JP2015089949A - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水流配性及び耐圧性を良好に確保するとともに、加工を簡便に行うことを可能にする。
【解決手段】差圧式高圧水電解装置１０では、アノード給電体４２は、支持用シート部材４８と水流配用シート部材５０とを備える。支持用シート部材４８は、保護シート部材４６の貫通孔４６ａよりも大きな開口面積を有する貫通孔を形成し、前記保護シート部材４６を支持する。水流配用シート部材５０は、支持用シート部材４８の貫通孔よりも大きな開口面積を有する貫通孔を形成し、電解用の水を流配する。
【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、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、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、水が電気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、カソード給電体で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。

この場合、特にアノード給電体は、固体高分子電解質膜との良好な接触状態を維持するとともに、所望量の水を通流させる機能が求められている。そこで、例えば、特許文献１に開示されている給電体の製造方法が知られている。

この特許文献１は、粉状物を焼結して焼結体を作製し、前記焼結体を具備した給電体を得る製造方法に関するものである。この製造方法では、焼結前に粉状物にバインダーを添加して成形体を作製し、前記成形体を焼結することによって焼結体を得ることを特徴としている。

特開２００１−２７９４８１号公報

ところで、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。その際、上記の焼結体からなる給電体では、電解用の水の流配性を保持しながら、耐圧性を向上させるために緻密性を確保しなければならない。このため、焼結体の加工が相当に困難であ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、水流配性及び耐圧性を良好に確保するとともに、加工を簡便に行うことが可能な給電体を備える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有している。アノード触媒層には、アノード給電体が積層される一方、カソード触媒層には、カソード給電体が積層されている。そして、アノード給電体には、アノードセパレータが積層されるとともに、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。電解質膜とアノード給電体との間には、複数個の第１貫通孔が形成される保護シート部材が介装されている。

差圧式高圧水電解装置では、アノード給電体は、支持用シート部材と水流配用シート部材とを備えている。支持用シート部材は、保護シート部材の第１貫通孔よりも大きな開口面積を有する第２貫通孔が形成され、前記保護シート部材を支持する。水流配用シート部材は、支持用シート部材の第２貫通孔よりも大きな開口面積を有する第３貫通孔が形成され、電解用の水を流配している。

また、この差圧式高圧水電解装置では、水流配用シート部材は、第３貫通孔として複数本の長孔を設けるとともに、前記長孔と交差する方向に延在し、各長孔を分割させるブリッジ部を有することが好ましい。

さらに、この差圧式高圧水電解装置では、水流配用シート部材の外周には、外方に突出して突起部が形成され、前記突起部には、電解用の水が導入されるとともに、第３貫通孔に連通する水導入用開口部が形成されることが好ましい。

さらにまた、この差圧式高圧水電解装置では、支持用シート部材は、第２貫通孔である第１長孔が形成される第１層と、前記第１長孔よりも開口面積の大きな前記第２貫通孔である第２長孔が形成される第２層と、を有することが好ましい。その際、互いに隣接する第１層の第１長孔と第２層の第２長孔とは、それぞれの長手方向が互いに直交するように配置されることが好ましい。

本発明によれば、アノード給電体は、保護シート部材を支持する耐圧機能を有する支持用シート部材と、電解用の水の流配を保持する水流配機能を有する水流配用シート部材とを積層している。このように、アノード給電体は、耐圧機能と水流配機能とに分けた積層構造とすることにより、水流配性及び耐圧性を良好に確保するとともに、加工作業を簡便に行うことが可能になる。

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アノード給電体の支持用第１シート部材の正面説明図である。 前記単位セルを構成するアノード給電体の支持用第２シート部材の正面説明図である。 前記単位セルを構成するアノード給電体の水流配用シート部材の正面説明図である。

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。

図２に示すように、単位セル１２の外周縁部には、セパレータ面方向外方に向かって互いに反対方向に突出する第１突出部３７ａ及び第２突出部３７ｂが形成される。第１突出部３７ａには、積層方向（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３８ａが設けられる。第２突出部３７ｂには、積層方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための水排出連通孔３８ｂが設けられる。

単位セル１２の中央部には、電解領域の略中央を貫通して積層方向に互いに連通して、反応により生成された高圧（例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素を排出するための水素排出連通孔３８ｃが設けられる（図２及び図３参照）。なお、水素排出連通孔３８ｃは、単位セル１２の中央部に限定されるものではなく、端部位置に設けてもよい。

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、その他、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。

電解質膜・電極構造体３２は、略リング形状を有する固体高分子電解質膜（電解質膜）４０を備える。固体高分子電解質膜４０は、リング形状を有する電解用のアノード給電体４２及びカソード給電体４４に挟持される。固体高分子電解質膜４０とアノード給電体４２との間には、リング形状を有する保護シート部材４６が介装される。固体高分子電解質膜４０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）系の膜又はフッ素系の膜により構成される。

固体高分子電解質膜４０は、略中央部に水素排出連通孔３８ｃが形成される。固体高分子電解質膜４０の一方の面には、リング形状を有するアノード電極触媒層（アノード触媒層）４２ａが設けられる。固体高分子電解質膜４０の他方の面には、リング形状を有するカソード電極触媒層（カソード触媒層）４４ａが形成される。アノード電極触媒層４２ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用するとともに、カソード電極触媒層４４ａは、例えば、白金触媒を使用する。

保護シート部材４６の内径寸法は、アノード給電体４２及びカソード給電体４４の内径寸法と同等（又は同等未満）に設定される。保護シート部材４６の外径寸法は、アノード給電体４２及びカソード給電体４４の外径寸法と同等（又は同等以上）に設定される。保護シート部材４６は、例えば、チタンシートで構成され、前記保護シート部材４６には、複数の貫通孔（第１貫通孔）４６ａが機械加工により形成される。

アノード給電体４２は、支持用シート部材４８と水流配用シート部材５０とを備える。支持用シート部材４８は、少なくとも１層で構成され、本実施形態では、支持用第１シート部材（第１層）４８ａと支持用第２シート部材（第２層）４８ｂとの２層で構成される。

支持用第１シート部材４８ａ及び支持用第２シート部材４８ｂは、略リング形状を有する。支持用第１シート部材４８ａは、保護シート部材４６に当接する一方、支持用第２シート部材４８ｂは、水流配用シート部材５０に当接する。

図４に示すように、支持用第１シート部材４８ａには、発電領域（アノード電極触媒層４２ａの塗布範囲）に亘って複数の第１長孔（第２貫通孔）５２ａが機械加工により形成される。第１長孔５２ａは、保護シート部材４６の貫通孔４６ａよりも大きな開口面積を有し、面方向に沿って、例えば、矢印Ｂ方向に長手方向が延在する。各第１長孔５２ａは、矢印Ｂ方向に交差する矢印Ｃ方向に沿って千鳥状に配列される。

支持用第２シート部材４８ｂには、図５に示すように、発電領域に亘って複数の第２長孔（第２貫通孔）５２ｂが機械加工により形成される。各第２長孔５２ｂは、各第１長孔５２ａよりも開口面積が大きく設定されるとともに、面方向に沿って、例えば、矢印Ｃ方向に長手方向が延在する。第１長孔５２ａの長手方向と第２長孔５２ｂの長手方向とは、互いに交差（直交）するように配置される。なお、第１長孔５２ａ及び第２長孔５２ｂの開口断面積や開口形状は、耐圧機能及び水流配機能を考慮して設定される。

図６に示すように、水流配用シート部材５０には、支持用第２シート部材４８ｂの第２長孔５２ｂよりも大きな開口面積を有する複数の長孔（第３貫通孔）５４が機械加工により形成され、電解用の水を流配する。長孔５４は、面方向に沿って、例えば、矢印Ｂ方向に長手方向が延在することにより、第２長孔５２ｂの長手方向と交差する方向に延在する。

各長孔５４は、互いに平行して水流配用シート部材５０の直径方向及び該直径方向に平行する方向に延在し、両端部が円弧状の入口開口部５６ａ及び出口開口部５６ｂに連通する。水流配用シート部材５０の外周部には、入口開口部５６ａ及び出口開口部５６ｂの中間部に対応して外方に突出する突起部５０ａ、５０ｂが形成される。突起部５０ａには、電解用の水が導入される水導入用開口部５８ａが形成され、突起部５０ｂには、未反応の前記水及び生成された酸素が排出される水導出用開口部５８ｂが形成される。水導入用開口部５８ａは、入口開口部５６ａに連通する一方、水導出用開口部５８ｂは、出口開口部５６ｂに連通する。突起部５０ａ、５０ｂは、それぞれ複数個ずつ設けることが好ましい。

水流配用シート部材５０には、長孔５４と交差する方向に延在し、各長孔５４を分割させる直線状のブリッジ部６０ａが設けられる。ブリッジ部６０ａの両側には、各長孔５４を分割させる円弧状の一対のブリッジ部６０ｂが設けられる。

図３に示すように、カソード給電体４４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。カソード給電体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。

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３８ａに連通する供給通路６２ａと、水排出連通孔３８ｂに連通する排出通路６２ｂ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４２が配置されるリング状のアノード室６４が設けられる。アノード室６４は、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂに連通する。

アノードセパレータ３４の第１突出部３７ａには、水供給連通孔３８ａを周回して第１シール溝６６ａが形成される。アノードセパレータ３４の第２突出部３７ｂには、水排出連通孔３８ｂを周回して第２シール溝６６ｂが形成される。第１シール溝６６ａには、第１シール部材６８ａが配置される一方、第２シール溝６６ｂには、第２シール部材６８ｂが配置される。面３４ａには、アノード室６４の内側を周回して第３シール溝６６ｃが形成され、前記第３シール溝６６ｃには、第３シール部材６８ｃが配置される。

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４４が配置されるリング状のカソード室７０が形成される。カソード室７０は、水素排出通路６２ｃを介して水素排出連通孔３８ｃに連通する。

カソードセパレータ３６の第１突出部３７ａには、水供給連通孔３８ａを周回して第４シール溝６６ｄが形成される。カソードセパレータ３６の第２突出部３７ｂには、水排出連通孔３８ｂを周回して第５シール溝６６ｅが形成される。第４シール溝６６ｄには、第４シール部材６８ｄが配置される一方、第５シール溝６６ｅには、第５シール部材６８ｅが配置される。

カソードセパレータ３６の面３６ａには、カソード室７０を囲繞して第６シール溝６６ｆ形成される。この第６シール溝６６ｆには、第６シール部材６８ｆが配設される。

第１シール部材６８ａ〜第６シール部材６８ｆ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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔３８ａ、水排出連通孔３８ｂ及び水素排出連通孔３８ｃに連通する配管７２ａ、７２ｂ及び７２ｃが接続される。配管７２ｃ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３８ｃ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。

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７２ａから差圧式高圧水電解装置１０の水供給連通孔３８ａに水が供給される。一方、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂには、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、図３及び図６に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔３８ａからアノード給電体４２を構成する水流配用シート部材５０の水導入用開口部５８ａを通って入口開口部５６ａに導入される。さらに、水は、複数本の長孔５４に沿って矢印Ｂ方向に流通するとともに、ブリッジ部６０ｂ、６０ａを介して支持用第２シート部材４８ｂの第２長孔５２ｂに供給される。第２長孔５２ｂは、第１長孔５２ａに連通しており、水は、前記第１長孔５２ａから保護シート部材４６の貫通孔４６ａを通ってアノード電極触媒層４２ａに供給される。

従って、水は、アノード電極触媒層４２ａ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４０を透過してカソード電極触媒層４４ａ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４４の内部の水素流路に沿って水素が流動し、前記水素は、水供給連通孔３８ａよりも高圧に維持された状態で、水素排出連通孔３８ｃ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、反応により生成した酸素と未反応の水とは、水排出連通孔３８ｂ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、アノード給電体４２は、支持用シート部材４８と水流配用シート部材５０とを備えている。支持用シート部材４８は、少なくとも１層、本実施形態では、支持用第１シート部材４８ａと支持用第２シート部材４８ｂとの２層で構成されている。

すなわち、アノード給電体４２は、保護シート部材４６を支持する耐圧機能を有する支持用第１シート部材４８ａ及び支持用第２シート部材４８ｂと、水流配を保持する水流配機能を有する水流配用シート部材５０とを積層している。このように、アノード給電体４２は、耐圧機能と水流配機能とに分けた積層構造とすることにより、水流配性及び耐圧性を良好に確保するとともに、加工作業を簡便に行うことが可能になるという効果が得られる。

さらに、支持用第１シート部材４８ａには、複数の第１長孔５２ａが設けられる一方、支持用第２シート部材４８ｂには、各第１長孔５２ａよりも開口面積が大きく設定される複数の第２長孔５２ｂが設けられている。そして、第１長孔５２ａの長手方向と第２長孔５２ｂの長手方向とは、互いに交差する方向に延在している。

従って、支持用第１シート部材４８ａと支持用第２シート部材４８ｂとは、互いに積層されることにより、第１長孔５２ａと第２長孔５２ｂとが交差している。これにより、固体高分子電解質膜４０から保護シート部材４６に作用する水素圧力を確実に保持することができる。

さらにまた、図６に示すように、水流配用シート部材５０は、支持用第２シート部材４８ｂの第２長孔５２ｂよりも大きな開口面積を有する複数の長孔５４を有している。このため、長孔５４に沿って電解用の水を所望の水量で確実に流通させることが可能になる。

しかも、各長孔５４を分割させてブリッジ部６０ａ、６０ｂが設けられている。従って、図３に示すように、長孔５４を流通する水は、ブリッジ部６０ａ、６０ｂに衝突して支持用第２シート部材４８ｂの第２長孔５２ｂに円滑に供給されている。これにより、水は、長孔５４から第２長孔５２ｂ及び第１長孔５２ａを通って保護シート部材４６に供給され、アノード電極触媒層４２ａで確実且つ良好に電気分解されるという利点がある。

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、１８ａ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部 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 ３７ａ、３７ｂ…突出部
３８ａ…水供給連通孔 ３８ｂ…水排出連通孔
３８ｃ…水素排出連通孔 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード給電体 ４２ａ…アノード電極触媒層
４４…カソード給電体 ４４ａ…カソード電極触媒層
４６…保護シート部材 ４８…支持用シート部材
４８ａ…支持用第１シート部材 ４８ｂ…支持用第２シート部材
５０…水流配用シート部材 ５０ａ、５０ｂ…突起部
５２ａ、５２ｂ、５４…長孔 ５８ａ…水導入用開口部
５８ｂ…水導出用開口部 ６０ａ、６０ｂ…ブリッジ部
６４…アノード室 ７０…カソード室

Claims (4)

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、
   前記電解質膜と前記アノード給電体との間に介装され、複数個の第１貫通孔が形成される保護シート部材と、
   を備え、水の電気分解によりアノード側に酸素、及び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、前記保護シート部材の前記第１貫通孔よりも大きな開口面積を有する第２貫通孔が形成され、前記保護シート部材を支持する支持用シート部材と、
   前記支持用シート部材の前記第２貫通孔よりも大きな開口面積を有する第３貫通孔が形成され、電解用の前記水を流配する水流配用シート部材と、
   を備え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、前記水流配用シート部材は、前記第３貫通孔として複数本の長孔を設けるとともに、
   前記長孔と交差する方向に延在し、各長孔を分割させるブリッジ部を有することを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
3. 請求項１又は２記載の差圧式高圧水電解装置において、前記水流配用シート部材の外周には、外方に突出して突起部が形成され、
   前記突起部には、電解用の前記水が導入されるとともに、前記第３貫通孔に連通する水導入用開口部が形成されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の差圧式高圧水電解装置において、前記支持用シート部材は、前記第２貫通孔である第１長孔が形成される第１層と、
   前記第１長孔よりも開口面積の大きな前記第２貫通孔である第２長孔が形成される第２層と、
   を有し、互いに隣接する前記第１層の前記第１長孔と前記第２層の前記第２長孔とは、それぞれの長手方向が互いに直交するように配置されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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