JP6129809B2 - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

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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。
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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(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、給電体を配設して水電解セルが構成されている。
そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、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ている。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、カソード給電体で電子と結合して水素が製造されている。一方、アノード側では、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴って水電解装置から排出されている。
この水電解装置として、水の電気分解によりアノード側に酸素を製造する一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を製造する差圧式高圧水電解装置が採用されている。具体的には、固体高分子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、水を供給する水流路が形成されている。そして、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路が形成されている。
例えば、特許文献1に開示されている水電解装置では、電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層されている。水電解装置には、電解用水を各単位セルの水流路に供給するための水供給連通孔が、積層方向に延在して形成されるとともに、電解後の前記水を前記水流路から排出するための水排出連通孔が、前記積層方向に延在している。
そこで、アノード側セパレータには、水供給連通孔と水流路とを連通する複数の入口連結流路と、排出連通孔に連通する複数の出口連結流路とが設けられている。
特開2011−127209号公報
ところで、カソード側セパレータには、カソード給電体を収容するカソード室が形成されており、前記カソード室に高圧水素が生成されている。このため、カソード室や水素流路を形成する部材には、耐圧性が要求されている。
その際、カソード側セパレータには、例えば、高圧部位を周回するシール部材を設けることにより、高圧雰囲気から分離されて耐圧性が不要な部分も存在している。しかしながら、カソード側セパレータ全体を耐圧材料で加工する場合があり、コストが高騰して経済的では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、簡単な構成で、高圧部位を確実にシールするとともに、耐圧材料を可及的に削減することができ、経済的に製造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、複数の高圧水電解セルを備えている。高圧水電解セルは、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード給電体及びカソード給電体と、平板状アノードセパレータと平板状カソードセパレータとを備えている。平板状アノードセパレータは、アノード給電体が収容されるアノード室を設ける一方、平板状カソードセパレータは、カソード給電体が収容されるカソード室を設けている。カソード室には、カソード給電体を周回してシール部材が配置されている。
この差圧式高圧水電解装置は、供給される水を電気分解し、アノード給電体側に酸素を発生させ且つカソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解セルを備えている。そして、複数の高圧水電解セルが積層されるとともに、シール部材が、高圧な水素を前記高圧水電解セルの積層方向に流通させる高圧水素連通孔周回するように設けられている。
平板状アノードセパレータと平板状カソードセパレータとの間には、シール部材及びアノード給電体を囲繞して樹脂枠部材が配置されている。樹脂枠部材には、電気分解用の水を導入する水供給口及び電気分解後の余剰の前記水を導出する水排出口が形成されている。
また、樹脂枠部材の内周面には、平板状水プレートが配置されることが好ましい。その際、平板状水プレートには、水供給口と水排出口とに連通し、水を該平板状水プレート内に沿って流通させる水流路と、前記水流路に連通し、該水をアノード給電体に供給する複数の孔部と、が形成されることが好ましい。
さらに、平板状水プレートには、水供給口及び水排出口に向かって水プレート面方向外方に突出する凸状部が形成されるとともに、前記凸状部には、水プレート厚さ方向に膨出する突起部が設けられることが好ましい。
さらにまた、樹脂枠部材と平板状アノードセパレータとの間には、第1シール部材が設けられる一方、前記樹脂枠部材と平板状カソードセパレータとの間には、第2シール部材が設けられることが好ましい。その際、第1シール部材と第2シール部材とは、同一の荷重が付与されるように配置されることが好ましい。
本発明によれば、平板状アノードセパレータ及び平板状カソードセパレータを用いることにより、セパレータ加工作業が簡素化し、製造コストが容易に削減される。しかも、高圧雰囲気に晒されない部分には、樹脂枠部材が配設されている。従って、材料費が良好に削減されるため、低コスト化が容易に図られる。
これにより、簡単な構成で、高圧部位を確実にシールするとともに、耐圧材料を可及的に削減することができる。このため、差圧式高圧水電解装置全体を経済的に製造することが可能になる。
本発明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。 前記高圧水電解セルを構成する樹脂枠部材の底面側からの平面説明図である。 前記樹脂枠部材及び水プレート部材の上面からの平面説明図である。 前記水プレート部材の分解斜視説明図である。 前記樹脂枠部材及び前記水プレート部材の一部斜視説明図である。
図1に示すように、本発明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、押圧機構、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30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する平板状のアノードセパレータ32及び平板状のカソードセパレータ34とを備える。アノードセパレータ32とカソードセパレータ34との間には、電解質膜・電極構造体30及びシール部材(後述する)を囲繞して樹脂枠部材36が配置される。
樹脂枠部材36は、略リング形状(ドーナツ形状)を有するとともに、所定の肉厚hを有する。図3及び図4に示すように、樹脂枠部材36のアノードセパレータ32に向かう面36aには、第1シール部材37a1、37a2が設けられる。第1シール部材37a1は、樹脂枠部材36の外周縁部を周回する一方、第1シール部材37a2は、前記樹脂枠部材36の内周縁部を周回する。
図2、図3及び図5に示すように、樹脂枠部材36のカソードセパレータ34に向かう面36bには、第2シール部材37b1、37b2が設けられる。第2シール部材37b1は、樹脂枠部材36の外周縁部を周回する一方、第2シール部材37b2は、前記樹脂枠部材36の内周縁部を周回する。
差圧式高圧水電解装置10の運転時に、第1シール部材37a1の荷重と第1シール部材37a2の荷重との和は、第2シール部材37b1の荷重と第2シール部材37b2の荷重との和に等しい。すなわち、第1シール部材37a1、37a2と第2シール部材37b1、37b2とには、積層方向に同一の荷重が付与される。
樹脂枠部材36の直径方向両端には、直径方向外方に膨出して膨出部36ta、36tbが形成される。樹脂枠部材36の膨出部36ta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。樹脂枠部材36の膨出部36tbには、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。
図3及び図4に示すように、樹脂枠部材36の膨出部36taの近傍には、水供給連通孔38aに切り欠き部39aを介して連通し、水を導入する水供給口40aが形成される。樹脂枠部材36の膨出部36tbの近傍には、水排出連通孔38bに切り欠き部39bを介して連通し、電気分解後の水(余剰の水)を導出する水排出口40bが形成される。
図1に示すように、積層方向最下位に配置される樹脂枠部材36の側部には、水供給連通孔38aに連通する水供給配管42aが接続される。積層方向最上位に配置される樹脂枠部材36の側部には、水排出連通孔38bに連通する水排出配管42bが接続される。
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〜80MPa)を排出する。
アノードセパレータ32及びカソードセパレータ34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32及びカソードセパレータ34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30は、略リング形状を有する固体高分子電解質膜(電解質膜)44を備える。固体高分子電解質膜44は、リング形状を有する電解用のアノード給電体46及びカソード給電体48により挟持される。固体高分子電解質膜44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44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44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46aが設けられる。固体高分子電解質膜44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48aが形成される。アノード電極触媒層46a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48aは、例えば、白金触媒を使用する。
アノード給電体46及びカソード給電体48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46及びカソード給電体48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46の外周縁部には、枠部46eが嵌め込まれる。枠部46eは、アノード給電体46よりも緻密に構成される。なお、アノード給電体46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46eとすることもできる。
アノードセパレータ32は、アノード給電体46が収容されるアノード室50anを設ける一方、カソードセパレータ34は、カソード給電体48が収容されるカソード室50caを設ける。
アノードセパレータ32とアノード給電体46との間(アノード室50an)には、平板状の水プレート部材52が介装されるとともに、前記アノード給電体46とアノード電極触媒層46aとの間には、保護シート部材54が介装される。水プレート部材52は、略円板形状を有する(図2参照)。図6に示すように、水プレート部材52は、複数枚、例えば、3枚のドーナツ形状プレートである第1プレート52a、第2プレート52b及び第3プレート52cが互いに積層されて構成される。
第1プレート52aは、円板形状の直径方向両端に突出部56a、56bを有する。突出部56aには、水供給口40aに連通する供給連結路58aが形成されるとともに、前記供給連結路58aは、複数本の分岐部が円弧状の流路部に一体に接続される。突出部56bには、水排出口40bに連通する排出連結路58bが形成されるとともに、前記排出連結路58bは、複数本の分岐部が円弧状の流路部に一体に接続される。
第2プレート52bの外周部には、水供給口40aに向かって突出する一対(又は1つ)の凸状部60aと、水排出口40bに向かって突出する1つ(又は一対)の凸状部60bとが設けられる。第2プレート52bには、両端が供給連結路58a及び排出連結路58bの円弧状の流路部に連通し、互いに略平行して延在する複数本の流路溝(水流路)62が形成される。
第3プレート52cの外周部には、水供給口40aに向かって突出する一対(又は1つ)の凸状部64aと、水排出口40bに向かって突出する1つ(又は一対)の凸状部64bとが設けられる。凸状部64a、64bには、水プレート厚さ方向(矢印A方向)に膨出する突起部66a、66bが設けられる。
図2及び図5に示すように、一対の凸状部64aの間隔は、水供給口40aを形成する内壁間の幅寸法と同一であり、水プレート部材52は、前記内壁間で回り止めされる。凸状部64bは、水排出口40bを形成する一方の内壁面に当接する。
図3に示すように、アノードセパレータ32の内面から樹脂枠部材36の底面までの間隔t1は、前記アノードセパレータ32の内面から凸状部64a、64bの上面までの間隔t2よりも小さい寸法に設定される。凸状部64a、64bは、樹脂枠部材36の端部に当接することにより、水プレート部材52が前記樹脂枠部材36の下方を移動することがない(図7参照)。
第3プレート52cの面には、流路溝62に連通する複数個の孔部68が形成される。孔部68は、アノード給電体46に向かって開口する。
保護シート部材54は、内周がアノード給電体46及びカソード給電体48の内周よりも内方に配置されるとともに、外周位置が固体高分子電解質膜44、アノード給電体46及び水プレート部材52の外周位置と同一位置に設定される。保護シート部材54は、アノード電極触媒層46aの積層方向に対向する範囲(電解領域)に設けられる複数の貫通孔54aを有する。保護シート部材54は、電解領域の外方に枠部54bを有する。枠部54bには、例えば、長方形状の孔部(図示せず)が形成される。
アノードセパレータ32と固体高分子電解質膜44との間には、高圧水素連通孔38cを囲繞する連通孔部材70が配置される。連通孔部材70は、略円柱形状を有し、軸方向両端には、リング状に切り欠いてシール室70a、70bが設けられる。シール室70a、70bには、高圧水素連通孔38cを周回してOリング72a、72bが配置される。連通孔部材70の固体高分子電解質膜44に対向する端面には、保護シート部材54が配置される溝部70sが形成される。
図2及び図3に示すように、カソード室50caには、カソード給電体48及び前記カソード給電体48を固体高分子電解質膜44に押圧させる荷重付与機構74が配置される。荷重付与機構74は、弾性部材、例えば、板ばね76を備えるとともに、前記板ばね76は、金属製の板ばねホルダ(シム部材)78を介してカソード給電体48に荷重を付与する。なお、弾性部材としては、板ばね76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。
カソード給電体48と板ばねホルダ78との間には、導電シート80が配置される。導電シート80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48と略同一の直径に設定される。
カソード給電体48の中央部には、導電シート80と固体高分子電解質膜44との間に位置して絶縁部材、例えば、樹脂シート82が配置される。樹脂シート82は、カソード給電体48の内周面に嵌合する。樹脂シート82は、カソード給電体48と略同一の厚さに設定される。樹脂シート82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。
樹脂シート82とカソードセパレータ34との間には、連通孔部材84が配置される。連通孔部材84は、円筒形状を有し、中央部に高圧水素連通孔38cが形成される。連通孔部材84の軸方向一端には、カソード室50caと高圧水素連通孔38cとを連通する水素排出通路85が形成される。
カソード室50caには、カソード給電体48、板ばねホルダ78及び導電シート80の外周を周回してシール部材(Oリング)86が配置される。シール部材86の外周には、耐圧部材88が配置される。耐圧部材88は、略リング形状を有するとともに、外周部が樹脂枠部材36の内周部に嵌合する。
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、水供給配管42a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から水供給口40aを通って水プレート部材52の複数本の流路溝62に水が供給される。水は、複数個の孔部68からアノード給電体46に供給され、前記アノード給電体46内に移動する。
従って、水は、アノード電極触媒層46a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44を透過してカソード電極触媒層48a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48の内部の水素流路に沿って水素が流動し、前記水素は、水素排出通路85から高圧水素連通孔38cに排出される。水素は、水供給連通孔38aよりも高圧に維持された状態で、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、水排出口40bから水排出連通孔38bに導出され、水排出配管42bを介し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、本実施形態では、平板状のアノードセパレータ32及び平板状のカソードセパレータ34を用いることにより、セパレータ加工作業が簡素化し、高圧水電解セル12の製造コストが容易に削減される。
しかも、高圧雰囲気に晒されない部分には、すなわち、シール部材86及び耐圧部材88により高圧雰囲気から分離された常圧部分には、樹脂枠部材36が配設されている。従って、材料費が良好に削減されるため、高圧水電解セル12の低コスト化が容易に図られる。
これにより、簡単な構成で、高圧部位を確実にシールするとともに、耐圧材料を可及的に削減することができる。このため、差圧式高圧水電解装置10全体を経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。
また、本実施形態では、樹脂枠部材36の内周面には、平板状の水プレート部材52が配置されている。その際、水プレート部材52には、水供給口40aと水排出口40bとに連通し、水を流通させる流路溝62と、前記流路溝62に連通し、該水をアノード給電体46に供給する複数の孔部68と、が形成されている。従って、水プレート部材52は、平板状に構成されるため、前記水プレート部材52の加工作業が有効に簡便化する。
さらに、水プレート部材52には、水供給口40a及び水排出口40bに向かって水プレート面方向外方に突出する凸状部64a、64bが形成されている。そして、凸状部64a、64bには、水プレート厚さ方向に膨出する突起部66a、66bが設けられている。その際、一対の凸状部64aの間隔は、水供給口40aを形成する内壁間の幅寸法と同一であり、凸状部64bは、水排出口40bを形成する一方の内壁面に当接している。これにより、図2及び図5に示すように、水プレート部材52は、樹脂枠部材36に対して回り止めされる。
さらにまた、図3に示すように、アノードセパレータ32の内面から樹脂枠部材36の底面までの間隔t1は、前記アノードセパレータ32の内面から凸状部64a、64bの上面までの間隔t2よりも小さい寸法に設定されている。このため、凸状部64a、64bは、樹脂枠部材36の端部に当接し、水プレート部材52が前記樹脂枠部材36の下方を移動することがない(図7参照)。従って、水漏れの発生を可及的に抑制することが可能になる。
また、図3及び図4に示すように、樹脂枠部材36のアノードセパレータ32に向かう面36aには、第1シール部材37a1、37a2が設けられている。一方、図2、図3及び図5に示すように、樹脂枠部材36のカソードセパレータ34に向かう面36bには、第2シール部材37b1、37b2が設けられている。
その際、第1シール部材37a1、37a2と第2シール部材37b1、37b2とには、同一の荷重が付与されている。これにより、樹脂枠部材36は、高圧が付与された場合でも、撓むことを確実に阻止することができる。
10…差圧式高圧水電解装置 12…高圧水電解セル
14…積層体 28…電解電源
30…電解質膜・電極構造体 32…アノードセパレータ
34…カソードセパレータ 36…樹脂枠部材
37a1、37a2、37b1、37b2…シール部材
38a…水供給連通孔 38b…水排出連通孔
38c…高圧水素連通孔 42a…水供給配管
42b…水排出配管 44…固体高分子電解質膜
46…アノード給電体 48…カソード給電体
50an…アノード室 50ca…カソード室
52…水プレート部材 52a〜52c…プレート
54…保護シート部材 58a…供給連結路
58b…排出連結路
60a、60b、64a、64b…凸状部
62…流路溝 66a、66b…突起部
68…孔部 70、84…連通孔部材
74…荷重付与機構 80…導電シート
82…樹脂シート 86…シール部材
88…耐圧部材

Claims (4)

  1. 電解質膜と、
    前記電解質膜を挟持す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が収容されるアノード室を設ける平板状アノードセパレータと、
    前記カソード給電体が収容されるカソード室を設ける平板状カソードセパレータと、
    前記カソード室に前記カソード給電体を周回して配置されるシール部材と、
    を有し、供給される水を電気分解し、前記アノード給電体側に酸素を発生させ且つ前記カソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させ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、前記シール部材が、前記高圧な水素を前記高圧水電解セルの積層方向に流通させる高圧水素連通孔周回するように設けられる差圧式高圧水電解装置であって、
    前記平板状アノードセパレータと前記平板状カソードセパレータとの間には、前記シール部材及び前記アノード給電体を囲繞して樹脂枠部材が配置されるとともに、
    前記樹脂枠部材には、電気分解用の前記水を導入する水供給口及び電気分解後の余剰の前記水を導出する水排出口が形成され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、前記樹脂枠部材の内周面には、平板状水プレートが配置されるとともに、
    前記平板状水プレートには、前記水供給口と前記水排出口とに連通し、前記水を該平板状水プレート内に沿って流通させる水流路と、
    前記水流路に連通し、該水を前記アノード給電体に供給する複数の孔部と、
    が形成されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
  3. 請求項2記載の差圧式高圧水電解装置において、前記平板状水プレートには、前記水供給口及び前記水排出口に向かって水プレート面方向外方に突出する凸状部が形成されるとともに、
    前記凸状部には、水プレート厚さ方向に膨出する突起部が設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の差圧式高圧水電解装置において、前記樹脂枠部材と前記平板状アノードセパレータとの間には、第1シール部材が設けられる一方、前記樹脂枠部材と前記平板状カソードセパレータとの間には、第2シール部材が設けられ、
    前記第1シール部材と前記第2シール部材とは、同一の荷重が付与されるように配置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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