JP4554328B2

JP4554328B2 - 高圧水素製造装置

Info

Publication number: JP4554328B2
Application number: JP2004305934A
Authority: JP
Inventors: 憲司樽家; 孝治中沢; 昌規岡部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP2006117987A

Description

本発明は、高圧水素製造装置に関するものである。

従来、図３（ａ）に示すように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体２２、アノード給電体２３と、各給電体２２，２３に積層されたセパレータ５，６とを備え、各給電体２２，２３が多孔質部材からなる高圧水素製造装置２１が知られている。前記多孔質部材としては、例えばチタン粉末等の導電性粒子が焼結されてなる部材が用いられている（例えば特許文献１参照）。

高圧水素製造装置２１では、例えば各セパレータ５，６に各給電体２２，２３が露出する流体通路７，８を設けると共に、各給電体２２，２３は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。そこで、高圧水素製造装置２１では、アノード側セパレータ６の流体通路８に水を供給すると共に、セパレータ５，６を介してカソード給電体２２とアノード給電体２３とに通電すると、流体通路８に供給された水がアノード給電体２３で電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。

このとき、アノード給電体２３は前記多孔質部材からなるので、流体通路８に供給された水はアノード給電体２３の内部で前記のように電気分解され、生成した水素イオンはアノード給電体２３内を通過して固体高分子電解質膜２に接触する。さらに、前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体２２側に移動し、カソード給電体２２から電子を受け取って水素ガスとなる。

高圧水素製造装置２１では、カソード給電体２２もまた前記多孔質部材からなるので、前記水素ガスは、カソード給電体２２内を通過して、カソード側セパレータ５の流体通路７に至る。この結果、高圧水素製造装置２１では、カソード側セパレータ５の流体通路７に高圧の水素を得ることができる。一方、アノード側セパレータ６の流体通路８で生成した酸素は、前記水と共に流体通路８に設けられた排水口１９から排出される。

しかしながら、高圧水素製造装置２１では、前記のように酸素を排出すると、固体高分子電解質膜２の両側で圧力のバランスが崩れ、カソード側セパレータ５の流体通路７で生成した水素の圧力により固体高分子電解質膜２とアノード給電体２３とがセパレータ６方向に圧縮されて厚さが低減するという不都合がある。固体高分子電解質膜２とアノード給電体２３との厚さが低減すると、図３（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２とカソード給電体２２との間に間隙２４を生じて両者の接触抵抗が増大し、高圧水素製造装置２１の性能が低下する。
特表２００３−５１５２３７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側で生成した水素の圧力により固体高分子電解質膜とアノード給電体との厚さが低減したときにも、固体高分子電解質膜とカソード給電体との間に間隙を生じることのない高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る高圧水素製造装置において、カソード側セパレータは、該カソード給電体を収容する第１室と、該カソード給電体と反対側で第１室に連通すると共に該カソード給電体と平行な方向の断面積が第１室より大きい第２室と、第１室と第２室とを気密に遮断すると共に両室の内壁に沿って該カソード給電体方向に進退自在に備えられ該流体通路を備える遮断部材と、該遮断部材を迂回して第１室と第２室とを連通する連通路とを備え、該電気分解により該流体通路に生成し第１室から該連通路を介して第２室に供給される水素の圧力により該遮断部材を該給電体方向に前進せしめ、該給電体を該固体高分子電解質膜に押圧することを特徴とする。

本発明の高圧水素製造装置では、カソード給電体と、アノード給電体とに給電して、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解すると、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスが生成する。一方、アノード側セパレータの流体通路には酸素が生成するが、該酸素を排出すると、固体高分子電解質膜の両側で圧力のバランスが崩れ、該固体高分子電解質膜とアノード給電体とがアノード側セパレータ方向に圧縮される。

このとき、前記カソード側セパレータは、カソード給電体を収容する第１室と、該カソード給電体と反対側で第１室に連通する第２室とを備え、前記第１室と第２室とは遮断部材により気密に遮断される一方、該遮断部材を迂回する連通路によって連通している。そこで、カソード側セパレータの流体通路に生成した高圧水素ガスは、前記連通路を介して第２室に供給される。

このようにすると、前記第１室と第２室とでは内部の水素圧が同圧になる。しかし、前記第２室は、前記カソード給電体と平行な方向の断面積が前記第１室より大きくなっている。このため、前記第１室と第２室との内壁に沿って前記カソード給電体方向に進退自在に備えられた前記遮断部材が、第２室内の水素圧によりカソード給電体方向に前進せしめられ、該カソード給電体に圧接される。

従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記カソード給電体とアノード給電体とがアノード側セパレータ方向に圧縮されても、該カソード給電体が前記遮断部材により前記固体高分子電解質膜に押圧されるので、該カソード給電体と該固体高分子電解質膜との間に間隙が生じることを防止することができる。

本発明の高圧水素製造装置では、前記各給電体は、例えばチタン製の多孔質焼結体により形成することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図、図２は図１に示す高圧水素製造装置の作動を示す説明的断面図である。

図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６とを備えている。

カソード側セパレータ５は、カソード給電体３を収容する第１室７と、カソード給電体３の反対側で第１室７に連通する第２室８とを備え、第２室８はカソード給電体３と平行な方向の断面積が第１室７より大きくなっている。第１室７と第２室８とは遮断部材９により気密に遮断されており、遮断部材９は両室７，８の内壁に沿ってカソード給電体３方向に進退自在に備えられると共に、カソード給電体３が露出する流体通路１０を備えている。また、カソード側セパレータ５は、遮断部材９を迂回して第１室７と第２室８とを連通する連通路１１を備えている。

一方、アノード側セパレータ６は、アノード各給電体４が露出する流体通路１２を備えている。

固体高分子電解質膜２、各給電体３，４、各セパレータ５，６は、セパレータ５，６に積層された絶縁部材１３，１３を介してエンドプレート１４，１４に挟持されており、エンドプレート１４，１４に取着されたボルト１５とナット１６とにより押圧されて相互に密着せしめられている。また、カソード側セパレータ５は連通路１１から分岐する水素取出口１７を備え、水素取出口１７は図示しない開閉弁を備えている。また、アノード側セパレータ６は流体通路１２に連通する給水口１８と排水口１９とを備えている。そして、各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。

高圧水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子電解質膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯ_Ｘ触媒を含む触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む触媒層（図示せず）を備えている。

カソード給電体３、アノード給電体４は、例えば、チタン製多孔質焼結体により形成することができる。前記チタン製多孔質焼結体は、例えば、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を、所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得られる。

また、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６と、カソード側セパレータ５内に配設される遮断部材９は、例えば非多孔質のチタン材料等を所定の形状に加工することにより形成することができる。

前記構成を備える高圧水素製造装置１では、給水口１８からアノード側流体通路１２に水を供給すると共に、カソード側セパレータ５とアノード側セパレータ６とを介してカソード給電体３とアノード給電体４とにそれぞれ通電することにより、前記水の電気分解を行う。前記電気分解によれば、流体通路１２内に水素イオン、電子、酸素ガスが生成し、該水素イオンは、カソード給電体３とアノード給電体４との電位差により、一部の水分子を伴って陽イオン透過膜である固体高分子電解質膜２を透過して、カソード給電体３側に移動する。そして、前記水素イオンがカソード給電体３から電子を受け取って分子化することにより、カソード側流体通路１０に高圧の水素ガスが得られる。

一方、流体通路１２内に生成した酸素ガスは、大部分の水と共に排水口１９から排出されるが、このようにすると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れる。この結果、図２に示すように、カソード側セパレータ５の流体通路１０に得られた高圧の水素ガスにより、固体高分子電解質膜２とアノード給電体４とがアノード側セパレータ６方向に押圧されることになる。

このとき、高圧水素製造装置１では、水素取出口１７に備えられた図示しない開閉弁を閉じることにより、流体通路１０で生成した水素ガスが、連通路１１を介して遮断部材９の後方の第２室８に供給される。このようにすると、第１室７の一部である流体通路１０内の水素圧と、第２室８内の水素圧とは同圧になるが、第２室８は固体高分子電解質膜２と平行な方向での断面積が、第１室７よりも大きくなるようにされているので、遮断部材９は第２室８内の水素圧により固体高分子電解質膜２方向に前進せしめられ、カソード給電体３に圧接される。

そこで、図２に示すように、カソード給電体３が、固体高分子電解質膜２の変形に追随して固体高分子２方向に押圧され、固体高分子電解質膜２に密着した状態を維持する。従って、高圧水素製造装置１によれば、カソード給電体３と固体高分子電解質膜２との間に間隙を生じることを防止することができる。

高圧水素製造装置１では、所定時間の電気分解が終了した後、水素取出口１７に備えられた図示しない開閉弁を開くことにより、流体通路１０に生成した水素と、第２室８内に供給された水素とを取り出すことができる。

尚、本実施形態では、１組の固体高分子電解質膜２、給電体３，４、セパレータ５，６からなる単セルの構成を備える高圧水素製造装置１について説明しているが、高圧水素製造装置１は複数のセルが積層されたものであってもよい。この場合、１つのセルのセパレータ５に、隣接するセルのセパレータ６を積層することにより、各セルが直列に連結されていることが好ましい。

本発明の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図。図１に示す高圧水素製造装置の作動を示す説明的断面図。従来の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図。

符号の説明

１…高圧水素製造装置、２…固体高分子電解質膜、３…カソード給電体、４…アノード給電体、５…カソード側セパレータ、６…アノード側セパレータ、７…第１室、８…第２室、９…遮断部材、１０，１２…流体通路、１１…連通路。

Claims

固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る高圧水素製造装置において、
カソード側セパレータは、該カソード給電体を収容する第１室と、該カソード給電体と反対側で第１室に連通すると共に該カソード給電体と平行な方向の断面積が第１室より大きい第２室と、第１室と第２室とを気密に遮断すると共に両室の内壁に沿って該カソード給電体方向に進退自在に備えられ該流体通路を備える遮断部材と、該遮断部材を迂回して第１室と第２室とを連通する連通路とを備え、
該電気分解により該流体通路に生成し第１室から該連通路を介して第２室に供給される水素の圧力により該遮断部材を該給電体方向に前進せしめ、該給電体を該固体高分子電解質膜に押圧することを特徴とする高圧水素製造装置。
前記各給電体は、チタン製の多孔質焼結体からなることを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。