JP2014040636A - Differential pressure type water electrolysis apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制するとともに、電力効率の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】差圧式水電解装置10を構成する単位セル12は、電解質膜・電極構造体32を備え、前記電解質膜・電極構造体32は、固体高分子電解質膜38の両面にアノード給電体40及びカソード給電体42を設ける。固体高分子電解質膜38は、カソード給電体42側に配設される第1電解質層38aと、アノード給電体40側に配設される第2電解質層38bとを有し、前記第1電解質層38aは、炭化水素系の膜により構成される一方、前記第2電解質層38bは、フッ素系の膜により構成される。
【選択図】図3An object of the present invention is to reduce damage to a solid polymer electrolyte membrane as much as possible with a simple and economical configuration and to improve power efficiency.
A unit cell 12 constituting a differential pressure water electrolysis apparatus 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure 32, and the electrolyte membrane / electrode structure 32 is provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 38 with anode feeders. 40 and cathode power supply 42 are provided. The solid polymer electrolyte membrane 38 includes a first electrolyte layer 38a disposed on the cathode power supply body 42 side and a second electrolyte layer 38b disposed on the anode power supply body 40 side, and the first electrolyte layer. While 38a is constituted by a hydrocarbon film, the second electrolyte layer 38b is constituted by a fluorine film.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式水電解装置に関する。 The present invention relates to a differential pressure type water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen on the anode side and generates hydrogen at a higher pressure than the oxygen on the cathode side.
例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素(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、それぞれ給電体を配設してユニットが構成されている。 For example, hydrogen gas is used as a fuel gas for generating power from a fuel cell. Generally, when producing hydrogen gas, a water electrolysis apparatus is employed. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to electrolyze water and generate hydrogen (and oxygen). An electrode catalyst layer is provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to constitute an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on each side of the electrolyte membrane / electrode structure. Is configured.
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。 Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode power feeder. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
この種の固体高分子電解質膜としては、例えば、カチオン交換膜(フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜)が使用されている(特許文献1)。カチオン交換膜の両面には、貴金属、特に、白金族金属からなる多孔質の陽極及び陰極を、化学的に無電解メッキで接合することにより、固体高分子電解質膜が構成されている。 As this type of solid polymer electrolyte membrane, for example, a cation exchange membrane (fluororesin sulfonic acid cation exchange membrane) is used (Patent Document 1). A solid polymer electrolyte membrane is constructed by chemically bonding a porous anode and cathode made of a noble metal, in particular, a platinum group metal, on both surfaces of the cation exchange membrane by chemical electroless plating.
ところで、上記のフッ素樹脂系の固体高分子電解質膜では、良好な延び性を有している。このため、特にカソード側に高圧水素(生成される酸素よりも高圧な水素)が生成される差圧式水電解装置では、固体高分子電解質膜がアノード給電体の開口形状に沿って変形が可能である。従って、固体高分子電解質膜の破損が低減されるという利点がある。 By the way, the above fluororesin-based solid polymer electrolyte membrane has good stretchability. For this reason, in particular, in a differential pressure type water electrolysis apparatus in which high-pressure hydrogen (hydrogen higher than generated oxygen) is generated on the cathode side, the solid polymer electrolyte membrane can be deformed along the opening shape of the anode feeder. is there. Therefore, there is an advantage that damage to the solid polymer electrolyte membrane is reduced.
しかしながら、フッ素樹脂系の固体高分子電解質膜では、水素ガスの透過性が高く、電流効率が低下するという問題がある。その際、電流効率を向上させるために膜厚を大きく設定すると、電圧効率が低下してしまう。これにより、電力効率の向上が容易に図られないという問題がある。 However, the fluororesin-based solid polymer electrolyte membrane has a problem that hydrogen gas permeability is high and current efficiency is lowered. At that time, if the film thickness is set large in order to improve the current efficiency, the voltage efficiency is lowered. As a result, there is a problem that the power efficiency cannot be easily improved.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制するとともに、電力効率の向上を容易に図ることが可能な差圧式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 with a simple and economical configuration, it is possible to suppress damage to the solid polymer electrolyte membrane as much as possible and to easily improve power efficiency. It aims at providing a differential pressure type water electrolysis device.
本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用の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、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、前記カソード給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、前記カソード給電体を前記固体高分子電解質膜に向かって押圧する押圧部材と、を備える差圧式水電解装置に関するものである。 The present invention provides a solid polymer electrolyte membrane, an anode power feeding body and a cathode power feeding body provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and opposed to the anode power feeding body, and is supplied with water. And an anode side separator that electrolyzes the water to generate oxygen and a cathode side that is disposed opposite to the cathode power supply and that electrolyzes the water to generate hydrogen at a pressure higher than that of the oxygen The present invention relates to a differential pressure type water electrolysis apparatus comprising a separator and a pressing member that presses the cathode power supply body toward the solid polymer electrolyte membrane.
そして、固体高分子電解質膜は、カソード給電体側に配設される第1電解質層と、アノード給電体側に配設される第2電解質層とを有し、前記第1電解質層は、前記第2電解質層よりも電流効率が高い一方、前記第2電解質層は、前記第1電解質層よりも延び性が高く設定されている。 The solid polymer electrolyte membrane includes a first electrolyte layer disposed on the cathode power feeder side and a second electrolyte layer disposed on the anode power feeder side, and the first electrolyte layer includes the second electrolyte layer. While the current efficiency is higher than that of the electrolyte layer, the second electrolyte layer is set to have higher extensibility than the first electrolyte layer.
また、この差圧式水電解装置では、第1電解質層は、炭化水素系の膜により構成されることが好ましい。 Moreover, in this differential pressure type water electrolysis apparatus, it is preferable that the first electrolyte layer is constituted by a hydrocarbon film.
さらに、この差圧式水電解装置では、第2電解質層は、フッ素系の膜により構成されることが好ましい。 Furthermore, in this differential pressure type water electrolysis apparatus, the second electrolyte layer is preferably composed of a fluorine-based film.
さらにまた、この差圧式水電解装置では、第2電解質層は、第1電解質層とは反対側の接触部材の開口径に基づいて設定される厚さを有することが好ましい。 Furthermore, in this differential pressure type water electrolysis apparatus, it is preferable that the second electrolyte layer has a thickness that is set based on the opening diameter of the contact member on the side opposite to the first electrolyte layer.
また、この差圧式水電解装置では、電解領域をシール部材により囲繞するシール部が設けられるとともに、前記シール部は、固体高分子電解質膜の単一の層のみを層厚さ方向に挟持することが好ましい。 Further, in this differential pressure type water electrolysis apparatus, a seal portion that surrounds the electrolysis region with a seal member is provided, and the seal portion sandwiches only a single layer of the solid polymer electrolyte membrane in the layer thickness direction. Is preferred.
さらに、この差圧式水電解装置では、シール部は、固体高分子電解質膜の第2電解質層のみを層厚さ方向に挟持することが好ましい。 Furthermore, in this differential pressure type water electrolysis apparatus, it is preferable that the seal portion sandwiches only the second electrolyte layer of the solid polymer electrolyte membrane in the layer thickness direction.
本発明によれば、固体高分子電解質膜は、少なくとも第1電解質層及び第2電解質層を有する多層構造を採用している。ここで、アノード給電体側に配設される第2電解質層は、第1電解質層よりも延び性が高く設定されている。このため、高圧なカソード給電体側から低圧なアノード給電体側に固体高分子電解質膜が押圧される際、前記アノード給電体側の第2電解質層が良好に伸縮する。従って、高圧で押圧された場合であっても、延び性の低い第1電解質層を構成する固体高分子電解質膜の損傷を、第2電解質層を構成する固体高分子電解質膜によって可及的に抑制することができる。 According to the present invention, the solid polymer electrolyte membrane employs a multilayer structure having at least a first electrolyte layer and a second electrolyte layer. Here, the 2nd electrolyte layer arrange | positioned at the anode electric power feeding body side is set more highly than the 1st electrolyte layer. For this reason, when the solid polymer electrolyte membrane is pressed from the high-pressure cathode power supply side to the low-pressure anode power supply side, the second electrolyte layer on the anode power supply side expands and contracts well. Therefore, even when pressed at a high pressure, damage to the solid polymer electrolyte membrane constituting the first electrolyte layer having low extensibility is made possible by the solid polymer electrolyte membrane constituting the second electrolyte layer as much as possible. Can be suppressed.
一方、カソード給電体側に配設される第1電解質層は、第2電解質層よりも電流効率が高く設定されている。これにより、第2電解質層単体で用いる場合よりも、電力効率の向上が容易に図られる。 On the other hand, the first electrolyte layer disposed on the cathode power supply side is set to have higher current efficiency than the second electrolyte layer. As a result, the power efficiency can be improved more easily than when the second electrolyte layer is used alone.
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水電解装置(高圧水電解装置)10は、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。
As shown in FIG. 1, the differential pressure type water electrolysis apparatus (high pressure water electrolysis apparatus) 10 according to the first embodiment of the present invention has a plurality of
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、差圧式水電解装置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
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、単位セル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側セパレータ34及びカソード側セパレータ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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
電解質膜・電極構造体32は、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とを備える。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜38は、2層以上、例えば、カソード給電体42側に配設される第1電解質層38aと、アノード給電体40側に配設される第2電解質層38bとの2層を有する。第1電解質層38aは、第2電解質層38bよりも電流効率が高い一方、前記第2電解質層38bは、前記第1電解質層38aよりも延び性が高く設定される。
The solid
具体的には、第1電解質層38aは、例えば、炭化水素(HC)系の膜により構成される一方、第2電解質層38bは、例えば、フッ素系の膜により構成される。なお、第1電解質層38aは、炭化水素系の膜でなくてもよく、第2電解質層38bは、フッ素系の膜でなくてもよい。他の膜種を用いる場合であっても、第2電解質層38bに用いる膜を、第1電解質層38aよりも延び性のよいものを適用すればよい。
Specifically, the
第1電解質層38aの外形寸法は、アノード給電体40及びカソード給電体42の外径寸法と同一に、すなわち、電解領域に対応する寸法に設定されるとともに、第2電解質層38bの外形寸法は、前記アノード給電体40及び前記カソード給電体42の外径寸法よりも大径に設定される(図3参照)。第2電解質層38bは、第1電解質層38aとは反対側の接触部材であるアノード給電体40の開口径に基づいて設定される厚さを有する。すなわち、第2電解質層38bの厚さは、アノード給電体40の開口形状に倣って容易に変形可能な寸法に設定される。
The external dimensions of the
固体高分子電解質膜38の両面には、アノード電極触媒層40a及びカソード電極触媒層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)系触媒を使用し、第2電解質層38bに設けられる一方、カソード電極触媒層42aは、例えば、白金触媒を使用し、第1電解質層38aに設けられる。
An anode
アノード給電体40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
カソード給電体42は、例えば、純チタン粒子を溶射材として減圧プラズマ溶射によりプレート部材44に一体成形される多孔質導電体である。この多孔質導電体の気孔率は、10%〜50%の範囲内に設定される。
The
プレート部材44は、円板状を有するとともに、カソード給電体42が溶射される溶射面44aとは反対側の荷重付与面44bに、押圧部材、例えば、複数枚の皿ばね46が配設される。皿ばね46は、皿ばねホルダであるプレート部材44を介してカソード給電体42に荷重を付与する。
The
図2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。
As shown in FIG. 2, a
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 anode-
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。プレート部材44の溶射面44a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。なお、溶射面44aには、第2流路58を設けずに、カソード給電体42内部の多孔質空間に前記第2流路58を構成してもよい。
The
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(電解領域)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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
The
図2及び図3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。
As shown in FIGS. 2 and 3, a second seal member is formed 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。
On the
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。
The
少なくとも第1シール部材66a及び第1シール溝68aにより、電解領域を囲繞するシール部69が構成されるとともに、前記シール部69は、固体高分子電解質膜38の単一の層のみ、第1の実施形態では、第2電解質層38bのみを層厚さ方向(矢印A方向)に挟持する。具体的には、第2電解質層38bは、第1シール部材66aとアノード側セパレータ34との間で挟持される。
At least the
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。
On the
アノード給電体40の外方を周回する第2シール溝64aと、カソード給電体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。
The
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。
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。
As shown in FIG. 1,
このように構成される差圧式水電解装置10の動作について、以下に説明する。
The operation of the differential pressure type
図1に示すように、配管76aから差圧式水電解装置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。
Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode
このため、カソード給電体42の内部及びプレート部材44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を流れて差圧式水電解装置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に沿って差圧式水電解装置10の外部に排出される。
For this reason, hydrogen flows along the inside of the
この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、固体高分子電解質膜38は、少なくとも第1電解質層38a及び第2電解質層38bを有する多層構造を採用している。ここで、アノード給電体40側に配設される第2電解質層38bは、例えば、フッ素系の膜により構成されている。フッ素系の膜は、良好な延び性を有しており、図4に示すように、固体高分子電解質膜38に差圧が付与されると、第2電解質層38bは、アノード給電体40の多孔質表面の形状に追従して変形する。従って、固体高分子電解質膜38は、相当に大きな差圧が付与されても、損傷することを可及的に抑制することができる。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the solid
ところが、フッ素系の膜は、ガス透過性が高く、電流効率が低いという性質を有している。このフッ素系の膜の膜厚と効率とは、図5に示す関係を有している。このため、電流効率を上げるために膜厚を厚く設定すると、電圧効率が低下し、電力効率の低下が惹起される。 However, the fluorine-based film has properties of high gas permeability and low current efficiency. The film thickness and efficiency of this fluorine-based film have the relationship shown in FIG. For this reason, when the film thickness is set thick in order to increase the current efficiency, the voltage efficiency is lowered and the power efficiency is lowered.
一方、カソード給電体42側に配設される第1電解質層38aは、例えば、炭化水素系の膜により構成されている。炭化水素系の膜は、フッ素系の膜に対して延び性が劣るものの、ガス透過性が低く、電流効率が高くなっている。図6に示すように、炭化水素系の膜は、比較的高い電流効率を維持しており、膜厚を選択することにより、最大の電力効率が得られる。
On the other hand, the
これにより、第1の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜38の損傷を可及的に抑制するとともに、電力効率の向上を容易に図ることが可能になるという効果が得られる。
Thereby, in the first embodiment, it is possible to suppress damage to the solid
さらに、第1の実施形態では、第2電解質層38bは、アノード給電体40の開口径に基づいて設定される厚さを有している。このため、図4に示すように、固体高分子電解質膜38が、アノード給電体40の開口部に押し込まれた際にも、第2電解質層38bが前記アノード給電体40の多孔質表面に確実に接触することが可能になる。
Furthermore, in the first embodiment, the
さらにまた、図3に示すように、シール部69は、固体高分子電解質膜38の単一の層のみ、第1の実施形態では、第2電解質層38bのみを層厚さ方向(矢印A方向)に挟持している。具体的には、第2電解質層38bは、第1シール部材66aとアノード側セパレータ34との間で挟持されている。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the
ここで、第2電解質層38bは、延び性に優れるフッ素系の膜により構成されており、荷重変動時の良好な追従性が得られる。しかも、セパレータ表面の平面度が粗い場合にも、固体高分子電解質膜38が破損することを阻止することができるという利点がある。
Here, the
図7は、本発明の第2の実施形態に係る差圧式水電解装置80を構成する単位セル82の断面図である。なお、第1の実施形態に係る差圧式水電解装置10と同一の構成要素は、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以降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。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a
単位セル82では、固体高分子電解質膜38とアノード給電体40との間に、多数の貫通孔84aが形成された保護シート部材84が介装される。保護シート部材84は、例えば、チタンシートで構成され、厚さが、例えば、20μm〜500μmの範囲内に設定される。チタンシートの表面粗さとしては、6.3μm以下、好ましくは、3.2μm以下に設定される。このチタンシートは、好ましくは、冷間圧延により成形される。
In the
貫通孔84aは、この貫通孔84aの孔径の分布幅がアノード給電体40の孔部の孔径の分布幅よりも小さく設定される。
The through
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38が保護シート部材84に押圧されると、前記固体高分子電解質膜38の第2電解質層38bが前記保護シート部材84に押し付けられる。その際、第2電解質層38bは、フッ素系の膜により構成されており、この第2電解質層38bが保護シート部材84の表面形状に沿って変形することができる。これにより、固体高分子電解質膜38の損傷を可及的に抑制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, when the solid
図8は、本発明の第3の実施形態に係る差圧式水電解装置90を構成する単位セル92の断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a
単位セル92は、電解質膜・電極構造体94を備えるとともに、前記電解質膜・電極構造体94は、固体高分子電解質膜96を有する。固体高分子電解質膜96は、2層以上、例えば、カソード給電体42側に配設される第1電解質層96aと、アノード給電体40側に配設される第2電解質層96bとの2層を有する。
The
第1電解質層96aは、例えば、炭化水素(HC)系の膜により構成される一方、第2電解質層96bは、例えば、フッ素系の膜により構成される。第2電解質層96bの外形寸法は、アノード給電体40及びカソード給電体42の外径寸法と同一に、すなわち、電解領域に対応する寸法に設定されるとともに、第1電解質層96aの外形寸法は、前記アノード給電体40及び前記カソード給電体42の外径寸法よりも大径に設定される。
The
シール部69は、固体高分子電解質膜96の単一の層のみ、第3の実施形態では、第1電解質層96aのみを層厚さ方向(矢印A方向)に挟持する。具体的には、第1電解質層96aは、第1シール部材66aとアノード側セパレータ34との間で挟持される。
The
このように構成される第3の実施形態では、固体高分子電解質膜96を構成する第1電解質層96aのみが、シール部69を構成する第1シール部材66aとアノード側セパレータ34との間で挟持されている。このため、固体高分子電解質膜96のへたりは、1層分となる。従って、長期運転により固体高分子電解質膜96にへたりが発生した際にも、荷重の変動を小さく抑えることができ、良好な押圧作用を維持することが可能になるという効果が得られる。
In the third embodiment configured as described above, only the
図9は、本発明の第4の実施形態に係る差圧式水電解装置100を構成する単位セル102の断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
単位セル102は、電解質膜・電極構造体104を備えるとともに、前記電解質膜・電極構造体104は、固体高分子電解質膜106を有する。固体高分子電解質膜106は、2層以上、例えば、カソード給電体42側に配設される第1電解質層106aと、アノード給電体40側に配設される第2電解質層106bとの2層を有する。
The
第1電解質層106aは、例えば、炭化水素(HC)系の膜により構成される一方、第2電解質層106bは、例えば、フッ素系の膜により構成される。第1電解質層106a及び第2電解質層106bの外形寸法は、アノード給電体40及びカソード給電体42の外径寸法よりも大径に設定される。
The
シール部69は、固体高分子電解質膜106の2層である第1電解質層106a及び第2電解質層106bを層厚さ方向(矢印A方向)に挟持する。具体的には、第1電解質層106a及び第2電解質層106bは、第1シール部材66aとアノード側セパレータ34との間で挟持される。
The
このように構成される第4の実施形態では、上記の第1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 embodiment can be obtained.
10、80、90、100…差圧式水電解装置
12、82、92、102…単位セル 14…積層体
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18a…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、94、104…電解質膜・電極構造体
34…アノード側セパレータ 36…カソード側セパレータ
38、96、106…固体高分子電解質膜
38a、38b、96a、96b、106a、106b…電解質層
40…アノード給電体 42…カソード給電体
46…皿ばね 50a…水供給連通孔
50b…排出連通孔 50c…水素連通孔
54、58…流路
62a〜62d、66a〜66d…シール部材
64a〜64d、68a〜68d…シール溝
69…シール部 84…保護シート部材
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用の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、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、
前記カソード給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、
前記カソード給電体を前記固体高分子電解質膜に向かって押圧する押圧部材と、
を備える差圧式水電解装置であって、
前記固体高分子電解質膜は、前記カソード給電体側に配設される第1電解質層と、
前記アノード給電体側に配設される第2電解質層と、
を有し、
前記第1電解質層は、前記第2電解質層よりも電流効率が高い一方、前記第2電解質層は、前記第1電解質層よりも延び性が高く設定されることを特徴とする差圧式水電解装置。 A solid polymer electrolyte membrane;
An anode feeder and a cathode feeder for electrolysis provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side separator that is disposed opposite to the anode power feeding body, is supplied with water, and electrolyzes the water to generate oxygen;
A cathode-side separator that is disposed opposite to the cathode power supply and generates hydrogen having a pressure higher than that of oxygen by electrolyzing the water;
A pressing member that presses the cathode feeder toward the solid polymer electrolyte membrane;
A differential pressure type water electrolysis apparatus comprising:
The solid polymer electrolyte membrane includes a first electrolyte layer disposed on the cathode power supply side,
A second electrolyte layer disposed on the anode feeder side;
Have
The first electrolyte layer has a higher current efficiency than the second electrolyte layer, while the second electrolyte layer is set to have a higher extensibility than the first electrolyte layer. apparatus.
前記シール部は、前記固体高分子電解質膜の単一の層のみを層厚さ方向に挟持することを特徴とする差圧式水電解装置。 In the differential pressure type water electrolysis device according to any one of claims 1 to 4, a seal portion that surrounds the electrolysis region with a seal member is provided,
The differential pressure type water electrolysis apparatus, wherein the seal portion sandwiches only a single layer of the solid polymer electrolyte membrane in a layer thickness direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012183378A JP2014040636A (en) | 2012-08-22 | 2012-08-22 | Differential pressure type water electrolysis apparatus |
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JP (1) | JP2014040636A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016044353A (en) * | 2014-08-26 | 2016-04-04 | 本田技研工業株式会社 | Differential pressure type high pressure water electrolyzer |
CN111733428A (en) * | 2020-07-27 | 2020-10-02 | 广东省新材料研究所 | An electrolysis unit for electrolysis of water to make gas, an electrolysis of water to make gas device and its application and the process of electrolyzed water to make gas |
-
2012
- 2012-08-22 JP JP2012183378A patent/JP2014040636A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016044353A (en) * | 2014-08-26 | 2016-04-04 | 本田技研工業株式会社 | Differential pressure type high pressure water electrolyzer |
CN111733428A (en) * | 2020-07-27 | 2020-10-02 | 广东省新材料研究所 | An electrolysis unit for electrolysis of water to make gas, an electrolysis of water to make gas device and its application and the process of electrolyzed water to make gas |
CN111733428B (en) * | 2020-07-27 | 2021-06-15 | 广东省科学院新材料研究所 | An electrolysis unit for electrolysis of water to make gas, an electrolysis of water to make gas device and its application and the process of electrolyzed water to make gas |
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