JP2005213530A

JP2005213530A - 高圧型固体高分子型水電解槽

Info

Publication number: JP2005213530A
Application number: JP2004018055A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tatsumi; 浩史辰己; Hitoshi Ojiro; 仁志尾白
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】複極板自体、特にＯリング溝部の剛性を増大し、反り、曲り等の歪み変形が生じたり電解水や発生ガスのリークが生じるのを確実に防ぐことができる固体高分子型水電解槽を提供する。
【解決手段】複数枚の複極板９，９’が、Ｏリング２０の槽外側にて、隣り合うものどうしで電極接合体膜６０、５６、５７を挟み付けるように、凹凸状に屈折されている。複数枚の複極板の最槽外端部にそれぞれＯリング嵌込み用の凹溝が形成され、同凹溝に断面四角形または台形のＯリングが嵌込まれて隣り合う一対の複極板に圧接されている。
【選択図】図３

Description

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高圧型固体高分子型水電解槽に関し、より詳しくは、水電解槽において、複極板自体、特にＯリング溝部の剛性を増大し、反り、曲り等の歪み変形が生じたり電解水や発生ガスのリークが生じるのを確実に防ぐことができる高圧型固体高分子型水電解槽に関するものである。

電極接合体膜を用いて水電解によって水素および酸素を製造する積層型水電解槽は、図１、図２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締め付ける一対の締め付けフランジ(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(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。各セル(16)の周縁部には、電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間に、電解槽内部と外部をシールするＯリング(20)が介在されている。単位セルの個数は、商業規模の電解槽では、３０から６００である。

電極接合体膜(3) は、イオン交換膜(4) と、その両面に貴金属めっきされた触媒電極層(5)(6)とからなる。

上記構成の電解槽において、水は電解槽下部の給水ヘッダー(10)から各単位セル内に供給されると、触媒電極層(5)(6)の表面で電気分解され、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生する。発生した酸素および水素はそれぞれ多孔質の給電体(7)(8)を通って複極板(9) の陽極側および陰極側に達し、更に複極板に設けられた垂直流路を通って電解槽上部に達し、電解槽上部の酸素ヘッダー(11)および水素ヘッダー(12)を通って外部に排出される。

複極板(9) には、図６に示すように、その周縁に沿ってループ状に、陰極給電体(8) 側に開口したＯリング嵌込み溝部(21)が形成され、同溝部(21)にＯリング(20)が配され、これによって電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間がシールされている。

しかし、高圧型電解槽では、槽内ガス圧力は最大１．０ＭＰａ、締め付け圧力は１．４ＭＰａまで上昇される。そのため上記構造では複極板(9) 自体、特にＯリング溝部の剛性が十分でなく、反り、曲り等の歪み変形が生じ、場合によっては破損を来たす恐れがある。また、このような剛性不足のため、Ｏリングが溝部から離脱し、電解水もしくは発生ガスが槽内ガス圧力の上昇によりリークする恐れがある。

この発明の目的は、上記のような実状に鑑み、複極板自体、特にＯリング溝部の剛性を増大し、反り、曲り等の歪み変形が生じたり電解水や発生ガスのリークが生じるのを確実に防ぐことができる固体高分子型水電解槽を提供することにある。

請求項１の発明は、両端に配された陽極主電極(1) および陰極主電極(2) と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、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締め付ける一対の締め付けフランジ(13)とから主として構成され、各セル(16)の周縁部には、その構成部材である電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間に電解槽内部と外部をシールするＯリング(20)が介在されている固体高分子型水電解槽において、
複数枚の複極板が、Ｏリングの槽外側にて、隣り合うものどうしで電極接合体膜を挟み付けるように、凹凸状に屈折されていることを特徴とする固体高分子型水電解槽である。

請求項２の発明は、両端に配された陽極主電極(1) および陰極主電極(2) と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、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締め付ける一対の締め付けフランジ(13)とから主として構成され、各セル(16)の周縁部には、その構成部材である電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間に電解槽内部と外部をシールするＯリング(20)が介在されている固体高分子型水電解槽において、
複数枚の複極板(9) の最槽外端部にそれぞれＯリング嵌込み用の凹溝(71)(71')が形成され、同凹溝に断面四角形または台形のＯリング(72)(72')が嵌込まれて隣り合う一対の複極板(9) に圧接されていることを特徴とする固体高分子型水電解槽である。

請求項１の発明によれば、複極板自体、特にＯリング溝部の剛性を増大し、反り、曲り等の歪み変形が生じるのを確実に防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、断面四角形または台形のＯリングが隣り合う一対の複極板に圧接されて大きなシール効果を発現し、しかもＯリング嵌込み用の凹溝に対して滑りにくく、したがって凹溝から離脱して電解水もしくは発生ガスが電解槽内ガス圧力の上昇によりリークする恐れがない。

以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

実施例１
電極接合体膜を用いて水電解によって水素および酸素を製造する積層型水電解槽の基本構成は、図１、図２に基づいて前述した通りである。

図３においてまず特定の１枚の複極板(9) について説明をする。複極板(9) にその周縁に沿ってループ状に、陰極給電体(8) 側に開口したＯリング嵌込み溝部(21)が設けられ、同溝部(21)にＯリング(20)が配され、これによって電極接合体膜(60)と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間がシールされている。溝部(21)の陽極給電体(7) 側の面は隣接電極接合体膜(56)に当接している。マニホールド(22)、複極板(9) の孔、ゴムパッキン(23)および電極接合体膜(32)の孔から水の通路が形成されている。他の複極板(9')(54)(54')も上記と同じ構成をとる。

複極板においてＯリング嵌込み溝部(21)の槽外側にこれに沿って、複極板が隣り合うものどうしで電極接合体膜を挟み付けるように、凹凸状に屈折されている。すなわち、第１の一対の隣接複極板(9) (9') のうち、一方の複極板(9) には電極接合体膜(60)の陰極給電体(8) 側に開口した補強凹溝(53)が形成され、他方の複極板(9') には電極接合体膜の陽極給電体(7) 側に開口した補強凹溝(53')が形成され、これら補強凹溝(53)(53')で第１の電極接合体膜(56)が挟み付けられている。第１の一対の隣接複極板(9) (9')の隣の第２の一対の隣接複極板(54)(54')においても、上記と同様の補強凹溝(55)(55')が形成され、これら補強凹溝(55)(55')で電極接合体膜(57)が挟み付けられている。各複極板(9) (9')(54)(54')の最槽外端部には挟着用の平坦部(58) (58')(59)(59')が形成され、第１の一対の隣接複極板(9) (9') のうち、一方の複極板(9) に設けられた平坦部(58)と、第２の一対の隣接複極板(54)(54')のうち、他方の複極板(54')に設けられた平坦部(59')とで、第２の電極接合体膜(60)が挟み付けられている。他の一対の隣接複極板も同じである。

上記構成の補強凹溝付き複極板(62)において、図４(b)に示すように、Ｏリング嵌込み溝部(21)の槽外側に直径５ｍｍの貫通孔(61)を上下左右４か所開け、この複極板(62)を用いて高圧型固体高分子型水電解槽を構成し、その耐圧試験を行った。その結果、槽内ガス圧力を１．０ＭＰａまで加圧しても、複極板(62)の貫通孔(61)周辺には、異常は発生しなかった。

比較として、図６に示すように、上記構成の補強凹溝を有しない、すなわちＯリング嵌込み溝部(21)の槽外側部分全体が平板である従来の複極板を用いて、上記と同様に貫通孔(61)を上下左右４か所開け、高圧型固体高分子型水電解槽を構成し、その耐圧試験を行った。その結果、槽内ガス圧力を０．５ＭＰａまで加圧したところ、図４(a)に示すように、複極板(9) の貫通孔(61)周辺に同孔を起点に割れ(63)が発生した。

実施例２
図５において、図中で上下に示された２枚の複極板(9) (9')の最槽外部にそれぞれＯリング嵌込み用の凹溝(71)(71')が形成され、同凹溝に断面逆台形のＯリング(72)(72')が嵌込まれている。その他の複極板およびＯリングも上記と同じ構成をとる。

この構成では、上側の複極板(9) の凹溝(71)の下面全体に下側の断面逆台形のＯリング(72')の上面が当たるので、Ｏリング(72')は隣り合う一対の複極板(9) に圧接されて大きなシール効果を発現し、しかも凹溝(71)(71')に対して滑りにくく、凹溝から離脱して電解水もしくは発生ガスが電解槽内ガス圧力の上昇によりリークする恐れがない。

比較例１
図７において、Ｏリングとして断面楕円形のＯリング(73)(73')を用いる点を除いて実施例２と同じ構成をとる。

この構成では、上側の複極板(9) の凹溝(71)の下面に下側の断面楕円形のＯリング(72')の上端が当たるので、シール効果が小さい上に、Ｏリング(72)(72')が凹溝(71)(71')に対して滑り易く凹溝から離脱して電解水もしくは発生ガスが電解槽内ガス圧力の上昇によりリークする恐れがある。

比較例２
断面形状の異なるＯリングを用い、凹溝からのＯリングの離脱およびガスリークの有無を調べた。この結果を表１に示す。

電極接合体膜を用いて水電解によって水素および酸素を製造する積層型水電解槽の概略図である。電極接合体膜を用いて水電解によって水素および酸素を製造する積層型水電解槽の分解斜視図である。実施例１の補強およびシール構造を示す概略的な断面図である。実施例１の補強効果を示すセルの正面図である。実施例２のシール構造を示す概略的な正面図である。従来のシール構造を示す概略的な断面図である。従来のシール構造を示す概略的な断面図である。

符号の説明

(1) ：陽極主電極
(2) ：陰極主電極
(3) ：電極接合体膜
(7) ：陽極給電体
(8) ：陰極給電体
(9)(9') ：複極板
(13)：フランジ
(16)：単位セル
(20)(72)(72')：Ｏリング
溝部(21)(22)：隣接複極板
(24)：補助Ｏリング
(25)：シール片
(26)：第１主Ｏリング
(27)：第２主Ｏリング
(28)：第１補助Ｏリング
(29)：第２補助Ｏリング
(32)：隣接電極接合体膜
(53)(53')(55)(55')：補強凹溝
(54)(54')：第２の一対の隣接複極板
(56)：第１の電極接合体膜
(57)：電極接合体膜
(58) (58')(59)(59')：平坦部
(60)：第２の電極接合体膜
(62)：補強凹溝付き複極板
(71)(71')：凹溝
(72)(72')：断面逆台形のＯリング

Claims

両端に配された陽極主電極(1) および陰極主電極(2) と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、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締め付ける一対の締め付けフランジ(13)とから主として構成され、各セル(16)の周縁部には、その構成部材である電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間に電解槽内部と外部をシールするＯリング(20)が介在されている固体高分子型水電解槽において、
複数枚の複極板が、Ｏリングの槽外側にて、隣り合うものどうしで電極接合体膜を挟み付けるように、凹凸状に屈折されていることを特徴とする固体高分子型水電解槽。
両端に配された陽極主電極(1) および陰極主電極(2) と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、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締め付ける一対の締め付けフランジ(13)とから主として構成され、各セル(16)の周縁部には、その構成部材である電極接合体膜(3) と複極板(9) の陰極給電体(8) 側の面との間に電解槽内部と外部をシールするＯリング(20)が介在されている固体高分子型水電解槽において、
複数枚の複極板(9) の最槽外端部にそれぞれＯリング嵌込み用の凹溝(71)(71')が形成され、同凹溝に断面四角形または台形のＯリング(72)(72')が嵌込まれて隣り合う一対の複極板(9) に圧接されていることを特徴とする固体高分子型水電解槽。