WO2025192602A1 - セルユニット - Google Patents

セルユニット

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WO2025192602A1
WO2025192602A1 PCT/JP2025/009116 JP2025009116W WO2025192602A1 WO 2025192602 A1 WO2025192602 A1 WO 2025192602A1 JP 2025009116 W JP2025009116 W JP 2025009116W WO 2025192602 A1 WO2025192602 A1 WO 2025192602A1
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WO
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gasket
space
cell unit
flow path
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/JP2025/009116
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English (en)
French (fr)
Inventor
茂 渡部
武史 眞坂
元 由井
智博 川井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nok Corp
Original Assignee
Nok Corp
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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

  • the present invention relates to a cell unit.
  • Patent Document 1 discloses a water electrolysis device.
  • hydrogen is produced by using electrical power to split water into oxygen and hydrogen.
  • the present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a cell unit that has a simple design and can be used under high pressure.
  • a cell unit comprises a substrate defining a first surface and a second surface facing each other, a hole penetrating from the first surface to the second surface, a membrane disposed within the hole and dividing the hole into a first space on the first surface side and a second space on the second surface side, a first flow path formed in the substrate for introducing a first fluid into the first space, a second flow path formed in the substrate for discharging a second fluid from the second space, a first gasket disposed on the first surface and surrounding the first space and the first flow path, and a second gasket disposed on the first surface and surrounding the second flow path outside the first gasket.
  • a cell unit comprises a third gasket disposed on the second surface and surrounding the second space and the second flow path, and a fourth gasket disposed on the second surface and surrounding the first flow path outside the third gasket.
  • a cell unit includes a third flow path formed in the base material for guiding the first fluid from the first space, and the first gasket surrounds the third flow path.
  • the base material has a groove formed on the first surface that at least partially accommodates the first gasket.
  • the base material has a groove formed on the first surface that at least partially accommodates the second gasket.
  • the first fluid is an electrolyte.
  • the second fluid is hydrogen
  • the present invention provides a cell unit that has a simple design and can be used under high pressure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a cell unit 2 incorporated in a water electrolysis apparatus 1 according to one specific example.
  • 1 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a cell unit 2 incorporated in a water electrolysis apparatus 1 according to one specific example.
  • FIG. 2 is a plan view of the front surface 11 side of the cell unit 2 with one separator removed.
  • FIG. 10 is a plan view of the rear surface 12 side of the cell unit 2 with the other separator removed.
  • FIG. 4 is a plan view corresponding to FIG. 3 and schematically showing the anode side of the water electrolysis device 1 during use.
  • FIG. 5 is a plan view corresponding to FIG. 4 and schematically showing the cathode side of the water electrolysis device 1 during use.
  • Figures 1 and 2 are cross-sectional views schematically illustrating the structure of a cell unit 2 incorporated into a water electrolysis device 1 according to one specific example.
  • Figure 3 is a plan view of the front surface 11 side of the cell unit 2 with one separator removed.
  • Figure 4 is a plan view of the back surface 12 side of the cell unit 2 with the other separator removed.
  • Figure 1 is a cross-sectional view taken along line 1-1 in Figures 3 and 4.
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in Figures 3 and 4. Note that in Figures 1 and 2, the direction in which multiple cell units 2 are stacked is defined as stacking direction a.
  • a water electrolysis device 1 includes a cell stack formed by stacking one or more cell units 2 shown in Figures 1 and 2 in stacking direction a.
  • the cell stack has current collector plates and insulating plates (neither shown) stacked in stacking direction a on the cell units 2 at both ends in stacking direction a. With the current collector plates and insulating plates stacked at each end, the cell stack is fastened in stacking direction a by a pair of end plates (not shown). The water electrolysis device 1 is assembled in this manner.
  • the current collecting plates are made of, for example, a gas-impermeable conductive material.
  • conductive materials include copper plates.
  • the current collecting plates are made of a metal material. Examples of metal materials include titanium. Terminals are provided on each current collecting plate. Current is supplied to each cell unit 2 from these terminals through the current collecting plate.
  • the insulating plates are made of an insulating material. Examples of insulating materials include rubber and resin.
  • the end plates are made of a metal material. Note that the end plates are fastened using, for example, multiple bolts extending in the stacking direction a and nuts threaded onto the bolts.
  • a cell unit 2 includes a substrate 10 that extends in a predetermined shape along an imaginary plane perpendicular to the stacking direction a.
  • the substrate 10 is formed, for example, in a circular shape when viewed from above.
  • the substrate 10 is formed, for example, from a resin material.
  • Resin materials include, but are not limited to, general-purpose plastics (such as polypropylene (PP)), general-purpose engineering plastics (such as polycarbonate (PC)), or super engineering plastics (such as polyphenylene sulfide (PPS)).
  • the substrate 10 defines a first surface, i.e., the front surface 11, and a second surface, i.e., the back surface 12, which face away from each other.
  • the front surface 11 and the back surface 12 are defined along an imaginary plane perpendicular to the stacking direction a.
  • the substrate 10 has a through hole 13 that penetrates from the front surface 11 to the back surface 12 in the stacking direction a.
  • the through hole 13 is formed, for example, in a circular shape when viewed from above.
  • the through hole 13 is formed, for example, from a large diameter portion 13a that opens on the front surface 11 side, and a small diameter portion 13b that opens on the back surface side.
  • the diameter of the small diameter portion 13b is defined to be smaller than the diameter of the large diameter portion 13a.
  • a step surface 13c is formed within the through hole 13 based on the difference in diameter between the large diameter portion 13a and the small diameter portion 13b.
  • the membrane assembly 20 has an electrolyte membrane 21 and catalyst layers 22, 23 formed on the front and back surfaces of the electrolyte membrane 21, respectively.
  • the electrolyte membrane 21 is, for example, an ion exchange membrane, specifically an anion exchange membrane (AEM).
  • the catalyst layers 22, 23 are formed from a metal material such as platinum or an alloy of platinum and other metals.
  • Gas diffusion layers (GDL) 24, 25 are formed on the surfaces of the catalyst layers 22, 23, respectively.
  • the gas diffusion layers 24, 25 are, for example, porous transport layers (PTL). Materials for forming the gas diffusion layers 24, 25 include, for example, carbon cloth and carbon paper.
  • a ring-shaped recess, or groove 13d is formed in the stepped surface 13c.
  • a gasket 17 is disposed in this groove 13d.
  • the gasket 17 is, for example, an O-ring.
  • the gasket 17 is crushed toward the inside of the groove 13d when the annular member 14 is pressed against the stepped surface 13c. As a result, the gasket 17 seals the space between the first space 15 and the second space 16.
  • the gasket 17 is made of an elastic material. Examples of elastic materials include fluororubber (FKM), ethylene propylene diene rubber (EPDM), silicone rubber (VMQ), etc.
  • a flow path member 26 is disposed in the first space 15, while a flow path member 27 is disposed in the second space 16.
  • the flow path members 26, 27 are formed, for example, from a metallic material that is circular in plan view. Examples of metallic materials include stainless steel and aluminum. Specifically, the flow path members 26, 27 are mesh-like expanded metals.
  • the substrate 10 is sandwiched between a pair of flat separators 30, 31.
  • the flow path members 26, 27 allow fluid to flow through the first space 15 and the second space 16, respectively.
  • the flow path member 26 is in contact with the gas diffusion layer 24 and the separator 30.
  • the flow path member 26 is in contact with the gas diffusion layer 25 and the separator 31. In this way, the flow path members 26, 27 electrically connect the separators 30, 31 to the membrane assembly 20.
  • Separator 30 is in contact with the front surface 11 of the substrate 10.
  • Separator 31 is in contact with the back surface 12 of the substrate 10.
  • the substrate 10 is clamped in the stacking direction a by the separators 30, 31 through clamping by the pair of end plates described above.
  • Separators 30, 31 are formed, for example, from a metal material. Metal materials include stainless steel and titanium, for example.
  • separator 30 also serves as separator 31 for the other cell unit 2 stacked on the front surface 11 side of the substrate 10 relative to this cell unit 2.
  • separator 31 also serves as separator 30 for the other cell unit 2 stacked on the back surface 12 side of the substrate 10 relative to this cell unit 2.
  • the electrolyte membrane 21 forms a membrane
  • the first space 15 is the anode (oxygen electrode) side
  • the second space 16 is the cathode (hydrogen electrode) side. That is, the catalyst layer 22 arranged in the first space 15 forms the anode electrode, while the catalyst layer 23 arranged in the second space 16 forms the cathode electrode.
  • the cell unit 2 is formed with a flow path (first flow path) 40 for introducing the electrolyte solution (first fluid) into the first space 15, a flow path (third flow path) 41 for extracting the electrolyte solution and oxygen from the first space 15, and a flow path (second flow path) 42 for extracting hydrogen (second fluid) from the second space 16.
  • the flow path 40 has a manifold 40a that penetrates the substrate 10, separator 30, and separator 31 in the stacking direction a, and a recess 40b formed on the surface 11 of the substrate 10 and the surface of the annular member 14 that is continuous with the surface 11.
  • the manifold 40a is formed adjacent to one side of the first space 15 in a radial direction perpendicular to the stacking direction a.
  • the recess 40b connects the manifold 40a to the first space 15.
  • the recess 40b is covered by the separator 30. Note that in this example, as is clear from Figure 3, the recess 40b is formed from a single groove that connects the manifold 40a to the first space 15, but as an alternative, it may be formed from multiple grooves.
  • the flow path 41 has a manifold 41a that penetrates the substrate 10, separator 30, and separator 31 in the stacking direction a, and a recess 41b formed on the surface 11 of the substrate 10.
  • the manifold 41a is formed adjacent to the other side of the first space 15, opposite in the radial direction from the side on which the manifold 40a is formed.
  • the recess 41b connects the first space 15 and the manifold 41a.
  • the recess 41b is covered by the separator 30. Note that in this example, as is clear from Figure 3, the recess 41b is formed as a single groove that connects the first space 15 and the manifold 40a, but as an alternative, it may be formed as multiple grooves.
  • the flow path 42 has a pair of manifolds 42a, 42a that penetrate the substrate 10, separator 30, and separator 31 in the stacking direction a, and a recess 42b formed on the back surface 12 of the substrate 10.
  • the pair of manifolds 42a, 42a are formed adjacent to the second space 16 on both sides of the second space 16 in the radial direction.
  • One recess 42b connects one manifold 42a to the second space 16
  • the other recess 42b connects the other manifold 42a to the second space 16.
  • the recess 42b is formed as a single groove that connects the second space 16 and the manifold 42a, but as an alternative, it may be formed as multiple grooves.
  • the manifolds 40a, 41a of the flow paths 40, 41 are arranged on opposite radial positions across the first space 15 and the second space 16, while the manifolds 42a, 42a of the flow path 42 are arranged on opposite radial positions across the first space 15 and the second space 16.
  • the manifolds 40a, 41a and the manifolds 42a, 42a are arranged at angular intervals of 90 degrees around the center point of the substrate 10 in a plan view.
  • the manifolds 40a, 41a and the manifolds 42a, 42a may be arranged relative to each other at other angular intervals in a plan view.
  • a gasket (first gasket) 50 is disposed on the surface 11 of the substrate 10, surrounding the first space 15 and the flow paths 40 and 41 from the outside.
  • the gasket 50 is formed in a generally elliptical shape when viewed from above.
  • the gasket 50 is formed, for example, from the same material as the gasket 17.
  • the gasket 50 is at least partially disposed in an annular recess, i.e., groove 10a, formed on the surface 11. That is, the groove 10a has a depth sufficient to accommodate at least a portion of the gasket 50 before elastic deformation.
  • the gasket 50 is crushed into the groove 10a by the separator 30. In this way, the gasket 50 seals the first space 15 and the flow paths 40 and 41.
  • gaskets (second gaskets) 51, 51 are arranged on the surface 11 of the substrate 10, surrounding the flow paths 42, i.e., the pair of manifolds 42a, 42a.
  • the gaskets 51, 51 are arranged outside the gasket 50.
  • the gasket 51 is formed in a circular shape in a plan view.
  • the gasket 51 is formed from the same material as the gaskets 17, 50, for example.
  • Each gasket 51 is at least partially arranged in an annular recess, i.e., groove 10b, formed on the surface 11. That is, the groove 10b has a depth sufficient to accommodate at least a portion of the gasket 51 before elastic deformation.
  • the gasket 51 is crushed into the groove 10b by the separator 30. In this way, the gasket 51 seals the flow paths 42.
  • a gasket (third gasket) 52 is disposed on the back surface 12 of the substrate 10, surrounding the second space 16 and the flow path 42 from the outside.
  • the gasket 52 is formed in a generally elliptical shape when viewed from above.
  • the gasket 52 is formed from the same material as, for example, gaskets 17, 50, and 51.
  • the gasket 52 is at least partially disposed in an annular recess, i.e., groove 10c, formed on the back surface 12. That is, the groove 10c has a depth sufficient to accommodate at least a portion of the gasket 52 before elastic deformation.
  • the gasket 52 is crushed into the groove 10c by the separator 31. In this way, the gasket 52 seals the second space 16 and the flow path 42.
  • gaskets (fourth gaskets) 53, 53 are arranged on the back surface 12 of the substrate 10, surrounding the flow paths 40, i.e., the manifolds 40a, 41a, respectively.
  • the gaskets 53, 53 are arranged outside the gasket 52.
  • the gasket 53 is formed in a circular shape in a plan view.
  • the gasket 53 is formed from the same material as, for example, the gaskets 17, 50, 51, and 52.
  • Each gasket 53 is at least partially arranged in an annular recess, i.e., groove 10d, formed on the back surface 12. That is, the groove 10d has a depth sufficient to accommodate at least a portion of the gasket 53 before elastic deformation.
  • the gasket 53 is crushed into the groove 10d by the separator 31. In this way, the gasket 53 seals the flow paths 40, 41.
  • an electrolyte solution is supplied to the first space 15 of each cell unit 2 via the flow path 40.
  • the electrolyte solution is, for example, an alkaline solution with a pH of 14 or less.
  • a direct current is supplied to the current collector, a water electrolysis reaction occurs in each cell unit 2.
  • Oxygen is produced on the anode side, i.e., the first space 15, and hydrogen is produced on the cathode side, i.e., the second space 16.
  • water in the electrolyte solution diffuses through the electrolyte membrane 21 and moves to the cathode side, where hydrogen (H 2 ) and hydroxide ions (OH ⁇ ) are produced from the water on the cathode side (H 2 O ⁇ H 2 + 2OH ⁇ ). Meanwhile, hydroxide ions move through the electrolyte membrane 21 to the anode side. As a result, water (H 2 O) and oxygen (O 2 ) are produced from the hydroxide ions on the anode side (2OH ⁇ ⁇ 1 ⁇ 2O 2 + H 2 O + 2e ⁇ ). Hydrogen produced on the cathode side is discharged from the cell unit 2 through a flow path 42. On the other hand, oxygen and water produced on the anode side are discharged from the cell unit 2 through a flow path 41.
  • Figure 5 corresponds to Figure 3 and is a plan view schematically showing the state of the anode side when the water electrolysis device 1 is in use.
  • Figure 6 corresponds to Figure 4 and is a plan view schematically showing the state of the cathode side when the water electrolysis device 1 is in use.
  • the electrolyte solution pressure P1 acts uniformly from the inside to the outside of the gasket 50.
  • the electrolyte solution pressure P1 is usually set to ⁇ 1 MPa.
  • Hydrogen pressure P2 acts uniformly on the gasket 52 from the inside to the outside, as shown by the arrows in Figure 6. Hydrogen pressure P2 is usually set to be greater than electrolyte pressure P1. Furthermore, on the outside of the gasket 52, gaskets 53, 53 surrounding the manifolds 40a, 41a, respectively, electrolyte pressure P1 acts from the inside to the outside. On the other hand, on the anode side, on the outside of the gasket 50, hydrogen pressure P2 acts from the inside to the outside on gaskets 51, 51 surrounding the manifolds 42a, 42a, respectively.
  • the gaskets 50-53 are all disposed in grooves 10a-10d formed in the front surface 11 or rear surface 12 of the substrate 10, but any or all of the grooves 10a-10d may be omitted. That is, the gaskets 50-53 may be, for example, adhered to the front surface 11 or rear surface 12 of the substrate 10.
  • the substrate 10 and membrane assembly 20 of each cell unit 2 are all formed to be circular in plan view, they may also be formed to be other polygonal shapes, such as rectangular, in plan view.
  • the substrate 10 may have a diameter of, for example, approximately 300 mm to 1000 mm.
  • each cell unit 2 may have a thickness of, for example, approximately 1 mm to 5 mm.
  • each cell unit 2 of the water electrolysis system 1 uses an anion exchange membrane (AEM) as the electrolyte membrane 21, but instead, a solid polymer electrolyte membrane such as a proton exchange membrane (PEM) may be used. In this case, pure water is supplied to the anode side of each cell unit 2.
  • AEM anion exchange membrane
  • PEM proton exchange membrane
  • the above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, the above-described embodiments do not limit the scope of application of the present invention, but may include any object to which the present invention can be used.
  • the components of the above-described embodiments, as well as their arrangement, materials, conditions, shape, size, etc., are not limited to those exemplified and can be modified as appropriate.
  • the present invention includes differences that arise in implementation due to manufacturing tolerances, etc.
  • components shown in different embodiments can be partially substituted or combined to the extent that they are not technically inconsistent.
  • the various configurations can be selectively combined as appropriate to achieve at least some of the above-described challenges and effects.
  • 1 water electrolysis device 2 cell unit, 10 substrate, 10a, 10b, 10c, 10d groove, 11 surface (first surface), 12 back surface (second surface), 13 through-hole (hole), 13a large diameter portion, 13b small diameter portion, 13c stepped surface, 13d groove, 14 annular member, 15 first space, 16 second space, 17 gasket, 20 membrane assembly, 21 electrolyte membrane, 22, 23 catalyst layer, 24, 25 gas diffusion layer, 26 flow path member, 27 flow path member, 3 0, 31 Separator, 40 Flow path (first flow path), 40a Manifold, 40b Recess, 41 Flow path (third flow path), 41a Manifold, 41b Recess, 42 Flow path (second flow path), 42a Manifold, 42b Recess, 50 Gasket (first gasket), 51 Gasket (second gasket), 52 Gasket (third gasket), 53 Gasket (fourth gasket), a Stacking direction, P1 Pressure, P2 Pressure

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Abstract

セルユニット（２）は、互いに背向する第１面（１１）及び第２面（１２）を規定する基材（１０）と、前記第１面（１１）から前記第２面（１２）まで貫通する孔（１３）と、前記孔（１３）内に配置されて、前記孔（１３）を、前記第１面（１１）側の第１空間（１５）と前記第２面（１２）側の第２空間（１６）とに仕切る膜（２１）と、前記基材（１０）に形成されて、前記第１空間（１５）に第１流体を導入するための第１流路（４０）と、前記基材（１０）に形成されて、前記第２空間（１６）から第２流体を導出するための第２流路（４２）と、前記第１面（１１）に配置されて、前記第１空間（１５）及び前記第１流路（４０）を取り囲む第１ガスケット（５０）と、前記第１面（１１）に配置されて、前記第１ガスケット（５０）の外側で前記第２流路（４２）を囲む第２ガスケット（５１）と、を備える。

Description

セルユニット
　本発明は、セルユニットに関する。
　例えば特許文献１には、水電解装置が開示されている。この水電解装置では、電気の力を利用して水を酸素と水素とに分解することによって水素が生成される。
特開２０１２－１１７１４０号公報
　水素の生成の効率化にあたって、水素を高圧下で生成することが求められている。しかしながら、高圧下での使用にあたって、水電解装置の設計は複雑となる。
　本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、簡単な設計かつ高圧下で使用することができるセルユニットを提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係るセルユニットは、互いに背向する第１面及び第２面を規定する基材と、前記第１面から前記第２面まで貫通する孔と、前記孔内に配置されて、前記孔を、前記第１面側の第１空間と前記第２面側の第２空間とに仕切る膜と、前記基材に形成されて、前記第１空間に第１流体を導入するための第１流路と、前記基材に形成されて、前記第２空間から第２流体を導出するための第２流路と、前記第１面に配置されて、前記第１空間及び前記第１流路を取り囲む第１ガスケットと、前記第１面に配置されて、前記第１ガスケットの外側で前記第２流路を囲む第２ガスケットと、を備える。
　本発明の一態様に係るセルユニットは、前記第２面に配置されて、前記第２空間及び前記第２流路を取り囲む第３ガスケットと、前記第２面に配置されて、前記第３ガスケットの外側で前記第１流路を取り囲む第４ガスケットと、を備える。
　本発明の一態様に係るセルユニットは、前記基材に形成されて、前記第１空間から前記第１流体を導出するための第３流路を備え、前記第１ガスケットは前記第３流路を取り囲む。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記基材は、前記第１面に形成されて少なくとも部分的に前記第１ガスケットを収容する溝を有する。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記基材は、前記第１面に形成されて少なくとも部分的に前記第２ガスケットを収容する溝を有する。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記基材は樹脂材料から形成される。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記膜は、水電解装置又は燃料電池に組み込まれる電解質膜である。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記第１流体は電解液である。
　本発明の一態様に係るセルユニットでは、前記第２流体は水素である。
　本発明によれば、簡単な設計かつ高圧下で使用することができるセルユニットを提供することができる。
一具体例に係る水電解装置１に組み込まれるセルユニット２の構造を概略的に示す断面図である。 一具体例に係る水電解装置１に組み込まれるセルユニット２の構造を概略的に示す断面図である。 一方のセパレータを取り外した状態のセルユニット２の表面１１側の平面図である。 他方のセパレータを取り外した状態のセルユニット２の裏面１２側の平面図である。 図３に対応し、水電解装置１を使用中のアノード側の様子を概略的に示す平面図である。 図４に対応し、水電解装置１を使用中のカソード側の様子を概略的に示す平面図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、一具体例に係る水電解装置１に組み込まれるセルユニット２の構造を概略的に示す断面図である。図３は、一方のセパレータを取り外した状態のセルユニット２の表面１１側の平面図である。図４は、他方のセパレータを取り外した状態のセルユニット２の裏面１２側の平面図である。なお、図１は、図３及び図４における１－１線に沿った断面図である。図２は、図３及び図４における２－２線に沿った断面図である。なお、図１及び図２において、複数のセルユニット２が積層される方向を積層方向ａと規定する。
　一具体例に係る水電解装置１は、図１及び図２に示す１以上のセルユニット２が積層方向ａに積層されることによって形成されるセルスタックを備えている。セルスタックは、積層方向ａにおける両端部のセルユニット２に対して、積層方向ａにそれぞれさらに積層される集電板及び絶縁板（いずれも図示せず）を有している。集電板及び絶縁板がそれぞれの端部に積層された状態で、セルスタックは積層方向ａにおいて１対のエンドプレート（図示せず）によって締結されている。こうして水電解装置１が組み立てられる。
　集電板は、例えば、ガス不透過性の導電材料から形成される。導電材料には例えば銅板などが含まれる。集電板は金属材料から形成されている。金属材料には例えばチタン等が含まれる。各集電板には端子が設けられている。この端子から集電板を通じて各セルユニット２に電流が供給される。絶縁板は絶縁材料から形成される。絶縁材料には例えば、ゴムや樹脂などが含まれる。エンドプレートは金属材料から形成される。なお、エンドプレートの締結にあたって、積層方向ａに延在する例えば複数のボルトと、ボルトに螺合するナットと、が用いられる。
　図１～図４を併せて参照すると、本発明の一実施形態に係るセルユニット２は、例えば積層方向ａに直交する仮想平面に沿って所定の形状で広がる基材１０を備えている。この例では、基材１０は、図３及び図４から明らかなように、平面視において例えば円形に形成されている。基材１０は例えば樹脂材料から形成されている。樹脂材料には、これらに限定されないが、例えば、汎用プラスチック（ポリプロピレン（ＰＰ）等）、汎用エンプラ（ポリカーボネート（ＰＣ）等）又はスーパーエンプラ（例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等）が含まれる。
　基材１０は、互いに背向する第１面すなわち表面１１及び第２面すなわち裏面１２と、を規定する。この例では、表面１１及び裏面１２は、積層方向ａに直交する仮想平面に沿って規定される。基材１０は、積層方向ａに表面１１から裏面１２まで貫通する貫通孔１３を有している。貫通孔１３は、平面視において例えば円形に形成されている。貫通孔１３は、例えば表面１１側に開口する大径部１３ａと、例えば裏面側に開口する小径部１３ｂと、から形成される。小径部１３ｂの直径は大径部１３ａの直径よりも小さく規定される。貫通孔１３内には、大径部１３ａと小径部１３ｂとの間の直径の差に基づいて段差面１３ｃが形成される。
　段差面１３ｃは、例えば積層方向ａに直交する仮想平面に沿って環状に広がる。セルユニット２は、この段差面１３ｃに支持される膜接合体２０を備えている。膜接合体２０は、例えば平面視において円形に形成されている。大径部１３ａには環状の環状部材１４が配置されている。環状部材１４は、段差面１３ｃとの間に膜接合体２０の外周側の縁部を挟み込んでいる。こうして膜接合体２０は、貫通孔１３を、表面１１側の第１空間１５と、裏面１２側の第２空間１６と、に仕切る。環状部材１４は、例えば基材１０と同様の樹脂材料から形成されている。この例では、環状部材１４の内周面の直径は小径部１３ｂの直径とほぼ等しく設定されている。
　膜接合体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１の表面及び裏面にそれぞれ形成された触媒層２２、２３と、を有している。電解質膜２１は、例えばイオン交換膜であり、具体的にはアニオン交換膜（ＡＥＭ）である。触媒層２２、２３は、白金又は白金及び他の金属の合金等の金属材料から形成されている。触媒層２２、２３のそれぞれの表面にはガス拡散層（ＧＤＬ）２４、２５が形成されている。ガス拡散層２４、２５は例えば多孔質移動層（ＰＴＬ）である。ガス拡散層２４、２５を形成する材料には例えばカーボンクロスやカーボンペーパー等が含まれる。
　図１及び図２から明らかなように、段差面１３ｃには環状の凹部すなわち溝１３ｄが形成されている。この溝１３ｄにはガスケット１７が配置されている。ガスケット１７は例えば、Ｏリング等である。ガスケット１７は、段差面１３ｃに対して環状部材１４が押し付けられることによって溝１３ｄ内に向かって押しつぶされる。その結果、ガスケット１７は、第１空間１５及び第２空間１６の間を密封する。ガスケット１７は弾性材料から形成されている。弾性材料には、例えば、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）等が含まれる。
　第１空間１５には流路部材２６が配置されている一方で、第２空間１６には流路部材２７が配置されている。流路部材２６、２７は、平面視において例えば円形の金属材料から形成されている。金属材料には例えば、ステンレス鋼やアルミニウム等が含まれる。具体的には、流路部材２６、２７はメッシュ状のエキスパンドメタル等である。基材１０は１対の平板状のセパレータ３０、３１で挟み込まれている。流路部材２６、２７はそれぞれ、第１空間１５及び第２空間１６において流体の流通を許容する。また、流路部材２６はガス拡散層２４とセパレータ３０とに接触している。流路部材２６はガス拡散層２５とセパレータ３１とに接触している。こうして流路部材２６、２７はセパレータ３０、３１と膜接合体２０とを電気的に接続する。
　セパレータ３０は基材１０の表面１１に接触している。セパレータ３１は基材１０の裏面１２に接触している。上述した１対のエンドプレートによる締め付けによって、基材１０はセパレータ３０、３１によって積層方向ａにおいて締め付けられている。セパレータ３０、３１は例えば、金属材料から形成されている。金属材料には例えばステンレス鋼やチタン等が含まれる。なお、例えばセパレータ３０は、このセルユニット２に対して基材１０の表面１１側に積層される他方のセルユニット２のセパレータ３１を兼ねる。同様に、例えばセパレータ３１は、このセルユニット２に対して基材１０の裏面１２側に積層される他方のセルユニット２のセパレータ３０を兼ねる。
　セルユニット２では、電解質膜２１が隔膜を形成し、第１空間１５がアノード（酸素極）側であり、第２空間１６がカソード（水素極）側である。すなわち、第１空間１５内に配置された触媒層２２はアノード電極を構成する一方で、第２空間１６内に配置された触媒層２３がカソード電極を構成する。セルユニット２には、第１空間１５に電解液（第１流体）を導入するための流路（第１流路）４０と、第１空間１５から電解液と酸素とを導出するための流路（第３流路）４１と、第２空間１６から水素（第２流体）を導出するための流路（第２流路）４２と、が形成されている。
　流路４０は、積層方向ａに基材１０、セパレータ３０及びセパレータ３１を貫通するマニホールド４０ａと、基材１０の表面１１及び表面１１に連続する環状部材１４の表面に形成された凹部４０ｂと、を有している。この例では、マニホールド４０ａは、積層方向ａに直交する径方向において第１空間１５の一方の側に隣接して形成されている。凹部４０ｂはマニホールド４０ａと第１空間１５とを連通する。凹部４０ｂはセパレータ３０で覆われている。なお、この例では、図３から明らかなように、凹部４０ｂは、マニホールド４０ａと第１空間１５とを連通する一筋の溝から形成されているが、代替例として、複数筋の溝から形成されてもよい。
　流路４１は、積層方向ａに基材１０、セパレータ３０及びセパレータ３１を貫通するマニホールド４１ａと、基材１０の表面１１に形成された凹部４１ｂと、を有している。この例では、マニホールド４１ａは、マニホールド４０ａが形成される第１空間１５の一方の側とは径方向の反対側の他方の側に隣接して形成されている。凹部４１ｂは、第１空間１５とマニホールド４１ａとを連通する。凹部４１ｂはセパレータ３０で覆われている。なお、この例では、図３から明らかなように、凹部４１ｂは、第１空間１５とマニホールド４０ａとを連通する一筋の溝から形成されているが、代替例として、複数筋の溝から形成されてもよい。
　流路４２は、積層方向ａに基材１０、セパレータ３０及びセパレータ３１を貫通する１対のマニホールド４２ａ、４２ａと、基材１０の裏面１２に形成された凹部４２ｂと、を有している。この例では、１対のマニホールド４２ａ、４２ａは、径方向において第２空間１６の両側で第２空間１６に隣接して形成されている。一方の凹部４２ｂが一方のマニホールド４２ａと第２空間１６と連通し、他方の凹部４２ｂが他方のマニホールド４２ａと第２空間１６とを連通する。なお、この例では、図４から明らかなように、凹部４２ｂは、第２空間１６とマニホールド４２ａとを連通する一筋の溝から形成されているが、代替例として、複数筋の溝から形成されてもよい。
　図３及び図４に示すように、流路４０、４１のマニホールド４０ａ、４１ａは、第１空間１５及び第２空間１６を挟んで径方向の反対側の位置に配置されている一方で、流路４２のマニホールド４２ａ、４２ａは、第１空間１５及び第２空間１６を挟んで径方向に互いに反対側の位置に配置されている。また、この例では、マニホールド４０ａ、４１ａとマニホールド４２ａ、４２ａとは、平面視における例えば基材１０の中心点周りに９０度の角度間隔で配置されている。ただし、平面視におけるマニホールド４０ａ、４１ａとマニホールド４２ａ、４２ａとはその他の角度間隔に基づいて相対的に配置されていてもよい。
　基材１０の表面１１には、第１空間１５と流路４０及び流路４１とを外側から取り囲むガスケット（第１ガスケット）５０が配置されている。この例では、ガスケット５０は、平面視において概ね楕円形に形成されている。ガスケット５０は、例えばガスケット１７と同様の材料から形成されている。ガスケット５０は、表面１１に形成された環状の凹部すなわち溝１０ａ内に少なくとも部分的に配置されている。すなわち、溝１０ａは、弾性変形前のガスケット５０の少なくとも一部を収容する深さを有している。基材１０の表面１１において、ガスケット５０は、セパレータ３０によって溝１０ａ内に押しつぶされる。こうしてガスケット５０は第１空間１５と流路４０及び流路４１とを密封する。
　同様に、基材１０の表面１１には、流路４２すなわち１対のマニホールド４２ａ、４２ａをそれぞれ取り囲むガスケット（第２ガスケット）５１、５１が配置されている。ガスケット５１、５１はガスケット５０の外側に配置されている。この例では、ガスケット５１は、平面視において円形に形成されている。ガスケット５１は、例えばガスケット１７、５０と同様の材料から形成されている。ガスケット５１はそれぞれ、表面１１に形成された環状の凹部すなわち溝１０ｂ内に少なくとも部分的に配置されている。すなわち、溝１０ｂは、弾性変形前のガスケット５１の少なくとも一部を収容する深さを有している。基材１０の表面１１において、ガスケット５１は、セパレータ３０によって溝１０ｂ内に押しつぶされる。こうしてガスケット５１は流路４２を密封する。
　一方で、基材１０の裏面１２には、第２空間１６と流路４２とを外側から取り囲むガスケット（第３ガスケット）５２が配置されている。この例では、ガスケット５２は、平面視において概ね楕円形に形成されている。ガスケット５２は、例えばガスケット１７、５０、５１と同様の材料から形成されている。ガスケット５２は、裏面１２に形成された環状の凹部すなわち溝１０ｃ内に少なくとも部分的に配置されている。すなわち、溝１０ｃは、弾性変形前のガスケット５２の少なくとも一部を収容する深さを有している。基材１０の裏面１２において、ガスケット５２は、セパレータ３１によって溝１０ｃ内に押しつぶされる。こうしてガスケット５２は第２空間１６と流路４２とを密封する。
　同様に、基材１０の裏面１２には、流路４０すなわちマニホールド４０ａ、４１ａをそれぞれ取り囲むガスケット（第４ガスケット）５３、５３が配置されている。ガスケット５３、５３はガスケット５２の外側に配置されている。この例では、ガスケット５３は、平面視において円形に形成されている。ガスケット５３は、例えばガスケット１７、５０、５１、５２と同様の材料から形成されている。ガスケット５３はそれぞれ、裏面１２に形成された環状の凹部すなわち溝１０ｄ内に少なくとも部分的に配置されている。すなわち、溝１０ｄは、弾性変形前のガスケット５３の少なくとも一部を収容する深さを有している。基材１０の裏面１２において、ガスケット５３は、セパレータ３１によって溝１０ｄ内に押しつぶされる。こうしてガスケット５３は流路４０、４１を密封する。
　次に、水電解装置１の使用態様について以下に説明する。水電解装置１には、流路４０を介して各セルユニット２の第１空間１５に電解液が供給される。電解液は、例えばｐＨが１４以下のアルカリ溶液である。このとき、集電板に直流電流が供給されると、各セルユニット２において水電解反応が生じる。アノード側すなわち第１空間１５で酸素が生成され、カソード側すなわち第２空間１６で水素が生成される。具体的には、電解液中の水が電解質膜２１中を拡散してカソード側に移動し、カソード側ではその水から水素（Ｈ２）と水酸化物イオン（ＯＨ－）とが生成される（Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋２ＯＨ－）。一方で、水酸化物イオンは電解質膜２１中をアノード側に移動する。その結果、アノード側では、水酸化物イオンから水（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）とが生成される（２ＯＨ－→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－）。カソード側で生成された水素は流路４２を通じてセルユニット２から導出される。一方で、アノード側で生成された酸素及び水は流路４１を通じてセルユニット２から導出される。
　図５は、図３に対応し、水電解装置１を使用中のアノード側の様子を概略的に示す平面図である。図６は、図４に対応し、水電解装置１を使用中のカソード側の様子を概略的に示す平面図である。水電解装置１の使用中、図５に示すように、各セルユニット２のアノード側では、マニホールド４０ａから凹部４０ｂを通って第１空間１５に導入された電解液は、凹部４１ｂからマニホールド４１ａを通って酸素とともにセルユニット２から導出される。ガスケット５０には、図５に矢印で示すように、その内側から外側に向かって一様に電解液の圧力Ｐ１が作用する。電解液の圧力Ｐ１は、通常、＜１ＭＰａに設定されている。
　図６に示すように、各セルユニット２のカソード側では、第２空間１６で生成された水素が凹部４２ｂ、４２ｂを通じてマニホールド４２ａ、４２ａから導出される。ガスケット５２には、図６に矢印で示すように、その内側から外側に向かって一様に水素の圧力Ｐ２が作用する。水素の圧力Ｐ２は、通常、電解液の圧力Ｐ１よりも大きく設定される。また、ガスケット５２の外側で、マニホールド４０ａ、４１ａをそれぞれ取り囲むガスケット５３、５３には、その内側から外側に向かって電解液の圧力Ｐ１が作用している。一方で、アノード側では、ガスケット５０の外側で、マニホールド４２ａ、４２ａをそれぞれ取り囲む５１、５１には、その内側から外側に向かって水素の圧力Ｐ２が作用している。
　以上のような水電解装置１では、各セルユニット２のアノード側において、ガスケット５０及びガスケット５１に作用する圧力はいずれもその内側から外側に向かって一方向である。同様に、各セルユニット２のカソード側において、ガスケット５２及びガスケット５３に作用する圧力はいずれもその内側から外側に向かって一方向である。言い換えると、ガスケット５０～５３には、その外側から内側に向かって圧力は作用しない。その結果、仮に水素の圧力Ｐ２を高圧に設定する場合であっても、ガスケット５０、５３はその圧力Ｐ２に応じて設計されればよい。したがって、セルユニット２を構成する基材１０等の強度設計やガスケット５０、５３の設計が容易となる。こうして簡単な設計かつ高圧下でセルユニット２を使用することができる。
　一方で、比較例として、例えば、アノード側においてガスケット５０がガスケット５１、５１を取り囲む場合、又は、カソード側においてガスケット５２がガスケット５３、５３を取り囲む場合が想定される。これらの比較例の場合、例えばアノード側では、ガスケット５３には、その外側から内側に向かって電解液の圧力Ｐ１が作用すると同時に、その内側から外側に向かって水素の圧力Ｐ２が作用する。すなわち、ガスケット５１には互いに異なる２方向から圧力が作用する。したがって、例えば、生成する水素の圧力Ｐ２を高める場合に、セルユニット２を構成する基材１０等の強度設計やガスケット５１の設計が複雑となる。なお、カソード側でも同様のことがいえる。
　以上のような水電解装置１では、ガスケット５０～５３はいずれも、基材１０の表面１１や裏面１２に形成された溝１０ａ～１０ｄ内に配置されたが、溝１０ａ～１０ｄのいずれか又はすべての形成が省略されてもよい。すなわち、ガスケット５０～５３は基材１０の表面１１や裏面１２に例えば接着されてもよい。また、各セルユニット２の基材１０や膜接合体２０等はいずれも、平面視において円形に形成されたが、平面視において矩形等の他の多角形に形成されてもよい。水電解装置１に関連する寸法については、基材１０は例えば３００ｍｍ～１０００ｍｍ程度の直径を有してもよい。また、積層方向ａにおいて、各セルユニット２は例えば１ｍｍ～５ｍｍ程度の厚さを有してもよい。
　また、水電解装置１の各セルユニット２は、電解質膜２１としてアニオン交換膜（ＡＥＭ）を用いたが、これに代えて、例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）といった固体高分子電解質膜を用いてもよい。この場合、各セルユニット２では、アノード側に純水が供給される。なお、上述した実施形態では、セルユニット２は、水電解装置１に組み込まれたが、燃料電池に組み込まれてもよい。
　以上、上記実施形態を通じて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に様々な変更又は改良を加えることができることが当業者には明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、上述の実施形態は、本発明が適用される適用対象を限定するものではなく、本発明が利用可能なあらゆるものをその適用対象として含み得る。上記実施形態が備える各構成要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。例えば、本発明は、製造上の公差等の実施において発生する差を含むものである。また、技術的に矛盾しない範囲において、異なる実施形態で示した構成要素同士を部分的に置換し又は組み合わせることができる。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせることができる。
　１　水電解装置、２　セルユニット、１０　基材、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ　溝、１１　表面（第１面）、１２　裏面（第２面）、１３　貫通孔（孔）、１３ａ　大径部、１３ｂ　小径部、１３ｃ　段差面、１３ｄ　溝、１４　環状部材、１５　第１空間、１６　第２空間、１７　ガスケット、２０　膜接合体、２１　電解質膜、２２、２３　触媒層、２４、２５　ガス拡散層、２６　流路部材、２７　流路部材、３０、３１　セパレータ、４０　流路（第１流路）、４０ａ　マニホールド、４０ｂ　凹部、４１　流路（第３流路）、４１ａ　マニホールド、４１ｂ　凹部、４２　流路（第２流路）、４２ａ　マニホールド、４２ｂ　凹部、５０　ガスケット（第１ガスケット）、５１　ガスケット（第２ガスケット）、５２　ガスケット（第３ガスケット）、５３　ガスケット（第４ガスケット）、ａ　積層方向、Ｐ１　圧力、Ｐ２　圧力

Claims (9)

  1. 　互いに背向する第１面及び第２面を規定する基材と、
    　前記第１面から前記第２面まで貫通する孔と、
    　前記孔内に配置されて、前記孔を、前記第１面側の第１空間と前記第２面側の第２空間とに仕切る膜と、
    　前記基材に形成されて、前記第１空間に第１流体を導入するための第１流路と、
    　前記基材に形成されて、前記第２空間から第２流体を導出するための第２流路と、
    　前記第１面に配置されて、前記第１空間及び前記第１流路を取り囲む第１ガスケットと、
    　前記第１面に配置されて、前記第１ガスケットの外側で前記第２流路を囲む第２ガスケットと、を備えるセルユニット。
  2. 　前記第２面に配置されて、前記第２空間及び前記第２流路を取り囲む第３ガスケットと、
    　前記第２面に配置されて、前記第３ガスケットの外側で前記第１流路を取り囲む第４ガスケットと、を備える、請求項１に記載のセルユニット。
  3. 　前記基材に形成されて、前記第１空間から前記第１流体を導出するための第３流路を備え、
    　前記第１ガスケットは前記第３流路を取り囲む、請求項１又は２に記載のセルユニット。
  4. 　前記基材は、前記第１面に形成されて少なくとも部分的に前記第１ガスケットを収容する溝を有する、請求項１に記載のセルユニット。
  5. 　前記基材は、前記第１面に形成されて少なくとも部分的に前記第２ガスケットを収容する溝を有する、請求項１に記載のセルユニット。
  6. 　前記基材は樹脂材料から形成される、請求項１に記載のセルユニット。
  7. 　前記膜は、水電解装置又は燃料電池に組み込まれる電解質膜である、請求項１に記載のセルユニット。
  8. 　前記第１流体は電解液である、請求項７に記載のセルユニット。
  9. 　前記第２流体は水素である、請求項８に記載のセルユニット。
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