JP2014520968A - 電気分解装置のフレームの構成、方法及び利用 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを含むフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールであって、シーリングかつ電気絶縁をする材料を有し、前記材料が少なくとも部分的にフレームの表面を覆っているモジュールを含む。さらに、本発明は、フィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールを製造する方法及びその使用を含む。さらに、本発明は、圧力要素の使用を含む。

Description

本発明は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを有するフィルタプレス型の電気分解装置を製造するモジュール及び方法と、その使用とを含む。さらに、本発明は圧力要素の使用を含む。

フィルタプレス型の電気分解装置は、一般に、塩水やアルカリ液、通常はアルカリ水酸化物水溶液から、水素や酸素を製造するために使用される。そのような構成における複数のセルの積層体は、一般に一連のバイポーラプレートと、第１の電極（アノード又はカソード）と、アノード区画とカソード区画のセルを分離するダイアフラム要素と呼ばれるダイアフラムを有する鋼のフレームと、第２の電極と、次のバイポーラプレートと、から構成される電気化学的な複数のセルによって形成される。ガスケットはシーリングの目的で使用される。

特にダイアフラム要素の製造は、機械及び／又は手動でダイアフラムをフレームへ固定することを含み、シーリングされたセル積層体を形成するため更なるガスケットを必要とする。別の従来技術の態様は、ゴムで鋼のフレームを覆うモールドプロセスを含んでおり、そのようなアセンブリにおいて、バイポーラプレートは負荷保持要素となっている。ダイアフラム要素における鋼のフレームは、ダイアフラムを固定するだけの手段である一方、フレーム上のゴムは、隣接するバイポーラプレート間のガスケットとしての役割を果たす。さらに、この既存のアセンブリは、ダイアフラムのフレームの外径と少なくとも等しい外径を有し、それによりフレーム全体を覆うバイポーラプレートを必要とする。バイポーラプレートは鋼から成るので、通常の動作の下でガスチャンネルでの二次電解を起こし、それによってガスの質を低下させる。この現存するアセンブリは、各要素を直立したポジションに配置する手動の積層を必要とする。言及した従来技術の形態では、一体化したガスケットを有するダイアフラム要素は、２つのバイポーラプレート間のシーリングを形成する。言及した形態は、圧力をかけた動作に適さない。内部圧力の増大は、単に、積層体の各端部に配置されたエンドプレートを連結するボルトにより働く力によって補償されなければならない。したがって、内部圧力の増大は漏れを導きやすい。バイポーラプレートは、電気分解装置を支持するが、電気的ポテンシャルを電気分解装置の外へ運び、装置の電気的絶縁を複雑にする。

ＥＰ０８３３９６３Ｂ１は、加硫可能な物質、すなわちゴムによって覆われた鋼のフレームを開示している。このゴムは、電気的絶縁とシーリング材としての役割を果たす。ダイアフラムは、ゴムで覆われたフレームにボルト締めされている。さらに、アルカリ液チャネルを形成するＴ字形要素が、フレームにボルト締めされている。

ＵＳ６５５４９７８は、高圧の電気分解装置とそのフレームを開示している。フレームは、非導電層を有する金属又は合成材料から成っていてよい。別個のガスケットは、開示された実施形態においてフレーム間に含まれている。

ＧＢ１１４５７５１は、硬化性の成形可能な材料からなる複数のフレームから構築された電気分解装置を開示している。この材料の例は、セメント、セラミック、熱硬化性樹脂、熱可塑性材料である。セパレータは、フレームリングへ一体成形されることができる。ゴムのＯリングは、フレームとそれに隣接する要素との間のシーリングを提供する。

慣例上、電極は、集電器としての役割を果たす頑丈なスペーサによってバイポーラプレートに取り付けられており、ガスのバブルが形成されガス収集チャンバへ逃がすため、電極とダイアフラムとの間にギャップが存在する。

従来技術によれば、バイポーラプレートへの電極の取り付けは、時間を浪費し、費用が掛かる。バイポーラプレートの気密性は、ドリルスルーによって破られ、特に加圧動作中にガスの漏れを引き起こし得る。さらに、カレントがわずかなスポットに集中し、電極を横切って非均一なカレント分布を生じさせる。電極の強固な固定により、電極と膜の親密性や調整可能な接触が防止され、これにより、オーム抵抗が増大し電気分解の効率が低下する。

従来技術におけるフィルタプレス型の電気分解装置用のモジュールに関連するプロセスやダイアフラム要素を製造するプロセスは、多くの個別の要素が互いに適合しなければならないので、面倒及び過酷である。

本発明は、上述した問題を解決し、又は少なくとも緩和することを考慮する。

本発明の目的は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームとその利用を有するフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュール及び方法を提供することにある。本発明の目的は、以下に記載されたものうちの１つ又はそれ以上の有意性を提供することにある。
−少なくとも１つの閉じたフレームを含むモジュールが負荷保持要素になり得る。
−そのようなモジュールは、普遍的であり、水平又は鉛直に組み立てることができる。
−バイポーラプレートが少なくとも１つの第１の開口よりも小さい直径を有することができる。
−バイポーラプレートがダイアフラムよりも小さい直径を有することができる。
−バイポーラプレートがこのモジュールの外径よりも小さい直径を有することができる。
−高い圧力が適用されたときに積層体のシーリングがいっそう高められ、これにより、起こり得る電解液の漏れを減少させる。
−外部からのバイポーラプレートの絶縁が積層によって達成される。
−モジュールの直径が可変であり、要求されたサイズ、例えば０．１０ｍから５．００ｍの直径で製造できる。
−モジュールが対称となり、すなわち、両サイドのどちらにも酸素又は水素を製造する電極を利用することができる。
−モジュールの積層が、手動、半自動、自動で成され得る。
−少なくとも１つの第１の要素を、シーリングかつ電気絶縁をする材料によって少なくとも１つの閉じたフレームのまわりに配置することに関する本発明の方法は、１ステップの製造プロセスとして考えられ得る。
−少なくとも１つの第１の要素をモジュール内で完全に一体化できる。
−ボルト締め又はその他のタイプの固定が不要である。
−二次電解が抑制される。電気分解セルにおける効率的な積層と、自動化された積層への適合。
−電気分解セルで積層されたときに、より低いオーム抵抗とこれによる電気分解セルでのより高いエネルギー効率とを導く零ギャップを可能にする。
−電気分解セルで使用されたときの有効なガス移送と、これによる好ましいガスの製造ためのより高い効率、すなわちより高い製造能力。
−電気分解セルにおける、高められたカレント分布と、さらに高い効率と、より良い局所的な温度制御。
−本質的にガス不透過性のバイポーラプレートと更に改善された安全性。
−加圧された動作における電極とダイアフラムとの間の安定したテンション。

本発明は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを含むフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールであって、シーリングかつ電気絶縁をする材料を有し、前記材料が少なくとも部分的にフレームの表面を覆っているモジュールを含む。さらに、前記材料は、前記電気分解装置における考えられ得る隣接したモジュール又は端区域に対するシーリングを提供する。上記フレームは、金属、構造プラスチック、強化プラスチック、熱硬化プラスチックのうちの少なくとも１つを構成する。本発明によれば、このモジュールは少なくとも１つの位置決め手段を含む。さらに、本発明によれば、このモジュールは、当該モジュールの内縁に設けられた随意の少なくとも１つの位置決め手段を含む。この位置決め手段は、可能な所望の要素を受け入れる手段として機能することができる。また、この位置決め手段は、このモジュールの表面の中央部に設けられていてよい。この位置決め手段は、特に、モジュールの内縁まわりの支持する凹部、支持構造、ノッチ又は溝を選択的に含むことを理解することができる。位置決め手段はモジュールの外縁に設けられていてもよく、この位置決め手段は補助ツール一緒に、すなわちモジュールの方向付けの間に使用されてもよい。この位置決め手段は随意選択的であってよい。本発明によるモジュールは少なくとも１つの供給チャネルを含み、少なくとも１つの供給チャネルがシーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われている。少なくとも１つの供給チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続されている。さらに、少なくとも２つの別個の移送チャネルが、少なくとも１つの第１の開口の各々の側に接続されている。本発明によれば、前記モジュールは少なくとも２つの別個の採取チャネルをさらに含み、前記少なくとも２つの別個の採取チャネルはシーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われている。前記少なくとも２つの別個の採取チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続されている。少なくとも２つの別個の移送チャネルは、各々、前記少なくとも１つの第１の開口のそれぞれの側に接続されている。本発明において、少なくとも１つの第１の開口は、少なくとも１つの第１の要素によって完全又は部分的に覆われていてよい。さらに、前記少なくとも１つの第１の要素は、シーリングかつ電気絶縁をする材料によって、少なくとも１つの閉じたフレームのまわりに配置されている。まわりに配置という用語は、接して上に配置、に対して固定、に取り付け、に取り外し可能に取り付け、のうちの少なくとも１つを含むことを理解すべきである。前記少なくとも１つの第１の要素は、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素、電極のうちの少なくとも１つから選択される。本発明によるモジュールは電気分解装置の負荷保持部分を構成する。本発明の前記モジュールは、成形可能なシーリングかつ電気絶縁をする材料から構成される。さらに、前記モジュールは、予備成形されたシーリングかつ電気絶縁をする材料を構成する。予備成形されたシーリングは、前記フレームのまわりに縫うように形成されてよい。

また、本発明は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを含むフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールを製造する方法であって、前記フレームの表面をシーリングかつ電気絶縁をする材料で少なくとも部分的に覆う方法を含む。この方法は、１ステップの製造プロセスとして考えられ得る。さらに、本発明は、電気分解装置の端区域又は可能な隣接するモジュールに対して前記材料でシーリングを提供する。前記フレームは、金属、構造プラスチック、強化プラスチック、熱硬化プラスチックのうちの少なくとも１つを構成する。さらに本発明は少なくとも１つの位置決め手段を提供する。この位置決め手段は、支持する凹部、支持構造又は溝を含むものとして理解されるべきである。この位置決め手段は、可能な所望の要素を受け入れる手段として機能することができる。また、この位置決め手段は、モジュールの表面の中央部に設けられていてよい。この位置決め手段は、特に、モジュールの内縁まわりの支持する凹部、支持構造、ノッチ又は溝を選択的に含むことを理解することができる。位置決め手段はモジュールの外縁に設けられていてもよく、この位置決め手段は補助ツールと一緒に、すなわちモジュールの方向付けの間に使用されてもよい。この位置決め手段は随意選択的であってよい。

さらに、本発明の方法は、前記モジュールに少なくとも１つの供給チャネルを用意し、前記少なくとも１つの供給チャネルがシーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われる。本発明によれば、少なくとも１つの供給チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続される。さらに、少なくとも２つの別個の移送チャネルが、少なくとも１つの第１の開口の各々の側に接続される。前記モジュールは少なくとも２つの別個の採取チャネルをさらに含み、前記少なくとも２つの別個の採取チャネルはシーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われる。本発明の方法では、前記少なくとも２つの別個の採取チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続される。さらに、少なくとも２つの別個の移送チャネルは、前記少なくとも１つの第１の開口のそれぞれの側に接続される。これらの採取チャネル、供給チャネル及び移送チャネルは、成形、予備成形、又はこれらの組合せによる方法のうちの少なくとも１つによって準備される。本発明の予備成形という用語は、穴あけ、レーザカット、噴射水切削、又はチャネルを形成するためのその他の任意の手動もしくは自動の適切な方法を含むものとして理解されるべきである。さらに、前記少なくとも１つの第１の開口は、少なくとも１つの第１の要素によって完全又は部分的に覆われる。前記少なくとも１つの第１の要素は、シーリングかつ電気絶縁をする材料によって、少なくとも１つの閉じたフレームのまわりに配置される。まわりに配置という用語は、接して上に配置、に対して固定、に取り付け、に取り外し可能に取り付け、のうちの少なくとも１つを含むことを理解すべきである。前記モジュールは成形可能なシーリングかつ電気絶縁をする材料を含む、又は、前記モジュールは電気絶縁をする材料の予備成形されたシーリングを含む。さらに、前記少なくとも１つの第１の要素は、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素、電極のうちの少なくとも１つから選択される。本発明の方法によれば、前記モジュールは、電気分解装置の負荷保持部分を構成する。本発明は、１ステップの製造プロセスを含む。

また、本発明は、少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームの表面をフィルタプレス型の電気分解装置のためのシーリングかつ電気絶縁をする材料で少なくとも部分的に覆うことによる当該フレームの使用を含む。

本発明によるシーリングかつ電気絶縁をする材料は、本発明の目的に適した技術における当業者に対して通常知られている任意の材料又は材料の混合物を構成すると理解されるべきである。

さらに、本発明は、前記圧力要素が流体透過性かつ弾力性の圧力要素であるような上述したモジュールを含む。この圧力要素は、伝導性を内在しており、さらに０Ａ／ｃｍ²から５Ａ／ｃｍ²の電流密度に対する耐性を有する。本発明によれば、前記圧力要素は、０．００１から１００ｂａｒの範囲、０．０１から５０ｂａｒの範囲、０．１から１．０ｂａｒの範囲のうちの少なくとも１つの圧縮圧力に対する耐性を有する。この圧力要素は、少なくとも２つの次元で流体透過性を有し、腐食に対して耐性を有する。さらに、この圧力要素は、伸展された材料、穴のあいた箔、メッシュ又はフェルト製の繊維マットのうちの少なくとも１つの構成要素を含む。また、電気分解装置のセルにおける電極とバイポーラプレートとの間に適用された弾力性かつ流体透過性の圧力要素の使用が、本発明に含まれる。

本発明は、前記電気分解装置のセルにおける電極とバイポーラプレートとの間に適用された流体透過性の圧力要素を含む電気分解装置のセルのための圧力要素を含む。本発明の圧力要素には伝導性が内在している。さらに、前記圧力要素は０Ａ／ｃｍ²から５Ａ／ｃｍ²の電流密度に対する耐性を有する。さらに、前記圧力要素は、０．００１から１００ｂａｒの範囲、０．０１から５０ｂａｒの範囲、０．１から１．０ｂａｒの範囲のうちの少なくとも１つの圧縮圧力に対する耐性を有する。本発明の圧力要素は、少なくとも２つの次元で流体透過性を有する。さらに、前記圧力要素は少なくとも２次元の構造を有する。これに関し、前記圧力要素は、流体の流れが３次元内で制限されないようになっている３次元構造の強度や透過性を含んでいてよい。この圧力要素は腐食に対して耐性を有する。この圧力要素は、伸展された材料又は穴のあいた箔のうちの少なくとも１つの構成要素を含む。さらに、この圧力要素は、メッシュ又はフェルト製の繊維マットのうちの少なくとも１つの構成要素を含む。本発明による少なくとも１つの構成要素の材料は、金属、ポリマー又はカーボンのうちの少なくとも１つから選択される。金属は、ニッケル、ニッケルめっき鋼材、ニッケル含有合金のうちの少なくとも１つから選択される。この圧力要素に関し、前記少なくとも１つの構成要素の材料は、編む方法、織る方法、織り交ぜる方法、穴をあけて伸展させる方法、ロール及び／又は圧縮する方法のうちの１つの方法により準備される。さらに、少なくとも１つの構成要素の材料は、めっき法、エンボス法、波加工法又はロール方法のうちの少なくとも１つの方法で準備される。この流体透過性の圧力要素は、０．０５〜２０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲のうちの１つの範囲の開口を含む。

本発明による圧力要素は、少なくともワイヤの形状のメッシュ又はフェルト製の繊維マットのような少なくとも１つの構成要素の材料を含み、予め決められたワイヤの厚みは、次のような開口の関数となっている。

ここで、パラメータＡは、０．０１〜１０の範囲、０．１〜１の範囲、０．１〜０．３の範囲のうちの１つから選択される。Ａは、メッシュの開口をワイヤの厚みに関連付けるパラメータであり、与えられた開口に対しワイヤの寸法を唯一に制限するわけではない。パラメータＡの値は実験的なデータに基づき、与えられた範囲の外ではこの要素は十分な機械的強度を有しないであろう。

本発明による圧力要素は、３〜５０ｍｍ、５〜２０ｍｍ、６〜１５ｍｍのうちの少なくとも１つの範囲の波の高さを有する波形である。さらに、波長：波の高さの比は、０．０１〜１０、０．５〜５、１〜３の範囲のうちの少なくとも１つである。

電気分解装置のセルにおける電極とバイポーラプレートとの間に適用された弾力性かつ流体透過性の圧力要素の使用も、本発明に含まれる。

図１は従来技術における電気分解装置のセルの展開図を示している。 図２は、従来技術による電気分解装置のセルの詳細な図を示している。ボルト締めは図２に示されていない。 図３は、本発明によるフレームを示している。３ａ及び３ｂで示されているゴムのフレームの各々のサイドは、カソード空間又はアノード空間として機能することができる。 図４は、本願の実施例１による圧力要素に対する圧縮曲線を示している。 図５は、本願の実施例２による圧縮と可逆性のテストを示している。 図６は、本圧力要素の一実施形態を示している。

図１は、従来技術の電気分解装置のセルの展開図を示している。フィルタプレス型の電気分解装置は、一般に、塩水やアルカリ液、通常はアルカリ水酸化物水溶液から、水素や酸素を製造するために利用される。そのような構成における複数のセルの積層体は、一般に一連のバイポーラプレートと、電極（アノード及びカソード）と、２つのバイポーラプレートの間に配置されアノード区画とカソード区画に分離するダイアフラムを有する鋼のフレームと、シーリング目的のガスケットと、から構成される複数のセルによって形成される。これらの鋼のフレームは、加硫可能な材料、すなわちゴムによって覆われていてよい。このゴムは、電気的絶縁とシーリング材としての役割を果たす。ＥＰ０８３３９６３Ｂ１は、ゴムのフレームがダイアフラムをフレームにボルト締めするための不可欠な固定手段を有する構成を記載している。さらに、アルカリ液チャネルを形成するＴ字形要素が、フレームにボルト締めされており、さらに加硫可能な材料によって覆われており、これにより、フレームの必須部分を形成している。図２参照。上述した構成のボルト締め及び固定は、図１又は図２に示されていない。

本発明は、上述したような少なくとも１つのフレームからなるモジュールを含み、フレームはシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われており、前記フレームと前記材料は、電気分解装置の負荷保持部分を構成している。本発明のモジュールは、両サイドのどちらにも酸素又は水素を製造する電極を利用することができるという意味で、普遍的である。さらに、それは、手動、半自動又は自動的に積層することができる。

バイポーラプレートは完全に前記モジュール内に保持されて外部から絶縁されているので、バイポーラプレートの外部との絶縁は、積層によって達成される。

Ｏリングの効果が、前記モジュールの積層と、増加された圧力での電気分解装置の動作とにより達成される。Ｏリングの効果は、漏れのリスクを最小化することに寄与する。

本発明の一態様では、モジュールを製造するための１ステップのプロセスは、少なくとも１つの閉じたフレームと、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素及び／又は電極のような少なくとも１つの第１の要素と、を含む。ここで、１ステップのプロセスは、成形可能な材料を利用して第１の要素とフレームとを一緒に成形することとして理解することができ、これにより、同時に、少なくとも１つのフレームのまわりに少なくとも１つの第１の要素を配置し、フレームを絶縁し、シーリングを提供する。ガスケットは、本発明によるモジュールに組み立てることとみなすことができる。少なくとも１つの第１の要素は、このモジュール内で完全に一体化されていることに注意すべきである。

本発明の一態様では、モジュールを製造するための１ステップのプロセスは、少なくとも１つの閉じたフレームと、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素及び／又は電極のような少なくとも１つの第１の要素と、を含む。ここで、１ステップのプロセスは、第１の要素及びフレームのまわりに置かれた又は周りにまかれた電気絶縁材料の予備成形されたシーリングを含むものとして理解することができ、これにより、同時に、構成要素、少なくとも１つのフレーム及び少なくとも１つの要素を固定し、フレームを絶縁し、シーリングを提供する。ガスケットは、本発明によるモジュールに組み立てることと考えることができる。少なくとも１つの第１の要素は、このモジュール内に完全に一体化されていることに注意すべきである。

したがって、第１の要素をフレームへボルト締め、固定、接着、溶着しないことが、本発明について要求される。

本発明の更なる態様は、積層される必要がある構成要素の数及びサイズを減少させることによるコンパクトなデザインである。本発明のこのデザインは、電極がダイアフラムと密接に接する零ギャップデザインによく適合しているコンパクトなデザインと考えられる。

バイポーラプレートは、少なくとも１つの第１の開口よりも小さい直径を有していてよい。このバイポーラプレートは、モジュールの外径よりも小さい直径を有していてよい。

このモジュールの直径は可変であり、要求されたサイズ、例えば０．１０ｍから５．００ｍの直径で製造できる。要求されたサイズにおける上述の直径のメートルで表記したいくつかの値は、０．１〜０．５、０．５〜１、１〜１．５、１．５〜２、２〜２．５、２．５〜３、３〜３．５、３．５〜４、４〜４．５、４．５〜５である。

本発明は、添付の図３を参照して詳細に説明されるであろう。このモジュールは、例えばダイアフラムのような第１の要素によって完全又は部分的に覆われた第１の開口と、電気絶縁性かつ機械的なシーリング性により特徴づけられた加硫可能又はその他の成形可能な材料によって少なくとも部分的に覆われた例えば鋼のような少なくとも１つの閉じたフレームと、を含む。

ダイアフラムは、別個の機械的な装置やフレームへのボルト締めによってではなく、ダイアフラムの縁上及び鋼のフレーム上にキャストされた加硫可能な材料によって固定される。図３参照。アルカリ液ダクト及びガスダクトを形成する供給チャネル及び採取チャネルは、加硫可能／成形可能な材料から成る。たとえばダイアフラム要素を含むこのモジュールは、１製造ステップで作られ、これによって、鋼のフレームのまわりに加硫可能な材料を成形し又は織り、同時に、例えばダイアフラムを固定し、少なくとも１つの供給チャネル、少なくとも２つの採取チャネル及び移送チャネルを形成する。供給チャネル及び採取チャネルは、幾何学的に完全に対称又は非対称のいずれであってもよい。第１の開口を供給チャネル及び採取チャネルに接続する移送チャネルは、次の２つの方法で形成されてよい。
１）ゴムがバイポーラプレートに密接に接することによりチャネルが形成されるように、特にゴムプロファイルのようなシーリングかつ電気絶縁をする材料の形状として成形
２）成形プロセス又は二次成形のいずれかにより形成された、特にゴムのようなシーリングかつ電気絶縁をする材料を貫通する移送チャネル
バイポーラプレートを収容するためモジュールの内縁まわりに溝のような位置決め手段が付加的に存在する。このフレームは、電解液及びガスから完全に絶縁されており、これによって、加圧される構成要素に対して高品質鋼は不要であり、二次電解が抑制される。例えばゴムのようなシーリングかつ電気絶縁をする材料によって少なくとも部分的に覆われたフレームは、負荷保持要素である。

−ダイアフラムはモジュール内にキャストされていてよい。このセル積層体は、ダイアフラムを有するゴムフレームモジュール、第１の電極、第１の圧力要素、バイポーラプレート、第２の圧力要素、第２の電極、ダイアフラムを有するゴムフレームモジュールの順序から成る。

−電極はモジュール内にキャストされていてよい。このセル積層体は、第１の電極を有するゴムフレームモジュール、ダイアフラム、第２の電極を有するゴムフレームモジュール、第１の圧力要素、バイポーラプレート、第２の圧力要素の順序から成る。

−圧力要素はモジュール内にキャストされていてよい。このセル積層体は、第１の圧力要素を有するゴムフレームモジュール、第１の電極、ダイアフラム、第２の電極、第２の圧力要素を有するゴムフレームモジュール、バイポーラプレートの順序から成る。

−採取チャネルを有する圧力ベアリング要素は、ダイアフラム又はバイポーラプレートのない鋼のフレームを覆った加硫されたゴムであってよい。このセルは、バイポーラプレート、ゴムフレームモジュール、第１の圧力要素、第１の電極、ダイアフラム、第２の電極、第２の圧力要素、第２のゴムフレームモジュールの順序から成る。

本発明によれば、両エンドプレート間に配置された電極のような複数のセル構成部分を含むセル積層体モジュールが可能である。これらのエンドプレートは、連結棒で固定されている。電気分解装置のエンドプレートの固定は、従来技術で述べられたボルト締めとの併用であってはならない。さらに、本発明では、電気分解装置を構成するモジュールの密閉度を保証するためのバネシステムは不要である。システムは、自己シーリングシステムとして、圧力下で動作することができる。モジュールが弾性材料から成る場合、積層されたゴムフレームモジュールは、加圧された条件の下で自己シーリングを有する（Ｏリング効果）。この積層体は、内圧の力に応じた力で固定／圧縮されることを必要としない。このゴムモジュールは、バッチ番号を配置するための領域を持つ。そのようなモジュールから成る電気分解装置の積層体を動作させるという観点から、モジュールは、その外側で加硫可能な材料によって完全に覆われる必要はない。これにより、成形プロセスの押出成形圧力の間、フレームを固定することができる。フレーム、例えば鋼のフレームのモールディングは、ゴムモジュールの二次成形収縮を除去する一方、モジュールは、成形後に鋼のフレームにわたって織られた予め成形されたゴムモジュールと、鋼のフレームと、によって構成されてもよい。選択的に、すべての接触面が、構成要素とチャネルとの間の完全な密閉性を確保するために突起を備えている。

本発明は、ゴムの表面を有する鋼のフレームに基づき完全に一体化されたダイアフラム要素、モールディングされたダイアフラム、そのゴムによって形成されたアルカリ液／ガスのチャネル、を含む一実施形態を提供する。

図３は、ダイアフラムと、電気絶縁性かつ機械的シーリング性によって特徴づけられた加硫可能又はその他の成形可能な材料によって完全に覆われたフレームと、によって構成されたモジュールを示している。このダイアフラムは、別個の機械的な装置やフレームへのボルト締めによってではなく、ダイアフラム及び鋼のフレームにキャストされた加硫可能な材料によって固定される。

このフレームは、滑らかな表面を有していてよく、又は、フレームへのゴムの接着力を強化するための溝又はその類似物を備えていてよい。

本発明の一実施形態では、円形のモジュール内の採取チャネルは、内部の金属要素を含まず完全に成形可能な材料から形成されるガス流ダクトとして機能する。

本発明の一実施形態では、はっきり定義された幾何学形状の金属メッシュの形状の圧力要素は、ダイアフラムと密接するよう電極を維持することによるオーム抵抗の低下や、バイポーラプレートから電極へ電流の伝導や、ガスを電極の表面から逃すという機能を有する。

本発明の圧力要素は、弾力的である。これは、弾力的ということにより、全動作温度で電極をダイアフラムに押圧するとともにセルの組み立て中に変形しないことを目的として、前記圧力要素、例えば金属メッシュが柔軟性と剛性に関して調和していると理解されるべきである。金属メッシュは、機械的機能を維持しつつ水平及び鉛直方向の両方で流体の通過を妨げることのない程度の十分なメッシュの開口を有する。

圧力要素の一実施形態によれば、圧力要素は波形形状である。この波形形状の用語は、正弦波又は矩形波のような任意の波形として理解されるべきである。

一実施形態では、メッシュ又はフェルト製の繊維マットは以下のような性質によって評される。つまり、ワイヤの厚みが、メッシュの開口の関数であり、０．０１〜１０、０．１〜１、０．１〜０．３の範囲のうちの１つから選択されるパラメータＡを用いて以下の関数により定義される。

Ａは、メッシュの開口をワイヤの厚みに関連付けるパラメータであり、与えられた開口に対しワイヤの寸法を唯一に制限するわけではない。パラメータＡの値は、実験的なデータに基づき、当業者によりその結果を再現できる。与えられた範囲の外ではこの要素は十分な機械的強度を有しないであろう。

○メッシュの高さ − 高さは、電気分解装置の最大生産能力の関数である
○（所望の機械的強度；鋭さ＝剛性＋変形、鈍さ＝かなりの脆さ＋平坦、によって制限される）波の壁の角度： １０°〜１２０°、好ましくは２０°〜１００°、より好ましくは３０°〜５０°
○波の最大値間の距離：角度と高さによって与えられる
○波の頂点でのサークルの径：角度と高さによって与えられる。

以下でより詳細に説明されるように、この圧力要素は、異なった最適化された幾何学形状のために、機械的強度、カレントの伝導度、化学耐性及び最小のガスの拡散抵抗の組み合わせを含む。この圧力要素は、１つのピースで供給され、電気分解装置のセルのバイポーラプレートと電極との間に手動又は自動で挿入でき、これにより積層が簡単になる。本発明による圧力要素がバイポーラプレートの各側に挿入されたとき、バイポーラプレートの機械的完全性を低下させることなく、カレントの伝導がバイポーラプレートと電極との間で確保される。本発明では、圧力要素が電極の表面に加圧されることによって、多数の電気的接点が、カレントの分布の均一化を確立する。この圧力要素の最適化された波の関数は、温度／圧力の変化の結果、距離の変化と関係なく、電極をダイアフラムに密着させ続けるため要求されたばね力を提供し、これによって、零ギャップと低いオーム抵抗が維持される。さらに、本発明によれば、水平方向及び垂直方向の両方において、製造されたガスの自由な移送と、それによる内部の電極−バイポーラプレート領域からのガスの有効な除去とが、実現される。

フィルタプレス型の電気分解装置では、圧縮力（セル積層体を圧縮するために必要な力）は、積層体を密閉するために必要な力と、圧力要素を圧縮するために必要な力との合計である。圧縮力は、電気分解装置の端部の蓋の設計に関し重大である。加圧されたシステムの場合、端部の蓋の設計は、動作圧を考慮する必要がある。

しかしながら、圧力要素の圧縮は内圧と共同で作用し、圧力要素の圧縮が本質的になれば、電気分解装置の蓋と連結棒の設計に直接影響するであろう。本発明によれば、特別な特徴及び性質を有する圧力要素が発明されている。この圧力要素は、０．００１ｂａｒから１００ｂａｒの範囲の圧縮圧力に対する耐性を有する。一実施形態では、この圧力要素は概ね１ｂａｒの最大圧縮圧力に耐え、圧力要素によって作用された典型的な圧縮圧力は、０．２〜０．５ｂａｒの範囲であり、これは電気分解装置の設計圧の約１〜２％を構成する。このように、電気分解装置の端部の蓋の設計に関する圧力要素の影響は、些細なものである。大気条件下で使用されたときでさえ、この圧力要素は、蓋の設計に関して重要でない影響しか与えないであろう。

本発明の一実施形態では、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素がダイアフラムとして選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
第１の電極、
第１の圧力要素、
バイポーラプレート、
第２の圧力要素、
第２の電極、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素がダイアフラムとして選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
というように、相違部分が積層されてもよい。

本発明の一実施形態では、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素がバイポーラプレートとして選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
第１の圧力要素、
第１の電極、
ダイアフラム、
第２の電極、
第２の圧力要素、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素がバイポーラプレートとして選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
というように、相違部分が積層されてもよい。

本発明の一実施形態では、
ダイアフラム、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、シーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われているフレーム、
第１の電極、
第１の圧力要素、
バイポーラプレート
第２の圧力要素、
第２の電極、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、シーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われているフレーム、
ダイアフラム、
というように、相違部分が積層されてもよい。

本発明の一実施形態では、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素が圧力要素として選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
第１の電極、
ダイアフラム、
第２の電極、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素が圧力要素として選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
バイポーラプレート、
というように、相違部分が積層されてもよい。

本発明の一実施形態では、
第１の圧力要素、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素が第１の電極として選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
ダイアフラム、
少なくとも１つの第１の開口を画定する閉じたフレームであって、１つの第１の要素が第２の電極として選択され、当該フレームがシーリングかつ電気絶縁をする材料で部分的に覆われている、フレーム、
第２の圧力要素、
バイポーラプレート、
というように、相違部分が積層されてもよい。

本発明の好ましい実施形態を記載したが、このコンセプトを具体化する他の実施形態が利用できることは当業者にとって明白であろう。上述した発明のこれらの又は他の実施例は、例として意図されたものであり、実際の発明の範囲は以下の特許請求の範囲により決定される。

［実施例］
実施例１：圧縮性のテスト
圧縮率が、第１に４×２７ｃｍ²の領域のサイズにカットしたサンプルで、引き続き、その素子の中間部の２つ平行した同領域で測定された。圧縮テストの結果は図４に示されている。素子は、約０．６ｍｍの圧縮まで「正弦曲線」状に上昇し、その後、台形状になるということが図４から読み取れる。カットされたサンプルとカットされていない素子の結果は非常に似ており、カットされていない素子上の領域と同様に、カットされたサンプルについて信頼できる測定が成されている。

そのカットされたサンプルは、１ｍｍ圧縮され、永久歪みとなった。また、カットされていないサンプル上の２つの比較物は、図５に示されているように減圧される。第１のサンプルは約０．７ｍｍ圧縮され、第２は約０．８ｍｍ圧縮された。図５から読み取ることができるように、その曲線の上方のフラットな部分は、０．８ｍｍの圧縮でさえ、完全に可逆であった。これは、圧縮素子が、セル積層体における圧縮後にコンスタントな圧力素子として振舞うということを意味している。圧力素子により維持されるように設計された電気接点にとって、これは理想的な状況である。温度及び圧縮の変化は、セル積層体の構成要素上の圧力に関してほとんど影響を与えるものでなく、電気接点は安定になるであろう。

Claims (45)

1. 少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを含むフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールであって、
   シーリングかつ電気絶縁をする材料を有し、前記材料は部分的にフレームの表面を覆っていることを特徴とする、モジュール。
2. 前記材料は、前記電気分解装置の端区域又は可能な隣接するモジュールに対するシーリングを提供することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記フレームは、金属、構造プラスチック、強化プラスチック、熱硬化プラスチックのうちの少なくとも１つを構成することを特徴とする、請求項１又は２に記載のモジュール。
4. 前記モジュールは少なくとも１つの位置決め手段を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のモジュール。
5. 前記モジュールは少なくとも１つの供給チャネルを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のモジュール。
6. 少なくとも１つの供給チャネルは、シーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われていることを特徴とする、請求項５に記載のモジュール。
7. 少なくとも１つの供給チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のモジュール。
8. 少なくとも２つの別個の採取チャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュール。
9. 前記少なくとも２つの別個の採取チャネルは、シーリングかつ電気絶縁をする材料で覆われていることを特徴とする、請求項８に記載のモジュール。
10. 前記少なくとも２つの別個の採取チャネルは、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載のモジュール。
11. 前記少なくとも２つの別個の移送チャネルは、各々、前記少なくとも１つの第１の開口のそれぞれの側に接続されていることを特徴とする、請求項７及び１０に記載のモジュール。
12. 前記少なくとも１つの第１の開口は、少なくとも１つの第１の要素によって完全又は部分的に覆われていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
13. 前記少なくとも１つの第１の要素は、シーリングかつ電気絶縁をする材料によって、少なくとも１つの閉じたフレームのまわりに配置されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のモジュール。
14. 前記少なくとも１つの第１の要素は、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素、電極のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載のモジュール。
15. 前記モジュールは、前記電気分解装置の負荷保持部分を構成することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載のモジュール。
16. 前記モジュールは、成形可能なシーリングかつ電気絶縁をする材料から構成されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のモジュール。
17. 前記モジュールは、電気絶縁をする材料の予備成形されたシーリングから構成されることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載のモジュール。
18. 前記圧力要素は、流体透過性かつ弾力性の圧力要素である、請求項１４に記載のモジュール。
19. 前記圧力要素には伝導性が内在している、請求項１８に記載のモジュール。
20. 前記圧力要素は、０Ａ／ｃｍ²から５Ａ／ｃｍ²の電流密度に対する耐性を有する、請求項１８から１９に記載のモジュール。
21. 前記圧力要素は、０．００１から１００ｂａｒの範囲、０．０１から５０ｂａｒの範囲、０．１から１．０ｂａｒの範囲のうちの少なくとも１つの圧縮圧力に対する耐性を有する、請求項１８から２０に記載のモジュール。
22. 前記圧力要素は、少なくとも２つの次元で流体透過性を有する、請求項１８から２１に記載のモジュール。
23. 前記圧力要素は腐食に対して耐性を有する、請求項１８から２２に記載のモジュール。
24. 前記圧力要素は、伸展された材料、穴のあいた箔、メッシュ又はフェルト製の繊維マットのうちの少なくとも１つの構成要素を含む、請求項１８から２３に記載のモジュール。
25. 少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームを含むフィルタプレス型の電気分解装置のためのモジュールを製造する方法であって、
    前記フレームの表面をシーリングかつ電気絶縁をする材料で少なくとも部分的に覆うことを特徴とする、方法。
26. 前記電気分解装置の端区域又は可能な隣接するモジュールに対するシーリングを提供することを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
27. 前記フレームは、金属、構造プラスチック、強化プラスチック、熱硬化プラスチックのうちの少なくとも１つを構成することを特徴とする、請求項１８から１９に記載の方法。
28. 前記モジュールに少なくとも１つの位置決め手段を用意することを特徴とする、請求項２５から２７に記載の方法。
29. 前記モジュールに少なくとも１つの供給チャネルを用意することを特徴とする、請求項２５から２８に記載の方法。
30. 少なくとも１つの供給チャネルをシーリングかつ電気絶縁をする材料で覆うことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
31. 少なくとも１つの供給チャネルを、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続させることを特徴とする、請求項２９又は３０に記載の方法。
32. 前記モジュールは少なくとも２つの別個の採取チャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項２５から３１に記載の方法。
33. 前記少なくとも２つの別個の採取チャネルを、シーリングかつ電気絶縁をする材料で覆うことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
34. 前記少なくとも２つの別個の採取チャネルを、少なくとも１つの別個の移送チャネルによって少なくとも１つの第１の開口と接続させることを特徴とする、請求項３２又は３３に記載の方法。
35. 前記少なくとも２つの別個の移送チャネルを、前記少なくとも１つの第１の開口のそれぞれの側と接続することを特徴とする、請求項３１及び３４に記載の方法。
36. 成形、予備成形又はこれらの組合せによる方法のうちの少なくとも１つを選択することによって、前記採取チャネル、供給チャネル及び移送チャネルを準備することを特徴とする、請求項２５から３５に記載の方法。
37. 前記少なくとも１つの第１の開口を、少なくとも１つの第１の要素によって完全又は部分的に覆うことを特徴とする、請求項２５から３６に記載の方法。
38. 前記少なくとも１つの第１の要素を、シーリングかつ電気絶縁をする材料によって、前記少なくとも１つの閉じたフレームのまわりに配置することを特徴とする、請求項２５から３７に記載の方法。
39. 前記モジュールは、成形可能なシーリングかつ電気絶縁をする材料を含むことを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
40. 前記モジュールは、電気絶縁をする材料の予備成形されたシーリングを含むことを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
41. 前記少なくとも１つの第１の要素は、ダイアフラム、バイポーラプレート、圧力要素、電極のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
42. 前記モジュールは、前記電気分解装置の負荷保持部分を構成することを特徴とする、請求項２５から４１に記載の方法。
43. 前記モジュールを、１ステップの製造プロセスで提供することを特徴とする、請求項３０から４０に記載の方法。
44. 少なくとも１つの第１の開口を画定する少なくとも１つの閉じたフレームの表面をフィルタプレス型の電気分解装置のためのシーリングかつ電気絶縁をする材料で少なくとも部分的に覆うことによる前記フレームの使用。
45. 電気分解装置のセルにおける電極とバイポーラプレートとの間に適用された弾力性かつ流体透過性の圧力要素の使用。

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