JP2006144092A - High-pressure hydrogen manufacturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧水素製造装置に関するものである。 The present invention relates to a high-pressure hydrogen production apparatus.
従来、図1に示すように、固体高分子電解質膜2と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体3、アノード給電体4と、各給電体3,4にそれぞれ積層されたカソードセパレータ5と、アノードセパレータ6とを備える単セル7を複数備える高圧水素製造装置1が知られている(例えば特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 1, a solid
また、高圧水素製造装置1において、単セル7の両側から固体高分子電解質膜2と、各給電体3,4と、各セパレータ5,6とを、エンドプレート14,14で挟持し、エンドプレート14,14に挿通されたボルト15にナット16を螺着して締め付けることにより固定したものが知られている(例えば特許文献2参照)。
In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the solid
高圧水素製造装置1では、例えば各セパレータ5,6に各給電体3,4が露出する流体通路8,10を設け、アノードセパレータ6の流体通路10に水を供給すると共に、セパレータ5,6を介してカソード給電体3とアノード給電体4とに通電すると、流体通路10に供給された水が電気分解され、水素イオンと酸素ガスとが生成する。生成した水素イオンは、電位差により固体高分子電解質膜2を透過してカソード側に移動し、カソード給電体3から電子を受け取ることにより水素ガスを生成する。この結果、カソードセパレータ5の流体通路8に高圧の水素ガスを得ることができる。一方、アノードセパレータ6の流体通路10で生成した酸素は、前記水と共に流体通路10に設けられた排水口12から排出される。
In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, for example, the separators 5 and 6 are provided with
しかしながら、高圧水素製造装置1では、前記のようにアノード側で生成した酸素を排出すると、固体高分子電解質膜2の両側で圧力のバランスが崩れ、図3に示すように、カソードセパレータ5の流体通路8で生成した水素の圧力により固体高分子電解質膜2とアノード給電体4とがアノードセパレータ6方向に圧縮されて厚さが低減するという不都合がある。固体高分子電解質膜2の厚さが低減すると、固体高分子電解質膜2とカソード給電体3との間に間隙17を生じて固体高分子電解質膜2とカソード給電体3との接触抵抗が増大し、高圧水素製造装置1の電解効率が低下する。
本発明は、かかる不都合を解消して、カソード側に高圧の水素ガスが生成しても、該水素ガスの圧力により固体高分子電解質膜とカソード給電体との間に間隙を生じることがなく、優れた電解効率を得ることができる高圧水素製造装置を提供することを目的とする。 The present invention eliminates such inconvenience, and even if high-pressure hydrogen gas is generated on the cathode side, a gap is not generated between the solid polymer electrolyte membrane and the cathode power feeder due to the pressure of the hydrogen gas, An object of the present invention is to provide a high-pressure hydrogen production apparatus capable of obtaining excellent electrolysis efficiency.
かかる目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に相対向して設けられたカソード給電体と、アノード給電体と、各給電体にそれぞれ積層されたカソードセパレータと、アノードセパレータとを備える少なくとも1つの単セルと、該単セルの両側から、該固体高分子電解質膜、各給電体、各セパレータを固定する固定手段とを備え、各給電体に通電することによりアノード側に供給される水を電気分解して、カソード側に高圧の水素ガスを生成させる高圧水素製造装置において、該固定手段は、該単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力を備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane, a cathode power supply provided opposite to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, an anode power supply, and each power supply. And at least one single cell including a stacked cathode separator and an anode separator, and a solid polymer electrolyte membrane, each power feeder, and a fixing means for fixing each separator from both sides of the single cell. In a high-pressure hydrogen production apparatus in which water supplied to the anode side is electrolyzed by energizing the body and high-pressure hydrogen gas is generated on the cathode side, the fixing means is configured to supply hydrogen gas obtained in the single cell. A pressing stress larger than the pressure is provided.
本発明の高圧水素製造装置では、前記単セルは、前記固定手段により、予めその両側から前記固体高分子電解質膜と各給電体と各セパレータとが押圧されて固定されている。このとき、前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きいので、該単セルのカソード側に高圧の水素ガスが生成し、該水素ガスの圧力により前記固体高分子電解質膜とアノード給電体とがアノードプレート側に押圧されても、さらに前記カソード給電体を該固体高分子電解質膜方向に押圧することができる。 In the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, the single cell is fixed in advance by pressing the solid polymer electrolyte membrane, each power feeder, and each separator from both sides thereof by the fixing means. At this time, since the pressing stress of the fixing means is larger than the pressure of the hydrogen gas obtained in the single cell, high-pressure hydrogen gas is generated on the cathode side of the single cell, and the solid gas is generated by the pressure of the hydrogen gas. Even when the polymer electrolyte membrane and the anode feeder are pressed toward the anode plate, the cathode feeder can be further pressed toward the solid polymer electrolyte membrane.
従って、本発明の高圧水素製造装置によれば、前記単セルのカソード側に高圧の水素ガスが生成しても、固体高分子電解質膜とカソード給電体との接触を維持して、該カソード給電体と固体高分子電解質膜との間に間隙を生じることがなく、優れた電解効率を得ることができる。 Therefore, according to the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, even if high-pressure hydrogen gas is generated on the cathode side of the single cell, the solid polymer electrolyte membrane and the cathode feeder are maintained in contact with each other, An excellent electrolytic efficiency can be obtained without generating a gap between the body and the solid polymer electrolyte membrane.
本発明の高圧水素製造装置において、前記単セルは1つでもよく、相互に積層された複数の前記単セルを備えていてもよい。 In the high-pressure hydrogen production apparatus of the present invention, the number of the single cells may be one, or a plurality of the single cells stacked on each other may be provided.
また、前記固定手段は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも1〜40MPaの範囲で大きな押し付け応力を備えることが好ましく、より好ましくは5〜20MPaの範囲で大きな押し付け応力を備える。前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力を超えること1MPa未満では該水素ガスの圧力による前記固体高分子電解質膜とアノード給電体との圧縮を十分に低減できないことがある。また、前記固定手段の押し付け応力は、前記単セル内に得られる水素ガスの圧力を40MPaより大きく超えると前記固体高分子膜を損傷することがある。 The fixing means preferably has a large pressing stress in the range of 1 to 40 MPa, more preferably a large pressing stress in the range of 5 to 20 MPa than the pressure of the hydrogen gas obtained in the single cell. The pressing stress of the fixing means exceeds the pressure of the hydrogen gas obtained in the single cell, and if it is less than 1 MPa, the compression of the solid polymer electrolyte membrane and the anode feeder due to the pressure of the hydrogen gas cannot be sufficiently reduced. There is. Further, if the pressing stress of the fixing means exceeds the pressure of the hydrogen gas obtained in the single cell by more than 40 MPa, the solid polymer film may be damaged.
尚、固体高分子電解質膜の両側に相対向して1対の給電体を設けた電解装置において、一方の給電体を他方の給電体側に所定の圧力で押圧する技術は公知である。しかし、前記電解装置は、水酸化ナトリウムと塩素とを製造する装置であって、水素は副生するものの高圧となることはなく、従って前記単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で押圧するとの示唆もない(特許文献3参照)。 In addition, in an electrolysis apparatus in which a pair of power feeding bodies are provided opposite to each other on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a technique for pressing one power feeding body to the other power feeding body side with a predetermined pressure is known. However, the electrolyzer is an apparatus for producing sodium hydroxide and chlorine, and although hydrogen is produced as a by-product, it does not become a high pressure. Therefore, the pressure is larger than the pressure of the hydrogen gas obtained in the single cell. There is no suggestion of pressing with stress (see Patent Document 3).
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図1は本実施形態の高圧水素製造装置の構成を示す説明的断面図であり、図2は本実施形態の高圧水素製造装置における生成した水素ガスの圧力と電解電圧との関係を示すグラフである。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing the configuration of the high-pressure hydrogen production apparatus of the present embodiment, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pressure of the generated hydrogen gas and the electrolysis voltage in the high-pressure hydrogen production apparatus of the present embodiment. is there.
図1に示すように、本実施形態の高圧水素製造装置1は、固体高分子電解質膜2と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体3、アノード給電体4と、各給電体3,4にそれぞれ積層されたカソードセパレータ5、アノードセパレータ6とを備える単セル7を、2つ積層した構成となっている。単セル7,7は、一方の単セル7のカソードセパレータ5に、他方の単セル7のアノードセパレータ6が積層されている。
As shown in FIG. 1, the high-pressure hydrogen production apparatus 1 of the present embodiment includes a solid
各単セル7において、カソードセパレータ5は、カソード給電体3が露出する流体通路8と、流体通路8に連通する水素取出口9とを備え、アノードセパレータ6は、アノード給電体4が露出する流体通路10と、流体通路10の一方の端部に連通する給水口11と、流体通路10の他方の端部に連通する排水口12とを備えている。
In each
各給電体3,4は、それぞれセパレータ5,6を介して通電されるようになっているが、前述のように、一方の単セル7のカソードセパレータ5に、他方の単セル7のアノードセパレータ6が積層されていることにより、各単セル7,7が直列に接続されることになるので有利である。
The power feeders 3 and 4 are energized through the separators 5 and 6, respectively. As described above, the cathode separator 5 of one
単セル7,7は、絶縁部材13,13を介してエンドプレート14,14に挟持されており、エンドプレート14,14に取着されたボルト15とナット16とにより相互に密着せしめられて固定されている。すなわち、本実施形態の高圧水素製造装置1では、エンドプレート14、ボルト15、ナット16により、固体高分子電解質膜2と、各給電体3,4と、各セパレータ5,6とを固定する固定手段が形成されている。そして、高圧水素製造装置1では、ボルト15、ナット16により、単セル7内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で、固体高分子電解質膜2と、各給電体3,4と、各セパレータ5,6とが固定されている。尚、水素取出口9、給水口11、排水口12は、いずれも、各単セル7,7間で連通すると共に、絶縁部材13、エンドプレート14を貫通して設けられている。
The
高圧水素製造装置1において、固体高分子電解質膜2は陽イオン透過膜であり、例えばNafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(商品名、旭化成株式会社製)等を用いることができる。固体高分子電解質膜2は、アノード側には例えばRuIrFeOX触媒を含む触媒層(図示せず)を備え、カソード側には例えば白金触媒を含む触媒層(図示せず)を備えている。
In the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the solid
カソード給電体3、アノード給電体4は、例えば、チタン製多孔質焼結体により形成することができる。前記チタン製多孔質焼結体は、例えば、チタンの溶融飛沫を飛散中に凝固させるガスアトマイズ法により製造された球状ガスアトマイズチタン粉末を、所定形状の焼結容器に充填して真空焼結することにより得られる。 The cathode power supply 3 and the anode power supply 4 can be formed of, for example, a titanium porous sintered body. The titanium porous sintered body is filled with a spherical gas atomized titanium powder produced by, for example, a gas atomizing method for solidifying molten droplets of titanium during scattering into a predetermined shaped sintering vessel and vacuum sintered. can get.
また、カソードセパレータ5、アノードセパレータ6は、例えば、チタンプレートにより形成されており、カソード給電体3、アノード給電体4は、流体通路8,10が加工されたカソードセパレータ5、アノードセパレータ6に圧入されている。このとき、カソードセパレータ5、アノードセパレータ6を切削し、カソードセパレータ5とカソード給電体3との段差、アノードセパレータ6とアノード給電体4との段差が無くなるようにしておくことが好ましい。前記段差を無くすことにより、前記押し付け応力で、固体高分子電解質膜2と、各給電体3,4と、各セパレータ5,6とを固定したときに、固体高分子電解質膜2の損傷を避けることができる。
The cathode separator 5 and the anode separator 6 are formed of, for example, a titanium plate, and the cathode feeder 3 and the anode feeder 4 are press-fitted into the cathode separator 5 and the anode separator 6 in which the
次に、高圧水素製造装置1の作動について説明する。 Next, the operation of the high pressure hydrogen production apparatus 1 will be described.
前記構成を備える高圧水素製造装置1では、給水口11からアノードセパレータ6の流体通路10に水を供給すると共に、カソードセパレータ5とアノードセパレータ6とを介してカソード給電体3とアノード給電体4とにそれぞれ通電することにより、前記水の電気分解を行う。前記電気分解によれば、流体通路10内に水素イオン、電子、酸素ガスが生成し、該水素イオンは、カソード給電体3とアノード給電体4との電位差により、陽イオン透過膜である固体高分子電解質膜2を透過して、カソード給電体3側に移動する。そして、前記水素イオンがカソード給電体3から電子を受け取って分子化することにより、カソードセパレータ6の流体通路8に高圧の水素ガスが得られる。
In the high-pressure hydrogen production apparatus 1 having the above-described configuration, water is supplied from the water supply port 11 to the
一方、流体通路10内に生成した酸素ガスは、水と共に排水口12から排出されるが、このようにすると、カソード側とアノード側とで圧力のバランスが崩れ、固体高分子電解質膜2とアノード給電体4とがアノードセパレータ6方向に押圧される。
On the other hand, the oxygen gas produced in the
このとき、高圧水素製造装置1では、固体高分子電解質膜2と、各給電体3,4と、各セパレータ5,6とが、予めボルト15、ナット16により、流体通路8に生成する水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力で、押圧されて固定されている。従って、固体高分子電解質膜2とアノード給電体4とがアノードセパレータ6方向へ押圧されたときに、さらにカソード給電体3を固体高分子電解質膜2に押圧することができる。
At this time, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, hydrogen gas generated in the
この結果、高圧水素製造装置1では、固体高分子電解質膜2とカソード給電体3との接触を維持して、両者の間に間隙を生じることがなく、電解電圧を略一定に維持することができる。ボルト15、ナット16による前記押し付け応力は、前記電解電圧を略一定に維持するために、流体通路8に生成する水素ガスの圧力を超えること10〜20MPaの範囲とすることが好ましい。
As a result, in the high-pressure hydrogen production apparatus 1, the contact between the solid
次に、流体通路8に生成する水素ガスの圧力を最大35MPaとし、ボルト15、ナット16による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること5MPaの40MPaとしたとき(実施例)と、ボルト15、ナット16による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること1MPa未満の10MPaとしたとき(比較例)との前記水素ガスの圧力に対する電解電圧の変化を図2に示す。
Next, when the pressure of the hydrogen gas generated in the
図2から、ボルト15、ナット16による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること40MPaとした場合(実施例)には、前記電解電圧を略一定に維持することができることが明らかである。これに対して、ボルト15、ナット16による押し付け応力を前記水素ガスの圧力を超えること1MPa未満の10MPaとした場合(比較例)には、流体通路8に生成する水素ガスの圧力の上昇に伴って、前記電解電圧が著しく増大し、電解効率が低下することが明らかである。
From FIG. 2, it is apparent that the electrolytic voltage can be maintained substantially constant when the pressing stress by the
1…高圧水素製造装置、 2…固体高分子電解質膜、 3…カソード給電体、 4…アノード給電体、 5…カソードセパレータ、 6…アノードセパレータ、 7…単セル、 14,15,16…固定手段。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High pressure hydrogen production apparatus, 2 ... Solid polymer electrolyte membrane, 3 ... Cathode feeder, 4 ... Anode feeder, 5 ... Cathode separator, 6 ... Anode separator, 7 ... Single cell, 14, 15, 16 ... Fixing means .
Claims (3)
該固定手段は、該単セル内に得られる水素ガスの圧力よりも大きな押し付け応力を備えることを特徴とする高圧水素製造装置。 A solid polymer electrolyte membrane, a cathode power supply provided on opposite sides of the solid polymer electrolyte membrane, an anode power supply, a cathode separator laminated on each power supply, and an anode separator. At least one single cell and a fixing means for fixing the solid polymer electrolyte membrane, each power supply, and each separator are provided from both sides of the single cell, and supplied to the anode side by energizing each power supply. In high-pressure hydrogen production equipment that electrolyzes water and generates high-pressure hydrogen gas on the cathode side,
The high-pressure hydrogen production apparatus characterized in that the fixing means has a pressing stress larger than the pressure of hydrogen gas obtained in the single cell.
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2008121086A (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Honda Motor Co Ltd | Apparatus for producing high-pressure hydrogen |
JP2010196133A (en) * | 2009-02-26 | 2010-09-09 | Honda Motor Co Ltd | Electrochemical apparatus |
-
2004
- 2004-11-22 JP JP2004338092A patent/JP2006144092A/en active Pending
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