JPH09125278A

JPH09125278A - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JPH09125278A
Application number: JP7283345A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hirai; 清司平井; Shinichi Yasui; 信一安井; Takashi Sasaki; 隆佐々木; 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

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】陽極側の圧力制御が容易で、振動などの発生
がなく、部品交換の場合なども装置全体を取り外す必要
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、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
数個離間して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・酸素発生ブロックに形成されたマ
ニホールド式の純水供給経路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をそれぞれ、接続パイプ４Ａ〜４Ｄを介し
て、純水供給用ヘッダー管５Ａ、水素ガス取出し用ヘッ
ダー５Ｂ管、酸素ガス取出し用ヘッダー管５Ｃならびに
水抜き用ヘッダー管５Ｄに接続した。

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５及び図６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】本発明は、このような実情を考慮して、固
体電解質膜セルの積層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ことを目的とする。

【０００７】

【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）〜（４）を、その
構成要旨とするものである。

【０００８】（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、複数個離間して直列的に
配設したことを特徴とする水素・酸素発生装置。

【０００９】（２）前記各水素・酸素発生ブロックに形
成されたマニホールド式の純水供給経路、水素ガス取出
し経路、酸素ガス取出し経路、ならびに水抜き用ドレン
経路をそれぞれ、接続パイプを介して、純水供給用ヘッ
ダー管、水素ガス取出し用ヘッダー管、酸素ガス取出し
用ヘッダー管ならびに水抜き用ヘッダー管に接続したこ
とを特徴とする前述の（１）に記載の水素・酸素発生装
置。

【００１０】（３）前記各水素・酸素発生ブロックに
は、固体電解質膜セルが１１〜２０セル含まれているこ
とを特徴とする前述の（１）又は（２）に記載の水素・
酸素発生装置。

【００１１】（４）前記各水素・酸素発生ブロックの隣
接するエンドプレートのすぐ内側の電極板同士を相互に
電気連絡部材を介して電気的導通するとともに、両端の
水素・酸素発生ブロックのエンドプレートのすぐ内側の
電極板に通電するように構成したことを特徴とする前述
の（１）から（３）のいずれかに記載の水素・酸素発生
装置。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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、７個の水素・酸素発生ブロック
２、２を直列的に一定間隔離間して配設して、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の両端側のエンドプレートのすぐ内
側の端部電極板３０’にそれぞれ印加されるようになっ
ている。

【００１５】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、２０と、両多孔質給電体２
０、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、１２セル並設した構造
のものである。

【００１６】ところで、図７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。

【００１７】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。

【００１８】これに対して、プラグ流の場合、すなわ
ち、本発明のように、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、圧力変動も小さく、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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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、シリコンゴム
などから構成される円盤状の端部ガスケット７０’、端
部電極板３０’、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３０……他端の端部電極板３０’、端部ガスケ
ット７０’、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１０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。なお、端
部ガスケット７０’、ガスケット７０としては、前記以
外にもポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＦＥ）などの絶縁材に、セッティング孔
９Ａ、各取出し経路５２，５４，５６，５８に対応する
箇所に、Ｏリング部材を嵌着した構成のものも使用可能
である。

【００２２】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。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５
Ａ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６
６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５Ｄに、それぞれ接続されてい
る。

【００２３】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のエンドプレ−ト６０，６
０’のすぐ内側の端部電極板３０’には、その側方に突
設した突設部３０ａが設けられており、各水素・酸素発
生ブロック２の隣接するエンドプレ−ト６０，６０’の
すぐ内側の端部電極板３０’，３０’同士を電気的導通
するように、略コの字状の電気連絡部材６がネジなどの
締結部材６Ａによって接続されている。なお、支持架台
３に各水素・酸素発生ブロック２を設置する際に誤差が
生じて、端部電極板３０’，３０’の間隔Ｌが一定でな
くなることがあるので、この距離のずれを吸収するため
に、電気連絡部材６の中央部分には、湾曲部６Ｂが設け
てあり組立作業が容易となっている。また、両端部の水
素・酸素発生ブロック２のエンドプレ−ト６０，６０’
のすぐ内側の端部電極板３０’，３０’に図示しない電
源より電流及び電圧が印加されるようになっている。

【００２４】また、水素・酸素発生ブロック２の組立に
際しては、エンドプレ−ト６０，６０’に、図４に示し
たように、それぞれ合計８カ所の締結用ボルト孔７が設
けられており、ボルト７Ａおよびナット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６０，６０’６を
締結して水素・酸素発生ブロック２を組み立てるように
なっている。なお、図３及び図４において、９はセッテ
ッ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ッ
ィング孔９Ａに挿通して、固体電解質膜１０、電極板３
０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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】

【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離間して配設
し、しかも各水素・酸素発生ブロックに形成されたマニ
ホールド式の純水供給経路、水素ガス取出し経路、酸素
ガス取出し経路、ならびに水抜き用ドレン経路をそれぞ
れ、接続パイプを介して、純水供給用ヘッダー管、水素
ガス取出し用ヘッダー管、酸素ガス取出し用ヘッダー管
ならびに水抜き用ヘッダー管に接続したので、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。

【００２９】（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。特に、数十〜数百セルを積層した固体電解質膜
セルであったのを、各水素・酸素発生ブロックに、固体
電解質膜セルを１１〜２０セル含ませ、複数個のブロッ
クから構成したので、１ブロック当たりの重量も比較的
少なく、取り扱い、組立も容易である。

【００３０】（２）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く、交換する水素・
酸素発生ブロックのみを取り外せば良く、また、各ブロ
ックについて個別に水圧テスト、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、従来の水素・酸素発生装置の分解斜視
図である。

【図６】図６は、従来の水素・酸素発生装置の拡大縦断
面図である。

【図７】図７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・・・電気連絡部材６Ａ・・・締結部材７・・・締結用ボルト孔７Ａ・・・ボルト７Ｂ・・・ナット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、複数個離間して直列的に配設
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・酸素発生ブロックに形成さ
れたマニホールド式の純水供給経路、水素ガス取出し経
路、酸素ガス取出し経路、ならびに水抜き用ドレン経路
をそれぞれ、接続パイプを介して、純水供給用ヘッダー
管、水素ガス取出し用ヘッダー管、酸素ガス取出し用ヘ
ッダー管ならびに水抜き用ヘッダー管に接続したことを
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】前記各水素・酸素発生ブロックには、固
体電解質膜セルが１１〜２０セル含まれていることを特
徴とする請求項１又は２に記載の水素・酸素発生装置。
【請求項４】前記各水素・酸素発生ブロックの隣接す
るエンドプレートのすぐ内側の電極板同士を相互に電気
連絡部材を介して電気的導通するとともに、両端の水素
・酸素発生ブロックのエンドプレートのすぐ内側の電極
板に通電するように構成したことを特徴とする請求項１
から３のいずれかに記載の水素・酸素発生装置。