JP6061680B2 - 電気化学システム及び電気化学システムを動作させる方法 - Google Patents
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Description
V(ボルト)−直列に接続される積層体の配列の全電圧
I(アンペア)−各積層体の動作電流
L(%)−システムにおける分流損失の許容パーセンテージ
IL(アンペア)−分路による電流損失=I×L
R(オーム)−チューブイオン抵抗=V/IL
S(オーム/cm3)−溶液抵抗
D(cm)−チューブ直径
X(cm)−チューブ長さ
Claims (22)
- 燃料電池モードでは燃料及び酸化剤から電気エネルギ及び反応生成物を発生させるとともに、電解モードでは反応生成物及び電気エネルギから燃料及び酸化剤を発生させる再生型燃料電池システムと、前記再生型燃料電池システムと流体連通する少なくとも1つの燃料貯蔵容器と、前記再生型燃料電池システムと流体連通する少なくとも1つの反応生成物貯蔵容器とを備えるエネルギ貯蔵システムであって、前記再生型燃料電池システムが再生型燃料電池の1つ以上の積層体を備え、前記再生型燃料電池が、ハウジングと、それをアノード側とカソード側とに分配するように前記ハウジング内に配置される第1の表面及び第2の表面を有するナノポーラスプロトン伝導膜と、前記第1の表面をアノード側に接続するために前記第1の表面に形成されるアノードと、前記第2の表面をカソード側に接続するために前記第2の表面に形成されるカソードとを備え、前記アノードが支持体を備えるとともに、前記アノードには触媒が分散され、前記カソードが支持体を備えるとともに、前記カソードには随意的に触媒が分散され、前記アノードに分散される触媒及び前記カソードに随意的に分散される触媒が、同じでありあるいは異なっているとともに、酸または酸の混合物の存在下で、あるいは、ハロゲンイオンまたはハロゲンイオンの混合物の存在下で、前記再生型燃料電池の電解モードにおける充電反応及び燃料電池モードにおける放電反応を触媒することができる、エネルギ貯蔵システムと、
電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給するために前記再生型燃料電池システムに電気的に接続されるエネルギ源と、
を備え、
前記再生型燃料電池が水素/三臭化物再生型燃料電池であり、
前記燃料貯蔵容器の少なくとも一つが水素を貯蔵する容器であり、
前記燃料貯蔵容器の少なくとも一つが三臭化物の溶液を貯蔵する容器であり、
前記反応生成物貯蔵容器が臭化水素酸を貯蔵する容器であり、
前記アノードが水素電極であり、前記カソードが臭素電極であり、
前記ハウジング内の第1の表面側の空間が水素ガスのガス区画であり、
前記ハウジング内の第2の表面側の空間が溶液区画であり、
前記再生型燃料電池は臭化水素酸を用いて準備され、
該再生型燃料電池が室温での出力回路電圧が1.088Vとなるまで充電されたとき、前記三臭化物の溶液のHBrの濃度が3〜7モル/Lのうちのいずれかの濃度である、電気化学システム。 - 燃料電池モードでは燃料及び酸化剤から電気エネルギ及び反応生成物を発生させるとともに、電解モードでは反応生成物及び電気エネルギから燃料及び酸化剤を発生させる再生型燃料電池システムであって、該再生型燃料電池システムが再生型燃料電池の1つ以上の積層体を備え、前記再生型燃料電池が、ハウジングと、それをアノード側とカソード側とに分配するように前記ハウジング内に配置される第1の表面及び第2の表面を有するナノポーラスプロトン伝導膜と、前記第1の表面をアノード側に接続するために前記第1の表面に形成されるアノードと、前記第2の表面をカソード側に接続するために前記第2の表面に形成されるカソードとを備え、前記アノードが支持体を備えるとともに、前記アノードには触媒が分散され、前記カソードが支持体を備えるとともに、前記カソードには随意的に触媒が分散され、前記アノードに分散される触媒及び前記カソードに随意的に分散される触媒が、同じでありあるいは異なっているとともに、酸または酸の混合物の存在下で、あるいは、ハロゲンイオンまたはハロゲンイオンの混合物の存在下で、前記再生型燃料電池の電解モードにおける充電反応及び燃料電池モードにおける放電反応を触媒することができる、再生型燃料電池システムと、
前記再生型燃料電池システムと流体連通する反応生成物供給及び/または貯蔵装置であって、前記反応生成物供給装置が、燃料電池モードで前記再生型燃料電池システムにより発生された反応生成物に加えてあるいは代えて、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ余剰反応生成物を供給し、それにより、前記再生型燃料電池システムを燃料電池モードで動作させるために必要とされる燃料を超える燃料が電解モードで発生され、前記反応生成物貯蔵装置が、燃料電池モードで動作する前記再生型燃料電池システムにより発生された反応生成物に加えて、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ供給されるべき余剰反応生成物を貯蔵する、反応生成物供給及び/または貯蔵装置と、
前記再生型燃料電池システムと流体連通する生成物/燃料貯蔵装置であって、該生成物/燃料貯蔵装置が、電解モードの充電反応及び燃料電池モードの放電反応からの生成物及び余剰燃料を貯蔵する、生成物/燃料貯蔵装置と、
を備え、
前記再生型燃料電池が水素/三臭化物再生型燃料電池であり、
前記燃料が水素であり、
前記酸化剤が臭素であり、該臭素は三臭化物の溶液に含まれ、
前記反応生成物が臭化水素酸であり、
前記アノードが水素電極であり、前記カソードが臭素電極であり、
前記ハウジング内の第1の表面側の空間が水素ガスのガス区画であり、
前記ハウジング内の第2の表面側の空間が溶液区画であり、
前記再生型燃料電池は臭化水素酸を用いて準備され、
該再生型燃料電池が室温での出力回路電圧が1.088Vとなるまで充電されたとき、前記三臭化物の溶液のHBrの濃度が3〜7モル/Lのうちのいずれかの濃度である、電気化学システム。 - 前記エネルギ源は、配電網、発電機、または、再生可能エネルギ源から選択される、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記エネルギ源は、光起電力源または太陽光電源、あるいは、風力源から選択される再生可能エネルギ源である、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記再生型燃料電池システムは、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給して帯電生成物を発生させるために、再生可能電気エネルギを発生させるとともに余剰容量を使用するための再生可能エネルギ源に電気的に接続される、請求項2に記載の電気化学システム。
- 前記再生型燃料電池システムが太陽光から電気エネルギを発生させるため太陽エネルギ源を備えるエネルギ源に電気的に接続され、帯電生成物を発生させるために日中の期間にわたって前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給するとともに、前記再生型燃料電池システムが夜間の期間にわたって電気エネルギを発生させることができるようにする、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記再生型燃料電池システムが風から電気エネルギを発生させるため風力エネルギ源を備えるエネルギ源に電気的に接続され、帯電生成物を発生させるために風速が所定の風速を超える期間にわたって前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給するとともに、風速が所定の風速を超えない期間にわたって前記再生型燃料電池システムが電気エネルギを発生させることができるようにする、請求項1に記載の電気化学システム。
- 前記ナノポーラスプロトン伝導膜が、(i)酸吸収能力を有する体積で5%〜60%の非導電性の本質的にナノサイズ粒子を備える無機粉末と、(ii)酸、酸素、及び、燃料に化学的に適合する体積で5%〜50%の高分子結合剤と、(iii)体積で10〜90%の酸又は酸性水溶液とを備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 支持体を備えて触媒が分散された前記アノードにおいては、前記触媒が少なくとも1つの貴金属を備え、支持体を備えて触媒が随意的に分散された前記カソードにおいては、前記触媒が、カーボン粉末を備え、あるいは、カーボン粉末を伴う少なくとも1つの貴金属を備える、請求項1に記載の電気化学システム。
- 再生型燃料電池システムを含む電気化学システムを動作させる方法において、
燃料電池モードでは燃料及び酸化剤から電気エネルギ及び反応生成物を発生させるとともに、電解モードでは反応生成物及び電気エネルギから燃料及び酸化剤を発生させる再生型燃料電池システムと、前記再生型燃料電池システムと流体連通する少なくとも1つの燃料貯蔵容器と、前記再生型燃料電池システムと流体連通する少なくとも1つの反応生成物貯蔵容器とを備えるエネルギ貯蔵システムを用意するステップと、
燃料及び酸化剤から電気エネルギ及び反応生成物を発生させるために燃料電池モードで、及び、反応生成物及び電気エネルギから燃料及び酸化剤を発生させるために電解モードで前記再生型燃料電池システムを周期的に動作させるステップであって、前記再生型燃料電池システムが再生型燃料電池の1つ以上の積層体を備え、前記再生型燃料電池が、ハウジングと、それをアノード側とカソード側とに分配するように前記ハウジング内に配置される第1の表面及び第2の表面を有するナノポーラスプロトン伝導膜と、前記第1の表面をアノード側に接続するために前記第1の表面に形成されるアノードと、前記第2の表面をカソード側に接続するために前記第2の表面に形成されるカソードとを備え、前記アノードが支持体を備えるとともに、前記アノードには触媒が分散され、前記カソードが支持体を備えるとともに、前記カソードには随意的に触媒が分散され、前記アノードに分散される触媒及び前記カソードに随意的に分散される触媒が、同じでありあるいは異なっているとともに、酸または酸の混合物の存在下で、あるいは、ハロゲンイオンまたはハロゲンイオンの混合物の存在下で、前記再生型燃料電池の電解モードにおける充電反応及び燃料電池モードにおける放電反応を触媒することができる、ステップと、
電気エネルギを、前記再生型燃料電池システムに電気的に接続されるエネルギ源から、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ供給するステップと、
を備え、
前記再生型燃料電池が水素/三臭化物再生型燃料電池であり、
前記燃料貯蔵容器の少なくとも一つが水素を貯蔵する容器であり、
前記燃料貯蔵容器の少なくとも一つが三臭化物の溶液を貯蔵する容器であり、
前記反応生成物貯蔵容器が臭化水素酸を貯蔵する容器であり、
前記アノードが水素電極であり、前記カソードが臭素電極であり、
前記ハウジング内の第1の表面側の空間が水素ガスのガス区画であり、
前記ハウジング内の第2の表面側の空間が溶液区画であり、
前記再生型燃料電池は臭化水素酸を用いて準備され、
該再生型燃料電池が室温での出力回路電圧が1.088Vとなるまで充電されたとき、前記三臭化物の溶液のHBrの濃度が3〜7モル/Lのうちのいずれかの濃度である、方法。 - 再生型燃料電池システムを含む電気化学システムを動作させる方法において、
燃料及び酸化剤から電気エネルギ及び反応生成物を発生させるために燃料電池モードで、及び、反応生成物及び電気エネルギから燃料及び酸化剤を発生させるために電解モードで前記再生型燃料電池システムを周期的に動作させるステップであって、前記再生型燃料電池システムが再生型燃料電池の1つ以上の積層体を備え、前記再生型燃料電池が、ハウジングと、それをアノード側とカソード側とに分配するように前記ハウジング内に配置される第1の表面及び第2の表面を有するナノポーラスプロトン伝導膜と、前記第1の表面をアノード側に接続するために前記第1の表面に形成されるアノードと、前記第2の表面をカソード側に接続するために前記第2の表面に形成されるカソードとを備え、前記アノードが支持体を備えるとともに、前記アノードには触媒が分散され、前記カソードが支持体を備えるとともに、前記カソードには随意的に触媒が分散され、前記アノードに分散される触媒及び前記カソードに随意的に分散される触媒が、同じでありあるいは異なっているとともに、酸または酸の混合物の存在下で、あるいは、ハロゲンイオンまたはハロゲンイオンの混合物の存在下で、前記再生型燃料電池の電解モードにおける充電反応及び燃料電池モードにおける放電反応を触媒することができる、ステップと、
燃料電池モードで前記再生型燃料電池システムにより発生された反応生成物に加えてあるいは代えて、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ余剰反応生成物を供給し、それにより、前記再生型燃料電池システムを燃料電池モードで動作させるために必要とされる燃料を超える燃料が電解モードで発生されるようにする、ステップと、
電解モードの充電反応及び燃料電池モードの放電反応からの生成物及び余剰燃料を貯蔵するステップと、
を備え、
前記再生型燃料電池が水素/三臭化物再生型燃料電池であり、
前記燃料が水素であり、
前記酸化剤が臭素であり、該臭素は三臭化物の溶液に含まれ、
前記反応生成物が臭化水素酸であり、
前記アノードが水素電極であり、前記カソードが臭素電極であり、
前記ハウジング内の第1の表面側の空間が水素ガスのガス区画であり、
前記ハウジング内の第2の表面側の空間が溶液区画であり、
前記再生型燃料電池は臭化水素酸を用いて準備され、
該再生型燃料電池が室温での出力回路電圧が1.088Vとなるまで充電されたとき、前記三臭化物の溶液のHBrの濃度が3〜7モル/Lのうちのいずれかの濃度である、方法。 - 電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給して帯電生成物を発生させるために、前記再生型燃料電池システムに電気的に接続されるエネルギ源の余剰容量を使用するステップを更に備える、請求項11に記載の方法。
- 燃料電池モードで動作する前記再生型燃料電池システムにより発生された反応生成物に加えて、電解モードで動作する前記再生型燃料電池システムへ供給されるべき余剰反応生成物を貯蔵するステップを更に備える、請求項11に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、それが燃料電池モードで所定数のサイクルにわたって消費するよりも多くの帯電生成物を電解モードで発生させる、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、電解モードでは、燃料電池モードにおけるよりも高い電流レベルで所定数のサイクルにわたって動作する、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、少なくとも該再生型燃料電池システムが燃料電池モードで動作する時間の一部にわたって前記再生型燃料電池システムが与えることができるピーク負荷よりも低い負荷で動作される、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、電解モードでは、燃料電池モードにおけるよりも長い継続時間で所定数のサイクルにわたって動作する、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムが再生可能エネルギ源を備えるエネルギ源に電気的に接続され、それにより、電解モードで動作する前記再生型燃料電池へ電気エネルギを供給して帯電生成物を発生させるために、前記再生可能エネルギ源の余剰容量が使用される、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、帯電生成物を発生させるために日中の期間にわたって前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給する太陽光発電エネルギ発生システムを備えるエネルギ源に電気的に接続され、前記再生型燃料電池システムが夜間の期間にわたって電気エネルギを発生させる、請求項10に記載の方法。
- 前記再生型燃料電池システムは、帯電生成物を発生させるために風速が所定の最小風速を超える期間にわたって前記再生型燃料電池システムへ電気エネルギを供給する風力エネルギ発生システムを備えるエネルギ源に電気的に接続され、前記再生型燃料電池システムは、風速が所定の最小風速を超えない期間にわたって電気エネルギを発生させる、請求項10に記載の方法。
- 前記ナノポーラスプロトン伝導膜が、(i)酸吸収能力を有する体積で5%〜60%の非導電性の本質的にナノサイズ粒子を備える無機粉末と、(ii)酸、酸素、及び、燃料に化学的に適合する体積で5%〜50%の高分子結合剤と、(iii)体積で10〜90%の酸又は酸性水溶液とを備える、請求項10に記載の方法。
- 支持体を備えて触媒が分散された前記アノードにおいては、前記触媒が少なくとも1つの貴金属を備え、支持体を備えて触媒が随意的に分散された前記カソードにおいては、前記触媒が、カーボン粉末を備え、あるいは、カーボン粉末を伴う少なくとも1つの貴金属を備える、請求項10に記載の方法。
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