JPH09316676A

JPH09316676A - 筒型電解セルおよび水素酸素発生装置

Info

Publication number: JPH09316676A
Application number: JP8131480A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hirai; 清司平井; Akiko Miyake; 明子三宅; Shinichi Yasui; 信一安井; Hiroko Kobayashi; 宏子小林; Teruyuki Morioka; 輝行森岡
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水素、酸素発生装置に対して、剛性の高い電
解セルを提供し、且つ、純水の冷却効率が高くコンパク
トな構成の純水タンクを提供すること。【解決手段】円筒型電解セル１と、該電解セル１が同
軸状に収容された純水タンク２１と、前記電解セル１の
中央部空洞Ｈに配設された熱交換器２７とを備えてお
り、前記電解セル１が、円輪状の固体電解質膜５と、そ
の両面に添設された円輪状の多孔質給電体６ａ、６ｂ
と、該両多孔質給電体それぞれの外側に配設された円輪
状の電極板４と、前記多孔質給電体の外周側に配設され
た外周側ガスケット１１ｏと、多孔質給電体の内周側に
配設された内周側ガスケット１１ｉとを備えており、こ
れらが両端の端板２ａ、２ｂとのあいだでボルト３によ
って圧縮締結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は筒型電解セルに関す
る。さらに詳しくは、水を電気分解することによって高
純度の水素ガスおよび酸素ガスを得るための高圧型水素
・酸素発生装置および該装置を含めた水素・酸素発生装
置に好適に用いられる全体に円筒形を呈した筒型電解セ
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に示すように、高圧型の高純度水素
酸素発生装置（以下、単にＨＨＯＧという）５１は、純
水電解セル（以下、単に電解セルという）５２が収容さ
れた水素酸素発生タンク（以下、単に純水タンクとい
う）５３と、この純水タンク５３に純水Ｗを供給するた
めの純水供給タンク５４と、水素ガスＨ₂から液分（純
水）を除去するための水素ガス用気液分離タンク５５と
を主要構成機器としている。なお、５６は純水供給ポン
プである。

【０００３】また、純水タンク５３内の電解セル５２で
は、その周囲の純水が電解セル５２内部で電気分解さ
れ、水素ガスＨ₂と酸素ガスＯ₂とが発生している。発
生した酸素ガスＯ₂は直接純水タンク５３内の純水内を
通過させられ、酸素ガス取り出し管５７を通して除湿器
（図示せず）に送られ、除湿後に収集される。一方、発
生した水素ガスＨ₂は純水タンク５３内の純水を通さ
ず、電解セル５２から第一水素ガス取り出し管５８ａを
通して水素ガス用気液分離タンク５５に導かれ、そこで
液分を除去され、第二水素ガス取り出し管５８ｂを通し
て除湿器（図示せず）に送られ、除湿後に収集される。

【０００４】純水タンク５３内には純水の温度上昇を抑
制するために純水冷却用の熱交換器５９が設置されてい
る。これは、純水は電気分解時の発熱によって温度上昇
するが、電解セルを構成する部品等の熱劣化防止からは
純水温度の上昇は好ましいものでなく、また、発生した
酸素ガス中の水分量が増加する点からも純水温度の上昇
は好ましいものでないからである。

【０００５】なお、前記電解セル５２は円柱形を呈して
おり、正負両電極板のあいだに電解質膜によって仕切ら
れた酸素発生室と水素発生室とを有し、周囲をガスケッ
ト等の部材によって囲まれたものである。その構造は図
６および図７に示す。図６は組み立て後を示し、図７は
組み立て前を示す。図中、６１は電極板であり、６２は
固体電解質膜である。６３は多孔質給電体であり、６４
はガスケット、６５は保護シートである。そして、６６
は水素ガス取り出し経路、６６ａは水素ガス取り出し通
路、６７は酸素ガス取り出し経路、６７ａは酸素ガス取
り出し通路である。６８ａおよび６８ｂは端板である。
本図では純水供給経路は表されていないが、水素ガス取
り出し経路６６と同様の構成によって形成されている。

【０００６】図６に示すようにボルト６９によって叙上
の各部品類を両端板６８ａ、６８ｂで挟持するように締
結すれば電解セル５２となる。なお、多孔質給電体６３
の部分が酸素ガス発生室および水素ガス発生室となる。

【０００７】図５に示す電解セル５２は純水タンク５３
内に横置き（電解セルの中心軸がほぼ水平にされてい
る）にされているが、縦置きのものも存在する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】叙上のごとく構成され
たＨＨＯＧ５１は、純水タンク５３内における電解セル
５２の側方に熱交換器５９を設置しなければならないた
め、熱交換器５９の大きさに制限が生じる。換言すれ
ば、電解セル５２の側方に熱交換器５９を設置すること
により純水タンク５３の容積を大きくしなければならな
い。さらに、電解セル５２の側方に熱交換器５９を設置
すれば、冷却に伴う純水の効果的な自然対流が期待でき
ない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明はかかる問題を
解決するためになされたものであり、電解セルを円筒状
に形成することにより、その空洞内に熱交換器を設置す
ることが可能となり、その結果、純水タンクの容積の縮
小も可能とした。さらに、純水の自然対流も効果的に起
こり、冷却効率が向上する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の筒型電解セルは、正負の
両電極板のあいだに電解質膜としての固体電解質膜によ
って仕切られた酸素発生室と水素発生室とを有する電解
セルであって、前記酸素発生室および水素発生室がとも
にその内周側および外周側が外部から隔絶された環状の
画室に形成されることにより、全体に中央部に空洞を有
する筒形を呈していることを特徴としている。

【００１１】かかる構成により、熱交換器を筒型電解セ
ルの中央空洞に設置することが可能となり、純水タンク
がコンパクトに形成されうる。しかも、熱交換器によっ
て冷却された純水が前記中央空洞を下降し、電解セルの
外周側の純水タンク内壁との間隙を上昇するという、純
水の自然対流にとって非常に好適な流通路が形成され
る。

【００１２】かかる電解セルにおいて、その両端面それ
ぞれに輪状の端板を備え、酸素発生室および水素発生室
の内周側外方および外周側外方に複数本の締結手段を挿
通することにより、前記両端板同士を、酸素発生室およ
び水素発生室の構成部品が挟圧されるように締結すれ
ば、電解セルの拘束部が外周側と内周側に構成されるの
で、電解セルの剛性が向上する。前記締結手段としては
様々な公知のものを採用しうるが、なかでもボルトナッ
トを採用するのが、入手が容易であり且つ組付けも容易
となるのでコストアップを回避することができる。

【００１３】叙上の電解セルとして、輪状の固体電解質
膜と、その両面に添設された輪状の多孔質給電体と、該
両多孔質給電体それぞれの外側に配設された輪状の電極
板と、前記多孔質給電体の外周側に配設された外側閉塞
部材と、多孔質給電体の内周側に配設された内側閉塞部
材とを備えたものが、全体をコンパクトに構成しうる点
で好ましい。なお、前記外側および内側の閉塞部材とし
てはガスケットが採用されうる。このガスケット材料と
しては、シリコン樹脂を主成分とするものがシール作用
が優れている点で好ましい。

【００１４】さらに、叙上に述べた電解セルを複数個積
層することにより電解モジュールとすれば、コンパクト
な構成であって且つ大量のガスを得ることができるので
好ましい。

【００１５】本発明の高圧型水素酸素発生装置は、上述
したうちのいずれかの電解セルと、該電解セルが収容さ
れた純水タンクとを備えており、前記電解セルの中央部
空洞を通る中心軸が純水タンクの中心軸に沿うように配
設されている。かかる構成により、前述のごとく、電解
セルの中央部空洞に純水タンク内の純水を冷却するため
の熱交換器を設置することが可能となる。

【００１６】そして、この純水タンクを縦置き（タンク
をその中心軸がほぼ鉛直となるように設置する）にすれ
ば、前述のとおり、熱交換器によって冷却された純水は
電解セルの中央部空洞を下降し、電解セルによって加熱
された純水は電解セルの外周面と純水タンクの内壁との
間隙を上昇するので、純水全体を効率的に冷却しうる自
然対流が生じる。この場合、電解セルの酸素ガス取り出
し通路を電解セルの外周側に開口させておけば、酸素ガ
スが電解セルの外周側の純水中を上昇することによる純
水の随伴流と相まって加熱純水の上昇が加速され、より
効果的な純水の対流が発生する。

【００１７】さらに、前記純水タンクをタンク胴とタン
ク蓋とから構成し、該タンク蓋の内側面に前記電解セル
を着脱自在に取り付けることにより、前記タンク蓋がタ
ンク胴に嵌着された状態においては電解セルがタンク胴
内に配置されるように構成するのが、純水タンクへの電
解セルの組み込みが容易になる点で好ましい。同様に、
かかる純水タンクにおいて、タンク蓋の内側面に前記熱
交換器を着脱自在に取り付ければ、熱交換器の分解、組
み込みが容易になるので好ましい。

【００１８】なお、特許請求の範囲でいう「筒型」と
は、円筒状のみならず、多角筒状、長円筒状および楕円
筒状等も含む意味である。また、「環状」とは、円環状
のみならず、多角環状、長円環状および楕円環状等も含
む意味である。さらに、「輪状」とは、円輪状のみなら
ず、多角輪状、長円輪状および楕円輪状等も含む意味で
ある。

【００１９】

【実施例】つぎに、添付図面に示された実施例を参照し
つつ本発明の筒型電解セルを説明する。

【００２０】図１は本発明の筒型電解セルの一実施例を
示す外観図、図２は図１の筒型電解セルの組み立て前の
断面図、図３は図１の電解セルの組み立て後の断面図、
図４は図１の筒型電解セルが適用された純水タンクの一
実施例を示す断面図である。

【００２１】図１〜図３に示すのは円筒型の電解セル１
であり、２ａおよび２ｂはそれらのあいだに、電解セル
１の下記構成部品をボルト３の締結によって挟持するた
めの端板である。ボルト３は円筒型電解セル１の外周側
と内周側とにそれぞれ複数本ずつ締結されている。この
ように、従来の電解セルに比べて外周側と内周側とに配
設されるため、電解セル１の剛性が向上する。また、締
結ボルトの本数が増加するため、各ボルトは細径のもの
でよい。

【００２２】４は円輪状の電極板であり、５は円輪状の
固体電解質膜である。６ａおよび６ｂはそれぞれ円輪状
の多孔質給電体であり、７は円輪状の端部ガスケット、
８は円輪状の保護シートである。そして、９は酸素ガス
取り出し経路、９ａは酸素ガス取り出し通路、１０は水
素ガス取り出し経路、１０ａは水素ガス取り出し通路で
ある。本図では純水供給経路は表されていないが、水素
ガスの取り出し経路１０と同様の構成によって形成され
ている。

【００２３】また、固体電解質膜５の一方側の多孔質給
電体６ａの配設空間は酸素ガス発生室を構成し、他方側
の多孔質給電体６ｂの配設空間は水素ガス発生室を構成
している。前記酸素ガス取り出し経路９は酸素ガス発生
室６ａと酸素ガス通路９ａとを連通させ、水素ガス取り
出し経路１０は水素ガス発生室６ｂと水素ガス通路１０
ａとを連通させている。

【００２４】図中、１１は酸素ガス発生室６ａと水素ガ
ス発生室６ｂとをそれぞれ内周側および外周側の外部と
隔絶する中間部ガスケットである。中間部ガスケット１
１は電解セルの内周側ガスケット１１ｉと外周側ガスケ
ット１１ｏとの二部材から構成されており、保護シート
８は電解セルの内周側シート８ｉと外周側シート８ｏと
の二部材から構成されている。これは、酸素ガス発生室
６ａと水素ガス発生室６ｂとをそれぞれ円環状に形成す
るためである。

【００２５】前記電極板４の材質としてはチタンが好ま
しく、板状のものを使用する。また、多孔質給電体６
ａ、６ｂの材質もチタンでありメッシュ状のものを用い
る。

【００２６】固体電解質膜５としては、固体高分子電解
質を膜状に成形したもの、たとえば、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、たとえ
ば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）の両面に、貴
金属、とくに白金族金属からなる多孔質の陽極および陰
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。なお、本実
施例では隔膜として固体電解質膜５を用いたが、他の固
体電解質膜、たとえばセラミック膜等も使用可能であ
る。

【００２７】上部の端板２ａの上面には酸素ガス通路９
ａと連通するエルボ１２が設けられている。これは後述
するように、電解セル１で発生した酸素ガスを電解セル
１の外周側外方へ導出するためのものである。下部の端
板２ｂの下面には水素ガス通路１０ａと連通するニップ
ル１３が設けられている。これは後述するように、電解
セル１で発生した水素ガスを純水タンク２１の外方へ導
出する水素ガス取り出し配管２５を接続するためのもの
である。

【００２８】叙上のごとく構成されることにより、本電
解セル１は中央部に空洞Ｈを有する円筒状に形成され
る。

【００２９】なお、上述の実施例では、図１〜図３に示
した、固体電解質膜を二枚有する電解セルを説明した
が、これに限定されず、発生する酸素ガスまたは水素ガ
スの要求量に応じた枚数の固体電解質膜を用いることが
できる。

【００３０】図４には、その内部に前記電解セル１が二
段に配設された純水タンク２１が示されている。この純
水タンク２１はＨＨＯＧの主要構成機器である。純水タ
ンク２１内には純水Ｗが貯水されており、この純水Ｗが
電解セル１内に取り込まれて電気分解される。２２は電
解セル１を純水タンク２１の底部に固定するための架台
であり、２３は電解セル１同士を連結するための連結金
具である。

【００３１】電解セル１内で発生した酸素ガスは前記エ
ルボ１２から電解セル１の外周側の純水中に排出され、
純水タンク２１の上端に接続された酸素ガス取り出し管
２４を通して除湿器（図示しない）に送られ、除湿され
たのちに収集される。

【００３２】一方、電解セル１内で発生した水素ガス
は、前記ニップル１３に接続されて純水タンク２１の壁
を貫通する水素ガス取り出し管２５を通して気液分離タ
ンク（図示しない）に送られ、ついで除湿器（図示しな
い）に送られて除湿されたのちに収集される。２６は純
水供給口であり、図示しない純水供給管が接続されてい
る。

【００３３】電解セル１の中央部の空洞Ｈ内に立設され
ているのはチューブタイプの熱交換器２７である。熱交
換器２７の一端は純水タンク壁に形成された冷媒入口２
８に接続され、他端は純水タンク壁に形成された冷媒出
口２９に接続されている。冷媒としては冷水やフロンガ
ス等が用いられる。

【００３４】叙上のごとく構成されることにより、本純
水タンク２１では熱交換器２７によって冷却された純水
Ｗが電解セル１の中央部の空洞Ｈ内を下降し、電解セル
１によって加熱された純水Ｗは発生酸素ガスの上昇とも
相まって電解セル１の外周側を上昇する。このように、
純水全体の冷却効率が向上するような効果的な対流が生
じる。さらに、従来技術のように、電解セルの外方のア
ニュラス状のスペースに熱交換器を設置するものではな
いため、純水タンクをよりコンパクトに形成することが
できる。

【００３５】また、図示してはいないが、純水タンクを
それぞれがフランジを有する胴部と一方の鏡板との二部
材または三部材（胴部と両鏡板）から構成し、これらの
部材間をフランジ接続によって一体化しうるように形成
してもよい。そうすれば、一方の鏡板の内面に前記電解
セル１および／または熱交換器２７を予め取り付けてお
くことができる。かかる構成によれば純水タンク１の分
解、組み立てが容易になる。

【００３６】なお、叙上の実施例では高圧型のＨＨＯＧ
を例にとって説明したが、本発明の電解セルは高圧型の
ＨＨＯＧに限らず、低圧型のものにも適用することがで
きる。

【００３７】また、叙上の実施例では電解セルが二段に
配設された高純度の水素酸素発生装置を例にとって説明
したが、これに限定されず、電解セルとしては一段また
は三段以上に配設されたものも適用できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の筒型電解セルおよびＨＨＯＧに
よれば、熱交換器を筒型電解セルの中央空洞に設置する
ことが可能となり、純水タンクがコンパクトに形成され
うる。しかも、熱交換器によって冷却された純水が前記
中央空洞を下降し、電解セルの外周側の純水タンク内壁
との間隙を上昇するという、純水全体を効率的に冷却す
るための純水の自然対流にとって非常に好適な流通路が
形成される。

【００３９】また、電解セルの外周側および内周側をと
もに圧縮締結するため、従来の電解セルに比較してその
剛性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の筒型電解セルの一実施例を示す外観図
である。

【図２】図１の筒型電解セルの組み立て前の断面図であ
る。

【図３】図１の電解セルの組み立て後の断面図である。

【図４】図１の筒型電解セルが適用された純水タンクの
一実施例を示す断面図である。

【図５】従来の高圧型水素酸素発生装置の一例を示す系
統図である。

【図６】従来の電解セルの型電解セルの一例を示す組み
立て後の断面図である。

【図７】従来の電解セルの型電解セルの一例を示す組み
立て前の断面図である。

【符号の説明】

１・・・電解セル４・・・電極板５・・・固体電解質膜６ａ・・多孔質給電体（酸素ガス発生室）６ｂ・・多孔質給電体（水素ガス発生室）９ａ・・酸素ガス取り出し通路１０ａ・・水素ガス取り出し通路２１・・・純水タンク２７・・・熱交換器Ｗ・・・純水Ｈ・・・空洞

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森岡輝行兵庫県加古川市平岡町土山934−４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正負の両電極板のあいだに電解質膜によ
って仕切られた酸素発生室と水素発生室とを有する電解
セルであって、前記酸素発生室および水素発生室がとも
にその内周側および外周側が外部から隔絶された環状の
画室に形成されることにより、全体に中央部に空洞を有
する筒形を呈していることを特徴とする筒型電解セル。
【請求項２】両端面それぞれに輪状の端板を有してお
り、酸素発生室および水素発生室の内周側外方および外
周側外方に挿通された複数本の締結手段により、前記両
端板同士が酸素発生室および水素発生室の構成部品を挟
圧するように締結されてなる請求項１記載の筒型電解セ
ル。
【請求項３】輪状の電解質膜と、その両面に添設され
た輪状の多孔質給電体と、該両多孔質給電体それぞれの
外側に配設された輪状の電極板と、前記多孔質給電体の
外周側に配設された外側閉塞部材と、多孔質給電体の内
周側に配設された内側閉塞部材とを備えてなる請求項１
または２記載の筒型電解セル。
【請求項４】請求項１〜３のうちのいずれか一の項に
記載の電解セルが複数個積層されてなる筒型積層電解セ
ル。
【請求項５】前記酸素発生室から、発生酸素ガス取り
出し通路が電解セルの外周側に開口するように連通形成
されてなる請求項１〜４のうちのいずれか一の項に記載
の筒型積層電解セル。
【請求項６】請求項１〜５のうちのいずれか一の項に
記載の電解セルと、該電解セルが収容された純水タンク
とを備えており、前記電解セルの中央部空洞を通る中心
軸が純水タンクの中心軸に沿うように配設されてなる高
圧型水素酸素発生装置。
【請求項７】前記電解セルの中央部空洞に純水タンク
内の純水を冷却するための熱交換器が配設されてなる請
求項６記載の高圧型水素酸素発生装置。
【請求項８】前記純水タンクがタンク胴とタンク蓋と
から構成されており、該タンク蓋の内側面に前記電解セ
ルが着脱自在に取り付けられ、前記タンク蓋がタンク胴
に嵌着された状態において電解セルがタンク胴内に配置
されるように構成されてなる請求項６または７記載の高
圧型水素酸素発生装置。
【請求項９】前記純水タンクがタンク胴とタンク蓋と
から構成されており、該タンク蓋の内側面に前記熱交換
器が着脱自在に取り付けられ、前記タンク蓋がタンク胴
に嵌着された状態において熱交換器がタンク胴内に配置
されるように構成されてなる請求項７記載の高圧型水素
酸素発生装置。