JP6091012B2 - Differential pressure type high pressure water electrolyzer - Google Patents
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Description
本発明は、水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置に関する。 The present invention relates to a differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and hydrogen having a pressure higher than that of the oxygen.
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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(イオン交換膜)を用いている。 Generally, hydrogen is used as a fuel gas used for a power generation reaction of a fuel cell. This hydrogen is produced by, for example, a water electrolysis device. The water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen).
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、給電体を配設して水電解セルが構成されている。 Electrocatalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to constitute an electrolyte membrane / electrode structure, and power feeding bodies are disposed on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure to perform water electrolysis. The cell is configured.
そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード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、カソード給電体で電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素ととも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。 Therefore, in a water electrolysis apparatus in which a plurality of water electrolysis cells are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode feeder. For this reason, on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, water is decomposed to generate hydrogen ions (protons), and these hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side. In combination with electrons, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
この種の水電解装置として、水の電気分解によりアノード側に酸素を製造する一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を製造する差圧式高圧水電解装置が採用されている。その際、高圧の水素による固体高分子電解質膜とカソード給電体との離間が発生し易く、電解効率が低下するという問題が指摘されている。 As this type of water electrolysis apparatus, a differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus that produces oxygen on the anode side by electrolysis of water and produces hydrogen at a higher pressure than oxygen on the cathode side is employed. At that time, it has been pointed out that the solid polymer electrolyte membrane and the cathode power feeder are likely to be separated by high-pressure hydrogen, and the electrolytic efficiency is lowered.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている高圧水電解装置が知られている。この高圧水電解装置では、カソードセパレータを、カソード給電体と固体高分子電解質膜に押圧するピストンと、前記ピストンを進退自在に収容するシリンダとを備えている。カソード側流体通路とシリンダとは、接続路により接続されており、前記カソード側流体通路に生成した高圧の水素ガスの一部が、前記シリンダ内に導入されている。一方、シリンダ内には、ピストンを固体高分子電解質膜方向に付勢する弾性体が配設されている。 Therefore, for example, a high-pressure water electrolysis apparatus disclosed in Patent Document 1 is known. This high-pressure water electrolysis apparatus includes a piston that presses the cathode separator against the cathode power supply and the solid polymer electrolyte membrane, and a cylinder that accommodates the piston so as to be able to move forward and backward. The cathode side fluid passage and the cylinder are connected by a connection path, and a part of the high-pressure hydrogen gas generated in the cathode side fluid passage is introduced into the cylinder. On the other hand, an elastic body that urges the piston in the direction of the solid polymer electrolyte membrane is disposed in the cylinder.
そして、ピストンのシリンダ内の高圧水素ガスからの受圧面積と、カソードセパレータの固体高分子電解質膜に接する面の面積と、弾性体の応力とを調整している。このため、固体高分子電解質膜とカソード給電体との間隙を小さく設定することができ、優れた電解効率を得ることが可能になる、としている。 Then, the pressure receiving area from the high-pressure hydrogen gas in the piston cylinder, the area of the surface of the cathode separator in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and the stress of the elastic body are adjusted. For this reason, the gap between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode power feeder can be set small, and excellent electrolytic efficiency can be obtained.
ところで、上記の高圧水電解装置では、アノードセパレータとカソードセパレータとの間で固体高分子電解質膜(平膜部材)を挟持する際、特に高圧シール部の外周では、前記固体高分子電解質膜が高圧で圧縮されている。従って、固体高分子電解質膜は、高圧圧縮により破損するおそれがある。 By the way, in the above high-pressure water electrolysis apparatus, when the solid polymer electrolyte membrane (flat membrane member) is sandwiched between the anode separator and the cathode separator, the solid polymer electrolyte membrane is high-pressure particularly at the outer periphery of the high-pressure seal portion. It is compressed with. Accordingly, the solid polymer electrolyte membrane may be damaged by high-pressure compression.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、高圧圧縮により平膜部材が損傷することを容易且つ確実に抑制することができ、水電解運転を良好に継続することが可能な差圧式高圧水電解装置を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can easily and reliably suppress damage to a flat membrane member due to high pressure compression, and can perform a water electrolysis operation satisfactorily. An object is to provide a high-pressure water electrolysis apparatus.
本発明に係る差圧式高圧水電解装置は、高圧水電解セルを備えるとともに、前記高圧水電解セルは、電解質膜(以下、「平膜部材」という)がアノード給電体及びカソード給電体により挟持されている。アノード給電体に対向してアノードセパレータが配置されるとともに、前記アノードセパレータには、前記アノード給電体を収容するアノード室が形成されている。 The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus according to the present invention includes a high-pressure water electrolysis cell, and the high-pressure water electrolysis cell includes an electrolyte membrane (hereinafter referred to as a “ flat membrane member ”) sandwiched between an anode feeder and a cathode feeder. ing. An anode separator is disposed to face the anode power feeder, and an anode chamber for accommodating the anode power feeder is formed in the anode separator.
カソード給電体に対向してカソードセパレータが配置されるとともに、前記カソードセパレータには、前記カソード給電体を収容するカソード室が形成されている。電解領域の外方には、カソード室を周回してシールするシール部材が配設されている。 A cathode separator is disposed to face the cathode power supply body, and a cathode chamber for accommodating the cathode power supply body is formed in the cathode separator. A sealing member that surrounds and seals the cathode chamber is disposed outside the electrolysis region.
高圧水電解セルは、供給される水を電気分解し、アノード給電体側に酸素を発生させ且つカソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させている。そして、複数の高圧水電解セルが積層されるとともに、積層方向に締結されることにより、差圧式高圧水電解装置が構成されている。 The high-pressure water electrolysis cell electrolyzes the supplied water, generates oxygen on the anode power supply side, and generates hydrogen higher in pressure than the oxygen on the cathode power supply side. And while a some high pressure water electrolysis cell is laminated | stacked and fastened in the lamination direction, the differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus is comprised.
この差圧式高圧水電解装置では、シール部材の外周には、締結によりアノードセパレータとカソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、平膜部材よりも圧縮強度の高い絶縁性補強部材が配置されている。 In this differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus, an insulating reinforcing member having a compressive strength higher than that of a flat membrane member is provided on the outer periphery of the seal member, corresponding to a portion compressed by high pressure between the anode separator and the cathode separator by fastening. Is arranged.
また、この高圧水電解装置では、平膜部材及び補強部材は、積層方向に沿って、互いに重なり合う部分を有し、シール部材は、前記平膜部材及び前記補強部材の前記重なり部分に配置されることが好ましい。 Further, in this high pressure water electrolysis apparatus, the flat membrane member and the reinforcing member have portions that overlap each other in the stacking direction, and the seal member is disposed at the overlapping portion of the flat membrane member and the reinforcing member. It is preferable.
さらに、この高圧水電解装置では、積層方向に沿って、平膜部材は、シール部材と補強部材との間に介装されることが好ましい。 Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the flat membrane member is interposed between the sealing member and the reinforcing member along the stacking direction.
さらにまた、この高圧水電解装置では、積層方向に沿って、補強部材は、シール部材と平膜部材との間に介装されることが好ましい。 Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the reinforcing member is interposed between the seal member and the flat membrane member along the stacking direction.
また、この高圧水電解装置では、カソードセパレータと補強部材との間には、シール部材の外周に位置して枠状部材が配置され、前記補強部材は、前記枠状部材に接合されることが好ましい。 Further, in this high pressure water electrolysis apparatus, a frame-like member is disposed between the cathode separator and the reinforcing member so as to be positioned on the outer periphery of the seal member, and the reinforcing member is joined to the frame-like member. preferable.
さらに、この高圧水電解装置では、平膜部材の外周を周回して補強部材が配置されるとともに、前記補強部材の厚さは、前記平膜部材の厚さよりも大きく設定されることが好ましい。 Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the reinforcing member is arranged around the outer periphery of the flat membrane member, and the thickness of the reinforcing member is set larger than the thickness of the flat membrane member.
本発明によれば、シール部材の外周には、締結によりアノードセパレータとカソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、絶縁性補強部材が配置されている。そして、絶縁性補強部材は、平膜部材よりも圧縮強度が高く設定されている。 According to the present invention, the insulating reinforcing member is disposed on the outer periphery of the seal member so as to correspond to the portion compressed by high pressure between the anode separator and the cathode separator by fastening. The insulating reinforcing member is set to have a higher compressive strength than the flat membrane member.
従って、高圧圧縮される部位の強度を増加させることができ、高圧圧縮により平膜部材が損傷することを容易且つ確実に抑制することが可能になるとともに、水電解運転を良好に継続することができる。 Therefore, it is possible to increase the strength of the portion subjected to high-pressure compression, and it is possible to easily and reliably suppress damage to the flat membrane member due to high-pressure compression, and to continue the water electrolysis operation satisfactorily. it can.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置10は、複数の高圧水電解セル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。
As shown in FIG. 1, in the differential pressure type high pressure
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。
At one end (upper end) in the stacking direction of the
差圧式高圧水電解装置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間を一体的に積層方向に締め付け保持する。なお、差圧式高圧水電解装置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、差圧式高圧水電解装置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。
The differential pressure type high pressure
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を介して電解電源28に電気的に接続される。
図2及び図3に示すように、高圧水電解セル12は、略円盤状の電解質膜・電極構造体32と、前記電解質膜・電極構造体32を挟持するアノードセパレータ34及びカソードセパレータ36とを備える。アノードセパレータ34及びカソードセパレータ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る。アノードセパレータ34及びカソードセパレータ36は、その他、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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the high-pressure
電解質膜・電極構造体32は、略円板形状を有する固体高分子電解質膜(平膜部材)38を備える。固体高分子電解質膜38は、円形状を有する電解用のアノード給電体40及びカソード給電体42に挟持される。固体高分子電解質膜38は、例えば、炭化水素(HC)系の膜又はフッ素系の膜により構成され、アノード給電体40及びカソード給電体42よりも所定の寸法だけ大径に設定される。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜38の両面には、アノード触媒層40a及びカソード触媒層42aが形成される。アノード触媒層40aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用するとともに、カソード触媒層42aは、例えば、白金触媒を使用する。
An
カソード触媒層42aは、固体高分子電解質膜38の面に接合(例えば、ホットプレス)される一方、アノード触媒層40aは、固体高分子電解質膜38の面に接合されなくてもよい。電解時にカソード側が高圧になるため、該カソード側から高面圧になってアノード触媒層40aと固体高分子電解質膜38とを確実に密着させることができるからである。
The
アノード給電体40及びカソード給電体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。アノード給電体40及びカソード給電体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。
The anode
図3に示すように、カソード給電体42の固体高分子電解質膜38に対向する面とは反対の面には、プレート部材46が配置される。プレート部材46は、円板状を有するとともに、カソード給電体42とは反対側の面に、押圧部材、例えば、複数枚の皿ばね47が配設される。皿ばね47は、皿ばねホルダであるプレート部材46を介してカソード給電体42に荷重を付与する。
As shown in FIG. 3, a
図2に示すように、高圧水電解セル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、水(純水)を供給するための水供給連通孔50aが設けられる。
As shown in FIG. 2, the
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高圧水素を流すための水素連通孔50cが設けられる。
The second projecting
図2及び図3に示すように、アノードセパレータ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、アノード給電体40を収容するアノード室53が形成される。面34aには、アノード室53を介して供給通路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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
カソードセパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、カソード給電体42を収容するカソード室55と、前記カソード室55を水素連通孔50cに連通する排出通路56とが形成される。プレート部材46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。
A
アノードセパレータ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及びアノード給電体40の外方を周回して第1シール部材60aを配設するための第1シール溝62aが形成される。
On the
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2シール溝62b、第3シール溝62c及び第4シール溝62dが形成される。第2シール溝62b、第3シール溝62c及び第4シール溝62dには、第2シール部材60b、第3シール部材60c及び第4シール部材60dが配置される。第1シール部材60a〜第4シール部材60dは、例えば、Oリングである。
On the
カソードセパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、カソード室55を周回して第1シール部材64aを配設するための第1シール溝66aが形成される。第1シール溝66aは、電解領域の外方に設けられる。第1シール溝66aは、面36aとカソード室55を構成する内周面とを切り欠いて、前記内周面に対し段差状に形成される。
A
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2シール溝66b、第3シール溝66c及び第4シール溝66dが形成される。第2シール溝66b、第3シール溝66c及び第4シール溝66dには、第2シール部材64b、第3シール部材64c及び第4シール部材64dが配置される。第1シール部材64a〜第4シール部材64dは、例えば、Oリングである。
On the
図4に示すように、高圧水電解セル12にセル締結荷重Fが付与されると、カソード室55を周回する第1シール部材64aの外周直径内は、高圧水素が発生する高圧ガス範囲HGを構成する。第1シール部材64aの外周端部から外方には、すなわち、アノードセパレータ34とカソードセパレータ36との接触面には、高圧圧縮範囲HPが設定される。
As shown in FIG. 4, when a cell fastening load F is applied to the high-pressure
第1の実施形態では、固体高分子電解質膜38は、第1シール部材64aと積層方向に沿って互いに重なり合うように、前記第1シール部材64aの外周端部と同一の直径寸法に設定される。固体高分子電解質膜38の外周縁部と積層方向に部分的に重なり合って(重なり部分を有して)、絶縁性補強部材、例えば、樹脂シート部材68が配置される。第1シール部材64aは、固体高分子電解質膜38と樹脂シート部材68の重なり部分に配置される。
In the first embodiment, the solid
樹脂シート部材68は、絶縁性の他、強度及び耐酸性を有し、固体高分子電解質膜38よりも圧縮強度が高い材料により構成される。樹脂シート部材68としては、例えば、PEN(ポリエチレンナフタレート)やポリイミドフィルム等が使用される。図2に示すように、樹脂シート部材68は、アノードセパレータ34及びカソードセパレータ36と同様の外形形状を有し、外周部には、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。
In addition to insulation, the
図1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70a、70b及び70cが接続される。配管70c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。
As shown in FIG. 1,
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。このため、差圧式高圧水電解装置10は、複数の高圧水電解セル12に積層方向の締め付け荷重が付与された状態で、締結される。
A pressing force is applied between the
このように構成される差圧式高圧水電解装置10の動作について、以下に説明する。
The operation of the differential pressure type high pressure
図1に示すように、配管70aから差圧式高圧水電解装置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解電源28を介して電圧が付与される。このため、図2及び図3に示すように、各高圧水電解セル12では、水供給連通孔50aから供給通路52aを通ってアノードセパレータ34の第1流路54に水が供給され、この水がアノード給電体40内に沿って移動する。
As shown in FIG. 1, water is supplied from a
従って、水は、アノード触媒層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触媒層42a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
Therefore, water is decomposed by electricity in the
これにより、カソード給電体42の内部及びプレート部材46に形成される第2流路58に沿って、水素が流動する。水素は、水供給連通孔50aよりも高圧に維持されており、排出通路56から水素連通孔50cを流れて差圧式高圧水電解装置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、これらが排出通路52bから排出連通孔50bに沿って差圧式高圧水電解装置10の外部に排出される。
Thereby, hydrogen flows along the inside of the
この場合、図4に示すように、高圧水電解セル12に積層方向にセル締結荷重Fが付与された状態で、高圧ガス範囲HGには、高圧水素が存在している。このため、高圧ガス範囲HGにおける固体高分子電解質膜38への荷重は、ばね荷重(複数枚の皿ばね47による)+水素ガス圧となっている。一方、第1シール部材64aの外周端部から外方に延在する高圧圧縮範囲HPでは、固体高分子電解質膜38への荷重は、セル締結荷重F−水素ガス圧となっている。
In this case, as shown in FIG. 4, high-pressure hydrogen exists in the high-pressure gas range HG in a state where the cell fastening load F is applied to the high-pressure
そこで、第1の実施形態では、固体高分子電解質膜38の外周縁部と積層方向に一部が重なり合って、前記固体高分子電解質膜38よりも圧縮強度の高い樹脂シート部材68が配置されている。より具体的には、第1シール部材64aは、固体高分子電解質膜38及び樹脂シート部材68の重なり部分に対し、積層方向に配置されている。
Therefore, in the first embodiment, a
従って、高圧圧縮される部位の強度を増加させることができ、高圧圧縮により固体高分子電解質膜38が損傷することを容易且つ確実に抑制することが可能になる。しかも、各高圧水電解セル12による水電解運転を良好に継続することができるという効果が得られる。
Therefore, it is possible to increase the strength of the portion subjected to high pressure compression, and it is possible to easily and reliably suppress damage to the solid
さらに、固体高分子電解質膜38は、第1シール部材64aと同一寸法に設定されており、前記固体高分子電解質膜38を可及的に狭小化することが可能になる。これにより、高価な固体高分子電解質膜38の使用量が良好に削減され、経済的である。
Further, the solid
図5は、本発明の第2の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置80を構成する高圧水電解セル82の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置10を構成する高圧水電解セル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。
FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of a main part of a high pressure
高圧水電解セル82は、電解質膜・電極構造体84をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ86により挟持する。電解質膜・電極構造体84は、略円板形状を有する固体高分子電解質膜(平膜部材)88を備え、前記固体高分子電解質膜88は、アノードセパレータ34及びカソードセパレータ86と略同一の外形寸法を有する。
The high-pressure
カソードセパレータ86の電解質膜・電極構造体84に向かう面86aには、カソード室55を周回して第1シール部材64aを配設するための第1シール溝66aaが形成される。第1シール溝66aaは、面86aのみを切り欠いて形成され、カソード室55を構成する内周面に切り欠きが設けられていない。
A
カソードセパレータ86の面86aには、第1シール部材64aの外方に、すなわち、第1シール溝66aaの外周端部から外方に、樹脂シート部材90が設けられる。樹脂シート部材90は、略リング形状を有し、外形寸法は、固体高分子電解質膜88の外形寸法と同一に設定される。
The
このように構成される第2の実施形態では、固体高分子電解質膜88に締結荷重が直接付与される領域(第1シール部材64aの外方領域)に亘って、樹脂シート部材90が配置されている。このため、高圧圧縮により固体高分子電解質膜88が損傷することを容易且つ確実に抑制することができ、各高圧水電解セル82による水電解運転を良好に継続することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the
図6は、本発明の第3の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置100を構成する高圧水電解セル102の断面説明図である。
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of the high pressure
なお、第2の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置80を構成する高圧水電解セル82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4以降の実施形態においても同様に、第1及び第2の実施形態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。
In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the high pressure
高圧水電解セル102は、電解質膜・電極構造体84をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ104により挟持する。カソードセパレータ104の電解質膜・電極構造体84に向かう面104aには、カソード室55を周回して第1シール部材64aを配設するための第1シール溝66aが形成される。
In the high-pressure
カソードセパレータ104の面104aには、第1シール部材64aの外方に、すなわち、第1シール溝66aの外周端部から外方に、樹脂シート部材90が設けられる。
A
このように構成される第3の実施形態では、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。 In the third embodiment configured as described above, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
図7は、本発明の第4の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置110を構成する高圧水電解セル112の断面説明図である。
FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of the high pressure
高圧水電解セル112は、電解質膜・電極構造体84をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ114で挟持する。カソードセパレータ114の電解質膜・電極構造体84に向かう面114aには、カソード室55の外方を周回して枠状部材116が配置される。枠状部材116の内周面により、第1シール部材64aを配設するための第1シール溝66aaが形成される。
In the high-pressure
枠状部材116の電解質膜・電極構造体84に向かう面116aには、第1シール部材64aの外方に延在する樹脂シート部材90が設けられる。
A
このように構成される第4の実施形態では、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fourth embodiment configured as described above, the same effect as in the first to third embodiments can be obtained.
図8は、本発明の第5の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置120を構成する高圧水電解セル122の断面説明図である。
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the high-pressure
高圧水電解セル122は、電解質膜・電極構造体84をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ124で挟持する。カソードセパレータ124の電解質膜・電極構造体84に向かう面124aには、カソード室55を周回して第1シール部材64aを配設するための第1シール溝66aaが形成される。
In the high-pressure
カソードセパレータ124の面124aには、カソード室55の外周に、すなわち、第1シール溝66aaを覆って前記第1シール溝66aaの内周端部から外方に、樹脂シート部材126が設けられる。樹脂シート部材126は、略リング形状を有し、外形寸法は、固体高分子電解質膜88の外形寸法と同一に設定されるとともに、積層方向に沿って、第1シール部材64a及び固体高分子電解質膜88と重なり合う。樹脂シート部材126は、固体高分子電解質膜88に接合されることにより、接触面からの水素の漏れを抑制することが好ましい。
On the
このように構成される第5の実施形態では、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fifth embodiment configured as described above, the same effects as in the first to fourth embodiments can be obtained.
図9は、本発明の第6の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置130を構成する高圧水電解セル132の断面説明図である。
FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of the high-pressure
高圧水電解セル132は、電解質膜・電極構造体134をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ86により挟持する。電解質膜・電極構造体134は、固体高分子電解質膜38aを有するとともに、前記固体高分子電解質膜38aは、第1シール部材64aの外周端部と同一の直径寸法に設定される。
In the high-pressure
固体高分子電解質膜38aの外周端面には、樹脂シート部材136の内周端面が接触する。樹脂シート部材136は、固体高分子電解質膜38aと同一の厚さに設定され、アノードセパレータ34及びカソードセパレータ86と同様の形状を有する。
The inner peripheral end surface of the
このように構成される第6の実施形態では、上記の第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。 In the sixth embodiment configured as described above, the same effects as those of the first to fifth embodiments can be obtained.
図10は、本発明の第7の実施形態に係る差圧式高圧水電解装置140を構成する高圧水電解セル142の断面説明図である。
FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view of the high-pressure
高圧水電解セル142は、電解質膜・電極構造体144をアノードセパレータ34及びカソードセパレータ86により挟持する。電解質膜・電極構造体144は、固体高分子電解質膜38aを有するとともに、前記固体高分子電解質膜38aの外周端面には、樹脂シート部材146の内周端面が接触する。樹脂シート部材146は、固体高分子電解質膜38aよりも大きな厚さに設定され、アノードセパレータ34及びカソードセパレータ36と同様の形状を有する。
The high-pressure
このように構成される第7の実施形態では、上記の第1〜第6の実施形態と同様の効果が得られるとともに、第1シール部材64aが第1シール溝66aaの外周端部から外方にはみ出すことを確実に抑制することが可能になる。
In the seventh embodiment configured as described above, the same effects as those of the first to sixth embodiments can be obtained, and the
10、80、100、110、120、130、140…差圧式高圧水電解装置
12、82、102、112、122、132、142…高圧水電解セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
24a、24b…端子部 28…電解電源
32、84、134、144…電解質膜・電極構造体
34…アノードセパレータ
36、86、104、114、124…カソードセパレータ
38、38a、88…固体高分子電解質膜
40…アノード給電体 40a…アノード触媒層
42…カソード給電体 42a…カソード触媒層
46…プレート部材 50a…水供給連通孔
50b…排出連通孔 50c…水素連通孔
53…アノード室 54、58…流路
55…カソード室
60a〜60d、64a〜64d…シール部材
62a〜62d、66a、66aa、66b〜66d…シール溝
68、90、126、136、146…樹脂シート部材
116…枠状部材
10, 80, 100, 110, 120, 130, 140 ... differential pressure type high-
Claims (6)
前記電解質膜を挟持するアノード給電体及びカソード給電体と、
前記アノード給電体に対向して配置されるとともに、該アノード給電体を収容するアノード室を形成するアノードセパレータと、
前記カソード給電体に対向して配置されるとともに、該カソード給電体を収容するカソード室を形成するカソードセパレータと、
電解領域の外方で前記カソード室を周回してシールするシール部材と、
を有し、供給される水を電気分解し、前記アノード給電体側に酸素を発生させ且つ前記カソード給電体側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解セルを備え、
複数の前記高圧水電解セルが積層されるとともに、積層方向に締結される差圧式高圧水電解装置であって、
前記シール部材の外周には、締結により前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間で高圧圧縮される部位に対応して、前記電解質膜よりも圧縮強度の高い絶縁性補強部材が配置されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 An electrolyte membrane ;
An anode feeder and a cathode feeder that sandwich the electrolyte membrane ;
An anode separator that is disposed opposite to the anode feeder and forms an anode chamber that houses the anode feeder;
A cathode separator disposed opposite to the cathode feeder and forming a cathode chamber for accommodating the cathode feeder;
A sealing member that surrounds and seals the cathode chamber outside the electrolysis region;
A high-pressure water electrolysis cell that electrolyzes the supplied water, generates oxygen on the anode power supply side, and generates hydrogen higher in pressure than the oxygen on the cathode power supply side,
A plurality of the high-pressure water electrolysis cells are stacked and a differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus fastened in the stacking direction,
An insulating reinforcing member having a compressive strength higher than that of the electrolyte membrane is disposed on the outer periphery of the seal member so as to correspond to a portion compressed at a high pressure between the anode separator and the cathode separator by fastening. A differential pressure type high pressure water electrolyzer characterized.
前記シール部材は、前記電解質膜及び前記補強部材の前記重なり部分に配置されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the electrolyte membrane and the reinforcing member have portions overlapping each other along the stacking direction,
The differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus, wherein the seal member is disposed in the overlapping portion of the electrolyte membrane and the reinforcing member.
前記補強部材は、前記枠状部材に接合されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 The differential pressure type high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein a frame-like member is disposed between the cathode separator and the reinforcing member and located on an outer periphery of the seal member.
The differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus, wherein the reinforcing member is joined to the frame member.
前記補強部材の厚さは、前記電解質膜の厚さよりも大きく設定されることを特徴とする差圧式高圧水電解装置。 The differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the reinforcing member is arranged around the outer periphery of the electrolyte membrane ,
The differential pressure type high pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein a thickness of the reinforcing member is set larger than a thickness of the electrolyte membrane .
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