JP2005213533A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で給電体全面を押圧することにより給電体と電極複合膜と接触抵抗を減少させて効率のよい水素発生を行なうことのできる水素製造装置を提供することにある。
【解決手段】 イオン交換膜１の表面に陽極の膜電極２を裏面に陰極の膜電極３を各々積層した電極複合膜４と、電極複合膜４の表面に配される陽極給電体５及び裏面に配される陰極給電体６と、陽極給電体６を電極複合膜４の表面側から押圧する電極押さえ機構７とをケーシング２０内に有する水素製造装置であって、電極押さえ機構７は、陽極給電体５の表面側略全面に当接する当接面を有する給電体押さえ部材８と、弾性体からなるとともにケーシング２０と給電体押さえ部材８との間に介在して給電体押さえ部材８に押圧力を付勢する給電体押圧体９とからなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体高分子電解質（ＳＰＥ）により水を電気分解して水素を発生させる水素製造装置に関するものである。

従来の水素製造装置として、図４に示すように、スタック積層体６０を挟持する内フランジ６２と厚フランジ６１間に、締付圧がスタック積層体６０にほぼ均圧になるように、ボルト間隔を調整して多数の締付ネジ軸６３にて締付けるものであって、夫々の締付ネジ軸６３の両フランジ６１、６２間の途中位置に締付力管理手段としてロードセル６４（荷重検知センサ）や歪ゲージ（図示せず）を設けているものが知られている。即ち、フランジに挟まれる締付ネジ軸６３の両フランジ６１、６２間の途中位置を分断してその分断部分に円盤状の支持板６５を固着してその支持板６５間にロードセル６４を介装しており、ロードセル６４よりの荷重信号は、全ての締付ネジ軸６３の締付荷重を検知する荷重計６６に集められ、ここで全ての締付ネジ軸６３の締付荷重が一定になるように締付ネジ軸６３のナット６７を螺合調整してスタック積層体６０全域に付勢される圧力が均圧になるように制御される。これにより締付ネジ軸６３による圧力のバラツキに起因する電解水のリーク（漏洩）を解消することができる（特許文献１）。

しかし、このような水素製造装置にあっては、別途ロードセル６４や歪みゲージ等を設置する必要があり、その場合、装置が煩雑となって小型化が図れないという問題点があり、また調整の作業が必要となるという問題点があった。
特開２００３−１４７５６２号公報

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構造で給電体全面を押圧することにより給電体と電極複合膜との接触抵抗を減少させて効率のよい水素発生を行なうことのできる水素製造装置を提供することである。

上記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る水素製造装置は、イオン交換膜の表面に陽極の膜電極を積層し、裏面に陰極の膜電極を積層した電極複合膜と、前記電極複合膜の表面に配される陽極給電体及び裏面に配される陰極給電体と、前記陽極給電体を前記電極複合膜の表面側から押圧する電極押さえ機構とをケーシング内に有する固体高分子分型電解槽を具備する水素製造装置であって、前記電極押さえ機構は、前記陽極給電体の表面側略全面に当接する当接面を有する給電体押さえ部材と、前記ケーシングと前記給電体押さえ部材との間に介在されて前記給電体押さえ部材に押圧力を付勢する給電体押圧体とからなることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る水素製造装置は、前記陽極給電体及び陰極給電体の少なくともいずれかは、細目メッシュ層に粗目メッシュ層が積層された２層構造であって、前記細目メッシュ層が電極複合膜と当接するものであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る水素製造装置は、前記陰極の膜電極は、ピンホールのないパラジウムもしくはパラジウムを含む合金からなることを特徴とする。

本発明の請求項１に係る水素製造装置によると、電極押さえ機構は、陽極給電体の表面側略全面に当接する前面給電体押さえ部材と、ケーシングと給電体押さえ部材との間に介在されて前記給電体押さえ部材に押圧力を付勢する給電体押圧体からなるので、電極押さえ機構は給電体略全面を均等な力で押圧することができるため、給電体と電極複合膜との接触抵抗を減少させることができる。そのため、効率のよい水素発生を行なうことができるとともに、押圧力管理手段等を別途設置する必要がないため装置の小型化を図ることができる。

本発明の請求項２に係る水素製造装置によると、上述した請求項１の効果に加えて、陽極給電体及び陰極給電体の少なくともいずれかは、目の細かい細目メッシュ層に目が粗い粗目メッシュ層が積層された２層構造であって、前記細目メッシュ層が電極複合膜と当接するものであるので、細目メッシュ層を当接させることで押圧による電極複合膜の損傷を防止するとともに粗目メッシュ層により一定の強度を確保することができる。

本発明の請求項３に係る水素製造装置によると、上述した請求項１の効果に加えて、前記陰極の膜電極は、ピンホールのないパラジウムもしくはパラジウムを含む合金からなるので、ピンホールがないために水素のみが選択的に透過することができる上に、パラジウムは水素透過性能に優れるため水素の生成速度を速くすることができる。

本発明の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。図１乃至図３において、１はイオン交換膜、２は陽極の膜電極、３は陰極の膜電極、４は電極複合膜、５は陽極給電体、５ａは陽極給電体の細目メッシュ層、５ｂは陽極給電体の粗目メッシュ層、６は陰極給電体、６ａは陰極給電体の細目メッシュ層、６ｂは陰極給電体の粗目メッシュ層、７は電極押さえ機構、８は給電体押さえ部材、８ａは板状部、８ｂは筒状部、８ｃは貫通孔、９は給電体押圧体、９ａはリング状部、９ｂは押さえ部、１０は陽極側電極取り出し部材、１１は陰極側電極取り出し部材、２０はケーシング、２１は陽極側ケーシング、２１ａは筒状部、２２は陰極側ケーシング、２２ａは筒状部、２５は気液分離管、２６、２７は連通路、３０は水位センサ、Ｅは電源である。

図１は、本実施形態における固体高分子型電解槽の水素製造部の構造を概念的に示した説明図である。同図に示すように、固体高分子分型電解槽の水素製造部は、電極複合膜４と電極複合膜４を挟持する陽極給電体５及び陰極給電体６と、陽極給電体５及び陰極給電体６と電気的に接続して陽極給電体５及び陰極給電体６間に電圧を付与する電源Ｅとから構成される。

電極複合膜４はフッ素系樹脂からなる厚さ２０〜３０μｍ程度のイオン交換膜１と、イオン交換膜１の表面側に積層される厚さ２０〜３０μｍ程度の白金イリジウムからなる陽極の膜電極２と、イオン交換膜１の裏面側に積層される厚さ２０〜３０μｍ程度のパラジウムからなるピンホールの無い陰極の膜電極３とから構成される。なお、本実施形態においては、陽極の膜電極２が積層されている側を電極複合膜４の表面、陰極の膜電極３が積層されている側を電極複合膜４の裏面とし、以下の説明においても同様とする。

このような構成において、陽極側に純水を供給し、陽極給電体５及び陰極給電体６間に電圧をかけると、陽極の膜電極２で電気により分解生成したプロトンが水分子と共にイオン交換膜１を通過して陰極の膜電極３に移動し、電子と結合して水素となる。このとき、陰極の膜電極３はピンホールの無いパラジウム膜で形成されているので、水素のみが陰極の膜電極３を透過し、また、パラジウムは水素透過性能に優れるため、水素の生成速度を速くすることができる。すなわち、陽極側に供給された純水の一部は、水素と酸素に電気分解され、陰極側からは水素が発生し陽極側からは酸素が発生する。

図２は、本実施形態における水素製造装置の固体高分子分型電解槽の概略を示す斜視断面図である。同図に示すように、イオン交換膜１の表面側（図２における上面側）に陽極の膜電極２が積層され、裏面側（図２における下面側）に陰極の膜電極３が積層されて、電極複合膜４が形成されている。この陽極の膜電極２の表面側の略全面に陽極給電体５が当接され、陰極の膜電極３の裏面側の略前面に陰極給電体６が当接されている。また、陽極給電体５の表面側には電極押さえ機構７が備えられており、このような構成のものが中空容器状のケーシング２０内に収容されて固体高分子分型電解槽を形成している。

ケーシング２０は例えばポリプロピレンのような樹脂組成物からなる中空状の成形品であって、夫々が開口部を有する中空容器状部材である陽極側ケーシング２１と陰極側ケーシング２２の開口部を組合せ、係止具により締め付けることにより形成される。

本実施形態においては、陽極側ケーシング２１及び陰極側ケーシング２２を、双方の開口部の開口縁側を対向させるようにイオン交換膜１に取り付け、四隅をボルト及びナットにより締め付けることによりケーシング２０が形成される。この陽極側ケーシング２１の開口部底面（図２におけるケーシング２０の上面）の略中央からは、外方に向かって直角に中空の筒体部２１ａが突設され、同様に、陰極側ケーシング２２の開口部底面（図２におけるケーシング２０の底面）の略中央からは、外方に向かって直角に中空の筒状部２２ａが突設されている。

また、陽極給電体５の平面部略中央からは導電性材料からなる棒状の陽極側電極取り出し部材１０が陽極側ケーシング２１の筒体部２１ａに向かって直角に突設し、後述する給電体押さえ部材８の貫通孔８ｃを挿通してケーシング２０の外部に延出しており、同様に、陰極給電体６の平面部中央からは導電性材料からなる棒状の陰極側電極取り出し部材１１が図２における下方に向かって直角に突設し、筒状部２２ａに槽通してケーシング２０の外部に延出している。

なお、上述した陽極側電極取り出し部材１０は、貫通孔８ｃ及びリング孔を挿通してケーシング２０の外部に延出される。

電極押さえ機構７はアクリル樹脂からなる給電体押さえ部材８とステンレスからなる給電体押圧体９とから構成されており、給電体押さえ部材８は板状部８ａの表面側主面の略中心部から筒体部２１ａに向かって中空の筒状部８ｂが直角に突設されたものである。この筒状部８ｂの中空孔は連続して板状部８ａにも形成されて貫通孔８ｃとなっている。また、筒状部８ｂはケーシング２０内に収納された状態では、その一部が陽極側ケーシング２１の筒体部２１ａに挿通するようになっている。

給電体押圧体９は、中央が陽極側電極取り出し部材１０を挿通させるためのリング孔を有するリング状部９ａとリング状部９ａの外縁から放射状に（外方に）、傾斜して延出される押さえ部９ｂとから構成される。この給電体押圧体９は、陽極側ケーシング２１と給電体押さえ部材８の間に介在し、締付けによりケーシング２０が形成されると、陽極側ケーシング２１と給電体押さえ部材８に挟持されて変形し、その反力によって押さえ部９ｂが給電体押さえ部材８に押圧力を付勢するようになっている。この給電体押さえ部材８に付勢された押圧力は陽極給電体５に伝搬し、その際陽極給電体５と当接する当接給電体押さえ部材８の裏面側は平面状であるため、給電体押さえ部材８の裏面は陽極給電体５の表面側略全面に当接する。そのため、電極押さえ機構７は陽極給電体５の略全面を均等な力で押圧することができ、陽極給電体５と電極複合膜４との接触抵抗を減少させることができる。その結果、効率のよい水素発生を行なうことができるとともに、押圧力管理手段等を別途設置する必要がないため装置の小型化を図ることができる。

上述の陽極側電極取り出し部材１０及び陰極側電極取り出し部材１１の延出した部分は電気的に接続されて回路を形成し、この回路に接続される電源Ｅにより陽極側電極取り出し部材１０及び陰極側電極取り出し部材１１を通じて陽極給電体５及び陰極給電体６に電気が供給される。

上述の陽極給電体５は、電極複合膜４と当接する側が♯４０〜６０程度の目の細かい細目メッシュ層５ａに♯１０〜１５程度の目が粗い粗目メッシュ層５ｂが積層された２層構造となっており、陰極給電体６も同様に、電極複合膜４と当接する側が♯４０〜６０程度の目の細かい細目メッシュ層５ａに♯１０〜１５程度の目が粗い粗目メッシュ層５ｂが積層された２層構造となっている。このような２層構造とすることで、細目メッシュ層５ａ、６ａを当接させることで押圧による電極複合膜４の損傷を防止するとともに粗目メッシュ層５ｂ、６ｂにより一定の強度を確保することができる。

図３は本実施形態における気液分離構造の概略を示す斜視図である。同図に示すように、陰極側ケーシング２２には、開口底面部からは中空筒状の２つの連通部２６、２７が所定の間隔をおいて直角に突設され、鉛直方向に立設される中空パイプ状の気液分離管２５に、一方の連通部２６が上側に他方の連通部２７が下側になるよう結合している。この連通部２６、２７を介して、ケーシング２０の内部と気液分離管２５の内部が連通している。

気液分離管２５の底部には図示しない栓部が配されており、また底部近傍には静電容量型の水位センサ３０が設置されている。この栓部は図示しない栓部開閉制御装置によって開閉可能に構成されており、純水の電気分解開始時には、この栓部は閉栓状態となっている。なお、気液分離管２５の底部は純水を排出するための図示しない吸引ポンプとつながっており、栓部が開栓状態の場合には、気液分離管２５内の純水はこの吸引ポンプにて外部に排出される。

本実施形態における気液分離構造においては、上述したように陰極側からは水素が発生し、陰極側ケーシング２２の内部にはこの発生した水素と陽極側から供給された純水が存在する。２つの連通路２６、２７は、気液分離管２５の上下方向に連接しているので、陰極給電体６で発生する空気よりも比重が小さい水素は上方の連通路２６から、陽極給電体５に供給される空気よりも比重が大きい純水は主として下方の連通路２７から気液分離管２５に移動する。気液分離管２５に移動した水素は、気液分離管２５の上部から取り出され、純水は下方に移動し、このとき上述の栓部は閉栓状態となっているため、底部に滞留する。すなわち、このような構成にすることにより発生する水素の分離能力を一層高めることができる。

また、気液分離管２５の上方の連絡路２６との結合部近傍を冷却することにより、水素中に微量に含まれる水分を分離することができるができるため、供給される水素の純度がより向上する。

このようにして気液分離管２５の底部に滞留した純水の水位を水位センサ３０で検知し、所定の水位以上になった場合には、その情報が栓部開閉制御装置に送信されて栓部が開栓状態になるように制御される。このように気液分離管２５の底部に滞留した純水の水位を計測しながら栓部の開閉状態を制御することにより、底部に滞留する純水の水位が常に一定の範囲内に保つことができ、底部に純水が滞留しない状態で栓部が開栓状態となることを防止することができる。その結果、底部に純水が滞留せずに誤って水素を吸引して排出してしまうことを有効に防止することができる。

本実施形態においては、陰極の膜電極３の材料としてパラジウムを用いたが、これに限定されるものではなく、ピンホールの無いパラジウムを１０重量％以上含有する合金であってもよい。具体的には、例えばパラジウムを１０〜１５重量％程度含有するパラジウム−銀合金であってもよく、また、銀の変わりに金やルテニウム、白金等を用いても同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態においては、陽極給電体５及び陰極給電体６のいずれもが２層構造となっていたが、これに限定されるものではなく、少なくともいずれかの給電体が２層構造であってもよい。

本発明における実施形態に係る固体高分子電解層の水素発生の構造を概念的に示した説明図である。 本発明における実施形態に係る水素製造装置の固体高分子分型電解槽の概略を示す斜視断面図である。 本発明における実施形態に係る気液分離構造の概略を示す斜視図である。 従来例を示す側面図である。

符号の説明

１ イオン交換膜
２ 陽極の膜電極
３ 陰極の膜電極
４ 電極複合膜
５ 陽極給電体
６ 陰極給電体
７ 電極押さえ機構
８ 給電体押さえ部材
９ 給電体押圧体
２０ ケーシング

Claims (3)

1. イオン交換膜の表面に陽極の膜電極を積層し、裏面に陰極の膜電極を積層した電極複合膜と、前記電極複合膜の表面に配される陽極給電体及び裏面に配される陰極給電体と、前記陽極給電体を前記電極複合膜の表面側から押圧する電極押さえ機構とをケーシング内に有する固体高分子分型電解槽を具備する水素製造装置であって、
   前記電極押さえ機構は、前記陽極給電体の表面側略全面に当接する給電体押さえ部材と、前記ケーシングと前記給電体押さえ部材との間に介在されて前記給電体押さえ部材に押圧力を付勢する給電体押圧体とからなることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記陽極給電体及び陰極給電体の少なくともいずれかは、細目メッシュ層に粗目メッシュ層が積層された２層構造であって、前記細目メッシュ層が電極複合膜と当接するものであることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記陰極の膜電極は、ピンホールのないパラジウムもしくはパラジウムを含む合金からなることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の水素製造装置。

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