(57)【要約】【課題】カソード側に生成する水素ガスの圧力により固体高分子電解質膜とカソード給電体との間に間隙を生じず、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、カソード給電体３、アノード給電体４と、カソードセパレータ５、アノードセパレータ６とを備える少なくとも１つの単セル７と、単セル７の両側から、固体高分子電解質膜２、各給電体３，４、各セパレータ５，６を固定する固定手段１４，１５，１６とを備え、各給電体３，４に通電し、アノード側に供給される水を電気分解して、カソード側に高圧の水素ガスを生成させる。固定手段１４，１５，１６は、単セル７内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力を備える。相互に積層された複数の単セル７，７を備える。好ましくは、固定手段１４，１５，１６は、前記水素ガスの圧力よりも１〜４０ＭＰａの範囲で大きな押し付け応力を備える。【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給電体と、アノード給電体と、各給電体にそれぞれ積層されたカソードセパレータと、アノードセパレータとを備える少なくとも１つの単セルと、該単セルの両側から、該固体高分子電解質膜、各給電体、各セパレータを固定する固定手段とを備え、各給電体に通電することによりアノード側に供給される水を電気分解して、カソード側に高圧の水素ガスを生成させる高圧水素製造装置において、
該固定手段は、該単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
【請求項２】
相互に積層された複数の前記単セル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】
前記固定手段は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも１〜４０ＭＰａの範囲で大きな押し付け応力を備えることを特徴とする請求項１または請求項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、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１に示すように、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給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソードセパレータ５と、アノードセパレータ６とを備える単セル７を複数備える高圧水素製造装置１が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、高圧水素製造装置１において、単セル７の両側から固体高分子電解質膜２と、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とを、エンドプレート１４，１４で挟持し、エンドプレート１４，１４に挿通されたボルト１５にナット１６を螺着して締め付けることにより固定したものが知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
高圧水素製造装置１では、例えば各セパレータ５，６に各給電体３，４が露出する流体通路８，１０を設け、アノードセパレータ６の流体通路１０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、流体通路１０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が生成する。生成した水素イオンは、電位差により固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード給電体３から電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。この結果、カソードセパレータ５の流体通路８に高圧の水素ガスを得ることができる。一方、アノードセパレータ６の流体通路１０で生成した酸素は、前記水と共に流体通路１０に設けられた排水口１２から排出される。
【０００５】
しかしながら、高圧水素製造装置１では、前記のようにアノード側で生成した酸素を排出すると、固体高分子電解質膜２の両側で圧力のバランスが崩れ、図３に示すように、カソードセパレータ５の流体通路８で生成した水素の圧力により固体高分子電解質膜２とアノード給電体４とがアノードセパレータ６方向に圧縮されて厚さが低減するという不都合がある。固体高分子電解質膜２の厚さが低減すると、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間に間隙１７を生じて固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との接触抵抗が増大し、高圧水素製造装置１の電解効率が低下する。
【特許文献１】特表２００３−５１５２３７号公報
【特許文献２】特開２００１−３４８６９１号公報
【特許文献３】特開２０００−１７８７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側に高圧の水素ガスが生成しても、該水素ガスの圧力により固体高分子電解質膜とカソード給電体との間に間隙を生じることがなく、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】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明は、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給電体と、アノード給電体と、各給電体にそれぞれ積層されたカソードセパレータと、アノードセパレータとを備える少なくとも１つの単セルと、該単セルの両側から、該固体高分子電解質膜、各給電体、各セパレータを固定する固定手段とを備え、各給電体に通電することによりアノード側に供給される水を電気分解して、カソード側に高圧の水素ガスを生成させる高圧水素製造装置において、該固定手段は、該単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の高圧水素製造装置では、前記単セルは、前記固定手段により、予めその両側から前記固体高分子電解質膜と各給電体と各セパレータとが押圧されて固定されている。このとき、前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きいので、該単セルのカソード側に高圧の水素ガスが生成し、該水素ガスの圧力により前記固体高分子電解質膜とアノード給電体とがアノードプレート側に押圧されても、さらに前記カソード給電体を該固体高分子電解質膜方向に押圧することができる。
【０００９】
従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記単セルのカソード側に高圧の水素ガスが生成しても、固体高分子電解質膜とカソード給電体との接触を維持して、該カソード給電体と固体高分子電解質膜との間に間隙を生じることがなく、優れた電解効率を得ることができる。
【００１０】
本発明の高圧水素製造装置において、前記単セルは１つでもよく、相互に積層された複数の前記単セルを備えていてもよい。
【００１１】
また、前記固定手段は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも１〜４０ＭＰａの範囲で大きな押し付け応力を備えることが好ましく、より好ましくは５〜２０ＭＰａの範囲で大きな押し付け応力を備える。前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力を超えること１ＭＰａ未満では該水素ガスの圧力による前記固体高分子電解質膜とアノード給電体との圧縮を十分に低減できないことがある。また、前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力を４０ＭＰａより大きく超えると前記固体高分子膜を損傷することがある。
【００１２】
尚、固体高分子電解質膜の両側に相対向して１対の給電体を設けた電解装置において、一方の給電体を他方の給電体側に所定の圧力で押圧する技術は公知である。しかし、前記電解装置は、水酸化ナトリウムと塩素とを製造する装置であって、水素は副生するものの高圧となることはなく、従って前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で押圧するとの示唆もない（特許文献３参照）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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は本実施形態の高圧水素製造装置における生成した水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフである。
【００１４】
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給電体３、アノード給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソードセパレータ５、アノードセパレータ６とを備える単セル７を、２つ積層した構成となっている。単セル７，７は、一方の単セル７のカソードセパレータ５に、他方の単セル７のアノードセパレータ６が積層されている。
【００１５】
各単セル７において、カソードセパレータ５は、カソード給電体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、アノードセパレータ６は、アノード給電体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。
【００１６】
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のカソードセパレータ５に、他方の単セル７のアノードセパレータ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。
【００１７】
単セル７，７は、絶縁部材１３，１３を介してエンドプレート１４，１４に挟持されており、エンドプレート１４，１４に取着されたボルト１５とナット１６とにより相互に密着せしめられて固定されている。すなわち、本実施形態の高圧水素製造装置１では、エンドプレート１４、ボルト１５、ナット１６により、固体高分子電解質膜２と、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とを固定する固定手段が形成されている。そして、高圧水素製造装置１では、ボルト１５、ナット１６により、単セル７内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で、固体高分子電解質膜２と、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固定されている。尚、水素取出口９、給水口１１、排水口１２は、いずれも、各単セル７，７間で連通すると共に、絶縁部材１３、エンドプレート１４を貫通して設けられている。
【００１８】
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。
【００１９】
カソード給電体３、アノード給電体４は、例えば、チタン製多孔質焼結体により形成することができる。前記チタン製多孔質焼結体は、例えば、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を、所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得られる。
【００２０】
また、カソードセパレータ５、アノードセパレータ６は、例えば、チタンプレートにより形成されており、カソード給電体３、アノード給電体４は、流体通路８，１０が加工されたカソードセパレータ５、アノードセパレータ６に圧入されている。このとき、カソードセパレータ５、アノードセパレータ６を切削し、カソードセパレータ５とカソード給電体３との段差、アノードセパレータ６とアノード給電体４との段差が無くなるようにしておくことが好ましい。前記段差を無くすことにより、前記押し付け応力で、固体高分子電解質膜２と、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とを固定したときに、固体高分子電解質膜２の損傷を避けることができる。
【００２１】
次に、高圧水素製造装置１の作動について説明する。
【００２２】
前記構成を備える高圧水素製造装置１では、給水口１１からアノードセパレータ６の流体通路１０に水を供給すると共に、カソードセパレータ５とアノードセパレータ６とを介してカソード給電体３とアノード給電体４とにそれぞれ通電することにより、前記水の電気分解を行う。前記電気分解によれば、流体通路１０内に水素イオン、電子、酸素ガスが生成し、該水素イオンは、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、陽イオン透過膜である固体高分子電解質膜２を透過して、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、カソードセパレータ６の流体通路８に高圧の水素ガスが得られる。
【００２３】
一方、流体通路１０内に生成した酸素ガスは、水と共に排水口１２から排出されるが、このようにすると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、固体高分子電解質膜２とアノード給電体４とがアノードセパレータ６方向に押圧される。
【００２４】
このとき、高圧水素製造装置１では、固体高分子電解質膜２と、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが、予めボルト１５、ナット１６により、流体通路８に生成する水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で、押圧されて固定されている。従って、固体高分子電解質膜２とアノード給電体４とがアノードセパレータ６方向へ押圧されたときに、さらにカソード給電体３を固体高分子電解質膜２に押圧することができる。
【００２５】
この結果、高圧水素製造装置１では、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との接触を維持して、両者の間に間隙を生じることがなく、電解電圧を略一定に維持することができる。ボルト１５、ナット１６による前記押し付け応力は、前記電解電圧を略一定に維持するために、流体通路８に生成する水素ガスの圧力を超えること１０〜２０ＭＰａの範囲とすることが好ましい。
【００２６】
次に、流体通路８に生成する水素ガスの圧力を最大３５ＭＰａとし、ボルト１５、ナット１６による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること５ＭＰａの４０ＭＰａとしたとき（実施例）と、ボルト１５、ナット１６による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること１ＭＰａ未満の１０ＭＰａとしたとき（比較例）との前記水素ガスの圧力に対する電解電圧の変化を図２に示す。
【００２７】
図２から、ボルト１５、ナット１６による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること４０ＭＰａとした場合（実施例）には、前記電解電圧を略一定に維持することができることが明らかである。これに対して、ボルト１５、ナット１６による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること１ＭＰａ未満の１０ＭＰａとした場合（比較例）には、流体通路８に生成する水素ガスの圧力の上昇に伴って、前記電解電圧が著しく増大し、電解効率が低下することが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す高圧水素製造装置における生成した水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ。
【図３】図１に示す高圧水素製造装置の要部拡大図。
【符号の説明】
【００２９】
１…高圧水素製造装置、  ２…固体高分子電解質膜、  ３…カソード給電体、  ４…アノード給電体、  ５…カソードセパレータ、  ６…アノードセパレータ、  ７…単セル、  １４，１５，１６…固定手段。
【図１】
2006144092.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006144092.tif 000005