(57)【要約】      （修正有）【課題】カソード側が高圧になったときにも、固体高分子膜とカソード給電体との接触抵抗が増大することのない高圧水素製造装置を提供する。【解決手段】固体高分子膜２の両側に設けられたカソード給電体３と、アノード給電体４と、セパレータ５，６と、流体通路７，８とを備え、アノード側セパレータ６の流体通路８に水を供給して各給電体３，４に通電することにより前記水を電気分解し、カソード側セパレータ５の流体通路７に高圧の水素ガスを得る。カソード給電体３を固体高分子膜２に押圧して密着せしめる押圧手段を備える。押圧手段は流体通路７に設けられ、カソード給電体３を固体高分子膜２側に付勢する弾性部材からなり、該弾性部材は導電性を備える。前記弾性部材は、皿バネ１６またはコイルバネである。流体通路８に水素を供給して各給電体３，４に通電することにより、カソード側セパレータ５の流体通路７に高圧の水素ガスを得るものでもよい。【選択図】  図１
2006070322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜と、該固体高分子膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水素製造装置において、
該カソード給電体を該固体高分子膜に押圧して密着せしめる押圧手段を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
【請求項２】
前記押圧手段は、カソード側セパレータの流体通路に設けられ、前記カソード給電体を前記固体高分子膜側に付勢する弾性部材からなることを特徴とする請求項１記載の高圧水素製造装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、導電性を備えることを特徴とする請求項２記載の高圧水素製造装置。
【請求項４】
前記弾性部材は、皿バネまたはコイルバネであることを特徴とする請求項２または請求項３記載の高圧水素製造装置。
【請求項５】
固体高分子膜と、該固体高分子膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水素を供給すると共に各給電体に通電することにより、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水素製造装置において、
該カソード給電体を該固体高分子膜に押圧して密着せしめる押圧手段を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧水素製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４（ａ）に示すように、固体高分子膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３とアノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６と、各セパレータ５，６に設けられ各給電体３，４が露出する流体通路７，８とを備える高圧水素製造装置２１が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
高圧水素製造装置２１では、各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。そこで、アノード側セパレータ６の流体通路８に水を供給すると共に、カソード給電体３とアノード給電体４とに通電すると、流体通路８に供給された水が電気分解され、水素イオンと酸素ガスとを生成する。前記水素イオンは、固体高分子膜２を透過してカソード給電体３側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取って水素ガスとなる。この結果、高圧水素製造装置２１では、カソード側セパレータ５の流体通路７に高圧の水素を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、高圧水素製造装置２１では、アノード側セパレータ６の流体通路８で生成した酸素を前記水と共に流体通路８に設けられた排水口１５から排出すると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、図４（ｂ）に示すように、固体高分子膜２とアノード給電体４とがセパレータ６方向に押圧されて、固体高分子膜２とカソード給電体３との間に間隙２２を生じ、接触抵抗が増大するという不都合がある。
【特許文献１】特表２００３−５２３５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側が高圧になったときにも、固体高分子膜とカソード給電体との接触抵抗が増大することのない高圧水素製造装置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】
かかる目的を達成するために、本発明の第１の態様は、固体高分子膜と、該固体高分子膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水素製造装置において、該カソード給電体を該固体高分子膜に押圧して密着せしめる押圧手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の第２の態様は、固体高分子膜と、該固体高分子膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水素を供給すると共に各給電体に通電することにより、カソード側セパレータの流体通路に高圧の水素ガスを得る水素製造装置において、該カソード給電体を該固体高分子膜に押圧して密着せしめる押圧手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の各態様の高圧水素製造装置によれば、いずれも、カソード側が高圧になったときには、前記押圧手段が前記カソード給電体を前記固体高分子膜に押圧して密着させる。従って、前記固体高分子膜と前記カソード給電体との間に間隙を生じることがなく、接触抵抗の増大を阻止することができる。
【０００９】
前記押圧手段はカソード側セパレータの流体通路に設けられ、前記カソード給電体を前記固体高分子膜側に付勢する弾性部材からなることを特徴とする。前記押圧手段が前記弾性部材からなることにより、前記固体高分子膜と前記アノード給電体との変形に伴って、前記カソード給電体を該固体高分子膜に押圧して密着させることができる。
【００１０】
ところで、前記カソード給電体は前記カソード側セパレータを介して通電されているので、前記弾性部材により該カソード給電体を前記固体高分子膜に押圧して、該カソード側セパレータと該カソード給電体との間に間隙が生じると、前記通電が不良になることがある。そこで、前記弾性部材は、導電性を備えることが好ましい。前記弾性部材が導電性を備えることにより、前記カソード側セパレータと前記カソード給電体との間に間隙が生じても、該弾性部材により該カソード側セパレータと該カソード給電体との通電を確保することができる。
【００１１】
前記弾性部材としては、例えば、皿バネまたはコイルバネ等を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２は他の実施形態の要部の構成を示す説明的断面図、図３はカソード側の水素圧と電解電圧との関係を示すグラフである。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体３とアノード給電体４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６と、各セパレータ５，６に設けられ各給電体３，４が露出する流体通路７，８とを備えている。
【００１４】
固体高分子膜２、各給電体３，４、各セパレータ５，６は、セパレータ５，６に積層された絶縁部材９，９を介してエンドプレート１０，１０に挟持されており、エンドプレート１０，１０に取着されたボルト１１とナット１２とにより押圧されて相互に密着せしめられている。また、カソード側セパレータ５は流体通路７に連通する水素取出口１３を備え、アノード側セパレータ６は流体通路８に連通する給水口１４と排水口１５とを備えている。
【００１５】
そして、カソード側セパレータ５に設けられた流体通路７内には、カソード給電体３を固体高分子膜２側に付勢するチタン製皿バネ１６が配設されており、皿バネ１６と固体高分子膜２との間にはチタン製パンチングプレート１７が介装されている。尚、各給電体３，４は、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。
【００１６】
高圧水素製造装置１において、固体高分子膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む触媒層（図示せず）を備えている。また、カソード給電体３としては例えばチタン繊維焼結体の表面に白金めっきを施したもの等の柔軟なものを用いることができ、アノード給電体としては例えばチタン粉末焼結体の表面に白金めっきを施したもの等を用いることができる。
【００１７】
前記構成を備える高圧水素製造装置１では、給水口１４から流体通路８に水を供給すると共に、セパレータ５，６を介してカソード給電体３とアノード給電体４とに通電すると、水の電気分解により、流体通路８内に水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。次に、前記水素イオンは、カソード給電体３とアノード給電体４との電位差により、一部の水分子を伴って陽イオン透過膜である固体高分子膜２を透過し、カソード給電体３側に移動する。そして、前記水素イオンがカソード給電体３から電子を受け取って分子化することにより、流体通路７に高圧の水素ガスが得られる。
【００１８】
一方、流体通路８内に生成した酸素ガスは、大部分の水と共に排水口１５から排出される。この結果、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、図１（ｂ）に示すように、固体高分子膜２とアノード給電体４とがセパレータ６方向に押圧される。
【００１９】
ところが、本実施形態の高圧水素製造装置１では、カソード側セパレータ５の流体通路７内に皿バネ１６が配設されており、カソード給電体３は固体高分子膜２側に付勢されている。そこで、前記のように固体高分子膜２とアノード給電体４とがセパレータ６方向に押圧されて変形すると、カソード給電体３も皿バネ１６の付勢力により該変形に追随して変形せしめられ、固体高分子膜２に押圧されて密着する。
【００２０】
このとき、皿バネ１６と固体高分子膜２との間にはパンチングプレート１７が介在しているので、皿バネ１６の付勢力はパンチングプレート１７を介してカソード給電体３に均一に伝達される。また、カソード給電体３が固体高分子膜２に押圧されると、カソード給電体３とカソード側セパレータ５との間に間隙１８を生じるが、皿バネ１６、パンチングプレート１７は共にチタン製であり導電性を備えているので、皿バネ１６、パンチングプレート１７を介してカソード給電体３とカソード側セパレータ５との通電が確保される。
【００２１】
また、高圧水素製造装置１では、カソード給電体３の厚さが設計値より薄いとカソード給電体３と固体高分子膜２との間に間隙が生じて接触抵抗を増大させることになり、設計値より厚いとセパレータ５と固体高分子膜２との間に間隙が生じて生成した水素ガスが漏洩することが懸念される。しかし、本実施形態では、カソード給電体３が皿バネ１６の付勢力により固体高分子膜２に押圧されるので、カソード給電体３の厚さに起因する前記間隙の発生を阻止することができる。
【００２２】
また、高圧水素製造装置１では、前記高圧水素ガスの発生に伴って、カソード給電体３が皿バネ１６の付勢力により固体高分子膜２に押圧され、前述のようにカソード給電体３とカソード側セパレータ５との間に間隙１８を生じる。従って、前記高圧水素ガスを収容する空間を予めセパレータ５に設ける必要が無く、セパレータ５を容易に製造することができる。
【００２３】
高圧水素製造装置１では、流体通路７内に弾性部材として皿バネ１６を配設するようにしているが、皿バネ１６に代えて、図２（ａ）に示すコイルバネ１９を用いてもよい。また、前記弾性部材はカソード給電体３を固体高分子膜２に押圧することができ、しかもセパレータ５とカソード給電体３との通電を確保できるものであればどのようなものであってもよく、皿バネ１６、コイルバネ１９に代えて、導電性樹脂、導電性ゴム等の弾性体を用いるようにしてもよい。
【００２４】
また、高圧水素製造装置１では、皿バネ１６とカソード給電体３との間にパンチングプレート１７を介装しているが、図２（ｂ）に示すようにパンチングプレート１７を備えず、皿バネ１６が直接カソード給電体３に接触するようにしてもよい。尚、図２（ａ）、図２（ｂ）は、高圧水素製造装置１の要部を示すものであり、図１の高圧水素製造装置１と同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
【００２５】
尚、本実施形態では、高圧水素製造装置１の流体通路８に水を供給し、該水の電気分解により高圧水素を製造する場合について説明している。しかし、高圧水素製造装置１では排水口１５を閉鎖して流体通路８に水素を供給すると共に、カソード給電体３とアノード給電体４とに通電することにより水素を濃縮して、流体通路７に高圧水素を得るようにしてもよく、この場合にも本実施形態と同一の効果を得ることができる。
【００２６】
また、本実施形態では、１組の固体高分子膜２、カソード給電体３、アノード給電体４、セパレータ５，６からなる単セルの構成を備える高圧水素製造装置１について説明しているが、高圧水素製造装置１は複数のセルが積層されたものであってもよい。この場合、１つのセルのセパレータ６を、隣接するセルのセパレータ５に積層することにより、各セルが直列に連結されていることが好ましい。
【００２７】
次に、図１に示す高圧水素製造装置１において、流体通路７内に弾性部材として皿バネ１６を配設するようにした場合（実施例１）、図２（ａ）に示すように皿バネ１６に代えてコイルバネ１９を配設した場合（実施例２）、図４に示す高圧水素製造装置２１のように流体通路７内に弾性部材を全く配設しない場合（比較例）のそれぞれについて、給水口１４から流体通路８に８０℃の温水を供給すると共に、カソード給電体３とアノード給電体４とに通電して該温水を電解し、水素を製造した。カソード側（流体通路７側）の水素圧と電解電圧との関係を図３に示す。
【００２８】
図３から、流体通路７内に弾性部材として皿バネ１６を配設するようにした場合（実施例１）、皿バネ１６に代えてコイルバネ１９を配設した場合（実施例２）には、流体通路７内に弾性部材を全く配設しない場合（比較例）に比較して、カソード側（流体通路７側）の水素圧が増大しても電解電圧の増大を抑制することができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の高圧水素製造装置の一実施形態の構成を示す説明的断面図。
【図２】本発明の高圧水素製造装置の他の実施形態の要部の構成を示す説明的断面図。
【図３】カソード側の水素圧と電解電圧との関係を示すグラフ。
【図４】従来の高圧水素製造装置の一形態の構成を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１…高圧水素製造装置、  ２…固体高分子膜、  ３…カソード給電体、  ４…アノード給電体、  ５，６…セパレータ、  ７，８…流体通路、  １６…皿バネ（弾性部材）、  １９…コイルバネ（弾性部材）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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