JP2010189689A

JP2010189689A - 水電解装置

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Publication number: JP2010189689A
Application number: JP2009033788A
Authority: JP
Inventors: Kisuke Yoshida; 喜祐吉田; Koji Nakazawa; 孝治中沢; Eiji Hario; 栄次針生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP5349073B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、水電解により生成された水素中に含まれる水分を確実に除去するとともに、システム全体の小型化を図ることを可能にする。
【解決手段】水電解装置１０を構成する単位セル１２は、電解質膜・電極構造体３２をアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６により挟持する。電解質膜・電極構造体３２のアノード側給電体４０とアノード側セパレータ３４との間に第１流路５４が形成され、前記電解質膜・電極構造体３２のカソード側給電体４２とカソード側セパレータ３６との間に、第２流路５８が形成される。単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出して第３突出部４４ｃが形成され、前記第３突出部４４ｃには、積層方向に沿って水素連通孔５０が形成されるとともに、この水素連通孔５０は、水素中の水分を凝縮する気液分離機能を兼用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられるとともに、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を流動させる第２流路が形成される水電解装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の設備として、例えば、特許文献１に開示されているガス発生システムが知られている。このガス発生システムでは、図５に示すように、水電解装置１に純水を供給する純水供給配管部２は、前記水電解装置１から排出された純水を再利用するために、酸素ガス分離装置３から前記水電解装置１に純水を循環させるように設けられている。

水電解装置１により生成された水素ガスは、若干の純水とともに、水素ガス搬送配管部４を介して水素ガス分離装置５に送られている。この水素ガス分離装置５において、気液分離された水素ガスは、水素ガス供給配管部６及び水素ガス除湿部７を介して使用箇所に搬送供給されている。

特開２００３−１１３４８７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、水電解装置１により生成された水素ガスに含まれる水分を除去するために、専用の水素ガス分離装置５が設けられるとともに、この水素ガス分離装置５は、前記水電解装置１とは別置きに構成されている。従って、水素ガス分離装置５を設置するための専有スペースが必要になる一方、水素ガス搬送配管部４を接続するためのスペースも必要となっている。これにより、水電解システム全体としての専有スペースが拡大するとともに、設備コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、水電解により生成された水素中に含まれる水分を確実に除去するとともに、システム全体の小型化を図ることが可能な水電解装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられるとともに、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を流動させる第２流路が形成される水電解装置に関するものである。

この水電解装置は、少なくともセパレータには、セパレータ面方向外方に突出する突出部が形成されるとともに、前記突出部には、第２流路に連通して水素を前記セパレータの積層方向に流動させ且つ前記水素中の水分を結露させる気液分離機能を有する水素連通孔が設けられている。

また、この水電解装置は、第１流路の入口側に連通し積層方向に沿って延在する水供給連通孔を備え、水素連通孔の開口断面積は、前記水供給連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることが好ましい。

さらに、この水電解装置は、水素連通孔には、排水弁を備える水貯留部が連通することが好ましい。

さらにまた、この水電解装置は、水貯留部には、該水貯留部に貯留されている水の水位を検出する水位センサが配設されることが好ましい。

また、この水電解装置は、水位センサが第２流路の最下端位置よりも下方に配設されることが好ましい。

さらに、この水電解装置は、第２流路に生成される水素の圧力が、第１流路に供給される水の圧力に比べて高圧であることが好ましい。

本発明によれば、少なくともセパレータには、セパレータ面方向外方に突出する突出部が形成され、前記突出部に水素連通孔が設けられている。従って、突出部は、セパレータの外部に突出して外部雰囲気に曝されるため、外気による冷却機能を有することができ、水素連通孔を冷却することが可能になる。このため、水素連通孔内では、水素中に含まれている水分が良好に結露し、前記水素連通孔は、気液分離部としての機能を兼用することができる。

これにより、水電解装置の外部には、別体の気液分離装置を配設する必要がなく、設備用の設置スペースを可及的に狭小に設定することが可能になる。従って、簡単な構成で、水電解により生成された水素中に含まれる水分を確実に除去するとともに、水電解システム全体の小型化を容易に図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。前記水電解装置の一部断面側面図である。前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。本発明の第２の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。特許文献１に開示されているガス発生システムの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端（上端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが下方に向かって、順次、配設される。

水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、略円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向（水平方向）外方に突出する第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃがそれぞれ所定の角度位置に形成される。第１突出部４４ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔４６が設けられる。

第２突出部４４ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８が設けられる。第３突出部４４ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素を流すための水素連通孔５０が設けられる。

水素連通孔５０の開口断面積は、水供給連通孔４６の開口断面積よりも大きく設定される。水素連通孔５０が水滴化された凝縮水により閉塞されることを阻止するためであり、必要に応じて前記水素連通孔５０の開口径を設定することができる。

図３に示すように、アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図３参照）。

図３に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図３参照）。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管６２ａ、６２ｂ及び６２ｃが接続される。配管６２ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。

図２に示すように、水素連通孔５０の下部側には、気液分離部を構成する水貯留部６４が設けられる。水貯留部６４は、エンドプレート２０ｂに形成され、水素連通孔５０の下端部に連通して略Ｌ字状に屈曲するチャンバ６６を備える。チャンバ６６には、配水管６８が連通するとともに、前記配水管６８は、開閉弁７０を介して外部に連通する。

水貯留部６４は、この水貯留部６４に貯留されている水の水位を検出する上側水位センサ７２ａ及び下側水位センサ７２ｂを備える。上側水位センサ７２ａは、最下端位置に配置される第２流路５８よりも下方に配設される一方、下側水位センサ７２ｂは、チャンバ６６の下端位置よりも上方に配置される。

このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、配管６２ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６に水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第３突出部４４ｃが形成されるとともに、前記第３突出部４４ｃには、矢印Ａ方向に互いに連通して水素を流すための水素連通孔が設けられている。このため、第３突出部４４ｃは、水電解装置１０の外部に突出しており、前記第３突出部４４ｃは、外部雰囲気に曝されて冷却機能を有することができる（図１参照）。

従って、第３突出部４４ｃ内に、矢印Ａ方向に延在して設けられている水素連通孔５０は、良好に冷却され、前記水素連通孔５０内では、水素中に含まれる水分が結露し、水貯留部６４に貯留される。すなわち、水素連通孔５０は、気液分離機能を兼用することが可能になる。

これにより、第１の実施形態では、水電解装置１０の外部に別体の気液分離装置を配設する必要がなく、設備用の設置スペースを可及的に狭小に設定することができる。このため、簡単な構成で、水電解により生成された水素中に含まれる水分を確実に除去するとともに、水電解装置１０を含む水電解システム全体の小型化を図ることが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、水素連通孔５０の開口断面積は、水供給連通孔４６の開口断面積よりも大きく設定されている。従って、水素連通孔５０内で結露した水やこの水素連通孔５０に排出された水により、該水素連通孔５０が閉塞されることを良好に阻止することができる。特に、水素連通孔５０の内径を水滴が閉塞し得る径以上の大きさに設定することにより、前記水素連通孔５０の閉塞が可及的に阻止される。

また、水貯留部６４には、凝縮水を貯留するためのチャンバ６６が設けられるとともに、このチャンバ６６に連通する配水管６８には、開閉弁７０が設けられている。このため、開閉弁７０の開閉作用下に、チャンバ６６に貯留された凝縮水を外部に良好に排出することが可能になる。

その際、チャンバ６６に貯留される水の最上位置を検出する上側水位センサ７２ａと、最下位置を検出する下側水位センサ７２ｂとが設けられている。そして、上側水位センサ７２ａは、最下位置に配置される第２流路５８よりも下方に設定されている。これにより、第２流路５８から水素連通孔５０に排出される水素により、水面の波打による上側水位センサ７２ａの誤検知を良好に阻止することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置８０の一部断面側面図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

水電解装置８０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。水電解装置８０の下部側（上部側でもよい）には、第３突出部４４ｃが配置され、前記第３突出部４４ｃを介して矢印Ｂ方向に沿って水素連通孔５０が形成される。

エンドプレート２０ｂには、気液分離機能を有する水貯留部８２が設けられる。この水貯留部８２は、チャンバ６６を有するとともに、このチャンバ６６の上端が水素連通孔５０に連通する。なお、水素連通孔５０は、排水性を考慮してエンドプレート２０ａからエンドプレート２０ｂ側に向かって下方に傾斜することが好ましい。

このように構成される第２の実施形態では、外部に突出する第３突出部４４ｃ内に水素連通孔５０が形成されている。このため、水素連通孔５０内を良好に冷却して排水性を向上させることができ、前記水素連通孔５０が気液分離機能を兼用することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、第３突出部４４ｃに水素連通孔５０が形成されているが、これに加えて、例えば、前記水素連通孔５０を周回して冷却水流路（図示せず）を設けることもできる。

また、各単位セル１２毎に、第３突出部４４ｃにそれぞれ異なる方向に膨出するフィン部（図示せず）を設けることにより、水素連通孔５０の冷却効率を一層向上させることも可能である。

１０、８０…水電解装置１２…単位セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ａ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体４２…カソード側給電体
４４ａ〜４４ｃ…突出部４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔５０…水素連通孔
５４、５８…流路６４、８２…水貯留部
６６…チャンバ６８…配水管
７２ａ、７２ｂ…センサ

Claims

電解質膜の両側に給電体が設けられるとともに、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を流動させる第２流路が形成される水電解装置であって、
少なくとも前記セパレータには、セパレータ面方向外方に突出する突出部が形成されるとともに、
前記突出部には、前記第２流路に連通して前記水素を前記セパレータの積層方向に流動させ且つ該水素中の水分を結露させる気液分離機能を有する水素連通孔が設けられることを特徴とする水電解装置。
請求項１記載の水電解装置において、前記第１流路の入口側に連通し前記積層方向に沿って延在する水供給連通孔を備え、
前記水素連通孔の開口断面積は、前記水供給連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることを特徴とする水電解装置。
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記水素連通孔には、排水弁を備える水貯留部が連通することを特徴とする水電解装置。
請求項３記載の水電解装置において、前記水貯留部には、該水貯留部に貯留されている前記水の水位を検出する水位センサが配設されることを特徴とする水電解装置。
請求項４記載の水電解装置において、前記水位センサは、前記第２流路の最下端位置よりも下方に配設されることを特徴とする水電解装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記第２流路に生成される前記水素の圧力は、前記第１流路に供給される水の圧力に比べて高圧であることを特徴とする水電解装置。