特表 2024-523695 マルチセル素子を有する電解槽

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】マルチセル素子を有する電解槽

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/00 20060101AFI20240621BHJP

   C25B 1/26 20060101ALI20240621BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240621BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20240621BHJP

   C25B 1/04 20210101ALN20240621BHJP

【ＦＩ】

C25B15/00 302A

C25B1/26 A

C25B9/00 A

C25B9/00 C

C25B9/77

C25B1/04

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500044

(86)(22)【出願日】2022-06-30

(85)【翻訳文提出日】2024-02-19

(86)【国際出願番号】 EP2022068109

(87)【国際公開番号】W WO2023280678

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】21184621.7

(32)【優先日】2021-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522219939

【氏名又は名称】ティッセンクルップ・ヌセラ・アクチェンゲゼルシャフト・ウント・コンパニー・コマンディトゲゼルシャフトアウフアクチェン

(74)【代理人】

【識別番号】100114188

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100119253

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 賢教

(74)【代理人】

【識別番号】100124855

【弁理士】

【氏名又は名称】坪倉 道明

(74)【代理人】

【識別番号】100129713

【弁理士】

【氏名又は名称】重森 一輝

(74)【代理人】

【識別番号】100137213

【弁理士】

【氏名又は名称】安藤 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100183519

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻田 芳恵

(74)【代理人】

【識別番号】100196483

【弁理士】

【氏名又は名称】川嵜 洋祐

(74)【代理人】

【識別番号】100160749

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 陽一

(74)【代理人】

【識別番号】100160255

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100219265

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 崇大

(74)【代理人】

【識別番号】100146318

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 吉和

(74)【代理人】

【識別番号】100127812

【弁理士】

【氏名又は名称】城山 康文

(72)【発明者】

【氏名】クリンク，ステファン

(72)【発明者】

【氏名】トロス，ペーター

(72)【発明者】

【氏名】ブリンクマン，ヨナス

(72)【発明者】

【氏名】アウステンフェルト，セバスチャン

(72)【発明者】

【氏名】スカンネル，ロベルト

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AA03

4K021BA02

4K021BA03

4K021CA07

4K021DB06

4K021DB38

4K021DB53

4K021DC03

4K021EA08

(57)【要約】

本発明は、並列配置であり、直列に電気的に相互接続された複数のパネル状電解セル（４）を含む電解スタック（３）を備える電解槽（１）に関し、各電解セル（４）は、内部にアノードが配置されたアノードチャンバ、および内部にカソードが配置されたカソードチャンバを備え、アノードチャンバおよびカソードチャンバは、シート状セパレータによって互いに分離されている。電解槽は、電解スタック（３）の電気的相互接続を機械的に固定するための手段（１０）をさらに備える。スタック（３）は、各々が複数の電解セル（４）および機械的圧縮（１２）手段を備える少なくとも２つのマルチセル素子（１１）を含み、各マルチセル素子（１１）の電解セル（４）は、機械的圧縮手段（１２）によって封止された状態で一緒に保持され、手段（１０）は、マルチセル素子（１１）の電気的相互接続を機械的に固定するように構成され、電解スタック（３）の電気的相互接続を機械的に固定するための手段（１０）は、スタック（３）に対して規定の圧縮力を及ぼすために、スタック（３）の最も外側の電解セル（４）と相互作用するように配置され、または近接するマルチセル素子（１１）に対する接触圧力を提供するために、少なくとも２つの近接するマルチセル素子（１１）に取り付けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解槽であって、
直列に電気的に相互接続された並列配置の複数のパネル状電解セル（４）を含む電解スタック（３）であって、各電解セル（４）は、内部にアノード（６）が配置されたアノードチャンバ（５）、および内部にカソード（８）が配置されたカソードチャンバ（７）を備え、前記アノードチャンバ（５）および前記カソードチャンバ（７）は、シート状セパレータ（９）によって互いに分離されている、電解スタック（３）と、
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための手段（１０）と
を備え、
前記スタック（３）は、各々が複数の前記電解セル（４）および機械的圧縮手段（１２）を備える少なくとも２つのマルチセル素子（１１）を含み、各マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）は、前記機械的圧縮手段（１２）によって封止された状態で一緒に保持され、前記手段（１０）は、前記マルチセル素子（１１）の電気的相互接続を機械的に固定するように構成され、
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、前記スタック（３）に対して規定の圧縮力を及ぼすために、前記スタック（３）の最も外側の電解セル（４）と相互作用するように配置され、または
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、近接するマルチセル素子（１１）に対する接触圧力を提供するために、少なくとも２つの前記近接するマルチセル素子（１１）に取り付けられる
ことを特徴とする、
電解槽。

【請求項2】

前記電解槽（１）は、メンテナンス状態を有するように構成され、メンテナンス状態では、前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、緩められた状態にあり、前記機械的圧縮手段（１２）は、締結状態にあり、前記マルチセル素子（１１）は、前記電解槽（１）の前記メンテナンス状態で個々に交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項3】

前記マルチセル素子（１１）は各々、３～５０個、より好ましくは５～１５個の電解セル（４）を含むことを特徴とする、請求項１～２のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項4】

前記マルチセル素子（１１）は、隣接するマルチセル素子（１１）との電気的接続のための接触面を提供する外部後壁（１３）を備えていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項5】

前記マルチセル素子（１１）は、前記マルチセル素子（１１）の前記最も外側の電解セル（４）の前記アノードチャンバ（５）および前記カソードチャンバ（７）をそれぞれ含む２つの端部（１４、１５）と、共有のバイポーラ隔壁（１７）によって互いに電気的に接続された隣接する内側電解セル（４）の前記カソードチャンバ（７）および前記アノードチャンバ（５）を含む多数の中間部（１６）と、前記端部（１４、１５）および前記中間部（１６）の任意の２つの隣接部（１４、１５、１６）の間に介在している前記シート状セパレータ（９）とを備えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項6】

前記マルチセル素子（１１）の前記最も外側の電解セル（４）の前記アノードチャンバ（５）および／または前記カソードチャンバ（７）は、前記内側電解セル（４）の前記カソードチャンバ（７）および前記アノードチャンバ（５）の各々の容積よりも１．１～２倍の範囲で大きい容積を有することを特徴とする、請求項５に記載の電解槽。

【請求項7】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）を横切って外部に延びるタイロッド（１８）と、前記マルチセル素子（１１）の端部構成要素（１９）とを備え、前記端部構成要素（１９）は、前記タイロッド（１８）と係合し、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）に対して圧縮封止力を及ぼすことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項8】

機械的圧縮手段（１２）は、
前記それぞれのマルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）がその中に配置される少なくとも２つのシェル部（２０、２１）であって、前記シェル部（２０、２１）は各々、円周方向フランジ部分（２２、２３）を備えるシェル部（２０、２１）と、
ボルト（２５）であって、前記ボルト（２５）が締結されると前記シェル部（２０、２１）内で前記電解セル（４）を圧縮するように配置されたボルト（２５）と
を備えることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項9】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記シェル部（２０、２１）の前記フランジ部分（２２、２３）の間に配置された少なくとも１つのガスケット（２４）をさらに備え、前記ガスケット（２４）は、前記ボルト（２５）が締結されると圧縮されることを特徴とする、請求項８に記載の電解槽。

【請求項10】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記マルチセル素子（１１）の前記端部および前記中間部（１４、１５、１６）に取り付けられた円周方向外部フランジ部分（２６、２７）と、隣接する端部および／または中間部（１４、１５、１６）の前記フランジ部分（２６、２７）を互いに締結するボルト（２８）とを備えることを特徴とする、請求項５または６に記載の電解槽。

【請求項11】

前記マルチセル素子（１１）は、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）からの電解質の分配、または電解質および／もしくは生成ガスの収集のための少なくとも１つの内部マニホールドを含むことを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電解槽。

【請求項12】

前記電解槽（１）は、セルラック（２）をさらに備え、前記電解スタック（３）の前記電解セル（４）および／または前記電解スタック（３）の前記電気的接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、前記セルラック（２）に装着されることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電解槽。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の前文に記載の電解槽に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばメガワット範囲の水素および／または塩素の大規模生産の技術分野では、電解槽には２つの主要な設計カテゴリが存在する。

【0003】

第１の設計カテゴリは、電解槽スタックが電源の極に接続された２つの端部と、多数のバイポーラプレートとを備える、いわゆるフィルタプレス設計である。隣接する端部およびバイポーラプレートは、隔膜または膜であるセパレータによって分離され、したがって直列に多数の電解セルを形成する。各セルは、アノード側では１つのバイポーラプレートによって囲まれ、カソード側では別の隣接するバイポーラプレートによって囲まれ、セパレータによって２つのハーフセルに分割される。バイポーラプレートは、電解セルを形成するように機能する任意の形状を有することができる。セル容積の機械的完全性および封止は、一度にスタックのすべてのバイポーラプレートおよびセパレータを圧縮する外部圧縮デバイス、例えばタイロッドのセットによって提供される。気密性は、圧縮状態でのみ達成される。典型的には、大規模電解用のこのような電解槽は、２～４平方メートルのセル面積を有し、１つの電解スタックに５０～２００個の電解セルを含む。このような電解槽の総重量は、典型的には数十トンであり、圧縮デバイスによって供給される封止力は、１～１０ＭＰａ程度である。封止面積に応じて、これは数十トンの力をもたらす。

【0004】

フィルタプレス設計の電解槽の例は、例えば米国特許出願公開第２００３／０１５５２３２号明細書および国際公開第２０２０／２０３３１９号から知られている。フィルタプレス設計には、そのような電解槽またはその交換素子を交換することが、現場で電解槽を開いた後にのみ事実上可能であるという欠点がある。したがって、電解槽の組み立ておよびメンテナンスは通常、現場で行われなければならず、その結果、関連する設備のダウンタイムが長くなる。

【0005】

上述の問題を回避するための１つの方法は、電解槽を小型化し、それらがより小規模な電解プラント、例えばキロワット範囲で水素生産にまたは燃料セルにおいて使用されるように、大幅に小さいセル面積を有する電解槽を使用することである。サイズが小さいため、これらの電解槽スタックは取り扱いが容易であり、その結果、配送して予め組み立てられ、全体として交換することが可能である。しかし、メガワット範囲、特に数十から数百メガワットの範囲の大規模生産の場合、小型化には膨大な数の個々の電解槽が必要となり、それによりスペース要件が大きくなり、メンテナンスコストが増加する。

【0006】

第２の既知の設計カテゴリは、特にｔｈｙｓｓｅｎｋｒｕｐｐ Ｕｈｄｅ Ｃｈｌｏｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓによって市販されている単一の素子設計である。この設計では、各電解セルは、セパレータとしての膜または隔膜によって分離された２つのハーフシェル、すなわちアノードハーフシェルおよびカソードハーフシェルを備える。２つのハーフシェルは、アノードハーフシェルおよびカソードハーフシェルを互いに隔離し、外側への電解質および／またはガスの漏れを防止する封止システムを介して互いに接続される。このように、各セルは、個々に気密性である単一の素子を形成し、電解槽全体に影響を及ぼすことなく、それ自体で安全に組み立て、取り扱い、および交換が可能である。単一の素子セルは、鋼フレームによって形成されたラック内に懸架されて互いに押圧され、隣接する単一の素子における接触間の良好な導電性を確保する。外部圧縮デバイスがすべてのセルに対して封止力（および良好な導電性）を提供しなければならないフィルタプレス設計と比較して、単一の素子設計では、良好な導電性のみを確保するために必要な圧縮力は桁違いに小さい。

【0007】

このタイプの電解槽は、例えば独国特許出願公開第１９６４１１２５号明細書から知られている。この設計は、多数の個々の構成要素、すなわち１つのバイポーラプレートの代わりに２つのハーフシェルおよびフランジフレーム、より多くのベース材料およびより多くの製造工程を必要とし、その結果、製造労力および組み立てコストが高くなるという欠点を有する。

【0008】

米国特許出願公開第２００９／０３０８７３８号明細書から、最大２００バールの高い動作圧力能力および１０８ｉｎ^２（＝０，０７ｍ^２）のアルカリ電解槽の活性面積を有するアルカリ電解槽が知られている。タイロッドファスナが、最大２００バールの内圧に対して外側ハーフセル部分を強化するために補強バーと併せて使用される。各セルに対する個々のタイロッドの代わりに、６つ以上のセルのグループを、延長されたタイロッドによってより大きなモジュールに接続することができる。それぞれのセル間の接続は、バナナジャックコネクタの対向するセットを接続するスパナ管の設置によって達成される。

【0009】

中国特許第１０６７０２４２１号明細書には、４列の電解セルを有する塩素酸ナトリウム電解システムが記載されており、各列において、セルは、各々１５個の単一のセルを有する電解セルの４つのグループにグループ化されている。塩素酸ナトリウム電解槽グループの数は、容量需要に応じて柔軟に組み合わせることができ、メンテナンスのために電解槽グループを個々に交換することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００３／０１５５２３２号明細書

【特許文献2】国際公開第２０２０／２０３３１９号

【特許文献3】独国特許出願公開第１９６４１１２５号明細書

【特許文献4】米国特許出願公開第２００９／０３０８７３８号明細書

【特許文献5】中国特許第１０６７０２４２１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、水素および／または塩素の大規模電解生産のための電解槽であって、安全な動作ならびに取り扱いおよびメンテナンス性の容易さを確保し、同時にベース材料に対する要件および製造労力を低減する電解槽を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この目的は、請求項１の特徴を有する電解槽によって達成される。

【0013】

これにより、直列に電気的に相互接続された複数のパネル状電解セルを含む電解スタックと、電解スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段とを備える、電解槽が提供される。各電解セルは、内部にアノードが配置されたアノードチャンバ、および内部にカソードが配置されたカソードチャンバを備え、アノードチャンバおよびカソードチャンバは、シート状セパレータによって互いに分離されている。本発明によれば、スタックは、各々が複数の電解セルおよび機械的圧縮手段を備える少なくとも２つのマルチセル素子を含む。各マルチセル素子の電解セルは、機械的圧縮手段によって封止された状態で一緒に保持される。スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段は、マルチセル素子の電気的相互接続を機械的に固定するように構成される。

【0014】

したがって、本発明によれば、電解槽の電解スタックは、機械的圧縮手段によって別々に封止されたマルチセル素子に細分される。マルチセル素子に複数の電解セルを集約するための追加の圧縮手段を設けることによって、封止力および電気接触力を提供するために異なる手段、すなわち機械的圧縮手段およびスタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段がそれぞれ使用される。これにより、電気的相互接続を固定するための手段によって圧力を提供するための要件が低減され、従来のフィルタプレス設計と比較して電解槽のより軽量な設計が可能になる。さらに、マルチセル素子は、電解槽が設置される電解プラントの場所に予め組み立てられた状態で配送することができる。したがって、予め組み立てられたマルチセル素子について、配送される前に品質および機能性試験を行うことも可能である。

【0015】

単一の素子として取り扱われるのに十分な機械的安定性を提供する２つのシェル部内にすべての単一のセルが覆われなければならない単一の素子設計と比較して、マルチセル素子の本発明のスタックでは、全体として各マルチセル素子のみが取り扱い安定性を示す必要がある。したがって、電解セルのアノードチャンバおよびカソードチャンバの少なくとも一部を作製するために使用される、例えばニッケルまたはチタンなどの導電性材料の量が低減される。さらに、マルチセル素子のセルは、個々のボルトセットによって閉じられて封止される必要はなく、機械的圧縮手段によって完全に封止されることができるため、製造労力も低減することができる。

【0016】

好ましくは、マルチセル素子は、電解槽のメンテナンス状態で個々に交換可能であり、スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段は、緩められた状態にあり、機械的圧縮手段は、締結状態にある。そして、完全に電解槽を分解することなく、単一のマルチセル素子を取り外して挿入することが可能である。これにより、メンテナンスのための電解槽のダウンタイムが低減される。

【0017】

本発明によれば、電解スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段は、スタックに対して規定の圧縮力を及ぼすために、スタックの最も外側の電解セルと相互作用するように配置される。スタック全体に作用する外部圧縮力は、セル性能を改善し、スタック内のマルチセル素子の整列にも有益である。あるいは、電解スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段は、近接するマルチセル素子に対する接触圧力を提供するために、少なくとも２つ、好ましくは任意の２つの近接するマルチセル素子に取り付けることができる。例えば、接触圧力は、隣接する後壁の間および／または近接するマルチセル素子の接触タブの間に提供されてもよい。

【0018】

好ましい実施形態では、電解槽のマルチセル素子は各々、３～５０個、より好ましくは５～１５個の電解セルを含む。材料要件を考慮すると、各マルチセル素子内で多くの電解セルを集約することが好ましい。しかし、取り扱いを容易にするためには、各マルチセル素子内の電解セルの数は制限されなければならない。電解セルの数が上記の範囲であると、材料および組み立てコストに大きなプラスの効果があることが保証されると同時に、マルチセル素子は、ガントリーまたはオーバーヘッドクレーンおよびフォークリフトなどの標準的な昇降デバイスによって依然として取り扱いおよび搬送することができる。

【0019】

原則として、マルチセル素子は開放アノードまたはカソードハーフセルで終端し、追加のセパレータを介して電解槽に設置されることが考えられる。しかし、好ましい実施形態では、マルチセル素子は、隣接するマルチセル素子との電気的接続のための、好ましくは平坦な接触面を提供する外部後壁を備えている。これにより、各マルチセル素子は、プラグアンドプレイ方式で設置することができる電解槽の独立したサブユニットを形成する。

【0020】

好ましい実施形態では、マルチセル素子は、マルチセル素子の最も外側の電解セルのアノードチャンバおよびカソードチャンバをそれぞれ含む２つの端部と、共有のバイポーラ隔壁によって互いに電気的に接続された隣接する内側電解セルのカソードチャンバおよびアノードチャンバを含む多数の中間部と、端部および中間部の任意の２つの隣接部の間に介在しているシート状セパレータとを備える。マルチセル素子の１つの中間部に隣接する内側電解セルのカソードチャンバとアノードチャンバを組み合わせることによって、個々の構成要素の数、したがってマルチセル素子の組み立てに必要な作業がさらに削減される。

【0021】

好ましくは、マルチセル素子の最も外側の電解セルのアノードチャンバおよび／またはカソードチャンバは、内側電解セルのカソードチャンバおよびアノードチャンバの各々の容積よりも１．１～２倍の範囲で大きい容積を有する。従来のフィルタプレス設計のマルチセル素子の利点の最も外側のチャンバの容積を増加させることによって、すなわち小さいセル容積を用いた非常に効率的な電気分解、マルチセル素子の中間部内の低い材料およびスペース要件は、最も外側のセルの熱容量の増加による電解槽の熱安定性の増加と組み合わされる。言い換えれば、マルチセル素子の最も外側のセルチャンバのセル容積が大きいことにより、従来のフィルタプレス設計と比較して、スタックの中間冷却を改善することが可能となる。結果として、スタック内の熱的均質性が改善される。

【0022】

機械的圧縮手段には、マルチセル素子内に集約した電解セルを保持するためのいくつかの可能性が存在する。特に、以下の３つの可能性が好ましい。

【0023】

好ましい実施形態では、機械的圧縮手段は、マルチセル素子の電解セルを横切って外部に延びるタイロッドと、マルチセル素子の端部構成要素とを備え、端部構成要素は、タイロッドと係合し、マルチセル素子の電解セルに対して圧縮封止力を及ぼす。この設計は、従来のフィルタプレス設計に最も近いが、電解スタックはいくつかのマルチセル素子に細分されている。マルチセル素子の電解セルは、それらの円周方向外周領域で周囲に対して封止され、それらの円周方向外周領域は電解セルのシート状セパレータを保持するようにも機能し得る。

【0024】

他の好ましい実施形態では、機械的圧縮手段は、それぞれのマルチセル素子の電解セルがその中に配置される少なくとも２つのシェル部であって、シェル部は各々、円周方向フランジ部分を備えるシェル部と、締結されるとシェル部内で電解セルを圧縮するように配置されたボルトとを備える。好ましくは、機械的圧縮手段は、シェル部のフランジ部分の間に配置された少なくとも１つのガスケットをさらに備え、ガスケットは、ボルトが締結されると圧縮される。あるいは、フランジ部分は、ＰＴＦＥなどの自己封止材料で作製されるか、または自己封止材料でコーティングされてもよい。これらの実施形態では、機械的圧縮手段のシェル部はまた、周囲からモジュールを封止するマルチセルモジュール用のケーシングを形成する。したがって、モジュール内の個々の電解セルは、モジュールが２段階の封止システムを備えて配置されるため、完全に気密性である必要はない。さらに、シェル部は、取り扱いのためにモジュールの機械的安定性を提供することが好ましい。特に、シェル部は、２つのハーフシェルとして設計することができる。

【0025】

さらに好ましい実施形態では、機械的圧縮手段は、マルチセル素子の端部および中間部に取り付けられた円周方向外部フランジ部分と、隣接する端部および／または中間部のフランジ部分を互いに締結するボルトとを備える。

【0026】

上述のマルチセル素子はすべて、電解セル内の電解質の分配、または電解セルからの電解質および／もしくは生成ガスの収集のために外部配管と共に使用することができる。他の実施形態では、マルチセル素子は、マルチセル素子の電解セル内の電解質の分配、または電解セルからの電解質および／もしくは生成ガスの収集のための少なくとも１つの内部マニホールドを含む。従来のフィルタプレス電解槽では、内部マニホールドは、多数の電解セルおよび対応するスタック電圧に起因して大きな漂遊電流を被る。しかし、本発明のマルチセル素子では、内部マニホールドは、電解セルの数が少なくなるため漂遊電流が小さくなり、個々のセル入口および／または出口が内部マニホールドに置き換えられて製造およびメンテナンスコストがさらに削減されるので有利である。

【0027】

好ましい実施形態では、電解槽は、セルラックをさらに備え、電解スタックの電解セルおよび／または電解スタックの電気的接続を機械的に固定するための手段は、セルラックに装着される。セルラックは、電解スタックのための安定したフレームを提供し、マルチセル素子および他の部品をより軽量に設計することを可能にする。しかし、フレーミングセルラックなしの独立型スタックでも本発明を利用することが可能である。

【0028】

本発明のさらなる利点は、添付の図面に示す実施形態に関して以下に記載される。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】機械的圧縮手段によって集約された２つのマルチセル素子を備える電解スタックを有する本発明による電解槽を概略的に示す図である。

【図2】図１の電解槽に使用されるマルチセル素子の第１の実施形態を概略的に示す図であり、機械的圧縮手段は、外部タイロッドを備える。

【図3】図１の電解槽に使用されるマルチセル素子の一実施形態を概略的に示す図であり、機械的圧縮手段は、電解セルを覆う２つのシェル部を備える。

【図4】図１の電解槽に使用されるマルチセル素子の第３の実施形態を概略的に示す図であり、マルチセル素子の端部および中間部は、機械的圧縮手段として機能する円周方向フランジ部分で互いにボルト止めされる。

【図5】図３の実施形態による２つのマルチセル素子を概略的に示す図であり、電解スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段が、接触圧力を提供するためにマルチセル素子に取り付けられる。

【図6】図２に示す第１の実施形態の変形例を概略的に示す図であり、マルチセル素子の端部は、最も外側の電解セルのアノードチャンバまたはカソードチャンバをそれぞれ備え、内側電解セルの電極チャンバよりも大きい容積を有する。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図面において、同じ部分は一貫して同じ参照符号によって識別され、したがって一般的に記載され、一度だけ参照される。

【0031】

図１では、本発明による電解槽１が示されている。電解槽１は、直列に電気的に相互接続された並列配置の複数のパネル状電解セル４を含む電解スタック３と、電解スタック３の電気的相互接続を機械的に固定するための手段１０とを備える。各電解セル４は、内部にアノード６が配置されたアノードチャンバ５、および内部にカソード８が配置されたカソードチャンバ７を備え、アノードチャンバ５およびカソードチャンバ７は、シート状セパレータ９（図１には示されていない詳細については、図２～図４を参照されたい）によって互いに分離されている。好ましくは、アノードチャンバおよびカソードチャンバ５、７は、導電性材料から少なくとも部分的に作製される。本発明によれば、スタック３は、各々が複数の電解セル４および機械的圧縮手段１２を含む少なくとも２つのマルチセル素子１１を含み、各マルチセル素子１１の電解セル４は、機械的圧縮手段１２によって封止された状態で一緒に保持される。手段１０は、マルチセル素子１１の電気的相互接続を機械的に固定するように構成される。

【0032】

スタック３は、スタック３の最も外側の電解セル４に接触するエンドプレート１５０、１６０を介して外部電源に接続することができる。

【0033】

図１の電解槽は、セルラック２をさらに備え、電解スタック３の電解セルおよび電解スタック３の電気的接続を機械的に固定するための手段１０は、セルラック２に装着される。図１に示す電解槽のセルラック２は、各側に支持梁１２０を担持する２つのエンドポスト１３０、１４０を備える。支持梁１２０は、セルラック２内の電解セル４を支持する。電解セル４は、好ましくは、ラック２の両側の支持梁１２０に懸架されている。

【0034】

図１に示すように、電解スタック３の電気的接続を機械的に固定するための手段１０は、スタックに対して規定の圧縮力を及ぼすために、スタックの最も外側の電解セル４と相互作用するように配置することができる。例えば、図１に示す電解スタック３の電気的接続を機械的に固定するための手段１０は、この実施形態では手段１０の外部タイロッドとして機能する支持梁１２０と係合する押圧プレート１１０を備える。押圧プレート１１０は、電源を提供するエンドプレート１５０、１６０と共に電解スタック３のマルチセル素子１１を圧縮するために、支持梁１２０上で水平に移動可能である。動作段階において、エンドプレート１５０、１６０およびマルチセル素子１１は、それらが直列に電気的に接続されるように互いに直接接触している。この目的のために、図面に示すマルチセル素子１１は、隣接するマルチセル素子１１との電気的接続のための平坦な接触面を提供する、好ましくは平面の外部後壁１３を備えている。

【0035】

代替の実施形態（図示せず）では、電解スタックの電気的相互接続を機械的に固定するための手段は、近接するマルチセル素子に対する接触圧力を提供するために、少なくとも、好ましくは任意の２つの近接するマルチセル素子に取り付けられる。

【0036】

図１では、電解槽１は、メンテナンス状態で示されている。メンテナンス状態では、電解スタック３の電気的接続を機械的に固定するための手段１０は、緩められた状態にあり、機械的圧縮手段１２は、締結状態にある。図１から分かるように、マルチセル素子１１は、完全に電解槽１を分解することなく、メンテナンス状態で個々に交換可能である。

【0037】

一例として、図１に示すマルチセル素子１１は、４つの電解セル４を含む。好ましくは、マルチセル素子１１は各々、３～５０個、より好ましくは５～１５個の電解セル４を含む。マルチセル素子１１の電解セル４は、電解質サイクルおよび生成ガス流に対して電気的に直列かつ並列に接続される。好ましくは、マルチセル素子１１の電解セル４は、１～４平方メートルの範囲のセル面積を有する。１つの電解槽１内にいくつかのマルチセル素子１１を組み合わせることによって、メガワット範囲の公称容量を有する電解槽１を提供することができる。

【0038】

図２では、図１の電解槽１に使用されるマルチセル素子１１の第１の実施形態がより詳細に示されている。マルチセル素子１１は、マルチセル素子１１の最も外側の電解セル４のアノードチャンバ５およびカソードチャンバ７をそれぞれ含む２つの端部１４、１５を備える。マルチセル素子１１は、共有のバイポーラ隔壁１７によって互いに電気的に接続された隣接する内側電解セル４のカソードチャンバ７およびアノードチャンバ５を含む多数の中間部１６をさらに備える。マルチセル素子１１はまた、端部１４、１５および中間部１６の任意の２つの隣接部１４、１５、１６の間に介在しているシート状セパレータ９を備える。端部１４、１５および中間部１６は、好ましくは、部分１４、１５、１６のそれぞれの接触領域に配置されたガスケット２９によってセパレータ９に対して封止される。

【0039】

材料要件および人件費に関して単一の素子設計と比較して本発明の利点をよりよく理解するために、以下の例が与えられる。３００個の電解セルを有する単一の素子設計の典型的な電解槽は、製造、取り扱い、および組み立てが必要である、ボルトのセットで各々が締結される６００個のハーフシェルおよび３００個のフランジ対を含む。比較すると、同じ数の電解セルを有し、マルチセル素子１１当たり１０個の電解セル４を有する本発明による電解槽は、２×３０個の端部１４、１５および１０×２９個の中間部１６を有し、したがって、単一の素子設計の６００個のシェル部と比較して、合計３５０個の部分１４、１５、１６のみである。同様に、締結されるボルトのセットの数は、３００から３０に削減される。

【0040】

電解セル４内で、例えばリブ３４の形態のスペーサを、バイポーラ隔壁１７とアノード６および／またはカソード８との間に設けることができる。スペーサは、セル電圧を低減するために、セパレータ９に対して特に低い距離でセル４内の電極６、８を支持する目的を果たす。特に、電解槽の本発明の設計は、電極６、８がセパレータ９と直接接触しているゼロギャップ電解槽に適用可能である。セパレータ９は、例えば、膜または隔膜であってもよい。

【0041】

図２に示すように、マルチセル素子１１の電解セル４は、電解セル４の各チャンバ５、７への個々の入口を有する外部供給管３０、３１によって電解質を供給することができる。同様に、セル４から電解質および／または生成ガスを収集するために、外部配管（図示せず）を使用することができる。

【0042】

図２に示す実施形態では、機械的圧縮手段１２は、マルチセル素子１１の電解セル４を横切って外部に延びるタイロッド１８を備える。機械的圧縮手段１２は、マルチセル素子１１の端部構成要素１９をさらに備え、端部構成要素１９は、タイロッド１８と係合し、マルチセル素子１１の電解セル４に対して圧縮封止力を及ぼす。端部構成要素１９は、タイロッド１８との係合のための、穿孔突起などの係合手段を備えている端部１３によって形成されてもよい。あるいは、端部構成要素１９は、例えば、マルチセル素子１１の追加のエンドプレートのような別々の構成要素であってもよい。

【0043】

図２のマルチセル素子１１の設計は、フィルタプレス設計の電解槽に似ているが、マルチセル素子１１がより少数の（好ましくは３～５０個の範囲内の）個々の電解セル４を含む点、ならびに機械的完全性および封止がマルチセル素子１１のレベルで既に達成されており、電解槽全体のレベルだけではない点が異なる。したがって、マルチセル素子１１は、電解設備の現場で電解槽１の他のマルチセル素子１１に影響を及ぼすことなく、例えばオフサイトのセルワークショップで個々に交換および保守することができる自己完結型ユニットである。

【0044】

図３では、図１の電解槽１に使用されるマルチセル素子１１の第２の実施形態が示されている。第２の実施形態では、機械的圧縮手段１２は、マルチセル素子１１の電解セル４がその中に配置される２つのシェル部２０、２１を備える。シェル部２０、２１は各々、円周方向フランジ部分２２、２３を備える。機械的圧縮手段１２は、２つのシェル部２０、２１のフランジ部分２２、２３の間に配置されたガスケット２４と、ボルト２５とをさらに備える。ボルト２５は、ボルト２５が締結されるとシェル部２０、２１内の電解セル４およびフランジ部分２２、２３の間のガスケット２４を圧縮するように配置される。示すように、シェル部２０、２１は、好ましくは、ハーフシェルの形態を有してもよい。

【0045】

マルチセル素子１１の第１の実施形態と比較して、図３のマルチセル素子１１は、２段階の封止システムを有する。２つのシェル部２０、２１のフランジ部分２２、２３の間に配置された単一の外側ガスケット２４に加えて、電解セル４は、例えば、マルチセル素子１１の部分１４、１５、１６の接触領域に配置された内側ガスケット２９によって、個々にセパレータ９に対して封止される。

【0046】

マルチセル素子１１の電解セル４は、図２のようにセル４の外部にあるがシェル部２０、２１内に含まれる供給管３０、３１によって電解質を供給することができる。セル４から電解質および／または生成ガスを収集するために、同様の配管（図示せず）を使用することができる。これにより、各マルチセル素子１１の入口および出口の数を低減することができ、現場での電解槽１の組み立てが容易になる。

【0047】

あるいは、図３に示すマルチセル素子１１は、外部配管によって供給され、シェル部２０、２１の外側から個々に各セル４にそれぞれの媒体を分配および／または各セル４からそれぞれの媒体を収集することができる。

【0048】

したがって、すべての他の点において、図２に示す第１の実施形態の説明は、図３に示す第２の実施形態にも適用可能である。

【0049】

図４では、図１の電解槽１に使用されるマルチセル素子１１の第３の実施形態が示されている。この実施形態では、機械的圧縮手段１２は、マルチセル素子１１の端部および中間部１４、１５、１６に取り付けられた円周方向外部フランジ部分２６、２７と、隣接する端部および／または中間部１４、１５、１６のフランジ部分２６、２７を互いに締結するボルト２８とを備える。

【0050】

第３の実施形態のマルチセル素子１１は、電解質をマルチセル素子１１の電解セル４に分配するための２つの内部マニホールド３３、３４をさらに含む。セル４から電解質および／または生成ガスを収集するために、さらなる内部マニホールドを設けることができる。

【0051】

図示されていない代替の実施形態では、図４のマルチセル素子には、内部マニホールドの代わりに図２に示すような外部配管が設けられている。

【0052】

したがって、すべての他の点において、図２および図３に示す第１および第２の実施形態の説明は、図４に示す第３の実施形態にも適用可能である。

【0053】

図５では、図３の実施形態による２つのマルチセル素子が並列配置で示されている。電解スタック３の電気的相互接続を機械的に固定するための手段１０は、近接するマルチセル素子１１に対する接触圧力を提供するために、２つの近接するマルチセル素子１１に取り付けられる。例えば、手段１０は、マルチセル素子１１の両端にある円周方向フランジで作製することができ、隣接するマルチセル素子１１のフランジは、互いにボルト止めされる。

【0054】

電解スタック３の電気的相互接続を機械的に固定するための同様の手段１０を、図面に示す本発明のすべての他の実施形態と併せて使用することもできる。

【0055】

図６は、図２に示すマルチセル素子の変形例を示し、マルチセル素子１１の最も外側の電解セル４のアノードチャンバ５およびカソードチャンバ７は、それぞれ、内側電解セル４のカソードチャンバ７およびアノードチャンバ５の各々の容積よりも１．１～２倍の範囲で大きい容積を有する。最も外側の電極チャンバの容積が拡大すると、スタック３の熱容量が増加し、したがってスタックの温度制御を改善することが可能になる。

【0056】

したがって、すべての他の点において、図２に示す実施形態の説明は、図６に示す変形例にも適用可能である。

【0057】

本発明による電解槽１は、クロルアルカリ電解およびアルカリ水電解に特に適している。

【符号の説明】

【0058】

１ 電解槽
２ セルラック
３ 電解スタック
４ 電解セル
５ アノードチャンバ
６ アノード
７ カソードチャンバ
８ カソード
９ セパレータ
１０ 電気的相互接続を機械的に固定するための手段
１１ マルチセル素子
１２ 機械的圧縮手段
１３ 後壁
１４、１５ 端部
１６ 中間部
１７ 隔壁
１８ タイロッド
１９ 端部構成要素
２０、２１ シェル部
２２、２３ フランジ部分
２４ ガスケット
２５ ボルト
２６、２７ フランジ部分
２８ ボルト
２９ ガスケット
３０、３１ 供給管
３２、３３ 内部マニホールド
３４ リブ
１１０ 押圧プレート
１２０ 支持梁
１３０、１４０ エンドポスト
１５０、１６０ エンドプレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-19

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解槽であって、
直列に電気的相互接続された並列配置の複数のパネル状電解セル（４）を含む電解スタック（３）であって、各電解セル（４）は、内部にアノード（６）が配置されたアノードチャンバ（５）、および内部にカソード（８）が配置されたカソードチャンバ（７）を備え、前記アノードチャンバ（５）および前記カソードチャンバ（７）は、シート状セパレータ（９）によって互いに分離されている、電解スタック（３）と、
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための手段（１０）と
を備え、
前記スタック（３）は、各々が複数の前記電解セル（４）および機械的圧縮手段（１２）を備える少なくとも２つのマルチセル素子（１１）を含み、各マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）は、前記機械的圧縮手段（１２）によって封止された状態で一緒に保持され、前記手段（１０）は、前記マルチセル素子（１１）の電気的相互接続を機械的に固定するように構成され、
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、前記スタック（３）に対して規定の圧縮力を及ぼすために、前記スタック（３）の最も外側の電解セル（４）と相互作用するように配置され、または
前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、近接するマルチセル素子（１１）に対する接触圧力を提供するために、少なくとも２つの前記近接するマルチセル素子（１１）に取り付けられることを特徴とする、電解槽。

【請求項2】

前記電解槽（１）は、メンテナンス状態を有するように構成され、メンテナンス状態では、前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、緩められた状態にあり、前記機械的圧縮手段（１２）は、締結状態にあり、前記マルチセル素子（１１）は、前記電解槽（１）の前記メンテナンス状態で個々に交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項3】

前記マルチセル素子（１１）は各々、３～５０個、より好ましくは５～１５個の電解セル（４）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の電解槽。

【請求項4】

前記マルチセル素子（１１）は、隣接するマルチセル素子（１１）との電気的接続のための接触面を提供する外部後壁（１３）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項5】

前記マルチセル素子（１１）は、前記マルチセル素子（１１）の前記最も外側の電解セル（４）の前記アノードチャンバ（５）および前記カソードチャンバ（７）をそれぞれ含む２つの端部（１４、１５）と、共有のバイポーラ隔壁（１７）によって互いに電気的に接続された隣接する内側電解セル（４）の前記カソードチャンバ（７）および前記アノードチャンバ（５）を含む多数の中間部（１６）と、前記端部（１４、１５）および前記中間部（１６）の任意の２つの隣接部（１４、１５、１６）の間に介在している前記シート状セパレータ（９）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項6】

前記マルチセル素子（１１）の前記最も外側の電解セル（４）の前記アノードチャンバ（５）および／または前記カソードチャンバ（７）は、前記内側電解セル（４）の前記カソードチャンバ（７）および前記アノードチャンバ（５）の各々の容積よりも１．１～２倍の範囲で大きい容積を有することを特徴とする、請求項５に記載の電解槽。

【請求項7】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）を横切って外部に延びるタイロッド（１８）と、前記マルチセル素子（１１）の端部構成要素（１９）とを備え、前記端部構成要素（１９）は、前記タイロッド（１８）と係合し、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）に対して圧縮封止力を及ぼすことを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項8】

機械的圧縮手段（１２）は、
前記それぞれのマルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）がその中に配置される少なくとも２つのシェル部（２０、２１）であって、前記シェル部（２０、２１）は各々、円周方向フランジ部分（２２、２３）を備えるシェル部（２０、２１）と、
ボルト（２５）であって、前記ボルト（２５）が締結されると前記シェル部（２０、２１）内で前記電解セル（４）を圧縮するように配置されたボルト（２５）と
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項9】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記シェル部（２０、２１）の前記フランジ部分（２２、２３）の間に配置された少なくとも１つのガスケット（２４）をさらに備え、前記ガスケット（２４）は、前記ボルト（２５）が締結されると圧縮されることを特徴とする、請求項８に記載の電解槽。

【請求項10】

前記機械的圧縮手段（１２）は、前記マルチセル素子（１１）の前記端部および前記中間部（１４、１５、１６）に取り付けられた円周方向外部フランジ部分（２６、２７）と、隣接する端部および／または中間部（１４、１５、１６）の前記フランジ部分（２６、２７）を互いに締結するボルト（２８）とを備えることを特徴とする、請求項５または６に記載の電解槽。

【請求項11】

前記マルチセル素子（１１）は、前記マルチセル素子（１１）の前記電解セル（４）からの電解質の分配、または電解質および／もしくは生成ガスの収集のための少なくとも１つの内部マニホールドを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【請求項12】

前記電解槽（１）は、セルラック（２）をさらに備え、前記電解スタック（３）の前記電解セル（４）および／または前記電解スタック（３）の前記電気的相互接続を機械的に固定するための前記手段（１０）は、前記セルラック（２）に装着されることを特徴とする、請求項１に記載の電解槽。

【国際調査報告】