JP5373079B2 - 電気化学システム中でのｃｏ２の利用 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２００８年７月１６日に出願され、「水素吸収金属触媒を使用した炭素隔離のための低エネルギーｐＨ調節」（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ ｐＨ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）と題され、代理人整理番号がＣＬＲＡ−０１０ＰＲＶである、本願と同一の譲受人に譲渡された同時係属中の米国仮特許出願第６１／０８１，２９９号明細書の優先権を主張し、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。

本出願は、２００８年８月２５日に出願され、「電解質溶液から固体材料中への水素イオンの低エネルギー吸収」（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｉｏｎ ｆｒｏｍ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ａ Ｓｏｌｉｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ）と題され、代理人整理番号がＣＬＲＡ−０１３ＰＲＶである、本願と同一の譲受人に譲渡された同時係属中の米国仮特許出願第６１／０９１，７２９号明細書の優先権を主張し、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。

本出願は、２００９年７月１日に出願され、「電気化学システム中でのＣＯ_２の利用」（ＣＯ_２ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と題され、代理人整理番号がＣＬＲＡ−０３７ＰＲＶである、本願と同一の譲受人に譲渡された同時係属中の米国仮特許出願第６１／２２２，４５６号明細書の優先権を主張し、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。

本出願は、２００９年６月２４日に出願され、「二酸化炭素ガスを使用する低エネルギー４セル電気化学システム」（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ ４−Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｇａｓ）と題され、本願と同一の譲受人に譲渡された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／４８５１１号明細書の一部継続出願であり、その優先権を主張し、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。

多くの産業プロセスにおいては、所望の反応を実現するため、たとえば、酸を中和するため、または溶液のｐＨを緩衝するため、または不溶性水酸化物および／またはカーボネートおよび／またはバイカーボネートを溶液から沈殿させるために、塩基溶液中に大量の水酸化物イオンが使用される。水酸化物イオンを生成する方法の１つは、記載内容全体が参照により本明細書に援用される上記引用の特許出願に開示されるような電気化学システムによる方法である。水酸化物イオンを電気化学的に生成する場合には、大量の電気エネルギーが使用され、したがって、使用される電気エネルギーを最小限にすることが非常に望ましい。

本発明は、プロトンの除去、または水酸化物イオンの生成、またはその両方をカソード電解質中で行い、同時に、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に溶解させる、低電圧で低エネルギーの電気化学システムおよび方法に関する。本発明のシステムにおいて、種々の実施形態において、カソード電解質は、第１のカソード電解質室と第２のカソード電解質室とに分割され、それによって、２つのカソード電解質室中のカソード電解質は互いに接触する。しかし、２つのカソード電解質室の間の気体の流動は制限されるため、第１のカソード電解質室に供給される二酸化炭素ガスは、第２のカソード電解質室中のカソード電解質との接触が妨げられる。

本発明のシステムにおいて、カソードは、第２のカソード電解質室中のカソード電解質に接触しており、両方のカソード電解質およびアノード電解質は水溶液で構成される。本発明のシステムにおいて、二酸化炭素がカソード電解質中に吸収されて炭酸イオンおよび重炭酸イオンを形成し、また、カソード電解質のｐＨに影響を与えることによって、アノードとカソードとの間に比較的低い電圧、たとえば、２Ｖ以下または１Ｖ以下などの３Ｖ以下の電圧を使用して、水酸化物イオンがカソード電解質中に生成される。

本発明のシステムにおいて、カソード電解質中の水は、カソードにおいて還元されて水素ガスおよび水酸化物イオンとなる。アノードにおいて、外部供給源からアノードに供給される水素ガスは酸化されて水素イオンになる。ある実施形態においては、カソードにおいて生成した水素ガスは、水素イオンまで酸化するためにアノードに誘導される。本発明のシステムにおいて、低電圧がアノードとカソードとの間に印加される場合には、ガス、たとえば、酸素または塩素はアノードにおいて生成されない。本発明のシステムにおいて、アノードにおいて生成した水素イオンは、アノード電解質中に移動して、酸溶液をアノード電解質中に形成し；本発明のシステムにおいて、カソードにおいて生成した水酸化物イオンはカソード電解質中に移動して、塩基溶液をカソード電解質中に生成する。

本発明のシステムにおいて、第１のカソード電解質室中のカソード電解質に供給された二酸化炭素ガスは、溶解して炭酸を生成する。カソード電解質のｐＨに依存して、カソード電解質中の炭酸は解離して炭酸イオンおよび重炭酸イオンとなる。したがって、本発明のシステムにおいて、第１の室中のカソード電解質を、第２のカソード電解質室中のカソード電解質と混合することができるので、２つのカソード電解質室中のカソード電解質を混合することによって、炭酸、水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンを含むカソード電解質が得られる。

本発明のシステムにおいて、カソードとアノードとの間の電圧は、アノード電解質とカソード電解質との間のｐＨ値の差、およびカソードとアノードとの間のオーム抵抗などの数種類の要因に依存する。したがって、種々の実施形態において、カソード電解質とアノード電解質との間のｐＨの差を制御することによって、たとえば、より多いまたは少ない二酸化炭素をカソード電解質中に溶解させることによって、システムが、水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンをカソード電解質中に生成しながら、アノードとカソードとの間の電圧が最小限となり、したがって電気エネルギーの使用が最小限となる。

一実施形態において、本発明は、隔壁によって第１のカソード電解質室と第２のカソード電解質室とに分割されたカソード室を含むシステムであって、第２のカソード電解質室中のカソード電解質はカソードに接触し、アノード室中のアノード電解質はアノードに接触するシステムを提供する。

別の一実施形態において、本発明は、ガスを第１のカソード電解質室中のカソード電解質中に誘導するステップと；第１のカソード電解質室から分離された第２のカソード電解質室中のカソード電解質に接触するカソードと、アノード電解質に接触するアノードとの間に電圧を印加するステップとを含む方法を提供する。

種々の実施形態において、第１および第２のカソード電解質室中にカソード電解質を分割し、第１のカソード電解質室への二酸化炭素ガスを制限することによって、システム中での二酸化炭素ガスと、カソードおよび／またはアノードおよび／またはその他の電解質との間の接触が制限される。したがって、好都合には、本発明のシステムにおいて、産業排ガスから、たとえば発電プラント中の化石燃料の燃焼から、およびセメントプラントからの二酸化炭素などの種々の供給源からの二酸化炭素ガスを使用することができる。また、第１のカソード電解質室への二酸化炭素ガスを制限することによって、システム中での二酸化炭素ガスと他のガスとの混合、たとえば、二酸化炭素とカソードにおいて発生する水素ガスとの混合、または二酸化炭素とアノードに供給される水素ガスとの混合が回避される。

以下の図面は、例として示すものであり、本発明のシステムおよび方法の実施形態を限定するものではない。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
電気化学システムであって：
隔壁によって第１のカソード電解質室と第２のカソード電解質室とに分割されたカソード室を含み、
上記第２のカソード電解質室中のカソード電解質はカソードに接触し；
アノード室中のアノード電解質はアノードに接触する、電気化学システム。
（項目２）
上記第１のカソード電解質室中のカソード電解質が上記第２のカソード電解質室中のカソード電解質に接触する、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記第１のカソード電解質室中のカソード電解質がガスを含む、項目２に記載のシステム。
（項目４）
上記ガスが二酸化炭素を含む、項目３に記載のシステム。
（項目５）
上記ガスが上記カソード電解質中に吸収される、項目４に記載のシステム。
（項目６）
上記二酸化炭素ガスが上記第２のカソード電解質室中のカソード電解質から隔離される、項目４に記載のシステム。
（項目７）
上記第１のカソード電解質室中の上記カソード電解質が、水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを含む、項目５に記載のシステム。
（項目８）
上記第２のカソード電解質室中のカソード電解質が溶解した二酸化炭素を含む、項目１に記載のシステム。
（項目９）
上記第２のカソードエレクトロライト室中のカソード電解質が、水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンを含む、項目７に記載のシステム。
（項目１０）
上記アノードとカソードとの間に２Ｖ未満を印加して、水酸化物イオンが上記第２のカソード電解質室中に生成されるように構成される、項目４に記載のシステム。
（項目１１）
水素ガスが上記カソードにおいて生成されるように構成された、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）
上記アノードにおいてガスが生成されない、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
水酸化物イオンが上記第２のカソード電解質室から上記第１のカソード電解質室まで移動するように構成された項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
上記カソードにおいて生成した水素ガスを上記アノードに誘導するように構成された水素ガス送出システムをさらに含む、項目１２に記載のシステム。
（項目１５）
上記第１のカソード電解質室が工業排ガスシステムに操作可能に接続される、項目１に記載のシステム。
（項目１６）
上記工業排ガスシステムが二酸化炭素を含む、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
上記二酸化炭素が化石燃料の燃焼によって得られる、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
上記カソード室が排ガス処理システムに操作可能に接続される、項目１３に記載のシステム。
（項目１９）
上記排ガスシステムが二酸化炭素を含む、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
上記カソード室が、水酸化物、カーボネートおよび／またはバイカーボネート沈殿システムに操作可能に接続される、項目１に記載のシステム。
（項目２１）
上記沈殿システムが、上記カソード電解質を使用して水酸化物、カーボネート、および／または二価陽イオン重炭酸塩を生成するように構成された、項目２０に記載のシステム。
（項目２２）
上記アノードおよびカソードがオフピーク電力供給システムに操作可能に接続される、項目４に記載のシステム。
（項目２３）
上記アノード室と上記カソード室との間にイオン交換膜をさらに含む、項目４に記載のシステム。
（項目２４）
上記イオン交換膜が、上記第２のカソード電解質室中の上記カソード電解質を第３の電解質から分離する陽イオン交換膜を含む、項目２３に記載のシステム。
（項目２５）
上記イオン交換膜が、上記アノード電解質を第３の電解質から分離する陰イオン交換膜を含む、項目２３に記載のシステム。
（項目２６）
上記第３の電解質がナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含む、項目２５に記載のシステム。
（項目２７）
ナトリウムイオンが上記第３の電解質からカソード電解質まで陽イオン交換膜を介して移動し、塩化物イオンが上記第３の電解質から上記アノード電解質まで上記陰イオン交換膜を介して移動するように構成された、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
水酸化ナトリウムが上記カソード電解質中に生成されるように構成された、項目２６に記載のシステム。
（項目２９）
水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび／または重炭酸ナトリウムが上記カソード電解質中に生成されるように構成された、項目２６に記載のシステム。
（項目３０）
部分的に脱塩された水が上記第３の電解質中に生成されるように構成された、項目２６に記載のシステム。
（項目３１）
上記部分的に脱塩された水が、水処理システムに操作可能に接続される、項目２９に記載のシステム。
（項目３２）
塩酸が上記アノード電解質中に生成されるように構成された、項目２６に記載のシステム。
（項目３３）
上記カソード電解質が、二酸化炭素を上記カソード電解質中に溶解させるように構成された第１の二酸化炭素ガス／液体接触器に操作可能に接続される、項目２６に記載のシステム。
（項目３４）
０〜１４の間またはそれを超えるｐＨ単位のｐＨ差が上記アノード電解質とカソード電解質との間に発生するように構成された、項目１０に記載のシステム。
（項目３５）
電気化学的方法であって：
第１のカソード電解質室中のカソード電解質中にガスを誘導するステップと；
上記第１のカソード電解質室から分割された第２のカソード電解質室中のカソード電解質に接触するカソードと、アノード電解質に接触するアノードとの間に電圧を印加するステップとを含む、方法。
（項目３６）
上記ガスが二酸化炭素を含む、項目３５に記載の方法。
（項目３７）
水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを上記第１のカソード電解質室中に生成するステップを含む、項目３６に記載の方法。
（項目３８）
炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンを上記第２のカソード電解質室中に生成するステップを含む、項目３６に記載の方法。
（項目３９）
水素ガスを上記カソードにおいて生成するステップを含む、項目３７に記載の方法。
（項目４０）
水素イオンを上記アノードにおいて生成するステップを含む、項目３９に記載の方法。
（項目４１）
上記アノードにおいてガスを生成しない、項目４０に記載の方法。
（項目４２）
上記カソードにおいて生成した水素ガスを上記アノードに誘導するステップをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
上記電圧が２Ｖ未満である、項目３５に記載の方法。
（項目４４）
陽イオン交換膜によって上記カソード電解質を第３の電解質から分離するステップをさらに含む、項目４２に記載の方法。
（項目４５）
陰イオン交換膜によって上記アノード電解質を第３の電解質から分離するステップをさらに含む、項目３８に記載の方法。
（項目４６）
上記第３の電解質がナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含む、項目４５に記載の方法。
（項目４７）
ナトリウムイオンを、上記第３の電解質から上記カソード電解質に陽イオン交換膜を通過して移動させ、塩化物イオンを、上記第３の電解質から上記アノード電解質に上記陰イオン交換膜を通過して移動させるステップをさらに含む、項目４５に記載の方法。
（項目４８）
上記カソード電解質が炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または水酸化ナトリウムを含み、上記アノード電解質が塩酸を含む、項目４７に記載の方法。
（項目４９）
酸を上記アノード電解質中に生成するステップを含む、項目４８に記載の方法。
（項目５０）
苦鉄質鉱物またはセルロース材料を溶解させるために上記酸を使用するステップを含む、項目４９に記載の方法。
（項目５１）
部分的に脱塩された水を上記第３の電解質中に生成するステップを含む、項目４８に記載の方法。
（項目５２）
上記カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて、二価陽イオンの水酸化物、炭酸塩、および／または重炭酸塩化合物を生成するステップをさらに含む、項目４８に記載の方法。
（項目５３）
上記二価の炭酸塩および／または重炭酸塩化合物がカルシウムおよびマグネシウムを含む、項目５２に記載の方法。
（項目５４）
上記カソード電解質第１の部分を抜き取るステップと；
カソード電解質上記第１の部分中に二酸化炭素を溶解させて第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成するステップと；
カソード電解質に上記第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を補充するステップとをさらに含む、項目５２に記載の方法。
（項目５５）
上記カソード電解質の第２の部分を抜き取るステップと；
カソード電解質の上記第２の部分中に二酸化炭素を溶解させて第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成するステップと；
上記第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて二価陽イオン炭酸塩を生成するステップとをさらに含む、項目５４に記載の方法。
（項目５６）
上記カソードとアノードとの間にオフピーク電源を使用して、上記アノードとカソードとの間に電圧を供給するステップをさらに含む、項目３５に記載の方法。

本発明のシステムの一実施形態の図である。 本発明のシステムの一実施形態の図である。 本発明のシステムの一実施形態の図である。 ＣＯ_２をカソード電解質に加えることによって実現される、アノードとカソードとの間の電圧対カソード電解質のｐＨの図である。 本発明の方法の一実施形態のフローチャートである。

以下の詳細な説明において、特に定義しない限り、すべての技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されている意味と同じ意味を有する。本明細書において、引用されるすべての刊行物および特許は、それらの記載内容全体が参照により本明細書に援用される。本発明において、刊行物に関して引用される日付が実際の刊行日と異なる場合があり；したがって、実際の刊行は別個に確認すべきである。本発明において、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に他のことを示しているのでなければ、複数への言及を含んでいる。

本明細書において、塩化ナトリウム溶液を、アノード電解質とカソード電解質との間の１つの室中で使用して、水酸化ナトリウムおよび／または炭酸ナトリウムイオンおよび／または重炭酸ナトリウムをカソード電解質中に生成し、塩酸をアノード電解質中に生成する、代表的なシステムおよび方法が開示される。しかし、当業者によって理解されるように、本発明のシステムおよび方法は、同等の塩溶液、たとえば硫酸カリウム水溶液などを使用して、同等の結果を得ることが可能であるので、これらの代表的な実施形態において開示されるような塩化ナトリウム溶液の使用には限定されない。同様に、システムのための電解質の調製において、システム中での使用の許容レベルまで水が精製されるのであれば、海水、汽水、ブライン、または天然の淡水などの種々の供給源殻の水を使用できることが理解できよう。したがって、このような同等物によって本発明のシステムおよび方法を具現化する程度において、これらの同等物は、添付の特許請求の範囲の範囲内である。

その記載内容全体が参照により本明細書に援用される、２００８年７月１６日に出願され「水素吸収金属触媒を使用した炭素隔離のための低エネルギーｐＨ調節」（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ ｐＨ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）と題される米国仮特許出願第６１／０８１，２９９号明細書に開示されるように、種々の実施形態において、本発明のシステムのアノードおよびカソードは、貴金属、遷移金属、白金族金属、元素周期表のＩＶＢ族、ＶＢ族、ＶＩＢ族、またはＶＩＩＩ族の金属、これらの金属の合金、またはこれらの金属の酸化物を含むことができる。代表的な材料としては、パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、チタン、ジルコニウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム銀合金、およびパラジウム銅合金が挙げられる。種々の実施形態において、カソードおよび／またはアノードは、スパッタリング、電気めっき、蒸着、あるいはカソードおよび／またはアノードの表面上に反応性コーティングの層を形成するあらゆる好都合な方法によって形成された、金属、金属合金、または酸化物を含む反応性コーティングでコーティングすることができる。別の実施形態では、カソードおよび／またはアノードは、特定の化学物質または水酸化物イオンの選択的な透過および／または放出、および／または防汚保護を提供するよう計画されたコーティングを含むことができる。代表的なコーティングとしては、非金属ポリマーが挙げられ；本発明の特定の実施形態においては、２０メッシュＮｉ金網材料から製造されたアノード、および１００メッシュＰｔ金網材料から製造されたカソードを使用した。

種々の実施形態において、たとえばＣＯ_２を電解質中にバブリングすることによって、カソード室中の電解質にＣＯ_２が加えられる。ＣＯ_２源としては、化石燃料発電プラントの燃料排ガスなどの工業プラントの排ガス中のＣＯ_２を挙げることができる。種々の実施形態において、本発明のシステムは、カソード電解質中へのＣＯ_２の吸収を高めるガス混合装置／ガス吸収装置を含む。一実施形態において、ガス混合装置／ガス吸収装置は、液体の平坦なシートまたはカーテンを形成する一連のスプレーノズルを含み、それを介してガスが吸収のために誘導され；別の一実施形態においては、ガス混合装置／ガス吸収装置は、ミストを形成するスプレー吸収装置を含み、そのミストの中にガスが吸収のために誘導され；その他の市販のガス／液体吸収装置、たとえばＮｅｕｍａｎｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ，ＵＳＡより入手可能な吸収装置を使用することもできる。運転中、カソード室およびアノード室には電解質が満たされ、カソードとアノードとの間に電圧が印加される。種々の実施形態において、この電圧は、カソードにおいては水素ガスが生成され、アノードにおいてはガス、たとえば塩素および酸素は生成されない値に調節される。種々の実施形態において、本発明のシステムは、反応を促進するカソードおよびアノードを含み、それによって、カソード電解質では水酸化物イオンが濃縮され、アノード電解質では水素イオンが濃縮される。

カソードにおいて水が還元されることによって、カソード電解質中に移動する水酸化物イオンが生成する。カソードの周囲のカソード電解質中に水酸化物イオンが生成されることによって、カソード電解質のｐＨが増加しうる。種々の実施形態において、ｐＨが上昇した溶液は、その場で使用されるか、または抜き取られて別の反応、たとえば本明細書に記載されるようなＣＯ_２の隔離に使用される。水酸化物イオン生成速度とカソード電解質中の二酸化炭素吸収速度とのバランスに依存して、ｐＨを同じ値に維持することもできるし、炭酸が炭酸イオンおよび重炭酸イオンに解離することで得られたプロトンとの反応で水酸化物イオンが消費されるため、低下することさえもある。

アノードにおける水素ガスの酸化によって、アノードにおいて水素イオンが生成され、この水素イオンは、アノードの構造から脱着し、アノード周囲の電解質中に移動し、その結果アノード電解質のｐＨが低下する。したがって、カソードとアノードとの間の電圧を制御し、水素イオンを吸収または脱着することができる材料で構成される電極を使用することによって、システム中の電解質のｐＨを調整することができる。種々の実施形態において、本発明の方法は、環境中に放出されるＣＯ_２分子と発生する水酸化物イオンとの比が１：１未満となる溶液中で水酸化物イオンが生成する。

種々の実施形態において、本発明のシステムは、二酸化炭素ガスを第１のカソード電解質室中に送出するように構成された注入システムを含み；この二酸化炭素は、化石燃料発電プラント、セメントプラントなどの排ガスからの二酸化炭素を含む。種々の実施形態において、注入システムに送出される二酸化炭素ガスは、他の気体、たとえば、窒素酸化物類（亜酸化窒素、酸化窒素）および硫黄ガス類（二酸化硫黄、硫化水素）を含むことができ；種々の実施形態において、本発明のシステムは、ガスがカソード室中で使用される前に二酸化炭素ガス中の成分を除去することができるガス処理システムを含む。

その記載内容全体が参照により本明細書に援用される、２００８年８月２５日に出願され、「電解質溶液から固体材料中への水素イオンの低エネルギー吸収」（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｉｏｎ ｆｒｏｍ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ａ Ｓｏｌｉｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ）と題される米国仮特許出願第６１／０９１，７２９号明細書に開示されるように、一実施形態における本発明の方法は、電気分解流体から固体材料中への水素イオンの低エネルギー吸収に関する。ある実施形態においては、システムのカソード電解質とアノード電解質との間で水素イオンを移動させるために水素イオン移動要素が構成される。種々の実施形態において、本発明の方法は、カソード電解質中の重炭酸イオンまたは炭酸からプロトンを取り出すことに関する。種々の実施形態において、パラジウムの膜、箔、またはフィルムなどの水素貯蔵材料を含む水素移動要素を使用して、水素イオンをある電解質溶液から別の電解質溶液に移動させる。種々の実施形態において、水素イオンは、プロトン供与体、たとえば炭酸、重炭酸イオン、水などから得られ、第２の電解質溶液に移される。種々の実施形態において、電解質溶液をＣＯ_２と接触させ、溶液中に存在する重炭酸イオンからプロトンを除去することによって、水素イオンおよび／または炭酸イオンが生成する。種々の実施形態において、水素イオンを第２の電解質溶液に移動させながら、第１の電解質溶液をＣＯ_２と接触させることによって、第１の電解質溶液中の重炭酸イオン濃度を増加させることができる。

種々の実施形態において、水素イオンが濃縮されたアノード電解質は、二酸化炭素の隔離のために使用される二価陽イオン溶液を生成するために鉱物を溶解させることなどの種々の用途に利用することができる。種々の実施形態において、電気分解セルは、電気分解流体中のドナー分子から電気分解流体の水素イオンを除去する反応、たとえば溶液中の水酸化物イオンまたは水素イオンを濃縮する反応を促進することができるカソードおよび／またはアノードを含み、対象のドナー分子としては炭酸、重炭酸イオン、水などが挙げられる。

水素イオンが溶液からカソードの構造中に吸収されることで、カソード周囲の溶液中に過剰の水酸化物イオンが生成する。種々の実施形態において、このカソード電解質は、その場で使用したり、または抜き取って別の反応、たとえばその中に記載されるようなＣＯ_２の隔離などの種々の目的の別の反応に使用したりすることができる。種々の実施形態において、水素イオンは、アノードとして配列された場合の構造から脱着し、アノードに接触する溶液中に過剰の水素イオンを生成して、溶液のｐＨを低下させることができる。

ある実施形態においては、半電池中の電解質溶液は、たとえば供給源からＣＯ_２を電解質溶液中にバブリングすることによって、イオン化された形態のＣＯ_２で投入される。ＣＯ_２のイオン化された形態としては、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）および炭酸イオン（ＣＯ_３ ^−２）が挙げられる。二酸化炭素源は、たとえば、化石燃料発電プラントまたはセメントプラントからの燃焼排ガスなどの工業プラントからの廃棄供給物であってよい。ＣＯ_２は、スパージャーを使用して電解質溶液中に導入することができるし、ある実施形態においては、水性液体スプレーと接触させることによって導入することができる。あるシステムにおいては、水素を取り出しながらＣＯ_２ガスをリザーバー中に導入することによって、リザーバーに重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを濃縮することができる。あるシステムにおいては、２つのリザーバーの間での水素イオンの連続した移動を妨害するリザーバー内での水素イオンの蓄積を防止するために、リザーバー内の電解質溶液のフラッシングを行う。ある実施形態においては、アノードとカソードとの間に印加される電圧は１．２４ボルト未満または１．０ボルト未満である。半電池は、電解質溶液中へのＣＯ_２の吸収および溶解を促進するためにミキサーを含むことができる。種々の実施形態において、導電性電解質溶液を、リザーバー内の電解質溶液として使用することができ、ある実施形態においては、電解質溶液は海水、ブライン、または汽水を含む。

本明細書において開示されるように、種々の実施形態において、比較的低い電圧、たとえば、３Ｖ未満、たとえば２Ｖ未満、または１Ｖ未満、または０．８Ｖ未満、または０．６Ｖ未満、または０．４Ｖ未満をカソードとアノードとの間に印加しながら、第２のカソード電解質室中のカソード電解質中に二酸化炭素を溶解させることによって、第１のカソード電解質室中のカソード電解質中に水酸化物イオンが生成する。種々の実施形態において、第１のカソード電解質室中のカソード電解質中に二酸化炭素を溶解させることによって、カソードに接触するカソード電解質中の水から水酸化物イオンが生成し、第１のカソード電解質室中のカソード電解質中に重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンが生成する。

種々の実施形態において、第１のカソード電解質室中のカソード電解質は、第２のカソード電解質室中のカソード電解質に接触する。第１のカソード電解質室中のカソード電解質は、ガス、またはカソード電解質中に溶解したガスを含むことができる。たとえば、二酸化炭素は、二酸化炭素ガスとして、および／またはカソード電解質中に溶解した二酸化炭素として存在する。種々の実施形態において、二酸化炭素ガスは、第２のカソード電解質室中のカソード電解質からは分離される。

種々の実施形態において、第１のカソード電解質室中のカソード電解質は、水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを含む。同様に、第２のカソード電解質室中のカソード電解質は、溶解した二酸化炭素を含む。別の実施形態においては、第２のカソード電解質室中のカソード電解質は、水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを含む。

種々の実施形態において、本発明のシステムは、アノードとカソードとの間に２Ｖ未満を印加することで、第２のカソード電解質室中に水酸化物イオンを生成するように構成される。本発明のシステムは、カソードにおいて水素ガスを生成するようにも構成される。種々の実施形態において、本発明のシステムはアノードにおいてガスを生成しないが；本発明のシステムは、水酸化物イオンが第２のカソード電解質室から第１のカソード電解質室まで移動するように構成される。別の実施形態では、本発明のシステムは、カソードにおいて生成した水素ガスをアノードまで誘導するように構成された水素ガス送出システムを含む。一実施形態において、第１のカソード電解質室は、二酸化炭素を含む工業排ガスシステムに操作可能に接続される。種々の実施形態において、二酸化炭素は、化石燃料の燃焼によって得られる。

別の実施形態では、カソード室は排ガス処理システムに操作可能に接続され、この排ガスシステムは二酸化炭素を含む。別の実施形態では、カソード室は、水酸化物、カーボネート、および／またはバイカーボネート沈殿システムに操作可能に接続される。種々の実施形態において、沈殿システムは、カソード電解質を使用して、水酸化物、カーボネートおよび／または二価陽イオンの重炭酸塩を生成するように構成される。種々の実施形態において、アノードおよびカソードは、オフピーク電力供給システムに操作可能に接続される。

種々の実施形態において、本発明のシステムは、アノード室とカソード室との間に配置されたイオン交換膜を含む。種々の実施形態において、イオン交換膜は、第２のカソード電解質室中のカソード電解質を第３の電解質から分離する陽イオン交換膜を含む。種々の実施形態において、イオン交換膜は、アノード電解質を第３の電解質から分離する陰イオン交換膜を含む。

種々の実施形態において、第３の電解質はナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含み；本発明のシステムは、ナトリウムイオンが第３の電解質から陽イオン交換膜を介してカソード電解質まで移動し、塩化物イオンが第３の電解質から陰イオン交換膜を介してアノード電解質まで移動するように構成される。

種々の実施形態において、本発明のシステムは水酸化ナトリウムがカソード電解質中に生成するように構成され；本発明のシステムは、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、および／または重炭酸ナトリウムをカソード電解質中に生成するようにも構成される。種々の実施形態において、本発明のシステムは、部分的に脱塩された水を第３の電解質中に生成するように構成され；部分的に脱塩された水は、水処理システムに操作可能に接続される。別の実施形態では、カソード電解質は、二酸化炭素をカソード電解質中に溶解させるように構成された第１の二酸化炭素ガス／液体接触器に操作可能に接続され；本発明のシステムは、アノード電解質とカソード電解質との間に０〜１４の間またはそれを超えるｐＨ単位のｐＨ差が発生するように構成される。

種々の実施形態において、本発明の方法によって、水酸化物イオン、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンが第１のカソード電解質室中に生成し；炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンが第２のカソード電解質室中に生成する。種々の実施形態において、水素ガスがカソードにおいて生成し、水素イオンがアノードにおいて生成する。

種々の実施形態において、本発明の方法によって、アノードにおいてガスは生成しないが；カソードにおいて水素ガスが生成し、ある実施形態では、水素ガスはアノードまで誘導される。種々の実施形態において、アノードとカソードとの間の電圧は２Ｖ未満である。本発明の方法によって、ナトリウムイオンが、第３の電解質から陽イオン交換膜を通過してカソード電解質まで移動し、塩化物イオンが、第３の電解質から陰イオン交換膜を通過してアノード電解質まで移動する。本発明の方法によって、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または水酸化ナトリウムがカソード電解質中に生成し、塩酸がアノード電解質中に生成する。本発明の方法によって、アノード電解質中で生成した酸は、苦鉄質鉱物および／またはセルロース材料を溶解させるために使用される。

本発明の方法によって、部分的に脱塩された水が第３の電解質中に生成する。一実施形態において、カソード電解質を、二価陽イオン、たとえばカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを含む溶液と接触させることによって、二価陽イオンの水酸化物、炭酸塩、および／または重炭酸塩化合物が生成する。一実施形態において、本発明の方法は、カソード電解質の第１の部分を抜き取るステップと；二酸化炭素をカソード電解質の第１の部分中に溶解させて、第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成するステップと；カソード電解質を第１の濃縮炭酸含有カソード電解質に補充するステップとを含む。別の実施形態では、本発明の方法は、カソード電解質の第２の部分を抜き取るステップと；二酸化炭素をカソード電解質の第２の部分中に溶解させて、第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成するステップと；第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて、二価陽イオン炭酸塩を生成するステップとを含む。種々の実施形態において、本発明の方法は、オフピーク電源をカソードとアノードとの間に使用してアノードとカソードとの間の電圧を提供するステップを含む。

本発明のシステムおよび方法によって、カソードにおいてカソード電解質中の水から水素ガスが生成する。種々の実施形態において、ガス、たとえば酸素および塩素はアノードにおいて生成せず；種々の実施形態において、外部供給源からの水素ガスがアノードに供給され、そこで水素ガスが酸化されて水素イオンとなり、水素イオンはアノード電解質中に移動して酸をアノード電解質中に生成する。

種々の実施形態において、第２のカソード電解質室中のカソードにおいて生成した水酸化物イオンはカソード電解質中に移動し、それによってカソード電解質のｐＨを調整することができ、たとえば、システムからのカソード電解質の除去速度に依存して、カソード電解質のｐＨは上昇したり、低下したり、同じ値を維持したりすることができる。種々の実施形態において、カソード電解質のｐＨおよび二酸化炭素の第１のカソード電解質室中への溶解速度に依存して、第１のカソード室中のカソード電解質に接触する二酸化炭素ガスは、カソード電解質中に溶解して、炭酸を生成し、この炭酸は、カソード電解質のｐＨに依存して、カソード電解質中で解離して重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンとなることができる。したがって、種々の実施形態において、第１および第２のカソード電解質室中のカソード電解質は混合することができるので、カソード電解質は、炭酸、水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンを含有することができる。

種々の実施形態において、本発明のシステムは、水素ガスがカソード電解質室中に存在する二酸化炭素と混合せずに、水素ガスをアノードまで誘導し、そこで水素ガスを酸化させるように構成された水素ガス移送システムを含む。種々の実施形態において、カソードにおいて生成した水素ガスは、水素イオンに酸化するためアノードまで誘導される。

種々の実施形態において、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオン／およびまたは水酸化物イオンを含むカソード電解質の一部または全量が、流出流を介してシステムから抜き取られる。ある実施形態においては、抜き取られたカソード電解質の一部は、外部の二酸化炭素ガス／液体接触器中の二酸化炭素ガスと接触させることで、電解質溶液中に吸収された二酸化炭素含有率を増加させる。ある実施形態においては、二酸化炭素を吸収した溶液はカソード室に戻され；別の実施形態では、二酸化炭素を吸収した溶液は、二価陽イオンを含む溶液と反応させて、二価陽イオンの水酸化物、炭酸塩、および／または重炭酸塩を生成する。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、バッチ、セミバッチ、または連続流運転用に構成することができる。

種々の実施形態において、二酸化炭素を含有する工業排ガスが、炭酸イオンおよび重炭酸イオンをカソード電解質中に生成するために使用される。ある実施形態においては、二酸化炭素は、システム中の他のガス、たとえば、カソードにおいて発生した水素ガス、またはアノードにおいて酸化される水素ガスとの混合が回避される。別の実施形態では、二酸化炭素ガスは、カソードおよび／またはアノードとの接触から回避される。

種々の実施形態において、カソード電解質のｐＨは、カソードにおいて水から水酸化物イオンを生成し、その水酸化物イオンをカソード電解質中まで移動させることによって調整される。このｐＨは、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に溶解させて、炭酸および炭酸イオン種を電解質中に生成し、それを水酸化物イオンと反応させて、炭酸イオン、または重炭酸イオン、または炭酸イオンのみ、または重炭酸イオンのみ、またはそれらの混合物を生成することによっても調整される。

図１〜３を参照すると、種々の実施形態におけるシステム１００、２００、３００は、第１のカソード電解質室１０４と第２のカソード電解質室１０６とに分割されたカソード室１０２を含み、第２のカソード電解質室中のカソード電解質１０８はカソード１１０に接触し；アノード室１１２中のアノード電解質１１５はアノード１１４に接触する。図１〜３中に示されるように、このシステムは、電解質をカソード室に入れると、第１のカソード電解質室１０４中のカソード電解質と第２のカソード電解質室１０６中のカソード電解質との間で液体の流動が可能となるように、カソード室１０２を第１のカソード電解質室１０４と第２のカソード電解質室１０６とに分割する隔壁１０３を含む。種々の実施形態において、最初に、カソード電解質は、塩を、水性溶媒、たとえば、容認される清浄さの淡水、塩水、汽水、海水、人工海水などの中に溶解させることによって調製された塩水溶液、たとえば水酸化ナトリウムを含む。

図１〜３中に断面図で示されるように、隔壁１０３はほぼＪ字型の構造で構成され、隔壁１０３とカソード電解質室の側壁１１１との間に、第１のカソード室中の上向きにテーパーの付いたチャネル１０５を画定するように、隔壁１０３が第１のカソード電解質室１０４中に配置される。隔壁１０３は、分割部材とカソード電解質室の底壁１１３との間に、第１のカソード電解質室中の下向きにテーパーの付いたチャネル１０７も画定する。

隔壁１０３をカソード室１０２中に配置する際に、カソード室中のカソード電解質は、第１のカソード電解質室１０４と第２のカソード電解質室１０６とに分割される。種々の実施形態において、隔壁１０３は、カソード室１０２中のカソード電解質が第１および第２の電解質室の間で流動可能となるように構成されるが；しかし、少なくとも深さが、第１のカソード電解質室１０４中の下向きにテーパーの付いたチャネル１０７と第２のカソード電解質室１０６との間の通路を液体が塞ぐ深さで、カソード電解質がカソード室１０２中に存在する場合に、第１の電解質室１０４中のガスとシステム中の他の流体との混合が回避されるようにも隔壁１０３は構成される。

図１を参照すると、二酸化炭素ガス１０９Ａを、カソード電解質が存在する第１のカソード電解質室１０４の下部に導入すると、ガスの一部がカソード電解質中に溶解することができ、一方、電解質よりも低密度の溶解していないガスは、第１のカソード電解質室中の上向きにテーパーの付いたチャネル１０５中を上に向かう気泡となり、そこから排出ガス１０９Ｂとして排出することができる。図示していないある実施形態においては、排出ガス１０９Ｂは回収され、流入二酸化炭素ガス１０９Ａとして再利用される。

図１〜３を参照すると、カソード電解質のｐＨに依存して、第１のカソード電解質室１０４中に導入された二酸化炭素ガス１０９Ａは、カソード電解質中に溶解し、可逆的に解離して平衡になって、以下のように、炭酸、プロトン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを第１のカソード電解質室中に生成する：
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ←→Ｈ_２ＣＯ_３←→Ｈ^＋＋ＨＣＯ_３ ⁻←→Ｈ^＋＋ＣＯ_３ ^２−
第１のカソード電解質室１０４中のカソード電解質が、第２のカソード電解質室１０６中のカソード電解質と混合したり、その逆のことが起こったりするため、二酸化炭素がカソード電解質中に吸収されることによって第１のカソード電解質室１０４中に形成された炭酸、重炭酸イオン、および炭酸イオンは、第２のカソード電解質室１０６中のカソード電解質まで移動して平衡に達することができる。したがって、種々の実施形態において、第１のカソード電解質室中のカソード電解質は、溶解した二酸化炭素ガスおよび溶解していない二酸化炭素ガス、および／または炭酸、および／または重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを含むことができ；一方、第２のカソード電解質室中のカソード電解質は、溶解した二酸化炭素、および／または炭酸、および／または重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを含むことができる。

また、図１〜３を参照すると、アノード１１４とカソード１１０との間に電圧を印加することによって、カソード室１０２中のシステム１００、２００、３００は、以下のように、水の還元によって、第２のカソードエレクトロライト室１０６中のカソードエレクトロライト中で水酸化物イオンを生成し、カソード１１０において水素ガスを生成する：
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋２ＯＨ⁻（水はカソードにおいて電気分解する）。
第１のカソード電解質室中のカソード電解質は第２のカソードエレクトロライト室中のカソード電解質と混ざり合うことができるので、第２のカソードエレクトロライト室中で形成された水酸化物イオンは、第２のカソード電解質室１０６中の炭酸イオンおよび重炭酸イオンに移動して平衡に達することができる。したがって、種々の実施形態において、第１のカソード電解質室中のカソード電解質は、水酸化物イオン、ならびに溶解したおよび溶解していない二酸化炭素ガス、および／または炭酸、および／または重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含むことができ；一方、第２のカソード電解質室中のカソード電解質は、水酸化物イオン、ならびに溶解した二酸化炭素、および／または炭酸、および／または重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含むことができる。

カソード電解質中、以下のように電解質のｐＨに依存して、二酸化炭素ガスは溶解して、炭酸、プロトン、重炭酸イオン、および炭酸イオンを形成することができる：
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＝Ｈ_２ＣＯ_３＝Ｈ^＋＋ＨＣＯ_３ ⁻＝２Ｈ^＋＋ＣＯ_３ ^２−
二酸化炭素の溶解性、およびカソード電解質中の重炭酸イオンおよび炭酸イオンの濃度は電解質のｐＨに依存するので、第１のカソード電解質室１０２中の全体の反応（すなわち、第１のカソードエレクトロライト室１０４および第２のカソード電解質室１０６）はカソード電解質のｐＨに依存して：
シナリオ１：２Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋２ＨＣＯ_３ ⁻；または
シナリオ２：Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−
またはこれら２つの組み合わせのいずれかである。これは以下のカーボネートのスペシエーション図に示される：

いずれのシナリオの場合も、システムの全体的なセルの電位は、式：
Ｅ_ｃｅｌｌ＝−ΔＧ／ｎＦ
による反応のギブスエネルギー変化によって求めることができる。または、標準温度および圧力条件において：
Ｅ°_ｃｅｌｌ＝−ΔＧ°／ｎＦ
であり、式中、Ｅ_ｃｅｌｌはセル電圧であり、ΔＧは反応のギブスエネルギーであり、ｎは移動した電子の数であり、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｊ／Ｖｍｏｌ）である。これらの反応のそれぞれのＥ_ｃｅｌｌは、以下のようにシナリオ１の場合に示されるようにネルンストの式に基づいてｐＨに依存する：

同様にいずれのシナリオの場合も、全体のセル電位は、各半電池反応の場合のネルンストの式の組み合わせによって求めることができ：
Ｅ＝Ｅ^ｏ−ＲＴｌｎ（Ｑ）／ｎＦ
（式中、Ｅ^ｏは標準還元電位であり、Ｒは一般ガス定数であり（８．３１４Ｊ／ｍｏｌＫ）、Ｔは絶対温度であり、ｎは半電池反応に関与する電子数であり、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｊ／Ｖｍｏｌ）であり、Ｑは反応商である）、そのため：
Ｅ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｅ_{ｃａｔｈｏｄｅ}＋Ｅ_{ａｎｏｄｅ}
となる。以下のように：
Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
アノードにおいて水素が酸化されてプロトンとなる場合、Ｅ^ｏは０．００Ｖであり、ｎは２であり、ＱはＨ^＋の活性の２乗であるので：
Ｅ_{ａｎｏｄｅ}＝−０．０５９ｐＨ_ａ
となり、式中、ｐＨ_ａはアノード電解質のｐＨである。
以下のように：
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋２ＯＨ⁻
カソードにおいて水が還元されて水酸化物イオンおよび水素ガスになる場合、Ｅ^ｏは−０．８３Ｖであり、ｎは２であり、ＱはＯＨ⁻の活性の２乗であるので：
Ｅ_{ｃａｔｈｏｄｅ}＝−０．０５９ｐＨ_ｃ
となり、式中、ｐＨ_ｃはカソード電解質のｐＨである。

いずれのシナリオの場合も、カソード反応およびアノード反応のＥはアノード電解質およびカソード電解質のｐＨとともに変動する。したがって、シナリオ１の場合、酸性環境で起こるアノード反応がｐＨ０である場合、その反応のＥは半電池反応で０Ｖとなる。カソード反応の場合、重炭酸イオンの生成がｐＨ７で起こる場合、理論的なＥは、半電池反応で７×（−０．０５９Ｖ）＝−０．４１３Ｖとなり、ここで負のＥは、反応が進行する半電池または全電池に投入する必要があるエネルギーを意味する。したがって、アノードｐＨが０でありカソードｐＨが７である場合、全体のセル電位は−０．４１３Ｖとなり：
Ｅ_{ｔｏｔａｌ}＝−０．０５９（ｐＨ_ａ−ｐＨ_ｃ）＝−０．０５９ΔｐＨ
である。

炭酸イオンが生成するシナリオ２の場合、アノードｐＨが０でありカソードｐＨが１０であると、これはＥが０．５９Ｖであることを表している。

したがって、種々の実施形態において、ＣＯ_２ガス１０９Ａをカソード電解質中に誘導することで、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンがカソード電解質中に生成することによりカソード電解質のｐＨを低下させることができ、水酸化物、カーボネートおよび／またはバイカーボネートをカソード電解質中に生成するためのアノードとカソードとの間の電圧を低下させることもできる。

したがって、理解できるように、カソード電解質のｐＨを１４以上まで上昇させることができる場合、アノード半電池電位（前述のシナリオ１の細い水平の破線で示される）とカソード半電池電位（前述のシナリオ１の太いベタの傾斜した線で表される）との間の差が０．８３Ｖまで増加すること分かるであろう。ＣＯ_２の添加および水による希釈などの他の介入を行わないセルの動作時間が長くなると、必要なセル電位は増加し続ける。電解質中の膜のオーム抵抗が減少しセルの過電圧電位が低下するため、セルの電位も上昇しうる。

本明細書において、過電圧電位は、半反応の熱力学的に決定される還元電位と、酸化還元事象が実験的に観察されるときの電位との間の電位（電圧）差を意味する。この用語は、セルの電圧効率と直接関連している。電気分解セル中で、過電圧電位は、反応を進行させるために熱力学的に予想されるエネルギーよりも多くのエネルギーを必要とする。それぞれの場合で、余分なまたは不足しているエネルギーは熱として失われる。過電圧電位は、それぞれのセル設計に特有のものであり、同じ反応の場合でさえもセル間および運転条件の間で変動する。したがって、７以上のカソードｐＨで電気化学セルを動作させることによって、大幅にエネルギーが節約されることが理解されよう。

種々の実施形態において、カソード電解質中およびアノード電解質中の種々のｐＨ値で、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３Ｖ未満、２．９Ｖ、２．８Ｖ、２．７Ｖ、２．６Ｖ ２．５Ｖ、２．４Ｖ、２．３Ｖ、２．２Ｖ、２．１Ｖ、２．０Ｖ、１．９Ｖ、１．８Ｖ、１．７Ｖ、１．６Ｖ、１．５Ｖ、１．４Ｖ、１．３Ｖ、１．２Ｖ、１．１Ｖ、１．０Ｖ、０．９Ｖ、０．８Ｖ、０．７Ｖ、０．６Ｖ、０．５Ｖ、０．４Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖ、または０．１Ｖである場合に、水酸化物イオン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンがカソード電解質中で生成される。上記範囲内の選択された電圧の場合、アノード電解質とカソード電解質との間のｐＨ差は、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４またはそれを超える値となった。

また、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンがカソード電解質中に生成されることが望ましい実施形態において、二酸化炭素を第１のカソード電解質中に溶解させ、３Ｖ未満、または２．５Ｖ未満、または２Ｖ未満、または１．５Ｖ未満、たとえば１．０Ｖ未満、またはさらには０．８Ｖ未満または０．６Ｖ未満の電圧をカソードとアノードとの間に印加することによって、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンが第１のカソード電解質中に生成されるように、図１〜３に示されるようなシステム、およびカソード電解質中での水酸化物イオンの生成に関連して前述したようなシステムを構成することができる。

図１〜３中に示されるようなある実施形態においては、本発明のシステムは、第２のカソード電解質室１０６中のカソード電解質を第３の電解質１２２から分離する陽イオン交換膜１２０と、アノード１１４に接触するアノード電解質１１５を第３の電解質１２２から分離する陰イオン交換膜１２４とを含む。理解できるように、陽イオン交換膜は陰イオンが陽イオン交換膜を通過して移動するのを妨げるため、第２のカソード電解質室１０６中の水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／またはバイカーボネートは、第１の陽イオン交換膜１２０を介して隣接する第３の電解質１２２までは移動しない。したがって、本発明のシステムにおいて、水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンはカソード電解質１０８中に蓄積されるか、または、前述のその記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年７月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／０８１，２９９号明細書に記載されるように、抜き取って二酸化炭素の隔離に使用することができる。

図１を参照すると、第３の電解質１２２が溶解した塩、たとえば塩化ナトリウムを含む場合、陽イオン交換膜は、陽イオンが陽イオン交換膜を通過して移動することを可能にするので、カソード１１０とアノード１１４との間に電圧を印加すると、第３の電解質１２２中の陽イオン、たとえばナトリウムイオンは、陽イオン交換膜１２０を通過して第３の電解質１２２から第２のカソード電解質室１０６中のカソード電解質まで移動する。カソード室１０２中、ナトリウムイオンは、カソード電解質中に存在する水酸化物イオン、および二酸化炭素の溶解によって得られた炭酸イオンとともに、ナトリウム塩溶液、たとえば、水酸化ナトリウム、および／または炭酸ナトリウム、および／または重炭酸ナトリウム溶液を生成する。

同様に、図１を参照すると、陰イオン交換膜は、陰イオンが陰イオン交換膜を通過して移動することを可能にするので、第３の電解質１２２中の陰イオン、たとえば塩化物イオンは、カソード１１０とアノード１１４との間に電圧を印加すると、陰イオン交換膜１２４を通過して第３の電解質からアノード電解質１１５まで移動する。アノード電解質中、塩化物イオンは、アノード電解質１１５中に存在するプロトンとともに酸、たとえば塩酸を形成する。その結果、理解できるように、陽イオンおよび陰イオンは第３のカソード電解質１２２から離れて移動するので、本発明のシステムによって部分的に脱塩された水が第３の電解質１２２から生成される。

種々の実施形態において、電気分解されることで、カソード電解質中に生成した水酸化物イオン、炭酸イオンおよび／または重炭酸イオン、ならびにアノード中に生成した塩酸は、本発明のシステムから取り出され、一方、本発明のシステムの連続運転を維持するために第３の電解質中の塩化ナトリウムが補充される。

当業者には明らかなように、種々の実施形態において、本発明のシステムは、バッチ方式、セミバッチ方式、連続流方式などの種々の生成方式において、カソード電解質中で生成した水酸化ナトリウムの一部を抜き取る、またはアノード電解質中で生成した酸の全てまたは一部を抜き取る、またはカソードにおいて生成した水素ガスを、水素ガスを酸化できるアノードまで案内するという選択を有してまたは有さずに、運転するよう構成することができる。

種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３Ｖ未満、２．９Ｖ以下、２．８Ｖ以下、２．７Ｖ以下、２．６Ｖ以下、２．５Ｖ以下、２．４Ｖ以下、２．３Ｖ以下、２．２Ｖ以下、２．１Ｖ以下、２．０Ｖ以下、１．９Ｖ以下、１．８Ｖ以下、１．７Ｖ以下、１．６Ｖ、以下１．５Ｖ以下、１．４Ｖ以下、１．３Ｖ以下、１．２Ｖ以下、１．１Ｖ以下、１．０Ｖ以下、０．９Ｖ以下、０．８Ｖ以下、０．７Ｖ以下、０．６Ｖ以下、０．５Ｖ以下、０．４Ｖ以下、０．３Ｖ以下、０．２Ｖ以下、または０．１Ｖ以下である場合に、水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンの溶液がカソード電解質中に生成する。

別の一実施形態において、ガス、たとえば酸素または塩素がアノードにおいて形成され、同時に、水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンがカソード電解質中で生成し、水素ガスがカソードにおいて発生するように、アノードとカソードとの間の電圧を調節することができる。しかし、この実施形態において、アノードに水素ガスは供給されない。当業者によって理解されるように、この実施形態において、アノードとカソードとの間の電圧は、ガスがアノードにおいて形成されない実施形態よりも高くなる。

図１〜３を参照すると、陰イオン交換膜１１４および陽イオン交換膜１２０は従来のイオン交換膜であってよい。理想的には、これらの膜は、酸性および／または塩基性の電解質溶液中で機能することができるべきであり、酸性電解質溶液中０℃〜１００℃以上の温度範囲で高イオン選択性、低イオン抵抗性、高破裂強度、および高安定性を示すべきである。ある実施形態においては、０℃〜８０℃、または０℃〜９０℃の範囲内で安定であるが、これらの範囲を超えると安定ではない膜を使用することができる。好適な膜としては、東京の旭化成より入手可能なＴｅｆｌｏｎ（商標）系の陽イオン交換膜が挙げられる。しかし、低コストの炭化水素系陽イオン交換膜を使用することもでき、たとえば、Ｇｌｅｎ Ｒｏｃｋ（ＮＪ，およびＵＳＡ）のＭｅｍｂｒａｎｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌより入手可能な炭化水素系の膜などを使用することができる。

種々の実施形態において、カソード室１０２は、排ガス処理システム（図示せず）に操作可能に接続され、そのシステムにおいて、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、カソード電解質中に生成した塩基溶液は、たとえば、排ガスおよびカソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて、水酸化物、カーボネート、および／またはバイカーボネートを沈殿させることによって、排ガス中に含まれる二酸化炭素を隔離するために使用される。たとえばカルシウムおよびマグネシウムの水酸化物、炭酸塩、および重炭酸塩を含む沈殿物は、種々の実施形態において、前述のその記載内容全体が参照により本明細書に援用され２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように、建築材料として、たとえばセメントおよび骨材として使用することができる。ある実施形態においては、これらカーボネートおよび／またはバイカーボネートの一部またはすべては、水性媒体中、たとえば、スラリーまたは懸濁液中に残存させることができ、水性媒体中で、たとえば大洋深度で廃棄される。

種々の実施形態において、カソードおよびアノードは、オフピーク電圧を電極に供給するオフピーク電力供給システムにも操作可能に接続される。オフピーク電力の費用は、ピーク電力供給時間に供給される電力の費用よりも少ないので、このシステムによってオフピーク電力を使用して、塩基溶液をカソード電解質中に比較的より少ない費用で生成することができる。

種々の実施形態において、陽イオンおよび陰イオンが第３の電解質から隣接するアノード電解質およびカソード電解質に移動した結果として、部分的に脱塩された水が第３の電解質１２２中に生成する。種々の実施形態において、部分的に脱塩された水は、脱塩システム（図示せず）操作可能に接続され、そのシステムにおいて、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年６月２７日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１６３，２０５号明細書に記載されるように、さらに脱塩が行われる。

別の一実施形態において、本発明のシステムは酸、たとえば塩酸をアノード電解質中に生成する。したがって、種々の実施形態において、アノード室は、二価陽イオンを含む鉱物および廃棄物を溶解させるシステムに操作可能に接続されることで、二価陽イオン、たとえばＣａ＋＋およびＭｇ＋＋の溶液が生成される。種々の実施形態において、前述のその記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、二価陽イオン溶液は、二価陽イオン溶液を本発明の塩基溶液および二酸化炭素ガス源と接触させることによって、水酸化物、カーボネート、および／またはバイカーボネートを沈殿させるために使用される。種々の実施形態において、これらの沈殿物は、前述のその記載内容全体が参照により本明細書に援用される本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように、建築材料、たとえばセメントおよび骨材として使用することができる。

図２を参照すると、種々の実施形態において、本発明のシステムは、システム中のカソード電解質の抜き取りおよび循環に適合させたカソード電解質循環システム１２６を含む。一実施形態において、カソード電解質循環システムは、循環するカソード電解質中に二酸化炭素を溶解させ、システム中に電解質を循環させるのに適合させた第１の二酸化炭素ガス／液体接触器１２８を含む。この実施形態において、カソード電解質室の外部のガス／液体接触器中の電解質中に十分な二酸化炭素を溶解させることができるので、場合により、図１中に示され前述したような、二酸化炭素１０９Ａをカソード電解質中に導入する必要がなくなる場合がある。

図３中に示されるような別の一実施形態において、カソード電解質循環システムは、循環するカソード電解質１２６の一部に二酸化炭素を溶解させることができ、この電解質がカソード室には戻されない第２の二酸化炭素ガス／液体接触器１３０を含む。この実施形態において、この電解質は、たとえば二価陽イオン炭酸塩および／または重炭酸塩をカソード室の外側で沈殿させるのに使用することができる。また、理解できるように、カソード電解質のｐＨは、カソード電解質をシステムから抜き取るおよび／または循環させることによって調整可能なので、第２の二酸化炭素ガス／液体接触器１３０によってシステムから取り出される電解質量を調節するとによってカソード電解質室のｐＨを調節することができる。

図１〜３を参照すると、種々の実施形態におけるシステム１００、２００、および３００は、カソード１１０において発生した水素ガスをアノード１１４における酸化のために循環させるのに適合させた水素ガス循環システム１１８を含む。種々の実施形態において、たとえばカソードからの水素の供給が不十分である運転開始時に、水素ガスは、水素ガスをアノード１１４に供給するため外部水素源（図示せず）に操作上で接続される。

種々の実施形態において、本発明のシステムは、カソード室１０２からカソード電解質のすべてまたは一部を抜き取ることが可能なカソード電解質抜き取りおよび補充システム（図示せず）を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、塩溶液、たとえば濃厚塩化ナトリウムを第３の電解質１２２として供給するための塩溶液供給システム（図示せず）をも含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、二酸化炭素ガス１０９Ａをカソード電解質に供給するためのガス供給システム（図示せず）を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、流体をセル中に導入するための入口（図示せず）、および流体をセルから取り出すための出口（図示せず）をも含む。

理解できるように、種々の実施形態において、図１を参照すると、カソード電解質は、第１の陽イオン交換膜によって第３の電解質から分離され、第３の電解質はアノード電解質から分離されるが、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、電解質中の陰イオンはアノード１１４に向かって移動しようとし、陽イオンは、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を介して、カソード１１０に向かって移動しようとする。

図１を参照すると、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、以下のように、アノードに供給された水素ガスが酸化されることでプロトンがアノードにおいて形成され、一方、水が還元されることで水酸化物イオンおよび水素ガスがカソード電解質において形成される：
Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （アノード、酸化反応）
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ （カソード、還元反応）

アノードに供給された水素ガスからプロトンがアノードにおいて形成され；酸素などのガスはアノードにおいて形成されず；カソード電解質中の水から水酸化物イオンおよび水素ガスがカソードにおいて形成されるため、アノードとカソードとの間に電圧が印加されると、本発明のシステムは、水酸化物イオンをカソード電解質中に生成し、プロトンをアノード電解質中に生成する。

さらに、理解できるように、本発明のシステムにおいて、アノードにおいてはガスが形成されないので、アノードとカソードとの間に２Ｖ未満が印加されると、本発明のシステムは、水酸化物イオンをカソード電解質中に生成し、水素ガスをカソードにおいて生成し、水素イオンをアノードにおいて生成し、このことは、アノードにおいてガス、たとえば塩素または酸素が発生する場合に必要とされるより高い電圧とは対照的である。たとえば、種々の実施形態において、２．０Ｖ未満、１．５Ｖ、１．４Ｖ、１．３Ｖ、１．２Ｖ、１．１Ｖ、１．０Ｖ、０．９Ｖ、０．８Ｖ、０．７Ｖ、０．６Ｖ、０．５Ｖ、０．４Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖ、０．１Ｖ未満がアノードとカソードとの間に印加される場合に、水酸化物イオンが生成する。

図１を参照すると、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、アノードにおいて形成された正に帯電したプロトンは、アノード電解質を介してカソードまで移動しようとし、一方、カソードにおいて形成された負に帯電した水酸化物イオンは、カソード電解質を介してアノードまで移動しようとする。図１に示されるように、カソード電解質中の水酸化物イオンに関して、第１の陽イオン交換膜はカソード室中のカソード電解質を含有し、陽イオン交換膜は、陰イオンがカソード電解質から第３の電解質まで移動するのを妨げるので、カソード電解質中に発生した水酸化物イオンは、陽イオン交換膜を介したカソード電解質を離れる移動が妨げられる。その結果、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、カソードにおいて生成した水酸化物イオンは、カソード電解質中に含まれる。したがって、カソード電解質を出入りする流体の流量、およびカソード電解質中への二酸化炭素の溶解速度に依存して、カソード電解質のｐＨは調整され、たとえばｐＨは上昇したり、低下したり、同じ値を維持したりすることができる。

同様に、アノードにおいて発生したプロトンに関して、カソードとアノードとの間の印加電圧下で、プロトンはアノード電解質に入り、陰イオン交換膜まで移動する。しかし、陰イオン交換膜は、陽イオンがアノード電解質から第３の電解質まで移動するのを阻止するので、アノード電解質中のプロトンは、第３の電解質への移動が妨げられる。その結果、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、アノードにおいて生成したプロトンは、アノード電解質中に含まれる。したがって、アノード電解質を出入りする流体の流量に依存して、アノード電解質のｐＨが調整され、たとえばｐＨは上昇したり、低下したり、同じ値を維持したりすることができる。

ナトリウムイオンおよび塩化物イオンの濃厚溶液が最初に投入され、陰イオン交換膜および陽イオン交換膜によって電気化学セル中に含まれる第３の電解質に関して、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、第３の電解質中の陰イオン、たとえば塩化物イオンはアノードまで移動し、一方、第３の電解質中の陽イオン、たとえばナトリウムイオンはカソードまで移動する。陰イオン交換膜によって、陰イオンが第３の電解質からアノード電解質まで移動することが可能となるので、第３の電解質中に存在する塩化物イオンは、アノード電解質まで移動し、そこでアノードからのプロトンと、酸、たとえば塩酸を形成する。

さらに、陽イオン交換膜によって、陽イオンが第３の電解質からカソード電解質まで移動することが可能となるので、第３の電解質中に存在するナトリウムイオンは、カソード電解質まで移動し、そこで、カソードにおいて生成した水酸化物イオンと水酸化ナトリウムを形成する。その結果、図１〜３に示されるように、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、陽イオン、たとえばナトリウムイオン、および陰イオン、たとえば塩化物イオンは、第３の電解質から離れて移動し、それによって、脱塩水を第３の電解質中に形成する。

種々の実施形態において、図１〜３に示されるように、カソード電解質中の水が還元されることによって、カソードにおいて水素ガスが発生する。このガスは、カソードから排出することができるし、またはアノードまで誘導して、本明細書に記載されるようにプロトンに酸化することもできる。

種々の実施形態において、システム中の所望のイオン種に依存して、別の反応物質を使用することができる。したがって、たとえば、水酸化カリウムまたは炭酸カリウムなどのカリウム塩がカソードエレクトロライト中に望まれる場合には、塩化カリウムなどのカリウム塩を第３のエレクトロライト１２２中に使用することができる。同様に、硫酸がアノード電解質中に望まれる場合は、硫酸ナトリウムなどの硫酸塩を第３の電解質１２２中に使用することができる。同様に、本明細書における種々の実施形態に記載されるように、二酸化炭素ガスがカソード電解質中に吸収されるが；しかし、所望の結果を得るために、揮発性蒸気を含む他のガス、たとえば、二酸化硫黄または有機蒸気を電解質中に吸収させることができることが理解されよう。理解できるように、ガスは、種々の方法で、たとえば、電解質中に直接バブリングすることによって、またはカソード室に接続された別個の室中に気体を溶解させた後、本明細書に記載されるようにカソード電解質まで誘導することによって、電解質に加えることができる。

図５を参照すると、方法５００は、第１のカソード電解質室中のカソード電解質中にガスを誘導するステップ５０２と；第２のカソード電解質中のカソード電解質に接触するカソードと、アノード電解質に接触するアノードとの間に電圧を印加するステップ５０４とを含み、第１のカソード電解質は、第２のカソード電解質から分割されている。

種々の実施形態において、本発明の方法は、二酸化炭素をカソード電解質に加えるステップ；本明細書の他の箇所に記載されるような低電圧をアノードとカソードとの間に印加することによって炭酸、水酸化物イオン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンを第１のカソード電解質室中に生成するステップ；炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンを第２のカソード電解質室中に生成するステップ；水素ガスをカソードにおいて生成し、そのガスをアノードまで誘導し、そこで水素イオンに酸化するステップ；水素イオンをアノードにおいて生成するステップ；アノードとカソードとの間に本発明の電圧を印加してもアノードにおいてガスが生成しないステップ；アノードとカソードとの間の電圧が２Ｖ未満であるステップ；陽イオン交換膜によってカソード電解質を第３の電解質から分離するステップ；陰イオン交換膜によってアノード電解質を第３の電解質から分離するステップ；第３の電解質がナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含むステップ；ナトリウムイオンを第３の電解質からカソード電解質まで陽イオン交換膜を通過して移動させ、塩化物イオンを第３の電解質からアノード電解質まで陰イオン交換膜を通過して移動させるステップ；カソード電解質が炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または水酸化ナトリウムを含み、アノード電解質が塩酸を含むステップ；酸をアノード電解質中に生成するステップ；苦鉄質鉱物またはセルロース材料を溶解させるために酸を利用するステップ；部分的に脱塩された水を第３の電解質中に生成するステップ；部分的に脱塩された水を水脱塩システム中で処理することを含むステップ；カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて、二価陽イオンの水酸化物、炭酸塩、および／または重炭酸塩化合物を生成するステップ；二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物がカルシウムおよびマグネシウムを含むステップ；カソード電解質の第１の部分を抜き取り；カソード電解質の第１の部分中の二酸化炭素を溶解させて第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成し；カソード電解質に第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を補充するステップ；カソード電解質の第２の部分を抜き取り；二酸化炭素をカソード電解質の第２の部分中に溶解させて第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成し；第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて二価陽イオン炭酸塩を生成するステップ；カソードとアノードとの間にオフピーク電源を使用して、アノードとカソードとの間に電圧を提供するステップをさらに含む。

種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に２Ｖ未満の電圧を印加し、アノードにおける酸化のためにアノードに水素ガスを供給することによって、アノードにおいてガスが形成されずに、水酸化物イオンがカソードおよびカソード電解質中に形成される。種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３Ｖ以下、２．９Ｖ以下、２．８Ｖ以下、２．７Ｖ以下、２．６Ｖ以下、２．５Ｖ以下、２．４Ｖ以下、２．３Ｖ以下、２．２Ｖ以下、２．１Ｖ以下、２．０Ｖ以下、１．９Ｖ以下、１．８Ｖ以下、１．７Ｖ以下、１．６Ｖ以下、１．５Ｖ以下、１．４Ｖ以下、１．３Ｖ以下、１．２Ｖ以下、１．１Ｖ以下、１．０Ｖ以下、０．９Ｖ以下、０．８Ｖ以下、０．７Ｖ以下、０．６Ｖ以下、０．５Ｖ以下、０．４Ｖ以下、０．３Ｖ以下、０．２Ｖ以下、または０．１Ｖ以下であり、水素ガスがアノードに供給されてそこでプロトンに酸化される場合に、方法５００によってはアノードにおいてガスが形成されない。当業者には理解できるように、アノードにおいてガスを形成せず、アノードにおける酸化のためにアノードに水素ガスを供給し、たとえば、電解質の経路長を減少させることによって、および抵抗の小さいイオン膜を選択することによって、および当技術分野において周知の他のあらゆる方法などによってシステムの抵抗を他の方法で制御することによって、本発明のより低い電圧を使用して水酸化物イオンをカソード電解質中に生成することができる。

種々の実施形態において、方法５００は、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に誘導するステップ；カソード電解質をカソードに接触させて配置する前または後に二酸化炭素ガスをカソード電解質中に誘導するステップ；カソードにおいて水素ガスを形成するステップ；アノードにおいてプロトンを形成するステップ；アノードとカソードとの間に３Ｖ〜０．５Ｖの間またはそれ未満の電圧を選択的に印加することによって、アノードにおいてガスを形成することなく、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差をアノード電解質とカソード電解質との間に発生させるステップ；水酸化物イオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、および／またはそれらの組み合わせをカソード電解質中に形成するステップ；水酸化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムをカソード電解質中に形成するステップ；塩化物イオンを、第３の電解質から陰イオン交換膜を通過してアノード電解質まで移動させるステップ；アノード電解質中に酸を形成するステップ；アノード電解質中に塩酸を形成するステップ；陽イオンを、第３の電解質から陽イオン交換膜を通過してカソード電解質まで移動させるステップ；ナトリウムイオンを、第３の電解質から陽イオン交換膜を通過してカソード電解質まで移動させるステップ；カソードにおいて形成された水素ガスをアノードまで誘導するステップ；ならびに流出流を介してカソード電解質を取り出し、流入流カソード電解質をカソード電解質に補充するステップをさらに含む。

当業者には理解できるように、アノードでガスを形成せず、アノードにおける酸化のために水素ガスをアノードに供給することによって、本発明の電圧を使用して水酸化物イオンがカソード電解質中に生成される。種々の実施形態において、図１〜３のシステムと併せた方法５００は：たとえば、ガス、酸素または塩素のアノードにおける形成が防止されるようにアノード１１４とカソード１１０との間に電圧を印加するステップ；重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸イオンと炭酸イオンとの混合物をカソード電解質中に形成するステップ；水素ガスをアノードに供給して酸化させながら、３Ｖ、２．９Ｖ、２．８Ｖ、２．７Ｖ、２．６Ｖ、２．５Ｖ、２．４Ｖ、２．３Ｖ、２．２Ｖ、２．１Ｖ、２．０Ｖ、１．９Ｖ、１．８Ｖ、１．７Ｖ、１．６Ｖ、１．５Ｖ、１．４Ｖ、１．３Ｖ、１．２Ｖ、１．１Ｖ、１．０Ｖ、０．９Ｖ、０．８Ｖ、０．７Ｖ、０．６Ｖ、０．５Ｖ、０．４Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖ、または０．１Ｖ以下の電圧をカソードとアノードとの間に印加し、水素ガスをカソードにおいて形成するステップ；水素ガスをアノードにおいて酸化してプロトンをアノードにおいて形成するステップ；アノードにおいてガスを形成することなく、１、２、３、４、、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差をアノード電解質とカソード電解質との間に発生させるステップ；アノードにおいてガスを形成することなく、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差のｐＨ勾配をアノード電解質とカソード電解質との間に発生させるステップ；炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムと重炭酸ナトリウムとの混合物をカソード電解質中に形成するステップ；陰イオンを、第３の電解質から陰イオン交換膜を通過してアノード電解質まで移動させるステップ；塩化物イオンを、第３の電解質から陰イオン交換膜を通過してアノード電解質まで移動させるステップ；アノード電解質中に酸を形成するステップ；アノード電解質中に塩酸を形成するステップ；陽イオンを、第３の電解質から陽イオン交換膜１２０を通過してカソード電解質まで移動させるステップ；ナトリウムイオンを、第３の電解質から陽イオン交換膜を通過してカソード電解質まで移動させるステップ；カソード１１０において形成された水素ガスを、酸化のためアノード１１４に誘導するステップ；流出流からのカソード電解質の少なくとも一部をカソード電解質の流入流に誘導するステップ；カソード電解質の第１の部分を抜き取り、二酸化炭素をカソード電解質の第１の部分中に溶解させて第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成し、カソード電解質に第１の濃縮炭酸含有カソード電解質を補充するステップ；ならびにカソード電解質の第２の部分を抜き取り、二酸化炭素をカソード電解質の第２の部分中に溶解させて第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を生成し、第２の濃縮炭酸含有カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて二価陽イオン炭酸塩を生成するステップをさらに含む。

種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３．０Ｖ未満、２．９Ｖ、２．８Ｖ、２．Ｖ７、２．６Ｖ、２．５Ｖ、２．４Ｖ、２．３Ｖ、２．２Ｖ、２．１Ｖ、２．０Ｖ、１．９Ｖ、１．８Ｖ、１．７Ｖ、１．６Ｖ、１．５Ｖ、１．４Ｖ、１．３Ｖ、１．２Ｖ、１．１Ｖ、１．０Ｖ、０．９Ｖ、０．８Ｖ、０．７Ｖ、０．６Ｖ、０．５Ｖ、０．４Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖ、０．１Ｖ以下であり、アノードにおいてガスが形成されない場合に、重炭酸イオンおよび炭酸イオンがカソード電解質中に生成される。種々の実施形態において、本発明の方法は、バッチ、セミバッチ、または連続のいずれかの運転方式において、カソード電解質の少なくとも一部およびアノード電解質中の酸を抜き取りおよび補充してシステム中に戻すのに適合している。

図１〜３を参照すると、電圧をアノードとカソードの間に印加すると、水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンがカソード電解質中に形成され、その結果としてカソード電解質のｐＨが調整される。一実施形態において、アノードおよびカソードの水酸化物イオンおよび／または炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンは、カソードとアノードとの間の電圧が０．１Ｖ以下、０．２Ｖまたは以下、０．４Ｖ以下、０．６Ｖ以下、０．８Ｖ以下、１．０Ｖ以下、１．５Ｖ以下、または２．０Ｖ以下である場合に形成される。たとえば、０．８Ｖ以下の電圧がアノードとカソードとの間に印加されると、水酸化物イオンがカソード電解質溶液中に生成し；別の一実施形態において、０．０１〜２．５Ｖ、または０．０１Ｖ〜２．０Ｖ、または０．１Ｖ〜２．０Ｖ、または０．１〜２．０Ｖ、または０．１Ｖ〜１．５Ｖ、または０．１Ｖ〜１．０Ｖ、または０．１Ｖ〜０．８Ｖ、または０．１Ｖ〜０．６Ｖ、または０．１Ｖ〜０．４Ｖ、または０．１Ｖ〜０．２Ｖ、または０．０１Ｖ〜１．５Ｖ、または０．０１Ｖ〜１．０Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．８Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．６Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．４Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．２Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．１Ｖ、たとえば、または０．１Ｖ〜２．０Ｖの電圧がアノードとカソードとの間に印加されると、水酸化物イオンがカソード電解質中に生成し；さらに別の一実施形態においては、約０．１Ｖ〜１Ｖの電圧がアノードとカソードとの間に印加されると、水酸化物イオンが、増加したカソード電解質溶液中に生成する。電極間に０．１Ｖ〜０．８Ｖ；０．１Ｖ〜０．７Ｖ；０．１〜０．６Ｖ；０．１Ｖ〜０．５Ｖ；０．１Ｖ〜０．４Ｖ；および０．１Ｖ〜０．３Ｖの電圧を使用すると、同様の結果が実現可能である。

種々の実施形態において、本発明の方法およびシステムは、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離された場合、そして３Ｖ以下、２．９Ｖ以下、または２．５Ｖ以下、または２Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、０．５ｐＨ単位を超えるｐＨ差をアノード電解質溶液とカソード電解質溶液との間に生じさせることが可能である。ある実施形態においては、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合に、本発明の方法およびシステムは、０．１Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、１．０ｐＨ単位を超える、または２ｐＨ単位、または４ｐＨ単位、または６ｐＨ単位、または８ｐＨ単位、または１０ｐＨ単位、または１２ｐＨ単位、または１４ｐＨ単位のｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることができる。

別の代表的な結果において、図４を参照すると、図１中に示されるようなシステムを一定電流密度で構成および運転しながら、二酸化炭素ガスを連続的にカソード室中に溶解させた。本発明のシステムにおいて、カソード電解質中のｐＨおよびアノードとカソードとの間の電圧を監視した。本発明のシステムにおいて、白金担持ガス拡散電極をアノードとして使用し、ニッケル金網をカソードとして使用した。最初のセル濃度は、第３の電解質１２２、カソード電解質１０８、およびアノード電解質１１５においてそれぞれ５ＭのＮａＣｌ、１ＭのＮａＯＨ、および１ＭのＨＣｌであった。使用したイオン膜は、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．（ＮＪ，ＵＳＡ）より入手し、特に、陰イオン交換膜１２４が膜番号ＡＭＩ７００１、陽イオン交換膜１２０が膜番号ＣＭＩ７０００であった。図４中から分かるように、反応の進行に伴い、二酸化炭素ガスがカソード電解質中に吸収されると、カソード電解質のｐＨが低下した。同時に、アノードとカソードとの間の電圧も低下した。

理解できるように、カソード電解質中への二酸化炭素の溶解性は電解質のｐＨに依存し、カソードとアノードとの間の電圧はアノード電解質とカソード電解質との間のｐＨ差に依存する。したがって、図４中に示されるように、したがって本発明のシステムは、二酸化炭素を吸収し、炭酸、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンをカソード電解質中に生成するために、特定のｐＨおよび電圧において構成し運転することができる。したがって、たとえば図４中に示されるように、本発明のシステムは、アノードにわたって１Ｖ未満、たとえば０．９Ｖにおいて、ｐＨ１０の塩基溶液を生成するように構成し運転することができる。別の実施形態では、本発明のシステムは、０．８５ＶにおいてｐＨ９の塩基溶液を生成するように構成し運転することができる。他の動作電圧としては、図４中に示されるように０．７Ｖ〜１．Ｖの範囲内の電圧が挙げられる。同様に、他の動作ｐＨ値としては、６〜１２の範囲内のｐＨ値が挙げられる。前述したように、カソード電解質中に生成され炭酸イオンおよび重炭酸イオンを含む塩基溶液は、二価陽イオン溶液とともに使用して、二価陽イオン炭酸塩および重炭酸塩を溶液から沈殿させることによって二酸化炭素を隔離することができる。

ある実施形態においては、カソード電解質およびアノード電解質がイオン交換膜に接触するプロセスの一部の間に、二価陽イオン、たとえばマグネシウムイオンまたはカルシウムイオンがカソード電解質溶液から除去される。これは、その特定の膜に対して必要であれば、膜のスケーリングを阻止するために行われる。したがって、種々の実施形態において、電解質溶液が長時間イオン交換膜に接触する場合の電解質溶液中の二価陽イオンの全濃度は、０．０６ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０６ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０４ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０２ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０００１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満である。

二酸化炭素ガスがカソード電解質中に溶解する実施形態において、プロトンがカソード電解質から除去されるので、より多くの二酸化炭素が溶解して炭酸、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを形成することができる。カソード電解質のｐＨに依存して、バランスが重炭酸イオンまたは炭酸イオンに向かってシフトし、このことは当技術分野において周知であり、前述のカーボネートのスペシエーション図に示す通りである。これらの実施形態において、二酸化炭素の導入速度に対するプロトンの除去速度に依存して、カソード電解質溶液のｐＨは、減少する場合も、同じ値で維持される場合も、増加する場合もある。炭酸、水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンはこれらの実施形態においては形成されず、あるいは炭酸、水酸化物イオン、炭酸イオン、重炭酸イオンはある期間には形成され別の期間には形成されないこともあることは理解されるであろう。

別の一実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、カーボネートおよび／またはバイカーボネート沈殿システム（図示せず）と一体化され、二価陽イオンの溶液が、本発明のカソード電解質に加えられると、二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物、たとえば、炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムおよび／またはそれらのバイカーボネートの沈殿が形成される。種々の実施形態において、沈殿した二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物は、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用されてもよい。

別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、鉱物および／または材料溶解および回収システム（図示せず）と一体化され、酸性のアノード電解質溶液１１５または塩基性のカソード電解質１０２を使用して、カルシウムおよび／またはマグネシウムに富む鉱物、たとえば蛇絞石またはカンラン石、あるいは廃棄物、たとえば、フライアッシュ、赤泥などを溶解させて、二陽イオン溶液を形成し、それらが本明細書に記載のようにカーボネートおよび／またはバイカーボネートの沈殿に使用される。種々の実施形態において、沈殿した二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物は、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用されてもよい。

別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、二酸化炭素、ならびに産業排ガスの他の成分、たとえば、硫黄ガス類、酸化窒素ガス類、金属、および粒子を隔離する産業排ガス処理システム（図示せず）と一体化され、燃料排ガスと二価陽イオンを含む溶液と、水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含む本発明のカソード電解質とを接触させることによって、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、二価陽イオンのカーボネートおよび／またはバイカーボネートが沈殿する。たとえばカルシウムおよび／またはマグネシウムの炭酸塩および重炭酸塩を含む沈殿物は、種々の実施形態において、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用されてもよい。

別の一実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、水性脱塩システム（図示せず）と一体化され、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年６月２７日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１６３，２０５号明細書に記載されるように、本発明のシステムの第３の電解質の部分的に脱塩された水１５０が、脱塩システムの給水として使用される。

別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、カーボネートおよび／またはバイカーボネート溶液廃棄システム（図示せず）と一体化され、二価陽イオン溶液を第１の電解質溶液と接触させて沈殿物を形成することによって沈殿物を製造するのではなく、このシステムはカーボネートおよび／またはバイカーボネートを含むスラリーまたは懸濁液を製造する。その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、種々の実施形態において、このスラリー／懸濁液は、長期間安定に維持される場所に廃棄され、たとえば、スラリー／懸濁液は、スラリーが無期限で安定に維持されるのに十分な温度および圧力となる深さで海中に廃棄される。

本発明の好ましい実施形態を本明細書に示し説明してきたが、このような実施形態が単なる例として提供され、限定のために提供されたものではないことは当業者には明らかであろう。これより、本発明から逸脱することなく多数の変形、変更、および置換が当業者により見出されるであろう。本明細書に記載される本発明の実施形態の種々の代案を、本発明の実施に使用できることを理解されたい。以下の特許請求の範囲によって本発明の範囲が規定され、これらの特許請求の範囲内の方法および構造ならびにそれらの同等物が本発明の範囲に含まれることを意図している。

Claims (28)

1. 電気化学システムであって、
   前記電気化学システムは、
   カソードと接触しているカソード電解質を含むカソード室と、
   アノードと接触しているアノード室中のアノード電解質と、
   前記カソードから前記アノードへ水素ガスを誘導するように構成されている水素ガス送出システムと、
   前記アノードおよび前記カソードの間に０．８Ｖ未満のネルンストセル電圧と
   を含み、
   前記カソードは水素ガスを生成し、前記カソード室はシステムに操作可能に接続され、前記システムは、化石燃料またはセメントプラントを燃焼することから導出される二酸化炭素を前記カソード室に送出する工業排ガスシステム、前記工業排ガスシステムに操作可能に接続されたガス／液体接触器であって、前記ガス／液体接触器は、前記カソード室を前記工業排ガスシステムからの二酸化炭素と接触させる、ガス／液体接触器、または、これらの組み合わせから選択され、
   前記カソード電解質は重炭酸イオンを含み、前記アノード電解質および前記カソード電解質は、６〜１２のｐＨの差を有する、電気化学システム。
2. 前記システムは、前記アノードにおいてガスを生成しない、請求項１に記載のシステム。
3. 前記カソード室が、水酸化物、カーボネートおよび／またはバイカーボネート沈殿システムに操作可能に接続される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記沈殿システムが、前記カソード電解質を使用して水酸化物、カーボネート、および／または二価陽イオン重炭酸塩を生成するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記アノードおよびカソードがオフピーク電力供給システムに操作可能に接続される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記アノード室と前記カソード室との間にイオン交換膜をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記イオン交換膜が、前記カソード電解質を第３の電解質から分離する陽イオン交換膜を含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記イオン交換膜が、前記アノード電解質を第３の電解質から分離する陰イオン交換膜を含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記第３の電解質がナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記システムは、ナトリウムイオンを前記第３の電解質からカソード電解質まで陽イオン交換膜を介して移動させることと、塩化物イオンを前記第３の電解質から前記アノード電解質まで前記陰イオン交換膜を介して移動させることとを行うように構成されている、請求項９に記載のシステム。
11. 前記システムは、水酸化ナトリウムを前記カソード電解質中に生成するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
12. 前記システムは、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび／または重炭酸ナトリウムを前記カソード電解質中に生成するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
13. 前記システムは、部分的に脱塩された水を前記第３の電解質中に生成するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
14. 前記部分的に脱塩された水が、水処理システムに操作可能に接続される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記システムは、塩酸を前記アノード電解質中に生成するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
16. 電気化学的方法であって、
    前記電気化学的方法は、
    アノード室においてアノード電解質をアノードに接触させることであって、前記アノードは、水素ガスを酸化して水素イオンを生成する、ことと、
    カソード室においてカソード電解質をカソードに接触させることであって、前記カソードは、水酸化物イオンおよび水素ガスを生成する、ことと、
    前記カソードにおいて生成された水素ガスを前記アノードに誘導することと、
    二酸化炭素を含む工業排ガスを前記カソード室中の前記カソード電解質内に誘導すること、または、二酸化炭素を工業排ガスに接触しているガス／液体接触器から前記カソード電解質内に誘導することと、
    前記カソード電解質中で、重炭酸イオンを炭酸イオンに変換すること、および、前記アノード電解質と前記カソード電解質との間で６〜１２のｐＨの差を生成することと、
    前記カソードおよび前記アノードの間に０．８Ｖ未満のネルンストセル電圧を印加することと
    を含む、方法。
17. ガスが、前記アノードにおいて生成されない、請求項１６に記載の方法。
18. 陽イオン交換膜によって前記カソード電解質を第３の電解質から分離することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 陰イオン交換膜によって前記アノード電解質を前記第３の電解質から分離することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第３の電解質がナトリウムイオンおよび塩化物イオンを含む、請求項１９に記載の方法。
21. ナトリウムイオンを、前記第３の電解質から前記カソード電解質に前記陽イオン交換膜を通過して移動させることと、塩化物イオンを、前記第３の電解質から前記アノード電解質に前記陰イオン交換膜を通過して移動させることとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記カソード電解質が炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または水酸化ナトリウムを含み、前記アノード電解質が塩酸を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記アノード電解質中に酸を生成することを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 苦鉄質鉱物またはセルロース材料を溶解するために前記酸を使用することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 部分的に脱塩された水を前記第３の電解質中に生成することを含む、請求項２１に記載の方法。
26. 前記カソード電解質を二価陽イオン溶液と接触させて、二価陽イオンの水酸化物、炭酸塩、および／または重炭酸塩化合物を生成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
27. 前記二価の炭酸塩および／または重炭酸塩化合物がカルシウムおよびマグネシウムを含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記カソードとアノードとの間にオフピーク電力供給を適用して、前記アノードとカソードとの間に電圧を提供することを含む、請求項１６に記載の方法。