JP2011127212A - Water electrolyzer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water electrolyzer capable of excellently reducing the pressure loss of a water channel and efficiently and economically passing water with a simple structure. <P>SOLUTION: A unit cell 12 constituting the water electrolyzer 10 is provided with an electrolyte membrane/electrode structure 32 which is held between an anode side separator 34 and a cathode side separator 36. The anode side separator 34 is provided with a plurality of inlet connection channel 52a communicating with a water supply communication hole 46 and a plurality of outlet connection channel 52b communicating with a discharge communication hole 48. The cross-section of the channel of the discharge connection channel 52 is set to be larger than the cross section of the channel of the inlet connection channel 52a. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、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、水を供給する水流路が形成され、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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関する。   In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, The present invention relates to a water electrolysis apparatus including a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the other power feeding body and the other separator, and a plurality of the unit cells are stacked.

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。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas (a gas containing mainly hydrogen, such as hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas (mainly containing oxygen) is supplied to the cathode side electrode. By supplying a gas (for example, air), direct current electric energy is obtained.

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。   In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen gas that is a fuel gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.

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。   Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.

この種の設備として、例えば、特許文献1に開示された水電解装置が知られている。この水電解装置は、図7に示すように、固体高分子電解質膜を円盤状の陽極給電板1及び陰極給電板で挟んだセル2を、分離板を介して複数個重合している。陽極給電板1は、ケーシングを構成するケーシングリング3に外嵌されている。   As this type of equipment, for example, a water electrolysis apparatus disclosed in Patent Document 1 is known. In this water electrolysis apparatus, as shown in FIG. 7, a plurality of cells 2 in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a disc-shaped anode power feeding plate 1 and a cathode power feeding plate are polymerized via a separation plate. The anode power feeding plate 1 is fitted on a casing ring 3 that constitutes a casing.

陽極給電板1の電解質膜と接触しない側の面には、複数の溝4が互いに平行に設けられている。各溝4は、純水の流路を構成するとともに、発生する酸化剤ガスを流通させる流路も構成している。ケーシングリング3の内周面には、溝4に連通する周溝5が形成されるとともに、3つの貫通孔6a、6b及び6cが積層方向に貫通形成されている。   A plurality of grooves 4 are provided in parallel to each other on the surface of the anode power supply plate 1 that does not contact the electrolyte membrane. Each groove 4 constitutes a pure water flow path and also a flow path through which the generated oxidant gas flows. A circumferential groove 5 communicating with the groove 4 is formed on the inner peripheral surface of the casing ring 3, and three through holes 6a, 6b, and 6c are formed through the lamination direction.

純水供給用の貫通孔6aと周溝5との間、純水及び酸素ガス排出用の貫通孔6bと前記周溝5との間には、これらを連通するための通孔7a、7bが形成されている。水素ガス排出用の貫通孔6cは、貫通孔6b側に近接して設けられており、水の電気分解により陰極給電板に発生する水素が、前記貫通孔6cに導出されている。   Between the through hole 6a for supplying pure water and the circumferential groove 5, and between the through hole 6b for discharging pure water and oxygen gas and the circumferential groove 5, there are through holes 7a and 7b for communicating these. Is formed. The through hole 6c for discharging hydrogen gas is provided close to the through hole 6b side, and hydrogen generated in the cathode power supply plate by electrolysis of water is led out to the through hole 6c.

特開平9−95791号公報JP-A-9-95791

ところで、上記の水電解装置において、各溝4の下流には、未反応の水に加えて反応により生成された酸素(反応ガス)も流通している。このため、通孔7bでは、水と酸素との二相流が存在し、ガスの生成により体積が急激に増加している。   By the way, in the above water electrolysis apparatus, downstream of each groove 4, oxygen (reactive gas) generated by the reaction in addition to unreacted water also circulates. For this reason, in the through-hole 7b, the two-phase flow of water and oxygen exists, and the volume rapidly increases due to the generation of gas.

従って、通孔7bの圧力損失は、水のみが存在する通孔7aの圧力損失に比べて増大している。これにより、水電解装置全体としての圧力損失が高くなってしまい、高出力且つ高性能な水ポンプが必要になり、経済的ではないという問題がある。   Therefore, the pressure loss of the through hole 7b is increased as compared with the pressure loss of the through hole 7a where only water exists. Thereby, the pressure loss as the whole water electrolysis apparatus becomes high, a high output and high performance water pump is needed, and there is a problem that it is not economical.

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、水流路の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させ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。   The present invention solves this type of problem, and can easily reduce the pressure loss of the water flow path with a simple configuration, and can efficiently and economically distribute water. The purpose is to provide.

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、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、水を供給する水流路が形成され、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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関するものである。   In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, The present invention relates to a water electrolysis apparatus comprising a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the other power feeding body and the other separator, and a plurality of the unit cells are stacked. It is.

この水電解装置は、単位セルの積層方向に延在し、水流路に水を供給する水供給連通孔と、前記単位セルの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水及び生成された酸素を排出する排出連通孔と、前記水供給連通孔と前記水流路とを連通する入口連結流路と、前記排出連通孔と前記水流路とを連通する出口連結流路とを設けている。そして、出口連結流路の流路断面積は、入口連結流路の流路断面積よりも大きく設定されている。   This water electrolysis device extends in the stacking direction of the unit cells and supplies water to the water flow path, and extends in the stacking direction of the unit cells, and the remaining water and generation from the water flow path A discharge communication hole for discharging the generated oxygen; an inlet connection flow path for communicating the water supply communication hole and the water flow path; and an outlet connection flow path for communicating the discharge communication hole and the water flow path. Yes. The channel cross-sectional area of the outlet connection channel is set larger than the channel cross-sectional area of the inlet connection channel.

また、入口連結流路及び出口連結流路は、開口断面円形状を有するとともに、前記出口連結流路は、前記入口連結流路よりも多くの本数又は大径に設定されることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the inlet connection channel and the outlet connection channel have a circular opening cross section, and the outlet connection channel is set to have a larger number or a larger diameter than the inlet connection channel.

さらに、単位セルは、鉛直方向に積層されるとともに、水供給連通孔及び排出連通孔は、水を鉛直上方向に流通させることが好ましい。   Further, the unit cells are preferably stacked in the vertical direction, and the water supply communication hole and the discharge communication hole preferably allow water to flow vertically upward.

本発明によれば、排出連通孔と水流路とを連通する出口連結流路は、水供給連通孔と前記水流路とを連通する入口連結流路よりも、大きな流路断面積に設定されている。   According to the present invention, the outlet connection channel that communicates the discharge communication hole and the water channel is set to have a larger channel cross-sectional area than the inlet connection channel that communicates the water supply communication hole and the water channel. Yes.

従って、出口連結流路側に未反応の水及び生成された酸素が存在し、体積の増加が惹起しても、前記出口連結流路の圧力損失が増大することを阻止することが可能になる。このため、簡単な構成で、水流路の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させることが可能になる。これにより、水流路全域に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理が良好に遂行される。   Therefore, even if unreacted water and generated oxygen exist on the outlet connection channel side, and an increase in volume occurs, it is possible to prevent an increase in pressure loss in the outlet connection channel. For this reason, it is possible to reduce the pressure loss of the water flow path satisfactorily with a simple configuration, and to circulate water efficiently and economically. Thereby, water can be uniformly and reliably supplied to the entire water flow path, and the water splitting process is satisfactorily performed.

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。It is a perspective explanatory view of a water electrolysis device concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記水電解装置の一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the water electrolysis device. 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。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said water electrolysis apparatus. 前記単位セルの、図3中、IV−IV線断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the unit cell taken along line IV-IV in FIG. 3. 前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the anode side separator which comprises the said unit cell. 本発明の第2の実施形態に係る水電解装置を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the anode side separator which comprises the water electrolysis apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 特許文献1に開示されている水電解装置の説明図である。It is explanatory drawing of the water electrolysis apparatus currently disclosed by patent document 1. FIG.

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。   As shown in FIG.1 and FIG.2, the water electrolysis apparatus 10 which concerns on the 1st Embodiment of this invention comprises the high voltage | pressure hydrogen production apparatus, and the several unit cell 12 is a perpendicular direction (arrow A direction). A laminated body 14 is provided.

積層体14の積層方向上端には、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。   At the upper end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16a, an insulating plate 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed upward. Similarly, a terminal plate 16b, an insulating plate 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed at the lower end in the stacking direction of the stacked body 14 in the downward direction.

水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する4本のタイロッド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。4本のタイロッド22は、エンドプレート20a、20bの中心に対してそれぞれ等角度ずつ離間して配置される。   The water electrolysis apparatus 10 integrally holds and holds the disc-shaped end plates 20a and 20b via four tie rods 22 extending in the direction of arrow A, for example. The four tie rods 22 are arranged at equal angles from each other with respect to the centers of the end plates 20a and 20b.

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。   The water electrolysis apparatus 10 may employ a configuration in which the water electrolysis apparatus 10 is integrally held by a box-like casing (not shown) including the end plates 20a and 20b as end plates. Moreover, the water electrolysis apparatus 10 has a substantially cylindrical shape as a whole.

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。図1に示すように、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。陰極(カソード)側である端子部24aは、電源28のマイナス極に接続される一方、陽極(アノード)側である端子部24bは、前記電源28のプラス極に接続される。   Terminal portions 24a and 24b are provided on the side portions of the terminal plates 16a and 16b so as to protrude outward. As shown in FIG. 1, the terminal portions 24a and 24b are electrically connected to a power source 28 via wirings 26a and 26b. The terminal part 24 a on the cathode (cathode) side is connected to the negative pole of the power supply 28, while the terminal part 24 b on the anode (anode) side is connected to the positive pole of the power supply 28.

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。   As shown in FIGS. 2 and 3, the unit cell 12 includes a substantially disc-shaped electrolyte membrane / electrode structure 32, and an anode-side separator 34 and a cathode-side separator 36 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 32. Prepare. The anode-side separator 34 and the cathode-side separator 36 have a substantially disk shape and are made of, for example, a carbon member or the like, or a steel plate, a stainless steel plate, a titanium plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof. A metal plate subjected to an edible surface treatment is press-molded or cut and subjected to an anticorrosive surface treatment.

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円形のアノード側給電体40及び円形のカソード側給電体42とを備える。固体高分子電解質膜38の周縁部は、アノード側給電体40及びカソード側給電体42の外周から外方に突出している。   The electrolyte membrane / electrode structure 32 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a circular anode-side feeder 40 provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. And a circular cathode side power supply body 42. The peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 38 protrudes outward from the outer peripheries of the anode side power supply body 40 and the cathode side power supply body 42.

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。   An anode electrode catalyst layer 40a and a cathode electrode catalyst layer 42a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. The anode electrode catalyst layer 40a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 42a uses, for example, a platinum catalyst.

アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体(多孔質導電体)により構成される。アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が10%〜50%、より好ましくは、20%〜40%の範囲内に設定される。   The anode-side power supply body 40 and the cathode-side power supply body 42 are made of, for example, a sintered body (porous conductor) of spherical atomized titanium powder. The anode-side power supply body 40 and the cathode-side power supply body 42 are provided with a smooth surface portion that is etched after grinding, and the porosity is set within a range of 10% to 50%, more preferably 20% to 40%. Is done.

図3に示すように、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1突出部44a、第2突出部44b及び第3突出部44cが形成される。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。   As shown in FIG. 3, a first protrusion 44 a, a second protrusion 44 b, and a third protrusion 44 c that protrude outward in the separator surface direction are formed on the outer periphery of the unit cell 12. The first protrusion 44 a is provided with a water supply communication hole 46 for supplying water (pure water) in communication with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction.

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。水供給連通孔46及び排出連通孔48は、開口断面長円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。   The second projecting portion 44b is provided with a discharge communication hole 48 that communicates with each other in the direction of the arrow A and discharges oxygen generated by the reaction and used water. The third projecting portion 44c is provided with a hydrogen communication hole 50 that communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, for flowing hydrogen generated by the reaction. The water supply communication hole 46 and the discharge communication hole 48 have an elliptical cross section of the opening cross section, and are disposed at positions that are point-symmetric with each other.

図3及び図5に示すように、アノード側セパレータ34には、水供給連通孔46に連通する複数(例えば、3本)の入口連結流路52aと、排出連通孔48に連通する複数(例えば、5本)の出口連結流路52bとが設けられる。入口連結流路52a及び出口連結流路52bは、開口断面円形状を有し、互いに平行に配列される(図5参照)。出口連結流路52bは、入口連結流路52aよりも多い本数に設定されていればよく、それぞれの本数は、任意に設定可能である。   As shown in FIGS. 3 and 5, the anode-side separator 34 has a plurality (for example, three) of inlet connection channels 52 a communicating with the water supply communication holes 46 and a plurality (for example, for example) communicating with the discharge communication holes 48. 5) outlet connection channels 52b. The inlet connection flow path 52a and the outlet connection flow path 52b have an opening cross-sectional circular shape and are arranged in parallel to each other (see FIG. 5). The outlet connection channel 52b may be set to have a larger number than the inlet connection channel 52a, and the number of each may be arbitrarily set.

水供給連通孔46は、複数の入口連結流路52aが開口する連通孔内側壁面46a及び前記連通孔内側壁面46aに対向する連通孔外側壁面46bが長尺な開口断面長円形状を有する。排出連通孔48は、複数の出口連結流路52bが開口する連通孔内側壁面48a及び前記連通孔内側壁面48aに対向する連通孔外側壁面48bが長尺な開口断面長円形状を有する。   The water supply communication hole 46 has an oval cross section with an elongated communication hole inner wall surface 46a in which a plurality of inlet connection channels 52a are opened and a communication hole outer wall surface 46b opposite to the communication hole inner wall surface 46a. The discharge communication hole 48 has an oval cross section with an elongated communication hole inner wall surface 48a in which a plurality of outlet connection channels 52b are opened and a communication hole outer wall surface 48b opposite to the communication hole inner wall surface 48a.

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、入口連結流路52a及び出口連結流路52bに連通する水流路54が設けられる。   A water flow path 54 communicating with the inlet connection flow path 52a and the outlet connection flow path 52b is provided on a surface 34a of the anode separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32.

図5に示すように、水流路54は、水供給連通孔46と排出連通孔48とを繋ぐ仮想直線(直径)に平行する給電体面方向に延在し、アノード側給電体40の面内に並列される複数の水通路56と、前記アノード側給電体40の外方を周回し、前記水供給連通孔46に連通する円弧状入口バッファ部58aと、前記アノード側給電体40の外方を周回し、前記排出連通孔48に連通する円弧状出口バッファ部58bとを備える。   As shown in FIG. 5, the water flow path 54 extends in the direction of the power supply body parallel to the virtual straight line (diameter) connecting the water supply communication hole 46 and the discharge communication hole 48, and is in the plane of the anode-side power supply body 40. A plurality of water passages 56 arranged in parallel, the outer side of the anode side power supply body 40, and an arcuate inlet buffer portion 58 a that communicates with the water supply communication hole 46 and the outer side of the anode side power supply body 40. An arcuate outlet buffer portion 58b that circulates and communicates with the discharge communication hole 48 is provided.

各入口連結流路52aの一端と円弧状入口バッファ部58aとが、連通するとともに、各出口連結流路52bの一端と円弧状出口バッファ部58bとが、連通する。   One end of each inlet connection channel 52a communicates with the arcuate inlet buffer portion 58a, and one end of each outlet connection channel 52b communicates with the arcuate outlet buffer portion 58b.

図3及び図4に示すように、カソード側セパレータ36には、水素連通孔50に連通する排出通路62が設けられる。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、排出通路62に連通する水素流路64が形成される。この水素流路64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4参照)。   As shown in FIGS. 3 and 4, the cathode separator 36 is provided with a discharge passage 62 communicating with the hydrogen communication hole 50. A hydrogen flow path 64 communicating with the discharge passage 62 is formed on the surface 36 a of the cathode separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32. The hydrogen flow path 64 is provided within a range corresponding to the surface area of the cathode-side power feeding body 42, and includes a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like (see FIGS. 2 and 4).

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66a、66bが一体化される。このシール部材66a、66b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。   The seal members 66a and 66b are integrated with each other around the outer peripheral ends of the anode side separator 34 and the cathode side separator 36. The seal members 66a and 66b include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, acrylic rubber, or other seal materials, cushion materials, or packing materials. Used.

図3及び図4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、水素流路64の外側を周回して第1シール溝68aが形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, a first seal groove 68 a is formed on the surface 36 a of the cathode separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32 so as to go around the outside of the hydrogen flow path 64.

カソード側セパレータ36の面36aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50の外側を周回して第2シール溝68b、第3シール溝68c及び第4シール溝68dが形成される。第1シール溝68a〜第4シール溝68dには、例えば、Oリングである第1シール部材70a〜第4シール部材70dが配設される。   A second seal groove 68b, a third seal groove 68c, and a fourth seal groove 68d are formed on the surface 36a of the cathode-side separator 36 around the outside of the water supply communication hole 46, the discharge communication hole 48, and the hydrogen communication hole 50. Is done. In the first seal groove 68a to the fourth seal groove 68d, for example, a first seal member 70a to a fourth seal member 70d that are O-rings are disposed.

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、水流路54の外側を周回し、且つ第1シール溝68aに対向して第1シール溝76aが形成される。   On the surface 34a of the anode separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32, a first seal groove 76a is formed around the outside of the water channel 54 and facing the first seal groove 68a.

面34aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50の外側を周回し、且つ第2シール溝68b、第3シール溝68c及び第4シール溝68dに対向して第2シール溝76b、第3シール溝76c及び第4シール溝76dが形成される。第1シール溝76a〜第4シール溝76dには、例えば、Oリングである第1シール部材78a〜第4シール部材78dが収容される。   The surface 34a circulates outside the water supply communication hole 46, the discharge communication hole 48, and the hydrogen communication hole 50, and is opposed to the second seal groove 68b, the third seal groove 68c, and the fourth seal groove 68d. A seal groove 76b, a third seal groove 76c, and a fourth seal groove 76d are formed. In the first seal groove 76a to the fourth seal groove 76d, for example, a first seal member 78a to a fourth seal member 78d which are O-rings are accommodated.

図1及び図2に示すように、エンドプレート20bには、水供給連通孔46に連通する配管82aが接続されるとともに、エンドプレート20aには、排出連通孔48及び水素連通孔50に連通する配管82b及び82cが接続される。配管82c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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the end plate 20 b is connected to a pipe 82 a that communicates with the water supply communication hole 46, and the end plate 20 a communicates with a discharge communication hole 48 and a hydrogen communication hole 50. Pipes 82b and 82c are connected. Although not shown, the pipe 82c is provided with a back pressure valve (or electromagnetic valve), and the pressure of hydrogen generated in the hydrogen communication hole 50 can be maintained at a high pressure.

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。   The operation of the water electrolysis apparatus 10 configured as described above will be described below.

図1に示すように、水電解装置10の水供給連通孔46には、配管82aから鉛直上方向に向かって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の水流路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。   As shown in FIG. 1, water is supplied from a pipe 82a to the water supply communication hole 46 of the water electrolysis apparatus 10 in a vertically upward direction, and is electrically connected to the terminal portions 24a and 24b of the terminal plates 16a and 16b. A voltage is applied via a power supply 28 connected to the. Therefore, as shown in FIG. 3, in each unit cell 12, water is supplied from the water supply communication hole 46 to the water flow path 54 of the anode side separator 34, and this water moves along the anode side power supply body 40. .

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。   Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 40a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 38 and move to the cathode electrode catalyst layer 42a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

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水素流路64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を鉛直上方向に流れて水電解装置10の外部に取り出し可能となる。一方、水流路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に沿って鉛直上方向に移動して水電解装置10の外部に排出される。   For this reason, hydrogen flows along the hydrogen flow path 64 formed between the cathode separator 36 and the cathode power supply body 42. This hydrogen is maintained at a pressure higher than that of the water supply communication hole 46 and can flow out of the water electrolysis apparatus 10 by flowing vertically through the hydrogen communication hole 50. On the other hand, oxygen generated by the reaction and used water flow in the water flow path 54, and these move vertically along the discharge communication hole 48 and are discharged outside the water electrolysis apparatus 10. Is done.

この場合、水供給連通孔46から入口連結流路52aを介して水流路54には、水のみが供給される一方、前記水流路54から出口連結流路52bを介して排出連通孔48には、水と生成された酸素とが排出されている。従って、出口連結流路52bでは、水とガス(酸素)との二相流が存在し、ガスの生成により体積が急激に増加している。   In this case, only water is supplied from the water supply communication hole 46 via the inlet connection flow path 52a to the water flow path 54, while from the water flow path 54 to the discharge communication hole 48 via the outlet connection flow path 52b. Water and produced oxygen are exhausted. Therefore, in the outlet connection channel 52b, there is a two-phase flow of water and gas (oxygen), and the volume rapidly increases due to the generation of gas.

そこで、第1の実施形態では、図3及び図5に示すように、排出連通孔48に連通する出口連結流路52bが、水供給連通孔46に連通する入口連結流路52aよりも多くの本数に設定されている。従って、出口連結流路52b側に未反応の水及び生成された酸素が存在し、体積の増加が惹起しても、前記出口連結流路52bの圧力損失が増大することを抑制することが可能になる。   Therefore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the outlet connection flow path 52 b communicating with the discharge communication hole 48 is more than the inlet connection flow path 52 a communicating with the water supply communication hole 46. The number is set. Therefore, even if unreacted water and generated oxygen are present on the outlet connection channel 52b side, and an increase in volume is caused, it is possible to suppress an increase in pressure loss in the outlet connection channel 52b. become.

このため、簡単な構成で、水流路54の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させることが可能になる。これにより、水流路54全域に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理が良好に遂行されるという効果が得られる。   For this reason, it is possible to satisfactorily reduce the pressure loss of the water flow path 54 with a simple configuration, and to distribute water efficiently and economically. Thereby, water can be uniformly and reliably supplied to the entire water flow path 54, and the effect that the water splitting process is satisfactorily performed can be obtained.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る水電解装置90を構成するアノード側セパレータ92の正面視説明図である。なお、第1の実施形態に係るアノード側セパレータ34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。   FIG. 6 is an explanatory diagram viewed from the front of the anode-side separator 92 constituting the water electrolysis apparatus 90 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the anode separator 34 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

アノード側セパレータ92には、水供給連通孔46に連通する複数(例えば、3本)の入口連結流路94aと、排出連通孔48に連通する複数(例えば、3本)の出口連結流路94bとが設けられる。入口連結流路94a及び出口連結流路94bは、開口断面円形状を有するとともに、前記出口連結流路94bは、前記入口連結流路94aよりも大径に設定される。   The anode-side separator 92 has a plurality (for example, three) of inlet connection channels 94 a that communicate with the water supply communication holes 46 and a plurality of (for example, three) outlet connection channels 94 b that communicate with the discharge communication holes 48. And are provided. The inlet connection channel 94a and the outlet connection channel 94b have an opening cross-sectional circular shape, and the outlet connection channel 94b is set to have a larger diameter than the inlet connection channel 94a.

上記のように、第2の実施形態では、出口連結流路94bが、入口連結流路94aよりも大径に設定されるため、前記出口連結流路94bの圧力損失が良好に低減される。これにより、水流路54全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行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。   As described above, in the second embodiment, since the outlet connection channel 94b is set to have a larger diameter than the inlet connection channel 94a, the pressure loss of the outlet connection channel 94b is favorably reduced. Thereby, water can be uniformly and reliably supplied to the entire water flow channel 54, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as being able to perform the water splitting process satisfactorily.

10、90…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、18b…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、92…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
52a、94a…入口連結流路 52b、94b…出口連結流路
54…水流路 56…水通路
58a…円弧状入口バッファ部 58b…円弧状出口バッファ部
62…排出通路 64…水素流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 90 ... Water electrolysis apparatus 12 ... Unit cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b ... Insulation plate 20a, 20b ... End plate 24a, 24b ... Terminal part 28 ... Power supply 32 ... Electrolyte membrane and electrode structure 34, 92 ... anode side separator 36 ... cathode side separator 38 ... solid polymer electrolyte membrane 40 ... anode side power supply body 42 ... cathode side power supply bodies 44a to 44c ... projection 46 ... water supply communication hole 48 ... discharge communication hole 50 ... Hydrogen communication holes 52a, 94a ... Inlet connection flow path 52b, 94b ... Outlet connection flow path 54 ... Water flow path 56 ... Water passage 58a ... Arc-shaped inlet buffer section 58b ... Arc-shaped outlet buffer section 62 ... Discharge passage 64 ... Hydrogen flow path

Claims (3)

電解質膜の両側に給電体が設けられ、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、水を供給する水流路が形成され、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水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置であって、
前記単位セルの積層方向に延在し、前記水流路に前記水を供給する水供給連通孔と、
前記単位セルの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水及び生成された酸素を排出する排出連通孔と、
前記水供給連通孔と前記水流路とを連通する入口連結流路と、
前記排出連通孔と前記水流路とを連通する出口連結流路と、
を設けるとともに、
前記出口連結流路の流路断面積は、前記入口連結流路の流路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。
A power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, and the other power feeding body A water electrolysis apparatus comprising a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the second separator and a plurality of the unit cells,
A water supply communication hole extending in the stacking direction of the unit cells and supplying the water to the water flow path;
A discharge communication hole extending in the stacking direction of the unit cells and discharging the remaining water and generated oxygen from the water flow path;
An inlet connection channel that communicates the water supply communication hole and the water channel;
An outlet connecting flow path that connects the discharge communication hole and the water flow path;
And providing
The water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein a channel cross-sectional area of the outlet connection channel is set larger than a channel cross-sectional area of the inlet connection channel.
請求項1記載の水電解装置において、前記入口連結流路及び前記出口連結流路は、開口断面円形状を有するとともに、
前記出口連結流路は、前記入口連結流路よりも多くの本数又は大径に設定されることを特徴とする水電解装置。
The water electrolysis device according to claim 1, wherein the inlet connection channel and the outlet connection channel have an opening cross-sectional circular shape,
A water electrolysis apparatus, wherein the outlet connection channel is set to have a larger number or a larger diameter than the inlet connection channel.
請求項1又は2記載の水電解装置において、前記単位セルは、鉛直方向に積層されるとともに、
前記水供給連通孔及び前記排出連通孔は、前記水を鉛直上方向に流通させることを特徴とする水電解装置。
The water electrolysis apparatus according to claim 1 or 2, wherein the unit cells are stacked in a vertical direction,
The water supply communication hole and the discharge communication hole allow the water to flow vertically upward.
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