JP2016510489A - 電気化学電池における水の回収/リサイクルシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年2月11日に出願された米国特許出願第61/763,423号の優先権を主張し、この米国特許出願の全内容が引用により本明細書に組み入れられる。
Claims (73)
- それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理するシステムであって、
前記電気化学電池に関連する湿気を含んだ気相を受け取る第1の空気管と、
前記第1の空気管と連通し、前記湿気を含んだ気相から水分を抽出するように構成された乾燥ユニットと、
抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、乾燥剤を選択的に加熱する加熱器と、
前記乾燥ユニットを前記イオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記イオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、を備えるシステム。 - 前記電気化学電池は、燃料極、空気室及び酸化還元電極を備え、
前記酸化還元電極は、前記イオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有し、
前記第1の空気管は、前記湿気を含んだ気相を湿気を含んだ空気として、前記一の又は複数の電気化学電池の前記空気室から受け取る、請求項1に記載のシステム。 - 前記乾燥ユニットと連通する前記第1の空気管へと流れる、前記湿気を含んだ気相の流れを生成する送風機を更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記空気室から前記第1の空気管へと流れる、前記湿気を含んだ空気の流れを生成する送風機を更に備える、請求項2に記載のシステム。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の外部からの周囲空気を受け取るための前記空気室の空気流入口に、前記送風機が接続されている、請求項4に記載のシステム。
- 前記空気室から一定量の前記湿気を含んだ空気を受け取り、受け取った前記湿気を含んだ空気を前記空気室に戻すための再循環管を更に備える、請求項5に記載のシステム。
- 前記電気化学電池の外部からの周囲空気を受け取るための前記空気流入口に接続された空気流入管を更に備え、
前記空気再循環管が前記空気流入管に接続されて、前記一定量の湿気を含んだ空気と前記一の又は複数の電気化学電池の外部からの前記周囲空気とを混合して混合空気とし、当該混合空気が前記空気室に供給される、請求項6のシステム。 - 前記空気室と前記乾燥ユニットとの間に位置する弁を更に備え、
前記弁は、前記乾燥ユニットから抽出された水分が前記空気室へと戻るのを防ぐように構成されている、請求項2に記載のシステム。 - 前記湿気を含んだ気相から水分が抽出された後に、前記乾燥ユニットからの乾燥した空気の流出を可能とする空気流出口と、
前記乾燥ユニットから前記乾燥した空気の流出を防ぐために、前記空気流出口を選択的に塞ぐ弁と、を更に備える請求項1に記載のシステム。 - 前記空気流出口と関連付けられた前記弁は、前記乾燥ユニットと前記空気流出口とを接続する第1位置と、前記乾燥ユニットと前記戻り管とを接続する第2位置との間で可動な三方弁である、請求項9に記載のシステム。
- 前記イオン伝導性媒質の液位を決定する液位センサを更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記液位センサは前記加熱器に接続されて、前記乾燥ユニットを加熱して前記乾燥ユニットからの前記抽出された水分を放出することにより前記イオン伝導性媒質に水を補充するべく、前記加熱器を作動させる、請求項11に記載のシステム。
- 前記戻り管及び前記加熱器に接続された熱電対を更に備え、
前記熱電対は、前記戻り管内の加熱された水分の流れの終了を判断して、前記加熱器の動作を停止させる、請求項1に記載のシステム。 - 前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の弁が開放されて、前記乾燥ユニットによって前記湿気を含む気相から前記水分が抽出された後の乾燥した空気が前記乾燥ユニットからの流出を可能とする、請求項1に記載のシステム。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の弁が開放されて、前記第1の空気管に沿って湿気を含んだ空気が前記乾燥ユニットへと流れるようにする、請求項2に記載のシステム。
- 放電時に、前記空気室から前記第1の空気管への前記湿気を含んだ空気の流れを生成するように構成された送風機を更に備え、
前記送風機は、前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を受け取るように構成された空気流入口と接続される、請求項15に記載のシステム。 - 前記湿気を含んだ空気の一部が、前記空気室から前記空気流入口へと迂回されて、前記空気室内へと前記湿気を含んだ空気の前記一部が再循環される、請求項16に記載のシステム。
- 前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の前記弁、前記乾燥ユニットと前記空気流出口との間の前記弁及び前記送風機は、前記空気室の相対湿度が約30〜80%に維持されるように選択的に制御される、請求項17に記載のシステム。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の充電時は、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の弁が閉じられて、前記加熱器が作動して前記乾燥ユニットが加熱され、前記乾燥ユニットから抽出された水分が開放される、請求項1に記載のシステム。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の充電時には、前記第1の空気管と前記乾燥ユニットとの間の弁が閉じられる、請求項19に記載のシステム。
- 前記抽出された水分は、水蒸気の形態である、請求項1に記載のシステム。
- 前記乾燥ユニットは、乾燥剤を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記乾燥剤は、シリカゲル、活性炭、酸化アルミニウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、モンモリロナイト粘土、及び、分子篩のうちの一つ又は複数を含む、請求項22に記載のシステム。
- 前記乾燥ユニットと複数の前記一の又は複数の電気化学電池とを接続するように構成された前記戻り管と関連付けられるマニホールドを更に備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記抽出された水が、前記一の又は複数の電気化学電気のうち、前記イオン伝導性媒質の低い液位を有する第1の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質を補充し、当該補充は、前記一の又は複数の電気化学電気のうち前記イオン伝導性媒質の高い液位を有する第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質に対する水分の補充よりも前に行われる、請求項24に記載のシステム。
- 前記マニホールドから前記第1の電気化学電池及び前記第2の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記第1の電気化学電池及び前記第2の電気化学電池のそれぞれについて、前記イオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記第1の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第2の電気化学電池の前記戻り口と前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記抽出された水分が前記第1の電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記第1の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項25に記載のシステム。 - 前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項26に記載のシステム。
- 前記酸化還元電極は、前記イオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項2に記載のシステム。
- それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する一の又は複数の電気化学電池内の水分量を管理する方法であって、
前記一の又は複数の電気化学電池からの湿気を含んだ空気を乾燥ユニットで受け取る工程と、
前記乾燥ユニットを介して、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出する工程と、
前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程と、
前記抽出した水分を、前記乾燥ユニットから前記イオン伝導性媒質へと向かわせる工程と、を備える方法。 - 前記電気化学電池は、燃料極、空気室及び酸化還元電極を備え、
前記酸化還元電極は、前記イオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有し、
前記湿気を含んだ空気は、前記一の又は複数の電気化学電池の前記空気室から受け取る、請求項29に記載の方法。 - 前記湿気を含んだ空気の前記乾燥ユニットへの流れを生成する工程を更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記流れは、送風機によって生成される、請求項31に記載の方法。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を、前記空気室で受け取る工程を更に備える、請求項30に記載の方法。
- 前記湿気を含んだ空気の一部を再循環させて、前記周囲空気と混合して混合空気とし、前記混合空気が前記空気室へと戻るようにする工程を更に備える、請求項30に記載の方法。
- 前記乾燥ユニットから抽出された水分が、前記空気室へと戻るのを防ぐ工程を更に備える、請求項30に記載の方法。
- 前記乾燥ユニットにより前記湿気を含んだ空気から水が抽出された後に、前記乾燥ユニットからの乾燥した空気の流出を、空気流出口に関連付けられた弁を利用して選択的に許可する工程を更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記空気流出口に関連付けられた前記弁は、前記乾燥ユニットと前記空気流出口とを接続する第1位置と、前記乾燥ユニットと前記イオン伝導性媒質とを接続する第2位置との間で可動な三方弁である、請求項36に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒質の液位を検出する工程を更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記イオン伝導性媒質の液位を検出する工程において、前記イオン伝導性媒質の所定の液位よりも低いことが検出された場合に、加熱器を作動させる工程を備える、請求項38に記載の方法。
- 前記乾燥ユニットから前記イオン伝導性媒質への前記抽出された水分の流れを検出して、前記抽出された水分の前記流れが終了した場合に前記加熱器の作動を停止させる工程を更に備える、請求項38に記載の方法。
- 前記抽出された水分の前記流れを検出する工程は、熱電対を利用することを含む、請求項40に記載の方法。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記乾燥ユニットと空気流出口との間の弁を開放して、前記湿気を含む空気から前記水分を抽出した後の乾燥した空気の前記乾燥ユニットからの流出を可能とする工程を更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の放電時は、前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の弁を開放して、前記湿気を含む空気を受け取ることを可能とする工程を更に備える、請求項30に記載の方法。
- 放電時に、前記空気室から前記乾燥ユニットへの前記湿気を含んだ空気の流れを生成する工程を更に備え、
前記流れは、前記一の又は複数の電気化学電池の外部の周囲空気を受け取るように構成された空気流入口に接続された送風機によって生成される、請求項43に記載の方法。 - 前記湿気を含んだ空気の一部が前記空気室から前記空気流入口へと迂回された後、前記空気室内へと前記湿気を含んだ空気の前記一部が再循環される工程を更に備える、請求項44に記載の方法。
- 前記空気室と前記乾燥ユニットとの間の前記弁、前記乾燥ユニットと前記空気流出口との間の前記弁、及び、前記送風機を制御して、前記空気室の相対湿度が約30〜80%に維持する工程を更に備える、請求項45に記載の方法。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の充電時に、前記乾燥ユニットを前記周囲空気に対して閉じる工程を更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記一の又は複数の電気化学電池の充電時に、前記乾燥ユニットを前記周囲空気に対して閉じる工程を更に備え、
前記乾燥ユニットを前記周囲空気に対して閉じる工程は、前記乾燥ユニットを前記空気室に対して閉じることを含む、請求項30に記載の方法。 - 前記抽出された水分は、水蒸気の形態である、請求項29に記載の方法。
- 前記乾燥ユニットを介して前記湿気を含んだ空気から水分を抽出する工程は、前記湿気を含んだ空気を乾燥剤に晒すことを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記乾燥剤は、シリカゲル、活性炭、酸化アルミニウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、モンモリロナイト粘土、及び、分子篩のうちの一つ又は複数を含む、請求項50に記載の方法。
- 前記抽出した水分を、前記乾燥ユニットから前記イオン伝導性媒質へと向かわせる工程は、前記抽出した水分を複数の前記一の又は複数の電気化学電池に分配することを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記抽出された水が、前記一の又は複数の電気化学電気のうち、前記イオン伝導性媒質の低い液位を有する第1の電気化学電池の前記液体のイオン伝導性媒質を補充し、当該補充は、前記の又は複数の電気化学電気のうち前記イオン伝導性媒質の高い液位を有する第2の電気化学電池の前記液体のイオン伝導性媒質に対する水分の補充よりも前に行われる、請求項52に記載の方法。
- 前記マニホールドから前記第1の電気化学電池及び前記第2の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記第1の電気化学電池及び前記第2の電気化学電池のそれぞれについて、前記イオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記第1の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第2の電気化学電池の前記戻り口と前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記向かわせる工程において前記抽出された水分が前記第1の電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記第1の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項53に記載の方法。 - 前記第1の電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項54に記載の方法。
- 前記酸化還元電極は、前記イオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項30に記載の方法。
- 電気化学電池を備える電気化学電池システムであって、
燃料極と、
液体のイオン伝導性媒質と、
空気室と、
前記イオン伝導性媒質に面する一の面と、前記空気室に面する対向面とを有する酸化還元電極と、
前記電気化学電池の前記空気室から湿気を含んだ空気を受け取るための第1の空気管と、
前記第1の空気管と連通し、前記湿気を含んだ空気から水分を抽出するように構成された乾燥ユニットと、
抽出した水分を前記乾燥ユニットから選択的に放出するべく、前記乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器と、
前記乾燥ユニットを前記イオン伝導性媒質と連通させ、前記乾燥ユニットから抽出された水分を受け取り、当該水分を前記イオン伝導性媒質へと向かわせる戻り管と、を備える電気化学電池システム。 - 第2の酸化還元電極を有する第2の電気化学電池を更に備え、
前記第2の酸化還元電極は、第2の空気室を画定する第2モジュールに搭載される、請求項57に記載の電気化学電池システム。 - 前記乾燥ユニットは、前記空気室及び前記第2の空気室に接続される、請求項58に記載の電気化学電池システム。
- 前記第2の電気化学電池は更に、前記電気化学電池の前記イオン伝導性媒質とは別個の第2のイオン伝導性媒質を備える、請求項58に記載の電気化学電池システム。
- 前記戻り管は、前記抽出された水分を、前記イオン伝導性媒質及び前記第2のイオン伝導性媒質へと移動させる、請求項60に記載の電気化学電池システム。
- 前記第2の電気化学電池は、前記第2の酸化還元電極、前記燃料極、及び、前記イオン伝導性媒質を有する、請求項58に記載の電気化学電池システム。
- 前記第2の化学電池よりも、前記電気化学電池の前記イオン伝導性媒質の液位が低い場合には、前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が補充される前に、前記抽出された水分に関連する圧力水頭により、前記電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が前記抽出された水分によって補充される、請求項58に記載の電気化学電池システム。
- 前記電気化学電池及び前記第2の電気化学電池へと延びる複数の戻り口により、前記電気化学電池及び前記第2の電気化学電池のそれぞれについて、前記イオン伝導性媒質の液位が規定され、
前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位になる又は超えて、且つ、前記電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が、前記電気化学電池に対して規定された前記液位を下回った場合、前記圧力水頭により、前記第2の電気化学電池の前記戻り口と前記第2の電気化学電池の前記イオン伝導性媒質とが交わる場所において背圧を生じさせ、前記抽出された水分が前記電気化学電池の前記戻り口へと流れ、前記電気化学電池の前記イオン伝導性媒質が前記電気化学電池に対して規定された前記液位まで補充される、請求項63に記載の電気化学電池システム。 - 前記電気化学電池に対して規定された前記液位は、前記第2の電気化学電池に対して規定された前記液位と同じである、請求項64に記載の電気化学電池システム。
- 前記酸化還元電極は、前記イオン伝導性媒質に浸漬されたモジュールに搭載され、前記モジュールは前記空気室を画定する、請求項58に記載の電気化学電池システム。
- それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理するシステムであって、
水分を格納する乾燥ユニットと、
前記乾燥ユニットから水蒸気を選択的に放出するべく、前記乾燥ユニットを選択的に加熱する加熱器と、前記乾燥ユニットを前記複数の電気化学電池それぞれの前記イオン伝導性媒質に接続して、前記乾燥ユニットからの前記水蒸気を受け取るべく、前記電気化学電池のそれぞれと関連付けられている複数の戻り管と、を備え、
前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を前記水蒸気が優先的に流れるようにする、システム。 - 前記乾燥ユニットと前記複数の戻り管との間に設けられたマニホールドを更に備える、請求項67に記載のシステム。
- 前記複数の戻り管のそれぞれから前記複数の電気化学電池のそれぞれへと延在する複数の戻り口がそれぞれ、前記複数の電気化学電池の対応する一つの前記イオン伝導性媒質の液位を規定する、請求項67に記載のシステム。
- 前記複数の電気化学電池のそれぞれに対して規定された前記液位は、同じである、請求項69に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、燃料極及び酸化還元電極を含む、請求項67に記載のシステム。
- それぞれが複数の電極及び液体のイオン伝導性媒質を有する複数の電気化学電池内の水分量を管理する方法であって、
乾燥ユニットに水分を格納する工程と、
前記乾燥ユニットを選択的に加熱して、水蒸気を前記乾燥ユニットから選択的に放出する工程と、
前記乾燥ユニットから、対応する電気化学電池にそれぞれ関連付けられた複数の戻り管へと前記水蒸気を通過させる工程と、を備え、
前記戻り管のそれぞれは、前記液体のイオン伝導性媒質の液位の上昇によって塞がれるように構成されることにより、前記水蒸気の流れに背圧を加え、塞がれていない前記一の又は複数の戻り管を前記水蒸気が優先的に流れるようにする、方法。 - 前記複数の電極は、燃料極及び酸化還元電極を含む、請求項72に記載の方法。
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