(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜を挾持してなる給電体の外側に設けられ、電解用の水を供給する多数の溝を有したセパレータであって、
セパレータ本体の四隅に設けた水供給・排出孔と、
該水供給孔から供給された水を流通する複数の波形の供給溝と、
上記給電体を両面で支持する支持部と、をプレス型で一体に形成してなり、
上記給電体の支持部が上記供給溝の外周に形成され、６角形状の各辺に交互に形成された凹凸部である
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
請求項１において、
上記６角形を構成する二辺の凹凸部と供給溝とで囲まれる領域に凹凸部を形成し、上記給電体を支持する
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項３】
請求項１において、
セパレータ本体がチタン合金薄膜である
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項４】
請求項１において、
上記水供給・排出孔に近接する６角形を構成する一辺の凹凸部と当該水供給・排出孔との間に凹凸部を形成し、該凹凸部と固体電解質膜との間に剛性のヘッダ部を介装してなる
ことを特徴とするセパレータ。
【請求項５】
水素イオン透過性の固体高分子膜からなる電解質膜と、
該電解質膜の両側に配された陽極側給電体と陰極側給電体と、
これら給電体の外側に電解する純水が通るための多数の溝を有した請求項１乃至４記載のいずれか１項のセパレータとからなる
ことを特徴とする電解セル構造。
【請求項６】
請求項１乃至４記載のいずれか１項のセパレータの表面側と裏面側とに水を供給して陽極側給電体と陰極側給電体とに電解用の水を供給し、
両給電体間に直流電流を印加し、陰極側に水素ガスを取り出す
ことを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜水電解（ＳＰＷＥ：Solid Polymer Water Electrolysis）装置に用いるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体電解質燃料電池の燃料としての水素の生成にあたって、固体高分子膜水電解（装置）が用いられることは良く知られている。この固体高分子膜水電解の基本構造を図８及び図９に示す。
【０００３】
図９に示すように、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる電解質膜１がチタン（Ｔｉ）焼結体等からなる陽極側給電体２とステンレス鋼（ＳＵＳ）焼結体等からなる陰極側給電体３とに挾持され、これら給電体２，３の外側に電解する純水が通るための多数の溝４を有した金属製のセパレータ５が配されて固体高分子膜水電解装置のスタック６が形成される。
【０００４】
上記セパレータ５は、図８に示すように、電解のために供給穴７ａに水を供給し、対向する位置に設けられた排出穴７ｂから発生した水素又は酸素を伴って排出されている。なお、図中符号８は溝５と穴７ａ，７ｂとを連通する通路を図示する。
【０００５】
そして、前記スタック６の溝４に水（純水）を流し、両給電体２，３間に直流電流を印加すると、陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生するのである。これらガスを含んだ水は図示しない循環水タンク及びドレンタンクを流れる途中で気水分離され、酸素ガス及び水素ガスは系外にそれぞれ取り出されると共に水は再び電解に供される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記固体高分子膜水電解（装置）において、高効率での電解を行うには、前記セパレータ５と電解質膜１とが両給電体２，３を介して均一に且つ高い面圧で密着して接触抵抗を減らす必要がある。
【０００７】
そのため、従来では、図６及び図７に示すように、金属の厚板に多数の溝４を有するセパレータ５を用いて電解をしていた。ところが、このセパレータ５は、水供給のための孔７ａ，７ｂ及び通路８の加工、並びに切削による加工で溝４を形成していたため、金属の厚板をある程度厚くする必要があり、材料費・加工費ともに非常に高価であるという不具合があった。
特に、発生するガスである水素及び酸素に対する耐性、電解質に対する耐蝕性からチタン等の材料を使用する場合には、チタンむく材からの加工のため、セパレータの加工及び材料費用が嵩むという問題がある。
また、厚いセパレータを使用するために、セルスタックの容積が嵩むという問題もある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、セパレータ構造を薄くすると共に加工が容易でシール性の高いセパレータ及びそれを用いた電解セル構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する［請求項１］の発明は、
固体電解質膜を挾持してなる給電体の外側に設けられ、電解用の水を供給する多数の溝を有したセパレータであって、
セパレータ本体の四隅に設けた水供給・排出孔と、
該水供給孔から供給された水を流通する複数の波形の供給溝と、
上記給電体を両面で支持する支持部と、をプレス型で一体に形成してなり、
上記給電体の支持部が上記供給溝の外周に形成され、６角形状の各辺に交互に形成された凹凸部である
ことを特徴とする。
【００１１】
［請求項２］の発明は、
請求項１において、
上記６角形を構成する二辺の凹凸部と供給溝とで囲まれる領域に凹凸部を形成し、上記給電体を支持する
ことを特徴とする。
【００１２】
［請求項３］の発明は、
請求項１において、
セパレータ本体がチタン合金薄膜である
ことを特徴とする。
【００１３】
［請求項４］の発明は、
請求項１において、
上記水供給・排出孔に近接する６角形を構成する一辺の凹凸部と当該水供給・排出孔との間に凹凸部を形成し、該凹凸部と固体電解質膜との間に剛性のヘッダ部を介装してなる
ことを特徴とする。
【００１４】
［請求項５］の電解セル構造の発明は、
水素イオン透過性の固体高分子膜からなる電解質膜と、
該電解質膜の両側に配された陽極側給電体と陰極側給電体と、
これら給電体の外側に電解する純水が通るための多数の溝を有した請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセパレータとからなる
ことを特徴とする。
【００１５】
［請求項６］の水素製造装置の発明は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセパレータの表面側と裏面側とに水を供給して陽極側給電体と陰極側給電体とに電解用の水を供給し、
両給電体間に直流電流を印加し、陰極側に水素ガスを取り出す
ことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の実施の形態を図１乃至図４を用いて説明する。
図１は本実施の形態にかかるセパレータの斜視図である。図２（Ａ）はそのＡ−Ａ断面図、図２（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
図４は、本実施の形態にかかる電解セル構造の概略図である。
図４に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子膜水電解装置のセパレータは、固体電解質膜１１を挾持してなる給電体１２，１３の外側に設けられ、電解用の水１４を供給するセパレータ１６であって、薄肉のセパレータ本体の四隅に設けた水を供給する供給孔１８ａ，１８ｂと、水を排出する排出孔１９ａ，１９ｂと、該水供給孔１８ａ，１８ｂから供給された水１４を流通する複数の波形の供給溝２０と、上記給電体１２，１３を両面で交互に支持する凸部（支持部）２１とをプレス型で一体に形成してなるものである。
なお、図４（Ａ）に示すものは、そのＸ部分拡大図である図４（Ｂ）に示すように、固体電解質膜１１の両表面に電極１１ａ及び電極１１ｂを設けたものであるが、本発明はこれに限定されず、例えば図４（Ｃ）に示すように、給電体１２，１３の固体電解質膜１１側に各々電極１２ａ，１３ｂを設けるようにしてもよい。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態にかかるセパレータ１６は、セパレータ本体の四隅に水供給１８ａ，１８ｂ、排出孔１９ａ，１９ｂが形成されており、表面側の供給孔１８ａから供給された水は排出孔１９ａから排出され、一方、裏面側の供給孔１８ｂから供給された水は排出孔１９ｂから排出されている。該排出水は、各々電解により生じた水素及び酸素を伴った水（Ｏ2 を含んだ水１４Ａ及びＨ2 を含んだ水１４Ｂ）として排出される。
該水供給孔１８ａ，１８ｂから供給された水１４はプレスで一体に形成された複数の波形の供給溝２０を流通することになる。
【００１９】
上記セパレータ本体の材質は特に限定されるものではなく、ステンレス，チタン等を用いることができるが、発生するガスである水素及び酸素に対する耐性、電解質に対する耐蝕性からチタン系の材料を用いるのが好ましい。
【００２０】
また、肉厚は特に限定されるものではく、プレスで一体に成形できる厚さ及び一体化した場合に強度を保持できる厚さであればよく、８ｍｍ以下のものを適宜用いるようにしている。
【００２１】
また、セパレータ本体の６角形状に交互に形成された凸部２１と凹部２２は、表面側では凸部２１において、図４における６角形状の給電体１２を支持し、裏面側では、凹部２２の裏面において、図４における６角形状の給電体１３を支持するようにした、完全リバーシブル構造で支持している。
また、給電体１２，１３は溝頂部２０ａにおいても支持されると共に、入口水室２３及び出口水室２４に形成された凹凸部の凸部２５においても支持されている。
【００２２】
図３に供給する水（Ｏ2 側）の流れを示す。
図３に示すように、セパレータ１６の供給孔１８ａから供給された水１４Ａは凹部２２−１から流入し、入口水室２３において分散され、各々形成された溝２０に向かって流れ、溝２０において発生する酸素を伴って出口水室２４において集められ、凹部２２−３から流出し、排出孔１９ａから排出される。
また、表面側の給電体は凸部２１−１〜２１−４により支持され、裏面側の給電体は凹部２２−１〜２２−４の裏面側が逆に凸部になるのでそれらにより支持されている。同様に、裏面側では供給孔１８ｂから供給された水は凹部２２−１から流入し、入口水室２３において分散され、各々形成された溝２０に向かって流れ、溝２０において発生する水素を伴って出口水室２４において集められ、凹部２２−３から流出し、排出孔１９ｂから排出される。
なお、セパレータ１６を積層する際には、供給孔１８ａ，１８ｂ、排出孔１９ａ，１９ｂの周囲には図示しないパッキンを設けて積層し、シールしている。
【００２３】
上記セパレータ１６を用いて、水素イオン透過性の固体高分子膜１１からなる電解質膜の両面に設けた陽極側給電体と陰極側給電体を積層させてスタックを構成することにより、従来に較べて容積が小さいものとなる。
また、セパレータは一体化され、両面に形成した供給溝２０に水を供給することができ、しかも水の流れは均一となり、水供給が安定され、電解の進行が安定して行うことができる。
【００２４】
また、上述したようなセパレータを用い、セパレータ本体の表面側と裏面側とに水を供給して陽極側給電体と陰極側給電体とに電解用の水を供給し、両給電体間に直流電流を印加し、陰極側に水素ガスを取り出すことで水素を安定して製造することができる。
【００２５】
図５は本発明の他の実施の形態のセパレータ構造の概略図である。図６はヘッダ部の構成図であり、図７はセパレータとヘッダ部とを積層させた状態の断面図である。
【００２６】
これらの図面に示すように、本実施の形態では図１に示すセパレータと同様な構成であり、水の供給孔１８ａ近傍及び排出孔１９ａ近傍に凸部２５を形成してなるものである。
そして、この凸部２５の頂点と固体高分子膜１１との間には剛性のヘッダ部３１が介装されており、上記固体高分子膜１１が凹凸部の凹部内を閉塞し、水の流れを阻止することを防止している。
上記ヘッダ部３１には、水の供給又は排出用の孔３２を形成してなると共に、凸部２５の頂点と接する空間部である切り欠き部３３が形成されている。
上記ヘッダ部３１はその材質をチタン材やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の剛性を高いものとしている。
【００２７】
上記ヘッダ部３１を用いて固体高分子膜１１とセパレータ１６を積層することにより、図７に示すように、凸部２５の頂点部分とヘッダ部３１の切り欠き部分３３の内面が接するので、固体高分子膜１１が凹部内に侵入することがなくなり、水１４の流路の閉塞が防止される。
これにより、気液の流路が固体高分子膜１１で閉塞することが防止され、供給溝２０への水１４の供給のアンバランスが解消し、均一な水１４の供給が可能となる。
また、ヘッダ部３１に剛性があるので、気液のシール性が向上し、燃料電池運転の信頼性も向上する。
なお、図中符号３４，３５はシール部材を各々図示する。
【００２８】
本実施の形態ではセパレータ１６の水を供給又は排出する孔１８ａ，１９ａの周囲近傍に凸部２５を形成しているので、ヘッダ部材３１の形状を直角三角形状としているが、例えば図１のような供給溝２０の両端部分の二等辺三角形状となるように凹凸部を形成した場所にはそれに合わせて二等辺三角形状のヘッダ部材とすればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、［請求項１］の発明によれば、固体電解質膜を挾持してなる給電体の外側に設けられ、電解用の水を供給する多数の溝を有したセパレータであって、セパレータ本体の四隅に設けた水供給・排出孔と、該水供給孔から供給された水を流通する複数の波形の供給溝と、上記給電体を両面で支持する支持部と、をプレス型で一体に形成してなるので、支持部で給電体を良好に支持できると共に、両面に形成した溝に水を供給することができ、しかも水の流れは均一となり、水供給が安定され、電解の進行が安定して行うことができる。また、一体に成形してなるので、従来のような水の供給・排出ヘッダ等の部材が不要となり、コンパクトになるとともに、製造コストが低減する。
上記給電体の支持部が上記供給溝の外周に形成され、６角形状の各辺に交互に形成された凹凸部であるので、給電体の支持構造が完全リバーシブル構造となると共に、供給水の流れがさらに良好となり、電解の進行が安定して行うこと
ができる。
【００３１】
［請求項２］の発明によれば、上記６角形を構成する二辺の凹凸部と供給溝とで囲まれる領域に水供給・排出孔の近傍に凹凸部を形成し、上記給電体を支持するので、供給体の支持がさらに良好となる。
【００３２】
［請求項３］の発明によれば、請求項１において、セパレータ本体がチタン合金薄膜であるので、発生するガスである水素及び酸素に対する耐性、電解質に対する耐蝕性が良好となる。
【００３３】
［請求項４］の発明によれば、請求項１において、上記水供給・排出孔に近接する６角形を構成する一辺の凹凸部と当該水供給・排出孔との間に凹凸部を形成し、該凹凸部と固体電解質膜との間に剛性のヘッダ部を介装してなるので、固体高分子膜が凹部に張り付くことが防止され、水の供給が良好となり、供給溝への水の供給が均一と共に、シール性も向上する。
【００３４】
［請求項５］の電解セル構造の発明によれば、水素イオン透過性の固体高分子膜からなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配された陽極側給電体と陰極側給電体と、これら給電体の外側に電解する純水が通るための多数の溝を有した請求項１乃至４記載のいずれか１項のセパレータとからなるので、電解セル構造がコンパクト化され、また良好な電解が可能となる。
【００３５】
［請求項６］の水素製造装置の発明によれば、請求項１乃至４記載のいずれか１項のセパレータの表面側と裏面側とに水を供給して陽極側給電体と陰極側給電体とに電解用の水を供給し、両給電体間に直流電流を印加し、陰極側に水素ガスを取り出すので、コンパクトな構造で安定して水素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかるセパレータの概略図である。
【図２】図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本実施の形態にかかるセパレータ本体の平面図である。
【図４】本実施の形態にかかる電解セル構造の概略図である。
【図５】他の実施の形態のセパレータ構造の概略図である。
【図６】ヘッダ部の構成図であり、
【図７】セパレータとヘッダ部とを積層させた状態の断面図である。
【図８】従来技術にかかるセパレータの斜視図である。
【図９】従来技術にかかる電解セル構造図である。
【符号の説明】
１１  固体電解質膜
１２，１３  給電体
１４  水
１６  セパレータ
１８ａ，１８ｂ  供給孔
１９ａ，１９ｂ  排出孔
２０  供給溝
２１  凸部（支持部）
２２  凹部
２３  入口水室
２４  出口水室
２５  凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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