JP2004315933A - 給電体および電解セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上記課題を解決すべく、本発明は、電解セルの固体電解質膜と電極板との間に介装され、電極板に圧接される給電体であって、電極板に当接される未焼結の繊維層を備えてなることを特徴とする給電体を提供する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、純水等を電気分解して水素および酸素を発生させる電解セル、及びその給電体に関する。
【0002】
【従来の技術】
水電解装置は、水等を電気分解して水素および酸素を発生させる電解セルを主たる構成要素とするものであり、その電解セルは、一般に電解質の役割を果たす固体電解質膜を中心とする固体電解質膜ユニットが所定組積層されて構成されている。
【0003】
そして、電解セルを構成する固体電解質膜ユニットは、図3に示す如く、固体電解質膜101と、この固体電解質膜101を挟持すべく設けられた電極板103(陽極側および陰極側電極板)と、前記固体電解質膜101と前記電極板103との間に設けられた給電体102(陽極側および陰極側給電体)等により構成されている。
運転時には、斯かる構成の電解セル100は、積層された固体電解質膜ユニット105の両端の端板120を介して、締め付け具121によって締め付けるようにして組み立てられる。そして、通水ポート(図示せず)を介して水が供給され、両端の電極板から電圧が印加されて水電解が行われる。
【0004】
このような構成の電解セルにおいて、給電体102は、固体電解質膜101と電極板103とを通電させる働きをし、且つ供給された水を固体電解質膜101に接触させ、発生したガスを排出する働きをする。
よって、電解セルの高性能化を図るには、該給電体についてもより一層かかる機能を高める必要がある。
【0005】
従来、このような給電体としては、固体電解質膜と接触する陰極給電体として、多孔質のカーボン焼結体111と、該カーボン焼結体111を補強するための金属メッシュ層112とからなるものが知られている(特許文献1)。
斯かる従来技術の給電体によれば、カーボン焼結体の採用によって固体電解質膜との接触性を高めて膜の損傷を防止するとともに、金属メッシュ層の採用によって比較的脆いカーボン焼結体を補強することとしている。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−256380号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の給電体によれば、カーボン焼結体を補強することによってカーボン焼結体を保護することは可能である反面、水電解の際の電解セル電圧の低減は不十分なものであった。
そこで本発明は、水電解におけるエネルギー効率を改善すべく、電解セル電圧の更なる低減を図ることを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明は、電解セルの固体電解質膜と電極板との間に介装され、電極板に圧接される給電体であって、電極板に当接される未焼結の繊維層を備えてなることを特徴とする給電体を提供する。
【0009】
未焼結の繊維層は、従来の焼結体と比べて柔軟性に富むものであるため、電極板に圧接された際には該未焼結の繊維層がその押圧力によって圧縮され、電極板との接触面積が増加することとなる。
よって、斯かる給電体を用いて電解セルを構成することにより、給電体と電極板との接触抵抗を低減することができ、水電解の高効率化を図ることができる。
また、固体電解質膜や電極板にかかる面圧が均一化されるという作用も奏するため、電解セル電圧を相乗的に低減できるという効果がある。
【0010】
前記未焼結の繊維層は、好ましくはチタン繊維からなる。また、該未焼結の繊維層は、好ましくは不織布によって構成される。
チタン繊維からなる繊維層を採用すれば、より一層電気抵抗を低減することができる。また、該繊維層に不織布を用いることにより、より柔軟性と透過性に優れた給電体となる。
【0011】
また、本発明の給電体は、好ましくは固体電解質膜に当接される焼結体層を備えてなる。焼結体層は未焼結の繊維層よりも固く、一定形状を保持したものであるため、例えば、固体電解質膜として固体高分子電解質膜のような柔軟な膜との接触状態が良好となり、接触抵抗の低減と膜の損傷防止を図ることができる。
【0012】
また、本発明は、固体電解質膜と、電極板と、該固体電解質膜および該電極板との間に介装されて電極板に圧接される給電体とを備えた電解セルであって、該給電体には、電極板と接する未焼結の繊維層が備えられてなることを特徴とする電解セルを提供する。
該給電体は、好ましくは電解セルの陰極側に配設されてなる。
【0013】
斯かる構成の電解セルによれば、未焼結の繊維層は焼結体と比べて柔軟性に富むため、電極板に圧接された際には該未焼結の繊維層がその押圧力によって収縮し、電極板と給電体との接触面積が増加する。
よって、斯かる給電体を用いて構成された電解セルは、固体電解質膜や電極板にかかる圧力が均一化され、しかも該給電体と電極板との接触抵抗が低減されるため、より高効率で水電解を行うことが可能な電解セルとなる。
【0014】
特に、該給電体を電解セルの陰極側に配設した場合、通水の為の空隙を確保しなければならない陽極側と比較して、未焼結の繊維層をより一層圧縮し、電極板との接触面積増大を図ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の給電体および電解セルに関し、図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明に係る給電体1の一実施形態を示したものである。本実施形態の給電体1は、未焼結の繊維層2と、焼結体層3とが積層されて構成されている。
【0016】
未焼結の繊維層2を構成する繊維としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、陽極側においては、例えば、ニオブ、チタンパラジウム合金、チタン等を使用でき、陰極側においては、例えば、ステンレス、カーボン、チタン等を使用できるが、中でも、電気抵抗が少なく、耐腐蝕性に優れるという観点から、何れの側においてもチタン繊維を好適に使用できる。
【0017】
また、該繊維層2を構成する繊維の径についても特に限定されるものではないが、例えば、繊維径が10〜100μmのものであれば、繊維層2の柔軟性が良好となり、電極板との接触状態が良好となって電圧を低下させることができる。また、繊維径が20〜50μmであれば、柔軟性がさらに良好となり、接触状態のより優れたもとなる。繊維の長さについては、繊維同士が適度に絡まって層を形成し得る程度の長さであれば、特に限定されるものではない。
【0018】
また、未焼結の繊維層2は、導電性の繊維が不織布として構成されたものが好適に使用される。未焼結の繊維層2が不織布であれば、より柔軟性に優れたものとなり、電極板との接触面積がより一層増大し、電解セルの電圧を低下させることができる。
【0019】
不織布とするには、公知である各種製法を採用し得るが、中でもニードルパンチ法等の機械的結合方法によって製造されたものが好適である。斯かる機械的結合方法によって構成された不織布は、他の製法によって得られる不織布と比べてより柔軟性に優れたものとなり、電極板に圧接された際により一層電極板と給電体との接触面積を増大させ、接触抵抗を更に低減することができる。
【0020】
さらに、本発明に係る給電体1は、後述するように、主として陰極側に使用することが好ましく、陰極給電体として用いる際の繊維層2は、目付け(単位面積当たりの繊維質量)が180〜290g/cm2、空隙率が50〜80%であるものが好ましい。斯かる構成の繊維層2とすれば、水素ガス又は水の透過性を妨げにくく、しかも電極板との接触性を高めて接触抵抗低減を図ることができる。
【0021】
一方、給電体1を構成する焼結体層3としては、導電性の繊維又は粉体が高密度に圧縮成形された後、焼結されてなる焼結体を好適に使用でき、空隙率としては50〜80%のものを好適に使用できる。
【0022】
導電性の繊維又は粉末としては、前記繊維層2と同様に、陽極側には、例えば、ニオブ、チタンパラジウム合金、チタン等を好適に使用でき、陰極側には、例えば、ステンレス、カーボン、チタン等を好適に使用できる。
また、導電性に優れるという観点からはチタンが好適であるが、陰極側においては白金メッキが不要であるカーボンが、導電性と経済性とを兼ね備えたものとしてより好適である。
【0023】
図2は、本発明に係る電解セルの一実施形態を示したものであり、該実施形態の電解セルでは、上記のような構成の給電体1が陰極側の給電体として採用されている。
より具体的に説明すると、本実施形態の電解セル30は、固体高分子電解質膜11の両側に陽極電極板および陰極電極板として機能する複極式の電極板13を備え、且つ該固体高分子電解質膜11と該電極板13との間には、陽極給電体1’および陰極給電体1がそれぞれ介装されて構成されている。
【0024】
陰極給電体1は、上述のように、未焼結の繊維層2と焼結体層3とを備えたものであり、焼結体層3が固体高分子電解質膜11に接し、未焼結の繊維層2が電極板13に接するように配設されている。焼結体層3の好ましい具体例として、本実施形態ではカーボン繊維焼結体が使用されており、チタン繊維焼結体を使用する場合と比べて装置の低コスト化が図られている。
一方、陽極給電体1’は、チタン焼結体層3’と、導電性スクリーン層4とを備えたものであり、チタン焼結体層3’が固体高分子電解質膜11に接し、導電性スクリーン層4が電極板13と接するように配設されている。
【0025】
導電性スクリーン層4としては、供給された水を焼結体層へ移動させ且つ発生した酸素および余剰の水を速やかに排出し、しかも電極板と焼結体層とを低い抵抗値で通電し得るものを好適に使用でき、その形状は特に制限されるものではない。
斯かる導電性スクリーン層4の好ましい具体例として、本実施形態では、導電性のプレートに所定間隔で多数の突出片が設けられ、しかも該突出片には水の流れ方向に沿って対向した開口部が形成され、突出片の先端がプレートに平行な平面であるものが使用されている。該導電性スクリーン4は、電解セルの締め付け時においても水を速やかに供給、排出し得るものである。
【0026】
該電解セル30によって水電解を行う際には、まず、これら固体高分子電解質膜11、給電体1、1’および複極式の電極板13等を所定組積層し、両端から端板20で挟み、締め付け具21によって所定の圧力で締め付ける。陰極側に配設された陰極給電体1の未焼結の繊維層2は、この締め付け圧力によって圧縮され、電極板13に圧接されることとなる。
その後、通水ポート(図示せず)を介して各固体電解質膜ユニット15の陽極側から水を供給し、電解セルの両端から電極板13に電圧を印加することにより、水の電気分解を行う。
【0027】
斯かる構成の電解セル30によれば、陰極側に未焼結の繊維層2を備えた陰極給電体1を配設し、締め付け圧力によって圧縮しつつ電極板に圧接することにより、電極板13と陰極給電体1との接触面積を増大させ、接触抵抗の低減を図ることができる。
さらに、未焼結の繊維層が圧縮されることにより、電解セル30内に生じる圧力の不均衡が解消され、固体高分子電解質膜11と給電体1、1’、或いは給電体1、1’と電極板13の面圧が面方向にも均一化されることとなって、該作用によっても電解効率が改善されることとなる。
また、陰極側に未焼結の繊維層を採用したため、陽極側と比較して流れる水の量が少ない陰極側では、上述のように繊維層2が圧縮された場合であっても、その流通を妨げにくいという効果もある。
【0028】
また、電解セル30内の圧力不均衡が解消されるため、従来技術のように焼結体層を補強する金属メッシュを採用しなくとも、焼結体層3の破損を防止できるという効果もある。
【0029】
さらに、従来のようにチタン板を加工してチタンメッシュを作製する場合と比べて、未焼結のチタン繊維は製造が容易であるため、製造費用がより安価になるという効果がある。
【0030】
一方、陽極側では、導電性スクリーン層4を備えた陽極給電体1’を配設し、50〜80%の空隙を確保することにより、陽極に供給された水および発生した酸素が速やかに排出されることとなる。
【0031】
尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において適宜設計変更することも可能である。
例えば、前記実施形態では、未焼結の繊維層が不織布である場合について説明したが、本発明の給電体は未焼結の繊維層、即ち繊維が焼結されずに構成された層を備えたものであればよく、不織布以外にも織布(織物)として構成されたものを使用することもできる。
【0032】
また、前記実施形態では、給電体が焼結体層を備えている場合について説明したが、本発明の給電体は、焼結体層を必須とするものではない。よって、例えば、未焼結の繊維層のみからなる給電体とすることも可能である。
【0033】
また、本発明に係る給電体は、未焼結の繊維層と他の層とを別体として構成してもよく、また、両者をスポット溶接等によって接合し、一体として構成してもよい。
【0034】
また、上記実施形態では、未焼結の繊維層を備えた給電体を陰極側にのみ配設したが、陰極および陽極の双方に設けてもよい。陽極側に未焼結の繊維層を用いる場合には、水および酸素の透過性を高めるべく、陰極側と比べて空隙率の高いもの、或いは圧縮弾性率の高いものとすることが好ましく、具体的には、空隙率が50〜80%であるものが好ましい。
【0035】
さらに、本発明の給電体には、水素脆化等の劣化を防止すべく必要に応じて白金メッキを施すことも可能である。
【0036】
【実施例】
以下、実施例と比較例により、本発明の給電体についてさらに詳細に説明する。
【0037】
(実施例)
繊維径が約20μmのチタン繊維を用い、ニードルパンチ法によって目付け200g/cm2、空隙率55%である厚み0.3mmの不織布を作成した。さらに、カーボン繊維を焼結してなる厚み1.0mmのカーボン焼結体を作成し、前記該チタン繊維の不織布と組み合わせて陰極側給電体とした。
【0038】
(比較例1)
チタン板を網状となるように加工して厚み0.7mmのチタンメッシュを作成し、また、カーボン繊維を焼結してなる厚み0.4mmのカーボン焼結体を作成し、両者を組み合わせて陰極給電体とした。
【0039】
(比較例2)
カーボン繊維を焼結してなる厚み1.0mmのカーボン焼結体を作成し、陰極給電体とした。
【0040】
(試験)
作成した給電体を用い、カーボン焼結体が固体高分子電解質膜と接するように陰極側に配設し、電解セルを組み立てた。該電解セルに1A/cm2の電流が流れるような条件で水温80℃の水の電気分解を行ったところ、比較例1の給電体を用いた場合と比べて実施例の給電体を用いた場合には、電圧を約2%低下させることができた。また、カーボン焼結体のみを陰極給電体として使用した比較例2の給電体を用いた場合と比べて実施例の給電体を用いた場合には、電圧を約12%低下させることができた。
【0041】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電解セル内における部材間の接触抵抗を低減することができ、水電解のエネルギー効率を改善することができる。また、従来のチタンメッシュを使用する場合に比べて、安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明に係る給電体の一実施形態を示した斜視図。
(b)(a)の部分拡大図。
【図2】本発明に係る電解セルを分解して示した概略断面図。
【図3】従来の一般的な電解セルを分解して示した概略断面図。
【符号の説明】
1 陰極給電体
1’ 陽極給電体
2 繊維層
3、3’ 焼結体層
4 導電性スクリーン層
11 固体高分子電解質膜
13 電極板
30 電解セル
Claims (6)
- 電解セルの固体電解質膜と電極板との間に介装され、該電極板に圧接される給電体であって、該電極板に当接される未焼結の繊維層を備えてなることを特徴とする給電体。
- 前記未焼結の繊維層が、チタン繊維からなることを特徴とする請求項1記載の給電体。
- 前記未焼結の繊維層が、不織布であることを特徴とする請求項1又は2記載の給電体。
- さらに、固体電解質膜に当接される焼結体層を備えていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の給電体。
- 固体電解質膜と、電極板と、該固体電解質膜および該電極板との間に介装されて該電極板に圧接される給電体とを備えた電解セルであって、
前記給電体には、電極板と接する未焼結の繊維層が備えられてなることを特徴とする電解セル。 - 前記給電体が、電解セルの陰極側に配されていることを特徴とする請求項5記載の電解セル。
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