(57)【要約】  ２元流体流れシステムのための圧力補償システム（１）であって、第１の流体管部分（３ａ）および第２の流体管部分（３ｂ）を有する流体管（３）であって、第１の流体管部分（３ａ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］のための第１の流体入口（５ａ）および第１の流体出口（７ａ）を有し、第２の流体管部分（３ｂ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］から分離した第２の流体流れ［Ｈ２］のための第２の流体入口（５ｂ）および第２の流体出口（７ｂ）を有する、流体管（３）と、流体管（３）の中に配置されて第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）を分離する圧力補償器（１１）であって、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力差に応答して第１の流体出口（７ａ）と第２の流体出口（７ｂ）の間の流体管（３）の中を移動することによって、第１の流体出口（７ａ）および第２の流体出口（７ｂ）のうちの１つを少なくとも部分的に遮って、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力を補償するように構成された、圧力補償器（１１）とを備える、圧力補償システム（１）。【選択図】図１
2021529250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２元流体流れシステムのための圧力補償システム（１）であって、
第１の流体管部分（３ａ）および第２の流体管部分（３ｂ）を有する流体管（３）であって、
第１の流体管部分（３ａ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］のための第１の流体入口（５ａ）および第１の流体出口（７ａ）を有し、
第２の流体管部分（３ｂ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］から分離した第２の流体流れ［Ｈ２］のための第２の流体入口（５ｂ）および第２の流体出口（７ｂ）を有する、流体管（３）と、
流体管（３）の中に配置されて第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）を分離する圧力補償器（１１）であって、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力差に応答して第１の流体出口（７ａ）と第２の流体出口（７ｂ）の間の流体管（３）の中を移動することによって、第１の流体出口（７ａ）および第２の流体出口（７ｂ）のうちの１つを少なくとも部分的に遮って、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力を補償するように構成された、圧力補償器（１１）と
を備える、圧力補償システム（１）。
【請求項２】
流体管（３）に沿った第１の流体入口（５ａ）から第２の流体入口（５ｂ）の方向において、第１の流体入口（５ａ）の後に第１の流体出口（７ａ）が配置され、第２の流体出口（７ｂ）が続き、第２の流体入口（５ｂ）が続く、請求項１に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項３】
圧力補償器（１１）が非圧縮性流体を含む（ｔｈｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ  ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ  （１１））、請求項１または２に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項４】
非圧縮性流体が液体である、請求項３に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項５】
圧力補償器（１１）が第１のプランジャ（１１ａ）および第２のプランジャ（１１ｂ）を備え、第１のプランジャ（１１ａ）と第２のプランジャ（１１ｂ）の間に非圧縮性流体が供給され、両プランジャが非圧縮性流体を間に密封するように働く、請求項３または４に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項６】
第１のプランジャ（１１ａ）が第１の流体入口（５ａ）と流体連通するように構成されており、第２のプランジャ（１１ｂ）が第２の流体入口（５ｂ）と流体連通するように構成されている、請求項５に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項７】
第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）が湾曲部（９）を介して接続されており、圧力補償器（１１）が湾曲部（９）に位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項８】
第１の流体管部分（３ａ）が、２元流体流れシステムの初期状態において第１の流体管部分（３ａ）から流体を放出するように構成された第１の放出弁（２１ａ）を備え、第２の流体管部分（３ｂ）が、２元流体流れシステムの初期状態において第２の流体管部分（３ｂ）から流体を放出するように構成された第２の放出弁（２１ｂ）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項９】
第１の放出弁（２１ａ）および（ａｎｄ  ｏｆ）第２の放出弁（２１ｂ）が外部制御によって制御されるように構成されている、請求項８に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１０】
第１の放出弁（２１ａ）が第１の電磁弁であり、第２の放出谷（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｖａｌｅ）（２１ｂ）が第２の電磁弁である、請求項８または９に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１１】
第１の流体出口（７ａ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］の方向において、先細りになる断面を有する第１の横断面（１３）と、第１の横断面（１３）の下流の、増大する断面を有する第２の横断面（１５）とを有し、第２の流体出口（７ｂ）が、第２の流体流れ［Ｈ２］の方向において、先細りになる断面を有する第３の横断面（１７）と、第３の横断面（１７）の下流の、増大する断面を有する第４の横断面（１９）とを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１２】
第１の横断面（１３）および第２の横断面（１５）が、ミクロンの範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する、請求項１１に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１３】
第３の横断面（１７）および第４の横断面（１９）が、ミクロン（ｍｉｒｃｒｏｎｓ）の範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する、請求項１１または１２に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１４】
湿気を濾過して第１の流体管部分（３ａ）の浸水を防止するように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｆｉｌｔｅｒ  ｍｏｉｓｔｕｒｅ）ＰＴＦＥ膜および微多孔濾過膜を含む第１の膜アセンブリを備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１５】
湿気を濾過して第２の流体管部分（３ｂ）の浸水を防止するように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｆｉｌｔｅｒ  ｍｏｉｓｔｕｒｅ）ＰＴＦＥ膜および微多孔濾過膜を含む第２の膜アセンブリを備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）。
【請求項１６】
酸素ガス出口（３６ａ）、水素ガス出口（３６ｂ）、および電気分解器スタック（２５）を水で満たすための水入口（３１）を備える電気分解器スタック（２５）と、
水入口（３１）に一方向弁の機能性を与えるように構成された水入口弁（３３）と、
請求項１から１５のいずれか一項に記載の圧力補償システム（１）であって、第１の流体入口（５ａ）が酸素ガス出口（３６ａ）に接続されており、第２の流体入口（５ｂ）が水素ガス出口（３６ｂ）に接続されている、圧力補償システム（１）と
を備える高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１７】
電気分解器スタック（２５）が複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）を備え、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、電極素子（４６）を備える内側金属フレーム（４３）と、内側金属フレーム（４３）を保持する外側熱伝導ポリマーフレーム（４５）とを有する、請求項１６に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１８】
電気分解器スタック（２５）が複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）であって、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、外側フレーム（４５）と、外側フレーム（４６）（ｔｈｅ  ｏｕｔｅｒ  ｆｒａｍｅ  （４６））の対向面の間の空間（４７）に延在する電極素子（４６）とを備え、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、外側フレーム（４５）を通って延在する水素チャネル（５３）および酸素チャネル（５１）を有し、第１の出口チャネル（５９）および第２の出口チャネル（６１）が、空間（４７）と水素チャネル（５３）および酸素チャネル（５１）のうちの１つとを接続する、複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）を備え、それぞれの第１の出口チャネル（５９）が、空間（４７）から水素チャネル（５３）または酸素チャネル（５１）の方向において先細りになる形状を有し、それぞれの第２の出口チャネル（６１）が、水素チャネル（５３）または酸素チャネル（５１）から空間（４７）の方向において先細りになる形状を有する、請求項１６または１７に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１９】
第１のポンプおよび第２のポンプと、
第１のセンサおよび第２のセンサと、
第１のセンサおよび第２のセンサに接続されるように構成されたポンプ制御システムと
を備える高圧電気分解器システム（２３）であって、
第１のセンサが、電気分解器スタック（２５）の水位を検知するように構成されており、ポンプ制御システムが、水位に基づいて第１のポンプを活性化して、電気分解器スタック（２５）により多くの水を注入するように構成されており、
第２のセンサが、電気分解器スタック（２５）の温度を検知するように構成されており、ポンプ制御システムが、温度が閾値を超えると第２のポンプを活性化して、電気分解器スタック（２５）から給水するように構成されている、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電気分解に関し、詳細には高圧電気分解に関する。
【背景技術】
【０００２】
水の電気分解は、水分子を分解して水素ガスおよび酸素ガスを形成するプロセスである。水に浸かった２つの電極の間に電流が流れると、このプロセスが生じる。
【０００３】
ある特定の用途については、電気分解プロセスで生成した水素ガスおよび酸素ガスを圧縮するのが望ましいことがある。従来、このガス圧縮は、電気分解器システムからガスが放出されてから行われてきた。
【０００４】
最近になって、電気分解中にガス圧縮を実行してしまうことが提案されている。高圧電気分解器システムの一例が、米国特許第２００５００７２６８８  Ａ１号に開示されている。このシステムは、電解槽に水をポンピングするためのポンプと、ポンプへの水の逆流を防止するための逆止弁と、電解槽を備える電気分解器スタックとを含む。このシステムは、アノード側とカソード側の間の約１３８バールの圧力差に耐えるように設計されている。その上に、このシステムは、水素流路における水素流量を制御することによって水素圧力を制御する圧力調整弁を備える。セパレータから貯蔵タンクへ水素が流れるように圧力調整弁を開く圧力差は、セパレータ、水素流路および電気分解器のカソード側における圧力が、所望の水素製造圧力に到達するように設定される。圧力調整弁が閉じた状態ではカソード流路が空になり、電気分解器のカソード側で水素が生成される。水素の生成が続くと、電気分解器のカソード側、水素流路およびセパレータにおける圧力が上昇し、十分な圧力差が生じて圧力調整弁が開き、セパレータ内の水素の一部が貯蔵タンクに移動することができる。
【発明の概要】
【０００５】
米国特許第２００５００７２６８８  Ａ１号の設計は、アノード側とカソード側を、高い圧力差に耐えるように構築する必要がある。その上、この設計は、所望の水素製造圧力に到達するように、制御システムが圧力調整弁を制御することに頼るものである。
【０００６】
上記に鑑みて、本開示の一般的な目的は、先行技術の問題を解決するかまたは少なくとも軽減する圧力補償システムを提供することである。
【０００７】
そのため、本開示の第１の態様によれば、２元流体流れシステムのための圧力補償システムが提供され、この圧力補償システムは、第１の流体管部分および第２の流体管部分を有する流体管であって、第１の流体管部分が、第１の流体流れのための第１の流体入口および第１の流体出口を有し、第２の流体管部分が、第１の流体流れから分離した第２の流体流れのための第２の流体入口および第２の流体出口を有する、流体管と、流体管の中に配置されて第１の流体管部分と第２の流体管部分を分離する圧力補償器であって、第１の流体管部分と第２の流体管部分の間の圧力差に応答して第１の流体出口と第２の流体出口の間の流体管の中を移動することによって第１の流体出口および第２の流体出口のうちの１つを少なくとも部分的に遮って、第１の流体管部分と第２の流体管部分の間の圧力を補償するように構成された、圧力補償器とを備える。
【０００８】
そのため、第１の流体管部分の内部と第２の流体管部分の内部の間の任意の圧力差は、圧力補償器によって等しくなり得る。この圧力補償は頑健であり、センサや外部コントローラなどの電子機器は不要である。流体パイプの中の圧力補償器が、圧力補償器の、第１の流体管部分に面する第１の側と第２の流体管部分に面する第２の側の圧力差に応じて変位することにより、第１の流体管部分の圧力と第２の流体管部分の圧力が、等しくなるかまたは本質的に等しくなり得る。そのため、この圧力補償は自動調整である。
【０００９】
一実施形態によれば、流体パイプは、圧力補償器を収容する領域の内表面が、摩擦を低減するようにコーティングされている。摩擦低減コーティングは、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｔｅｎ）（ＰＴＦＥ）を含み得、またはＰＴＦＥから成るものでもよい。ＰＴＦＥは高温環境や腐食環境において使用され得る。そのため、圧力補償器と流体管の間の摩擦が低減されることにより、生じる熱も低減されることになる。
【００１０】
一実施形態によれば、第１の流体管部分の内表面には摩擦低減コーティングが施されている。摩擦低減コーティングは、たとえばＰＴＦＥを含み得、またはＰＴＦＥから成るものでもよい。
【００１１】
一実施形態によれば、第２の流体管部分の内表面には摩擦低減コーティングが施されている。摩擦低減コーティングは、たとえばＰＴＦＥを含み得、またはＰＴＦＥから成るものでもよい。
【００１２】
第１の流体管部分は、第１の流体出口の上流に、第１の膜アセンブリを含む第１のガス濾過システムを備え得る。そのため、第１の膜アセンブリは、第１の流体流れが第１の膜アセンブリを通過してから第１の流体出口を通って流れるように配置されている。第１の膜アセンブリは、複数の膜（たとえば２つのニードルフェルトまたはクロス膜などの２つの支持膜）と、支持膜の間にはさまれたＰＴＦＥ膜などの濾過膜とを備え得る。支持膜は、たとえばＰＴＦＥニードルフェルト膜でよい。濾過膜は、たとえばＰＴＦＥ膜などの微多孔膜でよい。第１の膜アセンブリは、Ｏリングなどの密封部材を付加的に備え得る。第１の膜アセンブリの２つの面の各々に、第１の流体管部分に対して密封するためのそれぞれの密封部材が設けられてよい。濾過膜は、支持膜によって機械的強度を与えられ、そのため圧力に耐えることができる。支持膜には多数の細孔が設けられ、液体および気体を通すことができる。濾過膜は、第１の流体出口に乾燥ガスが供給されるように、ガスの流れは許容するが、任意の液体を遮る。その上、第１の膜アセンブリは、圧力補償システムを保護し、第１の流体出口を通してより多くのガスを逃がすことができ、したがって２元流体流れシステムのガス圧力を低下させる。加えて、ガスが純粋で湿気が少ないためにガスの密度が概算され得、したがって、設計段階において第１の流体出口の最小径を設計することができる。その上、第１の流体流れから湿気が除去されるので（ｓｉｎｃｅ  ｔｈｅ  ｓｉｎｃｅ  ｔｈｅ）、圧力補償システムの機能性を低下させかねない、圧力補償システムの浸水を防ぐことが保証され得る。
【００１３】
そのゆえに、一実施形態によれば、圧力補償システムは、湿気を濾過して第１の流体管部分の浸水を防止するように構成されたＰＴＦＥ膜および微多孔濾過膜を含む第１の膜アセンブリを備える。
【００１４】
第２の流体管部分は、第２の流体出口の上流に、第２の膜アセンブリを含む第２のガス濾過システムを備え得る。そのため、第２の膜アセンブリは、第２の流体流れが第２の膜アセンブリを通過してから第２の流体出口を通って流れるように配置されている。第２の膜アセンブリは、複数の膜（たとえば２つのニードルフェルトまたはクロス膜などの２つの支持膜）と、支持膜の間にはさまれたＰＴＦＥ膜などの濾過膜とを備え得る。支持膜は、たとえばＰＴＦＥニードルフェルト膜でよい。濾過膜は、たとえばＰＴＦＥ膜などの微多孔膜でよい。第２の膜アセンブリは、Ｏリングなどの密封部材を付加的に備え得る。第２の膜アセンブリの２つの面の各々に、第２の流体管部分に対して密封するためのそれぞれの密封部材が設けられてよい。濾過膜は、支持膜によって機械的強度を与えられ、そのため圧力に耐えることができる。支持膜には多数の細孔が設けられ、液体および気体を通すことができる。濾過膜は、第２の流体出口に乾燥ガスが供給されるように、ガスの流れは許容するが、任意の液体を遮る。電気分解器システムにおいて圧力補償システムを使用する場合、第２の膜アセンブリにより、水素乾燥器が不要になり得る。水素乾燥器は大きく、湿気を低減するために樹脂を含有している。その上、第２の膜アセンブリは、圧力補償システムを保護し、第２の流体出口を通してより多くのガスを逃がすことができ、したがって２元流体流れシステムのガス圧力を低下させる。加えて、ガスが純粋で湿気が少ないためにガスの密度が概算され得、したがって、設計段階において第２の流体出口の最小径を設計することができる。その上、第２の流体流れから湿気が除去されるので（ｓｉｎｃｅ  ｔｈｅ  ｓｉｎｃｅ  ｔｈｅ）、圧力補償システムの機能性を低下させかねない、圧力補償システムの浸水を防ぐことが保証され得る。
【００１５】
そのゆえに、一実施形態によれば、圧力補償システムは、湿気を濾過して第２の流体管部分の浸水を防止するように構成されたＰＴＦＥ膜および微多孔濾過膜を含む第２の膜アセンブリを備える。
【００１６】
一実施形態によれば、流体管に沿った第１の流体入口から第２の流体入口の方向において、第１の流体入口の後に第１の流体出口が配置され、第２の流体出口が続き、第２の流体入口が続く。
【００１７】
一実施形態によれば、圧力補償器は非圧縮性流体を含む。したがって、流体管の中で、圧力補償器の両端が、第１の流体管部分と第２の流体管部分の間の何らかの圧力差に応答して変位することになる。
【００１８】
一実施形態によれば、非圧縮性流体は液体である。
【００１９】
一実施形態によれば、圧力補償器は第１のプランジャおよび第２のプランジャを備え、第１のプランジャと第２のプランジャの間に非圧縮性流体が供給され、両プランジャは非圧縮性流体を間に密封するように働く。
【００２０】
一実施形態によれば、第１のプランジャの外表面には摩擦低減コーティングが施されている。摩擦低減コーティングは、たとえばＰＴＦＥを含み得、またはＰＴＦＥから成るものでもよい。それによって、第１のプランジャは、摩擦低減コーティングによって第１の管部分の内表面と接触することになる。
【００２１】
一実施形態によれば、第２のプランジャの外表面には摩擦低減コーティングが施されている。摩擦低減コーティングは、たとえばＰＴＦＥを含み得、またはＰＴＦＥから成るものでもよい。それによって、第２のプランジャは、摩擦低減コーティングによって第２の管部分の内表面と接触することになる。
【００２２】
第１のプランジャおよび第２のプランジャのうちの１つが圧力差によって静的位置から移動するとき、摩擦低減コーティングによって静止摩擦が特に低減され得る。それによって、圧力補償システムにおける圧力損失のリスクが低減され得る。
【００２３】
一実施形態によれば、第１の流体管部分はステンレス鋼を含み得、またはステンレス鋼から成るものでもよい。この場合、第１の流体入口は酸素流れに対して有益に接続され得る。ステンレス鋼は酸素と反応しない。
【００２４】
一実施形態によれば、第２の流体管部分はチタンを含み得、またはチタンから成るものでもよい。この場合、第２の流体入口は水素流れに対して有益に接続され得る。チタンは酸素と反応し得、したがって、好ましくは、第１の流体管部分の材料には使用されない。
【００２５】
一実施形態によれば、第１の流体管部分と第２の流体管部分は、どちらも、たとえばステンレス鋼などの鋼で作製されてよい。
【００２６】
一実施形態によれば、第１のプランジャは第１の流体入口と流体連通するように構成されており、第２のプランジャは第２の流体入口と流体連通するように構成されている。ここで、第１のプランジャの表面には第１の流体管部分の圧力がかかり、第２の流体管部分の表面には第２の流体管部分の圧力がかかる。
【００２７】
一実施形態によれば、第１の流体管部分と第２の流体管部分は湾曲部を介して接続されており、圧力補償器は湾曲部に位置する。このように構成することにより、流体管の、たとえば第１の流体管部分と第２の流体管部分が平行に延在するＵ字型の設計が可能になる。それによって、第１の流体流れは、圧力補償器に向かって、湾曲することなくまっすぐに流れ得、第２の流体流れについても同様である。
【００２８】
一実施形態によれば、第１の流体管部分は、２元流体流れシステムの初期状態において第１の流体管部分から流体を放出するように構成された第１の放出弁を備え、第２の流体管部分は、２元流体流れシステムの初期状態において第２の流体管部分から流体を放出するように構成された第２の放出弁を備える。
【００２９】
このように、流体管の中に含有されている空気が排出され得る。加えて、電気分解器スタックを含む高圧電気分解器システムに圧力補償システムが含まれている場合には、水に浸かっていない電気分解器スタックの内部の空間内部の空気が排出され得る。流体管が空気抜きされたとき、第１の放出弁および第２の放出弁が閉じられてよい。たとえば、電気分解では、とりわけ水素および酸素を圧縮する高圧電気分解器システムでは、空気の存在下でこれらの成分を圧縮することには問題がある。
【００３０】
第１の放出弁は、第１の流体出口に本質的に面して、第１の流体出口に面して、または第１の流体出口の上流に設けられてもよい。第２の放出弁は、第２の流体出口に本質的に面して、第２の流体出口に面して、または第２の流体出口の上流に設けられてもよい。これにより、空気が、第１の流体入口と第１の流体出口の間の区間全体の第１の流体管部分を通って、および第２の流体入口と第２の流体出口の間の区間全体の第２の流体管部分を通って排出され得ることが保証される。
【００３１】
一実施形態によれば、第１の放出弁および（ａｎｄ  ｏｆ）第２の放出弁は外部制御によって制御されるように構成されている。それによって、第１の放出弁および第２の放出弁の開閉が、たとえば放出弁コントローラによって外部から制御され得る。
【００３２】
一実施形態によれば、第１の放出弁は第１の電磁弁であり、第２の放出谷（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｖａｌｅ）は第２の電磁弁である。
【００３３】
一実施形態によれば、第１の流体出口は、第１の流体流れ方向において、先細りになる断面を有する第１の横断面と、第１の横断面の下流の、増大する断面を有する第２の横断面とを有し、第２の流体出口は、第２の流体流れ方向において、先細りになる断面を有する第３の横断面と、第３の横断面の下流の、増大する断面を有する第４の横断面とを有する。このように構成すると、第１の流体流れや第２の流体流れが圧力補償システムから放出されるときの、熱の発生、乱流、および圧力降下が低減され得る。
【００３４】
一実施形態によれば、第１の横断面および第２の横断面が、ミクロンの範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する。
【００３５】
一実施形態によれば、第３の横断面および第４の横断面が、ミクロンの範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する。
【００３６】
一実施形態によれば、第１の流体出口は、ステンレス鋼もしくは銅ベースの合金を含むか、またはステンレス鋼もしくは銅ベースの合金から成る。
【００３７】
一実施形態によれば、第２の流体出口は、チタンもしくは銅ベースの合金を含むか、またはチタンもしくは銅ベースの合金から成る。
【００３８】
本開示の第２の態様によれば、酸素ガス出口、水素ガス出口、および電気分解器スタックを水で満たすための水入口を備える電気分解器スタックと、水入口に一方向弁の機能性を与えるように構成された水入口弁と、第１の態様による圧力補償システムとを備える高圧電気分解器システムであって、第１の流体入口が酸素ガス出口に接続されており、第２の流体入口が水素ガス出口に接続されている、高圧電気分解器システムが提供される。
【００３９】
高圧電気分解器システムは、電気分解が行われている間に、電気分解器スタック内の水圧によって、電気分解器スタックの水素ガスおよび酸素ガスを圧縮することができる。これによって、水素ガスおよび酸素ガスを圧縮するための外部圧縮が不要になる。さらに、電気分解に必要なエネルギー以外の追加のエネルギーを一切必要としない。したがって、ガスが低コストで圧縮され得る。
【００４０】
加えて、電気分解中に水素ガスが酸素ガスよりも多く生成されるので、圧力補償システムは、電気分解器スタックの内部の圧力を等しくすることを保証する。第１の流体管部分と第２の流体管部分の圧力が等しくなければ、電気分解器スタックにおいて水素チャンバと酸素チャンバを分離する膜に、超過圧力がかかることになる。この超過圧力によって、水素チャンバと酸素チャンバにおいて、膜を通る交差汚染が生じる可能性がある。
【００４１】
一実施形態によれば、電気分解器スタックは複数の電極プレートを備え、各電極プレートが、電極素子を備える内側金属フレームと、内側金属フレームを保持する外側熱伝導ポリマーフレームとを有する。それによって、電気分解器スタックは、各電極プレートが完全に金属で作製される場合と比較して、かなり軽量化され得る。
【００４２】
一実施形態によれば、電気分解器スタックは、複数の電極プレートであって、各電極プレートは、外側フレームと、外側フレームの対向面の間の空間に延在する電極素子とを備え、各電極プレートは、外側フレームを通って延在する水素チャネルおよび酸素チャネルを有し、第１の出口チャネルおよび第２の出口チャネルは、空間と水素チャネルおよび酸素チャネルのうちの１つとを接続する、複数の電極プレートを備え、それぞれの第１の出口チャネルは、空間から水素チャネルまたは酸素チャネルの方向において先細りになる形状を有し、それぞれの第２の出口チャネルは、水素チャネルまたは酸素チャネルから空間の方向において先細りになる形状を有する。
【００４３】
各電極プレートについて、第１の出口チャネルと第２の出口チャネルのどちらも、水素チャネルまたは酸素チャネルのいずれかに接続されている。
【００４４】
電気分解器スタックにおいてカソードおよびアノードとして働く２つの隣接した電極プレートが電解槽を形成する。隣接した電極プレートは、それぞれカソードおよびアノードによって生成された水素ガスと酸素ガスを分離するために、膜によって分離され得る。
【００４５】
電極プレートがアノードとして動作する場合には、第１の出口チャネルおよび第２の出口チャネルは酸素チャネルに接続される。電極素子と水素チャネルの間に流体接続はない。
【００４６】
電極プレートがカソードとして動作する場合には、第１の出口チャネルおよび第２の出口チャネルは水素チャネルに接続される。電極素子と酸素チャネルの間に流体接続はない。
【００４７】
各電極プレートが、高さ寸法、幅寸法、および深さすなわち厚さの寸法を有する。第１のチャネル出口および第２のチャネル出口は、深さすなわち厚さの方向において順々に配置されている。好ましくは、第１のチャネル出口は、酸素／水素ガスの流れ方向に関して、深さすなわち厚さの方向において第２のチャネル出口の上流に配置される。
【００４８】
第１のチャネル出口の最小の断面積が、第２のチャネル出口の最小の断面積と異なってもよい。たとえば、第１のチャネル出口の最小の断面積が、第２のチャネル出口の最小の断面積よりも大きくてよい。
【００４９】
電気分解によって電極プレートで生成されたガスは、大部分が第１の出口チャネルを通って流れ、第１の出口チャネルが開く／終結する水素チャネルまたは酸素チャネルに到達し、それによって、約３５〜４０バールまでガスを圧縮する。水素チャネルまたは酸素チャネルにおけるいくらかのガスは、背圧のために、第２の出口チャネルを通って、電極素子が含有されている空間へ再び流れ込むことになる。このプロセスのサイクルがあって、ガスがさらに圧縮されることになる。その上、いくらかの水が水素チャネルまたは酸素チャネルの内部に入ると、空間の内部へ再び流れ込むことになる。
【００５０】
高圧電気分解器システムはガス出口弁も備えてよく、これは、水素ガスおよび酸素ガスをさらに圧縮するために、電気分解器スタックから、ある特定の量の水素ガスおよび酸素ガスが流れることを可能にする逆止弁でよい。
【００５１】
一実施形態は、第１のポンプおよび第２のポンプと、第１のセンサおよび第２のセンサと、第１のセンサおよび第２のセンサに接続されるように構成されたポンプ制御システムとを備え、第１のセンサは、電気分解器スタックの水位を検知するように構成されており、ポンプ制御システムは、水位に基づいて第１のポンプを活性化して、電気分解器スタックにより多くの水を注入するように構成されており、第２のセンサは、電気分解器スタック（２５）の温度を検知するように構成されており、ポンプ制御システムは、温度が閾値を超えると第２のポンプを活性化して、電気分解器スタックから給水するように構成されている。
【００５２】
一般に、特許請求の範囲で使用されるすべての用語は、本明細書で別様に明確に定義されない限り、当技術分野における通常の意味によって解釈されるべきである。「１つの（ａ）／１つの（ａｎ）／この（ｔｈｅ）要素、装置、構成要素、手段、ステップなど」に対するすべての参照は、別様に明示されない限り、要素、装置、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つの事例を制限なく参照するものと解釈されるべきである。本明細書で開示された任意の方法のステップは、明示されない限り、開示された正確な順番で実行する必要はない。
【００５３】
次に、発明概念の例を、添付図面を参照しながら例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】圧力補償システムの一例の概略上面図である。
【図２】高圧電気分解器システムの一例の概略図である。
【図３】電極プレートの概略正面図である。
【図４ａ】図３の電極プレートの第１の区分を示す図である。
【図４ｂ】図３の電極プレートの、図４ａに示された区分に沿った第２の区分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
次に、本発明のある特定の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明が以下でより十分に説明される。しかしながら、この発明は様々な形態で具現され得、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示が十分かつ完全になるように例として提供されるものであり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるものである。類似の番号は、説明の全体にわたって類似の要素を指す。
【００５６】
図１は、２元流体流れシステムのための圧力補償システム１の一例を示すものである。以下では、高圧電気分解器システムによって２元流体流れシステムを例示する。なお、圧力補償システム１は、２つの流体流れの圧力が異なり得る任意の２元流体流れシステムとともに、２つの流体流れの間の圧力を等しくするために使用され得るものである。
【００５７】
圧力補償システム１は流体管３を備える。流体管３は、第１の流体管部分３ａおよび第２の流体管部分３ｂを有する。第１の流体管部分３ａは、第１の流体流れのための第１の流体入口および第１の流体出口７ａを有する。第２の流体管部分３ｂは、第２の流体流れのための第２の流体入口５ｂおよび第２の流体出口７ｂを有する。以下では、第１の流体流れは酸素ガス流れＯ２によって例示され、第２の流体流れは水素ガス流れＨ２によって例示される。
【００５８】
流体管３に沿った第１の流体入口５ａから第２の流体入口５ｂの方向において、第１の流体入口５ａに第１の流体出口７ａが続く。第１の流体出口７ａに第２の流体出口７ｂが続く。第２の流体出口７ｂに第２の流体出口５ｂ（ｓｅｃｏｎｄ  ｆｌｕｉｄ  ｏｕｔｌｅｔ  ５ｂ）が続く。
【００５９】
例示の流体管３は、第１の流体出口７ａと第２の流体出口７ｂの間に湾曲部９を有する。本例によれば、流体管３は湾曲部９において１８０度曲がっている。そのため、第１の流体管部分３ａと第２の流体管部分３ｂは平行に配置されている。
【００６０】
圧力補償システム１は、圧力補償器１１をさらに備える。圧力補償器１１は流体管３に含有されている。圧力補償器１１は湾曲部９の中に配置されてよい。圧力補償器１１は、第１の流体管部分３ａと第２の流体管部分３ｂを分割する。
【００６１】
圧力補償器１１は、第１のプランジャ１１ａと、第２のプランジャ１１ｂと、第１のプランジャ１１ａと第２のプランジャ１１ｂの間に配置された非圧縮性流体１１ｃとを備える。そのため、第１のプランジャ１１ａが圧力補償器１１の第１の終端を形成し、第２のプランジャ１１ｂが圧力補償器１１の第２の終端を形成する。第１のプランジャ１１ａおよび第２のプランジャは、間に非圧縮性流体１１ｃを保つためのシールとして働く。
【００６２】
非圧縮性流体１１ｃは、好ましくは非圧縮性液体であり得る。
【００６３】
第１の流体出口７ａは、第１のノズルを形成するベンチュリ管状の区分を備える。これに関して、第１の流体出口７ａは、第１の流体流れＯ２の方向において、先細りになる断面を有する第１の横断面１３と、第１の横断面１３の下流の、増大する断面を有する第２の横断面１５とを有する。
【００６４】
第２の流体出口７ｂは、第２のノズルを形成するベンチュリ管状の区分を備える。これに関して、第２の流体出口７ｂは、第２の流体流れＨ２の方向において、先細りになる断面を有する第３の横断面１７と、第３の横断面１７の下流の、増大する断面を有する第４の横断面１９とを有する。
【００６５】
そのため、第１の横断面１３および第２の横断面１５、ならびに第３の横断面１７および第４の横断面１９は、中細ノズルを形成する。これらのノズルは、所望の出力圧が得られるように特別に較正されてよい。たとえば、３００バールの圧力で毎時１Ｎｍ３の水素ガス流れの出力が望まれる場合には、高圧電気分解器システムが毎時１Ｎｍ３の水素ガスを生成することができると想定すると、ノズルは、電気分解器スタックの圧力が３００バールに達したとき１Ｎｍ３／ｈの水素ガスがノズルのみを通って逃げることができるように較正され得る。集中−分散型ノズルの口径、特に集中−分散型ノズル構造の最小の直径を有するノズルの喉区分または胴部は、酸素が水素よりも少なく、酸素と水素の分子量が異なるために、酸素ガスを放出する第１の流体出口７ａに関して異なったものになる。第１の流体出口７ａのノズルの喉区分または胴部は、第２の流体出口７ｂのノズルの喉区分または胴部よりも直径が小さい。直径がより小さければ、ある特定の圧力下で流体出口７ａ、７ｂを通って逃げるガスをより少なくすることができる。ある特定の圧力下で特定の量のガスを流すために必要な直径のサイズは、設計過程で計算され得る。このように、出力圧の能力は、中細ノズルを変化させることによって変化され得る。一例によれば、喉の直径は数ミクロンの範囲であり得る。そのような直径のサイズは、たとえばレーザ微細機械加工を使用して作製され得る。第１の横断面１３の長さは、第２の横断面１５の長さ以上であり得る。第３の横断面１７の長さは、第４の横断面１９の長さ以上であり得る。この目的のために、第１のノズルおよび第２のノズルの各々の集中部分は、対応する分散部分よりも長くてよい。集中部分の断面積は、より優れた圧縮、特定の圧力における毎時較正流量、乱流の低減、熱の低減、およびノズル寿命の向上を達成するように設計された喉の直径に達するまで、徐々に縮小されてよい。第１のノズルおよび第２のノズルの外表面は、熱の自然対流のための放熱板フィンを備えていてよい。
【００６６】
例示の圧力補償システム１は、第１の放出弁２１ａおよび第２の放出弁２１ｂをさらに備える。第１の放出弁２１ａは、第１の流体管部分３ａから流体を放出するように構成されている。第２の放出弁２１ｂは、第２の流体管部分３ｂから流体を放出するように構成されている。第１の放出弁２１ａはたとえば電磁弁でよい。第２の放出弁２１ｂはたとえば電磁弁でよい。
【００６７】
第１の放出弁２１ａは、たとえば第１の流体管部分３ａの垂直方向の上部または頂部の領域に配置されてよい。それによって、空気が酸素ガスよりも軽いため、空気の排出が促進され得る。酸素ガス分子が第１の流体管部分３ａの底部の方へ沈み得、空気が第１の放出弁２１ａへと上昇し得る。
【００６８】
第２の放出弁２１ｂは、たとえば第２の流体管部分３ｂの垂直方向の下部または底部の領域に配置されてよい。
【００６９】
第１の放出弁２１ａおよび第２の放出弁２１ｂは、圧力補償システムの初期状態において、流体管３に含有されている酸素ガスや水素ガス以外の任意のガスを、それぞれ第１の流体管部分３ａおよび第２の流体管部分３ｂから放出するために開くように制御されるように構成されてよい。流体管３がそのようなガスから排出された（ｔｈｅ  ｆｌｕｉｄ  ｐｉｐｅ  ３  ｈａｓ  ｂｅｅｎ  ｅｖａｃｕａｔｅｄ  ｆｒｏｍ  ｓｕｃｈ  ｇａｓ）とき、第１の放出弁２１ａおよび第２の放出弁２１ｂが閉じられてよい。
【００７０】
したがって、動作において、最初に第１の放出弁２１ａおよび第２の放出弁２１ｂが開かれて、流体管３の中に存在する酸素ガスおよび水素ガス以外の任意のガスを排出する。ガスが排出されると、放出弁２１ａと２１ｂが閉じられる。電気分解器とともに圧力補償システム１が使用される平坦なところで（Ｉｎ  ｔｈｅ  ｅｖｅｎ  ｔｈａｔ）、第１の流体管部分３ａには酸素ガスＯ２が流れ込み、第２の流体管部分３ｂには水素ガスＨ２が流れ込む。結局、電気分解では酸素ガスと水素ガスの生成が非対称であるため、第１の流体管部分３ａの圧力と比較して第２の流体管部分３ｂの圧力が上昇する。この圧力差により、第２のプランジャ１１ｂ上のガス圧力のために、圧力補償器１１が第１の流体出口７ａに向かって流体管３の中に移動する。圧力補償器１１が変位することにより、第１のプランジャ１１ａが第１の流体出口７ａを部分的に遮り、または第１の流体出口７ａを遮り、第１の流体出口７ａを通して酸素ガスＯ２を逃がすための有効な断面を縮小する。このように、第１の流体管部分３ａにおける圧力が上昇して、第１の流体管部分３ａと第２の流体管部分３ｂにおける圧力が均等化される。電気分解中に、圧力補償器１１は、第１の流体管部分３ａと第２の流体管部分３ｂの現在の圧力差に基づいていずれかの方向に変位されることになる。そのため、圧力補償器１１は、流体管３の中の圧力で生成された変位による自動調整によって圧力の均等化をもたらす。
【００７１】
第１の流体出口７ａおよび第２の流体出口７ｂにおけるベンチュリ管状の設計のために、第１の流体および第２の流体が圧力補償システム１を出るときの、熱の発生、乱流、および圧力降下が低減される。
【００７２】
図２は、高圧電気分解器システム２３の一例を示すものである。高圧電気分解器システム２３は、電気分解器スタック２５および圧力補償システム１を備える。電気分解器スタック２５は、複数の電極プレート２７ａと２７ｂを含む。電極プレート２７ａと２７ｂが、積層構成で交互に配置されている。隣接した電極プレートのそれぞれの対が電解槽を形成する。それぞれの電極プレート２７ａと２７ｂがカソードとしてまたはアノードとして動作し、各電解槽がカソードおよびアノードを有する。それぞれの電極プレート２７ａと２７ｂが、内側フレームおよび外側フレームを備えるフレーム構造を有し、それによって内側フレームの内部に空間が形成される。電極プレート２７ａと２７ｂが積層されるとき、隣接した空間が、水で満たされるように構成された電気分解チャンバを形成する。
【００７３】
電気分解器スタック２５は複数の膜をさらに備える。隣接した電極プレート２７ａと２７ｂのそれぞれの対は、各カソードが水素チャンバを形成して各アノードが酸素チャンバを形成するように、膜によって分離される。酸素チャンバと水素チャンバが、一緒に電気分解チャンバを形成する。膜は、電気分解チャンバにおいて水素ガスや酸素ガスが電極プレート２７ａと２７ｂの間で移動するのを防止するように構成されている。
【００７４】
電気分解器スタック２５は、電気分解器スタック２５の第１の終端を形成する第１のエンドプレート２９ａ、および電気分解器スタック２５の第２の終端を形成する第２のエンドプレート２９ｂを備える。第１のエンドプレート２９ａと第２のエンドプレート２９ｂの間に、電極プレート２７ａと２７ｂが配置されている。
【００７５】
第１のエンドプレート２９ａは、電気分解チャンバへの水の流入を可能にするように構成された２つの水入口３１を備える。高圧電気分解器システム２３は、それぞれの水入口３１に逆止弁の機能性を与えるように構成された、各水入口３１につき１つの水入口弁３３が２つと、ポンプＰと、ポンプコントローラ３５と、をさらに備える。
【００７６】
ポンプＰは、水入口３１を通して電気分解器スタック２５に給水するように構成されている。ポンプコントローラ３５はポンプＰを制御するように構成されている。たとえば、ポンプコントローラ３５は、毎時１回など、時々ポンプＰのみを動作させるように構成され得る。そのため、ポンプコントローラ３５はタイマ機能を使用し得る。したがって、ポンプＰによって電気分解器スタック２５の水位を一杯まで上げてよく、そのため、電気分解器スタック２５を、たとえば毎時１回、満水状態にしてよい。あるいは、ポンプコントローラ３５によってポンプＰを動作させるために他の時間フレームが使用されてもよい。ポンプＰをたまにしか動作させなければ、高圧電気分解器システム２３を動作させながらエネルギーが節約され得る。あるいは、高圧電気分解器システムは、電気分解器スタックの水位を検知するための１つまたは複数のセンサを含み得、ポンプコントローラ３５は、１つまたは複数のセンサによって検知された水位に基づいてポンプを制御するように構成され得る。さらにもう１つの代替形態として、ポンプＰを常に運転してもよい。
【００７７】
一例によれば、高圧電気分解器システム２３は２つのポンプおよび２つのセンサを備え得る。２つのポンプのうち第１のポンプは高圧ポンプでよく、２つのポンプのうち第２のポンプは低圧ポンプでよい。第１のセンサは、電気分解器スタック２５における水位を検知し、水位に基づいてポンプコントローラ３５に第１のポンプを活性化させて電気分解器スタックにより多くの水を注入させるように構成されてよい。第２のセンサは、電気分解器スタック２５の内部の温度を検知し、温度に基づいて、ポンプコントローラ３５あるいは第２のポンプを制御するように構成された別のポンプコントローラに、第２のポンプを活性化させるように構成されてよい。ポンプコントローラ３５または他のポンプコントローラは、温度がたとえば３５度または４０度などの閾値に到達した場合にはたとえば第２のポンプを活性化するように構成されてよい。高圧電気分解器システムは、一般に、第１のポンプおよび第２のポンプを制御するように構成されたポンプ制御システムを備え得る。ポンプ制御システムが備え得るポンプコントローラ３５は、第１のポンプを制御するように構成されてよく、一例によれば第２のポンプも制御するように構成されてよい。ポンプ制御システムは、一例によれば、第２のポンプを制御するように構成された専用のコントローラを備えてよい。この場合、ポンプ制御システムは、それぞれが第１のポンプおよび第２のポンプのうち片方を制御するように構成された２つのポンプコントローラを備えることになる。動作するとき、第２のポンプは、電気分解器スタックから給水する。そのため、第２のポンプは冷却ポンプとして機能し、材料の過熱または自己発火を防止するために、高圧電気分解器システム２３を同一の温度に保つことを可能にする。
【００７８】
電気分解器スタック２５は、圧力補償システム１の第１の流体入口５ａに接続された酸素ガス出口３６ａと、圧力補償システム１の第２の流体入口５ｂに接続された水素ガス出口３６ｂをさらに備える。
【００７９】
高圧電気分解器システム２３は、逆止弁であり得るガス出口弁３７をさらに備え得る。ガス出口弁３７は、水素ガスおよび酸素ガスのある特定の制限されたガス流れが、電気分解器スタック２５から酸素ガス出口３６ａおよび水素ガス出口３６ｂを通って圧力補償システム１へと流れることを可能にするように構成されてよい。
【００８０】
圧力補償システム１の第１の流体出口７ａは、圧縮した酸素ガスを貯蔵するための酸素ガス圧力容器３９に接続されてよく、第２の流体出口７ｂは、圧縮した水素ガスを貯蔵するための水素ガス圧力容器４１に接続されてよい。
【００８１】
図３は、電極プレート２７ａまたは２７ｂの一例を表す。例示の電極プレートは内側フレーム４３および外側フレーム４５を有する。内側フレーム４３は、好ましくは優れた導電性を有する金属（たとえば銅、アルミニウム）で作製されている。そのため、内側フレーム４３は内側金属フレームでよい。外側フレーム４５は熱伝導ポリマーで作製されてよい。そのため、外側フレーム４５は、外側熱伝導ポリマーフレームでよい。外側フレーム４５が内側フレーム４３を保持する。外側フレーム４５は、たとえば射出成形によって作製されてよい。この目的のために、製造中に、注入型の内部に内側フレームが設置されてよく、外側フレーム４５を形成するために、フレームの中に熱伝導ポリマーが注入される。
【００８２】
電極プレート２７ａ、２７ｂは、内側フレーム４３の対向面の間に延在し、それゆえ外側フレーム４５の対向面の間にも延在する電極素子４６をさらに備える。内側フレーム４３は、電極素子４６が延在する領域における空間４７の境界を定める。この空間４７は、電極プレートがアノードとして動作する場合には酸素チャンバであり、電極プレートがカソードとして動作する場合には水素チャンバである。電極プレート２７ａ、２７ｂが有する端子４９は、内側フレーム４３を介して電極素子４６に接続され、電源に接続されるように構成されている。
【００８３】
外側フレーム４５は酸素チャネル５１および水素チャネル５３を備える。これら２つのチャネル５１と５３のうちの１つだけが空間４７と流体連通するように構成されている。電極プレートがアノードとして動作する場合には酸素チャネル５１のみが空間４７と流体連通し、電極プレートがカソードとして動作する場合には水素チャネル５３のみが空間４７と流体連通する。電極プレート２７ａと２７ｂは、間の空間４７を覆う膜を伴って交互に積層されるので、１つおきの電極プレートすなわちすべてのアノードが酸素チャネル５１における酸素ガス流に寄与し、１つおきの電極プレートすなわちすべてのカソードが水素チャネル５３における水素ガス流れに寄与する。
【００８４】
電気分解器スタック２５が膜に加えて備え得る複数の電気絶縁性ガスケットは、それぞれが電極プレート２７ａと２７ｂの間を電気的に絶縁し、かつ密封するように、２つの隣接した電極プレート２７ａと２７ｂの間にはさまれている。
【００８５】
各電極プレート２７ａ、２７ｂは、２つの水チャネル５５と５７も備え得る。２つの水チャネルのうち第１の水チャネル５５が水入口３１の一方に接続されてよく、２つの水チャネルのうち第２の水チャネル５７が水入口３１の他方に接続されてよい。アノードとして働く電極プレート２７ａについては、第１の水チャネル５５が、第１の水チャネル５５から空間４７まで延在するチャネルによって空間４７と流体連通しているが、第２の水チャネル５７は流体連通していない。カソードとして働く電極プラテン（ｐｌａｔｅｎ）２７ｂについては、第２の水チャネル５７が、第２の水チャネル５７から空間４７まで延在するチャネルによって空間４７と流体連通しているが、第１の水チャネル５５は流体連通していない。これは、アノードが独自の給水設備を有し、カソードが独自の給水設備を有することを意味する。これによって、酸素チャンバと水素チャンバの間の交差汚染のリスクが低減される。
【００８６】
第１の水チャネル５５は、中央のチャネル部分と、中央のチャネル部分よりも狭い、相対して配置された２つの側方のフィン５５ａとを有する。第２の水チャネル５７は、中央のチャネル部分と、中央のチャネル部分よりも狭い、相対して配置された２つの側方のフィン５７ａとを有する。これにより、第１の水チャネル５５と第２の水チャネル５７が電気分解器スタック２５に沿って延在するとき、両者の長さに沿って水圧が同一または本質的に同一になり得るという効果がある。酸素チャネル５１および水素チャネル５３は、一変形形態によれば、この構成も有し得る。
【００８７】
図４ａは、アノードとして働く電極プレート２７ａを通る区分の詳細を示すものである。内側フレーム４３および外側フレーム４５は、空間４７から酸素チャネル５１まで延在する第１の出口チャネル５９を備える。第１の出口チャネル５９はベンチュリ管状の設計を有し、空間４７から酸素チャネル５１の方向において先細りになっている。この電極プレート２７ａの水素チャネル５３には、空間４７に対する開口がない。
【００８８】
カソードとして働く電極プレート２７ｂに関して、内側フレーム４３および外側フレーム４５は、空間４７から水素チャネル５３まで延在する第１の出口チャネルを備える。第１の出口チャネルはベンチュリ管状の設計を有し、空間４７から水素チャネル５３の方向において先細りになっている。この電極プレート２７ｂの酸素チャネル５１には、空間４７に対する開口がない。
【００８９】
図４ｂは、電極プレート２７ａを通り図４ａに示された区分と平行であるが電極プレート２７ａの厚さ方向においてさらに下流の区分の詳細を示すものである。内側フレーム４３および外側フレーム４５は、空間４７から酸素チャネル５１まで延在する第２の出口チャネル６１を備える。第２の出口チャネル６１はベンチュリ管状の設計を有し、酸素チャネル５１から空間４７の方向において先細りになっている。
【００９０】
カソードとして働く電極プレート２７ｂに関して、内側フレーム４３および外側フレーム４５は、空間４７から水素チャネル５３まで延在する第２の出口チャネルを備える。第１の出口チャネルはベンチュリ管状の設計を有し、水素チャネル５３から空間４７の方向において先細りになっている。
【００９１】
本発明が、主にいくつかの実施形態を参照しながら上記で説明されている。しかしながら、当業者には容易に諒解されるように、上記で開示されたもの以外の実施形態が、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内で同様に可能である。
【図１】
2021529250.tif 000003
【図２】
2021529250.tif 000004
【図３】
2021529250.tif 000005
【図４ａ】
2021529250.tif 000006
【図４ｂ】
2021529250.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月8日(2020.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガス出口（３６ａ）、水素ガス出口（３６ｂ）、および電気分解器スタック（２５）を水で満たすための水入口を備える電気分解器スタック（２５）と、
水入口に一方向弁の機能性を与えるように構成された水入口弁（３３）と、
第１の流体管部分（３ａ）および第２の流体管部分（３ｂ）を有する流体管（３）を備える圧力補償システム（１）であって、
第１の流体管部分（３ａ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］のための第１の流体入口（５ａ）および第１の流体出口（７ａ）を有し、
第２の流体管部分（３ｂ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］から分離した第２の流体流れ［Ｈ２］のための第２の流体入口（５ｂ）および第２の流体出口（７ｂ）を有し、
第１の流体入口（５ａ）が酸素ガス出口（３６ａ）に接続されており、第２の流体入口（５ｂ）が水素ガス出口（３６ｂ）に接続されている、圧力補償システム（１）と、
流体管（３）の中に配置されて第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）を分離する圧力補償器（１１）であって、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力差に応答して第１の流体出口（７ａ）と第２の流体出口（７ｂ）の間の流体管（３）の中を移動することによって、第１の流体出口（７ａ）および第２の流体出口（７ｂ）のうちの１つを少なくとも部分的に遮って、第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）の間の圧力を補償するように構成された、圧力補償器（１１）と
を備える高圧電気分解器システム（２３）であって、
流体管（３）に沿った第１の流体入口（５ａ）から第２の流体入口（５ｂ）の方向において、第１の流体入口（５ａ）の後に第１の流体出口（７ａ）が配置され、第２の流体出口（７ｂ）が続き、第２の流体入口（５ｂ）が続く、高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項２】
圧力補償器（１１）が非圧縮性流体を含む（ｔｈｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ  ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ  （１１））、請求項１に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項３】
圧力補償器（１１）が第１のプランジャ（１１ａ）および第２のプランジャ（１１ｂ）を備え、第１のプランジャ（１１ａ）と第２のプランジャ（１１ｂ）の間に非圧縮性流体が供給され、両プランジャが非圧縮性流体を間に密封するように働く、請求項２に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項４】
第１の流体管部分（３ａ）と第２の流体管部分（３ｂ）が湾曲部（９）を介して接続されており、圧力補償器（１１）が湾曲部（９）に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項５】
第１の流体管部分（３ａ）が、２元流体流れシステムの初期状態において第１の流体管部分（３ａ）から流体を放出するように構成された第１の放出弁（２１ａ）を備え、第２の流体管部分（３ｂ）が、２元流体流れシステムの初期状態において第２の流体管部分（３ｂ）から流体を放出するように構成された第２の放出弁（２１ｂ）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項６】
第１の放出弁（２１ａ）および（ａｎｄ  ｏｆ）第２の放出弁（２１ｂ）が外部制御によって制御されるように構成されている、請求項５に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項７】
第１の放出弁（２１ａ）が第１の電磁弁であり、第２の放出谷（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｖａｌｅ）（２１ｂ）が第２の電磁弁である、請求項５または６に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項８】
第１の流体出口（７ａ）が、第１の流体流れ［Ｏ２］の方向において、先細りになる断面を有する第１の横断面（１３）と、第１の横断面（１３）の下流の、増大する断面を有する第２の横断面（１５）とを有し、第２の流体出口（７ｂ）が、第２の流体流れ［Ｈ２］の方向において、先細りになる断面を有する第３の横断面（１７）と、第３の横断面（１７）の下流の、増大する断面を有する第４の横断面（１９）とを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項９】
第１の横断面（１３）および第２の横断面（１５）が、ミクロンの範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する、請求項８に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１０】
第３の横断面（１７）および第４の横断面（１９）が、ミクロン（ｍｉｒｃｒｏｎｓ）の範囲の直径を有するノズルの喉部または胴部を有する中細ノズル構造を形成する、請求項８または９に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１１】
電気分解器スタック（２５）が複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）を備え、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、電極素子（４６）を備える内側金属フレーム（４３）と、内側金属フレーム（４３）を保持する外側熱伝導ポリマーフレーム（４５）とを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１２】
電気分解器スタック（２５）が複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）であって、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、外側フレーム（４５）と、外側フレーム（４６）（ｔｈｅ  ｏｕｔｅｒ  ｆｒａｍｅ  （４６））の対向面の間の空間（４７）に延在する電極素子（４６）とを備え、各電極プレート（２７ａ、２７ｂ）が、外側フレーム（４５）を通って延在する水素チャネル（５３）および酸素チャネル（５１）を有し、第１の出口チャネル（５９）および第２の出口チャネルが、空間（４７）と水素チャネル（５３）および酸素チャネル（５１）のうちの１つとを接続する、複数の電極プレート（２７ａ、２７ｂ）を備え、それぞれの第１の出口チャネル（５９）が、空間（４７）から水素チャネル（５３）または酸素チャネル（５１）の方向において先細りになる形状を有し、それぞれの第２の出口チャネルが、水素チャネル（５３）または酸素チャネル（５１）から空間（４７）の方向において先細りになる形状を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【請求項１３】
第１のポンプおよび第２のポンプと、
第１のセンサおよび第２のセンサと、
第１のセンサおよび第２のセンサに接続されるように構成されたポンプ制御システムと
を備える高圧電気分解器システム（２３）であって、
第１のセンサが、電気分解器スタック（２５）の水位を検知するように構成されており、ポンプ制御システムが、水位に基づいて第１のポンプを活性化して、電気分解器スタック（２５）により多くの水を注入するように構成されており、
第２のセンサが、電気分解器スタック（２５）の温度を検知するように構成されており、ポンプ制御システムが、温度が閾値を超えると第２のポンプを活性化して、電気分解器スタック（２５）から給水するように構成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の高圧電気分解器システム（２３）。
【国際調査報告】
2021529250.tif 000008
2021529250.tif 000009