JPS6410597B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水を含めた種々の陽極液の電解の為の
電気化学セルに係わり、特に、陽極液の制御され
た均一な分配をもたらす流れ分配集電素子に係わ
る。

本発明は水の電解用の電気化学セルにつき主に
記載するが、もとより本発明は水の電解用の電気
化学セルに限定されることはなく、いかなる電解
セルに対する制御された陽極液の堤供にも適用し
うる。

固体の電解質を使つた電解セルに対し最近大い
に興味が示されている。水の電解用の固体電解質
セルの典型的な例が米国特許第4039409号に記載
されている。典型的には、こうした電解セルには
イオン交換樹脂のシート又は膜で作られた固体の
電解質を含んでおり、このイオン交換膜の表面に
触媒粒子が結合又は混合されて分散陽極及び陰極
電極を形成している。多くの場合に於て、電極に
電流を出入させ、並びに陽極上に陽極液を分配し
かつガス状電解生成物及び使用済陽極液を除去す
るのに、ニオブ、タンタル又はチタンの導電性且
気体分配性のスクリーンが使用されている。

水和イオン交換膜の表面に直接電極を結合した
電解セルでの集電及び流体分配は、例えばグラフ
アイトの如き導電性粒子を樹脂結合剤の中に支持
させた成形集合体の集電子を用いることにより、
低コストにて最も効果的に達成しうる。集電子−
液体分配子の本体から複数の平行リブが伸びてい
る。リブは複数の箇所で電極と接触し集電を与
え、同時に、複数の流体分配チヤネルを形成して
おり、このチヤネルを陽極液が流れ、又このチヤ
ネルを介してガス状電解生成物及び使用済陽極液
が除かれる。集電子の両側にこうしたリブを設け
れば多房セル構造に使えるよう、こうした集電子
−液体分配体を双極性にできる。この集電子−分
離子の両側にこうしたリブを角度づけて配置すれ
ば２つの集電子の角度づけて配置されたリブによ
り、多房セル組立体のイオン交換膜が常に支持さ
れる。その結果、膜に対する支持は２つの集電子
の角度づけて配置されたリブが交差する複数の箇
所で与えられる。こうした集電子−流体分配分離
子は1978年１月３日付けのDempsey等の名義の
米国特許願第866299号に記載されている。

こうした電解セルでは、陽極液は分配チヤネル
を流れ、水和イオン交換膜に結合された陽極と接
触する。気体が陽極に発生し（水の電解の場合に
は酸素）、そして出口マニホルドに達するまでチ
ヤネルを通つて流れ、除かれる。理想的には、発
生されたガスはチヤネルを通つて流れる陽極液と
均一に混合され、酸素／水相分離器内にて次いで
抽出される。しかし、判つたことは、発生したガ
スは必らずしも陽極液中に均一に分配されている
わけではない。異常な圧力条件にあつては、平均
入口マニホルド圧、即ち、流体分配チヤネルに対
する入口での圧力よりも下流圧力が高くなる。そ
の結果、ときには、流体分配チヤネル中の気体状
電解生成物が入口へ向つて逆に流れて水が入口マ
ニホルドへ流入することを阻止する。こうした条
件が生起すると、入口での気体の蓄積が陽極液の
流れを阻みその近傍におかれた膜の部分がついに
は陽極液に乏しくなる。水和されたイオン交換膜
である、膜はこれによつて乾いてしまい膜の抵抗
を上げるから電解に要するセル電圧が増大する。

流体分配チヤネルの入口に所定の圧力降下を導
入することによつて、入口マニホルドのガスによ
る閉寒の為の陽極液の欠乏が生ずるという障害が
なくなり制御された陽極液の分配が達成される。
これによつて、下流圧が平均入口マニホルド圧よ
り大きくなる可能性が除かれ又は実質的に減少さ
れる結果、発生ガスの逆流並びに流体分配チヤネ
ルのガスによる閉寒が回避される。各分配チヤネ
ル入口に流体的絞り素子を配置してこの部分を流
れる陽極液の流れに対しより大きい圧力効果を与
える。これによりチヤネルの断面が減少され圧力
降下が増す。別の態様にあつては、集電子−流体
分配チヤネルを入口断面を減少させて成形する。

本発明の利点は以後の記載につれ明らかとなろ
う。

本発明の一面にあつては、水電解セルには水和
されたイオン交換膜が含まれ、この膜によつてセ
ルが陽極液室及び陰極液室に分離される。分散極
及び陰極電極が膜の両側に結合される。複数の細
長い集電突起又はリブを有する成形グラフアイト
集電子が陽極と接触する。リブ様突起は又複数の
流体分配チヤネルをも形成しており、この結果、
水は陽極電極の表面に分配され、陽極で電解され
て、酸素を発生し、「酸素は流体分配チヤネルに
沿つてその下流側へ向つて流れ、これにより電解
セル外へ取出される。」圧力降下の為の絞り素子
を流体分配チヤネル入口に配置し、気体状電解生
成物がチヤネルの入口部従つて又入口マニホルド
内に戻るのを防止する。これによつて、水の制御
された流れの分配が維持され、水の流れが詰るこ
とによりチヤネルに沿つた電解液の流れが停滞
し、膜の一部が電解により生じたガスにて覆われ
た状態となり、陽極と陰極の間の電気抵抗が増加
し、電解作用が行われなくなるという障害が回避
される。

本発明の特性としての新規な特徴は特に特許請
求の範囲に記載したが、本発明の構成並びに実施
法は、その別の目的や利点と共に、添付図面と関
連して為された以下の記載を参照すれば、よく理
解されよう。

第１図は電解セルの展開斜視図である。セルに
は水和されたイオン交換膜１８が含まれ、膜の両
面には触媒電極（一方の側の陽極１９が図に見え
ている）が結合されている。膜は陽極導電性流体
分配子１０と陰極導電性流体分配子１５の間に配
され、これ等板には主本体より複数の導電性リブ
１２，１６が延びている。リブはイオン交換膜に
結合された電極と接触して集電に寄与し、又複数
の流体分配チヤネルをも形成し、このチヤネル１
３，１７を通じて陽極液と陰極液が電極に接触さ
れる。このように、第１図に例示されている水電
解セル組立体は成形グラフアイト集電−流体分配
子１０を含んでおり、集電一流体分配子１０には
中央陽極室１１があり、この室１１の全長に沿つ
て複数の平行リブ１２が垂直に延びている。リブ
１２は複数の流体分配チヤネル１３を形成してお
り（第２図が更に明確である）、このチヤネルを
水陽極液が通り又このチヤネルを通じて陽極に生
じた酸素が除かれる。組立体には又集電−流体分
配子１５も含まれており、集電−流体分配子１５
にはくぼんだ中央陰極室がある。陽極集電−流体
分配子１０に於けるものと角度づけて配置された
複数の電極接触集電リブ１６が陰極室の長さに沿
つて延びている。陰極集電リブ１６は水平に配置
されたように示されているが、陰極導電リブと陽
極導電リブの間の角度は０℃より大きければ任意
でよい。

尚第１図に示す実施例に於ては、陰極側にも流
体分配構造を有する集電−流体分配子１５が用い
られているが、この種の電解セルに於て、陽極側
の集電−流体分配子１０の側に陽極液として水が
供給されて水の電気分解が行われる場合には、陰
極側の集電−流体分配子１５の側には流体として
は気体状の水素が生成するのみであり、従つて陰
極側の集電−流体分配子１５は流体を分配する機
能を有する必要はなく、陰極全体に亙つて電気接
点を与えると同時に陰極の各所に発生した水素ガ
スを単に集める機能を有する構造に作られていれ
ばよい。従つてそのような場合には流体を分配す
る機能は必要とされず、単に気体を集める構造で
あればよく、必ずしも図示の実施例に示されてい
る如き流体を明確な通路に沿つて導くチヤネル１
７が形成されなくてもよく、集電リブ１６はガス
の流れを妨げることなく集電機能を有するもので
あればよい。本発明の要旨は特に陽極液中に電解
によつてガスが発生することに関連するものであ
り、陽極側の集電−流体分配子１０に係るもので
ある。

イオンの運搬が可能な水和されたイオン交換膜
１８の両面には触媒流子の層が結合され、陽極及
び陰極を形成している。膜１８は集電−流体分配
子１０及び１５の間に配置される。陽極１９は、
例えば白金、イリジウム白金−イリジウムの還元
酸化物又は白金−ルテニウムの還元酸化物の如き
貴金属触媒と、疎水性フルオロカーボン粒子との
結合混合物から典型的になつており、膜１８の一
面に結合されている。陰極電極は、図示されてい
ないが、例えば白金黒、白金−イリジウム、白金
−ルテニウム又はこれ等の還元酸化物の如き電解
粒子から成つており、膜の他の面に結合されてい
る。

イオン交換膜は水和された陽イオン交換膜半透
膜なのが好ましい。Nafionの品名でDupont
Companyから市販されているようなパーフルオ
ロカーボンスルホン酸重合体膜が容易に使用でき
る。カルボン酸基が官能基である陽イオン半透膜
も同様に容易に使用できる。

陽極集電−流体分配子１０の底部にある室２１
と連通した入口通路２０を通じて、陽極液、例え
ば、水の電解の場合には水、が陽極室１１内に入
れられる。複数の垂直通路２２が室２１から延
び、陽極室の底に沿つて延びる水平チヤネル又は
マニホルド２３に開口している。チヤネル２３は
集電子リブにより形成された垂直流体分配チヤネ
ル１３の下端に開口している。陽極液は加圧下で
室２１内に導入され、水平マニホルド２３内に入
り、そこから流体分配チヤネル１３に入る。流体
分配チヤネル１３は上方水平マニホルド２４内に
開口しており、このマニホルド２４は集電子の本
体を貫通して延びる陽極出口導管２５と連通して
いる。同じようにして、陰極液（水の電解では存
在しない）は陰極集電子の底を横切つて延びるプ
レナム２６内に入れられる。プレナム２６は、一
連の垂直通路２７を通じて、垂直に延びるチヤネ
ル又はマニホルド２８と連通し、マニホルド２８
は水平陰極液分配チヤネル１７と連通している。

集電−流体分配子はカーボン又はグラフアイト
と樹脂結合剤との成形集合体であるから、グラフ
アイト又はカーボンを水の電解中に生成する酸素
から保護する為何等かの手段を取る必要がある。
第１図の水の電解セルにあつては、陽極側集電子
リブ等を導電性の箔で被覆し、これによつて、陽
極に発生した酸素がグラフアイトに達するのを防
止する。この目的の為、陽極集電子が第１図に部
分的に破断して示された薄い導電性の箔２９によ
つて被覆される。箔２９は、片側に適当な接着剤
を設こされ、加圧加熱下にて集電子に圧接され、
集電子のリブ様輪郭と適合させる。保護箔は導電
性でなければならず、又殆んどの金属酸化物は悪
い導電体であるから、非酸化物形成性表面薄膜を
有すべきである。陽極保護箔は薄い白金処理タン
タル又はニオブ箔である。非酸化物形成薄膜は白
金又は他の白金族の非酸化物形成性金属薄膜であ
り、箔上に電気メツキ、スパツタリングその他に
より付着される。白金族金属1.6mg／平方インチ
（1.6mg／in²）の装荷で十分である。

水の電解では、水である陽極液が陽極室１１に
入り、陽極電極と接触する。陽極は適当な電源
（図示せず）の正の端子に接続されているから、
水は流体分配チヤネルを通つて流れる際に該電極
に表面にて電解される。陽極で酸素が発生され水
素イオン（H⁺）が生成される。H⁺イオンは陽イ
オン交換膜を横切つて輸送され、膜の反対側に結
合された陰極に行く。H⁺イオンは陰極で放電さ
れ気体状水素を生成する。

既に指摘したとおり、電解中には、発生した酸
素は流体チヤネルを通つて出口導管まで上向きに
流れる。或る条件下（電流密度が高いときに最も
起る可能があり急速にガスが発生すると思われる
条件）では、発生された酸素は、チヤネルを通つ
て流れる水と均一に混ざるよりも、むしろ、個々
に分離した気体層を形成し、これ等の気体層が水
の層と交互にあり、その結果、流体流路は気体の
層と水の層とによつて交互に満たされる。こうし
た形態でガスと水が分配されると、即ち、複数の
気体と液体の界面があると、流体分配チヤネルの
１つ又はそれ以上に沿つた圧力が平均入口水マニ
ホルド圧より瞬間的に高くなることがある。この
結果、チヤネル内の入口部領域に発生した酸素は
入口マニホルドに於けるより下流でより高い圧力
を発生することになる。これによつて、発生した
気体がマニホルド内に逆流され、流体チヤネルへ
の入口を気体にて閉塞し、水又はその他の陽極液
がこうしたチヤネルに入るのが妨げられる。究極
的には、チヤネルに含まれる水が消費されてしま
う。入口での気体の泡が追加の水の流れがチヤネ
ル内に入るのを阻止する為に、膜は乾き、膜の抵
抗が上昇しセル電解電圧を増す。

発生した気体が入口マニホルドに向つて逆流す
るのを回避し電極の表面と膜に始終制御された水
の水の流れ分配をもたらす為に、所定の圧力降下
を与えるする為に、流体分配チヤネル入口に手段
を設ける。この目的の為に、流体チヤネルの入口
に絞り素子３０を配置し、これによつて、流体チ
ヤネルの断面積を減少させ、通加の圧力降下を導
入する。この圧力降下は流体チヤネルの下流に起
りうるいかなる異常な圧力変動より大きくなるよ
う設計される。これによつて、発生した酸素が入
口マニホルド内に戻され水がチヤネル内に更に流
れるのを阻止する可能性がなくなるか最小にな
る。第２図は、圧力降下用絞り素子を備えた集電
−流体分配子のマニホルド側を詳細に示してい
る。このように、グラフアイト−樹脂結合集合体
は複数のリブ１２を有する如く示されており、リ
ブ１２は複数の液体分配チヤネル１３を形成して
いる。成形グラフアイト集電−流体分配子１０は
保護金属箔２９で被覆され、この箔２９は発生酸
素がグラフアイト集電子を侵食するのを防いでい
る。箔２９は好ましくは既述の白金処理チタン箔
である。

水陽極液は矢印３１によつて示されるように、
流体分配チヤネル１３に入る。第２図には示され
ていないが、陽イオン交換膜に結合された陽極電
極は箔被覆を介してリブ１２と接触しており、電
極と集電子の間に電流の流れが許容される。通路
１３を通つて流れる水は電極と接触し、水を電解
させ、電極の表面に発生酸素と水素イオンを生成
する。

耐腐食性材料で形成されている絞り素子３０が
集電−流体分配子の、入口端を示す、近端上に配
置されている。絞り素子３０には複数のくぼみ３
２があり、くぼみ３２は概して流体分配チヤネル
の形に適合しチヤネル内に突入し複数の絞り入口
流体分配チヤネル３３を形成している。図からわ
かるように、絞り入口流体分配チヤネル３３の断
面図は流体分配チヤネル１３の断面積よりずつと
小さい。この結果、限定子の長さに沿つた圧力降
下は同等長の主チヤネルに対するより大きい。そ
して、絞られたチヤネル３３の寸法取りの選定に
より、通常の環境下にあつてはたとえ圧力異常が
下流に起つても圧力異常が気体を絞り素子に戻す
程ではないよう絞り素子にて圧力降下が十分生ず
る。

第２図は絞り素子がチヤネル内に挿入された構
造を示している。別の態様としては、第２図に示
した別個の絞り素子を無しでも為し得、この場合
には、流体分配チヤネルの入口側をチヤネルの残
部より小さくなるように集電−流体分配子を形状
づけて同じ結果を達成しうる。第３図はこうした
構造を示している。即ち、集電−流体分配子１０
を同じく薄い保護箔２９で被覆しこれに複数の流
体分配チヤネル１３を設け、このチヤネルに陽極
液例えば水を流して陽イオン膜に結合された陽極
に接触させる。しかし、集電子には絞りチヤネル
部３３が含まれ、この部分は主流体分配チヤネル
より断面積が小さくなつている。この断面積の減
少された入口部分は所定の距離だけ延び次いで３
４で広がつて主チヤネルへ延びている。陽極で発
生した酸素その他の気体状の電解生成物はこの絞
りチヤネル部３３に出合う。絞りチヤネル部３３
を横切つて追加の圧力降下がある為に、発生され
た気体が陽極液マニホルドに戻される可能性が大
いになくなり、流体分配チヤネルへの入口が阻止
される可能性がなくなり又は実質的に減少する。

前記したことから明らかなように、イオン交換
膜に陽極が結合されこの電極にリブ付き集電流体
分配素子が接触している型の電解セルに於ける流
れの分配の制御を維持する為に効果的な手段が提
供された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の集電−分離素子を使つた単一
セル単位装置の展開図、第２図は集電子−流体分
配子のチヤネルの絞り素子の部分破断斜視図、そ
して第３図は第２図の絞り素子に代わる別の構造
を示した部分破断斜視図である。 １０，１５……集電子−流体分配子、１１……
中央陽極室、１２，１６……リブ、１３，１７…
…流体分配チヤネル、１８……イオン交換膜、１
９……陽極、３０……絞り素子、３３……絞りチ
ヤネル部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 陽極室と、陰極室と、前記両電極室を分離し
   ているイオン透過性液体不透過性の膜と、前記膜
   の一方の面に設けられた陽極電極と、前記膜の他
   方の面に設けられた陰極電極と、前記陰極電極に
   導電的に接触し且前記陰極室に生じた電解生成物
   の移動のための前記膜に沿つて延在する液体通路
   を与える集電子と、前記陽極電極に導電的に接触
   し且陽極液と気体状電解生成物の移動のための前
   記膜に沿つて延在する複数のチヤネルを与える複
   数の間隔をおかれた細長い導電性のリブ部を有す
   る集電−流体分配子と、前記チヤネルの各々の一
   端部に陽極液を導く通路と、前記チヤネルの各々
   の前記一端部に於ける流路断面積を各チヤネルの
   それより下流側に於ける流路断面積より小さくす
   る絞り手段とを有することを特徴とする電解セ
   ル。