JP6382886B2 - 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。

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。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の外部に排出される。

この種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。このような差圧式高圧水電解装置において、アノード側とカソード側との差圧によって固体高分子電解質膜が電極触媒層に圧接する際、固体高分子電解質膜が破損するおそれがある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている差圧式高圧水電解装置が知られている。この差圧式高圧水電解装置では、アノード側給電体と固体高分子電解質膜との間には、多数の貫通孔が形成された保護シート部材が介装されている。従って、簡単な構成で固体高分子電解質膜の破損を可及的に阻止できる、としている。

特開２０１０−１８９７０８号公報

このように特許文献１の差圧式高圧水電解装置によれば、固体高分子電解質膜の破損を可及的に阻止できるものの、さらに大きな差圧がかかった状態での運転や、耐久性向上を考慮すると、さらなる改善の余地がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、高圧運転における電解質膜の破損を良好に抑制し、電解質膜の耐久性を向上させることができる差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極を設けてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記アノード電極側に配置されたアノード給電体と、前記電解質膜・電極構造体の前記カソード電極側に配置されたカソード給電体と、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向の一方側に配置され、前記電解質膜との間に前記アノード給電体を配置し、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室を設けるアノードセパレータと、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向の他方側に配置され、前記電解質膜との間に前記カソード給電体を配置し、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室を設けるカソードセパレータと、を備えた差圧式高圧水電解装置であって、前記電解質膜と前記アノード給電体との間には、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、前記貫通孔には、導電性を有する粉体が配置されていることを特徴とする。

上記の構成を採用した本発明の差圧式高圧水電解装置によれば、保護シート部材の貫通孔に導電性を有する粉体が配置されているため、高圧運転においても貫通孔に電解質膜が落ち込むことが抑制され、これにより、電解質膜が破損することを良好に抑制することができる。従って、電解質膜の耐久性を向上させることができる。また、粉体間には空隙が形成されるため、水供給性及びガス透過性も良好に確保することができる。

上記の差圧式高圧水電解装置において、前記粉体は、前記アノード給電体と同類の材料を含むことが好ましい。

この構成により、異種素材接触による電位差発生を抑制することができるため、電解反応の妨害による発電効率低下を抑制することができる。

上記の差圧式高圧水電解装置において、前記粉体は、前記アノード電極と同類の材料を含むことが好ましい。

この構成により、アノード電極とアノード給電体との距離を実質的に縮めることができるため、導電性能を向上させることができる。

上記の差圧式高圧水電解装置において、前記粉体の粒径は、前記アノード給電体を構成する焼結体の粒子の粒径よりも小さいことが好ましい。

この構成により、毛細管現象によりアノード給電体側から水を吸引してアノード電極に水を良好に導くことができるため、電解性能を良好に維持することができる。

上記の差圧式高圧水電解装置において、前記粉体間に形成される空隙の孔径は、前記アノード給電体に形成される孔部の孔径よりも小さいことが好ましい。

この構成により、毛細管現象によりアノード給電体側から水を吸引してアノード電極に水を良好に導くことができるため、電解性能を良好に維持することができる。

本発明の差圧式高圧水電解装置によれば、保護シート部材の貫通孔に導電性を有する粉体が配置されているため、高圧運転における電解質膜の破損を確実に防止し、電解質膜の耐久性を向上させることができる。

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。 図１に示す差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの断面説明図である。 保護シート部材の拡大説明図である。

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、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間を一体的に積層方向に締め付け保持する。差圧式高圧水電解装置１０は、複数の高圧水電解セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重が付与された状態で、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、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。

高圧水電解セル１２の外周縁部には、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。高圧水電解セル１２の外周縁部には、水供給連通孔３８ａと対角の位置に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。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３４は、固体高分子電解質膜４０の膜厚方向（矢印Ａ方向）の一方側に設けられて積層される。カソードセパレータ３６は、固体高分子電解質膜４０の膜厚方向の他方側に設けられて積層される。

アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、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される。なお、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、平板状に構成してもよい。

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により挟持されるとともに、外周部がアノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６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（平膜）又はフッ素系の膜（平膜）により構成されるとともに、アノード給電体４２及びカソード給電体４４よりも所定の寸法だけ大径に設定される。

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（アノード電極）４１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（カソード電極）４３が設けられる。アノード電極触媒層４１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４３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は、カソード給電体４４よりも所定の寸法だけ大径に設定される。

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、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。

アノード室４６には、アノード給電体４２が配置される。また、高圧により固体高分子電解質膜４０が膜厚方向に押圧された際の固体高分子電解質膜４０の伸びを均一にするため、アノード室４６には、アノード給電体４２及び固体高分子電解質膜４０間に介装されるリング状の保護シート部材５２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、アノード給電体４２と同一の外径寸法に設定される。保護シート部材５２には、複数の貫通孔５２ａが形成される。

この保護シート部材５２は、例えば、チタンシートで構成され、厚さが、例えば、２０μｍ〜５００μｍの範囲内に設定される。チタンシートの表面粗さとしては、例えば、６．３μｍ以下、好ましくは、３．２μｍ以下に設定される。このチタンシートは、好ましくは、冷間圧延により成形される。貫通孔５２ａの分布幅は、アノード給電体４２の孔部の分布幅よりも小さく設定される。

図３に示すように、貫通孔５２ａは、固体高分子電解質膜４０に向かって縮径するテーパ形状を有する。貫通孔５２ａは、水供給性及び酸素抜け性を向上させ得るように、アノード給電体４２側の開口径が、例えば、１７０μｍ〜２５０μｍの範囲内に設定される。貫通孔５２ａは、エッチング、ドリル、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により形成される。なお、貫通孔５２ａは、保護シート部材５２の膜厚方向に径が一定のストレート形状を有してもよい。

各貫通孔５２ａには、導電性を有する複数個の粉体６２が配置（充填）される。貫通孔５２ａに配置された粉体６２間（及び貫通孔５２ａを形成する内壁と粉体６２との間）には、水及び酸素が流通可能な空隙が形成される。従って、差圧式高圧水電解装置１０の運転時において、水はアノード給電体４２側から貫通孔５２ａを介してアノード電極触媒層４１へと支障なく到達することができ、アノード電極触媒層４１で生成された酸素は貫通孔５２ａを介してアノード給電体４２側へと支障なく流動することができる。

貫通孔５２ａにおけるアノード給電体４２側の領域に配置された粉体６２は、アノード給電体４２と接触している。また、貫通孔５２ａにおけるアノード電極触媒層４１側の領域に配置された粉体６２は、アノード電極触媒層４１と接触している。

本実施形態において、粉体６２は、アノード給電体４２と同類の材料を含み、又は、アノード電極触媒層４１と同類の材料を含む。粉体６２がアノード給電体４２と同類の材料を含む場合、粉体６２は、アノード給電体４２を構成する材料と同一種類の材料を含めばよい。従って、粉体６２は、材料の配合比がアノード給電体４２と異なっていてもよく、アノード給電体４２と同類の材料を含む粉体６２に表面処理等が施されていてもよい。粉体６２は、アノード給電体４２と同じ材料で構成されてもよい。

また、粉体６２がアノード電極触媒層４１と同類の材料を含む場合、粉体６２は、アノード電極触媒層４１を構成する材料と同一種類の材料を含めばよい。従って、粉体６２は、材料の配合比がアノード電極触媒層４１と異なっていてもよく、アノード電極触媒層４１と同類の材料を含む粉体６２に表面処理等が施されていてもよい。粉体６２は、アノード電極触媒層４１と同じ材料で構成されてもよい。

図３に示すように、本実施形態では、粉体６２の粒径（大きさ）は、アノード給電体４２を構成する焼結体の粒子４２ａの粒径（大きさ）よりも小さい。このため、粉体間６２に形成される空隙の孔径は、アノード給電体４２に形成される孔部（粒子４２ａ間に形成される空隙）の孔径よりも小さい。なお、粉体６２の粒径は、アノード給電体４２の粒子４２ａの粒径と同等、あるいは、粒子４２ａの粒径より大きくてもよい。

このような粉体６２が貫通孔５２ａに充填された保護シート部材５２を得るには、固体高分子電解質膜４０にアノード電極触媒層４１を例えば転写等により積層した後、アノード電極触媒層４１に、貫通孔５２ａが形成された保護シート部材５２を積層する。そして、保護シート部材５２上に粉体６２を散布し、保護シート部材５２表面をスキージすることにより、貫通孔５２ａに粉体６２が充填される。

図２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と、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とが配置される。

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、水素流路部材６０を介してカソード給電体４４に荷重を付与する。水素流路部材６０には、水素流路６０ａが設けられる。水素流路６０ａ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。

アノードセパレータ３４とカソードセパレータ３６との間には、水供給連通孔３８ａを周回するシール部材（ガスケット）６６ａ及び水排出連通孔３８ｂを周回するシール部材（ガスケット）６６ｂが介装される。アノードセパレータ３４の中央部位と固体高分子電解質膜４０の中央部位との間には、高圧水素連通孔３８ｃを周回するシール部材（ガスケット）６８ａが介装される。カソードセパレータ３６の中央部位と固体高分子電解質膜４０の中央部位との間には、高圧水素連通孔３８ｃを周回するシール部材（ガスケット）６８ｂが介装される。

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、カソード室５４を周回してシール部材（ガスケット）６６が配設される。シール部材７０は、固体高分子電解質膜４０に当接する。

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７２ａ、７２ｂ及び７２ｃが接続される。配管７２ｃ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７２ａ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の供給通路４８ａを通って水流路部材５０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。

そして、水は、保護シート部材５２の貫通孔５２ａを介してアノード電極触媒層４１へと到達する。従って、水は、アノード電極触媒層４１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４３側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

これにより、カソード給電体４４の内部から水素流路部材６０の水素流路６０ａ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、水素排出通路４８ｃから高圧水素連通孔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は、保護シート部材５２の貫通孔５２ａを介してアノード給電体４２側へと流動する。そして、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、本実施形態では、図３に示したように、高圧により押圧された際の固体高分子電解質膜４０の伸びを均一にするための保護シート部材５２の貫通孔５２ａに、導電性を有する粉体６２が配置されている。このため、差圧式高圧水電解装置１０の高圧運転においても貫通孔５２ａに固体高分子電解質膜４０が落ち込むことが抑制される。

すなわち、貫通孔５２ａ内に配置された粉体６２によって、アノード電極触媒層４１を介して、貫通孔５２ａに対応する部位の固体高分子電解質膜４０が支持される。これにより、固体高分子電解質膜４０が破損することを良好にあるいは確実に抑制することができる。従って、固体高分子電解質膜４０の耐久性を向上させることができる。また、貫通孔５２ａ内において隣接する粉体６２間には空隙が形成されるため、水供給性及びガス透過性（酸素抜け性）も良好に確保することができる。

また、本実施形態では、粉体６２は、アノード給電体４２又はアノード電極触媒層４１と同類の材料を含む。従って、粉体６２がアノード給電体４２と同類の材料を含む場合、異種素材接触による電位差発生（局部的な電池形成）を抑制することができるため、電解反応の妨害による発電効率低下を抑制することができる。一方、粉体６２がアノード電極触媒層４１と同類の材料を含む場合、粉体６２もアノード電極触媒層４１の一部を構成し、アノード電極触媒層４１とアノード給電体４２との距離を実質的に縮めることができる。従って、導電性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、粉体６２の粒径は、アノード給電体４２を構成する焼結体の粒子４２ａの粒径よりも小さい。また、粉体６２間に形成される空隙の孔径は、アノード給電体４２に形成される孔部の孔径よりも小さい。従って、毛細管現象によりアノード給電体４２側から水を吸引してアノード電極触媒層４１に水を良好に導くことができるため、電解性能を良好に維持することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…差圧式高圧水電解装置 １２…高圧水電解セル
１４…積層体 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
４１…アノード電極触媒層 ４２…アノード給電体
４３…カソード電極触媒層 ４４…カソード給電体
４６…アノード室 ５０…水流路部材
５０ａ…水流路 ５２…保護シート部材
５２ａ…貫通孔 ５４…カソード室
６０…水素流路部材 ６０ａ…水素流路
６２…粉体

Claims (6)

1. 電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極を設けてなる電解質膜・電極構造体と、
   前記電解質膜・電極構造体の前記アノード電極側に配置されたアノード給電体と、
   前記電解質膜・電極構造体の前記カソード電極側に配置されたカソード給電体と、
   前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向の一方側に配置され、前記電解質膜との間に前記アノード給電体を配置し、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室を設けるアノードセパレータと、
   前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向の他方側に配置され、前記電解質膜との間に前記カソード給電体を配置し、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室を設けるカソードセパレータと、
   を備えた差圧式高圧水電解装置であって、
   前記電解質膜と前記アノード給電体との間には、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、
   前記貫通孔には、導電性を有する粉体が、前記保護シート部材の膜厚の全体にわたって充填されている、
   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、
   前記粉体は、前記アノード給電体と同類の材料を含む、
   ことを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
3. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、
   前記粉体は、前記アノード電極と同類の材料を含む、
   ことを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
4. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、
   前記粉体の粒径は、前記アノード給電体を構成する焼結体の粒子の粒径よりも小さい、
   ことを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
5. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、
   前記粉体間に形成される空隙の孔径は、前記アノード給電体に形成される孔部の孔径よりも小さい、
   ことを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
6. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、
   前記保護シート部材の前記アノード給電体と接触する面側で、前記アノード給電体とは別部材として構成された前記粉体が、前記アノード給電体の表面に接触している、差圧式高圧水電解装置。

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