JP2016160462A - Water electrolysis apparatus - Google Patents

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雄作 谷内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water electrolysis apparatus capable of stably feeding water without depending on setting directions and using environments.SOLUTION: Provided is a water electrolysis apparatus 1 provided with: an electrode membrane 10; and a first feeding body 13 and a second feeding body 14 provided on the first face side and the second face side of the electrode membrane 10 and supporting the electrode membrane 10 from both the sides, and the first feeding body 13 and the second feeding body 14 are respectively made of a porous metallic material applied with a noble metal coating.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、水電解装置に関する。   The present invention relates to a water electrolysis apparatus.

水電解装置は、両面に触媒層が設けられた電極膜の一方の面側に水を供給し、外部電源を用いて通電することにより、水を分解して酸素と水素を生じさせる。酸素および水素は、電極膜の一方の面側と他方の面側でそれぞれ発生する。電極膜の一方の面側と他方の面側には、それぞれ、給電体が設けられる。電極膜は、この一対の給電体によって挟まれている。ガスセパレータの溝部から供給された水は、一方の給電体を通じて電極膜に到達する。発生した酸素および水素は、ガスセパレータに設けられたガス回収用の溝部を通じて回収される。   The water electrolysis apparatus supplies water to one surface side of an electrode film provided with catalyst layers on both sides, and energizes using an external power source, thereby decomposing water and generating oxygen and hydrogen. Oxygen and hydrogen are generated on one surface side and the other surface side of the electrode film, respectively. A power feeder is provided on each of the one surface side and the other surface side of the electrode film. The electrode film is sandwiched between the pair of power feeders. The water supplied from the groove of the gas separator reaches the electrode film through one power supply body. The generated oxygen and hydrogen are recovered through a gas recovery groove provided in the gas separator.

特許文献１に記載された水電解装置は、電極膜に接するように配置された親水性反応層と、ガスセパレータに接するように配置された疎水性ガス拡散層とが設けられた電極構造を備えている。この水電解装置では、供給された水は、疎水性ガス拡散層を介して親水性反応層および電極膜に到達する。   The water electrolysis apparatus described in Patent Literature 1 includes an electrode structure provided with a hydrophilic reaction layer disposed so as to contact an electrode film and a hydrophobic gas diffusion layer disposed so as to contact a gas separator. ing. In this water electrolysis apparatus, the supplied water reaches the hydrophilic reaction layer and the electrode film through the hydrophobic gas diffusion layer.

特開平３−３９４９３号公報JP-A-3-39493

水電解装置として上記した構造が知られているが、従来、水電解装置は所定の位置に設置されて用いられることが多かった。一方で本発明者は、水電解装置を移動体に搭載して用いることを検討している。ところが、移動体に水電解装置を搭載することを想定した場合、設置方向や使用環境の制約を受けて、電極膜への給水が適切に行われない可能性がある。たとえば、電極膜の下面側から水を供給する場合には、電極膜に水が行き渡らない可能性がある。そのため、図８に示されるように、給水のためのタンク２１を外部に設置する等の工夫が必要であった。そこで、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる水電解装置が求められている。   Although the above-described structure is known as a water electrolysis apparatus, conventionally, a water electrolysis apparatus has been often installed and used at a predetermined position. On the other hand, this inventor is examining mounting and using a water electrolysis apparatus in a moving body. However, when it is assumed that a water electrolysis apparatus is mounted on the moving body, there is a possibility that water supply to the electrode film may not be appropriately performed due to restrictions on the installation direction and usage environment. For example, when water is supplied from the lower surface side of the electrode film, there is a possibility that water does not reach the electrode film. Therefore, as shown in FIG. 8, a device such as installing a tank 21 for water supply outside is necessary. Therefore, there is a demand for a water electrolysis apparatus that can stably supply water regardless of the installation direction and the use environment.

本発明の一態様に係る水電解装置は、電極膜と、電極膜の第１の面側および第２の面側に設けられて、電極膜を両側から支持する第１の給電体および第２の給電体と、を備え、第１の給電体および第２の給電体は、それぞれ、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる。   The water electrolysis apparatus according to one aspect of the present invention includes an electrode film, a first power supply body that is provided on the first surface side and the second surface side of the electrode film, and supports the electrode film from both sides, and a second power supply body. The first power supply body and the second power supply body are each made of a porous metal material provided with a noble metal coating.

この水電解装置によれば、電極膜の第１の面側に設けられた第１の給電体と、電極膜の第２の面側に設けられた第２の給電体とは、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる。貴金属コーティングは、親水性の表面特性を有するため、第１および第２の給電体の内部にまで水が行き渡りやすくなっている。たとえば、電極膜の下面側から水を供給する場合や、重力のない宇宙空間で使用される場合であっても、毛細管現象によって、電極膜に至る範囲にまで水が供給される。よって、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。   According to this water electrolysis apparatus, the first power feeding body provided on the first surface side of the electrode film and the second power feeding body provided on the second surface side of the electrode film have a noble metal coating. It consists of an applied porous metal material. Since the noble metal coating has hydrophilic surface characteristics, water easily reaches the inside of the first and second power feeding bodies. For example, even when water is supplied from the lower surface side of the electrode film or when it is used in a space without gravity, the water is supplied to the range reaching the electrode film by capillary action. Therefore, water can be stably supplied regardless of the installation direction and the use environment.

いくつかの態様において、第１の給電体および第２の給電体における空隙の平均の大きさは、電極膜の膜厚の４倍以下である。水電解装置では、電極膜の第１の面側と第２の面側とにおいて、酸素と水素がそれぞれ生じる。これらの酸素と水素を高圧で発生させることができる。その場合、運転中に、酸素の圧力と水素の圧力とのバランスが崩れることがある。第１の給電体および第２の給電体における空隙の平均の大きさが電極膜の膜厚の４倍以下であると、圧力バランスが崩れた場合でも、第１の給電体および第２の給電体で電極膜を十分に支持することができ、電極膜の損傷が防止される。   In some embodiments, the average size of the gaps in the first power supply and the second power supply is not more than four times the film thickness of the electrode film. In the water electrolysis apparatus, oxygen and hydrogen are generated on the first surface side and the second surface side of the electrode film, respectively. These oxygen and hydrogen can be generated at high pressure. In that case, the balance between the pressure of oxygen and the pressure of hydrogen may be lost during operation. When the average size of the gaps in the first power supply body and the second power supply body is four times or less the film thickness of the electrode film, even when the pressure balance is lost, the first power supply body and the second power supply body The electrode film can be sufficiently supported by the body, and damage to the electrode film is prevented.

本発明のいくつかの態様によれば、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。   According to some embodiments of the present invention, water can be stably supplied regardless of the installation direction and the use environment.

本発明の一実施形態に係る水電解装置が適用された再生型燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a regenerative fuel cell system to which a water electrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態に係る水電解装置のセル構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cell structure of the water electrolysis apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図３のセル構造における水およびガスの流れを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the flow of the water and gas in the cell structure of FIG. セル構造の第１の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st modification of a cell structure. セル構造の第２の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd modification of a cell structure. 空隙の大きさと電極膜の膜厚との関係について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the magnitude | size of a space | gap and the film thickness of an electrode film. アノードへの給水試験の試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the test result of the water supply test to an anode. 従来の水電解装置における水の供給機構を示す図である。It is a figure which shows the supply mechanism of the water in the conventional water electrolysis apparatus.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.

図１を参照して、本実施形態の水電解装置が適用された再生型燃料電池システムについて説明する。この再生型燃料電池システムは、たとえば航空機等の移動体に搭載され得る。再生型燃料電池システムは、水電解装置１と、水電解装置１に接続された外部電源２とを備える。水電解装置１は、外部電源２からの通電により、水供給装置５から供給された水を電気分解し、水素と酸素を発生させる。再生型燃料電池システムは、燃料電池３と、燃料電池３に接続された電力負荷４とを備える。燃料電池３は、水素タンク６に貯蔵された水素および酸素タンク７に貯蔵された酸素を原料として発電を行う。燃料電池３は、たとえば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。   A regenerative fuel cell system to which the water electrolysis apparatus of this embodiment is applied will be described with reference to FIG. This regenerative fuel cell system can be mounted on a moving body such as an aircraft. The regenerative fuel cell system includes a water electrolysis device 1 and an external power source 2 connected to the water electrolysis device 1. The water electrolysis apparatus 1 electrolyzes the water supplied from the water supply apparatus 5 by energization from the external power source 2 to generate hydrogen and oxygen. The regenerative fuel cell system includes a fuel cell 3 and a power load 4 connected to the fuel cell 3. The fuel cell 3 generates power using hydrogen stored in the hydrogen tank 6 and oxygen stored in the oxygen tank 7 as raw materials. The fuel cell 3 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

この再生型燃料電池システムでは、貯蔵燃料が有効な間は燃料電池３によって発電を行い、燃料を消費した後は外部電源２を利用して水電解装置１で水素および酸素を生成する。生成された水素および酸素は、所定圧力で水素タンク６および酸素タンク７に貯蔵され、燃料電池３に再度供給されて発電が行われる。この再生型燃料電池システムは高いエネルギー密度を有しており、リチウムイオン電池等の他の二次電池と比較すると２分の１から３分の１の重量になっている。このように軽量化されている点で、この再生型燃料電池システムは、移動体への搭載に有利である。   In this regenerative fuel cell system, power is generated by the fuel cell 3 while the stored fuel is effective, and hydrogen and oxygen are generated by the water electrolysis apparatus 1 using the external power source 2 after the fuel is consumed. The generated hydrogen and oxygen are stored in the hydrogen tank 6 and the oxygen tank 7 at a predetermined pressure, and are supplied again to the fuel cell 3 to generate electricity. This regenerative fuel cell system has a high energy density and has a weight that is one-half to one-third that of other secondary batteries such as lithium ion batteries. In this way, the regenerative fuel cell system is advantageous for mounting on a moving body.

図２を参照して、水電解装置１のセル構造８について説明する。図２に示されるように、セル構造８は、高分子膜である電極膜１０と、電極膜１０の第１の面（図２における上面）に設けられたアノード側の触媒層１１と、電極膜１０の第２の面（図２における下面）に設けられたカソード側の触媒層１２とを備える。電極膜１０、触媒層１１および触媒層１２は、電極膜複合体を構成している。触媒層１１は、酸素極を構成し、触媒層１２は、反対極である水素極を構成する。   The cell structure 8 of the water electrolysis apparatus 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the cell structure 8 includes an electrode film 10 that is a polymer film, an anode-side catalyst layer 11 provided on the first surface (upper surface in FIG. 2) of the electrode film 10, and an electrode. And a cathode-side catalyst layer 12 provided on the second surface of the membrane 10 (the lower surface in FIG. 2). The electrode film 10, the catalyst layer 11, and the catalyst layer 12 constitute an electrode film composite. The catalyst layer 11 constitutes an oxygen electrode, and the catalyst layer 12 constitutes a hydrogen electrode that is the opposite electrode.

電極膜１０の第１の面側には、触媒層１１に密接するようにして、アノード側の給電体（第１の給電体）１３が設けられている。給電体１３は、電極膜１０を第１の面側から支持している。電極膜１０の第２の面側には、触媒層１２に密接するようにして、カソード側の給電体（第２の給電体）１４が設けられている。給電体１４は、電極膜１０を第２の面側から支持している。給電体１３および給電体１４は、両端のセパレータ１５，１５を介して外部電源２に接続される。   On the first surface side of the electrode film 10, an anode-side power supply body (first power supply body) 13 is provided so as to be in close contact with the catalyst layer 11. The power feeder 13 supports the electrode film 10 from the first surface side. On the second surface side of the electrode film 10, a cathode-side power supply body (second power supply body) 14 is provided so as to be in close contact with the catalyst layer 12. The power feeder 14 supports the electrode film 10 from the second surface side. The power feeding body 13 and the power feeding body 14 are connected to the external power source 2 via separators 15 and 15 at both ends.

上記の電極膜１０、触媒層１１、触媒層１２、給電体１３および給電体１４からなる積層体が複数積層されており、給電体１３と給電体１４との間には、セパレータ１５が設けられている。セパレータ１５の給電体１３に接する面には、複数本の溝部１５ａが設けられている。アノード側の溝部１５ａは、酸素の流路と供給水の流路と冷却水の流路とを兼ねている。セパレータ１５の給電体１４に接する面には、複数本の溝部１５ｂが設けられている。カソード側の溝部１５ｂは、水素の流路である。   A plurality of laminated bodies each including the electrode film 10, the catalyst layer 11, the catalyst layer 12, the power feeding body 13, and the power feeding body 14 are laminated, and a separator 15 is provided between the power feeding body 13 and the power feeding body 14. ing. A plurality of groove portions 15 a are provided on the surface of the separator 15 that contacts the power supply body 13. The anode-side groove 15a serves as an oxygen flow path, a supply water flow path, and a cooling water flow path. A plurality of groove portions 15 b are provided on the surface of the separator 15 in contact with the power supply body 14. The cathode-side groove 15b is a hydrogen channel.

電極膜１０は、たとえばフッ素系のイオン交換樹脂膜である。電極膜１０は、水素イオン等の陽イオンのみを通過させる。電極膜１０の膜厚は、２０〜１００μｍである。薄膜である電極膜１０は、給電体１３および給電体１４によって支持されることで、その形状を保持している。電極膜１０は、炭化水素系イオン交換膜等であってもよい。アノード側の触媒層１１としては、たとえば酸化イリジウムが用いられる。カソード側の触媒層１２としては、たとえば白金が用いられる。   The electrode film 10 is, for example, a fluorine ion exchange resin film. The electrode film 10 allows only cations such as hydrogen ions to pass through. The film thickness of the electrode film 10 is 20 to 100 μm. The electrode film 10, which is a thin film, is supported by the power supply body 13 and the power supply body 14, thereby maintaining its shape. The electrode membrane 10 may be a hydrocarbon ion exchange membrane or the like. For example, iridium oxide is used as the catalyst layer 11 on the anode side. As the catalyst layer 12 on the cathode side, for example, platinum is used.

給電体１３および給電体１４は、いずれも、導電性を有する多孔質の金属材料からなる。給電体１３および給電体１４を形成する材料としては、たとえばチタンまたはステンレスが用いられる。給電体１３および給電体１４は、チタンまたはステンレス等の繊維の焼結体であり、内部に空隙を含んでいる。内部の空隙に面する金属材料の表面には、ロジウム等の貴金属コーティングが施されている。金属材料の表面のコーティングに用いられる貴金属は、白金であってもよいし、白金族に属する他の金属であってもよい。貴金属コーティングが施された給電体１３および給電体１４は、耐食性を有し、電気抵抗が低く、かつ親水性の表面特性を有している。給電体１３および給電体１４は、親水性を有することで、常に濡れた状態を保つ。言い換えれば、給電体１３および給電体１４は、保水性を有する。   Each of the power feeding body 13 and the power feeding body 14 is made of a porous metal material having conductivity. As a material for forming the power feeding body 13 and the power feeding body 14, for example, titanium or stainless steel is used. The power feeding body 13 and the power feeding body 14 are sintered bodies of fibers such as titanium or stainless steel and include voids therein. A noble metal coating such as rhodium is applied to the surface of the metal material facing the internal void. The noble metal used for coating the surface of the metal material may be platinum or another metal belonging to the platinum group. The power feeding body 13 and the power feeding body 14 to which the noble metal coating is applied have corrosion resistance, low electrical resistance, and hydrophilic surface characteristics. The power feeding body 13 and the power feeding body 14 always have a wet state by being hydrophilic. In other words, the power feeding body 13 and the power feeding body 14 have water retention.

水電解装置１では、アノード側に給水を行うタイプのセル構造８を採用している。アノード側の給電体１３に水が供給されると、水は、給電体１３内の空隙を毛細管現象により移動する。この作用により、水電解装置１の設置方向や重力の有無に関わらず、水が給電体１３の内部を行き渡るように構成されている。よって、電極膜１０の触媒層１１付近で生じた酸素は、この水の浸入に伴い、空隙からセパレータ１５側へ排出され易くなる。なお、給電体１４も同様の機能を有する。   The water electrolysis apparatus 1 employs a cell structure 8 that supplies water to the anode side. When water is supplied to the anode-side power supply body 13, the water moves through the gap in the power supply body 13 by capillary action. Due to this action, the water is configured to flow through the inside of the power feeder 13 regardless of the installation direction of the water electrolysis apparatus 1 and the presence or absence of gravity. Therefore, oxygen generated in the vicinity of the catalyst layer 11 of the electrode film 10 is easily discharged from the gap to the separator 15 side as the water enters. The power feeder 14 also has a similar function.

本実施形態の水電解装置１では、発生した水素および酸素を水素タンク６および酸素タンク７にそれぞれ直接充填する。このとき、水素タンク６と燃料電池３とを接続する流路、および、酸素タンク７と燃料電池３とを接続する流路は閉じた状態とされており、水素および酸素が発生する空間は閉鎖された空間になっている。閉鎖空間が形成され、さらにセパレータ１５が耐圧構造を有することにより、水電解装置１では、高圧でガスを発生可能になっている。たとえば、水素および酸素は、２０〜３０ＭＰａの高圧をもって生成される。水電解装置１では、水素および酸素を高圧で生成可能であることにより、水素タンク６および酸素タンク７の一次側において、ブースターポンプ等の昇圧手段は不要になっている。   In the water electrolysis apparatus 1 of the present embodiment, the generated hydrogen and oxygen are directly charged into the hydrogen tank 6 and the oxygen tank 7, respectively. At this time, the flow path connecting the hydrogen tank 6 and the fuel cell 3 and the flow path connecting the oxygen tank 7 and the fuel cell 3 are closed, and the space where hydrogen and oxygen are generated is closed. It has become a space. Since the closed space is formed and the separator 15 has a pressure resistant structure, the water electrolysis apparatus 1 can generate gas at a high pressure. For example, hydrogen and oxygen are produced with a high pressure of 20-30 MPa. In the water electrolysis apparatus 1, hydrogen and oxygen can be generated at a high pressure, so that no boosting means such as a booster pump is required on the primary side of the hydrogen tank 6 and the oxygen tank 7.

給電体１３および給電体１４は、電極膜１０を両側から挟むようにして支持する。電極膜１０の第１の面側に発生する酸素と、電極膜１０の第２の面側に発生する水素とで差圧が生じた場合には、その差圧が電極膜１０に作用する。差圧を受けた電極膜１０の損傷を防ぐべく、給電体１３および給電体１４は十分に緻密な構造を有している。金属材料の繊維を焼結させた給電体１３および給電体１４では、空隙の平均の大きさは、たとえば電極膜１０の膜厚の４倍以下になっている。すなわち、給電体１３および給電体１４の空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚に対応して、８０〜４００μｍとされる。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の３．５倍以下であってもよいし、３倍以下であってもよい。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の２．５倍以下であってもよいし、２倍以下であってもよい。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の５分の１以上であってもよいし、１０分の１以上であってもよい。給電体１３および給電体１４の空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚に対応して、４〜２０μｍとされてもよい。なお、空隙には様々な形状が想定されるが、空隙の大きさとは、言い換えれば、空隙の幅である。空隙が円筒状をなす場合は、空隙の大きさは直径に相当する。空隙の大きさは、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察に基づいて算出してもよいし、細孔分布に関する他の測定方法によって算出されてもよい。   The power feeding body 13 and the power feeding body 14 support the electrode film 10 so as to sandwich the electrode film 10 from both sides. When a differential pressure is generated between oxygen generated on the first surface side of the electrode film 10 and hydrogen generated on the second surface side of the electrode film 10, the differential pressure acts on the electrode film 10. In order to prevent damage to the electrode film 10 that has received the differential pressure, the power feeding body 13 and the power feeding body 14 have a sufficiently dense structure. In the power supply body 13 and the power supply body 14 in which the fibers of the metal material are sintered, the average size of the voids is, for example, four times or less the film thickness of the electrode film 10. That is, the average size of the gaps between the power feeding body 13 and the power feeding body 14 is 80 to 400 μm corresponding to the film thickness of the electrode film 10. The average size of the gaps in the power feeding body 13 and the power feeding body 14 may be 3.5 times or less the film thickness of the electrode film 10 or may be 3 times or less. The average size of the gaps in the power feeding body 13 and the power feeding body 14 may be 2.5 times or less the film thickness of the electrode film 10 or may be 2 times or less. The average size of the gaps in the power feeding body 13 and the power feeding body 14 may be one fifth or more of the film thickness of the electrode film 10 or may be one tenth or more. The average size of the gaps between the power supply body 13 and the power supply body 14 may be 4 to 20 μm corresponding to the film thickness of the electrode film 10. In addition, although various shapes are assumed for the air gap, the size of the air gap is, in other words, the width of the air gap. When the gap has a cylindrical shape, the size of the gap corresponds to the diameter. The size of the void may be calculated based on, for example, observation with a scanning electron microscope (SEM), or may be calculated by another measurement method related to the pore distribution.

セパレータ１５は、たとえば、耐食性が高く強度のあるチタンやステンレスからなる。   The separator 15 is made of, for example, titanium or stainless steel having high corrosion resistance and strength.

以上のセル構造８を有する水電解装置１では、図３に示されるように、溝部１５ａを通じて水が供給される。水は、給電体１３内に浸入して、給電体１３の内部に行き渡る。ここで、給電体１３を介して電極膜１０の触媒層１１に電流が供給されると、酸素極において水がＨ＋（プロトン）２個とＯ２−とに分解され、Ｈ＋は電極膜１０を通過して水素極にて電子を受け取り、水素ガスが発生する。一方、酸素極では、酸素ガスが発生する。この過程において、給電体１３は、触媒層１１の表面に発生する酸素ガスを排出しながら電解される水を供給する。給電体１３には親水性のコーティングが施されているため、毛細管現象が発現し、酸素ガスを排出し水を供給する働きが強化されている。これにより、たとえば重力に逆らう方向にも給水を行うことができる。 In the water electrolysis apparatus 1 having the above cell structure 8, as shown in FIG. 3, water is supplied through the groove 15a. The water penetrates into the power feeding body 13 and reaches the inside of the power feeding body 13. Here, when current is supplied to the catalyst layer 11 of the electrode film 10 via the power supply body 13, water is decomposed into two H + (protons) and O 2− at the oxygen electrode, and H + is the electrode film. Passing through 10, electrons are received at the hydrogen electrode, and hydrogen gas is generated. On the other hand, oxygen gas is generated at the oxygen electrode. In this process, the power feeder 13 supplies water to be electrolyzed while discharging oxygen gas generated on the surface of the catalyst layer 11. Since the power supply body 13 is provided with a hydrophilic coating, a capillary phenomenon appears, and the function of discharging oxygen gas and supplying water is enhanced. Thereby, for example, water can be supplied in a direction against gravity.

セル構造８の製造方法について説明する。給電体１３および給電体１４を製造する際、まずチタンやステンレス等の金属繊維の焼結体を用意する。焼結体は、金属繊維に圧力と温度を加えることで得られる。チタンやステンレス等の表面には、通常、酸化被膜が形成されている。この酸化被膜は電気抵抗が高いので、たとえば塩酸等によって、酸化被膜を除去する（酸洗い）。酸化被膜を除去したら、酸化被膜が再形成される前に、貴金属にてコーティングを行う。このコーティングは、たとえばめっき又は蒸着によって行うことができる。なお、酸洗いの工程において、条件（酸の種類、濃度、処理時間または温度等）を調整することにより、金属材料の表面に細かい凹凸を形成することが好ましい。細かい凹凸を形成する処理を施すことにより、親水性が増大する。なお、給電体１３および給電体１４の製造においては、金属繊維の焼結体を用いる場合に限られず、他の公知の方法で製造された多孔質の金属材料を用意してもよい。電極膜１０に対する触媒層１１および触媒層１２の形成方法、若しくは給電体１３および給電体１４を含む積層体の積層方法については、公知の方法を採用することができる。   A method for manufacturing the cell structure 8 will be described. When manufacturing the power feeding body 13 and the power feeding body 14, first, a sintered body of metal fibers such as titanium and stainless steel is prepared. The sintered body can be obtained by applying pressure and temperature to the metal fiber. An oxide film is usually formed on the surface of titanium or stainless steel. Since this oxide film has high electric resistance, the oxide film is removed (pickling) with, for example, hydrochloric acid. When the oxide film is removed, coating with a noble metal is performed before the oxide film is re-formed. This coating can be performed, for example, by plating or vapor deposition. In the pickling process, it is preferable to form fine irregularities on the surface of the metal material by adjusting the conditions (type of acid, concentration, treatment time, temperature, etc.). By applying a treatment for forming fine irregularities, hydrophilicity increases. In addition, in manufacture of the electric power feeder 13 and the electric power feeder 14, it is not restricted to the case where the sintered compact of a metal fiber is used, You may prepare the porous metal material manufactured by the other well-known method. As a method for forming the catalyst layer 11 and the catalyst layer 12 on the electrode film 10 or a method for laminating the laminate including the power feeding body 13 and the power feeding body 14, a known method can be employed.

以上説明した水電解装置１によれば、電極膜１０の第１の面側に設けられた給電体１３と、電極膜１０の第２の面側に設けられた給電体１４とは、多孔質の金属材料からなり、この金属材料の表面には貴金属コーティングが施されている。貴金属コーティングは、親水性の表面特性を有するため、給電体１３，１４の内部にまで水が行き渡りやすくなっている。図２に示されるように、電極膜１０の上面側から水が供給される場合はもちろんのこと、図４に示されるセル構造８Ａのように、電極膜１０の下面側から水を供給する場合であっても、毛細管現象によって、電極膜１０に至る範囲にまで水が供給される。さらには、重力のない宇宙空間で使用される場合であっても、毛細管現象によって、電極膜１０に至る範囲にまで水が供給される。よって、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。   According to the water electrolysis apparatus 1 described above, the power supply body 13 provided on the first surface side of the electrode film 10 and the power supply body 14 provided on the second surface side of the electrode film 10 are porous. The surface of the metal material is coated with a noble metal coating. Since the noble metal coating has hydrophilic surface characteristics, water can easily reach the inside of the power feeding bodies 13 and 14. As shown in FIG. 2, when water is supplied from the upper surface side of the electrode film 10, as well as when water is supplied from the lower surface side of the electrode film 10 as in the cell structure 8A shown in FIG. Even so, water is supplied to the range reaching the electrode film 10 by capillary action. Furthermore, even when used in a space without gravity, water is supplied to the range reaching the electrode film 10 by capillary action. Therefore, water can be stably supplied regardless of the installation direction and the use environment.

従来は、電極膜１０がドライアウトしないように、電極膜１０が水平になるように設置して上部から給水する必要があった。或いは、図８に示すセル構造２０のように装置が縦置きされる場合、電極膜１０がドライアウトしないように、外部給水タンク２１を設ける必要があった。また、ガス発生量を多くしたい場合は、ガスを強制的に置換するために、必要以上の量の水を、ポンプ等を用いて供給する必要があった。本実施形態のセル構造８を備える水電解装置１では、そのように設置方向や使用環境に対して特別の工夫を要することなく、電極膜１０のドライアウトを回避し、好適に給水を行うことができる。   Conventionally, it has been necessary to install the electrode film 10 horizontally and supply water from above so that the electrode film 10 does not dry out. Alternatively, when the apparatus is installed vertically as in the cell structure 20 shown in FIG. 8, it is necessary to provide an external water supply tank 21 so that the electrode film 10 does not dry out. In addition, when it is desired to increase the amount of gas generated, it is necessary to supply an excessive amount of water using a pump or the like in order to forcibly replace the gas. In the water electrolysis apparatus 1 provided with the cell structure 8 of the present embodiment, it is possible to avoid the dry out of the electrode film 10 and appropriately supply water without requiring any special device for the installation direction and the use environment. Can do.

水電解装置１では、電極膜１０の両側において、酸素と水素を高圧で発生させることができる。運転中に、酸素の圧力と水素の圧力とのバランスが崩れることがあっても、給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさが電極膜１０の膜厚の４倍以下であるため、給電体１３および給電体１４で電極膜１０を十分に支持することができる。その結果として、電極膜１０の損傷が防止される。   In the water electrolysis apparatus 1, oxygen and hydrogen can be generated at high pressure on both sides of the electrode film 10. Even if the balance between the pressure of oxygen and the pressure of hydrogen may be lost during operation, the average size of the gaps in the power feeding body 13 and the power feeding body 14 is not more than four times the film thickness of the electrode film 10. The electrode film 10 can be sufficiently supported by the power feeding body 13 and the power feeding body 14. As a result, damage to the electrode film 10 is prevented.

ここで、図６を参照して、給電体１３および給電体１４における空隙の大きさについて説明する。フッ素系のイオン交換樹脂膜である電極膜１０は、おおよそ、２０〜３０ＭＰａの引張強度を有している。上記したように、電極膜１０の膜厚ｔは、２０〜１００μｍである。給電体１３には、空孔Ｈが形成されていると仮定する。ここで、薄膜である電極膜１０が、仮に２０ＭＰａの圧力を受けて半球状に変形すると仮定すると、空孔Ｈの部分における電極膜１０の発生応力は、以下の式（１）で表すことができる。
σ＝Ｐｉｎ・ｒ／２ｔ・・・（１）
ここで、
σ：発生応力、
Ｐｉｎ：電極膜１０にかかる圧力、
ｒ：空孔Ｈの半径、
ｔ：イオン交換樹脂膜の膜厚、である。 Here, with reference to FIG. 6, the size of the gap in the power feeding body 13 and the power feeding body 14 will be described. The electrode film 10 that is a fluorine-based ion exchange resin film has a tensile strength of approximately 20 to 30 MPa. As described above, the film thickness t of the electrode film 10 is 20 to 100 μm. It is assumed that a hole H is formed in the power supply body 13. Here, assuming that the electrode film 10 which is a thin film is deformed into a hemispherical shape by receiving a pressure of 20 MPa, the generated stress of the electrode film 10 in the hole H portion can be expressed by the following formula (1). it can.
σ = P in · r / 2t (1)
here,
σ: Stress generated,
P in: pressure applied to the electrode film 10,
r: radius of hole H,
t: The film thickness of the ion exchange resin film.

電極膜１０の膜厚が１００μｍのとき、発生応力を２０ＭＰａ以下にするために必要な空孔（空隙）Ｈの半径ｒは、以下の式（２）から、式（３）のとおりに求められる。
２０［ＭＰａ］＞２０［ＭＰａ］×ｒ／（２×１００）［μｍ］・・・（２）
ｒ＜２００［μｍ］・・・（３）
このことから、給電体１３，１４の空孔（空隙）Ｈの半径は、電極膜１０の膜厚の２倍以下であるのが好ましいことがわかる。すなわち、給電体１３，１４の空孔（空隙）の直径は、電極膜１０の膜厚の４倍以下であるのが好ましい。なお、触媒層１１，１２の厚みは、上記計算においては無視し得る程度である。 When the film thickness of the electrode film 10 is 100 μm, the radius r of the hole (void) H necessary for making the generated stress 20 MPa or less is obtained from the following equation (2) as the equation (3). .
20 [MPa]> 20 [MPa] × r / (2 × 100) [μm] (2)
r <200 [μm] (3)
From this, it can be seen that the radii (voids) H of the power feeding bodies 13 and 14 are preferably less than or equal to twice the film thickness of the electrode film 10. That is, the diameter of the holes (voids) of the power feeding bodies 13 and 14 is preferably not more than four times the film thickness of the electrode film 10. In addition, the thickness of the catalyst layers 11 and 12 is a grade which can be disregarded in the said calculation.

本発明は、上記した実施形態に限られない。たとえば、図５に示されるように、溝部１５ａ，１５ｂが形成されたセパレータ１５に代えて、チタンもしくはステンレスからなるメッシュ板を積層したメッシュ板１７およびメッシュ板１８によって水およびガスの流路を形成したセル構造８Ｂを採用してもよい。この場合、溝部を有しない平板状のセパレータ１９が設けられる。セパレータ１９と給電体１３の間に、酸素の流路と供給水の流路と冷却水の流路とを兼ねたメッシュ板１８が設けられ、セパレータ１９と給電体１４の間に、水素の流路としてのメッシュ板１７が設けられる。このようなセル構造８Ｂによれば、セパレータに複雑な流路を形成する必要がなく、簡易な構成で、水およびガスの流路を設け、水電解を行うことができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, as shown in FIG. 5, instead of the separator 15 in which the groove portions 15a and 15b are formed, water and gas flow paths are formed by the mesh plate 17 and the mesh plate 18 in which mesh plates made of titanium or stainless steel are laminated. The cell structure 8B may be adopted. In this case, a flat separator 19 having no groove is provided. A mesh plate 18 serving as an oxygen flow path, a supply water flow path, and a cooling water flow path is provided between the separator 19 and the power supply body 13, and a hydrogen flow is provided between the separator 19 and the power supply body 14. A mesh plate 17 is provided as a path. According to such a cell structure 8B, it is not necessary to form a complicated flow path in the separator, and water and gas flow paths can be provided and water electrolysis can be performed with a simple configuration.

水電解装置１のセル構造は、アノード側に給水を行うタイプのセル構造８に限られず、カソード側に給水を行うタイプのセル構造であってもよい。本発明の水電解装置１は、無重力の宇宙空間で用いられてもよい。燃料電池３は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に限られず、アルカリ型、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であってもよく、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であってもよい。水電解装置１は、燃料電池システムに搭載される場合に限られない。水素発生装置として、水電解装置が単独で用いられてもよい。   The cell structure of the water electrolysis apparatus 1 is not limited to the cell structure 8 that supplies water to the anode side, and may be a cell structure that supplies water to the cathode side. The water electrolysis apparatus 1 of the present invention may be used in a zero gravity space. The fuel cell 3 is not limited to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and may be an alkaline type, a phosphoric acid type fuel cell (PAFC), or a solid oxide fuel cell (SOFC). The water electrolysis device 1 is not limited to being mounted on a fuel cell system. A water electrolysis device may be used alone as the hydrogen generator.

（実験例）
図７に示されるように、水電解装置１の設置方向による影響を確認するために実験を行った。図２に示される上面給水（電極膜１０の上面側の溝部１５ａから給水される形態）と、図４に示される下面給水（電極膜１０の下面側の溝部１５ａから給水される形態）のそれぞれに対応する装置を作成し、実際に水電解を行い、電流密度に応じたセル電圧を測定した。図７に示されるように、アノード側から給水する形態において、上面給水と下面給水とでセル電圧にほとんど差が見られなかった。このように、電極膜１０の下面側からの給水でも特性に影響がないことが確認された。 (Experimental example)
As shown in FIG. 7, an experiment was performed to confirm the influence of the installation direction of the water electrolysis apparatus 1. Each of the upper surface water supply shown in FIG. 2 (form supplied from the groove portion 15a on the upper surface side of the electrode film 10) and the lower surface water supply (form supplied from the groove portion 15a on the lower surface side of the electrode film 10) shown in FIG. A device corresponding to the above was prepared, water electrolysis was actually performed, and the cell voltage corresponding to the current density was measured. As shown in FIG. 7, in the form of supplying water from the anode side, there was almost no difference in cell voltage between the upper surface water supply and the lower surface water supply. Thus, it was confirmed that there is no influence on the characteristics even when water is supplied from the lower surface side of the electrode film 10.

１ 水電解装置
３ 燃料電池
８、８Ａ、８Ｂ セル構造
１０ 電極膜
１１、１２ 触媒層
１３、１４ 給電体
１５ セパレータ
１５ａ 溝部
１５ｂ 溝部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water electrolysis apparatus 3 Fuel cell 8, 8A, 8B Cell structure 10 Electrode membrane 11, 12 Catalyst layer 13, 14 Feed body 15 Separator 15a Groove part 15b Groove part

Claims (2)

電極膜と、
前記電極膜の第１の面側および第２の面側に設けられて、前記電極膜を両側から支持する第１の給電体および第２の給電体と、を備え、
前記第１の給電体および前記第２の給電体は、それぞれ、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる、水電解装置。 An electrode film;
A first power feeding body and a second power feeding body that are provided on the first surface side and the second surface side of the electrode film and support the electrode film from both sides, and
Each of the first power supply body and the second power supply body is a water electrolysis device made of a porous metal material to which a noble metal coating is applied. 前記第１の給電体および前記第２の給電体における前記空隙の平均の大きさは、前記電極膜の膜厚の４倍以下である、請求項１に記載の水電解装置。   2. The water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein an average size of the gaps in the first power supply body and the second power supply body is not more than four times the film thickness of the electrode film.
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