(57)【要約】【課題】水素圧により固体高分子電解質膜の厚さが低減しても、固体高分子電解質膜とカソード給電体とに間隙を生じない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の両側に設けられた給電体３，４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６と、流体通路７，８とを備える。流体通路８に水を供給すると共に各給電体３，４に通電して水を電気分解し、流体通路７に高圧の水素ガスを得る。水素ガス圧による固体高分子電解質膜２の変形に追随して密着する弾性材料製のカソード給電体３と、水素ガス圧に抗して形状維持可能なアノード給電体４とを備える。カソード給電体３は圧縮応力により変形されており、該圧縮応力が解放されることにより固体高分子電解質膜２に密着する。カソード給電体３はチタン製エキスパンドメタル、チタン繊維焼結体またはそれらとチタン粉末焼結体との積層体からなり、アノード給電体４はチタン粉末焼結体からなる。【選択図】  図１
2006111924.tif 000002
【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高圧水素製造装置において、
該固体高分子電解質膜が該水素ガスの圧力により変形したときに該変形に追随して該固体高分子電解質膜に密着する弾性材料からなるカソード給電体と、該水素ガスの圧力に抗して形状を維持することができるアノード給電体とを備えることを特徴とする高圧水素製造装置。
【請求項２】
前記カソード給電体は圧縮応力により変形されており、該固体高分子電解質膜が該水素ガスの圧力により変形したときに、該圧縮応力が解放されることにより、該変形に追随して該固体高分子電解質膜に密着する弾性材料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】
前記カソード給電体はチタン製エキスパンドメタル、チタン繊維焼結体またはそれらとチタン粉末焼結体との積層体からなり、前記アノード給電体はチタン粉末焼結体からな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、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３（ａ）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２２、アノード給電体２３と、各給電体２２，２３に積層されたセパレータ５，６とを備え、各給電体２２，２３が多孔質部材からなる高圧水素製造装置２１が知られている。前記多孔質部材としては、例えばチタン粉末等の導電性粒子が焼結されてなる部材が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
高圧水素製造装置２１では、例えば各セパレータ５，６に各給電体２２，２３が露出する流体通路７，８を設けると共に、各給電体２２，２３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、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２２とアノード給電体２３とに通電すると、流体通路８に供給された水がアノード給電体２３で電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。
【０００４】
このとき、アノード給電体２３は前記多孔質部材からなるので、流体通路８に供給された水はアノード給電体２３の内部で前記のように電気分解され、生成した水素イオンはアノード給電体２３内を通過して固体高分子電解質膜２に接触する。さらに、前記水素イオンは、固体高分子電解質膜２を透過してカソード給電体２２側に移動し、カソード給電体２２から電子を受け取って水素ガスとなる。
【０００５】
高圧水素製造装置２１では、カソード給電体２２もまた前記多孔質部材からなるので、前記水素ガスは、カソード給電体２２内を通過して、カソード側セパレータ５の流体通路７に至る。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。一方、アノード側セパレータ６の流体通路８で生成した酸素は、前記水と共に流体通路８に設けられた排水口１５から排出される。
【０００６】
しかしながら、高圧水素製造装置２１では、前記のように酸素を排出すると、固体高分子電解質膜２の両側で圧力のバランスが崩れ、カソード側セパレータ５の流体通路７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２３とがセパレータ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、図３（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２とカソード給電体２２との間に間隙２４を生じて両者の接触抵抗が増大し、高圧水素製造装置２１の性能が低下する。
【特許文献１】特表２００３−５１５２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側で生成した水素の圧力により固体高分子電解質膜の厚さが低減したときにも、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】
【０００８】
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高圧水素製造装置において、該固体高分子電解質膜が該水素ガスの圧力により変形したときに該変形に追随して該固体高分子電解質膜に密着する弾性材料からなるカソード給電体と、該水素ガスの圧力に抗して形状を維持することができるアノード給電体とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の高圧水素製造装置では、カソード側セパレータの流体通路に生成した水素ガスの圧力が、前記固体高分子電解質膜と前記アノード給電体とに作用したときに、該アノード給電体は該水素ガスの圧力に抗して形状を維持することができる。この結果、前記固体高分子電解質膜は前記アノード給電体側では変形されることがなく、前記カソード給電体側でのみ圧縮されて厚さが薄くなる。このとき、前記カソード給電体は前記弾性材料からなるので、前記固体高分子電解質膜が変形して厚さが薄くなったときには、該変形に追随して、それ自体変形することができ、該固体高分子電解質膜に密着した状態を維持することができる。
【００１０】
従って、本発明によれば、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、固体高分子電解質膜とカソード給電体との接触抵抗の増大による性能の低下を防止することができる。
【００１１】
前記カソード給電体は圧縮応力により変形されており、該固体高分子電解質膜が該水素ガスの圧力により変形したときに、該圧縮応力が解放されることにより、該変形に追随して該固体高分子電解質膜に密着する弾性材料からなることが好ましい。このような弾性材料として、例えば、チタン製エキスパンドメタル、チタン繊維焼結体またはそれらとチタン粉末焼結体との積層体等を挙げることができる。
【００１２】
また、前記アノード給電体に用いられ、水素ガスの圧力に抗して形状を維持することができる材料としては、例えば、チタン粉末焼結体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】
【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は図１の高圧水素製造装置に用いるアノード給電体の構成を示す平面図である。
【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。
【００１５】
固体高分子電解質膜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。そして、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白金触媒を含む触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯＸ触媒を含む触媒層（図示せず）を備えている。
【００１７】
カソード給電体３は、複数のチタン製エキスパンドメタルを積層し、端部をスポット溶接して一体化したものからなる。前記エキスパンドメタルは、例えばチタン製薄板を引き伸ばして切開することにより金網状のメッシュとしたものであり、メッシュの交点が隆起しているため、複数積層することにより、積層された方向で伸縮する弾性部材を形成することができる。尚、前記エキスパンドメタルは、カソード給電体３を形成したときに、最上層の１枚はセパレータ５に密着し、最下層の１枚は固体高分子電解質膜２に密着するために、圧延されて前記隆起が平坦にされていることが好ましい。
【００１８】
前記エキスパンドメタルは、メッシュの目開き形状が菱形となっているスタンダード・タイプであってもよく、該目開き形状が六角形となっているグレーチング・タイプであってもよいが、カソード給電体３として用いるために、該目開きの大きさは０．５ｍｍ×１ｍｍ〜５ｍｍ×１０ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００１９】
カソード給電体３は、通常はセパレータ５，６から受ける圧縮応力により、前述のように複数積層された前記エキスパンドメタルが圧縮されている。
【００２０】
アノード給電体４は、図２に示すように、多孔質チタン焼結体１６と、多孔質チタン焼結体１６の周囲を取り囲むチタンプレート１７とからなる。多孔質チタン焼結体１６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たものを用いることができる。チタンプレート１７は、実質的に非多孔質体である。アノード給電体４は、例えば図２に示すように、円盤状に形成された多孔質チタン焼結体１６を、ドーナッツ状に形成されたチタンプレート１７の内周部に圧入することにより形成することができる。
【００２１】
カソード側セパレータ５は、例えば非多孔質のチタン材料等に、カソード給電体３に積層されたときにカソード給電体３を露出する流体通路７と、流体通路７に連通する水素取出口１３とを形成したものを用いることができる。また、アノード側セパレータ６は、例えば非多孔質のチタン材料等に、アノード給電体４に積層されたときにアノード給電体４を露出する流体通路８と、流体通路８に連通する給水口１４、排水口１５とを形成したものを用いることができる。
【００２２】
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電解質膜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。
【００２３】
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る。この結果、カソード側セパレータ５の流体通路７に得られた高圧の水素ガスにより、固体高分子電解質膜２とアノード給電体４の多孔質チタン焼結体１６とがアノード側セパレータ６方向に押圧されることになる。
【００２４】
このとき、高圧水素製造装置１では、アノード側セパレータ６は前述のように非多孔質のチタン材料等からなり、さらに流体通路８が形成されているために十分な厚さがあり、前記水素ガスの圧力に抗して変形することなく、形状を維持することが可能な剛性を備えている。また、アノード給電体４はチタンプレート１７と一体的に形成された多孔質チタン焼結体１６が、チタンプレート１７と共にセパレータ６により支持されるので、前記水素ガスの圧力に抗して変形することなく、形状を維持することができる。
【００２５】
これに対して、固体高分子電解質膜２は、前記水素ガスの圧力により厚さ方向で変形し、その厚さが通常よりも薄くなるため、固体高分子電解質膜２とカソード給電体３との間に間隙を生じ、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することが懸念される。しかし、カソード給電体３は、前述のように複数のチタン製エキスパンドメタルが積層された弾性部材であり、通常はセパレータ５，６から圧縮応力を受けて圧縮されている。従って、固体高分子電解質膜２の厚さが通常よりも薄くなると前記圧縮応力が解放されて、カソード給電体３は原形を回復しようとする。
【００２６】
この結果、カソード給電体３は、図１（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２の変形に追随して固体高分子２方向に膨張して固体高分子電解質膜２に密着した状態を維持し、固体高分子電解質膜２との間に間隙を生じることを防止することができる。
【００２７】
尚、本実施形態では、カソード給電体３として複数のチタン製エキスパンドメタルを積層したものを用いているが、これに代えて複数のチタン繊維焼結体を積層したものや、これらとチタン粉末焼結体との積層体を用いるようにしてもよい。
【００２８】
また、本実施形態で、アノード給電体４をカソード給電体３と同様の弾性部材とすると、前記水素ガスの圧力が作用したときに、カソード給電体３が前述のように膨張する一方で、アノード給電体４は圧縮されることになる。この結果、固体高分子電解質膜２のカソード給電体３、アノード給電体４に挟持されている部分と、セパレータ５，６に挟持されている部分との間に段差が形成され、固体高分子電解質膜２が破損する虞がある。従って、アノード給電体４は、前記水素ガスの圧力に抗して変形することなく、形状を維持することができることが必要である。
【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構成例を示す説明的断面図。
【図２】図１の高圧水素製造装置に用いるアノード給電体の構成を示す平面図。
【図３】従来の高圧水素製造装置の一構成例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…カソード側セパレータ、  ６…アノード側セパレータ、  ７，８…流体通路。
【図１】
2006111924.tif 000003
【図２】
2006111924.tif 000004
【図３】
2006111924.tif 000005