(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負の両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた陽極室と陰極室とを有するガス反応用セルであって、
セル部材の外周近傍にセル軸方向に連通される流体流通用のマニホールドが穿孔されており、該マニホールドの外周を覆うようにマニホールドの長手方向に沿って突条が形成されており、
前記セル部材の両端に配設されてセル部材を挟持するための一対の端板が、前記セル部材のマニホールド形成部の最外端を包絡する形状またはそれより外方に拡大した形状にされており、該両端板同士がセル部材の軸方向に配設される複数本のボルトによって前記セル部材を挟圧するように構成されており、前記複数本のボルトがマニホールド形成部同士のあいだに、セル部材の周方向に沿って整列されてなるガス反応用セル。
【請求項２】
正負の両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた陽極室および陰極室と、該陽極室および陰極室をそれぞれ外部から隔離するための実質的に円輪状を呈するガスケットとを有するガス反応用セルであって、
セル部材の外周近傍にセル軸方向に連通される流体流通用のマニホールドが穿孔されており、少なくとも前記電解質膜およびガスケットに前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成されてなることを特徴とするガス反応用セル。
【請求項３】
前記電解質膜と前記ガスケットとのあいだに介装された、電解質膜を保護するための実質的に円輪状を呈する保護シートをさらに有しており、該保護シートが前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成されてなる請求項２記載のガス反応用セル。
【請求項４】
前記電極板が前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成されてなる請求項２または３記載のガス反応用セル。
【請求項５】
前記セル部材の両端に配設されてセル部材を挟持するための一対の端板が、前記セル部材のマニホールド形成部の最外端を包絡する形状またはそれより外方に拡大した形状にされており、該両端板同士がセル部材の軸方向に配設される複数本のボルトによって前記セル部材を挟圧するように構成されており、前記複数本のボルトがマニホールド形成部同士のあいだに、セル部材の周方向に沿って整列されてなる請求項２〜４記載のガス反応用セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス反応用セルに関する。さらに詳しくは、高純度の水素ガスおよび酸素ガスを得るためにおよびオゾンガスを得るために水を電気分解したり、電力を得るために水素ガスと酸素ガスとを反応させたりするためのガス反応用セルであって、ガス反応用セル自身の内外およびガス反応用セルに形成されたマニホールドの内外それぞれのシール性能が向上したガス反応用セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５および図６には、水素酸素発生装置の主要構成機器である電解セル（ガス反応用セルの一種）６０が示されており、この電解セル６０は通常円柱形を呈している。なお、長方形断面のものや正方形断面のものもある。そして、正負両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた酸素ガス発生室と水素ガス発生室とを有し、これらガス発生室の周囲をガスケット等の部材によって囲まれたものである。図５は組み立て後を示し、図６は組み立て前を示す。図中、６１は電極板であり、６２は固体電解質膜である。６３は多孔質給電体であり、６４はガスケット、６５は保護シートである。そして、６６は水素ガス取り出し用のマニホールド、６６ａは水素ガス取り出し経路、６７は酸素ガス取り出し用のマニホールド、６７ａは酸素ガス取り出し経路、６８は純水供給用のマニホールド（図６参照）であり、６８ａは純水供給経路である（図６参照）。６９ａおよび６９ｂは端板である。
【０００３】
図５に示すようにボルト７０によって叙上の各部品類を両端板６９ａ、６９ｂで挟持するように締結して電解セル６０が組み立てられる。なお、多孔質給電体６３の部分が酸素ガス発生室および水素ガス発生室となる。
【０００４】
電解セル６０では、供給された純水が電気分解され、酸素ガス発生室では酸素ガスＯ２  が発生し、水素ガス発生室では水素ガスＨ２  が発生している。発生した酸素ガスＯ２  は酸素ガス取り出し経路６７ａから酸素ガス取り出し用のマニホールド６７を通して取り出され、その後、除湿されて収集される。一方、発生した水素ガスＨ２  は水素ガス取り出し経路６６ａから水素ガス取り出し用のマニホールド６６を通して取り出され、その後、除湿されて収集される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
叙上のごとく構成された電解セル６０では、前記ガスケット６４としてシリコン樹脂やフッ素樹脂を主成分とする柔軟な材料が用いられる。これは、気密性に優れ且つ耐水性や絶縁性にも優れているからである。
【０００６】
そして、ガスケット６４は円輪状を呈しており、ボルト７０締結によってほぼ均一なシール面圧が発生するが、図６に示すように各マニホールド６６、６７、６８内周縁とガスケット６４外縁とのあいだの距離Ｗ１と、他の部分におけるガスケット６４内周縁と外周縁との距離Ｗ２とはかなり寸法が異なり、シール性能にばらつきが生じる。さらに、シールに必要な面圧を生じさせるためには、ボルト締付トルクは幅の広い部分Ｗ２に応じた大きな値とする必要がある。
【０００７】
その結果、ガスケット６４における各マニホールド６６、６７、６８の外方の前記狭い幅の部分Ｗ１については変形するおそれがある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、ガスケット幅を均一にしたものである。すなわち、ガスケットのマニホールド外周部分の幅と、その他の部分の幅をほぼ同一にするために、ガスケットにおけるマニホールド形成部を凸片として残し、その他の部分の外周側を切除してガスケット幅を狭くしたものである。
【０００９】
その結果、ボルト締結によるガスケットの面圧およびシール幅がともに均一となり、ボルトの過大締付を防止して良好なシール性能を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のガス反応用セルは、
正負の両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた陽極室と陰極室とを有するガス反応用セルであって、
セル部材の外周近傍にセル軸方向に連通される流体流通用のマニホールドが穿孔されており、該マニホールドの外周を覆うようにマニホールドの長手方向に沿って突条が形成されれており、
前記セル部材の両端に配設されてセル部材を挟持するための一対の端板が、前記セル部材のマニホールド形成部の最外端を包絡する形状またはそれより外方に拡大した形状にされており、該両端板同士がセル部材の軸方向に配設される複数本のボルトによって前記セル部材を挟圧するように構成されており、前記複数本のボルトがマニホールド形成部同士のあいだに、セル部材の周方向に沿って整列されている。
【００１１】
したがって、電極板も含めて端板間の全ての部材についてその外形が同一になることにより、外面に狭い隙間が生じないので、たとえば高圧型水素酸素発生装置のようにガス反応用セルを純水に水没させる場合でも、隙間に純水が澱んで純水中の溶解物濃度が上昇することによるガス純度の低下、漏電という心配がない。また、セル部材の外周部を部分的に切除したことになるのでガス反応用セルの全体が軽量且つコンパクトになる。さらに、加工性の向上、組立工数の低減およびシール性の確保という点で好ましい。
【００１２】
また、本発明のガス反応用セルは、
正負の両電極板のあいだに電解質膜によって仕切られた陽極室および陰極室と、該陽極室および陰極室をそれぞれ外部から隔離するための実質的に円輪状を呈するガスケットとを有するガス反応用セルであって、
セル部材の外周近傍にセル軸方向に連通される流体流通用のマニホールドが穿孔されており、少なくとも前記電解質膜およびガスケットに前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成されてなることを特徴としている。
【００１３】
かかる構成によって、本発明のガス反応用セルは、ガスケットの幅をほぼ均一に狭くすることができたので、ガスケットの良好なシール性能をうることができる。
【００１４】
このガス反応用セルにおいて、
前記電解質膜と前記ガスケットとのあいだに介装された、電解質膜を保護するための実質的に円輪状を呈する保護シートをさらに備え、該保護シートまたは電極板をも前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成するのも、やはり、シール性能の向上が図れ、さらにガス反応用セルの全体が軽量且つコンパクトにされうる。
【００１５】
加えて、前記電極板および保護シートともに前記マニホールド用の孔の外周を覆う凸片状部を残して外周近傍が切除された形状に形成されたものにあっても同様の効果を奏しうる。また、ガスケットに対応して、保護シートや電解質膜等もその幅がほぼ均一に狭くなるので、熱膨張やそれに伴う熱応力、含水率の不均一による伸縮等に起因する種々の事項に対しても合理的に対応することとなり、好ましいものである。
【００１６】
叙上のガス反応用セルにおいて、
前記セル部材の両端に配設されてセル部材を挟持するための一対の端板が、前記セル部材のマニホールド形成部の最外端を包絡する形状またはそれより外方に拡大した形状にされており、該両端板同士がセル部材の軸方向に配設される複数本のボルトによって前記セル部材を挟圧するように構成されており、前記複数本のボルトがマニホールド形成部同士のあいだに、セル部材の周方向に沿って整列されたものにあっては、加工性の向上、組立工数の低減およびシール性の確保という点で好ましい。
【００１７】
なお、特許請求の範囲でいう「流体流通用マニホールド」とは、たとえば水素酸素発生装置にあっては、発生した水素ガスや酸素ガスの取り出し用マニホールドの他、純水供給用マニホールド、また、オゾンガス発生装置にあってはオゾンガスや水素ガスの取り出し用マニホールドの他、純水供給用マニホールド、さらには、燃料電池にあっては、水素ガスや酸素ガスの供給用マニホールドや水の排出用しマニホールド、また、必要に応じて形成される水抜き用のマニホールド等を含むものである。
【００１８】
また、ガス反応とは、上述のように、ガス同士を反応させて水等の他の物質に変化させる反応も、逆に水等を電気分解してガスを得る反応も含む意味に用いている。
【００１９】
【実施例】
つぎに、添付図面に示された実施例を参照しつつ本発明のガス反応用セルを説明する。
【００２０】
図１は本発明のガス反応用セルの一実施例を示す斜視図、図２は図１のガス反応用セルの組立前斜視図、図３は本発明のガス反応用セルの他の実施例を示す組立前斜視図、図４は図３のガス反応用セルのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２１】
図１および図２に示すのは水素酸素発生装置に用いられる、純水の電気分解用のガス反応用セル（以下、電解セルという）１であって、一対の端板２間にセル部材３が配設され、締付ボルト４（図２では省略している）によって圧縮固定されている。
【００２２】
前記セル部材３は、酸素ガス発生室（特許請求の範囲でいう陽極室）と水素ガス発生室（特許請求の範囲でいう陰極室）とを仕切る固体電解質膜５、その両側に配設される保護シート６と、両保護シート６の外側それぞれに配設される多孔質給電体７と、両多孔質給電体７の外側それぞれに配設されるガスケット８と、両ガスケット８の外側それぞれに配設される電極板９とから構成されたユニットが複数段に積層されたものである。図２は一ユニットのみを示している。電極板９は隣接ユニットと共用されている。
【００２３】
各多孔質給電体７はそれぞれ酸素ガス発生室と水素ガス発生室とを構成するものである。保護シート６は固体電解質膜５を保護するためにこれを挟持するものである。
【００２４】
図２中、１１は酸素ガス取り出し用のマニホールド、１１ａは酸素ガス取り出し経路、１２は水素ガス取り出し用のマニホールド、１３は純水供給用のマニホールド、１３ａは純水供給経路である。本図では水素ガス取り出し経路は表されていないが、酸素ガス取り出し経路１１ａと同様の構成で、図示の電極板９の裏側に形成されている。
【００２５】
図２に示すように、各セル部材３の外周部には各マニホールド１１、１２、１３が形成された凸片部１４が外方へ突設されている。換言すれば、各セル部材３における隣接するマニホールド間の外周部は、幅を狭くするために切除されている。この切除部を図１および図２において符号Ｓで示す。なお、前記多孔質給電体７は各ガス発生室構成するものであるため、セル部材３の外形を構成しないので、前記切除部Ｓは形成しない。
【００２６】
その結果前記凸片部１４は、図１に示すように電解セル１の外周面にマニホールド形成部がセル軸方向に延設された突条１５として表れる。各ガス用のマニホールド１１、１２は電解セル１の外部へ発生ガスを取り出すための取り出し管１６に連通している。１７で示す管は純水供給管であり、純水供給用のマニホールド１３に連通している。もう一本の管１８は装置を分解するときに電解セル１中の水を抜くための水抜き管である。
【００２７】
図２に示す実施例では、マニホールドの断面が円形を呈し、それに対応して突条１５の断面がほぼ半円形を呈しているが、とくにこの形状に限定されることはなく、たとえば、多角形状断面や楕円形状断面のマニホールドであってもよく、突条の断面もそれに応じて相似形のもの（半分ではあるが）としてもよい。
【００２８】
叙上のごとく形成された電解セル１は、その円輪状を呈するガスケット８が狭くほぼ均一な幅となるのでシール性が向上する。すなわち、図２において、各マニホールド１１、１２、１３内周縁とガスケット８外縁とのあいだの距離Ｗ１と、他の部分におけるガスケット８内周縁と外周縁との距離Ｗ２とはほぼ同一の寸法となる。
【００２９】
また、図１に示すように、締付ボルト４を隣接突条１５間に配設するため、その配設円周の直径が小さくなり、電解セル１全体が軽量且つコンパクトなものとなる。
【００３０】
図３および図４には電極板２９を円形のままとした電解セル２１が示されている。すなわち、固体電解質膜５、ガスケット８および保護シート６は前記切除部Ｓが形成されている。なお、図４に示すのは、セル部材３の一ユニットだけであり、電解セル２１のちょうど外周切除部Ｓを通る直径線で切断した断面図であるため、各マニホールド１１、１２、１３および経路１１ａ、１３ａは表れていない。図示の孔２２は締結ボルト用のボルト孔である。
【００３１】
これは、一般に電極板はチタン板から形成されており、厚肉のチタン板の場合は表裏面の平滑性を維持しつつ凸片を残した形状に加工するのが困難な場合があるために円形のまま用いるものである。したがって、電極板２９には締付ボルト用孔が穿孔されており、電解セルの直径は図１〜２の電解セル１の直径と変わらない。つまり、電極板２９の形状の相違を除いては図１および図２の電解セル１と共通する。
【００３２】
この電解セル２１も、ガスケット８の幅が狭くほぼ均一であるためにシール性が向上する点という効果は前記電解セル１と共通し、また軽量化もされうる。
【００３３】
しかし、高圧型水素酸素発生装置のように、電解セルが純水中に没する装置に用いる場合には図１〜２に示す電解セル１が望ましい。
【００３４】
なぜなら、図３の電解セル２１は、円形の隣接電極板２９間に凸片部付きの部材が挟持されているため、電解セル２１の外周面に前記切除部Ｓが狭い隙間となって表れる（図４参照）。したがって、この隙間に入った純水はそこに澱んで移動しないことも起こりうる。その場合、純水に僅かに溶出した電解セルの部品材質（以下、溶質という）もそこに留まってそこの純水に若干の導電性を生ぜしめる可能性があるからである。図１〜２の電解セル１では純水の澱む隙間がなく、たとえ電解セルの部品材質が溶出したとしても、純水の循環によって拡散されて溶質濃度は無視しうる程度となり、純水に導電性が生じるおそれがない。
【００３５】
もちろん、図３の電解セル２１も、水没させない低圧型水素酸素発生装置に使用する場合には、前述のとおりシール性の向上という図１〜２の電解セル１と同じ作用効果を奏しうる。
【００３６】
さらに、図示してはいないが、シール性の向上を図るためにはガスケット８と固体電解質膜５のみについて前記切除部Ｓを形成し、他の部材については図３に示す電極板２９と同様な形状としてもよい。または、ガスケット８と固体電解質膜５と電極板９のみについて前記切除部Ｓを形成したものでもよい。
【００３７】
なお、本実施例の電解セルにおける電極板は単一枚の板材を例示したが、本発明ではとくに単一板材に限定されることはなく、たとえば、電極板の製造容易性、製造コストの低廉化および軽量コンパクト化等を目的として三枚の板材から形成される電極板（本出願人によって既に特願平８−７１７６２号において提案している）を有するセルにも適用可能であり、さらには二枚の板材や四枚以上の板材から形成される電極板を有するセルにも適用可能である。
【００３８】
つぎに、前記固体電解質膜としては固体高分子電解質を膜状に形成したものの両面に貴金属、とくに白金族金属からなる多孔質層を化学的に無電解メッキによって形成した固体高分子電解質膜を使用するのが好ましい。前記固体高分子電解質としては、カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。また、この場合、前記多孔質メッキ層としては白金族金属のうち白金が好ましく、とくに白金とイリジウムとからなる二層構造とすれば、８０°Ｃにおいて２００Ａ／ｄｍ２  の高電流密度で四年間の長期にわたって電気分解することが可能である。ちなみに、たとえば従来の、電極を物理的にイオン交換膜に接触させた構造の固体電解質膜では５０〜７０Ａ／ｄｍ２  程度の電流密度である。前記イリジウムの他に、二種類以上の白金族金属をメッキした多層構造の固体電解質膜も使用することができる。また、叙上のごとく構成された固体電解質膜では、固体高分子電解質と多孔質メッキ層とのあいだには水が存在しないので、溶液抵抗やガス抵抗が少ない。したがって、固体高分子電解質と両多孔質メッキ層とのあいだの接触抵抗が低くなり、電圧が低くなり、電流分布が均一となる。その結果、高電流密度化、高温水電解、高圧水電解が可能となり、高純度の酸素ガスおよび水素ガスを効率よく得ることが可能となる。なお、前記固体高分子電解質膜の他、セラミック膜等の他の固体電解質膜を使用することも可能である。
【００３９】
また、本発明は、実施例であげた水素酸素発生装置のみならず、燃料電池用やオゾンガス発生装置用のガス反応用セルにも適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のガス反応用セルによれば、
ガスケットの幅をほぼ均一に狭くすることができたので、ガスケットの良好なシール性能をうることができる。また、セル部材の外周部を部分的に切除したのでセルの全体が軽量且つコンパクトになる。
【００４１】
さらに、他の部品もガスケットの外形状に合わせることにより、セルの外周面に隙間が生じず、高圧型水素酸素発生装置等においては、純水が澱む部位がないため好ましいものとなる。
【００４２】
加えて、他の輪状部材もガスケットに合わせて幅を狭く均一にすることにより、熱膨張やそれに伴う熱応力、含水率の不均一による伸縮等に起因する種々の事項に対しても合理的に対応することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス反応用セルの一実施例を示す斜視図である。
【図２】図１のガス反応用セルの組立前斜視図である。
【図３】本発明のガス反応用セルの他の実施例を示す組立前斜視図である。
【図４】図３のガス反応用セルのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】従来の電解セルの一例を示す断面図である。
【図６】図５の電解セルの組立前斜視図である。
【符号の説明】
１、２１・・・電解セル
２・・・端板
３・・・セル部材
４・・・締付ボルト
５・・・固体電解質膜
６・・・保護シート
７・・・多孔質給電体
８・・・ガスケット
９、２９・・・電極板
１１・・・酸素ガス取り出し用マニホールド
１２・・・水素ガス取り出し用マニホールド
１３・・・純水供給用マニホールド
１４・・・凸片部
１５・・・突条
【図１】
0003599488.tif 000002
【図２】
0003599488.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003599488.tif 000005
【図５】
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【図６】
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