JP5341931B2

JP5341931B2 - 高圧水素製造装置

Info

Publication number: JP5341931B2
Application number: JP2011041052A
Authority: JP
Inventors: 孝治中沢; 博之石川; 裕志山川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP2012177169A; US8679305B2; US20120217156A1

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る水素流路が形成される複数の単位セルを積層したセルユニットを備え、前記セルユニットに積層方向一端から押圧力を付与する進退自在なピストン部材を設ける高圧水素製造装置に関する。

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている。

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の設備として、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型水電解槽における締め付け装置が知られている。図５に示すように、締め付け装置１は、陽極主電極２ａ、複数の単位セル３及び陰極主電極２ｂの組み合わせを、その一側に配されたフランジ４と、他側に配された加圧機構５とにより均一に締め付けている。

加圧機構５は、圧縮用流体の導入ノズル６ａ及び排出ノズル６ｂを有するシリンダ６と、前記シリンダ６内にＯリング７を介して配されたピストン８とを備えている。

そして、固体高分子型水電解槽の運転にあたり任意の運転圧力で運転をする場合、あるいは運転圧力を任意の圧力へ変動したい場合、運転圧力及び圧力変動に関係なしに、一定の相対締め付け圧力下で運転を行って簡易的に安定した電解性能を発揮できる、としている。

特開２００３−１６０８９１号公報

上記の特許文献１では、固体高分子型水電解槽の運転中、水素圧力よりも常に一定の締め付け圧力だけ高めの圧力を加圧機構５に付与するように、導入ノズル６ａ及び排出ノズル６ｂにそれぞれ連結された流体流量調整弁を調整している。このため、固体高分子型水電解槽の外部から圧縮用流体を供給するための外部設備が必要になる。特に、高圧水素を発生させる差圧式高圧水電解装置（高圧水素製造装置）では、高圧の圧縮流体によりピストン８を積層方向に押圧することになり、外部設備を高圧部品とする必要がある。これにより、外部設備が大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、ピストン部材により良好な荷重の付与を確実に行うことが可能な高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る水素流路が形成される複数の単位セルを積層したセルユニットを備え、前記セルユニットに積層方向一端から押圧力を付与する進退自在なピストン部材を設ける高圧水素製造装置に関するものである。

この高圧水素製造装置では、単位セルの積層方向に延在し、水素流路に連通して水素を前記積層方向に流通させる水素連通孔が設けられるとともに、ピストン部材には、セルユニットに対向する端面から開口して前記水素連通孔に連通する第１水素通路と、前記第１水素通路に連通し且つ前記端面から開口する少なくとも１つの第２水素通路と、前記第１水素通路及び前記第２水素通路に連通し、水素を高圧水素製造装置の外部に導出する水素導出通路とが設けられている。

そして、端面の中央を中心とする仮想円上に、第１水素通路及び第２水素通路が互いに等角度間隔ずつ離間して配設されている。

また、この高圧水素製造装置では、第１水素通路及び第２水素通路は、ピストン部材の内部に形成される連結通路を介して水素導出通路に連通することが好ましい。

本発明によれば、水電解により製造された高圧水素は、水素連通孔を流通してピストン部材の第１水素通路に導入されるとともに、前記第１水素通路に連通する第２水素通路に導入される。このため、ピストン部材には、第１水素通路及び第２水素通路に導入される高圧水素を介してセルユニットに対向する端面側から水素圧力が付与される。

その際、ピストン部材の端面の中央を中心とする仮想円上に、第１水素通路及び第２水素通路が互いに等角度間隔ずつ離間して配設されている。従って、ピストン部には、軸方向、すなわち、進退方向に向かって水素圧力が作用されるため、前記ピストン部材が傾斜することを確実に阻止することができる。

これにより、ピストン部材は、セルユニットに対して均一な押圧力を付与することが可能になり、積層荷重の付与性能が向上し、良好且つ安定した機能を維持することができる。しかも、高圧流体用の外部設備が不要になり、簡単且つ経済的な構成で、ピストン部材により良好な荷重の付与を確実に行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。前記水電解装置の要部断面説明図である。前記水電解装置を構成するピストン部材の端面側からの平面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成するピストン部材の端面側からの平面説明図である。特許文献１に開示されている水電解槽の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置１０は、差圧式の高圧水素製造装置を構成している。この水電解装置１０は、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体であるセルユニット１４を備える。

セルユニット１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが、順次、配設される。セルユニット１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが、順次、配設される。

水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２２を介して、円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間が一体的に締め付け保持される。なお、水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ｂは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ａは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

単位セル１２は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両側に配設されるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設ける。なお、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、耐食性のチタンシート等の金属シートに、エッチング、ドリル加工、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により開口部を形成してもよい。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に対向する面には、第１流路４４が設けられるとともに、カソード側セパレータ３６の前記電解質膜・電極構造体３２に対向する面には、第２流路４６が設けられる。第１流路４４及び第２流路４６は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。

第１流路４４には、水（純水）を供給するための水供給通路４８と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための酸素排出通路５０とが連通する。第２流路４６には、反応により生成された水素（高圧水素）を排出するための水素排出通路５２が設けられる。この水素排出通路５２には、水素を積層方向である矢印Ａ方向に流すための水素連通孔５４が連通する。

カソード側セパレータ３６の固体高分子電解質膜３８に接する面には、水素連通孔５４を周回して第１シール部材（例えば、Ｏリング）５５ａが配設される。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に接する面には、水素連通孔５４を周回して第２シール部材（例えば、Ｏリング）５５ｂが配設される。図２に示すように、第１シール部材５５ａに周回される面積、すなわち、高圧の水素圧力が作用する面積Ｆ１は、第２シール部材５５ｂに周回される面積Ｆ２よりも大きな面積に設定される（面積Ｆ１＞面積Ｆ２）。

絶縁プレート１８ａとエンドプレート２０ａとの間には、ピストン部材５６が進退自在に配設される。ピストン部材５６は、フランジ部５８から矢印Ａ方向に膨出形成されるピストン６０を備え、前記ピストン６０は、エンドプレート２０ａの内周部に形成されるシリンダ室６２に配設される。シリンダ室６２の内壁面６２ａとピストン６０の先端との間には、弾性体、例えば、皿ばね６４が介装される。

ピストン６０の外周面６０ａには、周溝６６が形成される。周溝６６には、例えば、Ｏリングであるシール部材６８が配設される。

ピストン部材５６には、セルユニット１４に対向する端面（フランジ部５８の底面）５６ａから開口して水素連通孔５４に一端が連通する第１水素通路７０が形成される。ピストン部材５６の端面５６ａには、第１水素通路７０に連通し且つ前記端面５６ａから開口する１つの第２水素通路７２が設けられるとともに、前記第１水素通路７０と前記第２水素通路７２とは、前記ピストン部材５６の内部に形成される連結通路７４を介して連通する。

連結通路７４は、水素を水電解装置１０の外部に導出する水素導出通路７６に連通する。水素導出通路７６は、ピストン６０の中央部を軸方向に延在し、エンドプレート２０ａに形成される高圧水素導出口７８が連通する。なお、水素導出通路７６は、ピストン６０の中央部から偏心した位置に設けてもよく、また、複数本設けてもよい。

図３に示すように、第１水素通路７０及び第２水素通路７２は、端面５６ａの中央を中心とする仮想円Ｏ上に、互いに等角度間隔ずつ、具体的には、１８０°ずつ離間して配設される。端面５６ａには、第１水素通路７０を周回して第３シール部材８０ａと、第２水素通路７２を周回して第４シール部材８０ｂとが設けられる。第３シール部材８０ａに周回される面積、すなわち、高圧の水素圧力が作用する面積Ｆ１と、第２シール部材５５ｂに周回される面積Ｆ２と、第４シール部材８０ｂに周回される面積Ｆ３とは、面積Ｆ１−面積Ｆ２＝面積Ｆ３の関係を有する。

なお、セルユニット１４には、ピストン部材５６の第２水素通路７２に積層方向に連通し、矢印Ａ方向に延在する連通孔を設けてもよい。

このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、水電解装置１０を構成する各単位セル１２の水供給通路４８に水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、各単位セル１２では、水供給通路４８からアノード側セパレータ３４の第１流路４４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路４６に沿って水素が流動する。この水素は、水供給通路４８よりも高圧に維持されており、水素排出通路５２から水素連通孔５４を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。

水素連通孔５４に導出された高圧水素は、図２に示すように、ピストン部材５６の第１水素通路７０から連結通路７４及び水素導出通路７６を通ってシリンダ室６２に導入される。このため、ピストン部材５６は、シリンダ室６２に導入される高圧水素の圧力と皿ばね６４の弾性力とを介して、カソード側セパレータ３６を電解質膜・電極構造体３２側に押圧する。従って、固体高分子電解質膜３８とカソード側給電体４２との間に生じる隙間を小さくすることができ、電解電圧の上昇を阻止して電解電圧を有効に低下させることが可能になる。

一方、第１流路４４には、図１に示すように、反応により生成した酸素と使用済みの水とが流動している。酸素と水との混合流体は、酸素排出通路５０に沿って水電解装置１０の外部に排出される。なお、第２流路４６は、第１流路４４よりも圧力が高い。

この場合、第１の実施形態では、水電解により製造された高圧水素は、水素連通孔５４を流通してピストン部材５６の第１水素通路７０に導入されるとともに、前記第１水素通路７０に連結通路７４を介して連通する第２水素通路７２に導入されている。このため、ピストン部材５６には、第１水素通路７０及び第２水素通路７２に導入された高圧水素を介してセルユニット１４に対向する端面５６ａ側から水素圧力が付与されている。

その際、図２及び図３に示すように、ピストン部材５６の端面５６ａの中央を中心とする仮想円上に、第１水素通路７０及び第２水素通路７２が互いに等角度間隔ずつ離間して配設されている。従って、ピストン部材５６には、軸方向、すなわち、進退方向に向かって水素圧力が作用されるため、前記ピストン部材５６が傾斜することを確実に阻止することができる。

これにより、ピストン部材５６は、セルユニット１４に対して均一な押圧力を付与することが可能になり、積層荷重の付与性能が向上し、良好且つ安定した機能を維持することができる。

その上、第３シール部材８０ａに周回される面積Ｆ１と、第４シール部材８０ｂに周回される面積Ｆ３とは、面積Ｆ１−面積Ｆ２＝面積Ｆ３の関係を有している。このため、ピストン部材５６の傾動を可及的に抑制し、例えば、ピストン６０の外周面６０ａがシリンダ室６２の内壁面６２ａに摺動して塵埃等が発生することを阻止可能である。

しかも、高圧流体用の外部設備が不要になり、簡単且つ経済的な構成で、ピストン部材５６により良好な荷重の付与を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成するピストン部材９０の端面側からの平面説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０を構成するピストン部材５６と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

ピストン部材９０の端面９０ａには、第１水素通路７０に連通し且つ前記端面９０ａから開口する２つの第２水素通路７２ａ、７２ｂが設けられるとともに、前記第１水素通路７０と前記第２水素通路７２ａ、７２ｂとは、前記ピストン部材９０の内部に形成される連結通路７４ａを介して連通する。連結通路７４ａは、水素導出通路７６に連通する。

第１水素通路７０、第２水素通路７２ａ、７２ｂは、端面９０ａの中央を中心とする仮想円Ｏ１上に、互いに等角度間隔α°ずつ、具体的には、１２０°ずつ離間して配設される。端面９０ａには、第１水素通路７０を周回してシール部材９２ａと、第２水素通路７２ａ、７２ｂを周回してシール部材９２ｂ、９２ｃとが設けられる。シール部材９２ａに周回される面積Ｆ１と、各シール部材９２ｂ、９２ｃに周回される面積Ｆ３とが設定される。

このように構成される第２の実施形態では、第１水素通路７０、第２水素通路７２ａ及び第２水素通路７２ｂは、端面９０ａの中央を中心とする仮想円Ｏ１上に、互いに等角度間隔ずつ離間して配設されている。このため、ピストン部材９０は、傾斜することなく、軸方向に円滑に進退することができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、２つの第２水素通路７２ａ、７２ｂを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、３つの第２水素通路を設けることができ、その際、第１水素通路７０及び前記３つの第２水素通路は、ピストン部材の端面に、それぞれ９０°ずつ離間して配設される。

なお、本発明は、膜ポンプにも適用することができる。

１０…水電解装置１２…単位セル
１４…セルユニット１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体４２…カソード側給電体
４４、４６…流路４８…水供給通路
５０…酸素排出通路５２…水素排出通路
５４…水素連通孔５６、９０…ピストン部材
６０…ピストン６２…シリンダ室
６４…皿ばね６８、９２ａ、９２ｂ、９２ｃ…シール部材
７０、７２、７２ａ…水素通路
７４、７４ａ…連結通路
７６…水素導出通路７８…高圧水素導出口
５５ａ、５５ｂ、８０ａ、８０ｂ…シール部材
９０ａ…端面

Claims

電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る水素流路が形成される複数の単位セルを積層したセルユニットを備え、前記セルユニットに積層方向一端から押圧力を付与する進退自在なピストン部材を設ける高圧水素製造装置であって、
前記単位セルの積層方向に延在し、前記水素流路に連通して前記水素を前記積層方向に流通させる水素連通孔が設けられるとともに、
前記ピストン部材には、前記セルユニットに対向する端面から開口して前記水素連通孔に連通する第１水素通路と、
前記第１水素通路に連通し且つ前記端面から開口する少なくとも１つの第２水素通路と、
前記第１水素通路及び前記第２水素通路に連通し、前記水素を高圧水素製造装置の外部に導出する水素導出通路と、
が設けられ、
前記端面の中央を中心とする仮想円上に、前記第１水素通路及び前記第２水素通路が互いに等角度間隔ずつ離間して配設されることを特徴とする高圧水素製造装置。
請求項１記載の高圧水素製造装置において、前記第１水素通路及び前記第２水素通路は、前記ピストン部材の内部に形成される連結通路を介して前記水素導出通路に連通することを特徴とする高圧水素製造装置。