(57)【要約】【課題】簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供する。【解決手段】内部に水蒸気リッチガスを往復通流させるガス通流孔４を有して水蒸気リッチガス中の水蒸気を電気分解する方形板状をなす電解セル１と、電解セル１の一辺に取り付けられガス通流孔４に水蒸気リッチガスを供給するとともにガス通流孔４で生じた水素を含む水蒸気リッチガスを集めるガスマニホールド２とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に水蒸気リッチガスを往復通流させるガス通流孔を有して前記水蒸気リッチガス中の水蒸気を電気分解する方形板状をなす電解セルと、前記電解セルの一辺に取り付けられ前記ガス通流孔に前記水蒸気リッチガスを供給するとともに前記ガス通流孔で生じた水素を含む水蒸気リッチガスを集めるガスマニホールドとを備えていることを特徴とする水蒸気電解装置。
【請求項２】
前記電解セルは、前記ガス通流孔を有する水素発生極の表面に固体電解質層および酸素発生極を順次形成してなることを特徴とする請求項１記載の水蒸気電解装置。
【請求項３】
前記電解セルの前記ガスマニホールドを取り付けた一辺に対向する一辺にガスリターン部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の水蒸気電解装置。
【請求項４】
前記ガスマニホールドは、隔壁によって分けられたガス入口室とガス出口室とを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水蒸気電解装置。
【請求項５】
前記隔壁と前記電解セルのガスマニホールド側端面が接触していることを特徴とする請求項４記載の水蒸気電解装置。
【請求項６】
前記電解セルの前記固体電解質層および前記酸素発生極を形成していない面にインターコネクタを形成してなることを特徴とする請求項２記載の水蒸気電解装置。
【請求項７】
隣り合う電解セルの前記酸素発生極と前記インターコネクタの間に集電部材が設けられていることを特徴とする請求項６記載の水蒸気電解装置。
【請求項８】
前記集電部材は、導電性を有する金属または合金の表面を耐酸化性物質で被覆されてなることを特徴とする請求項７記載の水蒸気電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成する水蒸気電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境を汚損することの少ない燃料として水素ガスが注目されているが、水素ガスを効率よく生成する方法として高温水蒸気電解法が検討されている。高温水蒸気電解法は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成する方法であり、その動作原理は固体電解質燃料電池の逆反応である。
【０００３】
高温水蒸気電解装置では、一般的に固体酸化物電解質材料をはさんで水素極と酸素極を設けた電気化学セルを用い、電解によって得られる水素と酸素とを隔てる構造が必要である。通常、水素極側雰囲気は、原料である水蒸気と水素が主成分である。酸素極側雰囲気は酸素が主成分となる。このように、両極から得られるガスの種類が全く異なるので、夫々に対してガスの取出し機構が必要であり構成が複雑となる。
【０００４】
また、電気化学セルの構造は平板型や円筒型などがあり、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気は、電気化学セルの構成部材である固体酸化物電解質の緻密構造とセル端部のガスシールによって分離され、相互への雰囲気ガスのリークを最小限にとどめている。セル端部のガスシールは、電気化学セル単体で使用する場合であれば比較的容易であるが、複数の電気化学セルを積層するなどして集合体として使用する場合には高い信頼性を得ることは難しい。
【０００５】
円筒型セルを複数備えた従来の高温水蒸気電解装置は例えば図４、図５に示すようになっている（特許文献１）。図４は装置全体の構造を示し、図５はセルおよびその周辺部の構造を示す。高温水蒸気電解装置の主要構成要素は、円筒型の電解セル２１と、水蒸気供給室２２と、水蒸気および生成水素排出室２３と、水蒸気注入管２４と、酸素生成室２５である。電解セル２１の片端に電流リード用の金属キャップ２６を取り付け、他端をシールキャップ２７により密閉構造とし、電解セル２１での水蒸気の供給・排出を一方の端部のみで行う。また、管板３１とのシール部において電解セル２１を支持する。電流リードについては、水素極側リード２９ａはテーパ型シーリング２８を用いて取り出され、酸素極側リード２９ｂは、電解セル下端のセルリード部がシールキャップ２７に固定されて電解セル２１の内部に導入され、還元雰囲気を通って電流リード用の金属キャップ２６から取り出される。
【０００６】
この構成の場合、水素極側の雰囲気ガスは水素および水蒸気であり、酸素極側の雰囲気ガスは窒素および酸素であるため、ガス導出部が分離され、構造的に複雑である。また、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気のガスシール部は電解セル２１の上下の２箇所であり、かつ、これらのガスシール部はいずれもセルリード部を有するシール構造となっているため、確実で信頼性のあるシールの実現は困難である。さらに高温で使用するためシールの寿命も課題である。
【特許文献１】特開平３−６２４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の通り、従来の水蒸気電解装置においては、構造の複雑さ、および、水素と酸素とを隔てる部分のガスシールなどが技術課題となっている。完全なシールを達成することは難しく、ガスリークが生じたとしても、安全な運転が可能な装置が必要と考えられる。
【０００８】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解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】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の水蒸気電解装置は、内部に水蒸気リッチガスを往復通流させるガス通流孔を有して前記水蒸気リッチガス中の水蒸気を電気分解する方形板状をなす電解セルと、前記電解セルの一辺に取り付けられ前記ガス通流孔に前記水蒸気リッチガスを供給するとともに前記ガス通流孔で生じた水素を含む水蒸気リッチガスを集めるガスマニホールドとを備えている構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る水蒸気電解装置の実施の形態を図１から図３を参照して説明する。本実施の形態の水蒸気電解装置は、図１に示すように、複数の方形板状の電解セル１と、これら複数の電解セル１の一辺を収容し、水蒸気または水蒸気と水素の混合ガス（水蒸気リッチガス）を供給し水素濃度の高くなった水蒸気リッチガスを排出するガスマニホールド２と、電解セル１間の電気接続を行う集電部材３とを備え、図示されていない容器に収容されている。
【００１２】
電解セル１は、図２に示すように板の長さ方向に複数のガス通流孔４を有する反応部５と、反応部５の一辺に設けられたガスリターン部６とから構成されている。反応部５は、図２（ｃ）に示すように、複数のガス通流孔４を有する扁平状の多孔質の金属を主成分とする水素発生極７の一側面および両端面に緻密質の固体電解質層８を形成し、一側面の固体電解質層８上に多孔質の導電性セラミックからなる酸素発生極９を形成し、酸素発生極９の反対側の水素発生極７の外面にインターコネクタ１０を形成して構成されており、水素発生極７が支持体となっている。  
集電部材３は耐酸化性表面を形成した合金薄板で構成されており、隣り合う電解セル１の酸素発生極９およびインターコネクタ１０と接触するよう挿入されている。
【００１３】
ガスマニホールド２は、図３に示すように、電解セル１の一辺が挿入される取付け孔１２を有する天板１１と、箱部１３とから構成される。箱部１３は隔壁１４によりガス入口室１５とガス出口室１６とに分割されている。ガス入口室１５にはガス供給管１７が接続され、ガス出口室１６にはガス排出管１８が接続されている。隔壁１４と天板１１および電解セル１との接触面、および電解セル１と取付け孔１２との間にはガラスまたはガラスとセラミックスの混合物等がシール材として用いられる。
【００１４】
このように構成された本実施の形態の水蒸気電解装置においては、水蒸気電解に供される水蒸気リッチガスがガス供給管１７からガスマニホールド２の箱部１３のガス入口室１５へ供給され、天板１１の取付け孔１２に固定された電解セル１のガス通流孔４のうち、ガス入口室１５に開口しているものへ流れ込む。流れ込んだ水蒸気リッチガスはガスリターン部６へ達した後、ガス出口室１６に開口したガス通流孔４を通ってガス出口室１６に達した後にガス排出管１８から排出される。
【００１５】
供給された水蒸気リッチガスはガス通流孔４から水素発生極７内へ拡散し、水蒸気が下記（１）式の電解反応（水素発生）
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋Ｏ２−                ……（１）
により、水素と酸素イオンに分解される。発生した水素は分解されなかった水蒸気とともにガス通流孔４とガス出口室１６を通って外部へ回収される。一方、発生した酸素イオンは固体電解質層８を通って、酸素発生極９で下記（２）式の電解反応（酸素発生）により
Ｏ２−→1/2Ｏ２＋２ｅ−                    ……（２）
酸素に変換される。この酸素は図示されていない容器内に集積され外部に取り出される。
【００１６】
本実施の形態の水蒸気電解装置においては、電解セル１のガス通流孔４とガスリターン部６によって水蒸気リッチガスがリターンフローで流れるので、従来の水蒸気注入管（図４の符号２４）を廃止することができる。また、円筒型の電解セル２１と水蒸気注入管２４との場合に生じる位置あわせが不要である。さらに、集電部材３が電解セル１の外側に存在するため、集電に伴うシールが不要である。したがって本実施の形態によれば、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供することができる。なお、本発明は燃料電池として使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の水蒸気電解装置を示し、（ａ）は（ｂ）のａ−ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図２】本発明の実施の形態の水蒸気電解装置に備えられる電解セルを示し、（ａ）は（ｂ）のａ−ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図。
【図３】本発明の実施の形態の水蒸気電解装置に備えられる電解セルを示し、（ａ）は（ｃ）のａ−ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図。
【図４】従来の水蒸気電解装置を示す断面図。
【図５】従来の水蒸気電解装置に備えられる電解セル周辺部の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００１８】
１…電解セル、２…ガスマニホールド、３…集電部材、４…ガス通流孔、５…反応部、６…ガスリターン部、７…水素発生極、８…固体電解質層、９…酸素発生極、１０…インターコネクタ、１１…天板、１２…取付け孔、１３…箱部、１４…隔壁、１５…ガス入口室、１６…ガス出口室、１７…ガス供給管、１８…ガス排出管、１９…ガス流、２１…電解セル、２２…水蒸気供給室、２３…水蒸気および生成水素排出室、２４…水蒸気注入管、２５…酸素生成室、２６…金属キャップ、２７…シールキャップ、２８…テーパ型シーリング、２９ａ，２９ｂ…電流リード、３０…モジュールハウジング、３１…管板、３２…隔壁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007211268.tif 000005
【図４】
2007211268.tif 000006
【図５】
2007211268.tif 000007