JP2004315933A

JP2004315933A - 給電体および電解セル

Info

Publication number: JP2004315933A
Application number: JP2003114276A
Authority: JP
Inventors: Akiko Miyake; 明子三宅; Yorihisa Yasunaga; 順久泰永; Yasuo Futaboshi; 保夫二星; Kenichi Maeda; 健一前田; Atsushi Tada; 篤志多田
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】水電解を行う電解セルにおいて、従来の給電体としては、カーボン焼結体とこれを補強する金属メッシュからなるものが知られている。該給電体は、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り、電解セル電圧の更なる低減が求められている。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。
【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

【０００１】
【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／ｃｍ^２、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／ｃｍ^２、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／ｃｍ^２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

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。