JP4124914B2 - 電解槽 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた電解槽に関するもので、とくに水の電気分解に好適な電解槽に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水の電解槽としては各種のものが知られているが、固体高分子電解質を用いた電解槽は、固体高分子電解質膜の有するプロトンあるいは酸素イオン等の透過を利用して電気分解を行うものであり、酸やアルカリ等の液体の電解質を用いることなく水を供給するのみで電気分解を行うことができるという特徴を有している。
【０００３】
固体高分子電解質を用いた水電解槽では、陽イオン交換膜の両面に触媒電極を接合することが行われており、このために、陽極と陰極との電極間距離が小さく、固体高分子電解質と電極が直接接合されているので両者の間には気泡は存在しないので、低電圧で大きな電流密度で通電することが可能であり、また電解液による導電性を利用していないので、原料の水には、導電性が極めて小さな高純度の水を用いることができ、高純度の水素、酸素を得ることが可能という特徴を有している。
【０００４】
しかしながら、固体高分子電解質膜への電極の接合には、化学めっきを行ったり、フッ素樹脂等を用いて一体化することが行われているが、品質の安定した面積の大きな電極を形成することは難しく、電極面積が大きな大型の電解槽を得ることは困難であった。
【０００５】
そこで、電極面積が大きな電解槽を容易に製造するために、陽極および陰極を固体高分子電解質膜に直接に接合せずに、固体高分子電解質とは別に作製した電極を固体高分子電解質膜の両面に密着させた電解槽が提案されている。
例えば、図６は、固体高分子電解質の両面に電極を積層して密着した電解槽である。図６（Ａ）は、固体高分子電解槽の正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）においてＡ−Ａ線で切断した断面図を示している。固体高分子電解質４１、陽極４２、陰極４３、複極板４４を多数積層し、端板４５、４６を多くの締め付けボルト４７によって締め付けている。ところが、このような電解槽では、電極面積が大きくなると、端板面に歪みが生じることが避けられず、また積層数が多くなると接触の不均一な電極が生じることとなり、固体高分子電解質膜４１と陽極４２および陰極４３との間の接触の不良個所、電気分解時の通電電流の不均一が生じることとなり、電流の集中する箇所が生じることによる固体高分子電解質や電極の劣化、あるいは電解電圧の上昇等が生じるので好ましくない。
【０００６】
また、このような固体高分子電解質膜と電極との接触の不均一が生じるのを防止するために、端板の一部に押し付け用のねじ部材を取り付けて、積層体を押し付けて不均一が生じることを防止すること（特開平６−１８４７８３号）が提案されているが、数多くの固体高分子電解質膜および電極を積層した電解槽においては、極めて大型の押し付け用のねじ部材を必要とし、その効果も満足するものではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた電解面積が大きな電解槽を提供することを課題とするものであり、固体高分子電解質膜と電極との均一な接触を形成するとともに両者の接触を高めて電解性能の優れた電解槽を提供することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体高分子電解質膜を介して陽極および陰極を配置した単位電解槽を積層した電解槽において、固体高分子電解質膜を介して陽極および陰極を配置し、陽極を配置した陽極室を区画する陽極室隔壁および陰極を配置した陰極室を区画する陰極室隔壁からなる単位電解槽の複数個を、陽極室隔壁と陰極室隔壁の間に設けた中間枠体の内部に導電性弾性体を介在させて積層した電解槽である。
また、管路が形成された陰極室隔壁、陽極室隔壁、中間枠体を積層し、積層体の両端面に供給管路、生成物管路が設けられた陽極側端板と陰極側端板を配置し、陽極側端板と陰極側端板間の距離が伸縮可能であるとともに圧縮力を与えた状態で保持する保持手段で保持した電解槽である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の電解槽を説明する図であり、２個の単位電解槽を積層した状態を示す図である。
単位電解槽１は、固体高分子電解質膜２に密着して多孔性の陽極３と陰極４を有しており、陽極３および陰極４には、それぞれ陽極室隔壁５および陰極室隔壁６が接している。
【００１０】
多孔性の陽極および陰極は、多孔性金属、網状体、エキスパンデッドメタル、金属繊維の織布、不織布、金属繊維の焼結体等の多孔性の導電性基体として、陽極は電極触媒物質として白金族の金属またはその酸化物を少なくとも１種含むものが好ましく、とくに白金、イリジウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウムを少なくとも１種含む触媒層を形成したものが好ましい。一方、陰極には電極触媒物質として、白金、白金黒、イリジウム等を用いることが好ましい。
【００１１】
固体高分子電解質膜には、フッ素樹脂系のイオン交換膜、炭化水素系樹脂系のイオン交換膜、イオン交換物質を結着用樹脂と一体化したもの等を用いることができる。
また、これらの陽極の電極触媒物質は、多孔性のチタン、ニオブ等の導電性基体の表面に直接に析出させても、陽極触媒物質をフッ素樹脂を結着剤として表面に塗布することによって製造することができる。また、陰極触媒物質は、ニッケル、ステンレスからなる多孔性の集電体上に、直接に析出させて形成しても、あるいはフッ素樹脂を結着剤として集電体の表面に塗布して形成しても良い。
【００１２】
陽極および陰極の電極触媒は、多孔性の導電性物質の全面に形成されていなくても良く、固体高分子電解質膜に面する側にのみ存在したものでも良い。また陽極室７には、陽極３と多孔性の陽極集電体８とを積層して配置し、陰極室９には、陰極４と多孔性の陰極集電体１０を配置したものでも良い。
いずれの構成とする場合にも、電気分解に供する水が電極に供給され、生成する酸素および水素が速やかに陽極室および陰極室から取り出されるように、陽極、陰極、陽極集電体、および陰極集電体は、多孔性の大きなものを用いることが好ましい。
【００１３】
陽極室７は、陽極室枠１１と固体高分子電解質膜２および陽極室隔壁５によって形成され、ガスケット１２によって気密性を確保している。陽極室枠１１には、陽極室７内へ水を導入する通路（図示せず）、生成した酸素気泡を含んだ水を取り出す陽極室生成物通路１３および酸素気泡を含んだ水を陽極室から電解槽外へ導く陽極室生成物管路１４を有しており、各単位電解槽の陽極室で生成した酸素気泡を含んだ水が外部へ取り出される。
【００１４】
陽極室隔壁および陰極室隔壁には、それぞれ厚さが０．５〜２ｍｍ程度の金属板を用いることができ、チタン、ニオブ、ジルコニウム、ニッケル、ステンレス等の電気分解環境において安定な材料を用いることができる。
一方、陰極室９は、陰極室枠１５と固体高分子電解質膜２および陰極室隔壁６によって形成され、ガスケット１２によって気密性を確保している。陰極室枠１５には、陰極室９内へ水を導入する通路は存在しない。
【００１５】
陰極室９へは陽極での反応で生成したプロトンと陽極室内の水が電気泳動によって移行し、陰極で生成した水素気泡を含んだ水が生じるので、陰極室には、水素気泡を含んだ水を取り出す陰極室生成物通路１６および陰極室生成物管路１７が接続されている。
【００１６】
陽極、陰極、固体高分子電解質膜、陽極室枠、陰極室枠、陽極室隔壁および陰極室隔壁で構成される単位電解槽１は、導電性弾性体１８を介して積層されており、導電性弾性体１８は導電性弾性体とほぼ同じ厚さの中間枠体１９の内部に配置して積層されている。
【００１７】
導電性弾性体１８は、弾性を有するゴム、合成樹脂等中に銅、導電性炭素材料などからなる導電性の良好な繊維、粒子、板状体を分散したものであって、弾性を有するとともに両面に接触する単位電解槽の陽極室隔壁と陰極室隔壁の間の導電性を確保するものである。導電性弾性体１８を配置して単位電解槽を積層すると、単位電解槽の積層数が多数となっても単位電解槽間での良好な導電接続を形成するとともに、固体高分子電解質膜面に電極を均一に密着することができるので単位電解槽の通電面の全面にわたり電流分布を均一とすることが可能となる。
【００１８】
図２は、電解槽を説明する分解斜視図である。
固体高分子電解質膜２の一方の面には、陽極室枠１１と陽極室隔壁５によって形成される陽極室７内に陽極３が設けられており、固体高分子電解質膜２の他方の面には、陰極室枠１５と陰極室隔壁６によって形成された陰極室９内には陰極４が設けられている。
【００１９】
さらに、陰極室隔壁６に接して中間枠体１９が配置されており、中間枠体１９の内部には、導電性弾性体１８が陰極室隔壁６とを接して配置されており、中間枠体１９の他方の面には、隣接する単位電解槽の陽極室隔壁５が配置されている。
【００２０】
固体高分子電解質膜２、陽極室枠１１、陰極室枠１５、陽極室隔壁５および陰極室隔壁６には、いずれにも陽極室へ水を供給する水供給管路２０、陽極室８内で生成する酸素気泡含有水を取り出す陽極室生成物管路１４、陰極室内で生成する水素気泡含有水を取り出す陰極室生成物管路１７が設けられている。また、陽極室枠１１には、陽極室７と水供給管路２０とを連通する水供給通路２０ａ、陽極室７と陽極室生成物管路１４を連通する陽極室生成物通路（図示せず）が設けられており、陽極室への水の供給と生成物の取り出しを行っており、陰極室枠１５には、陰極室内で生成した水素気泡を含んだ水を陰極室生成物管路へ導入する陽極室生成物通路を有している。
また、陽極室隔壁５、陽極室枠１１、固体高分子電解質膜２、陰極室枠１５、陰極室隔壁６の間には、ガスケット（図示せず）が配置されて気密が保持されている。
【００２１】
図３は、本発明の電解槽の流体および電流の流れを説明する図である。
電解槽２１は、陽極室７および陰極室９からなる単位電解槽１の多数を直列に積層したものであり、水供給管路２０から各陽極室には水を供給し、直流電源２２から単位電解槽１の個数に応じた電流を供給して電気分解が行われる。
【００２２】
電気分解によって、陽極室では酸素が発生するとともに、プロトンが生成し、固体電解質膜を透過して陰極室へ移行し水素を発生し、同時に電気泳動によって陽極室から陰極室へ水が移行する。
その結果、陽極室からは酸素気泡を含有した水が生成し、陰極室からは水素気泡を含有した水が生成する。それぞれ陽極室生成物管路１４、陰極室生成物管路１７から外部へ取り出される。
本発明の電解槽２１では、各単位電解槽を形成する部材に管路を形成したので、単位電解槽を積層した電解槽のいずれかの端部から水を供給し、またいずれか端部から生成物を取り出すことができる。
【００２３】
例えば、電解有効面積２０ｄｍ² の単位電解槽を７５個積層した電解槽に、１００Ａ／ｄｍ² の電流密度で通電し、陽極室から３．４ｍ³／ｈ の流速で水を供給すると、陽極室からは３２ｍ³／ｈ（０℃１気圧）の酸素と３．０５ｍ³／ｈの水が生成し、陰極室からは６３ｍ³／ｈ（０℃１気圧）の酸素と０．３ｍ³／ｈの水が生成する。
【００２４】
また、図４には、単位電解槽を積層した電解槽を説明する図を示す。
図４（Ａ）は、正面図であり、図４（Ｂ）は、右側面方向から見た図である。電解槽２１は、陽極側端板２３面に単位電解槽を導電性弾性体および中間枠体を介在させて積層したものであり、所定の数の単位電解槽を積層した後に陰極側端板２４を積層し、同一円周上に均等に締め付け棒２５を配置し、ナット２６で締め付けられている。
【００２５】
また、端板とナットとの間には、締め付け棒の軸方向への伸縮が可能なバネ状部材２７を設けて締め付けられている。バネ状部材としては、皿バネ、コイルバネ等が用いられており、これによって陽極側端板と陰極側端板との距離を伸縮可能な圧縮力が与えられた状態で保持される。これによって、電気分解によって発生する熱による熱膨張による電解槽の変形を防止できるので、単位電解槽の電極面に加わる圧力が不均一となることを防止することができる。
また、陰極側端板２４には、電解槽２１へ水を供給する２個の水供給管路２０が設けられており、２個の水供給管路２０の中心を結ぶ線に対称な位置に陽極室生成物管路１４、および陰極室生成物管路１７が配置されている。
陽極側端板２３および陰極側端板２４には、それぞれ陽極側導電接続体２８、陰極側導電接続体２９を有しており、これらの導電接続体を通じて電解槽への導電接続を行うことができる。
【００２６】
図５は、電解槽の締め付け棒の締め付け部を説明する図であり、図５（Ａ）は、１個の締め付け部を説明する側面の拡大図であり、図５（Ｂ）は、１個の皿バネの斜視図を示し、図５（Ｃ）は断面図を示す。
陰極側端板２４を貫く締め付け棒２５の軸が、径の大きな側を互いに接した皿バネ３０の複数対を貫通しており、ワッシャ３１を介してナット２６が取り付けられている陰極側端板２４は、皿バネと位置が固定したナットで保持されているので、陰極側端板２４は、締め付け棒の軸方向へ伸縮可能となり、電解槽の温度上昇による熱膨張が生じても電解槽が不均一に変形することが防止される。その結果、高分子固体電解質と電極との間での接触部に不均一が生じることはなく電流分布の不均一等が生じることはない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と電極との接触を一様となり、固体高分子電解質膜面での電流分布を均一なものとすることができるので、電気分解性能の優れた電解槽を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の電解槽を説明する図であり、２個の単位電解槽を積層した図である。
【図２】図２は、電解槽を説明する分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明の電解槽の流体および電流の流れを説明する図である。
【図４】図４には、単位電解槽を積層した電解槽を説明する図である。
【図５】図５は、電解槽のタイロッドの締め付け部を説明する図である。
【図６】図６は、固体高分子電解質の両面に電極を積層して密着した電解槽である。
【符号の説明】
１…単位電解槽、２…固体高分子電解質膜、３…陽極、４…陰極、５…陽極室隔壁、６…陰極室隔壁、７…陽極室、８…陽極集電体、９…陰極室、１０…陰極集電体、１１…陽極室枠、１２…ガスケット、１３…陽極室生成物通路、１４…陽極室生成物管路、１５…陰極室枠、１６…陰極室生成物通路、１７…陰極室生成物管路、１８…導電性弾性体、１９…中間枠体、２０…水供給管路、２０ａ…水供給通路、２１…電解槽、２２…直流電源、２３…陽極側端板、２４…陰極側端板、２５…締め付け棒、２６…ナット、２７…バネ状部材、２８…陽極側導電接続体、２９…陰極側導電接続体、３０…皿バネ、３１…ワッシャ、４１…固体高分子電解質、４２…陽極、４３…陰極、４４…複極板、４５，４６…端板、４７…締め付けボルト

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜を介して陽極および陰極を配置した単位電解槽を積層した電解槽において、固体高分子電解質膜を介して陽極および陰極を配置し、陽極を配置した陽極室を区画する陽極室隔壁および陰極を配置した陰極室を区画する陰極室隔壁からなる単位電解槽の複数個を、陽極室隔壁と陰極室隔壁の間に設けた中間枠体の内部に導電性弾性体を介在させて積層したものであることを特徴とする電解槽。
2. 管路が形成された陰極室隔壁、陽極室隔壁、中間枠体を積層し、積層体の両端面に供給管路、生成物管路が設けられた陽極側端板と陰極側端板を配置し、陽極側端板と陰極側端板間の距離が伸縮可能であるとともに圧縮力を与えた状態で保持する保持手段で保持したことを特徴とする請求項１記載の電解槽。

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