JP2023073782A - 水電解用電気化学セル、水電解装置および水電解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カソードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得る、水電解用電気化学セルを提供する。【解決手段】水電解用電気化学セルは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、を備え、アノードとカソードとの間に電圧を印加することで、アノードで酸素を発生させ、カソードで水素を発生させる。水電解用電気化学セルは、カソードセパレータのカソード側の主面のカソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である。【選択図】図１

Description

本開示は、水電解用電気化学セル、水電解装置および水電解方法に関する。

地球温暖化対策として、太陽光、風力などの再生可能エネルギーの利用が注目されている。しかし、再生可能エネルギーで得られた電力を適宜の電力負荷に供給する際、電力負荷への電力供給に活用されない余剰電力が発生する可能性がある。このため、再生可能エネルギーの利用効率は、必ずしも十分ではない。そこで、上記余剰電力を用いて水素を製造することで余剰電力を水素エネルギーとして貯蔵する方法が検討されている。

ここで、電気エネルギーを用いて水素を製造する方法として、一般的に、水の電気分解が知られている。水の電気分解は、水電解とも呼ばれ、水電解において、水素を安価かつ安定的に製造するために、高効率かつ長寿命な水電解装置の開発が検討されている。

例えば、特許文献１では、隔膜を挟んで配置される陽極（アノード）と陰極（カソード）の間に電圧を印加することによって、アノードから酸素が発生するとともに、カソードから水素が発生する水電解装置が提案されている。

国際公開第２０２１／０１５１２０号

本開示は、一例として、カソードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得る水電解用電気化学セル、水電解装置および水電解方法を提供することを課題とする。

本開示の一態様(aspect)の水電解用電気化学セルは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、前記アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、前記カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、を備え、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することで、前記アノードで酸素を発生させ、前記カソードで水素を発生させる水電解用電気化学セルにおいて、前記カソードセパレータのカソード側の主面の前記カソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、前記面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である。

本開示の一態様の水電解装置は、上記記載の水電解用電気化学セルと、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備える。

本開示の一態様の水電解方法は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、前記アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、前記カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、前記カソードセパレータのカソード側の主面の前記カソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材と、を備え、前記面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である水電解用電気化学セルの水電解方法において、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することで、前記アノードで酸素を発生させ、前記カソードで水素を発生させる。

本開示の一態様(aspect)の水電解用電気化学セル、水電解装置および水電解方法は、カソードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得るという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の水電解用電気化学セルの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の水電解装置の一例を示す図である。 図３は、第２実施形態の水電解用電気化学セルの一例を示す図である。

特許文献１は、電解槽から電解液および電解生成ガスの漏洩を抑制するためのガスケットが提案されているが、特許文献１では、陰極側での電解液および電解により生成した水素ガスの漏れ防止について十分に検討されていないことがわかった。

電解槽内の隔膜の周辺部において、適宜の締結力により陰極側金属枠体にガスケットが押圧されている。ここで、仮に、ガスケットと接触する陰極側金属枠体の表面に、未反応の電解液および電解により生成した水素ガスを排出するための流路溝を形成する場合、ガスケットのシール性が悪化する可能性がある。これは、以下の理由による。

ガスケットは、一般的に、特許文献１に記載のとおり、ゴムなどの弾性材料で構成される。この場合、例えば、陰極側金属枠体にガスケットを押圧するように上記各部材を締結するとき、ガスケットに不均一な締結力が作用すると、ガスケットが流路溝に落ち込むように変形しやすい。これにより、ガスケットの変形または破損などの要因によってガスケットのシール性が悪化する可能性がある。すると、電解液および水素が外部に漏洩する可能性がある。つまり、本開示者らは、陰極側金属枠体に押圧するためのゴム製のガスケットだけでは、ガスケットの剛性が不十分であることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。

すなわち、本開示の第１態様の水電解用電気化学セルは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、を備え、アノードとカソードとの間に電圧を印加することで、アノードで酸素を発生させ、カソードで水素を発生させる水電解用電気化学セルにおいて、カソードセパレータのカソード側の主面のカソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である。

かかる構成によると、本態様の水電解用電気化学セルは、カソードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得る。

具体的には、本態様の水電解用電気化学セルにおいて、カソードをシールするための面シール材が、金属シートおよび金属シートの両主面のそれぞれに設けられた弾性シートを備える３層構造であるので、面シール材を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材の剛性が向上する。これにより、本態様の水電解用電気化学セルは、例えば、カソードセパレータに面シールを押圧するように上記各部材を締結するとき、面シール材に不均一な締結力が作用しても、面シール材が第２流路内に落ち込みことが抑制される。よって、本態様の水電解用電気化学セルは、面シール材を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材の変形または破損などの要因によって面シール材のシール性が悪化する可能性を低減できるので、カソードで生成した水素を含むカソード流体が外部に漏れにくくなる。

本開示の第２態様の水電解用電気化学セルは、第１態様の水電解用電気化学セルにおいて、アノードセパレータのアノード側の主面のアノードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造であってもよい。

かかる構成によると、本態様の水電解用電気化学セルは、アノードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得る。

具体的には、本態様の水電解用電気化学セルにおいて、アノードをシールするための面シール材が、金属シートおよび金属シートの両主面に設けられた弾性シートを備える３層構造であるので、面シール材を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材の剛性が向上する。これにより、本態様の水電解用電気化学セルは、例えば、アノードセパレータに面シールを押圧するように上記各部材を締結するとき、面シール材に不均一な締結力が作用しても、面シール材が第１流路内に落ち込むことが抑制される。よって、本態様の水電解用電気化学セルは、面シール材を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材の変形または破損などの要因によって面シール材のシール性が悪化する可能性を低減できるので、電解により生成した酸素を含むアノード流体が外部に漏れにくくなる。

本開示の第３態様の水電解用電気化学セルは、第１態様または第２態様の水電解用電気化学セルにおいて、電解質膜は、アニオン交換膜であってもよい。

本開示の第４態様の水電解用電気化学セルは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水電解用電気化学セルにおいて、弾性シートは、耐アルカリ性であってもよい。

アノード流体またはカソード流体がアルカリを含む水溶液である場合は、本態様の水電解用電気化学セルは、弾性シートの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切である。

本開示の第５態様の水電解用電気化学セルは、第１態様から第４態様のいずれか一つの水電解用電気化学セルにおいて、金属シートは、耐アルカリ性であってもよい。

アノード流体またはカソード流体がアルカリを含む水溶液である場合は、本態様の水電解用電気化学セルは、金属シートの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切である。

本開示の第６態様の水電解装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの水電解用電気化学セルと、アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器とを備えてもよい。

本態様の水電解装置が奏する作用効果は、上記の各態様の水電解用電気化学セルが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本開示の第７態様の水電解方法は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、カソードセパレータのカソード側の主面の前記カソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材と、を備え、面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である水電解用電気化学セルの水電解方法において、アノードとカソードとの間に電圧を印加することで、アノードで酸素を発生させ、カソードで水素を発生させる。

本態様の水電解方法が奏する作用効果は、第１態様の水電解用電気化学セルが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。

（第１実施形態）
［装置の全体構成］
図１は、第１実施形態の水電解用電気化学セルの一例を示す図である。

図１に示す例では、水電解用電気化学セル１０は、電解質膜２１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレータ２７と、アノードセパレータ２６と、絶縁シート２８と、面シール材４１と、面シール材４２と、を備える。そして、水電解用電気化学セル１０の電気化学反応領域において、電解質膜２１、アノード触媒層２２、カソード触媒層２３、アノード給電体２４、カソード給電体２５、アノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７が積層されている。

以上の水電解用電気化学セル１０は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮで酸素を発生させ、カソードＣＡで水素を発生させることができるが、詳細は後で説明する。

アノードＡＮは、電解質膜２１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層２２と、アノード給電体２４とを含む電極である。平面視において、アノードＡＮの周囲を囲むように環状の面シール材４１が設けられている。これにより、アノードＡＮが、面シール材４１で適切にシールされている。

カソードＣＡは、電解質膜２１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層２３と、カソード給電体２５とを含む電極である。平面視において、カソードＣＡの周囲を囲むように環状の面シール材４２が設けられている。これにより、カソードＣＡが、面シール材４２で適切にシールされている。

電解質膜２１は、イオン伝導性を有する電解質膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜２１は、プロトン交換膜であってもよいし、アニオン交換膜であってもよい。

アノード触媒層２２は、触媒金属および担体を備える。アノード触媒層２２で使用され得る触媒金属は、特定の種類に限定されないが、例えば、電極触媒として、白金、酸化イリジウムなどが挙げることができる。なお、触媒金属は、例えば、カーボン、ニッケルまたはチタンなどの担体に担持される。

カソード触媒層２３は、触媒金属および担体を備える。カソード触媒層２３で使用され得る触媒金属は、特定の種類に限定されないが、例えば、電極触媒として、白金などを挙げることができる。なお、触媒金属は、例えば、カーボン、ニッケルまたはチタンなどの担体に担持される。

アノード給電体２４は、電気伝導性およびアノード流体の拡散性を備える部材である。具体的には、アノード流体がアノード流路３１を通過する際、アノード流体が、アノード給電体２４を介してアノード触媒層２２に拡散し得る。なお、アノード流体として、例えば、アルカリを含む水溶液を挙げることができるが、これに限定されない。

ここで、アノード給電体２４は、例えば、金属またはカーボンなどを含む多孔体シートで構成される。アノード給電体２４を金属で構成する場合、金属材料として、例えば、チタン、ステンレス、ニッケルなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、多孔体シートは、例えば、粒子または繊維の焼結体で構成される不織布、金属繊維の織物で構成されるメッシュなどを使用することができるが、これらに限定されない。

カソード給電体２５は、電気伝導性およびカソード流体の拡散性を備える部材である。具体的には、カソード流体がカソード流路３２を通過する際、カソード流体が、カソード給電体２５を介してカソード触媒層２３に拡散し得る。なお、カソード流体として、例えば、アルカリを含む水溶液を挙げることができるが、これに限定されない。

ここで、カソード給電体２５は、例えば、金属またはカーボンなどを含む多孔体シートで構成される。カソード給電体２５を金属で構成する場合、金属材料として、例えば、チタン、ステンレス、ニッケルなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、多孔体シートは、例えば、粒子または繊維の焼結体で構成される不織布、金属繊維の織物で構成されるメッシュなどを使用することができるが、これらに限定されない。

以上により、電解質膜２１は、アノード触媒層２２およびカソード触媒層２３のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮおよびカソードＣＡによって挟持されている。一般的に、電解質膜２１、アノードＡＮおよびカソードＣＡの積層体は、膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ）で呼ばれる。

なお、ＭＥＡの平面視において、電解質膜２１がＭＥＡからはみ出しように延在しており、この電解質膜２１の延在部の端部と接触するように環状の絶縁シート２８が設けられている。これにより、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の電気的な短絡が適切に防止される。絶縁シート２８の材料として、ゴムまたは樹脂を用いることができる。例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。アノード流体またはカソード流体がアルカリを含む水溶液である場合、絶縁シート２８の基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

アノードセパレータ２６は、アノードＡＮ上に設けられ、アノード流体が流れるアノード流路３１を有する部材である。アノードセパレータ２６は、導電性およびガスバリア性を有する部材で構成される。このような部材の材料として、金属またはカーボンなどを挙げることができる。例えば、アノードセパレータ２６を金属で構成する場合、チタン、ステンレス、ニッケルなどを使用することができる。なお、アノードセパレータ２６の導電性を向上させるために、適宜、貴金属メッキが施されてもよい。アノードセパレータ２６をカーボンで構成する場合、アノードセパレータ２６は、カーボンの焼結緻密体、カーボンおよび樹脂の形成体であってもよい。

カソードセパレータ２７は、カソードＣＡ上に設けられ、カソード流体が流れるカソード流路３２を有する部材である。カソードセパレータ２７は、導電性およびガスバリア性を有する部材で構成される。このような部材の材料として、金属またはカーボンなどを挙げることができる。例えば、カソードセパレータ２７を金属で構成する場合、チタン、ステンレス、ニッケルなどを使用することができる。なお、カソードセパレータ２７の導電性を向上させるために、適宜、貴金属メッキが施されてもよい。カソードセパレータ２７をカーボンで構成する場合、カソードセパレータ２７は、カーボンの焼結緻密体、カーボンおよび樹脂の形成体であってもよい。

以上により、ＭＥＡは、アノードセパレータ２６のアノード側の主面、および、カソードセパレータ２７のカソード側の主面のそれぞれと接触するようにして、アノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７によって挟持されている。

［アノード流路およびカソード流路の構成］
以下、アノード流路３１およびカソード流路３２の構成の一例について説明する。

アノード流路３１は、アノードセパレータ２６のアノード側の主面に設けられ、外部からアノードＡＮにアノード流体を供給するとともに、アノードＡＮから外部にアノード流体および酸素（電解生成ガス）を排出するための流路である。

アノード流路３１は、第１連絡路３１Ａと、電極通過流路３１Ｂと、第２連絡路３１Ｃと、を備える。

ここで、図示を省略するが、水電解装置１００が複数個の水電解用電気化学セル１０を積層したスタックを備える場合、このスタックの適所には、アノード供給マニホールドおよびアノード排出マニホールドが設けられていてもよい。アノード供給マニホールドおよびアノード排出マニホールドはそれぞれ、スタックの各部材の積層方向と平行な方向に、これらの部材を貫通する貫通孔の連なりによって構成される。

水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、アノード供給マニホールドと第１連絡路３１Ａとが連通している。図１に示す例では、第１連絡路３１Ａは、アノードセパレータ２６の主面に設けられた第１流路溝で構成されており、第１流路溝の端部がアノード供給マニホールドと接続するように、紙面に垂直な方向に直線状に延伸している。第１流路溝の延伸方向は、これに限定されず、図１に示す以外の方向であってもよい。

また、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、アノード排出マニホールドと第２連絡路３１Ｃとが連通している。図１に示す例では、第２連絡路３１Ｃは、アノードセパレータ２６の主面に設けられた第２流路溝で構成されており、第２流路溝の端部がアノード排出マニホールドと接続するように紙面に垂直な方向に直線状に延伸している。ただし、第２流路溝の延伸方向は、これに限定されず、図１に示す以外の方向であってもよい。

また、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、電極通過流路３１Ｂと、第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃとが連通している。図１に示す例では、電極通過流路３１Ｂは、アノードセパレータ２６の主面に設けられた複数の第３流路溝で構成されており、第３流路溝の両端部のそれぞれが、第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃのそれぞれと接続するように、紙面に平行な方向に直線状に延伸しているが、これに限定されない。第３流路溝は、紙面に平行な方向に直線状に延伸する複数の直線部と複数のＵ字状の折り返し部とを含むサーペンタイン状に形成されていてもよい。

以上により、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、アノード流体が外部からアノード供給マニホールドを通過する際に、アノード流体の一部が、第１連絡路３１Ａに供給される。第１連絡路３１Ａを流れるアノード流体は、複数の電極通過流路３１Ｂのそれぞれに分流されるとともに、電極通過流路３１Ｂを通過する際に、アノード流体がアノード給電体２４を介してアノード触媒層２２に供給される。これにより、アノード触媒層２２で酸素が発生する電気化学反応が行われる。電極通過流路３１Ｂのそれぞれを通過したアノード流体および酸素の混合流体は、第２連絡路３１Ｃで合流するとともに、第２連絡路３１Ｃを通過した混合流体は、アノード排出マニホールドでさらに合流する。最終的に、この混合流体は、アノード排出マニホールドから外部に排出される。

水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、アノード供給マニホールドおよびアノード排出マニホールドから流体漏洩を防止するために、適宜のＯリングおよびＯリング溝が設けられていてもよい。Ｏリングの材料は、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、Ｏリングの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

カソード流路３２は、カソードセパレータ２７のカソード側の主面に設けられ、外部からカソードＣＡにカソード流体を供給するとともに、カソードＣＡから外部にカソード流体および水素（電解生成ガス）を排出するための流路である。

カソード流路３２は、第１連絡路３２Ａと、電極通過流路３２Ｂと、第２連絡路３２Ｃと、を備える。

ここで、図示を省略するが、水電解装置１００が複数個の水電解用電気化学セル１０を積層したスタックを備える場合、このスタックの適所には、カソード供給マニホールドおよびカソード排出マニホールドが設けられていてもよい。カソード供給マニホールドおよびカソード排出マニホールドはそれぞれ、スタックの各部材の積層方向と平行な方向に、これらの部材を貫通する貫通孔の連なりによって構成される。

水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソード供給マニホールドと第１連絡路３２Ａとが連通している。図１に示す例では、第１連絡路３２Ａは、カソードセパレータ２７の主面に設けられた第１流路溝で構成されており、第１流路溝の端部がカソード供給マニホールドと接続するように、紙面に垂直な方向に直線状に延伸している。第１流路溝の延伸方向は、これに限定されず、図１に示す以外の方向であってもよい。

また、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソード排出マニホールドと第２連絡路３２Ｃとが連通している。図１に示す例では、第２連絡路３２Ｃは、カソードセパレータ２７の主面に設けられた第２流路溝で構成されており、第２流路溝の端部がカソード排出マニホールドと接続するように、紙面に垂直な方向に直線状に延伸している。ただし、第２流路溝の延伸方向は、これに限定されず、図１に示す以外の方向であってもよい。

また、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、電極通過流路３２Ｂと、第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃとが連通している。図１に示す例では、電極通過流路３２Ｂは、カソードセパレータ２７の主面に設けられた複数の第３流路溝で構成されており、第３流路溝の両端部のそれぞれが、第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃのそれぞれと接続するように、紙面に平行な方向に直線状に延伸しているが、これに限定されない。第３流路溝は、紙面に平行な方向に直線状に延伸する複数の直線部と複数のＵ字状の折り返し部とを含むサーペンタイン状に形成されていてもよい。

以上により、水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソード流体が外部からカソード供給マニホールドを通過する際に、カソード流体の一部が、第１連絡路３２Ａに供給される。第１連絡路３２Ａを流れるカソード流体は、複数の電極通過流路３２Ｂのそれぞれに分流されるとともに、電極通過流路３２Ｂを通過する際に、カソード流体がカソード給電体２５を介してカソード触媒層２３に供給される。これにより、カソード触媒層２３で水素を発生する電気化学反応が行われる。電極通過流路３２Ｂのそれぞれを通過したカソード流体および水素の混合流体は、第２連絡路３２Ｃで合流するとともに、第２連絡路３２Ｃを通過した混合流体は、カソード排出マニホールドでさらに合流する。最終的に、この混合流体は、カソード排出マニホールドから外部に排出される。

水電解用電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソード供給マニホールドおよびカソード排出マニホールドから流体漏洩を防止するために、適宜のＯリングおよびＯリング溝が設けられていてもよい。Ｏリングの材料は、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。カソード流体がアルカリを含む水溶液である場合、Ｏリングの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

なお、以上のアノード流路３１の構成およびカソード流路３２の構成は例示であって、本例に限定されない。

例えば、上記では、第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃの延伸方向と、第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃの延伸方向とが、紙面に垂直な同一の方向であるが、両者の方向が、９０°ずれていてもよい。

また、第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃにおけるアノード流体の流れ方向と、第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃにおけるカソード流体の流れ方向とが、同一方向であってもよいし、逆方向であってもよい。

さらに、電極通過流路３１Ｂおよび電極通過流路３２Ｂは、パンチングメタルなどの多数の細孔で構成されていてもよい。

［面シール材の構成］
以下、面シール材４１および面シール材４２の構成の一例について説明する。

面シール材４１は、アノードセパレータ２６のアノードＡＮ側の主面のアノードＡＮに対向する領域の外周上に設けられている。具体的には、面シール材４１は、ＭＥＡの平面視において、ＭＥＡの外端部を囲みながら第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃを覆うように環状に設けられている。また、面シール材４１は、図１に示すＭＥＡの断面視において、アノードセパレータ２６のアノードＡＮ側の主面と、絶縁シート２８および電解質膜２１の延在部の一方の主面とによって挟持されている。

面シール材４１は、絶縁性およびシール性を備える部材である。面シール材４１の材料として、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、面シール材４１の基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

面シール材４２は、カソードセパレータ２７のカソードＣＡ側の主面のカソードＣＡに対向する領域の外周上に設けられている。具体的には、面シール材４２は、ＭＥＡの平面視において、ＭＥＡの外端部を囲みながら第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃを覆うように環状に設けられている。また、面シール材４２は、図１に示すＭＥＡの断面視において、カソードセパレータ２７のカソードＣＡ側の主面と、絶縁シート２８および電解質膜２１の延在部の他方の主面とによって挟持されている。

面シール材４２は、絶縁性およびシール性を備える部材である。具体的には、面シール材４２は、金属シート４２Ａの両主面のそれぞれに、弾性シート４２Ｂが設けられた３層構造である。

絶縁性の弾性シート４２Ｂの材料として、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、面シール材４１の基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

金属シート４２Ａは、弾性シート４２Ｂよりも高い剛性を備える部材であって、耐食性材料で構成される。このような材料として、例えば、チタン、ステンレス、ニッケルなどが挙げることができる。ここで、アノード流体がアルカリを含む水溶液を含む場合、金属シート４２Ａの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ニッケルを使用することが望ましい。

また、金属シート４２Ａに、異種金属がメッキされていてもよい。例えば、金属シート４２Ａの材料が、ステンレスである場合、ステンレスシートに、ニッケル、貴金属がメッキされていてもよい。ここで、アノード流体がアルカリを含む水溶液を含む場合、メッキ材料は、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ニッケルを使用することが望ましい。

面シール材４２を構成するシート材は、適宜の接着方法で固定されてもよい。これにより、水電解用電気化学セル１０の組み立て性が向上する。また、水電解用電気化学セル１０の組み立て時に、シート材間への電解質膜２１、カソード給電体２５の巻き込みが抑制され、その結果、シート材の破断を抑制することができる。上記の接着方法には、エポキシ樹脂系接着剤を使用する方法、未加硫ゴムと金属シートとをゴム加硫を行うと同時に金型内で接着させる加硫接着方法などを挙げることができる。

［動作］
以下、水電解用電気化学セル１０の動作の一例について、図面を参照しながら説明する。以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器により動作を制御する場合について説明する。また、以下では、水電解用電気化学セル１０がアニオン交換膜型（ＡＥＭ）セルであって、アノード流体およびカソード流体が水酸化カリウム水溶液である場合における、水電解用電気化学セル１０の動作について説明する。

まず、水電解用電気化学セル１０のアノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに、水酸化カリウム水溶液が供給される。

次に、図示しない電圧印加器で、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧が印加されると、アノード触媒層２２において酸化反応で水酸化物イオンが酸素と電子に分離する（式（１））。酸素は水酸化カリウム水溶液ともに外部に排出され、電子は電圧印加器を通じてカソード触媒層２３へと移動する。カソード触媒層２３において還元反応で水素分子と水酸化物イオンが生成するとともに、水酸化物イオンが電解質膜２１を伝導する（式（２））。
アノード：４ＯＨ^-→Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４Ｅ^- ・・・（１）
カソード：４Ｈ₂Ｏ＋４Ｅ^-→２Ｈ₂＋４ＯＨ^- ・・・（２）
このようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮで酸素を発生させ、カソードＣＡで水素を発生させる電気化学反応が行われる。

なお、カソード流路３２に連通する適宜の配管に設けられた、背圧弁または調整弁などの圧力制御手段を用いて、カソードＣＡで生成された水素を圧縮させてもよい。これにより、カソードＣＡで高圧の水素を生成することができる。

以上のとおり、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、カソードＣＡをシールするための面シール材４２のシール性を従来よりも改善し得る。

具体的には、水電解用電気化学セル１０において、面シール材４２が、金属シート４２Ａおよび金属シート４２Ａの両主面のそれぞれに設けられた弾性シート４２Ｂを備える３層構造であるので、面シール材４２を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材４２の剛性が向上する。これにより、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、例えば、カソードセパレータ２７に面シール材４２を押圧するように上記各部材を締結するとき、面シール材４２に不均一な締結力が作用しても、面シール材４２が、第１連絡路３２Ａおよび第２連絡路３２Ｃ内に落ち込むことが抑制される。よって、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、面シール材４２を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材４２の変形または破損などの要因によって面シール材４２のシール性が悪化する可能性を低減できるので、カソードで生成した水素を含むカソード流体が外部に漏れにくくなる。

（実施例）
図２は、第１実施形態の実施例の水電解装置の一例を示す図である。

図２に示す例では、水電解装置１００は、水電解用電気化学セル１０と、電圧印加器５０と、を備える。ここで、水電解用電気化学セル１０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

電圧印加器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加する装置である。電圧印加器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することが可能であれば、どのような構成であってもよい。図１に示す例では、電圧印加器５０の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器５０の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。電圧印加器５０として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器５０が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器５０が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。また、電圧印加器５０は、例えば、水電解用電気化学セル１０に供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。これにより、水電解用電気化学セル１０において、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮで酸素を発生させ、カソードＣＡで水素を発生させることができる。

図１に示されていないが、複数個の水電解用電気化学セル１０を備えるスタックの両端には、一対の集電極が設けられ、電圧印加器５０の端子のそれぞれが、集電極のそれぞれと接続してもよい。集電極のそれぞれの外側には、一対の絶縁シートが設けられ、これらの絶縁シートの外側から一対の端板、ボルトおよびナットなどを用いて、スタックが一体化するように締結される。なお、絶縁シートは、樹脂シートなどで構成され、樹脂シートの材料として、例えば、ガラスエポキシ樹脂、シリコーンゴム、ＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。

なお、図示しない制御器によって、電圧印加器５０の電流量、アノード流体およびカソード流体の流量、水電解用電気化学セル１０の温度などがそれぞれ、所望の値に制御される。また、スタックを複数台接続することで、制御器によって、これらを連携運転することが可能である。

さらに、図示しない水電解システムが構築されてもよい。水電解システムでは、例えば、水電解装置１００にアノード流体およびカソード流体を送るためのポンプ、水電解装置１００で生成した電解生成ガスと液体とを分離するための気液分離器、電解生成ガスから水分および不純物を回収するドライヤー、電解生成ガスを圧縮するための圧縮機、および、電解生成ガスを貯蓄するタンクなどが設けられていてもよい。

なお、本実施例の水電解装置１００が奏する作用効果は、第１実施形態の水電解用電気化学セル１０が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本実施例の水電解装置１００および水電解方法は、上記特徴以外は、第１実施形態と同様であってもよい。

（第２実施形態）
本実施形態の水電解用電気化学セル１０は、以下に説明する面シール材４１の構成以外は、第１実施形態の水電解用電気化学セルと同様である。

図３は、第２実施形態の水電解用電気化学セルの一例を示す図である。

面シール材４１は、金属シート４１Ａの両主面のそれぞれに、弾性シート４１Ｂが設けられた３層構造である。

絶縁性の弾性シート４１Ｂの材料として、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ＦＫＭ（フッ素系ゴム）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）などを挙げることができる。アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、面シール材４１の基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ＥＰＤＭを使用することが望ましい。

金属シート４１Ａは、弾性シート４１Ｂよりも高い剛性を備える部材であって、耐食性材料で構成される。このような材料として、例えば、チタン、ステンレス、ニッケルなどが挙げることができる。なお、アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、金属シート４１Ａの基材として、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ニッケルを使用することが望ましい。

また、金属シート４１Ａに、異種金属がメッキされていてもよい。例えば、金属シート４１Ａの材料が、ステンレスである場合、ステンレスシートに、ニッケル、貴金属がメッキされていてもよい。なお。アノード流体がアルカリを含む水溶液である場合、メッキ材料は、耐アルカリ性の材料を選ぶことが適切であり、例えば、ニッケルを使用することが望ましい。

面シール材４１を構成するシート材は、適宜の接着方法で固定されてもよい。これにより、水電解用電気化学セル１０の組み立て性が向上する。また、水電解用電気化学セル１０の組み立て時に、シート材間への電解質膜２１、カソード給電体２５の巻き込みが抑制され、その結果、シート材の破断を抑制することができる。上記の接着方法には、エポキシ樹脂系接着剤を使用する方法、未加硫ゴムと金属シートとをゴム加硫を行うと同時に金型内で接着させる加硫接着方法などを挙げることができる。

以上のとおり、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、アノードＡＮをシールするための面シール材４１のシール性を従来よりも改善し得る。

具体的には、本態様の水電解用電気化学セル１０において、面シール材４１が、金属シート４１Ａおよび金属シート４１Ａの両主面に設けられた弾性シート４１Ｂを備える３層構造であるので、面シール材４１を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材４１の剛性が向上する。これにより、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、例えば、アノードセパレータ２６に面シール材４１を押圧するように上記各部材を締結するとき、面シール材４１に不均一な締結力が作用しても、面シール材４１が第１連絡路３１Ａおよび第２連絡路３１Ｃ内に落ち込むことが抑制される。よって、本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、面シール材４１を単一の弾性シートで構成する場合に比べて、面シール材４１の変形または破損などの要因によって面シール材４１のシール性が悪化する可能性を低減できるので、電解により生成した酸素を含むアノード流体が外部に漏れにくくなる。

本実施形態の水電解用電気化学セル１０および水電解方法は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例と同様であってもよい。

なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第２実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。

また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および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、本開示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。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。

本開示の一態様は、カソードをシールするための面シール材のシール性を従来よりも改善し得る水電解用電気化学セルに利用することができる。

１０ ：水電解用電気化学セル
２１ ：電解質膜
２２ ：アノード触媒層
２３ ：カソード触媒層
２４ ：アノード給電体
２５ ：カソード給電体
２６ ：アノードセパレータ
２７ ：カソードセパレータ
２８ ：絶縁シート
３１ ：アノード流路
３１Ａ ：第１連絡路
３１Ｂ ：電極通過流路
３１Ｃ ：第２連絡路
３２ ：カソード流路
３２Ａ ：第１連絡路
３２Ｂ ：電極通過流路
３２Ｃ ：第２連絡路
４１ ：面シール材
４１Ａ ：金属シート
４１Ｂ ：弾性シート
４２ ：面シール材
４２Ａ ：金属シート
４２Ｂ ：弾性シート
５０ ：電圧印加器
１００ ：水電解装置
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (7)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、
   前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、
   前記アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、
   前記カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、を備え、
   前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することで、前記アノードで酸素を発生させ、前記カソードで水素を発生させる水電解用電気化学セルにおいて、
   前記カソードセパレータのカソード側の主面の前記カソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、
   前記面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である水電解用電気化学セル。
2. 前記アノードセパレータのアノード側の主面の前記アノードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材を備え、
   前記面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である、請求項１に記載の水電解用電気化学セル。
3. 前記電解質膜は、アニオン交換膜である請求項１又は２に記載の水電解用電気化学セル。
4. 前記弾性シートは、耐アルカリ性である請求項１－３のいずれか１項に記載の水電解用電気化学セル。
5. 前記金属シートは、耐アルカリ性である請求項１－４のいずれか１項に記載の水電解用電気化学セル。
6. 請求項１―５のいずれか１項に記載の水電解用電気化学セルと、
   前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器と、
   を備える水電解装置。
7. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、
   前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、
   前記アノード上に設けられ、アノード流体が流れる第１流路を有するアノードセパレータと、
   前記カソード上に設けられ、カソード流体が流れる第２流路を有するカソードセパレータと、
   前記カソードセパレータのカソード側の主面の前記カソードに対向する領域の外周上に設けられた面シール材と、を備え、
   前記面シール材は金属シートの両方の主面のそれぞれに、弾性シートが設けられた３層構造である水電解用電気化学セルの水電解方法において、
   前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することで、前記アノードで酸素を発生させ、前記カソードで水素を発生させる水電解方法。

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