JP2013541146A - 再生燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
アノード液を含むアノード区画の可逆アノード;
カソード液を含むカソード区画の可逆カソード;
前記アノード区画を前記カソード区画から分離する陰イオン性膜であって、前記膜は陰イオンを選択的に透過させることができる、陰イオン性膜;および
前記電力供給モードにおいて、電気化学的活性種を前記アノードに、および前記カソードに運ぶために、前記エネルギー貯蔵モードにおいて、生成した電気化学的活性種を前記アノードから、および前記カソードから運び出すために構成される導管(conduit);を含み、
前記カソード液および前記アノード液のpHが少なくとも10、少なくとも12など、例えば少なくとも13である。
a)エネルギー貯蔵モードの過程の間、カソード区画において、および
b)電力供給モードの過程の間、アノード区画において、
水酸化物イオンが消費されるにつれて、一般に低下することが理解されるであろう。pHは、
c)電力供給モードの間、カソード区画において、および
d)エネルギー貯蔵モードの間、アノード区画において、
水酸化物イオンが生成するにしたがって、一般に上昇する。したがって、カソード区画のpHは:
i)電力供給モードの終点で、好ましくは電力供給モードを通して、および
ii)エネルギー貯蔵モードの開始時、好ましくはエネルギー貯蔵モードを通して、上記の範囲の1以上でなければならず、アノード区画のpHは:
iii)エネルギー貯蔵モードの終点で、好ましくはエネルギー貯蔵モードを通して;および
iv)電力供給モードの開始時、好ましくは電力供給モードを通して、上記の範囲の1以上でなければならない。
図1および図2は、2つの液体/気体再生燃料電池(「液体」および「気体」の用語は、2つの電極に供給される電気活性材料の相を表す)の概略断面図である。
図1は、電力を生成するために用いられる電気化学的活性材料が(a)気体(カソードに供給される)および(b)液体のアノード液に溶解されたイオン(アノードに供給される)である、再生燃料電池の概略図を示す。
アルカリ性陰イオン交換膜の合成
本発明において有用なアルカリ性陰イオン交換膜(AAEM)は、Varcoe et al.(Chem.Mater.2007,vol.19,2686−2693)、米国特許出願第12/523,533号または欧州特許出願第04103145.1号に記載される方法に従って合成することができる。
ポリスルフィド−酸素に基づくアルカリ性再生燃料電池(ARFC)およびRFCの例を図4〜6に関連して示す。
再生燃料電池の性能の向上
再生燃料電池において、アノード液および/またはカソード液に存在する酸化還元対のイオンのいくらかは、アノード液区画とカソード液区画とを分離する膜を超えて、それぞれカソード液および/またはアノード液に回りうる。これはクロスコンタミネーションと呼ばれ、再生燃料電池の全体の運転効率(operational efficiency)の低下をもたらしうる。例えば、汚染物質(contaminant)は電極触媒と反応し、結果的に触媒の活性を低下させうる(「触媒被毒」として知られる)。
Claims (18)
- アノードおよびカソードでの電気化学的活性種の反応によって電力を生成する電力供給モード、ならびに電力を消費して前記電気化学的活性種を生成するエネルギー貯蔵モードで動作させることができる再生燃料電池であって、
アノード液を含むアノード区画の可逆アノード;
カソード液を含むカソード区画の可逆カソード;
前記アノード区画を前記カソード区画から分離する陰イオン性膜であって、前記膜は陰イオンを選択的に透過させることができる、陰イオン性膜;および
前記電力供給モードにおいて、電気化学的活性種を前記アノードに、および前記カソードに運ぶために、エネルギー貯蔵モードにおいて、生成した電気化学的活性種を前記アノードから、および前記カソードから運び出すために構成される導管;を含み、
前記アノード液および前記カソード液のpHが少なくとも10、少なくとも12など、例えば少なくとも13である、再生燃料電池。 - 前記導管が、
前記電力供給モードにおいて、それぞれの電気化学的活性種を含む液体のアノード液および液体のカソード液を前記アノード区画および前記カソード区画に運ぶように;および
前記エネルギー貯蔵モードにおいて、それぞれの再生された電気化学的活性種を含む液体のアノード液および液体のカソード液を前記アノード区画および前記カソード区画から運び出すように;構成される、請求項1に記載の再生燃料電池。 - 前記アノードまたは前記カソードの一方が、多孔質ガス電極であり、前記導管の一方が気体の電気化学的活性種をその電極に供給するように構成され;
前記導管の一方が、前記電力供給モードにおいて、電気化学的活性種を含む液体のアノード液または液体のカソード液を前記アノードまたは前記カソードの他方に運ぶように、前記エネルギー貯蔵モードにおいて、再生された電気化学的活性種を含む液体のアノード液またはカソード液を前記アノードまたは前記カソードの他方から運び出すように構成される、請求項1に記載の再生燃料電池。 - 気体の電気化学的活性種を含むように構成される加圧ガス源を含み、前記ガス源は、前記電力供給モードにおいて、前記気体の電気化学的活性種を前記多孔質ガス電極に供給するための導管に接続される、請求項3に記載の再生燃料電池。
- 電気化学的活性種を含む液体電解質を含むように構成される少なくとも1つの第1タンクを含み、前記第1タンクは、前記電力供給モードにおいて、前記電解質を適当な電極区画に供給するための導管に接続される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の再生燃料電池。
- 液体電解質を受け取るように構成される少なくとも1つの第2タンクを含み、前記第2タンクは、前記エネルギー貯蔵モードにおいて、再生された電気化学的活性種を含む電解質を適当な電極区画から受け取るための導管に接続される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の再生燃料電池。
- 前記陰イオンを選択的に透過させることができる陰イオン性膜は、陰イオン交換膜、または陰イオンに対して透過性の陰イオン性膜である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の再生燃料電池。
- 前記アノード液のpHが、前記エネルギー貯蔵モードを通して、前記電力供給モードを通して、少なくとも10、少なくとも12など、例えば少なくとも13、例えば13〜15である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の再生燃料電池。
- 前記アノード液またはカソード液に存在する酸化還元対が、気体である、請求項1、3〜5、7のいずれか1項に記載の再生燃料電池。
- アノードおよびカソードでの電気化学的活性種の反応によって電力を生成する電力供給モード、および電力を消費して前記電気化学的活性種を生成するエネルギー貯蔵モードで再生燃料電池を動作させる方法であって、
前記電池は、
アノード液を含むアノード区画の可逆アノード;
カソード液を含むカソード区画の可逆カソード;
前記アノード区画を前記カソード区画から分離する陰イオン性膜であって、前記膜は陰イオンを選択的に透過させることができる、陰イオン性膜;を含み、
前記方法は、前記電力供給モードにおいて、電気化学的活性種を前記アノードおよび前記カソードに運び、エネルギー貯蔵モードにおいて、再生された電気化学的活性種を前記アノードから、および前記カソードから運び出すことを含み、
前記アノード液および/またはカソード液のpHが少なくとも13である、方法。 - 前記電力供給モードにおいて、液体のアノード液および液体のカソード液のそれぞれの電気化学的活性種を、前記アノード区画および前記カソード区画にそれぞれ運ぶこと;ならびに
前記エネルギー貯蔵モードにおいて、それぞれの再生された電気化学的活性種を含む液体のアノード液および液体のカソード液を前記アノード区画および前記カソード区画から運び出すこと;
を含む、請求項14に記載の方法。 - 気体の電気化学的活性種を前記アノードまたはカソードの一方に供給すること、ここで、その電極は多孔質ガス電極である;
前記電力供給モードにおいて、電気化学的活性種を含む液体のアノード液または液体のカソード液を前記アノードまたは前記カソードの他方に運ぶこと;および
前記エネルギー貯蔵モードにおいて、再生された電気化学的活性種を含む液体のアノード液または液体のカソード液を、前記アノードまたは前記カソードの他方から運び出すこと;
を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記再生燃料電池が請求項1〜13のいずれか1項に記載の再生燃料電池である、請求項14〜17のいずれか1項に記載の方法。
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