JP4510035B2 - 電解セル、および水素酸素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、水等を電気分解して水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水素酸素発生装置等の水電解装置に関し、詳しくは、水電解装置を構成する際に用いられる電解セルに関するものである。また、本発明は、かかる電解セルを用いて構成される水素酸素発生装置に関するものである。

従来技術に係る水素酸素発生装置を構成する電解セルとしては、例えば、特開平８−２３９７８８号公報（特許文献１）、あるいは特開２００１−１６４３９１号公報（特許文献２）に開示された技術が知られている。

特許文献１にて開示された電解セルは、図１４に示すように構成されており、この電解セル１５１は、電極板１５３ａと電極板１５３ｂとの間に電極板１５２が配されており、電極板１５３ａ，１５３ｂと電極板１５２との間には、固体電解質膜１５４、多孔質給電体１５５、多孔質給電体１５５を外部から隔離するシリコーンゴム製の環状ガスケット１５６、環状保護シート１５７等が設けられた複極式の電解セルである。具体的には、電極板１５２，１５３ａ，１５３ｂと固体電解質膜１５４との間には、多孔質給電体１５５が設けられており、電極板１５２，１５３ａ，１５３ｂと多孔質給電体１５５との間には、環状ガスケット１５６が設けられ、多孔質給電体１５５と固体電解質膜１５４との間には、環状保護シート１５７が設けられている。また、多孔質給電体１５５は、メッシュや焼結体等の通気性材料から形成されており、その側面からも自在に流体が流通できるように構成されている。

電極板１５２には、酸素ガス取り出し用経路１５８、酸素ガス流通通路１５８ａ、陰極室用のドレン水排出用経路１６１、およびドレン水排出通路１６１ａ等が形成されている。なお、図１４においては省略したが、この電極板１５２には、純水供給用経路、純水流通通路、水素ガス取り出し用経路、および水素ガス流通通路も形成されている。

また、電極板１５３ａ，１５３ｂの外側（固体電解質膜１５４等を有する面の反対側）には、それぞれ端板１６２が設けられており、端板１６２同士は、電極板１５２，１５３ａ，１５３ｂ等を貫通させた状態で、締付ボルト等にて締め付けることによって固定されている。すなわち、締結ボルト等の締付手段を用いて端板１６２と端板１６２との間に設けられた各要素を所定間隔等に固定した状態で電解セル１５１が組み立てられている。

特許文献２にて開示された電解セルは、固体電解質膜と電極板ユニットとを複数積層して構成されている。電極板ユニットは、チタン板製の電極板の両面側に、多孔質給電体とスペーサとシール部材等とを配設して構成されている。スペーサ等には、発生した酸素ガス、水素ガスを取り出すために用いられる酸素用孔、水素用孔が形成され、加えて、電気分解に供される純水を供給するために用いられる純水用孔が形成されている。

この特許文献２にて開示された電解セルを成す電極板の周縁部近傍には、凹型の溝が形成されており、この溝にシール部材を配設した状態で各構成要素を積層させて組み立てることによって、特許文献２に記載された電解セルが構成されている。

特開平８−２３９７８８号公報 特開２００１−１６４３９１号公報

しかしながら、上記従来技術にかかる電解セルには、次のような問題があった。

特許文献１に記載された電解セルを成す環状ガスケットは、酸素発生室と水素発生室とをセル外部から隔離するための耐圧部品としての機能を有する。しかし、環状ガスケット自体が軟質であり、この環状ガスケットは、平板状の電極板と接することによって耐圧部品として機能しているため、内圧が高くなれば、環状ガスケットがその内圧によって電極板上でずれて、締付ボルトの間から外方へ、はみ出すおそれがある。つまり、このように構成された電解セルは、環状ガスケットのずれによってシール性が低減するおそれがあるという問題があった。

特許文献２に記載された電解セルにおいては、上記環状ガスケットに相当するシール部材が、電極板に形成された溝内に配設されている。したがって、電解セルの内圧が高くなっても、電極板上でシール部材がずれる可能性は、特許文献１に記載された電解セルよりも低減し、耐圧性も持たせることができる。
しかしながら、かかる構成の電解セルはシール部材が線接触状態となり、このような線接触状態にあるシール部材と電極板との間に固体電解質膜が挟持されているため、高圧ガス発生用電解セルとして使用する場合、十分な耐圧性能を得ることは困難であった。よって、電解セルを高圧下にて使用する場合には、別に高圧仕様の構成要素（例えば、電解セルを内包可能な密閉容器等）が必要であった。また、固体電解質膜との接触部が線接触であるために、局部的に固体電解質膜に負荷がかかり、破損等が起こりやすいという問題があった。
さらに、この特許文献２によれば、上述したとおり、シール部材と電極板とで固体電解質膜を挟持して電解セルが構成されているため、電極板との接触箇所において、固体電解質膜が劣化しやすいという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術にかかる問題を解決するためになされたものであって、高いシール性を維持し、耐圧強度を向上させるべく構成された電解セルを提供することを課題とする。また、本発明は、シール部材による固体電解質膜の破損を防止し、劣化低減を実現可能な電解セルを提供することを課題とする。さらに、本発明は、これらの電解セルを用いて構成された水素酸素発生装置を提供することを課題とする。

本発明に係る電解セルは、一対の電極板と、該一対の電極板の間に配置される固体電解質膜と、一方の電極板及び固体電解質膜の間に配置される陽極側給電体と、該陽極側給電体の周囲を覆う陽極側ガスケットと、他方の電極板及び固体電解質膜の間に配置される陰極側給電体と、該陰極側給電体の周囲を覆う陰極側ガスケットとを備え、前記一対の電極板には、前記固体電解質膜での電気分解に供される純水を供給するための純水用のポートと、該純水が電気分解されることによって発生する酸素を取出すための酸素用のポートと、前記純水が電気分解されることによって発生する水素を取出すための水素用のポートとがそれぞれ形成されており、前記陽極側給電体は、前記一方の電極板の純水用のポートに対応した位置に純水用のポートが、前記一方の電極板の酸素用のポートに対応した位置に酸素用のポートがそれぞれ形成され、且つ、前記一方の電極板の水素用のポートに対応した位置に切欠き部が形成された導電プレートを備え、前記陽極側ガスケットには、前記陽極側給電体の導電プレートの切欠き部に対応した位置に、前記水素用のポートの周囲を覆うように前記一方の電極板側に突起したポートシール部が形成されており、前記陰極側給電体は、前記他方の電極板の水素用のポートに対応した位置に水素用のポートが形成され、且つ、前記他方の電極板の純水用のポート及び酸素用のポートに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された導電プレートを備え、前記陰極側ガスケットには、前記陰極側給電体の導電プレートの各々の切欠き部に対応した位置に、前記純水用のポート及び前記酸素用のポート各々の周囲を覆うように前記他方の電極板側に突起したポートシール部が形成されており、前記陽極側給電体は、その導電プレートよりも前記固体電解質膜側に配置され、且つ、該導電プレートの純水用のポートと酸素用のポートと切欠き部とのそれぞれに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された焼結体を備え、前記陰極側給電体は、その導電プレートよりも前記固体電解質膜側に配置され、且つ、該導電プレートの水素用のポートと各々の切欠き部とのそれぞれに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された焼結体を備え、前記陽極側給電体の焼結体の純水用のポート及び酸素用のポートのそれぞれに対応した切欠き部と、前記陰極側給電体の焼結体の水素用のポートに対応した切欠き部とには、前記各々のポートをシールするためのシール部材が配置されていることを特徴とする。
また、前記シール部材は、前記各ポートの形状と同じ形状の孔を有する平板状であることが好ましい。
更に、前記シール部材は、チタンからなることが好ましい。
また、本発明に係る素酸素発生装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の電解セルを用いて構成されることを特徴とする水素酸素発生装置。

尚、電解セルは、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に設けられた電極板と、前記固体電解質膜と前記電極板との間に介在する給電体とを有する電解セルであって、前記電極板の周縁部近傍にはシール部材を配するための溝部が形成されており、前記溝部に嵌合した状態で、前記給電体の周囲を覆い、前記固体電解質膜の各面に接するように、第一シール部材および第二シール部材が設けられ、前記第一シール部材側に位置し、前記第二シール部材との間に前記固体電解質膜を挟持する第三シール部材が設けられ、前記第三シール部材が前記第一シール部材よりも前記給電体側に配設されるように構成することもできる。
このような構成によれば、前記電極板に嵌合された状態のシール部材を用いて、前記電極板、前記給電体、および前記固体電解質膜のシールを行っているため、電解セル内の圧力が高まっても、嵌合状態であるが故に、各シール部材のずれ等が生じない。よって、従来よりも高いシール性、耐圧強度を有する電解セルを得ることができる。
また、このような構成によれば、前記固体電解質膜の周囲が第二シール部材と第三シール部材とで挟持されているため、従来（特許文献２参照）の場合のように一方が電極板で挟持されている場合と比較して、固体電解質膜の劣化低減を実現可能な電解セルを得ることができる。
さらに、このような構成によれば、固体電解質膜の両側面にそれぞれシール部材を有し、一方のシール部材が第一シール部材と第三シール部材とを組み合わせて構成されているため、より高いシール性を得ることができる。
なお、上記シール部材がそれぞれ電極板および固体電解質膜と平面接触するような形状を有していれば（すなわち各構成要素を積層した際におけるシール部材の接触部が面状に接触した状態（「面」でシールした状態）であれば）、従来（特許文献２参照）のような線接触状態のシール部を有する構成に比較して、高いシール性を有する電解セルを得ることができ、局部的に負荷がかかることも避けられるため、固体電解質膜の破損も防止することができる。

また、電解セルは、前記第一シール部材と前記第三シール部材とが一体的に構成されていることが好ましい。

この好ましい構成によれば、電解セル内の圧力が高まった場合であっても、第一シール部材と第三シール部材とが一体的であるため、より強固にシール部材のずれを防止することができる。

また、電解セルは、前記固体電解質膜における圧力が低い面側に接するように、前記第三シール部材が配設されている構成が好ましい。

前記電解セルを構成する前記電極板が、前記第一シール部材、第二シール部材、および第三シール部材を配設可能な溝部を有する場合、前記電極板をプレス成型等にて形成すると、前記第二シール部材を配設する溝部の同一面側であって前記第一シール部材の外側部分に、若干の空隙領域が形成される。前記空隙領域が形成された状態において、前記第一および第三シール部材が配設された側が高圧状態となると、前記空隙領域方向に前記第一および第三シール部材がずれ込むおそれがある。
上述した好ましい構成によれば、前記固体電解質膜における圧力が低い面側に接するように、前記第三シール部材が配設されるため、このような前記空間領域方向への前記第一および第三シール部材のずれ込みを効果的に防止することができる。
なお、このようなずれ込みを防止する構成としては、前記空間領域に何等かのスペーサを設ける構成があげられる。かかる構成によれば、前記空間領域が前記スペーサによって埋められるため、前記第一シール部材側であっても前記第二シール部材側であっても、高圧状態に対応可能となる。

また、電解セルは、前記電極板が外周縁に沿って凹部と凸部とが交互に整列するように屈曲されてなる周縁部を有し、前記電極板が積層された際、上下に位置する前記電極板の凹部と凸部とが対向すべく配設される構成が好ましい。

この好ましい構成によれば、従来の電極板と比較して薄い電極板を使用しながら、前記電解セルの耐圧強度を維持または向上させることができる。

また、電解セルは、側面部が、前記電極板の周縁部によって形成されるハニカム構造を有することが好ましい。

この好ましい構成によれば、前記ハニカム構造の側面部を有するため、高い内圧に対しても十分な強度を得ることができる。また、前記ハニカム構造であることから、本発明にかかる電解セルは、その材料および形状から生ずる適度な弾性力をも有することとなって、熱膨張による接触面圧の上昇を吸収することができる。

さらに、水素酸素発生装置は、上述したいずれかの電解セルを用いて構成されてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、高いシール性を維持し、耐圧強度を向上させるべく構成された電解セルを得ることができる。また、本発明によれば、固体電解質膜のシール部材による破損を防ぎ、劣化低減を実現可能な電解セルを得ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電解セルの概略図を示したものであり、図１（ａ）は電解セルの平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の一部を断面にしたI−I線矢視の側面図を示している。また、図２は、図１（ａ）のII−II線断面のうちの要部を示す断面図である。また、図３は、図１（ａ）のIII−III線断面のうちの要部を示す断面図である。また、図４は、本発明に係る電解セルを構成する電解セルユニットの分解斜視図を示したものである。本実施形態においては、この図４に示した電解セルユニットを複数積層することによって、電解セルが構成されている。

図１〜図３に示す電解セル１は、固体電解質膜２、電極板３、多孔質給電体４（本発明の「給電体」に相当）、陰極側ガスケット５（本発明の「シール部材」に相当）、および陽極側ガスケット６（本発明の「シール部材」に相当）を備えた電解セルユニット（図４参照）を複数積層して構成されている。図４に示すように、本実施形態にかかる電解セル１を成す電解セルユニット１０は、一対の電極板３間に、固体電解質膜２、多孔質給電体４、およびガスケット５，６を挟持して構成されている。

つまり、本実施形態にかかる電解セル１は、積層状態にある複数の電解セルユニット１０が、両端側のそれぞれに設けられた端板２２で挟持され、締付ボルト２３によって締め付けられることによって構成されている。
また、本実施形態にかかる電解セル１においては、締付ボルト２３に対し複数の皿バネ２５を介してナット２４が取り付けられている。そして、電解セルの組立時においては、複数の電解セルユニット１０を積層した後に、プレス機で締め付けた状態で、締付ボルト２３等による締め付けが行われている。

さらに、上述した電解セル１（を成す電解セルユニット１０）には、発生した酸素ガスを取り出すために用いられる酸素用孔（ポート）１３、発生した水素ガスを取り出すために用いられる水素用孔（ポート）１４、電気分解に供される純水を供給するために用いられる純水用孔（ポート）１５，１６が形成されている。
つまり、固体電解質膜２、電極板３、および多孔質給電体４には、それぞれ対応する位置に、酸素用孔（ポート）１３、水素用孔（ポート）１４、および純水用孔（ポート）１５，１６が設けられている。また、各ガスケット５，６には、必要に応じて、各ポートに流入出する流体の制御を行うポートシール部が設けられている。

電解セルユニット１０についてさらに詳細に説明すると、図４に示すように、電解セルユニット１０は、固体電解質膜２の両側に、電極板３および陽極側給電体４Ａ（本発明の「給電体」に相当）等から成る酸素発生室Ａ側領域と、電極板３および陰極側給電体４Ｃ（本発明の「給電体」に相当）等から成る水素発生室Ｃ側領域とを備えるように構成されている。
酸素発生室Ａ側領域は、電極板３、この電極板３と固体電解質膜２とに接するように設けられた陽極側給電体４Ａ、および電極板３の所定箇所に嵌合するガスケット本体部と陽極側給電体４Ａ周辺における所定のポートに対する流体（液体、気体）の流入出状態を制御するポートシール部とを有する陽極側ガスケット６等を用いて構成されている。
また、水素発生室Ｃ側領域は、電極板３、この電極板３と固体電解質膜２とに接するように設けられた陰極側給電体４Ｃ、および電極板３の所定箇所に嵌合するガスケット本体部と陰極側給電体４Ｃ周辺における所定のポートに対する流体の流入出状態を制御するポートシール部とを有する陰極側ガスケット５等を用いて構成されている。

固体電解質膜２としては、イオン導電性の高分子膜の両面に白金族金属等からなる多孔質層の触媒電極が化学メッキもしくはホットプレスによって形成された、いわゆる固体高分子電解質膜が用いられる。この固体高分子電解質膜は比較的薄くて柔らかい膜であるため、多孔質給電体４との接触面圧が高くなれば損傷する可能性がある。従来技術のように線接触状態で挟持すると、局部的に接触面圧が高くなることとなり、固体高分子電解質膜に負担をかけることとなる。しかしながら、本実施形態によれば、複数の電解セルユニット１０の積層時において、面圧の均一化を実現可能であるので、固体電解質膜２は損傷せず、水電解が安定に維持される。また、後述するガスケット５，６の作用によっても、固体電解質膜２が損傷する可能性は、従来より大きく低減する。詳細は後述する。

電極板３は、その内方部分たる板部分３ａと、この板部分３ａの外周部に設けられた周縁部３ｂ等とから形成され、この板部分３ａと周縁部３ｂとの間には、外方側凹凸部３ｃ（本発明の「溝部」に相当）および外方側凹凸部３よりも溝部の深さの低い内方側凹凸部３ｄ（本発明の「溝部」に相当）が形成されている（図２、図３等参照）。これらの凹凸部３ｃ，３ｄは、後に詳細に説明するガスケット５，６が、適切に嵌合し得るように屈曲形成されている。また、電極板３は、チタン板を型プレスによって成形することにより得ることができる。

また、この電極板３は、上述したように型プレスによって成形され、図１０に示すように、その周縁部３ｂは、屈曲されることによって凹部３８と凸部３９とが外周縁に沿って交互に形成されている。ここで、図１０（ａ）は電極板３の平面図を示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。

本実施形態にかかる電極板３は、その周縁部３ｂを成す凹部３８および凸部３９が、それぞれともに正六角形をその対角同士を結ぶ中心線で切った形状（台形の一種）にされている（図１０（ｃ）参照）。
また、図１０（ａ）から明らかなように、凹部３８と凸部３９との並びは、対向辺同士で半ピッチだけずれている。したがって、同一構成の二枚の電極板３を相互に１８０゜旋回させて重ね合わせると、いずれの部位においても凹部３８と凸部３９とが対向することになる。多数段の電極板ユニット３をこのように交互に１８０゜旋回させて重ね合わせて電解セル１を組み立てると、図１（ｂ）に示すように、この電解セル１の側面は、複数の電極板３の周縁部３ｂによって形成される蜂の巣状の構造、すなわち、立体的な六角形ハニカム構造となる。
このような構成であれば、従来の電極板と比較して薄い電極板を使用しながら、電解セルの耐圧強度を維持または向上させることができる。また、このような形状を有する電極板３は、電解セル１の積層方向に弾性を有するため、電解セルのシール面圧を均一化させることも可能となる。さらに、このようなハニカム構造を有する電解セル１は、その材料および形状から生ずる適度な弾性力をも有することとなって、熱膨張による接触面圧の上昇を吸収することができる。

なお、各電極板３は、複極式であるため、複数の電解セルユニット１０を積層させる際には、一方面が陽極側として他方面が陰極側として機能し、それぞれの面が積層されている上面および下面の電解セルユニット１０を構成する。つまり、図４においては、上方（酸素発生室（＋）側）に位置する電極板３はその下面が電解セルユニット１０の陽極として機能し、その上面が他の電解セルユニット（さらに上方に設けられる電解セルユニット（図示省略））の陰極として機能する。同様に、図４において下方（水素発生室（−）側に）位置する電極板３はその上面が電解セルユニット１０の陰極として機能し、その下面が他の電解セルユニット（さらに下方に設けられる電解セルユニット（図示省略））の陽極として機能する。
また、本実施形態にて用いられる電極板３の形成材料としては、プレス成型し得る厚さの板状部材を採用することが好ましい。プレス成型し得る厚さの板状部材であれば、凹部と凸部とを有する電極板３を容易且つ安価に製造することができるからである。

多孔質給電体４としては、上述したように、酸素発生室Ａ側に設けられた陽極側給電体４Ａと水素発生室Ｃ側に設けられた陰極側給電体４Ｃとが用いられる。

陽極側給電体４Ａは、純水を適切に流通させ、電極板３間の電気抵抗が小さく、固体電解質膜２に損傷を発生させないような構成が好ましく、例えば、二層構造を有するように構成されている。具体的には、所定の空隙率を有するチタン製等のパンチングメタル、エキスパンドメタル等を用いて構成された電極板側近接部と、チタン、タンタル、ジルコニウム等の金属繊維や粉末、粒子を焼結して構成された電解質膜側近接部によって、陽極側給電体４Ａが構成されている。
また、陰極側給電体４Ｃは、例えば、所定の空隙率を有するチタン製、ステンレス製のパンチングメタル、エキスパンドメタル等を用いて構成された電極板側近接部と、カーボンあるいはステンレス等の金属繊維や粉末、粒子を焼結して構成された電解質膜側近接部により構成されている。
さらに、これらの給電体４は、白金等の貴金属メッキを施したものでもよい。

また、図４に示すように、本実施形態によれば、陽極側給電体４Ａには、その四隅の一カ所に切り欠き部が設けられ、残りの三カ所にポートが設けられており、陰極側給電体４Ｃには、その四隅の三カ所に切り欠き部が設けられ、残りの一カ所にポートが設けられている場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。
したがって、例えば、この給電体におけるシール性を向上させるために、給電体を二重構造として、その四隅の構造を変更してもよい。具体的には、例えば、給電体を、電極板側に設けた導電プレート（導電性板）と、電解質膜側に設けた繊維焼結体（導電性焼結体）とを用いた二重構造（二重構造給電体）とし、導電プレートには、図４に示した給電体４と同様の切り欠き部を設け、それに重ねる繊維焼結体の四隅には全て切り欠き部を設け、シールが必要な切り欠き部には、別途平板状のシール部材を配設すべく構成すればよい。ここで、「平板状のシール部材」は、チタンあるいはステンレス等の剛性、機械的強度の高い材料にて形成された平板状の部材であって、繊維焼結体の切り欠き部にきっちりと収まる外形を有すべく構成され、その内径は図４に示された各給電体４のポートと同様の形状に構成されている。すなわち、導電プレートと、その上に重ねられた繊維焼結体および平板状シール部材とを用いて給電体を構成してもよい。このような構成によれば、コーナーのポートが平板状シール部材（剛性、機械的強度の高い平板状部材）にてシールされるため、ポートにおけるシール性を向上させることが可能となって、コーナーにおける水素と酸素との混合を防止することができる。

上述した導電プレートとしては、例えば、平板状の板部分と、この板部分から突出した複数の突出部とを備え、その厚さ方向を貫通する複数の貫通孔が形成されたものを用いてもよい。ここで、突出部は、貫通孔の周縁部から延びる脚部と、板部分と略平行な平面部とを備えた突出片であることが好ましい。また、突出片は、板部分に貫通孔を形成する切り目を入れて片面側に突出させて形成されたものであることが好ましい。さらに、突出片の脚部と板部分とが成す角度が３０°以上であることが好ましい。また、導電プレートの開口率（複数の貫通孔の総開口面積／導電性板の片面の総面積）が３０％以上７０％以下であることが好ましい。さらに、導電性板は導電性を有する板材を加工して得られたものであり、この板材の厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

陰極側ガスケット５は、例えば、図５に示すように構成されている。図５は、図２のV−V線方向から見た陰極側ガスケット５の平面図を示したものである。また、図８は、図５のVIII−VIII線断面図を示したものである。
これらの図に示すように、本実施形態にかかる陰極側ガスケット５は、ガスケット本体部５０（本発明の「シール部材」、「第二シール部材」に相当）と、このガスケット本体部５０の三方の隅部に設けられたポートシール部５３とを用いて構成されている。

また、本実施形態にかかる陰極側ガスケット５は、図２および図３に示したように、電極板３の内方側凹凸部３ｄの上面側（図２等における上方面側）に嵌合した状態で、陰極側給電体４Ｃからの流体の漏洩を防止すべく、陰極側給電体４Ｃの周囲を覆うように設けられている。つまり、陰極側ガスケット５のガスケット本体部５０は、図２等に示すように、一方面（突出したポートシール部５３を有する面）が内方側凹凸部３ｄの上面側に嵌合し、他方面（平滑面）が固体電解質膜２に接するように構成されている。

上記の通り、本実施形態においては、ポートシール部５３が電極板３側に接し、具体的には、ポートシール部５３は、電極板３の板部分３ａに形成されたポートの周囲を覆う状態で接する。本実施形態は、このような位置にポートシール部５３が接するため、各構成要素を積層してプレス機で締め付けた際に、ポートシール部５３が圧縮され、酸素用孔および純水用孔内外における流体の漏洩等（酸素用孔および純水用孔からの酸素および純水の漏洩、および給電体４Ｃから酸素用孔および純水用孔に対する水素の進入）を適切に防止することができる。

陽極側ガスケット６は、例えば、図６に示すように構成されている。図６は、図３のVI−VI線方向から見た陽極側ガスケット６の平面図を示したものである。また、図９は、図６のIX−IX線断面図を示したものである。
これらの図に示すように、本実施形態にかかる陽極側ガスケット６は、ガスケット本体部６０（本発明の「シール部材」に相当）と、このガスケット本体部６０の一つの隅部に設けられたポートシール部６３とを用いて構成されている。ガスケット本体部６０は、外側本体部６１（本発明の「第一シール部材」に相当）と内側本体部６２（本発明の「第三シール部材」に相当）とを用いて構成されている。

また、本実施形態にかかる陽極側ガスケット６は、図２および図３に示したように、外側本体部６１が外方側凹凸部３ｃの下面側（図２等における下方面側）に嵌合し、内側本体部６２が内方側凹凸部３ｄの下面側（図２等における下方面側）に嵌合した状態で、陽極側給電体４Ａからの流体の漏洩を防止すべく、陽極側給電体４Ａの周囲を覆うように設けられている。つまり、陽極側ガスケット６のガスケット本体部６０は、図２等に示すように、一方面（突出したポートシール部６３を有する面）が外方側凹凸部３ｃおよび内方側凹凸部３ｄの下面側に嵌合し、他方面（平滑面）が固体電解質膜２に接するように構成されている。

上記の通り、本実施形態においては、ポートシール部６３が電極板３側に接し、具体的には、ポートシール部６３は、電極板３の板部分３ａに形成されたポート（水素用孔１４）を覆う状態で接する。本実施形態は、このような位置にポートシール部６３が接するため、各構成要素を積層してプレス機で締め付けた際に、ポートシール部６３が圧縮され、水素用孔１４内外における流体の漏洩等（水素用孔１４からの水素の漏洩、および給電体４Ａから水素用孔１４に対する純水および酸素の浸入）を適切に防止することができる。

以上のように、固体電解質膜２、電極板３、多孔質給電体４、および各ガスケット５，６は、積層して構成されており、その積層状態を拡大して示しているのが、図７である。図７は、本実施形態にかかる電解セルの周縁部近傍の部分拡大図を示したものである。
この図７に示すように、本実施形態にかかるガスケット５，６を成すガスケット本体部５０，６０は、それぞれ突起状のポートシール部５３，６３（図８、図９参照）を有する面が電極板３に接触して、平滑面（ポートシール部５３，６３を有しない面）が固体電解質膜２に接触するように構成されている。そして、ガスケット本体部５０，６０が電極板３の各凹凸部３ｃ，３ｄに嵌合した状態で、ガスケット本体部５０，６０の内周面が各給電体４Ｃ，４Ａの周囲を覆うように構成されている。
つまり、本実施形態においては、図７に示すように、上述したような位置関係を有する、固体電解質膜２、電極板３、多孔質給電体４、および各ガスケット５，６を複数積層することによって、電解セル１が構成されている。

本実施形態にかかる電解セルは、以上のように構成されており、次のようにして、酸素および水素が発生し、適切に抽出される。

まず、本実施形態においては、純水用孔１５，１６を介して純水を陽極側給電体４Ａへ供給し、各電極板３に対して電流を供給する（通電する）。そうすると、主に酸素発生室Ａ（陽極側給電体４Ａ）側に位置する固体電解質膜２の陽極側触媒層で純水が分解され、酸素ガスが発生することとなる。この際、純水の一部は電解セル等を冷却するための冷却水としても機能するため、すべての純水が分解されるわけではない。
酸素発生室Ａで酸素ガスが発生すると、電極板３に設けられた酸素用孔１３を介して、酸素ガスおよび純水が、電解セル１の外部に抽出されることとなる。なお、電極板３に設けられた水素用孔１４の周囲は、陽極側ガスケット６に設けられたポートシール部６３によって適切にシールされているため、酸素ガスおよび純水が水素用孔１４側に漏洩することはない。

次に、本実施形態においては、酸素ガスと同時に生成されたＨ＋イオンが、電場の働きによって固体電解質膜２内を移動する。したがって、本実施形態においては、Ｈ＋イオンが移動することによって、水素発生室Ｃ（陰極側給電体４Ｃ）側に位置する固体電解質膜２の陰極側触媒層で水素イオンが電子を得ることとなり、水素ガスが発生する。
水素発生室Ｃで水素ガスが発生すると、電極板に設けられた水素用孔１４を介して、水素ガスが、電解セル１の外部に抽出されることとなる。なお、水素発生室Ｃ側の各ポート（酸素用孔１３、純水用孔１５，１６）は、陰極側ガスケット５に設けられたポートシール部５３によって適切にシールされているため、発生された水素ガスが水素用孔１４以外のポートに漏洩することはない。

本実施形態にかかる電解セルは、以上のように構成され機能するため、次のような効果を得ることができる。

本実施形態においては、図７等に示したように、電極板３の周縁部近傍にはガスケット５，６を配するための凹凸部３ｃ，３ｄが形成されており、この凹凸部３ｃ，３ｄに嵌合した状態で、ガスケット５，６の内周が多孔質給電体４の外周を覆い、固体電解質膜２の各面にガスケット５，６を成すガスケット本体部５０，６０の平滑面が接するように構成されている。また、陽極側のガスケット本体部６０は、外側本体部６１と内側本体部６２とから成り、内側本体部６２と陰極側のガスケット本体部５０とで固体電解質膜２を挟持し、内側本体部６２と陰極側のガスケット本体部５０との外方側に外側本体部６１が設けられている。

すなわち、本実施形態によれば、各ガスケット５，６が、それぞれ凹凸部３ｃ，３ｄに嵌合した状態で、シール面を構成しているため、電解セル１内の圧力が高まった場合であっても、ガスケット５，６が電極板３上でずれたり、はみ出すことがない。したがって、従来（特許文献１参照）の構成に比較して、高いシール性を有する電解セル１を得ることができる。

また、本実施形態によれば、各構成要素を積層した際におけるガスケット５，６の接触部が面状に接触した状態（「面」でシールした状態）となるため、従来（特許文献２参照）のような線接触状態のシール部を有する構成に比較して、高いシール性を有する電解セル１を得ることができる。

さらに、本実施形態によれば、固体電解質膜２の周囲がガスケット５，６によって挟持されている。したがって、従来（特許文献２参照）の場合のように一方が電極板で挟持されている場合と比較して、本実施形態によれば、固体電解質膜の劣化低減を実現可能な電解セル１を得ることができる。

また、本実施形態においては、陽極側ガスケット６のガスケット本体部６０を成す外側本体部６１と内側本体部６２とが一体的に構成されている。
したがって、本実施形態によれば、電解セル１内の圧力が高まった場合であっても、より強固にガスケット６のずれを防止することができる。

また、本実施形態においては、上記のように二つの要素６１，６２を用いて構成されたガスケット６を圧力が低い面側（上記実施形態においては酸素発生室Ａ側）に接するように構成することが好ましい。
なぜならば、本実施形態にかかる電極板３はプレス成型のため屈曲部が垂直でなく、電極板３における陰極側ガスケット（ガスケット本体部５０）を配設する溝部の同一面側であって、陽極側ガスケットの外側本体部６１のさらに外側部分に、ガスケット（シール部材）の押さえがきかない若干の空隙領域７１（図７参照）が形成されるからである。つまり、このような空隙領域７１が形成された常態において、ガスケット６側が高圧状態となると、空隙領域７１方向にガスケット６がずれ込むおそれがあるため、上述したように、ガスケット６は圧力が低い面側（酸素発生室Ａ側）に接するように構成することが好ましい。

なお、上述したような空隙領域７１を有することによる不具合を是正するためには、例えば、図１１に示すように、空隙領域７１にスペーサ７２を設ける構成が好ましい。
このようにスペーサ７２を設ければ、いずれの面側を高圧状態としても、ガスケットのずれ込みが生じないため、より高圧対応の電解セルとすることができる。

さらに、本実施形態においては、図８および図９等に示したように、ガスケット本体部５０，６０とポートシール部５３，６３とが一体的に構成されているため、従来（特許文献２参照）のようなスペーサを設けることなく、電解セル１を構成することが可能となる。よって、部品点数を削減させて、組み立て工程の煩雑さを解消可能な電解セル１を得ることができる。

また、本実施形態によれば、ガスケット本体部５０，６０にて確実に多孔質給電体４（酸素発生室Ａ、水素発生室Ｃ）の周囲を封止し、ポートシール部５３，６３にて確実に流体の流入出状態を制御可能であるため、スペーサをなくして従来よりも構成が簡略化された上に、高いシール性を有する電解セル１とすることができる。

さらに、本実施形態によれば、従来のようなスペーサ（特許文献２参照）を用いることなく電解セル１が構成されているため、その分だけ、固体電解質膜２と給電体４との接触面積を広げて、電解面積の拡大を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、各ポートシール部５３，６３が突起状に形成されているため、各構成要素を積層して電解セル１を構成した際に、突起状のポートシール部５３，６３が圧縮されて、各ポートの周囲をより効果的に封止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、上記実施形態においては、一段構成（嵌合部がガスケット本体部５０のみ）のガスケット（陰極側ガスケット５）と、二段構成（嵌合部が外側本体部６１と内側本体部６２との二つ）のガスケット（陽極側ガスケット６）との組合せによって、電解セル１が構成されている場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。したがって、例えば、一段構成と三段構成以上との組合せ、複数段構成同士の組合せ等、電極板および電解セルの大きさの許容範囲、あるいは必要なシール性等に応じて、適宜変更することが可能である。

また、上記実施形態においては、ガスケットと各ポートシール部とを結合した場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。したがって、必要に応じて、ガスケットと各ポートシール部とを別体としてもよい。例えば、従来技術のようにスペーサを設け、このスペーサと各ポートシール部とを一体的に構成してもよい。

また、上記実施形態においては、陰極ガスとして水素、陽極ガスとして酸素を発生する水の電気分解装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。したがって、例えば、陽極ガスとしてオゾンを発生させるもののように、水の電気分解によってガスを発生させるような装置であれば、その用途および適用範囲は特に限定されない。

また、上記実施形態においては、ガスケット５，６の材料については特に言及しなかったが、所望の耐久性および弾力性等を有するものであれば、何等かの材料に限定されるものではない。したがって、例えば、ガスケット５，６の形成材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム等を用いることが可能である。
また、ガスケット５，６を保護するために、固体電解質膜２とガスケット５，６との間に、保護部材を入れるように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、電極板の周縁部が台形形状である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。したがって、例えば、半円状の凹部および凸部が交互に連続したような波形、または上記実施形態と異なる台形、あるいは長方形等の形状を有する周縁部であってもよい。

さらに、本実施形態にかかる電解セルは、以上説明したように、高いシール性および耐圧強度を有するため、高圧型のシステム（例えば、高圧水素を生成するシステム）を構成するのに適している。
より具体的には、電極板が凹凸プレス成形板であって、ガスケットがシール性を高める突起付きであるため、電解セルの耐圧性が従来よりも大きく向上する。また、給電体について、先に説明した二重構造（導電プレートと繊維焼結体とを用いた二重構造）を採用することによって、膜の破損と電圧上昇とを防ぐことが可能となって、耐差圧性を向上させ得る。さらに、突起付きのガスケットを使用しているため、ポート周囲のシール性を高めて、水素ガス、酸素ガスの各ポート間（各通路間）の差圧保持を効果的に行うことができる。

高圧水素を発生させる場合、従来は、電解タンク（Ｏ₂タンク）内に電解セルを入れて、電解セル内外の圧力差が小さくなるよう、また、電解セルの酸素側と水素側との圧力差が小さくなるように、水素および酸素の圧力あるいは差圧を制御すべく、高圧型システム（例えば、高圧水素発生装置）が構成されていた。
しかしながら、上述した実施形態にかかる電解セルは、非常に高いシール性および耐圧強度を有するため、高圧側システムを構成する場合においても、電解タンク（Ｏ₂タンク）内に電解セルを入れる必要がなく、小さな電解タンク（Ｏ₂タンク）を用いて高圧型システム（図１２，図１３）（本発明の「水素酸素発生装置」に相当）を構成することができる。

図１２は、上述した電解セルを用いて構成された高圧型システム（本発明の「水素酸素発生装置」に相当）の一例を示したものである。
図１２に示されたシステムは、電解セル１が大気中に配設され、この電解セル１に対して、補給水タンクＷＴ、酸素分離器（Ｏ2タンク）ＳＴ、および水素分離器ＨＴが接続されている。

補給水タンクＷＴと、その上流側の水源との間を接続する配管には、補給水制御バルブ１２５Ｗと、補給水タンクＷＴに補給水を供給する第一ポンプＰ１とが設けられている。また、補給水タンクＷＴには、水位センサ１２１Ｗが設けられており、この水位センサ１２１Ｗでの検出値に基づいて、補給水タンクＷＴ内の水位が適切な状態となるように、補給水制御バルブ１２５Ｗが制御される。

補給水タンクＷＴ内の水は、補給水タンクＷＴと電解セル１とを接続する配管に設けられた第二ポンプＰ２によって電解セル１に供給され、この水を用いて電解セル１内にて、酸素および水素が生成される。

電解セル１内にて生成された酸素は、配管を介して酸素分離器ＳＴに送られる。酸素分離器ＳＴには、水位センサ１２１Ｓと圧力センサ１２２Ｓとが設けられ、これらの各センサを用いて水位制御バルブ１２５Ｓと圧力制御バルブ１２４Ｓとが制御される。酸素分離器ＳＴ内の水は、水位制御バルブ１２５Ｓを介して、補給水タンクＷＴに戻され、再び電解セル１内に供給される。

電解セル１内にて生成された水素は、配管を介して水素分離器ＨＴに送られる。水素分離器ＨＴには、水位センサ１２１Ｈと圧力センサ１２２Ｈとが設けられ、これらの各センサを用いて水位制御バルブ１２５Ｈと圧力制御バルブ１２４Ｈとが制御される。水素分離器ＨＴから水素が供給される配管には（図１２においては、水素分離器ＨＴと圧力制御バルブ１２４Ｈとの間）、除湿器１２３が設けられており、生成された水素は、この除湿器１２３にて除湿されて所定の箇所に供給される。

すなわち、この図１２によれば、電解セル１を大気中に配設した状態であっても、水素と酸素の圧力あるいは差圧を制御して運転することが可能となり、低圧から高圧まで所定圧力の水素を発生させて供給することができる。つまり、先に説明した実施形態にかかる電解セル１を用いることによって、従来技術における低圧型と同様のシステムを用いて、高圧型にも対応可能となる。

この図１２に示すような構成によれば、従来電解セルを入れる必要があった電解タンクを酸素分離器ＳＴとして分離して小型にすることができるため、システム全体の小型化を実現可能である。

図１３は、上述した電解セルを用いて構成された高圧側システム（本発明の「水素酸素発生装置」に相当）の他例を示したものである。
図１３に示されたシステムは、電解セル１が大気中に配設され、この電解セル１に対して、補給水タンクＷＴと水素分離器ＨＴとが接続されている。

補給水タンクＷＴと、そのさらに上流側の水源との間を接続する配管には、補給水制御バルブ１２５Ｗが設けられている。また、補給水タンクＷＴには、水位センサ１２１Ｗが設けられており、この水位センサ１２１Ｗでの検出値に基づいて、補給水タンクＷＴ内の水位が適切な状態となるように、補給水制御バルブ１２５Ｗが制御される。

補給水タンクＷＴ内の水は、補給水タンクＷＴと電解セル１とを接続する配管に設けられた第二ポンプＰ２によって電解セル１に供給され、この水を用いて電解セル１内にて、酸素および水素が生成される。

電解セル１内にて生成された酸素は、配管を介して補給水タンクＷＴに送られ、生成された水素は、配管を介して水素分離器ＨＴに送られる。

水素分離器ＨＴには、水位センサ１２１Ｈと圧力センサ１２２Ｈとが設けられ、これらの各センサを用いて水位制御バルブ１２５Ｈと圧力制御バルブ１２４Ｈとが制御される。水素分離器ＨＴから水素が供給される配管には（図１３においては、水素分離器ＨＴと圧力制御バルブ１２４Ｈとの間）、除湿器１２３が設けられており、生成された水素は、この除湿器１２３にて除湿されて所定の箇所に供給される。

すなわち、この図１３によれば、電解セル１を大気中に配設した状態であっても、酸素側を大気圧にして水素圧力のみを制御して運転することが可能となり、低圧から高圧まで所定圧力の水素を発生させて供給することができる。

この図１３に示すような構成によれば、酸素分離器が不要となり、補給水タンクＷＴで兼用可能となる。また、酸素側が大気圧となるので、補給水を供給するためのポンプが不要となる。さらに、酸素分離器の圧力センシングが不要となるため、小型化を図ることができる。また、循環水ラインの耐圧性が不要となるので、配管が容易になる。

以上説明したように、図１２および図１３のようなシステムであれば、装置の小型化を実現可能であって、装置の設置面積が小さくなり、延いては、装置の製作面および設置面からコストダウンを図ることができる。

また、このように小型化することにより、省電力型の水電解装置を構成することが可能となる。
省電力化するためには、セル電圧の低い電極膜接合体を使用するが、この場合、電解による発熱量（熱ロス）が小さくなるため、さらに電解温度を高めて電極触媒の活性を上げるには、発熱量が不足し水電解装置に外部加熱機構を設けなければならない（つまり、従来は、セル電圧が高く発熱量が大きいので循環水ラインには熱交換器等の冷却機構を設けていた。）。
しかしながら、以上に説明した本実施形態にかかる電解セルを使用して装置を小型化すれば、配管および機器類を含む装置全体の保有水量を低減することができ、電解による発熱のみで８０℃以上に温度を上昇させることができる。また、水素の発生圧力０．８５ＭＰａ〜１ＭＰａ（差圧０．８５ＭＰａ〜１ＭＰａ）で、膜の破損が無く消費電力量４．０ｋＷｈ／Ｎｍ3以下を達成している。

本発明の実施形態にかかる電解セルの概略図である。 図１（ａ）のII−II線断面のうちの要部を示す断面図である。 図１（ａ）のIII−III線断面のうちの要部を示す断面図である。 本実施形態にかかる電解セルを構成する電解セルユニットの分解斜視図である。 図２のV−V線方向から見た陰極側ガスケットの平面図である。 図３のVI−VI線方向から見た陽極側ガスケットの平面図である。 本実施形態にかかる電解セルの周縁部近傍の部分拡大図である。 図５のVIII−VIII線断面図である。 図６のIX−IX線断面図である。 本実施形態にかかる電解セルを構成する電極板の概略図であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる電解セルの周縁部近傍の部分拡大図である。 本実施形態にかかる電解セルを用いて構成された高圧型システムの一例を示したシステム構成図である。 本実施形態にかかる電解セルを用いて構成された高圧型システムの他例を示したシステム構成図である。 従来技術にかかる電解セルの分解断面図である。

符号の説明

１…電解セル、２…固体電解質膜、３…電極板、３ａ…板部分（内方部分）、３ｂ…周縁部、３ｃ…外方側凹凸部、３ｄ…内方側凹凸部、４…多孔質給電体（４Ａ…陽極側給電体、４Ｃ…陰極側給電体）、５…陰極側ガスケット、６…陽極側ガスケット、１０…電解セルユニット、１３…酸素用孔、１４…水素用孔、１５，１６…純水用孔、２２…端板、２３…締付ボルト、２４…ナット、２５…皿バネ、３８…凹部、３９…凸部、５０…ガスケット本体部、５３…ポートシール部、６０…ガスケット本体部、６１…外側本体部、６２…内側本体部、６３…ポートシール部、７１…空隙領域、７２…スペーサ、Ａ…酸素発生室、Ｃ…水素発生室ペース

Claims (4)

1. 一対の電極板と、該一対の電極板の間に配置される固体電解質膜と、一方の電極板及び固体電解質膜の間に配置される陽極側給電体と、該陽極側給電体の周囲を覆う陽極側ガスケットと、他方の電極板及び固体電解質膜の間に配置される陰極側給電体と、該陰極側給電体の周囲を覆う陰極側ガスケットとを備え、
   前記一対の電極板には、前記固体電解質膜での電気分解に供される純水を供給するための純水用のポートと、該純水が電気分解されることによって発生する酸素を取出すための酸素用のポートと、前記純水が電気分解されることによって発生する水素を取出すための水素用のポートとがそれぞれ形成されており、
   前記陽極側給電体は、前記一方の電極板の純水用のポートに対応した位置に純水用のポートが、前記一方の電極板の酸素用のポートに対応した位置に酸素用のポートがそれぞれ形成され、且つ、前記一方の電極板の水素用のポートに対応した位置に切欠き部が形成された導電プレートを備え、
   前記陽極側ガスケットには、前記陽極側給電体の導電プレートの切欠き部に対応した位置に、前記水素用のポートの周囲を覆うように前記一方の電極板側に突起したポートシール部が形成されており、
   前記陰極側給電体は、前記他方の電極板の水素用のポートに対応した位置に水素用のポートが形成され、且つ、前記他方の電極板の純水用のポート及び酸素用のポートに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された導電プレートを備え、
   前記陰極側ガスケットには、前記陰極側給電体の導電プレートの各々の切欠き部に対応した位置に、前記純水用のポート及び前記酸素用のポート各々の周囲を覆うように前記他方の電極板側に突起したポートシール部が形成されており、
   前記陽極側給電体は、その導電プレートよりも前記固体電解質膜側に配置され、且つ、該導電プレートの純水用のポートと酸素用のポートと切欠き部とのそれぞれに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された焼結体を備え、前記陰極側給電体は、その導電プレートよりも前記固体電解質膜側に配置され、且つ、該導電プレートの水素用のポートと各々の切欠き部とのそれぞれに対応した位置に切欠き部がそれぞれ形成された焼結体を備え、
   前記陽極側給電体の焼結体の純水用のポート及び酸素用のポートのそれぞれに対応した切欠き部と、前記陰極側給電体の焼結体の水素用のポートに対応した切欠き部とには、前記各々のポートをシールするためのシール部材が配置されていることを特徴とする電解セル。
2. 前記シール部材は、前記各ポートの形状と同じ形状の孔を有する平板状であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
3. 前記シール部材は、チタンからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電解セル。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の電解セルを用いて構成されることを特徴とする水素酸素発生装置。