JPH09125277A

JPH09125277A - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JPH09125277A
Application number: JP7283340A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hirai; 清司平井; Takashi Sasaki; 隆佐々木; Shinichi Yasui; 信一安井; Hiromichi Oda; 博通小田; Hiroko Kobayashi; 宏子小林; Mamoru Nagao; 衛長尾; Akira Asari; 明浅利; Michiyuki Harada; 宙幸原田
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1997-05-13
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: JP3487696B2

Abstract

(57)【要約】【課題】陽極側で発生した水を含む酸素ガスの流れの
圧力変動が小さく圧力制御が容易で、振動などの発生な
どの問題が生ずることがなく、しかも、部品交換の場合
などにおいても装置全体を取り外して交換する必要がな
い水素・酸素発生装置を提供する。【解決手段】固体電解質膜１０と、その両面に添設し
た多孔質給電体２０と、両多孔質給電体の外側に配設し
た陽極及び陰極の両作用を行う複極式の電極板３０とか
ら構成される複数個の固体電解質膜セル４０を積層し、
且つその両端部にエンドプレート６０，６０’を配設し
て一体化した構造の複極式の水素・酸素発生ブロック２
を、複数個直列的に配設してなる水素・酸素発生装置１
であって、各水素・酸素発生ブロック２を絶縁材料から
なる外套部材６に嵌着するとともに、各外套部材相互を
脱着自在に継合したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質膜を隔
膜として用い陽極側に純水を供給しながら電気分解し
て、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスを発生
させるための複極式の水素・酸素発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多量の酸素ガス、水素ガスを必要とする
場合など大規模施設に適用する場合に、この種の水素・
酸素発生装置の構造として、本発明者等は、既に特願平
７−４０１４２号において、図６及び図７に示したよう
ないわゆる「複極式の水素・酸素発生装置」を提案し
た。

【０００３】この装置は、基本的には、固体電解質膜１
１０と、その両面に添設した多孔質給電体１２０、１２
０と、両多孔質給電体１２０、１２０の外側に配設した
陽極及び陰極の両作用を行う電極板１３０とから構成さ
れる複数個の固体電解質膜セル１４０，１４０を、複数
個並設した構造のものであって、各電極板１３０は、複
極式電極板であって、通電した際に電極板の表面と裏面
が逆の電位となる単一枚の電極板である。具体的には、
一端よりエンドプレート１６０、端部ガスケット１７
０’、端部電極板１３０’、環状のガスケット１７０、
環状の保護シート１８０、固体電解質膜１１０、保護シ
ート１８０、環状のガスケット１７０、中間部の電極板
１３０……他端の端部電極板１３０’、端部ガスケット
１７０’、エンドプレート１６０’から構成され、各固
体電解質膜セル１４０には、長手（軸）方向に連通する
純水供給経路１５２、水素ガス取出し経路１５４、酸素
ガス取出し経路１５６、ならびに水抜き用ドレン経路１
５８がそれぞれマニホールド式に形設されている構造の
ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
水素・酸素発生装置においては、多量の酸素ガス、水素
ガスを必要とする場合には、固体電解質膜の大面積化に
は限度があるので、要求されるガス発生量を確保するた
めには、固体電解質膜を多数枚用いて、全体としての膜
面積を増加させる必要がある。このため、数十〜数百セ
ルもの固体電解質膜セル１４０，１４０を並設して水素
・酸素発生装置を構成することが通常である。この場
合、陽極側で発生した水を含む酸素ガスを、陽極側の多
孔質給電体からマニホールド式の酸素ガス取出し経路を
介して取り出す場合に、ガスと水とが、気液２相流とな
って流れることとなるので、水だけ又はガスだけが流れ
る場合に比較して、酸素ガス取出し経路の断面積、流れ
勾配等が適切でない場合、圧力変動が大きく圧力制御が
困難で、振動などの発生する等の問題があり、特に固体
電解質膜セル１４０，１４０の数が多くなり、発生する
ガス量が増加するほど、また酸素ガス取出し経路の距離
が長くなるほど問題が生じやすくなる。

【０００５】また、このような水素・酸素発生装置で
は、部品の交換をする場合などにおいても装置全体を取
り外して交換したり、装置全体について水圧テスト、気
密テストを実施しなければならず、常時、酸素ガス、水
素ガスを必要とする施設では操業低下などにもつながる
こととなり好ましくなかった。

【０００６】さらに、この種の水素・酸素発生装置で
は、支持架台上に配設することが多く、電源より電圧お
よび電流が、両端部の端部電極板１３０’にそれぞれ印
加されるようになっているが、支持架台との絶縁に別途
絶縁材を設けるなどの必要があった。

【０００７】さらにまた、この場合、水電解セルの多孔
質給電体の外周には、固体電解質膜を挟んで環状のガス
ケットを配設して、水電解セル内部と大気側とのシール
を確保した構成としているので、水電解セル内の圧力が
大気圧側よりかなり高い場合には、そのガス圧差によっ
て、ガスケットがはみ出す可能性があり、万一、ガスケ
ットがはみ出した場合には、シール機能が損なわれるお
それがあった。

【０００８】本発明は、このような実情を考慮して、固
体電解質膜セルの数を減少してマニホールド式のガス取
り出し経路を極力短くでき、陽極側又は陰極側で発生し
た水を含む酸素ガス又は水素ガスの流れの圧力変動が小
さく圧力制御が容易で、振動などの発生などの問題が生
ずることがない水素・酸素発生装置を提供することを目
的とする。

【０００９】また、本発明は、支持架台上に配設する場
合にも、支持架台との絶縁性が良好で、且つ、水電解セ
ル内の圧力が大気圧側よりかなり高い場合にも、水電解
セルの多孔質給電体の外周に配設したガスケットが、そ
のガス圧差によって、ガスケットがはみ出す可能性がな
い高圧で操業可能な水素・酸素発生装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述したよう
な従来技術における課題及び目的を達成するために発明
なされたものであって、下記の（１）〜（３）を、その
構成要旨とするものである。

【００１１】（１）固体電解質膜と、その両面に添設し
た多孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設した陽
極及び陰極の両作用を行う複極式の電極板とから構成さ
れる複数個の固体電解質膜セルを積層し、且つその両端
部にエンドプレートを配設して一体化した構造の複極式
の水素・酸素発生ブロックを、複数個直列的に配設して
なる水素・酸素発生装置であって、前記各水素・酸素発
生ブロックを絶縁材料からなる外套部材に嵌着するとと
もに、各外套部材相互を脱着自在に継合したことを特徴
とする水素・酸素発生装置。

【００１２】（２）前記各水素・酸素発生ブロックのエ
ンドプレート間同士を電気的に導通して、両端の水素・
酸素発生ブロックのエンドプレートに通電するように構
成したことを特徴とする前述の（１）に記載の水素・酸
素発生装置。

【００１３】（３）前記エンドプレート間相互を、各外
套部材の両端部に設けたフランジ部間を螺子部材によっ
て脱着自在に継合したことを特徴とする前述の（１）又
は（２）のいずれかに記載の水素・酸素発生装置。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいてより詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一
実施例の側面図、図２は、図１のＡ方向端面図、図３
は、図１の水素・酸素発生装置の部分拡大断面図で、図
４の一点鎖線Ｄについての断面図、図４は、図３のＣ−
Ｃ線方向の断面図である。

【００１６】図１及び図２において、１は全体で、本発
明の水素・酸素発生装置を示している。水素・酸素発生
装置１は、基本的には、複数個（本実施例では７個）の
水素・酸素発生ブロック２、２を直列的に配設して、支
持架台３に、両端部の水素・酸素発生ブロック２を支持
架台３の取り付けブラケット３Ａ、３Ａにボルトなどで
固定することにより構成されている。なお、この場合、
図示しないが、電源より電圧および電流が、両端の水素
・酸素発生ブロック２、２のエンドプレートにそれぞれ
印加されるようになっている。

【００１７】図３に示したように、各水素・酸素発生ブ
ロック２は、基本的には、円盤状の固体電解質膜１０
と、その両面に添設した円盤状の多孔質給電体２０、２
０と、両多孔質給電体２０、２０の外側に配設した陽極
及び陰極の両作用を行う円盤状の電極板３０とから構成
される複数個の円盤状の固体電解質膜セル４０，４０
を、複数個、好ましくは１１〜２０セル（本実施例では
１２セル）並設した構造のものである。

【００１８】ところで、図８は水素・酸素発生装置にお
けるセル数とマニホールド内の流動状態を示すグラフで
あって、現状の膜面積モジュールでφ２５mmのマニホー
ルドを設けた装置において、定格電流にて運転した場合
をＡ−Ａ線で示している（「機械工学便覧」新版、財団
法人日本機械学会、ｐｐ．Ａ５−１５３を参考に実験し
た）。この図に示したように、セル数が１１の時に流動
状態が、層状流とプラグ流の境界となり、セル数が２０
の時に流動状態が、スラグ流とプラグ流の境界となるこ
とがわかる。すなわち、セル数が１１〜２０セルの範囲
でのみプラグ流となっており、この範囲を下回るセル数
では、層状流であり、この範囲を上回るセル数では、ス
ラグ流となってしまう。

【００１９】従って、スラグ流の場合、すなわち、固体
電解質膜セル４０，４０を、２１セル以上並設した場合
には、圧力変動が激しくて圧力検出が困難であるばかり
でなく、流体による振動、騒音、圧力変動による応力変
動に起因する疲労などの装置にとって好ましくない問題
が生じることとなる。一方、層状流の場合、すなわち、
固体電解質膜セル４０，４０を、１０セル以下で並設し
た場合には、完全にガスと水に分離して流れるので、一
様な流体として扱えず、流路途中で弁又は分岐部等の断
面積が変化する部分が存在すると、そこで水とガスの比
率が大きく変化する可能性があるので、圧力制御が困難
となって、この場合にも、前述したようなスラグ流と同
様な問題が生じることとなり好ましくない。

【００２０】これに対して、プラグ流の場合、すなわ
ち、固体電解質膜セル４０，４０を、１１〜２０セル並
設した場合には、水とガスは、分離しながらも全体とし
てみれば一応混合した状態で流れているので、圧力変動
も小さいので、圧力制御が容易で、前述したようなスラ
グ流、層状流のような問題が発生することがない。

【００２１】なお、各電極板３０は、複極式電極板であ
って、通電した際に電極板の表面と裏面が逆の電位とな
る単一枚の電極板である。すなわち、この場合、水を陽
極側に供給しながら電気分解することにより、陽極側で
は、２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-のような反応が起
こり酸素ガスが発生し、陰極側では、４Ｈ⁺＋４ｅ^-→
２Ｈ₂の反応が起こり水素ガスが発生するものである。

【００２２】なお、固体電解質膜１０としては、固体高
分子電解質を膜状に成形したもの、例えば、カチオン交
換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜、例え
ば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）の両面に、貴
金属、特に、白金族金属からなる多孔質の陽極及び陰極
を、化学的に無電解メッキで接合した構造の「固体高分
子電解質膜」を使用するのが好適である。

【００２３】具体的には、水素・酸素発生ブロック２
は、一端の円盤状のエンドプレート６０、端部電極板３
０’、環状のガスケット７０、ネオフロンなどから構成
される環状の保護シート８０、固体電解質膜１０、保護
シート８０、環状のガスケット７０、中間部の電極板３
０……他端の端部電極板３０’、エンドプレート６０’
から構成されている。なお、この場合、固体電解質膜１
０と電極板３０とガスケット７０とで構成されるシール
された画室に多孔質給電体２０が収容されこれがそれぞ
れ陽極室、陰極室を形成している。また、エンドプレー
ト６０、６０’の外径は、後述するように外套部材との
締結を容易にするために、その他の構成部材よりも大き
な直径となっている。

【００２４】また、各固体電解質膜セル４０には、図３
及び図４に示したように、長手（軸）方向に連通する純
水供給経路５２、水素ガス取出し経路５４、酸素ガス取
出し経路５６、ならびに水抜き用ドレン経路５８がそれ
ぞれマニホールド式に形設されている。なお、本実施例
では、複数個（７個）の水素・酸素発生ブロック２に分
割してあるので、各水素・酸素発生ブロック２内の水素
ガス取出し経路５４、酸素ガス取出し経路５６を短くす
ることが可能である。

【００２５】また、図１及び図２に示したように、純水
供給経路５２は、各エンドプレート６０に設けられた純
水供給用ノズル６２から、フレキシブルホース４Ａを介
して純水供給用ヘッダー管５Ａに接続されている。同様
に、水素ガス取出し経路５４は、水素ガス取出し用ノズ
ル６４から、フレキシブルホース４Ｂを介して水素ガス
取出し用ヘッダー管５Ｂに、酸素ガス取出し経路５６
は、酸素ガス取出し用ノズル６６から、フレキシブルホ
ース４Ｃを介して酸素ガス取出し用ヘッダー管５Ｃに、
水抜き用ドレン経路５８は、水抜き用ノズル６８から、
フレキシブルホース４Ｄを介して水抜き用ヘッダー管５
Ｄに、それぞれ接続されている。

【００２６】さらに、図３及び図４に示したように、各
水素・酸素発生ブロック２は、隣接するエンドプレート
６０とエンドプレート６０’同士が電気的に接触、導通
するように配設されるとともに、例えば、ＦＲＰなどの
絶縁材料からなる略円筒形状の外套部材６に嵌着されて
いる。なお、外套部材６本体部６Ｃの内径は、固体電解
質膜１０、電極板３０などの水素・酸素発生ブロック２
の構成部材、特にガスケット７０の外径とほぼ一致して
おり、これにより、セル内の圧力が大気圧側よりかなり
高い場合に、そのガス圧差によって、ガスケット７０の
はみ出しによるシール機能が損なわれることを阻止する
ことが可能となる。この場合また、各外套部材６の両端
部には断面Ｌ字状のフランジ部６Ａ，６Ｂがそれぞれ外
周に向かって縁設されるとともに、このフランジ部６
Ａ，６Ｂにそれぞれエンドプレート６０とエンドプレー
ト６０’が収容され、支持架台３との絶縁性を確保する
ようになっている。そして、各外套部材６の継合に際し
ては、フランジ部６Ａ，６Ｂに、図４に示したように、
それぞれ合計８カ所の外套部材締結用ボルト孔７が設け
られており、ボルト７Ａ，７Ｂをエンドプレート６０，
６０’に設けられた対応するボルト孔に螺着することに
よって、エンドプレート６０，６０’と外套部材６を脱
着自在に締結するようになっている。また、図４に示し
たように、フランジ部６Ａには、合計４カ所のエンドプ
レート締付用ボルト孔８が設けられており、ボルト８Ａ
をエンドプレート６０，６０’に設けられた対応するボ
ルト孔に螺着することによって、エンドプレート６０，
６０’同士を締め付けて電気的な接触を確保するように
なっている。なお、このフランジ部６Ａ，６Ｂを設ける
代わりに、図５に示したように、別の絶縁部材から構成
される環状の止環部材６’をエンドプレート６０、６
０’の外周に嵌着し、ネジ６’Ａを用いて固定して、エ
ンドプレート６０、６０’と支持架台３との絶縁性を確
保するようにしてもよい。

【００２７】なお、図３及び図４において、９はセッテ
ィングピンであって、各水素・酸素発生ブロック２の各
構成部材に長手方向（軸方向）に設けられたセッティン
グ孔９Ａに挿通して、固体電解質膜１０、電極板３０な
どの水素・酸素発生ブロック２の構成部材の位置を固定
して、本装置の組立を容易にするものである。

【００２８】このように構成される本発明の水素・酸素
発生装置１は、純水供給系（図示せず）から純水供給用
ヘッダー管５Ａ、フレキシブルホース４Ａを介して、各
水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート６０に設け
られた純水供給用ノズル６２から、純水供給経路５２よ
り、純水が陽極室に収容された多孔質給電体２０に供給
される。そして、この陽極室に供給された純水が、固体
電解質膜１０の陽極側において電気分解されて、２Ｈ₂
Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-のような反応が起こり、酸素
ガスが発生し、発生した酸素ガスと純水は、酸素ガス取
出し経路５６を介して、各水素・酸素発生ブロック２の
エンドプレート６０に設けられた酸素ガス取出し用ノズ
ル６６から、フレキシブルホース４Ｃを介して酸素ガス
取出し用ヘッダー管５Ｃより、水と発生酸素ガスが取り
出され、気液分離装置（図示せず）において酸素ガスが
取り出される。

【００２９】一方、陰極側においては、固体電解質膜１
０をＨ⁺が通過して、固体電解質膜１０の陰極側におい
て電気分解されて、４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂の反応が起
こり水素ガスが発生し、水素ガス取出し経路５４を介し
て、各水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート６０
に設けられた水素ガス取出し用ノズル６４からフレキシ
ブルホース４Ｂを介して。水素ガス取出し用ヘッダー管
５Ｂより、気液分離装置（図示せず）において水素ガス
が取り出される。

【００３０】さらに、各水素・酸素発生ブロック２の陰
極室に溜まった純水が、水抜き用ドレン経路５８を介し
て、各水素・酸素発生ブロック２のエンドプレート６０
に設けられた水抜き用ドレンノズル６８から、フレキシ
ブルホース４Ｄを介して水抜き用ヘッダー管５Ｄより、
純水が取り出されるようになっている。

【００３１】

【発明の効果】本発明の水素・酸素発生装置によれば、
複数の水素・酸素発生ブロックを直列的に配設し、しか
も各水素・酸素発生ブロックを絶縁材料からなる外套部
材に嵌着するとともに、各外套部材相互を脱着自在に継
合したので、下記のような特有で顕著な作用効果を奏す
る優れた発明である。

【００３２】（１）複数個の水素・酸素発生ブロックに
分割して、固体電解質膜セルの数を減少させてあるの
で、各ブロックのマニホールド式のガス取り出し経路が
短くなり、固体電解質膜セル内でガスと水の流路の距離
が短くなるので、陽極側で発生した水を含む酸素ガスの
流れの状態がプラグ流れとなり、圧力変動が小さく圧力
制御が容易で、振動などの発生などの問題が生ずること
がない。

【００３３】（２）各水素・酸素発生ブロックを絶縁材
料からなる外套部材に嵌着してあるので、支持架台上に
配設する場合にも、支持架台との絶縁性が良好で、且
つ、水電解セルの多孔質給電体の外周に配設したガスケ
ットが、水電解セル内の圧力が大気圧側よりかなり高い
場合にも、そのガス圧差によってはみ出す可能性がな
く、シール機能が損なわれずに高圧で操業可能である。

【００３４】（３）各外套部材相互を脱着自在に継合し
たので、万一故障などが発生した場合などにおいても装
置全体を取り外して交換する必要とがなく、故障部分の
水素・酸素発生ブロックのみを交換すれば良く、また、
各ブロックについて水圧テスト、気密テストを実施する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の水素・酸素発生装置の一実施
例の側面図である。

【図２】図２は、図１のＡ方向端面図である。

【図３】図３は、図１の水素・酸素発生装置の部分拡大
断面図である。

【図４】図４は、図３のＣ−Ｃ線方向の断面図である。

【図５】図５は、エンドプレートの締結状態の別の実施
例を示す部分拡大断面図である。

【図６】図６は、従来の水素・酸素発生装置の分解斜視
図である。

【図７】図７は、従来の水素・酸素発生装置の拡大縦断
面図である。

【図８】図８は、水素・酸素発生装置におけるセル数と
マニホールド内の流動状態を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・水素・酸素発生装置２・・・水素・酸素発生ブロック３・・・支持架台３Ａ，３Ｂ・・・取り付けブラケット４Ａ〜４Ｃ・・・フレキシブルホース５Ａ・・・純水供給用ヘッダー管５Ｂ・・・水素ガス取出し用ヘッダー管５Ｃ・・・酸素ガス取出し用ヘッダー管５Ｄ・・・水抜き用ヘッダー管６・・・外套部材６Ａ，６Ｂ・・・フランジ部７・・・外套部材締結用ボルト孔７Ａ，７Ｂ・・・ボルト８・・・エンドプレート締付用ボルト孔９・・・セッテッィングピン１０・・・固体電解質膜２０・・・多孔質給電体３０・・・電極板３０’・・・端部電極板４０・・・固体電解質膜セル５２・・・純水供給経路５４・・・水素ガス取出し経路５６・・・酸素ガス取出し経路５８・・・水抜き用ドレン経路６０、６０’・・・エンドプレート６２・・・純水供給用ノズル６４・・・水素ガス取出し用ノズル６６・・・酸素ガス取出し用ノズル６８・・・水抜き用ノズル７０・・・ガスケット７０’・・・端部ガスケット８０・・・保護シート１１０・・・固体電解質膜１２０・・・多孔質給電体１３０・・・電極板１４０・・・固体電解質膜セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田博通兵庫県加古川市野口町野口129−46 Ｃ− 502 (72)発明者小林宏子兵庫県神戸市長田区名倉町５丁目８番11号 (72)発明者長尾衛大阪府大阪市東淀川区井高野２丁目７番18 −102号 (72)発明者浅利明兵庫県神戸市東灘区本山中町４丁目10の20 (72)発明者原田宙幸東京都練馬区西大泉２−25−43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質膜と、その両面に添設した多
孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設した陽極及
び陰極の両作用を行う複極式の電極板とから構成される
複数個の固体電解質膜セルを積層し、且つその両端部に
エンドプレートを配設して一体化した構造の複極式の水
素・酸素発生ブロックを、複数個直列的に配設してなる
水素・酸素発生装置であって、前記各水素・酸素発生ブロックを絶縁材料からなる外套
部材に嵌着するとともに、各外套部材相互を脱着自在に
継合したことを特徴とする水素・酸素発生装置。
【請求項２】前記各水素・酸素発生ブロックのエンド
プレート間同士を電気的に導通して、両端の水素・酸素
発生ブロックのエンドプレートに通電するように構成し
たことを特徴とする請求項１に記載の水素・酸素発生装
置。
【請求項３】前記エンドプレート間相互を、各外套部
材の両端部に設けたフランジ部間を螺子部材によって脱
着自在に継合したことを特徴とする請求項１又は２のい
ずれかに記載の水素・酸素発生装置。