JP3276627B2 - 固体電解質膜ユニット及び電解セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水電解装置の固体電
解質膜ユニット及び電解セルに関する。さらに詳しく
は、水を電気分解することによって高純度の水素ガスお
よび酸素ガスを得るための水素・酸素発生装置などの水
電解装置に用いられる固体電解質膜ユニット及び電解セ
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】水素酸素発生装置には、特開平８−２３
９７８８号公報にも開示されているように、その中心的
機能である水の電気分解を行うための電解セルが組み込
まれている。電解セルは固体電解質膜ユニットを所定組
並べ合わせたものである。固体電解質膜ユニットは固体
電解質膜の両側に電極板を有し、それらに挟まれた空間
の一方が陽極室で他方が陰極室となり、各室に給電体が
収容される。

【０００３】複極式電解セルの場合には、並べ合わせた
固体電解質膜ユニットの両端の電極板間に直流電圧を印
加すると、それらの端部電極板はそれぞれ陽極と陰極と
の単極式電極板になり、中間の電極板は一方の面が陽極
になり他方の面が陰極となる複極式電極板になる。すな
わち、各固体電解質膜と電極板の陽極側とに挟まれた空
間が陽極室となり、各固体電解質膜と電極板の陰極側と
に挟まれた空間が陰極室となる。

【０００４】図８に従来の電解セルの要部分解縦断側面
図を示す。又、図９に該従来の電解セル５１における電
極板５２の斜視図を示す。図８に示す電解セル５１は、
２個の固体電解質膜ユニットを有している。各固体電解
質膜ユニットは、固体電解質膜５４と、該固体電解質膜
５４を挟んで両側に配設された多孔質給電体５５と、該
多孔質給電体５５を外部から隔離する環状シリコーン製
ガスケット５６と、前記多孔質給電体５５と固体電解質
膜５４との間に配設された環状保護シート５７とを備え
ている。なお、図８に示す電解セル５１においては、該
電解セルの両端部に配置される電極板５３ａ，５３ｂが
単極式電極板となり、固体電解質膜ユニットの連結部に
位置する電極板５２が複極式の電極板（図９参照）とな
る。又、図８における符号６５は端板であり、電極板及
びガスケットの周縁部を貫通する締付ボルト（図示せ
ず）を用いて前記両端板６５同士を締め付けることによ
り電解セル５１が組み立てられる。前記多孔質給電体５
５はメッシュや焼結体等の通気性及び通液性材料から形
成され、その側面からも自在に流体が流通できるように
なっている。

【０００５】前記電極板５２，５３ａ，５３ｂ、固体電
解質膜５４、環状ガスケット５６及び環状保護シート５
７の周縁部には、酸素ガス取り出し用経路５８、純水供
給用経路６０、水素ガス取り出し用経路５９及びドレン
水排出用経路６１を構成する開口が形成されている。さ
らに、電極板５２には、酸素ガス取り出し用経路５８及
び純水供給用経路６０と陽極室とをそれぞれ連通する酸
素ガス流通通路５８ａ及び純水流通通路６０ａと、水素
ガス取り出し用経路５９及びドレン水排出用経路６１と
陰極室とをそれぞれ連通する水素ガス流通通路５９ａ及
びドレン水排出通路６１ａとが形成されている（図８及
び図９参照）。

【０００６】ここで、前記各流体経路及び流体通路の構
成について説明する。図１０(a)は、電極板５２の周縁
部近傍の一部縦断側面図であり、図１０(b)は、図１０
(a)におけるX-X線矢視図である。図１０に示されるよう
に、電極板５２の周縁部近傍には放射状に沿って延びる
長円状の浅い二段溝６２が形成されている。該二段溝６
２は、内方端部が陰極室に連通し且つ外方端部が流体経
路（図１０においては水素取り出し用経路５９）に連通
している。該二段溝６２には基盤座６２ａとして機能す
る段部が形成されており、該基盤座６２ａに長円状の基
盤６３が装着される。前記基盤６３には、前記水素ガス
取り出し用経路を構成する開口６４が形成されている。
さらに、該基盤６３には、陰極室（多孔質給電体が配設
される空間）と前記水素ガス流通通路５９ａとを連通す
る開口６４ｂが形成されている。このようにして、流体
通路（水素ガス流通通路５９ａで代表させる）が構成さ
れる。なお、図１０においては、水素ガス流通通路５９
ａのみが示されているが、酸素ガス流通通路５８ａ，純
水流通通路６０ａ及びドレン水排出通路６１ａは、形成
位置が異なるだけで同一構造である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】斯かる構成の前記従来
技術においては、平板状の電極板５２の平面上に積層さ
れる平板状ガスケット５６によって、陽極室及び陰極室
を外部からシールし、又、前記各流体通路をシールして
いる（図８等参照）。従って、前記従来技術において
は、前記ガスケットが所定の弾性を有することが必要と
なる。その一方、水の電解中は、固体電解質膜内に水素
イオンが充満しているので固体電解質膜は強酸性となっ
ている。従って、固体電解質膜に接触する部品には耐酸
性が要求される。そこで、従来は、所定弾性を得る為
に、前記ガスケット５６として、シリコーンゴム製のガ
スケットを用いつつ、該シリコーンゴム製ガスケットの
酸化腐食を防止する為に、固体電解質膜とガスケットと
の間に環状の薄いＰＦＡ（パーフルオロアルコキシビニ
ルエーテル）製保護シート５７を挟み、これにより、該
ガスケットが固体電解質膜に直接接触しないようにして
いた。しかしながら、保護シート５７を介挿したとして
も、該保護シートにしわや折れ目があるとその部分から
漏洩が生じる可能性がある。その為、従来においては、
しわや折れ目の無い良質のＰＦＡ製保護シートを選別し
て採用すると共に、組立時に該保護シートにしわが生じ
ないように注意する必要があり、これにより、手間およ
びコストが増加するという問題があった。一方、前記保
護シート５７の漏洩を防止する為に厚い保護シートを用
いることも考えられるが、厚い保護シートを採用する
と、固体電解質膜と多孔質給電体との間に段差が生じ、
両者間の接触性が悪化して電解効率の低下を招くことに
なる。

【０００８】さらに、前記シリコーン製ガスケットのシ
ール機能を十分に発揮させる為には、電解セル組み立て
時にボルトを所定トルクで締め付ける必要があるが、前
記構成において締め付けを行うと、ガスケットが外方お
よび内方にはみ出すように変形する恐れがあり、シール
機能の劣化と共に、ガスケットのクリープ劣化を招く危
険性があった。又、組立時に好適なトルクで締結できた
としても、前記構成の電解セルにおいては、発生するガ
スの圧力によって、前記ガスケットが外方へはみ出す危
険性がある。従って、前記従来の電解セルは、高圧ガス
を発生させるような用途には不向きであった。

【０００９】又、シリコーン製ガスケットは他の部品に
比較して熱膨張率が遙かに大きいため、使用中に膨張
し、結果的にボルトによる締め付け力が増大して、種々
の問題が生じるおそれもある。

【００１０】本発明は、斯かる従来技術の問題点に鑑み
なされたものであり、従来のガスケットや保護シートの
使用を省略することができ、これにより、シール性の向
上、組立の容易化、部品点数の低減、昇温に伴う熱膨張
の低減を図ることのできる電解セルを提供することを一
の目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する為に、固体電解質膜と、該固体電解質膜の両側に
それぞれ配設される一対の電極板と、該一対の電極板の
それぞれと前記固体電解質膜との間に配設される多孔質
給電体と、該多孔質給電体を収容する中央孔を有し、前
記固体電解質膜の両側にそれぞれ陽極室及び陰極室を画
する陽極側環状部材及び陰極側環状部材と、前記陽極室
及び陰極室を外部から隔離するためのシールリングとを
備えており、前記陽極側環状部材及び陰極側環状部材
は、少なくとも、前記固体電解質膜と接する部分が耐酸
性を有しており、前記シールリングは、前記陽極側環状
部材及び陰極側環状部材の側面に形成されたシールリン
グ溝内に配設されている固体電解質膜ユニットを提供す
る。

【００１２】好ましくは、前記固体電解質膜、電極板及
び環状部材には、それぞれ、前記多孔質給電体より径方
向外方に位置する周縁部に、純水供給用，酸素ガス取り
出し用及び水素ガス取り出し用流体経路を構成する第１
〜第３開口が穿孔されており、前記陽極側環状部材に
は、前記第１開口及び前記第２開口と前記陽極室とをそ
れぞれ連通する第１及び第２流体用通路が形成され、前
記陰極室側環状部材には、前記第３開口と前記陰極室と
を連通する第３流体用通路が形成されているものとする
ことができる。

【００１３】好ましくは、前記第１及び第２流体用通路
は、前記陽極側環状部材の一方の面に形成され、前記第
３流体用通路は、前記陰極側環状部材の一方の面に形成
されているものとすることができる。

【００１４】さらに、好ましくは、前記陽極側環状部材
のシーリング溝は、前記第１及び第２開口の径方向外方
を通り、且つ、前記第３開口の径方向内方を通るよう
に、該陽極側環状部材の両面に形成されており、さら
に、該陽極側環状部材には、前記第３開口を囲繞する小
径シーリング溝が両面に形成され、且つ、該小径シーリ
ング溝には小径シールリングが配設されており、前記陰
極側環状部材のシーリング溝は、前記第１及び第２開口
の径方向内方を通り、且つ、前記第３開口の径方向外方
を通るように、該陰極側環状部材の両面に形成されてお
り、さらに、該陰極側環状部材には、前記第１及び第２
開口を囲繞する小径のシーリング溝が両面に形成され、
且つ、該小径シーリング溝には小径シールリングが配設
されており、前記陽極側及び陰極側環状部材のそれぞれ
のシールリング溝に配設されるシールリングのうち，少
なくとも前記固体電解質膜と接するシールリングは、耐
酸性を有しているものとすることができる。

【００１５】又、異なる形態においては、前記環状部材
のシーリング溝は、前記第１〜第３開口の径方向外方を
通るように、該環状部材の両面に形成されており、前記
陽極側環状部材には、前記第３開口を囲繞する小径シー
リング溝が両面に形成され、且つ、該小径シーリング溝
には小径シールリングが配設され、前記陰極側環状部材
には、前記第１及び第２開口を囲繞する小径のシーリン
グ溝が両面に形成され、且つ、該小径シーリング溝には
小径シールリングが配設されており、前記陽極側及び陰
極側環状部材のそれぞれのシールリング溝に配設される
シールリングのうち，少なくとも前記固体電解質膜と接
するシールリングは、耐酸性を有しているものとするこ
とができる。

【００１６】好ましくは、前記多孔質給電体は、多孔質
本体部と、該本体部から径方向外方に延びる補強リング
とを備え、前記本体部及び補強リングは、少なくとも前
記固体電解質膜と接触する部分が耐酸性を有するように
構成されているものとすることができる。

【００１７】さらに好ましくは、前記陽極側環状部材の
中央孔は、前記第１開口から第２開口に向かって略均一
幅を有する矩形状とされ、該陽極側環状部材の中央孔内
に収容される給電体は、該中央孔と略同一形状とされて
いるものとすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、添付図面を
参照しつつ、本発明に係る電解セルの一実施の形態につ
いて説明する。図１は本実施の形態に係る電解セル１の
要部分解斜視図である。図２は図１におけるII-II線断
面図であり、図１に示す電解セル１の組立前の状態の要
部を示している。図３は図１の電解セル１における電極
板、多孔質給電体および一の環状部材を示す斜視図であ
る。図４は図１に示す電解セルにおける電極板、多孔質
給電体および他の環状部材の斜視図である。図５は図３
におけるV-V線断面図である。

【００１９】図２に示されるように、本実施の形態に係
る電解セル１は、固体電解質膜ユニット２を所定組並べ
合わせたものである。固体電解質膜ユニット２は、固体
電解質膜３と、該固体電解質膜３の両側に配設された電
極板４と、前記固体電解質膜３及び電極板４の間に形成
された収容スペース内に配設された多孔質給電体５とを
備えている。前記収容スペースの一方が陽極室Ａとな
り、他方が陰極室Ｃとなる。

【００２０】電解セル１は、前記固体電解質膜ユニット
２が複数個直列に連結されてなるものである。具体的に
は、図２に示すように、一のユニット２と該一のユニッ
トに隣接する他のユニット２とは、連結部分の電極板が
共有される態様で、ボルト等適宜の締結手段を介して連
結される。そして、連結された複数ユニットの両端部に
位置する電極板が単極電極板として機能し、該単極電極
板間に、電解電圧を付加することによって、供給純水が
電気分解され、陽極室Ａにおいて酸素ガスが発生し、陰
極室Ｃにおいて水素ガスが発生する。

【００２１】前記ユニット２には、さらに、前記膜３及
び電極板４との共働下に、前記陽極室Ａ及び陰極室Ｃを
画する環状部材６が備えられている。該環状部材６は、
多孔質給電体５を囲繞するように配設されており、陽極
室Ａ及び陰極室Ｃを外部から隔離するシールリング部材
として機能する。具体的には、前記環状部材６の側面の
周縁部に、シールリング７ａ、７ｂが備えられ（図３お
よび図４参照）、該シールリング部材によって多孔質給
電体５が外部からシールされている。図１および図２に
はシールリングの図示が省略されている。

【００２２】電極板４は、周縁部と、該周縁部の両面に
おいて該周縁部の径方向内方端からセル積層方向両側に
突設された中央凸部４ａとを備えている。本実施の形態
においては、電極板４を平面視略円形としており、前記
中央凸部４ａは、該電極板と同心状の円形とされてい
る。前記中央凸部４ａは、前記環状部材６の中央孔内に
係入されるようになっており（図２等参照）、これによ
り、電解セルの組立効率の向上を図り得るようになって
いる。より詳しくは、本実施形態では、電極板４は板厚
が約５ｍｍのチタン板を用い、周縁部の板厚が約１ｍ
ｍ、中央凸部４ａの板厚が約５ｍｍとなるように成形さ
れている。即ち、該電極板４は、周縁部から約２ｍｍの
高さの中央凸部４ａが両側に形成されている。また、多
孔質給電体５は約１ｍｍの厚さを有し、環状部材６は約
３ｍｍの厚さを有するものとされる。

【００２３】図１に良く示されるように、他の部品より
小径の多孔質給電体５を除いて、前記膜３、電極板４及
び環状部材６には、それぞれ、周縁部に、酸素ガス取り
出し経路８、水素ガス取り出し経路９、純水供給経路１
０および陰極室用のドレン水排出経路１１を構成する孔
が、周方向略等間隔に穿設されている。さらに、前記環
状部材６及び電極板４には、図１〜４に示すように、前
記各経路８、９、１０、１１と前記陽極室Ａ又は陰極室
Ｃとを連通する通路が形成されている。

【００２４】即ち、陽極室Ａ用の環状部材６ａには、電
極板４と対向する面（図３参照）に、酸素ガス取り出し
経路８及び純水供給経路１０のそれぞれと前記陽極室Ａ
とを連通する二本の溝１２が形成されている。これらの
溝１２が、それぞれ、酸素ガス取り出し通路１３及び純
水流通通路１５を構成している。一方、陰極室Ｃ用の環
状部材６ｃには、電極板４と対向する面（図４参照）
に、水素ガス取り出し経路９及び陰極室用ドレン水排出
経路１１のそれぞれと前記陰極室Ｃとを連通する二本の
溝１２が形成されている。これらの溝１２が、それぞ
れ、水素ガス取り出し通路１４およびドレン水排出通路
１６を構成している。

【００２５】前記溝１２の断面寸法は、本実施形態では
幅ｂ（図５）が約６ｍｍであり、深さｈ（図５）が約１
ｍｍとされているが、斯かる寸法は一例である。好まし
くは、前記電極板４の中央凸部４ａの周縁部の対応箇所
に、前記各溝１２と陽極室Ａ又は陰極室Ｃとの連通状態
を確保する為の切り欠き１７を形成することができる
（図２等参照）。

【００２６】環状部材６の内径側空間（中央孔）には、
一方側から前記電極板４の円形凸部４ａが係入され、且
つ、他方側から多孔質給電体５が係入されている。

【００２７】前記多孔質給電体５は、チタン製メッシュ
等からなる多孔質の本体部と、該本体部から径方向外方
へ延在した補強リング５ａとを備えている。前記本体部
及び補強リングは共に膜３と接触する為、以下のように
耐酸性処理が施されている。即ち、本体部の膜当接面に
は白金メッキなどの貴金属メッキが施され、且つ、補強
リングの膜当接面にはＰＦＡやＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン）などの耐酸性樹脂がコーティングされ
ている。したがって、従来では必要であった取り扱いに
不便な薄いＰＦＡ製保護シートを使用する必要がない。

【００２８】図２および図４に示されるように、環状部
材６における多孔質給電体５が係入される側の面には、
前記補強リング５ａが係入される段差Ｓが形成されてい
る。該段差Ｓは、係入される前記補強リング５ａの厚さ
とほぼ同一深さとされている。本実施の形態において
は、補強リング５ａ及び段差Ｓ共に、約０．１ｍｍの厚
み（深さ）とされている。

【００２９】このようにして構成された電解セル１にお
いては、純水供給経路１０から純水流通通路１５を介し
て陽極室Ａへ供給された純水が該陽極室内（詳しくは、
膜３の陽極室側表面に備えられた触媒層内）で酸素ガス
と水素イオンに分解される。そして、発生した酸素ガス
は残余の純水と共に酸素ガス取り出し通路１３及び酸素
ガス取り出し経路８を介して取り出されるようになって
いる。一方、前記水素イオンは前記膜３を透過して陰極
室内に入り込み、該陰極室内（詳しくは、膜３の陰極側
室表面に備えられた触媒層内）で電子をもらい、水素ガ
スとなる。そして、発生した水素ガスは、水素ガス取り
出し通路１４から水素ガス取り出し経路９を通して取り
出される。

【００３０】図２〜図４に示されるように、前記環状部
材６の両側面の周縁部には、２種類の溝１８ａ、１８ｂ
が形成されている。前記溝１８ａは、前記各流体用経路
８、９、１０、１１を囲繞するように形成されている。
該溝１８ａには小円形のシールリング７ａが装着されて
おり、各流体経路８，９，１０，１１からの流体漏洩を
防止し得るようになっている。

【００３１】一方、前記溝１８ｂは、前記流体用経路
８，９，１０，１１のうち前記流体用通路１３，１４，
１５，１６が連通された流体用経路の径方向外方を通
り、且つ、前記流体用経路８，９，１０，１１のうち前
記流体用通路１３，１４，１５，１６が連通されていな
い流体経路の径方向内方を通るように形成されている。
該溝１８ｂには大径のシールリング７ｂが装着されてお
り、陽極室Ａおよび陰極室Ｃから外方への流体漏洩を防
止し得るようになっている。

【００３２】好ましくは、陽極室Ａを画する環状部材６
ａと陰極室Ｃを画する環状部材６ｃとは、互いのシール
リング溝１８ａ、１８ｂが対向しないように構成され得
る。本実施の形態においては、図２及び図３に示される
ように、陽極室Ａを画する環状部材６ａは、両面側に同
形状の溝１８ａ，１８ｂが形成されており、該両面側に
形成された同一形状の溝にシールリング７ａ、７ｂがそ
れぞれ配設されるようになっている。これに対し、図２
及び図４に示されるように、陰極室Ｃを画する環状部材
６ｃは、一方の面にのみシールリング溝１８ａ、１８ｂ
が形成されており、該一方面の溝１８ａ，１８ｂにのみ
シールリング７ａ，７ｂが配設されるようになってい
る。

【００３３】このように、環状部材６ａに形成された溝
７ａ，７ｂと環状部材６ｃに形成された溝７ａ，７ｂと
が、互いに対向しないように構成することにより、以下
の効果を得ることができる。即ち、軟質の固体電解質膜
３を用いた場合、固体電解質膜３を挟んで対向する位置
にシールリング７ａ、７ｂが配設されると、固体電解質
膜３をシールリング７ａ，７ｂで両側から挟圧すること
になり、該膜３の損傷を招きかねない。さらに、軟質の
固体電解質膜３を挟んで軟質のシールリング７ａ、７ｂ
を対向させて配設すると、電解セル組立時に該シーリン
グ７ａ，７ｂに対する十分な反力が期待できず、十分な
シール効果を得ることができないおそれがある。

【００３４】これに対し、本実施の形態においては、固
体電解質膜３を、環状部材６ａに装着されるシールリン
グ７ａ、７ｂと環状部材６ｃの平面とで挟圧するように
構成し、環状部材６ａに装着されるシールリングと環状
部材６ｃに装着されるシールリングとが互いに対向しな
いようにしているので、前記不都合を有効に防止するこ
とができる。なお、前記固体電解質膜をセラミックなど
の硬質の材料から形成すれば、その両側の対向する位置
にシールリング７ａ、７ｂを配設することもできる。

【００３５】このようにして、流体用通路１３、１４、
１５、１６に連通された各流体用経路８、９、１０、１
１は、対応する陽極室Ａ（または陰極室Ｃ）との間の連
通状態を維持しつつ、外部とは良好にシールされるよう
になっている。そして、流体用通路に連通されていない
各流体用経路は、周囲からシールされることになる。な
お、本実施の形態においては、前述のごとく、大径シー
ルリング７ｂが、流体用通路１３、１４、１５、１６に
連通されていない流体用経路８、９、１０、１１の内側
を通るように構成したが、これに代えて、前記大径シー
ルリング７ｂが、全ての流体用経路８、９、１０、１１
の径方向外方を通るように構成することも当然に可能で
ある。上記シールリング溝１８ａ、１８ｂは、例えば、
幅ｗ（図５）が約２．１ｍｍ、深さｋが約１ｍｍとさ
れ、シールリング７ａ、７ｂはその断面直径が約１．５
ｍｍとされる。

【００３６】なお、本実施の形態においては、前記環状
部材６ａは両面側にシールリング溝１８ａ，１８ｂを形
成し、一方、前記環状部材６ｃは一方面側にのみシール
リング溝１８ａ，１８ｂを形成したが、当然ながら、両
者の関係を逆にすることも可能である。又、環状部材６
ｃの膜３と当接する側にもシールリング溝１８ａ，１８
ｂを形成することができるが、斯かる場合には、環状部
材６ａの膜３と当接する側に形成されたシールリング溝
１８ａ，１８ｂと、環状部材６ｃの膜３と当接する側に
形成されたシールリング溝１８ａ，１８ｂとが、互いに
対向しないように形成するのが好ましい。

【００３７】さらに、前記環状部材６は耐酸性を有する
非導電性材料から形成され、好ましくは、所定の強度を
有する材料とされる。斯かる材料として、例えば、繊維
強化プラスチック、フッ素樹脂、セラミックスなどが好
適に使用される。また、シールリング７ａ、７ｂは所定
弾性を有し、好ましくは、耐酸性を有するものとされ
る。斯かる材料として、例えば、フッ素ゴムやパーフル
オロエラストマーなどの耐酸性ゴム、表面に耐酸性層を
形成した二重構造ゴムなどが好適に使用される。

【００３８】さらに、図示の形態においては、前記膜
３，電極板４及び環状部材６に、前記酸素ガス取り出し
経路８、水素ガス取り出し経路９、純水供給経路１０お
よび陰極室用のドレン水排出経路１１を構成しない孔が
穿設されているが、該孔は必要に応じて流体用経路とし
て用いてもよく、また、必要なき場合には省略すること
ができる。

【００３９】実施の形態２．以下、添付図面を参照しつ
つ、本発明に係る電解セルの他の実施の形態について説
明する。図６に、本実施の形態２に係る電解セルの要部
分解斜視図を示す。又、図７に、図６のVII-VII線断面
図を示す。

【００４０】図６に示されるように、本実施の形態に係
る電解セル２１は平面視矩形状をなしている。すなわ
ち、固体電解質膜２３、該膜２３の両側の電極板２４、
多孔質給電体２５、および環状部材２６が全て平面視矩
形を呈している。なお、該構成部品２３、２４、２５、
２６の配置関係は、前記実施の形態１における電解セル
１（図１〜図４等参照）と同様である。

【００４１】ただし、前記実施の形態１に係る電解セル
１においては、多孔質給電体５に補強リング５ａが備え
られ、環状部材６には該補強リング５ａが係入される段
差Ｓが形成されていたが、本実施の形態に係る電解セル
２１にいては補強リングも段差Ｓも形成されていない。
即ち、前記電解セル２１においては、環状部材２６に多
孔質給電体２５とほぼ同外形の矩形の窓部２６ｂが開口
されており、この窓部２６ｂ内に多孔質給電体２５が装
着されるようになっている。即ち、膜２３と電極板２４
とで挟まれた環状部材２６の窓部２６ｂが、陽極室Ａま
たは陰極室Ｃを形成している。

【００４２】前記多孔質給電体２５は、環状部材２６よ
りも若干厚く形成されている。このように構成すること
によって、電極板２４を、前記実施の形態１における電
極板４のような中央凸部４ａを有する形状とすることな
く、電解セル２１の組立時に多孔質給電体２５が固体電
解質膜２３及び電極板２４の双方に確実に接触するよう
になっている。斯かる給電体２５と膜２３及び電極板２
４との確実な接触は電気抵抗の増加を防止し、電解効率
の悪化を有効に防ぐ。

【００４３】もちろん、前記実施の形態１に係る電解セ
ル１と同様に、多孔質給電体２５を環状部材２６より薄
くすることも可能である。斯かる場合には、多孔質給電
体には補強リングを備え、環状部材には窓部２６ｂの周
囲に補強リング用の段差を形成する必要がある。さら
に、電極板には、前記実施の形態１における電極板４と
同様に、中央凸部、すなわち上記矩形の窓部と略同一外
形の中央凸部を形成する必要がある。

【００４４】前記環状部材２６の周縁部のうち，長手方
向一方側に位置する部分には、平面視長方形状の開口が
形成されている。さらに、固体電解質膜２３及び電極板
２４における前記開口に対応する部位には、同様に、開
口が形成されている。環状部材２６，固体電解質膜２３
及び電極板２４の前記開口は、純水供給経路３０を形成
する。好ましくは、純水供給経路３０の断面形状を、環
状部材の窓部２６ｂの幅と略等しい幅を有するものとす
ることができる。

【００４５】一方、前記環状部材２６の周縁部のうち，
長手方向他方側に位置する部分には、互いに離間された
一対の開口が形成されている。又、前記固体電解質膜２
３及び電極板２４における前記開口に対応する部位に
は、同様に、互いに離間された一対の開口が形成されて
いる。該環状部材２６，固体電解質膜２３及び電極板２
６に形成された互いに離間された一対の開口は、それぞ
れ、酸素ガス取り出し経路２８及び水素ガス取り出し経
路２９を形成している。

【００４６】斯かる構成の電解セル２１においては、以
下の効果を得ることができる。即ち、図６に示されるよ
うに、本実施の形態においては、陽極室Ａを画する環状
部材２６ａの窓部２６ｂが平面視長方形状とされ、そし
て、該窓部２６ｂの長手方向一方側外方及び他方側外方
にそれぞれ純水流通通路３４及び酸素ガス取り出し通路
３５が形成されている。従って、純水流通通路３４から
陽極室Ａへ供給された純水は、窓部２６ｂの長手方向一
方側から他方側へ向かって流れる。その結果、陽極室Ａ
における純水の流路断面積は一定となる。

【００４７】より詳しくは、純水供給側から発生酸素の
取り出し経路側に至るまでの陽極室Ａの断面積は、窓部
２６の長手方向に沿って略一定である。したがって、陽
極室Ａの長手方向に沿った任意位置において、純水の流
量は略均一となる。その結果、給電体２５と膜２３との
接触部で行われる水の電気分解が、陽極室の長手方向全
域に亘って略均等に行われることになり、水素ガスおよ
び酸素ガスの製造効率を向上させることが可能となる。

【００４８】図６及び図７に示されるように、各環状部
材２６ａ，２６ｃの両面には、窓部２６ｂ，純水供給経
路３０を形成する開口と、酸素ガス取り出し経路２８を
形成する開口と、水素ガス取り出し経路２９を形成する
開口との全ての開口を囲繞する矩形形状のシーリング溝
２７が形成されており、該溝２７に矩形のシールリング
（以下、矩形シールリングという）３１が装着されるよ
うになっている。

【００４９】そして、陽極室Ａを画する窓部２６ｂが形
成された環状部材（陽極室用環状部材）２６ａには、両
面に、水素ガス取り出し経路２９を構成する開口を囲繞
するシールリング溝３２が形成されており、該溝３２に
シールリング３３が装着されるようになっている。さら
に、該陽極室用環状部材２６ａの長手方向一方側には、
一方面に、前記純水供給経路３０を構成する開口と前記
窓部２６ｂとを連通する純水流通通路３４が形成されて
いる。該純水流通通路３４は、前記純水供給経路３０を
構成する開口から前記窓部２６ｂ内への純水の供給が、
該窓部２６ｂの幅方向全域に亘って均一に行えるよう
に、複数本の溝として形成することができる。さらに、
該陽極室用環状部材２６ａの長手方向他方側には、一方
面に、前記窓部２６ｂと前記酸素ガス取り出し経路２８
を構成する開口とを連通する酸素ガス取り出し通路３５
が形成されている。

【００５０】一方、陰極室Ｃを画する窓部２６ｂが形成
された環状部材（陰極室用環状部材）２６ｃには、両面
に、酸素ガス取り出し経路２８及び純水供給経路３０を
構成する開口をそれぞれ囲繞するシールリング溝３６及
びシールリング溝３８が形成されており、該溝３６及び
３８内にはそれぞれシールリング３７及びシールリング
３９が装着されている。さらに、該陰極室用環状部材２
６ｃには、一方面に、窓部２６ｂと水素ガス取り出し経
路２９を構成する開口とを連通する水素ガス取り出し通
路４０が形成されている。

【００５１】以上のように構成された結果、純水供給経
路３０及び酸素ガス取り出し経路２８は共に外部および
陰極室Ｃに対して良好にシールされ、且つ、水素取り出
し経路２９は外部および陽極室Ａに対して良好にシール
され、さらに、陽極室Ａ及び陰極室Ｃが外部に対して良
好にシールされるようになっている。なお、本実施の形
態においては、矩形シールリング３１を流体用経路２
８、２９、３０の全ての外側を通るように構成したが、
当然ながら、流体用通路３４、３５、４０が連通されて
ない流体用経路２８、２９、３０の内側を通るように構
成することも可能である。

【００５２】図７においては、理解容易のために上記各
シールリング３１、３３、３７、３９を二点鎖線で示し
ている。図７に示されるように、固体電解質膜２３を挟
んで両側に配設された矩形シールリング３１同士（符号
３１ａ、３１ｂで示す）は、互いに対向しないようにさ
れている。これは、軟質の矩形シールリング３１ａ、３
１ｂ同士で固体電解質膜２３を挟圧するのは固体電解質
膜２３にとって好ましくないからである。また、環状部
材２６については、一方の面に形成されたシールリング
溝と、他方の面に形成されたシールリング溝とが互いに
対向しないように、ずらされている。これは、環状部材
２６の厚みを必要以上に厚くしないためである。

【００５３】前記固体電解質膜２３としては、固体高分
子電解質を膜状に形成したものの両面に白金族金属から
なる多孔質層をホットプレスや化学的無電解メッキによ
って形成した固体高分子電解質膜を使用するのが好まし
い。該固体高分子電解質としては、カチオン交換膜（フ
ッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえ
ば、デュポン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。
なお、電解セルは横置きでも良くまた縦置きでもよい。
このように構成された本発明に係る電解セルは、高シー
ル性を有する為、電解タンクの内部に電解セルを配設す
る高圧型の水素酸素発生装置のみならず、電解タンクを
用いない低圧型の水素酸素発生装置にも適用可能であ
る。

【００５４】

【発明の効果】本発明に係る固体電解質膜ユニットによ
れば、固体電解質膜と、該固体電解質膜の両側にそれぞ
れ配設される一対の電極板と、該一対の電極板のそれぞ
れと前記固体電解質膜との間に配設される多孔質給電体
と、該多孔質給電体を収容する中央孔を有し、前記固体
電解質膜の両側にそれぞれ陽極室及び陰極室を画する陽
極側環状部材及び陰極側環状部材と、前記陽極室及び陰
極室を外部から隔離するためのシールリングとを備え、
前記陽極側環状部材及び陰極側環状部材は、少なくと
も、前記固体電解質膜と接する部分が耐酸性を有してお
り、前記シールリングは、前記陽極側環状部材及び陰極
側環状部材の側面に形成されたシールリング溝内に配設
されるように構成したので、シールリングの位置決めが
容易であり、ユニットを連結させて組み立てる電解セル
の組立作業効率を向上させることができる。さらに、電
解セル組立時の締結の際に、シーリングが外方へはみ出
すおそれがない。従って、適性なシール効果を得つつ、
シーリングのクリープ劣化を有効に防止でき、高圧の水
素ガス又は酸素ガスを発生させる高圧使用にも有効に使
用することができる。又、従来のように熱膨張率の非常
に大きい平板状のシリコーンゴムガスケットを使用して
いないので、運転中の熱膨張による不具合を有効に防止
できると共に、従来必要であったＰＦＡ製保護シートを
省略することができるので、組立作業の効率化及び部品
点数削減によるコストの低廉化を図ることができる。さ
らに、平板状ガスケットに代えてシールリングを用いて
いる為、電解セル組立時に、平板状ガスケット全体を狭
圧するに要する強大な締め付けトルクを不要にでき、組
立作業効率を向上させることができる。

【００５５】前記固体電解質膜、電極板及び環状部材に
おける前記多孔質給電体より径方向外方に位置する周縁
部に、純水供給用，酸素ガス取り出し用及び水素ガス取
り出し用流体経路を構成する第１〜第３開口を穿孔し、
前記陽極側環状部材には、前記第１開口及び前記第２開
口と前記陽極室とをそれぞれ連通する第１及び第２流体
用通路を形成し、前記陰極室側環状部材には、前記第３
開口と前記陰極室とを連通する第３流体用通路を形成す
れば、電極板への高精度な流体用通路の加工を不要にす
ることができ、製造コストの低廉化を図ることができ
る。

【００５６】前記第１及び第２流体用通路を前記陽極側
環状部材の一方の面に形成し、且つ、前記第３流体用通
路を前記陰極側環状部材の一方の面に形成するように構
成すれば、該両環状部材の構造を簡略化させることがで
き、製造コストの低廉化を図ることができる。

【００５７】前記陽極側環状部材の中央孔を、前記第１
開口から第２開口に向かう流体流れ方向に沿って略均一
幅を有する矩形状とし、該陽極側環状部材の中央孔内に
収容される給電体を前記中央孔と略同一形状とすれば、
陽極室内を流れる純水の流量を、給電体の全域に亘って
略均一化することができ、酸素ガス及び水素ガスの発生
効率を向上させることができる。さらに、給電体を矩形
状とすれば、材料の無駄を防止することができ、製造時
の歩留まりを向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に従った電解セルの一実施の形
態の要部分解斜視図である。

【図２】図２は、図１におけるII-II線断面図である。

【図３】図３は、図１に示された電解セルにおける陽極
側電極板，多孔質給電体及び陽極側環状部材の分解斜視
図である。

【図４】図４は、図１に示された電解セルにおける陰極
側電極板，多孔質給電体及び陰極側環状部材の分解斜視
図である。

【図５】図５は、図３におけるV-V線断面図である。

【図６】図６は、本発明に従った電解セルの他の実施の
形態の要部分解斜視図である。

【図７】図７は、図６におけるVII-VII線断面図であ
る。

【図８】図８は、従来の電解セルの要部分解縦断側面図
である。

【図９】図９は、図８に示す従来の電解セルにおける電
極板の斜視図である。

【図１０】図１０(a)は、図８に示された電解セルにお
ける電極板近傍の部分縦断側面図である。図１０(b)
は、図１０(a)におけるX-X線矢視図である。

【符号の説明】

３ 固体電解質膜 ４ 電極板 ５ 多孔質給電体 ５ａ 補強リング ６ 環状部材 ７ シールリング ８ 酸素ガス取り出し経路 ９ 水素ガス取り出し経路 １０ 純水供給経路 １１ ドレン水排出経路 １３ 酸素ガス取り出し通路 １４ 水素ガス取り出し通路 １５ 純水流通通路 １６ ドレン水排出通路 １８ シールリング溝

フロントページの続き (72)発明者 石井 豊 兵庫県神戸市須磨区南落合１丁目13−８ −283 (72)発明者 多井 勉 兵庫県明石市魚住町西岡658の６ (56)参考文献 特開 平11−21685（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質膜と、該固体電解質膜の両側
   にそれぞれ配設される一対の電極板と、該一対の電極板
   のそれぞれと前記固体電解質膜との間に配設される多孔
   質給電体と、該多孔質給電体を収容する中央孔を有し、
   前記固体電解質膜の両側にそれぞれ陽極室及び陰極室を
   画する陽極側環状部材及び陰極側環状部材と、前記陽極
   室及び陰極室を外部から隔離するためのシールリングと
   を備えており、 前記陽極側環状部材及び陰極側環状部材は、少なくと
   も、前記固体電解質膜と接する部分が耐酸性を有してお
   り、 前記シールリングは、前記陽極側環状部材及び陰極側環
   状部材の側面に形成されたシールリング溝内に配設され
   ていることを特徴とする固体電解質膜ユニット。
2. 【請求項２】 前記固体電解質膜、電極板及び環状部材
   には、それぞれ、前記多孔質給電体より径方向外方に位
   置する周縁部に、純水供給用，酸素ガス取り出し用及び
   水素ガス取り出し用流体経路を構成する第１〜第３開口
   が穿孔されており、 前記陽極側環状部材には、前記第１開口及び前記第２開
   口と前記陽極室とをそれぞれ連通する第１及び第２流体
   用通路が形成され、 前記陰極室側環状部材には、前記第３開口と前記陰極室
   とをそれぞれ連通する第３流体用通路が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質膜ユニッ
   ト。
3. 【請求項３】 前記第１及び第２流体用通路は、前記陽
   極側環状部材の一方の面に形成され、 前記第３流体用通路は、前記陰極側環状部材の一方の面
   に形成されている請求項２に記載の固体電解質膜ユニッ
   ト。
4. 【請求項４】 前記陽極側環状部材のシーリング溝は、
   前記第１及び第２開口の径方向外方を通り、且つ、前記
   第３開口の径方向内方を通るように、該陽極側環状部材
   の両面に形成されており、 さらに、該陽極側環状部材には、前記第３開口を囲繞す
   る小径シーリング溝が両面に形成され、且つ、該小径シ
   ーリング溝には小径シールリングが配設されており、 前記陰極側環状部材のシーリング溝は、前記第１及び第
   ２開口の径方向内方を通り、且つ、前記第３開口の径方
   向外方を通るように、該陰極側環状部材の両面に形成さ
   れており、 さらに、該陰極側環状部材には、前記第１及び第２開口
   を囲繞する小径のシーリング溝が両面に形成され、且
   つ、該小径シーリング溝には小径シールリングが配設さ
   れており、 前記陽極側及び陰極側環状部材のそれぞれのシールリン
   グ溝に配設されるシールリングのうち，少なくとも前記
   固体電解質膜と接するシールリングは、耐酸性を有して
   いることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体電解
   質膜ユニット。
5. 【請求項５】 前記環状部材のシーリング溝は、前記第
   １〜第３開口の径方向外方を通るように、該環状部材の
   両面に形成されており、 前記陽極側環状部材には、前記第３開口を囲繞する小径
   シーリング溝が両面に形成され、且つ、該小径シーリン
   グ溝には小径シールリングが配設され、 前記陰極側環状部材には、前記第１及び第２開口を囲繞
   する小径のシーリング溝が両面に形成され、且つ、該小
   径シーリング溝には小径シールリングが配設されてお
   り、 前記陽極側及び陰極側環状部材のそれぞれのシールリン
   グ溝に配設されるシールリングのうち，少なくとも前記
   固体電解質膜と接するシールリングは、耐酸性を有して
   いることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体電解
   質膜ユニット。
6. 【請求項６】 前記多孔質給電体は、多孔質本体部と、
   該本体部から径方向外方に延びる補強リングとを備え、 前記本体部及び補強リングは、少なくとも前記固体電解
   質膜と接触する部分が耐酸性を有するように構成されて
   いることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の固
   体電解質膜ユニット。
7. 【請求項７】 前記陽極側環状部材の中央孔は、前記第
   １開口から第２開口に向かって略均一幅を有する矩形状
   とされ、 該陽極側環状部材の中央孔内に収容される給電体は、該
   中央孔と略同一形状とされていることを特徴とする請求
   項１〜６の何れかに記載の固体電解質膜ユニット。
8. 【請求項８】 請求項１〜７の何れかに記載の固体電解
   質膜ユニットが複数個直列に連結されてなることを特徴
   とする電解セル。