JP2018188710A - 水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電体内に直接水の流れを生じさせることによって、給電体内で発生した気体を給電体から排出することが可能な水電解装置を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両方の主面上に設けられた１対の触媒層と、一対の触媒層の電解質膜側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた導電性と通気性とを有する一対の給電体と、一対の給電体の触媒層側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた一対の集電体と、を備え、一対の集電体のうちの一方の集電体の給電体側の主面に水が供給される供給流路４と水が排出される排出流路５とが設けられ、供給流路と排出流路とは互いに分離されている。【選択図】 図５

Description

本発明は、水電解装置に関する。

従来、水を電気分解することにより水素ガスを得るための水電解装置が知られている。この水分解装置として、例えば、特許文献１に開示された水分解装置が知られている。この水電解装置は、一つ以上のセルが積層され、この積層されたセルが両側より一対の集電板で挟まれ、その外側から一対の絶縁板で挟まれる。そして、これらが、さらに両側から一対の端板で挟まれてボルトにより締結されて固定される。一対の集電板は、一対の配線を介して電源に電気的に接続される。アノード側の集電板は、電源の正極に接続され、カソード側の集電板は電源の負極に接続される。セルは、ＭＥＡの両側よりアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟んで構成される。

ＭＥＡは、固体高分子電解質膜と、その両側に多孔質な一対の給電体を備え、この一対の給電体と固体高分子電解質膜の間には、一対の触媒層が配置される。

積層されたセルの周縁部には、水供給マニホールドと水排出マニホールドと水素排出マニホールドとが積層方向に延びるように設けられる。

アノード側のセパレータの内側主面には、水供給マニホールドから水排出マニホールドに至るアノード側流路が形成される。この流路は、複数の流路溝によって構成される。カソード側のセパレータの内側主面には、水素排出マニホールドに接続されたカソード側流路が、複数の流路溝で構成されて形成される。アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの外周端部には、それぞれ、シールが配置される。

端板には、水供給マニホールド、水排出マニホールド、及び水素排出マニホールドにそれぞれ連通する水供給口、水排出口、及び水素排出口が設けられる。

この水電解装置では、水供給口から水供給マニホールドに水が供給され、一対の集電板間に電源を介して電圧が印加される。すると、各セルでは、水供給マニホールドからアノード側のセパレータのアノード側流路に水が供給されて、アノード側の給電体を移動する。この水は、アノード触媒層で分解され、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を透過してカソード触媒層に移動し、電子と結合して水素が得られる。この生成された水素は、カソード側の流路を流れ、水素排出口から水電解装置の外部に取り出される。一方、アノード側流路で陽極反応により生成された酸素と未反応の水とが水排出口から水電解装置の外部に排出される。

特許５４００４１４号公報

上記従来の水電解装置では、電気分解により気体が発生すると、気体は気泡となって給電体内に滞留する。気泡が触媒層を覆うと、水が触媒層に十分に供給されなくなり、反応面積が減少して電解効率が低下する。気泡を取り除くためには、通常は水供給量を増して給電体表面を流れる水の流速を高めることにより、給電体内部に水の流れを間接的に引き起こして発生気体を排出していた。しかし、水の流量を増して流速を高めようとすると、水を供給するポンプの仕事量が大きくなり、ポンプへの供給動力が増加して、水素生成の効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、給電体内に直接水の流れを生じさせることによって、給電体内で発生した気体を給電体から排出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。

上記従来の課題を解決するために、本開示に係る水電解装置は、電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面上に設けられた１対の触媒層と、前記一対の触媒層の前記電解質膜側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた導電性と通気性とを有する一対の給電体と、前記一対の給電体の前記触媒層側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた一対の集電体と、を備え、前記一対の集電体のうちの一方の集電体の前記給電体側の主面に水が供給される供給流路と前記水が排出される排出流路とが設けられ、前記供給流路と排出流路とは互いに分離されている。

本開示の水電解装置は、給電体内に直接水の流れを生じさせることによって、給電体内で発生した気体を給電体から排出することができるという効果を奏する。

図１は、本開示の実施形態１に係る水電解装置の構成を模式的に示す外観図である。 図２は、図１のセルの構成を示す分解斜視図である。 図３は、図２のＭＥＡの構成を示す分解斜視図である。 図４は、図２のカソード側セパレータの構成を示す斜視図である。 図５は、図２のアノード側セパレータの構成を示す斜視図である。 図６は、図５のアノード側セパレータにおける水供給流路の特定部分及び水排出流路の特定部分の構成を示す正面図である。 図７は、図１のセルの縦断面を示す部分断面図である。 図８は、図７の部分断面の一部を拡大して示す拡大部分断面図である。 図９は、本開示の実施形態２に係る水電解装置のアノード側セパレータにおける水供給流路の特定部分と水排出流路の特定部分とを隔てるリブの構成を示す図であって、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は正面図である。 図１０は、本開示の実施形態２に係る水電解装置のアノード側セパレータにおける水供給流路の特定部分と水排出流路の特定部分とを隔てるリブの変形例を示す正面図である。 図１１は、本開示の実施形態３に係る水電解装置のアノード側セパレータにおける水供給流路の特定部分と水排出流路の特定部分とを隔てるリブの構成を示す部分断面図である。

第１の本開示に係る水電解装置は、電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面上に設けられた１対の触媒層と、前記一対の触媒層の前記電解質膜側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた導電性と通気性とを有する一対の給電体と、前記一対の給電体の前記触媒層側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた一対の集電体と、を備え、前記一対の集電体のうちの一方の集電体の前記給電体側の主面に水が供給される供給流路と前記水が排出される排出流路とが設けられ、前記供給流路と排出流路とは互いに分離されている。

ここで、「水」は、純水に限らない。「水」は、電解質等の溶質を溶解した水溶液をも含む。

また、「前記一対の集電体のうちの一方の集電体の前記給電体側の主面に水が供給される供給流路と前記水が排出される排出流路とが設けられ」とは、換言すると、「前記一対の集電体のうちの一方の集電体の給電体側の主面に、アノード及びカソードの一方に供給される水が流れる供給流路と、アノード及びカソードの一方から排出される水が流れる排出流路とが設けられ」を意味する。「アノード」は、一対の触媒層のうちのアノード側の触媒層と、一対の給電体のうちのアノード側の給電体を意味し、「カソード」は、一対の触媒層のうちのカソード側の触媒層と、一対の給電体のうちのカソード側の給電体を意味する。

また、「分離」は、実質的分離を意味する。「実質的分離」とは、供給流路と排出流路を連通する連通路が設けられたとしても、供給流路から排出流路に供給される水の大部分が連通路ではなく、供給流路から給電体を経由して排出流路に流入するように供給流路と排出流路が分離されていることを意味する。換言すると、「分離」は、供給流路と排出流路とを連通する連通路の断面積が、供給流路及び排出流路の断面積よりも小さい場合と、連通路の断面積が０である場合、つまり、供給流路と排出流路とが完全に分離されている場合とを含むことを意味する。

この構成によれば、供給流路と排出流路とが互いに分離されているので、供給される水は供給流路から給電体を通過して排出流路に流れる。このため、給電体で発生した気体を液体で強制的に押すので、発生した気体を給電体内に滞留しないよう速やかに給電体から排出流路に排出することができる。

第２の本開示に係る水電解装置は、第１の本開示に係る水電解装置において、前記供給流路は前記水の入り口から延びており、前記排出流路は前記水の出口から延びており、且つ、前記供給流路の特定部分と前記排出流路の特定部分とは、互いに隣接し且つ互いに反対方向に延びていてもよい。

この構成によれば、供給流路ではその延伸方向に水圧が低下する。一方、排出流路ではその延伸方向と反対方向に水圧が低下する。そして供給流路の特定部分と排出流路の特定部分とは互いに隣接し且つ互いに反対方向に延びるので、両者の延伸方向における両者間の圧力損失が概ね均一になる。その結果、供給流路の特定部分と排出流路の特定部分との間のリブ上に位置する給電体に概ね均一に水を流すことができる。

第３の本開示に係る水電解装置は、第２の本開示に係る水電解装置において、前記排出流路の特定部分の幅は前記供給流路の特定部分の幅よりも広くてもよい。

この構成によれば、供給流路の特定部分の深さと排出流路の特定部分の深さとが同じである場合、供給流路の特定部分の断面積に較べて、排出流路の特定部分の断面積が大きくなる。一方、排出流路の水は、給電体で発生した気体の気泡を含む分だけ見かけ上の体積が増加する。従って、排出流路の特定部分の水の見かけ上の体積の増加を、排出流路の特定部分の断面積の増大が吸収するので、発生気体を、排出流路に滞留しないよう好適に水により押し出すことができる。

第４の本開示に係る水電解装置は、第１乃至３のいずれかの本開示に係る水電解装置において、前記排出流路の面積は、前記供給流路の面積よりも大きくてもよい。

この構成によれば、供給流路の深さと排出流路の深さとが同じである場合、供給流路の断面積に較べて、排出流路の断面積が大きくなる。一方、排出流路の水は、給電体で発生した気体の気泡を含む分だけ見かけ上の体積が増加する。従って、排出流路の水の見かけ上の体積の増加を、排出流路の断面積の増大が吸収するので、発生気体を、排出流路の末端に滞留しないよう好適に水により押し出すことができる。

第５の本開示に係る水電解装置は、第２乃至４のいずれかの本開示に係る水電解装置において、前記供給流路の延伸方向における前記供給流路の末端と前記排出流路の当該末端と対向する部分との距離は、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分との距離よりも小さくてもよい。

この構成によれば、供給流路の末端から排出流路へ流体が流れ易くなり、発生気体が排出流路の末端に滞留しないように水により押し出され易くなる。

第６の本開示に係る水電解装置は、第２乃至４のいずれかの本開示に係る水電解装置において、前記排出流路の延伸方向における前記排出流路の末端と前記供給流路の当該末端と対向する部分との距離は、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分との距離よりも小さくてもよい。

この構成によれば、供給流路かの末端から排出流路へ流体が流れ易くなり、発生気体が供給流路の末端に滞留しないように水により押し出され易くなる。

第７の本開示に係る水電解装置は、第１乃至６の本開示のいずれかに係る水電解装置において、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に凹凸部が設けられていてもよい。ここで、「凹凸部」により供給流路と排出流路が連通してもよい。

この構成によれば、供給流路の特定部分と排出流路の特定部分とを隔てるリブにおいて、凹凸により給電体と集電体（リブ）との間に微細な流路が形成され、排出流路に十分な水が流れて発生気体の排出を促進することができる。

第８の本開示に係る水電解装置は、第７の本開示に係る水電解装置において、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に前記凹凸部としての溝が設けられていてもよい。

この構成によれば、供給流路の特定部分と排出流路の特定部分とを隔てるリブにおいて、給電体と集電体（リブ）との間に適宜な流路が形成され、排出流路に十分な水が流れて発生気体の排出を好適に促進することができる。

第９の本開示に係る水電解装置は、第７の本開示に係る水電解装置において、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に前記凹凸部としての弾性体が設けられていてもよい。

この構成によれば、供給流路の特定部分と排出流路の特定部分とを隔てるリブにおいて、給電体と集電体（リブ）との間に適宜な流路が形成され、排出流路に十分な水が流れて発生気体の排出を好適に促進することができる。

第１０の本開示に係る水電解装置は、第７乃至９のいずれかの本開示に係る水電解装置において、前記凹凸部の下端と上端との間の高さ寸法は、前記排出流路の深さ寸法よりも小さくてもよい。

この構成によれば、給電体と集電体（リブ）との間を流れる水が一定量に抑えられるため、集電体の凹凸部が設けられた領域以外の領域上の給電体内にも十分な水が流れて発生気体の排出を好適に促進させることができる。

以下、本開示を具体化した実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施形態１）
＜水電解装置のタイプ＞
水電解装置は、固体高分子（ＰＥＭ）形の水電解装置と、アルカリ形の水電解装置とに大別される。固体高分子形の水電解装置では、電解対象の液体は純水であり、隔膜として固体高分子電解質膜が用いられる。アルカリ形の水電解装置では、電解対象の液体は電解質を溶解した水溶液であり、隔膜としてイオン交換膜が用いられる。

いずれの形の水電解装置においても、隔膜のアノード側において酸素が発生し、隔膜のカソード側において水素が発生する。また、いずれの隔膜も電解対象の液体を透過するので、通常、電解対象の液体は、固体高分子形の水電解装置ではアノード側のみに供給され、アルカリ形の水電解装置ではカソード側のみに供給されるが、アノード側及びカソード側の双方に供給してもよいことはいうまでもない。

従って、上述のように、本開示においては、「水」は、純水に限らない。「水」は、電解質等の溶質を溶解した水溶液をも含む。

また、「前記一対の集電体のうちの一方の集電体の前記給電体側の主面に水が供給される供給流路と前記水が排出される排出流路とが設けられ」とは、換言すると、「前記一対の集電体のうちの一方の集電体の給電体側の主面に、アノード及びカソードの一方に供給される水が流れる供給流路と、アノード及びカソードの一方から排出される水が流れる排出流路とが設けられ」を意味する。

以下の実施形態では、本開示を固体高分子形の水電解装置に適用し、且つ、電解対象の液体をアノード側のみに供給する形態を例示するが、上述の相違点を考慮して、水電解装置の構成要素を適宜置換することにより、本開示をアルカリ形の水電解装置に適用することができる。

［構成］
図１は、本開示の実施形態１に係る水電解装置の構成を模式的に示す外観図である。図１は、水電解装置１を、セル２の積層方向に垂直な所定方向から見た図である。

図１を参照すると、本実施形態１の水電解装置１は、セル２を含む。セル２は、例えば、板状に形成され、本実施形態１では、複数のセル２がその厚み方向に積層されて、セル積層体が形成されている。このセル積層体の両端に、一対の集電板１０３、１０４がそれぞれ配置されている。この一対の集電板１０３、１０４の外側に一対の絶縁板１０５、１０６がそれぞれ配置されている。そして、この一対の絶縁板１０５，１０６の外側に一対の端板１０７、１０８がそれぞれ配置されている。一対の端板１０７、１０８は、締結部材（例えばボルト及びナット）によって、セル積層体、一対の集電板１０３、１０４、及び一対の絶縁板１０５、１０６をこれら積層方向に押圧するようにして、締結されている。

一対の集電板１０３、１０４のうち、アノード側集電板１０３が配線１１０を介して、直流電源１１２の正極に電気的に接続され、カソード側集電板１０４が配線１１１を介して、直流電源１１２の負極に電気的に接続される。

セル２は、ＭＥＡ１１３をアノード側セパレータ３とカソード側セパレータ１１５とで挟んで構成される。アノード側セパレータ３は、ＭＥＡ１１３に対し、アノード側集電板１０３側に配置され、カソード側セパレータ１１５は、ＭＥＡ１１３に対し、カソード側集電板１０４側に配置される。

アノード側セパレータ３及びカソード側セパレータ１１５は、集電体を構成しており、導電性と剛性とを備えた材料で構成される。例えば、SUS316 などのステンレス鋼が例示される。

図２は、図１のセル２の構成を示す分解斜視図である。図２は、図１において端板１０７から端板１０８に向かう方向（図１の上から下に向う方向）であって少し斜めの方向からセル２を見た図である。

図１及び図２を参照すると、セル２の周縁部、すなわち、アノード側セパレータ３、ＭＥＡ１１３、及びカソード側セパレータ１１５を貫通して、水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、及び水素排出マニホールド１２３が設けられている。これらの水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、及び水素排出マニホールド１２３は、セル積層体を貫通して設けられている。そして、アノード側集電板１０３、絶縁板１０５、及び端板１０７に、水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、及び水素排出マニホールド１２３にそれぞれ連通する貫通孔が設けられている。そして、端板１０７には、これらの貫通孔を介して、それぞれ、水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、及び水素排出マニホールド１２３に連通する水供給口１３０、水排出口１３１、及び水素排出口１３２が設けられている。

図３は、図２のＭＥＡの構成を示す分解斜視図である。図３を参照すると、ＭＥＡ１１３は、固体高分子電解質膜１１６と、固体高分子電解質膜１１６の両主面にそれぞれ形成されたアノード触媒層１１９及びカソード触媒層１２０と、アノード触媒層１１９及びカソード触媒層１２０の外側にそれぞれ設けられた多孔質なアノード側給電体１１７及び多孔質なカソード側給電体１１８と、を含む。アノード触媒層１１９、アノード側給電体１１７、カソード触媒層１２０、及びカソード側給電体１１８は、固体高分子電解質膜１１の中央部に設けられている。

アノード側給電体１１７及びカソード側給電体１１８は通気性及び導電性を備えるように構成される。具体的には、アノード側給電体１１７の材料として、例えば、白金族・貴金属で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。カソード側給電体１１８の材料として、通気性及び導電性を備えた材料、例えば、カーボン、白金族・貴金属で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。給電体（１１７、１１８）の形態として、導電体の微粒体または不織布を焼結などにより一体化したもの、または、機械加工により微孔を形成してメッシュ状にしたものが例示される。

アノード触媒層１１９の材料として、白金、白金族金属、白金族金属を含む合金（イリジウムが良い）が例示される。カソード触媒層１２０の材料として、白金、白金族金属、白金族金属を含む合金（白金が良い）例示される。

触媒層（１１９、１２０）の形態は、微粉末を有機材料で担持体に結着させた物でもよいし、多孔体に焼結させて担持してもよい。また、メッシュや多孔体、あるいはメッシュや多孔体の表面に触媒材料を被覆したものでもよい。

図２を参照すると、アノード側セパレータ３の内側主面（ＭＥＡ１１３側の主面）には、アノード側流路２１が形成され、カソード側セパレータ１１５の内側主面（ＭＥＡ１１３側の主面）には、カソード側流路１２７が形成されている。なお、以下では、アノード側セパレータ３及びカソード側セパレータ１１５の内側主面を正面と呼ぶ場合がある。

アノード側流路２１及びカソード側流路１２７は、例えば、深さ０．１〜２．０ｍｍに形成される。

図４は、図２のカソード側セパレータ１１５の構成を示す斜視図である。図４を参照すすると、カソード側セパレータ１１５の内側主面１２６には、水素排出マニホールド１２３と連通するカソード側流路１２７が設けられている。また、カソード側セパレータ１１５の内側主面１２６には、当該内側主面１２６おける、水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、水素排出マニホールド１２３、及びカソード側流路１２７を除く領域を覆うようにシール１２８が配置されている。シール１２８に代えて、例えばＯリングを用いてもよい。

図２乃至図４を参照すると、カソード側流路１２７は、カソード側セパレータ１１５の内側主面１２６の中央部のＭＥＡ１１３のカソード側給電体１１８に対応する領域に設けられている。カソード側流路１２７は、複数の流路溝で構成されている。

図５は、図２のアノード側セパレータ３の構成を示す斜視図である。図５を参照すすると、アノード側セパレータ３の内側主面３ａには、アノード側流路２１が設けられている。また、アノード側セパレータ３の内側主面３ａには、当該内側主面３ａおける、水供給マニホールド１２１、水排出マニホールド１２２、水素排出マニホールド１２３、及びアノード側流路２１を除く領域を覆うようにシール１２９が配置されている。シール１２９に代えて、例えばＯリングを用いてもよい。

図２、図３、及び図５を参照すると、アノード側流路２１は、アノード側セパレータ３の内側主面３ａの中央部における、ＭＥＡ１１３のアノード側給電体１１７に対応する領域に設けられている。

図５を参照すると、アノード側流路２１は、水が供給される水供給流路４と水が排出される水排出流路５とで構成される。水供給流路４と水排出流路５とは互いに分離されている。また、水供給流路４は水の入口４ｃから延びており、水排出流路５は水の出口５ｃから延びており、且つ、水供給流路４の特定部分４ｂと水排出流路５の特定部分５ｂとは、互いに隣接し且つ互いに反対方向に延びている。

具体的には、水供給流路４は、水の入口４ｃである上流端が水供給マニホールド１２１に接続され、下流端は行き止まりになっている。水供給流路４は、所定の深さを有する溝で構成されている。水供給流路４は、幅の広いヘッダ部（主幹部）４ａとヘッダ部４ａから分岐し、互いに平行に延びる複数の枝部４ｂとを含む。ヘッダ部４ａは水供給マニホールド１２１に連通している。枝部４ｂが上述の特定部分である。換言すると、水供給流路４は、いわゆる櫛形に形成され、本体部がヘッダ部４ａに相当し、歯部が枝部４ｂに相当している。

水排出流路５は、水の出口５ｃである下流端が水排出マニホールド１２２に接続され、上流端は行き止まりになっている。水排出流路５は、所定の深さを有する溝で構成されている。水排出流路５は、幅の広いヘッダ部（主幹部）５ａとヘッダ部５ａから分岐し、互いに平行に延びる複数の枝部５ｂとを含む。ヘッダ部５ａは水排出マニホールド１２２に連通している。枝部５ｂが上述の特定部分である。換言すると、水排出流路５は、いわゆる櫛形に形成され、本体部がヘッダ部５ａに相当し、歯部が枝部５ｂに相当している。

そして、水供給流路４の複数の枝部４ｂと水排出流路５の複数の枝部５ｂとは、アノード側セパレータ３の内側主面３ａにおける両者の延伸方向に垂直な方向において、所定の間隔で且つ互いに平行に、交互に位置している。換言すると、水供給流路４の複数の枝部４ｂの間に、水供給流路４の複数の枝部４ｂの延伸方向と反対方向に、水排出流路５の複数の枝部５が、それぞれ、延伸している。

図６は、図５のアノード側セパレータ３における水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂ及び水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂの構成を示す正面図である。

図６を参照すると、水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂの幅は、水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂの幅よりも広い。このことに起因して、水排出流路５の面積は、水供給流路４の面積よりも大きい。

また、水供給流路４の延伸方向における水供給流路４の末端、すなわち枝部４ｂの末端と水排出流路５の当該末端と対向する部分との距離（以下、第２リブ幅という）７は、水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとの距離（以下、第１リブ幅という）６よりも小さい。

また、水排出流路５の延伸方向における水排出流路５の末端、すなわち枝部５ｂの末端と水供給流路４の当該末端と対向する部分との距離（以下、第３リブ幅という）８は、水供給流路の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとの距離よりも小さい。

図７は、図１のセル２の縦断面を示す部分断面図である。図７は、図２において、水素排出マニホールド１２３の中心を図２の上下方向に通る平面でセル２を切断した断面を示す。また、図７では、アノード触媒層及びカソード触媒層の図示を省略している。

図７を参照すると、アノード側セパレータ３のアノード側流路２１は、ＭＥＡ１１３のアノード側給電体１１７に接している。また、カソード側セパレータ１１５のカソード側流路１２７は、ＭＥＡ１１３のカソード側給電体１１８に接している。アノード側セパレータ３のアノード側流路２１とカソード側セパレータ１１５のカソード側流路１２７とは、互いに直交する方向に延伸している。

［動作］
次に、以上のように構成された水電解装置１の動作を説明する。まず、図１乃至図３を参照して、一般的な動作を説明する。図２において、点線は水の流れを示し、実線は水素の流れを示し、二重線は酸素の流れを示す。

図１乃至図３を参照すると、水供給口１３０から水供給マニホールド１２１に水が供給され、アノード側集電板１０３とカソード側集電板１０４との間に直流電源１１２から配線１１０、１１１を介して電圧が与えられる。セル２では、水供給マニホールド１２１からアノード側セパレータ３のアノード側流路２１に水が供給されて、アノード側給電体１１７内を移動する。水は、アノード触媒層１１９で分解され、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１１６を透過してカソード触媒層１２０に移動し、そこで電子と結合して水素が得られる。そして、生成された水素はカソード側流路１２７を流れ、水素排出マニホールド１２３を通って、水素排出口１３２から水電解装置１の外部に取り出される。一方、アノード側給電体１１７で反応生成した酸素と未反応の水とがアノード側給電体１１７及びアノード側流路２１を流れ、水排出マニホールド１２２を通って、水排出口１３１から水電解装置１の外部に取り出される。

次に、本開示に特徴的な動作を図５乃至図８を用いて説明する。図５乃至図８を参照すると、水供給流路４と水排出流路５とは、互いに分離されているので、水供給流路４に供給された水はアノード側給電体１１７の中を通って水排出流路５に流れる。このとき、供給された水の消費と気体の発生とが同時に起きるが、水の消費体積に比べて大体積の気体が発生するため、アノード側給電体１１７内は気体で占められ易くなる。しかし、水供給流路４と水排出流路５とが互いに分離されていて、水供給流路４と水排出流路５との間に比較的高い（水供給流路４と水排出流路５とが互いに分離されていない場合に較べて高い）水圧差が発生する。この水圧差により、水供給流路４から、気体に比べて粘性の高い液体（水）が直接アノード側給電体１１７内供給される。これにより、アノード側給電体１１７内で発生した気体が液膜により水排出流路５に排出される。

また、図５を参照すると、水供給流路４の複数の枝部４ｂと水排出流路５の複数の枝部５ｂとが、アノード側セパレータ３の内側主面における両者の延伸方向に垂直な方向において、所定の間隔で且つ互いに平行に、交互に位置している。この構成によれば、水供給流路４ではその延伸方向に水圧が低下する。一方、水排出流路５ではその延伸方向と反対方向に水圧が低下する。そして水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとは互いに隣接し且つ互いに反対方向に延伸しているので、両者の延伸方向における両者間の水圧差（圧力損失）が概ね均一になる。その結果、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとの間のリブ３上に位置するアノード側給電体１１７に概ね均一に水が流れる。

具体的には、水は、水供給流路４を水供給流路４の末端に向かって流れ、リブ３の上面を伝わって、順次アノード側給電体１１７内に流れ込む。上述のように、水供給流路４から水排出流路５には概ね均等に水の流れが発生するので、アノード側給電体１１７に均等に水が供給される。

一方、水供給流路４の面するアノード側給電体１１７で発生した気体が水供給流路４を流れて枝部４ｂの端部に到達するが、枝部４ｂの幅が水排出流路５の枝部５ｂに対して相対に狭いので、枝部４ｂを流れる発生気体が少ない。また、水供給流路４の枝部４ｂの末端と水排出流路５との間の第２リブ幅７が狭いので、発生気体が水排出流路５に流れ易い。

また、水排出流路５の枝部５ｂの端部は水排出流路５の流れの始点であり、水の流速が遅いため、発生気体が流れ難い。しかし、水供給流路４と水排出流路５の枝部５ｂの末端との間の第３リブ幅８が狭いので、水供給流路４から水排出流路５の枝部５ｂの端部に直接に水が流れる。このため、水排出流路５の枝部５ｂの端部に発生気体が滞留することが防止される。

また、図５を参照すると、水排出流路５の面積が水供給流路４の面積よりも大きい。この構成によれば、水供給流路の枝部４ｂの深さと水排出流路５の枝部５ｂの深さとが同じである場合、水供給流路４の枝部４ｂの断面積に較べて、水排出流路５の枝部５ｂの断面積が大きくなる。一方、水排出流路５の水は、アノード側給電体１１７で発生した気体の気泡を含む分だけ見かけ上の体積が増加する。従って、水排出流路５の枝部５ｂの水の見かけ上の体積の増加を、水排出流路５の枝部５ｂの断面積の増大が吸収するので、発生気体を、水排出流路５に滞留しないよう好適に水により押し出される。

（実施形態２）
図９は、本開示の実施形態２に係る水電解装置のアノード側セパレータ３における水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとを隔てるリブ３の構成を示す図であって、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は正面図である。図９では、アノード触媒層及びカソード触媒層の図示が省略されている。

図９（ａ）及び（ｂ）を参照すると、本実施形態２の水電解装置では、図１の水電解装置１において、水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとを隔てるリブ３の上面に凹凸部が設けられている。これ以外の構成は、図１の水電解装置１と同じである。

ここでは、凹凸部として、複数の溝９が設けられていている。この複数の溝９は、例えば、深さ１００〜３００μｍに形成され、互いに平行に所定の間隔で形成されている。この複数の溝９は、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを連通するように形成されている。なお、水供給流路４及び水排出流路５は、本実施形態２では、例えば、深さ０．５〜２．０ｍｍに形成される。従って、複数の溝９の断面積は、水供給流路４の枝部４ｂ及び水排出流路５の枝部４ｂの断面積より格段に小さい。つまり、複数の溝９は、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部４ｂとの間において、大部分の水がアノード側給電体１１７を通じて流れ、一部の水が複数の溝９を通じて流れるように設けられる。

この構成によれば、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを隔てるリブ３において、アノード側給電体１１７とリブ３との間に適宜な流路が形成され、水排出流路５に十分な水が流れて発生気体の排出を促進することができる。

［変形例］
図１０は、本開示の実施形態２に係る水電解装置１のアノード側セパレータ３における水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとを隔てるリブの変形例を示す正面図である。

本変形例では、凹凸部として、凸部としての島状のリブ３が所定のパターン（ここでは、千鳥状のパターン）で分散配置されるように凹部９が設けられている。この凹部９は、深さ１００〜３００μｍに形成され、且つ水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを連通するように形成される。なお、水供給流路４及び水排出流路５は、本変形例では、例えば、深さ０．５〜２．０ｍｍに形成される。従って、凹部９の断面積は、水供給流路４の枝部４ｂ及び水排出流路５の枝部４ｂの断面積より格段に小さい。つまり、凹部９は、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部４ｂとの間において、大部分の水がアノード側給電体１１７を通じて流れ、一部の水が凹部９を通じて流れるように設けられる。

この構成によっても、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを隔てるリブ３において、アノード側給電体１１７とリブ３との間に適宜な流路が形成され、水排出流路５に十分な水が流れて発生気体の排出を促進することができる。

（実施形態３）
図１１は、本開示の実施形態３に係る水電解装置のアノード側セパレータ３における水供給流路４の枝部（特定部分）４ｂと水排出流路５の枝部（特定部分）５ｂとを隔てるリブ３の構成を示す部分断面図である。図１１では、アノード触媒層及びカソード触媒層の図示が省略されている。

図１１を参照すると、本実施形態３の水電解装置では、図１の水電解装置１において、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを隔てるリブ３の上面に凹凸部としての弾性体１０が設けられている。これ以外の構成は、図１の水電解装置１と同じである。

弾性体１０は、例えば、波状の板バネで構成される。但し、弾性体１０は、これには限定されず、自身の弾性により、リブ３とアノード側給電体１１７との間に隙間を生じることが可能なものであればよい。

この構成によれば、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとを隔てるリブ３において、アノード側給電体１１７とリブ３との間に適宜な流路が形成され、水排出流路５に十分な水が流れて発生気体の排出を促進することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態１乃至３では、本開示を固体高分子形の水電解装置１に適用する形態を例示したが、本開示をアルカリ形の水電解装置に適用してもよい。

この場合、アノード側給電体及びカソード側給電体は、通気性及び導電性を備えるように構成される。具体的には、アノード側給電体の材料として、例えば、白金族・貴金属で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。

カソード側給電体１１８の材料として、通気性及び導電性を備えた材料、例えば、白金族・貴金属で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。

給電体の形態として、導電体の微粒体または不織布を焼結などにより一体化したもの、または、機械加工により微孔を形成してメッシュ状にしたものが例示される。

アノード触媒層の材料として、ニッケル、ニッケル合金、ＬａＮｉＯ_３などのペロブスカイト酸化物が例示される。特に、Ｎｉ−Ｆｅ合金は、Ｆｅが酸化されやすく、そのため触媒能を有するＮｉがＮｉＯＨになるのを防止するので、高い耐久性を有しており望ましい。ＬａＮｉＯ_３は、水電解電圧の変動に対する安定性が高く、出力変動の大きい再生可能エネルギーとの組み合わせに望ましい。カソード側給電体の材料として、 カーボン、白金族・貴金属で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。

カソード触媒層の材料として、白金、白金族金属、白金族金属を含む合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル・ニッケル合金で被覆されたステンレス、チタン、銅が例示される。但し、カソードは酸化されないのでニッケルで充分である。

触媒層の形態は、微粉末を有機材料で担持体に結着させた物でもよいし、多孔体に焼結させて担持してもよい。また、メッシュや多孔体、あるいはメッシュや多孔体の表面に触媒材料を被覆したものでもよい。

上記実施形態１乃至３では、水電解装置１のアノード側のみに水を供給する形態を例示したが、カソード側のみ、あるいは、アノード側及びカソード側に供給してもよい。

上記実施形態２において、凹凸部として、水供給流路４の枝部４ｂと水排出流路５の枝部５ｂとの間のリブ３の表面を単純に粗面化してもよい。この場合でも、ＭＥＡ１１３とリブ３との間に微細な複数の通路が形成され、それにより、水供給流路４と水排出流路５と間の水の流量が増えて、発生した水素の排出が促進される。

上記実施形態１乃至３では、水供給流路４及び水排出流路５が、それぞれ、櫛形に形成されたが、水供給流路４及び水排出流路５は、これには限定されない。水供給流路は水の入り口から延びており、水排出流路は水の出口から延びており、且つ、水供給流路の全部又は一部と水排出流路の全部又は一部とが、互いに隣接し且つ互いに反対方向に延びていればよい。例えば、水供給流路及び水排出流路が、それぞれ、一本の流路で構成され、これらが、一緒に、蛇行、湾曲、あるいは渦を巻くように形成されてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本開示の水電解装置は、給電体内に直接水の流れを生じさせることによって、給電体内で発生した気体を給電体から排出することが可能な水電解装置として有用である。

１ 水電解装置
２ セル
３ アノード側セパレータ
３ａ 内側主面
４ 水供給流路
５ 水排出流路
４ａ ヘッダ部
４ｂ 枝部（特定部分）
４ｃ 水の入口
５ａ ヘッダ部
５ｂ 枝部（特定部分）
５ｃ 水の出口
６ 第１リブ幅
７ 第２リブ幅
８ 第３リブ幅
９ 溝
１０ 弾性体
２１ アノード側流路
１０３ 集電板
１０４ 集電板
１０５ 絶縁板
１０６ 絶縁板
１０７ 端板
１０８ 端板
１０９ 締結部材
１１０ 配線
１１１ 配線
１１２ 直流電源
１１３ ＭＥＡ
１１５ カソード側セパレータ
１１６ 固体高分子電解質膜
１１７ アノード側給電体
１１８ カソード側給電体
１１９ アノード触媒層
１１８ カソード触媒層
１２１ 水供給マニホールド
１２２ 水排出マニホールド
１２３ 水素排出マニホールド
１２６ 内側主面
１２７ カソード側流路
１２８、１２９ シール
１３０ 水供給口
１３１ 水排出口
１３２ 水素排出口

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面上に設けられた１対の触媒層と、前記一対の触媒層の前記電解質膜側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた導電性と通気性とを備える一対の給電体と、前記一対の給電体の前記触媒層側と反対側の主面上にそれぞれ設けられた一対の集電体と、を備え、
   前記一対の集電体のうちの一方の集電体の前記給電体側の主面に水が供給される供給流路と前記水が排出される排出流路とが設けられ、前記供給流路と排出流路とは互いに分離されている、水電解装置。
2. 前記供給流路は前記水の入り口から延びており、前記排出流路は前記水の出口から延びており、且つ、前記供給流路の特定部分と前記排出流路の特定部分とは、互いに隣接し且つ互いに反対方向に延びる、請求項１に記載の水電解装置。
3. 前記排出流路の特定部分の幅は前記供給流路の特定部分の幅よりも広い、請求項２に記載の水電解装置。
4. 前記排出流路の面積は、前記供給流路の面積よりも大きい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水電解装置。
5. 前記供給流路の延伸方向における前記供給流路の末端と前記排出流路の当該末端と対向する部分との距離は、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分との距離よりも小さい、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の水電解装置。
6. 前記排出流路の延伸方向における前記排出流路の末端と前記供給流路の当該末端と対向する部分との距離は、前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分との距離よりも小さい、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の水電解装置。
7. 前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に凹凸部が設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水電解装置。
8. 前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に前記凹凸部としての溝が設けられている、請求項７に記載の水電解装置。
9. 前記供給流路の前記特定部分と前記排出流路の前記特定部分とを隔てるリブの上面に前記凹凸部としての弾性体が設けられている、請求項７に記載の水電解装置。
10. 前記凹凸部の下端と上端との間の高さ寸法は、前記排出流路の深さ寸法よりも小さい、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の水電解装置。

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