特許 7558182 多状態電気化学セルを制御するためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-19

(45)【発行日】2024-09-30

(54)【発明の名称】多状態電気化学セルを制御するためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/027 20210101AFI20240920BHJP

   C25B 1/46 20060101ALI20240920BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20240920BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 15/029 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240920BHJP

   C25C 3/20 20060101ALI20240920BHJP

   C25C 7/06 20060101ALI20240920BHJP

   C25D 21/02 20060101ALI20240920BHJP

   C25D 21/12 20060101ALI20240920BHJP

   C25D 21/14 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

C25B15/027

C25B1/46

C25B9/65

C25B9/77

C25B15/00 303

C25B15/023

C25B15/029

C25B15/08 302

C25C3/20

C25C7/06 302

C25D21/02

C25D21/12 A

C25D21/14 D

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021548229

(86)(22)【出願日】2020-02-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-12

(86)【国際出願番号】 US2020018331

(87)【国際公開番号】W WO2020172066

(87)【国際公開日】2020-08-27

【審査請求日】2023-02-13

(31)【優先権主張番号】16/279,751

(32)【優先日】2019-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521362678

【氏名又は名称】アチニバージーチン インテレクチュアル プロパティー， エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】ウア シーナイ， デオイス チアライン マック シームイス

【審査官】黒木 花菜子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０２６８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４０４７０２６（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２９２２５９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １５／０８

Ｃ２５Ｂ ９／７７

Ｃ２５Ｂ １５／０２７

Ｃ２５Ｂ １５／０２９

Ｃ２５Ｂ ９／６５

Ｃ２５Ｂ １／４６

Ｃ２５Ｂ １５／０２３

Ｃ２５Ｄ ２１／０２

Ｃ２５Ｄ ２１／１２

Ｃ２５Ｄ ２１／１４

Ｃ２５Ｃ ３／２０

Ｃ２５Ｃ ７／０６

Ｃ２５Ｂ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、前記システムは、
可変制御可能電力回路と、
前記可変制御可能電力回路に結合された電解セルであって、前記電解セルは、アノードとカソードとを備え、前記電解セルは、前記アノードと前記カソードとの間の電位差に依存して、それぞれの異なる時間に複数の動作状態のうちの異なるものにおいて動作するように構成されている、電解セルと、
電力回路コントローラであって、前記電力回路コントローラは、前記アノードと前記カソードとを横断して所与の電位差を印加し、前記所与の電位差に関連付けられた前記複数の動作状態のうちの特定のものにおいて前記電解セルの動作を開始することを前記可変制御可能電力回路に行わせ、前記複数の動作状態は、
着目生成物が前記電解セルによって生産される第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態と、
前記電解セルによる前記着目生成物の生産を支援するために不十分である第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態と
を備えている、電力回路コントローラと、
前記電解セルが前記生産状態で動作している間、および前記電解セルが前記アイドル状態で動作している間、前記電解セルのための生産プロセス条件の所定の組を維持するように構成された監視および制御サブシステムと
を備え、
前記生産プロセス条件の所定の組は、所定の動作温度範囲および所定の濃度範囲を備え、
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、前記電解セルの原料内の活性種の濃度が前記所定の濃度範囲外であるという指示を受信することに応答して、前記原料内の前記活性種の濃度を増加または低減させ、前記原料内の前記活性種の濃度を前記所定の濃度範囲内の値に戻すことを含む、システム。

【請求項2】

前記電解セルは、各々が電気化学プロセスのための原料を備えている２つ以上のタンクと、前記タンク間のイオン伝導経路とを備えている、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記多状態電解セルにおける前記アノードと前記カソードとを横断する電位差は、集合的に制御可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記多状態電解セルの各々における前記アノードと前記カソードとを横断するそれぞれの電位差は、個々に制御可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記可変制御可能電力回路は、スケジュール不可能な電源から電力を受け取るように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記可変制御可能電力回路は、前記アノードと前記カソードとを横断して前記所与の電位差を印加するための電源を２つ以上の電源の中から選択するように制御可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記監視および制御サブシステムは、前記電解セルにおける電流条件の測定値を表すデータをセンサから受信するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記電解セルは、再循環ループを備え、それを通して、電気化学プロセスの出力が、入力として前記電解セルに返される、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記電解セルは、前記電解セルが前記生産状態で動作している間、第２の着目生成物を生産するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記生産状態は、前記電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり、
前記電解セルが前記着目生成物を生産する率および前記電解セルが入力リソースを消費する率のうちの少なくとも１つは、前記電解セルが動作している前記生産状態のうちの前記１つに依存する、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記生産状態は、前記電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり、
前記電解セルは、複数の着目生成物を生産するように構成され、
前記電解セルによって生産される前記複数の着目生成物の相対量は、前記電解セルが動作している前記生産状態のうちの前記１つに依存する、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記生産プロセス条件の所定の組は、
前記電解セル内のガスへの背圧に関する所定の圧力範囲
をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

方法であって、前記方法は、
電解セルのアノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加し、着目生成物が前記電解セルによって生産される前記第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で前記電解セルの動作を開始するように、可変制御可能電力回路を構成することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させ、前記着目生成物を生産することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して第２のゼロではない電位差を印加し、前記第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で前記電解セルの動作を開始するように、前記可変制御可能電力回路を構成することであって、前記第２のゼロではない電位差は、前記電解セルによる前記着目生成物の生産を支援するために不十分である、ことと、
前記アイドル状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を再印加し、前記電解セルを前記生産状態に戻すように、前記可変制御可能電力回路を構成することと、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断する前記第１のゼロではない電位差の印加に先立って、所定の動作温度範囲および所定の濃度範囲を備えている生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、前記電解セルを構成することと、
前記電解セルが前記生産状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと、
前記電解セルが前記アイドル状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと
を含み、
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、前記電解セルの原料内の活性種の濃度が前記所定の濃度範囲外であるという指示を受信することに応答して、前記原料内の前記活性種の濃度を増加または低減させ、前記原料内の前記活性種の濃度を前記所定の濃度範囲内の値に戻すことを含む、方法。

【請求項14】

前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、温度が前記所定の動作温度範囲外であるという指示を受信することに応答して、加熱または冷却要素をアクティブにし、前記電解セルの温度を前記所定の動作温度範囲内の値に戻すことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

方法であって、前記方法は、
電解セルのアノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加し、着目生成物が前記電解セルによって生産される前記第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で前記電解セルの動作を開始するように、可変制御可能電力回路を構成することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させ、前記着目生成物を生産することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して第２のゼロではない電位差を印加し、前記第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で前記電解セルの動作を開始するように、前記可変制御可能電力回路を構成することであって、前記第２のゼロではない電位差は、前記電解セルによる前記着目生成物の生産を支援するために不十分である、ことと、
前記アイドル状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を再印加し、前記電解セルを前記生産状態に戻すように、前記可変制御可能電力回路を構成することと、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断する前記第１のゼロではない電位差の印加に先立って、所定の動作温度範囲を備えている生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、前記電解セルを構成することと、
前記電解セルが前記生産状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと、
前記電解セルが前記アイドル状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと
を含み、
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、前記電解セル内のガスへの背圧が所定の圧力範囲外であるという指示を受信することに応答して、前記ガスに背圧を印加し、または前記背圧を低減させ、前記ガスへの前記背圧を前記所定の圧力範囲内の値に戻すことを含む、方法。

【請求項16】

前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を印加するように、前記可変制御可能電力回路を構成することは、前記複数の多状態電解セルの各々の前記アノードおよび前記カソードを横断してそれぞれの電位差を集合的に制御することを含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を印加するように、前記可変制御可能電力回路を構成することは、前記複数の多状態電解セルの各々の前記アノードおよび前記カソードを横断してそれぞれの電位差を個々に制御することを含む、請求項１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電気化学生産プロセスに関し、より具体的に、生産プロセス条件の所定の組の下で生産状態およびアイドル状態の両方において動作する電解セルにおける電気化学生産プロセスを制御するためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電解は、種々の金属および非金属の生産のために多くの業界で使用される。例えば、ナトリウム、塩素、マグネシウム、フッ素、およびアルミニウムが、電解を使用して商業的に生産される。既存の電解セルでは、電極間の電位差が減少するにつれて、温度、圧力、ｐＨ、または活性種濃度等の生産プロセス条件が変化する。これらの既存の電解セルを用いると、セルが着目生成物を生産する電流および電圧値の限定された範囲が存在する。例えば、これらの電解セル内の電流が、臨界点を下回って降下する場合、電解セルのイオン勾配は、減少し、最終的に、荷電層を崩壊させ、究極的に、圧潰させ、セルに不可逆的損傷を引き起こす。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

一側面では、開示されるシステムは、可変制御可能電力回路と、可変制御可能電力回路に結合され、アノードとカソードとを含む電解セルとを含む。電解セルは、アノードとカソードとの間の電位差に依存するそれぞれの異なる時間に複数の動作状態のうちの異なるものにおいて動作するように構成される。システムはさらに、可変制御可能電力回路に、アノードとカソードとを横断して所与の電位差を印加させ、所与の電位差に関連付けられた複数の動作状態のうちの特定のものにおいて電解セルの動作を開始する、電力回路コントローラを含む。複数の動作状態は、着目生成物が電解セルによって生産される第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態と、着目生成物が電解セルによって生産されない第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態とを含む。

【0004】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、システムはさらに、電解セルが生産状態で動作している間、および電解セルがアイドル状態で動作している間、電解セルのための生産プロセス条件の所定の組を維持するように構成された監視および制御サブシステムを含み得る。生産プロセス条件の所定の組は、所定の動作温度範囲を含み得る。

【0005】

別の側面では、開示される方法は、電解セルのアノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加し、着目生成物が状態電解セルによって生産される第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で電解セルの動作を開始するように、可変制御可能電力回路を構成することと、着目生成物の生産を開始することと、着目生成物の生産を開始することに続いて、電解セルのアノードとカソードとを横断して第２のゼロではない電位差を印加し、着目生成物が電解セルによって生産されない第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で電解セルの動作を開始するように、可変制御可能電力回路を構成することとを含む。

【0006】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、方法はさらに、電解セルのアノードとカソードとを横断する第１のゼロではない電位差の印加に先立って、所定の動作温度範囲を備えている、生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、電解セルを構成することを含み得る。方法はまた、電解セルが生産状態で動作している間、生産プロセス条件の所定の組を維持することと、電解セルがアイドル状態で動作している間、生産プロセス条件の所定の組を維持することとを含み得る。

【0007】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、各々が電気化学プロセスのための原料を備えている２つ以上のタンクと、タンク間のイオン伝導経路とを含み得る。

【0008】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり得る。多状態電解セルにおけるアノードとカソードとを横断する電位差は、集合的に制御可能であり得る。

【0009】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり得る。多状態電解セルの各々におけるアノードとカソードとを横断するそれぞれの電位差は、個々に制御可能であり得る。

【0010】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、可変電力制御回路は、スケジュール不可能な電源から電力を受け取り得る。

【0011】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、可変電力制御回路は、可変制御可能電力回路によってアノードとカソードとを横断して印加される所与の電位差に下限を課す、分極整流器を含み得る。

【0012】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、可変電力制御回路は、２つ以上の電源の中から、アノードとカソードとを横断して所与の電位差を印加するための電源を選択するように制御可能であり得る。

【0013】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、監視および制御サブシステムは、多状態電解セルにおける電流条件の測定値を表すデータをセンサから受信し得る。

【0014】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産プロセス条件の所定の組を維持することは、多状態電解セルの温度が所定の温度範囲外であるという指示を受信することに応答して、加熱または冷却要素をアクティブにし、多状態電解セルの温度を所定の温度範囲内の値に戻すことを含み得る。

【0015】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産プロセス条件の所定の組を維持することは、多状態電解セル内のヘッドガス圧が所定の圧力範囲外であるという指示を受信することに応答して、多状態電解セル内のヘッドガスに背圧を印加し、またはそれを低減させ、多状態電解セル内のヘッドガス圧を所定の圧力範囲内の値に戻すことを含み得る。

【0016】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産プロセス条件の所定の組を維持することは、原料内の活性種濃度が所定の濃度範囲外であるという指示を受信することに応答して、多状態電解セルの原料内の活性種の濃度を増加または低減させ、原料内の活性種濃度を所定の濃度範囲内の値に戻すことを含み得る。

【0017】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産プロセス条件の所定の組を維持することは、多状態静的電解セルのｐＨが所定の温度範囲外であるという指示を受信することに応答して、酸または塩基を電解質に添加し、多状態電解セルのｐＨを所定のｐＨ範囲内の値に戻すことを含み得る。

【0018】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、それを通して電気化学プロセスの出力が入力として多状態電解セルに返される、再循環ループを含み得る。

【0019】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、電解セルが生産状態で動作している間、第２の着目生成物を生産するように構成され得る。

【0020】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産状態は、多状態電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり得、多状態電解セルが着目生成物を生産する率または多状態電解セルが入力リソースを消費する率は、多状態電解セルが動作している生産状態のうちの１つに依存し得る。

【0021】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、生産状態は、多状態電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり得、電解セルは、複数の着目生成物を生産するように構成され得、多状態電解セルによって生産される複数の着目生成物の相対量は、多状態電解セルが動作している生産状態のうちの１つに依存し得る。

【0022】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、着目生成物は、ガスであるか、または、それを含み得る。

【0023】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、着目生成物は、固体であり得るか、それを含み得るか、またはそれになり得る。

【0024】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、着目生成物は、液体であり得るか、それを含み得るか、またはそれになり得る。

【0025】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、着目生成物は、精製または修飾原料であるか、または、それを含み得る。

【0026】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、水溶液の電解を使用して、着目生成物を生産するように構成され得る。

【0027】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、非水溶液の電解を使用して、着目生成物を生産するように構成され得る。

【0028】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、塩素アルカリ生産プロセスのために構成され得、生産状態で動作するとき、着目生成物として塩素、アルカリ、および水素を生産し得る。

【0029】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、溶融塩の電解を使用して、着目生成物として金属を抽出するように構成され得る。

【0030】

開示される実施形態のうちのいずれかでは、電解セルは、電気めっきプロセスを使用して、着目生成物を生産するように構成され得る。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
システムであって、前記システムは、
可変制御可能電力回路と、
前記可変制御可能電力回路に結合された電解セルであって、前記電解セルは、アノードとカソードとを備え、前記電解セルは、前記アノードと前記カソードとの間の電位差に依存して、それぞれの異なる時間に複数の動作状態のうちの異なるものにおいて動作するように構成されている、電解セルと、
電力回路コントローラであって、前記電力回路コントローラは、前記アノードと前記カソードとを横断して所与の電位差を印加し、前記所与の電位差に関連付けられた前記複数の動作状態のうちの特定のものにおいて前記電解セルの動作を開始することを前記可変制御可能電力回路に行わせ、前記複数の動作状態は、
着目生成物が前記電解セルによって生産される第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態と、
前記電解セルによる前記着目生成物の生産を支援するために不十分である第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態と
を備えている、電力回路コントローラと、
前記電解セルが前記生産状態で動作している間、および前記電解セルが前記アイドル状態で動作している間、前記電解セルのための生産プロセス条件の所定の組を維持するように構成された監視および制御サブシステムと
を備え、
前記生産プロセス条件の所定の組は、所定の動作温度範囲を備えている、システム。
（項目２）
前記電解セルは、各々が電気化学プロセスのための原料を備えている２つ以上のタンクと、前記タンク間のイオン伝導経路とを備えている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記多状態電解セルにおける前記アノードと前記カソードとを横断する電位差は、集合的に制御可能である、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記多状態電解セルの各々における前記アノードと前記カソードとを横断するそれぞれの電位差は、個々に制御可能である、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記可変電力制御回路は、スケジュール不可能な電源から電力を受け取るように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記可変電力制御回路は、前記アノードと前記カソードとを横断して前記所与の電位差を印加するための電源を２つ以上の電源の中から選択するように制御可能である、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記監視および制御サブシステムは、前記電解セルにおける電流条件の測定値を表すデータをセンサから受信するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記電解セルは、再循環ループを備え、それを通して、前記電気化学プロセスの出力が、入力として前記電解セルに返される、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記電解セルは、前記電解セルが前記生産状態で動作している間、第２の着目生成物を生産するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
前記生産状態は、前記電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり、
前記電解セルが前記着目生成物を生産する率および前記電解セルが入力リソースを消費する率のうちの少なくとも１つは、前記電解セルが動作している前記生産状態のうちの前記１つに依存する、項目１に記載のシステム。
（項目１１）
前記生産状態は、前記電解セルが動作するように構成されている複数の生産状態のうちの１つであり、
前記電解セルは、複数の着目生成物を生産するように構成され、
前記電解セルによって生産される前記複数の着目生成物の相対量は、前記電解セルが動作している前記生産状態のうちの前記１つに依存する、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記生産プロセス条件の所定の組は、
前記電解セル内のヘッドガスへの背圧に関する所定の圧力範囲と、
前記電解セルの原料内の活性種の濃度に関する所定の濃度範囲と
のうちの少なくとも１つをさらに備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
方法であって、前記方法は、
電解セルのアノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加し、着目生成物が前記電解セルによって生産される前記第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で前記電解セルの動作を開始するように、可変制御可能電力回路を構成することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させ、前記着目生成物を生産することと、
前記生産状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して第２のゼロではない電位差を印加し、前記第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で前記電解セルの動作を開始するように、前記可変制御可能電力回路を構成することであって、前記第２のゼロではない電位差は、前記電解セルによる前記着目生成物の生産を支援するために不十分である、ことと、
前記アイドル状態で前記電解セルを動作させながら、前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を再印加し、前記電解セルを前記生産状態に戻すように、前記可変制御可能電力回路を構成することと
を含む、方法。
（項目１４）
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断する前記第１のゼロではない電位差の印加に先立って、所定の動作温度範囲を備えている生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、前記電解セルを構成することをさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記電解セルが前記生産状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと、
前記電解セルが前記アイドル状態で動作している間、前記生産プロセス条件の所定の組を維持することと
をさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、温度が前記所定の動作温度範囲外であるという指示を受信することに応答して、加熱または冷却要素をアクティブにし、前記電解セルの温度を前記所定の動作温度範囲内の値に戻すことを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、ヘッドガスへの背圧が所定の圧力範囲外であるという指示を受信することに応答して、前記電解セル内のヘッドガスに背圧を印加し、またはそれを低減させ、前記ヘッドガスへの背圧を前記所定の圧力範囲内の値に戻すことを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
前記生産プロセス条件の所定の組を維持することは、原料内の活性種の濃度が所定の濃度範囲外であるという指示を受信することに応答して、前記電解セルの原料内の前記活性種の濃度を増加または低減させ、前記原料内の前記活性種の濃度を前記所定の濃度範囲内の値に戻すことを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を印加するように、前記可変制御可能電力回路を構成することは、前記複数の多状態電解セルの各々の前記アノードおよび前記カソードを横断してそれぞれの電位差を集合的に制御することを含む、項目１３に記載の方法。
（項目２０）
前記電解セルは、各々がそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとを備えている複数の多状態電解セルのうちの１つであり、
前記電解セルの前記アノードと前記カソードとを横断して前記第１のゼロではない電位差を印加するように、前記可変制御可能電力回路を構成することは、前記複数の多状態電解セルの各々の前記アノードおよび前記カソードを横断してそれぞれの電位差を個々に制御することを含む、項目１３に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【0031】

本発明およびその特徴および利点のより完全な理解のために、ここで、付随する図面と併せて解釈される、以下の説明が参照される。

【0032】

【図1】図１は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用して着目生成物を生産するためのシステムの選択された要素を図示するブロック図である。

【図2】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルシステムの選択された要素を図示するブロック図である。

【図3】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気化学プロセスに関する生産曲線を図示する。

【図4-1】図４Ａ－４Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、塩素アルカリプロセスのための多状態電解セルシステム４００の選択された要素を図示するブロック図である。

【図4-2】図４Ａ－４Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、塩素アルカリプロセスのための多状態電解セルシステム４００の選択された要素を図示するブロック図である。

【図5】図５は、本開示のいくつかの実施形態による、３つの多状態電解セルを含む電解セルアセンブリの選択された要素を図示するブロック図である。

【図6】図６は、本開示のいくつかの実施形態による、３つの多状態電解セルを含むマクロセルの選択された要素を図示するブロック図である。

【図7】図７は、本開示のいくつかの実施形態による、高温アルミニウム生産プロセスのための多状態電解セルシステムの選択された要素を図示するブロック図である。

【図8】図８は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルシステムの選択された要素を図示するブロック図である。

【図9】図９は、本開示のいくつかの実施形態による、電気めっきプロセスのための多状態電解セルシステム９００の選択された要素を図示するブロック図である。

【図10】図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気めっきプロセスに関する生産曲線を図示する。

【図11】図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気化学プロセスを制御する方法の選択された要素を図示するフロー図である。

【図12】図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルの生産プロセス条件の組を維持する方法の選択された要素を図示するフロー図である。

【図13】図１３は、本開示のいくつかの実施形態による、多状態電解セルのためのリアルタイム監視および制御サブシステムの選択された要素を図示するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下の説明では、詳細が、開示される主題の議論を促進するために一例として記載される。しかしながら、開示される実施形態が、全ての可能な実施形態のうちで包括的ではなく例示的であることが、当業者に明白となるはずである。

【0034】

電気化学が、水酸化ナトリウムおよびカリウム、塩素、フッ素、硫酸、マグネシウム、およびアルミニウムを含む、種々の金属および非金属の生産のために多くの業界で使用される。一実施例では、電解セルは、塩素アルカリ生産プロセス等において、水溶液の電解を使用して、着目生成物を生産するように構成され得る。別の実施例では、電解セルは、溶融塩の電解を使用して、着目生成物として金属を抽出するように構成され得る。さらに別の実施例では、電解セルは、電気めっきプロセスを使用して、着目生成物を生産するように構成され得る。これらおよび他のタイプの電気化学プロセスでは、時としてカットイン電圧とも称される、少なくとも所定の量の電位差が、１つ以上の着目生成物の生産を開始するように、電解セルの電極を横断して印加され得る。

【0035】

既存の電解セルでは、損傷、安全性の問題、または他の懸念を引き起こすことなく、セルが着目生成物を生産する、電流および電圧値の限定された範囲が存在する。これらの電解セル内の電流が、臨界点を下回って降下する場合、電解セルのイオン勾配または荷電層が機能しなくなり、セルに不可逆的損傷を引き起こす。これらの既存のセルの生産を停止させるために、電極を横断する電位差は、ゼロにされ、その後、生産を再開することは、高価かつ時間がかかる動作である。したがって、計画外の動作停止を回避するために、これらの既存の電解セルを使用する電気化学プラントは、電解セルに供給される電力を完全に制御する能力に依拠しなければならない。

【0036】

既存の電気化学プラントと異なり、本明細書に説明されるシステムは、電極を横断する電位差が１つまたは複数の着目生成物の生産のために十分ではないときでさえも、生産の準備ができた条件で多状態電解セルを維持する能力を有し得る。例えば、これらのシステムは、温度、圧力、ｐＨ、イオン強度、濁度、または活性種濃度等の生産プロセス条件の所定の組が満たされているかどうかを検出し、該当しない場合、是正措置を開始し、多状態電解セルを生産プロセス条件の所定の組に戻すための監視および制御サブシステムを含み得る。生産プロセス条件の所定の組は、多状態電解セルが、１つ以上の着目生成物が生産されている、第１のゼロではない電位差値に関連付けられた生産状態で動作している間、および多状態電解セルが、１つまたは複数の着目生成物が生産されていない、第２のより低いゼロではない電位差値に関連付けられた安全なアイドル状態で動作している間に維持され得る。

【0037】

多状態電解セルが、アイドル状態で動作している間に生産の準備ができた条件で維持されるため、生産は、任意の時間において迅速に再開され、これらのシステムが、生産されている着目生成物または多状態電解セル自体を損傷することなく、アイドル状態と生産状態との間で繰り返して頻繁に前後に切り替わることを可能にし得る。結果は、完全に削減可能かつ実行可能である、可逆的プロセスである。生産されている生成物または多状態電解セル自体に損傷を引き起こすことなく、アイドル状態と生産状態との間で繰り返して頻繁に切り替わる能力は、電気化学プラントが、生産されている着目生成物を破壊することなく、または多数の電解セルを含む繊細かつ高価な機器を損傷することなく、プラントに供給される電力の可用性または価格の変化に動的に反応することを可能にし得る。例えば、いくつかの実施形態では、電気化学プラントは、スケジュール不可能な電源によってプラントに供給される電力の可用性または価格の変化に動的に反応し得る。

【0038】

図１は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用して着目生成物を生産するためのシステム１００の選択された要素を図示するブロック図である。図１に図示されるように、システム１００は、多状態電解セル１１２を使用して着目生成物１４０を生産する、電気化学プラント１１０を含み得る。例えば、電気化学プラント１１０は、水溶液の電解、溶融塩の電解、電気めっきプロセス、またはカットイン電圧を有する別の電気化学プロセスを使用して、着目生成物を生産し得る。多状態電解セル１１２は、異なる時間において、着目生成物１４０が生産される生産状態、および着目生成物１４０が生産されないが、多状態電解セル１１２の生産プロセス特性が維持される、安全なアイドル状態で動作し得る。例えば、限定ではないが、多状態電解セルが生産状態で動作している間の着目生成物１４０の生産のために好適な温度範囲、ヘッドガス圧の範囲、ｐＨ範囲、イオン強度を表す値の範囲、または活性種濃度範囲を含む、生産プロセス条件の所定の組はまた、多状態電解セルがアイドル状態で動作している間に維持され得る。これは、電気化学プラント１１０内の着目生成物１４０の生産が、アイドル状態から生産状態に切り替わるときに迅速に再開することを可能にし得る。

【0039】

図１に図示されるように、システム１００は、スケジュール不可能な電源１２０と、スケジュール不可能な電源１２０を電気化学プラント１１０に結合および結合解除するためのスイッチ１２５を含む電力伝送経路１２２とを含み得る。図示される実施形態では、スケジュール不可能な電源は、複数の風力タービンを備えている風力発電所として描写される。他の実施形態では、スケジュール不可能な電源は、集光型太陽光発電システム、光起電力システム、または別のタイプのスケジュール不可能な電源であるか、または、それを含み得る。システム１００はまた、電力網１３０と、電力網１３０を電気化学プラント１１０に結合および結合解除するためのスイッチ１３２を含む電力伝送経路１３５とを含み得る。いくつかの実施形態では、電力網１３０は、電力を受け取るその能力が限定され得る。いくつかの実施形態では、システム１００は、スケジュール不可能な電源１２０を電力網１３０に結合および結合解除するためのスイッチ１１５を含む電力伝送経路１１４を含み得る。

【0040】

いくつかの実施形態では、スケジュール不可能な電源１２０は、電力を電力網１３０に供給し得る電気化学プラント１１０は、電力網１３０から電力を受け取り得るその量または価格は、スケジュール不可能な電源１２０によって電力網１３０に供給される電力の可用性および需要に基づく。アイドル状態から生産状態に切り替わるとき、電気化学プラント１１０内の着目生成物１４０の生産を迅速に再開する能力は、電気化学プラント１１０が電力の可用性および需要の変動を利用し、着目生成物を生産するコストを最小限にすることを可能にし得る。例えば、電気化学プラント１１０は、配電網１３０によって供給される電力の需要および対応する価格が低いとき、生産状態で動作し、配電網１３０によって供給される電力を受け取り得る配電網１３０によって供給される電力の需要および対応する価格が高いとき、着目生成物が生産されないアイドル状態に切り替わってもよい。別の実施例では、電気化学プラント１１０は、スケジュール不可能な電源１２０によって発生される電力の需要および価格が低いとき、生産状態で動作し、スケジュール不可能な電源１２０によって直接または間接的に供給される電力を受け取り得るスケジュール不可能な電源１２０によって発生される電力の需要および対応する価格が高いとき、着目生成物が生産されないアイドル状態に切り替わり得、スケジュール不可能な電源１２０によって発生される電力の需要および価格が再び下落するとき、生産状態に戻るように切り替わり、スケジュール不可能な電源１２０によって直接または間接的に供給される電力を受け取り得る。

【0041】

システム１００は、プロセス入力１５０を電気化学プラント１１０に選択的に提供するための弁１５５を含む、入力リソースパイプ１５２を含み得る。入力リソースパイプ１５２は、それを通してそれぞれのプロセス入力が電気化学プラント１１０に提供されるいくつかのパイプ、ポータル、または他の運搬機構のうちの１つであり得る。プロセス入力１５０は、限定ではないが、熱源、冷却源、塩水または別のタイプの原料、多状態電解セル１１２内の電解質を補充するための活性種、酸または塩基等の添加物、電気化学プロセスの再生利用される出力、または電気化学プロセスから回収されるガスを含む、着目生成物１４０を生産するため、または生産プロセス条件の所定の組を維持するために要求される、任意または全てのリソースを含み得る。

【0042】

システム１００は、電気化学プラント１１０によって生産される着目生成物１４０を選択的に出力するための弁１４５を含む生成物出力パイプ１４２を含み得る。いくつかの実施形態では、電気化学プロセスによって生産される２つ以上の着目生成物が存在し得る。そのような実施形態では、出力リソースパイプ１４２は、それを通して電気化学プロセスのそれぞれの生成物が電気化学プラント１１０から出力されるいくつかのパイプ、ポータル、または他の運搬機構のうちの１つであり得る。種々の実施形態では、着目生成物は、固体、液体、またはガスであるか、または、それを含み得る。１つ以上の着目生成物が、生産状態である間およびアイドル状態である間に生産プロセス条件の所定の組の下で動作する多状態電解セルによって生産されるシステムの実施例が、図２、４Ａ、４Ｂ、５、６、７、８、９に図示され、下記に説明される。

【0043】

多くの既存の電解セルのように、本明細書に説明される多状態電解セルは、各々が電解質溶液を含む２つのタンクと、タンクの外側の直流（ＤＣ）電源に結合される２つの電極と、２つのタンクの間のイオン伝導性経路とを含み得る。電極を横断する電位差が、多状態電解セルによる着目生成物の生産のために好適であるとき、電子が、イオン伝導性経路を横断して移送される。還元・酸化またはレドックス反応によると、還元生成物が、電子を獲得するイオン伝導性経路の側面上で生産され、酸化生成物が、電子を失うイオン伝導性経路の側面上で生産される。本明細書に説明される多状態電解セルによって生産される生成物は、商業的着目生成物としての流通のために後処理され得る。例えば、それらは、異なる実施形態では、蒸留される、濾過される、清浄化される、分離される、圧縮される、加熱される、冷却される、他の原料と反応される、または別様に流通のために処理され得る。

【0044】

図２は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルシステム２００の選択された要素を図示するブロック図である。図１に図示されるように、多状態電解セルシステム２００は、完全に削減可能かつ実行可能である電気化学プロセスを通して１つ以上の着目生成物を生産するための多状態電解セル２０２と、可変制御可能電力回路２１８と、ブリード回路２１６とを含み得る。多状態電解セル２０２はまた、カソード２１２およびアノード２１４として示される、２つの電極と、それを通していくつかのイオンが横断し得るが、他のイオンおよび電子が横断することができない、イオン経路２１０の両側の電解質の間のイオン経路２１０とを含む。図示される実施形態では、イオン経路２１０は、膜である。他の実施形態では、イオン経路２１０は、塩橋、ガラス管、または任意の他の好適な荷電平衡機構であり得る。

【0045】

可変制御可能電力回路２１８は、多状態電解セル２０２の複数の動作状態のうちのそれぞれのものとそれぞれ関連付けられる、異なる時間においてカソード２１２およびアノード２１４を横断して異なる電位差を印加するように構成され得る。ある実施形態では、またはある時間において、可変制御可能電力回路２１８は、図１に図示される電力網１３０等の電力網から電力を供給され得る。ある実施形態では、またはある時間において、可変制御可能電力回路２１８は、図１に図示され、上記に説明されるスケジュール不可能な電源１２０等のスケジュール不可能な電源によって発生される電力を供給され得る。いくつかの実施形態では、またはある時間において、可変制御可能電力回路２１８は、複数の利用可能な電源から電力を供給され得、電極を横断する所与の電位差の印加のための電源を選択し、特定の動作状態で多状態電解セル２０２の動作を開始し得る。可変制御可能電力回路２１８は、カソード２１２およびアノード２１４を横断して印加される電位差および電力源を制御するための任意の好適なカスタムまたは市販の技術を含み得る。例えば、出力電圧または電流は、ノブまたは他の機械的切り替え要素等の機械的手段を使用して、または１つ以上の制御信号を使用して、プログラムされ得る。同様に、電力源は、ノブまたは他の機械的切り替え要素等の機械的手段を使用して、または１つ以上の制御信号を使用して、選択され得る。可変制御可能電力回路によってカソード２１２およびアノード２１４を横断して印加される電位差および電力源は、可変制御可能電力回路２１８内の電力回路コントローラ等によって、ローカルで制御され得る、または異なる実施形態では、多状態電解セルシステム２００の別のコンポーネントから、または遠隔コンポーネントから可変制御可能電力回路２１８によって受信されるデジタルまたはアナログ制御信号によって制御され得る。

【0046】

いくつかの実施形態では、可変制御可能電力回路２１８は、多状態電解セル２０２が動作している、複数の動作状態のうちのいずれかを決定するように構成される状態モニタを含み得る。いくつかの実施形態では、状態モニタは、２１８内の電力回路コントローラの要素であり得る。他の実施形態では、状態モニタは、多状態電解セルシステム２００の別の部分内のリアルタイム監視および制御サブシステムの要素であり得る。いくつかの実施形態では、状態モニタは、多状態電解セル２０２の動作状態の指示を１つ以上のリアルタイム監視および制御サブシステムに、または多状態電解セルシステム２００の別のコンポーネントに提供し得る。

【0047】

多状態電解セル２０２の動作状態は、着目生成物が生産され、多状態電解セル２０２の生産プロセス条件の所定の組が維持される１つ以上の生産状態を含み得る。例えば、１つ以上の生産状態のそれぞれにおける多状態電解セル２０２の動作中、温度、ヘッドガス圧、ｐＨ、イオン強度、濁度、および活性種濃度のうちのいずれかまたは全てが、着目生成物の生産のために好適な所定の範囲内で維持され得る。動作状態はまた、着目生成物が生産されないが、多状態電解セル２０２の生産プロセス条件の所定の組が維持されるアイドル状態を含み得る。例えば、温度、ヘッドガス圧、ｐＨ、イオン強度、濁度、および活性種濃度は、多状態電解セルが生産状態のうちのいずれかで動作しているときと同一の所定の範囲内で維持され得る。第１のゼロではない電位差が、カソード２１２およびアノード２１４を横断して印加されるとき、これは、特定の生産状態で着目生成物の生産を開始し得る。第１のゼロではない電位差よりも低い第２のゼロではない電位差が、カソード２１２およびアノード２１４を横断して印加されるとき、これは、アイドル状態で動作を開始し得る。いくつかの実施形態では、電極は、活性化電位または過電位を最小限にするように設計される、分極可能電極であり得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セル２０２は、３つ以上の電極を含み得る。

【0048】

多状態電解セル２０２は、水性または溶融電解質溶液内の活性種等の原料２２０をそれぞれ含む、１つ以上のタンクを含み得る。例えば、多状態電解セル２０２が、電気めっきプロセスのために構成される場合、多状態電解セル２０２は、単一のタンクのみを含み得る。他方では、多状態電解セル２０２が、種々の水性または溶融塩ベースの電気化学プロセスのうちのいずれかのために構成される場合、これは、２つ以上のタンクを含み得る。例えば、ＢＰＭＥＤ（双極膜電気透析）のために構成されるとき、多状態電解セル２０２は、３つのタンクを含み得る。他の実施形態では、多状態電解セル２０２は、４つ以上のタンクを含み得る。２つ以上のタンクまたはドメインが存在するいくつかの実施形態では、タンクは、最初に同一の原料を含有し得るが、２つのタンク内の原料の組成は、それらが続いて異なるように、着目生成物の生産の間に変化し得る。２つ以上のタンクが存在する、いくつかの実施形態では、タンクは、最初に異なる原料を含有し得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セル２０２は、ガス状電解質を含み得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セル２０２は、固体酸化物電気化学セル内等に固体電解質を含み得る。

【0049】

図２に図示されるように、多状態電解セルシステム２００は、カソード２１２に結合され、可変制御可能電力回路２１８の出力と並列であるブリード回路２１６を含み得る。少なくともいくつかの実施形態では、多状態電解セル２０２が、カソード２１２およびアノード２１４を横断する電位差が半セル電位を下回る、アイドル状態で動作しているとき、電位差は、依然として、電荷を多状態電解セル２０２のケーシング、ボルト、または他の金属コンポーネント上に蓄積させるために十分である。容量および抵抗要素を含む、ブリード回路２１６は、多状態電解セル２０２がアイドル状態で動作している間に蓄積する電荷が、接地まで放電することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム２００は、ブリード回路２１６によって発生される熱を捕捉し、多状態電解セルシステム２００を加熱するように構成され得る。

【0050】

図３は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気化学プロセスに関する生産曲線３００を図示する。より具体的に、生産曲線３００は、多状態電解セル内に流動する電流（ｉ）を、多状態電解セルのアノードとカソードとの間の対応する電位差（Ｖ）にマップする。生産曲線に沿った特定の点は、多状態電解セルのそれぞれの動作状態を表す。

【0051】

図３では、ｙ軸上で３０２として標識される電流値は、セルに関する最大電流限界を表し得る。生産曲線上の点３０８は、本明細書に説明されるような、アノードとカソードとの間の電位差および多状態電解セル内に流動する電流が両方ともゼロである点を表し得る。ｘ軸上で３１２として標識される電圧値は、多状態電解セルに関する半セル電位、すなわち、Ｅ_１／２を表し得る。いくつかの実施形態では、これは、多状態電解セルが妥当な品質を伴う着目生成物を生産し始める、電位差に対応し得る。

【0052】

生産曲線上の点３２４は、着目生成物が多状態電解セルによって生産される第１の標識生産状態を表す。本点における電位差は、ｘ軸上で３１４として示される。同様に、点３２６は、ｘ軸上で３１６として示される電位差に関連付けられた第２の標識生産状態を表し、点３２８は、ｘ軸上で３１８として示される電位差に関連付けられた第３の標識生産状態を表し、点３３０は、ｘ軸上で３２０として示される電位差に関連付けられた第４の標識生産状態を表し、点３３２は、ｘ軸上で３３４として示される電位差に関連付けられた第５の標識生産状態を表す。生産状態３２４－３３２の全てでは、多状態電解セルは、同一の所定の生産プロセス条件下で動作し、着目生成物を生産し得る。しかしながら、着目生成物の生産率およびプロセスリソースが消費される率は、生産状態３２４－３３２のうちの異なるものにおいて異なり得る。いくつかの実施形態では、より低い電位差において動作するために、限定ではないが、ブリード率を増加させること、寄生負荷を増加させること、背圧を発生させ、印加すること、ｐＨの平衡を保つこと、活性種濃度を調節すること、または加熱または冷却要素をアクティブにすることを含む、１つ以上のアクションが、所定の生産プロセス条件を維持するように講じられる必要があり得る。したがって、種々のリソースの消費は、変化するであろう。塩素アルカリプロセスを伴う一実施例では、塩素、ヨウ素、フッ素、または他の還元生成物のより低い生産において流率を維持するために、塩水が、より高い率において酸性化される必要があり得る。

【0053】

いくつかの実施形態では、点３３２は、着目生成物の生産率が最大限にされる、生産状態に対応し得る。２つ以上の着目生成物が生産される実施形態では、多状態電解セルは、異なる生産状態のそれぞれにおいてわずかに異なる生成物混合物を生産し得る。例えば、電解質が、複数の活性種を伴う複合溶液であり、多状態電解セルが、高い電位差において動作している場合、多状態電解セルは、ある割合または相対量の各生成物を含む、生成物の混合を生産し得る。しかしながら、電位差が、より低いとき、多状態電解セルは、生成物の異なる混合、またはより高い電位差において生産されるであろう異なる割合または相対量の各生成物を含む生成物の混合を生産し得る。いくつかの実施形態では、任意の数の化合物を含む、廃水等の多化学電解質を取り扱うとき、「最適」状態が存在しない場合がある。任意の所与の電位差に関して、セルは、電位差に依存する比で多くの生成物を生産し得る。

【0054】

図３では、生産曲線上の点３２２は、いずれの着目生成物も生産されないアイドル状態を表すが、多状態電解セルがアイドル状態で動作するプロセス条件は、多状態電解セルが生産状態で動作する所定の生産プロセス条件と同一である。例えば、温度、ｐＨ、活性種濃度、イオン強度、およびヘッドガス圧は、多状態電解セルが生産状態３２４－３３２のうちのいずれかで動作しているときと同一の所定の範囲内で維持され得る。図３に図示されるように、多状態電解セルが（点３２２において）アイドル状態で動作しているときの電位差は、Ｅ_１／２点（３１２）を十分に下回り得る。アイドル状態で多状態電解セルを通して流動する電流は、ｙ軸上で電流値３０６として示される。アイドル状態時の対応する電位差は、ｘ軸上で電位差３１０として示される。

【0055】

いくつかの既存の電解セルに関して、セルが着目生成物を生産する、電流および電圧値の限定された範囲が存在する。これらの既存の電解セルを用いると、生産プロセス条件は、電極の間の電位差が減少するにつれて変化する。例えば、図３のｙ軸上で３０４として標識される電流値は、電流を表し得、それを下回ると、既存の電解セルでは、時として荷電層とも称される、電解セルのイオン勾配が妨害され、機能しなくなり始める。荷電層がなくなると、電極に対する活性種の濃度、電解質のｐＨの変化、電解質溶液のオスモル濃度の変化、還元電位の変化、および電極を腐食させ始める化学的活動の変化を含む、セルに不可逆的な損傷を引き起こす、変化の連鎖が生じ得る。最終的に、活性中間体が電流を逆転させ始め得るように、電解質内に過剰に多くの活性種が存在し得る。最大電流限界と荷電層が既存の電解セル内で妨害される電流との間の関係は、電解セルの特定の化学性質に依存し得る。例えば、塩素アルカリプロセスのために構成される既存の電解セルに関して、荷電層が妨害される点における電流は、最大電流限界の約２０％であり得る。他の化学性質を有する既存の電解セルに関して、荷電層が妨害される点における電流は、電解セルに関する最大電流限界の２０％を上回る、またはそれ未満であり得る。

【0056】

しかしながら、本明細書に説明される多状態電解セルでは、温度、ｐＨ、活性種濃度、イオン強度、およびヘッドガス圧等の生産プロセス条件は、電極の間の電位差が有意に減少され、そうでなければ荷電層が特定の化学性質の電解セル内で妨害される点であったであろうものを下回って電流が降下するにつれてさえも、維持される。結果は、多状態電解セルの電極の間の電位差が、いずれの着目生成物も生産されないアイドル状態まで迅速に漸減され、着目生成物の生産が再開する状態に戻るように迅速に漸増される、完全に削減可能かつ実行可能である可逆的プロセスである。いくつかの実施形態では、本明細書に説明される多状態電解セルは、既存の電解セルのように数時間または数日かかるのではなく、わずか数分で生産状態からアイドル状態まで、またはアイドル状態から生産状態まで漸減され得、本サイクルは、１日に何回も繰り返され得る。例えば、図４Ａおよび４Ｂに図示され、下記に説明される多状態電解セル等の塩素アルカリ生産のための多状態電解セルは、５分未満で最大生産状態からアイドル状態まで漸減され得る、または単一のＳＣＥＤ区間が、バッテリ限界を超える限界を受ける。

【0057】

生産曲線３００は、限定ではないが、水溶液の電解、溶融塩の電解、電気めっきプロセス、またはカットイン電圧を有する任意の電気化学プロセスを含む、生産状態の間で移行している間、または生産状態とアイドル状態との間で移行している間に生産プロセス条件の事前決定されたセットを維持する能力から利益を享受し得る種々の電気化学プロセスのうちのいずれかの挙動を表し得る。そのようなプロセスの一実施例は、水溶液の電解を使用し、塩素を生産する、塩素アルカリプロセスである。平均で、約３．２ボルトの多状態電解セルの電極の間の電位差が、塩素アルカリプロセスのための着目生成物の商業生産のために好適であり得るが、これは、特定のセル設計に関して変動し得る。平均で、約１．３６ボルトの多状態電解セルの電極の間の電位差が、それを下回ると塩素の生産が停止する、カットイン電圧を表し得るが、これは、特定のセル設計に関して変動し得る。生産状態が３．２ボルトの電位差に関連付けられ、カットイン電圧が１．３６ボルトである、実施形態では、約１．２９ボルトの電位差が、アイドル状態に関連付けられた標的電圧であり得る。下記により詳細に説明されるように、多状態電解セルシステム内の可変制御可能電力回路は、電位差が標的アイドル状態電圧を下回って降下しないように防止し、逆電流を誘発すること、多状態電解セルを損傷すること、または塩素アルカリプロセスの入力リソースを、生産を再開することに応じて着目生成物を生産するために不適切にすることを回避し得る。

【0058】

塩素アルカリプロセスのために構成される多状態電解セルでは、原料は、塩水、すなわち、２３％～２５％塩化ナトリウムを伴う水中の飽和塩化ナトリウムであり得る。本実施例では、電極材料は、低いｐＨのみにおいて安定し得る。加えて、ガス状形態の塩素である一次着目生成物は、約３ｐＨにおいて安定し、ｐＨが４を上回る場合、不要な副反応が生じる。したがって、原料は、適切なモル濃度またはプロトン活性に到達し、ｐＨ制御を提供するまで、塩酸の液滴毎の添加によって酸性化され得る。塩素アルカリプロセスへの他の入力は、３０％における水中の水酸化ナトリウム溶液を含み得る。

【0059】

塩素アルカリプロセスの追加の出力は、３２％における水中の水酸化ナトリウム溶液であり得る。いくつかの実施形態では、追加の２％水酸化ナトリウムが、抽出され、５０％水酸化ナトリウム溶液および３０％水酸化ナトリウムに分離され得、３０％水酸化ナトリウムは、塩素アルカリプロセスへの入力として再生利用される。５０％水酸化ナトリウム溶液は、液体として分配される、または固体である薄片またはアルカリ液錠剤形態の苛性ソーダにさらに処理され得る付加価値のある化学物質である。いくつかの実施形態では、塩素アルカリプロセスによって生産される塩素は、乾燥機プロセスを使用して後処理され得、また、商業的流通に先立って精緻化され得る。塩素アルカリプロセスによって生産される水素は、そのまま使用され得る、放出され得る、燃焼され得る、または塩酸を生産するように再結合される、または商業的流通のために他の原料と組み合わせられ得る。

【0060】

塩素アルカリプロセスのために構成される多状態電解セルの動作状態を生産状態からアイドル状態に切り替えるために、電極を横断する電位差は、荷電種がイオン伝導性経路を横断して移動することを停止するにつれてさえも、生産プロセス条件が多状態電解セル内で維持されるように、制御された様式で低下され得る。いくつかの実施形態では実質的に並行して講じられ得るアイドル状態に切り替えるための第１のステップは、例えば、約３．２ボルトの値から約１．２９ボルトの値まで電極を横断する電位差を下降させること、および窒素（または任意の不活性ガス）を多状態電解セルの中に送給し始め、セル内の塩素を外にパージし、したがって、電極を保護することである。いくつかの実施形態では、電位差は、大型コンデンサの対数関数等の線形ではない減衰パターンを使用して低下され得る。いくつかの実施形態では、窒素等の不活性ガスが、イオン伝導性経路の両側で（例えば、下方から）多状態電解セルの中に注入され得、塩素を外にパージし、また、システムの全体を通した任意のわずかな漏出にもかかわらず、ヘッドガス背圧を維持することに役立つであろう、補完的ガスを添加する。例えば、窒素は、システムを通して物理的に進行し、ヘッド空間ガスまで発泡する気泡として、多状態電解セルに進入し得る。これまでに、それらは、電極の間の電位差がアイドル状態に関連付けられた電位差に到達するとき、塩素がもはや電極に存在しなくなるように、電解質から塩素を取り除いてもよい。電位差が窒素（または他の不活性ガス）パージと実質的に並行して低下される、一例示的実施形態では、これらの２つのステップが完了されるために約１８秒かかり得る。いくつかの実施形態では、窒素パージは、電位差の降下が開始するにつれて、第１の窒素の気泡が荷電板に衝打するように、電極を横断する電位差を降下させ始めることに先立って開始され得る。いくつかの実施形態では、窒素を使用して、塩素を外にパージするのではなく、塩素は、アルゴンまたはクリプトン等の別の不活性ガスを使用してパージされ得る。

【0061】

塩素アルカリプロセスのために構成される多状態電解セルにおいて生産状態からアイドル状態に移行するときに講じられるべき追加のアクションは、制御可能背圧ポンプまたは逆止弁を調節し、セルが生産状態で動作していたときと同一の圧力範囲内でヘッド空間圧を維持することと、塩酸等の新鮮な酸を添加し、セルが生産状態で動作していたときと同一の範囲内でｐＨを維持することとを含み得る。塩素アルカリプロセス以外のプロセスのために構成される多状態電解セルに関して、酸または塩基が、具体的プロセスのための所定の生産プロセス条件内でｐＨを維持するように添加され得る。

【0062】

図４Ａ－４Ｄは、いくつかの実施形態による、塩素アルカリプロセスのための多状態電解セルシステムの選択された要素を図示するブロック図である。図４Ａでは、多状態電解セルシステム４００は、多状態電解セル４５０と、可変制御可能電力回路４２０と、加熱器回路４３０とを含む。多状態電解セル４５０が生産状態であるとき、これは、上記に説明されるように、生産プロセス条件の所定の組の下で動作し、塩素、水酸化ナトリウム等のアルカリ、および水素を生産する。

【0063】

多状態電解セル４５０は、カソード４２４と、アノード４２２と、電解セル４５０のカソード側とアノード側との間のイオン経路４１２とを含む。図示される実施例では、イオン経路４１２は、それを通して正イオンが横断し得るが、負イオンが横断することができない、高いアニオン拒否を呈するプラスチックポリマー膜等の膜である。他の実施形態では、イオン経路４１２は、ガラス管または他の好適な要素、または別のタイプのプラスチックまたは他の材料から作製される膜であるか、または、それを含み得る。図４Ａに図示されるように、多状態電解セル４５０は、着目生成物の生産のための活性種、具体的に、塩水を含む、原料４４４を含む。

【0064】

図４Ａに図示されるように、多状態電解セル４５０は、塩水４０２、塩酸４０４、およびいくつかの実施形態では、再生利用される塩水を受容するための入力パイプ４３６を含み得る。いくつかの実施形態では、前もって酸性化された塩水が、入力パイプ４３６において多状態電解セルの中に導入され得る。多状態電解セル４５０はまた、それを通してセル４５０によって生産される塩素４０６が塩素アルカリプロセスの生成物として出力される、出力パイプ４３８と、それを通してセル４５０によって生産される水素４０８が電気化学プロセスの生成物として出力される、出力パイプ４４０とを含み得る。多状態電解セル４５０はまた、電気化学プロセスへの入力として、入力パイプ４３６に戻るように枯渇した塩水４２６を再生利用するための出力パイプ４３２を含み得る。本再生利用ループは、再生利用される塩水が、入力パイプ４３６において多状態電解セル４５０の中に再導入される前に、清浄化される、加熱される、冷却される、濃縮される、酸性化される、または別様に処置され得る処理要素４２５を含み得る。

【0065】

図示される実施形態では、多状態電解セル４５０は、それを通して水酸化ナトリウムまたは腐食剤等のアルカリ４１０、および弱い水酸化ナトリウムまたは弱い腐食剤等の再生利用されるアルカリ４２８がセルの中に導入され得る入力パイプ４４２を含む。多状態電解セル４５０はまた、電気化学プロセスの生成物として腐食剤等のアルカリ４５６を提供するため、および電気化学プロセスへの入力として入力パイプ４４２に戻るように弱い腐食剤等のアルカリ４２８を再生利用するための出力パイプ４３４を含み得る。本再生利用ループは、再生利用されるアルカリが、入力パイプ４４２において多状態電解セル４５０の中に再導入される前に、清浄化される、加熱される、冷却される、濃縮される、または別様に処置され得る処理要素４５５を含み得る。

【0066】

図４Ａに示されるように、多状態電解セル４５０は、セルのアノード側で窒素、アルゴン、またはクリプトン等の不活性ガス４５２を受容するための入力パイプ４４６と、セルのカソード側で窒素、アルゴン、またはクリプトン等の不活性ガス４５４を受容し、多状態電解セル４５０がアイドル状態になっている、またはアイドル状態で動作しているとき、塩素をパージするための入力パイプ４４８とを含み得る。多状態電解セル４５０内のヘッドガスは、ヘッドガス４１４として示される。出力パイプ４３８は、セルのアノード側で特定のヘッドガス圧を維持するための背圧ポンプ４１６を含み得る。同様に、出力パイプ４４０は、セルのカソード側で特定のヘッドガス圧を維持するための背圧ポンプ４１８を含み得る。

【0067】

図４Ａでは、出力パイプ４３２から入力パイプ４３６までの枯渇した塩水４２６のための塩水再循環ループは、枯渇した塩水を多状態電解セル４５０の中に再導入することに先立って、それを再濃縮するように構成され得る。例えば、枯渇した塩水は、入力パイプ４３６においてセルの中に戻るように拍出されることに先立って、最大２３％～２５％塩化ナトリウムに戻るように再濃縮され得る１５％～２０％塩化ナトリウムを含み得、過剰な水が、副生成物またはプロセスとして離れるように分路される（図示せず）。

【0068】

加熱器回路４３０が、多状態電解セル４５０の中へのその再導入に先立って、再生利用される塩水を加熱し得る再生利用される塩水４２６のための再循環ライン上に示される。本位置では、または多状態電解セルシステム４００内の別の位置では、加熱器回路４３０は、これらまたは他の入力リソース、または全体として多状態電解セル４５０を加熱し、生産プロセス条件の所定の組と一致するセルの温度を維持し得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム４００は、加熱器回路単独ではなく、複合加熱／冷却要素、または別個の加熱および冷却要素を含み得る。いくつかの実施形態では、１つのセルあたり２つ以上の加熱器回路または加熱／冷却要素が存在し得る。例えば、塩水４２６のための再循環ライン上の加熱器回路４３０に加えて、アルカリ４２８のための再循環ライン上等のセルの反対側に補助加熱器回路または補助加熱／冷却要素が存在し得る。加熱器回路４３０は、電気加熱を提供するが、多状態電解セルシステム４００内の他の加熱／冷却要素は、生産状態の間で移行するとき、または生産状態とアイドル状態との間で移行するとき、生産プロセス条件の所定の組と一致するセルの温度を維持するための他のタイプの加熱または冷却を提供し得る。例えば、生産がより迅速に漸増されるほど、より多くの熱が発生され、これは、冷却が所定の範囲内で温度を維持する必要性をもたらし得る。いくつかの実施形態では、加熱器回路４３０または補助加熱器は、エネルギー消費型である必要はないが、溶融塩リザーバまたは別のエネルギー貯蔵リザーバなどの熱リザーバであるか、または、それを含み得る。いくつかの実施形態では、熱リザーバは、太陽光貯蔵、または多状態電解セル４５０の温度を維持するように循環される別の機構によって拍出され得る。いくつかの実施形態では、制御信号４３５が、加熱器回路４３０の加熱および冷却機能をアクティブ化またはアクティブ化解除するように、本明細書に説明される監視および制御サブシステムのうちの１つ等のローカルまたは遠隔コントローラから加熱器回路４３０に提供され得る。

【0069】

図示される実施形態では、可変制御可能電力回路４２０は、異なる時間においてカソード４２４およびアノード４２４を横断して異なる電位差を印加し、多状態電解セル４５０を異なる動作状態にするように構成される。ある場合に、またはある時間において、電位差の変動は、電力がスケジュール不可能な電源によって供給されるとき等にＤＣ電源から受電される電力の変動に起因し得る。いくつかの実施形態では、またはある時間において、電位差の変動は、セルレベルにおいて電圧および電流を制御するように、可変制御可能電力回路４２０内の回路によってローカルで制御され得る。他の実施形態では、またはある時間において、電位差の変動は、多状態電解セル４５０のスタックまたはラック等の多状態電解セル４５０の群に関して集合的に制御され得る。可変制御可能電力回路４２０は、カソード４２４およびアノード４２２を横断して電位差を操作し、多状態電解セル４５０の動作状態に変化をもたらすための任意の好適なカスタムまたは市販の可変制御可能電源を含み得る。

【0070】

上記のように、多状態電解セル４５０は、生産状態であるとき、生産プロセス条件の所定の組の下で動作し、塩素、アルカリ、および水素を生産する。多状態電解セル４５０が、第２のより低いゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で動作しているとき、いずれの生成物も生産されない。例えば、多状態電解セル４５０は、電極の間の電位差が１．３６ボルトを上回る、または好ましくは、約３．２ボルトであるとき、塩素、アルカリ、および水素が生産される、生産状態で、および電極の間の電位差が１．３６ボルト未満であるか、または、好ましくは、約１．２９ボルトであるとき、これらの生成物のうちのいずれも生産されない、アイドル状態で動作するように構成され得る。しかしながら、生産プロセス条件の所定の組が、セルが１つ以上の生産状態のうちのいずれかで動作しているか、またはアイドル状態で動作しているかどうかにかかわらず、多状態電解セル内で維持され得る。着目生成物の生産率は、電位差が生産電圧範囲の下端にあるときよりも、電位差が生産電圧範囲の上端にあるときに高くあり得る。いくつかの実施形態では、塩素アルカリプロセスのための入力リソースが消費される率は、生産率がより高いときにより高くあり得、生産率がより低いときにより低くあり得る。いくつかの実施形態では、多状態電解セル４５０は、セルが動作している特定の生産状態に依存する、わずかに異なる量または相対比で塩素、アルカリ、および水素を生産し得る。

【0071】

図４Ｂは、いくつかの実施形態による、塩素アルカリプロセスのための多状態電解セルシステム４５５の選択された要素を図示する。多状態電解セルシステム４５５は、簡単にするために４Ｂに示されていない、図４Ａの４００に示される１つ以上の要素を含み得る。図４Ｂに示され、図４Ａに示される対応する要素と同一の参照番号を有する要素は、実質的に類似し得る。図４Ｂでは、多状態電解セルシステム４５５は、多状態電解セル４５８と、パージ要素４６０と、貯蔵タンク４７８とを含む。いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム４５５はまた、図４Ａに図示される可変制御可能電力回路４２０等の可変制御可能電力回路と、図４Ａに図示される（図４Ｂに示されていない）加熱器回路４３０等の加熱器回路とを含み得る。多状態電解セル４５８が、電極を横断する第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で動作しているとき、セルは、上記に説明されるように、生産プロセス条件の所定の組の下で動作し、塩素、水酸化ナトリウム、および水素を生産し得る。図４Ｂに図示されるように、塩素アルカリ生産の間、Ｍ^＋として示されるカチオン４７６が、多状態電解セル４５８が生産状態で動作している間にイオン経路４１２を横断し得る。しかしながら、多状態電解セル４５８が、第２のより低いゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で動作しているとき、カチオン４７６の移動は、完全に停止され得るまたは塩素、水酸化ナトリウム、または水素を生産するために不十分である量まで低減され得る。

【0072】

図４Ｂに図示されるように、多状態電解セル４５８の出力ポートのうちの１つは、セル４５８によって生産される塩素を取り扱うための４方向弁４６２を含み得る。４方向弁４６２はさらに、図４Ｃに図示され、下記に説明される。図４Ｂに図示されるように、多状態電解セル４５８の出力ポートのうちの１つは、セル４５８によって生産される水素を取り扱うための２方向弁４６４を含み得る。２方向弁４６４はさらに、図４Ｄに図示され、下記に説明される。図示される実施形態では、多状態電解セル４５８は、セルのアノード側でヘッドガス４７２のための適切なヘッドガス圧を維持するための背圧ポンプ４６６と、セルのカソード側でヘッドガス４７４のための適切なヘッドガス圧を維持するための背圧ポンプ４６８とを含む。

【0073】

図４Ｂに図示されるように、多状態電解セルシステム４５５は、入力パイプ４４６を通して、不活性ガス４５２、例えば、窒素をセル４５８のカソード側に供給する、貯蔵タンク４７８を含み得る。いくつかの実施形態では、貯蔵タンク４７８はまた、図４Ａに図示される（４Ｂに示されていない）入力パイプ４４８等のセルのアノード側の入力パイプにおいて不活性ガス４５２をセル４５８に供給する。図示される実施例では、塩水再循環ライン上のパージ要素４６０への入力は、Ｃｌ_２＋ＮａＯＨ（４８４）と、枯渇した塩水（４２６）と、貯蔵タンク４７８からの不活性ガス（４８２）とを含む。パージ要素４６０の出力は、不活性ガス４８５を含む。他の実施形態では、窒素以外の不活性ガス等のパージ要素４６０への他の入力が、多状態電解セル４５８がアイドル状態で動作しているときに多状態電解セルシステム４５５から塩素をパージするために使用され得る。アイドル状態から生産を再開するステップは、例えば、生産状態に関連付けられた電位差まで戻るように、電極を横断する電位差を徐々に漸増させるステップを含み得る。いくつかの実施形態では、生産状態への復帰は、塩素生産のために必要とされる中間体を電解質に添加し、はるかに早い応答時間をもたらすことによって、効果的に瞬間的であるように加速され得る。

【0074】

図４Ｃは、いくつかの実施形態による、４方向弁４６２上の設定を図示する。図示される実施例では、設定は、生産設定４８８と、回収設定４９０と、「テーリングを擦り落とす」設定４９２と、「オフ」設定４９４とを含む。弁４６２を生産設定４８８に設定することは、セルによって生産される着目生成物としての塩素の出力を引き起こす。弁４６２を回収設定４９０に設定することは、塩素を回収圧縮機（図示せず）にルーティングさせる。弁４６２を「テーリングを擦り落とす」設定４９２に設定することは、弁における出力ガスをシステムの別のコンポーネント（図示せず）にルーティングさせ、テーリングを擦り落とす。テーリングを擦り落とすために、不活性ガスが、塩素を押し出すためにヘッド空間内で出力ガスを通して発泡され得る。最初に、塩素が、出力ガス内の標的生産濃度において出力され得る。しかしながら、ある点において、塩素の濃度は、下降するであろう。塩素濃度が、例えば、９０％塩素～１０％塩素等のある点に達すると、これは、回収可能な量を表し得、出力ガスは、回収圧縮機にルーティングされ得る。回収圧縮機は、塩素が液化するが、窒素が液化しないように、ガス混合を圧縮する塩素圧縮機であり得る。この場合、液体塩素は、回収される生成物である。最終的に、出力ガス内の塩素の濃度は、回収可能な限界を下回って下降し、その点において、水を通してそれを希釈すること、または、例えば、水酸化ナトリウムを用いてそれを擦り落とすことによって、中和され得る。弁４６２は、塩素が出力ガスに存在しなくなると、「オフ」設定４９４に設定され得る。４方向弁が図４Ｃに示されるが、他の実施形態では、弁４６２は、より多い、より少ない、または異なる設定を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、出力ガスの全ては、回収圧縮機にルーティングされ得、その後、非凝縮性材料が、テーリングを擦り落とすために別の要素にルーティングされ得る。この実施例では、回収圧縮機は、生産可能な塩素、例えば、擦り落とされるべきテーリングを出力するであろう。

【0075】

図４Ｄは、いくつかの実施形態による、２方向弁４６４上の設定を図示する。図示される実施例では、設定は、生産設定４９６と、「オフ」設定４９８とを含む。弁４６４を生産設定４９６に設定することは、セルによって生産される着目生成物としての水素の出力を引き起こす。弁４６４は、弁４６４における出力ガスに水素が存在しなくなると、「オフ」設定４９８に設定され得る。２方向弁が図４Ｄに示されるが、他の実施形態では、弁４６４は、例えば、別の目的のために、セルによって生産される水素の少なくとも一部をシステム内の別のコンポーネントにルーティングする設定を含む、２つを上回る設定を有し得る。いくつかの実施形態では、塩素アルカリプロセスで使用されるものに類似する、または異なる化学性質を伴う多状態電解セルは、異なる時間において特定の条件下で特定の電気化学プロセスの生成物のルーティングおよび分布を制御するための弁を含み得、そのうちのいくつかは、図４Ｃおよび４Ｄに図示されるものに類似し得る。

【0076】

図４Ａ－４Ｄは、塩素アルカリプロセスのために構成される多状態電解セルおよびシステムの例示的実施形態を図示するが、他の実施形態では、塩素アルカリプロセスのために構成される多状態電解セルおよびシステムは、図４Ａ－４Ｄに図示されるものよりも多い、少ない、または異なる要素を含み得る、または図４Ａ－４Ｄに示されるものと異なる組み合わせで図４Ａ－４Ｄに図示される要素のうちのいずれかを含み得る。同様に、塩素アルカリプロセスで使用されるものと類似する、または異なる化学性質を伴う多状態電解セルは、図４Ａ－４Ｄに示されるものと同一または異なる組み合わせで図４Ａ－４Ｄに図示される要素のうちのいずれかを含み得る。

【0077】

いくつかの実施形態では、多状態電解セルは、セルの中央で生じる水中の電解質溶液からのイオンが多状態電解セルの両側の膜のうちのそれぞれのものを横断することを可能にする、複数のイオン伝導性経路を提供する、双極膜を含み得る。１つのそのような実施形態では、多状態セルによって実施される電気化学プロセスは、電解質溶液からの種の除去を伴ってもよく、着目生成物は、精製水であり得る。一般に、電気透析プロセスのために構成される多状態電解セルは、着目生成物として修飾または精製原料を生産し得る。

【0078】

典型的電気化学プラントでは、多数の電解セルが、協働して大量の着目生成物を生産するように組み立てられ得る。例えば、電気化学プラントは、いくつかの電解セルをそれぞれ含む、アセンブリの大型アレイを含み得る。図５は、いくつかの実施形態による、３つの多状態電解セルを含む、塩素アルカリプロセスのための電解セルアセンブリ５００の選択された要素を図示するブロック図である。そのようなアセンブリは、時として、多状態電解セルの「ラック」または「スタック」とも称され得る。多状態電解セルはそれぞれ、５０２ａ－５０２ｃとして示されるそれぞれのカソードと、５０４ａ－５０４ｃとして示されるそれぞれの膜と、５０６ａ－５０６ｃとして示されるそれぞれのアノードとを含む。図示される実施形態では、多状態電解セルは、塩素アルカリプロセスのために構成され、セルのそれぞれの幅は、約１～５センチメートルであり、電解セルアセンブリ５００内のセルの間にプラスチックの非伝導性板セパレータが存在する。他の実施形態では、多状態電解セルのラックは、３つ以外のいくつかのセルを含み得る。

【0079】

図示される実施形態では、多状態電解セルは、パイプの集合を使用して、１つのセルから次のセルまで流動する塩素アルカリプロセスの種々の入力リソースおよび生成物を伴って並んで設置される。例えば、電解セルアセンブリ５００は、それを通して塩水が電解セルアセンブリ５００に進入する、入力パイプ５１２と、それを通して水酸化ナトリウム５２８が電解セルアセンブリ５００に進入する、入力パイプ５４２と、それを通して枯渇した塩水が１つのセルからその隣接するセルまで流動する、塩水パイプ５１６ａおよび５１６ｂと、それを通して弱い腐食剤が１つのセルからその隣接するセルまで流動する、腐食剤パイプ５１４ａおよび５１４ｂとを含む。水酸化ナトリウムが生産プロセス条件を維持するように添加され得る腐食剤パイプ５１４ａおよび５１４ｂに沿った追加の場所が、それぞれ、５４４ａおよび５４４ｂに示される。電解セルアセンブリ５００はまた、電解セルアセンブリ５００の集合的セルの生成物として腐食剤５２０を出力するための出力パイプ５１８と、枯渇した塩水５２４を出力または再生利用するための出力パイプ５２２とを含む。５２６に示されるように、塩化水素が、生産プロセス条件の所定の組に関して定義される範囲等の所定の許容範囲内で第１のセルまたは全体として電解セルアセンブリ５００のｐＨを維持するために必要に応じて、電解セルアセンブリ５００内の第１のセルに入力され得る。塩酸が生産プロセス条件に関してｐＨを維持するように添加され得る塩水パイプ５１６ａおよび５１６ｂに沿った追加の場所が、それぞれ、５４０ａおよび５４０ｂに示される。図５に示されていないものは、図４Ａおよび４Ｂに図示されるものに類似し得るが、明確にするために図５から省略されている、電解セルアセンブリ５００の多状態電解セルによって生産される塩素および水素のための出力パイプである。図５に図示される実施形態では、これらの出力パイプは、電解セルアセンブリ５００の上側に位置し得る。

【0080】

図５に図示されるように、電解セルアセンブリ５００は、所定の許容範囲内で電解セルアセンブリ５００またはその特定の部分の温度を維持するための加熱／冷却要素５３４を含み得る。例えば、加熱／冷却要素５３４は、種々の時間において、塩水等の電解セルアセンブリ５００のための入力リソースを加熱または冷却するため、個々のセルを加熱または冷却するため、またはラック全体を加熱または冷却するために、構成され得る。加熱／冷却要素５３４は、図５では塩水パイプ５１６ｂに結合されて示されるが、１つ以上の加熱／冷却要素が、加熱／冷却要素５３４の代わりに、またはそれに加えて、電解セルアセンブリ５００内の他の場所に位置し得る。例えば、いくつかの実施形態では、電解セルアセンブリ５００は、１つの電解セルあたりそれぞれの加熱／冷却要素を含み得る。他の実施形態では、電解セルアセンブリ５００は、複数の電解セルのための１つの加熱／冷却要素、または電解セルアセンブリ５００内の電解セルのラック全体のための単一の加熱／冷却要素を含み得る。

【0081】

図示される実施例では、電解セルアセンブリ５００は、窒素または塩素が本明細書に説明されるもの等のパージ動作のために使用され得る再循環ループ５３６を含む。電解セルアセンブリ５００はまた、パージ動作のために窒素または塩素を供給するための１つ以上の貯蔵タンク５３８を含み得る。窒素パージが実装される実施形態では、窒素は、電解セルアセンブリ５００全体が同時にパージされ得、したがって、勾配または他の望ましくない条件を回避するように、電解セルアセンブリ５００の両側で導入され得る。また、図５に示されるものは、それぞれ、電解セルアセンブリ５００が動作する電気化学プラント内の電力回路（図示せず）に結合される、電力出力５３０および電力出力５３２である。いくつかの実施形態では、電力出力５３０および５３２が結合される電力回路は、図２に図示される可変制御可能電力回路２１８または図４に図示される可変制御可能電力回路４２０等の可変制御可能電力回路であるか、または、それを含み得る。

【0082】

図５に明示的に示されていないが、電解セルアセンブリ５００の多状態電解セルは、種々の組み合わせで、本明細書に説明される多状態電解セルのうちのいずれかの要素のうちのいずれかまたは全てを含み得る。いくつかの実施形態では、図５に示されるものよりも多い、少ない、または異なる要素が、それぞれの生産プロセス条件を維持するように電解セルアセンブリ５００に含まれてもよい。例えば、電解セルアセンブリ５００の多状態電解セルはそれぞれ、そのセルに関して全ての生産状態およびアイドル状態で生産プロセス条件の所定の組を維持するために使用可能である、１つ以上の監視および制御サブシステムおよび是正要素を含み得る。電解セルアセンブリ５００内の多状態電解セルが塩素アルカリプロセス以外の電気化学プロセスのために好適な化学性質を有する、実施形態では、生産プロセス条件の特定の所定の組およびそれらの条件を維持するために要求されるシステム要素は、電解セルアセンブリ５００内の多状態電解セルの化学性質に依存し得る。

【0083】

いくつかの実施形態では、図５に図示される電解セルアセンブリ５００の３つの多状態電解セル等の多状態電解セルのラックまたはスタックが、ある目的のために単一の「マクロセル」として扱われてもよい。図６は、いくつかの実施形態による、マクロセル６１４を含む、電解セルアセンブリ６００の選択された要素を図示するブロック図である。図示される実施形態では、マクロセル６１４は、３つの多状態電解セルを含む。より具体的に、マクロセル６１４は、セル６０６、６０８、および６１０として示される、３つの多状態電解セルを含む。他の実施形態では、マクロセル６１４は、２つの多状態電解セルまたは４つ以上の多状態電解セルを含む。

【0084】

図６に図示されるように、３つの多状態電解セル６０６、６０８、および６１０は、直列または並列に選択的に構成され得るそれぞれの抵抗要素として表され得る。図示される実施例では、マクロセル６１４は、直列または並列にマクロセル６１４内の３つの電解セルを選択的に構成するためのスイッチ６０４および６１２を含む。スイッチ６０４およびスイッチ６１２が、閉鎖されるとき、マクロセル６１４内の３つの電解セルは、並列に３つの抵抗要素として構成される。逆に、スイッチ６０４およびスイッチ６１２が、開放しているとき、マクロセル６１４内の３つの電解セルは、直列に３つの抵抗要素として構成される。

【0085】

いくつかの実施形態では、スイッチ６０４および６１２は、マクロセル６１４内、またはマクロセル６１４が常駐する電気化学プラント内の他の場所のリアルタイム監視および制御サブシステムを通して、集合的に、または個々に、デジタル信号によって制御され得る。いくつかの実施形態では、マクロセル６１４および追加の類似マクロセル内の一連のスイッチを制御することによって、セルの異なる集合が、並列構成と直列構成との間で切り替えられ得る。このように、ラックを横断する抵抗は、変化し得、これはまた、マクロセル６１４のそれぞれの中のセルのうちの種々のものの中の電極を横断して電位差を変化させ得る。いくつかの実施形態では、このアプローチは、生産状態の間で、または生産状態とアイドル状態との間で移行するために使用され得る。マクロセル内のセルのうちの種々のものの中の電極を横断して電位差を変化させるための他の方法も、他の実施形態で実装され得る。

【0086】

いくつかの実施形態では、多状態電解セルは、溶融塩の電解を使用して、着目生成物としてアルミニウム等の金属を抽出するように構成され得る。図７は、いくつかの実施形態による、高温アルミニウム生産プロセスのための多状態電解セルシステム７００の選択された要素を図示するブロック図である。

【0087】

図示される実施形態では、多状態電解セルシステム７００は、カソード７１０と、アノード７１６とを含む。いくつかの実施形態では、これらの電極の一方または両方が、鋼鉄から作製され得る。多状態電解セルシステム７００は、溶融電解質７２０を含むカソード側に電解質タンク７２２を含む。本実施例では、溶融電解質７２０は、氷晶石、すなわち、Ｎａ_３ＡｌＦ_６内の酸化アルミニウムであるか、または、それを含み得る。多状態電解セルシステム７００はまた、電解質７３０を含むアノード側に電解質タンク７３２も含む。いくつかの実施形態では、電解質７３０は、ヨウ化ナトリウム、塩化ナトリウム、または別のハロゲン化ナトリウム化合物であるか、または、それを含み得る。

【0088】

図７に図示されるように、多状態電解セルシステム７００は、それぞれ、タンク７２２および７３２内の電解質７２０と７３０との間のイオン経路としての役割を果たす、塩橋７１４を含み得る。多状態電解セルシステム７００はまた、生産状態の間で、または生産状態とアイドル状態との間で切り替わるために、電極を横断して特定の電位を印加するように構成される、可変制御可能電力回路７４０を含み得る。多状態電解セルシステム７００が、電極を横断する第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で動作しているとき、これは、生産プロセス条件の所定の組の下で動作し得る。例えば、加熱器回路７２４および７３４は、セルが生産状態で動作している間、生産プロセス条件の所定の組の一部として定義される温度範囲内で多状態電解セルシステム７００の温度を維持するように、それぞれ、制御信号７２６および７３６によって、必要に応じてアクティブ化またはアクティブ化解除され得る。加熱器回路７２４および７３４の一方または両方は、種々の実施形態では、複合加熱／冷却要素であるか、または、それを含み得る。生産プロセス条件の所定の組を維持するための他の是正要素が、多状態電解セルシステム７００に存在し得（図示せず）、セルが生産状態で動作している間、必要に応じて、アクティブ化、アクティブ化解除、または調節され得る。生産状態で動作するとき、セルは、多状態電解セルシステム７００から出力される着目生成物として、タンク７２２の底部に集合する溶融アルミニウム７２５および水７１８を生産する。

【0089】

図示される実施例では、多状態電解セルシステム７００は、それを通して溶融アルミニウム７２５が商業的流通のために着目生成物として吸い出され得る出力ポート７３５を含む。溶融アルミニウム７２５を生産する溶融塩電気化学プロセスはまた、タンク７２２の上部の近傍でスラグ７１２も生産する。多状態電解セルシステム７００が、第２のより低いゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で動作しているとき、いずれの着目生成物も生産されないが、生産プロセス条件の所定の組が、維持される。例えば、加熱器回路７２４および７３４は、セルがアイドル状態で動作している間、生産プロセス条件の所定の組の一部として定義される温度範囲内で多状態電解セルシステム７００の温度を維持するように、それぞれ、制御信号７２６および７３６によって、必要に応じてアクティブ化またはアクティブ化解除され得る。生産プロセス条件の所定の組を維持するための他の是正要素が、多状態電解セルシステム７００に存在し得（図示せず）、セルがアイドル状態で動作している間、必要に応じて、アクティブ化、アクティブ化解除、または調節され得る。

【0090】

種々の実施形態では、本明細書に説明される多状態電解セルのうちのいずれかまたは全ては、生産プロセス条件の所定の組を維持するための１つ以上のリアルタイム監視および制御サブシステムを含み得る。図８は、これらのシステム内の多状態電解セルが、電極を横断する第１のゼロではない電位差、またはゼロではない電位差の第１の範囲に関連付けられた生産状態で動作しているとき、およびいずれの着目生成物も生産されない、電極を横断する第２のゼロではない電位差、またはゼロではない電位差の第２の範囲に関連付けられたアイドル状態で動作しているとき、生産プロセスパラメータの所定の組を維持するための複数のリアルタイム監視および制御サブシステムを含む、多状態電解セルシステム８００の選択された要素を図示するブロック図である。

【0091】

図示される実施形態では、多状態電解セルシステム８００は、アノード８２０と、カソード８４０とを含む。多状態電解セルシステム８００はまた、電解質８３４を含むアノード側の電解質タンク８３８と、電解質８３６を含むカソード側の電解質タンク８５８とを含む。いくつかの実施形態では、電解質タンク８３８および電解質タンク８５８は、それぞれ、イオン経路のアノードおよびカソード側の単一のタンクの一部を表し得る。図８に図示されるように、多状態電解セルシステム８００は、電解質８３４と８３６との間に１つ以上のイオン経路８１４、８１６、または８１８を含み得る。例えば、イオン経路８１４、８１６、または８１８はそれぞれ、任意の組み合わせで、膜、塩橋、ガラス管、または別のタイプのイオン伝導性経路であるか、または、それを含み得る。

【0092】

図示される実施形態では、多状態電解セルシステム８００は、多状態電解セルシステム８００によって実施される電気化学プロセスの生成物を出力するための出力ポータル８０２および８０８を含む。多状態電解セルシステム８００はまた、電気化学プロセスによって使用または生産されるリソースを再生利用するための出力ポータル８２６および８３２と、システムの中への再生利用されるリソースの再導入のための入力ポータル８２４および８４８とを含む。また、図８に示されるものは、それぞれ、電解質８３４および８３６の上のヘッドガス８３０ａおよび８３０ｂである。いくつかの実施形態では、ヘッドガス８３０ａは、電気化学プロセスの酸化部分の結果として生産され得、ヘッドガス８３０ｂは、電気化学プロセスの対応する還元部分の結果として生産され得る。

【0093】

図８に図示されるように、多状態電解セルシステム８００は、セルが特定の生産状態またはアイドル状態であるときに電極を横断して好適な電位差を選択的に印加するために、可変ＤＣ電源８５２と、分極整流器８５４と、電力回路コントローラ８５６とを含む、可変制御可能電力回路８５０を含み得る。例えば、生産状態に関連付けられたゼロではない電位差が、生産プロセス条件の所定の組の下で着目生成物の生産を開始するように、可変制御可能電力回路８５０によって電極を横断して印加され得る。別の実施例では、アイドル状態に関連付けられたゼロではない電位差が、生産プロセス条件の所定の組を維持しながら、着目生成物の生産を削減するように、可変制御可能電力回路８５０によって電極を横断して印加され得る。いくつかの実施形態では、可変ＤＣ電源８５２および分極整流器８５４は、特定の生産状態またはアイドル状態で多状態電解セルシステム８００の動作を開始するために、電極を横断して好適な電位差を印加するように、電力回路コントローラ８５６によって制御され得る。いくつかの実施形態では、可変制御可能電力回路８５０はまた、図１に図示される配電網１３０等の配電網によって供給される電力、または図１に図示されるスケジュール不可能な電源１２０等のスケジュール不可能な電源によって直接または間接的に供給される電力の可用性または価格の変化に動的に反応することが可能であり得る。例えば、可変制御可能電力回路８５０の電力回路コントローラ８５６は、１つまたは複数の着目生成物の生産のために好適である電位差を、電極を横断して印加しながら、過剰な電力を止めさせる、または配電網に戻らせることが可能であり得る。逆に、可変制御可能電力回路８５０の電力回路コントローラ８５６は、配電網またはスケジュール不可能な電源によって供給される電力が、例えば、分極整流器８５４を使用する多状態電解セル８５８のためのカットイン電圧を下回って降下するとき、電極を横断する電位差がゼロまで降下しないように防止するように構成され得る。

【0094】

図８に図示される例示的実施形態では、出力ポータル８０２および８０８は、適切なヘッドガス背圧を維持するため、またはｐＨ平衡のため等に、生産プロセス条件の所定の組を維持するためのそれぞれの監視および制御サブシステム８０６および８１０を含む。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム８０６および８１０は、多状態電解セルシステム８００内の電流条件を示すデータを提供する、それらが常駐する出力ポータルの内側にセンサまたは他の測定デバイスを含み得る。他の実施形態では、監視および制御サブシステム８０６および８１０は、多状態電解セルシステム８００内の他の場所の種々のセンサまたは他の測定デバイスから、システム内の電流条件を示す情報を受信し得る。

【0095】

多状態電解セルシステム８００内の条件が、生産プロセス条件の所定の組と一致していない場合、追加のシステム要素が、システムを生産プロセス条件の所定の組にする、または戻すように、監視および制御サブシステム８０６および８１０によってアクティブ化され得る。例えば、出力ポータル８０２および８０８は、多状態電解セルのアノードまたはカソード側のヘッドガス圧が、所定のヘッドガス圧閾値を下回って降下し、それをヘッドガス圧値の定義された許容範囲等の生産プロセス条件の所定の組と一致する値に戻す場合、それぞれの監視および制御サブシステム８０６または８１０によってアクティブ化される、それぞれの背圧ポンプ８０４および８１０を含み得る。

【0096】

図８に図示されるように、多状態電解セルシステム８００は、活性種能濃度、パージ、または他の方法を通して生産プロセス条件の所定の組を維持するために、再循環ライン８２２等のシステムのアノード側の再循環ライン上に監視および制御サブシステム８２８を含み得る。再循環ライン８２２内の再生利用されるリソースを監視することに基づいて、活性種濃度または再生利用されるリソースの別の特性が生産プロセス条件の所定の組と一致していないことが決定される場合、監視および制御サブシステム８２８は、添加物の導入、電解溶液の希釈、または多状態電解セルシステム８００を生産プロセス条件の所定の組に戻すための不要な要素のパージ等の是正措置を開始し得る。例えば、監視および制御サブシステム８２８は、図４Ｂに図示される４６０等のパージ要素をアクティブにする、図４Ａおよび４Ｂに図示される酸４０４等の酸の添加を開始する、活性種の入力量を修正する、またはより多いまたは少ない再生利用されるリソースをシステムの中に導入するための制御信号を出力し得る。

【0097】

いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム８００は、温度、活性種濃度、イオン強度、またはｐＨ等の生産プロセス条件を制御または維持するために、システムのカソード側の再循環ライン上に監視および制御サブシステム８４４を含み得る。例えば、監視および制御サブシステム８４４は、１つ以上の温度センサ、ｐＨセンサ、または他の入出力デバイスから、多状態電解セルシステム８００内の条件を示す測定データを受信し得る。監視および制御サブシステム８２８に関して説明される監視および制御機能のうちのいずれかまたは全てを実施することに加えて、監視および制御サブシステム８４４は、１つ以上の加熱／冷却要素８４６をアクティブにし、入力リソース、多状態電解セルシステム８００の一部、または全体として多状態電解セルシステム８００の温度を、生産プロセス条件に関して規定される許容範囲内の値に戻し得る。

【0098】

特定の監視および制御サブシステムおよび是正要素が、図８に図示される多状態電解セルシステム８００内の具体的場所に示されるが、他の実施形態では、より多い、より少ない、または異なる監視および制御サブシステムおよび是正要素が、異なる組み合わせで生じてもよく、多状態電解セルシステム内の他の場所に常駐し得る。いくつかの実施形態では、単一の集中型中監視および制御サブシステムが、複数の分散型センサまたは測定デバイスから入力を受信し、制御信号を種々の是正要素に出力し、セルを生産プロセス条件の所定の組に戻し得る。

【0099】

図８に図示され、上記に説明されるものに類似するリアルタイム監視および制御要素は、これらのシステム内の多状態電解セルが、電極を横断する第１のゼロではない電位差に関連付けられた生産状態で動作しているとき、およびいずれの着目生成物も生産されない、電極を横断する第２のゼロではない電位差に関連付けられたアイドル状態で動作しているとき、生産プロセスパラメータの所定の組を維持するように、限定ではないが、図２、４Ａ、４Ｂ、７、および９に図示されるものを含む、他の多状態電解セルシステムで実装され得る。

【0100】

本明細書に説明される多状態電解セルを使用して実装され得る別のタイプの電気化学プロセスは、銀めっきプロセス等の電気めっきプロセスである。いくつかの実施形態では、電気めっきプロセスはまた、本明細書に説明されるように、生産状態の間で移行しながら、または生産状態とアイドル状態との間で移行しながら、生産プロセス条件の所定の組を維持する能力から利益を享受し得る。電気めっきプロセスは、図３に図示され、上記に説明される生産曲線と若干異なる生産曲線を使用して、説明され得る。電気めっきプロセスに関する例示的生産曲線が、図１０に図示され、下記に説明される。

【0101】

図９は、いくつかの実施形態による、電気めっきプロセスのための多状態電解セルシステム９００の選択された要素を図示するブロック図である。より具体的に、多状態電解セルシステム９００は、複数の標的９１４上に銀を電気めっきするために構成される。図示される実施形態では、多状態電解セルシステム９００は、アノード９１０と、ブリード回路９３６に結合されるカソード９１２とを含む。多状態電解セルシステム９００はまた、シアン銀溶液９１８を含む、単一のタンク９２４も含む。

【0102】

図９に図示されるように、多状態電解セルシステム９００は、分極整流器９２６と、可変制御可能ＤＣ電源９２８と、本明細書に説明されるように、可変制御可能ＤＣ電源を電極に選択的に結合し、アノードとカソードとを横断して特定の電位差を印加するためのスイッチ９３４とを含み得る。電極を横断して印加される電位差は、電気めっきが生じる生産状態、または電気めっきが生じないアイドル状態に対応し得る。いくつかの実施形態では、電気めっきが妥当な品質を伴って可能である、２つ以上の生産状態が存在し得る。多状態電解セルシステム９００が、生産状態で動作しており、標的９１４が、シアン銀溶液９１８の中に下げられるとき、めっきされるべき標的が、多状態電解セルシステム９００内の第３の電極として作用し、電気めっき反応が、開始される。

【0103】

図示される実施形態では、多状態電解セルシステム９００は、窒素等の電気めっきプロセスの生成物を出力するための出力ポート９２０を含む。出力ポート９２０は、この場合、窒素９１６、活性種濃度、温度、または他の条件として示される、プロセスによって生産されるヘッドガス上の圧力等の生産プロセス条件の所定の組を維持するためのリアルタイム監視および制御サブシステム９２２を含み得る。

【0104】

また、図９に示されるものは、多状態電解セルシステム９００内のリソースを再生利用するための再循環機構９３０である。いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム９００は、圧力、活性種濃度、温度、または他の条件等の生産プロセス条件の所定の組を制御または維持するためのリアルタイム監視および制御サブシステム９３２を含み得る。

【0105】

いくつかの実施形態では、多状態電解セルシステム９００の電極を横断して電位差を制御することによって、生産状態からアイドル状態に移行する能力は、電気めっき動作の標的９１４が、アイドル状態で動作している間に標的９１４上に銀の複数の層を堆積させるための動作の前または合間、清浄化または不動態化されることを可能にし得る。例えば、第１の層を堆積させる前に、アイドル状態に関連付けられた電位差が、電極を横断して印加され得る。セルがアイドル状態で動作している間、標的は、清浄化され得る。続いて、生産状態に関連付けられた電位差が、電極を横断して印加され得る。本状態では、第１の層が、標的９１４上に堆積され得る。第１の層の堆積に続いて、アイドル状態に関連付けられた電位差が、電極を横断して再び印加され得る。セルがアイドル状態で動作している間、標的は、生産状態に関連付けられた電位差が第２の層等を堆積させるために電極を横断して再び印加される前に、清浄化または不動態化され得る。

【0106】

図１０は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気めっきプロセスに関する生産曲線１０００を図示する。より具体的に、生産曲線１０００は、多状態電解セル内に流動する電流（ｉ）を、多状態電解セルのアノードとカソードとの間の対応する電位差（Ｖ）にマップする。生産曲線に沿った特定の点は、多状態電解セルのそれぞれの状態を表す。図１０では、ｙ軸上で１０１２として標識される電流値は、電極の間の電位差がゼロであるときの負の電流を表し得る。１０１６として標識される電圧値は、めっきが生じるが、低品質である、カットイン電圧に対応する、半セル電位、すなわち、またはＥ_１／２を表し得る。生産曲線１０００上の点１０１８は、良質なめっきのための標的生産点を表し得る。

【0107】

図１０では、生産曲線１０００上の点１０１４は、いずれの着目生成物も生産されず、いずれのめっきも生じない、アイドル状態を表すが、多状態電解セルがアイドル状態で動作するプロセス条件は、多状態電解セルが生産状態態で動作する所定のプロセス条件と同一である。また、図１０に示されるものは、アンダーポテンシャル析出領域１０１５および１０１０として示される逆電流の領域である。

【0108】

図１１は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルを使用する電気化学プロセスを制御する方法１１００の選択された要素を図示するフロー図である。

【0109】

１１０２では、方法１１００は、着目生成物が多状態電解セルによって生産される生産状態に関連付けられた生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、多状態電解セルを構成するステップを含む。例えば、限定ではないが、生産のために好適な活性種の濃度を含む電解質溶液、または生産のために好適なｐＨを達成するために必要とされる種々の添加物を含む、生産プロセス入力が、多状態電解セルの中に導入され得る。加えて、加熱要素、冷却要素、背圧ポンプ、またはスイッチ等の１つ以上のコンポーネントが、多状態電解セルを生産プロセス条件の所定の組に到達させるためにアクティブ化され得る。

【0110】

１１０４では、方法は、多状態電解セルのアノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加するように、可変制御可能電力回路を構成するステップを含み、第１のゼロではない電位差は、生産状態に関連付けられる。一実施例では、オペレータが、電力源の選択または電極を横断する電位差の増減を制御し得る。別の実施例では、電力源の選択または電極を横断する電位差の増減は、そのうちのいくつかがスケジュール不可能な電源であり得る種々の源からの電力の可用性、および多状態電解セルシステム内の電流条件に基づいて、自動的に制御され得る。

【0111】

１１０６では、方法１１００は、生産プロセス条件の所定の組の下で着目生成物の生産を開始することを含む。

【0112】

１１０８では、方法は、着目生成物の生産を開始することに続いて、多状態電解セルのアノードとカソードとを横断して第２のゼロではない電位差を印加するように、可変制御可能電力回路を構成することを含み、第２のゼロではない電位差は、生産プロセス条件の所定の組が多状態電解セル内で維持されるが、着目生成物が生産されない、アイドル状態に関連付けられる。多状態電解質セルが、生産状態で動作するときに２つ以上の着目生成物を生産する、いくつかの実施形態では、着目生成物のうちのいずれも、アイドル状態である間に生産され得ない。

【0113】

１１１０では、多状態電解セルがアイドル状態にされたことに続いて、方法１１００は、アノードとカソードとを横断して第１のゼロではない電位差を印加し、１つまたは複数の着目生成物の生産を再開するように、可変制御可能電力回路を構成することを含む。いくつかの実施形態では、１１０８および１１１０に示される動作は、電力の可用性または価格の変化に応答するように、または他の理由により、任意の回数で交互様式において繰り返され得る。

【0114】

図１２は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルの生産プロセス条件の組を維持する方法１２００の選択された要素を図示するフロー図である。種々の実施形態では、図１２に示される動作はそれぞれ、多状態電解セルのそれぞれの監視および制御サブシステムによって実施され得る。いくつかの実施形態では、図１２に示される複数の動作が、単一の監視および制御サブシステムによって実施され得るか、または、図１２に示される動作の全てが、単一の監視および制御サブシステムによって実施され得る。

【0115】

１２０２では、方法１２００は、図１１を参照して上記に説明されるように、生産プロセス条件の所定の組の下で動作するように、多状態電解セルを構成することを含む。１２０４では、方法は、多状態電解セルが動作している条件を監視し始めることを含む。

【0116】

１２０６では、多状態電解セルがもはや生産プロセス条件の所定の組の下で動作していないことが決定される場合、方法１２００は、１２０８に進み得る。そうでなければ、方法１２００は、多状態電解セルがもはや生産プロセス条件の所定の組の下で動作しなくなるまで、またはその場合を除いて、１２０６に戻り得る。

【0117】

１２０８では、多状態電解セルが生産プロセス条件の所定の組の一部として定義される温度範囲等の所定の許容温度範囲外で動作していることが決定される場合、方法は、１２１０に進み得る。そうでなければ、方法は、１２１２において継続し得る。

【0118】

１２１０では、方法１２００は、加熱または冷却要素をアクティブにし、多状態電解セルまたはそのコンポーネントの温度を所定の許容温度範囲に戻すことを含む。例えば、システムは、異なる実施形態では、セル、セルへの入力、またはセルに近接するシステムの要素を加熱または冷却するためのセルあたりまたはラックあたりそれぞれの加熱または冷却要素を含み得る。

【0119】

１２１２では、多状態電解セルが生産プロセス条件の所定の組の一部として定義されるヘッドガス圧範囲等の所定の許容ヘッドガス圧範囲外のヘッドガス圧とともに動作していることが決定される場合、方法は、１２１４に進み得る。そうでなければ、方法は、１２１６において継続し得る。

【0120】

１２１４では、方法１２００は、多状態電解セルの一部内で背圧を印加し、または印加を低減させ、ヘッドガス圧を、セルのその部分に関する所定の許容ヘッドガス圧範囲に戻すことを含む。例えば、方法は、背圧ポンプまたは旋回弁をアクティブにし、セルの影響を受けた部分内のヘッドガス圧を増加または減少させることを含み得る。

【0121】

１２１６では、多状態電解セルが生産プロセス条件の所定の組の一部として定義されるｐＨ範囲等の所定の許容ｐＨ範囲外のｐＨとともに動作していることが決定される場合、方法は、１２１８に進み得る。そうでなければ、方法は、１２２０において継続し得る。

【0122】

１２１８では、方法１２００は、酸または塩基を多状態電解セルの中に導入し、ｐＨを所定の許容ｐＨ範囲に戻すことを含む。

【0123】

１２２０では、多状態電解セルが生産プロセス条件の所定の組の一部として定義される範囲等の所定の許容範囲外の電解質内の活性種の量または割合とともに動作していることが決定される場合、方法は、１２２２に進み得る。そうでなければ、方法は、１２２４において継続し得る。

【0124】

１２２２では、方法１２００は、電解質内の活性種の量または割合の添加または低減を開始し、所定の許容範囲に戻すことを含む。例えば、新鮮または再生利用されるプロセスリソース、または他の添加物が、入力パイプまたはポータルにおいて電解質の中に導入され得る、または水または別の物質が、活性種の濃度を希釈するように電解質に添加され得る。

【0125】

１２２４では、多状態電解セルが生産プロセス条件の異なる所定の組の下での動作のために再構成されることが決定される場合、方法１２００は、１２０６に戻り、適宜、１２０８－１２２４として示される動作のうちの１つ以上のものを繰り返すステップを含み得る。そうでなければ、方法１２００は、１２０４に戻り、適宜、１２０６－１２２４として示される動作のうちの１つ以上のものを繰り返し得る。生産プロセス条件の所定の組は、図１２に図示される、または本明細書に議論されるもの以外の条件に関して、容認可能な値または値の範囲を規定し得ることを留意されたい。これらの追加の条件はまた、監視され得、それらが所定の生産プロセス条件外であることが見出されるとき、是正措置をトリガし得る。

【0126】

図１３は、いくつかの実施形態による、多状態電解セルのための監視および制御サブシステム１３００の選択された要素を図示するブロック図である。例えば、監視および制御サブシステム１３００は、図８に図示される監視および制御サブシステム８０６、８１０、８２８、または８４４、図９に図示される監視および制御サブシステム９２２または９３２、または図８に図示される電力回路コントローラ８５６等の可変制御可能電力回路に関連付けられた監視および制御サブシステムを含む、本明細書に説明される監視および制御サブシステムのうちの複数のもののいずれかを表し得る。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム１３００は、多状態電解セルシステム内またはその多状態電解セルのうちのいずれかの中の条件の変化にリアルタイムで応答し、是正措置を講じ、システムを生産プロセス条件の所定の組に戻す、リアルタイム監視および制御サブシステムであり得る。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム１３００は、複数の利用可能な電力源のうちの１つの選択を制御するように、または多状態電解セルの電極を横断して印加される電位差を制御し、１つ以上の生成物が生産される特定の生産状態、またはいずれの生成物も生産されないアイドル状態時のセルの動作を開始するように構成され得る。

【0127】

図１３に図示されるように、監視および制御サブシステム１３００は、１つ以上のプロセッサ１３１０と、データ１３２２およびプロセッサ１３１０によって実行可能な命令１３２４を含む、メモリ１３２０とを含み得る。監視および制御サブシステム１３００はまた、それを通して監視および制御サブシステム１３００が通信し、データ、コマンド、または制御信号を種々の入出力デバイス１３５０と交換し、本明細書に説明される方法を実施し得る１つ以上の入出力インターフェース１３３０を含み得る。入出力デバイスは、例えば、種々のセンサ、キーボード、または他のユーザ入力デバイスのうちのいずれか、ディスプレイ、タッチデバイス、スイッチ、アクチュエータ、加熱または冷却要素、背圧ポンプ、または入力を提供し、多状態電解セル内の電気化学生産プロセスを制御するように監視および制御サブシステム１３００によって制御され得るシステムの任意の他の機械または電気コンポーネントを含み得る。監視および制御サブシステム１３００はまた、それを通して監視および制御サブシステム１３００が通信し、データ、コマンド、または制御信号をネットワーク１３６０内の種々の遠隔デバイス１３６５と交換し、本明細書に説明される方法を実施し得る１つ以上のネットワークインターフェース１３４０を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、入力またはコマンドが、プラント自体の外側に位置する電気化学プラントのための中心制御システム等の遠隔システムから監視および制御サブシステム１３００によって受信され得る。プロセッサ１３１０、メモリ１３２０、入出力インターフェース１３３０、およびネットワークインターフェース１３４０は、相互結線１３０２を経由して相互に結合され得る。

【0128】

種々の実施形態では、入力が、キーボードおよびマウスを使用して、またはタッチデバイス（図示せず）を使用して、オペレータ、管理者、または別のユーザによって監視および制御サブシステム１３００に提供され得る。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム１３００の動作のうちの少なくともいくつかは、完全に自動化され得る。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム１３００の動作のうちの少なくともいくつかは、安全上の理由により、または多状態電解セルシステム内の予期しない条件に応答して等、必要である場合、オペレータまたは管理者が自動特徴をオーバーライドするためのオプションを伴って自動化され得る。

【0129】

入出力インターフェース１３３０は、例えば、種々の通信インターフェース、グラフィックインターフェース、ビデオインターフェース、ユーザ入力インターフェース、および／または周辺インターフェースを表し得る。いくつかの実施形態では、オペレータまたは管理者が、ユーザインターフェースを通して、生産状態およびアイドル状態の両方で維持されるべき生産プロセス条件を定義し得るオペレータまたは管理者が、多状態電解セルの電極を横断して印加されるべき電位差を選択し、多状態電解セルを特定の生産状態またはアイドル状態にし得る。いくつかの実施形態では、監視および制御サブシステム１３００は、入出力インターフェース１３３０を通して、多状態電解セルの電流条件を示すデータを種々のセンサから自動的に受信し、電流条件の変化または受電された電力の可用性の変化を検出するように、かつ電極を横断する電位差を変化させる、または是正要素をアクティブにし、セルを生産プロセス条件の所定の組に戻すとき、およびそうするかどうかを決定するように、構成され得る。例えば、電極を横断する電位差が、セルを異なる状態にするように変化されるべきであること、または是正要素が、セルを生産プロセス条件の所定の組に戻すようにアクティブ化されるべきであることを決定することに応答して、監視および制御サブシステム１３００は、制御信号を背圧ポンプ、アクチュエータ、スイッチ、加熱または冷却要素、またはシステムの任意の他の機械または電気コンポーネントに伝送し、決定された変化をもたらすように構成され得る。

【0130】

相互結線１３０２は、種々の好適なタイプのバス構造、例えば、選択された実施形態では種々のバスアーキテクチャを使用する、メモリバス、周辺バス、またはローカルバスを表し得る。例えば、そのようなアーキテクチャは、限定ではないが、マイクロチャネルアーキテクチャ（ＭＣＡ）バス、業界標準アーキテクチャ（ＩＳＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、周辺コンポーネント相互接続（ＰＣＩ）バス、ＰＣＩ－エクスプレスバス、ハイパートランスポート（ＨＴ）バス、およびビデオエレクトロニクススタンダーズアソシエーション（Ｖｉｄｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ＶＥＳＡ）ローカルバスを含み得る。

【0131】

図１３では、ネットワークインターフェース１３４０は、監視および制御サブシステム１３００とネットワーク１３６０との間のインターフェースとしての役割を果たすように動作可能である、好適なシステム、装置、またはデバイスであり得る。ネットワークインターフェース１３４０は、監視および制御サブシステム１３００が、異なる実施形態では、限定ではないが、伝送プロトコルおよび／または規格を含む、好適な伝送プロトコルおよび／または規格を使用して、ネットワークを経由して通信することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、ネットワークインターフェース１３４０は、ネットワーク１３６０を介して種々の遠隔デバイス１３６５に通信可能に結合され得る。ネットワーク１３６０は、ストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ）、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）、イントラネット、インターネット、または信号、データ、および／またはメッセージ（概して、データと称される）の通信を促進する別の適切なアーキテクチャまたはシステムとして実装され得る、またはその一部であり得る。ネットワーク１３６０は、限定ではないが、ファイバチャネル、フレームリレー、非同期転送モード（ＡＴＭ）、インターネットプロトコル（ＩＰ）、他のパケットベースのプロトコル、小型コンピュータシステムインターフェース（ＳＣＳＩ）、インターネットＳＣＳＩ（ｉＳＣＳＩ）、シリアルアタッチトＳＣＳＩ（ＳＡＳ）またはＳＣＳＩプロトコルとともに動作する別のトランスポート、アドバンストテクノロジーアタッチメント（ＡＴＡ）、シリアルＡＴＡ（ＳＡＴＡ）、アドバンストテクノロジーアタッチメントパケットインターフェース（ＡＴＡＰＩ）、シリアル記憶アーキテクチャ（ＳＳＡ）、統合ドライブエレクトロニクス（ＩＤＥ）、および／またはそれらの任意の組み合わせを含む、所望の記憶および／または通信プロトコルを使用して、データを伝送し得る。ネットワーク１３６０および／またはそれに関連付けられた種々のコンポーネントは、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの任意の組み合わせを使用して、実装され得る。

【0132】

図１３で描写されるように、プロセッサ１３１０は、プログラム命令および／またはプロセスデータを解釈および／または実行するように動作可能なシステム、デバイス、または装置を備えてもよく、プログラム命令および／またはプロセスデータを解釈および／または実行するように構成される、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または別のデジタルまたはアナログ回路を含み得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ１３１０は、ローカルで（例えば、メモリ１３２０内に）記憶されたプログラム命令および／またはプロセスデータを解釈および／または実行し得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ１３１０は、遠隔で（例えば、示されていないネットワーク１３６０上のネットワーク記憶リソース内に）記憶されたプログラム命令および／またはプロセスデータを解釈および／または実行し得る。

【0133】

メモリ１３２０は、ある時間周期にわたってプログラム命令および／またはデータを留保する、および／または読み出すように動作可能なシステム、デバイス、または装置を備え得る（例えば、コンピュータ読み取り可能な媒体）。メモリ１３２０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＰＣＭＣＩＡカード、フラッシュメモリ、磁気記憶装置、光磁気記憶装置、ハードディスクドライブ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ＣＤ－ＲＯＭまたは他のタイプの回転記憶媒体またはソリッドステート記憶媒体、または監視および制御サブシステム１３００への電力が切られた後にデータを留保する好適な一連またはアレイの揮発性または不揮発性メモリを備え得る。

【0134】

種々の実施形態では、監視および制御サブシステム１３００の任意の特定のインスタンスは、監視および制御サブシステム１３００のインスタンスが動作しているコンテキストのために適宜、図１３に図示されるものよりも多い、少ない、または異なるコンポーネントを含み得る。

【0135】

上記の開示される主題は、制限的ではなく例証的と見なされるものであり、添付の請求項は、本開示の真の精神および範囲内に該当する、全てのそのような修正、向上、および他の実施形態を網羅することを意図している。したがって、法によって許容される最大の程度に、本開示の範囲は、以下の請求項およびそれらの均等物の最も広義の許容できる解釈によって決定されることとなり、前述の発明を実施するための形態によって制限または限定されないものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4-1】

【図4-2】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】