JP6081420B2 - 差圧式高圧水電解装置 - 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。

この種の水電解装置では、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（差圧式高圧水電解装置）が採用される場合がある。その際、高圧水素が生成されるカソード側には、加圧手段として、例えば、皿ばね（弾性部材）が用いられており、前記皿ばねが導電通路を構成している。このため、導電通路を構成する部品同士の接触面積が小さくなるおそれがあり、部品が劣化し易いという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている高圧水電解装置が知られている。この高圧水電解装置では、カソードセパレータと弾性部材との間からプレート部材とカソード給電体との間に亘って一体に介装され、前記カソードセパレータから前記カソード給電体に電気的に連なる導電通路を有する導電シートを備えている。

このため、導電通路を構成する部品間において、導電シートの厚さ分だけ接触面積が増加し、接触面の変質等による影響を受け難くすることができる。これにより、接触面の変化に影響されることがなく、弾性部材の劣化を抑制するとともに、安定した導電通路を確実に設けることができる。

特開２０１２−８７４０３号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成で、所望の導電通路を形成するとともに、導電シートの劣化を可及的に抑制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、高圧水電解セルを備え、前記高圧水電解セルは、電解質膜を有するとともに、前記電解質膜の両側には、アノード給電体及びカソード給電体が設けられている。

アノード給電体に対向してアノードセパレータが配置され、前記アノードセパレータには、該アノード給電体を収容するアノード室が設けられるとともに、供給される水を電気分解して酸素が発生されている。カソード給電体に対向してカソードセパレータが配置され、前記カソードセパレータには、該カソード給電体を収容するカソード室が設けられるとともに、水の電気分解により酸素よりも高圧な水素が発生されている。カソード給電体とカソードセパレータとの間には、積層方向に荷重を付与する弾性部材が配置されている。

高圧水電解セルには、アノード給電体及びカソード給電体の中央部を貫通して水素を流通させる水素連通孔が形成されている。複数の高圧水電解セルが積層されるとともに、積層方向に締結されることにより、差圧式高圧水電解装置が構成されている。

そして、差圧式高圧水電解装置は、通電部材、シール部材、導電シート及び絶縁部材を備えている。通電部材は、水素連通孔を形成し且つカソードセパレータと電解質膜との間に配置され、シール部材は、カソード室を周回シールして配置されている。導電シートは、通電部材と電解質膜との間からカソード給電体と弾性部材との間に一体に延在して配置されている。絶縁部材は、カソード給電体の中央部に、導電シートと電解質膜との間に位置して配置されている。

また、この差圧式高圧水電解装置では、導電シートは、弾性部材が当接するシム機能部を一体に有することが好ましい。

さらに、この差圧式高圧水電解装置では、弾性部材は、金属ばねであることが好ましい。

さらにまた、この差圧式高圧水電解装置では、弾性部材は、ゴム部材であり、導電シートには、前記弾性部材によりシールされる部位に対応して貫通孔が形成されることが好ましい。

本発明によれば、カソードセパレータから通電部材、導電シート及びカソード給電体に電気的に連なる導電通路が形成されている。このため、導電通路を拡張させることができ、通電抵抗を抑制することが可能になる。しかも、導電シートと電解質膜との間には、絶縁部材が配置されている。従って、高圧圧縮される部位の強度を増加させることができ、高圧圧縮による電解質膜への影響を回避することが可能になるとともに、導電シートの脆化を抑制することができる。

これにより、簡単な構成で、所望の導電通路を形成するとともに、電解質膜及び導電シートの劣化を可及的に抑制することができる。

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を構成する高圧水電解セルの分解斜視説明図である。 前記高圧水電解セルの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解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の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１０は、複数の高圧水電解セル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。

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間が一体的に締め付け保持され、積層方向に締結される。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及び図３に示すように、高圧水電解セル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、高圧水電解セル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。

高圧水電解セル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、高圧水素連通孔３８ｃが設けられる（図２及び図３参照）。高圧水素連通孔３８ｃは、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。

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もよい。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％〜５０％、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が嵌め込まれる。枠部４２ｅは、アノード給電体４２よりも緻密に構成する。なお、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、前記外周部を枠部４２ｅとすることもできる。

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、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、外周位置が後述する第７シール溝６５ｇの外周位置近傍まで延在する。

保護シート部材５２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複数の第１貫通孔５２ａと、前記第１貫通孔５２ａの外方に設けられる複数の第２貫通孔５２ｂとを有する。第１貫通孔５２ａの配置密度は、第２貫通孔５２ｂの配置密度よりも大きく、前記第１貫通孔５２ａの開口径は、前記第２貫通孔５２ｂａの開口径よりも大きい。

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、弾性部材、例えば、板ばね５８を備えるとともに、前記板ばね５８は、金属製の板ばねホルダ（シム部材）６０を介してカソード給電体４４に荷重を付与する。カソード室５４は、水素排出通路４８ｃを介して高圧水素連通孔３８ｃに連通する。なお、弾性部材としては、板ばね５８の他、皿ばねやコイルスプリング等を使用することができる。

カソードセパレータ３６の中央部には、固体高分子電解質膜４０と前記カソードセパレータ３６との間に配置されるとともに、高圧水素連通孔３８ｃが形成される通電部（通電部材）３６ｅが一体に設けられる。なお、通電部３６ｅは、カソードセパレータ３６とは別体に構成し、前記カソードセパレータ３６と固体高分子電解質膜４０との間に配置してもよい。

通電部３６ｅと固体高分子電解質膜４０との間からカソード給電体４４と板ばねホルダ６０（板ばね５８）との間に一体に延在して、導電シート６２が配置される。導電シート６２は、例えば、チタン、ＳＵＳ又は鉄等の金属シートにより構成されるとともに、リング形状を有し、カソード給電体４４と略同一の直径に設定される。

カソード給電体４４の中央部には、導電シート６２と固体高分子電解質膜４０との間に位置して絶縁部材、例えば、樹脂シート６３が配置される。樹脂シート６３は、通電部３６ｅの直径よりも僅かに大径な円盤状を有し、カソード給電体４４の内周面に嵌合する。樹脂シート６３は、カソード給電体４４と略同一の厚さに設定される。樹脂シート６３としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やポリイミドフィルム等が使用される。

図３に示すように、高圧水電解セル１２には、カソードセパレータ３６から通電部３６ｅ、導電シート６２及びカソード給電体４４に電気的に連なる第１導電通路６４ａが形成される。高圧水電解セル１２には、さらにカソードセパレータ３６から板ばね５８、板ばねホルダ６０、導電シート６２及びカソード給電体４４に電気的に連なる第２導電通路６４ｂが形成される。

図２及び図３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６５ａ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６５ｂが形成される。第１シール溝６５ａには、第１シール部材６６ａが配置される一方、第２シール溝６５ｂ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６５ｃが形成され、前記第３シール溝６５ｃ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６５ｄが形成され、前記第４シール溝６５ｄには、第４シール部材６６ｄが配置される。

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６５ｅ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６５ｆが形成される。第５シール溝６５ｅには、第５シール部材６６ｅが配置される一方、第６シール溝６５ｆ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の外方を周回して第７シール溝６５ｇが形成される。第７シール溝６５ｇには、第７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。

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７４ａ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３に示すように、各高圧水電解セル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３に示すように、高圧水電解セル１２には、カソードセパレータ３６から通電部３６ｅ、導電シート６２及びカソード給電体４４に電気的に連なる第１導電通路６４ａが形成されている。このため、高圧水電解セル１２内の導電通路を拡張させることができ、通電抵抗を抑制することが可能になる。

さらに、高圧水電解セル１２には、カソードセパレータ３６から板ばね５８、板ばねホルダ６０、導電シート６２及びカソード給電体４４に電気的に連なる第２導電通路６４ｂが形成されている。従って、通電部分における十分な接触面積を確保することができ、通電抵抗の抑制が一層良好に遂行される。

しかも、導電シート６２と固体高分子電解質膜４０との間には、樹脂シート６３が配置されている。これにより、高圧圧縮される部位である通電部３６ｅに当接する部位の強度を増加させることができ、高圧圧縮による固体高分子電解質膜４０への影響を回避することが可能になるとともに、導電シート６２の脆化を抑制することができる。このため、簡単な構成で、所望の第１導電通路６４ａ及び第２導電通路６４ｂを形成するとともに、固体高分子電解質膜４０及び導電シート６２の劣化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８０を構成する高圧水電解セル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。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。

高圧水電解セル８２は、リング形状を有し、カソード給電体４４と略同一の直径に設定されるとともに、第１の実施形態の導電シート６２よりも肉厚な導電シート８４を備える。導電シート８４は、通電部３６ｅと固体高分子電解質膜４０との間からカソード給電体４４と板ばね５８との間に一体に延在して配置される。

導電シート８４は、第１の実施形態の板ばねホルダ６０の厚さ分だけ肉厚に設定され、前記導電シート８４に板ばね５８が直接当接する。導電シート８４は、板ばね５８が配置されるシム機能部８４ａを有する。

高圧水電解セル８２には、カソードセパレータ３６から通電部３６ｅ、導電シート８４及びカソード給電体４４に電気的に連なる第１導電通路８６ａが形成される。高圧水電解セル８２には、さらにカソードセパレータ３６から板ばね５８、導電シート８４及びカソード給電体４４に電気的に連なる第２導電通路８６ｂが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、導電シート８４は、シム機能部８４ａを一体化して相当に肉厚に設定されており、一層の抵抗低減が図られる。その上、板ばねホルダ６０が不要になり、部品点数を削減することができ、構成を簡素化することが可能になる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置９０を構成する高圧水電解セル９２の要部断面説明図を示す。

高圧水電解セル９２は、リング形状を有し、カソード給電体４４と略同一の直径に設定される導電シート９４を備える。導電シート９４は、通電部３６ｅと固体高分子電解質膜４０との間からカソード給電体４４とホルダ９６との間に一体に延在して配置される。導電シート９４は、水素ガス及び水を透過可能な微細な孔部を有する多孔質に構成される。

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９８が配置される。荷重付与機構９８は、ホルダ９６と、弾性部材、例えば、複数のゴム部材１００とを備える。ホルダ９６は、リング板状を有するとともに、前記ホルダ９６の中心から同心円状に複数のリング状の溝部１０２が形成される。各溝部１０２の底部には、厚さ方向に貫通する水素導入用孔部１０４が形成される。各溝部１０２には、ゴム部材１００が配設されるとともに、前記ゴム部材１００は、ホルダ９６の面から突出してカソードセパレータ３６の内面に当接する。

高圧水電解セル９２には、カソードセパレータ３６から通電部３６ｅ、導電シート９４及びカソード給電体４４に電気的に連なる導電通路１０６が形成される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、弾性部材であるゴム部材１００は、劣化することが抑制されるため、低コスト化が容易に図られる。

１０、８０、９０…高圧水電解装置 １２、８２、９２…高圧水電解セル
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 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…保護シート部材
５４…カソード室 ５６、９８…荷重付与機構
５８…板ばね ６０…板ばねホルダ
６２、８４、９４…導電シート ６３…樹脂シート
６４ａ、６４ｂ、８６ａ、８６ｂ、１０６…導電通路
６６ａ〜６６ｇ…シール部材 ８４ａ…シム機能部
９６…ホルダ １００…ゴム部材

Claims (4)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の両側に設けられるアノード給電体及びカソード給電体と、
   前記アノード給電体に対向して配置され、該アノード給電体が収容されるアノード室を設けるとともに、供給される水を電気分解して酸素が発生されるアノードセパレータと、
   前記カソード給電体に対向して配置され、該カソード給電体が収容されるカソード室を設けるとともに、前記水の電気分解により前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソードセパレータと、
   前記カソード給電体と前記カソードセパレータとの間に配置され、積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
   を有し、前記アノード給電体及び前記カソード給電体の中央部を貫通して前記水素を流通させる水素連通孔が形成される高圧水電解セルを備え、複数の前記高圧水電解セルが積層されるとともに、積層方向に締結される差圧式高圧水電解装置であって、
   前記水素連通孔を形成し且つ前記カソードセパレータと前記電解質膜との間に配置される通電部材と、
   前記カソード室を周回シールして配置されるシール部材と、
   前記通電部材と前記電解質膜との間から前記カソード給電体と前記弾性部材との間に一体に延在して配置される導電シートと、
   前記カソード給電体の中央部に、前記導電シートと前記電解質膜との間に位置して配置される絶縁部材と、
   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、前記導電シートは、前記弾性部材が当接するシム機能部を一体に有することを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
3. 請求項１又は２記載の差圧式高圧水電解装置において、前記弾性部材は、金属ばねであることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
4. 請求項１又は２記載の差圧式高圧水電解装置において、前記弾性部材は、ゴム部材であり、
   前記導電シートには、前記弾性部材によりシールされる部位に対応して貫通孔が形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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