JP2008519159A - 電解セル電解質ポンプ用システム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】
電解セルによって発生したガスの少なくとも一部の圧力がポンピング用駆動力として用いられる、電解セルを通って電解質を送り出すシステム。このシステムは、流入管を介して連結された電解質容器及びポンプチャンバを具え、電解セルから電解質を受け取り、流出管を介して連結され、電解質を電解セルに流す。ポンプチャンバは電解セルに連結されて、電解セルによって発生したガスの少なくとも一部を受けて、この中の電解質の圧力を上昇させ、電解セル内に強制的に送り込む。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００４年１１月２日に出願された米国暫定特許出願第６０／５２２，７３７号、及び２００５年５月１３日に出願された米国暫定特許出願第６０／５９４，８６９号の優先権を主張する。

本発明の分野
本発明は、電解セルによる電解質を送り出すシステムに関する。

本発明の背景
電解セルは、電気エネルギィを用いて、電解質の化合物を分離することによって反応ガスを発生する。電解の化学反応に起因して、電解質の濃度は常時高くなる。電解セルは、電解質濃度の制限範囲内で正しく機能する。濃度が低すぎる場合には、電解質の電気抵抗が高くなりすぎて、電解セルの効率が悪くなる。代替的に、電解質濃度が高すぎる場合には、電解質は非常に腐食し、電解セルが不可逆的な損傷を受けることになる。アルカリ性の電解セルについては、典型的な濃度範囲は、例えば、１５から３０％ＫＯＨである。

電解セルのエネルギィ効率は、その内部抵抗に依存する。従って、電極間のオーミック抵抗を低くするために、電解セルの陽極と陰極の間の距離は小さく保たれている。いくつかの電解セルでは、典型的な距離は１ｍｍである。１００ｃｍ^２の有効面積を有する電解セルでは、セル内の電解質体積は１０ｃｃｍである。２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で、１時間当たり約６から７ｃｃｍの水を、電解セルによって消費する。従って、セルの電解質濃度を適正な範囲に保つために、いくつかのセル中の電解質を、セルによって容器から送り出す。容器の大きさは、電解システムの動作時間を決定する。セルから送り出すべき電解質の流量は、容器中の電解質の濃度に依存する。例えば、最も高い許容濃度が３０％であるならば、１５％の開始濃度で１時間当たり５回、２９％の開始濃度で１時間当たり６８回、電解セルの電解質を交換しなければならない。このことは、セルを通って送り出すべき電解質の流量が、１時間当たり５０から６８０ｃｃｍであることを意味する。

反応ガス発生用のいくつかの電解セルで用いられるガス拡散電極は、反応ガスと電極との間の小さな圧力差で最もよく働く。ここで、電解質圧力は、ガス圧よりも小さい。セルによって電解質を送り出す場合、圧力差に注意しなければならない。同様の理由で、電解質圧力は、セル全体に渡って完全に一定でなければならず、流れ抵抗によって生じる圧力低下は、小さくなければならない。例えば、電解セルの典型的な動作圧力は、０．５から３ｂａｒであり、電解質圧力も、適切なセル動作には高めでなくてはならない。

通常、例えば、ロータリポンプ、ギア型ポンプ、ピストンポンプ、又は膜ポンプ等の従来のポンプによって、電解質を送り出す。しかしながら、効率的な電解システムでは、これらのポンプは、例えば、少ない流量を扱う問題、及び／又は、高圧流れ及び問題のある消費電力を含む、一又はそれ以上の制限を提供している。

本発明の概要
本発明の一の態様によれば、電解セルによって発生したガスの少なくとも一部の圧力を、ポンピング用駆動力として用いることを特徴とする、電解セルを通って電解質を送り出すシステムが提供されている。

本発明のその他の態様は、次の詳細な説明から当業者に容易に明らかになると理解される。ここには、、例示の目的で本発明の種々の実施例を示し、記載している。認識されるように、本発明は、その他の、及び異なる実施例にも用いることができ、そのいくつかの詳細は、全て、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々のその他の点で修正することができる。従って、図面及び詳細な説明は、本来、例示であって限定とは見なされない。

本発明の詳細な説明
添付の図面と共に、以下に記載されている詳細な説明は、本発明の種々の実施例の記載を意図し、本発明者によって意図される実施例のみを示すことを意図するものではない。詳細な説明は、本発明の包括的解釈を提供する目的の特定の詳細を含む。しかしながら、本発明を、これらの特定の詳細無しに実施することができることは、当業者には明らかである。

本発明は、セル自身によって発生した少なくとも一の反応ガスの圧力を用いて電解セルを通って電解質を送り出すシステムに関する。本発明は、また、電解質の圧力と発生したガスの圧力を併合する電解システムに関する。

本発明は、電解セルによって発生した反応ガスの圧力を用いて、セルを通って電解質を送り出させる。図１を参照すると、本発明によるポンプシステムは、電解セル１００と、電解質容器１０２と、電解質ポンプチャンバ１０４とを具える。作動時には、ポンプチャンバ１０４を、重力によって決定される通りに、電解質容器１０２よりも低く位置させる。

電解セルと、電解質容器とポンプチャンバは、電解質流れの回路である、矢印Ｅが設定されているように、回路内の電解質の導管によって連結されており、ここで、電解質は、導管１０６を通ってセルから容器へ、次いで、導管１０８を通って容器からポンプチャンバへ、更に、導管１１０を通ってセルに戻るように流れる。また、ポンプチャンバ１０４は、反応ガス導管１１２、１１４によってそれぞれセルと容器双方に連結されており、以下でより詳細に説明するように、発生したガスの流れ、矢印Ｇを用いて、電解質を送り出すことができる。

電解セルは、少なくとも１つの反応ガス用排気口１と、電解質流入口３と、電解質流出口４とを有する。容器は、電解セルの電解質流出口４に、導管１０６によって連結されている電解質流入口１５を有する。ポンプチャンバは、導管１１２及びバルブ２１ａを介して、セル反応ガス排気口１に連結されているガス吸気口１０ａと、導管１１４及び別のバルブ２１ｂを介して、容器チャンバのガス吸入口１４に連結されているガス排気口１０ｂとを有している。また、ポンプチャンバは、電解セル３の電解質流入口に連結されている電解質流出口１１と、ガス流れ導管によって、容器の電解質流出口２０に連結されている電解質流入口１３と、を有する。バルブ２１ａ、２１ｂは、例えば、スイッチの使用によって、通信又は制御するように調整することができ、ポンプチャンバが容器とガスで連通するか、電解セル１００とガスで連通するかするように、バルブの１つだけをいつでも開くことができるようにする。

一般的に、十分な電圧を印加するとすぐに、電解セルはガスを発生し始める。図１によるシステムの作動時に、例えば、セル１００が作動し始めると、ガス圧が発生する。記載されているシステムでは、バルブ２１ａが開くと、セル１００から発生した反応ガスの一部が、ポンプチャンバ内に流れ込み、これによって、圧力も増加する。ガス圧が高くなるため、ポンプチャンバの電解質も加圧されて排出され、ポンプチャンバ１０４から流入口３、次いで、電解セルを通って流出口４を通り、導管１０６と容器の電解質流入口１５を通って容器に戻るように送り出される。バルブ２１ａ、２１ｂを切り換えると、バルブ２１ａが閉じて、バルブ２１ｂが開き、電解セルとポンプチャンバの間の連結部が遮断されて、更なるガスは、セルからポンプチャンバに到達することができない。代わりに、バルブ２１ｂを開けると、ポンプチャンバが、導管１１４を通って電解質容器のガス吸入口１４に連結され、ポンプチャンバ１０４、及び電解質容器１０２に平衡圧力を与える。このように、電解質は、重力によって、導管１０８を通って容器からポンプチャンバへ流れる。

容器１０２からポンプチャンバ１０４への電解質の流れは、重力によって達成されるが、ポンプチャンバからセルに戻るようなその他の流れは、反応ガスの使用から発生したポンプの駆動によって、積極的に駆動することができ、重力に影響する位置を求める必要がない。

流出口４から導管１０６によって電解セルに連結されている容器は、例えば、セルを通る残留ポンプ圧によって、及び／又は、導管１０６に沿って流れている電解質によって、通過している電解質で満たされ続ける。

容器は、電解質を伴うポンプチャンバで占められているが、電解セルは、操作状態を維持し、ガスを発生し続けることができる。バルブを切り換えてバルブ２１ａを開き、バルブ２１ｂを閉じると、ポンプチャンバ１０４は、実質的にすぐに再加圧され、容器からポンプチャンバへの電解質の流れが停止し、電解質を電解セルに、及び電解セルを再び通って、再び送り出す。この循環動作を用いて、システム内に電解質を送り出すことができる。

所望の場合、又は必要な場合に、流入口１３のバルブ１３ａ又はポンプチャンバ流出口１１のバルブ１１ａ（図２）等の一又はそれ以上のバルブを提供して、ガス又は液体の流れの方向を制御することができる。このようなバルブは、チェックバルブ、又は所望の通りに積極的に駆動するバルブである。バルブ１３ａ、１１ａ等が、積極的に駆動すると、システムの適切な作動を可能にするためには、その開閉が、バルブ２１ａ、２１ｂと連携しなければならない。

システムは、バルブ２１ａ、２１ｂの交互に同調した開閉を用いているので、１つのバルブが開くともう１つのバルブが自動的に閉じるように、３／２方向バルブ等の接続されているバルブを用いることが望ましい。バルブ２１ａ、２１ｂ間の切り換えは、例えば、レベルセンサ、タイマ、等のコントローラで、所望のように制御することができる。また、このようなシステムは、開閉が同調する必要のあるシステムの別のバルブにも有用である。

理解されるように、バルブ２１ａ、２１ｂによって制御されるように、ガスの流れは、１回につき１方向のみであるので、ガス吸入口１０ａに隣接した導管と、ガス排気口１０ｂを一の導管内に組み合わせることによって、構成部品間の導管の数を減らすことが可能である。

通常、例えば０．５から３ｂａｒの特定の圧力で使用可能な反応ガスが望ましく、閉じた電解システムでは、小さい圧力差で電解質と反応ガスを維持することが望ましい。図に示す実施例では、セル１００は、周囲圧よりも大きい圧力下で動作し、最適システム動作は、ガスと電解質の圧力差を維持することに依存している。従って、システムの絶対圧力のバランスに注意する。特に、いくつかの実施例では、容器は周囲圧であるが、セル内で発生した反応ガスと電解質はこの周囲圧より有意に高圧であり、ポンプシステム内の圧力を制御して、システムによる逆差圧を避けることが望ましい。圧力制御は、電解質流れ抵抗、制御、バルブ等、及び／又は、ガス流れ抵抗、制御、バルブ等の圧力制御デバイス２２ａ、２３ａ、を用いることによって達成される。これらの圧力制御デバイス及びこれらの配置を選択することで、動作上許容される圧力差をセル内で維持するように、発生したガスの少なくともポンプに占める割合の圧力を、電解質の圧力と直接的に合わせることができる。

例示したシステムは、電解中に消費されている水を補給して、セル１００を開くことなく電解濃度を適切にすることが可能である。例えば、電解質／水補給流入口１８を、所望のように、システム中のポンプチャンバか容器に設けることができる。いくつかの実施例では、補給流入口を配置して、システムを停止することなく、システムへ液体の導入が可能である。一の実施例では、この補給流入口は大気中に開放されている動作する容器内に配置されている。

従って、前記を考慮して、電解セル電解質ポンプシステムが提供されており、このシステムでは電解セルによって発生したガスの少なくとも一部の圧力を電解質のポンプの駆動力として用いている。一の実施例では、電解質とガスの間の圧力差が、電解セルを動作させるために選択された圧力差と同じくらいであるように、ポンプ用ガスの圧力と電解質圧力を足し合わせる。セルが２種の反応ガスを別々に発生する場合、２つの反応ガス間の圧力差が、電解セルを動作させるために選択された圧力差と同じくらいであるように、双方の反応ガスの圧力も足し合わせる。

電解セル用の本ポンプシステムを、以下の例に記載されているように、様々な方法で実現することができる。以下の例は、システムの種々の構成要素を示し、所望のように、このような構成要素を単独で、又は組み合わせて用いて、選択した種々の特性を動作システムに提供する。

例１
図２は、ポンプ用の電解セル１００からの反応ガスの第１部分を用いた電解システムであって、電解質をポンピングする以外のアプリケーションに、前記反応ガスの第２部分をライン１２０を通って、ユーザに提供する電解システムの一の例を示す。この特定の実施例では、システムは実際、ポンピングに用いられる第１のガス（ガス１）と、ユーザによる使用／回収のために通過する第２のガス（ガス２）の２種のガスを発生する。一の実施例では、ガス１として酸素を、ガス２として水素を発生するようにシステムを選択することができる。しかし、その他の反応ガスの構成は電解システムの対象である。

ポンピング用に使用した後、ガス２は、排気口１６に示されているように、周囲に放出される。従って、電解質容器１０２は、この例では加圧されない。

この実施例で、電解セルの電解質圧力は、セル中のガス拡散電極の最適条件となるように一定値を保っていることが望ましい。従って、電解セルの電解質流出口４は、容器流入口の流入口１５に直接連結されていない。何故なら、そのようにすると、容器中の雰囲気圧が流出口４に連通されて、流入口３でガス１の圧力に近く、流出口４で周囲圧に近い電解質圧力を発生するであろう。この場合、電解セルの電解質流入口と流出口間の圧力降下は、ガス１の圧力に近いであろう。従って、調節可能な流れ抵抗２２が、電解セルと容器間に用いられる。図２には、主圧力バルブが示されているが、流れ抵抗２２は、例えば、ニードルバルブの使用といった、異なる方法でも実施することができる。流れ抵抗は、電解セルの流出口における電解質圧力が、流入口における電解質圧力とほぼ同じくらいに調節されなければならない。また、反応ガス２の圧力も、主圧力バルブ２３によって調節され、これはガス１の圧力に調節されなければならない。

３／２方向バルブ２１を設けて、ガスポート１０を通るポンプチャンバの内外へのガスの流れを制御する。バルブ２１は液体レベルスイッチ１２によって切り換える。液体レベルスイッチ１２を用いて、ポンプチャンバの電解質が低レベルであることを感知するとすぐに、バルブ２１を補給モードに切り換える。バルブ２１は、ポンプチャンバガスポート１０と容器ガス吸気口１４を連結している。電解質レベルが高レベルであると、スイッチ１２が感知すると、バルブ２１に信号を送ってポンプモードに切り換えて、電解セルのポンプチャンバガスポート１０とガス排気口１が連結される。

容器とその中を流れるガス１が大気に開放されているので、２種の反応ガスと電解質の圧力は協同的に足し合わされない。従って、反応ガスと電解質の圧力は、直接には足し合わされないが、個別に制御され、互いに調節され、セル中で動作上許容可能な圧力差を維持するために、モニタされなければならない。モニタは、例えば、圧力センサ５、６を使用して行うことができる。

もちろん、システムが水の補給及びドレーン２７を必要とする場合に表示に有用であるので、システムは、例えば、ガス流れから噴流した電解質を除去し、これを電解質流れライン、通気吸入口１７、電解質／水補給流入口１８、電解質レベルスイッチ１９に戻すための一又はそれ以上のスプリッタ及びフィルタ７、８、９等の動作を容易にするその他の動作上の構成要素を具えていてもよい。

例２
図３は、例１に記載されているシステムに類似しているが、２種の反応ガス（ガス１及びガス２）をライン１２０ａ、１２０ｂを通してユーザに利用可能にするシステムを模式的に示す。この実施例でも、反応ガス１の圧力を、主圧力バルブ２４によって調節する。従って、容器中の電解質が加圧され、例１の流れ抵抗２２等の流れ抵抗を必要としない。電解質ポンプに用いられる圧力差が発生して、ポンプチャンバは、容器から補給される。

この実施例では、ポンプ用ガス（ガス１）と電解質が直接的に足し合わされる。従って、電解セルによる圧力差を制御するには、２種のガスの圧力のみを、モニタし、互いに調節しなければならない。

例３
図４は、２種の反応ガスの圧力も足し合わされるシステムを示す。従って、図３の符号２３、２４で示されている２つの主圧力バルブの代わりに、差圧バルブ２５が用いられている。従って、ガス１の圧力のみがモニタされ、ガス１とガス２の間、及び、ガス１と電解質の間の圧力差は一定でなければならない。

例４
図５で示されるシステムは、３／２方向バルブ２１を切り換える点で、例３のシステムとは異なっている。特に、バルブ２１をトリガするのに液体レベルスイッチを用いる代わりに、タイマ２８によってトリガする。加えて、ポンプチャンバ１０４の電解質流入口１３と流出口１１におけるチェックバルブ１３ａ、１１ａが、タイマ２８によってトリガされる別の３／２方向バルブ２６と置き換えられている。バルブ２６は、ポンプチャンバの電解質ポート１１ｂと電解セル電解質流入口３の間の第１連結部と、ポンプチャンバポート１１ｂと容器電解質流出口２０の間の第２連結部を切り換えることができる。

開示された実施例及び例の上述した記載は、当業者が本発明を作る又は使用することを可能にするように提供されている。これらの実施例に対する種々の修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、その他の実施例に適用することができる。従って、本発明は、ここで示される実施例に限定されることを意図しないが、特許請求の範囲と合致する全範囲を認めることができる。ここで、冠詞「ａ」又は「ａｎ」の使用等による単数形の要素への言及は、特に規定されない限り、「一及び一のみ」を意味することを意図せず、むしろ「一又はそれ以上」を意図する。当業者に公知、又はまもなく知られる開示を通して記載されている種々の実施例の要素に対する全ての構造的機能的均等物は、特許請求の範囲の要素によって包含されることが意図されている。更に、本明細書で開示されたものは、このような開示が、特許請求の範囲に積極的に引用されるかどうかに関わらず、公開のために設けられていることが意図されている。米国に関しては、特に、特許請求の範囲の要素は、句「意味する（ｍｅａｎ ｆｏｒ）」又は「のステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」を用いて明らかに引用されていない限り、３５合衆国法典第１１２条第６段落の規定の下には解釈されるものではない。

図面の簡単な説明
図面を参照して、本発明のいくつかの態様を、例であって、限定ではない目的で図面の詳細に渡って例示する：
図１は、本発明の一の態様による電解セル及び電解質ポンプシステムのブロック図である。 図２は、本発明の別の態様による電解セル及び電解質ポンプシステムのブロック図である。 図３は、本発明の別の態様による電解セル及び電解質ポンプシステムのブロック図である。 図４は、本発明の別の態様による電解セル及び電解質ポンプシステムのブロック図である。 図５は、本発明の別の態様による電解セル及び電解質ポンプシステムのブロック図である。

Claims (16)

1. 電解セルを通して電解質を送り出すシステムにおいて、前記電解セルによって発生したガスの少なくとも一部の圧力を、ポンピング用駆動力として用いることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記電解セルが、電解質圧力を具え、発生した前記ガスの少なくとも一部が、ポンピングガス圧を含み、前記電解質圧力が、前記電解質と発生した前記ガスの少なくとも一部の間の圧力差を、電解セルを動作させるのに選択された圧力差と同じくらいであるようポンピングガス圧と足し合わせることを特徴とするシステム。
3. 請求項２に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部が第１のガスであり、前記電解セルが第２のガスを発生し、前記第１のガスと前記第２のガスの双方の圧力を、前記２つのガス間の圧力差が、前記電解セルを動作させるのに選択される圧力差と同じであるように足し合わせることを特徴とするシステム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部を圧力制御して、前記電解セル内で作動ガス圧を維持することを特徴とするシステム。
5. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記電解セルを通る電解質の流れが、電解質圧力を有し、圧力制御されて、前記電解セル内で作動ガス圧を維持することを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部がガス圧を有し、圧力制御されて、前記電解セル内で作動ガス圧を維持し、発生した前記ガスの少なくとも一部のガス圧をモニタして、電解質圧力に対して調整して、前記電解セル内で作動ガス圧を維持することを特徴とするシステム。
7. 請求項５に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部が、ガス圧を有し、前記ガス圧を、前記電解質と発生した前記ガスの少なくとも一部の間の圧力差が、前記電解セルを動作させるのに選択した圧力差と同じであるように、前記電解圧と直接的に足し合わせることを特徴とするシステム。
8. 請求項１に記載のシステムが、電解セルから電解質を受けるように流入管を介して接続され、前記電解セルに電解質を流すように流出管を介して接続された電解質容器とポンプチャンバを更に具えることを特徴とするシステム。
9. 請求項８に記載のシステムが、流入管の圧力制御及び流出管の圧力制御を更に具え、前記電解質容器から、及び前記ポンプチャンバから電解セルの電解質を圧力分離することを特徴とするシステム。
10. 請求項８に記載のシステムにおいて、前記電解質容器が、前記ポンプチャンバから圧力分離できることを特徴とするシステム。
11. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記電解セルが、第２のガス部分を発生し、当該ガス部分が、前記電解質を送り出す以外の用途に用いられることを特徴とするシステム。
12. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記電解セルが、大気圧よりも高い圧力で動作し、前記システムが、電解セル中で前記高圧を維持しつつ、電解質を送り出すように動作することを特徴とするシステム。
13. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムが、前記電解セルから電解質容器に、次いで、電解質ポンプチャンバに、更に、発生した前記ガスの少なくとも一部の駆動によって、前記電解セルへ戻すように電解質を循環させることを特徴とするシステム。
14. 請求項１に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部を電解質ポンプチャンバに適用して、前記電解質用チャンバ内の前記電解質の圧力を上げて、前記電解質セル内に強制的に送り込むことを特徴とするシステム。
15. 請求項１４に記載のシステムが、前記電解質ポンプチャンバと前記電解質容器の間の圧力が等しい場合に、前記電解セルから送り出された電解質を受けて、前記電解質ポンプチャンバに前記電解質を送る電解質容器を更に具えることを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、発生した前記ガスの少なくとも一部がガス圧を有し、前記電解質と前記電解セル内で発生したガスの少なくとも一部の動作圧力差を維持するように前記電解質ポンプチャンバと前記電解質容器内へ前記ガス圧が連通され、前記ポンプチャンバと前記電解容器内に実質的に維持されることを特徴とするシステム。

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