JP2019526706A - 高い電気エネルギー変換率のための電気分解システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
−アルカリ電解
−ポリマー電解質膜(PEM)による電気分解
−高温又は蒸気ステップにおける電気分解
を特定することである。
fはパルス周波数、
Rはキャパシタとしてモデル化されたセルの抵抗パラメータ、
Cはキャパシタとしてモデル化されたセルのキャパシタンス又は容量、
Vcell(T)及びVcell(DT)は、電気分解セルの設計パラメータ
である。
−実効平均電圧Vaverageは、当該電気分解プロセスのVoptimumと等しいこと、
−充電過渡事象の終わりにおけるセルの対応する電圧Vcell(DT)及び放電過渡事象の終わりにおけるセルの対応する電圧Vcell(T)、及び
−そのキャパシタとしての構造的設計に従って、セルの抵抗(R)及びキャパシタンス(C)をもたらす、セルの構造的パラメータ。
各々が少なくとも一対の電極と該電極の間に設けられた電解質とによって形成された1又は複数の電気分解セルであって、該1又は複数の電気分解セルの組立体がエレクトロライザを定める、1又は複数の電気分解セルと、
エレクトロライザに電気信号を供給するエネルギー源と、を備え、
電気分解セルは、円筒プレートのキャパシタの形態で構築され、円筒プレートは、互いに実質的に中心を共有するように(concentric way)配置された管によって形成された電気分解セルの電極によって定められ、それにより、中心電極と、外部電極と、電極間空間とを定め、中心電極は、キャパシタのアノードに対応し、外部電極はキャパシタのカソードに対応し、電解質は、キャパシタの誘電手段に対応し、
エレクトロライザを形成する1つ又は複数の電気分解セルが受ける電気信号は、直流電流パルスに対応し、このパルスは、各エレクトロライザの電気分解セルを、
−電流パルス中の各セルの充電過渡的レジメと、
−電流パルス間の時間中の各セルの放電過渡的レジメと、
で動作させるように構成され、
充電過渡的レジメ及び放電過渡的レジメは、円筒プレートキャパシタの形態の各電気分解セルの構造によって定められる。
−既に説明した電気分解システムを設けるステップと、
−電気分解システムのエレクトロライザを形成する電気分解セル(単数又は複数)に直流電流パルスを印加するステップと、
−直流電流パルスを構成するステップであって、エレクトロライザの各電気分解セルが、
−各セルの充電過渡的レジメ下で電流パルスの持続時間にわたって動作し、
−各セルの放電過渡的レジメ下で電流パルス間の時間にわたって動作する
ように直流電流パルスを構成するステップと
が含まれ、充電過渡的レジメ及び放電過渡的レジメは、円筒プレートキャパシタの形態の各電気分解セルの構造によって定められる。
アノード(酸化) 2H2O → O2 +4H+ + 4e
カソード(還元) 4H+ + 4e → 2H2
全反応 2H2O → 2H2(気体) + O2(気体)
酸化(アノード) 2H2O → O2+4H++4e
還元(カソード) 4H+ + 4e→2H2
全反応 2H2O → 2H2+O2
表1
I=95724.9A
Voptimal=1.24[v]
表2
表3
11、11’:エネルギー源
12、12’:エレクトロライザ
13.1:第1の電気分解セル
13.2:第2の電気分解セル
14.1:電気分解セルの第1の組
14.2:電気分解セルの第2の組
15:制御ユニット
16.1:第1のスイッチ
16.2:第2のスイッチ
20、20’、20”:電気分解セル
21:中心電極
21’:中心電極の外側
21”:中心電極の内側
22:外部電極
22’:外部電極の内側
23:内部空間
24:分離メッシュ
25:抽出ゾーン
25’:円形穴
25”:連続溝
26:止め機構
30:電解質の給送ダクト
31:還元生成物の抽出ダクト
32:酸化生成物の抽出ダクト
40:給送タンク
41:動作水位
50:電気分解プラント
Claims (37)
- 酸化反応及び還元反応を行うための電気分解システムであって、
各々が少なくとも一対の電極と該電極の間に設けられた電解質とによって形成された1又は複数の電気分解セルであって、前記1又は複数の電気分解セルの組立体がエレクトロライザを定める、1又は複数の電気分解セルと、
前記エレクトロライザに電気信号を供給するエネルギー源と、を備え、
前記電気分解セルは、円筒プレートのキャパシタの形態で構築され、前記円筒プレートは、互いに実質的に同心に配置された管によって形成された前記電気分解セルの前記電極によって定められ、それにより、中心電極と、外部電極と、電極間空間とを定め、前記中心電極はキャパシタのアノードに対応し、前記外部電極はキャパシタのカソードに対応し、前記電解質はキャパシタの誘電手段に対応し、
前記エレクトロライザを形成する前記1又は複数の電気分解セルが受ける前記電気信号は、直流電流パルスに対応し、前記パルスは、各エレクトロライザの電気分解セルを、
−電流パルス中の各セルの充電過渡的レジメと、
−電流パルス間の時間中の各セルの放電過渡的レジメと、
で動作させるように構成され、
前記充電過渡的レジメ及び前記放電過渡的レジメは、円筒プレートキャパシタの形態の各電気分解セルの構造によって定められる、
ことを特徴とする、システム。 - 前記中心電極は、内部空間を定める中空の円筒電極である、請求項1に記載のシステム。
- 前記直流電流パルスは、前記エレクトロライザの各電気分解セルがその対応する充電過渡的レジメ及び放電過渡的レジメで通電されるような振幅、持続時間及び周波数を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記電流パルスは、前記エネルギー源の最大電圧又はピーク電圧(Vmax)と、実効平均電圧(Vaverage)とによって定められる振幅を有し、前記実効平均電圧は、セル電位として知られる、前記電気分解セルの生成に好都合な最適電圧として定められる、請求項3に記載のシステム。
- 前記エネルギー源と通信する制御ユニットをさらに備え、前記制御ユニットは、前記エレクトロライザの前記1又は複数の電気分解セルが受ける前記直流電流パルスを提供するために前記エネルギー源を動作させる、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記エネルギー源と前記エレクトロライザとの間に配置された1又は複数のスイッチと通信する制御ユニットをさらに備え、前記制御ユニットは、前記エレクトロライザの前記1又は複数の電気分解セルが受ける前記電流パルスの持続時間及び周波数を制御することによって各スイッチの投入又は開放を動作させる、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記制御ユニットは、前記エネルギー源によって提供される前記電気信号を逐次的に供給し、前記電気信号を所定時間にわたって電気分解セルに分配することにより、各電気分解セルに対する前記直流電流パルスを発生させることによって、前記スイッチを投入し又は開放することができ、この決定された時間がパルス持続時間に対応する、請求項9に記載のシステム。
- 前記制御ユニットは、前記エネルギー源によって提供される前記電気信号を逐次的に供給し、前記電気信号を所定時間にわたって電気分解セルの第1の群に分配し、ひとたびこの時間が終わると前記電気信号を所定時間にわたって電気分解セルの第2の群に分配することにより、電気分解セルの各群に対して前記直流電流パルスを発生させることによって、前記スイッチを投入し又は開放し、ここで各群は、直列接続された2つ以上の電気分解セルによって形成され、この決定された時間がパルス持続時間に対応する、請求項9に記載のシステム。
- 前記エレクトロライザは、電気分解セルの2以上の群を含み、該電気分解セルの群は、並列接続される、請求項11に記載のシステム。
- 前記エネルギー源は、AC/DC変換器に接続された交流電流エネルギー源を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記還元反応は、前記外部電極の内側で起こり、前記酸化反応は、前記中心電極の外側で起こり、ここで前記酸化反応は、前記中心電極の内側でも代替的に起こる、請求項2に記載のシステム。
- 前記中心電極は、その表面に、前記電極間空間と前記中心電極の前記内部空間とを連通させる1又は複数の開口部を備え、前記開口部は、前記電極間空間と前記中心電極の前記内部空間との間での前記電解質の自由な循環を可能にする、請求項14に記載のシステム。
- 前記中心電極の前記1又は複数の開口部は、前記酸化反応の生成物が前記中心電極の外側から前記中心電極の前記内部空間に循環することを可能にするように設けられる、請求項15に記載のシステム。
- 前記開口部は、前記中心電極の異なる抽出ゾーン内に配置され、前記抽出ゾーンは、前記電極の少なくとも1つの部分に沿って分布しており、各抽出ゾーンは、前記中心電極の外側に配置された少なくとも1つの止め機構を備え、前記止め機構は、前記中心電極の外側での前記酸化反応の前記生成物の循環を防止し、前記生成物を穴又は開口部を通して前記中心電極の前記内部空間に搬送する、請求項16に記載のシステム。
- 前記電極間空間内の前記止め機構は、前記外部電極の内側付近に前記電解質のための循環空間を残して前記電極間空間内に延びており、前記循環空間は、前記還元反応の生成物の自由な循環のために設けられる、請求項17に記載のシステム。
- 前記中心電極は、分離メッシュによって囲まれている、請求項1に記載のシステム。
- 酸化反応生成物の1又は複数の抽出ダクトをさらに備え、前記ダクトの各々は、前記中心電極の前記内部空間と連通する、請求項1に記載のシステム。
- 還元反応生成物の1又は複数の抽出ダクトをさらに備え、前記ダクトの各々は、前記電極間空間と連通する、請求項20に記載のシステム。
- 前記エレクトロライザは、複数の電気分解セルによって形成され、前記電気分解セルは、1群以上の、直列接続したセルの群にグループ分けされ、前記直列接続した電気分解セルの群は、互いに並列接続される、請求項1に記載のシステム。
- 前記1又は複数の電気分解セルは、垂直方向に配置され、大気圧で動作し、前記セルを構成する前記電極は、中空の垂直な管によって形成される、請求項1に記載のシステム。
- 酸化反応及び還元反応を行うための電気分解方法であって、
−請求項1に記載の電気分解システムを設けるステップと、
−前記電気分解システムの前記エレクトロライザを形成する前記1又は複数の電気分解セルに直流電流パルスを印加するステップと、
−前記直流電流パルスを構成するステップであって、前記エレクトロライザの各電気分解セルが、
・各セルの充電過渡的レジメの下で電流パルスの持続時間にわたって動作し、
・各セルの放電過渡的レジメの下で電流パルス間の時間にわたって動作する
ように前記直流電流パルスを構成するステップと、
を含み、
前記充電過渡的レジメ及び前記放電過渡的レジメは、円筒プレートキャパシタの形態の各電気分解セルの構造によって定められる
ことを特徴とする、方法。 - 前記直流電流パルスを構成するステップは、前記エレクトロライザの各電気分解セルがその対応する充電過渡的レジメ及び放電過渡的レジメで通電されるように、前記パルスの振幅、持続時間及び周波数を決定することを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記直流電流パルスを構成するステップは、前記エネルギー源の最大電圧又はピーク電圧(Vmax)と、実効平均電圧(Vaverage)とによって前記パルスの振幅を定めることを含み、前記実効平均電圧は、セル電位として知られる、前記電気分解セルの生成に好都合な最適電圧として定められる、請求項25に記載の方法。
- 前記エネルギー源を、前記エレクトロライザの1又は複数の電気分解セルが受ける前記直流電流パルスを提供するように制御するステップをさらに含み、この効果のために前記エネルギー源と通信する制御ユニットを用いる、請求項24から請求項29のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エネルギー源と前記エレクトロライザとの間に配置された1又は複数のスイッチの投入及び開放を制御するステップと、前記エレクトロライザの電気分解セルが受ける前記電流パルスの持続時間及び周波数を制御するステップをさらに含み、このような効果のために、前記1又は複数のスイッチと通信する制御ユニットを用いる、請求項24から請求項29のいずれか1項に記載の方法。
- 前記スイッチの投入及び開放を制御するステップは、前記エネルギー源によって提供される前記電気信号を逐次的に供給すること、前記電気信号を所定時間にわたって電気分解セルに分配することにより各電気分解セルに対する前記直流電流パルスを発生させることを含み、この決定された時間がパルス持続時間に対応する、請求項31に記載の方法。
- 前記スイッチの投入及び開放を制御するステップは、前記エネルギー源によって提供される前記電気信号を逐次的に供給すること、前記電気信号を所定時間にわたって電気分解セルの第1の群に分配し、ひとたびこの時間が終わると前記電気信号を電気分解セルの第2の群に所定時間にわたって分配することにより電気分解セルの各群に対して前記直流電流パルスを発生させることを含み、ここで各群は、直列接続された2つ以上の電気分解セルによって形成され、この決定された時間がパルス持続時間に対応する、請求項31に記載の方法。
- 前記酸化反応の生成物を1又は複数のダクトを通して抽出するステップをさらに含み、これらダクトの各々は前記中心電極の前記内部空間と連通する、請求項31に記載の方法。
- 前記還元反応の生成物を1又は複数のダクトを通して抽出するステップをさらに含み、これらダクトの各々は前記中心電極の前記内部空間と連通する、請求項34に記載の方法。
- 水の電気分解による水素及び酸素の生成のための請求項1に記載のシステムの使用。
- 水の電気分解による水素及び酸素の生成のための請求項24に記載の方法の使用。
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