JP2008088555A

JP2008088555A - 加圧電解槽スタックモジュール

Info

Publication number: JP2008088555A
Application number: JP2007253382A
Authority: JP
Inventors: Dana Ray Swalla; デイナ・レイ・スワラ; Richard Scott Bourgeois; リチャード・スコット・ブルジョワ; Donald Joseph Buckley; ドナルド・ジョセフ・バックリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20080083614A1

Abstract

【課題】漏れを防ぎ動作中の内部応力に起因するクリープにより拘束され、プラスチック内部スタックの構成を有する電気化学セル構造体である加圧電解槽スタックモジュールを提供する。
【解決手段】加圧プラスチック電気化学セルスタック用の構造用補強材が第１端板および第２端板とともにあり、第１端板および第２端板は、それぞれ軸方向に沿った構造用補強材に接続される。補強材が、第１端板および第２端板を通って延びて、第１端板および第２端板を、補強材の内側にある一体型あるいは二体型のプラスチック電気化学セルスタックに対して圧縮することにより、補強材内のガス発生セルを封止して電気化学セルスタックのクリープ抵抗を高める。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般に電気化学セル構造体に関し、より具体的には、漏れを防ぎ動作中の内部応力に起因するクリープにより拘束される、プラスチック内部スタックの構成を有する電気化学セル構造体に関する。

電気化学セルは通常、燃料電池あるいは電解槽のいずれかに分類されるエネルギー変換装置である。一例として、電解セルは、水を電気分解して水素および酸素ガスを生成することにより、水素発生器の役割を果たす。燃料電池は、交換膜あるいは電解質を横断して水素ガスを酸化剤と電気化学的に反応させて電気を発生させて水を生成する。

アルカリ電解システムは数十年間にわたり商業化されている。約１．７Ｖ〜約２．２Ｖの直流電圧を、液体電解質内に設置した２つの電極に印加する。正電極では酸素を発生し、負電極では水素が形成する。イオン透過性のダイアフラムは、ガスを分離した状態にしておく。
国際特許出願第２００４／０７６７２１Ａ２号

従来の電気化学システムは、多数の電極対、ダイアフラム、ガスケット、ボルト、およびシステムの組立を複雑にし、かつ製造コストを押し上げるその他種々の部品を含む個々の構成部品を有する。例えば、通常手動でボルト締めされた金属板と、金属板の間に用いてそれらを互いに電気的に絶縁するガスケットとにより、水素発生用の電気化学セル構造体を製造する。材料は一般に高価であり、集約的な組み立てが必要であるため、労働コストが高い。

スタック装置を備える従来の電気化学システムの一般的な構成および製造の難しさを、図１を参照して説明する。図に示すように、典型的なスタック装置１０は、複数の繰返しユニット１２を備える。各繰返しユニット１２は、陽極１４、両極板１６、陰極１８、およびダイアフラム２０を備える。大規模なアルカリ電解質スタックを実施する場合では、百以上の繰返しユニット１２を備えうる。各繰返しユニット１２は、電極装置２２とも共通に呼ばれる、陽極１４、両極板１６、陰極１８間の電気的接続が必要である。アルカリ電解質の場合には一般に水酸化カリウム溶液である、電解質（図示せず）の存在下で、陽極１４と陰極１６に直流電圧２４を印加する。主として隣接する電極装置２２間の混合物から水素および酸素ガスが生成され続けるように、各電極装置２２をダイアフラム２０により分離する必要がある。スタック内の全ての繰返しユニット１２は、ある種の筺体内に配置されて、非導電性のガスケットにより取り囲まれる必要がなる。封止技術、配管、あるいはマニホールドにより、電解質を分配し、水素および酸素ガスを捕獲する。数百、場合によっては数千の接続およびボルトあるいはその他の締付具を用いてこの種のスタックを組立てることにより、さらに製造コストに影響を及ぼす。

新しく開発された電気化学セル構造体は、非導電材料から構成されるスタック筺体の使用を伴い、高い化学抵抗性と低い組立コストを達成している。しかし、例えばプラスチックなどの非導電材料は、クリープ抵抗がないために、内部圧力を有するスタックに対して実用的に使用できない。内部圧力はシステム効率を向上させ、コストおよびスタック後の圧縮器の必要性を減らすので、電気分解において好都合である。

従って、プラスチックのスタック筺体を利用して圧力に関連するクリープに抵抗する、低コストの電気化学セル構造体に対する需要がある。

この開示は、１つ以上の非導電枠を備える電気化学セルスタックモジュール用の構造用補強材について記載している。１つの実施形態において、電気化学セルスタックモジュールは、陽極、陰極、上面ダイアフラム、および繰返し板の底面ダイアフラムの少なくとも１つを支持する１つ以上の非導電枠を有する電気化学セルスタックと、電気化学セルスタックを収容するように構成された構造用補強材であって、第１剛性部材、第２剛性部材、および軸または長手方向に沿って前記第１および第２剛性部材の少なくとも１つに固定され、かつ前記剛性部材を電解槽の各端に押し付けるように適合された少なくとも１つのコネクターを備える構造用補強材と、備える。

別の実施形態において、電気化学セルスタックモジュールは、陽極、陰極、上面ダイアフラム、および繰返し板の底面ダイアフラムの少なくとも１つを支持する１つ以上の非導電枠を有する電気化学セルスタックと、電気化学セルスタックを収容するように構成された構造用補強材であって、円筒形状の電気化学セルスタックと同じかわずかに大きな内径の円筒スリーブを有する構造用補強材と、を備える。

さらに別の実施形態において、電気化学セルスタックモジュールは、陽極、陰極、上面ダイアフラム、および繰返し板の底面ダイアフラムの少なくとも１つを支持する１つ以上の非導電枠を有する円筒形状の電気化学セルスタックと、電気化学セルスタックを収容するように構成された構造用補強材であって、円筒形状の電気化学セルスタックと同じかわずかに大きな内径の円筒スリーブ、円筒スリーブの一端に対して配置される第１剛性部材、および円筒スリーブの一端に対して配置される第２剛性部材を有する構造用補強材と、を備える。

本開示は、圧力に関連するクリープを最小化および／または防ぐ非導電スタックを有して構成される電気化学セルスタック用の種々の構造用補強材について記載している。有利なことに、ここに記載される構造用補強材は、圧力に関連するクリープが最小限の状態および／または圧力に関連するクリープなしに、スタック内に内部圧力を蓄積することが可能であり、その結果としてシステム効率が向上する。構造用補強材は、一体型または二体型設計の電解槽とともに用いることができる。ここで、電気化学セルという用語は、総称であり、電解セル、ガルバニ電池、さらに限定ではないが酸化物燃料電池、高分子電解質膜型の燃料電池、アルカリ燃料電池などの燃料電池をも包含するように意図されている。

図２〜６は、電解槽の種々の部品を支持するための非導電枠を備える典型的な電解槽１００を示す種々の図である。ここに説明されるように、構造用補強材は、例えば電解槽１００である電解槽中の非導電枠を用いる結果として、長手方向および／または半径方向の変形を制限するように構成することができる。電解槽１００は、陽極１０２と、陽極１０２と間隔をあけて設置される陰極１０４とを備える。両極板１０６は、陽極１０２と陰極１０４との間に設置されて、それらの間の電気的な接続を可能にする。図３に最もよく示すように、陽極１０２、両極板１０６、および陰極１０４を、互いに接続して電極インサート１０８を生成する。電気化学セル構造体１００（図２）は、電極枠１１０をさらに備える。円形の電極枠１１０は、電解質入口１１２、上面１１６上の第１電解質流路１１４、底面１１８（点線で示す）上の第２電解質流路１１７、受け座１２０、上面１１６上の酸素流路１２２、および底面１１８（点線で示す）上の水素流路１２４を備える。電極インサート１０８は、受け座１２０上に設置される。電気化学セル構造体１００は、上面ダイアフラム１２６、上面ダイアフラム枠１２８、底面ダイアフラム１３０、および底面ダイアフラム枠１３２をさらに備える。説明のために、この実施形態では、上面ダイアフラム枠１２８、上面ダイアフラム１２６、電極インサート１０８、電極枠１０８、底面ダイアフラム１３０、および底面ダイアフラム枠１３２が、繰返し板１３４を形成する。アルカリ電解質スタックの実施においては、例えば約１０〜約１００からなる多くの繰返し板１３４を備える。図４に示すように、通常各スタックは、エンドキャップ１４０、陽極１０２、および集電器１４２により一端にふたをかぶせて、エンドキャップ１４０、陰極１０４、および集電器１４２により他端にふたをかぶせる。

動作の際に、電解質を、入口１１２（図２）を通して導入し、第１流路１１４により陽極１０２に分配し、第２流路１１７により陰極１０４に分配する。さらに、電解質は、上面膜１２６および底面膜１３０を通って流れ、隣接する繰返し板１３４間にイオンブリッジを生成する。ＤＣ電流を電極インサート１０８に印加して、各スタック内で陽極１０２と陰極１０４とにおいて電解質の一部がそれぞれ酸素と水素に分離する。酸素と電解質の一部は酸素流路１２２を通って酸素出口１２３に流れ、水素と電解質の一部は水素流路１２４を通って水素出口１２５に流れる。追加の流路（図示せず）を隣接する繰返し板１３４間に設けることにより、電解質が入口１１２、酸素出口１２３、および水素出口１２５の１つに流れることが可能になる。

図２に最もよく示すように、各繰返し板１３４の上面ダイアフラム支持体１２８、電極枠１１０、および底面ダイアフラム支持体１３２の構成部品は、必ずしも必要ではないが典型的には同じ一般形状形態を有する非導電材料から構成される。明確にするために、これらの組合せ部品は、非導電枠１５０という。１つの実施形態において、非導電枠１５０は、約６０℃〜約１２０℃の範囲の最高動作温度を有する材料から構成される。この温度範囲は、ほとんどのアルカリ電解質の応用に対応する。別の実施形態において、非導電枠１５０は、約６０℃〜約３００℃の範囲の最高動作温度を有する材料から構成される。この温度範囲は、ほとんどのアルカリ電解質および燃料電池の応用ばかりでなく、ほとんどのプロトン交換膜（ＰＥＭ）および酸電解質の応用に対応する。

ある実施形態において、非導電枠１５０は、ポリマー、典型的にはＫＯＨあるいはＮａＯＨのような塩基に長期間露出する際の劣化を防ぐようにアルカリに対して化学的に耐久性のあるポリマーにより構成される。別の実施形態において、非導電枠１５０は、電気化学的に安定なポリマーにより構成することもできる。好適なポリマーには、限定ではないが、ポリエチレン、フッ素化ポリマー、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスチレン、およびそれらのブレンドがある。好適な実施形態において、非導電枠１５０は、ＮＯＲＹＬ（登録商標）樹脂族からの１つ以上のポリマーにより製造される。

図５と６を参照すると、繰返し板１３４は単一のユニットとして示されている。各繰返し板１３４は、電解質の入口１１を設けるように構成される。図６に最もよく示すように、電解質は両極板１０６の片側で２つの流れに別れて、他方の側でＨ_２とＯ_２に分離する。Ｈ_２とＯ_２を確保するために電極インサートの各側に接合されたダイアフラム１２６と１３０は、隣接する繰返し板１３４間において混合しない。典型的な繰返し板１３４の構造は、比較的単純であり、シールまたはガスケットを使用することを避けている。図に示すように、電極インサート１０８およびダイアフラム１２６と１３０は、繰返し板１３４の単一の非導電枠内に、支持されかつ完全に包まれる。電解質用の流路は、繰返し板１３４の単一の非導電枠によっても画定されることにより、実質的に前記システム内でガスケットが不要になる。

図７は、長手方向の変形を最小限に抑える、例えば上記（例えば、電解槽１００）のような電解槽用の構造用補強材２００を示す。構造用補強材は、電解槽１００の回りにサンドイッチ状のものを形成する剛性部材２０２と２０４を備える。剛性部材２０２、２０４は、それらの間に電解槽１００を収容し、かつ非導電枠１５０に関連するクリープを最小限に抑えるおよび／または防ぐように、少なくとも１つのコネクター、例えば締付具２０６により互いに締め付けられる。電解槽１００に用いられる積層された非導電枠１５０でのクリープを防ぐのに十分な剛性のある任意の材料により、剛性部材を構成することが可能である。同様に、剛性部材は、動作中に電解槽１００でのクリープを維持して防ぐように構成されたのに好適な任意の形状が可能である。

１つの実施形態において、図７に示すように、電解槽スタックを通って延びる少なくとも１つのコネクター２０６により、剛性部材２０２、２０４を互いに締め付ける。随意的に、集電器（図４参照、集電器１４２）は、剛性部材２０２および／または２０４の役割を果たすことができる。その他の実施形態において、各剛性部材２０２、２０４を電解槽スタックに直接固定する。

別の実施形態において、剛性部材２０２、２０４は、電解槽１００よりも大きな横方向の寸法であるように構成する。この実施形態において、剛性部材２０２、２０４は、電解槽１００の境界を覆う部分を有する。このように、剛性部材は、好適な締付具、例えばボルト、クランプ、タイロッド、ストラップなどにより、周囲を外部から締め付けることができる。

別の実施形態において、締付具は、電解槽（図２参照、例えば、流路１１４、１１７、１２２、および／または１２４）の流路の内部に位置する。締付具を化学的に耐久性のあるスリーブ内に配置させることができる、あるいは締付具を、配置される環境に好適な化学的に耐久性のある材料により構成することができる。当然、当該分野の技術者は、締付具も耐クリープ性の材料により構成すべきであることを十分に認識するであろう。

図８は、別の実施形態による、長手方向の変形を制限する構造用補強材３００の斜視図を示す。構造用補強材は、電解槽１００のそれぞれの端に配置したストラップ３０２、３０４としての少なくとも２つの剛性部材を備える。締付具３０６は、動作中に非導電枠１５０のクリープを防ぐように、電解槽の端にストラップを固定する。図示される実施形態において、ストラップは、電解槽に対して外部から締め付けられる。随意的に、前述のように、電解槽の流路内に締付具を配置することができる。

図９は、半径方向の変形を制限する構造用補強材４００を示す。当該分野の技術者は、電解槽は全面的な円筒形状を有することができることを十分に認識するであろう。構造用補強材４００は、電解槽１００の外径よりわずかに大きな内径を有する円筒スリーブ４０２を備える。随意的に電解槽スタックの外部表面と円筒スリーブの内部表面との間のスペースに材料４０４を配置する。材料は電解槽スタックからの機械的な負荷を円筒形状のシェルに伝達し、電解槽スタックのクリープ変形に抵抗する。種々の実施形態において、材料は、液体、ゲル、粒子状物質、耐クリープ性固体、それらの組合せなどにより構成することができる。このように、半径方向の変形を防ぐ。半径方向において明白になるクリープを最小限に抑えるおよび／または防ぐように、十分な剛性のある複合材料、プラスチックあるいは金属のより、円筒スリーブ４０２を構成することができる。付加的な補強あるいは長手方向の変形を制限することを、構造用補強材４００の円筒スリーブ４０２と組み合わせることができることにも留意すべきである。例えば、円筒スリーブ４０２に加えて、図７と８の示すような剛性部材を利用することができる。好適的なコネクターを用いて、例えば、接着剤、ボルト、溶接などで、円筒スリーブの対応する端に剛性部材を締付け固定することができる。

図１０は、２つの三日月形部分４０６、４０８により構成される円筒形状である、半径方向の変形を制限する構造用補強材４００を示す。２部品の構成が示されているが、当該分野の技術者は、３つ以上の部品を用いて円筒形状の構造用補強材を形成できることを十分に認識するであろう。また、種々の部品が、特定の形状を制限するように意図されてはいない。

この記載された説明は、実施例を用いて最良の形態を含む発明を開示しており、当該分野の技術者が本発明を実行し用いることが可能となる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当該分野の技術者が想定可能なその他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例が特許請求の範囲の文字の言語と異ならない構成要素を有する場合、あるいは特許請求の範囲の文字の言語とごくわずかに異なる構成要素と等価な構造を備える場合、他の実施例は特許請求の範囲内にあることが意図されている。

発明の開示およびその実施形態は、次の説明および添付図面から明らかになるであろう。類似の要素には同じ符号を付す。
図１は、従来技術のアルカリ電解システムを示す概略図である。図２は、電解槽の種々の部品を支持するための非導電枠を備える電気化学セルスタックを示す部分分解斜視図である。図３は、図２の電気化学セルスタック用の電極インサートを示す斜視図である。図４は、図２の電気化学セルスタック用のエンドキャップを示す斜視図である。図５は、図２の電気化学セルスタックの上面図である。図６は、図５に示す電気化学セルスタックの側面図である。図７は、別の実施形態による非導電枠を備える電気化学セルスタックモジュールが動作する際に長手方向の変形を制限する構造用補強材の分解斜視図である。図８は、別の実施形態による非導電枠を備える電解槽が動作する際に長手方向の変形を制限する構造用補強材の斜視図である。図９は、別の実施形態による非導電枠を備える電気化学セルスタックモジュールが動作する際に半径方向または円周方向の変形を制限する構造用補強材の斜視図である。図１０は、２個の電気化学セルスタックモジュール用の円筒形構造用補強材の斜視図である。

符号の説明

１０スタック装置
１２繰返しユニット
１４陽極
１６両極板
１８陰極
２０ダイアフラム
２２電極装置
２４直流電圧
１００電解槽
１０２陽極
１０４陰極
１０６両極板
１０８電極インサート
１１０電極枠
１１２電解質入口
１１４電解質（第１）流路
１１６上面
１１７第２流路
１１８底面
１２０受け座
１２２酸素流路
１２３酸素出口
１２４水素流路
１２５水素出口
１２６上面ダイアフラム枠
１２８上面ダイアフラム
１３０底面ダイアフラム
１３２底面ダイアフラム枠
１３４繰返し板
１４０エンドキャップ
１４２集電器
１５０非導電枠
２００構造用補強材
２０２剛性部材
２０４剛性部材
２０６コネクター
３００構造用補強材
３０２ストラップ
３０４ストラップ
３０６コネクター（締付具）
４００構造用補強材
４０２円筒スリーブ
４０４材料
４０６三日月形部分
４０８三日月形部分

Claims

陽極（１０２）、陰極（１０４）、上面ダイアフラム（１２８）、および繰返し板（１３４）の底面ダイアフラム（１３０）の少なくとも１つを支持する１つ以上の非導電枠（１５０）を有する電気化学セルスタック（１００）と、
電気化学セルスタック（１００）を収容するように構成された構造用補強材（２００、３００、４００）であって、第１剛性部材（２０２）、第２剛性部材（２０４）、および軸および／または長手方向に沿って前記第１および第２剛性部材（２０２、２０４）の少なくとも１つに固定され、かつ前記剛性部材（２０２、２０４）の少なくとも１つを電気化学セルスタック（１００）に押し付けるように適合された少なくとも１つのコネクター（２０６）を備える構造用補強材と、
を備える電気化学セルスタックモジュール。
第１剛性部材（２０２）、第２剛性部材（２０４）、および少なくとも１つのコネクター（２０６）は、耐クリープ材料により構成される請求項１に記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つの第１および第２剛性部材（２０２、２０４）は、電気化学セルスタック（１００）の集電器（１４２）を画定する請求項１または２に記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つのコネクター（２０６）を、１つ以上の非導電枠（１５０）の内側に配置する請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つのコネクター（２０６）を、第１剛性部材（２０２）および第２剛性部材（２０４）の両方に固定する請求項１〜４のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つのコネクター（２０６）を、第１剛性部材（２０２）および電気化学セルスタック（１００）に固定する請求項１〜５のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つのコネクター（２０６）を、電気化学セルスタック（１００）の流路（１１４、１１７、１２２、１２４）の内側に配置する請求項１〜６のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。
少なくとも１つのコネクターは中空であり、電気化学セルスタックの流路を形成する請求項１〜７のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。
第１および第２剛性部材（２０２、２０４）は、スタック（１００）の周りに円筒スリーブ（４０２）を形成する請求項１に記載の電気化学セルスタックモジュール。
非導電枠（１５０）は、５０℃〜３００℃の範囲の最高動作温度を有する材料を備える請求項１〜９のいずれかに記載の電気化学セルスタックモジュール。