(57)【要約】【課題】水電解槽を圧力容器に収納する必要がなく、相対的に小型で、コストの廉いものを得る。【解決手段】膜電極接合体１の両面に給電体２Ａ，２Ｂを配して構成した単セルと、電極室１１、１２を備えたセパレータ３とを積層して構成される水電解槽を用いるものにおいて、電極室１１、１２を気密に保持する端部シール４Ａ，４Ｂの外側に外周シール７を配置し、かつ、端部シール４Ａ，４Ｂと外周シール７との間にバックアップ流体通流溝８を設けてバックアップ流体を通流し、仮に端部シール４Ａ，４Ｂでリークが生じた場合にも、発生ガスをバックアップ流体に混合して爆発を防止する。【選択図】　　　　図１
2004115860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の両面に給電体を配した単セルと、電極室を有するセパレータとを、電極室を単セルに対向させ、電極室を気密に保持する端部シールを介在させて交互に複数層積層し、電気的に直列接続して通電し、電極室に供給した電解用水を電気分解して水素ガス及び酸素ガスを発生させるフィルタープレス型の水電解槽を有する水電解装置において、
電極室を気密に保持する前記の端部シールの外側にさらに外周シールが備えられ、かつ、端部シールとこの外周シールとの間に流体を封入あるいは通流した空間が配されていることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
端部シールと外周シールとの間に配された前記空間に封入あるいは通流された流体の圧力が、電気分解により生じる水素ガス及び酸素ガスの圧力より高い圧力に設定されていることを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
【請求項３】
端部シールと外周シールとの間に配された前記空間に封入あるいは通流された流体が電解用水であることを特徴とする請求項１または２に記載の水電解装置。
【請求項４】
端部シールと外周シールとの間に配された前記空間に封入あるいは通流された流体が不活性ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を電気分解させて水素、酸素を発生させる水電解装置、特に固体高分子形電解質膜を使用したフィルタープレス型の水電解槽を有する水電解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水を電気分解させて水素、酸素を発生させる水電解装置において、水を電気分解させる水電解槽は、両面に触媒層を備えた高分子電解質膜とそれを挟む給電体により構成される。高分子電解質膜は工業用として広く用いられており、代表的な例としてペルフルオロカーボンスルホン酸膜が上げられ、製品として、　Ｎａｆｉｏｎ（米国ＤｕＰｏｎｔ社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業社製）、Ｆｕｌｅｍｉｏｎ（旭硝子社製）等がある。この高分子電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体を給電体で挟み、純水を供給して通電すると、陽極側では、次式（１）のごとく供給された水が分解されて酸素が発生し、陰極側では水素ガスが発生する。
【０００３】
【化１】
２Ｈ２Ｏ　→　Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−　　　　　　（１）
４Ｈ＋＋４ｅ−　→　２Ｈ２　　　　　　　　　　（２）
図４は、従来のフィルタープレス型の水電解槽の基本構成を示す分解斜視図である。図に見られるように、本構成の水電解槽では、高分子電解質膜の両面に触媒層を備えた膜電極接合体１を陽極側給電体２Ａと陰極側給電体２Ｂとにより挟んで単セルを形成し、この単セルを複極板３を介して複数層積層し、両端に陽極側端板３Ａと陰極側端板３Ｂを配して電気的に直列接続して水電解槽が構成されている。各単セル間のセパレータとして機能する複極板３および陽極側端板３Ａ、陰極側端板３Ｂには、それぞれその下端に陽極側純水と陰極側純水を供給する２個の純水供給ヘッダーが、またその上端に電気分解により発生した陽極側ガスと陰極側ガスを取出す２個のガス排出ヘッダーが備えられており、単セルに対向する複極板３の両面および陽極側端板３Ａ、陰極側端板３Ｂの一方の面には、純水を通流させて電気分解させる陽極室、陰極室が備えられている。図３に見られる陽極側シールパッキング４Ａと陰極側シールパッキング４Ｂは、発生した酸素、水素の漏洩や、混合を防止する役割を果たすものである。本構成の水電解槽は、プレート状のフィルターに類似の形状を有しているので、一般に、フィルタープレス型の水電解槽と呼ばれている。
【０００４】
図５は、従来のこの種の水電解槽の基本構成を示す要部の縦断面図である。本図では、簡単化のために、２個の単セルを積層して形成した電解槽が示されている。各単セルは、高分子電解質膜１ｂの両面に陽極触媒層１ａ、陰極触媒層１ｃを備えた膜電極接合体１を、陽極側給電体２Ａと陰極側給電体２Ｂとにより挟んで形成されており、このように形成された２個の単セルの間に、セパレータとしての複極板３を配し、両端に陽極側端板３Ａおよび陰極側端板３Ｂを配することによって水電解槽が構成されている。図４に示したごとく、２個の純水供給ヘッダーから供給された純水は、それぞれ陽極室１１と陰極室１２とに導入され、電気分解により陽極室１１で酸素ガスが、また陰極室１２で水素ガスが発生する。陽極室１１は、陽極側端板３Ａと膜電極接合体１の高分子電解質膜１ｂとの間のパッキング溝５に配された陽極側シールパッキング４Ａによりガスシールされており、陰極室１２は、陰極側端板３Ｂと膜電極接合体１の高分子電解質膜１ｂとの間のパッキング溝５に配された陰極側シールパッキング４Ｂによりガスシールされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複数の単セルをセパレータと交互に積層し、電気分解によってセパレータの各電極室で発生した酸素ガスあるいは水素ガスを取出して用いる従来のフィルタープレス型の水電解槽を有する水電解装置においては、電極室で発生したそれぞれのガスの混合を防止するために、上記の図５に示したように、陽極室１１は陽極側シールパッキング４Ａにより、また陰極室１２は陰極側シールパッキング４Ｂにより、それぞれ端部でガスシールされている。また、このように膜電極接合体とセパレータとの間にパッキングを圧接する方式に代えて、接着シールする方法が採られる場合もある。
【０００６】
しかしながら、この種の水電解槽では、発生ガスの圧力が高くなって高圧運転になる可能性があり、このように高圧運転になると端部シールのシール耐圧が不十分となり、水素ガスと酸素ガスが漏洩して爆発を生じる危険性がある。したがって、従来の装置では、この水電解槽を圧力容器の内部に収納して電解槽外の圧力を高くし、水電解槽の運転圧力と水電解槽外の圧力との差を抑えて、水素ガスと酸素ガスの槽外への漏洩を防止している。このため、従来のこの種の水電解装置では、水電解槽を圧力容器に組込むために装置全体が大型となり、かつ製作コストが高くなるという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の難点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、水電解槽の高圧運転においても発生ガスが外部へ漏洩する危険性がなく、したがって圧力容器に収納する必要がなく、相対的に小型で、コストの廉い水電解装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
膜電極接合体の両面に給電体を配した単セルと、電極室を有するセパレータとを、電極室を単セルに対向させ、電極室を気密に保持する端部シールを介在させて交互に複数層積層し、電気的に直列接続して通電し、電極室に供給した電解用水を電気分解して水素ガス及び酸素ガスを発生させるフィルタープレス型の水電解槽を有する水電解装置において、
（１）電極室を気密に保持する前記の端部シールの外側にさらに外周シールを備え、かつ、端部シールとこの外周シールとの間に流体、例えば電解用水あるいは不活性ガス等を封入あるいは通流した空間を配することとする。
【０００９】
（２）さらに、端部シールと外周シールとの間に配された空間に封入あるいは通流した上記の流体の圧力を、電気分解により生じる水素ガス及び酸素ガスの圧力より高い圧力に設定することとする。
上記の（１）のごとく構成すれば、電極室において電気分解により生じた水素ガス及び酸素ガスは、端部シールと外周シールの二つのシールによりシールされることとなるので、漏洩の危険性が大幅に低下する。また、生じた水素ガスあるいは酸素ガスが仮に端部シールを通して漏洩する事態が生じても、漏洩したガスは、端部シールと外周シールとの間に配された空間に封入あるいは通流された電解用水あるいは不活性ガス等の流体へ吸収されることとなるので、爆発等を引起す恐れがない。
【００１０】
また、さらに上記の（２）のごとく構成すれば、仮に端部シールに不具合が生じても、端部シールの外側に配された空間に封入あるいは通流された相対的に圧力の高い流体が端部シールの内側へと漏洩することとなり、内側で発生した水素ガスあるいは酸素ガスが端部シールの外側へ漏洩することはない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、例を挙げて説明する。なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、同一の基本理念に基づく形態に広く適用されるものである。
図１は、本発明の水電解装置の水電解槽の一実施例の基本構成を示す要部の縦断面図である。本図は、図５に示した従来例の構成と対比して示されており、同一機能を有する構成部品には同一符号を付して重複する説明は省略する。図１に示した実施例の従来例（図５）との相違点は、陽極側シールパッキング４Ａ、陰極側シールパッキング４Ｂの外側に、これらを取り囲んで、パッキング溝６と外周シールパッキング７とからなる外周シールが配されていること、さらに、陽極側シールパッキング４Ａ、陰極側シールパッキング４Ｂとこの外周シールとの間に、電気絶縁性の純水を封入させるバックアップ流体通流溝８が全周にわたって配されていることにある。なお、図中に点線で示された９は、各複極板３、陽極側端板３Ａおよび陰極側端板３Ｂに備えられたそれぞれのバックアップ流体通流溝８に純水を供給するためのバックアップ流体連通路である。
【００１２】
図２は、本実施例の水電解槽に組み込まれている複極板３を図１の紙面右側より見た平面図で、本図に、上記のシールパッキングと外周シールとバックアップ流体通流溝との相対的な配置がより明らかに示されている。すなわち、複極板３の中央部には並列に配置された複数の陰極室１２が備えられ、下端が電解用水供給用マニホールド１３に、上端が発生ガス排出用マニホールド１４に連通されている。並列に配置された複数の陰極室１２の周囲には、電解用水および発生ガスをシールするための陰極側シールパッキングを挿入するパッキング溝５が配置されている。このパッキング溝５の外側にはバックアップ流体通流溝８が配置され、さらに、その外側には外周シールパッキングを挿入するパッキング溝６が配置されている。
【００１３】
図３は、図１の基本構成の水電解槽を組込んだ水電解装置の純水系およびガス系の構成を示す系統図である。図３に見られるように、水電解槽２０の陰極室および陽極室には、気液分離器２２，２２Ａに貯留された純水が給水ポンプ２７，２８によって圧送され、電気分解が行われる。電気分解により発生したガスを含んで陰極室および陽極室より排出された気液二層流は、気液分離器２２，２２Ａにおいて液体と気体に分離され、得られた水素、酸素はそれぞれガス冷却器２１，２１Ａで冷却されたのち外部に取出される。また、分離された水は再び電解用水として用いられる。なお、２３は気液分離器２２，２２Ａの水位の調整に用いられる水位調節器、２５は純水タンク、２４はイオン交換樹脂筒である。
【００１４】
図３の系統図において、水電解槽２０の陰極室へと供給される配管より分岐して、バックアップ流体用ポンプ３０および電気絶縁配管３１を介して連結された配管系は、図１に示した水電解層２０のバックアップ流体連通路９、さらにはバックアップ流体通流溝８へとバックアップ用の純水を送る配管系であり、水電解層２０から圧力計３２、止め弁３３、電気絶縁配管３４を介して気液分離器２２へと連結された配管系は、水電解層２０のバックアップ流体通流溝８を通流後のバックアップ用純水を排出するための配管系である。水電解層２０の運転の際には、止め弁３３を閉止し、圧力計３２で圧力を監視しながらバックアップ流体用ポンプ３０を運転することによって、バックアップ流体系の圧力が各電極室の圧力より高い所定の圧力に保持される。メンテナンスの際には、止め弁３３を開けてバックアップ流体系に滞留する純水を電気絶縁配管３４に流し、気液分離器２２へと排出する。
【００１５】
なお、本構成において陽極側シールパッキング４Ａ、あるいは陰極側シールパッキング４Ｂに不具合が生じると、陽極室１１あるいは陰極室１２にバックアップ流体系の純水が混入することとなるが、陽極室１１で生じた酸素や、陰極室１２で生じた水素の純度に影響を及ぼすことはない。また、このようにリークが生じて陽極室１１あるいは陰極室１２に純水が混入すると、ガス冷却器２１，２１Ａでのドレイン水量が変化するので、高価な水素検知器等を設置しなくとも容易にリークの発生が検知できる。
【００１６】
上記の実施例では、陽極側シールパッキング４Ａ、陰極側シールパッキング４Ｂの外側に、これらを取り囲んで外周シールを配し、さらに、陽極側シールパッキング４Ａ、陰極側シールパッキング４Ｂとこの外周シールとの間に、全周にわたってバックアップ流体通流溝８を配して純水を封入しているが、純水をバックアップ流体通流溝８に通流させることとしてもよい。また、純水に代わって電気絶縁性の不活性ガスを用いることとし、専用の不活性ガス供給装置から水電解層２０のバックアップ流体連通路９、さらにはバックアップ流体通流溝８へと不活性ガスを循環供給することとしてもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
フィルタープレス型の水電解槽を有する水電解装置において、水電解槽を請求項１、さらには請求項２に記載のごとく構成することとしたので、高圧運転においても発生ガスが水電解槽の外部へ漏洩する危険性が回避され、圧力容器に収納する必要がなくなり、相対的に小型で、コストの廉い水電解装置が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水電解装置の水電解層の一実施例の基本構成を示す要部の縦断面図
【図２】図１の水電解槽に組み込まれている複極板の平面図
【図３】図１の基本構成の水電解層を組込んだ水電解装置の純水系およびガス系の構成を示す系統図
【図４】従来のフィルタープレス型の水電解槽の基本構成を示す分解斜視図
【図５】従来のこの種の水電解槽の基本構成を示す要部の縦断面図
【符号の説明】
１　　膜電極接合体
２Ａ　　陽極側給電体
２Ｂ　　陰極側給電体
３　　複極板
３Ａ　　陽極側端板
３Ｂ　　陰極側端板
４Ａ　　陽極側シールパッキング
４Ｂ　　陰極側シールパッキング
５　　パッキング溝
６　　パッキング溝
７　　外周シールパッキング
８　　バックアップ流体通流溝
９　　バックアップ流体連通路
１１　　陽極室
１２　　陰極室
２０　　水電解槽
２２，２２Ａ　　気液分離器
２３　　水位調節器
２５　　純水タンク
３０　　バックアップ流体用ポンプ
３１　　電気絶縁配管
３２　　圧力計
３３　　止め弁
３４　　電気絶縁配管
【図１】
2004115860.tif 000003
【図２】
2004115860.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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