JP3506825B2

JP3506825B2 - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JP3506825B2
Application number: JP33519295A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 隆佐々木; 博通小田; 信一安井; 衛長尾; 宏子小林; 明浅利; 宙幸原田
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: JPH09176882A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
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
発生させるための複極式の水素・酸素発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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、この種の水素・
酸素発生装置の構造として、本発明者等は、既に特願平
7-40142号において、図６及び図７に示したようないわ
ゆる「複極式の水素・酸素発生装置」を提案した。

【０００３】この装置は、基本的には、固体高分子電解
質膜110と、その両面に添設した多孔質給電体120、120
と、両多孔質給電体120、120の外側に配設した陽極及び
陰極の両作用を行う電極板130とから構成される複数個
の固体高分子電解質膜セル140,140を、複数個並設した
構造のものであって、各電極板130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。具体的には、一端よりエン
ドプレート160、端部ガスケット170'、端部電極板13
0'、環状のガスケット170、環状の保護シート180、固体
高分子電解質膜110、保護シート180、環状のガスケット
170、中間部の電極板130……他端の端部電極板130'、端
部ガスケット170'、エンドプレート160' から構成さ
れ、各固体高分子電解質膜セル140には、長手(軸)方向
に連通する純水供給経路152、水素ガス取出し経路154、
酸素ガス取出し経路156、ならびに水抜き用ドレン経路1
58がそれぞれマニホールド式に形設されている構造のも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
水素・酸素発生装置においては、多量の酸素ガス、水素
ガスを必要とする場合には、固体高分子電解質膜の大面
積化には限度があるので、要求されるガス発生量を確保
するためには、固体高分子電解質膜を多数枚用いて、全
体としての膜面積を増加させる必要がある。このため、
数十〜数百セルもの固体高分子電解質膜セル140,140を
並設して水素・酸素発生装置を構成することが通常であ
る。この場合、陽極側で発生した水を含む酸素ガスを、
陽極側の多孔質給電体からマニホールド式の酸素ガス取
出し経路を介して取り出す場合に、ガスと水とが、気液
２相流となって流れることとなるので、水だけ又はガス
だけが流れる場合に比較して、酸素ガス取出し経路の断
面積、流れ勾配等が適切でない場合、圧力変動が大きく
圧力制御が困難で、振動などの発生する等の問題があ
り、特に固体高分子電解質膜セル140,140の数が多くな
り、発生するガス量が増加するほど、また酸素ガス取出
し経路の距離が長くなるほど問題が生じやすくなる。

【０００５】また、このような水素・酸素発生装置で
は、部品の交換をする場合などにおいても装置全体を取
り外して交換したり、装置全体について水圧テスト、気
密テストを実施しなければならず、常時、酸素ガス、水
素ガスを必要とする施設では操業低下などにもつながる
こととなり好ましくなかった。

【０００６】さらに、この種の水素・酸素発生装置で
は、支持架台上に配設することが多く、電源より電圧お
よび電流が、両端部の端部電極板130'にそれぞれ印加さ
れるようになっているが、支持架台との絶縁に別途絶縁
材を設けるなどの必要があった。

【０００７】さらにまた、この場合、水電解セルの多孔
質給電体の外周には、固体高分子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は、そのガス圧差
によって、ガスケットがはみ出す可能性があり、万一、
ガスケットがはみ出した場合には、シール機能が損なわ
れるおそれがあった。

【０００８】このような問題点を解消するために本発明
者等は、既に特願平７−２８３３４０号、特願平７−２
８３３４５号において、固体高分子電解質膜セルの積層
数を減少してマニホールド式のガス取り出し経路を極力
短くでき、陽極側で発生した水を含む酸素ガス又は水素
ガスの流れの圧力変動が小さく圧力制御が容易で、振動
などの発生などの問題が生ずることがなく、しかも、部
品交換の場合などにおいても装置全体を取り外して交換
する必要がない水素・酸素発生装置を提供した。

【０００９】しかしながら、これらの装置においては、
複数個の固体高分子電解質膜セルを積層し、且つその両
端部にエンドプレートを配設して一体化した構造の複数
の水素・酸素発生ブロックを、エンドプレート同士を接
触させて電気的に導通させるように並列して配設する
か、又は、水素・酸素発生ブロックを相互に離間させ
て、隣接する水素・酸素発生ブロックの端部電極板同士
を電気連絡部材を介して電気的に導通させる構造のもの
である。従って、これらの装置においては、各ブロック
の両端にエンドプレートを各々取り付けており、隣接す
るブロックのエンドプレートが重なっている分だけ、又
は水素・酸素発生ブロックを相互に離間させている分だ
け、装置全体の全長が長くなってしまうために、装置の
搬入、取り付けなどにおいて不便で、設備が大型化して
好ましくなかった。

【００１０】本発明は、このような実情を考慮して、固
体高分子電解質膜セルの数を減少してマニホールド式の
ガス取り出し経路を極力短くでき、陽極側又は陰極側で
発生した水を含む酸素ガス又は水素ガスの流れの圧力変
動が小さく圧力制御が容易で、振動などの発生などの問
題が生ずることがない水素・酸素発生装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】また、本発明は、支持架台上に配設する場
合にも、支持架台との絶縁性が良好で、且つ、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、水電解
セルの多孔質給電体の外周に配設したガスケットが、そ
のガス圧差によって、ガスケットがはみ出す可能性がな
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。

【００１２】

【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）〜（３）を、その
構成要旨とするものである。

【００１３】（１）固体高分子電解質膜と、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高分子電解質膜セルを積層
し、且つその両端部にエンドプレートを配設して一体化
した構造の複極式の水素・酸素発生ブロックを、複数個
直列的に配設してなる水素・酸素発生装置であって、隣
接する水素・酸素発生ブロック間のエンドプレートを、
共有する一つのエンドプレートとし、前記各水素・酸素
発生ブロックを絶縁材料からなる外套部材に嵌着すると
ともに、各外套部材相互を脱着自在に継合したことを特
徴とする水素・酸素発生装置。

【００１４】（２）各水素・酸素発生ブロックをそれぞ
れのブロックの両端の共有エンドプレートを介して、締
結部材によって締結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。

【００１５】（３）前記締結部材の位置が、隣接する水
素・酸素発生ブロック相互では、相互に位置をずらして
配設されていることを特徴とする前述の（２）に記載の
水素・酸素発生装置。

【００１６】

【発明の実施の形態】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
実施例の側面図、図２は、図１のＡ方向端面図、図３
は、図１の水素・酸素発生装置の部分拡大断面図で、図
４の一点鎖線Ｄについての断面図、図４は、図３のＣ−
Ｃ線方向の断面図である。

【００１８】図１及び図２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、複数個（本実施例では７個）の
水素・酸素発生ブロック２、２を直列的に配設して、支
持架台３に、両端部の水素・酸素発生ブロック２を支持
架台３の取り付けブラケット3A、3Aにボルトなどで固定
することにより構成されている。なお、この場合、図示
しないが、電源より電圧および電流が、両端の水素・酸
素発生ブロック２、２のエンドプレート60',60'にそれ
ぞれ印加されるようになっている。

【００１９】図３に示したように、各水素・酸素発生ブ
ロック２は、基本的には、円盤状の固体高分子電解質膜
10と、その両面に添設した円盤状の多孔質給電体20、20
と、両多孔質給電体20、20の外側に配設した陽極及び陰
極の両作用を行う円盤状の電極板30とから構成される複
数個の円盤状の固体高分子電解質膜セル40を有し、この
固体高分子電解質膜セル40を複数個、好ましくは11〜20
セル（本実施例では12セル）並設した構造のものであ
る。

【００２０】ところで、セル数が11の時に流動状態が、
層状流とプラグ流の境界となり、セル数が20の時に流動
状態が、スラグ流とプラグ流の境界となることがわかっ
ている。すなわち、セル数が11〜20セルの範囲でのみプ
ラグ流となっており、この範囲を下回るセル数では、層
状流であり、この範囲を上回るセル数では、スラグ流と
なってしまう。スラグ流の場合、圧力変動が激しくて圧
力検出が困難であるばかりでなく、流体による振動、騒
音、圧力変動による応力変動に起因する疲労などの装置
にとって好ましくない問題が生じ、一方、層状流の場
合、完全にガスと水に分離して流れるので、一様な流体
として扱えず、流路途中で弁又は分岐部等の断面積が変
化する部分が存在すると、そこで水とガスの比率が大き
く変化する可能性があるので、圧力制御が困難となっ
て、スラグ流と同様な問題が生じることとなり好ましく
ない。これに対して、プラグ流の場合、すなわち、固体
高分子電解質膜セル40,40を、11〜20セル並設した場合
には、水とガスは、分離しながらも全体としてみれば一
応混合した状態で流れているので、圧力変動も小さいの
で、圧力制御が容易で、前述したようなスラグ流、層状
流のような問題が発生することがない。

【００２１】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。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→O₂＋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^-→2H₂の反応が起こり
水素ガスが発生するものである。

【００２２】なお、固体高分子電解質膜10としては、固
体高分子電解質を膜状に成形したもの、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。

【００２３】具体的には、水素・酸素発生ブロック２
は、一端の円盤状のエンドプレート60、端部電極板3
0'、環状のガスケット70、ネオフロンなどから構成され
る環状の保護シート80、固体高分子電解質膜10、保護シ
ート80、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'、エンドプレート60'から構成されて
いる。

【００２４】なお、この場合、図３に示したように、隣
接する水素・酸素発生ブロック２間のエンドプレート
を、共有する一つのエンドプレート60としてあり、装置
全体の全長を従来に比較して短くしてコンパクト化して
ある。すなわち、水素・酸素発生ブロック２の両端に各
々、エンドプレート60（左側）とエンドプレート60'
（右側）が取り付けられ、これらのエンドプレート60,6
0'が各々、両接する水素・酸素発生ブロック２のエンド
プレートをも兼ねている。

【００２５】また、固体高分子電解質膜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画室に多孔質
給電体20が収容されこれがそれぞれ陽極室、陰極室を形
成している。また、エンドプレート60、60'の外径は、後
述するように外套部材との締結を容易にするために、そ
の他の構成部材よりも大きな直径となっている。

【００２６】さらに、各固体高分子電解質膜セル40に
は、図３及び図４に示したように、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。なお、本実施例
では、複数個（７個）の水素・酸素発生ブロック２に分
割してあるので、各水素・酸素発生ブロック２内の水素
ガス取出し経路54、酸素ガス取出し経路56を短くするこ
とが可能である。

【００２７】また、図１及び図２に示したように、純水
供給経路52は、各エンドプレート60に設けられた純水供
給用ノズル62から、フレキシブルホース4Aを介して純水
供給用ヘッダー管5Aに接続されている。同様に、水素ガ
ス取出し経路54は、水素ガス取出し用ノズル64から、フ
レキシブルホース4Bを介して水素ガス取出し用ヘッダー
管5Bに、酸素ガス取出し経路56は、酸素ガス取出し用ノ
ズル66から、フレキシブルホース4Cを介して酸素ガス取
出し用ヘッダー管5Cに、水抜き用ドレン経路58は、水抜
き用ノズル68から、フレキシブルホース4Dを介して水抜
き用ヘッダー管5Dに、それぞれ接続されている。

【００２８】さらに、図３及び図４に示したように、各
水素・酸素発生ブロック２は、例えば、FRPなどの絶縁
材料からなる略円筒形状の外套部材６に嵌着されてお
り、外套部材６本体部6Cの内径は、固体高分子電解質膜
10、電極板30などの水素・酸素発生ブロック２の構成部
材、特にガスケット70の外径とほぼ一致し、これによ
り、セル内の圧力が大気圧側よりかなり高い場合に、そ
のガス圧差によって、ガスケット70のはみ出しによるシ
ール機能が損なわれることを阻止することが可能となっ
ている。また、各外套部材６の両端部には断面Ｌ字状の
フランジ部6A,6Bがそれぞれ外周に向かって縁設される
とともに、このフランジ部6A,6Bにそれぞれエンドプレ
ート60が収容され、支持架台３との絶縁性を確保するよ
うになっている。

【００２９】そして、各外套部材６の継合に際しては、
フランジ部6A,6Bに、図４に示したように、それぞれ合
計１６カ所の外套部材締結用ボルト孔７が設けられてお
り、その中８ヶ所のボルト孔７に、ボルト7Aおよびナッ
ト7Bからなる締結部材をエンドプレート60に設けられた
対応するボルト孔に螺着することによって、エンドプレ
ート60,60'を締結して水素・酸素発生ブロック２を組み
立てるようになっている。なお、この場合、隣接する水
素・酸素発生ブロック２では、位置をずらした残り８ヶ
所のボルト孔７（点線で示した）を用いて、ボルト8Aお
よびナットからなる締結部材をエンドプレート60に設け
られた対応するボルト孔に螺着することによって、エン
ドプレート60,60'を締結して水素・酸素発生ブロック２
を組み立てるようになっている。すなわち、隣接する水
素・酸素発生ブロック２相互では、締結部材の位置が、
相互に位置をずらして配設されていることとなり、装置
全体の組立の際に、締結部材相互が干渉せず、組立が容
易となるように構成されている。

【００３０】なお、図５に示したように、このフランジ
部6A,6Bを設ける代わりに、別の絶縁部材から構成され
る環状の止環部材6'をエンドプレート60の外周にネジ6'
Aによって締結、嵌着して、エンドプレート60と支持架
台３との絶縁性を確保するようにしてもよい。

【００３１】このように構成される本発明の水素・酸素
発生装置１は、純水供給系（図示せず）から純水供給用
ヘッダー管5A、フレキシブルホース4Aを介して、各水素
・酸素発生ブロック２のエンドプレート60に設けられた
純水供給用ノズル62から、純水供給経路52より、純水が
陽極室に収容された多孔質給電体20に供給される。そし
て、この陽極室に供給された純水が、固体高分子電解質
膜10の陽極側において電気分解されて、2H₂O→O₂＋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、酸素ガス取出し経路56を介し
て、各水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート60に
設けられた酸素ガス取出し用ノズル66から、フレキシブ
ルホース4Cを介して酸素ガス取出し用ヘッダー管5Cよ
り、水と発生酸素ガスが取り出され、気液分離装置（図
示せず）において酸素ガスが取り出される。

【００３２】一方、陰極側においては、固体高分子電解
質膜10をH+が通過して、固体高分子電解質膜10の陰極側
において電子を受け取って、4H⁺＋4e^-→2H₂の反応が起
こり水素ガスが発生し、水素ガス取出し経路54を介し
て、各水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート60に
設けられた水素ガス取出し用ノズル64からフレキシブル
ホース4Bを介して。水素ガス取出し用ヘッダー管5Bよ
り、気液分離装置（図示せず）において水素ガスが取り
出される。

【００３３】さらに、各水素・酸素発生ブロック２の陰
極室に溜まった純水が、水抜き用ドレン経路58を介し
て、各水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート60に
設けられた水抜き用ドレンノズル68から、フレキシブル
ホース4Dを介して水抜き用ヘッダー管5Dより、純水が取
り出されるようになっている。

【００３４】

【発明の効果】本発明の水素・酸素発生装置によれば、
複数の水素・酸素発生ブロックを直列的に配設し、しか
も隣接する水素・酸素発生ブロック間のエンドプレート
を、共有する一つのエンドプレートとし、各水素・酸素
発生ブロックを絶縁材料からなる外套部材に嵌着すると
ともに、各外套部材相互を脱着自在に継合したので、下
記のような特有で顕著な作用効果を奏する優れた発明で
ある。

【００３５】(1) 複数個の水素・酸素発生ブロックに
分割して、固体高分子電解質膜セルの数を減少させてあ
るので、各ブロックのマニホールド式のガス取り出し経
路が短くなり、固体高分子電解質膜セル内でガスと水の
流路の距離が短くなるので、陽極側で発生した水を含む
酸素ガスの流れの状態がプラグ流れとなり、圧力変動が
小さく圧力制御が容易で、振動などの発生などの問題が
生ずることがない。

【００３６】(2) 各水素・酸素発生ブロックを絶縁材
料からなる外套部材に嵌着してあるので、支持架台上に
配設する場合にも、支持架台との絶縁性が良好で、且
つ、水電解セルの多孔質給電体の外周に配設したガスケ
ットが、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はみ出す可能性がな
く、シール機能が損なわれずに高圧で操業可能である。

【００３７】(3) 各外套部材相互を脱着自在に継合し
たので、部品交換の場合などにおいても装置全体を取り
外して交換する必要とがなく、交換する水素・酸素発生
ブロックのみを取り外せば良く、また、各ブロックにつ
いて個別に水圧テスト、気密テストを実施することが可
能である。

【００３８】(4) 全長が従来に比較して格段に短くコ
ンパクトな水素・酸素発生装置を提供できる。

【００３９】(5) 隣接する水素・酸素発生ブロック２
相互では、締結部材の位置が、相互に位置をずらして配
設されている構造のものでは、装置全体の組立の際に、
締結部材相互が干渉しないので、組立が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一実施
例の側面図である。

【図２】図２は、図１のＡ方向端面図である。

【図３】図３は、図１の水素・酸素発生装置の部分拡大
断面図である。

【図４】図４は、図３のＣ−Ｃ線方向の断面図である。

【図５】図５は、エンドプレートの締結状態の別の実施
例を示す部分拡大断面図である。

【図６】図６は、従来の水素・酸素発生装置の分解斜視
図である。

【図７】図７は、従来の水素・酸素発生装置の拡大縦断
面図である。

【符号の説明】

１・・・水素・酸素発生装置２・・・水素・酸素発生ブロック３・・・支持架台 3A,3B・・・取り付けブラケット 4A〜4C・・・フレキシブルホース 5A・・・純水供給用ヘッダー管 5B・・・水素ガス取出し用ヘッダー管 5C・・・酸素ガス取出し用ヘッダー管 5D・・・水抜き用ヘッダー管６・・・外套部材 6A,6B・・・フランジ部７・・・外套部材締結用ボルト孔 7A,7B・・・ボルト８・・・エンドプレート締付用ボルト孔 10・・・固体高分子電解質膜 20・・・多孔質給電体 30・・・電極板 30'・・・端部電極板 40・・・固体高分子電解質膜セル 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、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 80・・・保護シート 110・・・固体高分子電解質膜 120・・・多孔質給電体 130・・・電極板 140・・・固体高分子電解質膜セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安井信一兵庫県加古郡播磨町野添４丁目108 タウニーＳＡ202号 (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)発明者小林宏子兵庫県神戸市長田区名倉町５丁目８番11 号 (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 (56)参考文献特開平８−239788（ＪＰ，Ａ) 特開平９−125277（ＪＰ，Ａ) 特開平９−125278（ＪＰ，Ａ) 特開平７−252682（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−9167（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 9/18 C25B 1/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜と、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高分子電解質膜セルを積層し、且つ
その両端部にエンドプレートを配設して一体化した構造
の複極式の水素・酸素発生ブロックを、複数個直列的に
配設してなる水素・酸素発生装置であって、隣接する水素・酸素発生ブロック間のエンドプレート
を、共有する一つのエンドプレートとし、前記各水素・酸素発生ブロックを絶縁材料からなる外套
部材に嵌着するとともに、各外套部材相互を脱着自在に
継合したことを特徴とする水素・酸素発生装置。
【請求項２】各水素・酸素発生ブロックをそれぞれの
ブロックの両端の共有エンドプレートを介して、締結部
材によって締結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】前記締結部材の位置が、隣接する水素・
酸素発生ブロック相互では、相互に位置をずらして配設
されていることを特徴とする請求項２に記載の水素・酸
素発生装置。