JP4351968B2 - 高温水蒸気電解装置及び筒状水蒸気電解セル - Google Patents
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Description
本発明は、高温水蒸気電解セルをモジュール化する高温水蒸気電解装置及び筒状水蒸気電解セルに関する。
この種の高温水蒸気電解法は、高温の水蒸気を電気分解し水素ガスと酸素ガスとを得る方法で、その作動温度域の関連で固体電解質燃料電池の逆反応による電解法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示されたように、図４は、従来の固体電解質燃料電池の構成を示す概略縦断面図であり、図５は、従来の集電部の構造を一部切断して示す縦断面図である。
図４において、固体電解質燃料電池は、円筒型の電解セル２と電解セル２を収納したモジュールハウジング３とから構成される。モジュールハウジング３は、燃料供給室４、燃料排出室５及び空気供給室１７に区切られている。
図５に示すように、円筒型の電解セル２の片端に集電用金属キャップ１０２を付属し、他端をシールキャップ１０３により完全な閉構造とし、電解セル２での燃料の供給・排出を一方の端部のみで可能としている。また、管板１６とのシール部１０８において電解セル２を支持することにより、ガスシールできる構造としている。
給電方法について説明する。水素極１０６側リード部は、テーパ型シーリング１０８を経由して取り出される。酸素極１０５側リード部は、電解セル２の下端のセルリード部１０７がシールキャップ１０３に固定されて電解セル２の内部に導入され、還元雰囲気を通って集電用金属キャップ１０２から取り出される。
このように構成された固体電解質燃料電池においては、水素側／酸素側のガスシール部はセル上下の２箇所となり、かつ、このガスシール部は、いずれの場合でもセルリード部１０７を含んだシール構造となっているため、確実で信頼性のあるシールの実現は非常に困難である。
特許第２９３０３２６号公報
上述の従来の高温水蒸気電解装置においては、水素側及び酸素側のガスシール部がセル上下の２箇所となり、かつ、このガスシール部は、いずれの場合でもセルリード部が介在するシール構造となっているため、確実で信頼性のあるシールの実現は困難であった。
また、従来の高温水蒸気電解装置においては、水素極及び酸素極のセルリード部の取り出しが近接するため、大電流供給を必要とする高効率な高温水蒸気電解装置を構成する場合、発熱による断線等、故障の要因となる、という解決すべき課題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、高温動作時の水素側及び酸素側のガスシール部を確実かつ信頼性の高い構造とする高温水蒸気電解装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の高温水蒸気電解装置においては、電力供給が行われる第１の容器及び第２の容器と、前記第１及び第２の容器を区切る隔壁と、前記第１の容器の内部に設けられ、水蒸気注入管に給電を行う水素極給電板と、前記水素極給電板を設けることにより形成される水蒸気を貯留する前記第１の容器内に形成された水蒸気供給室と、前記隔壁に気密に固定され、前記第１の容器側から前記第２の容器側に伸びた、水素極、酸素極及びこれらの間の電解質とから成る筒状水蒸気電解セルと、前記水素極給電板を介して給電され、前記水蒸気供給室側から前記筒状水蒸気電解セル内に伸びた、前記筒状水蒸気電解セルに前記水蒸気供給室からの水蒸気を供給すると共に前記水素極に給電を行う水蒸気注入管と、前記第１の容器の内部に前記水素極給電板及び前記隔壁により形成され前記筒状水蒸気電解セルより生成された水素を排出する生成水素排出室と、前記隔壁及び前記筒状水蒸気電解セルが設けられたことにより前記第２の容器内に形成され、前記筒状水蒸気電解セルより生成された酸素を排出する生成酸素排出室と、前記円筒型水蒸気電解セルの前記酸素極へ給電を行う前記生成酸素排出室内に設けられた酸素極給電板と、を有することを特徴とするものである。
また、上記目的を達成するため、本発明の筒状水蒸気電解セルにおいては、水素極を形成する内壁と、この内壁の外周面に形成された電解質からなる電解質層と、この電解質層の外周面に形成された酸素極からなる酸素極層と、この酸素極層の外周面に多孔質集電体として形成された外壁と、前記内壁の一端より挿入されて前記水蒸気を注入すると共に前記水素極に給電する水蒸気注入管と、前記内壁の他端を閉じて前記水蒸気を貯留するシール蓋と、前記外壁の外周に設けられて前記酸素極層に給電する酸素極給電手段と、を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、筒状水蒸気電解セルが、隔壁に安定的に気密に固定されるために、筒状水蒸気電解セルの設定及び生成水素側と生成酸素側とのガスシールの信頼性の向上を図ることができる。
また、高温水蒸気電解装置への電力供給が、第１の容器である上部容器と第２の容器である下部容器との間で行うことができるため、容易かつ大電力供給が可能となり、高効率で信頼性の高い装置を得ることができる。
以下、本発明に係る高温水蒸気電解装置の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。ここで、従来技術と、または互いに同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態の高温水蒸気電解装置の構成を示す概略縦断面図である。
図１に示すように、高温水蒸気電解装置は、一例として、複数の円筒型水蒸気電解セル５１と円筒型水蒸気電解セル５１を収納したモジュールハウジング８０とを有する。円筒型水蒸気電解セル５１において、水蒸気（Ｈ２Ｏ）は電気分解されて水素ガス（Ｈ２）と酸素ガス（Ｏ２）が生成される。モジュールハウジング８０は、隔壁５６を介して上部容器６５と下部容器６６とに区切られている。
上部容器６５の内部に水素極給電板５５を設けることにより水蒸気供給室５２が形成される。水蒸気供給室５２内には、水蒸気を注入するための水素極側ガス入口６７が設けられている。また、水蒸気供給室５２内に設けられた水素極側給電板５５は、水蒸気供給室５２と生成水素排出室５３の間のガス遮蔽を行う。
水素極側給電板５５には、水蒸気供給口５５ａを介して水蒸気注入管５７が垂下されている。この水蒸気注入管５７の外表面には、複数の水素極給電端子５８が取り付けられ、円筒型水蒸気電解セル５１の水素極７１に給電する集電端子の機能を有する。
生成水素排出室５３と酸素生成室５４との間には、ガス遮断を行うために隔壁５６が設けられている。さらに、隔壁５６には、貫通孔５６ａが設けられ、生成水素排出室５３側に、セルシール用金属コネクタ６２が載置されている。
複数の円筒型水蒸気電解セル５１は、水素極側給電板５５より垂下した水蒸気注入管５７を挿入した状態で、貫通孔５６ａを通してセルシール用金属コネクタ６２により隔壁５６に固定される。
しかも、金属コネクタ６２と円筒型水蒸気電解セル５１との間にセルシール６３を介在させて気密性を保持している。ここで、セルシール６３の材料は、高温用ガラスシール材等を用いる。
上部容器６５の内部に隔壁５６により形成され円筒型水蒸気電解セル５１より生成された水素を排出する生成水素排出室５３が設けられている。円筒型水蒸気電解セル５１において水蒸気を電気分解して生成した生成水素は、金属コネクタ６２と水蒸気注入管５７との間隙を経由して排出するための水素極側ガス出口６９が生成水素排出室５３に設けられている。
また、下部容器６６の上端に隔壁５６を設けることにより生成酸素排出室５４が形成される。すなわち、円筒型水蒸気電解セル５１において水蒸気を電気分解して生成した生成酸素が、一次貯蔵される酸素生成室５４が設けられている。この一次貯蔵される生成酸素を排出するために、酸素生成室５４にはフローガスを供給する酸素極側ガス入口６８が設けられ、酸素極側ガス出口７０が設けられている。
酸素生成室５４を形成する下部容器６６には、隔壁５６との間には、絶縁性材料で形成された絶縁シール６４が介在している。
また、円筒型水蒸気電解セル５１の酸素極へ給電を行うための酸素極給電手段である酸素極給電板６１が酸素生成室５４内に設けられている。酸素極給電板６１により、酸素極給電端子６０及び多孔質集電体７４を介して、円筒型水蒸気電解セル５１の酸素極７３に供給している。
なお、高温水蒸気電解装置への電力供給は、水蒸気供給室５２と生成水素排出室５３を形成する上部容器６５と酸素生成室５４を形成する下部容器６６との間で行っている。
図２は、本発明の実施の形態の円筒型水蒸気電解セルの構成を示す縦断面図である。
図２に示すように、円筒型水蒸気電解セル５１の内側は、水素極７１からなる内壁より形成される。この水素極７１からなる内壁の外周面に、電解質７２からなる電解質層が形成される。この電解質７２からなる電解質層の外周面に、酸素極７３からなる酸素極層が更に形成される。この酸素極７３からなる酸素極層の外周面に、多孔質集電体７４として機能する外壁が形成される。このように、円筒型水蒸気電解セル５１は、内側から水素極７１、電解質７２、酸素極７３、多孔質集電体７４から成る層が密着性良く形成されている。
円筒型水蒸気電解セル５１の上部には、水素極給電板５５より垂下している水蒸気注入管５７が挿入されている。この水蒸気注入管５７の外表面には、複数の水素極給電端子５８が取り付けられ、円筒型水蒸気電解セル５１の水素極７１に給電している。円筒型水蒸気電解セル５１の下端はシール蓋８１で閉じられ、この内部に水蒸気が貯留される。
このように構成された本実施の形態において、水蒸気を含む水素ガスは、水素極側ガス入口６７から水蒸気供給室５２に供給される。この水素ガスを含む水蒸気は、水蒸気注入管５７を経由して、円筒型水蒸気電解セル１の水素極７１からなる内壁の内部へ導入される。
高温水蒸気電解装置への電力供給は、上部容器６５と下部容器６６との間で行われる。
上部容器６５に供給された電力は、上部容器６５内に設けられた水素極側給電板５５を経て、水素極側給電板５５より垂下している水蒸気注入管５７及び水蒸気注入管７の外表面に取り付けられた複数の水素極給電端子５８を経由して、円筒型水蒸気電解セル５１の水素極７１に供給される。
下部容器６６に供給された電力は、酸素生成室５４内に設けられた酸素極側給電板６１を経て、酸素極給電端子６０及び多孔質集電体７４を介して、円筒型水蒸気電解セル５１の酸素極７３に供給している。
このように、円筒型水蒸気電解セル５１の水素極７１及び酸素極７３へ給電することにより、円筒型水蒸気電解セル５１内の電解質７２からなる中間層において、水蒸気と電解反応して水素と酸素が生成される。
この生成された水素は生成水素排出室５３を経由して水素極側ガス出口６９から排出される。
一方、生成された酸素は、酸素生成室５４を経由して酸素側ガス入口６８から供給されたフローガスと共に酸素極側ガス出口７０から排出される。
また、水素側及び酸素側のガスシールは、円筒型水蒸気電解セル５１の上部にセルシール用金属コネクタ６２を取り付け、セルシール６３を介して隔壁５６に固定することにより実施している。このため、円筒型水蒸気電解セル５１のガスシールは１箇所で済み、リード部を含むシール構造となっていないため、確実で信頼性のあるシール性を確保できる。
本実施の形態によれば、円筒型水蒸気電解セル５１が、セルシール用金属コネクタ６２により高温用ガラスシール材等から形成されるシール材６３を介して隔壁５６に安定的に気密に固定されるために、円筒型水蒸気電解セル５１の設定及び水素側と酸素側とのガスシールの信頼性の向上を図ることができる。
また、高温水蒸気電解装置への電力供給が、上部容器６５と下部容器６６との間で行うことができるため、容易かつ大電力供給が可能となり、高効率で信頼性の高い装置を得ることができる。
また、円筒型水蒸気電解セル５１おいて、隔壁５６と反対側の片端が多孔質集電体７４より形成され、柔軟性を有する酸素極給電端子６０により保持される。この多孔質集電体７４は、例えば、導電性セラミックスから形成される。
本実施の形態によれば、円筒型水蒸気電解セル５１は、柔軟性を有する酸素極給電端子６０により保持されるので、モジュールハウジング８０と円筒型水蒸気電解セル５１との間の熱膨張率の違いによる熱伸び差による円筒型水蒸気電解セル５１の破壊を防止することができる。
図３は、円筒型水蒸気電解セル５１において、水素極７１からなる内壁と水素極給電板５５より垂下している水蒸気注入管５７との間にニッケルフェルト７５を組み込んでいる。
本実施の形態において、水素極給電板５５より垂下している水蒸気注入管５７の外表面に水素極給電板５５より垂下している水蒸気注入管５７の外表面に複数の水素極給電端子５８を取り付けて水素極７１に給電してもよい。
本実施の形態によれば、円筒型水蒸気電解セル５１の水素極７１側への給電が効率良く行なわれ、大電流供給が可能となるため、高効率な高温水蒸気電解装置を得ることができる。
なお、本実施の形態による高温水蒸気電解装置は、固体電解質燃料電池のモジュール構造にも適用できることはもちろんである。
５１・・・円筒型水蒸気電解セル（筒状水蒸気電解セル）、５２・・・水蒸気供給室、５３・・・生成水素排出室、５４・・・生成酸素排出室、５５・・・水素極給電板、５６・・・隔壁、５７・・・水蒸気注入管（集電端子）、５８・・・水素極給電端子、６０・・・酸素極給電端子、６１・・・酸素極給電板、６２・・・セルシール用金属コネクタ、６３・・・セルシール、６４・・・絶縁シール、６５・・・上部容器、６６・・・下部容器、６７・・・水素極側ガス入口、６８・・・酸素極側ガス入口、６９・・・水素極側ガス出口、７０・・・酸素極側ガス出口、７１・・・水素極、７２・・・電解質、７３・・・酸素極、７４・・・多孔質集電体、７５・・・ニッケルフェルト、８０・・・モジュールハウジング、８１・・・シール蓋
Claims (10)
- 電力供給が行われる第１の容器及び第２の容器と、
前記第１及び第２の容器を区切る隔壁と、
前記第１の容器の内部に設けられ、水蒸気注入管に給電を行う水素極給電板と、
前記水素極給電板を設けることにより形成される水蒸気を貯留する前記第１の容器内に形成された水蒸気供給室と、
前記隔壁に気密に固定され、前記第１の容器側から前記第２の容器側に伸びた、水素極、酸素極及びこれらの間の電解質とから成る筒状水蒸気電解セルと、
前記水素極給電板を介して給電され、前記水蒸気供給室側から前記筒状水蒸気電解セル内に伸びた、前記筒状水蒸気電解セルに前記水蒸気供給室からの水蒸気を供給すると共に前記水素極に給電を行う水蒸気注入管と、
前記第１の容器の内部に前記水素極給電板及び前記隔壁により形成され前記筒状水蒸気電解セルより生成された水素を排出する生成水素排出室と、
前記隔壁及び前記筒状水蒸気電解セルが設けられたことにより前記第２の容器内に形成され、前記筒状水蒸気電解セルより生成された酸素を排出する生成酸素排出室と、
前記円筒型水蒸気電解セルの前記酸素極へ給電を行う前記生成酸素排出室内に設けられた酸素極給電板と、
を有することを特徴とする高温水蒸気電解装置。 - 前記筒状水蒸気電解セルの上端が、セルシールを介して前記隔壁に固定されていること、を特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
- 前記筒状水蒸気電解セルの上端が、セルシール用金属コネクタにより前記隔壁に固定されていること、を特徴とする請求項１又は２記載の高温水蒸気電解装置。
- 前記第２の容器を形成する側壁の全周にわたって絶縁性材料から成る絶縁シールを設けること、を特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
- 前記水蒸気注入管の外周面に前記水素極に給電する複数の水素極給電端子が設けられていること、を特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
- 前記筒状水蒸気電解セルのシール蓋側が、柔軟性を有する酸素極給電端子により保持されていること、を特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
- 請求項１記載の高温水蒸気電解装置の一部を構成する筒状水蒸気電解セルであって、
水素極を形成する内壁と、
この内壁の外周面に形成された電解質からなる電解質層と、
この電解質層の外周面に形成された酸素極からなる酸素極層と、
この酸素極層の外周面に多孔質集電体として形成された外壁と、
前記内壁の一端より挿入されて前記水蒸気を注入すると共に前記水素極に給電する水蒸気注入管と、
前記内壁の他端を閉じて前記水蒸気を貯留するシール蓋と、
前記外壁の外周に設けられて前記酸素極層に給電する酸素極給電手段と、
を有することを特徴とする筒状水蒸気電解セル。 - 前記水蒸気注入管は、この水蒸気注入管の外周面に前記水素極に給電する複数の水素極給電端子を設けること、を特徴とする請求項７記載の筒状水蒸気電解セル。
- 前記内壁と前記水蒸気注入管との間に、ニッケルフェルトを組み込むことを特徴とする請求項７又は８記載の筒状水蒸気電解セル。
- 前記多孔質集電体は、導電性セラミックスより形成されること、を特徴とする請求項７記載の筒状水蒸気電解セル。
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