JP5770246B2 - 高圧水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置に関する。

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際に、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、水が電気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。

この水電解装置では、水の電気分解により酸素と該酸素よりも高圧な水素を製造する高圧水電解装置が採用されている。その際、アノード側とカソード側との差圧により、固体高分子電解質膜がアノード給電体に圧接し、前記固体高分子電解質膜に損傷等のダメージが生じるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている電解装置が知られている。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縮径するテーパ形状を有している。従って、簡単な構成で、電解質膜が損傷することを可及的に阻止し、且つ水供給性及びガス離脱性の向上を図ることができる、としている。

特開２０１０−１８９７０８号公報

ところで、上記の高圧水電解装置では、システム停止時にカソード側（高圧水素側）を脱圧（減圧）する場合、電解質膜の内部に溶存する高圧水素が膨張し、ブリスタ（水膨れ）が惹起されるおそれがある。このため、電解質膜の耐久性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、簡単な構成で、脱圧時に、電解質膜に溶存する高圧水素を容易且つ確実に排出させることができ、前記電解質膜の耐久性を向上させることが可能な高圧水電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧水電解装置は、一方の面にアノード触媒部が設けられ、他方の面にカソード触媒部が設けられる電解質膜を有している。アノード触媒部には、アノード給電体が積積される一方、カソード触媒部には、カソード給電体が積層されている。そして、アノード給電体には、アノードセパレータが積層されるとともに、カソード給電体には、カソードセパレータが積層されている。電解質膜とアノード給電体との間には、保護シート部材が介装されている。

カソードセパレータ内には、カソード触媒部及びカソード給電体を収容するとともに、水の電気分解によりアノード側で生成される酸素よりも高圧な水素が生成されるカソード室が形成されている。電解質膜とカソードセパレータとの間には、カソード室の外方に位置してシール部材が配設されている。

この高圧水電解装置では、保護シート部材は、シール受け部としてシール部材に積層方向に対向する枠部と、前記枠部の内側に設けられ、複数の貫通孔が形成される貫通孔形成部とを有している。貫通孔形成部は、アノード触媒部に積層方向に対向する範囲の内側から外側に亘って貫通孔を有している。

また、この高圧水電解装置では、貫通孔形成部は、アノード触媒部に積層方向に対向する範囲に設けられる触媒範囲部と、前記触媒範囲部の外方で且つ少なくともカソード室に前記積層方向に対向する範囲に設けられる周辺部とを有することが好ましい。その際、触媒範囲部に形成される貫通孔の配置密度は、周辺部に形成される貫通孔の配置密度よりも大きいことが好ましい。

さらに、この高圧水電解装置では、貫通孔形成部は、アノード触媒部に積層方向に対向する範囲に設けられる触媒範囲部と、前記触媒範囲部の外方で且つ少なくともカソード室に前記積層方向に対向する範囲に設けられる周辺部とを有することが好ましい。その際、触媒範囲部に形成される貫通孔の開口径は、周辺部に形成される貫通孔の開口径よりも大きいことが好ましい。

本発明によれば、保護シート部材は、複数の貫通孔が形成される貫通孔形成部を有するとともに、前記貫通孔形成部は、アノード触媒部に対向する範囲の内側から外側に亘って前記貫通孔を有している。このため、カソード室が脱圧される際には、電解質膜に溶存する高圧水素は、貫通孔を通ってアノード側に容易且つ円滑に移動することができる。

従って、電解質膜にブリスタが発生することがなく、簡単な構成で、脱圧時に、前記電解質膜に溶存する高圧水素を容易且つ確実に排出することができ、前記電解質膜の耐久性を向上させることが可能になる。しかも、ブリスタが回避されるため、脱圧速度を上げることができる。これにより、脱圧時間を短縮することが可能になり、運転効率が良好に向上する。

本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記高圧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、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記単位セルを構成するアノード側の分解斜視説明図である。 前記単位セルの要部断面説明図である。 水素圧力と固体高分子電解質膜の溶存水素量との関係説明図である。 比較例である単位セルの要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解装置を構成する単位セルの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る高圧水電解装置を構成する単位セルの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解装置（差圧式高圧水電解装置）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。なお、高圧水電解装置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、高圧水電解装置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。

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を介して電解電源２８に電気的に接続される。

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、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６とを備える。

図２に示すように、単位セル１２の外周縁部には、セパレータ面方向外方に向かって互いに反対方向に突出する第１突出部３７ａ及び第２突出部３７ｂが形成される。第１突出部３７ａには、積層方向（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３８ａが設けられる。第２突出部３７ｂには、積層方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための水排出連通孔３８ｂが設けられる。

単位セル１２の中央部には、電解領域の略中央を貫通して積層方向に互いに連通し、反応により生成された高圧な水素（生成された酸素よりも高圧な水素）（例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）を排出するための高圧水素連通孔３８ｃが設けられる（図２及び図３参照）。なお、高圧水素連通孔３８ｃは、単位セル１２の中央部に限定されるものではなく、端部位置に設けてもよい。

アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ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る。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、その他、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してもよい。

電解質膜・電極構造体３２は、略リング形状を有する固体高分子電解質膜（電解質膜）４０を備える。固体高分子電解質膜４０は、リング形状を有する電解用のアノード給電体４２及びカソード給電体４４により挟持される。固体高分子電解質膜４０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）系の膜又はフッ素系の膜により構成される。

固体高分子電解質膜４０は、略中央部に高圧水素連通孔３８ｃが形成される。固体高分子電解質膜４０の一方の面には、リング形状を有するアノード電極触媒層（アノード触媒部）４２ａが設けられる。固体高分子電解質膜４０の他方の面には、リング形状を有するカソード電極触媒層（カソード触媒部）４４ａが形成される。アノード電極触媒層４２ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用するとともに、カソード電極触媒層４４ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード給電体４２及びカソード給電体４４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。アノード給電体４２及びカソード給電体４４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％〜４８％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。アノード給電体４２の外周縁部には、枠部４２ｅが設けられる。枠部４２ｅは、アノード給電体４２の外周部を緻密に構成することにより一体に設けることができる。

アノードセパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、図３及び図４に示すように、リング状の凹部を形成することにより、アノード室４６が形成される。アノード室４６には、水供給連通孔３８ａに連通する供給通路４８ａと、水排出連通孔３８ｂに連通する排出通路４８ｂとが連通する。

アノード給電体４２のアノード室４６の底面に向かう面には、水流路部材５０が配設される。水流路部材５０には、供給通路４８ａ及び排出通路４８ｂに連通する水流路５０ａが設けられる。水流路５０ａは、図２中、互いに並列して水平方向に延在する複数本の溝部により構成される。

アノード室４６には、アノード給電体４２と、前記アノード給電体４２と固体高分子電解質膜４０との間に介装されるリング状の保護シート部材５２とが配置される。保護シート部材５２の詳細な説明は、後述する。

図２及び図３に示すように、カソードセパレータ３６の固体高分子電解質膜４０に向かう面３６ａには、略リング状に切り欠いてカソード室５４が形成される。カソード室５４には、カソード給電体４４及び前記カソード給電体４４を固体高分子電解質膜４０に押圧させる荷重付与機構５６が配置される。

荷重付与機構５６は、皿ばね５８を備えるとともに、前記皿ばね５８は、皿ばねホルダ６０を介してカソード給電体４４に荷重を付与する。皿ばねホルダ６０には、カソード給電体４４に対向する面に高圧水素流路６２が形成される。高圧水素流路６２は、複数本の溝部を有し、カソード室５４から水素排出通路４８ｃを介して高圧水素連通孔３８ｃに連通する。

図２〜図４に示すように、アノードセパレータ３４の第１突出部３７ａには、水供給連通孔３８ａを周回して第１シール溝６４ａが形成される。アノードセパレータ３４の第２突出部３７ｂには、水排出連通孔３８ｂを周回して第２シール溝６４ｂが形成される。第１シール溝６４ａには、第１シール部材６６ａが配置される一方、第２シール溝６４ｂには、第２シール部材６６ｂが配置される。

面３４ａには、アノード室４６の内側を周回して第３シール溝６４ｃが形成され、前記第３シール溝６４ｃには、第３シール部材６６ｃが配置される。面３４ａには、アノード室４６の外側を周回して第４シール溝６４ｄが形成され、前記第４シール溝６４ｄには、第４シール部材６６ｄが配置される。

図２及び図３に示すように、カソードセパレータ３６の第１突出部３７ａには、水供給連通孔３８ａを周回して第５シール溝６４ｅが形成される。カソードセパレータ３６の第２突出部３７ｂには、水排出連通孔３８ｂを周回して第６シール溝６４ｆが形成される。第５シール溝６４ｅには、第５シール部材６６ｅが配置される一方、第６シール溝６４ｆには、第６シール部材６６ｆが配置される。カソードセパレータ３６の面３６ａには、カソード室５４の外方に位置して第７シール溝６４ｇが形成される。第７シール溝６４ｇには、第７シール部材（本実施形態のシール部材）６６ｇが配置される。

第１シール部材６６ａ〜第７シール部材６６ｇ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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

保護シート部材５２は、内周位置がアノード給電体４２及びカソード給電体４４の内周位置よりも内方に配置されるとともに、外周位置が第７シール溝６４ｇの外周位置近傍まで延在する。図５に示すように、保護シート部材５２は、シール受け部として第７シール部材６６ｇに対向する枠部６８と、前記枠部６８の内側に設けられ、複数の貫通孔７０、７０ａが形成される貫通孔形成部７２とを有する。貫通孔形成部７２は、アノード電極触媒層４２ａに積層方向（矢印Ａ方向）に対向する範囲の内側から外側に亘って貫通孔７０、７０ａを有する。

第１の実施形態では、貫通孔形成部７２は、アノード電極触媒層４２ａに積層方向に対向する範囲に設けられる触媒範囲部７２ａと、前記触媒範囲部７２ａの外方で且つ少なくともカソード室５４に前記積層方向に対向する範囲に設けられる周辺部７２ｂとを有する。周辺部７２ｂは、第７シール部材６６ｇが収容される第７シール溝６４ｇに一部が跨って設けられ、最外周の貫通孔７０ａは、前記第７シール溝６４ｇ内に積層方向に対向する位置に設定される。

触媒範囲部７２ａに形成される複数の貫通孔７０の配置密度は、周辺部７２ｂに形成される複数の貫通孔７０ａの配置密度よりも大きい。さらに、触媒範囲部７２ａに形成される貫通孔７０の開口径は、周辺部７２ｂに形成される貫通孔７０ａの開口径よりも大きい。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔３８ａ、水排出連通孔３８ｂ及び高圧水素連通孔３８ｃに連通する配管７４ａ、７４ｂ及び７４ｃが接続される。配管７４ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、高圧水素連通孔３８ｃ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高圧水電解装置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７４ａから高圧水電解装置１０の水供給連通孔３８ａ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解電源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３８ａからアノードセパレータ３４の水流路５０ａに水が供給され、この水がアノード給電体４２内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４２ａ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４０を透過してカソード電極触媒層４４ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード給電体４４の内部の水素流路に沿って水素が流動し、前記水素は、水供給連通孔３８ａよりも高圧に維持された状態で、高圧水素連通孔３８ｃを流れて高圧水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素と未反応の水とは、水排出連通孔３８ｂに沿って高圧水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３及び図５に示すように、保護シート部材５２は、複数の貫通孔７０、７０ａが形成される貫通孔形成部７２を有している。そして、貫通孔形成部７２は、アノード電極触媒層４２ａに積層方向に対向する範囲の内側から外側に亘って貫通孔７０ａを有している。このため、高圧水素（例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の製造が停止されてカソード室５４が脱圧される際には、固体高分子電解質膜４０に溶存する高圧水素は、貫通孔７０ａを通ってアノード室４６側に容易且つ円滑に移動することができる。

図６に示すように、固体高分子電解質膜４０では、水素圧力が増加するのに伴って、溶存する水素量が増加する。従って、図７に示すように、保護シート部材１にアノード電極触媒層４２ａに対向する範囲内にのみ貫通孔２が形成されていると、固体高分子電解質膜４０が前記保護シート部材１に密着してしまう。これにより、カソード側の脱圧（減圧）時に、固体高分子電解質膜４０に溶存する水素は、この固体高分子電解質膜４０から脱け難くなる。

これに対して、第１の実施形態では、アノード電極触媒層４２ａに対向する範囲の外側にも貫通孔７０ａが設けられており、前記貫通孔７０ａを介して固体高分子電解質膜４０内の溶存水素が円滑に離脱することができる。このため、固体高分子電解質膜４０にブリスタが発生することを確実に阻止することが可能になる。

従って、簡単な構成で、脱圧時に、固体高分子電解質膜４０に溶存する高圧水素を容易且つ円滑に排出することができ、前記固体高分子電解質膜４０の耐久性を向上させることが可能になる。しかも、ブリスタが回避されるため、脱圧速度を上げることができる。これにより、高圧水電解装置１０の脱圧時間を短縮することが可能になり、運転効率が良好に向上するという効果が得られる。

さらにまた、第１の実施形態では、貫通孔７０は、固体高分子電解質膜４０の差圧保持性及び電解性能から開口径が設定されている。一方、貫通孔７０ａは、水素ガスの抜け性から得られる最小開口率、すなわち、開口径及び間隔が設定されている。

具体的には、触媒範囲部７２ａに形成される複数の貫通孔７０の配置密度は、周辺部７２ｂに形成される複数の貫通孔７０ａの配置密度よりも大きく設定されている。さらに、触媒範囲部７２ａに形成される貫通孔７０の開口径は、周辺部７２ｂに形成される貫通孔７０ａの開口径よりも大きく設定されている。このため、所望のガス抜け性を維持するとともに、固体高分子電解質膜４０の損傷を可及的に抑制することができるという効果が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解装置８０を構成する単位セル８２の要部断面説明図を示す。なお、第１の実施形態に係る高圧水電解装置１０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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

単位セル８２は、アノード給電体４２と固体高分子電解質膜４０との間に介装されるリング状の保護シート部材８４を備える。保護シート部材８４では、周辺部７２ｂに複数の貫通孔７０ｂが設けられるとともに、前記貫通孔７０ｂの開口径は、触媒範囲部７２ａに形成される貫通孔７０の開口径と同一に設定される。触媒範囲部７２ａに形成される複数の貫通孔７０の配置密度は、周辺部７２ｂに形成される複数の貫通孔７０ｂの配置密度よりも大きく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、貫通孔７０ｂの配置密度が貫通孔７０の配置密度よりも小さく設定されるため、固体高分子電解質膜４０が前記貫通孔７０ｂにより撓むことを抑制することができる。従って、固体高分子電解質膜４０の損傷を有効に抑制することが可能になるとともに、溶存水素が円滑に離脱するという効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る高圧水電解装置９０を構成する単位セル９２の要部断面説明図を示す。

単位セル９２は、アノード給電体４２と固体高分子電解質膜４０との間に介装されるリング状の保護シート部材９４を備える。保護シート部材９４では、周辺部７２ｂに複数の貫通孔７０ｃが設けられるとともに、前記貫通孔７０ｃの開口径は、触媒範囲部７２ａに形成される貫通孔７０の開口径よりも小さく設定される。触媒範囲部７２ａに形成される複数の貫通孔７０の配置密度は、周辺部７２ｂに形成される複数の貫通孔７０ｃの配置密度と同一に設定される。

このように構成される第３の実施形態では、貫通孔７０ｃの開口径が貫通孔７０の開口径よりも小さく設定されるため、固体高分子電解質膜４０が前記貫通孔７０ｃにより撓むことを抑制することができる。従って、固体高分子電解質膜４０の損傷を有効に抑制することが可能になるとともに、溶存水素が円滑に離脱するという効果が得られる。

１０、８０、９０…高圧水電解装置 １２、８２、９２…単位セル
１４…積層体 ２８…電解電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノードセパレータ
３６…カソードセパレータ ３８ａ…水供給連通孔
３８ｂ…水排出連通孔 ３８ｃ…高圧水素連通孔
４０…固体高分子電解質膜 ４２…アノード給電体
４２ａ…アノード電極触媒層 ４２ｅ、６８…枠部
４４…カソード給電体 ４４ａ…カソード電極触媒層
４６…アノード室 ５０ａ…水流路
５２、８４、９４…保護シート部材 ５４…カソード室
５６…荷重付与機構 ６２…高圧水素流路
６６ａ〜６６ｇ…シール部材 ７０、７０ａ〜７０ｃ…貫通孔
７２…貫通孔形成部 ７２ａ…触媒範囲部
７２ｂ…周辺部

Claims (3)

1. 一方の面にアノード触媒部が設けられ、他方の面にカソード触媒部が設けられる電解質膜と、
   前記アノード触媒部に積層されるアノード給電体及び前記カソード触媒部に積層されるカソード給電体と、
   前記アノード給電体に積層されるアノードセパレータ及び前記カソード給電体に積層されるカソードセパレータと、
   前記電解質膜と前記アノード給電体との間に介装される保護シート部材と、
   前記カソードセパレータ内に形成され、前記カソード触媒部及び前記カソード給電体を収容するとともに、水の電気分解によりアノード側で生成される酸素よりも高圧な水素が生成されるカソード室と、
   前記カソード室の外方に位置し、前記電解質膜と前記カソードセパレータとの間に配置されるシール部材と、
   を備える高圧水電解装置であって、
   前記保護シート部材は、シール受け部として前記シール部材に積層方向に対向する枠部と、
   前記枠部の内側に設けられ、複数の貫通孔が形成される貫通孔形成部と、
   を有するとともに、
   前記貫通孔形成部は、前記アノード触媒部に前記積層方向に対向する範囲の内側から外側に亘って前記貫通孔を有することを特徴とする高圧水電解装置。
2. 請求項１記載の高圧水電解装置において、前記貫通孔形成部は、前記アノード触媒部に前記積層方向に対向する範囲に設けられる触媒範囲部と、
   前記触媒範囲部の外方で且つ少なくとも前記カソード室に前記積層方向に対向する範囲に設けられる周辺部と、
   を有し、
   前記触媒範囲部に形成される前記貫通孔の配置密度は、前記周辺部に形成される前記貫通孔の配置密度よりも大きいことを特徴とする高圧水電解装置。
3. 請求項１記載の高圧水電解装置において、前記貫通孔形成部は、前記アノード触媒部に前記積層方向に対向する範囲に設けられる触媒範囲部と、
   前記触媒範囲部の外方で且つ少なくとも前記カソード室に前記積層方向に対向する範囲に設けられる周辺部と、
   を有し、
   前記触媒範囲部に形成される前記貫通孔の開口径は、前記周辺部に形成される前記貫通孔の開口径よりも大きいことを特徴とする高圧水電解装置。

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