JP2006291329A - 固体高分子膜型水電気分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生成した酸素、水素ガスの貯蔵タンクが一体化されたコンパクトな構造で移動、保管を好都合にし、貯蔵された酸素、水素ガスを大気圧以上に加圧でき、それらのガスを遠方まで供給することができる固体高分子膜型水電気分解装置の提供。
【解決手段】固体高分子電解質膜１、その両面に接する酸素極２と水素極３、両電極の外側に隣接し水および発生ガスの通路を有しかつ集電体となるセパレータ板４、非導電性素材からなる固定板６、水および発生ガスを貯蔵する貯蔵槽７とを有する固体高分子膜型水電気分解装置であって、固定板６は流路を具備する押付け素材５を内蔵し、素材５により酸素極２および水素極３が電解質膜１に押し付けられ、貯蔵槽７は両固定板６の外側からこれらを挟み、全体がタイボルトによって一体にされる。さらに、貯蔵槽７は電解水レベルよりも高い位置に水の補給孔９を有し、発生ガスの排出孔８を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素および酸素ガスを得るための水の電気分解装置に係り、特に、コンパクトな構造を有し移動、保管を好都合にした固体高分子膜型水電気分解装置に関する。

水素、酸素ガスを得るために固体高分子膜を用いた水の電気分解装置には、教育あるいはデモンストレーション用のものとして、図３に示すような装置がある。この電気分解装置は、固体高分子電解質膜１を酸素極２、水素極３で挟み、これらの酸素極２と水素極３との外側に、発生したガスを通す通路を有したセパレータ板４を設け、さらに、セパレータ板４の外側に固定板６を設けて一体にされた固体高分子膜型電気分解セル１００を有すると共に、固定板６にはセパレータ板４の通路に連通するよう設けられた複数の貫通路６２が設けられ、これらの貫通路６２に連通するように、酸素極２側には、水タンク２２からの水を貯蔵するとともに酸素ガスを貯蔵し排出口２４から取り出すための酸素貯蔵タンク２０がホース２６を介して、そして、水素極３側には、水タンク３２からの水を貯蔵するとともに水素ガスを貯蔵して排出口３４から取り出すための水素貯蔵タンク３０がホース３６を介して接続されて設けられたものがある。

また、水の電気分解による酸素・水素ガスの発生装置としては、特許文献１に記載されているような、イオン交換膜を用いたものがあり、この装置は、イオン交換膜の両側に箱状隔壁を設け、その内側に金属被膜処理が施された金属被覆面とイオン交換膜を保持するための桟が設けられていて、その上方にガス排出口が設けられた電解セルとして形成されている。この装置では、電源装置の陽極と接続された隔壁において、隔壁とイオン交換膜とで形成された室において酸素ガスが発生し、電源装置と陰極と接続された隔壁とイオン交換膜で形成された室では水素ガスを発生して、隔壁の頂部から取り出されるようになっている。

さらに、特許文献２に記載されているように、燃料電池を兼用した水の電気分解装置として、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の両側に酸素極と水素極とを接合した水の電気分解用膜・電極接合体を使用したものが提案されている。この膜・電極接合体の酸素極側には、酸素流路板、セパレータ板、およびエンドプレートを重ねて配置すると共に、水素極側には、セパレータ板およびエンドプレートを重ねて配置して一体化されたものを、水槽内に水に浸すように設けたものである。
特開平９−１４３７７８号公報 特開２００４−３５３０３３号公報

図３に示すような水の電気分解装置では、この装置により生成された水素、酸素は、ガス貯蔵タンク２０，３０において、排出口２４、３４が閉じられていても、ほぼ大気圧までの圧力までしか確保されず、貯蔵量もこれらのタンクの体積が限度であり、連続して発生しても、水タンク２２，３２に通じるセンターパイプを通して排出されるために、水タンク２２，３２内の水を溢れさせ、大気中に放出されてしまい、貯蔵タンク２０，３０での貯蔵は実質的に不可能であった。

このように生成された酸素・水素ガスの貯蔵のために、高圧ボンベを使用することも考慮されるが、この場合、レギュレータを付設する必要があり、全体のサイズが大きくなり、重量も増すために、運搬時あるいは保管時に制限を受けることになる。

また、特許文献１に記載された水の電気分解装置は、酸素・水素ガス室が多数に分割されたものを一体構造にされているために、このようなガス室を形成する部材である桟とイオン交換膜との密着力を得るのが難しいだけでなく、ガス室が細分化されているために、ガスをスムーズに取り出すことが容易でない等の問題があった。

さらに、特許文献２に記載された水の電気分解装置においては、装置の主要部が水中に浸されるために、装置自体のサイズが制限されるだけでなく、また、生成された酸素・水素ガスの効率的な取り出し、圧力等を考慮したものではなく、上記従来例のように貯蔵のためには別に貯蔵タンクを設ける必要があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、生成された酸素、水素ガスの貯蔵タンクを一体化して全体をコンパクトな構造にして、運搬あるいは保管を容易にした固体高分子膜型水電気分解装置を提供することを目的とするものである。
本発明のさらに他の目的は、貯蔵された酸素、水素ガスを大気圧以上にすることができ、それらのガスを遠方まで供給することができるようにした固体高分子膜型水電気分解装置を提供することである。

本発明の目的を達成するための固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板、および、該固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽、を有する固体高分子膜型水電気分解装置であって、
前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備していて、そして
前記貯蔵槽は、前記両固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極およびセパレータ板を固定板とともに一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有し、かつ発生したガスを排出するための排出孔を有することを特徴とする。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、固体高分子電解質膜樹脂をコーティングすることにより形成されていることを特徴とする。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板に接触する固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン等のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成されていることを特徴とする。

さらに、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、貯蔵槽は、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられたメンテナンスのための水抜き孔を有することを特徴とする。

上記のような本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板、および、該固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽、を有し、固定板が酸素極および水素極を固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつこの素材には流路を具備し、さらに、貯蔵槽は、両固定板の外側から固体高分子電解質膜、酸素極、水素極およびセパレータ板を固定板とともに一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされているので、耐密性のある構造された酸素および水素を貯蔵するためのタンクを設けることができ、全体の構造がコンパクトになり、移動、保管に好都合な水の電気分解装置を得ることができる。

また、固体高分子電解質膜に対して、その両側に酸素極と水素極が対向して設けられ、酸素極と水素極の外側にはセパレータ板および固定板が重ねられて、さらにその外側に貯蔵槽がこれらの部材を貫通するタイボルトによって一体にされているので、酸素極および水素極に対するセパレータ板の密着性を向上させることができ、効率的な電気分解を行うことができ、この密着によっても発生した酸素、水素ガスは押し付け素材の通路を介して通過させることができるので、必要に応じて発生したガスの供給が可能になる。さらに、貯蔵槽は、水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有し、かつ発生したガスを排出するための排出孔を有しているので、水の補給孔およびガスの排出孔が遮断すれば、それらの耐圧度に応じて大気圧以上の生成されたガスの貯蔵が可能になり、圧力の高くなったガスによって、装置から離れた位置へのガスの供給も可能になる。

また、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、固体高分子電解質膜樹脂をコーティングすることにより形成されていて、また、水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされているので、このような固体高分子膜型水電気分解装置として、純水を使用した、低電圧による電気分解が可能になる。

また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されているので、貫通孔を介して生成された酸素ガスおよび水素ガスを問題なく貯蔵槽へと流通させることができる。

また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板の貫通孔を有する部分に対して固定板に内蔵された弾力性を有するポーラスプラスチック材からなる押し付け素材によって、酸素極あるいは水素極に対するセパレータ板の押圧がなされ、それらに密着力を与えることができるだけでなく、ガスの流通も得ることができる。

また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、さらに、貯蔵槽には、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられた水抜きのためのメンテナンス孔を有しているので、剛性を要求される固定板にもガス流路となる貫通孔が設けられていて、発生したガスの貯蔵槽への流れをスムーズに行わせ、また、貯蔵槽には水抜き孔も有しているので、内部の清浄も容易に行うことができる。

さらに、本発明の新規な特徴および構成、効果に関しては、以下の説明に関連する添付図面からさらに理解することができる。なお、図面において、同じ符号は同じ構成部材を示している。

以下、本発明の実施の形態を図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置の説明断面図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、同じ固体高分子膜型水電気分解装置の一実施例を示し、図２Ａは斜視図、図２Ｂは図２Ａにおける矢印Ｂ方向にみた側面図である。この固体高分子膜型水電気分解装置は、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材等からなる固体高分子電解質膜１、この固体高分子電解質膜１の一方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、かつ固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティング層として形成された酸素極２、同じ固体高分子電解質膜１の他方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンと固体高分子膜用樹脂の混合物をコーティングし、さらにその表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成され水素極３、これらの酸素極２と水素極３との外側に隣接して配置され、水およびガスの流路を設けた集電板となるステンレス製のセパレータ板４、４、およびこれらセパレータ板４、４の外側に配置された樹脂製の固定板６、６からなる電気分解セル１００を有している。さらに好ましくは、セパレータ板４、４にＰｔまたはＡｕをコーティングすることにより、耐食性が向上し、長期にわたり安定した水の電気分解反応を確保することが可能となる。

この電気分解セル１００の固定板６、６には、固体高分子電解質膜１に対して酸素極２と水素極３を押し付ける素材５が酸素極２と水素極３とに接触する部分に内蔵するように設けられ、押し付け素材５は水およびガスの流路を有する非導電素材からなり、その背後に水および発生したガスの貫通路６２が適宜の数だけ外側に貫通して設けられている。さらに、電気分解セル１００には、固定板６、６の外側に隣接するように、内部に水および発生したガスを貯蔵するための内部タンク２８、３８を有する酸素貯蔵槽２０、水素貯蔵槽３０が一体に設けられている。酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０は、図２に示すように、電気分解セル１００全体を貫通する孔に通された複数本のタイボルト１０２およびナット１０４により締め付け、一体に固定されている。固定板６、６と酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０との間にはパッキンを挟んでそこに発生したガスが大気圧以上になっても漏れないように密封構造にされている。

これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０においては、水の電解レベルよりも高い位置に、例えば、図２Ａに示されるように、電気分解セル１００の上面に開口するように、ガスの排出孔８、水の補給孔９等の少なくとも２個の孔が設けられている。水素または酸素の排出孔８には、安全弁、逆止弁等が取り付けられ、発生ガスの圧力を調整することができるようになっている。水の補給孔９には、必要に応じた水の補給を行うために、開閉弁が設けられ、貯蔵されたガスが大気圧以上になっても水の排出を防ぐようになっている。また、これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０には、水抜き等のために、底部近くに外部と内部タンク２８、３８とが連通するメンテナンス孔１０が通常は閉じられるように設けられている。

上記構成の本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置は、酸素および水素貯蔵槽２０、３０に水の補給孔９から水が注入されて満され、固体高分子電解質膜１まで、固定板６、６の貫通孔６２を通り、押し付け素材５、セパレータ板４、４の流路を経て、酸素極２および水素極３の孔を介し水が達した状態で、セパレータ板４、４の端子板４２、４２に直流電源が接続される。この状態で、酸素極２および水素極３は、固体高分子電解質膜１に対して、固定板６、６の押し付け素材５によってセパレータ板４、４を介して押し付けられて、密着されているので、酸素極２において電流を流すことにより、イリジウムめっきの触媒作用により、水が酸素イオンと水素イオンに分離し、酸素イオンは、電子を取られて、酸素分子となる。水素イオンは固体高分子電解質膜１を通過し、水素極３側に移動後、Ｐｔ触媒の作用により電子を受け取り水素ガスとなる。

上記のように、酸素極２および水素極３において発生した酸素および水素ガスは、セパレータ板４の通路、押し付け素材５内部の流路を経て、固定板６の貫通孔６２を通って、酸素ガス貯蔵層２０、水素ガス貯蔵槽３０の内部タンク２８、３８に流動する。これらの発生したガスの流動は、そのまま継続されると、固体高分子電解質膜１に達する水が存在する限り、酸素貯蔵槽２０には酸素が継続して貯蔵され、酸素排出孔８および水の補給孔９から、そこに設けた安全弁、逆止弁等により圧力調整されて、ガスが保持されれば、蓄積される酸素ガスは次第に大気圧より高い状態になる。この状態は、水素貯蔵槽３０においても同様に水素ガスが大気圧より高い状態に蓄積される。

このように、蓄積された酸素および水素ガスは、圧力を高くして貯蔵されているので、酸素ガス排出孔および水素ガス排出孔８、８を介して外部の用途に応じた箇所、それもかなり遠隔の場所への酸素、または水素を導くことができる。

また、水の電気分解セル１００と酸素および水素貯蔵槽２０、３０とは、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、タイボルト１０２およびナット１０４によって全体を一体に締め付け固定されので、コンパクトな水素、酸素発生装置が得られるだけでなく、高い耐圧性の装置が得られるので、移動、保管に好都合な装置が提供され、発生したガスの遠方への供給が可能となる。

さらに、上記構成の高分子膜型水電気分解装置においては、酸素極２と水素極３がセパレータ板４、４と直接接触され、さらに、セパレータ板４、４の外側から弾性を有した多孔性プラスチック材からなる押し付け素材５を挟んで、適宜配置された貫通孔６２を有する固定板６によって、セパレータ板４、４と酸素極２および水素極３の密着力が向上されるだけでなく、ガス流路が確保されるので、水の電気分解を効率よく行うことができる。

また、上記のような高分子膜型水電気分解装置によって、電源さえあれば、どのような場所においても、必要なときに水素、酸素を発生させ供給することができるので、水素あるいは酸素ガスをボンベ等の重量容器に貯蔵して運搬する必要もないので、装置の運搬における規制を受けないので、水素、酸素発生装置をポータブルタイプの装置として提供することができる。

また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、固体高分子電解質膜がパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなり、酸素極２がイリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材に、固体高分子膜用樹脂をコーティングすることにより形成され、そして、水素極３が多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層を有すると共に、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティングして形成されたものを、プレスにより一体化して水の電気分解用膜・電極接合体として形成されているので、１．６Ｖ以上で水の電気分解が可能になり、カーボンの損傷を回避することができる。

さらに、酸素ガス貯蔵槽２０および水素ガス貯蔵槽３０の底部近くには、メンテナンス孔１０が設けられているので、内部タンク２８、３８の水抜きを行うことができ、随時内部の洗浄を行うことができ、固定板６、６の貫通孔６２の目詰まり等を回避することにより、効率の良い水の電気分解を行うことができる。

以上述べたように、本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術範囲において実施し得ることは明らかである。

本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置の説明断面図である。 本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置を示し、酸素貯蔵槽側からみた斜視図である。 図２Ａにおける矢印Ｂ方向にみた固体高分子膜型水電気分解装置の側面図である。 従来の固体高分子膜型水電気分解装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 固体高分子電解質膜
２ 酸素極
３ 水素極
４ セパレータ板
５ 押し付け素材
６ 固定板
７ 貯蔵槽
８ ガス放出孔
９ 水の補給孔
１０ 水抜き孔
２０ 酸素貯蔵槽
２２ 水タンク
２４ 酸素ガス排出孔
２６ 接続ホース
２８ 内部タンク
３０ 水素貯蔵槽
３２ 水タンク
３４ 水素ガス排出孔
３８ 内部タンク
４２ 端子板
３６ 接続ホース
６２ 貫通孔
１００ 固体高分子膜型電気分解セル
１０２ タイボルト
１０４ ナット

Claims (7)

1. 固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板、および、該固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽、を有する固体高分子膜型水電気分解装置であって、
   前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備していて、そして
   前記貯蔵槽は、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
   前記貯蔵槽は、水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有し、かつ発生したガスを放出するための放出孔を有することを特徴とする固体高分子膜型水電気分解装置。
2. 前記酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、固体高分子電解質膜樹脂をコーティングすることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
3. 前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
4. 前記セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
5. 前記セパレータ板に接触する前記固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン等のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
6. 前記固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。
7. 前記貯蔵槽は、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられた水抜きのためのメンテナンス孔を有することを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。