(57)【要約】  本発明は、変動する又は間欠的な電気エネルギー並びに水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上をエネルギー装置に貯蔵する方法を提供し、本方法は、第１のセル水性液体、第２のセル水性液体、及び外部電力源からの電力を機能性ユニットに供給し、それによって充電された機能性電池ユニット並びに前記貯蔵システムに貯蔵された水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を供給し、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の１．３７Ｖを超える電位差で機能性ユニットを充電するステップを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は２以上の機能性ユニット（２）を含むエネルギー装置（１）であって、それぞれの機能性ユニット（２）が、
−  １又は２以上の第１のセル電極（１２０）、並びに第１のセル水性液体（１１）及び第１のセル気体（１２）のための１又は２以上の第１のセル開口部（１１０）を含む、第１のセル（１００）、
−  １又は２以上の第２のセル電極（２２０）、並びに第２のセル水性液体（２１）及び第２のセル気体（２２）のための１又は２以上の第２のセル開口部（２１０）を含む、第２のセル（２００）、
−  セパレータ（３０）であって、前記第１のセル（１００）及び前記第２のセル（２００）が前記セパレータ（３０）を共有し、前記セパレータが、水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ（３０）
を含み、
前記エネルギー装置（１）が、（ａ）少なくとも２又は３以上の第１のセル電極（１２０）及び（ｂ）少なくとも２又は３以上の第２のセル電極（２２０）のうち１又は２以上を含み、前記エネルギー装置（１）が、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極（１２０）の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極（２２０）の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するように構成された電気要素（７）をさらに含む、前記エネルギー装置（１）。
【請求項２】
２又は３以上の第１のセル電極（１２０）を含む少なくとも１つの機能性ユニット（２）を含み、電気要素（７）が、１又は２以上の第１のセル電極（１２０）の第１のサブセット（１２１１）と１又は２以上の第１のセル電極（１２０）の第２のサブセット（１２１２）との間に電位差を印加するように構成された、請求項１に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項３】
第１のサブセット（１２１１）及び第２のサブセット（１２１２）の第１のセル電極（１２０）が、鉄ベースの電極を含む、請求項２に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項４】
第１のサブセット（１２１１）の第１のセル電極（１２０）が鉄ベースの電極を含み、第２のサブセット（１２１２）の第１のセル電極（１２０）が水素ガス生成電極（１２１０）を含む、請求項２に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項５】
２又は３以上の第１のセル電極（１２０）及び１又は２以上の第２のセル電極（２２０）を含む少なくとも１つの機能性ユニット（２）を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項６】
少なくとも２つの機能性ユニット（２）を含み、第１の機能性ユニット（２）の第１の電極（１２０）と第２の機能性ユニットの第２の電極（２２０）がバイポーラプレート（４）によって互いに隔離され、前記バイポーラプレート（４）が導電性である、請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項７】
バイポーラプレート（４）が互いに電気的に隔離されるように構成された少なくとも２つのバイポーラプレートセクション（１０４１、１０４２）を含み、１又は２以上の第１のセル電極（１２０）が第１のバイポーラプレートセクション（１０４１）と関連付けられており、１又は２以上の第１のセル電極（１２０）が第２のバイポーラプレートセクション（１０４２）と関連付けられており、１又は２以上の第２のセル電極（２２０）が前記第１のバイポーラプレートセクション（１０４１）と関連付けられており、１又は２以上の第２のセル電極（２２０）が前記第２のバイポーラプレートセクション（１０４２）と関連付けられている、請求項６に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項８】
第１のセル（１００）、第２のセル（２００）、及び２若しくは３以上の第１のセル電極（１２０）を提供するさらなる第１の電極（１２０）又は２若しくは３以上の第２のセル電極（２２０）を提供するさらなる第２の電極（２２０）のいずれかを含むさらなるセルを含む、請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項９】
１又は２以上の第２のセル電極（２２０）が、ニッケルベースの電極を含む、請求項１〜８のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１０】
電気要素（７）が可変電圧源を含む、請求項１〜９のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１１】
少なくとも１つの機能性ユニット（２）が、
−  複数の第１のセル電極（１２０）、並びに第１のセル水性液体（１１）及び第１のセル気体（１２）のための１又は２以上の第１のセル開口部（１１０）を含む、第１のセル（１００）であって、前記複数の第１の電極（１２０）が鉄ベースの電極を含み、前記複数の第１のセル電極が前記第１のセル電極（１２０）の第１のサブセット（１２１１）及び前記第１のセル電極（１２０）の第２のサブセット（１２１２）を含む、第１のセル（１００）、
−  第２のセル電極（２２０）、並びに第２のセル水性液体（２１）及び第２のセル気体（２２）のための１又は２以上の第２のセル開口部（２１０）を含む、第２のセル（２００）であって、前記第２の電極（２２０）がニッケルベースの電極を含む、第２のセル（２００）、
−  セパレータ（３０）であって、前記第１のセル（１００）及び前記第２のセル（２００）が前記セパレータ（３０）を共有し、前記セパレータが、水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ（３０）、
−  前記第１のセル電極（１２０）の第１のサブセット（１２１１）と電気的に接続された第１の電気接続（１２５１）、前記第１のセル電極（１２０）の第２のサブセット（１２１２）と電気的に接続された第２の電気接続（１２５２）、及び前記第２のセル電極（２２０）と電気的に接続された第３の電気接続（５２）、並びに
−  電気要素（７）を含むコネクタ要素（１５１０）であって、前記第１のサブセット（１２１１）の前記第１の電極（１２０）と前記第２のサブセット（１２１２）の前記第１の電極（１２０）とが短絡する第１の設定と、（ａ）前記第２の電極（２２０）と前記第１のサブセット（１２１１）の前記第１の電極（１２０）との間、及び（ｂ）前記第２の電極（２２０）と前記第２のサブセット（１２１２）の前記第１の電極（１２０）との間に異なる電位差が存在することができ及び／又は異なる電流が流れることができる第２の設定との間で変更可能であるコネクタ要素（１５１０）
を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１２】
第２の設定において、（ａ）第２の電極（２２０）と第１のサブセット（１２１１）の第１の電極（１２０）との間、及び（ｂ）前記第２の電極（２２０）と第２のサブセット（１２１２）の前記第１の電極（１２０）との間に電圧差及び／又は異なる電流を生成させるように構成されたエネルギー源をさらに含む、請求項１０に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１３】
第２の電極（２２０）が第２の電極容量（Ａｈ２）を有し、複数の第１の電極（１２０）が、第１のサブセット（１２１１）の中の全ての第１の電極（１２０）の統合された第１のサブセット電極容量（Ａｈ１１）及び第２のサブセット（１２１２）の中の全ての第１の電極（１２０）の統合された第２のサブセット電極容量（Ａｈ１２）を有し、Ａｈ１１／Ａｈ２≧２であり、Ａｈ１１／Ａｈ１２≧１であり、Ａｈ１１＋Ａｈ１２＞Ａ２である、請求項１０又は１１に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１４】
−  第１のセル電極（１２０）と電気的に接続された第１の電気接続（５１）及び第２のセル電極（２２０）と電気的に接続された第２の電気接続（５２）
をさらに含む、請求項１〜１３のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１５】
機能性ユニット（２）への第１のセル水性液体（１１）及び第２のセル水性液体（２１）のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム（６０）
をさらに含む、請求項１〜１４のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１６】
機能性ユニット（２）の外部の第１のセル気体（１２）及び第２のセル気体（２２）のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム（７０）
をさらに含む、請求項１〜１５のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１７】
（ａ）機能性ユニット（２）の中の第１のセル気体（１２）の圧力、（ｂ）貯蔵システム（７０）の中の前記第１のセル気体（１２）の圧力、（ｃ）前記機能性ユニット（２）の中の第２のセル気体（２２）の圧力、及び（ｄ）前記貯蔵システム（７０）の中の前記第２のセル気体（２２）の圧力のうち１又は２以上を制御するように構成された圧力システム（３００）
をさらに含む、請求項１５に記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１８】
−  第１のセル電極（１２０）と電気的に接続された第１の電気接続（５１）、及び第２のセル電極（２２０）と電気的に接続された第２の電気接続（５２）、
−  機能性ユニット（２）への第１のセル水性液体（１１）及び第２のセル水性液体（２１）のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム（６０）、
−  前記機能性ユニット（２）の外部の第１のセル気体（１２）及び第２のセル気体（２２）のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム（７０）、
−  （ａ）前記機能性ユニット（２）の中の前記第１のセル気体（１２）の圧力、（ｂ）前記貯蔵システム（７０）の中の前記第１のセル気体（１２）の圧力、（ｃ）前記機能性ユニット（２）の中の前記第２のセル気体（２２）の圧力、及び（ｄ）前記貯蔵システム（７０）の中の前記第２のセル気体（２２）の圧力のうち１又は２以上を制御するように構成された圧力システム（３００）、
−  外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に前記第１のセル電極（１２０）と前記第２のセル電極（２２０）との間の１．３７ボルトを超える電位差で前記電力を前記機能性ユニット（２）に供給するように構成された充電制御ユニット（４００）、
−  電力供給を受ける受容器と電気接続（５１、５２）とを機能的に結合する第１のコネクタユニット（５１０）、並びに前記第１のセル気体（１２）及び前記第２のセル気体（２２）のうち１又は２以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システム（７０）とを機能的に接続する第２のコネクタユニット（５２０）、並びに
−  前記水性液体制御システム（６０）、前記貯蔵システム（７０）、前記圧力システム（３００）、及び前記充電制御ユニット（４００）を制御するように構成された、制御システム（８０）
をさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項１９】
第１の電極（１２０）が第１の容量を有し、第２の電極（２２０）が第２の容量を有し、前記第２の容量が前記第１の容量の９０％未満である、請求項１〜１８のいずれかに記載のエネルギー装置（１）。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載のエネルギー装置（１）及び外部電力源（９１０）を含む、エネルギーシステム（５）。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれかに記載のエネルギー装置（１）を用いて電気エネルギー並びに水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を貯蔵する方法であって、第１のセル水性液体（１１）、第２のセル水性液体（２１）、及び外部電力源（９１０）からの電力を機能性ユニット（２）に供給し、それによって充電された機能性ユニット（２）並びに貯蔵システム（７０）に貯蔵された水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を供給し、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極（１２０）と第２のセル電極（２２０）との間の１．３７ボルトを超える電位差で前記機能性ユニットを充電するステップを含む方法。
【請求項２２】
充電時間の少なくとも一部の間、第１のセル電極（１２０）と第２のセル電極（２２０）との間の電位差を１．６〜２．０Ｖの範囲で選択し、第１のセル（１００）の第１の圧力及び第２のセル（２００）の第２の圧力を少なくとも３０バールの圧力に維持するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）２又は３以上の第１のセル電極（１２０）の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極（２２０）の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加することによって、エネルギー装置（１）を放電し、同時に水素（Ｈ２）を生成させるステップをさらに含む、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
第１のセル（１００）の中の少なくとも２つの第１のセル電極（１２０）の間に０．００１〜０．５Ｖの範囲から選択される電位差を印加するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
１又は２以上の第１のセル電極（１２０）の第１のサブセット（１２１１）と１又は２以上の第１のセル電極（１２０）の第２のサブセット（１２１２）との間に電位差を印加するステップを含み、前記電位差が０．００１〜０．５Ｖの範囲から選択される、請求項２１〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
電力、水素（Ｈ２）、及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を受容器に供給するための、請求項１〜１９のいずれかに記載のエネルギー装置（１）又は請求項２０に記載のエネルギーシステム（５）の使用。
【請求項２７】
その推進エネルギーが水素源及び電力源のうち１又は２以上に由来するエンジンを含む電動車両に電力、水素（Ｈ２）のうち１又は２以上を供給するためであって、デバイス（９３０）が電力、水素、及び酸素のうち１又は２以上を利用するように構成された工業対象物（９４０）に含まれる、請求項２６に記載の使用。
【請求項２８】
水素（Ｈ２）を生成させ、同時に電気エネルギーを供給し又は貯蔵するための、請求項２６又は２７に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気エネルギー及び／又はエネルギーキャリア（Ｈ２など）を供給する装置に関する。本発明はまた、そのような装置を含むエネルギーシステムに関する。さらに、本発明は電気エネルギー及び／又はエネルギーキャリア（Ｈ２など）を供給する方法に関する。また、本発明は装置及び／又はエネルギーシステムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解槽は当技術分野で公知である。例えば米国特許出願公開第２０１５／０６９８３６号には、電力供給システムに電力を給電するための風力エネルギー設備を有する給電配置を制御する方法であって、以下のステップ、すなわち風力エネルギー設備を用いて風から電力を生成させるステップ、生成した電力の第１の割合を電力供給システムに給電するステップ、生成した電力の第２の割合を、生成した電力のうち供給された第２の割合を消費する電力消費装置に供給するステップを含み、少なくとも１つの監視されるシステム状態に応じて及び／又は優勢な風に応じて、消費装置に供給される生成した電力の第２の割合が全体的又は部分的に減少され、電力供給システムに給電される電力の第１の割合が対応して増加される、方法、並びに対応する給電配置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０６９８３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力及び太陽パワーからの再生可能電力の量の増加に対応するため、日間及び季節的スケールのグリッドスケール電力貯蔵が必要である。種々の貯蔵の種類に対する利用可能な解決策の実現には、寿命の課題、低いエネルギー効率、変換ロス、及び／又は再生可能な電力供給の変動による年間を通しての全作動時間の制限を考慮した際の高すぎるコストという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本発明の一態様は、好ましくはさらに上記の欠点の１又は２以上の少なくとも一部を未然に防ぐ代替エネルギー装置を提供することである。さらに、本発明の一態様はまた、好ましくはさらに上記の欠点の１又は２以上の少なくとも一部を未然に防ぐエネルギー装置を含む代替エネルギーシステムを提供することである。さらに、本発明の一態様はまた、好ましくはさらに上記の欠点の１又は２以上の少なくとも一部を未然に防ぐ電気及び／又はエネルギーキャリアを貯蔵し再生するための代替の方法を提供することである。さらに、本発明の一態様はまた、電気及び／又は水素ガスの貯蔵における大きな自由度を提供し得る融通性のあるシステム及び装置を提供することである。
【０００６】
日間の電気の貯蔵は電池において最もエネルギー効率が高いであろうが、季節的貯蔵スケールには豊富な元素に基づく人工燃料への変換が必要である。これら２つの方向は常に個別の解決策として、又は競合する解決策としてさえ扱われてきた。
【０００７】
ここで本発明者らは、Ｎｉ−Ｆｅ電池を改変して高効率の統合された電池−電解槽として作動できることを示す。本発明者らは、電池のフル容量に加えて、等量又はより大量の電荷を用いて、全エネルギー効率８１％以上で水素を生産できることを見出した。ナノ構造のＮｉＯＯＨ及び還元されたＦｅからなる充電された電池電極は、それぞれ効率的な酸素及び水素の発生触媒として作用し、電池がフル充電されたときに水素を生成する。このようにして、デバイスの作動時間は電池の充電時間を超えて延長され、したがって気体生産の形態での有用なエネルギー貯蔵を実行することができる。生産された再生可能な電気の生産が減少すれば、電池は充電され、放電して電気を供給することが可能になる。したがって、１つのデバイスに統合されていない単一の電池又は単一の電解槽とは対照的に、電気源が変動してもデバイスの全期間作動が可能になる。さらに、過電圧の電池で放散される熱は、特に環境への熱損失を減少させるために熱絶縁及び熱管理が適用される場合には、水素の生成に直接用いられる。これに関して、水の電気分解による水素及び酸素の生産には熱の供給が必要であることに注目されたい。熱絶縁及び熱管理システムには、統合された電池電解槽の周りの熱絶縁、並びに任意選択で冷却が含まれ得る。そのような熱絶縁及び熱管理によって、充電及び水素発生の間に例えば６０℃まで上がる電流による加熱が可能になり、また温度が６０℃未満に留まるように制限することができる。したがって、特にエネルギー装置はさらに、機能性ユニット（下記も参照）を５〜９５℃の範囲、特に１０〜７５℃、例えば１５〜７０℃、例えば最高６０℃から選択される温度に維持するように構成された熱管理システムを含んでもよい。
【０００８】
本発明者らの結果により、日間及び季節的電気貯蔵に対処する、豊富な元素であるＦｅ、Ｎｉ及びＫＯＨ（任意選択でＬｉＯＨ及びＮａＯＨとともに）水系電解質に基づく統合された電池電解槽が実証される。これにより、昼間の無制限な切替え可能な電力貯蔵として及び夜間の電力源としてのフルタイムに近い適用性を有する低コストで本質的に融通性のあるデバイスにおける強固なグリッドスケールのエネルギー貯蔵解決策が提供され得る。
【０００９】
Ｎｉ−Ｆｅ電池はJungner及びEdisonによって導入された。負極にはＦｅ（ＯＨ）２が存在し、これは充電の際にＦｅに還元される。Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−→Ｆｅ＋２ＯＨ−（ＳＨＥに対して−０．８７７Ｖ）。一方、正極にはＮｉ（ＯＨ）２が存在し、これは充電の際にプロトンを放出する。Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−（ＳＨＥに対して＋０．４９Ｖ）。電池の開路電位は１．３７Ｖであり、これは６Ｍ  ＫＯＨ電解質から水を分解するために必要な最小電位より大きい。このため、正常な作動においても既に水が水素と酸素に分解してエネルギー損失を生じ、電解質がゆっくりと損失するリスクがある。次に正極では反応４ＯＨ−→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−が起こり得る（ＳＨＥに対して＋０．４０）。一方、負極では２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−が起こり得る（ＳＨＥに対して−０．８３）。反応Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２も自発的自己放電を引き起こすことが知られている。Ｎｉ（ＯＨ）２及びＦｅ（ＯＨ）２は、充放電速度を速くするためにナノ構造化されている。上記の反応においてＮｉ（ＯＨ）２の中にＨ＋を貯蔵する理論的容量は２８９ｍＡｈ／ｇに対応する。Ｆｅ（ＯＨ）２の中にＯＨ−を貯蔵する理論的容量は５９６ｍＡｈ／ｇに対応する。
【００１０】
アルカリ電解槽は、７１％（生成した水素のＨＨＶ（高位発熱量基準）を印加した電気エネルギーで除した値）という典型的な効率で水素及び酸素を生成するために用いることができる。主な活性成分はＮｉ金属ベースの正極及びＮｉ（又はＮｉコートしたＦｅ）の負極であり、これはアルカリ電解質中のイオンを透過するが水素と酸素を隔離する隔膜又はセパレータによって隔離されている。金属電極はガス生産速度を高めるためにその多孔質構造（ラネーニッケル）により大きな表面積を有している。さらに、Ｐｔ又はＰｔ−Ｒｕのような貴金属を負極に組み込んで、例えば８０℃において電極表面積１ｃｍ２当たり電流０．５Ａで、水素生産に必要な過電圧を２００ｍＶから５０ｍＶに低下させることができる。隔膜はセラミック複合体であってよく、電解質はここでも強アルカリ、特にＫＯＨ溶液である。アルカリ電解槽の効率は、Ｏ２及びＨ２の生成過電圧、電荷輸送及びガス輸送、並びに電極表面における気泡の形成によって制限される。
【００１１】
したがって、第１の態様では、本発明はエネルギー装置（本明細書では「装置」とも表す）を提供し、本装置は特に電気エネルギー貯蔵機能、及び／又は水素生成機能、及び／又は電解機能を有し、本エネルギー装置は１又は２以上の機能性ユニットを含み、それぞれの機能性ユニットは、
−  １又は２以上の第１のセル電極、並びに（塩基性の）第１のセル水性液体（「液体」又は「第１の液体」）及び第１のセル気体のための１又は２以上の第１のセル開口部を含む、第１のセル、
−  １又は２以上の第２のセル電極、並びに第２のセル水性液体（「液体」又は「第２の液体」）及び第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部を含む、第２のセル、
−  セパレータであって、第１のセル及び第２のセルがセパレータを共有し、セパレータが、水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように特に構成されたセパレータ
を含み、
エネルギー装置は、（ａ）少なくとも２又は３以上の第１のセル電極及び（ｂ）少なくとも２又は３以上の第２のセル電極のうち１又は２以上を含み、エネルギー装置は、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するように構成された電気要素をさらに含む。
【００１２】
そのような装置によって、放電とＨ２の生成を同時に行うことができる。さらに、そのような装置によって、装置を充電する際に電気を貯蔵し、水素及び酸素を生成させることができる。
【００１３】
上に示したように、本発明は特に電気エネルギー貯蔵機能を有することができるエネルギー装置を提供する。したがって、電気エネルギーが本装置に供給されれば、電気エネルギーが貯蔵され得る。或いは、又はさらに、本装置は水素生成機能を有することができる。本装置によれば、水素生成及び／又は電気エネルギー貯蔵及び／又は電気が必要な場合には放電の間で選択することが可能である。しかし、例えば第１の電極と第２の電極との間に印加される電位差に応じて、これらのうち２つを同時に実行することもできる。したがって、実際、同時に水素を効果的に貯蔵し生産することができる。ここで、用語「効果的貯蔵」及び同様の用語は、例えばＦｅを還元することにより、この還元されたＦｅを引き続いて用いてＨ２を生成させることができることを示している。したがって、Ｈ２は例えばＦｅ及びＨ２Ｏの中に「貯蔵」される。
【００１４】
さらに他の実施形態では、本装置は電解機能を有してよい。したがって、本装置が電解機能で充電されると、装置に貯蔵された電気エネルギーは水を電解するために用いることができ、それにより水素が生成する。もちろん、貯蔵された電気エネルギーは所望のときに電気エネルギーを供給するために用いてもよい。
【００１５】
エネルギー装置は１又は２以上の機能性ユニットを含む。実施形態では、エネルギー装置は単一の機能性ユニットを含んでもよい。他の実施形態では、装置は複数の機能性ユニットを含んでもよい。機能性ユニットは並列又は直列に連結することができる。それぞれの機能性ユニットは第１のセル、第２のセル、及びセパレータを含む。特に、第１のセルと第２のセルの機能的組合せは、電池又は電解槽として用いることができる。
【００１６】
第１のセルは、１又は２以上の第１のセル電極、並びに第１のセル水性液体及び第１のセル気体のための１又は２以上の第１のセル開口部を含む。さらに、第２のセルは、１又は２以上の第２のセル電極、並びに第２のセル水性液体及び第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部を含む。さらに、機能性ユニットはセパレータを含む。第１のセル及び第２のセルはセパレータを共有し、セパレータは水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように特に構成されている。ここで、用語「セル」は実際にハーフセルを意味することもある。
【００１７】
上記のように、エネルギー装置は、（ａ）少なくとも２又は３以上の第１のセル電極及び（ｂ）少なくとも２又は３以上の第２のセル電極の１又は２以上を含む。この構成は２つの主な実施形態によって得られ、これらは任意選択で組み合わせることもできる。
【００１８】
第１の実施形態では、第１のセル若しくは第２のセル、又は第１のセルと第２のセルの両方は、複数の（それぞれ第１及び第２の）電極を含む。第２の実施形態では、それぞれ２又は３以上の第１のセルが前記２又は３以上の第１のセル電極を提供し、又は２又は３以上の第２のセルが前記２又は３以上の第２のセル電極を提供する。したがって、任意のシステムが第１のセル電極及び第２のセル電極を含む。２つの第１のセル電極を提供するさらなる第１のセル電極は、第３の電極として示してもよい。同様に、２つ（又は３以上）の第２のセル電極を提供するさらなる第２のセル電極は、第３の電極として示してもよい。上記から明らかなように、複数の第３の電極が存在してよい。
【００１９】
したがって本発明では、２つの第１のセル電極を同一の方法で用いてもよく、又は２つの第１のセル電極を異なる方法で用いてもよい。装置を放電しながら水素ガスを生産するような特定の実施形態では、２つの第１のセル電極を用いる異なる方法を同時に行ってもよい。
【００２０】
同様に、２つの第２のセル電極を同一の方法で用いてもよく、又は２つの第２のセル電極を異なる方法で用いてもよい。装置を放電しながら水素ガスを生産するような特定の実施形態では、２つの第２のセル電極を用いる異なる方法を同時に行ってもよい。
【００２１】
第１のセル電極の数は、特に例えばそれに対して（第１のセル電極の２つの異なるサブセットに対して）（２つの）異なる電位差が印加される複数の（大きい及び小さい）第１のセル電極を用いる場合には、第２のセル電極の数と必ずしも同じでなくてよい。
【００２２】
さらに上に示したように、エネルギー装置は、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するように構成された電気要素をさらに含む。したがって、それぞれ第１のセル電極又は第２のセル電極として示された複数の電極があっても、装置は２つの異なる第１のセル電極と第２のセル電極との間の異なる電位差の印加を可能にし、又は２つの異なる第２のセル電極と第１のセル電極との間の異なる電位差の印加を可能にし、又は２つの異なる第１のセル電極と２つの異なる第２のセル電極との間の異なる電位差の印加を可能にする等々の構成を含む。そのような構成により、放電とＨ２（及び／又はＯ２）の生成を同時に行うことができる。
【００２３】
上に示したように、実施形態では、これは単一の機能性ユニットで、又は複数の機能性ユニットで達成することができ、効果はこれらの複数の機能性ユニットの１又は２以上で達成することができる。
【００２４】
したがって、実施形態では、エネルギー装置は２又は３以上の第１のセル電極を含む少なくとも１つの機能性ユニットを含み、前記電気要素は１又は２以上の第１のセル電極の第１のサブセットと１又は２以上の第１のセル電極の第２のサブセットとの間に電位差を印加するように構成されている。「前記電気要素は電位差を印加するように構成されている」という語句は、特定のステージにおいてこの電位差が印加され得るということを示し得る。例えば、放電（のみ）の場合には、電位差は印加されないことになる。しかし、放電と水素生産の両方が起こる場合には、特に電位差が印加され得る。さらに、例えばＨ２のピーク体積が必要な場合、又はＨ２が必要でなく、全て又はほとんどの電気エネルギーが装置（すなわち機能性ユニット）が充電されるまで装置を充電するのに用いることができる場合（さらなる充電はＨ２の生成に用いることができる）には、Ｈ２を生成させ、かつ充電することは常に必要なわけではない。
【００２５】
上に示したように、エネルギー装置は、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するように構成された電気要素をさらに含んでもよい。電気要素は第１の電極のサブセットの間に電位差を印加し、及び／又は第２の電極のサブセットの間に電位差を印加するように構成されていてよい。したがって、電気要素という用語は、実施形態において複数の（異なる）電気要素をも意味し得る。
【００２６】
第１のサブセット及び第２のサブセットの第１のセル電極が鉄ベースの電極を含む実施形態では、特に良好な結果が得られる。したがってそのような実施形態では、第１のセル電極は特性において本質的に同一であってもよい。しかしそのような実施形態では、第１のサブセットの電極は電極表面積及び／又は厚み、及び／又は貯蔵容量（Ａｈで）などにおいて異なっていてもよい。
【００２７】
サブセットの電極は、異なる材料を含むなど、本質的に異なっていてもよい。そのような実施形態では、あるサブセットは例えば装置を充電するために最適化されてよく、別のサブセットはＨ２の生成に最適化されてよい。したがって、実施形態では、第１のサブセットの第１のセル電極は鉄ベースの電極を含み、第２のサブセットの第１のセル電極は水素ガス生成電極（第１のサブセットの第１のセル電極と異なる）を含む。第１のサブセットから得られた電極は、材料において第２のサブセットと異なってよい。例えば、実施形態では、第２のサブセットの第１のセル電極は、白金（Ｐｔ）、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅｘ、ＦｅＭＯｘ、ＮｉＣｏＦｅ、ＬａＮｉ５、及びＭｍが２又は３以上のランタニドの混合物を表すＭｍＮｉ５−ｘ−ｙＣｏｘＡｌｙなどのＬａＮｉ５型材料、並びに硫化モリブデン（ＭｏＳｘ）の１又は２以上を含む。ＭｍＮｉ５−ｘ−ｙＣｏｘＡｌｙはＬａＮｉ５型化合物である。Ｍｍは特にＣｅ、Ｌａ、Ｐｒ及びその他の稀土元素（Ｙを含む）の１又は２以上を含んでもよい。さらに、ｘ及びｙは当技術分野で知られているように０と等しく又は０より大きいように選択される。特に、第１のサブセットの１又は２以上の電極はＦｅを含み、第２のサブセットの１又は２以上の電極はＰｔを含む。他の選択肢は硫化タングステン（ＷＳｘ）又はセレン化タングステン（ＷＳｅｘ）、及び硫化モリブデン（ＭｏＳｘ）であってよい。ここでｘは特に１．９〜２．１、又は１〜３の範囲である。特に、これらの材料は（例えばＦｅを含む電極に加えて）触媒として用いられ得る。これらの硫化物材料は１ｍ２／ｇより大きく、又は１０〜５０ｍ２／ｇ、又は５００ｍ２／ｇまでの高い比表面積を有するように生産される。
【００２８】
上に示したように、第１のサブセットは第１の機能性ユニットに含まれてよく、第２のサブセットは第２の機能性ユニットに含まれてよい。特定の実施形態では、第１のサブセット及び第２のサブセットは同じ機能性ユニットに含まれる。装置は複数のそのようなユニットを含んでもよい。
【００２９】
上記、特に例は、機能性ユニットの中に複数の第１の電極、及び少なくとも１つの第２の電極が存在する場合に提供されている。１又は２以上の第２の電極が存在してもよい。さらに、第１の電極と第２の電極の数は同一でもよい。しかし、第２の電極の数は、複数の第１の電極（任意選択で複数の異なるサブセットを含む）及び単一の第２の電極を含んでいても、少なくてよい。
【００３０】
異なるサブセットが存在する場合には、電気要素を用いることにより、異なる電位が可能になる。したがって、そのような実施形態では、ステージにおいて全ての電極は例えばＨ２を供給するために同じ電位で構成されていてよく、他の実施形態では、第１のサブセットの電極は第２のサブセットの電極とは異なる電位（「対電極」としての第２の電極に対して測定される）であってよく、それにより充電とＨ２の生成が可能になる。
【００３１】
しかし、実施形態では、装置は２又は３以上の第１のセル電極及び２又は３以上の第２のセル電極を含む少なくとも１つの機能性ユニットを含む。
【００３２】
特に、そのような実施形態は、バイポーラプレートを含む装置を用いる場合に有用であり得る。バイポーラプレートは異なる機能性ユニットのセルを直列に接続し、隔離して、（放電、充電、又は水素及び酸素を生成させる際に）必要な電圧を有する積層を形成することができる。バイポーラプレートはユニットの１つのセルのアノードから別の機能性ユニットの次のセルのカソードに電流を導くことができる。さらに、バイポーラプレートは機能性ユニットの中の水の管理を容易にし、膜及び電極などを支持することができる。したがって、実施形態では、エネルギー装置は少なくとも２つの機能性ユニットを含み、第１の機能性ユニットの第１の電極と第２の機能性ユニットの第２の電極はバイポーラプレートによって互いに隔離され、バイポーラプレートは導電性である。
【００３３】
さらなる実施形態では、バイポーラプレートは互いに電気的に隔離されるように構成された少なくとも２つのバイポーラプレートセクションを含み、１又は２以上の第１のセル電極が第１のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、１又は２以上の第１のセル電極が第２のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、１又は２以上の第２のセル電極が前記第１のバイポーラプレートセクションと関連付けられており、１又は２以上の第２のセル電極が前記第２のバイポーラプレートセクションと関連付けられている。これにより、第１の電極のセクション及び第２の電極のセクションを有する装置のためのバイポーラプレートの使用が可能になる。このようにして、またバイポーラプレートの原理に基づく装置によって、本発明を応用することができる。
【００３４】
上記の実施形態では、１又は２以上の第１の電極が鉄ベースである場合の装置の幾つかの例を示した。１又は２以上の第２の電極がニッケルベースである場合に、特に良好な結果が得られる。したがって、実施形態では、１又は２以上の第２のセル電極はニッケルベースの電極を含む。
【００３５】
異なる電位差を異なる第１の電極（及び第２の電極）に提供するために用いることができる電気要素は、可変電位及び／又は可変電流を供給することができる可変電圧源又は可変電位ＤＣ−ＤＣ変換器であってよい。したがって、実施形態では、電気要素は可変電圧源を含む。特定の実施形態では、電気要素は複数の可変電圧源を含んでもよい。電気要素は２つの状態：
−  第１の電極の間に（若しくは第２の電極の間に、又はそれぞれ第１の電極の相互間に及び第２の電極の相互間に）電圧差がない状態。これは例えば第１の電極（又は第２の電極）を短絡することによって得られる。これは電気要素及び／又は（電気要素に含まれる）スイッチによって行われ得る。
−  第１の電極の間に（若しくは第２の電極の間に、又はそれぞれ第１の電極と第２の電極の間に）電圧差が印加される状態。これは例えば電気要素によって得られる。
を提供するように構成されていてよい。
【００３６】
さらに、特定の実施形態では、装置はコネクタ要素を含み、コネクタ要素は前記電気要素を含み、コネクタ要素は、第１のサブセットの第１の電極と第２のサブセットの第１の電極とが短絡する第１の設定と、（ａ）第２の電極と第１のサブセットの第１の電極との間、及び（ｂ）第２の電極と第２のサブセットの第１の電極との間に異なる電圧差が存在することができ及び／又は異なる電流が流れることができる第２の設定との間で変更可能である。
【００３７】
以下にさらに説明するエネルギー装置の特定の実施形態では、少なくとも１つの機能性ユニットは、
−  複数の第１のセル電極、並びに前記第１のセル水性液体及び前記第１のセル気体のための１又は２以上の第１のセル開口部を含む第１のセルであって、複数の第１の電極が鉄ベースの電極を含み、複数の第１のセル電極が第１のセル電極の第１のサブセット及び第１のセル電極の第２のサブセットを含む、第１のセル、
−  前記第２のセル電極、並びに前記第２のセル水性液体及び前記第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部を含む第２のセルであって、第２の電極がニッケルベースの電極を含む、第２のセル、
−  前記セパレータであって、第１のセル及び第２のセルがセパレータを共有し、セパレータが、水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ、
−  第１のセル電極の第１のサブセットと電気的に接続された第１の電気接続、第１のセル電極の第２のサブセットと電気的に接続された第２の電気接続、及び第２のセル電極と電気的に接続された第３の電気接続、並びに
−  前記電気要素を含むコネクタ要素であって、第１のサブセットの第１の電極と第２のサブセットの第１の電極とが短絡する第１の設定と、（ａ）第２の電極と第１のサブセットの第１の電極との間、及び（ｂ）第２の電極と第２のサブセットの第１の電極との間に異なる電圧差が存在することができ及び／又は異なる電流が流れることができる第２の設定との間で変更可能であるコネクタ要素
を含む。第２の電極の電位は本質的に同一であってもよいことに注目されたい。
【００３８】
もちろん、実施形態では、コネクタ要素は、第１のサブセットの第１の電極と第２のサブセットの第１の電極とが短絡する第１の設定と、（ａ）第２の電極と第１のサブセットの第１の電極との間、及び（ｂ）同じ第２の電極と第２のサブセットの第１の電極との間に異なる電圧差が存在することができ及び／又は異なる電流が流れることができる第２の設定との間で変更可能であってもよい。したがって、そのような実施形態では、第２の電極は共有される。したがって、実施形態では、（２又は３以上の異なるサブセットからの）２つ（又は３つ以上）の第１の電極及び単一の第２の電極が存在する。しかし、同じ第２の電極に対して、又は第１の電極の２つの異なるサブセットの間に、の両方の場合に、２つ（又は３つ以上）の異なる電位が印加される。
【００３９】
或いは又はさらに、電気要素は異なるサブセットに異なる大きさの電流を送達するために用いることができる。したがって、Ｈ２を生成させるための電流は放電電流より大きくても、小さくてもよい。
【００４０】
コネクタ要素は電気要素であってよい。上記も参照されたい。
【００４１】
第１の電極と第２の電極の間に電圧差及び／又は異なる電流を生成させるために、装置はエネルギー源をさらに含んでもよい。したがって、実施形態では、エネルギー装置はエネルギー源をさらに含む。エネルギー源は特に、第２の設定において（ａ）第２の電極と第１のサブセットの第１の電極との間、及び（ｂ）第２の電極と第２のサブセットの第１の電極との間に電圧差及び／又は異なる電流を生成させるように構成されていてよい。エネルギー源は別のバトライザ（battolyser）、別のエネルギー源、又はＤＣ−ＤＣ電圧及び電流変換器を用いる１つの実施形態では充電された装置自体の放電容量であってよい。
【００４２】
もちろん、実施形態では、エネルギー源は特に、第２の設定において（ａ）第２の電極と第１のサブセットの第１の電極との間、及び（ｂ）同じ第２の電極と第２のサブセットの第１の電極との間に電圧差及び／又は異なる電流を生成させるように構成されていてよい。したがって、そのような実施形態では、第２の電極は共有される。
【００４３】
また上に示したように、特定の実施形態では、第１の電極の電極容量及び表面積は、第２の電極の電極容量及び表面積より本質的に大きくてもよい。他の実施形態では、これは逆でもよい。しかし、容量及び面積は本質的に同一でもよい。バイポーラプレートを用いる装置では、容量及び面積は本質的に同一であってもよいが、これは必ずしもそうでない。他の実施形態では、第１の電極の容量及び面積は第２の電極の電極容量及び表面積より本質的に大きくてもよい。当技術分野で公知なように、電極の容量は電荷貯蔵容量として［Ａｈ］で測定され、［ｍ２］で表される電極の表面積はその貯蔵容量を有する材料を取り囲むその外形に従う。
【００４４】
特定の実施形態では、第２の電極は第２の電極容量及び表面積を有し（ここで表面積は記号Ａ２で表示し、容量はＡｈで表示する）、複数の第１の電極は、第１のサブセットの中の全ての第１の電極の統合された第１のサブセット電極容量（Ａｈ１１）及び表面積（Ａ１１）並びに第２のサブセットの中の全ての第１の電極の統合された第２のサブセット電極容量（Ａｈ１２）及び表面積（Ａ１２）を有し、（容量及び）表面積の対応する数値はＡ１＝Ａ１１＋Ａ１２＞Ａ２、特にＡ１１／Ａ２≧２であり、Ａ１１／Ａ１２≧１である。例えば、Ａ１１は大きなＦｅＯＨ電極の表面積を表し、Ａ１２はＨ２発生のための小さなＦｅＨ電極の表面積を表し、Ａ２はＮｉ電極の表面積を表す。
【００４５】
しかし、異なるサブセットの電極の電極容量及び表面積はまた異なってもよい。例えば、放電ステージの間の水素生成については、水素生成のために用いる電極は実施形態では放電のための電極より小さくてよい。充電ステージの間は、異なる第１の電極は短絡されてよい。代替の実施形態では、電圧差が印加されてよい。特に充電状態の開始時には、電圧は低く、水素生成はほとんどない。電圧差によって水素生成を制御することができる。
【００４６】
また上に示したように、特定の実施形態では、第１の電極のＡｈで表した電極容量は、第２の電極の電極容量より本質的に大きくてもよい。他の実施形態では、これは逆でもよい。しかし、容量は本質的に同一でもよい。バイポーラプレートを用いる装置では、容量は本質的に同一であってもよいが、これは必ずしもそうでない。他の実施形態では、第１の電極の容量は第２の電極の電極容量より本質的に大きくてもよい。
【００４７】
しかし、異なるサブセットの電極の電極容量はまた異なってもよい。例えば、放電ステージの間の水素生成については、水素生成のために用いる電極は、実施形態では放電のための電極より容量は小さく、表面積は大きくてもよい。水素生成電極は、水素生成能力が十分に高ければ無視可能な放電容量を有してもよい。充電ステージの間、全ての第１の電極による充電及び水素生成を容易にするために、異なる第１の電極を短絡させてもよい。
【００４８】
特定の実施形態では、第２の電極は第２の電極容量（Ａｈ２）を有し、複数の第１の電極は、第１のサブセットの中の全ての第１の電極の統合された第１のサブセット電極容量（Ａｈ１１）及び第２のサブセットの中の全ての第１の電極の統合された第２のサブセット電極容量（Ａｈ１２）を有し、特にＡｈ１＝Ａｈ１１＋Ａｈ１２＞Ａｈ２であり、さらに特にＡｈ１１／Ａｈ２≧２であり、Ａｈ１１／Ａｈ１２≧１である。
【００４９】
本明細書でさらにまた説明するように、エネルギー装置の特定の実施形態では、装置は、第１のセル電極と電気的に接続された第１の電気接続及び第２のセル電極と電気的に接続された第２の電気接続を含む。
【００５０】
本明細書でさらにまた説明するように、エネルギー装置の特定の実施形態では、装置は、機能性ユニットへの第１のセル水性液体及び第２のセル水性液体のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システムを含む。
【００５１】
本明細書でさらにまた説明するように、エネルギー装置の特定の実施形態では、装置は、前記機能性ユニットの外部の第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システムを含む。
【００５２】
本明細書でさらにまた説明するように、エネルギー装置の特定の実施形態では、装置は、（ａ）機能性ユニットの中の第１のセル気体の圧力、（ｂ）貯蔵システムの中の第１のセル気体の圧力、（ｃ）機能性ユニットの中の第２のセル気体の圧力、及び（ｄ）貯蔵システムの中の第２のセル気体の圧力のうち１又は２以上を制御するように構成された圧力システムを含む。
【００５３】
本明細書でさらにまた説明するように、エネルギー装置の特定の実施形態では、装置は、
−  外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の１．３７Ｖを超える電位差で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成された充電制御ユニット、
−  電力供給を受ける受容器と電気接続（５１、５２）とを機能的に連結する第１のコネクタユニット、並びに第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システムとを機能的に接続する第２のコネクタユニット、並びに
−  水性液体制御システム、貯蔵システム、圧力システム、及び充電制御ユニットを制御するように構成された制御システム
を含む。
【００５４】
したがって、さらなる態様では、本発明はまた、電気エネルギー貯蔵機能及び電気分解機能の両方を特に有するエネルギー装置（「装置」）を提供し、システムは機能性ユニットを含み、機能性ユニットは、
−  第１のセル電極、並びに（塩基性の）第１のセル水性液体（「液体」）及び第１のセル気体のための１又は２以上の第１のセル開口部を含む、第１のセルであって、第１の電極が特に鉄ベースの電極を含む、第１のセル、
−  第２のセル電極、並びに（塩基性の）第２のセル水性液体（「液体」）及び第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部を含む、第２のセルであって、第２の電極が特にニッケルベースの電極を含む、第２のセル、
−  セパレータであって、第１のセル及び第２のセルがセパレータを共有し、セパレータが一価水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ、
−  第１のセル電極と電気的に接続された第１の電気接続、及び第２のセル電極と電気的に接続された第２の電気接続
を含み、
エネルギー装置は任意選択で、
−  機能性ユニットへの第１のセル水性液体及び第２のセル水性液体のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム、
−  前記機能性ユニットの外部の第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム、
−  （ａ）機能性ユニットの中の第１のセル気体の圧力、（ｂ）貯蔵システムの中の第１のセル気体の圧力、（ｃ）機能性ユニットの中の第２のセル気体の圧力、及び（ｄ）貯蔵システムの中の第２のセル気体の圧力のうち１又は２以上を制御するように構成された圧力システム、
−  外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の特に１．３７Ｖを超え、１．４８Ｖを超え、さらには２．０Ｖまでの電位差で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成された充電制御ユニット、
−  電力供給を受ける受容器と電気接続とを機能的に連結する第１のコネクタユニット、並びに第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システムとを機能的に接続する第２のコネクタユニット、並びに
−  水性液体制御システム、貯蔵システム、圧力システム、及び充電制御ユニットの１又は２以上（特にその全て）を制御するように構成された制御システム（「コントローラー」）
の１又は２以上をさらに含む。
【００５５】
本明細書で特許を請求するように、１つのデバイスで電池と電解槽を組み合わせることの主な利点は数多い。
【００５６】
統合された電池電解槽は経済的な作動のための高い容量ファクターを有する。これは、電力価格が（需要に比べて供給が多い場合）安いときには電池を充電し、電池がそのフル容量に近づいた際にはより多くの水素を自動的に生成させることができるので実現される。電力価格が（需要に比べて供給が少ない場合）高いときには電池を放電させる一方、電気分解を自動的に停止させることができる。統合された電池電解槽はこれら全ての時間で稼働し、容量ファクターを高くすることができる。これは例えば電力価格が安いときにのみ作動される単一の電解槽、又は既にフル充電されているときには作動できない単一の電池と異なる。別の利点は、アルカリ電解槽より複雑でない単一のデバイスによって２つの機能が提供されることである。
【００５７】
さらなる利点は効率の向上である。通常、Ｎｉ−Ｆｅ電池の作動において過電圧の印加及び水の分解は損失因子と考えられる。ここではそのエネルギーは電解プロセスにおいて利用され、全体の効率が高くなる。電池を充電し、水を電解している間に放散される熱は、水素及び酸素を生成させるために必要である。この必要な熱は、液体の水を気体のＨ２及びＯ２に分解する際のエントロピーの増加の結果である。エントロピーの増加ｄＳは、ギブスの自由エネルギーｄＧを供給することに続いて、反応を継続するために必要な熱量ＴｄＳに対応する。したがって、全体としてシステムによって供給されるエネルギーはｄＧ＋ＴｄＳ＝ｄＨに等しく、ここでｄＧは電力として、ＴｄＳは熱として供給される。
【００５８】
さらに、鉄電極のＦｅ金属への化学的還元の間、水素の生成が起こり、その後も所望の期間にわたって継続される。この水素は有用で意図した生成物である。さらに、電池の機能はより良く可逆的に作動し、このように過充電されている間、水素の発生も可能であるときにのみそのフル容量に達する。しかし、元々のＮｉ−Ｆｅ電池はそれほど完全には意図的に充電されない。それは、その場合には生起する過電圧及び気体の発生のためにエネルギー効率が低くなると考えられ、電解質の再充填も必要になるからである。ここではそれが意図的に行われ（それぞれのサイクルで十分な電力供給がある場合）、これは実際に電池電解槽の寿命を長くすると思われる。そのような過充電が可能で意図的に実現されることによって、電力工学が比較的簡単になる。通常の電池システムでは個別のセルのレベルで過充電が防止されるので、電池セルの管理がより難しくなる。
【００５９】
しかも、電池の機能に関しては、大量のエネルギー貯蔵（数ｋＷｈ又はＭＷｈ、或いはそれ以上）に達するために、多数の大容積の電池セルが必要である。そのため、おのずと電極アセンブリーの内部に広い活性表面積が生じ、これは電解機能に有利である。
【００６０】
さらに、電解槽としては、あまり高くない過電圧で高い電流密度に達するために、より大きな表面積の、粗く又は多孔質のＮｉベースの電極を用いることができる。実際上、そのような多孔質又は粗な表面の領域は、電気を貯蔵するためにより多い量のＮｉを含む電池で可能なものより小さくなる。また従来のアルカリ電解槽にはまだ触媒として貴金属が含まれるが、電池電解槽には必要でない。
【００６１】
電池電解槽の別の利点は、液体電解質に印加される圧力で水素及び酸素を生成できることである。これは、エネルギー要求が低い水の加圧及び小さな過電圧によって、高圧の水素を直接生産できることを意味している。そのような電気化学的水素生産は、機械的な水素ガス圧縮よりも有意により効率的であり、また大きく高価なガス圧縮機を必要としないことに注目されたい。
【００６２】
電極の電流密度は、電極の幾何学的表面積１ｃｍ２当たり０．００１〜１０Ａの範囲、より一般的には０．１〜２Ａ／ｄｍ２であってよい。電池電解槽としては、電極（の寸法）は電流０．２Ａ／ｄｍ２及び２Ａ／ｄｍ２でそれぞれ約１０時間又は約１時間で完全充電される（ようなものである）ので、到達する電流密度は典型的な電池充電としては高いことがさらに注目される。電解槽で用いられる４００ｍＡ／ｃｍ２まで又は２０００ｍＡ／ｃｍ２までの高い電流密度では、バトライザはより厚い正極及び負極（すなわち、例えば電極表面積１ｃｍ２当たり８００〜４０００ｍＡｈまでの貯蔵容量）を有してよい。約５時間のフル充電時間は太陽パワーからの電気でセルを昼間に充電することに適合しており、水素を生産するための時間もまださらに残っている。電池電極には利用可能な大きな活性表面積があるので、そのような電流密度では電解のための過電圧は低いままである。それにより、高いエネルギー効率が得られる（典型的な電解槽は２．０Ｖで作動し、本明細書に定義した電池電解槽は水素を生産する際に１．４８Ｖ〜２．０Ｖの範囲で作動する）。残りの過電圧は、水素及び酸素の生成のために必要である。
【００６３】
また、Ｆｅベースの負極又はＮｉベースの正極には、Ｐｔ／Ｒｕのような貴金属は必要でない（コストの低減）。しかし、所望の場合には貴金属を適用してもよい。
【００６４】
さらに、電池電解デバイスは、エネルギー貯蔵に融通性があるという利点を有する。電池が完全に充電されても、なお多量のエネルギーを気体として貯蔵することができる。太陽パワーシステムでは、電池を夜間必要な電気の使用のため及び例えば後に冬季に使用するための気体として過剰な電気を貯蔵するために適切な寸法にできることが明らかである。電気グリッドとしては、電池電解槽の存在は、利用可能な電流のための応答が迅速なシンク及び供給源の両方があるという利点を有する。太陽パワー及び風力の生産が変動する場合、電気グリッドの安定性のためには、生成した電力が過大又は過小の場合に電力の取り込み及び送達に融通性のある資産が必要である。このデバイスは電池機能を有しているので、電気の取り込みから電気の送達への切替え時間が特に短い。さらに、二重目的デバイスの経済的利点は、その使用のための時間充填因子（容量因子）が極めて高くなり得るということである。電池は昼間（充電）も夜間（放電）も働くことができ、完全に充電されても（なお）水素と酸素を生成させるので、デバイスはアイドリング状態にならない。再生可能エネルギーで作動される電解槽については、それらが実際に何時間使用されるかが常に計算におけるボトルネックになる。それは、通常、効率の損失を伴う水素への転換の前にまず電池が充電され、その後においてのみ電解槽のスイッチがオンになるからである。通常のＮｉ−Ｆｅ電池では、Ｎｉ（ＯＨ）２の重量当たりの貯蔵される電荷は理論的最大値である２８９ｍＡｈ／ｇに制限されるが、電池電解槽ではその電荷の何倍も水素として貯蔵し、貯蔵されるエネルギー単位当たりの全体のコストを低減することができる。
【００６５】
最後に、電極材料はいずれにせよ存在しなければならないので、電池を電池電解槽に変換するための追加のコストはあまり高くなくてもよい。圧力システム及びセパレータ／隔膜は追加のコストを提起するが、電池と電解槽を個別に構築する場合よりは少ない。システムにはまた２組の電力工学の代わりに１組のみが必要であり、これは連続的に使用できる。
【００６６】
上に示したように、エネルギー装置は電気エネルギー貯蔵機能と電解機能とを有する。したがって、装置は電池と電解槽の組合せである。電池を充電することによって電池は使用準備ができ、さらなる水素が生産される。電池が満たされても、水素の生産を継続することができる。これにより、充電された電池と水素が提供され、その生産は例えば装置のエネルギー又はエネルギーキャリアが消費されていないときでも起こり得る。用語「エネルギー」は特に電気エネルギーに関連する。用語「エネルギーキャリア」は特に水素ガス（Ｈ２）に関連し、これは例えばエンジンの直接推進のための燃料として使用できるが、例えば発電のための燃料電池において間接的にも使用できる。したがって、装置は特に電気及び／又は水素（及び／又はＯ２）の車両の充電ポイントとして用いることができる（以下も参照されたい）。
【００６７】
装置は機能性ユニットを含む。しかし、エネルギー装置の一実施形態では、装置は複数の機能性ユニットを含んでもよい。例えば電圧差を増大させるために、２又は３以上の機能性ユニットを（電気的に）直列に配置してもよい。しかし、例えば電流を増大させるために、機能性ユニットの２又は３以上を並列に配置してもよい。さらに、３以上の機能性ユニットが存在する場合には、直列及び並列の配置の組合せを適用してもよい。
【００６８】
特に、機能性ユニットは、第１のセル電極、並びに第１のセル水性液体及び第１のセル気体のための１又は２以上の第１のセル開口部を含む第１のセルであって、第１の電極が特に鉄ベースの電極を含む第１のセルと、第２のセル電極、並びに第２のセル水性液体及び第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部を含む第２のセルであって、第２の電極が特にニッケルベースの電極を含む第２のセルを含む。
【００６９】
それぞれのセルは、少なくともそれぞれの水性液体の導入のための開口部を含む。用いられる水性液体は特に塩基性水性液体であり、例えばＫＯＨ、ＬｉＯＨ、及びＮａＯＨのうち１又は２以上を含む。特に、ＯＨ−の濃度は少なくとも３ｍｏｌ／ｌである。特に、水中の水酸化物（特にＫＯＨ、ＮａＯＨ、及びＬｉＯＨの１又は２以上）の濃度は４．５〜８．４ｍｏｌ／Ｌ（ＫＯＨについて２５〜４７ｗｔ％）の範囲である。したがって、これらの開口部はそれぞれ、ＫＯＨ、ＬｉＯＨ、及び／又はＮａＯＨの選択された濃度を維持するために水を添加した回収電解質の入口として構成されていてよい。
【００７０】
セル内の第１セル水性液体及び第２セル水性液体は特にアルカリ性であり、例えば少なくとも０．１ｍｍｏｌ／ｌ  ＯＨ、特に少なくとも３ｍｏｌ／ｌ  ＯＨ、さらには特に少なくとも３ｍｏｌ／ｌ  ＯＨ、例えば少なくとも６ｍｏｌ／ｌ  ＯＨである。セル内の液体は、水性液体制御システムからの液体で補充してよい。セル内のアルカリは実質的に効果的には用いられないことがあるので、新鮮な水は必ずしもアルカリ性でなくてもよい。「セル水性液体」は、電解質として表示することもある。
【００７１】
さらに、それぞれのセルは、水性液体の除去及び／又は気体の除去のために特に構成されたさらなる開口部を含んでもよい。液体と気体の両方は同じ開口部から逃散してよい。第１のセル気体は特にＨ２ガスを含み、第２のセル気体は特にＯ２を含む。セル内の水性液体とセル気体は、同じ開口部から逃散してよい。或いは、又はさらに、２又は３以上の開口部、例えば水性液体の除去のための開口部と気体の除去のための開口部を用いてもよい。
【００７２】
それぞれのセルが２つの開口部を有するので、水性液体はそれぞれのセルを通って流れることができ、流れによって気体の除去、必要な場合には冷却（又は加熱）、電解質濃度の制御、及び水の再充填が補助される。電極表面積１ｃｍ２当たりの印加した電流に応じて流量（体積／面積／時間）は、例えば約０．３μｌ／ｃｍ２／ｈ〜３．５ｍｌ／ｃｍ２／ｈの範囲であってよい（前者の値はほぼ０．００１Ａ／ｃｍ２の値に相当し、後者の値はほぼ１０Ａ／ｃｍ２の値に相当する。本明細書の他の箇所も参照されたい）。
【００７３】
さらに、それぞれのセルは電極を含む。
【００７４】
第１のセルは第１の電極を含み、第１の電極は特に鉄ベースの電極を含む。EdisonのＮｉ−Ｆｅ電池の場合と同様、鉄ベースの電極は充電状態で本質的にＦｅ（金属）を含み、放電状態で本質的にＦｅ（ＯＨ）２を含み得る。
【００７５】
鉄ベースの電極は特に以下の手順に従って作製される。最初に鉄を希Ｈ２ＳＯ４に溶解して硫酸第一鉄を生成する。後者を再結晶によって精製し、１０７０〜１１２０Ｋで焙焼する。焙焼物を水で十分に洗浄し、次いで乾燥する。乾燥物質を化学還元のため１０２０〜１０７０Ｋで水素処理し、再び部分酸化のために９７０〜１０７０Ｋに供する。この後者のプロセスにより、鉄粉とマグネタイトの混合物が得られる。混合物を追加の薬剤（炭素、Ｃｕ、ＦｅＳ、ＨｇＯ、ＮａＳなど）とブレンドし、ニッケルめっきした多孔スチールシートから作られたポケットに入れる。ポケットを、好適なニッケルめっきスチールプレートの上に固定して、負電極を形成させる。したがって、特に鉄ベースの電極は、参照により本明細書に組み込まれるChakkaravarthy et al.、Journal of Power Sources、35 (1991) 21-35に記載されているように、Ｎｉめっきしたスチールから作られた多孔ポケットを用いて作られる。活性鉄材料はさらに焼結により結合してもよく、その代わりにＰＴＦＥ又はポリエチレンによって結合してもよい。或いは又はさらに、第１の電極は炭素又はＮｉなどの導電性添加物を含む。記載されていることが多いＮｉ−Ｆｅ電池とは対照的に、水素の発生を抑制する硫化物（ＦｅＳ、硫化ビスマス、ＨｇＯ、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓなど）又はその他の添加物は用いないか、或いは濃度を変更する。それは、電池電解槽では低減した過電圧で水素の発生が起こることを目的とするからである。水素生成過電圧を低減させる添加物はさらに、少量の質量百分率の、Ｆｅと共堆積したＮｉ−Ｍｏ−Ｚｎ、或いはＮｉ−Ｓ−Ｃｏ、Ｔｉ２Ｎｉ、窒素ドープしたグラフェン、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｎ、ＦｅのＮｉドーピング、Ｎｉ（ＯＨ）２ナノ粒子、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ５Ｐ４ナノ結晶、Ｒｕ、ＲｕＯ２、ＡｇＮｉ、ＭｏＳｘ、ＷＳｘ、ＷＳｅ２、又は貴元素Ｐｄ、Ｐｔなどであってよい。電極を加圧する間、電極に例えばＮａＣｌを加え、加圧し、次いでＮａＣｌを浸出させて多孔性を導入することによって、電極の多孔性を維持することができる。電極のポケット内の電極の総厚みは２〜５ｍｍ、特に約３．５ｍｍである。用語「第１の電極」は、複数の第１の電極に関連することもある。
【００７６】
第２のセルは第２の電極を含み、第２の電極は特にニッケルベースの電極を含む。ニッケルベースの電極は充電状態で本質的にＮｉＯＯＨを含み、放電状態で本質的にＮｉ（ＯＨ）２を含み得る。
【００７７】
ニッケルベースの電極は特に、参照により本明細書に組み込まれるJournal of Power Sources（同上）中の焼結多孔性Ｎｉ（ＯＨ）２電極について記載された方法で作製される。焼結電極は高負荷ないし極高負荷のために意図されている。カルボニルニッケル粉末を好適な基板の両側に埋め込み、約１１２０Ｋの還元性雰囲気下で焼結して多孔性マトリックスを作製する。基板は以下の材料、ニッケルネット又はニッケルめっき軟鋼ネット、穿孔ニッケル箔又はニッケルめっき穿孔軟鋼箔、ニッケル繊維マット又はニッケルめっきスチール繊維マットの１つであってよい。カルボニルニッケル粉末の両側埋め込みは、焼結の前にグラファイトモールドを用いて乾燥条件下で行われる。このプロセスは「乾燥粉末焼結」又は「ルース焼結」と称される。「ウェットスラリー焼結」は好適なコンシステンシーを有するニッケル粉末スラリーを用いる別のアプローチである。これらの方法によって、一定の厚みと８０〜９０％の多孔性を有する安定なプレートが作製される。真空含浸法又は電気化学的方法により、水酸化ニッケル及び水酸化コバルトが、ニッケルプラークの細孔中に組み込まれる。或いは又はさらに、第２の電極は、Ｃｏ添加物を含まないか、通常のＮｉ−Ｆｅ電池と比較して低減された量で含む。Ｎｉ−Ｆｅ電池のＮｉ（ＯＨ）２電極には平衡電位及び酸素の発生を低減させるためにＣｏが添加されることが多いが、ここではこの抑制は必要でない。或いは又はさらに、第２の電極は炭素又はＮｉなどの導電性添加物を含む。用語「第２の電極」は、複数の第２の電極に関連することもある。酸素発生のための過電圧を低減するために、電極からのＮｉＯＯＨに続いて、さらなる酸素発生触媒を加えてもよい。これらは少量の重量百分率のスピネル型Ｃｏ３Ｏ４、若しくはスピネル型ＮｉＣｏ２Ｏ４、又はＮｉ及びＬａをドープしたＣｏ３Ｏ４、ＬｉをドープしたＣｏ３Ｏ４、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、Ｎｉ０．２Ｃｏ０．８ＬａＯ３、（Ｐｒ０．５Ｂａ０．５）ＣｏＯ３−ｘ、Ｎｉ１−ｘＦｅｘ（ＯＨ）２などのＮｉ−Ｆｅ水酸化物、又はＮｉＯ／ＮｉＦｅ２Ｏ４であってよい。或いは、Journal of Power Sources 203 (2012) 177-183に報告されているように、容量及び電気化学的活性を高めるために、Ｎｉ（ＯＨ）２中のＮｉを２５％までＡｌで置換してもよい。或いは、Ｎｉ電極はＮｉをＦｅで置換させてＮｉ１−ｘＦｅｘ（ＯＨ）２を形成させてもよい。
【００７８】
第１のセルと第２のセルはセパレータを共有しているが、これらはこのセパレータによって互いに隔離されている。したがって、液体はセパレータを介して１つのセルから他のセルに流れることはできない。水素ガス及び／又は酸素ガスも、セパレータを介して１つのセルから他のセルに流れることはできない。しかし、セパレータはＯＨ−イオン、中性のＨ２Ｏ、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上などの特定のイオンには透過性であってよい。したがって、第１のセルと第２のセルはセパレータを共有し、セパレータはＯＨ−イオン、中性のＨ２Ｏ、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上、特に全てに透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されている。したがって、特にセパレータは相対的に高いイオン導電性及び相対的に低いイオン抵抗性を有してよい。例えば、イオン抵抗性は３０ｗｔ％ＫＯＨ溶液（３０℃）で０．３Ω・ｃｍ２以下より低い。セパレータは例えば当技術分野で公知の電解膜などの膜を含んでもよい。膜の例には、例えばＺｉｒｆｏｎ（Ａｇｆａ製）膜などのアルカリ抵抗性ポリマー膜及びポリマー複合体膜が含まれ得る。そのような膜は、例えばセラミック微粒子（酸化ジルコニウム）が埋め込まれたポリマーマトリックスからなっていてよい。この本体は、単繊維ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）から作られたメッシュファブリック又はポリプロピレン（ＰＰ）ファブリックで内部補強されている。これは約０．１５μｍの制御された孔径及び約２±１バール（過剰圧）のバブルポイント（液体が存在する他方側の面に気泡を形成させるために必要な膜の一方側に対する気体の圧力として特に定義される）を有する。そのような膜は組み込まれた金属酸化物粒子によって永続的に親水性であり、水及び最も一般的な電解質に完全に濡れる。そのような膜は強アルカリ（６ＭまでのＫＯＨ）中及び１１０℃まで安定であり得る。孔径は例えば約０．０５〜０．３μｍの範囲、例えば約０．１５μｍであってよく、厚みは例えば約１００〜１０００μｍの範囲、例えば約５００μｍであってよい。セパレータとそれぞれの電極との間に、それぞれのスペーサが構成されていてもよい。これらのスペーサは水性液体の輸送のため、及びこれらの液体のそれぞれの電極へのアクセスを提供するため、開口部を含んでもよい。
【００７９】
このようにして、本明細書に示す開口部以外が実質的に閉じている機能性ユニットが提供される。電気的接続のため、電極は機能性ユニットの外部からアクセスし得る電気接続と接続されていてもよい。したがって、機能性ユニットは、第１のセル電極と電気的に接続された第１の電気接続、及び第２のセル電極と電気的に接続された第２の電気接続をさらに含んでもよい。
【００８０】
機能性ユニットによる処理を良好にするため、装置は水性液体制御システム、気体貯蔵システム、圧力システム、充電制御ユニット、第１のコネクタユニット、第２のコネクタユニット、及び制御ユニットのうち１又は２以上を含んでもよい。さらに、装置は熱管理システム及び／又は熱絶縁を含んでもよい。特に、エネルギー装置はこれら項目の全てを含む。
【００８１】
したがって、一実施形態では、エネルギー装置は、機能性ユニットへの第１のセル水性液体及び第２のセル水性液体のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システムをさらに含んでもよい。そのような水性液体制御システムは１又は２以上の弁を含んでもよい。さらに、そのような水性液体制御システムは−作動中に−水の供給管と機能的に接続されていてよい。圧力システム（下記も参照されたい）と組み合わせて、水性液体は加圧下に機能性ユニットに供給されてよい（さらに下記も参照されたい）。さらに、水性液体制御システムはＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、及びＫＯＨ、特に少なくともＫＯＨのうち１又は２以上などの腐食性物質の貯蔵を含んでもよい。水性液体制御システムは第１のセル及び第２のセルに独立して液体を供給することができる。さらに、水性液体制御システムは第１のセル及び／又は第２のセルから下流の液体を受容し、第１の液体及び／又は第２の液体の少なくとも一部を再使用するように構成された還流システムを含んでもよい。用語「水性液体制御システム」は、複数の水性液体制御システムを意味することもある。
【００８２】
或いは又はさらに、制御システムは電圧差及び／又は電流を制御するように構成されていてよい。さらに、制御システムは需要の関数として、貯蔵容量の関数として、１日の時間の関数等々として、電圧差、流れ、等々のプロセスパラメータを制御するように構成されていてよい。したがって、実施形態において制御は温度、電流、電圧、流れ等々のうち１又は２以上を測定するセンサなどのセンサと連結してもよい。用語「センサ」は、複数の異なるセンサ、又は１つ若しくは２以上が同一の機能を有する複数のセンサのような複数のセンサを意味することもある。
【００８３】
さらに一実施形態では、エネルギー装置は前記機能性ユニットの外部からの第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システムをさらに含んでもよい。したがって、貯蔵は機能性ユニットの外部で行われてよい。この目的のため、装置はＨ２を貯蔵するために構成された貯蔵システム及び／又はＯ２を貯蔵するように構成された貯蔵装置を含んでもよい。少なくとも、装置はＨ２を貯蔵するように構成された貯蔵装置を含んでもよい。圧力システム（下記も参照されたい）と組み合わせて、貯蔵システムは第１セル気体及び第２セル気体のうち１又は２以上を加圧下に貯蔵するように構成されていてよい（さらに下記も参照されたい）。用語「貯蔵システム」は、複数の貯蔵システムを意味することもある。
【００８４】
したがって、一実施形態では、エネルギー装置は、（ａ）機能性ユニットの中の第１のセル気体の圧力、（ｂ）貯蔵システムの中の第１のセル気体の圧力、（ｃ）機能性ユニットの中の第２のセル気体の圧力、及び（ｄ）貯蔵システムの中の第２のセル気体の圧力のうち１又は２以上を制御するように構成された圧力システムをさらに含んでもよい。この目的のため、圧力システムはポンプ、弁などを含んでもよい。一実施形態では、加圧システムは本質的に１又は２以上の弁を含む。用語「圧力システム」は、複数の圧力システムを意味することもある。特に２又は３以上の異なる種類の流体を加圧しなければならない場合には、２又は３以上の独立の加圧システムを適用してよい。
【００８５】
さらに別の実施形態では、エネルギー装置は外部電力源（下記も参照されたい）からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の、１８℃で１．５５Ｖ、４０℃で１．５０Ｖを超え、すなわち実際上少なくとも１．５０Ｖの電位差を生じる電流（「電流強度」と表示することもある）で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成された充電制御ユニットをさらに含んでもよい。放電された状態から出発して、電流はまず主として電池を充電するために印加される。この電流を印加することにより、電圧は１８℃で１．６５Ｖ、４０℃で１．５５Ｖに達し、したがってその後、電池は実際上少なくとも１．５５Ｖに完全充電される。電池が容量に達した後、より多くの水素が徐々に生産され、次いで電圧は（１８℃で）１．７５Ｖ、４０℃で１．６２Ｖ、すなわち実際上少なくとも１．６２Ｖに達することができる。電池機能性充電と電解気体生産のエネルギー効率は、放電時間にわたって積算された電池出力電流とその電圧との積と、全サイクルにわたって充電と（自己）放電の間に生産された水素ガスの量の高位発熱量基準（ＨＨＶ）との積算値を、充電時間にわたる入力電流とその電圧との積の積算値で除した値として計算される。完全な公称充電のためのＮｉ−Ｆｅ充電についての通常の上限電圧である１．６５Ｖ（１８℃）又は１．５５Ｖ（４０℃）（すなわち実際上少なくとも１．５５Ｖ）を超えてさえも、また特にＮｉ及びＦｅの電池電極の公称容量をはるかに超える電流の充電／挿入を行っても、全エネルギー効率に関しては極めて良好な結果が得られるようである。充電制御ユニットは、高電圧を必要な電圧に変換し、及び／又はＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するための電子デバイスを含んでもよい。特にエネルギー装置の一実施形態では、充電制御ユニットは、充電時間の少なくとも一部において、第１のセル電極と第２のセル電極との間に１．４〜１．７５Ｖの間で選択される電位差をもたらす電流で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成されている。この電圧範囲のセル電位をもたらす電流の印加により、電池の電気化学的可逆性、気体の生産量、及び全体のエネルギー効率に関して最良の結果が得られる。
【００８６】
放電に関しては、セルについて好ましくは１．１０Ｖより低くないレベルまで放電を続ける場合に最良の結果が得られる。制御システムは、任意選択で充電制御ユニットと組み合わせて、機能性ユニットの放電を制御するように構成されてもよい。放電は電気エネルギーを用いて工業対象物又は車両などに行ってよい。しかし、或いは又はさらに、機能性ユニットは電気グリッドに放電してもよい。
【００８７】
さらに、充電制御ユニットは、充電時間の少なくとも一部の間に、Ａｈで表される公称電池容量Ｃを最小の２時間で除した値、すなわち２時間超でＣ／時間に対応する電流で、前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成されていてよい。そのような印加された電流は、第１のセル電極と第２のセル電極との間の、特に１．３７Ｖを超える電位差を生じ得るが、特に最大でも２．０Ｖを超えない。
【００８８】
上に示したように、装置は特に機能性ユニットからの熱エネルギーの損失を低く保つように構成された熱絶縁をさらに含んでもよい。さらに装置はユニットの温度を所定の最高温度と等しいかそれより低く、例えば９５℃又はそれより低く保つように構成された熱管理システムを含んでもよい。したがって、一実施形態、特に大規模なシステム（例えば１０ｋＷ又はそれ以上）では、セルの温度が監視され、温度が設定した限度の６０℃を超えて上昇した場合には、印加する充電電流及び放電電流が低減させられる。熱管理システムは少なくとも部分的に制御システムに、すなわち制御に関して含まれていてよい。さらに、熱隔離は熱管理システムに含まれていてよい。
【００８９】
上に示したように、エネルギー装置は、供給される電位差（直列の場合）及び／又は電荷（並列の場合）を増大させるために、電気的に直列及び／又は並列に構成された複数の機能性要素を含んでもよい。
【００９０】
一実施形態では、エネルギー装置は、電力を供給される受容器と電気接続とを機能的に連結するための第１のコネクタユニットをさらに含んでもよい。デバイスの一例は自動車でよい（以下も参照されたい）。したがって、特に装置は、特にソケット又はプラグを含むそのようなデバイスに接続することができる（電気的な）プラグ又はソケットを含んでもよい。第１のコネクタは、装置からの電力を例えば受容器、例えば外部デバイス、例えばそのようなデバイスの電池に、又は電気グリッドに移送するように特に構成されている。用語「第１のコネクタユニット」は、複数の第１のコネクタユニットを意味することもある。
【００９１】
一実施形態では、エネルギー装置は、第１のセル気体及び第２のセル気体のうち１又は２以上が供給されるデバイスと前記貯蔵システムとを機能的に接続する第２のコネクタユニットをさらに含んでもよい。したがって、特に装置は、特にソケット又はプラグを含むそのようなデバイスに接続することができる（水素ガス）プラグ又はソケットを含んでもよい。第２のコネクタは、貯蔵装置からの水素ガスを受容器、例えば外部デバイス、例えばそのようなデバイスの水素貯蔵ユニットに、又は気体グリッドに移送するように特に構成されている。用語「第２のコネクタユニット」は、複数の第２のコネクタユニットを意味することもある。気体用の受容器は電気用の受容器と必ずしも同じでないことに注目されたい。
【００９２】
さらに一実施形態では、エネルギー装置は、水性液体制御システム（利用可能な場合）、貯蔵システム（利用可能な場合）、圧力システム（利用可能な場合）、及び充電制御ユニット（利用可能な場合）のうち１又は２以上を制御するように構成された制御システムをさらに含んでもよい。制御システムは特に、装置及び個別の要素、特に水性液体制御システム、貯蔵システム、圧力システム、及び充電制御ユニットを制御するように構成されている。このようにして、充電及び電解プロセスは、とりわけ例えば外部電力源からの電力の利用可能性並びに電力及び／又は水素ガスの消費に応じて、最大の効率で最適化することができる。したがって、エネルギー装置の特定の実施形態では、制御システムは、機能性ユニットの充電状態及び外部電力源からの電力の利用可能性の関数として充電制御ユニットを制御するように構成されている。さらに、制御システムは、機能性ユニットの充電状態、気体貯蔵の状態（満杯か、さらに充填できるか）、及び外部電力源からの電力の利用可能性の関数として、充電制御ユニットを制御するように構成されている。任意選択で充電制御ユニットは、電気を電気グリッドに送り返すように構成されていてもよい。制御システムは、１又は２以上の顧客（本明細書に示したデバイスのような）からの電気の需要及び／若しくは気体の需要、並びに／又は（グリッド中での）電気の利用可能性の関数として、エネルギー装置の作動条件を制御するように特に構成されていてよい。したがって、制御システムはとりわけ、外部需要の存在及び／又は外部需要の種類（Ｈ２及び／又は電気）の関数として、温度、液体流、電圧差、電圧の符号などのうち１又は２以上を制御してよい。
【００９３】
電解槽電池における重要なコスト決定要素は、ニッケル金属の含量である（ニッケルは実質的に鉄より高価である）。この理由のため、一実施形態では活性Ｆｅベースの電極の公称容量に関してＮｉ（ＯＨ）２材料の量を大幅に低減することができる。したがってＮｉベースのカソードはＮｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−の反応で利用可能な、Ｆｅベースの電極の例えば５０％又はわずか１０％の容量を有することがある。したがって、一実施形態では、Ｎｉベースの電極はＦｅベースの電極の８０〜１０％の範囲の容量を有する。その結果、充電の間に、Ｏ２の発生が早く始まる一方、負極ではＦｅ（ＯＨ）２＋４ｅ−→Ｆｅ＋４ＯＨ−の反応がなお継続してＦｅが生成される。次いで電位は早期に高い入力電位に上昇し、より多くの酸素が生成される。Ｎｉ電極で正常な反応であるＮｉＯＯＨ＋Ｈ＋ｅ−→Ｎｉ（ＯＨ）２が起こるが、さらにＮｉＯＯＨ／Ｎｉ（ＯＨ）２表面で酸素還元反応であるＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−も起こる際、放電の間に後の使用のために酸素が収集される。分子状Ｏ２を還元するためにより低い酸化還元電位及び過電位が必要なので、そのような反応はＮｉＯＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ−→Ｎｉ（ＯＨ）２の反応単独の場合よりもやや低い電位で起こる。このようにして、全体のエネルギー効率の幾らかの低下はあるが、電極中のＮｉの量の低減が可能である。過剰のＦｅが形成された後、Ｆｅ（ＯＨ）が枯渇したとき、また存在するＦｅ＋２Ｈ２Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２の連続的な「自己放電反応」を介しても、水素の生成が続いて起こる。したがって、Ｎｉ（ＯＨ）２の量の選択は材料コストとエネルギー効率の経済的考慮であり得る。Ｎｉ（ＯＨ）２とＦｅ（ＯＨ）２に電荷を貯蔵する理論的容量は、それぞれ２８９ｍＡｈ／ｇ及び５９６ｍＡｈ／ｇである。したがって、エネルギー装置の実施形態では、第１の電極は鉄ベースの電極材料の活性質量に応じた第１の容量を有し、第２の電極はニッケルベースの電極材料の活性質量に応じた第２の容量を有し、ニッケル電極の第２の容量は鉄ベースの電極の第１の容量の９０％未満である一方、特定の実施形態では、容量の残りはこのニッケルベースの電極における酸素の水への還元から生じる。
【００９４】
さらなる実施形態では、エネルギー装置は、第１のセル、第２のセル、及び（ｉ）２若しくは３以上の第１のセル電極を提供するさらなる第１の電極又は（ii）２若しくは３以上の第２のセル電極を提供するさらなる第２の電極のいずれかを含むさらなるセルを含む。上記のような他の実施形態では、さらなる電極は第１の電極又は第２の電極と同じセルの中にある。
【００９５】
さらに、さらなる態様では、本発明は本明細書に定義したエネルギー装置を含むシステムをも提供する。そのようなシステムはパワー源、特に電力源をさらに含んでもよい。したがって、一実施形態は本明細書に定義したエネルギー装置及び外部パワー（電力）源を含むエネルギーシステムを含む。パワー源は機能性ユニットを充電するため（すなわち電池を充電するため）に用いられる。装置は電力幹線に機能的に接続してよい。しかし装置はローカルな発電機に機能的に接続してもよい。例えば、バイオマス生成プラント又はバイオマス収集サイトはバイオマスを電気に変換するデバイスを含んでもよく、これを用いて装置に電力を供給することができる。同様に、ローカルな風力タービン（単数又は複数）、ローカルな光発電装置（単数又は複数）、又はローカルな水力タービン（単数又は複数）を用いて、装置に電力を供給してよい。もちろん、そのような外部電力源は電力インフラに統合されていてもよく、それらは種々の再生可能な及び従来の発電所が含まれてよい。したがって、一実施形態では、外部電力源は光発電セル、風力タービン、及び水力タービンのうち１又は２以上を含む。したがって、エネルギー装置は、電気エネルギーグリッド、Ｈ２ガスグリッド、及びＯ２ガスグリッドのうち１又は２以上に含まれてよい。
【００９６】
用語「エネルギー装置」は、複数のエネルギー装置を意味することもある。したがって、一実施形態では、エネルギーシステムは複数のエネルギー装置及び複数の外部電力源を含んでもよい。これらのエネルギー装置及び外部電力源は、例えば電気グリッドを介して機能的に関連している。例えば、一実施形態では、エネルギー装置は高速道路や一般道路に沿って互いに離れて配置される。エネルギーシステムは電気グリッドをさらに含んでもよい。特に外部電力源はこの電気グリッドと機能的に連結されてもよい。工業、住宅などもそのような電気グリッドと機能的に連結されてよい。したがって、一実施形態では、エネルギーシステムは複数のエネルギー装置及び複数の外部電力源並びに電気グリッドを含んでもよい。
【００９７】
さらに、さらなる態様では、本発明は単一の電池電解槽で電気エネルギーと水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上とを貯蔵する方法をも提供する。特に本発明は本明細書に定義したエネルギー装置で電気エネルギーと水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上とを貯蔵する方法をも提供し、本方法は、第１のセル水性液体、第２のセル水性液体、及び外部電力源からの電力を機能性ユニットに供給し、それによって充電された機能性ユニット並びに前記貯蔵システムに貯蔵された水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を供給し、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の特に１．３７Ｖを超え、さらに特に少なくとも１．５５Ｖの電位差で機能性ユニットを充電するステップを含む。さらに特に、充電時間の少なくとも一部の間に、第１のセル電極と第２のセル電極との間に１．５０〜２．０Ｖ、例えば１．５５〜１．７５Ｖの範囲、少なくとも１．６Ｖなどから選択される電位差が生じるように電流が選択される。さらに、特に電流密度は０．００１〜１０Ａ／ｃｍ２の範囲から選択され得る。
【００９８】
したがって、一実施形態では、充電時間の少なくとも一部の間に、第１のセル電極と第２のセル電極との間に１．５０〜２．０Ｖ、例えば１．５５〜１．７５Ｖの範囲、少なくとも１．６Ｖなどから選択される電位差が生じるように電流が選択される。さらに、特に電流密度は０．００１〜１０Ａ／ｃｍ２、例えば０．００１〜２Ａ／ｃｍ２の範囲から選択され得る。したがって、一実施形態では、充電制御ユニットは、充電時間の少なくとも一部の間に、第１のセル電極と第２のセル電極との間に１．６〜２．０Ｖの範囲から選択される電位差で、及び０．００１〜１０Ａ／ｃｍ２の範囲から選択される電流密度で、前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成されている。ここで、当技術分野で公知のように、面積は電極の外部面積を意味する。例えば、ニッケル材料又は鉄材料は極めて大きな表面積を有し得るという事実に関わらず、ニッケル材料又は鉄材料で１ｃｍ２の面積を有する電極は１ｃｍ２の外部面積を有する。したがって、用語「外部」面積が用いられる。特に、外部面積は穿孔された金属ポケットの外部表面によってちょうど定義される。ここでは、用語「外部面積」の代わりに、用語「幾何学的表面積」も適用される。内部の電極材料は特にナノ構造を有しており、したがって例えばｍ２／ｇの範囲で表される大きな表面積を有し得る。しかしここではこれは特に断面積（電極の面に平行な断面）と称する。特に、全ての電流はセパレータを通過するので、定義として用いることができる。これはそれぞれの金属ポケットの、すなわちそれぞれの電極の表面の外形とほぼ同じ表面積を有している。
【００９９】
さらなる実施形態では、本方法は、第１のセルの第１の圧力及び第２のセルの第２の圧力を、少なくとも１０ｂａｒ、例えば少なくとも３０ｂａｒ、又は１５０ｂａｒ、少なくとも２００ｂａｒ、例えば１０〜８００ｂａｒの範囲、１０〜５０ｂａｒなどの圧力に維持するステップを含んでもよい。さらに、本方法は、貯蔵中の圧力を１ｂａｒを超え、８００ｂａｒまでの範囲、特に２００〜８００ｂａｒに維持するステップをも含んでもよい。上に示したように、第１のセル及び第２のセルの中の圧力は、互いに独立に制御してよい。同様に、Ｈ２及びＯ２の両方を貯蔵する場合には、貯蔵中のＨ２とＯ２の圧力は所望により独立に制御してよい。
【０１００】
本方法のさらなる実施形態では、本方法は、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加することによって、エネルギー装置を放電し、同時に水素（Ｈ２）を生成させるステップをさらに含んでもよい。ここで、「エネルギー装置を放電させる」という語句は、例えば鉄ベースの電極とニッケルベースの電極の対を放電させることを意味する。同時に、水素及び／又は酸素が生成する。
【０１０１】
本方法のさらなる実施形態では、本方法は第１のセル電極のサブセットの間に電位差を印加し、及び／又は第２のセル電極のサブセットの間に電位差を印加するステップをさらに含んでもよい。
【０１０２】
特定の実施形態では、本方法は０．００１〜０．５Ｖ、例えば０．０１〜０．５Ｖ、特に０．１〜０．５Ｖの範囲から選択される電位差を少なくとも２つの第１のセル電極の間に印加するステップをさらに含んでもよい。これは、Ｈ２も生成される（そして電気が供給される）放電ステージの間に特に行ってよい。
【０１０３】
上に示したように、そのような電圧差は２つの異なる機能性ユニットの２つの第１の電極の間に印加してもよいが、そのような電圧差は機能性ユニットの中の２つの第１の電極の間に印加してもよい。したがって、本方法のさらなる実施形態では、本方法は０．００１〜０．５Ｖの範囲から選択される電位差を第１のセルの少なくとも２つの第１のセル電極の間に印加するステップを含んでもよい。
【０１０４】
もちろん、２つのサブセットにそれぞれ複数の電極を提供する複数の第１の電極があってもよい。そのような実施形態では、本方法は１又は２以上の第１のセル電極の第１のサブセットと１又は２以上の第１のセル電極の第２のサブセットとの間に電位差を印加するステップをさらに含んでもよく、前記電位差は０．００１〜０．５Ｖの範囲から選択される。
【０１０５】
充電の間、特に機能性ユニットの温度は特に−１０℃〜＋６０℃の範囲の温度、さらには特に少なくとも１０℃の温度に保たれる。この目的のため、エネルギー装置は温度制御ユニットをさらに含んでもよい。特に制御ユニットは、温度が設定した限度を超えて上昇した場合に印加する電流を低減することによって、機能性要素の温度を制限するように構成されてよい。さらに、装置、特に機能性ユニットは熱隔離を含んでもよい。
【０１０６】
エネルギー装置及び／又はエネルギーシステムは、実施形態では特に電力、水素（Ｈ２）、及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上をデバイスに供給するために用いられる。例えば、そのようなデバイスは電池（電力のため）、又は自動車のようにそのような電池を含むデバイスであってよい。そのようなデバイスは水素貯蔵ユニット、又はそのような水素貯蔵ユニットを含むデバイスであってよい。さらに、そのようなデバイスは生産プロセスで酸素を用いる装置であってよい。したがって、一実施形態では、エネルギー装置及び／又はエネルギーシステムは、その推進エネルギーが水素源及び電力源のうち１又は２以上に由来するエンジンを含む電動車両に電力、水素（Ｈ２）のうち１又は２以上を供給するために用いられる。車両は例えば水素、電力、又はその両方を必要とする自動車であってよい。しかし他の実施形態では、デバイスは生産プロセスにおいて酸素及び／又は水素を用いる装置（化学的水素化、アンモニア合成、化学的還元など）等の工業対象物に含まれてよい。そのような工業対象物は特に電力、水素、及び酸素のうち１又は２以上を使用するように構成されている。
【０１０７】
エネルギー装置及び／又はエネルギーシステムは特に、電池機能に及び水素に電気を貯蔵するために用いられる。したがって、これは例えば変動する再生可能電力源からの過剰の電力を取り出して、貯蔵したエネルギーを電気又は水素として、引き続いて生じる需要に供給するために用いられる。
【０１０８】
したがって、とりわけ本発明は、変動する又は間欠的な電気エネルギー並びに水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上をエネルギー装置に貯蔵する方法を提供し、本方法は、第１のセル水性液体、第２のセル水性液体、及び外部電力源からの電力を機能性ユニットに供給し、それによって充電された機能性電池ユニット並びに前記貯蔵システムに貯蔵された水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）のうち１又は２以上を供給し、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の１．３７Ｖを超える電位差で機能性ユニットを充電するステップを含む。さらに本発明は、本明細書に定義した装置の、水素（Ｈ２）及び可能であれば酸素（Ｏ２）を生成させ、同時に電気エネルギーを供給し又は貯蔵するための使用を提供する。
【０１０９】
特定の実施形態では、充電制御ユニットは外部電力源からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に第１のセル電極と第２のセル電極との間の開路セル電位を超える電位差で前記電力を前記機能性ユニットに供給するように構成されている。さらに他の実施形態では、電位差は１．４８Ｖより低く、例えば１．２３〜１．４７Ｖの範囲、１．３０〜１．４７Ｖの範囲である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
本発明の実施形態を添付の概略図を参照しながら以下に単なる例として説明する。これらの図において、一致する参照符号は、一致する部分を示す。
【図１ａ−１ｅ】本発明の幾つかの態様を概略的に示す図である。
【図２ａ−２ｂ】幾つかの実験結果を示す図である。
【図３ａ−３ｄ】幾つかのさらなる実験結果を示す図である。
【図４】上図（Ｉ）：継続時間を増加しながら、定電流で電荷を挿入し、続いて１．１Ｖまで完全に放電する間に観察された電位を示す図である；曲線ａは、ｘ軸に示す時間（日）の間に印加された電流から生じた電圧（左側のｙ軸）を示す；曲線ｂは、充電レートＣ／５及び放電レートＣ／１０で印加した電流（右側の軸）を経時的（日）（同じｘ軸）に示す；中央図（II）：結果的に生じた正規化された水素及び酸素発生を示す図である；曲線ｃは、酸素（Ｏ２）を示す；曲線ｄは、水素（Ｈ２）を示す；「ＧＰ」（ｙ軸）は、正規化されたガス生産を経時的（日）（ｘ軸）に示す；下図（III）：断熱セルの温度（Ｔ）（単位℃）の推移を経時的（日）（ｘ軸）に示す図である；最下図（IV）バトライザの、電池及びＨ２生産（Ｈ２を生成するのに必要とされる電荷量で表される）における電荷の利用を、Ｃ＝１０Ａｈである公称電池放電容量（Ｔ＝３０℃の一定温度で測定される）で除したものを示す図である；ＣＵ／ＣＢは、電荷の利用を公称電池放電容量で除したものを示す；ＣＩ／ＣＢは、電荷挿入を公称電池放電容量で除したものを示す；曲線ａは、電池の充電＋Ｈ２収率を示す；曲線ｂは、Ｈ２収率を示す；曲線ｃは、電池の充電を示す；参照符号ｄは、柔軟なＨ２生産を示す；参照符号ｅは、公称電池充電容量を示す；
【図５】上図（Ｉ）：ｘ軸がサイクル数（ＣＮ、cycle number）である、多くのサイクルでの電池−電解槽セルの試験を示す図である。サイクルは完全放電から完全放電までカウントされ、その間に様々な完全又は部分（過）充放電プログラムがある；ｙ軸はＣＣ／ＣＢを示し、これは電荷を公称電池放電容量で除したものである；曲線ａは、電解に使用された電荷であり、曲線ｂは、挿入された電荷であって、その後電池から放電される電荷を表示し、曲線ｃは、挿入された総電荷を公称電池放電容量で除したものを表示する;中央図（II）：部分的な電池効率＋部分的な水素ガス生産効率（下記も参照されたい）の合計としての総合的なエネルギー効率を示す図（ｘ軸はサイクル数（ＣＮ））である。電荷挿入量に応じて、Ｈ２生産は、電池の充電よりはるかに高い値からはるかに低い値に及ぶ。一貫して、総合効率は加算して８０〜９０％を上回る；曲線ｄは総合効率を表示し；曲線ｅは部分的な電池効率を示し、曲線ｆは部分的な電解槽効率を表示する；ＰＥ／ＯＥは部分的及び総合効率を示す;下図（III）：累積挿入電荷、及び電池の充電と電解とに細分したもの、並びに電解液を再び満たすための累積Ｈ２Ｏ質量を電池容量に対して表す図（ｘ軸はサイクル数（ＣＮ））である；ｙ軸は、ＣＣ／ＣＢ、すなわち、異なるサイクルで加算された累積電荷を公称電池放電容量で除したものを示す；曲線ｇは累積挿入電荷を示し、曲線ｈは電池からの累積放電を示し、曲線ｉ（約１５０を超えるサイクル数で若干ｊより高い）、ｊは、電荷当量（charge equivalent）で表される添加したＨ２Ｏの質量、及び電荷当量で表される電解収率をそれぞれ示す；
【図６ａ】（ｘ軸は、時間で表した時間である）：上図（Ｉ）：電流挿入の直後に電流の取出し、休止、及び電解ガス発生が続くときの切換え能力を示す、一連の間欠的な充電、放電、及び休止ステップを示す図である；ｙ軸は電圧（左側）又は電流（Ａ）（右側）であり、曲線ａは電圧を示し、曲線ｂは電流を示す；中央図（II）：曲線ｃは酸素を示し、曲線ｄは水素発生を示し、ｙ軸は正規化されたガス生産（ＧＰ、gas production）である、測定した正規化された水素及び酸素収率を示す図である；下図（III）：曲線ｅが温度曲線を示す、オーム抵抗に起因する残留過電位損失（residual overpotential loss）から瞬間的に加熱された後の断熱セルの温度（Ｔ、単位℃）を示す図である。
【図６ｂ】幾つかの温度での、印加電流（ｘ軸）に対する電解電位（ｙ軸に電圧（Ｖ））の依存性を示す図である。電極の総外部表面積は２１６ｃｍ２である。使用した電流密度（最大２０ｍＡ／ｃｍ２）で、Zirfonガス分離隔膜は、低いＴでわずかな追加過電位及び最大３％までの効率低下をもたらす。Ｔが高くなると、イオン抵抗性が減少し、かかる損失が緩和される。
【図７ａ】試験時間を時間（ｈ）で表し、ｙ軸の電圧をボルトで表した、様々な充電レートでの６Ｃまでの充電、Ｃ／１０のレートでの放電を示す図である；
【図７ｂ】充電レートＣ／３．３３、放電レートＣ／１０での、電極の充電のサイクリングを示す図である。０．９Ｃの部分的電荷挿入（１１回）、続いて０．４Ｃの放電（１０回）を行う；０．９Ｃのうち０．４Ｃを使用して電池を充電し、残りの部分の０．５Ｃを電解に使用する；試験時間は時間（ｈ）で表し、電圧はボルト（ｙ軸）で表す；
【図７ｃ】充電した電極での切換え試験を示す図である：最初の５時間はＣ／３．３３のレートで充電し、次いで切換える；順序Ａ〜Ｅ：Ａ：一定レートＣ／３．３３での３０分の充電；Ｂ：５分の充電に続く１分の放電を５サイクル；Ｃ：２．５分の充電に続く３０秒の放電；Ｄ：５０秒の充電に続く１０秒の放電；Ｅ：２５秒の充電に続く５秒の放電；Ｂ〜Ｅ：充電レートＣ／２．５及び放電レートＣ／５、平均レートＣ／３．３３；プログラムＡ〜Ｅの間に１分の休止；試験時間は時間（ｈ）で表し（挿入グラフは分で表す）、電圧はボルトで表す（ｙ軸）；
【図７ｄ】５０秒の電荷挿入（Ｃ／２．５）及び１０秒の電荷取出し（Ｃ／５）を１０００サイクル行い、最終的に放電で完了する、連続的な高速切換え試験を示す図である；試験時間は時間（ｈ）で表し（挿入グラフは分で表す）、電圧はボルトで表す（ｙ軸）；
【図８ａ−８ｅ】幾つかの実施形態を概略的に示す図である；
【図９ａ−９ｄ】特にバイポーラプレートを含む装置の幾つかの実施形態を概略的に示す図である；
【図１０ａ−１０ｃ】幾つかの実施形態、特にバイポーラプレートを含む装置の実施形態を概略的に示す図である；
【図１１ａ−１１ｄ】幾つかの結果を示す図である；
【図１２ａ−１２】「標準的な」バトライザ（１２ａ）と本明細書にさらに（また）記載する通りのバトライザ（図１２ｂ）との比較を概略的に示す図である;
【図１３】電極の実施形態を概略的に示す図である；
【図１４】代替エネルギー装置を概略的に示す図である；
【図１５】なおさらなる代替エネルギー装置を概略的に示す図である；
【図１６】異なるシステムの比較を概略的に示す図である。これらの概略図は必ずしもスケール通りではない。
【発明を実施するための形態】
【０１１１】
図１ａは、機能性ユニット２の実施形態の幾つかの態様を概略的に図示している。さらなる詳細を、図１ｂの実施形態に示す。図１ａ（及び１ｂ）は、第１のセル１００、第２のセル２００、及びセパレータ３０を含む、機能性ユニット２を概略的に示す。第１のセル１００は、第１のセル電極１２０を含む。特に、第１の電極１２０は、鉄ベースの電極を含む。第２のセル２００は、第２のセル電極２２０を含む。第２の電極２２０は、特にニッケルベースの電極を含む。さらに、第１のセル１００及び第２のセル２００は、セパレータ３０を共有する。該セパレータは、ＯＨ−、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されている。上に示したように、セパレータ３０は、特に膜を含む。さらに、セパレータ３０と電極１２０及び２２０とは、参照符号２３で示されるスペーサで離間されていてもよい。このスペーサは、電極とセパレータとの間に間隔を設けるだけでなく、水系電解液が電極のセパレータ側で電極と接触できるように構成されてもよい。よって、第１及び第２のセル水性液体１１、２１は、それぞれの電極１２０、２２０の両側を通過してもよい。
【０１１２】
セパレータ３０及びそれぞれの電極１２０、２２０は、実質的に同じ表面積、すなわち外部表面積を有していてもよく、それによってスタック（特にスペーサが間にあるもの）を形成してもよい。よって、電極及びセパレータは、実質的に同じ高さ（ここに図示する通り）及び同じ幅（ここでは図の平面と垂直な平面）を有していてもよい。
【０１１３】
特に、機能性ユニット２は、圧力格納容器によって実質的に全体的に密閉された一体化ユニットである。以下でさらにまた説明するように、該機能性ユニットは、複数の第１のセル及び第２のセルを含んでもよい。
【０１１４】
充電中に、次の反応が第１の電極１２０で起こり得る：Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−⇒Ｆｅ＋２ＯＨ−（ＳＨＥに対して−０．８７７Ｖ）、続いて２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−⇒Ｈ２＋ＯＨ−（ＳＨＥに対して−０．８３）。よって、電池が充電されるとき、Ｆｅは、Ｈ２を形成するための触媒として作用し得る。さらに、第２の電極２２０での充電中に、次の反応が起こり得る：Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−⇒ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−（ＳＨＥに対して＋０．４９Ｖ）、続いて４ＯＨ−⇒Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（ＳＨＥに対して０．４０）。電池が充電されるとき、ＮｉＯＯＨは、Ｏ２発生の平衡電位に対して幾らかの過電位を有するＯ２発生触媒として作用する。
【０１１５】
図１ａは、電解反応を示す。矢印が逆転したときは、放電反応が示される。よって、開放セルの電位（放電時）は１．３７Ｖである。電解の平衡電位は１．２３Ｖである；しかし、Ｏ２及びＨ２を相当に発生させるには、平衡電位に対して過電位が必要とされる。加えて、それが電解中に印加された電位のみから生成されることになるのであれば必要となる熱も考慮に入れると、水分解のための熱中性電圧（thermo neutral potential）は１．４８Ｖである。しかし、本発明では、熱は、幾らかの追加的な熱をもたらす、電池の充電の過電位からも利用可能である。実際、電解中に、電位は少なくとも１．５５〜１．７５Ｖに上がる。したがって、過電位からの熱は電解に利用可能である。特筆すべきことは、ポテンシャルエネルギーレベルがＨ２及びＯ２の発生電位と非常に近いにもかかわらず、最初に電池を充電できることである。
【０１１６】
図１ｂは、電気エネルギー貯蔵機能及び電解機能を有するエネルギー装置１の実施形態を概略的に図示している。システム１は、機能性ユニット２（上記も参照されたい）を含む。第１のセル１００は、第１のセル電極１２０、並びに第１のセル水性液体１１及び第１のセル気体１２のための１又は２以上の第１のセル開口部１１０を含む。第２のセル２００は、第２のセル電極２２０、並びに第２のセル水性液体２１及び第２のセル気体２２のための１又は２以上の第２のセル開口部２１０を含み、ここで、第２の電極２２０はニッケルベースの電極を含む。
【０１１７】
さらに、第１のセル電極１２０と電気的に接続された第１の電気接続５１、及び第２のセル電極２２０と電気的に接続された第２の電気接続５２が図示される。これらは、電極１２０、２２０とユニット２の外部との電気接点をもたらすために使用することができる。
【０１１８】
エネルギー装置１は、機能性ユニット２への第１のセル水性液体１１及び第２のセル水性液体２１のうち１又は２以上の導入を制御するように構成された水性液体制御システム６０をさらに含む。液体制御システム６０は、例として、第１の液体制御システム６０ａ及び第２の液体制御システム６０ｂを含む。前者は、第１のセル１００の第１の注入口１１０ａと機能的に接続され；後者は、第２のセル２００の第１の注入口２１０ａと機能的に接続されている。水性液体制御システム６０は、水性液体の再循環を（及び新鮮な水性液体の供給も（詳細には示さない））含んでもよい。
【０１１９】
より一般的には、参照符号６０は、制御システムであって、エネルギー装置が使用されているときなどの１又は２以上の処理パラメータを制御するように構成し得る制御システムを示す。制御システム６０は、かかる１又は２以上の処理パラメータをモニタリングする１又は２以上のセンサ（図示せず）と機能的に結合されてもよい。制御システム６０は、電位差、Ｈ２生成、貯蔵容量などを制御するように構成されてもよい。
【０１２０】
なおさらに、装置１は、前記機能性ユニット２の外部の第１のセル気体１２及び第２のセル気体２２のうち１又は２以上を貯蔵するように構成された貯蔵システム７０を含む。該貯蔵装置は、例として、第１の貯蔵装置７０ａ及び第２の貯蔵装置７０ｂを含む。前者は、第１のセル１００の第１の出口１１０ｂと機能的に接続され；後者は、第２のセル２００の第１の出口２１０ｂと機能的に接続されている。例えば、第１の貯蔵装置７０ａ、すなわち水素ガス用の貯蔵装置だけが利用可能であってもよいことに留意されたい。貯蔵装置の上流及び／又は第１のセル１００若しくは第２のセル２００の下流でのガスと液体との分離は、当技術分野で公知のようにＨ２弁及び／若しくはＨ２Ｏ乾燥機並びにＯ２脱酸素剤を用いて、又はＯ２弁及び／若しくはＨ２Ｏ／Ｈ２凝縮器を用いて、それぞれ行ってもよい。
【０１２１】
エネルギー装置１は、ａ機能性ユニット２の中の第１のセル気体１２の圧力、ｂ貯蔵システム７０の中の第１のセル気体１２の圧力、ｃ機能性ユニット２の中の第２のセル気体２２の圧力、及びｄ貯蔵システム７０の中の第２のセル気体２２の圧力のうち１又は２以上を制御するよう構成された圧力システム３００をさらに含む。該圧力システムは、例えば、異なる圧力システムを含んでもよく、これらは、互いに独立であってもよく、又は接続されていてもよい。例として、第１の圧力システム３００ａを図示する。これは、特に、第１の液体１１及び第２の液体２１のうち１又は２以上を圧力下でそれぞれ第１のセル１００及び第２のセル２００に提供するように構成されている。さらに、別の圧力システム３００ｂは、第１のガス１２用の貯蔵装置の圧力を制御するように構成されてもよい。さらに、別の圧力システム３００ｃは、第２のガス２２用の貯蔵装置の圧力を制御するように構成されてもよい。さらに、圧力システム３００は、第１のセル１００及び／又は第２のセル２００の中の圧力を制御するように構成されてもよい。この目的のために、該圧力システムは、１又は２以上のポンプ、１又は２以上の弁などを含んでもよい。
【０１２２】
さらに、この実施形態における装置はまた、外部電力源（参照符号９１０、さらに下記を参照されたい）からの電力を受容するように構成され、充電時間の少なくとも一部の間に、最初の電池充電中では第１のセル電極１２０と第２のセル電極２２０との間の特に１．３７Ｖを超える電位差で、電池が既に完全充電されたときの電解中では１．４８Ｖより大きく２．０Ｖまでの電位差で、前記電力を前記機能性ユニット２に提供するように構成された、充電制御ユニット４００を含む。
【０１２３】
電力供給を受けるデバイス９３０と電気接続５１、５２とを機能的に結合する第１のコネクタユニット５１０、並びに第１のセル気体１２及び第２のセル気体２２のうち１又は２以上が提供されるデバイスと前記貯蔵システム７０とを機能的に接続する第２のコネクタユニット５２０も概略的に図示される。ここでは、実際に、２つの第２のコネクタ５２０である、第１の貯蔵装置７０ａと機能的に接続された第１の第２のコネクタ５２０ａ、及び第２の貯蔵装置７０ｂと機能的に接続された第２の第２のコネクタ５２０ｂが図示される。
【０１２４】
該装置は制御システム８０によって制御されてもよく、該制御システムは、水性液体制御システム６０、貯蔵システム７０、圧力システム３００、及び充電制御ユニット４００のうち少なくとも１つ、特にこれらの全てを制御するように特に構成されてもよい。
【０１２５】
図１ｂは、エネルギー装置１及び外部電源９１０（ここでは例として風力タービン及び光電発電源を含む）を含むエネルギーシステム５の実施形態も概略的に図示している。装置１又はエネルギーシステム５は、デバイス９３０、例えば、その推進エネルギーが水素源及び電力源のうち１又は２以上に由来するエンジンを含む電動車両に、電力、水素（Ｈ２）のうち１又は２以上を供給するために使用されてもよい。代替的に又は追加的に、装置１又はエネルギーシステム５は、かかるデバイス９３０を含む工業対象物９４０によって使用されてもよい。ここでは例として、工業対象物は、例えば化学的方法のためにＯ２を使用する。よって、当然ながら代替的又は追加的に、第１の貯蔵装置７０ａは、ガス配管網にも機能的に結合されてもよく；同様に第２の貯蔵装置７０ｂが、ガス配管網に機能的に結合されてもよい。
【０１２６】
図１ｂは、水性液体の返送システムも示している（上記も参照されたい）。
【０１２７】
図１ｃ〜１ｄは、装置１が並列（１ｃ）又は直列（１ｄ）のいずれかに配置された複数の機能性ユニット２を含む実施形態を概略的に図示している。並列配置と直列配置との組合せも適用されてもよい。ユニット２が並列に構成されている図１ｃを参照すると、ユニット２は、電解液（すなわち、特にＫＯＨを含む水）を含む単一浴内に、よってセパレータ４なしで構成されてもよい。ユニット２が直列に構成されている図１ｄを参照すると、セパレータ４を導入することが必要になり得る。このセパレータ４は、例えば、ニッケル被覆バイポーラプレートなどのバイポーラプレートを含んでもよい。電解液は、例えば、少なくとも５ＭのＫＯＨ、例えば、約６ＭのＫＯＨを含有してもよい。セパレータ３０は、第１のセル１００と第２のセル２００とを分離し得るが、実施形態において、電解液は、第１のセルから第２のセルへ、若しくはその逆に、又は第１の機能性ユニットの第１のセルから第２の機能性ユニットの第２のセルへ、若しくはその逆に、などのように流動してもよい。
【０１２８】
ユニット２を直列に配置する利点は、電気接続の適用がはるかに容易であることである。例えば、ユニット間に構成されたバイポーラプレートを使用するとき、第１のユニット２の第１のセル１００の第１のセル電極（図示せず）との第１の電気接続５１、及び最後のユニット２の第２のセル１００の第２のセル電極（図示せず）との第２の電気接続５２だけが必要となり得る。そのとき、電流は、バイポーラプレート４を通って、一方のユニット２（からの一方の電極から）から他方のユニット２（からの他方の電極）に流れ得る（バイポーラプレート４を通る矢印を参照されたい）。直列配置のさらなる利点は、電池の管理が並列の場合より容易であり得ることである。何故なら、セルの１つの全容量を超えて充電すると、有害作用を及ぼすことなく、他のセルより幾らか早くＨ２の（所望の）生成をもたらすからである。個々のセルの全容量を超える放電は、電圧降下が個々のセル当たり１．１Ｖを下回らないようにモニタリングすることができ、また、例えば、Ｏ２をセルの底部の水の引込み口から通気して挿入し、電極中に拡散させることによって、Ｎｉベースの電極での電解液における還元にＯ２を利用可能にすることができる。Ｏ２は、それに先立つデバイスの充電期間に生産し、貯蔵することができる。
【０１２９】
複数の機能性ユニットは、スタックとして構成されてもよい。特に直列のスタックに言及すると、［ＡＢＡＣＡＤＡＥ］ｎを含む構造体がもたらされてもよく、ここで、Ａは電解液及び溶存ガス分散シート（dissolved gas distribution sheet）（成形多孔質プロピレンなど）を指し、Ｂは第１の電極又は第２の電極を指し、Ｃは、Ｎｉ被覆バイポーラプレートなどのバイポーラプレートを指し、Ｄは、第２又は第１の電極（この場合Ｂ≠Ｄ）を指し、Ｅはガス分離膜を指し、ｎは１以上の整数を指す。スタックが［ＣＡＤＡＥＡＢＡ］ｎ又は［ＡＤＡＥＡＢＡＣ］ｎなどと定義されている場合でも等しく良好であることを留意されたい。スタック全体が、圧力格納容器内に含有されていてもよい。
【０１３０】
図１ｅは、変動する電気及び／又は需要電気を供給し得る配電網３を有する、エネルギーシステム５の実施形態を概略的に図示している。ｅ−で示される電気が貯蔵されてもよく、Ｈ２及びＯ２のうち１又は２以上も、特に少なくともＨ２が貯蔵されてもよい。これは、例えば、特にＨ２を使用し得る工業対象物９４０によって消費されてもよい。さらに、これは、例えば、Ｈ２及び電力のうち１又は２以上によって電力供給を受けるように構成されている、電動車両などのデバイス９３０によって使用されてもよい。当然ながら、Ｈ２及びＯ２のうち１又は２以上はまた、（ガス）配管網によって輸送されてもよい。
【０１３１】
所望であれば、Ｏ２の一部がまた、（放電中に）機能性ユニット中に（第２のセル中に）再導入されてもよい。
【０１３２】
３つの機能性ユニットを構築した。これらは、陽極として互いに電気的に並列に接続された４つのＮｉ（ＯＨ）２ベースの電極、及び４つのＮｉ電極の間に陰極として同様に電気的に並列に接続された３つのＦｅ（ＯＨ）２ベースの電極からなるものであった。各電極は、電解液の引込み及びガスの放出を可能とする小さい穿孔を有するニッケルめっきしたスチールポケット中の活物質で作製される。表面積は３０ｍｍ×１００ｍｍであり、完成した電極の厚さは３ｍｍである。Ｎｉ電極とＦｅ電極との間にはZirfonセパレータが存在して、生産されたガスを分離し、電極を電気的に分離する。接点の電気絶縁は、ポリエチレン部品を使用して行う。
【０１３３】
得られた結果は、これら３つの機能性ユニットの各々でほぼ同一であった。以下は、約１３Ａｈの電池容量の電池電解槽で実現した：
・  １３Ａｈの電池の充電中の電位  ほとんど約１．５２Ｖ前後（過電位1.52-1.37=0.15V、効率約1.37/1.52=0.90）
・  １３Ａｈの放電中の電位：ほとんど約１．２Ｖ前後（過電位1.37-1.2=0.17V、効率約1.2/1.37=0.88）
・  電池部分の効率=0.90×0.88=0.79。
・  １０ＡｈのＨ２生産中の電位：１．６５Ｖ（過電位1.65-1.48=0.17V、効率約０．９０）
・  総合効率：(13Ah×1.2+10Ah×1.48)/(13Ah×1.52V+10Ah×1.65V)=0.838
・  （貯蔵されたＨ２がその完全なＨＨＶ（＝１．４８ｅＶ／Ｈ原子）を有すると仮定する）
【０１３４】
セパレータとして、Zirfon Perl UTP 500（Agfa社製）を使用した。Zirfon Perl UTP 500の特徴は次の通りである：組み込まれた金属酸化物粒子による永続的な親水性、水及び最も一般的な電解液への完全な湿潤性；界面活性剤による親水性処理が不要；ＺｒＯ２の両性の性質によりアルカリ性ｐＨでの多くのＯＨ基；寸法的に安定（収縮作用がない）；極めて堅牢（布地で補強されている）；強アルカリ（最高６ＭのＫＯＨ）中で最高１１０℃まで安定；イオン抵抗性が低く、高い電流密度；０．３Ω．ｃｍ２（３０ｗｔ．％のＫＯＨ中３０℃）で電解が可能；電解液を充填したときの耐ガス圧は２００バールまで可能；対称的な内部細孔構造；多孔度５０±１０％；二重のスキン層による二重の安全性；孔径０，１５±０，０５μｍ；並びに厚さ５００±５０μｍ。
【０１３５】
生産される水素（及び酸素）の量を加算すると、Ｈ２の生産中に失われる水の総重量となる。これによって、他の副反応が検出されないことが示される。
【０１３６】
図２ａは、ハイブリッド電池−電解槽を使用する５回の代表的なサイクルを示す。Ｃ／ＤＣ曲線は、充電及び放電電流（絶対値）（Ｉ曲線、実線）を示し、Ｖ曲線（破線）は、得られた電圧を示す。以下を観察することができる（左から右）：最初の約４時間：２．５Ａの印加電流をデバイス内に約１．５４〜１．６５Ｖの電圧で挿入すると、主に電池電極が充電される。測定から、この時間中は約１０％の電流が水素生産に変換されるに過ぎないことが示される。約４時間〜８時間に、水素が生産され、その間に電圧は１．７５Ｖ未満に増加する。続いて、電流を１Ａのレベルに反転させると、約１．４〜約１．１５Ｖの電圧で電池の放電が生じる。その後の４回のサイクルは、デバイスの安定性及び同一のパターンを示す。左側のｙ軸では電圧がボルトで示され、右側のｙ軸では電流がアンペアで示される。
【０１３７】
図２ｂは、異なるタイプのサイクル中の、３つの異なるＮｉ−Ｆｅ電解槽−電池セルのＮｉ−Ｆｅ電池放電容量及びクーロン効率（０〜１の目盛、又は実際には０．４〜０．９の目盛）を示し、総合的な電池＋水素エネルギー貯蔵に対して電池貯蔵の比率が異なることを示す。総合効率は、電池の放電エネルギー（単位Ｗｈ）＋生産された水素ガスの高位発熱量（ＨＨＶ，Higher Heating Value）を、電池内に挿入されたＷｈで除した比率である。電池効率は、電池の電気出力（単位Ｗｈ）のみをデバイス内に電気的に挿入された総Ｗｈで除したものを考慮する。
【０１３８】
総合効率は、生成した水素の高位発熱量におけるエネルギー＋電池内に貯蔵された電気エネルギーを、電力の総入力で除したものとして定義される。電池効率は、可逆電池容量の平均電気出力電位を、放電した状態から開始する平均入力電位（したがって水素生成を含む）で除することから計算される。特筆すべきことには、総合効率は８０％超に達し、これはＮｉ−Ｆｅ電池単体が達する（約７０％）より高い。何故なら、ここでは電池充電中の水素損失が捕捉されるからである。単一のアルカリ電解槽の効率も約６５〜７０％であることから、ここでもより高い電解効率の有益性が見出される（電池電解槽に必要とされる電位が低くなったことに起因する）。Ｃ１Ｏ、Ｃ２Ｏ、及びＣ３Ｏの表示はセル１〜３についての総合効率の結果を示し、Ｃ１Ｂ、Ｃ２Ｂ、及びＣ３Ｂの表示は、３つの異なるセルについての電池効率を示す。
【０１３９】
サイクル３３〜３８の間、少量のガスだけが作製された。すなわち、全体としてより少ない電荷が入力され、そのために比較的大きい割合の電荷が電池内に貯蔵された。サイクル６１〜６７の間、温度は４０℃である。そこでは、より高い総合効率が見出される。その後の５サイクルでは温度は３５℃であり、その後の８サイクルでは温度は３０℃である。電池効率が約２０％と示されるサイクルでは、電池は完全充電されており、加えて、電池に容量があるときより約４倍多くのＨ２が生産された。
【０１４０】
水素及び酸素を生産する過電位は、電池容量が満量に達した後、電池−電解槽に様々な電流を印加して決定した。試験セル内の電流が０．１Ａ〜４Ａである場合、必要とされる電圧と電流の１０ｌｏｇとの間に直線関係がある。傾きは、２０℃で、電流の１０倍増加当たり約１５５ｍＶに相当する。４０℃で、内部抵抗が下がり、反応速度が速くなったことから、過電位の低下が実現した。これは、約８６％へのさらなる総合効率の増大に照応する。
【０１４１】
３つの異なるセルについてさらに多くのサイクルを異なる充電レート、総電流量で行い、また充電と放電とを１５分毎に切換えて行った。総合効率は、切換え中でも依然として高く８１％を上回り、実際に電池機能の充放電の過電位がより小さかったために（電解液中のＯＨ−濃度の減少勾配におそらく起因する）、効率は切換え中に若干増大した。
【０１４２】
図３ａは、１８℃で行った２０Ａｈの充電＋水素生成（電流２．５Ａ、灰色の線）及び約１２．６Ａｈの放電（電流１Ａ）中のセル電圧を示す幾つかのサイクルを示す。同じグラフにおいて、４０℃で行った、１６Ａｈの充電＋水素生成（電流２．０Ａ）及び約１２．６Ａの放電（電流１．０Ａ）でのサイクルも示す。
【０１４３】
図３ｂは、急速に変動する充電負荷での試験、すなわち、電流３．５Ａの充電を１Ａの放電と交互に１５分間行うパルス状の挿入での試験を示す。挿入された総充電量は２５Ａｈである。その後、約１４．４Ａｈを送達する１Ａでの完全放電が約１５分間得られる。その差はほとんど完全に水素（及び酸素）に変換される。短パルス中での放電電圧が、その後の連続放電と比較して依然として比較的高いことに留意されたい。これによって、電池容量を満たし、水素を生成しながらなお、かかる切換えが充放電に関して高電気効率で可能であることが示される。（電流は破線で示し、電圧はＰで示す（パルス：１５分：４Ａの充電＋Ｈ２；１Ａの放電）。Ｃは、１Ａでの連続放電を示す。よって、装置は、充電／放電期間を高速で交替させながら間欠的に充放電することができる。これは、需要があるときに配電網から電流を取得する又は配電網に電流を提供することを極めて高速に行うことができることを含意し得る。かかる切換え能力は、これらのデバイスについて充電４Ａ、放電２Ａのパルスでも試験した。
【０１４４】
図３ｃは、１８及び４０℃での、充電された電池電解槽セルの様々な印加電流での水素生成中のセル電圧（Ｖｃ）を示す。温度が高い方が、電流を維持するのに必要な電位が低いことから、Ｈ２を生成する過電位が低く、効率が高いことが示される。水分解の熱中性電圧は１．４８Ｖである。よって、４Ａ及び４０℃において1.48/1.68=0.96の電解効率を実現することができる。
【０１４５】
図３ｄは、水素ガス中及び電池中の総貯蔵エネルギー（ＴＴ、total stored energy）を単一の約１０Ａｈのセルの総電気エネルギー入力で除したものとして定義される、エネルギー効率（ＥＥ、energy efficiency）を示す。各サイクル（Ｃ）を、充電／水素生成電位は１．７５Ｖ未満で、放電は１．１Ｖまで下げて行った。相違は、水素生産と比較して電池の充電レベルが異なることから生じる。（＋：総効率、四角：貯蔵エネルギーに対する電池の寄与、丸：水素の寄与）。参照符号Ｔは寄与の合計を示す。四角は電池の寄与（ＢＣ）を示し、丸はＨ２の寄与（ＨＣ）を示す。
【０１４６】
よって、本発明は、一体化されたアルカリＮｉ−Ｆｅ電池電解槽（「バトライザ」）を用いる電気貯蔵を提供する。本発明者らは、Ｎｉ−Ｆｅ電池の耐久性とアルカリ電解とを兼ね備えると共にそれらの一体化によって効率が向上した、一体化ニッケル−鉄電池−電解槽（「バトライザ」）を開発した。ナノ構造化ＮｉＯＯＨ及び還元されたＦｅからなる電池電極は、充電されるとそれぞれ効率的な酸素及び水素発生触媒として作用し、劣化することなく電池容量をはるかに超えて電流の挿入を可能にする。さらに、本発明者らの結果は、該一体化デバイスにおける特筆すべき一定の高効率及び高速な電流切換え能力を実証する。この結果は、ほぼフルタイムの適用性を有する、豊富に存在する元素に基づく低コストで本質的に柔軟なデバイスを、無制限に切換え可能な電力貯蔵装置並びに水素燃料及び供給原料生産装置として用いる、効率的で堅牢な電力網用のエネルギー貯蔵ソリューションの出発点となると期待される。
【０１４７】
再生可能エネルギーの将来において、日ごと及び季節ごとの両方の時間尺度で十分なエネルギーが貯蔵されるように、電池内３及び水素燃料の生産において毎日同様の量の電気が貯蔵されることが必要となり得る。本発明者らはここに、Ｎｉ−Ｆｅ電池とアルカリ電解槽とを一体化すると図１に略図を示すデバイス概念となることを示す。再生可能電力の短期の変動は電池を使用して安定化され、一方、水素の生産によって長期のエネルギー貯蔵、並びにハーバー・ボッシュ法（Ｎ２及びＨ２からＮＨ３）、サバティエ法（Ｈ２及びＣＯ２からＣＨ４）、及びフィッシャー・トロプシュ法（ＣＯ／ＣＯ２及びＨ２からアルカン）などの化学的方法の「グリーン化」が可能となる。
【０１４８】
第１に、一体化バトライザデバイスは、Jungner及びEdisonによって導入されたＮｉ−Ｆｅ電池に基づいている。Ｎｉ−Ｆｅ電池は、徹底的な深放電及び過充電中のその堅牢性、並びにその卓越した長寿命で知られている。該電池は、充電時にＦｅ（ＯＨ）２がＦｅに還元される負極：Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−→Ｆｅ＋２ＯＨ−（ＳＨＥに対して−０．８７７Ｖ）（Ｆｅ／Ｆｅ２＋放電プラトーのみを考慮する）を有する。正極は、充電時にプロトンを放出するＮｉ（ＯＨ）２を含有する：Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−（ＳＨＥに対して＋０．４９Ｖ）。電池の開路電位（ＯＣＶ、open circuit potential）は１．３７Ｖであり、これは、水性電解液から水分解するのに必要とされる最小電位より高い。Ｎｉ−Ｆｅ電池は、それらの比較的低いエネルギー効率（約５０〜７０％）７、５、それらの限られた充電レート能力、及びその結果として歴史的に低下した市場潜在力で知られている。しかし、バトライザでは、水素が運転の定常的な生産物となることによって、エネルギー効率が向上し、充電レートを上げると共に、過電位を大きくし、付随ガスを発生させる（付随ガスの発生を増やす）ことを可能にする。
【０１４９】
第２に、バトライザは、アルカリ電解槽に基づいている。アルカリ電解槽は、生産される水素の高位発熱量（ＨＨＶ）を印加された電気エネルギーで除することから計算される７１％という典型的な効率で水素及び酸素を生成する、工業規模での成熟技術である。正極では、酸素の生成が起こる：４ＯＨ−→Ｏ２（ガス）＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（ＳＨＥに対して1.23-0.059×pH）。負極では、水素が生成する：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２（ガス）＋２ＯＨ−（ＳＨＥに対して0.00-0.059×pH）。主な活性構成要素は、Ｎｉ金属ベースの正極、Ｎｉ（又はＮｉ被覆Ｆｅ）負極、及びその間にガスセパレータ又は隔膜と共にアルカリ電解液がある。隔膜は、電極間でＯＨ−イオンを伝送しながら、酸素から水素を分離する。通常の電解槽では、電極表面１ｃｍ２当たり４００ｍＡの電流及び６５〜１５０℃の典型的温度での水素生産が必要とされ、十分に高い効率及び生産レベルに達するようにＰｔ又はＰｔ−Ｒｕのような貴金属が負極に組み込まれることもある。隔膜はセラミックポリマー複合体であってもよく、一方電解液はやはり強アルカリ性のＫＯＨ溶液である。
【０１５０】
バトライザにおいて初めて、耐久性のあるＮｉ−Ｆｅ電池電極及びアルカリ電解槽という材料選択の明白な相乗作用が調査される。水素と酸素とを分離するために、バトライザは、イオン輸送に対するその低抵抗及び１１０℃までの安定性で知られている、アルカリ電解槽に使用されるような市販の隔膜を有している（Zirfon-Perl-UTP500）。バトライザは、室温近くにおいて、電池の活動量及び表面積に合致する最大２０ｍＡ／ｃｍ２になる電流で運転される。これらの同じ中程度の電流は、高充電の状態で、いかなる貴金属触媒も用いずに室温近くで効率的に水を分解する。中程度の条件は、全ての構成要素にとっての長寿命化を意味することとなる。
【０１５１】
よって、実施形態では、Ｎｉ−Ｆｅ電極は、充電中に電極材料を変換して（Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−→Ｆｅ＋２ＯＨ−及びＮｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−）電源から電気を貯蔵し、充電されると、水分解によって水素（２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２（ガス）＋２ＯＨ−）及び酸素（４ＯＨ−→Ｏ２（ガス）＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−）を生成する。隔膜は、ＯＨ−を伝送し、Ｏ２及びＨ２を分離する。バトライザは、電力網を安定化するための、電気だけでなくＨ２も燃料として供給するための、及び化学供給原料としてのＨ２のための、シンク及びソースとして適用することができる。
【０１５２】
図４において、電荷挿入が増加するサイクルについて、バトライザによって提供される柔軟な貯蔵容量を示す。実際に、電流を挿入する継続時間が増加すると、電池電極の充電が増加し、完全充電されると電解ガスの生産が増加する。電荷挿入期間の後に毎回電池電極の完全放電を行うことによって、長期の充電及び水分解後の電池の可逆性が示される。水素発生は少ないレートで直ちに始まるが、それに対して酸素発生は０．２５Ｃの電荷挿入まで検出されない（Ｃは、１０Ａｈの公称可逆電池放電容量である）。酸素発生は０．７５Ｃで水素発生に追いつき、それを超えることをさらに観察することができる。全体として、化学量論的なガス発生が起こる。放電中にガス発生が急に減少して零になることが観察される。興味深いことに、ガス発生は電解中に一定ではない。これは、デバイス温度が増加して電解及び自己放電が促進され、その両方によってガスの収率が増加する（かつ放電容量が低減する）ことに起因すると考えられる。
【０１５３】
本発明者らは、様々な実生活の状況をシミュレートする、部分及び完全充電（放電）、急速切換え、連続過充電、並びに数か月間にわたる２４時間サイクリングでの一連の試験を設計した。その結果を図５に示す。電池容量は、公称容量の最大６倍の過充電を含んでいた多数のサイクルによっても、各サイクルの最後の深放電によっても損なわれなかった。これによって、デバイスの極めて堅牢な性質が示される。実験は、３つの別々のセルで行い、セル間で完全に再現性があることが判明した。１０か月の試験期間中に、セルは８２３，４ｇの水を消費したが、このとき、７９５，２ｇ（９６，６％）は電解によるものと予想され、残りは、水蒸発によって排気弁を通してガスの放出と共に失われる。さらなる重量減少につながる他の副反応は、微量ガス分析において観察されていない。セルは依然として当初の電解液で動作し、水を添加しただけだったので電解液の取替えは行わなかった。
【０１５４】
図５（中央図（II））における特筆すべき知見は、多くの異なるタイプのサイクルにわたって８０〜９０％であるエネルギー効率（電池内＋水素に貯蔵されたエネルギーをエネルギー入力で除したもの、下記参照）の総合安定性、及びまた電池の可逆放電容量の安定性である。この知見は、Ｎｉ−Ｆｅ電池とアルカリ電解槽が両方とも極めて堅牢であるという実績と一致しているが、一体化された電池−電解槽について、本発明者らの知る限りこれまでに報告されてはいない。
【０１５５】
電流及び温度の関数としての電解電位を図６に示す。温度が高くなると、イオン抵抗性及び電位が低下し、効率が増大する。電流が１０倍高くなると、電位は約１４０ｍＶ増加する。これは、高性能のアルカリ電解槽において約２０ｍＡ／ｃｍ２の低い電流密度で観察される増加と同様である。本発明者らは試験温度を４０℃に制限し、長期間で安定性が低減するおそれがあるという鉄電極の問題を防止した。最も低い電流で、熱中性電圧の１．４８Ｖを下回るがＮｉ−Ｆｅ電池の開路電位の１．３７Ｖを上回る電位に達する。
【０１５６】
バトライザの動作のさらなる試験として、急速に変化する様々な充電−放電サイクルを適用した（図６ａ及び７）。かかる試験は、再生可能な電気が不足するときの電気需要（放電ピーク）と間を空けた変動する再生可能な電気入力（充電／電解ピーク）を経る、ピークシェービング電池電解槽としての適用を模倣することができる。図６ａに見られるように、セルの電池及びガス生産機能は、印加電流の変化及び反転に遅延することなく直接従う。これは、例えば従来の電解槽と比較して強みである。最も特筆すべきは、充電中と放電中の平均電位が互いに近づくことであり、これは、これらの電流が急速に変動する間に電気効率η電池が高くなることを意味しており、すなわち、切換えの有害作用よりむしろ好ましい効果があることを意味している。
【０１５７】
耐久性及び柔軟性についての知見は特筆すべきである。何故なら、他のタイプの電池は、過充電及び／又は深放電によって急速に破損することになるからである。リチウムイオン電池は過充電中に電解液の分解を被る一方で、ニッケル水素電池及び鉛蓄電池は過充電及び深放電中に主として有害な腐食作用を被る。特筆すべき安定性は、Ｎｉ及びＦｅベースの電極が、それらのプールベダイアグラムにおける熱力学的に安定な相の間で動作するという事実に関連するであろう。明らかに、電解モード中に、負極では水をＨ２に還元するか又は酸化鉄を（深放電中に形成されたときに）Ｆｅになるように再活性化させるしかなく、一方正極では、ＮｉＯＯＨに酸化されるか又はγ−ＮｉＯＯＨに過充電されたＮｉ（ＯＨ）２はいずれも、放電中にＮｉ（ＯＨ）２に容易に戻ることとなる。そのような、充電中（Ｆｅ）又は放電中（Ｎｉ（ＯＨ）２）の本質的に安定な帰点によって、長期の電解動作及び深放電中の電極の安定性が強化される。
【０１５８】
材料及びエネルギー効率の次に、一体化された長寿命の電池電解槽の妥当性は、経済的要素に見出すことができる。一体化されたバトライザは、再生可能な電気を使用する次のメリットオーダーに適合する：１番目に、それを直接使用する、２番目に、余剰分を効率的な電池に短期間貯蔵する、３番目に、それを水素燃料としてさらに長時間貯蔵し、その後電気を生成するときは変換損失を代償とする。一体化されたバトライザは、メリットオーダーにおける２番目及び３番目のステップを兼ね備え、そのようにして、電池内に貯蔵する、ガスを生産する、又は電気を送達することにおいて高利用率及び高効率に達するという利点を有する。
【０１５９】
ある例において、一体化された電池電解槽、すなわちバトライザを作製した。電極は、現状技術の膜（Agfa社製Zirfon;Agfa Specialty Products (www.agfa.com); Vermeiren, P., Moreels, J.P., Claes, A.& Beckers, H.Electrode diaphragm electrode assembly for alkaline water electrolysers.International Journal of Hydrogen Energy 34, 9305-9315 (2009)を参照されたい）を使用して互いに分離される。この膜は、使用される電流密度領域において低いイオン抵抗性を有し、それによって電極間に２０〜３０ｍＶの追加的な過電位がもたらされる。電流密度を制限することも、おそらく膜の耐用年数を延ばすことを意味するが、これはさらなる試験の対象である。
【０１６０】
本発明者らは、徹底的な電荷挿入及び取出し実験を行った。図７を参照されたい。定電流で電荷を電池容量の６倍まで様々なレートで挿入すると、安定な電解電位が示される（図７ａ）。電極が充電されるサイクリングから、セルの安定性及びサブサイクルの再現性（図７ｂ）が示される。急速に変動する充電−放電パターンは、再生可能な電気が存在しないときの電気需要（放電ピーク）と間を空けた変動する再生可能な電気入力（充電／電解ピーク）を経る、ピークシェービング電池電解槽としての適用を模倣する試験である。図７ｃに見られるように、セルの電池機能は、印加電流に遅延することなく直接従うことができる。これは、例えば、従来の電解槽と比較して強みである。バトライザは、電荷挿入中にガスを生成しながら、即座に応答する電池シンク及び電流ソースの両方として作用する。電荷挿入電圧は、予測される通りに電解によって制限されるが、放電電位は、放電の継続期間が短くなると高くなり、最短の放電と長時間の連続放電との間に最大約０．２５Ｖの増加が存在する。例えば、図７ｃの挿入図において、電流挿入は１．７Ｖで起こる一方で、引抜きは約１．５５Ｖで起こる。これは、かかる短い充電／放電期間中で約９１％の効率に相当し、これは、例えば配電網運用目的には明らかに好都合である。また、１０００回の短いサイクルでの連続的な高速切換えを試験した（図７ｄ）。これらの実験は全て図６に含まれ、デバイスの性能に有害な作用を及ぼさない。サイクルは完全放電から完全放電までカウントされ、そのサイクルの間に様々な完全又は部分（過）充放電プログラムがあるので、放電容量は通常の電池放電容量を超えることがある。それぞれの充電及び電解並びにその後の放電サイクルについてのエネルギー効率η総合は、次の式から計算される：
【０１６１】
【数１】
2020507005.tif 000003
【０１６２】
【数２】
2020507005.tif 000004
【０１６３】
【数３】
2020507005.tif 000005
【０１６４】
Ｖｃ、Ｉｃは、継続時間ｔｃの充電及び電解サイクル中に印加したセル電圧及び電流であり、Ｖｄｃ及びＩｄｃは、放電時間ｔｄｃの間の放電電圧及び電流であり、Ｉｅｌは、熱中性電圧Ｈｅｌに相当するエネルギー収率で電解する（及び水素発生が誘発する電池自己放電）ための電流である。Ｈｅｌは室温で１．４８Ｖに等しく、一方２ｅＨｅｌは、水素の高位発熱量である−２８６ｋＪ／ｍｏｌＨ２に等しい。Ｉｅｌは、電池電解槽に挿入された全電流と、その後の放電中の積算電流との差から生じる。
【０１６５】
【数４】
2020507005.tif 000006
【０１６６】
電解収率は、（自己）放電（存在する場合）中のガスの生産も含むことに留意されたい。図４ａにおいて、１４時間の試験時間の辺りで電流が流れていない期間中又は１５〜２１時間の間の短い待機期間中に、幾らかＨ２及びＯ２ガスの生産が見られることが観察できることから、自己放電が関連している。電流の流れがなく、かつＨ２及びＯ２が検出されることから、考えられる自己放電反応は、Ｆｅ電極では、Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２（ガス）、Ｎｉ電極では２ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）２＋１／２Ｏ２（ガス）であろう。かかる自己放電は、バトライザの別々の流路にガスを生産し、そのエネルギー含有量を使用することができる。すなわち、電池の場合のように失われない。これらの自己放電反応は、数百回の電荷挿入、取出し、及び電解サイクル中に観察された全体としての化学量論的水分解（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２）の実現にも（わずかな）役割を果たしている可能性がある。図５には、異なるサイクルの結果が、電池効率、電解槽効率、及び総効率、並びに電池の充電及び電解中に挿入された電荷
【０１６７】
【数５】
2020507005.tif 000007
【０１６８】
を公称電池放電容量で除したものと共に示される。添加した水の量は、全体の水分解に予想された量とぴったりと合致する。
【０１６９】
水素及び酸素の別々の流路を、検出用に高感度Hiden 3F-PICシリーズQuadrupolar Mass Spectrometerを備えた較正定量ガス分析システムを使用して、動作中に分析した。水素流路には検出可能なＯ２はほとんど何も存在しなかったが、Ｏ２流路には検出された少量のＨ２が存在する。これは、電解槽においてより一般的に観察される。膜の低イオン抵抗性を考慮すると、必要であれば追加の厚さを与えてガス分離の質をさらに上げることができる。
【０１７０】
ある実施形態では、装置（「電池」）を充電し、負極中に還元鉄を生産した後、水性液体、特に少なくとも第１のセル中の水性液体を、少なくとも部分的に、さらにより特に実質的に全体的に機能性ユニットから除去してもよい。これによって、負極での反応Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２（ガス）、及び２ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）２＋１／２Ｏ２（ガス）による自己放電を防止することができる。なおさらに、機能性ユニット、特に第１のセルに、例えばＮ２などの不活性ガスを充填してもよい。よって、実施形態では、水性液体制御システム６０はまた、第１のセル水性液体１１及び第２のセル水性液体２１のうち１又は２以上を機能性ユニット２から除去するように構成されてもよい。なおさらに、水性液体制御システム６０はまた、第１のセル水性液体１１及び第２のセル水性液体２１のうち１又は２以上を、不活性ガスで機能性ユニット２から置き換えるように構成されてもよい。なおさらに、水性液体制御システム６０はまた、第１のセル及び第２のセルのうち１又は２以上の中の不活性ガスを、第１のセル水性液体１１及び第２のセル水性液体２１でそれぞれ機能性ユニット２から置き換えるように構成されてもよい。例えば、セル水性液体が装置から一時的に除去されるようなかかる実施形態は、第１の電極、特にＦｅ包含電極が、第２の電極より大きいＦｅ活動量（［Ａｈ］で表される電流貯蔵容量に比例する）を有するとき、特に、第２の電極の活動量の少なくとも２倍大きい、例えば、少なくとも１０倍大きい、さらに少なくとも５０倍大きい活動量を有するとき、例えば、さらに最大１５０倍大きいとき、特に妥当であり得る。
【０１７１】
なおさらなる実施形態では、第１のセル水性液体１１及び第２のセル水性液体２１のうち１又は２以上は、触媒、特にＨ２及びＯ２から水を生成する触媒をさらに含んでもよい。これによって、セパレータによって必ずしも完全に防止できるとは限らない、ガスが交差する問題を解決することができる。特に、第２のセル水性液体２１は、かかる触媒を含んでもよい。適切な触媒は、例えば、ＬａＮｉ５、又は同等なものとしてニッケル水素電池にアノードとして使用されるような修飾ＬａＮｉ５材料であってもよい。触媒は、液体の排出装置内のフィルター中に粒子として提供されても、又は隔膜（負極室用）に結合されても、又は分離用隔膜に（正極付近であるが、電気的に接触せずに）結合されてもよい。
【０１７２】
代替的に又は追加的に、セパレータは、液体が中に入った中空のセパレータを含んでもよい。例えば、サンドウィッチ型の膜を設けて、その間を電解液が独立に流動できるようにして、Ｈ２又はＯ２のいかなる交差も取り去ってもよい。これによって、あり得るガスの交差も低減することができる。
【０１７３】
バトライザは特に、Ｎｉ−Ｆｅ電池の電流貯蔵密度（ｍＡｈ／ｃｍ３）を、アルカリ電解槽の電流密度（ｍＡ／電極及び隔膜表面ｃｍ２）と組み合わせることを必要とする。
【０１７４】
電荷貯蔵密度は、材料の密度によって決定される。エネルギー密度は、負極及び正極で起こる反応の電位差にも依存する：
負極:Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−→Ｆｅ＋２ＯＨ−（ＳＨＥに対して−０．８７７Ｖ）  ［１］
正極：Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−（ＳＨＥに対して＋０．４９Ｖ）  ［２］
開路電位=0.49+0.877=1.37V。
【０１７５】
以下の表は、電池化学反応の結果としての電荷貯蔵密度を示す。表において、β−Ｎｉ（ＯＨ）２が示されるが、これは、熱力学的に最も安定な形態の水酸化ニッケルである。別の構造であるα−Ｎｉ（ＯＨ）２も電気化学的サイクリング中に（部分的に）形成されることがある。これの方が密度が低く、膨張のための幾らかの空間を必要とする（実用的な電極の多孔性がそれを可能にする）。セパレータに対して垂直方向の電極の厚さが、一定時間に電池電極容量／電極表面ユニット（単位Ａｈ／ｃｍ２）を充（放）電するのに必要とされる電流密度／電極表面ユニット（単位Ａ／ｃｍ２）を決定する。
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＊８００ｍＡｈ／電極表面ｃｍ２は、電池のニーズ（最大電流密度４００ｍＡ／ｃｍ２で選択した２時間充電容量）と電解のニーズ（連続で４００ｍＡ／ｃｍ２、アルカリ電解槽の現状技術）の両方を満たす。太陽光発電式の将来では、平均して電池内への１〜２時間のピーク電気貯蔵が必要とされ、それに加えて２〜３倍長い電解が夏のピーク電力時に必要とされる（合計して日中３〜８時間の電荷挿入）。夜間での放電はそれより低いレートで、例えば、６〜８時間行われる可能性があると思われる。
＊＊文献における実際の電極密度：３７％、すなわち、理論最大値より小さい、つまり、電極は多孔質であり、したがって厚くなる。「旧型エジソン電池」用電極の厚さ：６ｍｍ＝０．６ｃｍ。多孔度は変動し得る。
＊＊＊Ｚという値は、任意の充電容量を［Ａｈ］で示す。式は、電極の厚さに関する。Ｚは、０．０１（１０ｍＡｈ、極めて薄い電池電極）から４（４０００ｍＡｈ、極めて厚い）の範囲であることができ、前に論じたようにＦｅ電極の方がＮｉ電極より大きい値を有することができる。
【０１７６】
基本的なアノード−カソード−電解液構成のエネルギー貯蔵密度［Ｗｈ／ｃｍ３］：これは、電荷貯蔵密度と電極間の電位との積である。ＯＣＶでは、「単一セルの電池エネルギー密度」は、約1.37V×0.8Ah/(1.1+1.8+0.3cm3)=0.343Wh/cm3=343Wh/Lとなろう。(1.1+1.8+0.3cm3)は、実用的なアノード、カソード、及び幾らかの電解液に隔膜の厚さを加えたものの合計である。注：これはいかなる電池にとっても極めて高い容積エネルギー密度であり、アルカリ電池、特にＦｅ及びＮｉ電極の高容積の貯蔵容量の結果である。
【０１７７】
図８ａ〜８ｅは、幾つかの実施形態を概略的に図示している。電極の寸法出しは、ある特定のＮｉ電極の容量、及びそれより大きいＦｅ電極の容量を示す。これは、Ｎｉ（ＯＨ）２と比較して高いＦｅ（ＯＨ）２の比容量だけでなく、セル当たりの電極材料の量の両方によって実現される。図８ａは、エネルギー装置１の実施形態を概略的に図示している。エネルギー装置１は、１又は２以上の機能性ユニット２を含む。ここでは、単一の機能性ユニット２を概略的に図示している。各機能性ユニット２は、１又は２以上の第１のセル電極１２０、並びに図示されていない第１のセル水性液体及び図示されていない第１のセル気体のための図示されていない１又は２以上の第１のセル開口部を含む、第１のセル１００；１又は２以上の第２のセル電極２２０、並びに図示されていない第２のセル水性液体及び図示されていない第２のセル気体のための１又は２以上の第２のセル開口部２１０を含む、第２のセル２００；並びにセパレータ３０であって、第１のセル１００及び第２のセル２００がセパレータ３０を共有し、セパレータが、水酸化物イオン（ＯＨ−）、一価ナトリウム（Ｎａ＋）、一価リチウム（Ｌｉ＋）、及び一価カリウム（Ｋ＋）のうち少なくとも１又は２以上の透過性を有しながら、１つのセルから他のセルへのＯ２及びＨ２のうち１又は２以上の輸送を阻止するように構成されたセパレータ３０を含む。
【０１７８】
エネルギー装置１は、（ａ）少なくとも２又は３以上の第１のセル電極１２０及び（ｂ）少なくとも２又は３以上の第２のセル電極２２０のうち１又は２以上を含む。ここでは、該装置は、単一の第２のセル電極２２０及び複数の第１のセル電極１２０を含む。
【０１７９】
エネルギー装置１は、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極１２０の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極２２０の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するように構成された電気要素７をさらに含む。ここでは、電気要素７は、２つのタイプの第１のセル電極１２０の間に電位差を印加し、それらの間に電流を流すように構成されている。よって、電気要素７は、１又は２以上の第１のセル電極１２０の第１のサブセット１２１１と１又は２以上の第１のセル電極１２０の第２のサブセット１２１２との間に電位差を印加するように構成されている。この電位差は必ずしも印加される必要はないことに留意されたい。ある段階の間にかかる電位差が印加されてもよいが、十分なＨ２が存在するときなどの他の段階では、電位差が印加される必要はない。
【０１８０】
例えば、第１のサブセット１２１１及び第２のサブセット１２１２の第１のセル電極１２０は、鉄ベースの電極を含む。
【０１８１】
図８ｂは、サブセットが、より大きい表面積又はより厚い層による異なる容量又は異なる材料などの、異なる電極を含む実施形態を概略的に図示している。よって、図８ｂでは、第１のサブセット（１２１１）の第１のセル電極（１２０）は鉄ベースの電極を含み、ここで、第２のサブセット（１２１２）の第１のセル電極（１２０）は水素ガス生成電極（１２１０）を含む。
【０１８２】
よって、図８ａは、同じサイズのＦｅ電極を有する単一の機能性ユニットを概略的に図示している。Ｆｅ電極は、Ｎｉ電極より大きい容量を有する。追加分はＨ２貯蔵容量に相当する。何故なら、それらは放電することができるからである。図８ｂは、大きいＦｅ電極と小さいＨ２発生電極（Ｆｅ又はＰｔ）とを有する単一の機能性ユニットを概略的に図示している。小さい電極は単に、常にＨ２発生のために保持するということも可能である。小さい電極の材料もＦｅであってもよく、又はより良いＨ２触媒であってもよい。
【０１８３】
図８ｃは、図８ａに概略的に図示したものと本質的に同じ実施形態を概略的に図示している。スイッチＳが閉じたとき：セル内の全てのＦｅ電極は単に１つの大きいＦｅ電極として挙動し、全て一緒に充電又は放電される。ＮｉとＦｅとの間のセル電位は、電解のために特に約１．６〜１．８Ｖの範囲内であり得る。スイッチＳが開き、サブセットのうち１つの電極から他のサブセットの電極へ電流が印加されたとき；Ｆｅ電極が充電されたとき（したがってＦｅ金属を含有する）：相対的により負極性のＦｅ電極で：Ｈ２が生産され；相対的に負極性の低い電極で：ＦｅがＦｅ（ＯＨ）２に酸化される。そのために、充電されたＦｅ電極間に約０．２Ｖが必要となる。
【０１８４】
図８ａ〜８ｃでは、（ａ）２又は３以上の第１のセル電極１２０の間の１又は２以上の電位差、及び（ｂ）２又は３以上の第２のセル電極２２０の間の１又は２以上の電位差のうち１又は２以上を印加するための電気要素が、参照符号７で示される。電気要素７、又は別の電気要素もそのように存在して、第１のセル電極（複数可）と第２のセル電極（複数可）との間の電圧差を印加してもよいことに留意されたい。この電圧差は、動作モード中に印加されてもよい。よって、上で示したように、「電気要素」という用語は、異なる要素間に異なる電位差を提供することができる、複数の電気要素及び／又は１つの電気要素も指すことができる。
【０１８５】
図８ｄは、並列に構成された幾つかの機能性ユニットを上面図で概略的に図示している。参照符号１２１１ａは、例えば、大容量のＦｅＯＨ電極（電池及び追加分のＨ２貯蔵の合計）を示してもよい。これらは全て接続され、同じ電位にある。参照符号１２１２ａは、例えば、小容量のＦｅＨ電極、又はＨ２発生触媒電極のみ（例えばＰｔ電極）を示してもよい。これらは全て接続され、その電位はＦｅＯＨ電極（複数可）と異なっている場合がある。
【０１８６】
図８ｅは、Ｆｅ包含電極及びＮｉ包含電極を有する、８ｄにおけるものと同じ機能性ユニットを側面図で概略的に図示している。左側：図８ｄの下から上方向への図、右側：図８Ｄの右から左への図。
【０１８７】
図９ａは、バイポーラプレート構成での電子及びイオンの輸送を伴う放電及びＨ２＋Ｏ２生成の模式図を概略的に図示している。異なる電位にある電極は異なる反応に関与することにさらに留意されたい。第１の電極の第１（ＦｅＯＨで示される）及び第２（ＦｅＨで示される）の電極のサブセットは、スタックに構成されたバイポーラプレートのｍ番目のセル内でそれぞれ(0.0+m×Vセル)及び(0.0+m×Vセル)+(0.0〜-0.3)Vの電位にすることができる（式中、特定のスタックにおいて、全部でｎ個のセルでｍ＝０、１、２、…ｎ−１である）。Ｖセルは、スタック中の個々のセルを動作させるのに必要な電圧である。したがって、充電の場合は１．３７Ｖを上回り、放電の場合は１．３７Ｖを下回る。このスタックにおいて、第２の電極の第１（ＮｉＯＨで示される）及び第２（ＮｉＯで示される）の電極のサブセットは、スタックに構成されたバイポーラプレートのｍ番目のセル内でそれぞれ(m+1)×Vセル及び(m+1)×Vセル+(0.0〜0.3)Vの電位にすることができる（式中、ｎ個のセルの特定のスタックにおいて、ｍ＝０、１、２、…ｎ−１である）。
【０１８８】
サブセットは、それらの名前、電位、及び起こる反応によって以下のように示すことができる：
ＮｉＯ  (m+1)×Vセル+(0.0〜0.3)V：  ２ＯＨ−→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＦｅＯＨ  (0.0+m×Vセル)：  Ｆｅ＋２ＯＨ−→Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−
ＮｉＯＨ  (m+1)×Vセル：  ２ＮｉＯＯＨ＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２Ｎｉ（ＯＨ）２＋２ＯＨ−
ＦｅＨ  (0.0+m×Vセル)+(0.0〜-0.3)V：  ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−
これらの電極のサブセットは、垂直方向に分離され、互いから電子的に絶縁されているが、電圧源によって外部的に接続されているものとして、説明を目的として図９Ａに示される。しかし、実デバイスでは、電極のサブセットは、図９Ｃ及び図１０Ｂに示されるように互いの近傍に及んでいる。
【０１８９】
図９ａのバリアントにおいて、電流（Ａ）を分岐させた放電及びＨ２＋Ｏ２生成；電子及びイオンの輸送の模式図を提供することができると思われる。示される電流の意味は、セルレベルで電荷が電極のサブセットから電極のサブセットへ特定の方向に流れること、及びセル間のバイポーラプレートを通して伝送される電流を放電のために部分的に使用し、また水素及び酸素生成のために部分的に使用することを示すことである。このとき、「(1-a)×2e-＠n×1.37V」は「2e-＠n×1.37V」に置き換えられ、「(1-a)×2e-＠0.0V」は「2e-＠0.0V」に置き換えられることとなる。図９ｂを参照されたい。図９ｃは、バイポーラプレート４を有する装置１をさらに詳細に概略的に図示している。図９ａ以降では、理解しやすくするように、ローマ字の表示Ｉ、II、III、及びIVを使用して異なるハッチング線をさらに示している。
【０１９０】
図９ｄは、放電及びＨ２＋Ｏ２生成；電子及びイオンの輸送；放電電流Ｉによって駆動されるＤＣ−ＤＣ変圧器（又はコンバータ）（参照符号１７で示される）を使用して生成された電流Ａ×Ｉの模式図を概略的に図示している。以下が留意される：
【０１９１】
ＤＣ−ＤＣ変圧器：V入力（ｉｎ）×I入力（ｉｎ）=V出力（ｏｕｔ）I出力（ｏｕｔ）（損失を無視した場合）であるから、0.1n×1.37×I=0.3×AI入力；電池の放電のための電流：Ｉ入力；Ｈ２生産のための電流：A×I入力；及びシステム電圧出力：例えば1.37V×n×0.8；電気として使用可能な放電電力：P=n×1.37×0.8×I入力；過電位を乗り越えてＨ２を生成するために使用される：n×1.37×0.2×I入力；０．２という値が選択されたのは、0.3V/1.37Vが約０．２であり、測定された過電位と電池のセル電位との間のほぼ正しい比率であるからである。さらに、参照符号＊＊は、Ｖ入力が調整可能であることを指す。
【０１９２】
図１０ａは、バイポーラ構成を有する複数の機能性ユニットを上面図で概略的に図示している。ここでは、Ｎｉ電極も分離した部分にあり、分離したＦｅ部分の背面と電気的に接続されている。同様の電気接続がＨ２及びＯ２放出の駆動に必要とされる。（ＦｅＨ及びＮｉＯ電極は、より良好な触媒を含有しているとき、ＦｅＯＨ及びＮｉＯＨよりはるかに薄くても、すなわち容量が小さくてもよい）。
【０１９３】
図１０ｂは、バイポーラ構成を有する複数のセルを側面図で概略的に図示している。電極部分は、バイポーラプレートの上部又は下部のいずれかと電気的に接触する１種のラメラである。バイポーラプレートは、中央で絶縁体によって分割される。そのようにして、Ｆｅ及びＮｉ部分を全てバイポーラ構成にすることができ、そうしながらもＮｉ及びＦｅ電極を２つの電気的に分離された部分（ＦｅＨ、ＦｅＯＨ、及びＮｉＯ、ＮｉＯＨ）に分けることができる。電解液はラメラの間にあり、セル内の電極間でＯＨ−を輸送する。
【０１９４】
図１０ｃは、絶縁体５３（例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）ゴム、テフロン、ＰＰ、又は別のＫＯＨ電解液に耐性があり気密性のある電子絶縁性のポリマー）が間に入ったバイポーラプレートセクションを有する、装置１の実施形態を透視図で概略的に図示している。上部はＦｅＯＨ電極に接続され、下部はＦｅＨ電極に接続されている。
【０１９５】
図１１ａ、ｃ〜ｄは、２つのＮｉ電極及び２つのＦｅ電極からなる機能性ユニットでの測定結果を示す。Ｎｉ及びＦｅ電極は、最初に完全充電した。次いで配線を切換え、一方のＦｅから他方へ図１１ａに示すような電流値で電流を印加した。一方のＦｅ（＋）と他方のＦｅ（−）との間に生じた電圧を記録する。Ｈ２の発生が、負極（ＦｅＨによって示される）で２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−という反応に従って起こる一方で、正極（ＦｅＯＨによって示される）では、通常の放電反応が起こる：Ｆｅ＋２ＯＨ−→Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−。電極表面積：実質的に３５．１ｃｍ２、したがって0.5A=500mAは、500/35.1=14.25mA/cm2に相当する。図１１ｃにおける線は、この試験セルでは電流が１０倍高くなると電位が約０．２２Ｖ増加することを示している。白抜きの記号は、一部の内部配線のオーム抵抗を補正したデータを表示する。このようにして、電極間の実電位を調査する。（実デバイスでの実験では内部配線が細く、内部配線は太いものであるか、又は抵抗が極めて低いバイポーラプレート構成であるべきである）。右図における線は、補正していないデータでは電流が１０倍高くなると電位が約０．２２Ｖ増加し（塗りつぶした記号）、補正したデータでは０．１８５Ｖ（白抜きの記号）であることを示している。図１１ｄは、測定された電圧（参照符号Ｐ；印加電流０．５Ａ、Ｖで測定）を示しているが、ここでは時間を長くして、負極でより長くＨ２を発生させた電圧を示している。図１１ｂは、機能性ユニット２を有するこの例の装置に使用される電極の構成を概略的に図示している。Ｎｉ及びＦｅ電極の位置だけを示している。図１１Ａにおける電流は、正のＦｅ電極と負のものとの間で流れ、その間に両方のＦｅ電極の充電中に使用されたＮｉ電極はこのとき休止している。
【０１９６】
図１２ａ〜１２は、「標準的」バトライザ（１２ａ）と本明細書でさらに（また）記載した通りのバトライザ（図１２ｂ）との比較を概略的に図示している。後者のバリアントでは、Ｈ２の生成及び放電は結合し得る。
【０１９７】
図１３は、ある電極の実施形態を概略的に図示している。実施形態では、電極（複数可）は、電極を通してガスを移出する流路を内部に有する電極形態を有していてもよい。電解液の挿入は、電極の表面と垂直な狭い細孔を通して起こり得る。これは、第１の電極及び／又は第２の電極に当てはまり得る。
【０１９８】
ある例では、第２の電極としてＮｉが適用され、第１の電極として、相対的に厚い層（大容量）を有するＦｅ包含電極及び相対的に薄い層（より小さい容量）を有するＦｅ包含電極が適用される。このようにして、単極のセルに追加のＨ２機能（薄いＦｅ包含電極と共に）が設けられてもよい。さらなる例では、複数のかかる単極のセルは並列に構成されてもよい。層の厚さの差は少なくとも２倍であり得る。
【０１９９】
ある例では、第１の電極又は第２の電極は、電極材料、及び追加的に触媒を含む。例えば、鉄包含電極は、触媒をさらに含んでもよい。触媒は、ナノ粒子として利用可能であってもよい。ナノ粒子は、導電性マトリックス（特に電極材料）中に埋め込まれてもよい。代替的に又は追加的に、触媒は、コーティングとして電極材料に塗布することができる。適切な触媒は、白金、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＦｅＭｏ、ＮｉＣｏＦｅ、ＭｍＮｉ５−ｘ−ｙＣｏｘＡｌｙで示されるＬａＮｉ５型化合物（式中、Ｍｍは、ランタニド、硫化タングステン（ＷＳｘ）又はセレン化タングステン（ＷＳｅｘ）、及び硫化モリブデン（ＭｏＳｘ）の混合物を表す）から選択されてもよい。
【０２００】
ある例では、第１のセルはＦｅ（負）電極を有し、第２のセルは１又は２以上のＮｉ（正）電極を有する。Ｎｉは、比較的高価な構成要素であり得、電池容量を決定し得る。Ｆｅは比較的安価であり、したがっておそらくより大きい容量を有するような寸法にすることができる。よって、より大きい容量及び面積のＦｅ包含電極を還元することができる。その後で、別の（小さい）Ｆｅ包含電極に対して大きい方の電極が放電することができ、Ｈ２が生産される。放電するとき、Ｆｅ包含電極のうち１又は２以上が放電してＨ２を生産することができ、その間に１又は２以上の他のＦｅ包含電極が、電力を供給するためにＮｉに対して放電することもできる。放電するために使用されるＦｅ電極（ＦｅＯＨ）の容量がＮｉ電極よりはるかに大きい場合、例えば容量が２〜５倍、又は５〜２０倍、又はさらに１００倍まで大きいとき、大容量のＦｅＯＨ電極における還元されたＦｅの形態で、及び需要のあるときに水素を放出できるＨ２Ｏの形態でエネルギーを貯蔵する可能性が開かれる。かかる構成は、追加的に、電解液を除去して、それを窒素又はアルゴンなどの不活性ガスで置き換えることができるように設計されてもよい。これは、Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２という反応に従う電極の自発的な自己放電を制限するために妥当であろう。その後で水素が必要になったとき、電解液をセル内に再び入れ、ＦｅＯＨをＦｅＨ電極に対して放電させてＨ２を生成することができる。このようにして、エネルギーの貯蔵期間を長くすることも、例えば１００日間までの継続時間で可能となる。代替的に、極めて大きい容量の電極を電解液の下に保持することもでき、大きいバトライザセルを使用して、この自己放電の結果としてＨ２をよりゆっくりと生成することができる。自己放電は、利用可能な（廃）熱をセルに与えることによっても促進することができる。電気の貯蔵及び水素への変換の要求に応じて、異なるバトライザを一緒に配置して、電気の貯蔵及び供給並びに水素及び酸素の生成を提供することもできる。
【０２０１】
図１４では、電気回路内に６つの異なるバトライザがある一例が示される（番号１〜６）。ここでは、番号１及び２は異なる数ｎのセルをそのバイポーラプレートスタック内に有することができ、よって番号３〜６のものとは異なる入力及び出力電位を有することができる。ここでは、例えば、１及び２は、示されるように独立に電圧源から充放電することができ、３〜６もそのようにすることができる。電気回路の配線は、示されるＤＣ−ＤＣコンバータ（参照符号１７で示される）が番号３〜６の出力によって電力供給を受けることが可能であるようなものである。このようにして、１〜６を合わせた大きな充電及び水素生成容量を有するが、番号１及び２において、番号３〜６に貯蔵された電気からＨ２及びＯ２を生産し続けることもできるシステムを構成することができる。かかる動作は、例えば、夜間でも水素及び電力が必要な太陽光発電工場に重要であり得る。バトライザ、及びまた水素生成電極を有するように内部的に構成されたバトライザで可能なかかる構成の多くが存在する。参照符号ｎ１は、左の回路がｎ１バトライザ（ここでは２つ）を含むことを示し、ｎ２は、右の回路がｎ２バトライザ（ここでは４つ）を含むことを示す。このシステムの利点は、柔軟性、及び電子技術が単純であることである。Ｆｅ／Ｎｉ電極の比率などの、電極の比率は固定である。このシステムに使用されるバトライザは、図１ａ〜１ｂ（並びに１ｃ及び１ｄ）に概略的に図示するような装置であり得る。
【０２０２】
図１５は、例えば、より少ないニッケルが存在してもよいシステムを概略的に図示している。図１５は、ＦｅＨ電極を独立に駆動して、充電及び放電の両方の間に、Ｈ２の生産を高める又は生産しないことができるバイポーラプレート構成を概略的に示す。この選択肢は、直列に構成された各セル内において、図１２Ｂに概略的に図示したのと同様の原理に基づいている。電極は、図１０Ａ〜Ｂ及びＣと同様の形状、及びバイポーラプレートの上部及び下部への接続を有する。スタック全体はバイポーラプレート構成に構成されるが、Ｆｅ電極は、ＦｅＯＨ及びＦｅＨ電極セクションに分離される。放電中に一部の放電電流を一連のＤＣ−ＤＣコンバータに供給することができ、これらのコンバータはそれぞれ別のセルに別々に接続され、ＦｅＯＨとＦｅＨとの間に最大０．３Ｖのこれらの電極間の電位差で電流を駆動する。このようにして、全スタックが放電され、電気を送達して別の用途に電力供給している（電圧ｎＶセルによって示される電位で）間にも、Ｈ２がＦｅＨ電極で生成されることとなる。ＦｅＯＨ電極の容量は、放電しながらもより多くのＨ２を生成できるようにするために、ＦｅＨ及びＮｉＯＨ電極の容量より大きい。ＦｅＯＨの容量がＮｉＯＨの容量より最大約７倍（7=1+(1.2V/0.2V)であるため）大きいとき、電流を水素に変換しながら、全電池容量を放電させることができる。ｎＶセルの電位を供給するために外部ソースからの電流が使用されるときもまた、より多くのＨ２が生成するように、ＦｅＯＨ電極の容量を大きくすることが可能である（ＮｉＯＨ容量の７倍超、最大５０倍）。
【０２０３】
図１５の一連の電極は、それだけでなく場合によって本明細書に記載する他の実施形態においても、電気的にフローティングであってもよい。
【０２０４】
再生可能エネルギーシステムは化石燃料に置き換わる可能性があるが、本質的に貯蔵という主要な課題を突き付ける。ガス、石油、又は石炭などの化石燃料は、貯蔵しやすく、極めて容易にエネルギーを生産する。その一方で、個人消費は特徴的な日ごと及び季節ごとの変動に従うのに対して、再生可能エネルギーは風が吹いているとき又は太陽が照っているときしか利用できない。再生可能エネルギーの将来において、適切な短期及び長期のエネルギー貯蔵を可能とするために、電池内と水素燃料の生産とで同様の量の電気貯蔵が年間基準で必要となり得る。電池は高変換効率で特徴付けられ、貯蔵された電気が電気として戻ってくるために、短期のエネルギー貯蔵にふさわしいものとなる。水素の生産は、長期のエネルギー貯蔵にとって最良の機会であると考えられる。水素は、直接貯蔵することも、合成燃料を生産するために合成することもできる。さらに、水素の生産は、化学的方法の「グリーン化」及びカーボンニュートラルな燃料の効率的な生産を可能にする。何故なら、水素は、サバティエ法（Ｈ２及びＣＯ２からＣＨ４）、フィッシャー・トロプシュ法（ＣＯ／ＣＯ２及びＨ２からアルカン）、及びハーバー・ボッシュ法（Ｎ２及びＨ２からＮＨ３）のような後続する方法の供給原料として作用するからである。
【０２０５】
ニッケル−鉄電池はEdison及びJungnerによって発明され、その卓越した耐久性で知られている。従来のニッケル−鉄電池は、低エネルギー効率という難点があり、望ましくない水素が生産され、電荷が失われる。したがって、本発明者らはバトライザ、すなわち電池と電解槽を組み合わせたものを組立て、設計した。水素は、今や生産物であり、電荷が失われないのでニッケル−鉄系エネルギーは効率的となる。しかし、水素の生産は再生可能な間欠性に従うが、工業には連続運転が好都合である。さらに、貯蔵設備が変動を緩衝するために必要とされる。バトライザの新たな構成は、工業的な連続運転及び長期のエネルギー貯蔵に必要な特徴である、制御された水素生産及び水素貯蔵を可能にする。バトライザの新たな構成を図１６ｃに図示する。
【０２０６】
新たなバトライザの構成は、正「ニッケル」電極と、２つの負「鉄」電極とからなり、一方は貯蔵用であり、もう一方は水素生産用である。ニッケル電極は水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）／オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）の対を利用し、鉄「貯蔵」電極は、水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）２）／鉄（Ｆｅ）の対を利用する。一方の「鉄−貯蔵」電極だけが電池の動作に関与し、その間に「追加の鉄−電極」が水素生産レートを制御するアノード電位下に保持される。よって、鉄は、活性水素発生反応（ＨＥＲ）触媒である。ＨＥＲ用に鉄−電極を適用する必要はなく、他のより効率的なＨＥＲ触媒がこの目的のために機能し、それによって効率を上げることができると思われる。
電池の動作の全体的な反応は、以下によって示される：
【０２０７】
【数６】
2020507005.tif 000009
【０２０８】
放電された状態では、１個の鉄原子が２個のヒドロキシルイオン（ＯＨ−）を貯蔵し、１個のニッケル原子がプロトンを貯蔵する。充電時に水が放出され、ＨＥＲ用の触媒（Ｆｅ）及び酸素発生反応（ＯＥＲ、ＮｉＯＯＨ）が形成される。通常、正極が制限電極であり、化学量論によってニッケル−鉄電池でのニッケル対鉄の比率を２と定める。確かに、鉄はニッケルより豊富に存在し、低価格である。鉄電極の容量を超大型化すると、電荷挿入時にＮｉＯＯＨが形成され、ニッケル電極の貯蔵容量に達すると酸素発生だけが進行する一方で、鉄電極ではＦｅ（ＯＨ）２が依然として鉄（Ｆｅ）に還元されるようになる。以下の反応が起こる：
【０２０９】
【数７】
2020507005.tif 000010
【０２１０】
水素生産用に第３の電極をシステムに追加すると、制御された水素生産が可能となる。水素がこの電極で生産される間、「超大型化」鉄貯蔵電極は放電される：
【０２１１】
【数８】
2020507005.tif 000011
【０２１２】
水素発生と酸素発生とは対にならず、水素は、「超大型化」鉄電極に電解液からの水と一緒に貯蔵される。さらに、水素は、電池が放電しているときでも生産することができる。よって、「超大型化」鉄電極は、電気及び水素の貯蔵をもたらす。「超大型化」ニッケル−電極及び追加の酸素発生電極を用いた同等のセットアップが、酸素生産を制御するために実現可能である。
【０２１３】
バトライザセットアップは、電気エネルギー貯蔵及び電解を可能にする。水素側が貯蔵及び電解電極からなるこの特定の構成を有する新たなセットアップによって、制御された水素生産及び水素貯蔵が可能になる。貯蔵電極は、電荷挿入時に常にある量の水素を生産することとなる。水素生産に寄与する電子の割合は、電極の充電状態及び充電レートが増加すると共に増加する。放電時には水素は放出されないこととなる。
【０２１４】
よって、電池を充電できるか（図１６ａ参照）、又は電解が起こり得る（図１６ｂ）電池システムを参照すると、第３の電極が既存のセットアップに追加されている。この電極は、「鉄貯蔵」電極などの「貯蔵電極」に接続されている。新たな電極及び貯蔵電極は互いに隣接して位置して、電解液中に供されてもよい。外部回路によって、鉄貯蔵電極を放電させ、電解電極で水素を生産することが可能となる。そうすることによって、システム内に水素を貯蔵することが可能である。以下の反応が起こる：鉄貯蔵電極（放電）：（Ｆｅ＋２ＯＨ−）→Ｆｅ（ＯＨ）２＋２ｅ−；電解電極（充電）：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−；全体：Ｆｅ＋２Ｈ２Ｏ−＞Ｆｅ（ＯＨ）２＋Ｈ２；よって、実施形態では、鉄貯蔵電極は、「電池電極」として使用されるだけでなく、水素貯蔵用の電極としても使用される。全体的にシステムは釣り合いが取れる。これは、水が分解されることを意味する。ニッケル電極が完全に充電されると、Ｏ２が直ちに発生する。しかし、鉄貯蔵電極での充電が依然として継続しているこのときに、必要に応じて水素が放出される。全体的な化学量論的水分解が起こる。（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２）。
【０２１５】
したがって、通常の電解槽では、これらのガスは電荷がシステムを通って流れるときに生産されるのに対して、本発明で提示される構成（複数可）では、最初に電池電極が充電されてもよい。電極が完全に充電されると、酸素及び水素が発生する。第３の電極によって、鉄電極がニッケル電極に対して「超大型化」し得ることが可能になる。第３の電極によって、この追加分の容量を使用して超大型化鉄電極中に水素を貯蔵すること、及びそれを放出することが望まれたときにそれを電解電極内で放出することが可能になる。第３の電極が無ければ、超大型化は（それほど）有用ではないであろう。何故なら、貯蔵された水素を回収することができないからである。第３の電極が無ければ、電気しか回収することができず、容量は既存の電極の小さい方の容量に制限される。電解電極だけが、超大型化電極中に貯蔵された水素の利用を可能にする。総合的な概念は、水素の容易な貯蔵及び生産に役立つ。今までのところ、セットアップは、電解電極として鉄電極を用いて試験している。しかし、この電極を水素発生のためのより効率的な別の電極と交換して、総合効率を増大させることができる。
【０２１６】
図１６ａにおいて、参照符号ＢＣは電池の充電を示す；図１６ｂにおける参照符号Ｅは電解を示す。例として、図１６ａ〜１６ｂでは、左の電極はニッケルベースの電極であってもよく；右の電極は鉄ベースの電極であってもよい。この鉄ベースの電極は、超大型化されてもよく、すなわち、この電極は、ニッケル電極よりはるかに大きい表面積を有してもよい。図１６ｃでは、右側の追加電極（「さらなる電極」又は「第３の電極」）（ここでＨ２が形成される）も、鉄ベースの電極であってもよい。
【０２１７】
よって、本発明は、再生可能な電気の間欠的な生成と効率的なエネルギー貯蔵とを橋渡しすることができる。
【０２１８】
（−|＋）という電圧符号は、本明細書では、かかる電圧差の符号に関わらず、電圧差を課すことができる電気要素の存在を示すために表示されるに過ぎないことに留意されたい。かかる符号を通る矢印は、かかる電気要素が異なる電圧差（可変電圧差など）を課し得る可能性を強調するものである（かかる差の符号に関わらない）。
【０２１９】
「実質的になる」などにおける、本明細書での「実質的に」という用語は、当業者によって理解されるであろう。「実質的に」という用語は、「全体的に」、「完全に」、「全て」などを有する実施形態も含むことがある。よって、実施形態において、実質的にという形容詞が除去されることもある。適用可能な場合、「実質的に」という用語はまた、９０％以上、例えば、９５％以上、特に９９％以上、さらにより特に９９．５％以上（１００％を含む）に関連してもよい。「含む」という用語は、「含む」という用語が「からなる」を意味する実施形態も含む。「及び／又は」という用語は、特に、「及び／又は」の前及び後に述べた項目のうち１又は２以上に関連する。例えば、「項目１及び／又は項目２」という語句及び同様の語句は、項目１及び項目２の１又は２以上に関連し得る。「含む」という用語は、ある実施形態では「からなる」を指すことがあるが、別の実施形態では「少なくとも定義された種及び場合によって１又は２以上の他の種を含有する」を指すこともある。
【０２２０】
さらに、本明細書及び特許請求の範囲における第１の、第２の、第３のなどの用語は、同様の要素間を区別するために使用され、必ずしも順番又は時間的順序を記載するために使用されているのではない。そのように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載する本発明の実施形態は、本明細書に記載する又は図示する以外の他の順序で動作可能であることが理解されるべきである。
【０２２１】
デバイスは、本明細書においてとりわけ動作中について記載されている。当業者には明白であるように、本発明は動作方法又は動作中のデバイスに限定されない。
【０２２２】
上述の実施形態は本発明を限定するものではなく例示するものであり、当業者であれば添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計することができることに留意されるべきである。特許請求の範囲において、括弧の間に置かれるいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。「含むこと」という動詞及びその活用形の使用は、特許請求の範囲に述べられたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素の前の冠詞「ある（a）」又は「ある（an）」は、複数のかかる要素の存在を除外するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を含むハードウェアを利用して、また適切にプログラムされたコンピュータを利用して実施されてもよい。幾つかの手段を列挙しているデバイスの請求項において、これらの手段の幾つかが全く同じハードウェア要素で具現化されてもよい。単に特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されるということによって、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。
【０２２３】
本発明はさらに、本明細書に記載される及び／又は添付の図面に示される特徴のうち１又は２以上を含むデバイスに当てはまる。本発明はさらに、本明細書に記載される及び／又は添付の図面に示される特徴のうち１又は２以上を含む方法又はプロセスに関する。
【０２２４】
本特許で論じた様々な態様は、追加的な利点をもたらすために組み合わせることができる。さらに、実施形態を組み合わせることができ、３以上の実施形態も組み合わせることができることを、当業者であれば理解するであろう。さらに、特徴のうちの幾つかは、１又は２以上の分割出願の基礎を形成することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
2020507005.tif 000049
【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【国際調査報告】
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