JP4829035B2 - 高温水蒸気電解装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温水蒸気を電気分解して水素を生成し又は化学エネルギを直接電気エネルギに変換する高温水蒸気電解装置及びその方法に関する。

この種の高温水蒸気電解法として、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が知られている。その動作原理は固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の逆反応を利用するものである。

この高温水蒸気電解を行うには、一般には、固体酸化物電解質材料を挟んで、水素極と酸素極とが設けられている電気化学セルが使用される。この電気化学セルの電解によって得られる水素と酸素とを隔てる構造が必要となる。通常、水素極側雰囲気は、燃料となる水蒸気と水素が主成分となり、一方、酸素極側雰囲気は、供給ガスを空気としたときは、窒素と酸素が主な成分となり、供給ガスを酸素としたときは、酸素が主な成分となる。

上述のように高温水蒸気電解法において水蒸気を電気分解し水素ガスと酸素ガスとを得るに際しては、約９００℃の作動温度及び酸化／還元雰囲気という動作条件下で電解を行う必要がある。このために、セル電極に均一に電解電流を供給する必要がある。

従来のセル電極に電解電流を供給するセル及び給電構造について図２を用いて、以下に説明する。ここで、水蒸気電解反応について説明を行うが、本発明の燃料電池への適用を妨げるものではない。

一般に、水蒸気電解セル１１は、電子に対しては絶縁性及び酸素イオンに対しては導電性を有する電解質膜１２を介して行う。この電解質膜１２の片側に設けられた水素極１３において、供給された水蒸気分子と電子とを水素分子と酸素イオンに変化させている。上記電解質膜１２の酸素極２４において、この電解質膜１２を通って供給される酸素イオンを酸素分子と電子とに変化させている。この水蒸気は、水素極１３外側から供給される。一方、酸素は酸素極２４表面から外部へ放出される。また、両極への電子の授受は、両電極にそれぞれ接続する給電体１５と給電体に接する給電線１６を介して行われる。

この酸素極２４と酸素極側の給電体１５との接触構造は、酸素極２４の外側から給電体１５を機械的に圧着させることにより形成されることが多い。特に運転条件である高温条件下では、両者をセル外側から圧着させる材料の弾性が失われる、酸素極２４と給電体１５とを構成する各材料の熱膨張率の差により両者が乖離して接触が失われる等の理由で密着性が失われる。このために、酸素極２４と酸素極側の給電体１５との接触状態を機械的に圧着させることを長期間にわたって持続することが困難である。

上記酸素極と酸素極側給電体との接触を改善する構造として、酸素極に厚さ２００ｕｍ以下の耐酸化性金属シートを含む構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構造の場合は、給電体と電極との熱膨張率の差により、給電体（耐酸化性金属シート）と電極が接する部分が良好な接触状態を喪失し、甚だしいときには電極を中から崩壊してしまう恐れがあった。
特開２００３−１２３７８８号公報

上述した従来の水蒸気電解セル１１は、電子に対しては絶縁性、酸素イオンに対しては導電性を有する電解質膜１２を介して行う。この電解質膜１２の片側に設けられた水素極１３において、供給された水蒸気分子と電子とを水素分子と酸素イオンに変化させている。上記電解質膜１２の酸素極２４において、この電解質膜１２を通って供給される酸素イオンを酸素分子と電子とに変化させている。

この両極への電子の授受は、両電極にそれぞれ接続する給電体１５と給電体に接する給電線１６を介して行われる。この酸素極２４と酸素極側の給電体１５との接触構造は、酸素極２４の外側から給電体１５を機械的に圧着させることにより形成されることが多い。

しかし、特に高温の運転条件下では、セル外側から両者を圧着させる材料の弾性が失われる、酸素極２４と給電体１５とを構成する各材料の熱膨張率の差により両者が乖離して接触が失われる等の理由で密着性が失われることがある。このために、両者を機械的に圧着させることを長期間にわたって持続させることが困難である、という課題があった。

また酸素極材料には一般にランタン系の酸化物が用いられることが多い。このランタン系の酸化物は、水素極（一般にはニッケルと電解質材料とのサーメット）や給電体材料と比較して導電性が良好でない。このため酸素極側では、電極と給電体との密着性劣化による接触抵抗の増大の影響が、水素極に対して大きい、という課題があった。

上述のように、特に、高温条件下でセル電極のうち酸素極に均一に電解電流を供給することが困難である、という課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水蒸気電解又は燃料電池の反応条件の下でセル電極に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができる高温水蒸気電解装置及びその方法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、電子絶縁性及び酸素イオン導電性を有する電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、前記電解質膜の他方の面に設けられ前記電解質膜を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、前記水素極に電流を供給する水素極給電体と、前記酸素極の内部に一部が埋設して設けられ電流を供給する酸素極給電体と、前記水素極給電体及び酸素極給電体に電流を供給する給電線と、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、本発明の高温水蒸気電解装置方法においては、電子絶縁性及び酸素イオン導電性を有する電解質膜の一方の面に設けられた水素極に水素極給電体を介して電流を供給する水素極給電ステップと、前記電解質膜の他方の面に設けられた酸素極の内部に少なくとも一部が埋設して設けられた酸素極給電体を介してこの酸素極に電流を供給する酸素極給電ステップと、前記水素極を用いて水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成して水素ガスとして排出する水素ガス排出ステップと、前記酸素極を用いて前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素ガス排出ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の高温水蒸気電解装置及びその方法によれば、酸素極給電体の少なくとも一部を酸素極の内部に埋設して設けることにより、酸素極給電体と酸素極との密着性を長期間にわたって持続することができる。かくして、酸素極に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができる。

以下、本発明に係る高温水蒸気電解装置、その方法及び燃料電池セルの実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の高温水蒸気電解装置の概略構成を示す構成図である。ここでは、水蒸気電解反応について説明を行うが、本発明の燃料電池セルへの適用を妨げるものではない。

本図に示すように、高温水蒸気電解装置は水蒸気電解セル１を備えている。この水蒸気電解セル１は、電子に対しては絶縁性及び酸素イオンに対しては導電性を有する電解質膜２を有する。

この電解質膜２の一方の側面には水素極３が設けられている。この水素極３の外側に水蒸気が供給される。このようにして、水素極３において供給された水蒸気分子と電子とを化学的に分解して水素分子と酸素イオンとに変化させている。また、この電解質膜２の他方の側面には酸素極４が設けられている。この酸素極４において、上記電解質膜２を経由して供給される酸素イオンを酸素分子と電子とに変化させている。

上記電解質膜２として、一般に、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に使用されているイオン導電性酸化物等が用いられる。ＳＯＦＣは、この固体電解質を使用して約９００℃付近の高温で運転される。かくして、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）は電気分解されて水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）が生成される。このようにして生成された酸素は、上記酸素極４の表面から外部へ放出される。

上記水素極３への電子の授受は、この水素極３に接続する水素極給電体５と、この水素極給電体５に接続する給電線６を介して行われる。この水素極３は、一般にはニッケルと電解質材料とのサーメットにより作製されているので、比較的導電性が良好である。

上記酸素極４への電子の授受は、この酸素極４に接続する酸素極給電体５ａと、この酸素極給電体５ａに接続する給電線６を介して行われる。この酸素極４は、一般にはランタン系の酸化物より作製されているので、比較的導電性が良好でない。また、上記酸素極４と酸素極給電体５ａとを構成する各材料の熱膨張率の差により両者が乖離して密着性が失われる恐れがある。

このように構成された本実施の形態において、上記酸素極４側の酸素極給電体５ａの少なくとも一部を酸素極４の内部に設けて構成されている。また、この酸素極給電体５ａは、上記電解質膜２の面に対して水平方向に配置するだけでなく、本図に示すように屈曲させる等して鉛直方向に伸縮自在な構造とすることができる。さらに、この酸素極給電体５ａを電解質膜２の電解質面に対して鉛直方向に伸縮可能な構成としてもよい。

本実施の形態によれば、酸素極給電体の少なくとも一部を酸素極の内部に埋設して設けることにより、酸素極給電体と酸素極との密着性を長期間にわたって持続することができる。かくして、酸素極に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができる。

また、この酸素極給電体５ａは、上記酸素極４の内部に埋設して設けられた給電体の外表面の少なくとも一部は、粗加工、溝加工、枝状の分岐加工、多孔質化加工、メッシュ化加工から選択された少なくとも１種の加工を施して、任意の形状で形成することができる。

本実施の形態によれば、上記酸素極４の内部に埋設して設けられる酸素極給電体５ａの外表面を加工することにより、上記酸素極４と酸素極給電体５ａとの密着性をさらに高めることができる。

また、酸素極給電体５ａの表面の少なくとも一部が、予め酸素極４の材料に固定する加工を施して、さらに酸素極４と酸素極給電体５ａとの親和性を高めてもよい。このとき、酸素極４の下面に酸素極下地１４を設けてもよい。この酸素極下地１４を設けることにより、電解質膜２に与える影響を軽減して、この酸素極給電体５ａを予め酸素極４の材料に固定してもよい。

本実施の形態によれば、予め給電体の表面の一部または全体に酸素極材料を固定することなどにより、酸素極と給電体との接触を良好なものとする。また、この酸素極下地１４を設けることにより、電解質膜２に与える影響を軽減して、酸素極４と酸素極給電体５ａとの密着性の向上をさらに図ることができる。

上記酸素極４や水素極３と電解質膜２との境界には、中間層１０が設けられることがある。ここでは、上記酸素極４と電解質膜２との間に中間層１０が設けられている。

本実施の形態によれば、この中間層１０を設けることにより、この境界における密着性の向上を図り、両者の材料が接触することにより水蒸気電解反応に好ましくない副生成物が生じることを防止することができる。

さらに設置された酸素極給電体５ａの上から酸素極４をスプレーやディップにより形成して構成することができる。かくして、上記セル電極のうち特に酸素極４を保護することにより、上記酸素極４に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができる。

次に、本実施の形態の燃料電池セルについて説明する。この燃料電池セルとして、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が用いられる。この固体電解質燃料電池の電解質膜として、一般に、イオン導電性酸化物等が用いられる。この固体電解質を使用して高温で運転される。

この電解質膜の一方の側面には酸素極が設けられている。この酸素極の外側に酸素又は空気が供給される。また、この電解質膜の他方の側面には水素極が設けられている。この水素極の外側に水素、メタノール、炭化水素等が供給される。これらの反応物を外部から補給し、生成物（Ｈ_２Ｏ）を逐次外部に除去して、連続して化学エネルギを直接電気エネルギに変換している。

このように構成された本実施の形態において、上記酸素極側の酸素極給電体の少なくとも一部を酸素極の内部に設けて構成されている。

本実施の形態によれば、酸素極給電体の少なくとも一部を酸素極の内部に埋設して設けることにより、酸素極給電体と酸素極との密着性を長期間にわたって持続することができる。かくして、酸素極に均一に電解電流を供給し、接触抵抗の増大を抑制することができる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施の形態の高温水蒸気電解装置の概略構成を示す構成図。 従来の高温水蒸気電解装置の概略構成を示す構成図。

符号の説明

１…水蒸気電解セル、２…電解質膜、３…水素極、４…酸素極、５…水素極給電体、５ａ…酸素極給電体、６…給電線、１０…中間層、１４…酸素極下地。

Claims (6)

1. 電子絶縁性及び酸素イオン導電性を有する電解質膜と、
   この電解質膜の一方の面に設けられ水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成させる水素極と、
   前記電解質膜の他方の面に設けられ前記電解質膜を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素極と、
   前記水素極に電流を供給する水素極給電体と、
   前記酸素極の内部に少なくとも一部が埋設して設けられ電流を供給する酸素極給電体と、
   前記水素極給電体及び酸素極給電体に電流を供給する給電線と、
   を有することを特徴とする高温水蒸気電解装置。
2. 前記水素極給電体及び酸素極給電体から選択された少なくとも１個の給電体は、前記電解質膜の電解質面に対して鉛直方向に伸縮自在に配置されていること、を特徴とする請求項１記載の高温水蒸気電解装置。
3. 前記酸素極給電体は、前記酸素極の内部に埋設して設けられた給電体の外表面の少なくとも一部は、粗加工、溝加工、枝状の分岐加工、多孔質化加工、メッシュ化加工から選択された少なくとも１種の加工を施して形成されていること、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。
4. 前記酸素極給電体の外表面の少なくとも一部に前記酸素極の少なくとも一部が予め固定されて形成されていること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高温水蒸気電解装置。
5. 前記電解質膜と前記酸素極層との間に中間層が設けられて構成されていること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高温水蒸気電解装置。
6. 電子絶縁性及び酸素イオン導電性を有する電解質膜の一方の面に設けられた水素極に水素極給電体を介して電流を供給する水素極給電ステップと、
   前記電解質膜の他方の面に設けられた酸素極の内部に少なくとも一部が埋設して設けられた酸素極給電体を介してこの酸素極に電流を供給する酸素極給電ステップと、
   前記水素極を用いて水蒸気を分解して水素イオン及び酸素イオンを生成して水素ガスとして排出する水素ガス排出ステップと、
   前記酸素極を用いて前記電解質を通過した酸素イオンを酸素ガスとして排出する酸素ガス排出ステップと、
   を有することを特徴とする高温水蒸気電解方法。

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