JP3723119B2 - 固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造及び該装置に使用される固体高分子膜 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子膜水電解（Solid
Polymer Water Electrolysis：ＳＰＷＥ）装置におけるスタック構造及び該装置に使用される固体高分子膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば固体電解質燃料電池の燃料としての水素の生成にあたって、固体高分子膜水電解装置が用いられることは良く知られている。この固体高分子膜水電解装置に用いられる固体高分子膜水電解スタックの基本構造を図５に示す。
【０００３】
図５に示すように、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる固体高分子膜１がチタン（Ｔｉ）繊維焼結体等からなる陽極側給電体２とステンレス鋼（ＳＵＳ）繊維焼結体等からなる陰極側給電体３とに挾持され、これら給電体２、３の外側に電解する純水が通るための多数の溝４を有した金属製のセパレータ５が配されて固体高分子膜水電解装置のスタック６が形成される。
【０００４】
上記セパレータ５は、電解のためにセパレータ５に設けた供給孔より水を供給し、対向する位置に設けられた排出孔から発生した水素又は酸素を伴って排出されている。
【０００５】
そして、前記セパレータ５の溝４に水（純水）を流し、両給電体２、３間に直流電流を印加すると、陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生する。これらガスを含んだ水は図示しない循環水タンク及びドレンタンクを流れる途中で気水分離され、酸素ガス及び水素ガスは系外にそれぞれ取り出されると共に水は再び電解に供される。
尚、給電体２、３は気液を通すために、ポーラスで且つ給電性能が高い多孔質メタル等の材料を用い、又セパレータ５は気液の流路である溝４を有する電気良導電体、例えばチタン材料で形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のように構成された装置に用いる固体高分子膜１は、約０.１〜０.２ｍｍ（例えば１７８μｍ）の薄膜で、メッキ法にて電極８、９を坦持（接合）され、陽極と陰極の一対の給電体２、３に挟持された状態でセパレータ５を介して水中で順次多層状に積層され多層スタックからなる固体高分子膜水電解装置が形成される訳であるが、前記固体高分子膜１に接合される電極８、９は給電体２、３と対面する固体高分子膜１中央域に形成されるために、その外周縁の固体高分子膜１は前記電極８、９を接合した時点で、波を打つような変形をしており、このためシールゴムを介して前記セパレータ５に面着させてシール積層しても前記波打ち変形部分がシールの際にしわとなって残り、前記シールゴムに挟まれたしわの部分より電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れがあった。
【０００７】
ところで、前記固体高分子膜水電解（装置）において、高効率での電解を行うには、前記セパレータ５と電解質膜１とを両給電体２、３を介して均一に且つ適切な面圧で密着させて接触抵抗を減らす必要がある。
【０００８】
上記問題に鑑み、本出願人は、特開平２００１−８１５８９号においてセパレータ構造を薄くすると共に加工が容易でシール性の高いセパレータ及びそれを用いた電解セル構造を提供する技術を提案している。
【０００９】
図７は、本実施の形態にかかるセパレータの概略図で、図７に示すように、本実施の形態にかかるセパレータ５０は、セパレータ本体の四隅に水供給孔６８ａ、６８ｂ、排出孔６９ａ、６９ｂが形成されており、表面側の供給孔６８ａから供給された水は排出孔６９ａから排出され、一方、裏面側の供給孔６８ｂから供給された水は排出孔６９ｂから排出されている。該排出水は、各々電解により生じた水素及び酸素を伴った水（Ｏ２を含んだ水及びＨ２を含んだ水）として排出される。該水供給孔６８ａ、６８ｂから供給された水はプレスで一体に形成された複数の波形の供給溝６４を流通することになる。
【００１０】
図６はかかるセパレータを用いた１部比較例（非公知）も含む従来技術の電解セル構造の概略図である。本従来技術にかかるセパレータ５０は、固体電解質膜１を挾持してなる給電体２、３の外側に設けられ、電解用の水を供給するセパレータ５０であって、図７に示すような薄肉のセパレータ５０の四隅に設けた水を供給する供給孔６８ａ、６８ｂと、水を排出する排出孔６９ａ、６９ｂと、該水供給孔６８ａ、６８ｂから供給された水を流通する複数の波形の供給溝６４と、上記給電体２、３を両面で交互に支持する凸部（支持部）２１とをプレス型で一体に形成してなるものである。
【００１１】
しかしながらかかる従来技術では固体電解質膜のみならず、セパレータも薄型であるために、その両端のシール及び間隔保持に工夫を要する
【００１２】
本発明はかかる課題に鑑み、前記陽極と陰極の一対の給電体に挟持された固体高分子膜周囲をシール部材を介してセパレータとシールする際に電解水が漏洩する恐れをなくし、高いシール性を維持できる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の他の目的は、固体高分子膜に電極を形成し、該電極形成位置の外側にしわが形成されている場合でも円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造を提供することにある。
本発明の他の目的は、固体高分子膜に電極を形成した場合でも、該電極形成位置の外側にしわが形成されることなく円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造及び該装置に使用される固体高分子膜を提供することにある。
本発明の他の目的は薄型のセパレータを用いた場合も、その両端周囲のシールと間隔保持を円滑に且つ高いシール性を維持できる固体高分子膜水電解装置における多層スタック構造を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、陽極と陰極の一対の給電体２、３に挟持された固体高分子膜１の周囲をシール部材１１を介してセパレータ５とシールさせてなる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造において、
前記シール部材１１を介してセパレータ５と面着する固体高分子膜１の外縁を前記セパレータ５外縁、より具体的にはセパレータ外縁に位置するシール位置より更に外方に拡形し、セパレータ５により面着されない拡形縁１４に形状保持枠１５を少なくとも組立時に固定したことを特徴とし、
好ましくは前記シール部材１１と固体高分子膜１との間に、前記シール部材１１より低硬度の軟質部材１２を介装したことを特徴とする。
そして前記軟質部材１２にはシリコーンや軟質なフッ素ゴムを用いるのが良い。
【００１５】
かかる発明によれば、固体高分子膜１の給電体２、３と対面する側に電極８、９を形成し、該電極形成位置の外側にしわが形成されている場合でも前記軟質ゴムで円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる。
【００１６】
【００１７】
又かかる発明によれば、固体高分子膜１の給電体２、３と対面する側に電極８、９を形成した場合でも、該電極形成位置の外側にしわが形成されることなく円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる。
【００１８】
更に本発明は、陽極と陰極の一対の給電体２、３の間に固体高分子膜１を挟持させたスタック６（電解セル）の上下両側に位置する中間セパレータ５０にプレス成形による薄板セパレータを用いるとともに、上下両端に位置する端側セパレータ５１は、電解セルと対面する側に溝を設け、該溝部に電解水が流通可能な厚板のセパレータを用いたことを特徴する。
【００１９】
かかる発明によれば、電解セルに挟まれる中間部にはプレス成形セパレータを用いたために、軽量低コストというメリットを維持しつつ上下両端に位置する端側セパレータは、電解セルと対面する側に溝を設け、該溝部を電解水が流通可能な厚板のセパレータにすることによりセパレータとフランジが共用でき、スペーサを省略できるとともに、両端の端側セパレータの変形を容易に防止でき、薄型のセパレータを用いた場合も、その両端周囲のシールを円滑に且つ高いシール性を維持できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明に適用される技術にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図で、水素イオン透過性の固体高分子膜１からなる電解質膜１がチタン（Ｔｉ）繊維焼結体等からなる陽極側給電体２とステンレス鋼（ＳＵＳ）繊維焼結体等からなる陰極側給電体３とに挾持され、これら給電体２、３の外側に電解する純水が通るための多数の溝４を有した金属製のセパレータ５が配されて固体高分子膜水電解のスタック６が形成される。
【００２１】
そして前記陽極と陰極の一対の給電体２、３の間に挟持された固体高分子膜１は、セパレータ５を介して水中で順次多層状に積層して多層スタック６からなる固体高分子膜水電解装置を形成する。
そして固体高分子膜１外周とセパレータ５の外周との間は、セパレータ５の外周を囲撓する如く設けた断面コの字状のシール溝７に配設した無端状のシールゴムにより封止させている。
シールゴムはゴム１００部当たりのカーボン部数を多くして硬度（ＪＩＳ Ａ）を５０〜８０に設定している。
そしてゴムの材質は、耐水性や耐候性等を考慮してエチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム等が用いられている。
【００２２】
固体高分子膜１は例えば約０.１〜０.２ｍｍ（例えば１７８μｍ）の薄膜で５００×１０００ｍｍ程度の大きさを有する長方形状をなし、陽極と陰極の夫々の給電体２、３と対面する両面の中央域にメッキ法にて方形の電極８、９を坦持（接合）させている。
【００２３】
かかる構成において、前記したように前記固体高分子膜１は図２（Ａ）に示すように、前記電極８、９を接合した時点で、その外側で波を打つように変形してしまい、そしてシールゴム１１は硬度（ＪＩＳ Ａ）が５０〜８０と硬質であるために、該シールゴム１１を介して前記セパレータ５に面着させてシール積層しても前記波打ち変形部分がシールの際に図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、しわ１７となって残り、その部分より内部の電解水の漏洩が生じてしまうおそれがある。
【００２４】
一方前記固体高分子膜水電解装置の陽極と陰極の一対の給電体２、３の間に固体高分子膜１を挟持させたスタック６（電解セル）は、セパレータ５を介して水中で順次多層状に積層する多層スタック構造となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するために、前記積層体を所定の圧力で押圧して接触性を高め、接触抵抗を低く抑える必要があるが、シールゴム１１自体を軟質にすると、前記締め付けにより、前記セパレータ５間の間隔保持が出来ずに、つぶれてしまう。
【００２５】
そこで本技術においては、前記シールゴム１１は硬度（ＪＩＳ Ａ）が５０〜８０と硬質なものを使用しつつ、図２（Ｃ）に示すようにシールゴム１１表面の高分子膜１との接触面にテレケリック系液状ゴム１３を塗布している。テレケリック系液状ゴム１３はポリジエン系、ポリエーテル系、ポリスルフィド系のいずれを用いても良いが、塗布可能な粘度で且つ前記しわ１７の空隙を塞ぐことの出来るような粘度を有することが必要で、リビング重合末端の官能基の調整に粘度Ｐを室温で、５０〜１０００に調整したものを用いるのがよい。
【００２６】
又前記のように液状ゴム１３を用いずに、図２（Ｂ）に示すように、硬質のシールゴム表面の高分子膜１との接触面に軟質なゴム層１２を接合する構成にしても良い。
このような軟質ゴム層には、例えば硬度（ＪＩＳ Ａ）が１０〜３０のラテックスを用いても良く、又シールゴム１１と同材質のエチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴムを用いてその加硫化度を低くして、硬度（ＪＩＳ Ａ）が１０〜３０に設定してもよい。
【００２７】
かかる技術によれば、給電体２、３と対面する表裏両側に電極８、９を形成し、該電極形成位置の外側の固体高分子膜１にしわ１７が形成されている場合でも前記液状ゴム１３や軟質ゴム１２で円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できるとともに、シールゴム自体は硬質なために前記積層体を所定の圧力で押圧しても前記セパレータ５間の間隔保持が容易である。
【００２８】
図３は本発明の実施形態にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図で、陽極と陰極の一対の給電体２、３に挟持された固体高分子膜周囲をシール部材１１を介してセパレータ５とシールさせてなる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造であって、前記シール部材１１を介してセパレータ５と面着する固体高分子膜１の外縁１４を前記セパレータ５外縁のシール位置１ａより更に外方に拡形し、セパレータ５により面着されない拡形縁１４に形状保持枠１５を固定したものである。
即ち、本実施例は前記固体高分子膜水電解装置に使用する固体高分子膜の外形を前記セパレータ５外形より大きくなるように拡形し、先ず該拡形縁１４に形状保持枠１５を固定した後、固体高分子膜１の給電体２、３と対面する両面側の中央域にメッキ法にて方形の電極８、９を形成する。
【００２９】
これにより、電極形成の際に高分子膜１の中央域が電極接合により引っ張られて電極形成位置の外側に引っ張り力が働いても形状保持枠１５に保持されているために、しわ１７が形成されることがない。
【００３０】
又形状保持枠１５は電極８、９接合後に設けても良く、これにより電極接合により電極形成位置の外周縁側に出来たしわ１７のしわ伸ばしが可能である。
尚、前記形状保持枠１５は外周側に引っ張り力が働くものであるなら特に限定されないが、例えばシールゴムと同様な硬度（ＪＩＳ Ａ）が５０〜８０程度の硬質ゴムで形成しても良く、又ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂で形成しても良い。
【００３１】
図６は、図８に示す薄板プレスセパレータを用いた固体高分子膜水電解装置の比較例で、陽極と陰極の一対の給電体２、３の間に固体高分子膜１を挟持させたスタック６（電解セル）は、前記したセパレータ５０を介して水中で順次多層状に積層して多層スタック構造となっているが、前記多層スタック構造体０６は積層による内部抵抗の増加を抑制するために、上下両側にフランジを配し、該フランジの締め付け力を利用して前記電解セル積層体を所定の圧力で押圧して接触性を高め、接触抵抗を低く抑えている。また、電解水をスタック内に保持するために厚肉の硬質シールゴム１１を介在させている。
しかしながらかかる構成では、多層スタック構造体０６（電解セル積層体）の上下に位置する薄板セパレータとフランジ７０との間にスペーサ５３を介在させなければならない。
特にプレス成形セパレータは軽量低コストというメリットがあるが、上下両側に電解セルが存在し、両側に溝を付けた構造であるために、上下両端のセパレータについては前記締め付け力により変形しないようにスペーサが必須である。
【００３２】
そこで本発明の適用技術おいては、図８に示すように、陽極と陰極の一対の給電体２、３の間に固体高分子膜１を挟持させたスタック６（電解セル）の上下両側に位置する中間セパレータ５０にプレス成形による薄板セパレータを用いるとともに、上下両端に位置する端側セパレータ５１は、電解セルと対面する側に溝４を設け、該溝部４を電解水が流通可能な厚板のセパレータ５１にすればセパレータとフランジが共用でき、スペーサを省略できる。
即ち、両端の端側セパレータ５１をチタン厚板からの削りだしにすれば、スペーサや両端のフランジを省略できるとともに、両端の端側セパレータ５１の変形を容易に防止できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく発明によれば、固体高分子膜の給電体２、３と対面する側に電極８、９を形成した場合でも、該電極形成位置の外側にしわが形成されることなく円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる。
【００３４】
この場合に、給電体２、３と対面する側に電極８、９を形成し、該電極形成位置の外側の固体高分子膜にしわが形成されている場合でも前記軟質ゴムで円滑にシールでき、且つ高いシール性を維持できる。
【００３５】
さらに、電解セルに挟まれる中間部にはプレス変形された薄板セパレータを用いたために、軽量低コストというメリットを維持しつつ、上下両端に位置する端側セパレータは、電解セルと対面する側に溝を設け、該溝部を電解水が流通可能な厚板のセパレータにすることによりセパレータとフランジが共用でき、スペーサを省略できるとともに、両端の端側セパレータの変形を容易に防止でき、その両端周囲のシールを円滑に且つ高いシール性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の適用技術にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図である。
【図２】 （Ａ）は図１に使用される固体高分子膜の平面図、（Ｂ）（Ｃ）は図１に使用するシールゴムの断面図である。
【図３】 本発明の実施形態にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図である。
【図４】 図３に使用される固体高分子膜の平面図である。
【図５】従来技術にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の概略構成図である。
【図６】 本第３発明の比較例にかかる電解セルの積層スタック構造の概略図である。
【図７】 図６に使用する従来技術にかかる薄板セパレータの概略図である。
【図８】 本発明の適用技術にかかる電解セルの積層スタック構造の概略図である。
【符号の説明】
１ 固体高分子膜
１ａ シール位置
２、３ 給電体
５ セパレータ
６ スタック構造
８、９ 電極
１１ シール部材
１２ シール部材より低硬度の軟質部材
１３ 粘着性を有する液状部材材
１４ 固体高分子膜の拡形縁
１５ 形状保持枠
５０ 薄板の中間セパレータ
５１ 端側セパレータ

Claims (4)

1. 陽極と陰極の一対の給電体に挟持された固体高分子膜周囲を、シール部材を介してセパレータとシールさせてなる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造において、
   前記シール部材を介してセパレータと面着する固体高分子膜の外縁を前記セパレータ外縁のシール位置より更に外方に拡形し、セパレータにより面着されない拡形縁に形状保持枠を少なくとも組立時に使用して固定したことを特徴とするスタック構造。
2. 前記シール部材と固体高分子膜との間に、前記シール部材より低硬度の軟質部材を介装したことを特徴とする請求項１記載のスタック構造。
3. 前記軟質部材が、シリコーンや軟質なフッ素ゴムであることを特徴とする請求項２記載のスタック構造。
4. 陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させたスタック（電解セル）の上下両側に位置する中間セパレータにプレス成形による薄板セパレータを用いるとともに、上下両端側に位置する端側セパレータに、電解セルと対面する側に溝を設け、該溝部を電解水が流通可能な厚板のセパレータを用いることを特徴とする請求項１記載のスタック構造。

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