JP5364056B2 - 水電解装置 - Google Patents

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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関する。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側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に開示された高圧水素製造装置が知られている。この高圧水素製造装置は、図７に示すように、積層される複数の単セル１を備えている。単セル１は、固体高分子電解質膜２と、給電体３ａ、３ｂと、セパレータ４ａ、４ｂと、各セパレータ４ａ、４ｂに設けられた流体通路５ａ、５ｂとを備えている。流体通路５ｂには、水が供給される一方、流体通路５ａには、水素ガスの吐出側に背圧弁を設けることにより、前記水が電気分解されて高圧の水素ガスが得られている。

高圧水素製造装置は、単セル１の積層方向に延在して高圧の水素ガスを流通させる水素ガス案内路６を備えている。カソード側のセパレータ４ａには、水素ガス案内路６を周回してＯリング７が設けられている。

特開２００６−３１６２８８号公報

ところで、上記の高圧水素製造装置において、固体高分子電解質膜２は、水素ガス案内路６の外側の部分が外気に曝され易い。このため、固体高分子電解質膜２は、Ｏリング７等に周回された内側部分に比べて外側部分が乾燥状態になり易く、前記固体高分子電解質膜２には、乾燥部と湿潤部とが混在してしまう。

ここで、発生する水素の圧力が変化する際に対して、低圧時における湿潤部の膜厚は、低圧時における乾燥部の膜厚よりも大きくなっている。従って、特に低圧時には、固体高分子電解質膜２とカソード側のセパレータ４ａとの間に隙間が発生し、Ｏリング７がこの隙間にはみ出して損傷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、簡単な構成で、電解質膜が部分的に乾燥することがなく、前記電解質膜の膜厚の変動によるシール部材の損傷を確実に阻止することが可能な水電解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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関するものである。

この水電解装置では、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積層方向に排出する水素排出連通孔が設けられるとともに、一方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する一方のシール部材と、前記一方のシール部材を周回して前記水を流通させる水通路部とが設けられ、他方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する他方のシール部材が設けられている。

また、この水電解装置では、他方のシール部材は、一方のシール部材に対して積層方向に互いにオフセットして配置されることが好ましい。

さらに、この水電解装置では、水通路部は、水流路から分岐して形成されることが好ましい。

さらにまた、この水電解装置では、水素流路に得られる水素は、水流路に供給される水よりも高圧に設定されることが好ましい。

本発明によれば、一方のセパレータには、一方のシール部材の外側を周回して水を流通させる水通路部が設けられており、前記一方のシール部材の外側部分が乾燥することを阻止することができる。このため、電解質膜全体を湿潤状態に維持することが可能になり、面圧が変動する際、特に低圧時であっても、前記電解質膜の膜厚が部分的に異なることがない。

これにより、簡単な構成で、電解質膜が部分的に乾燥することがなく、前記電解質膜の膜厚の変動によるシール部材の損傷を確実に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。 前記水電解装置の一部断面側面図である。 前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記単位セルの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。 面圧に対する固体高分子電解質膜の乾燥部の膜厚と湿潤部の膜厚との関係説明図である。 特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置１０は、１０ＭＰａ〜７０ＭＰａ程度の高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向上端には、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が上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向下端には、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が下方に向かって、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４本のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。４本のタイロッド２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの中心に対してそれぞれ等角度ずつ離間して配置される。

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。

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。図１に示すように、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。

図２〜図４に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・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、略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の両面に設けられる円形のアノード側給電体４０及び円形のカソード側給電体４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の周縁部は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外周から外方に突出している。

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とともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。

図３に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃが形成される。第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃは、外周が３つの辺により形成される。なお、外周を半円形状に形成してもよい。第１突出部４４ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための開口断面長円形状の水供給連通孔４６が設けられる。

第２突出部４４ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、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開口断面長円形状の排出連通孔４８が設けられる。第３突出部４４ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素を流すための開口断面円形状の水素排出連通孔５０が設けられる。

図３及び図５に示すように、アノード側セパレータ３４には、水供給連通孔４６に連通する複数（例えば、３本）の入口連結流路５２ａと、排出連通孔４８に連通する複数（例えば、５本）の出口連結流路５２ｂとが設けられる。入口連結流路５２ａ及び出口連結流路５２ｂは、開口断面円形状を有し、互いに平行に配列される（図５参照）。出口連結流路５２ｂは、入口連結流路５２ａよりも多い本数に設定されていればよく、それぞれの本数は、任意に設定可能である。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、入口連結流路５２ａ及び出口連結流路５２ｂに連通する水流路５４が設けられる。

図５に示すように、水流路５４は、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線（直径）に平行する給電体面方向に延在し、アノード側給電体４０の面内に並列される複数の水通路５６と、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記水供給連通孔４６に連通する円弧状入口バッファ部５８ａと、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記排出連通孔４８に連通する円弧状出口バッファ部５８ｂとを備える。

各入口連結流路５２ａの一端と円弧状入口バッファ部５８ａとが、連通するとともに、各出口連結流路５２ｂの一端と円弧状出口バッファ部５８ｂとが、連通する。

水流路５４から分岐して水通路部６０が形成される。具体的には、水通路部６０は、円弧状入口バッファ部５８ａの端部と円弧状出口バッファ部５８ｂの端部とに連通するとともに、水素排出連通孔５０の外側を周回する水通路６０ａを有する。水通路６０ａには、水素排出連通孔５０の内側を閉塞して水連結路６０ｂの両端が連通しており、水通路部６０は、前記水素排出連通孔５０の全周を周回する。なお、水連結路６０ｂは、必要に応じて設ければよく、省略することも可能である。

図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６には、水素排出連通孔５０に連通する排出通路６２が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路６２に連通する水素流路６４が形成される。この水素流路６４は、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（図２及び図４参照）。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６６ａ、６６ｂが一体化される。このシール部材６６ａ、６６ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素流路６４の外側を周回して第１シール溝６８ａが形成される。

カソード側セパレータ３６の面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素排出連通孔５０の外側を周回して第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄが形成される。第１シール溝６８ａ〜第４シール溝６８ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７０ａ〜第４シール部材７０ｄ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に向かう面３４ａには、水流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６８ａに対向する側（正面に向かい合う側）に第１シール溝７６ａが形成される。

面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素排出連通孔５０の外側を周回し、且つ第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄに対向して第２シール溝７６ｂ、第３シール溝７６ｃ及び第４シール溝７６ｄが形成される。第１シール溝７６ａ〜第４シール溝７６ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７８ａ〜第４シール部材７８ｄが収容される。

図３〜図５に示すように、一方のセパレータであるアノード側セパレータ３４には、水素排出連通孔５０を周回する一方のシール部材である第４シール部材７８ｄと、前記第４シール部材７８ｄを周回して水を流通させる水通路部６０とが設けられる。他方のセパレータであるカソード側セパレータ３６には、水素排出連通孔５０を周回する他方のシール部材である第４シール部材７０ｄが設けられる。

第４シール部材７８ｄと第４シール部材７０ｄとは、積層方向に互いにオフセットするとともに、水通路部６０は、前記第４シール部材７０ｄに対して前記積層方向に互いにオフセットする（図４参照）。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ｂには、水供給連通孔４６に連通する配管８２ａが接続されるとともに、エンドプレート２０ａには、排出連通孔４８及び水素排出連通孔５０に連通する配管８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素排出連通孔５０に生成される水素の圧力を、水供給連通孔４６に供給される水の圧力よりも高圧に維持することができる。

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の水供給連通孔４６には、配管８２ａから鉛直上方向に向かって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、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の水流路５４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水素流路６４に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素排出連通孔５０を鉛直上方向に流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、水流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って鉛直上方向に移動して水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、水素排出連通孔５０が設けられる第３突出部４４ｃは、単位セル１２の外周部から外方に突出しており、３辺が外気に曝されている。従って、固体高分子電解質膜３８の第３突出部４４ｃでは、水素排出連通孔５０の外側部分が、前記水素排出連通孔５０の内側部分に比べて乾燥状態になる。これにより、固体高分子電解質膜３８には、乾燥部と湿潤部とが混在してしまう。

その際、図６に示すように、固体高分子電解質膜３８は、面圧変動に対して乾燥部の膜厚と湿潤部の膜厚とが、それぞれ異なる変更状態を有している。すなわち、高圧時（高圧水素発生水電解を行っている時）には、乾燥部及び湿潤部の厚さがほぼ同一乃至前記乾燥部の厚さが厚くなるのに対し、低圧時（水電解を停止している時）には、前記湿潤部の膜厚は、前記乾燥部の膜厚よりも大きくなっている。

ここで、本実施形態では、図３〜図５に示すように、アノード側セパレータ３４には、水素排出連通孔５０を周回する第４シール部材７８ｄと、前記第４シール部材７８ｄを周回して水を流通させる水通路部６０とが設けられている。一方、カソード側セパレータ３６には、水素排出連通孔５０を周回する第４シール部材７０ｄが設けられる。

このため、水流路５４から分岐する水通路部６０には、水が導入されている。この水が水通路６０ａ及び水連結路６０ｂを流通することにより、固体高分子電解質膜３８は、水素排出連通孔５０を周回する第４シール部材７８ｄの外側部分が加湿され、前記外側部分が乾燥することを良好に阻止することができる。

従って、固体高分子電解質膜３８全体を湿潤状態に維持することが可能になり、面圧が変動する際、特に低圧時であっても、前記固体高分子電解質膜３８の膜厚が部分的に異なることがない。

これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜３８が部分的に乾燥することがなく、前記固体高分子電解質膜３８の膜厚の変動を防止することができ、第４シール部材７０ｄのはみ出しによる損傷を確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

１０…水電解装置 １２…単位セル
１４…積層体 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
４４ａ〜４４ｃ…突出部 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…水素排出連通孔
５２ａ…入口連結流路 ５２ｂ…出口連結流路
５４…水流路 ５６…水通路
５８ａ…円弧状入口バッファ部 ５８ｂ…円弧状出口バッファ部
６２…排出通路 ６４…水素流路
６８ａ〜６８ｄ、７６ａ〜７６ｄ…シール溝
７０ａ〜７０ｄ、７８ａ〜７８ｄ…シール部材

Claims (4)

1. 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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置であって、
   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排出する水素排出連通孔が設けられるとともに、
   前記一方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する一方のシール部材と、
   前記一方のシール部材を周回して前記水を流通させる水通路部と、
   が設けられ、
   前記他方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する他方のシール部材が設けられることを特徴とする水電解装置。
2. 請求項１記載の水電解装置において、前記他方のシール部材は、前記一方のシール部材に対して前記積層方向に互いにオフセットして配置されることを特徴とする水電解装置。
3. 請求項１又は２記載の水電解装置において、前記水通路部は、前記水流路から分岐して形成されることを特徴とする水電解装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記水素流路に得られる前記水素は、前記水流路に供給される前記水よりも高圧に設定されることを特徴とする水電解装置。

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