JP2020524745A - 混合イオンおよび電子伝導膜を使用する水の電気化学的生産 - Google Patents

Abstract

混合イオンおよび電子伝導膜が、高エネルギー効率を伴って、水を空気または分子酸素から生産することが可能である電気化学システムにおいて採用され得る。システムは、随意に、外部回路を介して電気連通する第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜と、第１の電極および第２の電極のうちの一方と流体連通している水素含有ガス供給源と、第１の電極および第２の電極のうちの他方と流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、第１の電極から延びている第１のガス出口および第２の電極から延びている第２のガス出口とを備えている少なくとも１つの電気化学セルを備え得る。

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／５２２，４１４号（２０１７年６月２０日出願）からの米国特許法§１１９に基づく優先権の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。

（政府支援研究開発に関する記述）
該当せず。

清浄な水へのアクセスは、種々の地理的場所および船上等のある作業環境における継続中の問題である。清浄な水の源が、容易に利用可能ではないとき、水生産プロセスが、既存の水源からの水を浄化するために、または水を初めから生産するために使用され得る。水浄化および／または水の初めからの生成のためのプロセスは、現在、主に、高エネルギー入力に対するそれらの要件に起因して、非常に高価なままである。脱塩プラントは、例えば、種々のプロセスを使用して、新鮮な水を海水から生産し得るが、脱塩に関連付けられたコストは、要求されるかなりのエネルギー入力に起因して、高いままである。他の水生産プロセスも、同様の経済的および／またはエネルギー効率課題に直面し得る。より効率的生産プロセスを使用して清浄な水に日常的に低コストでアクセスすることは、清浄な飲料水が常時容易に利用可能ではない発展途上国における改善された健康および安心等の著しい利点を有し得る。経済的利点も、清浄な水がそうでなければ容易に利用可能ではないプロセスおよび作業環境において実現され得る。

いくつかの化学反応は、多くの場合、より高価な材料を生産するときの二次産物として、水を形成する。溶液相および気相化学反応中に形成される水は、時として、少量の種々の化学副産物で汚染され得、したがって、追加の浄化を伴わない直接使用のために好適ではないこともある。加えて、水の分離が、いくつかの事例では、問題となり得る。電気化学反応は、対照的に、容易に分離され得るより高い純度の水を形成する能力を有し得る。燃料電池は、例えば、分子酸素と分子水素または他の好適な燃料との間の電気化学反応を介して電気を生成する副産物として、水を形成する。燃料電池の目的は、電気を生産することであり、水を形成することではないので、水を形成するための反応効率は、概して、むしろ低い。他の電気化学プロセスも、同様に、現在、清浄な水を一次産物として生産および分離するために最適化されていない。

本開示は、概して、水を生成するためのシステムを説明し、より具体的には、高エネルギー効率で水を生成するための電気化学システムおよび方法を説明する。

上で議論されるように、エネルギーおよびコスト効率的様式における水の生産は、多くの場合、問題となり得る。水の電気化学生産は、他の水生成技法より有利であり得るが、現在の電気化学方法は、依然として、十分に高い動作効率を提供することができない。

以下の図は、本開示のある側面を図示するために含まれ、排他的実施形態と見なされるべきではない。開示される主題は、本開示の範囲から逸脱することなく、形態および機能における膨大な修正、改変、組み合わせ等を可能にする。

図１Ａおよび１Ｂは、従来の燃料電池の例証的断面略図およびその動作様式を示す。

図２Ａおよび２Ｂは、混合イオンおよび電子伝導膜を特徴とする電気化学セルの例証的断面略図およびその動作様式を示す。

図３は、管状構成に形成される例証的電気化学セルの略図を示す。

図４は、廃熱を抽出し、廃熱の少なくとも一部を混合イオンおよび電子伝導膜に戻すように構成される例証的電気化学水生成システムの略図を示す。

本開示は、従来の燃料電池が、水が生産される化学およびエネルギー効率を増加させるように修正され得る方法を説明する。図１Ａおよび１Ｂは、従来の燃料電池の例証的断面略図およびそれらの動作様式を示す。各従来の燃料電池は、カソードおよびアノードを分離するイオン伝導膜を特徴とする。イオン伝導膜は、酸素イオン伝導膜または陽子伝導膜であり得る。動作中、イオン伝導膜は、イオン移動度を所望の閾値以上で維持するように高温に保持される。存在するイオン伝導膜のタイプに応じて、燃料電池の動作原理は、図１Ａおよび１Ｂをさらに参照して説明されるように、若干変化する。

図１Ａに示されるように、燃料電池１００は、カソード１０２と、アノード１０４とを備え、それらは、それらの間に挿入されるイオン伝導膜１０６によって分離される。燃料電池１００では、イオン伝導膜１０６は、酸素イオン伝導膜である。分子酸素含有ガスまたは空気が、カソード１０２に供給され、そうすると、酸化物イオンが、分子酸素の還元を介して形成される。酸化物イオンは、イオン伝導膜１０６（酸素イオン伝導膜）を通して、アノード１０４に向かって移動する。アノード１０４では、酸化物イオンは、分子水素または水素含有ガスと反応し、分子水素または水素含有ガスを酸化させ、水および潜在的に他のガス状生産物を形成する。水は、分子水素がアノード１０４に供給されるときに形成される唯一の生産物である。炭化水素が、代わりに、アノード１０４に供給される場合、二酸化炭素が、水と並行して生産される。酸化反応から放出される電子は、外部回路１０８を通して進行し、それは、電気連通をカソード１０２とアノード１０４との間に確立する。

図１Ｂに示される燃料電池１０１は、イオン伝導膜１０６が燃料電池１０１内の陽子伝導膜であるという点で、燃料電池１００と異なる。燃料電池１０１では、分子水素または水素含有ガスは、再び、アノード１０４に供給される。分子水素または水素含有ガスの酸化が、アノード１０４内で生じ、陽子を生成する。炭化水素がアノード１０４に供給される場合、二酸化炭素も、陽子と並行して生産される。アノード１０４において生成された陽子は、イオン伝導膜１０６（陽子伝導膜）を通して、カソード１０２に向かって移動し、そうすると、それらは、分子酸素と反応し、水を形成する。アノード１０４における酸化反応から放出される電子は、再び、外部回路１０８を通して進行する。

したがって、燃料電池１００および１０１は、電力を電流の形態で外部回路１０８を通して提供する。水は、どちらかの燃料電池構成で副産物として形成され得るが、燃料電池１００および１０１の一次目的は、電力を生成することであり、水を形成することではない。イオン伝導膜１０６を含むシステム構成要素は、水生産ではなく、電気生産のために最適化されている。その結果、水生産は、供給される分子酸素および分子水素の量に対して非常に非効率的であり得る。

従来の燃料電池における酸化−還元サイクル中に生成された自由電子は、外部回路１０８を通して進行する。自由電子の全ては、従来の燃料電池の外部回路１０８で電流生産に費やされるので、水を形成するための電子輸送プロセスは、非最適であり得る。

従来の燃料電池において採用されるイオン伝導膜と対照的に、本開示は、電気化学セルアーキテクチャ内において、混合イオンおよび電子伝導膜（ｍｉｘｅｄ ｉｏｎｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）を採用し、電気化学セルアーキテクチャは、外部回路を採用することも、採用しないこともある。本明細書で使用されるように、用語「混合イオンおよび電子伝導膜」は、イオンおよび自由電子（または電子正孔）の両方を輸送することが可能な膜材料を指す。電気化学反応において生産された自由電子の全てが、必ずしも、外部回路の存在下、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して流動する必要はない。代わりに、自由電子の第１の部分は、外部電気回路内のアノードとカソードとの間を進行し得、自由電子の第２の部分は、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して進行し得る。自由電子の最大１００％が、外部回路が存在するとき、混合イオンおよび電子伝導膜を横断し得る。外部電気回路がない場合、自由電子または電子正孔の全てが、混合イオンおよび電子伝導膜を横断してアノードとカソードとの間を進行し得る。

より具体的実施形態によると、混合イオンおよび電子伝導膜は、完全に密であり（理論的密度の＞９５％および／または＜５％孔隙）、分子酸素、空気、水素ガス（分子水素）、またはガス状炭化水素等のガス状物質が、非イオン化形態で通過することを可能にしないこともある。混合イオンおよび電子伝導膜内に存在する細孔の少なくとも大部分は、膜内のガス混合のリスクを最小化するように、閉鎖された細孔であり得る。したがって、混合イオンおよび電子伝導膜を通して生じる質量輸送の実質的に全ては、イオン輸送の形態で生じる。

図２Ａおよび２Ｂは、燃料電池の中の混合イオンおよび電子伝導膜の代替２０６を除き、図１Ａおよび１Ｂに示される燃料電池１００および１０１に対応する電気化学セル２００および２０１の例証的断面略図を示す。混合イオンおよび電子伝導膜２０６、および電気化学セル２００および２０１内の外部回路１０８の随意の性質以外、図２Ａおよび２Ｂにおける構造詳細は、図１Ａおよび１Ｂのものに類似し、共通参照文字が、同様の機能性を有する特徴を示すために使用される。混合イオンおよび電子伝導膜２０６を横断して伝達されている電子（または電子正孔）も、図２Ａおよび２Ｂに示される。混合イオンおよび電子伝導膜２０６を通した電子流動の方向は、両セル構成において、アノード１０４からカソード１０２である。電子正孔流動は、反対方向にある（図示せず）。外部回路１０８が存在するかどうかに応じて、電子の全部または一部が、混合イオンおよび電子伝導膜２０６を通して流動し得る。

混合イオンおよび電子伝導膜を採用する電気化学セルは、外部回路が存在する場合、イオン伝導率のみを有する膜を採用する匹敵する電気化学セル（従来の燃料電池）より少ない電子を外部回路を通して運ぶので、より少ない電流が生じる。従来の燃料電池の目的が、最適化された電気生成のためのものであることを所与として、より少ない電流が同様のセルアーキテクチャ内の混合イオンおよび電子伝導膜から生じるとすると、混合イオンおよび電子伝導膜を一般に使用されるイオン伝導膜と置き換えようとする特別な動機は存在しない。

本開示は、混合イオンおよび電子伝導膜が、外部回路が存在する場合でも、電気化学セルから達成可能な電流を低下させ得るが、そのような膜が、水生成の観点から有意な利点を提供し得ることを理解する。すなわち、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して進行する電子は、混合イオンおよび電子伝導膜とカソードまたはアノードのうちの少なくとも１つとの間の界面における触媒反応を促進することによって、水生成をより効率的にし得る。すなわち、混合イオンおよび電子伝導膜を通過する電子は、それらが、触媒化学反応をより効果的に促進し、水をカソードまたはアノード内に生成し得る場所に位置付けられ得る。さらなる利点として、少なくともいくつかの混合イオンおよび電子伝導膜の材料は、カソードまたはアノード内に組み込まれ、熱膨張係数のより良好な合致を促進し得、それによって、動作加熱の下での構造層間剥離を嫌う。

従来の燃料電池のイオン伝導膜のように、高温は、本明細書に開示される混合イオンおよび電子伝導膜内のイオン輸送を促進し得る。高動作温度に起因して、混合イオンおよび電子伝導膜を特徴とする電気化学セルから生産された水は、蒸気の形態で生産され得る。蒸気の凝縮は、何らかの様式で対処されなければならない廃熱を提供する。有利には、本開示の電気化学セルでは、蒸気から回収される廃熱の少なくとも一部は、混合イオンおよび電子伝導膜に再循環され、水を形成するための電気化学反応の全体的エネルギー効率を改良し得る。代替として、蒸気からの廃熱は、他の廃熱変換プロセスに供給され得、および／または、他の源からの廃熱も、混合イオンおよび電子伝導膜に供給され得る。外部回路が、電気化学セルに接続されると、電流が、生産され、それに接続される負荷に給電するために使用され得る。代替として、電力は、好適なエネルギー貯蔵デバイス内に貯蔵され得る。

したがって、混合イオンおよび電子伝導膜を特徴とする電気化学セルは、特に、随意の外部回路が存在しない場合、水を生成するための比較的に単純システムを提供し得る。そのような水生成システムの可動部品は、補助構成要素に限定され、それによって、長動作寿命を提供し得る。さらに、効率が、それらの動作中に生成された蒸気から回収される廃熱再循環させることによって、水生成システムにおいて実現され得る。代替として、廃熱は、熱エネルギーの源を必要とする他の用途に向け直されることができる。脱塩等の従来の水生産方法をはるかに上回る効率が、実現され得る。

故に、本開示は、混合イオンおよび電子伝導膜を採用することによって、従来の燃料電池と異なる電気化学水生成システムを説明する。電気化学水生成システムは、少なくとも１つの電気化学セルを備え、システムは、随意に、外部回路を介して電気連通する第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜と、第１の電極および第２の電極のうちの一方と流体連通している水素含有ガス供給源と、第１の電極および第２の電極のうちの他方と流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、第１の電極から延びている第１のガス出口および第２の電極から延びている第２のガス出口とを備えている。いくつかの実施形態では、外部電気回路は、省略され得、その場合、電子または電子正孔の流動は、混合イオンおよび電子伝導膜を通して排他的に生じる。他の実施形態では、外部電気回路が存在し得、その場合、電子の一部は、外部電気回路を通して流動することも、流動しないこともある。

分子酸素含有ガス供給源は、いくつかの実施形態では、実質的に純分子酸素（Ｏ_２ガス）を含むか、またはそれを供給するように構成され得る。他の実施形態では、分子酸素含有ガス供給源は、約７８％窒素と、１％アルゴンと、１％未満の二酸化炭素および他のガスと組み合わせて、約２１％分子酸素を含む空気を含むか、または、それを供給するように構成され得る。他のガスとの空気混合物を含む、分子酸素を含む他のガス状混合物も、本開示の代替実施形態では、好適には、分子酸素含有ガス供給源内に存在し得る。したがって、本開示の種々の実施形態によると、分子酸素含有ガス供給源は、空気または酸素ガスを含むか、または、それを第１の電極または第２の電極に供給するように構成され得る。

水素含有ガス供給源は、分子水素（水素ガス）および／または化学的に結合された水素を含む１つ以上の化合物を含む、任意のガスまたはガス混合物を含むか、または、それを供給するように構成され得る。したがって、本開示の種々の実施形態によると、水素含有ガス供給源は、水素ガス、炭化水素ガス、またはアンモニアガスのうちの少なくとも１つを含むか、または、それを第１の電極または第２の電極に供給するように構成され得る。硫化水素（Ｈ_２Ｓ）も、反応性であり得るが、それから形成される二酸化硫黄（ＳＯ_２）のその極端な毒性および毒性に起因して問題となり得る。例えば、炭化水素ガスは、本開示のシステムおよび方法における給送材として導入される前、硫化水素および他の硫黄含有化合物を除去するように浄化され得る。本明細書で使用されるように、用語「炭化水素」は、飽和および／または不飽和の両方の炭化水素ならびにヘテロ原子置換を含むものを含む、炭素に結合された水素を含む任意の化合物を指す。したがって、用語「炭化水素」は、本明細書で使用されるように、炭素および水素のみを含むそれらの化合物に限定されない。いくつかの実施形態では、好適な炭化水素ガスは、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、アセチレン等を含み得る。いくつかの実施形態では、天然ガスが、水を生成する目的のために、電気化学セルとして供給され得る。

水素ガスが、電気化学水生成システムに供給されると、純水が、発熱性反応の場合、電気とともに生産される。炭化水素の場合、炭素、窒素、および硫黄の酸化物が、水および電気に加え、生産され得る。炭素、窒素、および硫黄酸化物は、対処される必要があり得る温室効果ガスであるが、放出値は、典型的には、化石燃料を利用する従来の燃焼システムを下回る。

酸素イオン伝導が所望されるか、陽子伝導が所望されるかに応じて、好適な混合イオンおよび電子伝導膜は、例えば、混合相で存在し得る欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイト（０＜ｄ≦１）、ドープされたδ−酸化ビスマス（δ−Ｂｉ_２Ｏ_３）、およびドープされた酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の材料を含み得る。これらの材料の組み合わせも、混合イオンおよび電子伝導膜内に存在し得る。δ−Ｂｉ_２Ｏ_３およびＣｅＯ_２のためのドーパントは、非ゼロ量の最大約３５原子パーセントで存在し得る。組成物に応じて、欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイトは、酸素イオン導体または陽子導体のいずれかであり得る。ドープされたδ−酸化ビスマスおよびドープされた酸化セリウムは、酸化物イオン導体である。好適な欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイトは、Ａが、Ｂａ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＳｒから成る群から選択され、Ｂが、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｏから成る群から選択されるそれらを含み得る。変数ＡおよびＢは、必ずしも、単一原子を表す必要はなく、電荷中性および所望のタイプのイオン伝導を維持するＡおよび／またはＢの選択肢の混合物が、選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ジルコニウム酸バリウムセレートペロブスカイト型種が、混合イオンおよび電子伝導膜内に存在し得る。本開示の混合イオンおよび電子伝導膜を好適に構成し得る追加の材料またはそのドープされた変形は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、（Ｌａ，Ｂａ，Ｓｒ）（Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３−ｄ（０＜ｄ≦１）、Ｌａ_２ＣｕＯ_４＋ｄ（０＜ｄ＜０．５）、ＬｉＦｅＰＯ_４、およびＬｉＭｎＰＯ_４を含む。

いくつかの実施形態によると、上記混合イオンおよび電子伝導膜は、単相材料を含み得る。しかしながら、本開示の他の実施形態では、混合イオンおよび電子伝導膜は、２つ以上の異なる相または材料を含む、混合相および／または多相材料を含み得る。例えば、高温および還元雰囲気にさらされたＣｅＯ_２またはドープされたＣｅＯ_２は、複合イオンおよび電子導体である混合相内にＣｅＯ_２−ｘ構造を形成し得る。

本開示の他の実施形態によると、混合イオンおよび電子伝導膜は、２つ以上の異なる相を有する複合材料を含み得る。より具体的実施形態では、そのような複合材料は、イオン伝導相と、電子伝導相とを備え得る。いくつかの実施形態では、電子伝導相は、希土類でドープされたチタン酸ストロンチウム、他のドープされたペロブスカイト、または銀等の金属相を含み得る。

理論または機構によって拘束されるわけではないが、混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオンまたは陽子を高化学ポテンシャルの場所からより低い化学ポテンシャルの場所に輸送すると考えられ、それは、混合イオンおよび電子伝導膜の各側の部分的圧力に比例する。酸素イオン輸送は、空孔機構によって生じると考えられる。陽子輸送は、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して輸送可能な水酸化物イオンを形成するための水との会合によって生じると考えられる。

分子酸素含有ガスがＯ_２であり、水素含有ガスがＨ_２である場合、カソードおよびアノード反応は、式１および２によって規定される。
起電力（ＥＭＦ）は、したがって、アノードおよびカソードにおける酸素部分圧に依存する。アノードにおける酸素部分圧は、式３によって与えられる。
式中、Ｋ_（ｏｘ）は、上で説明される酸化反応のための平衡定数であり、Ｐ_Ｈ２は、水素ガス部分圧であり、Ｐ_{Ｈ２Ｏは、}水部分圧である。ネルンストの式における置換は、式４につながる。
式中、Ｅ^ｏは、標準的状態にけるセルの可逆的電圧であり、Ｒは、理想的ガス定数であり、Ｔは、温度であり、Ｆは、ファラデー定数である。標準的状態条件では、式４は、式５になる。
式５におけるΔＧ^ｏのさらなる置換は、式６を提供し、式中、ΔＧ^ｏは、ギブズ自由エネルギーである。
１，２５０Ｋにおける上記反応に関して、ΔＧ^ｏは、−１７８．２ｋＪ／ｍｏｌであり、それは、０．９２４ＶのＥＭＦ値につながる。ＥＭＦ値は、セルを異なる温度で動作させるとき、または異なる水素含有ガスが反応物として供給されるとき、異なり得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、複数の電気化学セルが、直列および／または並列に接続され、電気化学スタックを形成し得る。好適な電気化学スタック構成は、個々のセルの数または特定のスタック設計において特に限定されると見なされない。

本開示のより具体的実施形態によると、第１の電極は、カソードであり得、分子酸素含有ガス供給源が、カソードと流体連通し得、第２の電極は、アノードであり得、水素含有ガス供給源が、アノードと流体連通し得、混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導膜を備え得る。そのようなセル構成は、図２Ａに示される。

本開示の他のより具体的実施形態によると、第１の電極は、カソードであり得、分子酸素含有ガス供給源が、カソードと流体連通し得、第２の電極は、アノードであり得、水素含有ガス供給源が、アノードと流体連通し得、混合イオンおよび電子伝導膜は、陽子伝導膜を備え得る。そのようなセル構成は、図２Ｂに示される。

図２Ａおよび２Ｂは、平面構成に配置されるカソード１０２およびアノード１０４を示し、混合イオンおよび電子伝導膜２０６が、それらの間に挿入されるているが、他のセル構成も、本開示の範囲内にあることを理解されたい。いくつかの実施形態では、カソード１０２と、アノード１０４と、混合イオンおよび電子伝導膜２０６とは、これらの要素が集合的に管の壁を構成する管状構成に配置され得る。図３は、カソード１０２と、アノード１０４と、混合イオンおよび電子伝導膜２０６とが、電気化学セル３００内に管状構成で配列される例証的電気化学セル構成の略図を示す。通路３０２が、電気化学セル３０２の内部に延びている。水素含有ガス（例えば、水素ガスまたは炭化水素）は、通路３０２を通して循環し、水素含有ガスをアノード１０４に供給し得る。分子酸素含有ガスは、カソード１０２に隣接する外部空間３０４内に位置し、分子酸素をそれに供給し得る。代替実施形態では、カソード１０２およびアノード１０４の位置は、逆転され得、その場合、分子酸素含有ガスが、代わりに、通路３０２を通して循環し得、水素含有ガスは、外部空間３０４内に位置し得る。明確性のため、外部回路は、図３に示されない。

図３に示されるもの等の管状電気化学セルは、押し出し成型およびコーティング技法を使用して製作され得る。好適な製作技法の例として、電解質粉末と結合剤としてのセルロースとを含むアノードスラリーが、調製され得る。アノード成分は、産業用ミキサを使用して、１〜２時間にわたって、水と混合され、一晩、放置され得る。真空が、アノードスラリーにわたって引かれ、過剰空気の除去を可能にし得る。アノード管は、ラム押し出し機およびカスタマイズされたダイを使用して、アノードスラリーから押し出しされ得る。アノード管は、乾燥させられ、所望の長さに切断され、電解質スラリー中で浸漬コーティングされ、乾燥させられ得る。電解質スラリーは、結合剤（ポリビニルブチラール）、分散剤（魚油）、および溶媒（トルエンおよびエタノール）等の有機原料と混合され得る。所望の電解質厚さは、複数の電解質コーティングを通して達成され得る。所望の電解質厚さに到達後、管は、１２００〜１４５０℃で６〜１８時間にわたって空気中で焼結され得る。次に、電解質コーティングされたアノード管は、電解質スラリーのそれと似た有機原料を含むカソードスラリー中で浸漬コーティングされ得る。カソード浸漬コーティングされた管は、管状セル製作を完成させるために、空気中で乾燥され、８００〜１，０００℃で１〜６時間にわたって空気中で焼結され得る。

カソードおよび／またはアノードを形成するための好適な材料は、いくつかの実施形態によると、水形成を促進するように（具体的には、酸素イオンまたは陽子を生成するように）、触媒作用的に活性であり得る。混合イオンおよび電子伝導膜が、酸素イオン伝導性材料を含む、特定の実施形態では、アノードは、アノードにおける水形成を促進するために、触媒作用的に活性な材料を含み得る。同様に、混合イオンおよび電子伝導膜が、陽子伝導性材料を含む場合、カソードは、水形成を促進するために、触媒作用的に活性な材料を含み得る。より具体的実施形態では、カソードおよびアノードは両方とも、酸素イオン伝導膜が存在するか、陽子伝導膜が存在するかに応じて、電極のうちの１つにおける水形成をより効果的に促進するために好適な触媒作用的に活性な材料を含み得る。特に、水が形成されている電極内に存在し得る好適な材料は、例えば、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、またはその任意の酸化物を含み得る。特定の実施形態では、アノードは、これらの材料のうちの１つ以上のものを含み得る。いくつかまたは他の実施形態では、混合イオンおよび電子伝導膜を構成する材料は、カソードおよび／またはアノードの少なくとも一部内にも存在し得る。

水を生成するための電気化学反応は、電子を放出し、その一部は、電流として外部回路を通して流動し得、その一部は、混合イオンおよび電子伝導膜を通して進行し得る。追加の電流は、電気化学反応が、追加の電流が印加され得る吸熱性ではない限り、水を生成するように電気化学反応を促進するために印加される必要はない。しかしながら、追加の電流の印加は、いずれかの電極におけるイオン種のより効率的形成を促進するために、有利であり得る。いくつかの実施形態では、水を形成するために電気化学反応から生成された電流は、外部回路と電気連通する負荷に供給され得る。

さらなる実施形態によると、本明細書に説明される電気化学水生成システムは、第１のガス出口および第２のガス出口のうちの少なくとも１つと熱連通する熱交換器を備え得る。より具体的実施形態では、熱交換器は、廃熱を第１の電極または第２の電極内で生産された蒸気から回収するように構成され得る。したがって、水が形成される特定の電極に応じて、熱交換器は、カソードまたはアノードのいずれかから延びているガス出口と熱連通し得る。

故に、いくつかの具体的実施形態では、熱交換器は、第２のガス出口と熱連通し得、第２のガス出口は、蒸気を第２の電極（アノード）から回収するように構成され得る。他の具体的実施形態では、熱交換器は、第１のガス出口と熱連通し得、第１のガス出口は、蒸気を第１の電極（カソード）から回収するように構成され得る。

本開示において使用するための好適な熱交換器は、過剰熱を流体から、特に、蒸気から回収するように構成され得る。蒸気からの過剰熱は、蒸気と熱交換器の構成要素を直接接触させることによって回収され得るか、または、熱交換器は、蒸気が進行する導管と熱連通し得る。いくつかの実施形態では、熱交換器は、第１のガス出口および第２のガス出口のうちの少なくとも１つから抽出される廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成され得る。蒸気からの廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に戻すことは、電気化学水生成システムのより効率的動作につながり得る。

生産物および電気エネルギーへの化学エネルギーの直接変換は、カルノーサイクル効率によって限定されない。故に、セル効率は、脱塩プラントにおけるものを上回る。５０〜６０％の化学効率が、可能であり得る。廃熱が、混合イオンおよび電子伝導膜に返される場合、最大８０〜９０％またはさらに上回る全体的システム効率が、実現可能であり得る。

本明細書の実施形態において使用するために好適な熱交換器は、特に限定されるものと見なされない。本開示の種々の実施形態において使用するために好適であり得る例証的熱交換器は、例えば、シェルおよび管熱交換器、プレート熱交換器、プレートおよびシェル熱交換器、プレートフィン熱交換器、マイクロチャネル熱交換器、熱パイプ、または直接接触熱交換器を含む。好適な熱交換器の選択肢は、特に、廃熱が混合イオンおよび電子伝導膜に再循環されるかどうかに応じて、用途特有であり得る。廃熱が、混合イオンおよび電子伝導膜に再循環されない場合、廃熱は、過剰熱エネルギーを必要とする他の用途において利用され得る。例証的実施形態では、廃熱は、脱塩および加熱または冷却用途等の化学反応を促進するために供給され得る。

図４は、廃熱をガス出口から抽出し、廃熱の少なくとも一部を混合イオンおよび電子伝導膜に戻すように構成される例証的電気化学水生成システム４００の略図を示す。すなわち、図４に示されるように、分子酸素（または空気）は、分子酸素が、カソード１０２内の孔隙の中に拡散し、および／または、それを通して流動し得るように、カソード１０２に隣接する導管４０２を通して流動する。同様に、水素ガス（または炭化水素）は、水素ガス（または炭化水素）が、アノード１０４内の孔隙の中に拡散し得るように、アノード１０４に隣接する導管４０４を通して流動する。アノード１０４内で生産された水は、導管４０４から蒸気の形態でガス出口４０６を通して退出する。ガス出口４０６から退出すると、蒸気は、液体水として凝縮し、収集され得る（収集装置は示されない）。上で議論されるように、外部回路１０８は、電気化学水生成システム４００において随意である。

熱交換器４０８は、ガス出口４０６と熱連通する。熱交換器４０８は、蒸気からの廃熱をガス出口４０６内で収集し、液体水へのその凝縮を促進し得る。いくつかの実施形態によると、熱交換器４０８内に蓄積された廃熱は、次いで、熱導管４１０を介して、混合イオンおよび電子伝導膜２０６に戻され、そのイオン伝導率を促進し得る。他の廃熱源を含む、他の熱源が、熱交換器４０８から提供されるものに加えて、またはその代替として、混合イオンおよび電子伝導膜２０６と熱連通し得ることを理解されたい。例えば、代替実施形態では、発電所、ガスタービン、または他の熱源の廃熱出力が、混合イオンおよび電子伝導膜２０６と熱連通し、全体的エネルギー効率を改良し得る。

図４は、酸素イオン伝導膜を利用する電気化学水生成システム４００を示しているが、陽子伝導膜が、代替実施形態では利用され得ることを理解されたい。そのような実施形態では、熱交換器４０８は、このセル構成におけるカソード１０２内で生産された廃熱を回収するために、導管４０２のガス出口４１２と熱連通し得る。簡潔にするために、この代替セル構成は、図面では、さらに詳細に示されない。

故に、より具体的実施形態では、本明細書に開示される電気化学水生成システムは、随意に、外部回路を介して電気連通するカソードおよびアノードと、カソードとアノードとの間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜であって、酸素イオン伝導性材料を含む、混合イオンおよび電子伝導膜と、アノードと流体連通している水素含有ガス供給源と、カソードと流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、アノードから延びているガス出口と、ガス出口と熱連通している熱交換器とを備えている少なくとも１つの電気化学セルを備え得る。より具体的実施形態では、熱交換器は、ガス出口から抽出される廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成され得る。

他のより具体的実施形態では、本明細書に開示される電気化学水生成システムは、随意に、外部回路を介して電気連通するカソードおよびアノードと、カソードとアノードとの間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜と、陽子伝導性材料を含む混合イオンおよび電子伝導膜と、アノードと流体連通している水素含有ガス供給源と、カソードと流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、カソードから延びているガス出口と、ガス出口と熱連通している熱交換器とを備えている少なくとも１つの電気化学セルを備え得る。より具体的実施形態では、熱交換器は、ガス出口から抽出される廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成され得る。

同様に、いくつかまたは他の種々の実施形態によると、本開示は、電気化学的に水を形成する方法を提供する。いくつかの実施形態では、方法は、分子酸素含有ガスを電気化学セルの第１の電極に、水素含有ガスを電気化学セルの第２の電極に供給することであって、電気化学セルは、第１の電極と第２の電極との間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜を有し、第１の電極および第２の電極は、随意に、外部回路を介して電気連通する、ことと、混合イオンおよび電子伝導膜を混合イオンおよび電子伝導膜におけるイオン移動度を所定のレベル以上に維持するために必要とされる温度またはそれを上回る温度まで加熱することと、イオン種を第１の電極または第２の電極のうちの一方内の分子酸素含有ガスまたは水素含有ガスから生成することと、イオン種を混合イオンおよび電子伝導膜を横断して第１の電極または第２の電極のうちの他方に移動させることと、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して移動させた後、第１の電極または第２の電極のうちの一方内のイオン種を反応させ、水を蒸気の形態で形成することと、蒸気を第１の電極または第２の電極のうちの一方から回収することとを含み得る。混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導膜または陽子伝導膜を含み得、蒸気は、本明細書にさらに詳細に議論されるように、存在するイオンおよび電子伝導膜のタイプに応じて、第１の電極または第２の電極のいずれかから回収され得る。

さらなる実施形態によると、本開示の方法は、蒸気を含むガス出口と熱連通している熱交換器と蒸気を相互作用させ、廃熱を回収することと、廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給することとを含み得る。蒸気からの廃熱の回収は、いくつかの実施形態によると、液体水への蒸気の凝縮に影響を及ぼし得る。本開示の方法は、なおもさらに、好適な容器内に等、液体水を収集することを含み得る。収集された水は、いくつかの実施形態によると、飲用に適したものであり得、飲水目的のために使用され得るか、または、１つ以上の二次反応を行うために使用され得る。

イオン移動度を混合イオンおよび電子伝導膜内で所定のレベルに維持するために必要とされる温度は、選定される膜材料に応じて変動し得る。さらに、選定されるイオン移動度は、所望の水生成率に応じて変動し得る。より具体的実施形態では、イオン移動度を維持するために必要とされる温度は、約３００℃〜約１，０００℃、または約３００℃〜約８００℃、または約３００℃〜約７００℃、または約３００℃〜約４００℃、または約４００℃〜約５００℃、または約５００℃〜約５００℃、または約６００℃〜約７００℃に及び得る。イオン移動度を所望のレベルに維持するための好適な範囲内の温度は、対応して、電気化学セル内の高電流密度値も促進し得る。陽子伝導膜のための温度は、いくつかの実施形態では、約７００℃を下回って保たれ、水の部分圧を維持し、陽子輸送を促進し得る一方、酸素イオン伝導膜は、他の実施形態によると、好適には、最大約１，０００℃の温度で動作させられ得る。電気化学反応速度も、観察される電流密度値に影響を及ぼし得る。

本明細書に開示される実施形態は、以下を含む。

Ａ．電気化学水生成システム。システムは、随意に、外部回路を介して電気連通する第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜と、第１の電極および第２の電極のうちの一方と流体連通している水素含有ガス供給源と、第１の電極および第２の電極のうちの他方と流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、第１の電極から延びている第１のガス出口および第２の電極から延びている第２のガス出口とを備えている少なくとも１つの電気化学セルを備えている。

Ｂ．水のアノード生産のための電気化学水生成システム。システムは、随意に、外部回路を介して電気連通するカソードおよびアノードと、カソードとアノードとの間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜であって、酸素イオン伝導性材料を含む混合イオンおよび電子伝導膜と、アノードと流体連通している水素含有ガス供給源と、カソードと流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、アノードから延びているガス出口と、ガス出口と熱連通している熱交換器とを備えている少なくとも１つの電気化学セルを備えている。

Ｃ．混合イオンおよび電子伝導膜を使用して、水を生産する方法。方法は、分子酸素含有ガスを電気化学セルの第１の電極に、水素含有ガスを電気化学セルの第２の電極に供給することであって、混合イオンおよび電子伝導膜が、第１の電極と第２の電極との間に挿入され、それらと接触し、第１の電極および第２の電極は、随意に、外部回路を介して電気連通する、ことと、混合イオンおよび電子伝導膜を混合イオンおよび電子伝導膜におけるイオン移動度を所定のレベル以上に維持するために必要とされるそれ以上の温度まで加熱することと、イオン種を第１の電極または第２の電極のうちの一方内の分子酸素含有ガスまたは水素含有ガスから生成することと、イオン種を混合イオンおよび電子伝導膜を横断して第１の電極または第２の電極のうちの他方に移動させることと、混合イオンおよび電子伝導膜を横断して移動した後、第１の電極または第２の電極のうちの一方におけるイオン種を反応させ、水を蒸気の形態で形成することと、蒸気を第１の電極または第２の電極のうちの一方から回収することとを含む。

実施形態Ａ、Ｂ、およびＣの各々は、任意の組み合わせにおいて、以下の追加の要素のうちの１つ以上のものを有し得る。

要素１：システムは、第１のガス出口および第２のガス出口のうちの少なくとも１つと熱連通している熱交換器をさらに備えている。

要素２：熱交換器は、第１のガス出口および第２のガス出口のうちの少なくとも１つから抽出される廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成されている。

要素３：第１の電極は、カソードであり、分子酸素含有ガス供給源は、カソードと流体連通し、第２の電極は、アノードであり、水素含有ガス供給源は、アノードと流体連通し、混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導膜を備えている。

要素４：酸素イオン伝導膜は、欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイト（０，ｄ≦１）、ドープされたδ−Ｂｉ_２Ｏ_３、およびドープされた混合相酸化セリウムから成る群から選択される少なくとも１つの材料を備え、Ａは、Ｂａ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＳｒから成る群から選択され、Ｂは、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｏから成る群から選択される。

要素５：熱交換器は、第２のガス出口と熱連通し、第２のガス出口は、蒸気を第２の電極から回収するように構成されている。

要素６：第１の電極は、カソードであり、分子酸素含有ガス供給源は、カソードと流体連通し、第２の電極は、アノードであり、水素含有ガス供給源は、アノードと流体連通し、混合イオンおよび電子伝導膜は、陽子伝導膜を備えている。

要素７：熱交換器は、第１のガス出口と熱連通し、第１のガス出口は、蒸気を第１の電極から回収するように構成されている。

要素８：分子酸素含有ガス供給源は、空気または酸素ガスを第１の電極または第２の電極に供給するように構成されている。

要素９：水素含有ガス供給源は、水素ガス、炭化水素ガス、またはアンモニアガスのうちの少なくとも１つを第１の電極または第２の電極に供給するように構成されている。

要素１０：混合イオンおよび電子伝導膜は、単相材料を備えている。

要素１１：熱交換器は、ガス出口から抽出される廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成されている。

要素１２：方法は、蒸気を蒸気を含むガス出口と熱連通している熱交換器と相互作用させ、廃熱を回収することと、廃熱を混合イオンおよび電子伝導膜に供給することとをさらに含む。

要素１３：イオン移動度を所定のレベル以上に維持するために必要とされる温度は、約３００℃〜約１，０００℃に及ぶ。

要素１４：第１の電極または第２の電極のうちの少なくとも１つは、水を形成するためにイオン種を反応させるように触媒作用的に活性である材料を備えている。

非限定的例として、Ａ、Ｂ、およびＣに適用可能な例示的組み合わせは、要素１および２；１−３；１および３；１、３および４；１−４；１および５；１および６；１、２、および５；１、２、および６；１、６、および７；１、２、６、および７；１および８；１および９；３および４；３および５；３−５；３、４、および８；３および８；３および９；３、４、および９；６および７；６および８；６−８；６、７、および９；６および９；８および９；１および１４；１、２、および１４；１、３、および１４；１、５、および１４；３および１４；３、４、および１４；３、５、および１４；３、８、および１４；３、９、および１４；６および１４；６、７、および１４；６、８、および１４；８および１４；ならびに９および１４と組み合わせたＡのシステム、要素４および８；４および１１；４、８、および９；４および９；８および１１；９および１１；４および１４；４、８、および１４；４、１１、および１４；４、８、９、および１４；４、９、および１４；８および１４；９および１４；８、１１、および１４；９、１１、および１４；ならびに１１および１４と組み合わせたＢのシステム、要素３および１２；３、４および１２；６および１２；６および１３；６および１４；３、４、および１４；３および１４；８および１４；９および１４；８、９および１４；８および１３；ならびに９および１３と組み合わせたＣの方法システムを含む。

別様に示されない限り、本明細書および関連付けられた請求項における数量等を表す全ての数は、全ての事例において、用語「約」によって修飾されるものと理解されたい。故に、そうでないことが示されない限り、以下の明細書および添付の請求項に記載される数値パラメータは、本開示の実施形態によって取得されることが模索される所望の性質に応じて変動し得る近似値である。少なくとも、均等物の教義の用途を請求項の範囲に限定することを試みるものではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告される有効桁の数に照らして、通常の丸め技法を適用することによって、解釈されるべきである。

種々の特徴を組み込む１つ以上の例証的実施形態が、本明細書に提示される。物理的実装の全ての特徴が、明確化のために、本願に説明または示されるわけではない。本開示の実施形態を組み込む物理的実施形態の開発では、多数の実装特有の決定が、実装によって、かつ随時、変動する、システム関連、事業関連、政府関連、および他の制約への準拠等、開発者の目標を達成するために行われなければならないことを理解されたい。開発者の労力は、時間がかかり得るが、そのような労力は、それにもかかわらず、当業者および本開示の利点を有する者のための通常の作業であろう。

種々のシステム、ツール、および方法が、種々の構成要素またはことを「備えている」観点から、本明細書に説明されるが、システム、ツール、および方法はまた、種々の構成要素およびことから「本質的に成る」または「成る」こともできる。

本明細書で使用されるように、アイテムのいずれかを分離するための用語「および」または「または」とともに、一連のアイテムに先行する語句「〜のうちの少なくとも１つ」は、リストの各要素（すなわち、各アイテム）ではなく、全体として、リストを修飾する。語句「〜のうちの少なくとも１つ」は、アイテムのうちの任意の１つのうちの少なくとも１つ、および／またはアイテムの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、および／またはアイテムのそれぞれのうちの少なくとも１つを含む、意味を可能にする。一例として、語句「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」または「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」の各々は、Ａのみ、Ｂのみ、またはＣのみ；Ａ、Ｂ、およびＣの任意の組み合わせ；ならびに／もしくはＡ、Ｂ、およびＣのそれぞれのうちの少なくとも１つを指す。

したがって、開示されるシステム、ツール、および方法は、述べられた目的および利点ならびにその中で固有のものを達成するように良好に適合される。上で開示される特定の実施形態は、例証のみであり、本開示の教示は、本明細書の教示の利点を有する当業者に明白であり、異なるが同等様式において、修正および実践され得る。さらに、下記の請求項に説明されるもの以外の本明細書に示される構造または設計の詳細に対して、限定は意図されない。したがって、上で開示される特定の例証的実施形態は、改変され、組み合わせられ、または修正され得、全てのそのような変形例は、本開示の範囲内であると見なされることが明白である。本明細書に例証的に開示されるシステム、ツール、および方法は、好適には、本明細書に具体的に開示されない任意の要素および／または本明細書に開示される任意の随意の要素の不在下、実践され得る。システム、ツール、および方法は、種々の構成要素またはステップを「備えている」、「含む」、または「含む」観点から説明されるが、システム、ツール、および方法は、種々の構成要素およびステップから「本質的に成る」または「成る」こともできる。上で開示される全ての数および範囲は、ある量だけ、変動し得る。下限および上限を伴う数値範囲が開示されるとき、常時、範囲内にある任意の数および任意の含まれる範囲が、具体的に開示される。特に、本明細書に開示される値の全ての範囲（「約ａ〜約ｂ」または同等に、「およそａ〜ｂ」、または同等に、「概算としてａ〜ｂ」の形態）は、記載される全ての数およびより広い値の範囲内に包含される範囲であると理解されたい。請求項内の用語も、特許権所有者によって別様に明示的かつ明確に定義されない限り、その平易な通常の意味を有する。さらに、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、請求項において使用されるように、本明細書では、それを導入する要素のうちの１つ以上のものを意味するように定義される。本明細書および参照することによって本明細書に組み込まれ得る１つ以上の特許もしくは他の文書における単語または用語の使用に任意の矛盾が存在する場合、本明細書と一貫した定義が、採用されるべきである。

Claims (22)

1. 電気化学水生成システムであって、前記電気化学水生成システムは、少なくとも１つの電気化学セルを備え、前記少なくとも１つの電気化学セルは、
   第１の電極および第２の電極であって、前記第１の電極と前記第２の電極とは、随意に、外部回路を介して電気連通している、第１の電極および第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜と、
   前記第１の電極および前記第２の電極のうちの一方と流体連通している水素含有ガス供給源と、
   前記第１の電極および前記第２の電極のうちの他方と流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、
   前記第１の電極から延びている第１のガス出口および前記第２の電極から延びている第２のガス出口と
   を備えている、電気化学水生成システム。
2. 前記第１のガス出口および前記第２のガス出口のうちの少なくとも１つと熱連通している熱交換器をさらに備えている、請求項１に記載の電気化学水生成システム。
3. 前記熱交換器は、前記第１のガス出口および前記第２のガス出口のうちの少なくとも１つから抽出される廃熱を前記混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成されている、請求項２に記載の電気化学水生成システム。
4. 前記第１の電極は、カソードであり、前記分子酸素含有ガス供給源は、前記カソードと流体連通し、前記第２の電極は、アノードであり、前記水素含有ガス供給源は、前記アノードと流体連通し、前記混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導膜を備えている、請求項２に記載の電気化学水生成システム。
5. 前記酸素イオン伝導膜は、欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイト（０，ｄ≦１）、ドープされたδ−Ｂｉ_２Ｏ_３、およびドープされた混合相酸化セリウムから成る群から選択される少なくとも１つの材料を備え、
   Ａは、Ｂａ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＳｒから成る群から選択され、Ｂは、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｏから成る群から選択される、請求項４に記載の電気化学水生成システム。
6. 前記熱交換器は、前記第２のガス出口と熱連通し、前記第２のガス出口は、蒸気を前記第２の電極から回収するように構成されている、請求項４に記載の電気化学水生成システム。
7. 前記第１の電極は、カソードであり、前記分子酸素含有ガス供給源は、前記カソードと流体連通し、前記第２の電極は、アノードであり、前記水素含有ガス供給源は、前記アノードと流体連通し、前記混合イオンおよび電子伝導膜は、陽子伝導膜を備えている、請求項２に記載の電気化学水生成システム。
8. 前記熱交換器は、前記第１のガス出口と熱連通し、前記第１のガス出口は、蒸気を前記第１の電極から回収するように構成されている、請求項７に記載の電気化学水生成システム。
9. 前記分子酸素含有ガス供給源は、空気または酸素ガスを前記第１の電極または前記第２の電極に供給するように構成されている、請求項１に記載の電気化学水生成システム。
10. 前記水素含有ガス供給源は、水素ガス、炭化水素ガス、またはアンモニアガスのうちの少なくとも１つを前記第１の電極または前記第２の電極に供給するように構成されている、請求項１に記載の電気化学水生成システム。
11. 前記混合イオンおよび電子伝導膜は、単相材料を備えている、請求項１に記載の電気化学水生成システム。
12. 電気化学水生成システムであって、前記電気化学水生成システムは、少なくとも１つの電気化学セルを備え、前記少なくとも１つの電気化学セルは、
    カソードおよびアノードであって、前記カソードと前記アノードとは、随意に、外部回路を介して電気連通している、カソードおよびアノードと、
    前記カソードと前記アノードとの間に挿入され、それらと接触している混合イオンおよび電子伝導膜であって、前記混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導性材料を備えている、混合イオンおよび電子伝導膜と、
    前記アノードと流体連通している水素含有ガス供給源と、
    前記カソードと流体連通している分子酸素含有ガス供給源と、
    前記アノードから延びているガス出口と、
    前記ガス出口と熱連通している熱交換器と
    を備えている、電気化学水生成システム。
13. 前記熱交換器は、前記ガス出口から抽出される廃熱を前記混合イオンおよび電子伝導膜に供給するように構成されている、請求項１２に記載の電気化学水生成システム。
14. 前記酸素イオン伝導膜は、欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイト（０，ｄ≦１）、ドープされたδ−Ｂｉ_２Ｏ_３、およびドープされた混合相酸化セリウムから成る群から選択される少なくとも１つの材料を備え、
    Ａは、Ｂａ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＳｒから成る群から選択され、Ｂは、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｏから成る群から選択される、請求項１２に記載の電気化学水生成システム。
15. 水を生成する方法であって、前記方法は、
    分子酸素含有ガスを電気化学セルの第１の電極に供給し、水素含有ガスを電気化学セルの第２の電極に供給することであって、
    混合イオンおよび電子伝導膜が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挿入され、それらと接触し、
    前記第１の電極および前記第２の電極は、随意に、外部回路を介して電気連通している、
    ことと、
    前記混合イオンおよび電子伝導膜におけるイオン移動度を所定のレベル以上に維持するために必要とされるそれ以上の温度まで前記混合イオンおよび電子伝導膜を加熱することと、
    前記第１の電極または前記第２の電極のうちの一方における前記分子酸素含有ガスまたは前記水素含有ガスからイオン種を生成することと、
    前記イオン種を前記混合イオンおよび電子伝導膜を横断して前記第１の電極または前記第２の電極のうちの他方に移動させることと、
    前記混合イオンおよび電子伝導膜を横断して移動した後、前記第１の電極または前記第２の電極のうちの一方における前記イオン種を反応させ、水を蒸気の形態で形成することと、
    前記蒸気を前記第１の電極または前記第２の電極のうちの一方から回収することと
    を含む、方法。
16. 前記蒸気を前記蒸気を含むガス出口と熱連通している熱交換器と相互作用させ、廃熱を回収することと、
    前記廃熱を前記混合イオンおよび電子伝導膜に供給することと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の電極は、カソードであり、前記分子酸素含有ガス供給源は、前記カソードと流体連通し、前記第２の電極は、アノードであり、前記水素含有ガス供給源は、前記アノードと流体連通し、前記混合イオンおよび電子伝導膜は、酸素イオン伝導膜を備えている、請求項１５に記載の方法。
18. 前記酸素イオン伝導膜は、欠陥型ＡＢＯ_３−ｄペロブスカイト（０，ｄ≦１）、ドープされたδ−Ｂｉ_２Ｏ_３、およびドープされた混合相酸化セリウムから成る群から選択される少なくとも１つの材料を備え、
    Ａは、Ｂａ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｃｅ、およびＳｒから成る群から選択され、Ｂは、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＣｏから成る群から選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の電極は、カソードであり、前記分子酸素含有ガス供給源は、前記カソードと流体連通し、前記第２の電極は、アノードであり、前記水素含有ガス供給源は、前記アノードと流体連通し、前記混合イオンおよび電子伝導膜は、陽子伝導膜を備えている、請求項１５に記載の方法。
20. 前記水素含有ガスは、水素ガス、炭化水素ガス、アンモニアガス、および任意のそれらの組み合わせから成る群から選択される少なくとも１つのガスを含む、請求項１５に記載の方法。
21. イオン移動度を所定のレベル以上に維持するために必要とされる前記温度は、約３００℃〜約１，０００℃に及ぶ、請求項１５に記載の方法。
22. 前記第１の電極または前記第２の電極のうちの少なくとも１つは、水を形成するために前記イオン種を反応させるように触媒作用的に活性である材料を備えている、請求項１５に記載の方法。