JP3164741B2

JP3164741B2 - 固体電解質膜電解装置

Info

Publication number: JP3164741B2
Application number: JP26991594A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 信一安井; 宏子小林; 衛長尾; 隆佐々木; 宙幸原田
Original assignee: 神鋼パンテツク株式会社
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JPH08134679A

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、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
るための固体電解質膜電解装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の固体電解質膜電解装
置の構造としては、図3 に示したように、固体電解質膜
100 、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、白金属族金属等からなるメッシュ
状の多孔質の給電体101 、 102 を添設し、この両給電体
101 、 102 の外側にそれぞれ陽極板103 、陰極板104 を
配設したいわゆる「単極式」の構造のものがある。

【０００３】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。

【０００４】しかしながら、このような単極式では、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効率があまり良くないために、従来
より、図4 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）。

【０００５】この装置は、固体電解質膜110 と、その両
面に添設した多孔質給電体111 、 112 と、両多孔質給電
体111 、 112 の外側に配設した複極式電極板113 とから
構成される複数個の固体電解質膜ユニット120 、 120
を、多数構成されるように各ユニットを重ね合わせて配
置したものである。なお、複極式電極板113 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。そして、固体電解質膜ユニット120 、 120
の陽極側の多孔質給電体111 、 111 に純水を供給するた
めの純水供給経路115 、 115 を配設するとともに、固体
電解質膜ユニット120 、 120 の陽極側の多孔質給電体11
1 、 111 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116,116 を配設し、固体電解質膜ユ
ニット120、 120 の陰極側の多孔質給電体112 、 112 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117,117 を配設した構造である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような、「複極式フィルタープレス型電気分解装置」
では、複数個の固体電解質膜ユニット120 、 120 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
構造であるので、純水供給経路115 、 115 、酸素ガス取
り出し経路116,116 及び水素ガス取り出し経路117,117
がそれぞれ、固体電解質膜ユニット120 、 120 の個数分
配設しなければならないこととなる。例えば、図4 に示
したような、固体電解質膜ユニット120 、 120 を6 個並
設した構造のものでは、純水供給経路115 、 115 、酸素
ガス取り出し経路116,116 及び水素ガス取り出し経路11
7,117 をそれぞれ、6 箇所、合計18箇所も設けなくては
ならないこととなる。

【０００７】従って、このような経路を設ける箇所が多
くなることは、当該経路を流れる純水、酸素ガス及び水
素ガスが漏れる可能性が大きくなる上、当該経路に、純
水貯蔵タンク、気液分離装置などに接続するための配管
時の工数も多くなり、好ましくなかった。

【０００８】また、この装置では、純水供給経路115 、
115 、酸素ガス取り出し経路116,116 及び水素ガス取り
出し経路117,117 を設けるために、その取り付け部分の
間隙を確保する必要があるため、多孔質給電体111 、 11
2 の厚さを大きくして間隙を確保する必要があるが、通
常、この多孔質給電体111 、 112 は、高価なチタン製で
あるため、装置のコストが高くなり好ましくなかった。

【０００９】本発明は、このような実情を考慮して、多
量の酸素ガス、水素ガスを必要とする大規模施設に適用
する場合に効率が良く、装置に接続する純水供給経路、
酸素ガス取り出し経路及び水素ガス取り出し経路が極力
少なくでき、そのため酸素ガス、水素ガスなどの漏洩の
可能性が低く、かつ、高価な多孔質給電体の使用を極力
抑えることの可能な固体電解質膜電解装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【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。

【００１１】（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
陽極電極板および陰極電極板と、両電極板の外側に配設
したシール部材とから構成される複数個の固体電解質膜
ユニットを、絶縁スペーサを挟設したうえでその同極側
同士が対向するように併設し、前記絶縁スペーサに、前
記多孔質給電体と固体電解質膜ユニットの外部とを連通
する経路を形成したことを特徴とする固体電解質膜電解
装置。

【００１２】（２）前記経路が、隣接する固体電解質
膜ユニットの陽極間に配設された、該固体電解質膜ユニ
ットの両陽極側に純水を供給するための純水供給系路
と、隣接する固体電解質膜ユニットの陽極間に配設され
た、該固体電解質膜ユニットの両陽極側から酸素ガスを
取り出すための酸素ガス取り出し経路と、隣接する固体
電解質膜ユニットの陰極間に配設された、該固体電解質
膜ユニットの両陰極側から水素ガスを取り出すための水
素ガス取り出し経路とから構成されてなることを特徴と
する前述の（１）に記載の固体電解質膜電解装置。

【００１３】（３）両端に位置する固体電解質膜ユニ
ットの外方にも絶縁スペーサが配設されており、該絶縁
スペーサに、上記端部に位置する固体電解質膜ユニット
の陽極側または陰極側から、酸素ガスまたは水素ガスを
取り出すための取り出し経路を配設したことを特徴とす
る前述の（１）又は（２）のいずれかに記載の固体電解
質膜電解装置。

【００１４】（４）前記固体電解質膜が、固体高分子電
解質膜であることを特徴とする前述の（１）から（３）
のいずれかに記載の固体電解質膜電解装置。

【００１５】

【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。

【００１６】図１は、本発明の固体電解質膜電解装置の
一実施例の全体構成を示す縦断面図、図２は、その分解
した状態を示す縦断面図である。

【００１７】図１及び図２において、１は全体で、本発
明の固体電解質膜電解装置を示している。固体電解質膜
電解装置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円盤状の多孔質給電体11、 12
と、両多孔質給電体11、 12の外側に配設した円盤状の陽
極電極板13及び陰極電極板14と、両電極板13、 14の外側
に添設された円盤状のガスケットからなるシール部材2
2、 22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20、 20を、複数個、本実施例の場合、6 個の固
体電解質膜ユニット20、 20をその同一極側同士が対向す
るように並設した構造のものである。なお、前述したよ
うに、本実施例の場合、6 個の固体電解質膜ユニット2
0、 20を並設したが、これに特に限定されるものではな
く、気密性や、後述するようなボルト締結時の圧力や効
率を考慮すれば、12個〜48個程度とするのが好ましい。

【００１８】なお、前記シール部材22として、本実施例
では、ガスケットを使用したが、これに限定されるもの
ではなく、ガスケットを設けるの代わりに、例えば、図
５に示したように、絶縁スペーサ30の分岐経路（16c,16
d,17c,17d ）の開口部の周囲にリング溝30a 、 30b を形
設して、該リング溝30a 、 30b にO-リング22' を装着す
るなどすることも可能である。

【００１９】また、この場合、固体電解質膜10などの形
状は、本実施例の場合、円盤状としたが、必ずしもこの
形状に限定されるものではなく、例えば、四角形状とす
ることも可能であることは勿論である。

【００２０】ところで、この固体電解質膜ユニット20の
周縁部には、両多孔質給電体11、 12をシールするための
環状のガスケット18a 、 18b 、 18c が、両電極板13、 14
の間に設けられている。この場合、ガスケットの材質と
しては、シリコンゴム、フッ素ゴムなどが使用可能であ
る。

【００２１】この場合、固体電解質膜10としては、固体
電解質膜、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。

【００２２】また、本願の固体高分子電解質膜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。

【００２３】一方、多孔質給電体11、 12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13,14 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11、 12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。

【００２４】また、両電極板13、 14としては、チタン製
で、厚さ数mm〜数10mmとするのが好ましい。

【００２５】さらに、固体電解質膜ユニット20、 20をそ
の同一極側同士が対向するように並設するに際しては、
固体電解質膜ユニット20、 20の間には、円盤状のプラス
チック製、例えば、ポリプロピレン、ポリアセタール、
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリエチルエーテルケ
トン(PEEK)、ポリテトラフルオラエチレン(PTFE)などか
ら構成される絶縁スペーサ30、 30が挟設されている。ま
た、両端の固体電解質膜ユニット20、 20の外側には、ス
テンレス鋼製、例えば、SUS304、SUS316などから構成さ
れる円盤状のエンドプレート40,40 が設けられている。

【００２６】このように構成される固体電解質膜電解装
置において、各部材の間の接合は、図6(a)(b) に示した
ように、固体電解質膜電解装置１の両端のエンドプレー
ト40、 40に至る複数の貫通孔50、 50を穿設し、該貫通孔
50、 50に貫通ボルト52、 52を装着し、ナット（図示せ
ず）によって締結することにより行うことが可能であ
る。

【００２７】ところで、固体電解質膜ユニット20、 20の
陽極側の多孔質給電体11、 11には、純水を供給するため
の純水供給経路15、 15（本実施例では３箇所）が配設さ
れている。具体的には、絶縁スペーサ30の一端（図１で
下方側）に、プラグ（配管接続用）15a が埋設されてい
るとともに、該プラグ15a の内部に形設された経路15b
が、絶縁スペーサ30内まで延設され、二股に分岐して分
岐経路15c 、 15d となるとともに、隣接する固体電解質
膜ユニットの20ガスケット22、陽極電極板13を貫通し
て、固体電解質膜ユニット20の陽極側の多孔質給電体11
に至るように配設されて、純水供給経路15が形成されて
いる。なお、プラグ15a は、絶縁スペーサ30が、絶縁体
であるプラスチック等の非金属製であるので、金属配管
を接続するのを容易にするために設けられているもので
ある（以下の「プラグ」も同様）。

【００２８】また、固体電解質膜ユニット20、 20の陽極
側の多孔質給電体11、 11には、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16,16 （本実施例
では、３箇所）が配設されている。具体的には、前述し
た純水供給経路15と同様に、絶縁スペーサ30の一端（図
１で上方側）に、プラグ16a が埋設されているととも
に、該プラグ16a の内部に形設された経路16b が、絶縁
スペーサ30内まで延設され、二股に分岐して分岐経路16
c 、 16d となるとともに、隣接する固体電解質膜ユニッ
トのガスケット22、陽極電極板13を貫通して、固体電解
質膜ユニット20の陽極側の多孔質給電体11に至るように
配設されて、酸素ガス取り出し経路16が形成されてい
る。

【００２９】さらに、固体電解質膜ユニット20、 20の陰
極側の多孔質給電体12、 12には、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17,17 （本実施
例では、両端部を含めて４箇所）が配設されている。具
体的には、前述した酸素ガス取り出し経路16と同様に、
絶縁スペーサ30の一端（図１で上方側）に、プラグ17a
が埋設されているとともに、該プラグ17a の内部に形設
された経路17b が、絶縁スペーサ30内まで延設され、二
股に分岐して分岐経路17c 、 17d となるとともに、隣接
する固体電解質膜ユニットのガスケット22、陰極電極板
14を貫通して、固体電解質膜ユニット20の陰極側の多孔
質給電体12に至るように配設されて、水素ガス取り出し
経路17が形成されている。なお、エンドプレート40,40
側の、絶縁スペーサ30' の一端（図１で上方側）に、プ
ラグ17a'が埋設されているとともに、該プラグ17a'の内
部に形設された経路17b'が、絶縁スペーサ30' 内まで延
設され、分岐して分岐経路17c'となるとともに、両端部
の固体電解質膜ユニットのガスケット22、陰極電極板14
を貫通して、固体電解質膜ユニット20の陰極側の多孔質
給電体12に至るように配設されて、水素ガス取り出し経
路17' が形成されている。

【００３０】図７は、本発明の固体電解質膜電解装置の
別の実施例の分解した状態を示す部分拡大縦断面図であ
る。この実施例では、基本的には上記した実施例と同じ
構成であり、同一部材には200 を加えた参照番号を付し
ている。

【００３１】上記実施例と相違するところは、陽極電極
板213 の固体電解質膜210 側の表面に略円形の凹部213a
（厚さ約1mm 程度）を設けて、この凹部213aの形状に対
応するように、多孔質給電体211 の形状を概略蓋形状と
し、これを凹部213a内に嵌着する一方、陰極電極板214
にも同様に、固体電解質膜210 側の表面に略円形の凹部
214aを設けて、この凹部214aの形状に対応するように、
多孔質給電体212 の形状を概略蓋形状とし、これを凹部
214a内に嵌着した点である。また、固体電解質膜210 の
周縁部両側には、環状の絶縁シート218a、 218bが付設さ
れている。さらに、陽極電極板213 、陰極電極板214 の
経路215 、 216 及び217 の分岐経路の開口部の周囲に図
５と同様なO-リング222'が設けられている。

【００３２】このような構成とすることにより、この実
施例では、前述した実施例におけるガスケット18a 、 18
b 、 18c 及び22を省略できるとともに、固体電解質膜21
0 により、シール作用を行うものである。従って、この
実施例によれば、より部品点数の少ない固体電解質膜電
解装置を提供できるものである。

【００３３】

【作用】このように構成される本発明の固体電解質膜電
解装置１は、先ず、純水供給系（図示せず）から、純水
供給経路15、 15を介して、固体電解質膜ユニット20、 20
の陽極側の多孔質給電体11、 11に純水が供給される。

【００３４】そして、供給された純水が、固体電解質膜
ユニット20、 20の陽極側において電気分解されて、2H₂
O →O ₂＋4H⁺＋4e^-のような反応が起こり、酸素ガス
が発生し、多孔質給電体11、 11に設けられた酸素ガス取
り出し経路16,16 を介して、水と酸素ガスが取り出さ
れ、酸素ガス取り出し経路16,16 に接続された気液分離
装置（図示せず）において酸素ガスが回収される。

【００３５】一方、固体電解質膜ユニット20、 20の陰極
側においては、固体電解質膜10をH⁺が通過して、4H⁺
＋4e^-→2H₂の反応が起こり水素ガスが発生し、多孔質
給電体12、 12に設けられた水素ガス取り出し経路17,17
（17' ）を介して、水と水素ガスが取り出され、水素ガ
ス取り出し経路17,17 （17' ）に接続された気液分離装
置（図示せず）において水素ガスが回収される。

【００３６】

【発明の効果】本発明の固体電解質膜電解装置によれ
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。

【００３７】（１）固体電解質膜ユニットを、その同極
側同士が対向するように並設してあるので、隣接する固
体電解質膜ユニットの同一極に共用できる純水供給経
路、酸素ガス取り出し経路及び水素ガス取り出し経路を
配設することが可能となり、当該経路の数を低減するこ
とができ、装置がコンパクトでしかも多量の酸素ガス、
水素ガスを必要とする大規模施設に適用する場合にも効
率が良好である。

【００３８】（２）隣接する固体電解質膜ユニットの同
一極に共用できる純水供給経路、酸素ガス取り出し経路
及び水素ガス取り出し経路を配設することが可能とな
り、当該経路の数を低減することができるので、酸素ガ
ス、水素ガスなどの漏洩の可能性が低い。

【００３９】（３）従来のように、高価な多孔質給電体
に、純水供給経路、酸素ガス取り出し経路及び水素ガス
取り出し経路を配設する必要がないので、その使用量を
極力抑えることが可能で、且つ安価なプラスチック製の
絶縁スペーサを介して前述の経路を配設することができ
るので、装置全体としてコストの低減が図れる。

【００４０】（４）また、本願の固体高分子電解質膜で
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の固体電解質膜電解装置の一
実施例の全体構成を示す縦断面図である。

【図２】図２は、図１の固体電解質膜電解装置の分解
した状態を示す縦断面図である。

【図３】図３は、従来の単極式の固体電解質膜電解装
置の概略を示す断面図である。

【図４】図４は、従来の複極式フィルタープレス型の
固体電解質膜電解装置の概略を示す断面図である。

【図５】図５は、本発明の固体電解質膜電解装置の絶
縁スペーサーの他の実施例の縦断面図である。

【図６】図６(a) は、図１の固体電解質膜電解装置の
締結状態を示す部分拡大縦断面図、図6(b ）は、その端
面図である。

【図７】図７は、本発明の固体電解質膜電解装置の別
の実施例の分解した状態を示す部分拡大縦断面図であ
る。

【符号の説明】１…固体電解質膜電解装置 10…固体電解質膜 11,12 …多孔質給電体 13…陽極電極板 14…陰極電極板 15…純水供給経路 15a …プラグ（配管接続用） 15b …経路 15c,15d …分岐経路 16…酸素ガス取り出し経路 16a …プラグ（配管接続用） 16b …経路 16c,16d …分岐経路 17…水素ガス取り出し経路 17a …プラグ（配管接続用） 17b …経路 17c,17d …分岐経路 17' …水素ガス取り出し経路 18a,18b,18c …ガスケット 17a'…プラグ（配管接続用） 17b'…経路 17c'…分岐経路 20…固体電解質膜ユニット 22…シール部材（ガスケット） 22' …O-リング 30…絶縁スペーサ 30' …絶縁スペーサ 30a,30b …リング溝 40…エンドプレート 50…貫通孔 52…貫通ボルト 100 …固体電解質膜 101,102 …給電体 103 …陽極板 104 …陰極板 110 …固体電解質膜 111,112 …多孔質給電体 113 …複極電極板 115 …純水供給経路 116 …酸素ガス取り出し経路 117 …水素ガス取り出し経路 120 …固体電解質膜ユニット 210 …固体電解質膜 211 、 212 …多孔質給電体 213 …陽極電極板 213a、 214a…凹部 218a、 218b…絶縁シート 222'…O-リング

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者原田宙幸東京都練馬区西大泉２−25−43 (56)参考文献特開平１−287289（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，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電
極板および陰極電極板と、両電極板の外側に配設したシ
ール部材とから構成される複数個の固体電解質膜ユニッ
トを、絶縁スペーサを挟設したうえでその同極側同士が
対向するように併設し、前記絶縁スペーサに、前記多孔質給電体と固体電解質膜
ユニットの外部とを連通する経路を形成したことを特徴
とする固体電解質膜電解装置。
【請求項２】前記経路が、隣接する固体電解質膜ユニットの陽極間に配設された、
該固体電解質膜ユニットの両陽極側に純水を供給するた
めの純水供給系路と、隣接する固体電解質膜ユニットの陽極間に配設された、
該固体電解質膜ユニットの両陽極側から酸素ガスを取り
出すための酸素ガス取り出し経路と、隣接する固体電解質膜ユニットの陰極間に配設された、
該固体電解質膜ユニットの両陰極側から水素ガスを取り
出すための水素ガス取り出し経路とから構成されてなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体電解質膜電解装
置。
【請求項３】両端に位置する固体電解質膜ユニットの
外方にも絶縁スペーサが配設されており、該絶縁スペー
サに、上記端部に位置する固体電解質膜ユニットの陽極
側または陰極側から、酸素ガスまたは水素ガスを取り出
すための取り出し経路を配設したことを特徴とする請求
項１または２のいずれかに記載の固体電解質膜電解装
置。
【請求項４】前記固体電解質膜が、固体高分子電解質
膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに
記載の固体電解質膜電解装置。