JP3988002B2

JP3988002B2 - フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セル

Info

Publication number: JP3988002B2
Application number: JP19485597A
Authority: JP
Inventors: 人見　　周二
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: JPH1121685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型水電解セルに係わり、さらには、複極を備えたフィルタ−プレス式水電解セル関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質であるイオン交換膜を電解質として用いた固体高分子型水電解セルは、イオン交換膜の両面の一方に白金族金属からなる陽極を、他方に同じく白金族金属からなる陰極を一体に接合してなるイオン交換膜−触媒電極接合体を基本ユニットとし、陽極室に水を送りながら、両極間に電圧を印可すると、下記の反応により陽極より酸素、陰極より水素が得られる。
【０００３】
陽極：Ｈ₂Ｏ→１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-
陰極：２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ２
総反応：Ｈ₂Ｏ→１／２Ｏ₂＋Ｈ₂
この固体高分子型水電解セルは、従来のアルカリ水溶液を用いる水電解セルと比べると、
１）水が唯一の循環流体であるため、保守保安が容易。
【０００４】
２）非多孔質のイオン交換膜が、隔膜としても働くため、両極室の差圧制御が容
易。
【０００５】
３）電極間のガス抵抗がなく、高電流密度操業が可能。
【０００６】
という、特徴を持つ。
【０００７】
しかし、１セルだけでは得られるガス量が少ないので、これらのセルを直列に積層したフィルタ−プレス式水電解セルが使われる。その一般的構造を図２に示す。チタンよりなる複極板１０、エキスパンデットチタンを複数枚重ねた陽極給電体１１、エキスパンデットチタンを複数枚重ねた陰極給電体１２、イオン交換膜−触媒電極接合体１３で基本的に構成される数十組のユニットと、陽極主電極１４、陰極主電極１５およびこれらを一体に締め付けるボルト−ナットから基本的に構成される。
【０００８】
複極板１０を陽極室側から見た平面図と断面図である図３、図４を用いてさらに詳しく例で示す。
【０００９】
［例１］Ｏ−リングタイプ（図３）：複極板１０は、下方の陽極の水の導入孔３に水が供給されると水の導入溝７を経て陽極側のみに水を送り、陽極で発生した酸素は、余剰の水とともに酸素排出溝８を経て酸素排出孔４より、陰極で発生した水素は水素排出孔５より排出される。各部のシ−ルは、各Ｏ−リング６ａ〜６ｂによって行われており、各給電体は、複極に設けられた給電体収納穴９に収納されており、給電体のつぶししろは給電体収納穴９の穴の深さで規定されているため、給電体とイオン交換膜−触媒電極接合体との接触圧は常に一定の押し付け圧が得られる。
【００１０】
［例２］ガスケットタイプ（図４）：例１のＯ−リングのかわりにガスケットを用いた例で、ガスケット１６と金属平板１の組み合わせにより複極板を構成しおり、ガスケット１６と金属平板１により形成される給電体収納穴９が給電体のつぶししろを規定する。下方の陽極の水の導入孔３に水が供給されると水の導入溝７を経て陽極側のみに水を送り、陽極で発生した酸素は、余剰の水とともに酸素排出溝８を経て酸素排出孔４より、陰極で発生した水素は水素排出孔５より排出される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水電解セルの複極板は、たとえば［例１］Ｏ−リングタイプでは、Ｏ−リング溝、給電体収納溝を設ける必要があり、そのため、加工代が高く経済的ではない上に、加工時にそりが出ないようにするために、複極板を分厚くする必要があり、複極板重量のセルに占める割合がかなり大きくなる問題点がある。
【００１２】
また、［例２］ガスケットタイプでは、金属平板の加工はかなり単純なため、加工代も安く、材料も薄くでき、セルの軽量化がはかれるが、弾性体であるガスケットに給電体のつぶししろを規定する役目を持たせており、そのガスケットのつぶれ具合がセル間で必ずしも同じではないため、各セル間の給電体とイオン交換膜−触媒電極接合体との接触圧が一定しない。そのため、各セル間のセル電圧が大きく異なるため、保守管理が難しくなる。また、ガスケットのシ−ル性はＯ−リングのそれと比べて劣り、Ｏ−リングを用いた［例１］の電解セルでは、１０ｋｇ／ｃｍ²Ｇの高圧運転も可能だが、ガスケットシ−ルを用いた［例２］の電解セルは、５ｋｇ／ｃｍ²Ｇ程度の運転が限界である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルは、金属平板の両面に給電体収納穴を有するプラスチックプレートを配し、プラスチックプレートの周縁の内側に第１のＯ−リングでシールされたシール部をもち、プラスチックプレートの給電体収納穴の外周に陽極への水の導入孔、酸素排出孔、水素排出孔を各１個以上もち、給電体収納穴と陽極への水の導入孔との間に水の導入溝、給電体収納穴と酸素排出孔との間に酸素排出溝、給電体収納穴と水素排出孔との間に水素排出溝が設けられ、水の導入孔、酸素排出孔および水素排出孔はいずれも第１のＯ−リングの内周部分に設けられ、金属平板の一方の面に配されたプラスチックプレートは、陽極への水の導入孔および酸素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシ−ルされ、他方の面に配されたプラスチックプレートは、水素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシールされてなる複極板を用いることを特徴とする。また、給電体収納穴の外周にはさらに陰極への水の導入孔を１個以上もち、陰極への水の導入孔は第１のＯ−リングの内周部分に設けられ、他方の面に配されたプラスチックプレートは陰極への水の導入孔の外周が第２のＯ−リングでシールされていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明によるフィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルでは、金属平板の両面に給電体収納穴を有するプラスチックプレートを配し、プラスチックプレートの周縁の内側に第１のＯ−リングでシールされたシール部をもち、プラスチックプレートの給電体収納穴の外周に陽極への水の導入孔、酸素排出孔、水素排出孔を各１個以上もち、給電体収納穴と陽極への水の導入孔との間に水の導入溝、給電体収納穴と酸素排出孔との間に酸素排出溝、給電体収納穴と水素排出孔との間に水素排出溝が設けられ、水の導入孔、酸素排出孔および水素排出孔はいずれも第１のＯ−リングの内周部分に設けられ、一方のプラスチックプレートは陽極への水の導入孔および酸素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシ−ルされ、他方のプレートは水素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシールされてなる複極板を用いる。このようにすることにより、従来のガスケットタイプ水電解セルと同様の軽量化、簡素化を持ちながら、従来のＯ−リングタイプと同様の耐圧性能を持つ電解セルを安価に作成することが可能となる。
【００１５】
【実施例】
本発明を好適な実施例により説明する。図１は、本発明フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルの複極板を示す図である。
【００１６】
金属平板１として、３００×３００ｍｍ、厚さ１ｍｍのチタン板を用い、その両面に３００×３００ｍｍ、厚さ５ｍｍのポリプロピレンよりなるプラスチックプレ−ト２を配している。プラスチックプレ−トには、中央に１３５×１３５ｍｍの四角い穴があけてあり、金属平板１との組み合わせにより、給電体収納穴９を形成しており、この給電体収納穴の周りには、３個の直径８ｍｍの穴が設けられていて、それぞれ水の導入孔３、酸素排出孔４、水素排出孔５である。これらの穴は、先の金属平板１にも同様に設けられている。
【００１７】
プラスチックプレ−ト２は、周縁の内側が第１のＯ−リング６ａでシ−ルされており、さらに陽極側のプラスチックプレ−トは、水素排出孔５の外周が、陰極側のプラスチックプレ−トは、陽極への水の導入孔３および酸素排出孔４の外周が第２のＯ−リング６ｂでシ−ルされている。なお、図１左の平面図では第１のＯ−リングおよび第２のＯ−リングは片面のみに配されているが、裏面にも同様に配されている（図１右の断面図に第１のＯ−リング６ａの例を示す）。また、陽極への水の導入孔３および酸素排出孔４と給電体収納穴９、水素排出孔５と給電体収納穴９の間には、水の導入溝７、酸素排出溝８、水素排出溝（図示せず）が設けられている。
【００１８】
本発明の複極板を用いて２０セル積層のフィルタ−プレス式水電解セルを作成した。また比較のために、シリコンゴム性ガスケット（厚さ５．３ｍｍ）を用いて、同等のセルを組み立てた。用いたイオン交換膜−触媒電極接合体はデュポン社製パ−フルオロスルフォン酸膜（Nafion-117）の両面に無電解メッキにより白金を接合（電極寸法：１３４×１３４ｍｍ）したものである。
【００１９】
給電体として、２μｍの白金メッキを施したエキスパンデッドチタンを５枚重ねて構成されている厚さ５．６ｍｍ、大きさ１３３×１３３ｍｍを用いた。
【００２０】
図５はフィルタープレス式水電解セルのセル電圧のばらつきを比較した図であり、Ａは本発明の複極板を用いたフィルタープレス式水電解セル、Ｂは従来のガスケット式複極板を用いたフィルタープレス式水電解セルの場合をそれぞれ示す。図中のセルＮｏは、陽極主電極より順次付けたものである。
【００２１】
運転条件を下記に示す。
【００２２】
・運転温度；６０℃
・電解電流密度；１Ａ／cm²
・運転圧力；陽極室＝陰極室＝０〜１０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ
本発明を用いた水電解セルは、給電体のつぶししろをプラスチックプレ−ト（厚さ５ｍｍ）で規定しているため、実際の使用に際しては、給電体のつぶししろは、すべてのセルで０．６ｍｍ（一定）となる。給電体のイオン交換膜−触媒電極接合体への押し付け圧が一定しているため、各セルの電圧が一定している。また、運転圧力を１０ｋｇ／ｃｍ²Ｇにしても水やガスのリ−クはまったく問題なかった。
【００２３】
一方、ガスケットを利用した従来の水電解セルは、弾性体であるガスケット（厚さ５．３ｍｍ）が一応給電体のつぶししろを規定しているものの、各セルによりガスケットの変形量が異なり、特に締め付け力の伝わりにくい真ん中のセルほどガスケットの変形量が小さく、そのため給電体のイオン交換膜−触媒電極接合体への押し付け圧が小く、その接触抵抗が大きくなり、セル電圧が高くなっている。また、運転圧力が５ｋｇ／ｃｍ²Ｇより高くなると、数カ所で、ガス漏れが発生した。
【００２４】
【発明の効果】
以上、本発明にかかる複極板を用いたフィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルは、従来のガスケットタイプ水電解セルと同様の軽量化、簡素化を持ちながら、従来のＯ−リングタイプと同様の耐圧性能を持つ電解セルを安価に作成することが可能になった。ゆえに、産業上に寄与すること非常に大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルの複極板を示す図
【図２】フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セルの断面図
【図３】従来の複極板を示す図
【図４】従来の複極板を示す図
【図５】フィルタープレス式水電解セルのセル電圧のばらつきを比較した図
【符号の説明】
１金属平板
２プラスチックプレ−ト
３水の導入孔
４酸素排出孔
５水素排出孔
６ａ第１のＯ−リング
６ｂ第２のＯ−リング
７水の導入溝
８酸素排出溝
９給電体収納穴
１０複極板
１１陽極給電体
１２陰極給電体
１３イオン交換膜−触媒電極接合体
１４陽極主電極
１５陰極主電極
１６ガスケット

Claims

金属平板の両面に給電体収納穴を有するプラスチックプレートを配し、プラスチックプレートの周縁の内側に第１のＯ−リングでシールされたシール部をもち、前記プラスチックプレートの給電体収納穴の外周に陽極への水の導入孔、酸素排出孔、水素排出孔を各１個以上もち、前記給電体収納穴と前記陽極への水の導入孔との間に水の導入溝、前記給電体収納穴と前記酸素排出孔との間に酸素排出溝、前記給電体収納穴と前記水素排出孔との間に水素排出溝が設けられ、前記水の導入孔、前記酸素排出孔および前記水素排出孔はいずれも前記第１のＯ−リングの内周部分に設けられ、金属平板の一方の面に配されたプラスチックプレートは、陽極への水の導入孔および酸素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシ−ルされ、他方の面に配されたプラスチックプレートは、水素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシールされてなる複極板を用いることを特徴とするフィルタ−プレス式固体高分子型水電解セル。
金属平板の両面に給電体収納穴を有したプラスチックプレートを配し、プラスチックプレートの周縁の内側に第１のＯ−リングでシールされたシール部をもち、前記プラスチックプレートの給電体収納穴の外周に陽極への水の導入孔、酸素排出孔、陰極への水の導入孔、水素排出孔を各１個以上もち、前記給電体収納穴と前記陽極への水の導入孔との間に水の導入溝、前記給電体収納穴と前記酸素排出孔との間に酸素排出溝、前記給電体収納穴と前記水素排出孔との間に水素排出溝が設けられ、前記水の導入孔、前記酸素排出孔、前記陰極への水の導入孔および前記水素排出孔はいずれも前記第１のＯ−リングの内周部分に設けられ、金属平板の一方の面に配されたプラスチックプレートは、陽極への水の導入孔および酸素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシ−ルされ、他方の面に配されたプラスチックプレートは、陰極への水の導入孔および水素排出孔の外周が第２のＯ−リングでシールされてなる複極板を用いることを特徴とするフィルタ−プレス式固体高分子型水電解セル。