JP5111833B2 - 高圧水素製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の電気分解により高圧の水素ガスを製造する高圧水素製造装置に関するものである。

従来、図３に示すように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える高圧水素製造装置２１が知られている。

高圧水素製造装置２１では、各給電体３，４は多孔質部材からなり、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。また、カソード側セパレータ５にはカソード給電体３が露出するカソード側流体通路７が設けられており、アノード側セパレータ６にはアノード給電体４が露出するアノード側流体通路８が設けられている。

そこで、アノード側流体通路８に水を供給すると共に、セパレータ５，６を介して給電体３，４に通電すると、流体通路８に供給された水が電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取って水素ガスとなる。この結果、高圧水素製造装置２１では、カソード側流体通路７に高圧の水素ガスを得ることができる。一方、アノード側流体通路８で生成した酸素ガスは、前記水と共に排出される。

ところが、高圧水素製造装置２１では、前記のように酸素ガスを排出すると、固体高分子電解質膜２の両側で圧力のバランスが崩れるという問題がある。前記圧力のバランスが崩れると、固体高分子電解質膜２とアノード給電体３とが、生成した水素の圧力によりアノード側セパレータ６方向に圧縮される。この結果、固体高分子電解質膜２は厚さが低減し、カソード給電体３との間に間隙を生じて両者の接触抵抗が大きくなり、電解電圧が増大するために高圧水素製造装置２１の性能が低下する。

前記問題を解決するために、固体高分子電解質膜２、各給電体３，４、各セパレータ５，６を、各セパレータ５，６に積層された絶縁部材１２，１２を介してエンドプレート１４，１４により挟持し、エンドプレート１４，１４に取着されたボルト１８とナット１９とにより締め付けて押圧することが行われている。しかし、生成する水素ガスが高圧になると、各給電体３，４、各セパレータ５，６の加工精度により必要な締め付け圧が大きく異なるために、非常に精密なトルク管理が要求されることになる。

また、前記問題を解決するために、高圧水素製造装置２１のカソード側のエンドプレート１４にシリンダを設け、該シリンダにピストンを進退自在に配設すると共に、該シリンダ内に生成した水素ガスを導入する構成を備える装置が知られている（特許文献１参照）。また、前記シリンダ内に前記水素ガスを導入するか、または該シリンダ内に圧縮バネを配設した構成を備える装置が知られている（特許文献２参照）。

前記装置によれば、前記シリンダに導入された水素ガスの圧力により、または前記シリンダ内に配設された圧縮バネの応力により、前記ピストンをカソード側セパレータ５に押圧することにより、流体通路７内の水素ガスの圧力を打ち消すことができる。

しかしながら、高圧水素製造装置２１では、前記ピストンの押圧力により生成する水素ガスの圧力を相殺しようとしても、生成する水素ガスにより固体高分子電解質膜２が変形するような高圧領域において、該ピストンの押圧力よりも生成する水素ガスの圧力の方が大きい場合には、固体高分子電解質膜２の変形が各給電体３，４の設けられている部分で、各セパレータ５，６で密封されている部分よりも大きくなる。従って、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間の接触抵抗が大きくなるという不都合がある。
特開２００６−１１７９８７号公報 特開２００３−１６０８９１号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、高圧の水素ガスによる固体高分子電解質膜とカソード側給電体との離間を防止して、優れた電解効率を得ることができる高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の内周部で該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体及びアノード給電体と、該固体高分子電解質膜及び該カソード給電体に積層されたカソード側セパレータと、該固体高分子電解質膜及び該アノード給電体に積層されたアノード側セパレータと、該カソード側セパレータに設けられ該カソード給電体が露出するカソード側流体通路と、該アノード側セパレータに設けられ該アノード給電体が露出するアノード側流体通路とを備え、該アノード側流体通路に水を供給して、各給電体に通電することにより、該アノード側流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側流体通路に１０〜７０ＭＰａである高圧の水素ガスを生成させる高圧水素製造装置において、該カソード側セパレータを、該カソード給電体と該固体高分子電解質膜に押圧するピストンと、該ピストンを進退自在に収容するシリンダと、該カソード側流体通路と該シリンダとを接続して該カソード側流体通路に生成した高圧の水素ガスの一部を該シリンダ内に導入する接続路と、該シリンダ内に配設されて該ピストンを該固体高分子電解質膜方向に付勢する弾性体を備え、該カソード給電体の外周側であって、該固体高分子電解質膜が該カソード側セパレータと該アノード側セパレータとによって挟持されている密封部分は、該カソード側流体通路内で生成する高圧水素ガスの圧力と等しい圧力で押圧されることで、該固体高分子電解質膜を平滑化すると共に、該ピストンの該シリンダ内の高圧の水素ガスからの受圧面積Ｓ _１ とし、該カソード側セパレータの該固体高分子電解質膜に対向する面積をＳ _４ とした場合に、前記Ｓ _１ とＳ _４ との関係はｄ＝（Ｓ _１ −Ｓ _４ ）／Ｓ _４ で表され、前記ｄは−０．１〜０．５の範囲となることを特徴とする。

本発明の高圧水素製造装置では、前記ピストンは、前記接続路を介して前記シリンダ内に導入される前記水素ガスの一部の圧力により、前記カソード側セパレータに押圧される。一方、前記カソード側セパレータは、前記カソード側流体通路内に生成した高圧の水素ガスの圧力により、前記ピストン側に押圧される。

そこで、前記ピストンによれば、該ピストンの前記シリンダ内の高圧の水素ガスからの受圧面積と、該カソード側セパレータのカソード給電体に接する面の面積との差に、前記カソード側流体通路内に生成した高圧の水素ガスの圧力を乗じた荷重が、前記固体高分子電解質膜に印加される。

また、前記弾性体の応力は、前記ピストンを介して、前記カソード側セパレータに作用する。そこで、前記弾性体によれば、前記カソード側セパレータの前記固体高分子電解質膜に接する面の面積に、該弾性体の応力を乗じた荷重が、前記固体高分子電解質膜に印加される。

すなわち、前記固体高分子電解質膜に印加される荷重は、前記ピストンによる荷重と、前記弾性体による荷重との合計荷重であり、該合計荷重を該固体高分子電解質膜の前記カソード側セパレータに接する面の面積で除することにより、該ピストンによる該固体高分子電解質膜が該カソード側給電体に接している部分にかかる圧力が求められる。

そこで、本発明の高圧水素製造装置では、前記ピストンの前記シリンダ内の高圧の水素ガスからの受圧面積と、該カソード側セパレータの該カソード給電体に接する面の面積と、前記弾性体の応力とを調整して、該ピストンによる該固体高分子電解質膜が該カソード側給電体に接している部分にかかる圧力を３〜１０ＭＰａの範囲の圧力とする。この結果、本発明の高圧水素製造装置によれば、固体高分子電解質膜とカソード側給電体との間隙を小さなものとして、電解電圧の上昇を防止し、優れた電解効率を得ることができる。

前記ピストンによる前記固体高分子電解質膜が前記カソード側給電体に接している部分にかかる圧力が、３ＭＰａ未満であるか、または１０ＭＰａを超えるときには、共に電解電圧が高くなる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２はピストンによる固体高分子電解質膜がカソード側給電体に接している部分にかかる圧力と電解電圧との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備えている。カソード給電体３、アノード給電体４は、固体高分子電解質膜２の内周部に設けられており、カソード給電体３、アノード給電体４の外周側の固体高分子電解質膜２は、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６により密封されている。

カソード側セパレータ５にはカソード側流体通路７が設けられ、カソード側流体通路７にはカソード給電体３が露出している。一方、アノード側セパレータ６にはアノード側流体通路８が設けられ、アノード側流体通路８にはアノード給電体４が露出している。

アノード側流体通路８には、水を供給する給水口９と、アノード側流体通路８内で生成した酸素ガスを水と共に排出する排水口１０とが設けられている。また、カソード側流体通路７には、カソード側流体通路７内で生成した高圧水素ガスを取り出す水素ガス取出口１１が設けられている。尚、給水口９、排水口１０、水素ガス取出口１１には、それぞれ図示しない開閉弁が備えられている。

カソード側セパレータ５には、その上に積層された絶縁部材１２を介してピストン１３が圧接されており、ピストン１３はその基部が高圧水素製造装置１のカソード側エンドプレート１４に設けられたシリンダ１５に進退自在に配設されている。カソード側流体通路７は、水素ガス取出口１１から分岐する接続路１６を介してシリンダ１５に接続されており、カソード側流体通路７内で生成した高圧水素ガスの一部がシリンダ１５に導入されるようになっている。

また、シリンダ１５内には、ピストン１３をカソード側セパレータ５方向に付勢する弾性体としての皿バネ１７が配設されている。皿バネ１７としては、カソード側流体通路７内で生成する高圧水素ガスの圧力にもよるが、例えば、３〜１０ＭＰａの範囲の応力を有するものを用いることができる。

一方、アノード側セパレータ６には、絶縁部材１２を介して、高圧水素製造装置１のアノード側エンドプレート１４が積層されている。

そして、エンドプレート１４，１４は、両者の間に掛け渡されたボルト１８と、ボルト１８に螺着されたナット１９とにより締め付けられて固定されている。

高圧水素製造装置１では、アノード側セパレータ６に設けられた給水口９からアノード側流体通路８に水を供給すると共に、図示しない電源装置により各セパレータ５，６を介して各給電体３，４に通電する。このようにすると、アノード側流体通路８に供給された水が多孔質部材からなるアノード給電体４内で電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。前記水素イオンは、アノード給電体４内を通過して固体高分子電解質膜２に接触し、さらに固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体３側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取って水素ガスとなる。

高圧水素製造装置１では、カソード給電体３もまた前記多孔質部材からなるので、前記水素ガスは、カソード給電体３内を通過して、カソード側流体通路７に至る。この結果、高圧水素製造装置１では、カソード側流体通路７に高圧水素ガスを得ることができ、該高圧水素ガスはカソード側流体通路７に設けられた水素ガス取出口１１から取出される。一方、アノード側流体通路８で生成した酸素ガスは、アノード側流体通路８に設けられた排水口１０から前記水と共に排出される。

ところで、高圧水素製造装置１では、前述のように酸素ガスを排出すると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、カソード側流体通路７内で生成した高圧水素ガスの圧力により固体高分子電解質膜２が圧縮されて変形し、カソード給電体３との間に間隙を生じて電解効率が低下することが懸念される。しかし、高圧水素製造装置１では、ピストン１３のシリンダ１５内の高圧の水素ガスからの受圧面積（以下、ピストン１３の面積と略記する）と、カソード側セパレータ５の固体高分子電解質膜２に接する面の面積（以下、セパレータ５の面積と略記する）と、皿バネ１７の応力とを調整することにより、ピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力を３〜１０ＭＰａの範囲の圧力とするようになっている。

この結果、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間に生じる間隙を小さいものとし、電解電圧の上昇を防止して、電解電圧が低くすることができる。

次に、ピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力の求め方について説明する。

まず、シリンダ１５内にはカソード側流体通路７内で生成した高圧水素ガスの一部が導入されているので、ピストン１３は該高圧水素ガスの圧力によりカソード側セパレータ５側に押圧されている。そこで、ピストン１３の面積をＳ_１とし、前記高圧水素ガスの圧力をＰ_Ｈ２とすると、ピストン１３の該高圧水素ガスによるカソード側セパレータ５方向への荷重は、
Ｐ_Ｈ２×Ｓ_１ ・・・（１）
で表すことができる。

次に、皿バネ１７の応力は、ピストン１３を介してカソード側セパレータ５に作用している。そこで、皿バネ１７の応力をＴとし、カソード側セパレータ５のカソード給電体３に接する面（以下、カソード給電体３部分と略記する）の面積をＳ_２、固体高分子電解質膜２がセパレータ５，６で密封されている部分（以下、密封部分と略記する）の面積をＳ_３とすると、皿バネ１７によりカソード側セパレータ５を介して固体高分子電解質膜２にかかる荷重は、
Ｔ×（Ｓ_２＋Ｓ_３） ・・・（２）
で表すことができる。

従って、ピストン１３によるカソード側セパレータ５方向への全荷重は（１）と（２）との和であり、
Ｐ_Ｈ２×Ｓ_１ ＋ Ｔ×（Ｓ_２＋Ｓ_３）
で表すことができる。

次に、カソード側セパレータ５は前記高圧水素ガスの圧力によりピストン１３方向に押圧されている。すなわち、カソード側セパレータ５には、ピストン１３のカソード側セパレータ５方向への荷重に対する反力が作用している。そこで、カソード側セパレータ５の受ける反力は、
Ｐ_Ｈ２×Ｓ_２ ・・・（３）
で表すことができる。

固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間隙を小さくするためには、前記カソード給電体３部分と該密封部分とでの固体高分子電解質膜２の変形量の差を解消し、固体高分子電解質膜２を平滑化する必要がある。そこで、カソード給電体３の外周側の前記密封部分に、カソード給電体３が設けられている部分と同一の圧力をかけ、該密封部分を流体通路７内部で生成する高圧水素ガスの圧力と等しい圧力で押圧する。

このとき、ピストン１３により、前記密封部分をカソード給電体３が設けられている部分と同一の圧力で圧縮するために必要な荷重は、
Ｐ_Ｈ２×Ｓ_３ ・・・（４）
で表すことができる。

次に、ピストン１３による、固体高分子電解質膜２がカソード給電体３に接している部分にかかる圧力をＰとすると、該部分で固体高分子電解質膜２にかかる荷重は、
Ｐ×（Ｓ_２＋Ｓ_３） ・・・（５）
で表すことができる。

ここで、固体高分子電解質膜２にかかる荷重は、（４）と（５）との和であり、これはピストン１３によるカソード側セパレータ５方向への全荷重（（１）と（２）との和）とカソード側セパレータ５の受ける反力（３）との差に等しい。従って、固体高分子電解質膜２の面積（Ｓ_２＋Ｓ_３）＝Ｓ_４とすると、Ｐは次式（６）で表すことができる。

Ｐ＝｛（Ｓ_１− Ｓ_４）／Ｓ_４｝×Ｐ_Ｈ２＋Ｔ ・・・（６）
次に、皿バネ１７の応力Ｔを３ＭＰａ、５ＭＰａ、７ＭＰａ、１０ＭＰａとしたときのそれぞれの場合について、ピストン１３の面積Ｓ_１、固体高分子電解質膜２の面積Ｓ_４と、生成する水素ガスの圧力Ｐ_Ｈ２とに対する、ピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力Ｐを表１〜４に示す。表１は皿バネ１７の応力Ｔが３ＭＰａの場合、表２は皿バネ１７の応力Ｔが５ＭＰａの場合、表３は皿バネ１７の応力Ｔが７ＭＰａの場合、表４は皿バネ１７の応力Ｔが１０ＭＰａの場合である。尚、ピストン１３の面積Ｓ_１と、固体高分子電解質膜２の面積Ｓ_４との関係をｄで示す。ｄは次式（７）で示すことができる。

ｄ＝（Ｓ_１− Ｓ_４）／Ｓ_４ ・・・（７）

次に、表１〜４に示すピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力Ｐに対する電解電圧を図２に示す。図２から、ピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力Ｐが３〜１０ＭＰａの範囲であることにより、高圧水素製造装置１における電解電圧が極めて低くなり、優れた電解効率を得られることが明らかである。前記電解電圧は、ピストン１３による固体高分子電解質膜２がカソード側給電体３に接している部分にかかる圧力Ｐを前記範囲の圧力とすることにより、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間隙を小さくすることができることによるものと考えられる。

尚、表１〜４に、固体高分子電解質膜２にかかる応力Ｐが３〜１０ＭＰａの範囲となる領域を太線で囲んで示す。

本発明の高圧水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。 固体高分子電解質膜にかかる応力と電解電圧との関係を示すグラフ。 従来の高圧水素製造装置の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１…高圧水素製造装置、 ２…固体高分子電解質膜、 ３…カソード給電体、 ４…アノード給電体、 ５…カソード側セパレータ、 ６…アノード側セパレータ、 ７…カソード側流体通路、 ８…アノード側流体通路、 １３…ピストン、 １５…シリンダ、 １６…接続路、 １７…弾性体。

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の内周部で該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体及びアノード給電体と、該固体高分子電解質膜及び該カソード給電体に積層されたカソード側セパレータと、該固体高分子電解質膜及び該アノード給電体に積層されたアノード側セパレータと、該カソード側セパレータに設けられ該カソード給電体が露出するカソード側流体通路と、該アノード側セパレータに設けられ該アノード給電体が露出するアノード側流体通路とを備え、
   該アノード側流体通路に水を供給して、各給電体に通電することにより、該アノード側流体通路に供給された水を電気分解し、該カソード側流体通路に１０〜７０ＭＰａである高圧の水素ガスを生成させる高圧水素製造装置において、
   該カソード側セパレータを、該カソード給電体と該固体高分子電解質膜に押圧するピストンと、該ピストンを進退自在に収容するシリンダと、該カソード側流体通路と該シリンダとを接続して該カソード側流体通路に生成した高圧の水素ガスの一部を該シリンダ内に導入する接続路と、該シリンダ内に配設されて該ピストンを該固体高分子電解質膜方向に付勢する弾性体を備え、
   該カソード給電体の外周側であって、該固体高分子電解質膜が該カソード側セパレータと該アノード側セパレータとによって挟持されている密封部分は、該カソード側流体通路内で生成する高圧水素ガスの圧力と等しい圧力で押圧されることで、該固体高分子電解質膜を平滑化すると共に、
   該ピストンの該シリンダ内の高圧の水素ガスからの受圧面積Ｓ _１ とし、該カソード側セパレータの該固体高分子電解質膜に対向する面積をＳ _４ とした場合に、前記Ｓ _１ とＳ _４ との関係はｄ＝（Ｓ _１ −Ｓ _４ ）／Ｓ _４ で表され、前記ｄは−０．１〜０．５の範囲となることを特徴とする高圧水素製造装置。
2. 請求項１記載の高圧水素製造装置において、前記弾性体の応力は３〜１０ＭＰａの範囲の圧力とすることを特徴とする高圧水素製造装置。

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