JPH07145492A

JPH07145492A - 水蒸気電解用セル

Info

Publication number: JPH07145492A
Application number: JP5291091A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Masuuma; 慶孝増馬; Tomoo Iwata; 友夫岩田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1993-11-22
Publication date: 1995-06-06

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の水蒸気電解用セルは電解面積が小さく、
また連結して容量増大をすると効率が大幅に低下する難
点をもっていた。これらの難点を解決し大容量の水素ガ
ス発生に適した水蒸気電解用セルを得る。【構成】平板状の固体電解質１の片面にニッケルジルコ
ニアサーメットの陰極層２、他の面にランタンマンガナ
イト系の陽極層３を配して単セルを構成し、本単セル
を、ガス供給排出手段をもち耐熱性ニッケル基クローム
添加タングステン添加合金からなる一対の端板６、９で
挟持する。両端板の単セルと相対する面には凹みを設
け、陰極側の端板の凹み部分にはニッケル製の接触板４
および波板５を、また陽極側の端板の凹み部分には耐熱
性ニッケル基クローム添加タングステン添加合金製の接
触板７および波板８を組み込む。さらに、両端板と陽極
側接触板７および陽極側波板８は表面にランタンマンガ
ナイト層を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、水素エンジン等の輸
送機関、並びに燃料電池や水素ガスタービンなどにおい
て、クリーンエネルギーとして大量に使用が見込まれる
水素ガスの製造に用いられる水蒸気電解装置の電解用セ
ルの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】水から水素ガスおよび酸素ガスを得る水
電解の原理を図２に示す。固体電解質の片面に陰極層、
他の面に陽極層を設けてケースに収め、陰極層に接する
空間に水蒸気を、また陽極層に接する空間に空気を流
し、その両電極間に電圧を加えることにより水電解が行
われる。なお、陽極側に流す空気は発生した酸素をケー
ス外へ運ぶキャリアガスの役割を果たすものであり、窒
素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。

【０００３】陽極層と陰極層との間に電圧を印加する
と、陰極では、

【０００４】

【化１】Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- → Ｈ₂＋Ｏ^2- のカソード反応が起こり水素が発生する。Ｏ^2-は電解質
中を通って陽極へ達する。陽極では、

【０００５】

【化２】Ｏ^2- → 1/2 Ｏ₂＋２ｅ^- のアノード反応が起こる。したがって、全体としては、

【０００６】

【化３】Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂＋ 1/2 Ｏ₂ となり、電気エネルギーによって水蒸気が水素と酸素と
に分離される。水電解反応の効率は投入した電気エネル
ギーに対する発生した水素量で表され、効率のよい水電
解反応を行うには、所定の水素量を得るのに必要な電気
エネルギーをできるだけ小さくすることが重要となる。
水の電解に必要な電気エネルギーはギプスの自由エネル
ギーの変化で表される。ギプスの自由エネルギーの変化
は温度が高くなるほど減少し、常温と１０００℃とを比
較すると、１０００℃の方が約２５％低く、電解の理論
効率がより高いことが判る。したがって、水素ガスの製
造には、例えば９００℃から１０００℃の高温で作動さ
せる水蒸気電解法が使用されている。

【０００７】このような高温で作動させる電解用セルを
構成するには、電解質にセラミックスの固体電解質を用
いる必要があり、またその他の構成部品も高温に耐えら
れるセラミックス、あるいは耐熱金属で構成する必要が
ある。この種の電解セルとしては、従来いわゆる円筒型
セルが用いられている。図３は従来用いられている円筒
型セルの基本構成の一例を示す断面図である。直径約２
ｃｍ、長さ約７０ｃｍのカルシア安定化ジルコニアから
なる基体管２１の表面に、ニッケルとジルコニアのサー
メットからなる厚さ約１００μｍの多孔質の陰極膜２
２、イットリア安定化ジルコニアからなる厚さ１００〜
１５０μｍの固体電解質膜２３、ランタン系プロブスカ
イト酸化物からなる厚さ１５０〜２００μｍの陽極膜２
４を順次形成して構成されている。基体管２１の内部に
供給された高温の水蒸気は、基体管２１の管壁内を透過
して陰極膜２２に達し、電子を受け取って水素ガスに解
離するとともに酸素イオンとなる。解離した水素ガスは
再び基体管２１の管壁内を透過して水蒸気の流れに入
り、電解用セルの外部へと取り出される。酸素イオンは
固体電解質膜２３の中を陽極側へ移動し、陽極膜２４で
電荷の授受を行って酸素ガスとなりセル外周に供給され
る空気の流れへと導かれる。

【０００８】このように構成された電解用セルは、(1)
基本的にセラミックスで構成され、固体電解質に安定化
セラミックスを用いているので約１０００℃までの使用
が可能である。(2) 酸化雰囲気となる陽極にランタン系
プロブスカイト酸化物を用いているので耐酸化性に優れ
る。(3) 陰極、電解質及び陽極を薄膜で形成しているの
で内部抵抗を低くとれる。等の長所をもっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成においては、現状の製造設備の能力の限界から
セル製作の基本要素である基体管２１の製作可能な寸法
が外径約２ｃｍ以下、長さ約７０ｃｍ以下に制限される
ので、単セルの電解面積が大きくとれないという難点が
あった。また、水蒸気が陰極２２に到達するには基体管
２１の厚さ２〜３ｍｍの管壁を拡散しなければならない
ので、到達量が制限され電解効率が低いという欠点があ
った。さらにまた、基体管１本からなる単セルを多数組
み合わせて大容量化する場合、各単位セルに電圧印加用
のリードを接続することは構成上も効率上も得策でない
ので、図４のように単セルにインターコネクター２５を
組み込み、これを介して単セル間を電気的に結合する方
式が検討されている。しかしながら本方式では、大容量
化はできるが、図示したように電流ｉが導電率の低いセ
ラミックスからなる陰極、電解質及び陽極の各薄膜中
を、断面積が小さく、経路の長い周方向に流れることに
なるので、内部抵抗が高くなり、したがって内部損失が
大きく、効率が低下してしまうという欠点があった。

【００１０】この発明の目的は、上に述べたような欠点
を解消し、電解面積が大きく、高効率で、かつ、組み合
わせによる大容量化の容易な水蒸気電解用セルを提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、この発明の水蒸気電解用セルにおいては、 (1) 平板状固体電解質の一方の主表面に陽極を配し、他
の主表面に陰極を配して平板状の単セルを形成し、この
単セルを、ガス供給排出手段を有するとともに単セルに
相対する面に凹みを持つ一対の端板で挟んで支持し、ま
た、上記の端板の凹み部分には、導電部材の役割をも
ち、同時にガス流路を形成する役割をもつ波板と、多数
の貫通孔を有する接触板を、接触板を電極側に配して重
畳して収納するものとする。

【００１２】また、この構成において陽極の材料をラン
タンマンガナイト系とするか、又は、あるいは同時に、
陰極の材料をニッケルジルコニアサーメットとする。 (2) 上記の構成において、さらに、一対の端板、および
陽極側に配置する波板と接触板の材料を耐熱性ニッケル
基クローム添加タングステン添加合金とするか、又は、
あるいは同時に、陰極側に配置する波板と接触板の材料
をニッケルとする。

【００１３】(3) 上記の構成において、さらにまた、一
対の端板および陽極側に配置する波板と接触板の表面に
ランタンマンガナイト層を設けるものとする。

【００１４】

【作用】水蒸気電解用セルを、上記 (1)のごとく、例え
ば３０ｃｍ角、あるいは５０ｃｍ角等の大面積のものが
現状の製造技術で製作可能な平板型の単セルを組み込ん
だ平板状水蒸気電解用セルとしたので、単セルの電解面
積は従来の円筒状の電解用セルの場合に比べて大幅に増
大する。また、本構成においては、多数の電解用セルを
組み合わせる際には、一対の端板で挟持した単セルを重
畳させ、両端の端板間に電圧を印加すればよく、大容量
化が極めて容易である。さらに、このように組み合わせ
れば、電流は、導電率の低いセラミックス製の各セルの
陰極、電解質及び陽極の部分では薄い層に直交して流れ
るので、本質的に内部抵抗が低く、損失を小さく抑える
ことができる。

【００１５】また、上記 (2)のごとく、一対の端板に耐
熱性ニッケル基クローム添加タングステン添加合金を使
用しているので、高温度での運転に対して十分な機械的
強度をもつ。その上、端板の凹み部においてガス流路構
成要素の役割を果たすとともに導電部材の役割をもつ波
板および接触板を金属材料で構成しているので、電気抵
抗が低く抑えられる。とくに、発生した酸素により高温
酸化雰囲気となる陽極側の波板および接触板について
は、耐食性にも優れた耐熱性ニッケル基クローム添加タ
ングステン添加合金を使用しているので、長時間の使用
に耐えることができる。

【００１６】また、上記 (3)のごとく、導電部材の役割
を併せ持つ端板、および陽極側に配置する波板と接触板
の表面にランタンマンガナイト層を設けると、ランタン
マンガナイトは導電性セラミックであるので、高温酸化
雰囲気中にあっても耐食性に富み、かつ接触抵抗の小さ
い接触面とすることができる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明による水蒸気電解用セルの実
施例の要部断面図である。本図は内部構造の理解を容易
にするため厚さ方向を拡大して図示している。方形薄板
状の固体電解質１の一方の表面にニッケルジルコニアサ
ーメットからなる陰極層２を、また他の表面にランタン
マンガナイト系からなる陽極層３を、固体電解質１の周
辺部を除いて方形状に配し、単セルを形成している。陰
極側には、ニッケルからなる多数の貫通孔１２を有する
方形薄板状の陰極側接触板４と同じくニッケル薄板から
なる方形状の陰極側波板５と耐熱性ニッケル基クローム
添加タングステン添加合金からなる陰極側端板６からな
る陰極側端板ユニットが配置されている。また、陽極側
には、いずれも耐熱性ニッケル基クローム添加タングス
テン添加合金からなり、対応する陰極側部材と略同一形
状の、陽極側接触板７、陽極側波板８および陽極側端板
９からなる陽極側端板ユニットが配置されている。ま
た、陰極側端板６には、高温水蒸気を供給するためのガ
ス供給配管１０と、発生した水素ガスと水蒸気とを取り
出すための図示していないガス排出配管とが接続されて
いる。同様に陽極側端板９には空気を供給するためのガ
ス供給配管１１と、発生した酸素ガスと空気とを取り出
すための図示していないガス排出配管とが接続されてい
る。上記の陰極側端板ユニット、単セルおよび陽極側端
板ユニットを重ね合わせ、図示していない支持手段によ
り加圧支持して一体化される。なお、多数の単セルを組
み合わせる場合には、陰極側端板ユニット、単セルおよ
び陽極側端板ユニットで構成される要素を順次に重ね合
わせ、全体を一体として加圧支持する。

【００１８】本実施例の水蒸気電解用セルでは以下のよ
うにして水素ガスを発生する。陽極側端板９と陰極側端
板６との間に、陽極側を正として直流電圧を印加する
と、陽極層３は導電部材の役割を果たす陽極側波板８と
陽極側接触板７を介して陽極に、また陰極層２は陰極側
波板５と陰極側接触板４を介して陰極となる。陰極側端
板６に設けられたガス供給配管１０より高温水蒸気を供
給すると、水蒸気は端板の凹み部に入り、陰極側波板５
によって分散された流れとなって、陰極側接触板４に設
けられた多数の貫通孔１２を通して陰極層２に到達す
る。陰極層２に達した水蒸気は、カソード反応により水
素ガスおよび酸素イオンを生じる。発生した水素ガス
は、残余の水蒸気とともに陰極側端板に設けられたガス
排出配管より外部へと取り出される。また、酸素イオン
は電解質１を通して陽極層３に到達しアノード反応によ
り酸素となり、陽極側端板９に設けられたガス供給配管
１１から供給されて端板の凹み部に入り陽極側波板８に
より分散した流れを形成している空気と混合され、陽極
側端板９に設けられたガス排出配管を通して外部へ取り
出される。

【００１９】なお、図１では陰極側波板５と陽極側波板
８とが同一方向に配置されており、陰極側、陽極側双方
の端板凹み部分でのガスの流れが同一方向に形成されて
いるが、陰極側波板５と陽極側波板８の方向を９０度ず
らせて、流れ方向を直交させて構成しても、所期の効果
が得られることは勿論である。

【００２０】

【発明の効果】本発明においては、上記のように、 (1) 水蒸気電解用セルを平板状としたので、単セルの電
解面積を従来の円筒状の電解用セルの場合に比べて３、
４倍以上と大幅に増大することができる。また、本構成
においては、多数の電解用セルを組み合わせる際には、
一対の端板で挟持した単セルを重畳させ、両端の端板間
に電圧を印加すればよく、容易に大容量化できる。

【００２１】また、本構成では、電荷は各セルの陰極、
電解質及び陽極の層に直交して流れるので、この部分で
の抵抗が小さく抑えられ、損失が少ない。また、端板の
凹み部分に組み込まれた波板は弾力性に富む構造である
ので、支持手段により加圧支持すると、端板と波板間、
波板と接触板間、さらに接触板と電極層（陽極層あるい
は陰極層）の間の接触圧力が増大し、接触抵抗が低減さ
れるので、内部損失が小さく効率の高い水蒸気電解用セ
ルを得ることができる。

【００２２】また、本構成では、強度の高い端板で挟持
した一体化構造で構成するとともに、薄板の接触板を挿
入することによって、強度の乏しい電極層への機械的応
力集中を防止しているので、基本的に信頼性の高い水蒸
気電解用セルを得ることができる。 (2) また、一対の端板に耐熱性ニッケル基クローム添加
タングステン添加合金を使用すれば、高温度での運転に
対して十分な機械的強度が得られる。その上、発生水素
により還元雰囲気となる陰極側の波板および接触板にニ
ッケルを使用し、発生酸素により高温酸化雰囲気となる
陽極側の波板および接触板に耐熱性ニッケル基クローム
添加タングステン添加合金を使用すれば、耐食性にも優
れ長時間の使用に耐える長寿命の水蒸気電解用セルを得
ることができる。

【００２３】(3) また、端板、および陽極側に配置する
波板と接触板の表面に導電性セラミックであるランタン
マンガナイト層を設けると、高温酸化雰囲気中にあって
も耐食性に富み、かつ接触抵抗の小さい接触面とするこ
とができる。図５は、耐熱性ニッケル基クローム添加タ
ングステン添加合金のＨＡ２３０（Ni-22Cr-14W ）から
なる端板、および陽極側に配置する波板と接触板の表面
にストロンチウム添加ランタンマンガナイト(La_0.85Sr
_0.15)_0.9MnO₃を約２００μｍプラズマ溶射法により形
成した水蒸気電解用セルでのセル電圧と電流密度の関係
を図示したものである。同図にはランタンマンガナイト
層を設けていない場合の水蒸気電解用セルでの特性を併
記した。図で明らかなように、所定の電流密度を得るに
必要なセル電圧は、ランタンマンガナイト層を設けたこ
とにより約５０％に低下しており、接触抵抗が低下し内
部損失が低減されていることが判る。なお、１００時間
の水蒸気電解運転を終了したときのセル電圧値は、ラン
タンマンガナイト層を設けないものでは、０．５ A/cm²
の電流密度のとき６Ｖと約２倍に上昇したが、ランタン
マンガナイト層を設けた場合には有意の変化は認められ
なかった。また、このときセルを分解して調べた結果に
よれば、ランタンマンガナイト層を設けないものでは、
端板、波板、接触板に腐食が認められ、酸化物スケール
が生成していたが、ランタンマンガナイト層を設けたも
のでは腐食も酸化物スケールの生成も認められなかっ
た。

【００２４】このように、端板、および陽極側に配置す
る波板と接触板の表面にランタンマンガナイト層を設け
ると、内部損失が低く、効率が高く、かつ、耐食性に優
れ、長時間にわたり安定した特性を持った水蒸気電解用
セルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水蒸気電解用セルの実施例の要部
断面図

【図２】水蒸気電解の原理説明図

【図３】水蒸気電解用セルの従来例の要部断面図

【図４】従来例の水蒸気電解用セルの連結法の説明図

【図５】本発明による水蒸気電解用セルのセル電圧〜電
流密度特性図

【符号の説明】

１固体電解質２陰極層３陽極層６陰極側端板７陽極側接触板８陽極側波板９陽極側端板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状固体電解質の一方の主表面に陽極を
配し、他の主表面に陰極を配してなる平板状の単セル
を、ガス供給排出手段を有する一対の端板で挟んで支持
し、上記の端板の単セルに相対する面に凹み部分を設
け、多数の貫通孔を有する接触板と波板とを、接触板を
電極側に配して重畳して収納することを特徴とする水蒸
気電解用セル。
【請求項２】請求項１記載の水蒸気電解用セルにおい
て、陽極の材料をランタンマンガナイト系としたことを
特徴とする水蒸気電解用セル。
【請求項３】請求項１または２記載の水蒸気電解用セル
において、陰極の材料をニッケルジルコニアサーメット
としたことを特徴とする水蒸気電解用セル。
【請求項４】請求項１、２または３記載の水蒸気電解用
セルにおいて、一対の端板および陽極側に配置する波板
と接触板の材料を耐熱性ニッケル基クローム添加タング
ステン添加合金としたことを特徴とする水蒸気電解用セ
ル。
【請求項５】請求項１、２、３または４記載の水蒸気電
解用セルにおいて、陰極側に配置する波板と接触板の材
料をニッケルとしたことを特徴とする水蒸気電解用セ
ル。
【請求項６】請求項１、２、３、４または５記載の水蒸
気電解用セルにおいて、端板および陽極側に配置する波
板と接触板の表面にランタンマンガナイト層を設けたこ
とを特徴とする水蒸気電解用セル。