DE69706320T2

DE69706320T2 - Elektrochmischezellen-stapel mit mittelpfosten

Info

Publication number: DE69706320T2
Application number: DE69706320T
Authority: DE
Inventors: Clark Dean; L. Faye
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: DE69706320D1; JP2001500189A; EP0948669A1; EP0948669B1; US5716503A; WO1998004762A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellstapel zum Elektrolysieren von Substanzen, und insbesondere bezieht sie sich auf elektrochemische Hochdruckzellstapel zum Herstellen von Sauerstoffgas aus Wasser für Verwendung in Luft- und Weltraumfahrzeugen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrochemische Zellstapel werden gebräuchlicherweise zum Herstellen von Produktgasen aus einer Zufuhr wie Wasser verwendet, und können auch in "Brennstoffzell" Konfigurationen unter Herstellen von elektrischer Energie aus gasförmigen Lieferbrennstoffen verwendet werden. Derartige elektrochemischen Zellstapel umfassen typischerweise eine Vielheit von scheibengeformten elektrochemischen Zellen, angeordnet in vertikalen Stapeln und von einem Rahmen umgeben, der Druck, erzeugt durch die Zellen während Betrieb, enthält.
Eine gebräuchliche Verwendung eines elektrochemischen Zellstapels besteht darin, Sauerstoff- und Wasserstoffgas aus Wasser herzustellen. Das Sauerstoffgas kann zum Atmen verwendet werden, beispielsweise in einem Unterseeboot oder Raumschiff, während der Wasserstoff als ein Treibstoff in einer Maschine verwendet werden kann. Lagerwirksamkeiten von Gasen, erzeugt durch elektrochemische Zellstapel, erhöhen sich mit erhöhten Innenbetriebsdrucken. Wenn Innenbetriebsdrucke sich erhöhen, müssen jedoch Struktureigenschaften des Stapels und von individuellen elektrochemischen Zellen wesentliche Druckdifferentiale ohne Schaden enthalten. In einer traditionellen Arbeitsumgebung von elektrochemischen Zellstapeln wie einem Unterseeboot sind Innendruckdifferentiale durch große, schwere Rahmenkomponenten enthalten worden, typischerweise dicke Metallendplatten an entgegengesetzten Enden eines Zellstapels einschließend, und eine Vielheit von großen Bolzen passiert zwischen den Endplatten und umgibt den Zellstapel. Die Bolzen werden eingestellt, eine Druckvorlast auf den Stapel anzuwenden, wodurch Dichtungen und Verschlüsse zwischen und innerhalb individueller Zellen komprimiert werden.
Ein besonderes Verlangen für Verwendung von elektrochemischen Zellstapeln ist beim Herstellen von Sauerstoffgas an Bord von modernem herkömmlichen Luftfahrzeug entstanden. Beispielsweise gehen im Fall eines Notfalls, wie beispielsweise eines unerwartet auf Außendruck bringens bei einer hohen Höhe, Sauerstoffmasken automatisch nieder, Passagiere mit Sauerstoff zu versorgen. Der Sauerstoff wird typischerweise an Bord des Luftfahrzeugs in Metallflaschen gelagert, und die Flachen werden routinemäßig gekappt, während das Luftfahrzeug unterhalten wird. Ein elektrochemischer Zellstapel an Bord des Luftfahrzeugs kann verwendet werden, die Flaschen zu entkappen, wodurch die Zeit und Kostenausgaben des Wartens auf dem Boden erspart werden, und ein derartiger Zellstapel kann Sauerstoff für andere, verschiedene Umstände liefern. Wirksame Erzeugung von Sauerstoffgas in einer derartigen Arbeitsumgebung erfordert, daß der elektrochemische Stapel mit einem Innendruckdifferential in dem Stapel und in individuellen Zellen des Stapels von annähernd 140,91 kg/cm² (2000 Pfund pro Quadratzoll) (hier im nachfolgenden "p.s.i.") betrieben wird. Bekannte elektrochemische Zellstapel mit einer derartigen Betriebskapazität erfordern jedoch große, schwere Rahmenkomponenten, und sind Gegenstand von hohen Risiken von Lecksein von Gasen.
Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung die Größen-, Gewicht- und Leckrisiko-Probleme von elektrochemischen Zellstapeln des Standes der Technik zu überwinden.
Es ist eine spezifischere Aufgabe, einen elekrochemischen Zellstapel zur Verfügung zu stellen, fähig zum Betreiben mit Innendrucken von annähernd 140,91 kg/cm² (2000 p.s.i.) ohne große, schwere Rahmenkomponenten.
Es ist eine andere spezifische Aufgabe, einen elektrochemischen Zellstapel mit erhöhten Abdichtungseigenschaften unter Innenbetriebsdrucken von annähernd 2000 p.s.i. zu liefern.
Die zuvor genannten und andere Vorteile dieser Erfindung werden leichter offenkundig, wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gelesen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten ist zum Erzeugen eines Produktgases, wie Sauerstoffgas, aus einer Zufuhrflüssigkeit wie Wasser offenbart. In einer besonderen Ausführungsform umfaßt die Erfindung einen Rahmen mit einer Grundplatte und eine an die Grundplatte befestigte Wand, so daß die Wand und Grundplatte eine Zellkammer zum Beherbergen von mindestens einer elektrochemischen Zelle definieren; und eine T-Abdeckung mit einer Deckplatte und einem Mittelposten, befestigt an und von der Deckplatte wegragend, wobei die Deckplatte dimensioniert ist, einstellbar an die Wand des Rahmens gesichert zu sein, die Zellkammer zu schließen, und der Mittelpfosten ist dimensioniert, durch eine zentrale Durchbohrung in einer elektrochemischen Zelle in der Kammer zu gehen und einstellbar an die Grundplatte des Rahmens gesichert zu sein, so daß die T-Abdeckung und Rahmen kooperieren, Druck, erzeugt durch Betrieb der elektrochemischen Zelle, zu enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten kooperiert eine äußere Oberfläche des Mittelpfostens der T-Abdeckung mit einer durch eine zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehenen elektrochemischen Zelle, einen Hochdruckverteiler zum Herauslassen des Produktgases aus der Zelle zu definieren, und eine Innenoberfläche der Rahmenwand kooperiert mit der mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zelle unter Definieren eines Niedrigdruckverteilers für Übertragung der Zufuhrflüssigkeit in und aus der Zelle.
Die durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle schließt ein: einen gerillten Hochdruckabstandshalter in Flüssigkeitsverbindung mit dem Hochdruckverteiler und einen gerillten Niedrigdruckabstandshalter in Flüssigkeitsverbindung mit dem Niedrigdruckverteiler, so daß die Zufuhrflüssigkeit sich durch den gerillten Niedrigdruckabstandshalter in Kontakt mit Elektrolysekomponenten der Zelle bewegt, wo sie elektrolysiert wird, und das sich ergebende Produktgas, wie beispielsweise Sauerstoff, geht aus der Zelle durch den gerillten Hochdruckabstandshalter und Hochdruckverteiler; eine zentrale O-Ring Abdichtung und einen zentralen Halterring, die den Hochdruckverteiler umgeben, so daß Hochdruckgas in dem Verteiler nicht durch die zentrale O-Ring Abdichtung in eine Niedrigdruckseite der Zelle gehen kann, und Deformation der zentralen O-Ring Abdichtung unter Hochdruck von dem Gas wird durch den zentralen Halterring zurückgehalten; und eine äußere O-Ring Abdichtung und äußeren Halterring, die die Zelle benachbart zu dem Niedrigdruckverteiler umgeben, so daß Deformation der äußeren O-Ring Abdichtung unter Hochdruck von dem Gas durch den äußeren Halterring zurückgehalten wird, und das Hochdruckgas in einer Hochdruckseite der Zelle kann nicht durch die äußere O-Ring Abdichtung in den Niederdruckverteiler gehen. Trägeroberflächen der gerillten Abstandshalter und Halterringe kooperieren unter Verhindern von Deformation von Zellkomponenten unter Hochbetriebsdrucken.
Bei Verwendung des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten sind die Deckplatte und Mittelpfosten der T- Abdeckung einstellbar an den Rahmen gesichert, beispielsweise durch Gewindeschraubenmechanismen, so daß axiale Bewegung der T-Abdeckung zu einer Betriebsposition in dem Rahmen dazu dient, die zentralen und äußeren O-Ringe jeder mit durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zelle zu komprimieren und Elektrodenfedern in den Hochdruckseiten der Zellen vorzuspannen, so daß benachbarte Zellen sich in elektrischem Kontakt miteinander bewegen. Der Mittelpfosten, Deckplatte, Grundplatte und Wände dienen dadurch dazu, wirksam Druck in der Zellkammer zu enthalten, während die zentralen und äußeren O- Ring Abdichtungen Bewegung des Hochdruckgases in Niedrigdruckseiten der Zellen verhindern, und die zentralen und äußeren Halterringe halten Deformation der O-Ring Abdichtungen zurück.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Deckplanansicht eines elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten, konstruiert in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung, eine Deckplatte einer T- Abdeckung, angeordnet über einem Rahmen des Stapels, zu zeigen.
Fig. 2 ist eine Abschnittsansicht des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten der Fig. 1, genommen entlang Sichtlinie 2-2, gesehen in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Fragmentabschnittsansicht des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten der Fig. 1, die Zellkomponenten und Niedrig- und Hochdruckverteiler zeigt.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten der Fig. 1, genommen entlang Sichtlinie 4-4, gesehen in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines gerillten Hochdruckabstandshalters des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten der Fig. 1.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines gerillten Niedrigdruckabstandshalters des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten der Fig. 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail ist ein elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten der gegenwärtigen Erfindung gezeigt und allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Wie am besten in Fig. 1-3 gesehen, umfaßt der elektrochemische Zellstapel mit Mittelpfosten 10: einen Rahmen 12 mit einer Grundplatte 14 und einer Wand 16, so an die Grundplatte 14 befestigt, daß die Wand 16 und Grundplatte 14 eine Zellkammer 18 zum Beherbergen von mindestens einer elektrochemischen Zelle 20 definieren (am besten in Fig. 3 gesehen); und eine T-Abdeckung 22 mit einer Deckplatte 24 und einem Mittelpfosten 26, befestigt an und sich von der Deckplatte 24 weg erstreckend zu der Grundplatte 14, wobei die Deckplatte 24 dimensioniert ist, einstellbar an die Wand 16 des Rahmens gesichert zu sein, die Zellkammer 18 zu schließen, und der Mittelpfosten 26 ist dimensioniert, durch eine zentrale Durchbohrung 28 (am besten in Fig. 4 gesehen) in die elektrochemische Zelle 20 zu gehen und einstellbar an die Grundplatte 14 des Rahmens 12 gesichert zu sein, so daß die T- Abdeckung 22 und Rahmen 12 kooperieren, Druck zu enthalten, der durch Betrieb der elektrochemischen Zellen in der Zellkammer 18 erzeugt wird. Wie in Fig. 3 gesehen, kooperiert eine äußere Oberfläche 30 des Mittelpfostens 26 mit einem isolierenden Hochdruckdruckabstandshalter 32, benachbart zu der zentralen Durchbohrung der Zelle 20 unter Definieren eines Hochdruckverteilers 34, zum Entlassen eines Produktgases wie Sauerstoff aus der Zellkammer 18, und eine Innenoberfläche 36 der Wand 16 des Rahmens 12 kooperiert mit einem isolierenden Niedrigdruckabstandshalter 38, benachbart zu einer peripheren Ecke der Zelle 20, unter Definieren eines Niedrigdruckverteilers 40 für Übertragung einer Zufuhrflüssigkeit wie Wasser durch die Zelle 20.
Eine bevorzugte Ausführungsform des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten 10 umfaßt ein durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehenes Zellmittel zum Entlassen von Produktgasen aus dem Zellmittel durch eine zentrale Durchbohrung der Zelle, wie die durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle 20, gezeigt in Fig. 3 und 4. Bei einer derartigen Ausführungsform umfaßt eine durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle 20 einen gerillten Niedrigdruckabstandshalter 42, der einen Satz von Niedrigdruckeinlaßkanälen 44A, 44B, 44C, etc. definiert, und einen Satz von Niedrigdruckauslaßkanälen 46A, 46B, 46C, etc. (gezeigt in Fig. 4). Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der gerillte Niedrigdruckabstandshalter 42 benachbart zu dem Niedrigdruckverteiler 40 angeordnet, so daß der Satz von Niedrigdruckeinlaßkanälen 44A, 44B, 44C über einem Zufuhrflüssigkeitseinlaß 48 ist, definiert in der Grundplatte 14, und der Satz von Niedrigdruckauslaßkanälen 46A, 46B, 46C ist über einem Zufuhrflüssigkeitsauslaß 50 (gezeigt in Phantomlinien in Fig. 1 und 4). Durch jene Anordnung kann die Zufuhrflüssigkeit durch den Zufuhrflüssigkeitseinlaß 48, durch den Niedrigdruckverteiler 40 und Niedrigdruckeinlaßkanäle 44A, 44B, 44C und in andere Zell 20 Komponenten (hier im nachfolgenden zu beschreiben) fließen, und dann durch die Niedrigdruckauslaßkanäle 46A, 46B, 46C, Niedridruckvetteiler 40 und Zufuhrflüssigkeitsauslaß 50 aus dem elektrochemischen Zellstapel mit Mittelpfosten 10. Der gerillte Niedrigdruckabstandshalter 42 definiert auch ein Barrierenmittel zum Verhindern, daß Zufuhrflüssigkeit direkt aus einem Niedrigdruckeinlaßkanal in einen benachbarten Niedrigdruckauslaßkanal fließt, so daß die Zufuhrflüssigkeit stattdessen über Zellkomponenten vor Fließen fließen muß, wie beispielsweise eine erste Barriere 52 und eine zweite Barriere 54 (die ersten und zweiten Barrieren 52, 54 sind nur in Fig. 4 gesehen), die Abschnitte des Abstandshalters 42 mit keinen Einlaß- oder Auslaßkanälen sind.
Nachdem die Zufuhrflüssigkeit durch die Niedrigdruckeinlaßkanäle 44A, 44B, 44C, etc. geht, fließt sie in einen Bereich der Zelle 20, die Elektrolysekomponentenmittel zum Elektrolysieren einer Zufuhrflüssigkeit in ein Produktgas enthält, das in der Technik von elektrochemischen Zellen gut bekannt ist, die feste Polymerelektrolytmembranen verwenden, wie beispielsweise Komponenten einer Hochdruckelektrolysezelle, offenbart in U.S. Patent Nr. 5 466 354 von Leonida et al. und dem Bevollmächtigten der gegenwärtigen Erfindung gehörend. Das Elektrolysekomponentenmittel besteht aus Elektrolysekomponenten wie: einer Siebpackung 56 von ausgedehnten Metallplatten, benachbart zu den Niedrigdruckeinlaß- 44A, 44B, 44C und -Auslaß- 46A, 46B, 46C Kanälen; einer porösen Platte 58 über der Siebpackung; einer festen Polymerelektrolytmembran 60, benachbart zu der porösen Platte 58, und einer Elektrode 62, benachbart zu der Membran 60; einem Sicherheitssieb 64, benachbart zu der Elektrode 62 und einer Vorlastelektrodenfeder 65 auf dem Sicherheitssieb 64. Porengrößen von Poren (nicht gezeigt) in der porösen Platte sind ausgewählt zum Verhindern von Extrusion der Membran 60 durch die Poren bei dem ausgewählten Betriebsdruckdifferential. Abstand und Orientierung der ausgedehnten Metallsiebpackung 56 ist ausgewählt, Fluß der Zufuhrflüssigkeit während Unterstützen einer durch das ausgewählte Betriebsdruckdifferential erzeugten Drucklast zu ermöglichen. In einer in der Technik gut bekannten Art wird eine Zufuhrflüssigkeit wie Wasser durch die Elektrolysekomponenten elektrolysiert, so daß ein Produktgas wie Sauerstoff durch die feste Polymerelektrolytmembran 60 gezogen wird, und Wasserstoffgas in der Zufuhrflüssigkeit verbleibt in einer gasförmigen Phase. Die Zufuhrflüssigkeit verbleibt in einer Niedrigdruckseite der Zelle 20, die die Niedrigdruckeinlaß- 44A, 44B, 44C und -Auslaß- 46A, 46B, 46C Kanäle, die Siebpackung 56 und die poröse Platte 58 einschließt. Nachdem der Sauerstoff aus der Niedrigdruckseite der Zelle 20 herausgezogen ist, geht die Zufuhrflüssigkeit mit eingefangenem Wasserstoffgas durch die Niedrigdruckauslaßkanäle 46A, 46B, 46C, etc. und aus der Zelle 20 durch den Zufuhrflüssigkeitsauslaß 50.
Das Produktgas geht durch die Elektrode 62 und Sicherheitssieb 64 in eine Hochdruckseite der Zelle 20, die eine poröse Plattendeckoberfläche 59, die feste Polymerelektrolytmembran 60, die Elektrode 62, Sicherheitssieb 64 und die Vorlastelektrodenfeder 65 einschließt. Das Produktgas bewegt sich dann in Hochdruckauslaßkanäle 66A, 66B, 66C, 66D eines gerillten Hochdruckabstandshalters 68, wie am besten in Fig. 4 und 6 gesehen. Der gerillte Hochdruckabstandshalter 68 ist auch in der Hochdruckseite der Zelle 20 und ist zwischen der Elektrode 62, Sicherheitssieb 64 und dem isolierenden Hochdruckabstandshalter 32, der den Hochdruckverteiler 34 einschließt, positioniert. Das Produktgas kann dadurch durch die Hochdruckauslaßkanäle 66A, 66B, 66C, 66D fließen und in und auf den Hochdruckverteiler 34, benachbart zu dem Mittelpfosten 26, zu einem Entleerungshohlraum 70 in Flüssigkeitsverbindung mit einem Produktgasauslaß 72, der das Produktgas aus dem elektrochemischen Zellstapel mit Mittelpfosten 10 führt.
Die durch zentrale Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle 20 umfaßt auch ein Halterringverschlußmittel zum zur Verfügungstellen von Abdichtung zwischen den Hoch- und Niedrigdruckseiten der Zelle 20. Das Halterringverschlußmittel umfaßt: eine zentrale O-Ring Abdichtung 74 und einen zentralen Halterring 76, die kooperativ den Hochdruckverteiler 34 umgeben; und eine äußere O-Ring Abdichtung 78 und äußeren Halterring 80, die kooperativ den Niedrigdruckverteiler 40 umgeben. Die zentrale O-Ring Abdichtung 74 kann ein Standard flexibler "O-Ring" Typ von Abdichtung sein und ist angeordnet, den Mittelpfosten 26 und dessen benachbarten Hochdruckverteiler 34 zu umgeben, und kooperiert mit dem zentralen Halterring 76 unter Definieren einer zentralen Grenze der Niedrigdruckseite der Zelle. Eine Deckoberfläche 52 der zentralen O-Ring Abdichtung 74 unterstützt ein zentrales Teil des festen Polymerelektrolyten 60. Der zentrale Halterring 76 ist hergestellt aus einem starren Material, wie einem Metall- oder einem Keramikmaterial mit hohen Zugfestigkeitseigenschaften, definiert eine konkave zentrale Abdichtungsoberfläche 83, die eine äußere Oberfläche der zentralen O-Ring Abdichtung 74 in Angriff nimmt, und ist angeordnet, die zentrale O-Ring Abdichtung 74 zwischen ihr und den Elektrolysekomponenten in der Niedrigdruckseite der Zelle zu umgeben, die Siebpackung 56 und poröse Platte 58 einschließend. Der zentrale O-Ring 74 verhindert, daß Hochdruckproduktgase in dem Hochdruckverteiler 34 in die Niedrigdruckseite der Zelle 20 eintreten, und der zentrale Halterring 76 liefert mechanische Unterstützung zu der zentralen O-Ring Abdichtung 74, wodurch irgendwelche Deformation der Abdichtung 74 bei Aussetzen einem Druckdifferential zwischen dem Hochdruckverteiler 34 und der Niedrigdruckseite der Zelle 20 verhindert wird. Der zentrale Halterring 76 definiert eine Ringschulter 84, die mit Abstandshalterschulter 89, definiert in dem gerillten Niedrigdruckabstandshalter 42, kooperiert, wodurch entgegengesetzte Ecken der porösen Platte 58 in einer fixierten Position gesichert werden.
Die äußere O-Ring Abdichtung 78 kann auch ein flexibler Standard "O-Ring" sein und kooperiert mit dem äußeren Halterring 80 unter Definieren einer äußeren Grenze der Hochdruckseite der Zelle 20. Der äußere Halterring 80 ist hergestellt aus einem starren Material wie einem Metall- oder einem Keramikmaterial mit hohen Zugfestigkeitseigenschaften, sitzt auf einem äußeren Teil der festen Polymerelektrolytmembran 60, definiert eine äußere konkave Abdichtungsoberfläche 88, die eine äußere Oberfläche der äußeren O-Ring Abdichtung 78 in Eingriff nimmt, und ist benachbart zu dem Niedrigdruckverteiler 40, die äußere O-Ring Abdichtung 78 umgebend, angeordnet. Die Abdichtung 78 verhindert dadurch, daß Hochdruckproduktgas in der Hochdruckseite der Zelle 20 in den Niedrigdruckverteiler 40 eintritt, während der äußere Halterring 80 mechanische Unterstützung zu der äußeren O-Ring Abdichtung 78 liefert, wodurch irgendeine Deformation der Abdichtung 78 bei Aussetzen einem Druckdifferential zwischen der Hochdruckseite der Zelle und dem Niedrigdruckverteiler 40 verhindert wird. Wie am besten in Fig. 3 gesehen wird, ist eine Halterstufe 89 in dem gerillten Niedrigdruckabstandshalter 42 benachbart zu seinem zentralen Rand definiert, die auch wirksam eine mechanische Unterstützung der äußeren O-Ring Abdichtung 78 liefert unter Verhindern irgendeiner Deformation der Abdichtung 78 weg von dem äußeren Halterring 80 zu den Elektrolysekomponenten der Zelle 20.
Zusätzliches Abdichten der mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zelle 20 in der Zellkammer 18 wird durch eine Deckplattenabdichtung 90, angeordnet, die Deckplatte 24 der T-Abdeckung 22 zwischen ihr und der Wand 16 des Rahmens zu umgeben, und durch eine Mittelpfostenabdichtung 92 zur Verfügung gestellt. Die Mittelpfostenabdichtung 92 umgibt die äußere Oberfläche 30 des Mittelpfostens 26 unter dem Hochdruckverteiler 34 zwischen dem Mittelpfosten 26 und einer Elektrodenplatte 94, benachbart zu Bodenoberflächen der zentralen O-Ring Abdichtung 74, zentralem Halterring 76, Siebpackung 56 und gerilltem Niedrigdruckabstandshalter 42, wobei die Bodenoberflächen eine Bodenoberfläche der Zelle 20 definieren.
Der elektrochemische Zellstapel mit Mittelpfosten 10 und die mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle 20 umfassen auch elektrische Leitfähigkeitsmittel zum Leiten eines Stroms durch die Zelle 20 (am besten in Fig. 2 und 3 gesehen), wie beispielsweise: die Elektrodenplatte 94, benachbart zu der Grundoberfläche der Zelle 20; eine erste Kontaktschraube 96, die durch eine Kontaktdurchbohrung 98 in der Elektrodenplatte geht; eine zweite Kontaktschraube 100 und elektrisches Anschlußstück 101 in Kontakt mit der ersten Kontaktschraube 96 in einem Kontaktblock 102, gesichert an den Rahmen 12; eine Metalltrennplatte 104 in Kontakt mit der Vorlastelektrodenfeder 65, benachbart zu einer Deckoberfläche der Zelle 20, wobei die Deckoberfläche definiert ist durch Deckoberflächen des gerillten Hochdruckabstandshalters 68, Vorlastelektrodenfeder 65, äußere O-Ring Abdichtung 78 und äußeren Halterring 80. Die metallische Trennplatte 104 trennt die mit der zentralen Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle 20 von einer benachbarten zusätzlichen Zelle (nicht gezeigt), und eine sich wiederholende Folge von zusätzlichen Zellen könnte in der Zellkammer 18 gestapelt sein, bis eine Vorlastelektrodenfeder einer Zelle nächstens zu der Deckplatte 24 in Kontakt mit der Deckplatte tritt. Ein Strom kann dann aus einer Quelle in und durch zweite Kontakt- und erste Kontaktschrauben 100, 96, durch die Elektrodenplatte 94 und Elektrolysekomponenten der Zelle 20 fließen, wodurch die Zufuhrflüssigkeit elektrolysiert wird, und durch die metallische Trennplatte 104 zu irgendwelchen benachbarten Zellen und letztendlich in die Deckplatte 24 und Rahmen und dann aus dem elektrochemischen Zellstapel mit Mittelpfosten 10 durch einen Rahmenkontaktpunkt 106.
Wie am besten in Fig. 3 gesehen, umfaßt das elektrische Leitfähigkeitsmittel auch Isoliermittel zum Isolieren des Stroms von einem direkten Weg zu dem Rahmen 12 vor Durchleiten durch die Zelle 20, wie beispielsweise: eine Blockwand 108 um den Kontaktblock 102, einen Ärmelisolator 110 und Ärmelabdichtung 112 um die erste Kontaktschraube 96; eine Isolierschicht 114 zwischen der Elektrodenplatte und der Grundplatte 14; erste 116 und zweite 117 Mittelpfostenabdichtungsisolatoren, benachbart zu der Isolierschicht und zwischen der Mittelpfostenabdichtung 92 und Grundplatte 14, und den isolierenden Hochdruckabstandshalter 32 und isolierenden Niedrigdruckabstandshalter 38.
Der elektrochemische Zellstapel mit Mittelpfosten 10 umfaßt auch Rahmenplattensicherungsmittel zum einstellbaren Sichern des Rahmens des Zellstapels an seine T-Abdeckung. Das Rahmenplattensicherungsmittel kann irgendeines einer Vielheit von Mechanismen zum Sichern von Abdeckungen an Kessel einschließen, die unter Druck zu setzen sind. Ein derartiges Rahmenplattensicherungsmittel, gezeigt in Fig. 1 und 2, schließt ein: einen Plattenring 118 mit ersten und zweiten Drehmomentpunkten 120, 122, wobei die Drehmomentpunkte verwendet werden, den Plattenring 118 in Gewindeeingriff mit einer helikalen Aufnahmerinne 124 in der Wand 16 so zu verdrillen, daß der Plattenring in einer Ringrinne 125 an einer Umkreisecke der Deckplatte 24 ruht, und die Deckplatte 24 in der Zellkammer 18 benachbart zu einer Deckoberfläche einer Zelle in der Kammer sichert; und einen Zentrumsbolzen 126, der durch eine Grundplattendurchbohrung 127 und den Mittelpfosten 26 geht, und in einem Standardgewindeschraubeneingriff eine Deckplattengewindedurchbohrung 128 mit einer Zentrumsbolzendruckscheibe 130 zwischen einem Bolzenkopf 132 des Zentrumsbolzens 126 und der Grundplatte 12 in Eingriff nimmt. Wie am besten in Fig. 2 gesehen, wendet, wennn die Deckplatte durch das Rahmenplattensicherungsmittel eingestellt ist, ein Bellville Dichtungsring 134, angeordnet in dem Entleerungshohlraum 70 unter Umgeben des Mittelpfostens 26, einen nachgiebigen Vorlastdruck auf Zellen in der Kammer 18, benachbart zu ihren zentralen Durchbohrungen, unter Kompensieren irgendwelcher Dickeunterschiede in Halterringabdichtungsmittel der Zellen an.
Bei Verwendung des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten 10 werden eine oder mehrere mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zellen 20 in die Zellkammer 18 eingebracht, und die T-Abdeckung wird so angeordnet, daß der Mittelpfosten 26 durch die zentrale Durchbohrung 28 der Zelle 20 geht, um an die Grundplatte 14 gesichert zu sein. Die T-Abdeckung bewegt sich in die Zellkammer 18 zu einer betriebsbereiten Position, wo die zentrale O-Ring Abdichtung 74 und eine äußere O-Ring Abdichtung 78 unter Erhöhen ihrer Abdichtungskapazität in einer in der Technik gut bekannten Weise komprimiert werden; der Belleville Dichtungsring 134 wird komprimiert; und individuelle Zellen in der Zellkammer 18 sind in elektrischem Kontakt miteinander durch die Elektrodenplatte 94, Elektrolysekomponenten der Zellen und ihre entsprechenden metallischen Separatoren 104. Zusätzlich bilden in der betriebsbereiten Position entgegengesetzte Trägeroberflächen des gerillten Hochdruckabstandshalters 68 und des zentralen Halterringes 76, der unter dem Abstandshalter 68 benachbart zu der zentralen Durchbohrung 28 der Zelle 20 liegt, ein erstes mechanisches Kragenmittel zum Umgeben des Hochdruckverteilers 34, und entgegengesetzte Trägeroberflächen des gerillten Niedrigdruckabstandshalters 42 und des äußeren Halterringes 80, der über dem Abstandshalter 42 liegt, bilden ein zweites mechanisches Kragenmittel zum Umgeben des Niedrigdruckverteilers 40. Die ersten und zweiten mechanischen Kragenmittel definieren virtuell mechanische Wege zwischen der Grundplatte 14, den mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zellen 20 und Deckplatte 24, wobei die feste Polymerelektrolytmembran 60 die einzige halb-starre Komponente in den Kragen ist. Unter Zellbetriebsdrucken verhindern die ersten und zweiten mechanischen Kragenmittel dadurch Überkompression der zentralen oder äußeren O-Ring Abdichtungen 74, 78, und die ersten und zweiten mechanischen Kragenmittel enthalten ferner in und zwischen den Zellen 20 erzeugte Drucke und verhindern dadurch Deformation irgendwelcher anderen Zellkomponenten.
Wenn eine Zufuhrflüssigkeit wie Wasser sich durch den Zufuhrflüssigkeitseinlaß 48 bewegt und aus dem Zufuhrflüssigkeitsauslaß 50 mit eingefangenem Wasserstoffgas geht, entfernt das Wasser durch Elektrolyse erzeugte Hitze, die in den Zellen stattfindet, aus dem elektrochemischen Zellstapel mit Mittelpfosten 10. Zum Herstellen der beschriebenen Komponenten des elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten verwendete Materialien, sofern nicht zuvor mit Spezifität beschrieben, sind in der Technikgut bekannte Standardmaterialien.
Durch das Elektrolyseverfahren in den Zellen erzeugter Druck ist durch den Rahmen 12 und T-Abdeckung 22 enthalten. Insbesondere die Wand 16 und periphere Ecken der Grundplatte 14 und Endplatte 24 enthalten Druck benachbart zu äußeren Rändern der Zelle, und der Mittelpfosten 26 und zentrale Teile der Grundplatte 14 und Deckplatte 24 enthalten Druck benachbart zu zentralen Durchbohrungen der Zellen. Weil Einschließung des Betriebsdrucks des Stapels 10 dadurch sowohl durch den Rahmen 12 wie die T-Abdeckung 22 enthalten ist, können Materialien, die den Rahmen und T-Abdeckung bilden, viel dünner und leichter als Rahmenkomponenten von traditionellen elektrochemischen Zellstapeln sein, die ähnliche Betriebsdrucke enthalten. Zusätzlich liefert das Halterringverschlußmittel im wesentlichen erhöhtes Abdichten des Stapels 10 unter hohen Betriebsdrucken.
Während die gegenwärtige Erfindung im Hinblick auf eine besondere Konstruktion eines elektrochemischen Zellstapels mit Mittelpfosten beschrieben und veranschaulicht worden ist, wird es von jenen Fachleuten verstanden, daß die gegenwärtige Erfindung nicht auf dieses besondere Beispiel beschränkt werden soll. Während beispielsweise die zuvor angegebene Beschreibung Elektrolyse einer Zufuhrflüssigkeit in mindestens ein getrenntes Produktgas beschreibt, sollte Bezugnahme eher auf die angefügten Ansprüche als auf die vorhergehende Beschreibung unter Bestimmen des Umfangs der Erfindung genommen werden.

Claims

1. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten zum Erzeugen eines Produktgases aus einer Zufuhrflüssigkeit, umfassend:

a. einen Rahmen mit einer Grundplatte und einer an die Grundplatte befestigten Wand, so daß die Wand und Grundplatte eine Zellkammer zum Beherbergen einer elektrochemischen Zelle definieren, und

b. eine T-Abdeckung mit einer Deckplatte und einen Mittelpfosten, befestigt an und sich von der Deckplatte weg erstreckend, wobei die Deckplatte dimensioniert ist, einstellbar an die Wand des Rahmens unter Schließen der Zellkammer gesichert zu sein, und der Mittelpfosten ist dimensioniert, durch eine zentrale Durchbohrung in der elektrochemischen Zelle zu gehen und einstellbar an die Grundplatte gesichert zu sein, so daß die T-Abdeckung und Rahmen kooperieren, Druck, erzeugt durch Betrieb der elektrochemischen Zelle, zu enthalten.

2. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 1, wobei eine äußere Oberfläche des Mittelpfostens mit einer benachbarten zentralen Durchbohrung der elektrochemischen Zelle kooperiert unter Definieren eines Hochdruckverteilers zum Entleeren der Produktflüssigkeit aus der Zellkammer.

3. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 2, wobei eine Innenoberfläche der Wand mit einer benachbarten peripheren Ecke der elektrochemischen Zelle kooperiert unter Definieren eines Niedrigdruckverteilers für Übertragung der Zufuhrflüssigkeit in und aus der Zelle.

4. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 3, wobei die elektrochemische Zelle umfaßt eine mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle mit einem gerillten Niedrigdruckabstandshalter, definierend eine Vielheit von Niedrigdruckeinlässen und eine Vielheit von Niedrigdruckauslässen benachbart zu dem Niedrigdruckverteiler, so daß die Zufuhrflüssigkeit in einen Zufuhrflüssigkeitseinlaß in Flüssigkeitsverbindung mit dem Niedrigdruckverteiler, durch den Niedrigdruckverteiler, benachbarte Niedrigdruckeinlaßkanäle und aus der Zelle durch die Niedrigdruckauslaßkanäle, den Niedrigdruckverteiler und aus dem Zellstapel durch einen Zufuhrflüssigkeitsauslaß fließen kann.

5. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 4, wobei die mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle ferner umfaßt einen gerillten Hochdruckabstandshalter, der eine Vielheit von Hochdruckauslaßkanälen, benachbart zu dem Hochdruckverteiler, definiert, so daß das Produktgas durch die Hochdruckauslaßkanäle, Hochdruckverteiler und aus dem Stapel durch einen Produktgasauslaß in Flüssigkeitsverbindung mit dem Hochdruckverteiler fließen kann.

6. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 5, wobei die mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zelle ferner umfaßt eine zentrale O-Ring Abdichtung und zentralen Halterring, die kooperativ eine zentrale Ecke der Zelle benachbart zu dem Hochdruckverteiler umgeben unter Definieren einer zentralen Grenze einer Niedrigdruckseite der Zelle, so daß Hochdruckgas in dem Hochdruckverteiler nicht in die Niedrigdruckseite der Zelle eintreten kann, und eine äußere O-Ring Abdichtung und äußeren Halterring, die kooperativ die periphere Ecke der Zelle benachbart zu dem Niedrigdruckverteiler umgeben unter Definieren einer äußeren Grenze einer Hochdruckseite der Zelle, so daß Hochdruckgas in der Hochdruckseite der Zelle nicht in den Niedrigdruckverteiler eintreten kann.

7. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 6, ferner umfassend einen isolierenden Hochdruckabstandshalter, benachbart zu der äußeren Oberfläche des Mittelpfostens, der ferner den Hochdruckverteiler definiert, und einen isolierenden Niedrigdruckabstandshalter, benachbart zu der Innenoberfläche der Wand, der ferner den Niedrigdruckverteiler definiert.

8. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 7, wobei entgegengesetzte Trägeroberflächen des gerillten Hochdruckabstandshalters und der zentrale Halterring, der dem gerillten Hochdruckabstandshalter benachbart zu der zentralen Durchbohrung der Zelle unterliegt, ein erstes mechanisches Kragenmittel bilden zum Festlegen eines virtuellen mechanischen Weges zwischen der Grundplatte, Zelle und Deckplatte, den Hochdruckverteiler umgebend, und entgegengesetzte Oberflächen des gerillten Niedrigdruckabstandshalters und der äußere Halterring, der über dem gerillten Niedrigdruckabstandshalter benachbart zu der peripheren Ecke der Zelle liegt, bilden ein zweites mechanisches Kragenmittel zum Festlegen eines virtuellen mechanischen Weges zwischen der Grundplatte, Zelle und Deckplatte, den Niedrigdruckverteiler umgebend.

9. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten zum Erzeugen eines Produktgases aus einer Zufuhrflüssigkeit, umfassend:

a. einen Rahmen mit einer Grundplatte und einer an die Grundplatte befestigten Wand, so daß die Wand und Grundplatte eine Zellkammer definieren,

b. mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenes Zellmittel in der Zellkammer zum Entleeren von Produktgasen aus der Zelle durch eine zentrale Durchbohrung der Zelle und

c. eine T-Abdeckung mit einer Deckplatte und einem Mittelpfosten, befestigt an und sich von der Deckplatte weg erstreckend, wobei die Deckplatte dimensioniert ist, einstellbar an die Wand des Rahmens gesichert zu sein, die Zellkammer zu schließen, und der Mittelpfosten ist dimensioniert, durch die zentrale Durchbohrung in dem mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zellmittel zu gehen und einstellbar an die Grundplatte gesichert zu sein, so daß die T-Abdeckung und Rahmen unter Enthalten von Druck, erzeugt durch Betrieb der elektrochemischen Zelle, kooperieren.

10. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 9, wobei das mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zellmittel ferner Elektrolysekomponentenmittel zum Elektrolysieren der Zufuhrflüsigkeit in ein Produktgas umfaßt.

11. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 10, wobei das mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zellmittel auch ein Halterringverschlußmittel zum zur Verfügung stellen von Abdichtung zwischen Hoch- und Niedrigdruckseiten der Zellen einschließt.

12. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 11, wobei der Stapel und das mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehene Zellmittel auch elektrische Leitfähigkeitsmittel zum Durchleiten eines Stromes durch das Zellmittel und Isoliermittel zum Isolieren des Stromes von einem direkten Weg aus einer Stromquelle zu dem Rahmen vor Fließen durch das Zellmittel einschließen.

13. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 9, wobei eine äußere Oberfläche des Mittelpfostens mit der benachbarten zentralen Durchbohrung des mit zentraler Durchbohrung mit einem Loch versehenen Zellmittels kooperiert, unter Definieren eines Hochdruckverteilers zum Entleeren der Produktflüssigkeit aus der Zellkammer, und eine Innenoberfläche der Wand kooperiert mit einer benachbarten peripheren Ecke der Zelle unter Definieren eines Niedrigdruckverteilers für Übertragung der Zufuhrflüssigkeit in und aus der Zelle.

14. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 9, ferner umfassend einen isolierenden Hochdruckabstandshalter, benachbart zu einer äußeren Oberfläche des Mittelpfostens, der einen Hochdruckverteiler zum Entleeren der Produktflüssigkeit aus der Zellkammer definiert, und einen isolierenden Niedrigdruckabstandshalter, benachbart zu der Innenoberfläche der Wand, der einen Niedrigdruckverteiler für Übertragung der Zufuhrflüssigkeit in und aus der Zelle definiert.

15. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 9, ferner umfassend ein Rahmenplattensicherungsmittel zum einstellbaren Sichern des Rahmens des Zellstapels an die T- Abdeckung.

16. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten zum Erzeugen eines Produktgases aus einer Zufuhrflüssigkeit, umfassend.

a. einen Rahmen mit einer Grundplatte und einer an die Grundplatte befestigten Wand, so daß die Wand und Grundplatte eine Zellkammer zum Beherbergen einer elektrochemischen Zelle definieren,

b. eine T-Abdeckung mit einer Deckplatte und einem Mittelpfosten, befestigt an und sich von der Deckplatte weg erstreckend, wobei die Deckplatte dimensioniert ist, einstellbar an die Wand des Rahmens gesichert zu sein, die Zellkammer zu schließen, und der Mittelpfosten ist dimensioniert, durch eine zentrale Durchbohrung in der elektrochemischen Zelle zu gehen und einstellbar an die Grundplatte gesichert zu sein, so daß die T-Abdeckung und Rahmen unter Enthalten von durch Betrieb der elektrochemischen Zelle erzeugtem Druck kooperieren; und

c. elektrische Leitfähigkeitsmittel zum Durchleiten eines Stromes durch die elektrochemische Zelle und Isoliermittel zum Isolieren des Stromes von einem direkten Weg aus einer Stromquelle zu dem Rahmen vor Fließen durch die elektrochemische Zelle.

17. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 16, wobei die elektrochemische Zelle einschließt eine zentrale O-Ring Abdichtung und zentralen Halterring, die kooperativ eine zentrale Ecke der Zelle benachbart zu einem Hochdruckverteiler umgeben, unter Definieren einer zentralen Grenze einer Niedrigdruckseite der Zelle, so daß Hochdruckgas in dem Hochdruckverteiler nicht in die Niedrigdruckseite der Zelle eintreten kann, und eine äußere O-Ring Abdichtung und einen äußeren Halterring, die kooperativ eine periphere Ecke der Zelle, benachbart zu einem Niedrigdruckverteiler, umgeben, unter Definieren einer äußeren Grenze einer Hochdruckseite der Zelle, so daß Hochdruckgas in der Hochdruckseite der Zelle nicht in den Niedrigdruckverteiler eintreten kann.

18. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 16, ferner umfassend einen isolierenden Hochdruckabstandshalter, benachbart zu einer äußeren Oberfläche des Mittelpfostens, der einen Hochdruckverteiler zum Entleeren der Produktflüssigkeit aus der Zellkammer definiert, und einen isolierenden Niedrigdruckabstandshalter, benachbart zu der Innenoberfläche der Wand, der einen Niedrigdruckverteiler für Übertragung der Zufuhrflüssigkeit in und aus der Zelle definiert.

19. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 16, wobei die elektrochemische Zelle einen gerillten Niedrigdruckabstandshalter einschließt, definierend eine Vielheit von Niedrigdruckeinlässen und eine Vielheit von Niedrigdruckauslässen, benachbart zu einem Niedrigdruckverteiler, definiert zwischen einer Innenoberfläche der Wand und einer peripheren Ecke der Zelle, so daß die Zufuhrflüssigkeit in einen Zufuhrflüssigkeitseinlaß in Flüssigkeitsverbindung mit dem Niedrigdruckverteiler fließen kann, durch den Niedrigdruckverteiler, benachbarte Niedrigdruckeinlaßkanäle und aus der Zelle durch die Niedrigdruckauslaßkanäle, den Niedrigdruckverteiler und aus dem Zellstapel durch einen Zufuhrflüssigkeitsauslaß, und die Zelle schließt ferner ein einen gerillten Hochdruckabstandshalter, der definiert eine Vielheit von Hochdruckauslaßkanälen benachbart zu einem Hochdruckverteiler, definiert zwischen einer äußeren Oberfläche des Mittelpfostens und der zentralen Durchbohrung der Zelle, so daß das Produktgas durch die Hochdruckauslaßkanäle, Hochdruckverteiler und aus dem Stapel durch einen Produktgasauslaß in Flüssigkeitsverbindung mit dem Hochdruckverteiler fließen kann.

20. Elektrochemischer Zellstapel mit Mittelpfosten nach Anspruch 19, wobei der gerillte Niedrigdruckabstandshalter ein Barrierenmittel zum Verhindern, daß Zufuhrflüssigkeit direkt aus einem Niedrigdruckeinlaßkanal in einen benachbarten Niedrigdruckauslaßkanal fließt, definiert.