(57)【要約】アノードを有する第一チャンバーと、カソードを有する第二チャンバーと、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーとの間の少なくとも１つのイオン接続、を含む電気化学セルであって、前記第一チャンバー内の液体電解質が前記第二チャンバー内の液体電解質と混合するのを抑制する、電気化学セルが提供される。前記第一チャンバーと前記第二チャンバーは平行に配置され、且つ互いに離れて配置され得る。また、前記電気化学セル、食塩水溶液の第一供給源、および食塩水溶液の第二供給源を含む電気化学システムが提供される。また、水処理システムが提供される。そして、電気化学セルを動作させる方法であって、前記電気化学セルの第一チャンバーおよび第二チャンバーにそれぞれ第一食塩水溶液および第二食塩水溶液を導入するステップと、前記アノードと前記カソードの間に電流を印加して、第一生成化合物および第二生成化合物をそれぞれ生成するステップを含む、方法が提供される。また、電気化学セルの動作を容易にする方法が提供される。
2020512481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および出口を有する第一チャンバーと、
前記第一チャンバー内に配置されたアノードと、
入口および出口を有する第二チャンバーと、
前記第二チャンバー内に配置されたカソードと、
前記第一チャンバーと前記第二チャンバーとの間の少なくとも１つのイオン接続、
を含む電気化学セルであって、
前記イオン接続は、前記第一チャンバー内の液体電解質が前記第二チャンバー内の液体電解質と混合するのを抑制するように構築および配置され、
前記第一チャンバーと前記第二チャンバーは平行に配置され、且つ互いに離れて配置される、電気化学セル。
【請求項２】
前記イオン接続が、塩橋およびイオン透過性膜の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記イオン透過性膜が、一価イオンに対して選択的に透過性である、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記イオン透過性膜の面積当たりの抵抗が１．０Ω／ｍｍ２以下である、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記イオン透過性膜の面積当たりの抵抗が０．１Ω／ｍｍ２以下である、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記第一チャンバー内の液体電解質と前記第二チャンバー内の液体電解質とが異なる組成を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記第一チャンバー内の液体電解質と前記第二チャンバー内の液体電解質とが異なる塩度を有する、請求項６に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記第一チャンバーが、前記第一チャンバーの出口と前記第一チャンバーの入口との間に延びる再循環チャネルを更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記第二チャンバーがシングルパスチャンバーである、請求項８に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記第二チャンバーが、前記第二チャンバーの出口と前記第二チャンバーの入口との間に延びる再循環チャネルを更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記第一チャンバーに流体連通された第一チャネルと、前記第二チャンバーに流体連通された第二チャネルとに分かれる共有電解質チャネルを更に含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記第一チャンバーが第一ハウジング内に配置され、前記第二チャンバーが前記第一ハウジングとは別個の第二ハウジング内に配置される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
水供給源および酸化剤供給源と流体連通する請求項１に記載の電気化学セルを含み、前記水からＨ２Ｏ２を電気化学的に生成するように構築および配置される、水処理システム。
【請求項１４】
海水供給源と流体連通する請求項１に記載の電気化学セルを含み、前記海水からＮａＯＣｌを電気化学的に生成するように構築および配置される、海水処理システム。
【請求項１５】
電気化学セル、食塩水溶液の第一供給源、および食塩水溶液の第二供給源を含む電気化学システムであって、
前記電気化学セルは、
入口、出口、およびその内部に配置されたアノードを有する第一チャンバーと、
入口、出口、およびその内部に配置されたカソードを有し、且つ前記第一チャンバーから離れて配置された第二チャンバーと、
前記第一チャンバーと前記第二チャンバーとの間の少なくとも１つのイオン接続と、を含み、
前記食塩水溶液の第一供給源は、前記第一チャンバーの入口と流体連通可能な出口を有し、
前記食塩水溶液の第二供給源は、前記第二チャンバーの入口と流体連通可能な出口を有する、電気化学システム。
【請求項１６】
前記食塩水溶液の第一供給源は、前記食塩水溶液の第二供給源とは異なる塩度を有する、請求項１５に記載の電気化学システム。
【請求項１７】
前記食塩水溶液の第一供給源は海水を含み、前記食塩水溶液の第二供給源はブラインを含む、請求項１６に記載の電気化学システム。
【請求項１８】
前記第一チャンバーの出口と前記第一チャンバーの入口との間に延びる再循環ラインを更に含む、請求項１６に記載の電気化学システム。
【請求項１９】
前記電気化学セルの上流に、前記食塩水溶液の第二供給源と流体連通可能な酸化剤供給源を更に含む、請求項１５に記載の電気化学システム。
【請求項２０】
センサーおよびコントローラを更に含み、
前記センサーは、前記第二チャンバー内の溶存酸素濃度、溶存水素濃度、および水素ガス濃度のうち少なくとも１つの濃度を測定するように構築および配置され、
前記コントローラは、前記溶存酸素濃度、前記溶存水素濃度、および前記水素ガス濃度のうち少なくとも１つが所定の範囲外であることに応答して、前記食塩水溶液の第二供給源への前記酸化剤の導入速度を調整するように構成される、請求項１９に記載の電気化学システム。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記電気化学セルの動作中に前記カソードでの水素ガスの形成を抑制するのに十分な量で、前記食塩水溶液の第二供給源への前記酸化剤の導入速度を調整するように構成される、請求項２０に記載の電気化学システム。
【請求項２２】
前記酸化剤供給源は、前記第二チャンバーの出口から前記食塩水溶液の第二供給源に、過酸化水素を送達するように構築および配置される、請求項１９に記載の電気化学システム。
【請求項２３】
前記食塩水溶液の第一供給源および前記水溶液の第二供給源の少なくとも一方は、海水、汽水、またはブラインを含む、請求項１５に記載の電気化学システム。
【請求項２４】
電気化学セルを動作させる方法であって、
アノードを含む電気化学セルの第一チャンバーに第一食塩水溶液を導入するステップと、
カソードを含む前記電気化学セルの第二チャンバーに第二食塩水溶液を導入するステップと、
前記第一食塩水溶液から第一生成化合物を生成し、前記第二食塩水溶液から第二生成化合物を生成し、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーの間のイオン接続に沿って一価イオンを選択的に移動させるのに十分な電圧で、前記アノードと前記カソードの間に電流を印加するステップと、
を含み、
前記イオン接続は、前記第一食塩水溶液が前記第二食塩水溶液と混合されるのを抑制するように構築および配置される、方法。
【請求項２５】
前記第一食塩水溶液とは異なる組成を有する前記第二食塩水溶液を導入することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
海水を含む前記第一食塩水溶液を導入すること、および
ブラインを含む前記第二食塩水溶液を導入すること、
を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記アノードと前記カソードの間に印加される電圧、および前記第二チャンバー内の溶存水素濃度から選択される少なくとも１つのパラメータをモニターすることを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記パラメータが、前記第二チャンバー内での水素ガスの生成を抑制するのに十分な範囲から外れていることに応答して、前記アノードと前記カソードの間にパルス波形で前記電流を印加することを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記パラメータが、前記第二チャンバー内での水素ガスの生成を抑制するのに十分な範囲から外れていることに応答して、前記アノードおよび前記カソードの極性を反転させることを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
電気化学セルの動作を容易にする方法であって、
入口、出口、およびその内部に配置されたアノードを有する第一チャンバーと、
入口、出口、およびその内部に配置されたカソードを有し、且つ前記第一チャンバーから離れて配置された第二チャンバーと、
前記第一チャンバーと前記第二チャンバーの間の少なくとも１つのイオン接続と、
を含む電気化学システムを提供すること；
食塩水溶液の第一供給源を前記第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供すること；
食塩水溶液の第二供給源を前記第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供すること；
前記電気化学セルにおいてＮａＯＣｌおよびＨ２Ｏ２の少なくとも一方を生成するための指示を提供すること；および
前記第一チャンバーの出口および前記第二チャンバーの出口の少なくとも一方を使用点に接続するための指示を提供すること、
を含む、方法。
【請求項３１】
前記食塩水溶液の第一供給源を第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供することは、海水供給源を前記第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記食塩水溶液の第二供給源を第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供することは、ブライン供給源を前記第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供することを含む、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）に基づいた、２０１７年３月８日に提出された米国仮出願第６２／４６８，５４４号（発明の名称“Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｄｅｓｉｇｎ”）、２０１７年３月６日に提出された米国仮出願第６２／４６７，５１８号（発明の名称“Ｈａｌｆ−Ｃｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｓｅｌｆ−Ｃｌｅａｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｌｏｒｉｎａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”）、および２０１７年３月９日に出願された米国仮出願第６２／４６９，２２４号（発明の名称：“Ｐｕｌｓｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ  ｆｏｒ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｒｅｄｏｘ  Ａｇｅｎｔ  Ｓｕｐｐｌｙ  ｆｏｒ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ａｂａｔｅｍｅｎｔ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｈｙｐｏｃｈｌｏｒｉｔｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”）の優先権を主張し、これら出願のそれぞれの全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で開示される態様および実施形態は、一般に電気化学デバイスに関し、より具体的には、電気塩素化セルおよび電気塩素化デバイス、それらを動作させる方法、ならびにそれらを利用するシステムに関する。
【発明の概要】
【０００３】
一態様によれば、電気化学セルが提供される。前記電気化学セルは、入口および出口を有する第一チャンバーと、前記第一チャンバー内に配置されたアノードと、入口および出口を有する第二チャンバーと、前記第二チャンバー内に配置されたカソードと、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーとの間の少なくとも１つのイオン接続を含み得、前記イオン接続は、前記第一チャンバー内の液体電解質が前記第二チャンバー内の液体電解質と混合するのを抑制するように構築および配置される。前記第一チャンバーと前記第二チャンバーは平行に配置され、且つ互いに離れて配置され得る。
【０００４】
いくつかの実施形態では、前記イオン接続が、塩橋およびイオン透過性膜の少なくとも一方を含む。前記イオン透過性膜が、一価イオンに対して選択的に透過性であり得る。前記イオン透過性膜の面積当たりの抵抗が１．０Ω／ｍｍ２以下であり得る。前記イオン透過性膜の面積当たりの抵抗が０．１Ω／ｍｍ２以下であり得る。
【０００５】
いくつかの実施形態では、前記第一チャンバー内の液体電解質と前記第二チャンバー内の液体電解質とが異なる組成を有し得る。前記第一チャンバー内の液体電解質と前記第二チャンバー内の液体電解質とが異なる塩度を有し得る。
【０００６】
前記第一チャンバーが、前記第一チャンバーの出口と前記第一チャンバーの入口との間に延びる再循環チャネルを更に含み得る。前記第二チャンバーがシングルパスチャンバーであり得る。いくつかの実施形態では、前記第二チャンバーが、前記第二チャンバーの出口と前記第二チャンバーの入口との間に延びる再循環チャネルを更に含み得る。
【０００７】
前記電気化学セルは、前記第一チャンバーに流体連通された第一チャネルと、前記第二チャンバーに流体連通された第二チャネルとに分かれる共有電解質チャネルを更に含み得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、前記第一チャンバーが第一ハウジング内に配置され、前記第二チャンバーが前記第一ハウジングとは別個の第二ハウジング内に配置され得る。
【０００９】
別の態様によれば、水供給源および酸化剤供給源と流体連通する電気化学セルを含み、前記水からＨ２Ｏ２を電気化学的に生成するように構築および配置される、水処理システムが提供され得る。
【００１０】
別の態様によれば、海水供給源と流体連通する電気化学セルを含み、前記海水からＮａＯＣｌを電気化学的に生成するように構築および配置される、海水処理システムが提供され得る。
【００１１】
更に別の態様によれば、電気化学システムが提供され得る。前記電気化学システムは、電気化学セル、食塩水溶液の第一供給源、および食塩水溶液の第二供給源を含み、前記電気化学セルは、入口、出口、およびその内部に配置されたアノードを有する第一チャンバーと、入口、出口、およびその内部に配置されたカソードを有し、且つ前記第一チャンバーから離れて配置された第二チャンバーと、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーとの間の少なくとも１つのイオン接続と、を含み、前記食塩水溶液の第一供給源は、前記第一チャンバーの入口と流体連通可能な出口を有し、前記食塩水溶液の第二供給源は、前記第二チャンバーの入口と流体連通可能な出口を有する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、前記食塩水溶液の第一供給源は、前記食塩水溶液の第二供給源とは異なる塩度を有し得る。前記食塩水溶液の第一供給源は海水を含み得、前記食塩水溶液の第二供給源はブラインを含み得る。前記システムは、前記第一チャンバーの出口と前記第一チャンバーの入口との間に延びる再循環ラインを更に含み得る。
【００１３】
前記電気化学システムは、前記電気化学セルの上流に、前記食塩水溶液の第二供給源と流体連通可能な酸化剤供給源を更に含み得る。前記電気化学システムは、センサーとコントローラを更に含み、前記センサーは、前記第二チャンバー内の溶存酸素濃度、溶存水素濃度、および水素ガス濃度のうち少なくとも１つの濃度を測定するように構築および配置され、前記コントローラは、前記溶存酸素濃度、前記溶存水素濃度、および前記水素ガス濃度のうち少なくとも１つが所定の範囲外であることに応答して、前記食塩水溶液の第二供給源への前記酸化剤の導入速度を調整するように構成され得る。
【００１４】
いくつかの実施形態では、前記コントローラは、前記電気化学セルの動作中に前記カソードでの水素ガスの形成を抑制するのに十分な量で、前記食塩水溶液の第二供給源への前記酸化剤の導入速度を調整するように構成され得る。前記酸化剤供給源は、前記第二チャンバーの出口から前記食塩水溶液の第二供給源に、過酸化水素を送達するように構築および配置され得る。
【００１５】
いくつかの実施形態では、前記食塩水溶液の第一供給源および前記食塩水溶液の第二供給源の少なくとも一方は、海水、汽水、またはブラインを含む。
【００１６】
別の態様では、電気化学セルを動作させる方法が提供される。前記方法は、アノードを含む電気化学セルの第一チャンバーに第一食塩水溶液を導入するステップと、カソードを含む前記電気化学セルの第二チャンバーに第二食塩水溶液を導入するステップと、前記第一食塩水溶液から第一生成化合物を生成し、前記第二食塩水溶液から第二生成化合物を生成し、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーの間のイオン接続に沿って一価イオンを選択的に移動させるのに十分な電圧で、前記アノードと前記カソードの間に電流を印加するステップと、を含み得る。前記イオン接続は、前記第一食塩水溶液が前記第二食塩水溶液と混合されるのを抑制するように構築および配置され得る。
【００１７】
前記方法は、前記第一食塩水溶液とは異なる組成を有する前記第二食塩水溶液を導入することを更に含み得る。いくつかの実施形態では、前記方法は、海水を含む前記第一食塩水溶液を導入すること、およびブラインを含む前記第二食塩水溶液を導入すること、を含み得る。
【００１８】
前記方法は、前記アノードと前記カソードの間に印加される電圧、および前記第二チャンバー内の溶存水素濃度から選択される少なくとも１つのパラメータをモニターすることを更に含み得る。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記パラメータが、前記第二チャンバー内での水素ガスの生成を抑制するのに十分な範囲から外れていることに応答して、前記アノードと前記カソードの間にパルス波形で前記電流を印加することを含み得る。いくつかの実施形態は、前記方法は、前記パラメータが、前記第二チャンバー内での水素ガスの生成を抑制するのに十分な範囲から外れていることに応答して、前記アノードおよび前記カソードの極性を反転させることを含み得る。
【００１９】
更に別の態様では、電気化学セルの動作を容易にする方法が提供される。前記方法は、電気化学システムを提供すること；食塩水溶液の第一供給源を前記第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供すること；食塩水溶液の第二供給源を前記第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供すること；前記電気化学セルにおいてＮａＯＣｌおよびＨ２Ｏ２の少なくとも一方を生成するための指示を提供すること；および前記第一チャンバーの出口および前記第二チャンバーの出口の少なくとも一方を使用点に接続するための指示を提供すること、を含み得る。前記電気化学セルは、入口、出口、およびその内部に配置されたアノードを有する第一チャンバーと、入口、出口、およびその内部に配置されたカソードを有し、且つ前記第一チャンバーから離れて配置された第二チャンバーと、前記第一チャンバーと前記第二チャンバーの間の少なくとも１つのイオン接続と、を含み得る。
【００２０】
いくつかの実施形態では、前記食塩水溶液の第一供給源を第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供することは、海水供給源を前記第一チャンバーの入口に接続するための指示を提供することを含み得る。他の実施形態では、前記食塩水溶液の第二供給源を第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供することは、ブライン供給源を前記第二チャンバーの入口に接続するための指示を提供することを含み得る。
【００２１】
本開示は、前述の態様および／または実施形態のいずれか１つ以上のすべての組み合わせ、ならびに発明の詳細な説明および全実施例に記載の実施形態のいずれか１つ以上との組み合わせを企図する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
添付図面は縮尺通りに描かれていることを意図していない。図面において、様々な図に示される同一またはほぼ同一の各構成要素は、同様の数字で表されている。明確にするために、すべての構成要素がすべての図でラベル付けされているわけではない。
【図１】電気化学セルを稼働する際に経験される印加電圧の経時変化を示すグラフである。
【図２】電気化学セルの一実施形態の等角図である。
【図３】電気化学システムの一実施形態の一部の概略図である。
【図４】電気化学システムの別の実施形態の一部の概略図である。
【図５】電気化学システムの別の実施形態の一部の概略図である。
【図６】電気化学システムの一実施形態の概略図である。
【図７】電気化学システムの別の実施形態の概略図である。
【図８】塩度あたりの溶液の導電率を示すグラフである。
【図９】試験データを取得するために使用される実験用電気化学セルの概略図である。
【図１０】図１０Ａは、例示的な電気化学セルの１つの実験稼働による、経時的な印加電流を示すグラフである。図１０Ｂは、図１０Ａの実験稼働中に測定された、経時的な検出電圧を示すグラフである。
【図１１】図１１Ａは、例示的な電気化学セルの別の実験稼働による、経時的な印加電流を示すグラフである。図１１Ｂは、図１１Ａの実験稼働中に測定された、経時的な検出電圧を示すグラフである。
【図１２】例示的な電気化学セルの別の実験稼働中に測定された、経時的な検出電圧を示すグラフである。
【図１３】図１３Ａは、一実施形態による、電気化学セルの概略図である。図１３Ｂは、一実施形態による、電気化学セルの概略図である。
【図１４Ａ】一実施形態による、特定のパラメータセットで動作するシステムのＩＶ曲線を示す図である。
【図１４Ｂ】別の実施形態による、特定のパラメータのセットで動作するシステムのＩＶ曲線を示す図である。
【図１４Ｃ】別の実施形態による、特定のパラメータのセットで動作するシステムのＩＶ曲線を示す図である。
【図１４Ｄ】さらに別の実施形態による、特定のパラメータのセットで動作するシステムのＩＶ曲線を示す図である。
【図１５】図１５Ａは、電気化学セルの一実施形態の一部の概略図である。図１５Ｂは、電気化学セルの別の実施形態の一部の概略図である。図１５Ｃは、電気化学セルの別の実施形態の一部の概略図である。図１５Ｄは、電気化学セルのさらに別の実施形態の一部の概略図である。
【図１６】図１６Ａは、様々な塩度の溶液を流している電気化学セルの面積あたりのチャネル抵抗を示すグラフである。図１６Ｂは、様々な塩度の溶液を流している電気化学セルの直径あたりのチャネル抵抗を示すグラフである。
【図１７】図１７Ａは、電気化学セルの一実施形態の一部の概略図である。図１７Ｂは、電気化学セルの別の実施形態の一部の概略図である。
【図１８】電気化学セルの一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本明細書で開示される態様および実施形態は、一般に、次亜塩素酸ナトリウムなどの消毒剤を生成する電気化学デバイス、およびそのようなデバイスで生成される水素の低減方法に関する。「電気化学デバイス（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ）」および「電気化学セル（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ）」という用語ならびにそれらの文法的変形は、「電気塩素化デバイス（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｌｏｒｉｎａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅｓ）」および「電気塩素化セル（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｌｏｒｉｎａｔｉｏｎ  ｃｅｌｌｓ）」ならびにそれらの文法的変形を包含すると理解されるべきである。
【００２４】
本明細書で開示される態様および実施形態は、１つ以上の電極を含むものとして記載される。「金属電極（ｍｅｔａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）」という用語は、他の金属または合金を含むからなるものを含む電極を除外しないが、本明細書で使用される「金属電極」という用語またはその文法的変形は、１つ以上の金属（例えば、チタン、アルミニウム、またはニッケル）から形成される、１つ以上の金属（例えば、チタン、アルミニウム、またはニッケル）を含む、または１つ以上の金属（例えば、チタン、アルミニウム、またはニッケル）からなる電極を包含すると理解されるべきである。いくつかの実施形態では、「金属電極」は、異なる金属の複数の層を含み得る。本明細書で開示される実施形態のいずれか１つ以上で利用される金属電極は、電解質溶液による化学的攻撃に対して高い耐性を有する金属または金属酸化物（例えば、チタン、白金、混合金属酸化物（ＭＭＯ）、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、またはその他のコーティング材料の層）でコーティングされた高導電性金属（例えば、銅またはアルミニウム）のコアを含み得る。「金属電極」は、耐酸化性コーティング、例えば、限定されないが、白金、混合金属酸化物（ＭＭＯ）、マグネタイト、フェライト、コバルトスピネル、タンタル、パラジウム、イリジウム、銀、金、またはその他のコーティング材料でコーティングされ得る。本明細書に開示される実施形態で利用される混合金属酸化物は、ルテニウム、ロジウム、タンタル（任意選択でアンチモンおよび／またはマンガンで合金化される）、チタン、イリジウム、亜鉛、スズ、アンチモン、チタン−ニッケル合金、チタン−銅合金、チタン−鉄合金、チタン−コバルト合金、またはその他の適切な金属もしくは合金のうちの１つ以上の酸化物を含み得る。本明細書に開示される実施形態で利用されるアノードは、白金および／またはイリジウム、ルテニウム、スズ、ロジウム、もしくはタンタル（任意選択でアンチモンおよび／またはマンガンで合金化される）のうちの１つ以上の酸化物でコーティングされ得る。本明細書に開示される実施形態で利用されるカソードは、白金および／またはイリジウム、ルテニウム、およびチタンのうちの１つ以上の酸化物でコーティングされ得る。本明細書で開示される実施形態で利用される電極は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、および／またはシリコンのうちの１つ以上のベースを含み得る。本明細書に開示されるいずれかの電気化学セルの電極は、プレート、シート、箔、押出物、および／または焼結物として、またはそれらから形成され得る。
【００２５】
本明細書で使用される「管（ｔｕｂｅ）」という用語は、円筒形の導管を含むが、他の断面形状を有する導管、例えば、正方形、長方形、楕円形、または長円形の形状を有する導管、あるいは任意の規則的または不規則な多角形として形作られた断面形状を有する導管を除外しない。
【００２６】
本明細書で使用される「同心管（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ  ｔｕｂｅｓ）」または「同心螺旋（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ  ｓｐｉｒａｌｓ）」という用語は、共通の中心軸を共有する管または交互配置螺旋を含むが、同心管または交互配置螺旋のセット内の各同心管または交互配置螺旋の必ずしも中心ではない共通軸を囲む管または交互配置螺旋、あるいは互いにオフセットされた軸を有する管または交互配置螺旋を除外しない。
【００２７】
本開示は、電気塩素化セルおよび電気塩素化デバイスの様々な実施形態を説明するが、本開示は、電気塩素化セルまたは電気塩素化デバイスに限定されず、本明細書に開示される態様および実施形態は、複数の目的のいずれか１つのために使用される電解セルおよび電気化学セルに適用可能である。
【００２８】
電気塩素化セルは、通常、海洋、オフショア、地方自治体、産業および商業用途で使用される。電気塩素化セルの設計パラメータ、例えば、電極間の間隔、電極の厚さおよびコーティング密度、電極面積、電気接続の方法などは、様々な用途に合わせて選択され得る。本明細書で開示される態様および実施形態は、電極の数、電極間のスペース、電極材料、電極間の任意のスペーサの材料、電気塩素化セル内のパス回数、または電極コーティング材料に限定されない。
【００２９】
電極で化学反応を生成する電気化学デバイスは、産業的実施および自治体の実施において広く使用されている。現在の電気塩素化モジュールの設計と制御は、かなりの期間、変化のないままである。これらのシステムにおける電気化学セル機能に関する２つの産業上の懸念は、カソードのスケーリングと水素生成である。これらの問題を軽減する従来の方法は、生成され得る次亜塩素酸塩の全体的な強度を制限する。次亜塩素酸塩を効率的に生成しながら、これらの懸念の両方に対処するシステムについてのニーズが存在する。
【００３０】
供給溶液は制限されないものの、電気塩素化システムには、一般に、ブライン、汽水、または海水が供給される。海水は一般に、約３．０％〜４．０％の塩度を有し、例えば、海水は約３．５％、３．６％、または３．７％の塩度を有し得る。海水は、ナトリウムイオン、塩素イオン、マグネシウムイオン、硫酸イオン、カルシウムイオンを含む溶解イオンを含む。海水は、硫黄、カリウム、臭化物、炭素、およびバナジウムのうちの１つ以上をさらに含み得る。海水は、約３５，０００ｍｇ／ｌの総溶解固形分（ＴＤＳ）を含み得る。一般に、ブラインは約３．５％を超の塩度を有する。例えば、ブラインは、約４．０％、４．５％、５．０％、７．５％、または約１０％の塩度を有し得る。ブラインは、約３５，０００ｍｇ／ｌ超のＴＤＳ含有量を有し得る。飽和ブラインは、最大約２５．０％の塩度を有し得る。汽水は一般に３．５％未満の塩度を有する。汽水は、約３．０％、２．５％、２．０％、または１．０％の塩度を有し得る。汽水は、約３５，０００ｍｇ／ｌ未満のＴＤＳ含有量を有し得る。例えば、汽水は、約１，０００ｍｇ／ｌ〜約１０，０００ｍｇ／ｌのＴＤＳ含有量を有し得る。
【００３１】
供給溶液は、図８のグラフに示されるような導電率を有し得る。一般に、塩度に依存して、供給流の導電率は約０〜２５Ｓ／ｃｍである。約０．５％〜２．０％の塩度を有する汽水は、約０．５Ｓ／ｃｍ〜約４．０Ｓ／ｃｍ、例えば、約０．８Ｓ／ｃｍまたは約３．０Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約３．５％の塩度を有する海水は、約４．５Ｓ／ｃｍ〜５．５Ｓ／ｃｍ、例えば、約５．０Ｓ／ｃｍまたは約４．８Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約５．０％〜１０％の塩度を有するブラインは、約７Ｓ／ｃｍ〜１３．０Ｓ／ｃｍ、例えば、約１２．６Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。約２５％の塩度を有する飽和ブラインは、約２０．０Ｓ／ｃｍ〜約２３．０Ｓ／ｃｍ、例えば、約２２．２Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。一般に、塩度および導電率は、図８のグラフの線形関係ｙ＝０．９１３２ｘ＋１．６３３２に従う場合があり、式中、ｙは導電率（Ｓ／ｃｍ）であり、ｘは塩度％（％ＮａＣｌ）である。
【００３２】
ブラインベースのシステムでは、動作中にｐＨが変化するため、電気塩素化システムの動作により、アノードでＣｌ２および酸（例えば、ＨＣｌ）が生成され、カソードで水酸化物およびＨ２ガスが生成される。塩化ナトリウムと水から次亜塩素酸ナトリウムを生成するための電気化学反応（電気塩素化）は以下を含む：
アノードでの反応：２Ｃｌ−  →  Ｃ１２＋２ｅ−（Ｅ０ｏｘ＝−１．３５８Ｖ）
カソードでの反応：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−（Ｅ０ｒｅｄ＝−０．８２７７Ｖ）
溶液中：Ｃ１２＋２ＯＨ−  →  ＣｌＯ−＋Ｃｌ−＋Ｈ２Ｏ
全反応：ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ  →  ＮａＯＣｌ＋Ｈ２
【００３３】
これらの反応では、記載されている電位は、反応物および生成物が１Ｍの濃度（活性）の条件下、ならびに標準条件下（２５℃、１気圧）における電位である。
【００３４】
上記の反応から、塩化ナトリウムと水から次亜塩素酸ナトリウムを電気化学的に生成する副産物は水素であることがわかる。電気塩素化セル内での水素の生成は望ましくない。水素濃度が水中における水素の溶解限度を超えるのに十分な水素が生成されると、水素は水素ガスとして発生する可能性があり、爆発の危険がある。電気塩素化セル内に存在する水素ガスは、電気塩素化セルの電極の部分をセル内の電解質との接触からシールドし、有効電極面積を減らし、次亜塩素酸ナトリウムの生成効率を低下させる可能性がある。さらに、電気塩素化セル内の電極がしばしば形成されるチタンなどの材料への水素の拡散は、電極の脆化につながり、電極の機械的故障の可能性を高め得る。
【００３５】
Ｈ２ガス生成には、爆発限界以下に水素を除去または希釈するための装置と方法の使用が必要である。したがって、塩化ナトリウムと水から次亜塩素酸ナトリウムを生成するための電気塩素化システムは、溶液および／または大気から水素を除去するか、あるいは少なくとも水素ガスの濃度を水素ガスが発火し得る濃度よりも低く保つために、通常、気液分離器および／または送風機を装備している。しかしながら、これらの気液分離器および／または送風機は、電気塩素化システムの資本および運転コストを増加させる。
【００３６】
水素ガス生成を制限する１つのアプローチは、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される国際出願公開第２０１７／０４９０５２号に一般的に記載されているように、システムに酸化剤を導入することである。酸素の還元反応は、水素の生成よりも低い電位を有する。該反応は次の通りである：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−（Ｅ０＝−０．８２７７Ｖ）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ４ＯＨ−（Ｅ０＝０．４０１Ｖ）
【００３７】
２番目の反応は、水の還元機構である。したがって、塩化物含有水溶液への酸素の添加により、アノードおよびカソードでの塩素と水酸化物を生成する反応が、
Ａ１：アノードでの反応：２Ｃｌ−  →  Ｃｌ２＋２ｅ−（Ｅ０ｏｘ＝−１．３５８Ｖ）
Ｃ１：カソードでの反応：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−（Ｅ０ｒｅｄ＝−０．８２７７Ｖ）
Ｅ０ｃｅｌｌ＝２．１９Ｖ
から、
Ａ１：アノードでの反応：２Ｃｌ−  →  Ｃｌ２＋２ｅ−（Ｅ０ｏｘ＝−１．３５８Ｖ）
Ｃ２：カソードでの反応：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ４ＯＨ−（Ｅ０ｒｅｄ＝０．４０１Ｖ）
Ｅ０ｃｅｌｌ＝０．９６Ｖ
に変化する可能性がある。
【００３８】
塩化物含有水溶液への酸素の添加は、これらの反応における水素の生成および／または蓄積を排除し、塩素および水酸化物の生成に必要な電圧を半分以上低減させ得る。したがって、塩化物含有水溶液への酸素の添加は、電気塩素化セルにおける塩化ナトリウムおよび水からの次亜塩素酸ナトリウム生成の副産物としての水素の形成および／または蓄積を減少または抑制するだけでなく、次亜塩素酸ナトリウム生成プロセスのエネルギー効率を高め得る。
【００３９】
周囲温度および周囲圧力における純水中の最大酸素溶解度はわずか約５〜１０ｐｐｍであるため、酸素の供給は困難な場合がある。酸素の低い溶解度を克服するための１つのアプローチは、大気圧下における水溶液中の酸化剤の溶解度と比較して、水溶液中の酸化剤の溶解度を高めるために、大気圧より高い圧力下で酸素を注入することである。ただし、特定のシステムは圧力の物理的な制限を有し得る。
【００４０】
本明細書で開示される態様および実施形態は、電気エネルギーの導入による化学物質生成のための電気化学セル、およびそのような電気化学セルの構築方法および動作方法を含む。開示された特徴および方法は、他の形態の電気化学セルにおける使用、および他の化学物質の生成についても同様に考慮されるが、具体的には、塩化物含有（例：塩化ナトリウム含有）水溶液、例えば、海水、汽水、またはブラインから次亜塩素酸ナトリウムを生成するように構成された電気塩素化セルが参照されるであろう。
【００４１】
電気化学セルは、２つのハーフセルを含み得る。各ハーフセルは通常、電極と電解質を含有する。ハーフセルは、同じ電解質または異なる電解質を使用し得る。一般に、電気化学セル内での化学反応は、電極、電解質、および／または外部物質を含む。完全な電気化学セルにおいては、電気塩素化セルについて上述したように、一方のハーフセル由来の化学種は電子を失う傾向があり（酸化）、他方のハーフセル由来の化学種は電極から電子を得る（還元）傾向がある。ハーフセル間のイオン接続により、ハーフセル間のイオン移動が可能になるかもしれない。いくつかの実施形態では、イオン接続は共有電解質中で生じる。
【００４２】
ハーフセルが異なる電解質を用いて使用される場合、イオン接続は、電解質が混合して不所望の副反応を引き起こすのを防ぎながら、イオンの移動を提供することができる。一般に、電解質の混合を抑制して、１つのハーフセルで生成された化学種からの干渉を低減させたり、１つのハーフセルで生成された化学種の消費を抑制したり、または各ハーフセルを異なるパラメータで動作させることができる。
【００４３】
例示的な電気化学セルでは、上記の反応に従って、海水が次亜塩素酸ナトリウムを生成するための共通の電解質として導入され得る。アノードとカソードは直接隣接（例えば、互いに１〜５ｍｍ以内）しており、ハーフセル反応を混合することが可能で場合がある。カソードでの不所望な化学種の沈殿を防ぐために、高速フロー（例えば、２〜３ｍ／秒）が使用され得る。
【００４４】
一般に、生成される次亜塩素酸塩の全体的な強度に影響する複数のパラメータ間に相互作用がある。そのようなパラメータには、例えば、供給組成、電極の設計、印加電流／印加電圧、ｐＨ、流量、酸化剤濃度、および温度が含まれる。これらのパラメータの１つ以上を制御して、適切な生成物を生成することができる。さらに、これらのパラメータの１つ以上を制御して、水素の生成などの不所望の結果を制限することができる。
【００４５】
電気化学セルシステムの性能は、供給流の組成に依存し得る。供給組成を制御することにより、次亜塩素酸塩の生成濃度を高め、水素生成などの不所望の結果を低減させることができる。特定の理論に拘束されることを望まないが、アノード電流と溶液中のＮａＣｌ濃度は、Ｃｌ２の生成速度に影響を与える可能性があり、Ｃｌ２の生成速度は、溶液中で形成されるＮａＯＣｌの量に影響を与える可能性があると考えられている。したがって、システムの体積流量に対して形成されるＮａＯＣｌの量は、アノード電流と供給組成を制御することにより増加させ得る。カソードでは、電流と電流密度がＨ２およびＯＨ−の生成速度に影響を与える可能性がある。そして、これらの生成速度は、システム内のｐＨと沈殿物の形成に影響を与える可能性がある。
【００４６】
供給流は、例えば、海水、汽水、またはブラインなどの食塩水溶液を含み得る。いくつかの実施形態では、供給流のＮａＣｌ濃度を制御することで、形成されるＮａＯＣｌの量を制御することができるかもしれない。約１０，０００〜１６，０００ｐｐｍのＮａ＋濃度と約１８，０００〜約２３，０００ｐｐｍのＣｌ−濃度を有する標準的な供給組成では、Ｎａ＋およびＣｌ−の濃度を上げることでＮａＯＣｌ生成を増加させることができる。そのような標準的な供給組成では、最大約２，０００ｐｐｍのＮａＯＣｌ生成濃度を達成することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、供給組成は、酸の投与によって制御することができる。酸の注入はｐＨを低下させることができ、したがって不所望の副産物の形成を制限することができる。いくつかの実施形態では、供給流のｐＨはセンサーによって測定することができる。その測定値は、ｐＨ測定に応じて供給流に酸を投与するように構成された酸注入システムに伝達され得る。供給組成物は、本明細書に開示されるｐＨを制御する他の任意の方法によって制御され得る。
【００４８】
特定の実施形態では、生成物溶液の一部は、供給流に再循環され得る。生成物溶液は、例えば、酸化剤として再循環することできるＨ２Ｏ２を含み得る。供給流に対する再循環の比率は、例えば制御バルブによって制御され得る。生成物溶液の一部を供給流に再循環させることにより、生成される次亜塩素酸塩の全体的な強度を高めることができる。生成物の再循環を採用すると、安定な次亜塩素酸塩生成物を生成するのに必要な電気化学セルの必要数が減らすことができ、システムの全体的な設置面積が減り、最終用途の選択肢が増やすことができる。
【００４９】
本明細書で開示されるシステムおよび方法は、電極のスケーリングを軽減、緩和、最小化、抑制、または排除するための特徴を有する電気化学セルを含み得る。いくつかの実施形態では、ｐＨ制御は、カソードでの不所望の副産物の沈殿を制限し得る。従来の電気化学セルの動作中、カソードの局所ｐＨは１１に達するか、または１１を超えることができる。このような高い局所ｐＨは、ＭｇイオンおよびＣａイオンの沈殿を引き起こし、電極上にスケーリングを生成する場合がある。いくつかの実施形態では、カソードの局所ｐＨは約８〜９に制御される。電気化学セル内の平均ｐＨは、約６〜９、例えば約７〜８に制御され得る。
【００５０】
ｐＨのフィードフォワード制御が実施され得る。いくつかの実施形態では、供給物のｐＨはセンサーで測定される。システムの１つ以上のパラメータは、ｐＨ測定値に応じて調整され得る。例えば、供給組成、流量、印加電流／印加電圧、または１つ以上の電極での酸化剤濃度を調整して、ｐＨを所望の範囲内に調整することができる。いくつかの実施形態では、ｐＨは、ｐＨ調整剤、例えば鉱酸またはＮａＯＨなどの腐食剤の添加により制御され得る。測定値は、１つ以上の動作パラメータを調整してｐＨを制御できる注入システムに伝達され得る。注入システムは、供給溶液のｐＨまたは電気化学セル内の溶液のｐＨを制御し得る。追加的または代替的に、ｐＨのフィードバック制御が実施され得る。例えば、生成物のｐＨはセンサーで測定され得る。本明細書に記載されているように１つ以上のパラメータが調整され得るか、または本明細書に記載されているように１つ以上の動作パラメータを調整できる注入システムに測定値が伝達され得る。
【００５１】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、アノードおよびカソードの周期的な極性反転を使用して、例えば電極での局所ｐＨを制御することにより、カソードでの水素ガスの生成または蓄積を緩和、最小化、抑制、または排除することができる。一部の電気化学セルでは、スケーリングを低減するため、長期間の動作後に、例えば１２時間ごとまたは１日おきに、極性が反転させられる。本明細書に開示されるように、極性は、水素ガスの形成を制限するためにより頻繁に反転され得る。例えば、システム条件によっては、水素ガスの生成を制限するために、極性が数分ごとに反転され得る。
【００５２】
水素ガスの生成を制限するために極性を反転させることは、スケーリングの形成も制限し得る。電気化学セルの動作中、水素と副産物がカソードに蓄積する一方で、局所的な酸生成は典型的にはアノードで生じる。極性を反転させると、酸が以前のカソード（現在のアノード）で生成され、カソードでの水素ガスおよび沈殿物の局所的な生成が制限され得る。また、現在のアノードでの酸の生成は、局所的なｐＨを制御し、電極での副産物のさらなる沈殿を最小限に抑え、スケーリングを防ぐことができる。
【００５３】
極性反転シーケンスは、対称的または非対称的に生じ得る。いくつかの実施形態では、極性は数分ごとに、例えば、２分ごと、５分ごと、１０分ごと、１５分ごと、２０分ごと、３０分ごと、４０分ごと、５０分ごと、または６０分ごとに反転される。いくつかの実施形態では、極性は数時間ごと、例えば、１時間ごと、２時間ごと、３時間ごと、４時間ごと、５時間ごと、６時間ごと、７時間ごと、８時間ごと、９時間ごと、１０時間ごと、１１時間ごと、１２時間ごと、１８時間ごと、または２４時間ごとに反転される。各極性反転は、数分から数時間続くことがある。極性反転サイクルのタイプおよび長さは制限されない。一般に、極性反転サイクルのタイプおよび長さは、供給組成および電気化学セルの条件に依存し得る。極性反転のタイプおよび長さは、電気化学セル内の平均ｐＨ、またはアノードもしくはカソードでの局所ｐＨに依存し得る。いくつかの実施形態では、極性反転は、所望の範囲外のｐＨ測定値に応答して実施され得る。
【００５４】
温度は、生成物の生成と反応速度に影響を与え得る。いくつかの実施形態では、温度は約−２〜４５oＣに制御される。この温度範囲外では、供給溶液が電極触媒と反応して不安定な副産物を形成し得る。温度のフィードバック制御またはフィードフォワード制御が実施され得る。いくつかの実施形態では、供給物または生成物溶液の温度が温度計で測定される。システムの１つ以上のパラメータは、温度測定値に応じて調整され得る。例えば、流量、ｐＨ、温度、または溶存酸素濃度は測定値に応じて調整され得る。温度は、例えば、熱交換器を用いて調整され得る。
【００５５】
本明細書で開示されるシステムおよび方法は、電気化学セル内での水素ガスの形成および／または電気化学セル内の電解質に溶解した水素の形成を軽減、緩和、最小化、抑制、または排除するための特徴を有する電気化学セルを含む。水素軽減の実施は、電流密度、流量、溶存水素濃度、および／または溶存酸素濃度の関数（任意選択で圧力の関数として）であり得る。さらに、水素ガスの生成は、温度、ｐＨ、組成、および電気化学セル内のカソードに近接する溶液の酸化還元電位の関数であり得る。これらのパラメータ間の関係は、電流および電圧をスキャンし、ＩＶ曲線をプロットすることで定量化することができる。水生成から水素生成への移行点は、ＩＶ曲線から特定することができる。電圧が水素ガスの生成を示す閾値を超えると、ＩＶ曲線は変曲点を示す。前述のパラメータを調整することにより、システム全体のパフォーマンスを調整することができる。
【００５６】
本明細書に開示される方法は、生成化合物を生成するのに十分な電圧で、アノードとカソードの間に電流を印加することを含み得る。電流は、変化が必要になるまで、コンスタントモードで印加され得る。例えば、アノードおよびカソードの極性反転が適用されるか、電流がパルス波形で印加されるまで、電流はコンスタントに印加され得る。例えば、１つ以上のパラメータがカソードで水素ガスが生成され得ることを示す場合に、そのような変化が生じ得る。
【００５７】
一般的に、安全対策として、Ｈ２ガスの排出はモニターおよび制御され得る。Ｈ２ガスはセンサーで測定され得る。本明細書で開示される１つ以上の方法は、生成物中またはシステム内のＨ２ガスの高測定値に応じて実施され得る。
【００５８】
アノードとカソードの間の電圧を測定して、電気化学セル内でいつ水素ガスが発生し始めるかを決定することができる。温度、ｐＨ、流体の組成などのパラメータは、水素ガスが生成され始める電圧に影響を及ぼし得る。圧力は、流体中の酸素の拡散性を増加させる可能性があり、したがって、圧力、流量、および乱流の増加はまた水素ガスが生成され始める電圧にも影響を及ぼし得る。図１４Ａ〜１４Ｄのグラフに示されるように、ＩＶ曲線の変曲点は、水素ガスが生成される電圧を示す。
【００５９】
図１４Ａに提示されたデータは、様々な圧力における流量３．１ｍ／秒についての変曲点の変化（約１．０Ｖ〜約１．５Ｖ）を示す。図１４Ｂに提示されたデータは、様々な流量で約１．４ｂａｒの圧力で注入された酸素についての変曲点の変化（約０．８Ｖ〜約１．１Ｖ）を示す。約６．９ｂａｒで導入された空気は、１．４ｂａｒで注入された酸素と同様の溶存酸素含有量を生成する。図１４Ｃに提示されたデータは、様々な流量で約３．１ｂａｒで注入された酸素についての変曲点の変化（約１．０Ｖ〜約１．３Ｖ）を示す。図１４Ｄに提示されたデータは、様々な流量で約６．９ｂａｒで注入された酸素についての変曲点の変化（約１．０Ｖ〜約１．５Ｖ）を示す。
【００６０】
いくつかの実施形態では、電気化学セル内での水素ガスの発生を制限するために、電圧は上記で特定されたいずれかの範囲内またはそれ以下に維持され得る。流量に応じて１．４ｂａｒで酸素を導入するシステムまたは６．９ｂａｒで空気を導入するシステムでは、電圧は約０．８Ｖ未満、約０．９Ｖ未満、約１．０Ｖ未満、または約１．１Ｖ未満に維持され得る。流量に応じて約３．１ｂａｒで酸素を導入するシステムでは、電圧は約１．０Ｖ未満、約１．２Ｖ未満、または約１．３Ｖ未満に維持され得る。流量に応じて約６．９ｂａｒで酸素を導入するシステムでは、電圧は約１．０Ｖ未満、約１．１Ｖ未満、約１．２Ｖ未満、約１．３Ｖ未満、約１．４Ｖ未満、または約１．５Ｖ未満に維持され得る。電圧に応じて約３．１ｍ／秒の流量を流すシステムでは、電圧は約１．０Ｖ未満、約１．１Ｖ未満、約１．２Ｖ未満、約１．３Ｖ未満、約１．４Ｖ未満、または約１．５Ｖ未満に維持され得る。さらなるパラメータが、図１４Ａ〜図１４Ｄに示されるグラフから決定され得る。
【００６１】
いくつかの実施形態では、水素ガスの生成がないことに関連する所定のパラメータ内にシステムを維持するために、条件が制御される。アノード−カソードペア間に印加される電流は、水素ガスの発生を引き起こす可能性のあるパラメータ表示条件に応じて変更または反転され得る。システムのパラメータに応じて、電圧を約４．０Ｖ未満、約３．０Ｖ未満、約２．０Ｖ未満、約１．５Ｖ未満、約１．０Ｖ未満、または０．５Ｖ未満に維持するように、条件が制御され得る。電圧を約０．５Ｖ〜約１．５Ｖに維持するように、パラメータが制御され得る。電圧を約１．５Ｖ〜約４．０Ｖに維持するように、パラメータは制御され得る。電圧を約０．５Ｖ〜約４．０Ｖに維持するように、パラメータが制御され得る。
【００６２】
いくつかの実施形態では、プロセス溶液への酸化剤（例えば、酸素）の添加は、これらの反応における水素の生成および／または蓄積を排除し得る。酸化剤の添加はまた、塩素および水酸化物の生成に必要な電圧を半分以上低減させ得る。したがって、いくつかの実施形態では、酸化剤の添加は、電気塩素化セル内における塩化ナトリウムおよび水からの次亜塩素酸ナトリウム生成の副産物としての水素の形成および／または蓄積を低減または抑制し得るだけでなく、次亜塩素酸ナトリウムの生成プロセスのエネルギー効率を高め得る。
【００６３】
空気または酸素に加えて、または空気または酸素の代替として、酸化剤は、酸素富化空気、オゾン、二酸化炭素、過酸化水素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硝酸、亜酸化窒素、硝酸塩、硫酸、ペルオキシ硫酸、ペルオキシ一硫酸、六価クロム化合物、過マンガン酸塩化合物、過ホウ酸ナトリウム、硝酸カリウム、または既知の酸化化合物のいずれか１つ以上を含み得る。酸化剤は、気体、固体、または液相剤であり得る。酸化剤は、電気化学セルの生成物を含み得る。例えば、酸化剤は、電気化学セルによって生成されたＨ２Ｏ２であり得る。酸化剤は、電子が水分子に侵入して遊離水素を生成することを阻止するのに十分に低い還元電位を有する任意の化合物を含み得る。酸化剤は、標準水素電極に対して−０．８２７７ボルト未満よりも負でない（ｌｅｓｓ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｔｈａｎ  −０．８２７７  ｖｏｌｔｓ）還元電位を有する任意の化学物質を含み得る。酸化剤の還元電位は、濃度、温度、触媒の効果などの速度論的因子に基づいて変化し得る。
【００６４】
酸化剤をプロセス溶液に導入することは、該溶液を酸化剤ガスと接触させること、または酸化剤含有液を該溶液に注入することを含み得る。酸化剤は、供給流または別のプロセス溶液に導入され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤ガスは酸素含有ガスである。酸化剤含有液は、酸素含有液であり得る。
【００６５】
溶存酸素濃度の制御が実施され得る。いくつかの実施形態では、溶存酸素濃度は、供給物中またはシステム内で、センサーを用いて測定され得る。測定値は、システム内の溶存酸素の濃度を制御するために、酸素ガスまたは溶液中の溶存酸素を導入し得る注入システムに伝達され得る。いくつかの実施形態では、溶存酸素濃度は、約１〜１００ｐｐｍ以内に制御される。溶存酸素濃度は、少なくとも約１ｐｐｍ、少なくとも約５ｐｐｍ、少なくとも約１０ｐｐｍ、少なくとも約２０ｐｐｍ、少なくとも約３０ｐｐｍ、少なくとも約４０ｐｐｍ、少なくとも約５０ｐｐｍ、少なくとも約６０ｐｐｍ、少なくとも約７０ｐｐｍ、少なくとも約８０ｐｐｍ、少なくとも約９０ｐｐｍ、少なくとも約９５ｐｐｍ、または少なくとも約１００ｐｐｍに制御され得る。加圧下で酸化剤を注入するか、加圧下で水溶液を導入することにより、溶存酸素濃度を高めることができる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、酸化還元電位（ＯＲＰ）は、供給物中、システム内、または生成物において、センサーを用いて測定することができる。システムの任意の１つ以上のパラメータは、ＯＲＰ測定値に応じて調整され得る。例えば、溶存酸素濃度、流量、ｐＨ、温度、または供給組成は、ＯＲＰ測定値に応じて調整することができる。
【００６７】
システム内の溶液の組成は、供給流の流量または流速を変更することで、変更することができる。一般に、流量または流速の増加は、システム内における乱流および溶液の混合を増加させ得る。通常、反応は電気化学セルのアノードまたはカソードで局所的に発生するため、乱流の増加はシステム内の溶液組成およびｐＨの正規化に影響を与え得る。特に、乱流または流量の増加は、Ｈ２Ｏ２やＮａＯＣｌなどの生成物の生成速度を増加させ、不所望の水素ガスの生成速度を減少させ得る。
【００６８】
流量もしくは流速のフィードバック制御またはフィードフォワード制御が実施され得る。いくつかの実施形態では、供給物の流量または流速は、流量計で測定される。流量または流速の測定値に応じて、システムの１つ以上のパラメータが調整され得る。例えば、流量もしくは流速、ｐＨ、温度、または溶存酸素濃度は、該測定値に応じて調整することができる。測定値は、必要に応じて流量または流速を制御するために、循環ポンプに伝達され得る。流量は、約０．１〜１０ｍ３／時間に制御され得る。流量は、０．１ｍ３／時間、０．５ｍ３／時間、１．０ｍ３／時間、２．０ｍ３／時間、３．０ｍ３／時間、４．０ｍ３／時間、５．０ｍ３／時間、６．０ｍ３／時間、７．０ｍ３／時間、８．０ｍ３／時間、９．０ｍ３／時間、９．５ｍ３／時間、または１０ｍ３／時間に制御され得る。
【００６９】
流速は、約１．０ｍ／秒〜４．０ｍ／秒の間に制御され得る。流速は、約１．０ｍ／秒、約２．０ｍ／秒、約３．０ｍ／秒、または約４．０ｍ／秒に制御され得る。いくつかの実施形態では、流速は約２．０ｍ／秒〜２．５ｍ／秒に制御され得る。流速は、約２．５ｍ／秒〜３．０ｍ／秒に制御され得る。流速は、約３．０ｍ／秒〜３．５ｍ／秒に制御され得る。いくつかの実施形態では、流速は、約２．０ｍ／秒、約２．１ｍ／秒、約２．２ｍ／秒、約２．３ｍ／秒、約２．４ｍ／秒、約２．５ｍ／秒、約２．６ｍ／秒、約２．７ｍ／秒、約２．８ｍ／秒、約２．９ｍ／秒、約３．０ｍ／秒、約３．１ｍ／秒、約３．２ｍ／秒、約３．３ｍ／秒、約３．４ｍ／秒、または約３．５ｍ／秒に制御され得る。乱流および混合を増加または減少させるために、必要に応じて流量または流速は増加または減少させ得る。例えば、同心管電気塩素化セルは、海水を供給物として使用する海洋用途およびオフショア用途に使用され得る。セルを通過する液体の速度は約２．１ｍ／秒になり得、電極表面の汚れおよびスケーリングの可能性を低減させ得る強い乱流がもたらされる。
【００７０】
さらに、生成物の１つ以上のパラメータまたはシステム内の１つ以上のパラメータを測定して、流量または流速の必要な調整を決定することができる。例えば、流量または流速は、システム内の局所ｐＨの測定値または生成物の組成に基づいて増減され得る。システム内の局所ｐＨが大きく変化してｐＨを中和する場合、または生成物の測定が電極のスケーリングがある可能性があることを示す場合、流量または流速を増加させることができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、システムのｐＨおよびカソードでの局所ｐＨは、流量または流速を調整することにより制御され得る。供給水のバルクｐＨは一般に中性範囲内である。例えば、海水のｐＨは通常約７．５〜８．４である。しかしながら、電気化学セル内で発生する反応の動力学は、システム内のｐＨを上昇させ得る。前述のように、カソード周辺の局所ｐＨは１０または１１を超え得る。速度の増加（即ち、乱流および混合）によって、カソードでの局所ＯＨ−濃度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、カソードでの局所ＯＨ−濃度を増加させるために、流量を増加させる。したがって、いくつかの実施形態では、流量または流速を増加させて、カソードでの局所ｐＨを低下させる。
【００７２】
溶解度を超える濃度では、Ｈ２が生成されるとガスが放出され、流体体積に置き換わり、カソードを見えなくする場合がある。いくつかの実施形態では、流量および流速を制御して、カソードでの局所的な流体体積を減少させることができる。同じＯＨ−生成速度を維持しながら局所的な流体体積を減少させることにより、カソードの局所ｐＨを上昇させることができる。反応のために電極で適切な体積を確保するために、流量と流速を制御することができる。
【００７３】
システムおよび方法は、制御された電流密度で動作され得る。いくつかの実施形態では、電流密度を制御して、水素の生成を抑えながら生成物溶液を生成する。誘導水素生成に対応する電流密度は、他のパラメータによって異なる場合がある。一例では、大気圧で空気にさらされる例示的な供給流（ブライン）の場合、水素生成は約−２００Ａ／ｍ２の電流密度で開始する場合がある。対照的に、６．９ｂａｒで空気にさらされる同じ供給流では、約−２，２５０Ａ／ｍ２まで水素の生成が開始されない場合がある。したがって、供給物中の溶存酸素の圧力が高くなると、電流密度の大幅な変化がもたらされ、水素生成の開始前に生成可能な次亜塩素酸ナトリウムの量が増加し得る。同様に、供給流の流量または酸素化を増加させると、電気化学デバイスがより高い電流密度で動作できるようになるため、水素生成が始まる前により多くの生成物溶液を生成することができる。いくつかの実施形態では、電流密度は、水素の生成を抑えながら生成物溶液を生成するように最適化（即ち、増加）される。パラメータに応じて、電流密度は約−２００Ａ／ｍ２〜−３，０００Ａ／ｍ２の範囲であり得る。
【００７４】
高い線形流速で動作させることにより、電流を上昇させることができる。特定の理論に拘束されるものではないが、供給流の流量が増加すると、水素との反応により消費される酸素がフレッシュな供給物によって、より迅速に補充され得ると考えられている。したがって、供給流の流量を増やすと、電極がより高い電流密度で動作し、水素生成が始まる前により多くの生成物溶液を生成することができる。いくつかの実施形態では、酸素化の増加は、例えば、流量を増加させるか、または供給流中の酸化剤の利用可能度を増加させることにより、同様に電流を上昇させ得る。
【００７５】
アノード−カソードペア間の電流は、生成物溶液を生成するのに十分な電圧で印加され得る。一般的に、電気化学セルは、水素のすべての水素または実質的にすべての水素が、供給流によって供給される酸素と反応することを可能にする印加電流／印加電圧で動作するように設計され得る。いくつかの実施形態では、アノード−カソードペア間に印加される電流／電圧を制御して、遊離水素の生成を制限することができる。いくつかの実施形態では、電流および電圧は、電気センサーを用いて電極ペア間で測定することができる。例えば、ポテンシオスタットを使用して、電気パラメータを測定し、電流−電圧曲線を生成することができる。電気測定値に応じて、システムの任意の１つ以上のパラメータが調整され得る。例えば、それに応じて、印加電流と印加電圧を調整することができる。いくつかの実施形態では、電気パラメータの測定値に応じて、流量または供給組成（例えば、酸化剤濃度）を調整することができる。
【００７６】
さらに、供給流の総溶解固形分（ＴＤＳ）の変動は、その導電率に影響し得る。セルの電圧と導電率は反比例する。したがって、いくつかの実施形態では、電気化学セルの全体的な電力消費は、供給流中のＴＤＳ濃度を制御することにより制御することができる。供給流のＴＤＳ濃度は、海水、汽水、またはブラインを選択的に導入することによって制御され得る。供給流または生成流の導電率は、センサーで測定され得る。システムの任意の１つ以上のパラメータは、導電率の測定値に応じて調整され得る。いくつかの実施形態では、流量、供給組成、またはｐＨは、導電率の測定値に応じて調整され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤は、供給流中の酸化剤の飽和限界に到達するように過剰に投与され得る。前述のように、酸素の溶解度限界は、電気化学セル内での水素の生成および／または蓄積を排除するための課題となり得る。いくつかの実施形態では、供給流の圧力を増加させるか、または注入された酸化剤（例えば、酸素または空気）の圧力を増加させることにより、溶存酸素濃度を増加させることができる。酸素の過剰投与の量は、例えば、電気化学セル内のフロー条件または乱流、電気化学セル内の酸素の拡散性、動作電流、カソード面積などに依存し得る。
【００７７】
酸化剤は、大気圧よりも高い圧力下で注入され、大気圧下における溶液中の酸化剤の溶解度と比較して、供給流中またはプロセス溶液中の酸化剤の溶解度を増加させることができる。例えば、酸素、空気、および／または別の酸化剤は、約１ｂａｒゲージ〜約７ｂａｒゲージの高圧、約３ｂａｒゲージ〜約５ｂａｒゲージの高圧、または溶液に所望の量の酸化剤を導入するのに望ましい他の任意の圧力で、供給流中に導入され得る。いくつかの実施形態では、酸化剤は、酸素化供給物が電気化学セルに入るときに、電気化学セル内で微小気泡を形成し得る。酸素化水溶液に加えられる圧力は、酸化剤への導入中または酸化剤への暴露中に供給流に加えられる圧力と比較して低減され得る。
【００７８】
特定の実施形態によれば、分極および表面吸着などの電気化学反応を阻害する要因を制限または排除するために、電極はパルス波形で電力を印加することができる。パルス波形で電力を印加すると、電極表面上の分極が最小限に抑えられ、吸着による電極表面のブロッキングが緩和される場合がある。一般に、溶存酸素を低減させるためにカソードが用いられる場合、カソード表面がイオン種でブロックされるようになる場合がある。定電流を維持するには、対応する電圧の上昇が必要とされる。表面触媒作用部位が減少すると、電極の電流密度または電位が増加する可能性がある。
【００７９】
電極上の一時的な表面吸着ブロックは可逆的であり得る。いかなる特定の理論によっても拘束されることを望まないが、パルス波形の印加は、おそらく一時的な表面吸着ブロックに起因する消耗を克服できると考えられている。パルス波形は、電気分解反応に電子を供給し、分極、表面吸着、およびアクティブモードとパッシブモードの間でオシレーションを引き起こす他のプロセスに起因する電極表面の不活性化を回避する。いくつかの実施形態では、反応効率を改善するために非電気化学パルスを電気化学パルスと結合することにより、パルス波形を印加することができる。
【００８０】
パルスＤＣ波形を使用して、電気化学反応のための周期的な反応モードおよび緩和モードを提供することができる。例えば、パルス波形を印加して、定常状態のＤＣ動作中に電極を「アクティブ」状態と「非アクティブ化」状態とに、可逆的に交互にすることができる。パルス波形は、任意の電気化学反応に印加することができる。パルス波形は、任意の電極、触媒コーティングされた電極またはその他に印加することができる。パルス波形は、電気化学を使用して、不所望の副産物（例えば、水素）を生成する傾向がある化学物質、例えば次亜塩素酸塩を生成する場合に特に有益であり得る。触媒電極が溶液中の酸化還元分子と反応してＨ２ガスの生成を防ぐ場合に、パルス波形を印加することができる。
【００８１】
いくつかの実施形態では、アクティブ状態および非アクティブ化状態は、それぞれ印加電流の大きさの増加／減少を含み得る。アクティブ状態および非アクティブ化状態は、オン／オフモード動作を含み得る。アクティブ状態および非アクティブ化状態は、電流の反転を含むことができ、その結果、アノード電極とカソード電極は周期的に機能を反転させる。パルス波形で動作させることにより、電解セルはより低い電位で動作し得る。パルス波形の形状は限定されない。形状は、方形波、正弦波、三角波、または他の形状を含み得る。パルスは対称でも非対称でもよい。例えば、パルス形状は、ランダム波形生成の結果であり得る。パルス間のタイミングは、規則的または不規則的であり得る。
【００８２】
パルス波形は、水素の生成を制限しながら、溶存酸素の低減を最適化するように設計され得る。例えば、パルスは、水素が生成されると計算されるまで、または水素が検出されるまで、可能な限り長く実行されるように設計され得る。いくつかの実施形態では、電力は、５００秒未満、２００秒未満、または１００秒未満のパルスで印加される。例えば、電流は、パルスごとに約９０秒、約８０秒、約７０秒、約６０秒、約５０秒、約４０秒、約３０秒、約２０秒、または約１０秒の持続時間を有するパルスモードで実行され得る。さらに、そのようなパルス電源は、１．６ボルト未満、１．５ボルト未満、１．３ボルト未満、または１．０ボルト未満のカソード電位をもたらし得る。パルスタイミングおよびカソード電位の他の実施形態は、図１に提示されたデータから推定され得る。例えば、図１に示すように、電圧を対応するカソード電位に制限するために、０から５００秒の間続くパルスで電力を印加することができる。
【００８３】
電極の設計は、本明細書に記載される１つ以上のパラメータに影響を与え得る。いくつかの実施形態では、多孔質炭素ベース電極を使用することにより、溶存酸素濃度を増加させることができる。炭素ベース電極は、約１０ｍ２／ｇ未満の比表面積を有し得る。そのような電極を通過する電流密度は一般に低く、それぞれの合計電流密度は一般に５，０００Ａ／ｍ２未満である。いくつかの実施形態では、合計電流密度は４，０００Ａ／ｍ２未満、３，０００Ａ／ｍ２未満、２，０００Ａ／ｍ２未満、１，５００Ａ／ｍ２未満、または１，０００Ａ／ｍ２未満である。
【００８４】
いくつかの実施形態では、触媒を電極の表面上に組み込んで、水素の生成および／または蓄積を軽減することができる。触媒は、溶存酸素および生成された水素からの水の形成を促進するために使用され得る。典型的には、触媒は、水素ガスが生成されるカソードの表面上に組み込まれ得る。触媒は、白金系金属、貴金属、希土類金属、酸化物、またはそれらの組み合わせを含み得る。例示的な触媒には、希土類金属酸化物、例えばイリジウム酸化物およびルテニウム酸化物、ならびに他の混合金属酸化物（ＭＭＯ）が含まれる。触媒は、スズ、チタン、タンタル、またはアンチモンを含み得る。ＭＭＯは白金を含み得る。いくつかの実施形態では、コーティングは、電着または熱堆積によって堆積され得る。
【００８５】
多孔質炭素ベース電極は、白金触媒と組み合わせた場合、低い機械的強度、触媒不安定性、および電極ブロックを被る場合がある。いくつかの実施形態では、電極は非多孔質であり得る。例えば、電極は白金メッキされたチタン電極であり得る。幾何学的表面積を備えた白金メッキされたチタン電極は、上記の何れかのアプローチ、すなわち、供給流圧力もしくは酸化剤圧力の増加、高い線形流速での動作、またはパルス波形電源の適用と組み合わせることができる。
【００８６】
電極の表面積対体積比は、電極の厚さ、電極間の間隔、全体のセルサイズなどの要素を選択することで操作することができる。電極の組成および表面積は、極性の反転を可能とするように選択され得る。いくつかの実施形態では、アノードおよびカソードは実質的に等しい面積を有する。いくつかの実施形態では、アノードおよびカソードは共に触媒でコーティングされている。双方の電極の実質的に等しい面積および触媒組成は、アノードおよびカソードの互換性を促進し、スケーリングを緩和するために電極の極性反転を可能とする。
【００８７】
システムはまた、効率的なパルス電源を促進するように設計され得る。動作していないとき、または反対電位にあるときに、パルス発生中の非アクティブ化電極を回復させることができる。いくつかの実施形態では、本明細書で開示されるシステムは、各アノードおよびカソードに複数の電極を含み得る。動作中に、１つの電極がアクティブ化され、別の電極が非アクティブ化（即ち、動作のための回復）され得る。各電極のアクティブ状態および非アクティブ化状態は可逆的であり得る。パルス間に、以前に非アクティブ化された電極はアクティブ化され、以前にアクティブ化された電極は回復のために非アクティブ化され得る。
【００８８】
例示的な電気化学セル１００を図２に示す。電気化学セル１００は、ハウジング内に配置されたアノード１０２およびカソード１０３を含む。図２に示すように、電極は直列に配置され得る。いくつかの電気化学セルでは、電極は、図１５Ａ〜図１５Ｄの実施形態に示されるように、平行に配置され得る。電極は、直列のダイレクトフロー、分割フロー、合流フロー、またはこれらの組み合わせによって流体連通され得る。
【００８９】
別の例示的な電気化学セル２００を図１８に示す。電気化学セル２００は、電気塩素化セルであってもよい。電気化学セル２００は、第一チャンバー１２０、第一チャンバー１２０内に配置されたアノード１０２、第二チャンバー１３０、第二チャンバー１３０内に配置されたカソード１０３、およびイオン接続１４０を含む。第一チャンバーおよび第二のチャンバーのそれぞれは、入口および出口を有し得る。第一チャンバーおよび第二チャンバーは、互いに離れて配置され得る。いくつかの実施形態では、第一チャンバーおよび第二チャンバーはハウジング内に配置される。他の実施形態では、第一チャンバーと第二チャンバーは、それぞれ別個のハウジング内に配置される。別々のハウジングは、例えば、チャンバーに異なる液体電解質（海水、ブライン、汽水など）を充填する場合に、チャンバーを離れて設置するのを容易にし得る。第一チャンバーおよび第二チャンバーは、流体的に連続していてもよく、またはそれぞれの液体電解質が混合しないように構築および配置されてもよい。
【００９０】
いくつかの実施形態では、イオン接続は、選択的にイオンの通過を可能にするように構築および配置され、第一チャンバー内の液体電解質が第二チャンバー内の液体電解質と混合するのを防ぐ。イオン接続は、例えば、チャネル、塩橋、またはイオン透過性膜を含み得る。いくつかの実施形態では、イオン透過膜は、一価イオンを選択的に透過する。
【００９１】
いくつかの実施形態では、第一チャンバーの液体電解質、第二チャンバーの液体電解質、またはその双方は海水を含み得る。通常、電極間の分離距離が増加すると、面積および経路長の増加に比例する電気抵抗が電気化学セルの設計における主要な懸念点となる。しかしながら、海水処理システムでは、海水の導電率（約５Ｓ／ｍ）と海水の高い塩度（塩度約３〜５％、大部分はＮａＣｌ）のため、電気抵抗は他の電気化学セルほど大きな懸念ではないかもしれない。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される海水処理電気塩素化セルは、チャネルの面積あたりの抵抗または膜の面積あたりの抵抗が１０．０Ω／ｍｍ２未満であり得る。面積あたりの抵抗は、１．０Ω／ｍｍ２未満、０．１Ω／ｍｍ２未満、または０．０１Ω／ｍｍ２未満であり得る。本明細書に開示される海水処理電気塩素化セルは、チャネルの直径あたりの抵抗または膜の直径あたりの抵抗が１．０Ω／ｍｍ未満であり得る。直径あたりの抵抗は、０．１Ω／ｍｍ未満、０．０１Ω／ｍｍ未満、または０．００１Ω／ｍｍ未満であり得る。
【００９２】
第一チャンバー１２０および第二チャンバー１３０は、図１７Ａに示されるように、直列に配置され得る。液体電解質の共通のフローは、任意の方向に生じ得る。第一チャンバー１２０と第二チャンバー１３０との間のチャネルの長さは、約５ｍｍ超、約１０ｍｍ超、約５０ｍｍ超、約１００ｍｍ超、約５００ｍｍ超、または約１，０００ｍｍ超であり得る。チャネルの長さは、電極の長さの少なくとも約２０％であり得る。例えば、チャネルの長さは、電極の長さの少なくとも約２０％、約２５％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約７５％、約８０％、約９０％、または約１００％であり得る。いくつかの実施形態では、チャネルの長さは、電極のチャネルの長さと同等であるか、または電極のチャネルの長さより長い場合がある。チャネルの長さは、電極の長さの少なくとも１００％、２００％、３００％、４００％、または５００％であり得る。
【００９３】
代替的に、第一チャンバー１２０および第二チャンバー１３０は、図１７Ｂおよび図１５Ａに示されるように、平行に配置され得る。各チャンバーの入口および出口は、図１５Ｂ〜図１５Ｄに示されるように、分割または合流し得る。特に、共有電解質チャネルは、第一チャンバーの入口および出口の少なくとも一方と流体連通される第一チャネルと、第二チャンバーの入口および出口の少なくとも一方と流体連通される第二チャネルとに分割され得る。共有電解質チャネルは、第一端部で水溶液供給源に流体連通され得るか、または他端部で使用点に流体連通され得る。
【００９４】
第一チャンバーおよび第二チャンバー（１２０、１３０）のそれぞれは、液体電解質が再循環されないように、シングルパスチャンバーであり得る。他の実施形態では、電気化学セルは再循環チャネル１５０を含み得る。再循環チャネル１５０は、液体電解質を再循環させるために、同じチャンバーの出口と入口との間に延び得る。いくつかの実施形態では、再循環チャネル１５０は、再循環チャネル１５０から流体を引き出すための出口１５５を含み得る。出口１５５は、再循環流の生成物を抜き取るために、例えば試験のため、または再循環流を希釈するために使用され得る。
【００９５】
第一チャンバーおよび第二チャンバーは、異なる水溶液供給源と流体連通し得る。異なる水溶液供給源は、一般に異なる組成を有し得る。いくつかの実施形態では、異なる水溶液供給源は、異なる塩度、異なる導電率、またはその双方を有し得る。例えば、海水からＮａＯＣｌを生成するシステムでは、第一チャンバーにブラインを供給する一方で、第二チャンバー（カソードチャンバー）に海水を供給することができる。そのような実施形態では、イオン結合は一価選択的であり得る。交互の海水とブラインの構成は、二価イオンが第二チャンバーに移動するのを防ぎ、沈殿物の形成を増加させ得る。追加的または代替的に、第一チャンバーは液体電解質を再循環するように構築および配置され、第二チャンバーはシングルパスチャンバーであるように構築および配置され得る。更に別の構成では、酸化剤が、水素ガスの形成を制御するために第二チャンバーに導入され得る。いくつかの実施形態では、溶存酸素濃度は、第二チャンバー内で増加し、第一チャンバー内で減少し得る。
【００９６】
本明細書に記載のシステムおよび方法で使用する電気化学セルには、同心管電極（ＣＴＥ）、フラット電極（例えば、平行に配置されたプレート電気塩素化（ＰＰＥ）セル）、螺旋状に巻かれた電極、放射状に配置された電極、またはインターリーブ電極が含まれる。電気化学セルは、シングルパスデバイスまたはマルチパスデバイスであり得る。電極は、例えばチタン、タンタル、またはニオブなどのバルブ金属基板を含み得る。電極は剛性の金属電極であり得る。電極は、押し出しによって形成され得る。電極は、金属薄板を曲げることにより、例えば、金属薄板自体を折り重ねることにより形成され得る。電極は、ガス拡散電極、例えば、多孔質ガス拡散電極であり得る。例示的な電気化学セルは、国際出願公開番号第２０１７／０４９０５２号に更に詳細に記載されており、当該出願公開はあらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される。
【００９７】
電極は単極または双極であり得る。電極は、電流が電極間を１回通過するように配置され得る。電流がアノードからカソードに流れる場合がある。あるいは、電極は、電流がデバイスを複数回通過するように配置され得る。そのようなデバイスは、外部電極および内部電極を含み得る。いくつかの実施形態では、外部電極の１つは、アノードとして機能するように内面にコーティングされている。他の電極はコーティングされていないか、またはコーティングされている場合がある（例えば、極性の反転を可能にするために）。いくつかの実施形態では、内部電極は、当該内部電極の外面の一部がコーティングされ、残りの部分がコーティングされ得るように、双極電極であってもよい。例示的な実施形態では、電流はコーティング外部電極から内部電極の非コーティング部分に電解質を通って流れ、内部電極に沿ってコーティング部分に流れ、最後に電解質を横切って非コーティング外部電極に流れ得る。
【００９８】
いくつかの実施形態では、複数の外側電極と１つの内部電極を備えたデバイスを通る複数のパスで電流が流れるように、電極は配置され得る。コーティング外部電極と非コーティング外部電極を交互に配置し、一致する間隔で内部電極をコーティングすることにより、電流が複数のパスで電解質を通って前後に流れることができる。いくつかの実施形態では、極性反転を可能にするために、外部電極と内部電極がコーティングされる。複数のパスを許可することにより、印加電流を比例的に増加させることなく、消毒剤（次亜塩素酸ナトリウムなど）の全体的な生成速度を増加させることができる。電流を増やすには、ＤＣ電源から電気塩素化セルへのより大きなワイヤまたはバスバー、セル上のより大きな電気コネクタ、および電極用のより厚いチタンが必要である。
【００９９】
同じ電流に対して、マルチパスデバイスはシングルパスセルよりも高い生成速度を達成し得る。ただし、マルチパスデバイスの場合、全体的な電圧降下はより大きくなり、パス回数にほぼ比例する場合がある。同じ生成速度の場合、マルチパスセルには、パス回数にほぼ反比例する低い電流が必要になる場合がある。さらに、同じ出力（ｋＷ）の場合、電源コストは出力電圧よりも出力電流の影響をより受けやすいため、マルチパスセルが有利になる。
【０１００】
いくつかの実施形態では、システムは、平行に配置された電極のセットを含み得る。電極のセットは電気的に並列に接続され、１セットはＤＣ電源からのプラスの出力に接続され、もう１セットはマイナスの出力に接続され得る。いくつかの実施形態では、その間の電極は双極であり得る。各電極の両側が電解質溶液にさらされ、したがって電極反応に関与するように配置される場合、フラット電極のセットは、デバイスの単位体積あたりの活性電極面積のより高い充填密度を可能にし得る。よりタイトなパッキングおよび複数パスは、より大きな圧力低下をもたらす場合がある。
【０１０１】
電極は、電極を外部環境から電気的に絶縁し、電気化学セルを通過する電解質の流体圧力に耐えるように設計されたハウジング内に収容され得る。ハウジングは、円筒形または実質的に円筒形の容器であり得る。ハウジングは、非導電性であり、電解質溶液に対して化学的に非反応性であり、システムの圧力に耐えるのに十分な強度を有し得る。例えば、ハウジングは、必要に応じて、圧力下での酸化剤の注入に適合するように、最大１０ｂａｒゲージまたは最大１６ｂａｒゲージに耐えるように設計され得る。いくつかの実施形態では、固体コア、中心コア要素、または流体が中心を流れ落ちて電極間のギャップをバイパスすることを抑制する流体フローディレクタが提供され得る。アノードとカソードの間にスペーサを設けて、一定の間隔を維持することができる。酸素が、例えばセル内の電気塩素化反応により生成された水素と結合して水を生成し得るように、中心ガス導管が酸素送達のために提供され得る。セル内で処理中の電解質などの流体は、ハウジング内の流体チャネルを通って流れる。例えば、流体は、電気化学セルの中心縦軸に平行な、または少なくとも実質的に平行な方向に向けられ得る。
【０１０２】
複数のアノード電極またはカソード電極を含む本明細書に開示される実施形態では、複数のアノード電極は集合的にアノードまたはアノード管と呼ばれ、複数のカソード電極は集合的にカソードまたはカソード管と呼ばれる場合がある。複数のアノード電極および／または複数のカソード電極を含む実施形態では、複数のアノード電極および／または複数のカソード電極は、本明細書では集合的にアノード−カソードペアと呼ばれる場合がある。
【０１０３】
電気的接続は、電極と同じ材料、例えばチタンで形成され得る１つ以上の導電性ブリッジによって電極ペア間で行われ得る。電気化学セルは、流体チャネルによってカソードから分離された複数のアノードを含み得る。電気化学反応および化学反応は、電極の表面およびバルク溶液中で発生し、生成物溶液、例えば消毒用の次亜塩素酸ナトリウムを生成する。
【０１０４】
螺旋状に巻かれた電極、同心電極、放射状に配置され電極、インターリーブ電極を含む電気化学セルは、国際出願公開番号第２０１６／１３３９８５号に更に詳細に記載されており、それらはあらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される。
【０１０５】
特定の態様によれば、電気化学システムが提供される。電気化学システムは、電気塩素化システム、または化学反応から電気エネルギーを生成するか、または電気エネルギーの導入により化学反応を促進することができる他の電気化学システムであり得る。電気化学システムは、電気化学セル、水溶液供給源、１つ以上のセンサー、およびコントローラを含み得る。
【０１０６】
電気化学システムの例示的な一実施形態が図３に示され、概して８００で示されている。図３において、要素１０００は、水溶液から生成化合物を生成するための電気化学セルを表す。いくつかの実施形態では、生成化合物は、塩素系化合物、例えば消毒剤を含む。生成化合物は過酸化水素を含み得る。いくつかの実施形態では、水溶液は塩化物含有水溶液を含む。水溶液は、処理用の水、例えば海水、ブライン、または汽水などの食塩水溶液を含み得る。
【０１０７】
電気化学セル１０００は、上記で開示された電気化学セルの実施形態のいずれかに類似していてもよい。電気化学セル１０００のハウジング１００５は、入口１０１０および出口１０１５を含む。様々な開示された電気化学セルを参照して上述されたようなアノード−カソードペアは、ハウジング１００５内に配置される。水溶液供給源９００は、電気化学セル１０００の入口１０１０に流体接続可能な（および、動作中に流体接続される）出口９０５を含む。
【０１０８】
酸化剤供給源８０５は、電気化学セル１０００の入口１０１０の上流の水溶液供給源９００に流体接続可能である（および、動作中に流体接続される）。酸化剤供給源８０５は、直接的に、水溶液供給源９００に流体接続可能であるかまたは流体接続され、あるいは酸化剤供給源８０５は、水溶液供給源９００と電気化学セル１０００の入口１０１０との間に流体接続可能または接続された導管８１５内の注入点８１０に流体接続可能であるかまたは流体接続され得る。電気化学セル１０００の出口１０１５は、例えば導管８２０を介して、貯蔵タンクまたは使用点１１００に流体接続可能である（および、動作中に流体接続される）。
【０１０９】
様々なポンプをシステム８００の一部に含めて、含まれる様々な水溶液のフローを引き起こすことができるが、明確にするために図示していない。システム８００の一部の様々な動作パラメータおよび関係する様々な水溶液の様々な動作パラメータを測定し得る様々なセンサーも存在し得るが、明確にするために図３からは省略されている。
【０１１０】
動作中、水溶液は、水溶液供給源９００から導管８１５を通って電気化学セル１０００の入口１０１０に流れ込むことができる。酸化剤供給源８０５由来の酸化剤は水溶液中に導入され得る。酸化剤供給源８０５由来の酸化剤は、水溶液供給源９００および／または電気化学セル１０００の上流の導管８１５に直接的に導入され、そこで電気化学セル１０００に流れる水溶液と混合する。電気化学セル１０００では、生成物溶液が水溶液から生成される。生成物溶液は、出口１０１５を通って電気化学セル１０００から流れ出て、導管８２０を通って貯蔵タンクまたは使用点１１００に流れる。
【０１１１】
酸化剤供給源８０５は、空気または純酸素などの気体酸化剤を、水溶液、例えば水または水溶液に混合するシステムを含み得る。酸化剤供給源８０５は、例えば、導管９１０を介して、または導管８１５からの分岐を介して、水溶液供給源９００から酸化剤が添加される水溶液を受け取ることができる。酸化剤供給源８０５は、例えば、溶存空気浮遊ポンプ、微細気泡管状ディフューザー、曝気容器、混合容器、ベンチュリ、または電気化学セルの上流で酸化剤を水溶液と混合するように構成された別の形態の酸化システムを含み得る。いくつかの実施形態では、図４に示されるように、酸化剤供給源８０５は、導管８１５内にインラインであり得る。いくつかの実施形態では、酸化剤供給源は、電気化学セル１０００の生成物を酸化剤として再循環するように構成された導管８３５を含み得る。
【０１１２】
別の実施形態では、電気化学セル１０００は、図５に示すように、入口１０１０と出口１０１５との間のハウジング１００５内に１つ以上の酸化剤注入点８２５を更に含む。酸化剤注入点８２５は、ハウジング１００５の長さに沿って実質的に均等に間隔を空けられ得る。これらの追加の酸化剤注入点８２５は、所望の程度および所望の場合にのみ、追加の酸化剤を電気化学セル１０００に導入することができる。例えば、酸化剤が空気または酸素などのガスを含む場合、それが気泡として溶液から出て、電気化学セル１０００内のアノードまたはカソードの一部を遮蔽し、生成物を生成するために利用可能な電極面積を減少させるので、電気化学セル１０００の入口１０１０に過剰な酸化剤を導入することは望ましくない場合がある。
【０１１３】
複数の酸化剤注入点８２５を含めることにより、電気化学セルの長さ全体にわたって水素と反応するのに望まれる量よりも少ない量の酸化剤を入口１０１０に導入することができる。追加の酸化剤を追加の酸化剤注入点８２５で導入して、電気化学セル１０００内の水素との反応を介して入口１０１０から導入された酸化剤の損失を補うことができる。ハウジング１００５内の複数の酸化剤注入点８２５の使用は、電気化学セル１０００の長さに沿って酸化剤の実質的に均一な濃度を維持することを促進し得る。ハウジング１００５内の複数の酸化剤注入点８２５の使用は、例えば、電気化学セル１０００内の低乱流および少量の混合あるいは流体フローの低レイノルズ数のために入口１０１０を通して導入される酸化剤が到達しないかもしれない電気化学セル１０００内の所望の領域への酸化剤の送達を促進し得る。
【０１１４】
使用点１１００は、船上システム、掘削プラットフォームシステム、アクアティックシステム（例えば、スイミングプールまたは噴水）、飲料水システム、または石油掘削システムのダウンホールを含み得る。使用点１１００は、船舶もしくは海上プラットフォームの冷却水システム、または船舶のバラストタンクを含み得る。
【０１１５】
例示的な電気化学システムの別の実施形態が図６に示され、概して１２００で示されている。システム１２００は、上記で開示された電気化学セルの実施形態のいずれかに類似し得る電気化学セル１０００を含む。酸化剤供給源または酸化システム８０５は、電気化学セル１０００の上流の導管８１５内に配置され得る。水溶液供給源９００は、タンクとして示されている。使用点１１００は、電気化学セル１０００の下流に配置され得る。保持タンクまたは貯蔵タンク１１０５は、電気化学セル１０００と使用点１１００との間に配置され得、電気化学セル１０００で生成された所望の量の生成物を使用点１１００に投与するように開閉または調節できるバルブ（数字のラベルなし）によって、使用点１１００に接続され得る。
【０１１６】
様々なポンプがシステムを通る流体のフローを制御することができる。１つ以上のセンサーが、システムを流れる流体の１つ以上のパラメータ、例えば、１つ以上の電気化学システムの電気化学セルに導入される水溶液、電気化学セルの内部の流体、使用点の液体、または電気化学セル内で生成または産生された生成物溶液の１つ以上のパラメータをモニターすることができる。これらのパラメータには、例えば、流量、イオン濃度、塩素濃度、酸素濃度、水素濃度、ｐＨ、電気パラメータ、温度、酸素還元電位（ＯＲＰ）、またはその他の関心のあるパラメータが含まれ得る。追加のセンサーが、電気化学セル自体のパラメータ、例えば、電気化学セル内のアノード−カソードペア間の電流および／または電圧、電気化学セルの温度もしくは電気化学セル内の温度、または電気化学セルを通る電解質の流量をモニターすることができる。
【０１１７】
ポンプおよびセンサーは制御システムまたはコントローラと通信することができ、当該制御システムまたはコントローラはセンサーおよびポンプと通信し、ポンプおよびシステムの他の要素の動作を制御して、所望の動作パラメータを達成する。
【０１１８】
本明細書に開示される電気化学システムの様々な動作パラメータは、電気化学システムの異なる部分に位置する様々なセンサーによって測定される様々なパラメータに基づいて、関連する制御システムまたはコントローラによって制御または調整され得る。コントローラは、水溶液の流量、水溶液中の塩化物の濃度、または電気化学セル内で生成された生成物溶液の使用点における液体の酸化還元電位のうちの少なくとも１つに基づいて、システムの電気化学セルに導入される水溶液への酸化剤の導入を調整するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電気化学セル内で生成された生成物化合物の濃度に少なくとも基づいて、水溶液への酸化剤の導入を調節するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電気化学セルのハウジングの出口に流体接続可能な使用点における液体の酸化還元電位に少なくとも基づいて、電気化学セル内で生成される生成化合物の濃度を調整するように更に構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、電気化学セルの動作中に水素ガスの形成を抑制するのに十分な量で酸化剤を水溶液に導入するように構成され得る。
【０１１９】
コントローラは、電気化学セル内の温度、水溶液のｐＨ、電気化学セル内で生成された生成物溶液のｐＨ、水溶液もしくは生成物溶液の流量、水溶液もしくは生成物溶液のＯＲＰ、またはアノードとカソードの間に印加された電流もしくは電圧の少なくとも１つに基づいて、水溶液への酸化剤の導入または電気化学セルへの水溶液の導入を調節するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電気化学セル内に存在する気体水素の量、水溶液中に溶解した水素の濃度、水溶液中に溶解した酸素の濃度、または電気化学セル内で生成された生成物溶液中に溶解した酸素の濃度の少なくとも１つに基づいて、溶液への酸化剤の導入または電気化学セルへの水溶液の導入を調節するようにプログラムまたは構成され得る。
【０１２０】
コントローラは、水溶液の流量または水溶液への酸化剤の導入速度に基づいて、アノード−カソードペア間に流れる電流を調整するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、アノードとカソードの極性を反転させ、電気化学セル内での水素ガス発生を低減、抑制、または抑制するようにプログラムまたは構成され得る。例えば、コントローラは、アノード−カソードペア間で測定された電圧または所定の閾値を超える溶存水素濃度に応答して、電極の極性を反転するようにプログラムまたは構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、アノードとカソードの極性を反転させ、電気化学セル内での水素ガスの生成を抑制するようにプログラムまたは構成され得る。
【０１２１】
コントローラは、本明細書に開示されるように、電流がパルス波形で印加されるようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電極によって印加される電流を変化、変更、または調整するように構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、電流パルスの持続時間を調整するように構成される。コントローラは、追加的または代替的に、パルス電流の発生率を調整することができる。パルスの持続時間および／または発生率は、規則的または不規則な間隔で（例えば、必要に応じて、またはセンサーによって必要と判断されたときに）生じる場合がある。コントローラは、アノードとカソードの間に印加される電圧を調整することができる。コントローラは、水溶液の電気化学セルへの流量、アノードとカソードの間で測定される電圧、または生成物溶液中の水素ガス濃度に応じて、印加電流、印加電圧、またはパルス波形を調整するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、少なくとも１つのプロセス溶液の流量、ｐＨ測定、温度測定、または酸化還元電位に応じて、印加電流、印加電圧、電極の極性、またはパルス波形を調整するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、少なくとも１つのプロセス溶液の溶存酸素濃度または溶存水素濃度に応じて、印加電流、印加電圧、電極の極性、またはパルス波形を調整するようにプログラムまたは構成され得る。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、コントローラは、パルス波形で電流を印加して、水素ガスの生成または蓄積を低減、抑制、または抑制するようにプログラムまたは構成され得る。例えば、コントローラは、電気化学セルの動作中に水素ガスの生成を引き起こすのに十分な所定の閾値を超える水素ガス濃度に応答してパルス波形で電流を印加するようにプログラムまたは構成され得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、パルス波形で電流を印加して、電気化学セル内の実質的にすべての水素ガスの蓄積を抑制するようにプログラムまたは構成され得る。
【０１２３】
コントローラは、電気化学セル内での水素ガスの生成を防ぐのに十分な印加電流、印加電圧、電極の極性、またはパルス波形を調整するようにプログラムまたは構成され得る。印加電流、印加電圧、電極の極性、またはパルス波形は、例えば、電気化学セル内のフロー状態または乱流、電気化学セル内の酸素の拡散性、動作電流、カソード面積などに依存し得る。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、コントローラは、電気化学セル内での水素ガスの生成を防ぐのに十分な量で水溶液の１つ以上の条件を調整するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電気化学セル内で生成される生成化合物の量とほぼ化学量論的な量で利用可能な酸化剤が提供されるように、水溶液の流量または組成を調整するようにプログラムまたは構成され得る。水溶液の調整は、例えば、電気化学セル内のフロー状態または乱流、電気化学セル内の酸素の拡散性、動作電流、カソード面積などに依存し得る。水溶液の組成は、１つ以上の化合物、例えばｐＨ調整剤または酸化剤を投与することにより調製することができる。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、コントローラはさらに、電気化学セル内での水素ガスの発生を防ぐのに十分な量の酸化剤を水溶液中に導入するようにプログラムまたは構成され得る。コントローラは、電気化学セルで生成される生成化合物の量とほぼ化学量論的な量で酸化剤を水溶液中に導入するように、そして動作中にカソードで水素が生成されないように電気化学セルのカソードにおいて十分な酸化剤を利用可能にするために化学量論的量を超える酸化剤を潜在的に過剰投与するようにプログラムまたは構成され得る。酸素の過剰投与の量は、例えば、電気化学セル内のフロー状態または乱流、電気化学セル内の酸素の拡散性、動作電流、カソード面積などに依存し得る。コントローラは、電気化学セル内の実質的にすべての遊離水素が酸化されるのに十分な量で、酸化剤を水溶液中に導入するようにプログラムまたは構成され得る。
【０１２６】
一般に、コントローラは、水素ガスの発生を制限または抑制するための任意の変更を行うようにプログラムされ得る。ＩＶ曲線において、電圧の変化は水素ガスの発生を示す場合がある。したがって、コントローラは、水素ガスの生成を示す電圧（または所定の閾値電圧）を水素ガスの生成を示す限界以下に維持する条件を制御するように作動され得る。水素ガスの生成は一般に、温度、ｐＨ、ＯＲＰ、溶存酸素濃度、溶存水素濃度などの条件に依存するため、これらのパラメータのいずれか１つ以上は、システム内での水素ガスの生成が制限されているか、または生成されていないことを示す所定の範囲内に維持されるように制御され得る。
【０１２７】
システムの様々な要素の動作をモニターおよび制御するためのコントローラは、コンピューター制御システムを含み得る。コントローラからの指示に応じて動作するように構成された出力デバイスは、水溶液（例えば、ブライン、汽水、または海水）を供給源から電気化学システムに導入するために、および／またはポンプの速度を制御するために利用できるバルブ、ポンプ、またはスイッチを備えていてもよい。１つ以上のセンサーがコントローラに入力を提供することもある。これらのセンサーは、例えば、圧力センサー、化学物質濃度センサー、温度センサー、またはシステムにとって関心のある他のパラメータのためのセンサーであり得るセンサーを含むことができる。これらのセンサーは、システムの任意の部分（そこで有用である限りにおいて）、例えば、生成物溶液と流体連通する使用点の上流、電気化学セル内またはアノードもしくはカソードに近接した溶液と流体連通する部分、および／または水溶液供給源と流体連通している電気化学セルの入口の上流、に配置され得る。さらに、コントローラは、開示された相互接続メカニズムに加えて、またはその代替として、コントローラを通信ネットワークに接続する１つ以上のインターフェース（図示せず）を含み得る。
【０１２８】
再び図６に示される例示的なシステムを参照すると、システム１２００は複数のセンサーＳ１〜Ｓ６を含むことができ、複数のセンサーＳ１〜Ｓ６は該センサーからのデータに基づいてシステム１２００の構成要素の動作パラメータを調整し得る制御システムまたはコントローラ２０００にデータを供給することができる。
【０１２９】
センサーは、水素ガス濃度を測定するためのセンサーを含み得る。水素ガスを測定するセンサーは、生成物溶液と流体連通していてもよい。例えば、センサーは、水素ガスが生成される傾向があるカソードの下流にあってもよい。いつ水素ガスが危険な閾値濃度まで蓄積したかを決定するために、センサーが提供され得る。水素ガス濃度を測定するためのセンサーを使用して、所定の閾値を超える２価の硬度濃度に応じた、電極の極性の反転、印加電流もしくは印加電圧の変更（例えば、パルス波形の印加）、または水溶液もしくは酸化剤の導入速度の変更のために使用され得るデータをコントローラに提供することができる。
【０１３０】
センサーは、熱交換器の制御用フィードバックを提供することができる熱交換器１２１０の下流の温度センサーＳ１と、アノードとカソードの極性の反転、パルス波形の電流の修正もしくは印加、電気化学セルへの水溶液の導入速度の調整、水溶液への酸化剤の投与量の調整、または温度測定に応じて実行されるその他のアクションのためにコントローラが使用し得るデータを提供するために使用することができる電気化学セル１０００内もしくは電気化学セル１０００上にある温度センサーＳ１、を含み得る。システムは、追加的または代替的に、使用点１１００内または使用点１１００上に温度センサーＳ１を含むことができ、該温度センサーＳ１は使用点１１００中にいつ、どれだけの生成物を投入すべきかを決定するために使用され得るフィードバックをコントローラに提供することができる。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、ｐＨセンサーＳ２は、電気化学セル１０００の上流および／または下流に提供される場合があり、ｐＨ調整システム１２０５の動作を調整して電気化学セル１０００に入る水溶液および／または電気化学セル１０００から出る生成物溶液のｐＨを所望の範囲内に維持するために使用され得るコントローラにフィードバックを提供することができる。例えば、ｐＨ調整システム１２０５は、電気化学セル１０００に入る水溶液のｐＨを約４〜約１０に維持するように動作され得る。アノードおよびカソードの極性の反転、パルス波形の電流の修正もしくは印加、電気化学セル内への水溶液の導入速度の調整、水溶液中への酸化剤の投与量の調整、またはｐＨ測定に応じて実行され得るその他のアクションのためにコントローラが使用し得るデータを、ｐＨセンサーＳ２を使用して提供することができる。
【０１３２】
システム１２００は、ｐＨ調整剤の供給源（例えば、鉱酸またはＮａＯＨなどの腐食剤）および熱交換器１２１０を含むｐＨ調整システム１２０５を含み得る。ｐＨ調整システム１２０５は、水溶液のｐＨを、電気化学セル１０００内における所望の生成物の種を生成するための反応を有利にするｐＨ、電気化学セル１０００内での水素ガスの形成が抑制されるほど十分に高いｐＨ、および／または電気化学セル１０００内の水溶液からのマグネシウムの沈殿が抑制されるほど十分に低いｐＨ、に調整することができる。ｐＨ調整システム１２０５は、水溶液のｐＨを、例えば、約２〜約１４の間、または約７〜約１０の間のｐＨに調整することができる。水溶液の温度を電気化学セル１０００内で所望の反応動力学が得られる温度に調整し、かつ／または水溶液中の酸素または水素の溶解度を調整するために、熱交換器が使用され得る。
【０１３３】
溶存酸素センサーＳ３を使用して、水溶液中の溶存酸素レベルを測定することができる。溶存水素センサーＳ３を使用して、水溶液中の溶存水素レベルを測定することができる。溶存酸素センサーまたは溶存水素センサーは、システムの電極または製品溶液中の酸素または水素を測定することができる。コントローラは、水溶液中の溶存酸素レベルまたは溶存水素レベルの表示を利用して、酸化剤供給源または酸化システム８０５を制御し、電気化学セル内に導入される水溶液中の溶存酸素レベルを所望の範囲内に維持することができる。コントローラは、生成物溶液中の溶存酸素レベルまたは溶存水素レベルの表示を利用して、酸化剤供給源または酸化システム８０５を制御し、電気化学セル内に導入される水溶液中の溶存酸素レベルを所望の範囲内に維持することができる。
【０１３４】
フローセンサーＳ４は、生成物溶液の流量データをコントローラに提供し、該コントローラは、ポンプＰの動作、酸化剤供給源もしくは酸化システム８０５の動作、および／または電気化学セル１０００のアノード−カソードペア間に印加される電流もしくは電圧の動作を制御するために、このデータを使用し得る。いくつかの実施形態では、フローセンサーは、水溶液の流量データをコントローラに提供することができる。
【０１３５】
電気メーターＳ５、例えばポテンシオスタットを使用して、電気パラメータを測定し、かつ／または水溶液もしくは生成物溶液の電流−電圧曲線を生成することができ、それらは電気化学セルが所望の範囲内で動作しているかどうかについての情報を得るために使用され得る。いくつかの実施形態では、所望の範囲は、電気化学セル内で水素ガスが生成されないように二価の硬度濃度が所定の閾値を下回る範囲である。いくつかの実施形態では、所望の範囲は、電気化学セル内の実質的にすべての水素が水溶液中に供給される酸素と反応している範囲である。電気メーターＳ５からのデータは、ポンプＰの動作、酸化剤供給源もしくは酸化システム８０５の動作、および／または電気化学セル１０００のアノード−カソードペア間に印加される電流もしくは電圧の動作を制御するためにコントローラによって使用され得る。電気メーターＳ５からのデータは、アノードとカソードの極性を反転させるか、パルス波形の電流を修正または印加するために、コントローラによって使用され得る。
【０１３６】
使用点１１００における液体のＯＲＰの読み取り値を取得するために、酸化還元電位（ＯＲＰ）メーターＳ６が提供され得、当該読み取り値は使用点１１００にいつ、どの程度の生成物溶液を投入するかを決定するためにコントローラによって使用され得る。いくつかの実施形態では、生成物溶液のＯＲＰの読み取り値を取得するために、酸化還元電位（ＯＲＰ）メーターが提供され得、当該読み取り値は電気化学セルへの水溶液の導入速度を調節するためにコントローラによって使用され得る。
【０１３７】
システム１２００は、生成物溶液から残留水素を除去するために使用され得るガス分離カラム１２１５を更に含んでいてもよい。生成物溶液のサンプリングおよび／または追加センサーもしくは代替センサー（例えば、生成物溶液中の塩素レベル、酸素レベル、または水素レベルを測定するセンサー）の追加を可能にするために、ブレイクアウトループ１２２０が提供され得る。
【０１３８】
システム１２００の様々な構成要素は、互いに一列に連続的に繰り返され得る。例えば、システム１２００は、熱交換１２１０、ｐＨ調整システム１２０５、酸化剤源または酸化システム８０５、電気化学セル１０００、および場合によっては互いに一列に連続的に配置されたポンプＰを含む複数の反復サブシステムを有し得る。
【０１３９】
電気化学システムの別の実施形態は、概して、図７において１３００で示されている。システム１３００は、図６のシステム１２００と同様の構成要素を含み、それらは同一の符号が付されている。システム１３００は「フィード＆ブリード（ｆｅｅｄ  ＆  ｂｌｅｅｄ）」システムであり、システム１２００は「ワンススルー（ｏｎｃｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ）」タイプのシステムである点で、システム１３００はシステム１２００と異なる。システム１３００では、電気化学セル１０００によって生成された生成物溶液は、貯蔵タンク１１０５および／または使用点１１００に何らかの生成物溶液を出力することが望まれるまでループＬの周りを循環する。ループＬから生成物溶液が除去されると、またはループＬから生成物溶液が除去された後、追加の水溶液が水溶液供給源９００からループＬに導入され得る。
【０１４０】
本明細書に開示される電気化学セルおよび電気化学デバイス、ならびに電気塩素化セルおよび電気塩素化デバイスは、より大きなシステムの一部として含まれていてもよい。いくつかの実施形態では、システムは、例えば船舶または石油掘削装置などの海上システムであり、他の実施形態では、例えば発電所、石油掘削施設もしくは石油掘削施設システム、または他の工業施設などの陸上の建物である。他の実施形態では、システムは、該システム内の電気化学デバイスの１つ以上の生成物、例えば、水を処理または消毒するための消毒剤を使用する、スイミングプール、または飲料水、廃水もしくは工業用水の処理プロセス用の処理システムであってもよく、あるいはそれらを含んでいてもよい。
【０１４１】
そのようなシステムは、システムの外部供給源および／または内部供給源から処理液または電解質を引き出すことができ、当該処理液または電解質は、いくつかの実施形態では海水、汽水、またはブラインである。例えば、システムが海上システムである場合、外部供給源は海洋であり得、内部供給源は例えば船のバラストタンクであり得る。陸上システムでは、外部供給源は海洋であり得、内部供給源はシステムで実行される工業プロセスからの汽水廃水であり得る。
【０１４２】
１つ以上の電気化学システムは水溶液から、生成物溶液、例えば、塩素化水および／または次亜塩素酸ナトリウムを含む溶液を生成し、それを使用点に分配することができる。使用点は、システムの冷却水の供給源、船舶のバラストタンクの消毒剤の供給源、石油掘削システムのダウンホール、または塩素ベースの消毒液が有用であり得るその他のシステムであり得る。
【実施例】
【０１４３】
上記の実施形態および本発明の他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からさらに理解することができ、以下の実施例は本発明の１つ以上のシステムおよび技術の利益および／または利点をさらに説明するが、本発明の全範囲を例示するものではない。
【０１４４】
（実施例１）
印加電圧の経時変化
本明細書に開示されるように、電気化学セルを稼働させた。具体的には、酸素ガスで１００ｐｓｉに飽和させた３．５％ＮａＣｌ溶液に直流電流を印加した。図１に示すように、電圧は５００秒以内に１．６ボルトに増加した。溶液から発生した水素ガスが検出された。
図１に示すように、直流電流が２００秒以下の持続時間のパルスとして印加される場合、カソード電位は−１．５ボルト以内に制限される。１００秒以下では、電位は−１．３ボルト未満に制限される。５０秒以下では、電位は−１．０ボルト未満に制限される。
したがって、電流を有限パルスで印加することができるので、より低い電位で電気化学セルを作動させることができる。パルス波形により、水素ガスの生成を制限しながら生成化合物の生成が可能になる。
【０１４５】
（実施例２）
水素の生成
本明細書に開示されるように、電気化学セルを稼働させた。例示的な実験用電気化学セルの概略図を図９に示す。電気化学セルは、ＰｔメッキＴｉメッシュで作られたアノード−カソードペアを含んでいた。電位データを収集するために、Ａｇ／ＡｇＣｌで作られた基準電極がフローライン中に与えられた。９５ｐｓｉの酸素ガスで加圧された３．５％ｗ／ｗのＮａＣｌ水溶液を約２ｍ／秒の線速度で電気化学セルにポンプで送った。
約５００秒後、排気ラインで水素ガスが検出された。水素生成の開始は、アノード−カソードペア間の電位が約−１．６ボルトで生じた。同様の条件下で、電気化学セル内での水素生成を制限するために、電流は５００秒未満の間、印加される場合がある。
【０１４６】
（実施例３）
±１Ａ（±１，０００Ａ／ｍ２）の逆パルス電源
実施例２に開示されるように、電気化学セルを稼働させた。電極は逆パルス電源によって動作させた。負のパルスでは、指定されたアノードが次亜塩素酸塩および酸素の副産物を生成する。アノード反応は次の通りである：
Ｃｌ−＋２ｅ−  →  Ｃｌ２、１．３５８Ｖ
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  Ｏ２＋４Ｈ＋、１．２２９Ｖ
パルスモードでの１Ａ電流（１，０００Ａ／ｍ２）は、持続時間が５０秒のパルスで流された。電気化学セルの電極間の電圧を図１０Ａに示す。１８，０００秒間、水素は検出されなかった。１７リットルのリザーバー中で合計１６０ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウムが測定された場合、次亜塩素酸塩生成の電流効率は約５９％であった。
図１０Ｂに示すように、パルス波形により、電気化学セル内における一定の絶対値の電圧および安定した電位で、経時的に電気化学セルを動作させることが可能になる。パルス波形で電流を印加することにより、電気化学セルを電圧降下や水素ガスの生成を伴わずに長時間稼働させることができる。
【０１４７】
（実施例４）
±１．３Ａ（±１，３００Ａ／ｍ２）の逆パルス電源
実施例３に開示されるように、電気化学セルを稼働させた。図１１Ａに示すように、パルス電流は±１．３Ａ（±１，３００Ａ／ｍ２）で印加された。１３，０００秒間、水素は検出されなかった。次亜塩素酸ナトリウムの総量は、１７リットルのリザーバー中で２２０ｐｐｍであることが検出された。図１１Ｂに示すように、電極または電気化学セル間の電圧の絶対値は、一定のままであった。
【０１４８】
（実施例５）
±１．７５Ａ（±１，７５０Ａ／ｍ２）の逆パルス電源
実施例３に開示されるように、電気化学セルを稼働させた。酸素は１００ｐｓｉで加圧された。パルス電流は、５０秒続くパルスとして、±１．７５Ａ（±１，７５０Ａ／ｍ２）で印加された。水素が排気ライン内で約１０〜１５％爆発下限界濃度（ＬＥＬ）で検出された。
稼働が進むにつれて、溶液は酸素で飽和された。水素は、約１，５００秒で０％ＬＥＬに達するまで減少した。図１２に示すように、電圧は安定した。システムが酸素で加圧されている限り、水素は０％ＬＥＬのままであった。
約２，２００秒でシステムの圧力が解放され、溶存酸素濃度が大幅に減少した。この時点で電位が上昇し、水素発生の検出に対応する。
酸素がシステムに再導入された。溶存酸素濃度が飽和に達するのと共に、水素検出が減少した。
したがって、±１．７５Ａ（±１７５０Ａ／ｍ２）の電流では、本明細書に記載されるように電気化学セルに導入されたＮａＣｌ水溶液に飽和溶存酸素を導入することにより、水素の生成を抑制することができる。
【０１４９】
（実施例６）
過酸化水素の生成
Ｈ２Ｏ２生成反応（＋０．６８２Ｖ）は、Ｈ２Ｏ生成反応（＋０．４Ｖ）よりもエネルギー的に有利である。印加電位をシフトすることにより、開示された電気化学セルの反応化学をシフトさせて、Ｈ２Ｏ２を生成することが可能である。
電極面積は、印加電流密度に依存する。１ｋｇあたり１．５７ｋＡ／時間（１００％ファラデー効率を想定）、および１ｋｇ／時間の生成速度の反応の場合、電極面積０．７１ｍ２の面積が予想される（１．５７ｋＡ／（２．２ｋＡ／ｍ２））。
図１３Ａに示す例示的な実施形態では、水と溶存酸素を電気化学セルに高速（＞２ｍ／秒）で流した。各電極での反応化学は次の通りである：
アノード：２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−、Ｅ０ＯＸ＝−１．２３Ｖ（酸素生成）
カソード：Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ２、Ｅ０ＲＥＤ＝＋０．６８２Ｖ（酸素消費）
Ｅ０ＣＥＬＬ＝−０．５４８Ｖ
図１３Ｂに示す例示的な実施形態では、海水と溶存酸素を電気化学セルに高速（＞２ｍ／秒）で流した。各電極での反応化学は次の通りである：
アノード：２Ｃｌ−  →  Ｃｌ２＋２ｅ−、Ｅ０ＯＸ＝−１．２３６Ｖ（塩素生成）
カソード：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ４ＯＨ−、Ｅ０ＲＥＤ＝＋０．４０Ｖ（酸素消費）
Ｅ０ＣＥＬＬ＝−０．９６Ｖ
過酸化水素は水と溶存酸素から生成され、電気化学セル内での水素ガス形成を軽減する。
【０１５０】
（実施例７）
単位長さあたりの抵抗
標準温度および標準圧力（１気圧、２０℃）で様々な水溶液を流して、様々なチャネル面積を有する電気化学セルにおける単位長さあたりのチャネル抵抗を計算した。結果を図１６Ａおよび図１６Ｂのグラフに示す。面積あたりの抵抗（Ω／ｍｍ２）についての海水（３．７％塩度）の傾向線は、図１６Ａの中央の系列として示されている。チャネル直径あたりの抵抗（Ω／ｍｍ）についての海水（３．７％塩度）の傾向線は、図１６Ｂの中央の系列として示されている。海水系列の上に、海水より塩度が低い（０．５％〜２．０％）水溶液の抵抗（Ω）が、チャネル面積（ｍｍ２）またはチャネル直径（ｍｍ）の増加に対してプロットされている。海水系列の下に、海水よりも高い塩度（５．０％〜２５％）を有する水溶液の抵抗（Ω）が、チャネル面積（ｍｍ２）またはチャネル直径（ｍｍ）の増加に対してプロットされている。
グラフに示されているように、単位長さあたりの抵抗は、塩度の増加、およびチャネル面積の増加とともに減少する傾向がある。本明細書で開示される高塩度水溶液と共に使用するために設計された電気塩素化セルは、機能を妨げる抵抗減衰の懸念なしに、増加するチャネル面積を備え得る。したがって、互いに離れて配置された第一チャンバーおよび第二チャンバーを有する電気塩素化セルは、海水からＮａＯＣｌを生成するのに有利であり得る。
【０１５１】
本明細書に開示される態様および実施形態は、以下の説明に記載または図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限定されない。本明細書で開示される態様および実施形態は、様々な方法で実施または実行され得る。また、本明細書で使用される語法および用語は、説明を目的とするものであり、限定的であると見なされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびその同等物ならびに追加項目を包含することを意味する。
【図１】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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