JPH09157877A

JPH09157877A - 水素・酸素発生装置

Info

Publication number: JPH09157877A
Application number: JP7314109A
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; 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: 1995-12-01
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1997-06-17
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: JP3169049B2

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、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、しか
もその全長が従来に比較して格段に短く重量が軽く、コ
ンパクトな水素・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、隣接する水素・酸素発生ブロック２間のエンドプレ
ートを、共有する一つのエンドプレート60とした。

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11
0と、その両面に添設した多孔質給電体120、120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16
0、端部ガスケット170'、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158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】このような問題点を解消するために本発明
者等は、既に特願平７−２８３３４０号、特願平７−２
８３３４５号において、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した。

【０００７】しかしながら、これらの装置においては、
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数の水素
・酸素発生ブロックを、エンドプレート同士を接触させ
て電気的に導通させるように並列して配設するか、又
は、水素・酸素発生ブロックを相互に離間させて、隣接
する水素・酸素発生ブロックの端部電極板同士を電気連
絡部材を介して電気的に導通させる構造のものである。
従って、これらの装置においては、各ブロックの両端に
エンドプレートを各々取り付けており、隣接するブロッ
クのエンドプレート同士が重なっている分だけ重量が重
く、又は水素・酸素発生ブロックを相互に離間させてい
る分だけ、装置全体の全長が長くなってしまうために、
装置の搬入、取り付けなどにおいて不便で、設備が大型
化して好ましくなかった。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑み、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、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・酸素発生装置であって、
しかもその全長が従来に比較して格段に短くコンパクト
な水素・酸素発生装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【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。

【００１０】（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
配設した水素・酸素発生装置において、隣接する水素・
酸素発生ブロック間のエンドプレートを、共有する一つ
のエンドプレートとしたことを特徴とする水素・酸素発
生装置。

【００１１】（２）各水素・酸素発生ブロックをそれぞ
れのブロックの両端の共有エンドプレートを介して、締
結部材によって締結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。

【００１２】（３）前記締結部材の位置が、隣接する水
素・酸素発生ブロック相互では、相互に位置をずらして
配設されていることを特徴とする前述の（２）に記載の
水素・酸素発生装置。

【００１３】（４）隣接する水素・酸素発生ブロックの
共有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。

【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、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。

【００１７】図３において、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を有し、この固体電解質膜セル
は、好ましくは11〜20セルを（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、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っ
ており、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。スラグ流の場合、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、一方、層状流の場
合、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、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。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。

【００１９】また、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。

【００２２】なお、この場合、図３に示したように、隣
接する水素・酸素発生ブロック２間のエンドプレート
を、共有する一つのエンドプレート60としてあり、装置
全体の全長を従来に比較して短くしてコンパクト化して
ある。すなわち、水素・酸素発生ブロック２の両端に、
各々エンドプレート60（左側）、60'（右側）がとりつ
けられており、このエンドプレート60,60'が、各々両接
する水素・酸素発生ブロック２のエンドプレートをも兼
ねている。

【００２３】また、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。

【００２４】さらに、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5Dに、それぞれ接続され
ている。

【００２５】また、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、隣接する水素・酸素発生ブロック２の
共有のエンドプレ−ト60の両側の端部電極板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。ま
た、水素・酸素発生装置１の両端部の水素・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。

【００２６】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に、図４に示したように、
それぞれ合計16カ所の締結用ボルト孔７が設けられてお
り、その中８ヶ所のボルト孔７に、ボルト7Aおよびナッ
ト7Bからなる締結部材をエンドプレート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'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、この場合、隣接する水
素・酸素発生ブロック２では、位置をずらした残り８ヶ
所のボルト孔７（点線で示した）を用いて、ボルト8Aお
よびナットからなる締結部材をエンドプレート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'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。

【００２７】すなわち、隣接する水素・酸素発生ブロッ
ク２相互では、締結部材の位置が、相互に位置をずらし
て配設されていることとなり、装置全体の組立の際に、
締結部材相互が干渉せず、組立が容易となる。

【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、2H2O→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10
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、
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水素・酸素
発生装置において、隣接する水素・酸素発生ブロック間
のエンドプレートを、共有する一つのエンドプレートと
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) 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。

【００３４】(3) 全長が従来に比較して格段に短く重
量が軽く、コンパクトな水素・酸素発生装置を提供でき
る。

【００３５】(4) 隣接する水素・酸素発生ブロック２
相互では、締結部材の位置が、相互に位置をずらして配
設されている構造のものでは、装置全体の組立の際に、
締結部材相互が干渉しないので、組立が容易である。

【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。

【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 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
した水素・酸素発生装置において、隣接する水素・酸素発生ブロック間のエンドプレート
を、共有する一つのエンドプレートとしたことを特徴と
する水素・酸素発生装置。
【請求項２】各水素・酸素発生ブロックをそれぞれの
ブロックの両端の共有エンドプレートを介して、締結部
材によって締結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】前記締結部材の位置が、隣接する水素・
酸素発生ブロック相互では、相互に位置をずらして配設
されていることを特徴とする請求項２に記載の水素・酸
素発生装置。
【請求項４】隣接する水素・酸素発生ブロックの共有
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。