JPH07252682A

JPH07252682A - 高分子電解質膜を用いる水電解槽

Info

Publication number: JPH07252682A
Application number: JP6069964A
Authority: JP
Inventors: Moritaka Kato; 守孝加藤; Shoji Maezawa; 彰二前澤; Hiroaki Mori; 浩章森; Hirotaka Takenaka; 啓恭竹中; Keisuke Oguro; 啓介小黒
Original assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU; CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU; CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1995-10-03
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2893238B2

Abstract

(57)【要約】【構成】１組の陽極主電極及び陰極主電極と、複数組
の高分子電解質を用いる電極複合体膜、陽極給電体、陰
極給電体、複極板、ガスケット及びＯリングと、それら
を電気的に絶縁し一体とするための絶縁パッキン、フラ
ンジ及びボルト、ナットとからなるフィルタープレス式
水電解槽であって、前記複極板にチタン合金の薄板を特
殊な形状に超塑性加工し電解槽に要求される機能を付加
してなるものを用いるとともに、多孔質ガスケットと組
み合わせたことを特徴とするもの。【効果】電解槽のサイズがコンパクトになり、製作費
が安価になる。その上本電解槽によると、各セルへの水
の供給及びガスの抜き出しを均一にすることができるの
で、電解槽を高電流密度で安定して運転することがで
き、結果的に、長期運転が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分子電解質膜を用い
る水素及び酸素製造のための水電解槽に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、高分子電解質膜を用いて水電解に
よって水素及び酸素を製造する場合のフィルタープレス
式電解槽の構造は、図５に示すような構成になってお
り、陽極主電極１、陰極主電極２、イオン交換膜４と触
媒電極層５、６とからなる電極複合体膜３、陽極給電体
７、陰極給電体８、複極板９及びこれらを一体とするた
めの締め付けボルト及びナットから構成されており、商
業規模の電解槽では、８０枚から６００枚のイオン交換
膜を一体としている。水が電解槽下部に設けられた吸水
ヘッダー１０から上方に流路のある陽極主電極１及び複
極板９の陽極側に供給されると、触媒電極層５、６の表
面で、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生
する。発生した酸素及び水素はそれぞれ多孔質の給電体
７、８を通ってそれぞれの極板に達し、更にそれぞれの
極板に設けられた流路を通って電解槽上部に達し、ここ
に設けられたそれぞれのヘッダー１１、１２を通って外
部に排出される。

【０００３】これらの構成材の中で、最も過酷な条件を
要求されるのは、複極板９である。つまり、材質的な条
件としては、導電性が良いことはもちろん、陽極側では
酸化性雰囲気、陰極側では還元性雰囲気という全く逆の
条件が同じ材料に要求される。更に構造的な条件として
は、給電体６、７に電流を一様に伝えること、並びに供
給水及び発生したガスを均一に流せる流路が確保できる
ことといった機能が要求される。このような条件を満足
するものとして、現状では、純チタンを機械加工又はプ
レス加工したものの表面を、白金メッキしたものやカー
ボンをモールディしたものが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術であるチタン
の機械加工により複極板を作製する場合、次のような問
題があった。（１）表面を精度よく加工することが難しい。特に大型
のものでは顕著である。（２）両面を精度よく加工しなくてはならないため、板
厚が厚くなる。（３）コストが高いため、複雑な形状に加工することは
経済的にできない。また、チタンのプレス加工により複
極板を作製する場合、次のような問題があった。（４）純チタンをプレス加工する場合、チタンの曲げ係
数（Bend factor）が大きいため、複極板の流路の幅が
大きくなり且つ複雑な加工ができないので、結果的に、
給電体への電力の供給及び電極への水の供給が均一にな
らない。

【０００５】更に、カーボンをモールディングして複極
板を作製する場合、次のような問題があった。（５）カーボンは脆いため、大型のものは製造が困難で
あり且つ取扱いが難しい。（６）板厚は、機械加工したものと同程度になる。（７）チタンの成形とカーボンの成形及び密着工程とい
う複雑な工程が必要で、高価になる。更に、共通する問
題点として、（８）運転中の給水ヘッダー及び排ガスヘッダーの圧力
勾配により、複数のセルに均一の水を供給することが難
しい。このため水の供給不足により膜がダメージされる
ことがあった。特に、高電流密度で運転することが大き
な特徴である高分子電解質膜を用いる電解槽では、大き
な問題点である。

【０００６】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、設備をコンパクトにし、製造コ
ストを大幅に低下させるとともに、電解槽内の流体の流
れを均一にすることにより、膜の長寿命化をはかること
を、その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
を重ねた結果、電解槽を複極板の素材としてチタン合金
の薄板を用い、複極板全体を要求される機能を満足する
ような特殊な形状に超塑性加工し、給電体と多孔質のガ
スケット（特にリングガスケット）を組み合わせた構造
にするか、複極板の電極部を要求される機能を満足する
ような特殊な形状に超塑性加工し、外周部を樹脂加工す
ることにより一体構造とし、給電体と多孔質のガスケッ
ト（特にリングガスケット）を組み合わせた構造にする
か、又は複極板の電極部を要求される機能を満足するよ
うな特殊な形状に超塑性加工し、陽極及び陰極給電体と
組み合わせて外周部を樹脂加工することにより一体構造
とし、多孔質のガスケット（特にリングガスケット）と
組み合わせることによって、上記課題が解決されること
を知見し、本発明を完成するに至った。

【０００８】即ち、本発明によれば、１組の陽極主電極
及び陰極主電極と、複数組の高分子電解質を用いる電極
複合体膜、陽極給電体、陰極給電体、複極板、ガスケッ
ト及びＯリングと、それらを電気的に絶縁し一体とする
ための絶縁パッキン、フランジ及びボルト、ナットとか
らなるフィルタープレス式水電解槽であって、前記複極
板にチタン合金の薄板を特殊な形状に超塑性加工し電解
槽に要求される機能を付加してなるものを用いるととも
に、多孔質ガスケットと組み合わせたことを特徴とする
角型の水電解槽が提案される。

【０００９】また、本発明によれば、好ましい態様とし
て、前記水電解槽の形が円筒型であることを特徴とする
ものが提供され、更に前記複極板が超塑性加工した電極
部と樹脂からなる外周部とを一体成形してなるものであ
ることを特徴とする水電解槽、前記の複極板と陽極及び
陰極給電体とが、超塑性加工した複極板電極部と陽極及
び陰極給電体と樹脂からなる外周部とを一体成形してな
るものであることを特徴とする水電解槽、あるいは前記
水電解槽の各セルに設置する多孔質ガスケットがその空
隙率又は幅に匂配をもたせたものであることを特徴とす
る水電解槽が、提案される。

【００１０】本発明における複極板は、チタン合金の薄
板を超塑性加工することにより複雑で精密な形状に加工
することが可能となり、複極板に要求される前述の機能
をすべて満足し、多孔質のガスケット（特にリングガス
ケット）と組み合わせることにより、電解槽の１組の複
極板、電極複合体膜及び給電体からなる単位セルの厚さ
を３〜３．５ｍｍする事が可能となる。その厚さは、従
来のものの１／３以下であり、重量は、機械加工した場
合と比べると、約１／３０である。電極室体積は、従来
の商業アルカリ水電解槽（電流密度２０Ａ／ｄｍ²）の
１／１６以下、高分子電解質を用いた従来の電解槽（電
流密度１００Ａ／ｄｍ²）の１／３以下になる。更に、
給水ヘッダー及び出口ヘッダーに設置する多孔質のガス
ケット（特にリングガスケット）の空隙率又は幅を調製
することにより、各セルへの水の供給量を均一にするこ
とができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。実施例１図１に最も代表的な実施例における電解槽の分解構造図
を示す。実際には、１基の電解槽は、複極板９を８０〜
６００枚備え、これらを複数（この図では４本）の通し
ボルトで締め付けることにより一体構造としている。図
１に沿って、本発明の水電解槽の作用を説明すると、先
ず電解槽下部の給水ヘッダー１０から供給された水は、
陽極側電極に設けられた流路を通って上方に流れる。こ
の供給水は多孔質でできた陽極給電体７を通って、電極
複合体膜３の陽極側触媒電極層（図５における５）に達
する。ここで付加された電力により電気分解反応が起こ
り、酸素が発生する。発生した酸素は陽極給電体７を通
り、陽極側電極に設けられた流路内を未反応の水ととも
に上昇し、複極板９の酸素ヘッダー部外周に設けられた
多孔質スペーサーを通って酸素ヘッダー１１に排出され
る。一方、電極複合体膜３の陰極側触媒電極層（図５に
おける６）表面で発生した水素とイオン交換膜（図５に
おける４）を透過した水は、多孔質でできた陰極給電体
８を通り、陰極側電極に設けられた流路内を上昇し、複
極板９の水素ヘッダー部外周に設けられた多孔質スペー
サーを通って水素ヘッダー１２に排出される。なお、図
１において、２１はフランジ、２２はノズルプレート、
２３は絶縁パッキン、ＡはＯリングガスケット、Ｂは多
孔質ガスケット、Ｃはシールガスケットを、それぞれ示
す。

【００１２】図２に複極板９の平面図を、また図３
（ａ）、（ｂ）及び図４（ｃ）、（ｄ）にそのＡ断面、
Ｂ断面、Ｃ断面及びＤ断面における部分断面図の一例
を、それぞれ示す。この例では、複極板９は一枚の板を
超塑性加工することにより、複極板として要求される条
件をすべて満足している。つまり、図２の中央部のＡ断
面では、図３（ａ）に示されるように、（１）複合体膜
３と給電体７、８を、複極板の山部及び谷部の間隙をお
おむね１〜３ｍｍとし、山と谷が交互に組み合わされる
構造にすることにより、給電体７、８の接触を維持し、
且つセルの弾力性が得られる、（２）陽極側及び陰極側
の谷部がそれぞれ酸素及び水素の上方への流路となって
いる。この図では、山部と谷部の比率が等しくなってい
るが、山部と谷部の間隔を超塑性加工において離型しや
すい比率にすることも可能である。外周部に設けられた
凹凸は、シールのためのＯリングの溝である。図２の上
下の部分は、流体が上下左右に自由に流動でき且つ複合
体膜３を均一にサポートする機能が要求される。この例
では、Ｂ断面において、図３（ｂ）に示されるように、
立方体の突起によって複合体膜３を左右から交互にサポ
ートし、それ以外の部分が流路として機能する。

【００１３】図１の下部の穴は吸水孔で、上部右側の穴
は酸素側の排出孔である。これらの断面は、図３（ｃ）
に示される断面Ｃのように加工することにより、水が陽
極側に供給され、発生した酸素が酸素側ヘッダーに排出
されることが可能になる。なお、図３（ｃ）において、
３１は多孔質スペーサーを、３２はパッキンを、それぞ
れ示す。図１上部右側の穴は水素側の排出孔で、この部
分は、図３（ｄ）に示される断面Ｄのように加工するこ
とにより、発生した水素が水素側ヘッダーに排出される
ことが可能になる。複極板中央部の電極部分は、流体が
均一に流れることが望ましい。偏流があると、極端な場
合その部分がドライになり、膜をダメージするといった
事故の原因となる。この構造では、上下の立方体の突起
部分の形状及び分布を流体力学的に設計することによ
り、より均一な流れを実現することが可能である。更
に、入り口及び出口の多孔質スペーサー３１の空隙率を
調整することにより、各セルへの水の流入量を均一にす
ることができる。このような構造を採用すると、１組の
複極板９、複合体膜３、給電体７、８からなる単位セル
の厚さは、３〜３．５ｍｍ程度となる。上述の説明は、
電解槽を水平に設置する場合に付いてのものであるが、
電解槽を垂直に設置する場合も効果は同様である。

【００１４】実施例２実施例１の水電解槽の形状は角型であったが、本実施例
は丸型とした。実施例１の水電解槽では、１０Ｋｇ／ｃ
ｍ²以下の比較的運転圧力の低い条件しか採用できなか
ったが、水電解槽の形状を丸型にし、実施例１と同様の
構成にすれば、３０Ｋｇ／ｃｍ²程度の運転圧力にも耐
えられる水電解槽を、実施例１と同等の構成で作製する
ことができる。

【００１５】実施例３実施例１の水電解槽は、複極板全体をチタン合金で一体
成形したものであるが、導電性が要求されるのは電極部
だけであり、周囲のノズル部及びシール部は、その必要
はなく、むしろ導電性がない方が操業上好ましい。超塑
性加工した電極部を芯として外周を耐熱性耐薬品性のあ
るフッ素樹脂あるいはポリイミド樹脂で成形し複極板を
作製すれば、実施例１あるいは実施例２と同様に構成す
ることができる。

【００１６】実施例４実施例３の水電解槽は、複極板だけを一体成形したもの
であるが、更に、陽極及び陰極給電体も一体として成形
すれば、更に組立の作業性が向上する。

【００１７】

【発明の効果】請求項１の水電解槽は、複極板にチタン
合金の薄板を特殊な形状に超塑性加工し電解槽に要求さ
れる機能を付加してなるものを用いるとともに、多孔質
ガスケットと組み合わせたことから、電解槽のサイズが
コンパクトになり、装置の製作費が安価になる。その
上、本電解槽によると、各セルへの水の供給及びガスの
抜き出しを均一にすることができるので、電解槽を高電
流密度で安定して運転することができ、結果的に、長期
運転が可能となる。

【００１８】請求項２の水電解槽は形状を円筒型とした
ことから、本電解槽によると、操業圧力を高められると
いう効果が加わる。

【００１９】請求項３の水電解槽は、複極板が超塑性加
工した電極部と樹脂からなる外周部とを一体形してなる
ものであることから、電極部のみが導電性を有するもの
となり、本電解槽によると、操業が容易になるという効
果が加わる。

【００２０】請求項４の水電解槽は、複極板と陽極及び
陰極給電体とが、超塑性加工した複極板電極部と陽極及
び陰極給電体と樹脂からなる外周部とを一体成形してな
るものであることから、更に組立の作業性が向上すると
いう効果が加わる。

【００２１】請求項５の水電解槽は、各セルに設置する
多孔質ガスケットがその空隙率又は幅に匂配をもたせた
ものとしたことから、本電解槽によると、各セルへの水
の流入量をより均一にすることができるという効果が加
わる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における電解槽の分解構造図
である。

【図２】本発明の実施例１における複極板の平面図であ
る。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は図２に示される複極板のＡ
断面及びＢ断面における部分断面図である。

【図４】（ｃ）及び（ｄ）は図２に示される複極板のＣ
断面及びＤ断面における部分断面である。

【図５】水素及び酸素を製造する場合の従来のフィルタ
ープレス式電解槽の構造を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１陽極主電極２陰極主電極３電極複合体膜４イオン交換膜５陽極側触媒電極層６陰極側触媒電極層７陽極給電体８陰極給電体９複極板１０給水ヘッダー１１酸素ヘッダー１２水素ヘッダー２１フランジ２２ノズルプレート２３絶縁パッキン３１多孔質スペーサー３２パッキンＡＯリングガスケットＢ多孔質ガスケットＣシールガスケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前澤彰二東京都港区西新橋２−８−11 第７東洋海事ビル８階財団法人地球環境産業技術研究機構ＣＯ２固定化等プロジェクト室内 (72)発明者森浩章東京都港区西新橋２−８−11 第７東洋海事ビル８階財団法人地球環境産業技術研究機構ＣＯ２固定化等プロジェクト室内 (72)発明者竹中啓恭大阪府池田市緑丘１丁目８番31号工業技術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者小黒啓介大阪府池田市緑丘１丁目８番31号工業技術院大阪工業技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１組の陽極主電極及び陰極主電極と、複
数組の高分子電解質を用いる電極複合体膜、陽極給電
体、陰極給電体、複極板、ガスケット及びＯリングと、
それらを電気的に絶縁し一体とするための絶縁パッキ
ン、フランジ及びボルト、ナットとからなるフィルター
プレス式水電解槽であって、前記複極板にチタン合金の
薄板を特殊な形状に超塑性加工し電解槽に要求される機
能を付加してなるものを用いるとともに、多孔質ガスケ
ットと組み合わせたことを特徴とする角型の水電解槽。
【請求項２】前記水電解槽の形が円筒型であることを
特徴とする請求項１に記載の水電解槽。
【請求項３】前記複極板が超塑性加工した電極部と樹
脂からなる外周部とを一体成形してなるものであること
を特徴とする請求項１又は２に記載の水電解槽。
【請求項４】前記の複極板と陽極及び陰極給電体と
が、超塑性加工した複極板電極部と陽極及び陰極給電体
と樹脂からなる外周部とを一体成形してなるものである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水電解槽。
【請求項５】前記水電解槽の各セルに設置する多孔質
ガスケットが、その空隙率又は幅に勾配をもたせたもの
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に
記載の水電解槽。