JP5281342B2 - 固体高分子形水電解装置およびその組立方法 - Google Patents
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Description
この水電解セルは、たとえば、約0.1〜0.2mmの薄膜の電解質としての固体高分子膜の両面に、たとえば、メッキ法にて触媒を含む電極を接合させた膜電極接合体が、一対の給電体によって挟持され、さらに、その外側から一対のセパレータによって押圧されてセルを構成し、このセルが多層状に積層されたものである。
各セルでは、一対の給電体間に直流電流を印加するとともに水(純水)を供給することによって陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生する。
このため、給電体としては、エキスパンドメッシュ、金網、パンチングメタル等の開口部を有するチタン製の多孔体を、固体高分子膜側から順次その開口部の目開きが大きくなるように積層されたものが用いられている。これにより、給電体は、セパレータ側からの水の通水性が良好となり、一方、固体高分子膜側との接触状態が良好とされ、接触抵抗による電気抵抗が小さくなる。
この接触抵抗は、接触時における給電体の面圧が大きくなるに伴い小さくなり、ある面圧以上となるとあまり変化しない、すなわち、安定した状態となるので、給電体はこの面圧以上となるようにセパレータによって押圧される。
シール部材の面圧は、シールされた状態で、給電体の面圧を維持するとともに水、酸素ガス、水素ガス等の内圧に対抗するため、給電体の面圧よりも大きく、たとえば、1.4〜1.5倍と、なるようにされている。
特許文献1に示されるものは、シール部材の固体高分子膜に接触する部分の硬度を低くし、固体高分子膜の周縁部であるシール部分にしわ等の変形があったとしてもシール部材がこの変形に沿って容易に変形し、円滑にシールできるとともに高いシール性を維持できるものである。
このため、特許文献1に示されるものを含め従来のものは、これらのシール部材および給電体の面圧調節は給電体の方が早くセパレータに接触して押圧される、言い換えれば、給電体はシール部材より大きく変位される、ようにして行われている。
これにより、給電体の膜電極接合体に対する面圧が上昇するので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることになる。固体高分子膜が潰れる事態に至ると、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合が生じる。
すなわち、本発明にかかる固体高分子形水電解装置は、電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の周縁部および前記セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えた固体高分子形水電解装置であって、前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記シール部材および前記給電体を、前記圧縮方向に所定距離圧縮した際、前記シール部材および前記給電体の面圧が、それぞれ所定面圧となるように、前記給電体の前記圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくなるように決定されていることを特徴とする。
所定面圧は、給電体の構造、材料等によって異なるものであり、たとえば、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定倍数は、シール部材が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできる面圧を確保できるように設定されるもので、ある程度の幅を有する。
また、給電体のばね剛性が判明しているので、変位量を設定すると面圧が決定できる。言い換えると、所定面圧を得るために必要な変位量が決定できることになる。
このように、組立がシール部材および給電体を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することならびに給電体およびシール部材のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。これにより、シール部材および給電体の面圧の調節が容易となるので、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立作業が簡単となる。したがって、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立を短時間で行うことができるので、組立コストを低減することができる。
したがって、給電体の膜電極接合体に対する面圧の上昇度合いが比較的少なくなるので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜が潰れる事態に至り、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合を抑制することができる。
また、空洞を設けてもシール部材の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、シール部材のばね剛性を低減することができる。
また、高温環境下でのシール部材のヘタリ等によるシール性能の低下を回復するために増し締めを行った場合、給電体の面圧が増加するが、これの繰り返しにより膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態にかかる固体高分子形水電解装置について図1〜図3を用いて説明する。
固体高分子形水電解装置には、供給された水(真水)を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる水電解セルスタック1が備えられている。
水電解セルスタック1には、供給された水を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる複数の水電解セル3と、積層された複数の水電解セル3を両側から押圧する一対の押え板5,7と、押え板5および押え板7を接離させるボルト9およびナット11と、が備えられている。
押え板5,7は、厚さが略70mmの鋼製の厚板材であり、略剛体として挙動する。ボルト9の上部は、押え板5に対し上下方向(圧縮方向C)に移動を拘束され、回転可能に保持されている。
水電解セル3には、膜電極接合体13と、酸素極側給電体(給電体)15と、水素極側給電体(給電体)17と、酸素極側セパレータ(セパレータ)19と、水素極側セパレータ(セパレータ)21と、ゴム板(シール部材)23と、が備えられている。
膜電極接合体13は、電解質としての固体高分子膜25の一方の面に酸素極触媒層(電極)27が、他方の面に水素極触媒層(電極)29が、接合されて構成されている。
酸素極触媒層27は、たとえば、白金、酸化イリジウム、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜25の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
水素極触媒層29は、たとえば、白金粒子、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜25の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
酸素極触媒層27および水素極触媒層29は略矩形状に形成され、その厚さは、たとえば、数μmとされている。
酸素極側給電体15および水素極側給電体17は、たとえば、それぞれ表面に白金メッキが施されたチタンで形成された略矩形状のエキスパンドメッシュが、複数枚積層されて形成されている。
積層されたエキスパンドメッシュのメッシュの目開きは、固体高分子膜25側から外側に行くに従い順次大きくなるようにされている。
酸素極側給電体15および水素極側給電体17の厚さは、たとえば、略4mmとされている。
酸素極側給電体15および水素極側給電体17の間には、酸素極側給電体15が正、水素極側給電体17が負となるように図示しない電源装置から直流電流が印加されている。
酸素極側給電体15および水素極側給電体17には、図示しない水供給源から水が供給されるようにされている。
なお、水は、たとえば、酸素極側セパレータ19および水素極側セパレータ21に形成された流路を通って酸素極側給電体15および水素極側給電体17に供給されるようにされてもよい。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体15および水素極側給電体17に供給されるようにされている。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
ゴム板23は、図3に示されるように中空の四角柱形状をしている。ゴム板23の中空部には、酸素極側セパレータ19あるいは水素極側セパレータ21が位置させられている。言い換えると、ゴム板23は、酸素極側給電体15および酸素極触媒層27、あるいは、水素極側セパレータ21および水素極触媒層29を包囲するように配置されている。
ゴム板23の厚さは略4mmとされている。無負荷の状態で、ゴム板23と酸素極側給電体15あるいは水素極側給電体17とが、酸素極側セパレータ19あるいは水素極側セパレータ21に略同時に接触するようにされている。
ゴム板23の圧縮方向Cに直交する断面積の大きさは各空洞31の圧縮方向Cに直交する面積を合算した面積分減少するので、ゴム板23の圧縮方向Cにおけるばね剛性が低減される。すなわち、空洞31の合算した面積を調節することによってゴム板23のばね剛性を調節することができる。
ゴム板23のばね剛性は、酸素極側給電体15および水素極側給電体17のばね剛性のたとえば、略1.4倍(所定倍数)となるように調節されている。
固体高分子膜25の一面に酸素極触媒層27を、他面に水素極触媒層29をメッキ法によって接合し、所定数、たとえば、10個の膜電極接合体13を形成する。
酸素極側給電体15、水素極側給電体17、酸素極側セパレータ19および水素極側セパレータ21を所定数準備する。
ボルト9およびナット11を緩め、押え板5と押え板7との間隔を空ける。押え板7の上に、水素極側セパレータ21、水素極側給電体17およびゴム板23、膜電極接合体13、酸素極側給電体15およびゴム板23、酸素極側セパレータ19の順に載置し、1個の水電解セル3を形成する。
これを繰り返し、水電解セル3を複数、たとえば、10個積層する。
この状態で、ボルト9およびナット11を締めると、押え板7が押え板5の方に移動する。押え板7が一番上の水電解セル3に当接した所から押え板7を押え板5側に所定距離だけ変位させる。
押え板5,7の剛性は、水電解セル3に比べて格段に大きいので、変形せず、各水電解セル3が略均等に圧縮されることになる。
この所定距離は、酸素極側給電体15および水素極側給電体17の膜電極接合体13に対する面圧が所定面圧、たとえば、1.4MPa、になるように設定される。
所定面圧は、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定面圧およびばね剛性は、酸素極側給電体15および水素極側給電体17の構造、材料等によって異なる。
ゴム板23のばね剛性は酸素極側給電体15および水素極側給電体17のばね剛性の略1.4倍(所定倍数)となるように調節されているので、ゴム板23の面圧は、酸素極側給電体15および水素極側給電体17の所定面圧の略1.4倍(所定倍数)となる。
なお、この所定倍数は、酸素極側給電体15および水素極側給電体17が所定面圧となったとき、ゴム板23の面圧が、この所定面圧および水電解セル3が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできるように設定される。本実施形態では、略1.4倍としているが、内圧の大きさ等が変更されると、その数値は変化するので、条件に応じて適宜設定される。
本実施形態では、ゴム板23はその漏洩距離を維持する幅とすると、そのばね剛性が酸素極側給電体15および水素極側給電体17のばね剛性の略1.4倍を超えるので、空洞31を設けてゴム板23のばね剛性を低減している。なお、ゴム板のばね剛性を大きくするためには、空洞31を設けずにゴム板23の幅を大きくすればよい。
このように、ゴム板23の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞31の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板23のばね剛性を低減することができる。
また、空洞31を設けてもゴム板23の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、ゴム板23のばね剛性を低減することができる。
このように、水電解セルスタック1の組立が押え板7を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することおよび酸素極側給電体15、水素極側給電体17、ゴム板23のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。
これにより、水電解セル3および水電解セルスタック1の組立作業が簡単となるので、それらの組立を短時間で行うことができ、組立コストを低減することができる。
各水電解セル3の酸素極側給電体15および水素極側給電体17間に図示しない電源装置から酸素極側給電体15が正、水素極側給電体17が負となるように直流電流を印加する。
酸素極側給電体15および水素極側給電体17に、図示しない水供給源から水を供給する。
酸素極触媒層27側に酸素ガス、水素極触媒層29側に水素ガスがそれぞれ発生する。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体15および水素極側給電体17に供給される。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
これにより、酸素極側給電体15および水素極側給電体17とゴム板23との変位量に差がでてくる、すなわち、酸素極側給電体15および水素極側給電体17の変位量が増加するが、本実施形態では、もともと酸素極側給電体15および水素極側給電体17ならびにゴム板23の変位量が略同一であるので、もともとこれらの間に大きな変位量の差がある従来のものに比べてその影響は小さくなる。
あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜25が潰れる事態に至り、酸素極触媒層27および水素極触媒層29がショートする不具合を抑制することができる。
次に、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形水電解装置について、図4を用いて説明する。
本実施形態は、空洞31の大きさおよび配置が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
ゴム板23の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞31の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板23のばね剛性を低減することができる。
空洞31の数は、ゴム板23の圧縮方向に直交する断面積の大きさが必要なばね剛性を得られる大きさとなるように設定される。この場合、必要な面積に応じて空洞31の径を設定するようにしてもよいし、単位径の空洞31とし、過不足を一部の空洞31の径の大きさで調整するようにしてもよい。
第一実施形態のように空洞31がゴム板23の各辺に沿うような大きな面積とすると、面積の設定は比較的容易である。しかし、空洞31の断面形状は、細長くなる。このゴム板23が圧縮荷重を負荷すると、短辺部と長辺部との面内変形量が異なり、長辺部が大きく面内変形して、外側にはみだしたり、内側にはみだしたりする。内側にはみだすと酸素極側給電体15および水素極側給電体17等を内側に押し込む可能性が大きくなる。
本実施形態のように空洞31の断面形状が円形の場合、圧縮荷重に対する面内変位が同等であり、長孔に比べて面内変位を小さくできる。
なお、空洞31の断面形状は、円形に限らず、縦横の長さの差異が比較的小さい形状であれば、長円形、任意の多角形等適宜形状としてよい。
このようにすると、多数の空洞31をより密に配置することができるので、ゴム板23のばね剛性をより大きく低下させることができる。
また、多数の空洞31をより均一に配置することができるので、空洞31によるゴム板23の強度低下が部分的に集中することを一層抑制することができる。
さらに、同じばね剛性でもゴム板23の面内変位を直行配置よりもさらに低下することができる。
3 水電解セル
13 膜電極接合体
15 酸素極側給電体
17 水素極側給電体
19 酸素極側セパレータ
21 水素極側セパレータ
23 ゴム板
25 固体高分子膜
27 酸素極触媒層
29 水素極触媒層
C 圧縮方向
Claims (10)
- 電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、
該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、
前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、
前記膜電極接合体の周縁部および前記セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えた固体高分子形水電解装置であって、
前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記シール部材および前記給電体を、前記圧縮方向に所定距離圧縮した際、前記シール部材および前記給電体の面圧が、それぞれ所定面圧となるように、前記給電体の前記圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくなるように決定されていることを特徴とする固体高分子形水電解装置。 - 前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさによって決定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形水電解装置。
- 前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも1個の空洞が設けられており、前記シール部材の前記ばね剛性は、前記各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさによって決定されていることを特徴とする請求項2に記載された固体高分子形水電解装置。
- 前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていることを特徴とする請求項3に記載された固体高分子形水電解装置。
- 前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されることを特徴とする請求項4に記載された固体高分子形水電解装置。
- 電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、
該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、
前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、
前記膜電極接合体の周縁部および前記セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備え、
前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性が、前記給電体の該圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくなるように調整されている固体高分子形水電解装置の組立方法であって、
前記給電体の面圧が所定面圧となるように、前記シール部材および前記給電体を、前記圧縮方向に所定距離圧縮するようにしたことを特徴とする固体高分子形水電解装置の組立方法。 - 前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさを調節することによって調節されることを特徴とする請求項6に記載された固体高分子形水電解装置の組立方法。
- 前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも1個の空洞を設け、該各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさを調節し、前記シール部材の前記ばね剛性の大きさが調節されることを特徴とする請求項7に記載された固体高分子形水電解装置の組立方法。
- 前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていることを特徴とする請求項8に記載された固体高分子形水電解装置の組立方法。
- 前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されることを特徴とする請求項9に記載された固体高分子形水電解装置の組立方法。
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