WO2024185460A1 - 電解セルおよび電解装置 - Google Patents

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WO2024185460A1
WO2024185460A1 PCT/JP2024/005462 JP2024005462W WO2024185460A1 WO 2024185460 A1 WO2024185460 A1 WO 2024185460A1 JP 2024005462 W JP2024005462 W JP 2024005462W WO 2024185460 A1 WO2024185460 A1 WO 2024185460A1
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separator
anode
cathode
water
exchange membrane
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PCT/JP2024/005462
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French (fr)
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翔一 古川
直人 田上
英彦 田島
康介 稲葉
茂 弦巻
大輔 向井
大輔 塚本
貴洋 祐延
崇仁 三好
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三菱重工業株式会社
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Patent Document 1 discloses a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) type electrolysis device that passes an electric current between both sides of an electrolytic membrane that includes a solid polymer membrane with a catalyst layer on its surface. This electrolysis device produces oxygen by supplying water to the negative electrode (cathode) side of the electrolytic membrane while controlling the pressure difference between both sides of the electrolytic membrane.
  • PEM Polymer Electrolyte Membrane
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide an electrolysis cell and electrolysis device that can improve electrolysis performance.
  • the electrolytic cell includes a first separator, a second separator, an anion exchange membrane disposed between the first separator and the second separator, a cathode disposed between the first separator and the anion exchange membrane, and an anode disposed between the second separator and the anion exchange membrane
  • the first separator has a flow path for supplying an electrolyte to the cathode, and at the cathode, at least a portion of the electrolyte supplied from the flow path is consumed to generate hydrogen and hydroxide ions
  • the second separator does not have a flow path for supplying the electrolyte to the anode, and at the anode, oxygen and water are generated by the hydroxide ions that have passed through the anion exchange membrane from the cathode in a state in which the electrolyte is not supplied.
  • the electrolysis device includes an electrolysis cell, an electrolyte supply unit that supplies the electrolyte to the electrolysis cell, and a power supply unit that applies a voltage to the electrolysis cell.
  • the electrolytic cell comprises a first separator, a second separator, an ion exchange membrane disposed between the first separator and the second separator, 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 first separator having a flow path for supplying an electrolytic solution to the cathode, the second separator having no flow path for supplying the electrolytic solution to the anode, a gas outlet through which gas generated at the anode is mainly discharged, and a gas outlet through which liquid generated at the anode is mainly discharged, and the gas outlet and the liquid outlet are provided separately in the second separator.
  • the electrolysis cell and electrolysis device disclosed herein can improve electrolysis performance.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an electrolysis device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an electrolysis cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrolysis cell shown in FIG. 2 taken along line F3-F3.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrolysis cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrolysis cell according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the electrolysis cell of the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the electrolysis cell of the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an electrolysis device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an electrolysis cell according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the electrolysis cell of the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an electrolysis cell according to a modified example of the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an electrolysis cell according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing an electrolysis cell according to a third embodiment of the present disclosure.
  • opposite means that two components overlap when viewed in a certain direction, and may also include the case where another component exists between the two components.
  • the Z direction is the direction from the first separator 41 to the second separator 42 described later.
  • the X direction is a direction intersecting (e.g., perpendicular to) the Z direction, and is a direction from the center C of the membrane electrode assembly 43 described later toward one end of the membrane electrode assembly 43.
  • the Y direction is a direction intersecting (e.g., perpendicular to) the Z direction and the X direction, and is, for example, the depth direction of the paper in FIG. 5.
  • the Z direction and the Y direction are directions along a horizontal plane.
  • the X direction is the vertical direction.
  • "external size" means the external size when viewed in the Z direction.
  • Configuration of electrolysis device 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an electrolysis device 1 according to a first embodiment.
  • the electrolysis device 1 is, for example, a device that generates hydrogen by electrolyzing water contained in an electrolytic solution.
  • the electrolysis device 1 is, for example, an anion exchange membrane (AEM) type electrolysis device.
  • the electrolysis device 1 includes, for example, an electrolysis cell stack 10, an electrolytic solution supply unit 20, and a power supply unit 30.
  • the electrolysis cell stack 10 is an assembly of a plurality of electrolysis cells 11.
  • the electrolysis cell stack 10 is formed by arranging a plurality of electrolysis cells 11 in one direction.
  • Each electrolysis cell 11 includes a cathode chamber Sa and an anode chamber Sb.
  • the electrolysis cells 11 will be described in detail later.
  • the electrolyte supply unit 20 is a supply unit that supplies an electrolyte to each electrolytic cell 11.
  • the electrolyte is, for example, pure water or an alkaline aqueous solution.
  • an aqueous potassium hydroxide solution (KOH) is used as the electrolyte.
  • the electrolyte supply unit 20 includes a cathode side supply unit 20a and an anode side recovery unit 20b.
  • the cathode side supply unit 20a supplies the electrolyte to the cathode chamber Sa of each electrolysis cell 11.
  • the cathode side supply unit 20a includes, for example, an electrolyte tank 21, a first pump 22, a hydrogen recovery unit 23, a hydrogen gas-liquid separation unit 24, a pure water supply tank 25, and piping lines L1 and L2.
  • the electrolyte tank 21 stores the electrolyte.
  • the supply port of the electrolyte tank 21 is connected to the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11 via the piping line L1.
  • the first pump 22 is provided midway along the piping line L1 and sends the electrolyte stored in the electrolyte tank 21 toward the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11.
  • the electrolyte solution sent to the cathode chamber Sa by the first pump 22 may have at least some of the impurity ions removed by a chelating resin tank 22J provided in the piping line L1.
  • the chelating resin tank 22J contains a chelating resin for removing impurity ions.
  • the chelating resin tank 22J removes at least some of the impurity ions (e.g., metal ions) that have dissolved from the electrolytic cell 11 or the piping lines L1 and L2 into the electrolyte solution (e.g., potassium hydroxide aqueous solution).
  • the return port of the electrolyte tank 21 is connected to the cathode chamber Sa of the electrolytic cell 11 via piping line L2. Electrolyte containing hydrogen generated in the electrolytic cell 11 flows into the electrolyte tank 21 from the electrolytic cell 11.
  • the electrolyte tank 21 is connected to a hydrogen gas-liquid separation unit 24 that separates the hydrogen contained in the electrolyte.
  • the hydrogen separated from the electrolyte by the hydrogen gas-liquid separation unit 24 is recovered by a hydrogen recovery unit 23.
  • the pure water supply tank 25 supplies pure water to the electrolyte tank 21 to lower the pH of the electrolyte (reduce the hydroxide ion concentration).
  • the anode side recovery section 20b recovers water and oxygen from the anode chamber Sb of each electrolysis cell 11.
  • the anode side recovery section 20b includes, for example, an oxygen recovery section 26, an ion exchange resin tank 27, a second pump 28, an oxygen gas-liquid separation section 29, and piping lines L3 and L4.
  • the oxygen recovery section 26 is connected to the anode chamber Sb of the electrolytic cell 11 via piping line L3. Oxygen generated in the electrolytic cell 11 flows into the oxygen recovery section 26 from the electrolytic cell 11.
  • the ion exchange resin tank 27 is connected to the anode chamber Sb of the electrolytic cell 11 via the piping line L4.
  • the water generated in the electrolytic cell 11 flows into the ion exchange resin tank 27 from the electrolytic cell 11.
  • the ion exchange resin tank 27 removes at least a portion of the ions contained in the water flowing in from the electrolytic cell 11. That is, the ion exchange resin tank 27 has an ion exchange resin for removing impurity ions.
  • the ion exchange resin tank 27 removes at least a portion of the impurity ions (e.g., metal ions or chloride ions) dissolved into the water from the electrolytic cell 11 or the piping line L4.
  • the second pump 28 is provided in the middle of the piping line L4 and sends the water generated in the electrolytic cell 11 toward the pure water supply tank 25.
  • the ion exchange resin tank 27 can be arranged instead of the chelating resin tank.
  • the oxygen gas-liquid separation unit 29 separates the oxygen contained in the water generated in the electrolysis cell 11.
  • the oxygen gas-liquid separation unit 29 is provided, for example, in the middle of the piping line L4.
  • the oxygen gas-liquid separation unit 29 is provided, for example, upstream of the ion exchange resin tank 27 in the water flow direction in the piping line L4.
  • the water separated in the oxygen gas-liquid separation unit 29 passes through the ion exchange resin tank 27 and is sent to the pure water supply tank 25 through the piping line L4 by the second pump 28.
  • the piping line L4 is a piping line that guides the water that has passed through the ion exchange resin tank 27 to merge with the electrolyte supplied to the cathode 47 of the electrolysis cell 11.
  • the oxygen separated in the oxygen gas-liquid separation unit 29 is sent to the oxygen recovery unit 26 through a connection line L5 that is connected in the middle of the piping line L4. That is, the oxygen-liquid separation unit 29 separates the oxygen contained in the water discharged from the liquid outlet 42h and merges the separated oxygen with the oxygen discharged from the gas outlet 42g.
  • the power supply unit 30 is a DC power supply device that applies a voltage to the electrolytic cell 11.
  • the power supply unit 30 applies a DC voltage required for electrolysis of the electrolyte between the anode and cathode of the electrolytic cell 11.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view that typically illustrates the electrolysis cell 11.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of the electrolysis cell 11 as viewed vertically.
  • the electrolysis 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 side of the internal space S of the electrolysis cell 11.
  • the internal space S is a space that includes a cathode chamber Sa and an anode chamber Sb, which will be described later.
  • the first separator 41 has, for example, a rectangular plate shape, and is made of a metal member or a conductive member (such as a carbon material).
  • a negative voltage is applied to the first separator 41 from the power supply unit 30 via, for example, a first current collector 61 (see FIG. 4), which will be described later.
  • the first separator 41 has a first end 41e1 (e.g., a lower end) and a second end 41e2 (e.g., an upper end) located on the opposite side to the first end 41e1.
  • the first end 41e1 has a first flow path 41r1.
  • the first flow path 41r1 is connected to the above-mentioned piping line L1, and supplies the electrolyte supplied from outside the electrolysis cell 11 via the piping line L1 to the cathode 47 (described later) in the cathode chamber Sa.
  • the second end 41e2 has a second flow path 41r2.
  • the second flow path 41r2 is connected to the above-mentioned piping line L2, and discharges the electrolyte containing hydrogen by passing through the cathode chamber Sa to the outside of the electrolysis cell 11 via the piping line L2.
  • the first separator 41 has a first inner surface (first surface) 41a facing the second separator 42.
  • the first inner surface 41a faces the cathode chamber Sa described later.
  • the first inner surface 41a has a first area A1 in which a plurality of grooves FP1 are provided (see FIG. 3).
  • the plurality of grooves FP1 are flow paths through which the electrolyte that flows into the inside of the electrolytic cell 11 through the first flow path 41r1 flows.
  • the plurality of grooves FP1 are arranged side by side at intervals in the Y direction, for example, and each extends in the X direction (for example, vertical direction) (see FIG. 3).
  • FIG. 2 the structures (e.g., flow path structure, etc.) shown in FIG. 2 are merely examples and do not limit the content of this embodiment.
  • various flow path structures can be used depending on the size, purpose, and usage environment of the device. This also applies to the structures shown in the other figures.
  • the second separator 42 is disposed with an internal space S between it and at least a part of the first separator 41, and is a member that defines the other side of the internal space S.
  • the second separator 42 is, for example, in the shape of a rectangular plate, 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. 4 ), which will be described later.
  • the first separator 41 and the second separator 42 included in the same electrolytic cell 11 form the electrolytic cell 40 of the electrolytic cell 11 as a pair of separators.
  • the second separator 42 has a first end 42e1 (e.g., a lower end) and a second end 42e2 (e.g., an upper end) located on the opposite side to the first end 42e1.
  • the second separator 42 does not have a flow path for supplying the electrolyte to the anode 48 described below.
  • the second end 42e2 has a gas exhaust port 42g.
  • the gas exhaust port 42g is an outlet through which the gas (e.g., oxygen) generated at the anode 48 is mainly exhausted.
  • the gas exhaust port 42g is connected to the piping line L3 and exhausts the gas (e.g., oxygen) generated at the anode 48 to the outside of the electrolysis cell 11.
  • the first end 42e1 has a liquid outlet 42h.
  • the liquid outlet 42h is an outlet through which liquid (e.g., water) produced at the anode 48 is mainly discharged. That is, the second separator 42 is provided with a gas outlet 42g and a liquid outlet 42h separately.
  • the liquid outlet 42h is connected to the piping line L4 and discharges the liquid (e.g., water) produced at the anode 48 to the outside of the electrolysis cell 11.
  • the liquid outlet 42h is provided below the gas outlet 42g.
  • the gas outlet 42g is provided above the vertical center of the anode chamber Sb.
  • the liquid outlet 42h is provided below the vertical center of the anode chamber Sb.
  • the water which has a greater specific gravity than the oxygen, moves downwards due to its own weight and accumulates. This separates the water and oxygen into upper and lower parts within the anode chamber Sb.
  • the oxygen separated in the anode chamber Sb flows into the gas outlet 42g.
  • the water separated in the anode chamber Sb flows into the liquid outlet 42h. Note that oxygen may be mixed in with the water that flows into the liquid outlet 42h.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrolytic cell 11 shown in FIG. 2 taken along line F3-F3.
  • the second separator 42 has a second inner surface (second surface) 42a that faces the first separator 41.
  • the second inner surface 42a faces the anode chamber Sb, which will be described later.
  • the second inner surface 42a does not have a groove through which the electrolyte flows.
  • the second inner surface 42a has a second region A2 that faces the first region A1 (the region in which multiple groove portions FP1 are provided) of the first separator 41.
  • the second region A2 is formed in a flat shape.
  • the first separator 41 has a first inner surface 41a having multiple grooves FP1.
  • the second separator 42 of the electrolytic cell 11 included in the electrolytic cell stack 10 may be a bipolar plate having multiple similar FP1 (shown by two-dot chain lines in FIG. 3) on the surface 42b opposite the second inner surface 42a.
  • 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 disposed 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 transmits 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) that is hydroxide ion conductive.
  • AEM anion exchange membrane
  • the ion exchange membrane 51 is, for example, 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 above-mentioned internal space S.
  • the ion exchange membrane 51 has a first surface 51a that faces the first inner surface 41a of the first separator 41, and a second surface 51b that is located on the opposite side to the first surface 51a and faces the second inner surface 42a of the second separator 42.
  • 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 chamber Sa is supplied with the electrolytic solution from the first flow path 41r1 of the first separator 41.
  • the cathode chamber Sa when a voltage is applied to the electrolytic cell 11, the following chemical reaction occurs, and hydrogen is produced from the electrolytic solution. That is, at least a portion of the supplied electrolytic solution is consumed in the cathode 47, and hydrogen and hydroxide ions are produced.
  • "XX is produced” may also include cases where other substances are produced simultaneously with the production of XX.
  • the hydroxide ions produced in the cathode chamber Sa pass through the ion exchange membrane 51 and move from the cathode chamber Sa to the anode chamber Sb. 2H 2 O+2e ⁇ ⁇ H 2 +2OH ⁇ ...(Chemical formula 1)
  • the cathode catalyst layer 52 is a layer that promotes a chemical reaction in the cathode chamber Sa described above.
  • the cathode catalyst layer 52 is, for example, a rectangular sheet.
  • the cathode catalyst layer 52 is disposed in the cathode chamber Sa and is adjacent to the ion exchange membrane 51 in the Z direction.
  • the term "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 penetrates into the other member.
  • a part of the cathode catalyst layer 52 may penetrate into the surface portion 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 a 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 unit 30 via the first separator 41 and the cathode power supply 53, and the cathode catalyst layer 52 functions as 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 power supply 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 53 is disposed in the cathode chamber Sa.
  • the cathode power supply 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.
  • the cathode power supply 53 has a structure that allows the electrolyte and gas to pass through the inside.
  • the cathode power supply 53 is formed of, for example, a metal mesh structure, a sintered body (porous body), or a fiber.
  • the outer size of the cathode power supply 53 is the same as the outer size of the cathode catalyst layer 52.
  • the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply 53 form the cathode 47 of the electrolysis cell 11.
  • 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, a rectangular sheet.
  • the anode catalyst layer 54 is disposed in the anode chamber Sb and is adjacent to the ion exchange membrane 51 in the Z direction.
  • a part of the anode catalyst layer 54 may be embedded in 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 unit 30 via the second separator 42 and the anode power supply 55, and the anode catalyst layer 54 functions as a part of the anode 48 of the electrolysis cell 11.
  • the material of the anode catalyst layer 54 may be any material that promotes the chemical reaction in the anode chamber Sb described above, and various materials can be used.
  • the anode power supply 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 55 is disposed in the anode chamber Sb.
  • the anode power supply 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.
  • the anode power supply 55 has a structure that allows the electrolyte and gas to pass through the inside.
  • the anode power supply 55 is formed of, for example, a metal mesh structure, a sintered body (porous body), or a fiber.
  • the outer size of the anode power supply 55 is the same as the outer size of the anode catalyst layer 54.
  • the average size of the multiple holes in the anode power supply 55 is larger than the average size of the multiple holes in the cathode power supply 53.
  • the cathode current collector 53 and the anode current collector 55 have mesh structures, the anode current collector 55 has a coarser mesh structure than the cathode current collector 53.
  • the porosity of the anode current collector 55 is greater than the porosity of the cathode current collector 53.
  • the anode catalyst layer 54 and the anode current collector 55 form the anode 48 of the electrolysis cell 11.
  • FIG. 4 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 end plate 65, and a second end plate 66.
  • the first current collector 61 is an electrical connection part that transmits a negative voltage applied from the power supply unit 30 to the first separator 41.
  • the first current collector 61 is a metal plate member (e.g., a copper plate).
  • the first current collector 61 is in contact with the first separator 41 from the side opposite to the internal space S of the electrolysis cell 11, for example, and is electrically connected to the first separator 41.
  • a negative voltage required for electrolysis in the electrolysis cell 11 is applied to the first current collector 61 from the power supply unit 30.
  • the first current collector 61 may be shared by multiple electrolysis cells 11 included in the electrolysis cell stack 10.
  • the second current collector 62 is an electrical connection part that transmits the positive voltage applied from the power supply unit 30 to the second separator 42.
  • the second current collector 62 is a metal plate member (e.g., a copper plate).
  • the second current collector 62 is in contact with the second separator 42 from the side opposite to the internal space S of the electrolytic cell 11, for example, and is electrically connected to the second separator 42.
  • a positive voltage required for electrolysis in the electrolytic cell 11 is applied to the second current collector 62 from the power supply unit 30.
  • the second current collector 62 may be shared by multiple electrolytic cells 11 included in the electrolytic cell stack 10.
  • the first insulating material 63 is located between the first current collector 61 and the first end plate 65.
  • the outer size of the first insulating material 63 is larger than the outer size of the first current collector 61, for example.
  • the second insulating material 64 is located between the second current collector 62 and the second end plate 66.
  • the outer size of the second insulating material 64 is larger than the outer size of the second current collector 62, for example.
  • the first end plate 65 is located on the opposite side to the first insulating material 63 with respect to the internal space S of the electrolysis cell 11.
  • the outer size of the first end plate 65 is, for example, the same as or larger than the outer size of the first insulating material 63.
  • the electrolytic cell 11 is not limited to the above configuration.
  • two adjacent electrolytic cells 11 among the multiple electrolytic cells 11 may share the first separator 41 and the second separator 42, respectively.
  • Outer structure of electrolysis cell 5 is a cross-sectional view showing the electrolysis cell 11.
  • the outer size of the ion exchange membrane 51 is larger than the outer size of the cathode power supply 53 and the anode power supply 55.
  • the ion exchange membrane 51 protrudes outward (toward the outer periphery) from the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply 53 in a direction (e.g., X direction or Y direction) perpendicular to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43.
  • outer side or “outer periphery side” refers to the side away from the center C of the membrane electrode assembly 43 in a direction (e.g., X direction or Y direction) perpendicular to the thickness direction (Z direction) of the membrane electrode assembly 43.
  • the electrolysis cell 11 has, for example, a support portion 70 and a sealing portion 80.
  • the support portion 70 is a member that supports the membrane electrode assembly 43 inside the electrolysis cell 11.
  • the sealing portion 80 is a member that closes the internal space S between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the support portion 70 is disposed between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the support portion 70 is located inside (on the inner circumferential side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51, and supports the ion exchange membrane 51.
  • the support portion 70 includes, for example, a first support portion 71 and a second support portion 72.
  • the first support part 71 is a support part on the cathode side.
  • the first support part 71 is disposed 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 part 71 is sandwiched between the first inner surface 41a (or the first insulating material 63) of the first separator 41 and the first surface 51a of the ion exchange membrane 51 at a position outside (outer periphery) of the cathode catalyst layer 52 and the cathode power supply 53, and supports the ion exchange membrane 51 against the first inner surface 41a of the first separator 41.
  • the second support part 72 is a support part on the anode side.
  • the second support part 72 is disposed between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the third surface 52a of the ion exchange membrane 51.
  • the second support part 72 is sandwiched between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the third surface 52a of the ion exchange membrane 51 at a position outside (outer periphery) of the anode catalyst layer 54 and the anode power supply 55, and supports the ion exchange membrane 51 against the second inner surface 42a of the second separator 42.
  • the sealing portion 80 is disposed between the first separator 41 and the second separator 42.
  • the sealing portion 80 is located outside (on the outer periphery side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51, and seals the internal space S of the electrolysis cell 11.
  • the sealing portion 80 includes a first sealing portion 81 and a second sealing portion 82.
  • the first sealing portion 81 and the second sealing portion 82 may be integrally formed. That is, the first sealing portion 81 and the second sealing portion 82 may be a single member.
  • the first sealing portion 81 is a sealing portion on the cathode side.
  • the first sealing portion 81 is located outside (on the outer periphery side) of the outer edge portion 51e of the ion exchange membrane 51.
  • the first sealing portion 81 is sandwiched between the first inner surface 41a of the first separator 41 and the second sealing portion 82, and seals a portion of the outer periphery side of the internal space S.
  • the second sealing portion 82 is a sealing portion 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 portion 82 is sandwiched between the second inner surface 42a of the second separator 42 and the first sealing portion 81, and seals a portion of the outer periphery of the internal space S.
  • the first flow path 41r1 is formed only in the first separator 41, and the electrolytic solution is supplied to the cathode 47.
  • the second separator 42 does not have a flow path through which the electrolytic solution flows, and the electrolytic solution is not supplied to the anode 48.
  • at least a part of the electrolytic solution supplied from the first flow path 41r1 is consumed in the cathode 47 to generate hydrogen and hydroxide ions, and in the anode 48, oxygen and water are generated by the hydroxide ions that have passed through the ion exchange membrane 51 from the cathode 47 in a state in which the electrolytic solution is not supplied.
  • the amount of electrolytic solution required to operate the electrolytic device 1 is halved compared to the case in which the electrolytic solution is supplied to both the cathode 47 and the anode 48, and the operating costs of the electrolytic device 1 can be reduced. Furthermore, according to the above configuration, various configurations required to supply the electrolytic solution are not required on the anode 48 side, leading to cost reduction. Furthermore, according to the above configuration, the hydrogen ion concentration (pH) of the electrolytic solution, which changes with the operation of the electrolytic device 1, can be managed only on the cathode side. This can reduce the management burden during operation, as compared with a case in which the electrolyte is supplied to both the cathode 47 and the anode 48 separately.
  • pH hydrogen ion concentration
  • the electrolyte required to generate hydrogen and hydroxide ions on the cathode 47 side is supplied to the cathode 47 side, not to the anode 48 side. Therefore, the electrolyte consumed to generate hydrogen and hydroxide ions on the cathode 47 side is supplied to the cathode 47 without passing through the ion exchange membrane 51. As a result, the loss within the electrolysis cell 11 can be reduced, and the electrolysis performance of the electrolysis cell 11 can be improved.
  • the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h are provided separately on the second separator 42.
  • the oxygen and water generated on the anode 48 side are discharged separately from the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h.
  • This makes it possible to obtain oxygen and water in a state separated to a certain extent from within the electrolysis cell 11. Therefore, compared to the case where oxygen and water are discharged in a mixed state from within the electrolysis cell 11, there is less need to provide a gas-liquid separation mechanism for separating oxygen and water outside the electrolysis cell 11, which leads to cost reduction.
  • the liquid outlet 42h is provided below the gas outlet 42g.
  • oxygen and water are separated in the electrolytic cell 11 by water falling under its own weight, and the water accumulates in the lower part of the electrolytic cell 11, and the oxygen accumulates in the upper part of the electrolytic cell 11.
  • the liquid outlet 42h below the gas outlet 42g, the water that accumulates in the lower part of the electrolytic cell 11 can be discharged from the liquid outlet 42h, and the oxygen that accumulates in the upper part of the electrolytic cell 11 can be discharged from the gas outlet 42g. In this way, oxygen and water can be separated efficiently without providing a gas-liquid separation mechanism in the electrolytic cell 11.
  • the gas outlet 42g is provided above the vertical center of the anode chamber Sb, so that oxygen accumulating in the upper part of the anode chamber Sb can be smoothly discharged from the gas outlet 42g.
  • the liquid outlet 42h is provided below the vertical center of the anode chamber Sb, so that water accumulating in the lower part of the anode chamber Sb can be smoothly discharged from the liquid outlet 42h.
  • the liquid outlet 42h is provided above the vertical center of the anode chamber Sb, the area below the liquid outlet 42h in the anode chamber Sb will be filled with pure water.
  • the difference in hydrogen ion concentration (pH) between the cathode 47 side where the electrolyte is present and the anode 48 side where the pure water is present will increase, and the electrolysis performance of the electrolysis cell 11 will decrease. Therefore, in this embodiment, the liquid outlet 42h is provided below the vertical center of the anode chamber Sb to prevent most of the anode chamber Sb from being filled with water. This improves the electrolysis performance of the electrolysis cell 11.
  • the average size of the multiple holes in the anode power supply 55 is larger than the average size of the multiple holes in the cathode power supply 53.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and not to the anode 48 side, so that the electrolyte does not pass through the anode power supply 55 on the anode 48 side. Therefore, by making the average size of the multiple holes in the anode power supply 55 larger than the average size of the multiple holes in the cathode power supply 53, the gas (air) generated at the anode 48 can easily move inside the anode power supply 55 toward the gas exhaust port 42g. This makes it possible to improve the electrolysis performance of the electrolysis cell 11.
  • the porosity of the anode power supply 55 is greater than the porosity of the cathode power supply 53.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and not to the anode 48 side, so that the electrolyte does not pass through the anode power supply 55 on the anode 48 side. Therefore, by making the porosity of the anode power supply 55 greater than the porosity of the cathode power supply 53, the gas (air) generated at the anode 48 can easily move within the anode power supply 55 toward the gas exhaust port 42g. This makes it possible to further improve the electrolysis performance of the electrolysis cell 11.
  • the first inner surface 41a of the first separator 41 includes a first region A1 having a plurality of groove portions FP1.
  • the second inner surface 42a of the second separator 42 has a second region A2 facing the first region A1 of the first separator 41.
  • the second region A2 is formed in a planar shape. With this configuration, water generated at the anode easily moves toward the liquid outlet 42h through the planar second region A2. This can further improve the electrolysis performance of the electrolysis cell 11.
  • the structure of the second separator 42 can be simplified, leading to cost reduction.
  • the second separator 42 can be made thinner than when groove portions are provided in the second separator 42. In this case, the electrolysis cell stack 10 can be made smaller.
  • the electrolysis device 1 further includes a gas-liquid separation section 29 that separates the gas contained in the liquid discharged from the liquid outlet 42h and merges the separated gas with the gas discharged from the gas outlet 42g.
  • a gas-liquid separation section 29 that separates the gas contained in the liquid discharged from the liquid outlet 42h and merges the separated gas with the gas discharged from the gas outlet 42g.
  • an ion exchange resin tank 27 is provided to remove at least a portion of the ions contained in the water discharged from the second separator 42, and the water that has passed through the ion exchange resin tank 27 is merged with the electrolyte solution to be supplied to the cathode 47.
  • the water discharged from the second separator 42 can be purified before being supplied to the cathode 47. This allows the water generated on the anode 48 side to be effectively used as at least a portion of the electrolyte solution to be supplied to the cathode 47, and the amount of water used in the electrolysis device 1 can be reduced.
  • the provision of the ion exchange resin tank 27 allows at least a portion of the impurity ions dissolved into the water from the electrolysis cell 11 and the like to be removed.
  • the liquid flowing through the piping line L4 is water, not an electrolyte solution, so that impurity ions dissolved from the electrolysis cell 11 can be removed using an appropriate ion exchange resin selected from various ion exchange resins, not limited to chelating resin. This allows the provision of an electrolysis device 1 that is less prone to malfunction and has excellent durability.
  • Action> 6, 7 and 8 are diagrams for explaining the operation of the electrolysis cell 11 of this embodiment.
  • a structure in which the electrolytic solution is supplied only to the cathode 47 and not to the anode 48 will be described as an example.
  • a structure in which the electrolytic solution is supplied to both the cathode 47 and the anode 48 will be described as a first comparative example.
  • Cell voltage refers to the potential difference between the first separator 41 and the second separator 42.
  • Example and the first Comparative Example were a durability test was conducted for each of the Example and the first Comparative Example in which a voltage was continuously applied from the power supply unit 30 for a long period of time, and the relationship between the current density from the power supply unit 30 and the cell voltage generated in the electrolytic cell 11 was measured before and after the durability test.
  • the Example had a higher electrolytic voltage than the first Comparative Example before the durability test, but after the durability test, the Example had a lower electrolytic voltage than the first Comparative Example, and good electrolytic performance was obtained.
  • the inventors confirmed that, assuming actual use during which normal operation continues, the electrolytic cell of the Example can obtain better electrolytic performance than the first Comparative Example.
  • an electrolytic cell was prepared in a structure in which the electrolyte was supplied only to the anode 48, and not to the cathode 47.
  • a voltage was applied from the power supply unit 30, and the relationship between the current density from the power supply unit 30 and the cell voltage generated in the electrolytic cell 11 was measured.
  • the inventors confirmed that in the second comparative example in which the electrolyte was supplied only to the anode 48, the cell voltage was higher and the electrolytic performance was reduced compared to the example and the first comparative example.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing an electrolysis cell 11A according to a modified example of the first embodiment.
  • the average size and porosity of the multiple holes are made different between the anode power supplier 55 and the cathode power supplier 53.
  • the thickness T1 of the anode power supplier 55 is smaller than the thickness T2 of the cathode power supplier 53 in the stacking direction (Z direction) in which the first separator 41 and the second separator 42 overlap.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and not to the anode 48 side, so the electrolyte does not pass through the anode power supply 55. Therefore, even if the thickness T1 of the anode power supply 55 is made smaller than the thickness T2 of the cathode power supply 53, the anode power supply 55 can still fully function. This allows the electrolytic cell 11 to be made smaller (thinner) and less expensive.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that an outlet 90 for discharging oxygen and water is provided on the anode 48 side. Note that the configuration other than that described below is the same as that of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the electrolysis cell 11B of the second embodiment.
  • the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged together.
  • the outlet 90 is formed so that the upper end of the outlet 90 is located above the water level WS of the water accumulated in the anode chamber Sb in the steady operation state of the electrolysis cell 11B.
  • the outlet is formed so that the upper end of the outlet is located above the water level WS of the water accumulated in the anode chamber" means, for example, that the opening area of the outlet 90 is set so that the flow rate of water flowing out from the outlet 90 to the outside per unit time is greater than the amount of water generated in the anode chamber Sb per unit time in the steady operation state.
  • the exhaust outlet 90 is provided at the vertical center of the anode chamber Sb or below the center.
  • the oxygen and water discharged from the exhaust outlet 90 to the outside of the electrolysis cell 11B are sent to the oxygen gas-liquid separation section 29 through the piping line L6, where the oxygen and water are separated.
  • the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged.
  • the oxygen and water generated in the anode chamber Sb are discharged in a mixed state from the outlet 90.
  • the upper end of the outlet 90 is located above the water level WS of the water that accumulates in the anode chamber Sb when the electrolysis cell 11 is in a steady operating state. Therefore, oxygen that accumulates above the water level WS of the water that accumulates in the anode chamber Sb when the electrolysis cell 11 is in a steady operating state can be constantly discharged through the outlet 90. This prevents the outlet 90 from being blocked by water, causing the air pressure in the anode chamber Sb to rise and damaging the ion exchange membrane 51.
  • the exhaust outlet 90 is located above the vertical center of the anode chamber Sb, the area below the exhaust outlet 90 in the anode chamber Sb will be filled with pure water.
  • the difference in hydrogen ion concentration (pH) between the cathode 47 side where the electrolyte is present and the anode 48 side where the pure water is present will increase, and the electrolysis performance of the electrolysis cell 11 will deteriorate. Therefore, in this embodiment, the exhaust outlet 90h is located at the vertical center of the anode chamber Sb or below that center. This prevents much of the anode chamber Sb from being filled with water, and improves the electrolysis performance of the electrolysis cell 11.
  • the third embodiment differs from the second embodiment in that it includes a suction device 95 connected to the exhaust port 90. Note that the configuration other than that described below is the same as that of the second embodiment.
  • FIG 11 is a cross-sectional view showing the electrolytic cell 11C of the third embodiment.
  • the electrolytic cell 11C further includes a suction device 95 connected to the exhaust port 90.
  • the suction device 95 is, for example, a pump, and sucks oxygen and water through the exhaust port 90 toward the outside of the electrolytic cell 11C. This makes it possible to forcibly discharge the water and oxygen generated in the anode chamber Sb from the exhaust port 90, even when an exhaust port 90 is provided that discharges water and oxygen together. This makes it possible to efficiently discharge oxygen and water while suppressing a pressure increase inside the electrolytic cell 11C.
  • electrolytic cells 11, 11A, 11B, and 11C and the electrolytic device 1 described in each embodiment can be understood, for example, as follows.
  • the electrolytic cell 11, 11A, 11B, and 11C of the first embodiment includes a first separator 41, a second separator 42, an anion exchange membrane 51 arranged between the first separator 41 and the second separator 42, a cathode 47 arranged between the first separator 41 and the anion exchange membrane 51, and an anode 48 arranged between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51.
  • the first separator 41 has a first flow path 41r1 for supplying an electrolytic solution to the cathode 47. In the cathode 47, at least a portion of the electrolytic solution supplied from the first flow path 41r1 is consumed to generate hydrogen and hydroxide ions.
  • the second separator 42 does not have a flow path for supplying an electrolytic solution to the anode 48.
  • oxygen and water are generated by hydroxide ions that have passed through the anion exchange membrane 51 from the cathode 47 in a state in which no electrolytic solution is supplied.
  • the first flow path 41r1 is formed only in the first separator 41, and the electrolyte is supplied to the cathode 47.
  • the second separator 42 does not have a flow path, and the electrolyte is not supplied to the anode 48.
  • hydrogen and hydroxide ions are generated by consuming at least a portion of the electrolyte supplied from the first flow path 41r1.
  • the electrolyte required to generate hydrogen and hydroxide ions on the cathode 47 side is supplied to the cathode 47 side, not the anode 48 side. Therefore, the electrolyte for generating hydrogen and hydroxide ions on the cathode 47 side does not pass through the anion exchange membrane 51, and no loss due to resistance occurs. As a result, the electrolysis performance of the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C can be improved.
  • the electrolytic cell 11 of the second embodiment is the electrolytic cell 11, 11A of the first embodiment, and the second separator 42 has a gas outlet 42g from which oxygen is mainly discharged and a liquid outlet 42h from which water is mainly discharged.
  • the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h are separately provided on the second separator 42.
  • oxygen and water generated on the anode 48 side are separately discharged from the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h.
  • the need to provide a gas-liquid separation mechanism for separating oxygen and water outside the electrolytic cell 11 is reduced, leading to cost reduction.
  • the electrolytic cell 11, 11A of the third embodiment is the electrolytic cell 11, 11A of the second embodiment, and the liquid outlet 42h is provided below the gas outlet 42g.
  • oxygen and water are separated in the electrolytic cell 11 as the water falls under its own weight, and the water accumulates in the lower part of the electrolytic cell 11 and the oxygen accumulates in the upper part of the electrolytic cell 11.
  • the liquid outlet 42h below the gas outlet 42g, the water that accumulates in the lower part of the electrolytic cell 11 can be discharged from the liquid outlet 42h, and the oxygen that accumulates in the upper part of the electrolytic cell 11 can be discharged from the gas outlet 42g. In this way, oxygen and water can be efficiently separated without providing a gas-liquid separation mechanism in the electrolytic cell 11.
  • the electrolytic cell 11, 11A of the fourth embodiment is the electrolytic cell 11, 11A of the second or third embodiment, in which an anode chamber Sb is defined between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51.
  • the gas outlet 42g is provided above the vertical center of the anode chamber Sb.
  • the liquid outlet 42h is provided below the vertical center of the anode chamber Sb.
  • the electrolytic cells 11B and 11C of the fifth aspect are the electrolytic cells 11B and 11C of the first aspect, in which an anode chamber Sb is defined between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51.
  • the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged.
  • the outlet 90 is formed so that the upper end of the outlet 90 is located above the water level of the water accumulated in the anode chamber Sb in the steady operating state of the electrolytic cells 11B and 11C.
  • the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged. As a result, the oxygen and water generated in the anode chamber Sb are discharged from the outlet 90 in a mixed state.
  • the upper end of the outlet 90 is located above the water level WS of the water accumulated in the anode chamber Sb in the steady operating state of the electrolytic cell 11B. Therefore, oxygen that accumulates above the water level WS in the anode chamber Sb during steady-state operation of the electrolysis cell 11B can always be discharged through the outlet 90. Water that accumulates in the anode chamber Sb can be discharged from the outlet 90 when the water level is located above the bottom end of the outlet 90. In this way, even in a configuration with one outlet 90, the water and oxygen that have separated in the anode chamber Sb due to the weight of the water can be discharged in a separated state.
  • the electrolytic cells 11B, 11C of the sixth aspect are the electrolytic cells 11B, 11C of the first or fifth aspect, in which an anode chamber Sb is defined between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51.
  • the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged.
  • the outlet 90 is provided at the vertical center of the anode chamber Sb or below the center. With this configuration, the oxygen and water generated in the anode chamber Sb are discharged from the outlet 90 in a mixed state.
  • the outlet 90 is provided at the vertical center of the anode chamber Sb or below the center, when the water surface WS of the water accumulated in the anode chamber Sb reaches above the lower end of the outlet 90, the water is discharged from the outlet 90.
  • the oxygen that accumulates above the water in the anode chamber Sb is discharged through the outlet 90. In this way, even in a configuration with one exhaust port 90, the water and oxygen that are separated in the anode chamber Sb due to the water's own weight can be discharged in a separated state.
  • the seventh embodiment of the electrolytic cell 11, 11A, 11B, 11C is any one of the electrolytic cells 11, 11A, 11B, 11C of the first to sixth embodiments, in which the cathode 47 is disposed between the first separator 41 and the anion exchange membrane 51 and includes a cathode power supply 53 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the anode 48 is disposed between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51 and includes an anode power supply 55 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the average size of the multiple holes in the anode power supply 55 is larger than the average size of the multiple holes in the cathode power supply 53.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and the electrolyte is not supplied to the anode 48 side. Therefore, the electrolyte does not pass through the anode power supply 55 on the anode 48 side. Therefore, by making the average size of the multiple holes in the anode power supply 55 larger than the average size of the multiple holes in the cathode power supply 53, for example, it is possible to promote separation of gas and liquid in the anode chamber Sb and promote the discharge of gas and liquid. This makes it possible to improve the operating efficiency of the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C.
  • the electrolytic cell 11, 11A, 11B, 11C of the eighth aspect is any one of the electrolytic cells 11, 11A, 11B, 11C of the first to seventh aspects, in which the cathode 47 is disposed between the first separator 41 and the anion exchange membrane 51 and includes a cathode power supply 53 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the anode 48 is disposed between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51 and includes an anode power supply 55 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the porosity of the anode power supply 55 is greater than the porosity of the cathode power supply 53.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and the electrolyte is not supplied to the anode 48 side. Therefore, the electrolyte does not pass through the anode power supply 55 on the anode 48 side. Therefore, by making the porosity of the anode power supply 55 greater than that of the cathode power supply 53, for example, it is possible to promote separation of gas and liquid in the anode chamber Sb and promote the discharge of gas and liquid. This improves the operating efficiency of the electrolytic cells 11, 11A, 11B, and 11C.
  • the electrolytic cell 11A of the ninth aspect is any one of the electrolytic cells 11A of the first to eighth aspects, in which the cathode 47 is disposed between the first separator 41 and the anion exchange membrane 51 and includes a cathode power supply 53 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the anode 48 is disposed between the second separator 42 and the anion exchange membrane 51 and includes an anode power supply 55 which is a mesh structure, a porous body, or a fiber.
  • the thickness T1 of the anode power supply 55 is smaller than the thickness T2 of the cathode power supply 53.
  • the electrolyte is supplied only to the cathode 47 side, and the electrolyte is not supplied to the anode 48 side. Therefore, the electrolyte does not pass through the anode power supply 55. Therefore, even if the thickness T1 of the anode power supply 55 in the stacking direction in which the first separator 41 and the second separator 42 overlap is made smaller than the thickness T2 of the cathode power supply 53, the anode power supply 55 can fully function. This allows the electrolysis cell 11A to be made smaller (thinner) and less expensive.
  • the electrolytic cell 11, 11A, 11B, 11C of the tenth aspect is any one of the electrolytic cells 11, 11A, 11B, 11C of the first to ninth aspects, in which the first separator 41 has a first inner surface 41a facing the second separator 42.
  • the first inner surface 41a includes a first region A1 in which a plurality of groove portions FP1 through which the electrolytic solution flows are provided.
  • the second separator 42 has a second inner surface 42a facing the first separator 41.
  • the second inner surface 42a has a second region A2 facing the first region A1.
  • the second region A2 is formed in a planar shape. This simplifies the structure of the first separator 41, and the electrolytic cell 11A can be made smaller (thinner) and less expensive.
  • the electrolysis device 1 of the eleventh aspect includes the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C of the first or second aspect, an electrolyte supply unit 20 that supplies electrolyte to the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C, and a power supply unit 30 that applies voltage to the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C. With this configuration, it is possible to improve the electrolysis performance of the electrolysis device 1 having the electrolysis cells 11, 11A, 11B, and 11C.
  • the electrolytic device 1 of the 12th aspect is the electrolytic device 1 of the 11th aspect, in which the second separator 42 has a gas outlet 42g through which the gas generated at the anode 48 is mainly discharged, and a liquid outlet 42h through which the liquid generated at the anode 48 is mainly discharged.
  • the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h are separately provided on the second separator 42.
  • the electrolytic device 1 further includes a gas-liquid separator 29 that separates the gas contained in the liquid discharged from the liquid outlet 42h and merges the separated gas with the gas discharged from the gas outlet 42g.
  • the gas and liquid generated on the anode 48 side are discharged separately from the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h.
  • the gas contained in the liquid discharged from the liquid outlet 42h is separated from the liquid by the gas-liquid separator 29 and merges with the gas discharged from the gas outlet 42g. This allows the gas and liquid discharged from the electrolysis cell 11 to be separated more reliably.
  • the electrolysis device 1 of the 13th aspect is the electrolysis device 1 of the 11th or 12th aspect, further comprising an ion exchange resin tank 27 into which the water discharged from the second separator 42 flows and into which at least a portion of the ions contained in the water are removed, and a piping line L4 that guides the water that has passed through the ion exchange resin tank 27 to join with the electrolyte solution to be supplied to the cathode 47.
  • the electrolysis device 1 of the 14th aspect is any one of the electrolysis devices 1 of the 11th to 13th aspects, in which the second separator 42 has an outlet 90 through which oxygen and water are discharged.
  • the electrolysis device 1 further includes a suction device 95 that is connected to the outlet 90 and sucks oxygen and water toward the outside of the electrolysis cell 11C. With this configuration, when oxygen and water are discharged from the second separator 42 through the outlet 90, the suction device 95 sucks the oxygen and water toward the outside of the electrolysis cell 11C. This makes it possible to efficiently discharge oxygen and water while suppressing a pressure increase within the electrolysis cell 11C.
  • the electrolytic cell 11 of the fifteenth aspect includes a first separator 41, a second separator 42, an ion exchange membrane 51 arranged between the first separator 41 and the second separator 42, a cathode 47 arranged between the first separator 41 and the ion exchange membrane 51, and an anode 48 arranged between the second separator 42 and the ion exchange membrane 51.
  • the first separator 41 has a first flow path 41r1 for supplying an electrolytic solution to the cathode 47, and the second separator 42 does not have a flow path for supplying an electrolytic solution to the anode 48.
  • the second separator has a gas outlet 42g through which the gas generated at the anode 48 is mainly discharged, and a liquid outlet 42h through which the liquid generated at the anode 48 is mainly discharged.
  • the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h are provided separately in the second separator 42. According to this configuration, the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h are provided separately on the second separator 42. As a result, the oxygen and water generated on the anode 48 side are discharged separately from the gas outlet 42g and the liquid outlet 42h. This allows oxygen and water to be discharged smoothly from within the electrolysis cell 11.

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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たアニオン交換膜と、第１セパレータとアニオン交換膜との間に配置された陰極と、第２セパレータとアニオン交換膜との間に配置された陽極と、を備える。第１セパレータは、陰極に電解液を供給するための流路を有し、陰極では、流路から供給された電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成される。第２セパレータは、陽極に電解液を供給するための流路を有さず、陽極では、電解液が供給されない状態で、陰極からアニオン交換膜を通過した水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。

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、２０２３年３月３日に出願された特願２０２３－３２４７１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、表面に触媒層を設けた固体高分子膜を含む電解膜の両面間に電流を流すＰＥＭ（Polymer Electrolyte Membrane）式の電解装置が開示されている。この電解装置は、電解膜の両面の圧力差を制御しつつ、電解膜の陰極（カソード）側に、水を供給することで、酸素の製造を行う。
　ＰＥＭ式の電解装置では、陽極と陰極との間に電圧を印加すると、陽極側では、下記の化学反応が起こり、水が消費されて酸素が生成される。
　　２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ－＋Ｏ２
　また、陰極室側では、下記の化学反応が起こり、電解液から水素が生成される。
　　４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２
特許第６３３２７９２号公報
　しかしながら、特許文献１に記載のＰＥＭ型の水電解装置では、陽極側で水が消費されるが、陰極側のみに水が供給されている。このため、陰極側に供給された水は、電界膜を通して陽極側に移動して化学反応に供せられ、その化学反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）が再び陰極側に移動して水素が生成される。この際に水またはプロトンが電界膜を通過する過程では抵抗が存在する。このため上記構成では、電解性能の向上を図りにくい。
　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、電解性能の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たアニオン交換膜と、前記第１セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置された陰極と、前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置された陽極と、を備え、前記第１セパレータは、前記陰極に電解液を供給するための流路を有し、前記陰極では、前記流路から供給された前記電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成され、前記第２セパレータは、前記陽極に前記電解液を供給するための流路を有さず、前記陽極では、前記電解液が供給されない状態で、前記陰極から前記アニオン交換膜を通過した前記水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。
　本開示に係る電解装置は、電解セルと、前記電解セルに前記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。
　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、前記第１セパレータは、前記陰極に電解液を供給するための流路を有し、前記第２セパレータは、前記陽極に前記電解液を供給するための流路を有さず、前記陽極で生成された気体が主として排出される気体排出口と、前記陽極で生成された液体が主として排出される気体排出口とを有し、前記気体排出口と前記液体排出口とは、前記第２セパレータに別々に設けられる。
　本開示の電解セルおよび電解装置によれば、電解性能の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。 図２に示された電解セルのＦ３－Ｆ３線に沿う断面図である。 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実施形態の変形例の電解セルを示す断面図である。 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３実施形態の電解セルを示す断面図である。
　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が存在する場合も含み得る。
　先に図５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、後述する膜電極接合体４３の中央部Ｃから膜電極接合体４３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５における紙面奥行方向である。本実施形態では、Ｚ方向およびＹ方向は、水平面に沿う方向である。Ｘ方向は、鉛直方向である。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。
　（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。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。本実施形態では、電解液として、例えば水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が用いられる。電解液供給部２０は、陰極側供給部２０ａと、陽極側回収部２０ｂと、を備える。
　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。陰極側供給部２０ａは、例えば、電解液タンク２１、第１ポンプ２２、水素回収部２３、水素気液分離部２４、純水供給タンク２５、および配管ラインＬ１，Ｌ２を含む。
　電解液タンク２１は、電解液を貯留する。電解液タンク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、電解液タンク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。
　第１ポンプ２２により陰極室Ｓａに送られる電解液は、配管ラインＬ１に設けられたキレート樹脂槽２２Ｊにより、不純物イオンの少なくとも一部を除去するようにしてもよい。キレート樹脂槽２２Ｊは、不純物イオンを除去するためのキレート樹脂を含む。キレート樹脂槽２２Ｊは、電解セル１１または配管ラインＬ１，Ｌ２から電解液（例えば水酸化カリウム水溶液）に溶出した不純物イオン（例えば金属イオン）の少なくとも一部を除去する。
　電解液タンク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。電解液タンク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。電解液タンク２１は、電解液に含まれる水素を分離する水素気液分離部２４に接続される。水素気液分離部２４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。純水供給タンク２５は、水電解処理が進むことに応じて電解液のpHが上昇した場合(水酸化物イオン濃度が上昇した場合)に電解液タンク２１に純水を供給することで電解液のpHを低下(水酸化物イオン濃度を低下）させる。
　一方で、陽極側回収部２０ｂは、各電解セル１１の陽極室Ｓｂから、水および酸素を回収する。陽極側回収部２０ｂは、例えば、酸素回収部２６、イオン交換樹脂槽２７、第２ポンプ２８、酸素気液分離部２９、および配管ラインＬ３，Ｌ４を含む。
　酸素回収部２６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。酸素回収部２６には、電解セル１１で生成された酸素が電解セル１１から流入する。
　イオン交換樹脂槽２７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。イオン交換樹脂槽２７には、電解セル１１で生成された水が、電解セル１１から流入する。イオン交換樹脂槽２７は、電解セル１１から流入する水に含まれるイオンの少なくとも一部を除去する。すなわち、イオン交換樹脂槽２７は、不純物イオンを除去するためのイオン交換樹脂を有する。イオン交換樹脂槽２７は、電解セル１１または配管ラインＬ４から水に溶出した不純物イオン（例えば金属イオンまたは塩素イオン）の少なくとも一部を除去する。第２ポンプ２８は、配管ラインＬ４の途中に設けられ、電解セル１１で生成された水を、純水供給タンク２５に向けて送る。本実施形態では、配管ラインＬ４に流れる液体がアルカリ水溶液ではなく純水であるため、キレート樹脂槽に代えてイオン交換樹脂槽２７を配置することができる。
　酸素気液分離部２９は、電解セル１１で生成された水に含まれる酸素を分離する。酸素気液分離部２９は、例えば配管ラインＬ４の途中に設けられる。本実施形態において、酸素気液分離部２９は、例えば、イオン交換樹脂槽２７よりも、配管ラインＬ４における水の流れ方向の上流側に設けられる。酸素気液分離部２９で分離された水は、イオン交換樹脂槽２７を通り、第２ポンプ２８により、配管ラインＬ４を通して純水供給タンク２５に送られる。配管ラインＬ４は、イオン交換樹脂槽２７を通過した水を、電解セル１１の陰極４７に供給する電解液と合流させるために導く配管ラインである。一方、酸素気液分離部２９で分離された酸素は、配管ラインＬ４の途中に接続される接続ラインＬ５を通して、酸素回収部２６に送られる。すなわち、酸素気液分離部２９は、液体排出口４２ｈから排出された水に含まれる酸素を分離し、分離した酸素を気体排出口４２ｇから排出された酸素に合流させる。
　（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。図３は、電解セル１１を鉛直方向から見た断面図である。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、金属部材又は導電性部材（カーボン材料等）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４参照）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端部４１ｅ１は、第１流路４１ｒ１を有する。第１流路４１ｒ１は、上述した配管ラインＬ１に接続され、電解セル１１の外部から配管ラインＬ１を介して供給される電解液を陰極室Ｓａ内の陰極４７（後述）に供給する。一方で、第２端部４１ｅ２は、第２流路４１ｒ２を有する。第２流路４１ｒ２は、上述した配管ラインＬ２に接続され、陰極室Ｓａを通過することで水素を含む電解液を、配管ラインＬ２を介して電解セル１１の外部に排出する。
　第１セパレータ４１は、第２セパレータ４２に面する第１内面（第１面）４１ａを有する。第１内面４１ａは、後述する陰極室Ｓａに面する。第１内面４１ａは、複数の溝部ＦＰ１が設けられた第１領域Ａ１を有する（図３参照）。複数の溝部ＦＰ１は、第１流路４１ｒ１を通じて電解セル１１の内部に流入した電解液が流れる流路である。複数の溝部ＦＰ１は、例えば、Ｙ方向に間隔を空けて互いに並べて配置され、それぞれＸ方向（例えば鉛直方向）に延びている（図３参照）。第１流路４１ｒ１を通じて電解セル１１の内部に流入した電解液は、複数の溝部ＦＰ１を分かれて流れ、複数の溝部ＦＰ１を通過した後に第２流路４１ｒ２から電解セル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４参照）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は、後述する陽極４８に電解液を供給するための流路は有さない。
　その代わりに、第２端部４２ｅ２は、気体排出口４２ｇを有する。気体排出口４２ｇは、陽極４８で生成された気体（例えば酸素）が主として排出される排出口である。本実施形態では、気体排出口４２ｇは、配管ラインＬ３に接続され、陽極４８で生成された気体（例えば酸素）を電解セル１１の外部に排出する。
　一方で、第１端部４２ｅ１は、液体排出口４２ｈを有する。液体排出口４２ｈは、陽極４８で生成された液体（例えば水）が主として排出される排出口である。すなわち、第２セパレータ４２では、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとが別々に設けられている。本実施形態では、液体排出口４２ｈは、配管ラインＬ４に接続され、陽極４８で生成された液体（例えば水）を電解セル１１の外部に排出する。
　本実施形態では、液体排出口４２ｈは、気体排出口４２ｇよりも下方に設けられている。例えば、気体排出口４２ｇは、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に設けられている。液体排出口４２ｈは、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも下方に設けられている。
　陽極室Ｓｂ内で生成された水および酸素は、酸素よりも比重が大きい水が、自重により下方に移動して溜まる。これにより、陽極室Ｓｂ内で、水と酸素とが上下に分離される。気体排出口４２ｇには、陽極室Ｓｂで分離された酸素が流入する。液体排出口４２ｈには、陽極室Ｓｂ内で分離された水が流入する。なお、液体排出口４２ｈに流入する水には、酸素が混在してもよい。
　図３は、図２に示された電解セル１１のＦ３－Ｆ３線に沿う断面図である。第２セパレータ４２は、第１セパレータ４１に面する第２内面（第２面）４２ａを有する。第２内面４２ａは、後述する陽極室Ｓｂに面する。本実施形態では、第２内面４２ａは、電解液が流れる溝部は有しない。第２内面４２ａは、第１セパレータ４１の第１領域Ａ１（複数の溝部ＦＰ１が設けられた領域）に対向する第２領域Ａ２を有する。第２領域Ａ２は、平面状に形成されている。
　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が複数の溝部ＦＰ１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２セパレータ４２は、第２内面４２ａとは反対側の面４２ｂにも同様の複数のＦＰ１（図３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。
　（膜電極接合体）
　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。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には、第１セパレータ４１の第１流路４１ｒ１から電解液が供給される。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。つまり、陰極４７では、供給された電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成される。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、イオン交換膜５１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、陰極室Ｓａから陽極室Ｓｂに移動した水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。つまり、陽極４８では、電解液が供給されない状態で、陰極４７からイオン交換膜５１を通過した水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。
　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。陰極触媒層５２は、陰極室Ｓａに配置され、Ｚ方向でイオン交換膜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。
　（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。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（多孔質体）、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。陽極触媒層５４は、陽極室Ｓｂに配置され、Ｚ方向でイオン交換膜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。
　（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。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（多孔質体）、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、陽極給電体５５が有する複数の穴の平均的な大きさは、陰極給電体５３が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きい。例えば、陰極給電体５３および陽極給電体５５の両方がメッシュ構造体である場合、陽極給電体５５は、陰極給電体５３と比べて、粗いメッシュ構造を有する。本実施形態では、陽極給電体５５の空隙率は、陰極給電体５３の空隙率よりも大きい。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４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絶縁材６３、第２絶縁材６４、第１エンドプレート６５、および第２エンドプレート６６を含む。
　（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に含まれる複数の電解セル１１により共有されてもよい。
　（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に含まれる複数の電解セル１１により共有されてもよい。
　（第１絶縁材）
　第１絶縁材６３は、第１集電体６１と第１エンドプレート６５との間に位置する。第１絶縁材６３の外形サイズは、例えば、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６４は、第２集電体６２と第２エンドプレート６６との間に位置する。第２絶縁材６４の外形サイズは、例えば、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６５は、電解セル１１の内部空間Ｓに対して、第１絶縁材６３とは反対側に位置する。第１エンドプレート６５の外形サイズは、例えば、第１絶縁材６３の外形サイズと同じか又は大きい。
　（第２エンドプレート）
　第２エンドプレート６６は、電解セル１１の内部空間Ｓに対して、第２絶縁材６４とは反対側に位置する。第２エンドプレート６６の外形サイズは、例えば、第２絶縁材６４の外形サイズと同じか又は大きい。本実施形態では、第１エンドプレート６５と第２エンドプレート６６とが不図示の締結部材によって締結されることで、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２とに互いに向かい合う押圧力が作用し、電解セル１１が一体化される。
　なお、電解セル１１は、上記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、それぞれ第１セパレータ４１および第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）、絶縁材（第１絶縁材６３または第２絶縁材６４）、エンドプレート（第１エンドプレート６５または第２エンドプレート６６）は存在しなくてもよい。
　＜２．２　電解セルの外周部の構造＞
　図５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、陰極給電体５３の外形サイズおよび陽極給電体５５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、膜電極接合体４３の中央部Ｃから離れる側を意味する。
　図５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。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、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絶縁材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３面５２ａとの間に配置される。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３面５２ａ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。
　（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。
　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。
　＜３．作用効果＞
　本実施形態では、第１セパレータ４１のみに第１流路４１ｒ１が形成され、陰極４７に電解液が供給される。一方で、第２セパレータ４２は電解液が流れる流路を有さず、陽極４８には電解液が供給されない。このような構成によれば、陰極４７では、第１流路４１ｒ１から供給された電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成され、陽極４８では、電解液が供給されない状態で、陰極４７からイオン交換膜５１を通過した水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。このような構成によれば、陰極４７および陽極４８の両方にそれぞれ電解液を供給する場合と比べて、電解装置１の運転に必要な電解液の量が半分になり、電解装置１の運転費用の削減を図ることができる。また上記構成によれば、陽極４８側に、電解液を供給するのに必要な各種構成が不要となり、コスト低減に繋がる。また上記構成によれば、電解装置１の運転に伴い変化する電解液の水素イオン濃度（pH）の管理を陰極側のみで行うことができる。これにより、陰極４７および陽極４８の両方にそれぞれ電解液を供給する場合と比べて、運転時の管理負担を削減することができる。
　また上記構成によれば、陰極４７側で水素および水酸化物イオンを生成するために必要な電解液が、陽極４８側ではなく陰極４７側に供給される。したがって、陰極４７側で水素および水酸化物イオンを生成するために消費される電解液が、イオン交換膜５１を通過することなく陰極４７に供給される。その結果、電解セル１１内での損失を低減し、電解セル１１における電解性能の向上を図ることができる。
　本実施形態では、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとが第２セパレータ４２に別々に設けられている。これにより、陽極４８側で生成された酸素および水が、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとから別々に排出される。これにより、電解セル１１内から、酸素および水をある程度分離された状態で得ることができる。したがって、電解セル１１内から、酸素と水とが混在した状態で排出される場合に比較し、電解セル１１の外部に酸素と水とを分離する気液分離機構を備える必要が抑えられ、コスト低減に繋がる。
　本実施形態では、液体排出口４２ｈが、気体排出口４２ｇよりも下方に設けられる。このような構成によれば、電解セル１１内で、水が自重により落下することで、酸素と水とが分離し、水は電解セル１１内の下部に溜まり、酸素は電解セル１１内の上部に溜まる。液体排出口４２ｈを、気体排出口４２ｇよりも下方に設けることで、電解セル１１内の下部に溜まる水を液体排出口４２ｈから排出し、電解セル１１内の上部に溜まる酸素を気体排出口４２ｇから排出することができる。このようにして、電解セル１１内に気液分離機構を特に備えることなく、酸素と水とを効率良く分離することができる。また別の観点では、上記構成によれば、気体排出口４２ｇに水が流入することを抑制することができ、気体排出口４２ｇから気体（酸素）をスムーズに排出することができる。これにより、気体排出口４２ｇが水より塞がれ、陽極室Ｓｂ内の圧力が上昇してイオン交換膜５１が破損することを抑制することができる。
　本実施形態では、気体排出口４２ｇを、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に設けることで、陽極室Ｓｂの上部に溜まる酸素を気体排出口４２ｇからスムーズに排出することができる。また、液体排出口４２ｈを、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも下方に設けることで、陽極室Ｓｂの下部に溜まる水を、液体排出口４２ｈからスムーズに排出することができる。ここで、液体排出口４２ｈを陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に配置されていると、陽極室Ｓｂ内で液体排出口４２ｈよりも下方の領域が純水で満たされることになる。この場合、電解液が存在する陰極４７側と、純水が存在する陽極４８側とで水素イオン濃度（pH）の差が大きくなり、電解セル１１の電解性能が低下する。そこで本実施形態では、液体排出口４２ｈを陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも下方に設けることで、陽極室Ｓｂ内の多くが水で満たされることを抑制する。これにより、電解セル１１の電解性能の向上を図ることができる。
　本実施形態では、陽極給電体５５が有する複数の穴の平均的な大きさは、陰極給電体５３が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きい。このような構成によれば、陰極４７側にのみ電解液が供給され、陽極４８側には電解液が供給されないため、陽極４８側の陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、陽極給電体５５が有する複数の穴の平均的な大きさを、陰極給電体５３が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きくすることで、陽極４８で生成される気体（空気）が気体排出口４２ｇに向けて陽極給電体５５内を移動しやすくなる。これにより、電解セル１１の電解性能の向上を図ることができる。
　本実施形態では、陽極給電体５５の空隙率は、陰極給電体５３の空隙率よりも大きい。このような構成によれば、陰極４７側にのみ電解液が供給され,陽極４８側には電解液が供給されないため、陽極４８側の陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、陽極給電体５５の空隙率を、陰極給電体５３の空隙率よりも大きくすることで、陽極４８で生成される気体（空気）が気体排出口４２ｇに向けて陽極給電体５５内を移動しやすくなる。これにより、電解セル１１の電解性能の向上をさらに図ることができる。
　本実施形態では、第１セパレータ４１の第１内面４１ａは、複数の溝部ＦＰ１を有する第１領域Ａ１を含む。第２セパレータ４２の第２内面４２ａは、第１セパレータ４１の第１領域Ａ１と対向する第２領域Ａ２を有する。第２領域Ａ２は、平面状に形成されている。このような構成によれば、陽極で生成された水は、平面状の第２領域Ａ２をつたって液体排出口４２ｈに向けて移動しやすい。これにより、電解セル１１の電解性能の向上をさらに図ることができる。また、第２領域Ａ２が平面状に形成することで、第２セパレータ４２の構造を簡素化することができ、低コスト化に繋がる。また、第２セパレータ４２の全体を平板状に形成すると、第２セパレータ４２に溝部が設けられる場合と比べて、第２セパレータ４２を薄くすることができる。この場合、電解セルスタック１０の小型化を図ることができる。
　本実施形態では、電解装置１は、液体排出口４２ｈから排出された液体に含まれる気体を分離し、分離した気体を気体排出口４２ｇから排出された気体に合流させる気液分離部２９をさらに備える。このような構成によれば、液体排出口４２ｈから排出される液体に含まれる気体が、気液分離部２９によって液体から分離され、気体排出口４２ｇから排出された気体に合流される。これにより、電解セル１１から排出される気体と液体とを、より確実に分離させることができる。
　本実施形態では、第２セパレータ４２から排出された水に含まれるイオンの少なくとも一部を除去するイオン交換樹脂槽２７を備え、イオン交換樹脂槽２７を通過した水を、陰極４７に供給する電解液と合流させる。このような構成によれば、第２セパレータ４２から排出された水の純水化を図ったうえで、陰極４７に供給することができる。これにより、陰極４７に供給する電解液の少なくとも一部に、陽極４８側で生成された水を有効利用することができ、電解装置１における水の使用量を抑えることができる。また、イオン交換樹脂槽２７が設けられることで、電解セル１１などから水に溶出した不純物イオンの少なくとも一部を除去することができる。本実施形態では、配管ラインＬ４を流れる液体は、電解液ではなく水であるため、キレート樹脂に限らず、種々のイオン交換樹脂から選択された適切なイオン交換樹脂を用いて、電解セル１１から溶出した不純物イオンを除去することができる。これにより、不具合が生じにくく耐久性に優れた電解装置１を提供することができる。
　＜４．作用＞
　図６、図７、図８は、本実施形態の電解セル１１の作用を説明するための図である。
　ここでは、上述した陰極４７のみに電解液が供給され、陽極４８には電解液が供給されない構造を実施例として説明する。これに対して、陰極４７と陽極４８との双方に電解液が供給される構造を、第１比較例として説明する。
　ここでは、実施例および第１比較例の各々について、電源部３０から電圧を印加し、電源部３０からの電流密度と、電解セル１１に生じるセル電圧との関係（Ｉ－Ｖ特性）を計測した。「セル電圧」とは、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間の電位差を意味する。その結果、図６に示すように、陰極４７のみに電解液を供給した実施例が、第１比較例よりも僅かにセル電圧が高くなるが、ほぼ同等の電解性能が得られることが本発明者らにより確認された。
　また、実施例および第１比較例の各々について、長時間、電源部３０から電圧を印加し続ける耐久試験を行い、耐久試験前と、耐久試験後に、電源部３０からの電流密度と、電解セル１１に生じるセル電圧との関係を計測した。その結果、図７に示すように、耐久試験前は、実施例の方が第１比較例よりも電解電圧が高いものの、耐久試験後は、実施例の方が第１比較例よりも電解電圧が低く、良好な電解性能が得られた。これにより、通常運転が継続される実際の使用時を想定した場合、実施例の電解セルは、第１比較例よりも良好な電解性能が得られることが本発明者らにより確認された。
　また、第２比較例として、陽極４８のみに電解液が供給され、陰極４７には電解液が供給されない構造の電解セルを用意した。実施例、第１比較例、および第２比較例の各々において、電源部３０から電圧を印加し、電源部３０からの電流密度と、電解セル１１に生じるセル電圧との関係を計測した。その結果、図８に示すように、陽極４８のみに電解液を供給した第２比較例では、実施例および第１比較例よりも、セル電圧が高く、電解性能が低下していることが本発明者らにより確認された。
　＜５．変形例＞
　次に、第１実施形態の変形例について説明する。
　図９は、第１実施形態の変形例の電解セル１１Ａを示す断面図である。上述した第１実施形態では、陽極給電体５５と陰極給電体５３とで、複数の穴の平均的な大きさ、空隙率を異ならせた。これに代えて／加えて、本変形例では、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２とが重なる積層方向（Ｚ方向）において、陽極給電体５５の厚さＴ１が、陰極給電体５３の厚さＴ２よりも小さい。
　このような構成では、陰極４７側のみに電解液が供給され、陽極４８側には電解液が供給されないため、陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、陽極給電体５５の厚さＴ１を、陰極給電体５３の厚さＴ２よりも小さくしても、陽極給電体５５としての機能を十分に発揮することができる。これにより、電解セル１１の小型化（薄型化）、および低コスト化などを図ることができる。
　（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４８側に、酸素および水を排出する排出口９０を備える点で第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１０は、第２実施形態の電解セル１１Ｂを示す断面図である。本実施形態では、第２セパレータ４２は、酸素および水が纏めて排出される排出口９０を有する。本実施形態において、排出口９０は、電解セル１１Ｂの定常運転状態において、排出口９０の上端が陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳよりも上方に位置するように形成される。「排出口の上端が陽極室に溜まる水の水面よりも上方に位置するように排出口が形成される」とは、例えば、定常運転状態で単位時間当たりに陽極室Ｓｂで生成される水の量よりも、単位時間当たりに排出口９０から外部に流出する水の流量が多くなるように排出口９０の開口面積が設定されることを意味する。
　本実施形態において、排出口９０は、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央または当該中央よりも下方に設けられる。排出口９０から電解セル１１Ｂの外部に排出される酸素および水は、配管ラインＬ６を通して酸素気液分離部２９に送られ、酸素と水とを分離される。
　本実施形態において、第２セパレータ４２は、酸素および水が排出される排出口９０を有する。これにより、陽極室Ｓｂ内で生成された酸素及び水は、混在した状態で排出口９０から排出される。排出口９０の上端は、電解セル１１の定常運転状態において陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳよりも上方に位置する。このため、電解セル１１の定常運転状態において陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳよりも上方に溜まる酸素を、排出口９０を通して常に排出することができる。これにより、排出口９０が水により塞がれ、陽極室Ｓｂ内の気圧が上昇してイオン交換膜５１が破損することを抑制することができる。
　ここで、排出口９０を陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に配置されていると、陽極室Ｓｂ内で排出口９０よりも下方の領域が純水で満たされることになる。この場合、電解液が存在する陰極４７側と、純水が存在する陽極４８側とで水素イオン濃度（pH）の差が大きくなり、電解セル１１の電解性能が低下する。そこで本実施形態では、排出口９０ｈは、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央または当該中央よりも下方に設けられている。これにより、陽極室Ｓｂ内の多くが水で満たされることを抑制し、電解セル１１の電解性能の向上を図ることができる。
　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、排出口９０に接続された吸引装置９５を備える点で第２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２実施形態の構成と同じである。
　図１１は、第３実施形態の電解セル１１Ｃを示す断面図である。本実施形態では、電解セル１１Ｃは、排出口９０に接続される吸引装置９５をさらに備える。吸引装置９５は、例えばポンプ等であり、酸素および水を、排出口９０を通して電解セル１１Ｃの外部に向けて吸引する。これにより、水および酸素を纏めて排出する排出口９０が設けられる場合であっても、陽極室Ｓｂで生成される水および酸素を排出口９０から強制的に排出することができる。これにより、電解セル１１Ｃ内の圧力上昇を抑えつつ、酸素および水を効率良く排出することができる。
（その他の実施形態）
　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、１１Ｂ、１１Ｃ、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、１１Ｂ、１１Ｃ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アニオン交換膜５１と、第１セパレータ４１とアニオン交換膜５１との間に配置された陰極４７と、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に配置された陽極４８と、を備える。第１セパレータ４１は、陰極４７に電解液を供給するための第１流路４１ｒ１を有する。陰極４７では、第１流路４１ｒ１から供給された電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成される。第２セパレータ４２は、陽極４８に電解液を供給するための流路を有さない。陽極４８では、電解液が供給されない状態で、陰極４７からアニオン交換膜５１を通過した水酸化物イオンにより酸素および水が生成される。このような構成によれば、第１セパレータ４１のみに第１流路４１ｒ１が形成され、陰極４７に電解液が供給される。第２セパレータ４２は流路を有さず、陽極４８には電解液が供給されない。陰極４７では、第１流路４１ｒ１から供給された電解液の少なくとも一部が消費されることで、水素および水酸化物イオンが生成される。つまり、陰極４７側で水素および水酸化物イオンを生成するために必要な電解液が、陽極４８側ではなく陰極４７側に供給される。したがって、陰極４７側で水素および水酸化物イオンを生成するための電解液が、アニオン交換膜５１を通過することがなく、抵抗による損失が生じない。その結果、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃにおける電解性能の向上を図ることができる。
（２）第２態様の電解セル１１は、前記第１態様の電解セル１１、１１Ａであって、第２セパレータ４２は、主として酸素が排出される気体排出口４２ｇと、主として水が排出される液体排出口４２ｈとを有する。気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとは、第２セパレータ４２に別々に設けられる。このような構成によれば、陽極４８側で生成された酸素および水が、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとから別々に排出される。これにより、電解セル１１内から、酸素および水をスムーズに排出することができる。例えば、電解セル１１内から、酸素と水とが混在した状態で排出される場合に比較し、電解セル１１の外部に酸素と水とを分離する気液分離機構を備える必要が抑えられ、コスト低減に繋がる。
（３）第３態様の電解セル１１、１１Ａは、前記第２態様の電解セル１１、１１Ａであって、液体排出口４２ｈは、気体排出口４２ｇよりも下方に設けられる。このような構成によれば、電解セル１１内で、水が自重により落下することで、酸素と水とが分離し、水は電解セル１１内の下部に溜まり、酸素は電解セル１１内の上部に溜まる。液体排出口４２ｈを気体排出口４２ｇよりも下方に設けることで、電解セル１１内の下部に溜まる水を液体排出口４２ｈから排出し、電解セル１１内の上部に溜まる酸素を気体排出口４２ｇから排出することができる。このようにして、電解セル１１内に気液分離機構を特に備えることなく、酸素と水とを効率良く分離することができる。
（４）第４態様の電解セル１１、１１Ａは、前記第２または第３態様の電解セル１１、１１Ａであって、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に陽極室Ｓｂが規定される。気体排出口４２ｇは、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に設けられる。液体排出口４２ｈは、前記陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも下方に設けられる。このような構成によれば、気体排出口４２ｇを陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも上方に設けることで、陽極室Ｓｂの上部に溜まる酸素を気体排出口４２ｇからスムーズに排出することができる。また、液体排出口４２ｈを陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央よりも下方に設けることで、陽極室Ｓｂの下部に溜まる水を、液体排出口４２ｈからスムーズに排出することができる。
（５）第５態様の電解セル１１Ｂ、１１Ｃは、前記第１態様の電解セル１１Ｂ、１１Ｃであって、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に陽極室Ｓｂが規定される。第２セパレータ４２は、酸素および水が排出される排出口９０を有する。排出口９０は、電解セル１１Ｂ、１１Ｃの定常運転状態において、排出口９０の上端が陽極室Ｓｂに溜まる水の水面よりも上方に位置するように形成される。このような構成によれば、第２セパレータ４２は、酸素および水が排出される排出口９０を有する。これにより、陽極室Ｓｂ内で生成された酸素及び水は、混在した状態で排出口９０から排出される。排出口９０の上端は、電解セル１１Ｂの定常運転状態において陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳよりも上方に位置する。このため、電解セル１１Ｂの定常運転状態において陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳよりも上方に溜まる酸素を、排出口９０を通して常に排出することができる。陽極室Ｓｂに溜まる水は、排出口９０の下端よりも水の水面が上方に位置している場合に、排出口９０から排出することができる。このようにして、１つの排出口９０を備える構成においても、陽極室Ｓｂ内で水の自重により分離した水と酸素とを、分離した状態のまま排出することができる。
（６）第６態様の電解セル１１Ｂ、１１Ｃは、前記第１または第５態様の電解セル１１Ｂ、１１Ｃであって、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に陽極室Ｓｂが規定される。第２セパレータ４２は、酸素および水が排出される排出口９０を有する。排出口９０は、陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央または当該中央よりも下方に設けられる。このような構成によれば、陽極室Ｓｂ内で生成された酸素及び水は、混在した状態で排出口９０から排出される。排出口９０が陽極室Ｓｂの鉛直方向の中央または当該中央よりも下方に設けられていると、陽極室Ｓｂに溜まる水の水面ＷＳが、排出口９０の下端よりも上方に到達すれば、水が排出口９０から排出される。陽極室Ｓｂ内で水の上方に溜まる酸素は、排出口９０を通して排出される。このようにして、１つの排出口９０を備える構成においても、陽極室Ｓｂ内で水の自重により分離した水と酸素とを、分離した状態のまま排出することができる。
（７）第７態様の電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、前記第１から第６態様の何れか一つの電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃであって、陰極４７は、第１セパレータ４１とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体５３を含む。陽極４８は、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体５５を含む。陽極給電体５５が有する複数の穴の平均的な大きさは、陰極給電体５３が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きい。このような構成によれば、陰極４７側にのみ電解液が供給され、陽極４８側には電解液が供給されない。このため、陽極４８側の陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、陽極給電体５５が有する複数の穴の平均的な大きさを、陰極給電体５３が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きくすることで、例えば、陽極室Ｓｂで気体と液体の分離を促進するとともに、気体および液体の排出を促進することができる。これにより、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの運転効率の向上を図ることができる。
（８）第８態様の電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、前記第１から第７態様の何れか一つの電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃであって、陰極４７は、第１セパレータ４１とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体５３を含む。陽極４８は、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体５５を含む。陽極給電体５５の空隙率は、陰極給電体５３の空隙率よりも大きい。このような構成によれば、陰極４７側のみに電解液が供給され、陽極４８側には電解液が供給されない。このため、陽極４８側の陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、陽極給電体５５の空隙率を、陰極給電体５３の空隙率よりも大きくすることで、例えば、陽極室Ｓｂで気体と液体の分離を促進するとともに、気体および液体の排出を促進することができる。これにより、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの運転効率の向上を図ることができる。
（９）第９態様の電解セル１１Ａは、前記第１から第８態様の何れか一つの電解セル１１Ａであって、陰極４７は、第１セパレータ４１とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体５３を含む。陽極４８は、第２セパレータ４２とアニオン交換膜５１との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体５５を含む。第１セパレータ４１と第２セパレータ４２とが重なる積層方向において、陽極給電体５５の厚さＴ１は、陰極給電体５３の厚さＴ２よりも小さい。このような構成によれば、陰極４７側のみに電解液が供給され、陽極４８側には電解液が供給されない。このため、陽極給電体５５は、電解液が通過することがない。したがって、第１セパレータ４１と第２セパレータ４２とが重なる積層方向における、陽極給電体５５の厚さＴ１を、陰極給電体５３の厚さＴ２よりも小さくしても、陽極給電体５５としての機能を十分に発揮することができる。これにより、電解セル１１Ａの小型化（薄型化）および低コスト化を図ることができる。
（１０）第１０態様の電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、第１から第９態様の何れか一つの電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃであって、第１セパレータ４１は、第２セパレータ４２と対向する第１内面４１ａを有する。第１内面４１ａは、電解液が流れる複数の溝部ＦＰ１が設けられた第１領域Ａ１を含む。第２セパレータ４２は、第１セパレータ４１と対向する第２内面４２ａを有する。第２内面４２ａは、第１領域Ａ１と対向する第２領域Ａ２を有する。第２領域Ａ２は、平面状に形成されている。これにより、第１セパレータ４１の構造を簡素化することができ、電解セル１１Ａの小型化（薄型化）および低コスト化を図ることができる。
（１１）第１１態様の電解装置１は、前記第１または第２態様の電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに電解液を供給する電解液供給部２０と、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ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、電解セル１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有した電解装置１の電解性能の向上を図ることができる。
（１２）第１２態様の電解装置１は、前記第１１態様の電解装置１であって、第２セパレータ４２は、陽極４８で生成された気体が主として排出される気体排出口４２ｇと、陽極４８で生成された液体が主として排出される液体排出口４２ｈとを有する。気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとは、第２セパレータ４２に別々に設けられている。電解装置１は、液体排出口４２ｈから排出された液体に含まれる気体を分離し、分離した前記気体を気体排出口４２ｇから排出された気体に合流させる気液分離部２９をさらに備える。このような構成によれば、陽極４８側で生成された気体および液体が、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとから別々に排出される。液体排出口４２ｈから排出される液体に含まれる気体は、気液分離部２９によって液体から分離され、気体排出口４２ｇから排出された気体に合流される。これにより、電解セル１１から排出される気体と液体とを、より確実に分離させることができる。
（１３）第１３態様の電解装置１は、前記第１１または第１２態様の電解装置１であって、第２セパレータ４２から排出された水が流入し、水に含まれるイオンの少なくとも一部を除去するイオン交換樹脂槽２７と、イオン交換樹脂槽２７を通過した水を、陰極４７に供給する電解液と合流させるために導く配管ラインＬ４と、をさらに備える。このような構成によれば、第２セパレータ４２から排出された水は、イオン交換樹脂槽２７により、水に含まれるイオンの少なくとも一部が除去される。これにより、第２セパレータ４２から排出された水から不純物を除去することができる。イオン交換樹脂槽２７を通過することで純粋化された水は、配管ラインＬ４を通して、陰極４７に供給する電解液と合流される。これにより、陰極４７に供給する電解液の少なくとも一部に、陽極４８側で生成された水を有効利用することができ、電解装置１における水の使用量を抑えることができる。
（１４）第１４態様の電解装置１は、前記第１１から第１３態様の何れか一つの電解装置１であって、第２セパレータ４２は、酸素および水が排出される排出口９０を有する。電解装置１は、排出口９０に接続され、酸素および水を電解セル１１Ｃの外部に向けて吸引する吸引装置９５をさらに備える。このような構成によれば、第２セパレータ４２から排出口９０を通して酸素及び水が排出される場合、吸引装置９５によって酸素および水を電解セル１１Ｃの外部に向けて吸引する。これにより、電解セル１１Ｃ内の圧力上昇を抑えつつ、酸素および水を効率良く排出することができる。
（１５）第１５態様の電解セル１１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、第１セパレータ４１は、陰極４７に電解液を供給するための第１流路４１ｒ１を有し、第２セパレータ４２は、陽極４８に電解液を供給するための流路を有しない。第２セパレータは、陽極４８で生成された気体が主として排出される気体排出口４２ｇと、陽極４８で生成された液体が主として排出される液体排出口４２ｈとを有する。気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとは、第２セパレータ４２に別々に設けられる。このような構成によれば、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとが第２セパレータ４２に別々に設けられている。これにより、陽極４８側で生成された酸素および水が、気体排出口４２ｇと液体排出口４２ｈとから別々に排出される。これにより、電解セル１１内から、酸素および水をスムーズに排出することができる。したがって、電解セル１１内から、酸素と水とが混在した状態で排出される場合に比較し、電解性能を向上させることができるとともに、電解セル１１の外部に酸素と水とを分離する気液分離部を備える必要が抑えられ、コスト低減に繋がる。
１…電解装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…電解セル
２０…電解液供給部
２７…イオン交換樹脂槽
２９…酸素気液分離部（気液分離部）
３０…電源部
４１…第１セパレータ
４１ａ…第１内面
４１ｒ１…第１流路
４１ｒ２…第２流路
４２…第２セパレータ
４２ａ…第２内面
４２ｇ…気体排出口
４２ｈ…液体排出口
４７…陰極
４８…陽極
５１…イオン交換膜（アニオン交換膜）
５１ａ…第１面
５１ｂ…第２面
５２…陰極触媒層
５３…陰極給電体
５４…陽極触媒層
５５…陽極給電体
９０…排出口
９５…吸引装置
ＷＳ…水面

Claims (15)

  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たアニオン交換膜と、
    　前記第１セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置された陰極と、
    　前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置された陽極と、
    　を備え、
    　前記第１セパレータは、前記陰極に電解液を供給するための流路を有し、前記陰極では、前記流路から供給された前記電解液の少なくとも一部が消費されて水素および水酸化物イオンが生成され、
    　前記第２セパレータは、前記陽極に前記電解液を供給するための流路を有さず、前記陽極では、前記電解液が供給されない状態で、前記陰極から前記アニオン交換膜を通過した前記水酸化物イオンにより酸素および水が生成される、
    　電解セル。
  2. 　前記第２セパレータは、主として前記酸素が排出される気体排出口と、主として前記水が排出される液体排出口とを有し、前記気体排出口と前記液体排出口とは、前記第２セパレータに別々に設けられた、
    　請求項１に記載の電解セル。
  3. 　前記液体排出口は、前記気体排出口よりも下方に設けられた、
    　請求項２に記載の電解セル。
  4. 　前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に陽極室が規定され、
    　前記気体排出口は、前記陽極室の鉛直方向の中央よりも上方に設けられ、
    　前記液体排出口は、前記陽極室の鉛直方向の中央よりも下方に設けられた、
    　請求項２または請求項３に記載の電解セル。
  5. 　前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に陽極室が規定され、
    　前記第２セパレータは、前記酸素および前記水が排出される排出口を有し、
    　前記排出口は、前記電解セルの定常運転状態において、前記排出口の上端が前記陽極室に溜まる前記水の水面よりも上方に位置するように形成された、
    　請求項１に記載の電解セル。
  6. 　前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に陽極室が規定され、
    　前記第２セパレータは、前記酸素および前記水が排出される排出口を有し、
    　前記排出口は、前記陽極室の鉛直方向の中央または当該中央よりも下方に設けられた、
    　請求項１または請求項５に記載の電解セル。
  7. 　前記陰極は、前記第１セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体を含み、
    　前記陽極は、前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体を含み、
    　前記陽極給電体が有する複数の穴の平均的な大きさは、前記陰極給電体が有する複数の穴の平均的な大きさよりも大きい、
    　請求項１または請求項２に記載の電解セル。
  8. 　前記陰極は、前記第１セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体を含み、
    　前記陽極は、前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体を含み、
    　前記陽極給電体の空隙率は、前記陰極給電体の空隙率よりも大きい、
    　請求項１または請求項２に記載の電解セル。
  9. 　前記陰極は、前記第１セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陰極給電体を含み、
    　前記陽極は、前記第２セパレータと前記アニオン交換膜との間に配置され、メッシュ構造体、多孔質体、またはファイバーである陽極給電体を含み、
    　前記第１セパレータと前記第２セパレータとが重なる積層方向において、前記陽極給電体の厚さは、前記陰極給電体の厚さよりも小さい、
    　請求項１または請求項２に記載の電解セル。
  10. 　前記第１セパレータは、前記第２セパレータと対向する第１面を有し、
    　前記第１面は、前記電解液が流れる複数の溝部が設けられた第１領域を含み、
    　前記第２セパレータは、前記第１セパレータと対向する第２面を有し
    　前記第２面は、前記第１領域と対向する第２領域を有し、
    　前記第２領域は、平面状に形成されている、
    　請求項１または請求項２に記載の電解セル。
  11. 　請求項１または請求項２に記載の電解セルと、
    　前記電解セルに前記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。
  12. 　前記第２セパレータは、前記陽極で生成された気体が主として排出される気体排出口と、前記陽極で生成された液体が主として排出される液体排出口とを有し、前記気体排出口と前記液体排出口とは、前記第２セパレータに別々に設けられ、
    　前記電解装置は、
    　前記液体排出口から排出された前記液体に含まれる気体を分離し、分離した前記気体を前記気体排出口から排出された前記気体に合流させる気液分離部をさらに備えた、
    　請求項１１に記載の電解装置。
  13. 　前記第２セパレータから排出された前記水が流入し、前記水に含まれるイオンの少なくとも一部を除去するイオン交換樹脂槽と、
    　前記イオン交換樹脂槽を通過した前記水を、前記陰極に供給する前記電解液と合流させるために導く配管ラインと、
    　をさらに備えた、
    　請求項１１に記載の電解装置。
  14. 　前記第２セパレータは、前記酸素および前記水が排出される排出口を有し、
    　前記電解装置は、
    　前記排出口に接続され、前記酸素および前記水を前記電解セルの外部に向けて吸引する吸引装置をさらに備えた、
    　請求項１１に記載の電解装置。
  15. 　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、
    　前記第１セパレータは、前記陰極に電解液を供給するための流路を有し、
    　前記第２セパレータは、前記陽極に前記電解液を供給するための流路を有さず、前記陽極で生成された気体が主として排出される気体排出口と、前記陽極で生成された液体が主として排出される液体排出口とを有し、前記気体排出口と前記液体排出口とは、前記第２セパレータに別々に設けられた、
    　電解セル。
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