JP3278909B2 - 水素発生装置 - Google Patents

水素発生装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プロトン伝導体(膜)
を用いて電解する水素発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子電解質の陽イオン伝導現象(イオ
ン交換)を利用した水素発生技術が開発されている。図
10は、1枚の高分子電解質膜(以下、プロトン伝導膜
という)による水素発生装置の構造を示す。図中、プロ
トン伝導膜1は、例えばスルホン酸基をもつフッソ樹脂
を素材とし、電極として例えば白金2が両面に形成され
た非多孔質の膜体であり、水素発生装置は、上記プロト
ン伝導膜1と、該プロトン伝導膜1を挟んだ対の集電体
3,4と、一方の集電体3に接合されたアノード端子板
5及びカソード端子板6にて構成されている。
【0003】水は、上記水素発生装置を包囲したエンド
プレート7に溝8が形成されているので、該溝8の給水
口8aより導入されてアノード端子板5を介して集電体
3に供給される。集電体3は水を消費して発生する酸素
と残りの水と共に、再びアノード端子板5を介して上方
の溝9に導出される。プロトン伝導膜1は、水素イオン
を伝導し、該水素イオンが更にカソード側集電体4を伝
導してカソード端子板6より水素ガスとなって更に別の
上方溝10より導出されるようになっている。
【0004】このような水素発生装置を水タンクを有す
る循環回路中に介在させ、両端子板5,6間に電圧を給
電することにより、ガス抵抗やオーム損の少ない水電解
が達成され、連続的に水素を発生することができる。と
ころで、水素発生量は膜の単位面積当たりの電流を一定
とすると、面積に比例して大きくなる。しかし、面積を
大きくすることは膜に流す総電流量が増大することであ
り、電源が大型化することから、用途に応じて膜面積と
電源の規模が選択される。
【0005】例えば、車載が条件の水素発生装置では、
膜の総面積は100〔cm2 〕程度、単位面積当たりの電
流は200〜300〔mA/cm2 〕に制限される。しか
し、これでも、水素発生装置には、総量20〜30
〔A〕の電流が流れることになり、バッテリの消費電流
としては過大となる。消費電流を少なくするためにプロ
トン伝導膜1の水素発生装置をセル化し、これを複数積
層する方法がある。これによれば、各セルを直列又は並
列に接続できて一定の水素発生量を保ったまま、1セル
当たりの面積を小さくして消費電流を抑えることができ
る。例えば5セル直列接続すれば、1セル当りの膜面積
は100cm2 の1/5即ち、20cm2 ,電圧は2〜2.
4V×5〔V〕、即ち10〜12V、電流は4〜6
〔A〕となり、電源の電流容積が格段と小さくなる。
【0006】図11に5セルを積層した水素発生装置の
構成を示す。図11において、セルの一つはプロトン伝
導膜1と両側の集電体3,4とから構成され、電圧は両
端のセルに各端子板5,6を介して印加されている。セ
ル間はバイポーラの極板11が介装されている。各アノ
ード側の集電体3には水の送給用マニホールド12と、
酸素及び水の排出用マニホールド13とが配管され、各
カソード側の集電体4には水素吐出用マニホールド14
が配管されている。
【0007】水送給用のマニホールド12には、図外の
水タンクからの水がイオン交換樹脂15及び逆止弁16
を介して帰還されるようになっている。この逆止弁16
は、上記排出用マニホールド13より繰出される酸素ガ
スの圧力によって開閉制御されることにより、水素発生
装置に対して水タンク内の水の供給コントロールを可能
としている。
【0008】上記5セルの水素発生装置によれば、各カ
ソードより発生する水素ガスは、集電体4よりマニホー
ルド14で集合して取出される。水はマニホールド12
で分散して各アノード側集電体3に供給され、発生酸素
と共にマニホールド13で集合して排出される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複数の
水電解セルを積層して用い、マニホールドで各発生ガス
を集合させると、例えば集電体と端子板との接触抵抗等
がセル間でばらつくと、ガス発生能に差を生じ、水供給
のバランスが不均一になるおそれがある。これは、発生
酸素はマニホールド13に放出されるが、同時に水供給
側の水送給用マニホールド12にも出ようとするため、
発生能に差があると、これによるガス圧力差の影響を水
送給用マニホールド12側の水が受けて、圧力の大きい
側のセルに水が供給され難くなることによる。
【0010】このような水供給のアンバランス現象は、
五つの水電解セルのうち一つのセルだけに生じたとして
も、他のセルが健全であれば、各セルはマニホールドで
連結されているためセルスタック全体としては水の供給
がなされる。しかし、このことは特定セルへの水の供給
が更に悪化するということで、極端な場合、全く水が供
給されないセルが生じて、水素発生性能に大きく影響す
ることになる。
【0011】上記現象を回避するためには、各セル毎に
逆止弁を設ければ良いが、配管系統が煩雑となり、装置
全体として大型化して積層構造の利点が失われてしま
う。また、上記水供給不足の現象は、水分解セルが一つ
の場合にも当てはまる。すなわち、単一セルであって
も、酸素発生が過剰になり、水の供給がそれに追いつか
ない現象が生じるからである。
【0012】本発明は、上記技術的課題を解決し、単一
セルの構造において、酸素発生の影響を受けず常に十分
な水が供給されるようにした水素発生装置の提供を目的
とする。また、本発明は、複数セルを積層した場合に、
各セル間でガス発生能にばらつきがあっても、各水電解
セルへ均一に水が供給されるようにし、ガス発生能の確
保を図るようにした水素発生装置の提供を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の課題を解決する
ための第1の手段は、発生酸素が停滞してしまいがちな
マニホールド方式を廃したもので、発生した酸素ガスを
受け補給用の水を収納する水室をもつ水タンクと、該水
室の下方の該水タンク内に配置された、プロトン伝導膜
と、該プロトン伝導膜の一面側に酸素発生室を形成する
とともに該水室の下部と連通し該酸素発生室内に発生し
た酸素ガスを該水室に送り該酸素発生室内で消費された
水を補給する連通孔をもつ酸素側隔壁と、該プロトン伝
導膜の他面側に水素発生室を形成する水素側隔壁と、該
水素発生室から発生した水素を導出する水素導出路と、
を具備する水電解セルと、からなる水素発生装置であ
る。本発明の課題を解決するための第2の手段は、第1
の手段であって、互いに積層された複数の前記水電解セ
ルをもち、前記水素導出路は各該水素発生室と連通する
副導出路と各該副導出路と連通する主導出路とをもつ水
素発生装置である。本発明の課題を解決するための第3
の手段は、第2の手段であって、隣り合う1組の前記水
電解セルを構成する前記酸素側隔壁及び前記水素側隔壁
はバイポーラ電極をもつ水素発生装置である。
【0014】本発明の好適な態様は、水電解セルがリン
グ状であり、酸素側隔壁がその内周面で酸素発生室を区
画する所定厚さのリング状であり、連通孔はリング状の
該酸素側隔壁の内周面と外周面を結ぶ溝もしくは貫通孔
で形成され、水素側隔壁がその内周面で水素発生室を区
画する所定厚さのリング状であり、水素導出路はリング
状の酸素側隔壁の厚さ方向に貫通する主導出路と該主導
出路と内周面とを結ぶ溝、切り込み、または孔よりなる
副導出路とからなっている。
【0015】ここで、リング状とは内外形ともに円形状
が好ましい。こうすることで酸素発生室からの酸素ガス
の排出と酸素発生室への水の供給を円滑に行うことがで
きる。
【0016】
【作用】本発明によれば、プロトン伝導膜による水電解
セルを水タンク内に配置することにより、動力なしで
素側隔壁に形成された溝もしくは貫通孔による連通孔が
水の送給と酸素及び水の排出を同時に行い、水は発生す
る酸素ガスの影響を受けずに酸素発生室に出入りするこ
とができる。一方、水素ガスは、各水素側隔壁に形成し
た主導出路と副導出路とからなる水素導出路がマニホー
ルドとして機能し、水タンク内に取り出すことができ
る。
【0017】
【実施例】以下、本発明に係る水素発生装置の一実施例
を図1及び図2を参照して説明する。図1及び図2は、
一つの水電解セルにて本発明に係る水素発生装置を構成
したものである。各図において、中心に配列される膜部
材21はプロトン導電膜である。図1では上記膜部材2
1より図面上側に水素側の構成を示しており、同膜部材
21より下側に酸素側の構成を示している。
【0018】水素側の構成は、リング状の弾性部材2
2,セパレータ23,パッキン24,セパレータ25,
パッキン26及び円盤状のカソード端子板27が接合さ
れたもので、主にセパレータ23,25によって水素側
隔壁が形成され、それによる水素発生室18には、二つ
で一つの集電体としての機能を果たす基本集電体28及
びエキスパンド集電体29が収納されている。
【0019】酸素側の構成も、リング状の弾性部材3
0,セパレータ31,パッキン32,セパレータ33,
パッキン34及び円盤状のアノード端子板35が接合さ
れたもので、主にセパレータ31,33によって酸素側
隔壁が形成され、それによる酸素発生室19には、二つ
で一つの集電体としての機能を果たす基本集電体36及
びエキスパンド集電体37が収納されている。
【0020】そして、上記基本集電体28,36、エキ
スパンド集電体29,37、膜部材21及び両端子板2
7,35は、該両端子板27,35がボルトナットなど
で締結された状態において、その締結力により、それぞ
れ接合状態とされている。また、各エレメントには、そ
れぞれボルトナットによる締結用透孔27v,26v,
25v,24v,23v,22v,21v,30v,3
1v,32v,33v,34v,35vが、周方向の位
置を一致した各円縁部の六方に形成されるとともに、そ
れぞれ本発明による水素導出路として連通した通孔27
H ,26H,25H ,24H ,23H ,22H ,2
H ,30H ,31H ,32H ,33H,34H ,35
H が周方向の位置を一致して形成されている。
【0021】上記通孔27H ,26H 〜35H のうちセ
パレータ25の通孔25H は、内周面に向かう溝、切り
込み、または孔による副通孔25H ′をもっている。従
って、両端子板27,35をボルトナットにより締結し
た状態において、発生した水素ガスは、セパレータ25
の通孔25H より各通孔27H ,26H 〜35H が連通
した水素導出路に繰出されるようになっている。
【0022】一方、酸素側のセパレータ33は、他のエ
レメントより径が大きく、図1に示すように、水タンク
38の内径と整合する直径をもっている。これは本実施
例で、上記水電解セルを水タンク38内に配置したとき
の該水電解セルの位置決めを行うためのであり、他のセ
パレータ25,23,31で代用することもできる。ま
た、セパレータ33には、水タンク38の水室と連通す
る12個の連通孔33oが形成されている。該連通孔3
3oは、セパレータ33の内周面から外周面に向かって
やや内側で停止されたスリットであり、その停止された
先端の径位置が他のエレメントの外径位置より突出され
ることにより、連通孔33oは、水タンク38内の水室
と連通した状態とされいる。なお、該連通孔33oはセ
パレータ33の外周面に貫通していてもよい。
【0023】ここで、両ガス発生室には基本集電体2
8,36と、エキスパンド集電体29,37との2種類
の集電体が収納されているが、エキスパンド集電体2
9,37は、十分な集電体スペースの確保と、パッキン
類の劣化による膜部材21の接合力確保を目的としてい
る。また、基本集電体28,36、エキスパンド集電体
29,37及び両端子板27,35はチタンを素材と
し、セパレータ25,23,31,33は、塩化ビニー
ル等の酸に強い樹脂で形成されている。また、弾性部材
22,30及び各パッキン26,24,34,32は、
シリコンゴム等のゴム質材を用いている。これら弾性部
材22,30及びパッキン26,24,34,32は、
水素の通孔25 H を水タンク38の水と分離し、かつ、
締結用透孔27v,26v〜35vに挿通されるボルト
を水タンク38の水と浸漬させないようにするために設
けられている。また、両端子板27,35は、外周部,
外側面及び締結用透孔27v,35vの内壁が絶縁樹脂
27a,35aにて被覆されている。
【0024】このような構成の1セル構成の水素発生セ
ルを、各エレメントが水平の層をなすように水タンク3
8内に配置(水没)し、通孔27H 〜35H による水素
導出路に、水タンク外部と連通した配管を接続すること
で、集電体28,29より発生する水素ガスを取出すこ
とができる。一方、集電体36,37より発生する酸素
ガスは、セパレータ33の長溝33より気泡となって水
タンク38の水中を上昇する。
【0025】本水素発生装置では、セパレータ33に水
タンク38と酸素発生室とを連通する12個の連通孔3
3oが形成されており、該連通孔33oにより、水の送
給と酸素及び水の排出が同時に行われる。これにより、
水素タンク38内の水は発生する酸素ガスの影響を受け
ずに酸素発生室に自由に出入りすることができ、酸素ガ
スの影響を受けることなく、過不足なく集電体36,3
7に供給されることになる。なお、当該酸素ガスは、エ
ンジンの吸気系に導入したり、また排気系における三元
触媒や酸化触媒の上流に供給するか大気へ放出しても良
い。
【0026】次に本発明の他の実施例を図3〜図9によ
って説明する。なお、前述の第1実施例と同等の要素に
は同一の符号を付す。本第2実施例は、第1実施例にお
ける水電解セルを5層積層して水タンク38内に配置し
たものである。図3は全体構成を示し、水タンク38
は、上室38a、下室38b及び水素用取出通路を構成
する通路38cを有し、通路38cは上室38aの底部
に形成され下室38bと連通されている。下室38b
は、開口面を縦形とした凹部38dと、該凹部38dの
開口面を塞ぐ蓋様の着脱板38eとから形成されてい
る。なお、水タンク38は、セルへの電気的影響をさけ
るために樹脂で作られ、上室38aには空気孔を有する
蓋が設けられている。
【0027】さて、5つのセルは、上記着脱板38eか
ら突設し凹部38dに形成されたナット部41に締結さ
れるボルト40に各エレメントが挿通されてなる。両端
を除くセルの積層構造は、図4に拡大して示すように、
円盤状の膜部材21の周縁部を挟んだ両側にリング状の
弾性部材22,30が対向し、水素側の弾性部材22に
は、第1実施例のセパレータ23と25の一体品として
形成され本発明の水素側隔壁を構成するセパレータ2
5′(図5参照)が接合されている。該セパレータ2
5′には、水素の通孔25H 及び該通孔25H より内周
面に向かう溝、切り込み、または孔による副導出路25
H ′並びにボルト40が挿通される6個の締結用透孔2
5vが形成されている。酸素側の弾性部材30には、第
1実施例のセパレータ31と33の一体品として形成さ
れた本発明の酸素側隔壁を構成するセパレータ33′
(図6参照)が接合されている。該セパレータ33′に
は、第1実施例の連通孔33oに相当する凹溝33o′
…、水素の通孔33H及びボルト40が挿通される6個
の締結用透孔33vが形成されている。
【0028】更に、上記水素側のセパレータ25′及び
酸素側の集電体33′には、各隣接セル(図上右隣)に
対しバイポーラの電極となる極板45がそれぞれ接合さ
れている。そして、水素側では、極板45,セパレータ
25′及び膜部材21によって水素発生室18が形成さ
れ、該水素発生室18には第1実施例の基本集電体2
8,エキスパンド集電体29の一体品として構成した集
電体28′が収納されている。同様に、上記酸素側で
は、極板45,セパレータ33′及び膜部材21によっ
て酸素発生室19が形成され、該酸素発生室19には第
1実施例の基本集電体36,エキスパンド集電体37の
一体品として構成した集電体36′が収納されている。
【0029】しかして、極板45は、集電体28′,3
6′の直径サイズに一致した極板本体45aを樹脂製の
リング部45bに嵌合したものである。そして、リング
部45bには、図7〜図9に示すように、水素の通孔4
H 及びボルト40が挿通される6個の締結用透孔45
vが形成されている。また、極板45のリング部45b
には、各外周面、水素の通孔45H 及び締結用透孔45
vに挿通されたボルト40を水タンク38の水から分離
するように、第1実施例のパッキン26,24に相当す
るゴム部材46が貼設されている。
【0030】本第2実施例による5層のセルは、上記膜
部材21、弾性部材22,23、集電体28′,36′
及び極板45の繰返しによって構成され、各水素の通孔
45 H ,25H ,33H が連通した主導出路及び副導出
路25H ′から成る水素導出路と、水タンク38の水室
に各連通する連通孔(凹溝33o′)が形成されるよう
になっている。
【0031】ここで、本第2実施例では、上記各連通孔
(凹溝33o′)は、水タンク38内において各セルが
縦形に積層されるので、縦放射状の12方向に向く酸素
の入出通路となっている。一方、着脱板38eに面した
一端側のセルには、着脱板38eを貫通した配線用ボル
ト42と電気的に接続された端子板35′(この場合、
アノード端子板)が接合されており、凹部38dの底面
側に面した他端側のセルには、凹部38dの底面を貫通
した配線用ボルト43と電気的に接続された端子板2
7′(この場合、カソード端子板)が接合されている。
各ボルト42,43にはそれぞれ電源からのアノード電
圧及びカソード電圧が印加されるようになっている。ま
た、各端子板27′,35′は、第1実施例と同様に外
周部、外側面及び締結用透孔の各内壁が絶縁樹脂にて被
覆されている。
【0032】なお、上室38aと下室38bとの境界に
は、水の特に、カオチンを除去するイオン交換樹脂44
が介装されている。これは、膜部材21が上記カオチン
に化学的に弱いためである。本実施例は以上のように構
成される。本実施例も上記第1実施例と同様に、各エレ
メントに形成された水素の通孔45H ,25H ,33H
の繰り返しによって形成される水素導出路がマニホール
ドとなり、水素取出用の通路38cに水素を集合する。
通路38cには、図外の配管を接続して、必要な水素を
送給することができる。
【0033】また、酸素側セパレータ33′の12個放
射状に形成された凹溝33o′…が各自由に水タンク3
8内の水の出入りを許容しており、発生酸素ガスは、こ
れら12個の凹溝33o′より気泡状となって下室43
bからイオン交換樹脂44を通り上室38aに上昇して
いく。この場合、酸素ガスは、主に上方側の凹溝33
o′より放出される。従って、水は酸素ガスによる圧力
の影響が少ない下側の凹溝33o′より酸素発生出力に
供給され、水の供給されないセルを生じることがない。
【0034】こうして、本発明は、水供給が滞ることの
ない、かつ、電流容量の小さな小型の電源を用い、セル
積層容積がコンパクトな水素発生装置の提供に寄与す
る。なお、上記実施例は、各水分解セルを直列接続した
ものを挙げたが、並列接続形式の構成で水タンク38内
に配置しても本発明の範疇に属する。
【0035】
【発明の効果】以上述べたように本発明は、水送給用マ
ニホールドと酸素及び水排出用マニホールドとに機能が
分かれることなく、セルを水タンク内に水没させるよう
にしたので、水の送給と排出通路が同じになり、単一セ
ル及び複数セルを積層構造において、発生酸素ガスの影
響を受けることなく、水が自由に酸素側集電体に出入り
し、水素ガス発生性能の劣化を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る水素発生装置の第1実施例を示
す断面図。
【図2】 上記水素発生装置の構成エレメントを分解し
て示す分解斜視図。
【図3】 本発明の第2実施例を示す断面図。
【図4】 上記第2実施例における水素発生装置のセル
構造を示す断面図。
【図5】 上記第2実施例に用いる水素側セパレータを
示す平面図。
【図6】 上記第2実施例に用いる酸素側セパレータを
示す平面図。
【図7】 上記第2実施例に用いる極板の水素側を示す
平面図。
【図8】 同極板の水素の通孔部分を断面で示した断面
図。
【図9】 同極板の酸素側を示す平面図。
【図10】 1枚のプロトン伝導膜による水素発生装置
を示す断面図。
【図11】 水電解セルを直列接続した従来装置を説明
する構成図。
【符号の説明】
18…水素発生室、19…酸素発生室、21…膜部材、
22,30…弾性部材、23,25,31,33,2
5′,33′…セパレータ(隔壁)、24,26,3
2,34…パッキン、27,27′…カソード端子板、
28,36…基本集電体、29,37…エキスパンド集
電体、35,35′…アノード端子板、21v,22
v,23v,24v,25v,26v,27v,30
v,31v,32v,33v,34v,35v…締結用
透孔、21H ,22H ,23H ,24H ,25H ,26
H ,27H ,30H ,31H ,32H ,33H ,3
H ,35H ,45H …通孔。38…水タンク。45…
極板。
フロントページの続き (72)発明者 河原 和生 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 赤木 基修 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 アイ シン精機株式会社内 (72)発明者 松下 宗一 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−74287(JP,A) 特開 平3−61391(JP,A) 特開 平3−267389(JP,A) 特開 平3−267390(JP,A) 実開 昭59−21664(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C25B 1/00 - 15/08

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発生した酸素ガスを受け補給用の水を収
    納する水室をもつ水タンクと、該水室の下方の 該水タンク内に配置された、プロトン伝
    導膜と、該プロトン伝導膜の一面側に酸素発生室を形成
    するとともに該水室の下部と連通し該酸素発生室内に発
    生した酸素ガスを該水室に送り該酸素発生室内で消費さ
    れた水を補給する連通孔をもつ酸素側隔壁と、該プロト
    ン伝導膜の他面側に水素発生室を形成する水素側隔壁
    と、該水素発生室から発生した水素を導出する水素導出
    路と、を具備する水電解セルと、 からなる水素発生装置。
  2. 【請求項2】 互いに積層された複数の前記水電解セル
    をもち、前記水素導出路は各該水素発生室と連通する副
    導出路と各該副導出路と連通する主導出路とをもつ請求
    項1記載の水素発生装置。
  3. 【請求項3】 隣り合う1組の前記水電解セルを構成す
    る前記酸素側隔壁及び前記水素側隔壁はバイポーラ電極
    をもつ請求項2記載の水素発生装置。
  4. 【請求項4】 前記水電解セルはリング状である請求項
    1、請求項2又は請求項3記載の水素発生装置。
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