(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、積層体上側に位置する内フランジと厚フランジにて挟持せしめるとともに、前記内フランジとその上側に位置する上フランジ間にスプリングを利用した均圧付勢体を介装せしめるとともに前記上フランジと厚フランジ間を前記内フランジの外側に位置する外側締め付けねじにて締め付けた状態で、前記内フランジと厚フランジ間を前記外側締め付けねじの内側に位置する複数の内側締付ネジ軸にて締付けて所定の均圧付勢力をスタック積層体の中央域に付勢してなる固体高分子膜水電解装置において、
前記均圧付勢力がスタック積層体に付勢する内フランジと厚フランジ間に挟まれる内側締付ネジ軸夫々に締付力管理手段を設け、
前記締付力管理手段が、前記内フランジと厚フランジに挟まれる内側締付ネジ軸部を分断してその分断部分に支持板を固着してその支持板間にロードセルを介装し、該ロードセルよりの荷重信号により、前記内側締付ネジ軸の締付荷重が一定になるように夫々の内側締付ネジ軸のナットを螺合調整して前記スタック積層体に付勢される圧力が均圧になるように制御される構造を具えていることを特徴とする固体高分子膜水電解装置。
【請求項２】
陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、積層体上側に位置する内フランジと厚フランジにて挟持せしめるとともに、前記内フランジとその上側に位置する上フランジ間にスプリングを利用した均圧付勢体を介装せしめるとともに前記上フランジと厚フランジ間を前記内フランジの外側に位置する外側締め付けねじにて締め付けた状態で、前記内フランジと厚フランジ間を前記外側締め付けねじの内側に位置する複数の内側締付ネジ軸にて締付けて所定の均圧付勢力をスタック積層体の中央域に付勢してなる固体高分子膜水電解装置において、
前記均圧付勢力をスタック積層体に付勢する内フランジと厚フランジ間に挟まれる内側締付ネジ軸夫々に締付力管理手段を設け、
前記締付力管理手段が、前記内フランジと厚フランジに挟まれる内側締付ネジ軸部に歪ゲージを貼着し、該歪ゲージよりの全ての内側締付ネジ軸の歪検知信号に基づいて、該全ての内側締付ネジ軸の締付歪が一定になるように夫々の内側締付ネジ軸のナットを螺合調整してスタック積層体に付勢される圧力が均圧になるように制御される構造を具えていることを特徴とする固体高分子膜水電解装置。
【請求項３】
陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、積層体上側に位置する内フランジと厚フランジにて挟持せしめるとともに、前記内フランジとその上側に位置する上フランジ間にスプリングを利用した均圧付勢体を介装せしめるとともに前記上フランジと厚フランジ間を前記内フランジの外側に位置する外側締め付けねじにて締め付けた状態で、前記内フランジと厚フランジ間を前記外側締め付けねじの内側に位置する複数の内側締付ネジ軸にて締付けて所定の均圧付勢力をスタック積層体の中央域に付勢してなる固体高分子膜水電解装置において、
前記均圧付勢力をスタック積層体に付勢する内フランジと厚フランジ間に挟まれる内側締付ネジ軸夫々に締付力管理手段を設け、
前記締付力管理手段が、前記夫々の内フランジと厚フランジ間に、半割状の半円筒スリーブを環設させフランジ間距離を調整可能な構造を具えていることを特徴とする固体高分子膜水電解装置。
【請求項４】
陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、積層体上側に位置する内フランジと厚フランジにて挟持せしめるとともに、前記内フランジとその上側に位置する上フランジ間にスプリングを利用した均圧付勢体を介装せしめるとともに前記上フランジと厚フランジ間を前記内フランジの外側に位置する外側締め付けねじにて締め付けた状態で、前記内フランジと厚フランジ間を前記外側締め付けねじの内側に位置する複数の内側締付ネジ軸にて締付けて所定の均圧付勢力をスタック積層体の中央域に付勢してなる固体高分子膜水電解装置において、
前記均圧付勢力をスタック積層体に付勢する内フランジと厚フランジ間に挟まれる内側締付ネジ軸夫々に締付力管理手段を設け、
前記締付力管理手段が、前記フランジ間距離を規定するストッパを前記内フランジと厚フランジの間に位置する内側締付ネジ軸部に設け、前記ストッパにフランジ面があたるまでナットで前記内側締付ネジ軸を締め付けて全ての締め付けネジ軸のフランジ間距離が所定長さに規定出来るようにした構造を具えていることを特徴とする固体高分子膜水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子膜水電解（Solid Polymer Water  Electrolysis：ＳＰＷＥ）装置における締付力管理構造に係り、特に陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、上下若しくは左右両側よりフランジにて挟持せしめ、該フランジ間を複数の締付ネジ軸にて締付けてなる固体高分子膜水電解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば固体電解質燃料電池の燃料としての水素の生成にあたって、固体高分子膜水電解装置が用いられることは良く知られている。この固体高分子膜水電解装置に用いられる固体高分子膜水電解スタックの基本構造を図５に示す。
【０００３】
図５に示すように、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる固体高分子膜１がチタン（Ｔｉ）繊維焼結体等からなる陽極側給電体２とステンレス鋼（ＳＵＳ）繊維焼結体等からなる陰極側給電体３とに挾持されて電解セルを構成し、これら給電体２、３の外側に電解する純水が通るための多数の溝４を有した金属製のセパレータ５が配されて固体高分子膜水電解装置のスタック６が形成される。
【０００４】
上記セパレータ５は、電解セルが上下両側に位置するときは溝４が上下両面側に形成され、上下両端に位置するセパレータ５のみが、電解セルに対面する側に溝４を設けている。そして電解のためにセパレータ５に設けた不図示の供給孔より水を供給し、対向する位置に設けられた不図示の排出孔から発生した水素又は酸素を伴って排出されている。
【０００５】
そして、前記溝４に水（純水）を流し、両給電体２、３間に直流電流を印加すると、陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生するのである。これらガスを含んだ水は図示しない循環水タンク及びドレンタンクを流れる途中で気水分離され、酸素ガス及び水素ガスは系外にそれぞれ取り出されると共に水は再び電解に供される。
尚、給電体２、３は気液を通すために、ポーラスで且つ給電性能が高い多孔質メタル等の材料を用い、又セパレータ５は気液の流路である溝４を有する電気良導電体、例えばチタン製材料で形成されている。
【０００６】
ところで、前記のように構成された装置に用いるスタックは、約０．１〜０．２mmの薄膜の電解質膜１にメッキ法にて電極８、９を坦持（接合）させて、陽極と陰極の一対の給電体２、３に挟持させたもの（電解セル）をセパレータ５を介して水中で順次多層状に積層した多層スタックからなる固体高分子膜水電解装置が形成される訳であるが、電解セルをセパレータ５を介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、所定の圧力で押圧して接触性を高め、接触抵抗を低く抑える必要があることから上下両側よりフランジにて挟持せしめ、該フランジ間を複数の締付ネジ軸にて締付けて固体高分子膜水電解装置を構成する。
【０００７】
図１は本発明に適用される固体高分子膜水電解装置の組立図を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。図１（Ｂ）において、２１、２２は広形の方形厚フランジと、方形外フランジで、その間に前記スタック積層体より相似形に僅かに大きい方形内フランジ２３が配設されており、スタック積層体６０を挟持する内フランジ２３と厚フランジ２１間に、ほぼ締付圧が均等になるように、ネジ軸間隔を調整して多数の締め付けネジ３０とナット３１にて締付ける。
【０００８】
更にスタック積層体６０の中央域、電極形成位置に均一の圧力がかかるように、内部にスプリング３２を収納させ、伸縮自在に嵌合させた複数の円筒押圧具３３を前記外フランジ２２と内フランジ２３との間に介装させて、外フランジ２２側より螺入させた押圧ネジ３４により所定の均圧付勢力をスタック積層体６０の中央域に付勢する。又前記押圧ネジ３４を支持するために外フランジ２２を設け、内フランジ２３外方の外フランジ２２と厚フランジ２１間の外周囲に間隔保持ボルト３５を螺設させている。尚、図中２５は電解水供給筒、２６は電解水排出筒である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように前記装置においては、スタック積層体６０全域に付勢される圧力が均圧になるような工夫をしているが、前記したように前記固体高分子膜１の両側では電極８、９より酸素と水素が発生し、これにより酸素または水素を含有した水である気液水により前記積層体が膨張する。また、電解効率を上げるために電解水を加圧する場合がある。この際内フランジ２３と厚フランジ２１間に螺合させた夫々締付ネジ軸３０による締付力が不均一の場合、その締付力の弱い部分より水漏れ（リーク）等の問題が生じてしまう。
【００１０】
このため前記技術においては締付ネジ軸のネジ軸配設間隔の調整とともに、ネジ軸締付位置中央近傍の締付トルクを一定にして、その時点の積層体変位に合わせて、他のネジ軸を締め付けている。
しかしながら前記の方法では、各ネジ軸の締付力は一定ではなく、又締付力も不明であるためにスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧になるような工夫が完全ではなく、このため電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れを解消し得なかった。
【００１１】
本発明はかかる課題に鑑み、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトの締付力が一定になり結果としてスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧になるような工夫をもたせた固体高分子膜水電解装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、陽極と陰極の一対の給電体の間に固体高分子膜を挟持させた電解セルをセパレータを介して積層させて多層スタック構造にした積層体を、積層体上側に位置する内フランジと厚フランジにて挟持せしめるとともに、前記内フランジとその上側に位置する上フランジ間にスプリングを利用した均圧付勢体を介装せしめるとともに前記上フランジと厚フランジ間を前記内フランジの外側に位置する外側締め付けねじにて締め付けた状態で、前記内フランジと厚フランジ間を前記外側締め付けねじの内側に位置する複数の内側締付ネジ軸にて締付けて所定の均圧付勢力をスタック積層体に付勢してなる固体高分子膜水電解装置において、
前記均圧付勢力をスタック積層体に付勢する内フランジと厚フランジ間に挟まれる内側締付ネジ軸夫々に締付力管理手段を設けことを要旨とし、第１の発明では前記締付力管理手段が、前記内フランジと厚フランジに挟まれる内側締付ネジ軸部を分断してその分断部分に支持板を固着してその支持板間にロードセルを介装し、該ロードセルよりの荷重信号により、前記内側締付ネジ軸の締付荷重が一定になるように夫々の内側締付ネジ軸のナットを螺合調整して前記スタック積層体に付勢される圧力が均圧になるように制御される構造を具えていることを特徴としている。
第２発明は、前記締付力管理手段が、前記内フランジと厚フランジに挟まれる内側締付ネジ軸部に歪ゲージを貼着し、該歪ゲージよりの全ての内側締付ネジ軸の歪検知信号に基づいて、該全ての内側締付ネジ軸の締付歪が一定になるように夫々の内側締付ネジ軸のナットを螺合調整してスタック積層体に付勢される圧力が均圧になるように制御される構造を具えていることを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトの締付力が一定になり且つスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧になるような工夫をもたせたために、ボルト間の締付け力のバラツキに起因する電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れを解消し得る。
【００１４】
又第３の発明では、前記締付力管理手段が、前記夫々の内フランジと厚フランジ間に、半割状の半円筒スリーブを環設させフランジ間距離を調整可能な構造を具えていることを特徴とする。
第４の発明は、前記締付力管理手段が、前記フランジ間距離を規定するストッパを前記内フランジと厚フランジの間に位置する内側締付ネジ軸部に設け、前記ストッパにフランジ面があたるまでナットで前記内側締付ネジ軸を締め付けて全ての内側締め付けねじ軸のフランジ間距離が所定長さに規定出来るようにした構造を具えていることを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトのフランジ間隔が一定になるために、積層体が膨出したり内圧が負荷されても各ボルトのセパレータ間の間隔が一定になり且つスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧に維持でき、セパレータ間隔のバラツキに起因するリークの発生を防止出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図２乃至図４は本発明の夫々の実施形態にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図で、図１に示すように、スタック積層体６０を挟持する内フランジ２３と厚フランジ２１間に、ほぼ締付圧が前記スタック積層体に均圧になるように、ボルト間隔を調整して多数の締付ネジ軸３０にて締付ける点はいずれも同様である。
【００２０】
図２は、上下両側のフランジ２１、２３に挟まれる夫々の締付ネジ軸３０の途中位置に締付力管理手段としてロードセル４０（荷重検知センサ）若しくは歪ゲージ４１を設けている。
即ち、図２（Ａ）においてはフランジに挟まれる締付ネジ軸３０の途中位置を分断してその分断部分に円盤状の支持板３０１を固着してその支持板３０１間にロードセル４０を介装している。
そしてロードセル４０よりの荷重信号は、全ての締付ネジ軸の締付荷重を検知する荷重計４００に集められ、ここで全ての締付ネジ軸３０の締付荷重が一定になるように締付ネジ軸３０のナット３１を螺合調整してスタック積層体６０全域に付勢される圧力が均圧になるように制御される。これにより締め付けネジによる圧力のバラツキに起因する電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れを解消し得る。
【００２１】
図２（Ｂ）は歪ゲージ４１を用いたもので、締付ネジ軸３０の途中位置歪ゲージ４１を貼着している。
そして歪ゲージ４１よりの歪検知信号は、全ての締付ネジ軸３０の歪を検知する歪計４１０に集められ、ここで全ての締付ネジ軸３０の締付歪が一定になるように締付ネジ軸３０のナット３１を螺合調整してスタック積層体６０全域に付勢される圧力が均圧になるように制御される。これによっても締め付けネジによる圧力のバラツキに起因する電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れを解消し得る。
【００２２】
図３（Ａ）、（Ｂ）及び図４（Ａ）は、前記締付力管理手段が、上下両側のフランジ２１、２３に挟まれた夫々の締付ネジ軸３０距離を規制する円筒スリーブ４２や半円筒スリーブ４３若しくはボルト軸間距離を規制するストッパ４４等の間隔規制部材である。
即ち、図３（Ａ）は内フランジ２３と厚フランジ２１の間に位置する締付ネジ軸３０の軸部に所定長さに設定した円筒スリーブ４２を環設させて全ての締付ネジ軸３０のフランジ間距離が円筒スリーブ４２長さに規定させて、所定長さになるように構成される。
【００２３】
かかる実施例によれば、スタック積層体６０をフランジ２１、２３を介して締め付ける各ネジ軸３０のフランジ間隔が円筒スリーブ４２長さにより一定になるために、各締め付けネジ３０によるフランジ間の間隔が一定になり且つスタック積層体６０全域に付勢される圧力が均圧に維持できる。
しかしながら係る構成によれば、円筒スリーブ４２をフランジ２１、２３の間に環設した後は、フランジ２１、２３を取り外さなければ、フランジ間距離を調整できないという不便さが有り、汎用的でない。
【００２４】
そこで図３（Ｂ）に示すように、内フランジ２３と厚フランジ２１の間に介装させるスリーブを円筒スリーブ４２ではなく、半割状の半円筒スリーブ４３を環設させれば、フランジを分解しなくてもスリーブ４３が取り外し自在になり、フランジ間距離を任意に調整でき、汎用的である。
【００２５】
尚、図４（Ａ）に示すように円筒スリーブ４２を用いずに、締付ネジ軸３０のフランジ間距離を規定する円盤状のストッパ４４を軸部に上下に設けて、フランジ間距離を規定しても良い。
かかる実施例によれば、ストッパ４４にフランジ２１、２３下面があたるまでナット３１でネジ軸３０を締め付ければ全ての締め付けネジ軸３０のフランジ間距離２１−２３が所定長さに規定出来る。
【００２６】
かかる実施例によれば、スタック積層体６０をフランジ２１、２３を介して締め付ける際にストッパ４４や円筒スリーブ４２、４３に当接するまで締め付けるだけで、各ネジ軸３０のフランジ間隔が一定になるために、締め付けネジによるフランジ間隔のバラツキに起因するリークの発生を防止出来る。
【００２７】
図４（Ｂ）は参考技術で前記締付力管理手段が、上下両側の内フランジ２３上面及び厚フランジ２１下面より突設する夫々の締付ネジ軸３０の軸端ネジ部を螺合するナット３１との間にバネ部材４５を介在させて構成している。
バネ部材４５にはコイルバネや板バネを用いることが出来る。
【００２９】
【発明の効果】
以上記載のごとく第１発明によれば前記締付力管理手段を、上下若しくは左右両側のフランジに挟まれる夫々の締付ネジ軸の途中位置に設けた荷重若しくは歪検知手段で構成することにより、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトの締付力が一定になり且つスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧になるような工夫もたせたために、ボルト間の圧力のバラツキに起因する電解水がリーク（漏洩）してしまう恐れを解消し得る。
【００３０】
又他の発明は、前記締付力管理手段が、上下若しくは左右両側のフランジに挟まれた夫々の締付ネジ軸距離を規制する円筒スリーブや半円筒スリーブ若しくはフランジ間距離を規制するストッパ等の間隔規制部材で構成することにより、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトのフランジ間隔が一定になるために、積層体が膨出しても各ボルト間の間隔が一定になり且つスタック積層体全域に付勢される圧力が均圧に維持でき、ボルト間隔のバラツキに起因するリークの発生を防止出来る。
【００３１】
更に前記締付力管理手段が、上下若しくは左右両側のフランジ上面と、該上面より突設する夫々の締付ネジ軸のボルト頭若しくは該ボルト軸を螺合するナットとの間に介在するバネ部材であり、該バネ部材の弾性力、好ましくはボルト締付によるバネ圧縮距離を利用した管理手段で構成することにより、スタック積層体をフランジを介して締め付ける各ボルトの締付力が一定になるために、スタック積層体全域に付勢される圧力が均圧に維持でき、ボルト締付力のバラツキに起因するリークの発生を防止出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に適用される固体高分子膜水電解装置の全体構成図で（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図２】  本発明の第１実施形態にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図で、締付ネジ軸の途中位置に締付力管理手段としてロードセル（Ａ）若しくは歪ゲージ（Ｂ）を設けた構成である。
【図３】  本発明の第２実施形態にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の要部構成図で締付力管理手段として円筒スリーブ（Ａ）若しくは半円筒スリーブ（Ｂ）を設けた構成である。
【図４】  図３に使用される固体高分子膜の平面図である。
【図５】  従来技術にかかる固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造の概略構成図である。
【符号の説明】
１      固体高分子膜
２、３  給電体
５      セパレータ
６      スタック
８、９  電極
【図１】
0003723116.tif 000002
【図２】
0003723116.tif 000003
【図３】
0003723116.tif 000004
【図４】
0003723116.tif 000005
【図５】
0003723116.tif 000006