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公開番号2025071197
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-02
出願番号2025024932,2022530195
出願日2025-02-19,2020-11-23
発明の名称水素発生のための電気化学デバイス、モジュール、およびシステムならびにその動作方法
出願人オーミアムインターナショナル, インコーポレイテッド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類C25B 9/00 20210101AFI20250424BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】好適な水素発生のための電気化学デバイス、モジュール、およびシステムならびにその動作方法を提供すること。
【解決手段】水素発生のためのシステムは、第1の容積と、第2の容積と、第3の容積とを画定する、少なくとも1つのキャビネットであって、第1の容積、第2の容積、および第3の容積は、相互から流体的に隔離される、少なくとも1つのキャビネットと、第1の容積内に位置する、水回路と、第2の容積内に位置する、電解槽電気化学スタックを含む、電気化学モジュールと、第3の容積内に位置する、水素回路と、水回路および電解槽電気化学スタックに流動的に接続する、少なくとも1つの第1の流体コネクタと、電解槽電気化学スタックおよび水素回路に流動的に接続する、少なくとも1つの第2の流体コネクタとを含む。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
水素処理のための電気化学モジュールであって、
複数の第１の流体コネクタおよび少なくとも１つの水マニホールドを含む液体管理区分と、
ガス管理区分であって、前記ガス管理区分は、前記液体管理区分の上方に位置して前記液体管理区分と流体接続する電解槽電気化学スタックおよび第２の流体コネクタを含む、ガス管理区分と
を備え、
前記電気化学スタックは、少なくとも１つのバイポーラプレートと、複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とを含み、
前記少なくとも１つのバイポーラプレートは、前記複数のＭＥＡのうちの１つとシール係合され、それらの間にアノードチャネルを画定し、
前記少なくとも１つのバイポーラプレートは、前記複数のＭＥＡのうちの別の１つとシール係合され、それらの間にカソードチャネルを画定する、電気化学モジュール。
続きを表示（約 820 文字）【請求項２】
前記複数の第１の流体コネクタの各々は、前記少なくとも１つのマニホールドを介して、前記アノードチャネルと流体連通する、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項３】
前記第２の流体コネクタは、前記カソードチャネルと流体連通する、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項４】
前記複数の第１の流体コネクタの各々および前記少なくとも１つのマニホールドは、前記アノードチャネルと流体連通しながら解放可能に固着可能である、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項５】
前記液体管理区分および前記ガス管理区分は、前記マニホールドと前記電気化学スタックとの間の界面に沿って、相互から取外可能である、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項６】
前記電気化学スタックは、陽子交換膜（ＰＥＭ）ベースの電解槽スタックである、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項７】
前記少なくとも１つのマニホールドは、入口マニホールドおよび出口マニホールドを備える、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項８】
前記少なくとも１つのマニホールドは、前記ガス管理区分に固着可能な少なくとも１つの液体接続を備える、請求項
１
に記載の電気化学モジュール。
【請求項９】
セパレータプレートをさらに備える、請求項
８
に記載の電気化学モジュール。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの液体接続は、前記セパレータプレートを通して延在する、請求項
９
に記載の電気化学モジュール。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１９年１１月２１日に出願された、米国仮特許出願第６２／９３８，４９４号の利益を主張する。
続きを表示（約 4,500 文字）【０００２】
（技術分野）
本開示は、一般に、化学生産を対象とし、より具体的には、水素発生のための電気化学モジュールおよびシステムを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
水素は、石油精製、金属処理、食品加工、およびアンモニア生産等の多くの産業上の用途を有する、一般的ガスである。水素は、豊富であって、種々の再生可能および非再生可能エネルギー源から形成され得るが、空気中の水素の可燃性は、水素を貯蔵および出荷することを困難にする。結果として、水素は、概して、大規模な地理的領域を横断した後続流通のための一元化された設備における大規模生産には適応不可能である。むしろ、水素は、概して、その生産施設またはその近傍において使用される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態によると、水素発生のためのシステムは、第１の容積と、第２の容積と、第３の容積とを画定する、少なくとも１つのキャビネットであって、第１の容積、第２の容積、および第３の容積は、相互から流体的に隔離される、少なくとも１つのキャビネットと、第１の容積内に位置する、水回路と、第２の容積内に位置する、電解槽電気化学スタックを含む、電気化学モジュールと、第３の容積内に位置する、水素回路と、水回路および電解槽電気化学スタックに流動的に接続する、少なくとも１つの第１の流体コネクタと、電解槽電気化学スタックおよび水素回路に流動的に接続する、少なくとも１つの第２の流体コネクタとを含む。
【０００５】
一実施形態では、少なくとも１つのキャビネットは、その中で、第１の容積が、第１の内壁によって、第２の容積から隔離され、第２の容積は、第２の内壁によって、第３の容積から隔離される、単一キャビネットを備え、少なくとも１つの第１の流体コネクタは、第１の内壁を通して延在し、少なくとも１つの第２の流体コネクタは、第２の内壁を通して延在する。
【０００６】
一実施形態では、本システムはさらに、第１の容積に流動的に接続されるが、第２または第３の容積には接続されず、第２または第３の容積を換気せずに、第１の容積を換気するように構成される、第１のエアームーバと、第２の容積に流動的に接続されるが、第１または第３の容積には接続されず、第１または第３の容積を換気せずに、第２の容積を換気するように構成される、第２のエアームーバと、第３の容積に流動的に接続されるが、第１または第２の容積に接続されず、第１または第２の容積を換気せずに、第３の容積を換気するように構成される、第３のエアームーバとを備える。
【０００７】
別の実施形態では、水素処理のための電気化学モジュールは、複数の水コネクタおよび少なくとも１つの水マニホールドを含む、液体管理区分と、液体管理区分の上方に位置し、液体管理区分と流体接続する、電解槽電気化学スタックおよび水素コネクタを含む、ガス管理区分とを含む。電解槽電気化学スタックは、少なくとも１つのバイポーラプレートと、複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とを含み、少なくとも１つのバイポーラプレートは、複数のＭＥＡのうちの１つとシール係合され、その間にアノードチャネルを画定し、少なくとも１つのバイポーラプレートは、複数のＭＥＡのうちの別の１つとシール係合され、カソードチャネルをその間に画定し、複数の水コネクタはそれぞれ、少なくとも１つのマニホールドを介して、アノードチャネルと流体連通し、水素コネクタは、カソードチャネルと流体連通する。
【０００８】
別の実施形態では、電解槽電気化学スタックのためのバイポーラプレートは、相互に反対のアノード側およびカソード側を有する、基板であって、基板は、それぞれ、基板のアノード側からカソード側まで延在する、複数のアノードポートおよび複数のカソードポートを画定し、アノード側は、複数のアノードポートのうちの少なくともいくつか間で水を指向するように配向される、アノード流動場を画定し、カソード側は、水素ガスを複数のカソードポートに向かって指向するように配向される、カソード流動場を画定する、基板と、基板のアノード側に沿って、アノード流動場および複数のアノードポートを取り囲むアノードガスケットであって、複数のカソードポートは、アノードガスケットの外側に位置する、アノードガスケットと、基板のカソード側に沿って、カソード流動場、複数のアノードポート、および複数のカソードポートを取り囲むカソードガスケットとを備える。
【０００９】
別の実施形態では、水素発生方法は、電解槽内の水を電解し、湿潤水素流を発生させるステップと、湿潤水素流をドライヤ内で乾燥させ、乾燥水素流ならびに水および水素含有流を発生させるステップと、水および水素含有流を水素ポンプに提供し、水素を水および水素含有流からドライヤの中に圧送するステップとを含む。
【００１０】
一実施形態では、本方法はまた、水および酸素含有流を電解槽からセパレータに提供するステップと、セパレータ内で水を水および酸素含有流中の酸素から分離するステップと、分離された水を電解槽の中に提供するステップとを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
水素発生のためのシステムであって、
第１の容積と、第２の容積と、第３の容積とを画定する少なくとも１つのキャビネットであって、前記第１の容積、前記第２の容積、および前記第３の容積は、相互から流体的に隔離される、少なくとも１つのキャビネットと、
前記第１の容積内に位置する水回路と、
前記第２の容積内に位置する電解槽電気化学スタックを備える電気化学モジュールと、
前記第３の容積内に位置する水素回路と、
前記水回路および前記電解槽電気化学スタックに流動的に接続する少なくとも１つの第１の流体コネクタと、
前記電解槽電気化学スタックおよび前記水素回路に流動的に接続する少なくとも１つの第２の流体コネクタと
を備える、システム。
（項目２）
前記少なくとも１つのキャビネットは、単一キャビネットを備え、前記単一キャビネットの中で、前記第１の容積は、第１の内壁によって前記第２の容積から隔離され、前記第２の容積は、第２の内壁によって前記第３の容積から隔離され、
前記少なくとも１つの第１の流体コネクタは、前記第１の内壁を通して延在し、
前記少なくとも１つの第２の流体コネクタは、前記第２の内壁を通して延在する、
項目１に記載のシステム。
（項目３）
第１のエアームーバであって、前記第１のエアームーバは、前記第１の容積に流動的に接続されるが、前記第２または前記第３の容積には接続されず、前記第２または前記第３の容積を換気せずに、前記第１の容積を換気するように構成される、第１のエアームーバと、
第２のエアームーバであって、前記第２のエアームーバは、前記第２の容積に流動的に接続されるが、前記第１または前記第３の容積には接続されず、前記第１または前記第３の容積を換気せずに、前記第２の容積を換気するように構成される、第２のエアームーバと、
第３のエアームーバであって、前記第３のエアームーバは、前記第３の容積に流動的に接続されるが、前記第１または前記第２の容積に接続されず、前記第１または前記第２の容積を換気せずに、前記第３の容積を換気するように構成される、第３のエアームーバと
をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記第１、第２、および第３のガスムーバは、前記単一キャビネットの外側の環境に対して、前記第１の容積、前記第２の容積、および前記第３の容積の各々内に個別の負圧を形成するように動作可能である、項目３に記載のシステム。
（項目５）
前記電解槽電気化学スタックは、少なくとも１つのバイポーラプレートと、複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とを備え、
前記複数のＭＥＡおよび前記少なくとも１つのバイポーラプレートは、前記少なくとも１つのバイポーラプレートによって相互から分離される少なくとも１つのアノードチャネルと、少なくとも１つのカソードチャネルとを画定し、
前記少なくとも１つのアノードチャネルは、前記少なくとも１つの第１の流体コネクタを介して、前記水回路と流体連通し、
前記少なくとも１つのカソードチャネルは、前記第２の流体コネクタを介して、前記水素回路と流体連通し、
前記ＭＥＡは、アノードと、カソードと、それらの間の陽子交換膜とを含み、
前記第２の容積は、前記第１の容積と前記第３の容積との間に位置する、
項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記水回路は、ポンプと、リザーバと、セパレータとを含み、
前記少なくとも１つの第１の流体コネクタは、２つの流体コネクタを備え、
前記リザーバは、前記セパレータと前記ポンプとの間で流体連通し、
前記ポンプは、前記２つの第１の流体コネクタのうちの１つを介して、前記電気化学スタックのアノードチャネルと流体連通し、
前記セパレータは、前記２つの第１の流体コネクタのうちの第２のものを介して、前記電気化学スタックの少なくとも１つのアノードチャネルと流体連通する、
項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記水素回路は、
ドライヤであって、前記ドライヤは、前記第２の流体コネクタを介して、前記電解槽電気化学スタックの少なくとも１つのカソードチャネルと流体連通する入口部分を有する、ドライヤと、
前記ドライヤの出口部分および入口部分と流体連通する水素ポンプであって、前記水素ポンプは、加圧された水素を前記ドライヤの出口部分から前記ドライヤの入口部分に再循環させるように動作可能である、水素ポンプと
を備える、項目５に記載のシステム。
（項目８）
コントローラであって、前記コントローラは、前記電気化学スタックと電気連通し、前記第１の容積、前記第２の容積、および前記第３の容積の各々から流体的に隔離される前記キャビネットの第４の容積内に位置する、コントローラと、
前記少なくとも１つのキャビネットの外面上に配置される電気接点であって、
前記電気接点は、電源と電気連通しながら解放可能に係合可能であり、
前記電気接点は、前記コントローラを介して、前記電気化学スタックと電気連通する、
電気接点と
をさらに備える、項目４に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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