(57)【特許請求の範囲】
【請求項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流路が形成される高圧水電解装置において、高圧水電解装置内部で高圧な前記水素を保持するシール部材のシール機能を検査する高圧水電解装置のシール検査方法であって、
前記第２流路に連通し前記シール部材によりシールされる第１の室内に高圧な前記水素が供給される一方、前記シール部材を挟んで前記第１の室とは反対側に他の部材である他のシール部材により形成される閉塞された第２の室内の圧力を検出する工程と、
前記第１の室内が減圧されるとともに、前記第２の室内の圧力減少状態を検出する工程と、
前記第２の室内の圧力減少状態に基づいて、前記シール部材のシール機能の良否を判断する工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解装置のシール検査方法。
【請求項２】
請求項１記載のシール検査方法において、前記第２の室内の圧力減少状態が、予め設定された規定圧力減少状態と比較され、又は前記第１の室内の圧力減少状態と比較され、この比較結果に基づいて前記シール部材のシール機能の良否を判断することを特徴とする高圧水電解装置のシール検査方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のシール検査方法において、前記第１の室内が減圧される前に、該第１の室内の圧力と前記第２の室内の圧力とが同圧であることを特徴とする高圧水電解装置のシール検査方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール検査方法において、前記第１の室は、高圧な前記水素が導入されるシリンダ室であり、
前記シール部材は、前記シリンダ室内を軸方向に進退して前記他方のセパレータを前記カソード側給電体側に押圧可能なピストンと、前記シリンダ室の内壁との摺動部位に配置されることを特徴とする高圧水電解装置のシール検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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において、高圧な前記水素を保持するシール部材のシール機能を検査する高圧水電解装置のシール検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、水素を製造するために、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。
【０００３】
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、アノード側の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。
【０００４】
この種の設備では、カソード側に高圧な水素を生成させることができる高圧水素製造装置が知られている。例えば、特許文献１では、図６に示すように、陽極主電極１、複数の単位セル２及び陰極主電極３の積層体を、積層方向に締め付けるための締め付け装置４が備えられている。締め付け装置４は、圧縮用流体の導入ノズル５ａ及び排出ノズル５ｂを有するシリンダ６と、前記シリンダ６内にＯリング７を介装して配設されるピストン８とを備えている。
【０００５】
この締め付け装置４は、水電解槽の運転中に生成されている水素圧力よりも、常に一定の締め付け圧力だけ高めの圧力を、ピストン８により付与している。すなわち、圧縮用流体の導入ノズル５ａ及び排出ノズル５ｂに連結された調整弁（図示せず）を調整することにより、常に一定の締め付け圧力が確保される、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６０８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、水電解槽の運転が停止される際には、締め付け装置４による締め付け荷重が減少されるため、シリンダ６内の圧力は、高圧と低圧とに頻繁に切り替えられている。従って、シリンダ６内が高圧に保持されている際に、圧縮用流体である高圧ガス分子がＯリング７の内部に入り込むおそれがある。
【０００８】
このため、シリンダ６の内圧が急減圧されると、Ｏリング７の内部に保持されていた高圧ガスが急膨張しながら放出されるため、前記Ｏリング７の内部に微少な気泡が発生し易い。これにより、Ｏリング７に破損が惹起し易く、前記Ｏリング７によるシール機能が低下する一方、該Ｏリング７の不良を容易に検出することができないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、高圧水素を保持するシール部材のシール機能を容易且つ確実に検査することが可能な高圧水電解装置のシール検査方法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】
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において、高圧水電解装置内部で高圧な前記水素を保持するシール部材のシール機能を検査する高圧水電解装置のシール検査方法に関するものである。
【００１１】
このシール検査方法は、第２流路に連通しシール部材によりシールされる第１の室内に高圧な水素が供給される一方、前記シール部材を挟んで前記第１の室とは反対側に他の部材である他のシール部材により形成される閉塞された第２の室内の圧力を検出する工程と、前記第１の室内が減圧されるとともに、前記第２の室内の圧力減少状態を検出する工程と、前記第２の室内の圧力減少状態に基づいて、前記シール部材のシール機能の良否を判断する工程とを有している。
【００１２】
また、このシール検査方法は、第２の室内の圧力減少状態が、予め設定された規定圧力減少状態と比較され、又は第１の室内の圧力減少状態と比較され、この比較結果に基づいてシール部材のシール機能の良否を判断することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、このシール検査方法は、第１の室内が減圧される前に、前記第１の室内の圧力と第２の室内の圧力とが同圧であることが好ましい。
【００１５】
また、このシール検査方法は、第１の室が、高圧な水素が導入されるシリンダ室であり、シール部材は、前記シリンダ室内を軸方向に進退して他方のセパレータをカソード側給電体側に押圧可能なピストンと、前記シリンダ室の内壁との摺動部位に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１の室内に高圧水素が供給される際、分子径の小さな前記水素は、シール部材の内部に進入して第２の室内に導入される。このため、第２の室内の圧力が高圧になるとともに、前記第２の室内の圧力が検出される。次いで、第１の室内が減圧されると、第２の室内の高圧水素は、シール部材を透過して前記第１の室内に移動し、前記第２の室内の圧力が減圧される。
【００１７】
その際、第２の室内の圧力減少速度や角度等に基づいて、シール部材のシール機能の良否が判断される。従って、シール部材のシール機能が喪失される前に、前記シール部材の交換時期を確実に検出することができ、水素漏れを可及的に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るシール検査方法が適用される水電解装置の一部断面側面図である。
【図２】前記水電解装置の要部断面説明図である。
【図３】前記シール検査方法を実施するためのフローチャートである。
【図４】シリンダ室の内圧とチャンバの内圧との変化説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るシール検査方法が適用される水電解装置の要部断面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている水電解槽の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るシール検査方法が適用される水電解装置１０は、差圧式の高圧水素製造装置を構成している。この水電解装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
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間が一体的に締め付け保持される。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。
【００２２】
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２４ｂ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２４ａは、前記電源２８のマイナス極に接続される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。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。
【００２８】
アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面には、第１流路４４が設けられるとともに、カソード側セパレータ３６の前記電解質膜・電極構造体３２に向かう面には、第２流路４６が設けられる。第１流路４４及び第２流路４６は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体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。
【００２９】
第１流路４４には、水（純水）を供給するための水供給通路４８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酸素排出通路５０とが連通する。第２流路４６には、反応により生成された水素（高圧水素）を排出するための水素排出通路５２が設けられる。この水素排出通路５２には、水素を積層方向である矢印Ａ方向に流すための水素連通孔５４が連通する。
【００３０】
絶縁プレート１８ａとエンドプレート２０ａとの間には、ピストン部材５６が進退自在に配設される。図２に示すように、ピストン部材５６は、フランジ部５８から矢印Ａ方向に膨出形成されるピストン６０を備え、前記ピストン６０は、エンドプレート２０ａの内周部に形成されるシリンダ室（第１の室）６２に配設される。シリンダ室６２の内壁面６２ａとピストン６０の先端との間には、弾性体、例えば、皿ばね６４が介装される。
【００３１】
ピストン６０の外周面６０ａには、第１周溝６６ａと第２周溝６６ｂとが、軸方向に所定の間隔だけ離間して形成される。第１周溝６６ａには、例えば、Ｏリングである第１シール部材６８ａが配設されるとともに、第２周溝６６ｂには、例えば、Ｏリングである第２シール部材（他のシール部材）６８ｂが配設される。
【００３２】
ピストン６０の外周面６０ａとシリンダ室６２の内壁面６２ａとの間には、隙間が形成されており、第１シール部材６８ａと第２シール部材６８ｂとの間に、チャンバ（第２の室）７０が形成される。エンドプレート２０ａには、チャンバ７０に対応して圧力検出センサ７２が配設される。
【００３３】
ピストン部材５６には、水素連通孔５４に一端が連通する高圧水素通路７４が形成される。高圧水素通路７４の他端は、シリンダ室６２に開放されるとともに、前記シリンダ室６２には、エンドプレート２０ａに形成される高圧水素導出口７６が連通する。
【００３４】
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。
【００３５】
図１に示すように、水電解装置１０を構成する各単位セル１２の水供給通路４８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、各単位セル１２では、水供給通路４８からアノード側セパレータ３４の第１流路４４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。
【００３６】
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。
【００３７】
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４６に沿って水素が流動する。この水素は、水供給通路４８よりも高圧に維持されており、水素排出通路５２から水素連通孔５４を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。
【００３８】
水素連通孔５４に導出された高圧水素は、図２に示すように、ピストン部材５６の高圧水素通路７４を通ってシリンダ室６２に導入される。このため、ピストン部材５６は、シリンダ室６２に導入される高圧水素の圧力と皿ばね６４の弾性力とを介して、カソード側セパレータ３６を電解質膜・電極構造体３２側に押圧する。従って、固体高分子電解質膜３８とカソード側給電体４２との間に生じる隙間を小さくすることができ、電解電圧の上昇を阻止して電解電圧を有効に低下させることが可能になる。
【００３９】
一方、第１流路４４には、図１に示すように、反応により生成した酸素と使用済みの水とが流動している。酸素と水との混合流体は、酸素排出通路５０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４６は、第１流路４４よりも圧力が高い。
【００４０】
次に、第１の実施形態に係るシール検査方法について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４１】
先ず、水電解装置１０の運転が開始されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、圧力検出センサ７２を介してチャンバ７０内の圧力が検出される。
【００４２】
ここで、水電解装置１０の運転が開始されると、上記のように、第２流路４６に水素が生成され、前記第２流路４６、水素連通孔５４、高圧水素通路７４及びシリンダ室６２の水素圧力が上昇していく。
【００４３】
シリンダ室６２の内圧が高圧になると、第１シール部材６８ａの内部に水素ガスが透過して保持される。そして、シリンダ室６２内の高圧状態が、長時間にわたって継続されると、水素ガスが第１シール部材６８ａを透過してチャンバ７０に充填される。従って、チャンバ７０の内圧は、徐々に高圧状態に移行し、シリンダ室６２の内圧と同一圧力に保持される（図４参照）。
【００４４】
次に、水電解装置１０の運転が停止されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、前記水電解装置１０内の脱圧処理が行われる。この脱圧処理では、第２流路４６を第１流路４４と同圧に、すなわち、大気圧まで急減圧させる（図４参照）。
【００４５】
その際、第１シール部材６８ａが、正常なシール機能を有していると、チャンバ７０の圧力減少速度は、非常に緩やかなものとなる（図４中、正常時参照）。一方、第１シール部材６８ａの内部に気泡（ブリスタ）が発生し、この第１シール部材６８ａのシール機能が低下した際には、チャンバ７０の圧力減少速度が速くなり、シリンダ室６２の圧力減少速度に近似する（図４中、ＮＧ参照）。
【００４６】
このため、予め、正常時のチャンバ７０の圧力減少状態を検出し、これを規定圧力減少状態に設定しておく。そして、圧力検出センサ７２により検出されたチャンバ７０の圧力減少状態と、規定圧力減少状態とが比較される（ステップＳ５）。この比較結果に基づいて、第１シール部材６８ａのシール機能の良否が判断される（ステップＳ６）。
【００４７】
第１シール部材６８ａが、所望のシール機能を有していると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、第１シール部材６８ａのシール検査処理が終了する。一方、第１シール部材６８ａが、所望のシール機能を有していないと判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、前記第１シール部材６８ａがＮＧであり、交換時期に至ったと判断される。
【００４８】
なお、第２シール部材６８ｂは、内部に水素ガスが保持されるものの、シリンダ室６２の減圧時には、前記第２シール部材６８ｂの内部の水素ガスが徐々に抜ける。このため、第２シール部材６８ｂの内部に発泡が惹起されることを阻止することができる。これにより、第２シール部材６８ｂは、第１シール部材６８ａよりも先にシール機能を喪失することがなく、外部に水素ガスが洩れることを確実に阻止して、第１シール部材６８ａのメンテナンス時期を検出することが可能になる。
【００４９】
この場合、水電解装置１０の運転時に、第２流路４６に高圧水素ガスが生成されると、分子の小さな前記水素ガスは、シリンダ室６２から第１シール部材６８ａの内部に侵入する。水素ガスは、さらにチャンバ７０に導入されるため、前記チャンバ７０の圧力が高圧になる。
【００５０】
そこで、第１の実施形態では、チャンバ７０の内圧を圧力検出センサ７２により検出し、水電解装置１０の運転停止に伴う減圧処理時に、前記チャンバ７０の圧力減少状態が検出されている。そして、検出結果に基づいて、第１シール部材６８ａのシール機能の良否が判断されている。従って、第１シール部材６８ａのシール機能が喪失される前に、前記第１シール部材６８ａの交換時期を確実に検出することができ、水素漏れを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係るシール検査方法が適用される水電解装置８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解装置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。
【００５２】
水電解装置８０は、チャンバ７０の内圧を検出する圧力検出センサ７２の他に、シリンダ室６２の内圧を検出するための圧力検出センサ８２を備える。なお、圧力検出センサ８２は、シリンダ室６２の他、例えば、高圧水素通路７４や水素連通孔５４等、第２流路４６に生成される高圧水素の圧力を検出し得る部位に任意に取り付け可能である。
【００５３】
この第２の実施形態は、図３に示すフローチャートに沿って、第１の実施形態と同様に第１シール部材６８ａのシール検査が遂行される。その際、ステップＳ５では、シリンダ室６２の減圧処理時に、このシリンダ室６２の内圧が、圧力検出センサ８２により検出される一方、チャンバ７０の内圧が、圧力検出センサ７２により検出される。
【００５４】
さらに、図４に示すように、脱圧時のシリンダ室６２の圧力減少状態と、チャンバ７０の圧力減少状態とが比較される。例えば、シリンダ室６２の圧力とチャンバ７０の圧力との差圧が、設定値以上であるか否かに基づいて、第１シール部材６８ａのシール機能の良否が判断される。
【００５５】
具体的には、シリンダ室６２の圧力とチャンバ７０の圧力との差圧が、設定値以上であれば、第１シール部材６８ａが所望のシール機能を有すると判断される。一方、差圧が設定値未満であれば、第１シール部材６８ａが所望のシール機能を有していないと判断される。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
なお、第１及び第２の実施形態では、第１シール部材６８ａと第２シール部材６８ｂとの間にチャンバ７０が形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第２シール部材６８ｂに変えて、他のシール構造を採用することにより、チャンバ７０に相当する閉塞された第２の室を形成すれば、同様のシール検査方法が実施可能である。
【００５７】
また、チャンバ７０の圧力減少速度により第１シール部材６８ａのシール機能の良否を判断しているが、圧力減少角度等に基づいて、前記第１シール部材６８ａのシール機能の良否を判断してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０、８０…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
４４、４６…流路                    ４８…水供給通路
５０…酸素排出通路                  ５２…水素排出通路
５４…水素連通孔                    ５６…ピストン部材
６０…ピストン                      ６２…シリンダ室
６４…皿ばね                        ６８ａ、６８ｂ…シール部材
７０…チャンバ                      ７２、８２…圧力検出センサ
７４…高圧水素通路                  ７６…高圧水素導出口
【図１】
0005462551.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005462551.tif 000004
【図４】
0005462551.tif 000005
【図５】
0005462551.tif 000006
【図６】
0005462551.tif 000007