JP2006328527A

JP2006328527A - 水素製造装置

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Publication number: JP2006328527A
Application number: JP2006037145A
Authority: JP
Inventors: Koji Nakazawa; 孝治中沢; Masanori Okabe; 昌規岡部; Kenji Taruie; 憲司樽家
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2006-12-07
Also published as: US20060237306A1; US7553399B2

Abstract

【課題】製造容易で優れた電解効率を得ることができる水素製造装置を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜２と、１対の剛性を備える給電体３，４と、セパレータ５，６と、セパレータ５，６と給電体３，４とを固体高分子電解質膜２に押圧する押圧手段１５，１６と、各セパレータ５，６に設けられた圧接面１７、凹部１８と、流体通路８，１０とを備える。各給電体３，４に通電して水を電解し、水素ガスを得る。少なくともカソード側セパレータ５に配設された給電体３の表面３ａと圧接面１７との間に、固体高分子電解質膜２の本来の厚さ未満の範囲の間隔Ｇを備える。固体高分子電解質膜２は、その弾性により間隔Ｇに侵入している。アノード側セパレータ６に配設された給電体４の表面４ａと圧接面１７との間に、固体高分子電解質膜２の本来の厚さ未満の範囲の間隔Ｇを備える。間隔Ｇは、固体高分子電解質膜の本来の厚さの１５％以上１００％未満の範囲である。
【選択図】図２

Description

本発明は、水の電解により水素を製造する水素製造装置に関するものである。

従来、図１に示すように、水素製造装置１として、固体高分子電解質膜２と、そのカソード側とアノード側とに相対向して設けられた給電体３，４と、各給電体３，４に積層されたセパレータ５，６とを備える単セル７を備え、複数の単セル７，７を積層したものが知られている。前記固体高分子電解質膜２は両面に図示しない触媒電極層を備えている。

前記積層された単セル７，７は、両側からエンドプレート１４，１４で挟持され、エンドプレート１４，１４に挿通されたボルト１５にナット１６を螺着して締め付けることにより固定されている。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている。

水素製造装置１では、前記セパレータ５，６は、図２（ａ）に示すように、外縁部に固体高分子電解質膜２に圧接される圧接面１７，１７を備えると共に、圧接面１７，１７に囲まれた内方に凹部１８を備え、凹部１８に給電体３，４が配設されるようになっている。また、セパレータ５，６は、内部に給電体３，６が露出する流体通路８，１０を備えている。給電体３，４は、多孔質体であり、図示しない通電手段によりセパレータ５，６を介して通電される。

水素製造装置１では、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている状態で、アノード側のセパレータ６の流体通路１０に水を供給すると共に、給電体３，４に通電すると、流体通路１０に供給された水が固体高分子電解質膜２のアノード側の触媒電極層で電気分解され、水素イオン、電子、酸素ガスを生成する。前記水素イオンは、水分子を伴って固体高分子電解質膜２を透過してカソード側に移動し、カソード側の触媒電極層から電子を受け取って水素ガスとなる。前記水素ガスは多孔質の給電体３を通ってセパレータ５の流体通路８に移動する。この結果、水素製造装置１では、カソード側の流体通路８に水素を得ることができる。

ところで、水素製造装置１に用いられる前記給電体３，４として、球形チタン粒子を焼結して得られる多孔質体等の剛性を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

給電体３，４として、前記剛性を備えるものを用いる場合には、図４（ａ）に示すように給電体３，４の厚さがセパレータ５，６の凹部１８の深さに一致するようにして、給電体３，４の表面３ａ，４ａがセパレータ５，６の圧接面１７と面一になるようにされている。これは、給電体３，４の厚さがセパレータ５，６の凹部１８の深さ以上であると、例えば図４（ｂ）に示すように給電体３が凹部１８から突出して、給電体３の表面３ａがセパレータ５の圧接面１７の外側に位置することとなり、固体高分子電解質膜２の表面とセパレータ５の圧接面１７との間の間隙Ｓから、カソード側で生成した水素ガスが漏洩するためである。

しかしながら、給電体３，４の表面３ａ，４ａがセパレータ５，６の圧接面１７と面一になるようにするには、給電体３，４、セパレータ５，６とも高精度に加工することが必要とされ、製造が難しくなるという不都合がある。給電体３，４が凹部１８から突出した場合には、突出した部分を研削加工することにより給電体３，４の表面３ａ，４ａをセパレータ５，６の圧接面１７と面一にすることが考えられるが、この場合には多孔質体である給電体３，４の孔部が閉塞され、水素イオン、水素ガス等の移動が妨げられるために電解効率が低減する。

また、給電体３，４の表面３ａ，４ａをセパレータ５，６の圧接面１７と面一にすると、各給電体３，４と、各セパレータ５，６の圧接面１７とが固体高分子電解質膜２に押圧されたときに、固体高分子電解質膜２が均一に圧縮されて水分の保持率が低くなるという不都合がある。固体高分子電解質膜２のアノード側で生成した水素イオンは、前述のように水分子を伴ってカソード側に透過するので、固体高分子電解質膜２の水分の保持率が低くなると水素イオンの透過が抑制され、電解効率が低減する。
特開２０００−−７１４５６号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、製造容易で、優れた電解効率を得ることができる水素製造装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、弾性を備える固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜のカソード側とアノード側とに相対向して設けられた１対の剛性を備える給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータと各給電体とを該固体高分子電解質膜に押圧する押圧手段と、各セパレータの外縁部に設けられ該固体高分子電解質膜に圧接される圧接面と、各セパレータの該圧接面に囲まれた内方に設けられ該給電体が配設される凹部と、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に水素ガスを得る水素製造装置において、少なくともカソード側セパレータの凹部に配設された該給電体の表面を該凹部の内側に位置せしめ、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間に、各給電体と各セパレータとが押圧される前の該固体高分子電解質膜の厚さの１００％未満の範囲の間隔を備えることを特徴とする。

本発明の水素製造装置では、前記セパレータは、その外縁部に前記固体高分子電解質膜に圧接される圧接面を備えており、該圧接面に囲まれた内方に設けられた前記凹部に前記給電体が配設されている。そして、少なくともカソード側セパレータにおいて、前記給電体は、その表面が前記凹部の内側に位置せしめられており、該表面と該セパレータの圧接面との間に前記範囲の間隔を備えている。

前記構成によれば、各給電体と各セパレータとが前記押圧手段により前記固体高分子電解質膜に押圧されると、該固体高分子電解質膜はその外縁部が各セパレータの前記圧接面により圧縮されて挟持される。一方、少なくともカソード側セパレータでは、前記給電体の表面が前記凹部の内側に位置せしめられており、該表面と該セパレータの圧接面との間に前記範囲の間隔があるので、前記固体高分子電解質膜は、各給電体と各セパレータとが押圧されたときに、該給電体に対向する部分がその弾性により、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間隔に侵入している。

この結果、前記固体高分子電解質膜は、前記凹部内の前記給電体に対向する部分では、前記圧接面に挟持されている部分に比較して、圧縮される程度が小さい。従って、前記固体高分子電解質膜は、前記凹部内の前記給電体に対向する部分に水分を保持することができ、アノード側で生成した水素イオンが該固体高分子電解質膜を透過して容易にカソード側に移動することができる。

また、前記給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間隔は、固体高分子電解質膜本来の厚さの１００％未満の範囲とされているので、該固体高分子電解質膜は、該給電体に対向する部分ではその弾性により該給電体に当接することができる。

上述のように、本発明の水素製造装置によれば、前記固体高分子電解質膜は前記凹部内の前記給電体に対向する部分では圧縮される程度が小さく、しかも該給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間に前記範囲の間隔があっても、該固体高分子電解質膜はその弾性により該給電体に当接することができるので、優れた電解効率を得ることができる。

また、本発明の水素製造装置は、少なくともカソード側セパレータでは、前記給電体の表面と該セパレータの圧接面との間隔が前記範囲となるように、該給電体の厚さを前記凹部の深さより小さくしておけばよく、該給電体の表面と該セパレータの圧接面とを面一にするような高精度の加工を必要としないので、容易に製造することができる。

さらに、少なくともカソード側セパレータにおいて、前記給電体の表面が前記凹部の内部に位置せしめられていることにより、各給電体と各セパレータとが前記固体高分子電解質膜に押圧されたときに、カソード側の前記給電体の外周が前記カソード側セパレータの圧接面で囲まれて確実に密封される。この結果、カソード側の前記給電体が前記固体高分子電解質膜に接触する領域で、発生する水素ガスの漏洩を確実に阻止することができる。

本発明の水素製造装置において、前記給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間隔は、固体高分子電解質膜本来の厚さの１００％未満の範囲とすることが必要である。前記間隔が、固体高分子電解質膜本来の厚さの１００％を超えるときには、該固体高分子電解質膜の前記給電体に対向する部分が該給電体に当接できず、該給電体からの給電が受けられなくなるので、水の電解自体が不可能になる。

本発明の水素製造装置では、少なくともカソード側セパレータにおいて、前記凹部に配設される給電体の表面が該凹部の内側に位置せしめられ、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間に前記範囲の間隔が設けられていればよい。但し、アノード側のセパレータにおいても、前記凹部に配設される給電体の表面が該凹部の内側に位置せしめられ、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間に前記範囲の間隔が設けられていることが好ましい。このようにすることにより、カソード側とアノード側との両方のセパレータと給電体とを容易に製造することができる。

また、本発明の水素製造装置では、前記給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間隔は、前述の理由により固体高分子電解質膜本来の厚さの１００％未満の範囲とすることが必要であるが、さらに固体高分子電解質膜本来の厚さの１５％以上１００％未満の範囲であることが好ましく、このようにすることにより確実に優れた電解効率を得ることができる。

前記給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間隔が、前記固体高分子電解質膜本来の厚さの１５％未満であるときには、各給電体と各セパレータとが前記固体高分子電解質膜に押圧されたときに、該固体高分子電解質膜の該給電体に対向する部分の圧縮される程度が大になり、十分な水分を保持できず、十分な電解効率が得られなくなることがある。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図２は図１の要部拡大図、図３は本実施形態の水素製造装置における生成した水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態の水素製造装置１は、固体高分子電解質膜２と、そのカソード側とアノード側とに相対向して設けられたカソード側給電体３、アノード側給電体４と、各給電体３，４にそれぞれ積層されたカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とを備える単セル７を備え、単セル７を２層積層した構成となっている。単セル７，７は、一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されている。

各単セル７において、カソード側セパレータ５は、カソード側給電体３が露出する流体通路８と、流体通路８に連通する水素取出口９とを備え、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が露出する流体通路１０と、流体通路１０の一方の端部に連通する給水口１１と、流体通路１０の他方の端部に連通する排水口１２とを備えている。

各給電体３，４は、図示しない通電手段により、それぞれセパレータ５，６を介して通電されるようになっている。このとき、前述のように、一方の単セル７のカソード側セパレータ５に、他方の単セル７のアノード側セパレータ６が積層されていることにより、各単セル７，７が直列に接続されることになるので有利である。

単セル７，７は、その両側で絶縁部材１３，１３を介してエンドプレート１４，１４に挟持されており、エンドプレート１４，１４に取着されたボルト１５とナット１６とにより締め付けられ、相互に密着せしめられて固定されている。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが固体高分子電解質膜２に押圧されている。

尚、水素取出口９、給水口１１、排水口１２は、いずれも、各単セル７，７間で連通すると共に、絶縁部材１３、エンドプレート１４を貫通して設けられている。

水素製造装置１において、固体高分子電解質膜２は陽イオン透過膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。固体高分子電解質膜２は、アノード側には例えばＲｕＩｒＦｅＯ_Ｘ触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む電極触媒層（図示せず）を備えている。

カソード側給電体３、アノード側給電体４は、例えば、チタン製多孔質焼結体により形成することができ、表面に白金メッキが施されている。前記チタン製多孔質焼結体は、例えば、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を、所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得られる。前記チタン製多孔質焼結体は、チタン製薄板コイルを切削して繊維にするコイル材切削法により製造されたチタン繊維を、所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得たものであってもよい。

また、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６は、例えば、チタンプレートにより形成されており、図２（ａ）に示すように、外縁部に固体高分子電解質膜２に圧接される圧接面１７を備えると共に、圧接面１７に囲まれた内方に、カソード側給電体３、アノード側給電体４が配設される凹部１８を備えている。流体通路８，１０は、それぞれ凹部１８の底部に形成されており、凹部１８にカソード側給電体３、アノード側給電体４が配設されたときに、流体通路８にカソード側給電体３が、流体通路１０にアノード側給電体４が露出されるようになっている。

水素製造装置１では、カソード側セパレータ５は、図２（ｂ）に示すように、カソード側給電体３が凹部１８に配設されたときに、カソード側給電体３の表面３ａが凹部１８の内部に位置せしめられ、表面３ａと、カソード側セパレータ５の圧接面１７との間に間隔Ｇが設けられている。間隔Ｇは、カソード側給電体３、アノード側給電体４と、カソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６とが押圧される前の固体高分子電解質膜２の厚さ（以下、「固体高分子電解質膜２の本来の厚さ」と略記する）の１５％以上１００％未満の範囲に設定されている。

前記のように、カソード側給電体３の表面３ａが凹部１８の内部に位置せしめられるようにするときには、カソード側給電体３の厚さを凹部１８の深さより小さくしておけばよいので、カソード側セパレータ５とカソード側給電体３とを容易に製造することができる。

一方、アノード側セパレータ６は、アノード側給電体４が凹部１８に配設されたときに、アノード側給電体４の表面４ａと圧接面１７とが面一になっている。これは、図２（ｂ）において、間隔Ｇが０である場合に相当する。

カソード側給電体３が配設されたカソード側セパレータ５と、アノード側給電体４が配設されたアノード側セパレータ６とは、図２（ｃ）に示すように、それぞれ固体高分子電解質膜２のカソード側、アノード側に積層されることにより、単セル７を構成する。

尚、図２（ａ）〜（ｃ）では、水素取出口９、給水口１１、排水口１２を省略して示している。

水素製造装置１では、少なくともカソード側セパレータ５の凹部１８に配設されるカソード側給電体３の表面３ａが凹部１８の内部に位置せしめられ、表面３ａとカソード側セパレータ６の圧接面１７との間に間隔Ｇが設けられていればよい。但し、アノード側セパレータ６の凹部１８に配設されるアノード側給電体４についても、その表面４ａが凹部１８の内部に位置せしめられ、該表面４ａとアノード側セパレータ６の圧接面１７との間に間隔Ｇが設けられていることが好ましい。このようにすることにより、アノード側セパレータ６とアノード側給電体４とを容易に製造することができる。

また、本実施形態の水素製造装置１では、単セル７を２層積層するものとして説明しているが、単セル７は単層でもよく、さらに３層以上積層するものであってもよい。

次に、水素製造装置１の作動について説明する。

前記構成を備える水素製造装置１では、まず、単セル７，７を積層し、積層された単セル７，７の両側から絶縁部材１３，１３を介してエンドプレート１４，１４で挟持し、ボルト１５とナット１６とにより締め付け、相互に密着させて固定することにより装置を組み立てる。この結果、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが、固体高分子電解質膜２に押圧される。

このとき、図２（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ５の凹部１８に配設されたカソード側給電体３は、表面３ａが凹部１８の内部に位置せしめられている。そして、表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間には、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの１５％以上１００％未満の範囲の間隔Ｇが設けられている。また、アノード側セパレータ６の凹部１８に配設されたアノード側給電体４は、図２（ｂ）において間隔Ｇが０とされており、表面４ａとアノード側セパレータ６の圧接面１７とが面一になっている。

そこで、各給電体３，４と、各セパレータ５，６とが、固体高分子電解質膜２に押圧されると、図２（ｃ）に単セル７として示すように、固体高分子電解質膜２の外縁部がカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６の圧接面１７により圧縮されて挟持される。その一方で、カソード側セパレータ５では、固体高分子電解質膜２が、凹部１８内のカソード側給電体３に対向する部分で、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間の間隔Ｇに侵入している。

従って、固体高分子電解質膜２は、凹部１８内のカソード側給電体３に対向する部分では、圧接面１７に挟持されている部分に比較して圧縮される程度が小さく、この部分に水分を保持することができる。また、固体高分子電解質膜２は、凹部１８内のカソード側給電体３に対向する部分で、その弾性によりカソード側給電体３に当接することができる。

水素製造装置１では、前記状態で、給水口１１からアノード側セパレータ６の流体通路１０に水を供給する。そして、図示しない通電手段により、カソード側セパレータ５とアノード側セパレータ６とを介してカソード側給電体３とアノード側給電体４とにそれぞれ通電することにより、前記水の電気分解を行う。前記電気分解によれば、流体通路１０から供給される水が固体高分子電解質膜２のアノード側で電気分解されて、水素イオン、電子、酸素ガスが生成する。前記水素イオンは、カソード側給電体３とアノード側給電体４との電位差により、陽イオン透過膜である固体高分子電解質膜２を透過して、カソード側給電体３側に移動する。そして、前記水素イオンが固体高分子電解質膜２のカソード側でカソード側給電体３から電子を受け取って分子化することにより、カソード側セパレータ５の流体通路８に水素ガスが得られる。前記水素ガスは水と共に、流体通路８から水素取出口９を介して取出される。尚、排水口１２からは、固体高分子電解質膜２のアノード側で生成した酸素ガスを含む水が取出される。

このとき、固体高分子電解質膜２は、凹部１８内のカソード側給電体３に対向する部分がカソード側給電体３に当接しているので、カソード側給電体３から給電を受けることができ、凹部１８内のカソード側給電体３に対向する部分に水分を保持することができる。従って、アノード側で生成した水素イオンが水分子を伴って容易にカソード側に移動することができる。

また、水素製造装置１では、給電体３，４の外周がセパレータ５，６の圧接面１７，１７で囲まれており、圧接面１７、１７は固体高分子電解質膜２に圧接されている。従って、固体高分子電解質膜２の凹部１８内でカソード側給電体３に対向する部分が、圧接面１７，１７により密封されている。この結果、固体高分子電解質膜２の凹部１８内でカソード側給電体３に対向する部分で発生する水素ガスが、外部に漏洩することを確実に阻止することができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、まず、厚さ０．１３ｍｍの固体高分子電解質膜２のアノード側に触媒としてＲｕＩｒＦｅＯ_ｘを含む触媒電極層を形成すると共に、カソード側に触媒としてＰｔを含む触媒電極層を形成して、膜−電極構造体（ＭＥＡ）を製造した。

次に、チタンプレートを用いて、図２（ａ）に示す圧接面１７、凹部１８、流体通路８を備えるカソード側セパレータ５、アノード側セパレータ６を製造した。

次に、表面に白金メッキを施したチタン繊維焼結体を用いて、直径３０ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍのカソード側給電体３を製造し、図２（ｂ）に示すように、前記カソード側セパレータ５の凹部１８に配設した。このとき、凹部１８の深さを調整し、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．０２ｍｍとなるようにした。本実施例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さ（０．１３ｍｍ）の１５％に当たる。

次に、表面に白金メッキを施したチタン粉末焼結体を用いて、直径３０ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍのアノード側給電体４を製造し、図２（ｂ）に示すように、前記アノード側セパレータ６の凹部１８に配設した。このとき、凹部１８の深さを調整し、図２（ｂ）における間隔Ｇが０となり、アノード側給電体４の表面４ａとアノード側セパレータ６の圧接面１７とが面一になるようにした。

次に、前記膜−電極構造体のカソード側に、カソード側給電体３を配設したカソード側セパレータ５を積層した。また、これと共に、前記膜−電極構造体のアノード側に、アノード側給電体４を配設したアノード側セパレータ６を積層して、図２（ｃ）に示す単セル７を構成した。そして、単セル７を３層積層すると共に、両側から絶縁部材１３，１３を介してエンドプレート１４，１４により挟持し、エンドプレート１４，１４に取着されたボルト１５とナット１６とにより締め付けた。このようにして、単セル７が３層積層されていることを除いて、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。締め付け圧は４０ＭＰａとした。

このようにすると、図２（ｃ）において、固体高分子電解質膜２の圧接面１７，１７に挟持されている部分には、前記締め付け圧４０ＭＰａが全て作用し、この部分の厚さｄ_１は２５μｍになる。一方、固体高分子電解質膜２は、凹部１８内のカソード側電極３に対向する部分では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇに侵入し、その弾性によりカソード側給電体３に当接している。凹部１８内のカソード側電極３に対向する部分では、固体高分子電解質膜２には１０ＭＰａの圧力が作用しており、固体高分子電解質膜２の厚さｄ_２が６５μｍとなっている。

この結果、固体高分子電解質膜２は厚さｄ_２＝６５μｍの部分では水分を保持して水素イオンが透過しやすくなっているが、厚さｄ_１＝２５μｍの部分では厳しく圧縮されているために水分に乏しく、水素イオン、水素ガスが透過しにくくなっている。従って、固体高分子電解質膜２は、厚さｄ_１＝２５μｍの部分からの水素ガスの漏洩を阻止することができる。

次に、本実施例の水素製造装置１に、給水口１１から水温８０℃の水を供給して、水の電解により水素を製造した。このとき、カソード側に得られた水素ガスの圧力と、電解電圧との関係を図３に示す。

本実施例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．０４ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本実施例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの３１％に当たる。

本実施例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．０６ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本実施例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの４６％に当たる。

本実施例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．０８ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本実施例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの６２％に当たる。

本実施例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．１０ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本実施例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの７７％に当たる。

次に、本実施例の水素製造装置１に、給水口１１から水温８０℃の水を供給して、水の電解により水素を製造した。このとき、カソード側に得られた水素ガスの圧力と、電解電圧との関係を図３に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７とが面一になり、間隔Ｇが０となるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本比較例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの０％に当たる。

次に、本比較例の水素製造装置１に、給水口１１から水温８０℃の水を供給して、水の電解により水素を製造した。このとき、カソード側に得られた水素ガスの圧力と、電解電圧との関係を図３に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、カソード側給電体３の表面３ａとカソード側セパレータ５の圧接面１７との間隔Ｇが０．１５ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示すものと同様の水素製造装置１を組み立てた。本比較例における間隔Ｇは、固体高分子電解質膜２の本来の厚さの１１５％に当たる。

次に、本比較例の水素製造装置１に、給水口１１から水温８０℃の水を供給して、水の電解により水素を製造した。このとき、カソード側に得られた水素ガスの圧力と、電解電圧との関係を図３に示す。

図３から、間隔Ｇが固体高分子電解質膜２の本来の厚さの１５〜７７％の範囲にある実施例１〜５の水素製造装置１によれば、カソード側の水素ガスの圧力が３５ＭＰａ以下の範囲で電解電圧が十分に低く、電解効率に優れていることが明らかである。

これに対して、間隔Ｇが０である比較例１の水素製造装置１では、初期の電解電圧が前記実施例１〜３よりも高くなっていることが明らかである。比較例１の水素製造装置１において、初期の電解電圧が前記実施例１〜５よりも高くなる理由としては、固体高分子電解質膜２が、給電体３，４、セパレータ５，６により均一に圧縮されて、十分な水分を保持できないためと考えられる。

また、間隔Ｇが固体高分子電解質膜２の本来の厚さの１００％を超えている比較例２の水素製造装置１では、電解電圧が著しい上昇を示し、電解自体が不可能になっていることが明らかである。比較例２の水素製造装置１において、電解電圧が著しい上昇を示す理由としては、間隔Ｇが固体高分子電解質膜２の本来の厚さの１００％を超えているために、カソード側セパレータ５の凹部１８内で、固体高分子電解質膜２が給電体３に十分に当接していないことが考えられる。

本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す説明的断面図。本発明の一実施形態の水素製造装置における図１の要部拡大図。図１に示す水素製造装置における生成した水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフ。従来の水素製造装置としての図１の要部拡大図。

符号の説明

１…水素製造装置、２…固体高分子電解質膜、３，４…給電体、５，６…セパレータ、８，１０…流体通路、１７…圧接面、１８…凹部。

Claims

弾性を備える固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜のカソード側とアノード側とに相対向して設けられた１対の剛性を備える給電体と、各給電体に積層されたセパレータと、各セパレータと各給電体とを該固体高分子電解質膜に押圧する押圧手段と、各セパレータの外縁部に設けられ該固体高分子電解質膜に圧接される圧接面と、各セパレータの該圧接面に囲まれた内方に設けられ該給電体が配設される凹部と、各セパレータに設けられ各給電体が露出する流体通路とを備え、アノード側セパレータの流体通路に水を供給すると共に各給電体に通電することにより、アノード側セパレータの流体通路に供給された水を電気分解し、カソード側セパレータの流体通路に水素ガスを得る水素製造装置において、
少なくともカソード側セパレータの凹部に配設された該給電体の表面を該凹部の内側に位置せしめ、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間に、各給電体と各セパレータとが押圧される前の該固体高分子電解質膜の厚さの１００％未満の範囲の間隔を備えることを特徴とする水素製造装置。
前記固体高分子電解質膜は、各給電体と各セパレータとが押圧されたときに、前記給電体に対向する部分がその弾性により、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間隔に侵入していることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
アノード側セパレータの凹部に配設された前記給電体の表面を該凹部の内側に位置せしめ、該給電体の表面と該セパレータの圧接面との間に、各給電体と各セパレータとが押圧される前の該固体高分子電解質膜の厚さの１００％未満の範囲の間隔を備えることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
前記給電体の表面と前記セパレータの圧接面との間隔は、各給電体と各セパレータとが押圧される前の前記固体高分子電解質膜の厚さの１５％以上１００％未満の範囲であることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。