JP2001500189A - 中心ポスト型電気化学的セルスタック - Google Patents

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２ ０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，４６ Ｂ，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５ ８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，６ ６Ｃ，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７ ０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７ ８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１０ ０，９６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１ ０８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１１ ４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３ ２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１２ ５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１２ ７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１ ３４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 (1)

1. 【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１ ９に記載の中心ポスト型電気化学的セルスタック。