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JP2021012863A - Power generation system using oxygen extracted from water - Google Patents

Power generation system using oxygen extracted from water Download PDF

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JP2021012863A
JP2021012863A JP2019136468A JP2019136468A JP2021012863A JP 2021012863 A JP2021012863 A JP 2021012863A JP 2019136468 A JP2019136468 A JP 2019136468A JP 2019136468 A JP2019136468 A JP 2019136468A JP 2021012863 A JP2021012863 A JP 2021012863A
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正視 後藤
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Abstract

To provide the cogeneration of electrical and sterile water in an electrochemical cell including an oxygenation reaction (OER) anode and an oxygen reduction reaction (ORR) cathode, a method of electrolyzing water on the anode and converting oxygen into electricity on the cathode, and a self-contained water fuel facility that includes four subsystems for electricity and water cogeneration.SOLUTION: Both an anode and a cathode share an oxygen production reaction and an oxygen reduction reaction, the former consumes energy and the latter produces electricity. The cathode forms a load and the anode forms an electroforming circuit. The circuit requires clean water to supply oxygen as fuel. A built-in water purification device supplies clean water which is a raw material for all-water fuel cells.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は酸素生成反応(OER)アノード及び酸素還元反応(ORR)カソードを含む電気化学セルにおける電気及び滅菌水のコジェネレーションに関する。より具体的には、本発明は、OERアノード上での水の電気分解、カソード上でのORRによって酸素を過酸化水素及び電気に変換する方法に関する。酸素生成、酸素の電気変換を容易にするために、本発明は、電気と水のコジェネレーション用の4つのサブシステムを含む自己完結型の水燃料設備を提供する。
4つのサブシステムには、(1)エネルギー及び水の生成、(2)オンライン浄水、(3)エネルギー貯蔵設備、(4)電気、水及びガスの流れを管理するコントローラーを含む。
The present invention relates to the cogeneration of electrical and sterile water in an electrochemical cell containing an oxygenation reaction (OER) anode and an oxygen reduction reaction (ORR) cathode. More specifically, the present invention relates to a method of converting oxygen into hydrogen peroxide and electricity by electrolysis of water on the OER anode and ORR on the cathode. To facilitate oxygen production and the conversion of oxygen into electricity, the present invention provides a self-contained water fuel facility that includes four subsystems for electricity and water cogeneration.
The four subsystems include (1) energy and water production, (2) online water purification, (3) energy storage equipment, and (4) controllers that manage the flow of electricity, water and gas.

エネルギーと水は人間の生活と活動を支えるための2つの重要な要素である。またこれらは各家庭の支出の大部分を占めているおり、それらを供給することが各政府の主要な責任である。
エネルギーと水の需要の増加、地球温暖化、水質汚染に伴い、政府は人々のエネルギーと水のニーズを満たすために予算を増やす傾向にある。エルニーニョ、散発的な自然災害、及び環境保護の問題に直面しているため、多くの場合、政府はすべての状況を解決することはできないのが現実である。環境を汚染することなくエネルギー需要を解決するために、人々は、太陽電池、風力タービン及び海洋波などの再生可能エネルギーに目を向けるが、それにもかかわらず、再生可能エネルギーは断続的で地質学的にも制限がある。自然に依存するエネルギー生成の他のアプローチには、燃料電池、廃熱利用、振動エネルギーの利用もある。燃料電池は160年以上前から存在しており、5種類の燃料セルが開発された。しかし、いずれの技術も広く採用されているとは言えない。最近では、6番目の燃料セルとして微生物燃料電池が米国特許にも多く見られる。米国特許第4,652,501、7,544,429、9,450,437、9,520,608、9,776,897、10,164,282などである。すべての燃料セルの研究努力は、Pt、Pd、Ruに代わる一般的な金属の発見、出力向上、使用する膜、及び安全性に主に焦点が当てられている。生物燃料セルの開発は、上記米国特許第608号が主張するように非貴金属を利用しているが、米国特許第897号のブラシ電極及び米国特許第282号の複数セル仕切り、ならびに米国特許第429号の膜なしセルがある。とは言え微生物やスラッジまたは廃水の関与は、生物燃料セルの商業的な実行可能性を妨げている。飲用水の生成に関する限り、逆浸透(RO)、膜濾過、UV消毒、フェントン反応及び微生物消化を含む従来の水処理技術は時間がかかり高価で副産物を伴う。
ごく最近、Hauptらは、Electrochemistry Communications誌において、新しい技術として電気化学促進酸化過程(EAOP)を報告した。COD(化学的酸素要求量)増加に対するエネルギー消費分析を通して、EAOPは従来の技術より優れていることが示された。我々の発明は、Sb,Ni−SnO触媒のほうが引用した論文で使用されているホウ素添加ダイヤモンド(BOD)触媒よりも効果的であることを証明するであろう。コスト以外にも燃料セルにはもう1つの深刻な欠点である低パワー密度の課題がある。実際のところ、燃料セルはその電力に基づいて価格設定されている。1KWの出力に対して500〜1,000USドルである。生物燃料セル関係の論文等で報告されている電力密度の値はほとんどすべてが1W/未満である。Kodaliらは、Electrochemica Acta誌の生物燃料セルで、452W/cm、または4.52W/mという優れた出力密度を発表した。明らかに前記電力密度は、電気自動車を含む多くの用途に要求される実用的なレベルには程遠い。他の多くの発電機と同様に、それらはすべて、長期間使用するための電力貯蔵装置を必要とする。ウルトラキャパシタ、疑似キャパシタ、または二重層キャパシタとしても知られるスーパーキャパシタは、燃料セルによって生成されるエネルギーを貯蔵するための最良のデバイスである。スーパーキャパシタは高い充電効率を持つ多用途の電力増幅器であり、本発明での重要なことは、それ本体が燃料セルとその構成物を収納・支持する筐体して利用することが出来るという点にある。
Energy and water are two important elements that support human life and activity. They also make up the majority of household spending, and supplying them is the primary responsibility of each government.
With increasing energy and water demands, global warming and water pollution, governments tend to increase their budgets to meet people's energy and water needs. Faced with El Nino, sporadic natural disasters, and environmental protection issues, the reality is that in many cases the government cannot resolve all situations. To solve energy demands without polluting the environment, people turn to renewable energies such as solar cells, wind turbines and ocean waves, but nevertheless, renewable energies are intermittent and geological. There are also restrictions. Other approaches to nature-dependent energy generation include fuel cells, waste heat utilization, and vibrational energy utilization. Fuel cells have existed for over 160 years, and five types of fuel cells have been developed. However, neither technology is widely adopted. Recently, microbial fuel cells are often found in US patents as the sixth fuel cell. U.S. Pat. Nos. 4,652,501,7,544,429, 9,450,437, 9,520,608, 9,776,897, 10,164,282, and the like. Research efforts in all fuel cells have focused primarily on the discovery of common metals to replace Pt, Pd, and Ru, increased power output, membranes used, and safety. The development of biofuel cells utilizes non-precious metals as claimed by US Pat. No. 608, but the brush electrodes of US Pat. No. 897, the multi-cell partition of US Pat. No. 282, and US Pat. No. 282. There is a No. 429 filmless cell. However, the involvement of microorganisms, sludge or wastewater impedes the commercial viability of biofuel cells. As far as the production of drinking water is concerned, conventional water treatment techniques including reverse osmosis (RO), membrane filtration, UV disinfection, Fenton reaction and microbial digestion are time consuming, expensive and with by-products.
Most recently, Haupt et al. Reported an electrochemically accelerated oxidation process (EAOP) as a new technique in the magazine of Electrical Chemistry Communications. Through energy consumption analysis for increased COD (Chemical Oxygen Demand), EAOP has been shown to be superior to conventional techniques. Our invention will prove that the Sb, Ni-SnO 2 catalysts are more effective than the boron-added diamond (BOD) catalysts used in the cited papers. Besides cost, fuel cells have another serious drawback, low power density. In fact, fuel cells are priced based on their electricity. It is US $ 500-1,000 for an output of 1 KW. Almost all of the power density values reported in papers related to biofuel cells are less than 1 W /. Kodali et al. Published an excellent output density of 452 W / cm 2 or 4.52 W / m 2 in the biofuel cell of Electrochemica Acta. Obviously, the power density is far from the practical level required for many applications, including electric vehicles. Like many other generators, they all require a power storage device for long-term use. Supercapacitors, also known as ultracapacitors, pseudocapacitors, or double layer capacitors, are the best devices for storing the energy produced by fuel cells. A supercapacitor is a versatile power amplifier with high charging efficiency, and what is important in the present invention is that the main body can be used as a housing for storing and supporting a fuel cell and its components. It is in.

US特許 4,652,501 3/1987 Bennetto et al. 6,512,667 B2 1/2003 Shiue at al. 7,544,429 B2 1/2009 Kim et al. 7,696,729 B2 4/2010 Shiue at al. 9,174,985 B2 11/2015 Shiue et al. 9,450,437 B2 9/2016 Kim et al. 9,520,608 B2 12/2016 Becker et al. 9,776,897 B2 10/2017 Silver et al. 10,164,282 B2 12/2018 Bahrebar et al.US Patent 4,652,501 3/1987 Bennetto et al. 6,512,667 B2 1/203 Shiue at al. 7,544,429 B2 1/209 Kim et al. 7,696,729 B2 4/2010 Shiue at al. 9,174,985 B2 11/2015 Shiue et al. 9,450,437 B2 9/2016 Kim et al. 9,520,608 B2 12/2016 Becker et al. 9,776,897 B2 10/2017 Silver et al. 10,164,282 B2 12/2018 Bahrebar et al. 国内特許 特願2006−348482(P2006−348482) 特開2007−312584(P2007−312584A) 特開2008−149302(P2008−149302A 特開2008−161846(P2008−161846A) 特開2008−132466 特開2008−54486(P2008−54486A) 特願2008−60208(P2008−60208) 特開2009−45608(P2009−45608A) 特開2009−190016(P2009−190016A) 特開2009−152513(P2009−152513A) 特開2009−33075(P2009−33075A) 特表2010−528175(P2010−528175A) 特表2010−524200(P2010−524200A) 特開2012−1806(P2012−1806A)Japanese Patent Application No. 2006-348482 (P2006-348482) JP-A-2007-31284 (P2007-31284A) JP-A-2008-149302 (P2008-149302A JP-A-2008-161846 (P2008-161846A) JP-A-2008-132466 JP-A-2008- 54486 (P2008-54486A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-60208 (P2008-60208) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-45608 (P2009-45608A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-190016 (P2009-190016A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-152513 (P2009-152513A) 33075 (P2009-33075A) Special Table 2010-528175 (P2010-528175A) Special Table 2010-524200 (P2010-524200A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-1806 (P2012-1806A)

その他 D.Haupt et al.,Electrochem.Communications,Vol 101,pp115−19(2019). Kodali et al.,Electrochemica Acta,Vol.231,pp115−124(2017).Other D. Haupt et al. , Electrochem. Communications, Vol 101, pp115-19 (2019). Kodali et al. , Electrochemica Acta, Vol. 231 and pp115-124 (2017).

アンチモン、ニッケル添加の酸化錫処理のチタン材(Sb,Ni−SnO/Ti)で出来たアノード基盤上で低電圧直流電力を用い、水から電気分解により酸素の生成を効率的かつ経済的に達成することが出来る。酸素発生と同時に、隣接する酸化コバルト添加のカーボンナノフィルム(Co−CNF/Ti)によって過酸化水素(H)及び電気に急速に還元される。この発電では、まず酸素発生反応(OER)において酸素が生成され、次いで酸素還元反応(ORR)において発電が行われる。アノード及びカソード両方が酸素生成反応と酸素還元反応を共有するが、前者はエネルギーを消費し、後者は電気を生成する。カソードは負荷を形成し、アノードは電気形成回路を形成する。前記回路は燃料である酸素の供給にクリーンな水が必要である。該発明ではその燃料セルを全水燃料セル(AWFC: all−water fuel cell)と呼ぶ。ここでスーパーキャパシタを全水燃料セルの負荷として採用する。そして組み込んだ浄水装置が全水燃料セルの原料であるきれいな水の供給を行う。Efficient and economical generation of oxygen by electrolysis from water using low-voltage DC power on an anode board made of antimony-nickel-added tin oxide-treated titanium material (Sb, Ni-SnO 2 / Ti) Can be achieved. At the same time as oxygen evolution, it is rapidly reduced to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and electricity by the adjacent cobalt oxide-added carbon nanofilm (Co 3 O 4- CNF / Ti). In this power generation, oxygen is first generated in an oxygen evolution reaction (OER), and then power generation is performed in an oxygen reduction reaction (ORR). Both the anode and the cathode share an oxygen production reaction and an oxygen reduction reaction, the former consuming energy and the latter producing electricity. The cathode forms the load and the anode forms the electroforming circuit. The circuit requires clean water to supply oxygen as fuel. In the present invention, the fuel cell is referred to as an all-water fuel cell (AWFC: all-water fuel cell). Here, the supercapacitor is adopted as the load of the all-water fuel cell. The built-in water purification device then supplies clean water, which is the raw material for all-water fuel cells.

酸素の生成、酸素の電気変換を容易にするために、本発明は、電気と水のコジェネレーション用の4つのサブシステムを含む自己完結型の設備を提供する。4つのサブシステムには、(1)エネルギー及び水の生成、(2)オンライン浄水、(3)エネルギー貯蔵設備、(4)電気、水及びガスの流れを管理するコントローラーを含む。コントローラーは外部調達するがそれ以外の他の3つのサブシステムのすべての材料は自家製で用意する。開示された装置および方法の実施形態の詳細な説明は、図面を参照して例示として本明細書に提示される。特定の実施形態を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な変更および修正を加えることが出来ることを理解されたい。本発明の範囲は、構成要素の数、その材料、その形状、その相対的な配置などに限定されるものではなく、単に本発明の実施形態の一例として開示されたものである。本発明は、4つのサブシステムを含むAWFCを提供する:(1)電力を発生させるためのAWFCおよび除菌した水の提供、(2)清浄な水をAWFCに供給するためのTDSおよびCOD除去装置からなるオンライン浄水器、(3)ハウジングとしてのスーパーキャパシタとそこに貯蔵された電気エネルギー、(4)必要とされるエネルギーの利用と電気、オゾンガスと水を管理するCPU。上記システムは、家庭、地域社会、企業、産業、軍事および遠隔地における様々な電力用途および水需要に合わせて容易に拡張することが出来る。燃料である酸素は、低コストの触媒および低消費電力を用いてアノード上で電気分解することによって液体または蒸気として流体形態の水から得られる。燃料の供給源として、水は安全で、普遍的にそして安価に入手できるが、AWFCシステム内では貴重な資源である。従って、AWFCシステムは高い費用対効果値(CP値)を有する。次の段落では、4つのサブシステムについて詳しく説明する。
全水燃料セル(AWFC)
そもそも本特許は、発明者による電解オゾン(電気分解オゾン生成)の10年にわたる研究開発がもとになっている。以下の式1および2でそれぞれ表されるように、水の電気分解は常にアノード側で酸素を、カソード側で水素を生じる。
アノード反応:2HO→O↑+4H+4e E°=1.23V (1)
カソード反応:2HO+2e→H↑+OH E°=0.0V (2)
E°は酸素と水素を生成するのに必要な標準電位である。オゾン(O)が望まれる場合は、式(3)によって記述されるようにOが形成されるレベルまでO発生電位(OEP)を上昇させる必要がある。
アノード反応:3HO→O↑+6H+6e E°=1.60V (3)
(1)+(3) 5HO→O↑+O↑+10H+10e E°=1.60V (4)
それ故、有効で経済的かつ安定したO形成触媒がアノードに利用可能でなければならない。
私たちは、白金(Pt)、金(Au)、イリジウム(Ir)などのいくつかの貴金属、そしてガラス状炭素やグラファイトを試した。結局、次元安定性アノード(DSA)‐アンチモン(Sb)とニッケル(Ni)をドープした酸化スズ(SnO)が要件を満たすことを証明した。
SnOは真性n型半導体であり、SbをドープするとSnOは透明で導電性になる(これはATOと呼ばれる)。第二のドーパントとして、ニッケルはOEPの上昇に関与している。電気分解オゾン生成アノードの酸化環境は過酷なので、チタン(Ti)がSb/NiドープSnOの基板として最も合理的な金属である。Sb,Ni−SnO/Tiは文献で広く議論されている電気分解オゾン生成のアノードであるが、我々はSn、SbおよびNiに対して非塩素塩を選択した(Sb、Ni−SnOの熱調製中のHCl蒸気の発生を避けるため)。これは、触媒膜を製造するためのものであり、これは他の文献報告とは異なり新規である。表1は、Sb,Ni−SnO/Ti製造用の3つの金属元素に対してそれぞれ選択することが出来る非Cl前駆体を列挙する:
To facilitate the production of oxygen and the electrical conversion of oxygen, the present invention provides self-contained equipment containing four subsystems for electrical and water cogeneration. The four subsystems include (1) energy and water production, (2) online water purification, (3) energy storage equipment, and (4) controllers that manage the flow of electricity, water and gas. The controller will be procured externally, but all other three subsystem materials will be homemade. A detailed description of embodiments of the disclosed devices and methods is presented herein by way of example with reference to the drawings. Although the particular embodiment has been described in detail, it should be understood that various changes and amendments can be made without departing from the appended claims. The scope of the present invention is not limited to the number of components, the material thereof, the shape thereof, the relative arrangement thereof, etc., but is merely disclosed as an example of an embodiment of the present invention. The present invention provides an AWFC containing four subsystems: (1) providing AWFC and sterilized water to generate electricity, (2) removing TDS and COD to supply clean water to the AWFC. An online water purifier consisting of equipment, (3) a supercapacitor as a housing and electric energy stored in it, (4) utilization and electricity of required energy, and a CPU that manages ozone gas and water. The system can be easily extended to meet various power applications and water demands in homes, communities, businesses, industries, military and remote areas. Oxygen, the fuel, is obtained from water in fluid form as a liquid or vapor by electrolyzing on the anode with a low cost catalyst and low power consumption. As a source of fuel, water is safe, universally and inexpensively available, but it is a valuable resource within the AWFC system. Therefore, the AWFC system has a high cost-effectiveness value (CP value). The next paragraph details the four subsystems.
All-water fuel cell (AWFC)
In the first place, this patent is based on 10 years of research and development of electrolytic ozone (electrolytic ozone generation) by the inventor. As represented by the following equations 1 and 2, the electrolysis of water always produces oxygen on the anode side and hydrogen on the cathode side.
Anode reaction: 2H 2 O → O 2 ↑ + 4H + + 4e E ° = 1.23V (1)
Cathode reaction: 2H 2 O + 2e → H 2 ↑ + OH E ° = 0.0V (2)
E ° is the standard potential required to produce oxygen and hydrogen. If ozone (O 3 ) is desired, it is necessary to raise the O 2 generation potential (OEP) to the level at which O 3 is formed, as described by equation (3).
Anode reaction: 3H 2 O → O 3 ↑ + 6H + + 6e E ° = 1.60V (3)
(1) + (3) 5H 2 O → O 2 ↑ + O 3 ↑ + 10H + + 10e E ° = 1.60V (4)
Thus, effective economical and stable O 3 formed catalyst must be available to the anode.
We have tried several precious metals such as platinum (Pt), gold (Au) and iridium (Ir), as well as glassy carbon and graphite. In the end, it proved that tin oxide (SnO 2 ) doped with dimensional stability anode (DSA) -antimony (Sb) and nickel (Ni) meets the requirements.
SnO 2 is an intrinsic n-type semiconductor, and when Sb is doped, SnO 2 becomes transparent and conductive (this is called ATO). As a second dopant, nickel is involved in the rise of OEP. Titanium (Ti) is the most rational metal for the substrate of Sb / Ni-doped SnO 2 because the oxidation environment of the electrolyzed ozone-producing anode is harsh. Although Sb, Ni-SnO 2 / Ti are the anodes for electrolyzed ozone production that are widely discussed in the literature, we have selected non-chlorinated salts for Sn, Sb and Ni (of Sb, Ni-SnO 2 ). To avoid the generation of HCl vapor during thermal preparation). This is for producing a catalyst membrane, which is novel unlike other literature reports. Table 1 lists the non-Cl precursors that can be selected for each of the three metal elements for Sb, Ni-SnO 2 / Ti production:

Sb,Ni−SnO触媒フィルムは、空気中で「コーティング‐乾燥‐焼結」の複数サイクルを経て作る。コーティング溶液は、Sn:Sb:Ni=500:8:1の3つの金属のモル比によるシュウ酸第一スズ、三酸化アンチモンおよび酢酸ニッケルの混合物を含有する水である。
Sn4+濃度、または[Sn4+]が0.2Mに設定され、Sb3+−Ni2+が上記比で添加される場合、溶液はサイクル当たりTi表面上に1617nmの厚さの触媒フィルムを生じ得る。理想的な膜厚の範囲は2〜4μmである。所望のフィルム厚さに達するには、0.2M溶液で118回から236回の複数回のプロセスが必要である。ゆっくりとしたフィルムの堆積を促進するために、本発明は、0.81.2Mの[Sn4+]、[Sn4+]の比率2.84.4%の[Sb3+]、および[Sn4+]の比率0.81.8%の[Ni2+]であることを提案する。
濃縮コーティング溶液は1サイクルあたり60〜65nmのフィルムを生成できることが測定された。
Sb,Ni−SnO/Tiのアノード基盤を一般的なSUS304ステンレス製のカソード基板と結合した一対の電極は最低3ボルト直流電流を使用して、水道水、精製水または水蒸気を原料として電気分解により、アノードに酸素およびオゾン、水を生成し、カソードにHを生成する。より高い電圧が印加されると更に多くのガス状生成物が形成される。印加電圧にかかわらず、H:O:Oの生成比は6:2:1である。オゾン生成の電流効率は、PEM(プロトン交換膜)および添加剤を水に添加しない前提で30〜35%と計算出来る。従って本発明のO電解過程は、高効率の低消費電力でO/Oを製造することが出来る。しかしステンレス製カソードでの反応は電気分解オゾン生成に関して2つの問題を引き起こす。
1) 付着物‐水中のCa2+/Mg2+がスケールとなってカソードに強く付着し、不動態化をもたらす。これの除去は厄介である。
2) H‐カソードでのHが高速で生成されることは、安全性の懸念がある。上記の問題を解決するために、空気からOと反応することが出来る空気カソード電極が本発明により開発された。ステンレスの代わりに、腐食防止のためにチタンをカソード用の基材として使用する。図1に一対の電極間にセパレータまたは膜を配置せずに、1〜2mmなどの一定間隔で固定された2つのカソードによって挟まれたSb,Ni−SnO/Tiアノードの構成を示す。スタック内は3つの電極を組みとして、実際には直列に接続された2つのセルがある。図1に示すように、電気分解機構は二つの並んだ回路がある。1つは直流電源により誘導されるアノード上での水の電気分解であり、ここの作動電圧はアノードおよびカソードと並列の電圧計により測定することが出来る。もう一つの回路はカソード、負荷、電流計そしてSb,Ni−SnO/Tiアノード構成で行う酸素還元である。式(4)に記載されているように、直流電流によって酸素発生反応(OER)がアノード側で起こる。
5HO→O↑+O↑+10H+10e E°=1.60V (4)
式(4)は電気分解オゾン生成電極のアノードの反応と同様である。Oを除いて式(4)の生成物は式(5)の通りカソードの触媒によりHに変換される:
+2H+2e→H (5)
式(5)は、酸素還元反応(ORR)の2電子の動きであり、水は介在せず、その結果HもOHも生成されない。アニオン(OH)は、ステンレス製カソード上のCa/Mgスケーリングの原因と考えられている。水素形成および汚れ付着の問題は解決されるか又は最小限に抑えられる。
OERが開始されるとすぐに、O,H及び電子が生成され、それらは瞬時にかつ自動的にアノードからカソードへと流れ、それに対応してORRを誘発する。ORRによって生成された電気は、レジスター抵抗または空のスーパーキャパシタによって容易に引き出すことができ、電流の大きさは電流計によって測定することが出来る。この電気が空気カソード、負荷、Sb,Ni−SnO/Tiアノードを含む回路が全水燃料セル(AWFC)となる。カソードでOが還元されると同時に、OはHと結合してペルオキソンを形成する。これはAOP(促進酸化過程)の新しい形で、水、地下水、排水の殺菌をして飲料水にする。ペルオキソンはまた、揮発性有機化合物、塩素系溶剤、ディーゼル廃油、およびPAH(多核芳香族炭化水素)を分解することが出来る。
このAWFCのユニークで新規な機能は次のとおり。
1. すべての反応は密閉された純粋な環境の水中で起こる。
2. OはHOの内部で生成され、自動的にORRエリアへ拡散する。ガス拡散層(GDL)のようなO還元のための拡散設定はカソード上に不要である。
3. Hもそれ自体で自由に拡散し、PEM(プロトン交換膜)を不要にする。
4. ORRはOERを誘発し、その逆もある。この相互反応は、ある期間OER用の直流電源がなくても存在する。直流電源がないと、AWFCによる発電は減っていくが完全に消えることはない。
5. 十分なOを作るためにOERに低電力が常に供給されていると、ORRが継続的に大きな電力を生み出す。
6. より多くのORRエリアおよびOの閉じ込めが、OERをサポートする直流エネルギーの増加より、むしろAWFCの大電力、大電流を得る鍵である。
7. エネルギーと滅菌水、この2つの不可欠で貴重な資源が一緒に生成される。
8. OはAWFCでの発電のための燃料であり、それは液体または蒸気という流体形態の水から得られる。Oは空気からも得られる。
図2は、一定のギャップで複数のアノードおよびカソードを構成物として積み重ねることによるAWFCのスケールアップを示す。両方の電極は異なる触媒を使用するが、それらは全てカソード表面全体にわたる均一なOの分布のためと同様に、Oの容易な発生のために穿孔を有する。セルは、カソードの片側に面するアノードの片側によって形成され、従って、図2の図面には10個のセルが含まれる。図2のすべてのアノードは電圧を増やすために直列に、またはより高い電流出力を達成するためには並列に配置する。同様に全てのカソードも同じ配置をすることが出来る。アノードおよびカソードとも、平板、湾曲板、その他設計に応じた形、管およびメッシュの形で製造することが出来る。言い換えれば、本発明は、要求に応じて任意の形状で電極を準備することが出来る。
図3は、空気カソードを製造するための水熱合成として知られる過程である。まず、炭素が豊富に含まれた前駆体の水溶液の調製から開始される。また金属塩中の全ての必要な触媒は溶解されて溶液とする。次いで、前駆体および触媒を含浸させるためにTiプレートを一定時間この溶液中に浸漬する。過剰の溶液を落とした後、被覆したTiを空気中で200〜400℃の木炭化処理にかけて添加済みチャコールを形成する。この処理はまた前駆体の熱安定化にもなる。最後に、木炭化物(チャコール)は600〜900℃および無酸素環境下での熱分解により炭化される。触媒(M)をドープしたカーボンナノフィルムのコンフォーマルでモノリシックな層は、(M・CNF/Ti)Ti基板上にAWFC動作の空気カソードに直接成長する。炭素に富む前駆体として、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、セルロース、デキストリン、リグニン、リンゴ塩、多糖類、ゼラチンおよびポリイミドが挙げられる。カソード上のORR用触媒として、本発明は酸化コバルト(Co)を選択した。コバルト前駆体の選択は、硝酸コバルト、硫酸コバルト、炭酸コバルト、水酸化コバルト、臭化コバルトおよび塩化コバルトを含む。炭素に富む前駆体および添加剤の特定の溶液と共に、Tiの代わりに粒状活性炭(GAC)またはSAE304ステンレス鋼(SS)箔を使うことによって、スーパーキャパシタの材料の改善型活性炭(MAC)の製造にも利用可能で、これで図3の水熱合成の通り水のオンライン浄化、AWFCからの電力貯蔵を行う。
装置による水の浄化
水は地球上のいたるところにあり、最も乾燥した地域でも地下には水がある。しかし、地下、溝、川、湖、小川、そして海からの水は、そのままでは何にも使えないことがよくある。TDSとCOD(BODを含む)は、水から除去すべき主な汚染物質である。本発明は、担体としてGACを使用する特定用途向け吸着剤を開発した。GACは、イオン/染料/有機物/揮発性有機蒸気(VOC)の吸着、濾過および触媒の担持のための水処理に広く用いられている。しかしGACは導電性が低くマイクロポアがある。これによりGACが飽和するという支障がある。こういった問題、特に材料の再生・再利用を解決するために、本発明は図3の水熱合成をGACに適用した。導電性カーボンナノフィルム(CNF)のモノリシック層が、すべてのGAC粒子上にコーティングされ、その結果、新しいコア‐シェル複合体が得られる。この新しい粒子をMAC−Cと呼び、MACはコアで改善型GACであり、シェル”C”はCNFでMACに高い導電性を付与するだけでなく、マイクロポアを密封する。実験ではMAC−CはTDSが100K ppm以上の原水のTDSを除去できることが証明されている。MAC−Cは、COD除去の吸着剤MAC−CXを製造するためのビルディングブロックでもある。“X”は周期表の最初の遷移金属の触媒酸化物の総称である。MAC−CXは、廃水の性質によって”X”を調合しMAC−Cに加えて熱処理することによって製造される。遷移金属の正しい組み合わせを使用することで、MAC−CXの吸着剤を1回の流水通過で、その廃水から10K ppm以上のCODを削減することが出来る。MAC−CとMACXはどちらも300℃以上の熱を使って製造される。MAC−CとMAC−CXは堅牢であり、1日24時間持続稼働の流水浄化のストレスに耐えることが出来る。
MACの高導電性を利用して、2本のステンレス製電極をMAC−CとMAC−CXのタワー状の構成物の両側に配置する。3〜5Vの低い直流電圧を電極間に印加してタワー内に弱い電界を作り出す。この電界のMAC−CとMAC−CXは、アノード傍では粒子の正極電極に引き込まれ、カソード傍では粒子により負極電極に引き込まれる。MAC−Cの場合、荷電粒子への塩水海水からのイオンの吸着は、静電荷引力によって促進され新たな脱塩を生み出す。一方、COD吸着剤であるMAC−CXは、AWFCから供給されるオゾンガスをヒドロキシラジカル(・OH)に変換することが出来る。・OHはオゾンよりも強力な酸化剤であり(表2を参照)、COD汚染物質の分解速度はオゾンの数百倍である。
The Sb, Ni-SnO 2 catalyst film is made in air through multiple cycles of "coating-drying-sintering". The coating solution is water containing a mixture of stannous oxalate, antimony trioxide and nickel acetate in a molar ratio of three metals Sn: Sb: Ni = 500: 8: 1.
Sn 4+ concentration or [sn 4+] is set to 0.2 M,, if the Sb 3+ -Ni 2+ is added in the ratio, the solution yields a catalyst film having a thickness of 16 ~ 17 nm on the Ti surface per cycle obtain. The ideal film thickness range is 2-4 μm. Multiple processes of 118 to 236 times with 0.2 M solution are required to reach the desired film thickness. To promote slow film deposition, the present invention has a ratio of [Sn 4+ ] of 0.8 to 1.2 M [Sn 4+ ], [Sn 4+ ] of 2.8 to 4.4% [Sb 3+ ], and. It is proposed that the ratio of [Sn 4+ ] is 0.8 to 1.8% [Ni 2+ ].
It was measured that the concentrated coating solution could produce a film of 60-65 nm per cycle.
A pair of electrodes in which the anode base of Sb, Ni-SnO 2 / Ti is combined with a cathode board made of general SUS304 stainless steel is electrolyzed from tap water, purified water or steam using a minimum of 3 volt DC current. the oxygen and ozone in the anode, to produce water, the cathode to generate an H 2. More gaseous products are formed when higher voltages are applied. Regardless of the applied voltage, H 2: O 2: production ratio of O 3 is 6: 2: 1. The current efficiency of ozone generation can be calculated to be 30-35% on the assumption that PEM (proton exchange membrane) and additives are not added to water. Accordingly O 3 electrolytic process of the present invention, it is possible to produce a O 2 / O 3 with low power consumption with high efficiency. However, the reaction on a stainless steel cathode causes two problems with respect to electrolyzed ozone production.
1) Adhesion-Ca 2+ / Mg 2+ in water becomes a scale and strongly adheres to the cathode, resulting in passivation. Removing this is awkward.
2) H 2 - that of H 2 at the cathode is generated at high speed, there are safety concerns. In order to solve the above problems, an air cathode electrode capable of reacting with O 2 from air has been developed by the present invention. Instead of stainless steel, titanium is used as the base material for the cathode to prevent corrosion. FIG. 1 shows the configuration of an Sb, Ni—SnO 2 / Ti anode sandwiched between two cathodes fixed at regular intervals such as 1 to 2 mm without arranging a separator or a film between a pair of electrodes. In the stack, there are actually two cells connected in series with three electrodes assembled. As shown in FIG. 1, the electrolysis mechanism has two side-by-side circuits. One is the electrolysis of water on the anode induced by a DC power source, where the working voltage can be measured with a voltmeter in parallel with the anode and cathode. Another circuit is oxygen reduction with a cathode, load, ammeter and Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode configuration. As described in equation (4), a direct current causes an oxygen evolution reaction (OER) on the anode side.
5H 2 O → O 2 ↑ + O 3 ↑ + 10H + + 10e E ° = 1.60V (4)
Equation (4) is similar to the reaction of the anode of the electrolyzed ozone generation electrode. With the exception of O 3 , the product of formula (4) is converted to H 2 O 2 by the catalyst of the cathode as in formula (5):
O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O 2 (5)
Equation (5) is the movement of two electrons in the oxygen reduction reaction (ORR), without water intervention, and as a result neither H 2 nor OH is produced. Anions (OH ) are believed to be responsible for Ca / Mg scaling on stainless steel cathodes. The problem of hydrogen formation and dirt adhesion is solved or minimized.
As soon as the OER is started, O 2, H + and electrons are generated, they are automatically and instantaneously flow from the anode to the cathode, to induce ORR correspondingly. The electricity generated by the ORR can be easily drawn by a register resistor or an empty supercapacitor, and the magnitude of the current can be measured by an ammeter. The circuit in which this electricity includes the air cathode, the load, and the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode becomes the all-water fuel cell (AWFC). At the same time that O 2 is reduced at the cathode, O 3 binds to H 2 O 2 to form peroxone. This is a new form of AOP (Aspect Oriented Programming) that sterilizes water, groundwater and wastewater into drinking water. Peroxone can also decompose volatile organic compounds, chlorinated solvents, diesel waste oil, and PAHs (polynuclear aromatic hydrocarbons).
The unique and new features of this AWFC are:
1. 1. All reactions occur in water in a closed, pure environment.
2. 2. O 2 is generated inside H 2 O and automatically diffuses into the ORR area. Diffusion settings for O 2 reduction, such as gas diffusion layer (GDL), are not required on the cathode.
3. 3. H + also diffuses freely on its own, eliminating the need for a PEM (proton exchange membrane).
4. ORR induces OER and vice versa. This interaction exists for a period of time without a DC power source for the OER. Without a DC power source, the power generated by the AWFC will decrease but will not disappear completely.
5. If the OER is constantly supplied with low power to produce enough O 2 , the ORR will continuously generate large power.
6. Confinement of more ORR areas and O 2 is the key to obtaining high power and high current of AWFC rather than the increase of DC energy supporting OER.
7. Energy and sterile water, these two essential and valuable resources are produced together.
8. O 2 is the fuel for power generation in the AWFC, which is obtained from water in the fluid form of liquid or vapor. O 2 can also be obtained from air.
FIG. 2 shows the scale-up of AWFC by stacking a plurality of anodes and cathodes as a component with a constant gap. Both electrodes use different catalysts, but they all have perforations for the easy generation of O 2 as well as for a uniform distribution of O 2 over the entire cathode surface. The cells are formed by one side of the anode facing one side of the cathode, and thus the drawing of FIG. 2 contains 10 cells. All anodes in FIG. 2 are placed in series to increase the voltage or in parallel to achieve higher current output. Similarly, all cathodes can have the same arrangement. Both the anode and the cathode can be manufactured in the form of flat plates, curved plates and other designs, tubes and meshes. In other words, the present invention can prepare electrodes in any shape as required.
FIG. 3 is a process known as hydrothermal synthesis for producing an air cathode. The first step is to prepare an aqueous solution of the carbon-rich precursor. Also, all necessary catalysts in the metal salt are dissolved to make a solution. The Ti plate is then immersed in this solution for a period of time to impregnate the precursor and catalyst. After removing the excess solution, the coated Ti is subjected to wood charcoal treatment at 200-400 ° C. in air to form added charcoal. This treatment also provides thermal stabilization of the precursor. Finally, wood carbide (charcoal) is carbonized by thermal decomposition at 600-900 ° C and in an oxygen-free environment. A conformal, monolithic layer of catalyst (M) -doped carbon nanofilm grows directly on the (M · CNF / Ti) Ti substrate to an AWFC-operated air cathode. Polyacrylonitrile (PAN), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polymethylmethacrylate (PMMA), cellulose, dextrin, lignin, apple salt, polysaccharides as carbon-rich precursors , Gelatin and polyimide. Cobalt oxide (Co 3 O 4 ) was selected by the present invention as the catalyst for ORR on the cathode. Choices of cobalt precursors include cobalt nitrate, cobalt sulfate, cobalt carbonate, cobalt hydroxide, cobalt bromide and cobalt chloride. For the production of improved activated carbon (MAC) of supercapacitor materials by using granular activated carbon (GAC) or SAE304 stainless steel (SS) foil instead of Ti, along with specific solutions of carbon-rich precursors and additives. Is also available, which allows online purification of water and storage of electricity from AWFC as shown in Fig. 3 for hydrothermal synthesis.
Purified water by the device is ubiquitous on earth, and even in the driest areas there is water underground. However, water from underground, ditches, rivers, lakes, streams, and the sea is often useless as it is. TDS and COD (including BOD) are the main pollutants to be removed from water. The present invention has developed a special-purpose adsorbent that uses GAC as a carrier. GAC is widely used in water treatment for adsorption, filtration and catalyst support of ions / dyes / organics / volatile organic compounds (VOCs). However, GAC has low conductivity and has micropores. This causes a problem that the GAC is saturated. In order to solve these problems, especially the recycling / reuse of materials, the present invention applied the hydrothermal synthesis of FIG. 3 to GAC. A monolithic layer of conductive carbon nanofilm (CNF) is coated on all GAC particles, resulting in a new core-shell composite. This new particle is called MAC-C, which is an improved GAC in the core, and the shell "C" not only imparts high conductivity to the MAC with CNF, but also seals the micropores. Experiments have shown that MAC-C can remove TDS in raw water with a TDS of 100 Kppm or higher. MAC-C is also a building block for producing the COD-removing adsorbent MAC-CX. "X" is a general term for catalytic oxides of the first transition metal in the periodic table. MAC-CX is produced by blending "X" according to the nature of wastewater, adding it to MAC-C, and heat-treating it. By using the correct combination of transition metals, it is possible to reduce COD of 10 Kppm or more from the wastewater of the MAC-CX adsorbent in a single passage of running water. Both MAC-C and MACX are manufactured using heat above 300 ° C. MAC-C and MAC-CX are robust and can withstand the stress of running water purification that operates 24 hours a day.
Taking advantage of the high conductivity of MAC, two stainless steel electrodes are placed on both sides of the tower-shaped components of MAC-C and MAC-CX. A low DC voltage of 3-5V is applied between the electrodes to create a weak electric field in the tower. The MAC-C and MAC-CX of this electric field are drawn into the positive electrode of the particle near the anode, and are drawn into the negative electrode by the particle near the cathode. In the case of MAC-C, the adsorption of ions from saltwater seawater on charged particles is promoted by static charge attraction and produces new desalination. On the other hand, MAC-CX, which is a COD adsorbent, can convert ozone gas supplied from AWFC into hydroxyl radicals (.OH). -OH is a stronger oxidant than ozone (see Table 2), and the decomposition rate of COD pollutants is several hundred times that of ozone.

弱い電場の助けを借りて、帯電し極性を帯びたCOD汚染物質がMAC−CXの粒子電極に引き寄せられる。これによりMAC−CXの表面に形成される ・OH も迅速かつほぼ完全に殺菌を実行する。・OHによる前述のCOD除去は、水処理のための別の新たな技術であり、それは低電力AOPと呼ばれる。電界への印加を切ると、MAC−CのイオンとMAC−CXに静電引力で吸着した残留物が自動的排出される。吸着剤の迅速な再生は、10%程度の少量のその場で製造された清浄な水で充填床を洗い流すことによって達成することが出来る。
スーパーキャパシタ
Sb,Ni−SnOアノードからOERによるOの継続的供給で、AWFCは持続的に発電を行う。本発明は、連続的に生成されたエネルギーを貯蔵するためにスーパーキャパシタを利用する。AWFCの電圧がスーパーキャパシタの電圧より高い限り、後者は常にあらゆる大きさの電流を無駄なく充電する。コンデンサ内が満充電になったら、AWFCの発電はシステムのどのコンポーネントにも害を及ぼさず継続される。図3の水熱合成と基板としてステンレス鋼(SS)箔また板を使用し、厚さ50〜70μmのモノリシックカーボンナノフィルム(CNF)の密着したコンフォーマル(共形)層を基板上にその場で成長させることが出来る。図3のプロトコルに記載されているように、導電性CNFはそれによって製造されたスーパーキャパシタのエネルギー密度を高めるために添加剤が添加された炭素に富む前駆体から製造される。従って、600〜900℃の熱分解からの電極は、所望のスーパーキャパシタを製造するためのゲルポリマー電解質(GPE)を伴う電極である。高温下で製造された電極は文献にも記述がある。この電極は下のユニークな特徴を持つ:
1.有機バインダーは使用されず、熱処理中に製造された導電性ナノカーボンマトリックスおよび電極中のドーパントのみが使用される。
2.ポア(気孔)の仕様および階層構造は所望に応じて準備可能。
3.擬似容量を付与することが出来る金属酸化物およびダイカルコゲナイドは、CNFのためのドーパントとして使用することが出来る。
4.前駆体の種類、触媒、熱分解温度、雰囲気および加熱時間を制御することによって、前駆体を活性炭、グラファイトまたはグラフェンへの変換が達成可能である。
5.ステンレス鋼(SS)、チタン(Ti)またはチタン付着の銅の箔を集電体として使用することが出来る。
6.箔の厚さは10〜20μmであり、これはそれによって製造されたスーパーキャパシタのエネルギーパワー密度にとって有益である。
7.ステンレス鋼(SS)とTiの両方は、従来のAlまたはCuよりも強い耐腐食性があり、従って前者によって製造されたスーパーキャパシタはより長い寿命を持つことが出来る。
8.カーボン層と集電体との間の接着は化学結合によって構築され、これはスーパーキャパシタの耐性にも有益である。
GPEは、本発明によるスーパーキャパシタの別のユニークな特徴である。それは溶質としての1つまたは複数の塩を含む非プロトン性溶媒に溶解したポリマーでできた印刷可能なゲルである。表3にポリマー、溶媒、溶質にそれぞれ選択可能な材料を示す。
With the help of a weak electric field, charged and polar COD contaminants are attracted to the MAC-CX particle electrodes. This forms on the surface of MAC-CX-OH also performs sterilization quickly and almost completely. -The aforementioned COD removal by OH is another new technique for water treatment, which is called low power AOP. When the application to the electric field is turned off, the ions of MAC-C and the residue adsorbed on MAC-CX by electrostatic attraction are automatically discharged. Rapid regeneration of the adsorbent can be achieved by flushing the filled bed with a small amount of in-situ clean water of about 10%.
The AWFC continuously generates electricity by continuously supplying O 2 from the supercapacitors Sb and Ni-SnO 2 anodes by the OER. The present invention utilizes supercapacitors to store continuously generated energy. As long as the voltage of the AWFC is higher than the voltage of the supercapacitor, the latter will always charge currents of any magnitude without waste. Once the capacitors are fully charged, AWFC power generation continues without harming any component of the system. Hydrothermal synthesis in FIG. 3 and using a stainless steel (SS) foil or plate as the substrate, a conformal conformal layer of monolithic carbon nanofilm (CNF) with a thickness of 50 to 70 μm is placed on the substrate in place. Can be grown with. As described in the protocol of FIG. 3, conductive CNFs are made from carbon-rich precursors to which additives have been added to increase the energy density of the supercapacitors produced thereby. Therefore, the electrode from thermal decomposition at 600-900 ° C. is an electrode with a gel polymer electrolyte (GPE) for making the desired supercapacitor. Electrodes manufactured at high temperatures are also described in the literature. This electrode has the unique features below:
1. 1. No organic binder is used, only the conductive nanocarbon matrix produced during the heat treatment and the dopant in the electrodes.
2. 2. Pore specifications and hierarchical structure can be prepared as desired.
3. 3. Metal oxides and dichalcogenides that can impart pseudo-capacity can be used as dopants for CNF.
4. Conversion of the precursor to activated carbon, graphite or graphene can be achieved by controlling the type of precursor, catalyst, pyrolysis temperature, atmosphere and heating time.
5. Stainless steel (SS), titanium (Ti) or titanium-attached copper foil can be used as the current collector.
6. The thickness of the foil is 10 to 20 μm, which is beneficial for the energy power density of the supercapacitors produced thereby.
7. Both stainless steel (SS) and Ti have stronger corrosion resistance than conventional Al or Cu, so supercapacitors manufactured by the former can have a longer life.
8. The adhesion between the carbon layer and the current collector is built by chemical bonds, which is also beneficial for the resistance of supercapacitors.
GPE is another unique feature of supercapacitors according to the present invention. It is a printable gel made of a polymer dissolved in an aprotic solvent containing one or more salts as a solute. Table 3 shows the materials that can be selected for the polymer, solvent, and solute.

GPEはスーパーキャパシタの電気化学的性能と寿命を決定する。GPEの各コンポーネントは、デバイス内でその目的を持つ。ポリマーはコンデンサのESR(等価直列抵抗)に関連する重要な要素である。溶媒は−60℃から150℃の範囲を目標とした動作温度、およびコンデンサの電気化学的電位安定性を決定する。溶質は電気回路を完成させるためにキャパシタンスおよびイオン伝導を構築するためのイオンを提供する。GPEはスーパーキャパシタに3つの機能を提供する。
a. 電気的短絡を防止するセパレーター
b. ESRを下げるためのイオン伝導体
c. 電極を固定するための接着剤
図4abの通り、スーパーキャパシタの単位セルは、GPEを挟む2つの電極を含む。図4aは2つの曲がった電極を示す。図4bは2つの円形電極を有する、またはロール形状は2つのパイプまたは2つのGPE印刷された電極片が同心円状に巻かれて形成され得る。図4aおよび図4bの電極は対称的であり、それらは充電前には極性は特定できない。充電後に一方の電極は正電荷を帯び、もう一方の電極は負電荷を帯びる。しかし電極の極性は望み通りに切り替え可能で互いに損傷することなく短絡させることが出来る。図4aや4bのような単位セルは、セル電圧として3Vの動作電圧を持つ。セル電圧は3Vであるが、単一セルのスーパーキャパシタは−3V〜3Vが動作範囲である。ポテンシャル範囲は6Vとなる。スーパーキャパシタのほとんどの電力用途では、6Vを超える潜在的な幅が必要である。図5Aの通り複数の単数形スーパーキャパシタを直列に連結する代わりに、本発明は複数の電極を高電圧モジュールに垂直に並置する技術を開発した。図5Aに示すように、2つの端子絶縁板の間に10個の長方形電極、2つの端子電極および8つの中間電極がある。中の8個の電極は点(・)で示しているがバイポーラ電極である。両端の電極のみが充電源または負荷に接続するための端子を備えている。充電されると各バイポーラ電極の両側面は異なる極性を帯びることになる。
図5Aの通り、組立は自動スタッカーの底に端子板を設置することで開始される。次に底部端子電極を端板の上に置き、続いて端電極の上側に予め定められた量の均一なGPE層を被覆する。そして次に下の電極上の別のGPE層と接触させるために、第1のバイポーラ電極を同じ量のGPEのコーティングで端部電極上に着地させる。2つの電極を積み重ねてGPEを混ぜ合わせた後、1つ目のバイポーラ電極の上面にGPEを塗布し、続いて2つ目、3つ目、4つ目、…8つ目のバイポーラ電極を上部電極と上部絶縁エンドプレートが来るまで順次積み重ねる。電極へのGPEの適用は積み重ねる前に行う。この工程で以下3つの積み重ねの規則に従うことが重要となる:
A.GPEの適用は適切な量を保障するために機械によって実行される。
B.積み重ねは、2つの電極ごとに閉じ込められた空気を排除することが出来るように真空で行う。
C.GPEは隙の無い均一な層を形成するようにプレスで荷重は例として10kgにする。
GPEの適用後、ゲルはGPEの層と接触するまで粘着性を維持し、次いで多孔質構造が形成され、電極に吸着されその溶媒の一部を失うとセパレータとして機能する。前記セパレータは積み重ねられた電極を定位置に固定する。絶縁のためにスタックの端から押し出された余分なGPEは除去する必要がある。次に、端部を密封して内部の要素を保護する。
図5Aは、高電圧スーパーキャパシタモジュールへの複数の電極の内部直列連結による組み立てを3次元的に示す。図5Bは、3軸座標を使用したモジュールの静電容量と電圧とスタッキングとの相関関係を示す。図5BにおいてXY積は積み重ねられた電極有効面積を表す。セルは2つの電極で構成され、電極の面積に電極の容量密度(F/cm2)を乗じるとセルの静電容量が得られる。しかしモジュールの全体的な静電容量はモジュール内のセルのものよりも小さい。式(6)を使用して積層モジュールの全体の静電容量を計算することが出来る:
モジュール全体の静電容量=セルの静電容量/スタック内のセルの枚数 (6)
式6では、
スタック内のセルの枚数=スタック内の電極の枚数‐1 である。
図5BにおいてZ軸の高さは積層モジュールの全体の電圧の尺度である。Z軸が高いほどモジュールの動作電圧は大きくなる。モジュールの全動作電圧は式(7)で計算される:
モジュール全体の稼働電圧=スタック内のセルの枚数xセル電圧(3V) (7)
スタックによる電極の組み立ては、複数のセルの内部直列接続である。鉛蓄電池での内部直列接続のように、リンクされたセル間の電圧分布のバランスをとるための保護回路は必要ない。
全てのセルは同じ容器(ハウジング)に入っているので、それらは蒸気圧と温度の同じ環境を共有し、電圧の自己均等化をもたらす。保護回路が節約されるだけでなく、多くの接続材料を使わずに済む。
AWFCシステムで発生するエネルギーと水の管理
AWFCシステムによって生成されたエネルギーと滅菌水の効率的な運用と利用には管理機能が必要である。管理者はAWFCのOERおよびORRを介して、エネルギー生成のためのきれいな水の確実な供給を維持する必要がある。生産される浄化水は、OERを満足させるだけではなく、新鮮水の条件を満たす仕様である。オンライン浄水は、TDS低減のためのMAC−C脱塩、ならびにCOD(BODを含む)除去のOによるAOPおよびMAC−CXに依存する。大規模なエネルギー貯蔵とエネルギー利用の高効率にも重要と考える。
パワータンク
図4は、スーパーキャパシタが立方体および円柱の形態で構成できることを示している。スーパーキャパシタの他の形状は開示されていないが、図3の水熱合成による電極の製造は特に形状の制限はない。従って、スーパーキャパシタは、シャーシとして、そして内部支持体として、システム構成要素を収容するためのケーシングとしてAWFCシステムの内部に構築することが出来る。内部直列接続は次の通りである。図5Aに示すように、所望の高電圧スーパーキャパシタモジュールを様々な寸法で製造することが可能になる。AWFCシステム内に多くのスーパーキャパシタを構築できる。これらのエネルギー貯蔵装置は固定された物理的接続を有さないが、直列、並列または両者の組み合わせを形成するためにリアルタイムで管理できる。そのような結合は、図6に明らかにされているように、管理者、中央処理装置(CPU)の指示の下で、X/Yバスバーおよび電子スイッチを介して実行することが出来る。図面は、本発明者の一人に付与された特許である米国特許第7,696,729号からのものである。CPUは以下の機能を備える:
「スーパーキャパシタの位置を記憶する。スーパーキャパシタのエネルギー状態を監視する。
故障したスーパーキャパシタを識別する。スーパーキャパシタを個別にまたはまとめて速やかに充電する。配電に必要なスーパーキャパシタの数を計算する。その場所に関係なく、電力供給のために必要とされるスーパーキャパシタを直列に接続すること。エネルギー収集に必要とされるスーパーキャパシタの数を計算すること。発電を必要とするスーパーキャパシタの並列接続。CDスイングを実行すること。スーパーキャパシタの極性をリアルタイムで反転すること。水浄化のための電力供給とAWFCへの淡水の供給または現場での水使用。」
パワータンクとそのCPUコントローラーによってAWFCで生成されたあらゆるエネルギーを完全に備蓄することが出来る。更にすべての電力アプリケーションの要求は、電力タンクとそのエネルギー管理システムの大容量の貯蔵容量によって満たすことが出来る。
充電放電切り替えシステム(CDスイング)
従来のスーパーキャパシタは、低いエネルギー密度のために放電時に容易に消耗してしまう。
スーパーキャパシタによる電力供給は、それらが再びエネルギーを放出することが出来る前に完全に充電されるまでに時間が必要であるため常に断続的である。さらに、スーパーキャパシタの電圧は放電時に急速に低下し、電圧が負荷の駆動電圧よりも低くなるとすぐに無効になる。
エネルギーの効率利用のために、スーパーキャパシタは定格電圧の最初の1/3の部分のエネルギーだけを放出することが好ましい。スーパーキャパシタの2つのグループを電力供給に使用すると、各グループは最初の1/3定格電圧のみを解放することが出来る。第1グループが設定放電を完了すると、それは充電モードに入り、第2グループは直ちに放電の役割を引き受ける。
次のサイクルでは、充放電の流れを交代する。2つのグループは、電力需要が満たされるまで、相互の充放電を継続的に実行する。有効エネルギーのみが放出され再充填されるので、CDスイングのエネルギー利用効率は高い。スーパーキャパシタはこのようにして電力を連続的に供給することができ、これは従来のスーパーキャパシタには見られない。前記CPUはCDスウィングの動作を指示し、またそれはスイッチング周波数を制御することによって供給される電力のレベルを設定することもできる。
逆充電プラットフォーム
図5Aの通り、内部直列接続によって作られたスーパーキャパシタモジュールの放電において、バイポーラ電極の片側が放電していると同時に、反対側の極が同時に充電されていることが観察される。逆充電は負荷からスーパーキャパシタを介して電源の負極に戻る“戻り”電流の通過によって引き起こされる。バイポーラ電極の裏側は、表側の残存(+V)よりも高い値の電圧(−V)を帯びる。そこでCPUによってスーパーキャパシタの端子の極性を回路反転すると、空っぽのスーパーキャパシタは再び満充電状態になっている。この逆充電は一種のエネルギー回収に属する。これは、回収のためのエネルギーを持っているという点でブレーキ機構を備えた車両機構に似ている。高いエネルギー利用効率とエネルギー生成は発電と同じくらい重要である。同様に、HOの節約とHOの再生は、HOの生成と同じくらい重要である。
最後に、自己完結AWFCシステムを図7に示す。システムに搭載されるSb,Ni−SnO/Tiアノード上でOERを作動させるためのスーパーキャパシタおよび水リザーバ(図示せず)がある。河川、湖、小川、海、溝、地下などの水源から水を得るために、船上のポンプで水を引き出すこともできる。採水TDSを最小にするために、まずMAC−Cで吸着脱塩によって処理する。その後、脱イオン水は、OおよびMAC‐CXによるCOD除去のために低電力消費型AOP過程に送られる。処理水が事前設定された浄化程度に満たない場合、CPUは水を再度処理するように指示する。その後きれいな水がAWFCに入り、エネルギーと滅菌水をコジェネレーションする。AWFCとCPU間でのエネルギー取得とエネルギー注入は双方向の操作である。
Sb,Ni−SnO/Tiアノードが活性化されると、Oが生成されCo−CNF/TiカソードによってHおよび電気に還元される。OERとORRは異なる運動速度を有し、OERはORRより速い反応のようである。発生したOは消費されているOよりも多いことを意味する。従って多くの電気を発生させるためには、多くのカソード領域を設けるべきである。それ以外の電力増加方法としては、還元触媒のサイトを増やすこと、より強力な触媒や生成されたOの効率的利用がある。
最初に成功した燃料電池は1932年に英国のFrancis Baconによって開発された。彼は燃料としてHとO、アルカリ電解液、そしてNi電極を使用した。1952年、ベーコンとその共同研究者は5kWの燃料電池システムを製造した。1950年代後半、NASAはアポロ、ジェミニ、スペースシャトルの有人宇宙船プログラムでアルカリ、PEM、純H燃料電池を使用した。本発明は、PEMを使わず、簡単な設計で経済的効率の良いアノードにより水からのO燃料のみを使用する。H無しで安全なO使用であることに加えて、AWFCはセル当たり1.2Vを生成する。
これは、燃料としてのHおよびOに基づく燃料電池のセル当たり0.5V〜0.8Vよりかなり高い。
GPE determines the electrochemical performance and life of supercapacitors. Each component of the GPE has its purpose within the device. Polymers are an important factor related to the ESR (equivalent series resistance) of capacitors. The solvent determines the target operating temperature in the range of -60 ° C to 150 ° C and the electrochemical potential stability of the capacitor. The solute provides ions to build capacitance and ion conduction to complete the electrical circuit. GPE provides supercapacitors with three functions.
a. Separator to prevent electrical short circuit b. Ion conductor for lowering ESR c. Adhesive for fixing electrodes As shown in FIG. 4ab, a unit cell of a supercapacitor includes two electrodes sandwiching a GPE. FIG. 4a shows two bent electrodes. FIG. 4b has two circular electrodes, or the roll shape can be formed by concentrically winding two pipes or two GPE-printed electrode pieces. The electrodes of FIGS. 4a and 4b are symmetrical and their polarity cannot be specified prior to charging. After charging, one electrode is positively charged and the other electrode is negatively charged. However, the polarities of the electrodes can be switched as desired and short-circuited without damaging each other. Unit cells such as those in FIGS. 4a and 4b have an operating voltage of 3V as the cell voltage. The cell voltage is 3V, but the operating range of a single cell supercapacitor is -3V to 3V. The potential range is 6V. Most power applications for supercapacitors require potential widths in excess of 6V. Instead of connecting a plurality of singular supercapacitors in series as shown in FIG. 5A, the present invention has developed a technique for arranging a plurality of electrodes vertically on a high voltage module. As shown in FIG. 5A, there are 10 rectangular electrodes, 2 terminal electrodes and 8 intermediate electrodes between the 2 terminal insulating plates. The eight electrodes inside are bipolar electrodes, which are indicated by dots (.). Only the electrodes at both ends have terminals for connecting to a charging source or load. When charged, both sides of each bipolar electrode will have different polarities.
As shown in FIG. 5A, assembly is started by installing a terminal plate on the bottom of the automatic stacker. The bottom terminal electrode is then placed on the end plate, followed by a predetermined amount of uniform GPE layer over the end electrode. The first bipolar electrode is then landed on the end electrode with the same amount of GPE coating for contact with another GPE layer on the lower electrode. After stacking the two electrodes and mixing the GPE, apply the GPE to the upper surface of the first bipolar electrode, and then put the second, third, fourth, ... 8th bipolar electrode on top. Stack until the electrodes and top insulating end plates are in order. GPE is applied to the electrodes before stacking. It is important to follow the following three stacking rules in this process:
A. The application of GPE is carried out by the machine to ensure the proper amount.
B. Stacking is done in vacuum so that the air trapped in each of the two electrodes can be eliminated.
C. The GPE is pressed to form a uniform layer without gaps, and the load is set to 10 kg as an example.
After application of GPE, the gel remains sticky until it comes into contact with the layer of GPE, then a porous structure is formed, which acts as a separator when adsorbed on the electrode and loses some of its solvent. The separator fixes the stacked electrodes in place. Excess GPE extruded from the edge of the stack for insulation needs to be removed. The edges are then sealed to protect the internal elements.
FIG. 5A shows three-dimensionally the assembly by internal series connection of a plurality of electrodes to a high voltage supercapacitor module. FIG. 5B shows the correlation between the capacitance, voltage, and stacking of the module using the three-axis coordinates. In FIG. 5B, the XY product represents the stacked electrode effective area. The cell is composed of two electrodes, and the capacitance of the cell can be obtained by multiplying the area of the electrodes by the capacitance density (F / cm2) of the electrodes. However, the overall capacitance of the module is smaller than that of the cells in the module. Equation (6) can be used to calculate the total capacitance of the stacked module:
Capacitance of the entire module = Capacitance of cells / Number of cells in the stack (6)
In equation 6,
The number of cells in the stack = the number of electrodes in the stack-1.
In FIG. 5B, the height of the Z axis is a measure of the overall voltage of the stacked module. The higher the Z-axis, the higher the operating voltage of the module. The total operating voltage of the module is calculated by equation (7):
Operating voltage of the entire module = number of cells in the stack x cell voltage (3V) (7)
Assembling the electrodes by stack is an internal series connection of multiple cells. There is no need for a protection circuit to balance the voltage distribution between the linked cells, as with internal series connections in lead-acid batteries.
Since all cells are in the same container (housing), they share the same environment of vapor pressure and temperature, resulting in self-equalization of voltage. Not only is the protection circuit saved, but it also eliminates the need for many connecting materials.
Management of energy and water generated by the AWFC system Management functions are required for the efficient operation and utilization of the energy and sterile water generated by the AWFC system. Managers need to maintain a reliable supply of clean water for energy production through the AWFC's OER and ORR. The purified water produced not only satisfies OER, but also meets the conditions for fresh water. Online purified water, MAC-C desalting for TDS reduction, as well (including BOD) COD depends on the AOP and MAC-CX by O 3 removal. It is also important for large-scale energy storage and high efficiency of energy use.
Power tank Figure 4 shows that supercapacitors can be configured in the form of cubes and cylinders. Although other shapes of the supercapacitor are not disclosed, the shape of the electrode produced by hydrothermal synthesis in FIG. 3 is not particularly limited. Thus, the supercapacitor can be built inside the AWFC system as a chassis and as an internal support, as a casing for accommodating system components. The internal series connection is as follows. As shown in FIG. 5A, the desired high voltage supercapacitor module can be manufactured in various dimensions. Many supercapacitors can be built in the AWFC system. These energy storage devices do not have a fixed physical connection, but can be managed in real time to form series, parallel or a combination of both. Such coupling can be performed via the X / Y busbar and electronic switch under the direction of the administrator, central processing unit (CPU), as revealed in FIG. The drawings are from US Pat. No. 7,696,729, a patent granted to one of the inventors. The CPU has the following functions:
"Remember the position of the supercapacitor. Monitor the energy state of the supercapacitor.
Identify the failed supercapacitor. Charge supercapacitors individually or collectively quickly. Calculate the number of supercapacitors required for power distribution. Connect the supercapacitors needed for power supply in series, regardless of their location. Calculate the number of supercapacitors needed for energy collection. Parallel connection of supercapacitors that require power generation. Perform a CD swing. Inverting the polarity of a supercapacitor in real time. Power supply for water purification and fresh water supply to AWFC or on-site water use. "
The power tank and its CPU controller can completely store all the energy generated by the AWFC. Moreover, the requirements of all power applications can be met by the large storage capacity of the power tank and its energy management system.
Charge / discharge switching system (CD swing)
Conventional supercapacitors are easily consumed during discharge due to their low energy density.
Powering by supercapacitors is always intermittent because it takes time to be fully charged before they can re-release energy. In addition, the voltage of the supercapacitor drops rapidly during discharge and becomes invalid as soon as the voltage drops below the drive voltage of the load.
For efficient use of energy, supercapacitors preferably emit only the energy of the first third of the rated voltage. Using two groups of supercapacitors for power supply, each group can only release the first 1/3 rated voltage. When the first group completes the set discharge, it goes into charge mode and the second group immediately takes on the role of discharge.
In the next cycle, the charge / discharge flow is alternated. The two groups will continue to charge and discharge each other until the power demand is met. Since only the active energy is released and refilled, the energy utilization efficiency of the CD swing is high. Supercapacitors can supply power continuously in this way, which is not found in conventional supercapacitors. The CPU directs the operation of the CD swing, which can also set the level of power supplied by controlling the switching frequency.
Reverse Charging Platform As shown in FIG. 5A, in the discharge of the supercapacitor module made by internal series connection, it is observed that one side of the bipolar electrode is discharged and the other pole is charged at the same time. Reverse charging is caused by the passage of a "return" current from the load back through the supercapacitor to the negative electrode of the power supply. The back side of the bipolar electrode bears a higher voltage (−V) than the residual (+ V) on the front side. Then, when the polarity of the terminal of the supercapacitor is inverted by the CPU, the empty supercapacitor is in the fully charged state again. This reverse charge belongs to a kind of energy recovery. It is similar to a vehicle mechanism with a braking mechanism in that it has the energy to recover. High energy efficiency and energy generation are just as important as power generation. Similarly, H 2 O savings and H 2 O regeneration are as important as H 2 O production.
Finally, a self-contained AWFC system is shown in FIG. There are supercapacitors and water reservoirs (not shown) for operating the OER on the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anodes mounted on the system. Water can also be pumped on board to obtain water from sources such as rivers, lakes, streams, oceans, trenches and underground. In order to minimize the water sampling TDS, it is first treated with MAC-C by adsorption desalination. Thereafter, deionized water is fed to the low power consumption type AOP process for COD removal by O 3 and MAC-CX. If the treated water is less than the preset degree of purification, the CPU will instruct the water to be treated again. Clean water then enters the AWFC to cogenerate energy and sterile water. Energy acquisition and energy injection between the AWFC and the CPU are bidirectional operations.
When the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode is activated, O 2 is generated and reduced to H 2 O 2 and electricity by the Co 3 O 4- CNF / Ti cathode. OER and ORR have different velocities, and OER seems to respond faster than ORR. It means that the generated O 2 is more than the consumed O 2 . Therefore, in order to generate a lot of electricity, a lot of cathode regions should be provided. The other power increase method, to increase the site of the reduction catalyst, there is a more powerful catalyst and efficient use of the generated O 2.
The first successful fuel cell was developed in 1932 by Francis Bacon in the United Kingdom. He used H 2 and O 2 , alkaline electrolyte, and Ni electrodes as fuel. In 1952, Bacon and its collaborators built a 5kW fuel cell system. In the late 1950s, NASA was using Apollo, Gemini, alkali in the manned spacecraft program of the space shuttle, PEM, a pure H 2 fuel cell. The present invention is, without a PEM, using only O 2 fuel from the water by a good anode economically efficient with a simple design. In addition to safe O 2 use without H 2 , AWFC produces 1.2 V per cell.
This is significantly higher than 0.5V-0.8V per cell of fuel cells based on H 2 and O 2 as fuel.

AWFCではOは直接電気に変換されるが、アルカリ燃料電池の場合、Hは燃料としてのみ使用する。さらにAWFCの設計では、Hベースの燃料セルで採用されている部品よりもはるかに単純で、材料消費量が少なくて済む。つまりAWFCは、コミュニティ、病院、工場、電気自動車、電気バス、さらには調査潜水艦に電力を供給するための大電流と高電圧を生成するために、手頃な価格でスケールアップするのが容易である。In AWFC, O 2 is directly converted into electricity, but in the case of alkaline fuel cells, H 2 is used only as fuel. Furthermore the design of AWFC, much simpler than parts that are employed with H 2 based fuel cells, requires less material consumption. So AWFCs are easy to scale up at an affordable price to generate high currents and high voltages to power communities, hospitals, factories, electric vehicles, electric buses, and even research submarines. ..

本発明は、以下の図面と本文に記載される実施形態を参照することによってよく理解される。
一定の間隙で2つのカソードによって挟まれた1つのアノードによって構成されるAWFCの基本単位の概略図である。2つの電気回路が含まれる。1つはアノードでの酸素生成反応のための電力を供給し、もう1つは負荷によって引き出され、電流計によって測定された電気でカソードでの酸素還元反応である。 複数のアノードとカソードのスタックの概略図である。図ではアノードとカソードとでセルを構成し10個のセルが形成されている。 担体としてチタン板を用いて空気極をカソード製造するための水熱合成のフローチャートである。粒状活性炭およびステンレス鋼箔が溶液と一緒に担体として使用される場合、生成物はそれぞれスーパーキャパシタ用の改質活性炭(MAC)及びバインダー不使用電極となる。 2つの電極とGPEによってコの字形と円錐形に組立てられた積層スーパーキャパシタの側面図であり、これらはAWFCシステム用のシェル、ハウジング、シャーシ、フレーム、または内部支持体として機能することが出来る。これらの人目につかないスーパーキャパシタはORRによって生成されたあらゆるエネルギーをカソードに蓄える。 スーパーキャパシタ電極を垂直並置によって組み立てる例である。積み重ねられた電極は、GPEによって固定されている。 XY軸がスーパーキャパシタの全体的な静電容量を決定し、Z軸の高さがスーパーキャパシタの動作電圧を示す。 中央処理装置(CPU)によって管理され駆動される電力タンクを形成するAWFCシステム内の内蔵スーパーキャパシタの図である。 AWFCシステムの4つのサブシステム。(1)AWFC、電気および水の発生器、(2)TDS/COD除去装置からなるオンライン浄水器、(3)ハウジングとしてのスーパーキャパシタ、(4)CPUが電気の流れ、オゾンガス、水を管理する。
The present invention is well understood by reference to the following drawings and embodiments described in the text.
It is a schematic of the basic unit of AWFC composed by one anode sandwiched by two cathodes in a certain gap. Two electrical circuits are included. One is the power supply for the oxygen production reaction at the anode and the other is the oxygen reduction reaction at the cathode with electricity drawn by the load and measured by an ammeter. It is the schematic of the stack of a plurality of anodes and cathodes. In the figure, a cell is composed of an anode and a cathode, and 10 cells are formed. It is a flowchart of hydrothermal synthesis for producing a cathode of an air electrode using a titanium plate as a carrier. When granular activated carbon and stainless steel foil are used as carriers with the solution, the products are modified activated carbon (MAC) for supercapacitors and binder-free electrodes, respectively. It is a side view of a laminated supercapacitor assembled in a U shape and a conical shape by two electrodes and GPE, and these can function as a shell, a housing, a chassis, a frame, or an internal support for an AWFC system. These invisible supercapacitors store all the energy produced by the ORR on the cathode. This is an example of assembling supercapacitor electrodes by vertical juxtaposition. The stacked electrodes are fixed by GPE. The XY axes determine the overall capacitance of the supercapacitor, and the height of the Z axis indicates the operating voltage of the supercapacitor. It is a figure of the built-in supercapacitor in the AWFC system which forms the electric power tank managed and driven by the central processing unit (CPU). Four subsystems of the AWFC system. (1) AWFC, electricity and water generator, (2) online water purifier consisting of TDS / COD remover, (3) supercapacitor as housing, (4) CPU manages electricity flow, ozone gas and water ..

酸素生成、酸素の電気変換を容易にするために、本発明は、電気と水のコジェネレーション用の4つのサブシステムを含む自己完結型の全水燃料セル(AWFC)設備を提供する。4つのサブシステムには、(1)エネルギー及び水の生成、(2)オンライン浄水、(3)エネルギー貯蔵設備、(4)電気、水及びガスの流れを管理するコントローラーを含む。コントローラーは外部調達するがそれ以外の他の3つのサブシステムのすべての材料は自家製で用意する。4つのサブシステムの詳しい説明は以下の通り:
エネルギーと水の生成
該発明の全水燃料セルの構成要素は以下を含む:。
アノード: アンチモン、ニッケル添加酸化スズ(Sb,Ni−SnO/Ti)を処理したチタン基盤。
アノードは、清浄な水中で透明な溶液を形成するために有効な処方とプロトコルに基づいて用意されたSn,Sb and Niの非塩化物塩から作られる。溶液をチタン基板上にコーティングし、これを対流オーブン内で乾燥、焼結して、基材上に所望の触媒フィルムを形成する。
カソード: 酸化コバルト添加カーボンナノフィルム(Co−CNF/Ti)を処理したチタン基盤。
アノードと同様に、カソードの構築も添加剤及びコバルト塩を含んだ炭素に富む前駆体の配合された透明溶液から始める。前駆体とコバルトの混合物を含浸させるためにチタン板を溶液に浸す。被覆されたチタン板は、所望の空気カソードに達するために2段階の熱処理として半炭化及び炭化に付される。水熱合成を用いて、特殊活性炭(MAC)及びスーパーキャパシタ電極は以下の通り作成する。
電極の組立:アノードは一定間隔で2つのカソードによって挟まれている。すべての電極は同じ寸法と形状にする。組立の規模拡大は、アノードとカソードを交互に配列することによって達成される。アノードとカソードとの間に膜は必要としない。
反応媒体:水道水及び蒸留水を含むきれいな水で、アノード上で電気分解が行われ、酸素及びオゾンを形成する。酸素はカソード上で直接かつ迅速に還元されて過酸化水素を形成する。
一部のオゾンは過酸化水素と混合してペルオキソンを形成するが、ほとんどのオゾンはシステム内の水浄化に使用される。
オンライン浄水器
熱水合成により、粒状活性炭(GAC)をカーボンナノフィルム(CNF)の絶縁保護層に被覆してコアシェル構造複合体を形成することが出来る。コアシェル構造物は改良型活性炭(MAC)であり、迅速かつ高効率な水処理用吸着剤である。MACはTDS(総溶解固形分)またはCOD(化学的酸素要求量)除去剤としても応用可能である。2種類以上の除去剤を組み合わせることで、水処理のトータルソリューションを提供することになる。
ビルディングブロック: コアシェル複合物では、GACがコアで、シェルが炭素に富む前駆体から合成された薄い導電膜である。説明を簡単にするために、複合体はMAC−Cと標記し、ここでCは導電性カーボンナノフィルムを表す。CはGAC伝導性を付与できるだけでなく、GACの再生を促進するためにGACの微細孔をシールすることもできる。MAC−Cは、数多くのMAC−C応用物の中心構成要素である。
電界:MAC−Cは通常の活性炭よりも導電性が高いため、弱い電界でもMAC−CまたはMAC−C応用物の表面へのイオンや極性種の吸着を促進することが可能となる。
低消費電力TDS除去効果:MAC−C粒子を充填した筒の両側面に2枚のステンレス鋼(SS)基板を挿入することにより、流水式低消費電力TDS除去機能が形成される。SS基板に3〜5ボルトの直流電流を印加すると、弱い電場が近くのステンレス製電極からの距離に応じてすべてのMAC−C粒子を正電極または負電極に変える。塩水が流れると、水は静電引力を介して粒子電極に吸収され、淡水化が行われる。電源を切ると、ほとんどの吸着物は自動的に排出され、残滓の吸着物も対象水の10%にあたる容量の該発明の構成物から生成されたきれいな水で洗い流すことが出来る。
低消費電力COD除去効果:この効果も充填剤がMAC−CXであることを除いて、電界効果TDSの筒と同様である。ここでいうXは担体MAC−C上での水熱合成によって製造された第一列遷移金属酸化物である。電圧に加えて、オゾンガスをヒドロキシラジカル(・OH)に変換するために、AWFCからCOD筒に注入される。流水モードでCODの定量的で高速な除去処理を実行する。これでCOD汚染物質は完全に除去されるので、MAC−CXの再生はMAC−Cの再生よりも容易であり得る。
エネルギー貯蔵設備の組み込み:
エネルギー密度と漏電流を除けば、スーパーキャパシタはコスト、寿命と性能の点ですべての電池よりエネルギー貯蔵のためには優れた装置である。さらに、スーパーキャパシタは、電力増幅器、電圧バランサー、及びバッテリブースターとして機能することが出来る。本発明は、以下の独特の特徴を有する独特のスーパーキャパシタも提供する:
電極:電極は、ステンレス鋼(SS)箔上に静電容量増強元素を添加したモノリシックカーボンナノフィルム(CNF)に対して水熱合成によって直接成長させる。製造工程では600〜900℃での熱分解で、炭素に富む前駆体のCNFまたはグラフェン膜への変換処理をする。製造された電極は、炭素及び金属酸化物またはカルコゲン化物のみを含有する。電極製造過程でSS基板には接着用のバインダーは使用していない。電極の性能は、静電容量密度F/cmによって表現される。
ゲルポリマー電解質(GPE):ポリマーは、−60℃乃至150℃以上の作業温度範囲で非プロトン性溶媒混合物に、少なくともGPEを形成するための電解質と一緒に溶解するために選択される。そのようなGPEは、それによって製造されたスーパーキャパシタに対して3つの機能を有する:(1)セパレータ、(2)イオン伝導体、及び(3)積層電極を所定位置に接着するための接着剤として。GPEは、サイクリックボルタンメトリー(CV)によって測定されるその潜在的安定性によって主に評価される。試験サンプルは−3V±3Vの電位範囲で良好なサイクル特性を示す。これは、この特許におけるスーパーキャパシタのセル電圧が3Vであることを意味する。
電極の組立:電極の静電容量密度(F/cm2)と電極製品の目標とする静電容量に基づいて、電極の必要面積が決定さる。電極は所望の寸法で用意する。各電極の表面にGPEの層を適用し、次いで自動組立設備を使い、電極2枚を互いに対向するGPE被覆面を向かい合わせて重ねる。積み重ねた一番上の電極はGPE層を形成させ、もう一枚の処理済みの電極と積み重ねる。
目標とする動作電圧が達成されるまで、この積み重ね、層形成のプロセスが繰り返される[積層に必要な電極数=(動作電圧/3V)+1]。積み重ねた両サイドの電極のみが充電源または負荷に接続するための導線を備えており、それ以外の全ての中間電極はバイポーラ(バイポーラ)電極である。コンデンサが充電されると、バイポーラ電極の片側は正電荷を帯び、もう一方の側は負電荷を帯びる。電極が両面で異なる極性を持つため、バイポーラ電極と呼ばれている。
内蔵スーパーキャパシタ:2面を処理したSSプレート電極をスタック並べて、それ自体をAWFC用のシェルまたはハウジングとして配置できる。上記の通り組み込んだスーパーキャパシタは、AWFCの内部構造のためのフレーム、シャーシ、および他の支持体として機能することが出来る。AWFCのサイズが大きい場合、そのスーパーキャパシタシェルは、米国特許第7,696,729号に記載されているように、一連の電力タンク内の複数のより小さいコンデンサのバンク用の容器に変えることが出来る。実際には、AWFCに内蔵されているすべてのスーパーキャパシタを総合電源として統合する。各スーパーキャパシタメンバは、固定された物理的接続を持たない。しかし、それらは中央処理装置(中央制御回路(CPU))の指令の下に電子スイッチおよびバスバーを介して直列または並列リンケージを形成するためにリアルタイムで組み立てることが出来る
中央処理装置(CPU))
本発明のAWFCは、連続的に音を立てずに安全に運転されて毎秒および毎日発電することが出来る。電力タンクのすべてのスーパーキャパシタ部材は、電力需要が発生する前に完全に充電しておくことが出来る。中央制御回路(CPU)が頭脳として機能し、AWFCは手頃な価格でエネルギーおよび水発生を行う中心の装置である。省エネルギーを最大限に活用するために必要な中央制御回路(CPU)の機能と2つの独自の動作プラットフォームを以下に示す。
中央制御回路(CPU)とパワータンク:中央制御回路(CPU)はエネルギーの動きを管理するだけでなく、CODを軽減するために必要なオゾンガス、およびAWFCと浄水器間の流水も管理する。中央制御回路(CPU)は、スーパーキャパシタの位置を記憶し、そのエネルギー状態を監視し、故障したキャパシタの識別、スーパーキャパシタを個別にまたは集合的に充電し、電力供給に必要なスーパーキャパシタの数を計算、統御し、エネルギーを満足する必要なスーパーキャパシタ数の計算、エネルギーを集めるためのスーパーキャパシタを並列接続、2つの同一グループのスーパーキャパシタ間で充放電スイング(CDスイング)を行い、エネルギーを節約するためにスーパーキャパシタを逆充電し、COD除去効果を向上させるためのオゾンの供給、AWFCへのきれいな水の供給、OERの作動、OERの閉鎖などを統御する。
CDスイングプラットフォーム:エネルギー密度が低いため、スーパーキャパシタはすぐに放電されるため、スーパーキャパシタの電力供給は、再び電力を供給することが出来る前に、断続的に完全に再充電される必要がある。さらに、保有電圧が負荷の駆動電圧より低いので、キャパシタの電圧は急速に無効になる。エネルギーを節約するために、スーパーキャパシタは定格電圧の2/3の電圧以上で蓄えられたエネルギーだけを使うのが好ましい。スーパーキャパシタのグループ2組を使用すると、各グループは最初の1/3定格電圧のみを解放する。第1グループが放電すると充電モードに入り、第2グループは直ちに放電の役割を引き受ける。次のサイクルでは、充電と放電の順序が逆になる。2つのグループは、電力需要が満たされるまで、相互充放電を実行する。有効エネルギーのみが放出され補充されるため、CDスイングのエネルギー利用効率は高い。さらに、スーパーキャパシタは連続的に電力を供給することが出来る。
これは従来のコンデンサには見られない。前記中央制御回路(CPU)はCDスイングの動作を指示することができ、またスイッチング頻度を調整することによって出力電力のレベルを設定することもできる。
逆充電プラットフォーム:少なくとも1つのバイポーラ電極を含むスーパーキャパシタの放電では、バイポーラ電極の一方の側が放電に従事していながら同時に、反対側が充電されていることが本発明者らによって観察されている。逆充電は、スーパーキャパシタを通過するリターン電流の通過によって引き起こされる。そこでバイポーラ電極の片側は反対側のそれ(+V)よりも高い絶対値の電圧(−V)を発生する。スーパーキャパシタの端子の極性を逆にすると、事実上、枯渇した電源デバイスのスーパーキャパシタが再び満充電になる。逆充電は一種のエネルギー回収に属し、これはその中の回収可能なエネルギーに関して車両の回生制動に類似している。
To facilitate oxygen production and electrical conversion of oxygen, the present invention provides a self-contained all-water fuel cell (AWFC) facility that includes four subsystems for electricity and water cogeneration. The four subsystems include (1) energy and water production, (2) online water purification, (3) energy storage equipment, and (4) controllers that manage the flow of electricity, water and gas. The controller will be procured externally, but all other three subsystem materials will be homemade. A detailed description of the four subsystems is as follows:
Energy and Water Generation The components of the all-water fuel cell of the invention include:
Anode: Titanium substrate treated with antimony and nickel-added tin oxide (Sb, Ni-SnO 2 / Ti).
The anode is made from a non-chloride salt of Sn, Sband Ni prepared based on a formulation and protocol effective for forming a clear solution in clean water. The solution is coated on a titanium substrate, which is dried and sintered in a convection oven to form the desired catalyst film on the substrate.
Cathode: Titanium substrate treated with cobalt oxide-added carbon nanofilm (Co 3 O 4- CNF / Ti).
As with the anode, the construction of the cathode begins with a clear solution containing a carbon-rich precursor containing additives and cobalt salts. A titanium plate is dipped in the solution to impregnate the mixture of precursor and cobalt. The coated titanium plate is semi-carbonized and carbonized as a two-step heat treatment to reach the desired air cathode. Using hydrothermal synthesis, special activated carbon (MAC) and supercapacitor electrodes are prepared as follows.
Electrode assembly: The anode is sandwiched between two cathodes at regular intervals. All electrodes should have the same dimensions and shape. The scale of the assembly is achieved by alternating the anode and cathode. No membrane is required between the anode and cathode.
Reaction medium: Clean water, including tap water and distilled water, that undergoes electrolysis on the anode to form oxygen and ozone. Oxygen is reduced directly and rapidly on the cathode to form hydrogen peroxide.
Some ozone mixes with hydrogen peroxide to form peroxone, but most ozone is used to purify water in the system.
By online water purifier hydrothermal synthesis, granular activated carbon (GAC) can be coated on an insulating protective layer of carbon nanofilm (CNF) to form a core-shell structural composite. The core-shell structure is an improved activated carbon (MAC), a fast and highly efficient adsorbent for water treatment. MAC can also be applied as a TDS (total dissolved solids) or COD (chemical oxygen demand) remover. By combining two or more types of removers, a total solution for water treatment will be provided.
Building Blocks: In core-shell composites, the GAC is the core and the shell is a thin conductive film synthesized from a carbon-rich precursor. For simplicity, the composite is labeled MAC-C, where C represents a conductive carbon nanofilm. Not only can C impart GAC conductivity, but it can also seal the micropores of the GAC to promote regeneration of the GAC. MAC-C is a central component of many MAC-C applications.
Electric field: Since MAC-C is more conductive than ordinary activated carbon, it is possible to promote the adsorption of ions and polar species on the surface of MAC-C or MAC-C applications even with a weak electric field.
Low power consumption TDS removal effect: By inserting two stainless steel (SS) substrates on both side surfaces of a cylinder filled with MAC-C particles, a running water type low power consumption TDS removal function is formed. When a DC current of 3-5 volts is applied to the SS substrate, a weak electric field transforms all MAC-C particles into positive or negative electrodes, depending on the distance from nearby stainless steel electrodes. When salt water flows, the water is absorbed by the particle electrodes via electrostatic attraction, and desalination is performed. When the power is turned off, most of the adsorbents are automatically discharged, and the residual adsorbents can also be washed away with clean water generated from the constituents of the invention in a volume corresponding to 10% of the target water.
Low power consumption COD removal effect: This effect is similar to that of the field effect TDS cylinder, except that the filler is MAC-CX. X here is a first-row transition metal oxide produced by hydrothermal synthesis on the carrier MAC-C. In addition to the voltage, ozone gas is injected from the AWFC into the COD tube to convert it to hydroxyl radicals (.OH). Quantitative and fast removal of COD is performed in running water mode. Regeneration of MAC-CX can be easier than regeneration of MAC-C, as this completely removes COD contaminants.
Incorporation of energy storage equipment:
Aside from energy density and leakage current, supercapacitors are superior to all batteries in terms of cost, life and performance for energy storage. In addition, supercapacitors can function as power amplifiers, voltage balancers, and battery boosters. The present invention also provides a unique supercapacitor with the following unique features:
Electrodes: Electrodes are grown directly by hydrothermal synthesis on monolithic carbon nanofilms (CNFs) with capacitance-enhancing elements added on stainless steel (SS) foil. In the manufacturing process, the carbon-rich precursor is converted into a CNF or graphene film by thermal decomposition at 600 to 900 ° C. The electrodes produced contain only carbon and metal oxides or chalcogenides. No binder for adhesion is used for the SS substrate in the electrode manufacturing process. The performance of the electrode is expressed by the capacitance density F / cm 2 .
Gel Polymer Electrolyte (GPE): The polymer is selected to dissolve in an aprotic solvent mixture in the working temperature range of −60 ° C. to 150 ° C. or higher, together with at least the electrolyte for forming the GPE. Such GPEs have three functions for the supercapacitors produced therein: (1) separators, (2) ionic conductors, and (3) adhesives for adhering laminated electrodes in place. As. GPE is primarily evaluated for its potential stability as measured by cyclic voltammetry (CV). The test sample exhibits good cycle characteristics in the potential range of -3V ± 3V. This means that the cell voltage of the supercapacitor in this patent is 3V.
Electrode assembly: The required area of the electrode is determined based on the capacitance density of the electrode (F / cm2) and the target capacitance of the electrode product. The electrodes are prepared with desired dimensions. A layer of GPE is applied to the surface of each electrode, and then an automatic assembly facility is used to stack the two electrodes with the GPE coated surfaces facing each other facing each other. The top stacked electrode forms a GPE layer and is stacked with another treated electrode.
This stacking and layer forming process is repeated until the target operating voltage is achieved [number of electrodes required for stacking = (operating voltage / 3V) + 1]. Only the stacked electrodes on both sides are provided with leads for connecting to a charging source or load, and all other intermediate electrodes are bipolar electrodes. When the capacitor is charged, one side of the bipolar electrode is positively charged and the other side is negatively charged. It is called a bipolar electrode because the electrodes have different polarities on both sides.
Built-in supercapacitors: Two-sided SS plate electrodes can be stacked side by side and placed themselves as a shell or housing for AWFC. The supercapacitor incorporated as described above can function as a frame, chassis, and other supports for the internal structure of the AWFC. If the size of the AWFC is large, the supercapacitor shell can be turned into a container for a bank of multiple smaller capacitors in a series of power tanks, as described in US Pat. No. 7,696,729. You can. In reality, all supercapacitors built into the AWFC are integrated as a total power supply. Each supercapacitor member does not have a fixed physical connection. However, they can be assembled in real time to form series or parallel linkages via electronic switches and busbars under the command of a central processing unit (central processing unit (CPU)).
The AWFC of the present invention can be operated safely without continuous noise and generate electricity every second and every day. All supercapacitor components of the power tank can be fully charged before power demand arises. The central processing unit (CPU) acts as the brain, and the AWFC is the central device that produces energy and water at an affordable price. The central processing unit (CPU) functions and two unique operating platforms required to maximize energy savings are shown below.
Central Processing Unit (CPU) and Power Tank: The central processing unit (CPU) not only controls the movement of energy, but also the ozone gas needed to reduce COD and the running water between the AWFC and the water purifier. The central control circuit (CPU) stores the position of the supercapacitor, monitors its energy state, identifies the failed capacitor, charges the supercapacitor individually or collectively, and the number of supercapacitors required for power supply. Calculate and control the number of supercapacitors required to satisfy energy, connect supercapacitors to collect energy in parallel, and perform charge / discharge swing (CD swing) between two supercapacitors of the same group to generate energy. It reverse-charges the supercapacitor to save money, and controls the supply of ozone to improve the COD removal effect, the supply of clean water to the AWFC, the operation of the OER, and the closure of the OER.
CD swing platform: Due to the low energy density, the supercapacitor is discharged quickly, so the supercapacitor's power supply needs to be intermittently fully recharged before it can be repowered. .. Moreover, since the holding voltage is lower than the load drive voltage, the capacitor voltage quickly becomes invalid. In order to save energy, it is preferable that the supercapacitor uses only the energy stored at a voltage equal to or higher than the rated voltage of 2/3. With two groups of supercapacitors, each group releases only the first 1/3 rated voltage. When the first group discharges, it enters the charging mode, and the second group immediately takes on the role of discharging. In the next cycle, the order of charging and discharging is reversed. The two groups perform mutual charge and discharge until the power demand is met. Since only the active energy is released and replenished, the energy utilization efficiency of the CD swing is high. In addition, supercapacitors can be continuously powered.
This is not found in conventional capacitors. The central control circuit (CPU) can instruct the operation of the CD swing, and can also set the level of output power by adjusting the switching frequency.
Reverse Charging Platform: In the discharge of a supercapacitor containing at least one bipolar electrode, we have observed that one side of the bipolar electrode is engaged in the discharge while the other side is being charged at the same time. Reverse charging is caused by the passage of return current through the supercapacitor. Therefore, one side of the bipolar electrode generates an absolute voltage (−V) higher than that of the other side (+ V). Reversing the polarity of the terminals of the supercapacitor effectively recharges the supercapacitor of the depleted power supply device. Reverse charging belongs to a type of energy recovery, which is similar to vehicle regenerative braking in terms of the recoverable energy in it.

実施例1
AWFCの試験サンプルは、Sb,Ni−SnO2/Tiアノードを2または1mmの一定のギャップで2個のCo−CNF/Tiカソードで挟むことによって形成される。アノードとカソードの両方の寸法は、幅7.5cm×長さ25cmである。試験には、長さ20cmの電極セットを15リットルの水道水のタンクに浸す。長期試験のために、10Vの直流電源を用いてアノードにOERを供給した。また、動作電圧を測定するために電極と並列に設定された電圧計に9Vが記録される。アノード上で泡が発生するとすぐに、カソード上に泡の発生は観察されず、カソードと直列の電流計、500Ωの抵抗器およびアノードは20〜25mAの電流を示した。DC電源の有無にかかわらず、電流計に電流値が表示されるので、ORRによるカソードでの発電が見てとれる。表4に、実験の条件等とその結果を示す。
Example 1
Test samples of AWFC is, Sb, is formed by sandwiching Ni-SnO2 / Ti anode with two Co 3 O 4 -CNF / Ti cathode at a constant gap 2 or 1 mm. The dimensions of both the anode and the cathode are 7.5 cm wide x 25 cm long. For the test, a 20 cm long electrode set is immersed in a 15 liter tap water tank. For long-term testing, an OER was supplied to the anode using a 10 V DC power supply. Further, 9V is recorded in a voltmeter set in parallel with the electrodes to measure the operating voltage. As soon as bubbles were generated on the anode, no bubbles were observed on the cathode, and the ammeter in series with the cathode, the 500 Ω resistor and the anode showed a current of 20-25 mA. Since the current value is displayed on the ammeter regardless of the presence or absence of the DC power supply, the power generation at the cathode by the ORR can be seen. Table 4 shows the experimental conditions and the results.

表4では、Sb,Ni−SnO/TiアノードのOERは10Vに設定された直流電源でサポートされており、動作電流は3.5Aとなっている。これは水分蒸発(水位低下)と水温(水温)の影響を受けて暖かくなる。直流電源がオンのとき、ORRによって生成される電流は電源オフのそれよりも大きくなる。OはORRに限定されているので、ORRはまた、穴のないプレートの空気陰極を使用してより多くの電流を発生させる。OERがオフの場合、ORRによって生成される電圧は2.4Vである。これは、直列に接続された2つのセルを組み合わせた電圧である。AWFCが水の硬度を下げることが出来るのは予期していなかった。HOのTDS減少または軟水化の要因はペルオキソン、OおよびHの組み合わせであると考えられる。2セル構造のAWFCは数時間静水中に放置されるため、温度、TDSおよびpHの変化などの水の変動は、ORR発電にとってマイナス要因である。それにもかかわらず、図7のAWFCシステムの通常の動作は水がAWFCを通ることによって行われるので、ORRによる発電は安定する。
実施例2
カフェインおよび解熱鎮痛薬の製薬会社からの製薬廃水は、低電圧AOPのO+MAC−CXによって処理をした。H/O/Oを製造するために電気分解式O槽が使用される。ガス状生成物は、MAC−CX粒子またはMAC−CXでコーティングされたスチールウールボールを充填した筒に引き込む。CODの除去、それに消費される電力、およびHの良性生成物への変換率の観点から、廃水処理新規システムの性能を評価することを意図した。表5は、採用されたO+MAC−CXシステム、給水条件、ならびに処理結果を列挙する。
In Table 4, the OER of the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode is supported by a DC power supply set to 10 V, and the operating current is 3.5 A. It becomes warm under the influence of water evaporation (water level drop) and water temperature (water temperature). When the DC power is on, the current generated by the ORR is greater than that when the power is off. Since O 2 is limited to the ORR, the ORR also uses the air cathode of the plate without holes to generate more current. When OER is off, the voltage generated by the ORR is 2.4V. This is the combined voltage of two cells connected in series. It was not expected that AWFC could reduce the hardness of water. Factors TDS reduction or softening of H 2 O is Peruokison considered to be a combination of O 3 and H 2 O 2. Since the two-cell AWFC is left in still water for several hours, fluctuations in water such as changes in temperature, TDS and pH are negative factors for ORR power generation. Nevertheless, the normal operation of the AWFC system of FIG. 7 is performed by passing water through the AWFC, so that the power generation by the ORR is stable.
Example 2
Pharmaceutical wastewater from pharmaceutical companies of caffeine and antipyretic analgesics, have been processed by O 3 + MAC-CX of low-voltage AOP. Electrolysis formula O 3 tank is used to produce the H 2 / O 2 / O 3 . The gaseous product is drawn into a cylinder filled with MAC-CX particles or steel wool balls coated with MAC-CX. COD removal, power, and in terms of conversion to benign products of H 2 consumed it was intended to evaluate the performance of the wastewater treatment new system. Table 5 lists adopted O 3 + MAC-CX systems, water supply condition, and the processing result.

表5に示すように、2.38時間の処理時間で発生したオゾンは完全に消費されているが、Hの変換率は約98%であり、これは石油精製工場で使用される水素反応器の変換率より高い。
また、TDSを含む廃水も90.1mS/cmと高く測定された(約180,200ppm、海水の3倍)。TDSの濃度はそのままで、それはCODの除去にとって重要ではないように見えた。TDSに変化がない理由の一つは、それがMAC−CXの触媒機能に影響を及ぼさないことにある。表5の触媒Xは、COD除去よりもHの変換に使用される。表5はAOPによる1kgのCODの除去が、約4kWhの電力及び僅か183gのOを消費し、「副産物」Hを生成していることを示す。
実施例3
ある大手製薬会社は、多数の抗生物質、鎮痛剤、胃酸抑制剤、血圧調整剤を製造している。これらの医薬品は多核炭化水素(PHC)であり、それらは医薬品およびパーソナルケア製品(PPCP)である。PPCPがさまざまな生物体内に入ると、脊椎動物種の内分泌系経路を変える可能性があるため、内分泌攪乱汚染物質(EDC)と呼ばれている。EDCは、一般的手法ではほとんど劣化しない難溶性汚染物質と見なされている。前記会社の廃水のCOD含有量は209,617ppmという高さである。そのような高いCOD高濃度水は、HOを使用した希釈なしでは、水処理の一般的技術では処理できない。しかし、希釈により原水に水を加えると、指数関数的に処理されるHOの総量が増える。超高濃度COD廃水の処理にはO+MAC−CXシステムが必要となる。
表6は、EC(電気凝集)、EO(電解オゾン)、およびEO+MAC−CXシステムなどの前処理装置における一組のパラメータを有する構成要素を列挙し、処理の各段階でのCOD測定も同様に提供される。
As shown in Table 5, the ozone generated in the processing time of 2.38 hours is completely consumed, but the conversion rate of H 2 is about 98%, which is the hydrogen reaction used in the oil refinery. Higher than the conversion rate of the vessel.
Wastewater containing TDS was also measured as high as 90.1 mS / cm (about 180,200 ppm, three times that of seawater). The concentration of TDS remained unchanged, which did not appear to be important for the removal of COD. One of the reasons for the unchanged TDS is that it does not affect the catalytic function of MAC-CX. The catalyst X in Table 5 is used for H 2 conversion rather than COD removal. Table 5 shows that removal of 1 kg of COD by AOP consumes about 4 kWh of power and only 183 g of O 3 to produce the "by-product" H 2 .
Example 3
A major pharmaceutical company manufactures a number of antibiotics, painkillers, stomach acid suppressants, and blood pressure regulators. These drugs are polynuclear hydrocarbons (PHC), which are pharmaceutical and personal care products (PPCP). When PPPP enters various organisms, it can alter the endocrine pathways of vertebrate species and is therefore called Endocrine Disrupting Contaminants (EDCs). EDC is considered a poorly soluble pollutant that is hardly degraded by common methods. The COD content of the wastewater of the company is as high as 209,617 ppm. Such high COD-enriched water, is without dilution using H 2 O, can not be processed in the general art of water treatment. However, the addition of water to the raw water by dilution, increasing the total amount of H 2 O to be processed exponentially. O 3 + MAC-CX system to the processing of ultra-high-concentration COD wastewater is required.
Table 6 lists the components with a set of parameters in pretreatment equipment such as EC (Electrical Aggregation), EO 3 (Electrolytic Ozone), and EO 3 + MAC-CX systems, and COD measurements at each stage of processing. Is provided as well.

表6はO+MAC−CXによるCODの削減がAOPによって生じたことを示す。A、BおよびCの各筒には500gのMAC−CX顆粒が充填されており、BおよびCには微電解を行うための弱い直流電圧も印加されている。徐々に原水のCODは209,617ppmから35,019ppmに減少する。通過流水による除去率が83.3%である。表6に組み込まれているMAC−CXによってHが・OHに変換されている場合、CODは100%除去という可能性がある。アルカリを添加することによる原水のpH調整は、14,796ppmのCODをかなり除去したが、3つの連続した電気凝集(EC)装置による次の連続前処理は、COD除去には効果がないように見えた。おそらく、EC操作はMAC−CX吸着剤を保護だけに役立つかもしれない。弱い直流電流とMAC−CXは、MAC上に堆積された導電性ナノカーボンフィルムCを介して相乗効果を有するように思われる。CはMACに導電性を付与するので、GAC顆粒の表面の吸着および脱着は電場によって調節される。MAC−CXの吸着酸化の低い力に加えて、MAC−CXによる処理において形成されるスラッジはない。従って、EO+MAC−CXシステムはエネルギー効率がよく、費用対効果も優れている。本発明者の一人に付与された米国特許第9,174,895号では、COD種の迅速な除去にアノードとして鉄(Fe)を用いてEOをECと組み合わせて、FeO 2− or[Fe(IV)O]2+の形態のFe(VI)イオンを生成する。米国特許’895号の開示ではEO+MAC−CXシステムよりもはるかに多くの電力を消費するだけでなく、費用のかかる後処理を必要とするスラッジが出てしまう。スラッジは、電気フェントン反応のようなCOD汚染の一般的な処理技術におけるコスト増要因でもある。酸素は燃焼促進剤として知られているが可燃性ではない。燃料としてOを使用する燃料電池を開発した発明者はいない。しかしながら本特許はSb,Ni−SnO/Tiアノード上での水の電気分解、それに続くCo−CNF/Tiカソード上でのOの還元によってOを製造できることを証明した。Oの触媒還元はH電気を生成する。カソード還元で生成した物質にはそれぞれ利点がある。Table 6 shows that the reduction of the COD by the O 3 + MAC-CX is caused by AOP. Each cylinder of A, B and C is filled with 500 g of MAC-CX granules, and a weak DC voltage for performing microelectrolysis is also applied to B and C. Gradually, the COD of raw water decreases from 209,617 ppm to 35,019 ppm. The removal rate by passing running water is 83.3%. If H 2 is converted to OH by the MAC-CX incorporated in Table 6, the COD may be 100% removed. Adjusting the pH of the raw water by adding alkali removed a significant amount of 14,796 ppm COD, but the next continuous pretreatment with three consecutive electrocoagulation (EC) devices was so ineffective in removing COD. Looked. Perhaps EC operations may only help protect the MAC-CX adsorbent. The weak DC current and MAC-CX appear to have a synergistic effect via the conductive nanocarbon film C deposited on the MAC. Since C imparts conductivity to the MAC, the adsorption and desorption of the surface of the GAC granules is regulated by an electric field. In addition to the low adsorption and oxidation forces of MAC-CX, there is no sludge formed in the treatment with MAC-CX. Therefore, the EO 3 + MAC-CX system is energy efficient and cost effective. In U.S. Patent No. 9,174,895, issued to one of the present inventors, the EO 3 in combination with EC using iron (Fe) as the anode in the rapid removal of COD species, FeO 4 2- or [ Fe (IV) O] Generates Fe (VI) ions in the form of 2+ . The disclosure of US Pat. No. '895 not only consumes much more power than the EO 3 + MAC-CX system, but also results in sludge that requires costly post-processing. Sludge is also a cost-increasing factor in common treatment techniques for COD pollution such as the electric Fenton reaction. Oxygen is known as a combustion accelerator but is not flammable. No inventor has developed a fuel cell that uses O 2 as fuel. However, this patent proves that O 2 can be produced by electrolysis of water on the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode, followed by reduction of O 2 on the Co 3 O 4- CNF / Ti cathode. Catalytic reduction of O 2 to generate an H 2 O 2 electricity. Each substance produced by cathodic reduction has its advantages.

本発明によってもたらされる利点、および生成された電気の最善の利用を概説する。
1.消毒剤:微生物の除去と殺虫剤の分解は、適切な時期に適切な量のオゾン(O)と過酸化水素(H)の制御されたオンライン生成により、Hの発生なしに達成される。
2.水の浄化:難溶性の水中内の汚染物質は高濃度TDSとCODによって程度を数値化可能である。前者はMAC−Cによって大幅に減らすことが出来るが後者はOとMAC−CXの組み合わせで完全に除去出来る。MAC−CとMAC−CXはどちらも迅速なリサイクル再生成が可能である。
3.スーパーキャパシタ:GPEと共に、ステンレス製プレート上に直接成長させたカーボンナノフィルム(CNF)を使用して、ORRによって生成された電気を貯蔵し、高出力で放電する高電圧スーパーキャパシタモジュールを製造することが出来る。
4.エネルギー利用:複数のスーパーキャパシタモジュールを利用して電力タンクが形成される。CDスウィングとリバースチャージ(逆充電)を使用すると、蓄えられたエネルギーは効果的かつ効率的な方法で利用出来る。
本発明の重要な技術を命名しなければならない場合、その答えは図3の水熱合成である。合成後、選択された前駆体と触媒を含む添加物はSS、Ti、セラミック、またはハニカムなどに変換され、即使用可能な電極または即時吸着剤となる。イオンプラズマ溶射コーティングも同様に前記電極を製造することが出来るが、それは材料の選択および本目的の製造における自由度が少ない。上述の実施例および説明が、本発明の特徴および全体像をうまく説明出来たと考えたい。さらに重要なことに、本発明は本明細書に記載の実施形態のみに限定されない。
当業者であれば本発明の教示が装置の多数の修正および変更をなし得ることを容易に理解するであろう。従って、上記の開示は、添付の特許請求の範囲の境界および範囲にのみ限定されないと容易に解釈されるべきである。
The benefits provided by the present invention and the best use of electricity generated are outlined.
1. 1. Disinfectants: Microbial removal and pesticide decomposition without H 2 generation by controlled online production of the right amounts of ozone (O 3 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) at the right time. Achieved.
2. 2. Water purification: Poorly soluble pollutants in water can be quantified by high concentrations of TDS and COD. The former can be greatly reduced by the MAC-C latter can completely removed by the combination of O 3 and MAC-CX. Both MAC-C and MAC-CX are capable of rapid recycling and regeneration.
3. 3. Supercapacitors: Using carbon nanofilms (CNFs) grown directly on stainless steel plates with GPEs to produce high voltage supercapacitor modules that store the electricity generated by the ORR and discharge it at high power. Can be done.
4. Energy utilization: A power tank is formed using multiple supercapacitor modules. With CD swing and reverse charge, the stored energy can be used in an effective and efficient way.
When the important technique of the present invention must be named, the answer is hydrothermal synthesis in FIG. After synthesis, the additive containing the selected precursor and catalyst is converted to SS, Ti, ceramic, honeycomb, etc. to become a ready-to-use electrode or immediate adsorbent. The ion plasma spray coating can also manufacture the electrode, but it has less freedom in material selection and manufacture for this purpose. It is considered that the above-mentioned examples and explanations have successfully explained the features and the whole picture of the present invention. More importantly, the invention is not limited to the embodiments described herein.
Those skilled in the art will readily appreciate that the teachings of the present invention can make numerous modifications and modifications to the device. Therefore, the above disclosure should be easily construed as not limited to the boundaries and scope of the appended claims.

Claims (12)

水中の酸素を使用して発電する方法で次の工程すなわち、
一定の間隙で2つのCo−CNF/Tiカソードによって挟まれたSb,Ni−SnO/Tiアノードによって分離膜を使わず基本構成単位を準備すること(ここでのCNFはカーボンナノフィルムである)、
そして、TDS除去吸着剤およびCOD除去吸着剤により水の精製を提供すること、ここで水は流動形態であり、水は次のグループから選択されるものであり、それらは水道水、新鮮水、オンラインで生成された浄水と水蒸気であり、
酸素発生反応(OER)を介してSb,Ni−SnO/Tiアノード上で電解水から酸素を生成し、直流低電力を使用する酸素還元反応(ORR)を介してCo−CNF/Tiカソード上で酸素の還元により発電すること、
そして、少なくとも1つのスーパーキャパシタによって、カソードからの生成された電気を引き出して蓄えること。
The next step, namely, the method of generating electricity using oxygen in water
Prepare a basic structural unit without using a separation membrane by Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode sandwiched between two Co 3 O 4- CNF / Ti cathodes with a certain gap (CNF here is a carbon nanofilm). Is),
And to provide purification of water with TDS-removing adsorbents and COD-removing adsorbents, where water is in fluid form and water is selected from the following groups, which are tap water, fresh water,. Purified water and steam generated online,
Oxygen is generated from electrolyzed water on the Sb, Ni-SnO 2 / Ti anode via an oxygen evolution reaction (OER), and Co 3 O 4- CNF / via an oxygen reduction reaction (ORR) that uses low DC power. Generating by reducing oxygen on the Ti cathode,
Then, at least one supercapacitor draws out and stores the electricity generated from the cathode.
請求項1に記載の方法において、基本ユニットは直列接続された2つのセルを含む。 In the method of claim 1, the basic unit comprises two cells connected in series. 請求項1に記載の方法において、OERおよびORRは水中で処理され、前記OERが酸素およびオゾンガスを生成し、そして前記ORRが過酸化水素および電気を生成する。 In the method of claim 1, the OER and ORR are treated in water, the OER producing oxygen and ozone gas, and the ORR producing hydrogen peroxide and electricity. 請求項1に記載の方法で、ここでのアノードはSb,Ni−SnO/Tiとして表されるTiプレート上に堆積されたSb及びNi添加のSnOを含む触媒を有し、3つの金属の前駆体がそれぞれSnC,Sb及びNi(CHCOO)であり、水性コーティング溶液中の各金属イオンの濃度は、[Sn4+]が0.81.2Mで,[Sb3+]が[Sn4+]に対して2.84.4%、そして[Ni2+]が[Sn4+]に対して0.81.8%の範囲である。In the method according to claim 1, the anode here has a catalyst containing Sb and Ni-added SnO 2 deposited on a Ti plate represented as Sb, Ni-SnO 2 / Ti, and has three metals. The precursors of the above are SnC 2 O 4 , Sb 2 O 3 and Ni (CH 3 COO) 2 , respectively, and the concentration of each metal ion in the aqueous coating solution is 0.8 to 1.2 M for [Sn 4+ ]. , [Sb 3+ ] is in the range of 2.8 to 4.4% with respect to [Sn 4+ ], and [Ni 2+ ] is in the range of 0.8 to 1.8% with respect to [Sn 4+ ]. 請求項1に記載の方法において前記CNFは、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、セルロース、デキストリン、リグニン、リンゴ塩、多糖類、ゼラチンおよびポリイミドから選択される前駆体を用いて水熱合成によって製造される。 In the method according to claim 1, the CNF is polyacrylonitrile (PAN), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polymethylmethacrylate (PMMA), cellulose, dextrin, lignin, and the like. Produced by hydrothermal synthesis using precursors selected from apple salt, polysaccharides, gelatin and polyimide. 請求項1に記載の方法において、カソード上のCoは硝酸コバルト、硫酸コバルト、炭酸コバルト、水酸化コバルト、臭化コバルトおよび塩化コバルトから選択されるコバルト塩から作製される。In the method of claim 1, Co 3 O 4 on the cathode is made from a cobalt salt selected from cobalt nitrate, cobalt sulfate, cobalt carbonate, cobalt hydroxide, cobalt bromide and cobalt chloride. 請求項1に記載の方法において、前記スーパーキャパシタが、複数の電極の並置スタッキングによる組み立てによって構築される。 In the method according to claim 1, the supercapacitor is constructed by assembling a plurality of electrodes by juxtaposed stacking. 請求項1に記載の方法において、前記COD除去吸着剤がMAC−CXで表され、Xは、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、CuおよびZnを含む遷移金属から選択される前駆体を使用する金属酸化物の触媒である。 In the method according to claim 1, the COD removing adsorbent is represented by MAC-CX, where X is selected from transition metals containing Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn. It is a catalyst for metal oxides that uses the precursors to be produced. 請求項1に記載の方法において、前記スーパーキャパシタは複数で用意し、発電システムのためのシャーシ、フレームおよび全体の支持体として機能する。 In the method of claim 1, a plurality of the supercapacitors are prepared and function as a chassis, a frame and an overall support for a power generation system. 請求項9に記載の方法において、前記の複数のスーパーキャパシタは、前記ORRによって生成された電気を最大限に利用するために充放電スイングを実行するように中央処理装置によって指示される。 In the method of claim 9, the plurality of supercapacitors are instructed by a central processing unit to perform a charge / discharge swing in order to make the best use of the electricity generated by the ORR. 請求項5に記載の方法において、前記水熱合成が、200〜400℃および空気内での木炭化、ならびに無酸素で600〜900℃下での炭化を含む2段階の熱処理を含む。 In the method of claim 5, the hydrothermal synthesis comprises a two-step heat treatment involving wood carbonization at 200-400 ° C. and in air, and carbonization at 600-900 ° C. without oxygen. 請求項1に記載の新規な方法において、前記低電力直流電力は、パルス幅変調(PWM)を用いて3〜10ボルトおよび3〜10アンペアを含む。 In the novel method of claim 1, the low power direct current power comprises 3-10 volts and 3-10 amps using pulse width modulation (PWM).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113308710A (en) * 2021-05-24 2021-08-27 陕西科技大学 Conductive cellulose filter paper loaded Ru nanoparticle composite catalyst and preparation method thereof
CN117276614A (en) * 2023-09-21 2023-12-22 上海橙氧科技有限公司 Energy storage system with hydrogen peroxide as electronic energy carrier

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