JP2016160462A

JP2016160462A - 水電解装置

Info

Publication number: JP2016160462A
Application number: JP2015038500A
Authority: JP
Inventors: 雄作谷内; Yusaku Yanai
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-05

Abstract

【課題】設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる水電解装置を提供する。【解決手段】水電解装置１は、電極膜１０と、電極膜１０の第１の面側および第２の面側に設けられて、電極膜１０を両側から支持する第１の給電体１３および第２の給電体１４と、を備え、第１の給電体１３および第２の給電体１４は、それぞれ、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、水電解装置に関する。

水電解装置は、両面に触媒層が設けられた電極膜の一方の面側に水を供給し、外部電源を用いて通電することにより、水を分解して酸素と水素を生じさせる。酸素および水素は、電極膜の一方の面側と他方の面側でそれぞれ発生する。電極膜の一方の面側と他方の面側には、それぞれ、給電体が設けられる。電極膜は、この一対の給電体によって挟まれている。ガスセパレータの溝部から供給された水は、一方の給電体を通じて電極膜に到達する。発生した酸素および水素は、ガスセパレータに設けられたガス回収用の溝部を通じて回収される。

特許文献１に記載された水電解装置は、電極膜に接するように配置された親水性反応層と、ガスセパレータに接するように配置された疎水性ガス拡散層とが設けられた電極構造を備えている。この水電解装置では、供給された水は、疎水性ガス拡散層を介して親水性反応層および電極膜に到達する。

特開平３−３９４９３号公報

水電解装置として上記した構造が知られているが、従来、水電解装置は所定の位置に設置されて用いられることが多かった。一方で本発明者は、水電解装置を移動体に搭載して用いることを検討している。ところが、移動体に水電解装置を搭載することを想定した場合、設置方向や使用環境の制約を受けて、電極膜への給水が適切に行われない可能性がある。たとえば、電極膜の下面側から水を供給する場合には、電極膜に水が行き渡らない可能性がある。そのため、図８に示されるように、給水のためのタンク２１を外部に設置する等の工夫が必要であった。そこで、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる水電解装置が求められている。

本発明の一態様に係る水電解装置は、電極膜と、電極膜の第１の面側および第２の面側に設けられて、電極膜を両側から支持する第１の給電体および第２の給電体と、を備え、第１の給電体および第２の給電体は、それぞれ、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる。

この水電解装置によれば、電極膜の第１の面側に設けられた第１の給電体と、電極膜の第２の面側に設けられた第２の給電体とは、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる。貴金属コーティングは、親水性の表面特性を有するため、第１および第２の給電体の内部にまで水が行き渡りやすくなっている。たとえば、電極膜の下面側から水を供給する場合や、重力のない宇宙空間で使用される場合であっても、毛細管現象によって、電極膜に至る範囲にまで水が供給される。よって、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。

いくつかの態様において、第１の給電体および第２の給電体における空隙の平均の大きさは、電極膜の膜厚の４倍以下である。水電解装置では、電極膜の第１の面側と第２の面側とにおいて、酸素と水素がそれぞれ生じる。これらの酸素と水素を高圧で発生させることができる。その場合、運転中に、酸素の圧力と水素の圧力とのバランスが崩れることがある。第１の給電体および第２の給電体における空隙の平均の大きさが電極膜の膜厚の４倍以下であると、圧力バランスが崩れた場合でも、第１の給電体および第２の給電体で電極膜を十分に支持することができ、電極膜の損傷が防止される。

本発明のいくつかの態様によれば、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。

本発明の一実施形態に係る水電解装置が適用された再生型燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る水電解装置のセル構造を示す断面図である。図３のセル構造における水およびガスの流れを模式的に示す断面図である。セル構造の第１の変形例を示す断面図である。セル構造の第２の変形例を示す断面図である。空隙の大きさと電極膜の膜厚との関係について説明するための図である。アノードへの給水試験の試験結果を示すグラフである。従来の水電解装置における水の供給機構を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本実施形態の水電解装置が適用された再生型燃料電池システムについて説明する。この再生型燃料電池システムは、たとえば航空機等の移動体に搭載され得る。再生型燃料電池システムは、水電解装置１と、水電解装置１に接続された外部電源２とを備える。水電解装置１は、外部電源２からの通電により、水供給装置５から供給された水を電気分解し、水素と酸素を発生させる。再生型燃料電池システムは、燃料電池３と、燃料電池３に接続された電力負荷４とを備える。燃料電池３は、水素タンク６に貯蔵された水素および酸素タンク７に貯蔵された酸素を原料として発電を行う。燃料電池３は、たとえば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。

この再生型燃料電池システムでは、貯蔵燃料が有効な間は燃料電池３によって発電を行い、燃料を消費した後は外部電源２を利用して水電解装置１で水素および酸素を生成する。生成された水素および酸素は、所定圧力で水素タンク６および酸素タンク７に貯蔵され、燃料電池３に再度供給されて発電が行われる。この再生型燃料電池システムは高いエネルギー密度を有しており、リチウムイオン電池等の他の二次電池と比較すると２分の１から３分の１の重量になっている。このように軽量化されている点で、この再生型燃料電池システムは、移動体への搭載に有利である。

図２を参照して、水電解装置１のセル構造８について説明する。図２に示されるように、セル構造８は、高分子膜である電極膜１０と、電極膜１０の第１の面（図２における上面）に設けられたアノード側の触媒層１１と、電極膜１０の第２の面（図２における下面）に設けられたカソード側の触媒層１２とを備える。電極膜１０、触媒層１１および触媒層１２は、電極膜複合体を構成している。触媒層１１は、酸素極を構成し、触媒層１２は、反対極である水素極を構成する。

電極膜１０の第１の面側には、触媒層１１に密接するようにして、アノード側の給電体（第１の給電体）１３が設けられている。給電体１３は、電極膜１０を第１の面側から支持している。電極膜１０の第２の面側には、触媒層１２に密接するようにして、カソード側の給電体（第２の給電体）１４が設けられている。給電体１４は、電極膜１０を第２の面側から支持している。給電体１３および給電体１４は、両端のセパレータ１５，１５を介して外部電源２に接続される。

上記の電極膜１０、触媒層１１、触媒層１２、給電体１３および給電体１４からなる積層体が複数積層されており、給電体１３と給電体１４との間には、セパレータ１５が設けられている。セパレータ１５の給電体１３に接する面には、複数本の溝部１５ａが設けられている。アノード側の溝部１５ａは、酸素の流路と供給水の流路と冷却水の流路とを兼ねている。セパレータ１５の給電体１４に接する面には、複数本の溝部１５ｂが設けられている。カソード側の溝部１５ｂは、水素の流路である。

電極膜１０は、たとえばフッ素系のイオン交換樹脂膜である。電極膜１０は、水素イオン等の陽イオンのみを通過させる。電極膜１０の膜厚は、２０〜１００μｍである。薄膜である電極膜１０は、給電体１３および給電体１４によって支持されることで、その形状を保持している。電極膜１０は、炭化水素系イオン交換膜等であってもよい。アノード側の触媒層１１としては、たとえば酸化イリジウムが用いられる。カソード側の触媒層１２としては、たとえば白金が用いられる。

給電体１３および給電体１４は、いずれも、導電性を有する多孔質の金属材料からなる。給電体１３および給電体１４を形成する材料としては、たとえばチタンまたはステンレスが用いられる。給電体１３および給電体１４は、チタンまたはステンレス等の繊維の焼結体であり、内部に空隙を含んでいる。内部の空隙に面する金属材料の表面には、ロジウム等の貴金属コーティングが施されている。金属材料の表面のコーティングに用いられる貴金属は、白金であってもよいし、白金族に属する他の金属であってもよい。貴金属コーティングが施された給電体１３および給電体１４は、耐食性を有し、電気抵抗が低く、かつ親水性の表面特性を有している。給電体１３および給電体１４は、親水性を有することで、常に濡れた状態を保つ。言い換えれば、給電体１３および給電体１４は、保水性を有する。

水電解装置１では、アノード側に給水を行うタイプのセル構造８を採用している。アノード側の給電体１３に水が供給されると、水は、給電体１３内の空隙を毛細管現象により移動する。この作用により、水電解装置１の設置方向や重力の有無に関わらず、水が給電体１３の内部を行き渡るように構成されている。よって、電極膜１０の触媒層１１付近で生じた酸素は、この水の浸入に伴い、空隙からセパレータ１５側へ排出され易くなる。なお、給電体１４も同様の機能を有する。

本実施形態の水電解装置１では、発生した水素および酸素を水素タンク６および酸素タンク７にそれぞれ直接充填する。このとき、水素タンク６と燃料電池３とを接続する流路、および、酸素タンク７と燃料電池３とを接続する流路は閉じた状態とされており、水素および酸素が発生する空間は閉鎖された空間になっている。閉鎖空間が形成され、さらにセパレータ１５が耐圧構造を有することにより、水電解装置１では、高圧でガスを発生可能になっている。たとえば、水素および酸素は、２０〜３０ＭＰａの高圧をもって生成される。水電解装置１では、水素および酸素を高圧で生成可能であることにより、水素タンク６および酸素タンク７の一次側において、ブースターポンプ等の昇圧手段は不要になっている。

給電体１３および給電体１４は、電極膜１０を両側から挟むようにして支持する。電極膜１０の第１の面側に発生する酸素と、電極膜１０の第２の面側に発生する水素とで差圧が生じた場合には、その差圧が電極膜１０に作用する。差圧を受けた電極膜１０の損傷を防ぐべく、給電体１３および給電体１４は十分に緻密な構造を有している。金属材料の繊維を焼結させた給電体１３および給電体１４では、空隙の平均の大きさは、たとえば電極膜１０の膜厚の４倍以下になっている。すなわち、給電体１３および給電体１４の空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚に対応して、８０〜４００μｍとされる。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の３．５倍以下であってもよいし、３倍以下であってもよい。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の２．５倍以下であってもよいし、２倍以下であってもよい。給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚の５分の１以上であってもよいし、１０分の１以上であってもよい。給電体１３および給電体１４の空隙の平均の大きさは、電極膜１０の膜厚に対応して、４〜２０μｍとされてもよい。なお、空隙には様々な形状が想定されるが、空隙の大きさとは、言い換えれば、空隙の幅である。空隙が円筒状をなす場合は、空隙の大きさは直径に相当する。空隙の大きさは、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察に基づいて算出してもよいし、細孔分布に関する他の測定方法によって算出されてもよい。

セパレータ１５は、たとえば、耐食性が高く強度のあるチタンやステンレスからなる。

以上のセル構造８を有する水電解装置１では、図３に示されるように、溝部１５ａを通じて水が供給される。水は、給電体１３内に浸入して、給電体１３の内部に行き渡る。ここで、給電体１３を介して電極膜１０の触媒層１１に電流が供給されると、酸素極において水がＨ^＋（プロトン）２個とＯ^２−とに分解され、Ｈ^＋は電極膜１０を通過して水素極にて電子を受け取り、水素ガスが発生する。一方、酸素極では、酸素ガスが発生する。この過程において、給電体１３は、触媒層１１の表面に発生する酸素ガスを排出しながら電解される水を供給する。給電体１３には親水性のコーティングが施されているため、毛細管現象が発現し、酸素ガスを排出し水を供給する働きが強化されている。これにより、たとえば重力に逆らう方向にも給水を行うことができる。

セル構造８の製造方法について説明する。給電体１３および給電体１４を製造する際、まずチタンやステンレス等の金属繊維の焼結体を用意する。焼結体は、金属繊維に圧力と温度を加えることで得られる。チタンやステンレス等の表面には、通常、酸化被膜が形成されている。この酸化被膜は電気抵抗が高いので、たとえば塩酸等によって、酸化被膜を除去する（酸洗い）。酸化被膜を除去したら、酸化被膜が再形成される前に、貴金属にてコーティングを行う。このコーティングは、たとえばめっき又は蒸着によって行うことができる。なお、酸洗いの工程において、条件（酸の種類、濃度、処理時間または温度等）を調整することにより、金属材料の表面に細かい凹凸を形成することが好ましい。細かい凹凸を形成する処理を施すことにより、親水性が増大する。なお、給電体１３および給電体１４の製造においては、金属繊維の焼結体を用いる場合に限られず、他の公知の方法で製造された多孔質の金属材料を用意してもよい。電極膜１０に対する触媒層１１および触媒層１２の形成方法、若しくは給電体１３および給電体１４を含む積層体の積層方法については、公知の方法を採用することができる。

以上説明した水電解装置１によれば、電極膜１０の第１の面側に設けられた給電体１３と、電極膜１０の第２の面側に設けられた給電体１４とは、多孔質の金属材料からなり、この金属材料の表面には貴金属コーティングが施されている。貴金属コーティングは、親水性の表面特性を有するため、給電体１３，１４の内部にまで水が行き渡りやすくなっている。図２に示されるように、電極膜１０の上面側から水が供給される場合はもちろんのこと、図４に示されるセル構造８Ａのように、電極膜１０の下面側から水を供給する場合であっても、毛細管現象によって、電極膜１０に至る範囲にまで水が供給される。さらには、重力のない宇宙空間で使用される場合であっても、毛細管現象によって、電極膜１０に至る範囲にまで水が供給される。よって、設置方向や使用環境に関わらず、安定して水を供給することができる。

従来は、電極膜１０がドライアウトしないように、電極膜１０が水平になるように設置して上部から給水する必要があった。或いは、図８に示すセル構造２０のように装置が縦置きされる場合、電極膜１０がドライアウトしないように、外部給水タンク２１を設ける必要があった。また、ガス発生量を多くしたい場合は、ガスを強制的に置換するために、必要以上の量の水を、ポンプ等を用いて供給する必要があった。本実施形態のセル構造８を備える水電解装置１では、そのように設置方向や使用環境に対して特別の工夫を要することなく、電極膜１０のドライアウトを回避し、好適に給水を行うことができる。

水電解装置１では、電極膜１０の両側において、酸素と水素を高圧で発生させることができる。運転中に、酸素の圧力と水素の圧力とのバランスが崩れることがあっても、給電体１３および給電体１４における空隙の平均の大きさが電極膜１０の膜厚の４倍以下であるため、給電体１３および給電体１４で電極膜１０を十分に支持することができる。その結果として、電極膜１０の損傷が防止される。

ここで、図６を参照して、給電体１３および給電体１４における空隙の大きさについて説明する。フッ素系のイオン交換樹脂膜である電極膜１０は、おおよそ、２０〜３０ＭＰａの引張強度を有している。上記したように、電極膜１０の膜厚ｔは、２０〜１００μｍである。給電体１３には、空孔Ｈが形成されていると仮定する。ここで、薄膜である電極膜１０が、仮に２０ＭＰａの圧力を受けて半球状に変形すると仮定すると、空孔Ｈの部分における電極膜１０の発生応力は、以下の式（１）で表すことができる。
σ＝Ｐ_ｉｎ・ｒ／２ｔ・・・（１）
ここで、
σ：発生応力、
Ｐ_ｉｎ：電極膜１０にかかる圧力、
ｒ：空孔Ｈの半径、
ｔ：イオン交換樹脂膜の膜厚、である。

電極膜１０の膜厚が１００μｍのとき、発生応力を２０ＭＰａ以下にするために必要な空孔（空隙）Ｈの半径ｒは、以下の式（２）から、式（３）のとおりに求められる。
２０［ＭＰａ］＞２０［ＭＰａ］×ｒ／（２×１００）［μｍ］・・・（２）
ｒ＜２００［μｍ］・・・（３）
このことから、給電体１３，１４の空孔（空隙）Ｈの半径は、電極膜１０の膜厚の２倍以下であるのが好ましいことがわかる。すなわち、給電体１３，１４の空孔（空隙）の直径は、電極膜１０の膜厚の４倍以下であるのが好ましい。なお、触媒層１１，１２の厚みは、上記計算においては無視し得る程度である。

本発明は、上記した実施形態に限られない。たとえば、図５に示されるように、溝部１５ａ，１５ｂが形成されたセパレータ１５に代えて、チタンもしくはステンレスからなるメッシュ板を積層したメッシュ板１７およびメッシュ板１８によって水およびガスの流路を形成したセル構造８Ｂを採用してもよい。この場合、溝部を有しない平板状のセパレータ１９が設けられる。セパレータ１９と給電体１３の間に、酸素の流路と供給水の流路と冷却水の流路とを兼ねたメッシュ板１８が設けられ、セパレータ１９と給電体１４の間に、水素の流路としてのメッシュ板１７が設けられる。このようなセル構造８Ｂによれば、セパレータに複雑な流路を形成する必要がなく、簡易な構成で、水およびガスの流路を設け、水電解を行うことができる。

水電解装置１のセル構造は、アノード側に給水を行うタイプのセル構造８に限られず、カソード側に給水を行うタイプのセル構造であってもよい。本発明の水電解装置１は、無重力の宇宙空間で用いられてもよい。燃料電池３は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に限られず、アルカリ型、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であってもよく、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であってもよい。水電解装置１は、燃料電池システムに搭載される場合に限られない。水素発生装置として、水電解装置が単独で用いられてもよい。

（実験例）
図７に示されるように、水電解装置１の設置方向による影響を確認するために実験を行った。図２に示される上面給水（電極膜１０の上面側の溝部１５ａから給水される形態）と、図４に示される下面給水（電極膜１０の下面側の溝部１５ａから給水される形態）のそれぞれに対応する装置を作成し、実際に水電解を行い、電流密度に応じたセル電圧を測定した。図７に示されるように、アノード側から給水する形態において、上面給水と下面給水とでセル電圧にほとんど差が見られなかった。このように、電極膜１０の下面側からの給水でも特性に影響がないことが確認された。

１水電解装置
３燃料電池
８、８Ａ、８Ｂセル構造
１０電極膜
１１、１２触媒層
１３、１４給電体
１５セパレータ
１５ａ溝部
１５ｂ溝部

Claims

電極膜と、
前記電極膜の第１の面側および第２の面側に設けられて、前記電極膜を両側から支持する第１の給電体および第２の給電体と、を備え、
前記第１の給電体および前記第２の給電体は、それぞれ、貴金属コーティングが施された多孔質の金属材料からなる、水電解装置。
前記第１の給電体および前記第２の給電体における前記空隙の平均の大きさは、前記電極膜の膜厚の４倍以下である、請求項１に記載の水電解装置。