(57)【要約】      （修正有）【課題】水を電気分解するためのイオン交換膜電解セルにおいて、電解セルの体積を増加させ、電極板の面積を増加させて、電気分解する水の量を増やし、電解効率を、大幅に改善する。【解決手段】拡張したイオン交換膜電解セルは、アノード板、カソード板、少なくとも１枚のバイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、第２のイオン交換膜板、複数の水素チャンバ、及び複数の酸素チャンバ、を備える。水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルは、拡張したイオン交換膜電解セルに形成される。水素出口チャネルは、複数の水素チャンバの各々と連結し、酸素出口チャネル及び水入口チャネルは、複数の酸素チャンバの各々と連結して、水を電気分解した後に、気体及び液体を迂回させることができる、拡張したイオン交換膜電解セル。【選択図】図１
2020180372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡張したイオン交換膜電解セルであって、
アノード板と、
カソード板と、
前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、少なくとも１枚のバイポーラ電極板と、
前記アノード板と前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間に配設された、第１のイオン交換膜板と、
前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板と前記カソード板との間に配設された、第２のイオン交換膜板と、
前記アノード板と前記第１のイオン交換膜板と間、及び前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板と前記第２のイオン交換膜板との間に形成された、複数の酸素チャンバと、
前記第１のイオン交換膜板と前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間、及び前記第２のイオン交換膜板と前記カソード板との間に形成された、複数の水素チャンバと
を備え、
水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルは、前記拡張したイオン交換膜電解セルに形成され、前記水素出口チャネルは、複数の前記水素チャンバの各々に連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、複数の前記酸素チャンバの各々に連結される、拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項２】
前記酸素チャンバは、前記アノード板に隣接した第１の酸素チャンバを備え、前記アノード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記凹状中央部に空間が形成され、前記第１の酸素チャンバは前記空間を備え、前記凸状周縁部は、前記アノード板及び前記第１のイオン交換膜板が積み重ねられたとき、前記水素出口チャネルの一部、前記酸素出口チャネルの一部、及び前記水入口チャネルの一部に対応する複数の穴を有し、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルが連結される、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項３】
前記水素チャンバは、前記カソード板に隣接した第１の水素チャンバを備え、前記カソード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記凹状中央部に空間が形成され、前記第１の水素チャンバは前記空間を備え、前記水素出口チャネルは前記凹状中央部に連結される、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項４】
前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板は、カソード面及びアノード面を有し、前記カソード面及び前記アノード面の各々は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記水素チャンバは、前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板の前記カソード面に隣接した第２の水素チャンバを備え、前記凹状中央部に第１の空間が形成され、前記第２の水素チャンバは前記第１の空間を備え、前記酸素チャンバは、前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板の前記アノード面に隣接した第２の酸素チャンバを含み、前記凹状中央部に第２の空間が形成され、前記第２の酸素チャンバは前記第２の空間を備え、積み重ねられたとき、前記カソード面及び前記アノード面の凸状周縁部は、前記水素出口チャネルの一部、前記酸素出口チャネルの一部、及び前記水入口チャネルの一部に対応する複数の穴を有し、前記水素出口チャネルは前記カソード面の前記凹状中央部に連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、前記アノード面の前記凹状中央部に連結される、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項５】
前記アノード板と前記第１のイオン交換膜板との間、前記第１のイオン交換膜板と前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間、前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板と前記第２のイオン交換膜板との間、及び前記第２のイオン交換膜板と前記カソード板との間、にそれぞれ配設された、複数のシリコン封止ガスケットをさらに備え、前記シリコン封止ガスケットの各々は、中空セクション及び環状セクションによって形成された中空環状構造であり、前記水素出口チャネル、前記酸素出口チャネル、及び前記水入口チャネルは、前記シリコン封止ガスケットの各々の前記環状セクションを貫通する、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項６】
前記シリコン封止ガスケットの各々の前記中空セクションにそれぞれ配設され、かつ隣接した前記第１のイオン交換膜板、または隣接した前記第２のイオン交換膜板にそれぞれ装着された、複数の拡散板をさらに備える、請求項５に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項７】
前記アノード板の面、前記カソード板の面、及び前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板の２つの面、のうちの少なくとも１つは凹状中央部を有し、前記凹状中央部は、複数の隆起部、及び前記隆起部同士の間に形成された複数の溝を有し、前記隆起部は、対応する前記拡散板に当接するよう構成され、前記アノード板、前記カソード板、前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板、前記第１のイオン交換膜板、及び前記第２のイオン交換膜板が積み重ねられたとき、前記隆起部は、対応する前記拡散板を、対応する前記第１のイオン交換膜板または対応する前記第２のイオン交換膜板に当接させ、前記溝は、前記水素出口チャネル、前記酸素出口チャネル、及び前記水入口チャネルのうちの少なくとも１つにそれぞれ連結される、請求項６に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項８】
前記拡散板は複数の孔を有し、それによって水、水素、及び酸素は前記孔を流れ抜ける、請求項６に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項９】
複数のセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記水素チャンバの各々から前記水素出口チャネルへの接合部、ならびに前記酸素チャンバから前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルへの接合部に、それぞれ配設され、前記セパレータは、対応する前記シリコン封止ガスケットに対してそれぞれ当接して複数のポートを形成し、前記水素出口チャネルは、前記水素チャンバに、前記ポートの一部を介して連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、前記酸素チャンバに、前記ポートの別の部分を介して連結される、請求項５に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１０】
前記カソード板に面した側とは反対側のアノード板の側、及び前記アノード板に面した側とは反対側のカソード板の側、のうちの少なくとも１つの箇所の上部に配設された、少なくとも１枚の絶縁熱ボードをさらに備え、前記少なくとも１枚の絶縁熱ボードは、前記拡張したイオン交換膜電解セルの電流を外部環境から分離するよう、かつ前記拡張したイオン交換膜電解セルの熱エネルギーを外部環境に伝導するよう構成される、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１１】
前記カソード板に面した側とは反対側のアノード板の側、及び前記アノード板に面した側とは反対側のカソード板の側、のうちの少なくとも１つの箇所の上部に配設された、少なくとも１枚の放射板をさらに備え、前記少なくとも１枚の放射板は、前記拡張したイオン交換膜電解セルの熱を外部環境へ消散させるよう構成される、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１２】
複数の係止チャネル及び複数の係止構成要素をさらに備え、前記係止チャネルは、前記係止構成要素と嵌合するよう、前記アノード板、前記カソード板、前記少なくとも１枚のバイポーラ電極板、前記第１のイオン交換膜板、及び前記第２のイオン交換膜板を貫通する、請求項１に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１３】
拡張したイオン交換膜電解セルであって、
アノード板と、
カソード板と、
前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、第１のバイポーラ電極板と、
前記アノード板と前記第１のバイポーラ電極板との間に収容することができる、第１のイオン交換膜板と、
前記カソード板と前記第１のバイポーラ電極板との間に収容することができる、第２のイオン交換膜板と、
前記アノード板に隣接した、第１の酸素チャンバと、
前記カソード板に隣接した、第１の水素チャンバと、
前記第１のバイポーラ電極板のアノード面に隣接した、第２の酸素チャンバと、
前記第１のバイポーラ電極板のカソード面に隣接した、第２の水素チャンバと
を備え、
酸素出口チャネルは、前記第１の酸素チャンバ及び前記第２の酸素チャンバに連結され、水素出口チャネルは、前記第１の水素チャンバ及び前記第２の水素チャンバに連結される、拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１４】
前記第１の酸素チャンバは、前記第１の水素チャンバ及び前記第２の水素チャンバと流体連結されず、前記第２の酸素チャンバは、前記第１の水素チャンバ及び前記第２の水素チャンバと流体連結されない、請求項１３に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１５】
前記酸素出口チャネルは、少なくとも前記アノード板から前記カソード板へ延び、前記水素出口チャネルは、少なくとも前記アノード板から前記カソード板へ延びる、請求項１３に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１６】
前記アノード板及び前記カソード板はそれぞれ、
第１の凹状中央部と、
前記第１の凹状中央部に配設された、複数の第１の隆起部と、
前記第１の隆起部同士の間に配設された、複数の第１の溝と
を備え、
前記第１の酸素チャンバは、前記アノード板の前記第１の溝を備え、前記アノード板の前記第１の溝は、前記酸素出口チャネルに連結され、前記第１の水素チャンバは、前記カソード板の前記第１の溝を備え、前記カソード板の前記第１の溝は、前記水素出口チャネルに連結される、請求項１５に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１７】
前記第１のバイポーラ電極板の、前記アノード面及び前記カソード面はそれぞれ、
第２の凹状中央部と、
前記第２の凹状中央部に配設された、複数の第２の隆起部と、
前記第２の隆起部同士の間に配設された、複数の第２の溝と
を備え、
前記第２の酸素チャンバは、前記アノード面の前記第２の溝を備え、前記アノード面の前記第２の溝は、前記酸素出口チャネルに連結され、前記第２の水素チャンバは、前記カソード面の前記第２の溝を備え、前記カソード面の前記第２の溝は、前記水素出口チャネルに連結される、請求項１６に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１８】
酸素導管及び水素導管をさらに備え、前記酸素出口チャネルは、前記カソード板または前記アノード板を貫通して前記酸素導管に連結され、前記水素出口チャネルは、前記カソード板または前記アノード板を貫通して前記水素導管に連結される、請求項１５に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項１９】
前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、第２のバイポーラ電極板と、
前記第２のバイポーラ電極板のアノード面に隣接した、第３の酸素チャンバと、
前記第２のバイポーラ電極板のカソード面に隣接した、第３の水素チャンバと
をさらに備え、
前記酸素出口チャネルは、前記第１の酸素チャンバ、前記第２の酸素チャンバ、及び前記第３の酸素チャンバに連結され、前記水素出口チャネルは、前記第１の水素チャンバ、前記第２の水素チャンバ、及び前記第３の水素チャンバに連結される、請求項１８に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【請求項２０】
前記第３の酸素チャンバは、前記第１の水素チャンバ、前記第２の水素チャンバ、及び前記第３の水素チャンバと流体連結されず、前記第３の水素チャンバは、前記第１の酸素チャンバ、前記第２の酸素チャンバ、及び前記第３の酸素チャンバと流体連結されない、請求項１９に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１９年４月２５日に申請された中国特許出願公開第２０１９１０３３６３３７．２号に基づき、優先権を主張する。その開示は、その全てが参照として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、イオン交換膜電解セルを提供する。より詳細には、水を電気分解し、気体及び液体を迂回させることができる、拡張したイオン交換膜電解セルを提供する。
【背景技術】
【０００３】
イオン交換膜電解セルは、水を電気分解するために一般的に使用されるセルのうちの１つである。従来のイオン交換膜電解セルには、アノードセクション及びカソードセクションを分離するイオン交換膜が装備され、水の入口／出口、及び／または気体の入口／出口を有する。しかしながら、従来のイオン交換膜電解セルの空間は、２つのセクションのみに分割され、各セクションには、１枚の電極板しか配設できない。多量の水を電気分解する必要がある場合、従来のイオン交換膜電解セルでは、電解セルの体積を増加させ、電極板の面積を増加させて、電気分解する水の量を増やすことしかできない。しかし、電気分解する水の量は、電解セルの体積及び電極板の面積の増加に対して正比例せず、そのため、従来のイオン交換膜電解セルの電解効率を、大幅に改善することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した課題から判るように、改善すべき上記の課題を解決するための、イオン交換膜電解セルを提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題に対応するにあたり、本発明の目的は、拡張したイオン交換膜電解セルを提供することである。本発明の特定の実施形態によると、拡張したイオン交換膜電解セルは、アノード板、カソード板、少なくとも１枚のバイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、第２のイオン交換膜板、複数の酸素チャンバ、及び複数の水素チャンバ、を備える。この少なくとも１枚のバイポーラ電極板は、アノード板とカソード板との間に配設される。第１のイオン交換膜板は、アノード板と少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間に配設され、第２のイオン交換膜板は、少なくとも１枚のバイポーラ電極板とカソード板との間に配設される。複数の酸素チャンバは、アノード板と第１のイオン交換膜板との間、及び少なくとも１枚のバイポーラ電極板と第２のイオン交換膜板との間に形成される。複数の水素チャンバは、第１のイオン交換膜板と少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間、及び第２のイオン交換膜板とカソード板との間に形成される。水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルは、拡張したイオン交換膜電解セルに形成され、水素出口チャネルは、複数の水素チャンバの各々に連結され、酸素出口チャネル及び水入口チャネルは、複数の酸素チャンバの各々に連結される。
【０００６】
１つの実施形態において、酸素チャンバは、アノード板に隣接した第１の酸素チャンバを備える。アノード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有する。凹状中央部には空間が形成され、第１の酸素チャンバはこの空間を含む。アノード板と第１のイオン交換膜板が重ねられ、酸素出口チャネル及び水入口チャネルの凹状中央部に連結されたとき、凸状周縁部は、水素出口チャネルの一部分、酸素出口チャネルの一部分、及び水入口の一部分に対応した複数の穴を有する。
【０００７】
１つの実施形態において、水素チャンバは、カソード板に隣接した第１の水素チャンバを備える。カソード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有する。凹状中央部には空間が形成され、第１の水素チャンバはこの空間を含み、水素出口チャネルは凹状中央部に連結される。
【０００８】
１つの実施形態において、少なくとも１枚のバイポーラ電極板は、カソード面及びアノード面を有し、カソード面及びアノード面の各々は、凸状周縁部及び凹状中央部を有する。水素チャンバは、少なくとも１枚のバイポーラ電極板のカソード面に隣接した、第２の水素チャンバを備える。凹状中央部には第１の空間が形成され、第２の水素チャンバは、この第１の空間を含む。酸素チャンバは、少なくとも１枚のバイポーラ電極板のアノード面に隣接した、第２の酸素チャンバを備える。凹状中央部には第２の空間が形成され、第２の酸素チャンバは、この第２の空間を含む。積み重ねられたとき、カソード面及びアノード面の凸状周縁部は、水素出口チャネルの一部分、酸素出口チャネルの一部分、及び水入口チャネルの一部分に対応した複数の穴を有する。水素出口チャネルはカソード面の凹状中央部に連結され、酸素出口チャネル及び水入口チャネルは、アノード面の凹状中央部に連結される。
【０００９】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、複数のシリコン封止ガスケットをさらに備える。これらシリコン封止ガスケットは、アノード板と第１のイオン交換膜板との間、第１のイオン交換膜板と少なくとも１枚のバイポーラ電極板との間、少なくとも１枚のバイポーラ電極板と第２のイオン交換膜板との間、及び第２のイオン交換膜板とカソード板との間に、それぞれ配設される。シリコン封止ガスケットの各々は、中空セクション及び環状セクションによって形成された、中空環状構造である。水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルは、シリコン封止ガスケットの各々の環状セクションを貫通する。
【００１０】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、複数の拡散板をさらに備える。これら拡散板は、シリコン封止ガスケットの各々の中空セクションにそれぞれ配設され、かつ隣接した第１のイオン交換膜板、または隣接した第２のイオン交換膜板に隣接してそれぞれ装着される。
【００１１】
１つの実施形態において、アノード板の一方の面、カソード板の一方の面、及び少なくとも１枚のバイポーラ電極板の２つの面、のうちの少なくとも１つは凹状中央部を有する。凹状中央部は、複数の隆起部、及びこれら隆起部同士の間に形成された複数の溝を有する。これら隆起部は、対応する拡散板に当接するよう構成される。アノード板、カソード板、少なくとも１枚のバイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、及び第２のイオン交換膜板が積み重ねられたとき、これら隆起部は、対応する拡散板を、対応する第１のイオン交換膜板または対応する第２のイオン交換膜板に当接させる。溝は、水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルのうちの少なくとも１つに、それぞれ連結される。
【００１２】
１つの実施形態において、拡散板は、水、水素、及び酸素が流れ抜けるよう、複数の細孔を有する。
【００１３】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、複数のセパレータをさらに備える。セパレータは、水素チャンバの各々から水素出口チャネルへの接合部、ならびに酸素チャンバから酸素出口チャネル及び水入口チャネルへの接合部に、それぞれ配設される。セパレータは、対応するシリコン封止ガスケットに対してそれぞれ当接して、複数のポートを形成し、水素出口チャネルは、これらポートの一部分を介して水素チャンバに連結され、酸素出口チャネル及び水入口チャネルは、これらポートの別の部分を介して酸素チャンバに連結される。
【００１４】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、カソード板に面した側とは反対側におけるアノード板の側、及びアノード板に面した側とは反対側におけるカソードの側、のうちの少なくとも１箇所に配設された、少なくとも１枚の絶縁熱ボードをさらに備える。この少なくとも１枚の絶縁熱ボードは、拡張したイオン交換膜電解セルの電流を、外部環境から分離して、拡張したイオン交換膜電解セルの熱エネルギーを、外部環境に伝導するよう構成される。
【００１５】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、カソード板に面した側とは反対側におけるアノード板の側、及びアノード板に面した側とは反対側におけるカソードの側、のうちの少なくとも１箇所に配設された、少なくとも１枚の放射板をさらに備える。この少なくとも１枚の放射板は、拡張したイオン交換膜電解セルの熱エネルギーを外部環境に消散させるよう構成される。
【００１６】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、複数の係止チャネル及び複数の係止構成要素をさらに備える。係止チャネルは、係止構成要素と嵌合するよう、アノード板、カソード板、少なくとも１枚のバイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、及び第２のイオン交換膜板を貫通する。
【００１７】
他の特定の実施形態において、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、アノード板、カソード板、第１のバイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、第２のイオン交換膜板、第１の酸素チャンバ、第２の酸素チャンバ、第１の水素チャンバ、及び第２の水素チャンバ、を備える。第１のバイポーラ電極板は、アノード板とカソード板との間に配設される。第１のイオン交換膜板は、アノード板と第１のバイポーラ電極板との間に収容することができる。第２のイオン交換膜板は、カソード板と第１のバイポーラ電極板との間に収容することができる。第１の酸素チャンバはアノード板に隣接し、第１の水素チャンバはカソード板に隣接し、第２の酸素チャンバは第１のバイポーラ電極板のアノード面に隣接し、第２の水素チャンバは第１のバイポーラ電極板のカソード面に隣接する。酸素出口チャネルは、第１の酸素チャンバ及び第２の酸素チャンバに連結され、水素出口チャネルは、第１の水素チャンバ及び第２の水素チャンバに連結される。
【００１８】
１つの実施形態において、第１の酸素チャンバは、第１の水素チャンバ及び第２の水素チャンバと流体連結されず、第２の酸素チャンバは、第１の水素チャンバ及び第２の水素チャンバと流体連結されない。
【００１９】
１つの実施形態において、酸素出口チャネルは、少なくともアノード板からカソード板へ延び、水素出口チャネルは、少なくともアノード板からカソード板へ延びる。
【００２０】
１つの実施形態において、アノード板及びカソード板は、第１の凹状中央部、複数の第１の隆起部、及び複数の第１の溝を、それぞれ備える。第１の隆起部は、第１の凹状中央部に配設され、第１の溝は、第１の隆起部同士の間に配設される。第１の酸素チャンバは、アノード板の第１の溝を備え、アノード板の第１の溝は、酸素出口チャネルに連結される。第１の水素チャンバは、カソード板の第１の溝を備え、カソード板の第１の溝は、水素出口チャネルに連結される。
【００２１】
１つの実施形態において、第１のバイポーラ電極板のアノード面及びカソード面は、第２の凹状中央部、複数の第２の隆起部、及び複数の第２の溝、をそれぞれ備える。第２の隆起部は、第２の凹状中央部に配設され、第２の溝は、第２の隆起部同士の間に配設される。第２の酸素チャンバは、アノード面の第２の溝を備え、アノード面の第２の溝は、酸素出口チャネルに連結される。第２の水素チャンバは、カソード面の第２の溝を備え、カソード面の第２の溝は、水素出口チャネルに連結される。
【００２２】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、酸素導管及び水素導管をさらに備える。酸素出口チャネルは、カソード板またはアノード板を貫通し、酸素導管に連結される。水素出口チャネルは、カソード板またはアノード板を貫通し、水素導管に連結される。
【００２３】
１つの実施形態において、拡張したイオン交換膜電解セルは、第２のバイポーラ電極板、第３の酸素チャンバ、及び第３の水素チャンバさらに備える。第２のバイポーラ電極板は、アノード板とカソード板との間に配設される。第３の酸素チャンバは、第２のバイポーラ電極板のアノード面に隣接する。第３の水素チャンバは、第２のバイポーラ電極板のカソード面に隣接する。酸素出口チャネルは、第１の酸素チャンバ、第２の酸素チャンバ、及び第３の酸素チャンバに連結され、水素出口チャネルは、第１の水素チャンバ、第２の水素チャンバ、及び第３の水素チャンバに連結される。
【００２４】
１つの実施形態において、第３の酸素チャンバは、第１の水素チャンバ、第２の水素チャンバ、及び第３の水素チャンバと流体連結されず、第３の水素チャンバは、第１の酸素チャンバ、第２の酸素チャンバ、及び第３の酸素チャンバと流体連結されない。
【００２５】
従来技術と比較すると、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、以下の利点を有する。
１．本発明の拡張したイオン交換膜電解セルにおける、アノード板、カソード板、バイポーラ電極板、第１のイオン交換膜板、及び第２のイオン交換膜板は、独立した板である。カルシウム蓄積の問題が電気分解後に生じた場合、拡張したイオン交換膜電解セルは、洗浄のために分解することができる。拡張したイオン交換膜電解セルの任意の部分が、激しく損傷を受けたときでさえ、損傷した板を、複数の構成要素または電気分解全体を交換するよう意図された、新しいものに直ちに交換することができる。
２．本発明の拡張したイオン交換膜電解セルにおける、アノード板、カソード板、及びバイポーラ電極板は、電解セルの動作を妨げる不安定な設置の問題を起こすことなく、一体化で形成された電極板とすることができる。
３．本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、１枚のアノード板、１枚のカソード板、及び少なくとも１枚のバイポーラ電極板を積層することによって、主に形成される。アノード板及びカソード板は、電気分解のために正電流及び負電流にそれぞれ接続され、バイポーラ電極板は、電流に接続させる必要はない。バイポーラ電極板は、アノード板とカソード板との間の電位差を使用し、正極性及び負極性を形成する。本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、バイポーラ電極板を使用して、各電極板が電流との連通を必要とする構成を排除し、正の接触子及び負の接触子に接続した複数の電極板によって生じる、従来の電解セルの問題も排除する。
４．本発明の拡張したイオン交換膜電解セルのバイポーラ電極板は、アノード板とバイポーラ電極板との間に形成された電気分解空間のためのカソードであり、バイポーラ電極板は、カソード板とバイポーラ電極板との間に形成された電気分解空間のためのアノードである。この特性のため、バイポーラ電極板の一方の面は、水を電気分解して水素を発生させ、他方の面は、水を分解して酸素を発生させることができる。したがって、アノード板とカソード板とを交互に配置する必要がある従来の電解セルと比較して、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルに配設する電極板の数は、従来の電解セルよりも少ないので、費用及び体積を節減する。
５．本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、水及び気体の流れを誘導するために直線封止ガスケットを使用する従来の電解セルの代わりに、アノード板、カソード板、及びバイポーラ電極板自体の構造設計を使用して、水及び気体の流れを誘導する。それによって、拡張したイオン交換膜電解セルは、従来の電解セルにおける封止ガスケットの劣化または直線封止ガスケットによる、位置ずれの問題を排除する。
【００２６】
実施形態のうちのいくつかが、図面を参照して詳細に説明される。同様の表示は同様の部材を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の拡張したイオン交換膜電解セルの１つの実施形態における、構造分解概略図である。
【図２】図１の水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルの概略図である。
【図３ａ】図１のアノード板の、異なる視線による概略図である。
【図３ｂ】図１のアノード板の、異なる視線による概略図である。
【図３ｃ】図１のアノード板の、異なる視線による概略図である。
【図４ａ】図１のカソード板の、異なる視線による概略図である。
【図４ｂ】図１のカソード板の、異なる視線による概略図である。
【図４ｃ】図１のカソード板の、異なる視線による概略図である。
【図５ａ】図１のバイポーラ電極板の、異なる視線による概略図である。
【図５ｂ】図１のバイポーラ電極板の、異なる視線による概略図である。
【図５ｃ】図１のバイポーラ電極板の、異なる視線による概略図である。
【図６】図１のアノード板、カソード板、及びバイポーラ電極板を積み重ねた概略図である。
【図７】図１の電気分解空間の概略図である。
【図８ａ】図１のセパレータの側面図である。
【図８ｂ】図１のセパレータの概略斜視図である。
【図９ａ】図１のセパレータの使用状態の概略図である。
【図９ｂ】図１のセパレータの使用状態の概略上面図である。
【図１０】図１の係止チャネルの概略図である。
【図１１】図１の、積み重ねた後の拡張したイオン交換膜電解セルの概略斜視図である。
【図１２】本発明の拡張したイオン交換膜電解セルの、別の実施形態における構造分解概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の利点、趣旨、及び特徴を、以下の実施形態及び図面を用いて、以下で説明かつ検討する。
【００２９】
開示する装置及び方法の、以降で説明する実施形態の詳細な記述は、本明細書では例示として提示され、参照する図に限定されない。特定の実施形態が示され、詳細が説明されるが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変形及び変更が成され得ることを理解されたい。本発明の範囲は、形成する構成要素の数、それらの材料、それらの形状、それらの相対的な配置などに限定されず、本発明の実施形態における例としてのみ開示される。
【００３０】
本明細書の説明において、用語「１つの実施形態において」、「別の実施形態において」、または「いくつかの実施形態において」は、本実施形態の特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の説明において、記述した用語の概略の表現は、必ずしも同じ実施形態を指さない。さらに、説明した特定の特徴、構造、材料、または特性は、適切な方法で任意の１つまたは複数の実施形態に含まれる場合がある。
【００３１】
本明細書の実施形態において、用語「または（ｏｒ）」は、列挙された一部の構成要素の組み合わせ、及び列挙された全ての構成要素の組み合わせを含む。例えば、記載された「ＡまたはＢ」は、Ａのみ、Ｂのみ、ならびにＡ及びＢの両方、を含む。さらに、本発明の要素または構成要素の前の不定冠詞（ａ）及び冠詞（ｔｈｅ）は、要素または構成要素の数を限定しない。したがって、不定冠詞（ａ）及び定冠詞（ｔｈｅ）は、１つまたは少なくとも１つを含むものとして解釈するべきである。さらに、要素または構成要素の単数形は、明確に数が単数形であることを指さない限り、複数形も含む。
【００３２】
図１及び図２を参照されたい。図１は、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥの１つの実施形態における、構造分解概略図である。図２は、図１の水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３の概略図である。図１に示されるように、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、アノード板１、カソード板２、少なくとも１枚のバイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２を含む。バイポーラ電極板３は、アノード板１とカソード板２との間に配設される。第１のイオン交換膜板４１は、アノード板１とバイポーラ電極板３との間に配設され、第２のイオン交換膜板４２は、カソード板２とバイポーラ電極板３との間に配設される。図２に示されるような実施形態において、アノード板１、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２が互いに積み重ねられたとき、アノード板１、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２と連通された、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３が、拡張したイオン交換膜電解セルＥ内に形成される。１つの実施形態において、酸素出口チャネルＺ２は、少なくともアノード板１からカソード板２へ延ばされ、水素出口チャネルＺ１は、少なくともアノード板１からカソード板２へ延ばされる。
【００３３】
詳細には、図２は、アノードにおいて片側入口及び片側出口の構造を伴う、拡張したイオン交換膜電解セルＥを示す。拡張したイオン交換膜電解セルＥは、水をインプットして、水素及び酸素をそれぞれアウトプットする。この実施形態におけるアノードの片側入口及び片側出口において、アノード板１、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜４２の全ては、互いに対応する穴１１を有する。電極板が組み立てられ、接続されたとき、対応する穴１１は互いに連通して、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３を形成する。この時点では、カソード板２には対応する穴１１は存在せず、そのためチャネルはカソード板２を貫通せず、水、水素、及び酸素は、片方からインプット及びアウトプットされる。反対に、拡張したイオン交換膜電解セルＥが、カソードにおいて片側入口及び片側出口の構造である場合、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２の全ては、互いに対応する穴１１を有する。穴１１は互いに連通して、水素出口チャネルＺ１，酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３を形成し、アノード板１には対応する穴１１は存在しない。拡張したイオン交換膜電解セルＥが、両側入口及び両側出口の構造である場合、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３は、片側開放または両側開放とすることができる。片側開放である場合、一方の側は水素をアウトプットし、他方の側は酸素及び水をアウトプットする。上述の設計原理によると、入口側及び出口側に対応する穴１１が存在し、入口側及び出口側に対応した別の側には、対応する穴１１は存在しない。両側開放である場合、水素、酸素、及び水は、両側において入って出ることができ、両側には対応する穴１１が存在する。この開放設計において、水素、酸素、及び水はそれぞれ、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３の方向の流れである。実際、拡張したイオン交換膜電解セルＥは、酸素導管５２及び水素導管５１をさらに備える。酸素出口チャネルＺ２は、アノード板１またはカソード板２を貫通して、酸素導管５２と接続し、水素出口チャネルＺ１は、カソード板２またはアノード板１を貫通して、水素導管５１と接続する。換言すると、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、水素出口チャネルＺ１と連通するために延びた水素導管５１と、酸素出口チャネルＺ２と連通するために延びた酸素導管５２と、水入口チャネルＺ３と連通するために延びた水導管５３と、をさらに備え、拡張したイオン交換膜電解セルＥに水をインプットして、拡張したイオン交換膜電解セルＥから水素及び酸素を集める。
【００３４】
図３ａ〜図７を参照されたい。図３ａ、図３ｂ、及び図３ｃは、図１のアノード板１の異なる視線による概略図である。図４ａ、図４ｂ、及び図４ｃは、図１のカソード板２の異なる視線による概略図である。図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃは、図１のバイポーラ電極板３の異なる視線による概略図である。図６は、図１のアノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３を積み重ねた概略図である。図７は、図１の電気分解空間Ｚ４の概略図である。
【００３５】
特定の実施形態において、アノード板１及びカソード板２は全て、凹状中央部１３、複数の隆起部１４、及び複数の溝１５を備える。隆起部１４は凹状中央部１３に配設され、溝１５は隆起部１４同士の間に配設される。第１の酸素チャンバＺ６１は、アノード板１の溝１５を備え、アノード板１の溝１５は、酸素出口チャネルＺ２と連通する。第１の水素チャンバＺ５１は、カソード板２の溝を備え、カソード板２の溝１５は、水素出口チャネルＺ１と連通する。バイポーラ電極板３のアノード面３０２及びカソード面３０１は全て、凹状中央部１３、複数の隆起部１４、及び複数の溝１５を備える。隆起部１４は凹状中央部１３に配設され、溝１５は隆起部１４同士の間に配設される。第２の酸素チャンバＺ６２は、アノード面３０２の溝１５を備え、アノード面３０２の溝１５は、酸素出口チャネルＺ２と連通する。第２の水素チャンバＺ５２は、カソード面３０１の溝１５を備え、カソード面３０１の溝１５は、水素出口チャネルＺ１と連通する。
【００３６】
換言すると、図３、図４及び図５に示されるように、図３ａ、図４ａ、及び図５ａは正面図；図３ｂ、図４ｂ、及び図５ｂは背面図；図３ｃ、図４ｃ、及び図５ｃは概略斜視図である。アノード板１の一方の面、及びカソード板２の一方の面、ならびにバイポーラ電極板３の両方の面は、特別な構造を有する。特別な構造は、リング状の凸状周縁部１２、及び中間に凹状中央部１３を有する。明確に示すために、凹状中央部１３は、点線によって枠に囲まれて選択された領域である。隆起部１４、及び隆起部１４同士の間に形成された溝１５は、凹状中央部１３に配設される。アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３における特別な構造の違いは、設計上の僅かな違いである。
【００３７】
図２、図３、及び図７に示されるように、アノード板１の一方の面は、（図３ａに示されるように）特別な構造を有する。特別な構造の凸状周縁部１２が、第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、第１の酸素チャンバＺ６１を、特別な構造の凹状中央部１３に形成することができる。凸状周縁部１２は穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３をそれぞれ形成する。アノード板１の凹状中央部１３は、それらの穴１１と連通するよう延びることができ、それによって酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３を形成する。
【００３８】
図２、図４、及び図７に示されるように、カソード板２の一方の面は、（図４ａに示されるように）特別な構造を有する。特別な構造の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、第１の水素チャンバＺ５１を、特別な構造の凹状中央部１３に形成することができる。凸状周縁部１２は穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３をそれぞれ形成する。カソード板２の凹状中央部１３は、それらの穴１１と連通するよう延びることができ、それによって水素出口チャネルＺ１を形成する。
【００３９】
図２、図５、及び図７に示されるように、アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３が互いに積み重ねられたとき、バイポーラ電極板３は、（図６に示されるように）アノード板１とカソード板２との間に配設される。特別な構造を有する、アノード板１の一方の面及びカソード板２の一方の面は、互いに向き合うよう配設されることになる。バイポーラ電極板３は、アノード板１に面したカソード面３０１がカソード板２と同様または類似した特別な構造を有し、カソード板２に面したアノード面３０２がアノード板１と同様または類似した特別な構造を有する。バイポーラ電極板３は、カソード面３０１及びアノード面３０２を有し、（図５ｂに示されるような）カソード面３０１及び（図５ａに示されるような）アノード面の各々は、特別な構造を有する。カソード面３０１の凸状周縁部１２が、第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、第２の水素チャンバＺ５２は、凹状中央部１３に形成される。アノード面３０２の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、第２の酸素チャンバＺ６２は、凹状中央部１３に形成される。カソード面３０１及びアノード面３０２の凸状周縁部１２は、穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３を、それぞれ形成する。カソード面３０１の凹状中央部１３は、それらの穴１１と連通するよう延びることができ、それによって水素出口チャネルＺ１を形成する。アノード面３０２の凹状中央部１３は、それらの穴１１と連通するよう延びることができ、それによって酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３を形成する。
【００４０】
凹状中央部１３と、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、または水入口チャネルＺ３との間の連通方法は、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３の対応する穴１１同士の間の接合部の高さが、凹状中央部１３の高さと等しいように設計されることによる。それによって接合部は連通空間を形成することになる。連通空間の２つの端部は、穴１１及び凹状中央部１３と連通し、連通空間の２つの側壁は凸状周縁部１２である。
【００４１】
加えて、特別な構造を除き、アノード板１及びカソード板２は、それぞれ顕著な構造１６を有し、外部電源の正電流及び負電流を受け取る。バイポーラ電極板は、このような顕著な構造１６を有さない。アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３が、異なる構造を有するよう設計される理由は、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥが、バイポーラ電極板３をアノード板１とカソード板２との間に配設して電位差を形成し、バイポーラ電極板３の一方の面をアノードに、かつ他方の面をカソードに変えるためである。この設計によって、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、バイポーラ電極板３を使用して各電極板を電流と連通させる配置を排除し、多くの電極板をアノードまたはカソードに接続することによって生じる問題も、排除することができる。
【００４２】
図１及び図７を再度参照されたい。図７に示されるように、電気分解空間Ｚ４、第１の水素チャンバＺ５１，第２の水素チャンバＺ５２，第１の酸素チャンバＺ６１，及び第２の酸素チャンバＺ６２は、明確な例示のために点線を使用して空間的位置を表わす。１つの実施形態において、複数の酸素チャンバＺ６が、アノード板１と第１のイオン交換膜板４１と間、及び少なくとも１枚のバイポーラ電極板３と第２のイオン交換膜板４２と間に、形成される。複数の水素チャンバＺ５は、第１のイオン交換膜板４１と少なくとも１枚のバイポーラ電極板３との間、及び第２のイオン交換膜板４２とカソード板２と間に、形成される。重ね合わされると、水素出口チャネルＺ１は、水素チャンバＺ５と連通し、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３は、酸素チャンバＺ６と連通する。
【００４３】
好ましい実施形態において、酸素チャンバＺ６は、アノード板１に隣接した第１の酸素チャンバＺ６１を備える。アノード板１の一方の面は、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。凸状周縁部１２が第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、凹状中央部１３に空間が形成され、第１の酸素チャンバＺ６１はこの空間を備える。凸状周縁部１２は、水素出口チャネルＺ１の一部分、酸素出口チャネルＺ２の一部分、及び水入口チャネルＺ３の一部分にそれぞれ対応した穴を有し、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３は、凹状中央部１３と連通する。
【００４４】
好ましい実施形態において、水素チャンバＺ５は、カソード板２に隣接した第１の水素チャンバＺ５１を備える。カソード板２の一方の面は、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、凹状中央部１３に空間が形成される。第１の水素チャンバＺ５１はこの空間を備え、水素出口チャネルＺ１は、凹状中央部１３と連通する。
【００４５】
好ましい実施形態において、少なくとも１枚のバイポーラ電極板３は、カソード面３０１及びアノード面３０２を有し、カソード面３０１及びアノード面３０２の各々は、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。水素チャンバＺ５は、少なくとも１枚のバイポーラ電極板３のカソード面３０１に隣接した、第２の水素チャンバＺ５２を備える。カソード面３０１の凸状周縁部１２が、第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、凹状中央部１３に空間が形成される。第２の水素チャンバＺ５２は、この空間を備える。水素チャンバＺ６は、少なくとも１枚のバイポーラ電極板３のアノード面３０２に隣接した、第２の酸素チャンバＺ６２を備える。アノード面３０２の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、凹状中央部１３に空間が形成される。第２の酸素チャンバＺ６２は、この空間を備える。カソード面３０１及びアノード面３０２の凸状周縁部１２の各々は、水素出口チャネルＺ１の一部、酸素出口チャネルＺ２の一部、及び水入口チャネルＺ３の一部にそれぞれ対応した穴を有する。水素出口チャネルＺ１は、カソード面３０１の凹状中央部１３と連通し、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３は、アノード面３０２の凹状中央部１３と連通する。
【００４６】
図７に示されるように、１枚のイオン交換膜板によって分離された、１つの水素チャンバ及び１つの酸素チャンバを組み合わせて、１つの電気分解空間Ｚ４を形成することができる。それによって、アノード板１とバイポーラ電極板３との間に形成された電気分解空間Ｚ４において、第１の酸素チャンバＺ６１が、第１のイオン交換膜板４１とアノード板１との間に配設され、第２の水素チャンバＺ５２が、第１のイオン交換膜板４１とバイポーラ電極板３との間に配設される。カソード板２とバイポーラ電極板３との間に形成された電気分解空間Ｚ４において、第１の水素チャンバＺ５１が、第２のイオン交換膜板４２とカソード板２との間に配設され、第２の酸素チャンバＺ６２が、第２のイオン交換膜板４２とバイポーラ電極板３との間に配設される。アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３の特別な構造設計のため、第１の酸素チャンバＺ６１は、酸素出口チャネルＺ２を介して、第２の酸素チャンバＺ６２と連通し、第１の水素チャンバＺ５１は、水素出口チャンバＺ１を介して、第２の水素チャンバＺ５２と連通する。換言すると、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３は、互いに電気分解空間Ｚ４と連通することができる。さらに、第１の酸素チャンバＺ６１は、第１の水素チャンバＺ５１及び第２の水素チャンバＺ５２と流体連通されず、第２の酸素チャンバＺ６２は、第１の水素チャンバＺ５１及び第２の水素チャンバＺ５２と流体連通されない。
【００４７】
図１、図２、及び図７を再度参照されたい。互いに重ね合わせて形成された、拡張したイオン交換膜電解セルにおける、水の漏洩及び気体の漏洩の可能性を軽減させるため、ならびに、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、水入口チャネルＺ３、及び電気分解空間Ｚ４が、それらの独立した空間を維持するために、本発明における拡張したイオン交換膜電解セルＥは、複数のシリコン封止ガスケット６をさらに備える。シリコン封止ガスケット６の各々は、アノード板１と第１のイオン交換膜板４１との間、第１のイオン交換膜板４１とバイポーラ電極板３との間、バイポーラ電極板３と第２のイオン交換膜板４２との間、及び第２のイオン交換膜板４２とカソード板２との間に、それぞれ配設される。シリコン封止ガスケット６は、環状セクション６２、及び環状セクション６２によって形成された中空セクション６１を有する。水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３は、シリコン封止ガスケット６の各々の環状セクション６２を貫通する。中空セクション６１は、電気分解空間Ｚ４と一致する。加えて、隣接したアノード板１、隣接したカソード板２、または隣接したバイポーラ電極板３に面した、シリコン封止ガスケット６の一方の面は、封止効果を促進させるための直線凸状設計を有する。
【００４８】
本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥの電気分解効率を改善するために、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、複数の拡散板７をさらに備える。複数の拡張版７は、シリコン封止ガスケット６の各々の中空セクション６１にそれぞれ配設され、かつ隣接した第１のイオン交換膜板４１、または隣接した第２のイオン交換膜板４２にそれぞれ装着される。アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３の隆起部１４は、対応する拡散板７に当接するよう構成される。アノード板１、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２が互いに積み重ねられて、拡張したイオン交換膜電解セルＥを形成するとき、隆起部１４は、対応する拡散板７を、対応する第１のイオン交換膜板４１または対応する第２のイオン交換膜板４２に当接させる。隆起部１４同士の間の溝１５は、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３のうちの少なくとも１つに、それぞれ連通する。詳細には、隆起部１４が対応する拡散板７に対して当接して、対応する拡散板７を、対応する第１のイオン交換膜板４１または対応する第２のイオン交換膜板４２に当接させると、第１のイオン交換膜板４１または第２のイオン交換膜板４２と、拡散板７との間の間隙によって生じた抵抗を、軽減させることができる。１つの実施形態において、拡散板７は、複数の孔を有する多孔性の導電性材料である。この時点において、拡散板７を、アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３の拡張として見做すことができる。したがって、拡散板７は、アノード板１、カソード板２、またはバイポーラ電極板３における電流を受け取ることによって電界を形成することができ、それによって水素イオン及び酸素イオンは、拡散板７の孔において指向性運動を作ることができる。拡散板７の孔において、拡散板７と、第１のイオン交換膜板４１または第２のイオン交換膜板４２に配設された触媒層との間で、アノードは、アノードに隣接した水の電子を損失して酸素を発生させ、カソードは、カソードに隣接した水の電子を獲得して水素を発生させる。拡散板７の孔は、水、水素、酸素が穴を流れ抜けることも可能にし、それによって水素及び酸素の急速な発生を促進させる。電極板及び拡散板７における、水素泡及び酸素泡は、水の流れを通して電極板及び拡散板７から取り除かれ、水素出口チャネルＺ１、及び酸素出口チャネルＺ２に導かれ、電気分解効率を改善する。１つの実施形態において、拡散板７の材料は、高い安定性を有するチタンであってよい。チタンは、電気分解機能を補助できるが、電気分解機能に関与しない。
【００４９】
図７〜図９を参照されたい。図８ａは、図１のセパレータ５４の側面図である。図８ｂは、図１のセパレータ５４の概略斜視図である。図９ａは、図１のセパレータ５４の使用状態の概略図である。図９ｂは、図１のセパレータ５４の使用状態の概略上面図である。シリコン封止ガスケット６が、第１の水素チャンバＺ５１、第２の水素チャンバＺ５２、及び水素出口チャネルＺ１の中における連通を遮断するのを防止するため、ならびに第１の酸素チャンバＺ６１、第２の酸素チャンバＺ６２、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３の中における連通を遮断するのを防止するために、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、複数のセパレータ５４をさらに備える。図８ａ及び図８ｂに示されるように、セパレータ５４は、平坦板５４１、及び平坦板５４１に配設された複数の支持セクション５４２を備える。隣接した各支持セクション５４２は、特定の距離だけ離隔される。図９ａ及び図９ｂに示されるように、セパレータ５４は、水素出口チャネルＺ１と連通する、第１の水素チャンバＺ５１と第２の水素チャンバＺ５２との接合部、ならびに、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３と連通する、第１の酸素チャンバＺ６１と第２の酸素チャンバＺ６２との接合部に、それぞれ配設される。平坦板５４１は、対応するシリコン封止ガスケット６に対して当接し、それによってポートが、支持セクション５４２及びアノード板１によって、支持セクション５４２及びカソード板２によって、ならびに支持セクション５４２及びバイポーラ電極板３によって、形成される。ポートはそれぞれ、第１の水素チャンバＺ５１及び第２の水素チャンバＺ５２を、水素出口チャネルＺ１と連通させ、第１の酸素チャンバＺ６１及び第２の酸素チャンバＺ６２を、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３と連通させる。
【００５０】
他の実施形態において、図１を再度参照されたい。拡張したイオン交換膜電解セルＥが、その内部で過熱しないよう、電気分解反応中の電気分解によって発生した熱エネルギーを迅速に消散できるようにするため、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、少なくとも１枚の絶縁熱ボード８をさらに備える。絶縁熱ボード８は、カソード板２に面した側とは反対側におけるアノード板１の側、及びアノード板１に面した側とは反対側におけるカソード板２の側、のうちの少なくとも一方に配設される。絶縁熱ボード８は、拡張したイオン交換膜電解セルＥの電流を、外部環境から分離して、拡張したイオン交換膜電解セルＥにおける熱エネルギーを外部環境に伝導するよう構成される。加えて、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、カソード板２に面した側とは反対側におけるアノード板１の側、及びアノード板１に面した側とは反対側におけるカソード板２の側に配設された、少なくとも１枚の放射板９も、さらに備えることができる。放射板９は、拡張したイオン交換膜電解セルＥの熱エネルギーを外部環境に消散させるよう構成される。加えて、水素導管５１、酸素導管５２、及び水導管５３それぞれの一方の端部が、突出した外縁部５８を有するので、拡張したイオン交換膜電解セルＥを積み重ねて組み立てるとき、水素導管５１、酸素導管５２、及び水導管５３は、まずアノード板１、次に放射板９が配設された後に、配設される。それによって、突出した外縁部５８は、アノード板１と放射板９との間に挟まれる。
【００５１】
図１、図１０、及び図１１を参照されたい。図１０は、図１の係止チャネルＺ７の概略図である。図１１は、積み重ねた後の図１の拡張したイオン交換膜電解セルＥの概略斜視図である。拡張したイオン交換膜電解セルＥを安定させて固定するために、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、複数の係止チャネルＺ７及び複数の係止構成要素５５をさらに備える。本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥにおける、アノード板１、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、第２のイオン交換膜板４２、シリコン封止ガスケット６、絶縁熱ボード８、及び放射板９は、全てが対応する係止穴５６を有する。積み重ねられた後、対応する係止穴５６は積み重ねられて係止チャネルＺ７を形成することになる。各係止チャネルＺ７は，係止構成要素と嵌合するよう、アノード板１、カソード板２、バイポーラ電極板３、第１のイオン交換膜板４１、第２のイオン交換膜板４２、シリコン封止ガスケット６、絶縁熱ボード８、及び放射板９を貫通する。図１１は、係止された後の拡張したイオン交換膜電解セルＥを示す。
【００５２】
図１及び図１１を再度参照されたい。拡張したイオン交換膜電解セルＥの構造を絶縁して固定するために、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、フレーム５７をさらに備える。フレーム５７は、互いに積み重ねた後の拡張したイオン交換膜電解セルＥの、周縁部の周りに設置される。
【００５３】
図１及び図１２を参照されたい。図１２は、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥの、別の実施形態における構造分解概略図である。当業者は、図１が、１枚のバイポーラ電極板３を有する拡張したイオン交換膜電解セルＥの構造を示すことを理解できる。図１の実施形態の拡張である図１２に示されるように、拡張したイオン交換膜電解セルＥには、水を電気分解することによって発生させる水素及び酸素の量を増加させるための、第２のバイポーラ電極板３２が、図１の実施形態に加えられている。前述の技術的特性に基づくと、第２のバイポーラ電極板３２が、第１の電極板３１とカソード板２との間に配設されるとき、第２のイオン交換膜板４２が、第１のバイポーラ電極板３１と第２のバイポーラ電極板３２との間に配設され、さらに１つの第３のイオン交換膜板４３が、第２のバイポーラ電極板３２とカソード板２との間に配設されることを、意味することができる。加えて、第３の酸素チャンバ（図示せず）は、第２のバイポーラ電極板３２のアノード面３０２に隣接し、かつ第３の水素チャンバは、第２のバイポーラ電極板３２のカソード面３０１に隣接する。図２及び図７を共に参照されたい。第３の酸素チャンバは、第１の酸素チャンバＺ６１及び第２の酸素チャンバＺ６２と、酸素出口チャネルＺ２を介して連通し、第３の水素チャンバは、第１の水素チャンバＺ５１及び第２の水素チャンバＺ５２と、水素出口チャネルＺ１を介して連通する。好ましい実施形態において、第３の酸素チャンバは、第１の水素チャンバＺ５１、第２の水素チャンバＺ５２、及び第３の水素チャンバと流体連通されず、第３の水素チャンバは、第１の酸素チャンバＺ６１、第２の酸素チャンバＺ６２、及び第３の酸素チャンバと流体連通されない。
【００５４】
拡張したイオン交換膜電解セルＥの電極板の、穴１１、凹状中央部１３、及び凸状周縁部１２における連係した設計を通して、３つの水素チャンバは、水素出口チャネルＺ１によって互いに連通して、電気分解中に水素出口チャネルＺ１から水素をアウトプットすることができる。加えて、３つの酸素チャンバは、酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３によって互いに連通することができ、それによって水は、電気分解のために水入口チャネルＺ３から電気分解空間Ｚ４にインプットされ、電気分解中に酸素出口チャネルＺ２から酸素をアウトプットする。当業者は、それぞれの要件によって、拡張したイオン交換膜電解セルＥで積み重ねられた電極板の数を決定できること、及びそれに限定されないことを理解されたい。
【００５５】
アノード板１の一方の面は、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。アノード板１の凸状周縁部１２が、第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、第１の酸素チャンバＺ６１は、アノード板１の凹状中央部１３に形成される。凸状周縁部１２は穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３をそれぞれ形成する。酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３を形成する穴１１は、アノード板１の凹状中央部１３と連通する。カソード板２の一方の面も、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。カソード板２の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、第１の水素チャンバＺ５１が、カソード板２の凹状中央部１３に形成され、カソード板２の凹状中央部１３は、水素出口チャネルＺ１と連通する。第１のバイポーラ電極板３１は、カソード面３０１及びアノード面３０２を有し、カソード面３０１及びアノード面３０２はそれぞれ、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。カソード面３０１の凸状周縁部１２が、第１のイオン交換膜板４１と積み重ねられたとき、第２の水素チャンバＺ５２が、カソード面３０１の凹状中央部１３に形成される。アノード面３０２の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、第２の酸素チャンバＺ６２が、アノード面３０２の凹状中央部１３に形成される。カソード面３０１及びアノード面３０２の凸状周縁部１２は、それぞれ穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３を形成する。水素出口チャネルＺ１を形成する穴１１は、カソード面３０１の凹状中央部１３と連通する。酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３を形成する穴１１は、アノード面３０２の凹状中央部１３と連通する。第２のバイポーラ電極板３２も、カソード面３０１及びアノード面３０２を有し、カソード面３０１及びアノード面３０２はそれぞれ、凸状周縁部１２及び凹状中央部１３を有する。カソード面３０１の凸状周縁部１２が、第２のイオン交換膜板４２と積み重ねられたとき、第３の水素チャンバが、カソード面３０１の凹状中央部１３に形成される。アノード面３０２の凸状周縁部１２が、第３のイオン交換膜板４３と積み重ねられたとき、第３の酸素チャンバが、アノード面３０２の凹状中央部１３に形成される。カソード面３０１及びアノード面３０２の凸状周縁部１２は、それぞれ穴１１を有し、積み重ねられたとき、水素出口チャネルＺ１、酸素出口チャネルＺ２、及び水入口チャネルＺ３を形成する。水素出口チャネルＺ１を形成する穴１１は、カソード面３０１の凹状中央部１３と連通する。酸素出口チャネルＺ２及び水入口チャネルＺ３を形成する穴１１は、アノード面３０２の凹状中央部１３と連通する。
【００５６】
加えて、図１２に示される特定の実施形態における技術的特性は、上述のものと等しい。図１２は、図１の実施形態の拡張である。したがって、技術的特性は、前述の技術的特性と類比することによって推定することができるので、ここでは繰り返さない。
【００５７】
従来技術と比較して、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥにおける、アノード板１、カソード板２、第１のバイポーラ電極板３１、第１のイオン交換膜板４１、及び第２のイオン交換膜板４２は、独立した板である。カルシウム蓄積の問題が電気分解後に生じた場合、拡張したイオン交換膜電解セルＥは、洗浄のために分解することができる。拡張したイオン交換膜電解セルＥの任意の部分が、激しく損傷を受けたときでさえ、損傷した板を、複数の構成要素または電気分解全体を交換するよう意図された、新しいものに直ちに交換することができる。加えて、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥにおける、アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３は、電解セルの動作を妨げる不安定な設置の問題を起こすことなく、一体化で形成された電極板とすることができる。アノード板１及びカソード板２を交互に配置する必要がある、従来の電解セルと比較して、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、第１のバイポーラ電極板３１を使用して、各電極板が電流との連通を必要とする構成を排除し、正の接触子及び負の接触子に接続された複数の電極板によって生じる従来の電解セルの問題も排除する。このように、拡張したイオン交換膜電解セルＥの電極板の数は、従来の電解セルの電極板の数未満であり、それによって、費用及び組み立てた後の拡張したイオン交換膜電解セルＥの体積を節減する。
【００５８】
加えて、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルＥは、水及び気体の流れを誘導するために直線封止ガスケットを使用する従来の電解セルの代わりに、アノード板１、カソード板２、及びバイポーラ電極板３自体の構造設計を使用して、水及び気体の流れを誘導する。それによって、拡張したイオン交換膜電解セルＥは、従来の電解セルにおける封止ガスケットの劣化または直線封止ガスケットによる、位置ずれの問題を排除する。
【００５９】
上述の例及び説明、本発明の特徴及び趣旨を、できるだけ判りやすく説明した。さらに重要なことには、本発明は本明細書で説明した実施形態に限定されない。当業者は、セルの多くの変更及び代替が、本発明の教示を保持しつつ成され得ることを、容易に認識するであろう。したがって、上記の開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるよう解釈されたい。
【図１】
2020180372.tif 000003
【図２】
2020180372.tif 000004
【図３ａ】
2020180372.tif 000005
【図３ｂ】
2020180372.tif 000006
【図３ｃ】
2020180372.tif 000007
【図４ａ】
2020180372.tif 000008
【図４ｂ】
2020180372.tif 000009
【図４ｃ】
2020180372.tif 000010
【図５ａ】
2020180372.tif 000011
【図５ｂ】
2020180372.tif 000012
【図５ｃ】
2020180372.tif 000013
【図６】
2020180372.tif 000014
【図７】
2020180372.tif 000015
【図８ａ】
2020180372.tif 000016
【図８ｂ】
2020180372.tif 000017
【図９ａ】
2020180372.tif 000018
【図９ｂ】
2020180372.tif 000019
【図１０】
2020180372.tif 000020
【図１１】
2020180372.tif 000021
【図１２】
2020180372.tif 000022
【外国語明細書】
2020180372000001.pdf