(57)【要約】【課題】  セル積層数を多くして大容量化にした水電解槽において、水電解槽の寸法変動を吸収する装置を提供する。【解決手段】  水電解槽1 が圧力容器2 内に設置されている。水電解槽1 は、両端に配された陽極主電極9 および陰極主電極13と、これら主電極の間に直列に配された複数の単位セル23と、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む端板4,6と、一方の主電極に接続している固定ブスバー11と、他方の主電極に接続している可動ブスバー16とから構成されている。可動ブスバー16は、容器に固定された上側ブスバー17と、他方の主電極に接続された下側ブスバー18と、上下ブスバーに連結状に設けられたシャントリード19と、上側ブスバーの下端部から下側ブスバーの上端部に亘って覆うように設けられかつシャントリードを収めたシャントリード保護管20と、シャントリード保護管と上下ブスバーとの間にそれぞれ介在されたＯリング21とからなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これら主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む端板と、一方の主電極に接続している固定電極部材と、他方の主電極に接続している可動電極部材とから構成された水電解槽が圧力容器内に設置され、
可動電極部材は、容器に固定された上側棒状導電部材と、他方の主電極に接続された下側棒状導電部材と、上下棒状導電部材に連結状に設けられた伸縮導電部材と、上側棒状導電部材の下端部から下側棒状導電部材の上端部に亘って覆うように設けられかつ伸縮導電部材を収めた防水用管状部材と、防水用管状部材と上下棒状導電部材との間にそれぞれ介在されたリング状シール部材とからなることを特徴とする、容器収納型水電解槽の寸法変動吸収装置。
【請求項２】
前記伸縮導電部材はシャントリード、コイル状電線またはベローズであることを特徴とする請求項１記載の容器収納型水電解槽の寸法変動吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力容器内に収められた固体高分子型水電解槽の寸法変動を吸収する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子電解質膜を用いて水電解によって水素および酸素を発生させる積層型水電解槽は、両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両端から締め付ける締め付け装置とから主として構成されている。単位セルは、複極板、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体および水電解槽外部をシールするガスケットから主として構成されている。
【０００３】
上記構成の水電解槽において、主に、水温の高低により積層高さ寸法が変動することが知られている。例えば単位セルでは１００〜２００μｍ程度の寸法変動がある。すなわち、水温が高くなると、ガスケットの弾性力が低下しこれが縮み、水温が低くなるとガスケットの弾性力が復活し水電解槽が元に戻る。
【０００４】
圧力容器に収納しない一般型水電解槽はバネで押さえ付けられており、水電解槽性能はほとんど影響されない。また、電源から電流を負荷する電線は陽極主電極および陰極主電極に直接接続され、固定されていないため、寸法変動の影響は考慮されていない。
【０００５】
圧力容器収納型水電解槽は、セルの積層数（約２０セル）が少ないため、その寸法変動量も小さく水電解槽に対する影響が少ないので、陽極主電極および陰極主電極に直接ブスバーを接続していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
大容量の水素ステーションを製作するには、セル積層数を増やすことによって水電解槽を大容量化する必要がある。
【０００７】
しかし、図６に示すように、圧力容器(52)内に収められた水電解槽(51)のセル(54)積層数が増加すると、水電解槽(51)の寸法変動量が大きくなり、両電極にブスバー(55)(56)を直接接続すると、ブスバー(55)(56)の熱膨張により水電解槽の伸びが発生し、またはブスバー(55)(56)が水電解槽の寸法変動に耐えられず、水電解槽に対する押し付け力が低下してしまう。この現象がゴムガスケットの圧縮／引張を阻害してセル(54)間に隙間(53)を発生させ、ガス漏れや電解質膜の破損を起こすことになるという問題があった。なお、図６中、(3) は水素ヘッダ、(4) (6) は上下端板、(5) はバネ、(7) はネジ棒・ナット、(8) は蓋体、(9) は陰極主電極、(10)は陰極側給電端子、(12)は陰極側圧力端子、(13)は陽極主電極、(14)は陽極側給電端子、(15)は陽極側圧力端子、(24)は水供給口、(25)は上部ガス出口、(26)は下部ガス出口である。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するために、セル積層数を多くして大容量化にした水電解槽において、水電解槽の寸法変動を吸収する装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、両端に配された陽極主電極および陰極主電極と、これら主電極の間に直列に配された複数の単位セルと、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む端板と、一方の主電極に接続している固定電極部材と、他方の主電極に接続している可動電極部材とから構成された水電解槽が圧力容器内に設置され、
可動電極部材は、容器に固定された上側棒状導電部材と、他方の主電極に接続された下側棒状導電部材と、上下棒状導電部材に連結状に設けられた伸縮導電部材と、上側棒状導電部材の下端部から下側棒状導電部材の上端部に亘って覆うように設けられかつ伸縮導電部材を収めた防水用管状部材と、防水用管状部材と上下棒状導電部材との間にそれぞれ介在されたリング状シール部材とからなることを特徴とする、容器収納型水電解槽の寸法変動吸収装置を提供する。
【００１０】
前記伸縮導電部材は、好ましくは、シャントリード、コイル状電線またはベローズである。コイル状電線は銅製のものが、ベローズはアルミニウム製やステレンス鋼製のものが一般的である。伸縮導電部材を直接水電解槽内に配置すると、水中で腐食し易すいので、これをチタン製シャントリード保護管等の防水用管状部材の内部に収め、防水用管状部材と上下棒状導電部材との間にそれぞれリング状シール部材を介在させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セル積層数の多い大容量の水電解槽において、可動電極部材は水電解槽の寸法変動を吸収することができ、これにより、セル間に隙間が発生することなく水電解槽に電流を負荷することができ、より安全性の高い容器収納型水電解槽を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例をいくつか挙げる。
【００１３】
実施例１
図１は実施例１による容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図であり、図２は同装置に設けられた可動ブスバーの構成を示す一部切欠正面図である。
【００１４】
まず、図１に示す容器収納型水電解槽の構成について説明をする。
【００１５】
水電解槽(1) は圧力容器(2) 内底部に設置されている。水電解槽(1) は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させるものであり、上下両端に配された陽極主電極(13)および陰極主電極(9) と、これら主電極(13)(9) の間に直列に配された複数の単位セル(23)と、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む上下端板(4) (6)と、陽極主電極(13)および上部端板(4) の間に介在された 複数のバネ(5) と、上下端板(4) (6)の各四隅部を貫通し、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを上下から締め付けるネジ棒(7) ・ナットとから主として構成されてい
る。ネジ棒(7) の下端部は下部端板(6)の雌ネジ部に捩じ込まれている。単位セルは、複極板、陽極給電体、電極接合体謨および陰極給電体から主として構成されている。水電解槽(1) の中央部には水電解槽(1) を垂直に貫通する水素ヘッダ(3) が設けられ、容器(2) の底壁に設けられた下部ガス出口(26)に接続している。
【００１６】
水電解槽(1) の下端に位置する陰極主電極(9) に取り付けた陰極側給電端子(10)と容器の蓋体(8) 上に設けられた陰極側圧力端子(12)とに亘って蓋体(8) を貫通して固定ブスバー(11)が設けられている。固定ブスバー(11)は非伸縮性の電極部材である。
【００１７】
他方、水電解槽(1) の上端に位置する陽極主電極(13)に取り付けた陽極側給電端子(14)と容器の蓋体(8) に設けられた陽極側圧力端子(15)とに亘って蓋体(8) を貫通して可動ブスバー(16)が設けられている。可動ブスバー(16)は軸方向に伸縮する電極部材である。
【００１８】
次に図２に示す可動ブスバーの構成について説明をする。
【００１９】
上側棒状導電部材である上側ブスバー(17)の下方突部と下側棒状導電部材である下側ブスバー(18)の上方突部との間に伸縮導電部材であるシャントリード(19)が連結状に設けられている。下側ブスバー(18)は上側ブスバー(17)より大径であって、下側ブスバー(18)の上端部には段部(22)を介して小径部(18a)が形成されている。小径部(18a)は上側ブスバー(17)と同径である。上側ブスバー(17)の下端部から下側ブスバー(18)の小径部(18a)に亘る範囲が防水用管状部材であるシャントリード保護管(20)で覆われており、シャントリード保護管(20)は段部(22)に受けられて抜け落ちないようになっている。シャントリード(19)はシャントリード保護管(20)内に収められている。シャントリード(19)は銅線を亜鉛メッキしたもので、水中では腐食し易いが、このようにシャントリード保護管(20)内に収められていることによって、腐食しないように保護されている。シャントリード保護管(20)の内周面に設けられた複数の環溝と上下チタンブスバー(17)(18)の外周面との間にはリング状シール部材であるＯリング(21)が介在されている。Ｏリング(21)は、シャントリード保護管(20)が上下チタンブスバー(17)(18)に対して摺動する際に圧力容器(2) 内の水がシャントリード保護管(20)内に入ることを防いでいる。上下チタンブスバー(17)(18)およびシャントリード保護管(20)はいずれもチタン製である。
【００２０】
シャントリード(19)は、セル(23)積層数が多い水電解槽(1) の寸法変動を吸収するために、予め初期撓みを所定値にするように撓ませてある。
【００２１】
このように構成された可動ブスバーについて、その作用を説明する。
【００２２】
水電解において、水電解槽(1) の寸法が変動するのに伴って、下側チタンブスバー(18)がシャントリード保護管(20)のＯリング(21)と互いに摺り合いながら移動し、これによって水電解槽(1) の寸法変動を吸収する。したがって、水電解槽(1) を構成するセル(23)間で隙間ができることがない。
【００２３】
こうして構成した容器収納型水電解槽において、圧力容器(2) の側壁に設けられた水供給口(24)から容器(2) 内に純水を供給し、水電解槽(1) を水没させるように貯える。水の電解により水電解槽(1) の各陽極に発生した酸素と残りの水を水電解槽(1) から圧力容器(2) 内に出す。酸素を容器(2) 内で気液分離し、容器(2) の蓋体(8) を貫通する上部ガス出口(25)から容器(2) 外へ取り出す。
【００２４】
水電解槽(1) の各陰極で発生した水素と同伴水を水素ヘッダ(3) で回収し、下部ガス出口(26)を経て容器外へ取り出し、次いで気液分離タンク（図示省略）ヘ送り同タンクで気液分離する。
【００２５】
水電解槽の使用の際、電極接合体膜などが破れないように、周辺機器で陽極側の発生ガスと陰極側の発生ガスとの圧力差が１ＭＰａ以下になるように調整する。
【００２６】
なお、水電解槽は陰極主電極が上に陽極主電極が下に来るように配されてもよい。この場合、可動ブスバーは陽極主電極に、固定ブスバーは陰極主電極にそれぞれ接続される。
【００２７】
実施例２
図３において、この実施例では水電解槽(1) は圧力容器(2) 内頂部に設置されている。水電解槽(1) は、上下両端に配された陰極主電極(9) および陽極主電極(13)と、これら主電極(9) (13)の間に直列に配された複数の単位セル(23)と、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む上下端板(4) (6) と、陽極主電極(13)および下部端板(4) の間に介在された複数のバネ(5) と、上下端板(4) (6) の各四隅部を貫通し、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを上下から締め付けるネジ棒(7) ・ナットとから主として構成されている。ネジ棒(7) の上端部は上部端板(6)の雌ネジ部に捩じ込まれている。
【００２８】
水電解槽(1) の中央部には水電解槽(1) を垂直に貫通する水素ヘッダ(3) が設けられ、容器(2) の蓋体(8) に設けられた上部ガス出口(25)に接続している。
【００２９】
水電解槽(1) の下端に位置する陽極主電極(13)に取り付けた陽極側給電端子(14)と容器の蓋体(8) に設けられた陽極側圧力端子(15)とに亘って蓋体(8) を貫通して可動ブスバー(16)が設けられている。可動ブスバー(16)は軸方向に伸縮する電極部材である。
【００３０】
他方、水電解槽(1) の上端に位置する陰極主電極(9) に取り付けた陰極側給電端子(10)と容器の蓋体(8) 上に設けられた陰極側圧力端子(12)とに亘って蓋体(8) を貫通して固定ブスバー(11)が設けられている。固定ブスバー(11)は非伸縮性の電極部材である。
【００３１】
なお、水電解槽(1) は陽極主電極が上に陰極主電極が下に来るように配されてもよい。この場合、可動ブスバーは陰極主電極に、固定ブスバーは陽極主電極にそれぞれ接続される。
【００３２】
水電解槽(1) のその他の構成および作用は実施例１と同じである。
【００３３】
実施例３
図４において、水電解槽(1) は圧力容器(2) 内底部に設置されている。水電解槽(1) の一側部には給水ヘッダ(27)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられて、容器(2) の底壁に設けられた水供給口(32)に接続している。水電解槽(1) の他側部には酸素ヘッダ(28)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられて、容器(2) の底壁に設けられた下部ガス出口(33)に接続している。水電解槽(1) の中央部には水素ヘッダ(29)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられ、その上端は圧力容器(2) 内に開口している。容器(2) の底壁の縁部には水溜め用の凹溝(30)が形成され、その溝底には水抜き路(31)が設けられている。
【００３４】
こうして構成した容器収納型水電解槽において、水供給口(32)から給水ヘッダ(27)を通って水電解槽(1) の陽極側に純水を供給する。水の電解により水電解槽(1) の各陽極に発生した酸素と残りの水を酸素ヘッダ(28)によって回収し、下部ガス出口(33)を通って圧力容器(2) 外へ出し、次いで容器(2) 外の気液分離タンクヘ送り同タンクで気液分離する。
【００３５】
水電解槽(1) の各陰極で発生した水素と同伴水を水素ヘッダ(29)で回収し、水電解槽(1) から圧力容器(2) 内に出す。水素を容器(2) 内で気液分離し、容器(2) の蓋体(8) を貫通する上部ガス出口(34)から容器(2) 外へ取り出す。
【００３６】
陽極側から陰極側に移動した同伴水は凹溝(30)に溜まる。この同伴水は、圧力容器(2) 内の水素の貯留空間を無くさないようにするために、必要に応じて水抜き路(31)から抜き出される。
【００３７】
水電解槽(1) のその他の構成および作用は実施例１と同じである。
【００３８】
なお、水電解槽は陰極主電極が上に陽極主電極が下に来るように配されてもよい。この場合、可動ブスバーは陽極主電極に、固定ブスバーは陰極主電極にそれぞれ接続される。
【００３９】
実施例４
図５において、この実施例では水電解槽(1) は圧力容器(2) 内頂部に設置されている。水電解槽(1) は、上下両端に配された陰極主電極(9) および陽極主電極(13)と、これら主電極(9) (13)の間に直列に配された複数の単位セル(23)と、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを両側から挟む上下端板(4) (6) と、陽極主電極(13)および下部端板(4) の間に介在された複数のバネ(5) と、上下端板(4) (6) の各四隅部を貫通し、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合せを上下から締め付けるネジ棒(7) ・ナットとから主として構成されている。ネジ棒(7) の上端部は上部端板(6)の雌ネジ部に捩じ込まれている。
【００４０】
水電解槽(1) の一側部には給水ヘッダ(27)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられて、容器(2) の頂壁(8) に設けられた水供給口(32)に接続している。水電解槽(1) の他側部には酸素ヘッダ(28)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられて、容器(2) の頂壁(8) に設けられた上部ガス出口(33)に接続している。水電解槽(1) の中央部には水素ヘッダ(29)が水電解槽(1) を垂直に貫通して設けられ、その下端は圧力容器(2) 内に開口している。容器(2) の底壁には水抜き路(31)が設けられている。
【００４１】
水電解槽(1) のその他の構成および作用は実施例１と同じである。
【００４２】
なお、水電解槽(1) は陽極主電極が上に陰極主電極が下に来るように配されてもよい。この場合、可動ブスバーは陰極主電極に、固定ブスバーは陽極主電極にそれぞれ接続される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１による容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図である。
【図２】可動ブスバーの構成を示す一部切欠正面図である。
【図３】実施例２による容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図である。
【図４】実施例３による容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図である。
【図５】実施例４による容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図である。
【図６】従来の容器収納型水電解槽の構成を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
(1) 水電解槽
(2) 圧力容器
(3) (29)水素ヘッダ
(4) 上部端板
(5) バネ
(6) 下部端板
(7) 調整ボルト
(8) 蓋体
(9) 陰極主電極
(10)陰極側給電端子
(11)固定ブスバー
(12)陰極側圧力端子
(13)陽極主電極
(14)陽極側給電端子
(15)陽極側圧力端子
(16)可動ブスバー
(17)上側ブスバー
(18)下側ブスバー
(19)シャントリード
(20)シャントリード保護管
(21)Ｏリング
(22)段部
(23)セル
(24)(32)水供給口
(25)上部ガス出口
(26)(33)下部ガス出口
(27)給水ヘッダ
(28)酸素ヘッダ
(30)凹溝
(31)水抜き路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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