JP2015086454A - Differential pressure-system high-pressure water electrolysis apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置に関する。 The present invention relates to a differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and hydrogen having a pressure higher than that of the oxygen.
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、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。 For example, hydrogen gas is used as a fuel gas for generating power from a fuel cell. Generally, when producing hydrogen gas, a water electrolysis apparatus is employed. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to electrolyze water and generate hydrogen (and oxygen). A catalyst layer is provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on each side of the electrolyte membrane / electrode structure to form a unit. It is configured.
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)が生成される。この水素イオンは、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、水素ととも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 power feeder. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure. The hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side, and combine with electrons to produce hydrogen. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
水電解装置では、水の電気分解により酸素と該酸素よりも高圧な水素を製造する差圧式高圧水電解装置が採用されている。例えば、特許文献1に開示されている電気化学装置では、電解質膜の一方の面に、第1の触媒と第1の給電体とが設けられるとともに、前記電解質膜の他方の面に、第2の触媒と第2の給電体とが設けられている。
The water electrolysis apparatus employs a differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus that produces oxygen and hydrogen having a pressure higher than that of oxygen by electrolysis of water. For example, in the electrochemical device disclosed in
そして、電解質膜に接触する接触面積範囲の小さな給電体は、前記電解質膜との接触面が、セパレータの前記電解質膜との接触面よりも前記電解質膜側に突出している。従って、第1の給電体及び第2の給電体により、電解質膜の両側に設けられている第1及び第2の触媒に対し所望の面圧を確実に付与することができ、簡単な構成で、電解性能の向上を図ることが可能になる、としている。 And as for the electric power feeding body with a small contact area range which contacts an electrolyte membrane, the contact surface with the said electrolyte membrane protrudes in the said electrolyte membrane side rather than the contact surface with the said electrolyte membrane of a separator. Therefore, the first power supply body and the second power supply body can reliably apply a desired surface pressure to the first and second catalysts provided on both sides of the electrolyte membrane, with a simple configuration. It is said that the electrolytic performance can be improved.
ところで、差圧式高圧水電解装置では、高圧のカソード室内の水素が固体高分子電解質膜を透過して常圧のアノード室側に移動(クロスリーク)し易い。このため、固体高分子電解質膜では、特に触媒が塗布されておらず電解が行われない部分において、クロスリークに伴って水が排出され、膜乾燥が惹起されるという問題がある。 By the way, in the differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus, hydrogen in the high pressure cathode chamber easily passes through the solid polymer electrolyte membrane and moves (cross leak) to the anode chamber side at normal pressure. For this reason, in the solid polymer electrolyte membrane, there is a problem that water is discharged along with the cross leak in the portion where the catalyst is not applied and electrolysis is not performed, and membrane drying is caused.
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、固体高分子電解質膜の乾燥を可及的に抑制することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus capable of suppressing the drying of a solid polymer electrolyte membrane as much as possible with a simple configuration. And
本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられる電解質膜を備えている。アノード触媒層には、アノード給電体が積層されるとともに、前記アノード給電体には、アノードセパレータが積層されている。カソード触媒層には、カソード給電体が積層されるとともに、前記カソード給電体には、カソードセパレータが積層されている。この差圧式高圧水電解装置は、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に該酸素よりも高圧な水素が、生成されている。 The differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus according to the present invention includes an electrolyte membrane in which an anode catalyst layer is provided on one surface and a cathode catalyst layer is provided on the other surface. An anode power supply is laminated on the anode catalyst layer, and an anode separator is laminated on the anode power supply. A cathode power supply is stacked on the cathode catalyst layer, and a cathode separator is stacked on the cathode power supply. In this differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus, oxygen is generated on the anode side and hydrogen having a pressure higher than that of oxygen is generated on the cathode side by electrolysis of water.
アノード給電体は、水をアノード触媒層に流通させる開口部が設けられる電解部と、前記電解部の外周に設けられ、該電解部よりも緻密に構成される枠部とを備えている。そして、アノード触媒層は、電解部の範囲内にのみに設けられる一方、カソード触媒層は、前記アノード触媒層に対向する範囲を包含し、且つ、枠部に対向する範囲に亘って設けられている。 The anode power feeder includes an electrolysis part provided with an opening for allowing water to flow through the anode catalyst layer, and a frame part provided on the outer periphery of the electrolysis part and configured more densely than the electrolysis part. The anode catalyst layer is provided only within the range of the electrolysis portion, while the cathode catalyst layer includes the range facing the anode catalyst layer and is provided over the range facing the frame portion. Yes.
また、この差圧式高圧水電解装置では、カソード給電体の外周を囲繞して配置され、水素が生成されるカソード室をシールするシール部材を備えることが好ましい。その際、シール部材は、枠部に対向する範囲に配置されるとともに、カソード触媒層は、前記シール部材の内側に設けられることが好ましい。 In addition, this differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus preferably includes a seal member that is disposed so as to surround the outer periphery of the cathode power supply and seals the cathode chamber in which hydrogen is generated. In that case, it is preferable that the seal member is disposed in a range facing the frame portion, and the cathode catalyst layer is provided inside the seal member.
本発明によれば、カソード触媒層は、アノード触媒層よりも大きな面積を有するとともに、枠部に対向する範囲に亘って設けられている。このため、電解時にアノード側からカソード側にプロトンが移動するのに伴って、水(同伴水)が移動する際、前記水が前記カソード側に対して広範囲に亘って供給される。 According to the present invention, the cathode catalyst layer has a larger area than the anode catalyst layer and is provided over a range facing the frame portion. For this reason, when water (entrained water) moves as protons move from the anode side to the cathode side during electrolysis, the water is supplied over a wide range to the cathode side.
従って、固体高分子電解質膜は、所望の膜保水率を確保することができ、水不足状態で電解が行われることによる膜損傷を、有効に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜の乾燥を可及的に抑制し、前記固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。 Therefore, the solid polymer electrolyte membrane can ensure a desired membrane water retention rate, and can effectively prevent membrane damage caused by electrolysis in a water-deficient state. Thereby, with a simple structure, drying of a solid polymer electrolyte membrane can be suppressed as much as possible, and deterioration of the said solid polymer electrolyte membrane can be suppressed.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置10は、複数の単位セル12が鉛直方向(矢印A方向)又は水平方向(矢印B方向)に積層された積層体14を備える。
As shown in FIG. 1, a differential pressure type high pressure
積層体14の積層方向一端(上端)には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが上方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端(下端)には、同様にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが下方に向かって、順次、配設される。
At one end (upper end) in the stacking direction of the
差圧式高圧水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する4本のタイロッド22を介して円盤形状のエンドプレート20a、20b間を一体的に締め付け保持する。なお、差圧式高圧水電解装置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、差圧式高圧水電解装置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。
The differential pressure type high pressure
ターミナルプレート16a、16bの側部には、端子部24a、24bが外方に突出して設けられる。端子部24a、24bは、配線26a、26bを介して電解電源28に電気的に接続される。
図2及び図3に示すように、単位セル12は、略円盤状の電解質膜・電極構造体32と、前記電解質膜・電極構造体32を挟持するアノードセパレータ34及びカソードセパレータ36とを備える。アノードセパレータ34及びカソードセパレータ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る。アノードセパレータ34及びカソードセパレータ36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してもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図4に示すように、電解質膜・電極構造体32は、例えば、フッ素系の膜又は炭化水素(HC)系の膜により構成される固体高分子電解質膜38を備える。固体高分子電解質膜38の両面には、円形状を有する電解用のアノード給電体40及びカソード給電体42が設けられる。
As shown in FIG. 4, the electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜38の一方の面に、アノード触媒層40aが、前記固体高分子電解質膜38の他方の面に、カソード触媒層42aが、それぞれ形成される。アノード触媒層40aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用する一方、カソード触媒層42aは、例えば、白金触媒を使用する。カソード触媒層42aの平面寸法(塗布面積)S1は、アノード触媒層40aに対向する範囲を包含し、且つ前記アノード触媒層40aの平面寸法(塗布面積)S2よりも大きな寸法に設定される。
An
アノード給電体40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、電解用の水をアノード触媒層40aに流通させる開口部44hが設けられる電解部44を備える。電解部44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
アノード給電体40は、電解部44の外周に設けられ、前記電解部44よりも緻密に構成されるリング状の枠部46を備える。電解部44は、枠部46の内周面に嵌合するとともに、前記枠部46は、例えば、純チタンで構成される。アノード触媒層40aは、電解部44の範囲内にのみに設けられる。具体的には、アノード触媒層40aの平面寸法(面積)S2は、電解部44の平面寸法(面積)S3よりも小さな寸法に設定される。
The anode
カソード給電体42は、例えば、純チタン粒子を溶射材として減圧プラズマ溶射によりプレート部材56に一体成形される多孔質導電体である。この多孔質導電体の気孔率は、10%〜50%の範囲内に設定され、水素を流通させる開口部42hが設けられる。
The
カソード給電体42の平面寸法(面積)S4は、アノード給電体40を構成する電解部44の平面寸法(面積)S3よりも大きな外形寸法を有し、且つ、枠部46の平面寸法(面積)S5よりも小さな寸法を有する。カソード触媒層42aの平面寸法(面積)S1は、カソード給電体42の平面寸法(面積)S4の寸法と同一又は同一未満を有しており、実質的に、アノード触媒層40aに対向する範囲を包含し、且つ、枠部46に対向する範囲に亘って設けられる。
The planar dimension (area) S4 of the
図2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48a、第2突出部48b及び第3突出部48cが形成される。第1突出部48a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50aが設けられる。
As shown in FIG. 2, a
第2突出部48b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50bが設けられる。第3突出部48c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高圧水素を流すための水素連通孔50cが設けられる。
The second projecting
図2及び図3に示すように、アノードセパレータ34には、水供給連通孔50aに連通する供給通路52aと、排出連通孔50bに連通する排出通路52bとが設けられる。アノードセパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、アノード給電体40が配置されるアノード室53が設けられる。アノード室53には、供給通路52a及び排出通路52bに連通する第1流路54が設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
カソードセパレータ36には、水素連通孔50cに連通する排出通路52cが設けられる。カソードセパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、カソード給電体42、プレート部材56及び皿ばね58が配置されるカソード室(高圧室)60が設けられる。
The
図3に示すように、プレート部材56は、円板状を有するとともに、カソード給電体42側の面には、排出通路52cに連通する第2流路64が形成される。この第2流路64は、カソード給電体42の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。プレート部材56には、固体高分子電解質膜38側とは反対側の面に押圧部材、例えば、複数枚の皿ばね58が配設される。皿ばね58は、皿ばねホルダであるプレート部材56を介してカソード給電体42に荷重を付与する。
As shown in FIG. 3, the
図2及び図3に示すように、アノードセパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、第1流路54及びアノード給電体40の外方を周回して第1シール部材66aを配設するための第1シール溝68aが形成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
面34aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cの外側を周回して、第2シール部材66b、第3シール部材66c及び第4シール部材66dを配置するための第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シール部材66a〜第4シール部材66dは、例えば、Oリングである。
On the
カソードセパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、第2流路64及びカソード給電体42の外方を周回して、第1シール部材70aを配設するための第1シール溝72aが形成される。第1シール部材70aは、アノード給電体40を構成する枠部46に対向する範囲に配置されるとともに、カソード触媒層42aは、前記第1シール部材70aの内側に設けられる。第1シール部材70aの内側には、クロスリークによる乾燥が発生し易い部位が存在し、この部位をカソード触媒層42aによりカバーすることで、膜保水率低下を抑制することができる。
A first seal for disposing the
面36aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cの外側を周回して、第2シール部材70b、第3シール部材70c及び第4シール部材70dを配置するための第2シール溝72b、第3シール溝72c及び第4シール溝72dが形成される。第1シール部材70a〜第4シール部材70dは、例えば、Oリングである。
On the
図1に示すように、エンドプレート20aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cに連通する配管76a、76b及び76cが接続される。配管76c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50c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。エンドプレート20a、20b間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート20a、20bがタイロッド22を介して締め付けられる。
As shown in FIG. 1,
このように構成される差圧式高圧水電解装置10の動作について、以下に説明する。
The operation of the differential pressure type high pressure
図1に示すように、配管76aから差圧式高圧水電解装置10の水供給連通孔50aに水が供給されるとともに、ターミナルプレート16a、16bの端子部24a、24bに電気的に接続されている電解電源28を介して電圧が付与される。このため、図2及び図3に示すように、各単位セル12では、水供給連通孔50aからアノードセパレータ34の第1流路54に水が供給され、この水がアノード給電体40を構成する電解部44の開口部44hに沿って移動する。
As shown in FIG. 1, water is supplied from a
従って、水は、アノード触媒層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触媒層42a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
Therefore, water is decomposed by electricity in the
このため、カソード給電体42の開口部42h及びプレート部材56に形成される第2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50aよりも高圧に維持されており、水素連通孔50cを流れて差圧式高圧水電解装置10の外部に取り出し可能となる。一方、第1流路54には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔50bに沿って差圧式高圧水電解装置10の外部に排出される。
For this reason, hydrogen flows along the
この場合、本実施形態では、図3及び図4に示すように、カソード触媒層42aは、アノード触媒層40aに対向する範囲を包含し、且つ、枠部46に対向する範囲に亘って設けられている。このため、電解時にアノード側からカソード側にプロトンが移動するのに伴って、水(同伴水)が移動する際、前記水が前記カソード側に広範囲に亘って供給される。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the
例えば、図5に示す比較例である電解質膜・電極構造体1は、固体高分子電解質膜2の両面にアノード触媒層3aとカソード触媒層4aとが形成されている。カソード触媒層4aは、アノード触媒層3aよりも小さな面積を有するとともに、前記アノード触媒層3aには、アノード給電体3が配置されている。
For example, an electrolyte membrane /
この電解質膜・電極構造体1では、高圧のカソード側から常圧のアノード側に水素がクロスリークするとともに、随伴水がアノード給電体3側に移動し易い。従って、固体高分子電解質膜2では、触媒層端部近傍の領域Tにおいて、膜保水率が低下してしまい、膜劣化が惹起するおそれがある。
In this electrolyte membrane /
これに対して、本実施形態では、プロトン随伴水が固体高分子電解質膜38の触媒層端部まで良好に行き渡るため、前記固体高分子電解質膜38は、所望の膜保水率を確保することができる。これにより、水不足状態で電解が行われることによる膜損傷を阻止することが可能になり、簡単な構成で、固体高分子電解質膜38の乾燥を可及的に抑制し、膜劣化を抑制することができるという効果が得られる。
On the other hand, in this embodiment, since the proton-accompanying water spreads well to the end of the catalyst layer of the solid
10…差圧式高圧水電解装置 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 28…電解電源
32…電解質膜・電極構造体 34…アノードセパレータ
36…カソードセパレータ 38…固体高分子電解質膜
40…アノード給電体 40a…アノード触媒層
42…カソード給電体 42a…カソード触媒層
44…電解部 46…枠部
53…アノード室 54、64…流路
56…プレート部材 60…カソード室
70a…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記アノード触媒層に積層されるアノード給電体及び前記カソード触媒層に積層されるカソード給電体と、
前記アノード給電体に積層されるアノードセパレータ及び前記カソード給電体に積層されるカソードセパレータと、
を備え、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に該酸素よりも高圧な水素が、生成される差圧式高圧水電解装置であって、
前記アノード給電体は、前記水を前記アノード触媒層に流通させる開口部が設けられる電解部と、
前記電解部の外周に設けられ、該電解部よりも緻密に構成される枠部と、
を備えるとともに、
前記アノード触媒層は、前記電解部の範囲内にのみに設けられる一方、
前記カソード触媒層は、前記アノード触媒層に対向する範囲を包含し、且つ、前記枠部に対向する範囲に亘って設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 An electrolyte membrane provided with an anode catalyst layer on one side and a cathode catalyst layer on the other side;
An anode power feeder laminated on the anode catalyst layer and a cathode power feeder laminated on the cathode catalyst layer;
An anode separator laminated on the anode feeder and a cathode separator laminated on the cathode feeder;
A differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus in which oxygen is generated on the anode side by hydrogen electrolysis and hydrogen having a pressure higher than that of oxygen is generated on the cathode side,
The anode feeder is an electrolysis unit provided with an opening through which the water flows through the anode catalyst layer;
A frame portion provided on an outer periphery of the electrolysis portion and configured more densely than the electrolysis portion;
With
While the anode catalyst layer is provided only within the electrolysis part,
The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus, wherein the cathode catalyst layer includes a range facing the anode catalyst layer, and is provided over a range facing the frame portion.
前記シール部材は、前記枠部に対向する範囲に配置されるとともに、
前記カソード触媒層は、前記シール部材の内側に設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, further comprising a seal member disposed so as to surround an outer periphery of the cathode power supply body and sealing a cathode chamber in which the hydrogen is generated,
The seal member is disposed in a range facing the frame portion,
The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus, wherein the cathode catalyst layer is provided inside the seal member.
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