JP2006307248A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給水の水温を電気分解の適温に保持して、該電気分解を効率よく行える水素製造装置を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜２と、給電体３，４と、セパレータ５，６と、流体通路１３，１５とを備える単セル７と、複数の単セル７を積層してなるスタック８とを備える。各単セル７のアノード側セパレータ６の流体通路１５に水を供給すると共に各給電体３，４に通電して、流体通路１５に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータ５の流体通路１３に水素ガスを得る。スタック８の一方の端部に配設された単セル７の流体通路１５に水を供給する給水口１７と、他方の端部に配設された単セル７の流体通路１５から水を排出する排水口１９と、単セル７の流体通路１５と、隣接する他の単セル７の流体通路１５とを接続する接続路２０とを備える。排水口１９から排出された水を給水口１７に循環させる循環手段２５を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水の電解により水素を製造する水素製造装置に関するものである。

従来、図４に示す水素製造装置３１のように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える複数の単セル７を相互に積層したものが知られている（例えば特許文献１参照）。前記固体高分子電解質膜２は両面に図示しない触媒電極層を備えている。

前記積層された単セル７は、両側から絶縁部材９，９を介してエンドプレート１０，１０に挟持されており、エンドプレート１０，１０に挿通されたボルト１１にナット１２を螺着して締め付けることにより固定されている。

水素製造装置３１において、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路１３と、流体通路１３に連通する水素取出口１４とを備え、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１５と、流体通路１０の一方の端部に連通する給水口３２と、流体通路１０の他方の端部に連通する排水口３３とを備えている。給水口３２は、その先端部が分岐して前記積層された各単セル７の各流体通路１５に接続されており、排水口３３は、その後端部が分岐して前記各単セル７の各流体通路１５に接続されている。この結果、水素製造装置３１では、給水は給水口３２から各単セル７の各流体通路１５に並列に行われ、各流体通路１５に供給された水は、合流して排水口３３から排出される。

水素製造装置３１では、前述のように給水口３２から各アノード側セパレータ６の流体通路１５に水を供給すると共に、各給電体３，４に通電すると、流体通路１５に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路１３に移動し、流体通路１３に連通する水素取出口１４から取出される。一方、各アノード側セパレータ６の流体通路１５からは、前記電気分解により生成した酸素を含む水が排水口３３を介して排出される。

前記電気分解を効率よく行うためには、各アノード側セパレータ６の流体通路１５に供給される水の温度が高い方が好ましいことが知られており、通常は、装置の耐久性の点から８０℃程度の水が供給されている。ところで、前記電気分解は発熱を伴うので、前記流体通路１５に供給された水は該電気分解に供されることにより加熱される。そこで、流体通路１５に前記電気分解に適した温度の水を供給するために、一旦前記流体通路１５に供給され、前記電気分解に供されたのち排出された水を再び流体通路１５に供給することが考えられる。

しかしながら、流体通路１５から排出された水を再び流体通路１５に供給するには、気液分離装置により電解生成物の酸素を除去したり、イオン交換樹脂により不純物を除去する等の操作を必要とし、この間に水温が低下するという不都合がある。
特開２００２−１７３７８８号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、供給される水の水温を電気分解に適した温度に保持して、水の電気分解を効率よく行うことができる水素製造装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備える単セルと、一つの単セルのカソード側に、他の単セルのアノード側を配置することにより、複数の単セルを積層してなるスタックとを備え、各単セルの該アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータの流体通路に水素ガスを得る水素製造装置において、該スタックの一方の端部に配設された単セルの該アノード側セパレータの流体通路に水を供給する給水口と、該スタックの他方の端部に配設された単セルのアノード側セパレータの流体通路から水を排出する排水口と、一つの単セルの該アノード側セパレータの流体通路と、該単セルに隣接する他の単セルの該アノード側セパレータの流体通路とを接続する接続路とを備えることを特徴とする。

本発明の水素製造装置は、複数の単セルが積層された前記スタックを備えており、前記アノード側セパレータの流体通路に対する給水は、まず、前記給水口から、該スタックの一方の端部に配設された単セルの該アノード側セパレータの流体通路に対してのみ行われる。前記スタックの一方の端部に配設された単セルの前記アノード側セパレータの流体通路に供給された水（以下、供給水と略記することがある）は、該流体通路で前記電気分解に供された後、直ちに前記接続路を介して隣接する単セルの前記アノード側セパレータの流体通路に供給され、該流体通路で再び前記電気分解に供される。そして、前記供給水は、逐次隣接する単セルの前記アノード側セパレータの流体通路に供給され、該流体通路で再び前記電気分解に供される操作が繰り返された後、前記スタックの他方の端部に配設された単セルの前記アノード側セパレータから前記排水口を介して排水される。

本発明の水素製造装置では、前述のように、前記供給水を前記各単セルの前記アノード側セパレータの流体通路に直列に供給するので、該供給水は各単セルにおける前記電気分解により逐次加熱され、水温が上昇する。従って、本発明の水素製造装置によれば、前記供給水の水温を適温に保持することができ、該供給水の電気分解を効率よく行うことができる。

本発明の水素製造装置では、前記供給水は前記スタックを構成する各単セルにおける前記電気分解により逐次加熱される。この結果、前記排水口から排出される水の水温は、単一の前記電気分解に供されたのみで排出される場合よりも遙かに高温となっている。従って、前記排水口から排出された水は、気液分離装置、イオン交換樹脂等で処理されたとしても、前記電気分解を効率よく行い得る温度を維持している。

そこで、本発明の水素製造装置においては、前記排水口から排出された水を前記給水口に循環させる循環手段を備えることが好ましい。前記循環手段を備えることにより、前記供給水を有効に利用することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２は単セルの位置と水温との関係を示すグラフ、図３は単セルの位置と電解電圧との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える単セル７により構成されている。水素製造装置１では、２つの単セル７が積層されて２層構成のスタック８を形成しており、スタック８は、両側から絶縁部材９，９を介してエンドプレート１０，１０に挟持されており、エンドプレート１０，１０に挿通されたボルト１１にナット１２を螺着して締め付けることにより固定されている。

スタック８では一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されている。各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっているが、前述のように、一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されていることにより、各単セル７，７が直列に接続されることになるので有利である。

各単セル７において、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路１３と、流体通路１３に連通する水素取出口１４とを備えている。一方、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１５を備えている。

スタック８の一方の端部（本実施形態では下側）に配設された単セル７にあっては、流体通路１５は、アノード側セパレータ６に設けられた給水路１６を介して、給水口１７に接続されている。給水口１７は、絶縁部材９とエンドプレート１０とを貫通して設けられている。

また、スタック８の他方の端部（本実施形態では上側）に配設された単セル７にあっては、流体通路１５は、アノード側セパレータ６に設けられた排水路１８を介して、排水口１９に接続されている。排水口１９は、絶縁部材９とエンドプレート１０とを貫通して設けられている。そして、一方の単セル７の流体通路１５は、接続路２０を介して、隣接する単セル７の流体通路１５に接続されている。

水素製造装置１では、給水口１７と排水口１９とは、循環路２１により接続されており、排水口１９から排出された水が、給水口１７に循環されるようになっている。循環路２１の途中には、排水口１９側から順に、酸素気液分離装置２２、循環ポンプ２３、イオン交換樹脂ユニット２４が配設されており、循環路２１と共に循環手段２５を形成している。尚、酸素気液分離装置２２には、開閉弁２６を備える酸素取出口２７が設けられている。

水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子電解質膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯ_Ｘ触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備えている。

カソード側給電体３、アノード側給電体４は、例えば、チタン粉末焼結体からなる多孔質体により形成されている。また、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６は、例えば、チタンプレートにより形成されている。

また、循環手段２５のイオン交換樹脂ユニット２４には、例えば、耐熱性陽イオン交換樹脂と耐熱性陰イオン交換樹脂とを１：２で混合したもの等のイオン交換樹脂が配設されている。前記耐熱性陽イオン交換樹脂としては、例えば、アンバーライト２００ＣＴ（商品名、オルガノ株式会社製）等を用いることができ、前記耐熱性陰イオン交換樹脂としては、例えば、アンバーライトＩＲＡ９６ＳＢ（商品名、オルガノ株式会社製）等を用いることができる。

次に、本実施形態の水素製造装置１の作動について説明する。

水素製造装置１では、まず、給水口１７から給水路１６を介して、下側の単セル７のアノード側セパレータ６の流体通路１５に、予め電気分解に適した水温に加熱された水が供給される。前記供給水は、下側の単セル７の流体通路１５から接続路２０を介して、上側の単セル７のアノード側セパレータ６の流体通路１５に導かれ、該流体通路１５から排水路１８、排水口１９を介して排出される。排水口１９から排出された前記供給水は、循環路２１に設けられた循環ポンプ２３により給水口１７に循環される。

次に、前記供給水が各単セル７のアノード側セパレータ６の流体通路１５に供給されている状態で、各単セル７の給電体３，４に通電すると、流体通路１５に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路１３に移動し、水素取出口１４から取出される。

一方、下側の単セル７の流体通路１５の供給水は、前記電気分解に伴う発熱により加熱された後、上述のように接続路２０を介して、上側の単セル７のアノード側セパレータ６の流体通路１５に導かれる。そして、前記供給水は、上側の単セル７の流体通路１５で再び前記電気分解に供され、該電気分解に伴う発熱により加熱される。この結果、前記供給水は、水素製造装置１内に滞留している間を通して、前記電気分解に適した水温を保持することができる。

前記供給水は、前記上側の単セル７の流体通路１５で前記電気分解に供された後、前述のように、排水路１８、排水口１９を介して排出され、循環路２１に設けられた循環ポンプ２３により給水口１７に循環される。前記供給水は、循環路２１において、まず酸素気液分離手段２２に導入され、前記電気分解で生成した酸素が分離される。酸素気液分離手段２２で分離された酸素は、開閉弁２６を開くことにより酸素取出口２７から適宜取出される。次いで、前記供給水は、イオン交換樹脂ユニット２４に導入され、不純物が除去される。

前記供給水は、前記酸素気液分離手段２２、イオン交換樹脂ユニット２４で処理されることにより、水温が低下する。しかし、前記供給水は、前述のようにスタック８を形成する各単セル７における前記電気分解により逐次加熱されているので、前記水温の低下によっても、給水口１７に循環されたときには、まだ該電気分解に適した水温を維持していることができる。

尚、本実施形態では、スタック８は単セル７を２層積層するものとして説明しているが、さらに多くの単セル７を積層するものであってもよい。

また、本実施形態では、循環手段２５を備える水素製造装置１について説明しているが、循環手段２５は無くてもよい。

次に、３０個の単セル７を前述のように積層してスタック８を形成した水素製造装置１に水を供給し、循環手段２５による循環を行わずに電気分解を行い、単セル７の位置と水温、電解電圧との関係について調べた（実施例）。単セル７の位置と水温との関係を図２に、単セル７の位置と電解電圧との関係を図３に示す。尚、図２，３において、単セル７の位置は、「セル番号」によって示している。「セル番号」は、スタック８における再下段の単セル７を１とし、該単セル７から上方に向かって、１ずつ増加する番号である。

また、比較のために、図４に示す水素製造装置３１において、３０個の単セル７を前述のように積層したものに水を供給して電気分解を行い、単セル７の位置と水温、電解電圧との関係について調べた（比較例）。単セル７の位置と水温との関係を図２に、単セル７の位置と電解電圧との関係を図３に示す。

図２から、水素製造装置３１による比較例では水温は単セル７の位置に関わらずほぼ一定であるのに対し、水素製造装置１による実施例では水温は単セル７の位置が上方となるほど上昇しており、前記供給水が各単セル７での電気分解毎に逐次加熱され、該電気分解に適した水温を保持していることが明らかである。尚、水素製造装置１による実施例では、排水口１９における水温は、給水口１７における水温に対し、約２０℃上昇していた。

また、図３から、水素製造装置３１による比較例では電解電圧は単セル７の位置に関わらずほぼ一定であるのに対し、水素製造装置１による実施例では電解電圧は単セル７の位置が上方となるほど低下し、前記供給水が各単セル７での電気分解毎に逐次加熱されることにより電解効率が向上していることが明らかである。尚、水素製造装置１による実施例では、前記電解効率は、約４％向上していた。

本発明の水素製造装置の一実施形態の構成を示す説明的断面図。 単セルの位置と水温との関係を示すグラフ。 単セルの位置と電解電圧との関係を示すグラフ。 従来の水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…水素製造装置、 ２…固体高分子電解質膜、 ３…カソード側給電体、 ４…アノード側給電体、 ５…カソード側セパレータ、 ６…アノード側セパレータ、 ７…単セル、 ８…スタック、 １３，１５…流体通路、 １７…給水口、 １９…排水口、 ２０…接続路、 ２５…循環手段。

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備える単セルと、
   一つの単セルのカソード側に、他の単セルのアノード側を配置することにより、複数の単セルを積層してなるスタックとを備え、
   各単セルの該アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、該アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側セパレータの流体通路に水素ガスを得る水素製造装置において、
   該スタックの一方の端部に配設された単セルの該アノード側セパレータの流体通路に水を供給する給水口と、
   該スタックの他方の端部に配設された単セルのアノード側セパレータの流体通路から水を排出する排水口と、
   一つの単セルの該アノード側セパレータの流体通路と、該単セルに隣接する他の単セルの該アノード側セパレータの流体通路とを接続する接続路とを備えることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記排水口から排出された水を前記給水口に循環させる循環手段を備えることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。

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