JP2862809B2

JP2862809B2 - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JP2862809B2
Application number: JP7059331A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 信一安井; 宏子小林; 衛長尾; 隆佐々木; 明浅利; 宙幸原田
Original assignee: SHINKO PANTETSUKU KK
Current assignee: SHINKO PANTETSUKU KK
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: JPH08260180A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質膜を隔膜と
して用い、複極式の電極板の陽極側に純水を供給しなが
ら電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水
素ガスを発生させるための複極式の水素・酸素発生装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の水素・酸素発生装置
の構造としては、多量の酸素ガス、水素ガスを必要とす
る場合など大規模施設に適用する場合に、図１０に示し
たようないわゆる「複極式フィルタープレス型電気分解
装置」が提案されている（「新版電気化学便覧」、
（社）電気化学協会編、丸善（株）発行、第２版第４
刷、第733 頁参照）。

【０００３】この装置は、固体電解質膜210 、例えば、
カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交
換膜、例えば、デュポン社製「ナフィオン117 」）と、
その両面に添設した白金属族金属等からなるメッシュ状
の多孔質給電体211 、 212 と、両多孔質給電体211 、 21
2 の外側に配設した複極式電極板213 とから構成される
複数個の固体電解質膜ユニット220 、 220 を、多数構成
されるように各ユニットを重ね合わせて配置した水電解
セルから構成されるものである。なお、複極式電極板21
3 は、通電した際に電極板の表面と裏面が逆の電位とな
る単一枚の電極板である。

【０００４】すなわち、この場合、水を陽極側に供給し
ながら電気分解することにより、陽極側では、2H₂O →
O ₂＋4H⁺＋4e^-のような反応が起こり酸素ガスが発生
し、陰極側では、4H⁺＋4e^-→２H ₂の反応が起こり水
素ガスが発生するものである。

【０００５】そして、固体電解質膜ユニット220 、 220
の陽極側の多孔質給電体211 、 211に純水を供給するた
めの純水供給経路215 、 215 を配設するとともに、固体
電解質膜ユニット220 、 220 の陽極側の多孔質給電体21
1 、 211 から酸素ガス（水を含む）を取り出すための酸
素ガス取り出し経路216,216 を配設し、固体電解質膜ユ
ニット220 、 220 の陰極側の多孔質給電体212 、 212 か
ら水素ガス（水を含む）を取り出すための水素ガス取り
出し経路217,217 を配設した構造である。

【０００６】具体的には、このような水素・酸素発生装
置の水の供給経路等の構造としては、水電解セルに長手
（軸）方向に、マニホールド式の水の供給経路を設けて
陽極側に純水を供給するとともに、陽極側より発生した
酸素と水を取り出すために、長手（軸）方向に設けた別
のマニホールド式の取り出し経路を設け、さらに、長手
（軸）方向に設けた別のマニホールド式の取り出し経路
を設け、陰極側から発生した水と水素が取り出されるよ
うに構成したものである。また、この場合、水電解セル
の多孔質給電体の外周には、固体電解質膜を挟んで環状
のガスケットを配設して、水電解セル内部と大気側との
シールを確保した構成としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の水素・酸素発生装置では、水電解セル内の圧力が
大気圧側よりかなり高い場合には、そのガス圧差によっ
て、シール機能が損なわれて、ガスケットより大気側に
酸素、水素、水などが漏洩する可能性があり、好ましく
なかった。また、陽極側と陰極側との差圧が大きい場合
には、固体電解質膜の破損にもつながり、装置本来の機
能が果たせないなどの問題があった。

【０００８】また、固体電解質膜を挟んで環状のガスケ
ットを配設して、水電解セル内部と大気側とのシールを
確保した構成とした場合には、固体電解質膜が柔らかい
ために、高圧下でもシール機能が損なわれないように、
ガスケット材質を強度を有するものにした場合には、挟
着圧力によって固体電解質膜自体が破損してしまうなど
の問題があった。

【０００９】本発明は、このような実情を考慮して、水
電解セル内の圧力が大気圧よりかなり高い場合、例え
ば、0.98MPa の場合にも、シール機能が損なわれること
なく、ガスケットより大気側に酸素、水素、水などが漏
洩しない高圧で操業可能な水素・酸素発生装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】また、本発明は、装置の始動時において、
陽極側と陰極側との差圧が大きくなることなく、固体電
解質膜が破損することなく、円滑に装置本来の機能が果
たせる高圧で操業可能な水素・酸素発生装置を提供する
ことをも目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述したよう
な従来技術における課題及び目的を達成するために発明
なされたものであって、下記の（１）〜（４）を、その
構成要旨とするものである。

【００１２】（１）固体電解質膜と、その両面に添設し
た多孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設した陽
極及び陰極の両作用を行う複極式の電極板とから構成さ
れる複数個の固体電解質膜ユニットを積層した構造の複
極式の水電解セルを、円筒状の容器内に配設するととも
に、固体電解質膜と電極板との間に配設され且つ固体電
解質膜を挟着するガスケットを柔軟性を有する部材から
構成して、ガスケット外周部が容器内面に密着するよう
にしてシール構造となるようにしたことを特徴とする水
素・酸素発生装置。

【００１３】（２）前記水電解セルの陽極側及び陰極側
へ、前記各固体電解質膜ユニットを長手方向に貫通する
マニホールド式の純水供給経路をそれぞれ設けて、水素
・酸素発生装置の始動時において、水電解セル内の陽極
側及び陰極側の圧力がほぼ等しくなるように構成したこ
とを特徴とする前述の（１）に記載の水素・酸素発生装
置。

【００１４】（３）水素・酸素発生装置の始動後通常運
転時において、水電解セル内の陽極側の酸素ガス圧力と
陰極側の水素ガス圧力との差圧が、固体高分子電解質膜
の酸素側と水素側との最大差圧設計基準以下となるよう
に、酸素側及び水素側気液分離タンクに設けられた圧力
調整装置を制御するように構成したことを特徴とする前
述の（１）又は（２）に記載の水素・酸素発生装置。

【００１５】（４）水電解セルの両端に配設された端部
電極板の周縁部に、シール用Ｏ−リング部材を装着し
て、容器内面のシール構造としたことを特徴とする前述
の（１）から（３）のいずれかに記載の水素・酸素発生
装置。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいてより
詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一
実施例の分解斜視図で、図2 は、図1 のA −A 線につい
ての部分縦断面図で、各構成部材間を理解のために僅か
に距離をおいた状態で示してある、図3 は、図2 の装置
を組み立てた状態を示す部分縦断面図、図4 は、そのＣ
方向の端面図である。

【００１８】図１〜図3 において、１は全体で、本発明
の水素・酸素発生装置を示している。水素・酸素発生装
置１は、基本的には、円盤状の固体電解質膜10と、その
両面に添設した環状の多孔質給電体20、 20と、両多孔質
給電体20、20の外側に配設した円盤状の陽極及び陰極の
両作用を行う環状の電極板30とから構成される複数個の
円盤状の固体電解質膜ユニット40,40 を、複数個並設し
た水電解セル2 からなる構造のものである。なお、各電
極板30は、複極式電極板であって、通電した際に電極板
の表面と裏面が逆の電位となる単一枚の電極板である。

【００１９】具体的には、一端のSUS316などから構成さ
れる角形状のエンドプレート60、円盤状のPVC 、 PTFE
（ポリテトラフルオロエチレン）などの樹脂からなる端
部絶縁板70' 、チタンからなる端部電極板30' 、シリコ
ンゴム、フッ素ゴムなどからなる環状のガスケット70、
テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体（PFA ）製フィルムなどから構成され
る環状の保護シート80、固体電解質膜10、保護シート8
0、環状のガスケット70、中間部の電極板30……他端の
端部電極板30' 、端部絶縁板70”、エンドプレート60'
から構成されている。

【００２０】なお、この場合、固体電解質膜10と電極板
30とガスケット70とで構成されるシールされた各室に多
孔質給電体20が収容され、多孔質給電体20の外周部に形
成されたリング状の取着部20a が、ガスケット70と保護
シート80で挟着固定されており、これがそれぞれ陽極室
( 酸素発生室)A、陰極室（水素発生室）B を形成してい
る。

【００２１】また、この場合、図1 に示したように、両
端部の端部電極板30' には、チタンからなる給電棒30'a
〜30'dが４ヶ所外側に突設されており、端部絶縁板70'
、70”に形設された電極用孔部70'a〜70'd（70”a 〜7
0"d）を貫通して、エンドプレート60,60'の電極用孔部6
0a 〜60d （60'a〜60'd）に嵌合された絶縁ブシュ61a〜
61d を貫通して、別途設けられた電源（図示せず）より
電圧が、両端部の端部電極板30' にそれぞれ印加される
ようになっている。

【００２２】そして、各固体電解質膜ユニット40には、
長手( 軸) 方向に連通する純水供給経路52、水素ガス取
出し経路54、酸素ガス取出し経路56、ならびに水抜き用
ドレン経路58がそれぞれマニホールド式に形設されてい
る。

【００２３】すなわち、この純水供給経路52は、エンド
プレート60' に設けられた純水供給用ノズル62から、端
部絶縁板70" の孔部72" 、端部電極板30' の純水供給用
孔部32' 、ガスケット70の孔部72、保護シート80の孔部
82、固体電解質膜10の純水供給用孔部12、保護シート80
の孔部82、ガスケット70の孔部72、中間の電極板30の純
水供給用孔部32、……他端の端部電極板30' の純水供給
用孔部32' に終端するようにマニホールド式に構成され
ている。

【００２４】同様に、水素ガス取出し経路54は、エンド
プレート60に設けられた水素ガス取出し用ノズル64か
ら、端部絶縁板70' の孔部74' 、端部電極板30' の水素
ガス取出し用孔部34' 、ガスケット70の孔部74、保護シ
ート80の孔部84、固体電解質膜10の水素ガス取出し用孔
部14、保護シート80の孔部84、ガスケット70の孔部74、
中間の電極板30の水素ガス取出し用孔部34、……他端の
端部電極板30' の水素ガス取出し用孔部34' に終端する
ようにマニホールド式に構成されている。

【００２５】また、同様に、酸素ガス取出し経路56は、
エンドプレート60' に設けられた酸素ガス取出し用ノズ
ル66から、端部絶縁板70”の孔部76" 、端部電極板30'
の酸素ガス取出し用孔部36' 、ガスケット70の孔部76、
保護シート80の孔部86、固体電解質膜10の酸素ガス取出
し用孔部16、保護シート80の孔部86、ガスケット70の孔
部76、中間の電極板30の酸素ガス取出し用孔部36、……
他端の端部電極板30'の酸素ガス取出し用孔部36' に終
端するようにマニホールド式に構成されている。

【００２６】さらに、同様に、水抜き用ドレン経路58
は、エンドプレート60に設けられた水抜き用ノズル68か
ら、端部絶縁板70' の孔部78' 、端部電極板30' の水抜
き用孔部38' 、ガスケット70の孔部78、保護シート80の
孔部88、固体電解質膜10の水抜き用孔部18、保護シート
80の孔部88、ガスケット70の孔部78、中間の電極板30の
水抜き用孔部38、……他端の端部電極板30' の水抜き用
孔部38' に終端するようにマニホールド式に構成されて
いる。

【００２７】なお、本実施例の場合、図4 に示したよう
に、エンドプレート60側に、水素ガス取出し用ノズル6
4、水抜き用ノズル68を設け、エンドプレート60' 側
に、純水供給用ノズル62、酸素ガス取出し用ノズル66を
設けているが、これらのノズルの配置は、例えば、全て
のノズルを片方のエンドプレート側に配設するなど、適
宜変更可能である。

【００２８】図6 は、電極板30の拡大斜視図であり、図
7(a)は、その正面図、図7(b)は、図7(a)のB −B 線につ
いての断面図である。

【００２９】ところで、これらの図に示したように、電
極板30の陽極面側表面には、純水供給経路52から純水を
陽極室A に供給するために、純水供給用孔部32に至る略
逆L字形状の溝形状の純水供給凹部32a が凹設されてい
る。一方、電極板30の陽極面側表面には、純水供給経路
52と中心軸に対して点対象の位置に、陽極室A で発生し
た酸素ガス及び純水を酸素ガス取出し経路56を介して捕
集するために、酸素ガス取出し用孔部36に至る略逆L 字
形状の溝形状の酸素ガス捕集凹部36a が凹設されてい
る。また、電極板30の陰極面側表面には、陰極室B で発
生した水素ガスを水素ガス取出し経路54を介して捕集す
るために、水素ガス取出し用孔部34に至る略逆L 字形状
の溝形状の水素ガス捕集凹部34a が凹設されている。さ
らに、電極板30の陰極面側表面には、水素ガス取出し経
路54と中心軸に対して点対象の位置に、陰極室B に溜ま
った純水を水抜き用ドレン経路58を介して排出するため
に、水抜き用孔部38に至る略逆L 字形状の溝形状の水抜
き捕集凹部38a が凹設されている。

【００３０】しかしながら、電極板30の構成としては、
この構造に限定されるものではなく、効率的に陽極室A
に純水を供給し、発生した酸素ガスを捕集でき、陰極室
より水素ガス、水を取り出せる構造のものであればいず
れも使用可能である。

【００３１】図8 は、電極板30の各溝形状の凹部構造の
別の実施例であり、純水供給凹部32a 、水素ガス捕集凹
部34a 、酸素ガス捕集凹部36a 、水抜き捕集凹部38a に
相当する各溝形状の凹部に、多孔質材料から構成した詰
物部材32c （34c 、 36c 、 38c ）を装着して、電極板30
の陽極及び陰極表面を平坦化することによって、締め付
け力が一定に加わり、電極板30の溝形状の凹部32a （34
a 、 36a 、 38a ）と軟質ガスケット70間の密封性を向上
させることができる。なお、この場合、多孔質材料の詰
物部材としては、本実施例（電極板の材質がチタンの場
合）では、チタンメッシュが使用できるが、この他に、
カーボンの多孔質体やセラミックの多孔質体も使用可能
である。

【００３２】図9 は、電極板30の各溝形状の凹部構造の
さらに別の実施例であり、純水供給凹部32a 、水素ガス
捕集凹部34a 、酸素ガス捕集凹部36a 、水抜き捕集凹部
38aに相当する各溝形状の凹部の周縁部に蓋板部材装着
凹部32d （34d 、 36d 、 38d）を凹設し、この凹部に蓋
板部材32e （34e 、 36e 、 38e ）を装着した構成であ
る。なお、蓋板部材としては、本実施例（電極板の材質
がチタンの場合）の場合では、チタン板を使用するが、
この他に、カーボン製の電極板に用いる場合は、カーボ
ン製の蓋板部材が使用可能である。要するに、蓋板部材
としては、電極板と同じ材質を用いることが好ましい。

【００３３】また、この蓋板部材32e （34e 、 36e 、 38
e ）には、純水供給用孔部32、水素ガス取出し用孔部3
4、酸素ガス取出し用孔部36、水抜き用孔部38に相当す
る部位に孔部32e'（34e'、 36e'、 38e'）が設けられると
ともに、ガスケット70と当接する部位以外の箇所に水素
ガス、酸素ガス、水などの入口となる開口部32e ”（34
e ”、 36e ”、 38e ”）を設けている。このような蓋板
部材32e （34e 、 36e 、38e ）を装着することによって
も、電極板30の陽極及び陰極表面を平坦化することによ
って、締め付け力が一定に加わり、電極板30の溝形状の
凹部32a （34a 、36a 、 38a ）と軟質ガスケット70間の
密封性を向上させることができる。

【００３４】さらに、固体電解質膜10としては、固体高
分子電解質を膜状に形成したもの、例えば、カチオン交
換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜、例え
ば、デュポン社製「ナフィオン117 」）の両面に、貴金
属、特に、白金族金属からなる多孔質の陽極及び陰極
を、化学的に無電解メッキで接合した構造の「固体高分
子電解質膜」を使用するのが好適である。また、この場
合、両電極としては、白金であるのが好ましく、特に、
白金とイリジウムの２層の構造とした場合には、高電流
密度、例えば、従来の物理的に電極をイオン交換膜に接
触させた構造の固体電解質では、50〜70A/dm²であるの
に対して、80℃、200A/dm ²において約4年間の長期間
電気分解することが可能となる。なお、この場合、前記
イリジウムの他にも、２種類以上の白金族金属をメッキ
した多層構造の固体高分子電解質膜も使用可能であり、
より高電流密度化が可能となる。

【００３５】また、本願の固体電解質膜10では、固体高
分子電解質の両面に貴金属からなる電極を化学的に無電
解メッキで接合した構造であるので、固体高分子電解質
と両電極の間に水が存在しないので、溶液抵抗、ガス抵
抗がないので、固体高分子電解質と両電極の間の接触抵
抗が低く、電圧が低く、電流分布が均一となり、高電流
密度化、高温水電解、高圧水電解が可能となり、高純度
の酸素、水素ガスを効率良く得ることが可能である。

【００３６】一方、多孔質給電体20としては、通気性を
確保するために、チタン製のメッシュ、例えば、エキス
パンドメタル3 層重ねで、厚さ数mmとするのが好まし
い。なお、この多孔質給電体を用いることによって、電
極板30から固体電解質膜10の表面の白金メッキ部へ、電
気分解に必要な電気を供給するとともに、原料である純
水及び発生する酸素、水素ガスを通過させることができ
る。また、多孔質給電体20は、要するに、導電性の通気
性を有する多孔質体であれば良く、上記のもの以外に
も、カーボン多孔質体、金属多孔質体、多孔質導電セラ
ミック等が適用可能である。

【００３７】また、電極板30としては、耐食性の理由か
ら、チタン製とし、本実施例では、5mm 〜6mm の厚さの
ものを使用した。

【００３８】さらに、図3 に示したように、両端の固体
電解質膜ユニット40、 40の外側には、ステンレス鋼製、
例えば、SUS304、SUS316などから構成される角形状のエ
ンドプレート60、 60' が設けられており、固体電解質膜
ユニット40,40 を並設するに際しては、固体電解質膜ユ
ニット40,40 からなる水電解セルを、円筒状の絶縁性を
有する材料からなる圧力容器90内に配設する。

【００３９】この場合、固体高分子電解質膜10を環状の
ガスケット70で挟着して、水電解セル内部と大気側との
シールを確保し、高圧下でもシール機能を損なわないよ
うにするためには、圧力容器90の内壁と水電解セルとの
間に間隙をほとんど設けないようにする。そして、固体
高分子電解質膜10が柔らかいために、ガスケット70の挟
着圧力によって固体電解質膜自体が破損しないように、
かつ高圧下でもシール機能を損なわないようにするため
に、ガスケット70の材質を柔らかい材質のもので構成
し、圧力容器90内壁とガスケット70を密着させることが
重要である。このようなガスケット70の材質としては、
シリコンゴム、フッ素ゴムなどが使用できる。

【００４０】また、圧力容器90の材質としては、圧力容
器内壁が電極板30に直接接触するために、絶縁性の材
料、例えば、FRP などの樹脂製とする他、圧力容器自体
をSUS304、SUS316などの金属製として、その内面をテフ
ロンコーティング又はグラスライニングなどの絶縁加工
を施したものとすることができる。

【００４１】さらに、水電解セルの両端に配設された端
部電極板30',30' の周縁部に、シール用溝31e'を形設し
て、この溝にシール用Ｏ−リング部材31を装着して、容
器内面との間シール構造を確保して、万一何等かの原因
で、ガスケット70のシール構造が機能しなくなった場合
にも、装置外部に水、酸素ガス、水素ガスが漏洩しない
ようにしてある。このＯ−リング部材31としては、フッ
素ゴム、シリコンゴムなどから構成するのが好ましい。

【００４２】そして、本装置を組立るには、圧力容器90
のエンドプレート60側に形成された顎部90' に形成され
た複数のボルト孔93、エンドプレート60に穿設されたボ
ルト取着孔62にボルト（図示せず）により、圧力容器90
とエンドプレート60を固着した後、両端のエンドプレー
ト60、 60' に複数（本実施例の場合４つ）の貫通孔94、
94' を穿設し、該貫通孔94、 94' に貫通ボルト92、 92を
装着し、圧力容器90の外側を貫通ボルト92,92 が通るよ
うにして、ナット96によって締結することにより行う構
造となっている。

【００４３】また、水素・酸素発生装置１は、図5 に示
したように、純水装置100 から純水供給ライン101 を介
して、純水供給用ノズル62に接続されている。また、酸
素ガス取出し用ノズル66は、ライン103 を介して酸素側
気液分離タンク110 に接続されるとともに、酸素側気液
分離タンク110 で気液分離された酸素ガスは、貯蔵タン
クなど（図示せず）のユースポイントに接続されてい
る。一方、水素ガス取出し用ノズル64も同様に、ライン
104 を介して水素側気液分離タンク120 に接続されると
ともに、水素側気液分離タンク120 で気液分離された水
素ガスは、貯蔵タンクなど（図示せず）のユースポイン
トに接続されている。さらに、水抜き用ノズル68は、ラ
イン105 を介して純水供給ライン101 に接続されるとと
もに、ライン106 を介して、純水装置100 に接続されて
いる。

【００４４】また、酸素側気液分離タンク110 、水素側
気液分離タンク120 で気液分離された純水は、それぞれ
ライン107 、 108 を通して純水装置100 に接続されてい
る。

【００４５】このように構成される水素・酸素発生装置
１を始動する際には、先ず、酸素側気液分離タンク110
及び水素側気液分離タンク120 のユースポイント側の自
動弁a 、 b を閉止した状態で、ガス抜き弁c,d を開く。
次に、ライン106 に設けられたドレン弁e を閉じた状態
で、ライン105 に設けられた弁f を開け、その後、純水
供給ライン101 に設けられた弁g を徐々に開けて、0.9
MPa 程度の圧力で、純水供給ライン101 を介して、純水
供給用ノズル62を介して、純水供給経路52より水電解セ
ルの陽極側に純水を供給する。この場合、供給水の圧力
は0.9 MPa 〜0.97 MPaであるが、ライン101 に設けられ
た圧力逃し弁h が、その設定圧力が0.9MPa 程に設定さ
れているので、水電解セルの陽極側には、0.9 MPa 程度
の圧力で給水が維持されるようになっている。

【００４６】そして、純水供給用ノズル62を介して、純
水供給経路52より、電極板30の純水供給用孔部32を介し
て、電極板30の陽極面側表面に形成され溝形状の純水供
給凹部32a の純水供給口32b から、純水が陽極室A に収
容された多孔質給電体20に供給される。その後、純水
は、電極板30の陽極面側表面に、純水供給経路52と中心
軸に対して点対象の位置に形成された溝形状の酸素ガス
捕集凹部36a を介して補集され、電極板30の酸素ガス取
出し用孔部36より酸素ガス取出し経路56を介して、エン
ドプレート60' に設けられた酸素ガス取出し用ノズル66
から、ライン103を介して、酸素側気液分離タンク110
のガス抜き弁c を介して排出される。

【００４７】一方、純水装置100 より、ライン101 、 10
5 を介して、水抜き用ノズル68に純水が供給されて、電
極板30の水抜き用ドレン経路58を介して、電極板30の陰
極面側表面に、水素ガス取出し経路54と中心軸に対して
点対象の位置に形成された、溝形状の水抜き捕集凹部38
a を介して、陰極室B に純水が供給される。

【００４８】そして、この陰極室に供給された純水は、
電極板30の陰極面側表面に形成された溝形状の水素ガス
捕集凹部34a を介して補集され、電極板30の水素ガス取
出し用孔部34より水素ガス取出し経路54を介して、エン
ドプレート60' に設けられた水素ガス取出し用ノズル64
から、ライン104 を介して、水素側気液分離タンク120
のガス抜き弁d を介して排出される。

【００４９】このように両気液分離タンク110 、120 の
ガス抜き弁c,d より純水が排出されてきたら、ガス抜き
弁c,d を閉じる。その後、ライン105 の弁f を閉じて、
酸素側のみ純水が供給されるようにして、電気を通じて
電解を開始する。なお、この場合、ガス抜き弁c,d を閉
じた後、ライン105 の弁f を閉じる間に、装置内の水圧
が、陽極側及び陰極側ともに0.9 MPa 程度の圧力に保持
されるため、始動時及び運転中のいずれも水電解セルの
陽極側と陰極側の差圧を、水電解セルのシール構造の圧
力許容範囲内に保持できる。

【００５０】このように電解を開始した後には、酸素ガ
ス圧力と水素ガス圧力が、固体電解質膜10の酸素側と水
素側との最大差圧設計基準である0.4 MPa 以下となるよ
うに、両気液分離タンク110 、 120 に設けられた自動弁
a 、 b を制御するようになっている。

【００５１】なお、電解の際には、純水供給用ノズル62
から純水供給経路52より、電極板30の純水供給用孔部32
を介して、電極板30の陽極面側表面に形成され溝形状の
純水供給凹部32a の純水供給口32b から、純水が陽極室
A に収容された多孔質給電体20に供給される。そして、
この陽極室A に供給された純水が、陽極側の固体電解質
膜10において電気分解されて、2H₂O →O ₂＋4H⁺＋4e
^-のような反応が起こり、酸素ガスが発生し、発生した
酸素ガスと純水は、電極板30の陽極面側表面に形成され
た酸素ガス捕集凹部36a を介して補集され、電極板30の
酸素ガス取出し用孔部36より酸素ガス取出し経路56を介
して、酸素ガス取出し用ノズル66から、水と発生酸素ガ
スが取り出され、酸素ガス取り出し経路56に接続された
気液分離装置110 において酸素ガス水と分離される。

【００５２】一方、陰極側においては、固体電解質膜10
をH ⁺が通過して、陰極側の固体電解質膜10において電
気分解されて、4H⁺＋4e^-→2H₂の反応が起こり水素ガ
スが発生し、電極板30の陰極面側表面に形成された溝形
状の水素ガス捕集凹部34a を介して水素ガスが補集さ
れ、電極板30の水素ガス取出し用孔部34より水素ガス取
出し経路54を介して、水素ガス取出し用ノズル64から、
水と水素ガスが取り出され、水素ガス取り出し経路54に
接続された気液分離装置120 において水素ガスが水と分
離される。

【００５３】さらに、電極板30の陰極面側表面に形成さ
れた、溝形状の水抜き捕集凹部38aを介して、陰極室B
に溜まった純水が、電極板30の水抜き用ドレン経路58を
介して排出するために、水抜き用ドレンノズル68から、
純水が取り出されるようになっている。

【００５４】

【発明の効果】本発明の水素・酸素発生装置によれば、
下記に示したような顕著で特有な作用効果を奏する極め
て優れた発明である。

【００５５】（１）水電解セルを、円筒状の容器内にほ
とんど間隙を設けずに配設するとともに、固体電解質膜
と電極板との間に配設され且つ固体電解質膜を挟着する
ガスケットを、柔軟性を有する部材から構成して、ガス
ケット外周部が容器内面に密着するようにしてシール構
造となるようにしたので、水電解セル内の圧力が大気圧
側よりかなり高い場合にも、そのガス圧差によっても、
シール機能が損なわれず、ガスケットより大気側に酸
素、水素、水などが漏洩する可能性がない。

【００５６】（２）固体電解質膜を挟着するガスケット
を、柔軟性を有する部材から構成したので、固体高分子
電解質膜が柔らかいにもかかわらず、ガスケットの挟着
圧力によっても固体電解質膜自体が破損せず、かつ高圧
下でもシール機能が損なわない。

【００５７】（３）装置の始動時において、純水を所定
圧力で酸素側の純水供給経路に導入するとともに、水素
側にも前記所定圧力と同じ圧力の純水を供給するように
したので、水電解セルの酸素側と水素側との圧力がほぼ
等しくなるため、その差圧を水電解セルのシール構造の
圧力許容範囲内に保持することができるので、シール構
造が破損することなく、酸素ガス、水素ガスなどが水電
解セル外部に漏洩することがない。

【００５８】（４）また、装置の始動時において、酸素
側、水素側ともに、同等の圧力の純水が供給されるの
で、その差圧を固体電解質膜の圧力許容範囲内に抑える
ことができるので、固体電解質膜の破損をきたすことも
ない。

【００５９】（５）さらに、固体高分子電解質膜の酸素
側と水素側の差圧を設計基準内に制御できるので、固体
高分子電解質膜の破損をきたすこともない。

【００６０】（６）水電解セルの両端に配設された端部
電極板の周縁部に、シール用Ｏ−リング部材を装着し
て、容器内面との間シール構造を確保してあるので、万
一何等かの原因で、ガスケットのシール構造が機能しな
くなった場合にも、装置外部には、水、酸素ガス、水素
ガスが漏洩しない。

【００６１】（７）従って、本装置によれば、従来と比
較して、高圧で運転可能な水素・酸素発生装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一実施例の分解
斜視図で、図2 は、図1 のA −A 線についての部分縦断
面図で、各構成部材間を理解のために僅かに距離をおい
た状態で示してある、図3 は、、図4 は、そのＣ方向の
端面図である。

【図１】図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一実施
例の分解斜視図である。

【図２】図1 のA −A 線についての部分縦断面図で、各
構成部材間を理解のために僅かに距離をおいた状態で示
してある。

【図３】図3 は、図2 の装置を組み立てた状態を示す部
分縦断面図である。

【図４】図4 は、図3 のC 方向の端面図である。

【図５】図5 は、本発明の水素・酸素発生装置の全体の
構造を示す概略図である。

【図６】図6 は、電極板30の拡大斜視図である。

【図７】図7(a)は、その正面図、図7(b)は、図7(a)のB
−B 線についての断面図である。

【図８】図8(a)は、電極板30の各溝形状の凹部構造の別
の実施例を示す部分拡大斜視図、図8(b)は、図8(a)のC-
C 線についての断面図、図8(c)は、図8(a)のD-D 線につ
いての断面図である。

【図９】図9(a)は、電極板30の各溝形状の凹部構造の別
の実施例を示す部分拡大斜視図、図9(b)は、図9(a)のE-
E 線についての断面図、図9(c)は、図9(a)のF-F 線につ
いての断面図である。

【図１０】図10は、従来の複極式フィルタープレス型の
水素・酸素発生装置の概略を示す断面図である。

【符号の説明】

１…水素・酸素発生装置２…水電解セル 10…固体電解質膜 12、32、32' …純水供給用孔部 14、34、34' …水素ガス取出し用孔部 16、36、36' …酸素ガス取出し用孔部 18、38、38' …水抜き用孔部 20…多孔質給電体 20a …取着部 30…電極板 30' …端部電極板 31e'…シール用溝 31…シール用Ｏ−リング部材 32a …純水供給凹部 32b …純水供給口 32c （34c 、 36c 、 38c ）…詰物部材 32d (34d、 36d 、 38d ）…蓋板部材装着凹部 32e （34e 、 36e 、 38e ）…蓋板部材 32' …純水供給用孔部 34a …水素ガス捕集凹部 34b …水素ガス取出し口 36a …酸素ガス捕集凹部 36b …酸素ガス取出し口 38a …水抜き捕集凹部 38b …水抜き捕集口 40…固体電解質膜ユニット 52…純水供給経路 54…水素ガス取出し経路 56…酸素ガス取出し経路 58…水抜き用ドレン経路 60…エンドプレート 62…純水供給用ノズル 64…水素ガス取出し用ノズル 66…酸素ガス取出し用ノズル 68…水抜き用ノズル 70…ガスケット 70' …端部ガスケット 72、72' 、74、74' 、76、76' 、78、78' 、82、84、8
6、88、 …孔部 80…保護シート 90…圧力容器 94…貫通孔 92…貫通ボルト 96…ナット 100 …純水装置 110 …酸素側気液分離タンク 120 …水素側気液分離タンク 210 …固体電解質膜 211,212 …多孔質給電体 213 …複極式電極板 215 …純水供給経路 216 …酸素ガス取り出し経路 217 …水素ガス取り出し経路 220 …固体電解質膜ユニット A …陽極室 B …陰極室

フロントページの続き (72)発明者長尾衛大阪府大阪市東淀川区井高野２丁目７番 18−102号 (72)発明者佐々木隆兵庫県三木市志染町東自由が丘３丁目 310 (72)発明者浅利明兵庫県神戸市東灘区本山中町４丁目10の 20 (72)発明者原田宙幸東京都練馬区西大泉２−25−43 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質膜と、その両面に添設した多
孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設した陽極及
び陰極の両作用を行う複極式の電極板とから構成される
複数個の固体電解質膜ユニットを積層した構造の複極式
の水電解セルを、円筒状の容器内に配設するとともに、固体電解質膜と電極板との間に配設され且つ固体電解質
膜を挟着するガスケットを柔軟性を有する部材から構成
して、ガスケット外周部が容器内面に密着するようにし
てシール構造となるようにしたことを特徴とする水素・
酸素発生装置。
【請求項２】前記水電解セルの陽極側及び陰極側へ、
前記各固体電解質膜ユニットを長手方向に貫通するマニ
ホールド式の純水供給経路をそれぞれ設けて、水素・酸
素発生装置の始動時において、水電解セル内の陽極側及
び陰極側の圧力がほぼ等しくなるように構成したことを
特徴とする請求項１に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項３】水素・酸素発生装置の始動後通常運転時
において、水電解セル内の陽極側の酸素ガス圧力と陰極
側の水素ガス圧力との差圧が、固体高分子電解質膜の酸
素側と水素側との最大差圧設計基準以下となるように、
酸素側及び水素側気液分離タンクに設けられた圧力調整
装置を制御するように構成したことを特徴とする請求項
１又は２に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項４】水電解セルの両端に配設された端部電極
板の周縁部に、シール用Ｏ−リング部材を装着して、容
器内面のシール構造としたことを特徴とする請求項１か
ら３のいずれかに記載の水素・酸素発生装置。