(57)【要約】【課題】 数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止され、しかも、十分な耐圧性能を有し、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供する。【解決手段】  水電解槽40を収める蓋42付きの圧力容器41を有している。水電解槽40を圧力容器41本体の底壁に押し付ける電解槽押さえ42aが水電解槽40と蓋42との間に設けられている。水電解槽40と蓋42との間には、水素気液分離部43とされる間隙が形成されている。【選択図】    図１
2005097746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を用いて水を電解し陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽と、水電解槽を収める蓋付きの圧力容器とからなる水素供給装置であって、
水電解槽を圧力容器本体の底壁に押し付ける電解槽押さえが水電解槽と蓋との間に設けられ、水電解槽と蓋との間に、水素気液分離部とされる間隙が形成されていることを特徴とする固体高分子型電解槽を用いた水素供給装置。
【請求項２】
外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
【請求項３】
圧力容器は、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が絶縁層を介して被せられることにより形成されており、容器本体と蓋とが電極とされている、請求項１または２記載の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽に関し、より詳しくは、例えば燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することができる水素供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、例えば特許文献１に開示されているように、従来より知られているものであり、その水電解槽(51)は、図６および図７に示すように、両端に配された陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これらの主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セル(16)と、陽極主電極(1)−複数の単位セル(16)−陰極主電極(2)の組み合わせを両側から挟む一対の端板(13)とから主として構成されている。１つのセル(16)は、複極板(90)の陽極側、陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)、陰極給電体(8)、および隣の複極板(90)の陰極側から主として構成され、電極接合体膜(3)は、イオン交換膜(4)とその両面に設けられた触媒電極層(5)(6)とからなる。各セル(16)の周縁部には、電極接合体膜(3)と複極板(90)の陰極給電体(8)側の面との間に水電解槽内部と外部をシールするＯリング(17)が介在されている。また、水電解槽(51)には、下端部の中央に給水ヘッダ(10)が形成されるとともに、上端部に平行状に水素ヘッダ(11)および酸素ヘッダ(12)が形成されている。
【０００３】
この水素供給装置では、水電解槽(51)の電解反応によって発熱し、その排熱は、酸素側の循環水による移動と水素側の水蒸気の蒸発潜熱とによって行われている。また、この装置では、内部圧力は、水電解槽(51)外周部に設けられたＯリング(17)によって保たれており、その発生ガスの圧力は、１．１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）未満とされている。
【０００４】
また、水電解槽を圧力容器内に設置することが特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２５６３８０号公報
【特許文献２】特開平６−３３２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水素の燃料電池での使用が進んでおり、そのためには、燃料電池用水素ステーションで３５〜７０ＭＰａの高圧水素ガスを供給することが課題となっている。
【０００６】
しかしながら、上記従来の水素供給装置を使用して、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合、Ｏリングによるシールが破損するという問題があった。そこで、特許文献２に示されているように、水電解槽を圧力容器内に設置することが考えられるが、数十ＭＰａ程度の高圧に対応できる点および圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにするという点で、満足なものが得られていない。
【０００７】
本発明は、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止され、しかも、十分な耐圧性能を有し、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができる、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽と、水電解槽を収める蓋付きの圧力容器とからなる水素供給装置であって、水電解槽を圧力容器本体の底壁に押し付ける電解槽押さえが水電解槽と蓋との間に設けられ、水電解槽と蓋との間に、水素気液分離部とされる間隙が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
上端が開口した筒状の容器本体に蓋が被せられることにより、圧力容器が形成され、水電解槽は、例えば、これを構成する複極板、陽極給電体、電極接合体膜および陰極給電体が、全て水平状に配置され、各複極板の表裏いずれか一方に、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路が、同他方に、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路が形成され、各セルの水素ガス通路が、各複極板を貫通して垂直状にのびる水素ヘッダに合流させられているものとされる。水電解槽内の電解水通路には、電解水がポンプ等によって強制的に通され、これにより、陽極に酸素、陰極に水素が発生する。発生した水素は、水電解槽内を上方に移動して圧力容器の頂部に蓄えられていくことから、圧力容器頂部に水素気液分離部を設けることにより、水素を得ることができる。
【００１０】
水電解槽内の電解水の通路が水平方向並列状に形成されているようにしたものでは、１本の給水ヘッダで電解水を供給しているものに比べて、電解水によって電解槽全体をほぼ均等に冷却することができ、また、電解水の流量も多くすることができることから、電解槽が効率よく冷却され、したがって、電解質膜の温度が局部的に耐熱温度以上になることが抑えられ、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜が破損することが防止される。
【００１１】
外周にＯリングが嵌められた複極板が容器本体内に密に積層されることにより、水電解槽が形成されていることが好ましい。このようにすると、Ｏリングの径方向へののびは圧力容器内周面によって規制され、電解槽内部圧力が高圧になってもＯリングが破損することはなく、高圧の水素ガスが必要な場合においても、圧力容器を小さくかつ簡素なものにすることができる。
【００１２】
また、圧力容器は、上端が開口した筒状の容器本体に蓋が絶縁層を介して被せられることにより形成されており、容器本体と蓋とが電極とされていることが好ましい。圧力容器と水電解槽の電極とが直接接触することから、通常は金属製である圧力容器を絶縁性材料で形成し、水電解槽の電極を圧力容器外部に取り出すことが考えられるが、圧力容器が金属製であることを利用して、容器本体と蓋とを電極とすることにより、水電解槽の電極を圧力容器外部に取り出すための構成を省略することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、圧力容器内に水電解槽を収める構成を採用し、水電解槽を圧力容器本体の底壁に押し付ける電解槽押さえが水電解槽と蓋との間に設けられているようにすることで、圧力容器の構造をできるだけ簡素で小容量なものにすることができ、数十ＭＰａ程度の高圧にて水電解した場合でも、電解質膜の破損を防止して、十分な耐圧性能を確保することが可能となる。しかも、水電解槽と蓋との間に、水素気液分離部とされる間隙が形成されているので、水素供給装置から水素気液分離器を省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明を図面に基づいて具体的に説明する。以下の説明において、左右および上下は、図１の左右および上下をいうものとし、これらに直交する方向を前後というものとする。
【００１５】
図１において、固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽(40)と、水電解槽(40)を収める蓋(42)付きの圧力容器(41)と、圧力容器(41)の頂部に設けられた水素気液分離部(43)と、水素気液分離部(43)に設けられた水素ライン(44)と、圧力容器(41)の周壁の水・酸素排出口に接続された酸素ライン(45)と、酸素ライン(45)に設けられて水電解槽(40)の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(46)と、循環ポンプ(48)を有し、酸素気液分離器(46)と圧力容器(41)の水入口とを接続する水循環ライン(47)と、水電解槽(40)に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００１６】
水電解槽(40)の各セル(16)は、図３に示すように、複極板(19)の陽極側、陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)、陰極給電体(8)および隣の複極板(19)の陰極側から主として構成されている。電極接合体膜(3)は、イオン交換膜(4)とその両面に設けられた触媒電極層(5)(6)とからなる。
【００１７】
複極板(19)は、厚板を研削加工したもので、図２（ａ）および図４に示すように、円板状で、その両面に、並列状通路(19a)(19b)が形成されるとともに、外周に設けられた環状溝に、Ｏリング(50)が嵌め入れられている。図４において、複極板の上面に設けられている通路は、酸素発生側の通路(19a)で、同下面に設けられている通路は、水素発生側の通路(19b)とされている。水素発生側の通路(19b)は、同図（ｃ）に示すように、複極板(19)の外周には開口しておらず、これに対し、酸素発生側の通路(19a)には、同図（ａ）（ｂ）に示すように、複極板(19)の外周に開口し水の導入口と水および酸素の排出口となる開口連通路(19c)が連通させられている。開口連通路(19c)は、複極板(19)の上下面には開口せず、外周にだけ開口している。
【００１８】
Ｏリング(50)付き複極板(19)は、それらの通路(19a)(19b)を水平に向けてかつＯリング(50)が圧力容器(41)の内周に接するようにして水平層状に積層されている。複極板(19)、陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)および陰極給電体(8)が積層されて形成された水電解槽(40)には、これを垂直に貫通する方向に水素ヘッダ(49)が形成されている。
【００１９】
図５に示すように、水素ヘッダ(49)は、複極板(19)、陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)および陰極給電体(8)を貫通する垂直貫通孔(49a)と、各複極板(19)に設けられた段付き孔部(57)(58)にＯリング(53)(54)を介して嵌め入れられた１対の通路形成リング(55)(56)とによって形成されている。各通路形成リング(55)(56)は、セラミックまたは耐熱樹脂（例えばエンジニアリングプラスチック）製であり、それぞれ、一端に、内径は同じで外径が小さい小径部を有している。そして、一方のＯリング(53)は、小径部の外周に、他方のＯリング(54)は、小径部がない方の端面の環状溝に、それぞれ通路に露出しないように嵌め入れられ、通路形成リング(55)(56)の大径部の端面同士が隣り合うもの同士突き合わされ、小径部の端面が、複極板の最も内径が小さい部分に当接させられている。水素側の通路形成リング(56)には、側面に１〜２ｍｍ程度の小孔(56a)が複数設けられている。
【００２０】
こうして、水電解槽(40)には、各セルの電解水および酸素の通路となる水平状並列通路(19a)(19c)と、各セルの水素ガスの通路となる水平状並列通路(19b)およびこれらの水素ガス通路が合流させられる垂直状水素ヘッダ(49)とが形成されている。そして、複極板(19)の外周に嵌められたＯリング(50)は、圧力容器(41)の内周によってその径の増大が抑えられている。
【００２１】
圧力容器(41)は、上端が開口した筒状の容器本体に蓋(42)が絶縁層を介して被せられることにより形成されており、この実施例では、容器本体が陰極に、蓋(42)が陽極とされている。圧力容器(41)の蓋(42)の下面には、下方突出状の電解槽押さえ(42a)が設けられている。この電解槽押さえ(42a)は、水電解槽(40)全体を容器本体底壁に押し付けるもので、圧力容器(41)の蓋(42)と水電解槽(40)上面との間には、電解槽押さえ(42a)の長さに相当する間隙が形成されている。水電解槽(40)に供給される純水の圧力を調整することにより、この間隙には、電解水層が確保され、この電解水層の上方に、発生した水素ガスの層が形成され、こうして、圧力容器(41)の頂部に、水素気液分離部(43)が形成されている。
【００２２】
この実施形態の固体高分子型水電解槽を用いた水素供給装置によると、循環ポンプ(48)によって水電解槽(40)に強制的に送り込まれた電解水は、複極板(19)の水平状並列通路(19a)(19c)を左から右に流れ、水素および酸素に分解されるとともに、水電解槽(40)の冷却水の機能を果たして、圧力容器(41)から排出される。陽極で発生した酸素は、電解水とともに複極板(19)の水平状並列通路(19a)(19c)を流れ、陰極に発生した水素は、各セルの複極板(19)の水平状並列通路(19b)を流れて、水素ヘッダ(49)に合流させられ、圧力容器(41)の頂部に蓄えられていく。水素ガスは、圧力容器(41)頂部の水素気液分離部(43)においてその純度を高められ、水素ライン(44)に設けられた逆止弁式圧力弁(44a)により所定圧力に調整されて外部に供給される。従来の複極板は、薄板を超塑性加工により波形に成形したものであり、圧力によるたわみなどにより、イオン交換膜(4)と触媒電極層(5)(6)との接触にばらつきを生じることがあったが、厚板を研削加工した複極板(19)を使用することにより、ばらつきが抑えられ、安定して水素を得ることができる。
【００２３】
水電解槽(40)の排熱は、圧力容器(41)内に冷却された循環水が導入されて水電解槽(40)との間隙を充満していることによって行われている。高圧にて水電解した場合には、水素側の水蒸気の発生量が極端に減少するが、この水蒸気の蒸発潜熱による排熱が水平状通路(19b)を流れる大量の水への熱移動による排熱によって補償される。こうして、高圧水素ガスを発生させる場合でも、電極接合体膜（電解質膜）(3)が破損することが防止される。
【００２４】
また、水素ヘッダ(49)を形成するのに、従来使用されていたゴムブッシュを使用していないため、ゴムブッシュに起因する加工精度が悪くかつ熱的な変形が大きいという問題が解消されている。
【００２５】
上記において、複極板(19)は、円板状とされているが、図２（ｂ）に示すように、方形板状で、その角部が面取りされて丸くなっている複極板を使用することもできる。なお、複極板(19)は、アルミニウム製の厚板に研削加工を施して、通路(19a)(19b)を形成したものであり、その表面には、チタン／白金コーティングが施されており、その通路(19a)(19b)は曲線状または屈曲状にしてもよい。
【００２６】
厚板に溝研削加工する製造方法で複極板(19)を製造することにより、複極板(19)の周縁部を厚くすることができ、複極板(19)の強度が上がり、高圧ガスを発生させる場合でも、セルに歪みが生じることがなく、耐圧性が向上する。さらに、締め付けによりセル全体としての剛性も大きくなり、高強度の水電解槽が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明による固体高分子型電解槽を用いた水素供給装置を示す概略図である。
【図２】複極板の一例およびその変形例を示す斜視図である。
【図３】固体高分子型水電解槽の要部を示す垂直縦断面図である。
【図４】複極板の通路形状の詳細を示す図であり、（ａ）は、水の進行方向から見た正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は、底面図である。
【図５】水素ヘッダの詳細を示す断面図である。
【図６】従来の高分子型水電解槽を示す分解斜視図である。
【図７】従来の高分子型水電解槽を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
(40)：固体高分子型水電解槽
(41)：圧力容器
(42)：蓋
(42a)：電解槽押さえ
(43)：水素気液分離部
(49)：水素ヘッダ
(50)：Ｏリング
【図１】
2005097746.tif 000003
【図２】
2005097746.tif 000004
【図３】
2005097746.tif 000005
【図４】
2005097746.tif 000006
【図５】
2005097746.tif 000007
【図６】
2005097746.tif 000008
【図７】
2005097746.tif 000009