JP4283381B2

JP4283381B2 - 水素酸素発生装置の電解セルおよびその電極板

Info

Publication number: JP4283381B2
Application number: JP18610699A
Authority: JP
Inventors: 清司平井; 勉多井; 明子三宅; 学豊島; 豊石井
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP2001011680A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素酸素発生装置の電解セルおよびその電極板に関する。さらに詳しくは、水を電気分解することによって高純度の水素ガスおよび酸素ガスを得るための水素・酸素発生装置の電解セルおよび該電解セルに好適に用いられる電極板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素酸素発生装置には、特開平８−２３９７８８号公報にも開示されているように、その中心的機能である水の電気分解を行うための電解セルが組み込まれている。電解セルは固体電解質膜ユニットを所定組並べ合わせたものである。固体電解質膜ユニットは固体電解質膜の両側に電極板を有し、それらに挟まれた空間の一方が陽極室で他方が陰極室となり、各室に給電体が収容される。
【０００３】
複極式電解セルの場合には、並べ合わせた固体電解質膜ユニットの両端の電極板間に直流電圧を印加すると、それらの端部電極板はそれぞれ陽極と陰極との単極式電極板になり、それらの中間の電極板は一方の面が陽極になり他方の面が陰極となる複極式電極板になる。すなわち、各固体電解質膜と電極板の陽極側とに挟まれた空間が陽極室となり、各固体電解質膜と電極板の陰極側とに挟まれた空間が陰極室となる。
【０００４】
たとえば、図６に示す電解セル５１においては、５２が中間に配置される複極式の電極板（図７参照）であり、５３ａおよび５３ｂはそれぞれ端部に配置される端部電極板であり、いわば単極式の電極板である。また、５４は固体電解質膜であり、５５は多孔質給電体であり、５６は多孔質給電体５５を外部から隔離する環状シリコーンゴム製ガスケットであり、５７は環状保護シートである。そして、５８は酸素ガス取り出し経路、５８ａは酸素ガス流通通路、６１は陰極室用のドレン水排出経路、６１ａはドレン水排出通路である。図６では純水供給経路６０、純水流通通路６０ａ、水素ガス取り出し経路５９、および水素ガス流通通路５９ａは表されていないが、図７も併せて参照すれば明らかなように、酸素ガス取り出し経路５８および酸素ガス流通通路５８ａと同様の構成によって形成されている。
【０００５】
上記各経路および通路の形成方法については、この電極板５２の一部の断面が示される図８（ａ）も合わせて参照すれば明らかである。すなわち、電極板５２の周縁近傍に放射状に長円状の浅い二段溝６２が形成されている。なお、図８（ｂ）は図８（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視図である。二段溝６２の段部６２ａは長円状の基盤６３が装着される基盤座である（以下、基盤座６２ａと称する）。そうすることによって長円状の通路（水素ガス流通通路５９ａで代表させる）が構成される。この基盤６３には、電極板５２の水素ガス取り出し経路５９に対応する位置に、同じく水素ガス取り出し経路６４が穿孔されている。そして、水素ガス取り出し経路６４よりも電極板５２中心寄りに、陰極室（多孔質給電体が充填される空間）と水素ガス流通通路５９ａとを連通する水素ガス導入孔６４ｂが穿孔されている。上記多孔質給電体５５、ガスケット５６および保護シート５７も示されている。図８では水素ガス流通通路５９ａを例示したが、酸素ガス流通通路５８ａおよび純水流通通路６０ａは、形成位置が異なるだけで同一構造である。図６において符号６５で示されるのはともに端板であり、図示しない締付ボルトによって両端板６５同士を電極板等を貫通し、その外周該当部位すなわち本図ではガスケット部、において締め付けることにより電解セル５１が組み立てられる。
【０００６】
多孔質給電体はメッシュや焼結体等の通気性材から形成され、その側面からも自在に流体が流通できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、かかる電極板５２、５３ａ、５３ｂ（以下、５２で代表させる）によれば、上記各通路５８、５９、６０、６１および基盤座６２ａを加工するため板厚を薄くできないことから、通常、板厚が１０〜２０ｍｍのチタン板を用いている。
【０００８】
電極板は隣接する多孔質給電体と良好な接触状態を保つ必要があるためにその両面に高い平面度および平行度が要求される。しかし、上述のように厚いチタン板は通常熱間圧延により製造されるために平面度および平行度が悪く、電極板に用いるにはさらに平面加工を行う必要がある。さらに、基盤座６２ａを加工する工程を必要とする。
【０００９】
そこで、複数枚の薄い金属板を組み合わせて従来の一枚の電極板と同等の機能を奏する電極板が提案されている（特開平９−２６３９８２号公報参照）。しかし、複数枚の金属板を一枚の電極板として使用するため、使用時の接触電気抵抗が大きく運転に必要な供給電圧の上昇を招来する。その結果、運転時のエネルギー効率が低下することになる。
【００１０】
本願発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、簡単な加工を施すことによって一枚の薄い金属板から形成することを可能とした水素酸素発生装置の電解セル用電極板、および、この電極板を用いた水素酸素発生装置用電解セルを提供することをも目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の電極板は、
電極板本体と、該電極板本体の外周縁近傍を貫通する複数個の流体用経路と、電極板本体における上記複数個の流体用経路のうちの一部から内方へ向けて形成された流体用溝と備えており、この流体用溝が、電極板本体の中心方向に延びる多数本の小断面積の小溝から構成されており、この小溝の断面の幅寸法が０．２〜０．８ｍｍの範囲であり且つ深さ寸法が０．２〜０．８ｍｍの範囲となるようにされている。
【００１２】
かかる構成により、電極板として一枚の薄板を用いることができる。したがって、薄い電極板は柔軟でその両面側に収容される多孔質給電体に沿いやすいために接触電気抵抗が減少し、また、従来の金属厚板製電極板に要した高精度な平面加工が不要となって加工コストが低減するうえ、材料コストも低減する。さらに、電極板全体が薄く軽量となるため、取扱が容易となる。上記流体用溝は流通させる流体の種類、流量、製造法などに応じて複数個とすることができる。
【００１３】
さらに、複数の電解セル（ユニット）を積層する場合、一の電解セルユニットの当該電極板を隣接する電解セルユニットの電極板として共用できる、いわゆる複極式電極板としうる。
【００１４】
本発明の電解セルユニットは、
固体電解質膜と、該固体電解質膜の両側にそれぞれ配設される前述のうちのいずれか一の電極板と、該電極板と上記固体電解質膜との間に配設される多孔質給電体と、該多孔質給電体の外周側に配設され且つ上記電極板の流体用溝を覆う部位を有するガスケットとを備えている。
【００１５】
したがって、その電極板が多孔質給電体に沿いやすく接触電気抵抗が減少し、また、コストが低減されるという前述の電極板と同様の作用効果を奏しうる。
【００１６】
本発明の電解セルは、
上記電解セルユニットが複数段積層されており、各電解セルユニットの電極板が隣接する電解セルユニットの電極板として共用されており、共用される該電極板の両面側の中央空間それぞれに上記多孔質給電体が嵌着されている。
【００１７】
したがって、如上の作用効果を奏しつつコンパクトな構成によって大量のガスを生産することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎに、添付図面に示された実施形態を参照しつつ本発明の電解セルおよびその電極板を説明する。
【００１９】
図１は本発明の電解セルの一実施形態を示す組み立て前斜視図である。図２は図１の組み立て前電解セルの要部を示し、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３（ａ）は図１の電解セル中の電極板の一方の面を示す平面図であり、図３（ｂ）は他方の面を示す平面図である。図４（ａ）は図３の電極板の要部を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５（ａ）は他の実施形態にかかる電極板の一方の面を示す平面図であり、図５（ｂ）は他方の面を示す平面図である。
【００２０】
図１および図２に示す電解セル１は、固体電解質膜ユニット（特許請求の範囲でいう電解セルユニット）２を所定組並べ合わせたものである。固体電解質膜ユニット２は固体電解質膜３の両側に電極板４が配設されたものである。各電極板４の両面には図示のごとく多孔質給電体５が収容されており、この多孔質給電体５の収容スペースの一方が陽極室Ａとなり他方が陰極室Ｃとなる。この電解セル１の両端の電極（図示しない）間に電解電圧を付加することによって供給純水が電気分解され、陽極室Ａにおいて酸素ガスが発生し、陰極室Ｃにおいて水素ガスが発生する。多孔質給電体５の外周側には多孔質給電体５を外部から隔離する環状シリコーンゴム製ガスケット６が配設される。また、耐酸性の劣るガスケット６を固体電解質膜３から保護するためにガスケット６と固体電解質膜３とのあいだに環状の保護シート７が配設されている。
【００２１】
図２は、理解容易のために図１の電解セル１を鉛直面で切らずに、図１に示すようにＩＩ−ＩＩ線で切った断面を示している。
【００２２】
これら電解セルユニット２を所定組並べて、両端の図示しない端板で挟み、図示しない締付ボルトによって締め付けることにより電解セル１が組み立てられる。
【００２３】
図１に示すように、他の部品より小径の多孔質給電体５を除いて、各部品３、４、６、７にはそれぞれ外周近傍にほぼ等角度間隔をおいて、酸素ガス取り出し経路８、水素ガス取り出し経路９、純水供給経路１０および陰極室用のドレン水排出経路１１を構成する孔が穿設されている。
【００２４】
また、図３および図４に示すように、これら各経路８、９、１０、１１と上記陽極室Ａおよび陰極室Ｃとを連通する通路は電極板４に形成されている。すなわち、一枚の電極板４の一方の面（図３（ａ））には酸素ガス取り出し経路８および純水供給経路１０の周縁から電極板４の中心に向けて、互いに平行な多数本の小断面積の溝１２が形成されている。また、他方の面（図３（ｂ））には水素ガス取り出し経路９および陰極室用のドレン水排出経路１１の周縁から同様に多数本の小断面積の溝１２が形成されている。電極板４を示す図３〜５において二点鎖線で示すのは電極板４に当接するガスケット６の内径である。したがって、これら溝１２は部分的にガスケット６によって封じられている。そして、図示のごとく上記溝１２は各経路８、９、１０、１１の周縁からガスケット６の内径より中心側に延びている。そうすることにより、各経路８、９、１０、１１からガスケット６の内側の領域である陽極室Ａおよび陰極室Ｃまで、溝１２からなる酸素ガス取り出し通路１３、水素ガス取り出し通路１４、純水流通通路１５およびドレン水排出通路１６が形成される。したがって、酸素ガス取り出し通路１３を構成する溝と純水流通通路１５を構成する溝とは繋がっていてもよく、水素ガス取り出し通路１４を構成する溝とドレン水排出通路１６を構成する溝とは繋がっていてもよい。
【００２５】
このようにして、電極板４の一方の面側に構成される陽極室Ａに対しては、純水供給経路１０から純水流通通路１５を通して純水が供給され、陽極室Ａにおいて発生した酸素ガスは純水と共に酸素ガス取り出し通路１３から酸素ガス取り出し経路８を通して取り出される。また、電極板４の他方の面側に構成される陰極室Ｃにおいて発生した水素ガスは水素ガス取り出し通路１４から水素ガス取り出し経路９を通して取り出される。
【００２６】
電極板４は通常はチタン製の薄板から形成され、溝１２はエッチング、放電加工、極細径エンドミルによる加工などによって形成される。本実施形態では図４（ｂ）に示すように、電極板４の厚さｔを約１．０ｍｍとし、一本の溝１２の断面寸法は幅ｂおよび深さｈともに約０．５ｍｍとしているが、とくに限定されることはない。しかし、電解セル１を組み立てたときにガスケット６が溝１２内に膨出して通路断面積が減少することを防止するために、幅を０．２〜０．８ｍｍの範囲とし、深さを０．２〜０．８ｍｍの範囲とするのが好ましい。また、各通路１３、１４、１５、１６を構成する溝１２の総断面積、および、ガスケット６の内径より中心側に露出する溝１２の総断面積については、純水供給に対しては流速が１〜３ｍ／秒程度となるように、酸素ガス取り出し、水素ガス取り出しに対しては流速が５〜１５ｍ／秒程度になるように決定するのが好ましい。
【００２７】
このように、流体用の各通路を多数本の小断面積の溝から形成することにより、電極板を薄い一枚の板から形成することができる。しかも、複雑な加工を必要とせずに、漏洩することなく流体が流通しうる流体用通路が実現する。
【００２８】
図５には異なる電極板１７が示されている。この電極板１７はその酸素ガス取り出し経路１８および純水供給経路２０のための各孔が、水素ガス取り出し経路１９およびドレン水排出経路２１のための各孔よりも大きい断面積を有するものである。酸素ガス取り出し経路１８および純水供給経路２０はそれぞれ長円形断面を呈している。これは、酸素ガス取り出し経路１８および純水供給経路２０を流通する流体の質量流量が、水素ガス取り出し経路１９およびドレン水排出経路２１を流通する流体の質量流量よりも大きいからである。したがって、酸素ガス取り出し通路２２および純水流通通路２４を構成する溝１２の本数は水素ガス取り出し通路２３およびドレン水排出通路２５を構成する溝１２の本数より相当本数多く形成する。
【００２９】
また、図１の電極板４と異なり、その形状が円形の外周から各流体用経路１８、１９、２０、２１が形成される部分が外方へ突出している。そうすることによって電解セルを組み立てるための図示しないボルトは、上記突出した部分２６同士のあいだを通るように配置される。したがって電解セル全体がコンパクトになる。この電極板１７を用いる場合はもちろん、固体電解質膜、ガスケットおよび保護シートも同一外形に形成する。また、上記流体用経路１８、１９、２０、２１以外にも周縁近傍に孔２７が穿設されているが、この孔２７も必要に応じて前述のごとき溝１２を形成することによって流体用経路として使用することができる。
【００３０】
上記固体電解質膜３としては、固体高分子電解質を膜状に形成したものの両面に白金族金属からなる多孔質層を化学的に無電解メッキによって形成した固体高分子電解質膜を使用するのが好ましい。上記固体高分子電解質としては、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であり、たとえば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。
【００３１】
なお、電解セルは横置きでも良くまた縦置きでもよい。本発明の電極板は電解タンク内に電解セルを設置する高圧型のみならず電解タンクを用いない低圧型の水素酸素発生装置にも適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、電極板を一枚の薄い金属板から構成することができ、しかも、複雑な加工を必要とせずに、漏洩することなく流体が流通しうる流体用通路を備えた電極板が実現する。それにより、製造コストの低減、および電解電圧の低下によって運転コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解セルの一実施形態を示す組み立て前斜視図である。
【図２】図１の組み立て前電解セルの要部を示し、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図３（ａ）は図１の電解セル中の電極板の一方の面を示す平面図であり、図３（ｂ）は他方の面を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）は図３の電極板の要部を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図５（ａ）は他の実施形態にかかる電極板の一方の面を示す平面図であり、図５（ｂ）は他方の面を示す平面図である。
【図６】従来の電解セルの一例を示す組み立て前断面図である。
【図７】従来の中間の複極式電極板の一例を示す斜視図である。
【図８】図８（ａ）は図７の電極板の要部を示す断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視図である。
【符号の説明】
１・・・電解セル
２・・・固体電解質膜ユニット
３・・・固体電解質膜
４・・・電極板
５・・・多孔質給電体
６・・・ガスケット
７・・・保護シート
８・・・酸素ガス取り出し経路
９・・・水素ガス取り出し経路
１０・・・純水供給経路
１１・・・ドレン水排出経路
１２・・・溝
１３・・・酸素ガス取り出し通路
１４・・・水素ガス取り出し通路
１５・・・純水流通通路
１６・・・ドレン水排出通路
１７・・・電極板
１８・・・酸素ガス取り出し経路
１９・・・水素ガス取り出し経路
２０・・・純水供給経路
２１・・・ドレン水排出経路
２２・・・酸素ガス取り出し通路
２３・・・水素ガス取り出し通路
２４・・・純水流通通路
２５・・・ドレン水排出通路
２６・・・突出部
Ａ・・・陽極室
Ｃ・・・陰極室
ｂ・・・溝の幅
ｈ・・・溝の深さ
ｔ・・・電極板の厚さ

Claims

電極板本体と、
該電極板本体の外周縁近傍を貫通する複数個の流体用経路と、
電極板本体における上記複数個の流体用経路のうちの一部から内方へ向けて形成された流体用溝と備えており、
該流体用溝が、電極板本体の中心方向に延びる多数本の小断面積の小溝から構成されており、この小溝の断面の幅寸法が０．２〜０．８ｍｍの範囲であり且つ深さ寸法が０．２〜０．８ｍｍの範囲である水素酸素発生装置の電解セル用電極板。
上記流体用溝が、電極板本体の一方の面において、上記複数個の流体用経路のうちの一部から内方へ向けて形成され、且つ、電極板本体の他方の面において、上記一部の流体用経路とは異なる他の流体用経路から内方へ向けて形成されてなる請求項１記載の水素酸素発生装置の電解セル用電極板。
固体電解質膜と、該固体電解質膜の両側にそれぞれ配設される請求項１または２に記載の電極板と、該電極板と上記固体電解質膜との間に配設される多孔質給電体と、該多孔質給電体の外周側に配設され且つ上記電極板の流体用溝を覆う部位を有するガスケットとを備えてなる水素酸素発生装置の電解セルユニット。
請求項３記載の電解セルユニットが複数段積層されており、各電解セルユニットの電極板が隣接する電解セルユニットの電極板として共用されており、共用される該電極板の両面側のガスケットの中央空間それぞれに上記多孔質給電体が嵌着されてなる水素酸素発生装置の電解セル。