JP7014615B2

JP7014615B2 - 水電解装置

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Inventors: 直樹満田
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Description

本発明は、水を電気分解して酸素と水素を発生させる水電解装置に関する。

水電解装置は、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させるものとして周知であり、得られた水素は、例えば、燃料電池に供給されて燃料ガスとして用いられる。

一層具体的には、水電解装置は、固体高分子からなる電解質膜の一面にアノード電極触媒層が形成され、他の一面にカソード電極触媒層が形成された電解質膜・電極構造体を有する。電解質膜・電極構造体は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層の外方にそれぞれ配設される給電体に挟まれる。給電体を介して電解質膜・電極構造体に電力が供給されると、アノード電極触媒層にて水が電気分解され、これにより水素イオン（プロトン）と酸素が生成される。この中のプロトンは、電解質膜を透過してカソード電極触媒層に移動し、電子と結合して水素に変化する。その一方で、アノード電極触媒層にて生成された酸素は、余剰の水とともに水電解装置から排出される。

ここで、カソード電極触媒層で発生した水素を、アノード電極触媒層で生成された酸素に比して高圧なものとして得る場合がある。この種の水電解装置は、特許文献１に記載されるように、差圧式高圧水電解装置として知られている。差圧式高圧水電解装置ではカソード側の内圧が大きくなるため、カソード側に、水素が漏洩することを防止するためのシール部材（例えば、Ｏリング）と、その外方からシール部材を囲繞する耐圧部材とが設けられる。

特開２０１６－８９２２９号公報

シール部材には、水素の圧力が作用する。近時、水素を大きな高圧で得ることが要請されているが、シール部材に過度の高圧が作用すると、該シール部材が損傷する懸念がある。この場合、十分なシール能力を得ることが困難となる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、シール部材が損傷する懸念が払拭されるとともに、十分なシール能力を得ることが可能な水電解装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側セパレータと、
カソード側セパレータと、
アノード電極触媒層とカソード電極触媒層が電解質膜に設けられることで構成され、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に位置する電解質膜・電極構造体と、
前記カソード側セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に介在し、前記カソード電極触媒層を囲繞するシール部材と、
前記シール部材を外方から囲繞する耐圧部材と、
を備える水電解装置であって、
前記耐圧部材は、前記シール部材に対向する部位に、前記シール部材に指向して突出し、前記電解質膜に当接する膜当接面と、前記カソード電極触媒層で発生した水素に押圧された前記シール部材が当接するシール当接面とを含む突出部を有することを特徴とする。

この場合、生成された水素から押圧を受けたシール部材が、外周側の耐圧部材のシール当接面を強く押圧する。この際、シール部材は耐圧部材のシール当接面に押さえ付けられ、一方、耐圧部材は、シール当接面が押圧されることに伴って膜当接面が電解質膜に押さえ付けられる。シール当接面に対する押圧力が膜当接面に分散されるからである。この押さえ付けにより、電解質膜と耐圧部材が互いに密着する。このため、電解質膜側にシール部材が潜り込んではみ出すことが著しく低減される。

水素の生成が停止されると、押圧を受けて圧縮されていたシール部材が伸長して元の形状に戻ろうとする。上記したようにシール部材が電解質膜側に潜り込まないため、シール部材の形状復帰の際に該シール部材が破損することを有効に防止することができる。すなわち、シール部材が損傷する懸念が払拭されるとともに、十分なシール能力を得ることができる。

しかも、電解質膜が膜当接面によって押さえ付けられるため、該電解質が位置ズレを起こし難い。その結果として、水素の生成・生成停止の圧力変動に伴って電解質膜に皺が発生することが抑制される。このような理由から、電解質膜が損傷することを抑制することも可能である。

耐圧部材に、前記突出部とは別の突出部（第２の突出部）を設けるようにしてもよい。該別の突出部は、カソード側セパレータに当接するセパレータ当接面を有し、且つ前記突出部とシール当接面を共有するものとすればよい。この場合、突出部と別の突出部との間には、シール当接面を内面とする凹部が形成される。すなわち、凹部は、シール部材の一部が進入して収容される収容部となる。

この場合、シール部材の押圧力がセパレータ当接面側にも分散される。従って、電解質膜と耐圧部材との間、耐圧部材とカソード側セパレータとの間に力が集中することが回避されるので、シール部材が、電解質膜と耐圧部材との間や、耐圧部材とカソード側セパレータとの間に進入することが一層困難となる。このため、シール部材が損傷することを一層有効に回避することができる。

凹部の内面は、円弧状に湾曲形成されていることが好ましい。この場合、水素からの押圧を受けたシール部材は、その外周壁が凹部の内面に倣うように圧縮変形される。このため、シール部材の押圧力が耐圧部材の厚み方向の全体にわたって容易に分散される。

シール部材は、その断面が円形状をなすものであり、且つ凹部の最深部の曲率半径がシール部材の断面の曲率半径に比して大きいことが好ましい。これにより、特に突出部の、膜当接面とシール当接面との交差角度が小さくなる。その結果として、シール部材が突出部に案内されて凹部に進入し易くなる。このことから、シール部材が、電解質膜と耐圧部材との間に進入することが一層困難となる。

さらに、凹部の開口幅を、シール部材の断面の直径に比して大きく設定することが好ましい。この場合、水素から押圧を受けたシール部材が凹部内に進入することが一層容易となるからである。

別の突出部を設ける場合、セパレータ当接面とシール当接面との交差角度を０°超～４５°未満の範囲内とすることが好ましい。この場合、シール部材が耐圧部材とカソード側セパレータとの間に進入することも困難となる。同様に、突出部の、膜当接面とシール当接面との交差角度も０°超～４５°未満とすると、シール部材が電解質膜と耐圧部材との間に進入することが一層困難となる。

本発明によれば、カソードをシールするシール部材を外方から囲繞する耐圧部材の、シール部材に対向する部位（内周壁）に、シール部材に指向して突出し、電解質膜に当接する膜当接面と、カソード電極触媒層で発生した水素に押圧されたシール部材が当接するシール当接面とを含む突出部を設けるようにしている。従って、シール部材が、生成された水素から押圧を受けることに伴ってシール当接面を押圧すると、その押圧力が膜当接面に分散する。

従って、膜当接面が電解質膜に押さえ付けられる。このため、シール部材が電解質膜と耐圧部材との間に進入すること、換言すれば、引っ掛かることが防止されるので、水素の生成が停止されてカソード側が脱圧された際、圧縮されていたシール部材が伸長する（元の形状に戻る）ことが容易である。これにより、シール部材が損傷する懸念が払拭されるとともに、十分なシール能力を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る差圧式高圧水電解装置（水電解装置）の概略全体斜視図である。図１の差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの分解斜視図である。図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視断面図である。高圧水電解セルの要部拡大断面図である。図４から大Ｏリング（シール部材）が内周壁側から押圧されて圧縮された状態を示す要部拡大断面図である。突出部や凹部が形成されていない耐圧部材を用いたときの、大Ｏリングが内周壁側から押圧されて圧縮された状態を示す要部拡大断面図である。第１突出部（突出部）に比して突出量が小さな第２突出部（別の突出部）が設けられた耐圧部材を用いた高圧水電解セルの要部拡大断面図である。シール当接面とセパレータ当接面との交差角度が直角に設定された第２突出部が設けられた耐圧部材を用いた高圧水電解セルの要部拡大断面図である。突出部の上端がその厚み方向の略中央である耐圧部材を用いた高圧水電解セルの要部拡大断面図である。突出部の上端がその上端と一致する耐圧部材を用いた高圧水電解セルの要部拡大断面図である。

以下、本発明に係る水電解装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る差圧式高圧水電解装置１０（水電解装置）の概略全体斜視図である。この差圧式高圧水電解装置１０は、複数の高圧水電解セル１２が積層された積層体１４を備える。なお、図１では高圧水電解セル１２を鉛直方向（矢印Ａ方向）に沿って積層しているが、水平方向（矢印Ｂ方向）に沿って積層するようにしてもよい。

積層体１４の積層方向一端（上端）には、いずれも略円盤形状をなすターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが、下方から上方に向かってこの順序で配設される。積層体１４の積層方向他端（下端）にも同様に、いずれも略円盤形状をなすターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが、上方から下方に向かってこの順序で配設される。

差圧式高圧水電解装置１０は、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２２を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂ間が一体的に締め付け保持され、積層方向に締結される。なお、差圧式高圧水電解装置１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、差圧式高圧水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂには、導線２６ａ、２６ｂを介して電解電源２８が電気的に接続される。

図２及び図３に示すように、高圧水電解セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３０と、該電解質膜・電極構造体３０を挟持するアノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３４とを備える。アノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３４との間には、略円環形状をなす樹脂枠部材３６が配置される。樹脂枠部材３６の中空内部には、電解質膜・電極構造体３０等が収容される。

樹脂枠部材３６の上開口底部、下開口底部には、シール部材３７ａ、３７ｂが設けられる。アノード側セパレータ３２、カソード側セパレータ３４は、これらシール部材３７ａ、３７ｂのそれぞれを介して樹脂枠部材３６の上開口底部、下開口底部を閉塞する。

樹脂枠部材３６の直径方向一端には、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔３８ａが設けられる。また、樹脂枠部材３６の直径方向他端には、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための水排出連通孔３８ｂが設けられる。

図１に示すように、積層方向の最下方に配置される樹脂枠部材３６の側部には、水供給連通孔３８ａに連通する水供給口３９ａが接続される。また、積層方向の最上方に配置される樹脂枠部材３６の側部には、水排出連通孔３８ｂに連通する水排出口３９ｂが接続される。

高圧水電解セル１２の中央部には、電解領域の略中央を貫通して積層方向に互いに連通する高圧水素連通孔３８ｃが設けられる（図２及び図３参照）。高圧水素連通孔３８ｃは、反応により生成され、同じく反応により生成された酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ～８０ＭＰａ）な水素を排出する。

アノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３４は、略円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成される。アノード側セパレータ３２及びカソード側セパレータ３４は、その他、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形することで得るようにしてもよい。あるいは、切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成してもよい。

電解質膜・電極構造体３０は、略リング形状をなす固体高分子膜からなる電解質膜４０を備える。電解質膜４０は、リング形状を有する電解用のアノード給電体４２及びカソード給電体４４により挟持される。電解質膜４０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）系の膜又はフッ素系の固体高分子膜により構成される。

電解質膜４０の一方の面には、リング形状を有するアノード電極触媒層４２ａが設けられる。電解質膜４０の他方の面には、リング形状を有するカソード電極触媒層４４ａが形成される。アノード電極触媒層４２ａとしては、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒が使用され、カソード電極触媒層４４ａとしては、例えば、白金触媒が使用される。電解質膜４０、アノード電極触媒層４２ａ、カソード電極触媒層４４ａの略中央部には、高圧水素連通孔３８ｃが形成される。

アノード給電体４２及びカソード給電体４４は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード給電体４２及びカソード給電体４４は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％～５０％、より好ましくは２０％～４０％の範囲内に設定される。アノード給電体４２の外周縁部には、枠部４２ｅが嵌め込まれる。枠部４２ｅは、アノード給電体４２よりも緻密に構成する。なお、アノード給電体４２の外周部を緻密に構成することにより、前記外周部を枠部４２ｅとすることもできる。

樹脂枠部材３６の中空内部とアノード側セパレータ３２により、アノード給電体４２が収容されるアノード室４５ａｎが形成される。一方、樹脂枠部材３６の中空内部とカソード側セパレータ３４により、カソード給電体４４が収容されるカソード室４５ｃａが形成される。

アノード側セパレータ３２とアノード給電体４２との間（アノード室４５ａｎ）には、水流路部材４６が介装されるとともに、前記アノード給電体４２とアノード電極触媒層４２ａとの間には、保護シート部材４８が介装される。図２に示すように、水流路部材４６は略円板形状を有し、外周部には、略１８０°の位相差で入口突起部４６ａ及び出口突起部４６ｂが形成される。

入口突起部４６ａには、水供給連通孔３８ａに連通する供給連結路５０ａが形成される。この供給連結路５０ａは、水流路５０ｂに連通する（図３参照）。さらに、水流路５０ｂには複数個の孔部５０ｃが連通し、該孔部５０ｃは、アノード給電体４２に向かって開口する。一方、出口突起部４６ｂには、水流路５０ｂに連通する排出連結路５０ｄが形成され、この排出連結路５０ｄは水排出連通孔３８ｂに連通する。

保護シート部材４８は、その内周がアノード給電体４２及びカソード給電体４４の内周よりも内方に配置されるとともに、その外周位置が電解質膜４０、アノード給電体４２及び水流路部材４６の外周位置と同一位置に設定される。また、保護シート部材４８は、アノード電極触媒層４２ａの積層方向に対向する範囲（電解領域）に設けられる複数の貫通孔４８ａを有するとともに、電解領域の外方に枠部４８ｂを有する。枠部４８ｂには、例えば、長方形状の孔部（図示せず）が形成される。

アノード側セパレータ３２と電解質膜４０との間には、高圧水素連通孔３８ｃを囲繞する連通孔部材５２が配置される。連通孔部材５２は略円柱形状をなし、軸方向両端には、リング状に切り欠かれた形状のシール室５２ａ、５２ｂが設けられる。シール室５２ａ、５２ｂには、高圧水素連通孔３８ｃを周回してシールするシール部材（小Ｏリング）５４ａ、５４ｂが配置される。連通孔部材５２の電解質膜４０に対向する端面には、保護シート部材４８が配置される溝部５２ｓが形成される。

シール室５２ａ、５２ｂと高圧水素連通孔３８ｃとの間には、円筒形状の多孔質部材５６が配設される。多孔質部材５６の中央部には、高圧水素連通孔３８ｃが形成される。多孔質部材５６は、アノード側セパレータ３２と電解質膜４０との間に介装される。多孔質部材５６は、セラミック製多孔質体、樹脂製多孔質体又はセラミックと樹脂との混合材料製多孔質体で形成されるが、その他、種々の材料を用いてもよい。

図２及び図３に示すように、カソード室４５ｃａには、カソード給電体４４を電解質膜４０側に指向して押圧する荷重付与機構５８が配置される。この荷重付与機構５８は、弾性部材、例えば、板ばね６０を含んで構成され、該板ばね６０は、金属製の板ばねホルダ（シム部材）６２を介してカソード給電体４４に荷重を付与する。なお、弾性部材としては、板ばね６０の他、皿ばねやコイルスプリング等を使用することができる。

カソード給電体４４と板ばねホルダ６２との間には、導電シート６６が配置される。導電シート６６は、例えば、チタン、ＳＵＳ又は鉄等の金属シートにより構成されるとともに、リング形状を有し、カソード給電体４４と略同一の直径に設定される。

カソード給電体４４の中央部には、導電シート６６と電解質膜４０との間に位置して絶縁部材、例えば、樹脂シート６８が配置される。樹脂シート６８は、カソード給電体４４の内周面に嵌合する。樹脂シート６８は、カソード給電体４４と略同一の厚さに設定される。樹脂シート６８としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やポリイミドフィルム等が使用される。

樹脂シート６８とカソード側セパレータ３４との間には、連通孔部材７０が配置される。連通孔部材７０は円筒形状を有し、中央部に高圧水素連通孔３８ｃが形成される。連通孔部材７０の軸方向一端には、カソード室４５ｃａと高圧水素連通孔３８ｃとを連通する水素排出通路７１が形成される。

カソード室４５ｃａには、カソード給電体４４、板ばねホルダ６２及び導電シート６６の外周を周回する大Ｏリング７２（シール部材）が配置される。本実施の形態においては、大Ｏリング７２として、その断面が円形状であるものを例示している。大Ｏリング７２とカソード電極触媒層４４ａとの間には、カソード電極触媒層４４ａで発生した水素が進入可能な空隙７３が形成される。該空隙７３は、カソード室４５ｃａの一部である。

大Ｏリング７２の外周側には、該大Ｏリング７２よりも高硬度な耐圧部材７４が配置される。耐圧部材７４は、略リング形状を有するとともに、外周部が樹脂枠部材３６の内周部に嵌合する。

図４に詳細を示すように、耐圧部材７４の内周側、すなわち、大Ｏリング７２を臨む側の部位は、外周側に向かって円弧状に切り欠かれたような形状をなしており、これにより凹部８０が形成されている。切欠量（凹部８０の陥没量）は、耐圧部材７４の厚み方向の略中央で最大である。換言すれば、凹部８０の最深部は、耐圧部材７４の厚み方向の略中央に位置する。このような凹部８０が形成されることにより、耐圧部材７４の厚み方向の下端及び上端に、第１突出部８２（突出部）、第２突出部８４（別の突出部）が凹部８０に対して相対的に突出する。第１突出部８２、第２突出部８４の基端は、凹部８０の底部と面一である。

第１突出部８２は、電解質膜４０に当接する膜当接面８６と、該膜当接面８６から折り返すように連なり、且つ前記凹部８０の湾曲内面と一体的に連なるシール当接面８８とを有する。凹部８０の湾曲内面とシール当接面８８には、発生した水素に押圧された大Ｏリング７２の外周壁が当接する。なお、水素の押圧力が大Ｏリング７２に作用していない時点で、該大Ｏリング７２の外周壁がシール当接面８８に当接していてもよい。

一方の第２突出部８４は、凹部８０の最深部を基準として、第１突出部８２と線対称に設けられる。この第２突出部８４は、第１突出部８２とシール当接面８８を共有するとともに、カソード側セパレータ３４に当接するセパレータ当接面９０を有する。

膜当接面８６とシール当接面８８との交差角度θ１、セパレータ当接面９０とシール当接面８８との交差角度θ２はいずれも鋭角であり、好ましくは０°超～４５°未満の範囲内である。この場合、後述するように、高圧の水素が発生して大Ｏリング７２に押圧力が作用したとき、この押圧力が耐圧部材７４側に良好に伝達されるようになる。

凹部８０には、水素から押圧を受けて圧縮された大Ｏリング７２の一部が進入して収容される。すなわち、凹部８０は収容部として機能する。凹部８０（湾曲内面）の最深部の曲率半径Ｒ１は、大Ｏリング７２の断面の半径Ｒ２に比して大きく設定することが好ましい。この場合、交差角度θ１、θ２を０°超～４５°未満の範囲内とすることが容易となるからである。

凹部８０の開口幅（第１突出部８２の先端上面から第２突出部８４の先端下面までの距離）Ｗは、大Ｏリング７２の断面の直径、すなわち、Ｒ２の２倍よりも大きいことが好ましい。従って、耐圧部材７４の厚みを、大Ｏリング７２の直径に比して大きくするとよい。これにより、水素から押圧を受けた大Ｏリング７２が凹部８０に進入することが容易となる。

本実施の形態に係る差圧式高圧水電解装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について、該差圧式高圧水電解装置１０の動作との関係で説明する。

水の電気分解を開始するに際しては、図１に示すように、水供給口３９ａから水供給連通孔３８ａに水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂに導線２６ａ、２６ｂを介して電解電源２８からの電力が付与される。このため、図３に示すように、各高圧水電解セル１２では、水供給連通孔３８ａから供給連結路５０ａを通って水流路部材４６の水流路５０ｂに水が供給される。水は、複数個の孔部５０ｃからアノード給電体４２に供給され、多孔質体である該アノード給電体４２内に移動する。

水は、さらに、貫通孔４８ａを通過してアノード電極触媒層４２ａに到達する。このアノード電極触媒層４２ａにて水が電気分解され、プロトン、電子及び酸素が生成される陽極反応が生起される。この中のプロトンは電解質膜４０を透過してカソード電極触媒層４４ａ側に移動し、電子と結合する陰極反応を起こす。その結果、気相としての水素が得られる。

水素は、カソード給電体４４の内部の水素流路に沿ってカソード室４５ｃａに流動し、さらに、水素排出通路７１から高圧水素連通孔３８ｃに排出される。水素は、水供給連通孔３８ａよりも高圧に維持された状態で、高圧水素連通孔３８ｃを流れて差圧式高圧水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、陽極反応により生成した酸素と未反応の水とは、水排出連通孔３８ｂから水排出口３９ｂを介して差圧式高圧水電解装置１０の外部に排出される。

カソード電極触媒層４４ａで発生した水素の一部は、空隙７３を含むカソード室４５ｃａに進入する。カソード室４５ｃａ、ひいては空隙７３に進入した水素が上記したように高圧であるため、各高圧水電解セル１２では、大Ｏリング７２の内方が高圧、外方が低圧となる。このため、図５に示すように、大Ｏリング７２に対し、該大Ｏリング７２を耐圧部材７４側に押し付けるように移動させ且つ圧縮させる押圧力が作用する。

図６に示すように、第１突出部８２、第２突出部８４及び凹部８０が形成されておらず、その内周壁が厚み方向に沿って直線形状である耐圧部材７４ａを用いた場合、内周側から高圧の水素に押圧された大Ｏリング７２の外周側では、特に、耐圧部材７４ａの隅部に力が作用する。その結果、耐圧部材７４ａ側に臨む外周壁の一部、すなわち、電解質膜４０と耐圧部材７４ａとで形成される角部に近接する部位と、耐圧部材７４ａとカソード側セパレータ３４とで形成される角部に近接する部位が、それぞれ、該角部に指向して押し付けられる。このことから、耐圧部材７４ａの、角部に臨む部位に押圧力が集中すると推察される。

電解質膜４０は薄膜であり、且つ大Ｏリング７２はゴム等からなる。このため、電解質膜４０及び大Ｏリング７２は比較的軟質である。従って、水素の圧力が過度に大きい場合、大Ｏリング７２の外周壁の一部が電解質膜４０と耐圧部材７４ａとの間の僅かなクリアランスに進入する可能性がある。換言すれば、大Ｏリング７２が電解質膜４０と耐圧部材７４ａとの間に潜り込む。この状態で水素の生成が停止され、且つ大Ｏリング７２の内周壁側が後述の脱圧によって常圧に戻されると、大Ｏリング７２の内周壁側が直径方向内方に引っ張られることになる。その結果として、大Ｏリング７２が損傷に至る懸念がある。

これに対し、本実施の形態においては、耐圧部材７４の内周壁側に、厚み方向の略中央部が最深部となるように円弧形状に切り欠いた形状の凹部８０を形成し、これにより、凹部８０に対して相対的に突出した第１突出部８２、第２突出部８４を形成するようにしている。この場合、図５に示すように、大Ｏリング７２の外周壁は、内周壁側が水素から押圧を受けたとき、凹部８０内に進入することが可能である。凹部８０の開口幅Ｗが大Ｏリング７２の直径に比して大きいとき、この進入は容易である。

しかも、第１突出部８２の、膜当接面８６とシール当接面８８との交差角度θ１と、第２突出部８４の、セパレータ当接面９０とシール当接面８８との交差角度θ２のいずれも鋭角であり、好ましくは０°超～４５°未満の範囲内である。従って、大Ｏリング７２は、第１突出部８２及び第２突出部８４に案内されて凹部８０内に進入する。すなわち、このことも、大Ｏリング７２が凹部８０内に進入することを容易にする。

凹部８０内に進入した外周壁は、凹部８０の湾曲内面の円弧形状に倣って湾曲する。このため、大Ｏリング７２の押圧力が凹部８０の湾曲内面に沿って分散される。すなわち、押圧力が角部に集中することが回避される。このことと、大Ｏリング７２が凹部８０内に進入し易いこととが相俟って、大きな高圧で水素を発生させたときであっても、耐圧部材７４の内周壁に押し付けられた大Ｏリング７２の外周壁が、電解質膜４０と第１突出部８２との間、ないしは第２突出部８４とカソード側セパレータ３４との間のクリアランスに進入する（潜り込む）ことが抑制される。

すなわち、本実施の形態によれば、大Ｏリング７２の外周壁が電解質膜４０と耐圧部材７４との間、ないし耐圧部材７４とカソード側セパレータ３４との間に引っ掛かることが回避される。従って、カソードの脱圧が行われたとき、大Ｏリング７２は、外周壁が直径方向内方に指向して移動すること、換言すれば、元の形状に戻ることが容易である。このため、大Ｏリング７２が損傷することを回避することができる。従って、大Ｏリング７２により、十分なシール能力が得られる。

ここで、凹部８０の湾曲内面（シール当接面８８）には大Ｏリング７２が当接する。このために第１突出部８２が大Ｏリング７２から押圧を受けるので、膜当接面８６が電解質膜４０に押し付けられる。従って、電解質膜・電極構造体３０が保護シート部材４８に強力に押し付けられる。

第１突出部８２が存在しない場合、水素から押圧を受けた大Ｏリング７２が移動することに伴って電解質膜４０が引っ張られ、該電解質膜４０に皺が発生する懸念がある。これに対し、本実施の形態では、上記のように大Ｏリング７２が第１突出部８２を押圧することで、電解質膜４０（電解質膜・電極構造体３０）が保護シート部材４８に押し付けられる。

この押圧により、電解質膜・電極構造体３０が保護シート部材４８に対して位置ズレを起こすことが困難となる。従って、大Ｏリング７２が移動したとしても、これに伴って電解質膜４０が引っ張られることが回避される。このため、該電解質膜４０に皺が発生する懸念が払拭される。

しかも、この押し付けによって膜当接面８６が電解質膜４０に密着するので、電解質膜４０と耐圧部材７４との間のクリアランスが狭小化される。従って、大Ｏリング７２が電解質膜４０と耐圧部材７４との間に進入することが一層困難となる。

電気分解を停止するべく差圧式高圧水電解装置１０の運転を停止するに際しては、低圧（常圧）側のアノード室４５ａｎと高圧側のカソード室４５ｃａとの差圧を解消させるために、カソード室４５ｃａに脱圧（減圧）処理が施される。その結果、大Ｏリング７２の内方と外方が同圧となる。このために大Ｏリング７２が水素による押圧から解放されるので、該大Ｏリング７２が伸長して元の形状に戻るとともに、元の位置に移動する。

このときにも、耐圧部材７４の第１突出部８２が電解質膜４０に当接している状態が継続されている。従って、上記と同様に電解質膜・電極構造体３０が保護シート部材４８に対して位置ズレを起こすことは困難であり、大Ｏリング７２の移動に伴って電解質膜４０が引っ張られることが回避される。すなわち、該電解質膜４０に皺が発生する懸念が払拭される。

電気分解の開始と停止が繰り返される状況下においても、上記と同様の理由で大Ｏリング７２が移動することに伴って電解質膜４０が引っ張られることが回避される。従って、皺が発生することが防止される。皺の発生は損傷の一因となることから、本実施の形態によれば、電気分解の開始時（水素の発生時）と停止時との差圧に起因して電解質膜・電極構造体３０が損傷することを有効に回避することができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、第１突出部８２と第２突出部８４を線対称とする必要は特になく、図７に示すように、例えば、第２突出部８４の突出量が第１突出部８２に比して小さく設定された耐圧部材７４ｂであってもよい。

カソード側セパレータ３４は硬質であり、大Ｏリング７２は、該カソード側セパレータ３４と耐圧部材７４との間に対し、電解質膜４０と耐圧部材７４との間よりも比較的進入し難い。そこで、第２突出部８４の交差角度θ２が、例えば、図８に示すように、直角に設定された耐圧部材７４ｃを用いるようにしてもよい。

また、図９や図１０に示すように、電解質膜４０に当接する突出部１００、１０２のみが設けられた耐圧部材７４ｄ、７４ｅを採用するようにしてもよい。突出部１００は、耐圧部材７４ｄの厚み方向の略中央を上端とし、一方、突出部１０２の上端は、耐圧部材７４ｅの上端に一致している。

さらに、シール部材は大Ｏリング７２（Ｏリング）に特に限定されるものではなく、Ｘリングや角リング等であってもよい。

いずれの場合においても、上記と同様の効果が得られる。

１０…差圧式高圧水電解装置１２…高圧水電解セル
１４…積層体２８…電解電源
３０…電解質膜・電極構造体３２…アノード側セパレータ
３４…カソード側セパレータ３６…樹脂枠部材
３７ａ、３７ｂ…シール部材３８ａ…水供給連通孔
３８ｂ…水排出連通孔３８ｃ…高圧水素連通孔
３９ａ…水供給口３９ｂ…水排出口
４０…電解質膜４２…アノード給電体
４２ａ…アノード電極触媒層４４…カソード給電体
４４ａ…カソード電極触媒層４５ａｎ…アノード室
４５ｃａ…カソード室４６…水流路部材
５２、７０…連通孔部材５２ａ、５２ｂ…シール室
５６…多孔質部材５８…荷重付与機構
６０…板ばね６２…板ばねホルダ
７１…水素排出通路７２…大Ｏリング
７４、７４ａ～７４ｅ…耐圧部材８０…凹部
８２、８４、１００、１０２…突出部８６…膜当接面
８８…シール当接面９０…セパレータ当接面

Claims

アノード側セパレータと、
カソード側セパレータと、
アノード電極触媒層とカソード電極触媒層が電解質膜に設けられることで構成され、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に位置する電解質膜・電極構造体と、
前記カソード側セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に介在し、前記カソード電極触媒層を囲繞するシール部材と、
前記シール部材を外方から囲繞する耐圧部材と、
を備える水電解装置であって、
前記耐圧部材は、前記シール部材に対向する部位に、前記シール部材に指向して突出し、前記電解質膜に当接する膜当接面と、前記カソード電極触媒層で発生した水素に押圧された前記シール部材が当接するシール当接面とを含む突出部を有し、
前記耐圧部材は、前記カソード側セパレータに当接するセパレータ当接面を有し、且つ前記突出部と前記シール当接面を共有する別の突出部をさらに有し、
前記突出部と前記別の突出部との間が、前記シール当接面を内面とする凹部となっており、
前記凹部の内面が円弧状に湾曲形成され、
前記凹部の開口幅は、前記シール部材の断面の直径に比して大きく設定されることを特徴とする水電解装置。
請求項１記載の水電解装置において、前記シール部材は、その断面が円形状をなすものであり、且つ前記凹部の最深部の曲率半径が前記シール部材の断面の曲率半径に比して大きいことを特徴とする水電解装置。
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記別の突出部の、前記セパレータ当接面と前記シール当接面との交差角度が０°超～４５°未満であることを特徴とする水電解装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の水電解装置において、前記突出部の、前記膜当接面と前記シール当接面との交差角度が０°超～４５°未満であることを特徴とする水電解装置。