(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セルとを具備し、１つのセルが、複極板(9)と、陽極給電体(31)と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜(3)と、陰極給電体(32)と、複極板(9)の周縁に設けられたＯリング嵌込み溝(21)に嵌められて複極板(9)の周縁部と電極接合体膜(3)の周縁部との間をシールするＯリング(20)(40)(50)とを有している高分子型水電解槽において、
Ｏリング嵌込み溝(21)の底面が電極接合体膜(3)の陽極側の面に接するようになされており、陽極給電体(31)の左右縁部(31a)がＯリング嵌込み溝(21)の内周縁部(21a)に接し、陰極給電体(32)(42)(52)の左右縁部(32a)(42a)(53a)(54a)がＯリング(20)に接するようになされていることを特徴とする高分子型水電解槽。
【請求項２】
Ｏリング(40)(50)の内周に沿って溝部(40a)(50a)が設けられ、この溝部(40a)(50a)に陰極給電体(42)(52)の左右縁部(42a)(54a)が嵌め入れられていることを特徴とする請求項１記載の高分子型水電解槽。
【請求項３】
陰極給電体(52)が、給電層(53)と補強層(54)との二層構造とされていることを特徴とする請求項１記載の高分子型水電解槽。
【請求項４】
陰極給電体(52)が、給電層(53)と補強層(54)との二層構造とされており、Ｏリング(50)の内周に沿って設けられた溝部(50a)の幅が補強層(54)の厚みに対応させられて、補強層(54)の左右縁部(54a)だけがこの溝部(50a)に嵌め入れられていることを特徴とする請求項２記載の高分子型水電解槽。
【請求項５】
複極板(9)および電極接合体膜(3)の下縁部に水通過孔(13)(16)が、同上縁部に水素および酸素の通過用孔(14)(15)(17)(18)がそれぞれ設けられて、対応する通過孔(13)(14)(15)(16)(17)(18)同士が短円筒状連通部材(36)によって連通されており、陰極給電体(32)が、電極接合体膜(3)の上下縁部に当接する上下縁部(32b)を有し、その上下縁部(32b)に、連通部材(36)の内径より大きくかつ外径より小さい径の連通部材挿通孔(33)が設けられており、連通部材(36)の外周部に、連通部材挿通孔(33)の周縁部を収める環状の切欠き(36a)が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のうち１項記載の高分子型水電解槽。
【請求項６】
陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セルとを具備し、１つのセルが、複極板(9)と、陽極給電体(31)と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜(3)と、陰極給電体(32)とを有し、複極板(9)および電極接合体膜(3)の下縁部に水通過孔(13)(16)が、同上縁部に酸素通過孔(14)(15)および水素通過孔(17)(18)がそれぞれ設けられて、対応する通過孔(13)(14)(15)(16)(17)(18)同士が短円筒状連通部材(36)によって連通されている高分子型水電解槽において、
陰極給電体(32)が、電極接合体膜(3)の上下縁部に当接する上下縁部(32b)を有し、この上下縁部(32b)に、連通部材(36)の内径より大きくかつ外径より小さい径の連通部材挿通孔(33)が設けられており、連通部材(36)の外周部に、連通部材挿通孔(33)の周縁部を収める環状の切欠き(36a)が設けられていることを特徴とする高分子型水電解槽。
【請求項７】
陽極給電体(31)および陰極給電体(32)(42)(52)が、それぞれチタン繊維の焼結体に白金メッキされたものからなることを特徴とする請求項１〜６のうち１項記載の高分子型水電解槽。
【請求項８】
陽極給電体(31)が、チタン繊維の焼結体に白金メッキされたものからなり、陰極給電体(32)(42)(52)が、カーボン繊維の焼結体からなることを特徴とする請求項１〜６のうち１項記載の高分子型水電解槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高分子電解質膜を用いる水電解槽に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を用いて水電解によって水素および酸素を製造する場合の水電解槽の構造は、図６に示すように、陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セルと、主電極(1)(2)の外側に配置された締め付け用フランジ(6)とから主として構成されている。１つのセルは、複極板(9)、多孔質の陽極給電体(7)、電極接合体膜(3)、多孔質の陰極給電体(8)および隣の複極板(9)の陰極側からなり、電極接合体膜(3)は、上下方向に長いイオン交換膜(4)とその両面の中央部分に設けられた触媒電極層(5)とを有している。
【０００３】
この高分子型水電解槽において、電解槽下部の給水ヘッダー(10)から供給された水は、陽極給電体(7)を通って電極接合体膜(3)に達し、ここで付加された電力により水の電気分解反応が起こり、各単位セル内では、触媒電極層(5)の表面で、陽極側では酸素、陰極側では水素がそれぞれ発生する。発生した酸素は、陽極給電体(7)を通り、複極板(9)の陽極側に設けられた垂直流路内を未反応の水とともに上昇し、酸素ヘッダー(11)に排出される。また、発生した水素は、陰極給電体(8)を通り、複極板(9)の陰極側に設けられた垂直流路内を通って電解槽上部に達し、水素ヘッダー(12)に排出される。
【０００４】
陽極給電体(7)および陰極給電体(8)は、複極板(9)に設けられた水、酸素および水素流路を兼ねた電気通電部(9a)と同サイズであり、また、電極接合体膜(3)のイオン交換膜(4)は複極板(9)と同サイズで、電極接合体膜(3)の触媒電極層(5)は複極板(9)の電気通電部(9a)と同サイズである。
複極板(9)および電極接合体膜(3)の下端部には、水通過孔(13)(16)がそれぞれ設けられ、同上端部には、酸素通過孔(14)(17)および水素通過孔(15)(18)がそれぞれ設けられている。複極板(9)および電極接合体膜(3)の互いに対応する各通過孔(13)(16)(14)(17)(15)(18)同士は、セル内部の水素発生領域−酸素発生領域をシールする短円筒状のシールゴム(19A)または領域内にて水、水素もしくは酸素を通す多孔質ガスケット(19B)によって連通されている。
【０００５】
図７および図８に示すように、複極板(9)の周縁部には、正面から見て略方形でかつ底面が電極接合体膜(3)の陽極側の面に接するようになされたＯリング嵌込み溝(21)が設けられており、この溝(21)に嵌められたＯリング(20)によって複極板(9)の周縁部と電極接合体膜(3)の周縁部との間すなわち電解槽内部と外部との間がシールされている。
【０００６】
また、図９に示すように、通過孔(13)(14)(15)(16)(17)(18)（図示は水通過孔(13)(16)）のある複極板(9)の上下縁部と電極接合体膜(3)の上下縁部との間には、シールゴム(19A)または多孔質ガスケット(19B)が介在されているだけで、陽極給電体(7)および陰極給電体(8)の上下縁部は、この部分には位置していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の高分子型水電解槽では、陽極給電体(7)および陰極給電体(8)との境界付近（図８にＡで示す部分の近傍）で電極接合体膜(3)が破損するという問題があり、また、シールゴム(19A)の近傍（図９にＢで示す部分の近傍）や多孔質ガスケット(19B)でも電極接合体膜(3)が破損するという問題があり、それらの改良が課題となっている。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決すべく工夫されたもので、酸素が発生する空間側では、水が循環しているため水素が発生する空間に比べて、ガス圧が高くなっており、このため、電極接合体膜が酸素側から水素側に押される状況になっており、電極接合体膜の陰極給電体のエッジに当たる部分が損傷する傾向にあることに着目し、電極接合体膜の長寿命化を達成することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による高分子型水電解槽は、陽極主電極および陰極主電極と、これら主電極の間に直列に配された複数の単位セルとを具備し、１つのセルが、複極板と、陽極給電体と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜と、陰極給電体と、複極板の周縁に設けられたＯリング嵌込み溝に嵌められて複極板の周縁部と電極接合体膜の周縁部との間をシールするＯリングとを有している高分子型水電解槽において、Ｏリング嵌込み溝の底面が電極接合体膜の陽極側の面に接するようになされており、陽極給電体の左右縁部がＯリング嵌込み溝の内周縁部に接し、陰極給電体の左右縁部がＯリングに接するようになされていることを特徴とするものである。
【００１０】
第１の発明の高分子型水電解槽によると、Ｏリング嵌込み溝の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力を陽極給電体および陰極給電体の左右縁部が受けることになるので、電極接合体膜の部分的な伸びが抑えられる。
【００１１】
そして、Ｏリング嵌込み溝の底面が電極接合体膜の陽極側の面に接するようになされており、陽極給電体の左右縁部がＯリング嵌込み溝の内周縁部に接し、陰極給電体の左右縁部がＯリングに接するようになされていることにより、給電体の寸法の変更だけで対応でき、製作の手間が増加しない。
【００１２】
上記において、Ｏリングの内周に沿って溝部が設けられ、この溝部に陰極給電体の左右縁部が嵌め入れられていることがある。このようにすると、陰極給電体のエッジがＯリングでカバーされることになり、電極接合体膜に陰極給電体のエッジが当たることが確実に防止される。
【００１３】
また、陰極給電体が、給電層と補強層との二層構造とされていることが好ましい。この場合には、Ｏリングの内周に沿って設けられた溝部の幅が補強層の厚みに対応させられて、補強層の左右縁部だけがこの溝部に嵌め入れられていることが好ましい。
【００１４】
第２の発明による高分子型水電解槽は、陽極主電極および陰極主電極と、これら主電極の間に直列に配された複数の単位セルとを具備し、１つのセルが、複極板と、陽極給電体と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜と、陰極給電体とを有し、複極板および電極接合体膜の下縁部に水通過孔が、同上縁部に水素および酸素の通過用孔がそれぞれ設けられて、対応する通過孔同士が短円筒状連通部材によって連通されている固体高分子型水電解槽において、陰極給電体が、電極接合体膜の上下縁部に当接する上下縁部を有し、この上下縁部に、連通部材の内径より大きくかつ外径より小さい径の連通部材挿通孔が設けられており、連通部材に、連通部材挿通孔の周縁部を収める切欠きが設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
連通部材とは、セル内部の水素発生領域−酸素発生領域をシールした状態で対応する通過孔同士を連通するシールゴムおよび領域内にて水、水素もしくは酸素を通す状態で対応する通過孔同士を連通する多孔質ガスケットの両方を含むものとする。
【００１６】
第２の発明の高分子型水電解槽によると、水、水素および酸素の通過用孔近傍において酸素側から水素側にかかる圧力を陰極給電体の連通部材挿通孔縁部が受けることになるので、電極接合体膜の破損に至る伸びが抑えられる。
【００１７】
第１の発明と第２の発明とは、それぞれ単独で用いられてもよく、両者を組み合わせて用いられてもよい。
【００１８】
なお、陽極給電体および陰極給電体が、チタン繊維の焼結体に白金メッキされたものからなることが好ましい。このようにすると、電極接合体膜に接するのはチタン繊維層となり、その結果、電流が均一に流れ、電極接合体膜の損傷を防止することができ、しかも、白金メッキによって水素脆化を避けることができる。また、陽極給電体が、チタン繊維の焼結体に白金メッキされたものからなり、陰極給電体が、カーボン繊維の焼結体からなるものであってもよい。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。この明細書において、上下は、図１の上下をいい、左右も図１の左右をいうものとする。
【００２０】
実施例１
図１から図３までに実施例１の要部を示す。図１は、従来の高分子型水電解槽の図７に対応し、図２および図３は、同じく図８および図９にそれぞれ対応している。本実施例において、従来技術で示した図６〜図９までと異なる構成のものは、陽極給電体(31)、陰極給電体(32)およびシールゴム(36)であり、他の構成は、図６〜図９に示された従来のものと同じものが使用されている。
【００２１】
図１および図２に示すように、陽極給電体(31)は、従来の陽極給電体(7)よりも左右幅が若干大きくなされており、それ以外は、従来のものと同じである。これにより、陽極給電体(31)の左右縁部(31a)がＯリング嵌込み溝(21)の内周縁部(21a)に接するようになされている。
【００２２】
また、陰極給電体(32)は、従来の陰極給電体(8)よりも左右幅および上下高さがともに大きくなされており、それ以外は、従来のものと同じである。陰極給電体(32)の左右幅は、陽極給電体(31)の左右幅よりもさらに大きくなされており、これにより、陰極給電体(32)の左右縁部(32a)がＯリング嵌込み溝(21)の内周縁部(21a)およびＯリング(20)の内周に接するようになされている。
【００２３】
図２から分かるように、Ｏリング嵌込み溝(21)の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力は、陽極給電体(31)および陰極給電体(32)の左右縁部(31a)(32a)で受けられることになるので、電極接合体膜(3)の部分的な伸びが抑えられる。したがって、図８にＡで示した部分の近傍で起きていた電極接合体膜(3)の早期破損を防止し、電極接合体膜(3)の寿命を長くすることができる。
【００２４】
図１および図３に示すように、陰極給電体(32)の上下高さは、その上下縁部(32b)がＯリング嵌込み溝(21)の内周縁部(21a)近傍に位置するまで大きくなされている。このため、陰極給電体(32)の上下縁部(32b)は、水通過孔(13)(16)、酸素通過孔(14)(17)および水素通過孔(15)(18)がそれぞれ設けられた複極板(9)および電極接合体膜(3)の上下縁部に対向させられて、電極接合体膜(3)の上下縁部に当接させられている。陰極給電体(32)の上下縁部(32b)には、各通過孔(13)(16)(14)(17)(15)(18)に対応する位置に、シールゴム挿通孔(33)が設けられている。
【００２５】
図３は、水が通過する下部ヘッダ部分を示すものであるが、同図に示すように、陰極給電体(32)の下縁部(32b)のシールゴム挿通孔(33)の径は、対応する複極板(9)および電極接合体膜(3)の水通過孔(13)(16)の径よりも大きく形成されている。そして、セル内部の水素発生領域−酸素発生領域をシールする短円筒状のシールゴム(36)は、内径が複極板(9)および電極接合体膜(3)の各通過孔(13)(16)にほぼ等しく、外径が陰極給電体(32)の水通過孔(33)よりも大きいものとされ、かつ、その外周部の電極接合体膜(3)側に、陰極給電体(32)のシールゴム挿通孔(33)の周縁部を収める切欠き(36a)が設けられている。図示省略したが、酸素および水素が通過する上ヘッダ部分も同様の構成とされている。図３の構成によると、水通過孔(13)(16)、酸素通過孔(14)(17)および水素通過孔(15)(18)近傍において酸素側から水素側にかかる圧力は、陰極給電体(32)の上下縁部(32b)に設けられたシールゴム挿通孔(33)の周縁部によって受けられ、電極接合体膜(3)の破損に至る伸びが抑えられる。したがって、図９にＢで示した部分の近傍で起きていた電極接合体膜(3)の早期破損を防止し、電極接合体膜(3)の寿命を長くすることができる。
【００２６】
実施例２
図４に実施例２の要部を示す。同図は、実施例１の図２に対応している。本実施例において、実施例１と同じものには、同じ符号を付して説明を省略する。
【００２７】
同図に示すように、陰極給電体(42)は、実施例１の陰極給電体(32)よりもさらに左右幅が大きくなされており、これに対応して、Ｏリング(40)には、その内周に沿って陰極給電体(42)の左右縁部(42a)が嵌め入れられるＬ字状溝部(40a)が設けられている。
【００２８】
実施例２の構成によると、Ｏリング嵌込み溝(21)の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力を陽極給電体(31)および陰極給電体(42)の左右縁部(31a)(42a)が受けることになるので、電極接合体膜(3)の部分的な伸びが抑えられる。なお、陰極給電体(42)の左右縁部(42a)は、溝部(40a)で受けられているので、電極接合体膜(3)に陰極給電体(42)のエッジが当たることが確実に防止されている。したがって、図８にＡで示した部分の近傍で起きていた電極接合体膜(3)の早期破損を防止し、電極接合体膜(3)の寿命を長くすることができる。
【００２９】
実施例３
実施例１および実施例２の高分子型水電解槽では、陰極給電体(32)(42)は、一層とされているが、陰極給電体(52)を二層とすることもできる。
【００３０】
図５にその実施例３の要部を示す。同図は、実施例１の図２および実施例の図４に対応しており、本実施例において、実施例１または２と同じものには、同じ符号を付して説明を省略する。
【００３１】
同図に示すように、陰極給電体(52)は、給電層(53)と補強層(54)との二層構造とされている。補強層(54)は、その左右幅が給電層(53)の左右幅より若干大きくなるように形成されている。そして、Ｏリング(50)の内周に沿って設けられた溝部(50a)は、Ｕ字状でかつその幅が補強層(54)の厚みに対応させられており、補強層(54)の左右縁部(54a)だけがこの溝部(50a)に嵌め入れられている。
【００３２】
実施例３の構成によると、Ｏリング嵌込み溝(21)の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力を陽極給電体(31)および陰極給電体(52)の左右縁部(31a)(54a)が受けることになるので、電極接合体膜の部分的な伸びが抑えられる。なお、陰極給電体(52)が補強層（バックメタル）(54)を有する二層構造となっていることから、陰極給電体(52)自体の耐久性も向上し、しかも、補強層(54)の左右縁部(54a)が溝部(50a)で受けられているので、電極接合体膜(3)に陰極給電体(52)のエッジが当たることが確実に防止されるとともに、給電層(53)の左右縁部(53a)は、補強層(54)の左右縁部(54a)で受けられているので、その動きがさらに抑えられるている。したがって、図８にＡで示した部分の近傍で起きていた電極接合体膜(3)の早期破損を防止し、電極接合体膜(3)の寿命を長くすることができる。
【００３３】
上記各実施例について、従来の高分子型水電解槽と同様の使用によりその耐久性を調査したところ、従来のものは４０００時間でその９０％が損傷したのに対し、上記各実施例のものは８０００時間でも損傷せず、耐久性が大幅に向上した。
【００３４】
なお、上記において、複極板(9)のＯリング嵌込み溝(21)は、水電解槽は、水平に設置する以外に、垂直に設置することも可能である。また、この水電解槽によると、上記と逆の反応、すなわち、水素および酸素から水およびエネルギーを生成する反応を起こさせることも可能である。また、上記では図６に(19A)で示すシールゴム（第１の連通部材）について述べているが、同図に(19B)で示す多孔質ガスケット（第２の連通部材）に適用してももちろんよい。
【００３５】
【発明の効果】
第１の発明の高分子型水電解槽によると、Ｏリング嵌込み溝の底面が電極接合体膜の陽極側の面に接するようになされており、陽極給電体の左右縁部がＯリング嵌込み溝の内周縁部に接し、陰極給電体の左右縁部がＯリングに接するようになされているので、Ｏリング嵌込み溝の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力を陽極給電体および陰極給電体の左右縁部が受けることになるので、電極接合体膜の部分的な伸びが抑えられ、これにより、Ｏリング嵌込み溝の内周縁部付近で起こっていた電極接合体膜の早期破損を防止することができ、水電解槽の耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
第２の発明の高分子型水電解槽によると、水通過孔、酸素通過孔および水素通過孔近傍において酸素側から水素側にかかる圧力は、陰極給電体の連通部材挿通孔縁部によって受けられることになるので、電極接合体膜の破損に至る伸びが抑えられ、これにより、水、水素および酸素の通過用孔近傍での電極接合体膜の早期破損を防止することができ、水電解槽の耐久性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の高分子型水電解槽の１つのセルの構成要素を個々に示す正面図である。
【図２】  第１発明の水電解槽の実施例１を示す部分断面図であり、従来の高分子型水電解槽の図８に対応している。
【図３】  第２発明の水電解槽の実施例１を示す部分断面図であり、従来の高分子型水電解槽の図９に対応している。
【図４】  第１発明の高分子型水電解槽の実施例２の図２に対応する部分断面図である。
【図５】  第１発明の高分子型水電解槽の実施例３の図２に対応する部分断面図である。
【図６】  従来の高分子型水電解槽の分解状態を示す分解斜視図である。
【図７】  １つのセルの構成要素を個々に示す正面図である。
【図８】  従来の水電解槽で破損しやすい部位を示す部分断面図である。
【図９】  従来の水電解槽で破損しやすい別の部位を示す部分断面図である。
【符号の説明】
(1)                   陽極主電極
(2)                   陰極主電極
(3)                   電極接合体膜
(9)                   複極板
(20)(40)(50)          Ｏリング
(40a)(50a)            溝部
(21)                  Ｏリング嵌込み溝
(21a)                 内周縁部
(31)                  陽極給電体
(31a)                 左右縁部
(32)(42)(52)          陰極給電体
(32a)(42a)(53a)(54a)  左右縁部
(32b)                 上下縁部
(36)                  シールゴム（連通部材）
(36a)                 切欠き
(53)                  給電層
(54)                  補強層
(13)(16)              水通過孔
(14)(17)              酸素通過孔
(15)(18)              水素通過孔
【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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