固体高分子形水電解装置
【課題】シール部材および給電体の面圧の調節を容易に行えるようにし、組立コストの低減をはかれるとともにシール部材の高温環境に伴う変化の影響を抑制できる固体高分子形水電解装置を提供する。
【解決手段】電解質としての固体高分子膜２５の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体１３と、膜電極接合体１３を挟持し、電荷を与える酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７と、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７を膜電極接合体１３に向けて押圧する酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１と、膜電極接合体１３の周縁部および前記各セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするゴム板２３と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、ゴム板２３の圧縮方向におけるばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされている。
【解決手段】電解質としての固体高分子膜２５の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体１３と、膜電極接合体１３を挟持し、電荷を与える酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７と、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７を膜電極接合体１３に向けて押圧する酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１と、膜電極接合体１３の周縁部および前記各セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするゴム板２３と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、ゴム板２３の圧縮方向におけるばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、固体電解質燃料電池の燃料としての水素・酸素の生成に固体高分子形水電解装置が用いられることは良く知られている。この固体高分子形水電解装置には、水電解処理を行う水電解セルが用いられている。通常この水電解セルは複数積層され、水電解セルスタックを形成している。
この水電解セルは、たとえば、約０．１〜０．２ｍｍの薄膜の電解質としての固体高分子膜の両面に、たとえば、メッキ法にて触媒を含む電極を接合させた膜電極接合体が、一対の給電体によって挟持され、さらに、その外側から一対のセパレータによって押圧されてセルを構成し、このセルが多層状に積層されたものである。
各セルでは、一対の給電体間に直流電流を印加するとともに水（純水）を供給することによって陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生する。
【０００３】
給電体は、電極に水を供給する水路機能と、電極に電気を供給する給電機能とを併せ持つものとなるので、水の流動抵抗が小さく、しかも電気抵抗が小さいものであることが求められる。
このため、給電体としては、エキスパンドメッシュ、金網、パンチングメタル等の開口部を有するチタン製の多孔体を、固体高分子膜側から順次その開口部の目開きが大きくなるように積層されたものが用いられている。これにより、給電体は、セパレータ側からの水の通水性が良好となり、一方、固体高分子膜側との接触状態が良好とされ、接触抵抗による電気抵抗が小さくなる。
この接触抵抗は、接触時における給電体の面圧が大きくなるに伴い小さくなり、ある面圧以上となるとあまり変化しない、すなわち、安定した状態となるので、給電体はこの面圧以上となるようにセパレータによって押圧される。
【０００４】
この水、酸素ガス、水素ガス等が外部に漏洩することを防止するために、たとえば、特許文献１に示されるように、膜電極接合体（固体高分子膜）の周縁部とセパレータの周縁部との間は、たとえば、ゴム製のシール部材が介装され、シールされている。
シール部材の面圧は、シールされた状態で、給電体の面圧を維持するとともに水、酸素ガス、水素ガス等の内圧に対抗するため、給電体の面圧よりも大きく、たとえば、１．４〜１．５倍と、なるようにされている。
特許文献１に示されるものは、シール部材の固体高分子膜に接触する部分の硬度を低くし、固体高分子膜の周縁部であるシール部分にしわ等の変形があったとしてもシール部材がこの変形に沿って容易に変形し、円滑にシールできるとともに高いシール性を維持できるものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４７５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゴム製のシール部材は、漏洩距離を確保するため幅広、たとえば、厚さの数十倍の幅、とされているので、圧縮方向（厚さ方向）のばね剛性が大きくなっている。一方、給電体は多孔体の積層構造とされているため、圧縮方向のばね剛性が比較的小さい。
このため、特許文献１に示されるものを含め従来のものは、これらのシール部材および給電体の面圧調節は給電体の方が早くセパレータに接触して押圧される、言い換えれば、給電体はシール部材より大きく変位される、ようにして行われている。
【０００７】
この調節は、たとえば、まず給電体がその面圧を測定されつつ押圧される。給電体がある程度圧縮された状態でシール部材を装着し、給電体が所定面圧以上で、かつ、シール部材の面圧が給電体の面圧よりも所定倍大きくなるように調節される。このように、水電解セルスタックの組立にあたり、各セルにおいて給電体およびシール部材の面圧の調節が面圧を測定しつつ、給電体およびシール部材がそれぞれ所定面圧となるように行われるので、調節に時間がかかり、水電解セルスタックの組立コストがかかる。
【０００８】
水電解セルは運転中に高温（たとえば、１２０℃）環境となる。この高温環境でゴム製のシール部材がヘタリ、シール性能が低下することがある。この場合、シール性能を回復するために増し締めを行うと、給電体とシール部材との変位量に差がでてくる、すなわち、給電体の変位量が増加する。従来のものは給電体の変位量がシール部材の変位量よりも大きな状態であるので、この変位量の差が一層大きくなる。
これにより、給電体の膜電極接合体に対する面圧が上昇するので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることになる。固体高分子膜が潰れる事態に至ると、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合が生じる。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑み、シール部材および給電体の面圧の調節を容易に行えるようにし、組立コストの低減をはかれるとともにシール部材の高温環境に伴う変化の影響を抑制できる固体高分子形水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる固体高分子形水電解装置は、電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の周囲および前記セパレータの周囲を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記給電体の該圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体を一対の給電体によって挟持し、一対のセパレータがその両側からそれぞれ給電体を膜電極接合体に所定面圧にて押圧して水電解セルが形成される。また、膜電極接合体の周囲およびセパレータの周囲の間には、シール部材が介装され、内部の水、酸素ガス、水素ガスが外部に漏れるのをシールしている。このシール部材の面圧は、給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧とされている。
所定面圧は、給電体の構造、材料等によって異なるものであり、たとえば、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定倍数は、シール部材が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできる面圧を確保できるように設定されるもので、ある程度の幅を有する。
【００１２】
本発明では、シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、給電体の圧縮方向のばね剛性よりも略所定倍数大きくされているので、シール部材および給電体が略同量変位した場合、シール部材の面圧は、給電体の面圧の略所定倍数大きくなる。したがって、シール部材および給電体を変位量が略一定になるように押圧することによってシール部材および給電体の最適な面圧分布を得ることができる。
また、給電体のばね剛性が判明しているので、変位量を設定すると面圧が決定できる。言い換えると、所定面圧を得るために必要な変位量が決定できることになる。
【００１３】
したがって、シール部材および給電体を、給電体が所定面圧となる変位量となるように押圧することによって、シール部材および給電体は最適な面圧分布を得ることができる。
このように、組立がシール部材および給電体を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することならびに給電体およびシール部材のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。これにより、シール部材および給電体の面圧の調節が容易となるので、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立作業が簡単となる。したがって、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立を短時間で行うことができるので、組立コストを低減することができる。
【００１４】
シール部材として、たとえば、ゴムを用いると、ゴムが高温環境でヘタリ、シール性能が低下した場合、シール性能を回復するために増し締めを行うこととなる。これにより、給電体とシール部材との変位量に差がでてくる、すなわち、給電体の変位量が増加するが、もともと給電体およびシール部材の変位量が略同一であるので、もともとシール部材および給電体の間に変位量の差がある従来のものに比べてその影響は小さくなる。
したがって、給電体の膜電極接合体に対する面圧の上昇度合いが比較的少なくなるので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜が潰れる事態に至り、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合を抑制することができる。
【００１５】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさを調節することによって調節されるようにしてもよい。
【００１６】
ばね剛性が、断面積の大きさによって変化するので、断面積の大きさを調節することによってばね剛性の大きさを調節することができる。ばね剛性を大きくする場合には、シール部材の断面積を大きくする。反対にばね剛性を小さくする場合には、シール部材の断面積を小さくする。この場合、所定の漏洩距離を確保するようにすることが望ましい。
【００１７】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞を設け、該各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさを調節し、前記シール部材の前記ばね剛性の大きさを調節するようにしてもよい。
【００１８】
シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞が設けられているので、シール部材の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、シール部材のばね剛性を低減することができる。
また、空洞を設けてもシール部材の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、シール部材のばね剛性を低減することができる。
【００１９】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていてもよい。
【００２０】
このようにすると、空洞の１個１個は面積の小さなものとなるので、シール部材の断面積の調節を細かく行うことができる。また、この小さな空洞がシール部材の面内に分散して配置されるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを抑制することができる。
【００２１】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されるようにしてもよい。
【００２２】
このようにすると、多数の空洞をより密に配置することができるので、シール部材のばね剛性をより大きく低下させることができる。また、多数の空洞をより均一に配置することができるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、給電体の圧縮方向のばね剛性よりも略所定倍数大きくされているので、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立作業が簡単となり、短時間で行うことができ、組立コストを低減することができる。
また、高温環境下でのシール部材のヘタリ等によるシール性能の低下を回復するために増し締めを行った場合、給電体の面圧が増加するが、これの繰り返しにより膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態にかかる固体高分子形水電解装置について図１〜図３を用いて説明する。
固体高分子形水電解装置には、供給された水（真水）を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる水電解セルスタック１が備えられている。
【００２５】
図１は、水電解セルスタック１の概略構成を示す正面図である。
水電解セルスタック１には、供給された水を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる複数の水電解セル３と、積層された複数の水電解セル３を両側から押圧する一対の押え板５，７と、押え板５および押え板７を接離させるボルト９およびナット１１と、が備えられている。
押え板５，７は、厚さが略７０ｍｍの鋼製の厚板材であり、略剛体として挙動する。ボルト９の上部は、押え板５に対し上下方向（圧縮方向Ｃ）に移動を拘束され、回転可能に保持されている。
【００２６】
図２は、水電解セル３の概略構成を示す断面図である。図３は、図２のＸ−Ｘ断面図である。
水電解セル３には、膜電極接合体１３と、酸素極側給電体（給電体）１５と、水素極側給電体（給電体）１７と、酸素極側セパレータ（セパレータ）１９と、水素極側セパレータ（セパレータ）２１と、ゴム板（シール部材）２３と、が備えられている。
膜電極接合体１３は、電解質としての固体高分子膜２５の一方の面に酸素極触媒層（電極）２７が、他方の面に水素極触媒層（電極）２９が、接合されて構成されている。
【００２７】
固体高分子膜１は、略矩形状をした、たとえば、厚さが０．１〜０．２ｍｍの薄膜である。
酸素極触媒層２７は、たとえば、白金、酸化イリジウム、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜１の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
水素極触媒層２９は、たとえば、白金粒子、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜１の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
酸素極触媒層２７および水素極触媒層２９は略矩形状に形成され、その厚さは、たとえば、数μｍとされている。
【００２８】
酸素極側給電体１５は酸素極触媒層２７に正の電荷および水を供給し、水素極側給電体１７は水素極触媒層２９に負の電荷および水を供給するものである。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７は、たとえば、それぞれ表面に白金メッキが施されたチタンで形成された略矩形状のエキスパンドメッシュが、複数枚積層されて形成されている。
積層されたエキスパンドメッシュのメッシュの目開きは、固体高分子膜１側から外側に行くに従い順次大きくなるようにされている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の厚さは、たとえば、略４ｍｍとされている。
【００２９】
酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１は、略矩形状をしたチタン製の板部材である。その厚さは、たとえば、略１ｍｍとされている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の間には、酸素極側給電体１５が正、水素極側給電体１７が負となるように図示しない電源装置から直流電流が印加されている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７には、図示しない水供給源から水が供給されるようにされている。
なお、水は、たとえば、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１に形成された流路を通って酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給されるようにされてもよい。
【００３０】
酸素極側給電体１５から発生した酸素ガスおよび水が、水素極側給電体１７から発生した水素ガスおよび水が図示しない配管によって排出されるようにされている。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給されるようにされている。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
【００３１】
ゴム板２３は、固体高分子膜２５（膜電極接合体１３）の周縁部と酸素極側セパレータ１９の周縁部との間、および固体高分子膜２５（膜電極接合体１３）の周縁部と水素極側セパレータ２１の周縁部との間、に介装されている。
ゴム板２３は、図３に示されるように中空の四角柱形状をしている。ゴム板２３の中空部には、酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１が位置させられている。言い換えると、ゴム板２３は、酸素極側給電体１５および酸素極触媒層２７、あるいは、水素極側セパレータ２１および水素極触媒層２９を包囲するように配置されている。
【００３２】
ゴム板２３の材料は、たとえば、バイトン（登録商標）等のフッ素ゴムとされている。これは、たとえば、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム等を用いてもよい。
ゴム板２３の厚さは略４ｍｍとされている。無負荷の状態で、ゴム板２３と酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７とが、酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１に略同時に接触するようにされている。
【００３３】
言い換えると、ゴム板２３の外側端位置は酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７の外側端位置と略同一位置となるようにされている。これは酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１の内側面が平滑面とされているからであるが、この内側面が酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の位置とゴム板２３の位置とで凹凸状とされている場合には、ゴム板２３の外側端位置と酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７の外側端位置とはその凹凸に沿って位置が異ならされることになる。
【００３４】
ゴム板２３の各辺には、図３に示されるように、それぞれ圧縮方向Ｃに貫通する空洞３１が設けられている。空洞３１は、各辺の長さ方向に延在するように設けられている。
ゴム板２３の圧縮方向Ｃに直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向Ｃに直交する面積を合算した面積分減少するので、ゴム板２３の圧縮方向Ｃにおけるばね剛性が低減される。すなわち、空洞３１の合算した面積を調節することによってゴム板２３のばね剛性を調節することができる。
ゴム板２３のばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性のたとえば、略１．４倍（所定倍数）となるように調節されている。
【００３５】
以上のように構成された水電解セルスタック１の組立について説明する。
固体高分子膜２５の一面に酸素極触媒層２７を、他面に水素極触媒層２９をメッキ法によって接合し、所定数、たとえば、１０個の膜電極接合体１３を形成する。
酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１を所定数準備する。
ボルト９およびナット１１を緩め、押え板５と押え板７との間隔を空ける。押え板７の上に、水素極側セパレータ２１、水素極側給電体１７およびゴム板２３、膜電極接合体１３、酸素極側給電体１５およびゴム板２３、酸素極側セパレータ１９の順に載置し、１個の水電解セル３を形成する。
これを繰り返し、水電解セル３を複数、たとえば、１０個積層する。
【００３６】
このとき、各ゴム板２３と、酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７と、は略同一厚さとされ、それぞれ酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１に同時に接触している。
この状態で、ボルト９およびナット１１を締めると、押え板７が押え板５の方に移動する。押え板７が一番上の水電解セル３に当接した所から押え板７を押え板５側に所定距離だけ変位させる。
押え板５，７の剛性は、水電解セル３に比べて格段に大きいので、変形せず、各水電解セル３が略均等に圧縮されることになる。
【００３７】
各水電解セル３では、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１の剛性が大きいので、主として酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７およびゴム板２３が圧縮される。
この所定距離は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の膜電極接合体１３に対する面圧が所定面圧、たとえば、１．４ＭＰａ、になるように設定される。
所定面圧は、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定面圧およびばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の構造、材料等によって異なる。
【００３８】
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の圧縮方向Ｃにおけるばね剛性は予め判明しているので、圧縮量（変位量）、すなわち、押え板７の移動距離を設定すると面圧が決定できる。言い換えると、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の所定面圧とばね剛性とがわかると、必要な変位量が決定できる。この各水電解セル３の変位量の合計が前記所定距離となる。
【００３９】
押え板７が所定距離移動すると、ゴム板２３は酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７と略同じ量だけ圧縮される。
ゴム板２３のばね剛性は酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性の略１．４倍（所定倍数）となるように調節されているので、ゴム板２３の面圧は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の所定面圧の略１．４倍（所定倍数）となる。
なお、この所定倍数は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７が所定面圧となったとき、ゴム板２３の面圧が、この所定面圧および水電解セル３が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできるように設定される。本実施形態では、略１．４倍としているが、内圧の大きさ等が変更されると、その数値は変化するので、条件に応じて適宜設定される。
【００４０】
ゴム板２３は、ばね剛性が、断面積の大きさによって変化するので、断面積の大きさを調節することによってばね剛性の大きさを調節することができる。
本実施形態では、ばね板２３はその漏洩距離を維持する幅とすると、そのばね剛性が酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性の略１．４倍を超えるので、空洞３１を設けてゴム板２３のばね剛性を低減している。なお、ゴム板のばね剛性を大きくするためには、空洞３１を設けずにゴム板２３の幅を大きくすればよい。
このように、ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
また、空洞３１を設けてもゴム板２３の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
【００４１】
このように、押え板７を所定距離移動させることによって、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の面圧を所定面圧に設定でき、かつ、ゴム板２３の面圧をシールに必要な面圧に設定できる。すなわち、ゴム板２３ならびに酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７は最適な面圧分布を得ることができる。
このように、水電解セルスタック１の組立が押え板２３を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することおよび酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７、ゴム板２３のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。
これにより、水電解セル３および水電解セルスタック１の組立作業が簡単となるので、それらの組立を短時間で行うことができ、組立コストを低減することができる。
【００４２】
このようにして組み立てられた水電解セルスタック１は、次のように動作する。
各水電解セル３の酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７間に図示しない電源装置から酸素極側給電体１５が正、水素極側給電体１７が負となるように直流電流を印加する。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に、図示しない水供給源から水を供給する。
酸素極触媒層２７側に酸素ガス、水素極触媒層２９側に水素ガスがそれぞれ発生する。
【００４３】
酸素極触媒層２７で発生した酸素ガスおよび水は酸素極側給電体１５を通って図示しない配管から排出される。水素極触媒層２９で発生した水素ガスおよび水は、水素極側給電体１７を通って図示しない配管によって排出される。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給される。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
【００４４】
このように運転されると、水電解セル３内は反応熱等によって高温、たとえば、１２０℃となる。ゴム板２３はこの高温環境が長く続くとヘタリが発生する。ゴム板２３がヘタると、面圧が低下してシール性能が低下することがあるので、面圧を回復するために増し締めを行うこととなる。
これにより、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７とゴム板２３との変位量に差がでてくる、すなわち、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の変位量が増加するが、本実施形態では、もともと酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７ならびにゴム板２３の変位量が略同一であるので、もともとこれらの間に大きな変位量の差がある従来のものに比べてその影響は小さくなる。
【００４５】
したがって、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の膜電極接合体１３に対する面圧の上昇度合いが比較的少なくなるので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体３に固体高分子膜１が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。
あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜２５が潰れる事態に至り、酸素極触媒層２７および水素極触媒層２９がショートする不具合を抑制することができる。
【００４６】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形水電解装置について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、空洞３１の大きさおよび配置が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
【００４７】
本実施形態では、空洞３１は円筒形状とされている。空洞３１の径は比較的小さく形成され、多数が略直行するように配置されている。
ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
空洞３１の数は、ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさが必要なばね剛性を得られる大きさとなるように設定される。この場合、必要な面積に応じて空洞３１の径を設定するようにしてもよいし、単位径の空洞３１とし、過不足を一部の空洞３１の径の大きさで調整するようにしてもよい。
【００４８】
このようにすると、空洞３１の１個１個は面積の小さなものとなるので、ゴム板２３の断面積の調節を細かく行うことができる。
第一実施形態のように空洞３１がゴム板２３の各辺に沿うような大きな面積とすると、面積の設定は比較的容易である。しかし、空洞３１の断面形状は、細長くなる。このゴム板２３が圧縮荷重を負荷すると、短辺部と長辺部との面内変形量が異なり、長辺部が大きく面内変形して、外側にはみだしたり、内側にはみだしたりする。内側にはみだすと酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７等を内側に押し込む可能性が大きくなる。
本実施形態のように空洞３１の断面形状が円形の場合、圧縮荷重に対する面内変位が同等であり、長孔に比べて面内変位を小さくできる。
【００４９】
また、この小さな空洞がシール部材の面内に分散して配置されるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを抑制することができる。
なお、空洞３１の断面形状は、円形に限らず、縦横の長さの差異が比較的小さい形状であれば、長円形、任意の多角形等適宜形状としてよい。
【００５０】
また、多数の空洞３１は、図４に示されるような直行するように配置されているが、これは、たとえば、図５に示されるように、ゴム板２３の面内で千鳥配置されるようにしてもよい。
このようにすると、多数の空洞３１をより密に配置することができるので、ゴム板２３のばね剛性をより大きく低下させることができる。
また、多数の空洞３１をより均一に配置することができるので、空洞３１によるゴム板２３の強度低下が部分的に集中することを一層抑制することができる。
さらに、同じばね剛性でもゴム板２３の面内変位を直行配置よりもさらに低下することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる水電解セルスタックの概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる水電解セルの概略構成を示す断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる水電解セルの図３と同様部分を示す断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる水電解セルの別の実施態様を示し、図３と同様部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 水電解セルスタック
３ 水電解セル
１３ 膜電極接合体
１５ 酸素極側給電体
１７ 水素極側給電体
１９ 酸素極側セパレータ
２１ 水素極側セパレータ
２３ ゴム板
２５ 固体高分子膜
２７ 酸素極触媒層
２９ 水素極触媒層
Ｃ 圧縮方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、固体電解質燃料電池の燃料としての水素・酸素の生成に固体高分子形水電解装置が用いられることは良く知られている。この固体高分子形水電解装置には、水電解処理を行う水電解セルが用いられている。通常この水電解セルは複数積層され、水電解セルスタックを形成している。
この水電解セルは、たとえば、約０．１〜０．２ｍｍの薄膜の電解質としての固体高分子膜の両面に、たとえば、メッキ法にて触媒を含む電極を接合させた膜電極接合体が、一対の給電体によって挟持され、さらに、その外側から一対のセパレータによって押圧されてセルを構成し、このセルが多層状に積層されたものである。
各セルでは、一対の給電体間に直流電流を印加するとともに水（純水）を供給することによって陽極側に酸素ガス、陰極側に水素ガスがそれぞれ発生する。
【０００３】
給電体は、電極に水を供給する水路機能と、電極に電気を供給する給電機能とを併せ持つものとなるので、水の流動抵抗が小さく、しかも電気抵抗が小さいものであることが求められる。
このため、給電体としては、エキスパンドメッシュ、金網、パンチングメタル等の開口部を有するチタン製の多孔体を、固体高分子膜側から順次その開口部の目開きが大きくなるように積層されたものが用いられている。これにより、給電体は、セパレータ側からの水の通水性が良好となり、一方、固体高分子膜側との接触状態が良好とされ、接触抵抗による電気抵抗が小さくなる。
この接触抵抗は、接触時における給電体の面圧が大きくなるに伴い小さくなり、ある面圧以上となるとあまり変化しない、すなわち、安定した状態となるので、給電体はこの面圧以上となるようにセパレータによって押圧される。
【０００４】
この水、酸素ガス、水素ガス等が外部に漏洩することを防止するために、たとえば、特許文献１に示されるように、膜電極接合体（固体高分子膜）の周縁部とセパレータの周縁部との間は、たとえば、ゴム製のシール部材が介装され、シールされている。
シール部材の面圧は、シールされた状態で、給電体の面圧を維持するとともに水、酸素ガス、水素ガス等の内圧に対抗するため、給電体の面圧よりも大きく、たとえば、１．４〜１．５倍と、なるようにされている。
特許文献１に示されるものは、シール部材の固体高分子膜に接触する部分の硬度を低くし、固体高分子膜の周縁部であるシール部分にしわ等の変形があったとしてもシール部材がこの変形に沿って容易に変形し、円滑にシールできるとともに高いシール性を維持できるものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４７５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゴム製のシール部材は、漏洩距離を確保するため幅広、たとえば、厚さの数十倍の幅、とされているので、圧縮方向（厚さ方向）のばね剛性が大きくなっている。一方、給電体は多孔体の積層構造とされているため、圧縮方向のばね剛性が比較的小さい。
このため、特許文献１に示されるものを含め従来のものは、これらのシール部材および給電体の面圧調節は給電体の方が早くセパレータに接触して押圧される、言い換えれば、給電体はシール部材より大きく変位される、ようにして行われている。
【０００７】
この調節は、たとえば、まず給電体がその面圧を測定されつつ押圧される。給電体がある程度圧縮された状態でシール部材を装着し、給電体が所定面圧以上で、かつ、シール部材の面圧が給電体の面圧よりも所定倍大きくなるように調節される。このように、水電解セルスタックの組立にあたり、各セルにおいて給電体およびシール部材の面圧の調節が面圧を測定しつつ、給電体およびシール部材がそれぞれ所定面圧となるように行われるので、調節に時間がかかり、水電解セルスタックの組立コストがかかる。
【０００８】
水電解セルは運転中に高温（たとえば、１２０℃）環境となる。この高温環境でゴム製のシール部材がヘタリ、シール性能が低下することがある。この場合、シール性能を回復するために増し締めを行うと、給電体とシール部材との変位量に差がでてくる、すなわち、給電体の変位量が増加する。従来のものは給電体の変位量がシール部材の変位量よりも大きな状態であるので、この変位量の差が一層大きくなる。
これにより、給電体の膜電極接合体に対する面圧が上昇するので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることになる。固体高分子膜が潰れる事態に至ると、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合が生じる。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑み、シール部材および給電体の面圧の調節を容易に行えるようにし、組立コストの低減をはかれるとともにシール部材の高温環境に伴う変化の影響を抑制できる固体高分子形水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる固体高分子形水電解装置は、電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の周囲および前記セパレータの周囲を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記給電体の該圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体を一対の給電体によって挟持し、一対のセパレータがその両側からそれぞれ給電体を膜電極接合体に所定面圧にて押圧して水電解セルが形成される。また、膜電極接合体の周囲およびセパレータの周囲の間には、シール部材が介装され、内部の水、酸素ガス、水素ガスが外部に漏れるのをシールしている。このシール部材の面圧は、給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧とされている。
所定面圧は、給電体の構造、材料等によって異なるものであり、たとえば、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定倍数は、シール部材が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできる面圧を確保できるように設定されるもので、ある程度の幅を有する。
【００１２】
本発明では、シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、給電体の圧縮方向のばね剛性よりも略所定倍数大きくされているので、シール部材および給電体が略同量変位した場合、シール部材の面圧は、給電体の面圧の略所定倍数大きくなる。したがって、シール部材および給電体を変位量が略一定になるように押圧することによってシール部材および給電体の最適な面圧分布を得ることができる。
また、給電体のばね剛性が判明しているので、変位量を設定すると面圧が決定できる。言い換えると、所定面圧を得るために必要な変位量が決定できることになる。
【００１３】
したがって、シール部材および給電体を、給電体が所定面圧となる変位量となるように押圧することによって、シール部材および給電体は最適な面圧分布を得ることができる。
このように、組立がシール部材および給電体を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することならびに給電体およびシール部材のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。これにより、シール部材および給電体の面圧の調節が容易となるので、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立作業が簡単となる。したがって、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立を短時間で行うことができるので、組立コストを低減することができる。
【００１４】
シール部材として、たとえば、ゴムを用いると、ゴムが高温環境でヘタリ、シール性能が低下した場合、シール性能を回復するために増し締めを行うこととなる。これにより、給電体とシール部材との変位量に差がでてくる、すなわち、給電体の変位量が増加するが、もともと給電体およびシール部材の変位量が略同一であるので、もともとシール部材および給電体の間に変位量の差がある従来のものに比べてその影響は小さくなる。
したがって、給電体の膜電極接合体に対する面圧の上昇度合いが比較的少なくなるので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜が潰れる事態に至り、固体高分子膜の両面の電極がショートする不具合を抑制することができる。
【００１５】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさを調節することによって調節されるようにしてもよい。
【００１６】
ばね剛性が、断面積の大きさによって変化するので、断面積の大きさを調節することによってばね剛性の大きさを調節することができる。ばね剛性を大きくする場合には、シール部材の断面積を大きくする。反対にばね剛性を小さくする場合には、シール部材の断面積を小さくする。この場合、所定の漏洩距離を確保するようにすることが望ましい。
【００１７】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞を設け、該各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさを調節し、前記シール部材の前記ばね剛性の大きさを調節するようにしてもよい。
【００１８】
シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞が設けられているので、シール部材の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、シール部材のばね剛性を低減することができる。
また、空洞を設けてもシール部材の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、シール部材のばね剛性を低減することができる。
【００１９】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていてもよい。
【００２０】
このようにすると、空洞の１個１個は面積の小さなものとなるので、シール部材の断面積の調節を細かく行うことができる。また、この小さな空洞がシール部材の面内に分散して配置されるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを抑制することができる。
【００２１】
本発明にかかる固体高分子形水電解装置では、前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されるようにしてもよい。
【００２２】
このようにすると、多数の空洞をより密に配置することができるので、シール部材のばね剛性をより大きく低下させることができる。また、多数の空洞をより均一に配置することができるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、給電体の圧縮方向のばね剛性よりも略所定倍数大きくされているので、水電解セルおよび水電解セルスタックの組立作業が簡単となり、短時間で行うことができ、組立コストを低減することができる。
また、高温環境下でのシール部材のヘタリ等によるシール性能の低下を回復するために増し締めを行った場合、給電体の面圧が増加するが、これの繰り返しにより膜電極接合体に固体高分子膜が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態にかかる固体高分子形水電解装置について図１〜図３を用いて説明する。
固体高分子形水電解装置には、供給された水（真水）を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる水電解セルスタック１が備えられている。
【００２５】
図１は、水電解セルスタック１の概略構成を示す正面図である。
水電解セルスタック１には、供給された水を電気分解して酸素ガスおよび水素ガスを発生させる複数の水電解セル３と、積層された複数の水電解セル３を両側から押圧する一対の押え板５，７と、押え板５および押え板７を接離させるボルト９およびナット１１と、が備えられている。
押え板５，７は、厚さが略７０ｍｍの鋼製の厚板材であり、略剛体として挙動する。ボルト９の上部は、押え板５に対し上下方向（圧縮方向Ｃ）に移動を拘束され、回転可能に保持されている。
【００２６】
図２は、水電解セル３の概略構成を示す断面図である。図３は、図２のＸ−Ｘ断面図である。
水電解セル３には、膜電極接合体１３と、酸素極側給電体（給電体）１５と、水素極側給電体（給電体）１７と、酸素極側セパレータ（セパレータ）１９と、水素極側セパレータ（セパレータ）２１と、ゴム板（シール部材）２３と、が備えられている。
膜電極接合体１３は、電解質としての固体高分子膜２５の一方の面に酸素極触媒層（電極）２７が、他方の面に水素極触媒層（電極）２９が、接合されて構成されている。
【００２７】
固体高分子膜１は、略矩形状をした、たとえば、厚さが０．１〜０．２ｍｍの薄膜である。
酸素極触媒層２７は、たとえば、白金、酸化イリジウム、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜１の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
水素極触媒層２９は、たとえば、白金粒子、固体電解質溶液および撥水化剤で構成され、固体高分子膜１の中央域に、たとえば、メッキ法によって接合されている。
酸素極触媒層２７および水素極触媒層２９は略矩形状に形成され、その厚さは、たとえば、数μｍとされている。
【００２８】
酸素極側給電体１５は酸素極触媒層２７に正の電荷および水を供給し、水素極側給電体１７は水素極触媒層２９に負の電荷および水を供給するものである。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７は、たとえば、それぞれ表面に白金メッキが施されたチタンで形成された略矩形状のエキスパンドメッシュが、複数枚積層されて形成されている。
積層されたエキスパンドメッシュのメッシュの目開きは、固体高分子膜１側から外側に行くに従い順次大きくなるようにされている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の厚さは、たとえば、略４ｍｍとされている。
【００２９】
酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１は、略矩形状をしたチタン製の板部材である。その厚さは、たとえば、略１ｍｍとされている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の間には、酸素極側給電体１５が正、水素極側給電体１７が負となるように図示しない電源装置から直流電流が印加されている。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７には、図示しない水供給源から水が供給されるようにされている。
なお、水は、たとえば、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１に形成された流路を通って酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給されるようにされてもよい。
【００３０】
酸素極側給電体１５から発生した酸素ガスおよび水が、水素極側給電体１７から発生した水素ガスおよび水が図示しない配管によって排出されるようにされている。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給されるようにされている。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
【００３１】
ゴム板２３は、固体高分子膜２５（膜電極接合体１３）の周縁部と酸素極側セパレータ１９の周縁部との間、および固体高分子膜２５（膜電極接合体１３）の周縁部と水素極側セパレータ２１の周縁部との間、に介装されている。
ゴム板２３は、図３に示されるように中空の四角柱形状をしている。ゴム板２３の中空部には、酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１が位置させられている。言い換えると、ゴム板２３は、酸素極側給電体１５および酸素極触媒層２７、あるいは、水素極側セパレータ２１および水素極触媒層２９を包囲するように配置されている。
【００３２】
ゴム板２３の材料は、たとえば、バイトン（登録商標）等のフッ素ゴムとされている。これは、たとえば、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム等を用いてもよい。
ゴム板２３の厚さは略４ｍｍとされている。無負荷の状態で、ゴム板２３と酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７とが、酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１に略同時に接触するようにされている。
【００３３】
言い換えると、ゴム板２３の外側端位置は酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７の外側端位置と略同一位置となるようにされている。これは酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１の内側面が平滑面とされているからであるが、この内側面が酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の位置とゴム板２３の位置とで凹凸状とされている場合には、ゴム板２３の外側端位置と酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７の外側端位置とはその凹凸に沿って位置が異ならされることになる。
【００３４】
ゴム板２３の各辺には、図３に示されるように、それぞれ圧縮方向Ｃに貫通する空洞３１が設けられている。空洞３１は、各辺の長さ方向に延在するように設けられている。
ゴム板２３の圧縮方向Ｃに直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向Ｃに直交する面積を合算した面積分減少するので、ゴム板２３の圧縮方向Ｃにおけるばね剛性が低減される。すなわち、空洞３１の合算した面積を調節することによってゴム板２３のばね剛性を調節することができる。
ゴム板２３のばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性のたとえば、略１．４倍（所定倍数）となるように調節されている。
【００３５】
以上のように構成された水電解セルスタック１の組立について説明する。
固体高分子膜２５の一面に酸素極触媒層２７を、他面に水素極触媒層２９をメッキ法によって接合し、所定数、たとえば、１０個の膜電極接合体１３を形成する。
酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１を所定数準備する。
ボルト９およびナット１１を緩め、押え板５と押え板７との間隔を空ける。押え板７の上に、水素極側セパレータ２１、水素極側給電体１７およびゴム板２３、膜電極接合体１３、酸素極側給電体１５およびゴム板２３、酸素極側セパレータ１９の順に載置し、１個の水電解セル３を形成する。
これを繰り返し、水電解セル３を複数、たとえば、１０個積層する。
【００３６】
このとき、各ゴム板２３と、酸素極側給電体１５あるいは水素極側給電体１７と、は略同一厚さとされ、それぞれ酸素極側セパレータ１９あるいは水素極側セパレータ２１に同時に接触している。
この状態で、ボルト９およびナット１１を締めると、押え板７が押え板５の方に移動する。押え板７が一番上の水電解セル３に当接した所から押え板７を押え板５側に所定距離だけ変位させる。
押え板５，７の剛性は、水電解セル３に比べて格段に大きいので、変形せず、各水電解セル３が略均等に圧縮されることになる。
【００３７】
各水電解セル３では、酸素極側セパレータ１９および水素極側セパレータ２１の剛性が大きいので、主として酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７およびゴム板２３が圧縮される。
この所定距離は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の膜電極接合体１３に対する面圧が所定面圧、たとえば、１．４ＭＰａ、になるように設定される。
所定面圧は、接触抵抗による電気抵抗が安定した状態となる程度の大きさとするのが望ましい。
所定面圧およびばね剛性は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の構造、材料等によって異なる。
【００３８】
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の圧縮方向Ｃにおけるばね剛性は予め判明しているので、圧縮量（変位量）、すなわち、押え板７の移動距離を設定すると面圧が決定できる。言い換えると、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の所定面圧とばね剛性とがわかると、必要な変位量が決定できる。この各水電解セル３の変位量の合計が前記所定距離となる。
【００３９】
押え板７が所定距離移動すると、ゴム板２３は酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７と略同じ量だけ圧縮される。
ゴム板２３のばね剛性は酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性の略１．４倍（所定倍数）となるように調節されているので、ゴム板２３の面圧は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の所定面圧の略１．４倍（所定倍数）となる。
なお、この所定倍数は、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７が所定面圧となったとき、ゴム板２３の面圧が、この所定面圧および水電解セル３が発生する内圧の大きさ等を確実にシールできるように設定される。本実施形態では、略１．４倍としているが、内圧の大きさ等が変更されると、その数値は変化するので、条件に応じて適宜設定される。
【００４０】
ゴム板２３は、ばね剛性が、断面積の大きさによって変化するので、断面積の大きさを調節することによってばね剛性の大きさを調節することができる。
本実施形態では、ばね板２３はその漏洩距離を維持する幅とすると、そのばね剛性が酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７のばね剛性の略１．４倍を超えるので、空洞３１を設けてゴム板２３のばね剛性を低減している。なお、ゴム板のばね剛性を大きくするためには、空洞３１を設けずにゴム板２３の幅を大きくすればよい。
このように、ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
また、空洞３１を設けてもゴム板２３の見掛けの断面積は変化しないので、漏洩距離を維持したままで、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
【００４１】
このように、押え板７を所定距離移動させることによって、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の面圧を所定面圧に設定でき、かつ、ゴム板２３の面圧をシールに必要な面圧に設定できる。すなわち、ゴム板２３ならびに酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７は最適な面圧分布を得ることができる。
このように、水電解セルスタック１の組立が押え板２３を所定量変位させることで行われるので、面圧の大きさを測定することおよび酸素極側給電体１５、水素極側給電体１７、ゴム板２３のそれぞれの面圧を調節することが必要でなくなる。
これにより、水電解セル３および水電解セルスタック１の組立作業が簡単となるので、それらの組立を短時間で行うことができ、組立コストを低減することができる。
【００４２】
このようにして組み立てられた水電解セルスタック１は、次のように動作する。
各水電解セル３の酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７間に図示しない電源装置から酸素極側給電体１５が正、水素極側給電体１７が負となるように直流電流を印加する。
酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に、図示しない水供給源から水を供給する。
酸素極触媒層２７側に酸素ガス、水素極触媒層２９側に水素ガスがそれぞれ発生する。
【００４３】
酸素極触媒層２７で発生した酸素ガスおよび水は酸素極側給電体１５を通って図示しない配管から排出される。水素極触媒層２９で発生した水素ガスおよび水は、水素極側給電体１７を通って図示しない配管によって排出される。
排出された酸素ガスおよび水ならびに水素ガスおよび水は、それぞれ気液分離され、水は再度酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７に供給される。
分離された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、図示しないタンクに貯蔵される。
貯蔵された酸素ガスおよび水素ガスは、たとえば、固体高分子形燃料電池の燃料等、適宜用途に用いられる。
【００４４】
このように運転されると、水電解セル３内は反応熱等によって高温、たとえば、１２０℃となる。ゴム板２３はこの高温環境が長く続くとヘタリが発生する。ゴム板２３がヘタると、面圧が低下してシール性能が低下することがあるので、面圧を回復するために増し締めを行うこととなる。
これにより、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７とゴム板２３との変位量に差がでてくる、すなわち、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の変位量が増加するが、本実施形態では、もともと酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７ならびにゴム板２３の変位量が略同一であるので、もともとこれらの間に大きな変位量の差がある従来のものに比べてその影響は小さくなる。
【００４５】
したがって、酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７の膜電極接合体１３に対する面圧の上昇度合いが比較的少なくなるので、増し締めが繰り返されることによって膜電極接合体３に固体高分子膜１が潰れる限界面圧を超える面圧が負荷されることを抑制することができる。
あるいは、それに至るまでの時間を延期することができる。これにより固体高分子膜２５が潰れる事態に至り、酸素極触媒層２７および水素極触媒層２９がショートする不具合を抑制することができる。
【００４６】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形水電解装置について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、空洞３１の大きさおよび配置が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
【００４７】
本実施形態では、空洞３１は円筒形状とされている。空洞３１の径は比較的小さく形成され、多数が略直行するように配置されている。
ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさは各空洞３１の圧縮方向に直交する面積を合算した面積分減少することとなり、ゴム板２３のばね剛性を低減することができる。
空洞３１の数は、ゴム板２３の圧縮方向に直交する断面積の大きさが必要なばね剛性を得られる大きさとなるように設定される。この場合、必要な面積に応じて空洞３１の径を設定するようにしてもよいし、単位径の空洞３１とし、過不足を一部の空洞３１の径の大きさで調整するようにしてもよい。
【００４８】
このようにすると、空洞３１の１個１個は面積の小さなものとなるので、ゴム板２３の断面積の調節を細かく行うことができる。
第一実施形態のように空洞３１がゴム板２３の各辺に沿うような大きな面積とすると、面積の設定は比較的容易である。しかし、空洞３１の断面形状は、細長くなる。このゴム板２３が圧縮荷重を負荷すると、短辺部と長辺部との面内変形量が異なり、長辺部が大きく面内変形して、外側にはみだしたり、内側にはみだしたりする。内側にはみだすと酸素極側給電体１５および水素極側給電体１７等を内側に押し込む可能性が大きくなる。
本実施形態のように空洞３１の断面形状が円形の場合、圧縮荷重に対する面内変位が同等であり、長孔に比べて面内変位を小さくできる。
【００４９】
また、この小さな空洞がシール部材の面内に分散して配置されるので、空洞によるシール部材の強度低下が部分的に集中することを抑制することができる。
なお、空洞３１の断面形状は、円形に限らず、縦横の長さの差異が比較的小さい形状であれば、長円形、任意の多角形等適宜形状としてよい。
【００５０】
また、多数の空洞３１は、図４に示されるような直行するように配置されているが、これは、たとえば、図５に示されるように、ゴム板２３の面内で千鳥配置されるようにしてもよい。
このようにすると、多数の空洞３１をより密に配置することができるので、ゴム板２３のばね剛性をより大きく低下させることができる。
また、多数の空洞３１をより均一に配置することができるので、空洞３１によるゴム板２３の強度低下が部分的に集中することを一層抑制することができる。
さらに、同じばね剛性でもゴム板２３の面内変位を直行配置よりもさらに低下することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる水電解セルスタックの概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる水電解セルの概略構成を示す断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる水電解セルの図３と同様部分を示す断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる水電解セルの別の実施態様を示し、図３と同様部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 水電解セルスタック
３ 水電解セル
１３ 膜電極接合体
１５ 酸素極側給電体
１７ 水素極側給電体
１９ 酸素極側セパレータ
２１ 水素極側セパレータ
２３ ゴム板
２５ 固体高分子膜
２７ 酸素極触媒層
２９ 水素極触媒層
Ｃ 圧縮方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、
該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、
前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、
前記膜電極接合体の周縁部および前記セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、
前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記給電体の該圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされていることを特徴とする固体高分子形水電解装置。
【請求項２】
前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさを調節することによって調節されることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項３】
前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞を設け、該各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさを調節し、前記シール部材の前記ばね剛性の大きさを調節することを特徴とする請求項２に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項４】
前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていることを特徴とする請求項３に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項５】
前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されることを特徴とする請求項４に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項１】
電解質としての固体高分子膜の両面にそれぞれ電極を有する膜電極接合体と、
該膜電極接合体を挟持し、それぞれ一方の前記電極に正の電荷を、他方の前記電極に負の電荷を与える一対の給電体と、
前記一対の給電体を前記膜電極接合体に向けて押圧する一対のセパレータと、
前記膜電極接合体の周縁部および前記セパレータの周縁部を、前記給電体の面圧よりも所定倍数大きな面圧でシールするシール部材と、を備えている固体高分子形水電解装置であって、
前記シール部材の圧縮方向におけるばね剛性は、前記給電体の該圧縮方向のばね剛性よりも略前記所定倍数大きくされていることを特徴とする固体高分子形水電解装置。
【請求項２】
前記シール部材の前記ばね剛性は、前記圧縮方向に直交する断面積の大きさを調節することによって調節されることを特徴とする請求項１に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項３】
前記シール部材に前記圧縮方向に貫通する少なくとも１個の空洞を設け、該各空洞の前記圧縮方向に直交する面積の合算された大きさを調節し、前記シール部材の前記ばね剛性の大きさを調節することを特徴とする請求項２に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項４】
前記空洞は、多数設けられ、前記シール部材の面内に分散配置されていることを特徴とする請求項３に記載された固体高分子形水電解装置。
【請求項５】
前記空洞は、前記シール部材の面内で千鳥配置されることを特徴とする請求項４に記載された固体高分子形水電解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−５９５０４（Ｐ２０１０−５９５０４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２７３７４（Ｐ２００８−２２７３７４）
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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