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技術 電気分解装置およびその製造方法

出願人 ジーティーエー,インコーポレイテッド
発明者 グリーンバーム,エリアス
出願日 2013年11月1日 (7年2ヶ月経過) 出願番号 2015-553720
公開日 2016年3月10日 (4年9ヶ月経過) 公開番号 2016-507653
状態 特許登録済
技術分野 非金属・化合物の電解製造;そのための装置 化合物または非金属の製造のための電極
主要キーワード ほぞ継ぎ 端部ゾーン ワイヤー位置 シムストック 外周バンド 連続部品 半矩形状 指向性エネルギー
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

水を水素ガスおよび酸素ガス電気分解により分解するための装置が、開示される。前記装置は、(i)第1半筐体と、(ii)第2半筐体と、(iii)第1半筐体と第2半筐体との間に位置するダイアフラム電極アレイと、を有し、前記ダイアフラム電極アレイは、(a)イオンを通過させかつガスの通過を妨害する、第1側面および対向する第2側面を有するダイアフラムと、(b)前記ダイアフラムの前記第1側面の第1近傍にある第1複数電極と、(c)前記ダイアフラムの前記対向する第2側面の第2近傍にある第2複数電極と、(iv)漏出防止性筐体が形成するため、前記第1半筐体、前記ダイアフラム電極アレイおよび前記第2半筐体を漏出防止性的に固定する固定手段と、(v)前記第1複数電極と前記第2複数電極とに電力を供給するための接点部と、(vi)前記筐体から水素ガスおよび酸素ガスを除去するように構成される経路と、を有する。

概要

背景

関連技術の説明
水素ガスは、多数の製造プロセス、例えば、石油精製肥料生産ガラス製造など多数において使用される汎用化学製品である。水素ガスは、また、間欠的な再生可能エネルギー、例えば、風の電気エネルギーや太陽の電気エネルギーを貯蔵するために使用することが可能である。電気分解水素および酸素は、原子力により生成された電気を使用して、生産し、原子炉から遠く離れた距離をパイプライン輸送することが可能である。

水素生産のための1つの商用プロセスは、炭化水素からの水蒸気改質である。しかしながら、水蒸気改質は、再生不可能なエネルギー源を利用する可能性がある。一酸化炭素および炭酸ガスは、水素生産のための化石燃料ベースの方法の副産物である可能性がある。水素大規模生産のための無公害の方法、例えば、水の電気分解を見つけることに対するかなりの関心が、存在する。

太陽光発電および風力発電は、再生可能エネルギーにおける技術的に活発な領域である。これらの技術は、間欠性の問題、つまり、太陽エネルギーおよび風力エネルギーは、連続的に利用可能でないことに苦しむ可能性がある。太陽エネルギーおよび風力エネルギーが利用可能でない場合、水素を貯蔵し、それをバックアップとして燃料電池で使用することによって、水の電気分解は、この問題を解決すること可能である。しかしながら、従来の電気分解装置は、複雑な構造であるため、組立てが労働集約的であり、材料の使用において金属材料集約的であり、および/又は、大規模エネルギー用途のためのモジュール
式のスケールアップのために、適切には適合させることができない可能性がある。政府は、大規模なエネルギー用途のための電気分解装置のサプライチェーンを広げるために、進歩した製造方法を導入する際の問題を解決する取り組みに、世界的に、過去20年以上に渡り、500,000,000ドル以上を費やしている。まだ、この長年にわたる重要な問題の解決、つまり、安価な電気分解装置の実用的な大規模生産のための進歩した製造方法の利用を、達成することができない場合があった。問題を解決するための障害は、米エネルギー省(Department of Energy)のエネルギー効率及び再生可能エネルギー局(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy)の「2011 NREL/DOE 水素および燃料電池製造研究開発ワークショップレポート(2011 NREL/DOE Hydrogen and Fuel Cell Manufacturing R&D Workshop report)」に示されており、参照され、全体として、ここに組み入れられている。ワークショップの全体目的は、(1)水素および燃料電池システム、および部品の製造に対する障壁と、(2)優先度の高いニーズおよび政府が障壁を克服するためにサポートできるR&D活動とを、特定し、優先順位を決めることである。ワークショップレポートのキーとなる成果は、障壁を克服することに関する追加研究のための計画であった。電極のための戦略に関するワークショップ参加者コンセンサス投票は、インキをメンブレン直接塗布する方法であった。前述の理由のため、進歩した製造技術を生産プロセスに組み込んだ安価な電気分解装置を大規模に生産する長年の問題を解決することの必要が残っている。2012年の統合燃料電池技術および先進製造技術局(Joint Fuel Cell Technologies and Advanced Manufacturing Office)のウェビナー(Webinar)のプレゼンテーション資料は、本願明細書において参照され、全体として、組み入れられている。2011年のレポートおよび2012年のウェビナー資料は、エネルギー効率及び再生可能エネルギー局(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy)DOEのhttp://www1.eere.energy. gov/hydrogenandfuelcells/wkshp_h2_fc_manufacturing.htmlから、PDFファイルとして入手可能である。

水の電気分解は、水素ガス生産への道である。さらに、酸素ガスは、有用かつ価値のある工業用および医用製品である副産物として生産することが可能である。風、水力発電、太陽エネルギーおよび核エネルギー等の再生可能エネルギー源によって発生させられる電気は、化石燃料からの水素生産に伴う二酸化炭素および一酸化炭素なしで、水素および酸素の電気分解による生産にために使用することが可能である。電気分解技術を対象とする特許参考文献は、例えば、米国特許第8,277,620号、第8,273,495号、第8,075,750号、第8,075,749号、第8,066,784号、第7,964,068号、第7,959,773号、第7,951,274号、第7,922,879号、第7,906,006号、第7,901,549号、第7,892,6947号、第704,353号、第7,323,090号、第7,132,190号、第6,797,136号、第6,582,571号、第6,282,774号、第5,728,485号、第5,660,698号、第5,606,488号、第5,599,430号、第5,171,644号、第5,130,006号、第5,080,963号、第4,773,982号、第4,636,291号、第4,615,783号、第4,541,911号、第4,474,612号、第4,432,859号、第4,367,134号、第4,311,577号、第4,250,002号、第4,206,030号、第4,061,557号、第4,014,776号、第3,976,550号、第3,855,104号、第3,554,893号、RE第34,233号、および米国出願公開第2012/0193242号、第2012/0149789号、第2011/0243294号第2010/0280347号、第2010/0032221号、第2009/0026089号、第2008/0067078号、第2004/0182695号、第2003/0057088号、第2002/0157958号、第2002/0037422号である。

水の電気分解は、異極性電極間の水に印加される電圧の作用によって、酸素ガスおよび水素ガスへの水の分解を伴うことが可能である。次の反応によって示されるように、水素は、陰極カソード)で生産することが可能であり、酸素は、陽極アノード)で生産することが可能である。
カソード(還元):4H+(aq)+4e−→2H2(g)
アノード(酸化):2H2O(l)→O2(g)+4H+(aq)+4e−。

電解セルによっては、イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムは、陰極室および陽極室を分離することが可能である。ダイアフラムは、室間のイオン伝導許容する一方、それぞれの室において生成された水素ガスおよび酸素ガスの分離を維持する。陽極反応は、印加された外部電圧の影響下、分子から電子を除去することが可能である。電子の除去は、水から酸素およびプロトンH+を遊離させることが可能である。プロトンは、ダイアフラムを越えて移動し、除去された電子と結合し、水素を形成することが可能である。組み合わされた正味の陰極および陽極反応は、2H20→2H2+O2であると言うことが可能である。

概要

水を水素ガスおよび酸素ガスに電気分解により分解するための装置が、開示される。前記装置は、(i)第1半筐体と、(ii)第2半筐体と、(iii)第1半筐体と第2半筐体との間に位置するダイアフラム電極アレイと、を有し、前記ダイアフラム電極アレイは、(a)イオンを通過させかつガスの通過を妨害する、第1側面および対向する第2側面を有するダイアフラムと、(b)前記ダイアフラムの前記第1側面の第1近傍にある第1複数電極と、(c)前記ダイアフラムの前記対向する第2側面の第2近傍にある第2複数電極と、(iv)漏出防止性筐体が形成するため、前記第1半筐体、前記ダイアフラム電極アレイおよび前記第2半筐体を漏出防止性的に固定する固定手段と、(v)前記第1複数電極と前記第2複数電極とに電力を供給するための接点部と、(vi)前記筐体から水素ガスおよび酸素ガスを除去するように構成される経路と、を有する。

目的

複数のガスケット条片509および511は、典型的なエッジ部513およびダイアフラム電極アレイを裏あて(lining)することによって、付加的な漏出防止性固定およびシール能力を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項1

水を水素ガスおよび酸素ガス電気分解により分解するための装置であって、第1半筐体と、第2半筐体と、第1半筐体と第2半筐体との間に位置するダイアフラム電極アレイと、を有し、前記ダイアフラム電極アレイは、イオンを通過させかつガスの通過を妨害する、第1側面および対向する第2側面を有するダイアフラムと、前記ダイアフラムの前記第1側面の第1近傍にある第1複数電極と、前記ダイアフラムの前記対向する第2側面の第2近傍にある第2複数電極と、漏出防止性筐体を形成するため、前記第1半筐体、前記ダイアフラム電極アレイおよび前記第2半筐体を漏出防止性的に固定する固定手段と、前記第1複数電極と前記第2複数電極とを電気的に接触させるための接点部と、前記筐体から水素ガスおよび酸素ガスを独立して除去するように構成される経路と、を有する、装置。

請求項2

前記装置に電力を供給するための電源をさらに有する請求項1に記載の装置。

請求項3

前記半筐体は、不連続ゾーン部品を有する請求項1に記載の装置。

請求項4

前記経路は、前記第1半筐体の第1ヘッドスペースを前記第2半筐体の第2ヘッドスペースから分離するためのヘッドスペース障壁と、前記第1半筐体に流体的に連結される第1流路と、前記第2半筐体に流体的に連結される第2流路と、を有する請求項1に記載の装置。

請求項5

前記第1流路は、第1管を有し、前記第2流路は、第2管を有する請求項4に記載の装置。

請求項6

前記第1および第2管は、前記半筐体の外側にある請求項5に記載の装置。

請求項7

前記第1および第2管は、前記半筐体の外側および内側にある請求項5に記載の装置。

請求項8

前記第1管は、前記第1半筐体からの水を流すように構成され、前記装置は、前記第1半筐体に対して水を流すように構成される管をさらに有し、前記第2管は、前記第2半筐体からの水を流すように構成され、前記装置は、前記第2半筐体に対して水を流すように構成される管をさらに有する、請求項5に記載の装置。

請求項9

水を前記第1半筐体に対して流しかつ前記第1半筐体からの水を流す前記管に連結され、また、第1ガス分離器を有する第1循環ステムと、水を前記第2半筐体に対して流しかつ前記第2半筐体からの水を流す前記管に連結され、また、第2ガス分離器を有する第2循環システムと、をさらに有する請求項8に記載の装置。

請求項10

前記経路は、親水性表面を有する請求項1に記載の装置。

請求項11

水と雰囲気環境との間で熱を交換するように構成されたヒートシンクを、さらに有する請求項1に記載の装置。

請求項12

前記電極は、成膜技術を使用し、前記ダイアフラムに置かれる請求項1に記載の装置。

請求項13

前記接点部は、バスバーシムストック(shimstock)、シートメタルエッジコネクターストリップコネクター、あるいは、これらの組合せを有する請求項1に記載の装置。

請求項14

前記接点部は、加熱型電気分解装置の前記半筐体を越えて突出しており、雰囲気温度熱交換することにより冷却されるように構成される請求項1に記載の装置。

請求項15

前記電極は、実際の表面積見かけ上の表面積を越えて増加するように、テクスチャが付与されている請求項1に記載の装置。

請求項16

少なくとも1つの電極をスライド式受け取りかつ前記第1半筐体に位置決めされるように構成される少なくとも一対の気密性カップリングと、少なくとも1つの電極をスライド式で受け取りかつ前記第2半筐体に位置決めされるように構成される少なくとも一対の気密性カップリングと、前記第1半筐体にスライド式でシールして位置決めされ、第1端および第2端を有する少なくとも1つの電極と、前記第1半筐体に位置する前記少なくとも1つの電極の前記第1端あるいは前記第2端に、交換用電極を固定し、前記第1半筐体に位置する前記少なくとも1つの電極を、前記第1半筐体からスライド式で除去し、そして、前記交換用電極と交換すること可能とするための固定手段と、前記第2半筐体にスライド式でシールして位置決めされ、第1端および第2端を有する少なくとも1つの電極と、前記第2半筐体に位置する前記少なくとも1つの電極の前記第1端あるいは前記第2端に、交換用電極を固定し、前記第2半筐体に位置する前記少なくとも1つの電極を、前記第2半筐体からスライド式で除去し、そして、前記交換用電極と交換すること可能とするための固定手段と、をさらに有する請求項1に記載の装置。

請求項17

電気分解装置に使用されるダイアフラム電極アレイを製造するための方法であって、イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムを、ワイヤー付与機にマウントし、前記ワイヤー付与機を使用し、前記ダイアフラムの第1側面の第1近傍および前記ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に、ワイヤーを付与し、漏出防止性筐体を形成するため、第1半筐体、前記ワイヤー、前記ダイアフラム、および第2半筐体を一緒に固定し、そして、前記ワイヤーをトリムし、これにより、電気分解装置に用いられるダイアフラム電極アレイおよび前記電気分解装置が製造される方法。

請求項18

前記ワイヤー付与方法は、順送り軸回転ワイヤー巻き付けである請求項17に記載の方法。

請求項19

前記ワイヤー付与方法は、順送り軌道回転ワイヤー巻き付けである請求項17に記載の方法。

請求項20

前記ワイヤー付与方法は、蛇行ワイヤー巻き付けである請求項17に記載の方法。

請求項21

前記ワイヤー付与方法は、順送り軸回転掛け止ワイヤー巻き付けである請求項17に記載の方法。

請求項22

前記ワイヤー付与方法は、多重ストランド位置ワイヤー付与である請求項17に記載の方法。

請求項23

前記ワイヤー電極と前記ダイアフラムとの間に、スペースを形成するように構成されているスペーサを、さらに有する請求項17に記載の方法。

請求項24

マウント、付与、固定あるいはトリムの前記動作は、マシンオートメーションマシンビジョンロボットビジョンロボットデジタル制御モーション装置、あるいは、これらの組合せを用いて、実行される請求項17に記載の方法。

請求項25

水を水素ガスおよび酸素ガスに電気分解により分解するための方法であって、イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムを、ワイヤー付与機にマウントし、前記ワイヤー付与機を使用し、前記ダイアフラムの第1側面の第1近傍および前記ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に、ワイヤーを付与し、漏出防止性筐体を形成するため、第1半筐体、前記ワイヤー、前記ダイアフラム、および第2半筐体を一緒に固定し、前記ダイアフラムの前記第1側面の前記第1近傍に、第1複数ワイヤー電極を形成し、前記ダイアフラムの前記対向する第2側面の前記第2近傍に、第2複数ワイヤー電極を形成するために、前記ワイヤーをトリムし、前記漏出防止性筐体に水を加え、そして、前記複数の第1および第2ワイヤー電極に、電力を供給し、これにより、水は、水素ガスおよび酸素ガスに電気分解により分解される方法。

技術分野

0001

背景
分野
本開示内容は、電気分解に関し、特に、水を水素ガスおよび酸素ガスに電気分解により分解するための電気分解装置に関する。

背景技術

0002

関連技術の説明
水素ガスは、多数の製造プロセス、例えば、石油精製肥料生産ガラス製造など多数において使用される汎用化学製品である。水素ガスは、また、間欠的な再生可能エネルギー、例えば、風の電気エネルギーや太陽の電気エネルギーを貯蔵するために使用することが可能である。電気分解水素および酸素は、原子力により生成された電気を使用して、生産し、原子炉から遠く離れた距離をパイプライン輸送することが可能である。

0003

水素生産のための1つの商用プロセスは、炭化水素からの水蒸気改質である。しかしながら、水蒸気改質は、再生不可能なエネルギー源を利用する可能性がある。一酸化炭素および炭酸ガスは、水素生産のための化石燃料ベースの方法の副産物である可能性がある。水素大規模生産のための無公害の方法、例えば、水の電気分解を見つけることに対するかなりの関心が、存在する。

0004

太陽光発電および風力発電は、再生可能エネルギーにおける技術的に活発な領域である。これらの技術は、間欠性の問題、つまり、太陽エネルギーおよび風力エネルギーは、連続的に利用可能でないことに苦しむ可能性がある。太陽エネルギーおよび風力エネルギーが利用可能でない場合、水素を貯蔵し、それをバックアップとして燃料電池で使用することによって、水の電気分解は、この問題を解決すること可能である。しかしながら、従来の電気分解装置は、複雑な構造であるため、組立てが労働集約的であり、材料の使用において金属材料集約的であり、および/又は、大規模エネルギー用途のためのモジュール
式のスケールアップのために、適切には適合させることができない可能性がある。政府は、大規模なエネルギー用途のための電気分解装置のサプライチェーンを広げるために、進歩した製造方法を導入する際の問題を解決する取り組みに、世界的に、過去20年以上に渡り、500,000,000ドル以上を費やしている。まだ、この長年にわたる重要な問題の解決、つまり、安価な電気分解装置の実用的な大規模生産のための進歩した製造方法の利用を、達成することができない場合があった。問題を解決するための障害は、米エネルギー省(Department of Energy)のエネルギー効率及び再生可能エネルギー局(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy)の「2011 NREL/DOE 水素および燃料電池製造研究開発ワークショップレポート(2011 NREL/DOE Hydrogen and Fuel Cell Manufacturing R&D Workshop report)」に示されており、参照され、全体として、ここに組み入れられている。ワークショップの全体目的は、(1)水素および燃料電池システム、および部品の製造に対する障壁と、(2)優先度の高いニーズおよび政府が障壁を克服するためにサポートできるR&D活動とを、特定し、優先順位を決めることである。ワークショップレポートのキーとなる成果は、障壁を克服することに関する追加研究のための計画であった。電極のための戦略に関するワークショップ参加者コンセンサス投票は、インキをメンブレン直接塗布する方法であった。前述の理由のため、進歩した製造技術を生産プロセスに組み込んだ安価な電気分解装置を大規模に生産する長年の問題を解決することの必要が残っている。2012年の統合燃料電池技術および先進製造技術局(Joint Fuel Cell Technologies and Advanced Manufacturing Office)のウェビナー(Webinar)のプレゼンテーション資料は、本願明細書において参照され、全体として、組み入れられている。2011年のレポートおよび2012年のウェビナー資料は、エネルギー効率及び再生可能エネルギー局(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy)DOEのhttp://www1.eere.energy. gov/hydrogenandfuelcells/wkshp_h2_fc_manufacturing.htmlから、PDFファイルとして入手可能である。

0005

水の電気分解は、水素ガス生産への道である。さらに、酸素ガスは、有用かつ価値のある工業用および医用製品である副産物として生産することが可能である。風、水力発電、太陽エネルギーおよび核エネルギー等の再生可能エネルギー源によって発生させられる電気は、化石燃料からの水素生産に伴う二酸化炭素および一酸化炭素なしで、水素および酸素の電気分解による生産にために使用することが可能である。電気分解技術を対象とする特許参考文献は、例えば、米国特許第8,277,620号、第8,273,495号、第8,075,750号、第8,075,749号、第8,066,784号、第7,964,068号、第7,959,773号、第7,951,274号、第7,922,879号、第7,906,006号、第7,901,549号、第7,892,6947号、第704,353号、第7,323,090号、第7,132,190号、第6,797,136号、第6,582,571号、第6,282,774号、第5,728,485号、第5,660,698号、第5,606,488号、第5,599,430号、第5,171,644号、第5,130,006号、第5,080,963号、第4,773,982号、第4,636,291号、第4,615,783号、第4,541,911号、第4,474,612号、第4,432,859号、第4,367,134号、第4,311,577号、第4,250,002号、第4,206,030号、第4,061,557号、第4,014,776号、第3,976,550号、第3,855,104号、第3,554,893号、RE第34,233号、および米国出願公開第2012/0193242号、第2012/0149789号、第2011/0243294号第2010/0280347号、第2010/0032221号、第2009/0026089号、第2008/0067078号、第2004/0182695号、第2003/0057088号、第2002/0157958号、第2002/0037422号である。

0006

水の電気分解は、異極性電極間の水に印加される電圧の作用によって、酸素ガスおよび水素ガスへの水の分解を伴うことが可能である。次の反応によって示されるように、水素は、陰極カソード)で生産することが可能であり、酸素は、陽極アノード)で生産することが可能である。
カソード(還元):4H+(aq)+4e−→2H2(g)
アノード(酸化):2H2O(l)→O2(g)+4H+(aq)+4e−。

0007

電解セルによっては、イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムは、陰極室および陽極室を分離することが可能である。ダイアフラムは、室間のイオン伝導許容する一方、それぞれの室において生成された水素ガスおよび酸素ガスの分離を維持する。陽極反応は、印加された外部電圧の影響下、分子から電子を除去することが可能である。電子の除去は、水から酸素およびプロトンH+を遊離させることが可能である。プロトンは、ダイアフラムを越えて移動し、除去された電子と結合し、水素を形成することが可能である。組み合わされた正味の陰極および陽極反応は、2H20→2H2+O2であると言うことが可能である。

図面の簡単な説明

0008

(A)および(B)は、連続ゾーン筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。
(A)および(B)は、不連続部品ゾーン半筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。
(A)および(B)は、ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面の近傍に位置する複数電極を有する電気分解装置の実施形態の中間ゾーン部位の前方斜視図および後方斜視図である。
電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のためのホースクランプの使用を示している図である。
(A)は、ホースクランプを示している図であり、(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための半筐体およびガスケットシールの中間ゾーンを示している図である。
(A)は、ストラップクランプを示している図であり、(B)は、ストウフクランプを示している図であり、両方とも、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定に使用される。
(A)および(B)は、不浸透性フレーム上のダイアフラムをシールするための指向性エネルギーの使用を示している図である。
(A)および(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための指向性エネルギーの使用を示している図である。
(A)および(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の近傍における複数のアノードおよびカソード電極に電気を印加する電源のアノード側およびカソード側の斜視図を示している。
電気分解装置の実施形態の組立てられた斜視図を示しており、半筐体は、部分的に球状の不連続端部ゾーン部品を有する。
(A)および(B)は、電気分解装置の移行部位端部ゾーン実施形態を有する半筐体の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示している。
(A)および(B)は、電気分解装置の実施形態の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示しており、ガス除去送り管が、前記装置の内側および外側に存在している。
図12の実施形態の組立体の正面図であり、必要に応じて追加される置換水を利用して、水素および酸素の流れを発生させる電気分解装置を示している。
大規模な生産、貯蔵および利用システムの一部として、図13の実施形態をどのように使用することが可能であるかのシステムレベル概要フロー図を示している。
ヒートシンクを含んでいる電気分解装置の実施形態の詳細な斜視図を示している。
(A)、(B)および(C)は、第1複数電極と電気的に接触しかつヒートシンクを有するバスバーの斜視図、平面図および正面図をそれぞれ示している。
(A)および(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の複数電極と電気的に接触する結合用タブを有する接触条片に係る分解された中間ゾーンの斜視図および組立てられた中間ゾーンの斜視図をそれぞれ示している。
(A)、(B)、(C)および(D)は、拡張電気接触領域を有する高温電気分解装置の中間ゾーンの斜視図、平面図、正面図、右側面図をそれぞれ示している。
(A)および(B)は、循環ウォーターポンプ用の電気分解装置の実施形態のための半筐体の切欠き斜視図および正面図を示している。
図19の装置を利用するシステムの一例を示している図である。
スライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの分解図を示している。
スライド式置換される電極に隣接する置換電極を備えたスライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの組立図を示している。
電気分解装置の電極をスライド式で置換するための置換電極に、電気分解装置の電極を固定するための固定手段の詳細な前方および後方斜視図である。
順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用しているダイアフラムに付与されるワイヤーの斜視図である。
順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の平面図を示している。
順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の正面図を示している。
(A)および(B)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間位置決めされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの分解斜視図および分解正面図を、それぞれ示しており、(C)および(D)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間にサンドイッチされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの組立てられた斜視図および正面図を、それぞれ示しており、(E)および(F)は、ダイアフラムのエッジ部からトリムされたワイヤーを有する(C)および(D)の図を示している。
(A)、(B)、(C)および(D)は、蛇行ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の斜視図、平面図、正面図、右側面図を、それぞれ示している。
追加されたスペーサを有する図24に示される蛇行ワイヤー巻き付けを示している図である。
(A)および(B)は、独立ワイヤーストランド配置の方法を使用して付与されたワイヤーの斜視図および平面図を、それぞれ示している。

実施例

0009

図面の簡単な説明
図面は、例示の実施形態である。これらは、全ての実施形態を示していない。その他の実施形態は、追加あるいは代替して使用することが可能である。明白あるいは不必要である詳細な記述は、紙面を節約するため、あるいは、より効果的な例証のために、省略される可能性がある。実施形態によっては、追加の部品あるいはステップを用いて、および/又は、図示されている部品あるいはステップの全てを使用することなく、実施することが可能である。同じ数字が異なる図面に現れる場合、それは、同一あるいは類似の部品あるはステップを参照する。

0010

図1(A)および図1(B)は、連続ゾーン半筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。

0011

図2(A)および図2(B)は、不連続部品ゾーン半筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。

0012

図3(A)および図3(B)は、ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面の近傍に位置する複数電極を有する電気分解装置の実施形態の中間ゾーン部位の前方斜視図および後方斜視図である。

0013

図4は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のためのホースクランプの使用を示している。

0014

図5(A)は、ホースクランプを示し、図5(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための半筐体およびガスケットシールの中間ゾーンを示している。

0015

図6(A)は、ストラップ(strap)クランプを示しており、図6(B)は、ストウフ(Stauff)クランプを示しており、両方とも、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定に使用される。

0016

図7(A)および図7(B)は、不浸透性フレーム上のダイアフラムをシールするための指向性エネルギーの使用を示している。

0017

図8(A)および図8(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための指向性エネルギーの使用を示している。

0018

図9(A)および図9(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の近傍における複数のアノードおよびカソード電極に電気を印加する電源のアノード側およびカソード側の斜視図を示している。

0019

図10は、電気分解装置の実施形態の組立てられた斜視図を示しており、半筐体は、部分的に球状の不連続端部ゾーン部品を有する。

0020

図11(A)および図11(B)は、電気分解装置の移行部位端部ゾーン実施形態を有する半筐体の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示している。

0021

図12(A)および図12(B)は、電気分解装置の実施形態の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示しており、ガス除去送り管が、前記装置の内側および外側に存在している。

0022

図13は、図12の実施形態の組立体の正面図であり、必要に応じて追加される置換水を利用して、水素および酸素の流れを発生させる電気分解装置を示している。

0023

図14は、大規模な生産、貯蔵および利用システムの一部として、図13の実施形態をどのように使用することが可能であるかのシステムレベルの概要のフロー図を示している。

0024

図15は、ヒートシンクを含んでいる電気分解装置の実施形態の詳細な斜視図を示している。

0025

図16(A)、図16(B)および図16(C)は、第1複数電極と電気的に接触しかつヒートシンクを有するバスバーの斜視図、平面図および正面図をそれぞれ示している。

0026

図17(A)および図17(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の複数電極と電気的に接触する結合用タブを有する接触条片(contact strip)に係る分解された中間ゾーンの斜視図および組立てられた中間ゾーンの斜視図をそれぞれ示している。

0027

図18(A)、図18(B)、図18(C)および図18(D)は、拡張電気接触領域を有する高温電気分解装置の中間ゾーンの斜視図、平面図、正面図、右側面図をそれぞれ示している。

0028

図19(A)および図19(B)は、循環ウォーターポンプ用の電気分解装置の実施形態のための半筐体の切欠き斜視図および正面図を示している。

0029

図20は、図19の装置を利用するシステムの一例を示している。

0030

図21Aは、スライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの分解図を示している。図21Bは、スライド式で置換される電極に隣接する置換電極を備えたスライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの組立図を示している。図21Cは、電気分解装置の電極をスライド式で置換するための置換電極に、電気分解装置の電極を固定するための固定手段の詳細な前方および後方斜視図である。

0031

図22Aは、順送り(progressive)軸回転ワイヤー巻き付けを使用しているダイアフラムに付与されるワイヤーの斜視図である。図22Bおよび図22Cは、順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の平面図および正面図を、それぞれ示している。

0032

図23(A)および図23(B)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間に位置決めされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの分解斜視図および分解正面図を、それぞれ示している。図23(C)および図23(D)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間にサンドイッチされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの組立てられた斜視図および正面図を、それぞれ示している。図23(E)および図23(F)は、ダイアフラムのエッジ部からトリムされたワイヤーを有する図23(C)および図23(D)の図を示している。

0033

図24(A)、図24(B)、図24(C)および図24(D)は、蛇行(serpentine)ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の斜視図、平面図、正面図、右側面図を、それぞれ示している。

0034

図25は、追加されたスペーサを有する図24に示される蛇行ワイヤー巻き付けを示している。

0035

図26(A)および図26(B)は、独立ワイヤーストランド配置(strand placement)の方法を使用して付与されたワイヤーの斜視図および平面図を、それぞれ示している。

0036

例示的実施形態の詳細な説明
以下、例示的実施形態について説明する。その他の実施形態は、付加あるいは代替して使用することが可能である。明白あるいは不必要である詳細な記述は、紙面を節約するため、あるいは、より効果的な説明のため、省略される可能性がある。実施形態によっては、追加の部品あるいはステップを用いて、および/又は、記述されている部品あるいはステップの全てを使用することなく、実施することが可能である。開示された実施形態は、動作あるいは手順の順番によっては制限されない。動作によっては、異なる順番で、および/又は、例えば、回転および直線移動の動作等のその他の動作あるいはイベントと同時に実行される可能性がある。この開示内容に記載されている手順および/又は方法を実行するためには、例示されている動作あるいはイベントの全てを必要とするわけではない。

0037

本願明細書において以下のように用いられる。
「部品」は、より大きい構造の一部あるいは要素を意味する。
「ダイアフラム」は、イオンを通過させかつガスの通過を妨害する障壁を意味する。実施形態によっては、ダイアフラムは網状である。その他の実施形態において、ダイアフラムは、多孔性であり、ダイアフラムの第1側面とダイアフラムの対向する第2側面との間にラインオブサイト(line−of−sight)経路を形成する穴部、細孔(pore)あるいは溝(channel)を、実質的に有していない。その他の実施形態において、ダイアフラムは、メンブレンをサンドイッチする共直線性の穴部、細孔あるいは溝を有していない。ダイアフラムのために必要とされる特性を有する網状および/又は多孔性材料の一例は、ポリエチレンポリプロピレンポリイミドポリアミドイミドポリフッ化ビニリデンおよびポリテトラフルオロエチレンである。実施形態によっては、ダイアフラムは、ナフィオン(Nafion)(登録商標)、プロトン交換メンブレン、および/又は高分子電解質膜を含むことが可能である。
ダイアフラム電極アレイ」は、電極アレイを有するダイアフラムを意味する。
「電極アレイ」は、関連した電極のグループを意味する。
「筐体」は、第2スペースから第1スペースをシールする構造体を意味する。
「固定手段」は、流体に関して漏出防止性の固定手段を意味する。
「流体」は、液体、ガス、あるいは液体およびガスを意味する。
「半筐体」は、筐体の部品を意味する。
「イオン」は、水性イオンを意味する。
「ラインオブサイト」は、直線での光の進行を意味する。
「網状」は、網あるいは網目のように構成あるいは配置された水経路を意味する。
「移行部位」は、異なる形状に変化する要素を意味する。
「水」は、純水、不純物を含んでいる水、電気分解液および全ての水溶液を意味する。
「ゾーン」は、特定の特性、目的あるいは用途を有する半筐体あるいは筐体の部位を意味する。

0038

筐体を形成するためには、少なくとも2つの半筐体が必要である。半筐体は、少なくとも3つのゾーン、つまり、(1)第1端部ゾーン、(2)中間ゾーン、および、(3)第2端部ゾーンを含んでいる。半筐体は、例えば、不連続ゾーン部品を固定することによって、不連続な物体から製造することが可能である。半筐体は、代替として、単一の連続な物体として製造することが可能である。半筐体は、多様な形状およびサイズで構成することが可能である。例えば、中間ゾーンは、半円形状、半楕円形状および/又は半矩形状の形状を含んでいる断面を有する略円柱状とすることが可能である。中間ゾーンは、また、断面形状が変化する非円柱状とすることも可能である。端部ゾーンは、例えば、フラット状、部分的に円錐状、部分的に球状、あるいは、部分的に楕円状とすることも可能である。端部ゾーンは、底部支持体あるいは流路等の特別な適応を有することが可能である。

0039

水を水素ガスおよび酸素ガスに電気分解により分解するための装置の実施形態は、(i)第1半筐体と、(ii)第2半筐体と、(iii)第1半筐体と第2半筐体との間に位置するダイアフラム電極アレイと、を有し、前記ダイアフラム電極アレイは、(a)イオンを通過させかつガスの通過を妨害し、第1側面および対向する第2側面を有するダイアフラムと、(b)前記ダイアフラムの前記第1側面の第1近傍にある第1複数電極と、(c)前記ダイアフラムの前記対向する第2側面の第2近傍にある第2複数電極と、(iv)漏出防止性筐体を形成するため、前記第1半筐体、前記ダイアフラム電極アレイおよび前記第2半筐体を漏出防止性的に固定する固定手段と、(v)前記第1複数電極と前記第2複数電極とに電力を供給するための電気接点部と、(vi)前記筐体から水素ガスおよび酸素ガスを独立して除去するように構成される経路と、を有する。実施形態によっては、半筐体は、単一の連続な物体である。その他の実施形態において、半筐体は、不連続ゾーン部品を有する。

0040

ダイアフラム材料の一例は、例えば、以下の網状および/又は多孔性材料を含んでいる。有機性複合材料無機性複合材料、プラスチックアスベストアスベスト繊維ガラス繊維PTFE、紙、フェルト、繊維、ポリマー、ポリプロピレン、アスベストシート複合繊維シートPVC、アスベストスクリーンコポリマーセラミック被覆アスベスト、スチレン、Al203、Si02、Zr02およびガラス繊維。

0041

電気分解装置に電力を供給する電源の一例は、光起電力電池風力発電装置、再生可能エネルギー発電装置、核エネルギー発電装置、および、化石燃料を使用する発電装置を含んでいる。

0042

電気分解装置の実施形態によっては、ガス除去経路は、第1半筐体の第1ヘッドスペースを第2半筐体の第2ヘッドスペースから分離するためのヘッドスペース障壁と、第1半筐体に流体的に連結される第1流路と、第2半筐体に流体的に連結される第2流路と、を有する。

0043

実施形態によっては、第1流路は、第1中間ゾーンに連結している第1上端部ゾーンと第1管とを有し、第2流路は、第2中間ゾーンに連結している第2上端部ゾーンと第2管とを有する。上端部ゾーンの形状の一例は、平板状、部分的に円錐状、部分的に球状、部分的に楕円状および部分的に矩形状の形状を含んでいる。

0044

第1管および第2管は、半筐体の外側にあってもよい。あるいは、第1管および第2管は、半筐体の外側および内側にあってもよい。実施形態によっては、水蒸気表面凝縮によって蒸発水損失を最小にするために、邪魔板および親水性表面を含んでいる。実施形態によっては、雰囲気温度との熱交換によって蒸発水損失を最小にするために、ヒートシンク技術を含んでいる。

0045

ダイアフラム電極アレイの実施形態によっては、電極はワイヤーから構成される。ワイヤー材料は、例えば、金属、合金半導体超伝導体化合物炭素炭素繊維、あるいは、導電性高分子材料である。ワイヤーの表面は、実際の表面積見かけ上の表面積を越えて増加するように、テクスチャを付与(texturized)し、かつ、触媒の付加により修飾することが可能である。実施形態によっては、ワイヤーは、ダイアフラムの第1側面およびダイアフラムの対向する第2側面に対して略平行である。その他の実施形態において、電極は、例えば、フォトリソグラフ無電解メッキ、インキ塗布、蒸着あるいは導電塗装等の成膜技術によって設置される。

0046

ダイアフラム電極アレイを製造する複数の方法、例えば、ワイヤーの付与および/又はワイヤー巻き付けの機械技術を使用することが、開示されている。例えば、電気分解装置に用いられるダイアフラム電極アレイを製造するための方法は、(i)イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムを、ワイヤー付与機にマウントし、(ii)ワイヤー付与機を使用し、ダイアフラムの第1側面の第1近傍およびダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に、ワイヤーを付与し、(iii)漏出防止性筐体を形成するため、第1半筐体、ワイヤー、ダイアフラム、および第2半筐体を固定し、そして、(iv)前記ワイヤーをトリムし、これにより、電気分解装置に用いられるダイアフラム電極アレイおよび電気分解装置が製造される。ワイヤー付与方法の具体的な例は、(i)順送り軸回転ワイヤー巻き付け、(ii)順送り軌道回転ワイヤー巻き付け、(iii)蛇行ワイヤー巻き付け、(iv)順送り軸回転掛け止(latch)ワイヤー巻き付けおよび(v)多重ストランド位置ワイヤー付与を含んでいる。

0047

電気分解装置は、(i)第1半筐体と、(ii)第2半筐体と、(iii)ワイヤー巻き付けおよび/又はワイヤー付与の方法を使用して製造され、第1半筐体と第2半筐体との間にサンドイッチされるダイアフラム電極アレイと、(iv)筐体から水素ガスおよび酸素ガスを独立して除去するように構成される経路と、(v)装置に電力を供給するための電気接点部と、を有する。

0048

高温電気分解装置は、電気分解装置の高温から分離される電気接点部を有する。電気接点部の温度は、電気分解装置のオペレーション温度未満である。温度差は、電気接点部の領域と高温電気分解装置の加熱領域との間の距離を増加させることによって、および、接点部と雰囲気温度との間で熱交換することによって、達成される。

0049

再生可能エネルギー生産の科学および技術学生教育するため装置および方法が、開示される。本方法は、水を水素および酸素に変換する開示された電気分解装置の特定の実施形態に関係する。本装置および方法は、「全米科学教員協会のK−12科学教育のための枠組みに対する読者ガイド(National Science Teachers Association Reader’s Guide to A Framework for K−12 Science Education)」,2012,全米科学教員協会(NSTA),アーリントン,バージニア,77ページに説明されているように、科学的および工学的手法を、K−12科学カリキュラムに統合することを取り組んでおり、そして、参照され、全体として、組み入れられている。開示される装置は、電気エネルギーを化学エネルギーへ変換するための実用的な教具である。本装置は、再生可能エネルギーの生産、貯蔵、分配および利用の科学的および工学的原理を教示するポンプセパレータ圧縮機および貯蔵装置と相互に作用する。

0050

ダイアフラム電極アレイの開示されている実施形態は、燃料電池のための膜電極接合体を製造するために使用することが可能である。

0051

開示されている電気分解装置は、水素および酸素の生産のための水の電気分解以外の工業用プロセスのために使用することが可能である。そのようなプロセスの1つは、塩素アルカリプロセスである。

0052

電気分解装置を構成する半筐体は、類似あるいは略同一であることが可能である。半筐体は、ダイアフラム電極アレイをサンドイッチして漏出防止性筐体を形成し、そして、電極接点部におけるガスおよび/又は液体の除去および電力の供給のための流体連結を可能にするために、相補的な形状となるように構成されている。固定手段は、弛めるあるいは切り離すことによって、メンテナンス補修(servicing)および/又は置換のため、ダイアフラム電極アレイにアクセスすることが可能であり、また、スクラップの発生を最小としかつ材料の再利用の機会を発生させる。例えば、半筐体は、機械加工キャスティングモールディングスピニングラミネート鍛造圧延押出加工絞り加工、曲げ、スピニング、穴あけ、打抜き、のこ引きネジ立てブローチ削り中ぐり旋削ドリル加工フライス加工研削裁断放電加工によって製造される。半筐体は、例えば、バイオマテリアル、炭素、セラミック、複合材料、ガラスナノ材料耐火材、半導体、薄膜傾斜機能材料、および、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリカーボネート等のカーボンポリマーから構成することが可能である。

0053

半筐体は、単一の連続物体として、あるいは不連続部品ゾーンから製造することが可能である。半筐体は、ガス除去のための経路を含んでいる。半筐体は、ダイアフラム電極アレイを製造するためのクランプ工具として機能させること可能であり、開示されている電気分解装置の実施形態を製造するための製造技術の使用を容易にする。製造技術は、例えば、ロボット工学ロボットビジョンマシンビジョンデジタル制御モーションおよびワイヤー位置決め装置を含んでいる。

0054

図1(A)および図1(B)は、連続ゾーン半筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。第1半筐体101および第2半筐体103は、ダイアフラム電極アレイ105をサンドイッチしている。ダイアフラム電極アレイ105は、ダイアフラム109の第1側面の第1近傍にある第1複数電極107から構成される。第2複数電極は、図1において視認できないが、ダイアフラム109の対向する第2側面の第2近傍に位置する。分割線111は、ダイアフラム109をヘッドスペース障壁113から分離する。ヘッドスペース障壁113は、イオン、ガスおよび水に対して不透過性である。水充填マーク115は、筐体における水のレベルを示している。充填マーク115の位置は、分割線111と半筐体101および103の上端との間における略中間である。図1(B)は、電気分解装置117の組立てられた斜視図を示している。第1複数電極接点部119は、ダイアフラム109の第1側面の第1近傍に位置する。第2複数電極接点部は、図1(B)において視認できないが、ダイアフラム109の対向する第2側面の第2近傍に位置する。酸素除去経路および水素除去経路は、水が追加されて第1および第2複数電極接点部に電力が供給される場合、電気分解装置117から酸素および水素を独立して除去することを可能とする。

0055

図2(A)および図2(B)は、不連続部品ゾーン半筐体を有する電気分解装置の実施形態の分解図および組立図をそれぞれ示している。中間ゾーン201は、第1中間ゾーンであり、中間ゾーン203は、第2中間ゾーンである。端部ゾーンの合わせフランジ部205および底部プレート207は、中間ゾーンに固定される。ガス除去経路を有する漏出防止性カバープレート209は、合わせフランジ部205と結合する。図2のダイアフラム電極アレイ、分離ラインおよび水充填マークは、図1のそれと略同一である。

0056

図3(A)および図3(B)は、ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面の近傍に位置する複数電極を有する電気分解装置の実施形態の中間ゾーン部位の前方斜視図および後方斜視図である。中間ゾーン301は、第1中間ゾーンであり、中間ゾーン303は、第2中間ゾーンである。ダイアフラム305は、第1側面307と、対向する第2側面309とを有する。第1複数電極311は、ダイアフラム305の第1側面307の第1近傍に位置する。第2複数電極313は、ダイアフラム305の対向する第2側面309の第2近傍に位置する。

0057

図4は、第1半筐体、ダイアフラム電極アレイおよび第2半筐体を固定するホースクランプ401の使用を示している。図4の固定されている実施形態は、ダイアフラム電極アレイが、ホースクランプに対応するため、部位403において切欠ききが適切に形成されていることを示している。電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための固定手段は、例えば、ホースクランプ、ストウフクランプおよびストラップクランプ等のクランプを有する。固定手段は、また、ワイヤー結束ケーブル結束、バンド掛け(strapping)、エポキシ樹脂粘着性ガスケットシール、水槽接着材セメント洗浄機接着材、溶接、加熱、ろう付けクリンプ加工テーピング接着ラッピングヒンジはんだ付けクリッピング、掛け止め、係留ピン止めほぞ継ぎ座屈(buckling)、当て木(battening)、把持、クランプ、指向性エネルギー、ネジ、フランジ、ボルトナット、および/又は、これらの1つ以上の選択された組合せを有する。実施形態によっては、前述の固定手段のうちの1つ以上は、除外される。

0058

図5(A)は、ホースクランプを示し、図5(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための半筐体およびガスケットシールの中間ゾーンを示している。外周バンド501は、電気分解装置の外周の周辺に巻き付けられ、ウォームギアアセンブリー503の回転運動によって締め付けられる。図5(B)は、第1中間ゾーン505および第2中間ゾーン507を示している。ガスケット条片509の第1ペアは、第1中間ゾーン505と隣接している。ガスケット条片511の第2ペアは、第2中間ゾーン507と隣接している。複数のガスケット条片509および511は、典型的なエッジ部513およびダイアフラム電極アレイを裏あて(lining)することによって、付加的な漏出防止性固定およびシール能力を提供する。明確にするために、ダイアフラム電極アレイは、図5(B)で示されない。ガスケットは、接着材、シーラント、セメントおよびエポキシ樹脂の付加を含んでおり、任意の固定クランプと組み合わされて使用される。ガスケット材料の一例は、ゴムバイトン(Viton)、ネオプレン、柔軟なグラファイト、炭素繊維、ハイパロン(hypalon)、ウレタンシリコーン、PTFE、フルオロエラストマー、ガラス繊維およびナイロンを含んでいる。

0059

図6(A)は、ストラップクランプを示しており、図6(B)は、電気分解装置の高温および/又は高圧の実施形態の漏出防止性固定に使用することが可能であるストウフクランプを示している。図6(A)は、ストラップクランプ601である。ボルト603およびナット605は、ストラップクランプ601を締め付けるために使用される。図6(B)は、締め付けボルト609を有するストウフクランプ607である。両方のクランプは、電気分解装置の漏出防止性固定のため、略円形断面の電気分解装置の外周を拘束し、そして、回転運動を利用し、第1半筐体、ダイアフラム電極アレイおよび第2半筐体を固定する。

0060

図7(A)および図7(B)は、不浸透性フレーム703上のダイアフラム701をシールするための指向性エネルギーの使用を示している。図7(A)は、不浸透性フレーム703に隣接したダイアフラム701の分解図を示している。フレーム703は、イオン、ガスおよび水に対して不浸透性である。フレーム703の不浸透特性は、部品が当接している装置エッジ部の周囲における漏出防止性シールの一部である。切り抜き部の上端のエッジ部705は、ダイアフラム701をヘッドスペース障壁707から分離する。水充填レベル709は、電気分解装置の水の液面を示している。レベル709は、エッジ部705とフレーム703の上端部との略中間に位置する。図7(B)は、組立体の図である。ダイアフラム701は、固定手段711を使用して、フレーム703に固定される。固定手段711は、例えば、指向性エネルギー、加熱、溶接、はんだ付け、フュージングおよび接着を含んでいる。

0061

図8(A)および図8(B)は、電気分解装置の実施形態の漏出防止性固定のための指向性エネルギーの使用を示している。図8(A)は、開示されている電気分解装置の実施形態の分解斜視図である。第1複数電極801は、図7のフレーム付きダイアフラムの第1側面の第1近傍に位置する。第2複数電極は、図8において視認できないが、フレーム付きダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に位置する。図8(B)は、第1半筐体805と第2半筐体807との間にサンドイッチされているダイアフラム電極アレイ803の組立てられた斜視図である。第1半筐体805、ダイアフラム電極アレイ803および第2半筐体807の漏出防止性固定は、部品が当接しているエッジ部811に適用される固定手段809によって、達成される。固定手段は、例えば、指向性エネルギー、加熱、溶接、はんだ付け、フュージングおよび接着を含んでいる。

0062

図9(A)および図9(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の近傍における複数のアノードおよびカソード電極に電気を印加する電源のアノード側およびカソード側の斜視図を、それぞれ示している。図9(A)は、ダイアフラム電極アレイのアノード電極の斜視図を示し、図9(B)は、ダイアフラム電極アレイのカソード電極の斜視図を示している。複数のアノード電極901は、ダイアフラム905の第1側面903の第1近傍に位置している。複数のカソード電極907は、ダイアフラム905の対向する第2側面909の第2近傍に位置している。少なくとも1つの電源のアノード出力は、複数のアノード電極901に一括して接触する。少なくとも1つの電源のカソード出力は、複数のカソード電極907に一括して接触する。

0063

実施形態によっては、半筐体の端部ゾーンは、略平坦である。略平坦な底部は、静置(standing)構造として構成される電気分解装置にとって有利である可能性がある。その他の実施形態において、半筐体の端部ゾーンは、部分的あるいは実質的に略球状あるいは楕円体状である。これらの端部ゾーンの形状は、高圧および高温電気分解装置にとって有利である可能性がある。例えば、図10は、電気分解装置の実施形態の組立てられた図を示しており、半筐体は、部分的に球状の分離式第1端部ゾーン部品1001と、部分的に球状の分離式第2端部ゾーン部品1003と、を有する。中間ゾーン1005は、略円筒状である。第1複数電気接点部1007は、半筐体とダイアフラム電極アレイとを固定することによって形成される筐体を越えて突出している。ダイアフラムの対抗する側面上の第2複数電気接点部は、図10において視認できないが、半筐体とダイアフラム電極アレイとを固定することによって形成される筐体を越えて突出している。図10において、端部ゾーン部品1001は、ダイアフラム電極アレイのカソード側およびアノード側から、水素および酸素の除去のための管を有する。

0064

図11(A)および図11(B)は、電気分解装置の移行部位端部ゾーン実施形態を有する半筐体の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示している。図11(A)は、先細上端部ゾーン1101と円柱状中間ゾーン1103とを有する電気分解装置の実施形態を示している切欠き斜視図を含んでいる。明確にするために、ダイアフラム電極アレイおよび下端部ゾーンは、図11に示されていない。ヘッドスペース障壁1105は、ダイアフラム電極アレイの上方エッジ部の位置を同様に示しているエッジ部1107の上方から始まる。マーク1109は、電気分解装置の水の充填レベルを示している。マーク1109は、エッジ部1107と、端部ゾーン1101の先細部への移行を示しているエッジ部1111と、の間に位置する。矢印1113は、中間ゾーン1103の内部を示しており、スペースは水を含んでいる。上端部ゾーン1101は、水中を上昇してマーク1109より上のヘッドスペースに入る気泡捕獲する。上端部ゾーン1101は、ガスの除去およびその後の使用あるいは貯蔵のために、ヘッドスペースに流体的に連結されている送り管1115に、ヘッドスペースのガスを送る。管1115を、安定性および熱的接触のため、下向きにし、かつ中間ゾーン1103に、外部から固定することも可能である。マーク1109より上のヘッドスペースは、水蒸気吸着による蒸発水損失を最小にするため、邪魔板を取付けかつ親水性表面で覆うことが可能である。親水材料の一例は、ポリアクリレートアミン官能性ポリマーエーテル、スチレン、ビニル酸およびビニルアルコールを含んでいる。水は、電気分解プロセスの間に消費される。置換水は、必要に応じて電気分解装置に追加される。

0065

図12(A)および図12(B)は、電気分解装置の実施形態の切欠き斜視図および正面図をそれぞれ示しており、ガス除去送り管が、前記装置の内側および外側に存在している。図12(A)は、電気分解装置の外部および内部に位置するガス除去送り管1201の斜視図を含んでいる。管1201は、上端部ゾーン1203から現れると略180度向きを変更し、図12(B)に示される位置1205で端部ゾーン1203を貫通し、内部に再び入り、ヘッドスペースおよび水を通過して下方に降下し、そして、位置1209で中間ゾーン1207を貫通することによって、電気分解装置の底部の近くに現れる。全ての貫通孔は、漏出防止性である。図12の実施形態は、多数の利点を提供することが可能である。第1に、端部ゾーン1203から現れる管1201の雰囲気温度に対する外部露出は、装置に再突入の前に、管1201の内部で搬送されるガスを冷却し得る。冷却されたガスは、電気分解のために使用される水を熱交換によって冷却し、そして、蒸発水損失を削減するために使用することが可能である。第2に、図13にさらに示されるように、管1201の内部配管(plumbing)は、大規模な水素および酸素生産システム建設のための自己完結型モジュール式複製(replication)ユニットを、提供することが可能であり、そこにおいては、多くのユニットが複製(replicated)され、そして、その流路がガス生産のより大きな流れに合流する。流路の管の内部閉じ込めは、中間ゾーンによる遮断に基づく管の破損ポテンシャルを最小にすることが可能である。第3に、図13に同様に示されるように、この実施形態は、安全機能所有することが可能であり、それは、水素および酸素の独立した流れが、電気分解装置の陰極室および陽極室において生産され、反対方向に流れるように向けられ、かつ、ガス流の流れを地中に配置し、これにより、大量の可燃ガスを生産しかつ取り扱う潜在的危険を最小にすることが可能である。図13は、また、電気分解によって消費され、また、蒸発によって失われる水を置換するため、電気分解装置に対して水を追加する動作を示している。

0066

図14は、ガスの圧縮、貯蔵、分配および利用を含んでいる大規模な生産システムの一部として、図13の実施形態をどのように使用することが可能であるかのシステムレベルの概要のフロー図を示している。日光は間欠的に利用可能であるため、光起電力電気は間欠的なエネルギー源である。風によって生成される電気は、常には利用可能ではない。図14のシステムは、太陽エネルギーおよび風力エネルギーを捕えて、後において使用するために貯蔵し得る方法を示している。核エネルギーによって生成される電気は、また、水素および酸素の電気分解による生産のために使用することが可能である。原子炉は、比較的遠隔の地域に配置することが可能であり、生産される水素は、パイプラインによって使用の中心に搬送することが可能である。

0067

図15は、雰囲気環境との熱交換のためのヒートシンクを含んでいる電気分解装置の実施形態の詳細な斜視図を示している。熱伝導フィン1501は、半筐体の中間ゾーンに適用される。熱交換のためのヒートシンク技術は、また、管1503および端部ゾーン1505に適用することが可能である。ヒートシンク技術の有用性は、半筐体の製造のために薄肉熱伝導材料を選択することによって、さらに向上させることが可能である。

0068

電気分解装置の実施形態によっては、水蒸発を冷却および抑制するため、バスバーコネクターとヒートシンク技術とを組合せている。図16(A)、図16(B)および図16(C)は、第1複数電極と電気的に接触しかつヒートシンクを有するバスバーの斜視図、平面図および正面図をそれぞれ示している。ダイアフラム1603の第1側面の第1近傍に位置する第1複数電極1601は、電気的および熱的にバスバー1605と接触している。バスバー1605は、周囲の流体との熱交換により冷却される1つ以上のヒートシンクフィン1607をさらに有する。ヒートシンクフィンを有する類似の第2バスバーは、ダイアフラム1603の対向する第2側面上の第2近傍に位置する第2複数電極と、電気的および熱的に接触する。明確にするために、第2ヒートシンクフィンを有する第2バスバーは、図16において、示されていない。「バスバー」は、電気伝導体棒状体であり、ダイアフラムのそれぞれの側面に位置する複数電極に接触し、また、電気分解装置に電力を供給する電源に連結している。

0069

実施形態によっては、ダイアフラムおよび電極は、半筐体を越えて突出しない。これらの実施形態においては、それぞれの複数電極を有する電気接点部は、ダイアフラム電極アレイを密着させる半筐体のエッジ部間にサンドイッチされる金属の条片によって形成される。ダイアフラムの露出している合せ面およびエッジ部は、電気分解装置から流体が洩出するのを防止するために、シールされる。シール手段は、ホースクランプ、ワイヤー結束、ケーブル結束、バンド掛け、エポキシ樹脂、粘着性ガスケットシール、水槽シーラント、洗浄機シーラント、溶接、加熱、指向性エネルギー、および/又は、それの1つ以上の選択された組合せを含んでいる。図17(A)および図17(B)は、ダイアフラムの対抗する両側面の複数電極と電気的に接触する結合用タブを有する接触条片に係る分解された中間ゾーンの斜視図および組立てられた中間ゾーンの斜視図をそれぞれ示している。第1電気接触条片1701は、ダイアフラム1707の第1側面1705の第1近傍に位置する第1複数電極1703と電気的に接触する。第2電気接触条片1709は、ダイアフラム1707の対向する第2側面の第2近傍に位置し、図17において視認できない第2複数電極と、電気的に接触する。図17(B)に示されるように、電気接触条片1701および1709は、第1半筐体1711および第2半筐体1713によって、第1および第2複数電極のそれぞれの側面に密着している。第1電気接触タブ1715は、第1電気接触条片1701に電気的に連結している。第2電気接触タブ1717は、第2電気接触条片1709に電気的に連結している。電気接触タブは、第1および第2半筐体を越えて延長し、それによって、電源との接触が形成されている。

0070

組立てられた筐体を越えたダイアフラムおよび電極の突出の程度は、高温電気分解装置のデザインおよび構造によって増加する。図18(A)、図18(B)、図18(C)および図18(D)は、拡張電気接触領域を有する高温電気分解装置の中間ゾーンの斜視図、平面図、正面図、右側面図をそれぞれ示している。電気接触エッジ部1803における電気接触のための増大突出部1801は十分に大きいため、電気接触エッジ部1803の温度は、雰囲気環境温度との熱交換により、電気分解装置の加熱領域1805および加熱領域1807の温度より小さい。高温水蒸気電気分解のために、電気接触エッジ部1803は、加熱領域1805および1807の下方、つまり、熱対流により電気接触エッジ部1803のより低い温度にさらに有利である位置に、位置決めすることが可能である。ダイアフラムの全ての外部に露出したエッジ部および合わせ面は、漏洩を防ぐためにシールされる。

0071

図19(A)および図19(B)は、循環ウォーターポンプ用の電気分解装置の実施形態のための半筐体の切欠き斜視図および正面図を示している。水除去管1901は、水位マーク1903の下方に沈んでいる。水戻り管1905は、水位マーク1903の下方で半筐体1907を貫通している。明確にするために、ダイアフラム電極アレイおよび底部ゾーンは、図19に示されていない。

0072

図20は、図19の装置を利用するシステムの一例を示している。図20において、組立てられた図19の電気分解装置の実施形態は、より大きいシステムの部品である。図20において、水素ガスを含有する水は、除去管2001を経由して電気分解装置から除去され、経路2003を経由し、水から水素ガスを分離するための水素分離除去ユニット2005に送られる。水素減少水は、戻り経路2007および戻り管2009を経由して電気分解装置に戻される。同様に、別の循環フローシステムにおいて、酸素ガスを含有する水は、除去管2011を経由して電気分解装置から除去され、経路2013を経由し、水からの酸素ガスを分離するための酸素分離/除去ユニット2015に送られる。酸素減少水は、戻り経路2017および戻り管2019を経由して、電気分解装置に戻される。循環ポンプは、両方向のどちらにもオペレーションすることが可能である。位置2021は、第1半筐体2023、第2の半筐体2025の間にサンドイッチされているダイアフラム電極アレイの位置を示している。

0073

簡略された電極の置換および補修を有する電気分解装置の必要があるかもしれない。電気分解装置の実施形態において、使用済みの電極の除去を、装置を分解することなく、電極をスライドさせて電気分解装置に取付けまた電気分解装置から取り外すことによって、達成することが、開示されている。電気分解装置の電極は、例えば、圧縮Oーリングあるいは圧縮管継手(tube fitting)によって、所定の位置に保持される。管継手を若干弛めて、置換電極を電気分解装置の電極に固定し、電極をスライドさせて、使用済みの装置電極を除去し、そして、新品あるいは修理調整された置換電極と交換することによって、置換は達成される。図21Aは、スライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの分解図を示している。図21Bは、スライド式で置換される電極に隣接する置換電極を備えたスライド自在電極を有する電気分解装置の中間ゾーンの組立図を示している。図21Cは、電気分解装置の電極をスライド式で置換するための置換電極に、電気分解装置の電極を固定するための固定手段の詳細な前方および後方斜視図である。電気分解装置は、(i)第1半筐体2101;(ii)第2半筐体2103;(iii)第1半筐体2101および第2半筐体2103の間に位置決めされるダイアフラム2105;(iv)第1半筐体2101、ダイアフラム2105および第2半筐体2103を漏出防止性固定するための、図21に示されていない固定手段;(v)少なくとも1つの電極をスライド式に受け入れ、第1半筐体2101に位置決めするように構成されている少なくとも1つの気密性結合ペア2107、および、少なくとも1つの電極をスライド式に受け入れ、第2半筐体2103に位置決めするように構成されている少なくとも1つの気密性連結ペア2109;前記気密性結合ペア2107の背後の要素および前記気密性連結ペア2109の背後の要素は、図21において視認できず、
(vi)第1半筐体2101にスライド自在かつ気密して位置決めされる少なくとも1つの電極2111;前記少なくとも1つの電極2111は、第1端2113および第2端2115を有し、(vii)第1半筐体2101に位置決めされる少なくとも1つの電極2111のための少なくとも1つの置換電極2117(図21B);(viii)少なくとも1つの置換電極2117(図21B)を、第1半筐体2101における少なくとも1つの電極2111の第1端2113(図21A)あるいは第2端2115に、固定するための固定手段2119(図21C);第1半筐体2101における前記少なくとも1つの電極2111は、第1半筐体2101からスライド式で取り外され、そして、前記少なくとも1つの置換電極2117(図21B)と交換され、(ix)第2半筐体2103にスライド自在かつ気密して位置決めされる少なくとも1つの電極2121(図21A);前記少なくとも1つの電極2121は、第1端2123および第2端2125を有し、(x)第2半筐体2103に位置決めされる少なくとも1つの電極2121のための少なくとも1つの置換電極2127(図21B);および、(xi)少なくとも1つの置換電極2127を、第2半筐体2103における少なくとも1つの電極2121の第1端あるいは第2端に、固定するための固定手段2129;を有しており、第2半筐体における前記少なくとも1つの電極2121は、第2半筐体2103からスライド式で取り外され、そして、前記少なくとも1つの置換電極2127と交換される。

0074

電気分解によって水を水素および酸素に分解するため、水が電気分解装置に加えられ、そして、電極は電力が供給される。電極と電源との電気接触は、多様な方法で達成することが可能である。例えば、単一の電圧あるいは電流源は、単一のアノード/カソードペアに適用することが可能である。前記源は、少なくとも1つの出力ペアを有する電源装置とすることが可能である。また、エッジコネクターは、半筐体を越えて突出する複数のアノード/カソード電極の電極ペアと、個別に対となる複数の接触点を有する。エッジコネクターの一例は、デジ−キーコーポレーション(Digi−Key Corporation)(スィーフリバーフォールズ、ミネソタ州56701(Thief River Falls,MN 56701))カタログで、見つけることが可能であり、これは、参照され、全体として、ここに組み入れられている。

0075

電気分解装置に使用されるダイアフラム電極アレイを製造するための方法が開示される。当該方法は、(i)イオンを通過させかつガスの通過を妨害するダイアフラムを、ワイヤー付与機にマウントし、(ii)前記ワイヤー付与機を使用し、前記ダイアフラムの第1側面の第1近傍および前記ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に、ワイヤーを付与し、(iii)漏出防止性筐体を形成するため、第1半筐体、前記ワイヤー、前記ダイアフラム、および第2半筐体を一緒に固定し、そして、(iv)前記ワイヤーをトリムし、これにより、電気分解装置に用いられるダイアフラム電極アレイおよび電気分解装置が製造される。

0076

図22Aは、順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用しているダイアフラムに付与されるワイヤーの斜視図である。図22Bおよび22Cは、順送り軸回転ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の平面図および正面図を、それぞれ示している。図22A、22Bおよび22Cは、回転矢印ペア2203によって規定される軸を中心として回転しているダイアフラム2201を示している。矢印2205は、ダイアフラムの直線運動を示している。ワイヤー2207は、矢印2209により示される方向でダイアフラム2201に供給される。回転および直線移動は、ワイヤー2207に対応するために同期される。ダイアフラム2201は、回転させられ、矢印2205の方向に直線的に移動する時、ワイヤーは、ダイアフラム2201の第1側面の第1近傍およびダイアフラム2201の対向する第2側面の第2近傍に付与される。

0077

ダイアフラムの準備は、ダイアフラム材料を選択し、ダイアフラム材料を切断して寸法決めし、そして、ワイヤーをダイアフラムに係留させることを含んでいる。準備されたダイアフラムは、ワイヤー巻き付けマシンにマウントされる。ワイヤー巻き付けマシンは、図示されていない。使用可能であるワイヤー巻き付けマシンは、ウィリアムケルファース(William Querfurth)(ジー.スティーヴンズエムエフジー.シーオー.1954年刊行、128ページ(G.Stevens Mfg. Co. Pub.1954,128pages))による「コイル巻き付け:コイル巻き付け手順、巻き付けマシンおよび関連機器解説(Coil Winding:A Description of Coil Winding Procedures, Winding Machines and Associated Equipment)」、および、カールヘリング(Carl Hering)(ビブリオバザール、2008年再版、76ページ(BiblioBazaar, reprinted 2008,76pages))による「発電機用磁石のための実用的な使用法(Practical Directions for Winding Magnets for Dynamos)」に記載されているものを含んでいる。両方の本は、参照され、全体として、組み入れられている。ダイアフラムは、イオンを通過させかつガスの通過を妨害する材料から構成される。

0078

その他の図と同様に、図22A図22Bおよび図22Cの教示の変形例が存在し得る。例えば、ダイアフラムは回転してワイヤーを受け入れる(accommodate)ため、ワイヤー供給とダイアフラムとの間の相対的な直線運動は、例えば、ワイヤー供給の直線的な垂直運動によって、達成することが可能である。図22の方法の変形例において、ダイアフラムは、回転させられるが、直線的には動かされない。それは、ワイヤーがダイアフラムに供給される時に直線的に移動するワイヤー源である。ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面の近傍にワイヤーを付与する別の一例は、順送り軌道回転ワイヤー巻き付けである。

0079

順送り軌道回転ワイヤー巻き付けの方法は、ワイヤー供給がダイアフラムの周り軌道を描いて回ると同時に、ダイアフラムに関して直線的に移動することを除き、順送り軸回転ワイヤー巻き付けの方法に類似している。その他のワイヤー付与技術は、蛇行ワイヤー巻き付け、順送り軸回転掛け止ワイヤー巻き付けおよび独立ワイヤーストランド配置を含んでいる。ワイヤー巻き付けの実施形態によっては、ワイヤー巻き付けプロセスの間において、ダイアフラムを補強して支持するため、ダイアフラムの周囲に位置する同心スリーブを使用している。実施形態によっては、回転および直線移動は、ロボット工学、ロボットビジョン、マシンビジョンおよび/又はデジタル制御モーション装置、システム、あるいは位置決め装置等の自動化製造技術によって実行される。

0080

ダイアフラムに対するワイヤーの付与の後で、ダイアフラム、第1半筐体、ワイヤー、ダイアフラムおよび第2半筐体は、一緒に固定され、そして、図23に示されるように、ダイアフラムのエッジ部上のワイヤーは、トリムされる。図23(A)および図23(B)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間に位置決めされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの分解斜視図および分解正面図を、それぞれ示している。図23(C)および図23(D)は、第1半筐体、第2半筐体、および、前記半筐体間にサンドイッチされてワイヤーが付与されたダイアフラムの中間ゾーンの組立てられた斜視図および正面図を、それぞれ示している。図23(E)および図23(F)は、ダイアフラムのエッジ部からトリムされたワイヤーを有する図23(C)および図23(D)の図を示しており、第1複数ワイヤー電極は、ダイアフラムの第1側面の第1近傍に固定され、そして、第2複数ワイヤー電極は、ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に固定される。

0081

順送り軸回転掛け止ワイヤー巻き付けの方法は、順送り軸回転ワイヤー巻き付けの方法の変形例である。多くの場合、ダイアフラムは、例えば、ポリマー等の比較的軟かい材料から形成されるため、図22の巻き付け方法の変形例は、巻き付けプロセスの間にダイアフラムに切欠きを形成するため、切断ツールとしてワイヤーを用いて、ワイヤーをダイアフラムに掛け止めすることを含んでいる。切欠きは、ワイヤーのための局部的なラッチあるいは係留点として機能しており、統合され、かつ合成された(compound)回転および直線運動を改変するために使用される場合、ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面の近傍に、交互(alternate)ワイヤーパターン構築するために使用することが可能である。

0082

図24(A)、図24(B)、図24(C)および図24(D)は、蛇行ワイヤー巻き付けを使用した、ダイアフラムに対するワイヤーの付与の斜視図、平面図、正面図、右側面図を、それぞれ示している。図24は、ダイアフラム2401、第1ガイド支柱セット2403、およびダイアフラム2401の対抗する両側面に位置する第2ガイド支柱セット2405を示している。ガイド支柱2403および2405は、ダイアフラム2401の両方の側面に蛇行パターンを形成するために、ワイヤー2407が巻き付けられる構造体である。明確にするために、図24は、ダイアフラム2401の一方の側面に位置する蛇行パターンのみを示している。ダイアフラムの両方の側面での蛇行パターンが完成した後で、ダイアフラム2401およびワイヤーは、第1半筐体と第2半筐体とにサンドイッチされ、そして、漏出防止性固定手段を使用して固定され、それによって、漏出防止性筐体が形成される。明確にするために、半筐体および固定手段は、図24に示されていない。両方の側面におけるワイヤーを切断し、そして、ガイド支柱2403および2405から漏出防止性筐体を解放すると、筐体において、第1複数電極は、ダイアフラム2401の第1側面の第1近傍に固定され、そして、第2複数電極は、ダイアフラム2401の対向する第2側面の第2近傍に固定される。

0083

図25は、追加されたスペーサを有する図24に示される蛇行ワイヤー巻き付けを示しており、ワイヤーは、ワイヤーとダイアフラムの第1側面と対向する第2側面との間のスペースを含んでいる近傍に、位置する。スペーサ2501は、例えば、条片であり、ダイアフラムの第1側面および対向する第2側面に対して平行である。スペーサは、任意のワイヤー付与方法と共に使用することが可能である。

0084

蛇行ワイヤー巻き付けの方法のさらなる実施形態は、ワイヤー切断動作を省略し、そして、ガイド支柱に付加される回転式カラーの周囲にワイヤーを巻き付けることである。回転式カラーは摩擦を削減するため、分解することなく、ワイヤーを電気分解装置内を通して引っ張ることで、必要に応じて未使用の電極を提供することが可能であり、それによって、電気分解装置のメンテナンスを単純化し、かつ、不稼動時間を削減する。

0085

図26(A)および図26(B)は、独立ワイヤーストランド配置の方法を使用して付与されたワイヤーの斜視図および平面図を、それぞれ示している。独立ワイヤーストランド配置は、ダイアフラムの対抗する両側面に複数のワイヤーを付与する別の方法である。図26は、独立ワイヤーストランド配置の方法を使用し、ダイアフラム2601の第1側面の第1近傍およびダイアフラム2601の対向する第2側面の第2近傍に、ワイヤーを付与している斜視図および平面図である。第1複数独立ワイヤーストランド2603は、ダイアフラム2601の第1側面の第1近傍に配置される。第2複数独立ワイヤーストランド2605は、ダイアフラム2601の対向する第2側面の第2近傍に配置される。第1複数独立ワイヤーストランド2603および第2複数独立ワイヤーストランド2605の配置の後で、ワイヤーおよびダイアフラムは、サンドイッチされ、そして、漏出防止性固定手段を使用して第1および第2半筐体に固定され、そして、ワイヤーのトリムが施され、それによって、形成された筐体において、第1複数ワイヤー電極は、ダイアフラムの第1側面の第1近傍に固定され、そして、第2複数ワイヤー電極は、ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に固定される。

0086

独立ワイヤーストランド配置の図26の方法の変形例は、第1複数独立ワイヤーストランド2603および第2複数独立ワイヤーストランド2605のワイヤーを、トリムせずに、供給ボビンおよび巻取りボビンにマウントすることである。この実施形態は、ワイヤー電極移動性を提供し、それによって、電気分解装置を分解することなく、必要に応じ未使用の電極を提供するため、ワイヤーを、巻取りボビンに向かって引っ張り、そして、電気分解装置に導入することが可能である。この実施形態は、装置のオペレーションおよびメンテナンスを単純化し、かつ、装置の不稼動時間を削減する。

0087

実施形態によっては、電極は、ダイアフラムから所定の距離に位置する。所定の距離は、正確には、例えば大体、0.0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.5、1.0、5、10、50、100、500ミリメートル未満あるいは以下、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の距離である。ダイアフラムに物理的に接触する電極は、スパッタ—、化学的蒸着、物理的蒸着、蒸発、電気分解、インキ塗布、および、原子層堆積技術などの1つ以上の周知の成膜技術によって、適用することが可能である。ドナルドエム.マトックス(Donald M.Mattox)(2010年5月19日)による「物理的蒸着処理ハンドブック、第2版(The Handbook of Physical Vapor Deposition Processing, Second Edition)」は、使用することが可能であるアプローチを開示しており、参照され、全体として、ここに組み入れられている。

0088

所定のサイズの電極は、開示されたダイアフラム電極アレイの実施形態の一部において使用される。単一の電極の最長の寸法は、組立てられた装置の断面サイズにより規定される。例えば、組立てられた構造体の図1(B)の断面が、略円である場合、各々の電極の長さは、円の直径のサイズ、もしあれば、突出を加えたサイズぐらいである。各々の電極の所定の長さは、正確には、例えば大体、0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、500、1000センチメートル未満あるいは以下、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の長さである。電極は、電気絶縁被覆を含まない。

0089

単一の電極の断面は、その平面が電極の長さ方向に対して垂直である幾何学的形状である。例えば、電極の断面が円である場合、断面における最長の直線寸法は、円の直径である。電極断面の最長の直線寸法の所定のサイズは、ダイアフラム電極アレイの実施形態の一部において使用される。電極断面の最長の直線寸法の所定のサイズは、正確には、例えば、大体、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、10、100、1000ミリメートル未満あるいは以下、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の寸法である。用語「サイズ」は、電極の寸法を記述するために使用される場合、電極の断面の長さ寸法および/又は最長の直線寸法を含んでいる。所定の内部複数スペーシングは、ダイアフラムの第1側面の第1近傍に位置する第1複数電極に係る電極の実施形態の一部において使用される。所定の内部複数スペーシングは、ダイアフラムの対向する第2側面の第2近傍に位置する第2複数電極に係る電極の実施形態の一部において使用される。内部複数隣接電極の間における所定のスペーシングは、正確には、例えば大体、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100ミリメータ未満あるいは以下、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の寸法である。

0090

所定の数の電極が、各々の電気分解装置の実施形態の一部において使用される。電極の所定の数は、正確には、例えば大体、4、6、8、10、30、50、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、50,000、100,000より大きいあるいは以上、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の数である。

0091

アノード電極毎およびカソード電極毎の電流の所定の平均値は、実施形態の一部において使用される。カソード電極毎の平均電流は、カソード電極の数によって割られた、複数のアノードと複数のカソード複数との間を流れるトータル電流を意味する。同様な定義は、アノード電極毎の平均電流に適用される。アノード電極毎および/又はカソード電極毎の電流の所定の平均値は、正確には、例えば、大体、0.001、0.01.0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、50、100、500、1000、5000ミリアンペア未満あるいは以下、あるいは、前述の値の任意の2つによって制限される範囲内の電流である。実施形態によっては、前述の所定の値に関し、含まれていない、あるいは、一部あるいは全てが含まれている。

0092

(i)電極毎の所定のサイズ、(ii)隣接電極間における所定の内部複数スペーシング、(iii)電気分解装置毎の電極の所定の数、(iv)アノード電極毎および/又はカソード電極毎の電流の所定の平均値、および、(v)ダイアフラムからの電極の所定の距離に係る前述の実施形態の間における具体的な値の選択は、開示された装置および方法のユーザの実利的な目的に依存する。例えば、ユーザの目的が、電極腐食、システムメンテナンス、建設コストおよび装置の高さを最小にし、電気変換効率および稼働寿命を最大にし、かつ、比較的高価でない土地に建設される水素および酸素生産電気分解システムである場合、前述の所定の値の中からの選択は、より低い電流密度、ダイアフラムに近接している電極、および、より短い高さの電気分解装置を好む。一方、生産システムが、市街化区域のように比較的高価な土地に建設され、単位土地面積当たりの最大生産がファクターである場合、より高い電流密度、より高い電気分解装置、電極とダイアフラムとの間の増加したスペーシング、および、電気分解装置毎のより多くの電極が、好まれる。

0093

開示された実施形態は、従来の電気分解装置と関連して利点を提供することが可能である。1つの利点は、電極の腐食速度を遅くすることが可能であることである。前記利点は、電極内における電子の流れの固有の経路、および、電子材料中における腐食メカニズムおよび電子の流れに、基づいていると思われる。例えば、イー.イー.スタンズベリー(E.E.Stansbury)およびアール.エー.ブキャナン(R.A.Buchanan)(エーエスエムインターナシナルマテリアルズパーク、オハイオ(ASMInternational, Materials Park, Ohio))による「電気化学的腐食基礎(Fundamentals of Electrochemical Corrosion)」、ビー.グロツキー(B.Glowacki)、エム.ビッカーズ(M.Vickers)およびイー.マーヘル(E.Maher)(アゾ マテリアルズ、シドニー、オーストラリア(Azo Materials, Sydney, Australia))による論文粒界および電子材料(Grain Boundaries and Electronic Materials)」、および、電気化学百科事典(Electrochemistry Encyclopedia)(ケースウェスタンリザーブ大学(Case Western Reserve University)、クリーブランド、オハイオ)におけるジェイ.クルーガー(J.Kruger)による論文「電気化学的腐食(Electrochemical Corrosion)」を参照のこと。なお、これらの全ては、参照され、全体として、ここに組み入れられている。電子材料中における粒界の存在は、局部加熱を生じさせる電流の流れを妨害し、方向転換させることが可能である。その他の伝導経路は、より多くの電流を伝えることが必要であるため、より高いストレスが加えられる可能性がある。これは、「熱的暴走」効果および腐食を引き起こすことが可能である。問題は、大きい金属プレートの高電流電極に関する。複数電極は、ワイヤー中の電流の流れを、例えば、ワイヤーの方向に実質的に限定し、それによって、妨害、方向転換および局部加熱のためのオプションを制限することによって、問題の厳密性を減ずることが可能である。開示された実施形態の実用性は、所定の電流および電極材料の質量に関し、同じ量の水素および酸素を、同じ質量の単一の電極ペアと比較し、複数の電極ペアによってより低い電流密度で生産することが可能であり、それによって、電極の腐食速度を遅くし、電位を低減し、そして、水素エネルギーに対する電気エネルギー変換効率を増加させることである。

0094

開示された実施形態は、電気分解装置の利用を経由した水素および酸素生産の実用的な大規模実施に関し、背景欄に描写されている問題に対処することが可能である。具体的には、実施形態は、構造デザインを単純化し、現代的な自動化技術を実行し、そして、製造のために必要とされる金属量を最小化することが可能である。加えて、開示された実施形態のモジュール性は、大規模な統合されたシステムのスケールアップに、より容易に適合させることが可能である。

0095

議論されたてきた部品、ステップ、特徴、目的、便益および利点は、単なる例示である。それらのいずれも、また、それらに関連している議論も、いかなる形であれ保護の範囲を限定することを目的としていない。多数のその他の実施形態もまた、可能であると考えられる。これらは、少数の、付加的な、および/又は異なる部品、ステップ、特徴、目的、便益および利点を有する実施形態を、含んでいる。これらはまた、部品および/又はステップが、異なって配置および/又は順序付けられた実施形態を含んでいる。

0096

特に明記しない限り、下記の特許請求の範囲を含んでおり、この明細書に記載される全ての寸法(measurements)、値、評価(ratings)、位置、大きさ(magnitudes)、サイズ、および、その他の仕様は、大まかであり、厳密ではない。それらは、関連する機能と関連する技術において慣用されるものとの整合性が取れている合理的範囲を有することを目的とする。

0097

この開示内容において引用された全ての論文、特許、特許出願およびその他の刊行物は、参照され、ここに組み入れられている。

0098

特許請求の範囲において使用されている語句「するための手段」は、記載されていた対応する構造体および材料、およびそれらの均等物を包含することを意図しており、かつ、そう解釈されなければならない。同様に、特許請求の範囲において使用されている語句「のためのステップ」は、記載されている対応する動作、およびそれらの均等物を包含することを意図しており、かつ、そう解釈されなければならない。特許請求の範囲からのこれらの語句の欠如は、特許請求の範囲が、対応する構造体、材料、あるいは動作、あるいはそれらの均等物に限定することを意図しておらず、かつ、そう解釈しないようにされなければならないこと、を意味する。

0099

保護の範囲は、下記の特許請求の範囲によってもっぱら制限される。明細書および後に続く審査経過を照らして解釈する場合、特定の意味が記載されている場合を除き、その範囲は、特許請求の範囲において使用される用語の通常の意味と整合性が取れているかぎり広く、かつ、全ての構造的および機能的均等物を包含するように、解釈することを意図しており、かつ、そうされなければならない。

0100

例えば、「第1」および「第2」等の関係を示す用語は、それらの間における実際の関係あるいは状態(order)を、必然的に要求あるいは暗示することなく、1つの存在物あるいは作用を、別のものから区別するために、単に使用することが可能である。用語「有する」、「有し」およびそれに関する他のいかなる変形物も、明細書あるいは特許請求の範囲において要素のリストと関連して使用される場合、前記リストは、排他的ではなく、別の要素を含むことが可能であることを示すことを意図している。同様に、不定詞「a」あるいは「an」が前に置かれる要素は、さらに制限することなく、同じ種別の付加的な要素の存在を除外しない。

0101

特許請求の範囲は、特許法のセクション101、102あるいは103の要件を満たさない対象物を包含することを少しも意図しておらず、そのように解釈されるべきではない。この種の対象の任意の非意図的適用範囲は、これにより否認される。ちょうどこの段落において述べられたことを除き、記載あるいは説明されているものは、特許請求の範囲においてそれが記載されているか否かを問わず、任意の部品、ステップ、特徴、目的、便益、利点あるいは周知の均等物を専用とする(dedication)ことを意図しておらず、そのように解釈すべきではない。

0102

要約は、技術の開示内容の特徴を、読者が迅速に確認することに役立たせるために提供される。それは、特許請求の範囲あるいは意味を解釈あるいは制限するために使用されないとの了解の下で、それは提出される。加えて、前述の詳細な説明における多様な特徴は、開示内容をスリム化するために、多様な実施形態において、1つのグループにまとめられている。開示のこの方法は、請求された実施形態が、各々の請求項において明確に記載されているものより多くの特徴を必要とすることを、要求することと解釈してはならない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映しているように、進歩性を有する対象物は、単一の開示された実施形態の全ての特徴より少ないところに存する。このように、下記の特許請求の範囲は、これによって、詳細な説明に組み入れられており、各々の請求項は、別々に請求される対象物として自立している。

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