JP2024043818A - セパレータおよび水電解装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】セルとセパレータとが交互に積層された積層構造において、シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを制限できる技術を提供する。【解決手段】セパレータ２０は、セル１０とセパレータ２０とが交互に積層された積層構造３０に使用される。セル１０は、電解質膜５１を含むベース層５０を有する。セパレータ２０は、金属板２１と、環状のシール部材８１，８２，８３とを有する。シール部材８１，８２，８３は、金属板２１の表面に配置される。また、金属板２１は、規制部９４，９５，９６を有する。規制部９４，９５，９６は、シール部材８１，８２，８３の近傍においてベース層５０に接触する。これにより、シール部８１，８２，８３材が積層方向に過度に圧縮されることを、制限できる。【選択図】図５

Description

本発明は、セパレータおよび水電解装置に関する。
従来、水（Ｈ２Ｏ）を電気分解することにより水素（Ｈ２）を製造する、水電解装置が知られている。水電解装置は、セルとセパレータとが交互に積層された積層構造を有する。各セルは、電解質膜と、電解質膜の両面に形成された触媒層とを有する。水電解の実行時には、アノード側の触媒層とカソード側の触媒層との間に、電圧を印加するとともに、アノード側の触媒層に水を供給する。これにより、アノード側の触媒層と、カソード側の触媒層とにおいて、次の電気化学反応が生じる。その結果、カソード側の触媒層から、水素が排出される。
（アノード側） ２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ＋ ＋ Ｏ２ ＋ ４ｅ－
（カソード側） ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２
従来の固体高分子形水電解については、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２０２２－０２３９９６号公報
水電解装置では、上記の電気化学反応において供給または排出される水、酸素、および水素の流路を形成するとともに、それらの流路の間を確実にシールすることが必要となる。この流路間のシールのために、セルとセパレータとの間には、Ｏリング等のシール部材が配置される。しかしながら、セルとセパレータを積層する際には、積層方向に圧縮力が作用する。そして、シール部材が過度に圧縮されると、シール部材が破断する場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、セルとセパレータとが交互に積層された積層構造において、シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを制限できる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本願の第１発明は、電解質膜を含むベース層を有するセルと、セパレータとが、交互に積層された積層構造に使用される前記セパレータであって、金属板と、前記金属板の表面に配置された環状のシール部材と、を有し、前記金属板は、前記シール部材の近傍において前記ベース層に接触する規制部を有する。
本願の第２発明は、第１発明のセパレータであって、前記規制部は、前記金属板に形成された凸部である。
本願の第３発明は、第２発明のセパレータであって、前記規制部は、積層方向の一方側に積層される前記ベース層に接触する凸部と、前記積層方向の他方側に積層される前記ベース層に接触する凸部と、を有する。
本願の第４発明は、水電解装置であって、複数の前記セルと、複数の第１発明から第３発明までのいずれか１発明のセパレータとを備える
本願の第５発明は、第４発明の水電解装置であって、前記セパレータは、前記ベース層の外周部と前記金属板の外周部との間に位置する前記シール部材である外周シール部材を有し、前記金属板は、前記外周シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である外周規制部を有する。
本願の第６発明は、第４発明または第５発明の水電解装置であって、前記セルは、前記電解質膜の一方側に積層されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層の一方側に積層されたカソードガス拡散層と、を有し、前記金属板は、前記カソードガス拡散層から排出される水素を流通させる水素流通孔を有し、前記セパレータは、前記積層方向に視た状態において、前記水素流通孔を包囲する前記シール部材である第１シール部材を有し、前記金属板は、前記第１シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第１規制部を有する。
本願の第７発明は、第４発明から第６発明までのいずれか１発明の水電解装置であって、前記セルは、前記電解質膜の他方側に積層されたアノード触媒層と、前記アノード触媒層の他方側に積層されたアノードガス拡散層と、を有し、前記金属板は、前記アノードガス拡散層へ供給される水を流通させる水流通孔を有し、前記セパレータは、前記積層方向に視た状態において、前記水流通孔を包囲する前記シール部材である第２シール部材を有し、前記金属板は、前記第２シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第２規制部を有する。
本願の第８発明は、第４発明から第７発明までのいずれか１発明の水電解装置であって、前記セルは、前記電解質膜の他方側に積層されたアノード触媒層と、前記アノード触媒層の他方側に積層されたアノードガス拡散層と、を有し、前記金属板は、前記アノードガス拡散層から排出される酸素を流通させる酸素流通孔を有し、前記セパレータは、前記積層方向に視た状態において、前記酸素流通孔を包囲する前記シール部材である第３シール部材を有し、前記金属板は、前記第３シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第３規制部を有する。
本願の第１発明～第８発明によれば、シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを、規制部により制限できる。
特に、本願の第２発明によれば、規制部を、金属板のプレス加工により、容易に形成できる。
特に、本願の第３発明によれば、セパレータの一方側に配置されるセルのベース層と、セパレータの他方側に配置されるセルのベース層とに、凸部を接触させる。これにより、積層方向における規制部の位置を、安定させることができる。
特に、本願の第５発明によれば、外周シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを、外周規制部により制限できる。
特に、本願の第６発明によれば、第１シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを、第１規制部により制限できる。
特に、本願の第７発明によれば、第２シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを、第２規制部により制限できる。
特に、本願の第８発明によれば、第３シール部材が積層方向に過度に圧縮されることを、第２３規制部により制限できる。
水電解装置の模式図である。 １つのセルと、そのセルの両側に位置する一対のセパレータの模式図である。 セパレータのアノード面を示した図である。 セパレータのカソード面を示した図である。 図４のＡ－Ａ位置における積層構造の断面図である。 カソード流路部材の変形例を示した図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
＜１．水電解装置の概要＞
図１は、本発明の一実施形態に係る水電解装置１の模式図である。この水電解装置１は、固体高分子形水電解により水素を製造する装置である。図１に示すように、水電解装置１は、複数のセル１０および複数のセパレータ２０を含む積層構造３０と、電源４０とを備える。セル１０とセパレータ２０とは、交互に積層されることにより、積層構造３０を構成する。以下では、セル１０およびセパレータ２０が積層される方向を「積層方向」と称する。
図２は、水電解装置１の積層構造３０のうち、１つのセル１０と、そのセル１０の両側に位置する一対のセパレータ２０のみを、模式的に示した図である。図２に示すように、１つのセル１０は、電解質膜５１、アノード触媒層６１、アノードガス拡散層６２、カソード触媒層７１、およびカソードガス拡散層７２を有する。
電解質膜５１、アノード触媒層６１、アノードガス拡散層６２、カソード触媒層７１、およびカソードガス拡散層７２により構成される積層体は、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）と呼ばれる。また、電解質膜５１、アノード触媒層６１、およびカソード触媒層７１により構成される積層体は、膜・触媒層接合体（ＣＣＭ：Catalyst-coated membrane）と呼ばれる。
電解質膜５１は、イオン伝導性を有する薄板状の膜（イオン交換膜）である。本実施形態の電解質膜５１は、水素イオン（Ｈ＋）を伝導するプロトン交換膜である。電解質膜５１には、フッ素系または炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。具体的には、電解質膜５１として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜が使用される。電解質膜５１の膜厚は、例えば、５μｍ～２００μｍとされる。
アノード触媒層６１は、アノード側において電気化学反応を起こす触媒層である。アノード触媒層６１は、電解質膜５１のアノード側の表面に積層されている。アノード触媒層６１は、多数の触媒粒子を含む。触媒粒子は、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金、イリジウム（Ｉｒ）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）の合金などである。水電解装置１の使用時には、アノード触媒層６１に、水（Ｈ２Ｏ）が供給される。そして、電源４０により、アノード触媒層６１とカソード触媒層７１との間に、電圧が印加される。そうすると、当該電圧と、触媒粒子の作用により、アノード触媒層６１において、水が、水素イオン（Ｈ＋）、酸素（Ｏ２）、および電子（ｅ－）に電気分解される。
アノードガス拡散層６２は、アノード触媒層６１へ水を均一に供給するとともに、アノード触媒層６１で生成された酸素および電子をセパレータ２０へ送るための層である。アノードガス拡散層６２は、アノード触媒層６１の外側の面（電解質膜５１とは反対側の面）に積層されている。アノード触媒層６１は、電解質膜５１とアノードガス拡散層６２との間に挟まれている。アノードガス拡散層６２は、導電性を有し、かつ、多孔質の材料により形成される。アノードガス拡散層６２には、例えば、カーボンペーパーが使用される。
カソード触媒層７１は、カソード側において電気化学反応を起こす触媒層である。カソード触媒層７１は、電解質膜５１のカソード側の表面（アノード触媒層６１とは反対側の表面）に積層されている。カソード触媒層７１は、触媒粒子を担持した多数のカーボン粒子を含む。触媒粒子は、例えば、白金の粒子である。ただし、触媒粒子は、白金の粒子に、微量のルテニウムまたはコバルトの粒子を混合したものであってもよい。水電解装置１の使用時には、カソード触媒層７１に、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）とが供給される。そして、電源４０により、アノード触媒層６１とカソード触媒層７１との間に、電圧が印加される。そうすると、当該電圧と、触媒粒子の作用により、カソード触媒層７１において、還元反応が生じ、水素イオンおよび電子から水素ガス（Ｈ２）が生成される。
カソードガス拡散層７２は、セパレータ２０からカソード触媒層７１へ電子を送るとともに、カソード触媒層７１で生成された水素をセパレータ２０へ送るための層である。カソードガス拡散層７２は、カソード触媒層７１の外側の面（電解質膜５１とは反対側の面）に積層されている。カソード触媒層７１は、電解質膜５１とカソードガス拡散層７２との間に挟まれている。カソードガス拡散層７２は、導電性を有し、かつ、多孔質の材料により形成される。カソードガス拡散層７２には、例えば、カーボンペーパーが使用される。
セパレータ２０は、隣り合うセル１０の間で電子を移動させるとともに、水、酸素、および水素の通路を形成する層である。セパレータ２０は、隣り合うセル１０の、アノードガス拡散層６２とカソードガス拡散層７２との間に介在する。セパレータ２０は、導電性を有し、かつ、気体および液体を透過しない金属板２１を有する。金属板２１は、アノードガス拡散層６２に接するアノード面２２と、カソードガス拡散層７２に接するカソード面２３とを有する。
金属板２１は、アノード面２２に、複数のアノード溝２４を有する。水は、セパレータ２０の当該アノード溝２４を通って、アノードガス拡散層６２へ供給される。また、アノード触媒層６１で生成された酸素は、アノードガス拡散層６２を通過し、セパレータ２０のアノード溝２４を通って、外部へ排出される。
また、金属板２１は、カソード面２３に、複数のカソード溝２５を有する。カソード触媒層７１で生成された水素は、カソードガス拡散層７２を通過し、セパレータ２０のカソード溝２５を通って、外部へ排出される。
電源４０は、上記の積層構造３０に電圧を印加する装置である。図１に示すように、電源４０の正極側の端子は、積層構造３０の最もアノード側の端部に位置するセパレータ２０と、電気的に接続される。電源４０の負極側の端子は、積層構造３０の最もカソード側の端部に位置するセパレータ２０と、電気的に接続される。電源４０は、水の電気分解に必要な電圧を、積層構造３０に印加する。
水電解装置１の使用時には、セパレータ２０のアノード溝２４から、アノードガス拡散層６２を介してアノード触媒層６１に、水が供給される。そうすると、電源４０による電圧と、アノード触媒層６１の触媒粒子の作用とにより、水が、水素イオン、酸素、および電子に分解される。水素イオンは、電解質膜５１を通って、カソード触媒層７１へ伝搬する。酸素は、アノードガス拡散層６２およびセパレータ２０のアノード溝２４を通って、外部へ排出される。電子は、アノードガス拡散層６２およびセパレータ２０を通って、隣のセル１０へ流れる。隣のセル１０では、当該電子が、カソードガス拡散層７２を通って、カソード触媒層７１へ到達する。そして、カソード触媒層７１において、水素イオンと電子が結合して、水素が生成される。生成された水素は、カソードガス拡散層７２およびセパレータ２０のカソード溝２５を通って、外部へ排出される。これにより、水素が製造される。
＜２．水電解装置の積層構造＞
続いて、上述した水電解装置１の積層構造３０について、より具体的に説明する。
図３は、セパレータ２０のアノード面２２を示した図である。図３では、アノード触媒層６１およびアノードガス拡散層６２が配置される領域が、仮想線（二点鎖線）で示されている。図４は、セパレータ２０のカソード面２３を示した図である。図４では、カソード触媒層７１およびカソードガス拡散層７２が配置される領域が、仮想線（二点鎖線）で示されている。図５は、図４のＡ－Ａ位置における積層構造３０の断面図である。
図５に示すように、セル１０とセパレータ２０とは、積層方向に沿って、交互に積層されている。セル１０は、上述した電解質膜５１を含むベース層５０と、アノード触媒層６１と、アノードガス拡散層６２と、カソード触媒層７１と、カソードガス拡散層７２と、を有する。図５の例では、ベース層５０は、電解質膜５１のみで構成されている。ただし、ベース層５０は、電解質膜５１と、電解質膜５１の周縁部に形成されたサブガスケットとで構成されていてもよい。
セパレータ２０は、金属板２１を有する。金属板２１は、例えば、白金コーティングが施されたチタンの薄板である。ただし、金属板２１は、金コーティングがされたステンレス鋼などであってもよい。本実施形態のセパレータ２０は、１枚の金属板をプレス加工することにより形成されている。プレス加工を使用すれば、エッチング等の他の工法を使用する場合よりも、セパレータ２０を安価に製造できる。
金属板２１は、図３に示すアノード面２２と、図４に示すカソード面２３とを有する。図３に示すように、金属板２１は、アノード面２２の中央付近に、上述した複数のアノード溝２４を有する。また、図４に示すように、金属板２１は、カソード面２３の中央付近に、上述した複数のカソード溝２５を有する。
本実施形態では、図５のように、金属板２１を波線状に加工することにより、１枚の金属板２１に、アノード溝２４とカソード溝２５とが形成されている。アノード溝２４とカソード溝２５とは、セパレータ２０の表面に沿って、交互に配列される。すなわち、アノード面２２において隣り合うアノード溝２４の間の凸状となる部分が、カソード面２３において凹状のカソード溝２５を形成する。また、カソード面２３において隣り合うカソード溝２５の間の凸状となる部分が、アノード面２２において凹状のアノード溝２４を形成する。このようにすれば、複数の金属板を使用することなく、１枚の金属板２１で、セパレータ２０の両面に、複数のアノード溝２４と、複数のカソード溝２５とを、それぞれ形成することができる。
また、図３および図４に示すように、金属板２１は、複数の水流通孔２６を有する。水流通孔２６は、アノードガス拡散層６２へ供給される水を流通させる流通孔である。積層方向に視た状態において、複数の水流通孔２６は、アノードガス拡散層６２よりも外側に位置する。水流通孔２６は、金属板２１を積層方向に貫通する。セル１０のベース層５０には、水流通孔２６と積層方向に重なる位置に、貫通孔が形成されている。このため、セル１０とセパレータ２０を交互に積層した状態では、複数の水流通孔２６は、積層方向に延びる一連の流通路を形成する。
また、図３および図４に示すように、金属板２１は、複数の酸素流通孔２７を有する。酸素流通孔２７は、アノードガス拡散層６２から排出される酸素を流通させる流通孔である。なお、複数の酸素流通孔２７には、未反応で残留している水も流通する。積層方向に視た状態において、複数の酸素流通孔２７は、アノードガス拡散層６２よりも外側に位置する。酸素流通孔２７は、金属板２１を積層方向に貫通する。セル１０のベース層５０には、酸素流通孔２７と積層方向に重なる位置に、貫通孔が形成されている。このため、セル１０とセパレータ２０を交互に積層した状態では、複数の酸素流通孔２７は、積層方向に延びる一連の流通路を形成する。
また、図３～図５に示すように、金属板２１は、複数の水素流通孔２８を有する。水素流通孔２８は、カソードガス拡散層７２から排出される水素を流通させる流通孔である。積層方向に視た状態において、複数の水素流通孔２８は、カソードガス拡散層７２よりも外側に位置する。水素流通孔２８は、金属板２１を積層方向に貫通する。セル１０のベース層５０には、水素流通孔２８と積層方向に重なる位置に、貫通孔が形成されている。このため、セル１０とセパレータ２０を交互に積層した状態では、複数の水素流通孔２８は、積層方向に延びる一連の流通路を形成する。
また、図３および図５に示すように、セパレータ２０は、アノード外周シール部材８１を有する。アノード外周シール部材８１は、金属板２１のアノード面２２に取り付けられた、環状のシール部材（Ｏリング）である。アノード外周シール部材８１は、ゴムなどの弾性体により形成される。アノード外周シール部材８１は、アノード面２２の外周部に沿って配置されている。また、アノード外周シール部材８１は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。アノード外周シール部材８１は、アノード面２２の外周部と、ベース層５０の外周部との間に、積層方向に圧縮された状態で介在する。これにより、ベース層５０と金属板２１のアノード面２２との間に存在する水および酸素が、アノード外周シール部材８１よりも外側へ漏れ出すことが抑制される。
また、図４および図５に示すように、セパレータ２０は、カソード外周シール部材８２を有する。カソード外周シール部材８２は、金属板２１のカソード面２３に取り付けられた、環状のシール部材（Ｏリング）である。カソード外周シール部材８２は、ゴムなどの弾性体により形成される。カソード外周シール部材８２は、カソード面２３の外周部に沿って配置されている。また、カソード外周シール部材８２は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。カソード外周シール部材８２は、カソード面２３の外周部と、ベース層５０の外周部との間に、積層方向に圧縮された状態で介在する。これにより、ベース層５０と金属板２１のカソード面２３との間に存在する水素が、カソード外周シール部材８２よりも外側へ漏れ出すことが抑制される。
また、図３および図５に示すように、セパレータ２０は、複数の第１シール部材８３を有する。第１シール部材８３は、金属板２１のアノード面２２に取り付けられた、環状のシール部材（Ｏリング）である。第１シール部材８３は、ゴムなどの弾性体により形成される。第１シール部材８３は、積層方向に視た状態において、水素流通孔２８を包囲する。第１シール部材８３は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。第１シール部材８３は、水素流通孔２８の周囲において、アノード面２２とベース層５０との間に、積層方向に圧縮された状態で介在する。これにより、アノード面２２とベース層５０との間に存在する水および酸素が、水素流通孔２８へ流入することが抑制される。また、水素流通孔２８に存在する水素が、アノード面２２とベース層５０との間へ流入することも抑制される。
また、図４に示すように、セパレータ２０は、複数の第２シール部材８４を有する。第２シール部材８４は、金属板２１のカソード面２３に取り付けられた、環状のシール部材（Ｏリング）である。第２シール部材８４は、ゴムなどの弾性体により形成される。第２シール部材８４は、積層方向に視た状態において、水流通孔２６を包囲する。第２シール部材８４は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。第２シール部材８４は、水流通孔２６の周囲において、カソード面２３とベース層５０との間に、積層方向に圧縮された状態で介在する。これにより、カソード面２３とベース層５０との間に存在する水素が、水流通孔２６へ流入することが抑制される。また、水流通孔２６に存在する水が、カソード面２３とベース層５０との間へ流入することも抑制される。
また、図４に示すように、セパレータ２０は、複数の第３シール部材８５を有する。第３シール部材８５は、金属板２１のカソード面２３に取り付けられた、環状のシール部材（Ｏリング）である。第３シール部材８５は、ゴムなどの弾性体により形成される。第３シール部材８５は、積層方向に視た状態において、酸素流通孔２７を包囲する。第３シール部材８５は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。第３シール部材８５は、酸素流通孔２７の周囲において、カソード面２３とベース層５０との間に、積層方向に圧縮された状態で介在する。これにより、カソード面２３とベース層５０との間に存在する水素が、酸素流通孔２７へ流入することが抑制される。また、酸素流通孔２７に存在する酸素が、カソード面２３とベース層５０との間へ流入することも抑制される。
＜３．流路部材について＞
＜３－１．カソード流路部材＞
図４および図５に示すように、本実施形態のセパレータ２０は、複数のカソード流路部材９１を有する。カソード流路部材９１は、水素流通孔２８の周囲において、水素の流路を形成するための部材である。カソード流路部材９１は、例えば、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂により形成される。ただし、カソード流路部材９１は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂フィルムであってもよい。また、カソード流路部材９１は、チタンやステンレス鋼などの金属板であってもよい。
図５に示すように、カソード流路部材９１は、第１面９１１と第２面９１２とを有する。第１面９１１は、金属板２１のカソード面２３に、例えば接着剤で固定される。第２面９１２は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。すなわち、カソード流路部材９１は、積層方向において、金属板２１のカソード面２３と、ベース層５０のカソード側の面との間に介在する。また、図４に示すように、カソード流路部材９１は、積層方向に視た状態において、水素流通孔２８を包囲する。
また、カソード流路部材９１は、複数の水素流路９１３を有する。本実施形態では、水素流路９１３は、カソード流路部材９１の第１面９１１に形成された溝である。水素流路９１３を構成する溝は、カソード流路部材９１の第１面９１１を、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８とを繋ぐ方向に貫く。これにより、水素流路９１３は、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８との間を連通する流路となる。
カソードガス拡散層７２から排出される気体の水素は、図５中の破線矢印のように、カソード流路部材９１の複数の水素流路９１３を通って、水素流通孔２８へ流れる。このように、本実施形態の構造では、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８との間における水素の流路を、カソード流路部材９１により形成する。このようにすれば、複数の金属板を組み合わせて流路を形成する必要がない。したがって、セパレータ２０に使用する金属板の数を低減できる。その結果、水電解装置１の製造コストを低減できる。
上述した第１シール部材８３は、金属板２１のカソード流路部材９１とは反対側の面に配置されている。カソード流路部材９１は、積層方向に視た状態において、第１シール部材８３と重なる位置に配置される。したがって、図５のように、カソード流路部材９１の第２面９１２と、隣のセパレータ２０の第１シール部材８３とは、ベース層５０を挟んで互いに隣接する。そして、本実施形態では、カソード流路部材９１の第２面９１２は、平坦面となっている。これにより、ベース層５０に対する第１シール部材８３の密着性が向上する。その結果、第１シール部材８３による封止性を、より向上させることができる。
＜３－２．第１アノード流路部材＞
図３に示すように、本実施形態のセパレータ２０は、第１アノード流路部材９２を有する。第１アノード流路部材９２は、水流通孔２６の周囲において、水の流路を形成するための部材である。第１アノード流路部材９２は、例えば、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂により形成される。ただし、第１アノード流路部材９２は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂フィルムであってもよい。また、第１アノード流路部材９２は、チタンやステンレス鋼などの金属板であってもよい。
第１アノード流路部材９２は、上述したカソード流路部材９１と同様に、第１面と第２面とを有する。第１面は、金属板２１のアノード面２２に、例えば接着剤で固定される。第２面は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。すなわち、第１アノード流路部材９２は、積層方向において、金属板２１のアノード面２２と、ベース層５０のアノード側の面との間に介在する。また、図３に示すように、第１アノード流路部材９２は、積層方向に視た状態において、水流通孔２６を包囲する。
また、第１アノード流路部材９２は、複数の水流路９２３を有する。本実施形態では、水流路９２３は、第１アノード流路部材９２の第１面に形成された溝である。水流路９２３を構成する溝は、第１アノード流路部材９２の第１面を、アノードガス拡散層６２と水流通孔２６とを繋ぐ方向に貫く。これにより、水流路９２３は、アノードガス拡散層６２と水流通孔２６との間を連通する流路となる。
外部から水流通孔２６へ供給された液体の水は、第１アノード流路部材９２の複数の水流路９２３を通って、アノードガス拡散層６２へ流れる。このように、本実施形態の構造では、水流通孔２６とアノードガス拡散層６２との間における水の流路を、第１アノード流路部材９２により形成する。このようにすれば、複数の金属板を組み合わせて流路を形成する必要がない。したがって、セパレータ２０に使用する金属板の数を低減できる。その結果、水電解装置１の製造コストを低減できる。
上述した第２シール部材８４は、金属板２１の第１アノード流路部材９２とは反対側の面に配置されている。第１アノード流路部材９２は、積層方向に視た状態において、第２シール部材８４と重なる位置に配置される。したがって、第１アノード流路部材９２の第２面と、隣のセパレータ２０の第２シール部材８４とは、ベース層５０を挟んで互いに隣接する。そして、第１アノード流路部材９２の第２面は、平坦面となっている。これにより、ベース層５０に対する第２シール部材８４の密着性が向上する。その結果、第２シール部材８４による封止性を、より向上させることができる。
＜３－３．第２アノード流路部材＞
図３に示すように、本実施形態のセパレータ２０は、第２アノード流路部材９３を有する。第２アノード流路部材９３は、酸素流通孔２７の周囲において、酸素の流路を形成するための部材である。第２アノード流路部材９３は、例えば、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂により形成される。ただし、第２アノード流路部材９３は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂フィルムであってもよい。また、第２アノード流路部材９３は、チタンやステンレス鋼などの金属板であってもよい。
第２アノード流路部材９３は、上述したカソード流路部材９１と同様に、第１面と第２面とを有する。第１面は、金属板２１のアノード面２２に、例えば接着剤で固定される。第２面は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。すなわち、第２アノード流路部材９３は、積層方向において、金属板２１のアノード面２２と、ベース層５０のアノード側の面との間に介在する。また、図３に示すように、第２アノード流路部材９３は、積層方向に視た状態において、酸素流通孔２７を包囲する。
また、第２アノード流路部材９３は、複数の酸素流路９３３を有する。本実施形態では、酸素流路９３３は、第２アノード流路部材９３の第１面に形成された溝である。酸素流路９３３を構成する溝は、第２アノード流路部材９３の第１面を、アノードガス拡散層６２と酸素流通孔２７とを繋ぐ方向に貫く。これにより、酸素流路９３３は、アノードガス拡散層６２と酸素流通孔２７との間を連通する流路となる。
アノードガス拡散層６２から排出される気体の酸素は、第２アノード流路部材９３の複数の酸素流路９３３を通って、酸素流通孔２７へ流れる。このように、本実施形態の構造では、アノードガス拡散層６２と酸素流通孔２７との間における酸素の流路を、第２アノード流路部材９３により形成する。このようにすれば、複数の金属板を組み合わせて流路を形成する必要がない。したがって、セパレータ２０に使用する金属板の数を低減できる。その結果、水電解装置１の製造コストを低減できる。
上述した第３シール部材８５は、金属板２１の第２アノード流路部材９３とは反対側の面に配置されている。第２アノード流路部材９３は、積層方向に視た状態において、第３シール部材８５と重なる位置に配置される。したがって、第２アノード流路部材９３の第２面と、隣のセパレータ２０の第３シール部材８５とは、ベース層５０を挟んで互いに隣接する。そして、第２アノード流路部材９３の第２面は、平坦面となっている。これにより、ベース層５０に対する第３シール部材８５の密着性が向上する。その結果、第３シール部材８５による封止性を、より向上させることができる。
＜３－４．流路部材の変形例＞
図６は、上述したカソード流路部材９１の変形例を示した図である。図６の例においても、水素流路９１３は、カソード流路部材９１の第１面９１１に形成された溝である。ただし、図６の例では、当該溝が、第１面９１１を、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８とを繋ぐ方向に貫いていない。図６の例では、当該溝が、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８とを繋ぐ方向における第１面９１１の両端部を除く一部分に形成された凹部となっている。そして、金属板２１のカソード面２３が、第１面９１１の当該形状に沿った屈曲形状となっている。したがって、カソード流路部材９１の上記の両端部は、金属板２１と接触しない。このような構造でも、カソード流路部材９１と金属板２１との間に、カソードガス拡散層７２と水素流通孔２８との間を連通する水素流路９１３を形成することが可能である。
なお、第１アノード流路部材９２および第２アノード流路部材９３にも、図６のカソード流路部材９１と同様の形状を採用してもよい。
また、カソード流路部材９１、第１アノード流路部材９２、および第２アノード流路部材９３は、セラミックなどの多孔質体で形成されていてもよい。その場合、多孔質体が有する微細な孔により、ガス拡散層と流通孔との間を連通する流路を形成することができる。したがって、流路としての溝を形成する必要がない。
＜４．規制部について＞
＜４－１．アノード外周規制部＞
図３～図５に示すように、本実施形態の金属板２１は、アノード外周規制部９４を有する。アノード外周規制部９４は、セパレータ２０の外周部付近において、アノード外周シール部材８１が過度に圧縮されることを制限するための規制部である。
アノード外周規制部９４は、アノード外周シール部材８１の近傍に位置する。図３および図４に示すように、アノード外周規制部９４は、アノード外周シール部材８１に沿って環状に設けられている。本実施形態のアノード外周規制部９４は、金属板２１に形成された複数の凸部９４１を有する。複数の凸部９４１は、金属板２１のプレス加工により形成される。アノード外周規制部９４の当該凸部９４１は、ベース層５０のアノード側の面へ向けて突出する。そして、凸部９４１の先端が、ベース層５０のアノード側の面に接触する。これにより、アノード外周シール部材８１が積層方向に過度に圧縮されることが、制限される。
特に、本実施形態では、アノード外周規制部９４が、上記の複数の凸部９４１だけではなく、積層方向の反対側へ突出する複数の凸部９４２を有する。図３および図４に示すように、凸部９４１と凸部９４２とは、積層方向に視た状態において、アノード外周シール部材８１に沿って、交互に配列されている。そして、複数の凸部９４２は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。このようにすれば、アノード外周規制部９４を、セパレータ２０の一方側に配置されるセル１０のベース層５０と、セパレータ２０の他方側に配置されるセル１０のベース層５０との両方に、接触させることができる。したがって、積層方向におけるアノード外周規制部９４の位置を、安定させることができる。その結果、アノード外周シール部材８１が積層方向に過度に圧縮されることを、より制限できる。
図５に示すように、凸部９４１，９４２の先端は、平坦面となっている。そして、当該平坦面が、ベース層５０に接触する。このようにすれば、凸部９４１，９４２の先端をベース層５０に点接触させる場合と比べて、ベース層５０にかかる単位面積あたり圧力を抑制できる。したがって、ベース層５０のダメージを低減できる。
＜４－２．カソード外周規制部＞
図３～図５に示すように、本実施形態の金属板２１は、カソード外周規制部９５を有する。カソード外周規制部９５は、セパレータ２０の外周部付近において、カソード外周シール部材８２が過度に圧縮されることを制限するための規制部である。
カソード外周規制部９５は、カソード外周シール部材８２の近傍に位置する。図３および図４に示すように、カソード外周規制部９５は、カソード外周シール部材８２に沿って環状に設けられている。本実施形態のカソード外周規制部９５は、金属板２１に形成された複数の凸部９５１を有する。複数の凸部９５１は、金属板２１のプレス加工により形成される。カソード外周規制部９５の当該凸部９５１は、ベース層５０のカソード側の面へ向けて突出する。そして、凸部９５１の先端が、ベース層５０のカソード側の面に接触する。これにより、カソード外周シール部材８２が積層方向に過度に圧縮されることが、制限される。
特に、本実施形態では、カソード外周規制部９５が、上記の複数の凸部９５１だけではなく、積層方向の反対側へ突出する複数の凸部９５２を有する。図３および図４に示すように、凸部９５１と凸部９５２とは、積層方向に視た状態において、カソード外周シール部材８２に沿って、交互に配列されている。そして、当該複数の凸部９５２は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。このようにすれば、カソード外周規制部９５を、セパレータ２０の一方側に配置されるセル１０のベース層５０と、セパレータ２０の他方側に配置されるセル１０のベース層５０との両方に、接触させることができる。したがって、積層方向におけるカソード外周規制部９５の位置を、安定させることができる。その結果、カソード外周シール部材８２が積層方向に過度に圧縮されることを、より制限できる。
図５に示すように、凸部９５１，９５２の先端は、平坦面となっている。そして、当該平坦面が、ベース層５０に接触する。このようにすれば、凸部９５１，９５２の先端をベース層５０に点接触させる場合と比べて、ベース層５０にかかる単位面積あたりの圧力を抑制できる。したがって、ベース層５０のダメージを低減できる。
＜４－３．第１規制部＞
図３～図５に示すように、本実施形態の金属板２１は、第１規制部９６を有する。第１規制部９６は、水素流通孔２８の周囲において、第１シール部材８３が過度に圧縮されることを制限するための規制部である。
第１規制部９６は、第１シール部材８３の近傍に位置する。図３および図４に示すように、第１規制部９６は、第１シール部材８３に沿って環状に設けられている。本実施形態の第１規制部９６は、金属板２１に形成された複数の凸部９６１を有する。複数の凸部９６１は、金属板２１のプレス加工により形成される。第１規制部９６の当該凸部９６１は、ベース層５０のアノード側の面へ向けて突出する。そして、凸部９６１の先端が、ベース層５０のアノード側の面に接触する。これにより、第１シール部材８３が積層方向に過度に圧縮されることが、制限される。
特に、本実施形態では、第１規制部９６が、上記の複数の凸部９６１だけではなく、積層方向の反対側へ突出する複数の凸部９６２を有する。凸部９６１と凸部９６２とは、積層方向に視た状態において、第１シール部材８３に沿って、交互に配列されている。そして、当該複数の凸部９６２は、ベース層５０のカソード側の面に接触する。このようにすれば、第１規制部９６を、セパレータ２０の一方側に配置されるセル１０のベース層５０と、セパレータ２０の他方側に配置されるセル１０のベース層５０との両方に、接触させることができる。したがって、積層方向における第１規制部９６の位置を、安定させることができる。その結果、第１シール部材８３が積層方向に過度に圧縮されることを、より制限できる。
図５に示すように、凸部９６１，９６２の先端は、平坦面となっている。そして、当該平坦面が、ベース層５０に接触する。このようにすれば、凸部９６１，９６２の先端をベース層５０に点接触させる場合と比べて、ベース層５０にかかる単位面積あたりの圧力を抑制できる。したがって、ベース層５０のダメージを低減できる。
＜４－４．第２規制部＞
図３および図４に示すように、本実施形態の金属板２１は、第２規制部９７を有する。第２規制部９７は、水流通孔２６の周囲において、第２シール部材８４が過度に圧縮されることを制限するための規制部である。
第２規制部９７は、第２シール部材８４の近傍に位置する。図３および図４に示すように、第２規制部９７は、第２シール部材８４に沿って環状に設けられている。本実施形態の第２規制部９７は、金属板２１に形成された複数の凸部９７１を有する。複数の凸部９７１は、金属板２１のプレス加工により形成される。第２規制部９７の当該凸部９７１は、ベース層５０のカソード側の面へ向けて突出する。そして、凸部９７１の先端が、ベース層５０のカソード側の面に接触する。これにより、第２シール部材８４が積層方向に過度に圧縮されることが、制限される。
特に、本実施形態では、第２規制部９７が、上記の複数の凸部９７１だけではなく、積層方向の反対側へ突出する複数の凸部９７２を有する。凸部９７１と凸部９７２とは、積層方向に視た状態において、第２シール部材８４に沿って、交互に配列されている。そして、当該複数の凸部９７２は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。このようにすれば、第２規制部９７を、セパレータ２０の一方側に配置されるセル１０のベース層５０と、セパレータ２０の他方側に配置されるセル１０のベース層５０との両方に、接触させることができる。したがって、積層方向における第２規制部９７の位置を、安定させることができる。その結果、第２シール部材８４が積層方向に過度に圧縮されることを、より制限できる。
＜４－５．第３規制部＞
図３～図５に示すように、本実施形態の金属板２１は、第３規制部９８を有する。第３規制部９８は、酸素流通孔２７の周囲において、第３シール部材８５が過度に圧縮されることを制限するための規制部である。
第３規制部９８は、第３シール部材８５の近傍に位置する。図３および図４に示すように、第３規制部９８は、第３シール部材８５に沿って環状に設けられている。本実施形態の第３規制部９８は、金属板２１に形成された複数の凸部９８１を有する。複数の凸部９８１は、金属板２１のプレス加工により形成される。第３規制部９８の当該凸部９８１は、ベース層５０のカソード側の面へ向けて突出する。そして、凸部９８１の先端が、ベース層５０のカソード側の面に接触する。これにより、第３シール部材８５が積層方向に過度に圧縮されることが、制限される。
特に、本実施形態では、第３規制部９８が、上記の複数の凸部９８１だけではなく、積層方向の反対側へ突出する複数の凸部９８２を有する。凸部９８１と凸部９８２とは、積層方向に視た状態において、第３シール部材８５に沿って、交互に配列されている。そして、当該複数の凸部９８２は、ベース層５０のアノード側の面に接触する。このようにすれば、第３規制部９８を、セパレータ２０の一方側に配置されるセル１０のベース層５０と、セパレータ２０の他方側に配置されるセル１０のベース層５０との両方に、接触させることができる。したがって、積層方向における第３規制部９８の位置を、安定させることができる。その結果、第３シール部材８５が積層方向に過度に圧縮されることを、より制限できる。
＜４－６．規制部の変形例＞
上記の実施形態では、金属板２１が、アノード外周規制部９４、カソード外周規制部９５、第１規制部９６、第２規制部９７、および第３規制部９８を有していた。しかしながら、金属板２１は、上記の規制部のうち、一部の規制部のみを有していてもよい。例えば、金属板２１は、上記の規制部のうち、アノード外周規制部９４およびカソード外周規制部９５のみを有していてもよい。セパレータ２０の外周部において、隣り合うベース層５０の間隔を規制することにより、内側に位置する第１シール部材８３、第２シール部材８４、および第３シール部材８５の圧縮量も、ある程度制限することが可能である。
上記の実施形態では、水電解装置におけるセル１０とセパレータ２０の積層構造３０について説明した。しかしながら、燃料電池におけるセルとセパレータの積層構造に、上記実施形態と同等の構成を適用してもよい。また、トルエンなどの芳香族化合物を水素化することにより、有機ハイドライド（例えば、トルエン－メチルシクロヘキサン）を製造するＬОＨＣ（Liquid Organic Hydrogen Carrier）プロセスに使用されるセルとセパレータの積層構造に、上記実施形態と同等の構成を適用してもよい。
１ 水電解装置
１０ セル
２０ セパレータ
２１ 金属板
２６ 水流通孔
２７ 酸素流通孔
２８ 水素流通孔
３０ 積層構造
４０ 電源
５０ ベース層
５１ 電解質膜
６１ アノード触媒層
６２ アノードガス拡散層
７１ カソード触媒層
７２ カソードガス拡散層
８１ アノード外周シール部材
８２ カソード外周シール部材
８３ 第１シール部材
８４ 第２シール部材
８５ 第３シール部材
９１ カソード流路部材
９２ 第１アノード流路部材
９３ 第２アノード流路部材
９４ アノード外周規制部
９５ カソード外周規制部
９６ 第１規制部
９７ 第２規制部
９８ 第３規制部
９１３ 水素流路
９２３ 水流路
９３３ 酸素流路

Claims (8)

  1. 電解質膜を含むベース層を有するセルと、セパレータとが、交互に積層された積層構造に使用される前記セパレータであって、
    金属板と、
    前記金属板の表面に配置された環状のシール部材と、
    を有し、
    前記金属板は、前記シール部材の近傍において前記ベース層に接触する規制部
    を有する、セパレータ。
  2. 請求項１に記載のセパレータであって、
    前記規制部は、前記金属板に形成された凸部である、セパレータ。
  3. 請求項２に記載のセパレータであって、
    前記規制部は、
    積層方向の一方側に積層される前記ベース層に接触する凸部と、
    前記積層方向の他方側に積層される前記ベース層に接触する凸部と、
    を有する、セパレータ。
  4. 複数の前記セルと、複数の請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のセパレータとを備え、前記積層構造を有する、水電解装置。
  5. 請求項４に記載の水電解装置であって、
    前記セパレータは、
    前記ベース層の外周部と前記金属板の外周部との間に位置する前記シール部材である外周シール部材
    を有し、
    前記金属板は、
    前記外周シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である外周規制部
    を有する、水電解装置。
  6. 請求項４に記載の水電解装置であって、
    前記セルは、
    前記電解質膜の一方側に積層されたカソード触媒層と、
    前記カソード触媒層の一方側に積層されたカソードガス拡散層と、
    を有し、
    前記金属板は、
    前記カソードガス拡散層から排出される水素を流通させる水素流通孔
    を有し、
    前記セパレータは、
    前記積層方向に視た状態において、前記水素流通孔を包囲する前記シール部材である第１シール部材
    を有し、
    前記金属板は、
    前記第１シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第１規制部
    を有する、水電解装置。
  7. 請求項４に記載の水電解装置であって、
    前記セルは、
    前記電解質膜の他方側に積層されたアノード触媒層と、
    前記アノード触媒層の他方側に積層されたアノードガス拡散層と、
    を有し、
    前記金属板は、
    前記アノードガス拡散層へ供給される水を流通させる水流通孔
    を有し、
    前記セパレータは、
    前記積層方向に視た状態において、前記水流通孔を包囲する前記シール部材である第２シール部材
    を有し、
    前記金属板は、
    前記第２シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第２規制部
    を有する、水電解装置。
  8. 請求項４に記載の水電解装置であって、
    前記セルは、
    前記電解質膜の他方側に積層されたアノード触媒層と、
    前記アノード触媒層の他方側に積層されたアノードガス拡散層と、
    を有し、
    前記金属板は、
    前記アノードガス拡散層から排出される酸素を流通させる酸素流通孔
    を有し、
    前記セパレータは、
    前記積層方向に視た状態において、前記酸素流通孔を包囲する前記シール部材である第３シール部材
    を有し、
    前記金属板は、
    前記第３シール部材の近傍において前記ベース層に接触する前記規制部である第３規制部
    を有する、水電解装置。

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