JP2015086454A - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、固体高分子電解質膜の乾燥を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】差圧式高圧水電解装置１０を構成するアノード給電体４０は、水をアノード触媒層４０ａに流通させる開口部４４ｈが設けられる電解部４４と、前記電解部４４の外周に設けられ、該電解部４４よりも緻密に構成される枠部４６とを備える。アノード触媒層４０ａは、電解部４４の範囲内にのみに設けられる一方、カソード触媒層４２ａは、前記アノード触媒層４０ａに対向する範囲を包含し、且つ、枠部４６に対向する範囲に亘って設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置に関する。

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素（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、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、それぞれ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）が生成される。この水素イオンは、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、水素ととも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。

水電解装置では、水の電気分解により酸素と該酸素よりも高圧な水素を製造する差圧式高圧水電解装置が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている電気化学装置では、電解質膜の一方の面に、第１の触媒と第１の給電体とが設けられるとともに、前記電解質膜の他方の面に、第２の触媒と第２の給電体とが設けられている。

そして、電解質膜に接触する接触面積範囲の小さな給電体は、前記電解質膜との接触面が、セパレータの前記電解質膜との接触面よりも前記電解質膜側に突出している。従って、第１の給電体及び第２の給電体により、電解質膜の両側に設けられている第１及び第２の触媒に対し所望の面圧を確実に付与することができ、簡単な構成で、電解性能の向上を図ることが可能になる、としている。

国際公開第２０１１／１１８４８２号パンフレット

ところで、差圧式高圧水電解装置では、高圧のカソード室内の水素が固体高分子電解質膜を透過して常圧のアノード室側に移動（クロスリーク）し易い。このため、固体高分子電解質膜では、特に触媒が塗布されておらず電解が行われない部分において、クロスリークに伴って水が排出され、膜乾燥が惹起され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、固体高分子電解質膜の乾燥を可及的に抑制することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられる電解質膜を備えている。アノード触媒層には、アノード給電体が積層されるとともに、前記アノード給電体には、アノードセパレータが積層されている。カソード触媒層には、カソード給電体が積層されるとともに、前記カソード給電体には、カソードセパレータが積層されている。この差圧式高圧水電解装置は、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に該酸素よりも高圧な水素が、生成されている。

アノード給電体は、水をアノード触媒層に流通させる開口部が設けられる電解部と、前記電解部の外周に設けられ、該電解部よりも緻密に構成される枠部とを備えている。そして、アノード触媒層は、電解部の範囲内にのみに設けられる一方、カソード触媒層は、前記アノード触媒層に対向する範囲を包含し、且つ、枠部に対向する範囲に亘って設けられている。

また、この差圧式高圧水電解装置では、カソード給電体の外周を囲繞して配置され、水素が生成されるカソード室をシールするシール部材を備えることが好ましい。その際、シール部材は、枠部に対向する範囲に配置されるとともに、カソード触媒層は、前記シール部材の内側に設けられることが好ましい。

本発明によれば、カソード触媒層は、アノード触媒層よりも大きな面積を有するとともに、枠部に対向する範囲に亘って設けられている。このため、電解時にアノード側からカソード側にプロトンが移動するのに伴って、水（同伴水）が移動する際、前記水が前記カソード側に対して広範囲に亘って供給される。

従って、固体高分子電解質膜は、所望の膜保水率を確保することができ、水不足状態で電解が行われることによる膜損傷を、有効に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜の乾燥を可及的に抑制し、前記固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記差圧式高圧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２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記単位セルを構成する電解質膜・電極構造体の断面説明図である。 比較例の電解質膜・電極構造体の要部説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置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１４を備える。

積層体１４の積層方向一端（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の積層方向他端（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。

差圧式高圧水電解装置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。なお、差圧式高圧水電解装置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、差圧式高圧水電解装置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を介して電解電源２８に電気的に接続される。

図２及び図３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、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６とを備える。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ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る。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６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してもよい。

図４に示すように、電解質膜・電極構造体３２は、例えば、フッ素系の膜又は炭化水素（ＨＣ）系の膜により構成される固体高分子電解質膜３８を備える。固体高分子電解質膜３８の両面には、円形状を有する電解用のアノード給電体４０及びカソード給電体４２が設けられる。

固体高分子電解質膜３８の一方の面に、アノード触媒層４０ａが、前記固体高分子電解質膜３８の他方の面に、カソード触媒層４２ａが、それぞれ形成される。アノード触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。カソード触媒層４２ａの平面寸法（塗布面積）Ｓ１は、アノード触媒層４０ａに対向する範囲を包含し、且つ前記アノード触媒層４０ａの平面寸法（塗布面積）Ｓ２よりも大きな寸法に設定される。

アノード給電体４０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、電解用の水をアノード触媒層４０ａに流通させる開口部４４ｈが設けられる電解部４４を備える。電解部４４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。

アノード給電体４０は、電解部４４の外周に設けられ、前記電解部４４よりも緻密に構成されるリング状の枠部４６を備える。電解部４４は、枠部４６の内周面に嵌合するとともに、前記枠部４６は、例えば、純チタンで構成される。アノード触媒層４０ａは、電解部４４の範囲内にのみに設けられる。具体的には、アノード触媒層４０ａの平面寸法（面積）Ｓ２は、電解部４４の平面寸法（面積）Ｓ３よりも小さな寸法に設定される。

カソード給電体４２は、例えば、純チタン粒子を溶射材として減圧プラズマ溶射によりプレート部材５６に一体成形される多孔質導電体である。この多孔質導電体の気孔率は、１０％〜５０％の範囲内に設定され、水素を流通させる開口部４２ｈが設けられる。

カソード給電体４２の平面寸法（面積）Ｓ４は、アノード給電体４０を構成する電解部４４の平面寸法（面積）Ｓ３よりも大きな外形寸法を有し、且つ、枠部４６の平面寸法（面積）Ｓ５よりも小さな寸法を有する。カソード触媒層４２ａの平面寸法（面積）Ｓ１は、カソード給電体４２の平面寸法（面積）Ｓ４の寸法と同一又は同一未満を有しており、実質的に、アノード触媒層４０ａに対向する範囲を包含し、且つ、枠部４６に対向する範囲に亘って設けられる。

図２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４８ａ、第２突出部４８ｂ及び第３突出部４８ｃが形成される。第１突出部４８ａ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）を供給するための水供給連通孔５０ａが設けられる。

第２突出部４８ｂ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排出連通孔５０ｂが設けられる。第３突出部４８ｃ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高圧水素を流すための水素連通孔５０ｃが設けられる。

図２及び図３に示すように、アノードセパレータ３４には、水供給連通孔５０ａに連通する供給通路５２ａと、排出連通孔５０ｂに連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノードセパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、アノード給電体４０が配置されるアノード室５３が設けられる。アノード室５３には、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。

カソードセパレータ３６には、水素連通孔５０ｃに連通する排出通路５２ｃが設けられる。カソードセパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、カソード給電体４２、プレート部材５６及び皿ばね５８が配置されるカソード室（高圧室）６０が設けられる。

図３に示すように、プレート部材５６は、円板状を有するとともに、カソード給電体４２側の面には、排出通路５２ｃに連通する第２流路６４が形成される。この第２流路６４は、カソード給電体４２の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。プレート部材５６には、固体高分子電解質膜３８側とは反対側の面に押圧部材、例えば、複数枚の皿ばね５８が配設される。皿ばね５８は、皿ばねホルダであるプレート部材５６を介してカソード給電体４２に荷重を付与する。

図２及び図３に示すように、アノードセパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、第１流路５４及びアノード給電体４０の外方を周回して第１シール部材６６ａを配設するための第１シール溝６８ａが形成される。

面３４ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃの外側を周回して、第２シール部材６６ｂ、第３シール部材６６ｃ及び第４シール部材６６ｄを配置するための第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シール部材６６ａ〜第４シール部材６６ｄは、例えば、Ｏリングである。

カソードセパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、第２流路６４及びカソード給電体４２の外方を周回して、第１シール部材７０ａを配設するための第１シール溝７２ａが形成される。第１シール部材７０ａは、アノード給電体４０を構成する枠部４６に対向する範囲に配置されるとともに、カソード触媒層４２ａは、前記第１シール部材７０ａの内側に設けられる。第１シール部材７０ａの内側には、クロスリークによる乾燥が発生し易い部位が存在し、この部位をカソード触媒層４２ａによりカバーすることで、膜保水率低下を抑制することができる。

面３６ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃの外側を周回して、第２シール部材７０ｂ、第３シール部材７０ｃ及び第４シール部材７０ｄを配置するための第２シール溝７２ｂ、第３シール溝７２ｃ及び第４シール溝７２ｄが形成される。第１シール部材７０ａ〜第４シール部材７０ｄは、例えば、Ｏリングである。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃに連通する配管７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが接続される。配管７６ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０ｃに生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂがタイロッド２２を介して締め付けられる。

このように構成される差圧式高圧水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、配管７６ａから差圧式高圧水電解装置１０の水供給連通孔５０ａ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解電源２８を介して電圧が付与される。このため、図２及び図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔５０ａからアノードセパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード給電体４０を構成する電解部４４の開口部４４ｈに沿って移動する。

従って、水は、アノード触媒層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、カソード給電体４２の開口部４２ｈ及びプレート部材５６に形成される第２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５０ａよりも高圧に維持されており、水素連通孔５０ｃを流れて差圧式高圧水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１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５０ｂに沿って差圧式高圧水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、本実施形態では、図３及び図４に示すように、カソード触媒層４２ａは、アノード触媒層４０ａに対向する範囲を包含し、且つ、枠部４６に対向する範囲に亘って設けられている。このため、電解時にアノード側からカソード側にプロトンが移動するのに伴って、水（同伴水）が移動する際、前記水が前記カソード側に広範囲に亘って供給される。

例えば、図５に示す比較例である電解質膜・電極構造体１は、固体高分子電解質膜２の両面にアノード触媒層３ａとカソード触媒層４ａとが形成されている。カソード触媒層４ａは、アノード触媒層３ａよりも小さな面積を有するとともに、前記アノード触媒層３ａには、アノード給電体３が配置されている。

この電解質膜・電極構造体１では、高圧のカソード側から常圧のアノード側に水素がクロスリークするとともに、随伴水がアノード給電体３側に移動し易い。従って、固体高分子電解質膜２では、触媒層端部近傍の領域Ｔにおいて、膜保水率が低下してしまい、膜劣化が惹起するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、プロトン随伴水が固体高分子電解質膜３８の触媒層端部まで良好に行き渡るため、前記固体高分子電解質膜３８は、所望の膜保水率を確保することができる。これにより、水不足状態で電解が行われることによる膜損傷を阻止することが可能になり、簡単な構成で、固体高分子電解質膜３８の乾燥を可及的に抑制し、膜劣化を抑制することができるという効果が得られる。

１０…差圧式高圧水電解装置 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 ２８…電解電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノードセパレータ
３６…カソードセパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード給電体 ４０ａ…アノード触媒層
４２…カソード給電体 ４２ａ…カソード触媒層
４４…電解部 ４６…枠部
５３…アノード室 ５４、６４…流路
５６…プレート部材 ６０…カソード室
７０ａ…シール部材

Claims (2)

1. 一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられる電解質膜と、
   前記アノード触媒層に積層されるアノード給電体及び前記カソード触媒層に積層されるカソード給電体と、
   前記アノード給電体に積層されるアノードセパレータ及び前記カソード給電体に積層されるカソードセパレータと、
   を備え、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に該酸素よりも高圧な水素が、生成される差圧式高圧水電解装置であって、
   前記アノード給電体は、前記水を前記アノード触媒層に流通させる開口部が設けられる電解部と、
   前記電解部の外周に設けられ、該電解部よりも緻密に構成される枠部と、
   を備えるとともに、
   前記アノード触媒層は、前記電解部の範囲内にのみに設けられる一方、
   前記カソード触媒層は、前記アノード触媒層に対向する範囲を包含し、且つ、前記枠部に対向する範囲に亘って設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
2. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、前記カソード給電体の外周を囲繞して配置され、前記水素が生成されるカソード室をシールするシール部材を備え、
   前記シール部材は、前記枠部に対向する範囲に配置されるとともに、
   前記カソード触媒層は、前記シール部材の内側に設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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