(57)【要約】  電解槽（２）は、２つの端板（６，８）の間に配置されてポリマ電解質膜構造を有する少なくとも１つの電解セル（４）と、２つの端板（６，８）の間に押圧力を発生させる手段とを備える。この押圧力は、少なくとも部分的に、電解セル（４）により発生されるガス圧に依存して制御される。【選択図】図１
2015504116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの端板（６，８）の間に配置されてポリマ電解質膜構造を有する少なくとも１つの電解セル（４）と、
前記２つの端板（６，８）の間に押圧力を発生させる手段と、
を備え、
前記押圧力は、少なくとも部分的に、前記電解セル（４）により発生されるガス圧に依存して制御されることを特徴とする、電解槽（２）。
【請求項２】
前記押圧力は、前記電解セル（４）により発生されるガス圧によって直接制御されることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽（２）。
【請求項３】
前記押圧力は、前記電解セル（４）により発生される水素のガス圧によって制御されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の電解槽（２）。
【請求項４】
前記押圧力により前記電解セル（４）に加えられる接触圧力は、前記電解セル（４）により発生されるガス圧よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の電解槽（２）。
【請求項５】
前記ガス圧により制御される前記押圧力は流体的に発生されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の電解槽（２）。
【請求項６】
少なくとも一方の端板（６）には、その前記電解セル（４）に対向する側に、耐圧チャンバが形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の電解槽（２）。
【請求項７】
前記チャンバは圧力発生器に配管接続されることを特徴とする、請求項６に記載の電解槽（２）。
【請求項８】
ピストン−シリンダ装置（４２）が前記圧力発生器を構成することを特徴とする、請求項７に記載の電解槽（２）。
【請求項９】
前記ピストン−シリンダ装置（４２）のシリンダチャンバ（４８）は、前記電解槽（２）の水素排出口に配管接続されることを特徴とする、請求項８に記載の電解槽（２）。
【請求項１０】
前記ピストン−シリンダ装置（４２）が圧力増幅器を構成することを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の電解槽（２）。
【請求項１１】
前記圧力増幅器は、１．１〜２．５の範囲内にある圧力増幅比を有し、好ましくは１．２〜２．０の範囲内にある圧力増幅比を有することを特徴とする、請求項１０に記載の電解槽（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の特徴を備えた電解槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解槽内において、水は電流により、構成要素である水素と酸素とに分解される。このためにポリマ電解質膜構造の電解セルを用いる電解槽が公知である。こうした電解セルは、通例、主にポリマ電解質膜を含んで構成され、その両外側にはそれぞれ１つのガス拡散電極が配置されている。電解槽内では、最も簡単な場合には１つの電解セルが２つの端板の間に配置され、一般的には多数の電解セルが２つの端板の間にスタック状に配置される。これら端板は、一方では電力供給の機能を果たし、他方では、電解槽の効率的な作動にとって必要な押圧力を電解セル又は電解セルのスタックに加える機能を果たす。このためにこれら端板は互いに固定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これら端板によって電解セル又は電解セルのスタックに加えられる押圧力が、電解槽の作動圧力の増大、すなわち電解槽内部におけるガス圧の増大に際して、電解槽の効率にとって不利な結果を伴って減少し、最悪の場合には押圧が完全に失われかねないことは、公知である。技術水準によれば、この作用を、非常に大きく重い、したがって非常に耐曲げ性のある端板によって相殺することが試みられているが、これは不十分にしか成功していない上、装置が非常に重くなってしまう。
【０００４】
こうした背景のもと、本発明は、電解槽内の支配的な作動圧力とは無関係に、常に単数又は複数の電解セルの十分に大きな押圧が保証される、上述したような電解槽を提供するという課題に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、請求項１に記載の特徴を備えた電解槽により解決される。この電解槽の有利な発展例は、従属項、以下の説明、ならびに図面から明らかになる。ここで、本発明によれば、従属項に記載された特徴は、それぞれ単独でも適切に組み合わせても、請求項１に記載の本発明による解決策をさらに発展させるものである。
【０００６】
水を酸素及び水素に分解する役割を果たし、好ましくは水素を発生させる役割を果たす、本発明による電解槽は、一般に、２つの端板の間に配置される少なくとも１つの電解セルを備え、該電解セルは、ポリマ電解質膜構造を有する。より大量の水素を発生させるため、本発明による電解槽は、２つの端板の間に、１つのスタックにまとめられた複数の電解セルを備えてもよい。したがって、以下において電解セルについて述べる場合には常に、電解セルのスタックのことも意味される。
【０００７】
２つの端板と、その間に配置される電解セルとは、共通のユニット（アセンブリ）を構成する。この目的のため、２つの端板及びその間にある電解セルは、例えばタイロッドによって互いに固定される。このようにして、これら端板によって電解セルに一定の押圧力が加えられるが、この押圧力のみでは、比較的高い作動圧力の場合、すなわち、電解セルにより発生される、例えば２ＭＰａを上回るガス圧の場合、電解セルの効率に照らして最適な電解槽の運転を保証するには十分でない。このため、本発明による電解槽は、端板間に押圧力を発生させるためのさらなる手段を備える。
【０００８】
この関連において、電解セルに加えられる押圧力を、少なくとも部分的に、電解セルにより発生されるガス圧に依存して制御することが、本発明の基本理念である。すなわち、電解セルへの押圧力の大きさを、電解セルにより発生されるガス圧の変化に正比例して意図的に変化させることのできる制御が想定される。このことは、電解セルにより発生されるガス圧が上昇するときに、前述したガス圧増大の押圧力への悪影響が埋め合わせられるように、かつ、ガス圧とは無関係に常に、理想的には不変の、電解セルの最適の効率での運転を可能にする接触圧力が電解セルに設定されるように、電解セルへの押圧力が、好ましくはガス圧の上昇に比例して増大され得ることを意味している。
【０００９】
電解セルへの押圧力をガス圧に依存して制御するためには、電解セルにより発生されるガス圧を、場合によっては電解槽内のガス圧が作用する領域に配置された圧力センサによって把握することが可能であるが、その際、圧力センサの電気的な出力信号が入力信号としてコントローラに供給され、そこで押圧力発生用の好ましくは１つ、場合によっては複数のアクチュエータのための制御変数の形に変換される。
【００１０】
もっとも、押圧力は、電解セルにより発生されるガスの圧力（ガス圧）によって直接制御されるのが特に有利であり得る。すなわち、押圧力を発生するためのアクチュエータは、制御変数としてのガス圧によって直接加圧されるか、又は、ガス圧によって駆動される。このために、電解槽の内部からアクチュエータへの閉じた溢流路(overflow path)が設けられるが、この電解槽の溢流路は原則的に、水分解の際に酸素が生じる領域すなわち陽極側（アノード側）にも、水素が生じる領域すなわち陰極側（カソード側）にも、形成可能である。しかしながら、本発明によれば、電解セルにより発生される水素のガス圧により押圧力が制御される、本発明による電解槽の一実施形態が、より推奨される。このため、溢流路が、電解槽の水素排出口から、押圧力を発生するアクチュエータまで形成されていてもよく、又は、溢流路が、電解槽の水素排出口から、アクチュエータを制御するコントローラまで形成されていてもよい。
【００１１】
電解セルにより発生されるガス圧に関係なく、電解セルに十分に大きな押圧力が加えられることを確実にするためには、電解セルに加えられる押圧力（接触圧力）が、電解セルにより発生されるガス圧よりも大きいのが好都合である。押圧力を発生させるアクチュエータにガス圧が直接作用する、本発明による電解槽の一実施形態では、該アクチュエータはこのために、場合によっては圧力増幅器（増圧器）を含んでいてもよい。
【００１２】
本発明による電解槽のさらなる有利な実施形態によれば、ガス圧により制御された押圧力は流体的に発生される。それに応じて、電解セルへの押圧力が、直接的に、又は適切な構成部分を介して間接的に、ガス（気体）又は液体によって発生されるが、ここでは通常、液体が好まれるであろう。なぜなら液体は、非圧縮性に準じる性質を有するためである。しかしながら、電解セルへの押圧力は、最も簡単な場合には、電解セルにより発生されるガスによって直接供給される。
【００１３】
流体的に発生される押圧力に関連させて、電解槽の２つの端板のうち少なくとも一方には、その電解セルに対向する側に、耐圧性を有するチャンバ（耐圧チャンバ；pressure-proof chamber）が形成されることが想定されるのが有利である。このチャンバは、該チャンバに隣接して配置された電解セルの平坦面に対して直接押し付けられる流体を収容する役割を果たす。
【００１４】
さらに有利には、端板に形成されたチャンバ内には、電解セルの方向に摺動可能にガイドされる押圧体が配置されていてもよく、この押圧体はチャンバ内にある流体によって電解セルに押し付けられ、それによって電解セルに押圧力を加える。このとき、チャンバからの流体の漏出を防止するために、押圧体はチャンバの縁部に対して気液密に密閉されるのが好都合である。
【００１５】
押圧力を発生させるため、チャンバは圧力発生器に配管接続されるのが好都合である。圧力発生器とは、この関連においては、端板に形成されたチャンバ内に流体を押し込む、ポンプ又はそれに類似のものと解される。圧力発生器は、端板の、電解セルとは反対側（換言すれば電解セルから離れている側）に配置されるのが好都合であり、ここで、流体配管は圧力発生器からチャンバに通じ、かつ、端板を貫通する。
【００１６】
ピストン−シリンダ装置（ピストン−シリンダ配置）によれば、圧力発生器を構造上容易に構成することができる。したがって、最も簡単な場合には、内部で移動可能にガイドされるピストンによって２つのシリンダチャンバに分けられるシリンダが想定されてもよく、これらシリンダチャンバのうち、一方は端板に形成されるチャンバに配管接続され、他方のチャンバのピストンは、電解セルによって発生される水素により加圧される。したがって、ピストン−シリンダ装置の１つのシリンダチャンバは、電解槽の水素排出口に配管接続されるのが好ましい。
【００１７】
既に述べたように、電解セルに加えられる接触圧力が、電解セルにより発生されるガス圧よりも大きくなることが追求されるべきである。この関連において、ピストン−シリンダ装置は、圧力増幅器を構成するように形成されるのが特に有利である。ここで、圧力増幅器にとっては一般的なように、端板に形成されたチャンバに配管接続されるピストン−シリンダ装置のシリンダチャンバを画定するピストンの端面は、水素によって加圧されるピストンの端面よりも小さく、圧力増幅器の圧力増幅比は、後者のピストン端面と前者のピストン端面との商（quotient）から求められる。
【００１８】
圧力増幅器は、有利には１.１〜２.５の範囲内にある圧力増幅比を有し、好ましくは１.２〜２.０の範囲内にある圧力増幅比を有する。そのような圧力増幅比の場合、押圧力が電解セルを損壊したりあるいは完全に破壊したりするほどに大きくなることなく、十分に大きな押圧力が電解セルに加えられることが明らかになった。
【００１９】
以下では、本発明を、図面に示した実施形態を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電解槽２を概略的に示す、著しく簡略化された分解図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、電気分解装置である電解槽２を概略的に示す、著しく簡略化された分解図である。電解槽２は、２つの端板６及び８の間に配置される電解セル４を備える。端板６には電解槽２の水素排出口を構成する開口部１０が形成されており、この開口部１０には、電解槽２の外側に、概略的にのみ示される配管１２が接続されている。電解セル４にて発生された水素が、開口部１０と、それに接続された配管１２とを介して、図示しない貯蔵タンクに送られる。
【００２２】
電解セル４内には、その中央部にポリマ電解質膜１４が配置されている。このポリマ電解質膜１４は、その両側の平坦面がそれぞれガス拡散電極１６，１８によって覆われている。ガス拡散電極１６の外側には板２０が配置されており、ガス拡散電極１８の外側には板２２が配置されている。板２０及び２２は、電気接続部の役割を果たす。ガスケット（シール部材）２４は、ポリマ電解質膜１４と２つの板２０及び２２との間の間隙を密閉する。図中ではその上端で、電解セル４は２つのガスケット（シール部材）２６により密閉される。
【００２３】
２つの端板６及び８は、図示しないタイロッドを介して互いに固定されている。これにより、電解セル４内にて高効率な電気分解を行うのに不可欠な、ある程度の押圧力が電解セル４に加えられる。電解槽２内に、特に電気分解の際に生じた水素に起因する高いガス圧が広く行き渡っている場合には、端板６及び８によって電解セル４に加えられる押圧力は、電気分解を十分な効率で行うには、もはや十分ではない。したがって、電解セル４には追加的な押圧力が加えられなければならない。続いて、このために選択される構造対策を説明する。
【００２４】
端板６の、板２０に対向する平坦面には、凹部２８が形成されており、この凹部２８は棚部（肩部）３０を構成しながら、板２０とは反対の方向に（換言すれば板２０から離れる方向に）次第に狭まっている（先細になっている）。棚部３０は凹部２８の全周に亘って延在しており、板２０に対して端板６を気液密に密閉するガスケット（シール部材）３４を収容する役割を果たす。端板６を貫通して、凹部２８へと通じる孔３６が延びている。これにより、孔３６は、凹部２８及び押圧体３２によって構成されるチャンバの出入り口を構成する。
【００２５】
配管１２には、配管分岐部３８が形成されている。この配管分岐部３８から、配管４０がピストン−シリンダ装置４２へと繋がっている。ピストン−シリンダ装置４２は閉じた中空シリンダ４４を備え、該シリンダ内ではピストン４６が軸方向に摺動可能にガイドされる。ピストン４６は、中空シリンダ４４の内部空間を、第１のシリンダチャンバ４８と第２のシリンダチャンバ５０とに分割する。
【００２６】
中空シリンダ４４には、その周面に、シリンダチャンバ４８へと通じる開口部５２が形成されている。この開口部５２には配管４０が接続されている。さらに、中空シリンダ４４には、シリンダチャンバ５０を画定する端面に、さらなる開口部５４が形成されている。開口部５４からは、矢印の形で概略的に図示された配管５６が、端板６に形成された孔３６へと繋がっている。
【００２７】
ピストン４６には、シリンダチャンバ５０に対向する端面に、ピストンロッド５８が形成されている。このピストンロッド５８は、中空シリンダ４４のシリンダチャンバ５０を画定する端面に形成された開口部６０を通って、ピストン４６の中心軸Ａと同心状に延びている。ピストン４６の、シリンダチャンバ５０に対向する端面に位置する圧力作用面領域は、シリンダチャンバ４８に対向する端面よりも小さい。その理由で、ピストンロッド５８はシリンダチャンバ５０にて延在している。この形態に基づいて、ピストン−シリンダ装置４２は圧力増幅器を構成する。
【００２８】
図示される電解槽２の機能の仕方は次のとおりである。：
電解槽２によって発生された水素は、図示しない貯蔵タンクに高い圧力で貯蔵されるであろう。それに応じて、電解槽２内及び貯蔵タンクに通じる配管１２内には高い水素圧力が広く行き渡る。この高い水素圧力によって、従来公知の電解槽では、ガス拡散電極１６及び１８がもはや十分な程度相互に押し付けられない状態となっていたであろう。
【００２９】
これは、図示される電解槽２の場合には当てはまらない。電解槽２にて水素圧力が上昇すると、その結果、ピストン−シリンダ装置４２のシリンダチャンバ４８内の圧力も上昇する。なぜなら、シリンダチャンバ４８は配管１２及び４０を介して電解槽２の内部に配管接続されているからである。シリンダチャンバ４８内におけるこの圧力上昇によって、ピストン４６がシリンダチャンバ５０の方向に押されることになり、それによりシリンダチャンバ５０内の圧力が上昇すると共に、このシリンダチャンバ５０に配管５６を介して配管接続されている端板６の凹部２８内の圧力も上昇する。このとき、ピストン−シリンダ装置４２がピストン４６の形態に基づいて圧力増幅器を構成するので、シリンダチャンバ５０内及び凹部２８内の圧力上昇は、シリンダチャンバ４８内の圧力上昇よりも大きい。
【００３０】
シリンダチャンバ４８内での圧力上昇に起因して、凹部２８内にある流体が、対応して強められた圧力により板２０に押し付けられるので、２つのガス拡散電極１６及び１８が十分な程度相互に押し付けられることが確実になる。
【符号の説明】
【００３１】
２  電解槽
４  電解セル
６  端板
８  端板
１０  開口部
１２  配管
１４  ポリマ電解質膜
１６  ガス拡散電極
１８  ガス拡散電極
２０  板
２２  板
２４  ガスケット
２６  ガスケット
２８  凹部
３０  棚部
３４  ガスケット
３６  孔
３８  配管分岐部
４０  配管
４２  ピストン−シリンダ装置
４４  中空シリンダ
４６  ピストン
４８  シリンダチャンバ
５０  シリンダチャンバ
５２  開口部
５４  開口部
５６  配管
５８  ピストンロッド
６０  開口部
Ａ  中心軸
【図１】
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【国際調査報告】
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2015504116.tif 000007
2015504116.tif 000008
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