JP4010193B2 - 高圧水素製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を用いて純水を電気分解することによって、コンプレッサー等の機械的な昇圧装置を用いることなく、水素のエネルギー利用等で必要とされている高圧水素（圧縮水素ガス）を、直接、製造する高圧水素製造装置に関するものであって、水素クリーンエネルギー関連技術に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭や石油などの化石燃料をエネルギーとすることには、使用に伴って排出される二酸化炭素が地球温暖化の原因となり、窒素酸化物やイオウ酸化物が人の健康を損ねたり、酸性雨を降らせたりする原因となるという問題が存在する。
また、化石燃料には、埋蔵量に限りがあるので、早晩枯渇するというより根本的な問題も存在しているので、これらの問題の発生を抑えるために、化石燃料の消費を抑え又は止め、化石燃料の代替が可能で、かつ、再生も可能なクリーンな自然エネルギーを利用するための技術開発が求められている。
【０００３】
化石燃料の代替としての自然エネルギーは、その最大なものが太陽エネルギーである。
しかしながら、太陽から地球が受ける１時間分のエネルギーは、人類が今日消費している１年分以上のエネルギーに匹敵し、太陽エネルギーは、それだけで人類のエネルギー需要を賄うことも夢ではないものである。
【０００４】
さらに、自然エネルギーの代表的な利用形態には、太陽光発電や風力発電、水力発電等がよく知られている。
自然エネルギーは、電力として取り出されるのが一般的であるものの、電力は、貯蔵や持ち運びが難しく、電力を貯蔵する方法として、電池に充電する方法があるが、電池は重く、自己放電により使用していない間にも消耗する等の問題を有している。
【０００５】
そのため、これからのエネルギーにとり最重要事項は、貯蔵でき、持ち運ぶことが容易で、必要な時に必要な所で幅広く利用できるということで、エネルギーとして、自然エネルギーで得た電力を、純水の電気分解（水電解）によりクリーンな水素エネルギーに変換して貯蔵できるようにし、この水素を石油に代わるエネルギーとして使用することが考えられ、２１世紀は、水素をエネルギーとする水素経済社会になるとも云われている。
【０００６】
このような水素経済社会にするため、水素をエネルギーとして効率良く使用できることが必要である。
その手段として、水素を燃料とする燃料電池（以下、ＰＥＦＣと云う。）の開発が進められ、自動車や家庭用自家発電等に広く普及させ、自然エネルギーで製造した水素を燃料にできるようになると、二酸化炭素による地球温暖化の心配のない水素経済社会が実現できると考えられ、その前提条件として、自然エネルギーで効率良く水素を製造することが重要課題であるとされている。
【０００７】
自然エネルギーで効率良く水素を製造する方法としては、陰極と陽極とを分離する隔膜に、ガス透過性を有するアスベスト等の多孔質膜を使用する、公知のアルカリ水電解に比べ、効率良く水を水素に変換できる上に、起動停止が自由に行なうことができ、自然エネルギーで発電した変動の激しい電力からでも、水素を問題なく製造することができるという特長を有する、ＰＥＦＣの逆反応で、純水を電気分解し、水素と酸素にする固体高分子電解質膜（以下、ＰＥＭと云う。）による水電解（以下、ＰＥＭ水電解と云う。）が注目されている。
【０００８】
しかしながら、水素は気体であるので、エネルギーとして利用する際の貯蔵や輸送には特別な配慮が必要である。
貯蔵方法として、当初は、液体水素や吸蔵合金が検討されたが、自然蒸発や吸蔵量等、それぞれに解決できない問題があり、最近では、軽量で高耐圧のボンベが開発されたこともあって、３５０気圧又はそれ以上の高圧で圧縮してボンベに充填し、貯蔵や輸送をする高圧水素が広く注目されている。
【０００９】
また、水の電気分解は、それ自身が昇圧能力を有しているので、１０００気圧以上の高圧水素を発生することも夢ではない。
水電解による高圧水素発生が実現できると、定期的に点検して消耗部品を取替える等の保守作業が必要なく、自然エネルギーを水素に変換するのに必要とされている長期間の無保守無人自動運転が実現できる。
しかも、コンプレッサー等の機械的昇圧機を用いる場合に比べて昇圧効率が高く、圧縮動力が少なくて済む等多くの利点を有するので、ＰＥＭ水電解によるエネルギー用高圧水素発生に多くの期待が集まっている。
【００１０】
ＰＥＭ水電解による水素発生装置は、両面に白金等の触媒電極を形成したＰＥＭを、純水やガスの通り道が確保できる多孔質給電体で挟み込んで形成したユニットセルの複数を、積層した水電解セルで構成されるもので、各ユニットセルが積層され、各ユニットセルを仕切る電極板は、陽極であると共に、つぎのユニットセルの陰極をも兼ねるので複極と呼ばれ、前記ユニットセルを積層して構成されるＰＥＭ水電解セルは、複極式で積層型の水電解セルと呼ぶことができ、これを使用した高性能な高圧水素製造装置の出現に多くの期待が集まっている。
【００１１】
しかしながら、この複極式で積層型の水電解セルは、現状では耐圧が低く、得られる高圧水素は、せいぜい数気圧〜数１０気圧程度の高圧水素で、水素のエネルギー利用で必要とされる３５０気圧又はそれ以上の高圧の水素を発生するには、コンプレッサー等の機械的昇圧装置を必要としているので、水電解セルの低耐圧性の問題を解決して、電気分解だけで水素のエネルギー利用に必要とされる高圧水素を製造できる高圧水素発生装置の出現が待たれていた。
【００１２】
これを最初に可能にしたのは、特許第３，２２０，６０７号（米国においては特許５，６９０，７９７号）で、この発明は、複極式の積層型水電解セルのＰＥＭに作用する力が、陰極に発生する水素と陽極に発生する酸素との差圧であること、水電解セルのシール部に作用する力が、水電解セル内の水素及び酸素の圧力と、水電解セルの外の圧力との差圧であることに着目し、純水と酸素を貯留する高圧容器内の純水中に水電解セルを浸漬して、水素を貯留する高圧容器内の圧力と、水電解セルを貯留する高圧容器内の圧力とを等しくなるように制御し、ＰＥＭ及び水電解セルのシール部に作用する差圧を、水電解セルの耐圧以内に制御することによって、水電解セルの耐圧以上の、高圧の水素及び酸素を発生しても、水電解セルには、耐圧以内の差圧しか作用しないようにし、高圧の水素の発生を可能にしたのである。
【００１３】
しかし、この発明では、水電解セルを純水中に浸漬しているので、純水の水質が低下すると、その比抵抗が低下するため、水電解セルの電極間の漏電が問題となるので、水電解セルが浸漬されている純水を循環させてイオン交換樹脂で再生し続け、純水比抵抗低下を防ぐことが必要となるが、水電解セルを浸漬している純水は温度８０℃又はそれ以上の高温で、しかも、３５０気圧又はそれ以上の高い圧力が作用するため、このような高温高圧下で使用できるイオン交換樹脂がなく、純水比抵抗低下による漏電等の問題が解決できなかった。さらに、水と高圧酸素が共存すると、電解腐食が発生し易く、このような環境の高圧容器内に電極を有する水電解セルを設置することは問題で、１０気圧以上の圧力の水素を安定的に発生させるには、種々の解決すべき問題点を有していた。
【００１４】
そこで、純水の比抵抗の低下及び電解腐食の問題を防ぐため、複極式で積層型の水電解セルを、絶縁性液体が充満された高圧容器内に収納する特開２００１−１３０９０１号公報が提案されたが、水電解セルを浸漬する絶縁性液体に実用性のあるものが存在せず、存在するとしても、それらが人工的に合成された液体であって、漏洩によって地下水や土壌を汚染するおそれがある限り、実現性に乏しいことが分かった。
【００１５】
これらの問題点を解決するため、発明者は、水電解セルの陰極に発生する水素と、水素イオンの移動に同伴して陽極から透過する純水を、貯留して分離する高圧容器の水素中に、水電解セルを収納するようにした高圧水素製造装置（特願２００２−０１９７１３号）を提案した。
【００１６】
この発明は、電解腐食や純水の比抵抗の低下に関連する問題を一気に解決するだけでなく、水電解セルが破損するような装置の異常に対しても、純水が酸素と水素を隔離する働きをし、水素と酸素が混合して爆鳴気が生ずることを防止し、安全性をも飛躍的に向上させたのである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この発明においても、水素発生圧力を極めて高いものにするには、差圧制御精度が問題として発現してきた。
すなわち、差圧制御精度をＳ（％）、水電解セルの耐圧をＰｓ、水電解セルから発生する水素（又は酸素）の圧力をＰとすると、それらの間には、以下の式（１）に示される関係が存在する。
【００１８】
Ｓ ≧（Ｐｓ／Ｐ）＊１００ （１）
【００１９】
上記の式（１）から、発生圧力Ｐを高くするには、Ｐｓを大きくするか、差圧制御精度Ｓをより高精度化するかのどちらか、又は、両方が必要となることが分かるが、現状では、差圧制御精度Ｓには限度があるので、発生できる水素（又は酸素）の圧力Ｐは、結局は、水電解セルの耐圧Ｐｓで定まることになる。
【００２０】
たとえば、Ｓ≒１％程度とし、許容耐圧４気圧程度のセルを用いたとすると、式（１）から、４００気圧程度までの高圧水素が発生できることが分かる。
【００２１】
したがって、当面必要とされている３５０気圧程度の水素発生は、原理的には可能であるが、より安定して安全に３５０気圧の水素を発生させるためには、水電解セルの耐圧を低下させている要因を排除することが求められている。
【００２２】
さらに、発生圧力を高くすると、高圧容器の壁厚は、容器径の二乗に比例して厚くする必要があり、壁厚が厚くなると、加工や取扱が難しく、コスト的にも不利益となるので、容器径をできるだけ小さくすることが求められる。
【００２３】
また、水素をエネルギーとして利用する場合、最終的には、７００気圧程度の圧縮水素が必要になると考えられ、それに耐える高圧水素製造装置の実現が期待されている。
【００２４】
かかる現状に鑑み、発明者は、３５０気圧又はそれ以上の高圧の水素をコンプレッサー等の機械的な昇圧手段を用いることなく安定に、しかも、安全に発生できる高圧水素製造装置を提供することを目的として開発を行い、
１）複極式で積層型の水電解セルの締め付け固定を、水電解セルの外周に設けられていたボルトによることを止めて、押え部材の加圧力で圧締めすること
２）陰極で発生する水素と透過純水との取り出しを、セル複極電極の側壁に、陰極に連通する放出口を設けて、水電解セルの各陰極から直接、水素高圧容器内に放出すること、
３）電解する純水の供給を、水電解セル中央に設けられた孔により形成された、純水供給経路から行なうこと、
などの手段によって、前記の課題を解決できることを見出し、この発明を完成させたものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、この発明の請求項１に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを高圧容器内に設けた載置台上に設けるとともに、水電解セルの上部から高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具によって挟み付けて、複数の複極電極を圧締状態で保持したこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持するとともに、
各複極電極の中央部に、純水供給路を形成したこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２７】
さらに、請求項３に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持し、
前記各複極電極の中央部に純水供給路を、各複極電極の陽極側に酸素および純水の排出口をそれぞれ設け、
これら酸素および純水の排出口に接するように各複極電極の外周部に上下方向に酸素排出路を形成し、
陰極側には、水素および純水を高圧容器へ直接排出するための排出口を設けたこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２８】
この発明の請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記複極電極は、
その形状が円盤状であること
を特徴とするものである。
【００２９】
また、この発明の請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記固体高分子電解質膜は、
その外周にシート状のシール材が設けられた状態で、前記複極電極に固定されていること
を特徴とするものである。
【００３０】
また、この発明の請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載の高圧水素製造装置において、
前記シール材は、
固体高分子電解質膜より薄く、かつ該電解質膜より硬い材質のもので調製されていること
を特徴とするものである。
【００３１】
また、この発明の請求項７に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記圧締状態にある水電解セルは、
複数の複極電極が、多段状態に配置されていること
を特徴とするものである。
【００３２】
また、この発明の請求項８に記載の発明は、
請求項１に記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルの載置台は、
純水を、前記純水供給路に供給する純水供給口を有すること
を特徴とするものである。
【００３３】
また、この発明の請求項９に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記押え治具は、
水電解セルの上部に固定される治具主体と、この治具内に装着されるバネ体と、このバネ体を付勢する、一端が高圧容器内に保持される押えネジとで構成されていること
を特徴とするものである。
【００３４】
また、この発明の請求項１０に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記複極電極は、
上下方向に積層され、上面が陽極、下面が陰極とされていること
を特徴とするものである。
【００３５】
また、この発明の請求項１１に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記多孔質給電体は、
水電解セルの内部に熔接により固定されていること
を特徴とするものである。
【００３６】
また、この発明の請求項１２に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨されていること
を特徴とするものである。
【００３７】
また、この発明の請求項１３に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨され、その表面がカーボン皮膜で被覆されていること
を特徴とするものである。
【００３８】
また、この発明の請求項１４に記載の発明は、
請求項１３に記載の高圧水素製造装置において、
前記カーボン皮膜は、
ＥＣＲプラズマ堆積方法で形成されたこと
を特徴とするものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる高圧水素製造装置を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
図１は、この発明の一実施例である高圧水素製造装置１の断面図で、高圧水素製造装置１においては、複極式で積層型の水電解セル３が水素高圧容器２内に、上下方向に配置されている。
【００４１】
この水電解セル３は、図１で明らかなように、円盤状の陰極主電極４と陽極主電極５との間に、両面に白金からなる触媒層が形成されたリング状の固体高分子電解質膜６、及び多孔質給電体１１からなるリング状の複極電極７，７・・・の複数を、上下方向において相対する多孔質給電体１１間に分離壁１６を介在させながら積層して構成したもので、水素高圧容器２内に設けられた載置台１７上に載置するとともに、陽極主電極５を、バネ体１９による加圧力を有する押え治具２３によって下方に圧締している。
【００４２】
なお、前記の押え治具２３は、水電解セル３の上部に固定される筒状の治具主体１８と、この治具主体１８内に装着されるバネ体１９と、このバネ体１９を付勢する、一端が高圧容器２内に保持される押えネジ２０とで構成されているもので、図１においては、便宜上１つのみ表示しているが、実際は、複数個を対称的に配置し、水電解セル３を均一に押え、圧締めしているもので、水電解セル３の圧締めは、バネ体１９による加圧力以外にも、油圧などで行なうこともできる。
【００４３】
複数の複極電極７を積層することによって形成される水電解セル３には、各複極電極７の外周部上に、上下方向において相互に連通するよう透孔９，９・・・を形成して酸素等排出路Ａを設けるとともに、この酸素等排出路Ａに面して各複極電極７の陽極側に、酸素等の排出口１２を形成し、発生した酸素と電気分解しなかった純水を、排出口１２→酸素等排出路Ａ→酸素排出管４２を通じて高圧容器２外に排出し、陰極側には、水素等の排出口１０を径方向に形成し、陰極から発生した水素と透過する純水を、高圧容器２内に直接排出するよう構成されたものである。
【００４４】
さらに、水電解セル３の中央には、各複極電極７の中心部に、上下方向に互いに連通するよう形成された透孔８，８・・・によって電解用の純水を供給する純水供給路Ｂが形成され、この純水供給路Ｂには、高圧容器２外から純水を供給する純水供給管４７を接続し、この純水供給路Ｂに接する陽極側に形成された純水供給口８ａを介し、純水が多孔質給電体１１に供給される。
【００４５】
さらにまた、水電解セル３の上部には、外部から電力を供給するためのリード線３２が結合されている。
【００４６】
前記の固体高分子電解質膜６は、押え治具２３で圧締する際、固体高分子電解質膜６が押し潰されないように加圧力を調整するが、その調整で許容される範囲が狭く、固体高分子電解質膜６を押し潰すおそれがあるので、固体高分子電解質膜６の外周外側にリング状に形成されたシート状のシール材２４を配置し、過大な圧締力が加わっても、固体高分子電解質膜６が押し潰されないようにし、良好なシール特性が得られるようにしてある。
【００４７】
このシール材２４は、固体高分子電解質膜６より薄くかつ硬いもので、電気的に良好な絶縁性を有するプラスチックのような材料で、リング状に形成されたもので、固体高分子電解質膜６とシール材２４の厚さ関係が、シール特性を得るために適切になっているか否かは、複極電極７で固体高分子電解質膜６とシール材２４を挟み、所定の圧力で圧締めして、その時の電気抵抗を測定することにより確認できる。
【００４８】
この測定によって不適切であるとされる時は、固体高分子電解質膜６とシール材２４の組合せを変更するか、厚さの異なるシール材２４を用意しておき、それらから適当な厚さのものを選択して用いることにより、良好な電気抵抗値を有する組合せを選び出すことができる。
また、シール材は、純水供給路Ｂを形成する透孔８の回りにもリング状に設けるのが好ましく、それにより、純水供給路Ｂとのシール性が向上する。
【００４９】
さらに、固体高分子電解質膜６やシート状のシール材２４が、複極電極７の重みで押し潰されることを防止するために、複極電極７の積層数を制限した水電解セルとし、その複数を多段状態に配置することが望ましい。
【００５０】
陰極主電極４は、載置台１７との接触により水素高圧容器２と同通し、陽極主電極５を高圧容器２から絶縁した状態とすることができ、高圧容器２をアース（図示せず）に接続すると、陰極主電極４はアース電位となり、陽極主電極５はアース電位から絶縁された状態となり、電流導入端子２７とアース間に電源を接続すると、水電解セル３に電力が供給される。
【００５１】
電流導入端子２７からリード線３２を介して陽極主電極５に水の電気分解に必要な電力を供給し、純水供給管４７から純水を供給すると、純水供給路Ｂに接する陽極に設けられた各純水供給口８ａから多孔質給電体１１に純水が供給され、純水の電気分解で発生した酸素と、電気分解しなかった純水が、排出口１２を介して複数の透孔９，９・・・からなる酸素等排出路Ａに集まり、酸素排出管４２を経て、図示しない酸素貯留高圧容器（図示せず）に戻される。
【００５２】
また、陰極に発生する水素及び透過純水は、排出口１０から高圧容器２内に直接放出され、透過純水は純水排出管４８から排出され、排水槽（図示せず）に集められ、高圧容器２に貯留された水素は、高圧容器２に形成された水素供給口３８から取り出される。
【００５３】
酸素貯留高圧容器（図示せず）の酸素圧と、高圧容器２内の水素の圧が同じ圧になるように制御すると、固体高分子電解質膜６の両端に作用する差圧、及び固体高分子電解質膜６でシールされる複極電極７間のシール部２４に作用する差圧を０にすることも可能で、通常運転に際しては、水電解セル３の耐圧以内に水素と酸素の差圧を制御することにより、高圧容器２に貯留される水素の圧力が、セル耐圧以上に高くなっても、固体高分子電解質膜６が破損したり、シール部２４から酸素が高圧容器２内に漏洩したりすることはない。
【００５４】
図２は、図１に示した水電解セル３の分解斜視図であって、水電解セル３は、陰極主電極４と陽極主電極５との間に、リング状の固体高分子電解質膜６と、その外周部に設けられたリング状に形成されたシート状のシール材２４の複数と、同径でリング状の複極電極７の複数とを、上下方向に積層して構成したものであって、各部材の陽極側には、発生した酸素及び電気分解しなかった純水を高圧容器２外に排出するための排出口１２が、また、陰極側には、発生した水素と透過する純水とを、高圧容器２内に直接排出するための排出孔１０がそれぞれ形成されている。
【００５５】
また、陽極主電極５を除いて、各部材の中央部には、電解用の純水を供給するための純水供給路Ｂを形成する透孔８が設けられ、複極電極７の内部には、陽極に純水を供給する純水供給口８ａが形成され、陽極主電極５には、純水供給路Ｂの末端を封止するための封止部５ａと、孔とそれに接続する純水供給口８ａと、酸素等の排出口１２が設けられている。
【００５６】
さらに、各複極電極７の側壁には、陰極で発生した水素と、透過してきた純水を、高圧容器２内に排出するための陰極に連通する水素等の排出口１０が設けられている。
【００５７】
したがって、図２からも明らかであるが、陰極主電極４の中央に形成された純水供給路Ｂから供給された純水は、純水供給口８ａから陽極の多孔質給電体１１に分配され、陽極で発生した酸素及び未分解の純水は、酸素等の排出口１２から酸素排出路Ａに流入し、酸素排出管４２を通って、高圧容器２外に取り出され、陰極で発生した水素と透過純水は、水素等の排出口１０から、直接、高圧容器２内へ放出される。
【００５８】
なお、前記多孔質給電体１１はチタンメッシュなどからなるもので、複極電極７の内壁面に、その端面が熔接により固定され、両面に白金触媒が形成された固体高分子電解質膜６と接触する面は、研磨して平滑に仕上げられ、その表面にＥＣＲプラズマ堆積方法で形成されたカーボン皮膜が施されている。
【００５９】
また、図２において、水電解セル３を構成する各部材には、組立てを容易にするため、外周部に軸方向に沿って位置決め用の溝２２が設けられている。
【００６０】
図３は、陽極に供給した純水の水流の様子を表す説明図で、図中、矢印は純水水流を示し、純水は、中央部に設けられた純水供給路Ｂから純水供給口８ａに供給され、３６０°の広がりを持って、複極電極７の内周壁に向かって流れ、テーパー状に形成され、対称に設けられた酸素等の排出口１２を通って、透孔９によって形成される酸素排出路Ａに流入する。
【００６１】
【発明の効果】
この発明の高圧水素製造装置は、触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、この水電解セルの下部を高圧容器内に設けた載置台上に設け、その上部を高圧容器内に配置した押え治具によって、圧締状態で保持したので、セル径が小さくし、高圧容器自体の直径をより小さくすることができる。
【００６２】
特に、壁厚を容器自体の直径の２乗に比例して厚くしなければならない高圧容器において、この発明のように締め付けボルトを不要とすることによって、セル径を１／１．５〜１／２に小さくできるので、それに応じて高圧容器の直径を小さくでき、その結果として壁厚を、従来に比べ１／２〜１／４に薄くできるといった優れた効果が奏される。
【００６３】
また、セル径が小さくなっても、水電解セルの実効的能力である固体高分子電解質膜の水電解に寄与する部分の面積を減少させるものではないので、水電解の能力を低下させることがなく、水電解効率を格段に向上させるものである。
【００６４】
さらに、この発明においては、加圧力を有する押え部材の使用によって、水電解セルの締め付けの均一化を容易にし、その結果として、セル耐圧を高くすることができるのである。
【００６５】
換言すると、この発明では、押え部材を用いて水電解セルの上端部を下方に圧締しているので、水電解セルを締め付ける力点が水電解セル中央部に移動し、水電解セルをより均一に締め付けることができ、シール部からの漏洩がない。
【００６６】
また、この発明では、純水の供給を、水電解セルの中央に設けた純水供給路から行い、発生した酸素と未分解の純水の取り出しを、複極電極の内部の陽極側に上下方向に連通させて設けた酸素排出路を通じて行なうようにしたので、水電解セルの中央部から外周部に向かう均一な純水流が形成でき、ＰＥＭの局所的加熱を防止し、ＰＥＭが局所的軟化を起こして、耐圧が低下することが防止できる。
【００６７】
また、この発明では、陰極で発生した水素と透過純水は、複極電極の陰極側の外周部に形成した水素等の排出口から、高圧容器内に直接放出されるので、水電解セル径をより小さくできるという効果も奏されるのである。
【００６８】
また、この発明では、複極電極内に多孔質給電体を熔接などにより固定し、その表面を研磨しているので、ＰＥＭが均一に締め付けられると共に、突起や段差で傷つけられることがなく、耐圧を低下させ、あるいはシール特性を阻害させるなどの耐圧低下の要因が除去される。
【００６９】
この発明は、以上のような新規な水電解セル構造の採用により、水電解セルの耐圧の劣化要因を排除し、安定して高圧の水素を発生させることができ、安全性も向上し、しかも、水電解セルを収納する高圧容器の径を小さくでき、容器壁厚も薄くできるなど性能的にも、経済的にも多くの効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明にかかる高圧水素製造装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】 図１における水電解セルの分解斜視図である。
【図３】 この発明の水電解セルの陽極における純水流を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 高圧水素製造装置
２ 高圧容器
３ 複極式で積層型の水電解セル
４ 陰極主電極
５ 陽極主電極
６ 固体高分子電解質膜
７ 複極電極
Ａ 酸素排出路
Ｂ 純水供給路
１０ 水素等の排出口
１１ 多孔質給電体
１２ 酸素等の排出口
１６ 分離壁
１７ 載置台
１９ バネ体
２３ 押え治具
２４ シート状のシール材
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を用いて純水を電気分解することによって、コンプレッサー等の機械的な昇圧装置を用いることなく、水素のエネルギー利用等で必要とされている高圧水素（圧縮水素ガス）を、直接、製造する高圧水素製造装置に関するものであって、水素クリーンエネルギー関連技術に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭や石油などの化石燃料をエネルギーとすることには、使用に伴って排出される二酸化炭素が地球温暖化の原因となり、窒素酸化物やイオウ酸化物が人の健康を損ねたり、酸性雨を降らせたりする原因となるという問題が存在する。
また、化石燃料には、埋蔵量に限りがあるので、早晩枯渇するというより根本的な問題も存在しているので、これらの問題の発生を抑えるために、化石燃料の消費を抑え又は止め、化石燃料の代替が可能で、かつ、再生も可能なクリーンな自然エネルギーを利用するための技術開発が求められている。
【０００３】
化石燃料の代替としての自然エネルギーは、その最大なものが太陽エネルギーである。
しかしながら、太陽から地球が受ける１時間分のエネルギーは、人類が今日消費している１年分以上のエネルギーに匹敵し、太陽エネルギーは、それだけで人類のエネルギー需要を賄うことも夢ではないものである。
【０００４】
さらに、自然エネルギーの代表的な利用形態には、太陽光発電や風力発電、水力発電等がよく知られている。
自然エネルギーは、電力として取り出されるのが一般的であるものの、電力は、貯蔵や持ち運びが難しく、電力を貯蔵する方法として、電池に充電する方法があるが、電池は重く、自己放電により使用していない間にも消耗する等の問題を有している。
【０００５】
そのため、これからのエネルギーにとり最重要事項は、貯蔵でき、持ち運ぶことが容易で、必要な時に必要な所で幅広く利用できるということで、エネルギーとして、自然エネルギーで得た電力を、純水の電気分解（水電解）によりクリーンな水素エネルギーに変換して貯蔵できるようにし、この水素を石油に代わるエネルギーとして使用することが考えられ、２１世紀は、水素をエネルギーとする水素経済社会になるとも云われている。
【０００６】
このような水素経済社会にするため、水素をエネルギーとして効率良く使用できることが必要である。
その手段として、水素を燃料とする燃料電池（以下、ＰＥＦＣと云う。）の開発が進められ、自動車や家庭用自家発電等に広く普及させ、自然エネルギーで製造した水素を燃料にできるようになると、二酸化炭素による地球温暖化の心配のない水素経済社会が実現できると考えられ、その前提条件として、自然エネルギーで効率良く水素を製造することが重要課題であるとされている。
【０００７】
自然エネルギーで効率良く水素を製造する方法としては、陰極と陽極とを分離する隔膜に、ガス透過性を有するアスベスト等の多孔質膜を使用する、公知のアルカリ水電解に比べ、効率良く水を水素に変換できる上に、起動停止が自由に行なうことができ、自然エネルギーで発電した変動の激しい電力からでも、水素を問題なく製造することができるという特長を有する、ＰＥＦＣの逆反応で、純水を電気分解し、水素と酸素にする固体高分子電解質膜（以下、ＰＥＭと云う。）による水電解（以下、ＰＥＭ水電解と云う。）が注目されている。
【０００８】
しかしながら、水素は気体であるので、エネルギーとして利用する際の貯蔵や輸送には特別な配慮が必要である。
貯蔵方法として、当初は、液体水素や吸蔵合金が検討されたが、自然蒸発や吸蔵量等、それぞれに解決できない問題があり、最近では、軽量で高耐圧のボンベが開発されたこともあって、３５０気圧又はそれ以上の高圧で圧縮してボンベに充填し、貯蔵や輸送をする高圧水素が広く注目されている。
【０００９】
また、水の電気分解は、それ自身が昇圧能力を有しているので、１０００気圧以上の高圧水素を発生することも夢ではない。
水電解による高圧水素発生が実現できると、定期的に点検して消耗部品を取替える等の保守作業が必要なく、自然エネルギーを水素に変換するのに必要とされている長期間の無保守無人自動運転が実現できる。
しかも、コンプレッサー等の機械的昇圧機を用いる場合に比べて昇圧効率が高く、圧縮動力が少なくて済む等多くの利点を有するので、ＰＥＭ水電解によるエネルギー用高圧水素発生に多くの期待が集まっている。
【００１０】
ＰＥＭ水電解による水素発生装置は、両面に白金等の触媒電極を形成したＰＥＭを、純水やガスの通り道が確保できる多孔質給電体で挟み込んで形成したユニットセルの複数を、積層した水電解セルで構成されるもので、各ユニットセルが積層され、各ユニットセルを仕切る電極板は、陽極であると共に、つぎのユニットセルの陰極をも兼ねるので複極と呼ばれ、前記ユニットセルを積層して構成されるＰＥＭ水電解セルは、複極式で積層型の水電解セルと呼ぶことができ、これを使用した高性能な高圧水素製造装置の出現に多くの期待が集まっている。
【００１１】
しかしながら、この複極式で積層型の水電解セルは、現状では耐圧が低く、得られる高圧水素は、せいぜい数気圧〜数１０気圧程度の高圧水素で、水素のエネルギー利用で必要とされる３５０気圧又はそれ以上の高圧の水素を発生するには、コンプレッサー等の機械的昇圧装置を必要としているので、水電解セルの低耐圧性の問題を解決して、電気分解だけで水素のエネルギー利用に必要とされる高圧水素を製造できる高圧水素発生装置の出現が待たれていた。
【００１２】
これを最初に可能にしたのは、特許第３，２２０，６０７号（米国においては特許５，６９０，７９７号）で、この発明は、複極式の積層型水電解セルのＰＥＭに作用する力が、陰極に発生する水素と陽極に発生する酸素との差圧であること、水電解セルのシール部に作用する力が、水電解セル内の水素及び酸素の圧力と、水電解セルの外の圧力との差圧であることに着目し、純水と酸素を貯留する高圧容器内の純水中に水電解セルを浸漬して、水素を貯留する高圧容器内の圧力と、水電解セルを貯留する高圧容器内の圧力とを等しくなるように制御し、ＰＥＭ及び水電解セルのシール部に作用する差圧を、水電解セルの耐圧以内に制御することによって、水電解セルの耐圧以上の、高圧の水素及び酸素を発生しても、水電解セルには、耐圧以内の差圧しか作用しないようにし、高圧の水素の発生を可能にしたのである。
【００１３】
しかし、この発明では、水電解セルを純水中に浸漬しているので、純水の水質が低下すると、その比抵抗が低下するため、水電解セルの電極間の漏電が問題となるので、水電解セルが浸漬されている純水を循環させてイオン交換樹脂で再生し続け、純水比抵抗低下を防ぐことが必要となるが、水電解セルを浸漬している純水は温度８０℃又はそれ以上の高温で、しかも、３５０気圧又はそれ以上の高い圧力が作用するため、このような高温高圧下で使用できるイオン交換樹脂がなく、純水比抵抗低下による漏電等の問題が解決できなかった。さらに、水と高圧酸素が共存すると、電解腐食が発生し易く、このような環境の高圧容器内に電極を有する水電解セルを設置することは問題で、１０気圧以上の圧力の水素を安定的に発生させるには、種々の解決すべき問題点を有していた。
【００１４】
そこで、純水の比抵抗の低下及び電解腐食の問題を防ぐため、複極式で積層型の水電解セルを、絶縁性液体が充満された高圧容器内に収納する特開２００１−１３０９０１号公報が提案されたが、水電解セルを浸漬する絶縁性液体に実用性のあるものが存在せず、存在するとしても、それらが人工的に合成された液体であって、漏洩によって地下水や土壌を汚染するおそれがある限り、実現性に乏しいことが分かった。
【００１５】
これらの問題点を解決するため、発明者は、水電解セルの陰極に発生する水素と、水素イオンの移動に同伴して陽極から透過する純水を、貯留して分離する高圧容器の水素中に、水電解セルを収納するようにした高圧水素製造装置（特願２００２−０１９７１３号）を提案した。
【００１６】
この発明は、電解腐食や純水の比抵抗の低下に関連する問題を一気に解決するだけでなく、水電解セルが破損するような装置の異常に対しても、純水が酸素と水素を隔離する働きをし、水素と酸素が混合して爆鳴気が生ずることを防止し、安全性をも飛躍的に向上させたのである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この発明においても、水素発生圧力を極めて高いものにするには、差圧制御精度が問題として発現してきた。
すなわち、差圧制御精度をＳ（％）、水電解セルの耐圧をＰｓ、水電解セルから発生する水素（又は酸素）の圧力をＰとすると、それらの間には、以下の式（１）に示される関係が存在する。
【００１８】
Ｓ ≧（Ｐｓ／Ｐ）＊１００ （１）
【００１９】
上記の式（１）から、発生圧力Ｐを高くするには、Ｐｓを大きくするか、差圧制御精度Ｓをより高精度化するかのどちらか、又は、両方が必要となることが分かるが、現状では、差圧制御精度Ｓには限度があるので、発生できる水素（又は酸素）の圧力Ｐは、結局は、水電解セルの耐圧Ｐｓで定まることになる。
【００２０】
たとえば、Ｓ≒１％程度とし、許容耐圧４気圧程度のセルを用いたとすると、式（１）から、４００気圧程度までの高圧水素が発生できることが分かる。
【００２１】
したがって、当面必要とされている３５０気圧程度の水素発生は、原理的には可能であるが、より安定して安全に３５０気圧の水素を発生させるためには、水電解セルの耐圧を低下させている要因を排除することが求められている。
【００２２】
さらに、発生圧力を高くすると、高圧容器の壁厚は、容器径の二乗に比例して厚くする必要があり、壁厚が厚くなると、加工や取扱が難しく、コスト的にも不利益となるので、容器径をできるだけ小さくすることが求められる。
【００２３】
また、水素をエネルギーとして利用する場合、最終的には、７００気圧程度の圧縮水素が必要になると考えられ、それに耐える高圧水素製造装置の実現が期待されている。
【００２４】
かかる現状に鑑み、発明者は、３５０気圧又はそれ以上の高圧の水素をコンプレッサー等の機械的な昇圧手段を用いることなく安定に、しかも、安全に発生できる高圧水素製造装置を提供することを目的として開発を行い、
１）複極式で積層型の水電解セルの締め付け固定を、水電解セルの外周に設けられていたボルトによることを止めて、押え部材の加圧力で圧締めすること
２）陰極で発生する水素と透過純水との取り出しを、セル複極電極の側壁に、陰極に連通する放出口を設けて、水電解セルの各陰極から直接、水素高圧容器内に放出すること、
３）電解する純水の供給を、水電解セル中央に設けられた孔により形成された、純水供給経路から行なうこと、
などの手段によって、前記の課題を解決できることを見出し、この発明を完成させたものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、この発明の請求項１に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを高圧容器内に設けた載置台上に設けるとともに、水電解セルの上部から高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具によって挟み付けて、複数の複極電極を圧締状態で保持したこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持するとともに、
各複極電極の中央部に、純水供給路を形成したこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２７】
さらに、請求項３に記載の発明は、
触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持し、
前記各複極電極の中央部に純水供給路を、各複極電極の陽極側に酸素および純水の排出口をそれぞれ設け、
これら酸素および純水の排出口に接するように各複極電極の外周部に上下方向に酸素排出路を形成し、
陰極側には、水素および純水を高圧容器へ直接排出するための排出口を設けたこと
を特徴とする高圧水素製造装置である。
【００２８】
この発明の請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記複極電極は、
その形状が円盤状であること
を特徴とするものである。
【００２９】
また、この発明の請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記固体高分子電解質膜は、
その外周にシート状のシール材が設けられた状態で、前記複極電極に固定されていること
を特徴とするものである。
【００３０】
また、この発明の請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載の高圧水素製造装置において、
前記シール材は、
固体高分子電解質膜より薄く、かつ該電解質膜より硬い材質のもので調製されていること
を特徴とするものである。
【００３１】
また、この発明の請求項７に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記圧締状態にある水電解セルは、
複数の複極電極が、多段状態に配置されていること
を特徴とするものである。
【００３２】
また、この発明の請求項８に記載の発明は、
請求項１に記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルの載置台は、
純水を、前記純水供給路に供給する純水供給口を有すること
を特徴とするものである。
【００３３】
また、この発明の請求項９に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記押え治具は、
水電解セルの上部に固定される治具主体と、この治具内に装着されるバネ体と、このバネ体を付勢する、一端が高圧容器内に保持される押えネジとで構成されていること
を特徴とするものである。
【００３４】
また、この発明の請求項１０に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記複極電極は、
上下方向に積層され、上面が陽極、下面が陰極とされていること
を特徴とするものである。
【００３５】
また、この発明の請求項１１に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記多孔質給電体は、
水電解セルの内部に熔接により固定されていること
を特徴とするものである。
【００３６】
また、この発明の請求項１２に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨されていること
を特徴とするものである。
【００３７】
また、この発明の請求項１３に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置において、
前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨され、その表面がカーボン皮膜で被覆されていること
を特徴とするものである。
【００３８】
また、この発明の請求項１４に記載の発明は、
請求項１３に記載の高圧水素製造装置において、
前記カーボン皮膜は、
ＥＣＲプラズマ堆積方法で形成されたこと
を特徴とするものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる高圧水素製造装置を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
図１は、この発明の一実施例である高圧水素製造装置１の断面図で、高圧水素製造装置１においては、複極式で積層型の水電解セル３が水素高圧容器２内に、上下方向に配置されている。
【００４１】
この水電解セル３は、図１で明らかなように、円盤状の陰極主電極４と陽極主電極５との間に、両面に白金からなる触媒層が形成されたリング状の固体高分子電解質膜６、及び多孔質給電体１１からなるリング状の複極電極７，７・・・の複数を、上下方向において相対する多孔質給電体１１間に分離壁１６を介在させながら積層して構成したもので、水素高圧容器２内に設けられた載置台１７上に載置するとともに、陽極主電極５を、バネ体１９による加圧力を有する押え治具２３によって下方に圧締している。
【００４２】
なお、前記の押え治具２３は、水電解セル３の上部に固定される筒状の治具主体１８と、この治具主体１８内に装着されるバネ体１９と、このバネ体１９を付勢する、一端が高圧容器２内に保持される押えネジ２０とで構成されているもので、図１においては、便宜上１つのみ表示しているが、実際は、複数個を対称的に配置し、水電解セル３を均一に押え、圧締めしているもので、水電解セル３の圧締めは、バネ体１９による加圧力以外にも、油圧などで行なうこともできる。
【００４３】
複数の複極電極７を積層することによって形成される水電解セル３には、各複極電極７の外周部上に、上下方向において相互に連通するよう透孔９，９・・・を形成して酸素等排出路Ａを設けるとともに、この酸素等排出路Ａに面して各複極電極７の陽極側に、酸素等の排出口１２を形成し、発生した酸素と電気分解しなかった純水を、排出口１２→酸素等排出路Ａ→酸素排出管４２を通じて高圧容器２外に排出し、陰極側には、水素等の排出口１０を径方向に形成し、陰極から発生した水素と透過する純水を、高圧容器２内に直接排出するよう構成されたものである。
【００４４】
さらに、水電解セル３の中央には、各複極電極７の中心部に、上下方向に互いに連通するよう形成された透孔８，８・・・によって電解用の純水を供給する純水供給路Ｂが形成され、この純水供給路Ｂには、高圧容器２外から純水を供給する純水供給管４７を接続し、この純水供給路Ｂに接する陽極側に形成された純水供給口８ａを介し、純水が多孔質給電体１１に供給される。
【００４５】
さらにまた、水電解セル３の上部には、外部から電力を供給するためのリード線３２が結合されている。
【００４６】
前記の固体高分子電解質膜６は、押え治具２３で圧締する際、固体高分子電解質膜６が押し潰されないように加圧力を調整するが、その調整で許容される範囲が狭く、固体高分子電解質膜６を押し潰すおそれがあるので、固体高分子電解質膜６の外周外側にリング状に形成されたシート状のシール材２４を配置し、過大な圧締力が加わっても、固体高分子電解質膜６が押し潰されないようにし、良好なシール特性が得られるようにしてある。
【００４７】
このシール材２４は、固体高分子電解質膜６より薄くかつ硬いもので、電気的に良好な絶縁性を有するプラスチックのような材料で、リング状に形成されたもので、固体高分子電解質膜６とシール材２４の厚さ関係が、シール特性を得るために適切になっているか否かは、複極電極７で固体高分子電解質膜６とシール材２４を挟み、所定の圧力で圧締めして、その時の電気抵抗を測定することにより確認できる。
【００４８】
この測定によって不適切であるとされる時は、固体高分子電解質膜６とシール材２４の組合せを変更するか、厚さの異なるシール材２４を用意しておき、それらから適当な厚さのものを選択して用いることにより、良好な電気抵抗値を有する組合せを選び出すことができる。
また、シール材は、純水供給路Ｂを形成する透孔８の回りにもリング状に設けるのが好ましく、それにより、純水供給路Ｂとのシール性が向上する。
【００４９】
さらに、固体高分子電解質膜６やシート状のシール材２４が、複極電極７の重みで押し潰されることを防止するために、複極電極７の積層数を制限した水電解セルとし、その複数を多段状態に配置することが望ましい。
【００５０】
陰極主電極４は、載置台１７との接触により水素高圧容器２と同通し、陽極主電極５を高圧容器２から絶縁した状態とすることができ、高圧容器２をアース（図示せず）に接続すると、陰極主電極４はアース電位となり、陽極主電極５はアース電位から絶縁された状態となり、電流導入端子２７とアース間に電源を接続すると、水電解セル３に電力が供給される。
【００５１】
電流導入端子２７からリード線３２を介して陽極主電極５に水の電気分解に必要な電力を供給し、純水供給管４７から純水を供給すると、純水供給路Ｂに接する陽極に設けられた各純水供給口８ａから多孔質給電体１１に純水が供給され、純水の電気分解で発生した酸素と、電気分解しなかった純水が、排出口１２を介して複数の透孔９，９・・・からなる酸素等排出路Ａに集まり、酸素排出管４２を経て、図示しない酸素貯留高圧容器（図示せず）に戻される。
【００５２】
また、陰極に発生する水素及び透過純水は、排出口１０から高圧容器２内に直接放出され、透過純水は純水排出管４８から排出され、排水槽（図示せず）に集められ、高圧容器２に貯留された水素は、高圧容器２に形成された水素供給口３８から取り出される。
【００５３】
酸素貯留高圧容器（図示せず）の酸素圧と、高圧容器２内の水素の圧が同じ圧になるように制御すると、固体高分子電解質膜６の両端に作用する差圧、及び固体高分子電解質膜６でシールされる複極電極７間のシール部２４に作用する差圧を０にすることも可能で、通常運転に際しては、水電解セル３の耐圧以内に水素と酸素の差圧を制御することにより、高圧容器２に貯留される水素の圧力が、セル耐圧以上に高くなっても、固体高分子電解質膜６が破損したり、シール部２４から酸素が高圧容器２内に漏洩したりすることはない。
【００５４】
図２は、図１に示した水電解セル３の分解斜視図であって、水電解セル３は、陰極主電極４と陽極主電極５との間に、リング状の固体高分子電解質膜６と、その外周部に設けられたリング状に形成されたシート状のシール材２４の複数と、同径でリング状の複極電極７の複数とを、上下方向に積層して構成したものであって、各部材の陽極側には、発生した酸素及び電気分解しなかった純水を高圧容器２外に排出するための排出口１２が、また、陰極側には、発生した水素と透過する純水とを、高圧容器２内に直接排出するための排出孔１０がそれぞれ形成されている。
【００５５】
また、陽極主電極５を除いて、各部材の中央部には、電解用の純水を供給するための純水供給路Ｂを形成する透孔８が設けられ、複極電極７の内部には、陽極に純水を供給する純水供給口８ａが形成され、陽極主電極５には、純水供給路Ｂの末端を封止するための封止部５ａと、孔とそれに接続する純水供給口８ａと、酸素等の排出口１２が設けられている。
【００５６】
さらに、各複極電極７の側壁には、陰極で発生した水素と、透過してきた純水を、高圧容器２内に排出するための陰極に連通する水素等の排出口１０が設けられている。
【００５７】
したがって、図２からも明らかであるが、陰極主電極４の中央に形成された純水供給路Ｂから供給された純水は、純水供給口８ａから陽極の多孔質給電体１１に分配され、陽極で発生した酸素及び未分解の純水は、酸素等の排出口１２から酸素排出路Ａに流入し、酸素排出管４２を通って、高圧容器２外に取り出され、陰極で発生した水素と透過純水は、水素等の排出口１０から、直接、高圧容器２内へ放出される。
【００５８】
なお、前記多孔質給電体１１はチタンメッシュなどからなるもので、複極電極７の内壁面に、その端面が熔接により固定され、両面に白金触媒が形成された固体高分子電解質膜６と接触する面は、研磨して平滑に仕上げられ、その表面にＥＣＲプラズマ堆積方法で形成されたカーボン皮膜が施されている。
【００５９】
また、図２において、水電解セル３を構成する各部材には、組立てを容易にするため、外周部に軸方向に沿って位置決め用の溝２２が設けられている。
【００６０】
図３は、陽極に供給した純水の水流の様子を表す説明図で、図中、矢印は純水水流を示し、純水は、中央部に設けられた純水供給路Ｂから純水供給口８ａに供給され、３６０°の広がりを持って、複極電極７の内周壁に向かって流れ、テーパー状に形成され、対称に設けられた酸素等の排出口１２を通って、透孔９によって形成される酸素排出路Ａに流入する。
【００６１】
【発明の効果】
この発明の高圧水素製造装置は、触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して複極式で積層型の水電解セルを構成し、この水電解セルの下部を高圧容器内に設けた載置台上に設け、その上部を高圧容器内に配置した押え治具によって、圧締状態で保持したので、セル径が小さくし、高圧容器自体の直径をより小さくすることができる。
【００６２】
特に、壁厚を容器自体の直径の２乗に比例して厚くしなければならない高圧容器において、この発明のように締め付けボルトを不要とすることによって、セル径を１／１．５〜１／２に小さくできるので、それに応じて高圧容器の直径を小さくでき、その結果として壁厚を、従来に比べ１／２〜１／４に薄くできるといった優れた効果が奏される。
【００６３】
また、セル径が小さくなっても、水電解セルの実効的能力である固体高分子電解質膜の水電解に寄与する部分の面積を減少させるものではないので、水電解の能力を低下させることがなく、水電解効率を格段に向上させるものである。
【００６４】
さらに、この発明においては、加圧力を有する押え部材の使用によって、水電解セルの締め付けの均一化を容易にし、その結果として、セル耐圧を高くすることができるのである。
【００６５】
換言すると、この発明では、押え部材を用いて水電解セルの上端部を下方に圧締しているので、水電解セルを締め付ける力点が水電解セル中央部に移動し、水電解セルをより均一に締め付けることができ、シール部からの漏洩がない。
【００６６】
また、この発明では、純水の供給を、水電解セルの中央に設けた純水供給路から行い、発生した酸素と未分解の純水の取り出しを、複極電極の内部の陽極側に上下方向に連通させて設けた酸素排出路を通じて行なうようにしたので、水電解セルの中央部から外周部に向かう均一な純水流が形成でき、ＰＥＭの局所的加熱を防止し、ＰＥＭが局所的軟化を起こして、耐圧が低下することが防止できる。
【００６７】
また、この発明では、陰極で発生した水素と透過純水は、複極電極の陰極側の外周部に形成した水素等の排出口から、高圧容器内に直接放出されるので、水電解セル径をより小さくできるという効果も奏されるのである。
【００６８】
また、この発明では、複極電極内に多孔質給電体を熔接などにより固定し、その表面を研磨しているので、ＰＥＭが均一に締め付けられると共に、突起や段差で傷つけられることがなく、耐圧を低下させ、あるいはシール特性を阻害させるなどの耐圧低下の要因が除去される。
【００６９】
この発明は、以上のような新規な水電解セル構造の採用により、水電解セルの耐圧の劣化要因を排除し、安定して高圧の水素を発生させることができ、安全性も向上し、しかも、水電解セルを収納する高圧容器の径を小さくでき、容器壁厚も薄くできるなど性能的にも、経済的にも多くの効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明にかかる高圧水素製造装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】 図１における水電解セルの分解斜視図である。
【図３】 この発明の水電解セルの陽極における純水流を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 高圧水素製造装置
２ 高圧容器
３ 複極式で積層型の水電解セル
４ 陰極主電極
５ 陽極主電極
６ 固体高分子電解質膜
７ 複極電極
Ａ 酸素排出路
Ｂ 純水供給路
１０ 水素等の排出口
１１ 多孔質給電体
１２ 酸素等の排出口
１６ 分離壁
１７ 載置台
１９ バネ体
２３ 押え治具
２４ シート状のシール材
Claims (14)
- 触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して、複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器内に設けた載置台上に設けるとともに、水電解セルの上部から、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具によって挟み付けて、複数の複極電極を圧締状態で保持したこと
を特徴とする高圧水素製造装置。 - 触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して、複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持するとともに、
各複極電極の中央部に、純水供給路を形成したこと
を特徴とする高圧水素製造装置。 - 触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜と、その両面に接する多孔質給電体からなる複極電極の複数を積層して、複極式で積層型の水電解セルを構成し、
前記水電解セルを、高圧容器の内壁部にその一端が固定維持されている押え治具を用いて、複数の複極電極を圧締状態で高圧容器内に保持し、
前記各複極電極の中央部に純水供給路を、各複極電極の陽極側に酸素および純水の排出口をそれぞれ設け、
これら酸素および純水の排出口に接するように、各複極電極の外周部に上下方向に酸素排出路を形成し、
陰極側には、水素および純水を高圧容器へ直接排出するための排出口を設けたこと
を特徴とする高圧水素製造装置。 - 前記複極電極は、
その形状が円盤状であること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記固体高分子電解質膜は、
その外周にシート状のシール材が設けられた状態で、前記複極電極に固定されていること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記シール材は、
固体高分子電解質膜より薄く、かつ該電解質膜より硬い材質のもので調製されていること
を特徴とする請求項５に記載の高圧水素製造装置。 - 前記圧締状態にある水電解セルは、
複数の複極電極が、多段状態に配置されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記水電解セルの載置台は、
純水を、前記純水供給路に供給する純水供給口を有すること
を特徴とする請求項１に記載の高圧水素製造装置。 - 前記押え治具は、
水電解セルの上部に固定される治具主体と、この治具内に装着されるバネ体と、このバネ体を付勢する、一端が高圧容器内に保持される押えネジとで構成されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記複極電極は、
上下方向に積層され、上面が陽極、下面が陰極とされていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記多孔質給電体は、
水電解セルの内部に熔接により固定されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記水電解セルは、
固体高分子電解質膜に接する多孔質給電体の表面が研磨され、その表面がカーボン皮膜で被覆されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高圧水素製造装置。 - 前記カーボン皮膜は、
ＥＣＲプラズマ堆積方法で形成されたこと
を特徴とする請求項１３に記載の高圧水素製造装置。
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