JP2016532270A - 金属に蓄電するための電気化学システム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2013年8月26日に出願された米国特許仮出願整理番号第61/870,104号に基づく優先権を主張するものである。
本発明の原理に係る電気化学セルの例示的な実施形態は、電気化学反応の対として空気中の酸素の、及び金属の、酸化及び還元を使用し、その基本要素及び構造が、図1〜図5に例示される。図1aは、電解液及び金属を有さない電気化学セルの概略図である。図2aは、電解液及び析出した金属材料を有する図1aに示される電気化学セルの概略図である。図3a、図4、及び図5は、図1aに示されたのとは異なる断面及び方向から見た概略図である。
Zn+4OH−=Zn(OH)4 2−+2e E0=−1.25V
同時に、次式に従って、放電中に酸素が還元され、充電中にヒドロキシルイオンが酸化される。
O2+2H2+4e=4OH− E0=0.4V
セル内の全反応は、
Zn+O2+4OH−=Zn(OH)4 2− E0=1.65V
である。
負極 Zn−2e=Zn2+ E0=0.763V
正極 Br2+2r=Br− E0=1.087V
全反応 Zn+Br2=ZnBr2 E0=1.85V
セルは、図2bに概略的に例示される実施形態に従って構築された。Plexiglasで作製されたセルコンテナは、長さ24cm、幅13cm、及び高さ50cmの内寸を有する。充電組立体は、1つのカソードと2つのアノードを有するものであった。アノードは、厚さ1mmのステンレス鋼のフラットシートであった。カソードの活性表面は、5mmの不活性ゾーンによって分離された5mm×5mmの複数の個別の活性表面領域を有する純マグネシウムで作製された。不活性ゾーンとカソードの縁はエポキシ樹脂で被覆された。カソードの寸法は21cm×21cmであった。個別の活性領域の総数は2つの側部に関して632であり、カソードの総面積は158cm2であった。カソードとアノードとの間の距離は1cmであった。充電組立体は、プラスチック材料Acetalで作製されたバーでセルコンテナ上に設置され、組立体の上縁はコンテナの上部から6cmである。ワイパーはプラスチック材料Derinで作製された。ワイパーは、ステンレス鋼で作製された水平ドラフト上に設置され、これは、セルコンテナの上部に設置されるモータに接続された一組の駆動ウォームギヤに機械的に接合された。
Claims (26)
- 電気化学システムであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置される電解液と、
(a)前記電解液の中に浸漬され、(b)1つ以上の放電カソードと、前記放電カソードに隣接する第1のスペースとを有する、放電組立体と、
前記第1のスペース内に位置するときに1つ以上の放電アノードを形成する、金属材料と、
(a)前記放電組立体よりも上にあり、(b)前記第1のスペース内の前記金属材料を超過した前記金属材料を収容する、第2のスペースと
を備える、電気化学システム。 - (a)前記金属材料及び前記電解液を前記第1のスペース及び前記第2のスペースに装填することによって燃料供給され、
(b)放電の終了時に、
(i)前記放電した金属材料及び前記電解液を前記ハウジングから除去し、
(ii)前記第1のスペース及び前記第2のスペースに前記金属材料及び前記電解液を装填すること、
によって再び燃料供給される、
金属燃料電池である、請求項1に記載の電気化学システム。 - 前記放電カソードが酸素を還元するための酸素カソードを含む、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記金属材料が、電着、凝縮、霧化、機械加工、スプレー、及び鋳造からなる群から選択される方法から生成された微粒子材料を含む、請求項1に記載の放電組立体。
- 前記金属材料が、亜鉛、アルミニウム、鉄、鉛、マグネシウム、及びそれらの合金からなる群から選択される金属を含む、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記酸素カソードが、キャビティと、前記キャビティの内外への酸素又は酸素含有ガスの通過のための入口及び出口とを形成する、少なくとも1つの酸素膜電極で覆われたフレームを備える、請求項3に記載の電気化学システム。
- 前記第1のスペース内の前記金属材料を撹拌するための機構をさらに備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記電解液を前記第1のスペースを通して循環させるためのポンプをさらに備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記放電組立体に近接して、前記第1のスペース及び前記第2のスペースと電解液連通する少なくとも1つのチャンバをさらに備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記ハウジング内に配置されている充電組立体をさらに備え、
前記充電組立体が、電着を通じて前記金属材料を生成する少なくとも1つの充電アノード及び1つの充電カソードを有する、
請求項1に記載の電気化学システム。 - 前記ハウジング内の電解液に加えて、さらなる電解液を収容するための取り外し可能なリザーバをさらに備え、前記ハウジング内の及び前記リザーバ内の前記電解液がポンプによって循環される、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記充電組立体が前記放電組立体よりも上にある、請求項10に記載の電気化学システム。
- 前記充電組立体に形成された前記金属材料が、各充電カソードから取り除かれるときに重力によって下に落ちる、請求項10に記載の電気化学システム。
- 前記充電組立体の前記充電カソード上に形成された前記金属材料が、ワイピング、シェーキング、振動、及びそれらの組合せからなる群から選択される方法によって取り除かれる、請求項10に記載の電気化学システム。
- 前記充電カソードが、前記金属材料の析出のための複数の個別の活性表面領域をさらに備える、請求項10に記載の電気化学システム。
- 前記充電組立体及び前記放電組立体の正極上の電気化学反応のための化学薬品をさらに含み、前記化学薬品が、酸素、臭素、塩素、鉄塩、バナジウム塩、クロム塩、チタン塩、及びセリウム塩からなる群から選択される、請求項10に記載の電気化学システム。
- 前記充電組立体及び前記放電組立体の前記正極が前記酸素の反応に関係する、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記電解液が、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アルミニウム、及び水酸化カルシウムからなる群から選択された少なくとも1つの化学薬品で形成された水性溶液を含む、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記電解液が、水酸化物、塩化物、臭化物、硫酸塩、硫酸、及び塩酸からなる群から選択された少なくとも1つの化学薬品で形成された水性溶液を含む、請求項10に記載の電気化学システム。
- 並行した充電及び放電に用いられる、請求項10に記載の電気化学システム。
- (a)コンテナと、(b)前記コンテナ内に配置される電解液と、(c)電着によって前記金属材料を生成するために前記電解液の中に浸漬される充電組立体と、を有する充電セルをさらに備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記放電セルが1つの場所で電源として用いられ、前記充電セルが異なる場所でエネルギー貯蔵に用いられる、請求項21に記載の電気化学システム。
- 発電及び蓄電するための方法であって、
金属材料の電着によって少なくとも1つの充電カソード及び少なくとも1つの充電アノードを有する充電組立体で蓄電することと、
前記金属材料を少なくとも1つの放電カソードを有する放電組立体内の第1のスペースに装填することであって、前記第1のスペース内の前記金属材料が少なくとも1つの放電アノードを形成することと、
前記第1のスペースが満たされるときに前記放電組立体よりも上の第2のスペースに前記金属材料の超過分を収容することと、
前記放電組立体での前記金属材料の放電によって発電することと
を含む、方法。 - 前記放電組立体及び前記充電組立体が単一のハウジング内に配置され、前記放電組立体が、(a)前記充電組立体の下又は(b)前記充電組立体の横に配置されている、請求項23に記載の方法。
- コンテナに存在する前記放電組立体での前記金属材料の放電と、別個のコンテナに存在する前記充電組立体での前記金属材料の生成をさらに含む、請求項23に記載の方法。
- 前記充電と前記放電が同時に行われる、請求項23に記載の方法。
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