JP6426654B2 - 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。その際、アノードセパレータとカソードセパレータとの間で固体高分子電解質膜が挟持される場合、特に高圧シール部の外周では、前記固体高分子電解質膜が高圧で圧縮されている。従って、固体高分子電解質膜は、高圧圧縮により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、シール部材の外周には、締結によりアノードセパレータとカソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、絶縁性補強部材が配置されている。そして、絶縁性補強部材は、平膜部材（電解質膜）よりも圧縮強度が高く設定されている。

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、高圧圧縮により平膜部材が損傷することを容易且つ確実に抑制することが可能になるとともに、水電解運転を良好に継続することができる、としている。

特開２０１６−４４３５３号公報

本発明は、この種の技術的思想に関連してなされたものであり、高圧圧縮により電解質膜が損傷することを容易且つ確実に抑制するとともに、特に前記電解質膜と絶縁性補強部材との間のシール性を確実に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、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ている。高圧水電解セルは、電解質膜、前記電解質膜の両側に設けられるアノード給電体とカソード給電体、アノードセパレータ及びカソードセパレータとを備えている。

アノードセパレータは、アノード給電体に対向して配置されるとともに、供給される水を電気分解して酸素が発生されるアノード室を設けている。カソードセパレータは、カソード給電体に対向して配置されるとともに、水の電気分解により酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード室を設けている。

差圧式高圧水電解装置では、電解質膜の外周には、締結によりアノードセパレータとカソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、前記電解質膜よりも圧縮強度の高い絶縁性補強部材が配置されている。そして、積層方向に沿って電解質膜と絶縁性補強部材とが重なる部位は、エポキシ基を含有している接着剤により接合されている。

さらに、この差圧式高圧水電解装置では、接着剤は、硬化した状態で、積層方向に３０μｍ以上の厚さを有していることが好ましい。

さらにまた、この差圧式高圧水電解装置では、接着剤は、フッ素系を主骨格としていることが好ましい。

また、この差圧式高圧水電解装置では、電解質膜と絶縁性補強部材とが重なる部位には、シール部材が重なり合っていることが好ましい。

本発明によれば、締結によりアノードセパレータとカソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、電解質膜よりも圧縮強度が高い絶縁性補強部材が配置されている。このため、高圧圧縮により電解質膜が損傷することを容易且つ確実に抑制することが可能になるとともに、水電解運転を良好に継続することができる。

しかも、積層方向に沿って電解質膜と絶縁性補強部材とが重なる部位は、接着剤により接合されている。従って、電解質膜と絶縁性補強部材との重なり部位で、前記電解質膜が圧縮されて膜厚が低減した際にも、前記重なり部位の接合強度が維持されており、長期間に亘ってシール性を確実に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を構成する高圧水電解セルの断面説明図である。 接着剤の厚さと接合強度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの断面説明図である。

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、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。

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。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と、前記アノード給電体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、前記アノード給電体４２と同一の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。

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、前記水素流路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。

固体高分子電解質膜４０は、カソード室５４内に収容される径寸法に設定される。固体高分子電解質膜４０の外周縁部と積層方向に部分的に重なり合って（重なり部分を有して）、絶縁性補強部材、例えば、樹脂シート部材６２が配置される。樹脂シート部材６２の内周縁部と固体高分子電解質膜４０の外周縁部との重なり部位は、接着剤６４により接合されるとともに、前記樹脂シート部材６２は、アノードセパレータ３４とカソードセパレータ３６との間に挟持される。なお、樹脂シート部材６２は、アノードセパレータ３４とカソードセパレータ３６とに直接挟持されない構成を採用してもよい。

樹脂シート部材６２は、絶縁性の他、強度及び耐酸性を有し、固体高分子電解質膜４０よりも圧縮強度が高い材料により構成される。樹脂シート部材６２としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミドフィルム、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等が使用される。

接着剤６４は、エポキシ基を含有しているエポキシ樹脂系接着剤であり、フッ素系を主骨格としている。接着剤６４は、硬化した状態で、積層方向に３０μｍ以上の厚さを有している。

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）７０が配設される。シール部材７０は、樹脂シート部材６２の内周縁部と固体高分子電解質膜４０の外周縁部との重なり部位に配置され、前記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。

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、固体高分子電解質膜４０の外周縁部と積層方向に一部が重なり合って、前記固体高分子電解質膜４０よりも圧縮強度の高い樹脂シート部材６２が配置されている。このため、高圧圧縮される部位の強度を増加させることができ、高圧圧縮により固体高分子電解質膜４０が損傷することを容易且つ確実に抑制することが可能になる。しかも、各高圧水電解セル１２による水電解運転を良好に継続することができる。

さらに、積層方向に沿って樹脂シート部材６２の内周縁部と固体高分子電解質膜４０の外周縁部とが重なり合う重なり部位は、接着剤６４により接合されている。従って、固体高分子電解質膜４０と樹脂シート部材６２との重なり部位で、前記固体高分子電解質膜４０が圧縮されて膜厚が低減した際にも、前記重なり部位の接合強度が維持されている。これにより、固体高分子電解質膜４０及び樹脂シート部材６２は、長期間に亘ってシール性を確実に保持することが可能になるという効果が得られる。

また、接着剤６４は、エポキシ基を含有している。エポキシ基を含有する接着剤６４を使用すると、固体高分子電解質膜４０との接合強度が特に高くなる。このため、固体高分子電解質膜４０に前記接着剤６４がスクリーン塗布後、樹脂シート部材６２を貼り合わせた接合体では、温水に長時間浸漬された際にも、所望の接合強度を確実に保持することができる。

これに対して、エポキシ基を含有しない接着剤では、上記と同様の実験を行ったところ、接合強度が低下するという結果が得られた。

さらにまた、接着剤６４は、フッ素系を主骨格としている。従って、接着剤６４は、水への溶出性が低く、長時間に亘って水中に存在しても、所望の接合強度を確実に保持することが可能になるとともに、前記接着剤６４からのイオン溶出が殆どないことから、高品質の水素が得られる。

さらに、接着剤６４は、硬化した状態で、積層方向に３０μｍ以上の厚さを有している。本実施形態では、固体高分子電解質膜４０と樹脂シート部材６２とを接着剤６４により接着し、前記接着剤６４を加熱により硬化した後、長時間に亘って水中に配設させた。次いで、所定温度及び所定湿度の雰囲気下で、１８０゜剥離試験を行った。

その結果が、図３に示されている。図３では、横軸に接着層（接着剤６４）厚みが設定され、縦軸に接合強度が設定されている。これにより、硬化した接着剤６４の厚さは、３０μｍ以上であると、安定した接合強度が得られている。このため、常圧から高圧に至る圧力の変化に伴って接着剤６４が引き剥がされることを、良好に抑制することができる。

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を構成する高圧水電解セル１２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。

高圧水電解セル８２は、電解質膜・電極構造体８４を備える。電解質膜・電極構造体８４を構成する固体高分子電解質膜４０の外周縁部と積層方向に部分的に重なり合って（重なり部分を有して）、絶縁性補強部材、例えば、樹脂シート部材８６が配置される。

樹脂シート部材８６の内周縁部は、固体高分子電解質膜４０上に配置され、前記内周縁部と前記固体高分子電解質膜４０とは、接着剤６４により接合される。シール部材７０は、樹脂シート部材８６の内周縁部と固体高分子電解質膜４０の外周縁部との重なり部位に配置され、前記樹脂シート部材８６に当接する。

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。

１０、８０…差圧式高圧水電解装置 １２、８２…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、８４…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 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 ５０…水流路部材
５０ａ…水流路 ５４…カソード室
６０…水素流路部材 ６０ａ…水素流路
６２、８６…樹脂シート部材 ６４…接着剤
７０…シール部材

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室を設け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室を設けるカソードセパレータと、
   を有す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差圧式高圧水電解装置であって、
   前記電解質膜の外周には、締結により前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、前記電解質膜よりも圧縮強度の高い絶縁性補強部材が配置されるとともに、
   前記積層方向に沿って前記電解質膜と前記絶縁性補強部材とが重なる部位は、エポキシ基を含有している接着剤により接合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であって、前記接着剤は、硬化した状態で、前記積層方向に３０μｍ以上の厚さを有してい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に記載の差圧式高圧水電解装置であって、前記接着剤は、フッ素系を主骨格としてい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であって、前記電解質膜と前記絶縁性補強部材とが重なる部位には、シール部材が重なり合っていることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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