JP2001500189A

JP2001500189A - 中心ポスト型電気化学的セルスタック

Info

Publication number: JP2001500189A
Application number: JP10509057A
Authority: JP
Inventors: クラーク．ディーン，ダヴリュー; エル．フェイ，デイヴィド
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2001-01-09
Also published as: EP0948669A1; EP0948669B1; WO1998004762A1; US5716503A; DE69706320T2; DE69706320D1

Abstract

(57)【要約】中心ポスト型電気化学的セルスタックが開示されており、酸素といった製造ガスを水と言った供給流体から発生させている。本発明は、航空機や宇宙船に搭載されて酸素を発生させるため用いることができ、ベースプレート（１４）と該ベースプレートに取り付けられる壁（１６）とを備えるフレームとを備え、壁とベースプレートはセルチャンバ（１８）を形成して、少なくとも１つの電気化学的セルを収容しており、さらに、頂部プレート（２４）と該頂部ポストに取り付けられるとともに、この頂部ポストから突出した中心ポスト（２６）を備えるＴ−キャップを有していて、頂部プレートは、フレームの壁に取り付けられてセルチャンバを密閉しており、中心ポストは、チャンバ内の電気化学的セルの中心開口に挿通されていて、フレームのベースプレートに調節自在に固定されるようにされている。この結果、Ｔ−キャップ及びフレームは協動して電気化学セルの運転によって発生する圧力を保持することができる。中心ポスト電気化学セルの特定の実施例では、Ｔ−キャップの中心ポストは、中心開口排気電気化学的セルと協動して高圧マニホルド（３４）を形成し、セルの外部へと製造されたガスを排気させているとともに、フレームの壁の内側壁（３６）は、中心開口排気セルと協動して低圧マニホルド（４０）を形成し、セルの内外へと供給流体を移動させている。

Description

【発明の詳細な説明】中心ポスト型電気化学的セルスタック技術分野本発明は、物質を電気分解する電気化学的セルスタックに関し、より詳細には航空機及び宇宙船に用いるため、水から酸素を発生させる高圧電気化学的セルスタックに関する。発明の背景電気化学的セルスタックは、通常水といった供給源からガスを製造するために用いられ、また、燃料電池構成で用いられて、ガス状供給燃料から電気エネルギーを生じさせることができる。このような電気化学的セルスタックは、典型的にはディスク形状の複数の電気化学的セルが垂直に配列され、これらが運転中に発生する圧力に耐えるフレームによって取り囲まれている。電気化学的セルスタックの通常における使用では、水から酸素と水素を製造することである。この酸素ガスは、例えば潜水艦や宇宙船内での呼吸のために用いることができ、水素は、エンジンの推進剤に用いることができる。電気化学的セルスタックによって発生したガスを効率よく貯蔵することにより、運転中における内部圧力が増大する。運転中における内部圧力の増加は、しかしながらスタック及び個々の電気化学的セルが損傷することなく実質的に圧力差に耐える構造的特性を要求することになる。潜水艦等における電気化学的セルスタックの従来の動作環境では、内部圧力差は、セルスタックの互いに対向する側に設けられた金属製の端部プレート及びこれらの端部プレートの間にセルスタックを取り囲むようにして通された大きな複数のボルトとを備え大きく、重量のあるフレーム部品を備えている。これらのボルトは、スタックに対して予め圧力を加えるように調節されていて、ガスケット及びセルの間及びそれぞれのセル内部におけるシールを圧迫する様にされている。電気化学的セルスタックを用いることは特に、現在市販されている航空機に搭載される酸素ガスを製造するために要求されている。例えば、高空における予期しない減圧といった非常の場合に、酸素マスクが自動的に降下してきて、乗客に酸素を供給するようにされている。酸素は、典型的には航空機に搭載された金属製ボトルに貯蔵されており、これらのボトルは、航空機がサービスを行っている間には繰り返し充填されるようになっている。航空機に搭載される電気化学的セルスタックは、ボトルを充填するために地上におけるサービスに要する時間とコストと削減することができ、このような酸素を供給することができる上述のセルスタックを用いることは、条件的に好ましくない。このような動作環境における酸素の効率的な発生は、スタック内及びスタックの個々のセルの内部での約２，０００ポンド／ｉｎ²（以後ｐ．ｓ．ｉとする）の内部圧力差で運転する必要を生じさせる。このような運転能力を有する既知の電気化学的セルスタックは、大きく、かつ重量のあるフレーム部品を必要とするとともに、ガスリークの高いリスクに晒されることになる。従って、本発明の一般的な目的は、従来の電気化学的セルスタックの寸法、重量、リークへのリスクを克服することを目的とする。より具体的な目的は、約２０００ｐ．ｓ．ｉの内部圧力において運転でき、嵩高く重量のあるフレーム部品を用いることのない電気化学的セルスタックを提供することを目的とする。さらに他の目的は、約２０００ｐ．ｓ．ｉ．における内部運転圧力下でのシール特性が向上した電気化学的スタックを提供することを目的とする。本発明の上述した効果及び他の効果については、添付の図面を持ってする後述の詳細な説明により、より明らかとすることができる。発明の要約本発明においては、水といった供給流体から酸素といったガスを発生させる中心ポスト型電気化学的セルスタックが開示されている。特定の実施例では、本発明は、ベースプレートと該ベースプレートに取り付けられた壁とを備えたフレームを有しており、壁とベースプレートは、セルチャンバを形成して少なくとも１つの電気化学的セルのためのハウジングとなっており、さらにトッププレートと該トッププレートに取り付けられ該トッププレートから突出した中心ポストを有するＴ−キャップを備えていて、このトッププレートは、フレームの壁に調節自在に固定されて、セルチャンバを密閉させ、中心ポストは、チャンバ内の電気化学的セルの中心開口に挿通されるとともに、ベースプレートに調節自在に固定されるような寸法とされていて、Ｔ−キャップ及びフレームが協動して電気化学的セルの運転中に発生する圧力を収容するようにされている。中心ポスト型電気化学的セルの好適な実施例においては、Ｔ−キャップの中心ポストの外側面は、電気化学的セルに設けられた中心開口と協動して、セルからの発生ガスを排気するための高圧マニホルドを形成しており、フレームの壁の内側面は、セルの排気用中心開口と協動して、セルの内外への供給流体の移動を行わせるための低圧マニホルドを形成している。中心開口が設けられたセルは、高圧マニホルドと連通した高圧チャンネルスペーサと、低圧マニホルドと連通した低圧チャンネルスペーサとを備えていて、供給流体が低圧チャンネルスペーサを通して移動して、セルの電解質成分と接触して電解されて、発生した酸素といった気体がセルの外へと高圧チャンネルスペーサ及び高圧マニホルドを通して流され、中心Ｏ−リングシールと中心保持リングとは、高圧マニホルドを取り囲んでいて高圧ガスをマニホルド内において中心Ｏ −リングを通してセルの低圧側へと通過させず、ガスによる高圧下で中心Ｏ−リングシールの変形が中心保持リングにより防止されている。外側Ｏ−リングと外側保持リングとが低圧マニホルドに隣接してセルを包囲して、ガスによる高圧下での外側Ｏ−リングシールの変形を外側保持リングにより防止しており、セルの高圧側における高圧気体が低圧マニホルドへと外側Ｏ−リングシールを通過しないようにさせている。チャンネルの形成されたスペーサの支持面と保持リングとは、協動して高圧運転条件下でのセル部品の変形を抑制させている。中心ポスト型電気化学的セルスタックを使用するに際して、Ｔ−キャップトッププレート及びＴ−キャップの中心ポストとは、例えば螺子と言った機構によってフレームに調節自在に固定され、Ｔ−キャップのフレーム内における運転位置の軸方向への運動により、それぞれ中心開口排気セルそれぞれの中心Ｏ−リング及び外側Ｏ− リングを押圧し、セルの高圧側における電極スプリングへと予め負荷を加えており、隣接するセルを互いに電気的に接触させるように運動させている。中心ポストと、トッププレートと、ベースプレートと、壁とは、セルチャンバ内において効果的に圧力を封じ込めているとともに、中心Ｏ−リングシールと外側Ｏ−リングシールとは、セルの低圧側への高圧ガスの移動を防止しているとともに、中心保持リングと外側保持リングは、上記各Ｏ−リングシールの変形を抑制させている。図面の簡単な説明図１は、本発明による中心ポスト型電気化学的セルスタックの上面図であり、スタックのフレームにかぶせられたＴカップのトッププレートを示した図である。図２は、図１のライン２−２に沿った図１に示す中心ポスト型電気化学的セルスタックの断面図である。図３は、図１の中心ポスト型電気化学的セルスタックのセル部品と低圧及び高圧マニホルドを示した一部断面図である。図４は、図３のライン４−４に沿った図１に示す中心ポスト型電気化学的セルスタックの断面図である。図５は、図１の中心ポスト型電気化学的セルスタックのチャンネルの設けられた高圧スペーサの斜視図である。図６は、図１の中心ポスト型電気化学的セルスタックのチャンネルの設けられた低圧スペーサの斜視図である。最適な実施態様の説明図面を詳細に参照して、本発明の中心ポスト型電気化学的セルスタックは、参照符号１０によって概ね示されている。図１〜３に示されるように、中心ポスト型電気化学セルスタック１０は、ベースプレート１４とこのベースプレート１４に取り付けられた壁１６とを備えたフレーム１２を有しており、壁１６及びベースプレート１４は、セルチャンバ１８を形成して少なくとも１つの電気化学的セル２０のハウジングとなっている（これは図３に最も良く示されている）。さらに、トッププレート２４とこのトッププレートに取り付けられ、このトッププレート２４からベースプレート２４に向かって延ばされた中心ポスト２６とを備えたＴ−キャップ２２を有しており、トッププレート２４は、フレームの壁１６に調節自在に固定されて、セルチャンバ１８を密閉させており、中心ポスト２６は、電気化学的セル２０の中心通孔２８に挿通される寸法とされているとともに（図４に最も良く示されている）、フレーム１２のベースプレート１４に調節自在に固定されてＴ−キャップ２２及びフレーム１２が協動してセルチャンバ１８内の電気化学的セルの運転によって発生した圧力を収容するようにされている。図３に示されるように、中心ポスト２６の外側面３０は、セル２０の中心開口に隣接した高圧密閉スペーサ３２と協動して、セルチャンバ１８から酸素といった発生ガスを排気するための高圧マニホルド３４を形成している。フレーム１２の壁１６の内側面３６は、セル２０の周辺端部に隣接した低圧密閉スペーサ３８と協動してセル２０へと通される水と言った供給流体を移動させるための低圧マニホルド４０を形成している。中心ポスト型電気化学的セルスタック１０の好適な実施例では、セルの中心開口を通してセル手段から発生したガスを排気させるための中心排気セル手段が設けられており、これが図３及び図４に示された中心通孔排気セル２０として示されている。このような実施例では、中心通孔排気セル２０は、低圧インレットチャンネル４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ等及び低圧アウトレットチャンネル４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ等のセットが形成された低圧チャンネルスペーサ４２を備えている（図４に示されている）。図４に示すように、低圧チャンネルの設けられたスペーサ４２は、低圧マニホルド４０に隣接して配置されていて、低圧インレットチャンネル４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃのセットは、ベースプレート１４内に形成された供給流体インレット４８上側に設けられており、低圧アウトレットチャンネル４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃのセットは、供給流体アウトレット５０の上側に設けられている（図１及び図４の仮想線によって示されている）。このような配置により、供給流体は、供給流体インレット４８を通して流され、さらに低圧マニホルド４０を通して流され、低圧インレットチャンネル４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃを通して流されて別のセル部品２０と流されて行き（後述する）、その後低圧アウトレットチャンネル４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを通り、低圧マニホルド４０を通り、中心ポスト型電気化学的セルスタック１０の外へと供給流体アウトレット５０を通過して行く。低圧チャンネルの設けられたスペーサ４２はまた、低圧インレットチャンネルから隣接する低圧アウトレットチャンネルへと供給流体が直接流れるのを防止ししており、供給流体が流される前にセル部品を横切って流れてしまうのを、第１のバリヤ５２及び第２のバリヤ５４となって防いでいる（第１のバリヤ５２と第２のバリヤ５４は、図４にのみ示されている）。これらは、インレットチャンネル及びアウトレットチャンネルを有しないスペーサ４２の断面とされている。供給流体が低圧インレットチャンネル４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，などを通過した後、供給流体は、セル２０の電解質成分手段を含有する領域へと流されて行き、固体ポリマー電解質メンブレンを用いる電気化学的セルにおいて良く知られているように供給流体を発生ガスへと電気分解する。このような高圧電気分解セル部品は、レオニーダ（Ｌｅｏｎｉｄａ）等に付与され、本発明の同一の譲受人になる米国特許第５，４６６，３５４号に開示されている。上記特許は、本発明の一部として含ませることができる。この電気分解部品手段は、低圧インレットチャンネル４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ及び低圧アウトレットチャンネル４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃに隣接し、膨張された金属プレートのスクリーンパック５６と、このスクリーンパック上に設けられた多孔質プレート５８と、この多孔質プレート５８に隣接した固体ポリマー電解質メンブレン６０と、このメンブレン６０に隣接する電極６２と、電極６２に隣接したバックアップスクリーン６４と、バックアップスクリーン６４上に設けられた予負荷用電極スプリング６５と、を備えている。多孔質プレートのポア（図示せず）のポアサイズは、選択された運転圧力差においてポアを介してのメンブレン６０の伸張を防止するように選択されている。膨張された金属スクリーンパック５６は、供給流体を流すようにされているとともに、選択された運転圧力差によって発生する圧力負荷を支持するようにされている。当技術分野において良く知られているように、水と言った供給流体は、電解質成分によって電気分解されて、発生した酸素といったガスが固体ポリマー電解質メンブレン６０を通して抽出され、水素ガスは、ガス中に供給流体とともに残される。供給流体は、セル２０の低圧側に残され、この低圧側には、低圧インレット４４Ａ．４４Ｂ，４４Ｃチャンネルと低圧アウトレット４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃチャンネルと、スクリーンパック５６と多孔質プレート５８とが設けられている。酸素がセル２０の低圧側から導出された後、水素を含有する供給流体は、低圧側アウトレットチャンネル４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃを通り、供給流体アウトレット５０を通じてセル２０の外へと流される。発生ガスは、電極６２とセル２０の多孔質プレート頂部面５９を有する高圧側内のバックアップスクリーン６４を通り、固体ポリマー電解質メンブレン６０を通り、電極６２を通り、バックアップスクリーン６４を通り、予負荷電極スプリング６５を通して流される。製造されたガスは、その後高圧チャンネルスペーサ６８の高圧アウトレットチャンネル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄへと移動し、これが図４及び図６に最も良く示されている。高圧チャンネルの設けられたスペーサ６８はまた、セル２０の高圧側に設けられており、電極６２と、バックアップスクリーン６４と、高圧マニホルド３４を含む高圧密閉スペーサ３２の間に配設される。この発生ガスは、高圧アウトレットチャンネル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄを通して流されるとともに、中心ポスト２６に隣接した高圧マニホルド３４へと流されて、発生ガスアウトレット７２と連通した吐出キャビティ７０へと流れ、このようにして、発生したガスが中心ポスト型電気化学的セルスタック１０の外へと向かうようにされている。中心開口排気セル２０はまた、保持リングシール手段を備えており、セル２０の高圧側と低圧側とをシールさせている。この保持リンダシール手段は、中心Ｏ−リングシール７４と、高圧側マニホルド３４を協動して取り囲んでいる中心保持リング７６と、外側Ｏ−リング手段と、低圧マニホルドを４０を協動して取り囲んでいる外側保持リング８０とを備えている。この中心Ｏ−リングシール７４は、標準的な柔軟な“Ｏ−リング”タイプのものとすることができ、このＯ−リングシール７４は、中心ポスト２６を取り囲むように配置されているとともに、それに隣接した高圧マニホルド３４及び中心保持リング７６と協動して、セルの低圧側の中心部境界を形成している。中心Ｏ−リングシール７４の頂部面８２は、固体ポリマー電解質６０の中心部を支持している。中心保持リング７６は、高い引っ張り強度特性を有する金属又はセラミック材料剛性のある材料から形成されていて、凹面の中心シール面８３を形成しているとともに、この中心シール面８３は、中心Ｏ−リングシール７４の外側面と係合し、これとセルの低圧側の電解質成分との間において中心Ｏ−リングシール７４を取り囲むようにして配置されているとともに、スクリーンパック５６と多孔質プレート５８とに隣接している。中心Ｏ−リング７４は、高圧マニホルド内の高圧の発生ガスがセル２０の低圧側に流入するのを防止しているとともに、中心保持リング７６は、中心Ｏ−リングシール７４の機械的な支持体となっていて、セル２０の高圧側マニホルド３４と低圧側との間の圧力差が生じた場合に、シール７４のどの様な変形も防止するようにされている。この中心保持リング７６は、リングショルダ８４を規定していて、低圧チャンネルの形成されたスベーサ４２に形成されたスペーサショルダ８６と協動して、多孔質プレート５８を固定した位置に固定している。外側Ｏ−リングシール７８はまた、標準的な柔軟性のある“Ｏ−リング”とすることができ、外側保持リング８０と協同してセル２０の高圧側の外側境界を形成している。この外側保持リング８０は、高い引っ張り強度を有する金属又はセラミック材料といった材料から形成されているとともに、固体ポリマー電解質メンブレン６０の外側部分に据えられていて、外側に凹となったシール面８８を形成しているとともに、外側Ｏ−リングシール７８の外側面と係合し、さらに外側Ｏ−リングシール７８を取り囲んでいる低圧マニホルド４０に隣接して配置されている。シール７８は、このようにしてセル２０の高圧側内部における発生ガスが低圧側マニホルド４０へと流入するのを防止しているとともに、外側Ｏ−リングシール８０は、セルの高圧側と低圧側マニホルド４０の間に圧力差が生じた場合にシール７８がいかなる変形もしないようにさせるための機械的なサポートなっている。図３に最も良く示されるように、保持用ステップ８９は、低圧のチャンネルが形成されたスペーサ４２の中心端部に隣接して形成されており、これはまた、外側Ｏ−リングシール７８を効果的に機械的に保持して、外側保持リング８０がセル２０の電解質成分に向かって変形するのを防止させている。セルチャンバ１８内における中心開口排気セル２０に対する付加的なシールは、Ｔ−キャップ２２の頂部プレート２４を取り囲むように位置決めされた頂部プレートシール９０によって、これとフレームの壁１６との間及び中心ポストシール９２により行われている。中心ポストシール９２は、中心ポスト２６の外側面３０を中心ポスト２６と中心Ｏ−リングシール７４の底部面に隣接した電極プレート９４の間で高圧マニホルド３４の下側において取り囲んでいる。さらに、中心保持リング７６と、スクリーンパック５６と低圧中心保持リング７６と、スクリーンパック５６と、低圧チャンネルスペーサ４２とを備え、底部面は、セル２０の底部面を規定している。中心ポスト型電気化学的セルスタック１０及び中心開口排気セル２０はまた、セル２０を通して電流を通じるための電気的導電手段を有しており（図２及び図３に最も良く示されている）、セル２０の底部面に隣接した電極プレート９４と、電極プレートの接触通孔９８を通された第１の接点スクリュー９６と、第２の接点スクリュー１００とフレーム１２に固定された接点ブロック１０２内の接点スクリュー９６に接触する電気的リード線１０１と、セル２０の頂部面に隣接した予負荷電極スプリング６５に接触する金属セパレータシート１０４とを有しており、その頂部面は、高圧チャンネルが形成されたスペーサ６８の頂部面により形成されており、さらに予負荷電極スプリング６５と、外側Ｏ−リングシール７８と、外側保持リング８０とを有している。金属セパレータシート１０４は、中心開口排気セル２０と隣接する付加的なセル（図示せず）から分離されており、頂部プレート２４に最も近い予負荷スプリングが頂部プレートに接触するまで、付加的なセルの繰り返しが連続してセルチャンバ１８内部においてスタックとされている。電流は、その後供給源から第２の接点及び第１の接点スクリュー１００，９６と、電極プレート９４とセル２０の電解質成分とを通して流れ、供給流体を電解し、金属セパレータプレート１０４を通してどの隣接するセルへとでも流れようにされ、最後に頂部プレート２４とフレームへと流されその後、フレーム接点１０６を通じて電解化学的セルスタック１０から導出される。図３に最も良く示されるように、電気的導電性手段はまた、セル２０を通過する前に直接ルートを通じてフレーム１２へと流れないように絶縁するための絶縁手段を有しており、これは接触ブロック１０２の回りに配置されるブロック壁１０８と、スリーブ絶縁体１１０と、第１の接点スクリュー９６の回りにあるスリーブシール１１２と、電極プレートとベースプレート１４の間の絶縁シート１１４と、絶縁シートに隣接し、中心ポストシール９２とベースプレート１４の間にある第１及び第２のセンタポストシール１１６，１１７と、高圧絶縁スペーサ３２と、低圧絶縁スペーサ３８とから構成されている。中心ポスト型電気化学セルスタック１０はまた、そのＴ−キャップにセルスタックのフレームを調節自在に固定するための固定手段を有している。加圧できるように容器へとキャップを固定できればフレームプレート固定手段は、どの様な種類の機構のものでも良い。このようなフレームプレート固定手段は、図１及び図２に示されており、第１と第２のトルクポイント１２０，１２２を備えたプレートリング１１８を挙げることができ、これらのトルクポイントは、プレートリング１１８を壁１６の螺旋状の収容溝１２４に螺合するようにされており、プレートリングは、頂部プレート２４をチャンバのセル頂部面においてリング溝１２５内に収容し、チャンバ内のセルの頂部面に隣接したセルチャンバ１８内で頂部ブレート２４を固定している。センタボルト１２６は、ベースプレート通孔１２７及びセンタポスト２６を通して延ばされており、標準的な螺子の設けられた連結部が螺子の設けられた頂部プレート通孔１２８に連結されており、センタボルト１２６のボルト頭部１３２とベースプレート１２の間には、センタボルトスラストワッシャ１３０が備えられている。図３に示されるように、頂部プレートがフレームプレート固手段によって調節されると、ベルビル（ｂｅｌｖｉｌｌｅ）ワッシャ１３４は、吐出キャビティ７０内に配置されて、中心ポスト２６を取り囲み、セルへと圧縮予負荷により圧力をチャンバ１８内において与え、その隣接した中心開口に対してセルの保持リングシール手段の厚さのいかなる相違をも補償するようにされている。中心ポスト型電気化学的セル１０の使用においては、１つ以上の中心開口排気セル２０がセルチャンバ１８へと搭載され、Ｔ−キャップが配置されて、中心ポスト２６はセル２０の中心開口２８を通されて、ベースプレート１４へと固定される。このＴ−キャップは、セルチャンバ１８へと運転位置にまで運動して、中心Ｏ−リングシール７４と外側Ｏ−リングシール７８が圧縮されて、それらのシール性能が当業界において知られているように向上される。ベルビルワッシャ１３４は、圧縮され、セルチャンバ１８内の個々のセルは、電極プレート９４と、セルの電解質成分と，それらのそれぞれの金属セパレータ１０４とを通して互いに電気的に接触されている。これに加えて、運転条件においては、高圧チャンネルの形成されたスペーサ６８の対向する支持面とセル２０の中心開口２８に隣接したスペーサ６８の下側にある中心保持リング７６は、第１の機械的なカラー手段を形成して、高圧マニホルドを３４を取り囲んでおり、低圧チャンネルの形成されたスペーサ４２の対向する支持面及びスペーサ４２の上側にある外側保持リング８０は、第２の機械的カラー手段を形成し、低圧マニホルド４０を取り囲んでいる。第１と第２の機械的カラー手段は、垂直な機械的通路をベースプレート１４と中心開口排気セル２０及び頂部プレート２４の間に形成しており、固体ポリマー電解質メンブレン６０は、カラーにおける半剛性成分のみとなっている。セルの運転圧力の下で、第１と第２の機械的カラー手段は、中心又は外側Ｏ−リングシール７４，７８が圧縮されすぎるのを防止しており、第１と第２の機械的カラー手段は、さらにセル２０と内部の間において発生する圧力を受け止める手段とされていて、いかなる別のセル部品の変形をも防止している。水といった供給流体は、供給流体インレット４８を通じて移動され、供給流体アウトレット５０の外へと水素を含有しつつ流れて行くと、水はセル内で行われている電解によって発生した熱を除去して、中心ポスト電気化学的セルスタック１０から排出される。上述した中心ポスト電気化学的セルスタック部品を製造するための材料は、当業界で良く知られている標準的な材料であれば、特に限定されるものではない。電解プロセスによってセル内において発生する圧力は、フレーム１２及びＴ− キャッブ２２双方によって保持される。特に壁１６及びベースプレート１４の周辺端部と、端部プレート２４は、セルの隣接した外側端部の圧力を保持しており、中心ポスト２６及びベースプレート１４の中心部分及び頂部プレート２４は、セルの中心開口の隣接した部分における圧力を保持している。スタック１０の運転圧力の保持は、フレーム１２とＴ−キャップ２２によって行われるため、フレームとＴ−キャップを形成する材料は、同様の運転圧力を保持するための従来の電気化学的セルスタックのフレーム部品よりもより薄くすることができるとともに軽量とできる。これに加えて、保持リングシール手段は、高い運転圧力の下での実質的に向上されたシール性をスタック１０に対して付与することができる。本発明は、中心ポスト型電気化学的セルスタックを持って特定の構造について説明してきたが、当業者によれば、本発明は、特定の実施例に制限されないことは明白であろう。例えば、供給流体を少なくとも１つの分離された発生ガスへと電気分解することによって説明してきたが、本発明はまた、燃料電池の実施例に対しても適用可能である。従って、本発明の範囲は、上述した説明ではなく、添付する請求の範囲の記載によりなされるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フェイ，デイヴィドエル. アメリカ合衆国，コネチカット 06027, イーストハートランド，ピーオウボックス 408 オールドスキナーロード 57 【要約の続き】ホルド（３４）を形成し、セルの外部へと製造されたガスを排気させているとともに、フレームの壁の内側壁（３６）は、中心開口排気セルと協動して低圧マニホルド（４０）を形成し、セルの内外へと供給流体を移動させている。

Claims

【特許請求の範囲】１．供給流体からガスを発生させるための中心ポスト型電気化学セルスタックであって、ａ．電気化学的セルを収容するセルチャンバを形成するためのベースプレートと該ベースプレートに取り付けられた壁とを備えたフレームと、ｂ．頂部プレートと該頂部プレートに取り付けられるとともに該頂部プレートから延びる中心ポストとを備えるＴ−キャップを有し、前記頂部プレートは、前記フレームの壁に調節自在に取り付け可能な寸法とされていて、前記セルチャンバを密閉しており、前記中心ポストは、前記電気化学的セルの中心開口に挿通される寸法とされているとともに、前記ベースプレートに調節自在に取り付け可能とされていて、前記Ｔ−キャップ及び前記フレームは、協動して前記電気化学的セルの運転によって発生する圧力を保持することを特徴とする中心ポスト型電気化学的セルスタック。２．前記中心ポストの外側面は、前記電気化学的セルの隣接する中心開口と協動して前記セルチャンバの運転によって発生する流体を前記セルチャンバの外部へと排気する高圧マニホルドを形成していることを特徴とする請求項１の中心ポスト型電気化学的セルスタック。３．前記壁の内側面は、前記電気化学的セルの隣接する周辺端部と協動して前記供給流体を前記セルへと導入・排出させるように移動させる低圧マニホルドを形成することを特徴とする請求項２に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。４．前記電気化学的セルは、複数の低圧インレット及び複数の低圧アウトレットを前記低圧マニホルドに隣接して形成する低圧チャンネルの設けられたスペーサを有する中心開口排気セルを備えており、前記供給流体は、前記低圧マニホルドに連通した供給流体インレットへと流され、前記低圧マニホルドを通過し、隣接する低圧インレットチャンネルを通過し、前記低圧アウトレットチャンネルを通過して前記セル外へと流されて、前記低圧マニホルドを通り、供給流体アウトレットを通じて前記セルスタックから排出されることを特徴とする請求項３に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。５．前記中心開口排気セルはさらに、前記高圧マニホルドに隣接する複数の高圧アウトレットチャンネルを形成する高圧チャンネルの形成されたスペーサを備えており、前記発生ガスは、前記高圧アウトレットチャンネルと、前記高圧マニホルドと、前記高圧マニホルドと連通した発生ガスアウトレットを通じて前記スタック外へと流されることを特徴とする請求項４に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。６．前記中心開口排気セルは、さらに、中心Ｏ−リングシールと中心保持リングとを備え、前記中心Ｏ−リングと前記中心保持リングは協動して前記セルの前記高圧マニホルドに隣接した中心端部を取り囲んで前記セルの低圧側の中心部境界を形成し、前記高圧マニホルドの高圧ガスは、前記セルの前記低圧側へと流入せず、かつ、外側Ｏ−リングシールと外側保持リングは、協動して前記低圧マニホルドに隣接したセルの周辺部を取り囲んで前記セルの前記高圧側の外側境界を形成し、前記セルの前記高圧側の前記高圧ガスが前記低圧マニホルドへと流入しないようにされていることを特徴とする請求項５に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。７．前記中心ポストの外側面に隣接し前記高圧マニホルドを形成する高圧密閉スペーサと、前記壁の前記内側面に隣接し前記低圧マニホルドを形成する低圧密閉スペーサとを備えたことを特徴とする中心ポスト型電気化学的セルスタック。８．前記高圧チャンネルの形成されたスペーサと、前記セルの前記中心開口に隣接した前記高圧チャンネルの形成されたスペーサの下側に配設された前記中心保持リングとは、前記ベースプレートと、前記セルと、前記高圧マニホルドとを取り囲む前記頂部プレートとの間に垂直方向の機械的な通路を形成しており、前記低圧チャンネルの形成されたスペーサの対向する各面と前記セルの前記周辺端部に隣接する前記低圧チャンネルの形成されたスペーサの上側に配設された前記外側保持リングは、前記ベースプレートと、前記セルと、前記低圧マニホルドとを取り囲む前記頂部プレートの間に垂直方向の幾何学的通路を形成していることを特徴とする請求項７に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。９．供給流体からガスを製造する電気分解のための中心ポスト型電気化学的セルスタックであって、ａ．電気化学的セルを収容するセルチャンバを形成するためのベースプレートと該ベースプレートに取り付けられた壁とを備えたフレームと、ｂ．前記セルから前記セルの中心開口を通して製造されたガスを排気するため前記セルチャンバ内に配設された中心開口排気セル手段と、ｃ．頂部プレートと該頂部プレートに取り付けられるとともに該頂部プレートから延びる中心ポストとを備えるＴ−キャップを有し、前記頂部プレートは、前記フレームの壁に調節自在に取り付け可能な寸法とされていて、前記セルチャンバを密閉しており、前記中心ポストは、前記電気化学的セルの中心開口に挿通される寸法とされているとともに、前記ベースプレートに調節自在に取り付け可能とされていて、前記Ｔ−キャップ及び前記フレームは、協動して前記電気化学的セルの運転によって発生する圧力を保持することを特徴とする中心ポスト型電気化学的セルスタック。１０．前記中心開口排気セル手段はさらに、前記供給流体を製造ガスに電解するための電解質成分手段を有していることを特徴とする請求項９に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１１．前記中心開口排気セル手段はまた、前記セルの高圧側と低圧側の間をシールするための保持リングシール手段を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１２．前記スタックと前記中心開口排気セル手段はまた、前記セル手段を通して電流を通過させるための電気的導電手段と、前記電流の供給源から前記フレームへと前記セル手段を通る前に直接流れないようにするための絶縁手段と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１３．前記中心ポストの外側面は、前記中心開口排気セル手段の隣接する中心開口と協動して前記セルチャンバから前記製造された流体を排気するための高圧マニホルドを形成し、前記壁の内側面は、前記セルの隣接する周辺端部と協動して前記供給流体を移動させるとともに、前記セル外へと移動させるための低圧マニホルドを形成することを特徴とする中心ポスト型電気化学的セルスタック。１４．前記セルチャンバの外部へと製造された前記流体を排気させるため前記中心ポストの外側面に隣接した高圧密閉スペーサと、前記供給流体を供給・排出させるために移動させる低圧マニホルドを形成し前記壁の内側面に隣接した低圧密閉スペーサとを備えることを特徴とする請求項９に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１５．前記Ｔ−キャップに前記フレームを調節自在に取り付けるためのフレームプレート取り付け手段を有することを特徴とする請求項９に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１６．供給流体からガスを発生させるための中心ポスト型電気化学セルスタックであって、ａ．電気化学的セルを収容するためのセルチャンバを形成するためのベースプレートと該ベースプレートに取り付けられた壁とを備えたフレームと、ｂ．頂部プレートと該頂部プレートに取り付けられるとともに該頂部プレートから延びる中心ポストとを備えるＴ−キャップを有し、前記頂部プレートは、前記フレームの壁に調節自在に取り付け可能な寸法とされていて、前記セルチャンバを密閉しており、前記中心ポストは、前記電気化学的セルの中心開口に挿通される寸法とされているとともに、前記ベースプレートに調節自在に取り付け可能とされていて、前記Ｔ−キャップ及び前記フレームは、協動して前記電気化学的セルの運転によって発生する圧力を保持しており、ｃ．前記セル手段を通して電流を通過させるための電気的導電手段と、前記電流の供給源から前記フレームへと前記セル手段を通る前に直接流れないようにするための絶縁手段と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１７．前記電気化学的セルは、さらに、中心Ｏ−リングシールと中心保持リングとを備え、前記中心Ｏ−リングと前記中心保持リングとは、協動して前記セルの前記高圧マニホルドに隣接した中心端部を取り囲んで前記セルの低圧側との中心部境界を形成し、前記高圧マニホルドの高圧ガスが、前記セルの前記低圧側へと流入しないようにさせており、かつ、外側Ｏ−リングシールと外側保持リングとは、協動して前記セルの周辺端部を取り囲んで前記セルの前記高圧側の外側境界を形成し、前記セルの前記高圧側の前記高圧ガスが前記低圧マニホルドへと流入しないようにせていることを特徴とする請求項１６に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１８．前記中心ポストの外側面に隣接し前記セルチャンバから発生する流体を排気するための前記高圧マニホルドを形成する高圧密閉スペーサと、前記壁の前記内側面に隣接し前記セルの内外へと前記供給流体を移動させるための前記低圧マニホルドを形成する低圧密閉スペーサとを備えたことを特徴とする請求項１６に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。１９．前記電気化学的セルは、複数の低圧インレット及び複数の低圧アウトレットを壁と前記セルの間に形成される前記低圧マニホルドに隣接して形成する低圧チャンネルの設けられたスペーサを有する中心開口排気セルを備えており、前記供給流体は、前記低圧マニホルドに連通した供給流体インレットへと流され、前記低圧マニホルドを通過し、隣接する低圧インレットチャンネルを通過し、前記低圧アウトレットチャンネルを通過して前記セル外へと流され前記低圧マニホルドを通り、供給流体アウトレットを通して前記セルスタックから排気され、供給流体アウトレットを通じて前記セルスタックから排出されており、前記電気化学的セルはさらに、前記高圧マニホルドに隣接し、前記中心ポストと前記セルの前記中心開口の間に形成された複数の高圧アウトレットチャンネルを形成する高圧チャンネルの形成されたスペーサを備えており、前記発生ガスは、前記高圧アウトレットチャンネルと、前記高圧マニホルドと、前記高圧マニホルドと連通した発生ガスアウトレットを通じて前記スタック外へと流されることを特徴とする請求項１６に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。２０．前記低圧チャンネルの設けられたスペーサは、前記供給流体が低圧インレットチャンネルからそれに隣接する低圧アウトレットチャンネルへと直接漏れて流れるのを防止するためのバリヤ手段とされていることを特徴とする請求項１９に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。