JP2015520475A - 容量性電極を用いた逆電気透析エネルギー生成システム及びそのための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は容量性電極を用いたエネルギー生成システム及びそのための方法に関する。本発明によるシステムは、＊− イオンを蓄え電子を伝導できる少なくとも第１の容量性電極（４）が設けられた第１の電極区画（６）と、＊− 少なくとも第２の容量性電極（２４）が設けられた第２の電極区画（２２）と、＊− 第１の電極区画と第２の電極区画との間に設けられた複数の電解質区画（８、２０）であって、複数の交互に設けられた陽イオン（１０）及び陰イオン（１８）交換膜によって形成され、それによって使用時には高浸透性の流れ及び低浸透性の流れによって交互に満たされ、それにより第１及び第２の電極が正又は負に荷電されたイオンによって充電される電解質区画と、＊− 生成されたエネルギーを収集するように少なくとも第１及び第２の電極に接続された回路（４６）と、＊− 第１及び第２の電極が極性を切り替えながらシステムが第１のエネルギー生成状態から第２のエネルギー生成状態に切り換わるように、高浸透性の流れと低浸透性の流れとの間で切り替えるための切り替え手段（３６）とを備える。＊切り替えサイクル時間は、基準電極（４８、５０）又はｐＨセンサを用いて制御できる。

Description

本発明は、容量性電極を用いたエネルギー生成システムに関する。より詳細には、該システムは、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れの流体を用いて電力の形でエネルギーを生成する。前記流体間の濃度差は、電位差を引き起こし、エネルギーの生成を可能とする。

電気透析動作を行うシステム及びプロセスは、例えば、ＷＯ２０１０／１１０９８３により知られている。これら電気透析動作は、水の脱塩を目的としている。このような脱塩のための動作は、電極を接続する電源を必要とし、これによってエネルギーを使用している。ＷＯ２０１０／１１０９８３は、洗浄流れは閉ループを有し硫酸カルシウムを含まなければならないこと、１から３の範囲での硫酸カルシウムの過飽和が存在すること、洗浄流れにおける流速は少なくとも５ｃｍ／ｓであること、析出ユニットが必要であること等の、特定の条件下での電気透析を述べるに留まっている。

ＮＬ１０３１１４８、ＷＯ２０１０／０６２１７５及びＷＯ２０１０／１４３９５０は、２つの電極間に複数の陰イオン及び陽イオン交換膜が交互に設けられた、逆電気透析プロセス又は同様なプロセスを用いるエネルギー生成システムを開示している。使用時には、異なる隣接した膜間に形成された区画は、流体で満たされる。隣接した区画は、異なる塩濃度を有する流体で満たされる。これにより、イオンは高濃度流体から低濃度流体に動く傾向がある。陰イオンは陰イオン交換膜のみを通過することができ、陽イオンは陽イオン交換膜のみを通過することができる。これは、異なる方向での陽イオンと陰イオンの正味の輸送(net transport)をもたらす。電極では、流体の電気的中性を保つように酸化還元反応が生じる。これらの酸化還元反応は、電気エネルギーが生成されるように、イオン流から電流への変換を促進する。酸化還元反応は、不可逆性又は可逆性とすることができる。

不可逆性の酸化還元反応は、かなりの電位を必要とする。例えば、水のＨ_２及びＯ_２への電気分解、Ｈ_２及びＣｌ_２の生成を含む。これは、正味の利用可能な電力(net obtainable electrical power)を減少させる。加えて、気泡は、電解質の電気抵抗を増加させ得る。更にＨ_２及びＣｌ_２の生成は追加の安全対策を必要とし、これにより、プロセスを複雑としている。

可逆性の酸化還元反応の使用は、析出又は反応に用いられる化学物質を失うことを防止するために特別の処理を必要とする。このような可逆性の酸化還元反応の一例は、Ｆｅ^３＋を有する複合体を形成し得る［Ｆｅ（ＣＮ）_６］^３−／［Ｆｅ（ＣＮ）_６］^４−を必要とし、熱又はＵＶを受けると不安定になり得る。Ｆｅ^２−／Ｆｅ^３＋の使用は、鉄（水）酸化物の析出を防止するために、２．３以下の比較的低いｐＨを必要とする。実際には、電極区画を取り囲む膜を通した又はその周りの漏洩がゆっくりと酸化還元対を希釈し、これにより、その性能を低下させている。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、有効かつ効率的なエネルギー生成システムを達成することである。

この目的は、本発明による容量性電極を用いたエネルギー生成システムによって達成される。前記システムは、
− イオンを蓄え電子を伝導できる第１の容量性電極が少なくとも設けられた第１の電極区画と、
− イオンを蓄え電子を伝導できる第２の容量性電極が少なくとも設けられた第２の電極区画と、
− 前記第１の電極区画と第２の電極区画との間に設けられた複数の電解質区画であって、複数の交互に設けられた陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜により前記複数の電解質区画が形成され、前記第１及び第２の電極が正又は負に荷電されたイオンによって充電されるように使用時に高浸透性の流れ及び低浸透性の流れによって交互に満たされる前記複数の電解質区画と、
− 生成されたエネルギーを収集するように、前記少なくとも第１及び第２の電極に接続された回路と、
− 前記高浸透性の流れと低浸透性の流れとの間を切り替えるための切り替え手段であって、前記第１及び第２の電極の極性が切り替わり、前記システムが第１のエネルギー生成状態から第２のエネルギー生成状態へと切り替わる切り替え手段と
を備えている。

容量性電極は、集電体及びイオンを蓄え電子を伝導できる素子を備えている。好ましい実施形態では、この素子は、活性炭を備えている。この活性炭は、適当な集電体、典型的には黒鉛、チタン又はコーティングされたチタン上に、一例として少なくとも活性炭等の高表面積の粒子及びバインダの混合物コーティングの鋳造、塗装、コーティング又は押し出し成形によって、設けることができる。活性炭及びバインダに加え、溶媒並びに黒鉛及びカーボンブラックなどの導電性材料の添加物を、混合物に加えることができる。一例として、溶媒中のカーボン懸濁液の鋳造又は塗装によって、集電体上に活性炭を設けることができる。好ましい実施形態では、活性炭は、活性炭層の厚さが１０〜００００ミクロンの範囲の容量性素子として用いられる。

本発明によるシステムの容量性電極は、かなりの陽イオン又は陰イオンの余剰分をその多孔質構造内に蓄えることができ、これによって、正味の電荷(net electrical charge)を蓄えることができる。これは、従来の（容量性でない）電極を用いても不可能である。容量性電極においては、電極の導電性部分に蓄えられた電子によって、電荷は平衡が保たれる。容量性電極は、酸化還元反応の存在なしに、イオン流を電流に変えることができる。加えて、容量性電極における自己放電は最小に保たれるので、本発明によるシステムにおいて用いられる容量性電極は、蓄えられた電荷を後の段階で用いることを可能として、電力の生産を促進する。

本発明のための容量性電極は、スーパーキャパシタとして機能し、二重層キャパシタ又は擬似キャパシタ（又はハイブリッドキャパシタ）とすることができる。集電体は黒鉛、膨張黒鉛フォイル、チタン及び保護白金コーティングを有するチタン等の金属、又はガラス状炭素、又はそれらの組み合わせなどの導電性材料とすべきである。ガラス状炭素は、表面を熱活性化処理によって多孔質にすることができ、これにより、集電体上に直接、容量性の層を生成することができるという利点を有している。導電性ダイヤモンドは、多孔質にすることができ、その非常に広い電位窓から、もう１つの興味深い容量性電極材料である。他の場合では、容量性材料は、集電体の上に配置することができる。容量性材料の成分として、例えば好ましい実施形態において用いられる活性炭、又はカーボンナノチューブ、グラフェン、又はＭｎＯ_２、ＲｕＯ_２などの金属酸化物、又はＲｕ／Ｉｒ混合酸化物を選択することができる。カーボンナノチューブ、グラフェン、及び金属酸化物は、活性炭を有して又は有さずに用いることができる。好ましい実施形態において用いられる容量性電極は、有効な動作のために電極の１ｍ^２当たり少なくとも１０００ファラッドの静電容量を有する。

システムは、少なくとも２つの容量性電極、その間に交互に設けられた複数の陽イオン及び陰イオン交換膜を備える。電解質区画は、２つの隣接した膜間の空間に形成される。２つの隣接した膜、すなわち１つの陰イオン交換膜及び１つの陽イオン交換膜並びに２つの電解質区画が、１つの逆電気透析セルを画定する。

本発明によるシステムはエネルギーを生成し、一方、従来の電気透析システムは電極を接続する電源を有する。結果として、電気透析において陰極として動作する素子は、逆電気透析では（同じ区画内に濃縮された及び希釈された水を残して）陽極として動作する。更に、エネルギーを生成できる本発明によるシステムの典型的な動作モード及び典型的な幾何形状は、電気透析に関して別の範囲内にある。例えば、本発明によるシステムの典型的な電流密度は、海水に対して典型的な高浸透性の流れ濃度であり、０〜１００Ａ／ｍ^２の範囲であり、１０〜５０Ａ／ｍ^２の範囲にあることが最も好ましい。より高い濃度に対しては、この範囲はおよそ２倍となる。したがって、最も好ましい範囲は、２０〜１００Ａ／ｍ^２となり得る。例えば電気透析における電流密度は、典型的には１桁大きく、理解されるように、これは、容量性電極の動作に重要な結果を生じさせる。また、本発明によるシステムにおける膜間の典型的な距離は、最大で５００ミクロンであり、最大で３００ミクロンであることが最も好ましい。電気透析における膜間距離は、通常はこの値より数倍大きい。更に、本発明によるシステムでの給水の典型的な流速は、０〜５ｃｍ／ｓであり、０〜２ｃｍ／ｓであることが最も好ましい。電気透析における通常の流速は、この範囲の外側にあり、通常は５〜１００ｃｍ／ｓである。複数の関連のあるケースでは、電気透析における希釈された供給流れの濃度は、通常は本発明によるシステムにおけるものより１桁大きい。本発明によるシステムを用いたプロセスのもう１つの効果は、膜近くの境界層内を含む過飽和溶液等の悪影響を防止し、又は電気透析プロセスと比較した軽減である。

高浸透性及び低浸透性の流れからのエネルギー生成のための従来のシステムと比較して、本発明によるシステムは、使用時に、容量性素子と膜との間にある塩水体を供給する。これは、各電極上の正電荷の大量の保存、並びに負電荷の大量の保存を可能にすることに関連がある。好ましい実施形態では、濃縮及び希釈塩溶液は、連続してかつ複数のセルにおいて流れ、これにより起電力を大幅に増大させる。したがって、各サイクルにおいて電極上により多くの電荷を蓄えることができ、より大きな（平均）電力密度を得ることができる。

本発明による好ましい実施形態では、膜の数は、セル数の２倍足す１である。これは、膜の積層体の異なる側の両方の電極が、最も近い膜として同じタイプの膜、すなわち陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜に面していることを意味する。電解質区画の数は、２つの隣接した電解質区画が高浸透性の流れ及び低浸透性の流れを有する流れ、好ましくはそれぞれ低塩分濃度及び高塩分濃度を有する流体で満たされるので、少なくとも２つ以上である。この浸透圧の差は、流体内のイオンを、膜のタイプによって決まる方向に、隣接した区画に向かって駆動する。これらの流体の由来は、自然のもの、人工のもの、産業廃棄物、又はそれらの組み合わせとすることができる。例えば、以下の組み合わせ、すなわち河川水と海水、海水とＲＯ濃縮物、河川水と工業塩水を含む。本発明の特別な用途は、流体を再生するために外部エネルギー源が用いられる、いわゆる「閉鎖系」におけるものである。高浸透性の流れ及び低浸透性の流れは異なる塩を含むことができる。濃縮溶液におけるこれらの塩の濃度は、０．２５Ｍと溶液が飽和する濃度の間の範囲であることが好ましく、０．４Ｍと３Ｍの間であることが最も好ましい。希釈溶液は常に、濃縮溶液より低い濃度を有する。高浸透性の流れ及び低浸透性の流れは、濃縮及び希釈塩溶液であることが好ましい。これらの流れは、ほとんどの場所で容易に入手可能であり、それにより効率的なエネルギー生成システムを達成することができる。

容量性電極が設けられた電極区画内では、イオンが蓄積する傾向がある。少なくとも２つの容量性電極を接続する回路を設ける。これにより、特定のタイプのイオン、すなわち陽イオン又は陰イオンは、この特定のタイプのイオンを蓄える容量性電極に向かって駆動する。外部回路からの電子は電気的中性をもたらす。結果として、回路を通して電気エネルギーが生成されることとなる。

容量性電極を放電し、システムのエネルギー生成能力を維持するために、切り替え手段は、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れ、好ましくは高及び低塩分濃度を有する流れの位置を切り替えることによって、第１のエネルギー生成状態と第２のエネルギー生成状態との間でシステムを切り替える。これは、第１の状態において低浸透性の流れで満たされた電解質区画が、第２の状態では高浸透性の流れを有する流体で満たされることを意味し、逆もまた同様である。

高浸透性及び低浸透性の溶液を有する流れの切り替えは、弁により制御することができる。弁は、同時に切り替えられることが好ましい。両方の流れの流路が同様であると仮定すると、高浸透性の溶液を有する流れは、前に低浸透性の流れで満たされた区画に入り、逆もまた同様となる。好ましい実施形態の１つでは、前述のように、基準電極及び／又はｐＨセンサが、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れを切り替えるための正しい瞬間を示すことができる。これらのセンサはモニタとして用いることができ、又はセンサが切り替えのための正しい瞬間を示したときに切り替え手段を自動的に活動化する電気回路に接続することができる。

異なる状態間での切り替えは、第１及び第２の電極が、第１の状態において陰イオンで充電された電極が第２の状態では陰イオンを放電し陽イオンで充電されるように、極性を切り替えることを意味している。両方の状態が電気エネルギーを生成する。これは、少なくとも２つの容量性電極と負荷(load)を接続する回路におけるスイッチが必要となり得る。切り替えが生じる周波数は、容量性電極の静電容量によって決定する。実際、電極上に追加の電荷を蓄えるために必要な電圧は次第に増加する。この電圧は、全体として積層体にわたる電圧と、膜のみにわたる電圧の差として測定することができる。膜のみにわたる電圧は、電極区画に接続された基準電極によって制御することができる。この電圧差、すなわち追加の電荷を蓄えるための電圧が、約１．２ボルトである電気分解を引き起こし得る電圧の近くに、又はセルによって生成される電圧の近くになったときは、切り替え手段によって電流の方向が切り替えられるべきである。流体又は給水を切り替えることにより、流れによって生成される起電力が切り換わり、これによって、生成される電流の方向もイオンの方向と一緒に切り換わる。

容量性電極を用いること及び流れを切り替えることによる効果は、酸化還元反応を必要としないことである。これは、より高い電力密度が得られるように不可逆性の酸化還元反応が用いられるときに必要な過電圧を節約する。更に、本発明によるシステムは、酸化還元反応のための追加の化学物質を使用する必要がなく、析出のリスクは最小となり、これによって有効かつ効率的なエネルギー生成システムを達成する。

本発明によるシステムでは、酸化還元反応がないことに加え、電極区画内の概ね一定のｐＨにより水分解が防止され、次の状態にて用いることができる容量性電極内に蓄えられた電荷を節約し、高い効率を達成する。

本発明によるシステムの他の利点は、セル数と電極数の比が比較的高いことである。これはコスト効率の良いシステムを達成することができることを意味する。

本発明による好ましい実施形態では、単一のセルは約０．１５ボルトを生じる。これにより、例えば８セルは約１．２ボルトを生じ、３０セルは約４．５ボルトを生じる。しかしながら、個々の電極のみにわたる電圧は、セル数と無関係である。より高い電圧によって、複数セルの場合は輸送される電荷は１つの個々のセルにわたる電圧により制限されない。したがって、切り替えの間の期間を増加することができ、それによりシステムの効率は更に改善されることとなる。

本発明による好ましいシステムでは、セル数が１〜１００００セルの間であることが好ましく、１００〜２５００セルの間であることがより好ましい。電極面積当たりのサイクル当たりの電荷は、０〜１００００００クーロン／ｍ^２の範囲であることが好ましく、５００００〜５０００００クーロン／ｍ^２の範囲であることがより好ましい。切り替え時間は０〜１０００分の範囲であることが好ましく、３０〜５００分の範囲であることがより好ましい。電極面積当たりの静電容量は１０００〜５０００００ファラッド／ｍ^２であることが好ましく、１００００〜５０００００ファラッド／ｍ^２であることがより好ましい。電流密度又は言い換えれば電極面積当たりの電流は、０〜２００Ａ／ｍ^２の間であることが好ましく、１０〜１００Ａ／ｍ^２であることがより好ましい。なお、電気透析システムにおけるこの電流密度は、通常は１００〜１０００Ａ／ｍ^２の範囲であることに留意されたい。

本発明による好ましい実施形態では、使用時には電極区画は洗浄液で満たされる。

洗浄液を供給することでイオンが、電極区画を通って容量性電極に又は容量性電極から動くことを可能にする。洗浄液は溶解塩を備えることが好ましい。

洗浄液は、高又は低浸透性の流れであることが好ましく、それらの混合物であることが最も好ましい。これらの流れはすでに利用可能であるので、好ましい実施形態では別個のポンプ及び流れ回路は必要ない。これにより、コスト効率の良いシステムを達成する。また、任意選択的に、少なくとも２つの電極区画に異なる流体を供給することができる。

更に好ましい実施形態では、使用時には、区画内の電解質溶液が、交互に高浸透性の流れ及び低浸透性の流れとなる。これは、容量性電極が、濃縮された及び希釈された流体に交互に面することを意味し、別個の電極の洗浄液の循環を省き、更に２つの膜を省く。これは、膜当たりの電力密度を更に改善する。電極区画内の流体又は流れは、電解質区画を通る流れと一緒に切り換わる。

本発明による好ましい実施形態では、洗浄液を電極区画内に実質的に残留させる。

洗浄液をこの区画内の電極区画内に維持することで、流れが必要ないため、システム全体が簡単になる。使用時には、電極区画は、溶解塩を有する流体を備えることが好ましい。実際、好ましい実施形態では、電極及び対応する電極区画は塩溶液を備えている。これは、塩溶液が電極内に又は電極において供給されることを意味している。

本発明による他の好ましい実施形態では、切り替え手段は、第１の電極区画内に第１の基準電極を、及び第２の電極区画内に第２の基準電極を備える。

基準電極を設けることにより、個々の容量性電極にわたる電圧を監視することができる。基準電極、例えばＡｇ／ＡｇＣｌ電極又は塩化水銀電極は、両方の電極区画に接続され、電極の洗浄液で満たされる。積層体全体にわたる電圧と基準電極にわたる電圧との差が、酸化還元反応（電気分解等）を促進するために必要な電圧を超えたときに、切り替えを行うことが好ましい。このようにして、流れの切り替えをいつ行うべきかの指示がもたらされる。これにより、エネルギー生成システムの全体の効率を更に改善する。

追加又は代替として、本発明によるエネルギー生成システムの切り替え手段は、ｐＨセンサを備える。酸化還元反応がないときは、ｐＨは概ね一定となる。容量性電極が十分に充電され、酸化還元反応が生じるようになったときは、ｐＨは変化するようになる。したがって、ｐＨセンサもまた、異なる浸透性流れの切り替えをいつ行うべきかの指示をもたらす。

本発明は、更にエネルギーを生成する方法に関する。このような方法は、上述のエネルギー生成システムを用意し、隣接した電解質区画内に、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れを有する流れ、好ましくは高及び低塩分濃度を有する流れを供給し、第１の生成状態から第２の生成状態に切り替え、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れ、好ましくは高及び低塩分濃度を有する流れは位置を変える。

エネルギー生成システムについて述べたものと同じ効果及び利点は、前記方法にも当てはまる。

電気透析と区別される本発明のさらなる利点は、海水及び河川水の切り替えの直後にエネルギー生成が継続できることである。再び最大電力に達するにはいくらかの時間がかかるが、積層体の電圧が正又は負のときに電力を生成できる。電気透析では、生成物の流れにおける混合された水を防止するために、休止期間を必要とする。連続した電力生成は、本発明によるシステム及び方法の全体的な性能を著しく向上する。更に、本発明による方法は、正味のエネルギーの生成(net production of energy)を可能とする。

本発明の他の利点、特徴及び詳細については、以下の添付図面を参照して、その好ましい実施形態に基づいて説明される。

図１Ａ及び図１Ｂは、２つの状態における本発明によるシステムを示す図である。 本発明による代替システムを示す図である。 本発明による代替システムを用いて達成された結果を示す図である。 ３０セルを有する本発明によるシステムの実施形態を用いて達成された結果を示す図である。 ３０セルを有する本発明によるシステムの実施形態を用いて達成された結果を示す図である。 ３０セルを有する本発明によるシステムの実施形態を用いて達成された結果を示す図である。 本発明によるシステムの他の代替実施形態を示す図である。 本発明によるシステムの他の代替実施形態を用いて達成された結果を示す図である。 本発明による他の代替実施形態を示す図である。

エネルギー生成システム２（図１Ａ〜１Ｂ）は、電極区画６内に配置された第１の容量性電極４を備えている。電解質区画８は、膜１０によって第１の電極区画６から分離されている。図示の実施形態では、膜１０は陽イオン交換膜である。第１のエネルギー生成状態（図１Ａ）では、濃縮塩溶液１２は、電解質区画８を通って流れる。陽イオン１６は陽イオン交換膜１０を通ってマイグレーションし、陰イオン１４は陰イオン交換膜１８を通ってマイグレーションする。希釈塩溶液１９は電解質区画２０を通って流れる。膜１８は、電解質区画８を電解質区画２０から分離する。図示の実施形態では、第２の容量性電極２４が配置された第２の電極区画２２は、膜１０によって分離されている。区画８、２０、及び２つの膜１０、１８は、各タイプの１つずつで一緒にセル２６を形成している。電極４、２４は、負荷(load)３０が設けられた回路２８を通じて外部で接続されている。

切り替え手段３２は、システム２を第１の状態（図１Ａ）と第２の状態（図１Ｂ）との間で切り替える。第２の状態では、溶液１２、１９の流れる位置を変える。これは、第２の状態では、希釈塩溶液１９は電解質区画８を通って流れ、濃縮塩溶液１２は電解質区画２０を通って流れることを意味している。また、これは、陰イオン及び陽イオン１４、１６の流れは、第１の状態と比べて反対方向に動く傾向があることを意味している。回路２８における電子の流れの方向も反対方向となる。

第１の状態（図１Ａ）にて、溶液１２、１９の流れが開始される。イオンは、膜１０、１８を通って動く傾向がある。この結果、電極４、２４の充電が生じる。容量性電極４は、陰イオン１４によって充電され、第２の容量性電極２４は、陽イオン１６によって充電される。電子は、第１の容量性電極４から第２の容量性電極２４に向かって、負荷(load)３０を通じて回路２８を通って流れる。容量性電極４、２４が充電された後に、切り替え手段３２はシステム２を第２の状態に切り替え（図１Ｂ）、溶液１２、１９の流れは位置を変える。陽イオン１６及び陰イオン１４の正味の流れ(net flow)は、第１の状態と比べて反対方向となる。これにより、回路２８における電子の流れの方向も反対となる。まず、容量性電極４、２４が放電する。次に、容量性電極４、２４は、容量性電極４に対しては陽イオンで荷電され、容量性電極４に対しては陰イオンで充電される。

エネルギー生成システム３４（図２）は、複数の電解質区画８及び電解質区画２０を備えている。実際、図示の実施形態では容量性電極４、２４間に、５つのセル２６が設けられている。切り替え手段３２は、それぞれ濃縮塩溶液及び希釈塩溶液４４の流れを電解質区画８、２０に向かって方向付ける第１の弁３８及び第２の弁４０を備えた、切り替え装置３６を備えている。切り替え装置３６は、システム３４が異なる状態で動作するときに流れが位置を変えるように、弁を切り替える。

実験を行うために、容量性電極４、２４間の回路内にガルバノスタット４６が設けられる。電極区画６は基準電極４８を備え、電極区画２２は第２の基準電極５０を備えている。電極区画６、２２には、電極の洗浄液５２が供給される。実験で用いられる図示の実施形態では、容量性電極４、２４はチタンメッシュ１．７を備え、これは織られたもの又は代替として不織のものであり、織り糸直径又は素線幅が約１．５ｍｍ、メッシュ開口が約５ｍｍ、表面積が１０×１０ｃｍである。電極４、２４には、約５０ｇ／ｍ^２の白金のコーティングが設けられる。電極４、２４は、カーボン（Ｎｏｒｉｔ ＤＬＣ ｓｕｐｅｒ ３０）、ポリフッ化ビニリデンポリマー、及びドクターブレードを用いてメッシュ上に鋳造されたＮ−メチルピロリドン双極性の溶媒の混合物を備える。容量性電極は、ＰＭＭＡから作製されたエンドプレート内に埋め込まれた。エンドプレートは、電極の洗浄液のための入口及び出口を備えている。第１の電極４には、電極の洗浄液のための区画を生成し、電極溶液が漏れないように密閉するために、１ｍｍの厚さのガスケットが設けられている。陽イオン交換膜１０は、Ｎｅｏｓｅｐｔａ ＣＭＸであり、陰イオン交換膜１８は、Ｎｅｏｓｅｐｔａ ＡＭＸであり、２００ミクロンの厚さのスペーサ及びガスケットが用いられた。追加の陽イオン交換膜１０は最後のセルを閉じ、その後に第２の電極２４が設けられた。この特定の構成のシステム３４は、約２５℃の温度での、０．５１ＭのＮａＣｌの濃縮塩溶液及び０．０１７ＭのＮａＣｌの希釈溶液を用いた実験に用いられ、これらはセル当たり２０ｍｌ／分の流量にて供給され、これは１．７ｃｍ／ｓの流速に対応している。実験では、０．２５ＭのＮａＣｌの電極の洗浄液が、１００ｍｌ／分の流量にて循環された。実験ではガルバノスタット４６が用いられ、電極４、２４を含む積層体の全部にわたる電圧が測定された。実験の結果を示す（図３は２つの続くサイクルに対して、実線は積層体にわたるボルトでの電圧を示し、破線はＷ／ｍ^２での電力密度を示し、点線は電流が約２００ｍＡの期間及び電流がない期間を秒での時間で示す）。電流は、２００ｍＡであり、２０Ａ／ｍ^２に対応している。電流は、結果としての電圧がゼロに近付くのに従って停止され、その後にシステムは切り替えられた。電流は、約１分後に、反対方向に再び印加された。

実験は、３０セルを用いて繰り返された。切り替えは、容量性電極にわたる電圧が１ボルトに達したときに行われた。この電圧は、積層体にわたる総電圧からセルにわたる電圧を減じたものに等しい。セルにわたる電圧は、電極区画内の電極に接続された２つのＡｇ／ＡｇＣｌ基準電極を用いて測定された。３０セルを用いたこの実験により得られた結果を示す（図４Ａでは、破線はＷ／ｍ^２での電力密度を示し、実線は積層体にわたるボルトでの電圧を示し、点線は約２００ｍＡの電流がある期間とない期間を秒での時間で示す）。水分解は、約１ボルトにおいて状態間で切り替えることによって、防止された。これは、概ね一定のｐＨを維持すること及び遊離塩素がないこと又は少なくとも最小限の存在だけであることによって、強化された。

本発明によるエネルギー生成システムは、短期間及び長期間のサイクル時間に対して、並びに複数の電流密度に対して、正しく動作することが示された。

上記結果を確認するための追加実験を行った。追加実験からの平均電力密度（図４Ｂ及び４Ｃ）を、２、５、１０、２０、及び３０セルを有する実施形態に対して、電力密度の増加と共に示す。図４Ｂは、２０Ａ／ｍ^２の電流密度において切り替え間隔の関数としての平均電力密度を示す。図４Ｃは、１５ｋクーロン／ｍ^２が移動されたとき又は電圧が０Ｖに達したときに給水が切り替えられた場合の、平均電力密度を示す。より明瞭とするために標準偏差は、典型的には平均値の５％未満である。図４Ｂに示される結果の場合は、切り替え時間は数秒から４０分（８２分のサイクル時間）まで変化させ、図４Ｃに示される結果の場合は、電流密度は電極の１ｍ^２当たり１０Ａから３５Ａまで変化させた。

最大電力は、約２００００クーロン／ｍ^２の移動された電荷に相当する切り替え時間にて得られた。最も高い電力密度は３０Ａ／ｍ^２にて得られた。異なる膜、異なる給水濃度、別のセル数及び／又は異なる容量性電極が用いられたときは、最適切り替え時間及び最適電流密度は、異なることになり、特定の用途に従い設計できることが理解されるであろう。

代替システム５４（図５）では、電極区画６には、濃縮塩溶液から生じる洗浄液５６が供給されている。一方、第２の電極区画２２には、図示の実施形態では希釈塩溶液から生じる流れ５８が供給されている。第２の状態（図示せず）では、流れ５６、５８は、区画６には希釈塩溶液が供給され、区画２２には濃縮塩溶液が供給されるように位置を変えている。システム５４は、システム３４と比較して２つの膜を省いている。実験では、５つのセルを有する図示の実施形態のシステム５４が、前の実験の場合に述べられたものと同じ条件で用いられた。１０Ａ／ｍ^２に相当する１００ｍＡにおいて電圧が測定された（図６では、２サイクルに対して電流が１００ｍＡであり、実線は積層体にわたるボルトでの電圧を示し、破線はＷ／ｍ^２での電力密度を示し、点線は電流がある期間とない期間を秒での時間で示す）。

代替システム６０（図７）には、第１の容量性電極６２及び対応する区画と、第２の容量性電極６４及び対応する区画とが設けられている。容量性電極６２、６４及び対応する区画は、陽イオン交換膜６６、塩溶液６８、及び容量性電極４、２４を備えている。区画６、２２には、基準電極７２が設けられている。使用時には、区画６、２２は区画内に維持された流体を有し、基準電極７２は各容量性電極にわたる電圧をチェックする。システム６０は、電極の洗浄液を循環する必要がない。

本発明は、上述の及び好ましい実施形態には決して限定されない。請求する権利は添付の特許請求の範囲によって定義され、その範囲内で多くの変更の形態を想定することができる。

Claims (14)

1. 容量性電極を用いたエネルギー生成システムであって、
   イオンを蓄え電子を伝導できる第１の容量性電極が少なくとも設けられた第１の電極区画と、
   イオンを蓄え電子を伝導できる第２の容量性電極が少なくとも設けられた第２の電極区画と、
   前記第１の電極区画と第２の電極区画との間に設けられた複数の電解質区画であって、複数の交互に設けられた陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜により前記複数の電解質区画が形成され、前記第１及び第２の電極が正又は負に荷電されたイオンにより充電されるように、使用時に高浸透性の流れ及び低浸透性の流れによって交互に満たされる前記複数の電解質区画と、
   生成されたエネルギーを収集するように、前記少なくとも第１及び第２の電極に接続された回路と、
   前記高浸透性の流れと低浸透性の流れとの間を切り替えるための切り替え手段であって、前記第１及び第２の電極の極性が切り替わり、前記システムが第１のエネルギー生成状態から第２のエネルギー生成状態へと切り替わる切り替え手段と
   を備える、システム。
2. 前記容量性電極が、電極の１ｍ^２当たり少なくとも１０００ファラッドの静電容量を有する、請求項１に記載のエネルギー生成システム。
3. 前記容量性電極の静電容量が、電極の１ｍ^２当たり１０００〜５０００００ファラッドの範囲であり、好ましくは１００００〜５０００００ファラッドの範囲である、請求項２に記載のエネルギー生成システム。
4. 前記電極区画が使用時に洗浄液で満たされる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー生成システム。
5. 前記洗浄液が、前記高浸透性の流れ、前記低浸透性の流れ及び／又はそれらの混合物である、請求項４に記載のエネルギー生成システム。
6. 使用時に電極区画内の前記洗浄液が交互に高浸透性の流れ及び低浸透性の流れとなるように、流れ手段を更に備える、請求項５に記載のエネルギー生成システム。
7. 前記洗浄液が前記電極区画内に実質的に残り続ける、請求項４又は５に記載のエネルギー生成システム。
8. 前記電極及び／又は電極区画の少なくとも１つが塩溶液を備える、請求項７に記載のエネルギー生成システム。
9. 前記切り替え手段が、前記第１の電極区画内の第１の基準電極と、前記第２の電極区画内の第２の基準電極とを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエネルギー生成システム。
10. 前記切り替え手段がｐＨセンサを備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエネルギー生成システム。
11. エネルギーを生成する方法であって、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載のエネルギー生成システムを用意するステップと、
    隣接した電解質区画内に高浸透性の流れ及び低浸透性の流れを供給するステップと、
    第１のエネルギー生成状態と第２のエネルギー生成状態との間で切り替えるステップであって、高浸透性の流れ及び低浸透性の流れは位置を変える、ステップと
    を含む、方法。
12. 前記容量性電極が、それらの多孔質構造内に陽イオン又は陰イオンの余剰分を蓄え、それによって正味の電荷を蓄える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のエネルギー生成状態と第２のエネルギー生成状態との間で切り替えたときに、前記流れを切り替えた直後にエネルギー生成が継続する、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 使用時に前記第１のエネルギー生成状態と第２のエネルギー生成状態との間の切り替えが、０〜１０００分の範囲内で、好ましくは３０〜５００分の範囲内で行われる、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。

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