JP5095715B2

JP5095715B2 - 水電解装置

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Publication number: JP5095715B2
Application number: JP2009289238A
Authority: JP
Inventors: 栄次針生; 昌規岡部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011127212A

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、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関する。

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。

この種の設備として、例えば、特許文献１に開示された水電解装置が知られている。この水電解装置は、図７に示すように、固体高分子電解質膜を円盤状の陽極給電板１及び陰極給電板で挟んだセル２を、分離板を介して複数個重合している。陽極給電板１は、ケーシングを構成するケーシングリング３に外嵌されている。

陽極給電板１の電解質膜と接触しない側の面には、複数の溝４が互いに平行に設けられている。各溝４は、純水の流路を構成するとともに、発生する酸化剤ガスを流通させる流路も構成している。ケーシングリング３の内周面には、溝４に連通する周溝５が形成されるとともに、３つの貫通孔６ａ、６ｂ及び６ｃが積層方向に貫通形成されている。

純水供給用の貫通孔６ａと周溝５との間、純水及び酸素ガス排出用の貫通孔６ｂと前記周溝５との間には、これらを連通するための通孔７ａ、７ｂが形成されている。水素ガス排出用の貫通孔６ｃは、貫通孔６ｂ側に近接して設けられており、水の電気分解により陰極給電板に発生する水素が、前記貫通孔６ｃに導出されている。

特開平９−９５７９１号公報

ところで、上記の水電解装置において、各溝４の下流には、未反応の水に加えて反応により生成された酸素（反応ガス）も流通している。このため、通孔７ｂでは、水と酸素との二相流が存在し、ガスの生成により体積が急激に増加している。

従って、通孔７ｂの圧力損失は、水のみが存在する通孔７ａの圧力損失に比べて増大している。これにより、水電解装置全体としての圧力損失が高くなってしまい、高出力且つ高性能な水ポンプが必要になり、経済的ではな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、簡単な構成で、水流路の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させることが可能な水電解装置を提供することを目的とする。

本発明は、アノード側給電体とカソード側給電体との間に電解質膜が設けられ、前記アノード側給電体にアノード側セパレータが積層され、前記カソード側給電体にカソード側セパレータが積層されるとともに、前記アノード側給電体と前記アノード側セパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、前記カソード側給電体と前記カソード側セパレータとの間には、前記水が電気分解されて高圧の水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置に関するものである。

この水電解装置は、単位セルの積層方向に延在し、鉛直方向上方へ向けて水を流通し、水流路に前記水を供給する水供給連通孔と、前記単位セルの積層方向に延在し、前記水流路から排出された残余の前記水を鉛直方向上方から排出する排出連通孔と、アノード側セパレータに設けられ、電解質膜から離間した位置にて前記水供給連通孔と前記水流路とを連通し、開口断面円形状を有する入口連結流路と、前記アノード側セパレータに設けられ、前記電解質膜から離間した位置にて前記排出連通孔と前記水流路とを連通し、開口断面円形状を有する出口連結流路とを有している。そして、水流路は、アノード側給電体の面内に複数本並列され、水供給連通孔と排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、出口連結流路の流路断面積が、入口連結流路の流路断面積よりも大きくなるように設定するために、前記出口連結流路は、前記入口連結流路よりも多くの本数で設定され、又は前記出口連結流路は前記入口連結流路よりも大径に設定されている。

本発明によれば、排出連通孔と水流路とを連通する出口連結流路は、水供給連通孔と前記水流路とを連通する入口連結流路よりも、大きな流路断面積に設定されている。

従って、出口連結流路側に未反応の水及び生成された酸素が存在し、体積の増加が惹起しても、前記出口連結流路の圧力損失が増大することを阻止することが可能になる。このため、簡単な構成で、水流路の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させることが可能になる。これにより、水流路全域に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理が良好に遂行される。

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、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。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）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向上端には、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の積層方向下端には、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４本のタイロッド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。４本のタイロッド２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの中心に対してそれぞれ等角度ずつ離間して配置される。

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。

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。図１に示すように、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。陰極（カソード）側である端子部２４ａは、電源２８のマイナス極に接続される一方、陽極（アノード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のプラス極に接続される。

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・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、略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円形のアノード側給電体４０及び円形のカソード側給電体４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の周縁部は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外周から外方に突出している。

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。

図３に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃが形成される。第１突出部４４ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔４６が設けられる。

第２突出部４４ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、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が設けられる。第３突出部４４ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素を流すための水素連通孔５０が設けられる。水供給連通孔４６及び排出連通孔４８は、開口断面長円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。

図３及び図５に示すように、アノード側セパレータ３４には、水供給連通孔４６に連通する複数（例えば、３本）の入口連結流路５２ａと、排出連通孔４８に連通する複数（例えば、５本）の出口連結流路５２ｂとが設けられる。入口連結流路５２ａ及び出口連結流路５２ｂは、開口断面円形状を有し、互いに平行に配列される（図５参照）。出口連結流路５２ｂは、入口連結流路５２ａよりも多い本数に設定されていればよく、それぞれの本数は、任意に設定可能である。

水供給連通孔４６は、複数の入口連結流路５２ａが開口する連通孔内側壁面４６ａ及び前記連通孔内側壁面４６ａに対向する連通孔外側壁面４６ｂが長尺な開口断面長円形状を有する。排出連通孔４８は、複数の出口連結流路５２ｂが開口する連通孔内側壁面４８ａ及び前記連通孔内側壁面４８ａに対向する連通孔外側壁面４８ｂが長尺な開口断面長円形状を有する。

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、入口連結流路５２ａ及び出口連結流路５２ｂに連通する水流路５４が設けられる。

図５に示すように、水流路５４は、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線（直径）に平行する給電体面方向に延在し、アノード側給電体４０の面内に並列される複数の水通路５６と、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記水供給連通孔４６に連通する円弧状入口バッファ部５８ａと、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記排出連通孔４８に連通する円弧状出口バッファ部５８ｂとを備える。

各入口連結流路５２ａの一端と円弧状入口バッファ部５８ａとが、連通するとともに、各出口連結流路５２ｂの一端と円弧状出口バッファ部５８ｂとが、連通する。

図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６には、水素連通孔５０に連通する排出通路６２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６２に連通する水素流路６４が形成される。この水素流路６４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４参照）。

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６６ａ、６６ｂが一体化される。このシール部材６６ａ、６６ｂ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３及び図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、水素流路６４の外側を周回して第１シール溝６８ａが形成される。

カソード側セパレータ３６の面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６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄが形成される。第１シール溝６８ａ〜第４シール溝６８ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７０ａ〜第４シール部材７０ｄが配設される。

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、水流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６８ａに対向して第１シール溝７６ａ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６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄに対向して第２シール溝７６ｂ、第３シール溝７６ｃ及び第４シール溝７６ｄが形成される。第１シール溝７６ａ〜第４シール溝７６ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７８ａ〜第４シール部材７８ｄが収容される。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ｂには、水供給連通孔４６に連通する配管８２ａが接続されるとともに、エンドプレート２０ａには、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃ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、水電解装置１０の水供給連通孔４６には、配管８２ａから鉛直上方向に向かって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の水流路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水素流路６４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を鉛直上方向に流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、水流路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に沿って鉛直上方向に移動して水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、水供給連通孔４６から入口連結流路５２ａを介して水流路５４には、水のみが供給される一方、前記水流路５４から出口連結流路５２ｂを介して排出連通孔４８には、水と生成された酸素とが排出されている。従って、出口連結流路５２ｂでは、水とガス（酸素）との二相流が存在し、ガスの生成により体積が急激に増加している。

そこで、第１の実施形態では、図３及び図５に示すように、排出連通孔４８に連通する出口連結流路５２ｂが、水供給連通孔４６に連通する入口連結流路５２ａよりも多くの本数に設定されている。従って、出口連結流路５２ｂ側に未反応の水及び生成された酸素が存在し、体積の増加が惹起しても、前記出口連結流路５２ｂの圧力損失が増大することを抑制することが可能になる。

このため、簡単な構成で、水流路５４の圧力損失を良好に低減させることができ、効率的且つ経済的に水を流通させることが可能になる。これにより、水流路５４全域に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理が良好に遂行されるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置９０を構成するアノード側セパレータ９２の正面視説明図である。なお、第１の実施形態に係るアノード側セパレータ３４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。

アノード側セパレータ９２には、水供給連通孔４６に連通する複数（例えば、３本）の入口連結流路９４ａと、排出連通孔４８に連通する複数（例えば、３本）の出口連結流路９４ｂとが設けられる。入口連結流路９４ａ及び出口連結流路９４ｂは、開口断面円形状を有するとともに、前記出口連結流路９４ｂは、前記入口連結流路９４ａよりも大径に設定される。

上記のように、第２の実施形態では、出口連結流路９４ｂが、入口連結流路９４ａよりも大径に設定されるため、前記出口連結流路９４ｂの圧力損失が良好に低減される。これにより、水流路５４全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、９０…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、９２…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ３８…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
４４ａ〜４４ｃ…突出部４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔５０…水素連通孔
５２ａ、９４ａ…入口連結流路５２ｂ、９４ｂ…出口連結流路
５４…水流路５６…水通路
５８ａ…円弧状入口バッファ部５８ｂ…円弧状出口バッファ部
６２…排出通路６４…水素流路

Claims

アノード側給電体とカソード側給電体との間に電解質膜が設けられ、前記アノード側給電体にアノード側セパレータが積層され、前記カソード側給電体にカソード側セパレータが積層されるとともに、前記アノード側給電体と前記アノード側セパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、前記カソード側給電体と前記カソード側セパレータとの間には、前記水が電気分解されて高圧の水素を得る水素流路が形成される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される水電解装置であって、
前記単位セルの積層方向に延在し、鉛直方向上方へ向けて前記水を流通し、前記水流路に前記水を供給する水供給連通孔と、
前記単位セルの積層方向に延在し、前記水流路から排出された残余の前記水を鉛直方向上方から排出する排出連通孔と、
前記アノード側セパレータに設けられ、前記電解質膜から離間した位置にて前記水供給連通孔と前記水流路とを連通し、開口断面円形状を有する入口連結流路と、
前記アノード側セパレータに設けられ、前記電解質膜から離間した位置にて前記排出連通孔と前記水流路とを連通し、開口断面円形状を有する出口連結流路と、
を有するとともに、
前記水流路は、前記アノード側給電体の面内に複数本並列され、前記水供給連通孔と前記排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、
前記出口連結流路の流路断面積が、前記入口連結流路の流路断面積よりも大きくなるように設定するために、前記出口連結流路は、前記入口連結流路よりも多くの本数で設定され、又は前記出口連結流路は前記入口連結流路よりも大径に設定されることを特徴とする水電解装置。