JP2012241201A - 差圧式水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的に構成するとともに、水を効率的に使用することを可能にする。
【解決手段】高圧水電解装置１０は、カチオン交換膜１２ａ及びアニオン交換膜１２ｂと、前記カチオン交換膜１２ａを挟持する第１給電体２２ａ及び第２給電体２２ｂと、前記アニオン交換膜１２ｂを挟持する第３給電体２２ｃ及び第４給電体２２ｄと、互いに対向する前記第２給電体２２ｂ及び前記第３給電体２２ｃ間に介装される皿ばね２６と、前記皿ばね２６が介装された前記第２給電体２２ｂ及び前記第３給電体２２ｃが収容される高圧水素室３０を形成する高圧側セパレータ２８と、前記第１給電体２２ａ及び前記第４給電体２２ｄを、それぞれ収容する低圧側セパレータ２４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを製造する差圧式水電解装置に関する。

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素（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、それぞれ給電体を配設してユニットが構成されている。

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

この種の水電解装置としては、例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置が知られている。この水素・酸素発生装置は、図９に示すように、円盤状の固体電解質膜１と、前記固体電解質膜１の両面に添設された環状の多孔質給電体２、２と、両多孔質給電体２、２の外側に配設された環状の陽極及び陰極の両作用を行う環状の電極板３とから構成される複数個の環状の固体電解質膜ユニット４を、複数個並設した水電解セル５から構成されている。

固体電解質膜１と電極板３とガスケット６とで構成されるシールされた各室には、多孔質給電体２が収容されるとともに、前記固体電解質膜１の両側には、陽極室（酸素発生室）Ａ及び陰極室(水素発生室)Ｂが形成されている。

特開平８−２３９７８９号公報

ところで、上記の水素・酸素発生装置は、複極式水電解方式を採用しており、固体電解質膜１としては、カチオン交換膜が使用されている。従って、高圧水素を製造する差圧式水電解装置では、酸素極側から水素極側に水が移動して水素と混在するため、この水を前記水素から分離させて排水している。これにより、水素・酸素発生装置には、使用されずに排水される水量を付加した水量を供給しなければならず、効率的ではないという問題がある。

さらに、差圧式水電解装置では、高圧側の水素発生室側にばね等の弾性部材を各固体電解質膜１毎に配設する必要がある。このため、部品点数が増加するとともに、水素・酸素発生装置全体の積層方向の寸法が長尺化し、前記水素・酸素発生装置の小型化が容易に遂行されないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に構成するとともに、水を効率的に使用することが可能な差圧式水電解装置を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを製造する差圧式水電解装置に関するものである。

この差圧式水電解装置は、カチオン交換膜及びアニオン交換膜と、前記カチオン交換膜を挟持する第１給電体及び第２給電体と、前記アニオン交換膜を挟持する第３給電体及び第４給電体と、互いに対向する前記第２給電体及び前記第３給電体間に介装される弾性部材と、前記弾性部材が介装された前記第２給電体及び前記第３給電体が収容される高圧水素室を形成する高圧側セパレータと、前記第１給電体及び前記第４給電体を、それぞれ収容する低圧側セパレータとを備えている。

また、この差圧式水電解装置では、第１給電体と第４給電体、及び、前記第１給電体が収容される低圧側セパレータと前記第４給電体が収容される前記低圧側セパレータとは、それぞれ同一部材で構成されることが好ましい。

さらに、この差圧式水電解装置では、カチオン交換膜とアニオン交換膜とは、交互に積層されるとともに、高圧側セパレータには、負極側バスバーが接続される一方、低圧側セパレータには、正極側バスバーが接続されることが好ましい。

さらにまた、この差圧式水電解装置では、第２給電体とアニオン交換膜との間、及び第３給電体とカチオン交換膜との間には、それぞれ導線経路を形成するための導電部材が配設されることが好ましい。

また、この差圧式水電解装置では、低圧側セパレータのセパレータ積層方向の厚さは、高圧側セパレータのセパレータ積層方向の厚さよりも小さな寸法に設定されることが好ましい。

さらに、この差圧式水電解装置では、カチオン交換膜及びアニオン交換膜は、それぞれの反応面を水平方向に延在させて配設されるとともに、水平方向に配設される高圧側セパレータの上部側に前記カチオン交換膜が配置され、且つ、前記高圧側セパレータの下部側に前記アニオン交換膜が配置されることが好ましい。

本発明によれば、カチオン交換膜に供給される水が電気分解されて陽イオン（カチオン）が発生するとともに、前記カチオンは、前記カチオン交換膜を透過して水素が生成される。その際、カチオン交換膜を透過した水がアニオン交換膜に供給されるため、前記水が電気分解されて陰イオン（アニオン）と水素とが発生する。従って、高圧水素室には、高圧水素が発生するとともに、カチオン交換膜に供給された水は、前記カチオン交換膜を透過した後、アニオン交換膜に供給されて電気分解される。

これにより、差圧式水電解装置では、簡単且つ経済的に構成されるとともに、水を効率的に使用することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記高圧水電解装置の一部断面側面図である。 前記高圧水電解装置の要部分解斜視説明図である。 前記高圧水電解装置の要部断面説明図である。 前記高圧水電解装置の水供給系及び酸素排出系の説明図である。 前記高圧水電解装置の水素排出系の説明図である。 カチオン交換膜及びアニオン交換膜の反応説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解装置の一部断面側面図である。 特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置の説明図である。

図１〜図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解装置（差圧式水電解装置）１０は、カチオン交換膜１２ａとアニオン交換膜１２ｂとが反応面を水平方向（矢印Ｂ方向）に延在させて鉛直方向（矢印Ａ方向）に交互に積層された積層体１４を備える。

図２に示すように、積層体１４の積層方向一端（上端）には、絶縁プレート１６ａ及びエンドプレート１８ａが上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）には、同様に絶縁プレート１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが下方に向かって、順次、配設される。

図１及び図２に示すように、高圧水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２０を介して円盤形状のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、高圧水電解装置１０は、エンドプレート１８ａ、１８ｂ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、高圧水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

カチオン交換膜１２ａ及びアニオン交換膜１２ｂは、円板形状を有するとともに、それぞれの両面に電極触媒層（図示ぜず）が形成される。図２に示すように、カチオン交換膜１２ａは、それぞれ円板形状の第１給電体２２ａと第２給電体２２ｂとに挟持されるとともに、アニオン交換膜１２ｂは、それぞれ円板形状の第３給電体２２ｃと第４給電体２２ｄとに挟持される。第１給電体２２ａ〜第４給電体２２ｄは、多孔質導電体で構成される。なお、第４給電体２２ｄは、第１給電体２２ａと同一である。

第１給電体２２ａ及び第４給電体２２ｄ（以下、単に第１給電体２２ａという）は、それぞれ低圧側セパレータ２４の内周面２４ａに収容される。低圧側セパレータ２４は、リング形状を有し、内周面２４ａに第１給電体２２ａが圧入により隙間なく固定される。

互いに対向する第２給電体２２ｂと第３給電体２２ｃとは、弾性部材、例えば、皿ばね２６を介装して高圧側セパレータ２８の高圧水素室３０に収容される。高圧側セパレータ２８は、リング形状を有し、低圧側セパレータ２４よりも大径で且つセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）の厚さが、前記低圧側セパレータ２４の厚さよりも大きな寸法に設定される。

低圧側セパレータ２４及び高圧側セパレータ２８は、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。

高圧水素室３０には、高圧側セパレータ２８に接触して導線経路を形成するための導電部材、例えば、導電性のエッチングシート（又はエキスパンドメタル）３２ａ、３２ｂが配置される。エッチングシート３２ａは、カチオン交換膜１２ａと第２給電体２２ｂとに接触する一方、エッチングシート３２ｂは、アニオン交換膜１２ｂと第３給電体２２ｃとに接触する。

図３及び図４に示すように、低圧側セパレータ２４の外周部には、水（純水）を供給するための水供給用コネクタ３４が設けられる。水供給用コネクタ３４は、低圧側セパレータ２４に径方向に形成される水供給通路３６を介して第１給電体２２ａの内部に連通する。

低圧側セパレータ２４の外周部には、水供給用コネクタ３４とは略対角位置に、反応により生成された酸素及び未使用の水を排出するための排出用コネクタ３８が設けられる。排出用コネクタ３８は、低圧側セパレータ２４に径方向に形成される排出通路４０を介して第１給電体２２ａの内部に連通する。第１給電体２２ａとカチオン交換膜１２ａとの間には、具体的には、前記第１給電体２２ａの内部空間には、水供給通路３６及び排出通路４０に連通する第１流路４２が設けられる。この第１流路４２は、第１給電体２２ａの接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。

図３〜図５に示すように、各水供給用コネクタ３４には、水を積層方向に流通させるための水供給連通管路４４が接続される。各排出用コネクタ３８には、生成された酸素及び未使用の水を積層方向に流通させるための排出連通管路４６が接続される。

図３に示すように、高圧側セパレータ２８の外周部には、反応により生成された高圧水素を流すための水素排出用コネクタ４８が設けられる。図４及び図６に示すように、水素排出用コネクタ４８は、高圧側セパレータ２８に径方向に形成される水素排出通路５０を介して高圧水素室３０に連通する。

高圧水素室３０では、第２給電体２２ｂとカチオン交換膜１２ａとの間には、具体的には、前記第２給電体２２ｂの内部空間には、水素排出通路５０に連通する第２流路５２が設けられる。第３給電体２２ｃとアニオン交換膜１２ｂとの間には、具体的には、前記第３給電体２２ｃの内部空間には、前記水素排出通路５０に連通する第３流路５４が設けられる。水素排出用コネクタ４８には、生成された高圧の水素を積層方向に流通させるための水素排出連通管路５６が接続される。

図３に示すように、高圧水電解装置１０では、セパレータ外部に水供給連通管路４４、排出連通管路４６及び水素排出連通管路５６が設けられているため、前記水供給連通管路４４、前記排出連通管路４６及び前記水素排出連通管路５６は、絶縁性の材料で形成されることが好ましい。また、水供給連通管路４４の分配前の水入口集合管路の一部、排出連通管路４６の酸素と水の混合流体の出口集合管路の一部、及び水素排出連通管路５６の水素の出口集合管路の一部を、絶縁性の材料で形成してもよい。なお、図９に示すように、セパレータ内部に直接各連通管路を設ける構成では、固体電解質膜１が絶縁機能を有するため、前記連通管路を導線性の材料で形成することができる。

図４に示すように、アニオン交換膜１２ｂと第１給電体２２ａとの間には、具体的には、前記第１給電体２２ａの内部空間には、第４流路５８が設けられる。第１流路４２及び第４流路５８は、低圧（常圧）の酸素が発生する流路を構成する一方、第２流路５２及び第３流路５４は、高圧の水素が発生する流路を構成する。

図２に示すように、各低圧側セパレータ２４には、正極側バスバー６０が接続されるとともに、各高圧側セパレータ２８には、負極側バスバー６２が接続される。正極側バスバー６０と負極側バスバー６２とは、電解電源（直流電源）６４に電気的に接続される。

このように構成される高圧水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図５に示すように、高圧水電解装置１０には、水供給連通管路４４から各低圧側セパレータ２４に設けられている水供給用コネクタ３４に水が供給される。一方、図１及び図２に示すように、電源６４を介して電圧が付与され、各低圧側セパレータ２４が正極に印加されるとともに、各高圧側セパレータ２８が負極に印加される。

その際、エッチングシート３２ａは、カチオン交換膜１２ａと第２給電体２２ｂとに接触する一方、エッチングシート３２ｂは、アニオン交換膜１２ｂと第３給電体２２ｃとに接触している。これにより、カチオン交換膜１２ａ及びアニオン交換膜１２ｂへの給電が良好に行われる。

このため、各低圧側セパレータ２４では、図４に示すように、水供給通路３６を介して第１給電体２２ａの内部に水が供給され、この水は、第１給電体２２ａとカチオン交換膜１２ａとの間に形成された第１流路４２に沿って移動する。

従って、図７に示すように、第１流路４２では、４Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻に示す陽極反応が惹起される。この陽極反応により生成された水素イオン（Ｈ^＋）は、カチオン交換膜１２ａを透過して第２流路５２側に移動し、高圧水素室３０内では、４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２の反応により、電子と結合して水素が得られる。

一方、第１流路４２から第２流路５２には、未反応の水が透過し、この水は、第３給電体２２ｃとアニオン交換膜１２ｂとの間に形成された第３流路５４に供給される。このため、第３流路５４では、４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻＋２Ｈ_２に示す陰極反応が惹起される。この陰極反応により生成された陰イオン（ＯＨ⁻）は、アニオン交換膜１２ｂを透過して第４流路５８側に移動し、４ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻の反応により、電子を放出して水と酸素とが得られる。

さらに、第３流路５４では、水素が生成される。すなわち、高圧水素室３０には、カチオン交換膜１２ａによる陽極反応とアニオン交換膜１２ｂによる陰極反応とで、高圧水素を得ることができる。

高圧水素室３０に生成された水素は、図３、図４及び図６に示すように、各高圧側セパレータ２８に設けられた水素排出通路５０から水素排出用コネクタ４８を通って水素排出連通管路５６に排出される。この水素は、例えば、図示しない水素タンク等に高圧充填される。

また、各低圧側セパレータ２４では、図３〜図５に示すように、第１流路４２及び第４流路５８に生成された低圧の酸素は、未反応の水を伴って排出通路４０から排出用コネクタ３８を通って排出連通管路４６に排出される。なお、未反応の水は、循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、図７に示すように、カチオン交換膜１２ａに供給される水が電気分解されて陽イオン（Ｈ^＋）が発生するとともに、前記陽イオンは、前記カチオン交換膜１２ａを透過して高圧水素室３０内に水素が生成されている。その際、カチオン交換膜１２ａを透過した水が、アニオン交換膜１２ｂに供給されるため、前記水が電気分解されて陰イオン（ＯＨ⁻）と水素とが発生している。

従って、高圧水素室３０には、高圧水素が発生するとともに、カチオン交換膜１２ａに供給された水は、前記カチオン交換膜１２ａを透過した後、アニオン交換膜１２ｂに供給されて電気分解されている。これにより、カチオン交換膜１２ａを透過した未使用の水は、アニオン交換膜１２ｂで電解に使用されるため、水の供給量に対する水素製造量が増大し、水電解処理の効率が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、互いに対向する第２給電体２２ｂと第３給電体２２ｃとは、皿ばね２６を介装して高圧側セパレータ２８の高圧水素室３０に収容されている。このため、高圧水電解装置１０全体として、皿ばね２６の個数が半減され、部品点数の削減が容易に図られる。

その上、第１給電体２２ａと第４給電体２２ｄとは同一部材で構成されるとともに、これらが収容される各低圧側セパレータ２４も、同一部材で構成されている。従って、部品点数が良好に削減されるという利点がある。

さらに、カチオン交換膜１２ａと第２給電体２２ｂとに接触してエッチングシート３２ａが配置される一方、アニオン交換膜１２ｂと第３給電体２２ｃとに接触してエッチングシート３２ｂが配置されている。これにより、皿ばね２６は、導電性を有する必要がなく、前記皿ばね２６の耐久性が向上する。

さらにまた、低圧側セパレータ２４のセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）の厚さは、高圧側セパレータ２８のセパレータ積層方向の厚さよりも小さな寸法に設定されている。このため、高圧水電解装置１０全体が有効に小型化される。

また、カチオン交換膜１２ａ及びアニオン交換膜１２ｂは、それぞれの反応面を水平方向に延在させて配設されるとともに、水平方向に配設される高圧側セパレータ２８の上部側に前記カチオン交換膜１２ａが配置され、且つ、前記高圧側セパレータ２８の下部側に前記アニオン交換膜１２ｂが配置されている。

すなわち、高圧側セパレータ２８の高圧水素室３０には、水素ガスと水とが混在しており、気液分離されて前記水素ガスが上部に存在する一方、前記水が下部に存在している。従って、高圧水素室３０の下部にアニオン交換膜１２ｂが配置されているため、前記アニオン交換膜１２ｂの膜面には、水が存在しており、電解反応が良好且つ確実に遂行されるという効果が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解装置８０の一部断面側面図である。なお、第１の実施形態に係る高圧水電解装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

高圧水電解装置８０では、高圧側セパレータ２８の高圧水素室３０に、導電性の弾性部材、例えば、導電性皿ばね８２を介装して互いに対向する第２給電体２２ｂと第３給電体２２ｃが収容される。導電性皿ばね８２を使用するため、第１の実施形態のエッチングシート３２ａ、３２ｂが不要になる。

第２給電体２２ｂは、高圧側セパレータ２８に接触しておらず、第３給電体２２ｃは、前記高圧側セパレータ２８に接触している。このため、高圧側セパレータ２８から第３給電体２２ｃを介してアニオン交換膜１２ｂに電気が流れるとともに、前記第３給電体２２ｃから導電性皿ばね８２を介してカチオン交換膜１２ａに電気が流れる。

このように、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態に係る高圧水電解装置１０と同様の効果が得られる。

１０、８０…高圧水電解装置 １２ａ…カチオン交換膜
１２ｂ…アニオン交換膜 １４…積層体
２２ａ〜２２ｄ…給電体 ２４、２８…セパレータ
２６、８２…皿ばね ３０…高圧水素室
３２ａ、３２ｂ…エッチングシート ３４、３８、４８…コネクタ
４２、５２、５４、５８…流路 ４４…水供給連通管路
４６…排出連通管路 ５６…水素排出連通管路
６０、６２…バスバー ６４…電源

Claims (6)

1. 水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを製造する差圧式水電解装置であって、
   カチオン交換膜及びアニオン交換膜と、
   前記カチオン交換膜を挟持する第１給電体及び第２給電体と、
   前記アニオン交換膜を挟持する第３給電体及び第４給電体と、
   互いに対向する前記第２給電体及び前記第３給電体間に介装される弾性部材と、
   前記弾性部材が介装された前記第２給電体及び前記第３給電体が収容される高圧水素室を形成する高圧側セパレータと、
   前記第１給電体及び前記第４給電体を、それぞれ収容する低圧側セパレータと、
   を備えることを特徴とする差圧式水電解装置。
2. 請求項１記載の差圧式水電解装置において、前記第１給電体と前記第４給電体、及び、前記第１給電体が収容される前記低圧側セパレータと前記第４給電体が収容される前記低圧側セパレータとは、それぞれ同一部材で構成されることを特徴とする差圧式水電解装置。
3. 請求項１又は２記載の差圧式水電解装置において、前記カチオン交換膜と前記アニオン交換膜とは、交互に積層されるとともに、
   前記高圧側セパレータには、負極側バスバーが接続される一方、前記低圧側セパレータには、正極側バスバーが接続されることを特徴とする差圧式水電解装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の差圧式水電解装置において、前記第２給電体と前記アニオン交換膜との間、及び前記第３給電体と前記カチオン交換膜との間には、それぞれ導線経路を形成するための導電部材が配設されることを特徴とする差圧式水電解装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の差圧式水電解装置において、前記低圧側セパレータのセパレータ積層方向の厚さは、前記高圧側セパレータのセパレータ積層方向の厚さよりも小さな寸法に設定されることを特徴とする差圧式水電解装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の差圧式水電解装置において、前記カチオン交換膜及び前記アニオン交換膜は、それぞれの反応面を水平方向に延在させて配設されるとともに、
   水平方向に配設される前記高圧側セパレータの上部側に前記カチオン交換膜が配置され、且つ、前記高圧側セパレータの下部側に前記アニオン交換膜が配置されることを特徴とする差圧式水電解装置。

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