JP2004115825A

JP2004115825A - 水電解装置用セパレータの製造方法

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Publication number: JP2004115825A
Application number: JP2002276665A
Authority: JP
Inventors: Michiko Horiguchi; 堀口　道子; Takashi Harada; 原田　孝
Original assignee: Fuji Electric Advanced Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】従来に比較して溝もしくは穴の形成が容易であって、全体として、材料費および加工費の低減が可能な水電解装置用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】固体高分子等の電解質膜によって内部が陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、少なくとも発生ガス流路用の溝および／または冷却水流路用の穴を有する金属材料製のセパレータとを備えた水電解装置の前記セパレータの製造方法において、前記セパレータは、前記溝３３および／または穴３４を除く部分を、複数個の金属材料製の薄板３２を互いに拡散接合することにより形成し、その際、前記溝および／または穴は、拡散接合された複数個の薄板の内の少なくとも一部の複数個の各一つの辺で、溝および／または穴を取り囲むようにして形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水電解装置用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子等の電解質膜を隔膜として陽極（アノード）側と陰極（カソード）側とに分離し、陽極側に純水、又はイオンを含む水を供給しながら電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生するように構成した水電解装置の開発が、近年進められ、そのシステム構成，スタックの構造，運転方法等々に関して、種々の提案が行なわれている（例えば、特許文献１ないし２など参照）。
【０００３】
前記高分子電解質膜は工業用として広く用いられており、代表的な例としては、ペルフルオロカーボンスルホン酸膜が上げられる。製品としては、Ｎａｆｉｏｎ（米国ＤｕＰｏｎｔ社製商品名）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成製商品名）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（旭硝子製商品名）等がある。給電体としては、チタン繊維やステンレス繊維焼結板等の導電性の高い材料が用いられる。陽極側に供給された水は、２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻の反応のように分解され、酸素が発生する。Ｈ^＋は電解質膜のスルホン基を経由し、陰極側で４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２の反応が起こり水素ガスが発生する。
【０００４】
ここで、両面に触媒層を有した高分子電解質膜とそれを挟む給電体は、後述するように、耐熱・耐腐食性金属のセパレータで挟まれ、シール材として耐熱性ゴムパッキンで封止される。このセパレータ表面には、供給水や発生した酸素・水素ガスの流路用の溝や穴が形成されている。
【０００５】
前記特許文献１には、水電解装置の一般的な基本システム構成が記載されており、また、前記特許文献２には、複極板として記載された前記セパレータを含むスタックの構成の一例が開示されている。
【０００６】
図５は、前記特許文献２に記載されたスタックの構成を示す。特許文献２の記載によれば、図５に示すスタックは、陽極主電極１、陰極主電極２、イオン交換膜４と触媒電極層５、６とからなる電極複合体膜３、陽極給電体７、陰極給電体８、複極板（セパレータ）９及びこれらを一体とするための締め付けボルト及びナットから構成されており、商業規模の電解槽では、８０枚から６００枚のイオン交換膜を一体としている。
【０００７】
水が電解槽下部に設けられた吸水ヘッダー１０から上方に流路のある陽極主電極１及び複極板９の陽極側に供給されると、触媒電極層５、６の表面で、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生する。発生した酸素及び水素はそれぞれ多孔質の給電体７、８を通ってそれぞれの極板に達し、更にそれぞれの極板に設けられた流路を通って電解槽上部に達し、ここに設けられたそれぞれのヘッダー１１、１２を通って外部に排出される。
【０００８】
これらの構成材の中で、最も過酷な条件を要求されるのは、複極板（セパレータ）９である。つまり、材質的な条件としては、導電性が良いことはもちろん、陽極側では酸化性雰囲気、陰極側では還元性雰囲気という全く逆の条件が同じ材料に要求される。更に構造的な条件としては、給電体６、７に電流を一様に伝えること、並びに供給水及び発生したガスを均一に流せる流路が確保できることといった機能が要求される。このような条件を満足するものとして、現状では、純チタンを機械加工又はプレス加工したものの表面を、白金メッキしたものやカーボンをモールディしたものが用いられている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−５４１７５号公報（第２頁、図２）
【特許文献２】
特開平７−２５２６８２号公報（第２頁、第５図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、水電解装置用セパレータは、電気伝導率が高く、耐熱かつ耐食性に優れた金属材料（例えば、純チタン）を用いるが、例えば純チタンの金属ブロックを切削加工して、発生ガス流路用の溝もしくは冷却水流路用の穴を形成する従来の方法によれば、材料費・切削加工費が共に高く、水電解セルスタックコストのかなりの部分を占めることとなり、低コスト化を図る上での大きな問題となっていた。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、従来に比較して、前記溝もしくは穴の形成が容易であって、全体として、材料費および加工費の低減が可能な水電解装置用セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、固体高分子等の電解質膜によって内部が陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、少なくとも発生ガス流路用の溝および／または冷却水流路用の穴を有する金属材料製のセパレータとを備えた水電解装置の前記セパレータの製造方法において、
前記セパレータは、前記溝および／または穴を除く部分を、複数個の金属材料製の薄板を互いに拡散接合することにより形成し、その際、前記溝および／または穴は、前記拡散接合された複数個の薄板の内の少なくとも一部の複数個の各一つの辺で、溝および／または穴を取り囲むようにして形成する（請求項１の発明）。
【００１３】
前記製造方法によれば、薄板を互いに拡散接合することにより製造するので、従来の金属ブロックに比較して、材料コストが低減する。また、前記溝および／または穴は、拡散接合によって、セパレータの溝および／または穴以外の部分の形成と同時に形成されるので、加工費も低減し、全体として製造コストが低減する。
【００１４】
また、前記発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の製造方法において、前記溝および／または穴は、前記セパレータの表裏両主面側に形成され、前記拡散接合により、前記両主面側同時に形成する（請求項２の発明）。
【００１５】
さらに、前記請求項１または２に記載の製造方法において、前記金属材料は、純チタンとする（請求項３の発明）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２に基づき、この発明の実施の形態について、従来の製造方法と比較して以下に述べる。
【００１７】
図１は拡散接合による本発明の実施の形態に係るセパレータの一例の模式的断面図、図２は切削加工法による従来のセパレータの一例の模式的断面図を示す。従来は図２に示すように純チタンの金属ブロック単体３５を切削加工し、発生ガスや冷却水が流れる溝３３や穴３４を形成しており、これが高コストの原因となっていた。
【００１８】
これに対して本発明では、図１に示すように、例えば、厚さ１ｍｍの金属薄板、例えば純チタンの薄板３２を拡散接合によって接合、組み合わせることにより、発生ガスや冷却水が流れる溝３３や穴３４を形成する。図１において、３１で示す各薄板３２の接合面は、拡散接合部を示す。これにより、従来と比較して、溝３３や穴３４の加工が簡単になり、材料費および加工費のコストダウンが可能となる。
【００１９】
【実施例】
本発明の拡散接合により、図３に示すような純チタン製の小型セパレータを試作し、その機能を確認した。図３に示す試作セパレータ３７は、溝３３がセパレータの表裏両主面側に形成され、また中央部に穴３６を備えるもので、複数個の薄板３２を拡散接合して、前記両主面側の溝３３を同時に形成した。
【００２０】
上記試作セパレータ３７とは別に、従来方法による同様の比較用セパレータを、同じ材質（純チタン製）の金属ブロックから機械加工により製作した。本発明の試作セパレータと、従来方法（金属ブロック）のセパレータに関して、電気抵抗等を比較した結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表１に示すように、本発明の試作セパレータの試験片の形状は８０ｍｍ×８０ｍｍ×（厚さ）７．５ｍｍであり、従来方法（金属ブロック）は８０ｍｍ×８０ｍｍ×（厚さ）２５ｍｍとした。上記各セパレータについて、電気抵抗を測定した。電気抵抗の測定条件は、室温で、電流密度１Ａ／ｃｍ^２とした。測定の結果、試作セパレータは同じ厚さに換算した金属ブロック（単体）に比べ、約２倍の電気抵抗をもつことがわかった。しかし、この電気抵抗分を電圧効率に換算すると０．２０％程度であり、実用上問題無いレベルであることが確認でき、本発明の製造方法の有効性が確認された。
【００２３】
次に、前記図３に示す試作セパレータ３７について、拡散接合部の気密性について実験した結果について述べる。図４に示す気密性試験装置のように、試作セパレータ３７を、シリコーンゴムシート３８で挟み、窒素ガス注入口４０から水中で窒素ガスを注入して、拡散接合部３１における窒素ガスの漏れを調べた。結果は、セパレータの使用常圧（０．１ＭＰａ）以上の注入ガス圧力（０．２Ｍｐａ）において、拡散接合部の気密性は確保されていることが確認できた。なお、図４において、３９は、試作セパレータ３７およびシリコーンゴムシート３８の締め付け治具を示す。
【００２４】
【発明の効果】
前述のように、この発明によれば、固体高分子等の電解質膜によって内部が陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、少なくとも発生ガス流路用の溝および／または冷却水流路用の穴を有する金属材料製のセパレータとを備えた水電解装置の前記セパレータの製造方法において、前記セパレータは、前記溝および／または穴を除く部分を、複数個の金属材料製の薄板を互いに拡散接合することにより形成し、その際、前記溝および／または穴は、前記拡散接合された複数個の薄板の内の少なくとも一部の複数個の各一つの辺で、溝および／または穴を取り囲むようにして形成することとしたので、
従来に比較して、前記溝もしくは穴の形成が容易であって、全体として、材料費および加工費の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る水電解装置用セパレータの模式的断面図
【図２】従来の製造方法に係る水電解装置用セパレータの一例の模式的断面図
【図３】この発明の実施例の試作セパレータの断面図
【図４】試作セパレータの気密性試験装置の概念的構成図
【図５】特許文献２に記載された水電解セルスタックの構成図
【符号の説明】
３１：拡散接合部、３２：金属薄板、３３：溝、３４，３６：穴、３７：試作セパレータ、３８：シリコーンゴムシート、３９：締付け治具、４０：窒素ガス注入口。

Claims

固体高分子等の電解質膜によって内部が陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、少なくとも発生ガス流路用の溝および／または冷却水流路用の穴を有する金属材料製のセパレータとを備えた水電解装置の前記セパレータの製造方法において、
前記セパレータは、前記溝および／または穴を除く部分を、複数個の金属材料製の薄板を互いに拡散接合することにより形成し、その際、前記溝および／または穴は、前記拡散接合された複数個の薄板の内の少なくとも一部の複数個の各一つの辺で、溝および／または穴を取り囲むようにして形成することを特徴とする水電解装置用セパレータの製造方法。
請求項１に記載の製造方法において、前記溝および／または穴は、前記セパレータの表裏両主面側に形成され、前記拡散接合により、前記両主面側同時に形成することを特徴とする水電解装置用セパレータの製造方法。
請求項１または２に記載の製造方法において、前記金属材料は、純チタンとすることを特徴とする水電解装置用セパレータの製造方法。