JP5588402B2

JP5588402B2 - 高圧水素製造装置

Info

Publication number: JP5588402B2
Application number: JP2011162987A
Authority: JP
Inventors: 博之石川; 暢之川崎; 栄次針生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP2013023764A

Description

本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水素製造装置に関する。

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する水素製造装置として、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素（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、それぞれ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、カソード側給電体で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。

この種の水電解装置では、カソード側に、アノード側に生成される酸素よりも高圧（例えば、数十ＭＰａ）な水素が生成される高圧水電解装置（高圧水素製造装置）を採用する場合がある（特許文献１）。

特開２００６−７０３２２号公報

ところで、上記の高圧水素製造装置では、カソード側給電体を固体高分子電解質膜に付勢するために皿ばねが使用されるとともに、前記皿ばね自体が導電経路を形成する場合がある。その際、皿ばねは、カソード側セパレータとの接触面積及び皿ばねホルダとの接触面積が相当に小さい。このため、接触部位に酸化被膜が形成されると、接触抵抗が著しく大きくなり、安定した導電経路が得られないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、導電経路となる部分に酸化被膜が形成されることを阻止し、接触抵抗の増大を確実に抑制することができ、良好な電解性能を保持することが可能な高圧水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材とを備える高圧水素製造装置に関するものである。

この高圧水素製造装置では、弾性部材は、カソード側給電体に積層されるプレート部材とカソード側セパレータとの間に配置されるとともに、前記弾性部材は、導電経路である前記プレート部材との接触部及び前記カソード側セパレータとの接触部に、導電性コーティング層が設けられ、前記弾性部材は、前記プレート部材よりも硬い材質で構成される一方、前記導電性コーティング層は、前記弾性部材よりも軟質で且つ酸化被膜が形成されない導電材料で形成され、且つ該導電性コーティング層のコーティング厚さは、前記プレート部材及び前記カソード側セパレータの表面粗さに基づき、最大高さ粗さを埋める厚さに設定されている。

さらに、この高圧水素製造装置では、弾性部材は、導電性コーティング層以外の部分に非導電性コーティング層が設けられることが好ましい。

本発明によれば、弾性部材は、導電経路を形成する部分に導電性コーティング層が設けられるため、前記導電経路となる部分に酸化被膜が形成されることを阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、接触抵抗の増大を確実に抑制することが可能になり、良好な電解性能を保持することができる。

本発明の実施形態に係る高圧水素製造装置の斜視説明図である。前記高圧水電解装置の一部断面側面図である。前記高圧水電解装置を構成する単位セルの断面図である。前記単位セルを構成する皿ばねの説明図である。前記皿ばねの接触面積と接触抵抗との関係図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る高圧水素製造装置１０は、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（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の積層方向他端（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。

高圧水素製造装置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。なお、高圧水素製造装置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、高圧水素製造装置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。

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円形状のアノード側給電体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の外形寸法は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外径寸法よりも大径に設定される。

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。

カソード側給電体４２には、プレート部材４４が積層されるとともに、前記プレート部材４４とカソード側セパレータ３６との間には、弾性部材、例えば、４枚の皿ばね４６が配設される。プレート部材４４は、例えば、チタン製のパンチングプレートにより構成され、複数の孔部４４ａが形成される。皿ばね４６は、皿ばねホルダであるプレート部材４４を介してカソード側給電体４２に荷重を付与する。なお、皿ばね４６に代えて、例えば、コイルスプリング等を使用してもよい。

皿ばね４６は、プレート部材４４よりも硬い材質で構成される。皿ばね４６は、図４に示すように、導線経路を形成する部分、具体的には、プレート部材４４との接触部及びカソード側セパレータ３６との接触部に、導電性コーティング層４８ａ、４８ｂが設けられる。導電性コーティング層４８ａ、４８ｂは、皿ばね４６よりも軟質で且つ酸化被膜が形成されない導電材料、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の貴金属が用いられる。

導電性コーティング層４８ａ、４８ｂのコーティング厚さは、相手材であるプレート部材４４及びカソード側セパレータ３６の表面粗さにより設定され、最大高さ粗さを埋める厚さに設定される。

皿ばね４６は、図５に示すように、プレート部材４４との接触部及びカソード側セパレータ３６との接触部の接触面積Ｓが増加するのに伴って接触抵抗が低下する。このため、接触面積がＳ１以上になるように、各接触部の長さｈ（図４参照）が設定されるとともに、導電性コーティング層４８ａ、４８ｂは、前記長さｈを覆う範囲に設けられる。

皿ばね４６には、導電性コーティング層４８ａ、４８ｂ以外の部分に非導電性コーティング層４９が設けられる。非導電性コーティング層４９は、高圧水素雰囲気による金属腐食を防止するために設けられ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が用いられる。

図１及び図３に示すように、単位セル１２の外周部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１の流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔５０ａと、反応により生成された酸素及び未使用の水を排出するための排出連通孔５０ｂと、反応により生成された高圧水素を流すための水素連通孔５０ｃとが設けられる。

図３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５０ａに連通する供給通路５２ａと、排出連通孔５０ｂ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。カソード側セパレータ３６には、水素連通孔５０ｃに連通する排出通路５６が設けられる。排出通路５６には、第２流路５８が連通する。

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、複数のシール部材６２を配設するための複数のシール溝６４が形成される一方、カソード側セパレータ３６の前記電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、複数のシール部材６６を配設するための複数のシール溝６８が形成される。シール部材６２、６６は、例えば、Ｏリングである。

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５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃ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５０ｃ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。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂがタイロッド２２を介して締め付けられる。

このように構成される高圧水素製造装置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から高圧水素製造装置１０の水供給連通孔５０ａ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５０ａ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、カソード側給電体４２の内部、プレート部材４４の孔部４４ａ及び第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５０ａよりも高圧に維持されており、水素連通孔５０ｃを流れて高圧水素製造装置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５０ｂに沿って高圧水素製造装置１０の外部に排出される。

この場合、本実施形態では、図３及び図４に示すように、プレート部材４４とカソード側セパレータ３６との間に皿ばね４６が配設されるとともに、前記皿ばね４６には、導電経路を形成する部分に導電性コーティング層４８ａ、４８ｂが設けられている。具体的には、プレート部材４４との接触部及びカソード側セパレータ３６との接触部に、導電性コーティング層４８ａ、４８ｂが設けられている。

このため、導電経路となる部分に酸化被膜が形成されることを阻止することができる。従って、最小限の導電性コーティング層４８ａ、４８ｂを設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、接触抵抗の増大を確実に抑制することが可能になり、良好な電解性能を保持することができるという効果が得られる。

しかも、皿ばね４６には、導電性コーティング層４８ａ、４８ｂ以外の部分に非導電性コーティング層４９が設けられている。これにより、導線経路以外の部分には、経済的な材料を用いた非導電性コーティング層４９が設けられるため、コストを削減するとともに、高圧水素雰囲気による金属腐食を有効に防止することが可能になる。

１０…高圧水素製造装置１２…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…アノード側給電体４２…カソード側給電体
４４…プレート部材４６…皿ばね
４８ａ、４８ｂ…導電性コーティング層
４９…非導電性コーティング層５０ａ…水供給連通孔
５０ｂ…排出連通孔５０ｃ…水素連通孔
５４、５８…流路

Claims

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、
前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
を備える高圧水素製造装置であって、
前記弾性部材は、前記カソード側給電体に積層されるプレート部材と前記カソード側セパレータとの間に配置されるとともに、
前記弾性部材は、導電経路である前記プレート部材との接触部及び前記カソード側セパレータとの接触部に、導電性コーティング層が設けられ、
前記弾性部材は、前記プレート部材よりも硬い材質で構成される一方、
前記導電性コーティング層は、前記弾性部材よりも軟質で且つ酸化被膜が形成されない導電材料で形成され、且つ該導電性コーティング層のコーティング厚さは、前記プレート部材及び前記カソード側セパレータの表面粗さに基づき、最大高さ粗さを埋める厚さに設定されることを特徴とする高圧水素製造装置。
請求項１記載の高圧水素製造装置において、前記弾性部材は、前記導電性コーティング層以外の部分に非導電性コーティング層が設けられることを特徴とする高圧水素製造装置。