(57)【要約】水素の同位体をリサイクルするための電気化学的水素同位体リサイクル装置は、電気化学的リサイクルユニットを含む。そのユニットは、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理されたプロトン交換膜とを備え、この同位体処理されたプロトン交換膜は、水素の前記同位体を含有する重水をその内に有しており、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される。電気化学的膜プロセスを用いて高純度の水素同位体生成物を製造するプロセスであって、すべての通常水含有構成要素が水素同位体を含む重水を用いて前処理されるプロセス。
2020505218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的リサイクルユニットを備える、水素の同位体をリサイクルするための電気化学的水素同位体リサイクル装置であって、前記電気化学的リサイクルユニットは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理されたプロトン交換膜とを備え、前記同位体処理されたプロトン交換膜は、水素の前記同位体を含有する重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）をその中に有しており、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される、
前記装置。
【請求項２】
加湿器または飽和器をさらに備え、前記加湿器または飽和器は、前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの上流に配置され、水素の前記同位体を含有する重水で前記供給流を加湿するように構成され、前記加湿器または飽和器は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理されたプロトン交換膜を備えており、前記飽和器は、前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの下流に配置され、前記カソードから生じた前記水素同位体を含有する前記重水を捕捉するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気化学的リサイクルユニットと流体連通しかつ前記電気化学的リサイクルユニットの下流に配置された除湿器をさらに備え、前記除湿器は、コールドトラップ、吸着剤、ポリマー膜、セラミック膜、フィルム、パラジウムセパレータ、または、圧力スイング吸収ユニットを備えており、前記除湿器は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理されたプロトン交換膜を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記同位体が重水素または三重水素である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記同位体処理されたプロトン交換膜が、ペルフルオロスルホン酸膜を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記アノード、または前記カソード、または前記アノードおよび前記カソードの一方または両方に関連する界面層が、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する、アイオノマーまたは他の含水層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記装置で利用される重水を生成するための重水生成器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記カソードが能動的または受動的な重水循環用に構成され、前記カソードが重水で能動的に冠水される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
水素の前記同位体を備えるガスと少なくとも１つの他のガスとが含まれる入力混合ガスフローストリームを受け取るように構成されたプレフィルタトラップをさらに備え、前記プレフィルタトラップは、前記少なくとも１つの他のガスを捕捉するように構成され、
カソード入口と前記重水を収容するリザーバとに流体連通する循環ポンプをさらに備え、このポンプは前記重水を前記カソード入口に向けてポンピングするように構成され、前記リザーバはカソード出口とも流体連通しており、前記カソード出口で生じた重水を受け取るように構成され、
前記重水を収容するリザーバをさらに備え、このリザーバは、カソード入口の上方に配置されかつ前記カソード入口と流体連通する出口を有しており、前記カソード入口に前記重水を供給するように構成され、このリザーバは、当該リザーバのヘッドスペースに配置され、カソード出口と流体連通する入口を有し、前記カソード出口で生じた前記重水をバブルリフト法によって受け取るように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）を利用するプロトン交換装置を使用して高純度水素同位体生成物を製造するプロセスにおいて、前記装置のすべての通常水含有構成要素が、前記生成物の水素同位体を含有する重水を使用して、水素を前記水素同位体と交換するために前処理される、前記プロセス。
【請求項１１】
前記プロトン交換装置は、プロトン交換膜、またはプロトン交換膜を備える電気化学的ポンプを備え、前記プロトン交換膜はペルフルオロスルホン酸膜を備え、前記プロトン交換装置は重水を生成し、その装置から生成された前記重水は、それがアノード、カソード、または任意の流体流であるかどうかにかかわらず、コールドトラップ、吸着剤、圧力スイング吸収器、温度スイング吸収器、エンタルピー交換ユニット、エンタルピーホイール、パラジウム膜などの金属系セパレータなどの方法を含むがそれらに限定されない水回収技術によって回収される、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
プロトンを交換するために構成される前記プロトン交換装置の構成要素を前記重水にさらすことを備える、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記プロトン交換装置は、重水電気化学的ユニットの上流に重水加湿器を備え、前記プロセスは、前記重水加湿器からの前記重水（Ｄ２またはＴ２）を備えるガス状同位体を、前記重水電気化学的スタックに供給することを備え、
前記プロトン交換装置は、重水電気化学的ユニットの下流に重水飽和器を備え、前記プロセスは、前記重水電気化学的スタックから前記重水加湿器に向かう前記重水（Ｄ２またはＴ２）を備える前記ガス状同位体を受け取ることを備え、
前記プロトン交換装置は、前記カソードの下流に、前記カソードから生じた前記重水を吸着するように構成される圧力スイング吸収器を備え、前記圧力スイング吸収器は、前記プロセス内の前記重水または水蒸気をリサイクルするように構成され、当該リサイクル重水または水蒸気は、重水加湿器または飽和器または前記アノードに向けてリサイクルされる、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１４】
アノードおよびカソードの排気流または出力流が重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）を含有し、それによって前記重水が前記アノードおよび前記カソードで水回収システムによって回収される、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記プロトン交換装置は重水生成器を備え、前記重水生成器は前記プロトン交換装置の他の構成要素による利用のために重水を生成し、前記カソードは前記重水で能動的に冠水され、前記カソードはバブルリフト法により前記重水で受動的に冠水される、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記プロトン交換装置は、カソード入口と前記重水を収容するリザーバとに流体連通する循環ポンプをさらに備え、このポンプは前記重水を前記カソード入口に向けてポンピングするように構成され、前記リザーバはカソード出口とも流体連通しており、前記カソード出口で生じた重水を受け取るように構成され、
前記プロトン交換装置は、前記重水を収容するリザーバをさらに備え、このリザーバは、カソード入口の上方に配置されかつ前記カソード入口と流体連通する出口を有しており、前記カソード入口に前記重水を供給するように構成され、このリザーバは、当該リザーバのヘッドスペースに配置されカソード出口と流体連通する入口を有し、前記カソード出口で生じた前記重水を前記バブルリフト法を用いて受け取るように構成される、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記装置は、水素の前記同位体を備えるガスと少なくとも１つの他のガスとが含まれる入力混合ガスフローストリームを受け取るように構成されたプレフィルタトラップをさらに備え、前記プロセスは、前記少なくとも１つの他のガスを捕捉することを備える、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
水素の同位体をリサイクルするための水素同位体リサイクル装置であって、プロトン交換ユニットを備え、このプロトン交換ユニットは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理されたプロトン交換媒体とを備え、前記同位体処理されたプロトン交換媒体は、水素の前記同位体を含有する重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）をその中に有し、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される、水素同位体リサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高純度水素同位体二原子分子を提供する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
重水素および三重水素を含む水素の同位体の二原子分子は、食品および栄養製品、農産物、半導体、光ファイバー、オプトエレクトロニクス等を含む多種多様な製品の特性を有利に改善するために、多種多様な商業的および工業的処理において有用である。これらの同位体を多数の製品および処理において利用することが強く望まれているが、そのような使用は一般に、それら同位体の相対的希少性に関連する高コストによって妨げられてきた。
【０００３】
電気化学的ポンプを使用する電気化学的ポンピングのような電気化学的処理および装置を含め、水素をリサイクルおよび再生するために様々な処理および装置が使用される。しかしながら、これらの処理および装置は水素の同位体を高純度でリサイクルおよび再生利用するのに概して効果的でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのため、これらの同位体がそれらが使用されるプロセスでリサイクルおよび再使用できるように、または代替用途で使用するために、これら同位体を高純度で再生利用する費用効果の高いプロセスおよび装置を開発することが非常に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水素（Ｈ）または水素同位体（Ｄ、Ｔ）が集約的な任意の用途から、水素の任意の同位体、すなわち１Ｈ、２ＨすなわちＤ（重水素）、および３ＨすなわちＴ（三重水素）のうちの任意のものからなる高純度分子水素をリサイクルする電気化学的リサイクル装置および方法を備える。記号ｘＨは原子量を表し、それは核内の陽子と中性子の数を反映する。水素原子は中性子を持たないが、重水素と三重水素は持っており、重水素については１つ、三重水素については２つが加わる。これら種々の同位体は、中性子の点でしたがって原子量の点で異なることがあるが、すべての同位体は依然として水素であると見なされる（「ＩＲ-３．３．２暫定勧告」、無機化学の命名法、化学命名および構造表現部、ＩＵＰＡＣ、２００７年１０月３日取得）。
【０００６】
一実施形態では、本発明の装置および方法は、水素のまたはその任意の同位体の二原子分子を含む入力ガスを圧縮する電気化学セルを使用して、入力水素または目的の同位体と等しいかそれ以上の純度の出力を提供する水素圧縮技術を備える。例えば、装置は、高純度重水素および／または三重水素を回収、リサイクル、再使用および圧縮するために重水素および／または三重水素プロセスストリームを処理するために使用されてもよい。本発明の装置および方法は、米国特許第８６６３４４８号および第８７３４６３２号に詳述されているような、制御された水素または水素同位体雰囲気を有する炉と共に使用することができる。本発明の装置および方法は、処理チャンバ内のまたはガス状プロセスフローストリームの一部としてのガス状分子状水素または水素同位体を利用する任意のプロセスにおいて使用することができる。外部の水素集約的プロセスから受け取られるガス状分子状水素または水素同位体は、他のガスから分離され、精製され、その後、元の用途に戻されるか、または全く異なる用途に送られることができる。回収された分子状水素または水素同位体ガスは、後で使用するために貯蔵施設に送られてもよい。処理された分子状水素または水素同位体の圧縮についても同様の選択肢が可能である。さらに、それら２つのプロセス（分離および圧縮）は互いに独立してまたは組み合わせて使用することができる。さらに、電気化学的水素分離および圧縮を、両方の分離特性を持ち、水素を単一ユニット内で圧縮できる同じ装置内で完遂してもよい。
【０００７】
本発明は、用いられる電気化学的方法にかかわらず、電気化学的方法を用いるときに所与の同位体の高純度仕様を維持することが重要である場合に、分離装置における水素および／またはその同位体の純度を維持または改善することに関する。本発明の電気化学装置および方法は、プロトン交換膜、液体酸摂取ホストマトリックス、例えばリン酸を使用する装置および方法など、を使用するものを含む。他の酸およびプロトン伝導体も同様に使用され得る。これはまた、電気化学プロセスにおけるプロトン輸送媒体の別の例として、リン酸水素セシウムなどの固体酸プロトン輸送材料を利用する装置および方法も含む。精製の度合い、すなわちリサイクルガスの同位体純度の程度は、水素集約的用途の純度要件によって決定される。上述の特徴を有するそのようなデバイスから利益を得るであろう用途の例は、水素同位体、特に重水素が半導体ウエハ処理における処理雰囲気を提供するための入力ガス流の少なくとも１つの成分として使用される半導体製造産業にある。というのは、水素同位体雰囲気、特に重水素は、その中で処理される半導体材料、特にオプトエレクトロニクス半導体材料に向上した有利な材料特性を与えるからである。
【０００８】
本発明の方法はまた、水素または水素同位体を回収するために使用される電気分解プロセスと組み合わせて使用することもできる。本発明は、特に、二原子分子Ｈ２、Ｄ２、またはＴ２に関する。ＤおよびＴは「重い」水素と呼ばれることがある。本発明は、所与のプロセスにおいて、Ｈ２、Ｄ２、および／またはＴ２の高純度ガス状生成物またはＨ、Ｄ、またはＴの高純度所定混合物を意図的かつ選択的に回収するために使用できる。例えば、これは所定のＨＤ、ＨＴ、およびＤＴに基づく分子濃縮体を含む。
【０００９】
水素の同位体をリサイクルするための電気化学的水素同位体リサイクル装置が開示される。この装置は電気化学的リサイクルユニットを含み、このユニットは、アノードと、カソードと、同位体処理された水系プロトン交換膜であって、アノードとカソードとの間に作動可能に配置され、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理された水系プロトン交換膜とを備え、前記装置は、水素の前記同位体を含有する供給流を受け取るように構成される。
【００１０】
高純度水素同位体生成物を製造するプロセスが開示される。このプロセスは、水素の重水同位体を用いてすべての通常水含有構成要素（conventional water containing components）を前処理する電気化学的膜法を含む。
【００１１】
本発明の上記の特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら以下の本発明の詳細な説明から容易に理解されよう。
他の特徴、利点および詳細は、単なる例として、以下の実施形態の詳細な説明において明らかにされる。詳細な説明は以下の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】水素分離プロセスの概略図。
【図２】本明細書に記載のリサイクル装置および方法の一実施形態のフロー図。
【図３】本明細書に記載のリサイクル装置および方法の第２実施形態のフロー図。
【図４】本明細書に記載のリサイクル装置および方法の第３実施形態のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、その用途、または使用を限定することを意図していない。図面全体を通して、対応する参照番号は同様のまたは対応する部分および特徴を示すことを理解されたい。
【００１４】
本発明は、水素の第２の同位体（または第３の同位体）の存在下で水素の３つの同位体の任意のものを処理すると、同位体組成の観点から天然に見いだされるものを超える不純なリサイクル生成物（混合物）を生じるという発見に基づく。換言すれば、Ｈ２すなわち中性子のない水素（１Ｈ）の存在下で、Ｄ２すなわち重水素（２Ｈ）を処理すると、水素の１Ｈ同位体と２Ｈ同位体の混合物を有するリサイクル生成物ガスが得られることが見いだされた。そのような同定は、質量分析法および他の確立された水素分析技術を使用して分析実験室によって日常的に行われる。
【００１５】
水素集約的または水素同位体集約的である任意の装置、用途または方法から、水素またはその任意の同位体Ｈ（水素）、Ｄ（重水素）またはＴ（三重水素）の任意のものをリサイクルするためのプロセスおよび電気化学的リサイクル装置が開示される。この装置およびプロセスは、水素の同位体、特に重水素を再生利用およびリサイクルする新しい手段を提供する。この新しい方法は三重水素の処理にも適用することができる。重水素および三重水素のような「重い」（中性子含有）水素種をリサイクルするため、およびリサイクル種の精製要件を満たすため、水素と重水素または三重水素とのまたはそれらのそれぞれのイオン形態（プロトンまたはデューテロンまたはトリトン）との交換速度が生成物の純度に影響を及ぼし得ることを理解することが必要である。水素およびその同位体（重水素および／または三重水素）は、任意の所与のプロセスにおいてそれら自体と交換することができる。このことは理解しておく必要がある。というのは、ペルフルオロスルホン酸膜におけるプロトン交換メカニズムや電気化学的リサイクルユニットにおいて使用される他の電解質におけるプロトン交換メカニズムに加えて、水を含め任意のプロトン含有分子を考慮すべきであるからである。水は、そのようなイオン輸送を支援するための要件であるため、特に重要である。通常のＨ２Ｏが使用される場合、その水からの水素イオンすなわちプロトンが、デューテロンすなわちＤ＋またはトリトンすなわちＴ＋含有分子と交換することが起こりやすいであろう。それによって、重水素の場合には、Ｈ２、Ｄ２、およびＨ２ＯおよびＤ２Ｏのすべての配列（permutations）が形成され、三重水素の場合には、Ｈ２、Ｔ２、およびＨ２ＯおよびＴ２Ｏのすべての配列が形成され、さらに、両方が存在する場合には、両方のすべての配列が形成され、それには、Ｈ２、Ｄ２、Ｔ２、ＨＤ２、ＨＴ２、ＤＴ２、およびＨ２Ｏ、Ｄ２Ｏ、Ｔ２Ｏ、ＨＤＯ、ＤＴＯが含まれる。例えば、重水素の存在下でのＨ２ＯはＨＤＯになることがあり、三重水素の存在下ではＨＴＯになることがあり、両方の存在下では先述したものまたはＴＤＯＨＤＯのいずれかになることがある。この交換プロセスは、重水か否かにかかわらず、液体の水について明確に定義されている。この問題は純度の問題である。Ｄおよび／またはＴの高い含有量が必要とされる場合には、Ｈとの交換メカニズムを克服するかまたは回避すべきである。ＨＤまたはＨＤＯの混合種またはＨＴまたはＨＴＯの混合種が形成されるのを防ぐことは、分離された高純度のＤ２またはＴ２ガス流を提供するための鍵である。スタック内の電気化学プロセスを支援するのに必要な補助的サブシステムも重水素集約的または三重水素集約的であるべきである。
【００１６】
本発明はこの課題を解決し、電気化学システムの様々なサブシステムにおいて水に由来するＨ＋イオンまたは水素含有分子を付与することなく、Ｄ２またはＴ２の分離およびリサイクルを可能にすることとなる。
【００１７】
工業的用途における「重い」水素種、例えば重水素、をリサイクルするために、およびそのリサイクル種に対する用途の精製要件を満たすために、水素と重水素とのまたはそれらのそれぞれのイオン形態（プロトンまたはデューテロン）との交換速度を理解することが必要である。水素とその同位体は、任意の所与の化学プロセスにおいて相互に交換することができる。交換は、異なる同位体間の原子の統計的「スワッピング」を意味する。これは重要である。なぜなら、図１に示され上述した電気化学的プロセスにおいて記述したように、水素含有分子である水は、セパレータの一方の側である入力側（アノード）からプロセスの生成物側または出力側（カソード）への水素または水素同位体の輸送を促進するための要件であるためである。さらに、膜に基づく電気化学的分離において、ならびに液体酸に基づく分離方法において、上述したＨ２またはＤ２またはＴ２または混合種は、中性子の数にかかわらず、その構成カチオンへと電極触媒的に酸化される。例えば、Ｈ２が一旦アノードで触媒と接触すると（図１）、Ｈ２として共有結合している２つの水素原子は、１Ｈ水素の場合にはプロトンと一般に呼称される２つのＨ＋カチオンに分離される。電気化学的精製装置のセパレータを横切って輸送されるのは、そのような水素同位体のカチオンである。膜電池では、これは典型的にはイオン輸送膜であり、例えば、ＥＩデュポンの製品であるナフィオン（登録商標）のような、ペルフルオロスルホン酸膜である。他の膜供給業者が存在し、他の種類の輸送膜が存在し、それらはすべて本質的に同じように作用する。他の種類の電池（セル）では、それは液体リン酸（リン酸Ｈ３ＰＯ４と水Ｈ２Ｏの混合物）であり得る。通常の（１Ｈ）Ｈ２Ｏが使用される場合、その水からのプロトン（Ｈ＋）は、デューテロンすなわちＤ＋含有分子と交換することとなるであろう。このため、Ｈ２、Ｄ２、およびＨ２ＯおよびＤ２Ｏのすべての配列が形成可能となる。例えば、Ｄ２にさらされると、Ｈ２ＯはＨＤＯになることがあり、Ｈ２はＤＨになることがある。この交換プロセスは、重水か否かにかかわらず、液体の水について明確に定義されている。
【００１８】
いくつかの用途では１つの特定の同位体を利用しなければならないという点で純度が問題である。高いＤ含有量が必要とされる場合には、Ｈとの交換メカニズムを克服しなければならないか、または混合を防ぐようにプロセスを設計しなければならない。混合されたＨＤ種またはＨＤＯ種が生成するのを防止することは、分離された高純度のＤ２生成物ガス流を提供するための、またはさらには水素の任意の同位体を提供するための鍵である。セルハードウェアによって分離されたイオン交換膜の積層（以下、「スタック」と呼ぶ）、ならびに電気化学プロセスを支援するのに必要な補助サブシステムも、そのプロセスにおいて重水素が高純度で要求される場合、重水素を含まなければならない。
【００１９】
上述のように、セパレータを含め、システムの重要な構成要素、すなわちプロトン交換が可能な水素または水素化合物（例えば、水または炭化水素化合物）を使用するかまたは含むものもまた、所望の純度の分離された生成物ガスの所望の同位体を含有しなければならないことも重要である。上述したナフィオン（登録商標）の場合には、（膜中に存在する水素および水素化合物を含む）入手したままの膜中にあるすべての水およびすべてのプロトンは、使用前に重水素含有分子で置き換えられなければならない。三重水素に基づくプロセスについても同様である。例として、分離プロセスにおいてプロトン交換媒体としてリン酸を使用する場合、Ｈ３ＰＯ４もＤ３ＰＯ４を使用することによって置き換えられなければならない。
【００２０】
所定の生成物ガスすなわちガス出力が、ＨおよびＤ（またはＴ）の決められた混合物であると特定される場合、使用前の適切な比率、および本明細書に記載の電気化学装置および方法などのプロトン交換システムおよび構成要素において利用されるそれぞれの適切な濃度が計算可能である。
【００２１】
図２から図４を参照すると、本発明によって解決される課題は、新規に開発された装置およびプロセスまたは方法が電気化学システムの様々なサブシステムの任意のものにおける（１Ｈを含有する）水に由来するＨ＋イオンまたは水素含有分子を付与することなく、Ｄ２の分離およびリサイクルを可能にすることであろう。それはまた、セパレータのプロトン交換膜を含め、装置および方法において使用される材料の分子も含む。
【００２２】
本発明の装置および方法は、リサイクル装置において使用される（１Ｈ、Ｈ２Ｏ）プロトン交換膜電気化学セルから比較的純粋なＤ２を取り出し不能であるという課題を解決する。
【００２３】
本発明の装置および方法は、「重い」水素または水が存在する場合、電気化学的圧縮用途ならびに水の電気分解用途にも適用される。
有利には、本明細書に記載の装置およびプロセスにおける本発明は、これまで可能ではなかった、リサイクル装置において使用される、水中心的な（Ｈ２Ｏ）プロトン交換膜電気化学セルから比較的純粋なＤ２を得る能力を提供する。
【００２４】
通常、ガスは特定の純度に等級分けされている。例えば、９９％、９９．９％、９９．９９％など。不純物がプロセス条件に悪影響を及ぼす可能性のあるより繊細な用途にはより高い純度が必要になる場合がある。重い水素同位体（重水素、三重水素）の場合、同位体純度が指定されることがある。これは、完全に純粋ではなくより軽いかより高い同位体不純物を含むガスの割合を指す。例えば、ある供給業者からの半導体等級の重水素は、９９．９９９％を超える化学純度（非同位体不純物を指す）および９９．７５％を超える同位体純度（ＨＤやＨ２などの不純物を指す）としてリストされる。
【００２５】
化学種が関与する分離プロセスの有効性は、そのプロセスのメカニズム自体に部分的に依存する。例えば、電気化学的分離装置では、分子状水素（Ｈ２）のような気相種が触媒界面で酸化されプロトンと電子とになる。他のガスが存在することがあり、そのガスはＨ２ガス流から分離されなければならないが、電気化学的プロセスそれ自体からの生成物流に付与されることがある他の分子種が存在することがある。１つのよく知られている不純物は水Ｈ２Ｏである。この水は、ペルフルオロスルホン酸系膜などの高分子プロトン交換膜材料におけるプロトン交換膜輸送メカニズムの一部である。プロトンが膜内の１つのイオン部位から別のイオン部位へ「ホップ」するので、水は低抵抗イオン輸送を促進する。この水は膜相の前処理においてその膜に取り込まれる。この水はイオン基を溶媒和（水和）させ、そして所与の膜のポリマー鎖内の他の部位と水素結合することもできる。ペルフルオロスルホン酸系膜の場合、水はイオン性スルホン酸基を溶媒和（水和）させ、そしてポリマー鎖内の他の部位と水素結合することもできる。そのような膜材料の１つの周知例は、デュポン社のナフィオン（登録商標）シリーズのペルフルオロスルホン酸ファミリーのイオン交換膜である。これらのペルフルオロスルホン酸膜は、ほんの数例を挙げると、水電解槽、燃料電池、クロルアルカリ操作において役立つ。それらは電気化学的ポンプにも使用可能である。電気化学的ポンプの化学を図１に示す。この説明では、膜中の水は通常のＨ２Ｏであるが、本明細書に記載したように、ナフィオン（登録商標）を含めた適切な膜とともに、Ｄ２ＯおよびＴ２Ｏにもこの説明は適用可能である。
【００２６】
目的の気相種と共に膜を出る水は、コールドトラップ、吸着剤、膜またはセラミック膜およびフィルム、パラジウムセパレータ、または、圧力スイング吸収プロセス（ＰＳＡ）などの通常の方法によって電気化学セルの下流で除去することができる。多くの場合、再生利用水はプロセスで再使用することができるので望ましく、それ故に電気化学的ポンプの全効率にとって有益である。
【００２７】
水素集約的ガスおよび溶液中の水素原子間または水素イオン間には交換速度がある。つまり、ある分子の一水素原子が、一水素原子を含む第２の分子と接触すると、スワッピング効果や交換メカニズムが生じる可能性があり、これによって、その２つの水素原子またはイオンがそれらのホスト分子をスイッチする。この交換メカニズムは液体水の中で急速度で起こる。上述のようにプロトン輸送用途に使用されるイオン交換膜の場合、プロトンまたは水素イオンは、輸送（イオン）抵抗を減少させるためにその膜を加湿することによってその膜を機能させるために必要とされる水の中にある別のプロトンと交換し得る。交換された水素は、水（Ｈ２Ｏ）分子に由来してもよく、またはその交換された水素が電気化学プロセスにおいて膜を通って移動するので、他の気体Ｈ２分子または他のＨ＋に由来してもよい。そのような反応の一例（反応１）の化学式は、
【００２８】
【化１】
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であるか、またはそれらの任意の他の組み合わせである。括弧内の数字は、特定の水素原子を表すまたは表示するためにのみ存在する。水素の他の同位体が存在する場合、それを反応１の任意の形態に挿入することができ、それによって、最終的に、Ｈ２、ＨＤ、ＨＴ、およびＤＴのいずれかまたはすべての配列が形成される。
【００２９】
以下に記載される本発明において、および水素、重水素、または三重水素のような水素同位体の組み合わせが存在する場合において、交換プロセスが重要になり所望の生成物に影響を与えることがある。例えば、Ｈ２とＤ２が同核二原子分子として一緒に存在する場合、しばらくするとＨ２分子、Ｄ２分子、およびＨＤ分子の組み合わせが存在することになる。この交換効果は、Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏなどの水分子に対しても起こり、結果としてＨ２Ｏ、Ｄ２Ｏ、ＤＨＯが得られ、この結果は三重水素の場合においても同様である。この交換効果は気体と液体の間でも起こり得る。例えば、Ｈ２ＯおよびＤ２は、ＤＨＯおよびＤＨを含め、Ｈ分子およびＤ分子のすべての組み合わせをもたらすこととなる。さらに、たとえＨ２ＯがＨ２Ｏとして残ったとしても、そのＨ自体が他のＨ含有分子と交換したものである可能性が高い。これは水素とすべての水素同位体、Ｈ、Ｄ、およびＴで生じる。
【００３０】
気相または液相の同位体交換に加えて、電気化学的ポンプのカソードでのガスの発生は、任意の利用可能なプロトン（Ｈ＋、Ｄ＋、Ｔ＋）と他のプロトンとを化合させる。ガスは、利用可能なイオン化同位体の任意の組み合わせから作られる。
【００３１】
本発明は、重水素および三重水素を含めた水素同位体の処理に関する。プロトン（Ｈ＋）と比較して高純度の重水素または三重水素を必要とする分離およびリサイクルプロセスでは、重水素原子またはイオンを有する、ナフィオン（登録商標）のような通常の水系プロトン交換膜の課題は、ＤＨ、またはＤＨＯ種をもたらし、三重水素原子またはイオンの場合、ＴＨ、またはＴＨＯ種をもたらす。所定の入力ガス流および出力ガス流がＤ２またはＴ２である場合、これらの種は不純物と見なされる。製品仕様が高純度のＤ２（またはＴ２）および最小のＨを要求する場合、そのような電気化学セルにおける通常Ｈ２Ｏ含有膜分離および輸送メカニズムは所望の重水素生成物を汚染するであろう。事後のＨからのＤ（またはＴ）の分離は、非常に複雑で高価である。そして重水素（または三重水素）分子単独の費用を考慮すると、加湿器が必要な場合には、スタック内のイオン交換膜に水を供給するために使用される加湿プロセスを含む補助サブシステムを含め、プロセスの高い重水素（または三重水素）含有量を維持することが望ましい。
【００３２】
本発明は、電気化学的膜法を用いて、気相中のＤ２またはＴ２を第２の気相種または第３の気相種またはそれ以上の他の気相種から分離する重水素または三重水素分離プロセスに特異的である。本発明では、膜の使用前に、重水素分離の場合には重水とも呼ばれる重水素置換水（Ｄ２Ｏ）で、三重水素分離の場合には超重水とも呼ばれる三重水素水（Ｔ２Ｏ）でその膜を前処理すべきであることが有利に発見された。加湿器も、加湿方法にかかわらず、必要に応じて、重水を用いて前処理しなければならず、さらに、高価な重水をリサイクルするために、電気化学プロセスの下流にはＤ２ＯまたはＴ２Ｏの凝縮または吸着プロセスがなければならない。重水で重水素化された（または三重水素化された）システムは、電気化学的ポンプのアノード流上で、または高純度の重水素または三重水素生成物が必要な場合には、燃料電池または水電解槽のアノード流およびカソード流上で利用されなければならない。さらに、我々はプロトン交換が可能な電気化学的分離装置内のすべての構成要素を、重水素の場合には重水で、三重水素の場合には超重水で再水和（rehydrate）しなければならないことを見出した。適切な同位体および同位体純度の液体水もまた、膜を水和するための電気化学的ポンプのカソードに利用され得る。
【００３３】
図２に示されているのは、高純度生成物が望まれる場合に、重水素、または三重水素、または他の水素の同位体を処理できるプロセスである。このプロセスでは、Ｄ２リッチ混合ガス流入口と表記された乾燥ガスから水素（または同位体）がシステムに入る。このガスは、同位体汚染を防ぐため、適切な形態の水を使用して加湿される（飽和器）。加湿されたガスは次に電気化学的ポンプのアノードに入り、そこでは電子がガスから奪われてアノードから運び去られる。次に適切なイオン形態の水素同位体が、カソードに向かってイオン伝導性セパレータを通過する。電子はカソードに供給され、そのカソードにおいて、重水素処理の場合にはデューテロン（Ｄ＋）と結合して、新しい分子であるＤ２ガス分子を形成する。次にそのガスはカソードを出る。カソードを出るガスは、高濃度の水（Ｃ１）を含むことがある。次にこの湿潤カソードガスは、乾燥生成物ガス（例えば、圧力スイング吸収（ＰＳＡ））を提供するため、通常の方法を使用して乾燥されることがある。この電気化学的プロセスにおいて水は重要な役割を果たし、同位体交換の可能性をもたらす。高い同位体純度を維持するためには、特定の水素同位体のガスとともに動作させるときに、水和のために適切な水の同位体を使用する必要がある。例えば、Ｄ２にはＤ２Ｏ、Ｈ２にはＨ２Ｏ、Ｔ２にはＴ２Ｏ、などである。本発明の一態様は、重水を捕捉し再使用するための手法を含む。別の態様は、同位体汚染を回避するための様々な構成要素の前処理を含む。
【００３４】
上述したように、そして一例として最も一般的に使用されているセパレータ（ナフィオン（登録商標））を使用して単一の同位体生成ガスを生成するという驚くべき結果のため、電気化学的ポンプ膜を重水素分離の場合にはＤ２Ｏ（三重水素の場合にはＴ２Ｏ）で前処理しなければならない。この工程において、イオン形態のナフィオン（登録商標）またはその等価物は、Ｄ２Ｏで水和されなければならない。このプロセスは、膜の製造時、その膜がイオン性またはスルホン酸形態になったときに起こり得る。ペルフルオロスルホン酸膜に結合したスルホニルフルオリド部分のイオン化時に行われると、Ｄ２Ｏの存在下での化学反応のおよびポリマー取扱の複雑さが大きくなり、高い費用につながることとなる。膜がスルホン酸形態になり通常の水で水和されたときにその膜を処理することはより魅力的である。この場合、その通常の水は、重水素化された水すなわち重水で、または三重水素化された水すなわち超重水で、再水和される。この再水和は、ポリマーがペレット形態であるかまたは既にシートとして加工されているかにかかわらず行うことができる。この再水和を行うことには、Ｈ２Ｏが所望の（低い）レベルまで減少するまでＤ２Ｏに膜を浸漬するといった、通常の再水和法が含まれる。高温での浸漬も同様に実施することができる。重水素化形態になったら、膜は以前のように取り扱うことができる。
【００３５】
高純度水素同位体を生成する能力が、水素混合ガス流の場合に天然に通常見られるものより高純度であるすなわちそれを超えると予期できない点、およびＤ２またはＴ２の混合ガス流の場合にその混合ガス流中に見いだされるその同位体の純度より高純粋であるすなわちそれを超えると予期できない点を指摘しておくのは重要である。膜のおよび膜電極層のすべての要素をＤ２Ｏ（またはＴ２Ｏ）で処理することも、そのような層中に何らかの通常の水種が存在する場合には、不可欠である。例えば、電極層中の膜増量剤（membrane extender）としてペルフルオロスルホン酸の小さいストランドを使用することができるので（アイオノマーとも呼ばれる）、この材料もＤ２Ｏで処理すべきであろう。含水量を有する任意の水和界面層を含め、任意の他の種または層は前処理されなければならない。これはまた、任意の水または１Ｈ種が所望の同位体とイオン交換されなければならないであろう液体酸電気化学的セパレータにも当てはまる。
【００３６】
図２には膜加湿器も示される。ペルフルオロスルホン酸膜は機能するために水を有さなければならないので、加湿器の水および加湿器に供給される給水もＤ２ＯまたはＴ２Ｏでなければならない。これは、任意の水中心的な加湿器用膜にも当てはまる。加湿器内にパーフルオロスルホン酸膜が使用されることがしばしばある。そのような加湿器も、プロセス開始時に高い同位体純度を達成するために前処理を必要とするだろう。適切な操作のために水和を必要とする（ペルフルオロスルホン酸以外の）他の膜形態も前処理を必要とするであろう。
【００３７】
同位体純度の高い水の高コストは、アノードガス排気流および／またはカソードガス排気流に同伴されるプロセス水の捕捉および再使用を必要とし得る。水を捕捉するために、吸着床（例えば、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、エンタルピーホイール、パラジウム膜、コールドトラップ、およびエンタルピー交換膜）などの精製プロセスを使用することができる。これらのプロセスは、捕捉されたすべての水が電気化学的ポンプのアノードチャンバの前に水システムおよび／またはガスシステムへと向け直されることができるように統合することができる。例えば、図２は、エンタルピー交換ユニットと加湿器との間で再生廃棄物流がアノードに戻るように向けられた２カラム圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ユニットを示す。図２は、アノード排ガスから水を再生利用し、それをアノード入口ガスに向けることを目的とするエンタルピー交換ユニットの使用を示す。これらは水がどのように再生利用され再使用されるかのほんの２つの例である。
【００３８】
本発明の他の態様は、プロセス中での重水の形成である。本発明の第２の部分または局面は、所望の同位体相の水素を用いて、本明細書に記載の装置または方法の一部として、その場でＤ２Ｏ（またはＴ２Ｏ）を形成できることである。具体的には、任意の分離されたＤ２またはＴ２を酸素と化合させて、本プロセスで使用される所望の同位体相の重水を形成することができる。リサイクルまたは再使用されるガスは以前に排気されていたので、電気化学プロセスによって回収されなかった過剰ガスは重水相へと変換されることができ、したがって重水を使用するプロセスにおける利点と考えられる。可逆化学反応２（反応２）を参照。
【００３９】
【化２】
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上記の例はほんの一例である。別の膜を使用する場合、すべての水素、プロトン、または関連する水素源は、所望の同位体相によって置換される必要がある。これには水も含まれる。この例は、リン酸に基づく電気化学プロセス、水酸化カリウムまたはその類似物、他の酸に基づくシステム、ならびに任意の固体導体を含むように拡張することができる。
【００４０】
実施例
電気化学的ポンプ内の同位体交換を調べるための試験を行った。ポンプおよび加湿器を、Ｄ２Ｏで前処理し、Ｄ２のポンピングに使用した。電気化学的ポンプを出るまたは電気化学的ポンプから出力されるガスにおいて、高い同位体純度が観察された。Ｄ２Ｏ前処理済み加湿器の使用からＨ２Ｏ加湿器への切り替え時に、ポンプを出るガスにおいてＨの急激な増加が観察された。これによって、電気化学装置および支援サブシステム内で同位体がいかに速やかに交換されるかがはっきりと示された。
【００４１】
電気化学装置から生じた生成物の高い同位体純度を維持するためには、適切な同位体形態の水の使用が必要である。
図２を参照すると、水素の同位体８（例えば、ＤまたはＴ）をリサイクルまたは再生利用するための水素同位体リサイクル装置１０の実施形態が開示されている。この装置は、水素の同位体の二原子分子（例えば、Ｄ２またはＴ２、または場合によりＤ２ＯまたはＴ２Ｏも）に富むガス流６を受け取るように構成される。一実施形態では、ガス流６は、利用されている水素の前記同位体の二原子分子のみを備えることができる。他の実施形態では、ガス流６は混合ガス流であり、１つ以上の他のガス状成分（例えばＮ２）を含む。混合ガス流を含め、同位体に富むガス流は、任意の工業プロセスのガス成分流出物を備えることができ、その工業プロセスには、一実施形態では半導体デバイス製造またはアニール炉などの熱処理またはアニール炉または処理オーブン、光ファイバー材料の製造または熱処理の一部として使用される炉またはオーブン、あるいは医薬品の製造において使用される炉またはオーブン、あるいは水素の前記同位体のガス成分流出物を含む任意の工業プロセスであって、水素のガス状同位体による処理がその工業プロセスによって処理される１つまたは複数の材料に対して強化された特性を与える工業プロセスが含まれる。図２に示す水素同位体リサイクル装置１０はプロトン交換ユニット１２を含む。プロトン交換ユニット１２は、一実施形態では本明細書に記載の電気化学プロトン交換ユニット２０である本明細書に記載のタイプのものを含む任意の適切なプロトン交換ユニットであってよい。
【００４２】
プロトン交換ユニット１２は、アノード１４と、カソード１６と、前記アノードと前記カソードとに導電的に接触してそれらの間に作動的に配置された、同位体処理されたプロトン交換媒体１８とを含み、このプロトン交換媒体は、水素の前記同位体を含む重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）を備えており、この装置は、水素の前記同位体を含む供給流６を受け取るように構成される。水素同位体リサイクル装置１０は、入口２２でガス供給流６を受け取り、水素同位体の二原子分子をプロトン交換ユニット１２のアノード１４に供給し、そこではその同位体のイオンが、電気化学的プロトン交換膜２０等のプロトン交換媒体１８を通ってカソード１６へと輸送され、そこでは図１に示されそして本明細書に記載された反応によって加圧下で水素同位体の気体二原子分子が生成される。こうして、水素同位体リサイクル装置１０は、リサイクルまたは再生利用されている水素同位体の圧縮ガスを生成し、本プロセスからの流出物であるそのガスは本プロセスへの入力として再導入するために、または他の目的のために利用可能である。
【００４３】
図１から図４および本明細書の説明から理解され得るように、水素同位体リサイクル装置１０の様々な構成要素は水を利用する。有利には、水素同位体リサイクル装置１０は、電気化学的プロトン交換膜２０を含むプロトン交換媒体１８のような、水素同位体リサイクル装置１０の一部を備える種々の構成要素中の重水（Ｄ２Ｏ）または超重水（Ｔ２Ｏ）を利用または生成する。そしてこの装置のすべての通常水含有構成要素は、水素を水素の前記同位体に交換するため、生成物の水素の前記同位体を含む重水（または超重水）を用いて前処理される。理解されるように、水素同位体リサイクル装置１０は、図２から図４に示されるような異なる実施形態において、この装置の機能を支援するためにいくつかの異なる構成要素を組み込むことができるが、供給流６または出力流２４を取り扱うか処理するすべての構成要素およびそこで起こる化学処理、および、それら構成要素の材料、利用される化学物質、または関連する化学プロセスによって本明細書に記載されるような水素交換の能力を有するすべての構成要素およびそこで起こる化学処理は、化学原料（例えば、Ｄ２０またはＴ２０）を含め、水素同位体置換材料を利用するであろう。このようにして、供給流６中に含まれる同位体の汚染が回避され、その結果、高純度の目的同位体の圧縮ガス出力流２４が得られる。圧縮出力流２４は、０からＸｐｓｉの範囲内の任意の適切な出力圧力で提供されることができ、ここで、Ｘは装置１０の構成要素の取扱可能圧力に適合する任意の値としてよい。圧力容器が利用される場合、その圧力容器の取扱可能圧力までとすることができ、１２０００ｐｓｉ（約８２７５８ｋＰａ）までを含むことができ、特に６０００ｐｓｉ（約４１３７９ｋＰａ）までを含むことができ、そしてさらに４０００ｐｓｉ（約２７５８６ｋＰａ）までを含むことができる。一例では、その範囲は５００から１２０００ｐｓｉ（約３４４８ｋＰａから約８２７５８ｋＰａ）、特に１０００から６０００ｐｓｉ（約６８９６ｋＰａから約４１３７９ｋＰａ）、さらに１０００から４０００ｐｓｉ（約６８９６ｋＰａから約２７５８６ｋＰａ）である。
【００４４】
一実施形態では、プロトン交換装置は、水素の同位体をリサイクルするための電気化学的水素同位体リサイクル装置であり、アノード１４と、カソード１６と、前記アノードと前記カソードとの間に作動可能に配置された、同位体処理された水系プロトン交換膜２０とを備えており、この同位体処理された水系プロトン交換膜は、水素の前記同位体を含む重水（Ｄ２ＯまたはＴ２Ｏ）を有しており、前記装置は水素の前記同位体を含む供給流を受け取るように構成される。一実施形態では、同位体処理された水系プロトン交換膜２０は、ペルフルオロスルホン酸膜２１を含む。別の実施形態では、アノード１４またはカソード１６またはそれらの一方または両方と関連する界面層は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有するアイオノマーまたは他の含水層１５を含む。
【００４５】
図２の実施形態では、装置１０は、入力混合ガスフローストリーム６を受け取るように構成されたプレフィルタトラップ２８も含んでおり、この入力混合ガスフローストリーム６には、水素の前記同位体を含むガスを含めたガスが含まれ、特定の実施形態のプロセスでは、少なくとも１つの他のガスも含まれ、前記プレフィルタトラップは、前記少なくとも１つの他のガスを捕捉するように構成される。前記少なくとも１つの他のガスは、前記トラップから図示した導管および圧力調整器を通って図示した混合ガス流用の出口へと排気されてもよい。
【００４６】
図２の実施形態では、装置１０は、加湿器または飽和器３０も含んでおり、この加湿器または飽和器は、プロトン交換ユニット１２（例えば、電気化学的リサイクルユニット１３）と流体連通しかつプロトン交換ユニット１２の上流に配置されており、水素の前記同位体を含む重水で供給流６を加湿するように構成される。一実施形態では、加湿器または飽和器３０は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理された水系プロトン交換膜３２を備える。飽和器３０は重水３４も含む。
【００４７】
図２の実施形態では、装置１０は、プロトン交換ユニット１２と流体連通しかつプロトン交換ユニット１２の下流に配置された除湿器３６をさらに備える。様々な実施形態において、除湿器３６は、コールドトラップ、吸着剤、高分子膜、セラミック膜、フィルム、パラジウムセパレータ、または圧力スイング吸収ユニット３８（図２）を備える。この除湿器は、プロトン交換ユニット１２から生じた重水を、特に水蒸気を除去するように構成される。圧力スイング吸収ユニット３８を含む除湿器３６は、出力流から重水蒸気を除去して乾燥出力流２４を提供するように構成される。圧力スイング吸収ユニット３８を含む除湿器３６は、飽和器３０に向かう流れ４０を含め、重水の再循環のためおよび装置１０内のどこかでの再使用のために、液体重水および／または重水蒸気を含み得る蓄積した重水を除去すべく選択的かつ定期的にパージされるように構成される。一実施形態では、除湿器３６は、水素の前記同位体を含有する重水をその中に有する同位体処理された水系プロトン交換膜を備えてよい。
【００４８】
本明細書で使用されるように、気体流および液体流は関連する導管内で必然的に連通しており、それら流れは様々な弁、圧力逃し弁および圧力調整器によって制御できることが理解されよう。これら関連する導管は、当該関連する導管内で発生する可能性のある重水蒸気の凝縮を捕捉するように適合された水トラップを含むこともでき、そのような水トラップは蓄積した重水を、その重水を再使用するかまたは再生するために貯留する重水リザーバ４４を含めた本装置の任意の構成要素へと戻すための出口導管４２も含むことができる。
【００４９】
次に図３を参照すると、プロトン交換装置１０の第２の実施形態が示されている。同じ要素番号でラベル付けされた要素は、図２および図４の実施形態と同じ目的および機能を有しており、逆もまた同様である。さらに、他の実施形態（図２および図４）に見られる要素または構成要素は、任意選択で図３の実施形態に組み込まれてもよい。さらに、図３の実施形態では、プロトン交換装置１０は、この装置内で利用される重水を生成するための重水生成器４６も含む。この実施形態では、重水生成器４６は、エンタルピー交換乾燥器４８と流体連通しており、エンタルピー交換乾燥器４８は重水生成器から受け取った流れに熱を追加または除去するために使用することができ、液体重水または重水蒸気を本装置の他の構成要素に供給するために利用することができる。例えば、この実施形態では、重水生成器４６は重水飽和器とも流体連絡しており、重水の流れ５４をこの飽和器に供給するように構成されている。この実施形態では、重水生成器４６は、アノード１４の出口５０で生じた同位体ガスの二原子分子（Ｄ２またはＴ２）を利用し、それをＯ２の流れ５２と化学的に反応させてそれぞれ重水または超重水を生成する。他の様々な実施形態では、同位体ガスの二原子分子（Ｄ２またはＴ２）の供給源や流れを提供する重水生成器を任意の場所で本装置に組み込むことができることが理解されよう。さらに、そのＤ２またはＴ２は、（直接供給され、プロセスフローストリームからではない）補給源（make-up source）からのものとすることができる。また、いくつかの実施形態では、酸素源は、Ｏ２の流れではなく空気であり得る。
【００５０】
次に図４を参照すると、プロトン交換装置１０の第３の実施形態が示されている。同じ要素番号でラベル付けされた要素は、図２および図３の実施形態と同じ目的および機能を有し、逆もまた同様である。さらに、他の実施形態（図２および図３）に見られる要素または構成要素は、任意選択として図４の実施形態に組み込まれてもよい。さらに、図４の実施形態では、ユニット１２と流体連通しかつそのユニット１２の下流に配置され、カソード１６から生じた水素の前記同位体を含む重水を捕捉するように構成された重水飽和器５６が含まれる。様々な実施形態では、カソード１６は能動的または受動的な重水循環用に構成されており、重水飽和器５６はそのカソードから生じた重水を捕捉するためおよび／またはカソード１６での重水循環用の供給源を提供するために組み込まれることができる。一実施形態では、カソード１６は能動的冠水カソード５８を備える。この実施形態では、装置１０は、カソード入口６２と流体連通する循環ポンプ６０と、重水を収容するリザーバ６４および／または飽和器５６とを含み、ポンプ６０は重水をカソード入口に向けて能動的にポンピングするように構成され、リザーバ６４および／または飽和器５６は、カソード出口６６とも流体連通し、カソード出口で生じた重水を受け取るように構成されている。別の代替実施形態では、装置１０のカソードは受動的冠水カソードを含む。この実施形態では、装置１０は、重水を収容するリザーバ６４および／または飽和器５６をさらに備え、このリザーバ６４および／または飽和器５６は、カソード入口６２の上方に配置されかつカソード入口と流体連通する出口６８を有しており、カソード入口に重水を供給するように構成されており、リザーバは、当該リザーバおよび／または飽和器のヘッドスペースに配置され、カソード出口６６と流体連通する入口７０を有しており、バブルリフト法によってカソード出口で生じた重水を受け取るように構成される。カソードバブルリフト方法は、スタックのカソード側が水中に完全に沈められ、入口が底部に出口が頂部になるように両カソードポートを向き合わせることを確実にするように、Ｄ２Ｏリザーバの出口を電気化学スタックよりも高くする必要がある。カソードでガスが生じると、気泡がＤ２Ｏの持ち上げスラグを形成しＤ２Ｏリザーバの相分離ヘッドスペースまで達する。この方法は、膜の水和およびセルスタックの冷却のためにＤ２Ｏを受動的に循環させるために使用することができる。
【００５１】
本発明を例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができ、それらの要素を均等物で置き換えることができることは当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は本願の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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