(57)【要約】【課題】    フラットパネル型電解槽構成に適合するための方法論の開示。【解決手段】  アルカリ電解槽セル構成（ＡＥＣＣ）は、水素半セル、酸素半セル、ＧＳＭ（ガス分離膜）、２つの内部水素半セルスペーサスクリーン、外部水素半セルスペーサスクリーン、水素電極、２つの内部酸素半セルスペーサスクリーン、外部酸素半セルスペーサスクリーン、及び酸素電極を有する。水素半セルは、前記２つの内部水素半セルスペーサスクリーンと前記外部水素半セルスペーサスクリーンとの間に位置する水素電極を含む。酸素半セルは、前記２つの内部酸素半セルスペーサスクリーンと前記外部酸素半セルスペーサスクリーンとの間に位置する酸素電極を含む。ＧＳＭは、水素半セルの前記２つの内部水素半セルスペーサスクリーンと、酸素半セルの前記２つの内部酸素半セルスペーサスクリーンとの間に提供されて電解槽を形成する。【選択図】図１ａ
2011524470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素半セルと、
酸素半セルと、
ＧＳＭ（ガス分離膜）と、
２つの内部水素半セルスペーサスクリーンと、
外部水素半セルスペーサスクリーンと、
水素電極と、
２つの内部酸素半セルスペーサスクリーンと、
外部酸素半セルスペーサスクリーンと、
酸素電極と、
を備える電解槽デバイスであって、
前記水素半セルが、前記２つの内部水素半セルスペーサスクリーンと、前記外部水素半セルスペーサスクリーンと、の間に位置する前記水素電極を含み、
前記酸素半セルが、前記２つの内部酸素半セルスペーサスクリーンと、前記外部酸素半セルスペーサスクリーンと、の間に位置する前記酸素電極を含み、
前記ＧＳＭが、前記水素半セルの前記２つの内部水素半セルスペーサスクリーンと、前記酸素半セルの前記２つの内部酸素半セルスペーサスクリーンと、の間に提供されて、当該電解槽を形成する、
電解槽デバイス。
【請求項２】
前記ＧＳＭが、１μｍの細孔サイズ及び１μｍの開放領域を提供するミクロ孔材料からなる、請求項１に記載の電解槽デバイス。
【請求項３】
前記ＧＳＭが、Ｓｉｆｅｒ  Ｎｉｔｅｘからなる、請求項２に記載の電解槽デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]  本出願は、参照によりその全開示が本明細書に組み込まれている、本明細書と同じ発明者により２００８年６月１６日に出願された米国仮出願第６１／０６１，９３９号の利益を主張する。
【０００２】
[0003]  本発明は、概して、既存のＰＥＭ系電解槽構成と比較して、大幅により低いコストで、極めてより高い電力密度、より高い効率、及びより高い動作圧力の能力を備えるアルカリ電解槽構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0005]  従来技術の設計の構成は、＄／ｋＷ（＄４００／ｋＷ）、＄／ｇｇｅ生成水素（＄２．５０／ｇｇｅ）、又は効率（６９％）のＤＯＥ２０１２年目標を満たさない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0007]  最大２００バールの圧力、＄３３３／ｋＷ未満のコスト、＄０．９６／ｇｇｅ生成Ｈ２、及び８１％効率のための、広い活性領域及び高電力密度を有する、高効率で非常に低コストのフラットパネル型電解槽構成に適合するための方法論の開示。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
得られる構成は、家庭用、商用、又は産業用用途の、極めて手ごろで非常に高電力密度のＵＰＳシステムにおける使用が意図される。得られるＨ２及びＯ２ガスは、最大２００バールの圧力で生成及び貯蔵され、高性能ＰＥＭ燃料セルスタックとの使用が意図される。或いは、電解槽構成は、再生可能エネルギー発電用の低コスト／高電力密度エネルギー貯蔵のための主要な手段として機能し得る。この代替の用途において、電解槽は、ハイブリッド車用の非常に低コストの水素燃料の生成及び分配のための燃料補給所として動作し得るか、又は、風力発電地帯における外部燃焼ガスタービン発電器セットとの、風力が低い若しくは存在しない場合の補助的若しくは予備発電としての後の使用のために保存され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１ａ】[0009]１０８ｉｎ２活性領域のアルカリ電解槽構成の水素半セル（１）の正面図である。
【図１ｂ】[0010]１０８ｉｎ２活性領域のアルカリ電解槽構成の酸素半セル（２）の正面図である。
【図１ｃ】[0011]向かい合わせに組み立てられた図１ａ及び図１ｂを示す、部分的に組み立てられた電解槽セルの側面図である。
【図１ｄ】[0012]本発明の一実施形態による、グラスファイバプレートの間にＧＳＭを有するセパレータプレートの積層を示す、図１ｃに示される電極アセンブリの一部の拡大展開図である。
【図２】[0013]タイロッド固定具（１５）、単幅補強バー（１６）及び三倍幅マニホールド／補強バー（１７及び１８）を示す、組み立てられた単一セル構成の正面図である。
【図３】[0014]マニホールド／補強バー（１６、１７及び１８）を備える、組み立てられた電解槽セルの側面断面図である。
【図４】[0015]個々のタイロッド（１５）を延長したタイロッド（１９）と置き換えることによる、より大型のモジュールへの６個以上のセルの集合の接続を示す図である。
【図５】[0016]０．２８倍スケールの単一セル電解槽構成に対する試験データを示すグラフである。
【図６】[0017]印加電圧に対する全体的な効率、及び動作温度を変化させた場合の効率の両方を示す、強制再循環のない公称５４ｉｎ２の電解槽セルの試験結果を示すグラフである。
【図７】[0018]華氏約１３０度での電解槽セルアセンブリ動作の予測耐用年数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0020]  層流強制再循環の使用により高効率を達成するアルカリ電解槽セル構成（ＡＥＣＣ）を開示する。図１ａは、１０８ｉｎ２活性領域のアルカリ電解槽構成の水素半セル（１）の正面図である。水素半セル（１）プレートは、固定面グランドＯリングシール（１１）を組み込むための取付溝機構を提供する。精密０．１２５インチ厚プラスチックインサート（３ａ及び３ｂ）は、ＫＯＨ再循環入口（８ａ）からのＫＯＨ再循環流量を、水素電極（４）とＧＳＭ「額縁」（６）との間の空間、及び露出したＧＳＭ「額縁」（６）表面と水素電極（４）との間に位置する２つのスペーサスクリーン（７）により形成される隙間に、均一に誘導する。次に再循環流は、精密０．１２５インチ厚プラスチックインサート３ｂを使用して、隙間領域から２つの水素出口（９ａ及び９ｂ）に迂回される。第３のスペーサスクリーン（７）は、水素電極（４）の背面に位置し、それぞれ１２個の切り抜きの２つの列を提供し、１２点分配電力供給構成への接続を可能にする。背面スペーサスクリーン（７）は、各流路のそれぞれの正方形環状フィーチャにおける層流条件のために、電極の正面に位置する２つのスペーサスクリーン（７）の流量に対し、約１／８の再循環流量を提供する。
【０００８】
[0021]  図１ｂは、１０８ｉｎ２活性領域のアルカリ電解槽構成の酸素半セル（２）の正面図を示す。酸素半セルプレート（２）は、接合する水素半セル（１）に設置された固定面シールＯリング（１１）へのシール面を提供するための整合平滑面を提供する。プレート（１）及び（２）は高い強度を有し、例えばＧ−１０グラスファイバ材料から作製される。精密０．１２５インチ厚プラスチックインサート（３ａ）は、再循環入口（８ａ）からのＫＯＨ再循環流を、酸素電極（５）とＧＳＭ「額縁」（６）との間の空間、及び露出したＧＳＭ「額縁」（６）表面と酸素電極（５）との間に位置する２つのスペーサスクリーン（７）により形成される隙間に、均一に誘導する。次に再循環流は、精密０．１２５インチ厚プラスチックインサート（３ａ）を使用して、隙間領域から単一の酸素出口（１０）に迂回される。第３のスペーサスクリーン（７）は、酸素電極（５）の背面に位置し、水素半セルの切り抜きの列と同一の、それぞれ１２個の切り抜きの２つの列を提供し、１２点分配電力供給への接続を可能にする。背面スペーサスクリーン（７）は、各流路のそれぞれの正方形環状フィーチャにおける層流条件のために、電極の正面に位置する２つのスペーサスクリーン（７）の流量に対し、約１／８の再循環流量を提供する。
【０００９】
[0022]  図１ｃは、向かい合わせに組み立てられた図１ａ及び図１ｂを示す、部分的に組み立てられた電解槽セルの側面図を示す。電解槽セルの組立は、水素及び酸素半セル（１）及び（２）の両方で開始する。Ｏリング固定シール（１２）が接触端子（１３）上に設置され、得られる２４のサブアセンブリが、水素半セル（１）及び酸素半セル（２）の両方の上にある等間隔の精密許容差の穴に押し込まれる。許容差は、設置された未圧縮Ｏリングアセンブリの自由高さが、接触端子（１３）の外側面を、半セルの背面から約０．０３０インチ〜０．０４５インチ下とするような許容差である。外部配線ラグ及び／又はインライン接続プラグのいずれかに対する後の取付けが、締め付けによりこの隙間を吸収させ、次いでＯリングがその望ましい２５〜３０％の静的圧縮まで圧搾され、それにより最大２００バールの圧力でのセルの封止を可能にする。その後、水素半セルが最終アセンブリ用に準備される。精密プラスチックスペーサ（３ａ）及び（３ｂ）は、図示されるように位置する。第１のスペーサスクリーン（７）は、プラスチックスペーサ要素の隆起した表面フィーチャを使用して配列を実現するように位置する。６．００インチ×１８．００インチのＮｉ−２００水素電極（４）及び２つの追加的なスペーサスクリーンは、同様にスタック内に位置付けられる。次いで、セルアセンブリを漏れ防止とするための主固定シール面Ｏリング（１１）をＯリング溝に押し込む。次いで、ＧＳＭ「額縁」（６）を水素半セル（１）レリーフフィーチャ内に設置し、水素半セル（１）の準備組立を完了する。
【００１０】
[0023]  続いて、配列を容易化するための４つ１組の精密プラスチックインサート（３ａ）とともに、ＧＳＭ「額縁」（６）の上に２つのスペーサスクリーン（７）を設置して残りの酸素半セル（２）を組み立てる。次いで、６．００インチ×１８．００インチのＣＲＥＳ  ＳＳ−３１６Ｌ酸素電極（５）を、第３のスペーサスクリーン（７）とともにスタック上に設置する。次いで、酸素半セル（２）の中心を水素半セル（１）の接合部分の上に合わせて２つの半セルを１つにし、次の組立工程のために仮留めする。
【００１１】
[0024]  水素カソード（４）は、０．３８ｍｍワイヤ径スクリーンのＣＲＥＳ  Ｎｉ−２００  ３０×３０メッシュで製造され、で酸素アノード（５）は、０．３８ｍｍワイヤ径スクリーンのＣＲＥＳ  ＳＳ−３１６Ｌ  ３０×３０メッシュで製造される。これらの電極スクリーン材料は、極めて効果的な湿潤表面領域（予測表面「活性領域」の約２．８２８倍）を提供する。ＩｎｔｅｒＮｅｔ  Ｉｎｃ．タイプＯＮ−３３５０と類似した、２つの約０．０３２インチ厚のポリプロピレンセパレータスクリーン（７）の使用が、水素及び酸素電極（４及び５）とガス分離膜（ＧＳＭ）「額縁」（６）との間の所望の流通環（Ｗ×Ｈ）及び経路長（Ｌｐ）形状を確立するために必要なフィーチャを提供し、各フェースプレートとそのそれぞれの電極との間の単一のセパレータスクリーン（７）によって、水素又は酸素電極表面のいずれかの両側からの気泡の発生を可能にする。これらの要素は、電極表面をＧＳＭ「額縁」（６）から分離する隙間内での均一な「薄層流」量の確立に適した、最適な流路形状を促進する。好ましいＧＳＭ「額縁」（６）は、約１ｍｍの重複厚のＤｕＰｏｎｔ  Ｅｌｖａｘエチレン−ビニル−アセテート熱ラミネート又は類似の材料を使用して「額縁」（６）に装着される、疎水性湿潤化学界面活性剤で処理された、Ｓｉｆｅｒ  Ｎｉｔｅｘ３−１／１（６９９／４７０メッシュ；３７ネジ径；７５μｍ厚ポリアミド）と類似した非常に低コストのミクロ孔材料である。
【００１２】
[0025]  約１／４スケールの試作アセンブリの試験結果は、好ましいサイズの１０８ｉｎ２活性領域電解槽セルにおいて、２．１８ＶＤＣのセル電位（約６８％の熱的中立効率）で動作した場合、華氏７０度で最大３０６アンペアを提供する、又は同電位の電圧で動作した場合、華氏１３０度で最大４３０アンペアを提供する能力を示している。この構成はまた、１．８３ＶＤＣのセル電圧（８１％の熱的中立効率）で動作した場合、華氏７０度で最大９２アンペアを提供し、又は同電位の電圧で動作した場合、華氏１３０度で最大１６５．６アンペアを提供する。
【００１３】
[0026]  「気泡離脱」誘導流のみの使用によりこれまで可能であったものよりはるかに高いレベルまで、低容量の受動的「気泡離脱」再循環フローを増幅するために、低静水頭吐出ポンプ（６フィートＴＤＨで約６．０ＧＰＭ又は約２．７Ｐｓｉｇ）、約１６ワットで動作する１２ＶＤＣ  Ｒｕｌｅ  Ｍｏｄｅｌ  ２０Ｒビルジポンプからの層流強制再循環手段が提供される。この層流強制再循環技術を使用した、測定された性能の改善は、１．８３ＶＤＣの印加電圧で、受動的「気泡離脱」性能により可能であったものよりも最大６００％高い電流を提供し、１．９０ＶＤＣの印加電圧で最大５００％高い電流を提供し、２．１８ＶＤＣの印加電圧で最大３５０％高い電流を提供する能力を実証した。この非線形的な性能特性は、電解槽セル自体により使用される電力の約３．５％の消費で達成される。
【００１４】
[0027]  図１ｄは、図１ｃに示される電極アセンブリの一部の拡大展開図であり、それぞれ各外側グラスファイバプレート１及び２の隣にある、水素電極４及び酸素電極５の裏側に隣接した単厚プレート７ａ及び７ｄを備えるセパレータプレート７の積層を示す。ＧＳＭ６を挟んでいるのはセパレータプレート７ｂ及び７ｃであり、これらはそれぞれ、セパレータスクリーン７の２つの個々の単厚スクリーン、又は個々の二倍厚スクリーンであってもよい。
【００１５】
[0028]  図２は、タイロッド固定具（１５）、単幅補強バー（１６）及び三倍幅マニホールド／補強バー（１７及び１８）を示す、組み立てられた単一セル構成の正面図を示す。これらのアセンブリは、最も外側の半セル部分を最大２００バールまでの内部圧力に対して強化することにより、また電解槽アセンブリの残りの外部高圧配管システムへの適合のために、Ｏリング面シールフィーチャ及びマニホールド３／４−１６ＳＡＥ  Ｏリングポートを提供することにより、二重の機能を提供する。
【００１６】
[0029]  図３は、マニホールド／補強バー（１６、１７及び１８）を備える、組み立てられた電解槽セルの側面断面図を示す。部材（１７）は、図２に示されるように、セルの水素側の２つの場所に位置し、一方部材（１８）は、セルの酸素側に位置している。
【００１７】
[0030]  したがって、追加的な特徴には、最大２００バール（約３，０００Ｐｓｉｇ）の様々な吐出圧力で動作する能力、及びアルミニウムの重量によりスチールの強度を提供する強化プレート（１６、１７及び１８）が含まれる。フェースプレート寸法を２００バールの最大動作圧力で０．００３インチ以下に維持するために、複数の個々のＳｈａｐａｌ−Ｍ単幅セラミック強化プレート（１６）及び３段階幅マニホールド強化プレート（１７及び１８）を使用して、タイロッドの上部セットから下部セットへセルの各フェースプレートが架橋される。これらの強化要素は、セル当たり最小２４ポンドの増加重量で、２００バールでの動作を可能にする。
【００１８】
[0031]  図４は、個々のタイロッド（１５）を延長したタイロッド（１９）と置き換えることによる、より大型のモジュールへの６個以上のセルの集合の接続を示す図である。それぞれのセルの間の接続性は、バナナジャックコネクタの対向する組を接続するそれぞれ１２個の連結管（２１）を設置することにより達成される。
【００１９】
[0032]  最後に、セル同士が容易に差し込まれて複数セルスタックを形成する（図４）。これによって、外部配線用の複数の並列した導電性供給路（１２、１３及び１４）、並びにセル間接続用の導電性供給路（２０及び２１）が形成される。したがって、電源からセルまで、及び直列配線相互接続点間の配線ライン損失が最小限化される。最大１２個の並列導電性経路からなるこの構成は、各セル間の接触電圧降下損失を低減し、全抵抗損失を１％未満に抑える。１２個の別個の導電性経路の使用により、任意の別個の導電性要素を通る電流は２１アンペア／要素未満に抑えられ、セル当たり１．９５ＶＤＣの公称印加電圧（又は７８％の熱的中立効率）及び華氏約１３０度の平衡温度で２５０アンペアの電流で動作した場合、最大で公称４．００ＳＣＦＨの水素及び２．００ＳＣＦＨの酸素を生成する能力が可能となる。
【００２０】
[0033]  最大２００バールの吐出圧力でＨ２及びＯ２を提供することができる単一セル１０８ｉｎ２活性領域フラットパネル型構成の使用により、直列接続して６個以上のセルのモジュール（図４）とすることができる「基本単位」セル構成が提供される。スクリーン材料により提供される非常に広い湿潤表面領域によって、有効活性領域は、予測表面領域よりも２．８２８倍大きく、約２，０００ｃｍ２の有効活性領域が得られる。したがって、有効電流密度は、２５０アンペア／２，０００ｃｍ２、すなわち０．１２５アンペア／ｃｍ２であり、５０％の電極腐食点に達するまで、年中無休で連続的に動作して約１１．２年の耐用年数、又は５０％デューティサイクルで動作して２２．５年を超える寿命を可能とする。例えば、水素カソード（１）用のＮｉ−２００電極は、４０％ＫＯＨ溶液中、見掛けの電流密度約０．３５アンペア／ｃｍ２／２．８２８×表面領域増幅器（０．３８１ｍｍ径ワイヤサイズの３０×３０メッシュＮｉ−２００ワイヤスクリーン電極として言及される）、又は有効電流密度約０．１２５アンペア／ｃｍ２及び華氏１３０度の動作温度で、一年当たり０．０１７ｍｍ未満の腐食攻撃速度を示す。酸素アノード（２）の腐食速度は、水素カソードよりも約１／１０低く、極めてより腐食攻撃を受けにくい。
【００２１】
[0034]  水素カソード（１）と酸素アノード（２）との間に位置するＧＳＭ「額縁」（６）は、イオン交換の容易性を促進し、一方の電極領域から他方へのＨ２及びＯ２の気泡の任意のクロスオーバーを阻害するのに役立つ。最初の核形成から離脱直径までの間、各ワイヤスクリーン電極（４及び５）の湿潤ワイヤ表面のすべてに沿って生じる、直径０．０１２ｍｍのＨ２の気泡の事実上の「雲」が、電極表面近傍で約１ｍｍ／秒の自由流速度で、電極ワイヤ表面から噴出し始める。これらの気泡は、境界層を経て約１０ｃｍ／秒での強制再循環流の完全に発達した流動様式に入る際に、潜在的に１０ｍｍ／秒の自由流速度で１０倍のサイズに成長し得る。速度の関数としての気泡のサイズのストークスの法則による関係は、以下の通りである。
平均速度＝直径２×重力定数ｇ／（１２×動粘度）
Ｓｉｆｅｒ  Ｎｉｔｅｘ  ３−１／１の細孔サイズは、１μｍ又は初期状態では約１／１２小さい。圧力が２００バールに増加すると、Ｈ２及びＯ２の気泡の密度が比例して増加し、表面張力効果に打ち勝つために必要な最初の離脱を提供するには、より大きな気泡体積、又は約６倍大きい気泡サイズが必要となる。したがって、２００バールの動作圧力でのＨ２及びＯ２の気泡のクロスオーバーは、動作圧力が増加するに従いさらに生じにくくなるのは明らかである。
【００２２】
[0035]  図５は、０．２８倍スケールの単一セル電解槽構成に対する試験データを示す。試験データは、通常モード（強制再循環なし）と、約１６ワットを消費し、受動的「気泡離脱」再循環を使用した場合に対し約５００％の性能向上を示す１２ＶＤＣ再循環ポンプを使用した強制モード（強制再循環あり）の両方に対し要約されている。
【００２３】
[0036]  図６は、印加電圧に対する全体的な効率、及び動作温度を変化させた場合の効率の両方を示す、強制再循環のない公称５４ｉｎ２の電解槽セルの試験結果を示す。拡張性は、電解槽活性領域のサイズに正比例して達成され、活性領域の２倍の増加は、同じ印加電圧で達成可能な電流の２倍の増加をもたらす。水素生成は、６３．２アンペアの電流当たり１ＳＣＦＨの速度で生じ（ファラデーの法則に従う）、酸素生成は水素生成の５０％である。
【００２４】
[0037]  図７は、華氏約１３０度での電解槽セルアセンブリ動作の予測耐用年数を示す。図は、予測寿命が、３０メッシュ０．３８２ｍｍ径ワイヤサイズの電極スクリーン材料に対し作用する腐食が電極質量を約５０％まで分解するまでに、少なくとも１１．２年（若しくは５０％デューティサイクルで動作して約２２．５年）、又は０．０１７ｍｍ／年であることを示している。
【００２５】
[0038]  セルを組み立てるために使用される材料の選択と併せて、本明細書に開示される構成は、生成水素ガスのｋｇ当たりのコストの大幅な削減を可能にする。このセル構成は、実際の物理的表面領域よりもはるかに広い見掛けの電極表面領域（２．８２８倍）を確立することにより、高効率の達成に役立つ。気泡は、強制再循環下で、その表面核形成部位からより迅速に除去され、電気分解プロセスに対する遮蔽効果が大きく低減され、それにより極めてより小さい電極領域を使用してより大容積のガスが生成され得る。コスト削減は、電解槽のサイズに正比例する。さらなる削減は、低い有効電流密度及び動作温度により実現され、これは、腐食攻撃の可能性の低減により、年中無休で動作して１１．２年という延長した耐用年数の能力を可能にする。さらに、住宅において見られるもの等、単相ＡＣ回路により電力供給されるのに好適な既存のＣＯＴＳ低電圧電源に適合するために、２つ以上のセル（好ましくは最大６個）を直列に接続することができる（図４）。また、より大型の直列／並列アレイへの組立が可能であり、産業又はユーティリティ用途において見られるもの等、様々な多層高電圧／高電流電源に対応することができる。最後に、最大２００バールの高圧で動作する能力は、外部ガス圧縮器の必要性を排除する能力を提供する。
【００２６】
[0039]  この設計は、ＧＳＭを通してガスのクロスオーバーが生じるのを防止する。セルの活性領域は、電解質に完全に浸漬され、ガスの核形成した気泡がそのそれぞれの電極表面から分離し、分離媒体のいずれかの側の収集マニホールドポート（１７及び１８）に迅速に（１０ｃｍ／秒を超える速度で）上昇する。ＧＳＭは、約１ｍｍの重複を有するＤｕＰｏｎｔ  Ｅｌｖａｘエチレン−ビニル−アセテート熱ラミネートの「額縁」（６）を使用して電極アセンブリ表面領域の外側のすべての露出ＧＳＭ表面領域を完全に封止し、ＧＳＭの強化という追加の利点を提供する。最終的な打抜き寸法は、電解槽セルの各半セル上に位置するそれぞれのレリーフフィーチャへの精密嵌合を確実とする。
【００２７】
[0040]  核形成、分離及び気泡移動（各気泡に作用する浮力による）のプロセスは、ＫＯＨ電解質液の浸透抗力をもたらし、低レベルの受動的再循環を形成する。このプロセスは、強制再循環ポンプの使用により大きく促進され、電極から気泡を払い落とす強制電解質流の洗浄効果により、高電流密度で最大５００％の有効セル抵抗の正味の低減をもたらす。分離したガスストリームは、個々の半セル（１及び２）から、充填されたラインを通ってそれぞれの水素及び酸素ガスセパレータアセンブリ内に誘導される。必要とされる純度のレベルの意図される最終用途により決定されるように、ＫＯＨを除去するためのガスのさらなる調整、残留ガス（Ｏ２ストリーム中のＨ２又はＨ２ストリーム中のＯ２の割合）の分離及び水分離／返還が、主セパレータの下流側にあり、システムに統合される。
【００２８】
[0041]  各電極（４及び５）、半セル（１及び２）、並びにセパレータスクリーン（７）の構成要素コストを最小限化するために、低コスト／長寿命（腐食耐性）材料が使用される。これは特に、約＄１．００／ｃｍ２のＰＥＭ膜を使用した従来技術設計に対する、約１¢／ｃｍ２のＳｉｆｅｒ  Ｎｉｔｅｘ  ３−１／１又は類似の材料の使用に当てはまる。組立人件費、外部のバランスオブプラント、及び関連した２つの１２ＶＤＣ、２５０アンペア容量電源を含む６個のセル（図４）に対する全推定コストは、約＄４，５００未満である。９０％クロフォード学習曲線に基づき、また＄６，０００の初期単位原価（これには３３％の製造マージンが含まれる）を仮定すると、推定製造コストは、最初の１０に対して＄４，８００／単位、最初の１００に対して＄３，５００／単位、最初の１０００単位に対して＄２，５００／単位、及び最初の５００，０００単位に対して約＄１，０００の累積平均コストとなる。（ＤＯＥは、水素生成目標を達成するためのコスト見積り基準として５００，０００単位の量を使用し、これは現在、２０１２年で＄２．５０／ｋｇ未満に固定されている。）
【００２９】
[0042]  最低限の電極寿命である２０年（５０％デューティサイクルで動作した場合）にわたり、また約１．５¢／ｋＷｈの夜間発電コストを利用して、６セルスタックは、２４ＳＣＦＨ／時間×１２時間／日×３６５日／年×２０年、すなわち約２．１０×１０６ＳＣＦのＨ２、又は約５，１５５ｋｇを生成する。したがって、資本コストは約＄０．１９４／ｋｇに達し、電力消費コストは＄０．０１５／ｋＷｈ×３ｋＷｈ／時間×１２時間×３６５日／年×２０年、すなわち＄３，９４２／５，１５５ｋｇ若しくは＄０．７６４／ｋｇ、又は約＄０．９６／ｋｇの純コストとなる。この値は水素生成のＤＯＥ  ２０１２年目標値の１／２．６下回り、電解槽スタックの資本コスト基準を２倍にしても、正味コストにさらに＄０．１９４／ｋｇを追加、すなわち約＄１．１５／ｋｇの正味コストとするのみであることを示している。１．５¢／ｋＷｈの低コスト夜間電力の使用の代替として再生可能エネルギー源を使用しても（すなわち４．５¢／ｋＷｈで）、＄２．５０／ｋｇ未満のＨ２生成のＤＯＥ  ２０１２年目標を達成することができる。
【図１ｃ】
2011524470.tif 000003
【図２】
2011524470.tif 000004
【図１ａ】
2011524470.tif 000005
【図１ｂ】
2011524470.tif 000006
【図３】
2011524470.tif 000007
【図４】
2011524470.tif 000008
【図５】
2011524470.tif 000009
【図６】
2011524470.tif 000010
【図７】
2011524470.tif 000011
【国際調査報告】
2011524470.tif 000012