JP2012117140A - Hydrogen production cell and apparatus for producing hydrogen - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate the necessity of differential pressure control when producing high-pressure hydrogen by improving pressure resistance performance of a hydrogen producing cell of solid polymer type.SOLUTION: In a hydrogen producing cell 1 where an oxygen-side current collector 12 and a hydrogen-side current collector 13 are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 11, the oxygen-side current collector 12 is larger than the hydrogen-side current collector 13, and an edge part of the oxygen-side current collector 12 is positioned at outer side of the edge part of the hydrogen-side current collector 13 extending over the circumference, while an O-ring 22 is arranged at the outer periphery of the hydrogen-side current collector 13, and a position facing the O-ring 22 via the solid polymer electrolyte membrane 11 is inner than the edge part of the oxygen-side current collector 12. Even when positive pressure is applied to the oxygen-side current collector 12 from the hydrogen-side current collector 13 side, the oxygen-side current collector 12 receives the pressure via the solid polymer electrolyte membrane 11, so that the solid polymer electrolyte membrane 11 does not directly receive the pressure, and pressure resistance performance of the whole cell is improved, and the necessity of differential pressure control of the hydrogen-side current collector 13 side and the oxygen-side current collector 12 side is eliminated. The gas between both poles is not blended, too.

Description

本発明は、固体高分子形の水電解装置と燃料電池のセルを一体化した可逆セル(以降、単に「可逆セル」と言うことがある)や、同形の水電解専用セルを用いて高圧の水素を製造するにあたり、簡素な制御で高圧水素の製造が可能であり、また水電解装置の信頼性向上、コンパクト化、低コスト化を実現する、水素製造セルの構造並びに水素製造装置に関するものである。なお本明細書において、水素製造セルとは、可逆セル及び水電解専用セルを含む意味で使用され、可逆セルは、水電解装置及び燃料電池の両方で使用可能なものであり、また水電解専用セルは、水電解装置でのみ使用可能なものである。   The present invention uses a reversible cell in which a polymer electrolyte water electrolysis device and a fuel cell are integrated (hereinafter, simply referred to as “reversible cell”) or a high-pressure cell using the same type of water electrolysis dedicated cell. It is related to the structure of the hydrogen production cell and the hydrogen production equipment that can produce high-pressure hydrogen with simple control and can improve the reliability, compactness, and cost reduction of water electrolysis equipment. is there. In the present specification, the hydrogen production cell is used to include a reversible cell and a cell dedicated to water electrolysis, and the reversible cell can be used in both a water electrolysis device and a fuel cell, and is dedicated to water electrolysis. The cell can only be used in a water electrolysis apparatus.

可逆セルや同形の水電解専用セルで水の電気分解により高圧の水素を製造する場合、セルから発生するガスの圧力を制御することで、昇圧機器を使用せずに数10MPaまでの水素ガス、酸素ガスを製造できる。しかしながら、固体高分子形の可逆セルや水電解専用セルの構造は、公知のように水素極と酸素極が固体高分子製の薄膜で仕切られている(特許文献1)。その薄膜は機械的強度が低いため、極間に過度の差圧がかかると薄膜が破損する。薄膜が破損すると、両極間のガスが混合するため触媒上で燃焼反応が起きて最悪の場合にはセルが焼損・爆発する恐れがある。そのため、水電解の高圧運転を安全に行う上で、極間の差圧制御は非常に重要な制御であった。   When producing high-pressure hydrogen by electrolysis of water in a reversible cell or a cell exclusively for water electrolysis of the same shape, by controlling the pressure of the gas generated from the cell, hydrogen gas up to several tens of MPa without using a booster, Oxygen gas can be produced. However, in the structure of a solid polymer type reversible cell or a water electrolysis dedicated cell, as is well known, a hydrogen electrode and an oxygen electrode are partitioned by a thin film made of solid polymer (Patent Document 1). Since the thin film has low mechanical strength, the thin film is damaged when an excessive differential pressure is applied between the electrodes. When the thin film is broken, the gas between the two electrodes is mixed, so that a combustion reaction occurs on the catalyst, and in the worst case, the cell may be burned out or exploded. For this reason, the differential pressure control between the electrodes is a very important control in safely performing high-pressure operation of water electrolysis.

この問題を解決する方法として、従来の水電解装置では運転制御を工夫して極間差圧が殆ど生じないように、水素ガス系統及び酸素ガス系統に、調圧弁とリーク弁の2つの弁を、両側又は片側に設け、調圧弁により水素及び酸素の圧力を設定し、リーク弁により水素圧力と酸素圧力を調整し直流電源によって水電解専用セルへの直流電流出力を自動制御して、水素系統内圧と酸素系統内圧の均一化を図っている(特許文献2、3)。また両極の純水貯蔵兼気液分離器の液層間を配管で接続し、差圧が発生した場合には両極間の純水を移動させることで差圧を解消する方法も提案されている(特許文献4)。さらにまた、酸素側タンクの気層容積を水素側気層容積の4%以下とすることで、万が一両タンク間のガスが混合した場合でも、爆鳴気が発生することを防止することも提案されている。   As a method for solving this problem, in the conventional water electrolysis apparatus, two valves, a pressure regulating valve and a leak valve, are provided in the hydrogen gas system and the oxygen gas system so that the differential pressure between the electrodes hardly arises by devising the operation control. Installed on both sides or one side, set the hydrogen and oxygen pressure with the pressure regulating valve, adjust the hydrogen pressure and oxygen pressure with the leak valve, and automatically control the DC current output to the water electrolysis dedicated cell with the DC power supply, hydrogen system The internal pressure and the oxygen system internal pressure are made uniform (Patent Documents 2 and 3). Also, a method has been proposed in which the liquid layers of the pure water storage / gas / liquid separator of both electrodes are connected by piping, and when differential pressure is generated, the differential pressure is eliminated by moving pure water between the two electrodes ( Patent Document 4). Furthermore, it is also proposed that the gas volume of the oxygen side tank be 4% or less of the hydrogen side gas layer volume to prevent the generation of squealing gas even if the gas between both tanks is mixed. Has been.

特開2009−231094号公報JP 2009-231094 特許第3220607号公報Japanese Patent No. 3220607 特開2007−31739号公報JP 2007-31739 A 特開2003−342773号公報JP 2003-342773 A

しかしながら、特許文献2、3に記載の手法では、差圧制御用に高価な制御機器が必要であったり、装置構成を工夫する必要があり、結果的に装置の高コスト化につながっていた。また特許文献4の技術では、極間差圧の検知機構が複雑で微量の水を厳密に制御する必要があるばかりでなく、両極間が配管で接続されているためガス混合の可能性がある。さらにまた気層容積の比率を管理する手法では、全体平均として見れば爆発限界値に到達しないが、何らかの問題が発生する場合のガス移動はきわめて急激に起こるため、局所で考えた場合は触媒上で爆発限界値に到達する可能性が十分に考えられ、制御のロバスト性が低く、したがってシステムとしても安全とは言いがたい。   However, the methods described in Patent Documents 2 and 3 require expensive control equipment for differential pressure control, and it is necessary to devise the device configuration, resulting in higher cost of the device. Moreover, in the technique of patent document 4, not only the detection mechanism of the pressure difference between electrodes is complicated and it is necessary to strictly control a very small amount of water, but also there is a possibility of gas mixing because both electrodes are connected by a pipe. . Furthermore, in the method of managing the ratio of the air volume, the explosion limit value is not reached when viewed as an overall average, but the gas movement occurs in the event of any problem, so if considered locally, it will be on the catalyst. The possibility of reaching the explosion limit is fully considered, and the robustness of control is low, so it is difficult to say that the system is safe.

結局のところ以上のような運転制御を工夫して極間差圧を所定の値以下に管理する方法では、安全上の負荷を全て周辺装置側に担わすことになるため、以下の問題があった。
・特殊仕様の補機類が必要になり製品価格が高騰する。
・差圧制御性を高めるための対策によって装置容積が肥大化する。
・制御項目が多いため、制御不良による異常停止や故障、セル破損の発生が懸念される。
・センサの誤検知による異常停止の発生のおそれがある。
After all, the above-described operation control and the method of managing the differential pressure between the electrodes below a predetermined value all bear the safety load on the peripheral device side, so there are the following problems. It was.
・ Special equipment is required and the price of the product rises.
・ The volume of the equipment will be enlarged by measures to improve the differential pressure controllability.
・ Because there are many control items, there is concern about abnormal stop or failure due to poor control or cell damage.
・ There is a risk of abnormal stoppage due to erroneous sensor detection.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、可逆セルや、同形の水電解専用セルを用いて高圧の水素を製造するにあたり、簡素な制御で高圧水素の製造を可能とし、また水電解を用いた水素製造装置の信頼性向上、コンパクト化、低コスト化を実現することを目的としている。   The present invention has been made in view of such points, and enables high-pressure hydrogen production with simple control when producing high-pressure hydrogen using a reversible cell or a cell for exclusive use of water electrolysis of the same shape. The purpose is to improve the reliability, downsizing, and cost reduction of hydrogen production equipment that uses CO2.

従来のこの種のセルの構造は、たとえば特許文献1にも記載されているように、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜(MEA)の両面に配置されている酸素側集電体と水素側集電体が、同一の大きさであり、それが原因で、水素・酸素極間の大きい差圧(数100kPa以上)に耐えられないので、上記のような差圧制御を行なっていた。   The structure of a conventional cell of this type is, for example, as described in Patent Document 1, an oxygen-side collector disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane (MEA) having electrode catalyst layers formed on both surfaces. Since the electric current collector and the hydrogen side current collector are the same size and cannot withstand a large pressure difference (several hundred kPa or more) between the hydrogen and oxygen electrodes, the pressure difference control as described above is performed. I was doing it.

より詳述すると、図6に示すように、電極触媒層が両面に形成され一体となった固体高分子電解質膜201の両面に配置されている酸素側集電体202と水素側集電体203は、各々流路204を形成するセパレータ205、206によって各々挟持された構成を有しているが、製作精度上、実際にはセパレータ205と酸素側集電体202との間に隙間が生じる。そしてこのような状態で、水素製造時に水素側から酸素側に、すなわち水素側集電体203を通して正の圧力がかかった場合、酸素側集電体202、セパレータ205の面上(図5における下側の面)の固体高分子電解質膜201にかかる圧力は、酸素側集電体202、セパレータ205で受けることになるが、前記隙間が生じていた場合、セパレータ205と酸素側集電体202との間に隙間位置の固体高分子電解質膜201にかかる圧力は、そのまま固体高分子電解質膜201が受けることになってしまい、膜が破損してしまう。   More specifically, as shown in FIG. 6, the oxygen-side current collector 202 and the hydrogen-side current collector 203 are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 201 in which electrode catalyst layers are formed on both sides and integrated. Each have a configuration in which the separators 205 and 206 forming the flow path 204 are sandwiched, but in practice, a gap is generated between the separator 205 and the oxygen-side current collector 202 in terms of manufacturing accuracy. In such a state, when a positive pressure is applied from the hydrogen side to the oxygen side, that is, through the hydrogen side current collector 203 during hydrogen production, the oxygen side current collector 202 and the separator 205 are placed on the surface (the lower side in FIG. 5). The pressure applied to the solid polymer electrolyte membrane 201 on the side surface) is received by the oxygen-side current collector 202 and the separator 205. If the gap is generated, the separator 205 and the oxygen-side current collector 202 During this time, the pressure applied to the solid polymer electrolyte membrane 201 at the gap position is received by the solid polymer electrolyte membrane 201 as it is, and the membrane is damaged.

すなわち、固体高分子電解質膜201は、もともと圧縮に対しては十分な強度を有しているものの、その他の機械的強度が低いため、差圧に起因する引張り応力がかかった場合や、乾燥湿潤を繰り返した場合にはクリープ現象を起こして疲労的な破れを生じる。また、鋭利な剛体が突き刺さると簡単に破れてしまう。そのため、従来は既述したような圧力制御を行なっていたのであった。   That is, the solid polymer electrolyte membrane 201 originally has sufficient strength against compression, but other mechanical strength is low, so that when tensile stress due to differential pressure is applied, Repeating this causes a creep phenomenon and causes fatigue breakage. Also, if a sharp rigid body is pierced, it can be easily broken. For this reason, conventionally, pressure control as described above has been performed.

そこで発明者は、そのような従来のセル構造に着目し、全く発想を変え、酸素側集電体202と水素側集電体203の大きさを同一とせずに、酸素側集電体202の方を大きくすることによって、固体高分子電解質膜201の耐圧性を向上させることで、既述したような圧力制御を不要とすることを見出した。   Therefore, the inventor pays attention to such a conventional cell structure, completely changes the idea, and does not make the oxygen side current collector 202 and the hydrogen side current collector 203 the same size. It has been found that the pressure control as described above is not required by increasing the pressure and improving the pressure resistance of the solid polymer electrolyte membrane 201.

すなわち、本発明は、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜の両面に酸素側集電体と水素側集電体が配され、前記酸素側集電体と水素側集電体の各外側に配置したセパレータで、前記酸素側集電体と水素側集電体を挟持した構成を有し、水電解によって水素を製造する水素製造セルにおいて、前記酸素側集電体は、水素側集電体よりも大きく、前記酸素側集電体の縁部が、全周に渡って、水素側集電体の縁部の外方に位置し、前記水素側集電体の外周には、前記固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材の前記固体高分子電解質膜を介した対向位置は、前記酸素側集電体の縁部より内周側であることを特徴としている。   That is, in the present invention, an oxygen-side current collector and a hydrogen-side current collector are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having electrode catalyst layers formed on both sides, and the oxygen-side current collector and the hydrogen-side current collector are arranged. In the hydrogen production cell for producing hydrogen by water electrolysis, the oxygen side current collector has a configuration in which the oxygen side current collector and the hydrogen side current collector are sandwiched by separators arranged on the outer sides of the oxygen side current collector. Larger than the side current collector, the edge of the oxygen side current collector is located outside the edge of the hydrogen side current collector over the entire circumference, and on the outer periphery of the hydrogen side current collector A sealing member having a convex shape with respect to the solid polymer electrolyte membrane and in contact with the solid polymer electrolyte membrane is disposed, and the opposing position of the seal member through the solid polymer electrolyte membrane is the oxygen It is characterized by being on the inner peripheral side from the edge of the side current collector.

かかる構成を有する水素製造セルでは、前記酸素側集電体は、水素側集電体よりも大きく、前記酸素側集電体の縁部が、全周に渡って、水素側集電体の縁部の外方に位置しているので、水素側集電体側から酸素側集電体側に正の圧力がかかったとしても、その圧力はすべて固体高分子電解質膜を介して、酸素側集電体の面で受け留めることができる。すなわち、前記した図6の従来技術に即して言えば、セパレータ205と酸素側集電体202との間に隙間が生じていても、固体高分子電解質膜201自体がかかる圧力を直接うけとめることはなく、固体高分子電解質膜が損傷するおそれはない。したがって、従来よりも耐圧性能が向上している。その結果、水素製造装置に適用した場合、従来のような差圧制御は不要となる。   In the hydrogen production cell having such a configuration, the oxygen-side current collector is larger than the hydrogen-side current collector, and the edge of the oxygen-side current collector extends around the entire circumference of the edge of the hydrogen-side current collector. Even if positive pressure is applied from the hydrogen side current collector side to the oxygen side current collector side, all the pressure is passed through the solid polymer electrolyte membrane. Can be taken in terms of That is, according to the prior art of FIG. 6 described above, even if a gap is formed between the separator 205 and the oxygen-side current collector 202, the solid polymer electrolyte membrane 201 itself directly receives the applied pressure. There is no risk of damage to the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, the pressure resistance performance is improved as compared with the prior art. As a result, when applied to a hydrogen production apparatus, the conventional differential pressure control becomes unnecessary.

そして水素側集電体の外周に、固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材の前記固体高分子電解質膜を介した対向位置は、前記酸素側集電体の縁部より内周側となるように設定しているので、万が一酸素側集電体の端部で膜が破損しても、両極間のガスが混合する可能性は無い。   A sealing member having a convex shape with respect to the solid polymer electrolyte membrane and in contact with the solid polymer electrolyte membrane is disposed on the outer periphery of the hydrogen-side current collector, and the solid polymer electrolyte membrane of the seal member is disposed Since the opposing position is set to be on the inner peripheral side from the edge of the oxygen side current collector, even if the film breaks at the end of the oxygen side current collector, the gas between both electrodes There is no possibility of mixing.

前記シール部材としては、水素側集電体の外周を囲むように設けられたシール材に形成された凸部を適用することができ、またたとえばセパレータの溝内に設けられたOリングを用いることができる。   As the sealing member, a convex portion formed on a sealing material provided so as to surround the outer periphery of the hydrogen side current collector can be applied, and for example, an O-ring provided in a groove of a separator is used. Can do.

さらにまた酸素側集電体の外周に、固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材は、水素側集電体の外周に配置されたシール部材と対向していないことが好ましい。   Furthermore, a seal member having a convex shape with respect to the solid polymer electrolyte membrane and being in contact with the solid polymer electrolyte membrane is disposed on the outer periphery of the oxygen side current collector, and the seal member is a hydrogen side current collector. It is preferable that it does not oppose the seal member arrange | positioned on the outer periphery of.

また本発明の水素製造装置は、前記した水素製造セルを用いた水素製造装置であって、前記水素製造装置に電力を供給する電源と、水電解用に供する水を貯蔵し、かつ前記水素製造セルからの酸素及び電解されなかった水が戻され、内部で気液分離する第1のタンクと、前記水素製造セルからの水素及び随伴する水分が送られ、内部で気液分離する第2のタンクと、を有することを特徴としている。   The hydrogen production apparatus of the present invention is a hydrogen production apparatus using the above-described hydrogen production cell, which stores a power source for supplying power to the hydrogen production apparatus, water used for water electrolysis, and the hydrogen production Oxygen and non-electrolyzed water from the cell are returned, and a first tank that gas-liquid separates inside, and hydrogen and accompanying water from the hydrogen production cell are sent and gas-liquid separated inside. And a tank.

かかる水素製造装置によれば、既述したように、水素製造セルの耐圧性能が向上しているので、従来のような差圧制御が不要であり、したがってたとえば酸素側を大気圧とすることができ、もちろん当該差圧制御を行なうための装置も不要である。   According to such a hydrogen production apparatus, as described above, since the pressure resistance performance of the hydrogen production cell is improved, the conventional differential pressure control is unnecessary, and therefore, for example, the oxygen side can be set to atmospheric pressure. Of course, a device for performing the differential pressure control is also unnecessary.

本発明によれば、水素製造セルの耐圧性能が向上し、したがって、これを用いて高圧の水素を製造するにあたり、差圧制御を行うことなく高圧水素の製造が可能となる。   According to the present invention, the pressure resistance performance of the hydrogen production cell is improved. Therefore, in producing high-pressure hydrogen using this cell, high-pressure hydrogen can be produced without performing differential pressure control.

実施の形態にかかる水素製造セルの流路断面を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the flow-path cross section of the hydrogen production cell concerning embodiment. 図1の水素製造セルに用いたセパレータの正面図である。It is a front view of the separator used for the hydrogen production cell of FIG. 図1の水素製造セルを用いた水素製造装置の系統を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the system | strain of the hydrogen production apparatus using the hydrogen production cell of FIG. 他の実施の形態にかかる水素製造セルの流路断面を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the flow-path cross section of the hydrogen production cell concerning other embodiment. 他の実施の形態にかかる水素製造セルの流路断面を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the flow-path cross section of the hydrogen production cell concerning other embodiment. 従来技術にかかる水素製造セルの流路断面を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically the flow-path cross section of the hydrogen production cell concerning a prior art.

以下本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態にかかる水素製造セル1の内部(平面断面)を模式的に示しており、図2は、後述する水素製造セル1に使用されるセパレータ15の正面を示している。この水素製造セル1においては、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜11の両面に、方形の酸素側集電体12と水素側集電体13が配置されている。そして酸素側集電体12の外側には、流路14を形成するセパレータ15が配置され、水素側集電体13の外側には、流路16を形成するセパレータ17が配置されている。   Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 schematically shows the inside (planar cross section) of a hydrogen production cell 1 according to the embodiment, and FIG. 2 shows the front of a separator 15 used in the hydrogen production cell 1 described later. In this hydrogen production cell 1, a rectangular oxygen-side current collector 12 and a hydrogen-side current collector 13 are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 11 having electrode catalyst layers formed on both sides. A separator 15 that forms the flow path 14 is disposed outside the oxygen-side current collector 12, and a separator 17 that forms the flow path 16 is disposed outside the hydrogen-side current collector 13.

そして本実施の形態では、図2にも示したように、酸素側集電体12は、水素側集電体13よりも大きく(面積が広く)、酸素側集電体12の縁部が、全周に渡って、水素側集電体13の縁部の外方に位置している。   In this embodiment, as shown in FIG. 2, the oxygen-side current collector 12 is larger than the hydrogen-side current collector 13 (the area is wide), and the edge of the oxygen-side current collector 12 is It is located outside the edge of the hydrogen-side current collector 13 over the entire circumference.

セパレータ15の内面側(固体高分子電解質膜11側)には、方形の凹部15aが形成され、当該凹部15a内に、酸素側集電体12が設けられている。セパレータ15における当該凹部15aの外周側、すなわち、酸素側集電体12の外方側には、酸素側集電体12を囲むように、溝15bが形成され、当該溝15b内に、Oリングなどのシール部材21が設けられている。   A rectangular recess 15a is formed on the inner surface side (solid polymer electrolyte membrane 11 side) of the separator 15, and the oxygen-side current collector 12 is provided in the recess 15a. A groove 15b is formed on the outer peripheral side of the recess 15a in the separator 15, that is, on the outer side of the oxygen-side current collector 12, so as to surround the oxygen-side current collector 12, and an O-ring is formed in the groove 15b. A sealing member 21 such as is provided.

一方、セパレータ17の内面側(固体高分子電解質膜11側)にも、方形の凹部17aが形成され、当該凹部17a内に、水素側集電体13が設けられている。セパレータ17における当該凹部17aの外周側、すなわち、水素側集電体13の外方側には、水素側集電体13を囲むように、溝17bが形成され、当該溝17b内に、Oリングなどのシール部材22が設けられている。   On the other hand, a rectangular recess 17a is also formed on the inner surface side (solid polymer electrolyte membrane 11 side) of the separator 17, and the hydrogen-side current collector 13 is provided in the recess 17a. A groove 17b is formed on the outer peripheral side of the recess 17a in the separator 17, that is, on the outer side of the hydrogen-side current collector 13, so as to surround the hydrogen-side current collector 13, and an O-ring is formed in the groove 17b. A sealing member 22 such as is provided.

なお図1、2に示したセパレータ15、17の形状は、数mmの厚みを有しているが、その材質は、セパレータ表面に反応流体を流通させる流路14、16を形成したり、構成部材を挿入するための凹部15a、17aを、モールドや切削加工等により設けることができるものが好ましく、たとえば樹脂セパレータや金属厚板セパレータを用いることができる。またセパレータの形状は図1、図2に示した例に限らず、公知となっている形状のものでもよい。   The shape of the separators 15 and 17 shown in FIGS. 1 and 2 has a thickness of several millimeters, but the material is formed by forming the flow paths 14 and 16 for allowing the reaction fluid to flow on the separator surface. What can provide the recessed parts 15a and 17a for inserting a member by a mold, cutting, etc. is preferable, for example, a resin separator and a metal plate separator can be used. The shape of the separator is not limited to the example shown in FIGS. 1 and 2, and may be a known shape.

そして、セパレータ17に設けられるシール部材22の位置は、図1に示したように、固体高分子電解質膜11を介して、酸素側集電体12の面と対面する位置に設定されている。すなわち、シール部材22の位置は、固体高分子電解質膜11を介して酸素側集電体12の縁部よりも内方側に位置するように設定されている。   And the position of the sealing member 22 provided in the separator 17 is set to a position facing the surface of the oxygen-side current collector 12 through the solid polymer electrolyte membrane 11 as shown in FIG. That is, the position of the seal member 22 is set so as to be located on the inner side of the edge portion of the oxygen-side current collector 12 through the solid polymer electrolyte membrane 11.

なお図2において、セパレータ15におけるシール材21の左右両側に位置するのは、冷却水用のマニホールド24、25であり、同じくシール材21の上側に位置しているのは、反応流体用のマニホールド、26、27、同じくシール材21の下側に位置しているのは、反応流体用のマニホールド28、29である。これら各マニホールド24〜29の外周には、Oリングなどのシール部材30が夫々各マニホールド24〜29を囲むように設けられている。   In FIG. 2, the cooling water manifolds 24 and 25 are located on the left and right sides of the sealing material 21 in the separator 15, and the reaction fluid manifold is also located above the sealing material 21. , 26, 27, and the manifolds 28, 29 for reaction fluid are also located below the sealing material 21. Sealing members 30 such as O-rings are provided on the outer circumferences of the manifolds 24 to 29 so as to surround the manifolds 24 to 29, respectively.

セパレータ15の流路14の一部は、図2に示したように、そのヘッダ部14a、セパレータ15の内部に形成された連通孔31を介して、マニホールド26と連通している。またセパレータ15の流路14の他の一部は、そのヘッダ部14b、セパレータ15の内部に形成された連通孔32を介して、マニホールド29と連通している。   As shown in FIG. 2, a part of the flow path 14 of the separator 15 communicates with the manifold 26 through the header portion 14 a and a communication hole 31 formed inside the separator 15. The other part of the flow path 14 of the separator 15 communicates with the manifold 29 through the header portion 14 b and a communication hole 32 formed in the separator 15.

同様に、セパレータ17の流路16の一部は、そのヘッダ部(図示せず)、セパレータ17内部に形成された連通孔(図示せず)を介して、マニホールド27と連通している。またセパレータ17の流路16の他の一部は、そのヘッダ部(図示せず)、セパレータ17の内部に形成された連通孔(図示せず)を介して、マニホールド28と連通している。   Similarly, a part of the flow path 16 of the separator 17 communicates with the manifold 27 through a header portion (not shown) and a communication hole (not shown) formed in the separator 17. The other part of the flow path 16 of the separator 17 communicates with the manifold 28 through a header portion (not shown) and a communication hole (not shown) formed inside the separator 17.

水素製造セル1は以上のような構成を有しているので、水素側集電体13から酸素側集電体12に対して、正の差圧がかかったとしても、差圧がかかる固体高分子電解質膜11の部分は、全体が酸素側集電体12の平面部のみで完全に支持されている。通常、酸素側集電体12には、例えばチタンなどの金属製不織布やフォトケミカルエッチング等により複数の微細孔を設けた金属薄板に白金鍍金を施したものが用いられるため、それ自体の剛性が非常に高く変形する恐れがない。したがって、固体高分子電解質膜11が変形する箇所は一切無く、シール部材22の面圧も確保できる。すなわち、所期のシール部材22の反力が得られ、それに応じたシール効果が得られる。   Since the hydrogen production cell 1 has the above-described configuration, even if a positive differential pressure is applied from the hydrogen-side current collector 13 to the oxygen-side current collector 12, a solid high pressure is applied. The entire portion of the molecular electrolyte membrane 11 is completely supported only by the plane portion of the oxygen-side current collector 12. Usually, the oxygen-side current collector 12 is made of, for example, a metal non-woven fabric such as titanium or a metal thin plate provided with a plurality of fine holes by photochemical etching or the like, and platinum plating is used. There is no fear of deforming very high. Therefore, there is no portion where the solid polymer electrolyte membrane 11 is deformed, and the surface pressure of the seal member 22 can be secured. That is, the desired reaction force of the seal member 22 is obtained, and a sealing effect corresponding to the reaction force is obtained.

また、たとえ酸素側集電体12の端部と、セパレータ15の凹部15aとの間に隙間があったとしても、酸素側は大気圧であるため膜を変形させる力は作用しない。さらに、万が一酸素側集電体12の端部で膜が破損しても、図1に示したように、酸素側のシール部材21と水素側のシール部材22とは、直接対向しておらず、水素側のシール部材22が酸素側集電体12の端部よりも、内方側に配置されていることから、両極間のガスが混合する可能性は無く、水素製造セル1外部への漏えい可能性もない。なお、水素側集電体13の端部とセパレータ17の凹部17aとの間に隙間があったとしても、前記したように、酸素側は大気圧であるから、酸素側から水素側に加圧されることはないので問題はない。   Even if there is a gap between the end of the oxygen-side current collector 12 and the recess 15a of the separator 15, the oxygen side is at atmospheric pressure, so the force that deforms the film does not act. Furthermore, even if the film breaks at the end of the oxygen-side current collector 12, as shown in FIG. 1, the oxygen-side seal member 21 and the hydrogen-side seal member 22 do not face each other directly. Since the hydrogen-side seal member 22 is disposed on the inner side of the end of the oxygen-side current collector 12, there is no possibility of gas mixing between the two electrodes, and the hydrogen production cell 1 is exposed to the outside. There is no possibility of leakage. Even if there is a gap between the end of the hydrogen-side current collector 13 and the recess 17a of the separator 17, as described above, the oxygen side is at atmospheric pressure, so the oxygen side is pressurized from the oxygen side to the hydrogen side. There is no problem because it is never done.

なお水素製造セル1が使用される水電解装置は、一般的に高圧水素製造用として使用され、同時に発生する酸素は利用せずに排気される。したがって、実用上は水素側さえ加圧すればよく、セル構造としては水素側から酸素側に向かう正の圧力差に対して耐性を有すれば、運用上は問題がない。   In addition, the water electrolysis apparatus in which the hydrogen production cell 1 is used is generally used for high-pressure hydrogen production, and oxygen generated at the same time is exhausted without using it. Therefore, in practice, it is sufficient to pressurize only the hydrogen side, and there is no problem in operation as long as the cell structure has resistance against a positive pressure difference from the hydrogen side to the oxygen side.

以上のように、実施の形態にかかる水素製造セル1によれば、水素側集電体13から酸素側集電体12に対して、正の差圧がかかったとしても、固体高分子電解質膜11の破損はなく、またガスがセル外部に漏れ出すこともない。発明者の試算では膜の強度を一切変更することなくセルの極間差圧耐性を数10MPaに高めることが可能である。そのため、従来装置では周辺装置側が担っていた安全上の負荷をすべてセル本体で担わせることができ、従来最も重要な制御であった差圧制御を一切行う必要が無くなり、それに伴い周辺装置を極めて簡素化できる。   As described above, according to the hydrogen production cell 1 according to the embodiment, even if a positive differential pressure is applied from the hydrogen-side current collector 13 to the oxygen-side current collector 12, the solid polymer electrolyte membrane 11 is not damaged, and gas does not leak out of the cell. According to the inventors' estimation, it is possible to increase the inter-electrode differential pressure resistance to several tens of MPa without changing the strength of the film at all. Therefore, in the conventional device, the safety load that the peripheral device side has borne can all be handled by the cell body, and it is no longer necessary to perform differential pressure control, which was the most important control in the past, and the peripheral device is extremely It can be simplified.

そのことを示すため、この水素製造セル1を用いて、従来のような差圧制御を不要とした水素製造装置の一例について説明する。図3は、水素製造装置41の系統を示しており、水素製造セル1に対して供給される水電解用の純水は、配管42を通じて、ポンプ43の駆動により、純水貯蔵兼気液分離用のタンク44から供給される。なお実際の運用は、水素製造セル1を、複数枚、たとえば数十枚程度積層したセルスタック構成として使用されるが、説明の都合上、図3においては、水素製造セル1として表記している。すなわち、図1に示した水素製造セル1は、文字通り、最小単位としてのセルの構造を示しているが、図3に示した水素製造セル1は、セルスタック構成としての水素製造セルを表している。   In order to show this, an example of a hydrogen production apparatus that uses this hydrogen production cell 1 and that does not require the conventional differential pressure control will be described. FIG. 3 shows a system of the hydrogen production apparatus 41. Pure water for water electrolysis supplied to the hydrogen production cell 1 is stored in the pure water storage and gas-liquid separation by driving a pump 43 through a pipe. Supplied from the tank 44 for use. In actual operation, the hydrogen production cell 1 is used as a cell stack configuration in which a plurality of, for example, several tens of the hydrogen production cells 1 are stacked. For convenience of explanation, the hydrogen production cell 1 is represented as the hydrogen production cell 1 in FIG. . That is, the hydrogen production cell 1 shown in FIG. 1 literally shows a cell structure as a minimum unit, but the hydrogen production cell 1 shown in FIG. 3 represents a hydrogen production cell as a cell stack configuration. Yes.

タンク44からの純水の一部は、調整弁V1、電磁弁46の作用によって、純水の水質(純度)維持のために、配管47を通じてタンク48に供給される。   A part of the pure water from the tank 44 is supplied to the tank 48 through the pipe 47 in order to maintain the quality (purity) of the pure water by the action of the regulating valve V1 and the electromagnetic valve 46.

水素製造セル1には、電源51が接続されており、その出力に応じて配管42から供給された電解用の純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは水素製造セル1内の触媒上で酸素分子となり、純水と共にセル外に排出され、配管52を通じて、前記タンク44へ送られる。   A power source 51 is connected to the hydrogen production cell 1, and electrolyzed pure water supplied from the pipe 42 is electrolyzed into hydrogen ions and oxygen ions according to the output. Among them, oxygen ions become oxygen molecules on the catalyst in the hydrogen production cell 1, are discharged out of the cell together with pure water, and are sent to the tank 44 through the pipe 52.

電気分解によって発生した水素イオンは、随伴水を伴って水素製造セル1内の水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となってセル外に排出され配管53を通じてタンク54へ送られる。そして、随伴水、電解されなかった電解用の純水を伴ってタンク54、44に送られたこれら水素ガス、酸素ガスは、それぞれ各タンク内で気液分離され、水素ガスは配管55、酸素ガスは56へと送られる。   Hydrogen ions generated by electrolysis move to the hydrogen side in the hydrogen production cell 1 along with accompanying water, become hydrogen molecules on the hydrogen side catalyst, are discharged out of the cell, and are sent to the tank 54 through the pipe 53. The hydrogen gas and oxygen gas sent to the tanks 54 and 44 together with the accompanying water and the electrolyzed pure water that has not been electrolyzed are separated into gas and liquid in each tank. The gas is sent to 56.

タンク54で気液分離されて抽出された純水は、高圧となっているタンク54内の圧力を利用して配管57を通って、タンク48に返送される。配管57には、調整弁V2、電磁弁59が設けられている。   The pure water extracted by gas-liquid separation in the tank 54 is returned to the tank 48 through the pipe 57 using the high pressure in the tank 54. The piping 57 is provided with an adjustment valve V2 and an electromagnetic valve 59.

配管47、57を通じてタンク48へ供給された純水は、ポンプ61の駆動によって、配管62から配管63、64へ送られる。水電解運転中は、タンク44の水は配管47(定量排水系統)を通って常に一定量の水(装置を循環して少し汚れた水)がタンク48に返送される。そうするとタンク44の水位は低下するので、タンク48から配管62(補給水系統)を通ってタンク44に水を補給する必要がある。ただし、そのままでは水が次第に汚染してしまう。そこでタンク44に補給する水の一部を配管63(水処理系統)にバイパスさせることで水質の一定の維持が図られる。すなわち、配管63はタンク48の純水の純度を維持するための系統であり、調整弁V3の下流側に、熱交換器65、イオン交換樹脂66、フィルタ67が設けられている。これは、運転をしていると水素製造セル1や他の装置からイオン成分が発生し、そのままでは水質が悪化し続け、結果的にセルの性能低下につながるため、イオン交換樹脂66によって当該イオン成分を取り除いて水質を維持するために設けられている。そしてイオン交換樹脂66は、通常耐熱温度が通常40℃程度であることから、熱交換器65によって、イオン交換樹脂66への送水温度を耐熱温度以下に下げている。なおフィルタ67は、装置内で発生するゴミ、たとえば配管の削りクズやポンプの摩耗クズ等を取り除くために設けられている。   The pure water supplied to the tank 48 through the pipes 47 and 57 is sent from the pipe 62 to the pipes 63 and 64 by driving the pump 61. During the water electrolysis operation, the water in the tank 44 is always returned to the tank 48 through the pipe 47 (quantitative drainage system) and a fixed amount of water (water that is slightly dirty by circulating through the apparatus). Then, since the water level of the tank 44 is lowered, it is necessary to supply water to the tank 44 from the tank 48 through the pipe 62 (supply water system). However, the water will gradually become contaminated as it is. Therefore, a certain level of water quality can be maintained by bypassing part of the water supplied to the tank 44 to the pipe 63 (water treatment system). That is, the pipe 63 is a system for maintaining the purity of pure water in the tank 48, and a heat exchanger 65, an ion exchange resin 66, and a filter 67 are provided on the downstream side of the regulating valve V3. This is because, during operation, ion components are generated from the hydrogen production cell 1 and other devices, and the water quality continues to deteriorate as it is, resulting in a decrease in cell performance. It is provided to remove components and maintain water quality. Since the ion-exchange resin 66 normally has a heat-resistant temperature of about 40 ° C., the water supply temperature to the ion-exchange resin 66 is lowered below the heat-resistant temperature by the heat exchanger 65. The filter 67 is provided to remove dust generated in the apparatus, for example, pipe scraping scraps or pump scraps.

なお配管47、63、64への流量制御は、調整弁V1、V3、V4によって行なわれるが、これは比例制御では無く、試運転調整時に予め開度調整を行い、以後はそのままの流量が維持される。   The flow rate control to the pipes 47, 63, 64 is performed by the adjusting valves V1, V3, V4. However, this is not proportional control, and the opening degree is adjusted in advance during trial operation adjustment, and thereafter the flow rate is maintained as it is. The

そしてそのようにしていわば清浄化処理された純水は、再処理された純水として、調整弁V4が設けられている配管64を介してタンク44に補給される。そしてタンク44内の純水は、配管42を通じて再度水素製造セル1へ供給される。   The so-called purified water is replenished to the tank 44 through the pipe 64 provided with the regulating valve V4 as reprocessed pure water. The pure water in the tank 44 is supplied again to the hydrogen production cell 1 through the pipe 42.

なお、各タンク44、54には、それぞれ対応する圧力計71、72が設けられており、各タンク44、54内の圧力が測定されている。タンク54についていえば、運転中は水素系統が高圧(例えば1MPa(abs:絶対圧力)やそれ以上)になっており、運転を停止する際は水素系統の圧力を下げる必要がある。そのため当該圧力開放用の電磁弁80が、配管55に接続された枝管81に設けられている。そして運転を停止する際に電磁弁80を開放とすることで、水素系統のガスを外に排気して水素系統の圧力を下げることができる。この際、水素系統の圧力が所定の値(例えば大気圧に近い0.12MPa(abs))まで下がったら、電磁弁80を閉鎖することになる。また配管55には系内圧力が異常上昇した場合に圧力を開放するための安全弁82が、配管55に接続された枝管83に設けられている。   Each tank 44, 54 is provided with a corresponding pressure gauge 71, 72, and the pressure in each tank 44, 54 is measured. Regarding the tank 54, the hydrogen system is at a high pressure (for example, 1 MPa (abs: absolute pressure) or higher) during operation, and it is necessary to lower the pressure of the hydrogen system when the operation is stopped. Therefore, the pressure release solenoid valve 80 is provided in the branch pipe 81 connected to the pipe 55. When the operation is stopped, the solenoid valve 80 is opened, whereby the hydrogen system gas can be exhausted to reduce the hydrogen system pressure. At this time, when the pressure of the hydrogen system is lowered to a predetermined value (for example, 0.12 MPa (abs) close to atmospheric pressure), the electromagnetic valve 80 is closed. The pipe 55 is provided with a safety valve 82 connected to the pipe 55 for releasing the pressure when the system pressure is abnormally increased.

一方、タンク44については、圧力計71は、酸素系統での何らかの異常を感知するために取り付けられているものであり、装置を緊急停止させるためのセンサとして使用される。   On the other hand, with respect to the tank 44, the pressure gauge 71 is attached to detect any abnormality in the oxygen system, and is used as a sensor for urgently stopping the apparatus.

また、各タンク44、54の水位は、各々対応するフロート式水位計73、74により監視されている。そして水位計74からの信号により、電磁弁59が制御され、タンク54内の水位が一定の範囲内に収まるようになっている。また、水位計73からの信号により、電磁弁75とポンプ61が制御され、タンク44内の水位が一定の範囲内に収まるようになっている。   The water levels in the tanks 44 and 54 are monitored by the corresponding float type water level gauges 73 and 74, respectively. The electromagnetic valve 59 is controlled by a signal from the water level meter 74 so that the water level in the tank 54 falls within a certain range. In addition, the electromagnetic valve 75 and the pump 61 are controlled by a signal from the water level gauge 73 so that the water level in the tank 44 falls within a certain range.

配管55には、ガス中のゴミ等を除去するガス用フィルタFが設けられており、調圧弁76以降(下流側)に、圧力測定器77が設けられており、その圧力は制御装置78にて常時監視され、その圧力が所定の値よりも低下したときに電源51から電力を供給することで、需要側の負荷に合わせた水素製造が行われる。即ち、水素側の系内圧力(圧力計72で計測される圧力)が定格圧力以下であれば、配管55に排出された水素ガスは、系内に滞留し圧力が上昇するが、系内圧力が所定の値になったら、調圧弁76から水素ガスが放出され、需要側に供給される。なおこのような水素ガスの放出については、前記所定の値に応じて、予め調圧弁76の開度を調節しておく。調圧弁76は、圧力が所定値に達すると開になる弁であり、1次側圧力(系内圧力)がある値になったら2次側(系外:需要側)にガスを流すかを予め開度調整しておくことで、1次側圧力が設定圧力に到達した時点で、2次側にガスが流れる。なお調圧弁76からセル側が系内圧力、調圧弁76からセルと反対側が系外圧力である。また、水素製造セル1への電源供給は、制御装置78にて演算した後に、電源51によって行われる。   The pipe 55 is provided with a gas filter F that removes dust and the like in the gas. A pressure measuring device 77 is provided after the pressure regulating valve 76 (downstream side), and the pressure is supplied to the control device 78. By constantly supplying power from the power source 51 when the pressure drops below a predetermined value, hydrogen production is performed in accordance with the demand side load. That is, if the system pressure on the hydrogen side (pressure measured by the pressure gauge 72) is equal to or lower than the rated pressure, the hydrogen gas discharged to the pipe 55 stays in the system and increases in pressure. Becomes a predetermined value, hydrogen gas is released from the pressure regulating valve 76 and supplied to the demand side. In addition, about the discharge | release of such hydrogen gas, the opening degree of the pressure regulation valve 76 is adjusted previously according to the said predetermined value. The pressure regulating valve 76 is opened when the pressure reaches a predetermined value. When the primary pressure (in-system pressure) reaches a certain value, whether the gas is allowed to flow to the secondary side (outside of the system: demand side). By adjusting the opening degree in advance, the gas flows to the secondary side when the primary side pressure reaches the set pressure. The cell side from the pressure regulating valve 76 is the system internal pressure, and the side opposite to the cell from the pressure regulating valve 76 is the system external pressure. Further, the power supply to the hydrogen production cell 1 is performed by the power supply 51 after being calculated by the control device 78.

他方、配管56には排気酸素中の水素濃度を測定する水素濃度計85が設けられ、安全性が監視される。すなわち、酸素中の水素濃度が一定の値(4%)以上になると、水素製造セル1の電極触媒上で燃焼反応を起こすが、燃焼反応が起こるとセルが壊れてしまうので、燃焼反応を起こさせないために酸素中の水素濃度は一定値以下に保つ必要がある。また、セルの故障(たとえば固体高分子電解質膜11に穴があくなど)により、酸素側の水素濃度が上昇することがある。したがって、水素製造セル1自体や水素製造装置41の運転状態に異常がないかを監視するために、前記した排気酸素中の水素濃度を測定する水素濃度計85が設けられている。そしてたとえば、酸素中の水素濃度があるしきい値、例えば1〜2%以上に達したら、直ちに水素製造装置41を停止させる制御が行なわれる。   On the other hand, the pipe 56 is provided with a hydrogen concentration meter 85 for measuring the hydrogen concentration in the exhaust oxygen, and safety is monitored. That is, when the hydrogen concentration in oxygen becomes a certain value (4%) or more, a combustion reaction occurs on the electrode catalyst of the hydrogen production cell 1, but when the combustion reaction occurs, the cell is broken. In order to avoid this, the hydrogen concentration in oxygen must be kept below a certain value. In addition, the hydrogen concentration on the oxygen side may increase due to a cell failure (for example, a hole in the solid polymer electrolyte membrane 11). Therefore, in order to monitor whether there is an abnormality in the operation state of the hydrogen production cell 1 itself or the hydrogen production apparatus 41, the hydrogen concentration meter 85 for measuring the hydrogen concentration in the exhaust oxygen described above is provided. For example, when the concentration of hydrogen in oxygen reaches a certain threshold value, for example, 1 to 2% or more, control for stopping the hydrogen production apparatus 41 is performed immediately.

水素製造装置41は、以上のような構成を有しており、次にその運転例について説明する。水素製造装置41を起動する際は、まずポンプ43を起動し、水素製造セル1の内部が十分な湿潤状態になった時点で、電源51を起動させ、水素製造セル1に電力を供給し、水素の製造を開始する。   The hydrogen production apparatus 41 has the above configuration, and an example of its operation will be described next. When starting the hydrogen production apparatus 41, first, the pump 43 is activated, and when the inside of the hydrogen production cell 1 is sufficiently wet, the power source 51 is activated to supply power to the hydrogen production cell 1. Started production of hydrogen.

水電解運転時は、タンク44からポンプ43により、配管42を通じて、水素製造セル1の酸素側のマニホールド29(図2参照)にタンク44からの純水が供給される。当該純水は、マニホールド29から連通孔32を通じて、反応流体側の流路14(図2参照)のヘッダ部14bに供給され、そこから流路14及び集電体12に供給される。供給された純水は、固体高分子電解質膜11の電極触媒上で、電源51から供給された電流量に応じて電気分解される。電気分解により発生した酸素と、電解されなかった純水は、流路14のヘッダ部14aを通って、連通孔31から、マニホールド26に送られる。マニホールド26は配管52に接続されており、電気分解により発生した酸素と、電解されなかった純水は、タンク44に戻される。   During the water electrolysis operation, pure water from the tank 44 is supplied from the tank 44 to the oxygen-side manifold 29 (see FIG. 2) of the hydrogen production cell 1 through the pipe 42 by the pump 43. The pure water is supplied from the manifold 29 to the header portion 14 b of the flow path 14 (see FIG. 2) on the reaction fluid side through the communication hole 32, and is supplied from there to the flow path 14 and the current collector 12. The supplied pure water is electrolyzed on the electrode catalyst of the solid polymer electrolyte membrane 11 according to the amount of current supplied from the power source 51. Oxygen generated by electrolysis and pure water that has not been electrolyzed pass through the header portion 14 a of the flow path 14 and are sent to the manifold 26 from the communication hole 31. The manifold 26 is connected to a pipe 52, and oxygen generated by electrolysis and pure water that has not been electrolyzed are returned to the tank 44.

そして電気分解により発生した水素と、プロトンの移動に伴い随伴してきた純水は、流路16のヘッダ部(図示せず)を通って、流路16のヘッダ部とマニホールド27を結ぶためにセパレータ内部に設けられた連通孔(図示せず)を通じて、マニホールド27に送られる。マニホールド27は配管53に接続されており、電気分解により発生した水素ガスと、プロトンの移動に伴い随伴してきた純水は、タンク54に送られる。   The hydrogen generated by the electrolysis and the pure water accompanying the movement of the protons pass through the header portion (not shown) of the flow channel 16 to connect the header portion of the flow channel 16 and the manifold 27 to the separator. It is sent to the manifold 27 through a communication hole (not shown) provided inside. The manifold 27 is connected to a pipe 53, and hydrogen gas generated by electrolysis and pure water accompanying the movement of protons are sent to a tank 54.

そしてタンク54内において気液分離された、水素ガスは配管55へ送られる。一方、タンク54で気液分離されて抽出された純水は、タンク54内の圧力を利用して配管57を通って、タンク48に返送される。   Then, the hydrogen gas separated in the tank 54 is sent to the pipe 55. On the other hand, the pure water extracted by gas-liquid separation in the tank 54 is returned to the tank 48 through the pipe 57 using the pressure in the tank 54.

なお装置を停止する際は、電源51からの電力を遮断し、電磁弁80を開とすることで、系内の水素ガスを排気する。そして系内が常圧になった以後、ポンプ43を停止させる。また、起動から停止までの間、両極側のタンク44、54の水位制御や、純水の水質維持は通常通り行う。   When the apparatus is stopped, the electric power from the power source 51 is cut off and the electromagnetic valve 80 is opened to exhaust the hydrogen gas in the system. Then, after the system reaches normal pressure, the pump 43 is stopped. In addition, from the start to the stop, the water level control of the tanks 44 and 54 on both pole sides and the quality of pure water are maintained as usual.

以上のようにこの水素製造セル1が使用された水素製造装置41によれば、起動から停止までの一連の制御を通じて、複雑な差圧制御は一切必要が無い。したがって、発生した酸素ガスも調整弁を介することなく、そのまま大気中に排気することが可能である。また、何らかの異常により装置を緊急停止する場合でも、電源51からの電力を遮断し、ポンプ43を停止し、そして電磁弁80を開くという動作を同時に行うだけでよく、複雑な制御は一切不要である。   As described above, according to the hydrogen production apparatus 41 in which the hydrogen production cell 1 is used, no complicated differential pressure control is required through a series of control from start to stop. Therefore, the generated oxygen gas can be exhausted into the atmosphere as it is without passing through the regulating valve. Even when the apparatus is stopped urgently due to some abnormality, the power from the power source 51 is cut off, the pump 43 is stopped, and the solenoid valve 80 is opened at the same time, and no complicated control is required. is there.

より詳述すると、従来、水電解装置における運転圧力は、一般的に発生ガスの両側または酸素側のみの装置出口配管付近に、系内の圧力が設定圧力に達したら開となる調圧弁を設けることで系内の圧力を所定の圧力に保つ方法がとられている。   More specifically, conventionally, the operation pressure in a water electrolysis apparatus is generally provided with a pressure regulating valve that opens when the pressure in the system reaches a set pressure, on the both sides of the generated gas or in the vicinity of the apparatus outlet pipe only on the oxygen side. Thus, a method of keeping the pressure in the system at a predetermined pressure is adopted.

水電解運転に伴い各極の純水貯蔵兼気液分離用のタンク44、54には水の出入りが発生するため、水位は常に変化しており、結果的にタンク44,54の気層容積は常時変化している。この気層容積の変化や、その他諸々の原因により両極間に差圧が発生するため、通常は両極間に一定値以上の差圧が発生した場合に、高圧となった極の圧力を、調整弁や電磁弁の作用により、調整し、両極間差圧を解消する方法が取られている。   Since water enters and exits the tanks 44 and 54 for pure water storage and gas-liquid separation at each electrode in accordance with the water electrolysis operation, the water level is constantly changing. As a result, the air volume of the tanks 44 and 54 is changed. Is constantly changing. Because differential pressure is generated between the two electrodes due to this change in the air volume and various other factors, the pressure at the high electrode is usually adjusted when a differential pressure of more than a certain value occurs between the two electrodes. The method of adjusting and canceling the differential pressure between both electrodes by the action of a valve or a solenoid valve is taken.

気層容積が小さいほどタンク44,54の水位変化に伴う圧力変化が大きくなるため、タンク44,54への給水や、タンク44、54からの排水、圧力調整用排気といった操作が重なると、差圧の乱れが激しくなり、より正確で高精度な追従性と制御性が求められる。特に装置の起動・停止時は、昇・降圧する圧力幅が定常運転時の数倍であり、その昇・降圧を短時間に両極均等に行う必要があるため制御が機能しなくなる場合がある。   Since the pressure change accompanying the water level change of the tanks 44 and 54 becomes larger as the gas layer volume is smaller, if operations such as water supply to the tanks 44 and 54, drainage from the tanks 44 and 54, exhaust for pressure adjustment are overlapped, Pressure turbulence becomes severe, and more accurate and highly accurate followability and controllability are required. In particular, when the apparatus is started and stopped, the pressure range for increasing and decreasing pressure is several times that during steady operation, and it is necessary to perform the increasing and decreasing pressure equally in both poles in a short time, so that the control may not function.

これに対して、水素製造装置41では、差圧耐性を向上させた水素製造セル1を用いているため、周辺装置側での差圧制御が一切不要であり、酸素系統は常時常圧のため、図3からもわかるように、従来装置の酸素排気側の配管56に必要であった酸素側のフィルタ、安全弁、調整弁、電磁弁、調圧弁が不要になっている。また、酸素系統の電磁弁46,75やポンプ43、ならびに酸素系統への補給水ポンプ61の仕様を、高圧対応の特殊仕様から常圧対応の通常仕様に変更できる。水素系統については、電磁弁80の上流側に設ける調整弁が不要である。   On the other hand, since the hydrogen production cell 41 uses the hydrogen production cell 1 with improved differential pressure tolerance, there is no need for any differential pressure control on the peripheral device side, and the oxygen system is always at normal pressure. As can be seen from FIG. 3, the oxygen-side filter, safety valve, regulating valve, solenoid valve, and pressure regulating valve, which are necessary for the piping 56 on the oxygen exhaust side of the conventional apparatus, are no longer necessary. In addition, the specifications of the oxygen system electromagnetic valves 46 and 75, the pump 43, and the supplementary water pump 61 for the oxygen system can be changed from the high pressure compatible special specification to the normal pressure compatible normal specification. For the hydrogen system, a regulating valve provided on the upstream side of the electromagnetic valve 80 is not necessary.

さらに、水素側、酸素側の水貯蔵兼気液分離用のタンク54、44についても、気層部に差圧調整用としてのバッファ機能を持たせる必要はなく、気液分離機能と給排水に対して水位制御を確実に行える程度の水容量があればよいため、従来タンクに比べるとはるかに小型化が図れ、その結果、装置全体としてコンパクトにすることが可能である。   Furthermore, the tanks 54 and 44 for water storage and gas-liquid separation on the hydrogen side and oxygen side do not need to have a buffer function for adjusting the differential pressure in the gas layer part. Therefore, it is only necessary to have a water capacity that can reliably control the water level. Therefore, the water tank can be made much smaller than the conventional tank, and as a result, the entire apparatus can be made compact.

また従来装置では、水素製造セル1の水素発生量の増加に供ない、タンク54,44を大型化する必要があったが、水素製造装置41では水素製造セル1の水素発生量に依存することなく、給排水量を調整するだけで特段の大型化を必要としない。タンクの小型化は、系内の水素ガス、酸素ガス、水の保有量の低減につながるため、万が一、水素製造セル1が破損したときにも、その被害を低減でき、装置としての安全性が高まる。   Moreover, in the conventional apparatus, it was necessary to enlarge the tanks 54 and 44 without increasing the hydrogen generation amount of the hydrogen production cell 1, but the hydrogen production apparatus 41 depends on the hydrogen generation amount of the hydrogen production cell 1. No special enlargement is required just by adjusting the amount of water supply and drainage. The downsizing of the tank leads to a reduction in the amount of hydrogen gas, oxygen gas, and water in the system. Therefore, if the hydrogen production cell 1 is damaged, the damage can be reduced and the safety of the device can be improved. Rise.

そして従来装置での差圧制御は、起動時、停止時、運転時、各種異常発生時のあらゆる状況で必要であったため、制御項目が多く制御アルゴリズムが複雑になるばかりでなく、制御不良の原因でもあった。   And since differential pressure control with the conventional device was necessary in every situation at the time of start, stop, operation, and occurrence of various abnormalities, there are many control items and the control algorithm becomes complicated, as well as the cause of control failure But it was.

これに対し、水素製造装置41では、前記したように、差圧制御が一切不要であることから、主要な制御はタンク44,54内の水位制御と、水素製造セル1への電力制御のみであり、いずれの制御も機構が簡単で信頼性の高いセンサを用いた簡易な制御のみとなり、制御アルゴリズムの簡素化が図れるため、装置としての信頼性が向上する。   On the other hand, as described above, the hydrogen production apparatus 41 does not require any differential pressure control, so the main control is only the water level control in the tanks 44 and 54 and the power control to the hydrogen production cell 1. There is a simple mechanism and a simple control using a highly reliable sensor. Since the control algorithm can be simplified, the reliability of the apparatus is improved.

以上のような効果を有する水素製造装置41は、次のような場面で極めて有用である。
(1)発電量の変動が激しい電力での水素製造
すなわち、太陽電池を用いた太陽光発電や風力発電等の変動の激しい電力を用いて水電解する場合、従来装置では発電量が減少して水電解しない場合には酸素中の水素濃度が上昇しないように何らかの対策が必要であった。水電解専用セル内部では、極間の分圧差に応じて高分子膜を介したガス透過があるため、透過量に対して電解によるガス発生量が少ないと酸素側の水素濃度あるいは水素側の酸素濃度が上昇する。
この場合、もし酸素側の水素濃度が爆発下限濃度にまで達した場合には、セル自体に何ら異常がなくても触媒上で燃焼反応が起きてセルが破損してしまう。これを防止してセルを保護するためには、水素需要がなくても一定値以上の発生量で運転し続けるか、系内のガスを排気して系内圧力を下げる必要があるが、従来の装置では系内圧力を低下させるのに両極間の圧力を制御する必要があり、常圧まで減圧するのに数分以上を要していた。また、急激な減圧に伴い循環ポンプに気泡が混入することで水の循環不良が生じ、その気泡を排除するという目的でも数分以上は必要であった。さらに、再度昇圧する場合にも、急激に圧力上昇させることはできないため定格圧力に到達するまでは数分間必要であった。
そのため、従来の装置は頻繁な起動停止が想定される変動する電力を用いた水素製造用途には適しておらず、また系内のガス保有量が多いことからセルを保護するために系内圧力を低下させる場合の排気水素量も多くなり、エネルギー的な無駄も多かった。
The hydrogen production apparatus 41 having the above effects is extremely useful in the following situations.
(1) Hydrogen production with electric power with large fluctuations in power generation In other words, when water electrolysis is performed using electric power with great fluctuations such as solar power generation using solar cells or wind power generation, the amount of power generation is reduced in conventional devices. When water electrolysis is not performed, some measures are necessary so that the hydrogen concentration in oxygen does not increase. Inside the cell dedicated for water electrolysis, there is gas permeation through the polymer membrane according to the partial pressure difference between the electrodes. Concentration increases.
In this case, if the hydrogen concentration on the oxygen side reaches the lower explosion limit concentration, even if there is no abnormality in the cell itself, a combustion reaction occurs on the catalyst and the cell is damaged. In order to prevent this and protect the cell, it is necessary to continue operation with a generation amount of a certain value or more even if there is no hydrogen demand, or exhaust the gas in the system to lower the system pressure. In this apparatus, it was necessary to control the pressure between the two electrodes in order to reduce the system pressure, and it took several minutes or more to reduce the pressure to normal pressure. In addition, bubbles are mixed into the circulation pump due to rapid pressure reduction, resulting in poor circulation of water, and several minutes or more are necessary for the purpose of eliminating the bubbles. Furthermore, even when the pressure is increased again, it is not possible to increase the pressure rapidly, so it took several minutes to reach the rated pressure.
For this reason, conventional devices are not suitable for hydrogen production using fluctuating electric power that is expected to start and stop frequently, and the internal pressure is used to protect the cell from the large amount of gas held in the system. The amount of exhaust hydrogen in the case of lowering the gas also increased, and there was a lot of energy waste.

それに対して水素製造装置41では、耐圧性能が向上した水素製造セル1を用いているため、水電解しない場合には系内の水素ガスを一切の圧力制御をすること無く、単に弁を開放するだけで排気でき、数秒で系内を常圧まで減圧することが可能である。また系内の水素ガス保有量も少ないことから、従来装置に比べればエネルギーの無駄も低減できる。また再度昇圧する際に、急激に圧力を上昇させることが可能である。よって、停止後でも瞬時に再起動でき、系内容積が小さいため起動後数秒〜数10秒で所定の圧力まで昇圧できせる。このため、起動停止が頻繁に起こるような変動が激しい電力を用いた電解に適している。   On the other hand, in the hydrogen production apparatus 41, since the hydrogen production cell 1 with improved pressure resistance performance is used, when water electrolysis is not performed, the valve is simply opened without any pressure control of the hydrogen gas in the system. It is possible to evacuate only by this, and it is possible to reduce the pressure in the system to normal pressure in a few seconds. In addition, since the amount of hydrogen gas in the system is small, waste of energy can be reduced as compared with the conventional apparatus. In addition, when the pressure is increased again, the pressure can be rapidly increased. Therefore, even after stopping, the system can be restarted instantly, and since the system volume is small, the pressure can be increased to a predetermined pressure within a few seconds to several tens of seconds after the startup. For this reason, it is suitable for the electrolysis using the electric power with which the fluctuation | variation with which starting / stopping occurs frequently is intense.

(2)水素需要に合わせた水素製造
前記したように、水素製造装置41は、短時間で所定の圧力まで昇圧でき、頻繁な起動停止にも対応できることから、従来の水電解装置で対応していた水素需要のみならず、将来的には燃料電池自動車等の水素を必要とする機器に対して、水素需要に応じた瞬時の水素製造が可能である。なお、その時の電力源は系統電力、太陽光や風力といった自然エネルギーなどあらゆる電力を利用可能である。
(2) Hydrogen production in accordance with hydrogen demand As described above, the hydrogen production apparatus 41 can increase the pressure to a predetermined pressure in a short time and can respond to frequent start and stop, so it is supported by a conventional water electrolysis apparatus. In addition to hydrogen demand, in the future, it will be possible to produce hydrogen instantaneously according to hydrogen demand for equipment that requires hydrogen, such as fuel cell vehicles. In addition, the electric power source at that time can use all electric power, such as system electric power, natural energy, such as sunlight and wind power.

前記実施の形態の水素製造セル1は、セパレータ15、17に形成された流路14、16は、各セパレータ15、17に形成した溝と、酸素側集電体12、水素側集電体13の面とで形成したものであったが、図4に示した構造を有する水素製造セル101も提案できる。   In the hydrogen production cell 1 of the above embodiment, the flow paths 14 and 16 formed in the separators 15 and 17 include grooves formed in the separators 15 and 17, an oxygen-side current collector 12, and a hydrogen-side current collector 13. The hydrogen production cell 101 having the structure shown in FIG. 4 can also be proposed.

この水素製造セル101は、セパレータとして金属薄板セパレータを用いたものであり、図4は内部の流路断面(平面断面)を模式的に示している。この水素製造セル101は、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜11の両面に、方形の酸素側集電体12と水素側集電体13が配置されている。既述の水素製造セル1と同様、酸素側集電体12は、水素側集電体13よりも大きく、酸素側集電体12の縁部が、全周に渡って、水素側集電体13の縁部の外方に位置している。   This hydrogen production cell 101 uses a thin metal plate separator as a separator, and FIG. 4 schematically shows a cross section (planar cross section) of the internal flow path. In this hydrogen production cell 101, a rectangular oxygen-side current collector 12 and a hydrogen-side current collector 13 are disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 11 having electrode catalyst layers formed on both surfaces. Similar to the hydrogen production cell 1 described above, the oxygen-side current collector 12 is larger than the hydrogen-side current collector 13, and the edge of the oxygen-side current collector 12 extends over the entire circumference. It is located outside the 13 edges.

そして酸素側集電体12の外側には、反応流路102を形成するためのセパレータ103が配置され、水素側集電体13の外側には、反応流路104を形成するためのセパレータ105が配置されている。この例では、酸素側集電体12とセパレータ103との間の空間、及び水素側集電体13とセパレータ105との間の空間に、各々多孔質の金属メッシュを挿入することで各流路102、104が形成されている。そして各流路102、104が形成領域は、酸素側集電体12側の流路102の方が、水素側集電体13の流路104よりも大きく、流路102の形成領域外方端部は、流路104の形成領域外方端部よりも外方側に位置している。なお、各流路102、104が形成領域に大きさについては、これに限られるものではない。   A separator 103 for forming the reaction channel 102 is disposed outside the oxygen side current collector 12, and a separator 105 for forming the reaction channel 104 is disposed outside the hydrogen side current collector 13. Has been placed. In this example, each flow path is formed by inserting a porous metal mesh into the space between the oxygen-side current collector 12 and the separator 103 and the space between the hydrogen-side current collector 13 and the separator 105, respectively. 102 and 104 are formed. The formation area of each of the flow paths 102 and 104 is larger in the flow path 102 on the oxygen-side current collector 12 side than the flow path 104 of the hydrogen-side current collector 13, and the outer end of the formation area of the flow path 102. The portion is located on the outer side of the outer end of the formation region of the flow path 104. The size of the flow paths 102 and 104 in the formation region is not limited to this.

なお反応流路側の反応に伴い発生する熱を取り除くために設けられている冷却水流路等の部分についても、同様に金属メッシュで構成してもよい。多孔質の金属メッシュによってこれら流路を形成すると、高価となるが、セパレータ機構やシール形状を単純化できるメリットがある。   It should be noted that portions such as the cooling water channel provided for removing the heat generated by the reaction on the reaction channel side may also be constituted by a metal mesh. Forming these channels with a porous metal mesh is expensive, but has the advantage of simplifying the separator mechanism and the seal shape.

そしてこの水素製造セル101においては、セパレータ103、105間における酸素側集電体12の外方端部と、水素側集電体13の外方端部に、各々対応するシール材111、112が配置され、セパレータ103、105によって挟持されている。そしてシール材111における酸素側集電体12の端部外周側には、固体高分子電解質膜11に凸に突出するリップ111aが、酸素側集電体12を囲むように形成され、一方、そしてシール材112における水素側集電体13の端部外周側には、固体高分子電解質膜11に凸に突出するリップ112aが水素側集電体13を囲むように、形成されている。リップ112aは、固体高分子電解質膜11を介して、酸素側集電体12の周辺部と対面している。各リップ111a、112aは、たとえば金型を用いて、シール材111、112と一体成型することで容易に形成できる。   In the hydrogen production cell 101, seal materials 111 and 112 corresponding to the outer end portion of the oxygen-side current collector 12 and the outer end portion of the hydrogen-side current collector 13 between the separators 103 and 105, respectively. Arranged and sandwiched between separators 103 and 105. On the outer peripheral side of the end portion of the oxygen-side current collector 12 in the sealing material 111, a lip 111a projecting from the solid polymer electrolyte membrane 11 is formed so as to surround the oxygen-side current collector 12, On the outer peripheral side of the end portion of the hydrogen-side current collector 13 in the sealing material 112, a lip 112 a projecting from the solid polymer electrolyte membrane 11 is formed so as to surround the hydrogen-side current collector 13. The lip 112 a faces the peripheral portion of the oxygen-side current collector 12 through the solid polymer electrolyte membrane 11. The lips 111a and 112a can be easily formed by integrally molding with the sealing materials 111 and 112 using, for example, a mold.

またこれらシール材111、112は、セパレータ103、105と焼き付けや射出成型等により一体化するか、プレス加工でセパレータ103、105に溝を設けその部分にシール部材を埋め込むことによって、シール部材に内圧がかかってもシール部材が外方に移動しない構造とすることが好ましい。   These sealing materials 111 and 112 are integrated with the separators 103 and 105 by baking, injection molding, or the like, or grooves are formed in the separators 103 and 105 by press work, and the sealing members are embedded in the portions, thereby the internal pressure is applied to the sealing members. It is preferable to have a structure in which the seal member does not move outwards even when applied.

かかる構成を有する水素製造セル101によれば、流路102、104の端部位置、及び酸素側集電体12、水素側集電体13の端部位置が、各部材の重合方向(図4中の上下方向)からみて、いずれも重なっておらず、また断面的に凹凸のある流路102、104よりも、断面的に平滑な酸素側集電体12、水素側集電体13の方が全体的に一回り大きくなっており、平滑な集電体とシール部材のみで固体高分子電解質膜11を挟持する構造としている。そのため、シール材111、112が変形して流路102、104に入り込んで流路圧損上昇等の問題を生じたり、入り込むことでシール面圧が低下することは無い。したがって、前記した水素製造セル1と同様、水素側から酸素側に向かう正の圧力差に対する耐性を確保できる。   According to the hydrogen production cell 101 having such a configuration, the end positions of the flow paths 102 and 104 and the end positions of the oxygen-side current collector 12 and the hydrogen-side current collector 13 are determined in accordance with the polymerization direction of each member (FIG. 4). The oxygen-side current collector 12 and the hydrogen-side current collector 13 that are not overlapped with each other and smoother in cross-section than the channels 102 and 104 that are uneven in cross-section are viewed from the upper and lower directions. As a whole, the solid polymer electrolyte membrane 11 is sandwiched between a smooth current collector and a seal member. Therefore, the sealing materials 111 and 112 are not deformed to enter the flow paths 102 and 104 to cause a problem such as an increase in flow path pressure loss, and the sealing surface pressure does not decrease by entering. Therefore, as with the hydrogen production cell 1 described above, it is possible to ensure resistance to a positive pressure difference from the hydrogen side to the oxygen side.

また上記構成を有する水素製造セル101では、セパレータ105との間の空間に、各々多孔質の金属メッシュを挿入することで各流路102、104が形成されているので、厚みが全面的に均等に製作できる。しかも集電体との接触が均一になるので、導体抵抗が低くなり、高効率での水素製造が可能である。その他、流路を構成するセパレータの厚みが薄く、かつ軽くでき、そのうえ金型が必要ないのでイニシャルコストがかからないというメリットも享有できる。   Further, in the hydrogen production cell 101 having the above-described configuration, the flow paths 102 and 104 are formed by inserting porous metal meshes into the space between the separators 105, so that the thickness is uniform over the entire surface. Can be produced. In addition, since the contact with the current collector becomes uniform, the conductor resistance is lowered, and hydrogen can be produced with high efficiency. In addition, the thickness of the separator constituting the flow path can be made thin and light, and there is also an advantage that the initial cost is not required because a mold is not required.

さらにまた図5に示した水素製造セル151も提案できる。この水素製造セル151は、金属薄板を波板形状にプレス成形したセパレータ152、153を用いたものであり、セパレータ152、153に、シール材111、112を焼付けや射出成型によって一体化したものである。そして酸素側集電体12とセパレータ152との間に形成される空間が、酸素側の反応流路14cとなり、セパレータ152の外側に形成される空間(実際には、同形の他の水素製造セル151を積層した際に、当該他の水素製造セル151のセパレータとによって形成される)が、酸素側の背面を流れる冷却水の流路14dとなる。同様に、水素側集電体13とセパレータ153との間に形成される空間が、水素側の反応流路16cとなり、セパレータ153の外側に形成される空間(実際には、同形の他の水素製造セル151を積層した際に、当該他の水素製造セル151のセパレータとによって形成される)が、水素側の背面を流れる冷却水の流路16dとなる。もちろん既述の水素製造セル1、101と同様、酸素側集電体12は、水素側集電体13よりも大きく、酸素側集電体12の縁部が、全周に渡って、水素側集電体13の縁部の外方に位置している。   Furthermore, the hydrogen production cell 151 shown in FIG. 5 can also be proposed. This hydrogen production cell 151 uses separators 152 and 153 obtained by press-molding a metal thin plate into a corrugated plate shape, and seal materials 111 and 112 are integrated into the separators 152 and 153 by baking or injection molding. is there. The space formed between the oxygen-side current collector 12 and the separator 152 becomes the oxygen-side reaction flow path 14c, and the space formed outside the separator 152 (in fact, another hydrogen production cell having the same shape). Formed by the separator of the other hydrogen production cell 151) becomes the cooling water flow path 14d flowing on the oxygen-side back surface. Similarly, the space formed between the hydrogen-side current collector 13 and the separator 153 becomes the hydrogen-side reaction flow path 16c, and the space formed outside the separator 153 (actually, other hydrogen of the same shape). When the production cells 151 are stacked, the separator of the other hydrogen production cell 151 forms a cooling water flow path 16d that flows on the rear surface on the hydrogen side. Of course, like the hydrogen production cells 1 and 101 described above, the oxygen-side current collector 12 is larger than the hydrogen-side current collector 13, and the edge of the oxygen-side current collector 12 extends to the hydrogen side over the entire circumference. It is located outside the edge of the current collector 13.

またこの水素製造セル151においては、シール材111における外側であって、リップ111aと対応する位置に、外側に凸に突出する同形のリップ111bが設けられている。このリップ111bは、水素製造セル151を積層してスタック構成とした際に、冷却水の流路の気密性を確保するためのものである。   Further, in this hydrogen production cell 151, an identical lip 111b protruding outward is provided at a position corresponding to the lip 111a on the outer side of the sealing material 111. The lip 111b is for ensuring the airtightness of the flow path of the cooling water when the hydrogen production cells 151 are stacked to form a stack structure.

かかる構成の水素製造セル151によれば、流路を形成するセパレータをプレス加工によって容易に製作できるから、大量生産に適しており、それによって1枚あたりの単価を低廉にすることが可能である。   According to the hydrogen production cell 151 having such a configuration, since the separator that forms the flow path can be easily manufactured by press working, it is suitable for mass production, thereby making it possible to reduce the unit price per sheet. .

本発明は、固体高分子形の水電解装置と燃料電池のセルを一体化した可逆セルに対しても適用がある。   The present invention is also applicable to a reversible cell in which a solid polymer water electrolyzer and a fuel cell are integrated.

本発明は、水電解を利用して高圧水素を製造する際に有用である。   The present invention is useful when producing high-pressure hydrogen using water electrolysis.

1 水素製造セル
11 固体高分子電解質膜
12 酸素側集電体
13 水素側集電体
14、16 流路
15、17 セパレータ
21、22 Oリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen production cell 11 Solid polymer electrolyte membrane 12 Oxygen side collector 13 Hydrogen side collector 14, 16 Flow path 15, 17 Separator 21, 22 O-ring

Claims (5)

電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質の両面に酸素側集電体と水素側集電体が配され、前記酸素側集電体と水素側集電体の各外側に配置したセパレータで、前記酸素側集電体と水素側集電体を挟持した構成を有し、水電解によって水素を製造する水素製造セルにおいて、
前記酸素側集電体は、水素側集電体よりも大きく、前記酸素側集電体の縁部が、全周に渡って、水素側集電体の縁部の外方に位置し、
前記水素側集電体の外周には、前記固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材の前記固体高分子電解質膜を介した対向位置は、前記酸素側集電体の縁部より内周側であることを特徴とする、水素製造セル。
Separator in which an oxygen-side current collector and a hydrogen-side current collector are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte having electrode catalyst layers formed on both sides, and are arranged on the outer sides of the oxygen-side current collector and the hydrogen-side current collector. In the hydrogen production cell having a configuration in which the oxygen side current collector and the hydrogen side current collector are sandwiched, and producing hydrogen by water electrolysis,
The oxygen-side current collector is larger than the hydrogen-side current collector, and the edge of the oxygen-side current collector is located outside the edge of the hydrogen-side current collector over the entire circumference.
A seal member that has a convex shape with respect to the solid polymer electrolyte membrane and is in contact with the solid polymer electrolyte membrane is disposed on an outer periphery of the hydrogen-side current collector, and the solid polymer electrolyte of the seal member The hydrogen production cell characterized in that the opposing position through the membrane is on the inner peripheral side from the edge of the oxygen-side current collector.
前記シール部材は、水素側集電体の外周を囲むように設けられたシール材に形成された凸部であることを特徴とする、請求項1に記載の水素製造セル。 2. The hydrogen production cell according to claim 1, wherein the sealing member is a convex portion formed on a sealing material provided so as to surround an outer periphery of the hydrogen-side current collector. 前記シール部材はセパレータの溝内に設けられたOリングであることを特徴とする、請求項1に記載の水素製造セル。 The hydrogen production cell according to claim 1, wherein the seal member is an O-ring provided in a groove of the separator. 酸素側集電体の外周に、固体高分子電解質膜に対して凸の形状を有して当該固体高分子電解質膜に接するシール部材が配置され、当該シール部材は、水素側集電体の外周に配置されたシール部材と対向していないことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の水素製造セル。 A seal member having a convex shape with respect to the solid polymer electrolyte membrane and in contact with the solid polymer electrolyte membrane is disposed on the outer periphery of the oxygen side current collector, and the seal member is disposed on the outer periphery of the hydrogen side current collector. The hydrogen production cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen production cell is not opposed to the seal member disposed in the area. 請求項1〜4のいずれかに記載の水素製造セルを用いた水素製造装置であって、
前記水素製造装置に電力を供給する電源と、
水電解用に供する水を貯蔵し、かつ前記水素製造セルからの酸素及び電解されなかった水が戻され、内部で気液分離する第1のタンクと、
前記水素製造セルからの水素及び随伴する水分が送られ、内部で気液分離する第2のタンクと、
を有することを特徴とする、水素製造装置。
A hydrogen production apparatus using the hydrogen production cell according to claim 1,
A power supply for supplying power to the hydrogen production device;
A first tank for storing water to be used for water electrolysis and for returning oxygen and non-electrolyzed water from the hydrogen production cell, and for gas-liquid separation inside;
A second tank in which hydrogen and accompanying water from the hydrogen production cell is sent and gas-liquid separated inside;
An apparatus for producing hydrogen, comprising:
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014019950A (en) * 2012-12-31 2014-02-03 Kenko Shien Center Co Ltd Tabletop hydrogen gas generator
JP2014072119A (en) * 2012-10-01 2014-04-21 Takasago Thermal Eng Co Ltd Charge and discharge system
JP2014125644A (en) * 2012-12-25 2014-07-07 Takasago Thermal Eng Co Ltd Charge/discharge system
WO2014157319A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 コニカミノルタ株式会社 Secondary battery type fuel cell system
JP2015529379A (en) * 2012-08-17 2015-10-05 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド Bipolar plate design for use in electrochemical cells
JP2015530696A (en) * 2012-07-24 2015-10-15 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド Arrangement of flow structure for use in high differential pressure electrochemical cells
JP2021525315A (en) * 2018-05-30 2021-09-24 ティッセンクルップ・ウーデ・クロリンエンジニアズ ゲー エム ベー ハー Methods and equipment for supplying at least one product stream by electrolysis and use
KR102576019B1 (en) * 2022-10-27 2023-09-11 아크로랩스 주식회사 A reliable electrolysis stack of water
WO2023234335A1 (en) * 2022-06-03 2023-12-07 三菱重工業株式会社 Electrolytic cell and electrolyzer
EP4361316A2 (en) 2022-10-26 2024-05-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Water electrolysis cell

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002047590A (en) * 2000-07-28 2002-02-15 Shinko Pantec Co Ltd Electrolytic cell
JP2005307319A (en) * 2004-04-26 2005-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Oxygen pump
JP2006063419A (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Honda Motor Co Ltd Hydrogen production apparatus
JP2006111924A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Honda Motor Co Ltd High pressure hydrogen production device
JP2007131954A (en) * 2003-03-13 2007-05-31 Kobelco Eco-Solutions Co Ltd Electrolytic cell and hydrogen-oxygen generator
JP2010248635A (en) * 2010-08-10 2010-11-04 Honda Motor Co Ltd Apparatus for producing hydrogen
JP2010255029A (en) * 2009-04-22 2010-11-11 Honda Motor Co Ltd Electrolytic apparatus

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002047590A (en) * 2000-07-28 2002-02-15 Shinko Pantec Co Ltd Electrolytic cell
JP2007131954A (en) * 2003-03-13 2007-05-31 Kobelco Eco-Solutions Co Ltd Electrolytic cell and hydrogen-oxygen generator
JP2005307319A (en) * 2004-04-26 2005-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Oxygen pump
JP2006063419A (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Honda Motor Co Ltd Hydrogen production apparatus
JP2006111924A (en) * 2004-10-14 2006-04-27 Honda Motor Co Ltd High pressure hydrogen production device
JP2010255029A (en) * 2009-04-22 2010-11-11 Honda Motor Co Ltd Electrolytic apparatus
JP2010248635A (en) * 2010-08-10 2010-11-04 Honda Motor Co Ltd Apparatus for producing hydrogen

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015530696A (en) * 2012-07-24 2015-10-15 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド Arrangement of flow structure for use in high differential pressure electrochemical cells
US9809890B2 (en) 2012-07-24 2017-11-07 Nuvera Fuel Cells, LLC. Arrangement of flow structures for use in high differential pressure electrochemical cells
US9803288B2 (en) 2012-07-24 2017-10-31 Nuvera Fuel Cells, LLC Arrangement of flow structures for use in high differential pressure electrochemical cells
EP2885834B1 (en) * 2012-08-17 2020-10-21 Nuvera Fuel Cells, LLC Design of bipolar plates for use in electrochemical cells
JP2015529379A (en) * 2012-08-17 2015-10-05 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド Bipolar plate design for use in electrochemical cells
US11552319B2 (en) 2012-08-17 2023-01-10 Nuvera Fuel Cells, LLC Bipolar plates for use in electrochemical cells
JP2014072119A (en) * 2012-10-01 2014-04-21 Takasago Thermal Eng Co Ltd Charge and discharge system
JP2014125644A (en) * 2012-12-25 2014-07-07 Takasago Thermal Eng Co Ltd Charge/discharge system
JP2014019950A (en) * 2012-12-31 2014-02-03 Kenko Shien Center Co Ltd Tabletop hydrogen gas generator
WO2014157319A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 コニカミノルタ株式会社 Secondary battery type fuel cell system
JP2021525315A (en) * 2018-05-30 2021-09-24 ティッセンクルップ・ウーデ・クロリンエンジニアズ ゲー エム ベー ハー Methods and equipment for supplying at least one product stream by electrolysis and use
US11473203B2 (en) 2018-05-30 2022-10-18 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Method and device for providing at least one product stream by electrolysis and use
JP7167189B2 (en) 2018-05-30 2022-11-08 ティッセンクルップ・ウーデ・クロリンエンジニアズ ゲー エム ベー ハー Method and apparatus for providing at least one product stream by electrolysis and use
WO2023234335A1 (en) * 2022-06-03 2023-12-07 三菱重工業株式会社 Electrolytic cell and electrolyzer
EP4361316A2 (en) 2022-10-26 2024-05-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Water electrolysis cell
KR102576019B1 (en) * 2022-10-27 2023-09-11 아크로랩스 주식회사 A reliable electrolysis stack of water

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