JP3553853B2

JP3553853B2 - 給電体および電解セル

Info

Publication number: JP3553853B2
Application number: JP2000093394A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 眞吾鳥生; 学豊島
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001279479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、純水等を電気分解して水素および酸素を発生させる水素酸素発生装置に使用される給電体および電解セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば水等を電気分解して水素および酸素を発生させる水素酸素発生装置（以下、単に「装置」ともいう）において、水等の電気分解を行うための電解セルとしては、電解質の役割を果たす部材として固体高分子電解質膜等から構成された固体電解質膜を用いたもの（以下、「固体電解質膜ユニット」という）を所定組並べ合わされたものが知られている。
【０００３】
かかる従来技術の電解セルを、図５を参照しつつ説明すると、前記固体電解質膜ユニット１０５は、固体電解質膜１０１と、この固体電解質膜１０１を挟持すべく設けられた電極板１０３（陽極側および陰極側電極板）と、前記固体電解質膜１０１と前記電極板１０３との間に設けられた給電体１０２（陽極側および陰極側給電体）等により構成されている（以下、これらを総称して「構成要素」ともいう）。前記固体電解質膜１０１としては、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を設けたもの等が使用される。
また、かかる固体電解質膜ユニット１０５を並べ合わせ、電解セル１００として組み立てる際には、該固体電解質膜ユニットの構成要素を互いに密着させるように加圧すべく、前記電解セル１００の両端に端板１１０と、該端板を連結する締付ボルト１１１が設けられる。
【０００４】
そして、かかる装置を運転する際には、前記締付ボルト１１１を締めつけることによって前記端板１１０、１１０を介して、該端板１１０、１１０間に挟まれた固体電解質膜ユニット１０５に所定の圧力をかけた状態で使用する。即ち、所定の圧力を加えることによって給電体１０２と固体電解質膜１０１とを圧接させながら、陽極側に純水等を供給し且つ電極板１０３に対して通電することにより、主に陽極側給電体に接する電極触媒層において酸素ガスを発生させ、陰極側給電体に接する電極触媒層において水素ガスを発生させるものである。
【０００５】
このように、固体電解質膜１０１の両側に設けられた給電体１０２は、固体電解質膜１０１に対して圧接された状態で構成されることにより、互いを均一に接触させて電気分解のエネルギー効率の向上が図られる。さらに、陽極側に設けられる給電体は、所定の純水等の補給量を確保すべく（所定処理量を実現すべく）、所定の空隙率を有して構成される。
【０００６】
かかる観点から、従来、空隙率の大きい繊維焼結体等を基体とし、該基体の片面側に、空隙率が小さく表面が平滑な粉末焼結体を表面層として形成し、前記基体と前記表面層とを一体化した二重構造給電体が開示されている（特公平２−３２３５７号公報）。かかる二重構造給電体は、表面層が固体電解質膜側となるように設置されることにより、空隙率の小さい平滑な面が固体電解質膜に圧接されることとなり、固体電解質膜の損傷が防止できるとともに、空隙率の大きい基体によって所定の純水等の補給量を確保することができるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、給電体が上記のような焼結体によって構成されている場合には、該焼結体は圧縮弾性率が大きいため、上記のように電解セルを組み立てる際に所定圧力を加えられても圧縮されにくいものであった。
【０００８】
一方、前記給電体等の構成要素を生産する工程においては、定められた所定寸法に対して必然的に公差を生ずるものである。電解セルにおいてこのような公差を有する構成要素を積層すればその公差が累積され、給電体と固体電解質膜との接触面の面圧および給電体と電極板との接触面の面圧が不均一となって電流分布に偏りが生じ、電気分解のエネルギー効率が低下する虞がある。さらには、前記公差によって歪みが大きくなることにより、固体電解質膜を損傷するという虞もある。
【０００９】
また、かかる装置によって電気分解を行う際には、電解セル全体が高温となる為に、前記端板同士を締めつけていた締付ボルトが熱膨張し前記端板間の距離が若干延びることとなり、電解セルに加えられた圧力が低下することとなる。
【００１０】
しかしながら、上記のような焼結体のみからなる給電体は、圧縮弾性率が大きいためにこのような電解セルの熱膨張に応じて柔軟に圧縮を復元させることができないものである。従って、給電体と固体電解質膜との接触面の面圧、および給電体と電極板との接触面の面圧が低下することとなり、接触不良となるかあるいは一部分に隙間が生じて全く接しないこととなる虞がある。即ち、従来の給電体を使用した場合には、電極板と給電体と固体電解質膜とがそれぞれ全面に亘って均一に接するような良好な接触状態を、常に維持することが困難である。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、固体電解質膜に圧接された際に該固体電解質膜を損傷しにくく、さらに温度変化による収縮、膨張が生じた際にも固体電解質膜等と接触する面圧の維持を図ることにより、電解電圧の低下を抑制することができる給電体と、該給電体の利点を有する電解セルを提供することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、以下の発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明の手段は、水電解装置における電解セルを構成し、固体電解質膜に圧接されて使用される給電体であって、圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであり、固体電解質膜に圧接される面が、導電性粉末又は導電性繊維が平滑な状態に焼結されてなることを特徴とする給電体にある。
【００１４】
圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであることにより、電解セル中において加圧された際にも圧縮性および圧縮復元性に優れたものとなる。従って、固体電解質膜ユニットの各構成要素が公差を有して製造され、電解セルを組み立てた際に各構成要素の接触面同士が完全に平行な状態とならない場合であっても、前記給電体が柔軟に圧縮されることにより、該給電体と固体電解質膜、および給電体と電極板とが均一な面圧で接触されることとなる。
また、前記電解セルが運転中に膨張した場合にも、圧縮されていた前記給電体がこれに追従して復元するため、前記面圧が維持されやすいものとなる。
【００１６】
また、前記給電体が、導電性板が立体的且つ網目状に成形された導電性成形板が１以上積層されてなる弾性部を有する給電体にある。
【００１７】
さらに、本発明の手段は、水電解装置における電解セルを構成し、固体電解質膜に圧接されて使用される給電体であって、導電性板が立体的且つ網目状に成形された導電性成形板が１以上積層されてなる弾性部を有し、且つ固体電解質膜に圧接される面が、導電性粉末又は導電性繊維が平滑な状態に焼結されてなることを特徴とする給電体にある。
【００１８】
固体電解質膜に圧接される面が、導電性粉末又は導電性繊維が平滑な状態に焼結されてなることにより、給電体が固体電解質膜に圧接された際にも、その接触面が緻密となるために、該固体電解質膜が例えば固体高分子電解質膜のような柔らかい材質を具備して構成される場合にも、これを損傷する虞の少ないものとなる。さらには、その接触面を通して純水等を供給し易く、また発生した気体を排出し易いものとなり、給電体として好適なものとなる。
【００１９】
また、導電性板が立体的且つ網状に成形されたことにより、前記導電性成形板は板面に垂直な方向に対して圧縮性を有するものとなり、よって該導電性成形板が１以上積層された弾性部は、積層方向に対して圧縮性および圧縮復元性に優れたものとなる。
【００２０】
前記導電性成形板の圧縮弾性率は、５〜５０ＭＰａであることが好ましく、また前記導電性成形板としては、エキスパンドメタルを好適に使用することができる。ただし、本明細書におけるエキスパンドメタルとは、ＪＩＳに規定されたものに限られず、それと同等の形状を有するものを含むものをいう。
【００２１】
さらに、本発明の手段は、前記給電体を具備することを特徴とする電解セルにある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の給電体および電解セルに係る実施形態について、図面に基づき説明する。
【００２３】
本発明に係る給電体の一実施形態は、図１および２に示したように、チタン粉末がプレス成形された後、焼結された粉末焼結部１と、チタン製のエキスパンドメタル３が積層された弾性部２とを具備し、前記粉末焼結部１と前記弾性部２とがスポット溶接にて接合された、いわゆる二重構造給電体１０である。
【００２４】
また、本発明に係る電解セル３０の一実施形態は、図３に示したように、固体電解質膜１１の両端に電極板１３が設けられ且つ該固体電解質膜１１と該電極板１３との間に上述した二重構造給電体１０が挟持されて構成される固体電解質膜ユニット１５が所定組並べ合わされてなるものである。ここで、固体電解質膜１１としては、例えば、固体高分子電解質を膜状に形成した固体高分子電解質膜の両面に、貴金属からなる多孔質層（電極触媒層）を設けて構成されたものを用いることが好ましい。前記二重構造給電体１０は、粉末焼結部１が固体電解質膜１１側となるように設けられることが好ましい。
さらに、所定組並べ合わされた固体電解質膜ユニット１５の両端には端板２０、２０が設けられ、電解セル３０は該端板２０、２０を連結する複数の締付ボルト２１、２１…によって両端より加圧されて構成される。
【００２５】
このように、前記二重構造給電体１０は、固体電解質膜１１に圧接された状態で使用されるものであるため、該固体電解質膜１１に均一に接するように構成することが好ましい。さらに、補給された純水等を固体電解質膜１１へ通水し、発生させた酸素ガス等を排出するための透過性も同時に要求されるものである。
【００２６】
したがって、前記粉末焼結部１は適度の空隙率を有して構成されることが望ましく、具体的には、空隙率が４０〜５０％であることが好ましい。かかる空隙率とするためには、前記チタン粉末の粒径は４０〜１５０μｍであることが好ましい。
【００２７】
また、前記弾性部２は、エキスパンドメタル３が互いに９０度ずつ向きを変えて、１〜１０枚程度積層され、厚さが２〜２０ｍｍとなるように構成されることが好ましい。さらに、補給される純水等の流通量を確保すべく、５０〜９０％の空隙率を有して形成されることが好ましく、７５〜８５％の空隙率であることがより好ましい。弾性部の空隙率が７５〜８５％であれば、純水等を流通させる際の圧力損失を低く維持することができるとともに、粉末焼結部や給電体と均一に接触することが可能となる。
さらに、前記弾性部２は、圧縮性および圧縮復元性が大きいものが好ましく、即ち圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであるものが好ましい。
【００２８】
また、弾性部２を構成する個々のエキスパンドメタル３、３…については、圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであることが好ましいが、全てのエキスパンドメタルの圧縮弾性率を同一とすることに限定されるものではなく、異なる圧縮弾性率のものを適宜選択して使用することができる。
【００２９】
該エキスパンドメタルとしては、例えば、加工前の板厚が０．１〜１．０ｍｍであり、加工後の厚みが０．３〜３．５ｍｍであり、開口率が４０〜８５％であるエキスパンドメタルを好適に使用することができる。
【００３０】
さらに、前記二重構造給電体１０は、電解セル３０として組み立てられた際に、両端に設けられる端板２０、２０によって、例えば０．５〜３．０ＭＰａの所定圧力で加圧された場合に、その圧力に応じて収縮し、運転時の温度上昇にともなう電解セル３０全体の熱膨張に応じて膨張するものが好ましい。言い換えれば、該二重構造給電体１０は、圧縮性および圧縮復元性の大きいものであることが好ましく、具体的には、圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであることが好ましく、さらに７〜１５ＭＰａであることがより好ましい。
５０ＭＰａ以上とすれば、該二重構造給電体１０が圧縮されにくいものとなるために好ましくなく、５ＭＰａ以下とすれば、該二重構造給電体１０によって挟持される固体電解質膜１１が電解セル３０中において位置決めされにくく、Ｏリングやスペーサ等の他の部品（図示せず）と該二重構造給電体１０とのせん断によって破損する虞があるために好ましくない。
【００３１】
上記実施形態によれば、弾性部２の圧縮弾性率を５〜５０ＭＰａとすることにより、二重構造給電体１０等の構成要素を製造する工程において公差を有して製造された場合でも、電解セル３０中において圧縮された際に該弾性部２が柔軟に変形することとなり、該公差による面圧の不均一を吸収し二重構造給電体１０と固体電解質膜１１とが均一に接触されることとなる。これにより、固体電解質膜１１を損傷することを防止することができる。
【００３２】
また、弾性部２の圧縮弾性率を５〜５０ＭＰａとすれば、圧縮復元性に優れたものとなり、電気分解等による温度上昇により締付ボルト２１が熱膨張し電解セル３０全体の加圧力が低下した際にも、圧縮されていた弾性部２がこれに応じて膨張し、固体電解質膜１１と給電体１０との接触面の面圧を低下させることなく、良好な接触状態を維持することが可能となる。
【００３３】
加圧する際の前記利点を具体的寸法を例示して説明すると、厚さが４ｍｍの給電体の場合、圧縮弾性率が５０ＭＰａ以上であれば０．５〜３．０ＭＰａの接触面圧が加えられた際の圧縮量は０．０４〜０．２４ｍｍとなる。しかしながら、一般的な工業生産の公差で作製された給電体および電極板は、その厚さ公差および平面度公差が０．１〜０．３ｍｍ程度となるため、公差よりも圧縮量が小さくなる。即ち、各構成要素間に接触面圧の生じない個所を有することとなる虞がある。
これに対し、前記給電体の圧縮弾性率を５〜５０ＭＰａの範囲内で、例えば１０ＭＰａとすると、前記と同じ条件において圧縮量が０．２〜１．２ｍｍとなって公差よりも圧縮量を大きくすることが可能となる。即ち、接触面全体に亘って、面圧を均一に保つことが可能となる。
【００３４】
尚、本実施形態においては、導電性成形板としてチタン製のエキスパンドメタルを使用したが本発明はこれに限定されるものではなく、エキスパンドメタル以外にも、板面に対して鉛直方向に５〜５０ＭＰａの圧縮弾性率を有する導電性成形板を好適に使用することができる。また、該導電性成形板としてエキスパンドメタルを使用する場合にも、本発明の範囲内において適宜材質、厚み、形状、および圧縮弾性率等を変更することが可能であり、積層する枚数についても適宜変更することができる。さらに異なる材質、物性、形状等の導電性成形板を積層させることにより、給電体の圧縮弾性率を調整することも可能である。
【００３５】
また、上記の実施形態においては、導電性粉末や導電性成形板としてチタンを使用したが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、導電性粉末や導電性成形板としては、例えば陽極側にはチタン、ニオブ、チタンパラジウム合金等、陰極側にはステンレス、グラファイト、カーボン等についても同様に使用することができる。
【００３６】
さらに、弾性部と粉末焼結部との接合方法は必ずしもスポット溶接に限定されるものではなく、弾性部と粉末焼結部とを一体化することによって電気抵抗を低減できる任意の方法、例えば、焼結、ロウ付等を適用することができる。また、本発明に係る給電体は、二重構造に限定されるものではなく、３以上の部材を接合して構成することや、その他任意の構成とすることが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例の給電体と比較例の給電体との比較を示す。
【００３８】
（実施例１の作製）
下記の寸法のチタン製エキスパンドメタルを互いに９０度ずつ向きを変えて５枚積層させ、該エキスパンドメタルをスポット溶接によって接合し、厚さ２．９ｍｍの弾性部を作製した。
エキスパンドメタル
加工前の材料の厚さ：０．２ｍｍ
加工後（完成品）の厚さ：０．７ｍｍ
加工後（完成品）の直径：８８．０ｍｍ
菱形開口部の長手方向の対角線長さ：５．０ｍｍ
菱形開口部の短手方向の対角線長さ：２．４ｍｍ
菱形開口部の切り幅（線幅）：０．４ｍｍ
【００３９】
さらに、粒径７５μｍのチタン粉末を圧縮型内に充填し、１５０ＭＰａにてプレス成形し、減圧したＡｒ雰囲気の焼結炉において１０３０℃で焼結し、さらに面取り等の所定の機械加工した後白金メッキすることにより、粉末焼結部（０．５ｍｍ×８８ｍｍφ）を作製した。
【００４０】
前記弾性部と前記粉末焼結部とをスポット溶接によって接合し、円盤状（３．４ｍｍ×８８ｍｍφ）の給電体を作製することにより実施例１とした。
【００４１】
（比較例１〜４の作製）
下記の表１に示した繊維を、前記実施例１の弾性部と同じ形状にプレス成形し、減圧したＡｒ雰囲気の焼結炉において１０３０℃で焼結することにより、比較例１〜４それぞれの繊維焼結部を作製した。さらに、前記実施例１と同様にして粉末焼結部を作製し、前記繊維焼結部と該粉末焼結部とをスポット溶接にて接合することにより、実施例１〜４の給電体とした。
【００４２】
以上のようにして作製した実施例１および比較例１〜４の給電体を、下記表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
（試験方法）
２枚の加圧板の間に上記給電体を挟み、該加圧板によって給電体に圧縮荷重を負荷した際の給電体の変位を測定した。
加圧試験はオートグラフ（島津製作所製：荷重容量１００ｋＮ）を用い、変位計測にはクリップゲージ（ＪＨＯＮＳＨＥＰＩＣ製：ＤＧ−４０）を用いて行った。
尚、圧縮弾性率は、圧縮荷重−変位曲線において、設定荷重（設計面圧×面積）となる位置におけるバネ定数（＝荷重／変位［ｋＮ／ｍｍ］）を求め、さらに以下の式を適用することにより求めた。
圧縮弾性率［ＭＰａ］＝（バネ定数）×（初期厚み／断面積）
各給電体について圧縮荷重−変位曲線を測定し、試験結果を図４に示すとともに、それぞれの圧縮弾性率を表１に示す。
【００４５】
図４に示したように、荷重を低減させる際の変位を示す除荷曲線において、面圧が１ＭＰａである状態から圧縮量が０．０２ｍｍ減少する際の面圧の減少量を比較すると、実施例１の給電体では面圧の低下率が約３０％であるのに対し、比較例１、２の給電体ではいずれも５０％以上、比較例３、４の給電体では８０％以上となっていることがわかる。即ち、本実施例１に係る給電体は、圧縮復元性が大きく圧縮量が減少した際にも圧縮復元性に優れ、面圧を維持しやすいという利点を有することがわかる
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る給電体によれば、固体電解質膜に圧接された際にも該固体電解質膜が損傷されにくく、さらに温度変化による電解セルの伸縮が生じた際にも固体電解質膜との良好な接触状態を維持することが可能となる。
従って、電気分解の際の電流分布に偏りが生じにくく、電圧の上昇が抑制されることとなるため、所定のエネルギー効率の維持を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る給電体の一実施形態を示す分解斜視図。
【図２】本発明に係る給電体の一実施形態を示す断面図。
【図３】本発明に係る電解セルの一実施形態を示す一部断面分解図。
【図４】実施例に係る給電体の圧縮試験結果を示すグラフ。
【図５】従来技術に係る電解セルの一部断面分解図。
【符号の説明】
１…粉末焼結部、１ａ…接触面、２…弾性部、３…エキスパンドメタル、１０…二重構造給電体、１１…固体電解質膜、１３…電極板、１５…固体電解質膜ユニット、２０…端板、２１…締付ボルト、３０…電解セル

Claims

水電解装置における電解セルを構成し、固体電解質膜に圧接されて使用される給電体であって、圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａであり、固体電解質膜に圧接される面が、導電性粉末又は導電性繊維が平滑な状態に焼結されてなることを特徴とする給電体。
前記給電体が、導電性板が立体的且つ網目状に成形された導電性成形板が１以上積層されてなる弾性部を有する請求項１記載の給電体。
水電解装置における電解セルを構成し、固体電解質膜に圧接されて使用される給電体であって、導電性板が立体的且つ網目状に成形された導電性成形板が１以上積層されてなる弾性部を有し、且つ固体電解質膜に圧接される面が、導電性粉末又は導電性繊維が平滑な状態に焼結されてなることを特徴とする給電体。
前記導電性成形板の圧縮弾性率が５〜５０ＭＰａである請求項２又は３記載の給電体。
前記導電性成形板がエキスパンドメタルである請求項２〜４のいずれかに記載の給電体。
請求項１〜５のいずれかに記載の給電体を具備することを特徴とする電解セル。