JP2018028134A - 水電解セル及び水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、従来よりも水素製造における設備コストとランニングコストの両方を削減することができる水電解セルを提供する。
【解決手段】本発明の水電解セル１０は、イオン透過性の隔膜１１と、前記隔膜１１を挟持する１対の多孔質電極１２ａ及び多孔質電極１２ｂと、を備え、前記多孔質電極１２ａ及び前記多孔質電極１２ｂは、水電解に使用される電解液に対して親液性を有することを特徴とする。この水電解セル１０を備える水電解装置は、再生可能エネルギ由来の電力を利用した水電解による水素変換電力貯蔵システムに好適に利用することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水電解セル及び水電解装置に関する。

近年、大気中のＣＯ₂削減を目的として、再生可能エネルギ由来の電力を利用した水電解による水素変換電力貯蔵システムが注目されている。このシステムにおいては、需要家の受電設備に供給されるいわゆる系統電力と比べると水電解による水素の製造コストのさらなる低減が望まれている。
従来、水電解装置としては、電解反応で生じた水素と酸素のそれぞれを水電解セルから電解液とともに抜き出して、水素と酸素を分離した後の電解液を再び水電解セルに戻すように循環させるものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。
この水電解装置では、電解反応によって生じる水素や酸素の気泡によって水電解セル内の電解液の電気抵抗（オーム損）が増加することを防止し、水電解セル内に生じる電解液の流れによって電極面に気泡が付着することを防止する。このような水電解装置によれば、水電解性能の向上を図ることができるため水素製造におけるランニングコストを低減することができる。

特開２０１５−１５１５６１号公報 特開２０１１−６７６９号公報

ところが、従来の水電解装置（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）は、電解液の循環経路、電解液の循環ポンプ、水素や酸素を電解液から分離するための気液分離装置、分離した水素や酸素からミスト化した電解液を分離するミストトラップ等の付属設備が必要となる。そのため、従来の水電解装置は、設備コストを増加させる問題があった。

そこで、本発明の課題は、従来よりも水素製造における設備コストとランニングコストの両方を削減することができる水電解セル及び水電解装置を提供することにある。

前記課題を解決した本発明の水電解セルは、隔膜と、前記隔膜を挟持する１対の多孔質電極と、を備え、前記多孔質電極は、水電解に使用される電解液に対して親液性を有することを特徴とする。
また、前記課題を解決した本発明の水電解装置は、前記の水電解セルと、前記多孔質電極に前記電解液を、毛細管現象を利用して供給する電解液貯留部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも水素製造における設備コストとランニングコストの両方を削減することができる水電解セル及び水電解装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る水電解装置の構成説明図である。 本発明の実施形態での電解セルスタックの構成説明図である。 本発明の実施形態での水電解セルの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る水電解装置の制御部における制御手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態での水電解セルの動作説明図である。 第１変形例に係る水電解セルの分解斜視図である。 図６の水電解セルと電解液貯留部との位置関係を示す模式図である。 第２変形例に係る水電解セルの模式図である。 本発明の実施例１で作製された水電解セルにおける多孔質電極の孔径（μｍ）と電解電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。 本発明の実施例２で作製された水電解セルにおける多孔質電極の孔径（μｍ）と電解電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について適宜図面を参照して説明するが、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜変更して実施可能である。以下では、水電解装置の全体構成について説明した後に、この水電解装置に使用される水電解セルについて説明する。

＜水電解装置の全体構成＞
本実施形態の水電解装置は、例えば、太陽光、風力、水力、地熱、太陽熱、大気中の熱、その他の自然界に存する熱、バイオマス等の再生可能エネルギ由来の電力を使用して水を電気分解するものを想定している。しかし、本発明は、化石燃料の燃焼エネルギや原子力エネルギ由来の電力を使用する水電解装置を排除するものではない。

図１は、本実施形態に係る水電解装置１の構成説明図である。
図１に示すように、水電解装置１は、電解セルスタック２と、電源３と、電源スイッチ４と、電流値センサ５と、電解液貯留部６と、水供給装置７と、制御部８と、を主に備えて構成されている。

電解セルスタック２（以下、単にスタック２という）は、複数の水電解セル１０（単セル）が積層されたものであり、電源３から供給される電力によって水を水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）に分解する。スタック２及び水電解セル１０については後に詳しく説明する。

電源３は、直流電源であって、スタック２に電力を供給することで、各水電解セル１０の後記する１対の多孔質電極１２ａ，１２ｂ（図３参照）にそれぞれ陽極（酸素発生極）と陰極（水素発生極）とを設定する。

電源スイッチ４は、電源３からスタック２に供給される電力のオンオフを切り替える。このオンオフの切り替えは、後記する制御部８の指令によって行われる。

電流値センサ５は、電源３からスタック２に供給される電力の電流値を検出する。本実施形態での電流値センサ５としては、電流計を想定している。
なお、電流値センサ５は、水電解セル１０ごとの電流値を検出することもできるし、複数の水電解セル１０から代表的な一部の水電解セル１０を選択して電流値を検出することもできる。この電流値の検出方法は、特定のものに限定されない。

電解液貯留部６は、各水電解セル１０の後記する多孔質電極１２ａ，１２ｂ（図３参照）に供給する電解液（電解質水溶液）を貯留する。
電解液貯留部６としては、後に詳しく説明するように多孔質電極１２ａ，１２ｂ（図３参照）に毛細管現象を利用して電解液を供給することができれば特に制限はない。

本実施形態での電解液貯留部６は、スタック２を浸漬する電解液の貯留槽６ａで構成されている。また、後に詳しく説明するように電解液貯留部６は、スタック２内に形成することもできる。

電解液は、所定の電解質を水に溶解させたものである。電解質としては、水電解に使用される公知のものを使用することができ、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸等が挙げられる。

また、本実施形態での電解液貯留部６には、貯留される電解液の電解質濃度を検出して出力する濃度センサ９が配置されている。この濃度センサ９は、電解液貯留部６の電解質濃度を検出して制御部８に出力する。

水供給装置７は、後記するように制御部８の指令に応じて電解液貯留部６に水を供給する。
水供給装置７は、電解液貯留部６に供給する水の水源（図示省略）と、電解液貯留部６に対して所定の流量で水を供給する流量調節バルブ（図示省略）とで構成されている。なお、電解液貯留部６の水源は、予め所定圧に加圧されたものを想定しているが、所定の水頭で圧力を稼ぐものとすることができる。また、電解液貯留部６は、本発明の課題を達成することができる範囲でポンプを備える構成とすることもできる。

制御部８は、電流値センサ５の出力信号に基づいて電解液貯留部６に対する水供給装置７の水の供給量（流量）を制御するように構成されている。この水の供給量（流量）の制御手順については後に詳しく説明する。

次に、スタック２について説明する。
図２は、本実施形態でのスタック２の構成説明図である。なお、図２中、１つの水電解セル１０及びこの水電解セル１０を挟持する１対のセパレータ１５，１５、並びに１対のエンドプレート１６ａ，１６ｂのみを実線で表している。また、図２中、積層される他の水電解セル１０、及び他のセパレータ１５は仮想線（二点鎖線）で表している。

図２に示すように、スタック２は、水電解セル１０がセパレータ１５を介して複数積層されて構成されている。水電解セル１０については、後に詳しく説明するが、図２中の符号１１は水電解セル１０の隔膜であり、符号１４ａ，１４ｂは水電解セル１０のパッキン部材である。

セパレータ１５は、水電解セル１０の積層方向の端面と略同じ平面形状を有する導電性の板体で構成されている。
本実施形態でのセパレータ１５は、後記する水電解セル１０（図３参照）の酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）及び水素流通路Ｐ３（ガス流通路）に対応する位置のそれぞれにガス孔Ｈ，Ｈが形成されている。

また、スタック２の両端に配置されるそれぞれ水電解セル１０の端面には、セパレータ１５に代えてエンドプレート１６ａとエンドプレート１６ｂとがそれぞれ配置されている。
エンドプレート１６ａ，１６ｂは、水電解セル１０の積層方向の端面と略同じ平面形状を有する導電性の板体で構成されている。これらのエンドプレート１６ａ，１６ｂは、積層された水電解セル１０を挟持するとともに、図示しない締結具によって積層された水電解セル１０とセパレータ１５とが一体になるように挟み付けて支持している。

また、エンドプレート１６ａ，１６ｂには、電源３（図１参照）の正極と負極がそれぞれ接続される。これによりスタック２には、エンドプレート１６ａ，１６ｂを介して電力が供給される。
なお、本実施形態では、エンドプレート１６ａに電源３（図１参照）の正極が接続され、エンドプレート１６ｂに電源３（図１参照）の負極が接続されるものを想定している。
図２中、符号Ｈ１は、水電解セル１０の後記する酸素流通路Ｐ２（図３参照）に連通するエンドプレート１６ａのガス孔である。符号Ｈ２は、水電解セル１０の後記する水素流通路Ｐ３に連通するエンドプレート１６ｂのガス孔である。

＜水電解セル＞
次に、水電解セル１０について説明する。
図３は、水電解セル１０の分解斜視図である。
水電解セル１０は、前記したように、スタック２（図２参照）の両端に配置される水電解セル１０を除いて、一対のセパレータ１５，１５の間に配置されている単セルである。

図３に示すように、水電解セル１０は、一対のセパレータ１５，１５の間に、後記の多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂのそれぞれを介して配置される膜電極構造体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）２０を備えている。
膜電極構造体２０は、隔膜１１と、この隔膜１１を挟持する１対の多孔質電極１２ａ，１２ｂとで主に構成されている。

本実施形態での隔膜１１は、イオン透過性のものであり、具体的にはイオン交換膜で構成されている。このイオン交換膜としては、水電解で使用される公知のイオン交換膜を使用することができる。このイオン交換膜の具体例としては、例えばイオン交換基を導入したパーフルオロカーボン樹脂等の固体高分子電解質膜が挙げられる。

多孔質電極１２ａ，１２ｂは、導電性を有する多孔質体で形成されている。
なお、前記のようにエンドプレート１６ａに電源３（図１参照）の正極が接続されることで、本実施形態での多孔質電極１２ａには、陽極（酸素発生極）が設定される。また、前記のように、エンドプレート１６ｂに電源３（図１参照）の負極が接続されることで、本実施形態での多孔質電極１２ｂには、陰極（水素発生極）が設定される。つまり、多孔質電極１２ａ，１２ｂは、隔膜１１を挟んでバイポーラ構造を形成する。

また、多孔質電極１２ａ，１２ｂは、電解液に対して親液性を有している。具体的には、多孔質電極１２ａ，１２ｂの表面における電解液に対する接触角が９０度以下のものが望ましい。
多孔質電極１２ａ，１２ｂの孔径は、１００μｍ以下が望ましく、８０μｍ以下がより望ましく、０．１〜５０μｍが最も望ましい。

また、多孔質電極１２ａ，１２ｂは、隔膜１１と接触する側の少なくとも表面部に水電解触媒が含まれているものが望ましい。

多孔質電極１２ｂ（水素発生極）における水電解触媒としては、例えば、白金、ニッケル、コバルト、銀、鉄、これら金属の合金等が挙げられる。また、多孔質電極１２ａ（酸素発生極）における水電解触媒としては、例えば、多孔質電極１２ｂで使用可能な前記の白金、ニッケル、コバルト、銀、鉄、これら金属の合金等に加えて、これらの金属の酸化物、合金の酸化物、カーボン等が挙げられる。

このような水電解触媒は、多孔質電極１２ａ，１２ｂの少なくとも表面部、具体的には多孔質電極１２ａ，１２ｂの表面、及びこの表面近傍の孔内の内壁に担持させることができる。
なお、水電解触媒は、多孔質電極１２ａ，１２ｂには含ませずに、多孔質電極１２ａ，１２ｂと接する隔膜１１の表面部に含ませることもできる。

多孔質電極１２ａ，１２ｂの材料としては、導電性、電解液に対する親液性、及び多孔性を有するものであれば特に制限はないが、例えば、チタン、ニッケル、ＳＵＳ、親水処理カーボン等が挙げられる。また、多孔質電極１２ａ，１２ｂの材料としては、前記のそれぞれの水電解触媒となる材料からなる多孔質電極１２ａ，１２ｂを使用することもできる。

また、水電解セル１０は、多孔質ガス分離層１３ａと、多孔質ガス分離層１３ｂとを備えている。
多孔質ガス分離層１３ａは、多孔質電極１２ａの隔膜１１と接する側とは反対側の面に形成されている。多孔質ガス分離層１３ｂは、多孔質電極１２ｂの隔膜１１と接する側とは反対側の面に形成されている。
多孔質電極１２ａと多孔質ガス分離層１３ａとは互いに重ね合わせられて積層体３０ａを構成する。また、多孔質電極１２ｂと多孔質ガス分離層１３ｂとは互いに重ね合わせられて積層体３０ｂを構成する。

多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂは、導電性を有する多孔質体で形成され、電解液に対して疎液性を有している。具体的には、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの表面における電解液に対する接触角が９０度以上のものが望ましい。

多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの孔径は、１００μｍ以下が望ましく、８０μｍ以下がより望ましく、０．１〜５０μｍが最も望ましい。
多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの材料としては、導電性、電解液に対する疎液性、及び多孔性を有するものであれば特に制限はない。

多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂは、電解液に対して親液性を有するものに疎液処理を施して形成することもできる。疎液処理としては、例えば、フッ素系、シリコーン系等の樹脂を付与することにより行うことができる。この際、疎液処理は、多孔質電極１２ａ，１２ｂと接する側の多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの表面部における孔内の内壁のみに行うことが望ましい。このように疎液処理を施すことで、多孔質電極１２ａ，１２ｂと多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとの接触面にフッ素系、シリコーン系等の樹脂が介在しない。これにより多孔質電極１２ａ，１２ｂと多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとの間の良好な電気伝導性が維持される。

また、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの材料としては、無処理で電解液に対して親液性を有するとともに電気伝導性を有する、例えば疎水性カーボン等を使用することもできる。
なお、本実施形態での多孔質電極１２ａ，１２ｂと多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとは、平面形状が互いに同じ矩形で形成されている。ちなみに、多孔質電極１２ａ，１２ｂと多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとは、セパレータ１５よりも一回り小さい平面形状の矩形となっている。

また、本実施形態での水電解セル１０は、パッキン部材１４ａ及びパッキン部材１４ｂを備えている。

パッキン部材１４ａは、多孔質電極１２ａと多孔質ガス分離層１３ａとの積層体３０ａを内側空間１４１ａに収納する枠状体で形成されている。この内側空間１４１ａの形状と、積層体３０ａの形状とは一致しており、内側空間１４１ａに積層体３０ａが嵌り込むことで、パッキン部材１４ａは、隔膜１１及びセパレータ１５と同じ平面形状（端面形状）を有する直方体を構成する。

パッキン部材１４ｂは、多孔質電極１２ｂと多孔質ガス分離層１３ｂとの積層体３０ｂを内側空間１４１ｂに収納する枠状体で形成されている。この内側空間１４１ｂの形状と、積層体３０ｂの形状とは一致しており、内側空間１４１ｂに積層体３０ｂが嵌り込むことで、パッキン部材１４ｂは、隔膜１１及びセパレータ１５と同じ平面形状（端面形状）を有する直方体を構成する。

また、パッキン部材１４ａ，１４ｂのそれぞれの下部には、パッキン部材１４ａ，１４ｂを上下方向に貫くように一対の電解液流通路Ｐ１が形成されている。
この電解液流通路Ｐ１は、パッキン部材１４ａ，１４ｂの内側空間１４１ａ，１４１ｂのそれぞれに積層体３０ａ，３０ｂのそれぞれが配置された際に、各多孔質電極１２ａ，１２ｂに対応する位置に形成されている。

よって、図１に示すように、電解液貯留部６がパッキン部材１４ａ，１４ｂの外側に隣接配置される本実施形態の水電解装置１においては、図３に示す電解液流通路Ｐ１内が電解液で満たされる。そして、この電解液流通路Ｐ１を介して電解液に接触した各多孔質電極１２ａ，１２ｂには、毛細管現象によって電解液が供給される。

また、パッキン部材１４ａの上部には、パッキン部材１４ａの幅方向、つまり水電解セル１０の積層方向にパッキン部材１４ａを貫くように、酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と水素流通路Ｐ３（ガス流通路）とが形成されている。
また、パッキン部材１４ａの上部には、酸素流通路Ｐ２と内側空間１４１ａとを連通させる連通路Ｐ４が形成されている。
この連通路Ｐ４は、パッキン部材１４ａの内側空間１４１ａに積層体３０ａが配置された際に、多孔質ガス分離層１３ａに対応する位置に形成されている。

また、パッキン部材１４ｂの上部には、パッキン部材１４ｂの幅方向、つまり水電解セル１０の積層方向にパッキン部材１４ｂを貫くように、酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と水素流通路Ｐ３（ガス流通路）とが形成されている。
また、パッキン部材１４ｂの上部には、水素流通路Ｐ３と内側空間１４１ｂとを連通させる連通路Ｐ５が形成されている。
この連通路Ｐ５は、パッキン部材１４ｂの内側空間１４１ｂに積層体３０ｂが配置された際に、多孔質ガス分離層１３ｂに対応する位置に形成されている。これにより酸素流通路Ｐ２には酸素のみが導かれ、水素流通路Ｐ３には水素のみが導かれる。

ちなみに、本実施形態での酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と水素流通路Ｐ３（ガス流通路）とは、電解液の液面よりも鉛直方向の上方になるように配置されている。言い換えると、本実施形態での電解液貯留部６は、酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）及び水素流通路Ｐ３（ガス流通路）よりも鉛直方向の低い位置に形成されている。

そして、隔膜１１及び各セパレータ１５には、パッキン部材１４ａ，１４ｂの酸素流通路Ｐ２及び水素流通路Ｐ３のそれぞれに対応する位置に、ガス孔Ｈが形成されている。
ちなみに、前記したエンドプレート１６ａのガス孔Ｈ１（図２参照）は、パッキン部材１４ａ及びパッキン部材１４ｂのうちのいずれか一方に形成された酸素流通路Ｐ２に対応する位置に設けられている。また、前記したエンドプレート１６ｂのガス孔Ｈ２（図２参照）は、パッキン部材１４ａ及びパッキン部材１４ｂのうちのいずれか他方に形成された酸素流通路Ｐ２に対応する位置に設けられている。

＜水電解装置の動作及び作用効果＞
次に、本実施形態の水電解装置１の動作を説明しながら、水電解セル１０及びこれを備える水電解装置１の奏する作用効果について説明する。
図４は、水電解装置１の制御部８における制御手順を示すフローチャートである。

ユーザによって水電解装置１（図１参照）の図示しないスイッチがオンになると、水電解装置１の制御部８（図１参照）は、電源スイッチ４（図１参照）をオンにする。これによりスタック２には、電源３によって電力が供給される。スタック２では、後に詳しく説明するように水電解によって水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）とが生成する。

また、制御部８は、電流値センサ５（図１参照）の出力信号に基づいて電流値［Ａ］を積算する。これによって制御部８は、水電解に使用される電気量［Ａｓ］を演算する（ステップＳ１）。さらに制御部８は、この電気量［Ａｓ］に基づいて水電解で単位時間当たりに消費される水量（水消費率）［ｍ³／ｓ］を演算する（ステップＳ２）。ちなみに、この水量［ｍ³／ｓ］の演算は、ファラデー定数及び積算時間に基づいて行うことができる。

その一方で、制御部８は、濃度センサ９（図１参照）によって電解液貯留部６（図１参照）の電解液の電解質濃度を監視する。そして、制御部８は、電解質濃度が所定の閾値を超えているか否かを判断する（ステップＳ３）。ちなみに、この閾値は、通常運転時における電解液の許容電解質濃度の範囲内で適宜に設定することができる。

この際、所定の閾値を超えていない（ステップＳ３のＮｏ）と判断した制御部８は、このステップＳ３の判断を繰り返す。そして、所定の閾値を超えている（ステップＳ３のＹｅｓ）と判断した制御部８は、前記の消費した水量［ｍ³／ｓ］を補うように水供給装置７（図１参照）の電解液貯留部６（図１参照）に対する単位時間当たりの水供給量［ｍ³／ｓ］を制御する。つまり、制御部８は、演算した前記水量［ｍ³／ｓ］に応じて水供給装置７の電解液貯留部６に対する流量を制御する（ステップＳ４）。
これにより制御部８による水供給装置７の制御のサブルーチンが終了する。

次に、水電解セル１０の動作について説明する。
図５は、水電解セル１０の動作説明図である。なお、図５中に記した各符号は、図３に記した同じ符号と対応しているが、図５の水電解セル１０は模式的に表している。したがって図５に表した水電解セル１０の各構成要素は作図の便宜上、図３に表した各構成要素を適宜に誇張し又は変形して描いている。

図５に示すように、本実施形態の水電解セル１０においては、電解液貯留部６（図１参照）に貯留される電解液は、パッキン部材１４ａ，１４ｂの電解液流通路Ｐ１を介して多孔質電極１２ａ，１２ｂのそれぞれに供給される。この際、多孔質電極１２ａ，１２ｂが電解液に対して親液性を有し、前記の所定範囲の孔径を有することで、電解液流通路Ｐ１内の電解液は、多孔質電極１２ａ，１２ｂにおける毛細管現象によって多孔質電極１２ａ，１２ｂの全体に行き渡る。

前記のようにスタック２（図１参照）に電源３（図１参照）から電力が供給されると、水電解セル１０内では電解液中の水（Ｈ₂Ｏ）が電解されて酸素（１／２Ｏ₂）と水素（Ｈ₂）とが生起する。つまり、隔膜１１を挟む一方の多孔質電極１２ａでは、陽極に設定され、水電解によって消費される水１モル当たりに酸素１／２モルが生起する。また、隔膜１１を挟む他方の多孔質電極１２ｂでは、陰極に設定され、水電解によって消費される水１モル当たりに水素１モルが生起する。

ところで、電解液中の気泡をモデルにしたヤング・ラプラスの式［ΔＰ＝２γ／ｒ（但し、ΔＰ：圧力の増加分、γ：表面張力、ｒ：気泡の半径）］によれば、気泡の径が１００μｍ以下になると、常圧以上の所定圧力が気泡の表面に掛る。そのため、気泡を形成するガスは、電解液に溶解し易くなる。つまり、気泡の径はより小さくなっていく傾向にある。
すなわち、本実施形態での多孔質電極１２ａ，１２ｂの孔径は、前記のとおり、１００μｍ以下となっているので、孔内での気泡が発生したとしても気泡の径は小さくなっていき気泡の発生が抑制される。これにより多孔質電極１２ａ，１２ｂに気泡が付着することが抑制される。

また、本実施形態の水電解セル１０は、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの表面が電解液に対して疎液性を示す。つまり、ヤング・ラプラスの式に示されるように、多孔質電極１２ａ，１２ｂ側から多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂに接する電解液の表面に圧力が掛り、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂには電解液が入り込み難くなる。

そして、多孔質電極１２ａ，１２ｂでそれぞれ生起した酸素と水素とが優先的に多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの孔内に流れ込む。つまり、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂは、電解液から酸素と水素とを気液分離する。

この際、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂと接する多孔質電極１２ａ，１２ｂ側に存在する電解液中の酸素と水素とは、前記のように気泡の径が小さくなる傾向にある。また、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの孔径も１００μｍ以下となっているので、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂと多孔質電極１２ａ，１２ｂとの接触界面においても気泡は圧縮される傾向にある。そのため、多孔質電極１２ａ，１２ｂ側から多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂ側に向けて酸素や水素が移行する際に、気泡が破裂することが防止される。つまり、電解液のミスト化が防止される。

そして、多孔質ガス分離層１３ａに移行した酸素は、パッキン部材１４ａの連通路Ｐ４から酸素流通路Ｐ２に流れ込む。その後、酸素は、エンドプレート１６ａ（図２参照）のガス孔Ｈ１（図２参照）からスタック２（図２参照）の外部に抜き出されて所定の圧力容器等に回収される。

また、多孔質ガス分離層１３ｂに移行した水素は、パッキン部材１４ｂの連通路Ｐ５から水素流通路Ｐ３に流れ込む。その後、酸素は、エンドプレート１６ｂ（図２参照）のガス孔Ｈ２（図２参照）からスタック２（図２参照）の外部に抜き出されて所定の圧力容器等に回収される。
なお、図５中、符号１５はセパレータである。

次に、本実施形態の水電解セル１０及びこれを使用した水電解装置１の奏する作用効果について説明する。
本実施形態の水電解装置１における水電解セル１０は、電解液に対して親液性を示す多孔質電極１２ａ，１２ｂがイオン透過線の隔膜１１を挟むように配置されている。

この水電解セル１０は、比表面積の大きい多孔質電極１２ａ，１２ｂで水電解が行われるとともに、前記のように細孔内での気泡の発生が抑制される。よって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、水電解性能を向上させることができるため水素製造におけるランニングコストを低減することができる。

また、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、多孔質電極１２ａ，１２ｂに対する電解液の供給が、多孔質電極１２ａ，１２ｂにおける毛細管現象によって行われる。そのため本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１では、例えば電極が配置される電解槽に送液ポンプなどを利用して電解液を送り込む水電解装置と異なって、送液ポンプ等の付属設備を省略することができる。よって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、設備コストを削減することができる。

また、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、多孔質電極１２ａ，１２ｂの孔径が１００μｍ以下となっているので、多孔質電極１２ａ，１２ｂにおける気泡の発生はより確実に抑制される。また、多孔質電極１２ａ，１２ｂにおける毛細管現象はより顕著に現われる。

また、本実施形態の水電解セル１０においては、隔膜１１と接触する側の多孔質電極１２ａ，１２ｂの少なくとも表面部に水電解触媒が含まれている。したがって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、水電解性能をさらに向上させることができるため水素製造におけるランニングコストをさらに低減することができる。

また、本実施形態の水電解セル１０においては、多孔質電極１２ａ，１２ｂの隔膜１１と接する側とは反対側の面に多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂが形成されている。また、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂは、電解液に対して疎液性を有している。
このような本実施形態の水電解セル１０においては、多孔質電極１２ａ，１２ｂで電解液中に生起させた水素や酸素を多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂが気液分離する。

これにより本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、従来の水電解装置（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）と異なって、気液分離器を省略することができる。よって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、設備コストを削減することができる。

また、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂの孔径が１００μｍ以下となっているので、前記のように電解液のミスト化が防止される。

これにより本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、ミストトラップ等の付属設備を省略することができる。よって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、設備コストをさらに削減することができる。

また、本実施形態の水電解セル１０においては、多孔質電極１２ａ，１２ｂと多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとの積層体３０ａ，３０ｂがパッキン部材１４ａ，１４ｂ内に収納されている。そして、パッキン部材１４ａ，１４ｂには、多孔質電極１２ａ，１２ｂに電解液を供給する電解液流通路Ｐ１と、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂからガスが抜き出される酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と、水素流通路Ｐ３（ガス流通路）とが形成されている。

これにより本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１においては、水素や酸素を生起する多孔質電極１２ａ，１２ｂと、電解液から水素や酸素を分離する多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂとを近接配置することができる。つまり、水電解装置１では、気液分離器を電解液の循環経路内に有する従来の水電解装置（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）と異なって、格段にコンパクト化を図ることができる。したがって、本実施形態の水電解セル１０を備える水電解装置１によれば、設備コストをより一層削減することができる。

また、本実施形態の水電解装置１においては、前記のように電解液貯留部６がパッキン部材１４ａ，１４ｂの外側に隣接するように配置されているので、さらにコンパクト化を図ることができ、設備コストをより一層削減することができる。

また、本実施形態の水電解装置１においては、パッキン部材１４ａ，１４ｂに形成された酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と水素流通路Ｐ３（ガス流通路）とは、電解液貯留部６よりも鉛直方向の高い位置に形成されている。

このような水電解装置１によれば、不測に電解液貯留部６における電解液の液面が上昇した場合においても、酸素流通路Ｐ２（ガス流通路）と水素流通路Ｐ３（ガス流通路）における電解液のフラッディングを確実に防止することができる。

また、本実施形態の水電解装置１においては、制御部８が電流値センサ５の出力信号に基づいて水供給装置７が電解液貯留部６に供給する水の供給量を制御する。そのため、この水電解装置１によれば、より一層、水電解性能の向上を図ることができ、水素製造におけるランニングコストをさらに低減することができる。

また、本実施形態の水電解装置１においては、単位時間当たりに消費される水量［ｍ³／ｓ］に基づいて電解液貯留部６に対する単位時間当たりの水供給量［ｍ³／ｓ］が制御される。これにより水電解装置１は、水電解性能をより一層向上させることができ、水素製造におけるランニングコストを格段に低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。なお、ここでの他の実施形態において、前記実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
図６は、第１変形例に係る水電解セル１０の分解斜視図である。図７は、図６の水電解セル１０と電解液貯留部６との位置関係を示す模式図である。図８は、第２変形例に係る水電解セル１０の模式図であり、図７に対応する図である。

図３に示したように、前記実施形態でのパッキン部材１４ａ，１４ｂに形成される電解液流通路Ｐ１は、パッキン部材１４ａ，１４ｂの下部に形成されている。
これに対して前記実施形態の第１変形例に係る水電解セル１０の電解液流通路Ｐ１は、図６に示すように、パッキン部材１４ａ，１４ｂの下部に加えて、パッキン部材１４ａ，１４ｂの両側部にも１対ずつ形成されている。第１変形例に係る水電解セル１０は、パッキン部材１４ａ，１４ｂの両側部に電解液流通路Ｐ１が形成されている以外は、前記実施形態の水電解セル１０（図３参照）と同様に構成されている。

なお、図６中、符号２０は隔膜１１及び多孔質電極１２ａ，１２ｂを有する膜電極構造体であり、符号１０は膜電極構造体２０、多孔質ガス分離層１３ａ，１３ｂ及びパッキン部材１４ａ，１４ｂを有する水電解セルであり、符号１５はセパレータである。符号Ｐ２は酸素流通路であり、符号Ｐ３は水素流通路である。

このような第１変形例に係る水電解セル１０を備える水電解装置１においては、図７に示すように、電解液貯留部６の電解液が、パッキン部材１４ａ，１４ｂのそれぞれに形成される６つの電解液流通路Ｐ１を介して多孔質電極１２ａ，１２ｂのそれぞれに供給される。つまり、多孔質電極１２ａ，１２ｂには、下方、両側方の３方向から電解液が供給される。よって、この第１変形例に係る水電解セル１０によれば、多孔質電極１２ａ，１２ｂに電解液がより効率よく行き渡る。

図７に示したように、第１変形例に係る水電解セル１０を備える水電解装置１は、パッキン部材１４ａ，１４ｂの外側に電解液貯留部６が配置されている。これに対して第２変形例に係る水電解セル１０を備える水電解装置１は、図８に示すように、パッキン部材１４ａ，１４ｂの内部に電解液貯留部６が形成されている。ちなみに、この第２変形例に係る水電解セル１０の電解液貯留部６は、図示は省略するが、スタック２の長手方向に延びるように形成されており、エンドプレート１６ａ，１６ｂを除いて隔膜１１及びセパレータ１５を貫くように形成されている。

また、前記実施形態、並びに第１変形例及び第２変形例に係る水電解セル１０のパッキン部材１４ａ，１４ｂは、電解質に対するシール性を有する材料からなるものを想定している。しかし、パッキン部材１４ａ，１４ｂに対応する部分は、電解液が浸透可能な多孔質体で構成することもできる。これにより水電解セル１０は、電解液流通路Ｐ１を省略することができる。ちなみに、パッキン部材１４ａ，１４ｂに対応する部分に形成される酸素流通路Ｐ２、水素流通路Ｐ３等のガス流通路については、多孔質体が電解液を含むことによって気密性が維持される。

以下では、本発明の作用効果を検証した実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例では、パーフルオロカーボン樹脂系の固体高分子電解質膜からなる隔膜を挟むように一対のニッケルからなる多孔質電極を配置した水電解セル（単セル）を作製した。水電解セルは、多孔質電極の孔径が５０μｍ、１５０μｍ、６００μｍであるものを３種類作製した。電解液には、１Ｍの水酸化カリウム水溶液を使用した。

これらの水電解セルについて、特定電流における水電解を実施して電解電圧を測定した。その結果を図９に示す。図９は、実施例１で作製した水電解セルにおける多孔質電極の孔径（μｍ）と電解電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。

図９に示すように、孔径１５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、２．２２Ｖであった。また、孔径６００μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、２．２１Ｖであった。これに対して、孔径５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、２．０３Ｖであった。
孔径５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルは、孔径１５０μｍのもの及び孔径６００μｍのものと比較して、電解電圧が１０％低減できることが確認された。

なお、図示しないが、参考例として、前記のニッケルからなる多孔質電極に代えて１００メッシュ／インチ（２．５４ｃｍ）電極を使用した水電解セルの電解電圧を測定した。この水電解セルの電解電圧は、２．２５Ｖであった。

（実施例２）
本実施例では、実施例１の多孔質電極に代えてＳＵＳ製の多孔質電極を有する水電解セルを作製した。また、この多孔質電極の隔膜と接する側には、水電解触媒としての白金をスパッタリング法にて付着させた。
水電解セルは、多孔質電極の孔径が５０μｍ、１５０μｍ、３００μｍ、６００μｍであるものを４種類作製した。電解液には、１Ｍの硫酸水溶液を使用した。

これらの水電解セルについて、特定電流における水電解を実施して電解電圧を測定した。その結果を図１０に示す。図１０は、実施例２で作製した水電解セルにおける多孔質電極の孔径（μｍ）と電解電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。

図１０に示すように、孔径１５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、３．０８Ｖであった。また、孔径３００μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、３．０９Ｖであった。また、孔径６００μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、３．２０Ｖであった。これに対して、孔径５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルの電解電圧は、２．８８Ｖであった。
孔径５０μｍの多孔質電極を有する水電解セルは、孔径１５０μｍのもの及び孔径３００μｍのものと比較して、電解電圧が６％低減できることが確認された。

１ 水電解装置
２ 電解セルスタック
３ 電源
５ 電流値センサ
６ 電解液貯留部
７ 水供給装置
８ 制御部
１０ 水電解セル
１１ 隔膜
１２ａ 多孔質電極
１２ｂ 多孔質電極
１３ａ 多孔質ガス分離層
１３ｂ 多孔質ガス分離層
１４ａ パッキン部材
１４ｂ パッキン部材
１５ セパレータ
２０ 膜電極構造体
３０ａ 積層体
３０ｂ 積層体
Ｐ１ 電解液流通路
Ｐ２ 酸素流通路（ガス流通路）
Ｐ３ 水素流通路（ガス流通路）

Claims (11)

1. イオン透過性の隔膜と、
   前記隔膜を挟持する１対の多孔質電極と、を備え、
   前記多孔質電極は、水電解に使用される電解液に対して親液性を有することを特徴とする水電解セル。
2. 請求項１に記載の水電解セルにおいて、
   前記隔膜と接触する側の前記多孔質電極の少なくとも表面部には、水電解触媒が含まれていることを特徴とする水電解セル。
3. 請求項１に記載の水電解セルにおいて、
   前記多孔質電極の孔径は、１００μｍ以下であることを特徴とする水電解セル。
4. 請求項１に記載の水電解セルにおいて、
   １対の前記多孔質電極の前記隔膜と接する側とは反対側の面に多孔質ガス分離層が形成されており、
   前記多孔質ガス分離層は、前記電解液に対して疎液性を有することを特徴とする水電解セル。
5. 請求項４に記載の水電解セルにおいて、
   前記多孔質ガス分離層の孔径は、１００μｍ以下であることを特徴とする水電解セル。
6. 請求項４に記載の水電解セルにおいて、
   前記多孔質電極と前記多孔質ガス分離層との積層体は、枠状のパッキン部材内に収納されており、
   前記パッキン部材には、前記多孔質電極に前記電解液を供給する電解液流通路と、
   前記多孔質ガス分離層からガスが抜き出されるガス流通路と、が形成されていることを特徴とする水電解セル。
7. 請求項４に記載の水電解セルと、
   前記多孔質電極に前記電解液を毛細管現象を利用して供給する電解液貯留部と、
   を備えることを特徴とする水電解装置。
8. 請求項７に記載の水電解装置において、
   前記電解液貯留部は、前記パッキン部材の外側に隣接するように、又は前記パッキン部材内に形成されていることを特徴とする水電解装置。
9. 請求項８に記載の水電解装置において、
   前記電解液貯留部は、前記ガス流通路よりも鉛直方向の低い位置に形成されていることを特徴とする水電解装置。
10. 請求項７に記載の水電解装置において、
    前記電解液貯留部に水を供給する水供給装置と、
    前記水電解セルに供給される電力の電流値を検出して出力する電流値センサと、
    前記電流値センサの出力信号に基づいて前記水供給装置が前記電解液貯留部に供給する水の供給量を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする水電解装置。
11. 請求項１０に記載の水電解装置において、
    前記制御部は、前記電流値センサの出力信号に基づいて電流値を積算することによって前記水電解セルで水電解に使用される電気量を演算し、この電気量に基づいて水電解で単位時間当たりに消費される水量を演算し、この水量を補うように前記水供給装置の前記電解液貯留部に対する単位時間当たりの水供給量を制御することを特徴とする水電解装置。

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