水電解装置
【課題】シール部材から漏れるガスを外部に良好に排出させることができ、電解質膜に所望の押圧力を安定して付与することを可能にする。
【解決手段】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をアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６により挟持する。アノード側セパレータ３４には、水が供給される第１流路５４が形成され、カソード側セパレータ３６には、前記水が電気分解されて高圧水素を得る第２流路５８が形成される。第２流路５８の外側を周回して第２シール部材６６ａが挿入される第２シール溝６８ａが設けられるとともに、前記第２シール溝６８ａの外側には、該第２シール溝６８ａに連通可能で且つ圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２が設けられる。
【解決手段】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をアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６により挟持する。アノード側セパレータ３４には、水が供給される第１流路５４が形成され、カソード側セパレータ３６には、前記水が電気分解されて高圧水素を得る第２流路５８が形成される。第２流路５８の外側を周回して第２シール部材６６ａが挿入される第２シール溝６８ａが設けられるとともに、前記第２シール溝６８ａの外側には、該第２シール溝６８ａに連通可能で且つ圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
この種の設備では、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示されている水素供給装置が知られている。この水素供給装置は、図１３に示すように、電極接合体膜１の両面に陽極給電体２及び陰極給電体３を備えた接合体を、複極板４により挟持した単セルを備えている。
【０００６】
複極板４と陽極給電体２との間には、水を供給するための通路５ａが形成される一方、前記複極板４と陰極給電体３との間には、生成された水素を流動させるための通路５ｂが形成されている。複極板４の周縁部には、第１のＯリング６ａを収容するための第１のシール溝７ａ、７ｂと、第２のＯリング６ｂを収容するための第２のシール溝７ｃ、７ｄとが形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の特許文献１では、高圧水素を生成するため、通路５ｂが高圧ガス室を構成しており、前記通路５ｂに連通する第２のシール溝７ｄも、高圧水素が充填されて高圧になっている。このため、第２のＯリング６ｂから微少な水素漏れが惹起し、第２のシール溝７ｄと第１のシール溝７ｂとの間に高圧水素が滞留するおそれがある。
【０００９】
従って、第２のシール溝７ｄと第１のシール溝７ｂとの間には、滞留する高圧水素による反力が発生し、水素供給装置全体に外部から積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動し易い。これにより、電極接合体膜１に対して最適な押圧状態を維持することができず、電解電圧が上昇して電解性能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、シール部材から漏れるガスを外部に良好に排出させることができ、電解質膜に所望の押圧力を安定して付与することが可能な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】
【００１１】
本発明は、水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置に関するものである。
【００１２】
この水電解装置は、少なくとも第１セパレータ又は第２セパレータには、第１給電体又は第２給電体の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられている。
【００１３】
また、この水電解装置は、圧力開放室がシール溝の外方を全周にわたって周回することが好ましい。
【００１４】
さらに、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することが好ましい。
【００１６】
また、圧抜き通路は、第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解装置は、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、外部で第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材とを設けるとともに、前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この水電解装置は、第１流路が、水を供給する水流路を構成する一方、第２流路が、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、前記第２流路は、シール溝に連通可能であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る水電解装置は、少なくとも第１流路又は第２流路に連通し、第１及び第２セパレータの積層方向に延在する連通孔を備え、少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記連通孔の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられている。
【００２０】
さらに、この水電解装置は、圧力開放室がシール溝の外方を全周にわたって周回することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで圧抜き通路に対向する凹部を有することが好ましい。
【００２２】
また、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、圧抜き通路は、第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この水電解装置は、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、外部で第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材とを設けるとともに、前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００２５】
また、この水電解装置は、第１流路が水を供給する水流路を構成する一方、第２流路が、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、前記第２流路は、連通孔を介してシール溝に連通可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、シール溝に導入されたガスが、シール部材から漏れると、このガスは、前記シール溝の外側に連通可能な圧力開放室に流入した後、圧抜き通路を介して外部に排出される。
【００２７】
従って、シール部材から漏れたガスが、装置内に滞留することを確実に阻止することができ、電解質膜に所望の押圧力を安定して付与することが可能になる。これにより、電解電圧が上昇することを抑制することができ、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。
【図２】前記水電解装置の一部断面側面図である。
【図３】前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルの断面説明図である。
【図５】前記単位セルを構成する圧力開放室の説明図である。
【図６】第１の実施形態と比較例とにおける水電解処理時間と必要な電解電圧との関係図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。
【図９】前記水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。
【図１１】前記水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図１２】排水処理及び排気処理の構成説明図である。
【図１３】特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３及び図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（第１セパレータ）３４及びカソード側セパレータ（第２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。
【００３３】
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の両面に設けられるアノード側給電体（第１給電体）４０及びカソード側給電体（第２給電体）４２とを備える。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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）。
【００３９】
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。
【００４０】
図４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及びアノード側給電体４０の外方を周回して第１シール部材６２ａを配設するための第１シール溝６４ａ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の外側を周回して、第１シール部材６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄを配置するための第１シール溝６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが形成される。第１シール部材６２ａ〜６２ｄは、例えば、Ｏリングである。
【００４１】
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及びカソード側給電体４２の外方を周回して、第２シール部材６６ａを配設するための第２シール溝６８ａが形成される。
【００４２】
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シール部材６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄを配置するための第２シール溝６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄが形成される。第２シール部材６６ａ〜６６ｄは、例えば、Ｏリングである。
【００４３】
単位セル１２内には、第１シール溝６４ａの外側に設けられ、前記第１シール溝６４ａに連通可能で、且つ、カソード側セパレータ３６に形成された所定数の圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２を備える。
【００４４】
圧力開放室７２は、第１シール溝６４ａの外方を全周にわたって周回しており、固体高分子電解質膜３８を挟んで圧抜き通路７０に対向する凹部７４を有する。この凹部７４は、アノード側セパレータ３４に形成されるとともに、生成される水素の圧力（例えば、３５ＭＰａ）によって、固体高分子電解質膜３８が前記凹部７４内に入り込んで、圧抜き通路７０側に所定のキャビティが形成されるように寸法設定される。
【００４５】
単位セル１２内には、水素連通孔５０を周回する第１シール溝６４ｄの外側に前記第１シール溝６４ｄに連通可能で、且つ、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６に形成された所定数の圧抜き通路７６を介して外部に開放される圧力開放室７８が設けられる。この圧力開放室７８は、第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄの外方を全周にわたって周回するとともに、圧抜き通路７６に連通する凹部８０を有する。
【００４６】
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８２ａ、８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃ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。
【００４７】
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。
【００４８】
図１に示すように、配管８２ａ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
上記のように、水電解装置１０では、第２流路５８には、高圧水素が生成されており、この第２流路５８が高圧水素発生室を構成している。第２流路５８は、固体高分子電解質膜３８の表面を介して第２シール溝６８ａに連通しており、この第２シール溝６８ａにも高圧水素が充填されている。従って、図５に示すように、第２シール溝６８ａに配設されている第２シール部材６６ａと固体高分子電解質膜３８との間隙を通って、高圧水素の漏れが発生し易い。
【００５２】
この場合、第１の実施形態では、第２シール溝６８ａの外側には、前記第２シール溝６８ａに連通可能で、且つ、圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２が設けられている。このため、第２シール部材６６ａから漏れる高圧水素は、固体高分子電解質膜３８を凹部７４側に押圧変形させることにより、圧力開放室７２に流入する。次いで、高圧水素は、凹部７４に沿って第２シール溝６８ａの外方を周回した後、圧抜き通路７０を通って単位セル１２の外部に排出される。
【００５３】
これにより、高圧水素発生室である第２流路５８から第２シール溝６８ａに導入された高圧水素が、前記第２シール溝６８ａの外部に漏れても、前記高圧水素が単位セル１２内に滞留することを確実に阻止することができる。
【００５４】
従って、水電解装置１０全体にタイロッド２２等を介して積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動することがなく、各固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することが可能になる。このため、水電解装置１０では、電解電圧が上昇することを抑制することができ、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することが可能になるという効果が得られる。
【００５５】
また、第１の実施形態では、圧力開放室７２は、第２シール部材６６ａの外方を全周にわたって周回している。これにより、高圧水素を良好に圧力開放室７２に集めることができ、圧抜き通路７０の数を有効に削減することが可能になる。
【００５６】
しかも、圧力開放室７２は、アノード側セパレータ３４に形成される凹部７４を有している。従って、低圧側のアノード側セパレータ３４に凹部７４を設けるため、このアノード側セパレータ３４の強度を補強する必要がない。高圧側であるカソード側セパレータ３６に凹部を設ける場合には、強度が減少するため、この減少した強度を補強するための構造が必要となるからである。
【００５７】
また、第１の実施形態では、第２流路５８に連通する水素連通孔５０も同様に、高圧水素が導入されることにより、高圧室を構成している。そして、水素連通孔５０に連通する第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄも高圧水素により、高圧室を構成している。
【００５８】
このため、第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄから漏れる高圧水素は、前記第１シール溝６４ｄ及び前記第２シール溝６８ｄの外側に設けられている圧力開放室７８に導入される。圧力開放室７８に導入された高圧水素は、圧抜き通路７６を通って外部に開放される。
【００５９】
これにより、第１シール部材６２ｄ及び第２シール部材６６ｄから漏れる高圧水素は、単位セル１２内に滞留することがなく、固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することができる等、上記と同様の効果が得られる。
【００６０】
図６は、第１の実施形態と、圧力開放室７２、７８を用いない比較例とを用いて水電解処理を行った際、時間と必要な電解電圧とを検出した結果が示されている。比較例では、単位セル１２内に高圧水素が滞留してしまい、積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動し、電解に必要な電解電圧が時間の経過に伴って上昇している。従って、比較例では、時間の経過に伴って、電解性能が低下するという結果が得られた。
【００６１】
これに対して、第１の実施形態では、単位セル１２内に高圧水素の滞留が惹起されず、電解電圧の上昇が良好に抑制された。このため、長時間にわたり、所望の電解性能を得ることができるという結果が得られた。
【００６２】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置９０を構成する単位セル９２の断面説明図である。
【００６３】
なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０と同一の構成要素に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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
単位セル９２は、第２シール溝６８ａの外側に、前記第２シール溝６８ａに連通可能で、且つ、圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室９４が設けられる。圧力開放室９４は、固体高分子電解質膜３８に形成される凹部９６を有し、前記凹部９６は、第２シール溝６８ａの外方を全周にわたって周回している。
【００６５】
単位セル９２は、水素連通孔５０の外側を周回する第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄの外側に、それぞれ圧抜き通路７６を介して外部に開放される圧力開放室９８が設けられる。圧力開放室９８は、固体高分子電解質膜３８の両面に設けられる凹部１００を有する。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、圧力開放室９４、９８は、固体高分子電解質膜３８に設けられる凹部９６、１００を有しており、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６に凹部を形成する必要がない。これにより、構成が一層簡素化されるとともに、固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解装置１１０の一部断面側面図である。
【００６８】
水電解装置１１０は、複数の単位セル１１２が鉛直方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１１４を備える。図９に示すように、単位セル１１２内には、圧力開放室７２に連通する圧抜き通路１１５が形成される。圧抜き通路１１５は、アノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６を積層方向に貫通する連通孔を構成する。
【００６９】
図８に示すように、積層体１１４の積層方向下端部（一端部）に配置されるエンドプレート２０ｂには、圧抜き通路１１５の一端に連通し、積層体１１４の外部に延在する排水用通路１１６が設けられる。積層体１１４の積層方向上端（他端部）側に配置されるエンドプレート２０ａには、圧抜き通路１１５の他端側に連通し、前記積層体１１４の外方に延在する排気用通路１１８が設けられる。
【００７０】
図９に示すように、単位セル１１２内には、圧力開放室７８に連通する圧抜き通路１２０がアノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６の積層方向に貫通して形成される。
【００７１】
圧抜き通路１２０は、連通孔を構成し、この圧抜き通路１２０の下端側（一端側）には、エンドプレート２０ｂに設けられる排水用通路１２２が連通する。圧抜き通路１２０の上端側（他端側）には、エンドプレート２０ａに設けられる排気用通路１２４が連通する。排水用通路１２２及び排気用通路１２４は、積層体１１４の側部から外方に延在する。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、第２シール溝６８ａの外側には、前記第２シール溝６８ａに連通可能な圧力開放室７２が設けられるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して、圧抜き通路１１５が設けられている。
【００７３】
ここで、第２流路５８には、高圧水素及び透過水が満たされており、水素及び水が圧力開放室７２に流入する。このため、水素は、圧抜き通路１１５に沿って上方に移動し、エンドプレート２０ａに設けられている排気用通路１１８から排気される。一方、水は、圧抜き通路１１５に沿って下方向に移動し、エンドプレート２０ｂに設けられている排水用通路１１６から排水される。
【００７４】
これにより、第３の実施形態では、第２シール溝６８ａの外部に漏れた高圧水素が、単位セル１１２内に滞留することを阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、前記第２シール溝６８ａの外部に漏れた水による液洛の発生を可及的に阻止することが可能になるという利点がある。
【００７５】
また、第３の実施形態では、第１及び第２シール溝６４ｄ、６８ｄから漏れる高圧水素及び透過水は、圧力開放室７８に導入される。そして、水素は、圧抜き通路１２０に沿って上昇する一方、透過水は、前記圧抜き通路１２０に沿って下方向に移動する。従って、漏れた水素は、排気用通路１２４に確実に排気されるとともに、漏れた水は、排水用通路１２２に良好に排出され、上記と同様の効果が得られる。
【００７６】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る水電解装置１３０の一部断面側面図である。
【００７７】
水電解装置１３０は、複数の単位セル１２を積層した積層体１４を備える。図１１に示すように、水電解装置１３０の外部には、各圧抜き通路７０に連通する絶縁性コネクタ部１３２が配設される。積層体１４の外部には、アノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６の積層方向に延在し、複数の絶縁性コネクタ部１３２に接続される配管部材１３４が設けられる（図１０参照）。配管部材１３４は、下端側（一端側）に排水用通路１３６が連通するとともに、上端側（他端側）に排気用通路１３８が連通する。
【００７８】
図１１に示すように、単位セル１２の外部には、圧抜き通路７６に連通するコネクタ部１４０が設けられるとともに、前記コネクタ部１４０は、積層方向（矢印Ｂ方向）に延在する配管部材１４２に接続される。図１０に示すように、配管部材１４２の下端側（一端側）には、排水用通路１４４が接続されるとともに、前記配管部材１４２の上端側（他端側）には、排気用通路１４６が接続される。
【００７９】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第３の実施形態と同様に、積層体１４の外部に水素や水が不要に漏れることがなく、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することができる等の効果が得られる。
【００８０】
ところで、上記の第３及び第４の実施形態では、排水及び排気を行うために、例えば、図１２に示す構成を採用することができる。なお、第４の実施形態を用いて説明するが、第３の実施形態でも同様である。
【００８１】
配管部材１３４の排水用通路１３６には、バルブ１５０が設けられており、このバルブ１５０は、手動操作又は自動操作により開閉してドレン処理が行われる。配管部材１３４の排気用通路１３８には、例えば、希釈器１５２が設けられ、この希釈器１５２に空気を導入して漏れ水素の希釈処理が行われる。
【符号の説明】
【００８２】
１０、９０、１１０、１３０…水電解装置
１２、９２、１１２…単位セル １４、１１４…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 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…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
７０、７６、１１５、１２０…圧抜き通路
７２、７８、９４、９８…圧力開放室 ７４、８０、９６、１００…凹部
１１６、１２２、１３６、１４４…排水用通路
１１８、１２４、１３８、１４６…排気用通路
１３２、１４０…コネクタ部 １３４、１４２…配管部材
１５０…バルブ １５２…希釈器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
この種の設備では、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示されている水素供給装置が知られている。この水素供給装置は、図１３に示すように、電極接合体膜１の両面に陽極給電体２及び陰極給電体３を備えた接合体を、複極板４により挟持した単セルを備えている。
【０００６】
複極板４と陽極給電体２との間には、水を供給するための通路５ａが形成される一方、前記複極板４と陰極給電体３との間には、生成された水素を流動させるための通路５ｂが形成されている。複極板４の周縁部には、第１のＯリング６ａを収容するための第１のシール溝７ａ、７ｂと、第２のＯリング６ｂを収容するための第２のシール溝７ｃ、７ｄとが形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の特許文献１では、高圧水素を生成するため、通路５ｂが高圧ガス室を構成しており、前記通路５ｂに連通する第２のシール溝７ｄも、高圧水素が充填されて高圧になっている。このため、第２のＯリング６ｂから微少な水素漏れが惹起し、第２のシール溝７ｄと第１のシール溝７ｂとの間に高圧水素が滞留するおそれがある。
【０００９】
従って、第２のシール溝７ｄと第１のシール溝７ｂとの間には、滞留する高圧水素による反力が発生し、水素供給装置全体に外部から積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動し易い。これにより、電極接合体膜１に対して最適な押圧状態を維持することができず、電解電圧が上昇して電解性能が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、シール部材から漏れるガスを外部に良好に排出させることができ、電解質膜に所望の押圧力を安定して付与することが可能な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】
【００１１】
本発明は、水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置に関するものである。
【００１２】
この水電解装置は、少なくとも第１セパレータ又は第２セパレータには、第１給電体又は第２給電体の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられている。
【００１３】
また、この水電解装置は、圧力開放室がシール溝の外方を全周にわたって周回することが好ましい。
【００１４】
さらに、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することが好ましい。
【００１６】
また、圧抜き通路は、第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解装置は、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、外部で第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材とを設けるとともに、前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この水電解装置は、第１流路が、水を供給する水流路を構成する一方、第２流路が、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、前記第２流路は、シール溝に連通可能であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る水電解装置は、少なくとも第１流路又は第２流路に連通し、第１及び第２セパレータの積層方向に延在する連通孔を備え、少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記連通孔の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられている。
【００２０】
さらに、この水電解装置は、圧力開放室がシール溝の外方を全周にわたって周回することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで圧抜き通路に対向する凹部を有することが好ましい。
【００２２】
また、この水電解装置は、第１セパレータと第２セパレータとの間に電解質膜が挟持されるとともに、圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、圧抜き通路は、第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この水電解装置は、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、外部で第１セパレータ、電解質膜及び第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材とを設けるとともに、前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することが好ましい。
【００２５】
また、この水電解装置は、第１流路が水を供給する水流路を構成する一方、第２流路が、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、前記第２流路は、連通孔を介してシール溝に連通可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、シール溝に導入されたガスが、シール部材から漏れると、このガスは、前記シール溝の外側に連通可能な圧力開放室に流入した後、圧抜き通路を介して外部に排出される。
【００２７】
従って、シール部材から漏れたガスが、装置内に滞留することを確実に阻止することができ、電解質膜に所望の押圧力を安定して付与することが可能になる。これにより、電解電圧が上昇することを抑制することができ、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。
【図２】前記水電解装置の一部断面側面図である。
【図３】前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルの断面説明図である。
【図５】前記単位セルを構成する圧力開放室の説明図である。
【図６】第１の実施形態と比較例とにおける水電解処理時間と必要な電解電圧との関係図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。
【図９】前記水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る水電解装置の一部断面側面図である。
【図１１】前記水電解装置を構成する単位セルの断面説明図である。
【図１２】排水処理及び排気処理の構成説明図である。
【図１３】特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解装置１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３及び図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（第１セパレータ）３４及びカソード側セパレータ（第２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。
【００３３】
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の両面に設けられるアノード側給電体（第１給電体）４０及びカソード側給電体（第２給電体）４２とを備える。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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）。
【００３９】
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。
【００４０】
図４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及びアノード側給電体４０の外方を周回して第１シール部材６２ａを配設するための第１シール溝６４ａ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の外側を周回して、第１シール部材６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄを配置するための第１シール溝６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが形成される。第１シール部材６２ａ〜６２ｄは、例えば、Ｏリングである。
【００４１】
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及びカソード側給電体４２の外方を周回して、第２シール部材６６ａを配設するための第２シール溝６８ａが形成される。
【００４２】
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シール部材６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄを配置するための第２シール溝６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄが形成される。第２シール部材６６ａ〜６６ｄは、例えば、Ｏリングである。
【００４３】
単位セル１２内には、第１シール溝６４ａの外側に設けられ、前記第１シール溝６４ａに連通可能で、且つ、カソード側セパレータ３６に形成された所定数の圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２を備える。
【００４４】
圧力開放室７２は、第１シール溝６４ａの外方を全周にわたって周回しており、固体高分子電解質膜３８を挟んで圧抜き通路７０に対向する凹部７４を有する。この凹部７４は、アノード側セパレータ３４に形成されるとともに、生成される水素の圧力（例えば、３５ＭＰａ）によって、固体高分子電解質膜３８が前記凹部７４内に入り込んで、圧抜き通路７０側に所定のキャビティが形成されるように寸法設定される。
【００４５】
単位セル１２内には、水素連通孔５０を周回する第１シール溝６４ｄの外側に前記第１シール溝６４ｄに連通可能で、且つ、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６に形成された所定数の圧抜き通路７６を介して外部に開放される圧力開放室７８が設けられる。この圧力開放室７８は、第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄの外方を全周にわたって周回するとともに、圧抜き通路７６に連通する凹部８０を有する。
【００４６】
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８２ａ、８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃ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。
【００４７】
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。
【００４８】
図１に示すように、配管８２ａ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
上記のように、水電解装置１０では、第２流路５８には、高圧水素が生成されており、この第２流路５８が高圧水素発生室を構成している。第２流路５８は、固体高分子電解質膜３８の表面を介して第２シール溝６８ａに連通しており、この第２シール溝６８ａにも高圧水素が充填されている。従って、図５に示すように、第２シール溝６８ａに配設されている第２シール部材６６ａと固体高分子電解質膜３８との間隙を通って、高圧水素の漏れが発生し易い。
【００５２】
この場合、第１の実施形態では、第２シール溝６８ａの外側には、前記第２シール溝６８ａに連通可能で、且つ、圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室７２が設けられている。このため、第２シール部材６６ａから漏れる高圧水素は、固体高分子電解質膜３８を凹部７４側に押圧変形させることにより、圧力開放室７２に流入する。次いで、高圧水素は、凹部７４に沿って第２シール溝６８ａの外方を周回した後、圧抜き通路７０を通って単位セル１２の外部に排出される。
【００５３】
これにより、高圧水素発生室である第２流路５８から第２シール溝６８ａに導入された高圧水素が、前記第２シール溝６８ａの外部に漏れても、前記高圧水素が単位セル１２内に滞留することを確実に阻止することができる。
【００５４】
従って、水電解装置１０全体にタイロッド２２等を介して積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動することがなく、各固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することが可能になる。このため、水電解装置１０では、電解電圧が上昇することを抑制することができ、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することが可能になるという効果が得られる。
【００５５】
また、第１の実施形態では、圧力開放室７２は、第２シール部材６６ａの外方を全周にわたって周回している。これにより、高圧水素を良好に圧力開放室７２に集めることができ、圧抜き通路７０の数を有効に削減することが可能になる。
【００５６】
しかも、圧力開放室７２は、アノード側セパレータ３４に形成される凹部７４を有している。従って、低圧側のアノード側セパレータ３４に凹部７４を設けるため、このアノード側セパレータ３４の強度を補強する必要がない。高圧側であるカソード側セパレータ３６に凹部を設ける場合には、強度が減少するため、この減少した強度を補強するための構造が必要となるからである。
【００５７】
また、第１の実施形態では、第２流路５８に連通する水素連通孔５０も同様に、高圧水素が導入されることにより、高圧室を構成している。そして、水素連通孔５０に連通する第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄも高圧水素により、高圧室を構成している。
【００５８】
このため、第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄから漏れる高圧水素は、前記第１シール溝６４ｄ及び前記第２シール溝６８ｄの外側に設けられている圧力開放室７８に導入される。圧力開放室７８に導入された高圧水素は、圧抜き通路７６を通って外部に開放される。
【００５９】
これにより、第１シール部材６２ｄ及び第２シール部材６６ｄから漏れる高圧水素は、単位セル１２内に滞留することがなく、固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することができる等、上記と同様の効果が得られる。
【００６０】
図６は、第１の実施形態と、圧力開放室７２、７８を用いない比較例とを用いて水電解処理を行った際、時間と必要な電解電圧とを検出した結果が示されている。比較例では、単位セル１２内に高圧水素が滞留してしまい、積層方向に付与される押し付け圧力のバランスが変動し、電解に必要な電解電圧が時間の経過に伴って上昇している。従って、比較例では、時間の経過に伴って、電解性能が低下するという結果が得られた。
【００６１】
これに対して、第１の実施形態では、単位セル１２内に高圧水素の滞留が惹起されず、電解電圧の上昇が良好に抑制された。このため、長時間にわたり、所望の電解性能を得ることができるという結果が得られた。
【００６２】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る水電解装置９０を構成する単位セル９２の断面説明図である。
【００６３】
なお、第１の実施形態に係る水電解装置１０と同一の構成要素に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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
単位セル９２は、第２シール溝６８ａの外側に、前記第２シール溝６８ａに連通可能で、且つ、圧抜き通路７０を介して外部に開放される圧力開放室９４が設けられる。圧力開放室９４は、固体高分子電解質膜３８に形成される凹部９６を有し、前記凹部９６は、第２シール溝６８ａの外方を全周にわたって周回している。
【００６５】
単位セル９２は、水素連通孔５０の外側を周回する第１シール溝６４ｄ及び第２シール溝６８ｄの外側に、それぞれ圧抜き通路７６を介して外部に開放される圧力開放室９８が設けられる。圧力開放室９８は、固体高分子電解質膜３８の両面に設けられる凹部１００を有する。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、圧力開放室９４、９８は、固体高分子電解質膜３８に設けられる凹部９６、１００を有しており、アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６に凹部を形成する必要がない。これにより、構成が一層簡素化されるとともに、固体高分子電解質膜３８に所望の押圧力を安定して付与することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解装置１１０の一部断面側面図である。
【００６８】
水電解装置１１０は、複数の単位セル１１２が鉛直方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１１４を備える。図９に示すように、単位セル１１２内には、圧力開放室７２に連通する圧抜き通路１１５が形成される。圧抜き通路１１５は、アノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６を積層方向に貫通する連通孔を構成する。
【００６９】
図８に示すように、積層体１１４の積層方向下端部（一端部）に配置されるエンドプレート２０ｂには、圧抜き通路１１５の一端に連通し、積層体１１４の外部に延在する排水用通路１１６が設けられる。積層体１１４の積層方向上端（他端部）側に配置されるエンドプレート２０ａには、圧抜き通路１１５の他端側に連通し、前記積層体１１４の外方に延在する排気用通路１１８が設けられる。
【００７０】
図９に示すように、単位セル１１２内には、圧力開放室７８に連通する圧抜き通路１２０がアノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６の積層方向に貫通して形成される。
【００７１】
圧抜き通路１２０は、連通孔を構成し、この圧抜き通路１２０の下端側（一端側）には、エンドプレート２０ｂに設けられる排水用通路１２２が連通する。圧抜き通路１２０の上端側（他端側）には、エンドプレート２０ａに設けられる排気用通路１２４が連通する。排水用通路１２２及び排気用通路１２４は、積層体１１４の側部から外方に延在する。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、第２シール溝６８ａの外側には、前記第２シール溝６８ａに連通可能な圧力開放室７２が設けられるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して、圧抜き通路１１５が設けられている。
【００７３】
ここで、第２流路５８には、高圧水素及び透過水が満たされており、水素及び水が圧力開放室７２に流入する。このため、水素は、圧抜き通路１１５に沿って上方に移動し、エンドプレート２０ａに設けられている排気用通路１１８から排気される。一方、水は、圧抜き通路１１５に沿って下方向に移動し、エンドプレート２０ｂに設けられている排水用通路１１６から排水される。
【００７４】
これにより、第３の実施形態では、第２シール溝６８ａの外部に漏れた高圧水素が、単位セル１１２内に滞留することを阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、前記第２シール溝６８ａの外部に漏れた水による液洛の発生を可及的に阻止することが可能になるという利点がある。
【００７５】
また、第３の実施形態では、第１及び第２シール溝６４ｄ、６８ｄから漏れる高圧水素及び透過水は、圧力開放室７８に導入される。そして、水素は、圧抜き通路１２０に沿って上昇する一方、透過水は、前記圧抜き通路１２０に沿って下方向に移動する。従って、漏れた水素は、排気用通路１２４に確実に排気されるとともに、漏れた水は、排水用通路１２２に良好に排出され、上記と同様の効果が得られる。
【００７６】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る水電解装置１３０の一部断面側面図である。
【００７７】
水電解装置１３０は、複数の単位セル１２を積層した積層体１４を備える。図１１に示すように、水電解装置１３０の外部には、各圧抜き通路７０に連通する絶縁性コネクタ部１３２が配設される。積層体１４の外部には、アノード側セパレータ３４、固体高分子電解質膜３８及びカソード側セパレータ３６の積層方向に延在し、複数の絶縁性コネクタ部１３２に接続される配管部材１３４が設けられる（図１０参照）。配管部材１３４は、下端側（一端側）に排水用通路１３６が連通するとともに、上端側（他端側）に排気用通路１３８が連通する。
【００７８】
図１１に示すように、単位セル１２の外部には、圧抜き通路７６に連通するコネクタ部１４０が設けられるとともに、前記コネクタ部１４０は、積層方向（矢印Ｂ方向）に延在する配管部材１４２に接続される。図１０に示すように、配管部材１４２の下端側（一端側）には、排水用通路１４４が接続されるとともに、前記配管部材１４２の上端側（他端側）には、排気用通路１４６が接続される。
【００７９】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第３の実施形態と同様に、積層体１４の外部に水素や水が不要に漏れることがなく、長期間にわたって所望の電解性能を良好に確保することができる等の効果が得られる。
【００８０】
ところで、上記の第３及び第４の実施形態では、排水及び排気を行うために、例えば、図１２に示す構成を採用することができる。なお、第４の実施形態を用いて説明するが、第３の実施形態でも同様である。
【００８１】
配管部材１３４の排水用通路１３６には、バルブ１５０が設けられており、このバルブ１５０は、手動操作又は自動操作により開閉してドレン処理が行われる。配管部材１３４の排気用通路１３８には、例えば、希釈器１５２が設けられ、この希釈器１５２に空気を導入して漏れ水素の希釈処理が行われる。
【符号の説明】
【００８２】
１０、９０、１１０、１３０…水電解装置
１２、９２、１１２…単位セル １４、１１４…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 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…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
７０、７６、１１５、１２０…圧抜き通路
７２、７８、９４、９８…圧力開放室 ７４、８０、９６、１００…凹部
１１６、１２２、１３６、１４４…排水用通路
１１８、１２４、１３８、１４６…排気用通路
１３２、１４０…コネクタ部 １３４、１４２…配管部材
１５０…バルブ １５２…希釈器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置であって、
少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第１給電体又は前記第２給電体の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、
前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
請求項１記載の水電解装置において、前記圧力開放室は、前記シール溝の外方を全周にわたって周回することを特徴とする水電解装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記圧抜き通路は、前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、
前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、
外部で前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材と、
を設けるとともに、
前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記第１流路は、水を供給する水流路を構成する一方、
前記第２流路は、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、
前記第２流路は、前記シール溝に連通可能であることを特徴とする水電解装置。
【請求項８】
水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置であって、
少なくとも前記第１流路又は前記第２流路に連通し、前記第１及び第２セパレータの積層方向に延在する連通孔を備え、
少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記連通孔の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、
前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられることを特徴とする水電解装置。
【請求項９】
請求項８記載の水電解装置において、前記圧力開放室は、前記シール溝の外方を全周にわたって周回することを特徴とする水電解装置。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項１１】
請求項８又は９記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記圧抜き通路は、前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、
前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項１３】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、
外部で前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材と、
を設けるとともに、
前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記第１流路は、水を供給する水流路を構成する一方、
前記第２流路は、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、
前記第２流路は、前記連通孔を介して前記シール溝に連通可能であることを特徴とする水電解装置。
【請求項１】
水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置であって、
少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第１給電体又は前記第２給電体の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、
前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
請求項１記載の水電解装置において、前記圧力開放室は、前記シール溝の外方を全周にわたって周回することを特徴とする水電解装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記圧抜き通路は、前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、
前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、
外部で前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材と、
を設けるとともに、
前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記第１流路は、水を供給する水流路を構成する一方、
前記第２流路は、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、
前記第２流路は、前記シール溝に連通可能であることを特徴とする水電解装置。
【請求項８】
水を電気分解して水素を得るために電解質膜の両側に第１及び第２給電体が設けられ、前記第１給電体に第１セパレータが積層されて第１流路が形成されるとともに、前記第２給電体に第２セパレータが積層されて第２流路が形成される水電解装置であって、
少なくとも前記第１流路又は前記第２流路に連通し、前記第１及び第２セパレータの積層方向に延在する連通孔を備え、
少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記連通孔の外方を周回してシール部材を配設するためのシール溝が形成されるとともに、
前記シール溝の外側には、該シール溝に連通可能で且つ圧抜き通路を介して外部に開放される圧力開放室が設けられることを特徴とする水電解装置。
【請求項９】
請求項８記載の水電解装置において、前記圧力開放室は、前記シール溝の外方を全周にわたって周回することを特徴とする水電解装置。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記第１セパレータ又は前記第２セパレータに設けられ、前記電解質膜を挟んで前記圧抜き通路に対向する凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項１１】
請求項８又は９記載の水電解装置において、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に前記電解質膜が挟持されるとともに、
前記圧力開放室は、前記電解質膜に形成される凹部を有することを特徴とする水電解装置。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記圧抜き通路は、前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータを積層方向に貫通する連通孔を有するとともに、
前記連通孔の一端側に排水用通路が連通し、且つ前記連通孔の他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項１３】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記水電解装置の外部に配設され、各圧抜き通路に連通する複数の絶縁性コネクタ部と、
外部で前記第１セパレータ、前記電解質膜及び前記第２セパレータの積層方向に延在し、複数の前記絶縁性コネクタ部が接続される配管部材と、
を設けるとともに、
前記配管部材は、一端側に排水用通路が連通し、且つ他端側に排気用通路が連通することを特徴とする水電解装置。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記第１流路は、水を供給する水流路を構成する一方、
前記第２流路は、前記水が電気分解されて常圧よりも高圧な水素を得る水素流路を構成するとともに、
前記第２流路は、前記連通孔を介して前記シール溝に連通可能であることを特徴とする水電解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２１６００９（Ｐ２０１０−２１６００９Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１４６（Ｐ２０１０−２９１４６）
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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