JP5021950B2 - Solid polymer membrane water electrolyzer - Google Patents
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Description
本発明は、水素および酸素ガスを得るための水の電気分解装置に係り、特に、ガス発生量を増大することができる固体高分子膜型水電気分解装置に関する。 The present invention relates to a water electrolysis apparatus for obtaining hydrogen and oxygen gas, and more particularly to a solid polymer membrane water electrolysis apparatus capable of increasing the amount of gas generated.
水素、酸素ガスを得るために固体高分子膜を用いた水の電気分解装置には、教育あるいはデモンストレーション用のものとして、図４に示すような装置がある。この電気分解装置は、固体高分子電解質膜１を酸素極２、水素極３で挟み、これらの酸素極２と水素極３との外側に、発生したガスを通す通路を有したセパレータ板４を設け、さらに、セパレータ板４の外側に固定板６を設けて一体にされた固体高分子膜型電気分解セル１００を有すると共に、固定板６にはセパレータ板４の通路に連通するよう設けられた複数の貫通路６２が設けられ、これらの貫通路６２に連通するように、酸素極２側には、水タンク２２からの水を貯蔵するとともに酸素ガスを貯蔵し排出口２４から取り出すための酸素貯蔵タンク２０がホース２６を介して、そして、水素極３側には、水タンク３２からの水を貯蔵するとともに水素ガスを貯蔵して排出口３４から取り出すための水素貯蔵タンク３０がホース３６を介して接続されて設けられたものがある。 As an electrolysis apparatus for water using a solid polymer film for obtaining hydrogen and oxygen gas, there is an apparatus as shown in FIG. 4 for education or demonstration. In this electrolysis apparatus, a solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between an oxygen electrode 2 and a hydrogen electrode 3, and a separator plate 4 having a passage through which the generated gas passes outside these oxygen electrode 2 and hydrogen electrode 3. And a solid polymer membrane type electrolysis cell 100 integrated with a fixed plate 6 provided outside the separator plate 4, and provided on the fixed plate 6 so as to communicate with the passage of the separator plate 4. A plurality of through passages 62 are provided, and oxygen for storing water from the water tank 22 and storing oxygen gas and taking it out from the discharge port 24 is stored on the oxygen electrode 2 side so as to communicate with the through passages 62. A storage tank 20 is connected to the hose 26 through the hose 26, and a hydrogen storage tank 30 for storing water from the water tank 32 and storing hydrogen gas and taking it out from the discharge port 34 is connected to the hydrogen electrode 3 side. Through There is provided to be connected.
また、水の電気分解による酸素・水素ガスの発生装置としては、特許文献１に記載されているような、イオン交換膜を用いたものがあり、この装置は、イオン交換膜の両側に箱状隔壁を設け、その内側に金属被膜処理が施された金属被覆面とイオン交換膜を保持するための桟が設けられていて、その上方にガス排出口が設けられた電解セルとして形成されている。この装置では、電源装置の陽極と接続された隔壁とイオン交換膜とで形成された室において酸素ガスが発生し、電源装置と陰極と接続された隔壁とイオン交換膜で形成された室では水素ガスを発生して、隔壁の頂部から取り出されるようになっている。 Moreover, as an oxygen / hydrogen gas generator by electrolysis of water, there is an apparatus using an ion exchange membrane as described in Patent Document 1, and this device has a box shape on both sides of the ion exchange membrane. It is formed as an electrolytic cell in which a partition is provided, a metal coating surface on which a metal coating is applied, and a bar for holding the ion exchange membrane are provided, and a gas exhaust port is provided above the barrier. . In this apparatus, oxygen gas is generated in a chamber formed of a partition wall connected to the anode of the power supply device and the ion exchange membrane, and hydrogen is generated in a chamber formed of the partition wall connected to the power supply device and the cathode and the ion exchange membrane. Gas is generated and taken out from the top of the partition.
さらに、特許文献２に記載されているように、燃料電池を兼用した水の電気分解装置として、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の両側に酸素極と水素極とを接合した水の電気分解用膜・電極接合体を使用したものが提案されている。この膜・電極接合体の酸素極側には、酸素流路板、セパレータ板、およびエンドプレートを重ねて配置すると共に、水素極側には、セパレータ板およびエンドプレートを重ねて配置して一体化されたものを、水槽内に水に浸すように設けたものである。
図４に示すような水の電気分解装置では、この装置により生成された水素、酸素は、ガス貯蔵タンク２０，３０において、排出口２４、３４が閉じられていても、ほぼ大気圧までの圧力までしか確保されず、貯蔵量もこれらのタンクの体積が限度であり、連続して発生しても、水タンク２２，３２に通じるセンターパイプを通して排出されるために、水タンク２２，３２内の水を溢れさせ、大気中に放出されてしまい、貯蔵タンク２０，３０での貯蔵は実質的に大気圧で行うことになるとともに、発生するガス量は限られたものであった。 In the water electrolysis apparatus as shown in FIG. 4, the hydrogen and oxygen generated by this apparatus have a pressure up to almost atmospheric pressure even when the discharge ports 24 and 34 are closed in the gas storage tanks 20 and 30. The amount of storage is limited by the volume of these tanks, and even if they are generated continuously, they are discharged through the center pipe that leads to the water tanks 22 and 32. Overflowing and being discharged into the atmosphere, the storage in the storage tanks 20 and 30 is carried out at substantially atmospheric pressure, and the amount of gas generated is limited.
このように生成された酸素・水素ガスの貯蔵のために、高圧ボンベを使用することも考慮されるが、この場合、レギュレータを付設する必要があり、全体のサイズが大きくなり、重量も増すために、運搬時あるいは保管時に制限を受けることになる。 In order to store the generated oxygen / hydrogen gas, it may be considered to use a high-pressure cylinder. In this case, however, it is necessary to attach a regulator, which increases the overall size and weight. In addition, there will be restrictions during transportation or storage.
また、特許文献１に記載された水の電気分解装置は、酸素・水素ガス室が多数に分割されたものを一体構造にされているために、このようなガス室を形成する部材である桟とイオン交換膜との密着力を得るのが難しいだけでなく、ガス室が細分化されているために、ガスをスムーズに取り出すことが容易でなく、ガスの発生量にも限界がある等の問題があった。 In addition, the water electrolysis apparatus described in Patent Document 1 has an integrated structure in which an oxygen / hydrogen gas chamber is divided into a large number of parts, and therefore, a bar that is a member for forming such a gas chamber is used. Not only is it difficult to obtain an adhesive force between the ion exchange membrane and the gas chamber, but because the gas chamber is subdivided, it is not easy to take out the gas smoothly, and the amount of gas generated is limited. There was a problem.
さらに、特許文献２に記載された水の電気分解装置においては、装置の主要部が水中に浸されるために、装置自体のサイズが制限されるだけでなく、また、生成された酸素・水素ガスの効率的な取り出し、圧力等を考慮したものではなく、上記従来例のように貯蔵のためには別に貯蔵タンクを設ける必要があり、また、センターパイプを必要としているために、必要なガスを得るためには装置全体のサイズが大きくなってしまう。 Furthermore, in the water electrolysis apparatus described in Patent Document 2, since the main part of the apparatus is immersed in water, not only the size of the apparatus itself is limited, but also the generated oxygen / hydrogen It does not take into account efficient gas extraction, pressure, etc., and it is necessary to provide a separate storage tank for storage as in the above conventional example, and since a center pipe is required, the necessary gas is not supplied. In order to obtain it, the size of the entire apparatus becomes large.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数のユニット水電気分解セルを酸素、水素ガスの貯蔵タンクと一体化して全体をコンパクトな構造にし、ガス発生を増大することができるようにした固体高分子膜型水電気分解装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and can integrate a plurality of unit water electrolysis cells with oxygen and hydrogen gas storage tanks to form a compact structure as a whole and increase gas generation. It is an object of the present invention to provide a solid polymer membrane type water electrolysis apparatus.
本発明の目的を達成するための固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けた酸素極、前記固体高分子電解質膜の他方側に接して設けた水素極、前記酸素極および水素極の外側に隣接して設けられかつ水および発生したガスの通路を有する集電板をなすセパレータ板、および該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板を有するユニット水電気分解セルを含み、該ユニット水電気分解セルが複数個積層されていて、両端部の前記ユニット水電気分解セルの前記固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えた固体高分子膜型水電気分解装置であって、
前記水電気分解セルにおける前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備し、
前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、各々の固定版に隣接して一体に設けられ、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素が前記貯蔵槽の一方におよび水素が前記貯蔵槽の他方にガス用連通孔を介して前記貯蔵槽のそれぞれに導かれるとともに、前記酸素極および前記水素極には前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して前記両貯蔵槽から導かれることを特徴とする。
In order to achieve the object of the present invention, a solid polymer membrane water electrolyzer includes a solid polymer electrolyte membrane, an oxygen electrode provided in contact with one side of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane A hydrogen electrode provided in contact with the other side, a separator plate provided adjacent to the outside of the oxygen electrode and the hydrogen electrode and forming a current collecting plate having a passage for water and generated gas, and disposed outside the separator plate A unit water electrolysis cell having a fixed plate made of a non-conductive material, and a plurality of the unit water electrolysis cells are stacked and arranged outside the fixed plate of the unit water electrolysis cell at both ends. A polymer electrolyte membrane water electrolyzer equipped with a storage tank for storing water and generated gas,
The fixing plate in the water electrolysis cell contains a pressing material for pressing the oxygen electrode and the hydrogen electrode against the solid polymer electrolyte membrane, and the material includes a flow path,
The plurality of unit water electrolysis cells are united by tie bolts by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, oxygen electrode, hydrogen electrode, separator plate and fixing plate from the outside of the storage tank and the fixing plate, further,
The storage tank is integrally provided adjacent to each fixed plate, and has a water replenishment hole provided at a position higher than the position of water electrolysis level in each unit water electrolysis cell, and is generated Having a discharge hole for discharging
The oxygen led from each unit electrolysis cell is led to one of the storage tanks and hydrogen to the other of the storage tanks through the gas communication holes , respectively , and the oxygen electrode and the hydrogen The pole is characterized in that water from the storage tanks is guided from both storage tanks through water communication holes.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the gas communication hole includes two communication holes for guiding gases from the hydrogen electrode and the oxygen electrode, respectively, corresponding to the solid polymer electrolyte membrane portion. It is provided above the electrolysis part so as to communicate with the storage tank.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽に連通するように設けられていることを特徴とする。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the water communication hole is located below the electrolysis unit corresponding to the solid polymer electrolyte membrane and is independent of the hydrogen electrode and the oxygen electrode. It is provided so that it may communicate with the storage tank.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、ガス連通孔は、ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されていることを特徴とする。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the gas communication hole is connected to the unit water electrolysis cell via a check valve.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする。
In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the oxygen electrode is formed by coating a mixture containing carbon and a solid polymer electrolyte membrane resin on an iridium-plated porous sheet-like carbon material,
The hydrogen electrode is a porous sheet-like carbon material coated with a mixture containing carbon and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, and further for Pt (alloy) and / or Pt (alloy) -supported carbon and a solid polymer electrolyte membrane. A mixture containing a resin is coated.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対して、カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする。
In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the oxygen electrode is formed by coating a mixture containing Pt (alloy) and a solid polymer electrolyte membrane resin on an iridium-plated porous sheet-like carbon material. And
In the hydrogen electrode, a porous sheet-like carbon material is coated with a mixture containing carbon and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, and further, Pt (alloy) and / or Pt (alloy) -supported carbon and a solid polymer electrolyte. A mixture containing a film resin is coated.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されていることを特徴とする。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the separator plate is formed of a material in which a plurality of through holes are provided in a metal plate coated with Pt or Au.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板に接触する固定板に内蔵された押し付け素材が、弾力性を有するナイロン等のポーラスプラスチック材からなることを特徴とする。 The solid polymer membrane water electrolysis apparatus is characterized in that the pressing material built in the fixed plate contacting the separator plate is made of a porous plastic material such as nylon having elasticity.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成されていることを特徴とする。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the fixing plate is formed with a hole serving as a flow path for water or generated gas and a through hole for the groove.
さらに、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、貯蔵槽は、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられたメンテナンスのための水抜き孔を有することを特徴とする。 Furthermore, in the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the storage tank has a water drain hole for maintenance provided at or near the bottom in addition to the water replenishment hole and the generated gas passage. It is characterized by that.
上記のような本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、これらの酸素極および水素極の外側に隣接して設けられ集電板をなすセパレータ板、該セパレータ板の外側に配置された非導電素材からなる固定板を有するユニット水電気分解セルを含み、該ユニット水電気分解セルが複数個積層されていて、両端部の前記ユニット水電気分解セルの前記固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽を備えているので、ユニット水電気分解セルを必要な発生ガスの量に応じて設けることができる。また、複数のユニット水電気分解セルを固定板の外側に配置されかつ水および発生したガスを貯蔵するための貯蔵槽が両固定板の外側から各々隣接して固体高分子電解質膜、酸素極、水素極およびセパレータ板を固定板とともに一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされているので、耐密性のある構造された酸素および水素を貯蔵するための貯蔵槽としてタンクを両側に各々一体に設けることができ、全体の構造がコンパクトになり、移動、保管に好都合なだけでなく大量のガスを発生させることができる水の電気分解装置を得ることができる。 The solid polymer membrane type water electrolysis apparatus according to the present invention as described above comprises a solid polymer electrolyte membrane, an oxygen electrode, a hydrogen electrode, and a current collecting plate provided adjacent to the outside of these oxygen electrode and hydrogen electrode. A unit water electrolysis cell having a separator plate and a fixing plate made of a non-conductive material disposed outside the separator plate, wherein a plurality of the unit water electrolysis cells are stacked, and the unit water electrolysis cells at both ends are stacked. Since the storage tank for storing water and generated gas is provided outside the fixed plate of the decomposition cell, the unit water electrolysis cell can be provided according to the amount of generated gas required. In addition, a plurality of unit water electrolysis cells are disposed outside the fixed plate and a storage tank for storing water and generated gas is adjacent to each other from the outside of both fixed plates, a solid polymer electrolyte membrane, an oxygen electrode, By holding the hydrogen electrode and separator plate together with the fixed plate, they are united by tie bolts, so the tanks are integrated on both sides as storage tanks for storing oxygen and hydrogen, which are structured to be tight. It is possible to provide an apparatus for electrolyzing water that can be provided and has a compact overall structure, which is not only convenient for transportation and storage but can generate a large amount of gas.
また、固体高分子電解質膜に対して、その両側に酸素極と水素極が対向して設けられ、酸素極と水素極の外側にはセパレータ板および固定板が重ねられて、さらにその外側に貯蔵槽がこれらの部材を貫通するタイボルトによって一体にされているので、酸素極および水素極に対するセパレータ板の密着性を向上させることができ、効率的な電気分解を行うことができ、この密着によっても発生した酸素、水素ガスは押し付け素材の通路を介して通過させることができるので、必要に応じて発生したガスの供給が可能になる。さらに、両貯蔵槽は、水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有し、かつ発生したガスを排出するための排出孔を、一方の貯蔵槽を酸素の貯蔵槽とし、他方の貯蔵槽を水素のための貯蔵槽として有しているので、水の補給孔およびガスの排出孔が遮断されれば、それらの耐圧度に応じて大気圧以上の生成された酸素あるいは水素のガスの貯蔵が可能になり、圧力の高くなったガスによって、装置から離れた位置へのガスの供給も可能になる。 In addition, an oxygen electrode and a hydrogen electrode are provided opposite to the solid polymer electrolyte membrane on both sides, and a separator plate and a fixing plate are overlapped on the outside of the oxygen electrode and the hydrogen electrode, and further stored on the outside. Since the tank is integrated by tie bolts that penetrate these members, the adhesion of the separator plate to the oxygen electrode and the hydrogen electrode can be improved, and efficient electrolysis can be performed. Since the generated oxygen and hydrogen gas can be passed through the passage of the pressing material, the generated gas can be supplied as necessary. Furthermore, both storage tanks have a water replenishment hole provided at a position higher than the position of the water electrolysis level, and have an exhaust hole for discharging the generated gas, and one storage tank stores oxygen. and bath, since they have other reservoir as reservoirs for hydrogen, if it is cut off the discharge hole of the supply hole and the gas of water was produced above atmospheric pressure, depending on their breakdown voltage level Oxygen or hydrogen gas can be stored , and the gas at a higher pressure can be supplied to a position away from the apparatus.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、ガス用連通孔は、前記水素極および前記酸素極からのガスをそれぞれ導く二つの連通孔が前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より上方に前記貯蔵槽に連通するように設けられているので、各貯蔵槽には各ユニット水電気分解セルからの酸素ガスまたは水素ガスが収集されることにより単一ガスとしてそれぞれ貯蔵される。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the gas communication hole includes two communication holes for guiding gases from the hydrogen electrode and the oxygen electrode, respectively, corresponding to the solid polymer electrolyte membrane portion. Since it is provided so as to communicate with the storage tank above the electrolysis unit, each storage tank stores oxygen gas or hydrogen gas from each unit water electrolysis cell and stores it as a single gas. The
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、水連通孔は、前記固体高分子電解質膜の部分に相当する電解部より下方に位置されて前記水素極および前記酸素極からそれぞれ独立して前記貯蔵槽に連通するように設けられているので、各ユニット水電気分解セルに対して各極側の電解部に対して独立して水が水連通孔を介して両貯蔵槽から確実に供給される。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the water communication hole is located below the electrolysis unit corresponding to the solid polymer electrolyte membrane and is independent of the hydrogen electrode and the oxygen electrode. In order to communicate with each unit water electrolysis cell, water can be reliably supplied from both storage tanks through the water communication holes independently of each unit-side electrolysis unit. Supplied.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置において、ガス連通孔は、ユニット水電気分解セルに逆止弁を介して接続されているので、各ユニット水電気分解セルから発生したガスは、貯蔵槽へのガス連通孔における圧力変動によってガスの逆流が生じても、電気分解セルに発生したガスが戻ることがないので、電気分解反応が不安定になることがなく、安定したガス発生をさせることができる。 Further, in the solid polymer membrane water electrolysis apparatus, the gas communication hole is connected to the unit water electrolysis cell via a check valve, so that the gas generated from each unit water electrolysis cell is stored. Even if a backflow of gas occurs due to pressure fluctuation in the gas communication hole to the tank, the gas generated in the electrolysis cell does not return, so the electrolysis reaction does not become unstable and stable gas generation is achieved. be able to.
また、酸素極は、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子電解質膜樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成されていて、また、水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされているので、このような固体高分子膜型水電気分解装置として、純水を使用した、低電圧による電気分解が可能であるだけでなく、低電圧による水の電気分解によって大量の水素あるいは酸素ガスを得ることができる。特に、前記酸素極を、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより、更に優れた効果を得ることができる。 The oxygen electrode is formed by coating an iridium-plated porous sheet-like carbon material with a mixture containing carbon and a solid polymer electrolyte membrane resin, and the hydrogen electrode is a porous sheet-like carbon. The material is coated with a mixture containing carbon and a polymer electrolyte membrane resin, and further coated with a mixture containing Pt (alloy) and / or Pt (alloy) -supporting carbon and a polymer electrolyte membrane resin. Therefore, as such a solid polymer membrane water electrolyzer, not only can electrolysis be performed at a low voltage using pure water, but a large amount of hydrogen or oxygen gas can be generated by electrolysis of water at a low voltage. Obtainable. In particular, when the oxygen electrode is coated on a porous sheet-like carbon material plated with iridium with a mixture containing Pt (alloy) and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, a further excellent effect can be obtained.
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板が、ＰｔまたはＡｕによってコーティングされた金属板に複数の貫通孔を設けた材料から形成されているので、貫通孔を介して生成された酸素ガスおよび水素ガスを問題なく貯蔵槽へと流通させることができる。 In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus having the above-described configuration, the separator plate is formed of a material in which a plurality of through holes are provided in a metal plate coated with Pt or Au. The oxygen gas and hydrogen gas produced in this way can be distributed to the storage tank without any problem.
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、セパレータ板の貫通孔を有する部分に対して固定板に内蔵された弾力性を有するポーラスプラスチック材からなる押し付け素材によって、酸素極あるいは水素極に対するセパレータ板の押圧がなされ、それらに密着力を与えることができるだけでなく、ガスの流通も得ることができる。 Further, in the solid polymer membrane water electrolysis apparatus having the above-described configuration, the oxygen electrode or the pressing material made of a porous plastic material having elasticity built into the fixing plate with respect to the portion having the through hole of the separator plate can be used. Not only can the separator plate be pressed against the hydrogen electrode to provide adhesion to them, but also a gas flow can be obtained.
また、上記固体高分子膜型水電気分解装置においては、固定板は、水または発生したガスの流路となる孔および溝の貫通孔が形成され、さらに、貯蔵槽には、水の補給孔および発生したガスの通路に加えて、底部またはその近傍に設けられた水抜きのためのメンテナンス孔を有しているので、剛性を要求される固定板にもガス流路となる貫通孔が設けられていて、発生したガスの貯蔵槽への流れをスムーズに行わせ、また、貯蔵槽には水抜き孔も有しているので、内部の清浄も容易に行うことができる。 In the solid polymer membrane type water electrolysis apparatus, the fixing plate is formed with a hole serving as a flow path for water or generated gas and a through hole for the groove, and the storage tank has a water replenishment hole. In addition to the generated gas passage, it has a maintenance hole for draining provided at or near the bottom, so a fixed plate that requires rigidity is also provided with a through-hole that serves as a gas flow path. The generated gas can be smoothly flowed to the storage tank, and the storage tank also has a drain hole so that the inside can be easily cleaned.
さらに、本発明の新規な特徴および構成、効果に関しては、以下の説明に関連する添付図面からさらに理解することができる。なお、図面において、同じ符号は同じ構成部材を示している。 Further, the novel features, configurations, and effects of the present invention can be further understood from the accompanying drawings related to the following description. In the drawings, the same reference numerals indicate the same components.
以下、本発明の実施の形態を図１から図３を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置の説明図であり、図２は、同じ固体高分子膜型水電気分解装置の両側部における固定板を示し、（Ａ）は図１の線２Ａ−２Ａに沿った矢印方向にみた酸素極側の側面図、（Ｂ）は図１の線２Ｂ−２Ｂに沿って矢印方向にみたその水素極側の側面図であり、図３は、同じ固体高分子膜型水電気分解装置の中間部における固定板を示し、（Ａ）は図１の線３Ａ−３Ａに沿った矢印方向にみた酸素極側の側面図、（Ｂ）は図１の線３Ｂ−３Ｂに沿って矢印方向にみたその水素極側の側面図である。この固体高分子膜型水電気分解装置は、複数の水の電気分解セル１００１、１００２、１００３、・・・１００ｎ−１、１００ｎを有していて、各水電気分解セル１００１、１００２、１００３、・・・１００ｎ−１、１００ｎは、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材等からなる固体高分子電解質膜１１、１２、１３、・・・１ｎ−１、１ｎ、これらの固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、かつカーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティング層として形成された酸素極２１、２２、２３、・・・２ｎ−１、２ｎ、同じ各固体高分子電解質膜の他方の面に配置され、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンと固体高分子膜用樹脂の混合物をコーティングし、さらにその表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成され水素極３１、３２、３３、・・・３ｎ−１、３ｎ、これらの各酸素極と水素極との外側に隣接して配置され、水およびガスの流路を設けた集電板となるステンレス製のセパレータ板４１、４２、４３、・・・４ｎ−１、４ｎ、４’１、４’２、４’３、・・・４’ｎ−１、４’ｎ、およびこれらセパレータ板４、４’の外側に配置された樹脂製の固定板６１、６２、６３、・・・６ｎ−１、６ｎ、６’１、６’２、６’３、・・・６’ｎ−１、６’ｎからなっている。さらに好ましくは、セパレータ板４、４’にＰｔまたはＡｕをコーティングすることにより、耐食性が向上し、長期にわたり安定した水の電気分解反応を確保することが可能となる。以下、特定する場合を除いて、参照記号の添え字は省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
FIG. 1 is an explanatory view of a solid polymer membrane water electrolyzer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows fixing plates on both sides of the same polymer electrolyte water electrolyzer, 1A is a side view of the oxygen electrode side viewed in the direction of the arrow along line 2A-2A in FIG. 1, and FIG. 1B is a side view of the hydrogen electrode side viewed in the direction of the arrow along line 2B-2B of FIG. FIG. 3 shows a fixing plate in the middle part of the same polymer electrolyte membrane water electrolyzer, (A) is a side view on the oxygen electrode side seen in the direction of the arrow along line 3A-3A in FIG. (B) is the side view by the side of the hydrogen electrode seen in the arrow direction along line 3B-3B of FIG. This solid polymer membrane water electrolyzer has a plurality of water electrolysis cells 100 1 , 100 2 , 100 3 ,... 100 n−1 , 100 n , and each water electrolysis cell 100 1 , 100 2 , 100 3 ,... 100 n−1 , 100 n are solid polymer electrolyte membranes 1 1 , 1 2 , 1 3 ,... 1 n-1 made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer material or the like. 1 n , disposed on one surface of these solid polymer electrolyte membranes, iridium-plated on a porous sheet-like carbon material, and formed as a coating layer containing a mixture of carbon and resin for solid polymer electrolyte membranes The oxygen electrodes 2 1 , 2 2 , 2 3 ,... 2 n−1 , 2 n are disposed on the other surface of the same solid polymer electrolyte membrane, and carbon is attached to the surface of the porous sheet-like carbon material. Solid Coating a mixture of the polymer film resin, mixtures coated hydrogen electrode 3 1 is formed by a containing Pt (alloy) and / or Pt (alloy) supporting carbon and the solid polymer electrolyte membrane for resin on the surface thereof, 3 2 , 3 3 ,... 3 n−1 , 3 n , stainless steel that is disposed adjacent to the outside of each oxygen electrode and hydrogen electrode and serves as a current collector plate having water and gas flow paths Separator plates 4 1 , 4 2 , 4 3 ,... 4 n−1 , 4 n , 4 ′ 1 , 4 ′ 2 , 4 ′ 3 ,... 4 ′ n−1 , 4 ′ n , and Resin fixing plates 6 1 , 6 2 , 6 3 ,... 6 n−1 , 6 n , 6 ′ 1 , 6 ′ 2 , 6 ′ 3 , disposed outside the separator plates 4, 4 ′ ... 6 consists of 'n-1, 6' n . More preferably, by coating Pt or Au on the separator plates 4, 4 ′, the corrosion resistance is improved, and it is possible to ensure a stable electrolysis reaction of water over a long period of time. In the following, reference symbols are omitted unless otherwise specified.
この水電気分解セル１００の固定板６、６’には、固体高分子電解質膜１に対して酸素極２と水素極３を押し付ける素材５１、５２、５３、・・・５ｎ−１、５ｎ、５’１、５’２、５’３、・・・５’ｎ−１、５’ｎが酸素極２と水素極３とに接触する部分に内蔵するように設けられ、押し付け素材５は水およびガスの流路を有する非導電素材からなり、その背後に水および発生したガスの貫通路６２、６２’が適宜の数だけ外側に貫通して設けられている。また、図２（Ａ）に示されるように、ユニット水電気分解セル１００における最側部の酸素極側の固定板６１は、側面側のガスの貫通路６２に加えて、他の水電気分解セル１００２・・・１００ｎからの酸素を流通するためのガス流通孔６６が電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に水供給用の水連通孔８２が設けられている。同様に、ユニット水電気分解セル１００の最側部の水素極側の固定板６’ｎは、図２（Ｂ）に示されるように、側面側のガスの貫通路６２’に加えて、他の水電気分解セル１００１・・・１００ｎ−１からの水素を流通するためのガス流通孔７６が電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に、酸素極側のガス流通孔６６から離隔して設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に水供給用の水連通孔８４が酸素極側の水連通孔８２から離隔して設けられている。 Materials 5 1 , 5 2 , 5 3 ,... 5 n− that press the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 against the solid polymer electrolyte membrane 1 are fixed to the fixing plates 6 and 6 ′ of the water electrolysis cell 100. 1 , 5 n , 5 ′ 1 , 5 ′ 2 , 5 ′ 3 ,... 5 ′ n−1 , 5 ′ n are provided so as to be built in a portion in contact with the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3, The pressing material 5 is made of a non-conductive material having water and gas flow paths, and water and generated gas through passages 62 and 62 ′ are provided behind it by an appropriate number to the outside. Further, as shown in FIG. 2 (A), the fixing plate 61 of the oxygen electrode side of the top side in units Water electrolysis cell 100, in addition to the through passage 62 of the side surface side of the gas, the other water electrolysis gas flow holes 66 for flowing oxygen from the decomposition cell 100 2 · · · 100 n provided above the upper electrolyte level 94 1 of the electrolytic unit 94, the water below the lower electrolyte level 94 second electrolysis part 94 A water communication hole 82 for supply is provided. Similarly, the fixed plate 6 of the hydrogen electrode side of the top side of the unit water electrolysis cell 100 'n, as shown in FIG. 2 (B), through passages 62 of the side surface side of the gas' in addition to, other Gas flow holes 76 for flowing hydrogen from the water electrolysis cells 100 1 ... 100 n−1 are separated from the gas flow holes 66 on the oxygen electrode side above the upper electrolysis level 94 1 of the electrolysis unit 94. and provided, are provided water communication holes 84 for water supply from the lower electrolyte level 94 2 below the electrolysis part 94 is separated from the water communication holes 82 of the oxygen electrode side.
また、中間の各ユニット水電気分解セル１００２・・・１００ｎ−１における固定板６、６’は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、酸素極側の固定板６２・・・６ｎにおいて、電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に酸素ガスの連通孔６６と水素ガスの連通孔７６が離隔して設けられ、酸素ガスの連通孔６６が電解部９４に連通するように設けられ、電解部９４の下部電解レベル９４２より下方に二つの水の連通孔８２，８４が離隔して設けられ、一方の連通孔８２が電解部９４に連通するようにされている。水素極側り固定板６’１・・・６’ｎには、電解部９４の上部電解レベル９４１より上方に酸素ガスの連通孔６６と水素ガスの連通孔７６が離隔して設けられ、水素ガスの連通孔７６が電解部９４に連通されていて、さらに、電解部９４の下部電解レベル９４２の下方には二つの水連通孔８２、８４が離隔して設けられ、一方の水連通孔８４が電解部に水を供給するようにされている。 Further, the fixing plates 6 and 6 'in each of the intermediate unit water electrolysis cells 100 2 ... 100 n-1 are fixed on the oxygen electrode side as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). 6 2 ... 6 n , an oxygen gas communication hole 66 and a hydrogen gas communication hole 76 are provided apart from the upper electrolysis level 94 1 of the electrolysis unit 94, and the oxygen gas communication hole 66 is provided in the electrolysis unit. It provided so as to communicate with the 94, communication holes 82, 84 of the two water is provided to be separated from the lower electrolyte level 94 second electrolysis part 94 downward, so that one communication hole 82 communicates with the electrolyte portion 94 Has been. On the hydrogen electrode side fixing plate 6 ′ 1 ... 6 ′ n , an oxygen gas communication hole 66 and a hydrogen gas communication hole 76 are provided above the upper electrolysis level 94 1 of the electrolysis unit 94 so as to be separated from each other. communication holes 76 of the hydrogen gas is not in communication with the electrolytic unit 94, furthermore, the lower bottom of the electrolytic level 94 2 of the electrolytic unit 94 is provided to be separated are two water lily holes 82 and 84, water communication of one A hole 84 supplies water to the electrolysis unit.
さらに、最側部の電気分解セル１００１，１００ｎには、固定板６１、６’ｎの外側に隣接するように、内部に水および発生したガスを貯蔵するための内部タンク２８、３８を有する酸素貯蔵槽２０、水素貯蔵槽３０が一体に設けられている。酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０は、図１に示すように、タイボルトおよびナット（図示せず）により締め付け、一体に固定されている。各ユニット水電気分解セル１００の固定板６、６’と酸素貯蔵槽２０と水素貯蔵槽３０との間、および固定板６，６’同士の間にはパッキンを挟んでそこに発生したガスが大気圧以上になっても漏れないような密封構造にされている。 Furthermore, the innermost electrolytic cells 100 1 , 100 n have internal tanks 28, 38 for storing water and generated gas therein so as to be adjacent to the outside of the fixing plates 61, 6 ′ n. The oxygen storage tank 20 and the hydrogen storage tank 30 are integrally provided. As shown in FIG. 1, the oxygen storage tank 20 and the hydrogen storage tank 30 are fastened and fixed integrally with a tie bolt and a nut (not shown). Gas generated in the unit water electrolysis cell 100 between the fixed plates 6 and 6 ′, the oxygen storage tank 20 and the hydrogen storage tank 30, and between the fixed plates 6 and 6 ′ with packing therebetween. It has a sealed structure that does not leak even when the pressure exceeds atmospheric pressure.
上記のようなユニット水電気分解セル１００１・・・１００ｎを一体にした水電気分解装置においては、各固定板６、６’に設けた酸素ガスの連通孔６６が連通路を形成して酸素貯蔵槽２０に連通する流路をなし、水素ガスの連通孔７６が連通路を形成して水素貯蔵槽３０に連通する流路をなしていて、各ユニット水電気分解セル１０の電解部９４との連通部には、逆止弁９２が設けられていて、発生ガスの電解部９４への逆流を阻止している。また、各ユニット水電気分解セル１００の電解部９４の下方に設けられた水の連通孔８２、８４は、それぞれ酸素貯蔵槽２０側と水素貯蔵槽３０側に連通する流路をなして、酸素彫像層３０から酸素極側の電解部９４に水を供給し、また、水素貯蔵槽３０から水素極側の電解部９４へ水を供給する。 In the water electrolysis apparatus in which the unit water electrolysis cells 100 1 ... 100 n are integrated as described above, the oxygen gas communication holes 66 provided in the fixing plates 6 and 6 ′ form communication paths. A flow path communicating with the oxygen storage tank 20 is formed, and a hydrogen gas communication hole 76 forms a communication path to form a flow path communicating with the hydrogen storage tank 30, and the electrolysis unit 94 of each unit water electrolysis cell 10. Is provided with a check valve 92 to prevent the generated gas from flowing back to the electrolysis unit 94. In addition, the water communication holes 82 and 84 provided below the electrolyzing unit 94 of each unit water electrolysis cell 100 form a flow path communicating with the oxygen storage tank 20 side and the hydrogen storage tank 30 side, respectively. Water is supplied from the statue layer 30 to the electrolysis unit 94 on the oxygen electrode side, and water is supplied from the hydrogen storage tank 30 to the electrolysis unit 94 on the hydrogen electrode side.
これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０においては、水の電解レベルよりも高い位置に、例えば、図２に示されるように、電気分解セル１００の上面に開口するように、ガスの排出孔８、水の補給孔９等の少なくとも２個の孔が設けられている。水素または酸素の排出孔８には、安全弁、逆止弁等が取り付けられ、発生ガスの圧力を調整することができるようになっている。水の補給孔９には、必要に応じた水の補給を行うために、開閉弁が設けられ、貯蔵されたガスが大気圧以上になっても水の排出を防ぐようになっている。また、これらの酸素および水素貯蔵槽２０、３０には、水抜き等のために、底部近くに外部と内部タンク２８、３８とが連通するメンテナンス孔１０が通常は閉じられるように設けられている。 In these oxygen and hydrogen storage tanks 20, 30, the gas discharge hole 8 is opened at a position higher than the electrolysis level of water, for example, as shown in FIG. At least two holes such as a water supply hole 9 are provided. A safety valve, a check valve or the like is attached to the hydrogen or oxygen discharge hole 8 so that the pressure of the generated gas can be adjusted. The water replenishment hole 9 is provided with an on-off valve in order to replenish water as necessary, and prevents discharge of water even when the stored gas becomes atmospheric pressure or higher. In addition, these oxygen and hydrogen storage tanks 20 and 30 are provided with a maintenance hole 10 that is usually closed near the bottom so that the outside and the internal tanks 28 and 38 communicate with each other in order to drain water. .
上記構成の本発明の一実施の形態による固体高分子膜型水電気分解装置は、酸素および水素貯蔵槽２０、３０に水の補給孔９から水が注入されて満され、固体高分子電解質膜１まで、固定板６、６’の水連通孔８２，８４あるいは貫通孔６２を通り、押し付け素材５、セパレータ板４、４’の流路を経て、酸素極２および水素極３の孔を介し水が達した状態で、セパレータ板４、４の端子板に直流電源が接続される。この状態で、酸素極２および水素極３は、固体高分子電解質膜１に対して、固定板６、６の押し付け素材５によってセパレータ板４、４を介して押し付けられて、密着されているので、酸素極２において電流を流すことにより、イリジウムの触媒作用により、水が酸素イオンと水素イオンに分離し、酸素イオンは、電子を取られて、酸素イオンとなる水素イオンは固体高分子電解質膜１を通過し、水素極３側に移動後、Ｐｔの触媒作用により電子を受け取り水素ガスとなる。 The solid polymer membrane water electrolyzer according to an embodiment of the present invention having the above-described configuration is filled with water from the water replenishment hole 9 into the oxygen and hydrogen storage tanks 20 and 30, and filled with the solid polymer electrolyte membrane. 1 through the water communication holes 82 and 84 or the through holes 62 of the fixing plates 6 and 6 ′, the flow of the pressing material 5 and the separator plates 4 and 4 ′, and the holes of the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3. A DC power source is connected to the terminal plates of the separator plates 4 and 4 in a state where water has reached. In this state, the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 are pressed against the solid polymer electrolyte membrane 1 by the pressing material 5 of the fixing plates 6 and 6 through the separator plates 4 and 4 and are in close contact with each other. By passing a current through the oxygen electrode 2, water is separated into oxygen ions and hydrogen ions by the catalytic action of iridium, and the oxygen ions are taken out of electrons, and the hydrogen ions that become oxygen ions are converted into solid polymer electrolyte membranes. After passing through 1 and moving to the hydrogen electrode 3 side, electrons are received by the catalytic action of Pt and become hydrogen gas.
上記のように、酸素極２および水素極３において発生した酸素および水素ガスは、セパレータ板４の通路、押し付け素材５内部の流路を経て、固定板６、６’の酸素ガス連通孔６６、水素ガス連通孔７６および貫通孔６２を通って、酸素ガス貯蔵槽２０、水素ガス貯蔵槽３０の内部タンク２８、３８内に流動する。これらの発生したガスの流動は、そのまま継続されると、固体高分子電解質膜１に達する水が存在する限り、酸素貯蔵槽２０には酸素が継続して貯蔵され、酸素排出孔８および水の補給孔９から、そこに設けた安全弁、逆止弁９２等により圧力調整されて、ガスが保持されれば、蓄積される酸素ガスは次第に大気圧より高い状態になる。この状態は、水素貯蔵槽３０においても同様に水素ガスが大気圧より高い状態に蓄積される。 As described above, oxygen and hydrogen gas generated in the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 pass through the passage of the separator plate 4 and the flow path inside the pressing material 5, and the oxygen gas communication holes 66 of the fixing plates 6 and 6 ′. It flows into the internal tanks 28 and 38 of the oxygen gas storage tank 20 and the hydrogen gas storage tank 30 through the hydrogen gas communication hole 76 and the through hole 62. If the flow of the generated gas is continued as it is, as long as there is water reaching the solid polymer electrolyte membrane 1, oxygen is continuously stored in the oxygen storage tank 20, and the oxygen discharge hole 8 and the water are stored. If the pressure is adjusted from the replenishment hole 9 by a safety valve, a check valve 92 or the like provided therein, and the gas is held, the accumulated oxygen gas gradually becomes higher than the atmospheric pressure. In this state, hydrogen gas is similarly accumulated in the hydrogen storage tank 30 in a state higher than the atmospheric pressure.
このように、ユニット水電気分解セル１００において、酸素ガスおよび水素ガスを発生させることができるので、ユニット水電気分解セル１００の数を増減すれば、必要に応じたガス量を得る水電気分解装置が得られ、蓄積された酸素および水素ガスは、圧力を高くして貯蔵されているので、酸素ガス排出孔および水素ガス排出孔８、８を介して外部の用途に応じた箇所、それもかなり遠隔の場所への大量の酸素、または水素を導くことができる。 As described above, since oxygen gas and hydrogen gas can be generated in the unit water electrolysis cell 100, a water electrolysis apparatus that obtains a gas amount as required by increasing or decreasing the number of unit water electrolysis cells 100. Since the accumulated oxygen and hydrogen gas are stored at a high pressure, the oxygen gas discharge holes and the hydrogen gas discharge holes 8 and 8 are used to store the oxygen and hydrogen gas according to external use. A large amount of oxygen, or hydrogen, can be directed to a remote location.
また、水の電気分解セル１００と酸素および水素貯蔵槽２０、３０とは、図１に示されるように、タイボルト１０２およびナット１０４によって全体を一体に締め付け固定されるので、ユニット水電気分解セル１００が複数の多層に一体にされても、コンパクトな水素、酸素発生装置が得られるだけでなく、高い耐圧性の装置が得られるので、移動、保管に好都合な装置が提供され、発生したガスの遠方への供給が可能となる。 Further, as shown in FIG. 1, the water electrolysis cell 100 and the oxygen and hydrogen storage tanks 20 and 30 are fixed together by a tie bolt 102 and a nut 104, so that the unit water electrolysis cell 100 is fixed. Is integrated into a plurality of multilayers, so that not only a compact hydrogen and oxygen generator can be obtained, but also a high pressure resistant device can be obtained. Supply to a distant place becomes possible.
さらに、上記構成の高分子膜型水電気分解装置においては、酸素極２と水素極３がセパレータ板４、４’と直接接触され、さらに、セパレータ板４、４’の外側から弾性を有した多孔性プラスチック材からなる押し付け素材５、５’を挟んで、適宜配置された固定板６、６’によって、セパレータ板４、４’と酸素極２および水素極３の密着力が向上されるだけでなく、ガス流路が確保されるので、水の電気分解を効率よく行うことができる。 Furthermore, in the polymer membrane type water electrolysis apparatus having the above-described configuration, the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 are in direct contact with the separator plates 4 and 4 ′, and have elasticity from the outside of the separator plates 4 and 4 ′. The adhesion between the separator plates 4, 4 ′ and the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 is only improved by the fixing plates 6, 6 ′ arranged appropriately across the pressing material 5, 5 ′ made of porous plastic material. In addition, since the gas flow path is secured, water electrolysis can be performed efficiently.
また、上記ような高分子膜型水電気分解装置によって、電源さえあれば、どのような場所においても、必要なときに必要な量の水素、酸素を発生させ供給することができるので、水素あるいは酸素ガスをボンベ等の重量容器に貯蔵して運搬する必要もないので、装置の運搬における規制を受けないので、水素、酸素発生装置をポータブルタイプに近い装置として提供することができる。 In addition, the polymer membrane water electrolysis apparatus as described above can generate and supply a necessary amount of hydrogen and oxygen at any place as long as there is a power source. Since oxygen gas does not need to be stored and transported in a heavy container such as a cylinder, it is not subject to restrictions in transporting the device, so that a hydrogen and oxygen generator can be provided as a device close to a portable type.
また、上記構成の固体高分子膜型水電気分解装置においては、固体高分子電解質膜がパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなり、酸素極２がイリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材に、カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物をコーティングすることにより形成され、そして、水素極３が多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層を有すると共に、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティングして形成されたものを、プレスにより一体化して水の電気分解用膜・電極接合体として形成されているので、１．６Ｖ以上で水の電気分解が可能になり、カーボンの損傷を回避することができる。また、低電圧のままでも、ユニット水電気分解セル自体の数を調節することにより、必要に応じたガス量を発生させることができる。特に、前記酸素極を、イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材に、Ｐｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成すると、更に効果が向上する。
尚、多孔性シート状カーボン素材にＰｔ（合金）および固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングして形成した酸素極とすることもできる。
In the solid polymer membrane water electrolysis apparatus having the above-described configuration, the solid polymer electrolyte membrane is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer material, and the oxygen electrode 2 is iridium plated on a porous sheet-like carbon material. And a coating layer of a mixture containing carbon and a polymer electrolyte membrane resin on the surface of a porous sheet-like carbon material in which the hydrogen electrode 3 is porous. And formed by coating Pt (alloy) and / or a mixture containing Pt (alloy) -supporting carbon and a resin for a solid polymer electrolyte membrane on it and integrated by pressing for electrolysis of water Since it is formed as a membrane / electrode assembly, water can be electrolyzed at 1.6 V or higher, It is possible to avoid the damage of emissions. Further, even if the voltage remains low, the amount of gas as required can be generated by adjusting the number of unit water electrolysis cells themselves. In particular, when the oxygen electrode is formed by coating a porous sheet-like carbon material plated with iridium with a mixture containing Pt (alloy) and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, the effect is further improved.
In addition, it can also be set as the oxygen electrode formed by coating the porous sheet-like carbon raw material with the mixture containing Pt (alloy) and the resin for solid polymer electrolyte membrane.
さらに、酸素ガス貯蔵槽２０および水素ガス貯蔵槽３０の底部近くには、メンテナンス孔１０が設けられているので、内部タンク２８、３８の水抜きを行うことができ、随時内部の洗浄を行うことができ、固定板６、６’の貫通孔６２の目詰まり等を回避することができ、また、各セルの電解部を装置中央部に位置させることができるので、効率の良い水の電気分解を行うことができる。 Furthermore, since the maintenance holes 10 are provided near the bottoms of the oxygen gas storage tank 20 and the hydrogen gas storage tank 30, the internal tanks 28 and 38 can be drained, and the interior can be cleaned at any time. It is possible to avoid clogging of the through-holes 62 of the fixing plates 6 and 6 ', and the electrolysis part of each cell can be located in the center of the apparatus, so that efficient electrolysis of water is possible. It can be performed.
以上述べたように、本発明による固体高分子膜型水電気分解装置は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術範囲において実施し得ることは明らかである。 As described above, it is obvious that the solid polymer membrane water electrolyzer according to the present invention can be implemented within the technical scope described in the claims without being limited to the above embodiment. .
１ 固体高分子電解質膜
２，２１，２２，２３，・・・２ｎ−１，２ｎ 酸素極
３，３１，３２，３３，・・・３ｎ−１，３ｎ 水素極
４，４１，４２，４３，・・・４ｎ−１，４ｎ セパレータ板
５，５１，５２，５３，・・・５ｎ−１，５ｎ 押し付け素材
５’１，５’２，５’３，・・・５’ｎ−１，５’ｎ 押し付け素材
６，６１，６２，６３，・・・６ｎ−１，６ｎ 固定板
６’，６’１，６’２，６’３，・・・６’ｎ−１，６’ｎ 固定板
７ 酸素ガス放出孔
８ 水素ガス放出孔
９ 水の補給孔
１０ 水抜き孔
２０ 酸素貯蔵槽
２２ 水タンク
２４ 酸素ガス排出孔
２６ 接続ホース
２８ 内部タンク
３０ 水素貯蔵槽
３２ 水タンク
３４ 水素ガス排出孔
３８ 内部タンク
４２ 端子板
３６ 接続ホース
６２ 貫通孔
６６ 酸素ガス用連通孔
７６ 水素ガス用連通孔
８２ 水連通孔
８４ 水連通孔
９４ 電解部
９４１ 上部電解レベル
９４２ 下部電解レベル
１００ 固体高分子膜型水電気分解セル
１００１，１００２，１００３，・・・１００ｎ−１，１００ｎ ユニット水電気分解セル
1 solid polymer electrolyte membrane 2, 2 1 , 2 2 , 2 3 ,... 2 n−1 , 2 n oxygen electrode 3, 3 1 , 3 2 , 3 3 , ... 3 n−1 , 3 n Hydrogen electrodes 4, 4 1 , 4 2 , 4 3 ,... 4 n−1 , 4 n separator plates 5, 5 1 , 5 2 , 5 3 ,... 5 n−1 , 5 n pressing material 5 ′ 1 , 5 ′ 2 , 5 ′ 3 ,... 5 ′ n−1 , 5 ′ n pressing material 6, 6 1 , 6 2 , 6 3 ,... 6 n−1 , 6 n fixed plate 6 ′, 6 ′ 1 , 6 ′ 2 , 6 ′ 3 ,... 6 ′ n−1 , 6 ′ n fixing plate 7 Oxygen gas discharge hole 8 Hydrogen gas discharge hole 9 Water supply hole 10 Drain hole 20 Oxygen storage tank 22 Water tank 24 Oxygen gas discharge hole 26 Connection hose 28 Internal tank 30 Hydrogen storage tank 32 Water tank 34 Hydrogen gas discharge hole 38 Internal tank 42 Terminal plate 36 Connection hose 62 Through hole 66 Oxygen gas communication hole 76 Hydrogen gas communication hole 82 Water communication hole 84 Water communication hole 94 Electrolysis unit 94 1 Upper electrolysis level 94 2 Lower electrolysis level 100 Solid polymer membrane water electrolysis cell 100 1 , 100 2 , 100 3 , ... 100 n-1 , 100 n unit water electrolysis cell
Claims (9)
前記水電気分解セルにおける前記固定板が前記酸素極および水素極を前記固体高分子電解質膜に対して押し付けるための押し付け素材を内蔵し、かつ該素材には流路を具備し、
前記複数のユニット水電気分解セルが前記貯蔵槽、前記固定板の外側から前記固体高分子電解質膜、酸素極、水素極、セパレータ板および固定板を一緒に挟むことにより、タイボルトによって一体にされ、さらに、
前記貯蔵槽は、最も外側にある一組の固定板に隣接して一体に設けられ、前記それぞれのユニット水電気分解セルにおいて水の電解レベルの位置よりも高い位置に設けられた水の補給孔を有するとともに、発生したガスを放出するための放出孔を有し、
前記各ユニット電気分解セルから導かれた酸素が前記貯蔵槽の一方におよび水素が前記貯蔵槽の他方にガス用連通孔を介して前記貯蔵槽のそれぞれに導かれるとともに、前記酸素極および前記水素極には前記貯蔵槽からの水が水連通孔を介して前記両貯蔵槽から導かれることを特徴とする固体高分子膜型水電気分解装置。 Solid polymer electrolyte membrane, oxygen electrode provided in contact with one side of the solid polymer electrolyte membrane, hydrogen electrode provided in contact with the other side of the solid polymer electrolyte membrane, adjacent to the outside of the oxygen electrode and hydrogen electrode And a unit water electrolysis cell having a separator plate that forms a current collector plate having a passage for water and generated gas, and a fixed plate made of a non-conductive material disposed outside the separator plate, A solid polymer comprising a plurality of unit water electrolysis cells stacked and disposed outside the fixed plate of the unit water electrolysis cell at both ends and having a storage tank for storing water and generated gas A membrane water electrolyzer,
The fixing plate in the water electrolysis cell contains a pressing material for pressing the oxygen electrode and the hydrogen electrode against the solid polymer electrolyte membrane, and the material includes a flow path,
The plurality of unit water electrolysis cells are united by tie bolts by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, oxygen electrode, hydrogen electrode, separator plate and fixing plate from the outside of the storage tank and the fixing plate, further,
The storage tank is integrally provided adjacent to the outermost set of fixing plates , and is a water replenishment hole provided at a position higher than the position of water electrolysis level in each of the unit water electrolysis cells. And having a discharge hole for discharging the generated gas,
The oxygen led from each unit electrolysis cell is led to one of the storage tanks and hydrogen to the other of the storage tanks through the gas communication holes, respectively, and the oxygen electrode and the hydrogen The polymer electrolyte membrane water electrolyzer is characterized in that water from the storage tank is led to the poles from both storage tanks through water communication holes.
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対してカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。 The oxygen electrode is formed by coating a iridium-plated porous sheet-like carbon material with a mixture containing carbon and a solid polymer electrolyte membrane resin,
In the hydrogen electrode, a porous sheet-like carbon material is coated with a mixture containing carbon and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, and further, Pt (alloy) and / or Pt (alloy) -supported carbon and a solid polymer electrolyte membrane are used. The solid polymer membrane water electrolyzer according to claim 1, wherein the mixture containing a coating resin is coated.
前記水素極は、多孔性シート状カーボン素材に対して、カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子膜型水電気分解装置。 The oxygen electrode is formed by coating a iridium-plated porous sheet-like carbon material with a mixture containing Pt (alloy) and a solid polymer electrolyte membrane resin,
In the hydrogen electrode, a porous sheet-like carbon material is coated with a mixture containing carbon and a resin for a solid polymer electrolyte membrane, and further, Pt (alloy) and / or Pt (alloy) -supported carbon and a solid polymer electrolyte. 2. The solid polymer membrane water electrolyzer according to claim 1, wherein a mixture containing a membrane resin is coated.
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