JP4796639B2

JP4796639B2 - 電気化学装置

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Publication number: JP4796639B2
Application number: JP2009044374A
Authority: JP
Inventors: 博之石川; 昌規岡部; 孝治中沢; 栄次針生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010196133A; US8337678B2; CN101818357B; US20100213051A1; CN101818357A

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置（電気化学装置）が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の設備では、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示されている水素供給装置が知られている。この水素供給装置は、図７に示すように、電極接合体膜１の両面に陽極給電体２及び陰極給電体３を備えた接合体を、複極板４により挟持した単セルを備えている。

複極板４と陽極給電体２との間には、水を供給するための通路５ａが形成される一方、前記複極板４と陰極給電体３との間には、生成された水素を流動させるための通路５ｂが形成されている。複極板４の周縁部には、第１のＯリング６ａを収容するための第１のシール溝７ａ、７ｂと、第２のＯリング６ｂを収容するための第２のシール溝７ｃ、７ｄとが形成されている。

特開２００４−２９１４号公報

ところで、上記の特許文献１では、高圧水素を生成するため、通路５ｂが高圧ガス室を構成しており、前記通路５ｂに連通する第２のシール溝７ｄも、高圧水素が充填されて高圧になっている。このため、水素供給装置を停止する際のように、この水素供給装置内部を減圧（脱圧）する際に、通路５ｂ内が減圧されるとともに、電極接合体膜１と複極板４との隙間を通って第２のシール溝７ｄ内の高圧水素が前記通路５ｂに高速で流れるおそれがある。

これにより、高圧水素が電極接合体膜１に沿って高速で流れるため、前記電極接合体膜１が損傷し易いという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧な第２流路が減圧される際、前記第２流路に連通するシール溝内を良好に減圧することができ、電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な電気化学装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関するものである。

この電気化学装置は、他方のセパレータが、第２流路の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記第２流路と前記シール溝とを連通する開口部とを設けている。

また、この電気化学装置は、シール部材が、セパレータ間に介装される電解質膜に対向して配置されることが好ましい。

さらに、この電気化学装置は、第１流路が常圧であり、前記第１流路と第２流路とに差圧が設けられることが好ましい。

さらにまた、第１の流体は、水であり、第２の流体は、水素であることが好ましい。

また、本発明に係る電気化学装置は、第２流路に連通しセパレータの積層方向に延在する高圧流体連通孔を備え、前記セパレータは、前記高圧流体連通孔の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記高圧流体連通孔と前記シール溝とを連通する開口部とを設けている。

さらに、この電気化学装置は、シール部材が、セパレータ間に介装される電解質膜に対向して配置されることが好ましい。

さらにまた、この電気化学装置は、第１の流体は、水であり、第２の流体は、水素であるとともに、高圧流体連通孔は、高圧水素連通孔であることが好ましい。

本発明によれば、高圧な第１の流体が生成されて第２流路が高圧になると、この第２流路に連通するシール溝も高圧になっている。そして、第２流路が脱圧（減圧）される際には、シール溝と前記第２流路とを直接連通する開口部を介して、前記シール溝も良好に脱圧される。従って、脱圧時に、第２流路とシール溝とに差圧が発生することがなく、脱圧途上で差圧が増大し、前記シール溝から前記第２流路に高圧流体が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。

また、本発明によれば、高圧流体連通孔に連通するシール溝が高圧になっている。そして、高圧流体連通孔が脱圧される際には、シール溝と前記高圧流体連通孔とを直接連通する開口部を介して、前記シール溝も良好に脱圧される。これにより、脱圧時に、高圧流体連通孔とシール溝とに差圧が発生することがなく、前記シール溝から前記高圧流体連通孔に高圧流体が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。前記水電解装置の一部断面側面図である。前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。前記単位セルの断面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成するカソード側セパレータの要部断面説明図である。本発明の第３の実施形態に係る水素昇圧装置の概略断面説明図である。特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置（電気化学装置）１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが下方に向かって、順次、配設される。

水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。

単位セル１２の外周縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１の流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔４６と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８と、反応により生成された第２の流体である水素（高圧水素）を流すための水素連通孔（高圧流体連通孔）５０とが設けられる。

図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４の外周縁部には、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図３参照）。

カソード側セパレータ３６の外周縁部には、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図３参照）。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図４に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、第２流路５８の外側を周回して第１シール溝６２ａが形成される。

図３及び図４に示すように、面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して第２シール溝６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄが形成される。第１シール溝６２ａ〜第４シール溝６２ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材６４ａ〜第４シール部材６４ｄが配設される。

第２流路５８と第１シール溝６２ａとは、複数、例えば４つの通路（開口部）６６を介して連通する。通路６６は、第１シール溝６２ａに対し、第１シール部材６４ａの配置位置よりも第２流路５８側に近接する壁部（内側壁部）に開口する。通路６６は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して第２流路５８と第１シール溝６２ａとを直接連通する。

高圧水素連通孔である水素連通孔５０と第４シール溝６２ｄとは、１以上の通路（開口部）６８を介して連通する。この通路６８は、第４シール溝６２ｄの内側壁部に開放される。通路６８は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝６２ｄとを直接連通する。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、第１流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６２ａに対向して第１シール溝７０ａが形成される。面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回し、且つ第２シール溝６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄに対向して第２シール溝７０ｂ、第３シール溝７０ｃ及び第４シール溝７０ｄが形成される。

第１シール溝７０ａ〜第４シール溝７０ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７２ａ〜第４シール部材７２ｄが収容される。第４シール溝７０ｄと水素連通孔５０とは、１以上の通路（開口部）７４を介して連通する。この通路７４は、第４シール溝７０ｄの内側壁部に開放される。通路７４は、アノード側セパレータ３４と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝７０ｄとを直接連通する。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが接続される。配管７６ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。

このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、配管７６ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６に水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水電解装置１０の外部に排出される。

上記のように、水電解装置１０では、第２流路５８には、高圧水素が生成されており、この第２流路５８が高圧水素発生室を構成している。第２流路５８は、通路６６を介して第１シール溝６２ａに連通しており、この第１シール溝６２ａにも高圧水素が充填されている。

さらに、第２流路５８に連通する水素連通孔５０も同様に、高圧水素が導入されることにより高圧となっている。一方、水素連通孔５０に通路６８、７４を介して連通する第４シール溝６２ｄ、７０ｄも、高圧水素により高圧化されている。

次いで、水電解装置１０の運転が停止される際、常圧側の第１流路５４と高圧側の第２流路５８との差圧を解消するために、前記第２流路５８に脱圧（減圧）処理が施される。

この場合、第１の実施形態では、第１シール溝６２ａの内面側と第２流路５８とが、複数、例えば、４本の通路６６を介して直接連通している。このため、第２流路５８が脱圧（減圧）される際には、この第２流路５８と第１シール溝６２ａとを連通している通路６６を介して、前記第１シール溝６２ａも良好に脱圧することができる。

従って、脱圧時に、第２流路５８と第１シール溝６２ａとに差圧が発生することがなく、脱圧途上で圧力差が増大し、第１シール溝６２ａから第２流路５８に固体高分子電解質膜３８に沿って高圧水素が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。これにより、各第１シール部材６４ａ、７２ａが対向する固体高分子電解質膜３８に損傷等が惹起されることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。

一方、水素連通孔５０の脱圧時には、この水素連通孔５０にそれぞれ通路６８、７４を介して直接連通する第４シール溝６２ｄ、７０ｄ内の高圧水素が、前記水素連通孔５０に排出される。このため、第４シール溝６２ｄ、７０ｄ内が高圧に保持されることがなく、前記第４シール溝６２ｄ、７０ｄから水素連通孔５０に固体高分子電解質膜３８に沿って高圧水素が急激に移動することを阻止し易い。従って、固体高分子電解質膜３８の損傷を可及的に阻止することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成するカソード側セパレータ８０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０を構成するカソード側セパレータ３６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

カソード側セパレータ８０は、第２流路５８の外周部とこの第２流路５８の外側を周回する第１シール溝６２ａとの境界部位に、多孔質リング部材８２を介装する。多孔質リング部材８２は、内部に多数の孔部８２ａが設けられており、第２流路５８と第１シール溝６２ａとを連通する。

このため、第２の実施形態では、第２流路５８の減圧時に、第１シール溝６２ａに存在する高圧水素が多孔質リング部材８２の孔部８２ａを通って前記第２流路５８側に良好に移動することができる。これにより、第２流路５８と第１シール溝６２ａとに差圧が発生することがなく、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、多孔質リング部材８２を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、複数の円弧状の多孔質部材を、所定の角度ずつ離間して第２流路５８と第１シール溝６２ａとの間に設けてもよい。また、多孔質リング部材８２は、粉末の焼結体で構成してもよく、あるいは、機械加工等により複数の孔部８２ａを形成して構成してもよい。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る水素昇圧装置（電気化学装置）９０の概略断面説明図である。

水素昇圧装置９０は、固体高分子電解質膜９２を有し、前記固体高分子電解質膜９２の両面には、ガス拡散電極９４と、ガス拡散電極（又はガス発生電極）９６とが設けられて高分子電解質膜／電極接合体９８が構成される。

この高分子電解質膜／電極接合体９８は、セパレータ１００ａ、１００ｂ間に挟持されるとともに、前記セパレータ１００ａ、１００ｂには、電源１０２が接続される。セパレータ１００ａには、低圧な水素と水とが供給される第１流路１０４が形成される一方、セパレータ１００ｂには、高圧な水素が生成される第２流路１０６が形成される。

セパレータ１００ａには、第１流路１０４の外側を周回してシール溝１０８が形成され、前記シール溝１０８にＯリングであるシール部材１１０が配設される。セパレータ１００ｂには、第２流路１０６の外側を周回してシール溝１１２が形成され、このシール溝１１２にＯリングであるシール部材１１４が配設される。

第２流路１０６とシール溝１１２とは、複数の通路１１６を介して連通する。通路１１６は、セパレータ１００ｂと固体高分子電解質膜９２との境界部位を迂回して第２流路１０６とシール溝１１２とを直接連通する。

このように構成される水素昇圧装置９０は、第１流路１０４に低圧の湿り水素が供給されると、この水素がガス拡散電極９４中を拡散し、プロトンと電子とに解離する。

そして、電源１０２の印加電圧により電子が外部回路を通る一方、プロトンは、固体高分子電解質膜９２中を拡散し、ガス拡散電極９６側で電子と結合して水素が生成される。このため、第２流路１０６には、電源１０２からの印加電圧により、高圧な水素が生成される。

この場合、第３の実施形態では、高圧水素が生成される第２流路１０６とシール溝１１２とが所定数の通路１１６を介して直接連通している。このため、第２流路１０６が脱圧される際には、シール溝１１２も良好に脱圧することができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…水電解装置１２…単位セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体３４…アノード側セパレータ
３６、８０…カソード側セパレータ３８、９２…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体４２…カソード側給電体
４６…水供給連通孔４８…排出連通孔
５０…水素連通孔５４、５８、１０４、１０６…流路
６２ａ〜６２ｄ、７０ａ〜７０ｄ…シール溝
６４ａ〜６４ｄ、７２ａ〜７２ｄ…シール部材
６６、６８、７４、１１６…通路８２…多孔質リング部材
８２ａ…孔部９０…水素昇圧装置
９４、９６…ガス拡散電極１００ａ、１００ｂ…セパレータ

Claims

電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置であって、
前記他方のセパレータは、前記第２流路の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、
前記第２流路と前記シール溝とを連通する開口部と、
を設けることを特徴とする電気化学装置。
請求項１記載の電気化学装置において、前記シール部材は、前記セパレータ間に介装される前記電解質膜に対向して配置されることを特徴とする電気化学装置。
請求項１又は２記載の電気化学装置において、前記第１流路は、常圧であり、
前記第１流路と前記第２流路とに差圧が設けられることを特徴とする電気化学装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学装置において、前記第１の流体は、水であり、
前記第２の流体は、水素であることを特徴とする電気化学装置。
電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置であって、
前記第２流路に連通し前記セパレータの積層方向に延在する高圧流体連通孔を備え、
前記セパレータは、前記高圧流体連通孔の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、
前記高圧流体連通孔と前記シール溝とを連通する開口部と、
を設けることを特徴とする電気化学装置。
請求項５記載の電気化学装置において、前記シール部材は、前記セパレータ間に介装される前記電解質膜に対向して配置されることを特徴とする電気化学装置。
請求項５又は６記載の電気化学装置において、前記第１の流体は、水であり、
前記第２の流体は、水素であるとともに、
前記高圧流体連通孔は、高圧水素連通孔であることを特徴とする電気化学装置。