JP6818183B2 - 水性溶存酸素を使用した電気化学電力システム - Google Patents

水性溶存酸素を使用した電気化学電力システム Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その開示全体が、参照することによってその全体として本明細書に記載されている場合と同様に本明細書に組み込まれる、２０１７年７月１２日に出願された、米国仮出願第６２／５３１，４１８号の優先権を主張する。
本発明は、概して、水性周囲環境から酸素を抽出するためのシステムおよび方法に関し、より具体的には、抽出された酸素を使用して電流を発生させるシステムおよび方法に関する。
バッテリは、電気化学的な酸化／還元反応を用いて、活性材料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。バッテリは、電解質と、カソードと、アノードとを含む。水活性化金属バッテリ（Ｌｉ−Ｈ２Ｏ、Ｎａ−Ｈ２Ｏ、Ａ１−Ｈ２Ｏ、およびＭｇ−Ｈ２Ｏガルバニセル等）１は、アノード（負電極）において金属を酸化させ、カソード（正電極）において水を還元する。これらのシステムは、一般的に、海水から溶存酸素を継続的に抽出し、バッテリ電解質に、水の代わりに酸化剤として使用されるべき本酸素を移送するための方法が存在する場合、はるかにより高いエネルギー貯蔵密度を達成し得る。
１「Ｘ−Ｙバッテリ」は、ガルバニック放電の間に、Ｘ種が酸化され、Ｙ種が還元される、バッテリである。例えば、金属溶存酸素バッテリは、ガルバニック放電の間に、金属が酸化され、溶存酸素が還元される、バッテリである。
上記の表に示されるように、海水活性化Ａｌ−Ｈ２Ｏ電力システムは、Ａｌ−Ｈ２Ｏ電力システムが、海水自体のみを還元した場合ではなく、それらが、海水中に溶存するＯ２を還元することが可能であった場合、それらの現在達成可能なエネルギー密度のほぼ２倍を提供し得る。
代替として、海水から金属−空気バッテリ（Ｌｉ−Ｏ２、Ｎａ−Ｏ２、Ａｌ−Ｏ２、Ｚｎ−Ｏ２、およびＭｇ−Ｏ２ガルバニセル等）の電解質の中に溶存Ｏ２を移送することが可能であるシステムは、これらのバッテリが、海洋環境において機能することを可能にし得るのに対し、それらは、現在、気体酸素の即座の供給を伴う環境においてのみ動作するように制限されている。
反応性金属を酸化させ、海水中に溶存する酸素を還元する従来のバッテリは、内蔵された電解質のない状態で動作しており、すなわち、カソード、アノード、および電解質のうちの少なくとも１つを含む、電気化学セルの構成要素のうちの少なくとも１つが、海水に開放されており、囲繞環境に対するいかなる障壁によっても分離されていない。いくつかの従来のバッテリでは、電気化学セルは、海を電解質として使用する。本構成は、これらのバッテリが、海水中に存在するＯ２を低率で還元することを可能にする。しかしながら、含有された電解質がない場合、バッテリは、高内部抵抗を被り、それらの正電極上に生物付着および石灰沈着が生じやすい。加えて、そのようなバッテリシステムは、より高電圧のためのセルの直列の組み合わせが、共有される電解質を通したセル間の分岐損をもたらすであろうため、非常に低い電圧（多くの場合、単一のセル）で動作しなければならない。
本概要は、詳細な説明の節において下記にさらに説明される一連の概念を、単純化された形式で導入するために提供される。本概要は、請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を識別または除外することを意図するものではなく、請求される主題の範囲を決定することにおける補助として使用されることを意図するものでもない。
本開示は、水性周囲環境から酸素を抽出するためのシステムおよび方法に関し、より具体的には、抽出された酸素を使用して電流を発生させるシステムおよび方法に関する。本発明の主題は、ある場合には、相互に関連する製品、特定の問題に対する代替解決策、および／または１つ以上のシステムおよび／または物品の複数の異なる使用を伴う。
ある側面では、実施形態は、電流を発生させる方法に関する。本方法は、電気化学システムを囲繞する水性周囲環境から酸素を抽出することと、電気化学システム内のアノードおよびカソードを囲繞するように構成される、封入された電解質に、選択的酸素透過性膜を通して、抽出された酸素を搬送することであって、電解質は、水性周囲環境から分離される、ことと、カソードに酸化された電解質を搬送することと、カソードにおいて、酸素を還元することと、アノードにおいて、金属を酸化させることとを含む。
一実施形態では、電解質は、７．４０を超えるｐＨを有する。
一実施形態では、本方法はさらに、電解質から金属水酸化物廃棄物を抽出することを含む。
一実施形態では、膜は、塩選択性である。
一実施形態では、アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む。
一実施形態では、本システムは、複数の選択的酸素透過性膜を備える。
一実施形態では、水性周囲環境は、海水を含む。
一実施形態では、ポンプが、カソードに酸化された電解質を能動的に搬送する。
一実施形態では、酸化された電解質は、カソードに受動的に搬送される。
別の側面では、実施形態は、マルチセル金属溶存酸素電気化学デバイスに関する。本デバイスは、金属アノードと、カソードと、カソードおよびアノードを囲繞するように構成される、封入された電解質であって、電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離される、電解質と、水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される、選択的酸素透過性膜とを含み、電気化学デバイスは、電解質に酸素を搬送し、カソードに酸化された電解質を搬送し、カソードにおいて、酸素を還元し、金属アノードにおいて、金属を酸化させ、電流を発生させるように構成される。
一実施形態では、電解質は、７．４０を上回るｐＨを有する。
一実施形態では、膜は、塩選択性である。
一実施形態では、アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む。
一実施形態では、本デバイスはさらに、複数の選択的酸素透過性膜を含む。
一実施形態では、水性周囲環境は、海水を含む。
一実施形態では、本デバイスは、カソードに酸化された電解質を能動的に搬送するように構成される、ポンプを含む。
一実施形態では、酸化された電解質は、カソードに受動的に搬送される。
一実施形態では、セルは、電気的に直列に配列される。
一実施形態では、セルは、流体的に並列に配列される。
さらに別の側面では、実施形態は、マルチセル電気化学デバイスに関する。
本デバイスは、金属アノードと、カソードと、カソードおよびアノードを囲繞するように構成される、封入された電解質であって、電解質は、電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離され、電解質は、アノード液と、カソード液とを備える、電解質と、水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される、選択的酸素透過性膜と、カソード液流動ループと別個である、アノード液流動ループとを含み、電気化学デバイスは、カソード液に酸素を搬送し、カソードに酸化されたカソード液を搬送し、カソードにおいて、酸素を還元し、金属アノードにおいて、金属を酸化させ、電流を発生させるように構成される。
本発明の他の利点および新規の特徴は、付随の図と併せて考慮されると、本発明の種々の非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明白となるであろう。本明細書および参照することによって組み込まれる文書が、矛盾するおよび／または非一貫的な開示を含む場合、本明細書が、優先されるものとする。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
電流を発生させる方法であって、
電気化学システムを囲繞する水性周囲環境から酸素を抽出することと、
前記電気化学システム内のアノードおよびカソードを囲繞するように構成される封入された電解質に、選択的酸素透過性膜を通して、前記抽出された酸素を搬送することであって、前記電解質は、前記水性周囲環境から分離される、ことと、
前記カソードに酸化された電解質を搬送することと、
前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
前記アノードにおいて、金属を酸化させることと
を含む、方法。
（項目２）
前記電解質は、７．４０を超えるｐＨを有する、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記電解質から金属水酸化物廃棄物を抽出することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記膜は、塩選択性である、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記システムは、複数の選択的酸素透過性膜を備える、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記水性周囲環境は、海水を含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
ポンプが、前記カソードに前記酸化された電解質を能動的に搬送する、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記酸化された電解質は、前記カソードに受動的に搬送される、項目１に記載の方法。
（項目１０）
マルチセル金属溶存酸素電気化学デバイスであって、
金属アノードと、
カソードと、
前記カソードおよび前記アノードを囲繞するように構成される封入された電解質であって、前記電解質は、前記電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離される、電解質と、
前記水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される選択的酸素透過性膜と
を備え、前記電気化学デバイスは、
前記電解質に前記酸素を搬送することと、
前記カソードに酸化された電解質を搬送することと、
前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
前記金属アノードにおいて、金属を酸化させることと、
電流を発生させることと
を行うように構成される、マルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１１）
前記電解質は、７．４０を上回るｐＨを有する、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１２）
前記膜は、塩選択性である、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１３）
前記アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１４）
複数の選択的酸素透過性膜をさらに備える、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１５）
前記水性周囲環境は、海水を含む、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１６）
前記カソードに前記酸化された電解質を能動的に搬送するように構成されるポンプをさらに備える、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１７）
前記酸化された電解質は、前記カソードに受動的に搬送される、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１８）
前記セルは、電気的に直列に配列される、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目１９）
前記セルは、流体的に並列に配列される、項目１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
（項目２０）
マルチセル電気化学デバイスであって、
金属アノードと、
カソードと、
前記カソードおよび前記アノードを囲繞するように構成される封入された電解質であって、
前記電解質は、前記電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離され、
前記電解質は、アノード液と、カソード液とを備える、電解質と、
前記水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される選択的酸素透過性膜と、
カソード液流動ループと別個であるアノード液流動ループと
を備え、前記電気化学デバイスは、
前記カソード液に前記酸素を搬送することと、
前記カソードに酸化されたカソード液を搬送することと、
前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
前記金属アノードにおいて、金属を酸化させることと、
電流を発生させることと
を行うように構成される、マルチセル電気化学デバイス。
本発明の非限定的な実施形態は、概略的であって縮尺通りに描かれるようには意図されていない付随の図を参照して、実施例として説明されるであろう。図では、図示される各同じまたはほぼ同じ構成要素が、典型的には、単一の番号によって表される。明確化のために、全ての構成要素が全ての図において標識されているわけではなく、当業者が本発明を理解することを可能にするために図示が必要ではない場合には、本発明の各実施形態の全ての構成要素が示されるわけではない。
図１は、一実施形態による、エラ（ｇｉｌｌ）サブユニットを伴うアルミニウムベースのバッテリの概略図である。
図２は、一実施形態による、各化学セルが電気的に直列かつ流体的に並列に配列される、複数の電気化学セルを有する、エラサブユニットを伴う、金属ベースのバッテリシステムの概略図である。
図３は、一実施形態による、エラサブユニットと、別個のアノード液およびカソード液流動ループとを伴う、アルミニウムベースの水活性化バッテリの概略図である。
図４は、一実施形態による、別個のエラサブユニットを伴う、リチウムベースの水活性化バッテリの概略図である。
図５は、一実施形態による、エラサブユニットの概略図である。
図６Ａは、一実施形態による、展開前構成における個々のセルの概略図である。
図６Ｂは、一実施形態による、展開された構成における個々のセルの概略図である。
図６Ｃは、一実施形態による、展開前構成におけるセルスタックである。
図６Ｄは、一実施形態による、展開された構成におけるセルスタックである。
図７は、一実施形態による、向流エラサブユニットの概略図である。
図８は、一実施形態による、受動的流動エラサブユニットの概略図である。
図９は、一実施形態による、ラム換水エラサブユニットの概略図である。
図１０は、一実施形態による、脱酸素化された電解質と、部分的に酸化された電解質と、完全に酸化された電解質と、ペルフルオカーボンを用いて完全に酸化された電解質とを有する、金属溶存酸素セルのセル電圧のグラフ比較である。
種々の実施形態が、その一部を形成し、具体的な例示的実施形態を示す、添付図面を参照して下記により完全に説明される。しかしながら、本開示の概念は、多くの異なる形態で実装され得、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、当業者に本開示の概念、技法、および実装の範囲を完全に伝達するために、徹底的かつ完全な開示の一部として提供される。実施形態は、方法、システム、またはデバイスとして実践され得る。故に、実施形態は、ハードウェア実装、完全ソフトウェア実装、またはソフトウェアおよびハードウェア側面を組み合わせる実装の形態をとり得る。したがって、以下の詳細な説明は、限定的意味で捉えられるべきではない。
本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」という言及は、実施形態に関連して説明される、特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも、本開示による、一例示的実装または技法内に含まれることを意味する。本明細書内の種々の場所における語句「一実施形態では」の表出は、必ずしも全て、同一の実施形態を参照するわけではない。
加えて、本明細書に使用される言語は、主として、可読性および指導的目的のために選択されており、開示される主題を境界する、または範囲を定めるために選択されてはいない場合がある。故に、本開示は、本明細書に議論される概念の例証であり、その範囲を限定するものではないことが意図される。
本明細書に説明される実施形態は、海水等の水性環境内に溶存するＯ２ガスを捕集し、酸化剤としての使用のために、そのＯ２をバッテリ電解質の中に供給する。バッテリ電解質および動作パラメータへの修正と組み合わせられると、本捕集サブシステムの包含は、いくつかの実施形態において、金属溶存酸素バッテリのエネルギー密度を有意に増加させる。さらに、いくつかの実施形態では、本捕集サブシステムは、金属−空気バッテリが、水中環境において動作することを可能にし得る。
いくつかの実施形態は、Ｏ２透過性膜の多岐管またはアレイを含む人工「エラ」のセットを含む。本「エラ」は、いくつかの実施形態では、反応性金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、またはそれらの合金または任意の組み合わせ）アノードを伴うバッテリ中の電解質の内部流動内に設置されてもよい。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、元素周期表の第１Ａ族および第２Ａ族から選択される金属、それらの合金、または任意の組み合わせを含む反応性金属を含むアノードを使用してもよい。膜の片側上の水性周囲環境と膜の他側上の電気化学セルの電解質との間の並列流、十字流、または向流配列が、膜を横断するいずれかの方向への溶存種の有意な搬送を可能にすることなく、溶存Ｏ２の海水からバッテリ電解質の中への搬送を促進させ得る。いくつかの実施形態では、膜の片側上の水性環境と膜の他側上の電気化学セルの電解質との間の向流または十字流配列が、設定された時間周期にわたって、並列流より大きい、バッテリ電解質の中への溶存Ｏ２の搬送を促進させ得る。いったんバッテリ電解質の中に入ると、酸素種は、それらが還元されるバッテリのカソードまで、電解質流動ループに沿って搬送され得る。
いくつかの実施形態では、膜は、サメのエラの中の鰓葉に非常に類似する、酸素の最大のスループットを促進する、高表面積構成に配列されてもよい。いくつかの実施形態では、いったん本システムが展開されると、エラサブユニットは、物質移送表面積を最大限にするために、海または他の水性環境の中に膨張、展開、または伸展してもよい。膜は、いくつかの実施形態では、管またはチャネル内に配列されてもよく、バッテリ電解質と水性周囲環境との間の十字流または向流配列を可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、バッテリ電解質は、別個のカソード液と、アノード液とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、膜は、バッテリカソード液と水性周囲環境との間の十字流または向流配列を可能にしてもよい。膜は、いくつかの実施形態では、非極性小孔膜またはポリマー複合膜であってもよい。膜は、シリコーンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、または他のフッ素ポリマー（スルホニル基置換の有無にかかわらず）、アルキルセルロース、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリベンズイミダゾロン、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、膜は、ゼオライト、粘土、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。
図１は、一実施形態による、アルミニウムベースのバッテリ１００を図示する。いくつかの実施形態では、バッテリ１００は、選択的酸素透過性膜１０５を使用し、水性周囲環境からＯ２１１０を抽出し、Ｏ２が電解質１１５の中に通過することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、本選択的酸素透過性膜１０５は、エラサブユニットであってもよく、複数の濾過層を使用し、周囲環境からＯ２１１０を抽出してもよい。図５に示される実施形態である、本「エラ」サブユニットは、バッテリ１００上の電解質１１５の内部流動内に設置されてもよい。いくつかの実施形態では、他の反応性金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、またはそれらの金属の任意の組み合わせ等）が、バッテリ１００内のアノードとして使用されてもよい。いくつかのアノードでは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、またはＭｎが、１重量％を下回る濃度で存在してもよい。いくつかの実施形態では、リチウムが１重量％を上回る濃度を構成する、リチウム／アルミニウム合金が、バッテリ１００内のアノードとして使用されてもよい。
いくつかの実施形態では、抽出されたＯ２を含有する電解質１１５が、少なくとも１つの電気化学セル１２０に搬送されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質１１５は、複数の電気化学セル１２０に搬送されてもよい。いくつかの実施形態では、本システム中の電解質１１５は、水性およびアルカリ性であってもよい。いくつかの実施形態では、電解質は、ペルフルオロオクチルブロミド、ペルフルオロデシルブロミド、他のペルフルオロアルキルブロミド、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロ−１−ヘキセン、ペルフルオロ（メチルシクロヘキサン）等のペルフルオロカーボン液、またはＦｅ２＋／３＋、Ｃｒ２＋／３＋、Ｃｏ２＋／３＋、Ｖ２２＋／３＋、Ｖ４＋／５＋を含有する酸化還元シャトル、またはＦｅ（ＩＩ）プロトポルフィリンＩＸ、ヘモグロビン、または置換ビオローゲンまたはキノン種等の他の酸素還元中心の乳剤等、Ｏ２の搬送を促進するための、付加的な薬品を含有してもよい。いくつかの実施形態では、電解質はまた、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウム等の水酸化物化合物を含む電解質のｐＨを上昇させるための、付加的な薬品を含有してもよい。他の実施形態では、バッテリ１００は、障壁または選択的イオン交換樹脂を使用し、水性周囲環境からマグネシウムおよびカルシウム塩等の塩類を濾過し、電解質のアルカリ性を維持してもよい。いくつかの実施形態では、電解質は、海水であってもよい。実施形態では、電解質は、高ｐＨを有してもよい。実施形態では、電解質は、非水性であってもよい。
実施形態では、電解質１１５は、少なくとも１つの電気化学セル１２０に搬送されてもよい。セルスタックにおいて、いくつかの実施形態では、２つの半反応が、生じ得る。アノードにおいて、半反応は、
Ｍ＋３ＯＨ−→Ｍ（ＯＨ）３＋３ｅ−
であり得る（式中、Ｍは、いくつかの実施形態では、アルミニウム等の金属を表す）。周期あたりのアノード酸化プロセスにおいて使用される、水酸化物分子の数は、使用される金属のタイプに依存する。一般化された金属Ｍに関して、アノードにおける半反応は、
Ｍ＋ｎＯＨ−→Ｍ（ＯＨ）ｎ＋ｎｅ−
であり得、エネルギーの異なる量が、酸化プロセスにおいて生産され得る。アノードは、外部回路に電子を放出する。
実施形態では、カソード半反応は、
３／４Ｏ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３ｅ−→３ＯＨ−
であり得る（式中、Ｈ２ＯおよびＯ２は、最初に、電解質１１５中に存在し、電子が、アノードにおいて半反応から生じる）。実施形態では、Ｏ２は、カソードにおいてＨ２Ｏを用いて共還元される。実施形態では、Ｈ２Ｏ：Ｏ２の還元の比率は、２：１である。
水酸化物は、少なくとも１つの電気化学セル１２０において、アノードと反応し、Ａｌ（ＯＨ）３等の金属水酸化物の形態の廃棄物を生産し得る。いくつかの実施形態では、電解質中のＯ２は、少なくとも１つの電気化学セル１２０のカソードにおいて水と、およびアノードにおいて生産される電子と反応し、水酸化物イオンおよび電流を生産し得る。
実施形態では、金属水酸化物廃棄物が、フィルタ１２５等の廃棄物除去システムを通して本システムから除去されてもよい。いくつかの実施形態では、フィルタは、半透過性膜または多孔性膜である。いくつかの実施形態では、フィルタは、限外濾過膜またはナノ濾過膜である。別の実施形態では、廃棄物が、沈殿チャンバ内で除去される。いくつかの実施形態では、廃棄物は、沈殿物の形態で除去される。いくつかの実施形態では、廃棄物は、結晶化された形態で除去される。
廃棄物除去システム１２５は、電解質１１５の内部流動内に設置されることができる。いくつかの実施形態では、廃棄物除去システム１２５は、選択的酸素透過性膜１０５と少なくとも１つの電気化学セル１２０との間に設置されることができる。いくつかの実施形態では、電解質１１５は、電解質１１５が、最初に、選択的酸素透過性膜１０５を通過し、次いで、バッテリ１００の少なくとも１つの電気化学セル１２０を通過する前に、廃棄物除去システム１２５を通過し得るような方向に流動してもよい。いくつかの実施形態では、電解質１１５は、電解質１１５が、最初に、選択的酸素透過性膜１０５を通過し、次いで、バッテリ１００の廃棄物除去システム１２５を通過する前に、少なくとも１つの電気化学セル１２０を通過し得るような方向に流動してもよい。
いくつかの実施形態では、電解質１１５が、バッテリ１００内に含有されてもよい。実施形態では、選択的酸素透過性膜１０５は、Ｏ２に対して透過性である、選択的膜であってもよく、電解質１１５に付加的なＯ２を添加してもよい。電解質１１５にＯ２を添加するために、実施形態は、下記の図７に示されるように、能動的向流Ｏ２交換を使用してもよい。実施形態では、電解質１１５からの損失分のみが、除去された濾過廃棄物であってもよい。実施形態では、廃棄物除去１２５および選択的酸素透過性膜１０５の両方が、少なくとも１つの半透過性膜を装備してもよい。実施形態では、選択的酸素透過性膜１０５における膜はまた、選択的酸素透過性膜１０５が、水性周囲環境からの塩類が、電解質１１５に進入することを可能にしないであろう点で、塩選択性であり得る。いくつかの実施形態では、膜１０５はまた、電解質１１５中の塩分が電解質１１５から出ることを防止するように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、電解質１１５は、Ｏ２の溶解性を高めるための薬品を含有してもよい。いくつかの実施形態では、電解質１１５は、ペルフルオロオクチルブロミド、ペルフルオロデシルブロミド、他のペルフルオロアルキルブロミド、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロ−１−ヘキセン、ペルフルオロ（メチルシクロヘキサン）等のペルフルオロカーボン、またはＦｅ２＋／３＋、Ｃｒ２＋／３＋、Ｃｏ２＋／３＋、Ｖ２２＋／３＋、Ｖ４＋／５＋を含む酸化還元シャトル、またはＯ２の溶解性を高めるための、Ｆｅ（ＩＩ）プロトポルフィリンＩＸ、ヘモグロビン、または置換ビオローゲンまたはキノン種等の他の酸素還元中心を含有してもよい。
実施形態では、電解質１１５は、バッテリ１００を通して能動的に搬送されてもよい。電解質１１５（本システムに内在する）とバッテリ１００の外部にある周囲水性環境の両方の膜およびフィルタ１０５、１２５にわたる流動が、能動的な機械的手段１６０によって圧送されてもよい。いくつかの実施形態では、能動的な機械的手段１６０は、ポンプであってもよい。いくつかの実施形態では、能動的な機械的手段１６０は、遠心、歯車、ローブ、隔膜、蠕動、または回転羽根ポンプのうちの少なくとも１つを備えてもよい。電解質１１５は、エラサブユニット１０５における向流交換から流動してもよい。実施形態では、電解質１１５はまた、海流または波動の影響下で流動してもよい。いくつかの実施形態では、電解質１１５は、図８に示されるように、一方向弁の補助を用いて流動してもよい。
バッテリ１００のエネルギー密度を増大させるために、バッテリ１００は、水性周囲環境から、Ｈ２Ｏ自体のみではなく、抽出されたＯ２を還元してもよい。いくつかの実施形態では、抽出されたＯ２を還元させることは、Ｈ２Ｏのみを還元するバッテリの約２倍の達成可能なエネルギー密度を提供し得る。いくつかの実施形態では、バッテリ１００は、Ｈ２ＯおよびＯ２の両方の代わりに、Ｈ２Ｏのみを還元するシステムに切り替えてもよい。本変化は、いくつかの実施形態では、抽出されたＯ２によって提供されるより高いエネルギー密度のためのトレードオフとして、短時間周期にわたってより高い電力密度を生産し得る。実施形態では、Ｈ２Ｏのみを還元することは、バッテリ１００が、水のみを還元するため、「水呼吸代謝」と称され得る。実施形態では、選択的酸素透過性膜１０５は、バッテリ１００が、本高電力密度モードに設定されると、電解質１１５にＯ２を能動的に供給し続け得ない。本切替は、例えば、バッテリ１００に取り付けられる負荷が、膜１０５がＯ２を電解質１１５の中に濾過することによって提供し得るより多い電力を要求する場合、生じ得る。
図２は、一実施形態による、各化学セルが電気的に直列かつ流体的に並列に配列される、複数の電気化学セル２２０を有する、エラサブユニット２０５を伴う、金属ベースのバッテリシステム２００の概略図を図示する。いくつかの実施形態では、エラサブユニット２０５は、選択的酸素透過性膜を含んでもよい。いくつかの実施形態では、バッテリシステム２００は、選択的酸素透過性膜２０５を使用し、水性周囲環境２３０からＯ２２１０を抽出してもよい。いくつかの実施形態では、水性周囲環境２３０は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つである。いくつかの実施形態では、選択的酸素透過性膜２０５は、エラサブユニットであってもよく、複数の濾過層を使用し、周囲環境２３０からＯ２２１０を抽出してもよい。
いくつかの実施形態では、抽出されたＯ２を含有する電解質２１５が、少なくとも１つの電気化学セルまたは複数の電気化学セル２２０に搬送されてもよい。実施形態では、廃棄物が、フィルタ２２５を通して本システムから除去されてもよい。廃棄物は、金属水酸化物廃棄物であってもよい。いくつかの実施形態では、フィルタは、半透過性膜または多孔性膜である。いくつかの実施形態では、廃棄物は、沈殿物の形態で除去される。いくつかの実施形態では、廃棄物は、結晶化された形態で除去される。
廃棄物除去システム２２５は、電解質２１５の内部流動内に設置されることができる。いくつかの実施形態では、廃棄物除去システム２２５は、選択的酸素透過性膜２０５と電気化学セル２２０との間に設置されることができる。いくつかの実施形態では、電解質２１５は、電解質２１５が、最初に、選択的酸素透過性膜２０５を通過し、次いで、システム２００の電気化学セル２２０を通過する前に、廃棄物除去システム２２５を通過し得るような方向に流動してもよい。いくつかの実施形態では、電解質２１５は、電解質２１５が、最初に、選択的酸素透過性膜２０５を通過し、次いで、バッテリシステム２００の廃棄物除去システム２２５を通過する前に、電気化学セル２２０を通過し得るような方向に流動してもよい。
いくつかの実施形態では、電気化学セル２２０は、電気的に直列かつ流体的に並列に配列される。セルは、１つのセルのアノード２３５が、次のセルのアノード２３５より、次のセルのカソード２４０に近接近するように配列されてもよい。いくつかの実施形態では、分割器２４５が、個々のセル２２０間に設置されてもよい。図２は、バッテリシステム２００内で使用される複数の電気化学セル２２０を示すが、実施形態は、１つの電気化学セルのみを使用してもよい。図に表される電気化学セル２２０の数は、他の実施形態における電気化学セル２２０の最大数または最小数として解釈されるべきではない。
いくつかの実施形態では、分割器２４５は、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタラート、シリコーン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。分割器２４５は、アルカリ性電解質と化学的に互換性のあるポリマーを含んでもよい。いくつかの実施形態では、分割器２４５は、（図６に示される）セル筐体とともに超音波溶接されることが可能である材料を含んでもよい。
実施形態では、電気化学セル２２０は、各セルが、アノード２３５およびカソード２４０の両方の周囲に流動する電解質２１５を有するように接続されてもよい。実施形態では、電気化学セル２２０は、電解質２１５が、電解質循環周期を通して、電気化学セル２２０間に自由に流動し得るように流体的に並列に接続される。実施形態では、電解質２１５の流動を阻害し得る電気化学セル２２０は、存在しない。
実施形態では、反応性金属アノード２３５は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかのアノードでは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｎ、またはＭｎが、１重量％を下回る濃度で存在してもよい。いくつかの実施形態では、リチウムが１重量％を上回る濃度を構成する、リチウム／アルミニウム合金が、バッテリ２００内のアノードとして使用されてもよい。いくつかの実施形態では、カソード２４０は、酸化マンガン、酸化クロム、酸化銅、またはそれらの任意の組み合わせ等の金属酸化物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、カソード２４０は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎ、Ｃ、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、Ｎｉ、Ｃ、またはステンレス鋼の高比表面積基板が、伝導性触媒担体として使用されてもよい。
図３は、一実施形態による、エラサブユニット３０５と、別個のアノード液３４５およびカソード液３１５流動ループとを伴う、アルミニウムベースの水活性化バッテリ３００の概略図である。いくつかの実施形態では、バッテリシステム３００は、選択的酸素透過性膜３０５を使用し、水性周囲環境３３０からＯ２３１０を抽出してもい。いくつかの実施形態では、水性周囲環境３３０は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つである。いくつかの実施形態では、選択的酸素透過性膜３０５は、エラサブユニットであってもよく、複数の濾過層を使用し、周囲環境３３０からＯ２３１０を抽出してもよい。
いくつかの実施形態では、カソード液３１５は、Ｏ２の溶解性を高めるための薬品を含有してもよい。いくつかの実施形態では、カソード液３１５は、ペルフルオロオクチルブロミド、ペルフルオロデシルブロミド、他のペルフルオロアルキルブロミド、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロ−１−ヘキセン、ペルフルオロ（メチルシクロヘキサン）等のペルフルオロカーボン、またはＦｅ２＋／３＋、Ｃｒ２＋／３＋、Ｃｏ２＋／３＋、Ｖ２２＋／３＋、Ｖ４＋／５＋を含む酸化還元シャトル、またはＯ２の溶解性を高めるための、Ｆｅ（ＩＩ）プロトポルフィリンＩＸ、ヘモグロビン、または置換ビオローゲンまたはキノン種等の他の酸素還元中心を含有してもよい。
いくつかの実施形態では、抽出されたＯ２を含有するカソード液３１５が、カソード３４０が、酸素が豊富なカソード液３１５に暴露されるように、カソード３４０に搬送されてもよい。いくつかの実施形態では、カソード液３１５は、イオン伝導膜３５０によってシステム３００内のアノード液３４５から分離される。いくつかの実施形態では、膜３５０は、アルミナ、チタニア、酸化ジルコニア、炭化ケイ素、またはそれらの任意の組み合わせ等のセラミック材料またはガラス材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、膜３５０は、ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体）またはＮＡＳＩＣＯＮ（ナトリウム（Ｎａ）超イオン伝導体）を含んでもよい。膜３５０は、イオン選択性であってもよく、イオンがカソード液３１５からアノード液３４５へ通過することのみを可能にしてもよい。他の実施形態では、膜３５０は、イオンがアノード液３４５からカソード液に通過することのみを可能にしてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、カソード３４０における半反応は、３／４Ｏ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３ｅ−→３ＯＨ−であり得る。いくつかの実施形態では、アノード３３５における半反応は、Ｍ＋３ＯＨ−→Ｍ（ＯＨ）３＋３ｅ−であり得る。膜３５０は、カソード液３１５からアノード液３４５に水酸化物イオンを伝導し、アノード半反応を促進するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、膜３５０はまた、アノード３３５を還元するかまたはその腐食を防止するように塩選択性であってもよい。
いくつかの実施形態では、カソード３４０、アノード３３５、カソード液３１５、およびアノード液３４５は全て、それらの適合性のために選択されてもよい。いくつかの実施形態では、アノード液３４５は、フルオロカーボン溶媒または炭酸ジメチルであってもよい。いくつかの実施形態では、カソード液３１５は、ジメチルスルホキシド、炭酸ジメチル、ＴＨＦ、またはイオン性液体等の非水性であってもよい。いくつかの実施形態では、炭酸ジメチルアノード液３４５が、Ｌｉ＋イオンを搬送するように構成され得るが、十分なＯＨ−イオンを搬送するように構成され得ないため、炭酸ジメチルアノード液３４５が、Ｌｉアノード３３５と併用されてもよい。
いくつかの実施形態では、カソード液３１５およびアノード液３４５の両方が、水ベースであってもよい。バッテリシステム３００は、アノード液３４５および／またはカソード液３１５流動ループ中に含有される粉末状物質を用いて組み立てられてもよい。アノード液３４５および／またはカソード液３１５流動ループは、充填ポート３６０、３６５に接続されてもよい。充填ポート３６０、３６５はまた、半透過性膜を含有してもよい。システム３００が、周囲水性環境３３０内に浸漬される場合、充填ポート３６０、３６５は、カソード液３１５およびアノード液３４５流動ループを水で充填してもよい。流動ループ中に含有される粉末が、次いで、水と混合し、カソード液３１５およびアノード液３４５を形成してもよい。
実施形態では、廃棄物が、システム３００からフィルタを通して周囲環境３３０に除去されてもよい（３２５）。廃棄物は、金属水酸化物廃棄物であってもよい。いくつかの実施形態では、フィルタは、半透過性膜または多孔性膜である。いくつかの実施形態では、廃棄物は、沈殿物の形態で除去されてもよい。いくつかの実施形態では、廃棄物は、結晶化された形態で除去されてもよい。いくつかの実施形態は、膜３５０を横断して搬送され得ないカソード液３１５中の廃棄物が、システム３００から除去され得るように、複数の廃棄物除去システム３２５を含有してもよい。いくつかの実施形態では、カソード液３１５中の廃棄物が、エラサブユニット３０５を通して除去されてもよい。
図４は、一実施形態による、別個のエラサブユニット４０５を伴う、リチウムベースの水活性化バッテリシステム４００の概略図である。いくつかの実施形態では、別個のエラサブユニット４０５は、選択的酸素透過性膜を含んでもよい。いくつかの実施形態では、バッテリシステム４００は、イオン伝導膜４５０によって分離される、別個のアノード液４４５およびカソード液４１５流動ループを有してもよい。いくつかの実施形態では、バッテリシステム４００は、選択的酸素透過性膜４０５を使用し、水性周囲環境４３０からＯ２４１０を抽出してもよい。いくつかの実施形態では、水性周囲環境４３０は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つである。いくつかの実施形態では、選択的酸素透過性膜４０５は、エラサブユニットであってもよく、複数の濾過層を使用し、周囲環境４３０からＯ２４１０を抽出してもよい。いくつかの実施形態では、膜４０５は、向流を使用し、周囲環境４３０からＯ２４１０を抽出してもよい。
いくつかの実施形態では、Ｌｉが、アノード４３５として使用される。いくつかの実施形態では、アノード４３５は、Ａｌ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｎ、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。カソード４４０は、可逆水素電極（ＲＨＥ）に対して１．３Ｖまでの電位において安定している材料を含んでもよい。カソード４４０は、いくつかの実施形態では、酸素還元反応、水素発生反応、または酸素還元反応および水素発生反応の両方に関して触媒的に活性である材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、カソード４４０は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎ、Ｃ、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、Ｎｉ、Ｃ、またはステンレス鋼の高比表面積基板が、伝導性触媒担体として使用されてもよい。アノード４３５がＬｉを含む実施形態では、アノード４３５における半反応は、リチウムイオンを生産し得る。膜４５０は、イオン伝導膜であってもよく、アノード液４４５からカソード液４１５にリチウムイオンを搬送してもよい。いくつかの実施形態では、膜４５０は、半透過性であってもよく、塩選択性であってもよい。
実施形態では、廃棄物が、バッテリシステム４００からフィルタ４２５を通して周囲環境４３０に除去されてもよい。廃棄物は、金属水酸化物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、フィルタ４２５は、半透過性膜または多孔性膜である。いくつかの実施形態では、廃棄物は、沈殿物の形態で除去されてもよい。いくつかの実施形態では、廃棄物は、結晶化された形態で除去されてもよい。いくつかの実施形態は、膜４５０を横断して搬送され得ないカソード液４１５中の廃棄物が、システム４００から除去され得るように、複数の廃棄物除去システム４２５を含有してもよい。いくつかの実施形態では、カソード液４１５中の廃棄物が、エラサブユニット４０５を通して除去されてもよい。いくつかの実施形態では、廃棄物除去システム４２５が、アノード液４４５を濾過するために存在してもよい。
図５は、一実施形態による、エラサブユニット５００の概略図である。いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００は、複数のＯ２透過性膜５１０を含有してもよい。Ｏ２が豊富な海水５２０が、Ｏ２透過性膜５１０を通してまたはそれにわたって通過してもよい。そのプロセスにおいて、Ｏ２透過性膜５１０は、Ｏ２が豊富な海水５２０からＯ２を抽出してもよく、抽出されたＯ２は、電解質５４０を富化し、Ｏ２が豊富な電解質５５０を形成してもよい。いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００は、Ｏ２のみでカソード液を富化する。エラサブユニット５００は、向流を通してＯ２を抽出してもよい。いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００は、真水、汽水、または別の周囲水性環境からＯ２を抽出してもよい。
いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００を有するバッテリが、膜５１０を用いて、折曲または別様に圧潰された構成に組み立てられてもよい。エラサブユニット５００の水性周囲環境内への浸漬に応じて、エラサブユニット５００は、膨張してもよい。実施形態では、エラサブユニット５００は、その初期体積の１０倍まで膨張し、バッテリ電解質と水性周囲環境との間のＯ２の交換を促進してもよい。いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００は、その初期体積の１００倍まで膨張してもよい。いくつかの実施形態では、エラサブユニット５００は、その初期体積の１，０００倍まで膨張してもよい。
図６Ａは、一実施形態による、展開前構成における個々のセル６００の概略図である。図６Ｂは、一実施形態による、展開された構成における個々のセル６００の概略図である。いくつかの実施形態では、セル６００は、少なくとも１つのカソード６０５を有する。いくつかの実施形態では、セル６００は、２つのカソード６０５１、６０５２を有する。セル６００は、カソード６０５と、電解質６２５を含有するための外側筐体６１５との間に設置される、アノード６１０を有してもよい。電解質６２５はまた、プラスチック等の絶縁材料から作製される、内側筐体内に封入されてもよい。他の実施形態では、内側筐体はさらに、半透過性膜６３０を備え、Ｏ２が、電解質６２５を通して、かつセル６００間に透過することを可能にする。
図６Ｃは、一実施形態による、展開前構成におけるセルスタック６２０である。図６Ｄは、一実施形態による、展開された構成におけるセルスタック６２０である。個々のセル６００は、セルスタック６２０内に配列されてもよい。いくつかの実施形態では、セル６００は、半透過性膜６３０を有し、Ｏ２が周囲水性環境から電解質６２５に通過することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、環境から電解質に受動的に搬送される。膜６３０はまた、塩選択性であってもよく、塩分が周囲環境から電解質６２５に通過することを可能にしなくてもよい。
いくつかの実施形態では、セルスタック６２０は、静的セル構成として使用されてもよく、Ｏ２が、波の移動等によって、電解質６２５の中に受動的に搬送されることを可能にしてもよい。
いくつかの実施形態では、セルスタック６２０は、アノード６１０とカソード６０５との間の任意の有意な間隙が、最初に除去されるように、展開前構成において開始してもよい。いくつかの実施形態では、セルスタック６２０は、セル起動相の間に膨張する、または代替として、セル動作の間に膨張してもよい。図６Ｃに示される展開前構成は、図６Ｄに示される展開された構成より数倍体積が少なくあり得、したがって、セルスタック６２０の搬送に応じて空間を節約し得る。
図７は、一実施形態による、向流エラサブユニット７００の概略図である。いくつかの実施形態では、エラサブユニット７００は、流体がサブユニット７００に進入し、それを通過するための、入口７１０を有する。実施形態では、本流体は、周囲水性環境であってもよく、海洋水、海水、汽水、または真水を含んでもよい。いくつかの実施形態では、向流エラサブユニット７００は、流体がサブユニット７００から退出するための、出口７２０を有してもよい。流体が、エラサブユニット７００を通過するとき、流体は、少なくとも１つの膜管７５０の周囲を通過し得る。実施形態では、膜管７５０は、電解質を含有してもよい。電解質は、入口７３０を通して、管７５０を通して、かつ出口７４０に向かう方向７６０に流動してもよい。
いくつかの実施形態では、膜管７５０は、半透過性であってもよく、Ｏ２に対して透過性であってもよい。膜管は、いくつかの実施形態では、塩分に対して透過性でなくてもよい。膜管７５０は、入口７１０から進入する流体からのＯ２の抽出を促進してもよく、膜管７５０を通して流動する電解質をＯ２で富化してもよい。富化された電解質は、次いで、出口７４０からカソードに向かって流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２が枯渇した流体は、次いで、出口７２０を通過してもよい。
図８は、一実施形態による、受動的流動エラサブユニット８００の概略図である。いくつかの実施形態では、Ｏ２が豊富な水性周囲環境８９０が、サブユニット８００を囲繞してもよい。波の移動等の周囲水性環境８９０の受動的移動を通して、周囲環境８９０は、サブユニット８００の膜８４０に接触してもよい。いくつかの実施形態では、膜８４０は、選択的Ｏ２透過性膜であってもよく、Ｏ２が膜８４０を通して、かつ電解質８１０の中に通過することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、電解質８１０は、次いで、電気化学セル８７０に搬送されてもよい。いくつかの実施形態では、膜８４０は、可撓性フィラメント８８０が電気化学セル８７０を囲繞するように、可撓性である。いくつかの実施形態では、膜８４０の可撓性は、一方向弁８５０、８６０が、海流、波、および流体弾性フラッタを含む、周囲環境８９０の移動を電解質８１０の循環に変換することを可能にする。
いくつかの実施形態では、Ｏ２が豊富な電解質８１０は、電気化学セル８７０に搬送されてもよい。電気化学セルは、Ｏ２を使用し、電力を発生させてもよい。いくつかの実施形態では、いったん電気化学セル８７０が電力を発生させると、セル８７０は、電解質８１０のＯ２を枯渇させ得る。いくつかの実施形態では、枯渇した電解質８２０は、次いで、膜フィラメント８８０に搬送され、周囲環境８９０からのＯ２で補充されてもよい。いくつかの実施形態では、枯渇した電解質８２０は、膜８３０または他の分割器によってＯ２が豊富な電解質から分離されてもよい。いくつかの実施形態では、フィラメント８８０は、水性周囲環境８９０と接触するように膨張してもよい。いくつかの実施形態では、膜８４０は、塩分に対して不透過性であってもよい。
一方向弁８５０が、酸素が豊富な電解質８１０が、電気化学セル８７０から離れるように流動することを防止することに役立ち得る。いくつかの実施形態では、一方向弁８５０は、順方向の海流が、酸素が豊富な電解質８１０が電気化学セル８７０に向かって流動することを推進することを可能にし得、弁８５０は、逆方向に流動する海流を、酸素が豊富な電解質を電気化学セルから離れることを推進することを停止させ得る。同様に、一方向弁８６０が、酸素が枯渇した電解質８２０が、電気化学セル８７０に向かって流動することを防止することに役立ち得る。一方向弁８６０は、逆方向の海流が、酸素が枯渇した電解質８２０を電気化学セル８７０から離れることを推進することを可能にし得、弁８６０は、順方向に流動する海流を、酸素が枯渇した電解質８２０を電気化学セル８７０に向かって推進することを停止させ得る。
図９は、一実施形態による、ラム換水エラサブユニット９００の概略図である。ラム換水は、魚が前方に泳いでいるとき、水が、魚の口を通して、かつエラを横断して流動するように、一部の魚によって使用される。同様に、エラサブユニット９００と、電気化学セル９１０とを備える、ユニット９３０の順方向の推進の間、水性環境９２０は、エラサブユニット９００を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２が豊富な水性環境９２０１が、エラサブユニット９００に進入してもよく、エラサブユニット９００の異なる側面を通して、Ｏ２が枯渇した流体９２０２、９２０３として退出してもよい。
いくつかの実施形態では、エラサブユニット９００は、膜がＯ２に対して透過性である、半透過性膜９５０を備えてもよい。いくつかの実施形態では、膜９５０は、塩分に対して選択的に不透過性であってもよい。ユニット９３０が順方向に移動すると、水性環境９２０は、エラサブユニット９００を通過してもよい。いくつかの実施形態では、周囲環境９２０からのＯ２が、膜９５０を通過し、電解質を富化してもよい。富化された電解質９４０は、次いで、電気化学セル９１０まで推進され、セルにＯ２を供給してもよい。
いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも０．１ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１０ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも０．１μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも０．５μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１０μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１００μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、少なくとも１ｍｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で０．１ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１０ｎｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で０．１μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で０．５μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１０μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１００μｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、最大で１ｍｇ／ｃｍ２／分の率で、膜９５０を通して流動してもよい。
いくつかの実施形態では、Ｏ２流率は、周囲環境９２０温度に基づいて変動してもよい。周囲環境の流動構成および温度の両方が、Ｏ２の拡散率に影響を及ぼし得る。例えば、十字流、並列流、または向流等の指向性流動構成が、膜９５０を通したＯ２の流率に影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態では、十字流または向流が、並列流より多くのＯ２を膜９５０を通して引き出すであろう。実施形態では、電解質９４０中のＯ２の溶解性は、電解質９４０の温度が減少するにつれて、増大し得る。
実施形態では、膜９５０の合計表面積が、膜９５０を通したＯ２の流率を制御するように調節されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、エラが、膨張または収縮され、（図６に示される）周囲環境９２０に暴露される膜９５０の合計表面積を増加または減少させてもよい。
いくつかの実施形態では、膜９５０を通したＯ２の流率は、サブユニット９００内で使用される膜９５０のタイプに依存し得る。膜が感知できるほどの直径の細孔を有していない、高密度の固体ポリマー膜９５０を利用する実施形態では、Ｏ２が、膜９５０のポリマーマトリクスの中に吸収され、濃度勾配に沿ってポリマーマトリクスを通して拡散し、次いで、電解質９４０の中に脱着してもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２は、（図４に示される）アノード液と別個である、カソード液の中に脱着してもよい。実施形態では、ポリマー膜９５０中のＯ２の拡散係数は、選択されるポリマー材料に基づいて変動し得る。
いくつかの実施形態では、膜９５０は、膜の厚さを物理的に横断する、小さい固定された細孔を備える、小孔プロピレン膜を含んでもよい。小孔プロピレン膜では、毛管力と疎水性表面との相互作用が、Ｈ２Ｏに対する障壁として作用し、Ｏ２等の小さい非極性分子が膜を通過することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、Ｏ２移送率は、疎水性の小孔膜の物理的構成に依存し得る。物理的構成は、膜９５０内の多孔度および細孔サイズ分布を含み得る。いくつかの実施形態では、膜９５０は、高密度の固体ポリマー膜と、小孔プロピレン膜との混合物を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ユニット９３０は、ペルフルオロカーボン（ＰＦＣ）９６０のタンクを備えてもよい。いくつかの実施形態では、タンク９６０は、ＰＦＣが、電解質９４０の中に緩徐または迅速に解放され得るように、ＰＦＣのための制御された解放弁を有してもよい。いくつかの実施形態では、ＰＦＣは、電解質９４０の中に吸収されるＯ２の量を増加させてもよい。
いくつかの実施形態では、Ｏ２の拡散率は、膜９５０を横断した濃度差に比例してもよい。いくつかの実施形態では、ユニット９３０の速度は、ユニット９３０をより多くの溶存酸素を有する周囲環境９２０に指向するように増加されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質９４０の圧送流率は、ユニット９３０の速度とともに変化してもよい。いくつかの実施形態では、周囲環境９２０のエラにおける滞留時間は、電解質９４０中のＯ２濃度に影響を及ぼし得る。例えば、低速において、ユニット９３０は、水性環境９２０が、長時間にわたってエラサブユニット９００内に滞留し、したがって、より多くのＯ２が、エラサブユニット９００の膜を通して透過されるため、非常に酸化された電解質９４０の低流率を有し得る。逆に、高速において、ユニット９３０は、水性環境９２０が、より短い時間にわたってエラサブユニット９００内に滞留するため、中程度に酸化した電解質９４０の高流率を有し得る。
図１０は、一実施形態による、脱酸素化された電解質１０１０と、部分的に酸化された電解質１０２０と、完全に酸化された電解質１０３０と、ペルフルオカーボンを用いて完全に酸化された電解質１０４０とを有する、金属溶存酸素セルのセル電圧のグラフ比較である。
脱酸素化された電解質１０１０の電流／電圧チャートは、Ｏ２を除去するために純粋なＮ２ガス環境を用いて洗浄された、電解質１０１０を追跡する。部分的に酸化された電解質１０２０の電流／電圧チャートは、約７９％のＮ２と、２１％のＯ２とを含む、周囲大気ガス環境中に保持された、電解質１０２０を追跡する。完全に酸化された電解質１０３０の電流／電圧チャートは、周囲の純粋なＯ２ガス環境中に保持された、電解質１０３０を追跡する。ペルフルオカーボンを用いて完全に酸化された電解質１０４０の電流／電圧チャートは、周囲の純粋なＯ２ガス環境中に保持された、９０％対１０％の電解質／ペルフルオロカーボン混合物１０４０を追跡する。
電流（ｍＡ）が、部分的に酸化された非富化電解質１０２０を有するセルに最初に印加されたとき、セル中の電解質１０２０は、Ｏ２が完全に欠けていた。実験的手順の間、電解質は、いくつかの実施形態では、大気条件に開放されていてもよく、これは、部分的に酸化された非富化電解質１０２０中に最初に存在する低Ｏ２濃度をもたらす。ヘンリーの法則を通して、室温における電解質１０１０、１０２０のＯ２の初期濃度は、いくつかの実施形態では、約７ｐｐｍである。完全に酸化された電解質１０３０は、約２０〜２２ｐｐｍの濃度を有する。
電流が、約０．６ｍＡに増加するにつれて、部分的に酸化された非富化電解質１０２０を有するセルは、電解質中に最初に存在するＯ２を還元し、カソードにおけるＨ２Ｏを還元し始めた。標準的電解質１０２０に関する０．６ｍＡにおける曲線は、Ｏ２が、排気され、カソードにおいて還元されたＨ２Ｏの画分が、増加したことを実証する。図１０によって示されるように、溶存Ｏ２で富化された、完全に酸化された電解質セルが、いくつかの実施形態では、非富化セルより高いセルポテンシャルを有する。０．６ｍＡにおいて、完全に酸化された電解質１０３０、１０４０のセルは、０．０ｍＡにおける非富化および部分的に富化されたセルより高いセルポレンシャルを有する。本より大きいポテンシャルは、カソードが、Ｏ２を還元していることを示す。本発明のいくつかの実施形態が、本明細書に説明および図示されているが、当業者は、本明細書に説明される機能を果たす、および／または結果および／または利点のうちの１つ以上のものを取得するための種々の他の手段および／または構造を容易に想定し、そのような変形例および／または修正はそれぞれ、本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者は、本明細書に説明される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成が、例示的であるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される１つまたは複数の具体的な用途に依存するであろうことを容易に理解するであろう。当業者は、日常的にすぎない実験を使用して、本明細書に説明される本発明の具体的な実施形態の多くの均等物を認識するであろう、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態が、一例のみとして提示され、添付の請求項およびその均等物の範囲内で、本発明が、具体的に説明および請求されるものとは別様に実践され得ることを理解されたい。本発明は、本明細書に説明される各個々の特徴、システム、物品、材料、および／または方法を対象とする。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本発明の範囲内に含まれる。
明細書および請求項において本明細書に使用されるような不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確にそうではないことが示されない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
明細書および請求項において本明細書に使用されるような語句「および／または」は、そのように結合される要素の「いずれか一方または両方」、すなわち、ある場合では接続的に存在し、他の場合では離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。明確にそうではないことが示されない限り、具体的に識別されるこれらの要素に関連するか、または関連しないかどうかにかかわらず、「および／または」の節によって具体的に識別される要素以外の他の要素も、随意に、存在し得る。したがって、非限定的実施例として、「Ａおよび／またはＢ」の言及は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備える）」等の非制約的用語と併用されるときに、一実施形態では、Ｂを伴わないＡ（随意に、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａを伴わないＢ（随意に、Ａ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意に、他の要素を含む）等を指すことができる。
明細書および請求項において本明細書に使用されるように、「または」は、上記で定義されるような「および／または」と同一の意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離するとき、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、少なくとも１つの包含であるが、いくつかの要素または要素のリストのうちの１つを上回るもの、随意に、付加的な列挙されていない項目も含むものとして、解釈されるものとする。「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちの厳密に１つ」、または請求項で使用されるとき、「〜から成る」等の明確に反対に示される用語のみが、いくつかの要素または要素のリストのうちの厳密に１つの要素の包含を指すであろう。一般に、本明細書で使用されるような用語「または」は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」、または「〜のうちの厳密に１つ」等の排他性の用語が先行するとき、排他的代替物（すなわち、「両方ではないが一方または他方」）を示すものとして解釈されるのみとする。「本質的に〜から成る」は、請求項で使用されるとき、特許法の分野で使用されるようなその通常の意味を有するものとする。
明細書および請求項において本明細書に使用されるように、１つ以上の要素のリストの参照における語句「少なくとも１つ」は、要素のリストの中の要素のうちのいずれか１つ以上のものから選択されるが、要素のリスト内に具体的に列挙されるありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストの中の要素のいかなる組み合わせも除外しない、少なくとも１つの要素を意味すると理解されるべきである。本定義はまた、具体的に識別されるこれらの要素に関連するか、または関連しないかどうかにかかわらず、語句「少なくとも１つ」が指す要素のリスト内で具体的に識別される要素以外の要素が、随意に、存在し得ることも可能にする。したがって、非限定的実施例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない（随意に、Ｂ以外の要素を含む）、随意に、１つを上回るＡを含む、少なくとも１つのＡ、別の実施形態では、Ａが存在しない（随意に、Ａ以外の要素を含む）、随意に、１つを上回るＢを含む、少なくとも１つのＢ、さらに別の実施形態では、随意に、１つを上回るＡを含む、少なくとも１つのＡ、および随意に、１つを上回るＢを含む、少なくとも１つのＢ（随意に、他の要素を含む）等を指すことができる。
請求項では、および上記の明細書では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（〜を含む）」、「ｃａｒｒｙｉｎｇ（〜を担持する）」、「ｈａｖｉｎｇ（〜を有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（〜を含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（〜を伴う）」、「ｈｏｌｄｉｎｇ（〜を保持する）」、および同等物等の全ての移行句は、非制約的である、すなわち、「限定ではないが、〜を含む」を意味すると理解されるものとする。移行句「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ （〜から成る）」および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ（本質的に〜から成る）」のみが、それぞれ、米国特許庁特許審査手順マニュアル第２１１１．０３節に記載されるように、閉鎖的または半閉鎖的移行句であるものとする。

Claims (20)

  1. 電流を発生させる方法であって、
    電気化学システムを囲繞する水性周囲環境から酸素を抽出することであって、前記水性周囲環境は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つである、ことと、
    前記電気化学システム内のアノードおよびカソードを囲繞するように構成される封入された電解質であって、前記水性周囲環境から分離されている前記封入された電解質に、選択的酸素透過性膜によって抽出された前記酸素を搬送することと、
    前記カソードに前記封入された電解質を搬送することと、
    前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
    前記アノードにおいて、金属を酸化させることと
    を含む、方法。
  2. 前記封入された電解質は、７．４０を超えるｐＨを有する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記封入された電解質から金属水酸化物廃棄物を抽出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記膜は、塩選択性である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記システムは、複数の選択的酸素透過性膜を備える、請求項１に記載の方法。
  7. 前記水性周囲環境は、海水を含む、請求項１に記載の方法。
  8. ポンプが、前記カソードに前記封入された電解質を能動的に搬送する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記封入された電解質は、前記カソードに受動的に搬送される、請求項１に記載の方法。
  10. マルチセル金属溶存酸素電気化学デバイスであって、
    金属アノードと、
    カソードと、
    前記カソードおよび前記アノードを囲繞するように構成される封入された電解質であって、前記封入された電解質は、前記電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離されており、前記水性周囲環境は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つである、封入された電解質と、
    前記水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される選択的酸素透過性膜と
    を備え、前記電気化学デバイスは、
    前記封入された電解質に前記酸素を搬送することと、
    前記カソードに前記封入された電解質を搬送することと、
    前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
    前記金属アノードにおいて、金属を酸化させることと、
    電流を発生させることと
    を行うように構成される、マルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  11. 前記封入された電解質は、７．４０を上回るｐＨを有する、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  12. 前記膜は、塩選択性である、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  13. 前記アノードは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｚｎ、およびＡｌのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  14. 複数の選択的酸素透過性膜をさらに備える、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  15. 前記水性周囲環境は、海水を含む、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  16. 前記カソードに前記封入された電解質を能動的に搬送するように構成されるポンプをさらに備える、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  17. 前記封入された電解質は、前記カソードに受動的に搬送される、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  18. 前記セルは、電気的に直列に配列される、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  19. 前記セルは、流体的に並列に配列される、請求項１０に記載のマルチセル金属溶存酸素電気化学デバイス。
  20. マルチセル電気化学デバイスであって、
    金属アノードと、
    カソードと、
    前記カソードおよび前記アノードを囲繞するように構成される封入された電解質であって、
    前記封入された電解質は、前記電気化学デバイスを囲繞する水性周囲環境から分離されており、
    前記水性周囲環境は、汽水、塩水、海水、または真水のうちの少なくとも１つであり、
    前記封入された電解質は、アノード液と、カソード液とを備える、封入された電解質と、
    前記水性周囲環境から酸素を抽出するように構成される選択的酸素透過性膜と、
    カソード液流動ループと別個であるアノード液流動ループと
    を備え、前記電気化学デバイスは、
    前記カソード液に前記酸素を搬送することと、
    前記カソードに前記カソード液を搬送することと、
    前記カソードにおいて、前記酸素を還元することと、
    前記金属アノードにおいて、金属を酸化させることと、
    電流を発生させることと
    を行うように構成される、マルチセル電気化学デバイス。
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