CN101818357A - 电化学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电化学装置。该电化学装置在对高压的第二流路进行减压时，能够对与所述第二流路连通的密封槽内进行良好的减压，能够尽可能地防止电解质膜的损伤。构成水电解装置的单体电池通过阳极侧隔板及阴极侧隔板夹持电解质膜·电极结构体。在阳极侧隔板上形成有供给水的第一流路，在阴极侧隔板上形成有电解水而得到高压氢的第二流路。设置有围绕第二流路的外侧且插入有第一密封部件的第一密封槽，并且第一密封槽与第二流路经由通路连通。通路绕阴极侧隔板与固体高分子电解质膜的边界部位而直接连通第二流路和第一密封槽。

Description

电化学装置
技术领域
本发明涉及如下的电化学装置，即，在电解质膜的两侧设置有供电体，在所述供电体上层叠有隔板，并且在一方的供电体与一方的隔板之间形成有供给第一流体的第一流路，在另一方的供电体与另一方的隔板之间形成有电解所述第一流体而得到比常压高压的第二流体的第二流路。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池向阳极侧电极供给燃料气体(主要是含氢气体，例如氢气)，而向阴极侧电极供给氧化剂气体(主要是含氧气体，例如空气)，由此得到直流的电能。
通常，为了制造燃料气体即氢气，采用水电解装置(电化学装置)。该水电解装置为了分解水而产生氢(及氧)而使用固体高分子电解质膜。在固体高分子电解质膜的两面设置有电极催化剂层，而构成电解质膜·电极结构体，并且在所述电解质膜·电极结构体的两侧配置有供电体，而构成单元。即，实际上，单元与上述燃料电池为相同的结构。
因此，在层叠有多个单元的状态下，向层叠方向两端施加电压，并且向阳极侧供电体供给水。因此，在电解质膜·电极结构体的阳极侧，分解水而产生氢离子(质子)，该氢离子透过固体高分子电解质膜向阴极侧移动，与电子结合而制造氢。另一方面，在阳极侧，与氢一起产生的氧随着剩余的水从单元排出。
在这种设备中，为了产生几十MPa的高压氢，例如已知有专利文献1公开的氢供给装置。如图7所示，该氢供给装置具备通过双极板4夹持接合体的单体电池，该接合体在电极接合体膜1的两面具备阳极供电体2及阴极供电体3。
在双极板4与阳极供电体2之间形成有用于供给水的通路5a，而在所述双极板4与阴极供电体3之间形成有用于使产生的氢流动的通路5b。在双极板4的周缘部形成有用于收容第一O环6a的第一密封槽7a、7b和用于收容第二O环6b的第二密封槽7c、7d。
专利文献1：日本特开2004-2914号公报
但是，在上述专利文献1中，为了产生高压氢，通路5构成高压气体室，与所述通路5b连通的第二密封槽7d也填充有高压氢而成为高压。因此，像停止氢供给装置时那样，对该氢供给装置内部进行减压(脱压)时，有随着通路5b内被减压，第二密封槽7d内的高压氢通过电极接合体膜1与双极板4的间隙而向所述通路5b高速流动的担心。
由此，由于高压氢沿电极接合体膜1高速流动，因此存在容易损伤所述电极接合体膜1的问题。
发明内容
本发明是解决此种问题的发明，其目的在于提供一种在对高压的第二流路进行减压时，能够对与所述第二流路连通的密封槽内进行良好的减压，能够尽可能地防止电解质膜的损伤的电化学装置。
本发明涉及如下的电化学装置，即，在电解质膜的两侧设置有供电体，在所述供电体上层叠有隔板，并且在一方的供电体与一方的隔板之间形成有供给第一流体的第一流路，在另一方的供电体与另一方的隔板之间形成有电解所述第一流体而得到比常压高压的第二流体的第二流路。
在该电化学装置中，另一方的隔板设置有密封槽和开口部，该密封槽围绕第二流路的外侧且插入有密封部件，该开口部连通所述第二流路和所述密封槽。
另外，在该电化学装置中，优选，密封部件与夹装在隔板之间的电解质膜相对配置。
此外，在该电化学装置中，优选，第一流路为常压，在所述第一流路与第二流路之间设置有压力差。
再者，优选，第一流体为水，第二流体为氢。
另外，本发明的电化学装置具备与第二流路连通并沿隔板的层叠方向延伸的高压流体连通孔，所述隔板设置有密封槽和开口部，该密封槽围绕所述高压流体连通孔的外侧且插入有密封部件，该开口部连通所述高压流体连通孔和所述密封槽。
此外，在该电化学装置中，优选，密封部件与夹装在隔板之间的电解质膜相对配置。
再者，在该电化学装置中，优选，第一流体为水，第二流体为氢，并且高压流体连通孔为高压氢连通孔。
根据本发明，若产生高压的第一流体而第二流路成为高压，则与该第二流路连通的密封槽也成为高压。并且，在第二流路被脱压(减压)时，经由直接连通密封槽与所述第二流路的开口部，所述密封槽也被良好地脱压。从而，在脱压时，第二流路与密封槽之间不产生压力差，而在脱压途中，压力差增大，从而能够可靠地防止高压流体从所述密封槽向所述第二流路急剧地移动。
另外，根据本发明，与高压流体连通孔连通的密封槽成为高压。并且，在高压流体连通孔被脱压时，经由直接连通密封槽与所述高压流体连通孔的开口部，所述密封槽也被良好地脱压。由此，在脱压时，高压流体连通孔与密封槽之间不产生压力差，能够可靠地防止高压流体从所述密封槽向所述高压流体连通孔急剧地移动。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的水电解装置的立体说明图。
图2是所述水电解装置的局部剖面侧视图。
图3是构成所述水电解装置的单体电池的分解立体说明图。
图4是所述单体电池的剖面说明图。
图5是本发明的第二实施方式的构成水电解装置的阴极侧隔板的主要部分剖面说明图。
图6是本发明的第三实施方式的氢升压装置的简要剖面说明图。
图7是专利文献1公开的水电解装置的说明图。
标号说明：
10水电解装置
12单体电池
14层叠体
16a、16b接线板
18a、18b绝缘板
20a、20b端板
24a、24b端子部
28电源
32电解质膜·电极结构体
34阳极侧隔板
36、80阴极侧隔板
38、92固体高分子电解质膜
40阳极侧供电体
42阴极侧供电体
46水供给连通孔
48排出连通孔
50氢连通孔
54、58、104、106流路
62a～62d、70a～70d密封槽
64a～64d、72a～72d密封部件
66、68、74、116通路
82多孔环部件
82a孔部
90氢升压装置
94、96气体扩散电极
100a、100b隔板
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的水电解装置(电化学装置)10具备层叠体14，该层叠体14构成高压氢制造装置，并将多个单体电池12沿铅直方向(箭头A方向)或水平方向(箭头B方向)层叠。在层叠体14的层叠方向一端向上方依次配置有接线板16a、绝缘板18a及端板20a。在层叠体14的层叠方向另一端向下方同样地依次配置有接线板16b、绝缘板18b及端板20b。
水电解装置10通过例如沿箭头A方向延伸的多个拉杆22将圆盘形状的端板20a、20b之间紧固保持为一体。此外，水电解装置10也可以采用通过包含端板20a、20b作为端板的箱状壳体(未图示)而保持为一体的结构。而且，虽然水电解装置10整体具有大致圆柱体形状，但是也可以设定为立方体形状等各种形状。
如图1所示，在接线板16a、16b的侧部设置有向外方突出的端子部24a、24b。端子部24a、24b经由配线26a、26b与电源28电连接。作为阳极(anode)侧的端子部24a与电源28的正极连接，而作为阴极(cathode)侧的端子部24b与所述电源28的负极连接。
如图2及图3所示，单体电池12具备圆盘状的电解质膜·电极结构体32、夹持该电解质膜·电极结构体32的阳极侧隔板34及阴极侧隔板36。阳极侧隔板34及阴极侧隔板36具有圆盘状，并且由例如碳部件等构成，或者对钢板、不锈钢钢板、钛板、铝板、电镀处理钢板、或在其金属表面实施了防腐蚀的表面处理的金属板进行冲压成形，或者在切削加工后实施防腐蚀的表面处理而构成。
电解质膜·电极结构体32具备例如在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜38和设置在所述固体高分子电解质膜38的两面上的阳极侧供电体40及阴极侧供电体42。
在固体高分子电解质膜38的两面上形成有阳极电极催化剂层40a及阴极电极催化剂层42a。阳极电极催化剂层40a使用例如Ru(钌)系催化剂，而阴极电极催化剂层42a使用例如铂催化剂。
阳极侧供电体、阴极侧供电体是从隔板向电极催化剂层供给电流的结构部件。阳极侧供电体40及阴极侧供电体42由例如球状雾化钛粉末的烧结体(多孔导电体)构成。阳极侧供电体40及阴极侧供电体42设置有研磨加工后经蚀刻处理的平滑表面部，并且气孔率设定为10％～50％、优选设定在20％～40％的范围内。
在单体电池12的外周缘部设置有：沿作为层叠方向的箭头A方向相互连通，用于供给作为第一流体的水(纯水)的水供给连通孔46；用于排出由反应产生的氧及使用后的水的排出连通孔48；用于使由反应产生的作为第二流体的氢(高压氢)流动的氢连通孔(高压流体连通孔)50。
如图3及图4所示，在阳极侧隔板34的外周缘部设置有与水供给连通孔46连通的供给通路52a和与排出连通孔48连通的排出通路52b。在阳极侧隔板34的朝向电解质膜·电极结构体32的面34a上设置有与供给通路52a及排出通路52b连通的第一流路54。该第一流路54设置在与阳极侧供电体40的表面积对应的范围内，并且由多个流路槽和多个压纹等构成(参照图2及图3)。
在阴极侧隔板36的外周缘部设置有与氢连通孔50连通的排出通路56。在阴极侧隔板36的朝向电解质膜·电极结构体32的面36a上设置有与排出通路56连通的第二流路58。该第二流路58设置在与阴极侧供电体42的表面积对应的范围内，并且由多个流路槽和多个压纹等构成(参照图2及图3)。
密封部件60a、60b围绕阳极侧隔板34及阴极侧隔板36的外周端部而被一体化。在该密封部件60a、60b中使用有例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯橡胶等密封材料、缓冲材料或填充材料。
如图4所示，在阴极侧隔板36的朝向电解质膜·电极结构体32的面36a上围绕第二流路58的外侧而形成有第一密封槽62a。
如图3及图4所示，在面36a上围绕水供给连通孔46、排出连通孔48及氢连通孔50的外侧而形成有第二密封槽62b、第三密封槽62c及第四密封槽62d。在第一密封槽62a～第四密封槽62d中配置有例如作为O环的第一密封部件64a～第四密封部件64d。
第二流路58与第一密封槽62a经由多条例如四条通路(开口部)66连通。通路66向壁部(内侧壁部)开口，该壁部相对于第一密封槽62a比第一密封部件64a的配置位置接近第二流路58侧。通路66绕阴极侧隔板36与固体高分子电解质膜38的边界部位而直接连通第二流路58和第一密封槽62a。
作为高压氢连通孔的氢连通孔50与第四密封槽62d经由一条以上的通路(开口部)68连通。该通路68向第四密封槽62d的内侧壁部打开。通路68绕阴极侧隔板36与固体高分子电解质膜38的边界部位而直接连通氢连通孔50和第四密封槽62d。
在阳极侧隔板34的朝向电解质膜·电极结构体32的面34a上围绕第一流路54的外侧且与第一密封槽62a相对而形成有第一密封槽70a。在面34a上围绕水供给连通孔46、排出连通孔48及氢连通孔50的外侧且与第二密封槽62b、第三密封槽62c及第四密封槽62d相对而形成有第二密封槽70b、第三密封槽70c及第四密封槽70d。
在第一密封槽70a～第四密封槽70d中收容有例如作为O环的第一密封部件72a～第四密封部件72d。第四密封槽70d与氢连通孔50经由一条以上的通路(开口部)74连通。该通路74向第四密封槽70d的内侧壁部打开。通路74绕阳极侧隔板34与固体高分子电解质膜38的边界部位而直接连通氢连通孔50和第四密封槽70d。
如图1及图2所示，在端板20a上连接有与水供给连通孔46、排出连通孔48及氢连通孔50连通的配管76a、76b及76c。在配管76c，虽然未图示，但是设置有背压阀(或电磁阀)，能够将氢连通孔50中产生的氢的压力维持在高压。
以下，说明如此构成的水电解装置10的动作。
如图1所示，从配管76a向水电解装置10的水供给连通孔46供给水，并且通过与接线板16a、16b的端子部24a、24b电连接的电源28施加电压。因此，如图3所示，在各单体电池12中，从水供给连通孔46向阳极侧隔板34的第一流路54供给水，该水沿阳极侧供电体40内移动。
从而，水在阳极电极催化剂层40a中被电解，产生氢离子、电子及氧。由该阳极反应产生的氢离子透过固体高分子电解质膜38向阴极电极催化剂层42a侧移动，与电子结合而得到氢。
因此，氢沿形成在阴极侧隔板36与阴极侧供电体42之间的第二流路58流动。该氢被维持为比水供给连通孔46高压，在氢连通孔50中流动而能够取出到水电解装置10的外部。另一方面，由反应产生的氧和使用后的水在第一流路54中流动，并将它们沿排出连通孔48向水电解装置10的外部排出。
如上所述，在水电解装置10中，在第二流路58中产生高压氢，该第二流路58构成高压氢产生室。第二流路58经由通路66与第一密封槽62a连通，在该第一密封槽62a中也填充有高压氢。
此外，与第二流路58连通的氢连通孔50也同样地由于导入高压氢而成为高压。另一方面，经由通路68、74与氢连通孔50连通的第四密封槽62d、70d也由于高压氢而形成高压化。
接下来，停止水电解装置10的运转时，为了消除常压侧的第一流路54与高压侧的第二流路58的压力差，对所述第二流路58实施脱压(减压)处理。
这种情况下，在第一实施方式中，第一密封槽62a的内面侧与第二流路58经由多条例如四条通路66直接连通。因此，第二流路58被脱压(减压)时，经由连通该第二流路58与第一密封槽62a的通路66，所述第一密封槽62a也能够被良好地脱压。
从而，在脱压时，在第二流路58与第一密封槽62a之间不产生压力差，而在脱压途中，压力差增大，从而能够可靠地防止高压氢从第一密封槽62a向第二流路58沿固体高分子电解质膜38急剧地移动。由此，得到能够可靠地防止在与各第一密封部件64a、72a相对的固体高分子电解质膜38上产生损伤等的效果。
另一方面，在对氢连通孔50进行脱压时，经由通路68、74分别与该氢连通孔50直接连通的第四密封槽62d、70d内的高压氢向所述氢连通孔50排出。因此，第四密封槽62d、70d内不保持为高压，从而容易防止高压氢从所述第四密封槽62d、70d向氢连通孔50沿固体高分子电解质膜38急剧地移动。从而，能够尽可能地防止固体高分子电解质膜38的损伤。
图5是本发明的第二实施方式的构成水电解装置的阴极侧隔板80的主要部分剖面说明图。
此外，对于与第一实施方式的构成水电解装置10的阴极侧隔板36相同的构成要素附加相同的参照标号，省略详细的说明。
阴极侧隔板80在第二流路58的外周部与围绕该第二流路58的外侧的第一密封槽62a的边界部位中夹装多孔环部件82。多孔环部件82在内部设置有多个孔部82a并连通第二流路58和第一密封槽62a。
因此，在第二实施方式中，对第二流路58进行减压时，存在于第一密封槽62a的高压氢能够通过多孔环部件82的孔部82a向所述第二流路58侧良好地移动。由此，第二流路58与第一密封槽62a之间不产生压力差，能得到与上述的第一实施方式相同的效果。
此外，在第二实施方式中，虽然具备多孔环部件82，但是并不局限于此。例如，也可以将多个圆弧状的多孔部件每隔规定角度设置在第二流路58与第一密封槽62a之间。而且，多孔环部件82可以由粉末烧结体构成，或者也可以通过机械加工等形成多个孔部82a而构成。
图6是本发明的第三实施方式的氢升压装置(电化学装置)90的简要剖面说明图。
氢升压装置90具有固体高分子电解质膜92，在所述固体高分子电解质膜92的两面上设置有气体扩散电极94和气体扩散电极(或气体产生电极)96，从而构成高分子电解质膜/电极接合体98。
该高分子电解质膜/电极接合体98夹持在隔板100a、100b之间，并且在所述隔板100a、100b上连接有电源102。在隔板100a上形成有供给低压的氢和水的第一流路104，而在隔板100b上形成有产生高压氢的第二流路106。
在隔板100a上，围绕第一流路104的外侧而形成有密封槽108，在所述密封槽108上配置有O环即密封部件110。在隔板100b上，围绕第二流路106的外侧而形成有密封槽112，在该密封槽112上配置有O环即密封部件114。
第二流路106与密封槽112经由多条通路116连通。通路116绕隔板100b与固体高分子电解质膜92的边界部位而直接连通第二流路106和密封槽112。
在如此构成的氢升压装置90中，若向第一流路104供给低压的湿润氢，则该氢在气体扩散电极94中扩散，离解成质子与电子。
然后，利用电源102的附加电压，电子通过外部回路，而质子在固体高分子电解质膜92中扩散，在气体扩散电极96侧与电子结合而产生氢。因此，在第二流路106中，利用来自电源102的附加电压，产生高压氢。
这种情况下，在第三实施方式中，产生高压氢的第二流路106与密封槽112经由规定数目的通路116直接连通。因此，在第二流路106被脱压时，密封槽112也能够被良好地脱压，从而得到与上述的第一及第二实施方式相同的效果。

Claims (7)

1.一种电化学装置，在电解质膜的两侧设置有供电体，在所述供电体上层叠有隔板，并且在一方的供电体与一方的隔板之间形成有供给第一流体的第一流路，在另一方的供电体与另一方的隔板之间形成有电解所述第一流体而得到比常压高压的第二流体的第二流路，所述电化学装置的特征在于，
所述另一方的隔板设置有密封槽和开口部，该密封槽围绕所述第二流路的外侧且插入有密封部件，该开口部连通所述第二流路和所述密封槽。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述密封部件与夹装在所述隔板间的所述电解质膜相对配置。
3.根据权利要求1或2所述的电化学装置，其特征在于，
所述第一流路为常压，在所述第一流路与所述第二流路之间设置有压力差。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的电化学装置，其特征在于，
所述第一流体为水，所述第二流体为氢。
5.一种电化学装置，在电解质膜的两侧设置有供电体，在所述供电体上层叠有隔板，并且在一方的供电体与一方的隔板之间形成有供给第一流体的第一流路，在另一方的供电体与另一方的隔板之间形成有电解所述第一流体而得到比常压高压的第二流体的第二流路，所述电化学装置的特征在于，
具备与所述第二流路连通并沿所述隔板的层叠方向延伸的高压流体连通孔，
所述隔板设置有密封槽和开口部，该密封槽围绕所述高压流体连通孔的外侧且插入有密封部件，该开口部连通所述高压流体连通孔和所述密封槽。
6.根据权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，
所述密封部件与夹装在所述隔板间的所述电解质膜相对配置。
7.根据权利要求5或6所述的电化学装置，其特征在于，
所述第一流体为水，所述第二流体为氢，所述高压流体连通孔为高压氢连通孔。
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