JP7252628B2 - ハイブリッド電池電解槽 - Google Patents
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Description
- 1又は2以上の第1のセル電極、並びに(塩基性の)第1のセル水性液体(「液体」又は「第1の液体」)及び第1のセル気体のための1又は2以上の第1のセル開口部を含む、第1のセル、
- 1又は2以上の第2のセル電極、並びに第2のセル水性液体(「液体」又は「第2の液体」)及び第2のセル気体のための1又は2以上の第2のセル開口部を含む、第2のセル、
- セパレータであって、第1のセル及び第2のセルがセパレータを共有し、セパレータが、水酸化物イオン(OH-)、一価ナトリウム(Na+)、一価リチウム(Li+)、及び一価カリウム(K+)のうち少なくとも1又は2以上の透過性を有しながら、1つのセルから他のセルへのO2及びH2のうち1又は2以上の輸送を阻止するように特に構成されたセパレータ
を含み、
エネルギー装置は、(a)少なくとも2又は3以上の第1のセル電極及び(b)少なくとも2又は3以上の第2のセル電極のうち1又は2以上を含み、エネルギー装置は、(a)2又は3以上の第1のセル電極の間の1又は2以上の電位差、及び(b)2又は3以上の第2のセル電極の間の1又は2以上の電位差のうち1又は2以上を印加するように構成された電気要素をさらに含む。
- 第1の電極の間に(若しくは第2の電極の間に、又はそれぞれ第1の電極の相互間に及び第2の電極の相互間に)電圧差がない状態。これは例えば第1の電極(又は第2の電極)を短絡することによって得られる。これは電気要素及び/又は(電気要素に含まれる)スイッチによって行われ得る。
- 第1の電極の間に(若しくは第2の電極の間に、又はそれぞれ第1の電極と第2の電極の間に)電圧差が印加される状態。これは例えば電気要素によって得られる。
を提供するように構成されていてよい。
- 複数の第1のセル電極、並びに前記第1のセル水性液体及び前記第1のセル気体のための1又は2以上の第1のセル開口部を含む第1のセルであって、複数の第1の電極が鉄ベースの電極を含み、複数の第1のセル電極が第1のセル電極の第1のサブセット及び第1のセル電極の第2のサブセットを含む、第1のセル、
- 前記第2のセル電極、並びに前記第2のセル水性液体及び前記第2のセル気体のための1又は2以上の第2のセル開口部を含む第2のセルであって、第2の電極がニッケルベースの電極を含む、第2のセル、
- 前記セパレータであって、第1のセル及び第2のセルがセパレータを共有し、セパレータが、水酸化物イオン(OH-)、一価ナトリウム(Na+)、一価リチウム(Li+)、及び一価カリウム(K+)のうち少なくとも1又は2以上の透過性を有しながら、1つのセルから他のセルへのO2及びH2のうち1又は2以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ、
- 第1のセル電極の第1のサブセットと電気的に接続された第1の電気接続、第1のセル電極の第2のサブセットと電気的に接続された第2の電気接続、及び第2のセル電極と電気的に接続された第3の電気接続、並びに
- 前記電気要素を含むコネクタ要素であって、第1のサブセットの第1の電極と第2のサブセットの第1の電極とが短絡する第1の設定と、(a)第2の電極と第1のサブセットの第1の電極との間、及び(b)第2の電極と第2のサブセットの第1の電極との間に異なる電圧差が存在することができ及び/又は異なる電流が流れることができる第2の設定との間で変更可能であるコネクタ要素
を含む。第2の電極の電位は本質的に同一であってもよいことに注目されたい。
- 外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第1のセル電極と第2のセル電極との間の1.37Vを超える電位差で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成された充電制御ユニット、
- 電力供給を受ける受容器と電気接続(51、52)とを機能的に連結する第1のコネクタユニット、並びに第1のセル気体及び第2のセル気体のうち1又は2以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システムとを機能的に接続する第2のコネクタユニット、並びに
- 水性液体制御システム、貯蔵システム、圧力システム、及び充電制御ユニットを制御するように構成された制御システム
を含む。
- 第1のセル電極、並びに(塩基性の)第1のセル水性液体(「液体」)及び第1のセル気体のための1又は2以上の第1のセル開口部を含む、第1のセルであって、第1の電極が特に鉄ベースの電極を含む、第1のセル、
- 第2のセル電極、並びに(塩基性の)第2のセル水性液体(「液体」)及び第2のセル気体のための1又は2以上の第2のセル開口部を含む、第2のセルであって、第2の電極が特にニッケルベースの電極を含む、第2のセル、
- セパレータであって、第1のセル及び第2のセルがセパレータを共有し、セパレータが一価水酸化物イオン(OH-)、一価ナトリウム(Na+)、一価リチウム(Li+)、及び一価カリウム(K+)のうち少なくとも1又は2以上の透過性を有しながら、1つのセルから他のセルへのO2及びH2のうち1又は2以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ、
- 第1のセル電極と電気的に接続された第1の電気接続、及び第2のセル電極と電気的に接続された第2の電気接続
を含み、
エネルギー装置は任意選択で、
- 機能性ユニットへの第1のセル水性液体及び第2のセル水性液体のうち1又は2以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム、
- 前記機能性ユニットの外部の第1のセル気体及び第2のセル気体のうち1又は2以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム、
- (a)機能性ユニットの中の第1のセル気体の圧力、(b)貯蔵システムの中の第1のセル気体の圧力、(c)機能性ユニットの中の第2のセル気体の圧力、及び(d)貯蔵システムの中の第2のセル気体の圧力のうち1又は2以上を制御するように構成された圧力システム、
- 外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第1のセル電極と第2のセル電極との間の特に1.37Vを超え、1.48Vを超え、さらには2.0Vまでの電位差で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成された充電制御ユニット、
- 電力供給を受ける受容器と電気接続とを機能的に連結する第1のコネクタユニット、並びに第1のセル気体及び第2のセル気体のうち1又は2以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システムとを機能的に接続する第2のコネクタユニット、並びに
- 水性液体制御システム、貯蔵システム、圧力システム、及び充電制御ユニットの1又は2以上(特にその全て)を制御するように構成された制御システム(「コントローラー」)
の1又は2以上をさらに含む。
・ 13Ahの電池の充電中の電位 ほとんど約1.52V前後(過電位1.52-1.37=0.15V、効率約1.37/1.52=0.90)
・ 13Ahの放電中の電位:ほとんど約1.2V前後(過電位1.37-1.2=0.17V、効率約1.2/1.37=0.88)
・ 電池部分の効率=0.90×0.88=0.79。
・ 10AhのH2生産中の電位:1.65V(過電位1.65-1.48=0.17V、効率約0.90)
・ 総合効率:(13Ah×1.2+10Ah×1.48)/(13Ah×1.52V+10Ah×1.65V)=0.838
・ (貯蔵されたH2がその完全なHHV(=1.48eV/H原子)を有すると仮定する)
負極:Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(SHEに対して-0.877V) [1]
正極:Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(SHEに対して+0.49V) [2]
開路電位=0.49+0.877=1.37V。
*800mAh/電極表面cm2は、電池のニーズ(最大電流密度400mA/cm2で選択した2時間充電容量)と電解のニーズ(連続で400mA/cm2、アルカリ電解槽の現状技術)の両方を満たす。太陽光発電式の将来では、平均して電池内への1~2時間のピーク電気貯蔵が必要とされ、それに加えて2~3倍長い電解が夏のピーク電力時に必要とされる(合計して日中3~8時間の電荷挿入)。夜間での放電はそれより低いレートで、例えば、6~8時間行われる可能性があると思われる。
**文献における実際の電極密度:37%、すなわち、理論最大値より小さい、つまり、電極は多孔質であり、したがって厚くなる。「旧型エジソン電池」用電極の厚さ:6mm=0.6cm。多孔度は変動し得る。
***Zという値は、任意の充電容量を[Ah]で示す。式は、電極の厚さに関する。Zは、0.01(10mAh、極めて薄い電池電極)から4(4000mAh、極めて厚い)の範囲であることができ、前に論じたようにFe電極の方がNi電極より大きい値を有することができる。
NiO (m+1)×Vセル+(0.0~0.3)V: 2OH-→1/2O2+H2O+2e-
FeOH (0.0+m×Vセル): Fe+2OH-→Fe(OH)2+2e-
NiOH (m+1)×Vセル: 2NiOOH+2H2O+2e-→2Ni(OH)2+2OH-
FeH (0.0+m×Vセル)+(0.0~-0.3)V: 2H2O+2e-→H2+2OH-
これらの電極のサブセットは、垂直方向に分離され、互いから電子的に絶縁されているが、電圧源によって外部的に接続されているものとして、説明を目的として図9Aに示される。しかし、実デバイスでは、電極のサブセットは、図9C及び図10Bに示されるように互いの近傍に及んでいる。
電池の動作の全体的な反応は、以下によって示される:
Claims (16)
- 1又は2以上の機能性ユニット(2)を含むエネルギー装置(1)であって、それぞれの機能性ユニット(2)が、
- 1又は2以上の第1のセル電極(120)、並びに第1のセル水性液体(11)及び第1のセル気体(12)のための1又は2以上の第1のセル開口部(110)を含む、第1のセル(100)、
- 1又は2以上の第2のセル電極(220)、並びに第2のセル水性液体(21)及び第2のセル気体(22)のための1又は2以上の第2のセル開口部(210)を含む、第2のセル(200)、
- セパレータ(30)であって、前記第1のセル(100)及び前記第2のセル(200)が前記セパレータ(30)を共有し、前記セパレータが、水酸化物イオン(OH-)、一価ナトリウム(Na+)、一価リチウム(Li+)、及び一価カリウム(K+)のうち少なくとも1又は2以上の透過性を有しながら、1つのセルから他のセルへのO2及びH2のうち1又は2以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ(30)
を含み、
前記エネルギー装置(1)が、(a)少なくとも2又は3以上の第1のセル電極(120)及び(b)少なくとも2又は3以上の第2のセル電極(220)のうち1又は2以上を含み、前記エネルギー装置(1)が、(a)2又は3以上の第1のセル電極(120)の間の1又は2以上の電位差、及び(b)2又は3以上の第2のセル電極(220)の間の1又は2以上の電位差のうち1又は2以上を印加するように構成された電気要素(7)をさらに含み、第1のサブセット(1211)の第1のセル電極(120)が鉄ベースの電極を含み、前記1又は2以上の第2のセル電極(220)がニッケルベースの電極を含む、前記エネルギー装置(1)。 - 2又は3以上の第1のセル電極(120)を含む少なくとも1つの機能性ユニット(2)を含み、電気要素(7)が、1又は2以上の第1のセル電極(120)の前記第1のサブセット(1211)と1又は2以上の第1のセル電極(120)の第2のサブセット(1212)との間に電位差を印加するように構成され、前記第2のサブセット(1212)の前記第1のセル電極(120)が鉄ベースの電極又は水素ガス生成電極(1210)のいずれかを含む、請求項1に記載のエネルギー装置(1)。
- 2又は3以上の第1のセル電極(120)及び1又は2以上の第2のセル電極(220)を含む少なくとも1つの機能性ユニット(2)を含む、請求項1又は2に記載のエネルギー装置(1)。
- 少なくとも2つの機能性ユニット(2)を含み、第1の機能性ユニット(2)の第1のセル電極(120)と第2の機能性ユニットの第2のセル電極(220)がバイポーラプレート(4)によって互いに隔離され、前記バイポーラプレート(4)が導電性であり、前記バイポーラプレート(4)が互いに電気的に隔離されるように構成された少なくとも2つのバイポーラプレートセクションを含み、1又は2以上の第1のセル電極(120)が第1のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、1又は2以上の第1のセル電極(120)が第2のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、1又は2以上の第2のセル電極(220)が前記第1のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、1又は2以上の第2のセル電極(220)が前記第2のバイポーラプレートセクションと関連付けられている、請求項1~3のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。
- 第1のセル(100)、第2のセル(200)、及び2若しくは3以上の第1のセル電極(120)を提供するさらなる第1のセル電極(120)又は2若しくは3以上の第2のセル電極(220)を提供するさらなる第2のセル電極(220)のいずれかを含むさらなるセルを含む、請求項1~3のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。
- 1又は2以上の第2のセル電極(220)が、ニッケルベースの電極を含む、請求項1~5のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。
- 電気要素(7)が可変電圧源を含み、少なくとも1つの機能性ユニット(2)が、
- 複数の第1のセル電極(120)、並びに第1のセル水性液体(11)及び第1のセル気体(12)のための1又は2以上の第1のセル開口部(110)を含む、第1のセル(100)であって、前記複数の第1のセル電極(120)が鉄ベースの電極を含み、前記複数の第1のセル電極が前記第1のセル電極(120)の第1のサブセット(1211)及び前記第1のセル電極(120)の第2のサブセット(1212)を含む、第1のセル(100)、
- 第2のセル電極(220)、並びに第2のセル水性液体(21)及び第2のセル気体(22)のための1又は2以上の第2のセル開口部(210)を含む、第2のセル(200)、
- セパレータ(30)であって、前記第1のセル(100)及び前記第2のセル(200)が前記セパレータ(30)を共有し、前記セパレータが、水酸化物イオン(OH-)、一価ナトリウム(Na+)、一価リチウム(Li+)、及び一価カリウム(K+)のうち少なくとも1又は2以上の透過性を有しながら、1つのセルから他のセルへのO2及びH2のうち1又は2以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ(30)、
- 前記第1のセル電極(120)の前記第1のサブセット(1211)と電気的に接続された第1の電気接続(51)、前記第1のセル電極(120)の前記第2のサブセット(1212)と電気的に接続された第2の電気接続(52)、及び前記第2のセル電極(220)と電気的に接続された第3の電気接続(52)、並びに
- 電気要素(7)を含むコネクタ要素であって、前記第1のサブセット(1211)の前記第1のセル電極(120)と前記第2のサブセット(1212)の前記第1のセル電極(120)とが短絡する第1の設定と、(a)前記第2のセル電極(220)と前記第1のサブセット(1211)の前記第1のセル電極(120)との間、及び(b)前記第2のセル電極(220)と前記第2のサブセット(1212)の前記第1のセル電極(120)との間に異なる電位差が存在することができ及び/又は異なる電流が流れることができる第2の設定との間で変更可能であるコネクタ要素
を含む、請求項1~6のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。 - 第2の設定において、(a)第2のセル電極(220)と第1のサブセット(1211)の第1のセル電極(120)との間、及び(b)前記第2のセル電極(220)と第2のサブセット(1212)の前記第1のセル電極(120)との間に電圧差及び/又は異なる電流を生成させるように構成されたエネルギー源をさらに含み、電気要素(7)が可変電圧源を含む、請求項1~6のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。
- 第1のセル電極(120)が第1の容量を有し、第2のセル電極(220)が第2の容量を有し、前記第2の容量が前記第1の容量の90%未満である、請求項7に記載のエネルギー装置(1)。
- 請求項1~9のいずれかに記載のエネルギー装置(1)であって、以下の1又は2以上をさらに含む、前記エネルギー装置(1)。
- 第1のセル電極(120)と電気的に接続された第1の電気接続(51)及び第2のセル電極(220)と電気的に接続された第2の電気接続(52);
- 機能性ユニット(2)への第1のセル水性液体(11)及び第2のセル水性液体(21)のうち1又は2以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム(60);
- 前記機能性ユニット(2)の外部の第1のセル気体(12)及び第2のセル気体(22)のうち1又は2以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム(70);
- (a)前記機能性ユニット(2)の中の前記第1のセル気体(12)の圧力、(b)前記貯蔵システム(70)の中の前記第1のセル気体(12)の圧力、(c)前記機能性ユニット(2)の中の前記第2のセル気体(22)の圧力、及び(d)前記貯蔵システム(70)の中の前記第2のセル気体(22)の圧力のうち1又は2以上を制御するように構成された圧力システム(300); - - 第1のセル電極(120)と電気的に接続された第1の電気接続(51)、及び第2のセル電極(220)と電気的に接続された第2の電気接続(52)、
- 機能性ユニット(2)への第1のセル水性液体(11)及び第2のセル水性液体(21)のうち1又は2以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム(60)、
- 前記機能性ユニット(2)の外部の第1のセル気体(12)及び第2のセル気体(22)のうち1又は2以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム(70)、
- (a)前記機能性ユニット(2)の中の前記第1のセル気体(12)の圧力、(b)前記貯蔵システム(70)の中の前記第1のセル気体(12)の圧力、(c)前記機能性ユニット(2)の中の前記第2のセル気体(22)の圧力、及び(d)前記貯蔵システム(70)の中の前記第2のセル気体(22)の圧力のうち1又は2以上を制御するように構成された圧力システム(300)、
- 外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に前記第1のセル電極(120)と前記第2のセル電極(220)との間の1.37ボルトを超える電位差で前記電力を前記機能性ユニット(2)に供給するように構成された充電制御ユニット(400)、
- 電力供給を受ける受容器と電気接続(51、52)とを機能的に結合する第1のコネクタユニット(510)、並びに前記第1のセル気体(12)及び前記第2のセル気体(22)のうち1又は2以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システム(70)とを機能的に接続する第2のコネクタユニット(520)、並びに
- 前記水性液体制御システム(60)、前記貯蔵システム(70)、前記圧力システム(300)、及び前記充電制御ユニット(400)を制御するように構成された、制御システム(80)
をさらに含む、請求項1~8のいずれかに記載のエネルギー装置(1)。 - 請求項1~11のいずれかに記載のエネルギー装置(1)及び外部電力源(910)を含む、エネルギーシステム(5)。
- 請求項1~12のいずれかに記載のエネルギー装置(1)を用いて電気エネルギー並びに水素(H2)及び酸素(O2)のうち1又は2以上を貯蔵する方法であって、第1のセル水性液体(11)、第2のセル水性液体(21)、及び外部電力源(910)からの電力を機能性ユニット(2)に供給し、それによって充電された機能性ユニット(2)並びに貯蔵システム(70)に貯蔵された水素(H2)及び酸素(O2)のうち1又は2以上を供給し、充電時間の少なくとも一部の間に第1のセル電極(120)と第2のセル電極(220)との間の1.37ボルトを超える電位差で前記機能性ユニットを充電するステップを含む、前記方法。
- 充電時間の少なくとも一部の間、第1のセル電極(120)と第2のセル電極(220)との間の電位差を1.6~2.0Vの範囲で選択し、第1のセル(100)の第1の圧力及び第2のセル(200)の第2の圧力を少なくとも30バールの圧力に維持するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- (a)2又は3以上の第1のセル電極(120)の間の1又は2以上の電位差、及び(b)2又は3以上の第2のセル電極(220)の間の1又は2以上の電位差のうち1又は2以上を印加することによって、エネルギー装置(1)を放電し、同時に水素(H2)を生成させるステップ;
第1のセル(100)の中の少なくとも2つの第1のセル電極(120)の間に0.001~0.5Vの範囲から選択される電位差を印加するステップ;を含む、請求項13又は14に記載の方法。 - 電力、水素(H2)、及び酸素(O2)のうち1又は2以上を受容器に供給するための、請求項1~11のいずれかに記載のエネルギー装置(1)又は請求項12に記載のエネルギーシステム(5)の使用。
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