から他端に向かう。したがって、双極電解槽は、直列に１０～数百個の個々のセルを含むことがある。フィルタプレスタイプ電解槽のセルは比較的薄くすることができるので、比較的小さい機器から大きい気体出力を実現することができる。
[00102]図２に示されるいくつかの実施形態では、電解質返還導管１１４、１１６は、一方又は両方の半電池チャンバの内容物の体積膨張を可能にするように構成された膨張容積２８０と流体連通することもある。いくつかの実施形態では、流体導管は、膨張容積２８０以外の位置で、正の電解質１３１と負の電解質１３０との流体連通を可能にすることがある。他の電解質流体連通領域を備えたいくつかの例示的なセル構成は、図６～図９を参照して本明細書で述べる。
[00103]図２のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、半電池チャンバ２４２、２３２、セパレータ２０６、電極２０２、２０４、流体逃がし要素２６０、２６１、電解質捕捉容積２１０、２１２、電解質返還導管２１０、２１６、気体収集容積２８６、２８８、及び膨張容積２８０を含むことがある。供給マニホルド２７８及び気体除去マニホルド２２２、２２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの全ての他のセル及びさらなる処理機器に連結されることがある。いくつかの実施形態では、電解質返還導管２１４、２１６の流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルの返還導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
[00104]様々な実施形態において、本明細書で述べる電気化学システムは、様々な圧力領域間の圧力関係を自動的に管理するように構成されることがある。これらの様々な圧力領域を維持及び管理することによって、気体クロスオーバを押し進める傾向があるセパレータ横断圧力差を最小限に抑えることができる。これらの圧力領域は、補給液供給マニホルド、半電池チャンバ、気体分離容積、及び気体除去マニホルドを含む。様々な実施形態において、これらの圧力領域は、センサ入力に基づいて動作する閉ループ電子制御装置によって能動的に維持される、又は急速な圧力振動を減衰させる傾向がある固有の特性を有する構造及び／又はシステム条件に応答して所望の動作を行う構造によって受動的に維持されることがある。
[00105]本明細書で述べる電気化学システムの実施形態は、セル内の圧力が気体発生反応によって増加されるように構成されることがあり、気体除去マニホルド及び補給液供給マニホルド内の圧力は、１つ又は複数の能動制御装置によって独立して制御されることがある。以下でさらに述べるように、半電池チャンバは、半電池から出る流体の流れに抵抗するように構成されることがあり、そのような流れ抵抗は、制御される気体除去マニホルドの圧力変動が半電池圧力に及ぼす影響を弱めることができる。
電解質閉じ込めシステム
[00106]電解質閉じ込めシステムは、一般に、生成された気体がセル又は半電池チャンバから逃げることを可能にしながら、各セル又は半電池チャンバ内に電解質の大部分を保持するように構成された特徴部及び構造を備える。電解質閉じ込めシステムのいくつかの特徴部は、セルセパレータの両側で最小の圧力差を生成する圧力平衡様式で気体及び電解質がセル又は半電池チャンバから逃げることを可能にするように構成されることがある。
[00107]本明細書で使用するとき、「セパレータ横断圧力差」という用語は、（必須ではないが）典型的にはセパレータによって分割された、共通のセルの２つの半電池チャンバ間の流体圧力の差を表す。本明細書で述べるように、多くのセル構成は、セルを半電池に分割し、セルの正極と負極との非導電性分離を形成するセパレータ膜を含むことがある。他方、いくつかのセルは、セパレータ膜を省くことがあり、又は同様の目的を果たす他の構造を含むことがある。「セパレータ横断圧力差」という用語は、必ずしもセパレータ膜がセルに存在していることを示唆することを意図されておらず、単に２つの領域間の圧力差を表す。
[00108]図１を参照すると、電解質閉じ込めシステムは、生成された気体が半電池チャンバ１３２、１４２から逃げることを可能にするように構成された１つ又は複数の流体逃がし要素１６０、１６２、１６４を有する少なくとも１つの囲まれた半電池チャンバ１３２又は１４２を含むことがある。いくつかの場合には、流体逃がし要素１６０、１６２、１６４は、ある量の液体電解質１３０、１３１が半電池チャンバ１３２、１４２から逃げることを可能にするように構成されることもある。電解質閉じ込めシステムは、正の半電池チャンバ１３２を負の半電池チャンバ１４２から分離するように構成されたセル構造を含むこともある。そのような構造は、セパレータ膜１０６及びヘッドスペース分割器１５０を含むことがある。
[00109]流体逃がし要素１６０、１６２、１６４は、少なくとも気体が半電池チャンバ１３２、１４２から逃げることを可能にする構造を備えることがある。いくつかの実施形態では、流体逃がし要素は、流体圧力が閾値を超えたときに気体のみ又は気体と液体との両方が半電池チャンバ１３２、１４２から逃げることを可能にするように構成されることがある。この文脈において、「流体圧力」は、液体電解質の圧力、ヘッドスペース気体の圧力、及び／又は分散混合物中の気泡の「泡」及び液体電解質の圧力を表すことがある。
[00110]従来の電解槽システムでは、気体除去導管が高い気体圧力で維持されている場合でさえ、正極及び／又は負極で生成された気体は、流れの制限がほとんどない状態で半電池チャンバから気体除去導管に送られる。ほとんどの従来の電解槽では、気体除去導管は、各セルを通って流れる電解質（又はプロセス水）のための流出導管としても機能する。しかし、一方の電極が他方の電極とは異なる様式（例えば、大幅に異なる気泡サイズ、放出速度、体積など）で気泡生成する場合、気体は予想外に異なる速度で電解質と混合する可能性がある。これは、予測不可能な（したがって制御不可能な）過渡的なセパレータ横断圧力差をもたらすことがあり、これにより、液体及び／又は気体が瞬時的に高圧の半電池から瞬時的に低圧の半電池に急速にセパレータを通って横切る可能性がある。この「スロッシング」効果により、生成ガスの気体純度が許容できないほど低くなるおそれがあり、さらに爆発性の気体混合物が生成されるおそれがある。
[00111]本明細書で使用するとき、「気体分離容積」、「気体セパレータ」、「気液セパレータ」、又は「気体収集容積」という用語は、気体が、半電池から出る任意の液体（例えば電解質及び／又は補給液）から分離された状態で、気体除去マニホルド１２２、１２４に収集されるまでの途中に流入することがある半電池１３２、１４２の外部の１つ又は複数の容積を表すことがある。例えば、気液セパレータ１８４などの気液セパレータは、気体収集容積（複数可）（例えば、１８６）及び電解質捕捉（収集）容積（複数可）、例えば電解質収集／捕捉容積１１０を含むことができる。様々な実施形態において、気液セパレータは、１つ又は複数の流体経路によって流体連通して接続され、気体及び液体のための別個の出口を提供する１つ又は複数の容積を備えることがある。例えば、いくつかの実施形態では、気体収集容積は、気体除去マニホルド１２２、１２４及びそれらの間の任意の導管又は容積（例えば、１８６、１８８）に加えて、電解質捕捉容積１１０、１１２（本明細書でさらに述べる）を含むことがある。本明細書で使用するとき、「気液セパレータ」、「液気セパレータ」、「気／液セパレータ」、及び「液／気セパレータ」という用語は交換可能である。いくつかの実施形態では、「気体セパレータ」と「気液セパレータ」という用語は交換可能である。
[00112]この項では図１を参照するが、ここでの説明は、本明細書において提案又は記載される任意の他の実施形態にも同様に適用可能である。いくつかの実施形態では、流体逃がし要素１６０、１６２、１６４は、半電池チャンバ１３２、１４２と対応する気体除去マニホルド１２２、１２４との間の流路での流れに対する抵抗を与えることがある。流れに対するそのような抵抗は、流体逃がし要素１６０、１６２、１６４の前後での圧力降下として測定可能であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、各半電池チャンバ１３２、１４２は、半電池チャンバ１３２、１４２から流出する流体（気体及び／又は電解質）に対する抵抗を生み出すことによって、そのそれぞれの気液セパレータよりも高い流体圧力で維持されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、これは、半電池チャンバ１３２、１４２と対応する気液セパレータ１８２、１８４との間の流路に流れ制限流体逃がし要素１６０を配置することによって達成することができる。流体逃がし要素１６０を通る流体の流量を制限することで、半電池チャンバ１３２、１４２から出る流体の流れに対する所望の程度の背圧又は抵抗を維持することができる。そのような流れ抵抗は、半電池チャンバ１３２、１４２の内部と対応する気液セパレータ１８２、１８４との間の所望の圧力差を有益に維持することができる。そのような流れ抵抗構造は、気液セパレータ１８６、１８４が受ける圧力の過渡的な変動が半電池チャンバ１３２、１４２に伝達されるのを防ぐことができ、以て、セパレータ膜の両側の圧力差の変動を軽減する。
[00113]気体が生成される半電池チャンバ１３２、１４２の内部と、生成された気体を収集するように配置された気液セパレータ１８２、１８４との流体圧力差を、本明細書では「出口圧力差」と呼ぶ。いくつかの実施形態では、電解質収集容積１１０、１１２及び気液セパレータ１８２、１８４を、電解質捕捉及び返還システムと呼ぶ。電解質捕捉及び返還システムは、いくつかの実施形態では、ポンプ、返還チャネル、弁などの追加の構成要素を含むこともある。いくつかの実施形態では、電解質捕捉及び返還システムは、１つ又は複数の気液セパレータ、例えば気液セパレータ１８２及び１８４と、１つ又は複数の流体逃がし要素、例えば１つ又は複数の出口チャネル（例えば、１６０、１６２）と、１つ又は複数のポンプ、好ましくはそれぞれの電気化学セル又は半電池に固有の１つ又は複数のポンプ、例えばポンプ１７２及び１７４とを含み、ポンプ１７２及び１７４は、図３Ａ～３Ｃを参照して本明細書で述べる空洞ポンプでもよい。
[00114]いくつかの実施形態では、（例えば）図１及び図２におけるように、電解質捕捉容積１１０は、気体収集容積１８６、１８８とは別の容積でもよい。いくつかの実施形態では、例えば（以下でさらに詳細に述べる）図３に示されるように、電解質捕捉容積１１０、１１２は、気体収集マニホルド１２２、１２４を含む容積と同じ容積でもよい。
[00115]流体逃がし要素（例えば、１６０）の前後での出口圧力差は、半電池圧力が気液セパレータ（又は気体除去マニホルド）圧力を超えている限り、非常に小さいことがある（例えば１ｐｓｉ未満；例えば０．１ｂａｒ～１ｐｓｉの範囲から選択される；例えば０．５±０．２ｂａｒ；例えば０．５ｂａｒ以下であるが０ｂａｒよりも大きい）。実際には、より大きな出口圧力差は、制御される気体除去マニホルドの圧力のばらつきをより大きく減衰することを可能にすることがある。様々な実施形態において、半電池チャンバ１３２、１４２の内部と気液セパレータ１８２、１８４との出口圧力差の大きさは、数分の１ｐｓｉ～１気圧（１ａｔｍ又は約１５ｐｓｉ）以上の任意の値にすることができる。いくつかの特定の実施形態では、出口圧力差は、約０．１ｂａｒ～約１ｂａｒ以上にすることができる。いくつかの特定の例では、出口圧力差は、少なくとも０．０１ｂａｒ、少なくとも０．０５ｂａｒ、少なくとも０．１ｂａｒ、少なくとも０．２ｂａｒ、少なくとも０．３ｂａｒ、少なくとも０．４ｂａｒ、少なくとも０．５ｂａｒ、少なくとも０．６ｂａｒ、少なくとも０．７ｂａｒ、少なくとも０．８ｂａｒ、少なくとも０．９ｂａｒ、少なくとも１ｂａｒ、又は最大２ｂａｒ以上でもよい。出口圧力差は、０．０５ａｔｍ～０．３５ａｔｍ、０．３５ａｔｍ～０．７ａｔｍ、１ａｔｍ～２ａｔｍ、又はそれよりも大きくてもよい。
[00116]したがって、いくつかの実施形態では、流体逃がし要素１６０は、半電池チャンバ１３２、１３４から出る流体の流量を制限するように、及び／又は流体が流体逃がし要素１６０を通って流れる前に超えなければならない閾値流体圧力を確立するように構成されることがある。本明細書で述べる流体逃がし要素は、一般に、「直列」要素と「並列」要素との２つのカテゴリに分けることができる。
[00117]直列流体逃がし要素は、一般に、流体（すなわち、気体、液体、又は両方の混合物）の流出のための単一の制限された経路を提供する。直列要素では、液体と気体とは、高圧端から低圧端まで同じ経路をたどらなければならない。本明細書で使用するとき、直列流体逃がし要素を、広範に「出口チャネル」と呼ぶことがある。図１及び図２は、参照番号１６０、２６０、及び２６１での例示的な出口チャネルの例を概略的に示す。
[00118]出口チャネル（直列流体逃がし要素）は、一般に、一端が比較的高圧の領域（例えば、半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、又は２４２）に位置し、他端が比較的低圧の領域（例えば、気液セパレータ１８２、１８４、２８２、又は２８４）に位置する長くて狭いチャネルを備えることがある。出口チャネルは、それらの全経路長に比べて小さい内部断面積（その流路に垂直な平面内で）を有するという点で「長くて狭い」ことがある。例えば、出口チャネルは、出口チャネルの断面寸法（例えば直径）よりも５倍、１０倍、１００倍、５００倍、１０００倍大きい（又はそれよりも大きい）全経路長を有することがある。いくつかの場合には、出口チャネルは、蛇行経路及び／又は機械的に制限された導管を含むこともある。したがって、様々な実施形態において、直列流体逃がし要素（又は「出口チャネル」）は、一方向逆止弁、「皮下（ｈｙｐｏｄｅｒｍｉｃ）」管、長くて狭いチャネル、アパーチャ（例えばシート若しくはプレート構造の小さい開口部）、又は他の直列流れ制限構造を備えることがある。
[00119]いくつかの実施形態では、出口チャネルの形態での流体逃がし要素は、内部断面積よりも数倍長い長さを有する剛性又は可撓性材料の管の区域を備えることがある。流れ制限チャネルは、使用されることがある高温、アルカリ性、酸性、及び／又は他の電解質による劣化など、それらを通って流れる流体の影響を受けない材料から作製されることがある。
[00120]流体が液体と気体との混合物であるとき、出口チャネルは、流れに対して非線形の抵抗を有益に実現することがある。例えば、出口チャネルは、液体の流れに対して線形抵抗を適用し、気体の流れに対して異なる線形抵抗を適用することがあるが、出口チャネルを通過する液体と気体とのランダムに分散された混合物は、流れに対して非線形の抵抗を受ける。特定の理論に拘束されることを意図するものではないが、気体と液体との混合物は、ランダムな体積の気体と液体との別々のポケットとして出口チャネルを通過する傾向があると考えられている。液体ポケットは、出口チャネル壁との表面張力相互作用により、流れに対してより大きな抵抗を受ける傾向があり得る一方で、壁との表面張力を直接には受けない圧縮性気体のポケットは、液体ポケットによって維持される傾向があり得る。いくつかの場合には、圧縮性気体ポケットが液体ポケット間で圧縮されることもある。この非線形の流れ抵抗は、少なくとも、半電池チャンバと対応する気液セパレータとの所望の圧力差を維持するのに有益であり得る。
[00121]様々な実施形態において、出口チャネルの異なる材料、材料特性、及び／又は形状は、チャネルを通る液体流れ抵抗の程度に影響を及ぼすことがある。例えば、チャネルを通る流れに対する抵抗は、表面張力（又は材料との接触角によって測定される疎水性）に関連することがあり、電解質とのより大きい表面張力（より高い親水性、より小さい接触角）を示す材料は、より低い表面張力（より高い疎水性、より大きい接触角）を示す材料よりも大きい流れ抵抗を及ぼすことがある。９０°未満の接触角を示す材料は、一般に特定の流体に対して「親水性」と呼ばれ、９０°を超える接触角を示す材料は、一般にその材料に対して「疎水性」と呼ばれる。いくつかの実施形態において、出口チャネル材料は、電解質に対して親水性である（９０°未満の接触角を示す）ように選択されることがある。より大きい流れ抵抗が望まれる場合には、電解質に対して疎水性（９０°を超える接触角を示す）であるように出口チャネル材料を選択することができる。いくつかの実施形態では、出口チャネルは、管内に静的に位置する電解質によって形成されるメニスカス曲線の直径にほぼ等しい（約１０％の差の範囲内の）管内径を有する円形断面の管を備えることがある。非円形断面の場合にも同じ近似関係が成り立つことがある（つまり、正方形又は長方形断面チャネルの辺の長さがメニスカス直径にほぼ等しいことがある）。
[00122]いくつかの実装形態では、出口チャネルは、出口チャネルを通って逃げる大量の気体が、半電池チャンバ内の液位の上昇を引き起こす傾向がある（例えば、液体がポンプによって半電池チャンバに押し込まれるとき、及び／又は以下でさらに述べるように補給液が半電池に入るとき）という点で、「自己修正」する非線形の流れ抵抗を生成するように構成されることがある。液位が出口チャネルの入口の高さまで上昇するとき、ある体積の液体が出口チャネルに入ることがあり、これは、チャネルを通る流れ抵抗を瞬時的に増加させる傾向があり、それに応じて、流れ抵抗の上昇前と同じ速度で気体が生成され続けるときに半電池チャンバ内の圧力を増加させる。スタック内の各半電池で生じるこれらの圧力及び液位の変化は非常に小さいことがあり、非常に迅速に（１秒以内に）生じることがあり、すなわち、この自己修正は、スタックレベルで気体除去マニホルド内の圧力を制御するように作用する圧力調整器を用いて、小さすぎて修正することができない圧力変化を自動的に修正することができる。
[00123]この同じ挙動は、過渡的な圧力変化を自動的に逆転させることによってセパレータ膜の両側の圧力差を最小化するための受動閉ループ制御システムとして表すこともできる。このようにして、電解質は機械的トランスデューサとして作用し、電解質液位を出口チャネルを通る差圧に変換する。半電池内の液体圧力の低下は液位の上昇に対応するので、電解質液位は圧力センサとして作用する。出口チャネルに入る電解質（電解質が出口チャネルの入口の高さまで上昇するとき）は、出口チャネルを通る流れ抵抗を増加させ、以て、半電池内の圧力を増加させて、半電池チャンバをより高い圧力に戻す。両方の半電池チャンバにそのような特徴及び機能を提供することによって、両方の半電池の過渡的な圧力変化を迅速に平衡状態に戻すことができ、以て半電池間の圧力差を平衡させる。
[00124]したがって、他の実施形態では、任意の他の機構（デジタル制御される電気機械デバイス又は他の受動的に操作される制御デバイスを含む）を使用して、その半電池の圧力の低下又は半電池の電解質液位の上昇に応じて、半電池チャンバから出る気体（及び／又は液体）の流れに対する抵抗を増加させることができる。いくつかの実施形態では、そのような制御システムは、電解質が半電池から逃げるのを実質的に妨げながら所望の圧力平衡を実現するように構成されることがある。例えば、一実施形態では、フロート弁は、半電池の液位が上昇したときに流体逃がし要素（例えば、チャネル、膜、又はアパーチャ）を通る圧力降下（流れ抵抗）を増加させる、及び／又は半電池の液位が低下したときに流体逃がし要素を通る圧力降下（流れ抵抗）を減少させるように構成されることがある。他の実施形態では、電気機械的に制御される弁（電磁弁など）は、半電池チャンバ内の流体圧力の降下を示す１つ又は複数の電気的又は機械的センサ信号に応答して流れ抵抗を増加させるようにプログラムされた電子制御装置によって駆動されることがある。いくつかのそのような実施形態では、この圧力平衡機能は、各半電池に関連するポンプを省略して実現することもできる。
[00125]いくつかの実施形態では、流体逃がし要素として働くように構成された出口チャネルは、半電池チャンバ壁（例えばセルフレームプレート）、双極板、セル構造要素、又は他の特徴部など、セルの他の構造内に一体的に形成されることがある。いくつかの実施形態では、出口チャネルは、機械加工、レーザ切断、リソグラフィ技法、積層造形技術（例えば３Ｄ印刷）、又は他の方法によってセル構造（例えば、セルフレーム、カバーシート、又は他のセルフレーム構造）に形成されることがある。他の実施形態では、出口チャネルは、異なる材料から作製された別個の構造（例えば、管、弁、又はチャネルなど）をセルフレーム構造に固定する（例えば、埋め込む、取り付ける、又はオーバーモールドするなど）ことによって形成されることがある。出口チャネルは、直線線形経路、曲線経路、又は直線経路と曲線経路との組合せを備えることがある。
[00126]他の実施形態では、出口チャネルは、曲げられ又は他の方法で所望の形状に形成され、セルフレームプレート、双極板、セル構造要素、又は他の特徴部などのセル構造に埋め込まれる又は取り付けられる配管の区域を備えることがある。例えば、そのような管は、電解質の影響を受けず、電解質に対して所望の程度の疎水性又は親水性を示す材料から作製された円形断面の管でよい。いくつかの特定の例では、そのような管は、ニッケル、チタン、アルミニウムなどの金属、又はそれらの金属を含む金属合金でよい。代替として、そのような管は、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、ポリビニリジンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）などの１つ又は複数のポリマー材料を含むことがある、又はそれらから作製されることがある。チューブは、オーバーモールド、接着剤、溶剤、溶接、又は他の技法によってセルフレームに埋め込まれることがある。
[00127]例えば、いくつかの実施形態では、出口チャネルは、コイル状の管などの渦巻状又は螺旋状区域を有することがある。他の実施形態では、出口チャネルは、湾曲セグメントと直線セグメントの両方、直線セグメントと鋭い角度の曲がり（例えば任意の鋭角又は鈍角の屈曲部）、又は直線セグメントのみを有することがある。出口チャネルは、重力に対して任意の構成で向きを定めることもできる。言い換えると、出口チャネルは、流体が半電池チャンバの内側から半電池チャンバの外側の点まで移動する間に、上方向、下方向、水平方向、又は様々な複合の方向に流れるように向きを定められることがある。いくつかの実施形態では、フィルタは、出口チャネルの入口端に配置されることがある。そのようなフィルタは、多孔質金属（例えば金属メッシュ又は発泡体）、ポリマー、又は多孔質フィルタに固体粒子を捕捉する一方で液体及び気体を通過させるのに適した他の材料を含むことがある。
[00128]いくつかの実施形態では、流体逃がし要素は、ダックビル弁、ポペット弁、ボール逆止弁、ダイヤフラム逆止弁、傾斜ディスク逆止弁、フラッパ弁、リフト逆止弁、アンブレラ逆止弁、ピストン逆止弁、スイング逆止弁、デュアルプレート（ダブルドア）逆止弁など、１つ又は複数の一方向逆止弁を備えることがある。一方向逆止弁は、弁に接触する液体電解質及び気体による損傷に耐性があるように選択されたポリマー、金属、セラミック、若しくは他の材料、又は材料の組合せなど、任意の適切な材料から作製することができる。逆止弁は、クラッキング圧力を伴って構成されることがある。クラッキング圧力とは、流体が弁を通って流れる前に超えなければならない、弁の下流側と上流側との閾値圧力差である。いくつかの実施形態では、逆止弁のクラッキング圧力は、半電池チャンバと気液セパレータとの所望の出口圧力差を維持するように選択されることがある。
[00129]図１は、負の半電池チャンバ１４２とそれに対応する電解質捕捉容積１１０との間にある出口チャネル流体逃がし要素１６０も示す。出口チャネル要素１６０は、少量の液体１９０がチャネルを通過し、電解質捕捉容積１１０に滴下することを可能にするように示されている。
[00130]いくつかの実施形態では、流体逃がし要素は、各半電池がその対半電池と同じ数及び／又は流量容量の流体逃がし要素を有するように対称的に配置されることがある。他の実施形態では、セルは、一方の半電池がその対半電池よりも大きい流体逃げ流量を有するように非対称の流体逃がし要素を有して構成されることがある。
[00131]図２は、電解質をセル２００に閉じ込めるように構成された１つのセル２００の別の実施形態を概略的に示す。各半電池チャンバ２３２、２４２は、それぞれの気液セパレータ２８２、２８４から分離されて示され、半電池チャンバ２３２、２４２から気液セパレータ２８２、２８４への唯一の流体連通チャネルを提供する出口チャネル２６０、２６１によってのみ連結される。
[00132]半電池チャンバから気液セパレータに流体が流れるための唯一の経路を提供する出口チャネル２６０、２６１は、出口チャネルの高さが半電池チャンバ２４２、２３２内の液位の高さを確立することを可能にすることがあり、以て、各半電池チャンバ２４２、２３２内のヘッドスペース２４４、２３４の高さ及び容積を定義する。したがって、半電池チャンバ２４２、２３２内の出口チャネル開口部２６２、２６３の垂直位置は、半電池チャンバ２４２、２３２内の電解質液位の所望の概算最大高さとして選択された半電池チャンバ２４２、２３２内の高さに位置することがある。電解質液位が出口チャネル２６２、２６３の開口部よりも上方に上昇するとき、出口チャネル２６０、２６１を通って流れる流体は、完全に又は主に液体の電解質になる傾向がある。液体電解質液位が出口チャネル開口部２６２、２６３の高さよりも下に降下するとき、出口チャネル２６０、２６１を通って流れる流体は、完全に又は主に気体になる傾向がある。概算最大液体電解質液位を確立することによって最小ヘッドスペースを確立することは、他の利点のなかでもとりわけ、消費可能な補給液を追加するためにヘッドスペースを空けておくことができることが有利であり、電解質が補給液入口２７６を通って逆流するのを防ぐのに役立つことがある。
[00133]いくつかの実施形態では、出口チャネルの出口２６４、２６５は、気体が気体除去マニホルド２２２、２２４に流れることを可能にしながら、電解質を電解質捕捉容積２１０、２１２に滴下するように構成されることがある。
[00134]様々な実施形態において、正の半電池での流体逃がし要素構成は、対応する負の半電池での流体逃がし要素構成と同じでもよく、又は流体逃がし要素構成は、共通のセルの反対の半電池において異なっていてもよい。同様に、隣り合うセルは、流体逃がし要素又は他の特徴部に関して、互いに対して同じ又は異なる構成を有することがある。
[00135]例えば、正の半電池チャンバ２３２及び正の気液セパレータ２８４における出口チャネルの入口２６３及び出口２６５は、同じセル２００の負の半電池チャンバ２４２及び負の気液セパレータ２８２における出口チャネルの入口２６２及び出口２６４と実質的に同じ高さに位置することがある。代替として、正の半電池チャンバ２３２及び正の気液セパレータ２８４における出口チャネルの入口２６３及び出口２６５は、同じセル２００の負の半電池チャンバ２４２及び負の気液セパレータ２８２と比較して高く又は低く位置することがある。
[00136]並列な流体逃がし要素は、膜、フィルタ、メッシュ、多孔質ブロックなどの多孔質構造、又は１つの側から別の側への複数の蛇行又は小径経路を有する他の構造を含むことがある。任意の特定の量の流体が通過することができる並列経路は、多孔質構造の物理的構造、他のセル構成要素の構造、及び／又はセルで発生する作用の物理学的特性によって影響を受ける傾向があり得る。液体及び気体と多孔質流体逃がし要素との物理的相互作用の相違により、液体は（例えば摩擦、表面張力、粘性などにより）いくつかの細孔をよりゆっくりと通過することがあり、いくつかの経路は、少なくとも一時的に液体によってブロックされる（又は液体で充填される）ことがあり、ブロックされていない細孔又は経路を気体が通過する。
[00137]いくつかの流体逃がし要素は、物質の１つの相のみ（例えば液体又は気体、しかし両方ではない）が通過することを許されるように「相弁別的」であるように構成されることもある。いくつかの実施形態では、少なくともある程度の相弁別は、高い疎水性の材料で実現されることがある。いくつかの例では、そのような疎水性材料は、液体の透過を妨げながら気体物質の透過を可能にすることができる多孔質膜を含むことがある。図１は、例示的な膜流体逃がし要素を参照番号１６２及び１６４で示す。いくつかの実施形態では、必ずしも相弁別的ではない膜を流体逃がし要素として使用することができる。
[00138]十分に小さい及び／又は蛇行した疎水性細孔を有する膜は、大量の液体の流れの透過を防ぐことに加えて、液滴又はミストの透過を防ぐこともできる。例えば、適切な膜は、０．１μｍ以下の孔径を有することがある。適切な流体逃がし要素膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、発泡ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリビニリデンフルオライド、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルイミド、ポリアミド、架橋ポリエーテル、ポリプロピレン、又はこれら及び他のポリマーの様々な組合せから作製されることがある。他の例では、並列の流体逃がし要素は、多孔質複合材又はセラミック材料のブロック、シート、又はプレートを含むことがある。そのような材料は、天然で疎水性であることも、疎水性特性を与えるために処理又は添加剤によって変更されることもある。他の実施形態では、疎水性材料を親水性材料と組み合わせて、並列の流体逃がし要素として使用するための複合膜構造を形成することができる。
[00139]いくつかの実施形態では、２つ以上の流体逃がし要素構造を組み合わせることができる。例えば、１つ又は複数の一方向弁又はアパーチャを出口チャネルと組み合わせて、互いに直列の２つ以上の直列流体逃がし要素を備えた流体逃がし要素を形成することができる。別の例では、１つ又は複数の直列流体逃がし要素（例えば、出口チャネル、弁、アパーチャなど）を、１つ又は複数の並列の流体逃がし要素（例えば、膜又は多孔質ブロック）と組み合わせることができる。
[00140]様々な実施形態において、同じ又は異なるタイプの１つ、２つ、３つ、又は４つ以上の流体逃がし要素が、半電池チャンバと気液セパレータとの間の流体経路に配置されることがある。例えば、図１は、各半電池チャンバをそのそれぞれの気体除去マニホルド１２２、１２４から分離する３つの流体逃がし要素を示す。第１の膜タイプの流体逃がし要素１６４が、負の半電池チャンバ１３２、１４２及び電解質捕捉容積１１０、１１２（以下でさらに詳細に述べる）と、電解質捕捉容積１１０、１１２を気体除去マニホルド１２２、１２４から分離する第２の膜タイプの流体逃がし要素１６４との間に配置されて示されている。様々な実施形態において、一方又は両方の膜１６２、１６４は、気体のみを通過させることが可能であり、液体又はミストを集めて高圧チャンバに滴下させる材料及び構造で作製された相弁別的な疎水性の膜にすることができる。いくつかの実施形態では、一方又は両方の膜１６２、１６４は、非相弁別的にすることができる。
[00141]様々な実施形態において、セル２００は、一方の半電池２３２の気体ヘッドスペース２３４をその対半電池２４２の気体ヘッドスペース２４４から分割するように構成されたヘッドスペース分割器２５０を含むことがある。そのようなヘッドスペース分割器２５０は、いずれかの半電池で生成された気体による劣化の影響を受けず、且つ液体電解質による劣化の影響を受けない特性を有するように、任意の適切な材料及び構造で作製することができる。適切な例は、電解質不浸透性ポリマー、金属、金属酸化物、金属水酸化物、セラミック、又は複合材の固体非多孔質シートを含むことがある。いくつかの実施形態では、ヘッドスペース分割器２５０は、半電池チャンバ内の電解質及び気体を透過しない可撓性材料から作製されることがある。そのような可撓性ヘッドスペース分割器は、分割器界面での流体圧力の差により偏向することがあり、以て、半電池チャンバ間のある程度の受動的自動圧力平衡を可能にする。ヘッドスペース２３４、２４４の下で、半電池チャンバ２３２、２４２は、セパレータ２０６によって分割されることがある。
[00142]様々な実施形態において、セパレータ（図１の１０６、図２の２０６、又は本明細書で述べる電気化学システムにおける任意の他のセパレータ）は、ナイロン、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、アスベスト、酸化ジルコニウム布、綿、ポリビニルアルコール又はポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、エチルセルロース、メチルセルロース、エチレンメタクリル酸コポリマー、フッ素化ポリマー、スルホン化ポリマー、カルボン酸ポリマー、織布又は不織布セルロース、ＮＡＦＩＯＮなど、様々な材料の１つ又は複数から作製されることがある。いくつかの実施形態では、セパレータ材料は、架橋剤の添加によって、又は材料の親水性若しくは疎水性の変更など材料の表面特徴を変更するためのコロナ放電処理などの後処理によって変更することができる。膜材料の親水性及び／又は疎水性の程度は、そのようなパラメータに影響を与える傾向がある１つ又は複数の添加剤材料を含めることによって変更されることもある。例えば、ジルコニア、チタニア、又は他の材料などの親水性添加剤は、ポリマー膜に埋め込まれる、又はポリマー膜と共押出されることがある。いくつかの実施形態では、セラミック膜、サーメット膜、又は複合セラミック／ポリマー膜を使用することもできる。例示的なセラミック及びサーメットセパレータ膜は、米国特許第４８９８６９９号、米国特許第４４４５９９４号、及び米国特許出願公開第２０１５０１１８５９２号に記載されている。
[00143]いくつかの実施形態では、セパレータは、実質的に親水性であり、及び／又は１つ若しくは複数の気体に対して不浸透性であるように、適切な材料及び構造で作製されることがある。いくつかの実施形態では、セパレータは、アニオン交換膜及びプロトン交換膜を含む、アイオノマーとして知られる材料クラスからの材料から作製されることがある。アイオノマーは、典型的には、液体又は溶解種の拡散又は直接の流れを可能にすることなくイオンを伝導することが可能な固体非多孔質材料である。アイオノマーの例は、デュポン（登録商標）がサーリン（登録商標）及びニュクレル（登録商標）の商標名で製造しているものなどのエチレン－メタクリル酸コポリマー、デュポン（登録商標）がナフィオン（登録商標）の商標名で製造しているものなどのフルオロポリマー－コポリマーなどを含む。
[00144]いくつかの実施形態では、セパレータは、米国特許出願公開第２００２００１２８４８号、米国特許出願公開第２００２００１０２６１号、米国特許出願公開第２００３００９９８７２号、及び米国特許出願公開第２０１２０１４８８９９号、米国特許第３９５３２４１号、米国特許第６３５８６５１号、及び米国特許第６１８３９１４号、又は欧州特許第０６２４２８３Ｂ１号に記載されているセパレータ材料などの固体－ゲル材料又は複合材を含むことがある。例えば、複合材セパレータ膜は、金属酸化物又は金属水酸化物（例えば、ジルコニウム、アルミニウム、リチウム、チタン、マグネシウムなどの金属の酸化物、二酸化物、亜酸化物、又は水酸化物）を含浸させたポリマー膜（例えば、上述した材料の１つ又は複数から作製される）を備えることがある。
[00145]様々な実施形態において、電極１０２、１０４、２０２、２０４は、電気化学セルでの所望の反応を可能にするのに適した任意の構造、材料、及び触媒を備えることがある。電極は、典型的には、導電性基板（例えば、金属、炭素、グラファイト、導電性ポリマー、若しくは他の導電性材料のシート、フェルト、発泡体、メッシュ、又は他の構造）と、導電性基板に直接支持された又は導電性基板に接触する若しくは取り付けられた別個の層に支持された触媒とを備える。いくつかの電極は、疎水性ポリマーを含む気体拡散層を備えることもある。いくつかの例示的な電極構造、触媒、及び材料は、上記のＪｅｎｓｅｎレポートに記載されている。他の例示的な電極構造は、米国特許第９，９３８，６２７号、米国特許出願公開第２０１５／０２９２０９４号、及び米国特許第１０，０２６，９６７号に記載されており、各特許文献の全体を参照により本明細書に組み込む。
[00146]様々な実施形態において、電解質閉じ込めセルから構成されるセルスタックは、最初に、様々な方法の任意のもので電解質で充填されることがある。例えば、セル容積の一部分が、補給液供給マニホルドを通して送達される補給液によって水和及び溶解されることがある乾燥粉末で充填されることがある。他の実施形態では、電解質は、セルスタックの組立て中に含まれる電解質の固体凍結ブロックとして追加されることがある。さらなる他の実施形態では、電解質は、補給供給マニホルド、気体パージマニホルド、又は特別に準備された電解質充填マニホルドを通して、セルスタックの各セル容積に送達されることがある。
電解質捕捉及び返還システム
[00147]図１及び図２は、電解質捕捉及び返還システムの一部として本明細書で言及する例示的な特徴部及び構造を示し、各半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２は、電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２に連結されることがあり、電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２から逃げるある体積の電解質１３０、１３１を受け取って保持し、捕捉された液体電解質を半電池チャンバから出る気体から分離し、捕捉された電解質を半電池チャンバの一方又は両方に戻すように配置及び構成される。電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、戻り経路導管１１４、１１６に連結された出口導管１１８、１１９と、電解質１３０、１３１をそれが逃げたセル１００に戻すためのポンプ１７２、１７４とを備えることがある。
[00148]いくつかの実施形態では、電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、気体除去マニホルド１２２、１２４、２２２、２２４と流体連通することがある気体収集容積１８６、１８８、２８６、２８８と流体連通して連結されることがある。電解質捕捉容積と気体除去容積とは、半電池チャンバ１３４、１３２、２４２、２３２から出る流体混合物を、気体収集容積１８６、１８８、２８６、２８８内の気体と電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２内の液体電解質とに実質的に分離するように構成されることがある。
[00149]いくつかの実施形態では、例えば図１に示されるように、電解質捕捉及び返還システムは、捕捉された電解質１３０又は１３１を、それが捕捉された半電池チャンバ１３２、１４２に排他的に戻し、対電極半電池チャンバ１３２、１４２から捕捉された電解質１３１又は１３０との混合を可能にしないように構成されることがある。
[00150]いくつかの実施形態では、例えば図２に示されるように、電解質捕捉及び返還システムは、共通のセル２００の反対の半電池チャンバ２３２、２４２から捕捉された電解質を、膨張容積（以下でさらに詳細に述べる）などの共通の容積で混合できるように構成されることがある。
[00151]様々な実施形態において、捕捉容積は、広範囲の適切な構造及び材料で構成されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、各半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２に関する捕捉容積は、双極又は単極スタック構成で１つ又は複数のセルフレーム又は構造に統合されることがある。他の実施形態では、捕捉容積及び導管は、セルフレームの外部に提供され、捕捉された電解質をセルに送り戻すように構成されることがある。
[00152]いくつかの実施形態では、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、気体及び／又は液体電解質のみを含む空の容積でもよい。他の実施形態では、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、関連の半電池から逃げる流体混合物からの液体電解質液滴を凝縮するのに適した１つ又は複数の凝縮材料を含むことがある。凝縮材料は、一般に、電解質による劣化の影響を受けない高表面積の材料を特色とすることがある。そのような凝縮材料は、金属及び／又は非金属材料の多孔質構造、例えば織布若しくは不織布ポリマー若しくは金属メッシュ、シート、発泡体、グリッド、又は三次元構造を有する発泡材料を含むことがある。他の例では、凝縮材料は、緩く高分子結合された又は焼結された構造の１つ又は複数の材料（例えばセラミック、金属、又は金属酸化物）の粒子を含むことがある。液気セパレータ１８２、１８４、２８２、２８４の捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２は、液体領域内の液位の上方に気体ポケット領域を備えることがある。
[00153]一般に、捕捉容積の体積容量は、半電池チャンバからの最大電解質流出速度に対応するのに十分な電解質を捕捉するのに十分な容積を提供するようなサイズにすることができる。本明細書の他の箇所で述べるように、任意の所与の時点に半電池チャンバから逃げる流体の液体含有量は、その時点でのセルの動作段階に応じて決まることがある。さらに、いくつかの実施形態において、電解質捕捉容積の理想的なサイズは、捕捉された電解質が、それが逃げたセルに戻される流量に応じて決まることがある。電解質が戻される流量は、ポンプ速度に応じて決まることがある。
[00154]いくつかの実施形態では、捕捉容積は、例えば、より多くの電解質が捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２に導入されるにつれて変位又は伸張されることがある可動ピストン、又は伸張可能なダイヤフラム、伸張可能な膜、若しくは弾性の伸張可能な管若しくは導管の使用によって、可変容積を有するように構成することができる。
[00155]いくつかの実施形態では、液体電解質のみがポンプ１７２、１７４、２７２、２７４に引き込まれて半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２に戻されることを保証するために、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２の底部２２０から気体を排除することが望ましいことがある。例えば、いくつかの実施形態では、多孔質親水性材料１２６、２２６の区域は、捕捉容積出口１１８、１１９、２１８、２１９に隣り合う気体ポケットの形成を実質的に制限するように、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２の底部の近くに配置されることがある。ポンプ１７２、１７４の吸入圧力よりも大きいバブルポイントを有する多孔性親水性材料又は膜１２６、２２６を使用することができる。バブルポイントは、気泡が膜を通過する気体圧力であり、水濾過などの産業で使用される膜に関するカタログに列挙されていることが多い規準である。膜又は材料のバブルポイントは、経験的に決定することもできる。
[00156]例示的な材料又は膜１２６、２２６は、ポリスルホン膜、ポリエーテルスルホン膜、スルホン化ポリエーテルスルホン膜、ポリアクリロニトリル膜、ポリビニリデンジフルオライド膜、混合セルロースエステル、酢酸セルロース、ナイロン、ポリエステル、多孔質セラミック構造、３次元多孔質金属構造、例えばメッシュ、グリッド、又は発泡体（例えばニッケル、チタン、又は他の金属若しくは金属合金）、セラミック、サーメット、複合材、又はこれら若しくは他の材料の組合せから作製された膜を含むことがある。
[00157]同様の目的は、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２内の任意の電解質１３０、１３１の上で浮動するように構成された浮動分割器で実現することもできる。いくつかの実施形態では、浮動分割器は、捕捉容積が液体電解質を含まない又は閾値容積未満の液体電解質を含むときに気体が捕捉容積出口から出るのを妨げるように、捕捉容積出口１１８、１１９、２１８、２１９を封止するように構成されることがある。さらに他の実施形態では、他の相分離材料又は構造を使用して、実質的に液体電解質のみが、出口１１８、１１９、２１８、２１９に隣り合う電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２の底部領域２２０を占めることを可能にすることができる。
[00158]他の実施形態では、気体が出口１１８、１１９、２１８、２１９を通って捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２から出ることができるように、親水性膜、フロータ、又は他の構造を省略することもできる。出口１１８、１１９、２１８、２１９を通って捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２から出る気体は、一方又は両方の半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２に圧送されることがある。
[00159]捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２のいくつかの実施形態は、返還導管１１４、１１６、２１４、２１６から電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２に戻る電解質の逆流を妨げるために、一方向弁２２１を有する出口１１８、１１９、２１８、２１９を備えることがある。ダックビル弁、ポペット弁、ボール逆止弁、ダイヤフラム逆止弁、傾斜ディスク逆止弁、フラッパ弁、リフト逆止弁、アンブレラ逆止弁、ピストン逆止弁、スイング逆止弁、デュアルプレート（ダブルドア）逆止弁など、任意のタイプの一方向弁（逆止弁）を使用することができる。一方向逆止弁は、弁に接触する液体電解質及び気体による損傷に耐性があるように選択されたポリマー、金属、セラミック、若しくは他の材料、又は材料の組合せなど、任意の適切な材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、一方向弁は、流体を電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２から返還導管１１４、１１６、２１４、２１６を通して半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２に移動させるように構成されたポンプに統合されることがある。
[00160]いくつかの実施形態では、電解質捕捉及び返還システム及び／又は補給液供給システムは、液位センサなしで動作することができる。いくつかの従来の電気化学セルでは、液位センサは、典型的には、補給流体添加の速度、セルを通る電解質の流れの速度、及び／又はセルからの気体抽出の速度を制御するために使用される。そうではなく、本明細書で述べるシステム及び方法は、圧力差、流体逃がし要素、及び逆止弁を利用して、電子制御装置、センサ、液位センサなどを必要とせずに、電解質液位及び補給流体添加速度を正確に、しかし受動的に管理する。これは、コストを削減し、センサ、電気機械アクチュエータ、及び電子制御システムに関連する故障モード及びエラーをなくし、以てメンテナンス、ダウンタイム、及び交換の必要性を減らすという点で有利であり得る。
[00161]ポンプ１７２、１７４、２７２、２７４は、電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２から半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２に流体（例えば電解質、気体、及び／又は他の流体）を輸送するための電解質返還導管に沿って配置されることがある。いくつかの実施形態では、ポンプ１７２、１７４、２７２、２７４は、１つ又は複数の容積式ポンプタイプ、例えば、ピストンポンプ、蠕動ポンプ、ロータリローブポンプ、プログレッシブキャビティポンプ、スクリューポンプ、ロータリギアポンプ、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、ベーンポンプ、又は他の容積式ポンプ若しくは他のポンプタイプを備えることがある。様々な実施形態において、捕捉された電解質をスタック用のセルに戻すために、任意の数のポンプを使用することができる。いくつかの実施形態では、システムは、セルごとに１つのポンプ、半電池ごとに１つのポンプ、セルのスタック全体に関して１つのポンプ、又はスタックの全ての正の半電池に関して１つのポンプ及びスタック用の全ての負の半電池に関して第２のポンプを使用することができる。他の構成も可能である。
[00162]いくつかの実施形態では、ポンプ１７２、１７４、２７２、２７４は、「圧力平衡」様式で、つまり半電池チャンバ１３２、１４２、２３２、２４２内の流体圧力を所定の閾値を超えるほどに増加させることなく、電解質をセル又は半電池チャンバに戻すように構成及び配置されることがある。いくつかの実施形態では、これは、センサ及び閉ループ制御システムを使用する能動制御によって達成されることがあり、いくつかの実施形態では、ポンプ／セルシステムの「圧力平衡」は、圧力平衡ポンプタイプを使用することによって受動的に達成されることがある。
[00163]本明細書で述べる様々なシステム及び方法での使用によく適した１つのタイプの「圧力平衡」ポンプは、本明細書では「空洞ポンプ」と呼び、その例が図３に示されている。
圧力平衡「空洞」ポンプ
[00164]図３Ａは、本明細書で述べる電気化学システム実施形態の様々な態様で使用することができる例示的な「空洞ポンプ」３００を概略的に示す。空洞ポンプは、圧送される流体の受動圧力調整を可能にし、また、単一の単純な作動機構で、多数の並列又は同時のフローチャネル内の流体の流れを同時に押し流すことができることが有利である。空洞ポンプは、最小限の可動部品を含むこともあり、圧送すべき苛性流体と高度に適合性のある安価な材料から作製されることがあり、双極又は単極セルスタックに統合されることがある。
[00165]空洞ポンプは、１つ又は複数の圧縮可能な「ドライバ」要素と接触している作動流体（すなわち圧縮性又は非圧縮性流体）に圧力を加えることによって動作する。加えられた圧力は、圧縮可能なドライバ要素（例えば、圧縮可能なチューブ、ダイヤフラム、又は他の偏向可能な構造）に同時に伝達され、以て、流体を圧縮可能な要素から出し入れする。空洞ポンプを通る流れの方向は、一方向逆止弁によって受動制御することができる。
[00166]図３Ａは、空洞ポンプ３００がハウジング３１０を備えることがあり、複数の流体駆動管３１２がハウジング３１０の内部を通って延び、ハウジング３１０の内部が、管３１２を取り囲む作動流体３２０で充填されている、概略図である。各管３１２は、ハウジング３１０の第１の端壁３３２の外側の上流流体導管３２４及び第２の端壁３３４の外側の下流流体導管３２６に結合することができる。上流の一方向弁３４２及び下流の一方向弁３４４が、各管３１２又は導管３２４、３２６に配置されることがある。上流弁３４２と下流弁３４４とはどちらも、管を通って第１の方向（例えば、図３Ａに示される向きでは下方向）への流体の流れを可能にし、反対方向への流体の流れを妨げるように配置されることがある。空洞ポンプ３００は、ハウジング３１０内に含まれ、管３１２を取り囲む作動流体３２０に流体圧力を加えるように配置されたアクチュエータ３５０を含むこともある。
[00167]本明細書で使用するとき、「ドライバ要素」、「流体ドライバ」、又は単に「ドライバ」という用語は、作動流体によって圧縮又は偏向されるときに、輸送される流体を流体搬送導管を通して押し流す圧縮可能又は偏向可能な構造を備える構造的な空洞ポンプ構成要素を表す。図３Ａの概略的な例では、管３１２は、偏向可能な構造（圧縮可能な管壁）と流体搬送導管（管内の管腔容積）との両方を備える。したがって、図３Ａの管３１２は、「ドライバ」、及びドライバの作動（圧縮又は偏向）によって流体が押し流される導管の一部分として表すことができる。「ドライバ」という用語は、「圧縮可能な要素」、「偏向可能な要素」、「圧縮可能な導管区域」などの他の用語、又は同様の構造を示唆する他の用語と同等であることが意図される。
[00168]いくつかの実施形態では、図３Ａにおいて管３１２として表される流体ドライバは、硬質プラスチック、金属、セラミックなどの非圧縮性材料から作製されることがあるが、ピストン、ベローズ、ダイヤフラムなどチャンバの圧縮を可能にする構成で配置されることがある。流体ドライバは、導管３１２内の流体を上流端３５２から下流端３５４に押し流すために、アクチュエータ３５０によって加えられた（正又は負の）圧力を流体搬送導管３１２に伝達することができる任意の形状又は配置の任意の構造を含むことができる。
[00169]空洞ポンプ３００は、アクチュエータ３５０が作動流体３２０を圧縮するときに、管３１２並びに対応する上流導管３２４及び下流導管３２６によって画定される各フローチャネルの上流端３５２から下流端３５４に向かって流体を搬送するように動作することができる。作動流体３２０に加えられた増加された圧力は、流体内の各圧縮可能な要素３１２の区域に伝達され、以て、下流の一方向逆止弁３４４を通してある体積の流体を排出する。管３１２の流体は、上流の一方向弁３４２によって逆流するのを防止される。作動流体３２０及び管３１２の圧縮圧力が解放されると、上流弁３４２の上流での流体圧力がハウジング３１０内（したがって管３１２内）の低減された圧力よりも大きい場合、流体は、上流弁３４２を通って対応する内部配管区域３１２に下流方向に流れることができる。いくつかの実施形態では、上流の流体を配管区域３１２に引き込むために、作動流体に負圧が加えられることがある。
[00170]いくつかの実施形態では、圧縮可能な要素３１２（又は本明細書で述べる一方向弁、ダイヤフラム、又は他の可撓性構造）は、ゴム状の特性を有する１つ又は複数の弾性圧縮性材料のいずれかで作製されることがあり、そのような材料は、例えば、ラテックスゴム、加硫ゴム、シリコーン、天然ゴム、イソプレン、イソブチレンイソプレン、エピクロロヒドリン、ポリクロロプレン、パーフルオロエラストマースチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、他のブチルゴム、エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、他のエチレンプロピレンゴム、ニトリル、ネオプレン（ポリクロロプレン又はｐｃゴム）、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＰＥ又はＨＹＰＡＬＯＮ）、フルオロエラストマーなどである。
[00171]図３Ａは円形断面の配管を示しているが、配管又は他の圧縮可能な要素は、望みに応じて任意の断面形状にすることができる。いくつかの実施形態では、圧縮可能な要素は、それ自体は実質的に非圧縮性であるが、圧送すべき流体を含む内部容積を減少させるために圧縮又は偏向させることができる断面形状又は他の形状である材料から作製されることがある。他の実施形態では、配管、圧縮可能な要素、又は他の流体駆動要素は、圧縮性材料から作製されることがある。
[00172]弾性の圧縮性流体ドライバ材料は、正又は負の作動圧力のいずれかによって作動させることができ、作動圧力の解放時に自己膨張することができるという点で有益であり得るが、流体ドライバは、作動流体３２０によって圧縮又は偏向することができさえすればよい。弾性は、配管の必須の特性ではない。したがって、ポリテトラフルオロエチレン配管、ポリビニル配管などの他の非弾性又は最小弾性の圧縮性材料を使用することもできる。
[00173]空洞ポンプ３００によって制御可能な独立した流れ（すなわち、流入及び流出導管３２４、３２６並びに導管３１２の組合せ）の数は、ハウジング３１０内に適合することがある流体ドライバ及び導管３１２の数によってのみ制限される。したがって、空洞ポンプ３００は、ハウジングのサイズ及び導管又は流体ドライバのサイズを選択することによって、任意の数の並列のポンプ流を保持するように構成されることがある。
[00174]様々な実施形態において、ハウジング３１０は、作動流体３２０の漏れに対して封止すべきである。したがって、ハウジング３１０に取り付けられている、又はハウジング３１０を通って延びる任意の導管３１２又は導管３２４、３２６は、ハウジング３１０に封止されることがある。いくつかの実施形態では、管３１２及び／又は導管３２４、３２６は、溶接、接着剤、継手、結合機構、又は他の機構若しくは方法などによって、エンドプレートに封止されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、ハウジングエンドキャップ３３２、３３４は、エンドキャップに取り付けられた又はエンドキャップと一体的に形成された、直線状の、ねじ付きの、又は棘付きのコネクタを有することがある。例えば、コネクタは、エンドキャップ（又は他のハウジング部品）の一部として成形、機械加工、又は３Ｄ印刷などを施されることがある。
[00175]様々な実施形態において、ハウジング３１０内の流体ドライバ３１２は、ハウジング３１０の外側に位置する流体搬送導管３３２、３３４とは異なる材料でもよい。したがって、いくつかの例では、上流の流体搬送導管３２４は、第１の材料から作製されることがあり、ハウジング区域に取り付けられる又はハウジング区域と一体的に形成されることがある外側結合機構に連結されることがある。対応する流体ドライバ区域３１２は、内部ハウジング区域に取り付けられる又は一体的に形成されることがある内部結合機構に連結されることがある。いくつかの実施形態では、上流の流体搬送導管３２４及び／又は下流の流体搬送導管３２６は、エンドキャップや側壁など、ハウジング３１０の一部分又はハウジング３１０に取り付けられた１つ若しくは複数の部品と一体的に形成されることがある。
[00176]図３Ａは、ハウジング３１０の両端３３２、３３４を通って直線的に延びる流体導管３２４、３２６及び流体ドライバ導管（管）３１２を示すが、これは、全ての実施形態に当てはまる必要はない。いくつかの実施形態では、流入（上流）導管３２４及び対応する流出（下流）導管３２６は、互いに同じハウジング壁（例えば、端壁、エンドキャップ、又は側壁）を通過することがある。いくつかの実施形態では、上流の流入導管３２４及び対応する下流の流出導管３２６は、互いに垂直に、又は互いに対して任意の他の向きでハウジング壁を通過することがある。そのような実施形態では、圧縮性流体ドライバ導管（例えば管）３１２又はハウジング内の他の導管構造は、ハウジング３１０内で湾曲又は屈曲することがある。
[00177]いくつかの実施形態では、ハウジング３１０内の流体ドライバ３１２の一部分のみが圧縮可能でよく、流体搬送導管の他の部分は、単に流体の流れを送る非圧縮性材料から作製されることがある。いくつかの実施形態では、空洞ポンプは、２つ以上の流れが入口端及び／又は出口端で合流されることを可能にするマニホルド又は他の構成で互いに連結された２つ以上の上流の流入導管３２４又は下流の流出導管３２６を有して構成されることがある。
[00178]図３Ａのハウジング３１０は、他の構造から独立した円筒形状を有するものとして示されているが、様々な実施形態において、ハウジング３１０は、球形、又は長方形若しくは他の角柱などの角柱形状など、望みに応じて任意の他の形状でもよい。様々な実施形態において、ハウジングは、プラスチック、金属、セラミック、又は所望の作動流体及び作動圧力に適した複合材を含む任意の材料又は材料の組合せから作製されることがある。
[00179]いくつかの実施形態では、ハウジング３１０は、複数の積み重ねられた層を連結することによってハウジング容積を形成することなどによって、電気化学セルスタックに統合されることがある。例えば、ハウジング３１０は、複数の個々のセル又は半電池のそれぞれのための作動流体及び流体ドライバ３１２を含むことがある共通の容積に複数のセルスタック層の一部分を連結するマニホルド、導管、又は他の構造を備えることがある。図３Ｂ～図３Ｃを参照して一例を以下に述べる。
[00180]様々な実施形態において、空洞ポンプ３００の一方向弁３４２、３４４は、ダックビル弁、ポペット弁、ボール逆止弁、ダイヤフラム逆止弁、傾斜ディスク逆止弁、フラッパ弁、リフト逆止弁、アンブレラ逆止弁、ピストン逆止弁、スイング逆止弁、デュアルプレート（ダブルドア）逆止弁など、任意の一方向逆止弁を含むことがある。一方向逆止弁は、弁に接触する液体電解質及び気体による損傷に耐性があるように選択されたポリマー、金属、セラミック、若しくは他の材料、又は材料の組合せなど、任意の適切な材料から作製することができる。一方向弁３４２、３４４は、ハウジング３１０の外側に配置されて示されているが、代替として、ハウジング容積内に、又は結合機構、エンドキャップ、若しくはハウジング自体の他の構造内に配置されることもある。図３Ａは、導管ごとに１つの上流弁３４２及び１つの下流弁３４４のみを示すが、空洞ポンプ３００は、単一の管又は導管に任意の数の弁を含むことがある。
[00181]図３Ａは、単純なピストン３５６の形態でのアクチュエータ３５０を示し、このアクチュエータ３５０は、ピストン３５６がハウジング３１０に向かって移動するときに正圧を加えることができ、いくつかの実施形態ではピストン３５６をハウジング３１０から離れるように移動させることによって負圧を加えることができる。様々な実装形態において、ピストンの代わりに又はピストンと組み合わせて、任意のタイプのアクチュエータを使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、アクチュエータ３５０は、ピストンが回転モータ又はリニアモータによって駆動されるピストンポンプを備えることがある。他の実施形態では、アクチュエータ３５０は、増加された圧力を流体に断続的に加えることができる任意の他のポンプタイプを備えることがある。そのようなポンプのいくつかの例は、シリンジポンプ、蠕動ポンプ、又は他のタイプの断続的に作動される容積式ポンプを含むことがある。他の実施形態では、アクチュエータ３５０は、電子制御式ソレノイド、サーボ、又は他の電気機械デバイスを備えることがある。他の実施形態では、アクチュエータ３５０は、圧縮気体源又は加圧液体源などの高圧（又は低圧）源から作動流体に断続的に圧力を加えるように作動可能な圧力調整器を備えることがある。
[00182]様々な実施形態において、作動の頻度（すなわち、単位時間あたりに作動圧力が加えられる回数）は、（例えば、単位時間あたりの流体体積又は質量に関する）所望のポンピング速度に基づいて選択されることがあり、そのポンピング速度は、空洞ポンプによって移動すべき流体の体積に基づいて選択することができる。アクチュエータによって加えられる圧力の大きさは、予想される又は所望の下流圧力など他のシステムパラメータに基づいて選択することもできる。
[00183]しかし、各作動中に各流体ドライバ３１２から押し流される流体の体積は、単に管又は他の圧縮可能若しくは偏向可能なドライバ区域の圧縮可能な内部容積であり得るので、作動圧力を厳密に制御する必要はない。流体ドライバ３１２の過剰な圧縮は、過剰な圧力に耐えることができる圧縮性材料を選択することによって許容することができる。他方、最大作動圧力は、所望の最大下流圧力に基づいて選択することができる。下流弁３４４の下流での特定の導管３２６内の圧力が、作動圧力を受ける流体ドライバ３１２内の圧力を超える（又は等しい）場合、流体は、その作動中に対応する管から単に流出しない。
[00184]いくつかの実施形態では、空洞ポンプは、任意の他のシステム状態から独立して、開ループ制御式に動作されることがある。空洞ポンプの性質は、上流の流体が利用できない（すなわち低圧である）場合に、又は下流の圧力が作動圧力によって引き起こされる流体ドライバ３１２内の圧力を超える場合に、流体が単純にポンプを通って流れず、ドライバに作動圧力を引き続き加えることによってポンプが必ずしも損傷を受けないようなものである。いくつかの場合には、流体は、いくつかのドライバ／導管３１２及び導管３２４、３２６内を流れることがあるが、同じポンプ３００での他のドライバ／導管３１２及び導管３２４、３２６内を流れないことがある。したがって、単一のアクチュエータ３５０は、ポンプ３００又はシステムの他の部品に悪影響を及ぼすことなく、様々なドライバ／導管１１２及び導管３２４、３２６を通して異なる流量で流体を押し流すことができる。
[00185]アクチュエータ３５０は、一般に、「低い」印加作動圧力と「高い」印加作動圧力とで循環するように構成されることがある。「高い」印加作動圧力が下流弁３４４の下流での流体圧力を超えるとき、流体は流体ドライバ３１２から排出される。上流弁３４２の上流での圧力がハウジング３１０内の作動流体の「低い」圧力よりも大きいとき、流体は流体ドライバ導管３１２に引き込まれる。「高い」及び「低い」圧力は、絶対的に（すなわち大気条件に対して）正又は負でよく、前述の圧力関係が存在するときに動作可能である。したがって、作動流体に加えられる絶対圧力は、空洞ポンプハウジング３１０及び／又は流体ドライバ３１２の上流及び下流での予想又は設計圧力と比較した相対圧力ほど重要ではない。
[00186]様々な実施形態において、アクチュエータ３５０によって作動流体３２０に加えられる圧力は、絶対正の圧力又は絶対負の圧力でよい。いくつかの実施形態では、加えられる作動圧力は、「低い」正の絶対圧力と「高い」正の絶対圧力との間で循環されることがある。代替として、加えられる作動圧力は、正の絶対圧力と負の絶対圧力との間で循環されることがある。さらなる実施形態では、加えられる作動圧力は、「低い」（より負の）負の絶対圧力と「高い」（ゼロに近い）絶対圧力との間で循環されることがある。
[00187]様々な実施形態において、アクチュエータ３５０は、作動圧力を単一の空洞ポンプハウジング３１０又は複数の空洞ポンプハウジング３１０に同時に又は交互に加えるように構成されることがある。例えば、作動圧力の交互の印加は、圧力を交互の導管に送る弁構成によって、又は他の機構によって、ピストンサイクルの両端に作動圧力を印加することを含むことがある。複数の空洞ポンプへの作動圧力の同時印加は、複数の分岐に共通の導管内の作動流体に圧力を印加することによって達成することができ、各分岐は、１つ又は複数の空洞ポンプハウジング及び／又は流体ドライバにつながる。
[00188]様々な実施形態において、作動流体は、空気、窒素、アルゴン、若しくは他の気体若しくは気体混合物などの圧縮性流体、又は水、油、若しくは他の非圧縮性液体などの非圧縮性流体でよい。圧縮性作動流体が使用される場合、作動流体への作動圧力の印加中、流体ドライバ３１２に加えられる圧力は、圧縮又は偏向に対する流体ドライバ３１２の抵抗を克服するのに必要な圧力量だけ作動圧力よりも低いことがある。したがって、流体ドライバ３１２に所望の圧力を与えるために、（所望の圧力よりも大きい）余剰圧力を圧縮性流体に加えることができる。
[00189]空洞ポンプタイプは、本明細書で述べる電気化学システムにおいていくつかの利点を提供する。ウェアラブル可動部品が非常に少ない低コストのポンプであることに加えて、空洞ポンプは、気液流体混合物を含む流体容積の相対圧力に基づく流体の流れの単純な受動制御を可能にする。さらに、空洞ポンプは多数（例えば数百又は数千）の並列の流れを制御することができるので、単一のポンプを使用して、数百個のセルを含むことがある電気化学セルスタックの個々の半電池など多数の独立した容積での流体の流れを制御することができる。
[00190]電気化学システムにおいて空洞ポンプを動作させる一例は、図１及び図２を参照して理解することができる。電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２内の電解質１３０、１３１は、空洞ポンプ３００によってセル１００、２００に圧送されることがある。空洞ポンプ３００は、電解質を所望の速度でセル１００、２００に戻すのに十分な周波数で周期的に作動させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、電解質は、電解質が半電池チャンバ２３２、２４２から捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２に逃げる予想速度にほぼ等しい速度でセル１００、２００に戻されることがある。捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２の出口１１８は、空洞ポンプ３００の入口端で導管に連結されることがあり、１つ又は複数の管又は他の流体ドライバ３１２が、捕捉容積出口導管に連結されることがある。
[00191]空洞ポンプ３００の各作動時に、捕捉容積出口１１８の下流での電解質の体積は、流体ドライバの作動によって、返還導管１１４、１１６、２１４、２１６に向かって下流に押し流されることがある。返還導管１１４、１１６、２１４、２１６内の流体圧力は、膨張容積２８０（存在する場合）及び半電池チャンバ２３２、２４２内の流体圧力によって影響を及ぼされることがある。返還導管１１４、１１６、２１４、２１６内の圧力が、空洞ポンプの作動によって与えられる流体圧力よりも低い場合、管３１２からの流体の体積は、返還導管１１４、１１６、２１４、２１６に押し流される。空洞ポンプ作動圧力が解放（又は減少）されるとき、捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２内の流体圧力が流体ドライバ区域１７２、１７４、２７２、２７４内の「低い」流体圧力を超える場合、ある体積の流体が上流弁２２１を通って流れて、空洞ポンプ３００内の流体ドライバ導管を充填する。
[00192]図１及び図２は、各半電池電解質捕捉容積１１０、１１２、２１０、２１２に関連する単一の空洞ポンプ流体ドライバ１７２、１７４、２７２、２７４を概略的に示す。しかし、様々な実施形態において、単一の空洞ポンプ流体ドライバは、任意の数の半電池電解質捕捉容量に関連付けられることがある。例えば、いくつかの実施形態では、セルスタック全体における全ての電解質戻りポンプ管が、１つの空洞ポンプ流体ドライバ又は１つの共通のハウジング容積に関連付けられることがある。他の実施形態では、全ての正の半電池電解質返還ポンプ流体ドライバは、１つの空洞ポンプハウジング（第１の共通の流体体積によって作動される）にあってよく、全ての負の半電池返還ポンプ管は、第２のハウジング（第２の共通の流体体積によって作動される）にあってもよい。いくつかの実施形態では、単一のアクチュエータが、正の半電池空洞ポンプを駆動する第１の作動流体と、負の半電池空洞ポンプを駆動する第２の作動流体との両方に作動圧力を加えることができる。他の実施形態では、流体ドライバは、セル又は半電池の様々な他の組合せに束ねられることがある。いくつかの実施形態では、「ポンプ」又はポンプ構成要素は、個々の電気化学セルごとに、又は代替として個々の半電池ごとに、例えば個々の導管又は個々の導管区域として提供されることがある。
[00193]様々な実施形態において、空洞ポンプハウジングは、積み重ねられたプレートアンドフレームセルスタック構造の層のアパーチャによって画定される容積を備えることがある。そのような実施形態では、流体ドライバ区域は、ハウジング内の作動流体が流体ドライバの下流での導管区域内の流体を押し流すことを可能にするように、ハウジング内に又はハウジングに隣り合って配置されることがある。
[00194]図３Ｂ及び図３Ｃは、図１１～図１２Ｂを参照して以下でさらに述べるように、積み重ね可能なセルフレームに統合されることがある空洞ポンプの例示的実施形態の平面実装形態を示す。図３Ｂ及び図３Ｃでは基板及びポンプ特徴部が水平面に示されているが、セルスタックの様々な実装形態では、セルフレーム及びポンプ特徴部が垂直面（又は任意の他の面）に向けられることもある。
[00195]図３Ｂ及び図３Ｃに示される例示的実施形態では、空洞ポンプ３６０は、セルスタックのセルフレームの一部分でよい基板３６４内の特徴部として形成されたポンプチャンバ３６２（図３Ａのハウジング３１０と同様の機能を実施することができる）を備えることがある。ポンプチャンバ３６２は、流入（上流）アパーチャ３６６及び流出（下流）アパーチャ３６８を備え、各アパーチャが一方向弁３６７、３６９を受け入れるように構成される。図３Ｂ及び図３Ｃは、アンブレラタイプの弁として一方向弁を示すが、本明細書で述べるように、任意の他の一方向弁タイプを使用することもできる。流入（上流）アパーチャ３６６は、基板３６４の流入（上流）導管３７０に流体的に接続されることがある。同様に、流出（下流）アパーチャ３６８は、基板３６４の流出（下流）導管３７２に流体的に接続されることがある。
[00196]ポンプ３６０は、可撓性ダイヤフラム３７４の形態での流体ドライバを備えることもある（しかし、本明細書で述べるように他の流体ドライバタイプを使用することもできる）。図示の実施形態では、カバー３７６を設けて、アセンブリが圧縮されたときに基板に対してダイヤフラム３７４の周縁部に圧縮力を伝達することもできる。カバー３７６は、作動流体がカバー３７６の周りを流れてダイヤフラム３７４に接触することを可能にするために、様々な開口部３７７、チャネル３７８、又は他の構造を備えることもある。いくつかの実施形態では、カバー３７６は、作動流体が通過することを可能にするための穴又はスロットを有する固体ディスクなど他の構造を含むことがある。カバー３７４は、作動流体フローチャネルを維持しながら封止を保証するために、ダイヤフラム３７４よりも剛性が高い又は圧縮性が低い材料から作製されることがある。
[00197]基板３６４のチャネル３８１に対して圧縮されたときにポンプチャンバ３６２を周囲の容積から封止するために、ガスケット又はＯリング３８０を設けることもできる。様々な実施形態において、ガスケット又はＯリング３８０は、カバー３７６及びＯリング３８０に押し付けられた隣り合うセルフレーム又はカバーシートなど、隣り合う平面構造（図３Ｂには図示せず）に対して封止することができる。
[00198]図３Ｂは、第１の作動流体導管３８２及び第２の作動流体導管３８４も示す。いくつかの実施形態では、作動流体導管３８２、３８４は、それぞれ流入（上流）導管及びパージ導管として使用することができる。例えば、第２の作動導管３８４から出る流れが妨げられた状態で作動流体を第１の導管３８２に押し流すことによって作動を行うことができ、以て、両方の導管での圧力上昇及びダイヤフラム３７４の上方のポンプハウジング３６２での圧力上昇を引き起こす。そのような例では、作動が完了すると、第２の作動流体導管３８４からの流出を許すことによって圧力を低下させることができる。いくつかの実施形態では、一方又は両方の導管３８２、３８４を使用して、ダイヤフラム３７４の上の作動流体に作動圧力を加えることができ、及び／又はいずれかの導管３８２、３８４を通して圧力を解放することができる。いくつかの実施形態では、単一の作動流体導管３６６又は３６８が存在し、第２の導管が省略されることがある。
[00199]図３Ｂは、押し流された流体（例えば、本明細書のいくつかの実施形態では電解質）がポンプチャンバ３６２に流入することができる押流し流体流入（上流）導管３７０をさらに示す。押し流された流体は、押流し流体流出（下流）導管３７２を通してポンプチャンバ３６２から流出することもある。様々な実装形態において、押流し流体流入導管３７０、押流し流体流出（下流）導管３７２、流入（上流）アパーチャ３７０、及び流出（下流）アパーチャ３７２のうちの１つ又は複数は、ポンプチャンバ３６２から離れた基板の領域に位置し、導管又はチャネルによってポンプチャンバ３６２に流体的に接続されることがある。そのような構成の例は、図１１～図１２Ｂを参照して本明細書で述べる。
[00200]図３Ｃは、図３Ｂの組み立てられた空洞ポンプ３６０の断面線Ｃ－Ｃを通る断面図である。図３Ｃの組み立てられたポンプは、ポンプチャンバ３６２及び作動流体導管３８２、３８４を囲むように、Ｏリング３８０に対して封止された上部カバーシート３９０をさらに含む。底部カバーシート３９２は、一方向弁３６７、３６９、並びに押流し流体流入（上流）導管３７０及び押流し流体流出（下流）導管３７２を囲んで収容するために含まれる。いくつかの実施形態では、作動流体導管３８２、３８４は、セルスタックの全てのセルフレームを介して連続的に接続されることがある（つまり、導管３８２、３８４は、上部カバーシート又は隣り合うセルフレームの開口部を通過することがある）。
[00201]作動流体が作動流体導管３８２内でポンプチャンバ３６２に向かって押し流されるとき、圧力（及び／又は流体の流れ）は、作動流体導管３８２を通して、カバー３７６のチャネル３７８を通して、ダイヤフラム３７４の作動側（図示では上面）と接触して伝達されることがある。作動圧力の影響下で、ダイヤフラム３７４は、一方向弁３６９、３７０に向けて下方向に偏向されることがあり、以て、ダイヤフラム３７４の下のポンプチャンバ３６２内の流体圧力を増加させる。流出（下流）一方向弁３６９は、増加された圧力の影響下で開くことがあり、流体が押流し流体流出（下流）導管３７２を通ってポンプチャンバ３６２から流出することを可能にする。
[00202]作動圧力が解放又は逆転されるとき、押流し流体流入（上流）導管３７０内の圧力は、ダイヤフラム３７４の下のポンプチャンバ３６２内の圧力を超えることがあり、以て、押し流された流体が流入（上流）一方向弁３６７を通ってポンプチャンバ３６２に流入することを可能にする。
容積膨張システム
[00203]図２に示されるように、本明細書で述べる電気化学システムのいくつかの実施形態では、各セル１００、２００は、セル圧力を受動制御しながら、セル容積内の流体の体積膨張を可能にするように構成された膨張容積２８０を有して構成されることがある。いくつかの実施形態では、膨張容積２８０は、膨張容積及びそれに連結された導管内の高圧流体の圧力を低圧電解質が直接低下させることができるという意味で、セルの正の電解質１３１と負の電解質１３２との流体圧力が「連動」される領域を実現するように構成されることもある。
[00204]気体発生電気化学反応のために構成された電解セル１００、２００がアイドル状態から最初に電源投入されるとき、気泡が急速に生成され、液体電解質１３０、３１１を押し退ける。不変サイズの容積では、気体状流体のこの増加により、半電池内の流体圧力が急速に増加する。各半電池で気体が生成される速度の相違は、かなりのセパレータ横断圧力差をもたらすことがあり、これは、セパレータ全体にわたって又はシールの周りに液体電解質及び／又は気泡を押し流すことがあり、気体クロスオーバ及び／又は漏れを引き起こす。さらに、セルでの電気化学反応が発熱性である場合、半電池チャンバ内の気体及び液体電解質は膨張する傾向がある。容積が制約されている場合、代わりに、熱膨張が、半電池チャンバ内の流体圧力を増加させる。従来の電解槽では、そのような圧力の揺れは、各セルを通して電解質を流し、以て余剰の流体体積を搬送除去することによって管理されている。
[00205]中で流体が膨張することがある膨張容積を各セルに提供することによって、セルに電解質を流す必要なく各半電池内の圧力を受動制御することができる。両方の半電池チャンバからの電解質を共通の体積に膨張させることで、半電池内の圧力の受動的な平衡を可能にすることができ、以て、セパレータ横断圧力差を最小限に抑える。
[00206]図２の例では、膨張容積２８０は、ばね２８１によって概略的に表される
ばね力による膨張に抵抗する膨張可能なベローズ２８３として示されている。様々な実装形態において、膨張容積は、膨張を可能にしながら流体体積を収容することができる材料及び構造から作製されることがある。例えば、膨張容積は、バルーン状の構造、１つ若しくは複数の可撓性ダイヤフラム、１つ若しくは複数のベローズ、又は他の構造を備えることがある。
[00207]いくつかの実施形態では、膨張容積２８０は、膨張に対してある程度の抵抗を及ぼすように構成されることがあり、流体体積が膨張するにつれて少なくともいくらかの圧力の増加をもたらす。これは、図２のばね２８１によって概略的に示されている。様々な実施形態において、膨張に対する抵抗は、ベローズ、ダイヤフラム、バルーンなど膨張可能な部材のばね定数として実装されることがある。いくつかの実施形態では、膨張に対する抵抗は、膨張容積境界（例えばダイヤフラム又はバルーン壁）の反対側での作動流体（液体又は気体）の使用によって制御することができる。いくつかの実施形態では、膨張に対する抵抗は、膨張変位に応じて決まることがあり、以て、容積が膨張するにつれて増加する膨張に対する抵抗を適用する。例えば、膨張に対する抵抗は、膨張の線形、面積、又は体積尺度の線形関数又は非線形関数（例えば、幾何学的、ステップ関数、指数関数など）でもよい。
[00208]いくつかの実施形態では、膨張容積は、正の電解質１３１と負の電解質１３０との混合を防ぐが、両方の電解質が一緒に膨張することを可能にするように構成された個別の領域又は区室に分割されることがある。例えば、可撓性の膨張可能なダイヤフラムを使用して、正の電解質と負の電解質とを分離することができる。他の例では、膨張容積は、非可撓性の分割器によって２つのチャンバに分割されることがある。そのような実施形態では、各膨張容積チャンバは、１つ又は複数の流体導管によってそれぞれの半電池チャンバに個別に連結されることがある。
[00209]さらなる実施形態では、セルは、正の電解質１３１、２３１及び負の電解質１３０、２３０のための別個の独立した膨張容積を有して構成されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、電解質返還導管１１４、２１４、１１６、２１６は、弾性の膨張可能な配管の一区域などの膨張可能な導管、又は上述したような他の膨張容積構造から作製される又はそれらに連結されることがある。
[00210]いくつかの実施形態では、電解質１３１、１３０が膨張容積２８０などの共通の圧力容積に連結されるかどうかにかかわらず、共通の圧力の個別の領域がセル１００、２００に実現されることがある。例えば、いくつかの実施形態では、正のヘッドスペース１３４、２３４は、共通の補給液供給導管１７９、２７９又は滴下チャンバ（以下でさらに述べる）によって負のヘッドスペース１４４、２４４に連結されることがある。代替として、単一のセルからの正及び負の電解質に共通の圧力領域を、セルの任意の他の領域に実現することができる。様々な実施形態において、共通の圧力領域は、正の電解質と負の電解質との混合を可能にする又は防止するように構成されることがある。以下でさらに詳細に述べる図１３は、複数の電気化学セルのセルスタックの構成要素として実質的に平面状のセルフレームに実装された例示的な膨張容積を示す。
気体収集システム
[00211]図２を参照すると（しかし他の図での例にも同様に適用可能である）、電気化学システムでの各電気化学半電池２３２、２４２は、気体除去流体２５２が流れることができる気体除去マニホルド２２２、２２４と流体連通することがある。１つ又は複数の流体逃がし要素２６０、２６１を通って半電池チャンバ２３２、２４２から逃げる気体は、気体除去マニホルドと連通する気液セパレータ２８２、２８４内に圧力を生成することができ、気体除去マニホルドを、半電池圧力よりも低い、且つ上述した補給液供給マニホルド圧力よりも低い圧力で維持することができる。気体除去液体２５２に接触する気体は、気体除去液体２５２に溶解する及び／又は気泡を形成することがあり、次いで、流れる気体除去液体２５２によってセル２００から搬送除去されることがある。
[00212]いくつかの実施形態では、気体除去液体２５２は、セル２００内の電気化学反応で消費された液体を補充するために供給マニホルド２７８を通してセル２００に送達されるものと同じ液体でもよい。例えば、電気化学システムがアルカリ電解槽である実施形態では、気体除去液２５２及び補給液は、（少なくとも主に）脱イオン水でもよい。他の実施形態では、気体除去液体２５２は、セルに供給される液体とは異なる液体でもよい。気体除去液体は、好ましくは非導電性液体であり、好ましくは本明細書で定義される脱イオン水以下の導電性である。例えば、気体除去液体２５２は、水溶液、溶融塩、イオン液体、油、非水性電解質溶液などでもよい。任意選択で、気体除去液体は、半電池で使用される任意の電解質と比較して異なる又は実質的に異なる組成を有することがある。任意選択で、例えば、気体除去液体は、セルの電解質で使用されるのと同じ溶媒を含むが、電解質で使用される溶質を含まない又は実質的に含まない。気体除去液体は、１つ又は複数の液体種などの１つ又は複数の化学種、及び任意選択で１つ又は複数の溶解種を含むことができる。一般に、気体除去液体は、気体除去マニホルドなどの領域からの気体の除去に（任意選択、主に、本質的に、又はそのためにのみ）使用される液体の体積に対応し、気体の除去は、例えば、気体除去液体中での気体の溶解及び／又は気泡同伴と、任意選択でそれに続く、前記領域からの気体除去液体の輸送とによって行われる。
[00213]いくつかの実施形態では、気体除去マニホルドは、実質的に生成された気体のみを含むことがある（つまり、気体除去液体は省かれることがある）。しかし、気体除去液体媒体（又は気体除去液体）の使用は、いくつかの利点を提供する。例えば、気体と共に移動する電解質ミストは、気体除去液体２５２に溶解され又は取り込まれ、したがって気体流から除去されることがあり、以て電解質不純物の気体を洗う。また、気体除去液体に入った気泡により、気体除去液体に溶解されたＣＯ２又は他の気体不純物などの気体を液体から除去することができる（例えばスパージング効果）。また、気体除去液体は、気体除去マニホルド２２２、２２４又は気体除去液体が流れる他のパイピング若しくは導管の壁への電解質堆積物の持続的な蓄積を有益に防止することもできる。
[00214]いくつかの実施形態では、気体除去液体２５２は、脱イオン水などの水でもよい。いくつかの実施形態では、正の気体除去マニホルド２２４内の気体除去液体と負の気体除去マニホルド２２２内の気体除去液体とは、共通の供給源からの同じ液体でもよい。いくつかの実施形態では、気体除去液体２５２は、補給液供給マニホルド２７８を通してセルに供給される液体と同じ液体でもよい。他の実施形態では、正の気体除去マニホルド２２４内の補給液は、負の気体除去マニホルド２２２内の気体除去液体とは異なる組成物でもよい、及び／又は異なる供給源からのものでもよい。同様に、供給マニホルド２７８に供給される補給液は、正の気体除去マニホルド２２４及び負の気体除去マニホルド２２２のいずれか又は両方で使用される補給液とは異なる組成でもよい、及び／又は異なる供給源からのものでもよい。
[00215]いくつかの実施形態では、気体除去マニホルド内の流体圧力及び流れは、容積式ポンプ、空洞ポンプ、又は本明細書の他の箇所で述べるものを含む任意の他のポンプタイプなど、１つ又は複数のポンプによって適用又は維持されることがある。いくつかの実施形態では、気体除去マニホルドに気体除去液体を供給するポンプは、気体除去マニホルド内にある又は気体除去マニホルドと連通する圧力センサ又はフローセンサ（又は他のセンサ）に基づいて閉ループ制御システムで動作する１つ又は複数の電子制御装置によって制御されることがある。いくつかの実施形態では、両方の気体除去マニホルドに送達される気体除去液体の圧力は、気体除去液体を電気化学セルのスタックに送達する共通のポンプによって制御することができる。いくつかの実施形態では、気体除去マニホルドの圧力は、セルスタックからの出口の下流の領域にある背圧調整器によって制御することができる。
[00216]いくつかの実施形態では、正の気体除去マニホルド１２４、２２４の圧力は、負の気体除去マニホルド１２２、２２２の圧力とは独立して制御されることがある。いくつかの実施形態では、正の気体除去マニホルドと負の気体除去マニホルドとの両方を実質的に同じ圧力で維持することが望ましいことがある。しかし、実際には、気体除去マニホルド内の実際の圧力は、目標制御圧力からわずかにずれている可能性が高く、これは、正の気体除去マニホルド圧力と負の気体除去マニホルド圧力との間でいくらかのばらつきが予想されることを意味する。上述したように、適切な流体逃がし要素は、そのようなばらつきを抑え、半電池チャンバ内の圧力に対するそれらの影響を最小限に抑えることができる。
補給液供給
[00217]様々な実施形態において、補給液は、供給マニホルド２７８を通してセル２００に受動的又は能動的に送達されることがある。例えば、受動送達構成のいくつかの実施形態では、補給供給マニホルド２７８は、補給液が送達されるセル又は半電池チャンバの定常状態動作圧力にほぼ等しい一定の流体圧力で維持されることがある。補給液供給出口にある一方向逆止弁１７６、２７６は、セル又は半電池圧力が供給マニホルド圧力を超えたときに補給液が送達されるのを妨げることができる。セル又は半電池チャンバ内の圧力が（例えば、流体逃がし要素を通して流体が半電池から出ることにより）供給マニホルド圧力を下回るとき、圧力が平衡化されて一方向弁が再び閉じるまで、ある量の補給液が逆止弁１７６、２７６を通して送達されることがある。
[00218]補給液の組成は、本明細書の他の箇所で述べるように実施される反応の詳細に応じて決まることがある。例えば、水分解アルカリ電解槽の場合、補給液は、本質的に脱イオン水からなることがあり、場合によっては低濃度のアルカリ性水酸化物を含む。説明を簡単にするために、本明細書では補給液を単に「水」と呼ぶことがあるが、水の代わりに又は水に加えて他の補給液組成物を使用することもできる。
[00219]図１及び図２に概略的に示されるように、補給液は、一方向弁１７６、２７６を含むことがある供給導管１７９、２７９を通して、供給マニホルド１７８、２７８からセル１００、２００に供給されることがある。一方向弁１７６、２７６は、いくつかの利益を提供することがある。
[00220]本明細書の他の箇所で述べるように、セル内の流体圧力は、実質的に動作段階に応じて変化することがある。それにもかかわらず、動作の「定常状態」では、半電池チャンバ内の圧力は最小限にしか変動しないことがある。したがって、「定常状態」動作中の平均セル圧力は、経験的に及び／又は設計によって確立することができる。本明細書で使用するとき、「定常状態」動作は、セルの動作変数（例えば、電圧、圧力、温度など）が最小限だけ又は約１０％以下だけ変動する動作段階を表す。
[00221]特に、セル又は半電池チャンバの定常状態圧力は、約２０％以下、いくつかの実施形態では約１０％以下、いくつかの実施形態では約５％以下、いくつかの実施形態では約３％未満、及びいくつかの実施形態では約１％未満だけ変化する圧力である。いくつかの実施形態では、定常状態圧力は、約２ｂａｒ未満、約１ｂａｒ未満、約０．５ｂａｒ未満、約０．３ｂａｒ未満、約０．２ｂａｒ未満、約０．１５ｂａｒ未満、約０．１ｂａｒ未満、又は約０．０７ｂａｒ未満だけ変動する圧力である。いくつかの実施形態では、定常状態半電池圧力は、約５ｐｓｉ未満、いくつかの実施形態では約３ｐｓｉ未満、いくつかの実施形態では約２ｐｓｉ未満、及びいくつかの実施形態では約１ｐｓｉ未満だけ変動することがある。定常状態圧力は、約２ａｔｍ未満、約１ａｔｍ未満、約０．５ａｔｍ未満、０．２５ａｔｍ未満、又は０．０５ａｔｍ未満だけ変動する圧力でもよい。
[00222]動作の定常状態では、セル内の流体圧力も最小のばらつきを有する傾向があり、セル又は半電池チャンバの「定常状態圧力」と呼ばれることがある。いくつかの実施形態では、半電池圧力は、定常状態動作中に互いに最小限のばらつきを有することがあり、したがって、定常状態セル圧力は、両方の半電池内の定常状態圧力と実質的に同じでもよい。
[00223]動作の「定常状態」に加えて、電気化学システムのいくつかの実施形態は、「アイドル」状態、「始動」状態、及び「停止」状態になることがある。電気化学システムの用途に応じて、システムが始動、定常状態での動作、停止、及びアイドルを循環するのに必要とされる速度又は周波数は、実質的に異なることがある。例えば、エネルギー貯蔵部として水素を生成するために使用される電解槽のいくつかの実施形態は、始動、動作、停止、及びアイドルを１日に数回行われることがある。いくつかの実施形態では、電解槽は、電解槽が設計されている最小動作電流と最大動作電流との間の様々な電流で動作することができる。例えば、ソーラーアレイから電力が供給される電解槽は、雲量の変化や他の条件によりソーラーパネルによって生成される電力が瞬時的に変化するため、供給される電流が急激に変化することがある。そのような電流の変化は、セル又は半電池内の圧力に瞬時的な変化を引き起こすことがある。
[00224]いくつかの実施形態では、供給マニホルド１７８、２７８内の補給液は、補給液が送達される半電池内の予想される定常状態圧力とほぼ等しい又はわずかに高い圧力で維持されることがある。これは、半電池チャンバ２３２、２４２内の圧力が供給マニホルド１７８、２７８内で維持されている圧力よりも下に降下したときに、セル１００、２００への補給液の受動的な送達を可能にする。
[00225]他方、半電池チャンバ２３２、２４２内の圧力が供給マニホルド１７８、２７８内の圧力を超えるとき、気体及び電解質は、一方向弁１７６、２７６によって供給マニホルドに逆流するのを妨げられる。本明細書の他の箇所で述べる様々な一方向弁の例を含めた、任意の一方向弁を使用することができる。
[00226]様々な実施形態において、供給マニホルド内の圧力は、セル内の定常状態流体圧力の中央値にほぼ等しい圧力に維持されることがある。電気化学システムが大気圧よりも高い絶対圧力で動作される実施形態では、供給マニホルド補給液の圧力は、所望の絶対圧力に、又は予想される、印加される、若しくは測定されるセル圧力を基準として定義される所望の相対圧力に維持されることがある。
[00227]図１及び図２は、補給液を負の半電池に送達する供給マニホルド１７８、２７８を示すが、補給液は、代替として正の半電池に又は両方の半電池に追加されることもある。代替の構成では、セルは、補給流体が正極と負極１０２、１０４、２０２、２０４の間の電極間空間に追加されることを可能にするように配置されることがある。
[00228]いくつかの実施形態では、供給マニホルド圧力は、容積式ポンプ、空洞ポンプ、又は本明細書の他の箇所で述べるものを含む任意の他のポンプタイプなどのポンプによって印加又は維持されることがある。いくつかの実施形態では、補給液を供給マニホルドに供給するポンプは、圧力センサ又は流量センサに基づいて閉ループ制御システムで動作する電子制御装置によって制御されることがある。さらに他の実施形態では、供給マニホルド圧力は、上昇供給リザーバや圧縮ガスなど、流体に圧力を加えることができる任意の他の機構によって印加又は維持されることがある。いくつかの実施形態では、特定の圧力は、圧縮された気体及び／又は背圧調整器の使用によって維持又は調整されることがある。
流体圧力制御
[00229]図４は、セルスタック４１２の電気化学セル４１０に補給液を送達し、生成された気体を気体除去液体を用いてセル４００から除去するための流体管理システム４００の概略図である。図４のシステムでは、補給液と気体除去液体とは、実質的に同じ液体、例えば脱イオン水でもよい。簡単にするために、流体の流れを述べるために「水」という用語を使用するが、本明細書の他の箇所で述べるように、気体除去液体及び／又は補給液の実際の組成は異なることがある。
[00230]図４に示されるように、第１のポンプ４２０は、貯蔵タンク４２２からセルスタック４１２の供給マニホルド４２６の入口４２４に水を送達することができる。供給マニホルド４２６は、本明細書で述べるように、セルスタック４１２の各セル４１０に水を送達することができる。いくつかの実施形態では、第１のポンプ４２０は、１つ又は複数のセンサ４２８からの測定値に基づいて電子制御装置によって制御されることがある。いくつかの実施形態では、センサ４２８は、１つ又は複数の圧力センサを含むことがあり、制御装置は、スタック供給マニホルド４２６に入る水を所望の圧力範囲内で維持するためのデジタル又はアナログプログラミングを含むことがある。
[00231]代替として、センサ４２８は、１つ又は複数の流量センサ（例えば体積流量又は質量流量を検出するためのセンサ）を含むことがあり、制御装置は、供給マニホルド４２６に流入する水の流量を所望の範囲内で維持するためのデジタル又はアナログプログラミングを含むことがある。いくつかの実施形態では、制御装置は、圧力センサと流量センサとの両方に基づいて第１のポンプを制御することができる。さらに他の実施形態では、センサ４２８は、セルスタック４１２の下流の点に背圧を加えることによって供給マニホルド４２６内の圧力を制御するように構成された背圧調整器でもよい、又は背圧調整器を備えることがある。
[00232]いくつかの実施形態では、供給マニホルド４２６から出る水は、第２のポンプ（図示せず）によって気体除去マニホルド４３２、４３４に圧送されることがある。代替として、供給マニホルド４２６から出る水は、第１のポンプ４２０によって生成された圧力下で気体除去マニホルドに流入することがある。いくつかの実施形態では、水導管は、セルスタック４１２への入口４３６で、正の気体除去マニホルド４３２と負の気体除去マニホルド４３４とに分割されることがある。いくつかの実施形態では、第２のポンプ（存在する場合）は、気体除去マニホルド４３２、４３４への入口にある１つ又は複数のセンサ４３８（例えば、上述した圧力センサ及び／又は流量センサ）からの測定値に基づいて電子制御装置によって制御されることがある。代替として、センサ４３８は、気体除去マニホルド内の圧力を所望の圧力範囲内に維持するように構成された背圧制御装置を備えることがある。
[00233]気体除去マニホルド４３２、４３４を通過する水は、セル４１０によって生成された気体を収集し、液滴、ミスト、又は蒸気の形での少量の電解質も収集することができる。気体除去マニホルド４３２、４３４から出た後、セルスタック４１２から収集された水と流体との個別の混合物は、生成物分離、濾過、精製、又は他の処理システムに送られることがあり、そこで水が処理されることがあり、その後、貯蔵タンクに送られる及び／又はセルスタック４１２に戻される。いくつかの実施形態では、貯蔵タンク、処理システム、又は他の要素は省かれることがある。
[00234]本明細書で述べる特徴を備える電気化学システムは、主に受動制御下で様々な流体圧力領域間の圧力関係を維持するように構成されることがある。図２を参照して（しかし他の構成にも適用可能である）、セル２００内の圧力関係を、４つの圧力領域を参照して述べることができる。第１の圧力領域は、正及び負の半電池チャンバ２３２、２４２と、電解質返還導管２１４、２１６と、膨張容積２８０とを含む全電池容積として定義される。第２の圧力領域は、負の気体収集容積２８２として定義され、負の流体逃がし要素２６０が、第１の圧力領域と第２の圧力領域との境界を画定する。第３の圧力領域は、正の気体収集容積２８４として定義され、正の流体逃がし要素２６１が、第１の圧力領域と第３の圧力領域との境界を画定する。第４の圧力領域は、補給液供給マニホルド２７８として定義され、供給入口弁２７６が、第４の圧力領域と第１の圧力領域との境界を画定する。いくつかの実施形態では、追加の圧力領域も存在することがある。例えば、空洞ポンプ作動流体が、第５の圧力領域を画定することができ、膨張容積に対する抵抗を確立する作動流体が、第６の圧力領域を画定することができる。
[00235]いくつかの実施形態では、上で画定された圧力領域間の圧力関係は、領域のいくつかのみにおける圧力を能動制御することによって維持されることがあり、圧力差に応答して動作する構成要素が圧力関係を受動的に維持できるようにする。上述したように、補給液供給マニホルド２７８内の圧力は、全電池２００（又は補給液が送達される半電池２４４）内の定常状態流体圧力とほぼ等しい又はわずかに高い一定の圧力に維持されることがある。正及び負の気体除去マニホルド２２２、２２４は、全電池又は半電池内の最小圧力よりも低い圧力に維持されることがあり、以て、上述したように流体が半電池チャンバから流出することを保証する。全電池内の流体圧力は、セル２００の動作段階に応じて変動することがある。
[00236]図５Ａ～図５Ｄは、供給マニホルド２７８からセル（例えば、図２の２００）に入る補給流体の流量、全電池内の流体の体積（すなわち、膨張容積２８０の膨張の程度）、及びセルの４つの動作段階における上で定義された４つの圧力領域の相対圧力の概略図を提供する。図５Ａ～図５Ｄのグラフは、相対値（必ずしも一定の縮尺ではない）を示し、したがって数値を含まない。４つの圧力領域の圧力は、左側の垂直軸線を基準にして示され、補給液の流量は、別の右側の垂直軸線を基準にして示されている。４つの圧力領域のそれぞれの圧力及び補給液の流量は、横軸線に表されている全電池流体体積の様々な値で示されている。
[00237]図５Ａ～図５Ｄは全て、膨張容積が増加するにつれて増加する全電池圧力を示し、全電池圧力は、ゼロ容積膨張又はその付近の点で補給液供給圧力（全ての膨張容積で一定に維持されることがある）と交差する。正及び負の気体除去マニホルドは、全ての膨張容積で一定の圧力に維持されることもある。いくつかの実施形態では、正の気体除去マニホルド圧力は、負の気体除去マニホルド圧力に実質的に等しく維持されることがある。正及び負の気体除去マニホルド圧力は、意図的に異なる圧力に保持されることもあり、正の気体除去液体又は負の気体除去液体のいずれかが他方よりも高い圧力で保持される。図５Ａ～図５Ｄでは、正及び負の気体除去圧力は、両方の線を明確に示すために異なる線として示されている。
[00238]図５Ａは、「アイドル」状態での圧力及び補給液流量を表す。「アイドル」状態では、圧力領域は所望の相対（及び／又は絶対）圧力に加圧されているが、電力がセルに送達されておらず、したがって気体が生成されていない。アイドル状態では、電解質返還ポンプ２７２、２７４が動作されて、捕捉された電解質を電解質捕捉容積２１０、２１２から半電池チャンバ２４２、２３２及び／又は膨張容積２８０に戻すことができる。戻る電解質の流れにより、一方又は両方の半電池内の電解質は、流体逃がし要素２６０、２６１を通って、半電池チャンバ２４２、２３２から電解質捕捉容積２１０、２１２に流れる傾向があり得る。
[00239]図５Ａに示されるように、アイドル状態では、全電池流体容積はその最小値になり（すなわち、膨張容積２８０の膨張が最小である又は全くない）、したがって、全電池流体圧力は、補給液供給マニホルド２７８内の圧力以上であり、したがってセルへの補給液の流量はゼロである。
[00240]始動前に、気液セパレータ２８２、２８４は、除去マニホルド４３２、４３８内の制御された液体圧力よりも高く予圧されることがある。さらに、始動前、半電池チャンバは、所望の最小セル動作圧力に予圧されることがあり、及び／又は他の領域は、所望の圧力に予圧されることがある。
[00241]セルが始動されるとき、セルでの気体の生成は、半電池チャンバ内で、膨張容積の偏向によって対処される流体の体積膨張を引き起こし、上述したように膨張容積によって与えられる抵抗による圧力の増加を伴う。流体が膨張容積内へ膨張するにつれてセル内に圧力が蓄積されるが、気体及び電解質が流体逃がし要素を通って逃げるまで、気体が生成されるにつれて圧力が上昇する。気体除去マニホルド内の圧力は、セル内で予想される最小圧力にほぼ等しくなるように制御されることがあり、これは、気体が溶液に入るまで、及び／又は気体除去マニホルドに流入する気体除去流体中に気泡を生成するまで、気液セパレータに気体圧力が生じることを意味する。
[00242]図５Ｂに示される「始動」状態中、一方又は両方の半電池チャンバでの気体生成反応により、（矢印によって示されるように）セル流体体積は増加することがあり、増加された流体体積は、膨張容積内へ膨張することがあり、以て、半電池チャンバ内の液体及び気体の全電池圧力を増加させる。全電池圧力が補給液供給圧力を超えるので、始動期間中に補給液が流れる傾向はない。流体が半電池チャンバ２４２、２３２を出て電解質捕捉容積２１０、２１２及び気体除去マニホルド２２２、２２４に入ると、半電池内の流体の体積及び圧力が低下する。
[00243]図５Ｃに示されるように、セルが定常状態運転動作に達すると、セルの流体体積は最小値に戻り、その時点で補給液が流れることができる。定常状態動作中、セル内の流体の総体積及び／又はセル内の流体圧力は、補給流体が流れることができる低圧点と、全電池圧力が補給液供給圧力を超え、補給液が流れないわずかに高い圧力点との間で振動する傾向がある。
[00244]図５Ｄに示されるように、セルが停止されるとき、気体生成の停止により、全電池圧力及び容積が、図５Ａの「アイドル」状態に向かって急速に低下して戻り、流体の流れを可能にする時折の圧力差をもたらす圧力振動が消散するときに補給液の流量はゼロに低下する。
[00245]補給液供給マニホルドと半電池容積２４２とを分離する弁２７６などの一方向逆止弁は、典型的には、それらが開いて一方向の流体の流れを可能にする前に「クラッキング圧力」を超える圧力差を必要とする。本明細書における様々な例は、ゼロクラッキング圧力を必要とするものとして示されている「理想的な」逆止弁を仮定して述べる。実際の実装形態では、一方向逆止弁は、非ゼロのクラッキング圧力を有し、流体が流れる前に、様々な圧力領域間の圧力差がクラッキング圧力を克服するのに十分である必要がある。いくつかの実施形態では、逆止弁のクラッキング圧力は、所望の性能特性に基づいて選択することができる。
[00246]いくつかの実施形態では、本明細書で述べる電気化学システム（低流量イオン交換電解槽（ＬＦＩＥ）及び本明細書で述べる他の電解槽を含む）におけるプロセス水の流れは、システムにおける様々な点での圧力を監視及び管理することによって実質的に完全に制御することができる。例えば、いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックを通るプロセス水の流れは、３点で、すなわちプロセス水供給マニホルド、正の気体除去マニホルド、及び負の気体除去マニホルドで、流体圧力に影響を与える圧力調整器によって制御されることがある。
[00247]図１４Ａ及び図１４Ｂに示されるように、プロセス水供給マニホルド１４４０内の圧力は、供給マニホルド１４４０への入口の下流に位置する背圧調整器１４６４によって制御されることがある。代替実施形態では、供給マニホルド１４４０内の圧力は、供給マニホルド１４４０の上流に位置する圧力調整器によって制御されることがある。代替として、供給マニホルド１４４０内の圧力は、閉ループ又は開ループ制御システムにおけるポンプ１４５２の動作によって制御されることがある。
[00248]他の実施形態では、ポンプ１４５２は、背圧を調整することによって圧力調整器１４６４、１４６６、１６４２がそれぞれの圧力を制御するために供給マニホルド１４４０にプロセス水の十分な流れを単に送達することによって、非制御で又は最低限の制御を受けて動作されることがある。
[00249]同様に、いくつかの実施形態では、第１の気体除去マニホルド１４２２内の圧力は、第１の気体除去マニホルド１４４２の下流に位置する背圧調整器１４６２によって制御されることがあり、第２の気体除去マニホルド１４４４内の圧力は、マニホルド１４４４の下流に位置する背圧調整器１４６６によって制御されることがある。
例示的構成
[00250]上述した様々なシステム及びサブシステムは、電気化学システムの様々な実施形態において修正される、省略される、又は異なる形態で構成されることがある。そのような構成のいくつかの例を、図６～図１８を参照して以下に述べる。図６～図１８（又はその一部）の例は、互いに、又は本明細書で述べる他の構成若しくは実施形態と様々に組み合わせることができる。
[00251]図６は、補給液が両方の半電池チャンバに同時に受動的に送達される代替構成を表す。図６は、正の半電池チャンバ６３２と負の半電池チャンバ６４２とを有する電気化学セル６００を概略的に示し、正の半電池チャンバ６３２と負の半電池チャンバ６４２とは、セパレータ６０６によって分離され、セル６００又は半電池チャンバ６３２、６４２内に電解質６３０、６３１を保持するように構成される。図６のシステムは、気体除去容積と電解質捕捉容積とが単一の一致する容積６８６、６８４であるという点で図１及び図２のシステムとは異なる。いくつかの実施形態では、流体逃がし要素６６５、６６７は、気体除去マニホルド６２２、６２４に搬送される気体除去液体６５２中に気体が逃げることを可能にしながら、液体電解質の透過を実質的に妨げる膜、例えば疎水性の相弁別膜でもよい。液体形態又は蒸気形態のいずれかで膜６６５、６６７を通って逃げる電解質６３０、６３１は、補給液供給マニホルド６７８を通してセルに戻すことができる。
[00252]図６は、供給マニホルド６７８によって供給される滴下フィード６７２を備える修正された補給液供給システム６７０も概略的に示す。とりわけ、滴下フィード６７２は、図１及び図２の実施形態の一方向弁を省き、以て、供給マニホルド６７８から補給液の一定の滴下フィード流を供給する、制御された圧力で補給液６７１を維持することができる。
[00253]図６の補給液供給システム６７０は、滴下フィード６７２から供給される滴下リザーバ６７４も含む。補給液６７１は、供給導管６７６によって滴下リザーバ６７４からセル６００に送られることがある。上で示唆したように、補給液６７１は、セル６００から逃げた可能性のある低濃度の電解質を含むことがある。様々な実施形態において、重力（例えば、滴下リザーバ６７４をセル６００の垂直方向上方に配置することによって生成される静水頭圧）によって、１つ若しくは複数のポンプによって、又は供給マニホルド６７８及び／又はリザーバ６７４自体の流体圧力によって確立された滴下リザーバ６７４内の圧力によって、補給液は滴下リザーバ６７２からセル６００に押し流されることがある。
[00254]いくつかの実施形態では、図６に示されるように、供給導管６７６は、負の電解質６３０と正の電解質６３１との流体連通を実現するクロスオーバ領域６９１に隣り合うセル６００に連結されることがある。これは、上述したような正の電解質６３１と負の電解質６３０との間のある程度の圧力平衡を可能にすることがあり、補給液が両方の半電池チャンバ６３２、６４２に等しく送達されることを可能にすることがある。いくつかの実施形態では、クロスオーバ領域６９１での圧力は、（例えばリザーバ６７４及び／又は供給マニホルド６７８内の制御された圧力によって確立される）半電池チャンバ６３２、６４２内の定常状態圧力をわずかに超えることがあり、以て、一方の半電池チャンバから他方の半電池チャンバへの電解質のクロスオーバを概して最小限に抑えると共に、半電池チャンバ間の圧力差も最小限に抑える。
[00255]図６のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、半電池チャンバ６４２、６３２、セパレータ６０６、電極６０２、６０４、流体逃がし要素６６５、６６７、気体除去／電解質捕捉容積６８６、６８４、滴下リザーバ６７４、滴下フィード６７２、及び供給導管６７６を含むことがある。供給マニホルド６７８及び気体除去マニホルド６２２、６２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの他の全てのセル及びさらなる処理機器に連結されることがある。いくつかの実施形態では、補給液供給導管内の流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルでの補給液供給導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
[00256]図７は、補給液７７１（いくらかの電解質を含むことがある）が負の電極７０２と正の電極７０４との間の電極間空間７１１に押し流されるセル７００の代替構成を概略的に示す。図７の構成では、各電極７０２、７０４は、電極の外側に取り付けられた気体除去膜７２３、７２５を有することがある。各電極７０２、７０４は、電極間空間７１１に面する内側にセパレータ膜７０６、７０７を備えることもある。
[00257]図１及び図２の場合と同様に、図７のセル７００は、別個の電解質捕捉容積７１０、７１２及び気体除去容積７８６、７８８を含むことがあり、電解質返還導管７１４、７１６は、上述したものなど１つ又は複数のポンプ７７２、７７４の力の下で、捕捉された電解質を電極間空間に送ることができる。流体逃がし要素は図７には示されていないが、図７に示されるセルなどのセルと組み合わせて任意の流体逃がし要素を使用することができる。
[00258]電解質及び補給液が電極間空間７１１に押し込まれると、圧力が生じることがあり、電解質は、電極間空間から電解質７３０、７３１で充填された半電池チャンバ７４２、７３２に延びる滴下チューブ７６０、７６１を通って滴下することがある。いくつかの実施形態では、滴下チューブ７６０、７６１は、本明細書の他の箇所で上述した出口チャネル又は他の直列若しくは並列の流体逃がし要素と同様に構築されることがある。
[00259]図７のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、半電池チャンバ７４２、７３２、セパレータ膜６０６、７０７、電極７０２、７０４、滴下チューブ７６０、７６１、電解質捕捉容積７１０、７１２、電解質返還導管７１４、７１６、気体除去容量７８６、７８８、滴下リザーバ７７４、滴下フィード７７２、及び供給導管７７６を含むことがある。供給マニホルド７７１及び気体除去マニホルド７２２、７２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの全ての他のセル及びさらなる処理機器に連結されることがある。いくつかの実施形態では、補給液供給導管内の流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルでの補給液供給導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
[00260]図８は、図７のセル７００の特徴を、セル８００の気体冷却を可能にする特徴と組み合わせたセル８００を概略的に示す。図８のセル８００は、内側にセパレータ膜８０６及び外側に疎水性膜８２３を有する負極８０２と、同様に構成された正極８０４と、セパレータ膜８０７と、疎水性膜８２５とを備える。各電極８０２、８０４で生成された気体は、対応する疎水性膜８２３、８２５を通過して、気体流空間８５４、８５６に入ることができる。
[00261]冷却ガス８５５、８５７は、流入マニホルド８５６、８５８から気体流空間８５４、８５６を通して送られることがあり、そこで、対応する電極８０２、８０４で生成された気体と合流される。次いで、複合の気体流は、対応する気体除去マニホルド８２２、８２４に流入することができる。いくつかの実施形態では、流入マニホルド８５６、８５８は、セルスタック又は複数のセルスタックの全てのセルを通して循環される気体を受け入れることができる。
[00262]いくつかの実施形態では、気体流空間８５４、８５６は、相弁別的な疎水性膜８２３、８２５によって、（滴下チューブ８６０、８６０を通って流れることができる又は膜８２３、８２５を通って浸透することができる液体電解質を除いて）主に液体を含まない状態に維持されることがある。代替として又は追加として、気体流空間８５４、８５６は、中間電極空間８１１内の液体電解質の圧力を超える（又はそれに等しい）気体流空間８５４、８５６内の気体圧力を維持することによって、実質的に液体を含まない状態で維持することができる。
[00263]図８のセル８００は、電極間空間８１１内から気体流空間８５４、８５６まで延びる流体出口チャネル８６０、８６１を含むこともある。電解質８３０は、出口チャネル８６０、８６１を通って、又は疎水性膜８２３、８２５を通る漏れによって、電極間空間８１１から気体流空間８５４、８５６に逃げることがある。電極間空間８１１から（いずれかの経路によって）逃げた電解質８３０は、対応する気体流空間８５４、８５６の底部にある電解質捕捉容積８１０、８１２に収集されることがある。捕捉された電解質は、上述したような空洞ポンプ又は他のポンプタイプを含むことがある１つ又は複数のポンプ８７２、８７４の動力の下で電極間空間８１１に戻されることがある。
[00264]図８のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、気体流空間８５４、８５６、セパレータ８０６、８０７、膜８２３、８２５、電極８０２、８０４、流体逃がし要素８６０、８６１、電解質捕捉容積８１０、８１２、滴下チャンバ８７４、滴下フィード８７２、供給導管８７６、及び電解質返還導管を含むことがある。供給マニホルド８７８、気体流入マニホルド８５６、８５７、及び気体除去マニホルド８２２、８２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの全ての他のセル及びさらなる処理機器に連結することができる。いくつかの実施形態では、補給液供給導管内の流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルでの補給液供給導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
[00265]図９は、一方の半電池が気体冷却されることがあり、他方の半電池が別の機構（図示せず）によって冷却されるセルを形成するために図１と図８の特徴を組み合わせたセル９００を概略的に示す。図９の負の半電池９４２は、図８に示されるものと同様に構成され、内側でセパレータ膜９０６に当接する負極９０２に隣り合う疎水性膜９２３を備える。負の半電池９４２は、気体流入マニホルド９５６、気体除去マニホルド９２２、電解質捕捉容積９１０に連結された気体流空間９５４、及び電解質返還導管９１４も備える。
[00266]図９の正の半電池９３２は、電解質９３０に浸漬された正極９０４を備え、電解質９３０は、正極９０２と負極９０４との間のセパレータ膜９０６を飽和させることがある。正の半電池９３２は、流体出口チャネル９６１及び／又は膜９６２など１つ又は複数の流体逃がし要素によって、電解質捕捉容積９１２及び気体除去容積９８８に連結されることがある。電解質捕捉容積９１０、９１２は、対応する電解質返還導管９１４、９１６に連結されることがあり、電解質返還導管９１４、９１６を通して、電解質は、１つ又は複数のポンプ９７２、９７４によって押し流されることがある。
[00267]図１０は、本明細書で述べる特定の特徴を利用する電気化学セルの実施形態を表す。いくつかの実施形態では、図１０は、本明細書で述べる特定の特徴を利用する、低流量ＰＥＭ電気化学セルなどの気体冷却式ＰＥＭ（プロトン交換膜）電気化学セルの実施形態を表す。いくつかの実施形態では、図１０は、本明細書で述べる特定の特徴を利用する、低流量ＡＥＭ電気化学セルなどの気体冷却式ＡＥＭ（アニオン交換膜）電気化学セルの実施形態を表す。図１０は、気体側電極１００２を液体側電極１００４から分離するセパレータ膜１００６を有するセル１０００を概略的に示す。いくつかの実施形態では、セパレータ膜１００６は、イオン交換膜（すなわち、プロトン交換膜又はアニオン交換膜）でよい。いくつかの実施形態では、イオン交換膜は、液体不透過性及び／又は気体不透過性でよい。任意選択で、本出願で述べる任意の電気化学セル及び任意のセルスタックは、図１０によるセル１０００の特徴（本明細書で述べる）を含むことができる。
[00268]本明細書において、液体含有半電池及びその構成要素を「右側」構成要素と呼び、気体含有半電池及びその構成要素を「左側」構成要素と呼ぶが、実際の実装形態では多くの他の位置構成を取ることができる。プロトン交換膜（ＰＥＭ）が使用される場合、液体含有（右側）半電池は正極性の半電池にすることができる。アニオン交換膜（ＡＥＭ）が使用される場合、液体含有（右側）半電池は負極性の半電池にすることができる。
[00269]右側半電池チャンバ１０３２は、液体１０２９で満たされることがあり、液体１０２９は、電解質又は補給液、例えば限定はしないがプロセス水でもよい。液体１０２９は、セパレータ又は接触膜１００６を飽和させて、左側電極１００２に又は左側電極１００２の内部に三相固体－液体－気体界面を形成することができる。相弁別的な疎水性膜１０６２（又は他の流体逃がし要素）は、右側半電池チャンバ１０３２を右側気体収集容積１０８８及び右側気体除去マニホルド１０２４から分離することができる。図示の構成では、右側気体除去マニホルド１０２４は、上述した様々な実施形態に関連して述べた気体除去液体を省く。
[00270]図１０のセルは、第１の気体を左側半電池チャンバ１０４２に送る圧力制御されたガスインジェクタマニホルド１０５６を含むことがある。左側半電池チャンバに注入される第１の気体は、右側対電極１００４との電気化学反応中に左側電極１００２によって生成される気体と同一でもよい、その気体の成分でもよい、又はその気体と混合可能でもよい。次いで、注入された気体と左側電極で生成された気体との組合せが、気体除去マニホルド１０２２に収集されることがある。
[00271]図１０の左側気体除去マニホルド１０２２も、上述した様々な実施形態に関連して述べた気体除去液体を省く。図１０の実施形態では、左側半電池チャンバ１０４２は、「液体を含まない」又は「気体のみ」である。したがって、左側半電池チャンバ１０４２から除去される気体混合物は、気体のみとして除去されることがある。左側半電池チャンバの気体のみの状態は、注入マニホルド１０５６での気体圧力を、液体１０２９が左側半電池チャンバ１０４２に滴下するのを防ぐのに十分な圧力に制御することによって維持されることがある。
[00272]左側半電池チャンバ１０４２を通って流れる気体は、セル１０００を冷却することができることが有利である。例えば、セルが左側電極１００２で水素ガスを生成し、右側電極１００４で酸素を生成する水電解槽である実施形態では、水素ガスは、再循環システムから左側半電池を通って流れることがあり、セルから余剰の熱を搬送除去することがある。例えば、図１０の気体冷却式ＰＥＭ構成では、負の半電池チャンバ１０４２（左側）は「液体を含まない」又は「気体のみ」である。したがって、負の半電池チャンバ１０４２から除去された気体又は気体混合物は、気体のみとして除去されることがある。負の半電池チャンバの気体のみの状態は、注入マニホルド１０５６での気体圧力を、液体１０２９がセパレータ１００６を通って又はセパレータ１００６の周りで負の半電池チャンバ１０４２に滴下するのを防ぐのに十分な圧力に制御することによって維持されることがある。気体圧力は、液体を充填された半電池チャンバ内の液体圧力とほぼ等しい又はそれよりも高ければ十分であり得る。他の実施形態では、気体圧力は、それがセパレータ膜１００６の湿潤圧力（又は液体入口圧力若しくは「バブルポイント」）以下だけ正の半電池内の液体圧力よりも低ければ十分であり得る。膜の湿潤圧力は、液体が膜に浸透して反対側に通過する際の膜の一方の側から他方の側への液体圧力差として定義される、実験的に決定される膜の特性である（典型的には、いくつかのセパレータ膜材料の材料特性として列挙される）。
[00273]様々な実施形態において、図１０の構成は、電極の極性を逆にすることによって変更されることがある。したがって、そのような実施形態では、正の（左側）半電池チャンバ１０３２は液体を含まず、負の（右側）半電池チャンバは、補給液又は電解質（右側）で満たされることがある。例えば、図１０の気体冷却式ＡＥＭ構成では、負の半電池チャンバは、水又は他の補給液１０２９で充填され、正の半電池チャンバは、生成された酸素ガスを正の半電池チャンバを通して流すことによって冷却されることがある。いくつかの実施形態では、正の半電池チャンバ内の酸素ガスは、補充の酸素ガス又は別の気体若しくは気体混合物を正の半電池チャンバ内に及び半電池チャンバを通して流すことによって希釈することができる。そのような希釈ガスは、窒素やアルゴンなどの非反応性の気体、又は他の実質的に非反応性の気体若しくは気体混合物でよい。
[00274]図１０のシステムに基づくセルスタックにおいて、セルスタックの各セルは、右側半電池チャンバ１０３２、右側電極１００４、左側半電池チャンバ１０４２、左側電極１００２、流体逃がし要素１０６２、及びセパレータ１００６を含むことがある。供給マニホルド１０７８及び気体除去マニホルド１０２２、１０２４は、例えば図４を参照して本明細書で述べるように、スタックの全ての他のセル及びさらなる処理機器に連結することができる。いくつかの実施形態では、限定はしないがプロセス水供給導管などの補給液供給導管内の流体の流れは、セルスタックのいくつかの（又は全ての）セルでの補給液供給導管に連結された単一のポンプアクチュエータ（例えば空洞ポンプアクチュエータ）によって押し流されることがある。
[00275]様々な実施形態において、図の１つを参照して図示して述べる特徴は、別の図に図示して述べる特徴と組み合わせることができ、そのような追加の組合せは、本開示の範囲内にあることが意図される。例えば、図６～図９の構成の任意のものを、図１及び図２を参照して述べたような補給液供給構成を含むように変更することができる。
[00276]上で提供した様々な例及び実施形態は、水素及び酸素ガスを生成するために水を電気分解するように構成された電気化学システムを述べているが、本明細書で述べるデバイス、システム、方法は、様々な他の電気化学システムに構成及び／又は適用することもできる。いくつかの実施形態では、本明細書で述べる特徴を有する電気化学システムは、１つ又は複数の化学物質を生成する際に使用するように構成された電解槽でよい。
[00277]一例は、塩化ナトリウムを含む水性電解質が電気分解されて塩素ガス及び水酸化ナトリウムを生成する塩素アルカリプロセスである。そのような例では、補給液は、塩化ナトリウムを含有する溶液を含むことがあり、生成された化学物質（例えば塩素及び水酸化ナトリウム）は、各セルから、生成物除去導管（例えば上で述べた「気体除去マニホルド」）を通して、気体及び／又は液体の形態で除去されることがある。
[00278]別の例では、本明細書で述べる特徴を備える電気化学システムを使用して、塩化カリウムを含む溶液を電気分解して水酸化カリウム及び塩素ガスを生成することができる。そのようなシステムでは、供給マニホルドは、塩化ナトリウムを含有する溶液を含む補給液を送達することがあり、生成された化学物質（例えば塩素及び水酸化カリウム）は、各セルから、生成物除去導管（例えば上で述べた「気体除去マニホルド」）を通して、気体及び／又は液体の形態で除去されることがある。
[00279]他の例では、本明細書で述べるデバイス、システム、及び／又は方法を含む電気化学システムは、溶解種として金属を含有する溶液から金属を抽出するために使用される電解採取セルを含むことがある。例えば、いくつかの電解採取セルは、亜鉛、白金、金、又は他の金属を生成するように構成されることがある。いくつかの実施形態では、そのような電解採取システムは、抽出すべき溶解されている金属を含有する溶液（例えば、酸性又はアルカリ性の水性金属含有溶液）を、供給マニホルドを通して補給液として送達するように構成されることがある。
[00280]さらなる例では、本明細書で述べるデバイス、システム、及び／又は方法を有する電気化学システムは、印加電界の下でイオン汚染物質を除去することによって水が精製される電気透析を行うように構成されることがある。電気透析セルは、典型的には、流体的に直列の複数のチャンバを含み、チャンバのそれぞれ又はいくつかは、本明細書で述べる特徴を備えることがある。
プレートアンドフレームセルスタックの例
[00281]電解質閉じ込め電解槽システムを可能にする様々な特徴部及び構成要素を概略的に示して上述したが、電解質閉じ込め、電解質捕捉及び返還、容積膨張、及び本明細書で述べる他の特徴を組み込む複数のセルフレームから構成されるプレートアンドフレームセルスタックとして実装することもできる。図１１～図１３は、上述した電解質閉じ込め特徴部のいくつかの平面実装を具現化するいくつかの例示的なプレートアンドフレームセルスタック構成要素を示す。図１１～図１３を参照して述べる電解質閉じ込め特徴部、電解質捕捉及び返還特徴部及びシステム、膨張容積、及び他の特徴部は、図１～図１０の１つ又は複数を参照して上述した特徴部と機能的に同様であることがある。
[00282]次に、セルフレーム構造の様々な例示的な特徴部を、図１１～図１２Ｂを参照して述べる。図１１は、分解図で示される、第２のセル１１０４の構成要素の下に位置合わせされた、組み立てられる第１のセル１１０２を示す斜視図である。図１２Ａは、セルフレーム１２００の第１の側１２０２（図中で見ることができる柔軟性の導電層１１１２及び柔軟性の層１１１２の後方の電極１１１４で部分的に充填された第１の半電池チャンバ１２０２）を示し、図１２Ｂは、同じセルフレーム１２００の反対側１２０４（図中で見ることができる柔軟性の導電層１１２２及び柔軟性の層１１２２の後方の電極１１２０で部分的に充填された第２の半電池チャンバ１２０４）を示す。いくつかの特徴部（又は特徴部の一部分）はセルフレーム１１０６の片側でのみ見ることができ、したがって、様々な特徴を述べる際、単一の図を参照することも、３つの図全てを同時に参照することもある。様々な実施形態において、第１の半電池は負の半電池でよく、第２の半電池は正の半電池でよい。他の実施形態では、図示される半電池の極性を逆にすることができる。
[00283]図１１は、構成要素の中央アセンブリの上部に双極板１１１１を有する完全なセル１１０４のいくつかの構成要素を分解図で示す。本明細書で述べる他の特徴部は、説明を容易にするために、セルフレーム１１０６に組み立てられて示されている。上側セル１１０４の分解された構成要素は、双極板１１１０、第１の柔軟性の導電層１１１２、第１の電極１１１４、セパレータ窓１１１６、セパレータ膜１１１８、セルフレーム１１０６（本明細書で述べる様々な他の構成要素を含む）、第２の電極１１２０、及び第２の柔軟性の導電層１１２２を含む。組み立てられるとき、様々な構造が、比較的薄いセルアセンブリ１１０２を形成する。いくつかの実施形態では、柔軟性の導電層１１１２、１１２２は、圧縮されるときにわずかに変形されることがあり、以て、電極１１１４、１１２０、セパレータ１１１８、及び双極板１１１０、１１１１の表面全体にわたって一貫した圧縮力を加える。柔軟性の導電層１１１２、１１２２は、非反応性領域を有益に実現することもあり、気体は、電極表面で生成された後にその非反応性領域を通って各半電池から逃げることができ、したがって、柔軟性の導電層は、本明細書では「気体出口層」とも呼ぶことができる。他の実施形態では、柔軟性の導電性気体出口層１１１２、１１２２は省かれることがある。双極セルスタックは、剛性のエンドプレート（図示せず）の間で複数のセルアセンブリ１１０２を圧縮することによって形成されることがある。
[00284]図１１～図１３は、平面状のセルフレーム要素を示し、各要素は、上述したような電気化学的セル構造及び電解質閉じ込め構造を備える。図１１～図１２Ｂの特徴部は、円盤形の構造で実装されて示されているが、同じ又は同様の特徴部を、楕円形、長円形、正方形、長方形、多角形など任意の外形の平面状要素で実装することもできる。いくつかの実施形態では、セルフレーム１１０６の内部の圧力を保持するように、保定リング１１３０が１つ又は複数のセルフレーム１１０６を取り囲むことがある。例えば、いくつかの実施形態では、セルフレーム１１０６のセルスタックは、セルフレーム周縁部の外側の圧力に対して数ｂａｒ～数百ｂａｒ（すなわち、数百ｋＰａ～数千ｋＰａ）の圧力で動作されることがある。保定リング１１３０は、セルフレーム材料自体がそのような圧力を支えることができない場合でさえ、セルフレーム１１０６内の圧力を保持するのに十分な引張強さの金属、ポリマー、又は複合材から作製されることがある。
[00285]いくつかの実施形態では、各セルフレーム１１０６は、第１及び第２の半電池電極１１１４、１１２０並びにチャンバ１２０２、１２０４（電極１１１４、１１２０及び柔軟性の導電層１１１２、１１２２によって充填される）と、両方の半電池チャンバ１２０２、１２０４に連結された膨張容積１２０６と、両方の半電池のための気体除去マニホルド１２１０、１２１１と、補給液を少なくとも１つの半電池チャンバ１２０２に供給する供給入口１２１４に連結された補給液供給マニホルド１２１２と、両方の半電池のための電解質捕捉及び返還システムとを含む単一の電気化学セルを支持する特徴部を含むことがある。代替として、各セルフレームは、個別の全電池の半電池のための特徴部を支持することがある。すなわち、全電池は、第１のセルフレームでの第１の半電池と、第２の隣り合うセルフレームでの第２の半電池とによって形成されることがある。
[00286]図１１を参照すると、単一のセルフレームアセンブリ１２０２は、セルフレーム１１０６、正極１１２０、セパレータ１１１８、負極１１２０、及び双極板１１１０を備えることがある。複数のセルの双極スタックは、隣り合うセルフレーム１１０６の各対の間に１つの双極板１１１０、１１１１を有する複数のセルフレームアセンブリ１１０２を組み立てることによって作製されることがある。セルスタックは、エンドプレート（図示せず）の間にボルト固定される又は他の方法でクランプされることがあり、セルフレーム１１０６を互いに対して圧縮して封止する。様々な実施形態において、各双極板１１１０、１１１１は、図１５を参照して本明細書で述べる多層双極板、又は双極板１１１０として適した任意の他の利用可能な単層又は多層構造を備えることがある。
[00287]図１１～図１２Ｂに示される例示的実施形態のセルフレームでは、以下にさらに述べるように、カバーシート（図示せず）を使用して、様々なチャネル及び容積を封止することができる。例えば、カバーシートが、図１２Ｂに示されるセルフレーム面に固定されることがあり、様々な構造やマニホルドなどを囲む。Ｏリング、ガスケット、又は他の構造を使用して、隣り合うセルフレーム層のカバーシート又はセルフレームに対して様々な導管、マニホルド、及び他の構造を封止することもできる。説明する構造を不明瞭にしないように、例示を簡単にするためにカバーシートは図示していない。カバーシートは、様々な構造を封止するために必要に応じて１つ又は複数の材料片を備えることがある。カバーシートは、接着剤（例えば、エポキシ、溶剤、シリコーンなど）、溶接（例えば、超音波溶接、レーザ溶接、溶剤溶接など）、圧縮、又は他の方法によって各セルフレームに固定することができる。
[00288]適切なカバーシート材料は、セルフレームを形成する際に使用されるのと同じ材料（又は複数の材料）を含むことがある。セルフレームとカバーシートとのいずれか又は両方は、ポリマー、金属、セラミック、又は本明細書の他の箇所に列挙されている様々な例示的な材料を含む、電解質による劣化に耐性のある他の材料から作製されることがある。例えば、セルフレーム及びカバーシートのいずれか又は両方は、以下のものから作製されることがある。（ｉ）ニッケル、チタン、アルミニウム、又はこれらの任意の組合せを含む金属又は金属合金、（ｉｉ）ナイロン、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）、ポリビニルアルコール又はポリビニルアセテート（ＰＶＡ）、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエーテルイミド、ポリアミド、架橋ポリエーテル、エチレン－メタクリル酸コポリマー、フッ素化ポリマー、スルホン化ポリマー、カルボキシルポリマー、ナフィオン、又はこれらの任意の組合せ、（ｉｉｉ）アスベスト、酸化ジルコニウム布、綿、エチルセルロース、メチルセルロース、織布若しくは不織布セルロース、酢酸セルロース、若しくはこれらの任意の組合せ、又は（ｉｖ）これらの任意のもの任意の組合せ。
[00289]図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、電解質捕捉及び返還特徴部が示されている。第１の半電池チャンバ１２０２は、柔軟性の導電層１１１２が見える中央領域内のセパレータ１１１８の片側に形成される。第１の半電池チャンバは、柔軟性の導電層及び電極（図では見えない。柔軟性の導電層の後方にある）で部分的に充填されて示されている。第２の半電池チャンバは、（図１２Ｂに示されるように）セルフレームの第２の側に同様に形成される。各半電池に関連する電解質閉じ込め特徴部並びに捕捉及び返還特徴部は、いくらかの幾何学的な変形を伴って、互いに機能的に実質的に同様でよい。したがって、両方の半電池に関連する特徴部が図１２Ａ及び図１２Ｂに示されているが、以下の説明は、一方の半電池に関連する特徴部を参照して全般的に行い、反対の半電池に関連する特徴部は、説明する特徴部と機能的に実質的に同様であることがある。出口チャネル１２２０、ヘッドスペース領域１２２２、滴下チャンバ１２２４、主気体分離チャンバ１２２６、空洞ポンプ１２３４、電解質返還チャネル１２５２、１２５４、１２５６、気体除去マニホルド１２１０、気体パージマニホルド１２４４などはそれぞれ独立して存在し、第１の半電池に関連付けられることがあり、対応する特徴部が第２の半電池に関連付けられることがある。代替として、これら又は他の特徴部の１つ又は複数が存在し、１つの半電池のみに関連付けられ、第２の半電池に関してはそのような構造が省かれることもある。
[00290]図１２Ａに示されるように、第１の出口チャネル１２２０は、第１の半電池チャンバ１２０２のヘッドスペース領域１２２２から延在し、２チャンバ液気セパレータの滴下チャンバ１２２４に第２の端部を有して図示されている。出口チャネル１２２０によって第１の半電池チャンバ１２０２から第１の滴下チャンバ１２２４に輸送される液体及び気体は、気体セパレータ導管１２２５（図１２Ｂで見ることができる）によって滴下チャンバ１２２４から主気体分離チャンバ１２２６に流れることができる。主気体分離チャンバ１２２６の上側領域は、気体収集容積１２５８を形成し、気体出口ポート１２２８の一方向弁及び導管１２２９（図１２Ｂで見ることができる）を介して気体除去マニホルド１２１０につながる。典型的な動作では、気体収集容積内で、主気体分離チャンバでの液位よりも上方に気体ポケットが形成されることがある。
[00291]いくつかの実施形態では、滴下チャンバ１２２４及び主気体分離チャンバ１２２６は、以下で述べるように複数の目的を果たすことがある金属発泡体又は金属メッシュ凝縮器構造１２３０、１２３１で実質的に充填されることがある。主気体分離チャンバ１２２６の下側領域は、電解質除去ポート１２４６及び導管１２４８（図１２Ｂ）を通して空洞ポンプ１２３４によって膨張容積１２０６又は第１の半電池チャンバ１２０２に送られる液体電解質を収集するために親水性要素１２３２を備えることがある。膨張容積１２０６は、導管によって、第１の半電池チャンバ１２０２及び第２の半電池チャンバ１２０４に連結されることがある。
[00292]第１の半電池チャンバ１２０２（例えば負の半電池）の出口チャネル１２２０は、図１２Ａで見ることができる（小さなカバーシートによって部分的に隠されている）。第２の半電池チャンバ１２０４（例えば正の半電池）の出口チャネル１２３６の一部分は図１２Ｂで見ることができ、一部分が、セルフレーム１１０６の穴を通って、図１２Ａに示される第１の側まで延びる。図１２Ｂに最も良く見られるように、出口チャネル１２２０、１２３６は、細長いスタジアム形状（半円形の端部を有する長方形）を有するものとして示されている。図１２Ａ及び図１２Ｂの出口チャネルは、一般に、スタジアム形状の周りに複数回巻かれた長い配管区域であり、半電池チャンバ１２０２、１２０４から逃げた後、滴下チャンバ１２２４に入る前に気体及び電解質が通過することができる湾曲及び直線区域を有する長い経路を作成する。上述したように、出口チャネルを通過する液体及び気体に関する所望の程度の圧力降下を実現するために、出口チャネルの全経路長、蛇行性、断面積、及び材料特性を変えることができる。
[00293]いくつかの実施形態では、図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、小さな粒子が出口チャネル１２２０、１２３６を詰まらせるのを防ぐために、出口チャネル１２２０、１２３６の入口端にフィルタ１２３８が提供されることがある。存在する場合、そのようなフィルタ１２３８は、電解質による劣化に対して適切な耐性を有する多孔質材料、例えば金属若しくはポリマーメッシュ、発泡体、又は発泡材料から作製されることがある。
[00294]図１２Ａ及び図１２Ｂの実施形態では、液気セパレータは、滴下チャンバ１２２４と主気体分離チャンバ１２２６とに分割されることがある。いくつかの実施形態では、両方のチャンバ１２２４、１２２６は、１つ又は複数の多孔質凝縮器１２３０、１２３１によって実質的に充填されることがある。凝縮器１２３０、１２３１（複数可）は、多孔質材料（例えば、発泡体、メッシュ、又は発泡材料）から作製されることがある。多孔質凝縮器材料は、液体電解質が凝縮することができる表面を提供し、液体電解質が、重力によって滴下チャンバ１２２４及び主気体分離チャンバ１２２６のより低い領域に落ちることを可能にする。滴下チャンバの底部に集まる液体電解質は、導管１２２５（図１２Ｂ）によって主気体分離チャンバ１２２６に流れることができる。気体も同じ経路１２２５をたどることがあるが、電解質中の気泡として、又は液体電解質中若しくは液体電解質の上方の連続気体チャネルとして浮動する傾向がある。
[00295]凝縮器１２３０、１２３１は、導電性材料（例えば、金属、炭素、グラファイト、又は導電性ポリマー）から有益に作製することもでき、これは、出口チャネル１２２０から出て滴下チャンバ１２２４に入る電解質の各「滴下」の電子的な検出を可能にすることがある。この「滴下検出」動作により、以下でさらに述べるように、セルスタックの各半電池（したがって各全電池）の動作状態の継続的な監視が可能になることがある。様々な実施形態では、凝縮器１２３０、１２３１は、単一の連続した材料片で作製されることがあり、又は１つ若しくは複数の導電体を介して互いに物理的及び／又は電気的に直接接触することがある複数の材料片を備えることもある。
[00296]主気体セパレータチャンバ１２２６の下側領域は、空洞ポンプ１２３５によってセルに圧送されて戻される電解質を収集するための電解質収集容積１２４０及び電解質出口１２４６（図１２Ｂ）を備えることがある。電解質収集容積１２４０は、図１及び図２を参照して上述した電解質を収集するための概略構造と機能的に同様である。電解質収集容積１２４０は、電解質出口１２４６の一方向弁を通る気体流出を実質的に防止又は最小化するために、（本明細書で述べる）セパレータ膜材料の区域などの親水性構造１２３２（図１２Ａでの気体分離凝縮器１２３１の開口部１２４２を通して部分的に見える）を備えることがある。
[00297]図１２Ａで最も良く見られるように、気体分離チャンバ１２２６の凝縮器１２３１は、通常であれば多孔質の材料に、複数の比較的大きい体積の空隙１２４２を備えることがある。そのような空隙１２４２は、気体が集まるための領域又は経路を提供することがあり、一方、液体は、空隙１２４２間の領域内で多孔質凝縮器１２３１の表面で凝縮する傾向がある。次いで、気体は、一方向弁を備えることがある気体出口ポート１２２８に隣り合う主気体分離チャンバ１２２６の最上部領域１２２４に集まることがある。図１２Ｂで見ることができるように、気体出口ポート１２２８は、セルフレーム１１０６の導管チャネル１２４４によって気体除去マニホルド１２１０に連結されることがある。気体出口ポート１２２８の一方向弁は、一般に、気体除去マニホルド１２１０から主気体分離チャンバ１２２６への気体又は気体除去液体の逆流を防ぐように構成されることがある。
[00298]図示されるいくつかの実施形態では、各半電池は、気体分離チャンバ１２２６、１２２７の電解質収集容積１２４０、１２４１からの電解質をそのそれぞれの半電池チャンバ１２０２、１２０４及び／又は膨張体積１２０６に圧送するための空洞ポンプ１１３４、１１３５を備えることがある。図１２Ｂに示されるように、空洞ポンプ１１３４、１１３５の押流し流体入口１２４６、１２４７は、それぞれの空洞ポンプ１２３４、１２３５のポンプチャンバから離して位置し、セルフレーム１１０６の導管１２４８、１２４９によって接続されることがある。したがって、気体分離チャンバ１２２６の電解質収集容積１２４０、１２４１に捕捉された電解質は、空洞ポンプ１２３４、１２３５に引き込まれ、次いで空洞ポンプによってポンプ出口フローチャネル１２５２、１２５３へのポンプ出口ポート１２５０、１２５１に押し流されることがある。ポンプ出口フローチャネル１２５２、１２５３は、電解質が収集された半電池につながる第１の導管セグメント１２５４、１２５５と、膨張容積１２０６につながる第２の導管セグメント１２５６、１２５７とに分岐することがある。
[00299]図１２Ｂは、膨張容積ポート１２８６を介して各半電池チャンバ１２０２、１２０４を膨張容積１２０６に接続する例示的な膨張チャネル１２５５、１２５７、１２５４、１２５６を示す。図１２Ａで見られる第１の半電池膨張チャネル１２５４の端部１１５８は、セルフレーム１１０６の穴を介して、図１２Ｂで見られる膨張チャネル１２５４に接続することができる。同様に、図１２Ｂで見られる第２の半電池膨張出口１２８９は、カバーシート１２８７（図１２Ａ）で覆われたセルフレーム１１０６を通る２つの穴を介して、膨張チャネル１２５５の端部１２５９に接続する。
[00300]膨張容積１２０６は、半電池チャンバ１２０２、１２０４の定常状態圧力よりも高い圧力に維持されることがあり、したがってそれにより、電解質は、半電池チャンバ１２０２、１２０４内の圧力が膨張容積１２０６内の圧力と同様にならない限り又はそれよりも大きくならない限り、空洞ポンプ１１３４、１１３５から、その電解質が捕捉されたそれぞれの半電池に優先的に押し流される。
[00301]図１３を参照して以下でさらに述べるように、膨張容積１２０６の圧力は、作動流体マニホルド１３２０を通して送達される作動流体によって制御されることがある。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の作動流体パージマニホルド１２８８（図１２Ａ及び図１２Ｂ）は、セルスタックを通って延在して、膨張容積１２０６の作動流体側から余剰の作動流体をパージ又は除去することを容易にすることができる。
[00302]いくつかの実施形態では、セルフレーム１１０６及びセルスタックは、半電池の各セットに関して１つ又は複数の気体パージマニホルド１２６０、１２６１を備えることがある。気体パージマニホルド１２６０、１２６１を使用して、セルスタックの組立て並びに電解質、補給液、及び／又は作動流体（以下でさらに述べる）の初期導入後に各半電池に残っている空気又は他の気体をパージすることができる。気体パージマニホルド１２６０、１２６１は、気体パージマニホルド１２６０、１２６１から滴下チャンバ１２２４、１２２３（図１２Ｂで最も良く見られる）への流体の流れを可能にするように配置された一方向弁１２６２、１２６３を介して滴下チャンバ１２２４、１２２３に連結されることがある。
[00303]気体パージ操作は、セルスタックの初期組立て後、又はいくつかのメンテナンス手順に続く再組立て後に行うことができる。気体パージ操作（第１の半電池１２０２を参照して述べるが、気体パージマニホルドが存在する任意の半電池に適用可能である）は、気体パージ液体（例えば補給液、電解質、又は脱イオン水などの作動流体）を気体パージマニホルド１２６０内に、一方向弁１２６２を通して、滴下チャンバ１２２４内に、さらに気体分離チャンバ１２２６内に送る（例えば圧送する又は他の方法で押し流す）ことを含むことがある。空洞ポンプ１２３４は、気体パージ操作中に動作されることもあり、気体パージ液体を気体分離チャンバ１２２６から半電池チャンバ１２０２に押し流す。その結果、半電池チャンバ１２０２、滴下チャンバ１２２４、又は気体分離チャンバ１２２６に存在する気体は、最終的に、気体除去マニホルド１２１０を通してセルスタックから押し出される傾向がある。いくつかの実施形態では、気体パージ操作を使用して、セルスタックの各半電池を所望の体積の電解質で最初に充填することができる。他の実施形態では、電解質は、気体パージ操作を行う前に、半電池チャンバ（及び／又は膨張容積１２０６、滴下チャンバ１２２４、及び気体分離チャンバ１２２６のうちの１つ又は複数）にすでに存在することがある。
[00304]図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、補給液供給マニホルド１２１２は、セルフレーム１１０６の第２の側（図１２Ｂ）の導管チャネル１２６８によって、第１の半電池チャンバ１２０２の入口ポート１２１４に連結されることがある。入口ポート１２１４は、第１の半電池チャンバ１２０２内の圧力が補給液供給マニホルド１２１２内の制御された圧力よりも低く降下したときに、補給液が供給マニホルド１２１２から第１の半電池チャンバ１２０２に流れることを可能にするように配置された一方向弁を備えることがある。本明細書で上述したように、他の実施形態では、補給液供給マニホルドは、補給液を一方又は両方の半電池チャンバ１２０２、１２０４に送達するように構成されることがある。
[00305]いくつかの実施形態では、セルフレーム１１０６から構成されるセルスタックは、各半電池の一部分を電気的に監視するように構成されることがある。図１１～図１２Ｂに示される実施形態では、各セルフレーム１１０６は、セルの様々な構成要素間の電位を監視するように配置された電気リード線１２７０、１２７２、１２７３を備えることがある。いくつかの実施形態では、双極板リード１２７０は、双極板１１１０、１１１１に電気的に（例えば１つ若しくは複数のワイヤ又は他の導電体によって）接続されることがある。例えば、図１１で最も良く見られる実施形態では、タブ１１７６は、双極板１１１０、１１１１から、隣り合うセルフレーム１１０６の電気接点に接続されることがある。第１の半電池リード１２７２は、（例えば１つ若しくは複数のワイヤ又は他の導電体によって）第１の半電池の滴下チャンバ１２２４及び／又は気体分離チャンバ１２２６の凝縮器１２３０、１２３１（複数可）に電気的に接続されることがある。同様に、第２の半電池リード１２７３は、（例えば１つ若しくは複数のワイヤ又は他の導電体によって）第２の半電池の滴下チャンバ１２２３及び／又は気体分離チャンバ１２２７の凝縮器１２７７、１２７５（複数可）に電気的に接続されることがある。
[00306]双極板リード１２７０と第１の半電池リード１２７２との間の電位（電圧）の変化が監視されることがある。双極板リード１２７０と第１の半電池リード１２７２との間の電気回路は、各出口チャネル１２２０、１２３６とそれぞれの滴下チャンバ１２２４、１２２３の凝縮器１２３０、１２７７との間の物理的ギャップ１２７８、１２７９における電気的不連続性により、開回路になる。出口チャネルは、導電性材料から作製される若しくは導電性材料を含むことによって、及び／又は導電性電解質によって、導電性でもよい。導電性電解質の液滴が出口チャネル１２２０、１２３６から滴下チャンバ１２２４、１２２３の導電性コンデンサ１２３０、１２７７に滴下し、以てギャップ１２７８、１２７９をブリッジして電気的不連続性を閉じるとき、電気回路は瞬時的に閉じることがある。
[00307]これらの閉回路イベント（「滴下」）の頻度、持続時間、電圧、及び他の側面を監視することによって、半電池の健全性又は動作の様々な指標が決定又は推定されることがある。両方の半電池での滴下を監視することによって、セルスタックの各セルの両方の半電池に関してそのような指標を得ることができる。したがって、そのような実施形態では、セルスタック全体の各半電池（したがって各全電池）の「滴下検出器」を個々に監視して、個々のセル又は半電池の障害を識別することができる。
[00308]例えば、１つの半電池の滴下チャンバでの連続的に閉じた回路（又は異常に長い持続時間の閉回路）は、不適切に機能している空洞ポンプを示すことがある。同様に、滴下間の異常に長いギャップ又は異常に高い電圧は、不適切に機能している電極（又は触媒）又は誤動作している出口チャネルを示すことがある。別の例では、半電池リード１２７２又は１２７３と双極板リード１２７０との間の異常に高い電圧は、（以下でさらに述べるように）半電池チャンバへの作動流体の漏れを示すことがある。他の多くの測定基準及び指標も同様に、電気リード線から得られた信号又はパターンから導出されることがある。
[00309]図１３は、セルスタックの２つの隣り合うセルフレーム１１０６ａ、１１０６ｂの「平面状」膨張容積１３００ａ、１３００ｂを示す。図示の例では、膨張容積１３００ａ、１３００ｂは、膨張容積側１３１２ａ、１３１２ｂ（収縮状態で、すなわちゼロパーセント膨張状態で示されている）を「作動流体」側１３１４ａ、１３１４ｂから分離するダイヤフラム１３１０ａ、１３１０ｂを備えることがある。膨張容積１３００ａ、１３００ｂの作動流体側１３１４ａ、１３１４ｂは、セルスタックの全てのセルフレーム１１０６に共通の作動流体マニホルド１３２０（図１２Ａ及び図１２Ｂでも見ることができる）を通して作動流体で充填されることがある。様々な実施形態において、作動流体は、脱イオン水、窒素、アルゴンなどの任意の気体又は液体でもよい。作動流体は、所望の作動圧力、典型的にはセルの半電池チャンバの定常状態動作圧力よりも高い圧力で維持されることがある。作動流体圧力は、本明細書で述べるように、各膨張容積１３００ａ、１３００ｂの膨張に対する抵抗を及ぼすように確立され、電気機械的に制御され、維持されることがある。
[00310]作動流体は、共通の作動流体マニホルド１３２０を通って、及び各セルフレーム１１０６の第２の半電池側に固定されたカバーシート１３３０ａ、１３３０ｂの開口部１３２５ａ、１３２５ｂを通って、各膨張容積１３００ａ、１３００ｂの作動流体側に入ることができる。いくつかの実施形態では、各膨張容積１３００ａ、１３００ｂの電解質側１３１２ａ、１３１２ｂは、ダイヤフラム１３１０ａ、１３１０ｂ、セルフレーム１１０６ａ、１１０６ｂの一部分、及びカバーシート１３３０ａ、１３３０ｂによって画定されることがある。他の実施形態では、各膨張容積１３００ａ、１３００ｂの電解質側１３１２ａ、１３１２ｂは、ダイヤフラム１３１０ａ、１３１０ｂ、及びセルフレーム１１０６ａ、１１０６ｂのみによって画定されることがある（各セルフレームが膨張容積を横切って延びている場合）。
[00311]電解質入口ポート（図１２Ｂの１２８６、図１３の断面では見えない）を通って各膨張容積１３００ａ、１３００ｂの電解質側１３１２ａ、１３１２ｂに入る電解質及び／又は気体は、電解質及び／又は気体の圧力が設定された作動流体圧力よりも大きい場合に膨張容積１３００ａ又は１３００ｂを膨張させる傾向がある。いくつかの実施形態では、作動流体圧力は、電気化学システムの異なる動作段階中に異なる圧力で制御されることがある。
[00312]いくつかの実施形態では、セルフレーム１１０６は、本明細書におけるいくつかの実施形態で述べるように、双極板構造の冷却剤チャネル内に、冷却剤チャネルを通して、及び冷却剤チャネルから出るように冷却剤を送るように構成された冷却剤流入マニホルド１２９２及び冷却剤流出マニホルド１２９４を備えることもある。他の実施形態では、冷却剤マニホルドは省かれる、又は別の形で構成されることがある。様々な実施形態では、冷却剤は、冷却剤チャネルを通っていずれかの方向に流れることがあり、したがって、いくつかの実施形態では、冷却剤の流入１２９２と流出１２９４とが逆になることがある。
独立した熱管理
[00313]従来の電解槽では、通常、セルを通して電解質を循環させることによってセルを冷却する必要があり、セルから出る電解質が、生成された気体を一緒に搬送する。多くの設計では、電解質からの気体の分離は、電解槽の外部にある分離ドラムで達成される。次いで、気体を含まない電解質がセルを通して再循環される。本明細書で述べる様々な電解質閉じ込めシステムでは、気体と電解質との分離は各セルフレーム内で行われ、電解質はセルから圧送されない。そのようなシステムでは、セルスタックから熱を除去するための別個の機構が有益であり得る。
[00314]電解槽などの電気化学システムでの熱管理に関連する実施形態など、この項で述べるシステム及び方法の実施形態は、任意選択で、本出願の他の箇所で述べるシステム及び方法の他の実施形態と組み合わせることができる。例えば、本出願を通して述べる電解質閉じ込め電気化学セルの任意のものは、熱管理構成要素など、この項で述べる様々な実施形態の任意のものを含むことができる又は一緒に使用することができる。
[00315]図１４Ａ及び図１４Ｂは、プロセス水構成要素から独立した熱管理構成要素を有する電解槽システム１４００、１４０１の例示的実施形態を示す。図１４Ａでの冷却剤ループ１４３０は、図１４Ｂでの冷却剤ループ１４３１と実質的に同様に示されている。
[00316]様々な実施形態において、冷却剤ループ１４３０、１４３１は、冷却剤導管、及びスタック１４１０の内部の１つ又は複数の熱交換器１４３２、並びにスタック１４１０の外部の１つ又は複数の排熱熱交換器１４３４を通して冷却流体を押し流すように構成及び配置されたポンプを備えることがある。いくつかの実施形態では、例えば図１４Ａに示されるように、スタック熱交換器は、隣り合うセル１４１５間の界面（及び／又はスタック１４１０の端部）で双極スタック１４１０を冷却するために冷却剤導管１４３２を有して構成された双極板構造１４１６を備えることがある。他の実施形態では、スタック１４１０の熱交換器は、双極板冷却剤導管１４３２を通した熱の除去の代わりに又はそれに加えて、スタックの各電気化学セル１４１０の縁部から熱を除去するように構成されることがある。
[00317]図１４Ａは、双極構成でのセルスタック１４１０を備える例示的な電解槽システム１４００を示す。各セル１４１５は、第１の半電池チャンバ１４２２の第１の電極１４１２と、第２の半電池チャンバ１４２４の第２の電極１４１４とを備える。第１の電極１４１２及び第２の電極１４１４の極性は、イオン交換膜のタイプ又は本明細書で述べる他の因子に応じて決まることがある。隣り合うセル１４１５間の双極板１４１６は、冷却剤導管１４３２を含むことがある。冷却剤循環ポンプ１４３６は、双極板１４３２を通し、外部熱交換器１４３４を通して冷却剤流体を循環させ、冷却剤を双極板１４１６に戻すように構成されることがある。これとは別に、プロセス水循環ポンプ１４５２は、供給マニホルド１４４０を通して各セル１４１５にプロセス水を供給し、プロセス水を気体収集マニホルド１４４２、１４４４に送るように構成されることがあり、気体収集マニホルド１４４２、１４４４は、以下でさらに述べるように、生成された気体をセルから除去することができる。
[00318]代替の電解槽システムでは、冷却剤導管は、双極板１４１６を通るのではなく、セルスタック１４１０の各セル１４１５の外部を取り囲む又は隣り合って延びるように配置されることがある。そのような実施形態では、熱は電極内で伝導され、セルの周縁部にある冷却剤導管内の冷却剤流体によって収集されることがある。前の実施形態と同様に、冷却剤循環システムは、冷却剤導管と外部熱交換器との間で冷却剤を循環させるように構成されることがある。いくつかの実施形態では、そのような冷却剤導管は、セルスタックでの１つ若しくは複数のセル及び／又はスタックフレーム構造若しくは他の構造に統合されることがある。
[00319]冷却流体は、セルスタックから熱を搬送するのに適した任意の液体又は気体でよい。様々な実施形態において、冷却流体は、水（脱イオン水又はより低い純度の水を含む）などの液体、グリコール（例えばエチレングリコール及び／又はプロピレングリコール）、誘電性流体（例えばパーフルオロカーボン、ポリアルファオレフィン、若しくは油）、又は空気、水素、酸素、窒素、アルゴン、これらの任意の組合せなどの気体でよい。
熱管理：双極板熱交換器
[00320]図１５は、冷却剤が循環されることがある冷却剤導管１５１０を有する多層冷却双極板１５００の概略分解図の例示を提供する。図示の例では、双極板１５００は、導電性材料の３つの層１５２２、１５２４、１５２６を備える。チャネル層１５２６が、２つの外層１５２２、１５２４の間に挟まれることがある。チャネル層１５２６は、外層１５２２、１５２４の間の空間を通して冷却剤を送るように配置された１つ又は複数のフローチャネル１５１０を備えることがある。いくつかの実施形態では、フローチャネル１５１０は、外層１５２２、１５２４の１つに接触する電極の全ての部分への導電経路を最小化するように選択されたパターンで構成されることがある。他の実施形態では、フローチャネル１５１０は、チャネル１５１０を通る冷却剤の流れの流量又は他の特性を最適化するように構成されることがある。
[00321]３つの層１５２２、１５２４、１５２６は、少なくとも流入ポート１５３２及び流出ポート１５３４を残して、少なくともプレート１５２２、１５２４、１５２６の周縁部の周りの溶接（例えばレーザ溶接、音波溶接、抵抗溶接、又は他の溶接技法）によって封止及び固定されることがある。代替として、層１５２２、１５２４、１５２６は、接着剤、Ｏリング、又は望みに応じた他の方法など、他の技法又は材料によって封止及び／又は固定されることがある。
[00322]少なくとも外層１５２２、１５２４、１５２６は、チャネル１５１０を通して送られる高純度プロセス水及び／又は冷却剤流体と適合性のある材料から作製されることがある。例えば、層のいくつか又は全ては、電解槽環境において非反応性であるニッケル又は他の導電性材料でコーティングされた、めっきされた、又は他の方法で覆われたニッケル又は他の導電性材料（例えば鋼）から作製されることがある。
[00323]代替実施形態では、冷却双極板１５００は、２つの層のみから作製されることがあり、層の一方又は両方は、層間に１つ又は複数のフローチャネルを生成するように機械加工される、スタンプされる、又は他の方法で修正される。
例示的なイオン交換膜構成：低流量イオン交換電解槽
[00324]セルスタックを冷却する機能を、分解すべき水を供給する機能から切り離すと、プロセス水を循環及び冷却することによって必要とされる高コストのプラント構成要素をなくすことにより、大幅なコスト削減を実現することができる。そのような切り離しを実現するための様々な方法、システム、及び構成要素を本明細書で述べる。いくつかの実施形態では、この切り離しは、第２の別個の冷却剤流体を使用してセル／スタックから熱を除去し、その一方で、実質的に水消費速度以下の流量でプロセス水をセル／スタックに導入することによって実現することができる。そのようなシステムは、本明細書では「低流量イオン交換」（又は「ＬＦＩＥ」）電解槽と呼ばれる。
[00325]ＬＦＩＥ電解槽システムの実施形態も、本出願を通して述べる電解槽システムの様々な特徴部又は要素を含むことにより利益を得ることがある。例えば、ＬＦＩＥ電解槽は、補給液供給システム、流体逃がし要素、気体除去マニホルド若しくはチャネル、及び／又は膨張チャンバを備えることがある。これらの要素はそれぞれ、本出願を通して述べる構造及び方法を備えることがある。さらなる実施形態では、本出願を通して述べる任意の他の適合性のある構造又は方法が、本明細書で述べるような１つ又は複数のＬＦＩＥ電解槽に組み込まれることがある。例えば、いくつかの実施形態では、ＬＦＩＥ電解槽の流体逃がし要素は、各半電池から逃げる液体又は気体に最小又はゼロの流れ抵抗を与えるように構成されることがある。そのような実施形態では、流体出口チャネルは、実質的に開いており、制限されていないことがある。いくつかの実施形態では、流体出口チャネルは、水が半電池チャンバから出る前に、ある液位を克服するために特定の体積の水を必要とするように構成された「ウォーターフォール」を備えることがある。そのような構成では、気体は半電池から自由に出ることができ、水はウォーターフォールの高さを超える速度でのみ出る。したがって、そのような実施形態では、水出口流量は、水供給流量と水消費速度との正の差に等しい。ウォーターフォール流体出口を有するＬＦＩＥ電解槽において、セルを通る水の流量は、本明細書で述べるように、所望の流量（又は補充流量）だけ予想消費速度を超える流量で水を供給することによって制御されることがある。
[00326]いくつかの実施形態では、ＬＦＩＥ電解槽は、補給液供給システムと、成分ガスへの分解によって水が消費される速度よりもわずかに高い流量で、本質的に脱イオン水からなる補給液をセルに供給するように構成された他の要素とを備えることがある。別個の熱管理システムと結合させて、そのようなＬＦＩＥ電解槽システムは、従来のイオン交換電解槽と比較したときにはるかに低コストで製造して動作させることができる。
[00327]図１４Ａ及び図１４Ｂは、セルスタック１４１０を通るプロセス水及び冷却剤の例示的な流れを示す高レベルシステム図を概略的に示す。図１４Ａ及び図１４ＢのＬＦＩＥ電解槽システム１４００、１４０１はそれぞれ、複数の電気化学セル１４１５から構成されるセルスタック１４１０を備え、各電気化学セル１４１５は、それぞれのイオン交換膜１４１８によって分離された第１の半電池１４２２及び第２の半電池１４２４を有する。以下でさらに詳細に述べるように、使用されるイオン交換膜のタイプに応じて、プロセス水及び／又は別の電解質若しくは補給液を、正の半電池又は負の半電池に供給することができる。半電池１４２２、１４２４は、ここでは極性に言及せずに全般的に述べるが、ＰＥＭ及びＡＥＭセパレータ膜の文脈では、電気的極性に言及して以下にさらに述べる。
[00328]システム１４００、１４０１はそれぞれ、セルスタック１４１０から熱を除去するためにセル内熱交換器１４３２を通して、及び冷却剤流体から低温熱シンクへ熱を排除するために外部熱交換器１４３４を通して冷却剤流体を送るように構成されたポンプ１４３６を有する冷却剤ループ１４３０、１４３１を備える。とりわけ、冷却剤ループ１４３０、１４３１は、プロセス水供給導管１４３６及び返還導管１４３８から独立している。ＬＦＩＥ電解槽などの電気化学システムで有用な独立した熱管理システムのさらなる詳細は、本出願において上述し、本出願を通してさらに詳細に述べる。
[00329]図１４Ａは、プロセス水を各セル１４１５の第１の半電池１４２２に送るように構成されたプロセス水供給マニホルド１４４０を示す。次いで、プロセス水が各セルで分解されることがあり、生成された気体は、第１の気体除去マニホルド１４４２及び第２の気体除去マニホルド１４４４に収集されることがある。小さい体積の余剰のプロセス水が、第１の半電池１４２２で生成された気体と共に各セルから出ることがある。セルスタック１４１０から出る少量の余剰の水は、液気セパレータ１４５０で、収集された気体から分離されることがある。収集された気体はさらに処理（例えば乾燥や冷却）されることがあり、余剰の水は、ポンプ１４５２によって、補給水リザーバ１４５４からの水と共にプロセス水供給マニホルド１４４０に戻されることがある。
[00330]図１４Ｂは、プロセス水を各セル１４１５の第１の半電池１４２２に送ると共に、プロセス水の一部を第１の気体収集マニホルド１４４２を通して流すように構成されたプロセス水供給マニホルド１４４０を示す。図１４Ｂのシステムでは、第１の半電池で生成された気体は、水流に収集されることがあり、以て、収集された気体がプロセス水によって冷却される。複合の水／気体の流れは、液気セパレータ１４５０で分離されることがあり、余剰の水は、ポンプ１４５２によって、補給水リザーバ１４５４からの水と共にプロセス水供給マニホルド１４４０に戻されることがある。
[00331]図１４Ｂに示されるプロセス水ループ１４６１は、スタックバイパス導管１４５６を含むこともあり、ある量のプロセス水が、供給マニホルド１４４０を出た後にスタックバイパス導管１４５６を通って流れることができ、第１の気体除去マニホルド１４４２内の液体体積を維持し、その流体圧力は、圧力調整器１４６２で調整されることがある。
[00332]図１４Ｂのプロセス水ループ１４６１でのバイパス導管１４５６は、図１４Ａに示されるプロセス水ループ１４６０では省かれている。その結果、供給マニホルドから液気セパレータ１４５０へのプロセス水のための唯一の経路は、セルスタック１４１０の第１の半電池１４２２を通る。したがって、図１４Ａの構成では、プロセス水ループ１４６０を通るプロセス水の流量は、第１の半電池１２２から出る水の流量によって制限される。
[00333]とりわけ、図１４Ａ及び図１４Ａによる各システムは、本出願を通してもさらに述べるように、第１の半電池１４２２に正極性を適用することによってＰＥＭシステムとして、又はプロセス水が供給される第１の半電池１４２２に負極性を適用することによってＡＥＭシステムとして構成することができる。
例示的なイオン交換膜構成：ＬＦ－ＰＥＭセル構成
[00334]図１６は、低流量ＰＥＭ電解槽での電気化学セル１６００の構成要素を概略的に示す。セル１６００は、供給マニホルド１６１０を通して供給されるプロセス水１６０６（例えば、電解槽で分解すべき脱イオン水）で充填された正の半電池チャンバ１６０２を含むことがある。酸素発生触媒を含む正極１６１２は、正の半電池チャンバ１６０２内に配置され、プロセス水１６０６に浸漬されることがある。プロトン交換膜（ＰＥＭ）セパレータ１６２０は、正の半電池チャンバ１６０２を負の半電池チャンバ１６０４から分離することができ、負極１６１４及び正極１６１２と接触することができる。負極１６１４は、水素発生触媒を含むことがある。様々な例示的な正及び負の触媒材料を本出願を通して述べる。典型的なＰＥＭ構成では、ＰＥＭセパレータ１６２０は、通常の条件下で負の半電池チャンバ１６０４に水が入るのを妨げることができるので、負の半電池チャンバ１６０４は実質的に気体で充填されることがある。
[00335]動作中、プロセス水１６０６は、正の半電池チャンバ１６０２内で電気化学的に分解されて、正の半電池チャンバ１６０２内で酸素ガスを生成する。正極１６１２で生成された酸素ガスは、正の気体除去マニホルド１６３０を通して正の半電池チャンバ１６０２から引き出されることがある。いくつかの実施形態では、酸素ガスと余剰なプロセス水との混合流は、正の半電池チャンバ１６０２と正の気体除去マニホルド１６３０との間に配置された共通の流体逃がし要素１６３６を通って正の半電池チャンバ１６０２から出ることがある。流体逃がし要素１６３６は、本明細書で述べる「出口チャネル」又は疎水性膜を含む、本出願を通して述べる任意の流体逃がし要素構造を備えることがある。
[00336]水分解反応からの水素原子（プロトン）は、ＰＥＭセパレータ１６２０を横切って負極１６１４に向けて押し流されることがあり、負極１６１４で電気化学的に結合されて水素ガスを生成する。水素ガスは、負の気体除去マニホルド１６４０を通して負の半電池チャンバ１６０４から引き出されることがある。いくつかの実施形態では、負の気体除去マニホルド１６４０は、圧力調整器１６４２によって所望の圧力に調整されることがある。様々な実施形態において、圧力調整器１６４２は、負の気体除去マニホルド１６４０を最大５０ｂａｒ以上の圧力で維持するように動作されることがある。例えば、負の気体除去マニホルド圧力は、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００ｂａｒに調整されることがある。
[00337]様々な実施形態において、正の気体除去マニホルド１６３０内の圧力は、圧力調整器１６４６によって調整されることがある供給マニホルド１６１０内の流体圧力よりもわずかに低くなるように、圧力調整器１６４４によって調整されることがある。様々な実施形態において、圧力調整器１６４４は、負の気体除去マニホルド内の流体（気体除去液体及び／又は気体のみ）を少なくとも１０ｂａｒ、最大３０ｂａｒ、４０ｂａｒ、５０ｂａｒ、６０ｂａｒ、７０ｂａｒ、８０ｂａｒ、９０ｂａｒ、１００ｂａｒ、又はそれよりも高い圧力で維持するように構成されることがある。
[00338]いくつかの実施形態では、低流量ＰＥＭ電解槽スタックの各正の半電池は、流体逃がし要素１６３６を通って正の半電池から逃げる液体水から気体を捕捉及び分離するための液気セパレータ（例えば、図１又は図１１～図１２Ｂに示される）を備えることがある。捕捉された液体水は、（例えばとりわけ図３Ａ～図３Ｃに示される）セルに固有の導管及びポンプ（例えば空洞ポンプ）によって、正の半電池に戻されることがある。代替として、液気分離及び水返還は、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して本明細書で述べるように、スタックレベル又はシステムレベルで行われることがある。
[00339]図１６に示されるように、低流量ＰＥＭ電解槽のいくつかの実施形態は、正の半電池チャンバ１６０２と流体連通して連結された膨張チャンバ１６５０を含むこともある。本出願を通して述べるように、膨張チャンバ１６５０は、流体圧力を所望の範囲内に維持しながら、半電池チャンバ１６０２内の液／気混合物の体積膨張を可能にするように構成されることがある。低流量ＰＥＭ電解槽の様々な実施形態において、膨張チャンバ１６５０は、必要に応じて一方又は両方の半電池チャンバと流体連通するように配置されることがある。膨張チャンバ１６５０は、膨張に対する抵抗を与えるように構成されることがあり、容積をさらに膨張させるためには圧力の増加を必要とする。代替として、膨張容積は、容積限度まで実質的に無制限の容積膨張を可能にするように構成されることがある。
[00340]図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すると、低流量ＰＥＭ電解槽システムは、２つの独立した流体循環ループ、すなわちプロセス水ループ１４６０、１４６１及び冷却剤ループ１４３０、１４３１を備えることがある。プロセス水ループ１４６０、１４６１は、セルスタック１４１０の正の半電池（この場合、正の極性を有する第１の半電池１４２２）に新鮮なプロセス水を送達するように構成されることがある。余剰のプロセス水と酸素ガスとの混合物が、セルスタック１４１０の第１の半電池１４２２の出口から引き出されることがある。酸素ガスは、液／気セパレータ１４５０において余剰のプロセス水から分離されることがあり、余剰のプロセス水は、補給水源１４５４（例えば、地方自治体の水源又は他の貯水部によって供給される、水を脱イオン処理するシステム）からの追加の水と共にセルスタック１４１０に戻されることがある。
[00341]いくつかの実施形態では、プロセス水ループ１４６０、１４６１は、液／気セパレータ１４５０及び補給水供給源１４５４からの両方の余剰のプロセス水を押し流すためのポンプ１４５２を備えることがある。供給マニホルド１４４０の下流に位置するポンプ１４５２及び／又は圧力調整器１４６４を使用して、セルスタック１４１０に供給されるプロセス水の圧力を制御することができる。第１の気体収集マニホルド１４４２の下流に位置する別個の圧力調整器１４６６は、気体収集マニホルド１４４２内の圧力をセルスタック１４１０の出口で制御するように構成されることがある。圧力調整器１４６２、１４６４はそれぞれ、背圧調整弁などの用途に利用可能であり適した任意のタイプの圧力調整器でもよい。
[00342]水素ガスは、セルスタック１４１０の第２の半電池１４２４から出る導管及び気体除去マニホルド１４４４に収集される。いくつかの実施形態では、第２の気体除去マニホルド１４４４内の流体圧力は、第２の気体除去マニホルド１４４４の下流に位置する圧力調整器１４６６によって調整されることがある。水素ガスは、スタック１４１０によって生成された水素を処理（例えば、精製、乾燥、圧縮、冷却など）及び貯蔵又は使用するように構成された気体収集システム１４７０に送られることがある。いくつかの実施形態では、気体収集システム１４７０は、熱交換器、圧縮機、乾燥機などの追加の気体処理構成要素を備えることもある。
[00343]プロセス水ループ１４６０、１４６１は、一般に、プロセス水が冷却に使用されるＰＥＭ及びＡＥＭ電解槽システムと比較したときに非常に遅い流量（例えば、以下参照）でプロセス水を循環させるように構成されることがある。例えば、低流量電解槽では、プロセス水冷却式システムよりも数百倍又は数千倍低い流量で、水をＰＥＭセルスタックに圧送（又は駆動）することがある。ＬＦＩＥ電解槽では、プロセス水は、消費された水を補充し、効果的な３相界面（又は三重点）を維持するのに十分なセル構成要素の濡れを維持するのに十分な流量で電気化学セルスタックに供給されればよい。
[00344]メガワットスケールの典型的なＰＥＭ水電解槽は、セル当たり毎分１ガロン未満に近い流量でしか水を消費しないにもかかわらず、セル当たり毎分数百ガロンのプロセス水流量で動作することがある。言い換えると、冷却にプロセス水を利用するイオン交換膜電解槽は、分解によってプロセス水が消費される速度の数百倍のプロセス水流量を必要とする。プロセス水によって熱を適切に除去するためには、そのような高い流量が必要とされる。プロセス水とは独立した別個の冷却剤流体を使用することによって、そのような高い流量を不要にすることができる。
[00345]対照的に、ＬＦＩＥ電解槽へのプロセス水の流量は、理想的には、分解によってプロセス水が消費される速度にほぼ等しくすることができる。いくつかの場合には、セル構成要素の濡れを維持するため、セル間の消費速度の相違を考慮に入れるため、少なくとも水が消費されるのと同じ速さでスタックの全てのセルが水を受け取っていることを保証するため、又は他の理由のために、プロセス水の流量を消費速度よりもわずかに大きく押し流すことが有益なことがある。流量は、消費速度と一致する又はそれを超えるように制御可能にすることができ、したがって、電極の細孔は、効率的に分解し続けるのに十分な水で湿潤されたままである。
[00346]水分解による気体生成の速度は、一般に、水温、圧力、及び印加電流の関数であり、これらはそれぞれ、電解槽システムの制御されたパラメータであり得て、したがって、セルスタックの各セルによる水消費速度は、少なくともこれらの制御可能な因子に基づいて少なくともほぼ既知であり得る。したがって、様々な実施形態において、プロセス水は、水消費速度に対するパーセンテージとして定義される流量でＬＦＩＥセルに送達されることがある。例えば、プロセス水は、消費速度よりも約０．０１％～約４００％高い流量で（すなわち、消費速度の約１００．０１％～約５００％の流量で）送達されることがある。いくつかの特定の実施形態では、プロセス水送達の流量は、予想される消費速度の約１０１％～約１５０％の間でも有益となり得る。特定の実施形態では、水は、予想される水の消費速度の約１００．０１％、１００．０５％、１００．１％、１００．５％、１０１％、１０５％、１１０％、１２５％、１５０％、１７５％、２００％、３００％、４００％、又は５００％の流量で供給されることがある。他の実施形態では、より高いプロセス水送達流量が使用されることもあるが（例えば、消費速度の１００倍又は消費速度の１０００％）、それでも、プロセス水を唯一の伝熱流体として使用するときに必要な流量よりも実質的に低い。したがって、いくつかの実施形態では、低流量イオン交換電解槽は、水が消費される速度の１０００％以下のプロセス水供給流量を利用することができる。
[00347]いくつかの実施形態では、ＬＦＩＥ電解槽に流入するプロセス水の流量は、プロセス水が水分解反応によって消費される速度に基づいて定義及び／又は制御されることがある。例えば、プロセス水の流量は、印加電流の関数として、気体収集速度の関数として、又は水消費速度に関連する他の測定可能な変数の関数として制御することができる。
[00348]様々な実施形態において、そのような流量は、セルスタックへのプロセス水送達の流量に基づいて制御されることがある。例えば、流量ベースの制御は、セルスタックへの質量流量又は体積流量の測定のフィードバックに基づいて水送達流量を制御するように構成された閉ループ制御装置によって達成することができる。代替として又は追加として、プロセス水の流量は、セルスタックに水を送達するプロセス水供給マニホルド内のプロセス水の圧力に基づくことがある。例えば、圧力ベースの制御は、１つ又は複数の圧力センサからのフィードバックに基づいて供給マニホルド内の流体圧力を維持するように構成された閉ループ制御装置によって実施されることがある。代替として、流量ベース又は圧力ベースの制御は、フィードバック測定なしの開ループ制御システムを備えることがある。圧力ベースの流れ制御システム及び方法のいくつかの例を以下に述べる。
[00349]そのような低い補充流量では、酸素を含有する第２の気体除去マニホルド１４４４、及びセルスタックから出る関連の導管を通って流れる液体水の体積は非常に小さい。その結果、液気セパレータ１４５０は非常に小さくて単純でよい。例えば、液気セパレータ１４５０は、気体を搬送除去するために上向きに流れる垂直脚部と、液体水を収集するために下向きに流れる垂直脚部とを有する垂直Ｔ字接続導管を単に備えることがある。いくつかの実施形態では、液気セパレータは、流れる気体から水蒸気を除去するための乾燥剤床などの乾燥機又は水蒸気凝縮器を備えることもある。
例示的なイオン交換膜構成：ＬＦ－ＡＥＭセル構成
[00350]図１７は、低流量ＡＥＭ電解槽の電気化学セル１７００の構成要素を概略的に示す。図示されるように、低流量ＡＥＭ電解槽システムは、低流量ＰＥＭ電解槽システムのセル１６００と実質的に同様でもよいが、主な相違点は、ＰＥＭの場合の正の半電池チャンバ１６０２とは異なり、ＡＥＭの場合には負の半電池チャンバ１７０４にプロセス水１７０８を導入することである。
[00351]図１７に示されるように、セル１７００は、供給マニホルド１７１０を通して供給されるプロセス水１７０８（例えば、電解槽で分解すべき脱イオン水）で充填された負の半電池チャンバ１７０４を含むことがある。水素発生触媒を含む負極１７１４は、負の半電池チャンバ１７０４内に配置され、プロセス水１７０８に浸漬されることがある。アニオン交換膜（ＡＥＭ）セパレータ１７２０は、負の半電池チャンバ１７０４を正の半電池チャンバ１７０２から分離することができ、負極１７１４及び正極１７１２と接触することができる。正極１７１２は、酸素発生触媒を含むことがある。ＡＥＭセパレータ１７２０は、通常の条件下で正の半電池チャンバ１７０２に水が入るのを妨げることができるので、正の半電池チャンバ１７０２は、実質的に、生成された気体（例えば酸素）で充填されることがある。
[00352]動作中、プロセス水１７０８は、負の半電池チャンバ１７０４で電気化学的に分解されて、負の半電池チャンバ１７０４で水素ガスを生成する。負極１７１４で生成された水素ガスは、負の気体除去マニホルド１７４０を通して負の半電池１７０４から引き出されることがある。いくつかの実施形態では、水素ガスと余剰のプロセス水との混合流は、負の半電池チャンバ１７０４と負の気体除去マニホルド１７４０との間に配置された流体逃がし要素１７３６を通って負の半電池チャンバ１７０４から出ることがある。流体逃がし要素として有用な例示的な構造及び構成を本明細書を通して述べ、それらの任意のものを、図１７に示されるようなセルで使用することができる。
[00353]水分解反応からの酸素原子は、酸素ガスが生成される正極１７１２に向かってＡＥＭセパレータ１７２０を横切る傾向がある。酸素ガスは、正の気体除去マニホルド１７３０を通して正の半電池チャンバから引き出されることがある。
[00354]発生する水素ガスを高圧で生成するために、プロセス水は、所望の水素ガス圧力よりもわずかに高い絶対圧力で注入されることがある。いくつかの実施形態では、圧力調整器１７４６を使用して、供給マニホルド１７１０を通して負の半電池チャンバ１７０４に供給されるプロセス水の圧力を調整することができる。いくつかの実施形態では、プロセス水供給マニホルド１７１０内の水は、負の半電池チャンバ１７０４内の高い流体圧力を維持するように高圧で維持されることがあり、以て、水素ガス及び酸素ガスを高圧で生成する。例えば、いくつかの実施形態では、生成された水素（及び／又は酸素）を３０ｂａｒ以上、又はいくつかの場合には１００ｂａｒ以上の圧力で収集することが望ましいことがある。そのような実施形態では、プロセス水は、大気圧から１００ｂａｒ以上までの圧力、例えば、約１ｂａｒ、１０ｂａｒ、２０ｂａｒ、３０ｂａｒ、４０ｂａｒ、５０ｂａｒ、６０ｂａｒ、７０ｂａｒ、８０ｂａｒ、９０ｂａｒ、１００ｂａｒ、又はそれよりも高い圧力で供給されることがある。そのような圧力で水を分解することによって生成される気体は、０．５ｂａｒなど、プロセス水圧力よりもわずかだけ低い圧力で収集されることがある。
[00355]いくつかの実施形態では、負の気体除去マニホルド１７４０は、圧力調整器１７４２によって所望の圧力に調整されることがある。様々な実施形態において、圧力調整器１７４２は、プロセス水が負の半電池チャンバ１７０４に供給される、圧力調整器１７４６によって調整される供給マニホルド１７１０内の圧力よりもわずかに低い圧力で負の気体除去マニホルド１７４０を維持するように動作されることがある。
[00356]いくつかの実施形態では、正の半電池１７０２から除去された酸素は、正の気体除去マニホルド１７３０の圧力調整器１７４４によって所望の圧力に維持されることがある。様々な実施形態において、圧力調整器１７４４は、正の気体除去マニホルド内の流体（気体除去液体及び／又は気体のみ）を少なくとも１０ｂａｒ、最大３０ｂａｒ、４０ｂａｒ、５０ｂａｒ、６０ｂａｒ、７０ｂａｒ、８０ｂａｒ、９０ｂａｒ、１００ｂａｒ、又はそれよりも高い圧力で維持するように構成されることがある。
[00357]いくつかの実施形態では、低流量ＡＥＭ電解槽スタックの各負の半電池は、流体逃がし要素１７３６を通って負の半電池から逃げる液体水から、生成された気体を捕捉及び分離するための液気セパレータ（例えば、図１又は図１１～図１２Ｂに示される）を備えることがある。捕捉された液体水は、（例えばとりわけ図３Ａ～図３Ｃに示される）セルに固有の導管及びポンプ（例えば空洞ポンプ）によって、負の半電池に戻されることがある。代替として、液気分離及び水返還は、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して本明細書で述べるように、スタックレベル又はシステムレベルで行われることがある。
[00358]図１７に示されるように、低流量ＡＥＭ電解槽のいくつかの実施形態は、負の半電池チャンバ１７０４と流体連通して連結された膨張チャンバ１７５０を含むこともある。本明細書を通して述べるように、膨張チャンバ１７５０は、流体圧力を所望の範囲内に維持しながら、半電池チャンバ１７０４内の液体／気体混合物の体積膨張を可能にするように構成されることがある。容積膨張システムの様々な例及び実施形態を、本明細書で以下に述べる。
[00359]図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すると、低流量ＡＥＭ電解槽システムは、２つの独立した流体循環ループ、すなわちプロセス水ループ１４６０、１４６１及び冷却剤ループ１４３０、１４３１を備えることがある。プロセス水ループ１４６０、１４６１は、セルスタック１４１０の負の半電池（この場合、負の極性を有する第１の半電池１４２２）に新鮮なプロセス水を送達するように構成されることがある。余剰のプロセス水と酸素ガスとの混合物が、セルスタック１４１０の第１の半電池１４２２の出口から引き出されることがある。酸素ガスは、液／気セパレータ１４５０において余剰のプロセス水から分離されることがあり、余剰のプロセス水は、補給水源１４５４（例えば、地方自治体の水源又は他の貯水部によって供給される、水を脱イオン処理するシステム）からの追加の水と共にセルスタック１４１０に戻されることがある。
[00360]いくつかの実施形態では、プロセス水ループ１４６０、１４６１は、液／気セパレータ１４５０及び補給水供給源１４５４からの両方の余剰のプロセス水を押し流すためのポンプ１４５２を備えることがある。ポンプ１４５２及び／又は第１の圧力調整器１４６４を使用して、セルスタック１４１０に供給されるプロセス水の圧力を制御することができる。第２の圧力調整１６２は、第１の気体収集マニホルド１４４２内の圧力をセルスタック１４１０の出口で制御するように構成されることがある。いくつかの実施形態では、圧力調整器１４６６を使用して、第２の気体除去マニホルド１４４４内の圧力を調整することができる。圧力調整器１４６２、１４６４、１４６６はそれぞれ、背圧調整弁などの用途に利用可能であり適した任意のタイプの圧力調整器でもよい。
[00361]酸素ガスは、セルスタック１４１０の第２の半電池１４２４から出る第２の気体除去マニホルド１４４４及び関連の導管に収集されることがある。酸素ガスは、スタック１４１０によって生成された水素を処理（例えば、精製、乾燥、圧縮、冷却など）及び貯蔵、使用、又は排気するように構成された気体収集システム１４７０に送られることがある。いくつかの実施形態では、気体収集システム１４７０は、熱交換器、圧縮機、乾燥機などの追加の気体処理構成要素を備えることもある。
[00362]いくつかの実施形態では、セルスタックから引き出される余剰の酸素ガスは、負の半電池チャンバ１４２２内のプロセス水の圧力よりもわずかに低い高圧でもよい。そのような実施形態では、高圧酸素ガスを利用して、補給水源１４５４から引き出されたプロセス水を予圧することができる。例えば、流体圧力交換デバイス（図示せず）を使用して、酸素ガスの高圧を、セルスタック１４１０に送達すべき補給水１４５４に移送することができる。適切な流体圧力交換器の例は、米国特許第７，３０６，４３７号及びその参考文献によって教示されているものを含むことがある。他の実施形態では、セルスタックから収集された酸素ガスは、大気圧又はその近くでもよく、他の目的に必要とされない場合、単に大気に排気されることがある。
[00363]プロセス水ループは、一般に、比較的遅い流量でプロセス水を循環させるように構成されることがある。例えば、水は、ＰＥＭシステムに関して上述したのと同じ流量又は補充流量で、ＡＥＭセルスタック１４１０に圧送（又は他の方法で駆動）されることがある。ＡＥＭシステムのプロセス水は、より高い絶対圧力で送達されることがあるが、相対圧力及び流量は、上述したのと同じ範囲内及び同じ値でもよい。
[00364]様々な実施形態において、プロセス水は、セルスタック１４１０に送達され、上述したように比較的「低」流量で各セル１４１５に分配されることがある。いくつかの実施形態では、プロセス水の供給は、補給液供給構造及び方法を参照して本明細書を通して述べるように、水供給導管又はマニホルド内の流体圧力を制御することによって実現することができる。低流量イオン交換電解槽の様々な実施形態において、プロセス水供給入口は、弁の前後の圧力差が所定のクラッキング圧力を超え、以てセル又はスタックへの断続的な水の送達を引き起こすときに、セル（又はセルスタック）に水のボーラスを送達するように構成された１つ又は複数の一方向弁を備えることがある。他の実施形態では、水入口にある図１６での一方向弁１６６０及び図１７での一方向弁１７６０は省かれることがあり、水は、供給マニホルドと半電池チャンバとの間の入口を通って双方向に自由に流れることができる。
[00365]ＬＦＩＥ電解槽のいくつかの実施形態は、図１８に概略的に示されるように、プロセス水を両方の半電池チャンバ１８０２、１８０４に送達するように構成されることがある。そのようなシステムは、ＰＥＭ又はＡＥＭセパレータのいずれかを備えることがあり、大気圧又はより高い圧力で動作されることがある。図１８のシステムは、半電池チャンバ１８０２、１８０４と、ＰＥＭ又はＡＥＭセパレータ膜１８２０と、気体除去マニホルド１８４０、１８４３と、流体逃がし要素１８３５、１８３６と、膨張チャンバ１８５０と、液体電解質１８０６、１８０７とを含む。上述したように、水の電気化学的分解は、使用中のイオン交換膜の性質に応じて、一方の半電池で優先的に生じる傾向がある。その結果、一方の半電池での水消費速度は、他方の半電池の消費速度に比べて実質的に低くなる（又はさらにはゼロになる）ことがある。様々な実装形態において、低い消費速度を有する半電池内の水は、（例えば、気体のみが通過することを可能にする相弁別の流体逃がし膜によって）静的に保持されることがあり、又は生成された気体と共に遅い速度で除去されることがある。
電子制御装置
[00366]次に図１９を参照すると、本明細書におけるシステム及び方法と組み合わせて開示又は使用される電子制御装置の１つ又は複数の態様又は実施形態を実現するために利用することができる電子制御装置の物理的構成要素を示すブロック図が示されている。例えば、本明細書で述べる方法及び操作を指示するために使用される制御装置の態様は、図１９の構成要素によって実現されることがある。
[00367]図１９の概略図において、ディスプレイ部分１９１２及び不揮発性メモリ１９２０はバス１９２２に結合され、バス１９２２は、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）１９２４、処理部分（Ｎ個の処理構成要素を含む）１９２６、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１９２７、及びＮ個の送受信機を含む送受信機構成要素１９２８にも結合される。
[00368]図１９に示される構成要素は物理的構成要素を表すが、図１９は、詳細なハードウェア図であることは意図されていない。したがって、図１９に示される構成要素の多くは、共通の構成によって実現される又はさらなる物理的構成要素に分散されることがある。図１９のいくつかの構成要素は、いくつかの実装形態では省略されることがある。さらに、他の既存の及びまだ開発されていない物理的構成要素及びアーキテクチャを利用して、図１９を参照して述べる機能的構成要素を実装することもできることが企図される。
[00369]ディスプレイ部分１９１２は、本明細書で述べるシステムの操作者のためにユーザインターフェースを提供するように動作することができる。ディスプレイは、例えば液晶ディスプレイやＡＭＯＬＥＤディスプレイによって実現することができ、いくつかの実装形態では、ディスプレイは、操作者が制御態様を変更し、開示される電気化学システムの動作パラメータ値（例えば、セル又はスタック電流、セル又はスタック電圧、無効電力、動作傾向、流量、圧力など）を閲覧できるようにするタッチスクリーンディスプレイによって実現されることがある。一般に、不揮発性メモリ１９２０は、本明細書で述べる方法の実施に関連する実行可能コードを含む、データ及びプロセッサ実行可能コードを記憶する（例えば、永続的に記憶する）ように機能する非一時的メモリでよい。いくつかの実施形態では、不揮発性メモリ１９２０は、本明細書で述べる論理及び制御構成要素の機能の実行を促進するために、ブートローダコード、オペレーティングシステムコード、ファイルシステムコード、及び非一時的なプロセッサ実行可能コードを含むことがある。
[00370]いくつかの実装形態では、不揮発性メモリ１９２０は、フラッシュメモリ（例えば、ＮＡＮＤ又はＯＮＥＮＡＮＤメモリ）によって実現することができるが、他のメモリタイプを利用することもできることが企図される。不揮発性メモリ１９２０からコードを実行することは可能であり得るが、不揮発性メモリ内の実行可能コードは、典型的には、ＲＡＭ１９２４にロードされ、処理部分１９２６のＮ個の処理構成要素のうちの１つ又は複数によって実行されることがある。
[00371]ＲＡＭ１９２４に関連するＮ個の処理構成要素は、一般に、本明細書に開示される方法の実行を促進するために、不揮発性メモリ１９２０に記憶された命令を実行するように動作することができる。例えば、本明細書で述べる方法の態様を実施するための非一時的なプロセッサ実行可能命令は、不揮発性メモリ１９２０に永続的に記憶され、ＲＡＭ１９２４に関連するＮ個の処理構成要素によって実行されることがある。当業者には理解されるように、処理部分１９２６は、ビデオプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、及び他の処理構成要素を含むことがある。
[00372]追加として又は代替として、ＦＰＧＡ１９２７は、本明細書で述べる方法の１つ又は複数の態様を実施するように構成されることがある。例えば、非一時的なＦＰＧＡ構成命令は、不揮発性メモリ１９２０に永続的に記憶され、ＦＰＧＡ１９２７によって（例えば起動中に）アクセスされて、本明細書で述べる制御及び論理構成要素の１つ又は複数の機能を実施するようにＦＰＧＡ１９２７を構成することができる。
[00373]本開示に鑑みて当業者には理解されるように、図示される入力及び出力モジュールは、いくつかの異なる目的のために使用することができる。例えば、センサが入力モジュールに結合されることがあり、出力モジュールは、本明細書で述べる様々な電気的、電子的、又は電気機械的構成要素の任意のものを操作するための制御信号を生成することがある。
[00374]図示される送受信機構成要素１９２８は、無線又は有線ネットワークを介して外部デバイスと通信するために使用することができるＮ個の送受信機チェーンを含むことがある。Ｎ個の送受信機チェーンのそれぞれは、特定の通信スキーム（例えば、ＳＣＡＤＡ、ＤＮＰ３、ＷｉＦｉ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｍｏｄｂｕｓ、ＣＤＭＡ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＮＦＣなど）に関連する送受信機でよい。
使用する用語
[00375]本明細書における例及び実施形態の多くは、水電解槽を参照して述べているが、同じ一般的な構造、システム、及び方法を、燃料セル（気体が反応してエネルギーを生成する）及びフロー電池（エネルギーが、水溶液又は非水溶液中に１つ又は複数のイオン種の形で貯蔵される）などの電気化学セルスタックを含む他のシステムに適用することもできる。
[00376]本発明を、特定の好ましい実施形態及び例の文脈で開示してきたが、本発明は、具体的に開示した実施形態を超えて、本発明の他の代替実施形態及び／又は使用並びにその明らかな修正形態及び等価形態にまで及ぶことを当業者は理解されよう。上述した実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される全般的な原理は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用することができる。したがって、本明細書に開示される本発明の範囲は、上述した特定の開示した実施形態によって限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲を公正に読むことによってのみ決定されるべきであることが意図される。
[00377]特に、材料及び製造技法は、関連技術の当業者の水準内で採用することができる。さらに、単一の要素への言及は、同じ要素が複数存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形「１つの」、「及び」、「前記」、及び「その」は、文脈上明確な指示がない限り、複数の指示対象を含む。本明細書で使用するとき、特に明記しない限り、「又は」という用語は、提示された全ての代替の包含であり、「及び／又は」という語句と本質的に同じことを意味する。特許請求の範囲は、任意選択の要素を除外するように草稿されていることがあることにさらに留意されたい。したがって、この言明は、クレーム要素の記載に関連する「単独で」や「のみ」などの排他的な用語の使用、又は「否定的」な制限の使用のための先行詞として働くことを意図されている。本明細書で別段の定義がない限り、本明細書で使用する全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
さらなる実施形態
[00378]さらなる実施形態は、以下のものを含むことがある。
[00379]実施形態１：電解質閉じ込め電気化学セルのスタックを具備する電気化学システムであって、各個々の電気化学セルが独立して、第１の電極と接触する電解質の第１の体積を含む第１の半電池チャンバと、対電極と接触する第２の半電池チャンバと、第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、第１の半電池と連通する第１の電解質捕捉及び返還システムとを備え、第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池チャンバから逃げる電解質の第１の体積から電解質を捕捉し、捕捉された電解質を、電解質返還導管を通して第１の半電池チャンバ及び第２の半電池チャンバの少なくとも一方に押し流して戻す、電気化学システム。
[00380]実施形態２：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態１に記載の電気化学システム。
[00381]実施形態３：第１の電解質捕捉及び返還システムが、捕捉された電解質を、セルスタックの任意の他のセルの電解質との流体連通から流体的に隔離する、実施形態１又は２に記載の電気化学システム。
[00382]実施形態４：第２の半電池チャンバと連通する第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、第２の半電池チャンバが、電解質の第２の体積を含み、第２の電解質捕捉及び返還システムが、第２の半電池チャンバから逃げる電解質の第２の体積から電解質を捕捉し、捕捉された電解質を第１の半電池チャンバ、第２の半電池チャンバ、又はその両方に押し流すように構成されている、実施形態１～３のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00383]実施形態５：第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムのそれぞれが独立して液気分離チャンバを備え、液気分離チャンバが、それらが存在するそれぞれの個々の電気化学セルに固有のものである、実施形態１～４のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態５ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムのそれぞれが液気分離チャンバを備え、液気分離チャンバが、それらが存在するそれぞれの個々の電気化学セルに固有のものである、実施形態１～４のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00384]実施形態６：第１の電解質捕捉及び返還システムが第１の気体除去マニホルドと流体連通し、及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが第２の気体除去マニホルドと流体連通し、第１の気体除去マニホルド及び存在する場合には第２の気体除去マニホルドのそれぞれが、スタックの電気化学セルのそれぞれと流体連通する、実施形態１～５のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態６ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが第１の気体除去マニホルドと流体連通し、第１の気体除去マニホルドが、スタックの電気化学セルのそれぞれと流体連通する、実施形態１～５のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00385]実施形態７：第１の気体除去マニホルド及び／又は第２の気体除去マニホルドが、気体除去液体を含む、実施形態６に記載の電気化学システム。実施形態７ｂ：第１の気体除去マニホルドが、気体除去液体を含む、実施形態６に記載の電気化学システム。
[00386]実施形態８：気体除去液体が、流体圧力の所定の範囲内に維持される、実施形態７に記載の電気化学システム。
[00387]実施形態９：気体除去液体が、非導電性液体である、実施形態７又は８に記載の電気化学システム。
[00388]実施形態１０：気体及び液体電解質が第１の半電池チャンバから第１の電解質捕捉及び返還システムに逃げる第１の流体逃がし要素、及び／又は気体及び液体電解質が第２の半電池チャンバから、存在する場合には第２の電解質捕捉及び返還システムに逃げる第２の流体逃がし要素をさらに備える、実施形態１～９のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１０ｂ：気体及び液体電解質が第１の半電池チャンバから第１の電解質捕捉及び返還システムに逃げる第１の流体逃がし要素をさらに備える、実施形態１～９のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00389]実施形態１１：流体逃がし要素が、少なくとも０．１ｂａｒの圧力降下を特徴とする直列流体逃がし要素である、実施形態１０に記載の電気化学セル。
[00390]実施形態１２：第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池に固有の第１の液気セパレータを備える、及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが、第２の半電池に固有の第２の液気セパレータを備える、実施形態１～１１のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１２ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池に固有の第１の液気セパレータを備える、実施形態１～１１のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00391]実施形態１３：第１の液気セパレータ及び／又は第２の液気セパレータがセルフレーム内に含まれ、互いに流体連通して連結された少なくとも２つのチャンバを備える、実施形態１２の電気化学システム。実施形態１３ｂ：第１の液気セパレータがセルフレーム内に含まれ、互いに流体連通して連結された少なくとも２つのチャンバを備える、実施形態１２の電気化学システム。
[00392]実施形態１４：各セルが、第１の液気セパレータと第１の気体除去マニホルドとの間に第１の一方向弁を備え、及び／又は各セルが、第２の液気セパレータと第２の気体除去マニホルドとの間に第２の一方向弁を備え、第１の一方向弁は、第１の液気セパレータ内の気体圧力が第１の気体除去マニホルド内の流体圧力を超えるときに、第１の液気セパレータから第１の気体除去マニホルドへの気体の流れを可能にするように向けられ、第２の一方向弁は、第２の液気セパレータ内の気体圧力が第２の気体除去マニホルド内の流体圧力を超えるときに、第２の液気セパレータから第２の気体除去マニホルドへの気体の流れを可能にするように向けられる、実施形態１２又は１３に記載の電気化学システム。実施形態１４ｂ：各セルが、第１の液気セパレータと第１の気体除去マニホルドとの間に第１の一方向弁を備え、第１の一方向弁は、第１の液気セパレータ内の気体圧力が第１の気体除去マニホルド内の流体圧力を超えるときに、第１の液気セパレータから第１の気体除去マニホルドへの気体の流れを可能にするように向けられる、実施形態１２又は１３に記載の電気化学システム。
[00393]実施形態１５：第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが、それぞれの電解質捕捉及び返還システムの電解質を維持しながら生成ガスの流れを促進するための膜を備える、実施形態１～１４のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１５ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の電解質捕捉及び返還システムの電解質を維持しながら生成ガスの流れを促進するための膜を備える、実施形態１～１４のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00394]実施形態１６：第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが、それぞれ捕捉された電解質をそれぞれ第１の半電池チャンバ又は第２の半電池チャンバに戻すように構成された１つ又は複数のポンプを備える、実施形態１～１５のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１６ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが、捕捉された電解質を第１の半電池チャンバに戻すように構成された１つ又は複数のポンプを備える、実施形態１～１５のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00395]実施形態１７：第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが、電解質の混合を可能にするように構成されている、実施形態１～１６のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１７ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが、電解質の混合を可能にするように構成されている、実施形態１～１６のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00396]実施形態１８：第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムが、液体として、ミストとして、又はそれらの組合せとしてそれぞれの半電池から押し出された電解質の少なくとも８０質量％を捕捉するように構成されている、実施形態１～１７のいずれか１つに記載の電気化学システム。実施形態１８ｂ：第１の電解質捕捉及び返還システムが、液体として、ミストとして、又はそれらの組合せとしてそれぞれの半電池から押し出された電解質の少なくとも８０質量％を捕捉するように構成されている、実施形態１～１７のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00397]実施形態１９：電気化学システムが電池、フロー電池、又は燃料セルである、実施形態１～１８のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00398]実施形態２０：アルカリ電解セルである、実施形態１～１９のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00399]実施形態２１：電気化学セルが、生成ガスとして水素ガス及び酸素ガスを生成する、実施形態１～２０のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00400]実施形態２２：セパレータがプロトン交換膜（ＰＥＭ）又はアニオン交換膜（ＡＥＭ）であり、電解質が脱イオン水である、実施形態２１に記載の電気化学システム。
[00401]実施形態２３：電解質がアルカリ性水溶液である、実施形態２０又は２１に記載の電気化学システム。
[00402]実施形態２４：電解質が、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、又はそれらの任意の組合せを含む、実施形態２３に記載の電気化学システム。
[00403]実施形態２５：スタックの各電気化学セルが、それぞれの電気化学セルに固有であり、それぞれの電気化学セルの第１の半電池チャンバ及び第２の半電池チャンバと流体連通している膨張チャンバをさらに備え、膨張チャンバが、膨張可能及び収縮可能な容積を有し、半電池チャンバの一方又は両方での液体及び気体の体積膨張を可能にするように構成されている、実施形態１～２４のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00404]実施形態２６：膨張チャンバが、膨張チャンバの体積の膨張及び／又は収縮によって、第１の半電池チャンバと第２の半電池チャンバとの圧力差を低減するように構成されている、実施形態２５の電気化学システム。
[00405]実施形態２７：膨張チャンバの容積が、第１の半電池チャンバ内の圧力及び第２の半電池チャンバ内の圧力に基づいて変化する、実施形態２５又は２６に記載の電気化学セル。
[00406]実施形態２８：膨張チャンバが、第１の電解質捕捉及び返還システム及び存在する場合には第２の電解質捕捉及び返還システムと流体連通する、実施形態２５～２７のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00407]実施形態２９：スタックの各電気化学セルが、膨張チャンバと動作的に連通する膨張抵抗器をさらに備える、実施形態２５～２８のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00408]実施形態３０：膨張抵抗器が、ばね、ベローズ、ダイヤフラム、バルーン、所定の圧力で維持された作動流体の体積、膨張チャンバの物理的特性、又はそれらの任意の組合せである、実施形態２９に記載の電気化学システム。
[00409]実施形態３１：膨張チャンバが、第１の半電池チャンバからの電解質の第１の体積の分離、及び第２の半電池チャンバからの電解質の第２の体積の分離を維持するための分割器を備える、実施形態２５～３０のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00410]実施形態３２：電気化学セルが、電気化学セルと流体連通する補給液供給源をさらに備えて、補給液を第１の半電池、第２の半電池、又はそれら両方に提供する、実施形態１～３１のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00411]実施形態３３：補給液供給源と電気化学セルとの間に配置された一方向弁をさらに備え、一方向弁が、電気化学セルへの流体の流入を可能にするが電気化学セルからの流体の流出を可能にしないように配置される、実施形態３２に記載の電気化学システム。
[00412]実施形態３４：補給液が、供給マニホルドによって電気化学セルに提供され、供給マニホルドが、スタック内の各電気化学セルと流体連通する、実施形態３２又は３３に記載の電気化学システム。
[00413]実施形態３５：一方向弁が、供給マニホルドと電気化学セルとの圧力差に基づいて、電気化学セルへの補給液の流れを調整する、実施形態３４に記載の電気化学システム。
[00414]３６：一方向弁が、供給マニホルドと電気化学セルとの圧力差のみに基づいて、電気化学セルへの補給液の流れを調整する、実施形態３５に記載の電気化学システム。
[00415]実施形態３７：補給液が脱イオン水である、実施形態３２～３６のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00416]実施形態３８：電気化学セルのそれぞれに動作可能に接続され、捕捉された電解質を半電池チャンバの一方又は両方に押し流すように構成されたポンプをさらに備える、実施形態３７のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00417]実施形態３９：電気化学セルのそれぞれに動作可能に接続され、捕捉された電解質を液気セパレータから半電池チャンバの一方又は両方に押し流すように構成されたポンプをさらに備える、実施形態１２～３８のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00418]実施形態４０：ポンプが空洞ポンプ又は容積式ポンプである、実施形態３８又は３７に記載の電気化学システム。
[00419]実施形態４１：ポンプが、電解質返還チャネルを通して液体と気体との両方を押し流すことができる、実施形態３８～４０のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00420]実施形態４２：スタックが、角柱状の層状構成、円形セルフレームの円筒形スタック、渦巻状のジェリーロール構成、角柱状のジェリーロール構成、若しくは任意の他の丸められたジェリーロール、又は積み重ねられた角柱状構成で配置される、実施形態１～４１のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00421]実施形態４３：第２の半電池チャンバが、第２の半電池チャンバで生成された生成ガスを含み、第２の半電池チャンバが、電気化学システムの動作中に電解質を含まない、実施形態１～４２のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00422]実施形態４４：各電気化学セルが、液体電解質が第２の半電池チャンバに入るのを防ぐのに十分な第２の半電池チャンバ内の気体圧力を維持するように構成されたガスインジェクタマニホルドを備える、実施形態４３に記載の電気化学システム。
[00423]実施形態４５：ガスインジェクタマニホルドが、第２の気体を第２の半電池チャンバに注入する、実施形態４４に記載の電気化学システム。
[00424]実施形態４６：第２の気体が生成ガスとは異なる、実施形態４５に記載の電気化学システム。
[00425]実施形態４７：各電気化学セルの第２の半電池チャンバからの生成ガスがスタックの電気化学セルを冷却するために使用されるように構成されている、実施形態４３～４６に記載の電気化学システム。
[00426]実施形態４８：スタックが、生成ガスを受け取って冷却する１つ又は複数の熱交換器を備え、生成ガスが、１つ又は複数の熱交換器を通して冷却された後、ガスインジェクタマニホルドを通して各電気化学セルに注入される、実施形態４７に記載の電気化学システム。
[00427]実施形態４９：スタックが双極スタックである、実施形態１～４８のいずれか１つに記載の電気化学セル。
[00428]実施形態５０：スタックが、隣り合うセル間に双極板を備える双極スタックであり、各双極板が、第１の外層と第２の外層との間に挟まれたフローチャネル層を備え、フローチャネル層が、１つ又は複数の冷却剤フローチャネルを画定し、フローチャネル層が、第１及び第２の外層に封止される、実施形態１～４８のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00429]実施形態５１：電気化学セルのスタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、第１の電極を含み、第１の流体圧力と第２の流体圧力との間で変動する流体体積を含む第１の半電池チャンバと、第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、第１の半電池チャンバへの補給液の流れを提供し、補給液入口を通る半電池からの液体の流出を妨げるように配置された一方向弁を含む補給液入口と、を備える、電気化学セルのスタックと、スタックの全てのセルの補給液入口と流体連通している補給液供給マニホルドであって、第３の流体圧力で補給液を含み、第３の流体圧力が、第１の圧力よりも大きく第２の圧力よりも小さい制御された圧力である、補給液供給マニホルドと、を具備する電気化学システム。いくつかの実施形態では、流体体積は、気体と液体との混合物でもよい。いくつかの実施形態では、制御される圧力は、電子制御装置によって操作又は制御することができる電気機械的調整器によって制御される。
[00430]実施形態５２：第３の圧力が、第１の半電池チャンバ内の流体体積の平均定常状態動作圧力の０．５±０．２ｂａｒ以内である、実施形態５１に記載の電気化学システム。
[00431]実施形態５３：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態５１に記載の電気化学システム。
[00432]実施形態５４：電気化学システムを動作させる方法であって、電気化学システムが、電気化学セルのスタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、第１の電極を含み、第１の流体圧力と第２の流体圧力との間で変動する流体体積を含む第１の半電池チャンバと、第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、一方向弁を備える補給液入口と、を備える電気化学セルのスタックと、スタックの全てのセルの補給液入口と流体連通している補給液供給マニホルドであって、第３の流体圧力で補給液を含む補給液供給マニホルドと、を具備し、方法が、一方向弁によって、第１の半電池チャンバへの補給液の流れを提供するステップと、一方向弁によって、補給液入口を通る半電池からの液体の流出を妨げるステップと、第３の流体圧力を、第１の圧力よりも大きく第２の圧力よりも小さくなるように制御するステップと、を含む方法。いくつかの実施形態では、流体体積は、例えば気体と液体との混合物でもよい。
[00433]実施形態５５：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態５４に記載の方法。
[00434]実施形態５６：電気化学セルのスタックを具備する電気化学システムであって、各個々の電気化学セルが独立して、第１の電極と接触する液体の第１の体積を含む第１の半電池チャンバと、対電極を備える第２の半電池チャンバと、第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータ膜と、第１の半電池チャンバの外側にあり、第１の流体逃がし要素を介して第１の半電池チャンバと流体連通している第１の液気セパレータと、流体逃がし要素とは別の液体返還チャネルを通して第１の液気セパレータから第１の半電池チャンバに液体を押し流すように構成された第１のポンプと、を備える、電気化学システム。いくつかの実施形態では、液体が脱イオン水である。
[00435]実施形態５７：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態５６に記載の電気化学システム。
[00436]実施形態５８：第２の半電池チャンバが、第２の液体容積をさらに含む、実施形態５６又は５７に記載の電気化学セル。
[00437]実施形態５９：ポンプが平面状の空洞ポンプである、実施形態５６～５８のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00438]実施形態６０：各個々のセルが独立して、第１の半電池チャンバと流体連通する膨張容積をさらに備える、実施形態５６～５９のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00439]実施形態６１：隣り合うセルが双極板を共有する電気化学セルの双極スタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、第１の電極を含む第１の半電池チャンバと、第１の半電池を第１の滴下チャンバに連結する第１の導電性出口チャネル、第１の出口チャネルの出口端部と第１の滴下チャンバとの間の非導電性ギャップと、第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、第２の半電池を第２の滴下チャンバに連結する第２の導電性出口チャネル、第２の出口チャネルの出口端部と第２の滴下チャンバとの間の非導電性ギャップと、第１の半電池チャンバを第２の半電池チャンバから分離するセパレータ膜と、双極板に連結された第１の電気リード線と、第１の滴下チャンバに連結された第２の電気リード線と、第２の滴下チャンバに連結された第３の電気リード線と、を備える、電気化学セルの双極スタックと、第１の電気リード線、第２の電気リード線、及び第２の電気リード線の対間の電位、電流、又は電圧を監視するように構成された電子制御装置と、を具備する電気化学システム。
[00440]実施形態６２：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態６１に記載の電気化学システム。
[00441]実施形態６３：少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルを具備する電気化学システムであって、少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルが、電解質と、電解質の第１の体積と接触する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを備える第１の半電池と、電解質の第２の体積と接触する第２の電極、並びに第２の電解質捕捉及び返還システムを備える第２の半電池と、第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備え、第１の電解質捕捉及び返還システムが、第１の半電池から逃げる電解質を捕捉し、捕捉された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく第１の半電池に戻すように構成され、第２の電解質捕捉及び返還システムが、第２の半電池から逃げる電解質を捕捉し、捕捉された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく第２の半電池に戻すように構成される、電気化学システム。
[00442]実施形態６４：第１の電解質捕捉及び返還システムが第２の半電池から流体的に隔離され、第２の電解質捕捉及び返還システムが第１の半電池から流体的に隔離されている、実施形態６３に記載の電気化学システム。
[00443]実施形態６５：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態６３又は６４に記載の電気化学システム。
[00444]実施形態６６：第１及び第２の電解質捕捉及び返還システムのそれぞれが、それぞれの捕捉された電解質を、セルスタックの任意の他のセルの電解質との流体連通から独立して流体的に隔離する、実施形態６５に記載の電気化学システム。
[00445]実施形態６７：少なくとも１つの生成ガスを生成する方法であって、電気化学システムを準備するステップであって、電気化学システムが、少なくとも１つの電気化学セルを備え、少なくとも１つの電気化学セルが、電解質と、電解質の第１の体積と連通する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを有する第１の半電池と、電解質の第２の体積と連通する第２の電極を含む第２の半電池と、第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備える、ステップと、第１の電解質捕捉及び返還システムによって第１の半電池から逃げる電解質を捕捉し、捕捉された電解質を第１の半電池に戻すステップと、少なくとも１つの電気化学セルで電解質を反応させ、以て、少なくとも１つの生成ガスを生成するステップと、を含む方法。
[00446]実施形態６８：第２の半電池が第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、方法が、第２の電解質捕捉及び返還システムによって第２の半電池から逃げる電解質を捕捉し、捕捉された電解質を第２の半電池に戻すステップをさらに含む、実施形態６７に記載の方法。
[00447]実施形態６９：第１の電解質捕捉及び返還システムが第２の半電池から流体的に隔離され、第２の電解質捕捉及び返還システムが第１の半電池から流体的に隔離されている、実施形態６８に記載の電気化学システム。
[00448]実施形態７０：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態６７～６９のいずれか１つに記載の電気化学システム。
[00449]実施形態７０：水素ガス及び酸素ガスを生成するための方法であって、電解槽を準備するステップであって、電解槽が、複数の電気化学セルを備え、複数の電気化学セルがそれぞれが独立して、水性電解質と、水性電解質の第１の部分と連通する第１の電極、第１の電解質捕捉及び返還システム、並びに第１の気体捕捉システムを有する第１の半電池と、水性電解質の第２の部分と連通する第２の電極、及び第２の気体捕捉システムを含む第２の半電池と、第１の半電池を第２の半電池から分離するセパレータと、を備える、ステップと、第１の電解質捕捉及び返還システムによって第１の半電池から押し出された電解質を捕捉し、電解質を第１の半電池に戻すステップと、電気化学セルそれぞれの水性電解質を電気分解し、以て、第１の気体及び第２の気体を生成し、各第１の気体捕捉システムが互いに流体連通し、各第２の気体捕捉システムが互いに流体連通する、ステップと、を含む方法。
[00450]実施形態７２：第２の半電池が第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、方法が、第２の電解質捕捉及び返還システムによって第２の半電池から押し出された電解質を捕捉し、電解質を第２の半電池に戻すステップをさらに含む、実施形態７１に記載の方法。
[00451]実施形態７３：第１の気体が酸素であり、第１の気体捕捉システムが酸素ガス捕捉システムであり、又は第１の気体が水素であり、第１の気体捕捉システムが水素ガス捕捉システムである、実施形態７０又は７２に記載の方法。
[00452]実施形態７４：第１の気体が酸素であり、第１の気体捕捉システムが酸素ガス捕捉システムであり、第２の気体が水素であり、第２の気体捕捉システムが水素ガス捕捉システムである、実施形態７１～７３のいずれか１つに記載の方法。
[00453]実施形態７５：セパレータが、プロトン交換膜（ＰＥＭ）又はアニオン交換膜（ＡＥＭ）である、実施形態７１～７４のいずれか１つに記載の方法。
[00454]実施形態７６：複数の電気化学セルの各個々の電気化学セルが独立して、第１の半電池及び第２の半電池と流体連通する膨張容積をさらに備える、実施形態７１～７５のいずれか１つに記載の方法。
[00455]実施形態７７：電気化学セルそれぞれにおいて第１の電解質捕捉及び返還システムが第２の電解質捕捉及び返還システムと流体連通する、実施形態７１～７６のいずれか１つに記載の方法。
[00456]実施形態７８：個々の電気化学セルの任意の電解質捕捉及び返還システムが、電解槽の他の各電気化学セルの任意の電解質捕捉及び返還システムから流体的に隔離される、実施形態７１～７６のいずれか１つに記載の方法。
[00457]実施形態７９：スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、実施形態７１～７８に記載の方法。
[00458]実施形態８０：流体ドライバの第１の側に作動流体を含み、第１の側とは反対の流体ドライバの第２の側に、押し流された流体を含むポンプチャンバと、流体ドライバの第１の側で、押流し流体流入アパーチャを通るポンプチャンバへの流れを可能にするように配置された上流の一方向弁と、流体ドライバの第１の側で、押流し流体流入アパーチャを通るポンプチャンバへの流れを可能にするように配置された下流の一方向弁と、流体ドライバの第１の側でポンプチャンバと流体連通している作動流体入口と、流体ドライバの第１の側で作動流体入口及びポンプチャンバにある作動流体と、流体ドライバを少なくとも部分的に偏向させるのに十分な圧縮力及び／又は膨張力を作動流体に加えるように構成されたアクチュエータと、を備える空洞ポンプ。
[00459]実施形態８１：作動流体が非圧縮性液体である、実施形態８０に記載の空洞ポンプ。
[00460]実施形態８２：作動流体が圧縮性気体である、実施形態８１に記載の空洞ポンプ。
[00461]実施形態８３：ポンプチャンバが、セルスタックの複数のセルフレームのうちの１つのセルフレームに形成される、実施形態８０に記載の空洞ポンプ。
[00462]実施形態８４：作動流体入口が、セルスタックを通って延びる作動流体マニホルドと流体連通する、実施形態８３に記載の空洞ポンプ。
[00463]実施形態８５：セルスタックに複数の電気化学セルを備える電解槽システムを動作させる方法であって、各セルが、プロトン交換膜（ＰＥＭ）によって負の半電池チャンバから分離された正の半電池チャンバを備え、方法が、正の半電池チャンバにおいてプロセス水が水素ガスと酸素ガスとに分解されることによって消費される第２の速度の１０００％以下の第１の速度でセルスタックの各電気化学セルの正の半電池チャンバにプロセス水を流入するステップと、セルスタックの１つ又は複数の熱交換器を通して冷却剤を流すステップと、各電気化学セルの負の半電池チャンバから負の気体除去マニホルドを通して気体を引き出すステップと、少なくとも１０ｂａｒの絶対圧力の圧力で負の気体除去マニホルドを維持するステップと、各電気化学セルの正の半電池チャンバから、各電気化学セルの正の半電池チャンバの共通の出口を通して、酸素ガスと液体プロセス水との混合物を引き出すステップと、を含む方法。
[00464]実施形態８６：プロセス水をセルスタックに送る供給マニホルド内の第１の流体圧力を調整するステップをさらに含む、実施形態８５に記載の方法。
[00465]実施形態８７：酸素ガスとプロセス水との混合物がセルスタックの正の半電池から除去される流体除去マニホルド内の第２の流体圧力を調整するステップをさらに含む、実施形態８６に記載の方法。
[00466]実施形態８８：セルスタックの１つ又は複数の熱交換器のそれぞれが、隣り合う電気化学セル間の双極板構造内に１つ又は複数のフローチャネルを備える、実施形態８５～８７のいずれか１つに記載の方法。
[00467]実施形態８９：各双極板構造が、第１の外層と第２の外層との間に挟まれたフローチャネル層を備え、フローチャネル層が、１つ又は複数の冷却剤フローチャネルを画定し、第１及び第２の外層に対して封止されている、実施形態８８に記載の方法。
[00468]実施形態９０：セルスタックからプロセス水を引き出すステップ、及びプロセス水をセルスタックに戻すステップをさらに含み、セルスタックから引き出されたプロセス水が、セルスタックの後、セルスタックに戻される前に、熱交換器を通して送られない、実施形態８５に記載の方法。
[00469]実施形態９１：セルスタックの各電気化学セルが、正の半電池チャンバと流体連通する膨張チャンバを備える、実施形態８５～９０のいずれか１つに記載の方法。
[00470]実施形態９２：セルスタックに複数の電気化学セルを備える電解槽システムを動作させる方法であって、各セルが、アニオン交換膜（ＡＥＭ）によって負の半電池チャンバから分離された正の半電池チャンバを備え、方法が、各電気化学セルの負の半電池チャンバにおいてプロセス水が水素ガスと酸素ガスとに分解されることによって消費される第２の速度の１０００％以下の第１の速度でセルスタックの各電気化学セルの負の半電池チャンバにプロセス水を流入するステップと、セルスタックの１つ又は複数の熱交換器を通して冷却剤を流すステップと、各電気化学セルの正の半電池チャンバから正の気体除去マニホルドを通して気体を引き出すステップと、少なくとも１０ｂａｒの絶対圧力の流体圧力で各電気化学セルの負の半電池チャンバを維持するステップと、各電気化学セルの負の半電池チャンバから、各電気化学セルの負の半電池チャンバの共通の出口を通して、酸素ガスと液体プロセス水との混合物を引き出すステップと、を含む方法。
[00471]実施形態９３：プロセス水をセルスタックに送る供給マニホルド内の第１の流体圧力を調整するステップをさらに含む、実施形態９２に記載の方法。
[00472]実施形態９４：酸素ガスとプロセス水との混合物がセルスタックの正の半電池から除去される流体除去マニホルド内の第２の流体圧力を調整するステップをさらに含む、実施形態９３に記載の方法。
[00473]実施形態９５：セルスタックの１つ又は複数の熱交換器のそれぞれが、隣り合うセル間の双極板構造内に１つ又は複数のフローチャネルを備える、実施形態９２～９４のいずれか１つに記載の方法。
[00474]実施形態９６：各双極板構造が、第１の外層と第２の外層との間に挟まれたフローチャネル層を備え、フローチャネル層が、１つ又は複数の冷却剤フローチャネルを画定し、第１及び第２の外層に対して封止されている、実施形態９５に記載の方法。
[00475]実施形態９７：セルスタックからプロセス水を引き出すステップ、及びプロセス水をセルスタックに戻すステップをさらに含み、セルスタックから引き出されたプロセス水が、セルスタックの後、セルスタックに戻される前に、熱交換器を通して送られない、実施形態９２～９５のいずれか１つに記載の方法。
[00476]実施形態９８：セルスタックの各電気化学セルが、正の半電池チャンバと流体連通する膨張チャンバを備える、実施形態９２～９７のいずれか１つに記載の方法。
[00477]実施形態９９：複数の電気化学セルを備えるセルスタックであって、各セルが、アニオン交換膜（ＡＥＭ）によって負の半電池チャンバから分離された正の半電池チャンバを備え、各負の半電池チャンバが、水素ガスと水との混合流の流出を可能にするように構成された流体逃がし要素を有する流体出口を備える、セルスタックと、セルスタックの各電気化学セルの負の半電池チャンバと連通する負の流体除去マニホルドであって、第１の調整された流体圧力で水素と水との混合物を含む負の流体除去マニホルドと、セルスタックの各電気化学セルの負の半電池チャンバにプロセス水を送達するように構成された供給マニホルドであって、供給マニホルドのプロセス水が、第１の調整された流体圧力よりも高い第２の調整された流体圧力にある、供給マニホルドと、セルスタックの各正の半電池チャンバと連通する正の流体除去マニホルドであって、第３の流体圧力で酸素ガスを含む正の流体除去マニホルドと、を備える水電解槽システム。
[00478]実施形態１００：セルスタック内の隣り合うセル間に少なくとも１つの双極板熱交換器をさらに備え、各双極板熱交換器が、導電性外層間に冷却剤チャネルを備える、実施形態９９のシステム。
[00479]実施形態１０１：負の流体除去マニホルドの下流に気液セパレータをさらに備え、システムが、気液セパレータから供給マニホルドに水を送る導管を備え、負の流体除去マニホルドと供給マニホルドとの間に熱交換器が存在しない、実施形態９９又は１００に記載のシステム。
[00480]実施形態１０２：気液セパレータが、気液分離チャンバ内の液位の上に気体ポケット領域を備える、実施形態１０１に記載のシステム。
[00481]実施形態１０３：各セルの負の半電池チャンバと流体連通する膨張チャンバをさらに備える、実施形態９９～１０２のいずれか１つに記載のシステム。
[00482]実施形態１０４：ある量のプロセス水を供給マニホルドから負の流体除去マニホルドに送るスタックバイパス導管をさらに備える、実施形態９９～１０３のいずれか１つに記載のシステム。
[00483]実施形態１０５：流体逃がし要素の少なくとも１つが、負の半電池チャンバから出る混合流体に非線形の流れ抵抗を与えるように構成された１つ又は複数の出口チャネルを備える、実施形態９９～１０４のいずれか１つに記載のシステム。
[00484]実施形態１０６：流体逃がし要素の少なくとも１つが、１つ又は複数の相弁別膜を備える、実施形態９９～１０００５のいずれか１つに記載のシステム。
[00485]実施形態１０７：複数の電気化学セルを備えるセルスタックであって、各セルが、プロトン交換膜（ＰＥＭ）によって負の半電池チャンバから分離された正の半電池チャンバを備え、各正の半電池チャンバが、水素ガスと水との混合流の流出を可能にするように構成された流体逃がし要素を有する流体出口を備える、セルスタックと、セルスタックの各電気化学セルの正の半電池チャンバと連通する正の流体除去マニホルドであって、第１の調整された流体圧力で酸素と水との混合物を含む正の流体除去マニホルドと、セルスタックの各電気化学セルの正の半電池チャンバにプロセス水を送達するように構成された供給マニホルドであって、供給マニホルドのプロセス水が、第１の調整された流体圧力よりも高い第２の調整された流体圧力にある、供給マニホルドと、セルスタックの各電気化学セルの負の半電池チャンバと連通する負の流体除去マニホルドであって、第２の流体圧力よりも高い第３の調整された流体圧力で水素ガスを含む負の流体除去マニホルドと、を備える水電解槽システム。
[00486]実施形態１０８：セルスタックの隣り合うセル間に少なくとも１つの双極板熱交換器をさらに備え、各双極板熱交換器が、導電性外層間に冷却剤チャネルを備える、実施形態１０７に記載のシステム。
[00487]実施形態１０９：正の流体除去マニホルドの下流に気液セパレータをさらに備え、システムが、気液セパレータから供給マニホルドに水を送る導管を備え、正の流体除去マニホルドと供給マニホルドとの間に熱交換器が存在しない、実施形態１０７又は１０８に記載のシステム。
[00488]実施形態１１０：各電気化学セルの正の半電池チャンバと流体連通する膨張チャンバをさらに備える、実施形態１０７～１０９のいずれか１つに記載のシステム。
[00489]実施形態１１１：ある量のプロセス水を供給マニホルドから正の流体除去マニホルドに送るスタックバイパス導管をさらに備える、実施形態１０７～１１０のいずれか１つに記載のシステム。
[00490]実施形態１１２：各流体逃がし要素が、負の半電池チャンバから出る混合流体に非線形の流れ抵抗を与えるように構成された出口チャネルを備える、実施形態１０７～１１１のいずれか１つに記載のシステム。
[00491]実施形態１１３：各流体逃がし要素が、１つ又は複数の相弁別膜を備える、実施形態１０７～１１２のいずれか１つに記載のシステム。
[00492]実施形態１１４：各電気化学セルの正の半電池チャンバ内の酸素ガスが、それぞれのセルでのプロセス水の消費によって正の半電池チャンバ内で生成される、実施形態８５～９１のいずれか１つに記載の方法。
[00493]実施形態１１５：各電気化学セルの負の半電池チャンバ内の水素ガスが、それぞれのセルでのプロセス水の消費によって負の半電池チャンバ内で生成される、実施形態９２～９８のいずれか１つに記載の方法。
[00494]実施形態１１６：負の流体除去マニホルド内の水素ガスが、セルスタックの負の半電池チャンバ内で生成され、正の流体除去マニホルド内の酸素ガスが、複数の電気化学セルでのプロセス水の消費によってセルスタックの正の半電池チャンバ内で生成される、実施形態９９～１０６のいずれか１つに記載のシステム。
[00495]実施形態１１７：上記負の気体除去マニホルドが、各電気化学セルの負の半電池チャンバから気体のみを引き出す、実施形態８５～９１のいずれか１つに記載の方法。
[00496]実施形態１１８：正の気体除去マニホルドが、各電気化学セルの正の半電池チャンバから気体のみを引き出す、実施形態９２～９８のいずれか１つに記載の方法。
参照による組込みと変形形態に関する言明
[00497]本出願全体にわたる全ての参考文献、例えば、発行又は付与された特許又は等価物を含む特許文書、特許出願公開、及び非特許文献文書又は他の出典資料の全体を参照により本明細書に組み込む。
[00498]本明細書で採用する用語及び表現は、説明のために使用され、限定ではなく、そのような用語及び表現の使用には、図示して述べる特徴又はその一部の等価物を除外する意図はなく、特許請求される本発明の範囲内で様々な変更が可能であることを理解されたい。したがって、本発明は好ましい実施形態、例示的実施形態、及び任意選択的な特徴によって具体的に開示されているが、当業者は、本明細書に開示される概念の修正及び変形に依拠することもでき、そのような修正及び変形も、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解されたい。本明細書で提供される特定の実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本明細書に記載されたデバイス、デバイス構成要素、方法ステップの多数の変形形態を使用して本発明を実施することができることが当業者には明らかであろう。当業者には明らかであるように、本発明の方法に有用な方法及びデバイスは、多数の任意選択的な組成、処理要素、及びステップを含むことができる。
[00499]１群の代替要素が本明細書に開示される場合、その群の全ての個々の要素及び全てのサブグループが個別に開示されていると理解される。マーカッシュ群又は他の群が本明細書で使用される場合、群の全ての個々の要素、及び群の可能な全ての組合せ及び下位組合せが本開示に個別に含まれることが意図されている。当業者によって同じ化合物が異なる名前で呼ばれることがあることが知られているので、化合物の具体的な名前は例示的であることが意図されている。
[00500]特に明記しない限り、本明細書に記載又は例示されている構成要素のあらゆる配合又は組合せを使用して本発明を実施することができる。
[00501]本明細書において範囲、例えば、温度範囲、圧力範囲、又は組成若しくは濃度範囲が与えられている場合は常に、全ての中間範囲及び下位範囲、並びに与えられた範囲に含まれる全ての個々の値が本開示に含まれるものと意図されている。本明細書における記載に含まれる範囲又は下位範囲内の任意の下位範囲又は個々の値は、本明細書における特許請求の範囲から除外することもできることを理解されたい。
[00502]本明細書に記載されている全ての特許及び公開物は、本発明が関係する技術分野の当業者の技能水準を示している。本明細書で引用する参考文献は、それらの公開日又は出願日現在の従来技術を示すために文献全体を参照により本明細書に組み込み、この情報を本明細書で採用し、必要に応じて、先行技術での特定の実施形態を除外することができることが意図される。例えば、物質の組成が特許請求されるとき、本明細書に引用された参考文献において有効な開示が提供されている化合物を含む、本出願人の発明の前に当技術分野で知られており利用可能な化合物は、本明細書における組成物クレームに含まれることを意図されないことを理解されたい。
[00503]本明細書で使用するとき、「備える」は、「含む」、「含有する」、又は「によって特徴付けられる」と同義であり、包括的又はオープンエンド（ｏｐｅｎ－ｅｎｄｅｄ）であり、記載されていないさらなる要素又は方法ステップを除外しない。本明細書で使用するとき、「からなる」は、クレーム要素で指定されていない要素、ステップ、又は成分を全て除外する。本明細書で使用するとき、「本質的にからなる」は、特許請求の範囲の基本的且つ新規の特徴に実質的に影響を及ぼさない材料又はステップを除外しない。本明細書での各例において、「備える」、「本質的にからなる」、及び「からなる」という用語のいずれかを、他の２つの用語のいずれかと置き換えることができる。本明細書で例示的に述べる本発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素（複数可）又は制限（複数可）なしで適切に実施することができる。
[00504]「及び／又は」という用語は、ここで、本明細書及び特許請求の範囲では、用語「及び／又は」が現れるリストからの単一の要素のみ又は要素の任意の組合せを表すために使用される。言い換えると、「及び／又は」という用語を有する２つ以上の要素のリストは、個々の要素のいずれかを単独で有する、又はリストされた要素の任意の組合せを有する実施形態を網羅することが意図される。例えば、「要素Ａ及び／又は要素Ｂ」という語句は、要素Ａのみを有する、要素Ｂのみを有する、又は要素ＡとＢの両方を有する実施形態を網羅することを意図されている。例えば、「要素Ａ、要素Ｂ、及び／又は要素Ｃ」という語句は、要素Ａのみを有する、要素Ｂのみを有する、要素Ｃのみを有する、要素ＡとＢを有する、要素ＡとＣを有する、要素ＢとＣを有する、又は要素Ａ、Ｂ、Ｃを有する実施形態を網羅することを意図されている。
[00505]具体的に例示されたもの以外の出発材料、生物学的材料、試薬、合成方法、精製方法、分析方法、アッセイ方法、及び生物学的方法を、過度の実験に頼ることなく本発明の実施において採用することができることを当業者は理解されよう。任意のそのような材料及び方法の全ての当技術分野で知られている機能的等価物は、本発明に含まれることが意図されている。採用されている用語及び表現は、説明のために使用され、限定ではなく、そのような用語及び表現の使用には、図示して述べる特徴又はその一部の等価物を除外する意図はなく、特許請求される本発明の範囲内で様々な変更が可能であることを理解されたい。したがって、本発明は好ましい実施形態及び任意選択的な特徴によって具体的に開示されているが、当業者は、本明細書に開示される概念の修正及び変形に依拠することもでき、そのような修正及び変形も、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にあると考えられることを理解されたい。

Claims (57)

  1. 電解質閉じ込め電気化学セルのスタックを具備する電気化学システムであって、各個々の電気化学セルが独立して、
    第１の電極と接触する電解質の第１の体積を含む第１の半電池チャンバと、
    対電極と接触する第２の半電池チャンバと、
    前記第１の半電池チャンバを前記第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、
    前記第１の半電池と連通する第１の電解質捕捉及び返還システムとを備え、前記第１の電解質捕捉及び返還システムが、前記第１の半電池チャンバから逃げる前記電解質の第１の体積から電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質を、電解質返還導管を通して前記第１の半電池チャンバ及び前記第２の半電池チャンバの少なくとも一方に押し流して戻す、
    電気化学システム。
  2. 前記スタックの各個々の電気化学セルの電解質が、前記スタックの他の各個々の電気化学セルの電解質から流体的に隔離されている、請求項１に記載の電気化学システム。
  3. 前記第１の電解質捕捉及び返還システムが、捕捉された電解質を、前記セルスタックの任意の他のセルの電解質との流体連通から流体的に隔離する、請求項１又は２に記載の電気化学システム。
  4. 前記第２の半電池チャンバと連通する第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、前記第２の半電池チャンバが、電解質の第２の体積を含み、第２の電解質捕捉及び返還システムが、前記第２の半電池チャンバから逃げる前記電解質の第２の体積から電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質を前記第１の半電池チャンバ、前記第２の半電池チャンバ、又はその両方に押し流して戻すように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  5. 前記第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は第２の電解質捕捉及び返還システムのそれぞれが独立して液気分離チャンバを備え、前記液気分離チャンバが、それらが存在するそれぞれの個々の電気化学セルに固有のものである、請求項１～４のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  6. 前記第１の電解質捕捉及び返還システムが第１の気体除去マニホルドと流体連通し、及び／又は前記第２の電解質捕捉及び返還システムが第２の気体除去マニホルドと流体連通し、前記第１の気体除去マニホルド及び存在する場合には前記第２の気体除去マニホルドのそれぞれが、前記スタックの前記電気化学セルのそれぞれと流体連通する、請求項１～５のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  7. 前記第１の気体除去マニホルド及び／又は前記第２の気体除去マニホルドが、気体除去液体を含む、請求項６に記載の電気化学システム。
  8. 前記気体除去液体が非導電性液体である、請求項７に記載の電気化学システム。
  9. 気体及び液体電解質が前記第１の半電池チャンバから前記第１の電解質捕捉及び返還システムに逃げる第１の流体逃がし要素、及び／又は気体及び液体電解質が前記第２の半電池チャンバから、存在する場合には前記第２の電解質捕捉及び返還システムに逃げる第２の流体逃がし要素をさらに備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  10. 前記流体逃がし要素が、少なくとも０．１ｂａｒの圧力降下を特徴とする直列流体逃がし要素である、請求項９に記載の電気化学セル。
  11. 前記第１の電解質捕捉及び返還システムが、前記第１の半電池に固有の第１の液気セパレータを備える、及び／又は前記第２の電解質捕捉及び返還システムが、前記第２の半電池に固有の第２の液気セパレータを備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  12. 前記第１の液気セパレータ及び／又は前記第２の液気セパレータが、セルフレーム内に含まれ、互いに流体連通して連結された少なくとも２つのチャンバを備える、請求項１１に記載の電気化学システム。
  13. 各セルが、前記第１の液気セパレータと前記第１の気体除去マニホルドとの間に第１の一方向弁を備え、及び／又は各セルが、前記第２の液気セパレータと前記第２の気体除去マニホルドとの間に第２の一方向弁を備え、前記第１の一方向弁は、前記第１の液気セパレータ内の気体圧力が前記第１の気体除去マニホルド内の流体圧力を超えるときに、前記第１の液気セパレータから前記第１の気体除去マニホルドへの気体の流れを可能にするように向けられ、前記第２の一方向弁は、前記第２の液気セパレータ内の気体圧力が前記第２の気体除去マニホルド内の流体圧力を超えるときに、前記第２の液気セパレータから前記第２の気体除去マニホルドへの気体の流れを可能にするように向けられる、請求項１１又は１２に記載の電気化学システム。
  14. 前記第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は前記第２の電解質捕捉及び返還システムが、前記それぞれの電解質捕捉及び返還システムの電解質を維持しながら生成ガスの前記流れを促進するための膜を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  15. 前記第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は前記第２の電解質捕捉及び返還システムが、それぞれ捕捉された電解質をそれぞれ前記第１の半電池チャンバ又は前記第２の半電池チャンバに戻すように構成された１つ又は複数のポンプを備える、請求項１～１４のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  16. 前記第１の電解質捕捉及び返還システム及び／又は前記第２の電解質捕捉及び返還システムが、液体、ミスト、又はそれらの組合せとしてそれぞれの半電池から押し出された電解質の少なくとも８０質量％を捕捉するように構成される、請求項１～１５のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  17. 前記電気化学システムが、電池、フロー電池、又は燃料セルである、請求項１～１６のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  18. 前記電気化学システムがアルカリ電解セルであり、前記電解質がアルカリ性水溶液である、請求項１～１７のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  19. 前記電気化学セルが、生成ガスとして水素ガス及び酸素ガスを生成する、請求項１～１８のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  20. 前記セパレータがプロトン交換膜（ＰＥＭ）又はアニオン交換膜（ＡＥＭ）であり、前記電解質が脱イオン水である、請求項１９に記載の電気化学システム。
  21. 前記スタックの各電気化学セルが、それぞれの電気化学セルに固有であり、前記それぞれの電気化学セルの前記第１の半電池チャンバ及び前記第２の半電池チャンバと流体連通している膨張チャンバをさらに備え、前記膨張チャンバが、膨張可能及び収縮可能な容積を有し、前記半電池チャンバの一方又は両方での液体及び気体の体積膨張を可能にするように構成された膨張チャンバを備える、請求項１～２０のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  22. 前記膨張チャンバが、前記膨張チャンバの容積の膨張及び／又は収縮によって前記第１の半電池チャンバと前記第２の半電池チャンバとの圧力差を低減するように構成されている、請求項２１に記載の電気化学システム。
  23. 前記膨張チャンバが、第１の電解質捕捉及び返還システム及び存在する場合には前記第２の電解質捕捉及び返還システムと流体連通している、請求項２１又は２２に記載の電気化学システム。
  24. 前記スタックの各電気化学セルが、前記膨張チャンバと動作的に連通する膨張抵抗器をさらに備える、請求項２１～２３のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  25. 前記膨張チャンバが、前記第１の半電池チャンバからの電解質の第１の体積の分離及び前記第２の半電池チャンバからの電解質の第２の体積の分離を維持するための分割器を備える、請求項２１～２４のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  26. 前記電気化学セルが、前記第１の半電池、前記第２の半電池、又はそれら両方に補給液を提供するために、前記電気化学セルと流体連通する補給液源をさらに備える、請求項１～２５のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  27. 前記補給液供給源と前記電気化学セルとの間に配置された一方向弁をさらに備え、前記一方向弁が、前記電気化学セルへの流体の流入を可能にするが前記電気化学セルからの流体の流出を可能にしないように配置されている、請求項２６に記載の電気化学システム。
  28. 前記補給液が供給マニホルドによって前記電気化学セルに提供され、前記供給マニホルドが、前記スタックの各電気化学セルと流体連通する、請求項２６又は２７に記載の電気化学システム。
  29. 前記一方向弁が、前記供給マニホルドと前記電気化学セルとの圧力差に基づいて、前記電気化学セルへの補給液の前記流れを調整する、請求項２８に記載の電気化学システム。
  30. 前記補給液が脱イオン水である、請求項２７～２９のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  31. 前記電気化学セルのそれぞれに動作可能に接続され、捕捉された電解質を前記半電池チャンバの一方又は両方に押し流すように構成されたポンプをさらに備える、請求項１～３０のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  32. 前記ポンプが空洞ポンプ又は容積式ポンプである、請求項３１に記載の電気化学システム。
  33. 前記スタックが、角柱状の層状構成、円形セルフレームの円筒形スタック、渦巻状のジェリーロール構成、角柱状のジェリーロール構成、若しくは任意の他の丸められたジェリーロール、又は積み重ねられた角柱状構成で配置される、請求項１～３２のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  34. 前記第２の半電池チャンバが、前記第２の半電池チャンバで生成された生成ガスを含み、前記第２の半電池チャンバが、前記電気化学システムの動作中に電解質を含まない、請求項１～３３のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  35. 各電気化学セルが、液体電解質が前記第２の半電池チャンバに入るのを妨げるのに十分な前記第２の半電池チャンバ内の気体圧力を維持するように構成されたガスインジェクタマニホルドを備え、ガスインジェクタマニホルドが、第２の気体を前記第２の半電池チャンバに注入する、請求項３４に記載の電気化学システム。
  36. 前記電気化学システムが、各電気化学セルの前記第２の半電池チャンバからの生成ガスが前記スタックの前記電気化学セルを冷却するために使用されるように構成され、前記スタックが、前記生成ガスを受け取って冷却する少なくとも１つの熱交換器を備え、前記生成ガスが、前記１つ又は複数の熱交換器を通して冷却された後、ガスインジェクタマニホルドを通して各電気化学セルに注入される、請求項３４又は３５に記載の電気化学システム。
  37. 前記スタックが、隣り合うセル間に双極板を備える双極スタックであり、各双極板が、第１の外層と第２の外層との間に挟まれたフローチャネル層を備え、前記フローチャネル層が、１つ又は複数の冷却剤フローチャネルを画定し、前記フローチャネル層が、前記第１及び第２の外層に封止される、請求項１～３６のいずれか一項に記載の電気化学システム。
  38. 電気化学セルのスタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、
    第１の電極を含み、第１の流体圧力と第２の流体圧力との間で変動する流体体積を含む第１の半電池チャンバと、
    第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、
    前記第１の半電池チャンバを前記第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、
    前記第１の半電池チャンバへの補給液の流れを提供し、補給液入口を通る前記半電池からの液体の流出を妨げるように配置された一方向弁を含む補給液入口と、
    を備える、電気化学セルのスタックと、
    前記スタックの全てのセルの前記補給液入口と流体連通している補給液供給マニホルドであって、第３の流体圧力で補給液を含み、前記第３の流体圧力が、前記第１の圧力よりも大きく前記第２の圧力よりも小さい制御された圧力である、補給液供給マニホルドと、
    を具備する電気化学システム。
  39. 電気化学システムを動作させる方法であって、前記電気化学システムが、
    電気化学セルのスタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、
    第１の電極を含み、第１の流体圧力と第２の流体圧力との間で変動する流体体積を含む第１の半電池チャンバと、
    第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、
    前記第１の半電池チャンバを前記第２の半電池チャンバから分離するセパレータと、
    一方向弁を備える補給液入口と、
    を備える電気化学セルのスタックと、
    前記スタックの全てのセルの前記補給液入口と流体連通している補給液供給マニホルドであって、第３の流体圧力で補給液を含む補給液供給マニホルドと、
    を具備し、
    前記方法が、
    前記一方向弁によって、前記第１の半電池チャンバへの補給液の流れを提供するステップと、
    前記一方向弁によって、前記補給液入口を通る前記半電池からの液体の流出を妨げるステップと、
    前記第３の流体圧力を、前記第１の圧力よりも大きく前記第２の圧力よりも小さくなるように制御するステップと、
    を含む方法。
  40. 電気化学セルのスタックを具備する電気化学システムであって、各個々の電気化学セルが独立して、
    第１の電極と接触する液体の第１の体積を含む第１の半電池チャンバと、
    対電極を備える第２の半電池チャンバと、
    前記第１の半電池チャンバを前記第２の半電池チャンバから分離するセパレータ膜と、
    前記第１の半電池チャンバの外側にあり、第１の流体逃がし要素を介して前記第１の半電池チャンバと流体連通している第１の液気セパレータと、
    前記流体逃がし要素とは別の液体返還チャネルを通して前記第１の液気セパレータから前記第１の半電池チャンバに液体を押し流すように構成された第１のポンプと、
    を備える、電気化学システム。
  41. 前記ポンプが、平面状の空洞ポンプである、請求項４０に記載の電気化学システム。
  42. 各個々のセルが、前記第１の半電池チャンバと流体連通する膨張容積をさらに備える、請求項４０又は４１に記載の電気化学システム。
  43. 隣り合うセルが双極板を共有する電気化学セルの双極スタックであって、各個々の電気化学セルが独立して、
    第１の電極を含む第１の半電池チャンバと、
    前記第１の半電池を第１の滴下チャンバに連結する第１の導電性出口チャネル、前記第１の出口チャネルの出口端部と前記第１の滴下チャンバとの間の非導電性ギャップと、
    第２の電極を含む第２の半電池チャンバと、
    前記第２の半電池を第２の滴下チャンバに連結する第２の導電性出口チャネル、前記第２の出口チャネルの出口端部と前記第２の滴下チャンバとの間の非導電性ギャップと、
    前記第１の半電池チャンバを前記第２の半電池チャンバから分離するセパレータ膜と、
    双極板に連結された第１の電気リード線と、
    前記第１の滴下チャンバに連結された第２の電気リード線と、
    前記第２の滴下チャンバに連結された第３の電気リード線と、
    を備える、電気化学セルの双極スタックと、
    前記第１の電気リード線、前記第２の電気リード線、及び前記第２の電気リード線の対間の電位、電流、又は電圧を監視するように構成された電子制御装置と、
    を具備する電気化学システム。
  44. 少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルを具備する電気化学システムであって、前記少なくとも１つの電解質閉じ込め電気化学セルが、
    前記電解質と、
    前記電解質の第１の体積と接触する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを備える第１の半電池と、
    前記電解質の第２の体積と接触する第２の電極、並びに第２の電解質捕捉及び返還システムを備える第２の半電池と、
    前記第１の半電池を前記第２の半電池から分離するセパレータと、
    を備え、
    前記第１の電解質捕捉及び返還システムが、前記第１の半電池から逃げる電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく前記第１の半電池に戻すように構成され、
    前記第２の電解質捕捉及び返還システムが、前記第２の半電池から逃げる電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質の少なくとも一部を、任意の他のセルからの電解質と混合することなく前記第２の半電池に戻すように構成される、
    電気化学システム。
  45. 少なくとも１つの生成ガスを生成する方法であって、
    電気化学システムを準備するステップであって、前記電気化学システムが、
    少なくとも１つの電気化学セルを備え、前記少なくとも１つの電気化学セルが、
    電解質と、
    前記電解質の第１の体積と連通する第１の電極、並びに第１の電解質捕捉及び返還システムを有する第１の半電池と、
    前記電解質の第２の体積と連通する第２の電極を含む第２の半電池と、
    前記第１の半電池を前記第２の半電池から分離するセパレータと、
    を備える、ステップと、
    第１の電解質捕捉及び返還システムによって前記第１の半電池から逃げる電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質を前記第１の半電池に戻すステップと、
    前記少なくとも１つの電気化学セルで前記電解質を反応させ、以て、少なくとも１つの生成ガスを生成するステップと、
    を含む方法。
  46. 前記第２の半電池が、第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、前記方法が、第２の電解質捕捉及び返還システムによって前記第２の半電池から逃げる電解質を捕捉し、前記捕捉された電解質を前記第２の半電池に戻すステップをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
  47. 水素ガス及び酸素ガスを生成するための方法であって、
    電解槽を提供するステップであって、前記電解槽が、
    複数の電気化学セルを備え、前記複数の電気化学セルがそれぞれが独立して、
    水性電解質と、
    前記水性電解質の第１の部分と連通する第１の電極、第１の電解質捕捉及び返還システム、並びに第１の気体捕捉システムを有する第１の半電池と、
    前記水性電解質の第２の部分と連通する第２の電極、及び第２の気体捕捉システムを含む第２の半電池と、
    前記第１の半電池を前記第２の半電池から分離するセパレータと、
    を備える、ステップと、
    第１の電解質捕捉及び返還システムによって前記第１の半電池から押し出された電解質を捕捉し、前記電解質を前記第１の半電池に戻すステップと、
    前記電気化学セルそれぞれの前記水性電解質を電気分解し、以て、前記第１の気体及び前記第２の気体を生成し、各第１の気体捕捉システムが互いに流体連通し、各第２の気体捕捉システムが互いに流体連通する、ステップと、
    を含む方法。
  48. 前記第２の半電池が、第２の電解質捕捉及び返還システムをさらに備え、前記方法が、第２の電解質捕捉及び返還システムによって前記第２の半電池から押し出された電解質を捕捉し、前記電解質を前記第２の半電池に戻すことをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
  49. 前記第１の気体が酸素であり、前記第１の気体捕捉システムが酸素ガス捕捉システムであり、前記第２の気体が水素であり、前記第２の気体捕捉システムが水素ガス捕捉システムである、請求項４７又は４８に記載の方法。
  50. 前記セパレータがプロトン交換膜（ＰＥＭ）又はアニオン交換膜（ＡＥＭ）である、請求項４７～４９のいずれか一項に記載の方法。
  51. 前記複数の電気化学セルの各個々の電気化学セルが独立して、前記第１の半電池及び前記第２の半電池と流体連通する膨張容積をさらに備える、請求項４７～４９のいずれか一項に記載の方法。
  52. 個々の電気化学セルの任意の電解質捕捉及び返還システムが、前記電解槽の他の各電気化学セルの任意の電解質捕捉及び返還システムから流体的に隔離される、請求項４７～５１のいずれか一項に記載の方法。
  53. 流体ドライバの第１の側に作動流体を含み、前記第１の側とは反対の前記流体ドライバの第２の側に、押し流された流体を含むポンプチャンバと、
    前記流体ドライバの前記第１の側で、押流し流体流入アパーチャを通る前記ポンプチャンバへの流れを可能にするように配置された上流の一方向弁と、
    前記流体ドライバの前記第１の側で、押流し流体流入アパーチャを通る前記ポンプチャンバへの流れを可能にするように配置された下流の一方向弁と、
    前記流体ドライバの前記第１の側で前記ポンプチャンバと流体連通している作動流体入口と、
    前記流体ドライバの前記第１の側で前記作動流体入口及び前記ポンプチャンバにある作動流体と、
    前記流体ドライバを少なくとも部分的に偏向させるのに十分な圧縮力及び／又は膨張力を前記作動流体に加えるように構成されたアクチュエータと、
    を備える空洞ポンプ。
  54. 前記作動流体が非圧縮性液体である、請求項５３に記載の空洞ポンプ。
  55. 前記作動流体が圧縮性気体である、請求項５４に記載の空洞ポンプ。
  56. 前記ポンプチャンバが、セルスタックの複数のセルフレームのうちの１つのセルフレームに形成される、請求項５３に記載の空洞ポンプ。
  57. 前記作動流体入口が、前記セルスタックを通って延びる作動流体マニホルドと流体連通している、請求項５６に記載の空洞ポンプ。
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