特表 2024-527486 水素及び二酸化炭素の電気化学的生成のための高速流体速度セル設計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-25

(54)【発明の名称】水素及び二酸化炭素の電気化学的生成のための高速流体速度セル設計

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20240718BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 1/01 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 15/031 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 15/033 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 9/21 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 11/052 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 11/081 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 11/077 20210101ALI20240718BHJP

   C25B 11/075 20210101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B1/01 Z

C25B15/031

C25B15/033

C25B9/21

C25B11/052

C25B11/081

C25B11/077

C25B11/075

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023577244

(86)(22)【出願日】2022-05-11

(85)【翻訳文提出日】2023-12-13

(86)【国際出願番号】 US2022028750

(87)【国際公開番号】W WO2022240974

(87)【国際公開日】2022-11-17

(31)【優先権主張番号】63/186,905

(32)【優先日】2021-05-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/187,519

(32)【優先日】2021-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＰＹＴＨＯＮ

２．ＪＡＶＡ

３．ＳＷＩＦＴ

(71)【出願人】

【識別番号】513180152

【氏名又は名称】エヴォクア ウォーター テクノロジーズ エルエルシー

【氏名又は名称原語表記】Ｅｖｏｑｕａ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100225060

【弁理士】

【氏名又は名称】屋代 直樹

(72)【発明者】

【氏名】ジョシュア グリフィス

(72)【発明者】

【氏名】リーシアン リャン

(72)【発明者】

【氏名】サイモン ピー デュークス

(72)【発明者】

【氏名】ベンジャミン サッターフィールド

(72)【発明者】

【氏名】ザッカー カシム フェティグ

【テーマコード（参考）】

4K011

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K011AA30

4K011AA31

4K011AA33

4K011AA34

4K011AA49

4K011DA01

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021BA03

4K021BB02

4K021BB05

4K021CA10

4K021DB06

4K021DB31

4K021DC03

(57)【要約】

炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置が開示される。この装置は、アノード区画の第１の側に配置されたアノードを有するアノード区画と、カソード区画の第１の側に配置されたカソードを有するカソード区画と、を含む。装置はさらに、アノード区画の第２の側に配置された第１の陽イオン透過性流体セパレータと、陽イオン区画の第２の側に配置された第２の陽イオン透過性流体セパレータと、を含む。中心区画は、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される。装置はさらに、アノード区画、カソード区画、および中心区画のそれぞれを通る水の流れを独立して制御するように構成された流れ制御システムを含む。この装置を使用して海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法も開示される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置であって、
陽極コンパートメント、
陽極区画の第１の側に配置された陽極、
陰極コンパートメント、
陰極コンパートメントの第１の側に配置された陰極、
アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータ、
カチオン性区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータ、
第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定された中央区画と、アノード区画、カソード区画、および中央区画のそれぞれを通る水の流れを独立して制御するように構成された流れ制御システムと、を含む装置。

【請求項2】

前記アノード区画、前記陰極区画、および前記中央区画の各々に流体的に接続可能な水源をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記中央区画の下流側に配置され、前記中央区画からの流出物のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記ｐＨセンサから前記中央区画から前記流出液のｐＨの測定値を受け取り、前記中央区画を通る前記水の流量または前記アノードおよびカソードを横切って印加される電流の一方または両方を調整して、前記中央区画からの前記流出液のｐＨを所定のレベルに維持するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記所定レベルは、前記中央区画からの前記流出物中の炭酸塩種の大部分がH₂CO₃として存在する水準で請求項４に記載の機器。

【請求項6】

前記コントローラは、前記中央区画からの前記流出物のｐＨを約２．５～約６．５の範囲内に維持するように構成される、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記陽極区画、前記陰極区画、および前記中央区画からの１つまたは複数の流出物の導電率を測定するように構成された導電率センサをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記コントローラは、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記カソードコンパートメントを通る前記水の流量を調整するようにさらに構成される、請求項７に記載の装置。

【請求項9】

前記コントローラは、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記アノード区画から前記陰極区画への流出物の流量を調整するようにさらに構成される、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記コントローラは、前記陰極区画を通る前記水の流量を、前記陰極上にスケールの形成をもたらさない流量に調整するようにさらに構成される、請求項７に記載の装置。

【請求項11】

前記コントローラは、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記アノード区画を通る前記水の流量を調整するようにさらに構成される、請求項７に記載の装置。

【請求項12】

前記コントローラは、前記アノードのブラインドをもたらさない流量まで、前記アノード区画を通る前記水の流量を最小化するようにさらに構成される、請求項７に記載の装置。

【請求項13】

前記アノード区画からの流出物の少なくとも一部を前記アノード区画の入口に再循環させるように構成された再循環線をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項14】

前記カソード区画からの流出物の少なくとも一部を前記カソード区画の入口に再循環させるように構成された再循環線をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項15】

前記アノード区画からの流出物の少なくとも一部を前記陰極区画の前記入口に再循環させるように構成された第２の再循環線をさらに備える、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記中央コンパートメントから前記中央コンパートメントの入口への流出物の少なくとも一部を再循環するように構成された再循環線をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項17】

前記中央区画からの流出物の少なくとも一部を、前記アノード区画の入口および前記陰極区画の入口の一方または両方に再循環させるように構成された再循環線をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項18】

前記アノード区画、前記カソード区画、または前記中央区画のうちの１つまたは複数から、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つまたは複数を除去するように構成されたガス回収システムをさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項19】

前記ガス回収システムが、１つ以上の真空ストリッパを含む、請求項１８に記載の装置。

【請求項20】

前記アノードが、亜酸化イリジウム、マグネリ相二酸化チタン、ステンレス鋼、イリジウム－コバルト（Ir－Co）、イリジウム－タンタル（Ir－Ta）、または他のイリジウムもしくはタンタル種のうちの１つを含む酸素発生コーティングを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項21】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法であって、
アノード区画、陰極区画、および電解セルの中央区画のそれぞれに海水を導入する工程であって、
陽極、
陰極、
アノードから離間され、アノードコンパートメントを画定する第１のカチオン透過性流体セパレータ、
陰極から離間され、陰極コンパートメントを画定する第２のカチオン透過性流体セパレータ、
第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される中心区画と、アノード区画、陰極区画、および中心区画のそれぞれを通る海水の流れを独立して制御するように構成される流量制御システムと、を含む、システム、
中央区画を通る流量または陽極およびカソードを横切る電流の一方または両方を、所定の範囲内のｐＨを示す中央区画からの流出物をもたらすレベルに維持することと、カソード上のスケールの形成を軽減するレベルでカソード区画を通る流量を維持することとのうちの１つまたは両方を行うこと、
陽極区画、中央区画、またはカソード区画のうちの１つまたは複数からの流出物から、それぞれ、陽極のブラインドを緩和するレベルで、陽極区画を通る流量を維持すること、および、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つまたは複数を除去することからなる方法。

【請求項22】

前記陰極区画を通る前記流量を、前記陰極上のスケールの形成を緩和する最低レベルに維持することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記陽極区画を通る前記流量を、前記陽極のブラインドを緩和する最低レベルに維持することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項24】

前記アノード区画に導入された海水と共に、前記アノード区画からの流出物の一部を前記アノード区画の入口に導入することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項25】

前記アノード区画に導入された海水と共に、前記アノード区画からの流出物の一部を前記陰極区画の入口に導入することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項26】

前記アノード区画に導入された海水と共に、前記アノード区画からの流出物の一部を前記アノード区画の入口に導入することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項27】

前記中央コンパートメントからの前記流出物の一部を、前記中央コンパートメントの入口に導入することをさらに含み、前記海水が前記中央コンパートメントに導入される、請求項２１に記載の方法。

【請求項28】

前記アノード区画、前記カソード区画、または前記中央区画のうちの少なくとも１つを通る前記流量を、前記アノード区画、前記カソード区画、または前記中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項29】

前記カソード区画を通る前記流量を、前記中央区画を通る前記流量よりも高い流量に維持することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は３５U．S．C§１１９（e）に基づく優先権を主張し、２０２１年５月１１日に出願された「HIGH FLUID VELOCITY CELL DESIGN FOR THE ELECTROCHEMICAL GENERATION OF HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE」と題された米国仮出願第６３／１８６，９０５号および２０２１年５月１２日に出願された「METHOD OF OPERATING ELECTROCHEMICAL HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE GENERATOR」と題された米国仮出願第６３／１８７，５１９号に対する優先権を主張する。これらの出願の各々は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【技術分野】

【0002】

本明細書に開示される態様および実施形態は、二酸化炭素（CO₂）および水素（H₂）を生成および捕捉するために海水を酸性化するための装置および方法に関する。

【発明の概要】

【0003】

一態様によれば、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置が提供される。装置は、アノード区画の第１の側に配置されたアノードを有するアノード区画と、陰極区画の第１の側に配置された陰極を有する陰極区画とを含むことができる。装置は、アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータを含むことができる。装置はさらに、陰極区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータを含む。装置は、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定された中心区画をさらに含み得る。装置はさらに、アノード区画、陰極区画、および中央区画のそれぞれを通る水の流れを独立して制御するように構成された流れ制御システムを含むことができる。

【0004】

さらなる実施形態では、装置がアノード区画、陰極区画、および中央区画のそれぞれに流体的に接続可能な水源、例えば、海水を含んでもよい。

【0005】

さらなる実施形態では、装置が中央区画の下流側に配置され、中央区画からの流出物のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサを含むことができる。特定の実施形態では、装置がｐＨセンサから中央区画から流出液のｐＨの測定値を受け取り、中央区画を通る水の流量または陽極および陰極にわたって印加される電流の一方または両方を調整して、中央区画からの流出液のｐＨを所定のレベルに維持するように構成されたコントローラを含むことができる。所定レベルは、中央区画からの流出物中の炭酸塩種の大部分が炭酸、すなわちH₂CO₃として存在する水準である。

【0006】

いくつかの実施形態では、制御部が中央区画からの流出物のｐＨを約２.５～約６.５の範囲内に維持するように構成されてもよい。

【0007】

さらなる実施形態では、装置がアノード、カソード、および中央区画からの１つまたは複数の流出物の導電率を測定するように構築および配置された導電率センサをさらに含むことができる。さらなる実施形態では、制御部が導電率センサからの導電率測定値に応答して、カソード区画を通る水の流量を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、制御部が導電率センサからの導電率測定に応答して、アノード区画からカソード区画への流出物の流量を調整するように構成されてもよい。さらなる実施形態では、制御部が陰極区画を通る水の流量を、陰極上にスケールの形成をもたらさない流量に調整するように構成されてもよい。さらなる実施形態では、制御部が導電率センサからの導電率測定値に応答して、アノード区画を通る水の流量を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、制御部がアノードのブラインドをもたらさない流量まで、アノード区画を通る水の流量を最小化するように構成されてもよい。

【0008】

さらなる実施形態では、装置がアノード区画からの流出物の少なくとも一部をアノード区画の入口に再循環させるように構成された再循環線を含むことができる。

【0009】

さらなる実施形態では、装置がカソード区画からの流出物の少なくとも一部をカソード区画の入口に再循環させるように構成された再循環線を含むことができる。さらなる実施形態では、装置がアノード区画からカソード区画の入口への流出物の少なくとも一部を再循環させるように構成された第２の再循環線を含むことができる。

【0010】

さらなる実施形態では、装置が中央区画から中央区画の入口まで流出物の少なくとも一部を再循環させるように構成された再循環線を含むことができる。さらなる実施形態では、装置が中央区画からの流出物の少なくとも一部を、アノード区画および陰極区画の一方または両方の入口に再循環するように構成された再循環線を含んでもよい。

【0011】

さらなる実施形態では、装置がアノード区画、陰極区画、または中央区画のうちの１つまたは複数からの流出物のうちの１つまたは複数から、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つまたは複数を除去するように構成されたガス回収システムを含み得る。いくつかの実施形態では、ガス回収システムが１つまたは複数の真空ストリッパを含むことができる。

【0012】

いくつかの実施形態では、アノードが酸化イリジウムまたはマグネリ相チタン亜酸化物のうちの１つを含む酸素発生コーティングを含む。いくつかの実施形態では、アノードがステンレス鋼、イリジウム－コバルト（Ir－Co）、イリジウム－タンタル（Ir－Ta）、または他のイリジウム種もしくはタンタル種のうちの１つを含む合金を含んでもよい。

【0013】

一態様によれば、海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法が提供される。本方法は、アノード区画、陰極区画、および電解セルの中央区画のそれぞれに海水を導入することを含み得る。本方法は、中央区画を通る流量、または陽極およびカソードを横切る電流の一方または両方を、所定の範囲内のｐＨを示す中央区画からの流出物をもたらすレベルに維持することを含み得る。本方法は、陰極区画を通る流量を、陰極上のスケールの形成を軽減するレベルに維持することをさらに含み得る。本方法は、陽極区画を通る流量を、陽極のブラインドを軽減するレベルに維持することをさらに含み得る。この方法はアノード区画、中央区画、またはカソード区画のうちの１つまたは複数から、それぞれ、流出物から水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つまたは複数を除去することをさらに含み得る。電解セルは陽極と、カソードと、陽極から離間し、陽極区画を画定する第１のカチオン透過性流体セパレータと、カソードから離間し、カソード区画を画定する第２のカチオン透過性流体セパレータと、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される中心区画と、陽極区画、カソード区画、および中心区画の各々を通る海水の流れを独立して制御するように構成される流量制御システムとを含み得る。

【0014】

さらなる実施形態では、本方法が陰極区画を通る流量を、陰極上のスケールの形成を軽減する最低レベルに維持することを含んでもよい。

【0015】

さらなる実施形態では、本方法が陽極コンパートメントを通る流量を、陽極のブラインドを軽減する最低レベルに維持することを含んでもよい。

【0016】

さらなる実施形態では、本方法が海水がアノード区画に導入された状態で、アノード区画からの流出物の一部をアノード区画の入口に導入することを含んでもよい。

【0017】

さらなる実施形態では、本方法が海水がアノード区画に導入された状態で、アノード区画からの流出物の一部を陰極区画の入口に導入することを含んでもよい。

【0018】

さらなる実施形態では、本方法が海水が中央区画に導入された状態で、中央区画からの流出物の一部を中央区画の入口に導入することを含むことができる。

【0019】

さらなる実施形態では、方法がアノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つを通る流量を、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持することを含み得る。

【0020】

さらなる実施形態では、本方法がカソード区画を通る流量を、中央区画を通る流量よりも高い流量に維持することを含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【0021】

添付の図面は、一定の縮尺で描かれていない。図面では、様々な図に示されている各同一またはほぼ同一の構成要素が同様の符号によって表されている。明確にするために、すべての構成要素がすべての図面においてラベル付けされているわけではない。

【図1】炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するためのイオン交換媒体を含有する既存の電気化学セルを示す図である。

【図2】一実施形態による、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置を図示する図である。

【図3】代替実施形態による、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置を図示する図である。

【図4】図４Ａ～４Ｃは、異なる実施形態による、装置のための陽極および陰極構成を図示する。図４Ａは、平行板配置を示す。図４Ｂは、同心管配置を示す。図４Ｃは、螺旋状に巻かれた構成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

世界の海洋の総炭素含有量は、約３８，０００ギガトン（ＧＴ）である。この炭素の９５％の世界の海洋の総炭素含有量は、約３８，０００ギガトン（ＧＴ）である。この炭素の９５％以上が溶解した重炭酸イオン（HCO₃は、以下参照）の形態である。この重炭酸イオンは炭酸イオン（CO₃ ^2-）と共に、海洋深さの最初の１００メートル未満で比較的一定である海洋のｐＨを緩衝し、維持する役割を果たす。海洋中に存在する溶存重炭酸イオンおよび炭酸イオンは効果的に結合したCO₂であり、これらの種の濃度の合計は溶存気体CO₂とともに、海水の総二酸化炭素濃度［CO₂］Tを表す。

【0023】

錯体炭酸水素塩－炭酸塩緩衝系によって比較的一定に保たれた典型的な海洋ｐＨ７．８では、［CO₂］Tは地表付近で約２０００μモル／kgであり、３００メートル未満の深さで約２４００μモル／kgである。これは、約１００mg／Lの［CO₂］Tに相当する。海洋中の合計CO₂のうち、約２～３％が溶解気体CO₂であり、約１％が溶解炭酸イオンとして存在し、残りの約９６％が溶解炭酸水素イオンとして存在する。CO₂とその種々のイオン形態を含む水の平衡状態と濃度は、水のｐＨに依存することが知られている。例えば、海水ｐＨ４．５では、海水中の全炭酸塩種の９９％が炭酸H₂CO₃として存在する。したがって、HCO₃をH₂CO₃に変換するために、海水のｐＨを低下させることができる。

【0024】

水中に溶解したCO2は、式１に示すようにH₂CO₃と平衡状態にある。
CO₂+H₂O⇔H₂CO₃（１）

【0025】

世界の海洋の総炭素含有量は、約３８，０００ギガトン（GT）である。この炭素の９５％水和平衡定数は１．７０×１０^?3である。これは、H₂CO₃が水中で安定ではなく、気体CO₂がｐＨ４．５で容易に解離し、海水が酸性化されると、CO₂を脱気またはストリッピングによって容易に除去して、不安定なH₂CO₃が主な炭酸塩種に脱プロトン化されることを確実にすることを示す。

【0026】

電気化学セルは、海洋、沖合、地方自治体、工業、および商業的な実施において使用される。電気化学セルの設計パラメータ、例えば、電極間隔、電極の厚さおよびコーティング密度、電極面積、電気的接続の方法などは、異なる実施態様のために選択することができる。本明細書に開示される態様および実施形態は、電極の数、電極間の空間、電極材料、電極間の任意のスペーサの材料、電気化学セル内のパスの数、または電極コーティング材料に限定されない。

【0027】

膜によって囲まれた区画内にイオン交換媒体を含む電気化学セルは、図１に示される既存の電気化学セルなどの炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するために使用されてきた。作動中、水中に存在するナトリウムイオンは通電されると、水がカチオン交換樹脂を含有する区画を形成する２つのカチオン交換膜を通過するときに、水素イオンと交換される。電気化学セルのカソード側は水酸化ナトリウムおよび水素ガスを生成し、アノード側は、酸素ガスを生成する。カチオン交換膜のイオン移動効率を改善し、海水の酸性化を引き起こすために、不活性媒体、例えばセラミック粒子を含む電気化学セルの中央区画に入る水素イオンである。

【0028】

本開示は電気化学セルおよび電気化学素子の様々な実施形態を説明するが、本開示は電気化学セルまたはデバイスに限定されず、本明細書に開示される態様および実施形態は複数の目的のうちのいずれか１つに使用される電解セルおよび電気化学セルに適用可能である。

【0029】

特定の非限定的な実施形態では、本開示が炭酸塩種を有する水の連続酸性化、および連続水素ガス生成による溶解二酸化炭素の回収のための電気化学セルを記載する。電気化学セルのための流入物は酸性化の前に水中の塩などの種の濃度を低減するための上流処理を必要とせずに、炭酸塩種、例えば、塩水、例えば、海水、汽水、またはプロセス水を有する水である。本明細書で使用するとき、「生理食塩水」は高濃度の溶解した固体又は塩、例えば、約５００ppm～約３５，０００ppmの溶解した塩の濃度を含有する水である。本開示に記載の電気化学セルは、アノード区画の第１の側に配置されたアノードを有するアノード区画と、陰極区画の第１の側に配置された陰極を有する陰極区画とを含む。陽極コンパートメントおよび陰極コンパートメントは、電解質および媒体を含まず、コンパートメントを通る炭酸塩種を有する水のより高い流れを可能にする。区画を通る炭酸塩種を有する水の流速が大きいほど、アノードおよび陰極などの区画の構造要素上でのスケール形成の可能性が低減される。本明細書で使用される場合、流速は、１つまたは複数の区画の入口に向けられた水が単位時間当たりの距離として測定される、どのくらい速く移動するかの尺度である。流量は、単位時間当たりに送出される水の量の尺度である。炭酸塩種を含む水の流速は一般に、透過性セパレータを横切るイオンの分配、すなわち、水の酸性化、および装置からのO₂、H₂、およびCO₂の生成を制御する。一般に、流量、異なる装置構成要素のアスペクト比、および処理される水と異なる装置構成要素との間の摩擦係数など、測定または定量化され得る他の変数は、装置の区画を通る水の流速に影響を及ぼす。

【0030】

電気化学セルは、アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータと、カソード区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータとを含む。中心区画は、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される。中央区画は、媒体を含まなくてもよい。電気化学セルは、アノード区画、カソード区画、および中央区画のそれぞれを通る炭酸塩種を有する水の流れを独立して制御するように構築および配置される流れ制御システムを含む装置の一部であってもよい。

【0031】

運転中、流入物として炭酸塩種を有する水を用いて装置に印加される電流はカソード区画内に水素ガス（H₂）を生成し、いずれかの区画内に存在する任意の媒体、例えばイオン交換樹脂を必要とすることなく、水分解を介してアノード区画内に水素イオン（H⁺）を生成する。H⁺イオンは第１のカチオン透過性流体セパレータを通過して中央区画に入り、その中を流れる炭酸塩種を有する水中のｐＨを低下させる。中心区画は装置を通る炭酸塩種を有する水の流速がスケーリングを低減し、性能が減少するのに十分であるので、第１のカチオン透過性流体セパレータまたは第２のカチオン透過性流体セパレータのイオン移動能力または性能を高めるために、セラミック粒子などの不活性媒体の使用を必要としない。炭酸塩種を有する水のｐＨのこの低下は式（１）で定義された均衡によって支配されるように、炭酸塩種を有する水中に存在する炭酸塩（CO₃ ^2-）および重炭酸塩（HCO₃ ^-）イオンの二酸化炭素（CO₂）気体への転化をもたらす。炭酸塩種を含む水分のｐＨを減少、CO₂を生成するために、電流または電力またはイオン交換媒体を追加する必要はない。

【0032】

陽極コンパートメント、陰極コンパートメント、および中央コンパートメント内で起こる反応は、それぞれ式（２）～（４）を含む。
２H₂O→４H⁺+O₂＋４e￣ (2)
４H₂O+４Na+＋４e￣→４NaOH+２H₂ (3)
４NaHCO₃＋４H+→４Na+＋４H₂CO₃ (4)

【0033】

したがって、装置のための全体的な反応（式５）は、
２H₂O+４NaHCO₃→４CO₂＋４NaOH+８H₂+O₂ (5)である。

【0034】

式（１）の平衡を受ける中央区画にCO2が形成され、NaOHおよびH₂がカソード区画に形成され、O2がアノード区画に形成される。これらの反応生成物は捕捉されるか、または他の方法で収集され、エネルギー生成、有機合成、および水の酸素化（例えば、水生用途）などの関連プロセスのための供給原料として使用され得る。

【0035】

二酸化炭素塩種源を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置の一実施形態を図２に示す。図２において、装置１００は、アノード区画１０２の第１の側に配置されたアノード１０２aを有するアノード区画１０２と、陰極区画の第１の側に配置された陰極１０４aを有する陰極区画１０４とを含む。第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６はアノードコンパートメント１０２の第２の側に配置され、第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８はカソードコンパートメント１０４の第２の側に配置される。装置１００は、第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６と第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８との間に画定された中央区画１１０を含む。

【0036】

アノードおよびカソードは本明細書で使用される場合、一般に、１つ以上の金属、例えば、チタン、アルミニウム、ニッケル、他の金属、またはそれらの合金から形成される、それらを含む、またはそれらからなる電極を指すと理解される。いくつかの実施形態では、アノードおよび／またはカソードが異なる金属の複数の層を含むことができる。本明細書に開示される実施形態のうちの任意の１つまたは複数において利用される金属電極は、炭酸塩種を層水分による化学的侵食に対して高い耐性を層金属または金属酸化物で被覆された、高導電性金属、例えば銅またはアルミニウムのコア、例えばチタン、白金、混合金属酸化物（MMO）、マグネタイト相チタン、例えばTi₄O₇、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、または他の被覆材料を含んでもよい。アノードまたはカソードは例えば、白金、MMO、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、または他のコーティング材料でコーティングされ得るが、これらに限定されない。本明細書に開示される実施形態において利用される混合金属酸化物は、ルテニウム、ロジウム、タンタル（任意選択でアンチモンおよび／またはマンガンと合金化された）、チタン、イリジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、チタン－ニッケル合金、チタン－銅合金、チタン－鉄合金、チタン－コバルト合金、または他の適切な金属もしくは合金のうちの１つまたは複数の酸化物または酸化物を含み得る。

【0037】

本明細書に開示される実施形態で利用されるアノードは、白金および／またはイリジウム、ルテニウム、スズ、ロジウム、またはタンタルのうちの１つ以上の酸化物または酸化物（任意選択でアンチモンおよび／またはマンガンと合金化される）で被覆されてもよい。本明細書に開示される実施形態において利用されるカソードは白金および／またはイリジウム、例えば、IrO₂、ルテニウム、およびチタン、例えば、マグネリ相チタン、例えば、Ti₄O₇のうちの１つ以上の酸化物または酸化物で被覆されてもよい。本明細書に開示される電気化学セルの実施形態のいずれかにおいて利用される電極は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、および／またはシリコンのうちの１つまたは複数のベースを含み得る。本明細書に開示される装置内の電気化学セルのいずれかのための電極は、プレート、シート、箔、押出物、および／または焼結物として、またはそれらから形成することができる。アノードおよびカソードは、固体電極、メッシュ電極、またはパターン電極であってもよい。

【0038】

引き続き図２を参照すると、陽極１０２aおよびカソード１０４aは、装置１００内の任意の適切な配置とすることができる。例えば、陽極１０２aおよびカソード１０４aは、それぞれ、図４A～図４Cに示される、プレートおよびフレーム構成、同心管構成、または螺旋巻き構成で配置され得る。図４Aのプレートおよびフレーム構成は電気的に並列に接続された各端部に電極のセットを含み、一方のセットはDC電源からの正の出力に接続され、他方のセットは負の出力に接続される。間の電極は双極性である。図４Bの同心管構成は活性領域を通過する炭酸塩種を有する水の実質的にすべてまたはすべてを、活性領域を実質的にまたは完全に軸方向に通過する方向に、アノードと陰極との間の間隙を通るように構成および配置されたアノードおよび陰極（またはアノード－陰極一対）を含む。活性領域を通る実質的にまたは完全に軸方向の方向は、電気化学セルおよび／またはアノードおよび陰極（またはアノード－陰極一対）の中心軸に平行または実質的に平行であり得る。陽極１０２aおよびカソード１０４aの活性領域を通過して流れる炭酸塩種を有する水は、たとえ炭酸塩種を有する水の流れが活性領域を通る流れの間に乱流および／または渦を示すとしても、活性領域を実質的にまたは完全に軸方向に流れると考えることができる。

【0039】

第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８は、装置１００の使用中の高い流量および圧力に対して所望のイオン伝達および物理的特性を提供することができる任意の適切な分離媒体であり得る。例えば、第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の一方または両方を作製するために使用される材料は高い耐摩耗性、柔軟性、および選択的イオン交換のために選択され得、流体セパレータを作製するために使用される材料は１つまたは複数の異なる材料を組み込み得る。高い耐摩耗性はセラミックまたは酸化物材料を組み込むことによって付与され得、柔軟性はポリマー種を組み込むことによって付与され得、選択的イオン交換は特定の化学官能化によって達成され得る。いくつかの実施形態では、カチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の一方または両方がカチオン交換膜であり得る。

【0040】

これらのプロセスを用いて製造された流体セパレータは炭酸塩種を有する水の酸性化および生成ガス発生のための装置効率を改善するために、機能的表面積対体積の比を変化させる幾何学的形状に形成することができる。

【0041】

装置１００は、アノード区画１０２、陰極区画１０４、および中央区画１１０のそれぞれを通る炭酸塩種を有する水の流れを独立して制御するように構築および配置された流れ制御システム１０１をさらに含む。流量制御システム１０１は、装置１００の全体にわたって配置されたポンプ１０５または弁などの流体の流れを制御するために使用される要素に動作可能に結合され得る。装置１００は、流量制御システムに動作可能に結合された、アノード区画１０２、陰極区画１０４、および中央区画１１０の上流または下流の一方または両方に配置された流量計または流量センサ１１１を含む。図示のように、流量計または流量センサ１１１はアノードコンパートメント１０２、カソードコンパートメント１０４、および中央コンパートメント１１０の上流に配置されるが、本開示はアノードコンパートメント１０２、カソードコンパートメント１０４、および中央コンパートメント１１０の下流側に配置される実質的に同等の流量計または流量センサを企図する。

【0042】

引き続き図２を参照すると、装置１００はアノード区画１０２、陰極区画１０４、および中央区画１１０のそれぞれへの流入として、炭酸塩種、例えば、生理食塩水、例えば、海水、汽水、処理水保持液、またはプロセス水を有する水源に接続可能である。炭酸塩種を有する水源は、アノード区画１０２、陰極区画１０４、および中央区画１１０にそれぞれ接続可能な水源１０７a、１０７b、または１０７cであってもよい。あるいは、アノード区画１０２、陰極区画１０４、および中央区画１１０はそれぞれ、炭酸塩種を有する水の単一の供給源に接続可能であってもよく、その場合、供給源１０７a、１０７b、および１０７cはそれぞれ、炭酸塩種を有する水の同じ供給源であってもよい。

【0043】

装置１００は、炭酸塩種流入物１０７a、１０７b、または１０７cおよび／または流出物１０９a、１０９b、および１０９cを有する水の１つまたは複数のパラメータを測定するように構築および配置された、アノードコンパートメント、カソードコンパートメント、および中央コンパートメントの上流または下流に配置された１つまたは複数のセンサを含む。１つまたは複数のセンサは例えば、流量計、水位センサ、導電率計、抵抗率計、化学濃度計、濁度監視、化学種比濃度センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、酸化還元電位（ORP）センサ、圧力センサ、または任意の他のセンサ、プローブ、またはアノード、カソード、および中央区画のうちの任意の１つまたは複数を出る炭酸塩種を有する水の所望の特性またはパラメータの指標を提供するために有用な科学的機器を含み得る。図２に示すように、装置１００は、中央区画１１０の下流に配置され、中央区画１１０からの流出物１０９cのｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサ１２０を含む。ｐＨセンサ１２０は、任意のタイプの適切なｐＨセンサである。装置１００は、陽極１０２aとカソード１０４aとの間の導電性を測定するように構成され配置された導電性センサ１２２をさらに含む。

【0044】

引き続き図２を参照すると、装置１００は一般に、装置１００の動作を制御するように構成され配置された制御部１０３を含む。いくつかの実施形態では、制御部１０３がｐＨセンサ１２０から中央区画１１０から流出物１０９cのｐＨの測定値を受け取るように構成される。制御部１０３は中央区画１１０を通る中央区画用の炭酸塩種１０７c、または陽極１０２aおよびカソード１０４aにわたって印加される電流を有する水源からの炭酸塩種を有する水の流量の一方または両方を、例えば、流量制御システム１０１と通信することによって調整して、中央区画１１０からの流出物１０９cのｐＨを所定のレベルに維持するように構成される。この所定のｐＨレベルは典型的には約２．５～約６．５、例えば、約２．５、約３、約３．５、約４、約４．５、約５、約５．５、約６、または約６．５である。炭酸塩種流出物１０９a、１０９b、および１０９cを有する水分は炭酸塩種を含み、所定レベルは式１に示されるように、中央区画１１０からの流出物１０９c中の炭酸塩種の大部分が、CO₂およびH₂Oと平衡状態にある炭酸H₂CO₃として存在する水位である。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、アノード区画内の水素イオンの製造および中央区画内の水素イオンの消費はそれぞれの区画を通る水の流れと相関する。したがって、これらの区画を通る水の流れの制御は、中央区画の流出物１０９cのｐＨを制御することができる。

【0045】

いくつかの実施形態では、導電率センサ１２２からの出力が制御部１０３に送信され、装置１００を通る炭酸塩種の流量を有する１つまたは複数の水を調整するかどうかを決定するために制御部１０３によって使用される。装置１００内外への炭酸塩種を有する水の流量の調整は中央区画１１０を通る炭酸塩種を有する酸性化水の製造、すなわちｐＨを調整し、装置１００の効率を改善し、装置１００のエネルギー消費を低減し、保守停止時間を低減することができる。いくつかの実施形態では、制御部１０３が導電率センサ１２２からの導電率測定値に応答して、カソード区画１０４を通るカソード流入１０７bからの炭酸塩種を有する水の流量を調整するように構成される。

【0046】

いくつかの実施形態では、制御部１０３がアノード区画、陰極区画、および中央区画からの流出物１０９a、１０９b、および１０９cのうちの１つまたは複数の流出物の導電率をそれぞれ測定するように配置された１つまたは複数の導電率センサから導電率測定値を受信し得る。アノード区画、陰極区画、および中央区画からのそれぞれの流出物１０９a、１０９b、および１０９cからの導電率の測定値は制御部１０３が中央区画内の水の酸性化およびCO₂の生成を制御するために、それぞれの区画を個々に、または個々の区画の組合せを通して、水の流れを調整する方法を決定するために使用することができる。

【0047】

導電率センサ１２２からの測定値は陰極１０４a上のイオンスケールの形成を示し、陰極区画１０４を通る流量を増加させると、陰極１０４a上のさらなるスケーリングの可能性が減少する。いくつかの実施形態では、制御部１０３が導電率センサ１２０からの導電率測定値に応答して、アノード区画１０２からカソード区画１０４への流出物１０９aの流量を調整するように構成される。導電率センサ１２２からの測定値は陰極１０４a上のイオンスケールの形成を示し、アノード区画１０２から陰極区画１０４への流出物１０９aの流量を増加させると、陰極１０４a上のさらなるスケーリングの可能性が減少する。また、式２－４に示すように、陰極区画１０４内の化学反応は腐食性であり、第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の劣化または陰極１０４aの劣化を引き起こす可能性があるNaOHを生成する。リサイクル線１１８から陰極コンパートメント１０４へのリサイクル水はその中のNaOH濃度を低減し、陰極１０４a上のスケールを低減し、装置１００の寿命を延ばす。いくつかの実施形態では、制御部１０３が陰極区画１０４を通る陰極流入物１０７bから陰極上にスケールが形成されない流量までの炭酸塩種を有する水の流量を最小化するように構成される。本開示の文脈において使用されるように、陰極上のスケールは一般に、処理中に水のｐＨが変化することにつれて形成される沈降炭酸塩および酸化物などの、沈降種から形成される電極上の任意のコーティングを含むことができる。陰極上でのスケールの形成は陰極の活性領域の表面積を低下させることができ、水分還元によるH₂気体の形成のための陰極の有効性を低下させる。陰極区画を通る水の流速および／または流速は陰極上に吸着装置スケールの析出を低減するのに充分な流れを維持しながら、H₂の形成と、続いて中央区画内のCO₂気体とを均衡させる速度に調整、すなわち、低下させることができる。

【0048】

いくつかの実施形態では、制御部１０３が導電率センサ１２０からの導電率測定値に応答して、アノード流入物１０７aからアノード区画１０２を通る炭酸塩種を有する水の流量を調整するように構成される。いくつかの実施形態では、制御部１０３がアノード流入物１０７aからアノード区画１０２を通る炭酸塩種を有する水の流量を、ガス、例えば、アノード１０２aで生成されたO₂によるアノード１０２aのブラインドをもたらさない流量まで最小限にするように構成される。本明細書で使用するとき、電極上のブラインドは一般に、活性領域に付着したガスの気泡を有する活性領域の一部を有する電極、例えばアノードの活性領域を指し、通電されたときのさらなるガス生成のための効率を低下させる。陽極盲検化は一般に、電気化学プロセスから生成されるガスの体積を測定し、測定された体積を、関連する半反応に基づいて理論的に予測されるものと比較することによって、または陽極／陰極一対にわたる伝導度を測定することによって、評価することができる。アノード区画を通る水の流速および／または流速はO₂気体の形成と、続いて、アノード上に吸着し得る気泡の形成を低減するために装置を通る充分な流れを維持しながら、中心区画内のCO₂気体の形成とのバランスをとる速度に調整、すなわち、低下させることができる。

【0049】

いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、流速の増加は一般に、陰極区画内に炭酸塩種を有する水の滞留時間を短縮し、したがって、炭酸塩種を有する水中のイオンが陰極の帯電表面に接触している時間の量を短縮する。これは、陽極区画を通る滞留時間の減少が陽極上のO2の生成を減少させるので、陽極にも当てはまる。例えば、装置を通る炭酸塩種を有する水の流量は約０．１m／s～約１０m／s、例えば、約０．１m／s～約１０m／s、約０．５m／s～約９m／s、約１m／s～約８m／s、約２m／s～約７m／s、約３m／s～約６m／s、または約４m／s～約５m／s、例えば、約０．１m／s、約０．５m／s、約１m／s、約１．５m／s、約１．５m／s、約２m／s、約２．５m／s、約３m／s、約３．５m／s、約４m／s、約４．５m／s、約６m／s、約６．５m／s、約７m／s、約７．５m／s、約８m／s、約８．５m／s、約９m／s、約９．５m／s、または約１０m／sである。特定の実施形態では、装置を通る炭酸塩種を有する水の流量が約２m／s～３m／sであってもよい。

【0050】

制御部１０３は、１つまたは複数のコンピュータシステムを使用して実装され得る。コンピュータシステムは例えば、Intel CORE(登録商標）タイプのプロセッサ、Intel XEON(登録商標）タイプのプロセッサ、Intel CELERON(登録商標）タイプのプロセッサ、AMD FXタイプのプロセッサ、AMD RYZEN(登録商標）タイプのプロセッサ、AMD EPYC(登録商標）タイプのプロセッサ、およびAMD RシリーズまたはGシリーズのプロセッサである。あるいは、コンピュータシステムがプログラマブルロジックコントローラ（PLC）、特別にプログラムされた専用ハードウェア、例えば、特定用途向け集積回路（ASIC）、または分析システム用のコントローラを含むことができる。いくつかの実施形態では、制御部１０３がユーザまたはオペレータが装置１００の関連する動作パラメータを見ること、前記動作パラメータを調整すること、および／または必要に応じて装置１００の動作を停止することを可能にするように構築および構成されたユーザインターフェースに動作可能に接続されるか、または接続可能であり得る。ユーザインターフェースは、ユーザまたはサービスプロバイダによって対話され、装置１００の状況情報を出力するように構成された表示装置を含むグラフィカルユーザインターフェース（GUI）を含み得る。

【0051】

制御部１０３は例えば、ディスクドライブメモリ、フラッシュ記憶装置、RAMメモリデバイス、またはデータを記憶するための他のデバイスのうちの任意の１つまたは複数を備えることができる、１つまたは複数のメモリデバイスに通常接続される１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。１つまたは複数のメモリデバイスは、装置１００の動作中にプログラムおよびデータを記憶するために使用され得る。例えば、メモリデバイスは、ある期間にわたってパラメータに関する履歴データを記憶するために使用され得る。本発明の実施形態を実装するプログラミングコードを含むソフトウェアはコンピュータ可読および／または書き込み可能な不揮発性記録媒体に記憶され、次いで、典型的には１つまたは複数のメモリデバイスにコピーされ、次いで、１つまたは複数のプロセッサによって実行され得る。そのようなプログラムコードは複数のプログラミング言語、例えば、ラダーロジック、Python、Java、Swift、Rust、C、C＃、またはC＋＋、G、Eiffel、VBA、またはそれらの様々な組合せのいずれかで書かれ得る。

【0052】

引き続き図２を参照すると、装置１００は、アノード流出物１０９a、カソード流出物１０９b、および中心流出物１０９cのうちの１つまたは複数からの流出物の一部を、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および／または中心区画１１０の１つまたは複数の入口に戻すように構築および配置された１つまたは複数のリサイクル線を含む。いくつかの実施形態では、装置１００がアノード区画１０２からアノード区画１０２の入口まで流出物１０９aの少なくとも一部を再循環するように構成された再循環線１１２を含む。図３に示されるような代替の実施形態では、中央区画１１０からの流出物１０９cの一部が導管１１５bを介して、導管１１５aおよび陰極区画１０４を介して、アノード区画１０２の両方のうちの一方の入口に向けられてもよい。中央区画１１０からの流出物１０９cを使用して、流入物のｐＨをアノード区画１０２に低下させることができ、したがって、アノード区画１０２内の酸素発生の有効性、例えば、H+利用の改善を改善することができる。中央区画１１０からの流出物１０９cを使用して、陰極区画１０４中の総炭酸塩種濃度を低下させることができ、したがって、陰極１０４a上のスケール形成を減少させることができる。

【0053】

いくつかの実施形態では、装置１００がカソード区画１０４からカソード区画１０４の入口まで流出物１０９bの少なくとも一部を再循環するように構成された再循環線１１４を含む。カソードコンパートメント１０４からカソードコンパートメント１０４の入口までの流出物１０９bからのリサイクル線１１４は、カソードコンパートメント流出物１０９b中に存在する二価種の濃度を低減するためのイン線処理システム１２４をさらに含むことができる。例えば、インライン処理システム１２４はナノ濾過、逆浸透、イオン交換処理、ナノビーズ処理、電気脱イオン化、および静電脱イオン化のうちの１つまたは複数を含み得るが、これらに限定されない。陰極区画１０４を通る高い水速度がスケーリング電位を十分に低下させることができないと判定された場合、インライン処理システムを使用して、陰極１０４aのスケーリング電位を低下させることができる。いくつかの実施形態では、装置１００がアノード区画から陰極区画１０４の入口まで流出物１０９aの少なくとも一部をリサイクルするように構成された第２のリサイクル線１１６を含む。いくつかの実施形態では、装置１００が中央区画１０９cから中央区画１１０の入口まで流出物の少なくとも一部を再循環させるように構成された再循環線１１７を含む。

【0054】

いくつかの実施形態では、装置１００がアノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０のうちの１つまたは複数からの流出物から１つまたは複数の溶解ガスを除去するように構築および配置されたガス回収システム１１３a、１１３b、１１３cを含む。図２に示すように、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０からの流出物１０９a、１０９b、および１０９cは、ガス回収システム１１３a、１１３b、および１１３cを有する。あるいは、装置１００がそれぞれアノード区画１０２、陰極区画１０４、または中央区画１１０からの流出物１０９a、１０９b、および１０９cのための出口の各々に接続可能な１つのガス回収システムを含むことができる。ガス回収システム１１３a、１１３b、１１３cは限定はしないが、強制通風脱気装置、ブレークタンク、真空ストリッパ、空気ストリッパ、または膜脱気装置を含む、水から溶解ガスを除去することができる任意の適切なシステムであり得る。特定の実施形態では、ガス回収システムが１つ以上の真空ストリッパを含む。ガス回収系はアノード区画１０２、カソード区画１０４、および／または中央区画１１０からの流出物１０９a、１０９b、１０９cのうちの１つまたは複数から、H₂、CO₂、およびO₂のうちの１つまたは複数を除去するように構築および配置される。ガス回収系はアノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０のうちの１つまたは複数から、流出物１０９a、１０９b、１０９cのうちの１つまたは複数から、H₂、CO₂、および／またはO2の少なくとも８０％を除去するように構成され得る。特定の実施形態では、ガス回収系がH₂、CO₂、およびO₂の少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．９％、少なくとも９９．９９％、９９．９９９％、または１００％を、１つまたは複数の流出物１０９a、１０９b、１０９cから、アノード区画１０２、陰極区画１０４、または中央区画１１０の１つまたは複数から除去するように構成され得る。

【0055】

一態様によれば、海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法が提供される。本方法は、アノード区画、陰極区画、および電解セルの中央区画のそれぞれに海水を導入することを含み得る。本方法は、中央区画を通る流量、または陽極およびカソードを横切る電流の一方または両方を、所定の範囲内のｐＨを示す中央区画からの流出物をもたらすレベルに維持することを含み得る。本方法は、陰極上のスケールの形成を軽減するレベルで陰極区画を通る流量を維持することをさらに含み得る。本方法は、陽極区画を通る流量を、陽極のブラインドを軽減するレベルに維持することをさらに含み得る。この方法はアノード区画、中央区画、またはカソード区画のうちの１つまたは複数から、それぞれ、流出物から水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つまたは複数を除去することをさらに含み得る。電解セルは陽極と、カソードと、陽極から離間し、陽極区画を画定する第１のカチオン透過性流体セパレータと、カソードから離間し、カソード区画を画定する第２のカチオン透過性流体セパレータと、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される中心区画と、陽極区画、カソード区画、および中心区画の各々を通る海水の流れを独立して制御するように構成される流量制御システムとを含み得る。

【0056】

いくつかの実施形態では、本方法が陰極区画を通る流量を、陰極上のスケールの形成を軽減する最低レベルに維持することをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、本方法がアノードのガスブラインドを軽減する最低レベルでアノード区画を通る流量を維持することをさらに含み得る。

【0057】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法はガスの生成および発生したガスによる陽極のブラインドを低減するために、海水が陽極区画に導入された状態で、陽極区画からの流出物の一部を陽極区画の入口に導入することをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、方法がアノード区画からの流出物の一部をカソード区画の入口に導入し、海水をアノード区画に導入して、カソード区画で生成される腐食種の濃度を低減することを含み得る。いくつかの実施形態では本方法が陰極コンパートメントからの流出物の一部を陰極コンパートメントの入口に導入することをさらに含むことができ、海水は陰極コンパートメントに導入されて、陰極上のスケールの形成を低減する。いくつかの実施形態では、本方法が中央コンパートメントからの流出物の一部を中央コンパートメントの入口に導入することをさらに含んでもよく、海水は中央コンパートメントに導入されて、均衡をCO₂気体の発生に向かって移動させる。

【0058】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法は、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つを通る流量を、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法が陰極コンパートメントを通る流量を中央コンパートメントを通る流量よりも高い流量に維持して、陰極上のスケールを減少し、陰極コンパートメント内に形成される腐食性種、例えば、NaOHの濃度を減少することをさらに含み得る。

【0059】

本明細書で使用される表現および用語は説明を目的とするものであり、限定するものとみなされるべきではない。本明細書で使用するとき、用語「複数」は、２つ以上のアイテム又は構成要素を指す。「含む（comprising）」、「含む(including)」、「運ぶ(carrying)」、「持つ(having)」、「含む(containing)」、及び「関与する(involving)」という用語は明細書又は請求項等のいずれにおいても、開放された用語、すなわち「含むが、これに限定されない」を意味するものであり、従って、そのような用語の使用はその後に列挙される項目、及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。「からなる」および「から本質的になる」という移行句のみが、特許請求の範囲に関して、それぞれ、閉じたまたは半閉じた移行句である。請求項要素を修正するためのクレームにおける「第１の」、「第２の」、「第３の」などの序数用語の使用はそれ自体ではある請求項要素の優先順位、優先順位、又は順序が別の請求項要素、又は方法の動作が実行される時間的順序よりも重要であることを意味するものではなく、単に、請求項要素を区別するために、特定の名称を有する１つの請求項要素を、同じ名称を有する別の要素から区別するための（ただし、序数用語の使用のための）標識として使用される。

【0060】

このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には様々な変更、修正、および改良が容易に思い浮かぼうことを理解されたい。任意の実施形態に記載された任意の特徴は、任意の他の実施形態の任意の特徴に含まれてもよく、またはそれらに代えてもよい。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部であることが意図され、本発明の範囲内であることが意図される。従って、前述の記載及び図面は例示の目的のみである。

【0061】

当業者は本明細書に記載されるパラメータおよび構成が例示的であり、実際のパラメータおよび／または構成が、開示される方法および材料が使用される特定用途に依存することを理解すべきである。当業者はまた、日常的な実験のみを用いて、開示された特定の実施形態に対する等価物を認識するか、または確認することができるはずである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【誤訳訂正書】

【提出日】2024-02-08

【誤訳訂正1】

【訂正対象書類名】明細書

【訂正対象項目名】全文

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張し、２０２１年５月１１日に出願された「HIGH FLUID VELOCITY CELL DESIGN FOR THE ELECTROCHEMICAL GENERATION OF HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE」と題された米国仮出願第６３／１８６，９０５号及び２０２１年５月１２日に出願された「METHOD OF OPERATING ELECTROCHEMICAL HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE GENERATOR」と題された米国仮出願第６３／１８７，５１９号に対する優先権を主張する。これらの出願の各々は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本明細書に開示される態様および実施形態は、海水を酸性化して二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水素（Ｈ_２）を生成及び捕捉する装置及び方法に関する。

【発明の概要】

【0003】

一態様によれば、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素及び水素を生成するための装置が提供される。装置は、アノード区画の第１の側に配置されたアノードを有するアノード区画と、カソード区画の第１の側に配置されたカソードを有するカソード区画とを含み得る。装置は、アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータを含み得る。装置は、カソード区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータをさらに含み得る。装置は、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定された中央区画をさらに含み得る。装置はさらに、アノード区画、カソード区画、及び中央区画のそれぞれを通る水の流れを独立して制御するように構成されたフロー制御システムをさらに含み得る。

【0004】

さらなる実施形態では、装置は、アノード区画、カソード区画、及び中央区画のそれぞれに流体的に接続可能な水源、例えば、海水を含み得る。

【0005】

さらなる実施形態では、装置は、中央区画の下流側に配置され、中央区画からの流出物のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサを含み得る。特定の実施形態では、装置は、ｐＨセンサから中央区画からの流出物のｐＨの測定値を受け取り、また中央区画を通る水の流量またはアノード及びカソードにわたって印加される電流の一方または両方を調整して、中央区画からの流出物のｐＨを所定のレベルに維持するように構成されたコントローラを含み得る。所定レベルとは、中央区画からの流出物中の炭酸塩種の大部分が炭酸、すなわちＨ_２ＣＯ_３として存在するレベルである。

【0006】

いくつかの実施形態では、コントローラは、中央区画からの流出物のｐＨを約２.５～約６.５の範囲内に維持するように構成され得る。

【0007】

さらなる実施形態では、装置は、アノード、カソード、及び中央区画からの１つ以上の流出物の導電率を測定するように構築及び配置された導電率センサをさらに含み得る。さらなる実施形態では、コントローラは、導電率センサからの導電率測定値に応答して、カソード区画を通る水の流量を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、コントローラは、導電率センサからの導電率測定値に応答して、アノード区画からカソード区画への流出物の流量を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、コントローラは、カソード区画を通る水の流量を、カソード上にスケールの形成をもたらさない流量に調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、コントローラは、導電率センサからの導電率測定値に応答して、アノード区画を通る水の流量を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、コントローラは、アノードの目詰まり（blinding）を生じない流量まで、アノード区画を通る水の流量を最小化するように構成され得る。

【0008】

さらなる実施形態では、装置は、アノード区画からの流出物の少なくとも一部をアノード区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを含み得る。

【0009】

さらなる実施形態では、装置は、カソード区画からの流出物の少なくとも一部をカソード区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを含み得る。さらなる実施形態では、装置は、アノード区画からの流出物の少なくとも一部をカソード区画の入口に再循環させるように構成された第２の再循環ラインを含み得る。

【0010】

さらなる実施形態では、装置は、中央区画からの流出物の少なくとも一部を中央区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを含み得る。さらなる実施形態では、装置は、中央区画からの流出物の少なくとも一部をアノード区画及びカソード区画の一方または両方の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを含み得る。

【0011】

さらなる実施形態では、装置は、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの１つ以上からの流出物のうちの１つ以上から、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つ以上を除去するように構成されたガス回収システムを含み得る。いくつかの実施形態では、ガス回収システムは１つ以上の真空ストリッパを含み得る。

【0012】

いくつかの実施形態では、アノードは、酸化イリジウムまたはマグネリ相チタン亜酸化物のうちの１つを含む酸素発生コーティングを備える。いくつかの実施形態では、アノードは、ステンレス鋼、イリジウム－コバルト（Ｉｒ－Ｃｏ）、イリジウム－タンタル（Ｉｒ－Ｔａ）、または他のイリジウム種もしくはタンタル種のうちの１つを含む合金を含んでもよい。

【0013】

一態様によれば、海水から水素、二酸化炭素、及び酸素を生成する方法が提供される。方法は、電解セルのアノード区画、カソード区画、及び中央区画のそれぞれに海水を導入するステップを含み得る。方法は、中央区画を通る流量、またはアノード及びカソードをわたる電流の一方または両方を、所定の範囲内のｐＨを示す中央区画から流出物をもたらすレベルに維持するステップを含み得る。方法は、カソード区画を通る流量を、カソード上のスケールの形成を軽減するレベルに維持することをさらに含み得る。方法は、アノード区画を通る流量を、アノードの目詰まりを軽減するレベルに維持するステップをさらに含み得る。方法は、アノード区画、中央区画、またはカソード区画のうちの１つ以上から、それぞれの流出物から水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つ以上を除去するステップをさらに含み得る。電解セルは、アノードと、カソードと、該アノードから離間し、かつアノード区画を画定する第１のカチオン透過性流体セパレータと、該カソードから離間し、かつカソード区画を画定する第２のカチオン透過性流体セパレータと、該第１のカチオン透過性流体セパレータと該第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される中央区画と、該アノード区画、該カソード区画、及び該中央区画の各々を通る海水の流れを独立して制御するように構成されるフロー制御システムと、を含み得る。

【0014】

さらなる実施形態では、方法は、カソード区画を通る流量を、カソード上のスケールの形成を軽減する最低レベルに維持するステップを含み得る。

【0015】

さらなる実施形態では、方法は、アノード区画を通る流量を、アノードの目詰まりを軽減する最低レベルに維持するステップを含み得る。

【0016】

さらなる実施形態では、方法は、アノード区画に導入された海水と一緒に、アノード区画からの流出物の一部をアノード区画の入口に導入するステップを含み得る。

【0017】

さらなる実施形態では、方法は、アノード区画に導入された海水と一緒に、アノード区画からの流出物の一部をカソード区画の入口に導入するステップを含み得る。

【0018】

さらなる実施形態では、方法は、中央区画に導入された海水と一緒に、中央区画からの流出物の一部を中央区画の入口に導入するステップを含み得る。

【0019】

さらなる実施形態では、方法は、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つを通る流量を、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持するステップを含み得る。

【0020】

さらなる実施形態では、方法は、カソード区画を通る流量を、中央区画を通る流量よりも高い流量に維持するステップを含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0021】

添付の図面は、一定の縮尺で描かれていない。図面では、様々な図に示されている各同一またはほぼ同一の構成要素が同様の符号によって表されている。明確にするために、すべての構成要素がすべての図面において符号付けされているわけではない。

【図1】炭酸塩種を有する水から二酸化炭素及び水素を生成するためのイオン交換媒体を含有する既存の電気化学セルを図示する図である。

【図2】一実施形態による、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素及び水素を生成するための装置を図示する図である。

【図3】代替実施形態による、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素及び水素を生成するための装置を図示する図である。

【図4A】図４Ａ～図４Ｃは、異なる実施形態による、装置のためのアノード及びカソード構成を図示し、図４Ａは、平行板配置を示す。

【図4B】図４Ａ～図４Ｃは、異なる実施形態による、装置のためのアノード及びカソード構成を図示し、図４Ｂは、同心管配置を示す。

【図4C】図４Ａ～図４Ｃは、異なる実施形態による、装置のためのアノード及びカソード構成を図示し、図４Ｃは、螺旋状に巻かれた構成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

世界の海洋の総炭素含有量は、約３８，０００ギガトン（ＧＴ）である。この炭素の９５％以上は溶存した重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）の形態である。この重炭酸イオンは炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）と共に、海洋深さの最初の１００メートル未満で比較的一定である海洋のｐＨを緩衝（中和）し、維持する役割を果たす。海洋中に存在する溶存重炭酸イオン及び炭酸イオンは効果的に結合したＣＯ_２であり、これらの種の濃度の合計は溶存気体ＣＯ_２とともに、海水の総二酸化炭素濃度［ＣＯ_２］_Ｔを表す。

【0023】

複雑な重炭酸塩－炭酸塩緩衝系によって比較的一定に保たれた典型的な海洋ｐＨ７．８では、［ＣＯ_２］_Ｔは表面付近で約２０００μモル／ｋｇであり、３００メートル未満の深さで約２４００μモル／ｋｇである。これは、約１００ｍｇ／Ｌの［ＣＯ_２］_Ｔに相当する。海洋中の合計ＣＯ_２のうち、約２～３％が溶存気体ＣＯ_２であり、約１％が溶存炭酸イオンとして存在し、残りの約９６％が溶存重炭酸イオンとして存在する。ＣＯ_２とその種々のイオン形態を含有する水の平衡状態及び濃度は、水のｐＨに依存することが知られている。例えば、海水ｐＨ４．５では、海水中の全炭酸塩種の９９％が炭酸、Ｈ_２ＣＯ_３として存在する。したがって、ＨＣＯ_３ ^－をＨ_２ＣＯ_３に変換するために、海水のｐＨを低下させ得る。

【0024】

水中に溶存したＣＯ_２は、式（１）に示すようにＨ_２ＣＯ_３と平衡状態にある。
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｈ_２ＣＯ_３ （１）

【0025】

水和平衡定数は１．７０×１０^－３である。これは、Ｈ_２ＣＯ_３は水中で安定ではなく、気体ＣＯ_２はｐＨ４．５で容易に解離し、それによって海水が酸性化されると、ＣＯ_２は脱気またはストリッピングによって容易に除去され、不安定なＨ_２ＣＯ_３は確実に主な炭酸塩種に脱プロトン化されることを示す。

【0026】

電気化学セルは、海洋、沖合、地方自治体、工業、及び商品化において使用される。電気化学セルの設計パラメータ、例えば、電極間隔、電極の厚さ及びコーティング密度、電極面積、電気的接続の方法などは、異なる実装に対して選択することができる。本明細書に開示される態様および実施形態は、電極の数、電極間の空間、電極材料、電極間の任意のスペーサの材料、電気化学セル内のパスの数、または電極コーティング材料に限定されない。

【0027】

膜によって囲まれた区画内にイオン交換媒体を含む電気化学セルは、図１に示される既存の電気化学セルなど、炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するために使用されてきた。作動中、通電されると、水中に存在するナトリウムイオンは、水がカチオン（陽［正］イオン）交換樹脂を含有する区画を形成する２つのカチオン交換膜を通過するときに、水素イオンと交換される。電気化学セルのカソード側では、水酸化ナトリウム及び水素ガスが生成され、アノード側では、酸素ガスが生成される。水素イオンは、不活性媒体、例えばセラミック粒子を含む電気化学セルの中央区画に入り、カチオン交換膜のイオン移動効率を改善し、海水の酸性化を引き起こす。

【0028】

本開示は電気化学セル及び電気化学デバイスの様々な実施形態を説明するが、本開示は電気化学セルまたはデバイスに限定されず、本明細書に開示される態様および実施形態は複数の目的のうちのいずれか１つに使用される電解セルおよび電気化学セルに適用可能である。

【0029】

特定の非限定的な実施形態では、本開示は、炭酸塩種を有する水の連続酸性化、および連続水素ガス生成による溶存二酸化炭素の回収のための電気化学セルを記載する。電気化学セルへの流入物は、酸性化の前に水中の塩などの種の濃度を低減するための上流処理を必要とせずに、炭酸塩種を有する水、例えば、塩水、例えば、海水、汽水、またはプロセス水である。本明細書で使用するとき、「生理食塩水（saline）」とは、高濃度の溶解した固体または塩、例えば、約５００ｐｐｍ～約３５，０００ｐｐｍの溶解した塩の濃度を含有する水である。本開示に記載の電気化学セルは、アノード区画の第１の側に配置されたアノードを有するアノード区画と、カソード区画の第１の側に配置されたカソードを有するカソード区画とを含む。アノード区画及びカソード区画は、電解質も媒体も含まず、該区画を通る炭酸塩種を有する水のより高い流れを可能にする。炭酸塩種を有する水の、区画を通る流速が大きいほど、アノードおよびカソードなどの区画の構造要素上でのスケール形成の可能性が低減される。本明細書で使用される場合、流速は、１つ以上の区画の入口に向けられた水がどのくらい速く移動するかについて単位時間当たりの距離として測定された尺度である。流量は、単位時間当たりに送出される水の量の尺度である。炭酸塩種を含む水の流速は一般に、透過性セパレータを渡るイオンの分配、すなわち、水の酸性化、および装置からのＯ_２、Ｈ_２、およびＣＯ_２の生成を制御する。一般に、流量、さまざまな装置構成要素のアスペクト比、および処理される水とさまざまな装置構成要素との間の摩擦係数など、測定または定量化され得る他の変数は、装置の区画を通る水の流速に影響を及ぼす。

【0030】

電気化学セルは、アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータと、カソード区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータとを含む。中央区画は、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される。中央区画は、媒体を含まなくてもよい。電気化学セルは、アノード区画、カソード区画、および中央区画のそれぞれを通る炭酸塩種を有する水の流れを独立して制御するように構築および配置されたフロー制御システムを含む装置の一部であり得る。

【0031】

動作中、流入物として炭酸塩種を有する水を用いて装置に印加される電流が、カソード区画内に水素ガス（Ｈ_２）を生成し、またいずれかの区画内に存在する任意の媒体、例えばイオン交換樹脂を必要とすることなく、水分解を介してアノード区画内に水素イオン（Ｈ^＋）を生成する。Ｈ^＋イオンは、第１のカチオン透過性流体セパレータを通過して中央区画に入り、その中を流れる炭酸塩種を有する水のｐＨを低下させる。中央区画は、装置を通る炭酸塩種を有する水の流速がスケーリング（スケール形成）及び性能低下を低減するのに十分であるので、第１のカチオン透過性流体セパレータまたは第２のカチオン透過性流体セパレータのイオン移動能力または性能を高めるために、セラミック粒子などの不活性媒体を使用する必要がない。炭酸塩種を有する水のｐＨのこの低下により、式（１）で定義された平衡によって規定されるように、炭酸塩種を有する水中に存在する炭酸塩（ＣＯ_３ ^２－）および重炭酸塩（ＨＣＯ_３ ^－）イオンの二酸化炭素（ＣＯ_２）気体への転化へとつながる。炭酸塩種を含む水のｐＨを減少させ、またＣＯ_２を生成するために、電流もしくは電力またはイオン交換媒体を追加する必要はない。

【0032】

アノード区画、カソード区画、および中央区画内で起こる反応は、それぞれ式（２）～（４）を含む：
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ￣ （２）
４Ｈ_２Ｏ＋４Ｎａ^＋＋４ｅ￣ → ４ＮａＯＨ＋２Ｈ_２ （３）
４ＮａＨＣＯ_３＋４Ｈ^＋ → ４Ｎａ^＋＋４Ｈ_２ＣＯ_３ （４）
したがって、装置について全体的な反応（式５）は、
２Ｈ_２Ｏ＋４ＮａＨＣＯ_３ → ４ＣＯ_２＋４ＮａＯＨ＋８Ｈ_２＋Ｏ_２ （５）
となる。
ここで、ＣＯ_２は式（１）の平衡に従って中央区画内で形成され、ＮａＯＨおよびＨ_２はカソード区画に形成され、Ｏ_２はアノード区画に形成される。これらの反応生成物は捕捉されるか、または他の方法で収集され、エネルギー生成、有機合成、および水の酸素化（例えば、水産用途）などの関連プロセスのための供給原料として使用できる。

【0033】

炭酸塩種源を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置の一実施形態を図２に示す。図２において、装置１００は、アノード区画１０２の第１の側に配置されたアノード１０２ａを有するアノード区画１０２と、カソード区画の第１の側に配置されたカソード１０４ａを有するカソード区画１０４とを含む。第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６はアノード区画１０２の第２の側に配置され、第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８はカソード区画１０４の第２の側に配置される。装置１００は、第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６と第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８との間に画定された中央区画１１０を含む。

【0034】

アノードおよびカソードは本明細書で使用される場合、一般に、１つ以上の金属、例えば、チタン、アルミニウム、ニッケル、他の金属、またはそれらの合金から形成される、それらを含む、またはそれらからなる電極を指すと理解される。いくつかの実施形態では、アノードおよび／またはカソードは、異なる金属の複数の層を含み得る。本明細書に開示される実施形態のうちの任意の１つ以上において利用される金属電極は、炭酸塩種を有する水による化学的侵食に対して高い耐性を有する金属または金属酸化物でコーティングされた、高導電性金属、例えば銅またはアルミニウムのコア、例えばチタン、白金、混合金属酸化物（ＭＭＯ）、マグネタイト相チタン（例えばＴｉ_４Ｏ_７）、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、または他のコーティング材料を含み得る。アノードまたはカソードは例えば、白金、ＭＭＯ、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、または他のコーティング材料などの耐酸化性コーティングでコーティングされてもよいが、これらに限定されない。本明細書に開示される実施形態において利用される混合金属酸化物は、ルテニウム、ロジウム、タンタル（任意でアンチモンおよび／もしくはマンガンと合金化されたもの）、チタン、イリジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、チタン－ニッケル合金、チタン－銅合金、チタン－鉄合金、チタン－コバルト合金、または他の適切な金属もしくは合金のうちの１つ以上の酸化物を含み得る。

【0035】

本明細書に開示される実施形態で利用されるアノードは、白金および／もしくはイリジウム、ルテニウム、スズ、ロジウム、またはタンタルのうちの１つ以上の酸化物（任意でアンチモンおよび／もしくはマンガンと合金化されるもの）でコーティングされてもよい。本明細書に開示される実施形態において利用されるカソードは、白金および／もしくはイリジウム（例えば、ＩｒＯ_２）、ルテニウム、並びにチタン、例えば、マグネリ相チタン（例えば、Ｔｉ_４Ｏ_７）のうちの１つ以上の酸化物でコーティングされてもよい。本明細書に開示される電気化学セルの実施形態のいずれかにおいて利用される電極は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、および／またはシリコンのうちの１つ以上の基材を含み得る。本明細書に開示される装置内の電気化学セルのいずれかの電極は、プレート、シート、箔、押出物、および／または焼結物として、またはそれらから形成することができる。アノードおよびカソードは、固体電極、メッシュ電極、またはパターン電極であり得る。

【0036】

続けて図２を参照すると、アノード１０２ａおよびカソード１０４ａは、装置１００内の任意の適切な配置とすることができる。例えば、アノード１０２ａおよびカソード１０４ａは、それぞれ、図４Ａ～図４Ｃに示されるように、プレートおよびフレーム構成、同心管配置、または螺旋巻き配置で配備され得る。図４Ａのプレートおよびフレーム構成は、電気的に並列に接続された各端部に電極のセットを含み、一方のセットはＤＣ電源からの正の出力に接続され、他方のセットは負の出力に接続される。間の電極は双極性である。図４Ｂの同心管配置は、アノードおよびカソード（またはアノード－カソード一対）を含み、これらは、アノードとカソードとの間の有効領域またはギャップを通過する炭酸塩種を有する水の実質的にすべてまたはすべてを、有効領域をほぼまたは完全に軸線方向に通過する方向に導くように構築および配置される。有効領域を通るほぼまたは完全に軸線方向となる方向は、電気化学セルおよび／またはアノードおよびカソード（またはアノード－カソード一対）の中心軸線に平行またはほぼ平行であり得る。アノード１０２ａおよびカソード１０４ａの有効領域を通過して流れる炭酸塩種を有する水は、たとえ炭酸塩種を有する水の流れが有効領域を通る間に乱流および／または渦を示すとしてもなお、有効領域をほぼまたは完全に軸線方向に流れると考えることができる。

【0037】

第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８は、装置１００の使用中の高い流量および圧力に対して所望のイオン伝達および物理的特性を提供することができる任意の適切な分離媒体であり得る。例えば、第１のカチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の一方または両方を作製するために使用される材料は、高い耐摩耗性、柔軟性、および選択的イオン交換のために選択されてもよく、また流体セパレータを作製するために使用される材料は、１つ以上の異なる材料を組み込んでもよい。高い耐摩耗性はセラミックまたは酸化物材料を組み込むことによって付与され得、柔軟性はポリマー種を組み込むことによって付与され得、また、選択的イオン交換は特定の化学官能化によって達成され得る。いくつかの実施形態では、カチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の一方または両方は、カチオン交換膜であり得る。あるいは、カチオン透過性流体セパレータ１０６および第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の一方または両方は、低温水熱液相緻密化などのプロセスを使用して製造された硬質セラミックセパレータであり得る。これらのプロセスを用いて製造された流体セパレータは、炭酸塩種を有する水の酸性化および生成ガス発生のための装置効率を改善するために、機能的表面積対体積の比を変化させる幾何学的形状に形成することができる。

【0038】

装置１００は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０のそれぞれを通る炭酸塩種を有する水の流れを独立して制御するように構築および配置されたフロー制御システム１０１をさらに含む。フロー制御システム１０１は、装置１００の全体にわたって配置されたポンプ１０５または弁などの流体の流れを制御するために使用される要素に動作可能に結合され得る。装置１００は、フロー制御システムに動作可能に結合された、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０の上流側または下流側の一方または双方に配置された流量計または流量センサ１１１を含む。図示のように、流量計または流量センサ１１１は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０の上流側に配置されるが、本開示は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０の下流側に配置されたほぼ同等の流量計または流量センサも想定している。

【0039】

続けて図２を参照すると、装置１００は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０のそれぞれへの流入物として、炭酸塩種を有する水源、例えば、生理食塩水、例えば、海水、汽水、処理水保持液、またはプロセス水に接続可能である。炭酸塩種を有する水源は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０にそれぞれ接続可能な独立した水源１０７ａ、１０７ｂ、または１０７ｃであり得る。あるいは、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および中央区画１１０はそれぞれ、炭酸塩種を有する単一の水源に接続可能であってもよく、その場合、水源１０７ａ、１０７ｂ、および１０７ｃはそれぞれ、炭酸塩種を有する同じ水源であってもよい。

【0040】

装置１００は、炭酸塩種流入物１０７ａ、１０７ｂ、もしくは１０７ｃ並びに／または流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃを有する水の１つ以上のパラメータを測定するように構築および配置された、アノード区画、カソード区画、および中央区画の上流側または下流側に配置された１つ以上のセンサを含む。１つ以上のセンサは例えば、流量計、水位センサ、導電率計、抵抗率計、化学濃度計、濁度モニター、化学種比濃度センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、酸化還元電位（ＯＲＰ）センサ、圧力センサ、もしくは任意の他のセンサ、プローブ、またはアノード、カソード、および中央区画のうちの任意の１つ以上に入る炭酸塩種を有する水、またはそれらから出る流出物を有する水の所望の特性またはパラメータの指標を提供するために有用な科学的機器を含み得る。図２に示すように、装置１００は、中央区画１１０の下流側に配置され、中央区画１１０からの流出物１０９ｃのｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサ１２０を含む。ｐＨセンサ１２０は、任意のタイプの適切なｐＨセンサである。装置１００は、アノード１０２ａとカソード１０４ａとの間の導電率を測定するように構築及び配置された導電率センサ１２２をさらに含む。

【0041】

続けて図２を参照すると、装置１００は、装置１００の動作を制御するように一般に構築及び配置されたコントローラ１０３を含む。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、ｐＨセンサ１２０から、中央区画１１０からの流出物１０９ｃのｐＨの測定値を受け取るように構成される。コントローラ１０３は、中央区画１１０を通る中央区画用の炭酸塩種１０７ｃを有する水源からの炭酸塩種を有する水の流量、またはアノード１０２ａおよびカソード１０４ａにわたって印加される電流の一方または両方を、例えば、フロー制御システム１０１と通信することによって調整して、中央区画１１０からの流出物１０９ｃのｐＨを所定のレベルに維持するように構成される。この所定のｐＨレベルは、典型的には約２．５～約６．５、例えば、約２．５、約３、約３．５、約４、約４．５、約５、約５．５、約６、または約６．５である。炭酸塩種流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃを有する水は、炭酸塩種を含み、その所定レベルは、式（１）に示されるように、中央区画１１０からの流出物１０９ｃ中の炭酸塩種の大部分がＣＯ_２およびＨ_２Ｏと平衡状態にある炭酸Ｈ_２ＣＯ_３として存在するレベルである。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、アノード区画内の水素イオンの生成および中央区画内の水素イオンの消費は、それぞれの区画を通る水の流れと相関する。したがって、これらの区画を通る水の流れを制御することで、中央区画の流出物１０９ｃのｐＨを制御することが可能となる。

【0042】

いくつかの実施形態では、導電率センサ１２２からの出力は、コントローラ１０３に送信され、また、装置１００を通る炭酸塩種を有する１つ以上の水の流量を調整するかどうかを決定するためにコントローラ１０３によって使用される。装置１００内外への炭酸塩種を有する水の流量を調整することで、中央区画１１０を通る炭酸塩種を有する酸性化水の生成、すなわちｐＨを調整し、装置１００の効率を改善し、装置１００のエネルギー消費を低減し、メンテナンスのダウンタイムを低減することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、導電率センサ１２２からの導電率測定値に応答して、カソード区画１０４を通るカソード流入物１０７ｂからの炭酸塩種を有する水の流量を調整するように構成される。

【0043】

いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、各々、アノード区画、カソード区画、および中央区画からの流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃのうちの１つ以上の流出物の導電率を測定するように配置された１つ以上の導電率センサから導電率測定値を受信し得る。アノード区画、カソード区画、および中央区画からのそれぞれの流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃからの導電率測定値がコントローラ１０３によって用いられることで、中央区画内の水の酸性化およびＣＯ_２の生成を制御するために、それぞれの区画を個々に、または個々の区画の組合せを通じて、水の流れを調整する方法が決定され得る。

【0044】

導電率センサ１２２からの測定値は、カソード１０４ａ上のイオンスケールの形成の指標となり、カソード区画１０４を通る流量を増加させると、カソード１０４ａ上のさらなるスケーリングの可能性を減少させる。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、導電率センサ１２０からの導電率測定値に応答して、アノード区画１０２からカソード区画１０４への流出物１０９ａの流量を調整するように構成される。導電率センサ１２２からの測定値は、カソード１０４ａ上のイオンスケールの形成の指標となり、アノード区画１０２からカソード区画１０４への流出物１０９ａの流量を増加させると、カソード１０４ａ上のさらなるスケーリングの可能性を減少させる。加えて、式（２）～（４）に示すように、カソード区画１０４内の化学反応はＮａＯＨを生成し、これが苛性であり、第２のカチオン透過性流体セパレータ１０８の劣化またはカソード１０４ａの劣化を引き起こすおそれがある。再循環ライン１１８からカソード区画１０４への再循環水は、その中のＮａＯＨ濃度を低減し、カソード１０４ａ上のスケールを減少させ、装置１００の寿命を延ばす。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、カソード区画１０４を通るカソード流入物１０７ｂからの炭酸塩種を有する水の流量を、カソード上にスケールが形成されない流量まで最小化するように構成される。本開示の文脈において使用されるように、カソード上のスケールは一般に、処理中に水のｐＨが変化することにつれて形成される沈降炭酸塩および酸化物などの沈降種から形成される電極上の任意のコーティングを含むことができる。カソード上にスケールが形成されると、カソードの有効領域の表面積が低下し、水の還元によるＨ_２気体の形成に対するカソードの効率が低下し得る。カソード区画を通る水の流量および／または流速は、カソード上に吸着し得るスケールの析出を低減するために装置を通る充分な流れを維持しながら、中央区画内のＨ_２の形成、とそれに続くＣＯ_２気体の生成とのバランスを取る流量に調整、すなわち、低下させることができる。

【0045】

いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、導電率センサ１２０からの導電率測定値に応答して、アノード流入物１０７ａからアノード区画１０２を通る炭酸塩種を有する水の流量を調整するように構成される。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、アノード流入物１０７ａからアノード区画１０２を通る炭酸塩種を有する水の流量を、ガス、例えば、アノード１０２ａで生成されたＯ_２によるアノード１０２ａの目詰まりをもたらさない流量まで最小限にするように構成される。本明細書で使用するとき、電極上の目詰まりとは一般に、電極の有効領域、例えばアノードの有効領域の一部にガスの気泡が付着し、通電されたときのさらなるガス生成効率が低下することを指す。アノードの目詰まりは一般に、電気化学プロセスから生成されるガスの体積を測定し、その測定された体積を、関連する半反応に基づいて理論的に予測されるものと比較することによって、またはアノード／カソード対をわたるコンダクタンス（伝導率）を測定することによって評価することができる。アノード区画を通る水の流速および／または流速は、装置を通る充分な流れを維持して、アノード上に吸着し得る気泡の形成を低減しながら、中央区画内でのＯ_２気体の形成と、それに続いくＣＯ_２気体の形成とのバランスをとる流量に調整、すなわち、低下させることができる。

【0046】

いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、流量の増加は一般に、カソード区画内での炭酸塩種を有する水の滞留時間を短縮し、それにより、炭酸塩種を有する水中のイオンがカソードの帯電表面に接触している時間を短縮する。このことは、アノード区画を通る滞留時間の減少によりアノード上のＯ_２の生成を減少させるため、アノードにも当てはまる。例えば、装置を通る炭酸塩種を有する水の流量は、約０．１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、例えば、約０．１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、約０．５ｍ／ｓ～約９ｍ／ｓ、約１ｍ／ｓ～約８ｍ／ｓ、約２ｍ／ｓ～約７ｍ／ｓ、約３ｍ／ｓ～約６ｍ／ｓ、または約４ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓ、例えば、約０．１ｍ／ｓ、約０．５ｍ／ｓ、約１ｍ／ｓ、約１．５ｍ／ｓ、約２ｍ／ｓ、約２．５ｍ／ｓ、約３ｍ／ｓ、約３．５ｍ／ｓ、約４ｍ／ｓ、約４．５ｍ／ｓ、約５ｍ／ｓ、約５．５ｍ／ｓ、約６ｍ／ｓ、約６．５ｍ／ｓ、約７ｍ／ｓ、約７．５ｍ／ｓ、約８ｍ／ｓ、約８．５ｍ／ｓ、約９ｍ／ｓ、約９．５ｍ／ｓ、または約１０ｍ／ｓであり得る。特定の実施形態では、装置を通る炭酸塩種を有する水の流量は、約２ｍ／ｓ～３ｍ／ｓであってもよい。

【0047】

コントローラ１０３は、１つ以上のコンピュータシステムを使用して実装され得る。コンピュータシステムは例えば、Ｉｎｔｅｌ ＣＯＲＥ（登録商標）タイプのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ ＸＥＯＮ(登録商標）タイプのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ ＣＥＬＥＲＯＮ（登録商標）タイプのプロセッサ、ＡＭＤ ＦＸタイプのプロセッサ、ＡＭＤ ＲＹＺＥＮ（登録商標）タイプのプロセッサ、ＡＭＤ ＥＰＹＣ（登録商標）タイプのプロセッサ、およびＡＭＤ ＲシリーズもしくはＧシリーズのプロセッサ、もしくは他のタイプのプロセッサ、またはそれらの組み合わせに基づくコンピュータなどの汎用コンピュータであり得る。あるいは、コンピュータシステムは、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特別にプログラムされた専用ハードウェア、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または分析システム用のコントローラを含み得る。いくつかの実施形態では、コントローラ１０３は、ユーザまたはオペレータが装置１００の関連する動作パラメータを閲覧し、前記動作パラメータを調整し、および／または必要に応じて装置１００の動作を停止することを可能にするように構築および配置されたユーザインターフェースに操作可能に接続されるか、または接続可能であり得る。ユーザインターフェースは、ユーザまたはサービスプロバイダによって対話され、装置１００のステータス情報を出力するように構成されたディスプレイを含むグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を含み得る。

【0048】

コントローラ１０３は、例えば、ディスクドライブメモリ、１つ以上のメモリデバイスに通常接続される１つ以上のプロセッサを含むことができ、メモリデバイスは例えば、ディスクドライブメモリ、フラッシュメモリデバイス、ＲＡＭメモリデバイス、またはデータを記憶するための他のデバイスのうちの任意の１つ以上を備えることができる。１つ以上のメモリデバイスは、装置１００の動作中にプログラムおよびデータを記憶するために使用され得る。例えば、メモリデバイスは、ある期間にわたるパラメータに関する履歴データを記憶するために使用され得る。本発明の実施形態を実装するプログラミングコードを含むソフトウェアは、コンピュータ可読および／または書き込み可能な不揮発性記録媒体に記憶され、次いで、典型的には１つ以上のメモリデバイスにコピーされ、１つ以上のプロセッサによって実行され得る。そのようなプログラムコードは複数のプログラミング言語、例えば、ラダーロジック、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａ、Ｓｗｉｆｔ、Ｒｕｓｔ、Ｃ、Ｃ＃、もしくはＣ＋＋、Ｇ、Ｅｉｆｆｅｌ、ＶＢＡ、またはそれらの様々な組合せのいずれかで記述され得る。

【0049】

続けて図２を参照すると、装置１００は、アノード流出物１０９ａ、カソード流出物１０９ｂ、および中央流出物１０９ｃのうちの１つ以上からの流出物の一部を、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および／または中央区画１１０の１つ以上の入口に戻すように構築および配置された１つ以上の再循環ラインを含む。いくつかの実施形態では、装置１００は、アノード区画１０２からアノード区画１０２の入口まで流出物１０９ａの少なくとも一部を再循環するように構成された再循環ライン１１２を含む。代替の実施形態では、図３に示されるように、中央区画１１０からの流出物１０９ｃの一部は、導管１１５ａを介してアノード区画１０２および導管１１５ｂを介してカソード区画１０４の両方のうちの一方の入口に導かれ得る。中央区画１１０からの流出物１０９ｃを使用して、アノード区画１０２への流入物のｐＨを低下させることができ、これにより、アノード区画１０２内の酸素発生の効率、例えば、Ｈ＋利用性を改善することができる。中央区画１１０からの流出物１０９ｃを使用して、カソード区画１０４中の全炭酸塩種濃度を低下させることができ、これにより、カソード１０４ａ上のスケール形成を減少させることができる。

【0050】

いくつかの実施形態では、装置１００は、カソード区画１０４からの流出物１０９ｂの少なくとも一部をカソード区画１０４の入口まで再循環するように構成された再循環ライン１１４を含む。カソード区画１０４からの流出物１０９ｂからカソード区画１０４の入口までの再循環ライン１１４は、カソード区画流出物１０９ｂ中に存在する二価種の濃度を低減するためのインライン処理システム１２４をさらに含み得る。例えば、インライン処理システム１２４は、ナノ濾過、逆浸透、イオン交換処理、ナノビーズ処理、電気脱イオン化、および静電脱イオン化のうちの１つ以上を含み得るが、これらに限定されない。カソード区画１０４を通る高い水速度がスケーリングの潜在性を十分に低下させることができないと判断された場合、インライン処理システムを使用して、カソード１０４ａのスケーリングの潜在性を低下させ得る。いくつかの実施形態では、装置１００は、アノード区画からの流出物１０９ａの少なくとも一部をカソード区画１０４の入口まで再循環するように構成された第２の再循環ライン１１６を含む。いくつかの実施形態では、装置１００は、中央区画１０９ｃからの流出物の少なくとも一部を中央区画１１０の入口まで再循環させるように構成された再循環ライン１１７を含む。

【0051】

いくつかの実施形態では、装置１００は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０のうちの１つ以上からの流出物から１つ以上の溶存ガスを除去するように構築および配置されたガス回収システム１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを含む。図２に示すように、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０からの流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃは、ガス回収システム１１３ａ、１１３ｂ、および１１３ｃを有する。あるいは、装置１００は、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０それぞれからの流出物１０９ａ、１０９ｂ、および１０９ｃのための出口の各々に接続可能な１つのガス回収システムを含み得る。ガス回収システム１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、水から溶存ガスを除去することができる任意の適切なシステムとすることができ、強制通風脱気装置、遮断タンク、真空ストリッパ、空気ストリッパ、または膜脱気装置が挙げられるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、ガス回収システムは、１つ以上の真空ストリッパを含む。ガス回収システムは、アノード区画１０２、カソード区画１０４、および／または中央区画１１０からの流出物１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃのうちの１つ以上から、Ｈ_２、ＣＯ_２、およびＯ_２のうちの１つ以上を除去するように構築および配置される。ガス回収システムは、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０のうちの１つ以上からの流出物１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃのうちの１つ以上から、Ｈ_２、ＣＯ_２、および／またはＯ_２の少なくとも８０％を除去するように構成され得る。特定の実施形態では、ガス回収システムは、アノード区画１０２、カソード区画１０４、または中央区画１１０の１つ以上からの流出物１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃのうちの１つ以上から、Ｈ_２、ＣＯ_２、およびＯ_２の少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．９％、少なくとも９９．９９％、９９．９９９％、または１００％を除去するように構成され得る。

【0052】

一態様によれば、海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法が提供される。方法は、電解セルのアノード区画、カソード区画、および中央区画のそれぞれに海水を導入するステップを含み得る。方法は、中央区画を通る流量、またはアノードおよびカソードをわたる電流の一方または両方を、中央区画からの流出物を所定の範囲内のｐＨを示すレベルに維持するステップを含み得る。方法は、カソード区画を通る流量を、カソード上のスケールの形成を軽減するレベルに維持するステップをさらに含み得る。方法は、アノード区画を通る流量を、アノードの目詰まりを軽減するレベルに維持するステップをさらに含み得る。方法は、アノード区画、中央区画、またはカソード区画のうちの１つ以上のそれぞれからの流出物から、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つ以上を除去することをさらに含み得る。電解セルは、アノードと、カソードと、アノードから離間しアノード区画を画定する第１のカチオン透過性流体セパレータと、カソードから離間しカソード区画を画定する第２のカチオン透過性流体セパレータと、第１のカチオン透過性流体セパレータと第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定される中央区画と、ならびに、アノード区画、カソード区画、および中央区画の各々を通る海水の流れを独立して制御するように構成されるフロー制御システムとを含み得る。

【0053】

いくつかの実施形態では、方法は、カソード区画を通る流量を、カソード上のスケールの形成を軽減する最低レベルに維持するステップをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、アノード区画を通る流量をアノードのガス目詰まりを軽減する最低レベルに維持するステップをさらに含み得る。

【0054】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法は、ガスの生成および発生したガスによるアノードの目詰まりを低減するために、アノード区画に導入された海水と一緒に、アノード区画からの流出物の一部をアノード区画の入口に導入するステップをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、カソード区画で生成される苛性種の濃度を低減するために、アノード区画に導入された海水と一緒に、アノード区画からの流出物の一部をカソード区画の入口に導入するステップを含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、カソード上のスケールの形成を低減するために、カソード区画に導入された海水と一緒に、カソード区画からの流出物の一部をカソード区画の入口に導入するステップをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、中央区画に導入された海水と一緒に、中央区画からの流出物の一部を中央区画の入口に導入して、平衡をＣＯ_２気体の発生方向にシフトさせるステップをさらに含み得る。

【0055】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法は、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つを通る流量を、アノード区画、カソード区画、または中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持するステップを含み得る。いくつかの実施形態では、方法は、カソード区画を通る流量を中央区画を通る流量よりも高い流量に維持して、カソード上のスケールを低減し、カソード区画内に形成される苛性種、例えば、ＮａＯＨの濃度を減少するステップをさらに含み得る。

【0056】

本明細書で使用される表現および用語は、説明を目的とするものであり、限定するものとみなされるべきではない。本明細書で使用される場合、用語「複数」は、２つ以上のアイテムまたは構成要素を指す。「備える／含む（comprising）」、「含む(including)」、「担持する(carrying)」、「有する(having)」、「含有する(containing)」、及び「包含する(involving)」という用語は、明細書又は請求項等のいずれにおいても、開放された（open-ended）用語、すなわち「含むが、これに限定されない」を意味するものである。従って、そのような用語の使用は、その後に列挙される項目、及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。「からなる」および「本質的にからなる」という移行句のみが、それぞれ、特許請求の範囲に関して、閉じた（closed）または半閉じた（semi-closed）移行句である。請求項要素を修正するための請求項における「第１の」、「第２の」、「第３の」などの序数用語の使用それ自体は、ある請求項要素の別の請求項要素に対する優先順位、上位、もしくは順序、または方法の動作が実施される時間的順序を意味するものではなく、別の請求項要素、又は方法の動作が実行される時間的順序よりも重要であることを意味するものではなく、単に、請求項要素を区別するために、特定の名称を有する１つの請求項要素を、同じ名称（ただし、序数用語の使用のための）を有する別の要素から区別するための標識として使用される。

【0057】

このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には様々な変更、修正、および改良が容易に思い浮かぶであろうことを理解されたい。任意の実施形態に記載された任意の特徴は、任意の他の実施形態の任意の特徴に含まれてもよく、またはそれら任意の特徴と代えてもよい。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部であることが意図されており、本発明の範囲内であることが意図される。従って、前述の記載及び図面は例示の目的のみである。

【0058】

当業者であれば、本明細書に記載のパラメータおよび構成が例示的であり、実際のパラメータおよび／または構成は、開示される方法および材料が使用される特定用途に依存することを理解すべきである。当業者はまた、日常的な実験のみを用いて、開示された特定の実施形態と同等のものを認識するか、または確認することができるはずである。

【誤訳訂正2】

【訂正対象書類名】特許請求の範囲

【訂正対象項目名】全文

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸塩種を有する水から二酸化炭素および水素を生成するための装置であって、
アノード区画と、
前記アノード区画の第１の側に配置されたアノードと、
カソード区画と、
前記カソード区画の第１の側に配置されたカソードと、
前記アノード区画の第２の側に配置された第１のカチオン透過性流体セパレータと、
カチオン性区画の第２の側に配置された第２のカチオン透過性流体セパレータと、
前記第１のカチオン透過性流体セパレータと前記第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定された中央区画と、
前記アノード区画、前記カソード区画、および前記中央区画のそれぞれを通る前記水の流れを独立して制御するように構成されたフロー制御システムと、
を備える装置。

【請求項2】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記アノード区画、前記カソード区画、および前記中央区画の各々に流体的に接続可能な水源を備える、装置。

【請求項3】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記中央区画の下流側に配置され、該中央区画からの流出物のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサを備える、装置。

【請求項4】

請求項３に記載の装置であって、さらに、前記ｐＨセンサから、前記中央区画からの前記流出物のｐＨ測定値を受け取り、また、該中央区画を通る前記水の流量または前記アノードおよびカソードをわたって印加される電流の一方または両方を調整して、該中央区画からの該流出物のｐＨを所定のレベルに維持するように構成されたコントローラを備える、装置。

【請求項5】

請求項４に記載の装置において、前記所定のレベルは、前記中央区画からの前記流出物中の炭酸塩種の大部分がＨ_２ＣＯ_３として存在するレベルである、装置。

【請求項6】

請求項５に記載の装置において、前記コントローラは、前記中央区画からの前記流出物のｐＨを約２．５～約６．５の範囲内に維持するように構成されている、装置。

【請求項7】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記アノード、前記カソード、および前記中央区画からの１つ以上の流出物の導電率を測定するように構成された導電率センサを備える、装置。

【請求項8】

請求項７に記載の装置において、前記コントローラは、さらに、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記カソード区画を通る前記水の流量を調整するように構成されている、装置。

【請求項9】

請求項８に記載の装置において、前記コントローラは、さらに、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記アノード区画から前記カソード区画への流出物の流量を調整するように構成されている、装置。

【請求項10】

請求項７に記載の装置において、前記コントローラは、さらに、前記カソード区画を通る前記水の流量を、前記カソード上にスケールの形成をもたらさない流量に調整するように構成されている、装置。

【請求項11】

請求項７に記載の装置において、前記コントローラは、さらに、前記導電率センサからの導電率測定値に応答して、前記アノード区画を通る前記水の流量を調整するようにさらに構成されている、装置。

【請求項12】

請求項７に記載の装置において、前記コントローラは、さらに、前記アノード区画を通る前記水の流量を、前記アノードの目詰まりをもたらさない流量に最小化するように構成されている、装置。

【請求項13】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記アノード区画からの流出物の少なくとも一部を該アノード区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを備える、装置。

【請求項14】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記カソード区画からの流出物の少なくとも一部を該カソード区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを備える、装置。

【請求項15】

請求項１４に記載の装置であって、さらに、前記アノード区画からの流出物の少なくとも一部を前記カソード区画の前記入口に再循環させるように構成された第２の再循環ラインを備える、装置。

【請求項16】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記中央区画からの流出物の少なくとも一部を該中央区画の入口に再循環させるように構成された再循環ラインを備える、装置。

【請求項17】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記中央区画からの流出物の少なくとも一部を、前記アノード区画の入口および前記カソード区画の入口の一方または両方に再循環させるように構成された再循環ラインを備える、装置。

【請求項18】

請求項１に記載の装置であって、さらに、前記アノード区画、前記カソード区画、または前記中央区画のうちの１つ以上の前記流出液から、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つ以上を除去するように構成されたガス回収システムを備える、装置。

【請求項19】

請求項１８に記載の装置において、前記ガス回収システムは、１つ以上の真空ストリッパを含む、装置。

【請求項20】

請求項１に記載の装置において、前記アノードは、亜酸化イリジウム、マグネリ相二酸化チタン、ステンレス鋼、イリジウム－コバルト（Ｉｒ－Ｃｏ）、イリジウム－タンタル（Ｉｒ－Ｔａ）、または他のイリジウムもしくはタンタル種のうちの１つを含む酸素発生コーティングを含む、装置。

【請求項21】

海水から水素、二酸化炭素、および酸素を生成する方法であって、
電解セルのアノード区画、カソード区画、および中央区画のそれぞれに海水を導入するステップであり、前記電解セルは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードから離間され、アノード区画を画定する第１のカチオン透過性流体セパレータと、
前記カソードから離間され、カソード区画を画定する第２のカチオン透過性流体セパレータと、
前記第１のカチオン透過性流体セパレータと前記第２のカチオン透過性流体セパレータとの間に画定された中央区画と、及び
前記アノード区画、前記カソード区画、および前記中央区画のそれぞれを通る前記海水の流れを独立して制御するように構成されたフロー制御システムと、
を含むものである、該海水を導入するステップと、
前記中央区画を通る流量、または前記アノードおよび前記カソードをわたる電流の一方または両方を、該中央区画からの流出物が所定の範囲内のｐＨを示すレベルに維持するステップと、
前記カソード区画を通る流量を前記カソード上のスケールの形成を軽減するレベルに維持するステップと、
前記アノード区画を通る流量を、前記アノードの目詰まりを軽減するレベルに維持するステップと、
前記アノード区画、前記中央区画、または前記カソード区画のうちの１つ以上からの流出物からそれぞれ、水素、二酸化炭素、または酸素のうちの１つ以上を除去するステップと、
を備える、方法。

【請求項22】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記カソード区画を通る前記流量を、前記カソード上のスケールの形成を軽減する最低レベルに維持するステップを備える、方法。

【請求項23】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記アノード区画を通る前記流量を、前記アノードの目詰まりを軽減する最低レベルに維持するステップを備える、方法。

【請求項24】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記アノード区画に導入された前記海水と一緒に、該アノード区画からの流出物の一部を該アノード区画の入口に導入するステップを備える、方法。

【請求項25】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記アノード区画に導入された前記海水と一緒に、該アノード区画からの流出物の一部を前記カソード区画の入口に導入するステップを備える、方法。

【請求項26】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記アノード区画に導入された前記海水と一緒に、該アノード区画からの流出物の一部を該アノード区画の入口に導入するステップを備える、方法。

【請求項27】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記中央区画に導入された前記海水と一緒に、該中央区画からの前記流出物の一部を該中央区画の入口に導入するステップを備える、方法。

【請求項28】

請求項２１に記載の方法であって、さらに、前記アノード区画、前記カソード区画、または前記中央区画のうちの少なくとも１つを通る前記流量を、該アノード区画、該カソード区画、または該中央区画のうちの少なくとも１つの他のものとは異なるレベルに維持するステップを備える、方法。

【請求項29】

請求項２８に記載の方法であって、さらに、前記カソード区画を通る前記流量を、前記中央区画を通る前記流量よりも高い流量に維持するステップを備える、方法。

【誤訳訂正3】

【訂正対象書類名】図面

【訂正対象項目名】図１

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【図1】

【誤訳訂正4】

【訂正対象書類名】図面

【訂正対象項目名】図４Ａ

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【図4A】

【誤訳訂正5】

【訂正対象書類名】図面

【訂正対象項目名】図４Ｂ

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【図4B】

【誤訳訂正6】

【訂正対象書類名】図面

【訂正対象項目名】図４Ｃ

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【図4C】

【国際調査報告】