JP2004002914A - 固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止され、しかも、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供する。
【解決手段】水電解槽２０が圧力容器２１内に配されており、水電解槽２０を構成している複極板、給電体および電極接合体膜は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されている。発生した水素ガスは、水電解槽２０内を上方に移動して圧力容器２１の頂部から排出される。圧力容器２１頂部に、水素ガス取り出し装置２２が設けられており、水素ガス取り出し装置２２に接続された水素ライン２３に、逆止弁式圧力弁３４が設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】水電解槽２０が圧力容器２１内に配されており、水電解槽２０を構成している複極板、給電体および電極接合体膜は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されている。発生した水素ガスは、水電解槽２０内を上方に移動して圧力容器２１の頂部から排出される。圧力容器２１頂部に、水素ガス取り出し装置２２が設けられており、水素ガス取り出し装置２２に接続された水素ライン２３に、逆止弁式圧力弁３４が設けられている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽に関し、より詳しくは、例えば燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、従来より知られているものであり、その水電解槽（５１）は、図１１および図１２に示すように、両端に配された陽極主電極（１）および陰極主電極（２）と、これらの主電極（１）（２）の間に直列に配された複数の単位セル（１６）と、陽極主電極（１）−複数の単位セル（１６）−陰極主電極（２）の組み合わせを両側から挟む一対の端板（１３）とから主として構成されている。１つのセル（１６）は、複極板（９０）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）、および隣の複極板（９０）の陰極側から主として構成され、電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。各セル（１６）の周縁部には、電極接合体膜（３）と複極板（９０）の陰極給電体（８）側の面との間に水電解槽内部と外部をシールするＯリング（１７）が介在されている。また、水電解槽（５１）には、下端部の中央に給水ヘッダ（１０）が形成されるとともに、上端部に平行状に水素ヘッダ（１１）および酸素ヘッダ（１２）が形成されている。
【０００３】
この水素供給装置では、水電解槽（５１）の電解反応によって発熱し、その排熱は、酸素側の循環水による移動と水素側の水蒸気の蒸発潜熱とによって行われている。また、この装置では、内部圧力は、水電解槽（５１）外周部に設けられたＯリング（１７）によって保たれており、その発生ガスの圧力は、１．１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）未満とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素の燃料電池での使用が進んでおり、そのためには、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することが課題となっている。
【０００５】
しかしながら、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少し、十分な排熱が得られなくなり、このため、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上に上昇し、電解質膜が破損するという問題があった。
【０００６】
また、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、Ｏリングによるシールが破損するという問題があった。そこで、水電解槽を圧力容器内に設置することが考えられるが（特開平６−３３２８３号参照）、数十ＭＰａ程度の高圧に対応できる点および圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにするという点で、満足なものが得られていない。
【０００７】
本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【０００８】
さらに、本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、耐圧性能を有し、しかも、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルとを備え、１つのセルが、複極板の陽極側、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体、および隣の複極板の陰極側から主として構成されている固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置であって、水電解槽が圧力容器内に配されるとともに、水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成され、発生した水素ガスが水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部から排出されることを特徴とするものである。
【００１０】
水電解槽内の電解水の水平通路には、電解水がポンプ等によって強制的に通され、これにより、陽極に酸素、陰極に水素が発生する。発生した水素は、水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部に蓄えられていくことから、圧力容器頂部に水素ガス取り出し装置を設けることにより、水素を得ることができる。
【００１１】
上記の水素供給装置を得るには、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されている実施形態（第１実施形態）としてもよく、また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成されており、各セルの水素ガス通路は、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられている実施形態（第２実施形態）としてもよい。
【００１２】
複極板を得るには、例えば、アルミニウム製の板を使用し、その表面に並列状の垂直通路を、その裏面に並列状の垂直または水平通路をそれぞれ研削加工により形成すればよい。アルミニウム製複極板には、アルミニウムの溶出防止のために、白金、チタンまたは金がメッキされる。アルミニウム製の板に代えて、チタン製板を使用してもよく、また、耐熱樹脂製の板を使用してもよい。いずれの材料であっても、必要に応じて、白金、チタンまたは金がメッキまたはコーティングされる。なお、アルミニウム製複極板は、軽量、加工が簡単、安価、放熱性がよいため冷却効果が期待できるなどの利点を有している。
【００１３】
第１実施形態のものでは、圧力容器頂部に、パラジウムを含浸させた水素ガス分離層を有する水素ガス取り出し装置が設けられており、水素ガス取り出し装置に接続された水素ラインに、水素ガスの圧力を所定圧まで高めてから排出する圧力調整弁（例えば逆止弁式圧力弁）が設けられていることが好ましい。これにより、水素ガス分離層に酸素を吸収させ、高純度の水素ガスを得ることができるとともに、この水素ガスを所定圧以上の高圧にして取り出すことができる。
【００１４】
第２実施形態のものでは、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成されるとともに、外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されており、圧力容器の蓋の下面に設けられた下方突出状の電解槽押さえによって水電解槽が容器本体底壁に押し付けられて、圧力容器の蓋と水電解槽上面との間に、電解水層および水素ガス層からなる水素気液分離部が形成されているが好ましい。これにより、Ｏリングの径方向へののびは圧力容器内周面によって規制され、しかも、圧力容器の上部は、水素気液分離器としての機能を兼ねることができ、水素供給装置から水素気液分離器を省略することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。以下の説明において、左右および上下は、図１の左右および上下をいうものとし、これらに直交する方向を前後というものとする。
【００１６】
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽（２０）と、左側壁に水入口を、右側壁に水・酸素排出口を有し、水電解槽（２０）を収める圧力容器（２１）と、圧力容器（２１）の頂壁に設けられた水素ガス取り出し装置（２２）と、水素ガス取り出し装置（２２）に設けられた水素ライン（２３）と、圧力容器（２１）の水・酸素排出口に接続された酸素ライン（２４）と、酸素ライン（２４）に設けられて水電解槽（２０）の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器（２５）と、循環ポンプ（２７）を有し、酸素気液分離器（２５）と圧力容器（２１）の水入口とを接続する水循環ライン（２６）と、水電解槽（２０）に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００１７】
水素ガス取り出し装置（２２）は、頂壁を有する筒状に形成されて下端開口が圧力容器（２１）の頂壁に設けられた開口に通じているケーシング（３１）と、下端部の開口を覆うように設けられた水素ガス分離層（３２）と、ケーシング（３１）頂壁に設けられた圧力計（３３）とを有している。水素ガス分離層（３２）は、分離膜または分離可能な多孔質セラミックに、パラジウムが蒸着またはメッキにより含浸されたもので、酸素を通過させずに水素だけを通過させることができる。圧力計（３３）により計測された圧力値は、圧力容器（２１）内の水圧を所定値以上に維持するようにフィードバックされており、これにより、所定の水素ガス圧力が得られるようになされている。
【００１８】
水素ガス取り出し装置（２２）のケーシング（３１）頂壁には、水素排出口が設けられており、ここに、水素ライン（２３）の一端が接続されている。水素ライン（２３）には、逆止弁式圧力弁（３４）が設けられている。
【００１９】
水循環ライン（２６）の水は、イオン交換樹脂を経由することで一定の電気伝導率に管理されて循環させられている。水循環ライン（２６）には、必要に応じて、減少した純水が補充される。
【００２０】
水電解槽（２０）の各セル（１６）は、図２に示すように、複極板（９）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）および隣の複極板（９）の陰極側から主として構成されている。電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。
【００２１】
複極板（９）は、図３に示すように、その通路（９ａ）（９ｂ）が、陽極側に設けられているものと陰極側に設けられているものとが直交するように形成されている。そして、水平状並列通路（９ａ）が電解水および酸素の通路とされ、垂直状並列通路（９ｂ）が水素の通路とされている。水平状並列通路（９ａ）の上下両端および垂直状並列通路（９ｂ）の前後両端に設けられている溝には、セル同士を区画するためのゴムブッシュ（３５）（３６）がそれぞれ嵌め入れられている。
【００２２】
複極板（９）は、アルミニウム製の厚板に研削加工を施して、通路（９ａ）（９ｂ）を形成したものであり、その表面には、チタン／白金コーティングが施されている。
【００２３】
この実施例の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、循環ポンプ（２７）によって水電解槽（２０）に強制的に送り込まれた電解水は、複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）を左から右に流れ、水素および酸素に分解されるとともに、水電解槽（２０）の冷却水の機能を果たして、圧力容器（２１）から排出される。陽極で発生した酸素は、電解水とともに複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）を流れ、陰極に発生した水素は、複極板（９）の垂直状並列通路（９ｂ）を流れて、圧力容器（２１）の頂部に蓄えられていく。圧力容器（２１）の頂部に蓄えられた水素は、水素ガス分離層（３２）を通過することによりその純度を高められ、逆止弁式圧力弁（３４）により所定圧力に調整されて外部に供給される。従来の複極板は、薄板を超塑性加工により波形に成形したものであり、圧力によるたわみなどにより、イオン交換膜（４）と触媒電極層（５）（６）との接触にばらつきを生じることがあったが、厚板を研削加工した複極板（９）を使用することにより、ばらつきが抑えられ、安定して水素を得ることができる。
【００２４】
水電解槽（２０）における電解反応は、発熱反応であり、その排熱は、酸素側の循環水による移動および水素側の水蒸気の蒸発潜熱によって行われている。また、圧力容器（２１）内に冷却された循環水が導入されて水電解槽（２０）との間隙を充満していることによっても水電解槽（２０）の排熱が行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が水平状並列通路（９ａ）を流れる大量の水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、電極接合体膜（電解質膜）（３）が破損することが防止される。
【００２５】
なお、複極板（９）の材料としては、アルミニウムに代えて、チタンとしてもよく、また、金属に限らず、耐熱樹脂であってもよい。アルミニウムおよび樹脂は、加工が簡単で安価であり、特に、アルミニウムは、放熱性に優れていることから、冷却効果を向上させるという利点を有している。また、複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）および垂直状並列通路（９ｂ）の各１本の通路については、直線状に限らず、図４（ａ）に示すように、波形（サインカーブ）のような曲線状であってもよく、図４（ｂ）に示すように、ジグザグ状、鋸刃状のような屈曲状であってもよい。通路（９ａ）（９ｂ）を曲線状または屈曲状とすることにより、電極接合体膜と給電体との接触面積が直線状のものに比べて多くなり、より安定した電解性能を得ることができる。
【００２６】
実施例２
図５において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽（４０）と、水電解槽（４０）を収める蓋（４２）付きの圧力容器（４１）と、圧力容器（４１）の頂部に設けられた水素ガス取り出し装置（４３）と、水素ガス取り出し装置（４３）に設けられた水素ライン（４４）と、圧力容器（４１）の周壁の水・酸素排出口に接続された酸素ライン（４５）と、酸素ライン（４５）に設けられて水電解槽（４０）の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器（４６）と、循環ポンプ（４８）を有し、酸素気液分離器（４６）と圧力容器（４１）の水入口とを接続する水循環ライン（４７）と、水電解槽（４０）に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００２７】
複極板（１９）は、図６（ａ）および図８に示すように、円板状で、その両面に、並列状通路（１９ａ）（１９ｂ）が形成されるとともに、外周に設けられた環状溝に、Ｏリング（５０）が嵌め入れられている。図８において、複極板の上面に設けられている通路は、酸素発生側の通路（１９ａ）で、同下面に設けられている通路は、水素発生側の通路（１９ｂ）とされている。水素発生側の通路（１９ｂ）は、複極板（１９）の外周には開口しておらず、これに対し、酸素発生側の通路（１９ａ）には、複極板（１９）の外周に開口し水の導入口と水および酸素の排出口となる開口連通路（１９ｃ）が連通させられている。開口連通路（１９ｃ）は、複極板（１９）の上下面には開口せず、外周にだけ開口している。
【００２８】
水電解槽（４０）の各セル（１６）は、図７に示すように、複極板（１９）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）および隣の複極板（１９）の陰極側から主として構成されている。電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。
【００２９】
Ｏリング（５０）付き複極板（１９）は、それらの通路（１９ａ）（１９ｂ）を水平に向けてかつＯリング（５０）が圧力容器（４１）の内周に接するようにして水平層状に積層されている。複極板（１９）、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）および陰極給電体（８）が積層されて形成された水電解槽（４０）には、これを垂直に貫通する方向に水素ヘッダ（４９）が形成されている。
【００３０】
図９に示すように、水素ヘッダ（４９）は、複極板（１９）、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）および陰極給電体（８）を貫通する垂直貫通孔（４９ａ）と、各複極板（１９）に設けられた段付き孔部（５７）（５８）にＯリング（５３）（５４）を介して嵌め入れられた１対の通路形成リング（５５）（５６）とによって形成されている。各通路形成リング（５５）（５６）は、セラミックまたは耐熱樹脂（例えばエンジニアリングプラスチック）製であり、それぞれ、一端に、内径は同じで外径が小さい小径部を有している。そして、一方のＯリング（５３）は、小径部の外周に、他方のＯリング（５４）は、小径部がない方の端面の環状溝に、それぞれ通路に露出しないように嵌め入れられ、通路形成リング（５５）（５６）の大径部の端面同士が隣り合うもの同士突き合わされ、小径部の端面が、複極板の最も内径が小さい部分に当接させられている。水素側の通路形成リング（５６）には、側面に１〜２ｍｍ程度の小孔（５６ａ）が複数設けられている。
【００３１】
こうして、水電解槽（４０）には、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）と、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路（１９ｂ）およびこれらの水素ガス通路が合流させられる垂直状水素ヘッダ（４９）とが形成されている。そして、複極板（１９）の外周に嵌められたＯリング（５０）は、圧力容器（４１）の内周によってその径の増大が抑えられている。
【００３２】
圧力容器（４１）は、上端が開口した筒状の容器本体に蓋（４２）が絶縁層を介して被せられることにより形成されており、この実施例では、容器本体が陰極に、蓋（４２）が陽極とされている。圧力容器（４１）の蓋（４２）の下面には、下方突出状の電解槽押さえ（４２ａ）が設けられている。この電解槽押さえ（４２ａ）は、水電解槽（４０）全体を容器本体底壁に押し付けるもので、圧力容器（４１）の蓋（４２）と水電解槽（４０）上面との間には、電解槽押さえ（４２ａ）の長さに相当する間隙が形成されている。水電解槽（４０）に供給される純水の圧力を調整することにより、この間隙には、電解水層が確保され、この電解水層の上方に、発生した水素ガスの層が形成され、こうして、圧力容器（４１）の頂部に、水素ガス取り出し装置（４３）となる水素気液分離部が形成されている。
【００３３】
この実施例の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、循環ポンプ（４８）によって水電解槽（４０）に強制的に送り込まれた電解水は、複極板（１９）の水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）を左から右に流れ、水素および酸素に分解されるとともに、水電解槽（４０）の冷却水の機能を果たして、圧力容器（４１）から排出される。陽極で発生した酸素は、電解水とともに複極板（１９）の水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）を流れ、陰極に発生した水素は、各セルの複極板（１９）の水平状並列通路（１９ｂ）を流れて、水素ヘッダ（４９）に合流させられ、圧力容器（４１）の頂部に蓄えられていく。水素ガスは、圧力容器（４１）頂部の水素ガス分離部においてその純度を高められ、逆止弁式圧力弁（４４）により所定圧力に調整されて外部に供給される。従来の複極板は、薄板を超塑性加工により波形に成形したものであり、圧力によるたわみなどにより、イオン交換膜（４）と触媒電極層（５）（６）との接触にばらつきを生じることがあったが、厚板を研削加工した複極板（１９）を使用することにより、ばらつきが抑えられ、安定して水素を得ることができる。
【００３４】
水電解槽（４０）における電解反応は、発熱反応であり、その排熱は、酸素側の循環水による移動および水素側の水蒸気の蒸発潜熱によって行われている。また、圧力容器（４１）内に冷却された循環水が導入されて水電解槽（４０）との間隙を充満していることによっても水電解槽（４０）の排熱が行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が水平状通路（１９ｂ）を流れる大量の水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、電極接合体膜（電解質膜）（３）が破損することが防止される。
【００３５】
また、水素ヘッダ（４９）を形成するのに、従来使用されていたゴムブッシュを使用していないため、ゴムブッシュに起因する加工精度が悪くかつ熱的な変形が大きいという問題が解消されている。
【００３６】
上記において、複極板（１９）は、円板状とされているが、図６（ｂ）に示すように、方形板状で、その角部が面取りされて丸くなっている複極板を使用することもできる。なお、複極板（１９）は、アルミニウム製の厚板に研削加工を施して、通路（１９ａ）（１９ｂ）を形成したものであり、その表面には、チタン／白金コーティングが施されている点、および通路（１９ａ）（１９ｂ）を曲線状または屈曲状にしてもよい点は、実施例１と同様である。
【００３７】
この実施例２では、Ｏリング（５０）と圧力容器（４１）とが接触するようになされているが、厚板に研削することにより得られた複極板は、図１１および図１２に示されている従来の水電解槽にも適用することが可能である。この場合の複極板外周縁部のシール構成の改良例を図１０に示す。
【００３８】
図１０において、複極板（５９）の周縁部に、外周に近い第１のＯリング（６１）と、この内側に設けられた第２のＯリング（６２）とからなるシール機構が設けられている。複極板（５９）は、厚板に通路または溝を研削により設けたものであることから、Ｏリング（６１）（６２）を収めるための溝の形成も容易であり、また、これによって、複極板（５９）のたわみが増加するなどのデメリットもないことから、２重のＯリング（６１）（６２）構造の採用により容易にシール性を向上することができる。複極板（５９）には、さらに、電解接合体膜（３）の触媒電極層（５）（６）を位置決めするための突起（６３）を形成することもでき、これにより、電解接合体膜（３）の位置ずれが防止される。
【００３９】
上記各実施例に示すように、厚板に溝研削加工する製造方法で複極板（９）（１９）（５９）を製造することにより、複極板（９）（１９）（５９）の周縁部を厚くすることができ、複極板（９）（１９）（５９）の強度が上がり、高圧ガスを発生させる場合でも、セルに歪みが生じることがなく、耐圧性が向上する。さらに、締め付けによりセル全体としての剛性も大きくなり、高強度の水電解槽が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成されているので、１本の給水ヘッダで電解水を供給しているものに比べて、電解水によって電解槽全体をほぼ均等に冷却することができ、また、電解水の流量も多くすることができることから、電解槽が効率よく冷却され、したがって、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上になることが抑えられ、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される。
【００４１】
また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されており、圧力容器頂部に、パラジウムを含浸させた水素ガス分離層を有する水素ガス取り出し装置が設けられており、水素ガス取り出し装置に接続された水素ラインに、水素ガスの圧力を所定圧まで高めてから排出する圧力調整弁が設けられているものでは、高圧の水素ガスが必要な場合においても、圧力容器を小さくかつ簡素なものにすることができるとともに、高純度でかつ高圧の水素ガスを効率よく得ることができる。
【００４２】
また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成されており、各セルの水素ガス通路は、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられており、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成されるとともに、外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されており、圧力容器の蓋の下面に設けられた下方突出状の電解槽押さえによって水電解槽が容器本体底壁に押し付けられて、圧力容器の蓋と水電解槽上面との間に、電解水層および水素ガス層からなる水素気液分離部が形成されているものでは、Ｏリングの径方向へののびは圧力容器内周面によって規制されるので、電解槽内部圧力が高圧になってもＯリングが破損することはなく、高圧の水素ガスが必要な場合においても、圧力容器を小さくかつ簡素なものにすることができ、しかも、圧力容器の上部は、水素気液分離器としての機能を兼ねることができることから、装置全体の構成を簡単なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１による水素供給装置を示す概略図である。
【図２】固体高分子型水電解槽の要部を示す垂直縦断面図である。
【図３】実施例１で使用される複極板の一部を示す斜視図である。
【図４】複極板の変形例を示す斜視図である。
【図５】実施例２による水素供給装置を示す概略図である。
【図６】実施例２で使用される複極板の一例およびその変形例を示す斜視図である。
【図７】固体高分子型水電解槽の要部を示す垂直縦断面図である。
【図８】実施例２で使用されている複極板の通路形状の詳細を示す図であり、（ａ）は、水の進行方向から見た正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は、底面図である。
【図９】水素ヘッダの詳細を示す断面図である。
【図１０】複極板の変形例およびこの複極板を使用した際のシール構造の一例を示す斜視図である。
【図１１】従来の高分子型水電解槽を示す分解斜視図である。
【図１２】従来の高分子型水電解槽を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
（３）：電極接合体膜
（７）：陽極給電体
（８）：陰極給電体
（９）：複極板
（９ａ）：水平状並列通路
（９ｂ）：垂直状並列通路
（１９）：複極板
（１９ａ）：水平状並列通路
（１９ｂ）：水平状並列通路
（１９ｃ）：水平状並列通路の開口連通路
（２０）：固体高分子型水電解槽
（２１）：圧力容器
（２２）：水素ガス取り出し装置
（２３）：水素ライン
（３２）：水素ガス分離層
（３４）：逆止弁式圧力弁（圧力調整弁）
（４０）：固体高分子型水電解槽
（４１）：圧力容器
（４２）：蓋
（４２ａ）：電解槽押さえ
（４３）：水素気液分離部
（４９）：水素ヘッダ
（５０）：Ｏリング
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽に関し、より詳しくは、例えば燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、従来より知られているものであり、その水電解槽（５１）は、図１１および図１２に示すように、両端に配された陽極主電極（１）および陰極主電極（２）と、これらの主電極（１）（２）の間に直列に配された複数の単位セル（１６）と、陽極主電極（１）−複数の単位セル（１６）−陰極主電極（２）の組み合わせを両側から挟む一対の端板（１３）とから主として構成されている。１つのセル（１６）は、複極板（９０）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）、および隣の複極板（９０）の陰極側から主として構成され、電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。各セル（１６）の周縁部には、電極接合体膜（３）と複極板（９０）の陰極給電体（８）側の面との間に水電解槽内部と外部をシールするＯリング（１７）が介在されている。また、水電解槽（５１）には、下端部の中央に給水ヘッダ（１０）が形成されるとともに、上端部に平行状に水素ヘッダ（１１）および酸素ヘッダ（１２）が形成されている。
【０００３】
この水素供給装置では、水電解槽（５１）の電解反応によって発熱し、その排熱は、酸素側の循環水による移動と水素側の水蒸気の蒸発潜熱とによって行われている。また、この装置では、内部圧力は、水電解槽（５１）外周部に設けられたＯリング（１７）によって保たれており、その発生ガスの圧力は、１．１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）未満とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素の燃料電池での使用が進んでおり、そのためには、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することが課題となっている。
【０００５】
しかしながら、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少し、十分な排熱が得られなくなり、このため、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上に上昇し、電解質膜が破損するという問題があった。
【０００６】
また、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、Ｏリングによるシールが破損するという問題があった。そこで、水電解槽を圧力容器内に設置することが考えられるが（特開平６−３３２８３号参照）、数十ＭＰａ程度の高圧に対応できる点および圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにするという点で、満足なものが得られていない。
【０００７】
本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【０００８】
さらに、本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、耐圧性能を有し、しかも、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルとを備え、１つのセルが、複極板の陽極側、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体、および隣の複極板の陰極側から主として構成されている固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置であって、水電解槽が圧力容器内に配されるとともに、水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成され、発生した水素ガスが水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部から排出されることを特徴とするものである。
【００１０】
水電解槽内の電解水の水平通路には、電解水がポンプ等によって強制的に通され、これにより、陽極に酸素、陰極に水素が発生する。発生した水素は、水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部に蓄えられていくことから、圧力容器頂部に水素ガス取り出し装置を設けることにより、水素を得ることができる。
【００１１】
上記の水素供給装置を得るには、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されている実施形態（第１実施形態）としてもよく、また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成されており、各セルの水素ガス通路は、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられている実施形態（第２実施形態）としてもよい。
【００１２】
複極板を得るには、例えば、アルミニウム製の板を使用し、その表面に並列状の垂直通路を、その裏面に並列状の垂直または水平通路をそれぞれ研削加工により形成すればよい。アルミニウム製複極板には、アルミニウムの溶出防止のために、白金、チタンまたは金がメッキされる。アルミニウム製の板に代えて、チタン製板を使用してもよく、また、耐熱樹脂製の板を使用してもよい。いずれの材料であっても、必要に応じて、白金、チタンまたは金がメッキまたはコーティングされる。なお、アルミニウム製複極板は、軽量、加工が簡単、安価、放熱性がよいため冷却効果が期待できるなどの利点を有している。
【００１３】
第１実施形態のものでは、圧力容器頂部に、パラジウムを含浸させた水素ガス分離層を有する水素ガス取り出し装置が設けられており、水素ガス取り出し装置に接続された水素ラインに、水素ガスの圧力を所定圧まで高めてから排出する圧力調整弁（例えば逆止弁式圧力弁）が設けられていることが好ましい。これにより、水素ガス分離層に酸素を吸収させ、高純度の水素ガスを得ることができるとともに、この水素ガスを所定圧以上の高圧にして取り出すことができる。
【００１４】
第２実施形態のものでは、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成されるとともに、外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されており、圧力容器の蓋の下面に設けられた下方突出状の電解槽押さえによって水電解槽が容器本体底壁に押し付けられて、圧力容器の蓋と水電解槽上面との間に、電解水層および水素ガス層からなる水素気液分離部が形成されているが好ましい。これにより、Ｏリングの径方向へののびは圧力容器内周面によって規制され、しかも、圧力容器の上部は、水素気液分離器としての機能を兼ねることができ、水素供給装置から水素気液分離器を省略することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。以下の説明において、左右および上下は、図１の左右および上下をいうものとし、これらに直交する方向を前後というものとする。
【００１６】
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽（２０）と、左側壁に水入口を、右側壁に水・酸素排出口を有し、水電解槽（２０）を収める圧力容器（２１）と、圧力容器（２１）の頂壁に設けられた水素ガス取り出し装置（２２）と、水素ガス取り出し装置（２２）に設けられた水素ライン（２３）と、圧力容器（２１）の水・酸素排出口に接続された酸素ライン（２４）と、酸素ライン（２４）に設けられて水電解槽（２０）の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器（２５）と、循環ポンプ（２７）を有し、酸素気液分離器（２５）と圧力容器（２１）の水入口とを接続する水循環ライン（２６）と、水電解槽（２０）に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００１７】
水素ガス取り出し装置（２２）は、頂壁を有する筒状に形成されて下端開口が圧力容器（２１）の頂壁に設けられた開口に通じているケーシング（３１）と、下端部の開口を覆うように設けられた水素ガス分離層（３２）と、ケーシング（３１）頂壁に設けられた圧力計（３３）とを有している。水素ガス分離層（３２）は、分離膜または分離可能な多孔質セラミックに、パラジウムが蒸着またはメッキにより含浸されたもので、酸素を通過させずに水素だけを通過させることができる。圧力計（３３）により計測された圧力値は、圧力容器（２１）内の水圧を所定値以上に維持するようにフィードバックされており、これにより、所定の水素ガス圧力が得られるようになされている。
【００１８】
水素ガス取り出し装置（２２）のケーシング（３１）頂壁には、水素排出口が設けられており、ここに、水素ライン（２３）の一端が接続されている。水素ライン（２３）には、逆止弁式圧力弁（３４）が設けられている。
【００１９】
水循環ライン（２６）の水は、イオン交換樹脂を経由することで一定の電気伝導率に管理されて循環させられている。水循環ライン（２６）には、必要に応じて、減少した純水が補充される。
【００２０】
水電解槽（２０）の各セル（１６）は、図２に示すように、複極板（９）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）および隣の複極板（９）の陰極側から主として構成されている。電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。
【００２１】
複極板（９）は、図３に示すように、その通路（９ａ）（９ｂ）が、陽極側に設けられているものと陰極側に設けられているものとが直交するように形成されている。そして、水平状並列通路（９ａ）が電解水および酸素の通路とされ、垂直状並列通路（９ｂ）が水素の通路とされている。水平状並列通路（９ａ）の上下両端および垂直状並列通路（９ｂ）の前後両端に設けられている溝には、セル同士を区画するためのゴムブッシュ（３５）（３６）がそれぞれ嵌め入れられている。
【００２２】
複極板（９）は、アルミニウム製の厚板に研削加工を施して、通路（９ａ）（９ｂ）を形成したものであり、その表面には、チタン／白金コーティングが施されている。
【００２３】
この実施例の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、循環ポンプ（２７）によって水電解槽（２０）に強制的に送り込まれた電解水は、複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）を左から右に流れ、水素および酸素に分解されるとともに、水電解槽（２０）の冷却水の機能を果たして、圧力容器（２１）から排出される。陽極で発生した酸素は、電解水とともに複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）を流れ、陰極に発生した水素は、複極板（９）の垂直状並列通路（９ｂ）を流れて、圧力容器（２１）の頂部に蓄えられていく。圧力容器（２１）の頂部に蓄えられた水素は、水素ガス分離層（３２）を通過することによりその純度を高められ、逆止弁式圧力弁（３４）により所定圧力に調整されて外部に供給される。従来の複極板は、薄板を超塑性加工により波形に成形したものであり、圧力によるたわみなどにより、イオン交換膜（４）と触媒電極層（５）（６）との接触にばらつきを生じることがあったが、厚板を研削加工した複極板（９）を使用することにより、ばらつきが抑えられ、安定して水素を得ることができる。
【００２４】
水電解槽（２０）における電解反応は、発熱反応であり、その排熱は、酸素側の循環水による移動および水素側の水蒸気の蒸発潜熱によって行われている。また、圧力容器（２１）内に冷却された循環水が導入されて水電解槽（２０）との間隙を充満していることによっても水電解槽（２０）の排熱が行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が水平状並列通路（９ａ）を流れる大量の水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、電極接合体膜（電解質膜）（３）が破損することが防止される。
【００２５】
なお、複極板（９）の材料としては、アルミニウムに代えて、チタンとしてもよく、また、金属に限らず、耐熱樹脂であってもよい。アルミニウムおよび樹脂は、加工が簡単で安価であり、特に、アルミニウムは、放熱性に優れていることから、冷却効果を向上させるという利点を有している。また、複極板（９）の水平状並列通路（９ａ）および垂直状並列通路（９ｂ）の各１本の通路については、直線状に限らず、図４（ａ）に示すように、波形（サインカーブ）のような曲線状であってもよく、図４（ｂ）に示すように、ジグザグ状、鋸刃状のような屈曲状であってもよい。通路（９ａ）（９ｂ）を曲線状または屈曲状とすることにより、電極接合体膜と給電体との接触面積が直線状のものに比べて多くなり、より安定した電解性能を得ることができる。
【００２６】
実施例２
図５において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽（４０）と、水電解槽（４０）を収める蓋（４２）付きの圧力容器（４１）と、圧力容器（４１）の頂部に設けられた水素ガス取り出し装置（４３）と、水素ガス取り出し装置（４３）に設けられた水素ライン（４４）と、圧力容器（４１）の周壁の水・酸素排出口に接続された酸素ライン（４５）と、酸素ライン（４５）に設けられて水電解槽（４０）の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器（４６）と、循環ポンプ（４８）を有し、酸素気液分離器（４６）と圧力容器（４１）の水入口とを接続する水循環ライン（４７）と、水電解槽（４０）に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００２７】
複極板（１９）は、図６（ａ）および図８に示すように、円板状で、その両面に、並列状通路（１９ａ）（１９ｂ）が形成されるとともに、外周に設けられた環状溝に、Ｏリング（５０）が嵌め入れられている。図８において、複極板の上面に設けられている通路は、酸素発生側の通路（１９ａ）で、同下面に設けられている通路は、水素発生側の通路（１９ｂ）とされている。水素発生側の通路（１９ｂ）は、複極板（１９）の外周には開口しておらず、これに対し、酸素発生側の通路（１９ａ）には、複極板（１９）の外周に開口し水の導入口と水および酸素の排出口となる開口連通路（１９ｃ）が連通させられている。開口連通路（１９ｃ）は、複極板（１９）の上下面には開口せず、外周にだけ開口している。
【００２８】
水電解槽（４０）の各セル（１６）は、図７に示すように、複極板（１９）の陽極側、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）、陰極給電体（８）および隣の複極板（１９）の陰極側から主として構成されている。電極接合体膜（３）は、イオン交換膜（４）とその両面に設けられた触媒電極層（５）（６）とからなる。
【００２９】
Ｏリング（５０）付き複極板（１９）は、それらの通路（１９ａ）（１９ｂ）を水平に向けてかつＯリング（５０）が圧力容器（４１）の内周に接するようにして水平層状に積層されている。複極板（１９）、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）および陰極給電体（８）が積層されて形成された水電解槽（４０）には、これを垂直に貫通する方向に水素ヘッダ（４９）が形成されている。
【００３０】
図９に示すように、水素ヘッダ（４９）は、複極板（１９）、陽極給電体（７）、電極接合体膜（３）および陰極給電体（８）を貫通する垂直貫通孔（４９ａ）と、各複極板（１９）に設けられた段付き孔部（５７）（５８）にＯリング（５３）（５４）を介して嵌め入れられた１対の通路形成リング（５５）（５６）とによって形成されている。各通路形成リング（５５）（５６）は、セラミックまたは耐熱樹脂（例えばエンジニアリングプラスチック）製であり、それぞれ、一端に、内径は同じで外径が小さい小径部を有している。そして、一方のＯリング（５３）は、小径部の外周に、他方のＯリング（５４）は、小径部がない方の端面の環状溝に、それぞれ通路に露出しないように嵌め入れられ、通路形成リング（５５）（５６）の大径部の端面同士が隣り合うもの同士突き合わされ、小径部の端面が、複極板の最も内径が小さい部分に当接させられている。水素側の通路形成リング（５６）には、側面に１〜２ｍｍ程度の小孔（５６ａ）が複数設けられている。
【００３１】
こうして、水電解槽（４０）には、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）と、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路（１９ｂ）およびこれらの水素ガス通路が合流させられる垂直状水素ヘッダ（４９）とが形成されている。そして、複極板（１９）の外周に嵌められたＯリング（５０）は、圧力容器（４１）の内周によってその径の増大が抑えられている。
【００３２】
圧力容器（４１）は、上端が開口した筒状の容器本体に蓋（４２）が絶縁層を介して被せられることにより形成されており、この実施例では、容器本体が陰極に、蓋（４２）が陽極とされている。圧力容器（４１）の蓋（４２）の下面には、下方突出状の電解槽押さえ（４２ａ）が設けられている。この電解槽押さえ（４２ａ）は、水電解槽（４０）全体を容器本体底壁に押し付けるもので、圧力容器（４１）の蓋（４２）と水電解槽（４０）上面との間には、電解槽押さえ（４２ａ）の長さに相当する間隙が形成されている。水電解槽（４０）に供給される純水の圧力を調整することにより、この間隙には、電解水層が確保され、この電解水層の上方に、発生した水素ガスの層が形成され、こうして、圧力容器（４１）の頂部に、水素ガス取り出し装置（４３）となる水素気液分離部が形成されている。
【００３３】
この実施例の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、循環ポンプ（４８）によって水電解槽（４０）に強制的に送り込まれた電解水は、複極板（１９）の水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）を左から右に流れ、水素および酸素に分解されるとともに、水電解槽（４０）の冷却水の機能を果たして、圧力容器（４１）から排出される。陽極で発生した酸素は、電解水とともに複極板（１９）の水平状並列通路（１９ａ）（１９ｃ）を流れ、陰極に発生した水素は、各セルの複極板（１９）の水平状並列通路（１９ｂ）を流れて、水素ヘッダ（４９）に合流させられ、圧力容器（４１）の頂部に蓄えられていく。水素ガスは、圧力容器（４１）頂部の水素ガス分離部においてその純度を高められ、逆止弁式圧力弁（４４）により所定圧力に調整されて外部に供給される。従来の複極板は、薄板を超塑性加工により波形に成形したものであり、圧力によるたわみなどにより、イオン交換膜（４）と触媒電極層（５）（６）との接触にばらつきを生じることがあったが、厚板を研削加工した複極板（１９）を使用することにより、ばらつきが抑えられ、安定して水素を得ることができる。
【００３４】
水電解槽（４０）における電解反応は、発熱反応であり、その排熱は、酸素側の循環水による移動および水素側の水蒸気の蒸発潜熱によって行われている。また、圧力容器（４１）内に冷却された循環水が導入されて水電解槽（４０）との間隙を充満していることによっても水電解槽（４０）の排熱が行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が水平状通路（１９ｂ）を流れる大量の水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、電極接合体膜（電解質膜）（３）が破損することが防止される。
【００３５】
また、水素ヘッダ（４９）を形成するのに、従来使用されていたゴムブッシュを使用していないため、ゴムブッシュに起因する加工精度が悪くかつ熱的な変形が大きいという問題が解消されている。
【００３６】
上記において、複極板（１９）は、円板状とされているが、図６（ｂ）に示すように、方形板状で、その角部が面取りされて丸くなっている複極板を使用することもできる。なお、複極板（１９）は、アルミニウム製の厚板に研削加工を施して、通路（１９ａ）（１９ｂ）を形成したものであり、その表面には、チタン／白金コーティングが施されている点、および通路（１９ａ）（１９ｂ）を曲線状または屈曲状にしてもよい点は、実施例１と同様である。
【００３７】
この実施例２では、Ｏリング（５０）と圧力容器（４１）とが接触するようになされているが、厚板に研削することにより得られた複極板は、図１１および図１２に示されている従来の水電解槽にも適用することが可能である。この場合の複極板外周縁部のシール構成の改良例を図１０に示す。
【００３８】
図１０において、複極板（５９）の周縁部に、外周に近い第１のＯリング（６１）と、この内側に設けられた第２のＯリング（６２）とからなるシール機構が設けられている。複極板（５９）は、厚板に通路または溝を研削により設けたものであることから、Ｏリング（６１）（６２）を収めるための溝の形成も容易であり、また、これによって、複極板（５９）のたわみが増加するなどのデメリットもないことから、２重のＯリング（６１）（６２）構造の採用により容易にシール性を向上することができる。複極板（５９）には、さらに、電解接合体膜（３）の触媒電極層（５）（６）を位置決めするための突起（６３）を形成することもでき、これにより、電解接合体膜（３）の位置ずれが防止される。
【００３９】
上記各実施例に示すように、厚板に溝研削加工する製造方法で複極板（９）（１９）（５９）を製造することにより、複極板（９）（１９）（５９）の周縁部を厚くすることができ、複極板（９）（１９）（５９）の強度が上がり、高圧ガスを発生させる場合でも、セルに歪みが生じることがなく、耐圧性が向上する。さらに、締め付けによりセル全体としての剛性も大きくなり、高強度の水電解槽が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成されているので、１本の給水ヘッダで電解水を供給しているものに比べて、電解水によって電解槽全体をほぼ均等に冷却することができ、また、電解水の流量も多くすることができることから、電解槽が効率よく冷却され、したがって、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上になることが抑えられ、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される。
【００４１】
また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されており、圧力容器頂部に、パラジウムを含浸させた水素ガス分離層を有する水素ガス取り出し装置が設けられており、水素ガス取り出し装置に接続された水素ラインに、水素ガスの圧力を所定圧まで高めてから排出する圧力調整弁が設けられているものでは、高圧の水素ガスが必要な場合においても、圧力容器を小さくかつ簡素なものにすることができるとともに、高純度でかつ高圧の水素ガスを効率よく得ることができる。
【００４２】
また、複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成されており、各セルの水素ガス通路は、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられており、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成されるとともに、外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されており、圧力容器の蓋の下面に設けられた下方突出状の電解槽押さえによって水電解槽が容器本体底壁に押し付けられて、圧力容器の蓋と水電解槽上面との間に、電解水層および水素ガス層からなる水素気液分離部が形成されているものでは、Ｏリングの径方向へののびは圧力容器内周面によって規制されるので、電解槽内部圧力が高圧になってもＯリングが破損することはなく、高圧の水素ガスが必要な場合においても、圧力容器を小さくかつ簡素なものにすることができ、しかも、圧力容器の上部は、水素気液分離器としての機能を兼ねることができることから、装置全体の構成を簡単なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１による水素供給装置を示す概略図である。
【図２】固体高分子型水電解槽の要部を示す垂直縦断面図である。
【図３】実施例１で使用される複極板の一部を示す斜視図である。
【図４】複極板の変形例を示す斜視図である。
【図５】実施例２による水素供給装置を示す概略図である。
【図６】実施例２で使用される複極板の一例およびその変形例を示す斜視図である。
【図７】固体高分子型水電解槽の要部を示す垂直縦断面図である。
【図８】実施例２で使用されている複極板の通路形状の詳細を示す図であり、（ａ）は、水の進行方向から見た正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は、底面図である。
【図９】水素ヘッダの詳細を示す断面図である。
【図１０】複極板の変形例およびこの複極板を使用した際のシール構造の一例を示す斜視図である。
【図１１】従来の高分子型水電解槽を示す分解斜視図である。
【図１２】従来の高分子型水電解槽を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
（３）：電極接合体膜
（７）：陽極給電体
（８）：陰極給電体
（９）：複極板
（９ａ）：水平状並列通路
（９ｂ）：垂直状並列通路
（１９）：複極板
（１９ａ）：水平状並列通路
（１９ｂ）：水平状並列通路
（１９ｃ）：水平状並列通路の開口連通路
（２０）：固体高分子型水電解槽
（２１）：圧力容器
（２２）：水素ガス取り出し装置
（２３）：水素ライン
（３２）：水素ガス分離層
（３４）：逆止弁式圧力弁（圧力調整弁）
（４０）：固体高分子型水電解槽
（４１）：圧力容器
（４２）：蓋
（４２ａ）：電解槽押さえ
（４３）：水素気液分離部
（４９）：水素ヘッダ
（５０）：Ｏリング
Claims (5)
- 両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルとを備え、１つのセルが、複極板の陽極側、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体、および隣の複極板の陰極側から主として構成されている固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置であって、水電解槽が圧力容器内に配されるとともに、水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成され、発生した水素ガスが水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部から排出されることを特徴とする、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
- 複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て垂直状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる垂直状並列通路が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
- 圧力容器頂部に、パラジウムを含浸させた水素ガス分離層を有する水素ガス取り出し装置が設けられており、水素ガス取り出し装置に接続された水素ラインに、水素ガスの圧力を所定圧まで高めてから排出する圧力調整弁が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
- 複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体は、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成されており、各セルの水素ガス通路は、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられていることを特徴とする、請求項１記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
- 上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成されるとともに、外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されており、圧力容器の蓋の下面に設けられた下方突出状の電解槽押さえによって水電解槽が容器本体底壁に押し付けられて、圧力容器の蓋と水電解槽上面との間に、電解水層および水素ガス層からなる水素気液分離部が形成されていることを特徴とする、請求項４記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
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