(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
網状に形成され相互に積層された複数の金属製板材を備え、
隣接する各前記金属製板材が個別にスポット溶接され、該スポット溶接によるナゲット間の最小離間距離が下記の数１式により定義される電解セル用給電体。
【数１】
0005427588.tif 000019
ここで、ｒはナゲット間の最小離間距離、Ｒ１２は前記金属製板材間の接触抵抗値、ＲＰは前記金属製板の面内抵抗値である。
【請求項２】
異なる前記金属製板同士のナゲット間の最小離間距離が、数１式で定義される請求項１記載の電解セル用給電体。
【請求項３】
同一の前記金属製板のナゲット間の最小離間距離が、数１式で定義される請求項１又は請求項２記載の電解セル用給電体。
【請求項４】
一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間に設けられ両面に電極が形成された電解質膜と、
前記セパレータと前記電解質膜との間に設けられ、網状に形成され相互に積層された複数の金属製板材を備え、
隣接する各前記金属製板材が個別にスポット溶接され、該スポット溶接によるナゲット間の最小離間距離が下記の数２式により定義される電解セル。
【数２】
0005427588.tif 000020
ここで、ｒはナゲット間の最小離間距離、Ｒ１２は前記金属製板材間の接触抵抗値、ＲＰは前記金属製板の面内抵抗値である。
【請求項５】
前記電解質膜と前記金属製板材との間に、該金属製板材の面内抵抗値よりも小さい面内抵抗値を有する電流拡散手段を配置した請求項４記載の電解セル。
【請求項６】
前記電流拡散手段の水電解反応が行われる中央部にスポット溶接がなされていない請求項５記載の電解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して酸素及び水素を発生させる水電解装置に適用される電解セル用給電体及び電解セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解して酸素及び水素を発生させる水電解装置に適用される電解スタックを構成する電解セルとして、一対のセパレータと、この一対のセパレータの間に設けられ両面に電極が形成された電解質膜と、セパレータと電解質膜との間に介在する給電体とを備えたものが知られている。そして、このような電解セル用の給電体として、特許文献１（特許第３５５３８５３号公報）には、チタン粉末がプレス成形された後に焼結された粉末焼結部と、チタン製のエキスパンドメタルが積層された弾性部とを備え、粉末焼結部と弾性部とをスポット溶接にて接合したものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５５３８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したように粉末焼結部と弾性部とがスポット溶接により接合されてなる電解セル用給電体を備えた電解セルが水電解装置に適用された場合に、直流電力が一方のセパレータから他方のセパレータに印加されると、スポット溶接によるナゲットに電流が集中する。集中した電流が、粉末焼結部または弾性部において充分拡散せずに給電体を通過すると、その部分の電流密度が局所的に高くなり、発熱が生じる虞れがある。特に、スポット溶接によるナゲット間の距離が近接する場合には、１つのナゲットに集中した電流が拡散することなく隣接するナゲットに到達するために、当該ナゲットの電流密度が高くなり発熱が生じる虞れがより問題となる。そして、発熱が生じたことにより、局所的な高温が電解質膜へ及ぶと、電解質膜の破損を招く虞がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電流を充分に拡散させ、電流密度が高くなることによる発熱を防止することで、これに起因する電解質膜破損を防止することのできる電解セル用給電体及び電解セル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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、網状に形成され相互に積層された複数の金属製板材を備え、隣接する各前記金属製板材が個別にスポット溶接され、該スポット溶接によるナゲット間の最小離間距離が下記の数１式により定義される電解セル用給電体を提供する。
【０００７】
【数１】
0005427588.tif 000002
【０００８】
ここで、ｒはナゲット間の最小離間距離、Ｒ１２は前記金属製板材間の接触抵抗値、ＲＰは前記金属製板の面内抵抗値である。
【０００９】
本発明によれば、隣接する金属製板材がスポット溶接される際に、ナゲット間の離間距離をこの金属製板材間の接触抵抗値及び金属製板材の面内抵抗値とにより定められる上記数１式以上とするため、金属製板材に電流に電流が流れたときに任意のナゲットに電流が集中した場合であっても、他のナゲットにこの電流が及ぶことがなくその金属製板材の面内で電流が分散するので、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができる。従って、本発明の電解セル用給電体を電解セルに適用した場合に、金属製板材、すなわち、電解セル用給電体から電解質膜に局所的な高温が及ぶことがなく、高温に起因する電解質膜の破損を防止することができる。
【００１０】
また、上記した電解セル用給電体において、異なる前記金属製板同士のナゲット間の最小離間距離が、数１式で定義されることが好ましい。
本発明によれば、異なる金属製板材同士のナゲット間の最小離間距離が上記した数１式とされているため、金属製板材に電流に電流が流れたときに、いずれかの金属製板材の任意のナゲットに電流が集中した場合であっても、異なる金属製板材のナゲットに電流が及ぶことがない。すなわち、このような場合であっても、異なる金属製板材に電流が至らずに、電流が集中したナゲットを有する金属製板材の面内で電流が分散するので、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができる。
【００１１】
さらに、上記した電解セル用給電体において、同一の前記金属製板のナゲット間の最小離間距離が、数１式で定義されることが好ましい。
本発明によれば、同一の金属製板材同士のナゲット間の最小離間距離が上記した数１式とされているため、金属製板材に電流に電流が流れたときに、金属製板材の任意のナゲットに電流が集中した場合であっても、同一の金属製板材の他のナゲットに電流が及ぶことがない。すなわち、このような場合であっても、異なる金属製板材に電流が至らずに、同一の金属製板材の面内で電流が分散するので、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができる。
【００１２】
また、本発明は、一対のセパレータと、前記一対のセパレータの間に設けられ両面に電極が形成された電解質膜と、前記セパレータと前記電解質膜との間に設けられ、網状に形成され相互に積層された複数の金属製板材を備え、隣接する各前記金属製板材が個別にスポット溶接され、該スポット溶接によるナゲット間の最小離間距離が下記の数２式により定義される電解セルを提供する。
【００１３】
【数２】
0005427588.tif 000003
【００１４】
ここで、ｒはナゲット間の最小離間距離、Ｒ１２は前記金属製板材間の接触抵抗値、ＲＰは前記金属製板の面内抵抗値である。
【００１５】
本発明によれば、隣接する金属製板材がスポット溶接される際に、ナゲット間の最小離間距離をこの金属製板材間の接触抵抗値及び金属製板材の面内抵抗値とにより定められる上記数２式とするため、金属製板材に電流に電流が流れたときに任意のナゲットに電流が集中した場合であっても、他のナゲットにこの電流が及ぶことがなくその金属製板材の面内で電流が分散するので、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができる。従って、金属製板材から電解質膜に局所的な高温が及ぶことがなく、高温に起因する電解質膜の破損を防止することができる。
【００１６】
上記した電解セルにおいて、前記電解質膜と前記金属製板材との間に、該金属製板材の面内抵抗値よりも小さい面内抵抗値を有する電流拡散手段を配置することが好ましい。
本発明によれば、電流拡散手段として、金属製板材の面内抵抗値よりも面内抵抗値が更に小さいものを適用することで、電流拡散手段の面内において電流が充分に拡散するので、電流拡散手段が緩衝材として機能し、金属製板材から電解質膜に電流が集中して流れるのを防止する。即ち、電解質膜と金属製板材との間に電流拡散手段を配置することで、電解質膜に局所的な高温が及ぶことを防止するので、高温に起因する電解質膜の破損を防止することができる。なお、電流拡散手段は、その面内抵抗値が給電体との接触抵抗に比して充分に小さいことがより好ましい。
【００１７】
上記した電解セルにおいて、前記電流拡散手段の水電解反応が行われる中央部にスポット溶接がなされていないことが好ましい。
本発明によれば、電流拡散手段の、電解セルにおいて重要となる水電解反応が行われる部分にスポット溶接をなさないことで、電流拡散手段の面内、特に中央部以外において充分に電流が拡散する。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、電流を充分に拡散させ、電流密度が高くなることによる発熱を防止することで、これに起因する電解質膜破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の給電体の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の給電体のスポット溶接によるナゲット間の位置関係を示す説明図である。
【図３】本発明の電解セルの概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の電解セルの他の例の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る電解セル用給電体の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る電解セル用給電体（以下、単に「給電体」という）の概略構成を示した断面図である。図１に示すように、給電体１は、給電体１が電解セルに適用されたときに固体高分子電解質膜に対して水を供給できるように、網状に形成された金属製板材として、チタン製のエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇを相互に複数積層したものとなっている。なお、本実施形態においては、メッシュ厚さ０．４ｍｍ、ひし形に開いたメッシュ開口部の長目方向距離（ＬＷ）５．０ｍｍ、短目方向距離（ＳＷ）２．５ｍｍのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇを７枚積層した例を示しているが、これに限られるものではなく、例えば、網状に形成された金属製板材として、細い線材を編み合わせたワイヤーメッシュや、板に穴を開けたパンチングメタルなどを適用することもできる。また、網状に形成された金属製板材の積層枚数も適宜決定することができる。
【００２２】
エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇは、相互に積層された状態で、隣接する各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇが個別にスポット溶接されることで接合され給電体１をなしている。即ち、各エキスパンドメッシュは、隣接するエキスパンドメッシュ同士が夫々相互にスポット溶接されて接合されることで、全てのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇが接合されている。例えば、給電体１を電解セルに適用する場合には、電解セルのセパレータに１枚目のエキスパンドメッシュを配置し、所定箇所をスポット溶接する。このとき、スポット溶接に用いる一方の電極はセパレータに接続すると共に他方の電極をエキスパンドメッシュに押し当てて電流を通電する。これによりセパレータと１枚目のエキスパンドメッシュが溶接され接合される。続いて、２枚目のエキスパンドメッシュを１枚目のエキスパンドメッシュ上に配置、同様に所定箇所をスポット溶接する。スポット溶接の一方の電極は１枚目のエキスパンドメッシュと同様にセパレータに接続するとともに、他方の電極を２枚目のエキスパンドメッシュに押し当てて電流を通電する。このとき、セパレータと１枚目のエキスパンドメッシュが溶接接合されることがないように電流を通電することで、１枚目と２枚目のエキスパンドメッシュのみが溶接接合される。以下、順次同様の手順を繰り返して所望枚数のエキスパンドメッシュを溶接接合する。このように、隣接するエキスパンドメッシュ同士のみをスポット溶接できる電流を通電することで、隣接するエキスパンドメッシュ同士が夫々相互にスポット溶接されて接合されることで、全てのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇが接合された給電体１を得ることができる。
【００２３】
この給電体１に直流電流が印加される場合、各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内電流ベクトル、面内電圧分布、電極電圧、面内抵抗、接触抵抗について以下の表１のように定義することができる。ここで、給電体１に直流電流が印加された場合に、各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇを夫々抵抗と看做すと、抵抗が直列接続された状態と等価となる。従って、電極電圧とは、いずれかのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇに対して陽極側となる電圧及び陰極側となる電圧を意図している。
【００２４】
【表１】
0005427588.tif 000004
また、各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内電流ベクトルは以下の数３式で定義できる。
【００２５】
【数３】
0005427588.tif 000005
【００２６】
さらに、各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内電流ベクトルの湧き出しは、電極電圧からの電流の流入及び流出の収支から以下の数４式で定義することができる。
【００２７】
【数４】
0005427588.tif 000006
【００２８】
上記した数３式及び数４式から、以下の数５式に示すように、電圧の支配方程式を得ることができる。
【００２９】
【数５】
0005427588.tif 000007
【００３０】
さらに、上記数５式は、以下の数６式で表される円筒座標系を用いて、数７式のように表すことができる。
【００３１】
【数６】
0005427588.tif 000008
【００３２】
【数７】
0005427588.tif 000009
【００３３】
なお、Ｒ１２はＲ１とＲ２の合成抵抗であり、以下の数８式により定義される。
【００３４】
【数８】
0005427588.tif 000010
【００３５】
ここで、以下の数９式のように、無次元距離Ｘを定義すると、数７式は、以下の数１０式に示すように、距離に対して無次元化することができる。
【００３６】
【数９】
0005427588.tif 000011
【００３７】
【数１０】
0005427588.tif 000012
【００３８】
さらに、数１０式の右辺第二項を以下の数１１式のように定義することにより、数１０式を数１２式のように簡略化することができる。
【００３９】
【数１１】
0005427588.tif 000013
【００４０】
【数１２】
0005427588.tif 000014
【００４１】
この数１２式の微分方程式の特殊解は、０次ベッセル関数（Ｉ０,Ｋ０）であることが知られており、これらを用いて数１２式の一般解を書くと、Ｃ１,Ｃ２を任意定数として次式のようになる。
【００４２】
【数１３】
0005427588.tif 000015
【００４３】
また、面内電流の同径分布は、変形ベッセル関数の微分に関する漸化式である数１４式を用いて、数１５式のように表すことができる。
【００４４】
【数１４】
0005427588.tif 000016
【００４５】
【数１５】
0005427588.tif 000017
【００４６】
以上の数式に、Ｘ＝１となるときに、エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇのナゲットに印加された電流の値がおおよそ半減することが判明した。
即ち、数９式から、ナゲット間の最小離間距離ｒとして、数１６式を定義することができる。
【００４７】
【数１６】
0005427588.tif 000018
【００４８】
従って、給電体１は、異なるエキスパンドメッシュ同士のナゲット間、即ち、積層されたエキスパンドメッシュにおける隣接するエキスパンドメッシュのナゲット間についても、また、エキスパンドメッシュ面内におけるナゲット間においても数１６式で定義される最小離間距離ｒを保持したものとなっている。
【００４９】
図２に、一例として、エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇをスポット溶接することで形成される各ナゲットの位置関係を示した。図２の例では、まず、給電体１、即ち、相互に積層された状態におけるエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの電解範囲（直流電流を印加する範囲）を、夫々一辺が最小離間距離ｒの約３倍の正方形におおよそ９等分している。一枚目のエキスパンドメッシュ２ａは、各正方形の中の（１）の位置でスポット溶接されていることを示している。また、２枚目のエキスパンドメッシュ２ｂは、各正方形の中の（２）の位置でスポット溶接されていることを示している。同様に、３枚目以降のエキスパンドメッシュ２ｃ〜２ｇは夫々（３）〜（７）の位置でスポット溶接されていることを示している。（１）〜（７）のナゲット間は、各正方形の中でそれぞれ最小離間距離ｒよりも離間している。また、隣り合う正方形内のナゲット間についても最小離間距離ｒを保持しており、全体として、全てのナゲット間の距離は最小離間距離ｒを保っている。
【００５０】
続いて、図３を参照しつつ、給電体１を適用した電解セルについて説明する。図３は、電解セル１０の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、本実施形態にかかる電解セル１０は、一対のセパレータ１１ａ，１１ｂ、この一対のセパレータ１１ａ，１１ｂの間に設けられ両面に陽極及び陰極が形成された固体高分子電解質膜１２、固体高分子電解質膜１２とセパレータ１１ａ，１１ｂとの間に設けられた給電体１ａ，１ｂ、給電体１ａ，１ｂと固体高分子電解質膜１２との間に設けられた電流拡散部材１３ａ，１３ｂ及びフォトエッチングメッシュ１４を備えている。
【００５１】
電流拡散部材１３ａ，１３ｂは、給電体１ａ，１ｂのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内抵抗値よりも小さい面内抵抗値を有しており、電流拡散部材１３ａ，１３ｂと給電体１ａ，１ｂとは、その中央部にはスポット溶接をなさずに、周縁近傍のみをスポット溶接することにより接合されている。電流拡散部材１３ａ，１３ｂとしては、例えば、厚さ０．１ｍｍのチタン製のエキスパンドメッシュの他ワイヤーメッシュやパンチングメタル等、給電体１ａ，１ｂのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇよりも目が細かく厚さの薄いものを適用することができる。なお、より好ましくは、電流拡散部材１３ａ，１３ｂの面内抵抗値が給電体１ａ，１ｂのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇとの接触抵抗に比して充分に小さいことが好ましい。また、電流拡散部材１３ａ，１３ｂを複数設けることもできる。
【００５２】
フォトエッチングメッシュ１４は、給電体１ａ，１ｂのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇが電解質膜に直接接触すると電解質膜を傷める虞があることから、電解質膜を保護するために設けられるものであり、例えば、フォトエッチング法により加工された厚さ０．１ｍｍ、直径０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の孔を有するものが適用される。
【００５３】
以下、このように構成された給電体１又は電解セル１０を用いて水電解装置において水電解を行う場合について説明する。
一方のセパレータから他方のセパレータに直流電流が印加されると、電解セル１０には水が通過すると共に、セパレータを介して給電体１及び固体高分子電解質膜１２に電流が流れ、固体高分子電解質膜１２の電極部分において水が電気分解され、水素及び酸素が発生する。このとき、給電体１のいずれかのエキスパンドメッシュにおいて、任意のナゲットに電流が集中することも想定されるが、その場合であっても、各ナゲット間は最小離間距離ｒを保って設けられているので、そのエキスパンドメッシュはもちろん、異なるエキスパンドメッシュの他のナゲットにこの電流が及ぶことがなく、そのエキスパンドメッシュの面内で電流が分散する。また、固体高分子電解質膜１２と給電体１との間に設けられた電流拡散部材１３ａ，１３ｂにより電流拡散部材１３ａ，１３ｂの面内において電流が充分に拡散する。従って、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができ給電体１から固体高分子電解質膜１２に局所的な高温が及ぶことがなく、高温に起因する電解質膜の破損を防止することができる。
【００５４】
このように、上記した給電体及び電解セルによれば、ナゲット間の離間距離をこのエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇ間の接触抵抗値及び各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内抵抗値により定められる最小離間距離以上とするため、エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇに電流に電流が流れて任意のナゲットに電流が集中した場合であっても、他のナゲットにこの電流が及ぶことがなくその各エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内で電流が分散する。また、固体高分子電解質膜１２と給電体１、即ち、エキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇとの間にエキスパンドメッシュ２ａ〜２ｇの面内抵抗値よりも面内抵抗値が更に小さい電流拡散部材１３ａ，１３ｂを配置することで、電流拡散部材１３ａ，１３ｂが緩衝材として機能し、電流拡散部材１３ａ，１３ｂの面内において電流が充分に拡散する。従って、給電体１から固体高分子電解質膜１２に電流が集中して流れ、局所的に電流が集中して電流密度が高くなることによる発熱を防止することができる。即ち、固体高分子電解質膜１２に局所的な高温が及ぶことを防止するので、高温に起因する固体高分子電解質膜１２の破損を防止することができる。
【００５５】
上記した実施形態においては、電解セルの陽極側及び陰極側双方に給電体を設ける構成について説明したが、これに限られることはなく、本実施形態にかかる電解セル用給電体を陽極側又は陰極側のいずれか一方に設ける構成としてもよい。この場合、例えば図４に示す例のように、陰極側の給電体に代えてカーボン繊維焼結体１５を設けることができる。図４の例では、カーボン繊維焼結体１５とセパレータ１１ｂとの間に高さ調節用の０．１ｍｍのフォトエッチングメッシュ１６を設けると共に、カーボン繊維焼結体１５と電解質膜との間にカーボンペーパー１７を設けた構成としている。
【符号の説明】
【００５６】
１  電解セル用給電体
２ａ〜２ｇ  エキスパンドメッシュ
１０  電解セル
１１ａ，１１ｂ  セパレータ
１２  固体高分子電解質膜
１３ａ，１３ｂ  電流拡散部材
１４  フォトエッチングメッシュ
１５  カーボン繊維焼結体
１６  フォトエッチングメッシュ
１７  カーボンペーパー
【図１】
0005427588.tif 000021
【図２】
0005427588.tif 000022
【図３】
0005427588.tif 000023
【図４】
0005427588.tif 000024