JP5603928B2 - 電気化学装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両面に第１の触媒及び第１の給電体と、第２の触媒及び第２の給電体とが設けられるとともに、前記第１の給電体と第１のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、前記第２の給電体と第２のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関する。

例えば、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この場合、カソード側に数十ＭＰａの高圧水素を生成する高圧水素製造装置が知られている。例えば、特開２００６−７０３２２号公報に開示されている高圧水素製造装置は、図７に示すように、固体高分子膜１の両側に設けられたカソード給電体２及びアノード給電体３と、セパレータ４ａ、４ｂと、流体通路５ａ、５ｂとを備えている。そして、アノード側セパレータ４ｂの流体通路５ｂに水が供給されるとともに、各給電体２、３に通電することにより、前記水が電気分解されてカソード側セパレータ４ａの流体通路５ａに高圧の水素ガスが得られている。

さらに、高圧水素製造装置は、カソード給電体２を固体高分子膜１に押圧して密着せしめるために、押圧手段として皿ばね６を備えている。この皿ばね６は、流体通路５ａに設けられており、カソード給電体２を固体高分子膜１側に付勢している。これにより、カソード側が高圧になったときにも、固体高分子膜１とカソード給電体２との接触抵抗が増大することがない。

上記の固体高分子膜１の両側には、それぞれアノード側及びカソード側に対応して所定の触媒層が設けられている。従って、所望の電解性能を確保するためには、カソード給電体２及びアノード給電体３を介して各触媒層に必要な面圧を確実に付与することが望まれている。

本発明はこの種の要請に対応するものであり、各給電体によって電解質膜の両側に設けられている各触媒に所望の面圧を確実に付与することができ、電解性能の向上を図ることが可能な電気化学装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の一方の面に第１の触媒と第１の給電体とが設けられ、且つ前記電解質膜の他方の面に第２の触媒と第２の給電体とが設けられるとともに、互いに積層される前記第１の給電体と第１のセパレータとの間には、第１の流体を供給する第１流路が形成され、互いに積層される前記第２の給電体と第２のセパレータとの間には、前記第１の流体が電気分解されて該第１の流体よりも高圧な第２の流体を得る第２流路が形成される電気化学装置に関するものである。

この電気化学装置は、第２の給電体と第２のセパレータとの間に介装され、前記第２の給電体を電解質膜に押圧させる荷重付与機構を備えるとともに、第１の給電体及び前記第２の給電体は、それぞれ前記電解質膜に接触する接触面積範囲が異なり、且つ前記接触面積範囲の小さな前記第１の給電体又は前記第２の給電体は、前記電解質膜との接触面が、第１のセパレータ又は前記第２のセパレータの前記電解質膜との接触面よりも該電解質膜側に突出して配置されている。

本発明によれば、電解質膜に接触する接触面積範囲の小さな給電体は、前記電解質膜との接触面が、セパレータの前記電解質膜との接触面よりも前記電解質膜側に突出している。このため、第１の給電体と第２の給電体とが、電解質膜を介装して互いに加圧される際、接触面積範囲の大きな給電体は、接触面積範囲の小さな給電体側のセパレータに当接することがない。

従って、第１の給電体及び第２の給電体により、電解質膜の両側に設けられている第１及び第２の触媒に対し所望の面圧を確実に付与することができ、簡単な構成で、電解性能の向上を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。 前記水電解装置の一部断面側面図である。 前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記単位セルの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。 特開２００６−７０３２２号公報に開示されている高圧水素製造装置の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置（電気化学装置）１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向一端（上端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが下方に向かって、順次、配設される。

水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

図２〜図４に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ（第１のセパレータ）３４及びカソード側セパレータ（第２のセパレータ）３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、略円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられる円形状のアノード側給電体（第１の給電体）４０及びカソード側給電体（第２の給電体）４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の周縁部は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外周から外方に突出している（図４参照）。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層（第１の触媒）４０ａ及びカソード電極触媒層（第２の触媒）４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。

図４に示すように、アノード側給電体４０の固体高分子電解質膜３８に接触する接触面積範囲は、カソード側給電体４２の前記固体高分子電解質膜３８に接触する接触面積範囲よりも小さく設定されるとともに、前記アノード側給電体４０及び前記カソード側給電体４２の接触面積範囲は、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａの面積範囲よりも大きく設定される。アノード電極触媒層４０ａの面積範囲とカソード電極触媒層４２ａの面積範囲とは、同一に設定される。

アノード側給電体４０は、リング状の枠部材４３の内周面に嵌合する。この枠部材４３は、例えば、純チタンで構成されるとともに、固体高分子電解質膜３８に接する接触面４３ａは、アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう接触面３４ａと同一平面を形成する。アノード側給電体４０の固体高分子電解質膜３８に接する接触面４０ｂは、アノード側セパレータ３４の接触面３４ａ（及び枠部材４３の接触面４３ａ）よりも固体高分子電解質膜３８側に突出して配置される。

アノード側セパレータ３４とアノード側給電体４０及び枠部材４３との間には、流路プレート４４が介装される。この流路プレート４４は、複数の孔部又は開口部が形成され、又は、多孔質導電体で構成される。流路プレート４４の外周面及び枠部材４３の外周面とアノード側セパレータ３４の内周面との間には、比較的小さな隙間Ｓ１が形成される。

カソード側給電体４２とカソード側セパレータ３６との間には、前記カソード側給電体４２を固体高分子電解質膜３８に押圧させる荷重付与機構４５が設けられる。荷重付与機構４５は、皿ばね４６を備えるとともに、この皿ばね４６が皿ばねホルダ４７を介してカソード側給電体４２に荷重を付与する。カソード側給電体４２の外周面及び皿ばねホルダ４７の外周面とカソード側セパレータ３６の内周面との間には、比較的大きな隙間Ｓ２（＞隙間Ｓ１）が形成される。アノード側給電体４０の外周面及びカソード側給電体４２の外周面には、固体高分子電解質膜３８に対向する角部にＲ形状部が形成される。

図３に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４８ａ、第２突出部４８ｂ及び第３突出部４８ｃが形成される。第１突出部４８ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１の流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔５０ａが設けられる。

第２突出部４８ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔５０ｂが設けられる。第３突出部４８ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素（第２の流体）を流すための水素連通孔５０ｃが設けられる。

図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４には、水供給連通孔５０ａに連通する供給通路５２ａと、排出連通孔５０ｂに連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。

カソード側セパレータ３６には、水素連通孔５０ｃに連通する排出通路５６が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａ（実質的には、皿ばねホルダ４７）には、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、第１流路５４及びアノード側給電体４０の外方を周回して第２シール部材６２ａを配設するための第２シール溝６４ａが形成される。

面３４ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃの外側を周回して、第３シール部材６２ｂ、第４シール部材６２ｃ及び第５シール部材６２ｄを配置するための第３シール溝６４ｂ、第４シール溝６４ｃ及び第５シール溝６４ｄが形成される。第２シール部材６２ａ〜第５シール部材６２ｄは、例えば、Ｏリングである。

カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、第２流路５８及びカソード側給電体４２の外方を周回して、第１シール部材６６ａを配設するための第１シール溝６８ａが形成される。

面３６ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃの外側を周回して、第３シール部材６６ｂ、第４シール部材６６ｃ及び第５シール部材６６ｄを配置するための第３シール溝６８ｂ、第４シール溝（第４シール部）６８ｃ及び第５シール溝６８ｄが形成される。第１シール部材６６ａ、第３シール部材６６ｂ〜第５シール部材６６ｄは、例えば、Ｏリングである。

アノード側給電体４０の外方を周回する第２シール溝６４ａと、カソード側給電体４２の外方を周回する第１シール溝６８ａとは、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対し固体高分子電解質膜３８を挟んで互いに異なる位置に設定される。

水素連通孔５０ｃの外方を周回する第５シール溝６４ｄと前記水素連通孔５０ｃの外方を周回する第５シール溝６８ｄとは、矢印Ａ方向に対し固体高分子電解質膜３８を挟んで互いに異なる位置に設定される。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔５０ａ、排出連通孔５０ｂ及び水素連通孔５０ｃに連通する配管７６ａ、７６ｂ及び７６ｃが接続される。配管７６ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０ｃに生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂがタイロッド２２を介して締め付けられる。

この水電解装置１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、配管７６ａから水電解装置１０の水供給連通孔５０ａに水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔５０ａからアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って、水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５０ａよりも高圧に維持されており、水素連通孔５０ｃを流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔５０ｂに沿って水電解装置１０の外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、高圧水素が発生されるカソード側であるカソード側給電体４２には、カソード側セパレータ３６との間に荷重付与機構４５が介装されている。カソード側給電体４２の固体高分子電解質膜３８に接触する接触面積範囲は、アノード側給電体４０の前記固体高分子電解質膜３８に接触する接触面積範囲よりも大きく設定されるとともに、前記カソード側給電体４２及び前記アノード側給電体４０の接触面積範囲は、カソード電極触媒層４２ａ及びアノード電極触媒層４０ａの面積範囲よりも大きく設定されている。

そして、接触面積範囲の小さなアノード側給電体４０は、固体高分子電解質膜３８との接触面４０ｂが、アノード側セパレータ３４の前記固体高分子電解質膜３８との接触面３４ａ及び枠部材４３の接触面４３ａよりも、該固体高分子電解質膜３８側に突出している。このため、カソード側給電体４２が荷重付与機構４５及び高圧水素を介して、アノード側給電体４０側に加圧される際、前記カソード側給電体４２は、アノード側セパレータ３４の接触面３４ａ及び枠部材４３の接触面４３ａに加圧力が分散されることがなく、アノード側給電体４０の接触面４０ｂにのみ加圧力を付与することができる。

従って、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２を介し、固体高分子電解質膜３８の両側に設けられているアノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａに所望の面圧を確実に付与することができる。これにより、簡単な構成で、電解性能向上を図ることが可能になる。

さらに、カソード側給電体４２の外周面と、カソード側セパレータ３６の内周面との間には、比較的大きな隙間Ｓ２が形成されている。このため、カソード側給電体４２に付与される荷重付与機構（皿ばね４６）の荷重は、全てアノード側給電体４０に付与することができるとともに、前記カソード側給電体４２の位置ずれを吸収することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置８０を構成する単位セル８２の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０を構成する単位セル１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

単位セル８２は、電解質膜・電極構造体８４を挟持するアノード側セパレータ８６及びカソード側セパレータ３６を備える。電解質膜・電極構造体８４は、固体高分子電解質膜３８の両面に、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａを介装してアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２が配設される。

アノード側給電体４０は、外周部に枠部材を設けることがなく、流路プレート４４に当接支持される。アノード側セパレータ８６の内壁面は、アノード側給電体４０及び流路プレート４４の外周面側に近接しており、前記アノード側セパレータ８６は、カソード側セパレータ３６の第１シール溝６８ａに対面する位置まで配置される。

この第２の実施形態では、接触面積範囲の小さなアノード側給電体４０の接触面４０ｂが、アノード側セパレータ８６の接触面３４ａよりも固体高分子電解質膜３８側に突出して配置されている。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る水電解装置９０を構成する単位セル９２の断面説明図である。

単位セル９２には、電解質膜・電極構造体９４を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６を備える。電解質膜・電極構造体９４は、固体高分子電解質膜３８の両面に、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａを介装してアノード側給電体９６及びカソード側給電体９８が積層される。

アノード側給電体９６の固体高分子電解質膜３８との接触面９６ａは、アノード側セパレータ３４の接触面３４ａと同一平面上に配置される。カソード側給電体９８の固体高分子電解質膜３８に接する接触面９８ａは、カソード側セパレータ３６の接触面３６ａよりも前記固体高分子電解質膜３８側に突出して配置される。

この第３の実施形態では、接触面積範囲の小さなカソード側給電体９８の接触面９８ａが、カソード側セパレータ３６の接触面３６ａよりも固体高分子電解質膜３８側に突出している。このため、荷重付与機構４５を介して、カソード側給電体９８がアノード側給電体９６側に加圧される際、このカソード側給電体９８の加圧力は、前記アノード側給電体９６のみに付与される。

従って、固体高分子電解質膜３８の両側に設けられているアノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａに、所望の面圧を確実に付与することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

Claims (5)

1. 電解質膜（３８）の一方の面に第１の触媒（４０ａ）と第１の給電体（４０）とが設けられ、且つ前記電解質膜（３８）の他方の面に第２の触媒（４２ａ）と第２の給電体（４２）とが設けられるとともに、互いに積層される前記第１の給電体（４０）と第１のセパレータ（３４）との間には、第１の流体を供給する第１流路（５４）が形成され、互いに積層される前記第２の給電体（４２）と第２のセパレータ（３６）との間には、前記第１の流体が電気分解されて該第１の流体よりも高圧な第２の流体を得る第２流路（５８）が形成される電気化学装置であって、
   前記第２の給電体（４２）と前記第２のセパレータ（３６）との間に介装され、前記第２の給電体（４２）を前記電解質膜（３８）に押圧させる荷重付与機構（４５）を備えるとともに、
   前記第１の給電体（４０）及び前記第２の給電体（４２）は、それぞれ前記電解質膜（３８）に接触する接触面積範囲が異なり、且つ前記接触面積範囲の小さな前記第１の給電体（４０）又は前記第２の給電体（４２）は、前記電解質膜（３８）との接触面が、前記第１のセパレータ（３４）又は前記第２のセパレータ（３６）の前記電解質膜（３８）との接触面よりも該電解質膜（３８）側に突出して配置されることを特徴とする電気化学装置。
2. 請求項１記載の電気化学装置において、前記第２の給電体（４２）の外周部と前記第２のセパレータ（３６）の内周部との間隔（Ｓ２）は、前記第１の給電体（４０）の外周部と前記第１のセパレータ（３４）の内周部との間隔（Ｓ１）よりも大きく設定されることを特徴とする電気化学装置。
3. 請求項１記載の電気化学装置において、前記第１の給電体（４０）は、前記第１の触媒（４０ａ）の面積範囲よりも大きな接触面積範囲に設定されるとともに、
   前記第２の給電体（４２）は、前記第２の触媒（４２ａ）の面積範囲よりも大きな接触面積範囲に設定されることを特徴とする電気化学装置。
4. 請求項１記載の電気化学装置において、前記荷重付与機構（４５）は、皿ばね（４６）を備えることを特徴とする電気化学装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学装置において、前記第１の流体は、水であるとともに、
   前記第２の流体は、水素であることを特徴とする電気化学装置。

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