JP5421760B2 - 電気化学装置 - 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とともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１流体を供給する第１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、前記第１流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関する。

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（電気化学装置）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。

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８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に排出されている。

特開平９−９５７９１号公報

ところで、水電解装置では、高圧な水素ガスを発生させる場合がある。その際、上記の特許文献１では、貫通孔６ａ、６ｂが比較的低圧、例えば、常圧に維持される一方、貫通孔６ｃが高圧になっている。このため、貫通孔６ａ、６ｂに不均一な反力が作用し、前記貫通孔６ａと前記貫通孔６ｂとでシール圧が異なってしまう。これにより、水電解装置全体のシール性能が低下す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、高圧な第２流体による反力が発生しても、簡単な構成で、比較的低圧な第１流体供給連通孔と第１流体排出連通孔とのシール圧を均等に維持することができ、シール性能の低下を可及的に阻止することが可能な電気化学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とともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１流体を供給する第１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、前記第１流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関するものである。

この電気化学装置は、セパレータの積層方向に延在し、第１流路に第１流体を供給する第１流体供給連通孔と、前記セパレータの積層方向に延在し、前記第１流路から残余の前記第１流体を排出する第１流体排出連通孔と、前記セパレータの積層方向に延在し、第２流路から第２流体を導出する第２流体導出連通孔とを備えている。

そして、第１流体供給連通孔と第１流体排出連通孔とは、点対称の位置に配置され、且つ、前記第１流体供給連通孔と前記第１流体排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に直交する仮想直交線上に、第２流体導出連通孔が配置されている一方、セパレータは、前記第２流体導出連通孔を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記第２流体導出連通孔と前記シール溝とを連通する開口部と、を設けている。

また、この電気化学装置は、２つの第２流体導出連通孔が、仮想直交線上で点対称の位置に配置されることが好ましい。

さらに、第１流路は、常圧であり、前記第１流路と第２流路とに差圧が設けられることが好ましい。

さらにまた、第１流体は、水であり、第２流体は、水素であることが好ましい。

さらに、シール部材は、セパレータ間に介装される電解質膜に対向して配置されることが好ましい。

本発明によれば、第２流体導出連通孔に高圧な第２流体が導出されることにより、セパレータに反力が作用する際、第１流体供給連通孔と第１流体排出連通孔とに、前記反力が均等に分散される。このため、簡単な構成で、比較的低圧な第１流体供給連通孔と第１流体排出連通孔とのシール圧を均等に維持することができ、シール性能の低下を可及的に阻止することが可能になる。

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。 前記単位セルの正面説明図である。 前記単位セルの断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記単位セル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（電気化学装置）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）又は水平方向（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Ｏ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、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、第１流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔（第１流体供給連通孔）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（第１流体排出連通孔）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（第２流体）を流すための水素連通孔（第２流体導出連通孔）５０が設けられる。

図４に示すように、水供給連通孔４６及び排出連通孔４８は、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。水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ１は、単位セル１２の中心Ｏを通るとともに、この仮想直線Ｌ１に直交し且つ中心Ｏを通る仮想直交線Ｌ２上には、断面円形状の水素連通孔５０が配置される。

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。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、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５参照）。

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５６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５参照）。

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３及び図５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、第２流路５８の外側を周回して第１シール溝６２ａ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６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄが形成される。第１シール溝６２ａ〜第４シール溝６２ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材６４ａ〜第４シール部材６４ｄが配設される。

第２流路５８と第１シール溝６２ａとは、複数、例えば４つの通路（開口部）６６を介して連通する。通路６６は、第１シール溝６２ａに対し、第１シール部材６４ａの配置位置よりも第２流路５８側に近接する壁部（内側壁部）に開口する。通路６６は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して第２流路５８と第１シール溝６２ａとを直接連通する。

高圧水素連通孔である水素連通孔５０と第４シール溝６２ｄとは、１以上の通路（開口部）６８を介して連通する。この通路６８は、第４シール溝６２ｄの内側壁部に開放される。通路６８は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝６２ｄとを直接連通する。

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、第１流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６２ａに対向して第１シール溝７０ａ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６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄに対向して第２シール溝７０ｂ、第３シール溝７０ｃ及び第４シール溝７０ｄが形成される。

第１シール溝７０ａ〜第４シール溝７０ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７２ａ〜第４シール部材７２ｄが収容される。第４シール溝７０ｄと水素連通孔５０とは、１以上の通路（開口部）７４を介して連通する。この通路７４は、第４シール溝７０ｄの内側壁部に開放される。通路７４は、アノード側セパレータ３４と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝７０ｄとを直接連通する。

図１及び図２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７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが接続される。配管７６ｃ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７６ａ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。

上記のように、水電解装置１０では、第２流路５８には、高圧水素が生成されており、この第２流路５８が高圧水素発生室を構成している。第２流路５８は、通路６６を介して第１シール溝６２ａに連通しており、この第１シール溝６２ａにも高圧水素が充填されている。さらに、第２流路５８に連通する水素連通孔５０も同様に、高圧水素が導入されることにより高圧となるとともに、前記水素連通孔５０に通路６８、７４を介して連通する第４シール溝６２ｄ、７０ｄも高圧になっている。

一方、水供給連通孔４６及び排出連通孔４８は、常圧に維持されており、前記水供給連通孔４６及び前記排出連通孔４８と水素連通孔５０とに差圧が発生している。従って、図５に示すように、各単位セル１２では、特に第４シール溝６２ｄ、７０ｄが高圧となっており、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６を互いに離間させる方向に反力が作用している（図５中、二点鎖線矢印参照）。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とは、点対称の位置に配置されるとともに、前記水供給連通孔４６と前記排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ１に直交する仮想直交線Ｌ２上に、水素連通孔５０が設けられている。このため、水素連通孔５０に高圧水素が導出されることにより、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６に反力が作用する際、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とに前記反力が均等に分散される。

これにより、簡単な構成で、比較的低圧（常圧）な水供給連通孔４６と排出連通孔４８とのシール圧を均等に維持することができ、シール性能の低下を可及的に阻止することが可能にな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８０を構成する単位セル８２の分解斜視説明図である。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８２は、電解質膜・電極構造体８４と、この電解質膜・電極構造体８４を挟持するアノード側セパレータ８６及びカソード側セパレータ８８とを備える。図６及び図７に示すように、単位セル８２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、第３突出部４４ｃ及び第４突出部４４ｄが形成される。第４突出部４４ｄには、反応により生成された水素を流すための水素連通孔（第２流体導出連通孔）９０が設けられる。水素連通孔５０と水素連通孔９０とは、点対称の位置に配置されており、仮想直交線Ｌ２上の任意の位置に配置可能である。

このように構成される第２の実施形態では、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とは、点対称の位置に配置され、且つ前記水供給連通孔４６と前記排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ１に直交する仮想直交線Ｌ２上に、高圧の水素連通孔５０、９０が互いに点対称の位置に配置されている。

従って、各単位セル８２では、高圧水素により水素連通孔５０、９０に対応して、点対称の位置に反力が作用するため、各反力同士が打ち消しあって前記単位セル８２全体のシール圧のばらつきを回避することができる。

しかも、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とは、水素連通孔５０、９０に直交する方向に、且つ点対称の位置に配置されている。これにより、水供給連通孔４６及び排出連通孔４８の各シール圧を均等に維持することができ、シール性能の低下を可及的に阻止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を得られる。

１０、８０…水電解装置 １２、８２…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、８４…電解質膜・電極構造体 ３４、８６…アノード側セパレータ
３６、８８…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〜４４ｄ…突出部 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０、９０…水素連通孔
５４、５８…流路
６２ａ〜６２ｄ、７０ａ〜７０ｄ…シール溝
６４ａ〜６４ｄ、７２ａ〜７２ｄ…シール部材

Claims (5)

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とともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第１流体を供給する第１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、前記第１流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第２流体を得る第２流路が形成される電気化学装置であって、
   前記セパレータの積層方向に延在し、前記第１流路に前記第１流体を供給する第１流体供給連通孔と、
   前記セパレータの積層方向に延在し、前記第１流路から残余の前記第１流体を排出する第１流体排出連通孔と、
   前記セパレータの積層方向に延在し、前記第２流路から前記第２流体を導出する第２流体導出連通孔と、
   を備えるとともに、
   前記第１流体供給連通孔と前記第１流体排出連通孔とは、点対称の位置に配置され、且つ、前記第１流体供給連通孔と前記第１流体排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に直交する仮想直交線上に、前記第２流体導出連通孔が配置される一方、
   前記セパレータは、前記第２流体導出連通孔を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、
   前記第２流体導出連通孔と前記シール溝とを連通する開口部と、
   を設けることを特徴とする電気化学装置。
2. 請求項１記載の電気化学装置において、２つの前記第２流体導出連通孔が、前記仮想直交線上で点対称の位置に配置されることを特徴とする電気化学装置。
3. 請求項１又は２記載の電気化学装置において、前記第１流路は、常圧であり、
   前記第１流路と前記第２流路とに差圧が設けられることを特徴とする電気化学装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学装置において、前記第１流体は、水であり、
   前記第２流体は、水素であることを特徴とする電気化学装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学装置において、前記シール部材は、前記セパレータ間に介装される前記電解質膜に対向して配置されることを特徴とする電気化学装置。
   

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