(57)【要約】【課題】水素ガスのアノード側へのリークを防止でき、優れた電解効率が得られる高圧水素製造装置を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜２と、給電体３，４と、セパレータ５，６と、各セパレータ５，６に設けられた流体通路８，１０とを備える単セル７を備える。流体通路１０に水を供給し、各給電体３，４に通電することにより、水を電気分解して流体通路８に水を伴う高圧の水素ガスを得る。単セル７を収容する第１室１５と、第１室１５に連通する第２室１６とを備える高圧容器１４と、遮断部材１７と、水を伴う高圧の水素ガスを第２室１６に案内する水素ガス案内路２０とを備える。水素ガスと水とを第２室１６内で気液分離して該水素ガスにより遮断部材１７を単セル７方向に押圧する。高圧の水素ガスから分離された水を水素ガス案内路２０を介して流体通路８に供給する。遮断部材１７を押圧する押圧補助手段として皿バネ１９またはコイルバネを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、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る単セルを備え、
該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、該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、該カソード側セパレータの流体通路に水を伴う高圧の水素ガスを得る高圧水素製造装置において、
該単セルを収容する第１室と、該単セルのカソード側で該第１室に連通する第２室とを備える高圧容器と、
該第１室と該第２室との境界に設けられ両室を水密に遮断すると共に、該第２室の内壁に沿って該単セル方向に進退自在に備えられた遮断部材と、
該高圧容器内に設けられ該カソード側セパレータの流体通路に得られた水を伴う高圧の水素ガスを該第２室に案内する水素ガス案内路とを備え、
該水素ガス案内路を介して案内された高圧の水素ガスと水とを該第２室内で気液分離して得られた高圧の水素ガスにより該遮断部材を該単セル方向に押圧すると共に、該高圧の水素ガスから分離された水を該水素ガス案内路を介して該カソード側セパレータの流体通路に供給することを特徴とする高圧水素製造装置。
【請求項２】
前記水素ガスと協働して前記遮断部材を前記単セル方向に押圧する押圧補助手段を備え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】
前記押圧補助手段は、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記載の高圧水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電解により水素を製造する水素製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図２に示す水素製造装置３１のように、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４に積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える単セル７を備え、複数の単セル７を積層したものが知られている。前記固体高分子電解質膜２は両面に図示しない触媒電極層を備えている。
【０００３】
前記積層された単セル７は、両側から絶縁部材３２，３２を介してエンドプレート３３，３３に挟持されており、エンドプレート３３，３３に挿通されたボルト３４にナット３５を螺着して締め付けることにより固定されている。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている。
【０００４】
水素製造装置３１では、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている状態で、アノード側セパレータ６の流体通路１０に水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは多孔質の給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動する。
【０００５】
ここで、前記流体通路８に得られた水素ガスは水を伴っている。そこで、流体通路８に連通する水素取出口９から水素製造装置１の外部に取り出した前記水素ガスを、水素導管３６を介して気液分離装置３７に導入し、気液分離装置３７で水素ガスと水とに分離することが行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
前記気液分離装置３７で分離された水素ガスは、開閉弁３８を備える水素ガス取出口から取り出すことができる。また、気液分離装置３７で分離された水は開閉弁４０を備える排水口４１から排出される。
【０００７】
しかしながら、前記水素製造装置１では、固体高分子電解質膜２のカソード側で得られる水素ガスの圧力が高くなるに従って、該水素ガスが固体高分子電解質膜２を介してアノード側にリークするという不都合がある。前記水素ガスのアノード側へのリークは、水素製造装置１の運転停止時に特に著しい。
【特許文献１】特開２００２−１７３７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、固体高分子電解質膜のカソード側で生成した水素ガスが該固体高分子電解質膜を介してアノード側へリークすることを防止することができ、しかも優れた電解効率を得ることができる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】
【０００９】
かかる目的を達成するために、本発明の高圧水素製造装置は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード側給電体と、アノード側給電体と、各給電体に積層されたカソード側セパレータと、アノード側セパレータと、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る単セルを備え、該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、該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、該カソード側セパレータの流体通路に水を伴う高圧の水素ガスを得る高圧水素製造装置において、該単セルを収容する第１室と、該単セルのカソード側で該第１室に連通する第２室とを備える高圧容器と、該第１室と該第２室との境界に設けられ両室を水密に遮断すると共に、該第２室の内壁に沿って該単セル方向に進退自在に備えられた遮断部材と、該高圧容器内に設けられ該カソード側セパレータの流体通路に得られた水を伴う高圧の水素ガスを該第２室に案内する水素ガス案内路とを備え、該水素ガス案内路を介して案内された高圧の水素ガスと水とを該第２室内で気液分離して得られた高圧の水素ガスにより該遮断部材を該単セル方向に押圧すると共に、該高圧の水素ガスから分離された水を該水素ガス案内路を介して該カソード側セパレータの流体通路に供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明の高圧水素製造装置では、前記高圧容器の第１室に収容されている前記単セルにおいて、前記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。このようにすることにより、前記流体通路に供給された水が、前記固体高分子電解質膜のアノード側で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。そして、前記水素イオンが水分子を伴って前記固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、カソード側で電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは前記カソード側給電体を通って該カソード側セパレータの流体通路に移動する。
【００１１】
前記水素ガスは水分子を伴っており、該水素ガスを工業的に利用するためには、該水素ガスと水とを分離する必要がある。そこで、本発明の高圧水素製造装置では、前記水分子を伴う水素ガスを、前記カソード側セパレータの流体通路から前記水素ガス案内路を介して第２室に案内し、該第２室内で気液分離することにより、高圧の水素ガスと、液体の水とを得る。
【００１２】
このとき、前記高圧容器では、前記第１室と前記第２室とは前記遮断部材により水密に遮断されており、前記高圧の水素ガスと液体の水とが、第２室から第１室にリークしないようにされている。この結果、前記遮断部材は、前記高圧の水素ガスにより前記単セル方向に押圧される。
【００１３】
前記単セルでは、前記固体高分子電解質膜のカソード側で生成する水素ガスの圧が高くなると、前記カソード側給電体と前記カソード側セパレータとが該固体高分子電解質膜から離間する方向に押圧され、該固体高分子電解質膜との間に間隙ができるおそれがある。前記間隙ができると電解電圧が増大したり、該間隙から前記水素ガスがリークしたりして、電解効率が低下する。
【００１４】
しかし、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記第２室で得られた前記水素ガスの圧は、前記固体高分子電解質膜のカソード側で生成する水素ガスの圧と拮抗するので、前述のように前記遮断部材が前記単セル方向に押圧されることにより、前記間隙の発生を防止して優れた電解効率を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の高圧水素製造装置では、前記第２室で分離された液体の水は、前記水素ガス案内路を介して前記カソード側セパレータの流体通路に供給される。この液体の水は、前記流体通路から前記カソード側給電体に浸透し、前記固体高分子電解質膜のカソード側を被覆することにより、該固体高分子電解質膜のカソード側で生成する水素ガスが該固体高分子電解質膜に接触することを阻止する。
【００１６】
従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記を固体高分子電解質膜のカソード側で生成する水素ガスが該固体高分子電解質膜を介してアノード側へリークすることを確実に防止することができる。
【００１７】
また、本発明の高圧水素製造装置では、前記水素ガスと協働して前記遮断部材を前記単セル方向に押圧する押圧補助手段を備えることが好ましい。前記押圧補助手段を備えることにより、前記固体高分子電解質膜のカソード側で生成する水素ガスの圧が高くなっても、これに抗して、前記カソード側給電体、カソード側セパレータと、前記固体高分子電解質膜との間に間隙ができることを確実に阻止することができる。
【００１８】
前記押圧補助手段としては、弾性体を用いることができ、該弾性体として例えば皿バネまたはコイルバネを挙げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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説明的断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、その両側に相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える単セル７により構成されている。単セル７において、カソード側給電体３、カソード側セパレータ５は固体高分子電解質膜２の上側に、アノード側給電体４、アノード側セパレータ６は固体高分子電解質膜２の下側に、それぞれ積層されている。そして、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路８と、流体通路８に連通する水素取出口９とを備え、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１０と、流体通路１０の一方の端部に連通する給水口１１と、流体通路１０の他方の端部に連通する排水口１２とを備えている。
【００２１】
高圧水素製造装置１では、２つの単セル７が積層されて２層構成のスタック１３を形成しており、スタック１３では一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されている。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が、前述のように、一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されていることにより、各単セル７，７が直列に接続されることになるので有利である。
【００２２】
スタック１３は、高圧容器１４の内部に形成されたスタック室（本発明の第１室に相当する）１５に、上下に絶縁体１３ａを介して収容されており、給水口１１と排水口１２とはそれぞれ高圧容器１４を貫通して外部に連絡している。スタック室１５の上方にはシリンダ室（本発明の第２室に相当する）１６が連通しており、スタック室１５とシリンダ室１６との境界には、両室１５，１６を水密に遮断する遮断部材としてのピストン１７が配設されている。ここで、ピストン１７の横断面積は、単セル７における水素ガス生成領域の面積（カソード側給電体３の横断面積）と同等以上であることが必要であり、例えばカソード側給電体３の横断面積と同一とされる。
【００２３】
ピストン１７のシリンダ室１６側にはピストンロッド１８が取着されており、ピストン１７はピストンロッド１８の周囲に配設された押圧補助手段としての皿バネ１９により、スタック１３の上層を形成する単セル７のカソード側セパレータ５に圧接されている。また、ピストン１７には、カソード側セパレータ５の流体通路８に得られた水素ガスをシリンダ室１６に案内する水素ガス案内路としての貫通孔２０が設けられている。貫通孔２０は、一方の端部で水素取出口９に連通すると共に、他方の端部がシリンダ室１６に開口している。
【００２４】
シリンダ室１６には、上壁を貫通する高圧水素取出口２１が備えられており、高圧水素取出口２１は図示しない開閉弁を開くことによりシリンダ室１６内の高圧の水素ガスが取出自在とされている。また、シリンダ室１６には、側壁を貫通する気液分離水排水口２２が設けられており、気液分離水排水口２２は図示しない開閉弁を開くことによりシリンダ室１６内の気液分離水が取出自在とされている。
【００２５】
高圧水素製造装置１において、固体高分子電解質膜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。固体高分子電解質膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備えている。
【００２６】
カソード側給電体３、アノード側給電体４は、例えば、チタン粉末焼結体からなる多孔質体により形成されている。また、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６は、例えば、チタンプレートにより形成されている。
【００２７】
次に、本実施形態の高圧水素製造装置１の作動について説明する。
【００２８】
高圧水素製造装置１は、初期状態では、ピストン１７が押圧補助手段としての皿バネ１９によりカソード側セパレータ５に押圧されており、この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されて密着した状態とされている。皿バネ１９による押圧力は、４〜１０ＭＰａの範囲、例えば５ＭＰａに設定されている。
【００２９】
この状態で、給水口１１からアノード側セパレータ６の流体通路１０に水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは給電体３を通ってカソード側セパレータ５の流体通路８に移動する。
【００３０】
前記流体通路８に得られた水素ガスは、前述のように水分子を伴っているが、高圧水素製造装置１では、該水素ガスを流体通路８に連通する水素取出口９からピストン１７に設けられた貫通孔２０を介してシリンダ室１６に導入し、シリンダ室１６で気液分離する。尚、このとき、高圧水素取出口２１、気液分離水排水口２２に設けられている開閉弁（図示せず）は、いずれも閉じられている。
【００３１】
シリンダ室１６に導入された前記水素ガスは、重力の作用により気液分離され、シリンダ室１６の底部には気液分離水Ｗが貯留される一方、気液分離水Ｗの上方に水素ガスが貯留される。前記水素ガスの圧力は気液分離水Ｗを介してピストン１７に作用するので、ピストン１７は皿バネ１９の押圧力と該水素ガスの圧力とを合した押圧力によってスタック１３方向に押圧される。
【００３２】
前記電気分解が進行すると、各単セル７のカソード側給電体３内の水素ガスの圧力が次第に大になるが、このときには、シリンダ室１６内の水素ガスの圧力もまた該電気分解の進行に伴って大になっており、ピストン１７の横断面積がカソード側給電体３の横断面積と同一とされている場合には、両方の水素ガスの圧力が相殺される。従って、各単セル７の各給電体３，４と、各セパレータ５，６とは、前記水素ガスの圧力如何に関わらず、常に皿バネ１９による４〜１０ＭＰａの押圧力で固体高分子電解質膜２に押圧されることとなり、固体高分子電解質膜２に密着した状態が保持される。この結果、高圧水素製造装置１では、前記電気分解の進行に伴って電解電圧が増大することがなく、優れた電解効率を得ることができる。
【００３３】
一方、高圧水素製造装置１では、シリンダ室１６に貯留された気液分離水Ｗは、貫通孔２０、水素取出口９を介して、前記水素ガスとは逆の経路により、各単セル７のカソード側セパレータ５の流体通路８に供給される。そして、前記気液分離水Ｗは、流体通路８に露出しているカソード側給電体３に浸透し、固体高分子電解質膜２のカソード側の表面を水層（図示せず）で被覆する。この結果、固体高分子電解質膜２のカソード側で生成した水素ガスは、前記水層により妨げられて固体高分子膜２に接触することができず、固体高分子膜２を介してアノード側へリークすることが防止される。
【００３４】
次に、高圧水素製造装置１と、図２に示す従来の水素製造装置３１とを用い、固体高分子電解質膜２のカソード側で生成した水素ガスのアノード側へリーク量を比較した。高圧水素製造装置１では、上述のように固体高分子電解質膜２のカソード側の表面が前記水層で被覆されているが、従来の水素製造装置３１では固体高分子電解質膜２のカソード側の表面を被覆する水層は無い。電解条件は、電解電流１Ａ／ｃｍ２、温度３０℃とした。
【００３５】
このとき、従来の水素製造装置３１では前記リーク量は０．２ｍｌ／分・ｃｍ２であったが、本実施形態の高圧水素製造装置１では０．０１ｍｌ／分・ｃｍ２以下であった。従って、本実施形態の高圧水素製造装置１では、前記水層により水素ガスのアノード側へリークを著しく低下させることができることが明らかである。
【００３６】
また、本実施形態の高圧水素製造装置１では、スタック１３の上方に設けられたシリンダ室１６を用いて生成した水素ガスの気液分離を行うので、別途気液分離装置を設ける必要がなく、装置を小型化することができるとの効果も得ることができる。
【００３７】
尚、本実施形態では、ピストン１７の横断面積を各単セル７における水素ガス生成領域の面積（カソード側給電体３の横断面積）と同一として、シリンダ室１６内の水素ガスの圧力と、各単セル７のカソード側給電体３内の水素ガスの圧力とが相殺される構成としているが、ピストン１７の横断面積をカソード側給電体３の横断面積より大にしてもよい。このようにすると、シリンダ室１６内の水素ガスの圧力により、各単セル７のカソード側給電体３内の水素ガスの圧力に抗して、ピストン１７をスタック１３方向に押圧することができる。従って、ピストン１７は、皿バネ１９の押圧力とシリンダ室１６内の水素ガスの圧力とを合した押圧力によりスタック１３方向に押圧されることとなり、各給電体３，４、各セパレータ５，６と固体高分子電解質膜２との密着保持をさらに確実なものとすることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、皿バネ１９によりピストン１７を押圧するようにしているが、皿バネ１９に代えてコイルバネ等の他の弾性体を用いるようにしてもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、スタック１３は単セル７を２層積層するものとして説明しているが、単セル７は単層でもよく、さらに３層以上積層するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の高圧水素製造装置の一実施形態を示す説明的断面図。
【図２】従来の水素製造装置の一例を示す説明的断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１…高圧水素製造装置、  ２…固体高分子電解質膜、  ３…カソード側給電体、  ４…アノード側給電体、  ５…カソード側セパレータ、  ６…アノード側セパレータ、  ７…単セル、  ８，１０…流体通路、  １４…高圧容器、  １５…第１室、  １６…第２室、  １７…遮断部材、  １９…押圧補助手段（皿バネ）、  ２０…水素ガス案内路。
【図１】
2006316288.tif 000003
【図２】
2006316288.tif 000004