JP6025689B2 - 差圧式高圧水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置に関する。

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素（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、それぞれ給電体を配設してユニットが構成されている。

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。

電解質膜・電極構造体は、例えば、特許文献１に開示されている製造方法により製造されている。この製造方法では、固体高分子電解質膜の表面を粗面化処理した後、前記固体高分子電解質膜に触媒金属イオンをイオン交換によって吸着させている。そして、触媒金属イオンを固体高分子電解質膜の両面に析出させることにより、第１触媒層を形成している。さらに、片面側の第１触媒層の上に、固体高分子電解質膜と同じ電解質成分と触媒金属とを含んでなる混合物を熱圧着することによって、第２触媒層を形成している。

上記の電解質膜・電極構造体は、例えば、特許文献２に開示されている高圧水素製造装置に使用されている。高圧水素製造装置では、水の電気分解によりアノード側に酸素を製造する一方、カソード側に該酸素よりも高圧な水素を製造している。

特開２００８−２４００６９号公報 特開２００７−２３３４３号公報

ところで、上記の高圧水素製造装置では、固体高分子電解質膜のカソード側の面に高圧水素による押圧力が付与されるため、前記固体高分子電解質膜のアノード側の面には、該アノード側の部材に押しつけられている。従って、固体高分子電解質膜は、アノード側の面に接する部材により触媒層の一部が欠如し易く、局所的に高電流が流れ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、固体高分子電解質膜の両面に差圧が発生しても、触媒層の欠如を可及的に抑制することができ、局所的に高電流が流れることを確実に阻止することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。

本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられる電解質膜を有している。アノード触媒層には、アノード給電体が積層される一方、カソード触媒層には、カソード給電体が積層されている。

アノード給電体には、アノードセパレータが積層されるとともに、カソード給電体には、カソードセパレータが積層されている。そして、電解質膜とアノード給電体との間には、前記アノード給電体の最大開口径よりも小さな開口径の貫通孔が形成される保護シート部材が介装されている。

差圧式高圧水電解装置では、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素が、生成されている。ここで、アノード触媒層は、保護シート部材と電解質膜との接触部位及び前記保護シート部材の貫通孔の内壁面を覆って設けられている。

また、この差圧式高圧水電解装置では、保護シート部材は、アノード触媒層が設けられた貫通孔の内部に、導電性及び親水性を有する樹脂が充填されることが好ましい。

さらに、この差圧式高圧水電解装置では、樹脂は、アイオノマー樹脂であることが好ましい。

さらにまた、この差圧式高圧水電解装置では、カソード触媒層は、電解質膜と一体化される一方、アノード触媒層は、保護シート部材に一体化されることが好ましい。

本発明によれば、アノード触媒層は、保護シート部材と電解質膜との接触部位及び前記保護シート部材の貫通孔の内壁面を覆って設けられている。このため、固体高分子電解質膜は、両面に差圧が発生して部分的に保護シート部材の貫通孔内に入り込んでも、アノード触媒層が欠如することを可及的に抑制することができる。これにより、固体高分子電解質膜は、局所的に高電流が流れることを確実に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置の斜視説明図である。 前記差圧式高圧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、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記単位セルの要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する単位セルの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する単位セルの要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置を構成する単位セルの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１０は、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（上端）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が上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）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が下方に向かって、順次、配設される。

差圧式高圧水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド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、差圧式高圧水電解装置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、差圧式高圧水電解装置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。

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を介して電解電源２８に電気的に接続される。

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６とを備える。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、略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る。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、その他、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、略円板形状を有する固体高分子電解質膜（電解質膜）３８を備える。固体高分子電解質膜３８は、円形状を有する電解用のアノード給電体４０及びカソード給電体４２に挟持される。固体高分子電解質膜３８とアノード給電体４０との間には、円板形状を有する保護シート部材４４が介装される。固体高分子電解質膜３８は、例えば、炭化水素（ＨＣ）系の膜又はフッ素系の膜により構成される。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード触媒層４０ａ及びカソード触媒層４２ａが形成される。アノード触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用するとともに、カソード触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。カソード触媒層４２ａは、固体高分子電解質膜３８の面に接合（例えば、ホットプレス）される一方、アノード触媒層４０ａは、保護シート部材４４に塗布される。アノード触媒層４０ａは、固体高分子電解質膜３８の面に接合されなくてもよい。電解時にカソード側が高圧になるため、該カソード側から高面圧になってアノード触媒層４０ａと固体高分子電解質膜３８とを確実に密着させることができるからである。

アノード給電体４０及びカソード給電体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。アノード給電体４０及びカソード給電体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。

保護シート部材４４は、例えば、チタンプレート（チタンシート）で構成され、このチタンプレートには、多数の貫通孔４４ａがエッチング、ドリル、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により形成される。貫通孔４４ａは、アノード給電体４０の最大開口径よりも小さな開口径に設定される。なお、貫通孔４４ａの開口形状は、円柱形状の他、三角錐形状や多角柱形状等、種々の形状が選択可能である。

図４に示すように、アノード触媒層４０ａは、第１触媒部４０ａ１と第２触媒部４０ａ２とを有する。第１触媒部４０ａ１は、保護シート部材４４と固体高分子電解質膜３８との接触部位に設けられる一方、第２触媒部４０ａ２は、前記保護シート部材４４の貫通孔４４ａの内壁面を覆って設けられる。第１触媒部４０ａ１と第２触媒部４０ａ２とは、一体に設けてもよく、又は、それぞれ個別に設けて一体化してもよい。

図３に示すように、カソード給電体４２の固体高分子電解質膜３８に対向する面とは反対の面には、プレート部材４６が配置される。プレート部材４６は、円板状を有するとともに、カソード給電体４２とは反対側の面に、押圧部材、例えば、複数枚の皿ばね４７が配設される。皿ばね４７は、皿ばねホルダであるプレート部材４６を介してカソード給電体４２に荷重を付与する。

図２に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４８ａ、第２突出部４８ｂ及び第３突出部４８ｃが形成される。第１突出部４８ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１の流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔５０ａが設けられる。

第２突出部４８ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、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５０ｂが設けられる。第３突出部４８ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された高圧水素を流すための水素連通孔５０ｃが設けられる。

図２及び図３に示すように、アノードセパレータ３４には、水供給連通孔５０ａに連通する供給通路５２ａと、排出連通孔５０ｂに連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノードセパレータ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、アノード給電体４０の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。

カソードセパレータ３６には、水素連通孔５０ｃに連通する排出通路５６が設けられる。プレート部材４６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、カソード給電体４２の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。

アノードセパレータ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及びアノード給電体４０の外方を周回して第１シール部材６０ａを配設するための第１シール溝６２ａが形成される。

面３４ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃ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２シール溝６２ｂ、第３シール溝６２ｃ及び第４シール溝６２ｄには、第２シール部材６０ｂ、第３シール部材６０ｃ及び第４シール部材６０ｄが配置される。第１シール部材６０ａ〜第４シール部材６０ｄは、例えば、Ｏリングである。

カソードセパレータ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及びカソード給電体４２の外方を周回して、第１シール部材６４ａを配設するための第１シール溝６６ａが形成される。

面３６ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃの外側を周回して、第２シール溝６６ｂ、第３シール溝６６ｃ及び第４シール溝６６ｄが形成される。第２シール溝６６ｂ、第３シール溝６６ｃ及び第４シール溝６６ｄには、第２シール部材６４ｂ、第３シール部材６４ｃ及び第４シール部材６４ｄが配置される。第１シール部材６４ａ〜第４シール部材６４ｄは、例えば、Ｏリングである。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃに連通する配管６８ａ、６８ｂ及び６８ｃが接続される。配管６８ｃ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５０ｃ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。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂがタイロッド２２を介して締め付けられる。

このように構成される差圧式高圧水電解装置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６８ａから差圧式高圧水電解装置１０の水供給連通孔５０ａ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解電源２８を介して電圧が付与される。このため、図２及び図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔５０ａからアノードセパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード触媒層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、カソード給電体４２の内部及びプレート部材４６に形成される第２流路５８に沿って、水素が流動する。水素は、水供給連通孔５０ａよりも高圧に維持されており、水素連通孔５０ｃを流れて差圧式高圧水電解装置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５０ｂに沿って差圧式高圧水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、アノード触媒層４０ａは、第１触媒部４０ａ１と第２触媒部４０ａ２とを有している。第１触媒部４０ａ１は、保護シート部材４４と固体高分子電解質膜３８との接触部位に設けられる一方、第２触媒部４０ａ２は、前記保護シート部材４４の貫通孔４４ａの内壁面を覆って設けられている。

このため、固体高分子電解質膜３８と接しない部分であっても、電解に寄与することができ、電解面を拡大させることが可能になる。しかも、固体高分子電解質膜３８は、両面に差圧が発生して部分的に保護シート部材４４の貫通孔４４ａ内に入り込んでも（図４中、二点鎖線参照）、アノード触媒層４０ａが部分的に欠如することを可及的に抑制することができる。従って、固体高分子電解質膜３８は、局所的に高電流が流れることを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置７０を構成する単位セル７２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

単位セル７２は、固体高分子電解質膜３８とアノード給電体４０との間に介装されるとともに、例えば、チタンプレートで構成される保護シート部材７４を備える。保護シート部材７４には、アノード給電体４０の最大開口径よりも小さな開口径に設定される多数の貫通孔７４ａが形成される。貫通孔７４ａは、厚さ方向両側の面からそれぞれ厚さ方向内方に向かって縮径するテーパ形状を有し、厚さ方向中央部で互いの最小径部が連通する。

アノード触媒層４０ａは、第１触媒部４０ａ３と第２触媒部４０ａ４とを有する。第１触媒部４０ａ３は、保護シート部材７４と固体高分子電解質膜３８との接触部位に設けられる一方、第２触媒部４０ａ４は、前記保護シート部材７４の貫通孔７４ａの内壁面を覆って設けられる。

第２の実施形態では、第２触媒部４０ａ４が設けられた貫通孔７４ａの内部に導電性及び親水性を有する樹脂７６が充填される。樹脂７６としては、例えば、アイオノマー樹脂が採用される。各貫通孔７４ａは、アノード給電体４０よりも開口径が小さく、樹脂７６が充填されていても、毛管現象で水を吸い上げることができる。

このように構成される第２の実施形態では、貫通孔７４ａが導電性及び親水性を有する樹脂７６により充填されている。このため、固体高分子電解質膜３８が貫通孔７４ａに入り込むことを一層確実に阻止するとともに、所望の導電性を保持することができる。

しかも、貫通孔７４ａの内部にも、第２触媒部４０ａ４が設けられている。従って、固体高分子電解質膜３８と接しない部分であっても、電解に寄与することができ、電解面を拡大させることが可能になる。さらに、アノード触媒層４０ａが部分的に欠如することを可及的に抑制することができ、固体高分子電解質膜３８は、局所的に高電流が流れることを確実に阻止する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置８０を構成する単位セル８２の要部断面説明図である。

単位セル８２は、固体高分子電解質膜３８とアノード給電体４０との間に介装されるとともに、例えば、チタンプレートで構成される保護シート部材８４を備える。保護シート部材８４には、アノード給電体４０の最大開口径よりも小さな開口径に設定される多数の貫通孔８４ａが形成される。貫通孔８４ａは、固体高分子電解質膜３８に対向する面からアノード給電体４０に向かって拡径するテーパ形状を有する。

アノード触媒層４０ａは、第１触媒部４０ａ５と第２触媒部４０ａ６とを有する。第１触媒部４０ａ５は、保護シート部材８４と固体高分子電解質膜３８との接触部位に設けられる一方、第２触媒部４０ａ６は、前記保護シート部材８４の貫通孔８４ａの内壁面を覆って設けられる。

第３の実施形態では、第２触媒部４０ａ６が設けられた貫通孔８４ａの内部に導電性及び親水性を有する樹脂８６が充填される。樹脂８６としては、例えば、アイオノマー樹脂が採用される。

このように構成される第３の実施形態では、固体高分子電解質膜３８が貫通孔８４ａに入り込むことを一層確実に阻止するとともに、所望の導電性を保持することができる等、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置９０を構成する単位セル９２の要部断面説明図である。

単位セル９２は、固体高分子電解質膜３８とアノード給電体４０との間に介装されるとともに、例えば、チタンプレートで構成される保護シート部材９４を備える。保護シート部材９４には、アノード給電体４０の最大開口径よりも小さな開口径に設定される多数の貫通孔９４ａが形成される。貫通孔９４ａは、厚さ方向に向かって同一の開口径を有する。

アノード触媒層４０ａは、第１触媒部４０ａ７と第２触媒部４０ａ８とを有する。第１触媒部４０ａ７は、保護シート部材９４と固体高分子電解質膜３８との接触部位に設けられる一方、第２触媒部４０ａ８は、前記保護シート部材９４の貫通孔９４ａの内壁面を覆って設けられる。

第４の実施形態では、第２触媒部４０ａ８が設けられた貫通孔９４ａの内部に導電性及び親水性を有する樹脂９６が充填される。樹脂９６としては、例えば、アイオノマー樹脂が採用される。

このように構成される第４の実施形態では、固体高分子電解質膜３８が貫通孔９４ａに入り込むことを一層確実に阻止するとともに、所望の導電性を保持することができる等、上記の第２及び第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、８０、９０…差圧式高圧水電解装置
１２、７２、８２、９２…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…電解電源 ３２…電解質膜・電極構造体
３４…アノードセパレータ ３６…カソードセパレータ
３８…固体高分子電解質膜 ４０…アノード給電体
４０ａ…アノード触媒層 ４０ａ１〜４０ａ８…触媒部
４２…カソード給電体 ４２ａ…カソード触媒層
４４、７４、８４、９４…保護シート部材
４４ａ、７４ａ、８４ａ、９４ａ…貫通孔
４６…プレート部材 ５０ａ…水供給連通孔
５０ｂ…排出連通孔 ５０ｃ…水素連通孔
５４、５８…流路 ７６、８６、９６…樹脂

Claims (4)

1. 一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられる電解質膜と、
   前記アノード触媒層に積層されるアノード給電体及び前記カソード触媒層に積層されるカソード給電体と、
   前記アノード給電体に積層されるアノードセパレータ及び前記カソード給電体に積層されるカソードセパレータと、
   前記電解質膜と前記アノード給電体との間に介装され、前記アノード給電体の最大開口径よりも小さな開口径の貫通孔が形成される保護シート部材と、
   を備え、水の電気分解によりアノード側に酸素が、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素が、生成される差圧式高圧水電解装置であって、
   前記アノード触媒層は、前記保護シート部材と前記電解質膜との接触部位及び前記保護シート部材の前記貫通孔の内壁面を覆って設けられることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
2. 請求項１記載の差圧式高圧水電解装置において、前記保護シート部材は、前記アノード触媒層が設けられた前記貫通孔の内部に、導電性及び親水性を有する樹脂が充填されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
3. 請求項２記載の差圧式高圧水電解装置において、前記樹脂は、アイオノマー樹脂であることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の差圧式高圧水電解装置において、前記カソード触媒層は、前記電解質膜に一体化される一方、
   前記アノード触媒層は、前記保護シート部材に一体化されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。

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