JPH10204672A - 水電解槽用複極板及びそれを用いたセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子電解質膜を用いる水電解槽において、
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のできる複極板及びセル
を提供する。 【解決手段】 山部と谷部が微細ピッチで繰り返す形状
に超塑性加工されたチタン合金の薄板からなる水電解槽
用複極板。山部と谷部が微細ピッチで繰り返す形状に超
塑性加工されたチタン合金の薄板からなる２枚の複極板
９、９を、一方の複極板の山部及び谷部がそれぞれ他方
の複極板の谷部及び山部に対応するように配置し、かつ
これら２枚の複極板９、９の間に陽極給電体７と高分子
電解質膜を用いる電極複合体膜３と陰極給電体８とを挟
み込んだ構造とするとともに、当該セルの給水ヘッダー
及び酸素、水素の出口ヘッダーに多孔質ガスケットを設
置したことを特徴とする水電解槽用セル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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用の複極板及
びそれを用いたセル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】本発明によれば、上記課
題を解決するため、山部と谷部が微細ピッチで繰り返す
形状に超塑性加工されたチタン合金の薄板からなる水電
解槽用複極板が提供される。また、本発明によれば、山
部と谷部が微細ピッチで繰り返す形状に超塑性加工され
たチタン合金の薄板からなる２枚の複極板を、一方の複
極板の山部及び谷部がそれぞれ他方の複極板の谷部及び
山部に対応するように配置し、かつこれら２枚の複極板
の間に陽極給電体と高分子電解質膜を用いる電極複合体
膜と陰極給電体とを挟み込んだ構造とするとともに、当
該セルの給水ヘッダー及び酸素、水素の出口ヘッダーに
多孔質ガスケットを設置したことを特徴とする水電解槽
用セルが提供される。

【０００８】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ユニットセルの
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／ｄ
ｍ²）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。

【０００９】

【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。

【００１０】図２に本発明に係るユニットセル（２枚の
複極板９、９の間に陽極給電体７と電極複合体膜３と陰
極給電体８とを挟みこんだもの）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）山部と谷
部が微細ピッチで繰り返す形状を有するように超塑性加
工された２枚の複極板９、９を、一方の複極板の山部及
び谷部がそれぞれ他方の複極板の谷部及び山部に対応す
るように配置させるとともに、これら２枚の複極板９、
９の間に陽極給電体７と高分子電解質膜を用いる電極複
合体膜３と陰極給電体８とを挟み込んだ構造とすること
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。複極板９
における山部と谷部の繰り返し形状におけるピッチ装置
規模に応じて適宜設定可能であるが、１〜３ｍｍ程度が
適当である。なお、本明細書において、複極板の「山
部」と「谷部」とは、陽極給電体７と複合体膜３と陰極
給電体８からなる層を基準にしたときに、それぞれ、凸
部をなす部分が山部であり、凹部をなす部分が谷部であ
るものとする。またこの図では、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。

【００１１】図１の下部の穴は吸水孔で、上部左側の穴
は酸素側の排出孔である。これらの断面は、図４（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４（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４（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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【発明の効果】請求項１に係る複極板は、その山部と谷
部の繰り返し形状が、チタン合金の薄板を超塑性加工し
て形成したので、複極板に要求される前述の機能を全部
満足したものとなる。また、請求項２に係るユニット
は、上記のごとき複極板を用いるとともに、これに多孔
質ガスケットを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、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。

【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２枚の複極板の間に
単位セル（陽極給電体と電極複合体膜と陰極給電体）の
平面図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は図２に示される単位セルの
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 Ａ Ｏ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 (71)出願人 000005119 日立造船株式会社 大阪府大阪市住之江区南港北１丁目７番89 号 (74)上記３名の代理人 弁理士 池浦 敏明 (72)発明者 加藤 守孝 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 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 山部と谷部が微細ピッチで繰り返す形状
   に超塑性加工されたチタン合金の薄板からなる水電解槽
   用複極板。
2. 【請求項２】 山部と谷部が微細ピッチで繰り返す形状
   に超塑性加工されたチタン合金の薄板からなる２枚の複
   極板を、一方の複極板の山部及び谷部がそれぞれ他方の
   複極板の谷部及び山部に対応するように配置し、かつこ
   れら２枚の複極板の間に陽極給電体と高分子電解質膜を
   用いる電極複合体膜と陰極給電体とを挟み込んだ構造と
   するとともに、当該セルの給水ヘッダー及び酸素、水素
   の出口ヘッダーに多孔質ガスケットを設置したことを特
   徴とする水電解槽用セル。