(57)【要約】  本開示は、電解装置の分野に関する。具体的には、イオン透過膜またはパッシブ電極を取り付けて密閉することができる複数の相互連結したフレームを具えるモジュラ電解ユニットが開示される。マニホルドを具えるフレームもまた開示され、一形態では、隣接する膜フレーム、パッシブ電極フレーム、および端板と同じ取付システムを有し、これにより装置全体のモジュール式アセンブリが可能となる。【選択図】【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュラ電解システムにおいて：
ａ．メスの端板、複数の膜フレーム、複数のパッシブ電極フレーム、およびオスの端板；を具え、
ｂ．前記メスの端板が：
ｉ．メスの整列用インデントを有する第１の縦方向の面と；
ｉｉ．前記メスの端板の第１の縦方向の面に固定されたメスの端板電極と；を具え、
ｃ．各々の膜フレームが：
ｉ．オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面と；
ｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス生成室を画定する面と；
ｉｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在して、前記第１のガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面と；
ｉｖ．前記電解液分配室から前記第１のガス生成室の下部領域まで、垂直下方に延びている電解液流路を画定する面と；
ｖ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス回収室の一部を画定する面であって、前記第１のガス回収室は、前記第１のガス生成室の上方の領域にあり、前記第１のガス回収室は、当該第１のガス回収室の上部の領域で前記第１のガス生成室と流体連通している面と；
ｖｉ．前記第１の縦方向の面と反対の縦方向の第２の縦方向の面を画定する面であって、前記第２の縦方向の面がメスの整列用デテントを有する面と；
ｖｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室の一部を画定する面であって、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室の上方の領域を縦方向に通っており、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室と流体連通していない面と；を具え、
ｄ．前記膜フレームのオスの整列用デテントが、隣接する前記メスの端板のメスの整列用デテントの中に嵌るように、１の膜フレームが前記メスの端板に隣接して設けられており；
ｅ．各々の電極フレームが：
ｉ．オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面と；
ｉｉ．前記電極フレームを通って縦方向に延在する第２のガス生成室を画定する面と；    
ｉｉｉ．前記電極フレームを通って縦方向に延在する前記電解液分配室の一部を画定する面と；
ｉｖ．前記電解液分配室から前記第２のガス生成室の下部領域まで延びている電解液流路を画定する面と；    
ｖ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室を画定する面であって、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室の上方の領域にあり、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室と流体連通している面と；  
ｖｉ．前記第１の縦方向の面と反対の縦方向の第２の縦方向の面を画定する面であって、メスの整列用デテントを画定する面を有する面と；を具え、
ｆ．前記電極フレームのオスの整列用デテントが、隣接する膜フレームの前記メスの整列用デテントの中に嵌るように、少なくとも１の電極フレームが膜フレームに隣接して設けられており；
ｇ．前記オスの端板が：
ｉ．オスの整列用デテントを具える第１の縦方向の面と；
ｉｉ．オスの端板電極と；を具え、
ｉｉｉ．前記オスの端板のオスの整列用デテントは、隣接する膜フレームのメスの整列用デテントの中に嵌り；
ｈ．前記膜フレームのメスの整列用デテントが、隣接するオスの端板のメスの整列用デテントの中で受けられるように、別の膜フレームが前記オスの端板に隣接して設けられている；
ことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項２】
請求項１に記載のモジュラ電解システムにおいて、さらに：
ａ．ケーシング；を具え、
ｂ．前記ケーシングが、メスの端板、膜フレーム、電極フレーム、およびオスの端板のそれぞれを各位置で収容し、保護し、および保持する；
ことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項３】
請求項１に記載のモジュラ電解システムにおいて、さらにマニホルドフレームを具え、当該マニホルドフレームが：
ａ．隣接する電極フレームまたは膜フレームのメスの整列用デテントの中に嵌る、オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面と；
ｂ．前記膜フレームを通って縦方向に延在し、前記ガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面と；
ｃ．前記マニホルドフレームを通って縦方向に延在する前記第１のガス回収室の一部を画定する面と；
ｄ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記第２のガス回収室の一部を画定する面と；
ｅ．ガス生成室を画定する面であって、前記第１のガス回収室または前記第２のガス回収室のいずれかが、当該第１または第２のガス回収室の上部の領域で、前記ガス生成室と流体連通している面と；
ｆ．前記第１のガス回収室と流体連通している第１のガス排出口を画定する面と；
ｇ．前記第２のガス回収室と流体連通している第２のガス排出口を画定する面と；
ｈ．前記電解液分配室と流体連通している電解液の流体入口を画定する面と；
ｉ．隣接する膜フレームまたは電極フレームのオスの整列用デテントを中に受ける、メスの整列用デテントを有する第２の縦方向の面と；
を具えることを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項４】
モジュラ電解システムにおいて：
ａ．第１の端板であって；
ｉ．第１の縦方向の面と；
ｉｉ．第１の端板電極と；を具える第１の端板と、
ｂ．複数の膜フレームであって、それぞれが：
ｉ．第１の縦方向の面と；
ｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス生成室を画定する面と；
ｉｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する電解液分配室の一部を画定する面と；
ｉｖ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス回収室の一部を画定する面であって、前記第１のガス回収室は、前記第１のガス生成室の上方の領域にあり、前記第１のガス回収室は、前記第１のガス生成室と流体連通している面と；
ｖ．第２の縦方向の面を画定する面と；
ｖｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室を画定する面であって、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室を縦方向に通っており、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室と流体連通していない面と；を具える複数の膜フレームと、
ｃ．１の膜フレームが前記第１の端板に隣接して設けてあり；
ｄ．少なくとも１のパッシブ電極フレームであって；
ｉ．前記膜フレームの１つに隣接する第１の縦方向の面と；
ｉｉ．前記パッシブ電極フレームを通って縦方向に延在する第２のガス生成室を画定する面と；
ｉｉｉ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記電解液分配室の一部を画定する面と；
ｉｖ．前記電解液分配室から前記第１のガス発生室の下部領域まで垂直に延びている、電解液流路を画定する面と；
ｖ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室を画定する面であって、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室の上方の領域にあり、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室と流体連通している面と；
ｖｉ．第２の縦方向の面を画定する面と；を具えるパッシブ電極フレームと、
ｅ．第２の端板であって；
ｉ．第１の縦方向の面と；
ｉｉ．第２の端板電極と；を具える第２の端板と；
を具え、
ｆ．１の膜フレームが前記第２の端板に隣接して設けられている；
ことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項５】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、さらにマニホルドフレームを具え、当該マニホルドフレームが：
ａ．隣接する電極フレームまたは膜フレームに接している第１の縦方向の面と；
ｂ．前記膜フレームを通って縦方向に延在し、前記ガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面と；
ｃ．前記マニホルドフレームを通って縦方向に延在する前記第１のガス回収室の一部を画定する面と；
ｄ．前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記第２のガス回収室の一部を画定する面と；
ｅ．ガス生成室を画定する面であって、前記第１のガス回収室または前記第２のガス回収室のいずれかが、当該第１または第２のガス回収室の上部の領域で、前記ガス生成室と流体連通している面と；
ｆ．前記第１のガス回収室と流体連通している第１のガス排出口を画定する面と；
ｇ．前記第２のガス回収室と流体連通している第２のガス排出口を画定する面と；
ｈ．前記電解液分配室と流体連通している電解液の流体入口を画定する面と；
ｉ．隣接する膜フレームまたは電極フレームに接している第２の縦方向の面と；
を具えることを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項６】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、各ガス生成室の横幅が、各ガス生成室の垂直の高さよりも実質的に小さいことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項７】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、前記電解液流路が、前記ガス生成室を横断して副室に分割し、これらの副室は、前記電解液流路の下端部と前記電解液流路の上端部との間で、流体的に分離されていることを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項８】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、各ガス生成室の横断方向の寸法が、各ガス生成室の垂直方向の寸法よりも実質的に小さいことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項９】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、各ガス生成室の横断方向の寸法が、各ガス生成室の垂直方向の寸法よりも２０％小さいことを特徴とするモジュラ電解システム。
【請求項１０】
請求項４に記載のモジュラ電解システムにおいて、さらに冷却水槽を具え、前記第１の端板と、電極フレームと、膜フレームと、第２の端板とが、本システムの動作時に前記冷却水槽にほぼ浸されることを特徴とするモジュラ電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電解装置の分野に関する。具体的には、イオン透過膜またはパッシブ電極を取り付けて密閉することができる複数の相互連結したフレームを具えるモジュラ電解ユニットが開示される。
【発明の概要】
【０００２】
本書に開示されたモジュラ電解システムは、一形態において：メスの端板と、複数の膜フレームと、複数のパッシブ電極フレームと、オスの端板とを具える。
【０００３】
一実施例で前記メス端板は；メスの整列用インデントを中に有する第１の縦方向の面と；前記メス端板の第１の縦方向の面に固定されたメスの端板電極と；を具える。
【０００４】
各々の膜フレームは、一形態において：オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス生成室を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在し、前記第１のガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面と；前記電解液分配室から前記第１のガス生成室の下部領域まで、垂直下方に延びる電解液流路を画定する面と；を具える。第１のガス回収室の一部を画定する面は前記膜フレームを通って縦方向に延在しており、前記第１のガス回収室は、前記第１のガス生成室の上方の領域にあり、前記第１のガス回収室の上方の領域で前記第１のガス生成室と流体連通している。前記膜フレームの一形態はまた、前記膜フレームの第１の縦方向の面の反対側の縦方向の、第２の縦方向の面を画定する面を具える。前記第２の縦方向の面の一形態は、隣接するフレームまたは端板のオスの整列用突出部と係合するように意図された、メスの整列用デテントを画定する面を有する。第２のガス回収室の一部を画定する面は、前記膜フレームを通って縦方向に延在しており、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室の上方の領域を縦方向に通っており、前記第１のガス生成室と流体連通しておらず；前記膜フレームのオスの整列用デテントが、隣接する前記メスの端板のメスの整列用デテントの中に嵌るように、１の膜フレームが前記メスの端板に隣接して設けられている。
【０００５】
各電極フレームは、一形態において：オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面と；前記電極フレームを通って縦方向に延在する第２のガス生成室を画定する面と；前記電極フレームを通って縦方向に延在する前記電解液分配室の一部を画定する面と；前記電解液分配室から前記第２のガス生成室の下部領域まで延びている電解液流路を画定する面と；を具える。電極フレームはまた：前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室を画定する面を具え、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室の上方の領域にあり、当該第２のガス生成室と流体連通している。前記第１の縦方向の面の反対側の縦方向に、前記電極フレームの第２の縦方向の面を画定する面を設けて、メスの整列用デテントを画定する面を設けてもよい。前記電極フレームのオスの整列用デテントが、隣接する膜フレームの前記メスの整列用デテントの中に嵌るように、少なくとも１の電極フレームが膜フレームに隣接して設けられている。
【０００６】
前記オスの端板は、一形態において：オスの整列用デテントを具える第１の縦方向の面と；オスの端板電極と；を具え、前記オスの端板のオスの整列用デテントは、隣接する膜フレームのメスの整列用デテントの中に嵌り；前記膜フレームのメスの整列用デテントが、隣接するオスの端板のメスの整列用デテントの中で受けられるように、別の膜フレームが前記オスの端板に隣接して設けられている。
【０００７】
本書に記載され、開示されたモジュラ電解システムは、さらに、メスの端板、膜フレーム、電極フレーム、およびオスの端板のそれぞれを、各位置で収容し、保護し、保持するケーシングを具えてもよい。
【０００８】
本書に記載される前記モジュラ電解システムは、さらに：隣接する電極フレームまたは膜フレームのメスの整列用デテントの中に嵌る、オスの整列用デテントを有する第１の縦方向の面；を具えるマニホルドフレームを有してもよい。前記膜フレームを通って縦方向に延在し、前記ガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面もまた開示される。前記マニホルドフレームを通って縦方向に延在する前記第１のガス回収室の一部を画定する面と、前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記第２のガス回収室の一部を画定する面とを具える実施例もまた開示される。前記マニホルドフレームはまた、ガス生成室を画定する面を具えて、前記第１のガス回収室または前記第２のガス回収室のいずれかが、当該第１または第２のガス回収室の上方の領域で、前記ガス生成室と流体連通していてもよい。前記マニホルドフレームはまた：前記第１のガス回収室と流体連通している第１のガス排出口を画定する面と；同様に、前記第２のガス回収室と流体連通している第２のガス排出口を画定する面と；前記電解液分配室と流体連通している電解液の流体入口を画定する面と；を利用してもよい。前記マニホルドフレームはまた、隣接する膜フレームまたは電極フレームのオスの整列用デテントを中に受ける、メスの整列用デテントを有する第２の縦方向の面を具えてもよい。
【０００９】
開示したモジュラ電解システムの一形態はまた、第１の縦方向の面と；第１の端板電極と；を有する第１の端板を具える。本システムはまた複数の膜フレームを具え、各膜フレームが：第１の縦方向の面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス生成室を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する電解液分配室の一部を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する第１のガス回収室の一部を画定する面と；を具えることを特徴とする。一形態では、前記第１のガス回収室が、前記第１のガス生成室の上方の領域にあり、前記第１のガス回収室が前記第１のガス生成室と流体連通している。一実施例では、前記第１の端板が、また：第２の縦方向の面を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在している第２のガス回収室を画定する面と；を具え、前記第２のガス回収室は、前記第１のガス生成室を縦方向に通っており、前記第１のガス生成室と流体連通していないことを特徴とする。
【００１０】
一形態では、前記膜フレームの１つは、前記第１の端板に隣接して設けられている。
【００１１】
少なくとも１のパッシブ電極フレームは、また：前記膜フレームの１つに隣接する第１の縦方向の面と；前記パッシブ電極フレームを通って縦方向に延在する第２のガス生成室を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記電解液分配室の一部を画定する面と；前記電解液分配室から前記第１のガス生成室の下部領域まで垂直に延びている、電解液流路を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する第２のガス回収室を画定する面と；を具え、前記第２のガス回収室は、前記第２のガス生成室の上方の領域にあり、前記第２のガス生成室と流体連通していることを特徴とする。前記パッシブ電極フレームはまた、第２の縦方向を画定する面を具えてもよい。
【００１２】
本システムは、前記第１の端板と縦方向に対向する第２の端板を使用してもよい。当該第２の端板は：第１の縦方向の面と；第２の端板電極と；を具え、１の膜フレームが前記第２の端板に隣接して設けられていることを特徴とする。
【００１３】
上記のモジュラ電解システムは、さらにマニホルドフレームを具えてもよく、当該マニホルドフレームは：隣接する電極フレームまたは膜フレームに接している第１の縦方向の面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在し、前記ガス生成室と流体連通している電解液分配室の一部を画定する面と；を有してもよい。前記マニホルドフレームは、当該マニホルドフレームを通って縦方向に延在する前記第１のガス回収室の一部を画定する面と；前記膜フレームを通って縦方向に延在する前記第２のガス回収室の一部を画定する面と；ガス生成室を画定する面と；を利用して、前記第１のガス回収室または前記第２のガス回収室のいずれかが、当該第１または第２のガス回収室の上部の領域で、前記ガス生成室と流体連通していてもよい。生成されたガスと電解液との流入および流出のために、本システムは、前記第１のガス回収室と流体連通している第１のガス排出口を画定する面と；前記第２のガス回収室と流体連通している第２のガス排出口を画定する面と；前記電解液分配室と流体連通している電解液の流体入口を画定する面と；を具えてもよい。前記マニホルドフレームはまた、隣接する膜フレームまたは電極フレームと接している第２の縦方向の面を有してもよい。
【００１４】
開示した本モジュラ電解システムは、各ガス生成室の横幅が、各ガス生成室の垂直の高さよりも実質的に小さいように構成されてもよい。
【００１５】
開示した本モジュラ電解システムは、前記ガス生成室を横断して副室に分割する電解液流路を設けて、これらの副室は前記電解液流路の低端部と前記電解液流路の上端部との間で流体的に分離されてもよい。
【００１６】
本モジュラ電解システムは、各ガス生成室の横断方向の寸法が、各ガス生成室の垂直方向の寸法よりも実質的に小さいように構成されてもよい。１の具体的な範囲では、各ガス生成室の横断方向の寸法は、各ガス生成器の垂直方向の寸法よりも２０％短い。
【００１７】
生産性を増すために、本モジュラ電解システムは冷却水槽を組み込んで、前記第１の端板と、電極フレームと、膜フレームと、前記第２の端板とが、本システムの動作時に前記冷却水槽にほぼ浸されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、開示された装置の正面等角図である。
【図２】図２は、図１に示す装置の段階状等角断面図である。
【図３】図３は、図１に示す装置の等角断面図であり、図２とほぼ逆の角度から見たもので、異なる断面を示す。
【図４】図４は、図１の実施例の等角断面図であり、図３とは異なる断面を示す。
【図５】図５は、図１に示す装置の等角断面図であり、図４の断面と直交する別の断面を示す。
【図６】図６は、図１に示す装置の等角断面図であり、図５とは異なる垂直位置における断面を示す。
【図７】図７は、図１に示す装置の等角断面図であり、いくつかの構成要素が本装置の内部構造を示すために除去してある。
【図８】図８は、図１に示す装置の端板部材の（縦の）正面図である。
【図９】図９は、図８に示す装置の線９−９に沿った（横の）側部断面図である。
【図１０】図１０は、図９の領域１０の詳細図である。
【図１１】図１１は、図９の領域１１の詳細図である。
【図１２】図１２は、図１に示す装置の膜フレーム部材の等角図である。
【図１３】図１３は、図１２の装置の等角図であり、反対側の縦方向の面を概して示す。
【図１４】図１４は、図１２の領域１４の詳細図である。
【図１５】図１５は、図１２の領域１５の詳細図である。
【図１６】図１６は、図１２の領域１６の詳細図である。
【図１７】図１７は、図１３の領域１７の詳細図である。
【図１８】図１８は、図１３の領域１４の詳細図である。
【図１９】図１９は、図１２に示す膜フレーム部材の（縦の）正面図である。
【図２０】図２０は、図１９に示す構成要素の、線２０−２０に沿った（横の）側部断面図である。
【図２１】図２１は、図１９に示す構成要素の、線２１−２１に沿った（垂直の）上面断面図である。
【図２２】図２２は、図２１の領域２２の詳細図である。
【図２３】図２３は、図２０の領域２３の詳細図である。
【図２４】図２４は、図２０の領域２４の詳細図である。
【図２５】図２５は、図１９に示す膜フレーム部材を反対側の縦の側から見た（縦の）正面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示す膜フレーム部材の（横の）側面図である。
【図２７】図２７は、図２５に示す構成要素の、線２７−２７に沿った（横の）側部断面図である。
【図２８】図２８は、図２７の領域２８の詳細図である。
【図２９】図２９は、図２７の領域２９の詳細図である。
【図３０】図３０は、図１の装置の、電極フレーム部材の等角図である。
【図３１】図３１は、図３０の装置の等角図であり、反対側の縦の側の全体を示す。
【図３２】図３２は、図３０の領域３２の詳細図である。
【図３３】図３３は、図３０の領域３３の詳細図である。
【図３４】図３４は、図３０の領域３４の詳細図である。
【図３５】図３５は、図３１の領域３５の詳細図である。
【図３６】図３６は、図３１の領域３６の詳細図である。
【図３７】図３７は、図３０に示す電極フレーム部材の（縦の）正面図である。
【図３８】図３８は、図３０に示す電極フレーム部材の（横の）側面図である。
【図３９】図３９は、図３７の線３９−３９に沿った電極フレーム部材の（垂直の）上面断面図である。
【図４０】図４０は、図３９の領域４０の詳細図である。
【図４１】図４１は、図３９の領域４１の詳細図である。
【図４２】図４２は、図３０に示す電極フレーム部材の（縦の）正面図である。
【図４３】図４３は、図４２の構成要素の、線４３−４３に沿った（垂直の）上面断面図である。
【図４４】図４４は、図４３の領域４４の詳細図である。
【図４５】図４５は、マニホルドフレーム部材の（縦の）正面図である。
【図４６】図４６は、図４５の構成要素の、線４６−４６に沿った（垂直の）上面断面図である。
【図４７】図４７は、図４６の領域４７の詳細図である。
【図４８】図４８は、図４６の領域４８の詳細図である。
【図４９】図４９は、図４５に示す構成要素の等角背面図である。
【図５０】図５０は、図４５に示す構成要素の等角正面図である。
【図５１】図５１は、図４５に示す構成要素の（縦の）正面図である。
【図５２】図５２は、図５１に示す構成要素の、線５２−５２に沿った（垂直の）上面断面図である。
【図５３】図５３は、図５１に示す構成要素の、線５３−５３に沿った（垂直の）上面断面図である。
【図５４】図５４は、図５１に示す構成要素の（横の）側面図である。
【図５５】図５５は、図５５に示す構成要素の、線５５−５５に沿った（縦の）正面断面図である。
【図５６】図５６は、図５５に示す構成要素の一部の代替的な構成である。
【図５７】図５７は、他方の端板の（縦の）正面図である。
【図５８】図５８は、図５７に示す構成要素の、線５８−５８に沿った（横の）側部断面図である。
【図５９】図５９は、図５７の領域５９の詳細図である。
【図６０】図６０は、図５８の領域６０の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
電解液を解離したガスに変換するモジュラ電解システムが、本書に開示される。特に本システムは、水を水素ガスと酸素ガスに解離する装置を提供する。本システムは「水の電気分解」として一般に知られている過程において、電気エネルギーを利用する。
【００２０】
本システムは、概してモジュール式であるため、構成要素は、縦方向に異なる構成と異なるアプリケーションで「スタック」されてもよい。例えば、１のモジュールは１０のセルからなって、１０×６×１８ｃｍの寸法で１０８０ｃｍ３の容積を有し、総重量を（電解液が無いときで）約２ｋｇとすることができる。カスタムユニットは、任意の数のセルを含んでよい。ユニットは例えば、単一のセル、２０のセル、またはより多くのセルを具えてもよい。さらに、組み立てられたモジュールは、様々な直列および／または並列の構成で連結されてもよい。
【００２１】
一形態では、単一のセルは、１３Ａの電流を送るために、２０℃で３．１Ｖ近辺、６０℃で２．２Ｖで作動してもよい。このようなユニットは５℃から６０℃の温度範囲で作動することができる。定格電流は１３Ａでもよく、一実施例では最大電流は１５Ａでもよい。本モジュラシステムは、保護回路および／または保護システムを具えてもよく、例えばここで最大の作動電流または温度を超えると、過電流および／または過温度保護システムが起動する。
【００２２】
一実施例では、ニッケル（Ｎｉ）コーティングの電極を用いてもよく、これはいくつかの適用例で動作電圧を低減する。３．１Ｖ／２．２Ｖで動作する例では、Ｎｉコーティングの電極を用いると、動作電圧を同じ温度でそれぞれ２．７Ｖ／１．８Ｖまで低減することができる。また、Ｎｉコーティングの電極を使用することで、性能を低下させることなく本システムの物理的サイズを縮小することができると考えられる。
【００２３】
またいくつかの適用例では、本ユニットを均一の温度に維持し、本システムから熱を抜き取るために、本システムを冷却水槽の中に浸す（または部分的に浸す）ことが望ましいと開示されている。熱の抜き取りは、熱回収とエネルギー管理が本システムの設計の焦点となるいくつかの適用例において重要となりうる。
【００２４】
生成されたガス（水素と酸素）の容積流量は一般的に、セルの数と、各セルを通る電流との関数である。例えば、１０程度のモジュールから生成された水素の最大容量が、１Ｌ／分で試験され、毎分あたりの容積流量を推定するのに次の公式を用いることができ：Ｖは
（Ｌ／ｍｉｎ）＝６．９６×１０（３）×Ｉ×Ｎで表され、
Ｉは電流（Ａ）で、Ｎはモジュール内のセルの数である。
【００２５】
１０セルのモジュールは一構成において、２２％ｗｔ濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）０．５Ｌで動作することができる。モジュールの性能を最大にするために、ＫＯＨの濃度は、３２％まで上げることができる。電解液は、電気分解のための水を供給し、モジュールから熱を抜き取る。電解液の最小の容積流量は、動作環境によるが、０．２から０．５Ｌ／分の範囲であるべきである。
【００２６】
３４％ｗｔ濃度のＫＯＨ、および７０℃以上の温度で動作する、低いＬ／Ａセル構造比の設計のような他の設計も考えられる。電流試験の結果と類似の設計の計算とに基づいて、このようなユニットは、他の設計に比べて非常に大幅に性能を向上させることができる。いくつかの適用例では、膜の最大許容温度がこのような設計の主要な課題である。
【００２７】
詳細な説明を続ける前に、１つの軸システム１０が図１に示してあり、概して、垂直軸１２と、縦軸１４と、横軸１６とを具える。複数の図面で本装置が「側面上に横たわっている」（例えば図４）状態を示すが、これらの図面の方向では必要なスペースが省略してあり、これは開示を制限する意図ではない。例えば図１２を見ると、本装置の上部１８が垂直上方の位置にあるときに、本システム全体が意図するように動作して、他の方向では概して動作しないことがわかる。
【００２８】
また、英数字ラベリングシステムが使用されて、ここで汎用の構成要素は数字の識別子を有し、このような汎用の構成要素を有する特定の実施例は、数字の識別子に付属のアルファベットの接尾部を有する。例えば、電極ポスト２６は、図１で電極ポスト２６ａと２６ｂとして具体的に示されている。
【００２９】
図１に戻ると、モジュラ電解システム２０が、システム２０の内部から生じたガスを抜き出すための複数のガス排出口２２ａと２２ｂを、その外面に有していることがわかる。さらに、電解液入口２４が、起動／初期化時の電解液の挿入、および／またはシステムの動作時に消費される電解液の交換のために設けられている。さらに、複数の電極ターミナルポスト２６が外部電源との連結のために設けられ、電極スタッド２８に導電性を提供し、この電極スタッド２８はアセンブリの内部に伝えられ電極に電流を供給するが、これは後述される。図１では、複数の端板３０ａと３０ｂが明確に示され、より具体的に説明される。さらに、複数の膜フレーム５４と、複数の電極フレーム５６と、マニホルドフレーム３２とが図示されている。複数のマニホルドフレームが、組立モジュール（ユニット）に使用できることがわかる。
【００３０】
図２を見ると、一構成におけるモジュラ電解システム２０がまた、図１に示す構成要素全体を包囲して内包する外部ケーシング３４を具え、内部の構成要素を保護し、これらの構成要素を互いに所定の位置で保持する。この階段状の切り欠き図にはまた、端板３０ａと３０ｂが図示されている。特に留意すべきことに、本システム２０の頂部１８が、図１に示す方向とは異なる方向で図示されており、この角度から内部の構成要素をより容易に見ることができる。この図はまた、内部の端板のアクティブ電極３６ａと３６ｂがよく見える図を提供し、これらのアクティブ電極はこの構成において、それぞれ端板３０ａと３０ｂに設けられている。この構成で各アクティブ電極３６ａと３６ｂは、電極スタッド２８を通って電極ターミナルポスト２６ａと２６ｂに電気的に接続されている。
【００３１】
図２に示す実施例では、複数の膜３８とパッシブ電極４０が、本システム２０の下部領域４２に、電極３６ａと３６ｂとの間の縦方向に設けられており、類似する一連の膜とパッシブ電極は、同時継続中の米国特許出願１１／９４２３５６に開示されており、参照により本書に組み込まれる。パッシブ電極とイオン透過膜の一連の縦方向の構成は’３５６出願に開示されているが、本書で開示しクレーム化される特定のモジュラ構成は新規であり、具体的な検討に値する。
【００３２】
図２はまた流通路４４を示しこれは、図３により明確に示す電解液入口２４に垂直上方に延びる開放領域４６を具えている。この実施例では、電解液入口２４を本システムの横方向および／または縦方向の中心近くに設けることで、注入した流体をより容易に分配することができる。一構成では、マニホルドフレーム３２は、本システム２０の縦方向の中心に配置され、電解液の流れは、それぞれのガス生成セルの間により容易により均等に分配される。
【００３３】
図４を見ると、横方向の位置からの本システム２０の別の断面図であり、マニホルドフレームの下部が開放領域４８を具え、これが各セルのガス生成室の間に、イオンと電気伝導を提供する。さらに、膜３８とパッシブ電極４０をより容易に見ることができる。
【００３４】
特に、一の構成が、一連の電極４０と、それぞれの隣の電極４０の間に示された膜３８とを、どのように利用しているかがわかる。
【００３５】
図４はまた、ケーシング３４内の一構成を示し、すべてのフレームと端板が、溝形の構成で適所に確実に支持されている。例えば、端板３０ｂは、隣接する構成要素のオスの整列用デテント５２を受けるメスの整列用インデント５０を具えてもよい。デテント５２とインデント５０は圧入として機能してもよいし、接着剤で相互連結されてもよいし、溶接のように熱連結されてもよく、またはプラスチックやＰＶＣパイプの連結の分野でより一般に知られている熱電フィッティングを用いてもよい。代替的に、インデント５０とデテント５２は、スナップ嵌め連結を用いてもよい。各フレーム部材のオスの整列用デテント５２とメスの整列用インデント５０はほぼ同一であるため、装置全体のモジュール性が容易に理解できる。例えば、端板３０ａと３０ｂとの間には、いかなる数の膜フレーム５４と電極フレーム５６を直列に設けることができる。
【００３６】
追加的に、マニホルドフレーム３２は、隣接する電極フレーム５６や隣接するマニホルドフレーム５４のような、複数のフレームとの間の取付のために、メスの整列用インデント５０を１の縦方向の面に具え、オスの整列用デテント５２を反対側の縦方向の面に具えてもよい。
【００３７】
図１２を見ると、膜フレーム５４が示されており、ここでオスの整列用デテント５２は、隣接するフレームや端板と係合してこれらと液密なシールを形成するように膜フレーム５４の周囲に延在している。図１３には同じ膜フレーム５４が示されており、縦方向の反対側のメスの整列用インデント５０が明確に示され、ここでも隣接するフレームや端板と液密なシールを形成する。同様の構造を、図３０および３１の電極フレームと、同様に図４２および４３のマニホルドフレーム３２に見ることができる。
【００３８】
図５を見ると、先に示す図４とほぼ直交する断面図において、これらの同じ構成要素の多くが示されている。例えば、ケーシング３４と、端板３０ａおよび３０ｂと、同様にマニホルドフレーム３２とを見ることができる。この図から、オスの端板３０ａが、隣接する膜フレーム５４のメスのインデント５０と係合するオスの整列用デテント５２をどのように具えているかがわかる。 第１のガス回収導管５８ａと、第２のガス回収導管５８ｂもまた、図５に示されている。より具体的に後述するように、膜フレーム５４と、電極フレーム５６と、同様に端板３０と、マニホルドフレーム３２とのそれぞれが、ガス生成室６０の上下左右の側壁を形成する。膜３８と電極とのそれぞれは、この電極がアクティブ電極３６でもパッシブ電極４０でも、同じガス生成室６０の縦方向の側壁を形成する。各ガス生成室６０は、本システム２０から発生したガスを除去するための第１のガス回収導管５８ａまたは第２のガス回収導管５８ｂの一方と最上部で流体連通している。
【００３９】
図６を見ると、マニホルドフレーム３２の一方の縦方向の面に膜３８と、反対側の縦方向の面に電極４０とをどのように具えてよいかがわかる。この手法で、膜と電極との交互の配列を維持することができ、膜フレームは追加的な電解セルの半分として使用することができる。
【００４０】
使用時に、アクティブ電極３６ｂは電極ターミナルポスト２６ｂに電気的に接続され、アクティブ電極３６ａは電極ターミナルポスト２６ａに電気的に接続される。装置を通る電流の方向によって、ガスは電極３６と４０のいずれかの側で生成され、これは例えば水の電気分解時の電流の方向により、アクティブ電極３６の対向する側面との間の各側面において、水素ガスは各電極の第１の縦方向の面で生成され、酸素ガスは各電極の反対側の縦方向の面で生成される。それぞれのガスは、本書でより具体的に開示されるように、装置の一部を使用して回収される。
【００４１】
図７を見ると、電解液入口２４が、概して流通路４４の垂直線上にあることがわかる。同様に、ガス排出口２２ａおよび２２ｂは、それぞれガス回収室６２ａおよび６２ｂの垂直線上にあることがわかる。これらのガス回収室のさらなる動作が、より具体的に規定される。さらに、マニホルドフレーム３２の整列用インデント５０を容易に見ることができる。
【００４２】
図８−１１は、整列用インデント５０を有する端板３０ｂの一構成を示す。図示した上述のように、この構成の整列用デテント５０は、端板の内側面の周囲の上下左右全体の周りに設けられている。図９は、図８の線９−９に沿った、同じ構成要素の側部断面図である。この構成はまた、ボイド６４を画定する面も示しており、このボイドを通って先に図１で示した電極スタッド２８が突出する。さらに、デテント７６が、端板の電極３６ｂの挿入と交換のために、第１の縦方向の面６６に設けられてもよい。さらに、インデント６８とこれを画定する面が、膜フレーム５４の縦方向の面から流通路４４の周りに突出しているデテント７０を受けるために設けられてもよい。一形態では、インデント６８が、流通経路４４用のシールされたエンドキャップの一種を形成する。インデント７２ａと７２ｂを画定する面は、それぞれデテント７４ａと７４ｂを受けるために同様の方法で設けられてもよい。デテント７２ａと７２ｂはそれぞれ、先に図５に関連して示したように、ガス回収導管５８ａと５８ｂの一部を形成する。フレームと端板を、流通路４４とガス回収室７４として利用することで、装置全体が真にモジュール式となり、所望のサイズ、形状、または必要とされる出力特性に適合するように拡張することができる。
【００４３】
図１２−１８は膜フレーム５４を示し、これは第１の縦方向の面７８に、図８−１１の端板３０ｂに具体的に示されたものと同様のいくつかの構成要素を具え、凹部７２と７２ｂがそれぞれガス回収導管５８ａと５８ｂに開放されている。さらに、整列用インデント５０がまた、第１の縦方向の面７８に設けられている。デテント７６と同じように機能する膜の凹部８０もまた開示されている。膜の凹部８０は、これらの図に示されていない隣接する膜３８の適切な位置決めとシーリングのために、膜フレーム５４の凹部を提供する。膜３８は、接着剤、溶接のような熱連結、圧入、または他の取付法によって、膜フレーム５４に取り付けられシールされてもよい。ガスケットがまた、例えば膜のシーリングを高めるために使用されてもよい。リブまたは突出部８２がまた、膜の適切な位置決めの促進と調整のために設けられてもよい。リブ８２はまた、ガス生成室８５と対応するガス回収導管５８ｂとの間の、ガスの良好な通過のために間隙８４を設けてもよい。この生成されたガスが、対応するガス回収導管５８ｂへ入る方法は、隣接する電極フレームと、端板と、またはマニホルドフレームとの構成が下記で説明されると、より明確に理解することができるであろう。膜フレーム５４の第１の縦方向の面７８はまた、図１７を見てより明確に理解できるように、流通路４４に至るインデント６８を具えてもよい。
【００４４】
図１２は、第２の縦方向の面８６からの膜フレーム５４を示す。一の構成における第２の縦方向の面は、上述のように機能する整列用デテント５２を具える。さらに、第２の縦方向の面５６はデテント７４ａと７４ｂとを具えて、これらが上述のように電極フレーム、マニホルドフレーム、または端板の隣接するインデントと係合してもよい。図１２に示す膜フレーム５４は、第２の縦方向の面８６で第１のガス導管５８ａに開放されており、デテント７４ａが、生成されたガスの通過用の間隙８８をどのように具えるかがわかる。図２５を見ると、この図は装置の側面を示していることがわかり、作動時に頂部１８は垂直上方の位置にあり、間隙８８が、導管５８ａの垂直上方の領域９０にいかに設けられているかがわかる。概して、デテント７４ａとフレーム５４の隣接部９０とは、生成されたガスからの泡、気泡、および他の非ガス成分の除去を促進する。特に、膜３８は概してリブ８２に対して垂直方向にのみ延びて、リブ８２は概して上方の縁部または側面９２に隣接して、ガス生成室８５の垂直の上限を形成し、上方の領域９４は垂直に膜の上縁の上方に設けられ、間隙８８の下方でこれらの間の泡の除去を促進する。さらに、デテント７４ａの一部とフレームの一部９０とは、垂直上方に移動する流体や泡がこれらの面に接して偏向され、導管５８ａへ直接アクセスするラインを持たないように、垂直のバリアを提供する。動作時において、流体環境で活発ににガスが発生して、概して純粋な電解液と純粋な生成ガスとの間の明確な境界が存在しないため、すべての泡の除去は時に非常に困難である。しかしながら、垂直方向よりも横方向が実質的に小さいガス生成室８５を使用することと、中に流体要素のない上方領域９４を設けることにより、泡の大部分は流体の状態に戻り、膜に隣接するガス生成室８５内の電解液の中に「落ちて」戻り、ここで次いで電解される。膜の多くはイオンと電流を通過させ、流体やガスを通過させないように「ぬれて」いることを要するため、これは特に有益である。
【００４５】
図１２はまた、隣接する電極フレーム、マニホルドフレーム、または端板に対する第２の縦方向の面の位置決めを支援する複数のオフセットポスト９６を示す。
【００４６】
再び図１３を見ると、ガス生成室８５が、垂直方向に延在する支持体９８によって、いかに横方向のセルに分割されているかがわかる。この支持体９８は、生成室８５を横方向の副室に分割し、さらにガスからの泡の分離を向上させ、また図１２に示すように電解液の流路１００が一方の面に設けてあり、この詳細図１５を見ると、流通路４４を囲むデテント７０と隣接する突出部１０２とが、いかに突出部１０６と整列している間隙１０４を具えているかがわかる。突出部１０６は支持体９８の他の面と組み合わせて、電解液流路１００のいくつかの面を形成する。これはアンダーカットのない単純な鋳型から容易に鋳造されるため、これにより本装置は比較的容易に製造することが可能となる。電解液流路１００の開放側は概して、隣接する電極フレーム、端板、またはマニホルドフレームの電極の面と密封接触しているときに閉じられている。ここでも、接着剤、ガスケット、または他の連結方法が、突出部１０６の面１０８を隣接する電極の面にシールするのに用いられてもよい。
【００４７】
電解液流路１００には、電解液の添加または交換のための導管が、流通路４４からガス生成室８５の最下部１１０まで設けられている。この全体のアセンブリは、図２５と、図２７に示す具体的な切断図と、特に切断の詳細図２９とを見ることでより容易に理解できる。図２５に戻ると、電解液流路１００の最下縁部１１２で、複数の間隙１１４が横方向に設けられて、これにより電解液が、電解液流路１００からガス生成室８５の中へ、横方向に外向きに流れることが可能となることがわかる。いくつかの適用例では電解液流路１００を適切な大きさにしてシールするのが困難であるため、中にチューブを設けて、流通路４４と流体連通してシールしてもよい。
【００４８】
図３−４４に示す電極フレーム５６を見ると、多くは膜フレーム５４に関して上述したものと同じ構成要素であることがわかる。とくに、突出部９６が、先に詳細に示したデテント５２と整列用デテント５０を指すアウトラインと同様に設けられている。さらに、流通路４４もまた、デテント１１６と同様に示されており、このデテントは図１５のデテント７０と同じように機能する。一つの重要な違いは、デテント１１６のほんの小さな切り欠き１１８が電解液流路１００の一部を形成しており、後述するように、これは概して第２の縦方向の面１２０ではなく、第１の縦方向の面１２２に設けてある。また、第１のガス導管５８ａは、電極フレーム５６の第２の縦方向の面１２０に対しては開放されていないが、第２のガス回収室５８ｂはここに対して、デテント７４ｂとこれに隣接する間隙に関して詳細に説明したものと同じ方法で開放されていることがわかる。ガス生成室１２４は隣接するガス生成室８５と、一方の側でパッシブ電極により、もう一方の側でイオン透過膜により分離されているため、交互のガス生成室がいかに対向するガス回収室５８ａ／５８ｂに対して開放され、交互のガス生成室のそれぞれが別のガスを生成することがわかり、これは制御されていない環境でこれらのガスを再結合させるのは危険であり、いくつかの適用例においては概して有利ではないからである。特に図３１を見ると、流路１２８が、流通路４４からガス生成室１２４の下部領域１２６へと垂直下方に延びていることがわかり、これは上述と同じやり方である。しかしながら、デテント１１６を反対の側面に設ける代わりに、第１の縦方向の面１２２にインデント６８が設けてあるため、流路１２８は、図１５に示した複数の突出部１０６ではなく、むしろ支持体１３０内の屋根となる。効果は同じではあるが、これは実際の生産の特性の問題というよりは、語義や記述の問題である。
【００４９】
図４２を見ると、ここでも、ガス生成室１２４の下部領域１２６で、流路１２８が間隙１３２を介して横方向に開放されており、これにより電解液を、均等かつ一定にガス生成室１２４の下部領域１２６に分配することが可能となることがわかる。
【００５０】
先に説明したように、一連の膜フレーム５４と電極フレーム５６とは、端板とそれぞれの端部で直列に連結されて、これらの間に膜やパッシブ電極が配置されて、電解セルまたはユニットを形成してもよい。両端で、隣接する端板と、アクティブまたは電力が供給されている電極とが、典型例では配置されている。
【００５１】
先に述べた用に、マニホルドフレーム３２が、図１、６、７およびその他で簡潔に示してあるように実装されてもよい。２つの異なる構成の、１つの特定のマニホルドフレームのより具体的な図面が、図４５−５５に示されている。電極フレーム５６、または膜フレーム５４のいずれかに関して先に述べたものと同じ構成要素の多くがあることがわかる。特に、突出部９６があって、整列用デテント５２と整列用インデント５０と同様の、上述と同じ機能を有していることがわかる。また、ガス回収室５８ｂは、ガス生成室１３４に対して開放されている。先述のフレームと同じように、面１３６が、ガス回収室５８ｂ内において一般的に望ましくない泡や、気泡や、他の成分の大部分を偏向するように設けられてもよい。
【００５２】
隣接する電極フレーム５６または膜フレーム５４の取付を可能とするために、複数の凹部７２ａおよび７２ｂと、同様にインデント６８とが、先に述べたように設けられてもよい。図５４は、マニホルドフレーム３２の一構成の側面図を示す。図５５は、図５４に示す構成の切断図である。図５５は側面から出入口の構成を示し、ガス回収室７４ａおよび７４ｂが、開放しているガス排出口２２’ａおよび２２’ｂと横方向に連結しており、これらのガス排出口は、図１および７で先に示して説明した、垂直に開放されたガス排出口２２ａおよび２２ｂと同じように機能する。図５６は、例えば図１で先に示して説明した、端部または頂部の出入口の構成を示す。
【００５３】
図５７−６０は、上述の端板３０ｂに対して、電解ユニットの反対側の縦方向の面を形成する端板３０ａを示す。とくに、この端板３０ａにはボイド６４を画定する面も設けられ、このボイドを通って、概して凹部７６内に受けられる電極スタッドが端板フレーム３０ａの内面の電極内に接触するようにフィットする。整列用デテント５２が設けられ、端板フレーム３０ａを隣接する電極フレーム、膜フレーム、またはありうるマニホルドフレームに対して配置させ係合する。内面１３８は概して、デテント７４と１１６のようなデテントではなく、むしろ凹部を有するフレームに係合するため、インデント７２ａ、７２ｂおよび６８はこのフレームでは省かれてもよい。
【００５４】
本発明がいくつかの実施例の説明により例示されて、例示的な実施例が具体的に説明されているが、添付された特許請求の範囲をこのような具体例に制限し、またはどのように限定することも、出願人の意図ではない。添付された特許請求の範囲内にある付加的な利点と変更例が、当業者に容易に明らかとなるであろう。本発明は、より広い態様を具え、したがって、特定の具体例、それぞれの装置と方法、図示され説明された例示的な実施例に限定されない。したがって、出願人の一般的なコンセプトの意図と範囲から逸脱することなく、発展例がこのような具体例から作られうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２−１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【国際調査報告】
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