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特表2023-543087毛細管ベースの電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-12
(54)【発明の名称】毛細管ベースの電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/23 20210101AFI20231004BHJP
H01M 8/1016 20160101ALI20231004BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20231004BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20231004BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20231004BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20231004BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20231004BHJP
【ＦＩ】
C25B9/23
H01M8/1016
H01M8/02
C25B9/00 A
C25B1/04
C25B13/02 301
C25B1/042
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023541850
(86)(22)【出願日】2021-09-20
(85)【翻訳文提出日】2023-05-22
(86)【国際出願番号】 AU2021051090
(87)【国際公開番号】W WO2022056606
(87)【国際公開日】2022-03-24
(31)【優先権主張番号】2020903369
(32)【優先日】2020-09-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(31)【優先権主張番号】2021901285
(32)【優先日】2021-04-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523103147
【氏名又は名称】ハイサタ・ピーティーワイ・リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ゲールハルト・フレデリク・スウィガース
(72)【発明者】
【氏名】アーロン・ホッジズ
(72)【発明者】
【氏名】クラウディア・カタジナ・ワグナー
(72)【発明者】
【氏名】アン・リン・ホアン
(72)【発明者】
【氏名】チョン－ヨン・リー
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
5H126AA02
5H126AA03
5H126BB02
5H126JJ03
(57)【要約】
開示されるのは、分子レベルの毛細管、拡散、及び／又は浸透効果を採用して、電気化学電池の巨視的外部管理の必要性を最小に抑えるゼロギャップ電気化学電池構造である。好ましくは、これらの効果は本質的に電気化学電池の状況に応答し、自己調整させる。一例では、液体電解質を含むための槽と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極と、槽の外部に位置する第２の電極とを含む電気合成又は電気エネルギー電池、及び動作方法が開示される。多孔性毛細管スペーサが、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置し、その多孔性毛細管スペーサは、槽内に延びる端部を有する。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質と液体接触しているとき、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気化学反応を実行するための電気合成電池又は電気エネルギー電池の動作方法であって、前記電気合成電池又は電気エネルギー電池は、液体電解質を含むための槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、前記槽内に位置し前記液体電解質と液体接触する端部を有する、多孔性毛細管スペーサと
を備え、
前記方法は、
前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を前記液体電解質と接触させるステップと、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に電圧を印加するステップ又は生成するステップと、
を含む、方法。
【請求項2】
前記多孔性毛細管スペーサに、少なくとも毛細管作用により前記槽からの前記液体電解質を充填することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記多孔性毛細管スペーサの前記端部が前記槽内に位置する前、前記多孔性毛細管スペーサに前記液体電解質を充填することを含む請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記液体電解質が前記多孔性毛細管スペーサに沿って輸送された後、前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を前記液体電解質と接触させることを含む請求項３に記載の方法。
【請求項5】
動作中、前記多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記電池は電気合成電池であり、前記電気化学反応は、前記電気合成電池から離れて外部に輸送される化学産物を生成する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記電池のための外部筐体を更に含み、前記外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、前記液体電解質は、前記少なくとも１つの外部液体導管を介して前記槽内又は外に輸送される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第１のガスは、前記少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記電池のための外部筐体を更に含み、前記外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、前記少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第２のガスは、前記少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、請求項７～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
外部液体導管が存在せず、前記液体電解質並びに／又は液相反応物及び／若しくは産物が、ガス流内の蒸気の形態で前記電池内又は外に輸送されることを更に含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記槽は、前記多孔性毛細管スペーサの一部として一体化され、前記蒸気は、前記多孔性毛細管スペーサ内の前記液体電解質において液化する又は前記多孔性毛細管スペーサ内の前記液体電解質から気化する、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記電池は、前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を通して、１Ａｍｐ以上、好ましくは１．５Ａｍｐ以上、より好ましくは２Ａｍｐ以上、及びより好ましくは２．５Ａｍｐ以上の電流を使用して動作する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記電池は少なくとも２４時間連続して動作する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により前記多孔性毛細管スペーサ内に前記液体電解質を引き込み、カラム高さの前記液体電解質を維持する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも前記第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記電気化学反応中、前記多孔性毛細管スペーサ内の前記液体電解質は、前記多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記多孔性毛細管スペーサの長さに沿った前記１つ又は複数の液相材料の前記移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下にある、請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記電気化学反応は、前記電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整される、請求項１～１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
交差平面軸からの前記液相材料の移動は、前記槽内の前記液体電解質の組成によって自己調整される、請求項１～１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる、請求項１～２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、（ｉ）前記液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）前記液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、前記多孔性毛細管スペーサ内で作用する、請求項１～２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項23】
前記電気化学反応は、窒素及び水素からアンモニアを生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項24】
前記電気化学反応は、アンモニア及び酸素から電気を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項25】
前記電気化学反応は、アンモニアから水素及び窒素を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項26】
前記電気化学反応は、反応物としてＮＯＸを使用する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項27】
前記電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項28】
前記電気化学反応は、塩水から塩素及び苛性物質を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項29】
前記電気化学反応は、塩酸から塩素及び水素を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項30】
前記電気化学反応は、水素及び酸素から電気エネルギーを生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項31】
前記電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項32】
前記電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項33】
液体電解質を含むための槽と、第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、前記槽内に位置し前記液体電解質と液体接触する端部を有する、多孔性毛細管スペーサと
を備える、電気合成又は電気エネルギー電池であって、請求項１～３２のいずれか一項に従い動作するように構成されている、電気合成又は電気エネルギー電池。
【請求項34】
請求項３３に従う第１の電気合成又は電気エネルギー電池、及び請求項３３に従う第２の電気合成又は電気エネルギー電池
を備える、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体。
【請求項35】
前記第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び前記第２の電気合成又は電気エネルギー電池は、直列接続される、請求項３４に記載の電気合成又は電気エネルギー電池の積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、広範には、例えば電気合成電池又は電気エネルギー電池として使用される電気化学電池に関する。本発明の実施形態例は、より詳細には、本質的にエネルギー効率的であり、分子レベルの毛細管、拡散、及び／又は浸透効果を採用して、電気化学電池のマクロレベルの外部管理の必要性を最小に抑えるゼロギャップ電気化学電池構造に関する。
【背景技術】
【0002】
電気エネルギー電池とは、無限の時間期間にわたり途切れずに又は連続して、電池の外部で使用される電力を生成する電気化学電池である。電気エネルギー電池は、動作中、反応物の常時外部供給を提供する必要があり得るという点でガルバニ電池と区別される。電気化学反応の産物も一般に、動作中、そのような電池から常時除去される。バッテリと異なり、電気エネルギー電池は、化学エネルギー又は電気エネルギーを内部に貯蔵しない。
【0003】
電気合成電池も同様に、無限の時間期間にわたり途切れずに又は連続して、電池の外部で使用される１つ又は複数の化学物質を製造する電気化学電池と見なすことができる。化学物質はガス、液体、又は固体の形態であり得る。電気エネルギー電池のように、電気合成電池も、動作中、反応物の常時供給及び産物の常時除去を必要とする。電気合成電池は一般に、電気エネルギーの常時入力も更に必要とする。
【0004】
電気エネルギー電池又は電気合成電池の動作に関わる大量の電気エネルギーにより、それらの開発での主な問題は、動作中、それらを可能な限りエネルギー効率的にすることである。これは一部、電気インピーダンスを最小に抑えることによって達成し得る。インピーダンスは、電圧印加時、電流に対して電池回路が呈する抵抗である。インピーダンスを最小に抑える一方法は、電池のアノード電極及びカソード電極が互いに面するように、折衝せずに（接触は短絡回路を生じさせる）互いに可能な限り近くに配置される電池構造を採用することである。２つの電極間のギャップは、可能な限り最高のイオン伝導率を有する電解質で占められるべきでもある。
【0005】
このために、電気合成又は電気エネルギー電池に様々な「ゼロギャップ」電池構造が開発されてきた。そのような構造では、２つの電極は、本質的に高いイオン伝導率を有し得、又は高いイオン伝導率を有する液体電解質が染み込み得る薄い膜の両側に対してしっかりと狭設される。この種のゼロギャップ膜は一般に、ゼロギャップ電池では２ｍｍ厚未満である。ゼロギャップ電池構造の幾つかの例が、Ｒ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ及びＣ．Ｗ．Ｄｕｎｎｉｌｌ著「Ｚｅｒｏ ｇａｐ ａｌｋａｌｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｃｅｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｇａｓ」，ＲＳＣ Ａｄｖａｎｃｅｓ（２０１６年），第６巻，第１００６４３－１００６５１頁に提供されている。
【0006】
電気合成又は電気エネルギー電池の別の特徴は、典型的にそれらの動作に関わる大量の反応物及び産物である。動作中、そのような電池には常に相当量の反応物が供給され得、その間同時に、相当量の産物が電池から常に除去され得る。理想的には、反応物供給及び産物除去は、完全に別個のプロセスであるべきであり、それにより、電池から除去されている産物から独立して反応物を電池に供給することができ、これらのプロセスは互いに干渉しない。更に、電池への反応物の供給及び電池からの産物の除去は、電気化学反応に干渉するべきではなく、又は電気化学反応を制限すべきではない。
【0007】
例えば、最もよく知られているゼロギャップ電池の１つは、水素－酸素高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池である。そのような電池は典型的には、２つのガス多孔性電極（「ガス拡散電極」としても知られている）間に狭設されたＣｈｅｍｏｕｒｓ社により供給されるＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜等のスルホン化テトラフルオロエチレン系フッ素化ポリマー－コポリマーで形成された薄いプロトン（Ｈ＋）伝導性膜を採用する。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜は典型的には、約０．１８３ｍｍ厚（例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７膜を使用する場合）又は約０．１２５ｍｍ厚（例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５膜を使用する場合）であり得る。そのような電池では、反応物である水素（Ｈ２）ガスは、ガス拡散電極（「水素電極」）の１つを介して導入され、ガス拡散電極においてプロトンに変換される。プロトンはＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜を通って他方の電極（「酸素電極」）に輸送される。酸素（Ｏ２）ガスは、ガス拡散「酸素」電極を介して導入され、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜を透過したプロトンと反応して、水（Ｈ２Ｏ）を生成する。酸素電極で形成された水は典型的には、重力又は蒸発により電池から除去される。電池での電気化学反応は、取り付けられた外部回路において電流又は電圧を生み出す。
【0008】
この電池の動作の鍵は、水素電極から酸素電極へのプロトン（Ｈ＋）伝導を促進するＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜の能力である。この機能を実行するために、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜は水で部分的又は完全に飽和（即ち水和）されなければならない。しかしながら、必要な水和レベルを維持することは、水が酸素電極で生成される反応の産物でもあるため、難しいことがある。最も一般的に、ＰＥＭ燃料電池内のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜の水和レベルは、入力（反応物）水素ガスを加湿することにより管理される。過剰な湿気は、水に液化してガス拡散電極の１つに溜まり、入力ガスを遮断し、反応が停止することに繋がる恐れがあるため、これは入念に制御されなければならない。この現象は「フラッド（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）」として知られ、反応産物である水も形成される酸素電極で特に危険である。しかしながら、不十分な加湿はＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜が部分的に乾燥することに繋がり、プロトン伝導性を低下させ、反応を遅くさせる恐れがある。これは特に水素電極で危険であり、何故ならば、動作中、電気泳動ドリフトが水分子を水素電極から離れてＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜をわたり酸素電極に移行させるためである。したがって、反応物（水素）を供給するプロセスは、産物（水）を除去するプロセスと密接に関わるため、この種の燃料電池では多くの場合、応答性被監視リアルタイム電子フィードバックシステムによる入力ガスの湿度含有量の変更を含む能動的な管理が必要とされる。
【0009】
多くの電気エネルギー又は電気合成電池は、反応物の供給に関わるプロセスが産物除去プロセスと密に関わり、独立していないため、動作中、能動的管理を含む何らかの形の管理を必要とする。これは、電池自体内で、電気化学反応の活性部位に反応物を供給し、且つ／又は該部位から産物を除去する分子レベルのプロセスが別個ではなく、独立していないために生じる。更に、それらは電気化学反応によって制御されない。したがって、この分子レベルの欠陥には、（ｉ）反応物を電極に供給し、且つ／又は（ｉｉ）電極から産物を除去し、且つ／又は（ｉｉｉ）電極間の極めて重要な中間体又は極めて重要なプロセスを制御する間接的な代理制御プロセスのマクロスケール管理により対処する必要がある。
【0010】
この問題は、問題を明確にするために、より概念的に述べることができる。基本的に全てのゼロギャップ電気エネルギー又は電気合成電池の内部では、反応及び分子移動は、電気化学反応の制御下で、大方、電極間膜内の電極及び電極間にある「交差平面（ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｎｅ）」軸において分子レベルで生じる。反応物は一般に、電気化学反応の制御下ではないことがあるプロセスで、膜の外部からこの交差平面軸に移行しなければならない。同様に、電気化学反応の産物は典型的には、電気化学反応の制御下ではないことがあるプロセスで、交差平面軸から移行しなければならない。他の全ての重要プロセス及びそれに関わる特定の材料についても同じことが言える。これらのプロセス実行への制御度が下がるにつれて、電池自体内で、反応部位への反応物供給／反応部位からの産物の除去と電気化学反応自体の速度との間に分子レベルでの分断が存在し得る。一般に、能動的管理を含む難しい外部マクロスケール管理が必要となるのは、この分子スケールでの分断によるものである。即ち、管理の必要性は、電気化学反応と、電池自体内で電気化学反応に供給又は電気化学反応から除去しなければならない大量の材料との間の分断から生じ得る。全てのそのような移動がよりよく制御されるならば、これは、電池を管理する必要性、特に電池を能動的に管理する必要性をなくし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
ガスから液体又は液体からガスへの変換を含む幾つかの電気合成又は電気エネルギーゼロギャップ電池で問題なのは、交差平面軸への又は交差平面軸からの液相材料の分子レベルの移動である。例えば、上述したように、ゼロギャップＰＥＭ燃料電池では、交差平面軸内／外への水の移動は、気相反応物が電極にアクセスすることに干渉し得、それにより能動的管理を必要とする。しかしながら、他の電池では、問題になり得、能動的管理を必要とし得るのは、交差平面軸内又は外への、基礎材料の分子レベルでの移動である。例えば、ゼロギャップ水電解電池で生成される気泡は多くの場合、水反応物に電極表面へのアクセスを提供するために、電極上に液体電解質を常時圧送することにより電極から能動的に一掃されなければならない。これは、電池のコストを上げるのみならず（圧力管理機器を含め、追加の配管、タンク、他の機器に起因して）、一方の電極から他方の電極へのガスの「交差」も増大させ、それにより、電池の電気化学効率は大幅に低下し、安全性の問題となる恐れがある。
【0012】
そのような電池では、問題は、ある相の物質（例えば液体）を有する化学種が、異なる相の物質（例えばガス）を有する別の化学種の流れに逆行し打ち消す方向及び場所を流れる、電気化学電池内部の分子レベルの流れが関わるものとして要約することができる。この種の流れは「多相逆流」と呼ぶことができる。互いに干渉し互いを妨げるに当たり、そのような多相逆流は、電池の性能を低下させ、その解消にエネルギーを必要とする非効率性を生み出す恐れがある。
【0013】
電気合成又は電気エネルギー電池におけるそのような多相逆流の存在は周知である。しかしながら、多くの場合、対処しなければならない他の重要な考慮事項があるため、多相逆流をなくす又は最小に抑えることは簡単ではない。例えば、上述したように、水電解電池では、電極に向かう液相反応物（例えば水分子及びイオン）の流れは、電極から離れる気相産物（例えば気泡）の流れに抵抗する。これは多くの場合、電極間膜によって増幅される。電極間膜の主な機能は、電極間のガス交差を阻止することである。このために、電極間膜は典型的には非多孔性であり、０．１２５ｍｍ以上の厚さのＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５膜を有する必要がある。電極間膜が全多孔性である場合、気泡が電極間膜に入って通り抜けないようにするために、孔は可能な限り小さいサイズである必要がある。そのような性質は、水分子のような大量の液相反応物の連続供給に適さない。実際に、既知の電極間膜のこれらの性質は、電極間膜内部の液相水の移動度を妨げ、最小に制限し、又は更には阻止する恐れがある。これは、膜を通るガス交差を最小に抑えるために必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【0014】
まとめると、例えば電気合成電池又は電気エネルギー電池として使用される新しい改良された電気化学電池又はゼロギャップ電気化学電池が必要とされている。代替又は追加として、新しい改良されたゼロギャップ電気エネルギー電池及び／又は電気合成電池が必要とされる。代替又は追加として、管理が必要であり得る例において、ゼロギャップ電気エネルギー電池及び／又は電気合成電池の動作を管理する新しい改良された手段も必要とされている。電気エネルギー電池及び電気合成電池のために、ガスから液体又は液体からガスへの変換を促進する新しい改良された電気化学電池又はゼロギャップ電気化学電池が特に必要とされている。
【0015】
いかなる先行公開物（若しくはそこから導出される情報）又はいかなる既知の物事への本明細書における参照も、その先行公開物（若しくはそこから導出される情報）又は既知の物事が本明細書が関連する努力分野で共通する一般知識の一部をなすことへの同意、承認、又はいかなる形の示唆でもなく、又はそのように解釈されるべきではない。
【0016】
この概要は、以下に詳細な説明において更に説明される選択された概念を簡易化された形態で紹介するために提供される。この概要は、請求項に記載される趣旨の主要な特徴又は必須の特徴を全て識別することを意図せず、また請求項に記載される趣旨の範囲の限定に使用されることを意図しない。
【0017】
種々の態様例において、実施形態は、分子レベルの毛細管作用、拡散作用、及び／又は浸透作用を電池内で採用して、電池のマクロレベルの外部管理の必要性を最小に抑えた電気化学電池構造、特にゼロギャップ電気化学電池構造に関する。好ましくは、これらの分子レベルのプロセスは本質的に、電池内の電気化学反応に応答し、自己調整させる。好ましくは、これらの分子レベルのプロセスは、電池の種々の液相及び気相反応物及び／又は産物について別個であり独立している。好ましくは、そのような各分子レベルのプロセスには、電池内の液体又はガスの個別の巨視的物体が関わる。好ましくは、新鮮な反応物又は余剰産物は、電池の動作中、これらの液体及び気体に別個に供給又はこれらの液体及び気体から別個に除去される。好ましくは、この供給又は除去は、電池内の各液体又は気体を外部貯蔵及び供給／除去システムに別個にリンクする気密／液密導管を介する。
【0018】
実施形態例は特に、ガスから液体又は液体からガスへのプロセスを促進するゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池に関する。そのような電池は、無期限の期間にわたって途切れなく又は連続して動作し、反応物を消費し、電池内に収容するには嵩張りすぎる産物を生成し、代わりに、外部貯蔵及び供給／除去システムによって供給又は除去し得る。好ましくは、実施形態例は本質的にエネルギー効率的である。
【0019】
一態様例において、第１のガス拡散電極と、第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備えた電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質と液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である。好ましくは、第１のガス拡散電極は、槽外部に位置する。好ましくは、第２の電極も槽外部に位置する。任意選択的に、電池は電気合成水電解電池である。
【0020】
一形態例において、第１のガス拡散電極は第１の気体と直接接触する。別の形態例において、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填される。別の形態例において、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である。別の形態例において、第１のガス拡散電極は第１の気体と接触し、第１の気体に隣接する。別の形態例において、第２の電極は、第２のガス拡散電極であり、第２の気体と接触し、第２の気体に隣接する。
【0021】
別の態様例において、電気合成又は電気エネルギー電池であって、液体電解質を含むための槽と、前記槽の外部に位置する第１のガス拡散電極と、前記槽の外部に位置する第２の電極と、前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、前記槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、前記多孔性毛細管スペーサは、前記多孔性毛細管スペーサの前記端部が前記槽内の前記液体電解質に液体接触する場合、前記液体電解質でそれ自体を充填することが可能である、電池が提供される。
【0022】
別の態様例において、電気合成水電解電池であって、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２の電極と、液体電解質が充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である、電気合成水電解電池が提供される。
【0023】
別の態様例において、電気合成又は電気エネルギー電池であって、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と接触し隣接するように構成された第１のガス拡散電極と、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と接触し隣接するように構成された第２のガス拡散電極と、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、液体電解質で充填され、毛細管効果により液体電解質を多孔性毛細管スペーサに閉じ込めるように構成され、それにより、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、電池が提供される。
【0024】
別の態様例において、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体であって、第１の電気合成又は電気エネルギー電池と、第１の電気合成又は電気エネルギー電池に電気的に接続された第２の電気合成又は電気エネルギー電池とを備え、各電気合成又は電気エネルギー電池は、本明細書に開示される電池の一例である、積層体が提供される。
【0025】
別の態様例において、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供され、電池は、本明細書に開示される電池の一例であり、方法は、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加すること又は第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を生成することを含む。
【0026】
別の態様例において、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の積層体の動作方法が提供され、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体は、本明細書に開示される電気合成又は電気エネルギー電池の積層体の一例であり、方法は、電気合成又は電気エネルギー電池の各積層体において第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加すること又は電気合成又は電気エネルギー電池の各積層体において第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を生成することを含む。
【0027】
別の態様例において、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供され、電気合成又は電気エネルギー電池は、液体電解質を含む槽と、第１のガス拡散電極と、第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する端部を有する、方法が提供される。方法は、第１のガス拡散電極及び第２の電極に液体電解質を接触させるステップと、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加又は生成するステップとを含む。
【0028】
例示的な実施形態について非限定的な例として、添付図を参照してこれより説明する。種々の実施形態例が、添付図と関連して説明される少なくとも１つの好ましいが非限定的な実施形態の、単なる例として与えられる以下の説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】いずれの電極にも直接接触しない別個の液体槽を有する電気合成又は電気エネルギー電池の断面図を概略形態で示す。
【図2】槽内の液体が少なくとも１つの電極と直接接触する電気合成又は電気エネルギー電池の一例の概略断面図を示す。
【図3】槽が多孔性毛細管スペーサに組み込まれる電気合成又は電気エネルギー電池の一例の概略断面図を示す。
【図4】電気合成又は電気エネルギー電池の一例の電極－スペーサ－電極組立体の中央部の断面の拡大図を概略形態で示す。
【図5】６Ｍ ＫＯＨ液体電解質が充填された、平均孔径（ａ）０．４５μｍ、（ｂ）１．２μｍ、（ｃ）５μｍ、及び（ｄ）８μｍを有するポリエーテルスルホン材料フィルタで構成される多孔性毛細管スペーサの実測流量（黒色ドット）及びモデリングされた流量（中空正方形）のグラフを示す。
【図6】槽構成の代替例を示す。
【図7】電気合成又は電気エネルギー電池の一例の実施に使用し得る電極－スペーサ－電極組立体を示す。
【図11】（ａ）ガスハンドリング構造体が酸素生成電極に組み込まれた図１の構造を有する水電解電池の一実施形態例、（ｂ）上記（ａ）と同じであるが、酸素生成電極に組み込まれたガスハンドリング構造体がない水電解電池の一実施形態例、（ｃ）（ａ）及び（ｂ）と同じ電極及び多孔性毛細管スペーサを使用するが、電池は液体電解質で完全に充填され、ガスは液体電解質において気泡の形態で生成された同等の水電解電池、（ｄ）データが公開されている最もエネルギー効率的な市販のアルカリ水電解電池、（ｄ）データが公開されている最もエネルギー効率的な市販のＰＥＭ水電解電池の、８０℃での分極曲線を示す。
【図13】（ａ）分極曲線（ａ）での図１１の酸素電極の電位及び（ｂ）電極の表面に沿った電極の表面までの６Ｍ ＫＯＨ液体電解質の薄膜の毛細管誘導移動を促進する、同じ触媒の薄い親水性層で被膜された酸素電極の同等の電位を示す。
【図14】気体がない電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図15】液体電解質が気体を介して非干渉気相経路により補充／維持される電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図16】一方の電極の上のヘッドスペースは液体電解質で占められ、他方の電極の上のヘッドスペースはガスで占められる電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図17】一方の電極の上及び他方の電極の上のヘッドスペースがガスで占められる電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図18】液体電解質が気体を介して非干渉気相経路により補充／維持される電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図19】多孔性毛細管スペーサに保持された液体電解質が、気体間のガス交差を阻止する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図20】一方の電極が電極の上部のみ（ヘッドスペース内）で第１の気体と接触し、他方の電極が電極の上部のみ（ヘッドスペース内）で第２の気体と接触する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図21】多孔性毛細管スペーサに保持された液体電解質が第１の気体と第２の気体との間のガス交差を阻止する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示し、一方の電極は電極の上部のみ（ヘッドスペース内）で第１の気体と接触し、他方の電極は、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に第２の気体を形成する）が充填されたガスハンドリング構造体を組み込む。
【図22】第１の電極は、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に第１の気体を形成する）が充填したガスハンドのリング構造体を組み込む、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図23】一方の電極は電極の上部のみ（ヘッドスペース内）で第１の気体と接触し、他方の電極は、ヘッドスペースと連続するガス（集合的に第２の気体を形成する）で充填されたガス毛細管構造体に隣接する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図24】一方の電極は、ヘッドスペースと連続するガス（集合的に第１の気体を形成する）で充填されたガス毛細管構造体に隣接する電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示し、他方の電極は、ヘッドスペースと連続するガス（集合的に第２の気体を形成する）で充填された別のガス毛細管構造体に隣接する。
【図25】一方の電極は、電極の上の液体電解質を通してヘッドスペースに延出する、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図26】ガス毛細管又はガスハンドリング構造体が、ヘッドスペースガスと連続するガス（集合的に第１の気体を形成する）で充填され、他方の電極が上部（ヘッドスペース内）でのみ第２の気体と接触する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図27】他方の電極も、他方の電極の上の液体電解質を通してヘッドスペースに延出する、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有する電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示し、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体は、ヘッドスペースガスと連続する（集合的に第２の気体を形成する）ガスで充填される。
【図28】一方の電極は、液体電解質を通して気泡／ガス容量をリリースする、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有し、他方の電極は、液体電解質を通して気泡ガス容量をリリースする、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図29】一方の電極は、液体電解質を通して気泡／ガス容量をリリースする、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有し、他方の電極は、液体電解質を通して気泡ガス容量をリリースする、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図30】第１の気体は体部導管及び外部ガス貯蔵システムと気体連通し、第２の気体は外部導管及び外部ガス貯蔵システムと気体連通する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図31】ガス毛細管又はガスハンドリング構造体は、外部ガス導管から第１の経路に沿って液体電解質を通して気泡／ガス容量を受け取り、別のガス毛細管又はガスハンドリング構造体は、外部ガス導管から第２の経路に沿って液体電解質を通して気泡／ガス容量を受け取る、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図32】ガス毛細管又はガスハンドリング構造体は、外部ガス導管から第１の経路に沿って液体電解質を通して気泡／ガス容量を受け取り、別のガス毛細管又はガスハンドリング構造体は、外部ガス導管から第２の経路に沿って液体電解質を通して気泡／ガス容量を受け取る、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図33】一方の電極は、外部導管及び外部ガス貯蔵システムと気体連通する第１の気体１２５を内部に含む、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有し、他方の電極は、外部導管及び外部ガス貯蔵システムと気体連通する第２の気体を内部に含む、取り付けられた又は組み込まれたガス毛細管又はガスハンドリング構造体を有する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図34】電極によるガス生成は、各電極と関連する気体を動的に生成し、各気体は、別個に外部導管及び外部ガス貯蔵システムと気体連通する、電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【図35】「独立経路電池」に特有の１組の物理的属性の１つ又は複数を示す電気合成又は電気エネルギー電池の更なる一例の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0030】
好ましい１つ又は複数の実施形態の趣旨のより精密な理解を提供するために、単なる例として与えられる以下の形態、特徴、又は態様について説明する。
【0031】
定義
「槽」とは、液体が保持される装置の一部である。「反応物」とは、電気化学反応中に消費される化学物質である。「産物」とは、電気化学反応中に生成される化学物質である。「液体電解質」とは、電気を通す能力を有する溶液中のイオンを含む液体である。「導管」とは、流体を運ぶためのチャネル、管、チャンバ、又はトラフである。「マニフォルド」とは、流体を運ぶための、複数の開口部を有する１つ若しくは複数のパイプ、１つ若しくは複数の管、１つ若しくは複数のチャンバ、又は１つ若しくは複数のチャネルである。「室温」とは２１℃と定義される。
「槽」とは、液体が保持される装置の一部である。「反応物」とは、電気化学反応中に消費される化学物質である。「産物」とは、電気化学反応中に生成される化学物質である。「液体電解質」とは、電気を通す能力を有する溶液中のイオンを含む液体である。「導管」とは、流体を運ぶためのチャネル、管、チャンバ、又はトラフである。「マニフォルド」とは、流体を運ぶための、複数の開口部を有する１つ若しくは複数のパイプ、１つ若しくは複数の管、１つ若しくは複数のチャンバ、又は１つ若しくは複数のチャネルである。「室温」とは２１℃と定義される。
【0032】
「液体－ガス」電池とは、少なくとも１つの液相反応物又は産物及び少なくとも１つの気相反応物又は産物を有する電気化学電池として定義される。
【0033】
「電気エネルギー電池」とは、電池外で使用するために、無期限期間にわたって電力を途切れなく又は連続して生成する電気化学電池である。電気エネルギー電池は、動作中、反応物の外部供給を常に必要とし得る。動作中、電気化学反応の産物もそのような電池から常に除去され得る。電気エネルギー電池は、液体－ガス電池であり得る。電気エネルギー電池の一例は水素－酸素燃料電池である。この例も液体－ガス電池である。
【0034】
「電気合成」電池とは、電池外で使用するために、無期限期間にわたり１つ又は複数の化学物質を途切れなく又は連続して製造する電気化学電池である。化学物質はガス、液体、又は固体の形態であり得る。電気エネルギー電池のように、動作中、電気合成電池も、反応物を常に供給し、産物を常に除去する必要があり得る。電気合成電池は一般に、動作中、電気エネルギーの常時入力を更に必要とし得る。電気合成電池は液体－ガス電池であり得る。電気合成電池の一例は水電解電池である。この例も液体－ガス電池である。
【0035】
電気エネルギー電池及び電気合成電池は、動作するために必要な全ての／幾らかの反応物も動作中に生成する全て／幾らかの産物も電池本体内に組み込まないという点で、バッテリ、センサ等の他のタイプの電気化学電池と異なる。代わりにこれらは、動作中、常に電池に運び込まれ、又は電池外に除去することができる。例えば、電気エネルギー電池は、ガルバニ電池は反応物及び産物を電池本体内に貯蔵するという点でガルバニ電池から区別される。バッテリと異なり、電気エネルギー電池は、化学エネルギー又は電気エネルギーを内部に貯蔵しない。同様に、幾つかの電気化学センサは、検知動作中、限られた量で反応物を消費し、産物を生成するが、これらの全て／幾つかは電池本体自体内に貯蔵される。
【0036】
「ゼロギャップ」電気化学電池とは、電極と電極間スペーサとの間にギャップがない電池である。即ち、「ゼロギャップ」電池では、電極は電極間スペーサの両面に密に狭設され、又は両面に当接する。
【0037】
「多孔性材料」とは、固体の構造を構成する原子又は分子の主骨格によって占められないオープンスペース（「間隙」スペース）を含む固体材料である。
【0038】
多孔性材料の「多孔性」とは、間隙スペースの容積を多孔性材料の総体積で除した、パーセントとして表される比率として定義される。
【0039】
「毛細管」又は「孔」とは、液体又はガスが通過し得る多孔性材料内の微細構造である。
【0040】
多孔性材料内の孔の「孔径」とは、孔の理想的な直径である。
【0041】
多孔性材料内の孔の「平均孔径」とは、ガスポロメータを使用して型どおりに測定される、多孔性材料に存在する孔の理想的な平均直径である。
【0042】
「毛細管作用」は、重力のような外力の助けなしで又は外力に逆らって狭いスペースに液体が引き込まれ、保持され、その狭いスペースを流れるように誘導されることに関わる。図面において、絵筆の毛間、細い管、又は紙若しくは漆喰のような多孔性材料に液体が吸い上げられて保持されるのを見て取ることができる。そのような毛細管誘導作用は典型的には、液体と周囲の固体表面との間の分子間力によって駆動される。多孔性材料内で、表面張力（液体内の凝集によって生み出される）と液体と容器壁との間の引力との組合せにより、毛細管作用が生じる。引き上げられると、液体は典型的には、最大カラム高さ（ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｌｕｍｎ ｈｅｉｇｈｔ）として知られる上昇高さまで無期限に保持され得る。
【0043】
毛細管圧とは、毛細管作用を全体的に対抗するために印加する必要がある外圧である。即ち、毛細管作用によって引き上げられた液体にかかる場合、液体を、仮に毛細管作用が生じなかった場合に占めたであろう場所まで戻す圧力である。毛細管圧は、そのような液体を、毛細管作用を及ぼす材料の孔又は毛細管内に保持させる圧力として見なすこともできる。
【0044】
液体を含む多孔性材料の「毛細管圧」は、ガスポロメータを使用して測定される、多孔性材料内の平均直径毛細管から液体を押し出すのに必要なガス圧として定義される。
【0045】
液体を含む多孔性材料の「泡立ち点」は、ガスポロメータを使用して測定される、多孔性材料内の最大毛細管から液体を押し出すのに必要なガス圧として定義される。
【0046】
実施形態例の「多孔性毛細管スペーサ」とは、毛細管作用を使用して、液体電解質を多孔性毛細管スペーサ自体に引き込み、カラム高さの液体電解質を維持する多孔性材料であり、カラム高さを形成する液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの容積内に閉じ込められ、毛細管圧を示す。「多孔性毛細管スペーサ」は代替的には、「多孔性スペーサ」、「多孔性電極スペーサ」、「多孔性毛細管電極スペーサ」、「流路を有する多孔性スペーサ」、「流路を有する多孔性電極スペーサ」、「多孔性毛細管セパレータ」、「多孔性セパレータ」、「多孔性電極セパレータ」、「多孔性毛細管電極セパレータ」、「流路を有する多孔性セパレータ」、又は「流路を有する多孔性電極セパレータ」として記述することができることを理解されたい。
【0047】
「カラム高さ」は、一実施形態例の電池の動作中を含め、毛細管作用による多孔性毛細管スペーサ内に閉じ込められる液体のカラムの「高さ」として定義される。「高さ」という用語は、多孔性毛細管スペーサが浸される液体槽の表面よりも上の高さとして定義される。多孔性毛細管スペーサが液体槽に浸されない場合、これは多孔性毛細管スペーサの底端部（先端部）よりも上の高さとして定義される。
【0048】
「最大カラム高さ」は、多孔性毛細管スペーサ自体が仮説的に無限の高さを有する場合、毛細管作用により多孔性毛細管スペーサ内に維持することができる液体のカラムの最高「高さ」として定義される。「高さ」という用語は、多孔性毛細管スペーサが浸される液体槽の表面よりも上の高さとして定義される。多孔性毛細管スペーサが液体槽に浸されない場合、多孔性毛細管スペーサの底端部（先端部）よりも上の高さとして定義される。
【0049】
多孔性毛細管材料内の液体の実際の「カラム高さ」は、一実施形態例の電池の上部に達する多孔性毛細管スペーサの高さによって制限され得ることに留意されたい。即ち、「カラム高さ」は、多孔性毛細管材料自体が、「最大カラム高さ」未満の高さを有する場合、「最大カラム高さ」未満であり得る。一実施形態例の電池では、「最大カラム高さ」が電池の高さを越えることが重要であり得る。これは、多孔性毛細管スペーサが電池内の全てのポイントにおいて液体で完全に充填されることを保証するために必要であり得る。そしてこれは、その場合にガス交差を防止するために必要であり得る（「ガス交差」についての以下の定義参照）。
【0050】
「流量」は、毛細管のみの影響下で、液体が完全に染み込んだ多孔性毛細管スペーサの１ｃｍ幅条片を流れる単位時間当たりの液体の質量として定義される。重力により、「流量」は典型的には、多孔性毛細管スペーサの高さが増すにつれて低下する。特定の「高さ」での「流量」は、図５の実測データを収集するために採用される技法を使用して測定される、多孔性毛細管スペーサが浸された液体槽の表面よりも上の高さにおける流量として定義される。多孔性毛細管スペーサが液体槽に浸されない場合、多孔性毛細管スペーサの底端部（先端部）よりも上の高さにおける「流量」として定義される。
【0051】
「拡散」とは、高濃度領域から低濃度領域への、両領域での濃度を等化する傾向を伴った液相又は気相分子の自発的な正味移動である。
【0052】
「浸透」とは、典型的には溶質自体が逆方向に移動することがそれ程自由ではない状況下（例えば２つの領域間に、溶質を透過しない又は透過性が不十分な膜がある場合）での低溶質濃度領域から高溶質濃度領域への水分子の自発的な移動である。
【0053】
電気化学電池は、反応物の供給率及び／又は電極における反応ゾーンからの産物の除去率が本質的に、電気化学反応速度に従って又はそれに応答してそれ自体を調整する場合、「自己調整」している。即ち、電気化学反応速度が速いほど、自発的に、高速の反応物供給及び産物除去に繋がり、一方、電気化学反応速度が遅いほど、反応ゾーンへの反応物の供給及び反応ゾーンからの産物の除去は遅くなる。
【0054】
「多相逆流」という用語は、物質の一相（例えば液体）を有する化学種が、物質の異なる相（例えばガス）を有する別の化学種の移動（流れ）と逆行する又は逆の方向及び場所に移動する（流れる）電気化学電池内部の分子レベルの流れを指す。互いに干渉して互いを妨げるに当たり、そのような相殺多相流は、克服するのにエネルギーを要する非効率性を生じさせる恐れがある。
【0055】
「独立経路電池」は、電池内の個々の各液相及び気相反応物及び産物の移動（流れ）とは別個であり、それから独立した少なくとも１つの経路であって、そのような経路は互いと干渉せず、又は互いを妨げない、少なくとも１つの経路を提供するガス－液体電気化学電池として定義される。
【0056】
「電極圧縮」又は「電極圧」とは、本明細書では、２つの電極を、介在する多孔性毛細管スペーサの両側に対して圧縮する圧力を指す。そのような圧縮は、電池若しくは電池積層体を圧縮するタイロッド上のばね若しくはワッシャにより又は電池内に取り付けられたばねにより送達し得る。
【0057】
「ガス毛細管構造体」とは、毛細管効果を採用して、ガスを液体から自発的に引き込み、ガス摂取に関連する測定可能な毛細管圧を示す構造体である。本明細書では、ガス毛細管構造体内の毛細管圧は、繰り返しの測定及び計算が１０ミリバール超の毛細管圧を再現可能に生成する場合、「測定可能」として定義される。
【0058】
「ガスハンドリング構造体」は、ガス毛細管効果を必ずしも利用することなくガスの移動を促進する物理的性質を有する構造体である。
【0059】
ガス拡散層及び多孔性輸送層とは、電子工学の他の分野で使用されることがある用語である。「ガス拡散層」、「多孔性輸送層」、及び／又はそのようなタイプの構造体が、液体からガスを自発的に引き込み、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示す場合、「ガス毛細管構造体」であり得ることを理解されたい。液体からガスを自発的に引き込まず、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示さないが、電極へ又は電極からのガス移動／輸送を助ける場合、それらは「ガスハンドリング構造体」である。
【0060】
本明細書では、電極は、動作中、人間の眼を使用してその表面の少なくとも一部での泡の形成を識別することができない場合、「無泡」であると定義される。
【0061】
電気合成電池の「エネルギー効率」は、本明細書では、パーセントとして表される、化学製品の単一単位の出力内に存在する正味エネルギーを、化学製品のそれと同じ単位出力を生成するために電池が消費する正味エネルギーで除したものとして定義される。本明細書では、電気エネルギー電池の「エネルギー効率」は、パーセントとして表される、単位時間当たりで電池により生成されるエネルギーを、単位時間当たりで電池により生成し得る理論上の最大エネルギーで除したものとして定義される。
【0062】
「ガス交差」とは、液体電解質を含む多孔性毛細管スペーサの第１の側の第１の気体の一部が、多孔性毛細管スペーサの逆側の第２の気体に、多孔性毛細管スペーサを通って移行する現象である。「ベンチマークガス交差」は、パーセントとして表される、電池が室温及び大気圧で一定の１５０ｍＡ／ｃｍ２で動作する条件下で３０分後の第２の気体中に存在する第１のガスの容量を第２の気体の容量で除したものとして定義される。
【0063】
好ましい実施形態の電気合成又は電気エネルギー電池
いずれの電極とも接触しない別個の層を有する電池の例
図１は、好ましい実施形態の電気合成又は電気エネルギー電池１０の構造を概略的に示す。好ましくは、電池１０はゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池である。好ましくは、電池１０は、液体電解質を含むための槽１４０と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極１２０と、槽の外部に位置する第２の電極１３０と、第１のガス拡散電極１２０と第２の電極１３０との間に位置する多孔性毛細管スペーサ１１０であって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサ１１０とを有し、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサ１５０の端部が槽１４０内の液体電解質１００と液体接触する場合、液体電解質１００でそれ自体を充填することが可能である。第１の電極１２０、多孔性毛細管スペーサ１１０、及び第２の電極１３０の組立体は、電池１０の「電極－スペーサ－電極」組立体１３９を構成する。
いずれの電極とも接触しない別個の層を有する電池の例
図１は、好ましい実施形態の電気合成又は電気エネルギー電池１０の構造を概略的に示す。好ましくは、電池１０はゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池である。好ましくは、電池１０は、液体電解質を含むための槽１４０と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極１２０と、槽の外部に位置する第２の電極１３０と、第１のガス拡散電極１２０と第２の電極１３０との間に位置する多孔性毛細管スペーサ１１０であって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサ１１０とを有し、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサ１５０の端部が槽１４０内の液体電解質１００と液体接触する場合、液体電解質１００でそれ自体を充填することが可能である。第１の電極１２０、多孔性毛細管スペーサ１１０、及び第２の電極１３０の組立体は、電池１０の「電極－スペーサ－電極」組立体１３９を構成する。
【0064】
多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用を使用して、それ自体内に液体電解質を引き込み、カラム高さの液体電解質を維持することが可能な多孔性材料を含み、カラム高さを形成する液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの容積内に閉じ込められ、毛細管圧を示す。「多孔性毛細管スペーサ」が代替的には、「多孔性スペーサ」、「多孔性電極スペーサ」、「多孔性毛細管電極スペーサ」、「流路を有する多孔性スペーサ」、「流路を有する多孔性電極スペーサ」、「多孔性毛細管セパレータ」、「多孔性セパレータ」、「多孔性電極セパレータ」、「多孔性毛細管電極セパレータ」、「流路を有する多孔性セパレータ」、又は「流路を有する多孔性電極セパレータ」と記述することができることを理解されたい。
【0065】
好ましくは、多孔性毛細管スペーサの端部は槽内に位置する。好ましくは、液体電解質１００を含むか、又は含むことができる槽１４０が提供され、電解質が充填された多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０、例えば先端部（又は同等に端部部分又は先端部分）は、液体電解質１００を含み得る槽１４０内に位置し、即ち槽１４０内に浸される。好ましくは、槽は液体電解質で充填されるように構成され、多孔性毛細管スペーサの端部は液体電解質と接触するように構成される。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により多孔性毛細管スペーサに液体電解質を引き込み、カラム高さの液体電解質を維持する。好ましくは、液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、少なくとも毛細管作用により、多孔性毛細管スペーサに沿って液体電解質を輸送するように構成される。好ましくは、電池は、少なくとも毛細管作用により、槽からの液体電解質で多孔性毛細管スペーサを充填することを含むように構成される。任意選択的に、電池は、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内に位置する前、液体電解質で多孔性毛細管スペーサを充填することを含むように構成される。
【0066】
好ましくは、電池１０は、槽１４０が液体電解質を含む場合、第１のガス拡散電極１２０が槽１４０内の液体電解質１００から隔てられるように構成し得る。好ましくは、電池１０は、槽１４０が液体電解質１００を含む場合、第２の電極１３０が槽１４０内の液体電解質１００から隔てられるように更に構成し得る。好ましくは、第１のガス拡散電極１２０及び第２の電極１３０は槽１４０から離間される。即ち、好ましくは、槽１４０内に含まれる液体電解質１００は、第１の電極１２０又は第２の電極１３０のいずれとも直接接触しなくてよい。好ましくは、多孔性毛細管スペーサ１１０と第１のガス拡散電極１２０との間の直接接触エリアは、槽１４０の外部であり、多孔性毛細管スペーサ１１０と第２の電極１３０との間の直接接触エリアは、槽１４０の外部である。好ましくは、電池は、液体電解質が多孔性毛細管スペーサに沿って輸送された後、液体電解質との第１のガス拡散電極及び第２の電極の接触を含む。
【0067】
任意選択的にはあるが好ましくは、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０は、第１の電極１２０及び第２の電極１３０を越えて延出する。この例では、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０は、第１の電極１２０の端部（例えば第１の電極１２０の先端部）及び第２の電極１３０の端部（例えば第２の電極１３０の先端部）を越えて長さ方向に沿って延出し得、それにより、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０は、槽１４０内の液体電解質１００中に延出する。槽１４０は、液体電解質１００を含むのに適した本体のキャビティ、チャンバ、タンク、筐体、パイプ、導管等であることができる。１つ又は複数の槽を使用することができ、一例では、１つ又は複数の槽が液体電解質を同じ多孔性毛細管スペーサに供給することができる。
【0068】
好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、第１のガス拡散電極、第２の電極、及び槽の間に流路を提供する複数の孔を有する。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは槽に流体接続される。好ましくは、動作中、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである。
【0069】
任意選択的に、多孔性毛細管スペーサ１１０は、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０が槽１４０内に延出する前、液体電解質１００で充填される。好ましくは、電池は、動作中、まず槽１４０から多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って輸送された後でのみ、第１のガス拡散電極１２０及び第２の電極１３０と接触するように構成される。好ましくは、電池は、動作中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質によって覆われる表面積が、少なくとも、多孔性毛細管スペーサに面する第１のガス拡散電極の表面積に等しく、又はそれよりも大きいように構成される。好ましくは、第１のガス拡散電極は、第１の気体を形成する第１のガスを生成するように構成され、多孔性毛細管スペーサの第１の側面は第１のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、多孔性毛細管スペーサの第２の側面は第２の電極の第１の側面に隣接し、第１のガス拡散電極の第２の側面は第１の気体に隣接する。
【0070】
電池、例えば電池１０の動作中、分子レベルで、電気化学反応によって生成又は消費される液相材料は自発的に、槽に又は槽から電極間スペーサの長さに沿って電極間スペーサ内部の液体電解質中で電極の反応ゾーンへ又は反応ゾーンから移行する。即ち、液相反応物又は産物は、槽へ又は槽から電極間スペーサの長さに沿って液体電解質中を「面内」移行する。液相材料は、毛細管、拡散、及び／又は浸透制御下でそれを行い、液体電解質に存在する濃度差により「自己調整」される。これらの自己調整移行の結果として、新鮮な液相反応物を槽に追加することにより液相反応物を電池に補充し得、槽から液相産物を除去することにより液相産物を電池から除去し得る。好ましくは、電池は、動作中、電池における電気化学反応の液相反応物又は産物が、多孔性毛細管スペーサ内部の液体電解質内の液相経路を辿るように構成される。好ましくは、電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により多孔性毛細管スペーサに沿って液体電解質を輸送するように構成される。好ましくは、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下にある。好ましくは、電池は、動作中、電池が、多孔性毛細管スペーサ内で生じる毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により自己調整されるように構成される。好ましくは、電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整される。好ましくは、交差平面軸からの液相材料の移動は、槽内の液体電解質の組成によって自己調整される。好ましくは、液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する。
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する。
【0071】
電池１０は任意選択的に、液体不透過且つガス不透過の外部筐体１５１で包まれ得る。外部筐体１５１は、槽１４０の１つの入口／出口又は別個の入口及び出口（図示せず）を形成する液体導管１５２、又は１つ若しくは複数の液体導管（即ち、外部筐体１５１は少なくとも１つの外部液体導管１５２を提供する）を組み込み、補充又は余剰液相反応物及び／又は産物及び／又は液体電解質１００の電池外部からの進入又は退出を可能にし得る。即ち、液体電解質は、反応の関連する液相反応物及び／又は産物と共に、少なくとも１つの外部液体導管１５２を介して槽１４０内又は外に輸送される。液体導管１５２は、補充又は余剰液相反応物及び／又は産物又は液体電解質１００を含み得る液体貯蔵システム１５３、好ましくは外部液体貯蔵システム１５３と直接接続し得、又は直接若しくは間接的に流通し得る。即ち、少なくとも１つの外部液体導管１５２は、液体電解質１００及び／又は液相反応物又は産物を外部で貯蔵／供給／除去するために、外部液体貯蔵システム１５３と直接又は間接的に流通する。好ましくは、電池は、電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する。好ましくは、電池は電池の外部筐体を含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、液体電解質は、少なくとも１つの外部液体導管を介して槽内又は槽外に輸送される。好ましくは、電池は、動作中、液体電解電池内の電気化学反応の液相反応物、及び／又は産物が少なくとも１つの外部液体導管を介して電池内又は外に輸送されるように構成され、少なくとも１つの外部液体導管は外部液体貯蔵システムと流通する。
【0072】
槽１４０は開口部１４５を更に含み得、多孔性毛細管スペーサ１１０は開口部１４５を通る。開口部１４５はスリット、ギャップ、オリフィス等であることができる。槽１４０は、一緒に当接して槽１４０を形成する、異なる本体における２つのキャビティ等の２つの半体で形成することができ、各本体は溝又は切り欠きを含み、多孔性毛細管スペーサ１１０はそこを通り、槽１４０内の液体電解質１００と液体接触することができる。槽１４０の筐体又は壁は、槽１４０内の液体電解質１００が第１の電極１２０又は第２の電極１３０と直接接触しないようにする。したがって、上述したように、液体電解質１００は、液体電解質１００がまず、多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って槽１４０から輸送された後でしか、第１の電極１２０及び第２の電極１３０に接触できない。多孔性毛細管スペーサ１１０と第１の電極１２０との間の直接接触エリアは、槽１４０の外部であり得る。同様に、多孔性毛細管スペーサ１１０と第２の電極１３０との間の直接接触エリアは、槽１４０の外部であり得る。一態様では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は、槽１４０から離間される。一態様では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は、槽１４０から物理的に分離される。一態様では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は、槽１４０から離れて位置する。一態様では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は、は、槽１４０の完全に外部に位置する。
【0073】
一例では、追加のバリア層１５５を任意選択的に提供して、層１４０内の液体電解質１００が第１の電極１２０及び第２の電極１３０に直接接触しないようにするのを助けることができる。バリア層１５５は、多孔性毛細管スペーサ１１０が通るギャップ又は開口部１４５を含む。バリア層１５５は、層１４０の一部として一体化されてもよく、又は別個の分離層として提供することもできる。バリア層１５５は、液体電解質１００を透過しない材料で形成し得る。好ましくは、層は、多孔性毛細管スペーサが通る開口部を含む。
【0074】
（ｉ）単一の開口部、スリット、ギャップ、又はオリフィス１４５等及び／又は（ｉｉ）多孔性毛細管スペーサ１１０で完全に充填された単一の開口部のみを含む追加のバリア層１５５が存在する結果として、電池は配向効果の影響を受けず、又は部分的に受けなくてよい。即ち、電極の最近傍の槽の端部に１つのみの開口部があり、その開口部が多孔性毛細管スペーサ１１０で充填され、槽の大半が液体電解質１００で充填される場合、例えば槽が電池の上部にある状態を含め、任意の向きで電池を首尾良く動作させることが可能であり得る。
【0075】
任意選択的に、第２の電極は第２のガス拡散電極である。好ましくは、第２のガス拡散電極は、第２の気体を形成する第２のガスを生成するように構成され、第２のガス拡散電極の第２の側面は、第２の気体に隣接する。好ましくは、第２の電極は、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と直接接触するように構成される。したがって、第１の電極１２０及び第２の電極１３０の両方がガス拡散電極である事例では、２つの気体である、第１のガス（第１の電極１２０と関連する）を含む第１の気体１２５及び第２のガス（第２の電極１３０と関連する）を含む第２の気体１３５は好ましくは、電解質充填された多孔性毛細管スペーサ１１０の反対側に存在する。多孔性毛細管スペーサ１１０の第１の側面は、第１の電極１２０の第１の側面に隣接する。多孔性毛細管スペーサ１１０の第２の側面は、第２の電極１３０の第１の側面に隣接する。第１の電極１２０の第２の側面は第１の気体１２５に隣接する。第２の電極１３０の第２の側面は第２の気体１３５に隣接する。好ましくは、電池は、動作中、第１のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部が第１の気体と直接気相接触し、第２のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部が第２の気体と直接気相接触するように構成される。即ち、第１の電極１２０の第２の側面の少なくとも一部は、第１の気体１２５と直接気相接触する。第２の電極１３０の第２の側面の少なくとも一部は、第２の気体１３５と直接気相接触する。
【0076】
分子レベルで、電気化学反応により生成又は消費される気相材料は、液相経路とは別個であり、液相経路に干渉しない連続気相経路に沿って液相材料に対して直交（９０°）方向に移行する。即ち、ガス分子又は原子は、ガス拡散電極及び電極間スペーサへ／から、即ち電極間スペーサ内部又は周囲の反応ゾーン内又は外への関連するインタフェースを通して各巨視的気体へ／から移行する。これらのインタフェースは、ガス移行速度を変更するように更に設計し得る（例えばガス毛細管又はガスハンドリング構造体を組み込むことにより）。そのような移行は好ましくは、各電極を各気体に接続する連続気相経路に沿って毛細管及び／又は拡散制御下で生じる。このため、気相材料（反応物又は産物）も自己調整を示す。各気体の移行経路は他のガスの移行経路又は液体移行経路と重ならず、又は干渉しないため、ガス移動は、液体移動の自己調整とは別に、独立して自己調整される。即ち、異なる気相及び液相反応物又は産物は各々、他の反応物又は産物の移動と干渉しないそれ自体の自己調整を受ける。
【0077】
好ましくは、ガス毛細管構造体は、気相毛細管の影響下で交差平面軸内又は外へのガスの移行を促進する。ガス毛細管構造体の例には、限定ではなく、
ｉ．多孔性脱気板、
ｉｉ．多孔性疎水性膜、及び／又は
ｉｉｉ．液体からガスを自発的に引き込み、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示す多孔性又は狭孔性疎水性構造体及び／又は他のガス毛細管構造体
がある。
ｉ．多孔性脱気板、
ｉｉ．多孔性疎水性膜、及び／又は
ｉｉｉ．液体からガスを自発的に引き込み、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示す多孔性又は狭孔性疎水性構造体及び／又は他のガス毛細管構造体
がある。
【0078】
好ましくは、ガスハンドリング構造体は、交差平面軸内又は外へのガスの移行を促進する。ガスハンドリング構造体の例には、限定ではなく、
（ａ）低表面エネルギーを有する表面領域を有するもの等、例えば、測定可能な毛細管圧を有するガス毛細管効果が関わらずに、ガスの移動を促進又は加速させる
１．ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化ポリマー、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のような低表面エネルギーを有する材料若しくは
２．ナノスケール超疎水性構造体等、低い表面エネルギーを有する表面構造体
を含むか、若しくは構成するもの等のガスが選択的に合体し移行する傾向がある材料若しくは構造体又は
（ｂ）超親水性若しくは「超濡れ性」材料若しくは構造体等の合体ガスの脱離を促進する超嫌気性表面領域を有する材料若しくは構造体
がある。
（ａ）低表面エネルギーを有する表面領域を有するもの等、例えば、測定可能な毛細管圧を有するガス毛細管効果が関わらずに、ガスの移動を促進又は加速させる
１．ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化ポリマー、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のような低表面エネルギーを有する材料若しくは
２．ナノスケール超疎水性構造体等、低い表面エネルギーを有する表面構造体
を含むか、若しくは構成するもの等のガスが選択的に合体し移行する傾向がある材料若しくは構造体又は
（ｂ）超親水性若しくは「超濡れ性」材料若しくは構造体等の合体ガスの脱離を促進する超嫌気性表面領域を有する材料若しくは構造体
がある。
【0079】
好ましくは、そのようなガス毛細管構造体又はガスハンドリング構造体内に存在する気体は、第１の気体又は第２の気体等の隣接する気体と連続し、又は連続することになる。任意選択的に、そのようなガスハンドリング構造体内に存在する気体は独立して、外部ガス導管及び／又は及び外部ガス貯蔵システムと気体連通する。
【0080】
好ましくは、電池は、少なくとも部分的に第１のガス拡散電極の第２の側面内又は第２の側面に位置するガス毛細管構造体を含む。好ましくは、電池は、少なくとも部分的に第１のガス拡散電極の第２の側面内又は第２の側面に位置するガスハンドリング構造体を含む。好ましくは、電池は、少なくとも部分的に第２のガス拡散電極の第２の側面内又は第２の側面に位置するガス毛細管構造体を含む。好ましくは、電池は、少なくとも部分的に第２のガス拡散電極の第２の側面内又は第２の側面に位置する第２のガスハンドリング構造体を含む。好ましくは、電池は、第１のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、第１のガス拡散電極内、第１のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は第１のガス拡散電極の一部に位置するガスハンドリング構造体を含む。好ましくは、電池は、第２のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、第２のガス拡散電極内、第２のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は第２のガス拡散電極の一部に位置する第２のガスハンドリング構造体を含む。
【0081】
好ましくは、電池は、動作中、第１の気体の第１のガスが第１のガス拡散電極への第１の気相経路を辿るように構成され、第１の気相経路は液相経路とは別個である。好ましくは、電池は、動作中、第２の気体の第２のガスが第２のガス拡散電極への第２の気相経路を辿るように構成され、第２の気相経路は液相経路とは別個である。好ましくは、交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる。好ましくは、電池は、動作中、連続気相経路が交差平面軸における第１のガス拡散電極の活性面と第１の気体との間に存在するように構成され、それにより、第１のガスの目に見える気泡が第１のガス拡散電極の活性面の少なくとも一部で生成されない。好ましくは、電池は、動作中、気泡が第１のガス拡散電極の少なくとも一部又は第２のガス拡散電極の少なくとも一部で見えないように構成される。好ましくは、電池は、動作中、第１のガス拡散電極が、０．１２５ｍｍ厚未満、好ましくは０．１１ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１０ｍｍ厚未満の液体電解質の薄膜で覆われるように構成される。好ましくは、電池は、動作中、連続気相経路が交差平面における第２のガス拡散電極の活性面と第２の気体との間に存在するように構成され、それにより、第２のガスの目に見える気泡が第２のガス拡散電極の活性面の少なくとも一部で生成されない。電池は、動作中、第２のガス拡散電極が、０．１２５ｍｍ厚未満、好ましくは０．１１ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１０ｍｍ厚未満の液体電解質の薄膜で覆われるように構成される。
【0082】
したがって、第１のガス（第１の電極１２０と関連する）は、第１の電極１２０で消費される反応物又は第１の電極１２０により生成される産物であり得る。電池の動作中、第１の気体１２５は第１のガスで補充される必要があり（反応物の場合）、又は第１のガスを第１の気体１２５から除去する必要がある（産物の場合）。第２のガス（第２の電極１３０と関連する）は、第２の電極１３０で消費される反応物又は第２の電極１３０により生成される産物であり得る。電池の動作中、第２の気体１３５は第２のガスで補充される必要があり（反応物の場合）、又は第２のガスを第２の気体１３５から除去する必要がある（産物の場合）。
【0083】
第１の気体１２５内の第１のガスは、種々の例において、少なくとも１つの外部第１ガス導管１２７に接続され且つ気体連通し、その内部に含まれるか、又はその内若しくは外に輸送することができ、外部第１ガス導管１２７は、外部筐体１５１を通る１つ又は複数のパイプ、１つ又は複数の導管、共通ガスマニフォルド、チャンバ等であり得る。第２の気体１３５内の第２のガスは、種々の例において、少なくとも１つの外部第２ガス導管１３７に接続され且つ気体連通し、その内部に含まれるか、又はその内若しくは外に輸送することができ、外部第２ガス導管１３７は、外部筐体１５１を通る１つ又は複数のパイプ、１つ又は複数の導管、共通ガスマニフォルド、チャンバ等であり得る。少なくとも１つの外部第１ガス導管１２７及び／又は少なくとも１つの外部第２ガス導管１３７は、少なくとも１つの外部液体導管１５２に加えて提供することができ、又は少なくとも１つの外部液体導管１５２なしで提供することができ、又は電池１０に含まれず、電池１０は少なくとも１つの外部液体導管１５２のみを含んでもよい。外部第１ガス導管１２７は、第１のガス貯蔵システム１２８、好ましくは外部第１ガス貯蔵システム１２８に接続され、又は気体連通し得る。外部第２ガス導管１３７は、第２のガス貯蔵システム１３８、好ましくは外部第２ガス貯蔵システム１３８に接続され、又は気体連通し得る。外部第１ガス貯蔵システム１２８及び外部第１ガス導管１２７、即ち関連するパイプ、導管、マニフォルド、チャンバは、第１の気体１２５内の第１のガスを第１の電極１２０に隣接する領域に供給又は該領域から除去できるようにし得る。外部第２ガス貯蔵システム１３８及び外部第２ガス導管１３７、即ち関連するパイプ、導管、マニフォルド、チャンバは、第２の気体１３５内の第２のガスを第２の電極１３０に隣接する領域に供給又は該領域から除去できるようにし得る。即ち、外部筐体１５１は少なくとも１つの外部第１ガス導管１２７を提供し得、且つ／又は外部筐体１５１は少なくとも１つの外部第２ガス導管１３７を提供し得る。第１のガス（存在する場合）は、少なくとも１つの外部第１ガス導管１２７を介して第１の気体１２５内又は外に輸送し得、且つ／又は第２のガス（存在する場合）は、少なくとも１つの外部第２ガス導管１３７を介して第２の気体１３５内又は外に輸送し得る。換言すれば、少なくとも１つの外部第１ガス導管１２７は、第１のガスを外部貯蔵するために、外部第１ガス貯蔵システム１２８と気体連通し、且つ／又は少なくとも１つの外部第２ガス導管１３７は、第２のガスを外部貯蔵するために、外部第２ガス貯蔵システム１３８と気体連通する。
【0084】
一般に、別個の供給システム及び別個の除去システムが電池１０に外部接続されて、動作中、独立して各反応物を電池に供給し、電池１０から各産物を除去する。そのような各システムは好ましくは、電池内の別個の気体若しくは液体槽に反応物を供給し、又は別個の気体若しくは液体槽から産物を除去し、そして気体若しくは液体槽は、電池内の関連する電極に反応物を供給し、又は関連する電極から産物を除去する。
【0085】
好ましくは、電池は外部筐体を含み、外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される。好ましくは、外部筐体は、第１の気体と気体連通する少なくとも１つの外部ガス導管を提供する。好ましくは、少なくとも１つの外部第１ガス導管は、外部第１ガス貯蔵システムと気体連通する。好ましくは、外部筐体は、少なくとも１つの外部第１ガス導管を更に提供し、動作中、第１のガスが少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送されるように構成される。好ましくは、電池の外部筐体が更に含まれ、外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される。したがって、例えば、外部第１反応物源（即ち電池１０の外部）が、１つ又は複数の第１の反応物パイプ又は導管を介して第１の電極１２０に第１の反応物を供給する。任意選択的に、外部筐体は、少なくとも１つの外部第２ガス導管を更に提供し、動作中、第２のガスが少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送されるように構成される。好ましくは、少なくとも１つの外部第２ガス導管は、外部第２ガス貯蔵システムと気体連通する。好ましくは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する外部筐体が更に含まれ、第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される。任意選択的に、外部第２反応物源が、１つ又は複数の第２の反応物パイプ又は導管を介して第１の電極１２０又は第２の電極１３０に第２の反応物を供給する。更に、任意選択的に、外部の更なる反応物源が、１つ又は複数の更なる反応物パイプ又は導管を介して更なる反応物を第１の電極１２０又は第２の電極１３０に供給する。更に、例えば、外部第１産物槽又は貯蔵器（電池１０の外部）が、１つ又は複数の第１の産物パイプ又は導管を介して第１の電極１２０で生成された第１の産物を受け取る。任意選択的に、外部第２産物槽又は貯蔵器が、１つ又は複数の第２の産物パイプ又は導管を介して第１の電極１２０又は第２の電極１３０で生成された第２の産物を受け取る。更に、任意選択的に、外部の更なる産物槽又は貯蔵器が、１つ又は複数の更なる産物パイプ又は導管を介して第１の電極１２０又は第２の電極１３０で生成された更なる産物を受け取る。
【0086】
好ましくは、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００及び液体電解質１００が多孔性毛細管スペーサ１１０内に保持する毛細管圧は、第１の気体１２５と第２の気体１３５を分離し、第１の気体１２５及び第２の気体１３５が互いに物理的に接触しないようにし、又は少なくとも、各々が他方を汚染する程度を最小に抑える。一例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は、多孔性毛細管スペーサの端部１５０が槽１４０内に位置する前、液体電解質１１０で充填される。別の例では、液体電解質１００は、まず多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って槽１４０から輸送された後、第１の電極１２０及び第２の電極１３０に接触する。好ましくは、電池１０の動作中、第１の電極１２０の全てに隣接する多孔性毛細管スペーサ１１０の少なくとも部分及び第２の電極１３０の全てに隣接する多孔性毛細管スペーサ１１０の少なくとも部分は、液体電解質１００で充填されたままである。好ましくは、多孔性毛細管スペーサが液体電解質で充填される場合、多孔性毛細管スペーサは、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は妨げるように構成され、ベンチマークガス交差を２％未満に維持する。
【0087】
２つの気体１２５及び１３５の圧力並びに液体電解質１００の圧力を等化するか、又は可能な限り同等に近い状態を維持するために、パイプ、導管、ウェル、又はチャンバ１４９は、槽１４０の上部に組み込まれ得る。そのようなパイプ、導管、ウェル、又はチャンバ１４９は、各気体１２５及び１３５と槽１４０内の液体電解質との間に直接インタフェースを提供し得、それにより、それらの圧力が等しいことを保証する。好ましくは、パイプ、導管、ウェル、又はチャンバ１４９は、槽の上部から上向きに幾らか、気体１２５及び１３５内に延出する。これは、遷移圧差により槽から一時的に変位した液体電解質が、気体１２５及び１３５によって占められるガスチャンバ内に溢れる尤度を最小に抑える。更に、幾らかの液体電解質がガスチャンバ内に溢れた場合、物理的に切断され、残りの槽内の液体電解質から分離されることになる。
【0088】
排他的ではないが好ましくは、電池は、動作中、第１の気体が３バールゲージ超、好ましくは４バールゲージ超、より好ましくは５バールゲージ超の圧力を有するように構成される。排他的ではないが好ましくは、電池は、動作中、第２の気体が３バールゲージ超の圧力を有するように構成される。
【0089】
第１の電極１２０及び第２の電極１３０の一方のみがガス拡散電極である事例では、第１の気体１２５（第１の電極１２０がＧＤＥである場合）及び第２の気体１３５（第２の電極１３０がＧＤＥである場合）である１つのみの気体が存在し得る。
【0090】
第１の電極１２０及び第２の電極１３０は、第１の電気接続１６０及び第２の電気接続１７０により外部電気回路１８０にそれぞれ接続される。第１の電気接続１６０、第２の電気接続１７０、又は外部電気回路１８０自体は、好ましくは、その気体不透過性及び液体不透過性を損なわずに外部筐体１５１に貫入する。外部電気回路１８０は電気エネルギーを電池１０に供給し得る（例えば電気合成電池の場合）。代替的には、電池１０により生成された電気エネルギーを外部電気回路１８０に供給し得る（例えば電気エネルギー電池の場合）。
【0091】
例えば、外部回路は、動作に当たり、電圧を第１の電極と第２の電極との間に印加する電源を含み得る。電源の多くの例が市販されており、それらの全てが、各々が第１の電極及び第２の電極に別個に接続することができる２つの端子を軽油して電圧を印加するのに使用し得る。別の例では、外部回路は、例えば電気エネルギー電池の電極に取り付けられた場合、受け取った電量を調整し、外部電圧を生成するＤＣ／ＡＣ変換器等の受電及び変調デバイスを含み得る。受電デバイスの多くの例が市販されており、それらの全てが、それらの端子が電気エネルギー電池の第１の電極及び第２の電極に別個に接続された場合、外部電圧を生成するのに使用し得る。様々な電圧、例えば０．５Ｖ超、２Ｖ超、５Ｖ超、１０Ｖ超、２０Ｖ超、５０Ｖ超、１００Ｖ超、２５０Ｖ超、５００Ｖ超、１０００Ｖ超、５０００Ｖ超、又は１０，０００Ｖ超をそれらの電源により印加し得、又はそのような受電デバイスにより受けとられ得る。
【0092】
好ましくは、外部回路は、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加又は生成することが可能な電源又は受電デバイスを含む。
【0093】
更なる実施形態例は、電極間スペーサとして薄い多孔性毛細管スペーサ１１０（０．４５ｍｍ厚未満）を採用した電気合成電池又は電気エネルギー電池を包含する。好ましくは、電池はゼロギャップ電池であり、それにより、多孔性毛細管スペーサは０．４５ｍｍ厚未満、好ましくは０．３０ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１３ｍｍ厚未満である。そのような薄い多孔性毛細管スペーサ１１０の非限定的な例は、Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径８μｍを有する薄い多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタである。薄い多孔性材料は、毛細管交換を利用して、液体電解質を電極間スペーサに引き込み保持する。２つの電極は、電極間スペーサの両側に狭設される。電極の少なくとも一方又は両方は、ガスに対して多孔性であり得、即ち、ガス拡散電極であり得る。電極間スペーサの底端部は、任意選択的に、電極から離れ得る液体電解質槽に浸さすことができ、又は槽は２つの電極のいずれか若しくは両方と接触し得、又は槽は全体的に多孔性毛細管スペーサ内に組み込まれ得る。２つの電極が両方ともガス拡散電極である場合、ガス拡散電極は、電極－スペーサ－電極組立体の片側又は両側で気体と流体接触する。気体及び／又は槽に別個に接続された、封止（液密且つ／又は気密）された外部導管及び貯蔵ボリュームは、電池の動作中、反応物を供給し、産物を除去する。他の例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は０．３５ｍｍ厚未満、０．２ｍｍ厚未満、０．１ｍｍ厚未満、０．０５ｍｍ厚未満、又は０．０２５ｍｍ厚未満である。
【0094】
好ましくは、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超且つ４００μｍ未満である。好ましくは、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は、４μｍ超且つ４００μｍ未満、６μｍ超且つ４００μｍ未満、８μｍ超且つ４００μｍ未満、１０μｍ超且つ４００μｍ未満、２０μｍ超且つ４００μｍ未満、又は３０μｍ超且つ４００μｍ未満である。好ましくは、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、又は約１０μｍである。好ましくは、多孔性毛細管スペーサの平均孔径４００μｍ未満である。任意選択的に、多孔性毛細管スペーサは６０％超の多孔性、好ましくは７０％超の多孔性、最も好ましくは８０％超の多孔性である。好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、液体電解質で充填され、室温で１４０ｍΩｃｍ２未満のイオン抵抗を有するように構成される。好ましくは、第１のガス拡散電極及び第２の電極は、多孔性毛細管スペーサに対して２バール超、好ましくは３バール超、より好ましくは４バール超で圧縮される。好ましくは、第１のガス拡散電極及び第２のガス拡散電極は、多孔性毛細管スペーサに対して２バール超、好ましくは３バール超、より好ましくは４バール超で圧縮される。好ましくは、液体電解質は水性であり、多孔性毛細管スペーサが液体電解質で充填される場合、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、８ｃｍを越える高さで１分当たり水０．００１４ｇ超の流量で流れる。
【0095】
好ましくは、第１のガス拡散電極及び第２の電極は各々、１０ｃｍ２以上の幾何学的表面積を有する側面を有する。好ましくは、第１のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む。好ましくは、第２のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む。好ましくは、電池は、第１のガス拡散電極及び第２の電極を通して、１Ａｍｐ以上、好ましくは１．５Ａｍｐ以上、より好ましくは２Ａｍｐ以上、及びより好ましくは２．５Ａｍｐ以上の電流を使用して動作する。好ましくは、電池は少なくとも２４時間連続して動作する。
【0096】
そのような電気合成又は電気エネルギー電池が不定時間にわたって途切れずに又は連続して動作するには、薄い多孔性毛細管スペーサ１１０は好ましくは、とりわけ、
ｉ）液体電解質を引き込み、それ自体、液体電解質で完全に充填された状態を維持し、それにより、電池の上部に及ぶ多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質のカラム高さを維持し、
ｉｉ）好ましくは、常に全ての動作条件下で、電気化学反応を維持するのに十分な流体電解質の流量を多孔性毛細管スペーサ内に提供し、
ｉｉｉ）電極との多孔性毛細管スペーサのインタフェースにおいて、全ての動作条件下で反応するために電極を適宜濡らすのに十分な液体電解質を放出する
ことが可能である。
ｉ）液体電解質を引き込み、それ自体、液体電解質で完全に充填された状態を維持し、それにより、電池の上部に及ぶ多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質のカラム高さを維持し、
ｉｉ）好ましくは、常に全ての動作条件下で、電気化学反応を維持するのに十分な流体電解質の流量を多孔性毛細管スペーサ内に提供し、
ｉｉｉ）電極との多孔性毛細管スペーサのインタフェースにおいて、全ての動作条件下で反応するために電極を適宜濡らすのに十分な液体電解質を放出する
ことが可能である。
【0097】
好ましくは、電池は電気合成電池であり、電気化学反応は、電気合成電池から離れて外部に輸送される化学産物を生成する。好ましくは、電池は電気エネルギー電池であり、電気化学反応は、電気エネルギー電池から離れて外部に輸送されるエネルギーを生成する。
【0098】
液相及び気相移行経路は両方とも自己調整しているため、電池は、外部管理なしで連続動作し得る。これは、典型的には能動的な管理を必要とする多くの従来の電気合成又は電気エネルギー電池よりも優れた重要な利点を構成する。
【0099】
槽液体が電極と直接接触する電池の例
別の実施形態のゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池２０を図２に概略的に示す。電池２０は、電極に最も近い槽の壁が存在しなくてもよく、槽と電極との間にバリア１５５がなくてもよいという点で、電池１０と異なり得る。したがって、槽内の液体１００は一方又は両方の電極１２０又は１３０と直接接触し得る。接触の程度は比較的小さい（例えば、図２のＡで示されるように、電極外面積の５～１０％）か、又は比較的大きい（図２のＢで示されるように、電極外面積の５０～７０％）。しかしながら、液体電解質と電極との間の接触の程度は、電池の動作中、一定であってもよく、又は急速に、ゆっくりと、一時的に、若しくは永久的に変化してもよく、Ａ及びＢの具体的な値は０％～１００％（０％及び１００％を含む）のいずれにあってもよいことを理解されたい。
別の実施形態のゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池２０を図２に概略的に示す。電池２０は、電極に最も近い槽の壁が存在しなくてもよく、槽と電極との間にバリア１５５がなくてもよいという点で、電池１０と異なり得る。したがって、槽内の液体１００は一方又は両方の電極１２０又は１３０と直接接触し得る。接触の程度は比較的小さい（例えば、図２のＡで示されるように、電極外面積の５～１０％）か、又は比較的大きい（図２のＢで示されるように、電極外面積の５０～７０％）。しかしながら、液体電解質と電極との間の接触の程度は、電池の動作中、一定であってもよく、又は急速に、ゆっくりと、一時的に、若しくは永久的に変化してもよく、Ａ及びＢの具体的な値は０％～１００％（０％及び１００％を含む）のいずれにあってもよいことを理解されたい。
【0100】
任意選択的に、Ａ及び／又はＢの値は小さい。好ましくは、電池は、槽が液体電解質を含む場合、第１のガス拡散電極が槽の縁部において液体電解質に触れるように構成される。好ましくは、電池は、槽が液体電解質を含む場合、第２の電極が槽の縁部において液体電解質に触れるように構成される。他の点において、電池２０は、図１の電池１０と同じ性質及び特性を有し得る。他の点において、電池２０は、図１の電池１０の構成要素と同じ性質及び特性を有する同じ構成要素の１つ又は複数を有し得る。
【0101】
図２に示される実施形態例の電池では、気体１２５及び１３５はそれぞれ、図２に示される実施形態よりも、電極１２０及び１３０の外面積のより小さな割合部分に隣接し、接触し得る。例えば、接触の程度は比較的小さくてもよく（例えば、図２の気体１３５に示されるように、電極外面積の３０～５０％）、又は比較的大きくてもよい（例えば、図２の気体１２５に示されるように、電極外面積の９０～９５％）。しかしながら、これらの値は、電池の動作中、一定であってもよく、又は急速に、ゆっくりと、一時的に、若しくは永久的に変化してもよく、具体的な値は０％～１００％（０％及び１００％を含む）のいずれにあってもよいことを理解されたい。
【0102】
電極１２０又は１３０と気体１２５及び１３５との間のそれぞれのより小さな接触割合が一般的であるにもかかわらず、好ましい実施形態の特徴及び利点の多くはそれにも関わらずなお、完全又は部分的に当てはまり得る。
【0103】
更に、このクラスの実施形態例の電池（即ち電池２０）は、他の好ましい実施形態の電池ではあまり一般的ではない、又は観察されない特徴及び利点を提供し得る。これらは例えば、電池２０内の相対液位の物理的変動能力、即ち、Ａ及びＢの相対値の変動を含む。電池内の相対液位のそのような変化は、
（ｉ）新たなＡ及び／又はＢ値への液体の補償的な移動による、気体１２５及び１３５におけるガス圧の急速で自発的な等化、
（ｉｉ）液体電解質で常時、完全に充填される多孔性毛細管スペーサ１１０の維持の改善、及び／又は
（ｉｉｉ）動作中、完全に濡れた電極の維持の改善
を可能にし得る。
（ｉ）新たなＡ及び／又はＢ値への液体の補償的な移動による、気体１２５及び１３５におけるガス圧の急速で自発的な等化、
（ｉｉ）液体電解質で常時、完全に充填される多孔性毛細管スペーサ１１０の維持の改善、及び／又は
（ｉｉｉ）動作中、完全に濡れた電極の維持の改善
を可能にし得る。
【0104】
更に、電極が液体電解質と物理的に接触し得ることは、電極における毛細管現象を採用して、多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象を支援し得ることを意味する。即ち、電極における毛細管現象を利用して、液体電解質を電極における反応ゾーン又は電極間の
反応ゾーンまで移動させることができる。実際には、液体電解質は、電極における毛細管まで、そして毛細管に沿って多孔性毛細管スペーサ１１０又は電極１２０若しくは１３０への移動を誘導し得、それにより、
（ｉ）電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に、液体電解質で充填された多孔性毛細管スペーサ１１０及び／又は
（ｉｉ）動作中、電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に完全に濡れた電極
の維持を助け得る。
反応ゾーンまで移動させることができる。実際には、液体電解質は、電極における毛細管まで、そして毛細管に沿って多孔性毛細管スペーサ１１０又は電極１２０若しくは１３０への移動を誘導し得、それにより、
（ｉ）電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に、液体電解質で充填された多孔性毛細管スペーサ１１０及び／又は
（ｉｉ）動作中、電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に完全に濡れた電極
の維持を助け得る。
【0105】
電極表面上及び電極上方への液体電解質の毛細管誘導移動は当然ながら、典型的には、電極１２０又は１３０と気体１２５又は１３５との間のそれぞれのガス移動と干渉し得、更には阻止し得る。これは電池２０のエネルギー効率を低下させ得る。しかしながら、そのような移動が、電極の表面に沿って移動する非常に薄い層の液体電解質のみが関わるように構成された場合、ガス移動との干渉はないことが発見されている。即ち、液体電解質の毛細管誘導輸送が、電極及びその孔の溢れを回避するように設計することができる場合、これもまた自己調整を受ける反応ゾーンに液体電解質を輸送する代替の有利な非干渉方法を提供し得る。
【0106】
好ましくは、電池は、動作中、第１のガス拡散電極が、０．１２５ｍｍ厚未満、好ましくは０．１１ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１０ｍｍ厚未満の液体電解質の薄膜で覆われるように構成される。好ましくは、電池は、動作中、第２のガス拡散電極が、０．１２５ｍｍ厚未満、好ましくは０．１１ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１０ｍｍ厚未満の液体電解質の薄膜で覆われるように構成される。
【0107】
多孔性毛細管スペーサに組み込まれた槽を有する電池の例
図３は、槽が多孔性毛細管スペーサ１１０自体に組み込まれ、それにより、多孔性毛細管スペーサとは明確に分離された液体槽が識別可能ではないことがある、代替の一実施形態のゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池３０を示す。
図３は、槽が多孔性毛細管スペーサ１１０自体に組み込まれ、それにより、多孔性毛細管スペーサとは明確に分離された液体槽が識別可能ではないことがある、代替の一実施形態のゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池３０を示す。
【0108】
電池３０は例えば、反応物及び産物が純粋に気相材料であり液体電解質が消費若しくは生成されず、又は電気化学反応により決して影響されない場合、使用し得る。例えば、希少、高価、又はエキゾチックであり、容易に気化しない液体電解質、例えば「イオン性液体」が採用され得る。そのような場合、槽のサイズを最小に抑え、槽を多孔性毛細管スペーサ１１０に組み込むことにより、存在する液体電解質の量を最小に抑えることが最も実際的に有価値であり得る。
【0109】
その結果生成される電池３０は、現在の産業規模では実行することができない新しい電気化学反応を実行可能な状態で促進することが可能であり得る。小量の希少、高価、又はエキゾチックな液体電解質を使用して電気エネルギー又は電気合成変換を促進する能力は、現在、そのような電解質を使用してしか実行できない新しい電気化学反応を工業的製造に対して開き得る。気相反応物及び／又は産物は、第１のガス貯蔵システム１２８、第２のガス貯蔵システム１３８ａ、及び／又は第３のガス貯蔵システム１３８ｂへ／から外部パイプ１２７、１３７ａ、及び／又は１３７ｂを介して気体１２５及び／又は１３５に供給又は気体１２５及び／又は１３５から除去し得る。２つのガス貯蔵システム（第２のガス貯蔵システム１３８ａ及び第３のガス貯蔵システム１３８ｂ）は図３に示されて、反応物を導入し、且つ／又は電池から産物を除去するために、ガスが気体（この説明のための事例では１３５）を通して循環する状況を示す。
【0110】
希少、高価、又はエキゾチックであり、容易に気化しない、例えば「イオン性液体」の使用は、図３に示されていない電池構造に限定されないことを理解されたい。そのような電解質は、任意の実施形態例の電池で使用することができる。
【0111】
別の実施形態例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は水性液体電解質で充填され、槽は全体的に多孔性毛細管スペーサ１１０に組み込まれる。この場合、多孔性毛細管スペーサ１１０内の水性電解質は、水蒸気を気体１２５及び／又は１３５に導入又は除去することにより補充又は維持し得、この水蒸気の幾らかは、多孔性毛細管スペーサ１１０において液化し、又は多孔性毛細管スペーサ１１０から気化する。
【0112】
先に述べたように、気相蒸気を使用して、電極間セパレータ内の水のような液相材料を補充又は維持することは典型的には、電極１２０又は１３０と気体１２５又は１３５との間のそれぞれでの気相反応物又は産物の移動に干渉し得、又は阻止し得る。これは電池のエネルギー効率を低下させ得る。
【0113】
しかしながら、毛細管力によりスペーサ内に保持される液体電解質が充填された多孔性毛細管スペーサ１１０が、電極間セパレータとして採用される場合、状況が異なり得ることが発見されている。存在する他の（電極へ／からのガス反応物又は産物の）気相経路に干渉せずに、一方又は両方の気体（即ち第１の来た１２５及び／又は第２の気体１３５）に水蒸気を導入又は除去することにより、液体電解質を補充又は維持することが可能であり得る。動作において、電圧を第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に印加し得、又は電圧を第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に生成し得る。
【0114】
即ち、幾つかの状況下で、電極へ／からのガス反応物又は産物の気相経路に干渉しない又は妨げない気相経路を作成して、液相電解質を補充又は維持することができる。
【0115】
これは特に、多孔性毛細管スペーサ１１０が電極間セパレータとして使用される場合、可能であり得る。何故ならば、液体電解質の連続体を多孔性毛細管スペーサ内に閉じ込め得るためである。そのような連続し、閉じ込められた液体電解質は、他の電極間セパレータには存在しなくてよい。水蒸気は好ましくは、そのような液体の連続体において液化又はそのような液体の連続体から気化し得る。更に、その液体は、毛細管力によりスペーサ内に保持され、それにより、液体において液化した任意の水蒸気は、毛細管力により多孔性毛細管スペーサ１１０に閉じ込められ、それにより、溢れない、又はガス反応物／産物によるアクセスから電極をブロックしないことを保証する。
【0116】
好ましくは、電池は、動作中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質が、電池内に液体電解質の連続体のみを含むように構成される。好ましくは、電池は、外部液体導管を含まず、液体電解質及び／又は液相反応物及び／又は産物が、ガス流内の蒸気の形態で電池内又は外に輸送されるように構成され、蒸気は、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質から気化する。好ましくは、電池は、外部液体導管が存在せず、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物がガス流内の蒸気の形態で電池内又は外に輸送されることを更に含む。好ましくは、槽は、多孔性毛細管スペーサの一部として一体化され、蒸気は、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質から気化する。
【0117】
他の点では、電池３０は、図１の電池１０又は図２の電池２０と同じ性質及び特性を有し得る。他の点では、電池３０は、図１の電池１０又は図２の電池２０の構成要素と同じ性質及び特性を有する同じ構成要素の１つ又は複数を有し得る。
【0118】
更なる実施形態例
上記実施形態例を越えて、電池構造の種々の他の実施形態例を利用することができる。これらには、限定ではなく、本明細書に記載される他の構造が含まれる。
上記実施形態例を越えて、電池構造の種々の他の実施形態例を利用することができる。これらには、限定ではなく、本明細書に記載される他の構造が含まれる。
【0119】
更なる実施形態例では、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供され、積層体は、第１の電気合成又は電気エネルギー電池と、第１の電気合成又は電気エネルギー電池に電気的に接続される第２の電気合成又は電気エネルギー電池とを備える。各電気合成又は電気エネルギー電池は、液体電解質を含むための槽と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極と、槽の外部に位置する第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質に液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である。
【0120】
好ましくは、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体内で、第１の電気合成又は電気エネルギー電池は、本明細書に記載される一実施形態例の電池であり、第２の電気合成又は電気エネルギー電池は、本明細書に記載される一実施形態例の電池である。好ましくは、電気合成又は電気エネルギー電池の上記積層体内で、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池は直列接続される。
【0121】
更なる態様例では、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供され、電池は、液体電解質を含むための槽と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極と、槽の外部に位置する第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質に液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能であり、方法は、電圧を第１のガス拡散電極と第２の電極との間に印加することを含む。
【0122】
更なる態様例では、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加するステップを含む、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供される。
【0123】
更なる態様例では、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池の各々の第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加するステップを含む、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の積層体の動作方法が提供される。
【0124】
更なる実施形態例では、電気合成水電解電池が提供され、電池は、第１のガスを生成するように構成され、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２の電極と、液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である。
【0125】
更なる例では、複数の上記電池を備え、それにより、複数の電池が電気的に接続される、水電解マルチセル積層体が提供される。
【0126】
更なる実施形態例では、電気合成水電解電池の積層体が提供され、積層体は、第１の電気合成水電解電池と、第１の電気合成水電解電池に電気的に接続された第２の電気合成水電解電池とを備える。各電気合成水電解電池は、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である。
【0127】
好ましくは、電気合成水電解電池の積層体内で、第１の電気合成水電解電池は、本明細書に記載される一実施形態例の電池であり、第２の電気合成水電解電池は、本明細書に記載される一実施形態例の電池である。好ましくは、電気合成水電解電池の積層体内で、第１の電気合成水電解電池及び第２の電気合成水電解電池は直列接続される。
【0128】
更なる態様例では、水電解を実行するための電気合成水電解電池の動作方法が提供され、電池は、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２の電極と、液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサであって、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である、多孔性毛細管スペーサとを備え、方法は、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加することを含む。
【0129】
更なる態様例では、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加するステップを含む、水電解を実行するための電気合成水電解電池の動作方法が提供される。
【0130】
更なる態様例では、水電解を実行するための電気合成水電解電池の積層体の動作方法が提供され、方法は、電圧を第１の電極合成水電解電池及び第２の電気合成水電解電池の各々の第１のガス拡散電極と第２の電極との間に印加するステップを含む。
【0131】
更なる実施形態では、電気合成又は電気エネルギー電池であって、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と隣接して接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と直接接触するように構成された第２のガス拡散電極と、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサであって、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填され、毛細管効果により多孔性毛細管スペーサに液体電解質を閉じ込めるように構成され、それにより、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、多孔性毛細管スペーサとを備える、電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。
【0132】
任意選択的に、電池は、液体電解質を含み、動作中、多孔性毛細管スペーサの下にあるように構成された槽を備え得、多孔性毛細管スペーサの少なくとも先端部は、槽内の液体電解質と接触する。好ましくは、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する。
【0133】
更なる例では、複数の電池を備え、それにより、複数の電池が電的に接続される、電気合成又は電気エネルギーマルチセル積層体が提供される。
【0134】
更なる例では、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供され、積層体は、第１の電気合成又は電気エネルギー電池と、第１の電気合成又は電気エネルギー電池と電気的に接続された第２の電気合成又は電気エネルギー電池とを備える。各電気合成又は電気エネルギー電池は、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と接触し隣接するように構成された第１のガス拡散電極と、第１のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と接触し隣接するように構成された第２のガス拡散電極と、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填され、毛細管効果により多孔性毛細管スペーサに液体電解質を閉じ込めるように構成され、それにより、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、多孔性毛細管スペーサとを備える。
【0135】
更なる例では、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供され、第１の電気合成又は電気エネルギー電池は本明細書に記載される一実施形態例の電池であり、第２の電気合成又は電気エネルギー電池は本明細書に記載される一実施形態例の電池である。
【0136】
更なる例では、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池が直列接続される、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供される。
【0137】
更なる態様例では、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供され、電池は、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と直接接触するように構成された第２のガス拡散電極と、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサであって、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填され、毛細管効果により多孔性毛細管スペーサに液体電解質を閉じ込めるように構成され、それにより、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、方法は、電圧を第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に印加することを含む。
【0138】
更なる態様例では、電圧を第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に印加するステップを含む、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供される。
【0139】
更なる態様例では、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池の各々の第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に電圧を印加するステップを含む、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の積層体の動作方法が提供される。
【0140】
更なる実施形態例では、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供される。電気合成又は電気エネルギー電池は、液体電解質を含む槽と、第１のガス拡散電極と、第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する端部を有する。方法は、第１のガス拡散電極及び第２の電極に液体電解質を接触させるステップと、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加又は生成するステップとを含む。
【0141】
更なる態様例では、電気化学反応は、窒素及び水素からアンモニアを生成する。更なる態様例では、電気化学反応はアンモニア及び酸素から電気を生成する。更なる態様例では、電気化学反応はアンモニアから水素及び窒素を生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、反応物としてＮＯＸを使用する。更なる態様例では、電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、塩水から塩素及び苛性物質を生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、塩酸から塩素及び水素を生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、水素及び酸素から電気エネルギーを生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する。更なる態様例では、電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する。
【0142】
更なる例では、電気合成又は電気エネルギー電池が提供され、電池は、液体電解質を含む槽と、第１のガス拡散電極と、第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する端部を有し、電気合成又は電気エネルギー電池は、本明細書に記載される任意の方法例に従って動作するように構成される。
【0143】
更なる例では、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池を含む電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供される。
【0144】
更なる態様例では、第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池が直列接続される、電気合成又は電気エネルギー電池の積層体が提供される。
【0145】
更なる態様例では、２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含む電気合成又は電気エネルギーが提供される。排他的ではないが好ましくは、２つ以上の多孔性毛細管スペーサ（好ましくは各々０．４５ｍｍ厚未満）を含むゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池は、毛細管力により、各多孔性毛細管スペーサの端部が浸される液体電解質の２つ以上の槽から多孔性毛細管スペーサに引き込まれてそこに連続して保持される液体電解質を有する。
【0146】
更なる態様例では、液体電解質を含むように構成された２つ以上の槽を含む電気合成又は電気エネルギー電池が提供され、２つ以上の多孔性毛細管スペーサの各々の先端部は、２つ以上の槽の１つ内に位置する。
【0147】
別の態様例では、槽は浸透効果を生じさせ、採用し、又は利用するように構成し得る。好ましくは、浸透効果は、多孔性毛細管スペーサにおける液体電解質の最大カラム高さを増幅し、且つ／又は電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質の成分の流量を増幅する。
【0148】
好ましくは、槽は、第１の液体を含むように構成された第１の容積と、第２の液体を含むように構成された第２の容積と、第１の容積と第２の容積とを隔てる半透過性膜とを備える。任意選択的に、多孔性毛細管スペーサの先端部は、第１の容積に位置し、動作中、第１の液体は液体電解質であり、第２の液体は第１の液体と異なるように構成される。
【0149】
別の態様例では、電気合成又は電気エネルギーマルチセル積層体が提供され、積層体は、複数の電池を含み、動作中、複数の電池の各々第２の液体が、複数の電池の各々の第２の容積に接続された共通供給又は除去パイプを介して液通するように構成される。
【0150】
更なる態様例では、電気合成又は電気エネルギー電池が提供され、多孔性毛細管スペーサは少なくとも部分的に、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、フッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、窒素含有材料、ガラス繊維、ケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、セルロース含有材料、ポリカーボネート、カーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、スルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、スルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、オレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、セラミック材料、ポリ塩化ビニル、ビニル系材料、ゴム、多孔性電池セパレータ、及びクレイを含む群から選択される１つ又は複数の材料で構成される。
【0151】
追加の実施形態
別の態様例では、ゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池が提供され、電池は以下の要素で構成される：
（１）少なくとも一方はガス透過性（即ちガス拡散電極）であり、０．４５ｍｍ厚未満（他の例では０．３０ｍｍ厚未満又は０．１３ｍｍ厚未満）の多孔性毛細管スペーサの両側に狭設される２つの電極、
（２）毛細管作用により内部に引き込まれて連続して保持される液体電解質を含む多孔性毛細管スペーサ、
（３）任意選択的に、任意選択的に上記（１）及び（２）に記載された電極－スペーサ－電極組立体から隔てられ又は離間され、液体電解質に浸され、又は液体電解質の槽と他の方法で液体接触する多孔性毛細管スペーサの端部であって、任意選択的に、多孔性毛細管スペーサはそれ自体、槽であり、又は槽を組み込む、多孔性毛細管スペーサの端部、
（４）電極－スペーサ－電極組立体の片側又は両側にある１つ又は複数の気体であって、任意選択的に、１つ又は複数の気体は液体電解質の槽から隔てられ、１つ又は複数の気体は各電極と気体連通する、１つ又は複数の気体、
（５）電池の動作中、反応物を供給し、産物を除去するために、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽に別個に接続された封止（液密／気密）された外部導管及び貯蔵ボリューム。
別の態様例では、ゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池が提供され、電池は以下の要素で構成される：
（１）少なくとも一方はガス透過性（即ちガス拡散電極）であり、０．４５ｍｍ厚未満（他の例では０．３０ｍｍ厚未満又は０．１３ｍｍ厚未満）の多孔性毛細管スペーサの両側に狭設される２つの電極、
（２）毛細管作用により内部に引き込まれて連続して保持される液体電解質を含む多孔性毛細管スペーサ、
（３）任意選択的に、任意選択的に上記（１）及び（２）に記載された電極－スペーサ－電極組立体から隔てられ又は離間され、液体電解質に浸され、又は液体電解質の槽と他の方法で液体接触する多孔性毛細管スペーサの端部であって、任意選択的に、多孔性毛細管スペーサはそれ自体、槽であり、又は槽を組み込む、多孔性毛細管スペーサの端部、
（４）電極－スペーサ－電極組立体の片側又は両側にある１つ又は複数の気体であって、任意選択的に、１つ又は複数の気体は液体電解質の槽から隔てられ、１つ又は複数の気体は各電極と気体連通する、１つ又は複数の気体、
（５）電池の動作中、反応物を供給し、産物を除去するために、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽に別個に接続された封止（液密／気密）された外部導管及び貯蔵ボリューム。
【0152】
好ましくは、多孔性毛細管スペーサは、多孔性材料で形成され、又は多孔性材料を含む。好ましくは、電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により液体電解質を引き込み、多孔性毛細管スペーサ内に液体電解質の最大カラム高さを維持する。好ましくは、最大カラム高さは、多孔性毛細管スペーサに対して狭設されるいずれか一方又は両方の電極を越える。好ましくは、液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも、第１のガス拡散電極の高さ以上である。好ましくは、最大カラム高さは、電池の上部の高さを越える。好ましくは、カラム高さを形成する液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの容積内に閉じ込められる。好ましくは、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池の全ての縁部まで及ぶ。好ましくは、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は妨げる。
【0153】
好ましくは、電池における電気化学反応の液相反応物又は産物は、多孔性毛細管スペーサ内部の液体電解質内の液相経路を辿る。好ましくは、電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の影響及び制御下で、液体電解質の槽へ又は該槽からの多孔性毛細管スペーサの長さに沿った「面内」移動により液相材料の移行を促進する。任意選択的に、少なくとも１つの電極は、液相毛細管作用の影響及び制御下で、電極表面に沿って且つ／又は電極表面の上方への液体電解質の薄膜の移行を促進する。好ましくは、第１の気体の第１のガスは、第１のガス拡散電極まで第１の気相経路を辿り、第１の気相経路は液相経路とは別である。好ましくは、第２の気体の第２のガスは、第２のガス拡散電極まで第２の気相経路を辿り、第２の気相経路は液相経路とは別である。
【0154】
好ましくは、電気化学反応中、液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、電解質充填された多孔性毛細管スペーサ内で作用して、（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、又は（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去し、又は（ｉｉｉ）除去しなければ電気化学反応に直接又は周辺的に関わる１つ又は複数の液相材料を常時導入／除去しなければ電気化学反応に直接又は周辺的に関わる１つ又は複数の液相材料を除去する。即ち、好ましくは、電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整している。任意選択的に、電気化学反応中、電極の表面上を移行する液体電解質の薄膜が関わる液相毛細管作用は、（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、又は（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去し、又は（ｉｉｉ）除去しなければ電気化学反応に直接又は周辺的に関わる１つ又は複数の液相材料を常時導入／除去しなければ電気化学反応に直接又は周辺的に関わる１つ又は複数の液相材料を除去するように作用する。即ち、好ましくは、電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整している。
【0155】
好ましくは、電気化学反応中、上記液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用により多孔性毛細管スペーサ内で誘導される流量は、電気化学反応を維持するのに十分である。任意選択的に、電気化学反応中、電極の表面上を移動する液体電解質の薄膜が関わる液相毛細管作用の流量は、電気化学反応を維持するのに十分である。
【0156】
別の非限定的な態様例は、ゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池を使用して化学産物又は電力を電気生成する方法を提供し、方法は、
（１）少なくとも一方はガス多孔性（即ちガス拡散電極）である２つの電極を、
（２）多孔性毛細管スペーサ（０．４５ｍｍ厚未満）の両側に対して狭設することで構成され、
（３）多孔性毛細管スペーサは内部に、液体電解質の槽から毛細管作用により引き込まれそこに常時保持される液体電解質を含み、
（４）多孔性毛細管スペーサの端部は、電解質の槽に浸され、又は代替的には、
多孔性毛細管スペーサは槽を組み込み、又は槽は存在せず、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池において連続液体のみを含み、
（５）気体は、電極－スペーサ－電極組立った幾つかの片側又は両側に存在し、
（６）電気化学反応に関わる液相材料は、毛細管、拡散、及び／又は浸透力の影響及び制御下で、槽／本体へ又は槽／本体からの多孔性毛細管スペーサの長さに沿った多孔性毛細管スペーサ内の「面内」移動により移行し、且つ／又は
電気化学反応に関わる液相材料は、毛細管の影響及び制御下で、槽／本体へ又は槽／本体からの少なくとも１つの電極の表面上の薄膜内で移行し、
（７）電池の動作中、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽に別個に接続する外部導管及び貯蔵ボリュームを介して、反応物が電池外部から常時供給／補充され、産物は電池外部に常時除去される。
（１）少なくとも一方はガス多孔性（即ちガス拡散電極）である２つの電極を、
（２）多孔性毛細管スペーサ（０．４５ｍｍ厚未満）の両側に対して狭設することで構成され、
（３）多孔性毛細管スペーサは内部に、液体電解質の槽から毛細管作用により引き込まれそこに常時保持される液体電解質を含み、
（４）多孔性毛細管スペーサの端部は、電解質の槽に浸され、又は代替的には、
多孔性毛細管スペーサは槽を組み込み、又は槽は存在せず、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池において連続液体のみを含み、
（５）気体は、電極－スペーサ－電極組立った幾つかの片側又は両側に存在し、
（６）電気化学反応に関わる液相材料は、毛細管、拡散、及び／又は浸透力の影響及び制御下で、槽／本体へ又は槽／本体からの多孔性毛細管スペーサの長さに沿った多孔性毛細管スペーサ内の「面内」移動により移行し、且つ／又は
電気化学反応に関わる液相材料は、毛細管の影響及び制御下で、槽／本体へ又は槽／本体からの少なくとも１つの電極の表面上の薄膜内で移行し、
（７）電池の動作中、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽に別個に接続する外部導管及び貯蔵ボリュームを介して、反応物が電池外部から常時供給／補充され、産物は電池外部に常時除去される。
【0157】
特徴の組合せ
種々の非限定的な実施態様例によれば、以下のポイントが、種々の電池、マルチセル積層体、システムの例、及び／又は動作方法例を提供する特徴の組合せを開示する。
種々の非限定的な実施態様例によれば、以下のポイントが、種々の電池、マルチセル積層体、システムの例、及び／又は動作方法例を提供する特徴の組合せを開示する。
【0158】
１．第１のガス拡散電極と、第２の電極と、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサとを備えた電気合成又は電気エネルギー電池。
【0159】
２．多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質に液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である、ポイント１に記載の電池。
【0160】
３．第１のガス拡散電極は、槽の外部に位置する、ポイント１又は２に記載の電池。
【0161】
４．第２の電極は槽の外部に位置する、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0162】
５．電池は電気合成水電解電池である、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0163】
６．第１のガス拡散電極は、第１の気体と直接接触する、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0164】
７．多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填される、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0165】
８．多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0166】
９．第１のガス拡散電極は、第１の気体に接触し、第１の気体に隣接する、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0167】
１０．第２のガス拡散電極は、第２の気体に接触し、第２の気体に隣接する、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0168】
１１．液体電解質は、毛細管効果により多孔性毛細管スペーサに閉じ込められ、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、先行するポイントのいずれかに記載の電池。
【0169】
１２．電気合成又は電気エネルギー電池であって、液体電解質を含むための槽と、槽の外部に位置する第１のガス拡散電極と、槽の外部に位置する第２の電極と、
第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質に液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である、電池。
第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に延出する端部を有する、多孔性毛細管スペーサとを備え、多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内の液体電解質に液体接触する場合、液体電解質でそれ自体を充填することが可能である、電池。
【0170】
１３．電気合成水電解電池であって、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２の電極と、液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置するように構成された多孔性毛細管スペーサであって、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は２μｍ超である、多孔性毛細管スペーサとを備える、電気合成水電解電池。
【0171】
１４．電気合成又は電気エネルギー電池であって、第１のガスを生成し、第１のガスを含む第１の気体と直接接触するように構成された第１のガス拡散電極と、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と接触し、第２の気体に隣接するように構成された第２のガス拡散電極と、第１のガス拡散電極と第２のガス拡散電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、液体電解質で充填され、毛細管効果により液体電解質を多孔性毛細管スペーサに閉じ込めるように構成され、それにより、液体電解質は０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する、多孔性毛細管スペーサとを備える、電気合成又は電気エネルギー電池。
【0172】
１５．第１のガス拡散電極及び第２の電極に液体電解質を接触させるステップと、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に電圧を印加又は生成するステップとを含む、電気化学反応を実行するための先行するポイントのいずれかに記載の電池の動作方法。
【0173】
１６．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0174】
１７．槽が液体電解質を含む場合、第１のガス拡散電極は、槽内の液体電解質から隔てられるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0175】
１８．槽が液体電解質を含む場合、第１のガス拡散電極は、槽の縁部において液体電解質に触れるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0176】
１９．槽が液体電解質を含む場合、第２の電極は、槽内の液体電解質から隔てられるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0177】
２０．槽が液体電解質を含む場合、第２の電極は、槽の縁部において液体電解質に触れるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0178】
２１．多孔性毛細管スペーサは、多孔性毛細管スペーサの端部が槽内に延出する前、液体電解質で充填される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0179】
２２．動作中、液体電解質が、まず槽から多孔性毛細管スペーサに沿って輸送された後でのみ、第１のガス拡散電極及び第２の電極に接触するように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0180】
２３．第１のガス拡散電極及び第２の電極は、槽から離間される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0181】
２４．多孔性毛細管スペーサと第１のガス拡散電極とが直接接触するエリアは、槽の外部であり、多孔性毛細管スペーサと第２の電極とが直接接触するエリアは、槽の外部である、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0182】
２５．槽は、多孔性毛細管スペーサが通る開口部を含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0183】
２６．動作中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質で覆われる表面積が、多孔性毛細管スペーサに面する第１のガス拡散電極の表面積に少なくとも等しく、又はそれを越えるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0184】
２７．第１のガス拡散電極及び第２の電極は各々、１０ｃｍ２以上の幾何学的表面積を有する側面を有する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0185】
２８．第１のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0186】
２９．第１のガス拡散電極は、第１の気体を形成する第１のガスを生成するように構成され、多孔性毛細管スペーサの第１の側面は第１のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、多孔性毛細管スペーサの第２の側面は第２の電極の第１の側面に隣接し、第１のガス拡散電極の第２の側面は第１の気体に隣接する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0187】
３０．第２の電極は第２のガス拡散電極である、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0188】
３１．第２のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0189】
３２．第２のガス拡散電極は、第２の気体を形成する第２のガスを生成するように構成され、第２のガス拡散電極の第２の側面は第２の気体に隣接する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0190】
３３．動作中、第１のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部が、第１の気体と直接気相接触し、第２のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部が、第２の気体と直接気相接触するように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0191】
３４．第１のガス拡散電極の第２の側面内又は上に少なくとも部分的に位置するガス毛細管構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0192】
３５．第２のガス拡散電極の第２の側面内又は上に少なくとも部分的に位置する第２のガス毛細管構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0193】
３６．電池はゼロギャップ電池であり、それにより、多孔性毛細管スペーサは、０．４５ｍｍ未満の厚さ、好ましくは０．３０ｍｍ未満の厚さ、より好ましくは０．１３ｍｍ未満の厚さである、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0194】
３７．多孔性毛細管スペーサの平均孔径は、２μｍ超且つ４００μｍ未満である、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0195】
３８．多孔性毛細管スペーサの平均孔径は、４μｍ超且つ４００μｍ未満、６μｍ超且つ４００μｍ未満、８μｍ超且つ４００μｍ未満、１０μｍ超且つ４００μｍ未満、２０μｍ超且つ４００μｍ未満、又は３０μｍ超且つ４００μｍ未満である、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0196】
３９．多孔性毛細管スペーサは、第１のガス拡散電極、第２の電極、及び槽の間に流路を提供する複数の孔を含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0197】
４０．多孔性毛細管スペーサは、槽に流体接続される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0198】
４１．多孔性毛細管スペーサは、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、フッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、窒素含有材料、ガラス繊維、ケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、セルロース含有材料、ポリカーボネート、カーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、スルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、スルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、オレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、セラミック材料、ポリ塩化ビニル、ビニル系材料、ゴム、多孔性電池セパレータ、及びクレイを含む群から選択される１つ又は複数の材料で少なくとも部分的に構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0199】
４２．外部筐体を更に含み、外部筐体は、液体を電池に導入し且つ／又は電池から液体を除去するための少なくとも１つの外部液体導管を提供する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0200】
４３．第１の気体と気体連通する少なくとも１つの外部ガス導管を提供する外部筐体を更に含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0201】
４４．液体電解質は水性であり、多孔性毛細管スペーサが液体電解質で充填される場合、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、８ｃｍ超の高さで毎分当たり水０．００１４ｇ超の流量で流れる、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0202】
４５．動作中、第１の気体は、３バールゲージ超、好ましくは４バールゲージ超、より好ましくは５バールゲージ超の圧力を有するように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0203】
４６．第１のガス拡散電極及び第２の電極は、多孔性毛細管スペーサに対して２バール超、好ましくは３バール超、より好ましくは４バール超で圧縮される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0204】
４７．多孔性毛細管スペーサは、６０％超、好ましくは７０％超、最も好ましくは８０％の多孔性を有する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0205】
４８．動作中、連続気相路が、断面軸における第１のガス拡散電極の活性面と第１の気体との間に存在し、それにより、第１のガスの目に見える気泡が、第１のガス拡散電極の活性面の少なくとも一部で生成されないように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0206】
４９．ガスハンドリング構造体であって、
第１のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第１のガス拡散電極内、
第１のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は
第１のガス拡散電極の一部
に位置するガスハンドリング構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
第１のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第１のガス拡散電極内、
第１のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は
第１のガス拡散電極の一部
に位置するガスハンドリング構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0207】
５０．第２の電極は、第２のガスを生成し、第２のガスを含む第２の気体と直接接触するように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0208】
５１．多孔性毛細管スペーサが液体電解質で充填される場合、多孔性毛細管スペーサは、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は防止するように構成され、ベンチマークガスクロスオーバを２％未満に維持する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0209】
５２．第２のガスハンドリング構造体であって、
第２のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第２のガス拡散電極内、
第２のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は
第２のガス拡散電極の一部
に位置する第２のガスハンドリング構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
第２のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第２のガス拡散電極内、
第２のガス拡散電極又はその近傍、及び／又は
第２のガス拡散電極の一部
に位置する第２のガスハンドリング構造体を含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0210】
５３．動作中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池内の液体電解質の連続体のみを含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0211】
５４．電池は、外部液体導管を含まず、液体電解質及び／又は液相反応物及び／又は産物が、ガス流内の蒸気の形態で電池内又は外に輸送されるように構成され、蒸気は、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質に凝縮又は液体電解質から気化する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0212】
５５．多孔性毛細管スペーサの端部は、槽内に位置する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0213】
５６．槽は液体電解質で充填されるように構成され、多孔性毛細管スペーサの端部は、液体電解質に接触するように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0214】
５７．多孔性毛細管スペーサは、少なくとも毛細管作用により液体電解質を多孔性毛細管スペーサに沿って輸送するように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0215】
５８．多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により液体電解質を多孔性毛細管スペーサに沿って輸送するように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0216】
５９．動作中、電池は、多孔性毛細管スペーサ内で生じる毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により自己調整される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0217】
６０．多孔性毛細管スペーサは、液体電解質で充填され、室温で１４０ｍΩｃｍ２未満のイオン抵抗を有するように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0218】
６１．動作中、第１のガス拡散電極が、０．１２５ｍｍ厚、好ましくは０．１１ｍｍ厚未満、より好ましくは０．１０ｍｍ厚未満の液体電解質の薄膜で覆われるように構成される先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0219】
６２．多孔性毛細管スペーサの平均孔径は４００μｍ未満である、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0220】
６３．多孔性毛細管スペーサの平均孔径は約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、又は約１０μｍである、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0221】
６４．先行するポイントのいずれかに記載の電池を複数含み、それにより、複数の電池は電気的に接続され、好ましくは電気的に直列接続される、水電解マルチセル積層体。
【0222】
６５．液体電解質を含み、動作中、多孔性毛細管スペーサの下にあるように構成された槽を更に備え、多孔性毛細管スペーサの少なくとも先端部は、槽内の液体電解質と接触する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0223】
６６．外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0224】
６７．動作中、電池内の液体電解質、電気化学反応の液相反応物、及び／又は電気化学反応の液相産物が、少なくとも１つの外部液体導管を介して電池内又は外に輸送され、少なくとも１つの外部液体導管が外部液体貯蔵システムと流通するように構成された先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0225】
６８．動作中、電池内の電気化学反応の液相反応物又は産物は、多孔性毛細管スペーサ内部の液体電解質内の液相経路を辿るように構成された先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0226】
６９．動作中、第１の気体の第１のガスが、第１のガス拡散電極まで第１の気相経路を辿り、第１の気相経路が液相経路とは別個であるように構成された先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0227】
７０．動作中、第２の気体の第２のガスが、第２のガス拡散電極まで第２の気相経路を辿り、第２の気相経路が液相経路とは別個であるように構成された先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0228】
７１．多孔性毛細管スペーサが液体電解質で充填される場合、多孔性毛細管スペーサは、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は妨げるように構成され、ベンチマークガス交差を２％未満に維持する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0229】
７２．動作中、気泡が第１のガス拡散電極の少なくとも一部又は第２のガス拡散電極の少なくとも一部で見えないように構成された先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0230】
７３．外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を更に提供し、動作中、第１のガスが少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送されるように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0231】
７４．少なくとも１つの外部第１ガス導管は、外部第１ガス貯蔵システムと気体連通する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0232】
７５．外部筐体は少なくとも１つの外部第２ガス導管を更に提供し、動作中、第２のガスが少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送されるように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0233】
７６．少なくとも１つの外部第２ガス導管は、外部第２ガス貯蔵システムと気体連通する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0234】
７７．槽は、第１の液体を含むように構成された第１の容積と、第２の液体を含むように構成された第２の容積と、第１の容積と第２の容積とを隔てる半透過性膜とを備える、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0235】
７８．多孔性毛細管スペーサの先端部は、第１の容積に位置し、動作中、第１の液体は液体電解質であり、第２の液体は第１の液体と異なるように構成される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0236】
７９．２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0237】
８０．液体電解質を含むように構成された２つ以上の槽を含み、２つ以上の多孔性毛細管スペーサの各々の先端部は、２つ以上の槽の１つ内に位置する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0238】
８１．先行するポイントのいずれかに記載の電池を複数含み、動作中、複数の電池の各々の第２の液体が、複数の電池の各々の第２の容積に接続された共通の供給又は除去パイプを介して液通するように構成された電気合成又は電気エネルギーマルチセル積層体。
【0239】
８２．多孔性毛細管スペーサに、少なくとも毛細管作用により層からの液体電解質を充填することを含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0240】
８３．多孔性毛細管スペーサの端部が槽内に位置する前、多孔性毛細管スペーサに液体電解質を充填することを含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0241】
８４．液体電解質が多孔性毛細管スペーサに沿って輸送された後、第１のガス拡散電極及び第２の電極を液体電解質と接触させることを含む先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0242】
８５．動作中、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0243】
８６．電池は電気合成電池であり、電気化学反応は、電気合成電池から離れて外部に輸送される化学産物を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0244】
８７．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、液体電解質は、少なくとも１つの外部液体導管を介して槽内又は外に輸送される、先行するポイントのいずれに記載の電池又は方法。
【0245】
８８．少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0246】
８９．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0247】
９０．少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0248】
９１．外部液体導管が存在せず、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物が、ガス流内の蒸気の形態で電池内又は外に輸送されることを更に含む、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0249】
９２．槽は、多孔性毛細管スペーサの一部として一体化され、蒸気は、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質から気化する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0250】
９３．電池は、第１のガス拡散電極及び第２の電極を通して、１Ａｍｐ以上、好ましくは１．５Ａｍｐ以上、より好ましくは２Ａｍｐ以上、及びより好ましくは２．５Ａｍｐ以上の電流を使用して動作する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0251】
９４．電池は少なくとも２４時間連続して動作する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0252】
９５．多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により多孔性毛細管スペーサ内に液体電解質を引き込み、カラム高さの液体電解質を維持する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0253】
９６．液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0254】
９７．電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0255】
９８．多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下にある、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0256】
９９．電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0257】
１００．交差平面軸からの液相材料の移動は、槽内の液体電解質の組成によって自己調整される、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0258】
１０１．交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0259】
１０２．液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0260】
１０３．電気化学反応は、窒素及び水素からアンモニアを生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0261】
１０４．電気化学反応はアンモニア及び酸素から電気を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0262】
１０５．電気化学反応はアンモニアから水素及び窒素を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0263】
１０６．電気化学反応は、反応物としてＮＯＸを使用する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0264】
１０７．電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0265】
１０８．電気化学反応は、塩水から塩素及び苛性物質を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0266】
１０９．電気化学反応は、塩酸から塩素及び水素を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0267】
１１０．電気化学反応は、水素及び酸素から電気エネルギーを生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0268】
１１１．電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0269】
１１２．電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する、先行するポイントのいずれかに記載の電池又は方法。
【0270】
電池例は、（１）アンモニア生成、（２）塩素アルカリプロセス及びその変形（例えば、酸素脱分極塩素アルカリプロセス及びＨＣｌリサイクル反応を含む）による塩素生成、（３）電気の燃料電池生成、（４）水電解質による水素生成、及び（５）水素精製を含め、幾つかの主な産業プロセスで使用することができる。
【0271】
電気合成又は電気エネルギー電池として産業で有用であるためには、電池例での電極１２５及び１３５は、電池の動作中、１アンペア以上の電流を流し得る。そのような電流を達成するために、電極１２５及び１３５は、１０ｃｍ２以上の幾何学的表面積を有し得る。エネルギー効率的であり、動作中、低電気抵抗を維持するために、電極１２５及び１３５は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板等の低電気抵抗で高電流を伝導可能な電流キャリアを含み得る。即ち、第１のガス拡散電極１２０は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含み得、且つ／又は第２のガス拡散電極１３０は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含み得る。産業で有用であるためには、そのような電池は１回で少なくとも２４時間途切れずに又は連続して動作し得る。
【0272】
好ましい実施形態の電池に存在し得る特徴
反応ゾーン／交差平面軸内及び外への別個の液相及び気相分子レベル移行
図４は、電池１０等の一例の電気合成又は電気エネルギー電池内の電極－スペーサ－電極組立体１３９の一部の拡大を示す。電池１０内の電気化学反応は、第１の電極１２０及び第２の電極１３０において又は第１の電極１２０と第２の電極１３０との間で生じる。図４の例では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、ガス拡散電極である－即ち、多孔性であり、ガスを透過する。
反応ゾーン／交差平面軸内及び外への別個の液相及び気相分子レベル移行
図４は、電池１０等の一例の電気合成又は電気エネルギー電池内の電極－スペーサ－電極組立体１３９の一部の拡大を示す。電池１０内の電気化学反応は、第１の電極１２０及び第２の電極１３０において又は第１の電極１２０と第２の電極１３０との間で生じる。図４の例では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、ガス拡散電極である－即ち、多孔性であり、ガスを透過する。
【0273】
多孔性毛細管スペーサ１１０に隣接して位置し、当接し、狭設され、又は積層される電極表面に沿った各場所で、電気化学反応は電極において生じ、電極によって交換される液相イオン、中間体、又は分子は、第１の電極１２０と第２の電極１３０との間の経路１８０に沿って移動、経路１８０内を移動、又は経路１８０に大方閉じ込められる。複数のそのような経路１８０は、２つの電極１２０、１３０の全長の下方に存在する。明確にするために、図４は多くの経路１８０のうちの少数の経路１８０のみを示す。見て分かるように、これらの経路１８０は「交差平面」方向を辿る。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０の平面に直交し、大方多孔性毛細管スペーサ１１０内にある。このため、電池における全ての経路１８０の累積組合せは、「交差平面」軸（「反応ゾーン」とも呼ばれる）を構成すると言える。
【0274】
電気化学反応は典型的には、交差平面軸において反応物を消費し、産物を生成する。即ち、一般に、累積経路１８０内で反応物は消費され、産物は生成される。消費されると、電気化学反応を維持するために、反応物を補充する必要がある。補充を行うために、新しい反応物が交差平面軸外部から交差平面軸に移動する必要がある。この移動は、電気化学反応が維持されるべき場合、連続して行われる必要がある。同様に、電気化学反応を維持するためには、交差平面軸で生成された産物をそこから離れて移動させる必要がある。産物が交差平面軸に蓄積する場合、電気化学反応は妨げられ得、又は完全に停止し得る。
【0275】
好ましい実施形態では、液相反応物又は産物（又は同様にして電気化学反応に関わる他の液相材料）は、多孔性毛細管スペーサ１１０に存在する液体電解質１００内の移行により、経路１９０を辿って交差平面軸内又は外に移動し得る。そのような移行は、槽１４０への移行又は槽１４０からの移行であり得る。即ち、液相反応物又は産物は、「面内」方向において経路１９０を辿り得、経路１９０は、多孔性毛細管スペーサ１１０内部の液体電解質１００内にある。
【0276】
そのような移行は、毛細管、拡散、及び／又は浸透作用の影響又は制御下で自発的に生じ得る。毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は典型的には、交差平面軸内の電解質の濃度及び組成の、主に槽１４０内の液体電解質を構成し得る電解質の残りの部分での濃度及び組成に対する差によって駆動される。槽１４０は、システム内の液体電解質の圧倒的大部分を構成し得、それにより、好ましい実施形態では、その組成及び濃度は効率的に、
（ｉ）毛細管、拡散、及び／又は浸透作用が、電気化学反応によって生じた交差平面軸における電解質の濃度及び組成への変化を打ち消す速度を制御し、
（ｉｉ）電気化学反応が停止すると、交差平面軸内を含め、電池全体を通しての液体電解質の最終的な平衡状態を決定
し得る。実際には、槽１４０における液体電解質１００の存在及び交差平面軸への（多孔性毛細管スペーサ１１０を介した）連続液体接続の存在は、交差平面軸内及び外への液相材料の移動を制御し調整し得る。
（ｉ）毛細管、拡散、及び／又は浸透作用が、電気化学反応によって生じた交差平面軸における電解質の濃度及び組成への変化を打ち消す速度を制御し、
（ｉｉ）電気化学反応が停止すると、交差平面軸内を含め、電池全体を通しての液体電解質の最終的な平衡状態を決定
し得る。実際には、槽１４０における液体電解質１００の存在及び交差平面軸への（多孔性毛細管スペーサ１１０を介した）連続液体接続の存在は、交差平面軸内及び外への液相材料の移動を制御し調整し得る。
【0277】
拡散及び浸透に関する重要な備考：本明細書では、「拡散」及び「浸透」という用語は、多孔性毛細管スペーサ、例えば多孔性毛細管スペーサ１１０内の液相材料の正味運動を生じさせるプロセスを説明するために同義で使用されてきた。この等価の理由は、多孔性材料である幾つかの例の多孔性毛細管スペーサ内で、溶質の拡散は水の拡散よりも自由度が低いことがあるためである。即ち、幾つかの多孔性毛細管スペーサ例では、水の運動は溶質の運動よりも有利に働くことがあり、これは潜在的に、拡散効果ではなくむしろ浸透である。この可能性を包含し、記述的に包含的であるために、多孔性毛細管スペーサ内の液相材料の運動を生み出す拡散作用及び／又は浸透作用を区別しなかった。逆に、溶質及び水の運動は一般に、液体電解質の槽内では常に等しい自由度を有する。
【0278】
例えば、一実施形態例による水素酸素燃料電池では、交差平面軸において産物として水が生成され得る。水は、形成されるにつれて、通常、交差平面軸における電解質を漸次希釈し、それにより、イオン抵抗が増大し、それにより、電池のエネルギー効率が低下する。しかしながら、多孔性毛細管スペーサ１１０に液体電極１００の連続体があるため、交差平面軸を、例えば槽１４０と接続することで、毛細管、拡散、及び／又は浸透は希釈の影響を自発的に打ち消す。即ち、毛細管、拡散、及び／又は浸透により、交差平面軸における余剰な水は自発的に、多孔性毛細管スペーサ１１０から下方に槽１４０に向けて移行し得、その間、多孔性毛細管スペーサ１１０及び槽１４０内の溶質は上方に交差平面軸に向かって移行する。これらの作用は、交差平面軸内の電解質の濃度及び組成の、槽１４０の液体電解質で大半が構成される電解質の残りの部分の濃度及び組成に対する差により駆動し得る。交差平面軸で生じる希釈が大きいほど、上記作用は高速で進み得る。このようにして、交差平面軸からの液相産物の移動は、多孔性毛細管スペーサ１１０及び任意の関連する槽１４０内の液体電解質の濃度及び／又は組成によって「自己調整」し得る。
【0279】
同じように、毛細管、拡散、及び浸透は、自己調整様式で、電気化学反応に起因して、交差平面軸における電解質の組成及び濃度で生じる任意の他の変化を打ち消し得る。これは例えば、液相材料の消費及び交差平面軸における電解質中の液相材料への化学変化を含む。
【0280】
逆に、気相移動は、液体移動に対して直交方向で生じ得る。第１の電極１２０及び第２の電極１３０が両方とも多孔性ガス拡散電極である場合、気相反応物又は産物（又は電気化学反応に関わる他の気相材料）は、気体１２５及び１３５と多孔性毛細管スペーサ１１０との間の第１のインタフェース１２６及び第２のインタフェース１３６のそれぞれにわたる連続気体１２５及び１３５への又はからの移行のそれぞれにより、交差平面軸内又は外に移動し得る。これらの移動は経路２００を辿る。電極１２０、１３０の長さを下る複数のそのような経路２００があり得る。これらの移行は、第１の電極１２０及び第２の電極１３０のそれぞれを通して、気体１２５、１３５への及びからの毛細管力及び／又は拡散の影響及び制御下で自発的に生じ得る。
【0281】
ガスは、高分圧領域から低分圧領域に自発的に拡散することが周知であり、拡散速度は分圧差によって駆動される。拡散プロセスは典型的には、分圧が両方の場所で等化されるまで続き、速度は分圧差に依存する。したがって、電極反応ゾーンへのガス反応物の供給を選択電極反応ゾーンからのガス産物の除去は、液相反応物又は産物の移動とは別個に生じ得、独立して「自己調整」し得る。更に、一方の電極と関連する反応ゾーンへのガス反応物の供給又は該反応ゾーンからのガス産物の除去は、他方の電極と関連する反応ゾーンへのガス反応物の供給又は該反応ゾーンからのガス産物の除去と別個に生じ得るとともに、独立して「自己調整」することもできる。
【0282】
気相及び液相の反応物及び産物を互いに分離し、互いに干渉しないようにするために、経路を提供するに当たり、好ましい実施形態の電池は、多くの電気化学電池で生じる「多相逆流」の現象を回避又は最小に抑えることもできる。多相逆流は、電池内の気相種の流れと逆行し抵抗する液相種の分子レベル移動を含む。例えば、多くの水電解電池では、電極表面への液相反応物（水）の移動は、電極表面から離れる気相産物（例えば水素及び酸素）の移動に逆行し抵抗し得る。その結果としての多相逆流は、電池動作に深刻な複雑性を生み出し得る。例えば、ガス－液体混合の泡又は発泡体を生成し得、その物質の２相はガス－液体セパレータタンクにおいてもつれを解く必要がある。この種の多相逆流は、相殺流の強度により、例えば、電極が反応物に飢え得るか、又は産物が電極に過度に蓄積し得る限りにおいて、質量輸送制限を生み出す恐れもある。これらの種類の非効率性は、非効率的な電池動作に繋がり、解消にエネルギーを必要とし得る。
【0283】
少なくとも１つの別個の独立し非干渉の経路が、電池内の各気相及び液相反応物及び産物の分子レベル移動（流れ）に存在するガス－液体電池は、「独立経路電池」と呼ぶことができる。多相逆流を回避又は最小にするに当たり、独立経路電池は、多相逆流が生み出す非効率性を回避又は最小に抑えることもできる。実施形態例の電池は独立経路電池であり得る。
【0284】
電池動作は「自己調整」され得る
したがって、電極１２０又は１３０において消費又は生成されるガスは、経路２００に沿って気体１２５及び１３５のそれぞれと直接気相接触し得る。気体１２５及び１３５は、システム内の各ガスの大半を含むため、気体１２５及び１３５の組成及び圧力は、各電極１２０及び１３０への及びからのガス輸送速度を制御し調整し得る。毛細管及び拡散は、自己調整様式で、電気化学反応に起因して、電極及び交差平面軸におけるガスの組成及び濃度で生じる変化を打ち消すように動作し得る。
したがって、電極１２０又は１３０において消費又は生成されるガスは、経路２００に沿って気体１２５及び１３５のそれぞれと直接気相接触し得る。気体１２５及び１３５は、システム内の各ガスの大半を含むため、気体１２５及び１３５の組成及び圧力は、各電極１２０及び１３０への及びからのガス輸送速度を制御し調整し得る。毛細管及び拡散は、自己調整様式で、電気化学反応に起因して、電極及び交差平面軸におけるガスの組成及び濃度で生じる変化を打ち消すように動作し得る。
【0285】
逆に、液相材料は、気相材料が交差平面軸内及び外に移動し得る経路２００に直交（即ち９０°傾斜）し、経路２００から分離された経路１９０に沿って交差平面軸内及び外に移動し得る。
【0286】
更に、経路１９０は、液相材料の移行制御に最適な相である連続液相が関わり得、一方、経路２００は、気相材料の移行制御に最適な相である連続気相が関わり得る。
【0287】
したがって、実施形態例の重要な特徴は、交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路を分離し得、別に配置し得、独立し得ることである。それらの移行経路にはまた、移行を制御し調整するのに最適な物質相が関わり得る。そうするに当たり、互いへの干渉を回避し得、その結果、独立した調整を受けることができる。
【0288】
別の重要な特徴は、経路１９０及び２００に沿った交差平面軸内及び外の液相材料及び気相材料の移動のそれぞれが、電池内の条件変化を含め、本質的に電池内の条件に応答するプロセスにより制御し得る。即ち、毛細管、拡散、及び浸透プロセスは、存在する濃度及び分圧の差に応答して自発的に変わり得る共通の性質を有する。したがって、これらのプロセスは、「自己調整」し得、これは電池全体を自己調整にさせ得る。
【0289】
例えば、電気化学反応中に消費する必要がある反応物が不十分になる場合、これは、濃度差又は分圧差が大きくなることとして現れ得、そのようなプロセスに必要とされる反応物供給を自動的に上げさせる。逆に、十分な反応物が存在する場合、濃度差又は分圧差は低下し得、それにより反応物の供給は低下し得る。
【0290】
電解質の毛細管誘導移動は、電極に沿って上方に促進し得る
うまく分離されている間、非干渉液相経路及び気相経路は好ましい実施形態の特徴であり、厳密にそのような経路は上記多孔性毛細管スペーサ１１０内にある必要はなく（液相）、気体（１２５及び１３５）と対応する電極（１２０及び１３０のそれぞれ）との間のインタフェースにある必要はない（気相）ことを理解されたい。別個であり、干渉しない任意の液相経路又は気相経路は、好ましい実施形態内にあり、有利に採用し得る。そのような経路が別個であり干渉しない場合、それはなお自己調整であり得る。
うまく分離されている間、非干渉液相経路及び気相経路は好ましい実施形態の特徴であり、厳密にそのような経路は上記多孔性毛細管スペーサ１１０内にある必要はなく（液相）、気体（１２５及び１３５）と対応する電極（１２０及び１３０のそれぞれ）との間のインタフェースにある必要はない（気相）ことを理解されたい。別個であり、干渉しない任意の液相経路又は気相経路は、好ましい実施形態内にあり、有利に採用し得る。そのような経路が別個であり干渉しない場合、それはなお自己調整であり得る。
【0291】
したがって、例えば、上述したように、図２に示される構造を有する好ましい実施形態では、槽内の液体電解質は、電解質と物理的に接触し得、電極に沿って反応ゾーンまで上方に移動するように誘導され得る。
【0292】
上記タイプの毛細管作用は一般に、電極及びその孔を充填して溢れさせ、それにより、電極への又は電極からのガス移動を妨げ／干渉し、電池のエネルギー効率を多くの場合はかなり低下させる。
【0293】
しかしながら、驚くべきことに、比較的開かれた構造／大きな孔を有する多孔性電極（例えばガス拡散電極）が、電極表面上の液体電解質の薄い層のみの上方の毛細管誘導移動を促進し得ることが発見されている。そのような層は、ガス移動（反応に依存する）への衝突を回避するのに十分に薄いことができる。即ち、そのような移動は、例えば電極の濡れ性を改善し、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質の維持を助けるに当たり有利な効果を有する非干渉液相経路を構成し得る。
【0294】
更に、液体電解質の薄い層の上方の毛細管誘導移動を促進するそのような薄い親水性又は超親水性層で被膜することにより、電極表面を変更し得ることが発見されている。幾つかの場合、並外れて急速な上方流量及び最大カラム高さを達成可能なことが証明されている。これは、電極の濡れ性を改善し、電池の上方の場所に多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質を維持するのを助けるために特に有利であり得る。
【0295】
更に、そのような親水性又は超親水性層は、触媒から作製し得る。即ち、親水性層又は超親水性層は、電極の触媒層であることもできる。液体電極の薄い層でのみ覆われる場合、そのような触媒層は幾つかの有利な効果を示し得る。例えば、ガスは、気泡を生成せずに触媒層により生成し得る。これは、「無泡」ガス生成として知られており、より詳細に以下説明する。
【0296】
更に、この種の親水性又は超親水性層は、独立した非干渉経路を介して反応ゾーン内又は外へのガス移動を促進する「ガスハンドリング構造体」を組み込むように作製し得る。ガスハンドリング構造体についてより詳細に以下説明する。
【0297】
したがって、薄膜として電極内の毛細管に沿って上方に多孔性毛細管スペーサ１１０又は電極１２０若しくは１３０まで移動するように誘導された液体電解質は、
（ｉ）電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に、液体電解質で充填された多孔性毛細管スペーサ１１０及び／又は
（ｉｉ）動作中、電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に完全に濡れた電極
の維持を助ける非干渉液相経路を構成し得る。
（ｉ）電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に、液体電解質で充填された多孔性毛細管スペーサ１１０及び／又は
（ｉｉ）動作中、電池内の上方の場所を含む全ての場所で常に完全に濡れた電極
の維持を助ける非干渉液相経路を構成し得る。
【0298】
好ましい実施形態では、液体の「薄い層」は０．１２５ｍｍ厚未満であり得る。他の例では、１．５ｍｍ厚未満、１．０ｍｍ厚未満、０．７ｍｍ厚未満、０．５ｍｍ厚未満、０．３ｍｍ厚未満、又は０．２ｍｍ厚未満であり得る。他の例では、０．１ｍｍ厚未満、０．０５ｍｍ厚未満、０．０２５ｍｍ厚未満、０．０１ｍｍ厚未満、０．００５ｍｍ厚未満、０．００１ｍｍ厚未満、０．００００１ｍｍ厚未満、又は０．０００００１ｍｍ厚未満であり得る。
【0299】
したがって、毛細管作用による好ましくは１分当たり０．５ｃｍ超の速度での電極表面上の液体電解質１００の移動を促進する電極１２０又は１３０が提供される。他の例では、移動速度は、１分当たり１ｃｍ超、１分当たり１．５ｃｍ超、１分当たり２ｃｍ超、１分当たり２．５ｃｍ超、１分当たり３ｃｍ超、１分当たり３．５ｃｍ超、１分当たり４ｃｍ超、又は１分当たり５ｃｍ超であり得る。
【0300】
多孔性毛細管スペーサ１１０を用いて、液体補充／維持のための非干渉気相経路が可能であり得る
これも上述したように、液体電解質を補充／維持するための気相経路は一般に、存在する他の気相経路に干渉するが、それは驚くべきことに、多孔性毛細管スペーサ１１０が使用される場合では干渉しない。
これも上述したように、液体電解質を補充／維持するための気相経路は一般に、存在する他の気相経路に干渉するが、それは驚くべきことに、多孔性毛細管スペーサ１１０が使用される場合では干渉しない。
【0301】
したがって、図３に示されるタイプの電池３０の実施形態では、多孔性毛細管スペーサ１１０が電極間セパレータとして採用される場合、水蒸気を導入し、又は気体１２５又は１３５の一方又は両方から水蒸気を除去することにより、別個に且つ干渉せずに液体電解質を補充又は維持することが可能であり得ることが発見されている。
【0302】
これは、多孔性毛細管スペーサ１１０が多孔性毛細管スペーサ内に閉じ込められた液体電解質の連続体を含むためであり得る。他の電極間セパレータは、存在する液体電解質のそのような連続し閉じ込められた液体を有さなくてよい。水蒸気は好ましくは、連続した液体において液化又は連続した液体から気化し得る。更に、水性電解質の連続体において液化した任意の水蒸気は、毛細管力によりスペーサ１１０に閉じ込め得、それにより、ガス反応物／産物を溢れさせないこと又はガス反応物／産物によるアクセスから電極をブロックしないことを保証する。
【0303】
したがって、水蒸気が気体１２５又は１３５に導入／気体１２５又は１３５から除去される別個の非干渉経路を介して、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質を補充／維持することも可能である。生成された経路が真に別個であり、他の液相又は気相経路に干渉しない場合、それはなお自己調整であるべきである。
【0304】
電極を濡らすには、電極毛細管現象及び多孔性毛細管スペーサに対する電極の圧縮が関わり得る
上述したように、実施形態の電池の好ましい特徴は、電極１２０又は１３０のそれぞれとのインタフェース１２６ａ又は１３６ａにおいて十分な液体電解質１００が多孔性毛細管スペーサ１１０から解放されて、反応のためにその電極１２０又は１３０を濡らすことである。このために、電極１２０又は１３０は、液体電解質１００に向けた多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管作用よりも強い、液体電解質１００に向けた毛細管作用をインタフェース１２６ａ又は１３６ａを示す必要があり得る。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０は、液体電解質１００を引き込み、それ自体を液体電解質１００で充填するために、毛細管作用を採用する。多孔性毛細管スペーサ１１０に対して狭設された電極１２０又は１３０は、液体電解質１００を引き込み、多孔性毛細管スペーサ１１０内に保持された液体電解質１００でそれ自体を濡らすために、インタフェース１２６ａ又は１３６ａにおいてより強い毛細管作用を必要とし得る。
上述したように、実施形態の電池の好ましい特徴は、電極１２０又は１３０のそれぞれとのインタフェース１２６ａ又は１３６ａにおいて十分な液体電解質１００が多孔性毛細管スペーサ１１０から解放されて、反応のためにその電極１２０又は１３０を濡らすことである。このために、電極１２０又は１３０は、液体電解質１００に向けた多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管作用よりも強い、液体電解質１００に向けた毛細管作用をインタフェース１２６ａ又は１３６ａを示す必要があり得る。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０は、液体電解質１００を引き込み、それ自体を液体電解質１００で充填するために、毛細管作用を採用する。多孔性毛細管スペーサ１１０に対して狭設された電極１２０又は１３０は、液体電解質１００を引き込み、多孔性毛細管スペーサ１１０内に保持された液体電解質１００でそれ自体を濡らすために、インタフェース１２６ａ又は１３６ａにおいてより強い毛細管作用を必要とし得る。
【0305】
したがって、電極１２０又は１３０も、液体電解質１００に向けた毛細管作用を示すこともできる。毛細管作用は、インタフェース１２６ａ又は１３６ａで充填された多孔性毛細管スペーサ１００の毛細管圧よりも高い毛細管圧を含み得る。好ましくは、電極１２０又は１３０の毛細管圧は、インタフェース１２６ａ又は１３６ａのそれぞれにおいて多孔性毛細管スペーサ１００の毛細管圧よりも少なくとも１０ミリバール大きい。他の例では、２０ミリバール超大きく、５０ミリバール超大きく、７５ミリバール超大きく、１００ミリバール超大きく、２００ミリバール超大きく、５００ミリバール超大きく、１バール超大きく、２バール超大きい。
【0306】
電極１２０及び１３０を多孔性毛細管スペーサ１１０に対して圧縮することにより、電極濡れ性を促進し得ることが更に発見されている。この種の電極圧縮は、インタフェース１２６ａ又は１３６ａのそれぞれにおいて、電極１２０又は１３０と多孔性毛細管スペーサ１１０との間に緊密な接触があることを保証することにより、電極濡れ性の発生及び維持を助け得る。即ち、液相種が多孔性毛細管スペーサ１１０から電極１２０又は１３０にそれぞれ移動する液相経路における混乱を回避し得る。圧力の影響を受けやすい薄膜を使用した実験により、この種の電極圧縮が好ましくは８～２０バールの範囲であることが示される。他の例では、電極圧縮は６～８バール、４～６バール、又は２～６バールの範囲であり得る。他の例では、電極圧縮は２０～２５バール、２５～３０バール、３０～３５バール、又は３５～５０バールの範囲であり得る。
【0307】
電極内、電極、又は電極近傍でのガス毛細管又はガスハンドリング構造体
あまりよく知られていないが、毛細管現象は気相材料でも観測し得る。そのような場合、ガスは、通常は液体で充填されることが予期される狭いスペースに自発的に流入するように誘導され得る。これは例えば、毛細管が水銀プールに浸された場合、見ることができる。管内部の液体水銀のメニスカスは典型的には、管外部の水銀の高さよりも低い高さに移動する。より実用的な用途では、例えば、脱気板又は多孔性疎水性膜による溶液からのガスの自発的な抽出において見ることもできる。ガスを液体から自発的に引き込み、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示す任意の構造体をガス毛細管構造体と呼ぶことができる。
あまりよく知られていないが、毛細管現象は気相材料でも観測し得る。そのような場合、ガスは、通常は液体で充填されることが予期される狭いスペースに自発的に流入するように誘導され得る。これは例えば、毛細管が水銀プールに浸された場合、見ることができる。管内部の液体水銀のメニスカスは典型的には、管外部の水銀の高さよりも低い高さに移動する。より実用的な用途では、例えば、脱気板又は多孔性疎水性膜による溶液からのガスの自発的な抽出において見ることもできる。ガスを液体から自発的に引き込み、ガス摂取と関連する測定可能な毛細管圧を示す任意の構造体をガス毛細管構造体と呼ぶことができる。
【0308】
ガス毛細管構造体は、電池内の他の分子レベルの液相移動又は気相移動に干渉せず、それらの移動から独立した経路に沿って、交差平面軸内又は外へのガス移動を促進し得る。交差平面軸内又は外へのガス移動を促進するガス毛細管構造体は、第１の電極１２０内若しくは少なくとも部分的に第１の電極１２０に組み込まれてもよく、且つ／又は第２の電極１３０内若しくは少なくとも部分的に第２の電極１３０に組み込まれてもよく、第１の電極１２０若しくは第２の電極１３０に隣接して／その近傍に、第１の電極１２０若しくは第２の電極１３０において、若しくは第１の電極１２０若しくは第２の電極１３０へ組み込まれてもよく、又は例えば電極－ガス（液体－ガス）境界１２６ｂ若しくは１３６ｂ若しくは電極－スペーサ境界１２６ａ若しくは１３６ａにおいて、その近傍に、若しくは電極－ガス（液体－ガス）境界１２６ｂ若しくは１３６ｂ若しくは電極－スペーサ境界１２６ａ若しくは１３６ａへ組み込まれてもよい。電池は、任意選択的に、第１のガス拡散電極内又は第１のガス拡散電極に位置するガス毛細管構造体及び任意選択的に、第２のガス拡散電極内又は第２のガス拡散電極に位置するガス毛細管構造体を含み得る。ガス毛細管構造体は、限定ではなく、ガス摂取のための毛細管圧を示す場合、以下のいずれかを含み得る。
－ 狭い間隔で離間された疎水性面、
－ 穿孔間隔が狭い疎水性体、
－ 脱気板、又は
－ 多孔性疎水性膜。
例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｂｒｅａｔｈａｂｌｅ（ｂｕｂｂｌｅ－ｆｒｅｅ）ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。
－ 狭い間隔で離間された疎水性面、
－ 穿孔間隔が狭い疎水性体、
－ 脱気板、又は
－ 多孔性疎水性膜。
例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｂｒｅａｔｈａｂｌｅ（ｂｕｂｂｌｅ－ｆｒｅｅ）ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。
【0309】
ガス毛細管構造体の特徴は、ガスへの親和性により、それ自体内に１つ又は複数の気体を含み得ることである。そのようなガスは、ガス毛細管構造体が液体電解質に完全に浸漬された場合であっても、バルクガスの別個体として存続し得る。
【0310】
実施形態例では、ガス毛細管構造体内部のそのような気体は、隣接する気体であり得、又は隣接する気体と連続することになり得る。例えば、電極１２０内の、少なくとも部分的に電極１２０における、電極１２０に隣接する、電極１２０における、又は電極１２０近傍のガス毛細管構造体は、気体１２５であるか、又は気体１２５と連続することなる気体を含み得る。同様に、電極１３０内の、少なくとも部分的に電極１３０における、電極１３０に隣接する、電極１３０における、又は電極１３０近傍のガス毛細管構造体は、気体１３５であるか、又は気体１３５と連続することなる気体を含み得る。そのような場合、ガス毛細管構造体内の気体は、より大きな気体の一部を形成し得る。例えば、気体１２５であるか、又は気体１２５と連続することになるガス毛細管構造体内の気体は、気体１２５の一部を形成し得る。気体１２５は、外部ガス導管（例えば１２７）及び／又はガス貯蔵システム１２８と気体連通し得る。同様に、気体１３５であるか、又は気体１３５と連続することになるガス毛細管構造体内の気体は、気体１３５の一部を形成し得る。気体１３５は、外部ガス導管（例えば１３７）及び／又はガス貯蔵システム（例えば１３８）と気体連通し得る。一例では、多孔性毛細管スペーサの第１の側面は、第１のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、多孔性毛細管スペーサの第２の側面は、第２のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、第１のガス拡散電極の第２の側面は第１の気体に隣接し、第２のガス拡散電極の第２の側面は第２の気体に隣接する。ガス毛細管構造体は、少なくとも部分的に第１のガス拡散電極内に又は第１のガス拡散電極の第２の側面に位置する。第２のガス毛細管構造体は、少なくとも部分的に第２のガス拡散電極内に又は第２のガス拡散電極の第２の側面に位置し得る。
【0311】
代替的には、ガス毛細管構造体内部の気体はそれ自体、外部ガス導管又は貯蔵システムと独立して気体連通するバルク気体であり得る。例えば、電極１２０内の、電極１２０に隣接する、又は電極１２０の近傍のガス毛細管構造体は、気体１２５であり、外部ガス導管（例えば１２７）又は貯蔵システム（例えば１２８）と直接気体連通する内部気体を含み得る。同様に、電極１３０内の、電極１３０に隣接する、又は電極１３０の近傍のガス毛細管構造体は、気体１３５であり、外部ガス導管（例えば１３７）又は貯蔵システム（例えば１３８）と直接気体連通する内部気体を含み得る。
【0312】
電極内又は電極近傍のガス毛細管構造体の使用への代替は、ガス毛細管効果を必ずしも利用せずにガスの移動を促進する物理的性質を有する「ガスハンドリング」構造体を組み込むことである。ガスハンドリング構造体におけるガス移動の経路も、電池内の他の分子レベルの液相及び気相移動に干渉せず、それらから独立し得る。
【0313】
任意選択的に、第１のガス拡散電極１２０は、第１のガス拡散電極１２０内、第１のガス拡散電極１２０に、又は第１のガス拡散電極１２０の近傍に、例えば境界１２６ａ又は１２６ｂに又はその近傍に位置するガスハンドリング構造体を含み得る。また任意選択的に、第２のガス拡散電極１３０は、境界１３６ａ若しくは１３６ｂ内にガスハンドリング構造体を含み得、又は境界１３６ａ若しくは１３６ｂ若しくはその近傍に位置するガスハンドリング構造体を含み得る。ガスハンドリング構造体の例には、限定ではなく、
（ａ）低表面エネルギーを有する表面領域を有するもの等、例えば、測定可能な毛細管圧を有するガス毛細管効果が関わらずに、ガスの移動を促進又は加速させる
１．ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化ポリマー、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のような低表面エネルギーを有する材料若しくは
２．ナノスケール超疎水性構造体等を有する表面構造体
を含むか、若しくは構成するもの等のガスが選択的に合体し移行する傾向がある材料若しくは構造体
がある。
例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｉｓｌａｎｄｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。又はガスハンドリング構造体の例には、限定ではなく、
（ｂ）超親水性若しくは「超濡れ性」材料若しくは構造体等の合体ガスの脱離を促進する超嫌気性表面領域を有する材料若しくは構造体
がある。例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｓｕｐｅｒｗｅｔｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。
（ａ）低表面エネルギーを有する表面領域を有するもの等、例えば、測定可能な毛細管圧を有するガス毛細管効果が関わらずに、ガスの移動を促進又は加速させる
１．ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化ポリマー、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等のような低表面エネルギーを有する材料若しくは
２．ナノスケール超疎水性構造体等を有する表面構造体
を含むか、若しくは構成するもの等のガスが選択的に合体し移行する傾向がある材料若しくは構造体
がある。
例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｉｓｌａｎｄｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。又はガスハンドリング構造体の例には、限定ではなく、
（ｂ）超親水性若しくは「超濡れ性」材料若しくは構造体等の合体ガスの脱離を促進する超嫌気性表面領域を有する材料若しくは構造体
がある。例は、限定ではなく、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における「Ｓｕｐｅｒｗｅｔｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題するセクションに記載されるものを含み得、これは参照により本明細書に援用される。
【0314】
ガスハンドリング構造体の特徴は、ガスへの親和性により、それ自体内に１つ又は複数の気体を含み得ることである。そのようなガスは、ガス毛細管構造体が液体電解質に完全に浸漬された場合であっても、バルクガスの別個体として存続し得る。
【0315】
実施形態例では、ガスハンドリング構造体内部のそのような気体は、隣接する気体であり得、又は隣接する気体と連続することになり得る。例えば、電極１２０内の、電極１２０に隣接する、又は電極１２０近傍のガスハンドリング構造体は、気体１２５であるか、又は気体１２５と連続することなる気体を含み得る。同様に、電極１３０内の、電極１３０に隣接する、又は電極１３０近傍のガスハンドリング構造体は、気体１３５であるか、又は気体１３５と連続することなる気体を含み得る。そのような場合、ガスハンドリング構造体内の気体は、より大きな気体の一部を形成し得る。例えば、気体１２５であるか、又は気体１２５と連続することになるガスハンドリング構造体内の気体は、気体１２５の一部を形成し得る。気体１２５は、外部ガス導管（例えば１２７）及び／又はガス貯蔵システム１２８と気体連通し得る。同様に、気体１３５であるか、又は気体１３５と連続することになるガスハンドリング構造体内の気体は、気体１３５の一部を形成し得る。気体１３５は、外部ガス導管（例えば１３７）及び／又はガス貯蔵システム（例えば１３８）と気体連通し得る。
【0316】
代替的には、ガスハンドリング構造体内部の気体はそれ自体、外部ガス導管又は貯蔵システムと独立して気体連通するバルク気体であり得る。例えば、電極１２０内の、電極１２０に隣接する、又は電極１２０の近傍のガスハンドリング構造体は、気体１２５であり、外部ガス導管（例えば外部ガス導管１２７）又は貯蔵システム（例えば貯蔵システム１２８）と直接気体連通する内部気体を含み得る。同様に、電極１３０内の、電極１３０に隣接する、又は電極１３０の近傍のガスハンドリング構造体は、気体１３５であり、外部ガス導管（例えば外部ガス導管１３７）又は貯蔵システム（例えば貯蔵システム１３８）と直接気体連通する内部気体を含み得る。
【0317】
「無泡」電極
電極の１つ又は複数においてガスを生成する電池例の特徴は、電解質中に目に見える気泡を形成せずに液体電開始値得から直接、バルクガスを生成し得ることである。そのような「無泡」ガス生成は、液体電解質内で気泡の形態でガスを生成する従来のガス生成電池よりも優れた重要な利点を提供し得る。これらの利点には、気泡を形成するために必要なエネルギーを回避することに起因したより高いエネルギー効率及び電極表面を泡がなく、電気化学反応に利用できる状態を維持し得ることがあり得る。特に、気泡が最初に形成される場所であり、気泡が最も強固に付着するにもかかわらず、一般に最も活性が高い触媒部位である表面上の割れ目、ひび、及び欠陥がなく、触媒反応に利用可能な状態を維持し得る。電極活性表面が泡で覆われると、そのような妨害によりガス生成電池のエネルギー効率は低下し得る。
電極の１つ又は複数においてガスを生成する電池例の特徴は、電解質中に目に見える気泡を形成せずに液体電開始値得から直接、バルクガスを生成し得ることである。そのような「無泡」ガス生成は、液体電解質内で気泡の形態でガスを生成する従来のガス生成電池よりも優れた重要な利点を提供し得る。これらの利点には、気泡を形成するために必要なエネルギーを回避することに起因したより高いエネルギー効率及び電極表面を泡がなく、電気化学反応に利用できる状態を維持し得ることがあり得る。特に、気泡が最初に形成される場所であり、気泡が最も強固に付着するにもかかわらず、一般に最も活性が高い触媒部位である表面上の割れ目、ひび、及び欠陥がなく、触媒反応に利用可能な状態を維持し得る。電極活性表面が泡で覆われると、そのような妨害によりガス生成電池のエネルギー効率は低下し得る。
【0318】
したがって、例えば、水電解電池では、液体である水が、カソード電極の活性表面において水素ガスに電気化学的に変換され、アノード電極の活性表面において酸素ガスに電気化学的に変換される。従来の電解電池では、これらのガスは、液体電解質によって囲まれた気泡の形態で生成される。しかしながら、好ましい実施形態の水電解電池では、第１の電極１２０及び第２の電極１３０が両方ともガス拡散電極である場合、ガスはそれぞれ、目に見える気泡を形成することなく、関連する気体１２５及び１３５と直接合流し得る。即ち、連続気相経路が、交差平面軸における電極１２０及び１３０の活性表面と気体１２５及び１３５との間にそれぞれ存在し得る。電極活性表面上に新たに形成されたガスは、気泡を決して形成せずにこの連続気相経路に合流し得る。
【0319】
歴史的に、多孔性疎水性膜等のガス毛細管構造体を使用してのみ、電極で無泡ガス生成を達成することが可能であった。
【0320】
しかしながら、実施形態例の特徴は、ガス毛細管構造体のマイクロ構造体及びナノ構造体の存在に頼らない又はその存在を必要としない他の方法で無泡ガス生成を生み出し得ることである。例えば、実施形態例の電池の構造は、電極により無泡でガスを生成し得る。これは幾つかの方法で行うことができる。
【0321】
幾つかの例では、ガス拡散電極（例えばガス拡散電極１２０又は第２のガス拡散電極１３０）の表面は、電池動作中、液体電解質の薄い層でのみ覆われ得る。電極表面で生成されたガスは、電解質中に溶解し得、薄い層を通してその表面に移行し得、そこで、隣接する気体（第１の気体１２５又は第２の気体１３５）と相互作用する。次いで、ガスは気体（第１の気体１２５又は第２の気体１３５）に移り得、それにより泡の形成を回避する。
【0322】
そうするに当たり、ガスは、電極の表面上の水及び液相イオンの移動に干渉しないように、電極から離れて移動し得る。即ち、気泡形成を回避するに当たり、水は常に、電極の表面への妨げのないアクセス及び経路を有し得る。電極から離れて移動する気泡が、電極への水の移動に逆行し打ち消す多相逆流は存在しなくてよい。
【0323】
ガスはまた、気泡の核となるために必要な分圧が非常に低い状態で放出され得、それにより、過剰な分圧を生み出すために必要な高電圧を回避する。
【0324】
電極に又はその近傍にガスハンドリング構造体を組み込むことは、電極活性表面からそれぞれの気体１２５及び／又は１３５への直接の無泡気相経路を生み出すことを助けることもできる。そのような経路は、電極表面上の水及び液相イオンの移動とは別個であり得、独立し得、該移動に干渉しない。そのような場合、新たに形成されたガスは電解質中に溶解し得、次いでガスハンドリング構造体の低エネルギー表面と合体して除去され得る。そのようなガスは、泡を形成せずに、これらの低エネルギー表面に沿って電極から離れて各気体１２５及び１３５に更に移行し得る。この種の無泡動作は、溶解ガスから気泡の核となるために必要な高分圧を上げることにより泡形成を阻止し得る多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管圧により促進し得る。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０において、核となる気泡は、それ自体を押し上げる必要があるのみならず、著しい毛細管圧でそこに保持される液体を毛細管内で押しやる必要もある。
【0325】
当然ながら、無泡ガス生成は、多孔性疎水性膜等のガス毛細管構造体を電極又はその近傍に組み込むことにより達成することもできる。そのような場合、新たに形成されたガスは、泡が形成される前、ガス毛細管作用により自発的に液体電解質から引き出され、ガス毛細管構造体を通り得る。それにより、電極表面上の水及び液相イオンの移動とは別個であり、独立し、干渉しない気相の移動を生み出し得る。
【0326】
有効であるが、電極又はその近傍でのガス毛細管構造体の使用には、そのような構造体が一般に導電性ではないという欠点がある。したがって、電極への電気接続は、ガス毛細管構造体を迂回する必要がある。その結果としての電気接続経路を長くする必要性により、商業的な構成で電池が積層される場合、更に蓄積する追加の電気抵抗が生まれる。追加の抵抗は典型的には、無泡動作の利点に逆行し打ち消す。この問題は、Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌｓ、２０２１年、第５巻、第１２８０頁に公開されている「Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｂｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ」と題する化学公開物における図１７に関連するセクションに記載されており、これは参照により本明細書に援用される。
【0327】
逆に、この問題は、ガス毛細管構造体を使用せずに無泡動作を達成する実施形態例では存在しない。そのような例では、電気接続は、直接、電極の（全）面への可能な限り最短の経路により行うことができる。そうするに当たり、無泡動作の利点に逆行する追加の抵抗の制限を引き上げることができ、無泡動作の利点の完全利用が可能になる。その結果生成される電池は、大幅にエネルギー効率的であり得る。
【0328】
無泡である実施形態例は、好ましくは、有泡類似物よりも０．５％超高いエネルギー効率を示し得る。他の例では、エネルギー効率の改善は１％超、２％超、５％超、１０％超、１５％超、又は２０％超であり得る。
【0329】
好ましい実施形態の電池は、エネルギー効率の増大を示す「独立経路電池」を構成し得る
好ましい実施形態の電池における特徴の多くが、電池内の気相種又は液相種の移動（流れ）に別個の独立した非干渉分子レベル経路を提供することが理解されよう。そうするに当たり、好ましい実施形態の電池は「独立経路電池」であり得る。
好ましい実施形態の電池における特徴の多くが、電池内の気相種又は液相種の移動（流れ）に別個の独立した非干渉分子レベル経路を提供することが理解されよう。そうするに当たり、好ましい実施形態の電池は「独立経路電池」であり得る。
【0330】
「独立経路電池」は、電池内の個々の液相及び気相反応物及び産物の各々の移動（流れ）に別個の独立した少なくとも１つの経路を提供する気相電気化学電池であって、そのような経路は互いに干渉せず又は互いを妨げない、気相電気化学電池として定義される。
【0331】
経路は、これに関連して、十分な反応物が電池外部から提供される場合且つ十分な産物が電池外部に除去される場合、電気化学反応を無期限で維持することが可能な、電池内の分子レベルでのルート又は１組のルートとして定義される。
【0332】
互いに干渉せず又は互いを妨げないことにおいて、別個の独立した液相を選択気相反応物及び産物のこの種の流れは本質的に効率的である。その結果、独立経路電池は、気相及び液相反応物及び産物の流れの全てが別個で独立しているわけではない同等の電気化学電池と比べて高いエネルギー効率を示し得る。そのようなより高いエネルギー効率は、気相及び液相反応物及び産物の流れの全てが別個で独立しているわけではない電池と比べて、均等条件下で、電気合成電池では必要とされる電圧（第１の電極と第２の電極との間に印加される）がより低いこと又は電気エネルギー電池では生成される電圧（第１の電極と第２の電極との間で生成される）がより高いこととして現れ得る。
【0333】
独立経路電池は、より高いエネルギー効率を実現するために以下の特徴の全て又は幾つかを利用し得る：（１）反応ゾーン／交差平面軸内及び外への別個の独立した液相又は気相分子レベル移行、（２）電極に沿った又は電極の上方への非干渉毛細管誘導移動、（３）電池内の液体補充／維持のための非干渉気相経路、（４）非干渉経路が関わる毛細管誘導電極濡れ性、（５）多孔性毛細管スペーサに対する電極の圧縮により生み出される非干渉経路が関わる毛細管誘導電極濡れ性、（６）ガスハンドリング又はガス毛細管構造体を介した非干渉気相移動、及び／又は（７）無泡電極上の非干渉気相及び液相移動。エネルギー効率の増大は、累積的に、これらの効果の幾つか又は全てに起因し得る。
【0334】
実施形態例の「独立経路電池」は、好ましくは、少なくとも１つの反応物又は産物の流れが干渉する同等の類似する電池よりも０．５％超高いエネルギー効率を示し得る。他の例では、エネルギー効率の改善は１％超、２％超、５％超、１０％超、１５％超、又は２０％超であり得る。
【0335】
多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管関連特徴
好ましい実施形態の更なる特徴は、多孔性スペーサ１１０における毛細管現象である。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０は液体電解質を含み、この液体電解質は、毛細管力により多孔性毛細管スペーサ内にしっかりと保持される。例えば、多孔性毛細管スペーサ１１０の先に述べた例、即ちＰａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径８μｍを有するポリエーテルスルホン材料フィルタは、毛細管力により、液体電解質、例えば水溶液電解質を引き込み、その電解質を材料内に保持し得る。
好ましい実施形態の更なる特徴は、多孔性スペーサ１１０における毛細管現象である。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０は液体電解質を含み、この液体電解質は、毛細管力により多孔性毛細管スペーサ内にしっかりと保持される。例えば、多孔性毛細管スペーサ１１０の先に述べた例、即ちＰａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径８μｍを有するポリエーテルスルホン材料フィルタは、毛細管力により、液体電解質、例えば水溶液電解質を引き込み、その電解質を材料内に保持し得る。
【0336】
無期限期間にわたって途切れずに又は連続して動作するために、多孔性毛細管スペーサ１１０は、それ自体が液体電解質１００で途切れずに又は連続して充填された状態を保つのに十分な毛細管現象を必要とし得る。
【0337】
そのような多孔性毛細管スペーサ１１０は、以下を含む他の性質を示す必要もあり得る。
（１）毛細管圧及び「泡立ち点」：多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管圧、より具体的には「泡立ち点」は適宜大きい必要があり得る（理に適った範囲内で且つ本明細書で論考される他の要件を考慮して）。毛細管圧は、多孔性毛細管スペーサ１１０内の平均毛細管から液体電解質１００を押し出すために必要なガス圧を表す。泡立ち点は、多孔性毛細管スペーサ１１０内の最大毛細管から液体電解質１００を押し出すために必要なガス圧を表す。これらの圧力は、気体１２５及び１３５における小さな又は一時的な圧力差が液体電解質１００を多孔性毛細管スペーサ１１０から押し出し又は押し下げることができないことを保証するのを助けるために十分に高い必要があり得る。例えば、図１～図３に示されるタイプの電池のいずれのポイントにおける多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質の損失も、電気化学反応を遅らせるか、又は停止させ（電極間の任意のポイントに液体電解質がない場合）、且つ／又はガス交差に繋がる（スペーサの任意のポイントで、存在する気体間にバリアとして作用する液体がない場合）恐れがある。
（２）最大カラム高さ：上述したように、多孔性毛細管スペーサ１１０は、それ自体内でカラム高さの液体電解質１００を無期限で維持する必要があり得る。このカラム高さは、一実施形態例の電池の上部まで及ぶ必要があり得、それにより、多孔性毛細管スペーサ１１０が電池内の全てのポイントにおいて液体電解質で充填されることを保証する。これは、最大電池高さが、仮説的に無限の高さを有する場合、多孔性毛細管スペーサ１１０によって維持することができる液体電解質１００の最高カラム高さである多孔性毛細管スペーサ１１０の最大カラム高さ以下である場合のみ保証することができる。即ち、電極－スペーサ－電極組立体１３９の全ての場所で、電極間に液体電解質１００が常に存在するためには、多孔性毛細管スペーサ１１０における液体電解質１００の最大カラム高さは、電池の最高点以上、即ち多孔性毛細管スペーサの場所での電池の高さ以上である必要があり得る。実施形態例の電池では、多孔性毛細管スペーサ１１０及びスペーサ内の液体電解質１００は、気体、例えば図１～図３の気体１２５と１３５との間にあり得る。その場合、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００は、例えば図１～図３の気体１２５からのガスが気体１３５内のガスと交差し混合しないようにし、且つ逆の場合も同様にするために必要であり得る。電気化学電池では、この現象は「ガス交差」として知られており、エネルギー効率の損失、不純ガスの生成又は消費、及び／又は安全上の問題に繋がる恐れがある。最大カラム高さは、第１の電極１２０及び第２の電極１３０よりも高い高さである必要もある。
（３）流量：液体電解質１００が、毛細管の影響下で、充填された多孔性毛細管スペーサ１１０内部を移動する上方流量は、電池動作中を含め、多孔性毛細管スペーサが液体電解質１００で充填された状態を常に保つのに十分である必要があり得る。例えば、電気化学反応が反応物として水を消費する図１又は図２に示される構造を有する電池では、多孔性毛細管スペーサ内の全ての高さでの毛細管駆動流量は、電池が最大率で動作しているときに消費される水を補充可能でなければならない。
（１）毛細管圧及び「泡立ち点」：多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管圧、より具体的には「泡立ち点」は適宜大きい必要があり得る（理に適った範囲内で且つ本明細書で論考される他の要件を考慮して）。毛細管圧は、多孔性毛細管スペーサ１１０内の平均毛細管から液体電解質１００を押し出すために必要なガス圧を表す。泡立ち点は、多孔性毛細管スペーサ１１０内の最大毛細管から液体電解質１００を押し出すために必要なガス圧を表す。これらの圧力は、気体１２５及び１３５における小さな又は一時的な圧力差が液体電解質１００を多孔性毛細管スペーサ１１０から押し出し又は押し下げることができないことを保証するのを助けるために十分に高い必要があり得る。例えば、図１～図３に示されるタイプの電池のいずれのポイントにおける多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質の損失も、電気化学反応を遅らせるか、又は停止させ（電極間の任意のポイントに液体電解質がない場合）、且つ／又はガス交差に繋がる（スペーサの任意のポイントで、存在する気体間にバリアとして作用する液体がない場合）恐れがある。
（２）最大カラム高さ：上述したように、多孔性毛細管スペーサ１１０は、それ自体内でカラム高さの液体電解質１００を無期限で維持する必要があり得る。このカラム高さは、一実施形態例の電池の上部まで及ぶ必要があり得、それにより、多孔性毛細管スペーサ１１０が電池内の全てのポイントにおいて液体電解質で充填されることを保証する。これは、最大電池高さが、仮説的に無限の高さを有する場合、多孔性毛細管スペーサ１１０によって維持することができる液体電解質１００の最高カラム高さである多孔性毛細管スペーサ１１０の最大カラム高さ以下である場合のみ保証することができる。即ち、電極－スペーサ－電極組立体１３９の全ての場所で、電極間に液体電解質１００が常に存在するためには、多孔性毛細管スペーサ１１０における液体電解質１００の最大カラム高さは、電池の最高点以上、即ち多孔性毛細管スペーサの場所での電池の高さ以上である必要があり得る。実施形態例の電池では、多孔性毛細管スペーサ１１０及びスペーサ内の液体電解質１００は、気体、例えば図１～図３の気体１２５と１３５との間にあり得る。その場合、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００は、例えば図１～図３の気体１２５からのガスが気体１３５内のガスと交差し混合しないようにし、且つ逆の場合も同様にするために必要であり得る。電気化学電池では、この現象は「ガス交差」として知られており、エネルギー効率の損失、不純ガスの生成又は消費、及び／又は安全上の問題に繋がる恐れがある。最大カラム高さは、第１の電極１２０及び第２の電極１３０よりも高い高さである必要もある。
（３）流量：液体電解質１００が、毛細管の影響下で、充填された多孔性毛細管スペーサ１１０内部を移動する上方流量は、電池動作中を含め、多孔性毛細管スペーサが液体電解質１００で充填された状態を常に保つのに十分である必要があり得る。例えば、電気化学反応が反応物として水を消費する図１又は図２に示される構造を有する電池では、多孔性毛細管スペーサ内の全ての高さでの毛細管駆動流量は、電池が最大率で動作しているときに消費される水を補充可能でなければならない。
【0338】
多孔性毛細管スペーサ１１０の特定の毛細管特徴－毛細管圧及び泡立ち点
毛細管圧は、毛細管内のメニスカスにわたる圧力差として定義される。即ち、毛細管から液体電解質を押し出すために必要な圧力である。毛細管圧の最も一般的な数式はヤング・ラプラスの式であり：
式中、ΔＰは圧力降下であり、ηは液体の表面張力であり、θは液体と固体との間の接触角であり、ｒは孔半径である。
毛細管圧は、毛細管内のメニスカスにわたる圧力差として定義される。即ち、毛細管から液体電解質を押し出すために必要な圧力である。毛細管圧の最も一般的な数式はヤング・ラプラスの式であり：
【数1】
【0339】
この式を使用して、一連の多孔性毛細管スペーサ１１０の例、即ち平均孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍを有するＰａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタでの６Ｍ ＫＯＨ電解質の毛細管圧は、１．６６ａｔｍ（０．４５μｍ平均孔径の場合）、１．０８ａｔｍ（１．２μｍ平均孔径の場合）、０．２７ａｔｍ（５μｍ平均孔径の場合）、及び０．２２ａｔｍ（８μｍ平均孔径の場合）であると計算された。
【0340】
式（２）は、孔半径／孔径が大きいほど、孔内部で液体を変位するために必要な圧力が低くなることを示す。したがって、多孔性毛細管スペーサにおける最も重要なタイプの毛細管圧は「泡立ち点」である。これは、多孔性毛細管スペーサの最大孔から液体を変位させるために必要な圧力である。上記一連の多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタの泡立ち点は、毛細管フローポロメータを使用して測定し、０．９１ａｔｍ（０．４５μｍ平均孔径の場合）、０．４８ａｔｍ（１．２μｍ平均孔径の場合）、０．１３ａｔｍ（５μｍ平均孔径の場合）、及び０．１１ａｔｍ（８μｍ平均孔径の場合）であることが判明した。
【0341】
上述したように、泡立ち点が高いと、気体、例えば図１～図３の気体１２５又は１３５における小さな又は一時的な圧力差が、液体電解質を多孔性毛細管スペーサから押し出し又は押し下げることができないことを保証するのに役立つ。したがって、仮に、図１に示される構造の電池で液体電解質１００として６Ｍ ＫＯＨを使用するとともに、指定平均孔径約８μｍを有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、電池１０は、気体１２５又は１３５のいずれも、動作中、液圧又は他の気体の圧力よりも０．１１ａｔｍ以上の圧力を決して有さない（そうでなければ、液体電解質が最大孔から押し出されることになるため）ことを保証するように設計される必要がある。しかしながら、指定平均孔径０．４５μｍを有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、多孔性毛細管スペーサ１１０からの液体電解質１００の押し出しが開始されずに、０．９１ａｔｍまでの圧力差を維持することができる。
【0342】
泡立ち点における上記傾向は、べき法則としてモデリングし得、大きな平均孔径での泡立ち点は０．５０８６×（平均孔径）－０．７７２として計算し得る。この測定により、ポリエーテルスルホン材料の多孔性毛細管スペーサ１１０での平均孔径４００μｍが、０．００５ａｔｍ（５ミリバール）の泡立ち点を生成すると予期し得、これは、電池内の独立性を保証することが実際に困難である閾値を提供すると見なすことができる気体１２５と１３５との間の低圧力差である。
【0343】
ポリエーテルスルホン材料の多孔性毛細管スペーサ１１０での平均孔径４００μｍは、毛細管圧の上記傾向の外挿により毛細管圧０．０１１ａｔｍ（１１ミリバール）に対応する。
【0344】
したがって、液体電解質で充填された場合、多孔性毛細管スペーサ１１０の実施形態例は、好ましくは、１１ミリバールを越える毛細管圧を有する。他の例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は、１５ミリバール超、２０ミリバール超、３０ミリバール超、５０ミリバール超、８０ミリバール超、１００ミリバール超、５００ミリバール超、１バール超、又は２バール超の毛細管圧を有し得る。
【0345】
したがって、液体電解質で充填された場合、多孔性毛細管スペーサ１１０の実施形態例は、好ましくは、５ミリバール超の泡立ち点を有し得る。他の例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は、１０ミリバール超、１５ミリバール超、２０ミリバール超、５０ミリバール超、１００ミリバール超、２５０ミリバール超、５００ミリバール超、１バール超、又は２バール超の泡立ち点を有し得る。
【0346】
多孔性毛細管スペーサ１１０の特定の毛細管特徴－最大カラム高さ
理論による拘束を望まずに、仮説的に無限の高さの毛細管により維持することができる液体電解質の最大カラム高さはジュランの法則により与えられ得：
式中、ｈはカラム高さであり、ηは液体－空気表面張力（力／単位長さ）であり、θは多孔性毛細管スペーサ材料自体との液体電解質の接触角であり、ρは液体電解質の密度（質量／体積）であり、ｇは重力に起因した局所加速度であり（長さ／時間の二乗）、ｒは毛細管の平均半径である。ジュランの法則が特に毛細管に関連し、多孔性毛細管材料に関連しないことに留意されたい。しかしながら、多孔性毛細管材料の最大カラム高さの傾向を外挿するための係数の提供に合理的に使用し得る。
理論による拘束を望まずに、仮説的に無限の高さの毛細管により維持することができる液体電解質の最大カラム高さはジュランの法則により与えられ得：
【数2】
【0347】
見て取ることができるように、ジュランの法則は、孔径が小さく、液体電解質との多孔性毛細管スペーサとの接触角が低いほど、液体電解質１００の高いカラム高さを多孔性毛細管スペーサ１１０内で維持し得ることを示す。
【0348】
上記一連の多孔性毛細管スペーサ１１０の例、即ち、Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍを有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタにより維持することができる最大カラム高さを測定した。フィルタは親水性であり、クラスＩＩ脱イオン水と６６．６°の接触角及び６Ｍ ＫＯＨアルカリ溶液と７０．３°の接触角を示した。測定値は、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタが、上記フィルタの最も低い最大カラム高さを維持したことを示し、これは、クラスＩＩ脱イオン水で１９．６ｃｍ及び６Ｍ ＫＯＨで１６．６ｃｍであった。平均孔径が小さなフィルタほど、はるかに高い最大カラム高さを含め、高い最大カラム高さを維持した。
【0349】
したがって、平均孔径約８μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが、図１に示される構造を有する電池例において多孔性毛細管スペーサ１１０として使用され、それと共に６Ｍ ＫＯＨが液体電解質１００として使用された場合、電池は、第１の電極１２０及び第２の電極１３０を含め、約１６．４～１６．５ｃｍまで高さを安全にのばすことができた。即ち、多孔性毛細管スペーサは、１６．４～１６．５ｃｍまでの高さにおいてガス交差へのバリアとして安全に採用することができた。孔が小さな材料ほど、はるかに高い最大カラム高さを含め、高い最大カラム高さを提供する。多孔性毛細管スペーサ及び電極の幅についての制限は、幅に沿った全てのポイントで多孔性毛細管スペーサ、即ちポリエーテルスルホン多孔性毛細管スペーサが６Ｍ ＫＯＨへのアクセスを有する限り、存在しない。
【0350】
前のセクションで記したように、ポリエーテルスルホン材料の多孔性毛細管スペーサ１１０での平均孔径約４００μｍは、０．００５ａｔｍ（５ミリバール）の泡立ち点を生成すると予期し得、これは、実際に電池で不定期に保証することが困難である閾値を提供し得る気体１２５と気体１３５との間の低圧力差である。
【0351】
そのような平均孔径４００μｍに対応し得る最大カラム高さを特定するために、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタの最大カラム高さをジュランの法則によって予測される差異係数でスケーリングした。この測定により、６Ｍ ＫＯＨで充填された、平均孔径約４００μｍのポリエーテルスルホン材料の多孔性毛細管スペーサ１１０は、その端部１５０の上０．４ｃｍのところに最大カラム高さを有すると予期し得る。これは非常に小さな毛細管効果に相当する。
【0352】
したがって、実施形態例では、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質の最大カラム高さは、好ましくは、０．４ｃｍ超であり得る。他の例では、液体電解質の最大カラム高さは、１ｃｍ超、３ｃｍ超、６ｃｍ超、８ｃｍ超、１０ｃｍ超、１２ｃｍ超、１４ｃｍ超、１６ｃｍ超、１８ｃｍ超、２０ｃｍ超、２５ｃｍ超、３０ｃｍ超、５０ｃｍ超、又は１００ｃｍ超、であり得る。
【0353】
多孔性毛細管スペーサ１１０の特定の毛細管特徴－流量
液体電解質が、毛細管現象の影響下で、既に充填された多孔性毛細管スペーサ内部を上方に流れる速度は、ダルシーの法則により与えられ：
式中、Ｑは単位時間当たりの流量であり、ｋは多孔性毛細管スペーサの透過性であり、Ａは多孔性毛細管スペーサの断面積であり、ηは液体電解質の粘度であり、Ｌは、流量が求められる液体槽よりも上の高さ又は槽が存在しない場合には多孔性毛細管スペーサの底端部よりも上の高さであり、ΔＰは高さＬにわたる圧力降下である。
液体電解質が、毛細管現象の影響下で、既に充填された多孔性毛細管スペーサ内部を上方に流れる速度は、ダルシーの法則により与えられ：
【数3】
【0354】
Ｌ．Ｊ．ＫｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇｅｒによるＡｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒａｃｔｉｃｅ、第２００－２１３頁、１９４１年１月、ニューヨークにおける「Ｔｈｅ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍｅｄｉａ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ ａｎｄ Ｇａｓｅｓ」と題する広く許容されている研究により、多孔性媒体中の液体の流量を記述するポアズイユの式は、
により与えられ得、式中、Ｑは単位時間当たりの全体流量であり、１／ｍは液体を輸送可能な孔の割合（「屈曲係数」と呼ぶことができる）であり、ｎは毛細管数であり、ｒは平均孔半径であり、μは液体電解質の粘度であり、Ｌは、流量が求められる液体槽よりも上方の高さであり、ΔＰは高さＬにわたる圧力降下である。
【数4】
【0355】
すると、多孔性材料の透過性（ｋ）及びその有孔率（φ）は以下のように表され得：
式中、ｋは多孔性材料の透過性であり、φは有孔率であり、１／ｍは液体を輸送可能な孔の割合（屈曲係数）であり、ｎは毛細管数であり、ｒは平均孔半径であり、Ａは多孔性材料の断面積である。
【数5】
【0356】
したがって、
である。
【数6】
【0357】
更に、メニスカスにわたる圧力差はヤング・ラプラスの式：
により与えられ、式中、ΔＰは圧力降下であり、ηは液体の表面張力であり、θは液体と固体との間の接触角であり、ｒは孔半径である。
【数7】
【0358】
ダルシーの式に代入すると、
が与えられ、式中、Ｑは単位時間当たりの流量であり、１／ｍは液体を輸送可能な孔の割合（屈曲係数）であり、Ａは多孔性毛細管スペーサの断面積であり、φは有孔率であり、ｒは平均孔半径であり、ηは液体の表面張力であり、θは液体と固体との間の接触角であり、ηは液体電解質の粘度であり、Ｌは液体槽よりも上の高さである。
【数8】
【0359】
孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍの上記ポリエーテルスルホン材料フィルタを含み、液体電解質として６Ｍ ＫＯＨが充填された多孔性毛細管スペーサ１１０の場合：
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の断面積（Ａ）は、顕微鏡を使用して測定し得、
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の有孔率（φ）は以下のように測定し得る。空の多孔性毛細管スペーサ１１０の重量を測定し、次いで液体電解質を充填し、再び重量を測定する。差は、多孔性毛細管スペーサ１１０の間隙容積を埋める液体の重量を提供する。その重量は体積に変換され、次いで、顕微鏡で測定された多孔性毛細管スペーサの正味体積と比較される。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の平均孔半径（ｒ）は、毛細管フローポロメータを使用して測定し得る。
－ 関連温度での６Ｍ ＫＯＨ電解質の表面張力は、公開データから取得し得る（Ｂｕｌｌ．Ｓｏｃ．Ｃｈｅｍ．Ｆｒａｎｃｅ、Ｐａｒｔ １．１９８０年、第９－１０巻、第Ｉ３８６－Ｉ３９頁におけるＰ．Ｒｉｐｏｃｈｅ及びＭ．Ｒｏｌｉｎによる科学論文参照、これは参照により本明細書に援用される）。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０のポリエーテルスルホン材料との６Ｍ ＫＯＨ電解質の接触角（θ）は、標準研究室ゴニオメータ機器を使用して測定し得る。
－ 関連温度での６Ｍ ＫＯＨ電解質の粘度（μ）は、公開データから取得し得る（米国のＯｃｃｉｄｅｎｔａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＣａｕｓｔｉｃ Ｐｏｔａｓｈ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、２０１８年３月におけるグラフ７参照、これは参照により本明細書に援用される）。
－ 槽よりも上（又は槽がない場合には多孔性毛細管スペーサの底端部よりも上）の高さ（Ｌ）を測定し得る。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の断面積（Ａ）は、顕微鏡を使用して測定し得、
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の有孔率（φ）は以下のように測定し得る。空の多孔性毛細管スペーサ１１０の重量を測定し、次いで液体電解質を充填し、再び重量を測定する。差は、多孔性毛細管スペーサ１１０の間隙容積を埋める液体の重量を提供する。その重量は体積に変換され、次いで、顕微鏡で測定された多孔性毛細管スペーサの正味体積と比較される。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０の平均孔半径（ｒ）は、毛細管フローポロメータを使用して測定し得る。
－ 関連温度での６Ｍ ＫＯＨ電解質の表面張力は、公開データから取得し得る（Ｂｕｌｌ．Ｓｏｃ．Ｃｈｅｍ．Ｆｒａｎｃｅ、Ｐａｒｔ １．１９８０年、第９－１０巻、第Ｉ３８６－Ｉ３９頁におけるＰ．Ｒｉｐｏｃｈｅ及びＭ．Ｒｏｌｉｎによる科学論文参照、これは参照により本明細書に援用される）。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０のポリエーテルスルホン材料との６Ｍ ＫＯＨ電解質の接触角（θ）は、標準研究室ゴニオメータ機器を使用して測定し得る。
－ 関連温度での６Ｍ ＫＯＨ電解質の粘度（μ）は、公開データから取得し得る（米国のＯｃｃｉｄｅｎｔａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＣａｕｓｔｉｃ Ｐｏｔａｓｈ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、２０１８年３月におけるグラフ７参照、これは参照により本明細書に援用される）。
－ 槽よりも上（又は槽がない場合には多孔性毛細管スペーサの底端部よりも上）の高さ（Ｌ）を測定し得る。
【0360】
したがって、予測流量を実測流量と比較することによって決定される、流れに参加する孔の割合を記述する屈曲係数１／ｍと共に式（８）を使用して、特定の高さでの多孔性毛細管スペーサ１１０内の毛細管流量をモデリングすることが可能である。
【0361】
特定の高さでの上記ポリエーテルスルホン材料フィルタの１つの流量を測定するために、１ｃｍ幅のフィルタの乾燥試料を選択された長さにカットし、吊された物体の重量変化を測定することが可能なはかりから吊した。吸収パッドをフィルタの上部に取り付け、はかりに固定した。次いで、フィルタ及び吸収パッドをパラフィルムで巻き、実験中のいかなる液体蒸発も阻止した。その後、フィルタの底端部を６Ｍ ＫＯＨの槽に浸し、毛細管作用によりフィルタを充填させた。時間に伴う重量変化のデータを収集した。フィルタが完全に充填された時点から、流量についてデータを分析し、フィルタが完全に充填された後、重量ｖｓ時間データは線形になった。流量は、単位時間当たりの重量変化であった。
【0362】
図５は、孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された多孔性毛細管スペーサ１１０内の室温の６Ｍ ＫＯＨ液体電解質でのこのように測定された流量（黒点）及びモデリングされた流量（中空正方形）のグラフを示す。係数１／ｍ＝１／１．７＝５８．８％が、試験された全試料で最良適合を提供することが判明した。見て分かるように、モデリングされた結果は、多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された多孔性毛細管スペーサ１１０の各々で、測定結果との良好な一致を提供する。
【0363】
先に記したように、多孔性毛細管スペーサ１１０内の毛細管流量は、動作中を含め、無期限で多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つのに十分である必要があり得る限りにおいて、重要である。例えば、電気化学反応が反応物として水を消費する場合、毛細管駆動流量は、電池が最大率で動作するとき、消費される水を補充することが可能である必要があり得る。そうすることができない場合、電池は無期限で動作することが可能ではないことがある。
【0364】
しかしながら、図５のグラフで分かるように、多孔性毛細管スペーサ１１０内の流量は一般に、高さの増大に伴って低下する。したがって、電気化学反応（及び蒸発等の外部要因）により必要とされる流量が、電極の最大高さを決め得る。
【0365】
これは以下の例に示すことができる。図１又は図２に示される構造を有するゼロギャップアルカリ水電解電池等の、電気化学反応中に水を消費するゼロギャップ電池では、総電流１０Ａは、１分当たり水０．０５６ｇの全体消費に対応する。多孔性毛細管スペーサ及び関連する電極が４０ｃｍ２サイズであるべき（即ち、電池は電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２で動作する）場合、多孔性毛細管スペーサは、電極－スペーサ－電極組立体１３９の１ｃｍ２毎に、１分当たり水０．０５６／４０＝０．００１４ｇを供給可能である必要がある。これは、電極の最大高さの１ｃｍ２まで含む。
【0366】
図５（ｄ）のグラフを参照すると、６Ｍ ＫＯＨで充填された平均孔径８μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが、多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、１分当たり水０．００１４ｇの供給速度は、約２０ｃｍの最大電極高さまでしか維持できない。したがって、高さ２０ｃｍの電極－スペーサ－電極組立体１３９は、無期限で動作すると予期し得る。そのような電池は高さ２０ｃｍ且つ幅２ｃｍ（全体面積４０ｃｍ２）であり得る。高さ２０ｃｍ未満であり、より幅広の組立体１３９も無期限で動作可能である。
【0367】
しかしながら、６Ｍ ＫＯＨで充填された平均孔径５μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが、多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、１分当たり水０．００１４ｇの供給速度は、約１５ｃｍの最大電極高さまでしか無期限で維持できない（図５（ｃ）に示されるように）。即ち、この種の電池内の電極は、無期限で動作するためには、１５ｃｍ以下の高さである必要がある。
【0368】
更に、６Ｍ ＫＯＨで充填された平均孔径１．５μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが、多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、１分当たり水０．００１４ｇの供給速度は、約６ｃｍの最大電極高さまでしか無期限で維持できない（図５（ｄ）に示されるように）。その場合、電極の最大高さは、電池が無期限で動作すべき場合、約６ｃｍでしかあり得ない。
【0369】
更に、６Ｍ ＫＯＨで充填された平均孔径０．４５μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタが、多孔性毛細管スペーサ１１０として使用された場合、１分当たり水０．００１４ｇの供給速度は、約４ｃｍの最大電極高さまでしか無期限で維持できない（図５（ｄ）に示されるように）。その場合、電極の最大高さは約４ｃｍである。４ｃｍを越える高さの電極は、最大電極高さで１分当たり水０．００１４ｇの所要流量を無期限で維持することができない。
【0370】
したがって、多孔性毛細管スペーサ１１０内の毛細管流量が高いと、好ましい実施形態の電池の直径に対する影響は潜在的に限られ得る。高流量の多孔性毛細管スペーサ１１０は、電池設計に関してより大きな自由度を提供し得る。
【0371】
実用的な産業の視点から、８ｃｍよりも高い電極が好ましい。したがって、８ｃｍを越える高さで１分当たり水０．００１４ｇの流量を提供可能な多孔性毛細管スペーサ１１０が好ましい。
【0372】
そのような多孔性毛細管スペーサ１１０の平均孔径は、上記平均孔径の関数として上記最大高さをプロットすることにより決定し得る。そのようなプロットは、平均孔径が２μｍ超である必要があることを示す。即ち、８ｃｍ超の高さで１分当たり水０．００１４ｇの流量を提供可能な多孔性毛細管スペーサ１１０は、２μｍ超の平均孔径有するように計算される。
【0373】
したがって、多孔性毛細管スペーサ１１０の好ましい実施形態は、好ましくは、２μｍ超の平均孔径を有する。別の例では、平均孔径は４００μｍ未満である。別の例では、平均孔径は２μｍ超且つ４００μｍ未満であり得る。他の例では、平均孔径は、４μｍ超、６μｍ超、８μｍ超、１０μｍ超、２０μｍ超、又は３０μｍ超であり得る。他の例では、平均孔径は４μｍ超且つ４００μｍ未満、６μｍ超且つ４００μｍ未満、８μｍ超且つ４００μｍ未満、１０μｍ超且つ４００μｍ未満、２０μｍ超且つ４００μｍ未満、又は３０μｍ超且つ４００μｍ未満であり得る。他の例では、多孔性毛細管スペーサの平均孔径は、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、又は約１０μｍであり得る。
【0374】
上記測定及び計算グラフが、室温での毛細管現象のみの影響下の流量を記述することに留意されたい。したがって、両方とも流量が高くなることに寄与し得る拡散又は浸透の影響は含まない。更に、式（８）は、表面張力及び接触角との直接関係を示すが、粘度とは逆の関係を示す。粘度は通常、温度が高くなるにつれて急激に低下し、一方、表面張力及び接触角ははるかに小さな変化を示すため、流量はより高い温度ではるかに高くなり得る。したがって、これらの流量は、室温よりも高い温度での動作で、電池を設計する目的で最小値であると妥当に見なすことができる。
【0375】
毛細管現象は、非常に低いイオン抵抗／以上に高いイオン伝導率を有する多孔性毛細管スペーサ１１０に影響し得る
上述したタイプのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された多孔性毛細管スペーサ１１０は、約１４５μｍの均一な厚さを有した。測定値により、６Ｍ ＫＯＨ電解質で充填された場合、２つの密に狭設された電極間のそのような多孔性毛細管スペーサのイオン抵抗は、室温で３３～５３ｍΩｃｍ２であることが示された。これらの値は、従来の市販の電極間膜セパレータのイオン抵抗の１／４から１／８である。電気合成又は電気エネルギー電池での一般的な動作温度である８０℃では、これ１５～２３ｍΩｃｍ２と同程度に低下した。
上述したタイプのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された多孔性毛細管スペーサ１１０は、約１４５μｍの均一な厚さを有した。測定値により、６Ｍ ＫＯＨ電解質で充填された場合、２つの密に狭設された電極間のそのような多孔性毛細管スペーサのイオン抵抗は、室温で３３～５３ｍΩｃｍ２であることが示された。これらの値は、従来の市販の電極間膜セパレータのイオン抵抗の１／４から１／８である。電気合成又は電気エネルギー電池での一般的な動作温度である８０℃では、これ１５～２３ｍΩｃｍ２と同程度に低下した。
【0376】
これらのポリエーテルスルホン材料フィルタのイオン抵抗が低い原因は、７５～８５％である有孔率及び孔（空）容積が、毛細管現象によりスペーサ内にしっかりと保持される高導電率の６ＭＫＯＨ電解質で占められることから導出されることは判明した。６Ｍ ＫＯＨの１４５μｍ厚層のイオン抵抗は、室温でわずか約２２ｍΩｃｍ２であり、８０℃で約１０ｍΩｃｍ２である。したがって、毛細管力により多孔性毛細管材料に引き込まれてそこに保持された場合、６Ｍ ＫＯＨ電解質は、非常に低いイオン抵抗を多孔性毛細管材料に付与した。多孔性毛細管材料の有孔率が高いほど、６Ｍ ＫＯＨによって占められる割合は大きくなり、その全体イオン抵抗は低下した。したがって、最大有孔率（８４．６％）を有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタは、６Ｍ ＫＯＨ電解質が染み込んだ場合、最も低いイオン抵抗を示した（室温で３３ｍΩｃｍ２及び８０℃で１５ｍΩｃｍ２）。
【0377】
それと比較して、ＡｇｆａのＺｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）膜ははるかに低い有孔率を有し、したがって、はるかに高いイオン抵抗を有する。ＣｈｅｍｏｕｒｓのＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５及び１１７膜セパレータは本質的に、イオン伝導性であり、全く多孔性ではない。それらのイオン抵抗は、膜を通る移行を促進するイオン性基を含むポリマー構造の関数である。
【0378】
したがって、実施形態例の電池は、従来のゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池と比較して、はるかに低いイオン抵抗を提供し得、ひいてははるかに高いエネルギー効率を提供し得る。これらの改善は、電解質の低イオン抵抗を利用する多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象から導出し得る。
【0379】
実施形態例では、多孔性毛細管スペーサは、好ましくは、６０％超の有孔率を有し得る。他の例では、多孔性毛細管スペーサは、７０％超、８０％超、又は９０％超の有孔率を有し得る。
【0380】
液体電解質１００が充填された好ましい実施形態の多孔性毛細管スペーサ１１０は、室温で１４０ｍΩｃｍ２未満のイオン抵抗を示し得る。他の例では、イオン抵抗は、２７０ｍΩｃｍ２未満、２００ｍΩｃｍ２未満、１８０ｍΩｃｍ２未満、１６０ｍΩｃｍ２未満、又は１５０ｍΩｃｍ２未満であり得る。他の例では、イオン抵抗は、室温で１３０ｍΩｃｍ２未満、１２０ｍΩｃｍ２未満、１１０ｍΩｃｍ２未満、１００ｍΩｃｍ２未満、９０ｍΩｃｍ２未満、８０ｍΩｃｍ２未満、７０ｍΩｃｍ２未満、６０ｍΩｃｍ２未満、５０ｍΩｃｍ２未満、４０ｍΩｃｍ２未満、を選択３０ｍΩｃｍ２未満であり得る。
【0381】
多孔性毛細管スペーサ１１０内の毛細管現象は、非常に低いガス交差に繋がり得る
多くの電気化学反応では、一方の電極（例えば図１～図３における第１の気体１２５）と関連するガスが多孔性毛細管スペーサをわたって多孔性毛細管スペーサの逆側に移動し、そこで他方の電極（例えば図１～３における第２の気体１３５）と関連するガスと混合すること及び逆のことを最小に抑えることが極めて重要である。先に記したように、この現象は「ガス交差」として知られており、その発生の程度に比例して電池のエネルギー効率は低下する。特定の電池では潜在的な安全性の問題も呈する。
多くの電気化学反応では、一方の電極（例えば図１～図３における第１の気体１２５）と関連するガスが多孔性毛細管スペーサをわたって多孔性毛細管スペーサの逆側に移動し、そこで他方の電極（例えば図１～３における第２の気体１３５）と関連するガスと混合すること及び逆のことを最小に抑えることが極めて重要である。先に記したように、この現象は「ガス交差」として知られており、その発生の程度に比例して電池のエネルギー効率は低下する。特定の電池では潜在的な安全性の問題も呈する。
【0382】
例えば、図１～図３に示される構造を有するゼロギャップ水電解電池では、カソードで生成された水素ガスは、好ましくは、アノードで生成された酸素ガスによる汚染が可能な限りない状態を保ち、逆も同様である。これは、＞４．６％を含む水素又は＞３．８％を有する水素が爆発性混合物である（そのような電解電池の通常の動作温度である８０℃で）ためである。
【0383】
従来のゼロギャップ水電解電池では、ガスは、電極間セパレータ膜の両側で液体電解質中（即ち陽極液及び陰極液中）の気泡として生成される。そのようなシステムでは、ガス交差は２つの生じ得るメカニズムによって生じ得る：（Ａ）電極間セパレータ膜を通り逆側に行く液体電解質に溶解したガスの拡散（「拡散ベースの交差」と呼ばれる）及び（Ｂ）両側間のガス及び気泡を含む液体の物理的移動（「交差透過ベースの交差」と呼ばれる）。交差透過ベースの交差は、泡の形成及び解放から生じるものを含め、セパレータにわたる一時的な変動する圧力差により生じ得る。
【0384】
典型的にはＺｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）電極間セパレータを採用する市販のアルカリ電解電池では、交差透過ベースの交差が圧倒的に優勢なメカニズムである。両側（即ち陽極液と陰極液との）間の極めて小さな圧力差であっても、従来のゼロギャップアルカリ電解電池内の交差は大方、交差透過ベースの交差に起因する。例えば、薄いＺｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）膜の両側間の圧力差をわずか１％に制限することができる場合、６バールの全体圧と共に２００ｍＡ／ｃｍ２で動作する場合、酸素産物流への水素の交差透過ベースの交差は～２％であり、一方、付随する拡散ベースの交差はわずか～０．３％である。Ｚｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）セパレータが、平均孔径わずか～０．１４μｍという比較的小さな孔を有するのはこのためである。この種の小さな孔は、ガス交差を最小に抑えるために、膜内及び膜を通る、典型的には水性６Ｍ ＫＯＨである液体電解質の移動度を最小に抑える（Ｈ．Ｉ．Ｌｅｅら著、Ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａ Ｚｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）－ｔｙｐｅ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｇａｓ Ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｆｏｒ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ、Ｉｎｔ Ｊ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓ．２０２０年、第４４巻、第１８７５－１８８５頁に教示されているように）。拡散ベースの交差のレベルは非常に低い。何故ならば、６Ｍ ＫＯＨ中の高レベルのＫ＋及びＯＨ－イオンが、溶解ガスを「塩析」するためである。即ち、６Ｍ ＫＯＨは、水素及び酸素のような溶解ガスに対して非常に低い溶解性を有する。６Ｍ ＫＯＨ中の溶解酸素及び水素の拡散率も非常に低い。
【0385】
逆に、市販のＰＥＭ電解電池では、典型的に採用されるＣｈｅｍｏｕｒｓのＮａｆｉｏｎ（登録商標）は非多孔性である。これは、ガス交差のメカニズムとして交差透過の交差をなくす。何故ならば、そのような電池で使用される脱イオン水は、膜を自在に透過することが全くできないためである。しかしながら、拡散ベースの交差はなお可能であり、水素及び酸素のようなガスの溶解率及び拡散率の組合せは、８０℃の脱イオン水では約４０～１２０倍であるため、拡散ベースの交差は高レベルのガスを膜にわたって輸送する。したがって、市販のＰＥＭ電解電池は一般に、市販のアルカリ幕よりも高いガス交差を有する。
【0386】
図１に示される等の実施形態例の電池は、アルカリ電解電池及びＰＥＭ電解電池の両方の利点を、これらのいずれの欠点も有することなく享受する。したがって、交差透過ベースの交差は、実施形態例の電池では基本的に不可能である。何故ならば、電極外部に自由液体電解質体がないためである：それらの容積はそれぞれ気体１２５及び１３５で占められる。代わりに液体電解質は、多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って下から供給される。即ち、実施形態例の電池には陽極液又は陰極液が存在せず、したがって、多孔性毛細管スペーサ１１０を通って一方の側から他方の側に自由に透過する液体電解質体は存在しない。実際に、高有孔率の多孔性毛細管スペーサの使用を可能にするのは、この特徴である。
【0387】
さらに、高イオン濃度を有する電解質を使用するに当たり、実施形態例の電池は、酸素及び水素のようなガスの６Ｍ ＫＯＨ中の非常に低い溶解率及び拡散率からも恩恵を受ける。したがって、生じる拡散ベースの交差は低い。
【0388】
したがって、実施形態例の電池は、同等の条件下で同等の市販のアルカリ又はＰＥＭ電解電池よりもはるかに低いガス交差を示す。
【0389】
それにより、ガス交差により電極間セパレータの選択及び設計に対して課される制約は大方なくなる。したがって、実施形態例の電池は、大きなガス交差なしで多孔性毛細管スペーサ１１０内において高い流量を生み出す大きな孔径を採用し得る。先に記したように、実施形態の多孔性毛細管スペーサ１１０は好ましくは、２μｍ超の平均孔径を有し、一方、Ｚｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）での平均孔径はわずか０．１４μｍである。これは考えられないことであり、従来の電極間セパレータ（先に記したような）の分野での教示とは正反対である。しかし、独自の電池構造により、実施形態例の電池では可能である。
【0390】
実施形態例の電池の電池構造は、多孔性毛細管スペーサ１１０で大きな平均孔径の使用を可能にするのみならず、先のセクションに記したように、非常に低いイオン抵抗にも繋がる。
【0391】
さらに、多孔性毛細管スペーサ内部の液相水の移動度を最大化もする。そうするに当たり、従来の電極間セパレータが一般に、ガス交差を最小に抑えるために、セパレータ内の電解質の移動度を強く制限する恐れがあるという背景セクションに記した課題を解消する。これを理由として、ゼロギャップ水電解電池内の電極は、水反応物を電極外部から引き込む必要があり得、それにより、電極に向かって移動する液相水が電極から離れて移動する気相泡に逆行する多相逆流を生じさせる。実施形態例では、多孔性毛細管スペーサ１１０は、特に、必要とされる水及びイオン反応物をセパレータ内部から供給できるようにされ、それにより、そのような多相逆流を回避し、目立ったガス交差なしでそうする。即ち、独自の電池構造により、実施形態例の多孔性毛細管スペーサは、従来のゼロギャップ水電解装置で生じ得る多相逆流を回避することが可能である。これは、本発明及び本発明の新規性の本質である。
【0392】
低ガス交差の別の利点は、従来のアルカリ電解電池で可能であり得るよりも高い全体絶対圧での首尾良い動作を可能にし得ることである。これは、安全限度に達するまでに、絶対圧力が増大するにつれて、同等の従来の電池の場合よりもはるかに高い交差増大の余地があり得るためである。
【0393】
「ベンチマークガス交差」とは、電池が室温、大気圧、固定２００ｍＡ／ｃｍ２で動作するという特定の条件下での３０分後のガス交差の程度である。
【0394】
実施形態の多孔性毛細管スペーサ１１０では、好ましくは、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体１２５が第２の気体１３５と混合するのを阻止又は妨げ、２％未満のベンチマークガス交差を維持する。他の例では、ベンチマークガス交差は、１％未満、０．８％未満、０．６％未満、０．４％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、又は０．０１％未満であり得る。
【0395】
多孔性毛細管スペーサ１１０における毛細管現象により、多孔性毛細管スペーサ１１０は非常に良好な泡バリアになり得る
幾つかの好ましい実施形態の電池は、目に見える気泡を有さないが、目に見えない小さなマイクロ泡又はナノ泡がなお存在し得る。他の実施形態では、目に見える気泡が形成されることもある。泡は、当然ながら、非導電間隙であり、電極間スペーサ内に存在すると、電極間の電気抵抗（即ちインピーダンス）が増大し、電池のエネルギー効率は低下する。さらに、時間の経過に伴い、泡の数が増えると、スペーサ内に漸次的に留まるようになり得、そしてついには、多孔性毛細管スペーサを橋渡し又は部分的に橋渡しする１つの連続ガス経路を形成する。そのようなブリッジは典型的には、過度に高レベルのガス交差を生じさせ、電池のエネルギー効率を大きく損なう。この種の問題は、幾つかの従来の電極間スペーサで生じ得る。
幾つかの好ましい実施形態の電池は、目に見える気泡を有さないが、目に見えない小さなマイクロ泡又はナノ泡がなお存在し得る。他の実施形態では、目に見える気泡が形成されることもある。泡は、当然ながら、非導電間隙であり、電極間スペーサ内に存在すると、電極間の電気抵抗（即ちインピーダンス）が増大し、電池のエネルギー効率は低下する。さらに、時間の経過に伴い、泡の数が増えると、スペーサ内に漸次的に留まるようになり得、そしてついには、多孔性毛細管スペーサを橋渡し又は部分的に橋渡しする１つの連続ガス経路を形成する。そのようなブリッジは典型的には、過度に高レベルのガス交差を生じさせ、電池のエネルギー効率を大きく損なう。この種の問題は、幾つかの従来の電極間スペーサで生じ得る。
【0396】
多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象は、多孔性毛細管スペーサ１１０が、従来の電極間セパレータよりも、マイクロ泡又はナノ泡を含む気泡への、特にマイクロ泡又はナノ泡へのよりよいバリアとして作用するように促し得る。
【0397】
先に記したように、気泡は、電極における新たに形成されたガスが、多孔性毛細管スペーサ１１０内の毛細管圧に打ち勝つ内圧を有する泡を生み出す場合のみ、多孔性毛細管スペーサ１１０内部で核となる。第１の電極１２０及び第２の電極１３０はそれぞれ、関連する第１の気体１２５及び１３５と直接接触し得、打ち勝つための追加の毛細管圧がないため、実施形態例でこれが生じる可能性は低い。したがって、気泡形成は、多孔性毛細管スペーサ１１０から離れ、且つ気体１２５又は１３５とのインタフェース又はその近くの電極場所に優先的に向けられ得る。そのような場合、多孔性毛細管スペーサ１１０が利用されて、ゼロギャップ電池の従来の電極間スペーサを用いる場合よりも泡バリアとしてはるかに有効になっているであろう。
【0398】
好ましい実施形態では、多孔性毛細管スペーサ１１０は、直径１μｍ超の気泡の電極間の輸送を阻止し得る。他の例では、直径２μｍ超、直径５μｍ超、直径１０μｍ超、直径２５μｍ超、直径５０μｍ超、又は直径１００μｍ超の泡を阻止し得る。
【0399】
多孔性毛細管スペーサ１１０における毛細管現象により、「乾電池」構造の利点を付与し得る
多孔性スペーサの毛細管現象及び外部環境が乾燥しており、液体がない間に液体電解質を引き込み内部に保持するその能力により、実施形態例の電池は、電極間スペーサが典型的には固体状態導電材料であるいわゆる「乾電池」構造の利点を有し得る。同時に、実施形態例の電池は、固体状態導電材料よりもはるかに高い導電性であり得る液体電解質の利点を享受することもできる。したがって、好ましい実施形態は、乾電池構造の利点を液体電解質構造の利点と、各々の欠点を回避しながら組み合わせ得る。そうするに当たり、電池は、通常、ゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池の能動的管理を含め、管理のために必要であり得る外部工学システムの必要性を回避し得る。
多孔性スペーサの毛細管現象及び外部環境が乾燥しており、液体がない間に液体電解質を引き込み内部に保持するその能力により、実施形態例の電池は、電極間スペーサが典型的には固体状態導電材料であるいわゆる「乾電池」構造の利点を有し得る。同時に、実施形態例の電池は、固体状態導電材料よりもはるかに高い導電性であり得る液体電解質の利点を享受することもできる。したがって、好ましい実施形態は、乾電池構造の利点を液体電解質構造の利点と、各々の欠点を回避しながら組み合わせ得る。そうするに当たり、電池は、通常、ゼロギャップ電気合成又は電気エネルギー電池の能動的管理を含め、管理のために必要であり得る外部工学システムの必要性を回避し得る。
【0400】
多孔性毛細管スペーサ１１０における毛細管現象により、高価／エキゾチック／希少な電解質の使用が可能になり得る
更なる態様例では、多用途であり、電気化学反応を促進するために有用な性質を有するクラスの液体電解質を採用する電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。そのような電解質は、高価、希少、且つ／又はエキゾチックであり得、単なる例として、イオン性液体であり得る。そのような液体電解質を採用した一実施形態例の電池は、多孔性毛細管スペーサ及び槽において必要とされる電解質が小量であることにより、実際に実行可能であり得る。そのような液体電解質を採用した一実施形態例の電池は、これまでは商業的に実行可能ではなかった電気化学反応の産業化を可能にし得る。
更なる態様例では、多用途であり、電気化学反応を促進するために有用な性質を有するクラスの液体電解質を採用する電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。そのような電解質は、高価、希少、且つ／又はエキゾチックであり得、単なる例として、イオン性液体であり得る。そのような液体電解質を採用した一実施形態例の電池は、多孔性毛細管スペーサ及び槽において必要とされる電解質が小量であることにより、実際に実行可能であり得る。そのような液体電解質を採用した一実施形態例の電池は、これまでは商業的に実行可能ではなかった電気化学反応の産業化を可能にし得る。
【0401】
電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法
別の態様例では、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供される。方法は、多孔性毛細管スペーサ１１０に液体電解質１００を充填するステップと、液体電解質１００を第１の電極１２０、例えば第１のガス拡散電極及び第２の電極１３０、例えば第２のガス拡散電極に接触させるステップとを含む。別の代替例では、方法は、少なくとも毛細管作用により、槽１４０から多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って液体電解質１００を輸送するステップと、多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って輸送された後、液体電解質１００を第１のガス拡散電極１２０及びこれもまたガス拡散電極であり得る第２の電極１３０に接触させるステップとを含む。別の例では、方法は、少なくとも毛細管作用により、槽１４０からの液体電解質１００で多孔性毛細管スペーサ１１０を充填することを含む。別の例では、方法は、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０が槽１４０内に位置する前、多孔性毛細管スペーサ１１０に液体電解質１００を充填するステップを含む。別の例では、方法は、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、動作中、槽１４０からの毛細管／拡散／浸透下での液体電解質１００の移行により、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、槽１４０からの電極表面１２０及び／又は１３０に沿った上方への薄膜での液体電解質の移行により、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、電池１０が電気合成電池であり、電気化学反応が、電気合成電池１０から離れて電気合成電池１０の外部に輸送される化学産物を生成することを提供する。別の例では、方法は、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０において気体１２５及び／又は１３５中の蒸気が液体電解質１００において液化又は液体電解質１００から気化することに起因して、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、電池１０が電気エネルギー電池であり、電気化学反応が、電気合成電池１０の外部に仕事を提供するのに使用される電力を生成することを提供する。別の例では、方法は、動作中、反応物を電池の外部から供給／補充し、且つ／又は産物を電池外部に除去するステップを含み、これらの移動は、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽の各々に別個に接続された、封止（液密且つ／又は気密）された外部導管及び筐体内で生じる。
別の態様例では、電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法が提供される。方法は、多孔性毛細管スペーサ１１０に液体電解質１００を充填するステップと、液体電解質１００を第１の電極１２０、例えば第１のガス拡散電極及び第２の電極１３０、例えば第２のガス拡散電極に接触させるステップとを含む。別の代替例では、方法は、少なくとも毛細管作用により、槽１４０から多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って液体電解質１００を輸送するステップと、多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って輸送された後、液体電解質１００を第１のガス拡散電極１２０及びこれもまたガス拡散電極であり得る第２の電極１３０に接触させるステップとを含む。別の例では、方法は、少なくとも毛細管作用により、槽１４０からの液体電解質１００で多孔性毛細管スペーサ１１０を充填することを含む。別の例では、方法は、多孔性毛細管スペーサ１１０の端部１５０が槽１４０内に位置する前、多孔性毛細管スペーサ１１０に液体電解質１００を充填するステップを含む。別の例では、方法は、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、動作中、槽１４０からの毛細管／拡散／浸透下での液体電解質１００の移行により、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、槽１４０からの電極表面１２０及び／又は１３０に沿った上方への薄膜での液体電解質の移行により、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、電池１０が電気合成電池であり、電気化学反応が、電気合成電池１０から離れて電気合成電池１０の外部に輸送される化学産物を生成することを提供する。別の例では、方法は、動作中、多孔性毛細管スペーサ１１０において気体１２５及び／又は１３５中の蒸気が液体電解質１００において液化又は液体電解質１００から気化することに起因して、多孔性毛細管スペーサ１１０が液体電解質１００で充填された状態を保つことを含む。別の例では、方法は、電池１０が電気エネルギー電池であり、電気化学反応が、電気合成電池１０の外部に仕事を提供するのに使用される電力を生成することを提供する。別の例では、方法は、動作中、反応物を電池の外部から供給／補充し、且つ／又は産物を電池外部に除去するステップを含み、これらの移動は、第１の気体、第２の気体、及び／又は槽の各々に別個に接続された、封止（液密且つ／又は気密）された外部導管及び筐体内で生じる。
【0402】
一例では、多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により、液体電解質を引き込み、多孔性毛細管スペーサ内で液体電解質のカラム高さを維持する。別の例では、液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも第１のガス拡散電極の高さと等しいか、又はそれを越える。別の例では、液体電解質の最大カラム高さは、電池の上部及び電池の全ての縁部に及ぶ。別の例では、電極は、電極の表面に沿って又は電極の表面を上方に液体電解質の薄膜を引き込む。別の例では、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、気相経路に存在するその液体の蒸気が、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質から気化することによって補充／維持される。
【0403】
好ましくは、電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する。代替的には、電気化学反応中、液体電解質は、電極の表面に沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する。また好ましくは、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下である。別の例では、電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整している。更に別の例では、交差平面軸外への液相材料の移動は、槽内の液体電解質の組成により自己調整される。
【0404】
好ましくは、交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられ、別個である。別の例では、液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、又は（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去するように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する。別の例では、これは、気相経路に干渉しない電極表面に沿った液相毛細管運動により達成される。
【0405】
例えば、好ましい実施形態の電池は、ＰＥＭ燃料電池では典型的に必要とされるガス加湿システムの必要性を、それに関連する全ての工学構成要素及び電子制御回路の必要性と共に回避し得る。別の例では、好ましい実施形態の電池は、水電解装置で必要とされ得る液体電解質循環システムの必要性を、それに関連する全てのパイプ、ポンプ、及び他の工学構成要素及び電子構成要素の必要性と共に回避し得る。
【0406】
別の例では、気体に存在する蒸気は、多孔性毛細管スペーサ中の液体電解質において液化又は該液体電解質から気化して、（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、又は（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する。別の例では、これは非干渉気相経路により達成される。
【0407】
多孔性毛細管スペーサ中の液体電解質の最大カラム高さ及び流量を増幅し、その動作を自動化し得る浸透槽構成
多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象が、多孔性毛細管スペーサ１１０中の液体電解質１００の不十分な最大カラム高さ及び／又は流量を提供する場合、槽１４０及び多孔性毛細管スペーサ１１０は、最大カラム高さ及び／又は流量を増幅するために、浸透システムとして構成し得る。図６は、槽１４１のそのような代替の浸透構成の一例を示す。
多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象が、多孔性毛細管スペーサ１１０中の液体電解質１００の不十分な最大カラム高さ及び／又は流量を提供する場合、槽１４０及び多孔性毛細管スペーサ１１０は、最大カラム高さ及び／又は流量を増幅するために、浸透システムとして構成し得る。図６は、槽１４１のそのような代替の浸透構成の一例を示す。
【0408】
槽１４１は、図６に示されるように、多孔性毛細管スペーサ１１０が内部に位置する固定容積のキャビティ内に閉じ込められ得、好ましくは封止され得る。槽１４１は、槽１４１にわたり封止された膜１４５を有し得、それにより、槽１４１を２つの固定され、閉じ込められた容積、即ち第１の容積１４２及び第２の容積１４３に分離を選択分割し得る。膜１４５は、水は透過するがイオンは透過しない膜であり得、即ち、膜１４５は、浸透システムで一般的なタイプの「半透過性」膜であり得る。多孔性毛細管スペーサ１１０は、第１の容積１４２に含まれる液体電解質１００（即ち第１の液体）内に位置し、浸され、又は他の方法で液通し得、一方、膜１４５の逆側の第２の容積１４３は、例えば純水（即ち第２の液体１４６）を含む。即ち、多孔性毛細管スペーサ１１０は、第１の容積１４２内に位置し得、第１の液体は液体電解質１００であり得、第２の液体１４６は第１の液体と異なり得る。
【0409】
そのような構成は、第２の容積１４３から半透過性膜１４５を通って第１の容積１４２に伝達される浸透圧を生み出し得る。浸透圧は、液体電解質１００を、多孔性毛細管スペーサ１１０の毛細管現象のみに起因するよりも多孔性毛細管スペーサ１１０の上方に駆動させ得る。浸透圧は、液体電解質１００及びその成分が多孔性毛細管スペーサ１１０に沿って上方に流れ得る速度を増幅することもできる。
【0410】
浸透効果に起因した液体電解質１００のカラムの最大高さ及び多孔性毛細管スペーサ１１０内でのその流量は典型的には、純水（即ち第２の液体１４６）に対する液体電解質１００の組成及び純水１４６の総量に対する液体電解質１００の総量に依存し得る。即ち、容積１４２のチャンバサイズ及び多孔性毛細管スペーサ１１０中の液体電解質１００の容量に対する容積１４３のチャンバサイズを調整し、純水（即ち第２の液体１４６）に対する電解質１００の組成を考慮に入れることにより、生み出される浸透圧により付与される多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００の追加の最大カラム高さ及び追加の流量を制御し調整することが可能であり得る。
【0411】
したがって、浸透効果を採用して、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００の最大カラム高さ及び流量を増幅するのを助け得る代替の実施形態の槽構成１４１が提供される。
【0412】
この構成は、水が電気化学反応により生成される単独の産物又は電気化学反応により消費される単独の反応物である電池例の自動化を助けることもできる。即ち、構成１４１の槽は、実施形態例の水素－酸素燃料電池（水が単独の反応産物）又は実施形態例の水電解電池（水が、消費される単独の反応物）において水の除去又は追加をそれぞれ自動化するために採用されることもできる。
【0413】
そのような実施形態例の電池では、浸透平衡が、第２の容積１４３内の純水（即ち第２の液体１４６）と第１の容積１４２及び多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００との間に存在し得る。実施形態例の水素－酸素燃料電池内での電気化学反応による追加の新たな水の形成は、液体電解質１００を希釈し得る。これは上記平衡をシフトさせ得、平衡が回復されるまで、追加の純水が第１の容積１４２から半透過性膜１４５を通って第２の容積１４３に移る。第２の容積１４３に流入する追加の純水は、第２の容積１４３と第２の容積１４３に取り付けられた純水のパイプとの間の弁を周期的に開くことにより除去し得る。弁は、第２の容積１４３内の純水の量が特定量を超えるときは常に、自動的に開くように構成し得る。このようにして、槽管理は自動化し得、それにより、人間の介入なしで、実施形態例の水素－酸素燃料電池内で単独の産物として生成される水は、浸透システムを提供する槽１４１を介して自動的に除去し得る。
【0414】
一実施形態例の水電解電池では、水は、電気化学反応により消費される単独の反応物である。水を消費する効果により、液体電解質１００はより濃縮することになり、上記平衡をシフトさせるが、逆方向にシフトさせる。即ち、純水は、平衡が回復されるまで、第２の容積１４３から半透過性膜１４５を通って第１の容積１４２及び多孔性毛細管スペーサ１１０に流れるように誘導され得る。第２の容積１４３から流出した追加の純水は、第２の容積１４３と第２の容積１４３に取り付けられた純水のパイプとの間の弁を周期的に開くことにより補充し得る。弁は、第２の容積１４３内の純水の量が特定量を下回ったときは常に、自動的に開くように構成し得る。このようにして、槽管理は自動化し得、それにより、人間の介入なしで、実施形態例の水電解装置内で単独の反応物として消費される水は、浸透システムを提供する槽１４１を介して自動的に補充し得る。
【0415】
多孔性毛細管スペーサ例及び液体電解質例
上記例は、Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍを有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタで構成される多孔性毛細管スペーサ１１０を採用したが、液体電解質を内部に組み込むことが可能な広範囲の他の多孔性の薄い材料が、多孔性毛細管スペーサ１１０として採用し得ることを理解されたい。これには、限定ではなく、
ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、種々のタイプのフッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、種々のタイプの窒素含有材料、ガラス繊維、種々のタイプのケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、種々のタイプの塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、種々のタイプのセルロース含有材料、ポリカーボネート、種々のタイプのカーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、種々のタイプのスルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、種々のタイプのスルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、種々のタイプのオレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、種々のタイプのセラミック材料、ポリ塩化ビニル、種々のタイプのビニル系材料、種々のタイプのゴム、種々のタイプの多孔性電池セパレータ、及び種々のタイプのクレイ
を含め、限定ではなく、種々のタイプ、タイプの組合せ、又は異なるタイプのハイブリッドの薄膜が含まれる。
上記例は、Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される平均孔径０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍを有する多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタで構成される多孔性毛細管スペーサ１１０を採用したが、液体電解質を内部に組み込むことが可能な広範囲の他の多孔性の薄い材料が、多孔性毛細管スペーサ１１０として採用し得ることを理解されたい。これには、限定ではなく、
ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、種々のタイプのフッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、種々のタイプの窒素含有材料、ガラス繊維、種々のタイプのケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、種々のタイプの塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、種々のタイプのセルロース含有材料、ポリカーボネート、種々のタイプのカーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、種々のタイプのスルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、種々のタイプのスルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、種々のタイプのオレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、種々のタイプのセラミック材料、ポリ塩化ビニル、種々のタイプのビニル系材料、種々のタイプのゴム、種々のタイプの多孔性電池セパレータ、及び種々のタイプのクレイ
を含め、限定ではなく、種々のタイプ、タイプの組合せ、又は異なるタイプのハイブリッドの薄膜が含まれる。
【0416】
上記例は６Ｍ ＫＯＨ溶液を液体電解質１００として採用したが、限定ではなく、
－ 限定ではなく、０．００１～１４Ｍ濃度のＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＯＨ－、ＳＯ４ ２－、ＨＳＯ４ －、Ｃｌ－、ＮＯ３ －、ＣｌＯ４ －、リン酸塩（ＨＰＯ４ －を含む）、炭酸塩（ＨＣＯ３ －を含む）、ＰＦ６ －、ＢＦ４ －、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、又は官能基を有するポリマーを含む多価電解質、限定ではなく例としてポリスチレンスルホン酸、ＤＮＡ、ポリペプチド等の１つ又は複数の溶解イオンを含む水、
－ 溶質を含む非水液体、限定ではなく例として、溶質、限定ではなく例としてＬｉＣｌＯ４若しくはＢｕ４ＮＰＦ６等を含むプロピレンカーボネート液、ジメトキシエタン液、又はプロピオニトリル液、
－ 導電性液体、限定ではなく例として、常温溶融塩又は適したアニオンと対になったアルキル置換アンモニウム、イミダゾリウム、又はピリジニウムカチオンで構成されるイオン性液体、
－ 導電性であり、電解質として作用することが可能なゲル
を含め、広範囲の他の液体又はゲルを電解質１００として採用し得ることを理解されたい。
－ 限定ではなく、０．００１～１４Ｍ濃度のＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＯＨ－、ＳＯ４ ２－、ＨＳＯ４ －、Ｃｌ－、ＮＯ３ －、ＣｌＯ４ －、リン酸塩（ＨＰＯ４ －を含む）、炭酸塩（ＨＣＯ３ －を含む）、ＰＦ６ －、ＢＦ４ －、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、又は官能基を有するポリマーを含む多価電解質、限定ではなく例としてポリスチレンスルホン酸、ＤＮＡ、ポリペプチド等の１つ又は複数の溶解イオンを含む水、
－ 溶質を含む非水液体、限定ではなく例として、溶質、限定ではなく例としてＬｉＣｌＯ４若しくはＢｕ４ＮＰＦ６等を含むプロピレンカーボネート液、ジメトキシエタン液、又はプロピオニトリル液、
－ 導電性液体、限定ではなく例として、常温溶融塩又は適したアニオンと対になったアルキル置換アンモニウム、イミダゾリウム、又はピリジニウムカチオンで構成されるイオン性液体、
－ 導電性であり、電解質として作用することが可能なゲル
を含め、広範囲の他の液体又はゲルを電解質１００として採用し得ることを理解されたい。
【0417】
特に適切なのは、電気化学反応を促進するに当たり多用途又は有用であるが、高価且つ／又は希少であり得る電解質である。薄い多孔性毛細管スペーサ（及び槽）に存在し得る電解質は非常に小量であることにより、好ましい実施形態の電池は、電気合成又は電気エネルギー電池内のそのような電解質の使用普及を可能にし得る。これに関する例には、限定ではなく、多くの場合、特に有用であるが、現在、実用が実現不可能な電気化学反応を促進することが判明しているイオン性液体がある。それらの電気化学反応での大きな技術的多用途性及び有用性にも拘わらず、多くのイオン性液体は、高コスト及び入手希少性により、今日まで、電気合成又は電気エネルギー電池内の電解質として広く用いられてこなかった。
【0418】
簡単な工学設計の電池の例
以下、多様な異なる電気化学反応を促進し、図１に示される構造を有する電池例について説明する。再現性のある説明を提供するために、簡単且つ容易に再現される工学設計を有する電池例を使用している。この設計が、実施形態例の電池に採用し得る多くの設計のうちの１つであり、多様な電池例が本発明の範囲内に含まれることを理解されたい。
以下、多様な異なる電気化学反応を促進し、図１に示される構造を有する電池例について説明する。再現性のある説明を提供するために、簡単且つ容易に再現される工学設計を有する電池例を使用している。この設計が、実施形態例の電池に採用し得る多くの設計のうちの１つであり、多様な電池例が本発明の範囲内に含まれることを理解されたい。
【0419】
図５及び図６は電池例の作製を説明している。文具店ラミネータを通ることによる熱処理後に硬化する特別にカットされたプラスチック積層体内部に組立体を取り付けることにより、電極－スペーサ－電極組立体１３９を準備した。
【0420】
図７に示されるように、レーザカッタを使用して、透明プラスチック積層体をカットアウト５００の設計にカットした。カットアウト５００は、２つの３．２ｃｍ×３．２ｃｍ電極窓５０１及び幅５ｃｍ×高さ２ｃｍ寸法の２つの槽窓５０２を組み込んだ。多孔性毛細管スペーサ１１０を寸法６．５×６．５ｃｍにカットした。寸法３．３×３．３ｃｍの、ガス拡散電極として組み込まれる第１の電極１２０内又は上に、寸法３．２５×３．２５ｃｍのガス多孔性細目金属メッシュ電流キャリア３２０を組み込み、電極－電流キャリア組立体４２０を形成した。寸法３．３×３．３ｃｍの、ガス拡散電極として組み込まれる第２の電極１３０内又は上に、寸法３．２５×３．２５ｃｍの第２のガス多孔性細目金属メッシュ電流キャリア３３０を組み込み、第２の電極－電流キャリア組立体４３０を形成した。
【0421】
カットアウト５００は、透明積層体であり、折り畳まれたカットアウト５１０として示されるように２つに折り畳まれた。折り畳み内に、電極－電流キャリア組立体４２０が前側、電極－電流キャリア組立体４３０が後側の状態で多孔性毛細管スペーサ１１０を挿入した。電極－電流キャリア組立体４２０及び電極－電流キャリア組立体４３０の各々はそれぞれ、多孔性毛細管スペーサ１１０から離れる外向きの電流キャリア３２０及び３３０を有した。電極－電流キャリア組立体４２０及び電極－電流キャリア組立体４３０の各々はそれぞれ、多孔性毛細管スペーサ１１０と直接接触する、内向きの第１の電極１２０及び第２の電極１３０を有した。多孔性毛細管スペーサは、窓５０１の全体及び窓５０２の全体の両方を覆うように配置された。電極－電流キャリア組立体４２０、４３０は、各側で窓５０１を覆うだけであるように配置された。次いで、そうして生成された組立体を文具店ラミネータに通し、折り畳まれたカットアウト５１０の２つの内面を互いに付着、硬化させ、それにより、電流キャリア－電極－スペーサ－電極－電流キャリア組立体５２０を形成した。
【0422】
図７の右下に組立体５２０の分解組立図を示し、組立体５２０内部の構成要素が各側の窓５０１及び５０２といかに見当合わせされるかを示す。積層体の前面５１１は、組立体５２０の前部を形成した。積層体の後面５１２は、組立体５２０の後部を形成した。積層体の前面５１１と後面５１２との間に、多孔性毛細管スペーサ１１０が配置された。多孔性毛細管スペーサ１１０は、積層体の前面５１１及び後面５１２の各々における上部窓及び下部窓の両方と見当合わせされ覆われた（図７の右下の多孔性毛細管スペーサ１１０上の破線として示されている）。多孔性毛細管スペーサ１１０の前面には、電極－電流キャリア組立体４３０が配置され、その電極側は多孔性毛細管スペーサ１１０に面し、電流キャリア側は前面５１１の積層体カバーに面する。組立体４３０は、積層体の前面５１１上の上部窓と見当合わせされた。電極－電流キャリア組立体４３０における電流キャリア３３０は、積層体の前面５１１における上部窓全体を覆った。多孔性毛細管スペーサ１１０の後面には、電極－電流キャリア組立体４２０が配置され、その電極側は多孔性毛細管スペーサ１１０に面し、電流キャリア側３２０は積層体の後面５１２に面する。組立体４２０は、５１２において上部窓と見当合わせされた。電流キャリアは、４２０において積層体の後面５１２における上部窓全体を覆った。
【0423】
図７から分かるように、多孔性毛細管スペーサ１１０の高さは、第１の電極１２０の高さ及び第２の電極１３０の高さと少なくとも等しいか、又はそれよりも高かった。同様に、多孔性毛細管スペーサ１１０の表面積は、第１の電極１２０の表面積及び第２の電極１３０の表面積と重なり、少なくともそれらと等しいか、又はそれらよりも大きかった。したがって、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００の最大カラム高さは、第１の電極１２０の高さ及び第２の電極１３０の高さを超える。好ましくは、液体電解質の最大カラム高さは、第１のガス拡散電極の高さと少なくとも等しいか、又はそれよりも高い。最大カラム高さは、電池の上部の高さも超える。同様に、これにより、多孔性毛細管スペーサ１１０内の液体電解質１００により覆われた表面積は、多孔性毛細管スペーサに面する第１の電極１２０の表面積及び多孔性毛細管スペーサに面する第２の電極１３０の表面積と少なくとも等しいか、又はそれらよりも高いことができる。
【0424】
図８は、電流キャリア－電極－スペーサ－電極－電流キャリア組立体５２０を使用して組み立てられた電池の分解組立図を示す。
【0425】
２つの電池半体６００は、ステンレス鋼から機械加工された。各半電池６００は、半電池６００の上部から出るパイプ６１１に接続された段付き窓６１０を含んだ。各半電池６００は、幅５ｃｍ×高さ２ｃｍ×奥行き１ｃｍ寸法の溝付き矩形ウェル６１５も含んだ。この溝６１５は、両方とも半電池６００の上部から出る２つのパイプ６２１に接続された。
【0426】
導電性金属流場６２０、６３０が、各半電池６００の上部窓６１０の特に設計された溝に配置された。各流場６２０、６３０は、寸法３．２ｃｍ×３．２ｃｍの多孔性中央エリアを含んだ。種々の設計を流場６２０、６３０の多孔性セクションに使用することができる。図８に示される例では、流場６２０、６３０は、前から後ろに通る円柱形空隙が密に詰められている。可能な場合、触媒を組み込む前に、電極１２０及び１３０はそれぞれの電流キャリア３２０及び３３０及び／又はそれぞれの流場６２０及び６３０に溶接された。
【0427】
図８に示されるように、次いで組立体５２０は、組立体５２０の外部の電流キャリアが、各半電池６００における導電性流場６２０、６３０と密に接触する状態で、２つの半電池６００間に狭設された。２つの半電池６００は、組立体全体の厚さにわたって延びる７つの縁部に配列した穴を通る非導電性ポリマーボルトを使用して互いにしっかりとねじ留めされ、全体電池７００を生成し、これは、斜視図（左）及び断面図（右）で図８の右下に示されている。
【0428】
その後、液体電解質は、燃料電池７００内の各半電池６００上の管６２１の１つを流れ落ちて、各半電池６００内の槽キャビティ６１５を充填する。それらの槽６１５内の液体は、組立体５２０のいずれかの側の窓５０２を通り、第１の電極１２０及び第２の電極１３０が両方ともガス拡散電極である場合、多孔性毛細管スペーサ１１０内の第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に引き上げられる。
【0429】
電極１２０、１３０との電気接続するために、導電性バスバー６４０が各半電池６００における窓６１０を通り、導電性流場６２０、６３０に対して圧縮された。そしてこれらは、第１の電極１２０及び第２の電極１３０にそれぞれ組み込まれた導電性電流キャリア３２０、３３０に対して圧縮された。圧縮は、バスバーに対して捻られて好ましい電極圧縮を送達する２本のボルトにより提供された。幾つかの実施形態では、バスバー６４０は、同じ場所（即ち６１０）で筐体６００を通るようにねじ留めされたステンレス鋼ボルトで置換され、ボルトは捻られて、好ましい電極圧縮を提供した。ボルトを捻ることにより送達される印加圧は、感圧薄膜を使用してチェックすることができる。バスバー６４０の２つの端部６４１、６４２は、外部電気回路との接続点として機能した。バスバー６４０（又は上記ステンレス鋼ボルト）は、各半電池６００における流場３２０、３３０とパイプ６１１との間に流れを準備できるようにするように構築された。
【0430】
電池へのガス接続は、半電池６００の各々の上部のパイプ６１１を介して行われた。それらのパイプ６１１内又は外に流れるガスはそれぞれ、流場６２０、６３０及びガス多孔性電流キャリア３２０、３３０を介して第１の電極１２０及び第２の電極１３０と接続された。
【0431】
上記電池は、積層体５００（図７参照）における空隙５０１と５０２との間のポリマーを単に除去し、電池６００（図８参照）におけるチャンバ６１５と６１０との間の金属バリアを除去し、次いで槽６１５内の液体が、電極１２０又は１３０の少なくとも一方に触れるのに十分に高いレベルを有することを保証することにより、図２に示される構造を有するように適合することができる。
【0432】
上記電池は、単に積層体５００（図７参照）に空隙５０２をカットせず、半電池６００（図８参照）にチャンバ６１５をカットしないことにより、図３に示される構造を有するように適合することもできる。その場合、電池内に槽はない。
【0433】
マルチセル積層体例
図９を参照すると、少なくとも第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池を提供する複数の個々の電池７００は積層され、ある電池の外部バスバー６４０の一端部６４２を次の電池の外部バスバー６４０のもう一方の端部６４１に電気的に接続することにより、マルチセル積層体としての二極電池積層体７５０（電気的に直列接続される）になり得る。図９はそのような積層体７５０を示し、積層体７５０は、例として、８つの個々の電池７００（即ち、第１の電池、第２の電池、第３の電池、第４の電池、第５の電池、第６の電池、第７の電池、第８の電池）で構成されて示されており、電池間に７つの電気接続７１０がある。各電気接続７１０は、ある電池７００のバスバー６４０の端部６４２が、次の電池７００のバスバー６４０の端部６４１と接触することを含む。次いで、外部電気回路が、図９の左側の開端部６４２及び図９の右側の開端部６４１にわたって接続された。
図９を参照すると、少なくとも第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池を提供する複数の個々の電池７００は積層され、ある電池の外部バスバー６４０の一端部６４２を次の電池の外部バスバー６４０のもう一方の端部６４１に電気的に接続することにより、マルチセル積層体としての二極電池積層体７５０（電気的に直列接続される）になり得る。図９はそのような積層体７５０を示し、積層体７５０は、例として、８つの個々の電池７００（即ち、第１の電池、第２の電池、第３の電池、第４の電池、第５の電池、第６の電池、第７の電池、第８の電池）で構成されて示されており、電池間に７つの電気接続７１０がある。各電気接続７１０は、ある電池７００のバスバー６４０の端部６４２が、次の電池７００のバスバー６４０の端部６４１と接触することを含む。次いで、外部電気回路が、図９の左側の開端部６４２及び図９の右側の開端部６４１にわたって接続された。
【0434】
多くの従来のゼロギャップ電気化学電池と比較したこのマルチセル構成の利点には、限定ではなく、以下がある。
【0435】
（１）分流がなくなる：「分」流（「寄生」電流又は「バイパス」電流とも呼ばれる）は、電気的に直列接続された電気化学電池積層体において問題であり得る。分流は、電池積層体内の全て又は複数の電池を接続に接続し、それらに共通する導電性液体電解質が存在する場合、生じる。そのような共通の電解質の存在により、不要な電流が積層体内の異なる個々の電池内の電極間に流れる。そのような「分」流は、望ましい電流経路を妨げ、大きな効率損失並びに腐食及び非均一電池性能を生じさせる恐れがある。分流は、積層体内の個々の各電池が、電池積層体内の任意の他の個々の電池の液体電解質と導電的、物理的に接触しないことを保証することによってでしか全体的に回避することはできない。
【0436】
例としての電池積層体７５０はその要件に適う。即ち、少なくとも第１の電気合成又は電気エネルギー電池及び第２の電気合成又は電気エネルギー電池を提供する個々の各電池７００は、それ自体の多孔性毛細管スペーサ１１０及びそれ自体の槽１４０内にそれ自体の個々の液体電解質１００を有し、個々の液体電解質１００は、電池積層体７５０内のいかなる他の個々の電池７００における液体電解質１００とも物理的に接触しない。したがって、電池積層体７５０内の全て又は複数の電池７００に接続し、それらに共通する共通の導電性液体電解質は、電池積層体７５０に存在しない。
【0437】
（２）分流を生じさせずに単一の水供給／除去システムを使用して複数の個々の槽を維持し得、システムは自動化し得る：これは、単一の共通する水供給又は除去システムを介して、分流を生じさせずに電池積層体７５０内の複数の個々の槽の維持を自動化することが可能であるか否か及び実際に実行可能であるか否かについて疑問を生じさせる。即ち、単一の水供給又は除去システムから複数の個々の槽を管理し、それでもなお分流を回避することが実現可能であるか？（図６及び関連する文章に記されたように、タイプ１４１の槽の使用により、水が電気化学反応により生成される単独の産物であり（例えば水素－酸素燃料電池）、又は消費される単独の反応物である（例えば水電解電池）個々の実施形態の電池における槽維持を自動化することが可能であり得る）。
【0438】
その疑問に答えるために、図１０は、例として、４つの個々の電池７００で構成された電池積層体７５０内のタイプ１４１の４つの槽を概略的且つ例示的に示す。各槽内で、純水１４６を含む第２の容積１４３は、それらを、純水１４６を含む単一の共通水供給又は除去パイプ１４７に接続する圧力又は容量感受性弁１４８を有する。動作中、弁は個々に自動的に開閉して、（水素－酸素燃料電池で）生成された水を除去し、又は（水電解装置で）消費された水を補充し得る。したがって、複数の各電池の第２の液体１４６、この例では純水は、複数の各電池の第２の容積１４３に接続された共通の供給又は除去パイプ１４７を介して液通し得る。弁は、独立して動作するため、２つの弁が随時同時に開き得る可能性が存在することは自明である。そのようなとき、２つの個々の電池内の電極間に単一の共通の水体がある。しかしながら、パイプ１４７内の純水及び２つの一時的に開かれた第２の容積１４３内の純水は、純水１４６であり、純水は非導電性であるため、分流の発生は可能ではない。即ち、個々の槽と共通の水供給／除去システムとの間の接続は非導電性の純水を介して行われるため、分流は可能ではない。
【0439】
したがって、タイプ１４１の槽を有する実施形態例の電池は電池積層体７５０において配列し得、各槽は、分流の可能性を生じさせずに、単一の共通する水供給／除去システム１４７に接続される。即ち、一実施形態例は、分流及び分流が電池積層体７５０にもたらす深刻な問題の全てを完全になくすことができる。
【0440】
（３）積層体内の電池数への制約をなくす：分流がなければ、単一の高電圧積層体に実行可能に組み込むことができる電池数に関する、多くの従来の電気化学電池に存在する制約をなくすことができる。即ち、実施形態例は、積層体内の電池数を、利用可能な最も効率的且つ／又は最低コストの電源の電圧出力に合わせることができる。これは現在、比較的非効率的でコストがかかり得る特注電源を使用しなければならないことが多い多くの従来の電気化学電池で可能ではない。
【0441】
（４）ガス供給又は除去は、単一の共通ガスマニフォルドを使用して直接行い得る：実施形態例の電池積層体７５０の別の特徴は、電池積層体７５０内の電池７００の各々内の気体１２５を単一の共通ガスマニフォルドに接続し得ることであり、それにより、単一の外部フィッティングを介して気体１２５中のガスを電池積層体７５０に供給又は電池積層体７５０から除去することができる。同様に、電池積層体７５０内の各電池７００内の各気体１３５は単一の共通ガスマニフォルドに接続し得、気体１３５中のガスを単一の外部フィッティングから電池積層体７５０に供給又は電池積層体７５０から除去することができる。さらに、各気体１２５、１３５のそれぞれに単一のガスマニフォルドを使用することで、これらのマニフォルド内のガスを加圧することができ、槽を含め、実際に電池全体で加圧することができる（図１の１４９のようなアパーチャが存在する場合）。気体１２５、１３５は、同じ圧力又は動作中の電解質注入された多孔性毛細管スペーサ１１０の泡立ち点未満の異なる圧力に加圧し得る。さらに、そのような単一のガスマニフォルドを介して供給又は除去されるガスは、各電池の交差平面軸と直接気相接触し、制御を改善し、制御の自己調整を可能にする。
【0442】
（５）泡管理システムの必要性をなくす：多くの従来の電気化学電池では、ガスは泡の形態で生成される。そのような電池は多くの場合、泡管理システムを有する。例えば、多くの電池は、泡が形成されるにつれて、電極にわたって電解質を常時圧送循環させて、泡を除去する。泡管理システムは、電池積層体内の電池数が増えるにつれてますます複雑且つ高価になり得る（例えば、大量の泡を収集し、ガス－液体セパレータで分離しなければならない場合であっても、そのようなシステムの全てのポイントでの一時的な圧力差を回避する必要があるため）。タイプ７５０の実施形態例の電池積層体は、生成されたガスはいずれも気相経路２００に沿って気体１２５、１３５に直接移動するため、泡管理システムの必要性及び泡管理システムがもたらす全ての複雑性を回避し得る。
【0443】
種々の反応での実施形態例の電池
以下の例は、実施形態のより詳細な考察を提供する。例は例示のみを目的とし、本発明の範囲を限定する意図はない。
以下の例は、実施形態のより詳細な考察を提供する。例は例示のみを目的とし、本発明の範囲を限定する意図はない。
【0444】
材料：以下の材料を採用した（供給業者）：多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタ（０．０３μｍ、０．４５μｍ、１．２μｍ、５μｍ、及び８μｍ孔径；Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給される）、カーボンブラック（ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ）、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ－７２（Ｐｒｅｍｅｔｅｋ Ｃｏ．＃Ｐ１０Ａ１００）上の１０％Ｐｔ、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ－７２（Ｐｒｅｍｅｔｅｋ Ｃｏ．＃Ｐ１３Ａ２００）上の２０％Ｐｔ－Ｐｄ、ナノ粒子Ｎｉ（平均直径２０ｎｍ）（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ；ＳＤＣ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．アリゾナ州タンパ）、ＰＴＦＥ分散（バインダ又はガスハンドリング構造体として）（アルコール／Ｈ２Ｏ中に６０ｗｔ％分散；Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ＃６６５８００）、ＰＴＦＥ微粉末（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ，Ａ１２６１３，１５～２５μｍ粒径）、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）分散（アルコール／水中に５％；Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ＃５２７０８４）、Ｓｉｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔｏｒｅ，２９ＢＣ）、ＫＯＨ９０％、フレーク（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ＃４８４０１６）、Ｈ２ＳＯ４９５～９８％（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ＃３２０５０１）、Ｎｉメッシュ、２００ＬＰＩ（Ｃｅｎｔｕｒｙ Ｗｏｖｅｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ）（使用前にイソプロピルアルコールを使用して清掃した）、Ｎｉ発泡体（Ｇｏｏｄｆｅｌｌｏｗｓ；ＴＭａｘ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，１ｍｍ厚、９７％有孔率、密度：３５０±２０ｇ／ｍ２）、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ製の平均孔径０．２μｍのポリプロピレン系Ｐｒｅｖｅｉｌ（商標）延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）Ｇｏｒｔｅｘ膜、及びＴｉメッシュ（Ｇｏｏｄｆｅｌｌｏｗｓ）。
【0445】
１．窒素及び水素からアンモニアを生成するため、アンモニアを水素及び窒素に分解するため、ＮＯＸクリーンアップのための電気合成窒素還元電池の例．アンモニアから電気を生成するためのアンモニア燃料電池の例
多孔性毛細管スペーサ１１０として平均孔径１．２μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して、図１～図３に示される構造を有する実施形態例の窒素還元電池を作製した。液体電解質１００はイオン性液体トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート（［Ｐ６，６，６，１４］［ｅＦＡＰ］）又はイオン性液体１－ブチル－１－メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート（［Ｃ４ｍｐｙｒ］［ｅＦＡＰ］）であった。イオン性液体電解質１００は酸性化された。電極－電流キャリア組立体４２０は、Ｚｈｏｕ，Ｆ．ら（２０１７）著、Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａｍｍｏｎｉａ ｆｒｏｍ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄｓ，Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１０（１２），２５１６－２５２０に記載されているステンレス鋼布上に堆積したＦｅ触媒を含み、これは参照により本明細書に援用される。ステンレス鋼布は電流キャリア３２０として機能した。対電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電極１３０は、電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して圧縮され、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。燃料電池内の流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆されたステンレス鋼であった。窒素の流れは、気体１２５として電池を通った。電池が動作中である間に窒素が電池を通過する間、窒素の流れはアンモニア及び水素も含むようになり、したがって、電池から出る気体１２５中のガスはアンモニア及び水素も含んだ。純粋な水素が、気体１３５として電池に導入された。代替の一実施形態では、酸素又は空気－酸素が気体１３５として電池に導入された（関連する電極に適した触媒を用いて）。生成されたアンモニアは、当技術分野で既知の手段により、出ていく気体１２５から除去された。
多孔性毛細管スペーサ１１０として平均孔径１．２μｍの多孔性ポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して、図１～図３に示される構造を有する実施形態例の窒素還元電池を作製した。液体電解質１００はイオン性液体トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート（［Ｐ６，６，６，１４］［ｅＦＡＰ］）又はイオン性液体１－ブチル－１－メチルピロリジニウムトリス（ペンタフルオロエチル）トリフルオロホスフェート（［Ｃ４ｍｐｙｒ］［ｅＦＡＰ］）であった。イオン性液体電解質１００は酸性化された。電極－電流キャリア組立体４２０は、Ｚｈｏｕ，Ｆ．ら（２０１７）著、Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａｍｍｏｎｉａ ｆｒｏｍ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄｓ，Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１０（１２），２５１６－２５２０に記載されているステンレス鋼布上に堆積したＦｅ触媒を含み、これは参照により本明細書に援用される。ステンレス鋼布は電流キャリア３２０として機能した。対電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電極１３０は、電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して圧縮され、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。燃料電池内の流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆されたステンレス鋼であった。窒素の流れは、気体１２５として電池を通った。電池が動作中である間に窒素が電池を通過する間、窒素の流れはアンモニア及び水素も含むようになり、したがって、電池から出る気体１２５中のガスはアンモニア及び水素も含んだ。純粋な水素が、気体１３５として電池に導入された。代替の一実施形態では、酸素又は空気－酸素が気体１３５として電池に導入された（関連する電極に適した触媒を用いて）。生成されたアンモニアは、当技術分野で既知の手段により、出ていく気体１２５から除去された。
【0446】
電池で必要とされる液体電解質の総量が非常に少ないことにより、イオン性液体を電解質として使用することが実際に可能であった。従来の電気合成又は電気エネルギー電池では、入手希少性及び高コストにより電解質としてイオン性液体を使用することは一般に実行可能ではない。
【0447】
代替の一実施形態では、電池の動作を逆にし得、アンモニアが電池に導入されて、水素及び窒素に分解され、即ち水素及び窒素を生成し得る。同じ触媒及び適した印加電圧を用いて、電池はアンモニアから水素を生成した。
【0448】
代替の一実施形態では、電池は、ＮＯＸクリーンアップに利用され得、即ち、ＮＯＸを反応物として使用し、通過時、ＮＯＸ含有ガスが除去される。代替の一実施形態では、電池の動作は逆にし得、気体の１つとしてアンモニアが電池に導入され、酸素又は空気－酸素が他の気体として電池に導入され、電池は電気を生成する。
【0449】
２．塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する電気合成塩素アルカリ電池の例
電池全体内に一緒に密に圧縮され、片側から逆側に順に、（ｉ）層１：ｐＨ３に酸性化された２８０ｇ／Ｌ ＮａＣｌ（塩水）の水溶液を内部に含み、それを含む液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）、（ｉｉ）層２：業界標準ペルフルオロナトリウム（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｓｏｄｉｕｍ）交換膜、及び（ｉｉｉ）層３：３５％ＮａＯＨの水溶液を内部に含み、それを含む第２の別個の液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された三層多孔性毛細管スペーサ１１０を使用して、図１～図２に示される構造を有する、塩水から塩素、苛性物質、及び水素を製造する実施形態例の塩素アルカリ電池を作製した。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。水素生成電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、水素は気体１３５として電池により生成された。塩化ナトリウム（塩水）は、酸性化されたＮａＣｌを含む槽から消費され、一方、苛性物質（水酸化ナトリウム）はＮａＯＨを含む槽において生成された。各槽からのこれらの材料の連続補充及び除去は、当業者に既知の手段により行うことができた。
電池全体内に一緒に密に圧縮され、片側から逆側に順に、（ｉ）層１：ｐＨ３に酸性化された２８０ｇ／Ｌ ＮａＣｌ（塩水）の水溶液を内部に含み、それを含む液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）、（ｉｉ）層２：業界標準ペルフルオロナトリウム（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｓｏｄｉｕｍ）交換膜、及び（ｉｉｉ）層３：３５％ＮａＯＨの水溶液を内部に含み、それを含む第２の別個の液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された三層多孔性毛細管スペーサ１１０を使用して、図１～図２に示される構造を有する、塩水から塩素、苛性物質、及び水素を製造する実施形態例の塩素アルカリ電池を作製した。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。水素生成電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、水素は気体１３５として電池により生成された。塩化ナトリウム（塩水）は、酸性化されたＮａＣｌを含む槽から消費され、一方、苛性物質（水酸化ナトリウム）はＮａＯＨを含む槽において生成された。各槽からのこれらの材料の連続補充及び除去は、当業者に既知の手段により行うことができた。
【0450】
３．塩水から塩素及び苛性物質を生成する電気合成酸素脱分極塩素アルカリ電池の例
電池全体内に一緒に密に圧縮され、片側から逆側に順に、（ｉ）層１：ｐＨ３に酸性化された２８０ｇ／Ｌ ＮａＣｌ（塩水）の水溶液を内部に含み、それを含む液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）、（ｉｉ）層２：業界標準ペルフルオロナトリウム交換膜、及び（ｉｉｉ）層３：３５％ＮＯＨの水溶液を内部に含み、それを含む第２の別個の液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された三層多孔性毛細管スペーサ１１０を使用して、図１～図２に示される構造を有する、塩水から塩素及び苛性物質を製造する実施形態例の酸素脱分極塩素アルカリ電池を作製した。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。酸素脱分極対電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、酸素は気体１３５として電池に渡された。塩化ナトリウム（塩水）は、酸性化されたＮａＣｌを含む槽から消費され、一方、苛性物質（水酸化ナトリウム）はＮａＯＨを含む槽において生成された。各槽からのこれらの材料の連続補充及び除去は、当業者に既知の手段により行うことができた。
電池全体内に一緒に密に圧縮され、片側から逆側に順に、（ｉ）層１：ｐＨ３に酸性化された２８０ｇ／Ｌ ＮａＣｌ（塩水）の水溶液を内部に含み、それを含む液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）、（ｉｉ）層２：業界標準ペルフルオロナトリウム交換膜、及び（ｉｉｉ）層３：３５％ＮＯＨの水溶液を内部に含み、それを含む第２の別個の液体槽に浸された一端部を有する、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタで構成された三層多孔性毛細管スペーサ１１０を使用して、図１～図２に示される構造を有する、塩水から塩素及び苛性物質を製造する実施形態例の酸素脱分極塩素アルカリ電池を作製した。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。酸素脱分極対電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、酸素は気体１３５として電池に渡された。塩化ナトリウム（塩水）は、酸性化されたＮａＣｌを含む槽から消費され、一方、苛性物質（水酸化ナトリウム）はＮａＯＨを含む槽において生成された。各槽からのこれらの材料の連続補充及び除去は、当業者に既知の手段により行うことができた。
【0451】
４．塩酸を再利用して、塩素及び水素を生成する電気合成電池の例
平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）を多孔性毛細管スペーサ１１０として使用して、図１又は図２に示される構造を有する、塩酸から塩素及び水素を生成する実施形態例の電池を作製した。液体電解質１００は水性１Ｍ ＨＣｌであった。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。水素生成電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、水素は気体１３５として電池により生成された。塩酸は槽１４０から消費された。槽１４０には、当業者に既知の手段により塩酸を常時補充し得る。
平均孔径５μｍのＧＬＡ－５０００ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）材料フィルタ（Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐ）を多孔性毛細管スペーサ１１０として使用して、図１又は図２に示される構造を有する、塩酸から塩素及び水素を生成する実施形態例の電池を作製した。液体電解質１００は水性１Ｍ ＨＣｌであった。塩素生成電極１２０は、市販の寸法安定性のあるアノード（Ｐｅｒｍａｓｃａｎｄ）で構成され、電極－電流キャリア組立体４２０としても機能した。水素生成電極１３０は、バインダとしてＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ分散からの）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔの薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して電極１３０を圧縮し、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。全体電池における流場６２０及び６３０はそれぞれＴｉメッシュ及びＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はそれぞれＴｉ被覆及びＮｉ被覆のステンレス鋼であった。塩素は気体１２５として電池により生成され、一方、水素は気体１３５として電池により生成された。塩酸は槽１４０から消費された。槽１４０には、当業者に既知の手段により塩酸を常時補充し得る。
【0452】
５．水素及び酸素から電気エネルギーを生成する電気エネルギー燃料電池の例
図１又は図２に示される構造を有する実施形態例の水素－酸素燃料電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性６Ｍ ＫＯＨであった。第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、電流キャリア３２０及び３３０としてそれぞれ機能するＮｉメッシュ上に堆積し、Ｎｉメッシュに圧縮され、それにより電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０をそれぞれ提供するＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の２０％Ｐｄ／Ｐｔ、カーボンブラック、及びＰＴＦＥ（６０％ＰＴＦＥ分散からの）の混合物で構成される。完全な電池内の流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆ステンレス鋼であった。酸素は気体１２５として電池に導入され、一方、水素は気体１３５として電池に導入された。
図１又は図２に示される構造を有する実施形態例の水素－酸素燃料電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性６Ｍ ＫＯＨであった。第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、電流キャリア３２０及び３３０としてそれぞれ機能するＮｉメッシュ上に堆積し、Ｎｉメッシュに圧縮され、それにより電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０をそれぞれ提供するＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の２０％Ｐｄ／Ｐｔ、カーボンブラック、及びＰＴＦＥ（６０％ＰＴＦＥ分散からの）の混合物で構成される。完全な電池内の流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆ステンレス鋼であった。酸素は気体１２５として電池に導入され、一方、水素は気体１３５として電池に導入された。
【0453】
代替の一例では、Ｗａｇｎｅｒ，Ｋ．，Ｔｉｗａｒｉ，Ｐ．，Ｓｗｉｅｇｅｒｓ，Ｇ．Ｆ．＆Ｗａｌｌａｃｅ，Ｇ．Ｇ．著「Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｎｏｖｅｌ Ｇｏｒｔｅｘ－Ｂａｓｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｒｅ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｂｙ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ５％ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ」，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，８（７），１７０２２８５－１－１７０２２８５－１０に記載のように、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０を作製し、これは参照により本明細書に援用される。その結果生成された電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０は、裏当てである非導電性Ｇｏｒｔｅｘ膜を有したため、流場６２０及び６３０は、電極に面する側で鋭い突出部を有するようにカットされた。これらの突出部は４２０及び４３０上のＧｏｒｔｅｘ裏当てを切り開き、それにより、第１の電極１２０及び第２の電極１３０とそれぞれの流場４２０及び４３０との間に電気接続を確立した。
【0454】
これらの例は、図４を参照して説明したように、液相材料が経路２００に沿って移動する毛細管及び／又は拡散プロセスを変更、よりよく制御、又は加速させるための電極－スペーサ境界面１２６及び１３６におけるバリエーションを表す。
【0455】
燃料電池は、上記引用した科学論文に記載のように動作する。槽１４０内で反応産物として水が生成された。水は、当業者に既知の種々の手段により槽１４０から連続して除去することができた。
【0456】
図３に示される構造を有する電池も同じプロセスにより作製することができ、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、水を気化させ、水素及び／又は酸素ガス流を加湿させることにより非干渉的に維持された。加湿された水素及び／又は酸素は、電池を循環し、電池の外部で乾いて、気化した水分を除去した。
【0457】
６．水から水素及び酸素を生成する電気合成水電解電池の例
図１又は図２に示される構造を有する実施形態例の水電解電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性６Ｍ ＫＯＨであった。
図１又は図２に示される構造を有する実施形態例の水電解電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性６Ｍ ＫＯＨであった。
【0458】
水素生成電極１３０は、Ｚ．Ｌｉｕ，Ｓ．Ｄ．Ｓａｊｊａｄ，Ｙａｎ Ｇａｏ，Ｊ．Ｊ．Ｋａｃｚｕｒ，及びＲ．Ｉ．Ｍａｓｅｌ著「Ａｎ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ ｗｉｔｈ ＳｕｓｔａｉｎｉｏｎＴＭ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ：１Ａ／ｃｍ２ ａｔ １．９Ｖ ｗｉｔｈ Ｂａｓｅ Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ」，ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ（２０１７）７７（９），７１－７３と題する科学論文で教示されたように作製され、これは参照により本明細書に援用される。この手順は、バインダ（２６重量％）として５％Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を用いてＶｕｌｃａｎ ＸＣ－７２上の１０％Ｐｔ（Ｐｔ０．５ｍｇ／ｃｍ２）の薄い触媒層がマイクロ穴側に噴霧されたＳｇｒａｃｅｔ（商標）カーボン紙基板を含んだ。電極１３０は、電流キャリア３３０として機能するＮｉメッシュに対して圧縮され、それにより、電極－電流キャリア組立体４３０を提供した。
【0459】
酸素生成電極１２０は、Ａ．Ｍ．Ｐ．Ｓａｋｉｔａ，Ｅ．ｖａｌｌｅｓ，Ｒ．Ｄｅｌｌａ，及びＡ．Ｖ．Ｂｅｎｅｄｅｔｔｉ著「Ｎｏｖｅｌ ＮｉＦｅ／ＮｉＦｅ－ＬＤＨ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｓ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｆｏｒ ｃｌｅａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｐｕｒｐｏｓｅｓ」，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ４４７（２０１８）１０７－１１６と題する科学論文で教示されたようにＮｉＦｅ触媒が電着した細目ニッケルメッシュ（２００ＬＰＩ）で構成され、これは参照により本明細書に援用される。ニッケルメッシュは、１Ｍ ＫＣｌ支持電解質（上記論文の図８（ｂ）に従う）と共に、ＮｉＣｌ２（０．０７５Ｍ）及びＦｅＣｌ２（０．０２５Ｍ）の３：１混合物（上記論文の図８（ｃ）及び図１（ａ）に従う）で構成された電着溶液中に配置された。電着溶液に浸漬したニッケルメッシュに、１０ｍＶ／ｓでの－１．０Ｖと－０．２Ｖとの間のサイクリックボルタンメトリを使用して循環を繰り返すことによりＮｉＦｅを被覆した（上記論文の図１に従う）。低電圧－１．０Ｖは、次段落で説明するように、沈殿物を形成せずにガスハンドリング材料の包含を可能にするため、選ばれた。高電圧－０．２Ｖは、最良性能の、結果として生成される触媒を提供した。被覆は、１６．６Ｃの電荷が堆積するまで（幾何学的面積１ｃｍ２を有する電極の場合）続けられた。Ｎｉメッシュ自体が電流キャリア３２０として機能し、それにより、電極－電流キャリア組立体４２０を提供した。全体電池内の流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はニッケルであった。酸素は気体１２５として電池により生成され、一方、水素は気体１３５として電池により生成された。
【0460】
図３に示される構造を有する電池も同じプロセスにより作製することができ、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、水素及び／又は酸素ガス流の加湿から水を液化させることにより非干渉的に維持された。水素及び／又は酸素は、電池を循環し、電池外で加湿されて、多孔性毛細管スペーサにける蒸気の液化を促進する。
【0461】
６．１ 例：電極へのガスハンドリング構造体の導入
上記電極１２０は、低表面エネルギー材料であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されたガスハンドリング構造体を含むように変更された。上述したように、ＰＴＦＥは、溶解ガスを捕捉して表面上に合体させる性質を有する。ガスは、液体電解質中に泡を形成せずに、表面に沿って気体１２５に更に移行し得る。ＰＴＦＥガスハンドリング構造体は、上記電着溶液へのＰＴＦＥ分散（アルコール／Ｈ２Ｏ中の６０ｗｔ％分散）により、電極１２０に組み込まれた。作製手順のその他の点については上述した。
上記電極１２０は、低表面エネルギー材料であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されたガスハンドリング構造体を含むように変更された。上述したように、ＰＴＦＥは、溶解ガスを捕捉して表面上に合体させる性質を有する。ガスは、液体電解質中に泡を形成せずに、表面に沿って気体１２５に更に移行し得る。ＰＴＦＥガスハンドリング構造体は、上記電着溶液へのＰＴＦＥ分散（アルコール／Ｈ２Ｏ中の６０ｗｔ％分散）により、電極１２０に組み込まれた。作製手順のその他の点については上述した。
【0462】
６．２ 例：フルフラテッド（ｆｕｌｌｙ ｆｌｏｏｄｅｄ）電池との比較
比較を目的として、上記電極－スペーサ－電極組立体（１３９）を液体電解質で溢れさせた電池も作製した。そのような電池は図２に示される構造に対応し、Ａ及びＢは両方とも電池の上部にあり、即ち、電極は全体的に液体電解質で覆われ、気体１２５及び１３５は何であれ存在しなかった。これは、水電解電池の従来の電池構成であり、ガスは、液体電解質において気泡の形態で生成される。ガスは気泡として電池内で形成され、気泡は電池の上部に上昇する。
比較を目的として、上記電極－スペーサ－電極組立体（１３９）を液体電解質で溢れさせた電池も作製した。そのような電池は図２に示される構造に対応し、Ａ及びＢは両方とも電池の上部にあり、即ち、電極は全体的に液体電解質で覆われ、気体１２５及び１３５は何であれ存在しなかった。これは、水電解電池の従来の電池構成であり、ガスは、液体電解質において気泡の形態で生成される。ガスは気泡として電池内で形成され、気泡は電池の上部に上昇する。
【0463】
６．３ 実施形態の電池によるエネルギー効率改善の実証
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、図１の電池構造を有する、結果として生成された水電解装置の８０℃での分極曲線を示す。これらの曲線は内部抵抗について補正されていないこと、即ち、バスバー６４０及び導電性流場６２０、６３０により付与される抵抗を含むことに留意されたい。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、図１の電池構造を有する、結果として生成された水電解装置の８０℃での分極曲線を示す。これらの曲線は内部抵抗について補正されていないこと、即ち、バスバー６４０及び導電性流場６２０、６３０により付与される抵抗を含むことに留意されたい。
【0464】
図１１の曲線（ａ）は、上述した酸素生成電極（１２０／３２０／４２０）が上記ＰＴＦＥガスハンドリング構造体を組み込んだ電池の分極曲線を示す。この電池は、内部抵抗について補正されない、１１８．２Ωｃｍ２と低い全体電池抵抗を示し、これは、任意の試験したもの又は実際に本発明者らが認識するものの中で最も低かった。図１１の曲線（ｂ）は、同じ電池であるが、上述した酸素生成電極（１２０／３２０／４２０）が上述したＰＴＦＥガスハンドリング構造体を組み込まなかった電池の分極曲線を示す。
【0465】
図１１の曲線（ｃ）は、上述したものと同じ多孔性毛細管スペーサ及び同じ電極を採用するが、電池は液体電解質で完全に充填される同等の水電解電池の分極曲線を示す。これは、水電解電池の従来の電池構成であり、ガスは、液体電解質において気泡の形態で生成される。図１１は、データが公開されている最良の市販のアルカリ水電解装置及びＰＥＭ水電解質装置のそれぞれの電池の８０℃での同等の分極曲線（ｄ）～（ｅ）を示す。
【0466】
図１１の曲線（ａ）及び（ｂ）において、同じ電極及び多孔性毛細管スペーサを使用するが、ガスは液体電解質において気泡の形態で生成される、曲線（ｃ）における同等のフルフラテッド電池からの著しい改善を見て取ることができる。これは、従来の電池構造と比較して改善された、実施形態例の電池構造のエネルギー効率を示した。
【0467】
図１１の曲線（ａ）及び（ｂ）は、最良の市販のアルカリ水電解電池（図１１の曲線（ｄ））及び市販のＰＥＭ水電解電池（図１１の曲線（ｅ））から大きく改善もした。これは、特に、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の電池が、特に、図１１（ｅ）に示されたタイプのＰＥＭ水電解電池よりも著しく安価、高耐久性、且つはるかに長い寿命を有するアルカリ水電解電池であることを考慮する場合、実施形態例の電池構造がエネルギー効率を改善することを示した。
【0468】
アルカリ電解電池が関わる図１１の曲線（ｃ）が、最良の市販のアルカリ水電解電池（図１１の曲線（ｄ））から劇的に改善することも注目に値する。これは、同等の条件下で、Ａ及びＢが両方とも電池の上部に延びる図２に示される構造も、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の電池よりも改善の程度が低くはあるが、効率改善を提供することを示した。その理由は、図１１（ｃ）の電池が「独立経路電池」であるためである。
【0469】
したがって、例えば、電流密度０．７Ａ／ｃｍ２で水素を生成する能力において電池を比較すると、
－ 図１１の曲線（ａ）の電池ではわずか１．５３６Ｖ（点Ａ）だけでよく、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９６％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｂ）の電池ではわずか１．５６８Ｖ（点Ｂ）だけでよく、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９４％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｃ）の電池は１．６５５Ｖ（点Ｃ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の８９％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｄ）の最良の市販のアルカリ水電解電池は１．８４Ｖ（点Ｄ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の８０％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｅ）の最良の市販のＰＥＭ水電解電池は１．６１Ｖ（点Ｅ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９１％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ａ）の電池ではわずか１．５３６Ｖ（点Ａ）だけでよく、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９６％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｂ）の電池ではわずか１．５６８Ｖ（点Ｂ）だけでよく、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９４％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｃ）の電池は１．６５５Ｖ（点Ｃ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の８９％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｄ）の最良の市販のアルカリ水電解電池は１．８４Ｖ（点Ｄ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の８０％のエネルギー効率に等しい。
－ 図１１の曲線（ｅ）の最良の市販のＰＥＭ水電解電池は１．６１Ｖ（点Ｅ）を必要とし、これは、水素の高位発熱量（ＨＨＶ）の９１％のエネルギー効率に等しい。
【0470】
エネルギー効率を改善する能力は図１２により更に示され、図１２は、１００％エネルギー効率（ＨＨＶ）を表す８０℃で１．４７Ｖの一定の電池電圧に保持された場合の図１１の曲線（ａ）の電池の経時性能を示す。見て分かるように、電池は、１００％エネルギー効率（ＨＨＶ）において一定の３００ｍＡ／ｃｍ２（＝０．３Ａ／ｃｍ２）を生成した。逆に、市販のアルカリ電解電池による８０℃、１．４７Ｖでの公に報告されている最良の電流は、約０．１Ａ／ｃｍ２であり、市販のＰＥＭ電解電池によるものは約０．２ｍＡ／ｃｍ２である。
【0471】
６．４ 例：低電極間抵抗の実証
図１１の曲線（ａ）の電池のエネルギー効率の改善には幾つかの原因があった。これらには、図１１の曲線（ａ）の多孔性毛細管スペーサの抵抗が低いことがあり、これは、図１１の曲線（ｄ）のＺｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）セパレータ膜での８０℃で約１３０ｍΩｃｍ２及び図１１の曲線（ｅ）のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５セパレータ膜での８０℃で約７４ｍΩｃｍ２と比較して、８０℃で２２ｍΩｃｍ２であった。その効果は、図１１の曲線（ｄ）の電池と比べて約０．１０８Ｖだけ及び図１１の曲線（ｅ）の電池と比べて約０．０５２Ｖだけ、図１１の曲線（ａ）の電池で１Ａ／ｃｍ２において必要とされる電圧を下げることであった。
図１１の曲線（ａ）の電池のエネルギー効率の改善には幾つかの原因があった。これらには、図１１の曲線（ａ）の多孔性毛細管スペーサの抵抗が低いことがあり、これは、図１１の曲線（ｄ）のＺｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）セパレータ膜での８０℃で約１３０ｍΩｃｍ２及び図１１の曲線（ｅ）のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５セパレータ膜での８０℃で約７４ｍΩｃｍ２と比較して、８０℃で２２ｍΩｃｍ２であった。その効果は、図１１の曲線（ｄ）の電池と比べて約０．１０８Ｖだけ及び図１１の曲線（ｅ）の電池と比べて約０．０５２Ｖだけ、図１１の曲線（ａ）の電池で１Ａ／ｃｍ２において必要とされる電圧を下げることであった。
【0472】
６．５ 例：ガス交差低下の実証
図１１の曲線（ａ）の電池は低ベンチマークガス交差を有し、酸素中の水素濃度％は０．０４～０．１４％であり、水素中の酸素濃度％は０．００％であった。これと比較して、Ｚｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）は、同等のフルフラテッドアルカリ水電解電池で使用された場合、０．２２％以上のベンチマークガス交差を示すと考えられる。
図１１の曲線（ａ）の電池は低ベンチマークガス交差を有し、酸素中の水素濃度％は０．０４～０．１４％であり、水素中の酸素濃度％は０．００％であった。これと比較して、Ｚｉｒｆｏｎ ＰＥＲＬ（登録商標）は、同等のフルフラテッドアルカリ水電解電池で使用された場合、０．２２％以上のベンチマークガス交差を示すと考えられる。
【0473】
６．６ 例：ガスハンドリング構造体を電極に包含することに起因したエネルギー効率改善の実証
見て分かるように、図１１の曲線（ａ）は図１１の曲線（ｂ）から改善し、ＰＴＦＥガスハンドリング構造体を酸素生成電極に包含することが有利な効果を有することを示した。ガスハンドリング構造体は、新たに形成されたガスが、目に見える気泡を形成せずに電極から出ることを助ける。ガスハンドリング構造体は、ガスが離れる経路の表面エネルギーを下げることによりそれを行った。
見て分かるように、図１１の曲線（ａ）は図１１の曲線（ｂ）から改善し、ＰＴＦＥガスハンドリング構造体を酸素生成電極に包含することが有利な効果を有することを示した。ガスハンドリング構造体は、新たに形成されたガスが、目に見える気泡を形成せずに電極から出ることを助ける。ガスハンドリング構造体は、ガスが離れる経路の表面エネルギーを下げることによりそれを行った。
【0474】
６．７ 例：電極が「無泡」であることに起因したエネルギー効率改善の実証
したがって、図１１の曲線（ａ）のエネルギー効率改善の別の主な一因は、いずれの電極にも目に見える気泡がないことであった。これは、図１１の曲線（ｃ）との比較により示されるように、電解質のエネルギー効率を著しく改善し、電解質に必要とされる電圧を低下させた。
したがって、図１１の曲線（ａ）のエネルギー効率改善の別の主な一因は、いずれの電極にも目に見える気泡がないことであった。これは、図１１の曲線（ｃ）との比較により示されるように、電解質のエネルギー効率を著しく改善し、電解質に必要とされる電圧を低下させた。
【0475】
この例では、液体電解質の薄い層（０．１２５ｍｍ厚未満）は、多孔性毛細管スペーサ１１０から電極の触媒表面上に引き寄せるように見える。次いでガスが電極により生成されると、ガスは電解質の薄い層からその近傍の外面に移行し、その境界面を渡って各気体１２５及び１３５と結合した。代替的に又は任意選択的に、酸素生成電極１２０内で、新たに形成された酸素ガスは、電極に存在するＰＴＦＥ表面上に合体し、ＰＴＦＥ表面に沿って移行して酸素気体１２５と結合した。
【0476】
したがって、電極表面上又は近傍で気泡を形成することによりガスを放出する必要はなかった。その結果、電極は、従来の有泡システムであり得るように気泡でマスクされなかった。さらに、電極表面近傍の液体電解質は、気泡形成の核となるためにガスで過飽和される必要がなかった。そうするに当たり、そのような過飽和を生み出すために必要であり得る追加の電圧が回避された。さらに、泡は、最も触媒的に活性な部位も存在する電極表面上の割れ目、ひび割れ、及び欠陥に形成される傾向がある（そして多くの場合割れ目に強く付着する）が、そのような部位は大方、影響を受けず、気泡形成がない場合に最高触媒活性で動作した。したがって、電極の触媒表面は随時、より完全に使用された。
【0477】
６．８ 例：水電解電池は、エネルギー効率の改善を示す「独立経路電池」であった
ガス産物が液相移動を補う方向で電極から離れて移動しながら、多孔性毛細管スペーサ１１０が、電極１２０及び１３０が反応を維持するために必要な液相反応物を無限に供給することが可能なことは、多相逆流が回避され、少なくとも１つの別個の独立した非干渉経路が電池内の個々の各液相及び気相反応物及び産物の移動（流れ）に提供されたことを示した。
ガス産物が液相移動を補う方向で電極から離れて移動しながら、多孔性毛細管スペーサ１１０が、電極１２０及び１３０が反応を維持するために必要な液相反応物を無限に供給することが可能なことは、多相逆流が回避され、少なくとも１つの別個の独立した非干渉経路が電池内の個々の各液相及び気相反応物及び産物の移動（流れ）に提供されたことを示した。
【0478】
したがって、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の電池は「独立経路電池」であり、これは、基本的に、エネルギー効率がより高いことの理由であった。図１１（ｃ）の電池も独立経路電池であったが、気泡形成によりエネルギー効率はより低かった。即ち、多相逆流と関連する非効率性を解消するために必要なエネルギーは回避したが、気泡形成と関連する非効率性を解消するために必要なエネルギーは回避されなかった。
【0479】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の電池の無泡動作は、無泡電極からガスを除去する経路の効率を高めた。ガスハンドリング構造体を酸素電極に包含することは、その電極からガスを除去する、特に改善された経路を提供した。その効果は、電池内の分子レベルの運動の効率を改善し、それにより電池のエネルギー効率を上げたことであった。
【0480】
したがって、この例は、独立経路電池が他の電池よりも高いエネルギー効率を達成し得ることを示した。エネルギー効率の改善が相当なものであり得ることも示す。
【0481】
６．９ 例：電極を上る電解質の毛細管誘導移動を促進するように電極表面を変更した後の高エネルギー効率の実証
上述したように、電極に沿って電極を上る液体電解質の毛細管誘導移動は典型的には、電極間及びそれに関連する気体間のガス移動に干渉し得、更には阻止し得る。これは、多くの場合は相当に、電池のエネルギー効率を低下させ得る。
上述したように、電極に沿って電極を上る液体電解質の毛細管誘導移動は典型的には、電極間及びそれに関連する気体間のガス移動に干渉し得、更には阻止し得る。これは、多くの場合は相当に、電池のエネルギー効率を低下させ得る。
【0482】
しかしながら、そのような移動が、電極表面上を移動する液体電解質の非常に薄い層に制限されるように設計される場合、ガス移動への干渉又は妨げはなくなり得、ひいてはエネルギー効率への有害な影響もなくなり得る。
【0483】
液体電解質の薄膜のそのような毛細管誘導輸送は、後述するように電極表面上に薄い疎水性層を堆積させ、図２に示されるような電池設計を採用することによって設計し得る。
【0484】
上記水電解装置における代替の酸素電極として、ニッケル発泡体が使用された。ニッケル発泡体は、エタノール中で１０分間、超音波処理されて、いかなる有機残渣も除去し、次いで水で濯がれてから、３Ｍ ＨＣｌ中で２０分間、更に超音波洗浄され、次いで水で濯がれて乾燥された。Ｎｉ発泡体は次いで、４３ｍＭのＮｉＮＯ３及び１４．３ｍＭのＦｅＮＯ３、そして０．２８Ｍの尿素の水溶液を含んだオートクレーブで浸漬され、１２０℃で１２時間加熱された。生成された電極を水で洗い、空気中で乾燥させた。
【0485】
この方法を使用して堆積したＮｉＦｅ層状複水酸化物（ＬＤＨ）の薄い層は、強親水性であるとともに、水から酸素を生成するための良好な触媒であった。その高い親水性は、５ｃｍ／分を越える率の電極表面上の６Ｍ ＫＯＨ液体電解質の薄い層の上方への毛細管ベースの移動を促進するように見えた。これは、孔径８μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを含む多孔性毛細管スペーサ１１０により示されるものよりも著しく高速での移動であった。
【0486】
触媒による酸素生成中、上記ＮｉＦｅ被覆Ｎｉ発泡体は、図１１の曲線（ａ）の酸素電極と同等の高いエネルギー効率も示した。図１３は、
（ａ）図１１の曲線（ａ）の電池における酸素電極及び
（ｂ）図１１の曲線（ａ）の電池における酸素電極として使用された場合の上記ＮｉＦｅ被覆Ｎｉ発泡体
の酸素電極の電極電位ｖｓ電流密度の比較を示す。見て分かるように、２つの電極の性能は非常に似ており、ＮｉＦｅ被覆Ｎｉ発泡体電極の表面上の毛細管誘導移動がエネルギー効率をあまり低下させなかったことを示す。
（ａ）図１１の曲線（ａ）の電池における酸素電極及び
（ｂ）図１１の曲線（ａ）の電池における酸素電極として使用された場合の上記ＮｉＦｅ被覆Ｎｉ発泡体
の酸素電極の電極電位ｖｓ電流密度の比較を示す。見て分かるように、２つの電極の性能は非常に似ており、ＮｉＦｅ被覆Ｎｉ発泡体電極の表面上の毛細管誘導移動がエネルギー効率をあまり低下させなかったことを示す。
【0487】
６．１０ 例：表面変更電極へのガスハンドリング構造体の組み込み
上述したＮｉ発泡体電極は、表面変更中、ＰＴＦＥガスハンドリング構造体を組み込むように変更することもできる。
上述したＮｉ発泡体電極は、表面変更中、ＰＴＦＥガスハンドリング構造体を組み込むように変更することもできる。
【0488】
これは以下のように達成された：４３ｍＭのＮｉＮＯ３及び１４．３ｍＭのＦｅＮＯ３、そして０．２８Ｍの尿素の水溶液をオートクレーブにおいて１２０℃で１２時間、加熱した。得られたＮｉＦｅ－ＬＤＨ触媒を収集し、脱イオン水で３回、遠心分離洗浄し、それから真空オーブンにおいて室温で乾燥させた。得られたＮｉＦｅ粉末の分散をイソプロパノール及び水（４：１ｖｏｌ％）を含む溶液で、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（１０ｇ／Ｌ）を添加して準備した。ＮｉＦｅ－ＬＤＨ分散を継いで、予め清掃したＮｉ発泡体又はＮｉメッシュ上にエアブラシで吹き付けて、所望の重量／厚さのＮｉＦｅ－ＬＤＨ被覆電極を得た。
【0489】
６．１１ 例：電極へのガス毛細管構造体の包含
代替の一例では、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０はガス毛細管構造体、この場合は疎水性Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜（即ち延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む疎水性膜）を組み込むように作製され、そのＰＴＦＥ側面は電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０の外側に対して引き締めて配置された。最終的に組み立てられた電池において、Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜を含む電極の外側は次いで各流場６２０及び６３０と接触した。Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜のジェネリック版は「Ｇｏｒｔｅｘ」膜として既知である。
代替の一例では、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０はガス毛細管構造体、この場合は疎水性Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜（即ち延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む疎水性膜）を組み込むように作製され、そのＰＴＦＥ側面は電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０の外側に対して引き締めて配置された。最終的に組み立てられた電池において、Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜を含む電極の外側は次いで各流場６２０及び６３０と接触した。Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）膜のジェネリック版は「Ｇｏｒｔｅｘ」膜として既知である。
【0490】
Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（商標）又はＧｏｒｔｅｘ膜は、新たに形成されたガスをそのような密に隣接したガス生成電極から自発的に抽出するガス毛細管構造体を含む。
【0491】
生成された電極－電流組立体は、裏当てする非導電性Ｇｏｒｔｅｘ膜を有するため、流場６２０及び６３０は、電極に面する側に鋭い突出部を作成するようにカットされた。これらの突出部は４２０及び４３０上のＧｏｒｔｅｘ裏当てを切り開き、それにより、第１の電極１２０及び第２の電極１３０とそれぞれの流場４２０及び４３０との間に電気接続を確立した。
【0492】
これらの例はそれぞれ、図４を参照して説明したように、液相材料が経路２００に沿って移動する毛細管及び／又は拡散プロセスを変更、よりよく制御、又は加速させるための電極－スペーサ境界面１２６及び１３６におけるバリエーションを表す。
【0493】
水電解電池は、上記引用した科学論文に記載のように動作する。反応物である水は、槽１４０から連続して除去された。水は、当業者に既知の種々の手段により槽１４０に連続して補充することができた。
【0494】
７．例：水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する電気合成抽出電池
図１～図３に示される構造を有する実施形態例の水素抽出電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径１．２μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性１Ｍ硫酸であった。第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ－３２上の１０％Ｐｔ、カーボンブラック、２０％ＰＴＦＥ分散の混合物を含み、混合物は電流キャリア３２０及び３３０として機能するＮｉメッシュ上にそれぞれ堆積し圧縮され、それにより、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０をそれぞれ提供した。完全な電池における流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆ステンレス鋼であった。メタン及び水素の混合物（例えば５～１０容量％）が、気体１２５として電池に渡され、一方、純粋な水素が気体１３５として電池により生成された。
図１～図３に示される構造を有する実施形態例の水素抽出電池は、多孔性毛細管スペース１１０として、平均孔径１．２μｍのポリエーテルスルホン材料フィルタを使用して作製された。液体電極１００は水性１Ｍ硫酸であった。第１の電極１２０及び第２の電極１３０は両方とも、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ－３２上の１０％Ｐｔ、カーボンブラック、２０％ＰＴＦＥ分散の混合物を含み、混合物は電流キャリア３２０及び３３０として機能するＮｉメッシュ上にそれぞれ堆積し圧縮され、それにより、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０をそれぞれ提供した。完全な電池における流場６２０及び６３０はＮｉ発泡体であった。導電性バスバー６４０はＮｉ被覆ステンレス鋼であった。メタン及び水素の混合物（例えば５～１０容量％）が、気体１２５として電池に渡され、一方、純粋な水素が気体１３５として電池により生成された。
【0495】
代替の一例では、電極－電流キャリア組立体４２０及び４３０は、Ｋ．Ｗａｇｎｅｒら著「Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ Ｇｏｒｔｅｘ－ｂａｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｐｕｒｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｈｉｇｈｌｙ ｄｉｌｕｔｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｍｅｔｈａｎｅ ｍｉｘｔｕｒｅｓ」，Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１８年、第１１巻、第１７２頁に記載のように作製され、これは参照により本明細書に援用される。生成された電極－電流組立体は非導電性Ｇｏｒｔｅｘ膜裏当てを有するため、流場６２０及び６３０は、電極に面する側に鋭い突出部を作成するようにカットされた。これらの突出部は４２０及び４３０上のＧｏｒｔｅｘ裏当てを切り開き、それにより、第１の電極１２０及び第２の電極１３０とそれぞれの流場４２０及び４３０との間に電気接続を確立した。
【0496】
これらの例は、図４を参照して説明したように、液相材料が経路２００に沿って移動する毛細管及び／又は拡散プロセスを変更、よりよく制御、又は加速させるための電極－スペーサ境界面１２６及び１３６におけるバリエーションを表す。
【0497】
更なる電池構造例
多様な他の電池構造が本明細書の範囲内に入り得ることを理解されたい。個々に又は部品、要素、若しくは特徴の２つ以上の任意の若しくは全ての組合せで集合的に本明細書において参照され、又は本明細書において示された実施形態の部品、要素、及び特徴を組み込んだ構造、本発明が関連する技術分野で既知の均等物を有する特定の完全体が本明細書において述べられ、そのような均等物は、まるで個々に記載されるかのように本明細書に援用されると見なされる。
多様な他の電池構造が本明細書の範囲内に入り得ることを理解されたい。個々に又は部品、要素、若しくは特徴の２つ以上の任意の若しくは全ての組合せで集合的に本明細書において参照され、又は本明細書において示された実施形態の部品、要素、及び特徴を組み込んだ構造、本発明が関連する技術分野で既知の均等物を有する特定の完全体が本明細書において述べられ、そのような均等物は、まるで個々に記載されるかのように本明細書に援用されると見なされる。
【0498】
【0499】
図１４は、気体１３５がない更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４０の概略断面図を示す。電極１３０が生成又は消費するガスはあったとしてもわずかであり、電極１２０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質の移行がある。
【0500】
図１５は、気体１２５がない更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４１の概略断面図を示す。電極１２０が生成又は消費するガスはあったとしてもわずかであり、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質の移行がある。液体電解質は、気体１３５を介して非干渉気相経路により補充／維持される。
【0501】
図１６は、気体１３５がない更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４２の概略断面図を示す。電極１３０が生成又は消費するガスはあったとしてもわずかであり、電極１２０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質の移行がある。両電極の上にヘッドスペースが提供される。ヘッドスペースは、電極１３０の上は液体電解質で占められ、電極１２０の上はガスで占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、ガス交差を阻止する。
【0502】
図１７は、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行があり、電極１２０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行がある、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４３の概略断面図を示す。両電極の上にヘッドスペースが提供される。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。
【0503】
図１８は、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行があり、電極１２０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行がある、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４４の概略断面図を示す。両電極の上にヘッドスペースが提供される。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。液体電解質は、気体１２５を介して非干渉気相経路により補充／維持される。
【0504】
図１９は、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行がある、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４５の概略断面図を示す。両電極の上にヘッドスペースが提供される。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０は、電極の上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１２５に接触する。
【0505】
図２０は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４６の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０は、電極の上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１２５に接触する。電極１３０は、電極の上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１３５に接触する。
【0506】
図２１は、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行がある、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４７の概略断面図を示す。両電極の上にヘッドスペースが提供される。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０は、電極の上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１２５に接触する。電極１３０はガスハンドリング構造体９００を組み込み、ガスハンドリング構造体９００には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１３５を形成する）が充填される。
【0507】
図２２は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４８の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０はガスハンドリング構造体９０１を組み込み、ガスハンドリング構造体９０１には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１２５を形成する）が充填される。電極１３０はガスハンドリング構造体９００を組み込み、ガスハンドリング構造体９００には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１３５を形成する）が充填される。
【0508】
図２３は、電極１３０上方への非干渉の毛細管ベースの電解質移行がある、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池４９の概略断面図を示す。両電極の上にヘッドスペースが提供される。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０は、電極の上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１２５に接触する。電極１３０はガス毛細管構造体１０００に隣接し、ガス毛細管構造体１０００には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１３５を形成する）が充填される。
【0509】
図２４は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５０の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは気体１２５で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０はガス毛細管構造体１００１に隣接し、ガス毛細管構造体１００１には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１２５を形成する）が充填される。電極１３０はガス毛細管構造体１０００に隣接し、ガス毛細管構造体１０００には、ヘッドスペースと連続したガス（集合的に気体１３５を形成する）が充填される。
【0510】
図２５は、電極１３０が生成又は消費するガスはあったとしてもわずかである、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５１の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは、一部は気体１３５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、電極上方の液体電解質１００を通ってヘッドスペースに延びる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００には、ヘッドスペースガスと連続する（集合的に気体１２５を形成する）ガスが充填される。
【0511】
図２６は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５２の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、電極上方の液体電解質１００を通ってヘッドスペースに延びる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００には、ヘッドスペースガスと連続する（集合的に気体１２５を形成する）ガスが充填される。電極１３０は、その上部でのみ（ヘッドスペース内）気体１３５に接触する。
【0512】
図２７は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５３の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、電極上方の液体電解質１００を通ってヘッドスペースに延びる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００には、ヘッドスペースガスと連続する（集合的に気体１２５を形成する）ガスが充填される。電極１３０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１は、電極上方の液体電解質１００を通ってヘッドスペースに延びる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００には、ヘッドスペースガスと連続する（集合的に気体１３５を形成する）ガスが充填される。
【0513】
図２８は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５４の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを生成する。電極１２０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、経路２１００に沿って液体電解質１００を通してガスの泡／容量を解放し、経路２１００は多くの場合又は習慣的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００内の気体とヘッドスペースガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１２５を形成する）。電極１３０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１は、経路１２１０に沿って液体電解質１００を通してガスの泡／容量を解放し、経路２１１０は多くの場合又は習慣的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１内の気体とヘッドスペースガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１３５を形成する）。
【0514】
図２９は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５５の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは気体１３５で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、気体１２５と気体１３５との間のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを生成する。電極１２０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、経路２２００に沿って液体電解質１００を通してガスの泡／容量を解放し、経路２２００は時には又は不規則的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００内の気体とヘッドスペースガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１２５を形成する）。電極１３０にはガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれ、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１は、経路２２１０に沿って液体電解質１００を通してガスの泡／容量を解放し、経路２２１０は時には又は不規則的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１内の気体とヘッドスペースガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１３５を形成する）。
【0515】
図３０は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５６の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は導管１２７と関連する気体で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは、一部は導管１３７と関連する気体で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、導管１２７と関連する気体と導管１３７と関連する気体との間のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを生成する。電極１２０には、内部に気体１２５を含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれる。気体１２５は、液体電解質１００を通して経路２３００を介して外部導管１２７及び外部ガス貯蔵システム１２８と気体連通する。気体１２５は、経路２３００に沿って液体電解質を通してガスの泡／容量をヘッドスペースに解放し、そこでガスは外部導管１２７及び外部ガス貯蔵システム１２８に入り得る。電極１３０には、内部に気体１３５を含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれる。気体１３５は、液体電解質１００を通して経路２３１０を介して外部導管１３７及び外部ガス貯蔵システム１３８と気体連通する。気体１３５は、経路２３１０に沿って液体電解質を通してガスの泡／容量をヘッドスペースに解放し、そこでガスは外部導管１３７及び外部ガス貯蔵システム１３８に入り得る。
【0516】
図３１は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５７の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、ヘッドスペース内のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを消費する。電極１２０には、大量のガスを含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、外部ガス導管１２７から経路２４００に沿って、液体電解質１００を通してガスの泡／容量を受け取る。経路２４００は多くの場合又は習慣的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００内の気体とガス導管１２７内のガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１２５を形成する）。電極１３０には、大量のガスを含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１は、外部ガス導管１３７から経路２４１０に沿って、液体電解質１００を通してガスの泡／容量を受け取る。経路２４１０は多くの場合又は習慣的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１内の気体とガス導管１３７内のガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１３５を形成する）。
【0517】
図３２は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５８の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、ヘッドスペース内のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを消費する。電極１２０には、大量のガスを含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００は、外部ガス導管１２７から経路２５００に沿って、液体電解質１００を通してガスの泡／容量を受け取る。経路２５００は時に又は不規則的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００内の気体とガス導管１２７内のガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１２５を形成する）。電極１３０には、大量のガスを含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれる。ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１は、外部ガス導管１３７から経路２５１０に沿って、液体電解質１００を通してガスの泡／容量を受け取る。経路２５１０は時に又は不規則的に、ガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１内の気体とガス導管１３７内のガスとの間に連続接続を生み出す（集合的に気体１３５を形成する）。
【0518】
図３３は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池５９の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、ヘッドスペース内のガス交差を阻止する。電極１２０及び１３０は各々ガスを消費する。電極１２０には、内部に気体１２５を含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１００が取り付けられるか、又は組み込まれる。気体１２５は、液体電解質１００を通して経路２６００を介して外部導管１２７及び外部ガス貯蔵システム１２８と気体連通する。気体１２５は、経路２６００に沿って液体電解質を通して導管１２７からガスの泡／容量を受け取り、そこでガスは外部導管１２７及び外部ガス貯蔵システム１２８に入り得る。電極１３０には、内部に気体１３５を含むガス毛細管又はガスハンドリング構造体１１０１が取り付けられるか、又は組み込まれる。気体１３５は、液体電解質１００を通して経路２６１０を介して外部導管１３７及び外部ガス貯蔵システム１３８と気体連通する。気体１３５は、経路２６１０に沿って液体電解質を通して導管１３７からガスの泡／容量を受け取り、そこでガスは外部導管１３７及び外部ガス貯蔵システム１３８に入り得る。
【0519】
図３４は、両電極の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池６０の概略断面図を示す。電極１２０の上のヘッドスペースは、一部は導管１２７と関連する気体で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。電極１３０の上のヘッドスペースは、一部は導管１３７と関連する気体で占められ、一部は液体電解質１００で占められる。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、導管１２７と関連する気体と導管１３７と関連する気体との間のガス交差を阻止する。電池６０は水電解電池であり、電極１２０及び１３０は各々ガスを生成する。動作中、電極１２０は、容積２７００を埋める大量のガスを泡の形態で生成する。そうするに当たり、容積２７００内の気泡は習慣的に、多くの場合、又は時には、導管１２７と関連する気体と連続することなり、それにより、全体気体１２５を形成する（容積２７００の周囲及び近傍の破線により示される）。多孔性毛細管スペーサ１１０は、反応を維持するために電極１２０により必要とされる水及び／又は液相イオンを供給することが可能であるため、反応は続く。動作前又は動作後、液体電解質１００は容積２７００を充填する。したがって、図３４において容積２７００の周囲及び近傍の破線により示される全体気体１２５は、電池動作時、動的に作成される。動作中、電極１３０は小量のガスを気泡の形態で生成する。気泡は、固体又は多孔性バリア２７２０を電極１３０の外面近くに配置することにより作成されたより小さな容積２７１０を充填する。そうするに当たり、容積２７１０内の気泡は習慣的に、多くの場合、又は時には、導管１３７と関連する気体と連続することなり、それにより、全体気体１３５を形成する（電極１３０近傍の破線により示される）。多孔性毛細管スペーサ１１０は、反応を維持するために電極１３０により必要とされる水及び／又は液相イオンを供給することが可能であるため、反応は電極１３０において続く。動作前又は動作後、液体電解質１００は容積２７１０を充填する。したがって、図３４における電極１３０近くの破線により示される全体気体１３５は、電池の動作時、動的に作成される。電池６０は独立経路電池であり、その理由は、電池が、液相水反応物が反応ゾーンに進入するために別個の独立した非干渉経路を提供しながら、ガス１２５を電極１２０から排出し、ガス１３５を電極１３０から排出するために別個の独立した非干渉経路も提供するためである。
【0520】
図３５は、一部は気体１２５で占められ、一部は液体電解質１００で示された、電極１２０の上にヘッドスペースが提供される、更なる一例の電気合成又は電気エネルギー電池６１の概略断面図を示す。容積２８１０内の電極１３０周囲の液体電解質１００は、導管２８１１及び２８１５を介して、一部は連続気相１３５で占められ、一部は液体電解質１００で占められる気相セパレータタンク２８１２と流通する。多孔性毛細管スペーサ１１０に保持される液体電解質は、電極１２０と関連する半電池と電極１３０と関連する半電池との間のガス交差を阻止する。電池６１は水電解電池であり、電極１２０及び１３０は各々ガスを生成する。動作中、電極１２０は、容積２８００内で生じて気体１２５と合体する大量のガスを泡の形態で生成する。即ち、電極１２０により生成されたガスは、外部導管１２７と流体接触する。動作中、電極１３０は、容積２８１０内で生じて導管２８１１に入り、セパレータタンク２８１２に流れる大量のガスを泡の形態で生成し、セパレータタンク２８１２において、ガスは、外部導管１３７と気体連通する連続気体１３５に分離する。ガス－液体セパレータタンク２８１２の底部における分離された液体電解質は次いで、導管２８１３に沿って導管２８１５を通って流れ、容積２８１０に戻る。この循環流は、電極１３０と関連する半電池において矢印２８１４及びその他の矢印により示される方向で生じ、気泡の自然な浮力により駆動され得、又はポンプにより駆動され得る。即ち、電極１３０により生成されたガスは、導管１３７と流体接触する。以下の条件の１つ又は組合せが電池６１に関連する。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、反応を維持するために電極１２０及び１３０により必要とされる液相水及び／又はイオン反応物を電極間から供給するのに十分に高い流量を有する。これは、電池６１が、（ａ）電極１２０及び１３０により必要とされる水及びイオン反応物の液相移動、（ｂ）電極１２０の気相産物１２５、並びに（ｃ）電極１３０の気相産物１３５に別個の独立した非干渉経路を提供するため、「独立経路電池」であることを意味する。
－ 多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、８ｃｍ超の高さで１分当たり水０．００１４ｇ超の流量で流れる。
－ 多孔性毛細管スペーサは、２μｍ超且つ４００μｍ未満の平均孔径を有する。
－ 多孔性毛細管スペーサは、０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、６０％超の有孔率を有する。
－ 電極は、２バール超の圧力で多孔性毛細管スペーサ１１０に対して圧縮される。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は０．４５ｍｍ厚未満である。
－ 多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体１２５が第２の気体１３５と混合するのを阻止又は妨げ、２％未満のベンチマークガス交差を維持する。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、室温で１４０ｍΩｃｍ２未満のイオン抵抗を有する。
－ 電池６１は、電極間から、反応を維持するために電極１２０又は電極１３０のいずれかにより必要とされる液相水及び／又はイオンを供給するのに不十分な流量を有する多孔性毛細管スペーサ１１０が備えられた同一の電池よりも０．５％超高いエネルギー効率を示す。反応を維持するために電極１２０又は電極１３０のいずれかにより必要とされる液相水及び／又はイオン反応物は、代わりに容積２８００又は２８１０からそれぞれ供給されなければならない。そのような電池は、電極１２０及び１３０により必要とされる水及びイオン反応物の液相移動に別個の独立した非干渉経路を提供しないため、独立経路電池ではないであろう。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、反応を維持するために電極１２０及び１３０により必要とされる液相水及び／又はイオン反応物を電極間から供給するのに十分に高い流量を有する。これは、電池６１が、（ａ）電極１２０及び１３０により必要とされる水及びイオン反応物の液相移動、（ｂ）電極１２０の気相産物１２５、並びに（ｃ）電極１３０の気相産物１３５に別個の独立した非干渉経路を提供するため、「独立経路電池」であることを意味する。
－ 多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、８ｃｍ超の高さで１分当たり水０．００１４ｇ超の流量で流れる。
－ 多孔性毛細管スペーサは、２μｍ超且つ４００μｍ未満の平均孔径を有する。
－ 多孔性毛細管スペーサは、０．４ｃｍ超の最大カラム高さを有する。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、６０％超の有孔率を有する。
－ 電極は、２バール超の圧力で多孔性毛細管スペーサ１１０に対して圧縮される。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は０．４５ｍｍ厚未満である。
－ 多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体１２５が第２の気体１３５と混合するのを阻止又は妨げ、２％未満のベンチマークガス交差を維持する。
－ 多孔性毛細管スペーサ１１０は、室温で１４０ｍΩｃｍ２未満のイオン抵抗を有する。
－ 電池６１は、電極間から、反応を維持するために電極１２０又は電極１３０のいずれかにより必要とされる液相水及び／又はイオンを供給するのに不十分な流量を有する多孔性毛細管スペーサ１１０が備えられた同一の電池よりも０．５％超高いエネルギー効率を示す。反応を維持するために電極１２０又は電極１３０のいずれかにより必要とされる液相水及び／又はイオン反応物は、代わりに容積２８００又は２８１０からそれぞれ供給されなければならない。そのような電池は、電極１２０及び１３０により必要とされる水及びイオン反応物の液相移動に別個の独立した非干渉経路を提供しないため、独立経路電池ではないであろう。
【0521】
図３５の例では、多孔性毛細管スペーサが平均孔径２μｍ超且つ４００μｍ未満、有孔率６０％超、電極圧縮２バール超を有し、電解質が水酸化物塩を含み、少なくとも１０のＰＨを有する電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。
【0522】
図３５の例では、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質が、高さ８ｃｍ超で１分当たり水０．００１４ｇ超の流量、厚さ０．４５ｍｍ未満、有孔率６０％超、電極圧縮２バール超で流れ、電解質が水酸化物塩を含み、少なくとも１０のＰＨを有する電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。
【0523】
図３５の例では、多孔性毛細管スペーサが、最大カラム高さ０．４ｃｍ超、有孔率６０％超、電極圧縮２バール超を有し、電解質が水酸化物塩を含み、少なくとも１０のＰＨを有する電気合成又は電気エネルギー電池が提供される。
【0524】
更なる実施形態例
更なる非限定的な実施形態例によれば、以下のポイントは、更なる電池例及び電池の更なる動作方法例を開示する。
１．電気合成又は電気エネルギー電池であって、
液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する先端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備える、電池。
２．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、ポイント１に記載の電池。
３．液体電解質、液相反応物、及び／又は産物は、少なくとも１つの外部導管を介して槽内又は外に輸送される、ポイント２に記載の電池。
４．少なくとも１つの外部液体導管は、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物を外部貯蔵、外部供給、又は外部除去するために、外部液体貯蔵システムと流通する、ポイント３に記載の電池。
５．外部液体導管は存在せず、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物は、ガス流内の上記の形態で電池内又は外に輸送される、ポイント１～４のいずれか１つに記載の電池。
６．蒸気は優先的に、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は液体電解質から気化する、ポイント１～５のいずれか１つに記載の電池。
７．第１のガス拡散電極は、槽内の液体電解質の部分とは別個である、ポイント１～６のいずれか１つに記載の電池。
８．第１のガス拡散電極は、槽内の液体電解質の部分に接触する、ポイント１～６のいずれか１つに記載の電池。
９．第２の電極は、槽内の液体電解質の部分とは別個である、ポイント１～８のいずれか１つに記載の電池。
１０．第２の電極は、槽内の液体電解質の部分に接触する、ポイント１～８のいずれか１つに記載の電池。
１１．多孔性毛細管スペーサの先端部は、第１のガス拡散電極及び第２の電極を越えて延びる、ポイント１～１０のいずれか１つに記載の電池。
１２．多孔性毛細管スペーサの先端部が槽内に位置する前、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填される、ポイント１～１１のいずれか１つに記載の電池。
１３．液体電解質は、まず多孔性毛細管スペーサに沿って槽から輸送された後、第１のガス拡散電極及び第２の電極に接触する、ポイント１～１１のいずれか１つに記載の電池。
１４．動作中、全ての第１のガス拡散電極に隣接する多孔性毛細管スペーサの少なくとも部分及び全ての第２の電極に隣接する多孔性毛細管スペーサの少なくとも部分は、液体電解質で充填されたままである、ポイント１～１３のいずれか１つに記載の電池。
１５．槽は存在せず、又は槽は多孔性毛細管スペーサに組み込まれ、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池内の液体電解質の連続体のみを含む、ポイント１～１４のいずれか１つに記載の電池。
１６．第２の電極は第２のガス拡散電極である、ポイント１～１５のいずれか１つに記載の電池。
１７．第１のガス拡散電極及び第２の電極は、槽から離間される、ポイント１～１６のいずれか１つに記載の電池。
１８．多孔性毛細管スペーサと第１のガス拡散電極とが直接接触するエリアは、槽の外部であり、多孔性毛細管スペーサと第２の電極とが直接接触するエリアは、槽の外部である、ポイント１～１７のいずれか１つに記載の電池。
１９．電池内の電気化学反応の液相反応物又は産物は、多孔性毛細管スペーサ内部の液体電解質内の液相経路を辿る、ポイント１～１８のいずれか１つに記載の電池。
２０．槽は、多孔性毛細管スペーサが通る開口部を含む、ポイント１～１９のいずれか１つに記載の電池。
２１．多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質で覆われる表面積は、少なくとも、多孔性毛細管スペーサに面する第１のガス拡散電極の表面積以上であるポイント１～２０のいずれか１つに記載の電池。
２２．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、ポイント１～２１のいずれか１つに記載の電池。
２３．外部筐体は、少なくとも１つの外部第１ガス導管を更に提供する、ポイント１～２２のいずれか１つに記載の電池。
２４．第１のガス拡散電極に隣接する第１のガスで構成された第１の気体を更に含み、第１のガスは、動作中、電池に供給される反応物又は電池から除去される産物である、ポイント１～２３のいずれか１つに記載の電池。
２５．第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント２２又は２３及び２４に記載の電池。
２６．少なくとも１つの外部第１ガス導管は、第１のガスを外部貯蔵、外部供給、又は外部除去する外部第１ガス貯蔵システムと気体連通する、ポイント２５に記載の電池。
２７．第２のガス拡散電極に隣接する第２のガスで構成される第２の気体を更に含み、第２のガスは、動作中、電池に供給される反応物又は電池から除去される産物である、ポイント１６に記載の電池。
２８．外部筐体は、少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する、ポイント２２又は２３に記載の電池。
２９．第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、ポイント２７及び２８に記載の電池。
３０．少なくとも１つの外部第２ガス導管は、第２のガスを外部貯蔵、外部供給、又は外部除去する外部第２ガス貯蔵システムと気体連通する、ポイント２９に記載の電池。
３１．第１のガス拡散電極及び第２の電極は各々、１０ｃｍ２以上の幾何学的表面積を有する側面を有する、ポイント１～３０のいずれか１つに記載の電池。
３２．第１のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、ポイント１～３１のいずれか１つに記載の電池。
３３．第２のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、ポイント１６に記載の電池。
３４．多孔性毛細管スペーサの第１の側面は、第１のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、多孔性毛細管スペーサの第２の側面は、第２のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、第１のガス拡散電極の第２の側面は、第１の気体に隣接し、第２のガス拡散電極の第２の側面は第２の気体に隣接する、ポイント１６に記載の電池。
３５．第１のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部は、第１の気体と直接気相接触し、第２のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部は、第２の気体と直接気相接触する、ポイント３４に記載の電池。
３６．ガスハンドリング構造体を含み、ガスハンドリング構造体は、
第１のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第１のガス拡散電極内、
第１のガス拡散電極又はその近傍、又は
第１のガス拡散電極の一部
に位置する、ポイント１～３５のいずれか１つに記載の電池。
３７．第２のガスハンドリング構造体を含み、第２のガスハンドリング構造体は、
第２のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第２のガス拡散電極内、
第２のガス拡散電極又はその近傍、又は
第２のガス拡散電極の一部
に位置する、ポイント１～３６のいずれか１つ及びポイント１６に記載の電池。
３８．第１のガス拡散電極内又は第１のガス拡散電極に位置するガス毛細管構造体を含むポイント１～３７のいずれか１つに記載の電池。
３９．第２のガス拡散電極内又は第２のガス拡散電極に位置する第２のガス毛細管構造体を含む、ポイント３８及びポイント１６に記載の電池。
４０．液体電解質は、少なくとも毛細管作用により多孔性毛細管スペーサに沿って輸送される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４１．液体電解質は、毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により多孔性毛細管スペーサに沿って輸送される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４２．電池は、多孔性毛細管スペーサ内で生じる毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により自己調整される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４３．多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は妨げる、ポイント１～４２のいずれか１つに記載の電池。
４４．電池はゼロギャップ電池であり、それにより、多孔性毛細管スペーサは２ｍｍ厚未満である、ポイント１～４３のいずれか１つに記載の電池。
４５．２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含むポイント１～４４のいずれか１つに記載の電池。
４６．２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含み、２つ以上の多孔性毛細管スペーサの各々の端部は、２つ以上の槽の１つの位置する、ポイント４５に記載の電池。
４７．多孔性毛細管スペーサは少なくとも部分的にポリエーテルスルホン材料で構成される、ポイント１～４６のいずれか１つに記載の電池。
４８．多孔性毛細管スペーサは約５μｍ又は約８μｍの平均孔サイズを有する、ポイント１～４７のいずれか１つに記載の電池。
４９．多孔性毛細管スペーサは、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、フッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、窒素含有材料、ガラス繊維、ケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、セルロース含有材料、ポリカーボネート、カーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、スルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、スルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、オレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、セラミック材料、ポリ塩化ビニル、ビニル系材料、ゴム、多孔性電池セパレータ、及びクレイを含む群から選択される１つ又は複数の材料で少なくとも部分的に構成される、ポイント１～４８のいずれか１つに記載の電池。
５０．槽は、第１の液体を含む第１の容積と、第２の液体を含む第２の容積と、第１の容積と第２の容積とを隔てる半透過性膜とを備える、ポイント１～４９のいずれか１つに記載の電池。
５１．多孔性毛細管スペーサは第１の容積に位置し、第１の液体は液体電解質であり、第２の液体は第１の液体と異なる、ポイント５０に記載の電池。
５２．複数の電池は、マルチセル積層体として電気的に接続される、ポイント１～５１のいずれか１つに記載の電池。
５３．複数の電池の各々の第２の液体は、複数の電池の各々の第２の容積に接続された共通供給又は除去パイプを介して液通する、ポイント５１又は５２に記載の電池。
５４．第２の液体は純水である、ポイント５１に記載の電池。
５５．液体電解質は、０．００１～１４Ｍ濃度のＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＯＨ－、ＳＯ４ ２－、ＨＳＯ４ －、Ｃｌ－、ＮＯ３ －、ＣｌＯ４ －、リン酸塩、ＨＰＯ４ －、炭酸塩、ＨＣＯ３ －、ＰＦ６ －、ＢＦ４ －、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、官能基を有するポリマーを含む多価電解質、ポリスチレンスルホン酸、ＤＮＡ、及びポリペプチド等からなる群から選択される１つ又は複数のイオンを含む水を含む、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５６．液体電解質は、プロピレンカーボネート液、ジメトキシエタン液、又はプロピオニトリル液、ＬｉＣｌＯ４溶質、及びＢｕ４ＮＰＦ６溶質を含む群から選択される溶質を含む非水液体を含む、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５７．液体電解質は、常温溶融塩並びにアルキル置換アンモニウム、イミダゾリウム、及びピリジニウムカチオンで構成されるイオン性液体を含む群から選択される導電性液体である、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５８．液体電解質は導電性ゲルである、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５９．電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法であって、電気合成又は電気エネルギー電池は、
液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する先端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備え、
方法は、
多孔性毛細管スペーサを液体電解質で充填するステップと、
液体電解質に第１のガス拡散電極及び第２の電極で接触するステップと、
を含む、方法。
６０．少なくも毛細管作用により槽からの液体電解質で多孔性毛細管スペーサを充填することを含むポイント５９に記載の方法。
６１．多孔性毛細管スペーサの先端部が槽内に位置する前、多孔性毛細管スペーサを液体電解質で充填することを含むポイント５９に記載の方法。
６２．液体電解質を多孔性毛細管スペーサに沿って輸送した後、液体電解質を第１のガス拡散電極及び第２の電極に接触させることを含むポイント６０に記載の方法。
６３．動作中、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである、ポイント５９～６２のいずれか１つに記載の方法。
６４．電池は電気合成電池であり、電気化学反応は、電気合成電池から離れて外部に輸送される化学産物を生成する、ポイント５９～６３のいずれか１つに記載の方法。
６５．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、液体電解質は、少なくとも１つの外部液体導管を介して槽内又は外に輸送される、ポイント５９～６４のいずれか１つに記載の方法。
６６．少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント６５に記載の方法。
６７．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント５９～６４のいずれか１つに記載の方法。
６８．少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、ポイント６５～６７のいずれか１つに記載の方法。
６９．電池は、１Ａｍｐ以上の第１のガス拡散電極及び第２の電極を通る電流を使用して動作する、ポイント５９～６８のいずれか１つに記載の方法。
７０．電池は少なくとも２４時間連続して動作する、ポイント５９～６９のいずれか１つに記載の方法。
７１．多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により多孔性毛細管スペーサ内に液体電解質を引き込み、カラム高さの液体電解質を維持する、ポイント５９～７０のいずれか１つに記載の方法。
７２．液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い、ポイント５９～７１のいずれか１つに記載の方法。
７３．電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する、ポイント５９～７２のいずれか１つに記載の方法。
７４．多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下にある、ポイント５９～７３のいずれか１つに記載の方法。
７５．電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整される、ポイント５９～７４のいずれか１つに記載の方法。
７６．交差平面軸からの液相材料の移動は、槽内の液体電解質の組成によって自己調整される、ポイント５９～７５のいずれか１つに記載の電池。
７７．交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる、ポイント５９～７６のいずれか１つに記載の電池。
７８．液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する、ポイント５９～７７のいずれか１つに記載の電池。
７９．電気化学反応は、窒素及び水素又は酸素からアンモニアを生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８０．電気化学反応はアンモニア及び酸素から電気を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８１．電気化学反応はアンモニアから水素及び窒素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８２．電気化学反応は、反応物としてＮＯＸを使用する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８３．電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８４．電気化学反応は、塩水から塩素及び苛性物質を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８５．電気化学反応は、塩酸から塩素及び水素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８６．電気化学反応は、水素及び酸素から電気エネルギーを生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８７．電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８８．電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
更なる非限定的な実施形態例によれば、以下のポイントは、更なる電池例及び電池の更なる動作方法例を開示する。
１．電気合成又は電気エネルギー電池であって、
液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
液体電解質で充填され、第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する先端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備える、電池。
２．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、ポイント１に記載の電池。
３．液体電解質、液相反応物、及び／又は産物は、少なくとも１つの外部導管を介して槽内又は外に輸送される、ポイント２に記載の電池。
４．少なくとも１つの外部液体導管は、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物を外部貯蔵、外部供給、又は外部除去するために、外部液体貯蔵システムと流通する、ポイント３に記載の電池。
５．外部液体導管は存在せず、液体電解質、液相反応物、及び／又は産物は、ガス流内の上記の形態で電池内又は外に輸送される、ポイント１～４のいずれか１つに記載の電池。
６．蒸気は優先的に、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質において液化又は液体電解質から気化する、ポイント１～５のいずれか１つに記載の電池。
７．第１のガス拡散電極は、槽内の液体電解質の部分とは別個である、ポイント１～６のいずれか１つに記載の電池。
８．第１のガス拡散電極は、槽内の液体電解質の部分に接触する、ポイント１～６のいずれか１つに記載の電池。
９．第２の電極は、槽内の液体電解質の部分とは別個である、ポイント１～８のいずれか１つに記載の電池。
１０．第２の電極は、槽内の液体電解質の部分に接触する、ポイント１～８のいずれか１つに記載の電池。
１１．多孔性毛細管スペーサの先端部は、第１のガス拡散電極及び第２の電極を越えて延びる、ポイント１～１０のいずれか１つに記載の電池。
１２．多孔性毛細管スペーサの先端部が槽内に位置する前、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填される、ポイント１～１１のいずれか１つに記載の電池。
１３．液体電解質は、まず多孔性毛細管スペーサに沿って槽から輸送された後、第１のガス拡散電極及び第２の電極に接触する、ポイント１～１１のいずれか１つに記載の電池。
１４．動作中、全ての第１のガス拡散電極に隣接する多孔性毛細管スペーサの少なくとも部分及び全ての第２の電極に隣接する多孔性毛細管スペーサの少なくとも部分は、液体電解質で充填されたままである、ポイント１～１３のいずれか１つに記載の電池。
１５．槽は存在せず、又は槽は多孔性毛細管スペーサに組み込まれ、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、電池内の液体電解質の連続体のみを含む、ポイント１～１４のいずれか１つに記載の電池。
１６．第２の電極は第２のガス拡散電極である、ポイント１～１５のいずれか１つに記載の電池。
１７．第１のガス拡散電極及び第２の電極は、槽から離間される、ポイント１～１６のいずれか１つに記載の電池。
１８．多孔性毛細管スペーサと第１のガス拡散電極とが直接接触するエリアは、槽の外部であり、多孔性毛細管スペーサと第２の電極とが直接接触するエリアは、槽の外部である、ポイント１～１７のいずれか１つに記載の電池。
１９．電池内の電気化学反応の液相反応物又は産物は、多孔性毛細管スペーサ内部の液体電解質内の液相経路を辿る、ポイント１～１８のいずれか１つに記載の電池。
２０．槽は、多孔性毛細管スペーサが通る開口部を含む、ポイント１～１９のいずれか１つに記載の電池。
２１．多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質で覆われる表面積は、少なくとも、多孔性毛細管スペーサに面する第１のガス拡散電極の表面積以上であるポイント１～２０のいずれか１つに記載の電池。
２２．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供する、ポイント１～２１のいずれか１つに記載の電池。
２３．外部筐体は、少なくとも１つの外部第１ガス導管を更に提供する、ポイント１～２２のいずれか１つに記載の電池。
２４．第１のガス拡散電極に隣接する第１のガスで構成された第１の気体を更に含み、第１のガスは、動作中、電池に供給される反応物又は電池から除去される産物である、ポイント１～２３のいずれか１つに記載の電池。
２５．第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント２２又は２３及び２４に記載の電池。
２６．少なくとも１つの外部第１ガス導管は、第１のガスを外部貯蔵、外部供給、又は外部除去する外部第１ガス貯蔵システムと気体連通する、ポイント２５に記載の電池。
２７．第２のガス拡散電極に隣接する第２のガスで構成される第２の気体を更に含み、第２のガスは、動作中、電池に供給される反応物又は電池から除去される産物である、ポイント１６に記載の電池。
２８．外部筐体は、少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する、ポイント２２又は２３に記載の電池。
２９．第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、ポイント２７及び２８に記載の電池。
３０．少なくとも１つの外部第２ガス導管は、第２のガスを外部貯蔵、外部供給、又は外部除去する外部第２ガス貯蔵システムと気体連通する、ポイント２９に記載の電池。
３１．第１のガス拡散電極及び第２の電極は各々、１０ｃｍ２以上の幾何学的表面積を有する側面を有する、ポイント１～３０のいずれか１つに記載の電池。
３２．第１のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、ポイント１～３１のいずれか１つに記載の電池。
３３．第２のガス拡散電極は、金属メッシュ、金属発泡体、及び／又は金属有孔板を含む、ポイント１６に記載の電池。
３４．多孔性毛細管スペーサの第１の側面は、第１のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、多孔性毛細管スペーサの第２の側面は、第２のガス拡散電極の第１の側面に隣接し、第１のガス拡散電極の第２の側面は、第１の気体に隣接し、第２のガス拡散電極の第２の側面は第２の気体に隣接する、ポイント１６に記載の電池。
３５．第１のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部は、第１の気体と直接気相接触し、第２のガス拡散電極の第２の側面の少なくとも一部は、第２の気体と直接気相接触する、ポイント３４に記載の電池。
３６．ガスハンドリング構造体を含み、ガスハンドリング構造体は、
第１のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第１のガス拡散電極内、
第１のガス拡散電極又はその近傍、又は
第１のガス拡散電極の一部
に位置する、ポイント１～３５のいずれか１つに記載の電池。
３７．第２のガスハンドリング構造体を含み、第２のガスハンドリング構造体は、
第２のガス拡散電極と多孔性毛細管スペーサとの間、
第２のガス拡散電極内、
第２のガス拡散電極又はその近傍、又は
第２のガス拡散電極の一部
に位置する、ポイント１～３６のいずれか１つ及びポイント１６に記載の電池。
３８．第１のガス拡散電極内又は第１のガス拡散電極に位置するガス毛細管構造体を含むポイント１～３７のいずれか１つに記載の電池。
３９．第２のガス拡散電極内又は第２のガス拡散電極に位置する第２のガス毛細管構造体を含む、ポイント３８及びポイント１６に記載の電池。
４０．液体電解質は、少なくとも毛細管作用により多孔性毛細管スペーサに沿って輸送される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４１．液体電解質は、毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により多孔性毛細管スペーサに沿って輸送される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４２．電池は、多孔性毛細管スペーサ内で生じる毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用により自己調整される、ポイント１～３９のいずれか１つに記載の電池。
４３．多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、第１の気体が第２の気体と混合するのを阻止又は妨げる、ポイント１～４２のいずれか１つに記載の電池。
４４．電池はゼロギャップ電池であり、それにより、多孔性毛細管スペーサは２ｍｍ厚未満である、ポイント１～４３のいずれか１つに記載の電池。
４５．２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含むポイント１～４４のいずれか１つに記載の電池。
４６．２つ以上の多孔性毛細管スペーサを含み、２つ以上の多孔性毛細管スペーサの各々の端部は、２つ以上の槽の１つの位置する、ポイント４５に記載の電池。
４７．多孔性毛細管スペーサは少なくとも部分的にポリエーテルスルホン材料で構成される、ポイント１～４６のいずれか１つに記載の電池。
４８．多孔性毛細管スペーサは約５μｍ又は約８μｍの平均孔サイズを有する、ポイント１～４７のいずれか１つに記載の電池。
４９．多孔性毛細管スペーサは、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン、フッ素化ポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン、窒素含有材料、ガラス繊維、ケイ素含有材料、ポリ塩化ビニル、塩化物含有ポリマー、酢酸セルロース、硝酸セルロース、セロハン、エチルセルロース、セルロース含有材料、ポリカーボネート、カーボネート含有材料、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、スルホン含有材料、ポリフェニレンスルフィド、スルフィド含有材料、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、オレフィン含有材料、アスベスト、チタン系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス、セラミック材料、ポリ塩化ビニル、ビニル系材料、ゴム、多孔性電池セパレータ、及びクレイを含む群から選択される１つ又は複数の材料で少なくとも部分的に構成される、ポイント１～４８のいずれか１つに記載の電池。
５０．槽は、第１の液体を含む第１の容積と、第２の液体を含む第２の容積と、第１の容積と第２の容積とを隔てる半透過性膜とを備える、ポイント１～４９のいずれか１つに記載の電池。
５１．多孔性毛細管スペーサは第１の容積に位置し、第１の液体は液体電解質であり、第２の液体は第１の液体と異なる、ポイント５０に記載の電池。
５２．複数の電池は、マルチセル積層体として電気的に接続される、ポイント１～５１のいずれか１つに記載の電池。
５３．複数の電池の各々の第２の液体は、複数の電池の各々の第２の容積に接続された共通供給又は除去パイプを介して液通する、ポイント５１又は５２に記載の電池。
５４．第２の液体は純水である、ポイント５１に記載の電池。
５５．液体電解質は、０．００１～１４Ｍ濃度のＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＯＨ－、ＳＯ４ ２－、ＨＳＯ４ －、Ｃｌ－、ＮＯ３ －、ＣｌＯ４ －、リン酸塩、ＨＰＯ４ －、炭酸塩、ＨＣＯ３ －、ＰＦ６ －、ＢＦ４ －、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、官能基を有するポリマーを含む多価電解質、ポリスチレンスルホン酸、ＤＮＡ、及びポリペプチド等からなる群から選択される１つ又は複数のイオンを含む水を含む、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５６．液体電解質は、プロピレンカーボネート液、ジメトキシエタン液、又はプロピオニトリル液、ＬｉＣｌＯ４溶質、及びＢｕ４ＮＰＦ６溶質を含む群から選択される溶質を含む非水液体を含む、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５７．液体電解質は、常温溶融塩並びにアルキル置換アンモニウム、イミダゾリウム、及びピリジニウムカチオンで構成されるイオン性液体を含む群から選択される導電性液体である、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５８．液体電解質は導電性ゲルである、ポイント１～５４のいずれか１つに記載の電池。
５９．電気化学反応を実行するための電気合成又は電気エネルギー電池の動作方法であって、電気合成又は電気エネルギー電池は、
液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
第１のガス拡散電極と第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、槽内に位置し、液体電解質と液体接触する先端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備え、
方法は、
多孔性毛細管スペーサを液体電解質で充填するステップと、
液体電解質に第１のガス拡散電極及び第２の電極で接触するステップと、
を含む、方法。
６０．少なくも毛細管作用により槽からの液体電解質で多孔性毛細管スペーサを充填することを含むポイント５９に記載の方法。
６１．多孔性毛細管スペーサの先端部が槽内に位置する前、多孔性毛細管スペーサを液体電解質で充填することを含むポイント５９に記載の方法。
６２．液体電解質を多孔性毛細管スペーサに沿って輸送した後、液体電解質を第１のガス拡散電極及び第２の電極に接触させることを含むポイント６０に記載の方法。
６３．動作中、多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである、ポイント５９～６２のいずれか１つに記載の方法。
６４．電池は電気合成電池であり、電気化学反応は、電気合成電池から離れて外部に輸送される化学産物を生成する、ポイント５９～６３のいずれか１つに記載の方法。
６５．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、液体電解質は、少なくとも１つの外部液体導管を介して槽内又は外に輸送される、ポイント５９～６４のいずれか１つに記載の方法。
６６．少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント６５に記載の方法。
６７．電池の外部筐体を更に含み、外部筐体は少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供し、第１のガスは、少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は外に輸送される、ポイント５９～６４のいずれか１つに記載の方法。
６８．少なくとも１つの外部第２ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第２のガスは、少なくとも１つの外部第２ガス導管を介して第２の気体内又は外に輸送される、ポイント６５～６７のいずれか１つに記載の方法。
６９．電池は、１Ａｍｐ以上の第１のガス拡散電極及び第２の電極を通る電流を使用して動作する、ポイント５９～６８のいずれか１つに記載の方法。
７０．電池は少なくとも２４時間連続して動作する、ポイント５９～６９のいずれか１つに記載の方法。
７１．多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により多孔性毛細管スペーサ内に液体電解質を引き込み、カラム高さの液体電解質を維持する、ポイント５９～７０のいずれか１つに記載の方法。
７２．液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い、ポイント５９～７１のいずれか１つに記載の方法。
７３．電気化学反応中、多孔性毛細管スペーサ内の液体電解質は、多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行を促進する、ポイント５９～７２のいずれか１つに記載の方法。
７４．多孔性毛細管スペーサの長さに沿った１つ又は複数の液相材料の移行は、液相毛細管作用、拡散、及び／又は浸透作用の制御下にある、ポイント５９～７３のいずれか１つに記載の方法。
７５．電気化学反応は、電気合成又は電気エネルギー電池において自己調整される、ポイント５９～７４のいずれか１つに記載の方法。
７６．交差平面軸からの液相材料の移動は、槽内の液体電解質の組成によって自己調整される、ポイント５９～７５のいずれか１つに記載の電池。
７７．交差平面軸内及び外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる、ポイント５９～７６のいずれか１つに記載の電池。
７８．液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、
（ｉ）液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、多孔性毛細管スペーサ内で作用する、ポイント５９～７７のいずれか１つに記載の電池。
７９．電気化学反応は、窒素及び水素又は酸素からアンモニアを生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８０．電気化学反応はアンモニア及び酸素から電気を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８１．電気化学反応はアンモニアから水素及び窒素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８２．電気化学反応は、反応物としてＮＯＸを使用する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８３．電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び苛性物質を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８４．電気化学反応は、塩水から塩素及び苛性物質を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８５．電気化学反応は、塩酸から塩素及び水素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８６．電気化学反応は、水素及び酸素から電気エネルギーを生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８７．電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
８８．電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する、ポイント５９～７８のいずれか１つに記載の電池。
【0525】
好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、多くの修正、変更、置換、又は代替が当業者には明らかになることを理解されたい。
【0526】
実施形態及び動作形態は、個々に又は部品、要素、若しくは特徴の２つ以上の任意の若しくは全ての組合せで集合的に本明細書において参照され、又は本明細書において示された実施形態の部品、要素、及び特徴を広く含むと言え、本発明が関連する技術分野で既知の均等物を有する特定の完全体が本明細書において述べられ、そのような既知の均等物は、まるで個々に記載されるかのように本明細書に援用されると見なされる。
【0527】
本明細書及び以下の特許請求の範囲全体を通して、文脈により他のことが求められる場合を除き、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「含んで（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の変形は、述べられた完全体、ステップ、完全体群、又はステップ群の包含を暗示するが、任意の他の完全体、ステップ、完全体群、又はステップ群の除外を暗示しないことが理解される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【手続補正書】
【提出日】2023-05-23
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気化学反応を実行するための電気化学電池の動作方法であって、前記電気化学電池は、液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、前記槽内に位置し前記液体電解質と液体接触する端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備え、
前記電気化学電池は電気合成電池であり、
前記動作方法は、
前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を前記液体電解質と接触させるステップと、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に電圧を印加するステップと、
を含む、動作方法。
【請求項2】
前記多孔性毛細管スペーサに、少なくとも毛細管作用により前記槽からの前記液体電解質を充填することを含む請求項１に記載の動作方法。
【請求項3】
前記多孔性毛細管スペーサの前記端部が前記槽内に位置する前、前記多孔性毛細管スペーサに前記液体電解質を充填することを含む請求項２に記載の動作方法。
【請求項4】
前記液体電解質が前記多孔性毛細管スペーサに沿って輸送された後、前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を前記液体電解質と接触させることを含む請求項３に記載の動作方法。
【請求項5】
動作中、前記多孔性毛細管スペーサは液体電解質で充填されたままである、請求項１に記載の動作方法。
【請求項6】
前記電池のための外部筐体を更に含み、前記外部筐体は少なくとも１つの外部液体導管を提供し、前記液体電解質は、前記少なくとも１つの外部液体導管を介して前記槽内又は前記槽外に輸送される、請求項１に記載の動作方法。
【請求項7】
少なくとも１つの外部第１ガス導管を提供する外部筐体を更に含み、第１のガスは、前記少なくとも１つの外部第１ガス導管を介して第１の気体内又は第１の気体外に輸送される、請求項１に記載の動作方法。
【請求項8】
前記電池は、前記第１のガス拡散電極及び前記第２の電極を通して、１Ａｍｐ以上、好ましくは１．５Ａｍｐ以上、より好ましくは２Ａｍｐ以上、及びより好ましくは２．５Ａｍｐ以上の電流を使用して動作する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項9】
前記多孔性毛細管スペーサは、毛細管作用により前記多孔性毛細管スペーサ内にカラム高さの前記液体電解質を引き込み、カラム高さの前記液体電解質を維持する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項10】
前記液体電解質の最大カラム高さは、少なくとも前記第１のガス拡散電極の高さに等しく、又はそれよりも高い、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記電気化学反応は、前記電気合成電池において自己調整される、請求項１に記載の動作方法。
【請求項12】
交差平面軸内及び交差平面軸外への液相材料及び気相材料の移行経路は、別様に向けられる、請求項１に記載の動作方法。
【請求項13】
液相毛細管、拡散、及び／又は浸透作用は、（ｉ）前記液体電解質内で消費される１つ又は複数の液相材料を常時補充し、
（ｉｉ）前記液体電解質内で生成された１つ又は複数の液相材料を常時除去する
ように、前記多孔性毛細管スペーサ内で作用する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項14】
前記電気化学反応は、窒素及び水素からアンモニアを生成する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項15】
前記電気化学反応は、アンモニアから水素及び窒素を生成する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項16】
前記電気化学反応は、塩水から塩素、水素、及び／又は苛性物質を生成する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項17】
前記電気化学反応は、水から水素及び酸素を生成する、請求項１に記載の動作方法。
【請求項18】
前記電気化学反応は、水素を含むガス混合物から純粋な水素を抽出する、請求項１に記載の方法。
【請求項19】
電気化学電池であって、
液体電解質を含む槽と、
第１のガス拡散電極と、
第２の電極と、
前記第１のガス拡散電極と前記第２の電極との間に位置する多孔性毛細管スペーサであって、前記槽内に位置し前記液体電解質と液体接触する端部を有する、多孔性毛細管スペーサと、
を備え、
前記電気化学電池は電気合成電池であり、
前記電気化学電池は、請求項１に記載の動作方法に従って動作するように構成される、電気化学電池。
【請求項20】
電気化学電池の積層体であって、
請求項１９に記載の第１の電気化学電池と、
請求項１９に記載の第２の電気化学電池と、
を含む、電気化学電池の積層体。
【国際調査報告】