JP3631467B2 - 電解セル用給電体及び電解セル - Google Patents

Description

【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利用して水素及び／又は酸素等の所望気体を製造する電解セル用の給電体，及び該給電体を備えた電解セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高純度の所望気体を得ることができると共に、ボンベ等の運搬や貯蔵を行う必要が無い等の点から、固体高分子電解質膜を利用した気体発生装置が提案され、広く利用されている。以下、該気体発生装置として、水素及び／又は酸素を生成する水素・酸素発生装置を例に説明する。
【０００３】
該水素・酸素発生装置は、両面に触媒層が接合されてなる固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を挟んで両側に配設された一対の陽極側給電体及び陰極側給電体と、該一対の給電体を挟むように配設された一対の電極板とを有し、これらの部材が狭圧されてなる電解セルを備えている。一般的に、前記水素・酸素発生装置は、該電解セルを複数直列に連結して、その両端に端部電極板を備えた態様で使用される。
【０００４】
ところで、前記電解セルにおける給電体には、前記固体高分子電解質膜表面まで純水又は電解液を通過させる為の通液性と、前記固体高分子電解質膜表面での電解を行う為の導電性と、発生した水素及び酸素をセル外へ逃す為の通気性と、固体高分子電解質膜と接する面の平滑性とが要求される。
【０００５】
斯かる観点から、金属製メッシュや金属粉末又は金属繊維焼結体等の導電性多孔質体からなる給電体であって、固体高分子電解質膜に接する側に配設される低空孔率の第１導電性多孔質体と、該第１導電性多孔質体の前記固体高分子電解質膜とは反対側に配設される高空孔率の第２導電性多孔質体とを備えた複数層構造の給電体が提案されている。
【０００６】
図５に、従来の複数構造型給電体の一例の縦断面図を示す。図５に示す給電体は、固体高分子電解質膜に接する低空孔率導電性多孔質体と、該低空効率導電性多孔質体の前記膜とは反対側に配設された中空孔率導電性多孔質体と、該中空孔率導電性多孔質体の前記膜とは反対側に配設された高空孔率導電性多孔質体とを備えた３層タイプとされている。
該従来の給電体は、導電性及び通液性を維持しつつ、膜当接面の平滑性を向上させ得る点で有効ではあるが、以下に示す不都合がある。
【０００７】
即ち、前述の通り、固体高分子電解質膜は一対の給電体（陽極側給電体及び陰極側給電体）によって狭圧下に置かれる。該固体高分子電解質膜は非常に軟質であるから、一対の給電体によって狭圧されると該一対の給電体の周縁部が膜に食い込み、これにより、前記膜の損傷を招く恐れがある。
【０００８】
特に、金属製メッシュを用いてなる給電体の場合には、周縁部においてメッシュを構成する芯材の端部が剥き出し状態となる為、固体高分子電解質膜の損傷を招き易いという問題がある。
【０００９】
又、金属製メッシュからなる給電体においては、図６に示すように、前記芯材の端部による前記膜の損傷を防止する為に、該膜との当接面周縁部に保護リングを備えることも提案されているが、該態様においても保護リングの周縁部が固体高分子電解質膜に食い込み、該膜の損傷を招くという問題は依然として残る。
【００１０】
なお、前記保護リング１１０は、一般的に、金属製メッシュ給電体と一体化される為、該保護リング１１０は金属製メッシュと同一材料で形成される。即ち、金属製メッシュ給電体がチタン製である場合には、保護リング１１０もチタン製で形成され、溶接等により一体化される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜との接触性を向上させることで電解電圧を低下させて電解効率を向上させることができると共に、該膜の損傷を有効に抑えて膜の耐久性を向上させ得る給電体を提供することを、一の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、電解セルに使用される給電体であって、固体高分子電解質膜に接する第１導電性多孔質体と、前記第１導電性多孔質体の前記膜とは反対側に配設される第２導電性多孔質体とを備え、前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体と向き合う中央部と、該中央部から径方向外方へ延在する周縁延在部とを有している電解セル用給電体を提供する。
【００１３】
好ましくは、前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体に比して空孔率が低いものとし得る。
さらに、好ましくは、前記第１及び第２導電性多孔質体を一体化させることができる。
一態様においては、前記第１及び第２導電性多孔質体をチタン多孔質体とすることができる。該チタン多孔質体には、チタンメッシュやチタンエッチング製とすることができる。
第１及び第２導電性多孔質体をチタン多孔質体とする場合には、好ましくは、前記第１導電性多孔質体に白金，金等の白金族金属メッキを施すことができる。
【００１４】
又、本発明は、前記目的を達成するために、固体高分子電解質膜と、前記何れかの態様に係る電解セル用給電体であって、前記固体高分子電解質膜を挟んで配設される一対の陽極側給電体及び陰極側給電体と、該一対の給電体を挟むように配設される一対の電極板と、前記固体高分子電解質膜及び前記一対の電極板のそれぞれと共働して、該電解質膜の一方側及び他方側に、それぞれ、陽極室及び陰極室を画する一対のガスケットとを備え、前記一対のガスケットのそれぞれは、第１導電性多孔質体の周縁延在部を囲繞する開口径を有し、前記電解質膜側に開く大開口部と、該大開口部から前記電解質膜とは反対側に延び、前記第２導電性多孔質体を囲繞する開口径を有するように該大開口部から段部を伴って縮径された小開口部とを有する段付形状とされている電解セルを提供する。
好ましくは、前記ガスケットの大開口部は、前記給電体の第１導電性多孔質体の厚み以上の深さを有するものとし得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電解セル用給電体の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態に係る電解セル用給電体１の縦断側面図及び平面図であり、図２は該給電体１を組み込んだ電解セルの一例における部分縦断面図である。
【００１６】
前記給電体１は、固体高分子電解質膜１００を利用して水素及び／又は酸素等の所望気体を生成する電解セルの一構成部材として使用される。
以下、水素及び／又は酸素を生成する場合を例に説明する。
即ち、該電解セルにおいては、固体高分子電解質膜１００の一方面側及び他方面側に、それぞれ、陽極側給電体１及び陰極側給電体１が配設されている。該一対の給電体１，１は、それぞれの膜当接面が固体高分子電解質膜１００の一方面及び他方面に当接するように該膜１００に向けて押圧された状態で固定される。斯かる電解セルにおいては、前記一対の給電体１，１間に電流を流すと共に、該給電体１の前記膜１００との当接部分に純水又は電解液を供給することによって、陽極室及び陰極室にそれぞれ酸素及び水素が発生するようになっている。
【００１７】
このように、前記給電体１は導電性，通液性及び通気性が必要とされ、従って、導電性の多孔質体によって形成されている。
より詳しくは、図１及び図２に示すように、前記給電体１は、固体高分子電解質膜１００に接する側に配される第１導電性多孔質体１０と、該第１導電性多孔質体１０における前記膜１００とは反対側に配設される第２導電性多孔質体２０とを備えた複数層の積層構造とされている。
なお、本実施の形態においては、前記第２導電性多孔質体２０における前記膜１００とは反対側に第３導電性多孔質体３０を備えた３層タイプとしている。
【００１８】
固体高分子電解質膜１００と接する前記第１導電性多孔質体１０は、前記第２導電性多孔質体２０と当接する中央部１１と、該中央部１１から径方向外方へ延在した周縁延在部１２とを備えている。
即ち、該第１導電性多孔質体１０は、前記第２導電性多孔質体２０に対応した中央部１１に加えて、該中央部１１を囲繞する周縁延在部１２を備えている。
【００１９】
このように、給電体１を複数の導電性多孔質体からなる積層構造とし、且つ、複数の導電性多孔質体１０，２０，・・・のうち，固体高分子電解質膜１００と接する第１導電性多孔質体１０を、該第１導電性多孔質体１０の前記膜とは反対側に配設される第２導電性多孔質体２０より大径とすることにより、以下の効果を得ることができる。
【００２０】
前述の通り、固体高分子電解質膜１００を挟んで配設される一対の給電体１，１は、互いに該膜１００に向けて押圧された状態で固定される。即ち、該給電体１は、膜１００とは離間された面（本実施の形態においては第３多孔質給電体３０）の全域に押圧力を受けた状態で固定支持される。
【００２１】
ここで、前記押圧力を受けた際の前記第１導電性多孔質１０の動きについて考えると、該第１導電性多孔質体１０は、前述の通り、前記第２及び第３導電性多孔質体２０，３０に対応した前記中央部１１に加えて、該中央部１１から径方向外方へ延在した前記周縁延在部１２を有している。前記押圧力は前記中央部１１には作用するが、周縁延在部１２には作用しない。従って、該周縁延在部１２は、図２に示すように、固体高分子電解質膜１００からの反力を受けて、周縁が該膜１００から離間する方向へ撓む。
【００２２】
このように、本実施の形態に係る給電体１においては、固体高分子電解質膜１００と接する第１導電性多孔質体１０の周縁部１２が該膜１００とは離間する方向へ湾曲する。
従って、従来技術の項において説明したような給電体周縁が固体高分子電解質膜へ食い込むことを有効に抑えることができ、これにより、該膜の損傷を防止することができる。
【００２３】
さらに、該給電体１においては、第２及び第３導電性多孔質体２０，３０を介して付加される押圧力によって前記第１導電性多孔質体１０の中央部１１全体を前記膜１００に確実に当接させることができ、これにより、膜１００に対する給電体１の有効接触面積を増加させて、電解効率の向上を図ることができる。
【００２４】
即ち、保護リング１１０を備えた従来の給電体１’’（図６参照）においては、該保護リング１１０に起因する段差の為に、膜１００との有効接触面積は第２及び第３導電性給電体２０，３０の面積よりも小さくなる。
これに対し、本実施の形態においては、前記第２及び第３導電性多孔質体２０，３０と同一面積を有する前記中央部１１全域を固体高分子電解質膜１００に確実に当接させることができる。
従って、保護リング１１０を備えた従来の給電体１’’に比して、膜１００との有効接触面積を増加させて、電解効率の向上を図ることができる。
【００２５】
好ましくは、前記第１導電性多孔質体１０を他の導電体多孔質体２０，３０に比して低空効率とすることができ、これにより、通液性，通気性及び導電性を維持しつつ、固体高分子電解質膜１００との当接面の平滑性を向上させることができる。
【００２６】
前記給電体１を構成する第１〜第３導電性多孔質体１０，２０，３０は、導電性物質からなるメッシュ体や、導電性物質の粒子又は繊維からなる焼結体等の種々の形態を採用し得る。
前記導電性物質としては、前記給電体１が陽極側に用いられる場合には、耐酸性であり且つ金属の溶出が少ない等の観点から、チタン、ニオブ、チタン−パラジウム合金等が例示されるが、安価で商用に適しているという点から、チタンが好適に使用される。なお、好ましくは、固体高分子電解質膜１００と当接する第１導電性多孔質体１０に白金，金等の白金族金属のメッキを施すことができ、これにより、耐酸化性及び耐水素ぜい化性を向上させることができると共に、接触抵抗の改善を図ることができる。
又、前記給電体１が陰極側に用いられる場合には、前記導電性物質として、ステンレス鋼の他、グラファイト、カーボン等が例示される。
【００２７】
好ましくは、前記第１導電性多孔質体１０は、給電体１が固体高分子電解質膜１００へ向けて押圧された際に、前記周縁延在部が本体部に対して撓み得るように構成される。
具体的には、第１導電性多孔質体１０を構成する材料の物性（周縁延在部１２の径方向長さ，第１導電性多孔質体１０の厚み，及び該第１導電性多孔質体１０の弾性係数等）や固体高分子電解質膜１００から受ける反力の大きさに応じて、設定される。
【００２８】
さらに好ましくは、給電体１を構成する各導電性多孔質体１０，２０，３０を一体化させることができ、これにより、各導電性多孔質体間の電気抵抗の削減及び電解セル組立時の組立効率を向上させることができる。
特に、前記給電体１を金属製メッシュで形成する場合には、各導電性多孔質体をスポット溶接によって一体化させることができ、これにより、前記第１導電性多孔質体１０の可撓性をさらに向上させることができる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、第１〜第３導電性多孔質体１０，２０，３０からなる３層構造の給電体１を例に説明したが、本発明は斯かる形態に限定されるものではない。即ち、少なくとも２層の導電性多孔質体を備え、固体高分子電解質膜１００に接する側の導電性多孔質体が他の導電性多孔質体に比して大径である限り、種々の形態に適用可能である。
【００３０】
本実施の形態に係る給電体が組み込まれた電解セルにおいては、好ましくは、段付ガスケットが使用される。
図３に、本実施の形態に係る給電体を備えた電解セルの他の例の要部縦断面図を示す。
【００３１】
図３に示す電解セルは、前記固体高分子電解質膜１００と、該電解質膜１００を挟んで配設される一対の給電体１と、該一対の給電体１を挟むように配設される一対の電極板５０と、前記電解質膜１００を挟んで配設され、前記一対の電極板５０のそれぞれとの共働下に、該電解質膜の一方面及び他方面にそれぞれ陽極室及び陰極室を画する一対のガスケット４０とを備えている。
【００３２】
前記一対のガスケット４０は、それぞれ、前記給電体１における第１導電性多孔質体１０の周縁延在部１２を囲繞する開口径を有し、前記電解質膜１００の方向に開く大開口部４１と、該大開口部４１から前記電解質膜１００とは反対側に延び、前記第２及び第３導電性多孔質体２０，３０を囲繞する開口径を有するように該大開口部４１から段部４２を伴って縮径された小開口部４３とを有する段付形状とされている。
【００３３】
より詳しくは、前記ガスケット４０における大開口部４１の深さは、前記第１導電性多孔質体１０の厚みと同一、若しくは、該第１導電性多孔質体１０の厚みよりも大きくされる。
斯かる構成の段付ガスケットを備えることによって、給電体１を確実に保持しつつ、第１導電性多孔質体１０の中央部１１を前記固体高分子電解質膜１００に適切に押圧させ、且つ、前記周縁延在部１２が該固体高分子電解質膜１００を損傷させることを有効に防止できる。
さらに、斯かる構成においては、前記固体高分子電解質膜１００に対する前記一対の段付ガスケット４０の姿勢を安定させることができる。即ち、前記一対の段付ガスケット４０と固体高分子電解質膜１００との接触性を向上させることができる。従って、陽極室側のガスケット／固体高分子電解質膜／陰極室側のガスケット間の接触性を向上させることができ、これにより、陽極室及び陰極室の密閉性を向上させることができる。従って、電解セル組立時に過度に締め付けることなく所望のシール性を得ることができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明に係る給電体の一実施例について説明する。
本実施例においては、図１〜図３に示すような、チタンメッシュからなる３層構造の給電体であって、各層をスポット溶接してなる給電体を採用した。
なお、本実施例においては、第１導電性多孔質体として、板厚０．１ｍｍ，直径８６ｍｍで、メッシュ開口の長目開口幅及び短目開口幅がそれぞれ１．５ｍｍ及び０．８ｍｍのチタンメッシュを用いた。又、第２及び第３導電性多孔質体として、板厚０．２ｍｍ，直径８０ｍｍで、メッシュ開口の長目開口幅及び短目開口幅がそれぞれ５ｍｍ及び２．４ｍｍのチタンメッシュを用いた。
【００３５】
比較例として、同一のチタンメッシュを用い、且つ、第１導電性多孔質体の周縁にチタン製保護リングを備えた従来の給電体（図６参照）を用いた。
即ち、比較例においては、第１導電性多孔質体の直径が８０ｍｍである点、及び、保護リングを備えている点を除き、前記実施例と同一構造とした。
【００３６】
本実施例及び比較例を用いた電解セルにおける「セル電圧／電流密度」の関係を測定した。なお、給電体を固体高分子電解質膜へ押圧する際の圧力や供給純水の水量及び温度等の他の条件は同一とした。
【００３７】
該測定結果を図４に示す。
図４から明らかなように、同一電流密度を流すにあって、本実施例においては比較例に比して小さなセル電圧を印加すれば十分であった。
これは下記理由によるものと考えられる。
即ち、本実施例は比較例に比して、第１導電性多孔質体と固体高分子電解質膜との接触面積が大きい為にセル電圧が小さくなったと考えられる。逆に言えば、本実施例においては、小さいセル電圧で同等の電流密度を流すことができ、従って、電解効率が向上していると言える。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る給電体によれば、少なくとも第１及び第２導電性多孔質体を備え、且つ、固体高分子電解質膜と接する側に配設される第１導電性多孔質体を第２導電性多孔質体よりも大径としたので、給電体周縁による固体高分子電解質膜の損傷を有効に抑えつつ、該膜との有効接触面積を広げることができる。従って、電解セルの電解効率を向上させつつ、固体高分子電解質膜の耐久性を向上させることができる。
又、本発明に係る給電体を備えた電解セルにおいて、段付ガスケットを用いれば、給電体を確実の保持しつつ、前記効果を有効に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明に係る給電体の一実施の形態の縦断面図及び平面図である。
【図２】図２は、図１に示す給電体を組み込んだ電解セルの一例の要部縦断面図である。
【図３】図３は、図１に示す給電体を組み込んだ電解セルの他の例の要部縦断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る一実施例と比較例との「セル電圧／電流密度」の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、従来の給電体の一例の縦断面図である。
【図６】図６は、従来の給電体の他の例の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 給電体
１０ 第１導電性多孔質体
１１ 中央部
１２ 周縁延在部
２０ 第２導電性多孔質体
４０ ガスケット
５０ 電極板
１００ 固体高分子電解質膜

Claims (7)

1. 電解セルに使用される給電体であって、
   固体高分子電解質膜に接する第１導電性多孔質体と、
   前記第１導電性多孔質体の前記膜とは反対側に配設される第２導電性多孔質体とを備え、
   前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体と向き合う中央部と、該中央部から径方向外方へ延在する周縁延在部とを有していることを特徴とする電解セル用給電体。
2. 前記第１導電性多孔質体は、前記第２導電性多孔質体に比して空孔率が低いことを特徴とする請求項１に記載の電解セル用給電体。
3. 前記第１及び第２導電性多孔質体は一体化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電解セル用給電体。
4. 前記第１及び第２導電性多孔質体はチタン多孔質体であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の電解セル用給電体。
5. 前記第１導電性多孔質体は、白金族金属メッキされていることを特徴とする請求項４に記載の電解セル用給電体。
6. 固体高分子電解質膜と、
   請求項１〜５の何れかに記載の電解セル用給電体であって、前記固体高分子電解質膜を挟んで配設される一対の陽極側給電体及び陰極側給電体と、
   該一対の給電体を挟むように配設される一対の電極板と、
   前記固体高分子電解質膜及び前記一対の電極板のそれぞれと共働して、該電解質膜の一方側及び他方側に、それぞれ、陽極室及び陰極室を画する一対のガスケットとを備え、
   前記一対のガスケットのそれぞれは、第１導電性多孔質体の周縁延在部を囲繞する開口径を有し、前記電解質膜側に開く大開口部と、該大開口部から前記電解質膜とは反対側に延び、前記第２導電性多孔質体を囲繞する開口径を有するように該大開口部から段部を伴って縮径された小開口部とを有する段付形状とされていることを特徴とする電解セル。
7. 前記ガスケットの大開口部は、前記給電体の第１導電性多孔質体の厚み以上の深さを有していることを特徴とする請求項６に記載の電解セル。

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