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(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】2024-10-10
(54)【発明の名称】水素ガスを生産するためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
C25B 15/02 20210101AFI20241003BHJP
C25B 9/19 20210101ALI20241003BHJP
C25B 1/04 20210101ALN20241003BHJP
C25B 9/00 20210101ALN20241003BHJP
【ＦＩ】
C25B15/02
C25B9/19
C25B1/04
C25B9/00 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024520565
(86)(22)【出願日】2022-10-05
(85)【翻訳文提出日】2024-05-28
(86)【国際出願番号】 US2022077632
(87)【国際公開番号】W WO2023060146
(87)【国際公開日】2023-04-13
(31)【優先権主張番号】63/252,552
(32)【優先日】2021-10-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523331876
【氏名又は名称】ベルダジー， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】ギリアム， ライアン ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】ラム， ブライアン ジェイ．
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC09
4K021CA05
4K021DC03
(57)【要約】
電解槽システムは、それぞれが、第１の電極を伴う、第１の半セルと、第２の電極を伴う、第２の半セルとを備える、１つまたはそれを上回る電解槽セルと、１つまたはそれを上回る電解槽セルを通して印加される電流を制御するための、コントローラとを備え、コントローラは、電流密度を約１５０ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度範囲内に動的に設定するように構成され、コントローラは、電流密度を、第１の条件が充足されると第１の値に、および第２の条件が充足されると第２の値に設定するように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解槽システムであって、１つまたはそれを上回る電解槽セルであって、前記１つまたはそれを上回る電解槽セルは、それぞれが、第１の電極を伴う第１の半セルと、第２の電極を伴う第２の半セルとを備える、１つまたはそれを上回る電解槽セルと、
前記１つまたはそれを上回る電解槽セルを通して印加される電流を制御するためのコントローラと
を備え、
前記コントローラは、電流密度を約１５０ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度範囲内に動的に設定するように構成され、
前記コントローラは、前記電流密度を、第１の条件が充足されると第１の値に、および第２の条件が充足されると第２の値に設定するように構成される、
電解槽システム。
【請求項2】
前記第１の値は、前記電解槽セルの最大容量電流密度の第１の割合またはそれを下回り、前記第２の値は、前記電解槽セルの最大容量電流密度の第２の割合またはそれを上回る、請求項１に記載の電解槽システム。
【請求項3】
前記第１の割合は、前記最大容量電流密度の２０％またはそれを下回る、請求項２に記載の電解槽システム。
【請求項4】
前記第２の割合は、前記最大容量電流密度の８０％またはそれを上回る、請求項２に記載の電解槽システム。
【請求項5】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側における１つまたはそれを上回る肋材と、前記１つまたはそれを上回る肋材に結合されるバッフルプレートとを備え、前記バッフルプレートは、前記受皿内の容積をパーティション化し、前記第１の電極に近接する前記受皿の第１の側における上昇部領域と、前記第１の側の反対である前記バッフルプレートの第２の側における下降部領域とを提供する、請求項１に記載の電解槽システム。
【請求項6】
前記上昇部領域は、前記第１の電極において形成されるガスが上昇し、ガスポケットの形成を回避するように促進し、前記下降部領域は、電解質溶液の下向きの流動を促進し、前記ガスの上昇および前記電解質溶液の下向きの流動は、前記電解質内の熱的均衡状態と、温度変動の低下とを促進する前記受皿内での循環を引き起こす、請求項５に記載の電解槽システム。
【請求項7】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側に位置付けられるマニホールドと、電解質が前記受皿から退出するための前記マニホールドから退出する出口管とを備え、前記マニホールドの断面積は、前記マニホールドを通した電解質流量およびガス流量が、スラグ流またはプラグ流を回避するために十分に低くなるように構成される、請求項１に記載の電解槽システム。
【請求項8】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側に垂直に位置付けられる１つまたはそれを上回る肋材と、前記第１の電極を前記１つまたはそれを上回る肋材に溶接する複数の溶接部とを備え、前記複数の溶接部は、前記電気化学セルの動作の間に前記電極を横断して電流を分配する前記電極を横断して、溶接部の分散アレイを形成する、請求項１に記載の電解槽システム。
【請求項9】
各電解槽セルはさらに、前記第１の半セルと前記第２の半セルとの間に分離器を備え、前記複数の溶接部の数、サイズ、および位置は、前記分離器の温度に応じた電力消散の影響が、高局所温度に起因する損傷を低減させるように低減されるようなものである、請求項９に記載の電解槽システム。
【請求項10】
電解槽システムであって、複数の電解槽セルであって、各電解槽セルは、
第１の電極を伴う第１の半セルと、
第２の電極を伴う第２の半セルと、
前記第２の半セルから前記第１の半セルを分離する分離器と
を備える、複数の電解槽セルと、
電力供給源であって、前記電力供給源は、複数の電解槽セルのそれぞれを通した電流密度が、約１５０ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度範囲内であるように、前記複数の電解槽セルのそれぞれを通して電流を印加するように構成される、電力供給源と、
コントローラであって、前記コントローラは、前記複数の電解槽セルのそれぞれの電流密度を、７５０ｍＡ／ｃｍ２またはそれを下回る第１の電流密度範囲と、１ｍＡ／ｃｍ２またはそれを上回る第２の電流密度範囲との間に動的に制御する、コントローラと
を備える、電解槽システム。
【請求項11】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側における１つまたはそれを上回る肋材と、前記１つまたはそれを上回る肋材に結合されるバッフルプレートとを備え、前記バッフルプレートは、前記受皿内の容積をパーティション化し、前記第１の電極に近接する前記受皿の第１の側における上昇部領域と、前記第１の側の反対である前記バッフルプレートの第２の側における下降部領域とを提供する、請求項１０に記載の電解槽システム。
【請求項12】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側に位置付けられるマニホールドと、電解質が前記受皿から退出するための前記マニホールドから退出する出口管とを備え、前記マニホールドの断面積は、前記マニホールドを通した電解質流量およびガス流量が、スラグ流またはプラグ流を回避するために十分に低くなるように構成される、請求項１０に記載の電解槽システム。
【請求項13】
前記第１の半セルは、受皿と、前記受皿の内側に垂直に位置付けられる１つまたはそれを上回る肋材と、前記第１の電極を前記１つまたはそれを上回る肋材に溶接する複数の溶接部とを備え、前記複数の溶接部は、前記電気化学セルの動作の間に前記電極を横断して電流を分配する前記電極を横断して、溶接部の分散アレイを形成する、請求項１０に記載の電解槽システム。
【請求項14】
各電解槽セルはさらに、前記第１の半セルと前記第２の半セルとの間に分離器を備え、前記複数の溶接部の数、サイズ、および位置は、前記分離器の温度に応じた電力消散の影響が、高局所温度に起因する損傷を低減させるように低減されるようなものである、請求項１３に記載の電解槽システム。
【請求項15】
電解を行うための方法であって、電解槽の動作と関連付けられる電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の範囲内で動的に変更すること
を含み、
前記電解槽の動作と関連付けられる前記電流密度の変更は、前記電解槽が位置する領域内の電気の需要の変化に応答し、
前記電流密度の変更は、前記電解槽が位置する前記領域内の前記電気の需要が増加すると、前記電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の範囲内で低下させることと、前記電解槽が位置する前記領域内の前記電気の需要が減少すると、前記電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の前記範囲内で上昇させることとを含む、方法。
【請求項16】
前記需要の変化は、前記需要が増減しているときにある期間にわたって生じる、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記需要の増減は、前記期間内の需要の増加と、減少とを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して増大される、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して減少される、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記期間は、需要が、典型的には、増加または減少する期間である、請求項１７に記載の方法。
【請求項21】
前記期間は、１日内の特定の時間の間である、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記電解槽は、少なくとも２つの別個の電解槽セルを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項23】
前記電解槽は、少なくとも約２．５ｍ３の総サイズを有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項24】
前記電気の需要が、前記電解槽が位置する前記領域内で増加すると、前記電解槽の運営支出は、前記電流密度が減少されない限り増加する、請求項１５に記載の方法。
【請求項25】
電解を行うための方法であって、（ａ）前記電解槽が位置する領域内で電気の需要が増加すると、電解槽の動作と関連付けられる電流密度を、前記電解槽の電流密度の最大容量の２５％またはそれを下回る値まで低減させるステップと、
（ｂ）前記電解槽が位置する領域内で電気の需要が減少すると、前記電解槽の動作と関連付けられる電流密度を、前記電解槽の電流密度の最大容量の７５％またはそれを上回る値まで増加させるステップと
を含む、方法。
【請求項26】
需要が増減している期間の間に、前記電気の需要は、増加する、または前記電気の需要は、減少する、請求項２５に記載の方法。
【請求項27】
前記需要の増減は、前記期間内の需要の増加と、減少とを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項28】
前記期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して増大される、請求項２７に記載の方法。
【請求項29】
前記期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して減少される、請求項２７に記載の方法。
【請求項30】
前記期間は、需要が、典型的には、増加または減少する期間である、請求項２７に記載の方法。
【請求項31】
前記期間は、１日内の特定の時間の間である、請求項３０に記載の方法。
【請求項32】
前記電解槽は、少なくとも２つの別個のセルを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項33】
前記電解槽は、少なくとも２．５ｍ３の総サイズを有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項34】
前記電気の需要が、前記電解槽が位置する前記領域内で増加すると、前記電解槽の運営支出は、前記電流密度が減少されない限り増加する、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、その開示が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２１年１０月５日に出願され、「ＬＯＷ ＣＯＳＴ ＨＹＤＲＯＧＥＮ ＧＡＳ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ」と題された、米国仮出願第６３／２５２，５５２号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｓｅｃｔｉｏｎ１１９（ｅ）（米国特許法第１１９条（ｅ））下の優先権を主張する。
【背景技術】
【0002】
電気生産が、より低い二酸化炭素（ＣＯ２）排出量技術に移行するにつれて、電気を低炭素またはゼロ炭素輸送燃料に転換するための能力が、地球規模のＣＯ２放出を軽減させることのますます重要な難題になりつつある。そのような燃料に関する選択肢の中でも、水素ガス（Ｈ２）は、その酸化生成物が水であるという点において、固有の利点を有する。したがって、水素ガスは、低炭素排出量を伴って製造され得る場合、低炭素輸送燃料を表す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
本開示は、水の電解を介した水素ガス（Ｈ２）の生産に関連する、システムおよび方法を説明する。特に、本開示は、低い全体的プラント資本支出を可能にし、例えば、１キロワットあたりのコストまたはＨ２生産容量あたりコストベースでの、水電解によるＨ２ガスの生産のための運営経費の低減を提供し得る、システムおよび方法を説明する。
【0004】
一側面では、本開示は、電解槽システムであって、それぞれが、第１の電極を伴う、第１の半セルと、第２の電極を伴う、第２の半セルとを備える、１つまたはそれを上回る電解槽セルと、１つまたはそれを上回る電解槽セルを通して印加される電流を制御するための、コントローラとを備え、コントローラは、電流密度を約１５０ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度範囲内に動的に設定するように構成され、コントローラは、電流密度を、第１の条件が充足されると第１の値に、および第２の条件が充足されると第２の値に設定するように構成される、電解槽システムを説明する。
【0005】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の値は、電解槽セルの最大容量電流密度の第１の割合またはそれを下回り、第２の値は、電解槽セルの最大容量電流密度の第２の割合またはそれを上回る。
【0006】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の割合は、最大容量電流密度の２０％またはそれを下回る。
【0007】
前述の側面のいくつかの実施例では、第２の割合は、最大容量電流密度の８０％またはそれを上回る。
【0008】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側における、１つまたはそれを上回る肋材と、１つまたはそれを上回る肋材に結合される、バッフルプレートとを備え、バッフルプレートは、受皿内の容積をパーティション化し、第１の電極に近接する、受皿の第１の側における上昇部領域と、第１の側の反対である、バッフルプレートの第２の側における下降部領域とを提供する。
【0009】
前述の側面のいくつかの実施例では、上昇部領域は、第１の電極において形成されるガスが上昇し、ガスポケットの形成を回避するように促進し、下降部領域は、電解質溶液の下向きの流動を促進し、ガスの上昇および電解質溶液の下向きの流動は、電解質内の熱的均衡状態と、温度変動の低下とを促進する、受皿内での循環を引き起こす。
【0010】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側に位置付けられる、マニホールドと、電解質が受皿から退出するための、マニホールドから退出する、出口管とを備え、マニホールドの断面積は、マニホールドを通した電解質流量およびガス流量が、スラグ流またはプラグ流を回避するために十分に低くなるように構成される。
【0011】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側に垂直に位置付けられる、１つまたはそれを上回る肋材と、第１の電極を１つまたはそれを上回る肋材に溶接する、複数の溶接部とを備え、複数の溶接部は、電気化学セルの動作の間に電極を横断して電流を分配する、電極を横断して、溶接部の分散アレイを形成する。
【0012】
前述の側面のいくつかの実施例では、各電解槽セルはさらに、第１の半セルと第２の半セルとの間に分離器を備え、複数の溶接部の数、サイズ、および位置は、分離器の温度に応じた電力消散の影響が、高局所温度に起因する損傷を低減させるように低減されるようなものである。
【0013】
別の側面では、電解槽システムは、複数の電解槽セルであって、各電解槽セルが、第１の電極を伴う、第１の半セルと、第２の電極を伴う、第２の半セルと、第２の半セルから第１の半セルを分離する、分離器とを備える、複数の電解槽セルを備える。電解槽システムはさらに、複数の電解槽セルのそれぞれを通した電流密度が、約１５０ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度範囲内であるように、複数の電解槽セルのそれぞれを通して電流を印加するように構成される、電力供給源と、複数の電解槽セルのそれぞれの電流密度を、７５０ｍＡ／ｃｍ２またはそれを下回る、第１の電流密度範囲と、１ｍＡ／ｃｍ２またはそれを上回る、第２の電流密度範囲との間に動的に制御するための、コントローラとを含む。
【0014】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側における、１つまたはそれを上回る肋材と、１つまたはそれを上回る肋材に結合される、バッフルプレートとを備え、バッフルプレートは、受皿内の容積をパーティション化し、第１の電極に近接する、受皿の第１の側における上昇部領域と、第１の側の反対である、バッフルプレートの第２の側における下降部領域とを提供する。
【0015】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側に位置付けられる、マニホールドと、電解質が受皿から退出するための、マニホールドから退出する、出口管とを備え、マニホールドの断面積は、マニホールドを通した電解質流量およびガス流量が、スラグ流またはプラグ流を回避するために十分に低くなるように構成される。
【0016】
前述の側面のいくつかの実施例では、第１の半セルは、受皿と、受皿の内側に垂直に位置付けられる、１つまたはそれを上回る肋材と、第１の電極を１つまたはそれを上回る肋材に溶接する、複数の溶接部とを備え、複数の溶接部は、電気化学セルの動作の間に電極を横断して電流を分配する、電極を横断して、溶接部の分散アレイを形成する。
【0017】
前述の側面のいくつかの実施例では、各電解槽セルはさらに、第１の半セルと第２の半セルとの間に分離器を備え、複数の溶接部の数、サイズ、および位置は、分離器の温度に応じた電力消散の影響が、高局所温度に起因する損傷を低減させるように低減されるようなものである。
【0018】
別の側面では、電解を行うための方法は、電解槽の動作と関連付けられる電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の範囲内で動的に変更するステップを含み、電解槽の動作と関連付けられる電流密度の変更は、電解槽が位置する領域内の電気の需要の変化に応答し、電流密度の変更は、電解槽が位置する領域内の電気の需要が増加すると、電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の範囲内で低下させるステップと、電解槽が位置する領域内の電気の需要が減少すると、電流密度を約０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の値の範囲内で上昇させるステップとを含む。
【0019】
前述の側面のいくつかの実施例では、需要の変化は、需要が増減しているときにある期間にわたって生じる。
【0020】
前述の側面のいくつかの実施例では、需要の増減は、期間内の需要の増加と、減少とを含む。
【0021】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して増大される。
【0022】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して減少される。
【0023】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間は、需要が、典型的には、増加または減少する、期間である。
【0024】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間は、１日内の特定の時間の間である。
【0025】
前述の側面のいくつかの実施例では、電解槽は、少なくとも２つの別個の電解槽セルを備える。
【0026】
前述の側面のいくつかの実施例では、電解槽は、少なくとも約２．５ｍ３の総サイズを有する。
【0027】
前述の側面のいくつかの実施例では、電気の需要が、電解槽が位置する領域内で増加すると、電解槽の運営支出は、電流密度が減少されない限り、増加する。
【0028】
別の側面では、電解を行うための方法は、（ａ）電解槽が位置する領域内で電気の需要が増加すると、電解槽の動作と関連付けられる電流密度を、電解槽の電流密度の最大容量の２０％またはそれを下回る値まで低減させるステップと、（ｂ）電解槽が位置する領域内で電気の需要が減少すると、電解槽の動作と関連付けられる電流密度を、電解槽の電流密度の最大容量の８０％またはそれを上回る値まで増加させるステップとを含む。
【0029】
前述の側面のいくつかの実施例では、需要が増減している期間の間に、電気の需要は、増加する、または電気の需要は、減少する。
【0030】
前述の側面のいくつかの実施例では、需要の増減は、期間内の需要の増加と、減少とを含む。
【0031】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して増大される。
【0032】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間にわたる平均需要は、別の期間と比較して減少される。
【0033】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間は、需要が、典型的には、増加または減少する、期間である。
【0034】
前述の側面のいくつかの実施例では、期間は、１日内の特定の時間の間である。
【0035】
前述の側面のいくつかの実施例では、電解槽は、少なくとも２つの別個のセルを備える。
【0036】
前述の側面のいくつかの実施例では、電解槽は、少なくとも２．５ｍ３の総サイズを有する。
【0037】
前述の側面のいくつかの実施例では、電気の需要が、電解槽が位置する領域内で増加すると、電解槽の運営支出は、電流密度が減少されない限り、増加する。
【図面の簡単な説明】
【0038】
図面は、概して、限定としてではなく、実施例として、本書において議論される種々の実施形態を図示する。
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
【0058】
【0059】
【0060】
【0061】
【0062】
【0063】
【発明を実施するための形態】
【0064】
詳細な説明
以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する、付随の図面の参照を含む。図面は、例証として、本発明が実践され得る、特定の実施形態を示す。本明細書では「実施例」とも称される、これらの実施形態は、当業者が本発明を実践することを可能にするために十分に詳細に説明される。例示的実施形態は、組み合わせられてもよい、他の実施形態が、利用されてもよい、または構造的および論理的変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われてもよい。開示される主題が、枚挙される請求項と併せて説明されるであろうが、例示される主題が、請求項を開示される主題に限定することを意図していないことを理解されたい。以下の詳細な説明は、したがって、限定的意味で捉えられるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求項およびそれらの均等物によって定義される。
以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する、付随の図面の参照を含む。図面は、例証として、本発明が実践され得る、特定の実施形態を示す。本明細書では「実施例」とも称される、これらの実施形態は、当業者が本発明を実践することを可能にするために十分に詳細に説明される。例示的実施形態は、組み合わせられてもよい、他の実施形態が、利用されてもよい、または構造的および論理的変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われてもよい。開示される主題が、枚挙される請求項と併せて説明されるであろうが、例示される主題が、請求項を開示される主題に限定することを意図していないことを理解されたい。以下の詳細な説明は、したがって、限定的意味で捉えられるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求項およびそれらの均等物によって定義される。
【0065】
本明細書における、「ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態」、「ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（ある実施形態）」、「ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（例示的実施形態）」等の言及は、説明される実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、全ての実施形態が、必ずしもその特定の特徴、構造、または特性を含むわけではない場合があることを示す。また、そのような語句は、必ずしも同一の実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が、ある実施形態と関連して説明されるとき、明示的に説明されているかどうかにかかわらず、他の実施形態と関連してそのような特徴、構造、または特性に影響を及ぼすためには、これが当業者の知識内にあることが条件となる。
【0066】
範囲形式において表現される値は、その範囲の限定値として明示的に列挙される数値を含むだけではなく、各数値および部分範囲が明示的に列挙される場合と同様に、その範囲内に含有される全ての個々の数値または部分範囲も含むように、柔軟な様式において解釈されるべきである。例えば、「約０．１％～約５％」の濃度範囲は、約０．１重量％～約５重量％の明示的に列挙される濃度だけではなく、示される範囲内の個々の濃度（例えば、１％、２％、３％、および４％）および部分範囲（例えば、０．１％～０．５％、１．１％～２．２％、および３．３％～４．４％）も含むと解釈されるべきである。叙述「約Ｘ～Ｙ」は、別様に示されない限り、「約Ｘ～約Ｙ」と同一の意味を有する。同様に、叙述「約Ｘ、Ｙ、または約Ｚ」は、別様に示されない限り、「約Ｘ、約Ｙ、または約Ｚ」と同一の意味を有する。
【0067】
本書では、用語「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別様に決定付けない限り、「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ（１つまたは１つを上回る）」を含むために使用される。用語「ｏｒ（または）」は、別様に示されない限り、非排他的「または」を指すために使用される。別様に示されない限り、リスト化される群を指すときの叙述「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ（～のうちの少なくとも１つ）」は、群の構成要素のうちの１つまたは２つまたはそれを上回るもののうちの任意の組み合わせを意味するために使用される。例えば、叙述「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」は、「Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、またはＡ、Ｂ、およびＣ」と同一の意味を有することができる、または叙述「Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧのうちの少なくとも１つ」は、「Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＤおよびＥ、ＤおよびＦ、ＤおよびＧ、ＥおよびＦ、ＥおよびＧ、ＦおよびＧ、Ｄ、Ｅ、およびＦ、Ｄ、Ｅ、およびＧ、Ｄ、Ｆ、およびＧ、Ｅ、Ｆ、およびＧ、またはＤ、Ｅ、Ｆ、およびＧ」と同一の意味を有することができる。カンマが、区切り符号または桁区切り記号として、小数点記号の左または右に使用されることができ、例えば、「０．０００，１」は、「０．０００１」と同等である。
【0068】
本明細書に説明される方法では、ステップは、時間または動作シーケンスが明示的に列挙されるときを除いて、本発明の原理から逸脱することなく、任意の順序において行われることができる。さらに、規定されるステップは、明示的文言がそれらが別個に行われるように列挙しない限り、並行して行われることができる。例えば、Ｘを行う列挙行為およびＹを行う列挙行為は、単一の動作内で同時に行われることができ、結果として生じるプロセスは、プロセスの文字通りの範囲内に収まるであろう。第１のステップが実施され、次いで、いくつかの他のステップが続いて実施されるという趣旨の請求内での列挙は、第１のステップが他のステップのうちのいずれかの前に実施されるが、他のステップが、シーケンスが他のステップ内でさらに列挙されない限り、任意の好適なシーケンスにおいて実施され得ることを意味すると捉えられるものとする。例えば、「ステップＡ、ステップＢ、ステップＣ、ステップＤ、およびステップＥ」を列挙する請求項要素は、ステップＡが最初に行われ、ステップＥが最後に行われ、ステップＢ、Ｃ、およびＤがステップＡとＥとの間で任意のシーケンスにおいて行われ得ること（１つまたはそれを上回るステップが、ステップＡまたはステップＥと並行して実施されることを含めて）、およびシーケンスが、依然として、請求されるプロセスの文字通りの範囲内に収まることを意味すると解釈されるものとする。ステップのうちの所与のステップまたは部分セットはまた、繰り返されることができる。
【0069】
さらに、規定されるステップは、明示的請求項文言が、それらが別個に行われるように列挙しない限り、並行して行われることができる。例えば、Ｘを行う請求ステップおよびＹを行う請求ステップは、単一の動作内で同時に行われることができ、結果として生じるプロセスは、請求されるプロセスの文字通りの範囲内に収まるであろう。
【0070】
本明細書で使用されるような用語「ａｂｏｕｔ（約）」は、ある値または範囲内、例えば、記載される値の、またはある範囲の記載される限定値の１０％内、５％内、１％内、０．５％内、０．１％内、０．０５％内、０．０１％内、０．００５％内、または０．００１％内の変動の程度を可能にすることができ、厳密に記載される値または範囲を含む。
【0071】
本明細書で使用されるような用語「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ（実質的に）」は、少なくとも約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９９％、または少なくとも約９９．９９９％またはそれを上回る値、または１００％等、「ｍａｊｏｒｉｔｙ ｏｆ（～の大部分）」または「ｍｏｓｔｌｙ（大部分は）」を指す。
【0072】
加えて、本明細書に採用され、別様に定義されていない語法または専門用語は、説明の目的のためのものにすぎず、限定の目的のためのものではないことを理解されたい。さらに、本書において言及される全ての刊行物、特許、および特許文書は、参照することによって個々に組み込まれる場合と同様に、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる。本書と参照することによってそのように組み込まれるそれらの文書との間の一貫しない使用法の場合には、組み込まれる参考文献内での使用法が、本書のものを補助すると見なされるべきであり、妥協不可能な非一貫性に関しては、本書における使用法が、優先する。
【0073】
水素ガス（Ｈ２）は、水が、それぞれ、電気化学セルのアノードおよびカソードにおいて、酸素ガス（Ｏ２）およびＨ２ガスに分解される、水分解反応によって電気化学的に形成されることができる。そのような電気化学的プロセスの実施例は、限定ではないが、陽子電解質膜（ＰＥＭ）電解およびアルカリ水電解（ＡＷＥ）を含む。そのような電気化学反応では、水分解電解反応を駆動するために必要な動作エネルギーは、種々のエネルギー非効率性の結果としての付加的エネルギーコストに起因して、高い。例えば、電極間でのイオン種の不要な遊走を低減させるために、カソードおよびアノードは、イオン種の遊走を低減させ得る、膜等の分離器によって分離されてもよい。分離器は、セルの全体効率を改良することができるが、これは、セル内での付加的抵抗損失という代償をもたらし得、ひいては、動作電圧を増加させる。水電解における他の非効率性は、とりわけ、溶液抵抗損失、電気伝導非効率性、および／または電極過電位を含み得る。これらの種々の非効率性およびそれらを最小限化することと関連付けられる資本コストは、水分解電解を介したＨ２発生の経済的実現可能性において、ある役割を果たすことができる。
【0074】
本明細書に提供される方法およびシステムは、Ｈ２ガスの効率的、低コスト、および低エネルギー生産をもたらす、固有の電気化学的プロセスに関する。
【0075】
電解槽セル
図１は、図１に図示される、電力を用いて水を水素および酸素に転換する、一般的な水電解槽セル１００の概略図である。ある実施例では、電解槽セル１００は、２つの半セル、すなわち、第１の半セル１１１と、第２の半セル１２１とを備える。ある実施例では、第１および第２の半セル１１１、１２１は、膜１３１等の分離器１３１によって分離される。ある実施例では、分離器１３１は、多孔性またはイオン交換膜１３１を含む。分離器１３１がイオン交換膜を含む実施例では、イオン交換膜は、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、陽子交換膜（ＰＥＭ）、双極イオン交換膜（ＢＥＭ）、イオン溶媒和膜（ＩＳＭ）、または微多孔性またはナノ多孔性膜等の異なるタイプであることができる。
図１は、図１に図示される、電力を用いて水を水素および酸素に転換する、一般的な水電解槽セル１００の概略図である。ある実施例では、電解槽セル１００は、２つの半セル、すなわち、第１の半セル１１１と、第２の半セル１２１とを備える。ある実施例では、第１および第２の半セル１１１、１２１は、膜１３１等の分離器１３１によって分離される。ある実施例では、分離器１３１は、多孔性またはイオン交換膜１３１を含む。分離器１３１がイオン交換膜を含む実施例では、イオン交換膜は、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、陽子交換膜（ＰＥＭ）、双極イオン交換膜（ＢＥＭ）、イオン溶媒和膜（ＩＳＭ）、または微多孔性またはナノ多孔性膜等の異なるタイプであることができる。
【0076】
分離器１３１がカチオン交換膜である実施例では、カチオン交換膜は、例えば、Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ Ｃｏｒｐ．（Ｔｏｋｙｏ， Ｊａｐａｎ）から、またはＭｅｍｂｒａｎｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．（Ｇｌｅｎ Ｒｏｃｋ， ＮＪ， ＵＳＡ）から、またはＣｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ， ＤＥ， ＵＳＡ）から入手可能なもの等の従来の膜であることができる。カチオン交換膜の実施例は、限定ではないが、Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙによって商標名Ｎ２０３０ＷＸとして販売される膜、およびＡｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ Ｃｏｒｐ．によって商標名Ｆ８０２０／Ｆ８０８０またはＦ６８０１として販売される膜を含む。カチオン交換膜を形成するために使用され得る材料の実施例は、限定ではないが、アニオン基、例えば、スルホン酸基および／またはカルボン酸基を含有するペルフルオロポリマーを含む、カチオン膜を含む。しかしながら、いくつかの実施例では、電解質間での特定のカチオンまたはアニオン種の遊走を制限または可能にするための必要性に応じて、より制限的であり、したがって、カチオンの１つの種の遊走を可能にしながら、カチオンの別の種の遊走を制限する、カチオン交換膜が、使用され得ることを理解されたい。同様に、いくつかの実施形態では、電解質間での特定のアニオン種の遊走を制限または可能にするための必要性に応じて、より制限的であり、したがって、アニオンの１つの種の遊走を可能にしながら、アニオンの別の種の遊走を制限する、アニオン交換膜が、使用されてもよい。そのような制限的なカチオン交換膜およびアニオン交換膜が、商業的に利用可能であり、当業者によって選択されることができる。
【0077】
いくつかの実施例では、分離器１３１は、これが、適宜、酸性および／またはアルカリ性電解溶液中で機能し得るように選択されることができる。望ましくあり得る、分離器１３１のための他の性質は、限定ではないが、１５０℃またはそれより高い値までの室温の温度範囲内の電解溶液中での高イオン選択性、低イオン抵抗、高破裂強度、および高安定性を含む。
【0078】
ある実施例では、分離器１３１は、約０℃～約１５０℃、例えば、約０℃～約１００℃、約０℃～約９０℃等、例えば、約０℃～約８０℃、約０℃～約７０℃等、例えば、約０℃～約６０℃、約０℃～約５０℃等、例えば、約０℃～約４０℃、または約０℃～約３０℃等の温度範囲内で安定している。
【0079】
電解質溶液中に所望の生成物または複数の生成物を達成するために、１つのタイプのイオン（例えば、ＣＥＭに関してはカチオン、およびＡＥＭに関してはアニオン）の遊走を可能にするが、別のものの遊走は可能にしない、または１つのタイプのイオンおよび別のものの遊走を可能にする、イオン特異性イオン交換膜を使用することが、有用であり得る。
【0080】
ある実施例では、第１の半セル１１１は、分離器１３１に近接して設置され得る、第１の電極１１２を備え、第２の半セル１２１は、例えば、第１の電極１１２から分離器１３１の反対側における、分離器１３１に近接して設置され得る、第２の電極１２２を備える。ある実施例では、第１の電極１１２は、電解槽セル１００のためのアノードであり、第２の電極１２２は、電解槽セル１００のためのカソードであり、したがって、本開示の後半では、第１の半セル１１１は、アノード半セル１１１とも称され得、第１の電極１１２は、アノード１１２とも称され得、第２の半セル１２１は、カソード半セル１２１とも称され得、第２の電極１２２は、カソード１２２とも称され得る。電極１１２、１２２はそれぞれ、１つまたはそれを上回る電気触媒でコーティングされ、水素ガス（Ｈ２ガス）および／または酸素ガス（Ｏ２ガス）に向かった反応を加速させることができる。電気触媒の実施例は、限定ではないが、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の白金族金属の高分散金属または合金、または白金－ロジウム、白金－ルテニウム、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）でコーティングされたニッケルメッシュ、または高表面積ニッケル等のそれらの組み合わせを含む。
【0081】
分離器１３１のオーム抵抗は、アノード１１２およびカソード１２２を横断した電圧降下に影響を及ぼすことができる。例えば、分離器１３１のオーム抵抗が増加するにつれて、アノード１１２およびカソード１２２を横断した電圧は、増加し得、逆もまた同様である。ある実施例では、分離器１３１は、比較的に低いオーム抵抗と、比較的に高いイオン移動度とを有する。ある実施例では、分離器１３１は、温度に伴って増加し、したがって、オーム抵抗を減少させる、比較的に高い水和特性を有する。当技術分野において公知である、より低いオーム抵抗を伴う分離器１３１を選択することによって、規定される温度における、アノード１１２およびカソード１２２を横断した電圧降下は、低下されることができる。
【0082】
ある実施例では、アノード１１２は、外部の正導体１１６に電気的に接続され、カソード１２２は、外部の負導体１２６に電気的に接続される。分離器１３１が、湿潤しており、電極１１２および１２２と電解接触しており、適切な電圧が、導体１１６および１２６を横断して印加されると、Ｏ２ガスが、アノード１１２において遊離され、Ｈ２ガスが、カソード１２２において遊離される。ある構成では、電解質、例えば、水中のＫＯＨの溶液から成るものが、半セル１１１、１２１の中に給送される。例えば、電解質は、第１の電解質入口１１４を通してアノード半セル１１１の中に、および第２の電解質入口１２４を通してカソード半セル１２１の中に流入することができる。ある実施例では、アノード半セル１１１を通した電解質の流動は、生産されたＯ２ガスを、第１の出口１１５を通してアノード半セル１１１から退出する、気泡１１３として捕捉する。同様に、カソード半セル１２１を通した電解質の流動は、生産されたＨ２ガスを、第２の出口１２５を通してカソード半セル１２１から退出し得る、気泡１２３として捕捉することができる。ガスは、１つまたはそれを上回る適切な分離器を用いて電解槽セル１００の電解質下流から分離されることができる。ある実施例では、生産されたＨ２ガスは、乾燥され、高圧力キャニスタの中に採集される、またはさらなるプロセス要素の中に給送される。Ｏ２ガスは、単に大気の中に通気されることが可能にされることができる、または他の使用のために貯蔵されることができる。ある実施例では、電解質は、必要に応じて、半セル１１１、１２１の中に戻るように再循環される。
【0083】
ある実施例では、コントローラ１２８が、含まれ、（例えば、導体１１６および１２６を横断して印加される電圧を制御することによって）電解槽セル１００を通して印加される電流を制御することができる。ある実施例では、コントローラ１２８は、セル１００のための電流密度が（例えば、下記により詳細に説明されるように、負荷獲得または負荷削減のために）制御され得るように、（例えば、セル１００の面積に基づいて所望の電流密度に対応する電流を印加することによって）セル１００のための動作電流密度を制御するように構成されることができる。
【0084】
ある実施例では、電解槽セル１００を横断した典型的電圧は、約１．５ボルト（Ｖ）～約３．０Ｖである。ある実施例では、電解槽セル１００のための動作電流密度は、約０．１Ａ／ｃｍ２～約３Ａ／ｃｍ２である。各セル１００は、これらの電流密度において動作するときに非常に大量のＨ２ガスを生産するために十分に大きいサイズを有する。ある実施例では、各セル１００の断面積（例えば、長方形セルに関して、幅×高さ）は、約０．２５平方メートル（ｍ２）～約１５ｍ２、約１ｍ２～約５ｍ２等、例えば、約２ｍ２～約４ｍ２、約２．２５ｍ２～約３ｍ２等、約２．５ｍ２～約２．９ｍ２等である。ある実施例では、各セルの総体積（例えば、幅×高さ×奥行）は、約０．１立方メートル（ｍ３）～約２ｍ３、約０．１５ｍ３～約１．５ｍ３等、例えば、約０．２ｍ３～約１ｍ３、約０．２５ｍ３～約０．５ｍ３等、例えば、約０．２７５ｍ３～約０．３ｍ３である。ある実施例では、電解槽システム全体の総体積（例えば、プラント内の全てのスタック内の全てのセルの組み合わせられた体積）は、約１ｍ３～約２００ｍ３、約２ｍ３～約１００ｍ３等、例えば、約２．５ｍ３～約５０ｍ３である。
【0085】
当業者によって理解されるであろうように、そのような低電圧および高電流密度において電力バスを動作させることは、非常に非効率的であり得る。したがって、典型的には、複数の電解槽セル１００が、組み立てられ、直列に電解槽スタックに電気的に接続される。複数のセル１００はそれぞれ、単一の電解槽セル１００より低い／より高い電圧および同一の電流密度において動作することができ、これは、本システムをはるかにより効率的にする。ある実施例では、電解槽スタックは、直列に接続され、電解槽スタックを提供する、約５個（５）の電解槽セル１００～約５００個の電解槽セル１００、例えば、８０個（８０）の電解槽セル１００またはそれを上回るものを含むことができる。
【0086】
電解槽スタック
図２は、（集合的に、「電解槽セル１３２」または「電解槽セル１３２」と称される）電解槽セル１３２Ａ－１３２Ｎのそのような電解槽スタック１３０の一部の概略図を示す。スタック１３０内の各セル１３２は、例えば、アノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方を伴う、図１の例示的電解槽セル１００に関して上記に説明される構造のうちのいずれか１つを有することができる。加えて、各セル１３２は、（例えば、下記に説明される受皿アセンブリの１つまたはそれを上回る構造を備える）セルアセンブリの１つまたはそれを上回る構造を含むことができる。当業者によって理解されるであろうように、セルアセンブリの構造（すなわち、個々の受皿アセンブリのためのもの）は、本明細書に説明される、全体的により低いコストでのＨ２生産を提供することができる。
図２は、（集合的に、「電解槽セル１３２」または「電解槽セル１３２」と称される）電解槽セル１３２Ａ－１３２Ｎのそのような電解槽スタック１３０の一部の概略図を示す。スタック１３０内の各セル１３２は、例えば、アノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方を伴う、図１の例示的電解槽セル１００に関して上記に説明される構造のうちのいずれか１つを有することができる。加えて、各セル１３２は、（例えば、下記に説明される受皿アセンブリの１つまたはそれを上回る構造を備える）セルアセンブリの１つまたはそれを上回る構造を含むことができる。当業者によって理解されるであろうように、セルアセンブリの構造（すなわち、個々の受皿アセンブリのためのもの）は、本明細書に説明される、全体的により低いコストでのＨ２生産を提供することができる。
【0087】
ある実施例では、電解槽セル１３２は、導体３０４と直列に電気的に接続される。ある実施例では、スタック１３０は、直列に接続される、多数の電解槽セル１３２、例えば、５０個（５０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、６０個（６０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、７０個（７０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、８０個（８０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、９０個（９０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、１００個（１００）またはそれを上回る電解槽セル１３２、１５０個（１５０）またはそれを上回る電解槽セル１３２、２００個（２００）またはそれを上回る電解槽セル１３２、３００個（３００）またはそれを上回る電解槽セル１３２等を備える。例示的電解槽スタック１３０内の個々の電解槽セル１３２は、参照番号１３２Ａ－１３２Ｎで標識され、第１の電解槽セル１３２Ａ、第２の電解槽セル１３２Ｂ、および最後の電解槽セル１３２Ｎのみが、図２に示されている。ある実施例では、１つのセル１３２Ａの電気正導体（例えば、図１の正導体１１６）が、以下の例外、すなわち、（ａ）最高電圧における最終セル１３２Ｎの正導体が、電力供給源１３６に接続されることと、（２）最低電圧における第１のセル１３２Ａの負導体が、電気回路の接地１３８に接続されることとを除いて、接続導体１３４を用いて、後続のセル１３２Ｂの電気負導体（例えば、図１の負導体１２６）に電気的に接続される。ある実施例では、電力供給源１３６は、グリッドＡＣ電力を好適なＤＣ電力レベルに転換する、定電流電圧限定整流器である。ある実施例では、電力供給源１３６は、（図１に関して上記に説明される、コントローラ１２８に類似する）スタック１３０内の電解槽セル１３２の電流密度を制御し、例えば、スタックが（下記により詳細に説明されるように）電気の需要および／または価格の増減に応答して負荷獲得または負荷削減に関して動的に動作されることを可能にするように構成される、コントローラによって制御されることができる。
【0088】
電解槽セル受皿アセンブリ
電解槽セル１００の物理的構成は、アノード１１２における酸素ガスの遊離およびカソード１２２における水素ガスの遊離を可能にするように構成される、任意の物理的構造であることができる。ある実施例では、電解槽セル１００は、高電流密度（例えば、２Ａ／ｃｍ２またはそれより高い）において動的に動作し得る、構成要素を備えることができる。高電流密度における動作を提供することによって、電解槽セル１００は、オペレータが、より少ないセルを用いたそれらの標的化される生産率を充足させ、それによって、資本経費を低減させることを可能にすることができる。加えて、電解槽セル１００が広い範囲の動作電流密度にわたって動的に動作することを可能にすることによって、電解槽セル１００は、オペレータに、高いターンダウン比を提供することができ、これは、（下記により詳細に説明されるように）オペレータが、電力価格が低いときに生産を最大限化すること、および電力価格が高いときに電力消費量を低減させることを可能にすることができる。
電解槽セル１００の物理的構成は、アノード１１２における酸素ガスの遊離およびカソード１２２における水素ガスの遊離を可能にするように構成される、任意の物理的構造であることができる。ある実施例では、電解槽セル１００は、高電流密度（例えば、２Ａ／ｃｍ２またはそれより高い）において動的に動作し得る、構成要素を備えることができる。高電流密度における動作を提供することによって、電解槽セル１００は、オペレータが、より少ないセルを用いたそれらの標的化される生産率を充足させ、それによって、資本経費を低減させることを可能にすることができる。加えて、電解槽セル１００が広い範囲の動作電流密度にわたって動的に動作することを可能にすることによって、電解槽セル１００は、オペレータに、高いターンダウン比を提供することができ、これは、（下記により詳細に説明されるように）オペレータが、電力価格が低いときに生産を最大限化すること、および電力価格が高いときに電力消費量を低減させることを可能にすることができる。
【0089】
高電流密度における電解槽セルの動作は、限定ではないが、高電流密度において生産される大きいガス体積、有意な温度および圧力の増減、膜の浸食または疲労、セル内で発生される大量の熱、および／または電解質の高流量等の重大な難題をもたらし得る。したがって、ある実施例では、各電解槽セル１００は、限定ではないが、セルの高さに沿った電解質の大きい温度変動を低減または最小限化すること、ガスを用いた公称有効面積のマスキングを低減または最小限化すること、膜の限局化された乾燥をもたらし得る、停滞ガスポケットの形成を低減または最小限化すること、および／またはセル出口におけるスラグまたはプラグ流に起因する有意な圧力増減を低減または最小限化すること等、これらの難題のうちの１つまたはそれを上回るものを克服し得る、アノード受皿アセンブリおよび／またはカソード受皿アセンブリの構成を含むことができる。
【0090】
大きいガス体積に起因して、静的ガスポケットが、電極上またはセルの上部に形成され得る。高電解質流量を提供すること、およびガス浮揚を引き起こし、高い局地的剪断率を生成する特徴を利用することが、電極上での静的ガスポケット形成を最小限化することに役立ち得る。しかしながら、ガスの大規模な生産、およびセルに進入し、それから退出する大量の電解質溶液と結合される、高電解質流量は、スラグおよびプラグ流と関連付けられる重大な難題を提示する。本タイプの流動は、下記により詳細に説明される、規定されるマニホールドおよび出口管構成を使用することによって、低減または最小限化されることができる。
【0091】
いくつかの実施例では、受皿アセンブリが、電解槽セル１００のアノードまたはカソード側において使用されることができる。受皿アセンブリは、セルの上部に効果的な収集システムを含み、セルの上部における大きい停滞ガスポケットの形成を最小限化し、ある場合には、それを防止することができる。ある実施例では、収集システムは、マニホールドと、ガスが集まり、かつ電解質が流動しながら、また、膜のマスキングおよび／またはスラグまたはプラグ流の可能性を低減または最小限化するための空間を効果的に提供する、大きい断面積を伴う、出口管とを備える。受皿アセンブリは、セルから外に効果的に指向される、２相（ガス／液体）流動を提供することができる。
【0092】
受皿アセンブリ、マニホールド、および出口管は、流動がセルの幅を横断して均一または実質的に均一であること、およびセル内での圧力増減が最小であることを確実にするように設計される。流動均一性は、マニホールドの中への流動の進入と関連付けられる背圧が、マニホールドの長さに沿った圧力降下を有意に上回り、したがって、マニホールド内の圧力が、マニホールドから退出する圧力降下を上回ることを確実にする必要性を促す。本質的に一定の内圧分布を維持することは、マニホールドおよび出口管類を通したスラグまたはプラグ流を回避するための要件を促す。したがって、マニホールドと、出口管とを備える、受皿アセンブリは、電解質流動および高電流密度の広い範囲を横断した、信頼性のあるセル動作を提供することができる。
【0093】
電流密度が、セル内で増加されるにつれて、電力消散もまた、劇的に上昇することができる。大きい空間的および／または時間的温度増減は、膜を損傷させ得る。セルの内部温度分布に対する内部電力消散の寄与は、維持温度、流入電解質の流量、および／または流入電解質の再循環等の動作条件を通して低減または最小限化されることができる。高電解質流量は、セル内に大量の対流熱伝達を提供し、それによって、そうではない場合には電流密度の増加から結果として生じ得る、セル内の熱蓄積および付随する温度上昇を低減または最小限化することに役立つことができる。ある実施例では、電解槽セルの受皿アセンブリは、受皿アセンブリの内側に、電解質が、セルの高さに沿って等温または実質的に等温のままであり、したがって、熱的均衡状態が、動作電流密度が変更された後に迅速に達成されることを確実にすることに役立つことによって、セルの内部温度に対する増減する電力消散の影響を低減または最小限化し得る、バッフルプレート構成を含む。
【0094】
図１に関して上記に説明される一般的な電解槽セル１００では、アノード半セル１１１は、アノード１１２と、アノード電解質（「アノード液」とも称される）とを含む、アノード受皿アセンブリを備えることができる。同様に、カソード半セル１２１は、カソード１２２と、カソード電解質（「カソード液」とも称される）とを含む、カソード受皿アセンブリを備えることができる。アノード受皿アセンブリおよびカソード受皿アセンブリは、分離器１３１（例えば、隔膜、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、１つまたはそれを上回るイオン交換膜（ＩＥＭ）、または別のタイプの膜または分離器）によって分離されることができる。アノード受皿アセンブリおよび／またはカソード受皿アセンブリは、セル１００からの流出のためのガスおよび電解質を収集する、収集システム等の構成要素を含むことができる。分離器アセンブリは、アノード１１２およびカソード１２２における所望の反応に応じて、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、または別の分離器のうちの１つまたはそれを上回るものを含むことができる。これらの構成要素の間に、種々の付加的分離器構成要素が、提供され、例えば、アノード１１２から膜１３１を分離し、カソード１２２から膜１３１を分離し、かつ膜または他の分離器構造に機械的完全性を提供することができる。これらの構成要素に加えて、個々のガスケットまたはガスケットテープが、構成要素の間に、およびその外周に沿って提供され、流体漏出からコンパートメントをシールしてもよい。
【0095】
ある実施例では、上記に説明される構成要素の全てが、相互に対して平行または略平行に整合され、随意の周辺のボルト留めが、それらを電気化学セル１００内でともにスタックさせるために提供されてもよい。フィルタプレス構成では、いかなる周辺のボルト留めも、要求されない場合がある。電気化学セルのスタック内では、１つの電気化学セル１００のアノード１１２が、隣接する電気化学セルのカソード１２２と電気的に接続されることができる。電流が、動作の間に電気化学セルのスタックを通して通過する。
【0096】
図３－８は、図１に示される電解槽セル１００内、または図２のスタック１３０内の個々の電解槽セル１３２のうちの１つ内のアノード半セル１１１のためのアノード受皿アセンブリとして、またはカソード半セル１２１のためのカソード受皿アセンブリとして使用され得る、例示的受皿アセンブリ１４０のいくつかの図を示す。図３は、受皿アセンブリ１４０の正面図であり、図４は、受皿アセンブリ１４０の断面図である。電気化学セル１００または１３２では、受皿アセンブリ１４０が、アノード１１２およびカソード１２２における必要性および反応に応じて、アノード受皿アセンブリとして、またはカソード受皿アセンブリとして、または両方として使用され得ることを理解されたい。アノード１１２またはカソード１２２等のセルの隣の構成要素が、図３の正面図に示される受皿アセンブリ１４０の上に設置されることができる。
【0097】
図３および４に図示されるように、受皿アセンブリ１４０は、受皿１４２を含む。受皿１４２の奥行の内側および受皿１４２の上部において、マニホールド１４４（図４に示される）が、格納される。マニホールド１４４は、電解槽セル１００のための要件に応じて、１つまたはそれを上回る出口管１４６に接続されることができる。例えば、本設計は、セル厚を最小限化し、特定のサイズの電解槽フレーム内にフィットし得る、セル１００の数を最大限化するために、受皿１４２の同一または両側上の各受皿アセンブリ１４０上に２つ、３つ、４つ、またはそれを上回る出口管１４６を組み込むことができる。図５および６は、マニホールド１４４および出口管１４６の拡大詳細を示す。
【0098】
ある実施例では、マニホールド１４４の奥行ＤＭａｎｉｆｏｌｄおよび／またはマニホールド１４４の断面積および／または出口管１４６のサイズは、２相システムのスラグおよびプラグ流の発生を低減または最小限化するだけではなく、マニホールド１４４の壁と受皿１４２の上に設置される電極（例えば、受皿アセンブリ１４０がアノード受皿またはカソード受皿を形成するかどうかに応じて、アノードまたはカソード）との間に、ガスおよび電解質が妨害されない流動を有し、膜が湿潤されたままであるために十分な空間を提供するために、受皿アセンブリ１４０がマニホールド１４４の比較的に大きい断面積を提供するように選択される。マニホールド１４４の奥行ＤＭａｎｉｆｏｌｄおよび／またはマニホールド１４４の断面積および／または出口管１４６のサイズはまた、セル１００の全厚を決定付けることができる。
【0099】
受皿アセンブリ１４０のある実施例では、マニホールド１４４は、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．７５（７５％）、例えば、奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．６（６０％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．５（５０％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．４（４０％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．３（３０％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．３（３０％）～約０．７５（７５％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．３（３０％）～約０．６（６０％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．３（３０％）～約０．５（５０％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．３（３０％）～約０．４（４０％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．４（４０％）～約０．７５（７５％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．４（４０％）～約０．６（６０％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．４（４０％）～約０．５（５０％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．５（５０％）～約０．７５（７５％）等、例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．５（５０％）～約０．６（６０％）、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．６（６０％）～約０．７５（７５％）等である、（図５および６に示される）奥行ＤＭａｎｉｆｏｌｄを有する。
【0100】
ある実施例では、マニホールド１４４は、上部において、上向きのテーパ状部（図６に最も詳細に見られる）を有する。上向きのテーパ状部は、電極の隣に位置付けられる、膜１３１の上側縁の上方に、膜１３１の乾燥をもたらすことなく、ガスが豊富な混合物が形成するための小さい領域を提供する、内部容積または区域を生成する。
【0101】
受皿アセンブリ１４０を通したガスおよび電解質混合のための例示的流路が、図７および８に点線１４８によって示される。図７および８に見られ得るように、ある実施例では、ガスおよび電解質の２相の流路１４８が、受皿１４２の主部分から上向きに、マニホールド１４４の上部に、次いで、マニホールド１４４の上部における切り欠き１５０のセットを通して、マニホールド１４４の中に下方に通過する。ガスおよび電解質は、次いで、出口管１４６を通して流出することができる。
【0102】
例えば、高電流密度および高流量に起因して、マニホールド１４４および出口管１４６を通して流動する大量のガスおよび電解質溶液に適応するため、およびスラグおよびプラグ流の発生を低減または最小限化するために、ある実施例では、マニホールド１４４および出口管１４６の断面積は、電解質の空塔液体速度を、約０．３５ｍ／秒またはそれを下回る、例えば、約０．２５ｍ／秒またはそれを下回る、約０．２ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約０．１５ｍ／秒またはそれを下回る、約０．１ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約０．０８ｍ／秒またはそれを下回る、約０．０５ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約０．０１ｍ／秒またはそれを下回るように維持するために十分に大きい。マニホールド１４４および出口管１４６の断面積は、空塔ガス速度（例えば、アノード受皿からのＯ２ガスまたはカソード受皿から生産されるＨ２ガス）を、約５ｍ／秒またはそれを下回る、例えば、約４．５ｍ／秒またはそれを下回る、約４ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約３．５ｍ／秒またはそれを下回る、約３ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約２．５ｍ／秒またはそれを下回る、約２ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、約１．５ｍ／秒またはそれを下回る、約１ｍ／秒またはそれを下回る値等であるように維持するために十分に大きい。
【0103】
本明細書に記載されるように、高電流密度および高流量に適応するために、いくつかの実施例では、マニホールド１４４の断面積（例えば、受皿１４２の奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．７５（７５％）のマニホールド１４４の奥行ＤＭａｎｉｆｏｌｄを備える）は、約５２０平方ミリメートル（ｍｍ２）～約６，２００ｍｍ２、例えば、約５２０ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２、約５２０ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２等、例えば、約５２０ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２、約５２０ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２等、例えば、約５２０ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２、約５２０ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２等、例えば、約６００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２、約６００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２等、例えば、約６００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２、約６００ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２等、例えば、約６００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約６００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約６００ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２、約８００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２等、例えば、約８００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２、約８００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２等、例えば、約８００ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２、約８００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２等、例えば、約８００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２、約８００ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２等、例えば、約１，０００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２、約１，０００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２等、例えば、約１，０００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２、約１，０００ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２等、例えば、約１，０００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約１，０００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約２，０００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２、約２，０００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２等、例えば、約２，０００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２、約２，０００ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２等、例えば、約２，０００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約３，０００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２等、例えば、約３，０００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２、約３，０００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２等、例えば、約３，０００ｍｍ２～約４，０００ｍｍ２、約４，０００ｍｍ２～約６２，０００ｍｍ２等、例えば、約４，０００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２、約４，０００ｍｍ２～約５，０００ｍｍ２等、例えば、約５，０００ｍｍ２～約６，２００ｍｍ２、約５，０００ｍｍ２～約６，０００ｍｍ２等である。
【0104】
マニホールド１４４の断面積が上記に列挙される、いくつかの実施例では、マニホールド１４４に流体的に接続される出口管１４６は、約２６ミリメートル（ｍｍ）～約８９ｍｍ、例えば、約２６ｍｍ～約８０ｍｍ、約２６ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約２６ｍｍ～約７０ｍｍ、約２６ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約２６ｍｍ～約５０ｍｍ、約２６ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約２６ｍｍ～約３０ｍｍ、約３０ｍｍ～約８９ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約８０ｍｍ、約３０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約７０ｍｍ、約３０ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約５０ｍｍ、約３０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約８９ｍｍ、約４０ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約７５ｍｍ、約４０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約６０ｍｍ、約４０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約８９ｍｍ、約５０ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約７５ｍｍ、約５０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約６０ｍｍ、約６０ｍｍ～約８９ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約８０ｍｍ、約６０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約７０ｍｍ～約８９ｍｍ、約７０ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約７０ｍｍ～約７５ｍｍと同等の直径ＥＤＯｕｔｌｅｔ（図５に示される）を有することができる。
【0105】
当業者は、「高電解質流量」と見なされ得るものが電気化学セル１００のサイズと比較され得ることを理解するであろう。例えば、約３００ｍｍ～約６００ｍｍの幅である、例えば、比較的に狭小なセルのための「高流量」は、約２００ｋｇ／時間の流量に対応し得る一方、例えば、約２メートル（ｍ）～約３ｍの幅である、大きい商業サイズセルのための「高流量」は、約８００ｋｇ／時間またはそれを上回る、例えば、約１，０００ｋｇ／時間またはそれを上回る、約１，３５０ｋｇ／時間またはそれを上回る値等である、例えば、約１，５００ｋｇ／時間またはそれを上回る、約１，７５０ｋｇ／時間またはそれを上回る値等である、例えば、約２，０００ｋｇ／時間またはそれを上回る、約２，２５０ｋｇ／時間またはそれを上回る値等である、例えば、約２，５００ｋｇ／時間またはそれを上回る、約２，７００ｋｇ／時間またはそれを上回る値等である、流量に対応し得る。マニホールド１４４の断面積、出口管１４６の断面積、および／またはバッフルアセンブリは、本明細書に説明されるような高電流密度における動作と関連付けられる、高電解質流量および高ガス流量に適応し、スラグおよびプラグ流が、展開する可能性が低くなるように、約０．２ｍ／秒またはそれを下回る空塔液体速度と、約３ｍ／秒またはそれを下回るガス流量とを提供することができる。
【0106】
いくつかの実施例では、受皿アセンブリは、受皿アセンブリの内側にバッフルアセンブリを含むことができ、バッフルアセンブリは、電解槽セルの高さに沿った、内部温度プロファイルに対する高電流密度および／または増減する電力消散の影響を低減または最小限化することができる。バッフルアセンブリは、受皿アセンブリ内に、例えば、背面受皿壁と電極との間に懸吊されることができる。ある実施例では、バッフルアセンブリは、受皿の内側に１つまたはそれを上回る肋材を含む。１つまたはそれを上回る肋材は、１つまたはそれを上回る切り欠きを含むことができる。１つまたはそれを上回るスロットを備える、バッフルプレートが、含まれ、バッフルプレートの対応する構造が１つまたはそれを上回る肋材の１つまたはそれを上回る切り欠きの中にフィットし得るように、１つまたはそれを上回る肋材の上にフィットするように構成されることができる。
【0107】
図９－１５は、例示的バッフルアセンブリ１６２を含む、受皿アセンブリ１６０のいくつかの図を示す。図３－８に関して上記に説明される受皿アセンブリ１４０と同様に、受皿アセンブリ１６０は、図１の電解槽セル１００内のアノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方のための構造として使用されることができる。例えば、受皿アセンブリ１６０が、アノード半セル１１１の一部を形成するために使用される場合、受皿アセンブリ１６０は、アノード受皿アセンブリであることができる。同様に、受皿アセンブリ１６０が、カソード半セル１２１一部を形成するために使用される場合、受皿アセンブリ１６０は、カソード受皿アセンブリであることができる。受皿アセンブリ１４０のように、受皿アセンブリ１６０は、受皿１６４（例えば、アノード受皿および／またはカソード受皿）と、出口管１６６とを含む。受皿アセンブリ１６０はまた、それを通して電解質および生産されたガスが出口管１６６を通して受皿アセンブリ１６０から退出する前に流動し得る、マニホールド１６８を含むことができ、これは、受皿アセンブリ１４０に関して上記に説明されるマニホールド１４４に類似する、またはそれと同じであることができる。言い換えると、アノードアセンブリまたはカソードアセンブリのいずれか、または両方を形成する、受皿アセンブリは、図３－８に関して上記に説明される受皿アセンブリ１４０および下記に説明される受皿アセンブリ１６０の両方の特徴を含むことができる。
【0108】
ある実施例では、受皿アセンブリ１６０のバッフルアセンブリ１６２は、受皿１６２内にフィットされる、バッフルプレート１７０を含む。ある実施例では、バッフルプレート１７０は、１つまたはそれを上回るスロット１７２（図１０に最も詳細に見られる）を備える。各スロット１７２は、対応する肋材１７４（図９、１１、および１２に示される）と相互作用することができ、１つまたはそれを上回る肋材１７４およびバッフルプレート１７０は、バッフルアセンブリ１６２を形成する。バッフルプレート１７０は、バッフルアセンブリ１６２内の肋材１７４の数に応じて、任意の数のスロット１７２を有することができる。スロットの数は、バッフルプレート１７０内で、例えば、１～約２００であることができる。バッフルプレート１７０は、受皿１６４内の肋材１７４にわたってフィットされることができる。ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１７４は、バッフルプレート１７０に対して、および受皿１６４の全体的配向に対して直角または略直角である。言い換えると、ある実施例では、バッフルプレート１７０は、受皿１６４の背面壁１７８等、受皿１６４の主表面に対して平行または略平行である。受皿アセンブリ１６０と関連付けられる電極１７６（例えば、受皿アセンブリ１６０がアノード受皿アセンブリである場合はアノード１１２、または受皿アセンブリ１６０がカソード受皿アセンブリである場合はカソード１２２）は、例えば、受皿１６４の背面壁１７８の反対にある、バッフルアセンブリ１６２の側における、受皿アセンブリ１６０の上部に取り付けられることができる。
【0109】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１７４はそれぞれ、受皿１６４に対して、および／または電極１７６に対してバッフルプレート１７０を位置付けるための、１つまたはそれを上回る構造を含むことができる。ある実施例では、これらの構造は、各肋材１７４上に１つまたはそれを上回る切り欠きを含み、各切り欠きは、例えば、図９、１１、および１２に見られ得るように、バッフルプレート１７０が規定される場所において、電極１７６に対して、および／または受皿１６４の背面壁１７８に対して懸吊されるように、受皿１６４に対してバッフルプレート１７０を位置付けるために、バッフルプレート１７０上の対応するスロット１７２と摺動可能に係合する。肋材１７４内の切り欠きは、切り欠きがバッフルプレート１７０で充填されているため、図内で可視ではない。電極１７６から、および受皿１６４の背面壁１７８からのバッフルプレート１７０の距離は、肋材１７４に沿った切り欠きの奥行を修正することによって、変更されることができる。
【0110】
バッフルプレート１７０内でのスロット１７２の位置付け、スロット１７２の長さ、および／またはスロット１７２間の距離は、１つまたはそれを上回る肋材１７４の上へのバッフルプレート１７０のフィッティングに影響を及ぼし得る。ある実施例では、バッフルプレート１７０は、図１０に最も詳細に示されるように、その中に形成されるスロット１７２を伴う、中実プレートである。他の実施例では、バッフルプレートは、拡張金属プレートまたはメッシュであることができる。ある実施例では、バッフルプレート１７０は、限定ではないが、ニッケル、ステンレス鋼、および同等物等の伝導性金属から作製される。別の実施例では、バッフルプレート１７０は、ポリマー材料から作製される。いずれの場合でも、バッフルプレート１７０は、肋材１７４上の特徴を使用して、定位置にスナップするように構成されることができる。
【0111】
前述に説明されるように、電解槽セル１００内での内部温度分布に対する内部電力消散の寄与は、半セル１１１、１２１を通して（例えば、半セル１１１、１２１を形成する受皿アセンブリ１６０を通して）流動する電解質の温度および流量等の動作条件を通して低減または最小限化されることができる。高電解質流量は、電解槽セル１００内での対流熱伝達を増加させ、いくつかの実施形態では、最大限化し、それによって、そうでない場合には本明細書に説明される高電流密度から結果として生じ得る、セル１００内での熱蓄積および対応する付随する温度上昇を低減または最小限化することに役立つことができる。上記に議論されるように、高電解質流量および高電流密度において動作することは、セル出口におけるスラギングまたはプラグ流につながり得、これは、膜１３１の寿命を短縮し得る、圧力増減をもたらし得る。マニホールド１４４および出口構成および／またはバッフルアセンブリ１６２を伴う、本明細書に説明される、受皿アセンブリ１４０、１６０は、スラグおよびプラグ流を低減または最小限化するように設計される。特に、バッフルアセンブリ１６２は、電解質が受皿アセンブリ１６０を通して流動するにつれて、その混合を提供し、電解の間に電解質内での対流熱伝達を向上させることができる。
【0112】
いくつかの実施例では、バッフルアセンブリ１６２は、電極１７６において生産されたガスが電極１７６に最近接するバッフルプレート１７０の側において電解質と混合し、比較的に低い密度柱状部をもたらし、上昇部区分を画定し得るような方法において設計され、位置付けられる。低密度混合物は、上昇部区分を通して比較的に迅速に上昇することができる。いったんバッフルプレートの上部の上方に到達すると、ガスは、離脱し、マニホールド１６８の中に、次いで、出口管１６６の中に流入することができる。電解質のごく一部が、次いで、受皿１６４の背面壁１７８により近接するバッフルプレート１７０の側（すなわち、電極１７６の反対にある側）に下方に、下降部領域の中に戻るように降下し、それによって、循環ループを生成し得る。受皿アセンブリ１６０内に形成される、（電極１７６により近接するバッフルプレート１７０の側における上昇部区分１８０と、電極１７６の反対のバッフルプレート１７０の側における下降部区分１８２とを伴う）本循環ループは、図１３に概念的に図示され、これは、循環パターンのいかなる結果として生じる形成も存在しないように、バッフルプレート１７０のようなバッフルプレートを伴うもの等の、バッフルアセンブリを含まない、比較受皿アセンブリ１８４と比較される。図１４は、含まれるバッフルプレート１７０を伴う受皿アセンブリ１６０（図１４の左側）およびバッフルアセンブリを伴わない比較受皿アセンブリ１８４（図１４の右側）内での電解質のシミュレートされる流動分布のベクトルプロットを示す。図１４に見られ得るように、バッフルプレートを伴わなければ、電解質溶液は、比較受皿アセンブリ１８４を通して緩徐に上方に上昇する。電極１７６において進展されたガスは、電解質の流動に影響を及ぼし、電解質の一部を上方に引きずり、電解質の一部を側方に打ち付ける。ガス浮揚は、比較受皿アセンブリ１８４内の（電極１７６に隣接する）左上壁に沿って瞭然である。バッフルプレートを伴わない比較受皿アセンブリ１８４は、電解質の弱い循環の形成をもたらさないが、バッフルプレート１７０を含む受皿アセンブリ１６０は、受皿アセンブリ１６０内に強力な循環を生成する。図１４から瞭然であるように、上昇部区分１８０、例えば、電極１７６に最近接するバッフルプレート１７０の側における流動は、ガス浮揚に起因して上向きに強力に配向され、下降部区分１８２、例えば、受皿アセンブリ１６０の背面壁１７８に最近接するバッフルプレート１７０の側における流動は、下向きに強力に配向される。上昇部区分１８０内の比較的に高い速度および剪断率は、電極１７６からガスを掃引し、受皿アセンブリ１６０内での効率的な上から下への混合を提供し、対流冷却の増加を駆り立てることに役立つ。
【0113】
バッフルアセンブリ１６２は、電解質が受皿アセンブリ１６０を通して流動するにつれて、それが実質的に等温のままであるように、迅速に流動する循環ループを生成するために使用されることができる。高度の上から下への混合および循環に起因して、電解質の迅速な熱的均衡化が、これが受皿アセンブリ１６０の中に、かつそれを通して流動するにつれて達成されることができる。別の利点は、比較的に冷たい電解質が、温かい循環する電解質流体と均衡化し得る、受皿アセンブリ１６０の中に導入され得ることである。循環率（すなわち、受皿アセンブリ１６０を通した電解質遷移の間の再循環ループの周数）は、１～２００のうちの任意の場所であることができる。高循環率はまた、膜１３１に隣接する、より高い剪断率を駆り立て、ガスを膜１３１から離れるように掃引する、および／または膜１３１から電極１７６への熱伝達を向上または最大限化することに役立つことができる。
【0114】
電極１７６に対する、かつ受皿１６４の背面壁１７８に対するバッフルプレート１７０の位置付けおよび／または（図１５に示される）バッフルプレート１７０の幅ＷＢａｆｆｌｅおよび長さＬＢａｆｆｌｅは、上昇部区分１８０および下降部区分１８２を通した電解質の速度に影響を及ぼし、それによって、受皿アセンブリ１６０内の電解質の循環率に影響を及ぼすことができる。バッフルプレート１７０が電極１７６からの規定される臨界距離より遠くに位置する場合、上昇部区分１８０および下降部区分１８２の循環パターンが、形成されない場合があることが見出されている。具体的には、バッフルプレート１７０と電極１７６との間の間隙が、大きすぎるとき、電極１７６に隣接する、比較的に軽い、ガスが豊富な区域の自由対流が、電極１７６から離れるようにさらに遠くに緩徐に上昇する電解質と比較して、比較的に迅速に上昇することが見出されている。結果として生じる剪断力は、電解質の一部を上方に引きずり得、これは、次いで、ガスが受皿アセンブリ１６０の上部におけるマニホールド１６８の中に離脱するにつれて、電極１７６により近接するバッフルプレート１７０の側において下方に降下し、電極１７６に最も近接するバッフルプレート１７０の側に形成する、弱い循環をもたらすことができる。そのような構成では、バッフルプレート１７０は、上昇部区分と下降部区分との間で分割しない場合があり、強力な循環電流が、形成されない場合がある。他方において、バッフルプレート１７０が、電極１７６に近接しすぎる場合、電極１７６とバッフルプレート１７０との間の空間は、ガスが電極１７６において形成されるにつれて、ガスで充填され、バッフルプレート１７０と電極１７６との間の空間内の電解質流動を完全に閉塞させ得る。バッフルプレート１７０と電極１７６との間の空間内のガスの高体積分率が、膜および／または電極１７６のマスキングおよび不十分な電気および熱輸送をもたらし得る。
【0115】
図１３に図示されるように、受皿１６４の奥行ＤＰａｎ、電極１７６に対するバッフルプレート１７０の相対的奥行ＤＢａｆｆｌｅ、受皿１６４の全高ＨＰａｎに対するバッフルプレート１７０の高さＨＢａｆｆｌｅ、および／または受皿１６４内の（例えば、バッフルプレート１７０の上部縁から受皿１６４の上部壁までの垂直距離ＨＴｏｐおよびバッフルプレート１７０の底部縁から受皿１６４の底部壁までの対応する垂直距離ＨＢｏｔによって決定付けられるような）バッフルプレート１７０の垂直場所は、受皿１６４内の電解質の循環パターンに影響を及ぼすことができる。
【0116】
ある実施例では、電極１７６からのバッフルプレート１７０の距離（すなわち、図１３に図示されるようなバッフルの相対的奥行ＤＢａｆｆｌｅ）は、約５ｍｍ～約２５ｍｍ、例えば、約５ｍｍ～約１５ｍｍ、約５ｍｍ～約１２ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約１０ｍｍ、約５ｍｍ～約８ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約６ｍｍ、例えば、約６ｍｍ～約２５ｍｍ、約６ｍｍ～約１５ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約１２ｍｍ、約６ｍｍ～約１０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約８ｍｍ、例えば、約８ｍｍ～約２５ｍｍ、約８ｍｍ～約１５ｍｍ等、例えば、約８ｍｍ～約１２ｍｍ、例えば、約８ｍｍ～約１０ｍｍ、例えば、約１０ｍｍ～約２５ｍｍ、約１０ｍｍ～約１５ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約１２ｍｍ、約１２ｍｍ～約２５ｍｍ等、例えば、約１２ｍｍ～約１５ｍｍである。いくつかの実施例では、電極１７６からのバッフルプレート１７０の距離ＤＢａｆｆｌｅは、肋材１７４上の切り欠きの奥行と同等である。
【0117】
ある実施例では、バッフルプレート１７０から電極１７６までの距離ＤＢａｆｆｌｅは、受皿１６４の総奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．５（５０％）、例えば、受皿１６４の総奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．４（４０％）、受皿１６４の総奥行ＤＰａｎの約０．２５（２５％）～約０．３（３０％）等、例えば、受皿１６４の総奥行ＤＰａｎの約０．３（３０％）～約０．５（５０％）、受皿１６４の総奥行ＤＰａｎの約０．４（４０％）～約０．５（５０％）等である。
【0118】
ある実施例では、バッフルプレート１７０の高さＨＢａｆｆｌｅおよび位置付けは、これが、ガスおよび液体の流動のために、受皿１６４の上部において空間（図１３のＨＴｏｐ）および／またはその底部において空間（図１３のＨＢｏｔ）を残すようなものである。マニホールド１６８およびバッフルプレート１７０が両方とも受皿アセンブリ１６０内に存在する、いくつかの実施例では、マニホールド１６８の奥行および受皿１６４の奥行ＤＰａｎに対するバッフルプレート１７０の設置場所に応じて、バッフルプレート１７０は、（例えば、マニホールド１６８と電極１７６との間の）マニホールド１６８の背後で受皿１６４の上部に向かって延設されてもよい、またはバッフルプレート１７０は、マニホールド１６８の下方で終端してもよい。いずれの場合でも、バッフルプレート１７０と受皿１６４の上部および／または底部との間には、ガスおよび液体の流動のための空間が、存在することができる。
【0119】
ある実施例では、バッフルプレート１７０の底部縁と受皿１６４の底部壁との間の空間ＨＢｏｔは、約６ｍｍ～約７５ｍｍ、例えば、約６ｍｍ～約６５ｍｍ、約６ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約４０ｍｍ、約６ｍｍ～約３０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約２０ｍｍ、約６ｍｍ～約１０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約７５ｍｍ、約１０ｍｍ～約６５ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約５０ｍｍ、約１０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約３０ｍｍ、約１０ｍｍ～約２０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約１５ｍｍ、約２０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約６５ｍｍ、約２０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約４０ｍｍ、約２０ｍｍ～約３０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約７５ｍｍ、約３０ｍｍ～約６５ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約５０ｍｍ、約３０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約７５ｍｍ、約４０ｍｍ～約６５ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約７５ｍｍ、約５０ｍｍ～約６５ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約７５ｍｍである。
【0120】
いくつかの実施形態では、バッフルプレート１７０の上部縁と受皿１６４の上部壁またはマニホールド１６８の底部との間の空間ＨＴｏｐは、約６ｍｍ～約１５０ｍｍ、例えば、約６ｍｍ～約１４０ｍｍ、約６ｍｍ～約１３０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約１２０ｍｍ、約６ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約１００ｍｍ、約６ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約７０ｍｍ、約６ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約６ｍｍ～約２５ｍｍ、約１０ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約１４０ｍｍ、約１０ｍｍ～約１３０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約１２０ｍｍ、約１０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約１００ｍｍ、約１０ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約７０ｍｍ、約１０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約２５ｍｍ、約２５ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約２５ｍｍ～約１４０ｍｍ、約２５ｍｍ～約１３０ｍｍ等、例えば、約２５ｍｍ～約１２０ｍｍ、約２５ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約２５ｍｍ～約１００ｍｍ、約２５ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約２５ｍｍ～約７０ｍｍ、約２５ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約１５０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１４０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約１３０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１２０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約１１０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約８０ｍｍ、約５０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約１５０ｍｍ、約１００ｍｍ～約１４０ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約１３０ｍｍ、約１００ｍｍ～約１２０ｍｍ等、例えば、約１２５ｍｍ～約１５０ｍｍ、約１２５ｍｍ～約１４０ｍｍ等、例えば、約１３０ｍｍ～約１５０ｍｍ、約７５ｍｍ～約１２０ｍｍ等である。バッフルプレートとアノードおよび／またはカソード受皿の底部との間の空間のための前述の寸法およびバッフルプレートとアノードおよび／またはカソード受皿の上部またはマニホールドの底部との間の空間のための寸法のうちのいずれも、電解質の最適な循環パターンを達成するために組み合わせられ得ることを理解されたい。
【0121】
いくつかの実施形態では、前述のマニホールドおよび出口管および／またはバッフルアセンブリを伴う、本明細書に提供される、アノードおよび／またはカソード受皿アセンブリは、限定ではないが、アノード液またはカソード液の前述の高流量に適合する、および／またはスラグまたはプラグ流の発生を低減または最小限化すること、大きい空間的および／または時間的温度増減を低減または最小限化すること、セル内の多相流動に起因する圧力増減を、例えば、０．５ｐｓｉ未満まで低減または最小限化すること、および／または膜の浸食および／または疲労を低減または最小限化すること等のいくつかの利点を提供する。
【0122】
上記に記載されるように、高電流密度における電解槽セルの動作は、限定ではないが、セル内で発生される大量の熱等の重大な難題をもたらし得る。高電流密度において大量のガスを生産する電解槽セルでは、ガス／電解質混合物は、電解質単独よりも低い比熱、低い密度、および／または低い熱伝導率を有することができる。したがって、電解質の熱除去効率が、ガス停留が増加するにつれて、低減され得る。ガスポケットが電極の領域をマスクする場合、局所的温度が、急速に上昇し得る。電極の有意な領域が、マスクされる場合、マスクされていない領域は、より多く稼働する必要があり、局所的ジュール加熱を増加させるであろう。そのように展開された局所的高温スポットは、膜を損傷させ得る。電流密度が、セル内で増加されるにつれて、電力消散もまた、劇的に上昇し得る。大きい空間的および／または時間的温度増減も、膜を損傷させ得る。
【0123】
図１６－１９および２０Ａ－２０Ｃは、図１に示される電解槽セル１００内でアノード半セル１１１のためのアノード受皿アセンブリとして、またはカソード半セル１２１のためのカソード受皿アセンブリとして、または両方として使用され得る、受皿アセンブリ１９０の例証的実施例を示す。受皿アセンブリ１９０は、規定される幾何学形状および／または間隔を伴う、および／または受皿アセンブリ１９０の電極１９８を肋材１９４に結合する、１つまたはそれを上回る溶接部１９６の使用を介する、複数の肋材１９４を含み、溶接部１９６は、セルの動作の間の温度分布を改良するために、電力消散を低減または最小限化するための規定される溶接密度と、断面構成とを有する。受皿アセンブリ１９０はまた、図３－８に関して上記に説明される、受皿アセンブリ１４０の特徴（例えば、受皿アセンブリ１４０に関して上記に説明される、マニホールド１４４および出口管１４６に類似する、またはそれと同じであり得る、それを通して電解質および生産されたガスが受皿アセンブリ１９０から退出する前に流動し得る、マニホールドおよび出口管）、および／または図９－１５に関して上記に説明される、受皿アセンブリ１６０の特徴（例えば、受皿アセンブリ１６０に関して上記に説明されるバッフルアセンブリ１６２に類似する、またはそれと同じであり得る、バッフルアセンブリ）を含むことができる。言い換えると、アノードアセンブリまたはカソードアセンブリのいずれか、または両方を形成する、受皿アセンブリは、下記に説明される、受皿アセンブリ１９０の特徴に加えて、図３－８に関して上記に説明される、受皿アセンブリ１４０および／または図９－１５に関して上記に説明される、受皿アセンブリ１６０の特徴を含むことができる。
【0124】
受皿アセンブリ１９０内の肋材幾何学形状、肋材間隔、および／または溶接密度および断面構成は、限定ではないが、受皿アセンブリ１９０を横断して電流をより効果的に分配し、高温スポット形成の余地を低減させること、受皿アセンブリ１９０の高さに沿った、電解質の大きい空間的および／または時間的温度増減を低減または回避すること、および／または高温スポットに起因する膜損傷を低減または最小限化すること等によって、これらの難題のうちの１つまたはそれを上回るものの影響を低減または最小限化することができる。
【0125】
下記に説明されるように、１つまたはそれを上回る肋材１９４と、溶接部１９６とを備える、受皿アセンブリ１９０の設計は、高電流密度において動作するとき、セルの有効面積を横断した効率的な電流分配を提供することができる。肋材１９４および溶接部１９６の断面積はまた、セルが、動作および経済的目的のためにより効果的であることを可能にすることができる。
【0126】
図３－１５に関して上記に説明される、受皿アセンブリ１４０および１６０と同様に、受皿アセンブリ１９０は、図１の電解槽セル１００内のアノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方のための構造として使用されることができ、すなわち、受皿アセンブリ１９０は、受皿アセンブリ１９０がアノード受皿アセンブリであるようにアノード半セル１１１を形成することができる、および／または受皿アセンブリ１９０は、受皿アセンブリ１９０がカソード受皿アセンブリであるようにカソード半セル１２１を形成することができる。受皿１９２は、電解質（すなわち、受皿アセンブリ１９０がアノード受皿アセンブリである場合はアノード液、受皿アセンブリ１９０がカソード受皿アセンブリである場合はカソード液）と、電極１９８（すなわち、アノード受皿アセンブリ１９０内のアノード１１２またはカソード受皿アセンブリ１９０内のカソード１２２）とを受容するための内部を含むことができる。アノード受皿アセンブリおよびカソード受皿アセンブリは、例えば、隔膜、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、またはイオン交換膜（ＩＥＭ）のうちの１つまたはそれを上回るものであり得る、分離器（すなわち、膜１３１）によって分離されることができる。受皿アセンブリ１９０はさらに、受皿アセンブリ１９０から外への流出のための、ガスおよび電解質を収集する、収集システム（例えば、上記に説明されるマニホールド１４４または１６８等のマニホールド）等の構成要素を備えることができる。種々の付加的分離器構成要素が、例えば、アノードから１つまたはそれを上回る膜を分離する、カソードから１つまたはそれを上回る膜を分離する、別の膜から１つの膜を分離する（例えば、カチオン交換膜（ＣＥＭ）からアニオン交換膜（ＡＥＭ）を分離する）、および／または機械的完全性を１つまたはそれを上回る膜に提供するために提供されることができる。これらの構成要素に加えて、個々のガスケットまたはガスケットテープが、構成要素の間に、およびその外周に沿って提供され、流体漏出からコンパートメントをシールしてもよい。
【0127】
ある実施例では、受皿アセンブリ１９０は、受皿１９２と、受皿１９２の内側に垂直に位置付けられる、１つまたはそれを上回る肋材１９４と、１つまたはそれを上回る肋材１９４に結合される、電極１９８と、電極１９８を１つまたはそれを上回る肋材１９４に溶接する、１つまたはそれを上回る溶接部１９６とを含む。図１６は、受皿アセンブリ１９０の例証的実施例の正面図であり、図１７は、受皿アセンブリ１９０の側面断面図であり、図１８は、図１７の線１８に沿って得られる断面の拡大図である。図は、１つまたはそれを上回る肋材１９４を形成し得る、１つまたはそれを上回る構造を示す。特に、図１８の図内に見られ得るように、ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、受皿１９２の主寸法に対して直角または略直角であることができる。例えば、１つまたはそれを上回る肋材１９４はそれぞれ、電極１９８または背面受皿壁２００等の受皿１９２の１つまたはそれを上回る主面に対して直角または略直角であることができる。
【0128】
受皿１９２の上および１つまたはそれを上回る肋材１９４の上に、電極１９８が、設置されることができる。見られ得るように、ある実施例では、電極１９８は、１つまたはそれを上回る溶接部１９６を用いて１つまたはそれを上回る肋材１９４に溶接されることができる。ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４はそれぞれ、１つまたはそれを上回るタブ溶接部２０４を用いて背面壁２００に結合される、１つまたはそれを上回るタブ２０２によって、受皿１９２の背面壁２００に結合される。
【0129】
ある実施例では、電極１９８は、１つまたはそれを上回る溶接部１９６を介して供給される電流に電気的に結合されることができる。カソード半セルを形成するために受皿アセンブリ１９０を使用する、セルの動作の間に、電流は、カソード受皿アセンブリ１９０の溶接部１９６を通してカソード（例えば、カソード受皿アセンブリ１９０の電極１９８）の中に流入する。次いで、電流は、カソード１９８からカソード受皿アセンブリ１９０の１つまたはそれを上回る肋材１９４に流動する。電流は、次いで、カソード受皿アセンブリ１９０の１つまたはそれを上回る肋材１９４を通して、タブ２０２を通して、最後に、カソード受皿アセンブリ１９０の受皿１９２に接触する導体の中に（例えば、隣接するセルのアノード半セルに、または接触プレートに）流動する。アノード半セルを形成するために受皿アセンブリ１９０を使用する、セルの動作の間に、電流は、アノード受皿アセンブリ１９０の受皿１９２に接触する導体から（例えば、隣接するセルのカソード半セルから、または接触プレートから）タブ２０２を通してアノード受皿アセンブリ１９０の肋材１９４に、次いで、アノード（例えば、アノード受皿アセンブリ１９０の電極１９８）に、次いで、アノード受皿アセンブリ１９０の溶接部１９６のうちの１つまたはそれを上回るものに電気的に接続される、導体の中に流入する。上記に記載されるように、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、タブ２０２およびタブ溶接部２０４を介して、受皿１９２の背面壁２００に溶接されることができる。ある実施例では、タブ２０２は、肋材１９４の底部と受皿１９２の背面壁２００との間にタブ溶接部２０４の間隔を設定する。電流は、肋材１９４を通して受皿１９２の背面壁２００と電極１９８との間で流動するため、タブ２０２は、肋材１９４と受皿１９２との間に適正な溶接断面を提供することができる。タブ２０２は、有効面積を横断した、より良好な電流分配を促進し、肋材１９４と受皿１９２との間の電気接触を提供することができる。しかしながら、他の実施例では、肋材１９４は、受皿１９２の背面壁２００に直接溶接されることができ、タブを通して接続されなくてもよい。
【0130】
１つまたはそれを上回る肋材１９４の幾何学形状および間隔は、受皿アセンブリ１９０を通した電流流動を決定付けることができる。肋材１９４の幾何学形状は、限定ではないが、（図１９に示されるように）肋材１９４の数、肋材１９４の高さＨＲｉｂ、肋材１９４の物理的設計、隣接する肋材１９４間のピッチＰＲｉｂｓ、および／または肋材１９４の厚さＴＲｉｂを含むことができる。電流が溶接部１９６を通して流入するにつれて、溶接部１９６の幾何学形状、間隔または密度、および／または断面積もまた、受皿アセンブリ１９０を通した電流流動に影響を及ぼすことができる。ますます高くなる電流がセルを通して流動するにつれて、溶接部１９６の密度および断面積は、局所的ジュール加熱に有意に影響を与え、局所的高温スポットからの膜損傷を回避することができる。本明細書に提供されるものは、高電流密度において、受皿アセンブリ１９０のうちの１つまたは２つから構成される、電気化学セルの効率的な動作を促進し得る、肋材１９４および溶接部１９６の固有の幾何学形状、間隔、および断面積である。
【0131】
１つまたはそれを上回る肋材１９４の物理的構成、すなわち、全体的形状は、１つまたはそれを上回る目的のために選択されることができる。例えば、肋材１９４のうちの１つまたはそれを上回るものは、図２０Ａに示される例示的肋材１９４Ａ等、伝導性金属の中実プレート等の中実プレートであることができる。別の実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、図２０Ｂに示されるような孔２０６を有する１つまたはそれを上回る肋材１９４Ｂ等、電解質が受皿１９２内で側方に移動することを可能にする、１つまたはそれを上回る孔または開口部を含むことができる。ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、（下記により詳細に説明される）バッフルプレート２１０の一部を受容するための１つまたはそれを上回る切り欠き２０８を含む、図２０Ｃに示される肋材１９４Ｃ等の１つまたはそれを上回る他の構造を受容するための１つまたはそれを上回る切り欠きを含む。ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、図２０Ｃに示される肋材１９４Ｃと同様に、孔２０６と、切り欠き２０８との両方を含むことができる、または孔２０６のみまたは切り欠き２０８のみを含むことができる。
【0132】
受皿１９２の内側における肋材１９４の数は、受皿アセンブリ１９０内での電流分配および電力消散に影響を与えることができる。ある実施例では、受皿１９２の内側における肋材１９４の数は、１～７５個の肋材１９４、１～６０個等の肋材１９４、例えば、１～５０個の肋材１９４、１～４０個等の肋材１９４、例えば、１～３０個の肋材１９４、１～２０個等の肋材１９４、１～１０個等の肋材１９４、例えば、１～５個の肋材１９４、５～７５個等の肋材１９４、例えば、５～６０個の肋材１９４、５～５０個等の肋材１９４、例えば、５～４０個の肋材１９４、５～３０個等の肋材１９４、例えば、５～２０個の肋材１９４、５～１０個等の肋材１９４、例えば、１０～７５個の肋材１９４、１０～６０個等の肋材１９４、例えば、１０～５０個の肋材１９４、１０～４０個等の肋材１９４、例えば、１０～３０個の肋材１９４、１０～２０個等の肋材１９４、例えば、２０～７５個の肋材１９４、２０～６０個等の肋材１９４、例えば、２０～５０個の肋材１９４、２０～４０個等の肋材１９４、例えば、２０～３０個の肋材１９４、３０～７５個等の肋材１９４、例えば、３０～６０個の肋材１９４、３０～５０個等の肋材１９４、例えば、３０～４０個の肋材１９４、４０～７５個等の肋材１９４、例えば、４０～６０個の肋材１９４、４０～５０個等の肋材１９４、例えば、５０～７５個の肋材１９４、５０～６０個等の肋材１９４、例えば、６０～７５個の肋材１９４である。例えば、図１６－１９および２０Ａ－２０Ｃに示される受皿アセンブリ１９０は、５個（５）の肋材１９４を含有する、受皿１９２を示す。
【0133】
例示的受皿アセンブリ１９０の断面斜視図が、図１９に示される。電極１９８および溶接部１９６は、図１９に示されない。上記に説明されるように、受皿アセンブリ１９０は、受皿１９２内に垂直に位置付けられる、１つまたはそれを上回る肋材１９４を含み、例えば、肋材１９４は、タブ２０２等を用いて受皿１９２の背面壁２００に結合され、肋材１９４は、背面壁２００から電極に向かって延在する。図１９では、２つの隣接する肋材１９４間のピッチ、すなわち、距離は、ＰＲｉｂとして標識され、１つまたはそれを上回る肋材１９４の高さは、ＨＲｉｂとして標識され、１つまたはそれを上回る肋材１９４の厚さは、ＴＲｉｂとして標識される。肋材１９４は、図１９では、電解質の移動のための孔２０６および切り欠き２０８を備えるものとして示される。切り欠き２０８は、バッフルプレート２１０を１つまたはそれを上回る肋材１９４に固着させるために、切り欠き２０８によって形成される空間の中へのバッフルプレート２１０の規定される区分のフィッティングを促進する。バッフルプレート２１０は、図９－１５の受皿アセンブリ１６０に関して上記に説明される、バッフルプレート１７０に類似する、またはそれと同じであることができる。ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４は、限定ではないが、ニッケル、ステンレス鋼等の伝導性金属から作製される。
【0134】
孔２０６および切り欠き２０８が、存在しない場合があること、例えば、肋材１９４が、それぞれ、図２０Ａの肋材１９４Ａ等の中実プレートから形成され得ること、または肋材１９４が、切り欠き２０８を有するが、孔２０６を有していない場合があること、または肋材１９４が、孔２０６を有するが、切り欠き２０８を有していない場合があることを理解されたい。孔２０６は、存在する場合、いかなる特定の形状またはサイズである必要もない。例えば、孔２０６は、円形開口部、スリット、穿孔、またはメッシュであることができる。
【0135】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４の長さＬＲｉｂ（図１６）は、約０．２５メートル（ｍ）～約１．５ｍ、例えば、約０．２５ｍ～約１．２ｍ、約０．２５ｍ～約１ｍ等、例えば、約０．２５ｍ～約０．８ｍ、約０．２５ｍ～約０．６ｍ等、例えば、約０．２５ｍ～約０．５ｍ、約０．２５ｍ～約０．４ｍ等、例えば、約０．２５ｍ～約０．３ｍ、約０．５ｍ～約１．５ｍ等、例えば、約０．５ｍ～約１．２ｍ、約０．５ｍ～約１ｍ等、例えば、約０．５ｍ～約０．８ｍ、約０．５ｍ～約０．６ｍ等、例えば、約０．６ｍ～約１．５ｍ、約０．６ｍ～約１．２ｍ等、例えば、約０．６ｍ～約１ｍ、約０．６ｍ～約０．８ｍ等、例えば、約０．７ｍ～約１．５ｍ、約０．７ｍ～約１．２ｍ等、例えば、約０．７ｍ～約１ｍ、約０．７ｍ～約０．８ｍ等、例えば、約０．８ｍ～約１．５ｍ、約０．８ｍ～約１．２ｍ等、例えば、約０．８ｍ～約１ｍである。
【0136】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４のそれぞれの中の切り欠き２０８の長さは、約５ミリメートル（ｍｍ）～約１００ｍｍ、例えば、約５ｍｍ～約８０ｍｍ、約５ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約５０ｍｍ、約５ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約３０ｍｍ、約５ｍｍ～約２０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約１０ｍｍ、約１０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約５０ｍｍ、約１０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約３０ｍｍ、約１０ｍｍ～約２０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約１００ｍｍ、約２０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約４０ｍｍ、約２０ｍｍ～約３０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約１００ｍｍ、約３０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約４０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約５０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約１００ｍｍである。
【0137】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４の厚さＴＲｉｂは、約１ｍｍ～約３ｍｍ、例えば、約１ｍｍ～約２．５ｍｍ、約１ｍｍ～約２ｍｍ等、例えば、約１ｍｍ～約１．５ｍｍ、約２ｍｍ～約３ｍｍ等、例えば、約２ｍｍ～約２．５ｍｍ、約２．５ｍｍ～約３ｍｍ等である。
【0138】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４の高さＨＲｉｂは、約１０ｍｍ～約１１０ｍｍ、例えば、約１０ｍｍ～約１００ｍｍ、約１０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約７０ｍｍ、約１０ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約５０ｍｍ、約１０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約３０ｍｍ、約２０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約７５ｍｍ、約２０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約６０ｍｍ、約２０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約４０ｍｍ、約２０ｍｍ～約３０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約１１０ｍｍ、約３０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約７０ｍｍ、約３０ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約５０ｍｍ、約３０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約１１０ｍｍ、約４０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約７０ｍｍ、約４０ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約５０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約７５ｍｍ、約５０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約６０ｍｍ、約６０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約７５ｍｍ、約７０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約７０ｍｍ～約８０ｍｍである。
【0139】
ある実施例では、２つの隣接する肋材１９４間のピッチＰＲｉｂは、約４０ｍｍ～約２００ｍｍ、例えば、約４０ｍｍ～約１５０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１４０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約１３０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１２０ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約１１０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約８０ｍｍ、約４０ｍｍ～約７０ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約２００ｍｍ、約６０ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約１４０ｍｍ、約６０ｍｍ～約１３０ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約１２０ｍｍ、約６０ｍｍ～約１１０ｍｍ等、例えば、約６０ｍｍ～約１００ｍｍ、約６０ｍｍ～約８０ｍｍ等、例えば、約８０ｍｍ～約２００ｍｍ、約８０ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約８０ｍｍ～約１００ｍｍ、約１００ｍｍ～約２００ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約１５０ｍｍ、約１００ｍｍ～約１４０ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約１３０ｍｍ、約１００ｍｍ～約１２０ｍｍ等、例えば、約１２５ｍｍ～約２００ｍｍ、約１２５ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約１２５ｍｍ～約１４０ｍｍ、約１３０ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約１２０ｍｍである。
【0140】
図１８および２０Ａ－２０Ｃに示されるように、電極１９８は、複数の溶接部１９６を用いて１つまたはそれを上回る肋材１９４の上部に溶接されることができる。ある実施例では、電極１９８は、平面状電極または拡張金属またはメッシュである。電極１９８が拡張金属またはメッシュである実施例では、メッシュを形成する各ストランドの厚さは、約０．５ｍｍ～約３ｍｍ、例えば、約０．５ｍｍ～約２．５ｍｍ、約０．５ｍｍ～約２ｍｍ等、例えば、約０．５ｍｍ～約１．５ｍｍ、約０．５ｍｍ～約１ｍｍ等、例えば、約１ｍｍ～約３ｍｍ、約１ｍｍ～約２．５ｍｍ等、例えば、約１ｍｍ～約２ｍｍ、約１ｍｍ～約１．５ｍｍ等、例えば、約１．５ｍｍ～約３ｍｍ、約１．５ｍｍ～約２．５ｍｍ等、例えば、約１．５ｍｍ～約２ｍｍ、約２ｍｍ～約３ｍｍ等、例えば、約２．５ｍｍ～約３ｍｍであることができる。
【0141】
溶接部１９６の幾何学形状、間隔、密度、および／または断面積は、受皿アセンブリ１９０を通した電流流動に影響を及ぼすことができる。動作電流密度が増加し、より多くの電流がセルを通して流動するにつれて、溶接部１９６の密度（例えば、溶接部１９６の断面積および溶接部１９６間の間隔）は、局所的ジュール加熱に影響を与えることができる。溶接部１９６の密度は、局所的高温スポットの形成に起因する膜損傷の余地を低減または最小限化するように選択されることができる。図２０Ａ－２０Ｃの例示的溶接部１９６は、スポットとして図示される。しかしながら、溶接部１９６は、線、スポット、パターン、または任意の他の形状、またはそれらの組み合わせの形態にあることができる。例えば、スポット溶接機は、溶接部１９６をスポットとして形成することができる一方、レーザ溶接機は、溶接部１９６を線および／またはスポットおよび／またはパターンとして生産することができる。そのように溶接部１９６が形成され得るパターンは、限定ではないが、ドットの組み合わせ、ドットのアレイ、破線、スポット、線、および線区画を含み、これは、略長方形幾何学形状、略円形幾何学形状、または略六角形幾何学形状等の任意の幾何学的に規則的な形状のパターンにおいて配列されることができる、または不規則的な形状において配列されることができる。
【0142】
溶接部１９６を形成するために使用され得る、溶接技法の実施例は、限定ではないが、レーザ溶接、ＴｉＧ溶接、およびスポット溶接、例えば、抵抗スポット溶接を含む。レーザ溶接は、肋材１９４を電極１９８に溶接するために、肋材１９４の全長ＬＲｉｂまでの（その値を含む）肋材１９４のうちの１つの長さＬＲｉｂの実質的部分に沿った単一の線形溶接部１９６を可能にし得る。例えば、１つまたはそれを上回る肋材１９４が、中実プレート（例えば、図２０Ａの肋材１９４Ａ）または切り欠き２０８を含まない、孔を伴うプレート（例えば、図２０Ｂの肋材１９４Ｂ）であるとき、肋材１９４を電極１９８に継合するための、肋材１９４の全長ＬＲｉｂに沿った単一の線形溶接部１９６が、存在してもよい。レーザ溶接またはＴｉＧ溶接もまた、線区画の形態にある溶接部１９６を生成するために使用され得る。例えば、肋材１９４のうちの１つまたはそれを上回るものが、切り欠き２０８（例えば、図２０Ｃの肋材１９４Ｃ）を含むとき、電極１９８と接触するが、切り欠き２０８にわたらない、肋材１９４の一部にわたる、溶接線の区分が、存在してもよい。レーザ溶接はまた、ドット、ドットのアレイ、破線、スポット、線区画、長い線、および楕円形幾何学形状、長方形幾何学形状、円形幾何学形状、六角形幾何学形状、またはそれらの組み合わせ等の任意の規定される幾何学形状を備える、溶接パターンを生産することができる。溶接幾何学形状は、溶接部が抵抗溶接を用いて生成されるとき等に、溶接先端およびアンビルの形状によって決定付けられてもよい。ＴｉＧ溶接は、手動で生成されてもよく、恣意的形状にあることができる。
【0143】
ある実施例では、溶接部１９６の幾何学形状は、受皿１９２内の溶接部の数を含む。電極１９８を肋材１９４に結合する溶接部１９６の数は、受皿アセンブリ１９０内での電流分配および電力消散に影響を及ぼすことができる。ある実施例では、スポットの形態にある、肋材１９４あたりの溶接部１９６（図１８および２０Ａ－２０Ｃに示される例示的スポット溶接部１９６等）の数は、肋材１９４あたり１０～５０個の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１０～４０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１０～３０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１０～２０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２０～５０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２０～４０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２０～３０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり３０～４０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり３５～４０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり４０～５０個の溶接部１９６である。
【0144】
ある実施例では、スポット溶接部の形態にあるときの溶接部１９６間の距離は、Ｘ方向およびＹ方向において独立して、約２５ｍｍ～約２００ｍｍ、例えば、約２５ｍｍ～約１５０ｍｍ、約２５ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約２５ｍｍ～約７５ｍｍ、約２５ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約２００ｍｍ、約５０ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約５０ｍｍ～約１００ｍｍ、約５０ｍｍ～約７５ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約２００ｍｍ、約７５ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約１００ｍｍ、約１００ｍｍ～約２００ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約１５０ｍｍである。
【0145】
ある実施例では、線溶接部または線区画溶接部の形態にある、肋材１９４あたりの溶接部１９６の数は、肋材１９４あたり１～７５個の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１～７０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１～６０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１～５０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１～４０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１～３０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１～２０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１～１０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２～７５個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２～７０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２～６０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２～５０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２～４０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２～３０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２～２０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２～１０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１０～７５個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１０～７０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１０～６０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１０～５０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１０～４０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり１０～３０個の溶接部１９６、肋材１９４あたり１０～２０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり２５～７５個の溶接部１９６、肋材１９４あたり２５～５０個等の溶接部１９６、例えば、肋材１９４あたり５０～７５個の溶接部１９６、肋材１９４あたり６０～７５個等の溶接部１９６である。
【0146】
ある実施例では、線溶接部または線区画溶接部の形態にあるときの溶接部１９６間の距離は、Ｘ方向およびＹ方向において独立して、約４０ｍｍ～約２００ｍｍ、例えば、約４０ｍｍ～約１５０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約７５ｍｍ、約７５ｍｍ～約２００ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約１５０ｍｍ、約７５ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約１００ｍｍ～約２００ｍｍ、約１００ｍｍ～約１５０ｍｍ等、例えば、約１５０ｍｍ～約２００ｍｍである。
【0147】
ある実施例では、１つまたはそれを上回る肋材１９４が、１つまたはそれを上回る切り欠き２０８を備え、溶接部１９６が、切り欠き２０８間に形成される肋材１９４の隆起部に電極１９８を溶接する、１つまたはそれを上回る線区画を備えるとき、特定の溶接部１９６の線区画は、切り欠き２０８間の隆起部の全長に沿って、または切り欠き２０８間の隆起部の部分長のみに沿って延設されることができる。ある実施例では、線区画溶接部１９６の長さは、切り欠き２０８間の隆起部の長さである、または線区画溶接部１９６の長さは、約０．２５ｍ～約１ｍ、例えば、約０．２５ｍ～約０．８ｍ、約０．２５ｍ～約０．６ｍ等、例えば、約０．２５ｍ～約０．５ｍ、約０．２５ｍ～約０．４ｍ等、例えば、約０．２５ｍ～約０．３ｍ、約０．５ｍ～約１ｍ等、例えば、約０．５ｍ～約０．８ｍ、約０．５ｍ～約０．６ｍ等、例えば、約０．６ｍ～約１ｍ、約０．６ｍ～約０．８ｍ等、例えば、約０．７ｍ～約１ｍ、約０．７ｍ～約０．８ｍ等、例えば、約０．８ｍ～約１ｍである。
【0148】
ある実施例では、２つの隣接する線区画溶接部１９６間の距離は、約５ｍｍ～約１００ｍｍ、例えば、約５ｍｍ～約８０ｍｍ、約５ｍｍ～約６０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約５０ｍｍ、約５ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約３０ｍｍ、約５ｍｍ～約２０ｍｍ等、例えば、約５ｍｍ～約１０ｍｍ、約１０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約５０ｍｍ、約１０ｍｍ～約４０ｍｍ等、例えば、約１０ｍｍ～約３０ｍｍ、約１０ｍｍ～約２０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約１００ｍｍ、約２０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約２０ｍｍ～約４０ｍｍ、約２０ｍｍ～約３０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約１００ｍｍ、約３０ｍｍ～約５０ｍｍ等、例えば、約３０ｍｍ～約４０ｍｍ、約４０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約４０ｍｍ～約５０ｍｍ、約５０ｍｍ～約１００ｍｍ等、例えば、約７５ｍｍ～約１００ｍｍである。
【0149】
実施例では、各溶接部１９６の断面積は、約６平方ミリメートル（ｍｍ２）～約３，３００ｍｍ２、例えば、約６ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約６ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約６ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２、約６ｍｍ２～約５００ｍｍ２等、例えば、約６ｍｍ２～約３００ｍｍ２、約６ｍｍ２～約１００ｍｍ２等、例えば、約５０ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２、約５０ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２等、例えば、約５０ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２、約５０ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２等、例えば、約５０ｍｍ２～約５００ｍｍ２、約５０ｍｍ２～約３００ｍｍ２等、例えば、約５０ｍｍ２～約１００ｍｍ２、約１００ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２等、例えば、約１００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約１００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約１００ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２、約１００ｍｍ２～約５００ｍｍ２等、例えば、約１００ｍｍ２～約３００ｍｍ２、約５００ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２等、例えば、約５００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約５００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約５００ｍｍ２～約１，０００ｍｍ２、約１，０００ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２等、例えば、約１，０００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約１，０００ｍｍ２～約２，０００ｍｍ２等、例えば、約２，０００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２、約２，５００ｍｍ２～約３，０００ｍｍ２等である。
【0150】
ある実施例では、溶接部１９６の幾何学形状、間隔または密度、および／または断面積は、溶接部１９６の総断面積に対する電極１９８の断面積の比が、約１５：１～約２，０００：１、例えば、約１５：１～約１，０００：１、約１５：１～約５００：１等であるようなものである。
【0151】
ある実施例では、溶接部１９６の幾何学形状、間隔または密度、および／または断面積は、セル１９０がその最大電流密度において動作しているときの各溶接部１９６を通した電流密度が、１平方ミリメートルあたり約２０アンペア（Ａ／ｍｍ２）またはそれを下回る、例えば、約１９Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、１８Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約１７Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、約１６Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約１５Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、約１４Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約１３Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、約１２．５Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約１２Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、約１１Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約１０Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、約９Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る値等である、例えば、約８Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、または約５Ａ／ｍｍ２～約２０Ａ／ｍｍ２、約７．５Ａ／ｍｍ２～約１５Ａ／ｍｍ２等、例えば、約７．５Ａ／ｍｍ２～約１０Ａ／ｍｍ２であるようなものである。
【0152】
１つの特定のかつ非限定的実施例では、溶接部１９６は、スポット溶接部の形態にあり、肋材１９４あたり１０～５０個の溶接部１９６が、存在し、隣接するスポット溶接部１９６間の距離は、（Ｘ方向およびＹ方向において独立して）約２５ｍｍ～約２００ｍｍであり、各スポット溶接部１９６の断面積は、約６ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２であり、各スポット溶接部１９６を通した電流密度は、６Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、例えば、４Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る。別の特定のかつ非限定的実施例では、溶接部１９６は、線溶接部の形態にあり、肋材１９４あたり１～７５個の溶接部１９６が、存在し、隣接する線溶接部１９６間の距離は、（Ｘ方向およびＹ方向において独立して）約４０ｍｍ～約２００ｍｍであり、各線溶接部１９６の断面積は、約６ｍｍ２～約３，３００ｍｍ２であり、各線溶接部１９６を通した電流密度は、６Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る、例えば、４Ａ／ｍｍ２またはそれを下回る。
【0153】
ある実施例では、アノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方のための受皿アセンブリ１４０、１６０、１９０に関して上記に説明される構造のうちの１つまたは任意の組み合わせを伴う受皿アセンブリを備える、電気化学セル１００は、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約１，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約８００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約６００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約５００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約１，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約８００ｍＡ／ｃｍ２、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約６００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約１，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約６００ｍＡ／ｃｍ２～約８００ｍＡ／ｃｍ２、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約８００ｍＡ／ｃｍ２～約１，０００ｍＡ／ｃｍ２、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約２，０００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２、約２，０００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約２，０００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２、約２，０００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３，０００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３，０００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３，０００ｍＡ／ｃｍ２～約４，０００ｍＡ／ｃｍ２、約４，０００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約４，０００ｍＡ／ｃｍ２～約５，０００ｍＡ／ｃｍ２、約５，０００ｍＡ／ｃｍ２～約６，０００ｍＡ／ｃｍ２等の電流密度において動作することができる。いくつかの実施例では、アノード半セル１１１およびカソード半セル１２１のうちの一方または両方のための受皿アセンブリ１４０、１６０、１９０のうちのいずれか１つを備える、電気化学セル１００は、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約１，０００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約８００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約６００ｍＡ／ｃｍ２、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約５００ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約３００ｍＡ／ｃｍ２～約４００ｍＡ／ｃｍ２の高電流密度において動作する。
【0154】
ある実施例では、受皿アセンブリ１４０、１６０、１９０に関して上記に説明される構造のうちの１つまたは任意の組み合わせを備える、受皿アセンブリは、電解質（アノード受皿アセンブリを通したアノード液またはカソード受皿アセンブリを通したカソード液のいずれか）の高流量、例えば、１時間あたり約２００キログラム（ｋｇ／時間）～約１０，０００ｋｇ／時間、約２００ｋｇ／時間～約９，０００ｋｇ／時間等、例えば、約２００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間、約２００ｋｇ／時間～約７，０００ｋｇ／時間等、例えば、約２００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間、約２００ｋｇ／時間～約５，０００ｋｇ／時間等、例えば、約２００ｋｇ／時間～約４，０００ｋｇ／時間、約２００ｋｇ／時間～約３，０００ｋｇ／時間等、例えば、約２００ｋｇ／時間～約２，０００ｋｇ／時間、約２００ｋｇ／時間～約１，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間、約５００ｋｇ／時間～約９，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間、約５００ｋｇ／時間～約７，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間、約５００ｋｇ／時間～約５，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５００ｋｇ／時間～約４，０００ｋｇ／時間、約５００ｋｇ／時間～約３，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５００ｋｇ／時間～約２，０００ｋｇ／時間、約５００ｋｇ／時間～約１，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間、約８００ｋｇ／時間～約９，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間、約８００ｋｇ／時間～約７，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間、約８００ｋｇ／時間～約５，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８００ｋｇ／時間～約４，０００ｋｇ／時間、約８００ｋｇ／時間～約３，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８００ｋｇ／時間～約２，０００ｋｇ／時間、約８００ｋｇ／時間～約１，０００ｋｇ／時間等、例えば、約１，０００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間、約１，０００ｋｇ／時間～約９，０００ｋｇ／時間等、例えば、約１，０００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間、約１，０００ｋｇ／時間～約７，０００ｋｇ／時間等、例えば、約１，０００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間、約１，０００ｋｇ／時間～約５，０００ｋｇ／時間等、例えば、約１，０００ｋｇ／時間～約４，０００ｋｇ／時間、約１，０００ｋｇ／時間～約３，０００ｋｇ／時間等、例えば、約１，０００ｋｇ／時間～約２，０００ｋｇ／時間、約３，０００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間等、例えば、約３，０００ｋｇ／時間～約９，０００ｋｇ／時間、約３，０００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間等、例えば、約３，０００ｋｇ／時間～約７，０００ｋｇ／時間、約３，０００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間等、例えば、約３，０００ｋｇ／時間～約５，０００ｋｇ／時間、約５，０００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間等、例えば、約５，０００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間、約５，０００ｋｇ／時間～約６，０００ｋｇ／時間等、例えば、約６，０００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間、約６，０００ｋｇ／時間～約８，０００ｋｇ／時間等、例えば、約８，０００ｋｇ／時間～約１０，０００ｋｇ／時間に適応することができる。
【0155】
ある実施例では、受皿アセンブリ１４０、１６０、１９０に関して上記に説明される構造のうちの１つまたは任意の組み合わせを備える、受皿アセンブリは、０．１ｍ／秒またはそれを下回る、例えば、０．０８ｍ／秒またはそれを下回る、０．０５ｍ／秒またはそれを下回る値等である、例えば、０．０１ｍ／秒またはそれを下回る、受皿アセンブリ１４０、１６０、１９０を通した電解質の空塔液体速度を提供することができる。
【0156】
温度制御
電気化学セル内の温度の制御は、セルの動作のために重要であることができる。動作時、セルを通した電流密度は、多くの場合、例えば、（下記に説明されるように）電力価格の増減を利用するように変動されることができる。分離器の性能および寿命を最大限化するために、概して、分離器を温度の小さい範囲内に維持することが、好まれる。電流密度が有意に変化される間に、電気化学セルの中への電解質入口の温度が、一定または実質的に一定に保持される場合、分離器における温度は、有意に変動するであろう。
電気化学セル内の温度の制御は、セルの動作のために重要であることができる。動作時、セルを通した電流密度は、多くの場合、例えば、（下記に説明されるように）電力価格の増減を利用するように変動されることができる。分離器の性能および寿命を最大限化するために、概して、分離器を温度の小さい範囲内に維持することが、好まれる。電流密度が有意に変化される間に、電気化学セルの中への電解質入口の温度が、一定または実質的に一定に保持される場合、分離器における温度は、有意に変動するであろう。
【0157】
本発明者らは、電気化学セル１００のアノード半セルおよびカソード半セルを通した電解質の流量が、電解質出口流の結果として生じる温度が、入口流のために便宜的な温度を使用して、最も高い予期される動作電流密度における、規定された範囲内に維持され得るように設定され得ることを発見している。図２１は、セル３００内の分離器３３１の温度を維持するための温度制御のために構成される、例示的電気化学セル３００を示す。セル３００は、図１に関して上記に説明される、例示的セル１００に類似する。例えば、セル１００のように、電気化学セル３００は、２つの半セル、すなわち、第１の半セル３１１と、第２の半セル３２１とを備える。ある実施例では、第１および第２の半セル３１１、３２１は、膜３３１等の分離器３３１によって分離される。
【0158】
第１の半セル３１１は、分離器３３１に近接して設置され得る、第１の電極３１２を備えることができ、第２の半セル３２１は、例えば、第１の電極３１２から分離器３３１の反対側における、分離器３３１に近接して設置され得る、第２の電極３２２を備えることができる。ある実施例では、第１の電極３１２は、セル３００のためのアノードであり、第２の電極３２２は、セル３００のためのカソードであり、したがって、第１の半セル３１１は、アノード半セル３１１とも称され得、第１の電極３１２は、アノード３１２とも称され得、第２の半セル３２１は、カソード半セル３２１とも称され得、第２の電極３２２は、カソード３２２とも称され得る。電極３１２、３２２はそれぞれ、限定ではないが、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の白金族金属の高分散金属または合金、または白金－ロジウム、白金－ルテニウム、または酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）でコーティングされるニッケルメッシュ等のそれらの組み合わせ等の１つまたはそれを上回る電気触媒でコーティングされ、水素ガス（Ｈ２ガス）および／または酸素ガス（Ｏ２ガス）に向かう反応を加速させることができる。
【0159】
アノード３１２は、外部の正導体３１６に電気的に接続されることができ、カソード３２２は、外部の負導体３２６に電気的に接続されることができる。分離器３３１が、湿潤しており、電極３１２および３２２と電解接触しており、適切な電圧が、導体３１６および３２６を横断して印加されると、Ｏ２ガスが、アノード３１２において遊離される、またはＨ２ガスが、カソード３２２において遊離される、または両方である。ある構成では、電解質、例えば、水中のＫＯＨの溶液から成るものが、半セル３１１、３２１の中に給送される。例えば、電解質は、第１の電解質入口３１４を通してアノード半セル３１１の中に、および第２の電解質入口３２４を通してカソード半セル３２１の中に流入することができる。ある実施例では、アノード半セル３１１を通した電解質の流動は、生産されたＯ２ガスを、第１の出口３１５を通してアノード半セル３１１から退出する、気泡３１３として捕捉することができる。同様に、カソード半セル３２１を通した電解質の流動は、生産されたＨ２ガスを、第２の出口３２５を通してカソード半セル３２１から退出し得る、気泡３２３として捕捉することができる。
【0160】
ルックアップテーブルを参照することによって、オペレータは、入口流３１４、３２４の温度を、出口流３１５、３２５の結果として生じる温度が有意に増減しないように、例えば、出口流３１５、３２５の温度が標的温度の規定された温度分散内にあるように、セル３００が現在起動している電流密度の関数として設定することができる。別の実施例では、入口流３１４、３２４の温度は、分離器３３１の温度を（出口流３２５、３１５のうちの一方または両方の温度を測定し、出口流３１５、３２５の温度および動作電流密度のうちの１つまたはそれを上回るものに基づいて分離器３３１の温度を計算することによって決定され得る）一定または実質的に一定の設定点に維持するために、変動されることができる。ある実施例では、入口温度制御は、プログラマブル論理コントローラ（「ＰＬＣ」）等の１つまたはそれを上回るコントローラ３４０、３４２（例えば、第１の入口流３１４の温度制御のために構成される、第１のコントローラ３４０および第２の出口流３２５の温度に基づく第２の出口流３２４の温度制御のために構成される、第２のコントローラ３４２）を通して自動化される。温度制御は、電流密度設定（例えば、電極３１２、３２２の面積あたりの電解槽セル３００を横断した電流）、電解槽セル３００を横断した電圧、および対応する出口流３１５、３２５の温度のうちの１つまたはそれを上回るものに結び付けられることができる。いくつかの実施例では、温度制御は、比例積分微分（「ＰＩＤ」）コントローラ、またはフィードフォワード制御方式、または両方を使用して自動化されることができる。ある実施例では、入口温度制御は、電流密度設定点および電解槽セル３００を横断して観測される電圧に基づく、フィードフォワード制御を介して制御される。別の実施例では、電流密度によるフィードフォワード制御に加えて、対応する電解質出口３１５、３２５の温度もまた、緩徐な応答のために調整されたＰＩＤコントローラを介して入口３１４、３２４の温度を制御するために使用されることができ、これは、出口３１５、３２５の温度が、フィードフォワードコントローラからの高速応答の後に入口３１４、３２４の温度を微調整することを可能にすることができる。
【0161】
図２１に示されるある実施例では、入口流３１４、３２４の温度の制御は、高温の電解質が電解質出口３１５、３２５から対応する電解質入口３１４、３１５に流動するにつれて、その戻り量の少なくとも一部を冷却し得る、冷却熱交換器３４４、３４６を用いた混合方式を使用して効果的に遂行される。図２１の実施例では、第１の冷却熱交換器３４４は、アノード半セル３１１から退出する第１の出口流３１５の電解質を、これが第１の入口流３１４に再循環される前に冷却するために構成される。類似の第２の冷却熱交換器３４６は、カソード半セル３２１から退出する第２の出口流３２５の電解質を、これが第２の入口流３２４に再循環される前に冷却するために構成される。ある実施例では、電解質再循環構成は、電解質のバイパス部分が冷却されず、電解質出口３１５、３２５において高温またはその近傍に留まるように、再循環電解質の一部または全てが冷却熱交換器３４４、３４６をバイパスすることを可能にするように構成される、バイパスライン３５０、３５２（例えば、第１の冷却熱交換器３４４をバイパスするための第１のバイパスライン３５０および第２の冷却熱交換器３４６をバイパスするための第２のバイパスライン３５２）を含むことができる。対応するバイパス制御弁３５４、３５６が、冷却熱交換器３４４、３４６を通して流動する再循環電解質の比率と、バイパスライン３５０、３５２を通して流動するであろう、比率とを変調させるために含まれることができる（例えば、第１の冷却熱交換器３４４および第１のバイパスライン３５０を通した流動を変調させるための第１の制御弁３５４および第２の冷却熱交換器３４６および第２のバイパスライン３５２を通した流動を変調させるための第２の制御弁３５６）。図２１に示される実施例では、バイパス制御弁３５４、３５６は、バイパスライン３５０、３５２上に据え付けられる。しかしながら、当業者は、制御弁が、冷却熱交換器３４４、３４６の中に給送される入口ラインまたは冷却熱交換器３４４、３４６から退出する出口ラインに位置付けられ得、これが、依然として、熱交換器３４４、３４６およびバイパスライン３５０、３５２を通して流動する電解質の比率を変調させる、同一の効果を達成するであろうことを理解するであろう。
【0162】
冷却熱交換器３４４、３４６およびバイパスライン３５０、３５２を通して流動する流は、次いで、混合され、規定された設定点温度を達成する。例えば、入口３１４、３２４を介してセル３００に給送される電解質の温度が、その現在の温度より高いことが所望される場合、制御弁３５４、３５６は、比較的により少量の電解質が、冷却熱交換器３４４、３４６によって冷却され、したがって、２つの流を混合した後の電解質の温度がより高くなるように、バイパスライン３５０、３５２を通して流動する電解質の比率に対して、より低い比率の電解質が冷却熱交換器３４４、３４６を通して流動するように制御されることができる。同様に、セル３００に給送される電解質の温度が、その現在の温度より低いことが所望される場合、制御弁３５４、３５６は、比較的より多い量の電解質が、冷却熱交換器３４４、３４６によって冷却され、したがって、２つの流を混合した後の電解質の温度がより低くなるように、バイパスライン３５０、３５２を通して流動する比率に対して、より高い比率の電解質が、冷却熱交換器３４４、３４６を通して流動するように制御されることができる。
【0163】
ある実施例では、混合点の下流に位置する、流量制御弁３６０、３６２（例えば、第１の入口３１４への電解質の流量を制御するための第１の流量制御弁３６０および第２の入口３２４への電解質の流量を制御するための第２の流量制御弁３６２）が、入口３１４、３２４への電解質の給送流量が一定または実質的に一定であるままであることを確実にすることができる。別の実施例（図示せず）では、（図２１の制御弁３５４、３５６に類似する）温度制御弁は、冷却熱交換器３４４、３４６を通した流量を制御することができ、流量制御弁は、熱交換器バイパスライン３５０、３５２を通した流量を制御することができる。ある実施例では、冷却熱交換器３４４、３４６は、冷却熱交換器３４４、３４６およびバイパスライン３５０、３５２の組み合わせが適正な温度制御および流量制御を提供し得るように、（熱交換器３４４、３４６が適応し得る流量または熱交換器３４４、３４６の熱交換容量の観点から）少なくともわずかに増寸される。本発明者らは、電解質入口流３１４、３２４のための本タイプの温度制御が、冷却熱交換器３４４、３４６に給送されている冷却水の量を変更することによって入口流３１４、３２４の温度を制御することと比較して、高速かつ線形または略線形の入口温度制御を提供し得ることを見出している。
【0164】
入口３１４、３２４の高速線形温度制御と電流密度またはセル３００を横断して観察された電圧または両方に基づいた入口温度設定点を設定する、フィードフォワードコントローラの組み合わせは、電流密度を変更するとき（例えば、下記により詳細に説明されるように、電気価格付けの変化を考慮するためにＨ２生産率を変更するためにセル３００を横断して印加されている電流密度を変更するとき）、出口流３１５、３２５のための安定した温度制御を提供することができる。このような迅速な温度管理は、電流密度の急速な変化を補償しながら、セル３００の分離器３３１、電極３１２、３２２、および他の構成要素に対する熱衝撃を最小限化することができる。
改良された全体的運営経費のための動的セル動作
改良された全体的運営経費のための動的セル動作
【0165】
上記に説明される電解槽セルおよび他の支持装置の種々の構造側面、すなわち、（図３－８に関して上記に説明されるような）高ガス生産率および高電解質流量に適応するための例示的受皿アセンブリ１４０のマニホールド１４４および出口管１４６構成、（図９－１５に関して上記に説明されるように）高ガス生産率および高電解質流量にさらに適応し、受皿アセンブリを通して流動する電解質内での温度分布を補助するための例示的受皿アセンブリ１６０のバッフルプレートアセンブリ１６２、（図１６－１９および２０Ａ－２０Ｃに関して上記に説明されるような）電力および電流分配および改良された温度分布のために電極１９８を肋材１９４に結合するための肋材１９４および溶接部１９６、および（図２１に関して上記に説明されるように）電流密度の変化に応答してセルの動作の間に電解質温度を維持するための温度制御サブシステムは、水電解Ｈ２ガス発生システム全体が柔軟であり、広い範囲の動作パラメータに動的に適応することを可能にする。具体的には、本明細書に説明される構造的および体系的側面は、電解槽セルが広い範囲の電流密度にわたって動作しながら、依然として、発熱、温度増減、およびガス生産率の広い不等性に適応することが可能であることを可能にすることができる。例えば、これらの特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを備える、電解槽セルは、１平方センチメートルあたり約１５０ミリアンペア（ｍＡ／ｃｍ２）と同程度に低い値～約３，０００ｍＡ／ｃｍ２と同程度に高い値、約２５０ｍＡ／ｃｍ２～約２，７５０ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２～約２，５００ｍＡ／ｃｍ２、約７５０ｍＡ／ｃｍ２～約２，２５０ｍＡ／ｃｍ２等、例えば、約１，０００ｍＡ／ｃｍ２～約２，０００ｍＡ／ｃｍ２のダイナミックレンジにわたる電流密度において動作することができる。本明細書に説明される構造的および体系的側面はまた、電解槽セルが、広い範囲の電解質流量およびガス生産率に適応しながら、依然として、電解槽セルを通した、および／または電解槽セルから退出する電解質または生産されたガスのスラグまたはプラグ流を低減または最小限化することを可能にする。
【0166】
これらの構造的および体系的側面は、電解槽セルが、電気の需要および／または電気の価格が規定される閾値を下回るとき、および／または電気の需要および／または電気の価格が減少しているときの周期の間に、規定される電流密度より高い電流密度、および／または規定されるガス生産率より高いＨ２ガス生産率（すなわち、全体としての電解槽セルに関する、またはプラントに関する「公称」電流密度および／または「公称」Ｈ２ガス生産率）において動作されることを可能にすることができ、これは、以降、電気の需要および／または電気の価格が規定される閾値を下回る状況を利用するための「負荷獲得」とも称されるであろう。同様に、電解槽セルは、電気の需要および／または電気の価格が規定される閾値を上回るとき、および／または価格および／または需要が増加しているときの周期の間に、規定される電流密度より低い電流密度、および／または規定されるガス生産率より低いＨ２ガス生産率（すなわち、全体としての電解槽セルに関する、またはプラントに関する「公称」電流密度および／または「公称」Ｈ２ガス生産率）において動作されるように構成され、これは、以降、電気の需要および／または電気の価格が規定される閾値を上回る状況、または価格または需要が増加しているときを利用するための「負荷削減」とも称されるであろう。いくつかの実施例では、本明細書に説明される電解槽は、０．１５Ａ／ｃｍ２～３．０Ａ／ｃｍ２の電流密度値の範囲内で動作するように構成される。しかしながら、３．０Ａ／ｃｍ２を上回る、および／または０．１５Ａ／ｃｍ２を下回る電流密度値を含む、他の範囲および値の電流密度も、本明細書に説明される電解槽および方法との併用のために好適であることを理解されたい。
【0167】
当業者によって理解されるであろうように、電気の価格または需要は、電解槽セルの場所に応じて大いに変動し得る。したがって、本明細書において別様に記載されない限り、電気に言及するときに本明細書で使用されるような用語「価格」または「需要」は、電解槽セルが位置する関連のある領域内の電気の価格または需要である。
【0168】
本明細書に説明される電解槽セルはまた、従来の水分解電解セルと比較して、比較的に低い資本支出（「ＣａｐＥｘ」）において製造されることができる。本明細書で使用されるように、用語「資本支出」および「ＣａｐＥｘ」は、電解槽セルおよび支持機器（例えば、配管、脱イオン水発生部、電解質および水循環のためのポンプ、ガス処理および貯蔵部、電気整流器、電気変圧器、および電気バス接続部）を工学設計、設計、調達、および構築するために被られる資本経費を指す。
【0169】
本開示の電解槽セルを設計および構築するために要求される比較的に低いＣａｐＥｘコストは、電解槽セルが、（そのためにプラント全体が設計されている、公称の所望のＨ２ガス生産率に対応する）「公称」電流密度、例えば、そのために電解槽セルが設計されている最適な電流密度と関連付けられる電流密度より高い、最大電流密度に適応することが可能であるように設計されることを可能にすることができる。言い換えると、全体的プラントが、（特定のセルサイズおよび公称電流密度に対応する）平均Ｈ２ガス生産容量のために設計される場合、セルは、セルの設計を不経済にすることなく、電解槽セルがより高い電流密度（したがって、より高いＨ２ガス生産率）を達成することを可能にする、上記に説明される構造特徴のうちの１つまたはそれを上回るものとともに設計されることができる。例えば、プラント全体のために設計されるＨ２ガス生産率は、約１Ａ／ｃｍ２の公称動作電流密度に変換されてもよい。但し、本開示によると、電解槽セルは、負荷獲得の状況において規定される閾値および／または減少する需要および／または価格を下回る、電気需要および／または価格を利用することが可能であるために、それらが、約１．５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、例えば、約１．６Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約１．７Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約１．７５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約１．８Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約１．９Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．１Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２．２Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．２５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２．３Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．４Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２．５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．６Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２．７Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．７５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約２．８Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約２．９Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約３Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約３．１Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約３．２Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約３．２５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約３．３Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である、例えば、約３．４Ａ／ｃｍ２またはそれより高い、約３．５Ａ／ｃｍ２またはそれより高い値等である電流密度等の、実質的により高い電流密度に対処し得るように、設計されることができる。同様に、セルのための支持機器（例えば、配管、脱イオン水発生部、電解質および水循環のためのポンプ、ガス処理および貯蔵部、電気整流器、電気変圧器、および電気バス接続部）も、潜在的な負荷獲得状況および負荷獲得と関連付けられる、より高い熱分布およびより大規模なＨ２ガス取扱要件を利用するために、公称Ｈ２ガス生産率および公称電流密度に関して要求されるであろうものに対して「増寸」されてもよい。
【0170】
本明細書に説明される電解槽セルおよびそれらの支持機器の比較的に低いＣａｐＥｘは、これが、依然として、資本投資の観点から、電気の需要および／または価格が閾値を上回る、および／または需要および／または価格を増加させているときに全体的運営支出（「ＯｐＥｘ」）を低減させるために負荷削減を行うときに、（負荷獲得状況と関連付けられる、規定される電流密度または規定されるＨ２ガス生産率と同一である、またはそれと異なり得、例えば、規定される電流密度は、ある割合の公称電流密度であり得る、および／または規定されるＨ２ガス生産率は、ある割合の公称Ｈ２ガス生産率であり得る）規定される電流密度より低い電流密度および／または規定されるガス生産率より低いＨ２ガス生産率において本開示の電解槽セルを動作させることが経済的であり得るようなものである。本明細書で使用されるように、用語「運営支出」および「ＯｐＥｘ」は、限定ではないが、電気コスト、運営労働、定期的継続保守、保険、工学および監督運営、短期的消耗品、および販売および管理経費を含み得る、電解槽セルおよび他の支持機器を用いて水素ガスを発生させることの継続的コストを指す。対照的に、より高いＣａｐＥｘコストを有する、典型的電解槽セルは、典型的電解槽セルのＣａｐＥｘが非常に高いため、これがＯｐＥｘを低減させる場合でも、負荷削減状況において水素を経済的に生産することはできない。
【0171】
本開示の電解槽セルおよびシステム全体は、電解槽セルが既存の電解槽セルと比較して効果的かつ効率的に負荷削減および負荷獲得することが可能である、電流密度の動的制御を可能にする。下記により詳細に説明されるように、広い範囲の電流密度およびガス生産率にわたって動作するための電解槽セルの能力は、Ｈ２ガス生産のための平均コストが、低減され、いくつかの事例においては本システムの長期間動作の過程にわたって最小限化されるように、本明細書に説明されるシステムおよび方法がＨ２ガス生産のための電解槽セルの方略的かつ動的動作を提供することを可能にする。ある実施例では、電解槽セルは、１平方センチメートルあたり１アンペア（Ａ／ｃｍ２）またはそれを上回る最大電流密度（対応する最大Ｈ２ガス生産率をもたらす）、例えば、約１．５Ａ／ｃｍ２の最大達成可能電流密度、例えば、約２．０Ａ／ｃｍ２の最大達成可能電流密度、例えば、約２．５Ａ／ｃｍ２、例えば、約３Ａ／ｃｍ２の最大達成可能電流密度、例えば、約３．５Ａ／ｃｍ２の最大達成可能電流密度において動作されるように設計されることができる。加えて、本開示の電解槽セルおよびシステム全体は、１平方センチメートルあたり約７５０ミリアンペア（ｍＡ／ｃｍ２）またはそれ未満の最小の経済的に実行可能な電流密度（対応する最小Ｈ２ガス生産率をもたらす）、例えば、約６００ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度、例えば、約５００ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度、例えば、約４００ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度、約３００ｍＡ／ｃｍ２等の最小の経済的に実行可能な電流密度、例えば、約２５０ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度、例えば、約２００ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度、例えば、約１５０ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度における経済的動作を可能にすることができる。したがって、電解槽セルのための最大達成可能電流密度が約３Ａ／ｃｍ２（すなわち、約３，０００ｍＡ／ｃｍ２）、および約１５０ｍＡ／ｃｍ２の最小の経済的に実行可能な電流密度である、実施例では、電解槽セルは、約５％と同程度に低い最大達成可能電流密度（すなわち、３，０００ｍＡ／ｃｍ２の５％である、１５０ｍＡ／ｃｍ２）において動作することが可能であり、これは、電解槽セルが９５％の負荷削減および負荷獲得動作範囲（すなわち、最大達成可能電流密度の５％～１００％）を有することを意味する。
【0172】
高電流密度および低電流密度において動的に動作するための電解槽セルの能力は、オペレータが、電気価格および／または需要が低い、および／または減少しているとき、電気価格および／または電気需要および負荷獲得に、および電気価格および／または需要が高い、および／または増加しているときに負荷削減に動的に応答することを可能にすることができる。例えば、電気の需要がある期間にわたって増加する場合、電解槽セルのためのＯｐＥｘは、電解槽セルの動作電流密度が動的に減少されない限り、電気の価格の増加に起因して、同一の期間にわたって対応する量だけ増加するであろう。したがって、負荷削減状況では、電流密度の動的低下は、ＯｐＥｘを動的に低減させ、需要の増加と関連付けられるＯｐＥｘの予期される上昇に対抗する効果を有する。
【0173】
言い換えると、電解槽セルの動作電流密度は、電気の需要および／または電気の価格が増減しているとき、ある期間に応答して変化されることができる。需要の増減は、需要の増加（例えば、第１の期間の間の需要が後続の第２の期間の間より低い場合）または需要の減少（例えば、第１の期間の間の需要が後続の第２の期間の間より高い場合）を含むことができる。同様に、価格の増減は、価格の増加（例えば、第１の期間の間の電気の価格が後続の第２の期間の間より低い場合）または価格の減少（例えば、第１の期間の間の電気の価格が後続の第２の期間の間より高い場合）を含むことができる。電解槽セルの動的動作は、電気の需要および／または電気の価格が夜間時間から午後の中頃から夕方頃にわたる期間等の間に増減することが公知である（すなわち、増加または減少することが公知である）時間の周期の間に特に有用であることができる。
【0174】
電解槽セルは、最大容量を達成するように設計されることができる。本明細書で使用されるように、電解槽セルに言及するときの用語「最大容量」は、電解槽セルが確実に達成し得る最大電流密度を指す（セルの分離器に対する損傷を回避または最小限化すること、および／またはガスまたは電解質のスラグまたはプラグ流を伴うことなくセル内で生産されているガスを除去するために発生された熱を消散させるための電解槽セルの能力を考慮する）。ある実施例では、最大容量電流密度は、１．５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、例えば、１．６Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、１．７Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、１．７５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、１．８Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、１．９Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．１Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．２Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．２５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．３Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．４Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．６Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．７Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．７５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．８Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、２．９Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３．１Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３．２Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３．２５Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３．３Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、３．４Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る、または２．５Ａ／ｃｍ２である。
【0175】
ある実施例では、「負荷削減」（すなわち、電解槽セルの動作電流密度が、高いまたは増加する電気需要または価格に応答して低減される状況）は、電解槽セルの動作電流密度を最大容量の３０％またはそれを下回る値、例えば、最大容量の２９％またはそれを下回る値、最大容量の２８％またはそれを下回る値、最大容量の２７％またはそれを下回る値、最大容量の２６％またはそれを下回る値、最大容量の２５％またはそれを下回る値、最大容量の２４％またはそれを下回る値、最大容量の２３％またはそれを下回る値、最大容量の２２％またはそれを下回る値、最大容量の２１％またはそれを下回る値、最大容量の２０％またはそれを下回る値、最大容量の１９％またはそれを下回る値、最大容量の１８％またはそれを下回る値、最大容量の１７．５％またはそれを下回る値、最大容量の１７％またはそれを下回る値、最大容量の１６％またはそれを下回る値、最大容量の１５％またはそれを下回る値、最大容量の１４％またはそれを下回る値、最大容量の１３％またはそれを下回る値、最大容量の１２．５％またはそれを下回る値、最大容量の１２％またはそれを下回る値、最大容量の１１％またはそれを下回る値、最大容量の１０％またはそれを下回る値、最大容量の９％またはそれを下回る値、最大容量の８％またはそれを下回る値、最大容量の７．５％またはそれを下回る値、最大容量の７％またはそれを下回る値、最大容量の６％またはそれを下回る値、または最大容量の５％またはそれを下回る値まで低減させることを含む。
【0176】
ある実施例では、「負荷獲得」（すなわち、電解槽セルの動作電流密度が、低いまたは減少する電気需要または価格に応答して増加される状況）は、動作電流密度を最大容量の７０％またはそれを上回る値、最大容量の７５％またはそれを上回る値、最大容量の７６％またはそれを上回る値、最大容量の７７％またはそれを上回る値、最大容量の７７．５％またはそれを上回る値、最大容量の７８％またはそれを上回る値、最大容量の７９％またはそれを上回る値、最大容量の８０％またはそれを上回る値、最大容量の８１％またはそれを上回る値、最大容量の８２％またはそれを上回る値、最大容量の８２．５％またはそれを上回る値、最大容量の８３％またはそれを上回る値、最大容量の８４％またはそれを上回る値、最大容量の８５％またはそれを上回る値、最大容量の８６％またはそれを上回る値、最大容量の８７％またはそれを上回る値、最大容量の８７．５％またはそれを上回る値、最大容量の８８％またはそれを上回る値、最大容量の８９％またはそれを上回る値、最大容量の９０％またはそれを上回る値、最大容量の９１％またはそれを上回る値、最大容量の９２％またはそれを上回る値、最大容量の９２．５％またはそれを上回る値、最大容量の９３％またはそれを上回る値、最大容量の９４％またはそれを上回る値、最大容量の９５％またはそれを上回る値、最大容量の９６％またはそれを上回る値、最大容量の９７％またはそれを上回る値、最大容量の９７．５％またはそれを上回る値、最大容量の９８％またはそれを上回る値、最大容量の９８．５％またはそれを上回る値、最大容量の９９％またはそれを上回る値、最大容量の９９．５％またはそれを上回る値、最大容量の９９．９％またはそれを上回る値、または最大容量（すなわち、最大容量の１００％）まで増加させることを含む。
【0177】
ある実施例では、電解槽システム（すなわち、プラント内の電解槽セルの全てを備える）は、１時間あたり少なくとも約１キログラムのＨ２ガス（ｋｇ Ｈ２／時間）、少なくとも約１．５ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約５ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約１０ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約２５ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約５０ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約１００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約５００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約１，０００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約１，５００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約２，０００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約２，５００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約３，０００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約３，５００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約４，０００ｋｇ Ｈ２／時間、少なくとも約４，５００ｋｇ Ｈ２／時間、または少なくとも約５，０００ｋｇ Ｈ２／時間等を発生させることができる。ある実施例では、電解槽システムは、最大約３０，０００ｋｇ Ｈ２／時間、例えば、最大約２５，０００ｋｇ Ｈ２／時間、最大約２０，０００ｋｇ Ｈ２／時間、最大１５，０００ｋｇ Ｈ２／時間、または最大１０，０００ｋｇ Ｈ２／時間を発生させることができる。当業者によって理解されるであろうように、電解槽システムによって生産されるＨ２ガスの実際の質量は、各電解槽セルの面積、電解槽システム内の電解槽セルの数、および電解槽セルが動作されている電流密度を含む、多くの要因に依存するであろう。ある実施例では、電解槽セルに供給される電流の１アンペアあたりに理論的に発生され得るＨ２ガスの質量は、約３．７６１×１０－５ｋｇ Ｈ２／時間である。したがって、電解槽システムが発生させ得るＨ２ガスの理論的質量は、電解のために供給される総アンペアに等しく、これは、ひいては、電解槽セルに印加されている電流密度×電解槽セルの総面積（または電解槽セルあたり面積×セルの数×電流密度）に等しい。
【0178】
下記により詳細に解説されるように、動的に負荷獲得および負荷削減するための能力は、１キログラムあたりのＨ２ガス生産の全体的平均コスト（＄／ｋｇ）が、定常状態様式において動作される従来の電解槽セルを用いて可能であるものより低くなることをもたらすことができる。下記により詳細に説明されるいくつかの実施例では、本開示の動的な負荷獲得および負荷削減は、同一の量のＨ２ガスを生産するために要求される電気のコストの約２０％～約４０％またはそれを上回る（例えば、さらに５０％またはそれを上回る量と同程度に多い）低減を可能にすることができる。
【0179】
図２２は、テキサス州電気信頼性評議会（「ＥＲＣＯＴ」）によって収集されたデータによる、２４時間の期間（例えば、真夜中から翌日の真夜中まで）にわたる電気の典型的価格を図示する、グラフである。データライン４００は、１日の特定の時間における、１メガワット時間あたりの米国ドル単位における電気の平均価格（＄／ＭＷｈ）を表す。データライン４０２および４０４は、それぞれ、１日の各特定の時間における平均価格を上回る１つの標準偏差と、それを下回る１つの標準偏差とを表す。図２２によって見られ得るように、電気の価格は、時間１（すなわち、真夜中）から、その時点で平均価格が＄６０／ＭＷｈを上回るように大きい変動を伴ってかなり急激に上昇する、約時間１０（すなわち、午前９時）まで比較的に定常のままである傾向にある。高平均価格および高変動性は、その時点で平均価格が、１日の開始時に認められる、より安定した価格に向かって下方に降下し始める、約時間１９または時間２０（例えば、午後６～７時）まで、留まる。言い換えると、電気の価格は、夜間時間および早朝の時間の間には、低い傾向にあり、殆ど分散を有しておらず、次いで、日中および午後の時間の間に上昇する傾向にあり、大きい変動性を有する。負荷削減および負荷獲得によって電解槽セルを動的に動作させるための能力は、オペレータが、例えば、低い電気価格付けの周期の間（すなわち、図２２のグラフ内の時間１～１０および約時間２２の後等の夜間時間の間）に高負荷（すなわち、例えば、１Ａ／ｃｍ２等を上回る、規定される電流密度を上回る高電流密度）において電解槽セルを動作させ、次いで、高い電気価格付けの周期の間（すなわち、図２２のグラフ内の時間１０～２２の日中時間の間）に低負荷（すなわち、例えば、規定される電流密度を下回る低電流密度）において電解槽セルを動作させることを可能にし、本明細書に説明されるシステムおよび方法が、電気価格に動的に応答し、下記に説明されるように、従来の定常状態動作によって被られるであろうもの未満である、全体的電気コストを達成することを可能にすることができる。
【0180】
図２３は、電気価格付けの変化と、本明細書に説明されるシステムおよび方法が、電気の現在の価格を考慮しない、一定または実質的に一定である電流密度およびＨ２ガス生産率における電解槽セルの従来の動作と比較してＨ２ガス生産の全体的平均価格を低減させるために、負荷獲得および負荷削減様式において動的に動作され得る方法とを伴う、例示的シナリオを示す。データライン４０６は、完全な２日間の動作の過程にわたる、電気の増減する価格に対応する。ライン４０８は、電気価格が規定される下限価格閾値（例えば、図２３の実施例における１ＭＷｈあたり約＄２５）を下回るときの周期の間に電解槽セルが負荷獲得するように動作され、電気の価格が規定される下限価格閾値を超えると電流密度が漸減され、電気の価格が規定される上限価格閾値（例えば、図２３の実施例における１ＭＷｈあたり約＄４０）を超えると電解槽セルが遮断される（すなわち、０Ａ／ｃｍ２の電流密度において動作される）ときの同一の２日間の過程にわたる、種々の時間における、本開示による、電解槽セルの動作電流密度のデータ系列である。データライン４１０は、それにおいて電解槽セルが動作されるように設計される、「公称」電流密度（例えば、図２３の実施例のための約１Ａ／ｃｍ２）に対応する。言い換えると、データライン４１０は、そのためにそれらが設計された容量における電解槽セルの「従来」動作を表す。図２３に見られ得るように、電解槽セルが、公称電流密度において持続的に継続的に動作された場合、図２３のデータによって表される２日間にわたる電気の平均価格は、１ＭＷｈあたり＄２８であろう。
【0181】
図２３の実施例では、電解槽セルは、電気価格が規定される下限価格閾値を下回るとき（例えば、価格が図２３の実施例における、≦１ＭＷｈあたり＄２５であるとき）には、負荷獲得電流密度（例えば、約２Ａ／ｃｍ２）において動作され、電気の価格が規定される下限価格閾値と規定される上限価格閾値との間にあるときには、可変の負荷削減電流密度において動作され（例えば、価格が図２３の実施例における＄２５／ＭＷｈ～＄４０／ＭＷｈであるときには、電流密度は、電気価格に応じて０～２Ａ／ｃｍ２のある場所に設定され）、価格が規定される上限価格閾値を上回る場合には、停止される（例えば、価格が図２３の実施例における＄４０／ＭＷｈを上回るときには０Ａ／ｃｍ２の電流密度）。図２３に示される例示的シナリオでは、２日間の過程にわたる平均電流密度は、（データライン４１２によって表されるように）約１．６Ａ／ｃｍ２であり、これは、電解槽セルの従来動作の間の１Ａ／ｃｍ２の公称電流密度より約６０％高い（例えば、データライン４１０と関連付けられる電流密度を上回る）。また、２日間の動作の過程にわたって消費される電気の平均コストは、（データライン４１４によって表される）１ＭＷｈあたり約＄２２であり、これは、本開示の負荷獲得および負荷削減動作の間の電気のコストの約２０％の削減に対応する。言い換えると、図２３に示される例示的シナリオでは、電気コストは、電解槽セルの従来動作より実質的に低かった（すなわち、約＄２２／ＭＷｈ対約＄２８／ＭＷｈ、すなわち、同一の期間にわたる２０％より少ない電気コスト）だけではなく、同一の電解槽セルが、実質的により高い平均電流密度（すなわち、平均で約１．６Ａ／ｃｍ２対１Ａ／ｃｍ２、すなわち、約６０％より高い値）を達成することも可能であった。当業者によって理解されるであろうように、これは、（Ｈ２ガスの生産率が、電流密度に比例するため）同一の電解槽セルが、実質的により低い運営コストにおいて実質的により多くのＨ２ガスを生産することが可能であったことを意味する。
【0182】
図２３の例示的シナリオおよび閾値電気価格は、例証的目的のために提供されるにすぎず、本開示の範囲を限定することを意図していない。当業者は、電解槽セルの動作電流密度および動作電流密度の調節をトリガする閾値電気価格が、変動され得、さらに本開示によって包含されるであろうことを理解するであろう。上記に記載されるように、本開示の負荷獲得および負荷削減システムおよび方法に組み込まれ得る電解槽セルは、広い範囲の電流密度、例えば、約０．１５Ａ／ｃｍ２の下限から３Ａ／ｃｍ２またはそれを上回る上限までにわたって動作することができる。動作電流密度の本大きいダイナミックレンジは、オペレータが、かなりの柔軟性を伴って、負荷獲得電流密度から負荷削減電流密度に遷移し始めるための最小電気価格閾値と、負荷削減電流密度を動作させる、または電解槽セルを完全に閉鎖するための最大電気価格閾値とを選定することと、１つまたはそれを上回る中間動作電流密度を設定するための、１つまたはそれを上回る付加的中間価格閾値を含むこととを可能にすることができる。
【0183】
当業者はまた、価格閾値毎の特定の動作電流密度が、限定ではないが、特定の電解槽セルのための最適な電流密度（例えば、それ自体が電気の価格に依存し得る、消費される電気の１ＭＷあたりに生産されるＨ２ガスの質量に基づいてＨ２ガスを生産することにおいて最も効率的である電流密度）、電解槽セルが（例えば、生産されるガスを除去する、および／または発生された熱を消散させるための電解槽セルの能力に応じて）達成し得る最大電流密度、または種々の電流密度および１ＭＷｈあたり種々の電気価格における、電解槽セルに関して生産されるＨ２ガスの１キログラムあたりコストを含む、特定の電解槽セルの側面に基づいて選択され得ることを理解し得る。
【0184】
図２４および２５は、特定の電解槽セルに関するこれらの考慮点の実施例を示す。図２４は、特定の例示的電解槽セルに関するコスト曲線（ライン４１６によって表される）を示す。コスト曲線４１６は、電気の価格が＄２６．６／ＭＷｈであるときに異なる動作電流密度において生産される、Ｈ２ガスの１キログラムあたりの合計平準化コストに対応する。本実施例、すなわち、電解槽セルに関して、コスト曲線４１６は、生産されるＨ２ガスの１ｋｇあたり約＄１．９１の生産コストに対応する、約１．１２Ａ／ｃｍ２の電流密度において最小点４１８を有する。図２４のコスト曲線４１６は、本開示の負荷獲得および負荷削減方法が実践されている場合のコストではなく、電解槽セルが一定の電流密度において動作された場合のコストに対応する。言い換えると、コスト曲線４１６は、図２３のライン４１０に類似する、従来様式において動作されている、例示的電解槽セルに対応する。しかしながら、本開示の負荷獲得および負荷削減方法が、（例えば、図２３に関して上記に説明される実施例と同様に）実践される場合、（データ点４２０における）同一の例示的電解槽セルのために効果的な最適電流密度は、約１．６６Ａ／ｃｍ２まで上昇し（従来のコスト曲線４１６上の最小点４１８のための１．１９Ａ／ｃｍ２を上回る約４０％の増加）、Ｈ２の１キログラムあたりの平均コストは、約＄１．６９／ｋｇ Ｈ２（従来のコスト曲線４１６上の最小点４１８のための＄１．９１／ｋｇ Ｈ２と比較して約１１．５％の低減）まで低減される。
【0185】
図２５は、電気の価格の関数としての特定の例示的電解槽セルのための（データライン４２２によって表される）最適な電流密度のグラフを示す。本明細書で使用されるように、用語「最適な電流密度」は、特定の電気価格において生産されるＨ２の１キログラムあたり最小コストを達成する、電流密度を指す。ある実施例では、電気価格毎の最適な電流密度は、図２４で実施されたものと非常に同一の方法において、例えば、各電気価格と関連付けられるコスト曲線上の最小点を見出すことによって決定されることができる。図２５の実施例では、価格が＄３５／ＭＷｈ（すなわち、＄０．０３５／ｋＷｈ）を下回ると、価格が約＄３５／ＭＷｈを下回ると、電解槽セルが約２Ａ／ｃｍ２のその最大電流密度において起動し得る（例えば、電解槽セルが完全な負荷獲得様式において動作され得る）ように、最適な電流密度は、例示的電解槽セルが動作し得る、最大電流密度またはそれを上回る。約＄３５／ＭＷｈの価格において、最適な電流密度は、ある実施例では、電解槽セルのための動作電流密度が、電気価格が＄３５／ＭＷｈを上回るように上昇するにつれて漸減され得るように、価格が上昇するにつれて下落し始める。言い換えると、図２５の実施例では、＄３５／ＭＷｈは、（図２３に関して上記に説明されるように）負荷獲得と負荷削減との間の遷移の開始に対応する、規定される下限価格閾値である。図２５に示されるように、電気の価格が約＄５０／ＭＷｈに到達すると、例示的電解槽セルのための最適な電流密度は、ゼロ（０）に到達する（停止および立上労働、プラント機器上の摩耗、および同等物のコスト等の他の考慮点を無視する）。したがって、価格が＄５０／ＭＷｈより高いとき、例示的電解槽セルは、停止されることができる。言い換えると、図２５の実施例では、＄５０／ＭＷｈは、（図２３に関して上記に説明されるような）規定される上限価格閾値である。当業者は、規定される上限価格閾値のための厳密な価格点が、最適な電流密度がゼロに到達する実際の価格点から変動され得ること、および分散の量が、限定ではないが、例示的電解槽セルおよび他の支持機器のための資本支出（例えば、ＣａｐＥｘ）、プラント内の電解槽セルの全体的サイズ（例えば、セルスタックのサイズ）、生産されるＨ２ガスが販売され得る現在の価格、および他の運営経費（プラントを起動させる、またはプラントを停止および立ち上げるための労働のコスト、または水の価格、または電解槽セルおよび支持機器のための定期的保守のコスト等）を含む、１つまたはそれを上回る要因に依存し得ることを理解するであろう。実際に、最適な電流密度曲線４２２に沿った任意の点における「最適な」電流密度は、これらの同一の要因のうちの１つまたはそれを上回るものに基づく、理論的または計算された最適電流密度から変動されることができる。
【0186】
上記の詳述される説明は、詳述される説明の一部を形成する、付随の図面の参照を含む。図面は、例証として、本発明が実践され得る、特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書では、「実施例」とも称される。そのような実施例は、示される、または説明されるものに加えて、要素を含み得る。しかしながら、本発明者らはまた、示される、または説明されるそれらの要素のみが提供される、実施例を考慮している。また、本発明者らはまた、本明細書に示される、または説明される、特定の実施例（またはそれらの１つまたはそれを上回る側面）に関するか、または他の実施例（またはそれらの１つまたはそれを上回る側面）に関するかのいずれかの、示される、または説明されるそれらの要素（またはそれらの１つまたはそれを上回る側面）の任意の組み合わせまたは並び替えを使用する実施例も考慮している。
【0187】
参照することによってそのように組み込まれる、本書と任意の文書との間に矛盾する使用法が生じた場合には、本書での使用法が、優先される。
【0188】
本書では、用語「ａ」または「ａｎ」が、特許文書において一般的であるように、「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ（少なくとも１つ）」または「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ（１つまたはそれを上回る）」の任意の他の事例または使用法から独立して、「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ（１つまたは１つを上回る）」を含むために使用される。本書では、用語「ｏｒ（または）」は、別様に示されない限り、「ＡまたはＢ」が、「ＢではなくＡ」と、「ＡではなくＢ」と、「ＡおよびＢ」とを含むように、非排他的「または」を指すために使用される。本書では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（～を含む）」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ（その中で）」は、個別の用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（～を備える）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ（その中で）」の平易な英語の均等物として使用される。また、以下の請求項では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（～を含む）」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（～を備える）」は、非制約的であり、すなわち、請求項内でそのような用語の後にリスト化されるものに加えて、要素を含む、システム、デバイス、物品、組成物、調合物、またはプロセスも、依然として、その請求項の範囲内にあると見なされる。また、以下の請求項では、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は、標識として使用されるにすぎず、それらの目的に数値要件を課すことを意図していない。
【0189】
本明細書に説明される方法実施例は、少なくとも部分的に、機械またはコンピュータ実装されることができる。いくつかの実施例は、上記の実施例に説明されるような方法を実施するための電子デバイスを構成するように動作可能な命令を用いてエンコードされる、コンピュータ可読媒体または機械可読媒体を含むことができる。そのような方法の実装は、マイクロコード、アセンブリ言語コード、より高レベルな言語コード、または同等物等のコードを含むことができる。そのようなコードは、種々の方法を実施するためのコンピュータ可読命令を含むことができる。コードは、コンピュータプログラム製品の一部を形成し得る。さらに、ある実施例では、コードは、実行の間または他の時間等に、１つまたはそれを上回る揮発性、非一過性、または不揮発性の有形コンピュータ可読媒体上に有形に記憶されることができる。これらの有形のコンピュータ可読媒体の実施例は、限定ではないが、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードまたはスティック、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、および同等物を含むことができる。
【0190】
上記の説明は、例証的であり、制限的ではないことを意図している。例えば、上記に説明される実施例（またはそれらの１つまたはそれを上回る側面）は、相互との組み合わせにおいて使用され得る。他の実施形態も、上記の説明の精査に応じて、当業者等によって使用されることができる。要約は、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に準拠し、読者が、本技術開示の性質を迅速に確認することを可能にするために提供される。これが、請求項の範囲または意味を解釈または限定するために使用されないであろうという理解を伴って思量されたい。また、上記の詳細な説明では、種々の特徴が、本開示を簡潔にするために、ともに群化されている場合がある。これは、請求されていない開示された特徴がいずれの請求項にも不可欠であることを意図するものとして解釈されるべきではない。むしろ、本発明の主題は、特定の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ないものにあり得る。したがって、以下の請求項は、本明細書において、実施例または実施形態として詳細な説明の中に組み込まれ、各請求項は、別個の実施形態として独立し、そのような実施形態が、種々の組み合わせまたは並び替えにおいて相互と組み合わせられ得ることが考慮される。本発明の範囲は、そのような請求項が享有する均等物の全範囲とともに、添付される請求項を参照して決定されるべきである。
【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20A】
【図20B】
【図20C】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【国際調査報告】