WO2019163269A1 - 電気分解用デバイス - Google Patents

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WO2019163269A1
WO2019163269A1 PCT/JP2018/046219 JP2018046219W WO2019163269A1 WO 2019163269 A1 WO2019163269 A1 WO 2019163269A1 JP 2018046219 W JP2018046219 W JP 2018046219W WO 2019163269 A1 WO2019163269 A1 WO 2019163269A1
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cathode
exchange membrane
ion exchange
surface material
anode
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PCT/JP2018/046219
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喜典 田中
久徳 白水
泰士 山本
亮子 乾
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

Definitions

  • the present disclosure relates to an electrolysis device that electrolyzes water between an anode and a cathode.
  • an electrolysis device for electrolyzing water between an anode and a cathode has been developed.
  • the conventional electrolysis device includes an anode power supply body and an anode having an anode surface material covering the main surface of the anode power supply body, and a cathode power supply body and a cathode surface covering the main surface of the cathode power supply body And a cathode having a material.
  • the ion exchange membrane is disposed between the anode and the cathode so as to contact the anode surface material and be separated from the cathode surface material.
  • the ion exchange membrane may come into contact with a part of the cathode surface material due to swelling of the ion exchange membrane toward the cathode surface material.
  • current concentration occurs at the site where the ion exchange membrane and the surface material for cathode contact.
  • the surface material for cathode may be deteriorated.
  • An object of this indication is to provide the device for electrolysis which can reduce a possibility that the surface material for cathodes may deteriorate.
  • the electrolysis device includes an anode, a cathode, an ion exchange membrane, and a spacer.
  • the cathode includes a cathode power supply body and a cathode surface material covering the main surface of the cathode power supply body.
  • the ion exchange membrane is disposed in contact with the anode and spaced from the cathode surface material between the anode and the cathode.
  • the spacer is provided in the cathode water passage between the surface material for the cathode and the ion exchange membrane.
  • the electrolysis device includes an anode, a cathode, an ion exchange membrane, and two cathode water passages.
  • the cathode has a through hole extending toward the anode.
  • the ion exchange membrane is disposed between the anode and the cathode.
  • the two cathode water passages are provided on both sides of the cathode and communicate with each other via the through holes.
  • FIG. 1 is a perspective external view of an electrolysis device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the anode case of the electrolysis device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of the cathode case of the electrolysis device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the electrolysis device according to the embodiment.
  • 5 is a cross-sectional view of the electrolysis device according to the embodiment, and is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG.
  • FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of the anode, ion exchange membrane, spacer, and cathode of the device for electrolysis according to the embodiment.
  • 7 is a partially enlarged longitudinal sectional view of the anode, ion exchange membrane, spacer, and cathode of the electrolysis device according to the embodiment, and is a sectional view taken along line 7-7 in FIG.
  • the electrolysis device includes an anode, a cathode, an ion exchange membrane, and a spacer.
  • the cathode has a cathode power supply and a cathode surface material covering the main surface of the cathode power supply.
  • the ion exchange membrane is disposed in contact with the anode and spaced from the cathode surface material between the anode and the cathode.
  • the spacer is provided in the cathode water passage between the surface material for the cathode and the ion exchange membrane.
  • a gap through which water flows is provided between the spacer and the surface material for the cathode.
  • the spacer is provided in the cathode water passage so that the longitudinal direction of the spacer extends along the longitudinal direction of the cathode water passage. Be placed.
  • the spacer is formed on the cathode surface material so that the longitudinal direction of the spacer extends along the longitudinal direction of the cathode surface material. Contact.
  • the cathode power supply body has at least one of a recess and a through hole on at least a main surface facing the ion exchange membrane. At least a part of the inner surface of at least one of the recess and the through hole is covered with a surface material for a cathode.
  • the area of the portion where the spacer and the surface material for cathode are in contact is larger than the area of the portion where the spacer and the ion exchange membrane are in contact with each other. Is also small.
  • the electrolysis device includes an anode, a cathode, an ion exchange membrane, and two cathode water passages.
  • the cathode has a through hole extending toward the anode.
  • the ion exchange membrane is disposed between the anode and the cathode.
  • the two cathode water passages are provided on both sides of the cathode and communicate with each other via the through holes.
  • the cross-sectional area of the cathode water passage on the surface side facing the ion exchange membrane of the cathode is smaller than the cross-sectional area of the cathode water passage on the back side of the surface facing the ion exchange membrane of the cathode.
  • the channel breakage of the cathode water passage on the back side of the surface facing the ion exchange membrane of the cathode is provided.
  • the area is smaller than the cross-sectional area of the cathode water passage on the surface side facing the ion exchange membrane of the cathode.
  • the cathode surface material for covering the main surface of the cathode power supply and the ion exchange membrane of the cathode power supply facing the cathode power supply Including. At least a part of the inner peripheral surface of the through hole is also covered with the surface material for the cathode.
  • the electrolysis device 1 includes a rectangular flat plate-like anode case 1A and a rectangular flat plate-shaped cathode case 1C.
  • the anode case 1A shown in FIG. 2 and the cathode case 1C shown in FIG. 3 are integrated so that their inner surfaces face each other, whereby the electrolysis device 1 is configured.
  • anode case 1 ⁇ / b> A accommodates the anode 2 ⁇ / b> A and constitutes a part of the outline of the electrolysis device 1.
  • the material of the anode case 1A is acrylic resin.
  • Anode case 1A has a flat rectangular parallelepiped shape and includes case recess 1AC. Case recessed part 1AC is formed by digging in the main surface which comprises the inner surface of the device 1 for electrolysis.
  • the case recess 1AC has a water inlet hole 1AI and a water outlet hole 1AO.
  • the water inlet 1AI is disposed in the vicinity of one end of the inner surface of the electrolysis device 1 in the longitudinal direction.
  • the outlet hole 1AO is disposed in the vicinity of the other end portion in the longitudinal direction of the inner surface of the electrolysis device 1.
  • the case recess 1AC has a conductive wire insertion hole 1AL disposed between the center in the longitudinal direction of the inner surface of the electrolysis device 1 and the water outlet hole 1AO.
  • the case recess 1AC is disposed substantially at the center of the inner surface in the longitudinal direction of the inner surface of the electrolysis device 1, and has a planar recess 1AD.
  • the planar depression 1AD includes a water inlet hole 1AI, a water outlet hole 1AO, and a conductive wire insertion hole 1AL.
  • the case recess 1AC has an annular packing recess 1AP.
  • the packing depression 1AP is arranged outside the planar depression 1AD so as to surround the planar depression 1AD.
  • the case recess 1AC has a buffer recess 1AB.
  • the buffer recess 1AB is deeper than the planar recess 1AD.
  • the anode case 1A has a plurality of fixing holes 1AF.
  • the fixing hole 1AF is arranged outside an annular packing depression 1AP provided outside the buffer depression 1AB and the planar depression 1AD.
  • a plurality of disc-like case ribs 1AR are arranged inside the planar depression 1AD. As shown in FIGS. 2 and 4, the planar depression 1AD and the buffer depression 1AB are connected by a case inclined surface 1AS.
  • the cathode case 1C accommodates the cathode 2C and a plurality of (for example, three) spacers S and constitutes a part of the outline of the electrolysis device 1.
  • the material of the cathode case 1C is acrylic resin.
  • the cathode case 1C has a flat rectangular parallelepiped shape and includes a case recess 1CC.
  • Case recessed part 1CC is formed by digging in the main surface which comprises the inner surface of device 1 for electrolysis.
  • the case recess 1CC has a water inlet hole 1CI disposed in the vicinity of one end portion of the inner surface of the electrolysis device 1 in the longitudinal direction.
  • the case recess 1CC has a water outlet hole 1CO disposed in the vicinity of the other end in the longitudinal direction of the inner surface of the electrolysis device 1.
  • the case recess 1CC has a conductive wire insertion hole 1CL disposed between the center of the inner side surface of the electrolysis device 1 in the longitudinal direction and the water outlet hole 1CO.
  • the case recess 1CC is disposed at the approximate center of the inner surface of the electrolysis device 1 and has a planar depression 1CD.
  • the planar depression 1CD includes a water inlet hole 1CI, a water outlet hole 1CO, and a conductive wire insertion hole 1CL.
  • the annular packing recess 1CP is arranged outside the planar recess 1CD so as to surround the planar recess 1CD.
  • the case recess 1CC includes a water outlet hole 1CO.
  • the case recess 1CC has a buffer recess 1CB in a region not including the conductive wire insertion hole 1CL.
  • the buffer recess 1CB is deeper than the planar recess 1CD.
  • the case recess 1CC has a fixing hole 1CF.
  • the fixing hole 1CF is arranged outside an annular packing recess 1CP provided outside the buffer recess 1CB and the planar recess 1CD.
  • a plurality of disc-like case ribs 1CR are arranged inside the planar depression 1CD.
  • the disc-shaped case rib 1CR and the disc-shaped case rib 1AR are provided so that the respective circular tip surfaces face each other.
  • the planar depression 1CD and the buffer depression 1CB are connected by a case inclined surface 1CS.
  • the ion exchange membrane 3 is disposed between the anode 2A and the cathode 2C. More specifically, as shown in FIG. 6, the ion exchange membrane 3 contacts the anode surface material 2AS and is separated from the cathode surface material 2CS.
  • the ion exchange membrane 3 is a cation exchange membrane that allows hydrogen ions, unavoidable metal ions, water molecules, and oxygen molecules generated in the vicinity of the anode 2A to pass but does not allow cations to pass.
  • Examples of the cation exchange membrane include DuPont's trade name “Nafion (R)”.
  • the thickness of the ion exchange membrane 3 is 0.01 to 0.2 mm.
  • the ion exchange membrane 3 has a thin planar shape.
  • the ion exchange membrane 3 is a copolymer of fluororesin called perfluorosulfonic acid having perfluoroethylene as a main chain and having a side chain having a sulfonic acid group. Specifically, the ion exchange membrane 3 is polyfluoroethylene-sulfonic acid.
  • the amount of ion exchange groups “EW (equivalent weight)” representing the ease of passing electricity is about 1000. As shown in FIGS. 6 and 7, one main surface of the ion exchange membrane 3 is in contact with the entire one main surface of the anode surface material 2AS.
  • a part of the other main surface of the ion exchange membrane 3 comes into contact with a plurality of spacers S provided apart from each other.
  • the end of the ion exchange membrane 3 extends outward from the outer peripheral edges of the anode 2A and the cathode 2C.
  • the ends of the ion exchange membrane 3 are sandwiched between the packing P on the anode case 1A side and the packing P on the cathode case 1C side.
  • the anode power supply 2AF shown in FIGS. 6 and 7 receives a negative charge from the anode surface material 2AS.
  • the thickness of the anode power supply 2AF is 0.5 mm.
  • the anode power supply 2AF has a thin planar shape.
  • the anode power supply 2AF is made of titanium and inevitable impurities.
  • the anode surface material 2AS is provided on one main surface of the anode power supply 2AF.
  • the anode surface material 2AS is also provided on a part of the inner peripheral surface of the through hole THA.
  • the anode surface material 2AS may be provided on the entire inner peripheral surface of the through hole THA.
  • Conductive line 2AE (see FIG. 4) is inserted into conductive line insertion hole 1AL and electrically connected to the other main surface of anode power supply 2AF.
  • case rib 1AR protrudes from the planar recess 1AD of the anode case 1A. Case rib 1AR contacts the other main surface of anode power supply 2AF.
  • anode surface material 2AS (Surface material for anode ⁇ Pt and Pt-based metals and their alloys>)
  • a reaction of “2H 2 O ⁇ 4H + + O 2 + 4e ⁇ ” is performed in the anode surface material 2AS.
  • the thickness of the anode surface material 2AS is 0.1 ⁇ m.
  • the anode surface material 2AS has a thin planar shape.
  • the anode surface material 2AS has fine irregularities (not shown) on its main surface, and a large number of fine and continuous voids (not shown).
  • the material of the anode surface material 2AS is an alloy of platinum and iridium. As shown in FIGS. 6 and 7, the anode surface material 2AS is provided so as to be in contact with the whole of one main surface of the anode power supply body 2AF. When the anode case 1A and the cathode case 1C are combined, the anode surface material 2AS comes into contact with the ion exchange membrane 3. The anode surface material 2AS may be formed on the entire surface of the anode power supply body 2AF.
  • the cathode power supply 2CF supplies negative charges to the cathode surface material 2CS (see FIG. 6).
  • the thickness of the cathode power supply 2CF is 0.5 mm.
  • the cathode power supply body 2CF has a thin planar shape. Indentations D having a diameter of 1 mm are formed at intervals of 1 mm on the main surface of the cathode power supply 2CF facing the ion exchange membrane 3.
  • the through holes THC having a diameter of 1 mm are formed at intervals of 1 mm on the main surface facing the ion exchange membrane 3 at positions not including the depression D of the cathode power supply 2CF. Only one of the recess D and the through hole THC may be provided in the cathode power supply body 2CF.
  • the through hole THC only needs to have a hole diameter of about 1 nm to 1 mm.
  • the material of the cathode power supply 2CF includes titanium and inevitable impurities.
  • a cathode surface material 2CS is provided on one main surface of the cathode power supply 2CF.
  • the cathode surface material 2CS is also formed on part of the inner peripheral surface of the recess D and the through hole THC.
  • the cathode surface material 2CS may be provided on the entire inner peripheral surface of the through hole THC.
  • Conductive wire 2CE (see FIG. 4) is inserted into conductive wire insertion hole 1CL and connected to the other main surface of cathode power supply 2CF.
  • case rib 1CR protruding from planar depression 1CD of cathode case 1C comes into contact with the other main surface of cathode power supply 2CF.
  • the cathode surface material 2CS (Surface material for cathode ⁇ Pt and Pt-based metals and their alloys>) In the cathode surface material 2CS, a reaction of “2H + + 2e ⁇ ⁇ H 2 ” is performed.
  • the thickness of the cathode surface material 2CS is 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the cathode surface material 2CS has a thin planar shape.
  • the cathode surface material 2CS has fine irregularities (not shown) on its main surface, and has many fine and continuous voids (not shown).
  • the material of the cathode surface material 2CS is an alloy of platinum and iridium. As shown in FIGS. 6 and 7, the cathode surface material 2CS is formed so as to be in contact with the whole of one main surface of the cathode power supply body 2CF, and when the anode case 1A and the cathode case 1C are combined, Contact the spacer S.
  • the cathode surface material 2CS may be formed on the entire surface of the cathode power supply body 2CF.
  • the spacer S is provided in the cathode water passage 10 ⁇ / b> B between the cathode surface material 2 ⁇ / b> CS and the ion exchange membrane 3.
  • the spacer S can suppress contact between the ion exchange membrane 3 and the cathode surface material 2CS due to swelling of the ion exchange membrane 3. For this reason, deterioration of the surface material 2CS for cathodes can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of current concentration at the portion where the spacer S and the ion exchange membrane 3 are in contact.
  • a gap C through which water flows is provided between the spacer S and the cathode surface material 2CS. Through the gap C, water also flows into the portion covered with the spacer S of the cathode surface material 2CS. For this reason, the amount of reduction in the area of the surface material for cathode 2CS that comes into contact with water can be reduced. As a result, it is possible to reduce the reduction amount of hydrogen generated in the cathode 2C due to the spacer S.
  • a recess formed on the surface of the spacer S facing the cathode surface material 2CS functions as the gap C.
  • the recess D formed on the surface of the cathode surface material 2CS also functions in the same manner as the gap C.
  • the gap C is not unevenness intentionally formed on the spacer S or the cathode surface material 2CS, but may be irregularities naturally formed on the cathode surface material 2CS or the spacer S.
  • a void a void formed by plating Pt and Pt-based metals and alloys thereof
  • a void naturally formed on the main surface of the cathode surface material 2CS during the manufacturing process may have the same function as the gap C.
  • the spacer S is arranged in the cathode water passage 10B so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode water passage 10B. For this reason, the water flow resistance resulting from the spacer S can be reduced.
  • the spacer S contacts the cathode surface material 2CS so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode surface material 2CS. For this reason, the deflection of the ion exchange membrane 3 in the longitudinal direction of the cathode surface material 2CS can be reduced. As a result, the possibility of contact between the cathode surface material 2CS and the ion exchange membrane 3 can be further reduced.
  • the cathode power supply 2CF has a recess D and a through hole THC at least on the surface facing the ion exchange membrane 3.
  • the inner surface of the recess D and a part of the inner surface of the through hole THC are covered with the cathode surface material 2CS. For this reason, in the position of the hollow D and the through-hole THC, the flow rate of water is slightly slower than other positions. As a result, more hydrogen can be generated at some positions of the recess D and the through hole THC.
  • the area where the spacer S and the ion exchange membrane 3 are in contact is larger than the area where the spacer S and the cathode surface material 2CS are in contact.
  • the spacer S is provided between the cathode surface material 2CS and the ion exchange membrane 3, and maintains the distance between the cathode surface material 2CS and the ion exchange membrane 3, that is, the width of the cathode water passage 10B.
  • the spacer S avoids current concentration occurring at the contact location by suppressing partial contact between the ion exchange membrane 3 and the cathode surface material 2CS.
  • the spacer S is a rod-shaped member having a trapezoidal cross section. Both ends of the spacer S are bent to form hook portions (see FIG. 2).
  • the spacer S may be a rod-shaped member having a rectangular or circular cross section.
  • the material of the spacer S is a resin having a specific resistance greater than that of water, for example, tap water.
  • the area of the portion where the spacer S and the surface material for cathode 2CS are in contact is smaller than the area of the portion where the spacer S and the ion exchange membrane 3 are in contact.
  • the width of the portion of the spacer S that contacts the ion exchange membrane 3 is, for example, 3 mm.
  • the width of the portion of the spacer S that contacts the cathode surface material 2CS is, for example, 2 mm.
  • a depression D is formed at a portion facing the spacer S of the cathode surface material 2CS.
  • a gap C is formed in a portion of the spacer S facing the cathode surface material 2CS.
  • the spacer S is sandwiched between the ion exchange membrane 3 and the cathode surface material 2CS. In this state, the hooks (see FIG. 2) at both ends of the spacer S are in contact with the cathode case 1C.
  • the cathode water passages 10B and 10C are provided so as to face the two main surfaces of the cathode 2C, respectively, and communicate with each other via the through hole THC.
  • the through hole THC As water moves through the through hole THC, turbulence is generated in the vicinity of the through hole THC. By this turbulent flow, hydrogen generated in the vicinity of the cathode 2C can be prevented from remaining there and aggregating. As a result, dissolution of hydrogen in water is promoted.
  • the cross-sectional area of the cathode water passage 10B on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is opposed to the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C. It is smaller than the cross-sectional area of the cathode water passage 10C on the back side of the surface.
  • the flow rate V1 of water on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is larger than the flow rate V2 of water on the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C.
  • the cross-sectional area of the cathode water passage 10C on the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is the surface for the cathode on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C. It may be smaller than the cross-sectional area of the water passage 10B.
  • the flow rate V2 of water on the back side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is larger than the flow rate V1 of water on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C.
  • part of the hydrogen generated in the cathode water passage 10B on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C passes through the through hole THC and the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C.
  • the cathode water passage 10C is brought into contact with water.
  • the cathode 2C includes a cathode power supply 2CF and a cathode surface material 2CS that covers the surface of the cathode power supply 2CF that faces the ion exchange membrane 3. Part or all of the inner peripheral surface of the through hole THC is also covered with the cathode surface material 2CS. For this reason, hydrogen is also generated inside the through hole THC. As a result, the area of the cathode 2C where hydrogen is generated can be increased, and the amount of hydrogen generated can be increased.
  • a cathode surface material 2CS is deposited on one main surface of the cathode power supply 2CF by electrolytic plating. At this time, the cathode surface material 2CS is also deposited on the surface of the depression D of the cathode power supply body 2CF and the surface of the through hole THC. The cathode surface material 2CS may be deposited on a part or all of the through holes THC.
  • Electroplating includes the case where a platinum chloride or complex or a solution in which a platinum-based metal chloride or complex is dissolved is directly applied and then heat-fired to deposit it on the cathode surface.
  • the cathode power supply 2CF is installed so as to expose the cathode surface material 2CS with respect to the planar depression 1CD.
  • the conductive wire 2CE is inserted further into the inner side surface of the cathode case 1C through the conductive wire insertion hole 1CL and connected to the cathode power supply 2CF.
  • the three spacers S are arranged on the cathode 2C at substantially equal intervals at both ends and the center in the short direction of the cathode 2C so that their longitudinal directions are along the longitudinal direction of the cathode 2C. Is done.
  • the catch portion of the spacer S is fixed to the cathode case 1C with an adhesive.
  • the area of the portion where the spacer S and the ion exchange membrane 3 are in contact is larger than the area of the portion where the spacer S and the cathode surface material 2CS are in contact (see FIG. 6).
  • Packing P is inserted into the depression 1AP for packing.
  • An ion exchange membrane 3 is superimposed on the cathode 2C. The peripheral edge of the ion exchange membrane 3 is located outside the packing recess 1AP.
  • the anode power supply 2AF is arranged in the planar depression 1AD so as to expose the anode surface material 2AS.
  • Conductive wire 2AE is inserted further into the inner surface of anode case 1A from conductive wire insertion hole 1AL, and is electrically connected to anode power supply 2AF.
  • the packing P is inserted into the packing recess 1AP.
  • the inner surface of the cathode case 1C and the inner surface of the anode case 1A are overlapped.
  • the disc-shaped case rib 1CR and the disc-shaped case rib 1AR are arranged so as to face each other.
  • the vicinity of the outer periphery of the ion exchange membrane 3 is sandwiched by the packing P.
  • the vicinity of the center of the ion exchange membrane 3 is supported by the anode surface material 2AS and the spacer S.
  • the ion exchange membrane 3 is provided apart from the cathode surface material 2CS.
  • the electrolysis device 1 is attached to the electrolyzed water generator.
  • a water inlet pipe is attached to the water inlet hole 1AI and the water inlet hole 1CI.
  • a water outlet pipe is attached to the water outlet hole 1AO and the water outlet hole 1CO.
  • the water outlet holes 1AO and 1CO are arranged to be higher than the water inlet hole 1AI and the water inlet hole 1CI.
  • the longitudinal direction of the spacer S is the same as the longitudinal direction of the cathode water passages 10B and 10C.
  • the external conductive lines are connected to the conductive lines 2AE and 2CE and connected to the power source.
  • the flow velocity V1 of the water flowing on the main surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C (the flow velocity on the exposed surface side of the cathode surface material 2CS) is the surface of the main surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C. It is larger than the flow velocity V2 of the water flowing on the back side (the flow velocity on the exposed surface side of the cathode power supply 2CF).
  • hydrogen is generated mainly on the main surface of the cathode surface material 2CS facing the ion exchange membrane 3 by electrolysis. Specifically, hydrogen is generated by the through hole THC, the cathode surface material 2CS attached to the recess D of the cathode power supply 2CF, and the cathode surface material 2CS attached on the inner peripheral surface of the through hole THC.
  • the electrolysis device 1 includes an anode 2A, a cathode 2C, an ion exchange membrane 3, and a spacer S.
  • the cathode 2C includes a cathode power supply 2CF and a cathode surface material 2CS that covers the main surface of the cathode power supply 2CF.
  • the ion exchange membrane 3 is in contact with the anode 2A, and is spaced from the cathode surface material 2CS between the anode 2A and the cathode 2C.
  • the spacer S is provided in the cathode water passage 10 ⁇ / b> B between the cathode surface material 2 ⁇ / b> CS and the ion exchange membrane 3.
  • the ion exchange membrane 3 and the cathode surface material 2CS can be prevented from coming into contact with each other due to the swelling of the ion exchange membrane 3. As a result, deterioration of the cathode surface material 2CS can be suppressed.
  • a gap C through which water flows is provided between the spacer S and the cathode surface material 2CS. With this configuration, water flows into the surface of the region covered with the spacer S among the entire surface of the cathode surface material 2CS through the gap C.
  • the amount of decrease due to the spacer S in the area where the cathode surface material 2CS is in contact with water can be reduced.
  • the spacer S is disposed in the cathode water passage 10B so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode water passage 10B. With this configuration, the water resistance caused by the spacer S can be reduced.
  • the spacer S contacts the cathode surface material 2CS so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode surface material 2CS.
  • the cathode power supply 2CF preferably has at least one of the recess D and the through hole THC on at least the main surface thereof facing the ion exchange membrane 3. It is preferable that at least a part of the inner surface of at least one of the recess D and the through hole THC is covered with the cathode surface material 2CS.
  • At least one of the positions of the recess D and the through hole THC causes the water flow rate to be slower than the other positions. For this reason, more hydrogen can be generated in at least one of the positions of the recess D and the through hole THC.
  • the area of the part where the spacer S and the surface material 2CS for the cathode are in contact is smaller than the area of the part where the spacer S and the ion exchange membrane 3 are in contact.
  • the electrolysis device 1 includes an anode 2A, a cathode 2C, an ion exchange membrane 3, and cathode water passages 10B and 10C.
  • the cathode 2C has a through hole THC extending toward the anode 2A.
  • the ion exchange membrane 3 is disposed between the anode 2A and the cathode 2C.
  • the cathode water passages 10B and 10C are provided on both sides of the cathode 2C and communicate with each other via the through hole THC.
  • the cross-sectional area of the cathode water passage 10B on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is the flow passage of the cathode water passage 10C on the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C. It may be smaller than the cross-sectional area.
  • the flow velocity V1 of the water flowing on the surface side of the cathode water passage 10B facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C causes the cathode water passage 10C on the back side of the surface of the cathode 2C facing the ion exchange membrane 3 to flow. It is larger than the flow velocity V2 of the flowing water.
  • the cross-sectional area of the cathode water passage 10C on the back side of the surface of the cathode 2C facing the ion exchange membrane 3 is the flow passage of the cathode water passage 10B on the surface side of the cathode 2C facing the ion exchange membrane 3 It may be smaller than the cross-sectional area.
  • the flow velocity V2 of the water flowing through the cathode water passage 10C on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C is adjusted so that the cathode water passage 10B on the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C. It is larger than the flow velocity V1 of the flowing water.
  • part of the hydrogen generated in the cathode water passage 10B on the surface side facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C passes through the through hole THC and the back side of the surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode 2C.
  • the cathode water passage 10C is brought into contact with water. For this reason, aggregation of hydrogen generated in the vicinity of the cathode 2C can be suppressed. As a result, dissolution of generated hydrogen in water can be promoted.
  • the cathode 2C may include a cathode power supply 2CF and a cathode surface material 2CS that covers a main surface facing the ion exchange membrane 3 of the cathode power supply 2CF. It is preferable that at least a part of the inner peripheral surface of the through hole THC is also covered with the cathode surface material 2CS. With this configuration, hydrogen is also generated inside the through hole THC. Therefore, the area of the cathode 2C where hydrogen is generated can be increased.
  • Electrolytic device 1A Anode case 1AB, 1CB Buffer recess 1AC, 1CC Case recess 1AD, 1CD Planar recess 1AF, 1CF Fixing hole 1AI, 1CI Inlet hole 1AL, 1CL Conductive wire insertion hole 1AO, 1CO Outlet hole 1AP, 1CP Depression for packing 1AR, 1CR Case rib 1AS, 1CS Case inclined surface 1C Cathode case 2A Anode 2AE, 2CE Conductive wire 2AF Anode power supply 2AS Anode surface material 2C Cathode 2CF Cathode power supply 2CS Cathode surface material 3 Ion exchange membrane 10A Anode passage 10B, 10C Cathode passage C Cavity D Dimple P Packing S Spacer THA, THC Through-hole V1, V2 Water flow rate

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Abstract

電気分解用デバイスは、陽極（２Ａ）と陰極（２Ｃ）とイオン交換膜（３）とスペーサ（Ｓ）とを備える。陰極（２Ｃ）は、陰極用給電体と、陰極用給電体の表面を覆う陰極用表面材とを有する。イオン交換膜（３）、陽極（２Ａ）に接触し、かつ、陽極（２Ａ）と陰極（２Ｃ）との間に陰極用表面材から離間して配置される。スペーサ（Ｓ）は、陰極用表面材とイオン交換膜（３）との間の陰極用通水路に設けられる。

Description

電気分解用デバイス
　本開示は、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスに関する。
　従来、例えば、特許文献１に開示されるように、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスが開発されている。従来の電気分解用デバイスは、陽極用給電体およびその陽極用給電体の主表面を覆う陽極用表面材を有する陽極と、陰極用給電体およびその陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材を有する陰極とを有する。
　上記従来の電気分解用デバイスにおいて、イオン交換膜が、陽極用表面材には接触し、陰極用表面材からは離間するように、陽極と陰極との間に配置されるものがある。
　上記従来の電気分解用デバイスにおいて、流速の大きな水が、陰極用表面材のイオン交換膜側の主表面に接触しながらその主表面に沿って流れる。これにより、陰極用表面材の近傍で発生した水素の水への溶解が促進される。
特開２００３－２４５６６９号公報
　上記従来の電気分解用デバイスによれば、イオン交換膜が陰極用表面材側に膨潤することによって、イオン交換膜が陰極用表面材の一部に接触することがある。この場合、イオン交換膜と陰極用表面材とが接触した部位で電流集中が生じる。その結果、陰極用表面材が劣化するおそれがある。
　本開示は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものである。本開示は、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる電気分解用デバイスを提供することを目的とする。
　本開示の一態様の電気分解用デバイスは、陽極と陰極とイオン交換膜とスペーサとを備える。陰極は、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材とを有する。イオン交換膜は、陽極に接触し、かつ、陽極と陰極との間に陰極用表面材から離間して配置される。スペーサは、陰極用表面材とイオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられる。
　本開示の他の態様の電気分解用デバイスは、陽極と陰極とイオン交換膜と二つの陰極用通水路とを備える。陰極は、陽極に向かって延在する貫通孔を有する。イオン交換膜は、陽極と陰極との間に配置される。二つの陰極用通水路は、陰極の両側に設けられ、貫通孔を経由して連通する。
　本態様によれば、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる。
図１は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの斜視外観図である。 図２は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの陽極ケースの斜視図である。 図３は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの陰極ケースの斜視図である。 図４は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの縦断面図である。 図５は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの横断面図であって、図４の５－５線断面図である。 図６は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの陽極、イオン交換膜、スペーサ、陰極の部分的に拡大された横断面図である。 図７は、実施の形態に係る電気分解用デバイスの陽極、イオン交換膜、スペーサ、陰極の部分的に拡大された縦断面図であって、図４の７－７線断面図である。
　本開示の第１の態様の電気分解用デバイスは、陽極と陰極とイオン交換膜とスペーサとを備える。
　陰極は、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する。イオン交換膜は、陽極に接触し、かつ、陽極と陰極との間に陰極用表面材から離間して配置される。スペーサは、陰極用表面材とイオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられる。
　本開示の第２の態様の電気分解用デバイスでは、第１の態様に加えて、スペーサと陰極用表面材との間には、水が流れる隙間が設けられる。
　本開示の第３の態様の電気分解用デバイスでは、第１の態様に加えて、スペーサの長手方向が陰極用通水路の長手方向に沿って延在するように、スペーサが陰極用通水路に配置される。
　本開示の第４の態様の電気分解用デバイスでは、第１の態様に加えて、スペーサの長手方向が陰極用表面材の長手方向に沿って延在するように、スペーサが陰極用表面材に接触する。
　本開示の第５の態様の電気分解用デバイスでは、第１の態様に加えて、陰極用給電体が、少なくともイオン交換膜に対向する主表面に窪みおよび貫通孔の少なくともいずれかを有する。窪みおよび貫通孔の少なくともいずれかの内面の少なくとも一部が、陰極用表面材により覆われる。
　本開示の第６の態様の電気分解用デバイスでは、第１の態様に加えて、スペーサと陰極用表面材とが接触する部分の面積が、スペーサとイオン交換膜とが接触する部分の面積よりも小さい。
　本開示の第７の態様の電気分解用デバイスは、陽極と陰極とイオン交換膜と二つの陰極用通水路とを備える。
　陰極は、陽極に向かって延在する貫通孔を有する。イオン交換膜は、陽極と陰極との間に配置される。二つの陰極用通水路は、陰極の両側に設けられ、貫通孔を経由して連通する。
　本開示の第８の態様の電気分解用デバイスでは、第７の態様に加えて、二つの陰極用通水路において、陰極のイオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積が、陰極のイオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい。
　本開示の第９の態様の電気分解用デバイスでは、第７の態様に加えて、二つの陰極用通水路において、陰極のイオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積が、陰極のイオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい。
　本開示の第１０の態様の電気分解用デバイスでは、第８の態様に加えて、陰極が、陰極用給電体と、陰極用給電体のイオン交換膜に対向する主表面を覆う陰極用表面材とを含む。貫通孔の内周面の少なくとも一部も陰極用表面材により覆われる。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。
　本実施の形態において、同一の参照符号が付される部位は、同一の機能を有するものとする。従って、特に必要がなければ、同一参照符号が付された部位の機能の説明は繰り返さない。
　図１～図７を用いて、本実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。
　（電気分解用デバイスの全体構成）
　図１に示すように、電気分解用デバイス１は、矩形の平板状の陽極ケース１Ａと矩形の平板状の陰極ケース１Ｃとを備える。図２に示される陽極ケース１Ａと図３に示される陰極ケース１Ｃとが、それらの内側面同士が対向するように一体化されることで、電気分解用デバイス１が構成される。
　（陽極ケース）
　図２、図４、図５に示すように、陽極ケース１Ａは、陽極２Ａを収容し、電気分解用デバイス１の外郭の一部を構成する。陽極ケース１Ａの材質はアクリル樹脂である。陽極ケース１Ａは、平板状の直方体形状を有し、ケース凹部１ＡＣを備える。ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成される。
　図２、図４に示すように、ケース凹部１ＡＣは、入水孔１ＡＩと出水孔１ＡＯとを有する。入水孔１ＡＩは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置される。出水孔１ＡＯは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置される。ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の中央と出水孔１ＡＯとの間に配置された導電線挿入孔１ＡＬを有する。
　図２、図４、図５に示すように、ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の内側面の略中央に配置され、面状窪み１ＡＤを有する。面状窪み１ＡＤは、入水孔１ＡＩと出水孔１ＡＯと導電線挿入孔１ＡＬとを含む。
　図２、図４に示すように、ケース凹部１ＡＣは、環状のパッキン用窪み１ＡＰを有する。パッキン用窪み１ＡＰは、面状窪み１ＡＤを取り囲むように、面状窪み１ＡＤの外側に配置される。
　出水孔１ＡＯを含み、導電線挿入孔１ＡＬを含まない領域において、ケース凹部１ＡＣはバッファ用窪み１ＡＢを有する。バッファ用窪み１ＡＢは、面状窪み１ＡＤよりも深く窪んでいる。
　図２に示すように、陽極ケース１Ａは複数の固定用孔１ＡＦを有する。固定用孔１ＡＦは、バッファ用窪み１ＡＢおよび面状窪み１ＡＤの外側に設けられた環状のパッキン用窪み１ＡＰの外側に配置される。
　図４、図５に示すように、面状窪み１ＡＤの内部には、複数の円盤状のケースリブ１ＡＲが配置される。図２、図４に示すように、面状窪み１ＡＤとバッファ用窪み１ＡＢとはケース傾斜面１ＡＳで接続される。
　（陰極ケース）
　図３～図５に示すように、陰極ケース１Ｃは、陰極２Ｃと、複数（例えば３本）のスペーサＳとを収容し、電気分解用デバイス１の外郭の一部を構成する。陰極ケース１Ｃの材質はアクリル樹脂である。
　図３に示すように、陰極ケース１Ｃは平板状の直方体形状を有し、ケース凹部１ＣＣを備える。ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成される。
　図３、図４に示すように、ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置される入水孔１ＣＩを有する。ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置された出水孔１ＣＯを有する。
　図４に示すように、ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の中央と出水孔１ＣＯとの間に配置された導電線挿入孔１ＣＬを有する。
　図３、図４に示すように、ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の略中央に配置され、面状窪み１ＣＤを有する。面状窪み１ＣＤは、入水孔１ＣＩと出水孔１ＣＯと導電線挿入孔１ＣＬとを含む。環状のパッキン用窪み１ＣＰは、面状窪み１ＣＤを取り囲むように、面状窪み１ＣＤの外側に配置される。
　図３、図４に示すように、ケース凹部１ＣＣは出水孔１ＣＯを含む。しかしながら、ケース凹部１ＣＣは、導電線挿入孔１ＣＬを含まない領域において、バッファ用窪み１ＣＢを有する。バッファ用窪み１ＣＢは、面状窪み１ＣＤよりも深く窪んでいる。
　ケース凹部１ＣＣは固定用孔１ＣＦを有する。固定用孔１ＣＦは、バッファ用窪み１ＣＢおよび面状窪み１ＣＤよりも外側に設けられた環状のパッキン用窪み１ＣＰの外側に配置される。
　図４、図５に示すように、面状窪み１ＣＤの内部には、複数の円盤状のケースリブ１ＣＲが配置される。円盤状のケースリブ１ＣＲと円盤状のケースリブ１ＡＲとは、それぞれの円形の先端面が互いに対向するように設けられる。図３、図４に示すように、面状窪み１ＣＤとバッファ用窪み１ＣＢとはケース傾斜面１ＣＳで接続される。
　（イオン交換膜）
　図４、図５に示すように、イオン交換膜３は、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に配置される。より具体的には、図６に示すように、イオン交換膜３は、陽極用表面材２ＡＳには接触し、陰極用表面材２ＣＳからは離間する。
　イオン交換膜３は、陽極２Ａの近傍で発生した水素イオン、不可避の金属イオン、水分子、酸素分子を通過させるが、カチオンを通過させないカチオン交換膜である。カチオン交換膜としては、例えば、デュポン社の商品名「ナフィオン（Ｒ）」などが挙げられる。イオン交換膜３の厚さは、０．０１～０．２ｍｍである。イオン交換膜３は、薄い平面状の形状を有する。
　イオン交換膜３は、パーフロロエチレンを主鎖として、スルホン酸基を有する側鎖を有するパーフロロスルホン酸と呼ばれるフッ素樹脂の共重合体である。具体的には、イオン交換膜３は、ポリフルオロエチレンースルホン酸である。なお、電気の通りやすさを表すイオン交換基の量「EW（equivalent weight，等価質量）」は約１０００である。図６、図７に示すように、イオン交換膜３の一方の主表面が、陽極用表面材２ＡＳの一方の主表面の全体に接触する。
　図５に示すように、イオン交換膜３の他方の主表面の一部が、互いに離間して設けられた複数のスペーサＳに接触する。図４、図５に示すように、イオン交換膜３の端部は、陽極２Ａおよび陰極２Ｃの外周縁から外方に延在する。イオン交換膜３の端部は、陽極ケース１Ａ側のパッキンＰおよび陰極ケース１Ｃ側のパッキンＰによって挟持される。
　（陽極用給電体＜チタン面材＞）
　図６、図７に示される陽極用給電体２ＡＦは、負の電荷を陽極用表面材２ＡＳから受け取る。陽極用給電体２ＡＦの厚さは０．５ｍｍである。陽極用給電体２ＡＦは、薄い平面状の形状を有する。
　陽極用給電体２ＡＦのイオン交換膜３に対向する主表面には、例えば、１ｍｍ間隔で、直径１ｍｍの貫通孔ＴＨＡが形成される。貫通孔ＴＨＡは、例えば、１ｎｍ～１ｍｍ程度の孔径を有すればよい。陽極用給電体２ＡＦの材質は、チタンと不可避の不純物とからなる。
　陽極用給電体２ＡＦの一方の主表面には、陽極用表面材２ＡＳが設けられる。本実施の形態では、貫通孔ＴＨＡの内周面の一部にも、陽極用表面材２ＡＳが設けられる。しかし貫通孔ＴＨＡの内周面の全体に、陽極用表面材２ＡＳが設けられてもよい。導電線２ＡＥ（図４参照）は、導電線挿入孔１ＡＬに挿入され、陽極用給電体２ＡＦの他方の主表面に電気的に接続される。
　図４～図６に示すように、ケースリブ１ＡＲは、陽極ケース１Ａの面状窪み１ＡＤから突出する。ケースリブ１ＡＲは、陽極用給電体２ＡＦの他方の主表面に当接する。
　（陽極用表面材＜ＰｔおよびＰｔ系金属ならびにその合金＞）
　陽極用表面材２ＡＳにおいて、「２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－」の反応が行われる。陽極用表面材２ＡＳの厚さは０．１μｍである。陽極用表面材２ＡＳは、薄い平面状の形状を有する。陽極用表面材２ＡＳは、その主表面に微細な凹凸（図示せず）を有し、かつ、微細で連続する多数の空隙（図示せず）を有する。
　陽極用表面材２ＡＳの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図６、図７に示すように、陽極用表面材２ＡＳは、陽極用給電体２ＡＦの一方の主表面の全体に接触するように設けられる。陽極ケース１Ａと陰極ケース１Ｃとが組み合わされると、陽極用表面材２ＡＳはイオン交換膜３に接触する。陽極用表面材２ＡＳは、陽極用給電体２ＡＦの全表面に形成されてもよい。
　（陰極用給電体＜チタン面材＞）
　陰極用給電体２ＣＦは、負の電荷を陰極用表面材２ＣＳ（図６参照）に供給する。陰極用給電体２ＣＦの厚さは０．５ｍｍである。陰極用給電体２ＣＦは、薄い平面状の形状を有する。陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する主表面に、直径１ｍｍの窪みＤが１ｍｍ間隔で形成される。
　イオン交換膜３に対向する主表面における、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤを含まない位置に、直径１ｍｍの貫通孔ＴＨＣが１ｍｍ間隔で形成される。窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのいずれかのみが陰極用給電体２ＣＦに設けられてもよい。貫通孔ＴＨＣは、１ｎｍ～1ｍｍ程度の孔径を有すればよい。陰極用給電体２ＣＦの材質は、チタンと不可避の不純物とを含む。
　図６、図７に示すように、陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面に、陰極用表面材２ＣＳが設けられる。窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの内周面の一部にも、陰極用表面材２ＣＳが形成される。貫通孔ＴＨＣの内周面の全体に、陰極用表面材２ＣＳが設けられてもよい。
　導電線２ＣＥ（図４参照）が、導電線挿入孔１ＣＬに挿入され、陰極用給電体２ＣＦの他方の主表面に接続される。陽極ケース１Ａと陰極ケース１Ｃとが組み合わされると、陰極用給電体２ＣＦの他方の主表面に、陰極ケース１Ｃの面状窪み１ＣＤから突出したケースリブ１ＣＲが当接する。
　（陰極用表面材＜ＰｔおよびＰｔ系金属ならびにその合金＞）
　陰極用表面材２ＣＳにおいて、「２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２」の反応が行われる。陰極用表面材２ＣＳの厚さは０．１～１μｍである。陰極用表面材２ＣＳは、薄い平面状の形状を有する。陰極用表面材２ＣＳは、その主表面に微細な凹凸（図示せず）を有し、かつ、微細で連続する空隙（図示せず）を多数有する。
　陰極用表面材２ＣＳの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図６、図７に示すように、陰極用表面材２ＣＳは、陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面の全体に接触するように形成され、陽極ケース１Ａと陰極ケース１Ｃとが組み合わされると、スペーサＳに接触する。陰極用表面材２ＣＳは、陰極用給電体２ＣＦの全表面に形成されてもよい。
　（スペーサ）
　図６に示すように、スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の陰極用通水路１０Ｂに設けられる。スペーサＳによって、イオン交換膜３の膨潤に起因するイオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとの接触を抑制することができる。このため、陰極用表面材２ＣＳの劣化を抑制することができる。その結果、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部位における電流集中の発生を抑制することができる。
　スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとの間には、水が流れる隙間Ｃが設けられる。隙間Ｃを通じて、陰極用表面材２ＣＳのスペーサＳによって覆われた部分にも水が流れ込む。このため、水に接触する陰極用表面材２ＣＳの面積の減少量を小さくすることができる。その結果、スペーサＳに起因する、陰極２Ｃで発生する水素の減少量を小さくすることができる。
　本実施の形態においては、スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳに対向する表面に形成された凹部が、隙間Ｃとして機能する。陰極用表面材２ＣＳの表面に形成された窪みＤも、隙間Ｃと同様に機能する。
　隙間Ｃは、スペーサＳまたは陰極用表面材２ＣＳに意図的に形成された凸凹ではなく、陰極用表面材２ＣＳまたはスペーサＳに自然に形成された凹凸でもよい。例えば、製造過程において陰極用表面材２ＣＳの主表面に自然に形成されたボイド（ＰｔおよびＰｔ系金属ならびにその合金のめっきのボイド）が、隙間Ｃと同様の機能を有してもよい。
　図６、図７に示すように、スペーサＳの長手方向が陰極用通水路１０Ｂの長手方向に沿って延在するように、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｂに配置される。このため、スペーサＳに起因する通水抵抗を小さくすることができる。
　スペーサＳの長手方向が陰極用表面材２ＣＳの長手方向に沿って延在するように、スペーサＳが陰極用表面材２ＣＳに接触する。このため、陰極用表面材２ＣＳの長手方向におけるイオン交換膜３のたわみを小さくすることができる。その結果、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との接触のおそれをさらに低減させることができる。
　陰極用給電体２ＣＦは、少なくともイオン交換膜３に対向する面に、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣを有する。窪みＤの内面および貫通孔ＴＨＣの内面の一部が、陰極用表面材２ＣＳによって覆われる。このため、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの位置では、水の流速が他の位置と比較して若干遅くなる。その結果、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの一部の位置で、水素をより多く発生させることができる。
　図６に示すように、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部分の面積が、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積よりも大きい。スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積を大きくすることができる。
　スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間に設けられ、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の距離、すなわち、陰極用通水路１０Ｂの幅を維持する。スペーサＳは、イオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳの部分的な接触を抑制することによって、接触箇所で生じる電流集中を回避する。
　スペーサＳは、台形状の断面を有する棒状部材である。スペーサＳの両端は、折り曲げ加工されて引掛り部（図２参照）となる。スペーサＳは、長方形状または円形状の断面を有する棒状部材でもよい。スペーサＳの材質は、比抵抗が通水、例えば水道水よりも大きい樹脂である。
　前述のように、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積が、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部分の面積よりも小さい。具体的には、スペーサＳのイオン交換膜３に接触する部位の幅は、例えば、３ｍｍである。スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳと接触する部位の幅は、例えば、２ｍｍである。
　このため、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｂに存在しても、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積はより大きくなる。
　陰極用表面材２ＣＳのスペーサＳに対向する部位には、窪みＤが形成される。スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳに対向する部位には、隙間Ｃが形成される。スペーサＳは、イオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとに挟まれる。この状態で、スペーサＳの両端の引掛り部（図２参照）が陰極ケース１Ｃに接触する。
　（陰極用通水路）
　図６、図７に示すように、陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃは、陰極２Ｃの二つの主表面にそれぞれ面するように設けられ、貫通孔ＴＨＣを経由して連通する。貫通孔ＴＨＣを経由して水が移動することにより、貫通孔ＴＨＣの近傍で乱流が生じる。この乱流により、陰極２Ｃの近傍で発生した水素がそこに留まって凝集するのを防止することができる。その結果、水への水素の溶解が促進される。
　図６に示すように、貫通孔ＴＨＣを通る流路の断面において、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂの断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃの断面積よりも小さい。
　このため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の水の流速Ｖ１が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の水の流速Ｖ２よりも大きい。その結果、貫通孔ＴＨＣを経由して陰極用通水路１０Ｂに水が流れ込み、発生した水素の水への溶解が促進される。
　貫通孔ＴＨＣを通る流路の断面において、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃの断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂの断面積よりも小さくてもよい。
　この場合、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の裏側の水の流速Ｖ２が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の水の流速Ｖ１よりも大きくなる。このため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂで発生した水素の一部が、貫通孔ＴＨＣを通過し、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃで水に接触する。
　その結果、陰極２Ｃの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。従って、この場合においても、水素の水への溶解を促進させることができる。
　陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する表面を覆う陰極用表面材２ＣＳとを含む。貫通孔ＴＨＣの内周面の一部または全部も、陰極用表面材２ＣＳによって覆われる。このため、貫通孔ＴＨＣの内部でも水素が発生する。その結果、陰極２Ｃの水素が発生する部分の面積を大きくすることができ、水素の発生量を増加させることができる。
　（電気分解用デバイスの組み立て）
　陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面上に、電解めっきによって陰極用表面材２ＣＳを析出させる。この際、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤの表面と貫通孔ＴＨＣの表面上にも、陰極用表面材２ＣＳを析出させる。陰極用表面材２ＣＳを、貫通孔ＴＨＣの一部または全部に析出させてもよい。
　電解めっきには、白金の塩化物もしくは錯体、または、白金系の金属の塩化物もしくは錯体を溶解した溶液を直接塗布した後に熱焼成を行って陰極用表面に析出させた場合も含まれる。
　陰極用給電体２ＣＦが、面状窪み１ＣＤに対して陰極用表面材２ＣＳを露出させるように設置される。導電線２ＣＥが、導電線挿入孔１ＣＬから陰極ケース１Ｃの内側面のさらに内側に挿入され、陰極用給電体２ＣＦに接続される。
　図３に示すように、三つのスペーサＳは、それらの長手方向が陰極２Ｃの長手方向に沿うように、陰極２Ｃの短手方向の両端部および中央に略等間隔に陰極２Ｃの上に配置される。
　スペーサＳの引掛り部は、陰極ケース１Ｃに接着剤によって固定される。スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部分の面積は、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積よりも大きい（図６参照）。
　パッキンＰがパッキン用窪み１ＡＰに挿入される。イオン交換膜３が陰極２Ｃの上に重ね合わされる。イオン交換膜３の周縁部は、パッキン用窪み１ＡＰよりも外側に位置する。
　陽極用給電体２ＡＦが、陽極用表面材２ＡＳを露出させるように、面状窪み１ＡＤに配置される。導電線２ＡＥが、導電線挿入孔１ＡＬから陽極ケース１Ａの内側面のさらに内側に挿入され、陽極用給電体２ＡＦに電気的に接続される。
　図４に示すように、パッキンＰがパッキン用窪み１ＡＰに挿入される。陽極用表面材２ＡＳがイオン交換膜３に向けられた状態で、陰極ケース１Ｃの内側面と陽極ケース１Ａの内側面とが重ね合わされる。円盤状のケースリブ１ＣＲと円盤状のケースリブ１ＡＲとは、ほぼ対向するように配置される。
　図１に示される状態で、図示されないビスおよびナットが、固定用孔１ＣＦおよび固定用孔１ＡＦに挿入されることによって、陰極ケース１Ｃと陽極ケース１Ａとが固定される。
　図４～図７に示すように、イオン交換膜３の外周の近傍がパッキンＰによって挟持される。イオン交換膜３の中心付近が、陽極用表面材２ＡＳとスペーサＳとによって支持される。イオン交換膜３は、陰極用表面材２ＣＳから離間して設けられる。
　（電解水生成装置への電気分解用デバイスの組み込み）
　電気分解用デバイス１が電解水生成装置に取り付けられる。入水用パイプが入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩに取り付けられる。出水用パイプが出水孔１ＡＯおよび出水孔１ＣＯに取り付けられる。
　出水孔１ＡＯ、１ＣＯは、入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩよりも高くなるように配置される。この状態で、スペーサＳの長手方向と陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃの長手方向とが同一である。外部導電線が、導電線２ＡＥ、２ＣＥに接続され、かつ、電源に接続される。
　（電気分解用デバイスにおける電気分解の動作）
　操作電源への通電により、電気分解用デバイス１の初期動作の確認が開始される。例えば、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に所定電圧を印加した際の電流値に基づいて、上記外部導電線の外れ、イオン交換膜３と陰極２Ｃとの不適切な接触、および、陰極用表面材２ＣＳの劣化などの有無が判断される。このテストにおいて異常が検出されると、異常の報知が行われるとともに電解水生成装置の動作が停止される。
　図４に示すように、水が電気分解用デバイス１の中へ流れ込んだ後、入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩから出水孔１ＡＯおよび出水孔１ＣＯに向かって流れ、電気分解用デバイス１の内部空間に充填される。
　図７に示すように、水は、貫通孔ＴＨＣを介して陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃを流れる。また、水は陽極用通水路１０Ａを流れる。
　この場合、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する主表面側を流れる水の流速Ｖ１（陰極用表面材２ＣＳの露出面側の流速）が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する主表面の裏側を流れる水の流速Ｖ２（陰極用給電体２ＣＦの露出面側の流速）よりも大きい。
　電気分解用デバイス１の電源がオンされると、電気分解によって主として、陰極用表面材２ＣＳのイオン交換膜３に対向する主表面で、水素が生成される。具体的には、水素は、貫通孔ＴＨＣ、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤに付着した陰極用表面材２ＣＳ、および、貫通孔ＴＨＣの内周面上に付着した陰極用表面材２ＣＳで生成される。
　以下、本実施の形態の電気分解用デバイス１の特徴的構成、および、それにより得られる効果を説明する。
　（１）電気分解用デバイス１は、陽極２Ａと陰極２Ｃとイオン交換膜３とスペーサＳとを備える。陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦの主表面を覆う陰極用表面材２ＣＳとを有する。イオン交換膜３は、陽極２Ａに接触し、かつ、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に陰極用表面材２ＣＳから離間して配置される。スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の陰極用通水路１０Ｂに設けられる。
　上記構成によれば、イオン交換膜３の膨潤に起因してイオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとが接触することを抑制することができる。その結果、陰極用表面材２ＣＳの劣化を抑制することができる。
　（２）スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとの間には、水が流れる隙間Ｃが設けられることが好ましい。この構成により、陰極用表面材２ＣＳの全表面のうちのスペーサＳによって覆われた領域の表面にも、隙間Ｃを通じて水が流れ込む。
　このため、陰極用表面材２ＣＳが水に接触する面積の、スペーサＳに起因する減少量を小さくすることができる。その結果、スペーサＳに起因した、陰極２Ｃで発生する水素の減少量を小さくすることができる。
　（３）スペーサＳの長手方向が陰極用通水路１０Ｂの長手方向に沿って延在するように、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｂに配置されることが好ましい。この構成により、スペーサＳに起因する通水抵抗を小さくすることができる。
　（４）スペーサＳの長手方向が陰極用表面材２ＣＳの長手方向に沿って延在するように、スペーサＳが陰極用表面材２ＣＳに接触することが好ましい。この構成により、陰極用表面材２ＣＳの長手方向におけるイオン交換膜３のたわみを小さくすることができる。このため、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との接触のおそれをさらに低減させることができる。
　（５）陰極用給電体２ＣＦは、少なくともイオン交換膜３に対向するその主表面に、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの少なくともいずれかを有することが好ましい。窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの少なくともいずれかの内面の少なくとも一部が、陰極用表面材２ＣＳによって覆われていることが好ましい。
　この構成により、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの少なくともいずれかの位置では、水の流速が他の位置より遅くなる。このため、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの少なくともいずれかの位置で、水素をより多く発生させることができる。
　（６）スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積が、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部分の面積よりも小さいことが好ましい。スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積を大きくすることができる。
　（７）電気分解用デバイス１は、陽極２Ａと陰極２Ｃとイオン交換膜３と陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃとを備える。陰極２Ｃは、陽極２Ａに向かって延在する貫通孔ＴＨＣを有する。イオン交換膜３は、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に配置される。陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃは、陰極２Ｃの両側に設けられ、貫通孔ＴＨＣを経由して連通する。
　貫通孔ＴＨＣを経由して水が陰極用通水路１０Ｂ、１０Ｃの間を移動することにより、貫通孔ＴＨＣの近傍で乱流が生じる。この乱流により、陰極２Ｃの近傍で発生した水素がそこに留まって凝集するのを抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解が促進される。
　（８）陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂの流路断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃの流路断面積よりも小さくてもよい。
　この構成により、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する陰極用通水路１０Ｂの表面側を流れる水の流速Ｖ１が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃを流れる水の流速Ｖ２よりも大きい。
　このため、イオン交換膜３に面する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃから貫通孔ＴＨＣを経由してイオン交換膜３に面する表面側の陰極用通水路１０Ｂへ水が流れ込む。これにより、発生した水素の水への溶解が促進される。
　（９）陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃの流路断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂの流路断面積よりも小さくてもよい。
　この構成により、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃを流れる水の流速Ｖ２が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｂを流れる水の流速Ｖ１よりも大きい。
　このため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｂで発生した水素の一部が、貫通孔ＴＨＣを通過し、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃで水に接触する。このため、陰極２Ｃの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解を促進させることができる。
　（１０）陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する主表面を覆う陰極用表面材２ＣＳとを含んでいてもよい。貫通孔ＴＨＣの内周面の少なくとも一部も、陰極用表面材２ＣＳによって覆われることが好ましい。この構成により、貫通孔ＴＨＣの内部でも水素が発生する。このため、陰極２Ｃの水素が発生する部分の面積を大きくすることができる。
　１　電気分解用デバイス
　１Ａ　陽極ケース
　１ＡＢ、１ＣＢ　バッファ用窪み
　１ＡＣ、１ＣＣ　ケース凹部
　１ＡＤ、１ＣＤ　面状窪み
　１ＡＦ、１ＣＦ　固定用孔
　１ＡＩ、１ＣＩ　入水孔
　１ＡＬ、１ＣＬ　導電線挿入孔
　１ＡＯ、１ＣＯ　出水孔
　１ＡＰ、１ＣＰ　パッキン用窪み
　１ＡＲ、１ＣＲ　ケースリブ
　１ＡＳ、１ＣＳ　ケース傾斜面
　１Ｃ　陰極ケース
　２Ａ　陽極
　２ＡＥ、２ＣＥ　導電線
　２ＡＦ　陽極用給電体
　２ＡＳ　陽極用表面材
　２Ｃ　陰極
　２ＣＦ　陰極用給電体
　２ＣＳ　陰極用表面材
　３　イオン交換膜
　１０Ａ　陽極用通水路
　１０Ｂ、１０Ｃ　陰極用通水路
　Ｃ　隙間
　Ｄ　窪み
　Ｐ　パッキン
　Ｓ　スペーサ
　ＴＨＡ、ＴＨＣ　貫通孔
　Ｖ１、Ｖ２　水の流速

Claims (10)

  1. 　陽極と、
    　陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する陰極と、
    　前記陽極に接触し、かつ、前記陽極と前記陰極との間に前記陰極用表面材から離間して配置されたイオン交換膜と、
    　前記陰極用表面材と前記イオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられたスペーサと、を備えた、電気分解用デバイス。
  2. 　前記スペーサと前記陰極用表面材との間には、水が流れる隙間が設けられた、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
  3. 　前記スペーサの長手方向が前記陰極用通水路の長手方向に沿って延在するように、前記スペーサが前記陰極用通水路に配置された、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
  4. 　前記スペーサの長手方向が前記陰極用表面材の長手方向に沿って延在するように、前記スペーサが前記陰極用表面材に接触する、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
  5. 　前記陰極用給電体が、少なくとも前記イオン交換膜に対向する主表面に窪みおよび貫通孔の少なくともいずれかを有し、
    　前記窪みおよび前記貫通孔の少なくともいずれかの内面の少なくとも一部が、前記陰極用表面材により覆われる、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
  6. 　前記スペーサと前記陰極用表面材とが接触する部分の面積が、前記スペーサと前記イオン交換膜とが接触する部分の面積よりも小さい、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
  7. 　陽極と、
    　前記陽極に向かって延在する貫通孔を有する陰極と、
    　前記陽極と前記陰極との間に配置されたイオン交換膜と、
    　前記陰極の両側に設けられ、前記貫通孔を経由して連通する二つの陰極用通水路と、を備えた、電気分解用デバイス。
  8. 　前記二つの陰極用通水路のうちの、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積が、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい、請求項７に記載の電気分解用デバイス。
  9. 　前記二つの陰極用通水路のうちの、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積が、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい、請求項７に記載の電気分解用デバイス。
  10. 　前記陰極が、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の前記イオン交換膜に対向する主表面を覆う陰極用表面材とを含み、
    　前記貫通孔の内周面の少なくとも一部も前記陰極用表面材により覆われる、請求項８に記載の電気分解用デバイス。
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