JP2010065271A - 給電体、及び該給電体を備える水電解スタック、及び該水電解スタックを備える水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能で低コストの給電体、該給電体を備える水電解スタック、及び該水電解スタックを備える水電解装置を提供する。
【解決手段】厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも一方の表面が平滑とされた第１の導電性多孔体２６と、第１の該導電性多孔体２６上に、導電性を有する板が複数の山部と谷部が繰り返す形状に屈折されてなり、該導電性を有する板の厚さ方向に貫通する複数の孔を有する導電体２７とを備えることを特徴とする給電体２５。
【選択図】図１

Description

本発明は、純水などを電気分解して酸素及び水素を発生させる水電解装置に使用される給電体、該給電体を備える水電解スタック、及び、該水電解スタックを備える水電解装置に関する。

例えば、固体電解質燃料電池の燃料としての水素の生成に、固体高分子膜水電解（ＳＰＷＥ）装置が使用される。固体高分子膜水電解装置に使用される従来の固体高分子膜水電解スタックの電解セルの断面図を図５に示す。
図５に示す電解セル５０において、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる固体電解質膜５２の両側に、それぞれ、酸素極触媒層５３と水素極触媒層５４とが配置されて、膜電極接合体５１が構成される。膜電極接合体５１は、酸素極触媒層５３側の酸素極側給電体５７と、水素極触媒層５４側の水素極側給電体５８とに挟持される。給電体５７，５８の外周にシール部材５６が配置される。給電体５７，５８の外側に、それぞれ、純水が通過するための多数の溝を有した金属製のセパレータ５５が配置される。上記電解セル５０を複数繰り返した構成が、水電解スタックとされる。

給電体５７、５８は、純水及び発生ガスの流路が設けられることに加え、膜電極接合体に電流を供給する機能が付与されることが要求される。
特許文献１には、チタン粉末焼結体上に、チタン、ニオブ、パラジウムチタン合金などからなる導電性成形板（エキスパンドメタル）を、互いに９０度ずつ向きを変えて複数枚積層させた弾性部と、チタン粉末からなる粉末焼結部とを備える二重構造給電体が開示されている。特許文献１の二重構造給電体は、補給される純水などの流通量を確保するために、５０〜９０％の空隙率を有して形成される。

特許文献２には、金属繊維が圧縮成形され焼結されてなる導電性焼結体と、平板上の板部分と、板部分から突出した複数の突出部とを備える導電性板とで構成される二重構造給電体が開示されている。上記導電性板には、厚さ方向に貫通する複数の通水孔が形成され、導電性板の突出部が、通水孔の周辺部から延びる一対の脚部と、脚部によって支持され、板部分と略平行な平面部とを備える突出片とされる。
特許第３５５３８５３号公報 特許第３８３９４１９号公報

特許文献１の給電体では、導電性成形板を複数枚積層しているため、接触面が大きくなり接触抵抗が大きくなりやすい。特に、電解によって金属（チタン）表面に酸化物などが形成されると、抵抗が大きくなり電解電圧が高くなる。一方、特許文献１の給電体において、接触抵抗を低減させるために、導電性成形板に白金など貴金属の皮膜を形成することができるが、複数枚の導電性成形板に貴金属皮膜を形成するために処理コストが高くなる。また、複数枚の導電性成形板を積層する場合、１枚ずつ順にスポット溶接などで固定する必要があり、組立てに長時間を要する。

特許文献２の給電体では、導電性板に設けられた通水孔は、平面視した場合に突出片によって覆われている。そのため、純水及び発生ガスの流通性が不十分であるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高性能で低コストの給電体、該給電体を備える水電解スタック、及び該水電解スタックを備える水電解装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の給電体は、厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも一方の表面が平滑とされた第１の導電性多孔体と、第１の該導電性多孔体上に、導電性を有する板が複数の山部と谷部が繰り返す形状に屈折されてなり、該導電性を有する板の厚さ方向に貫通する複数の孔を有する導電体とを備えることを特徴とする。

第１の導電性多孔体と、導電性を有する板を複数の山部と谷部が繰り返す形状に屈折させた導電体とを組み合わせた給電体とすることにより、給電体を構成する部材の数を少なくすることができる。そのため、従来の給電体よりも材料コストと組立工程とを削減することができるため、低コストの給電体となる。また、本発明の給電体には、導電体の突出部表面に、厚さ方向に貫通する孔が設けられる。本発明の給電体を水電解スタックに適用した場合、導電性多孔体及びセパレータと接触する部分にも孔が配置されるため、純水及び発生ガスの流通を良好とすることができる。

上記発明において、前記第１の導電性多孔体上に、複数の前記導電体が配置されても良い。

これにより、導電体を、導電性多孔体及びセパレータに均一に接触させることが可能となる。

また、本発明の給電体は、厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも一方の表面が平滑とされた第１の導電性多孔体と、表面に複数の貫通孔が設けられた複数の導電性筒体が、各々の該導電性筒体の断面が前記第１の導電性多孔体に対して垂直になるように、前記第１の導電性多孔体上に整列して配置されてなる導電体とを備えることを特徴とする。

第１の導電性多孔体と、断面が第１の導電性多孔体に対して垂直になるように整列配置された導電性筒体からなる導電体とを組み合わせた給電体とすることにより、給電体を構成する部材の数を少なくすることができ、従来の給電体よりも材料コストと組立工程とを削減することができる。そのため、低コストの給電体となる。また、本発明の給電体を水電解スタックに適用した場合、導電性多孔体及びセパレータと接触する部分に、厚さ方向に貫通する孔が配置されるため、純水及び発生ガスの流通を良好とすることができる。

上記発明において、前記第１の導電性多孔体及び前記導電体の表面に、貴金属を含む皮膜が形成されることが好ましい。

第１の導電性多孔体及び導電体の表面に貴金属を含む皮膜を形成することにより、接触抵抗を低減させることができる。本発明の給電体においては、給電体を構成する部材が従来よりも少ないため、貴金属皮膜が形成される面積を小さくすることができる。そのため、貴金属を含む皮膜の量を削減できるため、大幅な製造コスト削減が実現できる。

上記発明において、前記第１の導電性多孔体と前記導電体との間に、厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられた第２の導電性多孔体を更に備えることができる。

これにより、セパレータ、給電体及び膜電極接合体を密着させた際に、導電体により導電性多孔体及び膜電極接合体が破損することを防止できる。

この場合、前記第２の導電性多孔体の表面に、貴金属を含む皮膜が形成されると、接触抵抗を低減できるので好ましい。

本発明は、固体電解質膜の一方の表面上に、酸素極触媒層及び酸素極側給電体が順に形成され、前記固体電解質膜の他方の表面上に、水素極触媒層及び水素極側給電体が順に形成された電解セルを備える水電解スタックであって、少なくとも、前記酸素極側給電体が、上記の給電体であり、前記酸素極触媒層側に、前記第１の導電性多孔体が配置され、該第１の導電性多孔体の前記酸素極触媒層側の表面が平滑とされることを特徴とする水電解スタックを提供する。
また、本発明は、水電解スタックを備える水電解装置を提供する。

酸素極側給電体が本発明の給電体であれば、高性能かつ低コストの水電解スタック及び水電解装置とすることができる。

導電性を有する板が複数の山部と谷部とが繰り返す形状に屈折されてなり、導電性を有する板の厚さ方向に貫通する複数の孔を有する導電体、または、表面に複数の貫通孔が設けられた導電性筒体が、断面が第１の導電性多孔体に対して垂直になるように、第１の導電性多孔体上に配置された導電体を備える給電体とすることにより、純水及び発生ガスの流通性が良好となる。上記導電体と、少なくとも一方の表面が平滑とされた導電性多孔体とを組み合わせることにより、膜電極接合体との接触性が向上する。また、給電体を構成する部材の数が少ないため、材料や組立工程を削減することができるため、低コストの給電体となる。特に、給電体に貴金属を含む皮膜を形成して接触抵抗低減を図る場合に、コストが大幅に削減できるので有利である。

本発明の給電体を備える水電解スタック及び水電解装置は、純水及び発生ガスの流通が良好であり、給電体内部での接触抵抗が低減されるので、電解効率を向上させることができる。また、低コストでの製造が可能である。

以下に、本発明に係る給電体、水電解スタック、及び水電解装置の実施形態を説明する。
図１は、第１の実施形態に係る水電解スタックの電解セル１０の概略断面図である。膜電極接合体１１は、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる固体電解質膜１２の一方の面に酸素極触媒層１３が配置され、他方の面に水素極触媒層１４が配置された構成とされる。膜電極接合体１１は、酸素極触媒層１３側の酸素極側給電体２５と、水素極触媒層１４側の水素極側給電体２０とに挟持される。給電体２０、２５の外側に、表面が平滑な金属製のセパレータ１５が配置される。酸素極触媒層１３及び水素極触媒層１４の外周に、例えばＯリングなどのシール部材１６が配置される。シール部材１６により、水電解スタック内の水の漏洩を防止でき、セパレータ１５、給電体２０，２５及び膜電解接合体１１を、均一かつ適切な面圧で密着させることができる。

水素極側給電体２０は、例えば、カーボン繊維が焼結されてなる多孔体２１と、複数の溝が形成されたカーボン製の導電板２２とを組み合わせた構成とされる。

酸素極側給電体２５は、第１の導電性多孔体２６と導電体２７とを備える。酸素極側給電体２５の厚さは、１ｍｍから４ｍｍとされる。本実施形態に係る酸素極側給電体２５の厚さは、従来の酸素極側給電体の厚さと同等とされる。

第１の導電性多孔体２６の材質は、チタンであることが好ましいが、ニオブ、チタン合金なども使用できる。第１の導電性多孔体２６には、厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも膜電極接合体１１に接触する側の表面に平滑加工が施される。第１の導電性多孔体２６は、エキスパンドメタルまたはパンチングメタルや、フォトエッチング法にて作製された多孔薄板などとされる。エキスパンドメタルの場合、孔は、例えば幅２ｍｍから５ｍｍ、高さ１ｍｍから２ｍｍの菱形とされる。パンチングメタルの場合、例えば、円形の孔の直径は、０．５ｍｍから３ｍｍとされる。フォトエッチング法にて作製された多孔薄板の場合、例えば、孔は、膜電極接合体側の直径が０．１ｍｍから１ｍｍ、導電体側の直径が０．１ｍｍから１ｍｍの円錐台状または円柱状とされる。第１の導電性多孔体２６の厚さは、０．１ｍｍから１ｍｍであることが好ましい。

図２に、本実施形態における酸素極側給電体の導電体２７の概略斜視図を示す。酸素極側給電体の導電体２７は、導電性を有する板（導電性板）を複数の山部と谷部とが繰り返す形状に屈折させたものとされる。導電性板には、厚さ方向に貫通する複数の孔２８が設けられる。導電体板の厚さは、０．２ｍｍから１ｍｍとされる。導電体の孔２８の形状及び大きさは、上述した導電性多孔体の孔と同等とすることができる。導電体２７の断面形状は、例えば、波状、三角形、台形、四角形などとされる。上記断面形状とすると、成形が容易である上、少ない材料で従来と同等の厚さを有する酸素極側給電体とすることができる。導電性板の材質は、チタンであることが好ましいが、ニオブ、チタン合金なども使用できる。導電性板には、エキスパンドメタル、金網、パンチングメタルなど、厚さ方向に貫通する複数の孔を有する多孔板を使用することができる。

接触抵抗を低減させるために、第１の導電性多孔体２６及び導電体２７の表面に、白金などの貴金属を含む皮膜が形成されることが好ましい。

図１には、酸素極側給電体の導電体が１つとされる例を示したが、例えば短冊状に加工された上記断面形状を有する導電体を、第１の導電性多孔体上に複数枚並べて配置しても良い。これにより、導電体を、第１の導電性多孔体及びセパレータに均一に接触させることができる。

導電体２７の断面形状が、波状や三角形など、第１の導電性多孔体２６と接触する部位が平坦ではない場合は、第１の導電性多孔体２６と導電体２７との間に第２の導電性多孔体（図示されず）を設ける。これにより、セパレータ１５、給電体２５及び膜電極接合体１１を密着させた際に、導電体２７により第１の導電性多孔体２６及び膜電極接合体１１が破損することを防止できる。第２の導電性多孔体は、厚さが０．１ｍｍから０．６ｍｍであり、厚さ方向に貫通する複数の孔を有する多孔板（例えば、エキスパンドメタル、金網、フォトエッチング法により作製された多孔薄板など）とされる。第２の導電性多孔体の表面には、貴金属を含む皮膜が形成されることが好ましい。第２の導電性多孔体の膜電極接合体側の表面には、平滑加工が施されることが好ましい。

第１の実施形態に係る水電解スタックは、酸素極側給電体が、厚さ方向に貫通する孔を有する導電性板からなる導電体を備えるので、導電体の突出部表面にも孔が設けられることになる。そのため、純水及び発生ガスの流通性が良好となる。上記導電体と、膜電極接合体側表面が平滑とされた第１の導電性多孔体とを組み合わせることにより、給電体と膜電極接合体との接触性を向上させることができる。第１の実施形態に係る酸素極側給電体は、入手容易で安価なエキスパンドメタル、パンチングメタル及びフォトエッチング多孔薄板を屈折させることにより、給電体を構成する部材の数を少なくしても、従来と同等の厚さとすることができる。そのため、従来の給電体よりも材料コストと組立工程とを削減することができるため、低コストの給電体となる。特に、貴金属を含む皮膜の量を削減できるので、大幅なコスト削減が実現できる。

図３に、第２の実施形態に係る水電解スタックの電解セル３０の概略断面図を示す。図４に、第２の実施形態における酸素極側給電体の導電体の概略斜視図を示す。第２の実施形態の電解セルは、酸素極側給電体以外は第１の実施形態と同じである。

第２の実施形態において、酸素極側給電体４５の導電体４７は、複数の導電性筒体が、各々の導電性筒体の断面が第１の導電性多孔体４６に対して垂直となるように、第１の導電性多孔体４６上に整列配置されてなる。酸素極側給電体４５の厚さは、２ｍｍから４ｍｍとされる。本実施形態に係る酸素極側給電体４５の厚さは、従来の酸素極側給電体の厚さと同等とされる。

図４に示すように、本実施形態の導電性筒体は、厚さ方向に貫通する複数の孔４８を有する。本実施形態の導電性筒体は、エキスパンドメタル、金網、パンチングメタルなど、厚さが０．２ｍｍから１ｍｍの多孔板を円筒状に成形したものとされる。導電性筒体の断面は、例えば、楕円形、六角形などでも良い。上記断面形状の筒体とすれば、成形が容易である上、少ない材料で従来と同等の厚さを有する酸素極側給電体とすることができる。孔４８の形状及び大きさは、第１の実施形態における第１の導電性多孔体の孔と同等とされる。

導電体４７の材質は、チタンであることが好ましいが、ニオブ、チタン合金なども使用できる。導電体４７及び第１の導電性多孔体４６の表面に、白金などの貴金属を含む皮膜が形成されることが好ましい。

導電性筒体の断面形状が、円形や楕円形など、第１の導電性多孔体４６と接触する部位が平坦でない場合は、導電体４７と第１の導電性多孔体４６との間に、第１の実施形態と同様の第２の導電性多孔体（図示されず）を設けても良い。

第２の実施形態に係る水電解スタックは、上述のように、表面に開口が設けられた導電性筒体を複数個配列させた導電体を備える酸素極側給電体であるため、セパレータ及び導電性多孔体と接触する部分にも孔が存在し、これにより純水及び発生ガスの流通性が良好となる。また、給電体を構成する部材の数を少なくしても、従来と同等の厚さの給電体とすることができる。そのため、従来の給電体よりも材料コストと組立工程とを削減することができるため、低コストの給電体となる。特に、貴金属を含む皮膜の量を大幅に削減できる。

第１の実施形態または第２の実施形態に係る水電解スタックを備える水電解装置は、水及び発生ガスの流通が良好であるため、高いエネルギー効率を示す水電解装置となる。

第１の実施形態に係る水電解スタックの電解セルの概略断面図である。 第１の実施形態における酸素極側給電体の導電体の概略斜視図を示す。 第２の実施形態に係る水電解スタックの電解セルの概略断面図である。 第２の実施形態における酸素極側給電体の導電体の概略斜視図である。 従来の水電解スタックの電解セルの断面図である。

符号の説明

１０，３０ 電解セル
１１，３１ 膜電極接合体
１２，３２ 固体電解質膜
１３，３３ 酸素極触媒層
１４，３４ 水素極触媒層
１５，３５ セパレータ
１６，３６ シール部材
２０，４０ 水素極側給電体
２１，４１ カーボン多孔体
２２，４２ カーボン板
２５，４５ 酸素極側給電体
２６，４６ 第１の導電性多孔体
２７，４７ 導電体
２８，４８ 孔

Claims (8)

1. 厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも一方の表面が平滑とされた第１の導電性多孔体と、
   第１の該導電性多孔体上に、導電性を有する板が複数の山部と谷部が繰り返す形状に屈折されてなり、該導電性を有する板の厚さ方向に貫通する複数の孔を有する導電体とを備えることを特徴とする給電体。
2. 前記第１の導電性多孔体上に、複数の前記導電体が配置されることを特徴とする請求項１に記載の給電体。
3. 厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられ、少なくとも一方の表面が平滑とされた第１の導電性多孔体と、
   表面に複数の貫通孔が設けられた複数の導電性筒体が、各々の該導電性筒体の断面が前記第１の導電性多孔体に対して垂直になるように、前記第１の導電性多孔体上に整列して配置されてなる導電体とを備えることを特徴とする給電体。
4. 前記第１の導電性多孔体及び前記導電体の表面に、貴金属を含む皮膜が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の給電体。
5. 前記第１の導電性多孔体と前記導電体との間に、厚さ方向に貫通する複数の孔が設けられた第２の導電性多孔体を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の給電体。
6. 前記第２の導電性多孔体の表面に、貴金属を含む皮膜が形成されることを特徴とする請求項５に記載の給電体。
7. 固体電解質膜の一方の表面上に、酸素極触媒層及び酸素極側給電体が順に形成され、
   前記固体電解質膜の他方の表面上に、水素極触媒層及び水素極側給電体が順に形成された電解セルを備える水電解スタックであって、
   少なくとも、前記酸素極側給電体が、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の給電体であり、
   前記酸素極触媒層側に、前記第１の導電性多孔体が配置され、
   該第１の導電性多孔体の前記酸素極触媒層側の表面が平滑とされることを特徴とする水電解スタック。
8. 請求項７に記載の水電解スタックを備える水電解装置。

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