JP5415100B2 - 電解装置 - Google Patents

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に開示されている給電体が知られている。この特許文献１では、図８に示すように、粉末焼結部１と繊維焼結部２とを一体に結合することにより、二重構造給電体３が構成されている。

粉末焼結部１は、チタン粉末が焼結されて形成される一方、繊維焼結部２は、チタン繊維シートが焼結されて形成されている。二重構造給電体３は、水素酸素発生装置の電解セルにおいて、固体電解質膜４に粉末焼結部１が圧接された状態で使用されている。

特開２００１−２７９４８１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、粉末焼結部１がチタン粉末を焼結させて形成されるため、前記粉末焼結部１は、粒子の凝集状態により開口にばらつきが生じ易く、開口径の分布が広範囲になってしまう。このため、二重構造給電体３を、特に、高圧水素を発生させる高圧水電解装置に適用すると、アノード側とカソード側との差圧によって固体電解質膜４が粉末焼結部１に圧接する際、前記固体電解質膜４に損傷等のダメージが生じるという問題がある。

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、電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な電解装置を提供することを目的とする。

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電解装置に関するものである。この電解装置は、電解質膜と給電体との間には、多数の貫通孔が形成された保護シート部材が介装されるとともに、前記貫通孔は、前記電解質膜に向かって拡径するテーパ形状を有している。

また、給電体は、水が供給されるアノード側給電体と、前記水の電気分解により常圧よりも高圧な水素が得られるカソード側給電体とを備え、保護シート部材は、電解質膜と前記アノード側給電体との間に介装されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜と給電体との間に介装される保護シート部材に複数の貫通孔が設けられており、前記貫通孔は、開口径の制御が容易に行われる。しかも、貫通孔は、電解質膜に向かって拡径するテーパ形状を有しているため、前記貫通孔内での前記電解質膜の伸びが良好に抑制される。

これにより、電解質膜に向かって拡径するテーパ形状を有する貫通孔を設けるだけでよく、簡単な構成で、前記電解質膜が損傷することを可及的に阻止することができる。

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。 前記単位セルの断面説明図である。 保護シート部材の拡大説明図である。 第１の実施形態と比較例とにおける高圧電解状態の説明図である。 本発明に関連する水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。 特許文献１に開示されている給電体の説明図である。

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が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、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の積層方向他端には、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方向に延在する複数のタイロッド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。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が、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

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

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、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、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の両側に配設されるアノード側給電体４０及びカソード側給電体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及び図４に示すように、固体高分子電解質膜３８とアノード側給電体４０との間には、多数の貫通孔４４ａが形成された保護シート部材４４が介装される。この保護シート部材４４は、例えば、チタンシートで構成され、厚さが、例えば、２０μｍ〜５００μｍの範囲内に設定される。チタンシートの表面粗さとしては、６．３μｍ以下、好ましくは、３．２μｍ以下に設定される。このチタンシートは、好ましくは、冷間圧延により成形される。

貫通孔４４ａは、この貫通孔４４ａの分布幅がアノード側給電体４０の孔部の分布幅よりも小さく設定されるとともに、前記貫通孔４４ａは、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状を有する（図４参照）。貫通孔４４ａは、エッチング、ドリル、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により形成される。

具体的には、貫通孔４４ａは、固体高分子電解質膜３８側の開口径が１００μｍ〜３００μｍの範囲内に設定される一方、アノード側給電体４０側の開口径が５０μｍ〜１５０μｍの範囲内に設定される。

なお、貫通孔４４ａは、円形が好ましいが、固体高分子電解質膜３８にダメージを与えない形状であればよく、例えば、楕円形の他、鋭利な突起形状がなければ、種々の形状に設定可能である。

図３に示すように、単位セル１２の外周縁部には、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と、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と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔５０とが設けられる。

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、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０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３参照）。

図３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、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８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３参照）。

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６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂ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１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管６２ａ、６２ｂ及び６２ｃが接続される。配管６２ｃ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、配管６２ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６に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の第１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第２流路５８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を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１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に沿って水電解装置１０の外部に排出される。なお、第２流路５８は、第１流路５４よりも圧力が高い。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、固体高分子電解質膜３８とアノード側給電体４０との間に、複数の貫通孔４４ａを設けた保護シート部材４４が介装されている。このため、高圧水素ガスが生成される第２流路５８と、水及び酸素が流通する常圧の第１流路５４との圧力差によって、固体高分子電解質膜３８がアノード側給電体４０に向かって押圧される際、この固体高分子電解質膜３８が前記アノード側給電体４０に直接接触することがない。

さらに、保護シート部材４４に設けられる貫通孔４４ａは、開口径の制御が容易に行われる。従って、保護シート部材４４では、貫通孔４４ａの開口径を狭小な範囲内に設定することができ、アノード側給電体４０の分布幅よりも著しく狭小な分布幅に設定することが可能になる。

しかも、貫通孔４４ａは、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状を有している。このため、図５に示すように、貫通孔４４ａ内での固体高分子電解質膜３８の伸びが良好に抑制される。

これにより、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状を有する貫通孔４４ａを設けるだけでよく、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜３８が損傷することを可及的に阻止することができるという効果が得られる。

ここで、第１の実施形態では、図６に示すように、高圧電解によって水素圧力が上昇しても、固体高分子電解質膜３８に損傷等のダメージが発生することはない。これに対して、ストレートな貫通孔（固体高分子電解質膜３８側の開口径とアノード側給電体４０側の開口径とが同一）を設けた保護シート部材を用いた比較例では、圧力の上昇途上で、固体高分子電解質膜３８に損傷が惹起された。

従って、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状を有する貫通孔４４ａを設けることにより、前記固体高分子電解質膜３８の損傷が可及的に抑制されるという結果が得られた。

図７は、本発明に関連する水電解装置７０を構成する単位セル７２の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０を構成する単位セル１２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。

単位セル７２は、例えば、チタンプレートで構成されるアノード側給電体７４を備えるとともに、前記アノード側給電体７４は、多数の貫通孔７４ａを設ける。貫通孔７４ａは、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状部７６ａと、前記テーパ形状部７６ａの端部から第１流路５４に向かってストレートに延在する直線状部７６ｂとを有する。

なお、貫通孔７４ａは、全体として第１流路５４から固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状を有してもよい。

このように構成される水電解装置７０では、アノード側給電体７４に設けられる貫通孔７４ａは、開口径の制御が容易に行われるとともに、前記貫通孔７４ａは、固体高分子電解質膜３８に向かって拡径するテーパ形状部７６ａを有している。

１０、７０…水電解装置 １２、７２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ａ…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、７４…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体
４４…保護シート部材 ４４ａ、７４ａ…貫通孔
４６…水供給連通孔 ４８…排出連通孔
５０…水素連通孔 ５４、５８…流路

Claims (2)

1. 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電解装置であって、
   前記電解質膜と前記給電体との間には、多数の貫通孔が形成された保護シート部材が介装されるとともに、
   前記貫通孔は、前記電解質膜に向かって拡径するテーパ形状を有することを特徴とする電解装置。
2. 請求項１記載の電解装置において、前記給電体は、水が供給されるアノード側給電体と、
   前記水の電気分解により常圧よりも高圧な水素が得られるカソード側給電体と、
   を備え、
   前記保護シート部材は、前記電解質膜と前記アノード側給電体との間に介装されることを特徴とする電解装置。

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