JP5525195B2 - High-pressure water electrolyzer and method for manufacturing anode-side power feeder for high-pressure water electrolyzer - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第1流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第2流路が形成される高圧水電解装置及び高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法に関する。 In the present invention, an anode-side power feeder and a cathode-side power feeder are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a first flow path for supplying water is formed between the anode-side power feeder and one separator, A high-pressure water electrolysis apparatus and a high-pressure water electrolysis apparatus in which a second flow path is formed between the cathode-side power feeder and the other separator to electrolyze the water to obtain hydrogen having a pressure higher than the pressure of the water The present invention relates to a method for manufacturing an anode-side power feeder.
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス(主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス)が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス、例えば、空気)が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas (a gas containing mainly hydrogen, such as hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas (mainly containing oxygen) is supplied to the cathode side electrode. By supplying a gas (for example, air), direct current electric energy is obtained.
一般的に、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(イオン交換膜)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。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。 In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen gas that is a fuel gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.
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。 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-side power feeding body. 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.
この種の設備として、例えば、特許文献1に開示されている給電体が知られている。この特許文献1では、図7に示すように、粉末焼結部1と繊維焼結部2とを一体に結合することにより、二重構造給電体3が構成されている。
As this type of equipment, for example, a power feeder disclosed in Patent Document 1 is known. In this patent document 1, as shown in FIG. 7, the double structure electric power feeding body 3 is comprised by couple | bonding the powder sintering part 1 and the fiber sintering
粉末焼結部1は、チタン粉末が焼結されて形成される一方、繊維焼結部2は、チタン繊維シートが焼結されて形成されている。二重構造給電体3は、水素酸素発生装置の電解セルにおいて、固体電解質膜4に粉末焼結部1が圧接された状態で使用されている。
The powder sintered part 1 is formed by sintering titanium powder, while the fiber sintered
しかしながら、上記の特許文献1では、粉末焼結部1がチタン粉末を焼結させて形成されるため、前記粉末焼結部1は、粒子の凝集状態により開口にばらつきが生じ易く、開口径の分布が広範囲になってしまう。このため、二重構造給電体3を、特に、高圧水素を発生させる高圧水電解装置に適用すると、アノード側とカソード側との差圧によって固体電解質膜4が粉末焼結部1に圧接する際、前記固体電解質膜4に損傷等のダメージが生じるという問題がある。 However, in Patent Document 1 described above, since the powder sintered portion 1 is formed by sintering titanium powder, the powder sintered portion 1 is likely to have variations in opening due to the aggregation state of the particles, and the diameter of the opening is small. The distribution becomes wide. For this reason, when the double structure power supply 3 is applied to a high pressure water electrolysis apparatus that generates high pressure hydrogen, when the solid electrolyte membrane 4 is brought into pressure contact with the powder sintered portion 1 due to a differential pressure between the anode side and the cathode side. There is a problem that damage such as damage occurs in the solid electrolyte membrane 4.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び製造工程で、電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な高圧水電解装置及び高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and it is possible to prevent damage to the electrolyte membrane as much as possible with a simple configuration and manufacturing process, and anode-side power supply for the high pressure water electrolysis device. It aims at providing the manufacturing method of a body.
本発明は、電解質膜の両側にアノード側給電体及びカソード側給電体が設けられ、前記アノード側給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第1流路が形成され、前記カソード側給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて前記水の圧力よりも高圧な水素を得る第2流路が形成され、アノード側とカソード側との差圧によって前記電解質膜が前記アノード側給電体に圧接され、前記アノード側給電体の開口径のばらつきにより前記電解質膜が損傷し得る高圧水電解装置及び前記高圧水電解装置に用いられる高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法に関するものである。
In the present invention, an anode-side power feeder and a cathode-side power feeder are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a first flow path for supplying water is formed between the anode-side power feeder and one separator, Between the cathode-side power feeder and the other separator, a second flow path is formed in which the water is electrolyzed to obtain hydrogen higher than the pressure of the water, and due to the differential pressure between the anode side and the cathode side The electrolyte membrane is pressed against the anode-side power feeder, and the electrolyte membrane can be damaged due to variations in the opening diameter of the anode-side power feeder, and the anode for the high-pressure water electrolyzer used in the high-pressure water electrolyzer The present invention relates to a method for manufacturing a side power feeder.
そして、高圧水電解装置では、アノード側給電体は、空隙率が10〜50%の多孔質給電体で構成されるとともに、前記多孔質給電体の最大開口径Dは、第2流路側の水素圧力P、電解質膜の厚さt及び前記電解質膜の引張強さσに対して、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制している。なお、多孔質給電体は、表面に多数の孔部を有するシートも含む。
In the high-pressure water electrolysis apparatus, the anode-side power feeding body is composed of a porous power feeding body with a porosity of 10 to 50%, and the maximum opening diameter D of the porous power feeding body is the hydrogen on the second flow path side. By setting the pressure P, the thickness t of the electrolyte membrane, and the tensile strength σ of the electrolyte membrane to values having a relationship of D ≦ 4 × t × σ / P, the tensile strength of the electrolyte membrane is set. The tensile stress exceeding the thickness σ is prevented from acting. The porous power supply includes a sheet having a large number of holes on the surface.
また、高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法では、前記アノード側給電体として空隙率が10〜50%の多孔質給電体を用いるとともに、前記多孔質給電体の最大開口径Dは、前記第2流路側の水素圧力P、前記電解質膜の厚さt及び前記電解質膜の引張強さσに対して、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制している。
Further, in the method for producing an anode-side power supply for a high-pressure water electrolysis apparatus, a porous power supply having a porosity of 10 to 50% is used as the anode-side power supply, and the maximum opening diameter D of the porous power supply is: By setting the hydrogen pressure P on the second flow path side, the thickness t of the electrolyte membrane, and the tensile strength σ of the electrolyte membrane to values having a relationship of D ≦ 4 × t × σ / P The tensile stress exceeding the tensile strength σ is prevented from acting on the electrolyte membrane.
本発明によれば、多孔質給電体の最大開口径が、電解質膜の厚さ及び前記電解質膜の引張強さと水電解圧力とに基づいて設定されるため、高圧の水素ガスによる前記電解質膜の破損を可及的に阻止することができる。これにより、簡単な構成及び製造工程で、良好な高圧水電解処理を継続して行うことが可能になる。 According to the present invention, the maximum opening diameter of the porous power feeder is set based on the thickness of the electrolyte membrane and the tensile strength and water electrolysis pressure of the electrolyte membrane. Damage can be prevented as much as possible. As a result, it is possible to continuously perform good high-pressure water electrolysis with a simple configuration and manufacturing process.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置10は、差圧式の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、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、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、順次、配設される。
As shown in FIG.1 and FIG.2, the
水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する複数のタイロッド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。
The
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。
As shown in FIG. 1,
図2〜図4に示すように、単位セル12は、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、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 to 4, the
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の両側に配設されるアノード側給電体40及びカソード側給電体42とを備える。
The electrolyte membrane /
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。
An anode
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。なお、アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、耐食性のチタンシート等の金属シートに、エッチング、ドリル加工、放電加工、電子ビーム、レーザ又はプレス等により開口部を形成してもよい。
The anode-side
図5に示すように、アノード側給電体40の最大開口径Dに対応して、固体高分子電解質膜38に作用する引張応力σtは、σt=荷重/π×D×膜厚の関係式から算出される。さらに、高圧水素のガス圧P及び固体高分子電解質膜38の膜厚tから、σt=(π×D2/4)×P÷(π×D×t)≦σ(σ:固体高分子電解質膜38の引張強さ)が得られる。
As shown in FIG. 5, the tensile stress σt acting on the solid
これにより、アノード側給電体40の最大開口径Dは、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値(通常、30μm〜200μm)に設定される。そして、アノード側給電体40は、上記の関係を有する最大開口径Dに設定された状態で、製造されている。
Thereby, the maximum opening diameter D of the anode side
ここで、引張強さσは、図6に示すように、固体高分子電解質膜38にσ(MPa)の応力が付与されても、前記固体高分子電解質膜38のクリープ変形が、目標運転時間において、破断伸びに達しない状態に維持される値に設定されている。
Here, as shown in FIG. 6, even if a stress of σ (MPa) is applied to the solid
図3に示すように、単位セル12の外周縁部には、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46と、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48と、反応により生成された水素(高圧水素)を流すための水素連通孔50とが設けられる。
As shown in FIG. 3, the outer peripheral edge of the
図3及び図4に示すように、アノード側セパレータ34の外周縁部には、水供給連通孔46に連通する供給通路52aと、排出連通孔48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の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される(図2及び図4参照)。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
カソード側セパレータ36の外周縁部には、水素連通孔50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の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される(図2及び図4参照)。
A
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。
The
図4に示すように、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の外側を周回して第1シール溝62aが形成される。
As shown in FIG. 4, a
図3及び図4に示すように、面36aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50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1シール溝62a〜第4シール溝62dには、例えば、Oリングである第1シール部材64a〜第4シール部材64dが配設される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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の外側を周回し、且つ第1シール溝62aに対向して第1シール溝70aが形成される。面34aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50の外側を周回し、且つ第2シール溝62b、第3シール溝62c及び第4シール溝62dに対向して第2シール溝70b、第3シール溝70c及び第4シール溝70dが形成される。第1シール溝70a〜第4シール溝70dには、例えば、Oリングである第1シール部材72a〜第4シール部材72dが収容される。
On the
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46、排出連通孔48及び水素連通孔50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50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 FIGS. 1 and 2,
このように構成される水電解装置10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
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46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及び図4に示すように、各単位セル12では、水供給連通孔46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。
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46よりも高圧に維持されており、水素連通孔50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48に沿って水電解装置10の外部に排出される。なお、第2流路58は、第1流路54よりも圧力が高い。
For this reason, hydrogen flows along the
この場合、水電解装置10は、差圧式の高圧水素製造装置を構成しており、高圧水素ガスが生成される第2流路58と、水及び酸素が流通する常圧の第1流路54との圧力差によって、固体高分子電解質膜38がアノード側給電体40に向かって押圧されている(図5参照)。
In this case, the
その際、本実施形態では、アノード側給電体40の最大開口径Dは、固体高分子電解質膜38の引張強さσ、前記固体高分子電解質膜38の膜厚t及び高圧水素のガス圧(水素圧力)Pに対して、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値に設定されている。
At this time, in this embodiment, the maximum opening diameter D of the anode-
このため、固体高分子電解質膜38には、前記固体高分子電解質膜38の強度(引張強さσ)以上の応力が作用することがない。従って、固体高分子電解質膜38は、アノード側給電体40の開口部形状に沿って変形し、破断伸びまで変形して膜破れが惹起することを確実に阻止することができる。
For this reason, stress exceeding the strength (tensile strength σ) of the solid
図6に示すように、固体高分子電解質膜38に応力σが作用しても、前記固体高分子電解質膜38のクリープ変形が、目標運転時間まで破断伸びに達しない状態に維持されているからである。
As shown in FIG. 6, even if the stress σ acts on the solid
これにより、水電解装置10は、簡単な構成及び製造工程で、固体高分子電解質膜38が損傷することを可及的に阻止し、良好な水電解処理を継続して行うことが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the
10…水電解装置 12…単位セル
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…電源
32…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…固体高分子電解質膜
40…アノード側給電体 42…カソード側給電体
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記アノード側給電体は、空隙率が10〜50%の多孔質給電体で構成されるとともに、
前記多孔質給電体の最大開口径Dは、前記第2流路側の水素圧力P、前記電解質膜の厚さt及び前記電解質膜の引張強さσに対して、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制することを特徴とする高圧水電解装置。 An anode-side feeder and a cathode-side feeder are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a first flow path for supplying water is formed between the anode-side feeder and one separator, and the cathode-side feeder Between the first separator and the other separator, a second flow path is formed in which the water is electrolyzed to obtain hydrogen higher than the pressure of the water, and the electrolyte membrane is formed by the differential pressure between the anode side and the cathode side. A high-pressure water electrolysis apparatus that is pressed against the anode-side power feeder and can damage the electrolyte membrane due to variations in the opening diameter of the anode-side power feeder;
The anode power feeding body is composed of a porous power feeding body with a porosity of 10 to 50% ,
The maximum opening diameter D of the porous power feeder is such that D ≦ 4 × t × σ / with respect to the hydrogen pressure P on the second flow path side, the thickness t of the electrolyte membrane, and the tensile strength σ of the electrolyte membrane. A high-pressure water electrolysis apparatus characterized in that a tensile stress exceeding the tensile strength σ acts on the electrolyte membrane by being set to a value having a relationship of P.
前記アノード側給電体として空隙率が10〜50%の多孔質給電体を用いるとともに、
前記多孔質給電体の最大開口径Dは、前記第2流路側の水素圧力P、前記電解質膜の厚さt及び前記電解質膜の引張強さσに対して、D≦4×t×σ/Pの関係を有する値に設定されることにより、前記電解質膜に前記引張強さσを超える引張応力が作用することを抑制することを特徴とする高圧水電解装置用アノード側給電体の製造方法。 An anode-side feeder and a cathode-side feeder are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a first flow path for supplying water is formed between the anode-side feeder and one separator, and the cathode-side feeder Between the first separator and the other separator, a second flow path is formed in which the water is electrolyzed to obtain hydrogen higher than the pressure of the water, and the electrolyte membrane is formed by the differential pressure between the anode side and the cathode side. A method for producing an anode-side power supply for a high-pressure water electrolysis apparatus used in a high-pressure water electrolysis apparatus that is pressed against the anode-side power supply and can damage the electrolyte membrane due to variations in the opening diameter of the anode-side power supply,
While using a porous power supply with a porosity of 10 to 50% as the anode-side power supply,
The maximum opening diameter D of the porous power feeder is such that D ≦ 4 × t × σ / with respect to the hydrogen pressure P on the second flow path side, the thickness t of the electrolyte membrane, and the tensile strength σ of the electrolyte membrane. A method for producing an anode-side power feeder for a high-pressure water electrolysis apparatus, wherein a tensile stress exceeding the tensile strength σ acts on the electrolyte membrane by being set to a value having a relationship of P .
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