(57)【要約】  電気化学的脱塩システムが、第１および第２の電気化学装置とコントローラとを備える。第１および第２の電気化学装置はそれぞれ、電極対と電解質溶液を収容するための各電極対間のコンパートメントとを備える電気化学的脱塩モジュールを備える。第１および第２の電気化学的脱塩装置はそれぞれ、複数の連続動作サイクルを備え、各サイクルは、各電極対を充電して電解質溶液中のイオンを電極上に吸着するための充電モードの動作と、電極対を放電して電極対からイオンを脱着するための放電モードの動作と、を含む。コントローラは、第１および第２の電気化学的脱塩装置が交互的な充電および放電モードの動作を有し、第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方が放電モードにあって少なくとも１つの電極対が電流を放出する間に、第１および第２の電気化学的脱塩装置の他方が充電モードの動作にあって前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方から放出される電流を受け取る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的脱塩システムであって、
それぞれ電気化学的脱塩モジュールを備える第１および第２の電気化学装置であって、電気化学的脱塩モジュールは、少なくとも１つの電極対と電解質溶液を収容するための各電極対間のコンパートメントとを備え、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置はそれぞれ、複数の連続動作サイクルを備え、各サイクルは、各電極対を充電して前記電解質溶液中のイオンを前記電極上に吸着するための充電モードの動作と、前記電極対を放電してイオンを前記電極対から脱着するための放電モードの動作と、を含む、第１および第２の電気化学装置と、
前記第１および第２の電気化学的脱塩装置が交互的な充電および放電モードの動作を有するように、前記システムの制御を行なうように構成されたコントローラであって、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方が放電モードにあって前記少なくとも１つの電極対が電流を放出する間に、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の他方が充電モードの動作にあって前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の前記一方から放出される前記電流を受け取るように、前記システムの制御を行なうように構成されたコントローラと、を備える電気化学的脱塩システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置がそれぞれ等しいサイクル時間を有するように、前記システムの制御を行なうように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置のそれぞれに対して、前記充電モードの動作に対する充電時間が前記放電モードの動作に対する放電時間に等しくなるように、前記システムの制御を行なうように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置のそれぞれが有する前記充電モードの動作が通常放電モードの動作と強制放電モードの動作とを含むように、前記システムの制御を行なうように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１および第２の電気化学的脱塩装置は、前記電気化学的脱塩モジュールと電源との間に電気的に接続された少なくとも１つの双方向コンバータを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記双方向コンバータはそれぞれ、前記充電モードの動作中に前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方が有する前記電気化学的脱塩モジュールに直流を送信し、前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の他方に直流を送信するための双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを含む請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
それぞれイオンを連続的に除去するための、直列に接続された少なくとも２つの第１の電気化学的脱塩装置と、直列に接続された少なくとも２つの第２の電気化学的脱塩装置とを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラは、前記少なくとも２つの電気化学的脱塩装置のうちの１つが、前記少なくとも２つの第２の電気化学的脱塩装置のうちの少なくとも１つと交互的な充電および放電モードの動作を有するように、制御を行なうように構成された請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
第１の電気化学的脱塩装置を充電モードの動作で動作させることであって、
前記第１の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対を逆極性で充電することと、
電解質溶液を前記第１の電気化学的脱塩装置の各電極対間のコンパートメントを通して送ることと、
前記電解質溶液中のイオンを前記少なくとも１つの電極対上に吸着することと、
前記第１の電気化学的脱塩装置から外へ希薄溶液を出すことと、を含む充電モードの動作で動作させることと、
前記第１の電気化学的脱塩装置を放電モードの動作で動作させることであって、
前記第１の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対に貯蔵された電気エネルギーを第２の電気化学的脱塩装置へ放出して、前記第２の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対を、前記第１の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対によって放出された前記電気エネルギーを用いて充電することと、
前記第１の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対上に蓄積されたイオンを脱着して前記コンパートメント内の前記電解質溶液中に入れることと、を含む放電モードの動作で動作させることと、を含む電気化学的な脱塩方法。
【請求項１０】
第１の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対を充電することは、前記第２の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対の放電モードの動作中に放出された直流を受け取ることを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の電気化学的脱塩装置に対する充電／放電電流プロファイルを得ることと、前記充電／放電電流プロファイルに従って前記電極対をそれぞれ充電／放電するための電流を出力するようにコンバータを制御することと、をさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記放電モードの動作は、通常放電時間の間行なう通常放電モードの動作であって、前記通常放電時間の間に前記第１の電気化学的脱塩装置内の前記少なくとも１つの電極対内に貯蔵された前記電気エネルギーによって駆動される直流を放出するための通常放電モードの動作を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記通常放電モードの動作は、前記第１の電気化学的脱塩装置の前記電極対から放出される瞬時の放電エネルギーが、前記第２の電気化学的脱塩装置の前記電極対を充電するための瞬時のエネルギー必要量を満足するか否かを比較することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
比較することは、前記第１の電気化学的脱塩装置の瞬時の放電電力を、前記第２の電気化学的脱塩装置の瞬時の充電電力と比較することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記放電モードの動作はさらに、前記第１の電気化学的脱塩装置の前記少なくとも１つの電極対に逆極性で直流を送信することにより強制放電モードの動作を強制放電時間の間含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
以前の動作サイクルかまたは複数の以前の動作サイクルの平均値に基づいて、通常放電電流、通常放電時間、強制放電電流、および強制放電時間を計算および決定することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記通常放電時間および強制放電時間の前記計算および決定を、ある特定の時間間隔で繰り返す請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記通常充電時間および強制放電時間を、前記第１の電気化学的脱塩装置からのエネルギー出力と前記第１の電気化学的脱塩装置へのエネルギー入力との差が最大になるように決定する請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、脱塩技術の分野に関し、より詳細には、電気化学的脱塩システムおよびシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的脱塩システムの１つのタイプは、電解質溶液内で少なくとも１つの電極対を用いるものである。電気化学的脱塩システムは複数の連続動作サイクルを備えており、各動作サイクルは充電モードの動作と放電モードの動作を含んでいる。電気化学的脱塩システムの充電モードの動作では、電極対は外部電源によって逆に充電されて、電極対間に電界が形成される。電解質溶液中のイオンは、電界によって、逆に充電された電極の方へ駆動され、電極の表面上に吸着される。結果的に、電極対によってキャパシタが形成され、そこに電気エネルギーが充電モードの動作中に貯蔵される。充電モードの動作中に、電解質溶液中のイオンの濃度は時間とともに低下する。したがって、電気化学的脱塩システムから出る電解質溶液は、電気化学的脱塩システム中に供給される電解質溶液と比べてイオンが減少した希薄水である。放電モードの動作中に、キャパシタ（電極）内に貯蔵された電気エネルギーは放出され、イオンが電極対の表面から脱着して電解質溶液中に入る。したがって、放電モードの動作中に電気化学的脱塩システムから出る電解質溶液は、供給溶液と比べてイオンの濃度が高い濃縮水である。このような電気化学的脱塩装置は、「スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）システム」とも言われる。
【０００３】
放電モードの動作中に電極対を放電する従来の方法には、電極対間に短絡回路を形成すること、または公共施設に電極対を接続して、電極対によって放出される電流を消費すること、または電極対の極性を逆にして、電極対に貯蔵された電気エネルギーを放出することが、含まれている。従来の方法の中には、放電モードの動作中に放出される電気エネルギーを、ＳＣＤシステム自体において直接利用するものはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／１０５５５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、ＳＣＤシステムとして、現在利用できるシステムとは異なり、放電プロセスの間に放出される電気エネルギーを直接利用するものを提供することが望ましい場合がある。現在利用できるものとは異なるＳＣＤシステムの動作を制御するための方法を提供することが望ましい場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によれば、電気化学システムが提供される。電気化学的脱塩システムは、第１および第２の電気化学装置とコントローラとを備える。第１および第２の電気化学装置はそれぞれ、電気化学的脱塩モジュールを備え、電気化学的脱塩モジュールは、少なくとも１つの電極対と電解質溶液を収容するための各電極対間のコンパートメントとを備える。第１および第２の電気化学的脱塩装置はそれぞれ、複数の連続動作サイクルを備えている。各サイクルは、各電極対を充電して電解質溶液中のイオンを電極上に吸着するための充電モードの動作と、電極対を放電して電極対からイオンを脱着するための放電モードの動作と、を含んでいる。コントローラは、第１および第２の電気化学的脱塩装置が交互的な充電および放電モードの動作を有するように、システムの制御を行なうように構成されている。第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方が放電モードにあって少なくとも１つの電極対が電流を放出する間に、第１および第２の電気化学的脱塩装置の他方が充電モードの動作にあって前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方から放出された電流を受け取る。
【０００７】
一実施形態によれば、電気化学的な脱塩方法が提供される。本方法は、第１の電気化学的脱塩装置を充電モードの動作で動作させることを含む。充電モードの動作は、第１の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対を逆極性で充電することと、電解質溶液を第１の電気化学的脱塩装置の各電極対間のコンパートメントを通して送ることと、電解質溶液中のイオンを少なくとも１つの電極対上に吸着することと、第１の電気化学的脱塩装置から外へ希薄溶液を出すことと、を含む。電気化学的な脱塩方法は、第１の電気化学的脱塩装置を放電モードの動作で動作させることであって、第１の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対に貯蔵された電気エネルギーを第２の電気化学的脱塩装置へ放出して、第２の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対を、第１の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対によって放出された電気エネルギーを用いて充電することと、第１の電気化学的脱塩装置の少なくとも１つの電極対上に蓄積されたイオンを脱着してコンパートメント内の電解質溶液中に入れることと、を含む放電モードの動作で動作させることを、含む。
【０００８】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部品を表わしている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による第１および第２の電気化学的脱塩装置を備える電気化学的脱塩システムの典型的な概略図である。
【図２】１つの動作サイクル内の図１の第１の電気化学的脱塩装置に対する典型的な充電および放電電流図を例示する図である。
【図３】動作サイクル内の図１の第１の電気化学的脱塩装置に対する典型的な充電および放電電圧図を例示する図である。
【図４】１つの動作サイクル内の図１の第２の電気化学的脱塩装置に対する典型的な充電および放電電流図を例示する図である。
【図５】動作サイクル内の図１の第２の電気化学的脱塩装置に対する典型的な充電および放電電圧図を例示する図である。
【図６】第１の電気化学的脱塩装置の放電モードの動作中の方法の典型的なプロセス・マップである。
【図７】本発明の一実施形態による、充電モードの動作中の図１の第１の電気化学的脱塩装置の典型的な電気化学的脱塩ユニットを例示する図である。
【図８】本発明の一実施形態による、放電モードの動作中の図１の第１の電気化学的脱塩装置の典型的な電気化学的脱塩ユニットを例示する図である。
【図９】本発明の別の実施形態による電気化学的脱塩ユニットの断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による電気化学的脱塩システムを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は電気化学的脱塩システムに関する。電気化学的脱塩システムは、第１および第２の電気化学的脱塩装置とコントローラとを備える。第１および第２の電気化学的脱塩装置はそれぞれ、電極対と電解質溶液を収容するための電極対間のコンパートメントとを備える。第１および第２の電気化学的脱塩装置はそれぞれ、複数の連続動作サイクルを備え、各サイクルは、電極対を充電して電解質溶液中のイオンを電極表面上に吸着するための充電モードの動作と、電極対上に貯蔵された電気エネルギーを放出して電極上に蓄積されたイオンを脱着して解質溶液中に入れるための放電モードの動作とを、含んでいる。コントローラは、第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方が放電モードの動作にあって電極対が電気エネルギーを放出するときに、第１および第２の電気化学的脱塩装置の他方が充電モードの動作にあって電極対が前記第１および第２の電気化学的脱塩装置の一方から放出された電気エネルギーを受け取るように、電気化学的脱塩システムの制御を行なうように構成されている。したがって、一方の電気化学的脱塩装置の放電モードの動作によって放出された電気エネルギーを別の電気化学的脱塩装置が用いて、電気化学的脱塩システムのエネルギー効率が向上する。電気化学的脱塩システムの「エネルギー効率」は、イオン除去のために利用されるエネルギーと、電源によって電気化学的脱塩システムに供給される全エネルギーとの比率を指す。以後、本明細書において、電気化学的脱塩システムを「スーパーキャパシタ脱塩システム」とも言い、電気化学的脱塩装置を「スーパーキャパシタ脱塩装置」とも言う。
【００１１】
近似用語は、明細書および請求項の全体を通して用いる場合、用語が関係する基本機能の変化を招くことなく許容範囲で変化することができる任意の定量的な表現を修飾するために適用される場合がある。したがって、「約」などの用語によって修飾される値は、指定される正確な値に限定されない。場合によっては、近似用語は、値を測定するための機器の精度に対応する場合がある。
【００１２】
別に定義がない限り、本明細書で用いる技術および科学用語の意味は、本発明が属する分野の当業者が広く理解しているものと同じである。用語「第１」、「第２」などは、本明細書で用いる場合、何ら順番、数量、または重要性を示すものではなく、むしろ１つの要素を別のものから区別するために用いている。また用語「ａ」および「ａｎ」は、数量の限定を示すものではなく、むしろ参照した物品のうちの少なくとも１つの存在を示すものである。
【００１３】
「スーパーキャパシタ」は、一般的なキャパシタと比べてエネルギー密度が比較的高い電気化学キャパシタである。本明細書で用いる場合、「スーパーキャパシタ」には、他の高性能キャパシタ（たとえばウルトラキャパシタ）が含まれている。キャパシタは、一対の接近して配置された導体（「電極」と呼ばれる）間の電界にエネルギーを貯蔵することができる電気装置である。キャパシタに電圧が印加されると、大きさは等しいが逆極性の電荷が各電極上に形成される。
【００１４】
図１を参照して、電気化学的脱塩システムたとえばスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）システム１０は、第１のＳＣＤ装置１２、第２のＳＣＤ装置１４、少なくとも１つの電源１６、および第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の動作を制御するコントローラ１８を、備えている。
【００１５】
図１の例示した実施形態では、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４は、１つの共通電源１６に電気的に結合されている。他の実施形態では、ＳＣＤシステム１０は複数の電源を備えていても良い。たとえば、ＳＣＤシステム１０は第１および第２の電源（図示せず）を備え、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に、それぞれ結合されている。例示した実施形態においては、電源１６は、交流を与えるＡＣ電源２０と、交流を直流に変換して第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に印加するための整流器２２と、を備えている。他の実施形態においては、電源１６はＤＣ電源であっても良い。ＤＣ電源は、直流またはＤＣ電圧を、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に、整流器を用いることなく供給する。例示した実施形態においては、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４は、たとえばシャントを介して１つの共通の整流器２２に電気的に結合されていても良い。他の実施形態においては、電源１６は、それぞれ第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に結合するように動作可能な第１および第２の整流器を備えていても良い。
【００１６】
図１の例示した実施形態では、第１のＳＣＤ装置１２は、少なくとも１つのＳＣＤモジュール２４（第１のＳＣＤモジュール２４）と、第１のＳＣＤモジュール２４と電源１６との間の第１のコンバータ２８とを備えている。ある実施形態においては、第１のＳＣＤモジュール２４は、少なくとも１つの電極対３２、３３と、電解質溶液（図７および８）を収容するための電極対３２、３３間のコンパートメント３６（図７および８）とを備えている。同様に、例示した実施形態においては、第２のＳＣＤ装置１４は、少なくとも１つのＳＣＤモジュール２６（第２のＳＣＤモジュール２６）と、第２のＳＣＤモジュール２６と電源１６との間の第２のコンバータ３０とを備え、第２のＳＣＤモジュール２６は、少なくとも１つの電極対３４、３５と、電解質溶液を収容するための電極対３４、３５間のコンパートメント３６とを備えている。例示した実施形態においては、第１および第２のＳＣＤユニット２４、２６は、内部抵抗Ｒ１およびＲ２を、それぞれ含んでいる。一実施形態においては、第１および第２のコンバータ２８、３０はそれぞれ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。代替的な実施形態においては、第１および第２のＳＣＤユニット２４、２６は、１つの共通の双方向コンバータを備えている。
【００１７】
図１の例示した実施形態では、第１のＳＣＤ装置１２は、第１のＳＣＤユニット２４両端の電圧（Ｖ１）を測定するための第１の電圧センサ３８と、電極対３２、３３に印加されるかまたはそこから放出される充電／放電電流（Ｉ１）を測定するための第１の電流センサ４２と、を備えている。第２のＳＣＤ装置１４は、第２のＳＣＤユニット２６両端の電圧（Ｖ２）を測定するための第２の電圧センサ４０と、電極対３４、３５に印加されるかまたはそこから放出される充電／放電電流（Ｉ２）を測定するための第２の電流センサ４４と、を備えている。測定電圧（Ｖ１、Ｖ２）および電流（Ｉ１、Ｉ２）がコントローラ１８に送信され、コントローラ１８はこれらの信号を用いて、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の制御を図る。
【００１８】
ある実施形態においては、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４はそれぞれ、複数の連続動作サイクルを備えている。各サイクルは、電極対３２、３３（３４、３５）を充電して電解質溶液中のイオンを電極３２、３３（３４、３５）の表面上に吸着するための充電モードの動作と、電極対３２、３３（３４、３５）上に貯蔵された電気エネルギーを放出して電極対３２、３３（３４、３５）上に蓄積されたイオンを脱着して電解質溶液中に入れるための放電モードの動作とを備えている。
【００１９】
ある実施形態においては、コントローラ１８は、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４を、それらが交互的な充電および放電モードの動作を有するように制御するように構成されている。第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の一方が放電モードの動作にあって、電極対３２、３３または３４、３５が電流を放出するときに、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の他方は充電モードの動作にあって、電極対３４、３５または３２、３３は、前記第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の一方から放出される電流を受け取る。たとえば、第１のＳＣＤ装置１２が放電モードの動作にあって、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３が電流を放出する間に、第２のＳＣＤ装置１４は充電モードの動作にあって、第２のＳＣＤ装置１４の電極対３４、３５は、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３から放出される電流を受け取る。第２のＳＣＤ装置１４が放電モードの動作に変わると、第２のＳＣＤ装置１４の電極対３４、３５から電流が放出され、一方で、第１のＳＣＤ装置１２は充電モードの動作にあって、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３は、第２のＳＣＤ装置１２の電極対３４、３５から放出される電流を受け取る。したがって、１つのＳＣＤ装置の放電モードの動作によって放出される電気エネルギーが別のＳＣＤ装置によって用いられて、ＳＣＤシステム１０のエネルギー効率が向上する。
【００２０】
ある実施形態においては、コントローラ１８は、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に対する充電電流プロファイル（図示せず）および充電時間（ｔ１）を、電極対３２、３３および３４、３５を充電するのに必要な電荷（Ｑ）に従って計算して記憶するように構成されている。一実施形態においては、充電電流は一定のＤＣ電流である。一実施形態においては、第１および第２のコンバータ２８、３０は、充電電流プロファイルに従って第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４に充電電流を出力するように動作される。例示した実施形態では、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３によって放出された電流は、放電モードの動作においては、第１のコンバータ２８を通って第２のＳＣＤ装置１４へ送信され、さらに第２のコンバータ３０によって充電ＤＣ電流に変換されて、第２のＳＣＤユニット２８の電極対３４、３５を充電することが図られる。同様に、第２のＳＣＤ装置１４の電極対３４、３５によって放出された電流は、第２のコンバータ３０を通って第１のＳＣＤ装置１２へ送信され、さらに第１のコンバータ２８によって充電ＤＣ電流に変換されて、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３を充電することが図られる。
【００２１】
一実施形態においては、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４は、等しいサイクル時間（Ｔ）を有する。図２および３にそれぞれ、第１のＳＣＤユニット２４の典型的な充電／放電電流曲線および電圧曲線（第１の電流センサ４２および第１の電圧センサ３８によって測定される）を、１つの動作サイクル内で例示する。図３の電圧曲線Ｖ１およびＶｃ１は、第１のＳＣＤユニット２４両端の電圧および電極対３２、３３両端の電圧を、それぞれ表す。図４および５にそれぞれ、第２のＳＣＤ装置１４の第２のＳＣＤユニット２８上の放電／充電電流曲線および電圧曲線（第２の電流センサ４４および第２の電圧センサ４０によって測定される）を、図２および３と同じ動作サイクルおよび同じ時間枠内で例示する。図５の電圧曲線Ｖ２およびＶｃ２は、第２のＳＣＤユニット２６両端の電圧および電極対３４、３５両端の電圧を、それぞれ表している。例示した実施形態においては、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の動作サイクルはそれぞれ、充電時間（ｔ１）を伴う充電モードの動作と、放電時間（ｔ２）を伴う放電モードの動作とを有する。すなわち、
Ｔ＝ｔ１＋ｔ２
である。一実施形態においては、充電時間（ｔ１）は放電時間（ｔ２）に等しい。
【００２２】
図２および３を参照して、充電時間（ｔ１）内の充電モードの動作中に、第１のコンバータ２８は、充電電流（Ｉ１）を第１のＳＣＤユニット２４に与えるように動作する。例示した実施形態においては、充電時間（ｔ１）中の充電電流（Ｉ１）は一定のＤＣ電流である。他の実施形態においては、充電時間（ｔ１）中の充電電流（Ｉ１）は時間とともに可変であっても良い。図３に示すように、充電時間（ｔ１）中の第１のＳＣＤユニット２４両端の充電電圧（Ｖ１）と電極対３２、３３両端の電圧（Ｖｃ１）とは、徐々に増加する。放電時間（ｔ２）内の放電モードの動作中に、電極対３２、３３からは放電電流（Ｉ１）が第１のコンバータ２８を通して放出される。放電モードの動作中の放電電流（Ｉ１）は、充電モードの動作における充電電流（Ｉ１）と比べて逆方向である。図３の例示した実施形態においては、放電時間（ｔ２）中の第１のＳＣＤユニット２４両端の放電電圧（Ｖ１）と電極対３２、３３両端の電圧（Ｖｃ１）とは、減少する。
【００２３】
図２および３の例示した実施形態においては、放電モードの動作は、通常放電モードの動作を通常放電時間（ｔ３）の間含んでいる。通常放電時間（ｔ３）中に、電極対３２、３３からは、そこに貯蔵された電気エネルギーによって駆動される放電電流（Ｉ１）が第１のコンバータ２８を通って放出され、第１のＳＣＤユニット２４両端の電圧（Ｖ１）および電極対３２、３３両端の電圧（Ｖｃ１）は低下する。しかし、通常放電モードの動作の終わりにおいて、電気エネルギーは完全には放出されない。なぜならば、内部抵抗（Ｒ１）両端の電圧が存在するからであり、これは、ＳＣＤシステム１０のエネルギー効率を向上させるには不都合である。
【００２４】
図２および３の例示した実施形態においては、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の放電モードの動作はさらに、強制放電モードの動作を強制放電時間の間含んでいる（ｔ４）。強制放電モードの動作中に、電源１６から強制放電電流（Ｉ１）が電極対３２、３４に供給されるが、充電モードの動作における充電電流（Ｉ１）と比べて逆極性である。コントローラ１８は、強制放電モードの動作の終わりにおいて電極対３２、３３両端の電圧（Ｖｃ１）が実質的にゼロに等しく第１のＳＣＤユニット２４両端の電圧（Ｖ１）がゼロを下回るように、システムの制御を行なうように構成されている。したがって、第１のＳＣＤユニット２４内に貯蔵された電荷は完全に放出される。
【００２５】
ある実施形態においては、第２のＳＣＤ装置１４の動作サイクルは第１のＳＣＤ装置１２と同じである。第１のＳＣＤ装置１２が充電時間（ｔ１）内の充電モードの動作にあるときに、第２のＳＣＤ装置１４は放電モードの動作にあり、第１のＳＣＤ装置１２を充電するために電流を放出している。第１のＳＣＤ装置１２が、放電時間（ｔ２）中に放電モードの動作にあって電流を放出するときに、第２のＳＣＤ装置１４は、充電モードの動作にあって第１のＳＣＤ装置１２および電源１６によって放出される電流によって充電される。
【００２６】
ある実施形態においては、充電時間（ｔ１）における第１のＳＣＤ装置の充電モードの動作中に、第１のコンバータ２８は、コントローラ１８によって操作される電流プロファイルに従って充電電流（Ｉ１）を送信するように動作する。コントローラ１８は、第２のＳＣＤ装置１４によって放出された通常放電電流（Ｉ２）が、充電電流（Ｉ１）を発生させるためのエネルギー必要量を満足させられるときに、第１のコンバータ２８が、電源１６から電流を受け取ることなく、充電電流（Ｉ１）を発生させるために通常放電電流（Ｉ２）のみを受け取るように、システムの制御を行なうように構成されている。第２のＳＣＤ装置１４によって放出された通常放電電流（Ｉ２）が、充電電流（Ｉ１）を発生させるためのエネルギー必要量を満足させられないときには、第１のコンバータ２８は、通常放電電流（Ｉ２）および電源１６からの電流の両方によって駆動されるエネルギーを受け取るように動作する。
【００２７】
ある実施形態においては、コントローラ１８が行なう第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の充電および放電プロセスは、同様ではあるが、時間的に交互に行なわれる。図６に、第１のＳＣＤ装置１２を放電するためにコントローラ１８が行なう典型的なプロセス１００を例示する。例示したプロセス１００は、ステップ１０２で開始し、コントローラ１８は、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３が、通常放電モードの動作を始めて通常放電電流（Ｉ１）を第１のコンバータ２８を通して放出するように、動作する。通常放電電流（Ｉ１）の電気エネルギーをさらに、第２のＳＣＤ装置１４の電極対３４、３５を充電するための充電電流（Ｉ２）に変換する。
【００２８】
ある実施形態では、ステップ１０４において、コントローラ１８は、第１のＳＣＤ装置１２の電極対３２、３３が放出する電気エネルギーが、第２のＳＣＤ装置１４の電極対３４、３５を充電するためのエネルギー必要量を満足するか否かを判定する。一実施形態においては、コントローラ１８は、第１のＳＣＤ装置１２から放出される瞬間電力（Ｐ１）、すなわち、
Ｐ１＝Ｖ１×Ｉ１
を、第２のＳＣＤ装置１４が受け取る瞬間電力（Ｐ２）、すなわち、
Ｐ２＝Ｖ２×Ｉ２
と比べる。Ｐ１≧Ｐ２であるならば、第１のＳＣＤ装置１２によって放出された電気エネルギーは、第２のＳＣＤ装置１４のエネルギー必要量を満足することができると判定されて、プロセス１００はステップ１０６に進む。
【００２９】
ステップ１０６では、ある実施形態において、コントローラ１８は、最大可能な放電電流を計算し、第１のコンバータ２８を制御して最大可能な放電電流を第２のＳＣＤ装置１４へ送信するようにした後で、ステップ１０４に戻ることを、第１のＳＣＤ装置１２によって放出された電気エネルギーが第２のＳＣＤ装置１４のエネルギー必要量を満足することができなくなる（すなわち、Ｐ１＜Ｐ２となる）まで、行なう。プロセス１００はステップ１０８に進んで、第２のＳＣＤ装置１４の第２のコンバータ３０は、第１のＳＣＤ装置１２によって放出される放電エネルギーおよび電源１６からの電気エネルギーの両方から電流を受け取るように動作する。
【００３０】
ステップ１０７では、ある実施形態において、コントローラ１８が、通常放電電流（Ｉ１）、通常放電時間（ｔ３）、および強制放電時間（ｔ４）を計算して決定する。一実施形態においては、コントローラ１８は、第２のＳＣＤ装置１４の以前の動作サイクルの充電電流（Ｉ２）および電圧（Ｖ２）と、他の情報たとえば内部抵抗（Ｒ１）およびキャパシタンス（Ｃ１）とを用いて、通常放電時間（ｔ３）および強制放電時間（ｔ４）を計算する。他の実施形態においては、コントローラ１８は、たとえばいくつかのサイクルの電流および電圧の平均値を用いても良い。
【００３１】
例示した実施形態においては、ステップ１０７は、コントローラ１８が、第１のＳＣＤ装置１２からのエネルギー出力（Ｅ１）を最大にする放電電流（Ｉ１）を計算するステップ１０８を含んでいる。例示した実施形態においては、ステップ１０７はさらに、第１のＳＣＤ装置１２が強制放電モードの動作を開始すると仮定して強制放電電流（Ｉ１）を計算するように、コントローラ１８を構成するステップ１１０を含んでいる。一実施形態においては、強制放電電流（Ｉ１）は一定のＤＣ電流である。ある実施形態においては、強制放電電流（Ｉ１）を、強制時間（ｔ４）に基づいて計算する。強制時間（ｔ４）は、全放電時間（ｔ２）と通常放電時間（ｔ３）との差である。充電時間（ｔ１）が放電電流時間（ｔ２）に等しいとき、強制時間（ｔ４）は充電時間（ｔ１）と通常放電時間（ｔ３）との差である。一実施形態においては、コントローラ１８は、電極対３２、３３中に残存する電荷（Ｑ）を計算し、強制電流を、
【００３２】
【数１】
2013506545.tif 000003
に従って計算するように、構成されている。
【００３３】
例示した実施形態においては、ステップ１０７はさらにステップ１１２を含んでいる。ステップ１１２では、コントローラ１８が、強制放電モードの動作中の第１のＳＣＤ装置１２へのエネルギー入力を計算する。
【００３４】
例示した実施形態においては、コントローラ１８は、ステップ１０８、１１０、および１１２の計算を、決定された時間間隔で、放電時間（ｔ２）が終了するまで繰り返す。一実施形態においては、たとえば、時間間隔は５秒である。
【００３５】
ある実施形態では、ステップ１１６において、コントローラ１８は、放電時間（ｔ２）中に放出されるエネルギーと入力されるエネルギーとの差が最大になるように、通常放電時間（ｔ３）および強制放電時間（ｔ４）を決定する。
【００３６】
ある実施形態では、ステップ１１８において、コントローラ１８は第１のＳＣＤ装置１２を制御して、決定された通常放電時間（ｔ３）の終わりに強制放電モードの動作を開始させ、決定された強制放電時間（ｔ４）の終わりにステップ１２０で終わらせる。
【００３７】
図７に、第１および第２のＳＣＤ装置１２、１４の典型的なＳＣＤモジュール、たとえば充電モードの動作中の第１のＳＣＤモジュール２４を例示する。図８に、放電モードの動作中の典型的な第１のＳＣＤモジュール２４を例示する。例示した実施形態においては、典型的なＳＣＤモジュール２４は、容積を画定する脱塩容器４６と、容積内に収容されコンバータ２８に電気的に結合された少なくとも１つの電極対３２、３３とを備えている。
【００３８】
図７および８の例示した実施形態においては、ＳＣＤモジュール２４はさらに、電気絶縁スペーサ４８を電極対３２、３３の間に備える。さらに、脱塩容器４６は、供給源５２からの供給電解質溶液５０がコンパートメント３６に入るときの少なくとも１つの入口（標示せず）と、出力液体がコンパートメント４６から出るための少なくとも１つの出口５４とを備えている。電解質溶液を、外力を用いて脱塩容器４６内に案内しても良い。好適な外力としては、重力、吸引、およびポンピングを挙げても良い。
【００３９】
ある実施形態においては、第１および第２の電極３２、３３はそれぞれ、高表面積を有する導電材料と、第１のコンバータ２８に電気的に結合するための導電材料内の電流コレクタ（図示せず）とを含んでいる。本発明のある特定の実施形態においては、電極、電流コレクタ、および絶縁スペーサ４８の好適な材料および特徴は、本出願の譲受人に共通に譲渡された米国特許出願公開第２００８０１８５３４６号明細書（開示内容は本明細書において参照により取り入れられている）に記載および例示されたタイプであっても良い。
【００４０】
図７を参照して、充電モードの動作中に、電極対３２、３３は、第１のコンバータ２８によって正極および負極としてそれぞれ充電される。供給源５２からの供給電解質溶液５０を、ＳＣＤモジュール２４の電極対３２、３３間を進ませる。陽イオン（Ｍ+）が負極３３の方に移動してそこに吸着され、負イオン（Ｘ-）が正極３２の方に移動してそこに吸着される。ＳＣＤモジュール２４内部でこのように電荷が蓄積される結果、出力液体（ＳＣＤモジュール２４から出てくる希薄液５６である）の陽イオン（Ｍ+）および負イオン（Ｘ-）の濃度は、供給電解質溶液５０と比べて低い。一実施形態においては、希薄液５６に再び、第１のＳＣＤ装置１２へ戻すことによってさらに脱イオンすることを施す。別の実施形態においては、希薄液５６はたとえば工業用途に対する出力である。
【００４１】
図８を参照して、充電モードの動作の後の放電モードの動作中に、吸着された陽イオンおよび負イオンが電極対３２、３３から脱着される。ある実施形態においては、ＳＣＤモジュール２４の放電モードの動作中に、電極対３２、３３の極性は同じに保たれる場合があるが、電極対３２、３３間の電位差は小さくなる場合があるため、負イオンおよび陽イオンは電極３２、３３から脱着することができる。他の実施形態においては、ＳＣＤモジュール２４の放電モードの間に、電極３２、３３の極性を逆にしても良い。その結果、出力液体（濃縮液５８と言われる）は、陽イオンおよび負イオンの濃度が、供給電解質溶液５０と比べて高い。
【００４２】
図９を参照して、本発明の別の実施形態によるＳＣＤモジュール６０は、脱塩容器４６内に収容された複数の電極対３２、３３を備えている。複数の電極対３２、３３は、並列に配設され、イオン障壁６２によって互いに接続されている。例示した実施形態では、脱塩容器４６は、供給電解質溶液５０を対応するコンパートメント３６にそれぞれ並列に同時に導入するための複数の入口と、充電モードの動作中に希薄液５６であり放電モードの動作において濃縮液５８である出力液体が出るための複数の出口５４と、を備えている。代替的な実施形態では、図面には示さないが、入口のうちの１つのみによって供給電解質溶液５０がコンパートメント３６の１つに導入され、あるコンパートメント３６の出口５４が別のコンパートメント３６の入口と直列に連絡するようにコンパートメント３６が相互接続され、その結果、液体が各コンパートメント３６上を通る。例示した実施形態においては、出口５４のうちの１つのみが出力液体の出口である。したがって、濃縮液５８のイオン濃度をより高くすることができる。別の実施形態においては、ＳＣＤモジュール６０は、前述した並列および直列モードの任意の組み合わせ方法で構成することができる。
【００４３】
図１０を参照して、本発明の別の実施形態によるＳＣＤシステム６４は、直列に接続された複数の第１のＳＣＤ装置１２と、直列に接続された複数の第２のＳＣＤ装置１４とを備えて、供給電解質溶液５０に対してそれぞれ連続的にイオンを除去することを図っている。コントローラ１８は、第１のＳＣＤ装置１２がそれぞれ、対応する第２のＳＣＤ装置１４とともに交互的な充電および放電モードの動作を有する（図１〜６の記載を参照して説明した通りである）ように、システムの制御を行なうように構成されている。したがって、あるＳＣＤ装置の放電電流を別のＳＣＤ装置が用いてＳＣＤユニットの充電を図っている。他の実施形態においては、第１のＳＣＤ装置１２のうちの１つが、第２のＳＣＤ装置１４のうちの２つ以上とともに交互的な充電および放電モードの動作を有していても良い。第１のＳＣＤ装置から放出される放電電流１２を用いて、第２のＳＣＤ装置１４のうちの前記２つ以上を充電することを図る。
【００４４】
本明細書で説明した実施形態は、請求項で説明する本発明の要素に対応する要素を有する組成物、構造、システム、および方法の例である。この書面の説明によって、当業者であれば、請求項で説明する本発明の要素に同様に対応する代替的な要素を有する実施形態を作製して用いることができる場合がある。したがって、本発明の範囲には、請求項の文字通りの言葉使いと違わない組成物、構造、システム、および方法が含まれ、さらに、請求項の文字通りの言葉使いとの差が非実質的である他の構造、システム、および方法が含まれる。本明細書では、ある特定の特徴および実施形態のみを例示して説明してきたが、多くの変更および変形が、当該の技術における当業者に想起される場合がある。添付の請求項は、このような変更および変形のすべてに及んでいる。
【図１】
2013506545.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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