JP5525195B2 - 高圧水電解装置及び高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第２流路が形成される高圧水電解装置及び高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の設備として、例えば、特許文献１に開示されている給電体が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、粉末焼結部１と繊維焼結部２とを一体に結合することにより、二重構造給電体３が構成されている。

粉末焼結部１は、チタン粉末が焼結されて形成される一方、繊維焼結部２は、チタン繊維シートが焼結されて形成されている。二重構造給電体３は、水素酸素発生装置の電解セルにおいて、固体電解質膜４に粉末焼結部１が圧接された状態で使用されている。

特開２００１−２７９４８１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、粉末焼結部１がチタン粉末を焼結させて形成されるため、前記粉末焼結部１は、粒子の凝集状態により開口にばらつきが生じ易く、開口径の分布が広範囲になってしまう。このため、二重構造給電体３を、特に、高圧水素を発生させる高圧水電解装置に適用すると、アノード側とカソード側との差圧によって固体電解質膜４が粉末焼結部１に圧接する際、前記固体電解質膜４に損傷等のダメージが生じるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び製造工程で、電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な高圧水電解装置及び高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第２流路が形成され、アノード側とカソード側との差圧によって前記電解質膜が前記アノード側給電体に圧接され、前記アノード側給電体の開口径のばらつきにより前記電解質膜が損傷し得る高圧水電解装置及び前記高圧水電解装置に用いられる高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法に関するものである。

そして、高圧水電解装置では、アノード側給電体は、空隙率が１０〜５０％の多孔質給電体で構成されるとともに、前記多孔質給電体の最大開口径Ｄは、第２流路側の水素圧力Ｐ、電解質膜の厚さｔ及び前記電解質膜の引張強さσに対して、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制している。なお、多孔質給電体は、表面に多数の孔部を有するシートも含む。

また、高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法では、前記アノード側給電体として空隙率が１０〜５０％の多孔質給電体を用いるとともに、前記多孔質給電体の最大開口径Ｄは、前記第２流路側の水素圧力Ｐ、前記電解質膜の厚さｔ及び前記電解質膜の引張強さσに対して、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制している。

本発明によれば、多孔質給電体の最大開口径が、電解質膜の厚さ及び前記電解質膜の引張強さと水電解圧力とに基づいて設定されるため、高圧の水素ガスによる前記電解質膜の破損を可及的に阻止することができる。これにより、簡単な構成及び製造工程で、良好な高圧水電解処理を継続して行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。 前記水電解装置の一部断面側面図である。 前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記単位セルの断面説明図である。 前記単位セルの要部拡大断面説明図である。 目標運転時間と膜の破断伸びとの関係説明図である。 特許文献１に開示されている給電体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置１０は、差圧式の高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが、順次、配設される。

水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

図２〜図４に示すように、単位セル１２は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両側に配設されるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。なお、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、耐食性のチタンシート等の金属シートに、エッチング、ドリル加工、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により開口部を形成してもよい。

図５に示すように、アノード側給電体４０の最大開口径Ｄに対応して、固体高分子電解質膜３８に作用する引張応力σｔは、σｔ＝荷重／π×Ｄ×膜厚の関係式から算出される。さらに、高圧水素のガス圧Ｐ及び固体高分子電解質膜３８の膜厚ｔから、σｔ＝（π×Ｄ²／４）×Ｐ÷（π×Ｄ×ｔ）≦σ（σ：固体高分子電解質膜３８の引張強さ）が得られる。

これにより、アノード側給電体４０の最大開口径Ｄは、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値（通常、３０μｍ〜２００μｍ）に設定される。そして、アノード側給電体４０は、上記の関係を有する最大開口径Ｄに設定された状態で、製造されている。

ここで、引張強さσは、図６に示すように、固体高分子電解質膜３８にσ（ＭＰａ）の応力が付与されても、前記固体高分子電解質膜３８のクリープ変形が、目標運転時間において、破断伸びに達しない状態に維持される値に設定されている。

図３に示すように、単位セル１２の外周縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔４６と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８と、反応により生成された水素（高圧水素）を流すための水素連通孔５０とが設けられる。

図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４の外周縁部には、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図４参照）。

カソード側セパレータ３６の外周縁部には、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図４参照）。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図４に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、第２流路５８の外側を周回して第１シール溝６２ａが形成される。

図３及び図４に示すように、面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して第２シール溝６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄが形成される。第１シール溝６２ａ〜第４シール溝６２ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材６４ａ〜第４シール部材６４ｄが配設される。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、第１流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６２ａに対向して第１シール溝７０ａが形成される。面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回し、且つ第２シール溝６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄに対向して第２シール溝７０ｂ、第３シール溝７０ｃ及び第４シール溝７０ｄが形成される。第１シール溝７０ａ〜第４シール溝７０ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７２ａ〜第４シール部材７２ｄが収容される。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが接続される。配管７６ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。

このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、配管７６ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６に水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３及び図４に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水電解装置１０の外部に排出される。なお、第２流路５８は、第１流路５４よりも圧力が高い。

この場合、水電解装置１０は、差圧式の高圧水素製造装置を構成しており、高圧水素ガスが生成される第２流路５８と、水及び酸素が流通する常圧の第１流路５４との圧力差によって、固体高分子電解質膜３８がアノード側給電体４０に向かって押圧されている（図５参照）。

その際、本実施形態では、アノード側給電体４０の最大開口径Ｄは、固体高分子電解質膜３８の引張強さσ、前記固体高分子電解質膜３８の膜厚ｔ及び高圧水素のガス圧（水素圧力）Ｐに対して、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値に設定されている。

このため、固体高分子電解質膜３８には、前記固体高分子電解質膜３８の強度（引張強さσ）以上の応力が作用することがない。従って、固体高分子電解質膜３８は、アノード側給電体４０の開口部形状に沿って変形し、破断伸びまで変形して膜破れが惹起することを確実に阻止することができる。

図６に示すように、固体高分子電解質膜３８に応力σが作用しても、前記固体高分子電解質膜３８のクリープ変形が、目標運転時間まで破断伸びに達しない状態に維持されているからである。

これにより、水電解装置１０は、簡単な構成及び製造工程で、固体高分子電解質膜３８が損傷することを可及的に阻止し、良好な水電解処理を継続して行うことが可能になるという効果が得られる。

１０…水電解装置 １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部 ２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第２流路が形成され、アノード側とカソード側との差圧によって前記電解質膜が前記アノード側給電体に圧接され、前記アノード側給電体の開口径のばらつきにより前記電解質膜が損傷し得る高圧水電解装置であって、
   前記アノード側給電体は、空隙率が１０〜５０％の多孔質給電体で構成されるとともに、
   前記多孔質給電体の最大開口径Ｄは、前記第２流路側の水素圧力Ｐ、前記電解質膜の厚さｔ及び前記電解質膜の引張強さσに対して、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制することを特徴とする高圧水電解装置。
2. 電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第２流路が形成され、アノード側とカソード側との差圧によって前記電解質膜が前記アノード側給電体に圧接され、前記アノード側給電体の開口径のばらつきにより前記電解質膜が損傷し得る高圧水電解装置に用いられる高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法であって、
   前記アノード側給電体として空隙率が１０〜５０％の多孔質給電体を用いるとともに、
   前記多孔質給電体の最大開口径Ｄは、前記第２流路側の水素圧力Ｐ、前記電解質膜の厚さｔ及び前記電解質膜の引張強さσに対して、Ｄ≦４×ｔ×σ／Ｐの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制することを特徴とする高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法。

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