JP2020180372A - 拡張したイオン交換膜電解セル - Google Patents
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Abstract
Description
1.本発明の拡張したイオン交換膜電解セルにおける、アノード板、カソード板、バイポーラ電極板、第1のイオン交換膜板、及び第2のイオン交換膜板は、独立した板である。カルシウム蓄積の問題が電気分解後に生じた場合、拡張したイオン交換膜電解セルは、洗浄のために分解することができる。拡張したイオン交換膜電解セルの任意の部分が、激しく損傷を受けたときでさえ、損傷した板を、複数の構成要素または電気分解全体を交換するよう意図された、新しいものに直ちに交換することができる。
2.本発明の拡張したイオン交換膜電解セルにおける、アノード板、カソード板、及びバイポーラ電極板は、電解セルの動作を妨げる不安定な設置の問題を起こすことなく、一体化で形成された電極板とすることができる。
3.本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、1枚のアノード板、1枚のカソード板、及び少なくとも1枚のバイポーラ電極板を積層することによって、主に形成される。アノード板及びカソード板は、電気分解のために正電流及び負電流にそれぞれ接続され、バイポーラ電極板は、電流に接続させる必要はない。バイポーラ電極板は、アノード板とカソード板との間の電位差を使用し、正極性及び負極性を形成する。本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、バイポーラ電極板を使用して、各電極板が電流との連通を必要とする構成を排除し、正の接触子及び負の接触子に接続した複数の電極板によって生じる、従来の電解セルの問題も排除する。
4.本発明の拡張したイオン交換膜電解セルのバイポーラ電極板は、アノード板とバイポーラ電極板との間に形成された電気分解空間のためのカソードであり、バイポーラ電極板は、カソード板とバイポーラ電極板との間に形成された電気分解空間のためのアノードである。この特性のため、バイポーラ電極板の一方の面は、水を電気分解して水素を発生させ、他方の面は、水を分解して酸素を発生させることができる。したがって、アノード板とカソード板とを交互に配置する必要がある従来の電解セルと比較して、本発明の拡張したイオン交換膜電解セルに配設する電極板の数は、従来の電解セルよりも少ないので、費用及び体積を節減する。
5.本発明の拡張したイオン交換膜電解セルは、水及び気体の流れを誘導するために直線封止ガスケットを使用する従来の電解セルの代わりに、アノード板、カソード板、及びバイポーラ電極板自体の構造設計を使用して、水及び気体の流れを誘導する。それによって、拡張したイオン交換膜電解セルは、従来の電解セルにおける封止ガスケットの劣化または直線封止ガスケットによる、位置ずれの問題を排除する。
Claims (20)
- 拡張したイオン交換膜電解セルであって、
アノード板と、
カソード板と、
前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、少なくとも1枚のバイポーラ電極板と、
前記アノード板と前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板との間に配設された、第1のイオン交換膜板と、
前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板と前記カソード板との間に配設された、第2のイオン交換膜板と、
前記アノード板と前記第1のイオン交換膜板と間、及び前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板と前記第2のイオン交換膜板との間に形成された、複数の酸素チャンバと、
前記第1のイオン交換膜板と前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板との間、及び前記第2のイオン交換膜板と前記カソード板との間に形成された、複数の水素チャンバと
を備え、
水素出口チャネル、酸素出口チャネル、及び水入口チャネルは、前記拡張したイオン交換膜電解セルに形成され、前記水素出口チャネルは、複数の前記水素チャンバの各々に連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、複数の前記酸素チャンバの各々に連結される、拡張したイオン交換膜電解セル。 - 前記酸素チャンバは、前記アノード板に隣接した第1の酸素チャンバを備え、前記アノード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記凹状中央部に空間が形成され、前記第1の酸素チャンバは前記空間を備え、前記凸状周縁部は、前記アノード板及び前記第1のイオン交換膜板が積み重ねられたとき、前記水素出口チャネルの一部、前記酸素出口チャネルの一部、及び前記水入口チャネルの一部に対応する複数の穴を有し、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルが連結される、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記水素チャンバは、前記カソード板に隣接した第1の水素チャンバを備え、前記カソード板の一方の面は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記凹状中央部に空間が形成され、前記第1の水素チャンバは前記空間を備え、前記水素出口チャネルは前記凹状中央部に連結される、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板は、カソード面及びアノード面を有し、前記カソード面及び前記アノード面の各々は、凸状周縁部及び凹状中央部を有し、前記水素チャンバは、前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板の前記カソード面に隣接した第2の水素チャンバを備え、前記凹状中央部に第1の空間が形成され、前記第2の水素チャンバは前記第1の空間を備え、前記酸素チャンバは、前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板の前記アノード面に隣接した第2の酸素チャンバを含み、前記凹状中央部に第2の空間が形成され、前記第2の酸素チャンバは前記第2の空間を備え、積み重ねられたとき、前記カソード面及び前記アノード面の凸状周縁部は、前記水素出口チャネルの一部、前記酸素出口チャネルの一部、及び前記水入口チャネルの一部に対応する複数の穴を有し、前記水素出口チャネルは前記カソード面の前記凹状中央部に連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、前記アノード面の前記凹状中央部に連結される、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記アノード板と前記第1のイオン交換膜板との間、前記第1のイオン交換膜板と前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板との間、前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板と前記第2のイオン交換膜板との間、及び前記第2のイオン交換膜板と前記カソード板との間、にそれぞれ配設された、複数のシリコン封止ガスケットをさらに備え、前記シリコン封止ガスケットの各々は、中空セクション及び環状セクションによって形成された中空環状構造であり、前記水素出口チャネル、前記酸素出口チャネル、及び前記水入口チャネルは、前記シリコン封止ガスケットの各々の前記環状セクションを貫通する、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記シリコン封止ガスケットの各々の前記中空セクションにそれぞれ配設され、かつ隣接した前記第1のイオン交換膜板、または隣接した前記第2のイオン交換膜板にそれぞれ装着された、複数の拡散板をさらに備える、請求項5に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記アノード板の面、前記カソード板の面、及び前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板の2つの面、のうちの少なくとも1つは凹状中央部を有し、前記凹状中央部は、複数の隆起部、及び前記隆起部同士の間に形成された複数の溝を有し、前記隆起部は、対応する前記拡散板に当接するよう構成され、前記アノード板、前記カソード板、前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板、前記第1のイオン交換膜板、及び前記第2のイオン交換膜板が積み重ねられたとき、前記隆起部は、対応する前記拡散板を、対応する前記第1のイオン交換膜板または対応する前記第2のイオン交換膜板に当接させ、前記溝は、前記水素出口チャネル、前記酸素出口チャネル、及び前記水入口チャネルのうちの少なくとも1つにそれぞれ連結される、請求項6に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記拡散板は複数の孔を有し、それによって水、水素、及び酸素は前記孔を流れ抜ける、請求項6に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 複数のセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記水素チャンバの各々から前記水素出口チャネルへの接合部、ならびに前記酸素チャンバから前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルへの接合部に、それぞれ配設され、前記セパレータは、対応する前記シリコン封止ガスケットに対してそれぞれ当接して複数のポートを形成し、前記水素出口チャネルは、前記水素チャンバに、前記ポートの一部を介して連結され、前記酸素出口チャネル及び前記水入口チャネルは、前記酸素チャンバに、前記ポートの別の部分を介して連結される、請求項5に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記カソード板に面した側とは反対側のアノード板の側、及び前記アノード板に面した側とは反対側のカソード板の側、のうちの少なくとも1つの箇所の上部に配設された、少なくとも1枚の絶縁熱ボードをさらに備え、前記少なくとも1枚の絶縁熱ボードは、前記拡張したイオン交換膜電解セルの電流を外部環境から分離するよう、かつ前記拡張したイオン交換膜電解セルの熱エネルギーを外部環境に伝導するよう構成される、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記カソード板に面した側とは反対側のアノード板の側、及び前記アノード板に面した側とは反対側のカソード板の側、のうちの少なくとも1つの箇所の上部に配設された、少なくとも1枚の放射板をさらに備え、前記少なくとも1枚の放射板は、前記拡張したイオン交換膜電解セルの熱を外部環境へ消散させるよう構成される、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 複数の係止チャネル及び複数の係止構成要素をさらに備え、前記係止チャネルは、前記係止構成要素と嵌合するよう、前記アノード板、前記カソード板、前記少なくとも1枚のバイポーラ電極板、前記第1のイオン交換膜板、及び前記第2のイオン交換膜板を貫通する、請求項1に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 拡張したイオン交換膜電解セルであって、
アノード板と、
カソード板と、
前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、第1のバイポーラ電極板と、
前記アノード板と前記第1のバイポーラ電極板との間に収容することができる、第1のイオン交換膜板と、
前記カソード板と前記第1のバイポーラ電極板との間に収容することができる、第2のイオン交換膜板と、
前記アノード板に隣接した、第1の酸素チャンバと、
前記カソード板に隣接した、第1の水素チャンバと、
前記第1のバイポーラ電極板のアノード面に隣接した、第2の酸素チャンバと、
前記第1のバイポーラ電極板のカソード面に隣接した、第2の水素チャンバと
を備え、
酸素出口チャネルは、前記第1の酸素チャンバ及び前記第2の酸素チャンバに連結され、水素出口チャネルは、前記第1の水素チャンバ及び前記第2の水素チャンバに連結される、拡張したイオン交換膜電解セル。 - 前記第1の酸素チャンバは、前記第1の水素チャンバ及び前記第2の水素チャンバと流体連結されず、前記第2の酸素チャンバは、前記第1の水素チャンバ及び前記第2の水素チャンバと流体連結されない、請求項13に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記酸素出口チャネルは、少なくとも前記アノード板から前記カソード板へ延び、前記水素出口チャネルは、少なくとも前記アノード板から前記カソード板へ延びる、請求項13に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記アノード板及び前記カソード板はそれぞれ、
第1の凹状中央部と、
前記第1の凹状中央部に配設された、複数の第1の隆起部と、
前記第1の隆起部同士の間に配設された、複数の第1の溝と
を備え、
前記第1の酸素チャンバは、前記アノード板の前記第1の溝を備え、前記アノード板の前記第1の溝は、前記酸素出口チャネルに連結され、前記第1の水素チャンバは、前記カソード板の前記第1の溝を備え、前記カソード板の前記第1の溝は、前記水素出口チャネルに連結される、請求項15に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。 - 前記第1のバイポーラ電極板の、前記アノード面及び前記カソード面はそれぞれ、
第2の凹状中央部と、
前記第2の凹状中央部に配設された、複数の第2の隆起部と、
前記第2の隆起部同士の間に配設された、複数の第2の溝と
を備え、
前記第2の酸素チャンバは、前記アノード面の前記第2の溝を備え、前記アノード面の前記第2の溝は、前記酸素出口チャネルに連結され、前記第2の水素チャンバは、前記カソード面の前記第2の溝を備え、前記カソード面の前記第2の溝は、前記水素出口チャネルに連結される、請求項16に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。 - 酸素導管及び水素導管をさらに備え、前記酸素出口チャネルは、前記カソード板または前記アノード板を貫通して前記酸素導管に連結され、前記水素出口チャネルは、前記カソード板または前記アノード板を貫通して前記水素導管に連結される、請求項15に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
- 前記アノード板と前記カソード板との間に配設された、第2のバイポーラ電極板と、
前記第2のバイポーラ電極板のアノード面に隣接した、第3の酸素チャンバと、
前記第2のバイポーラ電極板のカソード面に隣接した、第3の水素チャンバと
をさらに備え、
前記酸素出口チャネルは、前記第1の酸素チャンバ、前記第2の酸素チャンバ、及び前記第3の酸素チャンバに連結され、前記水素出口チャネルは、前記第1の水素チャンバ、前記第2の水素チャンバ、及び前記第3の水素チャンバに連結される、請求項18に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。 - 前記第3の酸素チャンバは、前記第1の水素チャンバ、前記第2の水素チャンバ、及び前記第3の水素チャンバと流体連結されず、前記第3の水素チャンバは、前記第1の酸素チャンバ、前記第2の酸素チャンバ、及び前記第3の酸素チャンバと流体連結されない、請求項19に記載の拡張したイオン交換膜電解セル。
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