(57)【要約】【課題】カソード側が高圧になってもアノード給電体の変形を防止できる水素製造装置を提供する。【解決手段】固体高分子膜２の両側に設けられた給電体３，４と、セパレータ５，６とを備える。カソード側で生成した水素ガスにより、固体高分子膜２とアノード側給電体４とがアノード側セパレータ６方向に押圧される。アノード側セパレータ６は、水素ガスの圧力に抗して形状を維持できる材料からなり、流体通路領域１９ｂとフレーム領域２０ｂとを備える。アノード給電体４は流体通路領域１９ｂに対向する多孔質部材１６と、多孔質部材１６と対等の厚さを有し、フレーム領域２０ｂに対向する非多孔質部材１７とからなる。カソード給電体３は、カソード側セパレータ５の流体通路領域１９ａに対向する多孔質部材のみからなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜と、該固体高分子膜のカソード側、アノード側両側に相対向して設けられた１対の給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得て、カソード側セパレータの流体通路で得た水素ガスの圧力により、固体高分子膜とアノード給電体とがアノード側セパレータ方向に押圧される水素製造装置において、
該アノード側セパレータは、カソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力に抗して形状を維持できる材料からなり、該流体通路が設けられている流体通路領域と、該流体通路領域の外周側に設けられたフレーム領域とを備え、
アノード給電体は該固体高分子膜と該アノード側セパレータとに密着して配設されており、導電性粒子が焼結されてなり該流体通路領域に対向する領域を占める多孔質部材と、該多孔質部材と対等の厚さを有し、該フレーム領域に対向する領域を占めて該多孔質部材を取り囲み該多孔質部材の厚さと直交する方向への変形を規制する非多孔質部材とからなり、
カソード給電体は、カソード側流体通路が設けられている流体通路領域に対向する領域を占める多孔質部材のみからなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記アノード給電体は、チタン粉末が焼結されてなる前記多孔質部材と、前記多孔質部材とは別部材であり、チタンからなる前記非多孔質部材とからなり、該多孔質部材と該非多孔質部材との境界が平滑になるように接合されていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記アノード給電体は、チタン粉末が焼結されてなる前記多孔質部材とチタンからなる前記非多孔質部材とが、圧入、電子ビーム溶接、拡散接合からなる群から選ばれる１種の方法により一体化された後、該固体高分子膜に当接する面にスライス加工又は表面研削を施すことにより、該多孔質部材と該非多孔質部材との境界が段差無く平滑に接合されていることを特徴とする請求項２記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示すように、固体高分子膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体２２、アノード給電体２３と、各給電体２２，２３に積層されたセパレータ５，６とを備える高圧水素製造装置２１が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
高圧水素製造装置２１では、例えば各セパレータ５，６に各給電体２２，２３が露出する流体通路７，８を設け、アノード側セパレータ６の流体通路８に水を供給すると共に、カソード側セパレータ５の流体通路７から水素ガスを取り出すように構成される。前記各給電体２２，２３は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。また、各給電体２２，２３は多孔質部材からなり、流体が流通自在とされている。このような多孔質部材として、例えばチタン粉末等の導電性粒子が焼結されてなる部材が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
高圧水素製造装置２１によれば、アノード側セパレータ６の流体通路８に水を供給すると共に、カソード給電体２２とアノード給電体２３とに通電すると、流体通路８に供給された水がアノード給電体２３で電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。前記水素イオンは、固体高分子膜２を透過してカソード給電体２２側に移動し、カソード給電体２２から電子を受け取って水素ガスとなる。
【０００５】
この結果、高圧水素製造装置２１では、カソード側セパレータ５の流体通路７に高圧の水素を得ることができる。一方、アノード側セパレータ６の流体通路８で生成した酸素は、前記水と共に流体通路８に設けられた排水口１５から排出される。
【０００６】
しかしながら、高圧水素製造装置２１では、前記のように酸素を排出すると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、カソード側セパレータ５の流体通路７で生成した水素の圧力により、固体高分子膜２とアノード給電体２３とがセパレータ６方向に押圧されるという不都合がある。
【０００７】
ここで、アノード給電体２３は前記多孔質部材からなるが、前記のように押圧されると厚さ方向に圧縮されて厚さが低減する一方、厚さと直交する方向に展延される。この結果、前記多孔質部材からなるアノード給電体２３の端縁が、固体高分子膜２に対して相対的に移動し、固体高分子膜２を損傷することがある。
【０００８】
また、アノード給電体２３の厚さが低減すると、固体高分子膜２がアノード給電体２３側に圧縮されて変形し、固体高分子膜２とカソード給電体２２との間に間隙を生じる。前記間隙が生じると、固体高分子膜２とカソード給電体２２との接触抵抗が増大し、高圧水素製造装置２１の性能が低下する。
【特許文献１】特表２００３−５２３５９９号公報
【特許文献２】特開２００４−７１４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側が高圧になったときに、アノード給電体の変形を防止することができる水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜と、該固体高分子膜のカソード側、アノード側両側に相対向して設けられた１対の給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得て、カソード側セパレータの流体通路で得た水素ガスの圧力により、固体高分子膜とアノード給電体とがアノード側セパレータ方向に押圧される水素製造装置において、該アノード側セパレータは、カソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力に抗して形状を維持できる材料からなり、該流体通路が設けられている流体通路領域と、該流体通路領域の外周側に設けられたフレーム領域とを備え、アノード給電体は該固体高分子膜と該アノード側セパレータとに密着して配設されており、導電性粒子が焼結されてなり該流体通路領域に対向する領域を占める多孔質部材と、該多孔質部材と対等の厚さを有し、該フレーム領域に対向する領域を占めて該多孔質部材を取り囲み該多孔質部材の厚さと直交する方向への変形を規制する非多孔質部材とからなり、カソード給電体は、カソード側流体通路が設けられている流体通路領域に対向する領域を占める多孔質部材のみからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の水素製造装置では、前記アノード給電体は、前記多孔質部材と、前記非多孔質部材とにより構成されており、該多孔質部材が前記流体通路領域に対向している。そこで、前記カソード側セパレータの流体通路に得られる水素ガスの圧力は、前記多孔質部材に作用し、該多孔質部材を前記アノード側セパレータ方向に押圧することになる。
【００１２】
ところが、本発明の水素製造装置では、前記アノード給電体は、前記固体高分子膜と前記アノード側セパレータとに密着して配設されており、該アノード側セパレータは前記水素ガスの圧力に抗して形状を維持できる材料により構成されている。また、前記アノード給電体の前記多孔質部材は、前記非多孔質部材に取り囲まれている。そこで、前記多孔質部材は、前記水素ガスの圧力により前記アノード側セパレータ方向に押圧されたときに、厚さ方向では該アノード側セパレータに当接して該アノード側セパレータ自体により変形が規制され、厚さ方向に直交する方向では前記非多孔質部材により変形が規制される。
【００１３】
この結果、本発明の水素製造装置によれば、前記アノード給電体の端縁が移動することがなく、前記固体高分子膜が該端縁により損傷を受けることを防止することができる。また、本発明の水素製造装置によれば、前記アノード給電体の厚さが低減されることがないので、前記固体高分子膜と前記カソード給電体との間に間隙を生じることがなく、両者の接触抵抗が増大することを防止することができる。
【００１４】
前記カソード給電体は、前記水素ガスの圧力が作用しないので、変形防止のために前記非多孔質部材を備える必要がなく、前記カソード側セパレータの流体通路が設けられている流体通路領域に対向する領域を占める多孔質部材のみから構成することができる。前記カソード給電体は、前記多孔質部材のみからなることにより安価に製造することができる。前記多孔質部材としては、例えばチタン粉末が焼結されてなるもの等を挙げることができる。
【００１５】
前記アノード給電体としては、例えばチタン粉末が焼結されてなる前記多孔質部材と、前記多孔質部材とは別部材であり、チタンからなる前記非多孔質部材とからなるものを挙げることができ、前記非多孔質部材としては、チタン製板材等を挙げることができる。また、前記水素ガスの圧力により前記固体高分子膜が前記アノード給電体に押圧されたときに、該固体高分子膜の損傷をさけるために、該アノード給電体は前記多孔質部材と前記非多孔質部材との境界が平滑になるように接合されていることが好ましい。
【００１６】
前記アノード給電体は、チタン粒子が焼結されてなる前記多孔質部材とチタンからなる前記非多孔質部材とが、圧入、電子ビーム溶接、拡散接合からなる群から選ばれる１種の方法により一体化された後、該固体高分子膜に当接する面にスライス加工又は表面研削を施すことにより、該多孔質部材と該非多孔質部材との境界が段差無く平滑に接合されていることが好ましい。前記多孔質部材と前記非多孔質部材とは前記いずれかの方法により容易に接合することができ、しかも両者の境界を段差なく平滑にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２は図１の高圧水素製造装置に用いるアノード給電体の構成を示す平面図であり、図３は図１に示す高圧水素製造装置の要部組み立て図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６と、各セパレータ５，６に設けられ各給電体３，４が露出する流体通路７，８とを備えている。
【００１９】
固体高分子膜２、各給電体３，４、各セパレータ５，６は、セパレータ５，６に積層された絶縁部材９，９を介してエンドプレート１０，１０に挟持されており、エンドプレート１０，１０に取着されたボルト１１とナット１２とにより押圧されて相互に密着せしめられている。また、カソード側セパレータ５は流体通路７に連通する水素取出口１３を備え、アノード側セパレータ６は流体通路８に連通する給水口１４と排水口１５とを備えている。そして、各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。
【００２０】
高圧水素製造装置１において、固体高分子膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（デュポン社製）やＡｓｐｌｅｘ（旭化成社製）等を用いることができる。固体高分子膜２は、アノード側には例えば白金触媒を含む触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む触媒層（図示せず）を備えている。
【００２１】
アノード給電体４は、図２に示すように、多孔質チタン焼結体１６と、多孔質チタン焼結体１６の周囲を取り囲むチタンプレート１７とからなる。多孔質チタン焼結体１６は、例えば、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得られたものを用いることができる。チタンプレート１７は、実質的に非多孔質体である。
【００２２】
アノード給電体４は、図２（ａ）に示すように、円盤状に形成された多孔質チタン焼結体１６ａを、ドーナッツ状に形成されたチタンプレート１７ａの内周部に圧入することにより形成することができる。また、アノード給電体４は、図２（ｂ）に示すように、矩形状に形成された多孔質チタン焼結体１６ｂの周囲に、チタンプレート１７ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４を電子ビーム溶接することにより形成するようにしてもよい。この場合、チタンプレート１７ｂ１，ｂ２、チタンプレートｂ２，ｂ３、チタンプレートｂ３，ｂ４、チタンプレートｂ４，ｂ１はそれぞれ溶接部１８ａにより裏面側から溶接接合される。また、多孔質チタン焼結体１６ｂは、その四周でチタンプレート１７ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４とそれぞれ溶接部１８ｂにより裏面側から溶接接合される。尚、図２（ｂ）の構成では、電子ビーム溶接に代えて拡散接合により接合するようにしてもよい。
【００２３】
アノード給電体４は、前述のようにして多孔質チタン焼結体１６とチタンプレート１７とを一体化した後、固体高分子膜２に当接する面にスライス加工、表面研削等を施すことにより、多孔質チタン焼結体１６とチタンプレート１７との境界を、容易に段差のない平滑なものとすることができる。この結果、固体高分子膜２が多孔質チタン焼結体１６とチタンプレート１７との境界に押圧されて損傷を受けることを防止することができる。
【００２４】
カソード給電体３は、多孔質チタン焼結体１６と全く同一にして得られたものであり、多孔質チタン焼結体１６と同一の形状を備えている。カソード給電体３は、カソード側セパレータ５の流体通路７に生成する水素ガスの圧力を受けることがないので、周囲にチタンプレート１７を備えていなくてもよく、チタンプレート１７を備えない分だけ安価に製造することができる。
【００２５】
セパレータ５，６は、例えば非多孔質のチタン材料等に流体通路７，８を形成したものを用いることができる。ここで、カソード側セパレータ５は、図３に示すように、流体通路７が設けられている流体通路領域１９ａと、流体通路領域１９ａの外周側に設けられたフレーム領域２０ａとからなる。そして、カソード給電体３は、流体通路領域１９ａに対向する領域を占めるように配設される。
【００２６】
また、アノード側セパレータ６は、図３に示すように、流体通路８が設けられている流体通路領域１９ｂと、流体通路領域１９ｂの外周側に設けられたフレーム領域２０ｂとからなる。そして、アノード給電体４は、多孔質チタン焼結体１６が流体通路領域１９ｂに対向する領域を占め、チタンプレート１７がフレーム領域２０ｂに対向する領域を占めるように配設される。
【００２７】
前記構成を備える高圧水素製造装置１では、給水口１４から流体通路８に水を供給すると共に、セパレータ５，６を介してカソード給電体３とアノード給電体４とに通電すると、水の電気分解により、流体通路８内に水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。次に、前記水素イオンは、カソード給電体３とアノード給電体４との電位差により、一部の水分子を伴って陽イオン透過膜である固体高分子膜２を透過し、カソード給電体３側に移動する。そして、前記水素イオンがカソード給電体３から電子を受け取って分子化することにより、流体通路７に高圧の水素ガスが得られる。
【００２８】
一方、流体通路８内に生成した酸素ガスは、大部分の水と共に排水口１５から排出されるが、このようにすると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れる。この結果、カソード側セパレータ５の流体通路７に得られた高圧の水素ガスにより、固体高分子膜２とアノード給電体４の多孔質チタン焼結体１６とがアノード側セパレータ６方向に押圧されることになる。
【００２９】
このとき、高圧水素製造装置１では、アノード側セパレータ６は前述のように非多孔質のチタン材料等からなり、さらに流体通路８が形成されているために十分な厚さがあり、前記水素ガスの圧力に抗して変形することなく、形状を維持することが可能な剛性を備えている。そして、アノード給電体４はアノード側セパレータ６に密着して配設されている。また、アノード給電体４は、多孔質チタン焼結体１６の周囲がチタンプレート１７により取り囲まれた構成を備えている。この結果、アノード給電体４の多孔質チタン焼結体１６は、厚さ方向ではアノード側セパレータ６により変形が規制され、厚さと直交する方向ではチタンプレート１７により変形が規制されることとなり、変形することがない。
【００３０】
上述のように、多孔質チタン焼結体１６が厚さと直交する方向に変形することがないので、多孔質チタン焼結体１６の端部は固体高分子膜２に対して移動することがなく、固体高分子膜２は該端部により損傷を受けることがない。また、多孔質チタン焼結体１６が厚さ方向に変形することがないので、固体高分子膜２はアノード側セパレータ６方向に押圧されても、カソード給電体３との間に間隙が生じることもない。従って、固体高分子膜２とカソード給電体３との間の接触抵抗の増大を防止することができる。
【００３１】
次に、本発明の実施例と比較例とを示す。
【実施例１】
【００３２】
本実施例では、まず、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を所定形状の焼結容器に充填して真空焼結した後、表面を研削することにより、外径２８ｍｍ、はめあい公差ｈ６、厚さ１ｍｍに加工して、図２（ａ）に示す多孔質チタン焼結体１６ａを製造した。次に、純チタン２種相当のプレートを外径５６ｍｍ、内径２８ｍｍ、はめあい公差Ｈ６、厚さ１ｍｍに加工して、図２（ａ）に示すドーナッツ状のチタンプレート１７ａを製造し、チタンプレート１７ａの内周部に多孔質チタン焼結体１６ａを圧入して一体化し、アノード給電体４を製造した。
【００３３】
次に、多孔質チタン焼結体１６ａと全く同一のカソード給電体３を製造した。
【００３４】
次に、図３に示すように、膜の両極に触媒を担持した（図示せず）厚さ１００μｍの固体高分子膜２の両側に、前記カソード給電体３、アノード給電体４を配設し、さらにカソード給電体３、アノード給電体４に、チタン材料からなるセパレータ５，６を積層して、高圧水素製造装置１を形成した。次に、セパレータ５，６に絶縁部材９，９を積層した高圧水素製造装置１を、さらにエンドプレート１０，１０により挟持して、エンドプレート１０，１０に取着されたボルト１１とナット１２とにより締め付け、図１に示す構成とした。
【００３５】
次に、前記構成の高圧水素製造装置１により水素ガスを製造し、該水素ガスによりカソード側から固体高分子膜２と多孔質チタン焼結体１６ａとを４０ＭＰａで加圧したところ、固体高分子膜２には損傷がなく、カソード側を４０ＭＰａの圧力に安定して維持することができた。このとき、固体高分子膜２の水素透過量はほぼ１ｍｌ／分以下であった。
【００３６】
次に、本実施例に用いたものと同一のアノード給電体４を機械的に４０ＭＰａの圧力で３分間加圧した。前記加圧を解放したのち、アノード給電体４の厚さの減少量を測定したところ１μｍであり、実質的に減少は認められなかった。
〔比較例１〕
本比較例１では、多孔質チタン焼結体１６ａのみによりアノード給電体４を構成した以外は、実施例１と全く同一にして高圧水素製造装置を製造した。
【００３７】
次に、本比較例の高圧水素製造装置により水素ガスを製造したところ、カソード側からの固体高分子膜２と多孔質チタン焼結体１６ａとに対する圧力が約２２ＭＰａに達した時点で固体高分子膜２が破損し、カソード側を高圧に維持することができなかった。
【００３８】
次に、本比較例に用いたものと同一のアノード給電体４（多孔質チタン焼結体１６ａ）を機械的に４０ＭＰａの圧力で３分間加圧したところ、約２０ＭＰａから塑性変形の発生が認められた。前記加圧を解放したのち、アノード給電体４の厚さの減少量を測定したところ５０μｍであり、約５％の減少が認められた。
【実施例２】
【００３９】
本実施例では、まず、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を所定形状の焼結容器に充填して真空焼結した後、表面を研削することにより、外径２８ｍｍ、はめあい公差ｈ６、厚さ３００ｍｍに加工して、図２（ａ）に示す多孔質チタン焼結体１６ａを製造した。次に、純チタン２種相当のバルク材を外径５６ｍｍ、内径２８ｍｍ、はめあい公差Ｈ６、厚さ３００ｍｍに加工して、図２（ａ）に示すドーナッツ状のチタン部材１７ａを製造し、チタン部材１７ａの内周部に多孔質チタン焼結体１６ａを圧入して一体化した。次に、チタン部材１７ａの内周部に多孔質チタン焼結体１６ａを圧入して一体化した部材を厚さ１ｍｍにスライス加工した後、表面研削することにより、アノード給電体４を製造した。
【００４０】
次に、本実施例で得られたアノード給電体４を用いた以外は、実施例１と全く同一にして、高圧水素製造装置１を製造した。
【００４１】
次に、本実施例の高圧水素製造装置１を用いた以外は、実施例１と全く同一にして水素ガスを製造し、該水素ガスによりカソード側から固体高分子膜２と多孔質チタン焼結体１６ａとを４０ＭＰａで加圧した。このとき、固体高分子膜２の水素透過量はほぼ１ｍｌ／分以下であった。
【００４２】
本実施例の方法によれば、チタンプレート１７ａの内周部に多孔質チタン焼結体１６ａが圧入されて一体化された構成のアノード給電体４を、容易に多量に製造することができる。
【実施例３】
【００４３】
本実施例では、まず、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を所定形状の焼結容器に充填して真空焼結した後、表面を研削することにより、３０ｍｍ角、厚さ１ｍｍに加工して、図２（ｂ）に示す多孔質チタン焼結体１６ｂを製造した。次に、純チタン２種相当のプレートを長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍに加工して、図２（ｂ）に示すチタンプレート１７ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４を製造し、多孔質チタン焼結体１６ｂの周囲にチタンプレート１７ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４を電子ビーム溶接することにより、アノード給電体４を製造した。このとき、溶接ビード幅は１．５ｍｍ、溶接深さは０．６〜０．８ｍｍであった。
【００４４】
次に、本実施例で得られたアノード給電体４を用いた以外は、実施例１と全く同一にして、高圧水素製造装置１を製造した。
【００４５】
次に、本実施例の高圧水素製造装置１を用いた以外は、実施例１と全く同一にして水素ガスを製造し、該水素ガスによりカソード側から固体高分子膜２と多孔質チタン焼結体１６ａとを４０ＭＰａで加圧した。このとき、固体高分子膜２の水素透過量はほぼ１ｍｌ／分以下であった。
【００４６】
本実施例の方法によれば、多孔質チタン焼結体１６ｂの周囲にチタンプレート１７ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４が接合されて一体化された構成の異型のアノード給電体４を、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の水素製造装置の構成を示す説明的断面図。
【図２】図１の水素製造装置に用いるアノード給電体の構成を示す平面図。
【図３】図１に示す水素製造装置の要部組み立て図。
【図４】従来の水素製造装置の構成を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１…水素製造装置、  ２…固体高分子膜、  ３…カソード給電体、  ４…アノード給電体、  ５…カソード側セパレータ、  ６…アノード側セパレータ、  ７，８…流体通路、  １６…多孔質部材、  １７…非多孔質部材、  １９ａ，１９ｂ…流体通路領域、  ２０ａ，２０ｂ…フレーム領域。
【図１】
2010248635.tif 000003
【図２】
2010248635.tif 000004
【図３】
2010248635.tif 000005
【図４】
2010248635.tif 000006