WO2023234335A1 - 電解セルおよび電解装置 - Google Patents

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WO2023234335A1
WO2023234335A1 PCT/JP2023/020234 JP2023020234W WO2023234335A1 WO 2023234335 A1 WO2023234335 A1 WO 2023234335A1 JP 2023020234 W JP2023020234 W JP 2023020234W WO 2023234335 A1 WO2023234335 A1 WO 2023234335A1
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anode
cathode
separator
catalyst layer
exchange membrane
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PCT/JP2023/020234
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French (fr)
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大輔 向井
直人 田上
貴洋 祐延
崇仁 三好
英彦 田島
翔一 古川
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • Patent Document 1 discloses a membrane electrode assembly used in PEM (Polymer Electrolyte Membrane) type water electrolysis.
  • the first gas diffusion layer disposed on the front side of the ion-conducting membrane has a smaller area than the ion-conducting membrane;
  • the second gas diffusion layer disposed on the back side of the ion conductive membrane has the same area as the ion conductive membrane (semi-coextensive design).
  • the anode deteriorates more rapidly than the cathode, and as a result, the performance of the electrolytic cell may deteriorate.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide an electrolytic cell and an electrolytic device that can improve performance.
  • an electrolytic cell includes a first separator, a second separator, and is arranged between the first separator and the second separator, and has hydroxide ion conductivity.
  • An ion exchange membrane that is an anion exchange membrane, a cathode disposed between the first separator and the ion exchange membrane, and an anode disposed between the second separator and the ion exchange membrane. .
  • the area of the anode is larger than the area of the cathode.
  • an electrolytic device includes an electrolytic cell, an electrolytic solution supply section that supplies an electrolytic solution to the electrolytic cell, and a power supply section that applies a voltage to the electrolytic cell.
  • the electrolytic cell includes a first separator, a second separator, an ion exchange membrane that is an anion exchange membrane having hydroxide ion conductivity and is disposed between the first separator and the second separator, and the A cathode is provided between the first separator and the ion exchange membrane, and an anode is provided between the second separator and the ion exchange membrane.
  • the area of the anode is larger than the area of the cathode.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of an electrolysis device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electrolytic cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrolytic cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the electrolytic cell according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the electrolytic cell according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a table showing the results of examining the state of deterioration of the anode after a predetermined time has elapsed in a plurality of electrolytic cell test specimens using the electro
  • opposite means that two members overlap when viewed in a certain direction, and may also include the presence of another member (for example, another layer) between the two members. .
  • the Z direction is a direction from a first separator 41 to a second separator 42, which will be described later.
  • the X direction is a direction that intersects (for example, is perpendicular to) the Z direction, and is a direction from a central portion C of the ion exchange membrane 51 to one end of the ion exchange membrane 51, which will be described later.
  • the Y direction is a direction that intersects (for example, is orthogonal to) the Z direction and the X direction, and is, for example, the depth direction of the paper plane in FIG. 4 .
  • area means the area when viewed in the Z direction (that is, the area extending in the X direction and the Y direction).
  • outer size means the outer size when viewed in the Z direction. That is, “external size” and “area” may mean substantially the same thing, and may be read as interchangeable with each other as appropriate.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of an electrolysis device 1 according to the first embodiment.
  • the electrolysis device 1 is, for example, a device that generates hydrogen by electrolyzing water contained in an electrolytic solution.
  • the electrolyzer 1 is, for example, an anion exchange membrane (AEM) type electrolyzer.
  • AEM anion exchange membrane
  • the electrolytic device 1 is not limited to the above example, and may be a different type of electrolytic device such as a device that electrolytically reduces carbon dioxide.
  • the electrolyzer 1 includes, for example, an electrolytic cell stack 10, an electrolyte supply section 20, and a power supply section 30.
  • the electrolytic cell stack 10 is an assembly of a plurality of electrolytic cells 11.
  • the electrolytic cell stack 10 is formed by arranging a plurality of electrolytic cells 11 in one direction.
  • Each electrolytic cell 11 includes a cathode chamber Sa and an anode chamber Sb. The electrolytic cell 11 will be described in detail later.
  • the electrolytic solution supply section 20 is a supply section that supplies an electrolytic solution to each electrolytic cell 11.
  • the electrolytic solution is, for example, pure water or an alkaline aqueous solution.
  • the electrolyte supply section 20 includes a cathode side supply section 20a and an anode side supply section 20b.
  • the cathode side supply section 20a is a supply section that supplies the electrolyte to the cathode chamber Sa of each electrolytic cell 11.
  • the cathode side supply section 20a includes, for example, a hydrogen gas-liquid separator 21, a first pump 22, a hydrogen recovery section 23, a first electrolyte supply section 24, and piping lines L1 and L2.
  • the hydrogen gas-liquid separator 21 stores electrolyte.
  • a supply port of the hydrogen gas-liquid separator 21 is connected to the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11 via a piping line L1.
  • the first pump 22 is provided in the middle of the piping line L1 and sends the electrolytic solution stored in the hydrogen gas-liquid separator 21 toward the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11.
  • the return port of the hydrogen gas-liquid separator 21 is connected to the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11 via a piping line L2.
  • An electrolytic solution containing hydrogen generated in the electrolytic cell 11 flows into the hydrogen gas-liquid separator 21 from the electrolytic cell 11 .
  • the hydrogen gas-liquid separator 21 has a gas-liquid separation section that separates hydrogen contained in the electrolyte. Hydrogen separated from the electrolyte by the hydrogen gas-liquid separator 21 is recovered by the hydrogen recovery section 23.
  • the hydrogen gas-liquid separator 21 is replenished with electrolyte from the first electrolyte supply section 24 .
  • the anode side supply section 20b is a supply section that supplies the electrolyte to the anode chamber Sb of each electrolytic cell 11.
  • the anode side supply section 20b includes, for example, an oxygen gas-liquid separator 26, a second pump 27, an oxygen recovery section 28, a second electrolyte supply section 29, and piping lines L3 and L4.
  • the oxygen gas-liquid separator 26 stores electrolyte.
  • a supply port of the oxygen gas-liquid separator 26 is connected to the anode chamber Sb of the electrolytic cell 11 via a piping line L3.
  • the second pump 27 is provided in the middle of the piping line L3 and sends the electrolytic solution stored in the oxygen gas-liquid separator 26 toward the anode chamber Sb of the electrolytic cell 11.
  • the return port of the oxygen gas-liquid separator 26 is connected to the anode chamber Sb of the electrolytic cell 11 via a piping line L4.
  • An electrolytic solution containing oxygen generated in the electrolytic cell 11 flows into the oxygen gas-liquid separator 26 from the electrolytic cell 11 .
  • the oxygen gas-liquid separator 26 has a gas-liquid separation section that separates oxygen contained in the electrolyte. Oxygen separated from the electrolyte by the oxygen gas-liquid separator 26 is recovered by the oxygen recovery section 28.
  • the oxygen gas-liquid separator 26 is replenished with electrolyte from the second electrolyte supply section 29 .
  • the power supply section 30 is a DC power supply device that applies voltage to the electrolytic cell 11.
  • the power supply section 30 applies a DC voltage necessary for electrolysis of the electrolytic solution between the anode and the cathode of the electrolytic cell 11.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the electrolytic cell 11.
  • the electrolytic cell 11 includes, for example, a first separator 41, a second separator 42, and a membrane electrode assembly 43.
  • the first separator 41 is a member that defines one surface of the internal space S of the electrolytic cell 11.
  • the internal space S is a space including a cathode chamber Sa and an anode chamber Sb, which will be described later.
  • the first separator 41 has a rectangular plate shape, for example, and is made of a metal member. For example, a negative voltage is applied to the first separator 41 from the power supply unit 30 via a first current collector 61 (see FIG. 3), which will be described later.
  • the first separator 41 has a first end 41e1 (for example, a lower end) and a second end 41e2 (for example, an upper end) located on the opposite side of the first end 41e1.
  • the above-mentioned piping line L1 is connected to the first end 41e1 of the first separator 41.
  • the above-mentioned piping line L2 is connected to the second end portion 41e2 of the first separator 41.
  • the first separator 41 has a first inner surface 41a facing a cathode chamber Sa, which will be described later.
  • a first flow path FP1 is formed in the first inner surface 41a, through which the electrolytic solution supplied from the piping line L1 flows.
  • the first flow path FP1 is, for example, a groove provided in the first inner surface 41a.
  • the electrolytic solution that has flowed through the first flow path FP1 is discharged to the outside of the electrolytic cell 11 through the piping line L2.
  • each structure for example, a flow path structure, etc.
  • FIG. 2 is merely an example, and does not limit the content of this embodiment.
  • various structures can be used for the channel structure depending on the size, purpose, and usage environment of the device. This also applies to each structure shown in other figures.
  • the second separator 42 is a member that is arranged with an internal space S between it and at least a portion of the first separator 41, and defines the other surface of the internal space S.
  • the second separator 42 has a rectangular plate shape, for example, and is made of a metal member.
  • a positive voltage is applied to the second separator 42 from the power supply unit 30 via a second current collector 62 (see FIG. 3), which will be described later.
  • the first separator 41 and the second separator 42 included in the same electrolytic cell 11 form the electrolytic bath 40 of the electrolytic cell 11 as a pair of separators.
  • the second separator 42 has a first end 42e1 (for example, a lower end) and a second end 42e2 (for example, an upper end) located on the opposite side of the first end 42e1.
  • the above-mentioned piping line L3 is connected to the first end 42e1 of the second separator 42.
  • the above-mentioned piping line L4 is connected to the second end portion 42e2 of the second separator 42.
  • the second separator 42 has a second inner surface 42a facing an anode chamber Sb, which will be described later.
  • a second flow path FP2 through which the electrolytic solution supplied from the piping line L3 flows is formed in the second inner surface 42a.
  • the second flow path FP2 is, for example, a groove provided in the second inner surface 42a.
  • the electrolytic solution that has flowed through the second flow path FP2 is discharged to the outside of the electrolytic cell 11 through the piping line L4.
  • the first inner surface 41a of the first separator 41 has a channel groove (first channel FP1)
  • the second inner surface 42a of the second separator 42 has a channel groove (first channel FP1).
  • a configuration having two flow paths FP2) is described.
  • the first separator 41 of the electrolytic cell 11 included in the electrolytic cell stack 10 has a similar flow path on the surface 41b opposite to the first inner surface 41a in addition to the first inner surface 41a.
  • a bipolar plate having a groove first flow path FP1, shown by a two-dot chain line in FIG. 2 may be used.
  • the second separator 42 of the electrolytic cell 11 included in the electrolytic cell stack 10 has a similar channel groove (a second flow channel A bipolar plate having a path FP2 (indicated by a two-dot chain line in FIG. 2) may also be used.
  • a second flow channel A bipolar plate having a path FP2 (indicated by a two-dot chain line in FIG. 2) may also be used.
  • the flow channel grooves provided on both sides of the first separator 41 may have different shapes and arrangements.
  • the flow path grooves provided on both sides of the second separator 42 may have different shapes and arrangements.
  • the membrane electrode assembly (MEA) 43 is a structure in which an ion exchange membrane, a catalyst, and a power supply are assembled.
  • the membrane electrode assembly 43 is arranged between the first separator 41 and the second separator 42, and is located in the internal space S.
  • the membrane electrode assembly 43 includes, for example, an ion exchange membrane 51, a cathode catalyst layer 52, a cathode power supply 53, an anode catalyst layer 54, and an anode power supply 55.
  • the ion exchange membrane 51 is a membrane that selectively permeates ions.
  • the ion exchange membrane 51 is, for example, a solid polymer electrolyte membrane.
  • the ion exchange membrane 51 is, for example, an anion exchange membrane (AEM) having hydroxide ion conductivity.
  • AEM anion exchange membrane
  • the ion exchange membrane 51 is not limited to the above example, and may be an ion exchange membrane of a different type from the above example.
  • the ion exchange membrane 51 is, for example, in the shape of a rectangular sheet.
  • the outer size of the ion exchange membrane 51 is smaller than the outer size of the first separator 41 or the second separator 42 .
  • the ion exchange membrane 51 is disposed between the first separator 41 and the second separator 42, and is located in the internal space S described above.
  • the ion exchange membrane 51 has a first surface 51a facing the first inner surface 41a of the first separator 41, and a second surface 51a opposite to the first surface 51a and facing the second inner surface 42a of the second separator 42. It has a surface 51b.
  • a cathode chamber Sa is defined between the first surface 51a of the ion exchange membrane 51 and the first inner surface 41a of the first separator 41.
  • an anode chamber Sb is defined between the second surface 51b of the ion exchange membrane 51 and the second inner surface 42a of the second separator 42.
  • the cathode catalyst layer 52 is a layer that promotes the chemical reaction in the cathode chamber Sa described above.
  • the cathode catalyst layer 52 is, for example, in the shape of a rectangular sheet.
  • the external size of the cathode catalyst layer 52 is smaller than the external size of the ion exchange membrane 51.
  • the cathode catalyst layer 52 is arranged in the cathode chamber Sa, and is adjacent to the ion exchange membrane 51. Note that in this application, "adjacent” is not limited to the case where two members are adjacent to each other independently, but may also include the case where at least a part of one of the two members enters the other member.
  • a portion of the cathode catalyst layer 52 may enter the surface of the ion exchange membrane 51.
  • the cathode catalyst layer 52 is provided on the first surface 51a of the ion exchange membrane 51.
  • the cathode catalyst layer 52 is formed by applying the material of the cathode catalyst layer 52 to the first surface 51a of the ion exchange membrane 51.
  • a negative voltage is applied to the cathode catalyst layer 52 from the power supply section 30 via the first separator 41 and the cathode power supply body 53, and the cathode catalyst layer 52 functions as a part of the cathode 47 of the electrolytic cell 11.
  • the material for the cathode catalyst layer 52 may be any material that promotes the chemical reaction in the cathode chamber Sa described above, and various materials can be used.
  • the cathode catalyst layer 52 includes one or more of nickel, nickel alloy, cerium oxide, lanthanum oxide, or platinum.
  • XX oxide may contain another material other than XX and oxygen.
  • the cathode catalyst layer 52 may contain another material such as carbon in addition to the above-mentioned materials.
  • XX is any material.
  • the cathode power supply body 53 is an electrical connection part that transmits the voltage applied to the first separator 41 to the cathode catalyst layer 52.
  • the cathode power supply body 53 is arranged in the cathode chamber Sa.
  • the cathode power supply body 53 is located between the first inner surface 41a of the first separator 41 and the cathode catalyst layer 52, and is in contact with the first inner surface 41a of the first separator 41 and the cathode catalyst layer 52, respectively. Note that at least a portion of the cathode power supply body 53 may overlap at least a portion of at least one of the first separator 41 and the cathode catalyst layer 52.
  • the cathode power supply body 53 has a structure through which an electrolytic solution and gas can pass.
  • the cathode power supply body 53 is formed of, for example, a metal mesh structure, a sintered body, a fiber, or the like.
  • the external size of the cathode power supply body 53 is the same as the external size of the cathode catalyst layer 52.
  • the cathode 47 of the electrolytic cell 11 is formed by the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply body 53.
  • the anode catalyst layer 54 is a layer that promotes the chemical reaction in the anode chamber Sb described above.
  • the anode catalyst layer 54 is, for example, in the shape of a rectangular sheet.
  • the external size of the anode catalyst layer 54 is smaller than the external size of the ion exchange membrane 51.
  • the anode catalyst layer 54 is arranged in the anode chamber Sb and is adjacent to the ion exchange membrane 51. Note that, for example, a portion of the anode catalyst layer 54 may enter the surface portion of the ion exchange membrane 51.
  • the anode catalyst layer 54 is provided on the second surface 51b of the ion exchange membrane 51.
  • the anode catalyst layer 54 is formed by applying the material of the anode catalyst layer 54 to the second surface 51b of the ion exchange membrane 51.
  • a positive voltage is applied to the anode catalyst layer 54 from the power supply section 30 via the second separator 42 and the anode power supply body 55, and the anode catalyst layer 54 functions as a part of the anode 48 of the electrolytic cell 11.
  • the material for the anode catalyst layer 54 may be any material that promotes the chemical reaction in the anode chamber Sb, and various materials can be used.
  • the anode catalyst layer 54 includes one or more of nickel, nickel alloy, nickel oxide, copper oxide, iridium oxide, niobium oxide, lead oxide, or bismuth oxide.
  • XX oxide may include another material other than XX and oxygen.
  • nickel oxide may include other materials such as iron and cobalt in addition to nickel and oxygen.
  • copper oxide may contain other materials such as cobalt in addition to copper and oxygen.
  • Iridium oxide may include other materials in addition to iridium and oxygen, such as ruthenium.
  • Lead oxide may include other materials in addition to lead and oxygen, such as ruthenium.
  • Bismuth oxide may include other materials in addition to bismuth and oxygen, such as ruthenium.
  • the anode power supply body 55 is an electrical connection part that transmits the voltage applied to the second separator 42 to the anode catalyst layer 54.
  • the anode power supply body 55 is arranged in the anode chamber Sb.
  • the anode power supply body 55 is located between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the anode catalyst layer 54, and is in contact with the second inner surface 42a of the second separator 42 and the anode catalyst layer 54, respectively. Note that at least a portion of the anode power supply body 55 may overlap with at least a portion of at least one of the second separator 42 and the anode catalyst layer 54.
  • the anode power supply body 55 has a structure through which an electrolytic solution and gas can pass.
  • the anode power supply body 55 is formed of, for example, a metal mesh structure, a sintered body, a fiber, or the like.
  • the external size of the anode power supply body 55 is the same as the external size of the anode catalyst layer 54.
  • the anode 48 of the electrolytic cell 11 is formed by the anode catalyst layer 54 and the anode power supply body 55.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the electrolytic cell 11.
  • the electrolytic cell 11 includes, for example, a first current collector 61, a second current collector 62, a first insulator 63, a second insulator 64, a first insulator 65, and a second insulator 66. , a first end plate 67, and a second end plate 68. Note that in FIG. 3, for convenience of explanation, illustrations of a support portion 70 and a sealing portion 80, which will be described later, are omitted.
  • the first current collector 61 is an electrical connection part that transmits a negative voltage applied from the power supply section 30 to the first separator 41.
  • the first current collector 61 is a metal plate member (for example, a copper plate).
  • the first current collector 61 contacts the first separator 41 from the side opposite to the internal space S of the electrolytic cell 11 and is electrically connected to the first separator 41 .
  • a negative voltage necessary for electrolysis in the electrolytic cell 11 is applied to the first current collector 61 from the power supply section 30 .
  • the first current collector 61 may be shared by two electrolytic cells 11 adjacent to each other in the electrolytic cell stack 10.
  • the second current collector 62 is an electrical connection section that transmits the positive voltage applied from the power supply section 30 to the second separator 42 .
  • the second current collector 62 is a metal plate member (for example, a copper plate).
  • the second current collector 62 contacts the second separator 42 from the side opposite to the internal space S of the electrolytic cell 11 and is electrically connected to the second separator 42 .
  • a positive voltage necessary for electrolysis in the electrolytic cell 11 is applied to the second current collector 62 from the power supply section 30 .
  • the second current collector 62 may be shared by two electrolytic cells 11 adjacent to each other in the electrolytic cell stack 10.
  • the first insulator 63 is a member that insulates between the outer circumference of the first separator 41 and the outer circumference of the second separator 42 .
  • the first insulator 63 is a frame-shaped sheet member that is slightly larger than the outer shape of the cathode catalyst layer 52 and the outer shape of the cathode power supply body 53 .
  • the first insulator 63 is attached to the first inner surface 41a of the first separator 41 and covers the end of the first inner surface 41a.
  • the material of the first insulator 63 is not particularly limited as long as it is an insulating material, and is, for example, a sheet-shaped resin such as PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the second insulator 64 is a member that insulates between the outer circumference of the first separator 41 and the outer circumference of the second separator 42.
  • the second insulator 64 is a frame-shaped sheet member that is slightly larger than the outer shape of the anode catalyst layer 54 and the outer shape of the anode power supply body 55 .
  • the second insulator 64 is attached to the second inner surface 42a of the second separator 42 and covers the end of the second inner surface 42a.
  • the material of the second insulator 64 is not particularly limited as long as it is an insulating material, and is, for example, a sheet-shaped resin such as PTFE.
  • the first insulator 63 and the second insulator 64 can also be used as an integrated insulator.
  • the first insulating material 65 is located between the first current collector 61 and the first end plate 67.
  • the outer size of the first insulating material 65 is, for example, the same as the outer size of the first current collector 61 or larger than the outer size of the first current collector 61.
  • the second insulating material 66 is located between the second current collector 62 and the second end plate 68.
  • the external size of the second insulating material 66 is, for example, the same as the external size of the second current collector 62 or larger than the external size of the second current collector 62.
  • the first end plate 67 is located on the opposite side of the first insulating material 65 with respect to the internal space S of the electrolytic cell 11 .
  • the outer size of the first end plate 67 is larger than the outer size of the first insulating material 65, for example.
  • the second end plate 68 is located on the opposite side of the second insulating material 66 with respect to the internal space S of the electrolytic cell 11 .
  • the outer size of the second end plate 68 is larger than the outer size of the second insulating material 66, for example.
  • the electrolytic cell 11 is not limited to the configuration described above.
  • two adjacent electrolytic cells 11 among the plurality of electrolytic cells 11 are separated by a first separator 41 or a second separator 42, each of which is a bipolar plate.
  • a current collector first current collector 61 or second current collector 62
  • an insulator first insulator 63 or second insulator 64
  • the insulating material the first insulating material 65 or the second insulating material 66
  • the end plate the first end plate 67 or the second end plate 68
  • FIG. 4 is a sectional view showing the electrolytic cell 11.
  • the external size of the ion exchange membrane 51 is larger than each of the external sizes of the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply body 53.
  • the area of the ion exchange membrane 51 is larger than each of the area of the cathode catalyst layer 52 and the area of the cathode power supply body 53.
  • the ion exchange membrane 51 is located outside (outer circumferential side) of the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply body 53 in a direction (for example, the X direction or the Y direction) perpendicular to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43. It stands out.
  • “outside” or “outer peripheral side” refers to the central portion C of the ion exchange membrane 51 in a direction (for example, the X direction or the Y direction) orthogonal to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43. It means the side away from.
  • the external size of the ion exchange membrane 51 is larger than each of the external sizes of the anode catalyst layer 54 and the anode power supply body 55.
  • the area of the ion exchange membrane 51 is larger than each of the area of the anode catalyst layer 54 and the area of the anode power supply body 55.
  • the ion exchange membrane 51 protrudes toward the outer periphery of the anode catalyst layer 54 and the anode power supply body 55 in a direction (for example, the X direction or the Y direction) perpendicular to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43. There is.
  • the electrolytic cell 11 includes, for example, a support portion 70 and a sealing portion 80.
  • the support part 70 is a member that supports the membrane electrode assembly 43 inside the electrolytic cell 11.
  • the sealing part 80 is a member that closes the internal space S between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the support part 70 is arranged between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the support portion 70 is located inside (on the inner peripheral side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51 and supports the ion exchange membrane 51.
  • the "outer edge” refers to the edge remote from the center C of the ion exchange membrane 51 in a direction (for example, the X direction or the Y direction) orthogonal to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43. means part.
  • “inside” or “inner peripheral side” means the inside (the side closer to the center C) of the ion exchange membrane 51 when viewed from the center C.
  • the support section 70 includes, for example, a first support section 71 and a second support section 72.
  • the first support section 71 is a support section on the cathode side.
  • the first support portion 71 is arranged between the first inner surface 41a of the first separator 41 and the first surface 51a of the ion exchange membrane 51.
  • the first support portion 71 is located inside (on the inner peripheral side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the first support portion 71 connects the first inner surface 41a (or first insulator 63) of the first separator 41 and the first inner surface 41a of the ion exchange membrane 51 at a position outside (outer circumferential side) of the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply body 53.
  • the ion exchange membrane 51 is supported against the first inner surface 41a of the first separator 41.
  • the first support portion 71 has an annular shape (for example, a frame shape) along the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51, and is formed in an annular shape that is one size smaller than the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the second support portion 72 is a support portion on the anode side.
  • the second support portion 72 is arranged between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the second surface 51b of the ion exchange membrane 51.
  • the second support portion 72 is located inside (on the inner peripheral side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the second support portion 72 is sandwiched between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the second surface 51b of the ion exchange membrane 51 at a position outside (outer circumference side) of the anode catalyst layer 54 and the anode power supply body 55.
  • the ion exchange membrane 51 is supported against the second inner surface 42a of the second separator 42.
  • the second support portion 72 has an annular shape (for example, a frame shape) along the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51, and is formed in an annular shape that is one size smaller than the outer edge 52e of the ion exchange membrane 51.
  • the sealing part 80 is arranged between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the sealing portion 80 is located outside (on the outer peripheral side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51 and seals the internal space S of the electrolytic cell 11.
  • the sealing section 80 includes a first sealing section 81 and a second sealing section 82 .
  • the first sealing part 81 and the second sealing part 82 may be formed integrally. That is, the first sealing part 81 and the second sealing part 82 may be one member.
  • the sealing part 80 may be formed integrally with at least one of the first insulator 63 and the second insulator 64 described above.
  • the first sealing part 81 is a sealing part on the cathode side.
  • the first sealing portion 81 is located outside (on the outer peripheral side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the first sealing part 81 is sandwiched between the first inner surface 41a of the first separator 41 and the second sealing part 82, and seals a part of the outer peripheral side of the internal space S.
  • the first sealing part 81 is annular (for example, frame-shaped) along the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51, and is formed in an annular shape that is one size larger than the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the second sealing part 82 is a sealing part on the anode side.
  • the second sealing portion 82 is located outside the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the second sealing part 82 is sandwiched between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the first sealing part 81, and seals a part of the outer peripheral side of the internal space S.
  • the second sealing portion 82 is annular (for example, frame-shaped) along the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51, and is formed in an annular shape that is one size larger than the outer edge 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the area ratio of the cathode and the anode will be explained.
  • the area of the anode 48 is larger than the area of the cathode 47.
  • the area of the anode catalyst layer 54 is larger than the area of the cathode catalyst layer 52.
  • the area of the anode power supply body 55 is larger than the area of the cathode power supply body 53.
  • the area ratio of the anode 48 to the cathode 47 is greater than 1.0 and less than or equal to 2.0. From another perspective, in this embodiment, the area ratio of the anode 48 to the cathode 47 is such that the rate of increase in the overvoltage of the anode 48 as deterioration progresses is less than twice (more preferably is set to be less than 1.5 times). These contents will be explained in detail below.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the action of the electrolytic cell 11.
  • FIG. 5 is a diagram showing test results of current-voltage characteristics in an electrolytic cell of a comparative example in which the area of the anode and the area of the cathode are the same.
  • cycle means a predetermined period of time set in advance. As shown in FIG. 5, it can be seen that in the electrolytic cell of the comparative example, the overvoltage increases as the number of cycles increases (that is, as the usage time increases).
  • FIG. 6 is another diagram for explaining the action of the electrolytic cell 11.
  • FIG. 6 is a diagram showing the test results of the relationship between the number of cycles and the reaction resistance of the electrode in the comparative example.
  • the reaction resistance at the anode 48 has a larger absolute value than the reaction resistance at the cathode 47.
  • the rate of increase in the reaction resistance at the anode 48 as the deterioration progresses is greater than the rate of increase in the reaction resistance at the cathode 47 as the deterioration progresses.
  • the rate of increase in reaction resistance at the anode 48 is more than twice the rate of increase in reaction resistance at the cathode 47. This is because an oxidation reaction occurs in the anode 48, so that the deterioration of the anode 48 is greater than the deterioration of the cathode 47.
  • the area of the anode 48 is formed larger than the area of the cathode 47. According to such a configuration, the oxidation reaction at the anode 48 can be dispersed over a wide area of the anode 48. Thereby, compared to the above comparative example, it is possible to suppress the deterioration of the anode 48 from being greater than that of the cathode 47. If it is possible to suppress the deterioration of the anode 48 from being greater than that of the cathode 47, it is possible to suppress an increase in overvoltage, and it is possible to improve the performance and life of the electrolytic cell 11A.
  • the anode catalyst layer 54 is larger than the cathode catalyst layer 52, the ends of each catalyst layer where the current density becomes higher are located offset from each other. As a result, deterioration is less likely to occur at the ends of each catalyst layer. Also from this point of view, it is possible to suppress an increase in overvoltage, and it is possible to improve the performance and life of the electrolytic cell 11.
  • the test results of the relationship between the number of cycles and the reaction resistance at the electrode in the comparative example show that the rate of increase in the reaction resistance at the anode 48 is more than twice that of the reaction resistance at the cathode 47. It is.
  • the area ratio of the anode 48 to the cathode 47 is set based on the rate of increase in reaction resistance at the anode 48 and the rate of increase in reaction resistance at the cathode 47.
  • the area ratio of the anode 48 to the cathode 47 is such that the difference between the rate of increase in reaction resistance at the anode 48 and the rate of increase in the reaction resistance at the cathode 47 is equal to or less than a predetermined standard (for example, less than 2 times, more preferably less than 1.5 times). ) is adjusted and determined.
  • a predetermined standard for example, less than 2 times, more preferably less than 1.5 times.
  • the amount of catalyst supported on the anode catalyst layer 54 is one or more times the amount of catalyst supported on the cathode catalyst layer 52.
  • the "catalyst supported amount” in the present disclosure means the weight of the catalyst per unit area [mg/cm 2 ].
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the thickness of the anode catalyst layer 54 is greater than the thickness of the cathode catalyst layer 52. Note that the configuration other than those described below is the same as the configuration of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell 11A of the second embodiment.
  • the area of the anode catalyst layer 54 is larger than the area of the cathode catalyst layer 52, and the thickness of the anode catalyst layer 54 is larger than the thickness of the cathode catalyst layer 52.
  • the amount of catalyst supported on the anode catalyst layer 54 is one or more times the amount of catalyst supported on the cathode catalyst layer 52.
  • the volume ratio (or catalyst loading ratio) of the anode catalyst layer 54 to the cathode catalyst layer 52 is such that the rate of increase in the overvoltage of the anode 48 as deterioration progresses is 2 compared to the rate of increase in the overvoltage of the cathode 47. It is set to be less than twice (more preferably less than 1.5 times). In other words, the volume ratio of the anode 48 to the cathode 47 is such that the difference between the rate of increase in reaction resistance at the anode 48 and the rate of increase in the reaction resistance at the cathode 47 is equal to or less than a predetermined standard (for example, less than 2 times, more preferably 1.5 times). (less than).
  • electrolytic cells 11 and 11A and the electrolytic device 1 described in each embodiment are understood as follows, for example.
  • the electrolytic cells 11, 11A of the first embodiment are arranged between a first separator 41, a second separator 42, and between the first separator 41 and the second separator 42, and have hydroxide ion conductivity.
  • An ion exchange membrane 51 which is an anion exchange membrane, a cathode 47 disposed between the first separator 41 and the ion exchange membrane 51, and an anode 48 disposed between the second separator 42 and the ion exchange membrane 51. , is provided.
  • the area of the anode 48 is larger than the area of the cathode 47.
  • the electrolytic cells 11, 11A of the second embodiment are the electrolytic cells 11, 11A of the first embodiment, and when viewed in the first direction (Z direction), the area of the ion exchange membrane 51 is the same as that of the anode 48. larger than the area of According to such a configuration, a support structure (for example, the support section 70) that supports the ion exchange membrane 51 can be provided by utilizing the outer circumference of the ion exchange membrane 51, which is formed larger than the anode 48. Thereby, it is possible to provide the electrolytic cells 11 and 11A that can support the ion exchange membrane 51 more stably.
  • the electrolytic cell 11, 11A of the third aspect is the electrolytic cell 11, 11A of the first aspect or the second aspect, in which the anode 48 is relative to the cathode 47 when viewed in the first direction (Z direction).
  • the area ratio is greater than 1.0 and less than or equal to 2.0. According to such a configuration, it is possible to improve the performance and life of the electrolytic cells 11, 11A within a range where the electrolytic cells 11, 11A do not become excessively large. In other words, it is possible to improve the performance and life of the electrolytic cells 11, 11A while reducing the size of the electrolytic cells 11, 11A.
  • the electrolytic cell 11 of the fourth aspect is the electrolytic cell 11 of any one of the first to third aspects, and the area of the anode 48 relative to the cathode 47 when viewed in the first direction (Z direction)
  • the ratio is set so that the rate of increase in the overvoltage of the anode 48 as deterioration progresses is less than twice the rate of increase in the overvoltage of the cathode 47.
  • the sizes of the cathode 47 and the anode 48 can be set within a suitable range based on the area ratio.
  • the electrolytic cell 11A of the fifth aspect is the electrolytic cell 11, 11A of any one of the first to fourth aspects, and the cathode 47 includes a cathode catalyst layer 52 overlapping with the ion exchange membrane 51, and a cathode
  • the anode 48 includes a cathode power supply body 53 disposed between the catalyst layer 52 and the first separator 41 , and the anode 48 includes an anode catalyst layer 54 that overlaps with the ion exchange membrane 51 , and an anode catalyst layer 54 that overlaps with the ion exchange membrane 51 .
  • the amount of catalyst supported on the anode catalyst layer 54 is one or more times as much as the amount of catalyst supported on the cathode catalyst layer 52.
  • the electrolytic cell 11A of the sixth aspect is the electrolytic cell 11A of the fifth aspect, in which the volume ratio of the anode catalyst layer 54 to the cathode catalyst layer 52 is the rate of increase in overvoltage of the anode 48 as deterioration progresses. is set to be less than twice the increase rate of the overvoltage of the cathode 47. According to such a configuration, the sizes of the cathode 47 and the anode 48 can be set within a suitable range based on the volume ratio.
  • the electrolytic cell 11, 11A of the seventh aspect includes a first separator 41, a second separator 42, an ion exchange membrane 51 disposed between the first separator 41 and the second separator 42, and a first It includes a cathode 47 placed between the separator 41 and the ion exchange membrane 51, and an anode 48 placed between the second separator 42 and the ion exchange membrane 51.
  • the cathode 47 includes a cathode catalyst layer 52 that overlaps with the ion exchange membrane 51 and a cathode power supply body 53 disposed between the cathode catalyst layer 52 and the first separator 41 , and the anode 48 overlaps with the ion exchange membrane 51 It includes an anode catalyst layer 54 and an anode power supply body 55 disposed between the anode catalyst layer 54 and the second separator 42 .
  • the volume ratio of the anode catalyst layer 54 to the cathode catalyst layer 52 is set so that the rate of increase in the overvoltage of the anode 48 as deterioration progresses is less than twice the rate of increase in the overvoltage of the cathode 47.
  • the sizes of the cathode 47 and the anode 48 can be set within a suitable range from the viewpoint of volume ratio based on the degree of progress of deterioration.
  • the area of the cathode 47 and the area of the anode 48 are the same, it is possible to suppress deterioration of the anode 48 from becoming greater than that of the cathode 47.
  • the electrolytic device 1 of the eighth aspect includes the electrolytic cells 11, 11A according to any one of the first to seventh aspects, and an electrolytic solution supply section 20 that supplies an electrolytic solution to the electrolytic cells 11, 11A. and a power supply section 30 that applies voltage to the electrolytic cells 11, 11A. According to such a configuration, the performance and life structure of the electrolytic device 1 can be improved.
  • the electrolytic device 1 of the ninth aspect is the electrolytic device 1 of the eighth aspect, and includes an electrolytic cell stack 10 having a plurality of electrolytic cells including electrolytic cells 11 and 11A. Among them, two adjacent electrolytic cells share the first separator 41 or the second separator 42, which is a bipolar plate. According to such a configuration, it is possible to improve the performance and life structure of the electrolytic device 1 having the electrolytic cell stack 10.
  • deterioration of the electrolytic cell progresses depending on the time to which a DC voltage is applied, but deterioration progresses faster at the anode than at the cathode.
  • the progress of deterioration causes an increase in resistance value, which manifests as an increase in voltage when the current density is constant.
  • evaluation experiments were carried out by fabricating a plurality of test specimens of electrolytic cells with different area ratios of the anode to the cathode, and the voltage rise of the anode in the electrolytic cell after a predetermined period of time was investigated.
  • test specimen A was manufactured in which the area of the anode and the area of the cathode were equal. Further, as electrolytic cells of the present disclosure, test specimens B, C, and D were manufactured in which the area of the anode 48 was larger than the area of the cathode 47.
  • the dimensions of the anode and cathode in test specimens A, B, C, and D, and the area ratio of the anode to the cathode are as follows.
  • test specimens B, C, and D all have the same size, and the dimensions of the anode are 50 mm in height x 50 mm in width, and the dimensions of the cathode are 41 mm in height x 41 mm in width.
  • the area ratio of the anode to the cathode of D is 1.5.
  • the catalyst loading ratio was also 1.5.
  • test specimens A, B, C, and D were individually installed at the positions of the electrolytic cells 11, and an energization test was conducted four times.
  • the power supply unit 30 is driven, a DC voltage is applied between the anode 48 and the cathode 47 of the electrolytic cell 11 so that the current density is constant (2 amperes/cm 2 ), and voltage application is started.
  • the voltage increase at the anode 48 was investigated during the period from the time when 100 hours had passed to the time when 400 hours had passed.
  • FIG. 8 shows the evaluation values of the voltage increase of the anode 48 in test specimens B, C, and D after the above test period. If the voltage rise (difference in voltage value) of test piece A to be compared is 100, the voltage rise of test piece B with respect to the voltage rise of test piece A is 63, and the voltage rise of test piece C with respect to the voltage rise of test piece A is 63. The voltage rise was 88, and the voltage rise of test specimen D was 25 relative to the voltage rise of test specimen A.
  • specimen B has the dimensions of the anode larger than the dimensions of the cathode and the area of the anode larger than the area of the cathode.
  • C, and D have smaller voltage increases than test specimen A.
  • the test specimens B, C, and D of the electrolytic cell of the present disclosure in which the area of the anode is larger than the area of the cathode, are better than the test specimen A of the conventional electrolytic cell in which the anode and cathode areas are the same. It was found that the progress of deterioration was slow. In other words, if the electrolytic cell of the present disclosure is employed, deterioration of the anode is suppressed, so it is expected that the performance of the electrolytic device will be improved and the life of the device including the electrolytic cell will be extended.
  • the present disclosure relates to an electrolytic cell and an electrolytic device in which deterioration progresses slowly and performance deterioration is unlikely to occur.
  • Electrolytic device 10 Electrolytic cell stack 11, 11A... Electrolytic cell 20
  • Electrolyte supply section 30 Power supply section 40
  • Electrolytic tank 41 First separator 42
  • Second separator 43 Membrane electrode assembly 47
  • Cathode 48 Anode 51
  • Ion exchange membrane 52 ...Cathode catalyst layer 53
  • Cathode power supply body 54 ...Anode catalyst layer 55...Anode power supply body

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Abstract

本開示の電解セルは、第１セパレータと、第２セパレータと、第１セパレータと第２セパレータとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を持つアニオン交換膜であるイオン交換膜と、第１セパレータとイオン交換膜との間に配置された陰極と、第２セパレータとイオン交換膜との間に配置された陽極と、を備える。イオン交換膜、陰極、および陽極が重なる第１方向で見た場合、陽極の面積は、陰極の面積よりも大きい。

Description

電解セルおよび電解装置
　本開示は、電解セルおよび電解装置に関する。
　本願は、２０２２年６月３日に出願された特願２０２２－９０９３６号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許文献１には、ＰＥＭ（Polymer Electrolyte Membrane）型水電解で用いられる膜電極アッセンブリが開示されている。この膜電極アッセンブリは、高い差圧においての圧力安定性および気密性を向上させるため、イオン伝導膜の正面側に配置された第１ガス拡散層が上記イオン伝導膜よりも小さな面積を有し、イオン伝導膜の裏面側に配置された第２ガス拡散層が上記イオン伝導膜と同じ面積を有する（半同延設計）。
特表２００９－５１３８２０号公報
　ところで、電解セルの使用時の劣化として、陰極の劣化と比べて陽極の劣化が大きく進み、その結果、電解セルの性能が低下する場合がある。
　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、性能向上を図ることができる電解セルおよび電解装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示に係る電解セルは、第１セパレータと、第２セパレータと、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を持つアニオン交換膜であるイオン交換膜と、前記第１セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陰極と、前記第２セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陽極と、を備える。前記イオン交換膜、前記陰極、および前記陽極が重なる第１方向で見た場合、前記陽極の面積は、前記陰極の面積よりも大きい。
　上記課題を解決するために、本開示に係る電解装置は、電解セルと、前記電解セルに電解液を供給する電解液供給部と、前記電解セルに電圧を印加する電源部とを備える。前記電解セルは、第１セパレータと、第２セパレータと、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を持つアニオン交換膜であるイオン交換膜と、前記第１セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陰極と、前記第２セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陽極と、を備える。前記イオン交換膜、前記陰極、および前記陽極が重なる第１方向で見た場合、前記陽極の面積は、前記陰極の面積よりも大きい。
　本開示の電解セルおよび電解装置によれば、性能向上を図ることができる。
本開示の第１実施形態の電解装置の全体構成を示す概略構成図である。 本開示の第１実施形態の電解セルを模式的に示す断面図である。 本開示の第１実施形態の電解セルを示す分解斜視図である。 本開示の第１実施形態の電解セルを示す断面図である。 本開示の第１実施形態の電解セルの作用を説明するための図である。 本開示の第１実施形態の電解セルの作用を説明するための図である。 本開示の第２実施形態の電解セルを示す断面図である。 本開示の第１実施形態の電解装置を用い、複数の電解セル試験体において所定時間が経過後の陽極の劣化の状態を調べた結果を示す表である。
　以下、本開示の実施形態の電解セルおよび電解装置を、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。本開示において「対向する」とは、ある方向で見た場合に２つの部材が重なることを意味し、上記２つの部材の間に別の部材（例えば別の層）が存在する場合も含み得る。
　先に図４を参照し、Ｚ方向、Ｘ方向、およびＹ方向を定義する。Ｚ方向は、後述する第１セパレータ４１から第２セパレータ４２に向かう方向である。Ｘ方向は、Ｚ方向とは交差する（例えば直交する）方向であり、後述するイオン交換膜５１の中央部Ｃからイオン交換膜５１の一端部に向かう方向である。Ｙ方向は、Ｚ方向およびＸ方向とは交差する（例えば直交する）方向であり、例えば図４における紙面奥行方向である。本開示において「面積」とは、Ｚ方向で見た場合における面積（すなわちＸ方向およびＹ方向に広がる面積）を意味する。また本開示において「外形サイズ」とは、Ｚ方向で見た場合における外形サイズを意味する。すなわち「外形サイズ」と「面積」は、実質的に同じものを意味する場合があり、適宜互いに読み替えられてもよい。
　（第１実施形態）
　＜１．電解装置の構成＞
　図１は、第１実施形態の電解装置１の全体構成を示す概略構成図である。電解装置１は、例えば、電解液に含まれる水を電気分解することで水素を生成する装置である。電解装置１は、例えば、アニオン交換膜（ＡＥＭ：Anion Exchange Membrane）式の電解装置である。ただし、電解装置１は、上記例に限定されず、二酸化炭素を電解還元する装置など異なるタイプの電解装置でもよい。
　電解装置１は、例えば、電解セルスタック１０と、電解液供給部２０と、電源部３０とを備える。
　（電解セルスタック）
　電解セルスタック１０は、複数の電解セル１１の集合体である。例えば、電解セルスタック１０は、複数の電解セル１１が一方向に並べられることで形成される。各電解セル１１は、陰極室Ｓａと、陽極室Ｓｂとを含む。電解セル１１については、詳しく後述する。
　（電解液供給部）
　電解液供給部２０は、各電解セル１１に電解液を供給する供給部である。電解液は、例えば、純水あるいはアルカリ水溶液である。電解液供給部２０は、陰極側供給部２０ａと、陽極側供給部２０ｂとを含む。
　陰極側供給部２０ａは、各電解セル１１の陰極室Ｓａに電解液を供給する供給部である。陰極側供給部２０ａは、例えば、水素気液分離装置２１、第１ポンプ２２、水素回収部２３、第１電解液供給部２４、および配管ラインＬ１，Ｌ２を含む。
　水素気液分離装置２１は、電解液を貯留する。水素気液分離装置２１の供給口は、配管ラインＬ１を介して電解セル１１の陰極室Ｓａに接続される。第１ポンプ２２は、配管ラインＬ１の途中に設けられ、水素気液分離装置２１に貯留された電解液を電解セル１１の陰極室Ｓａに向けて送る。
　水素気液分離装置２１の戻り口は、配管ラインＬ２を介して電解セル１１の陰極室Ｓａに接続される。水素気液分離装置２１には、電解セル１１で生成された水素を含む電解液が電解セル１１から流入する。水素気液分離装置２１は、電解液に含まれる水素を分離する気液分離部を有する。水素気液分離装置２１により電解液から分離された水素は、水素回収部２３によって回収される。水素気液分離装置２１には、第１電解液供給部２４から電解液が補充される。
　一方で、陽極側供給部２０ｂは、各電解セル１１の陽極室Ｓｂに電解液を供給する供給部である。陽極側供給部２０ｂは、例えば、酸素気液分離装置２６、第２ポンプ２７、酸素回収部２８、第２電解液供給部２９、および配管ラインＬ３，Ｌ４を含む。
　酸素気液分離装置２６は、電解液を貯留する。酸素気液分離装置２６の供給口は、配管ラインＬ３を介して電解セル１１の陽極室Ｓｂに接続される。第２ポンプ２７は、配管ラインＬ３の途中に設けられ、酸素気液分離装置２６に貯留された電解液を電解セル１１の陽極室Ｓｂに向けて送る。
　酸素気液分離装置２６の戻り口は、配管ラインＬ４を介して電解セル１１の陽極室Ｓｂに接続される。酸素気液分離装置２６には、電解セル１１で生成された酸素を含む電解液が電解セル１１から流入する。酸素気液分離装置２６は、電解液に含まれる酸素を分離する気液分離部を有する。酸素気液分離装置２６により電解液から分離された酸素は、酸素回収部２８によって回収される。酸素気液分離装置２６には、第２電解液供給部２９から電解液が補充される。
　（電源部）
　電源部３０は、電解セル１１に電圧を印加する直流電源装置である。電源部３０は、電解セル１１の陽極と陰極との間に、電解液の電気分解に必要な直流電圧を印加する。
　＜２．電解セルの構成＞
　＜２．１　電解セルの基本構造＞
　次に、電解セル１１について詳しく説明する。
　図２は、電解セル１１を模式的に示す断面図である。電解セル１１は、例えば、第１セパレータ４１、第２セパレータ４２、および膜電極接合体４３を含む。
　（第１セパレータ）
　第１セパレータ４１は、電解セル１１の内部空間Ｓの一方の面を規定する部材である。内部空間Ｓは、後述する陰極室Ｓａおよび陽極室Ｓｂを含む空間である。第１セパレータ４１は、例えば、矩形の板状であり、金属部材で形成される。第１セパレータ４１は、例えば、後述する第１集電体６１（図３参照）を介して電源部３０からマイナス電圧が印加される。
　第１セパレータ４１は、第１端部４１ｅ１（例えば下端部）と、第１端部４１ｅ１とは反対側に位置した第２端部４１ｅ２（例えば上端部）とを有する。第１セパレータ４１の第１端部４１ｅ１には、上述した配管ラインＬ１が接続される。第１セパレータ４１の第２端部４１ｅ２には、上述した配管ラインＬ２が接続される。第１セパレータ４１は、後述する陰極室Ｓａに面する第１内面４１ａを有する。第１内面４１ａには、配管ラインＬ１から供給される電解液が流れる第１流路ＦＰ１が形成されている。第１流路ＦＰ１は、例えば、第１内面４１ａに設けられた溝である。第１流路ＦＰ１を流れた電解液は、配管ラインＬ２を通じて電解セル１１の外部に排出される。なお、図２に示される各構造（例えば流路構造など）は、あくまで例示であり、本実施形態の内容を限定するものではない。例えば、流路構造は、装置の大きさや目的、使用環境に応じて種々の構造が利用可能である。これは、他の図で示される各構造についても同様である。
　（第２セパレータ）
　第２セパレータ４２は、第１セパレータ４１の少なくとも一部との間に内部空間Ｓを空けて配置され、内部空間Ｓの他方の面を規定する部材である。第２セパレータ４２は、例えば、矩形の板状であり、金属部材で形成される。第２セパレータ４２は、後述する第２集電体６２（図３参照）を介して電源部３０からプラス電圧が印加される。同じ電解セル１１に含まれる第１セパレータ４１と第２セパレータ４２とは、一対のセパレータとして当該電解セル１１の電解槽４０を形成する。
　第２セパレータ４２は、第１端部４２ｅ１（例えば下端部）と、第１端部４２ｅ１とは反対側に位置した第２端部４２ｅ２（例えば上端部）とを有する。第２セパレータ４２の第１端部４２ｅ１には、上述した配管ラインＬ３が接続される。第２セパレータ４２の第２端部４２ｅ２には、上述した配管ラインＬ４が接続される。第２セパレータ４２は、後述する陽極室Ｓｂに面する第２内面４２ａを有する。第２内面４２ａには、配管ラインＬ３から供給される電解液が流れる第２流路ＦＰ２が形成されている。第２流路ＦＰ２は、例えば、第２内面４２ａに設けられた溝である。第２流路ＦＰ２を流れた電解液は、配管ラインＬ４を通じて電解セル１１の外部に排出される。
　なおここでは説明の便宜上、第１セパレータ４１の第１内面４１ａが流路用の溝（第１流路ＦＰ１）を有し、第２セパレータ４２の第２内面４２ａが流路用の溝（第２流路ＦＰ２）を有する構成について説明している。しかしながら、例えば電解セルスタック１０（図１参照）に含まれる電解セル１１の第１セパレータ４１は、第１内面４１ａに加えて第１内面４１ａとは反対側の面４１ｂにも同様の流路用の溝（第１流路ＦＰ１、図２中に２点鎖線で示す）を有したバイポーラプレートでもよい。また、電解セルスタック１０に含まれる電解セル１１の第２セパレータ４２は、第２内面４２ａに加えて第２内面４２ａとは反対側の面４２ｂにも同様の流路用の溝（第２流路ＦＰ２、図２中に２点鎖線で示す）を有したバイポーラプレートでもよい。なお、第１セパレータ４１の両面に設けられる流路用の溝は、互いに形状や配置が異なってもよい。また、第２セパレータ４２の両面に設けられる流路用の溝は、互いに形状や配置が異なってもよい。
　膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode. Assembly）４３は、イオン交換膜、触媒、および給電体が組み立てられた構造体である。膜電極接合体４３は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置され、内部空間Ｓに位置する。膜電極接合体４３は、例えば、イオン交換膜５１、陰極触媒層５２、陰極給電体５３、陽極触媒層５４、および陽極給電体５５を含む。
　（イオン交換膜）
　イオン交換膜５１は、イオンを選択透過させる膜である。イオン交換膜５１は、例えば、固体高分子電解質膜である。イオン交換膜５１は、例えば、水酸化物イオン伝導性のあるアニオン交換膜（ＡＥＭ）である。ただし、イオン交換膜５１は、上記例に限定されず、上記例とは異なるタイプのイオン交換膜でもよい。イオン交換膜５１は、例えば、矩形のシート状である。イオン交換膜５１の外形サイズは、第１セパレータ４１または第２セパレータ４２の外形サイズよりも小さい。イオン交換膜５１は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置され、上述した内部空間Ｓに位置する。イオン交換膜５１は、第１セパレータ４１の第１内面４１ａと対向する第１面５１ａと、第１面５１ａとは反対側に位置し、第２セパレータ４２の第２内面４２ａと対向する第２面５１ｂとを有する。内部空間Ｓにおいて、イオン交換膜５１の第１面５１ａと第１セパレータ４１の第１内面４１ａとの間には、陰極室Ｓａが規定される。内部空間Ｓにおいて、イオン交換膜５１の第２面５１ｂと第２セパレータ４２の第２内面４２ａとの間には、陽極室Ｓｂが規定される。
　陰極室Ｓａでは、電解セル１１に電圧が印加される場合に、下記の化学反応が起こり、電解液から水素が生成される。なお本出願「ＸＸが生成される」とは、ＸＸの生成に伴って他の物質が同時に生成される場合も含み得る。陰極室Ｓａで生成された水酸化物イオンは、膜電極接合体４３を通過して陰極室Ｓａから陽極室Ｓｂに移動する。
　２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－　…（化１）
　陽極室Ｓｂでは、電解セル１１に電圧が印加される場合に、下記の化学反応が起こり、電解液から酸素が生成される。
　２ＯＨ－→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－　…（化２）
　これにより、電解セル１１全体で見た場合は、下記の化学反応が生じる。
　Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２　…（化３）
　（陰極触媒層）
　陰極触媒層５２は、上述した陰極室Ｓａでの化学反応を促進する層である。陰極触媒層５２は、例えば、矩形のシート状である。本実施形態では、陰極触媒層５２の外形サイズは、イオン交換膜５１の外形サイズよりも小さい。陰極触媒層５２は、陰極室Ｓａに配置され、イオン交換膜５１と隣り合う。なお本出願で「隣り合う」とは、２つの部材が独立して隣り合う場合に限定されず、２つの部材のうち一方の部材の少なくとも一部が他方の部材に入り込む場合も含み得る。例えば、陰極触媒層５２の一部は、イオン交換膜５１の表面部に入り込んでもよい。本実施形態では、陰極触媒層５２は、イオン交換膜５１の第１面５１ａに設けられている。例えば、陰極触媒層５２は、イオン交換膜５１の第１面５１ａに当該陰極触媒層５２の材料が塗布されることで形成される。陰極触媒層５２は、第１セパレータ４１および陰極給電体５３を介して電源部３０からマイナス電圧が印加され、電解セル１１の陰極４７の一部として機能する。
　陰極触媒層５２の材質としては、上述した陰極室Ｓａでの化学反応を促進する材質であればよく、種々の材質が利用可能である。例えば、陰極触媒層５２は、ニッケル、ニッケル合金、セリウム酸化物、ランタン酸化物、または白金のうち１つ以上を含む。なお本開示において「ＸＸ酸化物」は、ＸＸおよび酸素以外の別材料を含み得る。また、陰極触媒層５２は、上述した材料に加え、カーボンなど別材料を含んでもよい。「ＸＸ」は、任意の材料である。
　（陰極給電体）
　陰極給電体５３は、第１セパレータ４１に印加された電圧を陰極触媒層５２に伝える電気接続部である。陰極給電体５３は、陰極室Ｓａに配置される。陰極給電体５３は、第１セパレータ４１の第１内面４１ａと陰極触媒層５２との間に位置し、第１セパレータ４１の第１内面４１ａと陰極触媒層５２とにそれぞれ接する。なお、陰極給電体５３の少なくとも一部は、第１セパレータ４１または陰極触媒層５２の少なくとも一方の少なくとも一部と重なり合ってもよい。陰極給電体５３は、内部を電解液とガスが通過可能な構造を有する。陰極給電体５３は、例えば、金属製のメッシュ構造体、焼結体、またはファイバーなどにより形成される。本実施形態では、陰極給電体５３の外形サイズは、陰極触媒層５２の外形サイズと同じである。本実施形態では、陰極触媒層５２と陰極給電体５３とにより、電解セル１１の陰極４７が形成されている。
　（陽極触媒層）
　陽極触媒層５４は、上述した陽極室Ｓｂでの化学反応を促進する層である。陽極触媒層５４は、例えば、矩形のシート状である。本実施形態では、陽極触媒層５４の外形サイズは、イオン交換膜５１の外形サイズよりも小さい。陽極触媒層５４は、陽極室Ｓｂに配置され、イオン交換膜５１と隣り合う。なお、例えば、陽極触媒層５４の一部は、イオン交換膜５１の表面部に入り込んでもよい。本実施形態では、陽極触媒層５４は、イオン交換膜５１の第２面５１ｂに設けられている。例えば、陽極触媒層５４は、イオン交換膜５１の第２面５１ｂに当該陽極触媒層５４の材料が塗布されることで形成される。陽極触媒層５４は、第２セパレータ４２および陽極給電体５５を介して電源部３０からプラス電圧が印加され、電解セル１１の陽極４８の一部として機能する。
　陽極触媒層５４の材質としては、上述した陽極室Ｓｂでの化学反応を促進する材質であればよく、種々の材質が利用可能である。例えば、陽極触媒層５４は、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル酸化物、銅酸化物、イリジウム酸化物、ニオブ酸化物、鉛酸化物、またはビスマス酸化物のうち１つ以上を含む。上述したように、本開示において「ＸＸ酸化物」は、ＸＸおよび酸素以外の別材料を含み得る。例えば、「ニッケル酸化物」は、ニッケルおよび酸素の他に、鉄やコバルトなどの別材料を含み得る。また、「銅酸化物」は、銅および酸素の他に、コバルトなど別材料を含み得る。「イリジウム酸化物」は、イリジウムおよび酸素の他に、ルテニウムなど別材料を含み得る。「鉛酸化物」は、鉛および酸素の他に、ルテニウムなど別材料を含み得る。「ビスマス酸化物」は、ビスマスおよび酸素の他に、ルテニウムなど別材料を含み得る。
　（陽極給電体）
　陽極給電体５５は、第２セパレータ４２に印加された電圧を陽極触媒層５４に伝える電気接続部である。陽極給電体５５は、陽極室Ｓｂに配置される。陽極給電体５５は、第２セパレータ４２の第２内面４２ａと陽極触媒層５４との間に位置し、第２セパレータ４２の第２内面４２ａと陽極触媒層５４とにそれぞれ接する。なお、陽極給電体５５の少なくとも一部は、第２セパレータ４２または陽極触媒層５４の少なくとも一方の少なくとも一部と重なり合ってもよい。陽極給電体５５は、内部を電解液とガスが通過可能な構造を有する。陽極給電体５５は、例えば、金属製のメッシュ構造体、焼結体、またはファイバーなどにより形成される。本実施形態では、陽極給電体５５の外形サイズは、陽極触媒層５４の外形サイズと同じである。本実施形態では、陽極触媒層５４と陽極給電体５５とにより、電解セル１１の陽極４８が形成されている。
　図３は、電解セル１１を示す分解斜視図である。電解セル１１は、上述した構成に加え、例えば、第１集電体６１、第２集電体６２、第１絶縁体６３、第２絶縁体６４、第１絶縁材６５、第２絶縁材６６、第１エンドプレート６７、および第２エンドプレート６８を含む。なお図３では、説明の便宜上、後述する支持部７０および封止部８０の図示は省略している。
　（第１集電体）
　第１集電体６１は、電源部３０から印加されるマイナス電圧を第１セパレータ４１に伝える電気接続部である。第１集電体６１は、金属製の板部材（例えば銅板）である。第１集電体６１は、例えば、電解セル１１の内部空間Ｓとは反対側から第１セパレータ４１に接し、第１セパレータ４１に電気的に接続される。第１集電体６１には、電解セル１１での電気分解に必要なマイナス電圧が電源部３０から印加される。なお、第１集電体６１は、電解セルスタック１０で互いに隣り合う２つの電解セル１１によって共有されてもよい。
　（第２集電体）
　第２集電体６２は、電源部３０から印加されるプラス電圧を第２セパレータ４２に伝える電気接続部である。第２集電体６２は、金属製の板部材（例えば銅板）である。第２集電体６２は、例えば、電解セル１１の内部空間Ｓとは反対側から第２セパレータ４２に接し、第２セパレータ４２に電気的に接続される。第２集電体６２には、電解セル１１での電気分解に必要なプラス電圧が電源部３０から印加される。なお、第２集電体６２は、電解セルスタック１０で互いに隣り合う２つの電解セル１１によって共有されてもよい。
　（第１絶縁体）
　第１絶縁体６３は、第１セパレータ４１の外周部と第２セパレータ４２の外周部との間を絶縁する部材である。第１絶縁体６３は、陰極触媒層５２の外形および陰極給電体５３の外形よりもひと回り大きな枠状のシート部材である。第１絶縁体６３は、第１セパレータ４１の第１内面４１ａに取り付けられ、第１内面４１ａの端部を覆う。第１絶縁体６３の材質は、絶縁材料であれば特に限定されず、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などのシート状樹脂である。
　（第２絶縁体）
　第２絶縁体６４は、第１絶縁体６３と同様に、第１セパレータ４１の外周部と第２セパレータ４２の外周部との間を絶縁する部材である。第２絶縁体６４は、陽極触媒層５４の外形および陽極給電体５５の外形よりもひと回り大きな枠状のシート部材である。第２絶縁体６４は、第２セパレータ４２の第２内面４２ａに取り付けられ、第２内面４２ａの端部を覆う。第２絶縁体６４の材質は、絶縁材料であれば特に限定されず、例えばＰＴＦＥなどのシート状樹脂である。また、第１絶縁体６３と第２絶縁体６４は、一体化された絶縁体でも利用可能である。
　（第１絶縁材）
　第１絶縁材６５は、第１集電体６１と第１エンドプレート６７との間に位置する。第１絶縁材６５の外形サイズは、例えば、第１集電体６１の外形サイズと同じ、または第１集電体６１の外形サイズよりも大きい。
　（第２絶縁材）
　第２絶縁材６６は、第２集電体６２と第２エンドプレート６８との間に位置する。第２絶縁材６６の外形サイズは、例えば、第２集電体６２の外形サイズと同じ、または第２集電体６２の外形サイズよりも大きい。
　（第１エンドプレート）
　第１エンドプレート６７は、電解セル１１の内部空間Ｓに対して、第１絶縁材６５とは反対側に位置する。第１エンドプレート６７の外形サイズは、例えば、第１絶縁材６５の外形サイズよりも大きい。
　（第２エンドプレート）
　第２エンドプレート６８は、電解セル１１の内部空間Ｓに対して、第２絶縁材６６とは反対側に位置する。第２エンドプレート６８の外形サイズは、例えば、第２絶縁材６６の外形サイズよりも大きい。
　なお、電解セル１１は、上述した構成に限定されない。例えば、電解セルスタック１０において複数の電解セル１１が並べて配置される場合、複数の電解セル１１のなかで隣り合う２つの電解セル１１は、それぞれバイポーラプレートである第１セパレータ４１または第２セパレータ４２を共有してもよい。この場合、隣り合う２つの電解セル１１の間には、集電体（第１集電体６１または第２集電体６２）、絶縁体（第１絶縁体６３または第２絶縁体６４）、絶縁材（第１絶縁材６５または第２絶縁材６６）、エンドプレート（第１エンドプレート６７または第２エンドプレート６８）は存在しなくてもよい。
　＜２．２　電解セルの外周部の構造＞
　図４は、電解セル１１を示す断面図である。本実施形態では、イオン交換膜５１の外形サイズは、陰極触媒層５２の外形サイズおよび陰極給電体５３の外形サイズの各々よりも大きい。言い換えると、イオン交換膜５１の面積は、陰極触媒層５２の面積および陰極給電体５３の面積の各々よりも大きい。イオン交換膜５１は、膜電極接合体４３の厚さ方向（Ｚ方向）とは直交する方向（例えばＸ方向またはＹ方向）において、陰極触媒層５２および陰極給電体５３よりも外側（外周側）に突出している。本開示で「外側」または「外周側」とは、膜電極接合体４３の厚さ方向（Ｚ方向）とは直交する方向（例えばＸ方向またはＹ方向）において、イオン交換膜５１の中央部Ｃから離れる側を意味する。
　同様に、イオン交換膜５１の外形サイズは、陽極触媒層５４の外形サイズおよび陽極給電体５５の外形サイズの各々よりも大きい。言い換えると、膜電極接合体４３の厚さ方向（Ｚ方向）で見た場合、イオン交換膜５１の面積は、陽極触媒層５４の面積および陽極給電体５５の面積の各々よりも大きい。イオン交換膜５１は、膜電極接合体４３の厚さ方向（Ｚ方向）とは直交する方向（例えばＸ方向またはＹ方向）において、陽極触媒層５４および陽極給電体５５よりも外周側に突出している。
　図４に示すように、電解セル１１は、例えば、支持部７０と、封止部８０とを有する。支持部７０は、電解セル１１の内部で膜電極接合体４３を支持する部材である。封止部８０は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間の内部空間Ｓを閉じる部材である。以下、これらについて説明する。
　（支持部）
　支持部７０は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置される。支持部７０は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも内側（内周側）に位置し、イオン交換膜５１を支持する。本開示で「外縁部」とは、膜電極接合体４３の厚さ方向（Ｚ方向）とは直交する方向（例えばＸ方向またはＹ方向）において、イオン交換膜５１の中央部Ｃから離れた縁部を意味する。また本開示で「内側」または「内周側」とは、イオン交換膜５１の中央部Ｃから見て内側（中央部Ｃに近い側）を意味する。本実施形態では、支持部７０は、例えば、第１支持部７１と、第２支持部７２とを含む。
　（第１支持部）
　第１支持部７１は、陰極側の支持部である。第１支持部７１は、第１セパレータ４１の第１内面４１ａとイオン交換膜５１の第１面５１ａとの間に配置される。第１支持部７１は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも内側（内周側）に位置する。第１支持部７１は、陰極触媒層５２および陰極給電体５３よりも外側（外周側）の位置で第１セパレータ４１の第１内面４１ａ（または第１絶縁体６３）とイオン交換膜５１の第１面５１ａとの間に挟まれ、第１セパレータ４１の第１内面４１ａに対してイオン交換膜５１を支持する。第１支持部７１は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅに沿う環状（例えば枠状）であって、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりもひと回り小さな環状に形成されている。
　（第２支持部）
　第２支持部７２は、陽極側の支持部である。第２支持部７２は、第２セパレータ４２の第２内面４２ａとイオン交換膜５１の第２面５１ｂとの間に配置される。第２支持部７２は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも内側（内周側）に位置する。第２支持部７２は、陽極触媒層５４および陽極給電体５５よりも外側（外周側）の位置で第２セパレータ４２の第２内面４２ａとイオン交換膜５１の第２面５１ｂとの間に挟まれ、第２セパレータ４２の第２内面４２ａに対してイオン交換膜５１を支持する。第２支持部７２は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅに沿う環状（例えば枠状）であって、イオン交換膜５１の外縁部５２ｅよりもひと回り小さな環状に形成されている。
　（封止部）
　封止部８０は、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置される。封止部８０は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも外側（外周側）に位置し、電解セル１１の内部空間Ｓを封止する。本実施形態では、封止部８０は、第１封止部８１と、第２封止部８２とを含む。ただし、第１封止部８１と第２封止部８２とは、一体に形成されてもよい。すなわち、第１封止部８１と第２封止部８２とは、１つの部材であってもよい。また、封止部８０は、上述した第１絶縁体６３および第２絶縁体６４のうち少なくとも一方と一体に形成されてもよい。
　（第１封止部）
　第１封止部８１は、陰極側の封止部である。第１封止部８１は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも外側（外周側）に位置する。第１封止部８１は、第１セパレータ４１の第１内面４１ａと第２封止部８２との間に挟まれ、内部空間Ｓの外周側の一部を封止する。第１封止部８１は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅに沿う環状（例えば枠状）であって、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりもひと回り大きな環状に形成される。
　（第２封止部）
　第２封止部８２は、陽極側の封止部である。第２封止部８２は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりも外側に位置する。第２封止部８２は、第２セパレータ４２の第２内面４２ａと第１封止部８１との間に挟まれ、内部空間Ｓの外周側の一部を封止する。第２封止部８２は、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅに沿う環状（例えば枠状）であって、イオン交換膜５１の外縁部５１ｅよりもひと回り大きな環状に形成される。
　＜３．陰極および陽極の面積比率＞
　次に、陰極および陽極の面積比率について説明する。本実施形態では、陽極４８の面積は、陰極４７の面積よりも大きい。例えば、陽極触媒層５４の面積は、陰極触媒層５２の面積よりも大きい。陽極給電体５５の面積は、陰極給電体５３の面積よりも大きい。
　本実施形態では、陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、１．０よりも大きく、２．０以下である。また別の観点では、本実施形態では、陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、劣化の進行に伴う陽極４８の過電圧の増加率が陰極４７の過電圧の増加率と比べて２倍未満（より好ましくは１．５倍未満）となるように設定される。以下、これら内容について詳しく説明する。
　図５は、電解セル１１の作用を説明するための図である。図５は、陽極の面積と陰極の面積とが同じである比較例の電解セルにおける電流‐電圧特性の試験結果を示す図である。図５において「サイクル（cycle）」とは、予め設定された所定期間を意味する。図５に示すように、比較例の電解セルでは、サイクル数が増加するに従い（すなわち使用時間が長くなるに従い）、過電圧が増加することが分かる。
　図６は、電解セル１１の作用を説明するための別の図である。図６は、上記比較例におけるサイクル数と電極における反応抵抗との関係の試験結果を示す図である。図６に示すように、陽極４８における反応抵抗は、陰極４７における反応抵抗と比べて絶対値が大きい。さらに、劣化の進行に伴う陽極４８における反応抵抗の増加率は、劣化の進行に伴う陰極４７における反応抵抗の増加率と比べて大きい。例えば、陽極４８における反応抵抗の増加率は、陰極４７における反応抵抗の増加率と比べて、２倍以上である。これは、陽極４８では酸化反応が生じるため、陽極４８の劣化が陰極４７の劣化よりも大きくなるためである。
　そこで本実施形態では、陽極４８の面積が陰極４７の面積よりも大きく形成されている。このような構成によれば、陽極４８における酸化反応を陽極４８の広い面積で分散させることができる。これにより、上記比較例と比べて、陰極４７と比べて陽極４８の劣化が大きくなることを抑制することができる。陰極４７と比べて陽極４８の劣化が大きくなることを抑制することができると、過電圧が増加することを抑制することができ、電解セル１１Ａの性能向上および寿命向上を図ることができる。
　別の観点によれば、陰極触媒層５２および陽極触媒層５４では、それぞれ触媒層の端部において電流の回り込みが生じ、触媒層の端部において電流密度が大きくなりやすい。このため、比較例のように陰極触媒層と陽極触媒層の面積が同じ場合、電流密度が大きくなる各触媒層の端部同士が対向するため、各触媒層の端部において局所的な劣化が大きくなりやすい。
　一方で、本実施形態では、陽極触媒層５４が陰極触媒層５２よりも大きいため、電流密度が大きくなる各触媒層の端部同士がずれて位置する。その結果、各触媒層の端部において劣化が大きくなりにくい。この観点でも過電圧が増加することを抑制することができ、電解セル１１の性能向上および寿命向上を図ることができる。
　図６に示すように、比較例におけるサイクル数と電極における反応抵抗との関係の試験結果では、陽極４８における反応抵抗の増加率は、陰極４７における反応抵抗の増加率と比べて、２倍以上である。本実施形態では、陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、陽極４８における反応抵抗の増加率と陰極４７における反応抵抗の増加率とに基づいて設定される。すなわち、陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、陽極４８における反応抵抗の増加率と陰極４７における反応抵抗の増加率との差が所定基準以下（例えば２倍未満、より好ましくは１．５倍未満）となるように調整されて決定される。
　本実施形態では、陽極触媒層５４の触媒担持量は、陰極触媒層５２の触媒担持量と比べて１倍以上である。なお本開示での「触媒担持量」とは、単位面積当たりの触媒の重量［ｍｇ／ｃｍ２］を意味する。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、陽極触媒層５４の厚さが陰極触媒層５２の厚さよりも大きい点で第１実施形態とは異なる。なお以下に説明する以外の構成は、第１実施形態の構成と同じである。
　図７は、第２実施形態の電解セル１１Ａを示す断面図である。本実施形態では、陽極触媒層５４の面積が陰極触媒層５２の面積よりも大きく、且つ、陽極触媒層５４の厚さが陰極触媒層５２の厚さよりも大きい。陽極触媒層５４の触媒担持量は、陰極触媒層５２の触媒担持量と比べて１倍以上である。
　本実施形態では、陰極触媒層５２に対する陽極触媒層５４の体積比率（または触媒担持量比）は、劣化の進行に伴う陽極４８の過電圧の増加率が陰極４７の過電圧の増加率と比べて２倍未満（より好ましくは１．５倍未満）となるように設定される。言い換えると、陰極４７に対する陽極４８の体積比率は、陽極４８における反応抵抗の増加率と陰極４７における反応抵抗の増加率との差が所定基準以下（例えば２倍未満、より好ましくは１．５倍未満）となるように調整されて決定される。
　このような構成によれば、陰極４７と比べて陽極４８の劣化が大きくなることを抑制することができる。このため、過電圧が増加することを抑制することができ、電解セル１１Ｂの性能向上および寿命向上を図ることができる。
　以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
＜付記＞
　各実施形態に記載の電解セル１１，１１Ａおよび電解装置１は、例えば以下のように把握される。
（１）第１態様の電解セル１１，１１Ａは、第１セパレータ４１と、第２セパレータ４２と、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置され、水酸化物イオン伝導性を持つアニオン交換膜であるイオン交換膜５１と、第１セパレータ４１とイオン交換膜５１との間に配置された陰極４７と、第２セパレータ４２とイオン交換膜５１との間に配置された陽極４８と、を備える。イオン交換膜５１、陰極４７、および陽極４８が重なる第１方向（Ｚ方向）で見た場合、陽極４８の面積は、陰極４７の面積よりも大きい。このような構成によれば、陰極４７の面積と陽極４８の面積とが同じである場合と比較して、陽極４８の劣化が陰極４７と比べて大きくなることを抑制することができる。その結果、陽極４８で過電圧が大きく増加することを抑制することができ、電解セル１１，１１Ａの性能向上および寿命向上を図ることができる。
（２）第２態様の電解セル１１，１１Ａは、前記第１態様の電解セル１１，１１Ａであって、第１方向（Ｚ方向）で見た場合、イオン交換膜５１の面積は、陽極４８の面積よりも大きい。このような構成によれば、陽極４８よりも大きく形成されたイオン交換膜５１の外周部を利用して、イオン交換膜５１を支持する支持構造（例えば支持部７０）を設けることができる。これにより、イオン交換膜５１をより安定して支持することができる電解セル１１，１１Ａを提供することができる。
（３）第３態様の電解セル１１，１１Ａは、前記第１態様又は第２態様の電解セル１１，１１Ａであって、第１方向（Ｚ方向）で見た場合における陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、１．０よりも大きく、２．０以下である。このような構成によれば、電解セル１１，１１Ａが過度に大きくならない範囲で、電解セル１１，１１Ａの性能向上および寿命向上を図ることができる。言い換えると、電解セル１１，１１Ａの小型化を図りつつ、電解セル１１，１１Ａの性能向上および寿命向上を図ることができる。
（４）第４態様の電解セル１１は、前記第１から第３態様のいずれか１つの電解セル１１であって、第１方向（Ｚ方向）で見た場合における陰極４７に対する陽極４８の面積比率は、劣化の進行に伴う陽極４８の過電圧の増加率が陰極４７の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される。このような構成によれば、面積比率に基づいて適した範囲で陰極４７および陽極４８の大きさを設定することができる。
（５）第５態様の電解セル１１Ａは、前記第１から第４態様のいずれか１つの電解セル１１，１１Ａであって、陰極４７は、イオン交換膜５１と重なる陰極触媒層５２と、陰極触媒層５２と第１セパレータ４１との間に配置された陰極給電体５３とを含み、陽極４８は、イオン交換膜５１と重なる陽極触媒層５４と、陽極触媒層５４と第２セパレータ４２との間に配置された陽極給電体５５とを含み、陽極触媒層５４の触媒担持量は、陰極触媒層５２の触媒担持量と比べて１倍以上である。このような構成によれば、陽極触媒層５４の触媒担持量を確保しやすくなる。これにより、陽極４８の劣化が陰極４７と比べて大きくなることをさらに高いレベルで抑制することができる。その結果、電解セル１１，１１Ａのさらなる性能向上および寿命向上を図ることができる。
（６）第６態様の電解セル１１Ａは、前記第５態様の電解セル１１Ａであって、陰極触媒層５２に対する陽極触媒層５４の体積比率は、劣化の進行に伴う陽極４８の過電圧の増加率が陰極４７の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される。このような構成によれば、体積比率に基づいて適した範囲で陰極４７および陽極４８の大きさを設定することができる。
（７）第７態様の電解セル１１，１１Ａは、第１セパレータ４１と、第２セパレータ４２と、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間に配置されたイオン交換膜５１と、第１セパレータ４１とイオン交換膜５１との間に配置された陰極４７と、第２セパレータ４２とイオン交換膜５１との間に配置された陽極４８と、を備える。陰極４７は、イオン交換膜５１と重なる陰極触媒層５２と、陰極触媒層５２と第１セパレータ４１との間に配置された陰極給電体５３とを含み、陽極４８は、イオン交換膜５１と重なる陽極触媒層５４と、陽極触媒層５４と第２セパレータ４２との間に配置された陽極給電体５５とを含む。陰極触媒層５２に対する陽極触媒層５４の体積比率は、劣化の進行に伴う陽極４８の過電圧の増加率が陰極４７の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される。このような構成によれば、劣化の進行度に基づき、体積比率の観点で適した範囲で陰極４７および陽極４８の大きさ（触媒担持量）を設定することができる。このような構成によれば、陰極４７の面積と陽極４８の面積とが同じである場合と比較して、陽極４８の劣化が陰極４７と比べて大きくなることを抑制することができる。その結果、陽極４８で過電圧が大きく増加することを抑制することができ、電解セル１１，１１Ａの性能向上および寿命向上を図ることができる。
（８）第８態様の電解装置１は、前記第１から第７態様のいずれか１つに記載の電解セル１１，１１Ａと、電解セル１１，１１Ａに電解液を供給する電解液供給部２０と、電解セル１１，１１Ａに電圧を印加する電源部３０とを備える。このような構成によれば、電解装置１の性能向上および寿命構造を向上させることができる。
（９）第９態様の電解装置１は、前記第８態様の電解装置１であって、電解セル１１，１１Ａを含む複数の電解セルを有した電解セルスタック１０を備え、複数の電解セルのなかで隣り合う２つの電解セルは、バイポーラプレートである第１セパレータ４１または第２セパレータ４２を共有する。このような構成によれば、電解セルスタック１０を有した電解装置１の性能向上および寿命構造を向上させることができる。
　本開示において、電解セルは直流電圧を印加された時間に応じて劣化が進行するが、陰極に比べて陽極のほうが劣化の進行が早い。劣化の進行は抵抗値の増加を引き起こし、電流密度を一定とした場合に電圧の上昇として顕在化する。以下では、陰極に対する陽極の面積比率が異なる電解セルの試験体を複数製作して評価実験を実施し、所定時間経過後の電解セルにおける陽極の電圧上昇を調べた。
　まず、比較の対象とすべき従来型の電解セルとして、陽極の面積と陰極の面積とが等しい試験体Ａを製作した。さらに、本開示の電解セルとして、陽極４８の面積が陰極４７の面積よりも大きい試験体Ｂ、Ｃ、Ｄを製作した。試験体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける陽極及び陰極の寸法、及び陰極に対する陽極の面積比率は以下の通りである。
　試験体Ａにおける陽極及び陰極の寸法はどちらも、高さ４５ｍｍ×幅４５ｍｍ、よって試験体Ａの陰極に対する陽極の面積比率は１である。いっぽう、試験体Ｂ、Ｃ、Ｄはいずれも同じ大きさであって、陽極の寸法は、高さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ、陰極の寸法は、高さ４１ｍｍ×幅４１ｍｍ、よって試験体Ｂ、Ｃ、Ｄの陰極に対する陽極の面積比率は１．５である。触媒担持量比率も１．５である。
　第１実施形態の電解装置１において試験体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを電解セル１１の位置に個別に設置して４回の通電試験を行った。各通電試験とも、電源部３０を駆動し、電解セル１１の陽極４８と陰極４７との間に、電流密度が一定（２アンペア／ｃｍ２）となるように直流電圧を印加し、電圧印加開始から１００時間が経過した時点から４００時間が経過した時点までの期間における陽極４８の電圧上昇を調べた。
　図８に、上記試験期間を経た試験体Ｂ、Ｃ、Ｄにおける陽極４８の電圧上昇の評価値を示す。比較対象とすべき試験体Ａの電圧上昇（電圧値の差分）を１００とした場合、試験体Ａの電圧上昇に対する試験体Ｂの電圧上昇は６３、試験体Ａの電圧上昇に対する試験体Ｃの電圧上昇は８８、試験体Ａの電圧上昇に対する試験体Ｄの電圧上昇は２５であった。
　陽極及び陰極の寸法を同じにし、陰極に対する陽極の面積比率を１とした試験体Ａに比べ、陽極の寸法を陰極の寸法よりも大きくし、陰極の面積よりも陽極の面積が大きい試験体Ｂ、Ｃ、Ｄは、いずれにおいても試験体Ａより電圧上昇の値が小さいことが分かる。これにより、陽極及び陰極の面積を同じにした従来型電解セルの試験体Ａよりも、陰極の面積よりも陽極の面積を大きくした本開示の電解セルの試験体Ｂ、Ｃ、Ｄのほうが、劣化の進行が進み難いことがわかった。つまり、本開示の電解セルを採用すれば、陽極の劣化が抑制されるので、電解装置の性能向上、及び電解セルを含めた装置の長寿命化が期待できる。
　本開示は、劣化の進行が遅く性能低下が起き難い電解セルおよび電解装置に関する。
１…電解装置
１０…電解セルスタック
１１，１１Ａ…電解セル
２０…電解液供給部
３０…電源部
４０…電解槽
４１…第１セパレータ
４２…第２セパレータ
４３…膜電極接合体
４７…陰極
４８…陽極
５１…イオン交換膜
５２…陰極触媒層
５３…陰極給電体
５４…陽極触媒層
５５…陽極給電体

Claims (9)

  1. 　第１セパレータと、
    　第２セパレータと、
    　前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を持つアニオン交換膜であるイオン交換膜と、
    　前記第１セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陰極と、
    　前記第２セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陽極と、
    を備え、
    　前記イオン交換膜、前記陰極、および前記陽極が重なる第１方向で見た場合、前記陽極の面積は、前記陰極の面積よりも大きい電解セル。
  2. 　前記第１方向で見た場合、前記イオン交換膜の面積は、前記陽極の面積よりも大きい、請求項１に記載の電解セル。
  3. 　前記第１方向で見た場合における前記陰極に対する前記陽極の面積比率は、１．０よりも大きく、２．０以下である、請求項１に記載の電解セル。
  4. 　前記第１方向で見た場合における前記陰極に対する前記陽極の面積比率は、劣化の進行に伴う前記陽極の過電圧の増加率が前記陰極の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される、請求項１に記載の電解セル。
  5. 　前記陰極は、前記イオン交換膜と重なる陰極触媒層と、前記陰極触媒層と前記第１セパレータとの間に配置された陰極給電体とを含み、
    　前記陽極は、前記イオン交換膜と重なる陽極触媒層と、前記陽極触媒層と前記第２セパレータとの間に配置された陽極給電体とを含み、
    　前記陽極触媒層の触媒担持量は、前記陰極触媒層の触媒担持量と比べて１倍以上である、請求項１に記載の電解セル。
  6. 　前記陰極触媒層に対する前記陽極触媒層の体積比率は、劣化の進行に伴う前記陽極の過電圧の増加率が前記陰極の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される、請求項５に記載の電解セル。
  7. 　第１セパレータと、
    　第２セパレータと、
    　前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置されたイオン交換膜と、
    　前記第１セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陰極と、
    　前記第２セパレータと前記イオン交換膜との間に配置された陽極と、
    を備え、
    　前記陰極は、前記イオン交換膜と重なる陰極触媒層と、前記陰極触媒層と前記第１セパレータとの間に配置された陰極給電体とを含み、
    　前記陽極は、前記イオン交換膜と重なる陽極触媒層と、前記陽極触媒層と前記第２セパレータとの間に配置された陽極給電体とを含み、
    　前記陰極触媒層に対する前記陽極触媒層の体積比率は、劣化の進行に伴う前記陽極の過電圧の増加率が前記陰極の過電圧の増加率と比べて２倍未満となるように設定される、電解セル。
  8. 　請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の電解セルと、
    　前記電解セルに電解液を供給する電解液供給部と、
    　前記電解セルに電圧を印加する電源部と、
    を備えた電解装置。
  9. 　前記電解セルを含む複数の電解セルを有した電解セルスタックを備え、
    　前記複数の電解セルのなかで隣り合う２つの電解セルは、バイポーラプレートである前記第１セパレータまたは前記第２セパレータを共有する、請求項８に記載の電解装置。
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