JP2008308722A - 水電解セル、それを用いた水電解スタック、水素製造装置及び固体高分子膜水電解装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本水電解セル50Aは、一対のセパレータと、該一対のセパレータの間に設けられた陽極側及び陰極側電極が両面に形成された固体高分子電解質膜51と、該固体高分子電解質膜51とセパレータの間に介装された給電体とからなる水電解セル50であって、電極形成面70Aが水電解により発生するガス(水素ガス又は酸素ガス)のガス溜まりが発生する部位を除いて形成されてなる。
【選択図】 図1−2
Description
図8を参照して従来の固体高分子膜型水分解装置を説明する。図8に示すように、固体高分子電解質膜111によって内部が陽極室112と陰極室113に区画された水電解槽114と、上記陽極室112の固体高分子電解質膜111側に電解水115を供給する水供給手段と、水電解により発生した酸素(O2 )及び水素(H2 )を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記固体高分子電解質膜111が鉛直方向に立設されてなる水電解槽114の上方に水供給タンク120を設置してなり、水供給タンク120からの水を循環水121として固体高分子電解質膜111に自然循環しつつ供給するようにしている。すなわち、上記電解槽114内の固体高分子電解質膜111は鉛直軸方向に立設されており、上記陰極室113側に循環水121を供給する循環水供給手段122は、電解槽114の上方側に設置してなる水供給タンク120と、上記水供給タンク120からの循環水121を自然落下による降下流を電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ライン123と、発生した水素(H2 )を上昇流として循環水と共に水素(H2)/水(H2 O)の二相流124として水素分離手段へ送給する上昇ライン125とを備えてなるものである。
図9では、水電解スタック151の四隅に循環水供給孔152−1、152−2と排出孔153−1、153−2とを対角線上に配置している。そして、循環水121を供給する水素側水供給口152−1と酸素側水供給口152−2とを、ガスの出口である水素/水・二相流124の出口153−1と、酸素/水・二相流137の出口153−2とをクロスする位置となるようにし、水電解スタック151内を通過する循環水121の流れがクロスするようにし、均温化を図るようにしている。
そして、水電解装置として使用する場合は固体高分子電解質膜111をセパレータ162、163で両側から挟み込むようにしているので、この状態で循環水121を給電体164部分に通水し、直流電力をセパレータ162から対極のセパレータ163へ投入すると固体高分子電解質膜111の電極部分で水が電気分解され、水素と酸素が発生するが、従来技術にかかる電極170の塗布範囲は給電体164よりも若干広くなっており、給電体全体で電気分解が行われている。
本実施の形態に係る水電解装置に用いる水電解セルについて、図面を参照して説明する。図1−1〜図1−3は、実施の形態に係る水電解セルを示す構成図を各々示し、図1−1は固体高分子電解質膜の平面図、図1−2は水電解セルの平面図、図1−3は水電解セルの断面図である。
図1−1〜図1−3に示すように、本実施の形態に係る水電解セル50Aは、一対のセパレータ62、63と、該一対のセパレータ62、63の間に設けられた陽極側及び陰極側電極が両面に形成された固体高分子電解質膜51と、該固体高分子電解質膜51とセパレータ62、63の間に介装された給電体とからなる水電解セル50であって、電極形成面70Aが水電解により発生するガス(水素ガス又は酸素ガス)のガス溜まりが発生する部位を除いて形成されてなるものである。
なお、図1−2中、符号66は循環水16の水導入ヘッダ、67は水排出ヘッダを各々図示する。
本実施の形態では、給電体64をメッシュ状として、その厚みを4mm程度としている。また、複数の目開きの異なるメッシュ状の給電体を積層するようにしてもよい。すなわち、セパレータ62側がメッシュの目開きが大きい給電体としており、水の通水性を良好なものとしている。一方、固体高分子電解質膜51側はメッシュの目開きが小さい給電体として、電気抵抗が小さくなるように、固体高分子電解質膜51と給電体64との接触が良好となるようにしてもよい。これにより、給電体64は、循環水の水路機能と給電機能とを併せ持つものとなる。
本実施の形態に係る水電解装置に用いる水電解セルについて、図面を参照して説明する。図2−1は、本実施の形態に係る固体高分子電解質膜の平面図、図2−2は水電解セルの平面図である。
図2−1及び図2−2に示すように、本実施の形態の水電解セル50Bは、電極形成面70Bの周囲が、給電体64の周囲の内側に位置するように形成されてなるものである。
すなわち、図2−2に示すように、電極形成面70Bが給電体の周囲よりも幅Dだけ内側となるように、点線の枠内とすることで、循環水の供給が滞ることがなく、給電体の端部での温度上昇を防止すると共に、給電体端部のガス滞留が解消され、水電解効率の向上を図ることができる。
また、本実施の形態の給電体64の大きさは、L1=365mm×W1=275mmであり、その内側に形成される電極形成面70BはL2=340mm×W2=240mmとするのがよい。
また、発生ガスの滞留も起きにくくなり、固体高分子電解質膜51が乾燥することも防止できる。
本実施の形態に係る水電解装置に用いる水電解セルについて、図面を参照して説明する。図2は、実施の形態に係る水電解セルを示す構成図を各々示し、図3−1は絶縁シートの平面図、図3−2は水電解セルの平面図である。
図3−1及び図3−2に示すように、本実施の形態の水電解セル50Cは、前記固体高分子電解質膜と給電体との間に、前記電極形成面の周囲が給電体の周囲よりも内側位置となるように電解領域を規制して電解反応を行う絶縁シート80を介装してなる。前記絶縁シート80は、電解領域を規制するように開口部81が形成されている。
そして、給電体64の端部から10mm程度内側の範囲までを覆うことができる開口部81を有する絶縁シート80を介装することで、循環水16の供給が滞ることがなく、給電体64の端部での温度上昇を防止すると共に、給電体端部のガス滞留が解消され、水電解効率の向上を図ることができる。
セパレータと固体高分子セルの間に絶縁シートを挟み込み、給電体の端部から10mm程度をマスキングすることで、給電体端部の電流通過を防止し、電気分解を防止することができる。
次に、前記水電解セルを用いた水電解装置について説明する。
図4は、本実施の形態に係る水電解装置を示す概略斜視図であり、図5はその縦断面図(図7のB―B矢視断面図)、図6はその正面図、図7は図6のC−CB矢視図である。
これらの図面に示すように、本実施の形態に係る水電解装置10は、容器本体11内の下端面から所定間隔を有して設けられ、循環する循環水12を浄化する浄化層13と、容器本体11の頂部11aから垂下し、容器本体11内を第1の部屋14−1と第2の部屋14−2とに分離する仕切板25と、容器本体11の外部に設けられ、循環水を電気分解して水素と酸素を発生する前述した水電解セル50A(50B又は50C)を複数積層してなる水電解スタック15と、該水電解スタック15に浄化した循環水16を供給する水供給管17と、水電解スタック15から循環水に同伴されてなる水素/水・二相流18−1を容器本体11の第1の部屋14−1に送給する第1の送給管19−1と、水電解スタック15から循環水に同伴されてなる酸素/水・二相流18−2を容器本体11の第2の部屋14−2に送給する第2の送給管19−2と、第1の部屋14−1から水素を排出する水素排出部20と、第2の部屋14−2から酸素を排出する酸素排出部21とを具備してなり、水電解スタック15に供給する循環水12を浄化しつつ自然循環してなるものである。図5中、符号30は保温材、31はヒータ等による加熱部である。
この場合には、容器本体71内に支持部15aにより支持された水電解スタック15を浄化層13の下部に設置している。そして、水電解スタック15下側に設けた各々設けた水供給口に酸素側循環水及び水素側循環水を供給している。また、循環水の流れをクロスするように供給することにより、水電解スタック15内部に熱の片寄りを是正し、均温化を図ることができる。
なお、発熱により循環水の温度が所定の温度よりも高くなるような場合には、外部から給水量を調節して温度を調整するようにすればよい。
11 容器本体
12 循環水
13 浄化層
14−1 第1の部屋
14−2 第2の部屋
16 浄化した循環水
17 水供給管
18−1 水素/水・二相流
18−2 酸素/水・二相流
19−1 第1の送給管
19−2 第2の送給管
20 水素排出部
21 酸素排出部
50A〜50C 水電解セル
51 固体高分子電解質膜
64 給電体
65 パッキン
70A、70B 電極形成面
80 絶縁シート
Claims (10)
- 一対のセパレータと、
該一対のセパレータの間に設けられた陽極及び陰極が両面に形成された固体高分子電解質膜と、
該固体高分子電解質膜とセパレータの間に介装された給電体とからなる水電解セルであって、
電極形成面が水電解により発生するガスのガス溜まりが発生する部位を除いて形成されてなることを特徴とする水電解セル。 - 請求項1において、
前記固体高分子電解質膜と給電体との間に、陽極及び陰極面が水電解により発生するガスのガス溜まり部位を除くように電解領域を規制して電解反応を行う絶縁シートを介装してなることを特徴とする水電解セル。 - 請求項1において、
前記電極形成面の周囲が、給電体の周囲の内側に位置するように形成されてなることを特徴とする水電解セル。 - 請求項3において、
前記電極形成面の周囲が給電体の周囲よりも3〜20mm内側に位置するように形成されてなることを特徴とする水電解セル。 - 請求項3又は4において、
前記固体高分子電解質膜と給電体との間に、前記電極形成面の周囲が給電体の周囲よりも内側位置となるように電解領域を規制して電解反応を行う絶縁シートを介装してなることを特徴とする水電解セル。 - 請求項1乃至5のいずれか一つにおいて、
前記給電体は、その周囲に固体高分子電解質膜と略同一形状のパッキンを備えてなると共に、
該パッキンには、四隅の対角線上に設けた水供給孔及び水排出孔と、
前記水供給孔から給電体に循環水を導入する水導入ヘッダと、
前記給電体に導入された循環水を水排出孔へ排出する水排出ヘッダとを有することを特徴とする水電解セル。 - 請求項6において、
前記給電体がメッシュ状であることを特徴とする水電解セル。 - 請求項1乃至7のいずれか一つの水電解セルを複数積層させてなることを特徴とする水電解スタック。
- 請求項8の水電解スタックを有してなり、
陽極側給電体と陰極側給電体とに循環水を供給し、両給電体間に直流電流を印加し、陰極側に水素ガスを取り出してなることを特徴とする水素製造装置。 - 請求項8の水電解スタックを有してなり、
陽極側給電体と陰極側給電体とに循環水を供給し、両給電体間に直流電流を印加し、水電解反応により陰極側に水素ガスを発生してなることを特徴とする固体高分子膜水電解装置。
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