JP5364056B2 - Water electrolysis equipment - Google Patents
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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。 In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, The present invention relates to a water electrolysis apparatus including a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the other power feeding body and the other separator, and a plurality of the unit cells are stacked.
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。 In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen gas that is a fuel gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured.
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。 Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
この種の設備として、例えば、特許文献1に開示された高圧水素製造装置が知られている。この高圧水素製造装置は、図7に示すように、積層される複数の単セル1を備えている。単セル1は、固体高分子電解質膜2と、給電体3a、3bと、セパレータ4a、4bと、各セパレータ4a、4bに設けられた流体通路5a、5bとを備えている。流体通路5bには、水が供給される一方、流体通路5aには、水素ガスの吐出側に背圧弁を設けることにより、前記水が電気分解されて高圧の水素ガスが得られている。
As this type of equipment, for example, a high-pressure hydrogen production apparatus disclosed in
高圧水素製造装置は、単セル1の積層方向に延在して高圧の水素ガスを流通させる水素ガス案内路6を備えている。カソード側のセパレータ4aには、水素ガス案内路6を周回してOリング7が設けられている。
The high-pressure hydrogen production apparatus includes a hydrogen
ところで、上記の高圧水素製造装置において、固体高分子電解質膜2は、水素ガス案内路6の外側の部分が外気に曝され易い。このため、固体高分子電解質膜2は、Oリング7等に周回された内側部分に比べて外側部分が乾燥状態になり易く、前記固体高分子電解質膜2には、乾燥部と湿潤部とが混在してしまう。
By the way, in the high-pressure hydrogen production apparatus described above, the solid
ここで、発生する水素の圧力が変化する際に対して、低圧時における湿潤部の膜厚は、低圧時における乾燥部の膜厚よりも大きくなっている。従って、特に低圧時には、固体高分子電解質膜2とカソード側のセパレータ4aとの間に隙間が発生し、Oリング7がこの隙間にはみ出して損傷するという問題がある。
Here, when the pressure of the generated hydrogen changes, the film thickness of the wet part at a low pressure is larger than the film thickness of the dry part at a low pressure. Accordingly, there is a problem that a gap is generated between the solid
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、電解質膜が部分的に乾燥することがなく、前記電解質膜の膜厚の変動によるシール部材の損傷を確実に阻止す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。 The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, the electrolyte membrane does not partially dry, and reliably prevents damage to the seal member due to variations in the thickness of the electrolyte membrane. An object of the present invention is to provide a water electrolysis apparatus capable of performing the above.
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ものである。 In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, The present invention relates to a water electrolysis apparatus comprising a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the other power feeding body and the other separator, and a plurality of the unit cells are stacked. It is.
この水電解装置では、単位セルの積層方向に延在し、水素流路に連通して水素を積層方向に排出する水素排出連通孔が設けられるとともに、一方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する一方のシール部材と、前記一方のシール部材を周回して前記水を流通させる水通路部とが設けられ、他方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する他方のシール部材が設けられている。 In this water electrolysis apparatus, a hydrogen discharge communication hole that extends in the stacking direction of the unit cells and communicates with the hydrogen flow path and discharges hydrogen in the stacking direction is provided, and one separator has the hydrogen discharge communication hole. And a water passage portion that circulates the one seal member and circulates the water, and the other separator has the other seal member that circulates the hydrogen discharge communication hole. Is provided.
また、この水電解装置では、他方のシール部材は、一方のシール部材に対して積層方向に互いにオフセットして配置されることが好ましい。 Moreover, in this water electrolysis apparatus, it is preferable that the other sealing member is arranged offset with respect to the one sealing member in the stacking direction.
さらに、この水電解装置では、水通路部は、水流路から分岐して形成されることが好ましい。 Furthermore, in this water electrolysis apparatus, it is preferable that the water passage portion is branched from the water flow path.
さらにまた、この水電解装置では、水素流路に得られる水素は、水流路に供給される水よりも高圧に設定されることが好ましい。 Furthermore, in this water electrolysis apparatus, it is preferable that the hydrogen obtained in the hydrogen channel is set at a higher pressure than the water supplied to the water channel.
本発明によれば、一方のセパレータには、一方のシール部材の外側を周回して水を流通させる水通路部が設けられており、前記一方のシール部材の外側部分が乾燥することを阻止することができる。このため、電解質膜全体を湿潤状態に維持することが可能になり、面圧が変動する際、特に低圧時であっても、前記電解質膜の膜厚が部分的に異なることがない。 According to the present invention, the one separator is provided with the water passage portion that circulates around the outside of the one sealing member to circulate the water, and prevents the outer portion of the one sealing member from drying. be able to. For this reason, it becomes possible to maintain the whole electrolyte membrane in a moist state, and when the surface pressure fluctuates, the film thickness of the electrolyte membrane does not partially differ even at a particularly low pressure.
これにより、簡単な構成で、電解質膜が部分的に乾燥することがなく、前記電解質膜の膜厚の変動によるシール部材の損傷を確実に阻止することが可能になる。 Accordingly, the electrolyte membrane is not partially dried with a simple configuration, and it is possible to reliably prevent damage to the seal member due to fluctuations in the thickness of the electrolyte membrane.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置10は、10MPa〜70MPa程度の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。
As shown in FIG.1 and FIG.2, the
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。
At the upper end in the stacking direction of the
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。
The
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。
The
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。
図2〜図4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。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
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。
The electrolyte membrane /
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。
An anode
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。
The anode-side
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、第2突出部44b及び第3突出部44cは、外周が3つの辺により形成される。なお、外周を半円形状に形成してもよい。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)を供給するための開口断面長円形状の水供給連通孔46が設けられる。
As shown in FIG. 3, a
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開口断面長円形状の排出連通孔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開口断面円形状の水素排出連通孔50が設けられる。
The second projecting
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。
As shown in FIGS. 3 and 5, the anode-
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。
A
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。
As shown in FIG. 5, the
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。
One end of each
水流路54から分岐して水通路部60が形成される。具体的には、水通路部60は、円弧状入口バッファ部58aの端部と円弧状出口バッファ部58bの端部とに連通するとともに、水素排出連通孔50の外側を周回する水通路60aを有する。水通路60aには、水素排出連通孔50の内側を閉塞して水連結路60bの両端が連通しており、水通路部60は、前記水素排出連通孔50の全周を周回する。なお、水連結路60bは、必要に応じて設ければよく、省略することも可能である。
A
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、水素排出連通孔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)。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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。
The
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。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
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及び水素排出連通孔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。
A
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に対向する側(正面に向かい合う側)に第1シール溝76aが形成される。
On the
面34aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素排出連通孔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。
The
図3〜図5に示すように、一方のセパレータであるアノード側セパレータ34には、水素排出連通孔50を周回する一方のシール部材である第4シール部材78dと、前記第4シール部材78dを周回して水を流通させる水通路部60とが設けられる。他方のセパレータであるカソード側セパレータ36には、水素排出連通孔50を周回する他方のシール部材である第4シール部材70dが設けられる。
As shown in FIGS. 3 to 5, the anode-
第4シール部材78dと第4シール部材70dとは、積層方向に互いにオフセットするとともに、水通路部60は、前記第4シール部材70dに対して前記積層方向に互いにオフセットする(図4参照)。
The
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及び水素排出連通孔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、水素排出連通孔50に生成される水素の圧力を、水供給連通孔46に供給される水の圧力よりも高圧に維持することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
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。
The operation of the
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。
As shown in FIG. 1, water is supplied from a
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。
Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode
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、水素排出連通孔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。
For this reason, hydrogen flows along the
この場合、水素排出連通孔50が設けられる第3突出部44cは、単位セル12の外周部から外方に突出しており、3辺が外気に曝されている。従って、固体高分子電解質膜38の第3突出部44cでは、水素排出連通孔50の外側部分が、前記水素排出連通孔50の内側部分に比べて乾燥状態になる。これにより、固体高分子電解質膜38には、乾燥部と湿潤部とが混在してしまう。
In this case, the
その際、図6に示すように、固体高分子電解質膜38は、面圧変動に対して乾燥部の膜厚と湿潤部の膜厚とが、それぞれ異なる変更状態を有している。すなわち、高圧時(高圧水素発生水電解を行っている時)には、乾燥部及び湿潤部の厚さがほぼ同一乃至前記乾燥部の厚さが厚くなるのに対し、低圧時(水電解を停止している時)には、前記湿潤部の膜厚は、前記乾燥部の膜厚よりも大きくなっている。
At that time, as shown in FIG. 6, the solid
ここで、本実施形態では、図3〜図5に示すように、アノード側セパレータ34には、水素排出連通孔50を周回する第4シール部材78dと、前記第4シール部材78dを周回して水を流通させる水通路部60とが設けられている。一方、カソード側セパレータ36には、水素排出連通孔50を周回する第4シール部材70dが設けられる。
Here, in this embodiment, as shown in FIGS. 3 to 5, the anode-
このため、水流路54から分岐する水通路部60には、水が導入されている。この水が水通路60a及び水連結路60bを流通することにより、固体高分子電解質膜38は、水素排出連通孔50を周回する第4シール部材78dの外側部分が加湿され、前記外側部分が乾燥することを良好に阻止することができる。
For this reason, water is introduced into the
従って、固体高分子電解質膜38全体を湿潤状態に維持することが可能になり、面圧が変動する際、特に低圧時であっても、前記固体高分子電解質膜38の膜厚が部分的に異なることがない。
Accordingly, it becomes possible to maintain the entire solid
これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜38が部分的に乾燥することがなく、前記固体高分子電解質膜38の膜厚の変動を防止することができ、第4シール部材70dのはみ出しによる損傷を確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
Thereby, with a simple configuration, the solid
10…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…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…水素排出連通孔
52a…入口連結流路 52b…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
68a〜68d、76a〜76d…シール溝
70a〜70d、78a〜78d…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記単位セルの積層方向に延在し、前記水素流路に連通して前記水素を前記積層方向に排出する水素排出連通孔が設けられるとともに、
前記一方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する一方のシール部材と、
前記一方のシール部材を周回して前記水を流通させる水通路部と、
が設けられ、
前記他方のセパレータには、前記水素排出連通孔を周回する他方のシール部材が設けられることを特徴とする水電解装置。 A power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a water flow path for supplying water is formed between one power feeding body and one separator, and the other power feeding body A water electrolysis apparatus comprising a unit cell in which a hydrogen flow path for obtaining hydrogen by electrolyzing the water is formed between the second separator and a plurality of the unit cells,
A hydrogen discharge communication hole extending in the stacking direction of the unit cells and communicating with the hydrogen flow path to discharge the hydrogen in the stacking direction is provided.
The one separator has one seal member that circulates around the hydrogen discharge communication hole;
A water passage portion that circulates around the one sealing member and distributes the water;
Is provided,
The water separator is characterized in that the other separator is provided with the other seal member that goes around the hydrogen discharge communication hole.
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