JP6025691B2 - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、セルユニット全体を積層方向に押圧する押圧機構が設けられるとともに、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを製造する差圧式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（イオン交換膜）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、給電体を配設して単位セルが構成されている。

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットに対して、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の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、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。

この設備では、セルユニットに対して、積層方向に一定の締め付け圧力を付与することにより、安定した電解性能を維持する必要がある。このため、例えば、特許文献１では、図５に示すように、陽極主電極１、複数の単位セル２及び陰極主電極３の積層体を、積層方向に締め付けるための締め付け装置４が備えられている。締め付け装置４は、圧縮用流体の導入ノズル５ａ及び排出ノズル５ｂを有するシリンダ６と、前記シリンダ６のシリンダ室６ａ内にＯリング７を介装して摺動自在に配設されるピストン８とを備えている。

この締め付け装置４は、水電解槽の運転中に生成されている水素圧力よりも、常に一定の締め付け圧力だけ高めの圧力を、ピストン８により付与している。すなわち、圧縮用流体の導入ノズル５ａ及び排出ノズル５ｂに連結された調整弁（図示せず）を調整することにより、常に一定の締め付け圧力が確保される、としている。

特開２００３−１６０８９１号公報

ところで、上記の締め付け装置４では、セルユニットに所望の締め付け圧力を付与するために、各単位セル２で製造された水素を、シリンダ室６ａに供給する場合がある。その際、シリンダ室６ａには、製造された水素及び固体高分子電解質膜を透過した水が導入され易い。このため、シリンダ６及びピストン８は、鉄系の高強度な鋼材で構成されていると、錆や腐食が発生するおそれがある。

従って、シリンダ６及びピストン８は、耐食性部材、例えば、ステンレス材やチタン（Ｔｉ）系の材料を使用する必要がある。しかしながら、これらの耐食性部材は、鋼材に比べて強度が低いため、シリンダ室６ａを形成するシリンダ６の厚さを相当に肉厚に設定しなければならない。これにより、締め付け装置４を組み込む水電解装置全体が大型化するとともに、製造コストが増大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、耐食性部材の使用量を良好に削減するとともに、軽量且つ経済的な構成で、所望の耐食機能及び耐圧機能を保持することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、電解質膜の一方の面にアノード給電体が、前記電解質膜の他方の面にカソード給電体が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される単位セルを備えている。複数の単位セルが積層されたセルユニットの積層方向両端には、端板が配設されるとともに、一方の端板と前記セルユニットとの間には、該セルユニット全体を積層方向に押圧する押圧機構が設けられている。この差圧式高圧水電解装置は、水を電気分解してアノード側に酸素を、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を、それぞれ製造している。

押圧機構は、一方の端板に固定される第１耐食性部材と、前記第１耐食性部材に対向して積層方向に進退可能に配置されるピストン機能を有する第２耐食性部材とを備えている。第１耐食性部材又は第２耐食性部材には、前記第１耐食性部材の外周部及び前記第２耐食性部材の外周部を一体に覆ってカソード側に連通する流体導入室を形成する第３耐食性部材が固定されている。そして、第３耐食性部材の外周部には、流体導入室内の圧力を保持する耐圧部材が設けられている。

また、この差圧式高圧水電解装置では、第１耐食性部材は、一方の端板と流体導入室とを連通する開口部を有することが好ましい。その際、第１耐食性部材は、開口部が設けられる領域の厚さが、他の領域の厚さよりも大きく構成されることが好ましい。

本発明によれば、第１耐食性部材、第２耐食性部材及び第３耐食性部材により流体導入室が形成されるとともに、前記第３耐食性部材の外周部には、耐圧部材が設けられている。このため、耐食性が必要な部分と耐圧が必要な部分とで、部材を分割することにより、高コストな耐食性部材の使用量が最小限に削減される。従って、構造が簡素化されるとともに、軽量且つ経済的な構成で、所望の耐食機能及び耐圧機能を保持することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記差圧式高圧水電解装置の要部断面説明図である。 前記差圧式高圧水電解装置を構成する押圧機構の要部分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置の要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている水電解槽の説明図である。

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）に積層されたセルユニット１４を備える。

セルユニット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、順次、配設される。セルユニット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、順次、配設される。

差圧式高圧水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数本のタイロッド２２を介して、円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間が一体的に締め付け保持される。なお、差圧式高圧水電解装置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、差圧式高圧水電解装置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セパレータ３４及びカソードセパレータ３６とを備える。単位セル１２は、図１に示すように、略円盤状を有するとともに、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。

図２に示すように、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）を積層方向上方に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）を積層方向下方に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て、反応により生成された高圧（例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）な水素を排出するための水素排出連通孔３８ｃが設けられる。

アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、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、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、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、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４０を備える。固体高分子電解質膜４０の両面には、リング形状を有するアノード電極触媒層４２ａ及びカソード電極触媒層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）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４４ａは、例えば、白金触媒を使用する。

固体高分子電解質膜４０の両側には、それぞれリング形状を有するアノード給電体４２及びカソード給電体４４が配設される。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、例えば、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％〜４６％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。

アノードセパレータ３４には、水供給連通孔３８ａに連通する供給通路４６ａと、水排出連通孔３８ｂに連通する排出通路４６ｂとが設けられる。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、供給通路４６ａ及び排出通路４６ｂに連通する水流路４８が形成される。アノードセパレータ３４の面３４ａには、水素排出連通孔３８ｃを周回してシール溝部５０が設けられる。シール溝部５０には、シール部材５２が収容される。

カソードセパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素排出通路４６ｃが形成される。カソード給電体４４は、水素排出通路４６ｃを介して水素排出連通孔３８ｃに連通する。カソードセパレータ３６の面３６ａには、カソード給電体４４の外方を周回してシール溝部５４が形成される。このシール溝部５４には、シール部材５６が配設される。

シール部材５２、５６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。

絶縁プレート１８ａとエンドプレート（一方の端板）２０ａとの間には、セルユニット１４全体を積層方向（矢印Ａ方向）に押圧する押圧機構６０が設けられる。図２及び図３に示すように、押圧機構６０は、エンドプレート２０ａに固定（例えば、溶接）される第１耐食性部材６２を備える。第１耐食性部材６２は、例えば、ステンレス材やチタン（Ｔｉ）系材料で構成される。なお、以下に説明する第２耐食性部材６８及び第３耐食性部材８０は、第１耐食性部材６２と同様の材料で構成される。

第１耐食性部材６２は、円盤形状を有し、中央部には、高圧水素を排出するための水素排出孔部（開口部）６４が形成される。水素排出孔部６４は、エンドプレート２０ａの中央に形成された水素孔部６６に連通する（図２参照）。

押圧機構６０は、第１耐食性部材６２に対向して積層方向に進退可能に配置されるピストン機能を有する第２耐食性部材６８を備える。第２耐食性部材６８は、略円盤形状を有し、中央部には、セルユニット１４の水素排出連通孔３８ｃに連通する水素導入孔部７０が形成される。第２耐食性部材６８の第１耐食性部材６２に対向する面には、外周縁部に亘ってリング状の凹部７２が形成される。

第２耐食性部材６８の外周部には、周回溝部７４が形成され、前記周回溝部７４には、Ｏリング７６が配設される。第２耐食性部材６８の凹部７２には、弾性体、例えば、皿ばね７８が配設される。皿ばね７８は、第２耐食性部材６８と第１耐食性部材６２との間に所定の弾性力を付与して介装される。

押圧機構６０は、第１耐食性部材６２の外周部（又は第２耐食性部材６８の外周部）に固定される第３耐食性部材８０を備える。第３耐食性部材８０は、薄肉の円筒形状を有する。第３耐食性部材８０は、軸方向一端側が第１耐食性部材６２の外周部に固定される一方、軸方向他端側に第２耐食性部材６８の外周部がＯリング７６を介装して摺動可能に嵌合する。

なお、第３耐食性部材８０が第２耐食性部材６８の外周部に固定される際には、第１耐食性部材６２の外周部にＯリング７６が設けられ、前記第３耐食性部材８０は、前記第１耐食性部材６２に対して摺動自在となる。また、第３耐食性部材８０は、第１耐食性部材６２の外周部及び第２耐食性部材６８の外周部に、それぞれＯリング７６を介装して摺動可能に嵌合してもよい。

第３耐食性部材８０は、第１耐食性部材６２の外周部及び第２耐食性部材６８の外周部を一体に覆うことにより、これらの内部にカソード側に連通する流体導入室８２を形成する。流体導入室８２の一端側は、凹部７２及び水素導入孔部７０を介してセルユニット１４の水素排出連通孔３８ｃに連通する。流体導入室８２の他端側は、水素排出孔部６４を介してエンドプレート２０ａの水素孔部６６に連通する。

第３耐食性部材８０の外周部には、流体導入室８２内の圧力を保持する耐圧部材８４が設けられる。耐圧部材８４は、円筒形状を有し、例えば、鉄系の高強度を有する鋼材で形成される。第３耐食性部材８０は、例えば、耐圧部材８４の内周面に圧入により固定される。

図１に示すように、エンドプレート２０ｂには、水供給連通孔３８ａ及び水排出連通孔３８ｂに連通する配管８６ａ及び８６ｂが接続される。エンドプレート２０ａには、水素排出連通孔３８ｃに連通する配管８６ｃが接続される。配管８６ｃ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差圧式高圧水電解装置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８６ａから差圧式高圧水電解装置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２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４８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する。水素は、水供給連通孔３８ａよりも高圧に維持された状態で、水素排出連通孔３８ｃを流れて押圧機構６０の流体導入室８２に導入される。

押圧機構６０では、流体導入室８２に導入された水素の圧力と皿ばね７８の弾性力とを介して、第２耐食性部材６８によるセルユニット１４への締め付け圧力が調整される。なお、水素は、図示しない背圧弁の設定圧力に昇圧されることにより、差圧式高圧水電解装置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に沿って差圧式高圧水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、押圧機構６０は、第１耐食性部材６２、第２耐食性部材６８及び第３耐食性部材８０を備えている。そして、第３耐食性部材８０は、第１耐食性部材６２の外周部及び第２耐食性部材６８の外周部を一体に覆うことにより、これらの内部に流体導入室８２を形成している。さらに、第３耐食性部材８０の外周部には、耐圧部材８４が設けられている。

このように、耐食性が必要な部分（第１耐食性部材６２、第２耐食性部材６８及び第３耐食性部材８０）と耐圧が必要な部分（耐圧部材８４）とで、部材を分割している。このため、全ての部材である第１耐食性部材６２、第２耐食性部材６８、第３耐食性部材８０及び耐圧部材８４は、円盤形状又は円筒形状を有しており、加工コストが低減されるとともに、組み立て作業性が良好に向上する。

しかも、第３耐食性部材８０は、耐圧部材８４の内周面に圧入により固定されるため、耐食層としてのみ機能すればよく、可及的に薄肉化することができる。従って、高コストな耐食性部材の使用量が最小限に削減される。これにより、構造が簡素化されるとともに、軽量且つ経済的な構成で、所望の耐食機能及び耐圧機能を保持することが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１００の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置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。

差圧式高圧水電解装置１００は、押圧機構６０に代えて押圧機構１０２を用いる。押圧機構１０２は、第１耐食性部材１０４を備える。第１耐食性部材１０４は、略円盤形状を有し、中央部には、水素排出孔部（開口部）１０６が形成される。

第１耐食性部材１０４は、水素排出孔部１０６が設けられる領域の厚さが、他の領域の厚さよりも大きく構成される。具体的には、第１耐食性部材１０４の中央部に厚さ方向に膨出する肉厚部１０４ａが形成され、他の部分には、前記肉厚部１０４ａよりも薄肉な肉薄部１０４ｂが設けられる。肉厚部１０４ａには、水素排出孔部１０６が形成されている。

このように構成される第２の実施形態では、第１耐食性部材１０４は、耐圧構造が必要な水素排出孔部１０６の周囲にのみ肉厚部１０４ａが設けられている。このため、第１耐食性部材１０４は、他の部分には、肉薄部１０４ｂを設けることができ、耐食性材料の使用量が一層削減されるという効果が得られる。

１０、１００…差圧式高圧水電解装置 １２…単位セル
１４…セルユニット 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 ４０…固体高分子電解質膜
４２…アノード給電体 ４４…カソード給電体
６０、１０２…押圧機構 ６２、６８、８０、１０４…耐食性部材
６４、１０６…水素排出孔部 ６６…水素孔部
７０…水素導入孔部 ７６…Ｏリング
７８…皿ばね ８２…流体導入室
８４…耐圧部材 １０４ａ…肉厚部
１０４ｂ…肉薄部

Claims (2)

1. 電解質膜の一方の面にアノード給電体が、前記電解質膜の他方の面にカソード給電体が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層されたセルユニットの積層方向両端には、端板が配設されるとともに、一方の端板と前記セルユニットとの間には、該セルユニット全体を積層方向に押圧する押圧機構が設けられており、水を電気分解してアノード側に酸素を、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を、それぞれ製造する差圧式高圧水電解装置であって、
   前記押圧機構は、前記一方の端板に固定される第１耐食性部材と、
   前記第１耐食性部材に対向して前記積層方向に進退可能に配置されるピストン機能を有する第２耐食性部材と、
   前記第１耐食性部材又は前記第２耐食性部材に固定され、前記第１耐食性部材の外周部及び前記第２耐食性部材の外周部を一体に覆って前記カソード側に連通する流体導入室を形成する第３耐食性部材と、
   前記第３耐食性部材の外周部に設けられ、前記流体導入室内の圧力を保持する耐圧部材と、
   を備えることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
2. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、前記第１耐食性部材は、一方の端板と前記流体導入室とを連通する開口部を有するとともに、
   前記第１耐食性部材は、前記開口部が設けられる領域の厚さが、他の領域の厚さよりも大きく構成されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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