JP2024066053A - 水電解セル - Google Patents
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Abstract
【課題】セパレータの変形を抑制することができる水電解セルを提供する。【解決手段】水電解セルであって、前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セル。【選択図】図３
Description
本開示は、水電解セルに関する。
水電解装置については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献１では、差圧式高圧水電解装置において、押圧させる荷重付与機構を水電解セル内に配置することにより、電極部の浮き上がりを抑制する技術が開示されている。
例えば特許文献１では、差圧式高圧水電解装置において、押圧させる荷重付与機構を水電解セル内に配置することにより、電極部の浮き上がりを抑制する技術が開示されている。
水電解で生成した水素を昇圧するために、水電解セル（以下、セルと称する場合がある）内の圧力を上げるニーズがある。従来のセルでは、荷重付与機構によりセルのセパレータが変形するという問題がある。セパレータの変形を抑制するために、セパレータを分厚くすると、セルの重量が重くなるという問題がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、セパレータの変形を抑制することができる水電解セルを提供することを主目的とする。
本開示においては、水電解セルであって、
前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、
前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、
前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セルを提供する。
前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、
前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、
前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セルを提供する。
本開示においては、前記水電解セルは、電極部と、当該電極部を囲う開口部を有する支持フレームと、当該電極部及び当該支持フレームを挟持する一対の前記セパレータと、を有してもよい。
本開示の水電解セルは、セパレータの変形を抑制することができる。
以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない水電解セルの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
本開示においては、水電解セルであって、
前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、
前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、
前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セルを提供する。
前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、
前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、
前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セルを提供する。
図１は、従来の水電解セルの課題を説明するための水電解セルの一部の一例を示す部分断面模式図である。
図１に示すように、従来の水電解セル１００は、アノードセパレータ１０、アノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、アノード触媒層１３、電解質膜１４、カソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、カソード側ガス拡散層１７、カソードセパレータ１８、支持フレーム１９を有する。
図１に示すように、従来の水電解セル１００は、アノードセパレータ１０、アノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、アノード触媒層１３、電解質膜１４、カソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、カソード側ガス拡散層１７、カソードセパレータ１８、支持フレーム１９を有する。
図２は、従来の水電解セルを平面視したときの一例を示す平面模式図である。
図２に示すように、従来の水電解セルのセパレータ６０は、面方向の端部に酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１、セル間流路供給孔４０、及び、セル間流路排出孔４１を有する。
セパレータ６０においては、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１、セル間流路供給孔４０、及び、セル間流路排出孔４１は、外周シール部材５０で囲われている。また、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１は、それぞれ、シール部材５１で囲われている。外周シール部材５０の材質とシール部材５１の材質は同じであっても異なっていてもよい。
図２に示すように、従来の水電解セルのセパレータ６０は、面方向の端部に酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１、セル間流路供給孔４０、及び、セル間流路排出孔４１を有する。
セパレータ６０においては、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１、セル間流路供給孔４０、及び、セル間流路排出孔４１は、外周シール部材５０で囲われている。また、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１は、それぞれ、シール部材５１で囲われている。外周シール部材５０の材質とシール部材５１の材質は同じであっても異なっていてもよい。
図２に示すように、燃料電池として用いられる従来のセルでは、水素と酸素又は空気等の酸素含有ガスと冷却媒体の３流体の流路を、それぞれシールする必要があるため、それぞれの空間は独立している。取り出す水素の圧力を上げるために、図１左側に示すように、水素極の圧力を上昇させると、セル内とセル間に差圧が付き、アノードセパレータ１０が変形する。図１右側に示すように、アノードセパレータ１０の変形により支持フレーム１９が引っ張られるために、支持フレーム１９のシールが電解質膜１４から剥がれ、リークの発生に至るという問題がある。
図３は、本開示の水電解セルを平面視したときの一例を示す平面模式図である。図３において図２と同じ構成については同じ番号を付し、その説明は省略する。
図３に示すように、本開示の水電解セルのセパレータ７０においては、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１は、それぞれ、シール部材５１で囲われている。一方、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１は、それぞれ、シール部材５１で囲われておらず、カソード流体流路と冷却媒体流路の空間が繋がれている。
図３に示すように、本開示の水電解セルのセパレータ７０においては、酸素極側供給孔２０、酸素極側排出孔２１は、それぞれ、シール部材５１で囲われている。一方、水素極側供給孔３０、水素極側排出孔３１は、それぞれ、シール部材５１で囲われておらず、カソード流体流路と冷却媒体流路の空間が繋がれている。
本開示では、水素極マニホールドとなる水素極側供給孔と水素極側排出孔と、セル間の冷却媒体流路の冷却媒体マニホールドとなるセル間流路供給孔とセル間流路排出孔に、それぞれの孔を囲うシール部材を配置しないことにより、カソード流体流路と冷却媒体流路の空間を繋ぐことで、セル間とセル内水素極を同圧にすることで、セパレータの変形を抑制することができ、リークの発生を抑制することができる。
また、本開示においては、冷却媒体の流路を有するセパレータを用いることにより、冷却媒体をセル内に流すことができ、セル内の発熱を抑制し、セル、シール部材等の耐久性を向上させることができる。また、従来の燃料電池用のセルを水電解セルとして流用することができ、低コスト化を図ることができる。
また、本開示においては、冷却媒体の流路を有するセパレータを用いることにより、冷却媒体をセル内に流すことができ、セル内の発熱を抑制し、セル、シール部材等の耐久性を向上させることができる。また、従来の燃料電池用のセルを水電解セルとして流用することができ、低コスト化を図ることができる。
本開示の水電解セルは、以下の通り、アノード（酸素極）に供給された水を電解し、アノードから酸素が発生し、カソード（水素極）から水素が発生する。
アノード：Ｈ２Ｏ → ２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２
アノード：Ｈ２Ｏ → ２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２
本開示の水電解セルは、当該水電解セルを複数積層して水電解セルスタック（以下スタックと称する場合がある）としてもよい。
水電解セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよい。
本開示の水電解セルは、セパレータを備え、通常、電極部と、当該電極部を囲う開口部を有する支持フレームと、当該電極部及び当該支持フレームを挟持する一対のセパレータと、を有してもよい。
水電解セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよい。
本開示の水電解セルは、セパレータを備え、通常、電極部と、当該電極部を囲う開口部を有する支持フレームと、当該電極部及び当該支持フレームを挟持する一対のセパレータと、を有してもよい。
一対のセパレータは、一方がアノードセパレータであり、もう一方がカソードセパレータである。アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。
アノードセパレータとカソードセパレータの２つのセパレータは、電極部及び支持フレームを挟持する。
セパレータは、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等のマニホールドとなる孔を有する。反応水及び冷却媒体としては、水、純水、アルカリ水等を用いることができる。
具体的には、セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有する。
酸素極側供給孔は、酸素極に反応水を供給する。酸素極側排出孔は、水電解により発生した酸素を酸素極から排出する。水素極側供給孔は、水電解時には使用されなくてもよく、冷却媒体を水素極に供給してもよい。水素極側排出孔は、水電解により発生した水素を水素極から排出する。セル間流路供給孔は、水電解セルスタックのセル間に冷却媒体を供給する。セル間流路排出孔は、水電解セルスタックのセル間から冷却媒体を排出する。
アノードセパレータとカソードセパレータの２つのセパレータは、電極部及び支持フレームを挟持する。
セパレータは、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等のマニホールドとなる孔を有する。反応水及び冷却媒体としては、水、純水、アルカリ水等を用いることができる。
具体的には、セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有する。
酸素極側供給孔は、酸素極に反応水を供給する。酸素極側排出孔は、水電解により発生した酸素を酸素極から排出する。水素極側供給孔は、水電解時には使用されなくてもよく、冷却媒体を水素極に供給してもよい。水素極側排出孔は、水電解により発生した水素を水素極から排出する。セル間流路供給孔は、水電解セルスタックのセル間に冷却媒体を供給する。セル間流路排出孔は、水電解セルスタックのセル間から冷却媒体を排出する。
セパレータは、表裏に流路となる溝を有する。
具体的には、セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応水、酸素、水素等の反応流体の流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面、すなわち、セル間に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に反応水、酸素等のアノード流体の流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に水素等のカソード流体の流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材と、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材と、を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、及び、ステンレス等）板等であってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
具体的には、セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応水、酸素、水素等の反応流体の流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面、すなわち、セル間に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に反応水、酸素等のアノード流体の流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に水素等のカソード流体の流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材と、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材と、を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、及び、ステンレス等）板等であってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
セパレータの平面視において、酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材を配置しない。
シール部材は、従来公知のガスケット、樹脂シート等であってもよい。
シール部材は、従来公知のガスケット、樹脂シート等であってもよい。
水電解セルは、電極部を備えていてもよい。
電極部は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順に有し、必要に応じ、アノード側ガス拡散層、アノード側マイクロポーラス層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側マイクロポーラス層、カソード側ガス拡散層をこの順に有していてもよい。
水素極と酸素極との差圧の発生による電解質膜の塑性変形の発生を抑制する観点から、電極部は、アノード側マイクロポーラス層とカソード側マイクロポーラス層の内、少なくともカソード側マイクロポーラス層を有していてもよい。
電極部は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順に有し、必要に応じ、アノード側ガス拡散層、アノード側マイクロポーラス層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側マイクロポーラス層、カソード側ガス拡散層をこの順に有していてもよい。
水素極と酸素極との差圧の発生による電解質膜の塑性変形の発生を抑制する観点から、電極部は、アノード側マイクロポーラス層とカソード側マイクロポーラス層の内、少なくともカソード側マイクロポーラス層を有していてもよい。
カソード（水素極）は、カソード触媒層、及びカソード側ガス拡散層を含み、必要に応じて、カソード触媒層、及びカソード側ガス拡散層の間にカソード側マイクロポーラス層を含む。
アノード（酸素極）は、アノード触媒層、及びアノード側ガス拡散層を含み、必要に応じて、アノード触媒層、及びアノード側ガス拡散層の間にアノード側マイクロポーラス層を含む。
水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さくてもよく、酸素極の面積が水素極の面積よりも小さくてもよい。これにより、水電解セルの電極部は、面方向の端部に段付き構造を有する。
酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、いずれも、電解質膜よりも面積が小さければよい。酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、電解質膜よりも面積が小さければ、これらの面積の大小は特に限定されない。
本開示の水電解セルは、当該水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしてもよい。
アノード（酸素極）は、アノード触媒層、及びアノード側ガス拡散層を含み、必要に応じて、アノード触媒層、及びアノード側ガス拡散層の間にアノード側マイクロポーラス層を含む。
水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さくてもよく、酸素極の面積が水素極の面積よりも小さくてもよい。これにより、水電解セルの電極部は、面方向の端部に段付き構造を有する。
酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、いずれも、電解質膜よりも面積が小さければよい。酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、電解質膜よりも面積が小さければ、これらの面積の大小は特に限定されない。
本開示の水電解セルは、当該水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしてもよい。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。アノード触媒層は、触媒金属として例えば、Ｉｒ、ＩｒＯ２、及び、Ｒｕ等を用いてもよく、カソード触媒層は、触媒金属として、例えば、Ｐｔ、及び、Ｐｔ合金等を用いてもよい。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。アノード触媒層は、触媒金属として例えば、Ｉｒ、ＩｒＯ２、及び、Ｒｕ等を用いてもよく、カソード触媒層は、触媒金属として、例えば、Ｐｔ、及び、Ｐｔ合金等を用いてもよい。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性、すなわち、気孔を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
ガス拡散層は、ガス透過性、すなわち、気孔を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
アノード側マイクロポーラス層、及び、カソード側マイクロポーラス層をまとめてマイクロポーラス層と称する。
マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物であってもよい。
マイクロポーラス層は、１～数百μｍの気孔を有していてもよい。
マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物であってもよい。
マイクロポーラス層は、１～数百μｍの気孔を有していてもよい。
支持フレームは、電極部の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置される。
支持フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、電極部と接続する支持フレームの主要部分である。
開口部は、電極部の保持領域であり、電極部を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、支持フレームにおいて、電極部の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、支持フレームの中央に有していてもよい。
支持フレームの孔は、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させる。支持フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
支持フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。
支持フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、電極部と接続する支持フレームの主要部分である。
開口部は、電極部の保持領域であり、電極部を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、支持フレームにおいて、電極部の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、支持フレームの中央に有していてもよい。
支持フレームの孔は、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させる。支持フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
支持フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。
コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、水電解セルの製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、水電解セル厚さを低減する観点から、２００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以下であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、水電解セル厚さを低減する観点から、２００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以下であってもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１シェル層及び第２シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、支持フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、水電解セルの厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、支持フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、水電解セルの厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。
支持フレームにおいて、第１シェル層及び第２シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、支持フレームは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。
水電解セルスタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、酸素極入口マニホールド、水素極入口マニホールド、及び、冷却媒体入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、酸素極出口マニホールド、水素極出口マニホールド、及び、冷却媒体出口マニホールド等が挙げられる。
酸素極入口マニホールド、酸素極出口マニホールドは、まとめて酸素極マニホールドという。水素極入口マニホールド、水素極出口マニホールドは、まとめて水素極マニホールドという。冷却媒体入口マニホールド、冷却媒体出口マニホールドは、まとめて冷却媒体マニホールドという。
入口マニホールドは、酸素極入口マニホールド、水素極入口マニホールド、及び、冷却媒体入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、酸素極出口マニホールド、水素極出口マニホールド、及び、冷却媒体出口マニホールド等が挙げられる。
酸素極入口マニホールド、酸素極出口マニホールドは、まとめて酸素極マニホールドという。水素極入口マニホールド、水素極出口マニホールドは、まとめて水素極マニホールドという。冷却媒体入口マニホールド、冷却媒体出口マニホールドは、まとめて冷却媒体マニホールドという。
１０ アノードセパレータ
１１ アノード側ガス拡散層
１２ アノード側マイクロポーラス層
１３ アノード触媒層
１４ 電解質膜
１５ カソード触媒層
１６ カソード側マイクロポーラス層
１７ カソード側ガス拡散層
１８ カソードセパレータ
１９ 支持フレーム
２０ 酸素極側供給孔
２１ 酸素極側排出孔
３０ 水素極側供給孔
３１ 水素極側排出孔
４０ セル間流路供給孔
４１ セル間流路排出孔
５０ 外周シール部材
５１ シール部材
６０ 従来のセパレータ
７０ 本開示のセパレータ
１００ 水電解セル
１１ アノード側ガス拡散層
１２ アノード側マイクロポーラス層
１３ アノード触媒層
１４ 電解質膜
１５ カソード触媒層
１６ カソード側マイクロポーラス層
１７ カソード側ガス拡散層
１８ カソードセパレータ
１９ 支持フレーム
２０ 酸素極側供給孔
２１ 酸素極側排出孔
３０ 水素極側供給孔
３１ 水素極側排出孔
４０ セル間流路供給孔
４１ セル間流路排出孔
５０ 外周シール部材
５１ シール部材
６０ 従来のセパレータ
７０ 本開示のセパレータ
１００ 水電解セル
Claims (2)
- 水電解セルであって、
前記水電解セルは、表裏に流路となる溝を有するセパレータを備え、
前記セパレータは、平面視において面方向の端部に酸素極側供給孔、酸素極側排出孔、水素極側供給孔、水素極側排出孔、セル間流路供給孔、及び、セル間流路排出孔と、を有し、
前記セパレータの平面視において、前記酸素極側供給孔を囲うシール部材、及び、前記酸素極側排出孔を囲うシール部材が配置され、前記水素極側供給孔、前記水素極側排出孔、前記セル間流路供給孔、及び、前記セル間流路排出孔には、それぞれの孔を囲う当該シール部材が配置されていない、水電解セル。 - 前記水電解セルは、電極部と、当該電極部を囲う開口部を有する支持フレームと、当該電極部及び当該支持フレームを挟持する一対の前記セパレータと、を有する、請求項１に記載の水電解セル。
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