JP7044593B2 - 水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と水素を発生させる水電解装置に関する。

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

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

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

さらに、特許文献１に示されるように、電解質膜が損傷することを回避するための絶縁性補強部材が設けられることもある。この場合、絶縁性補強部材は薄膜からなり、耐圧部材に接着される。

特許第６０９１０１２号公報

本発明は上記の従来技術に関連してなされたもので、電解質膜やシール部材が破損することを一層有効に回避し得る水電解装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側セパレータと、
カソード側セパレータと、
アノード電極触媒層とカソード電極触媒層が電解質膜に設けられることで構成され、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に位置する電解質膜・電極構造体と、
カソード側セパレータと電解質膜・電極構造体とで挟持され、カソード電極触媒層を囲繞するシール部材と、
シール部材を外方から囲繞する耐圧部材と、
を有する水電解装置であって、
耐圧部材の、電解質膜・電極構造体に臨む第１端面と、カソード側セパレータに臨む第２端面に凹凸が形成され、
且つ耐圧部材と電解質膜・電極構造体との間に介挿された絶縁体をさらに有することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、耐圧部材の第１端面及び第２端面を所定の面粗度となるように粗面化している。このため、第１端面は、絶縁体に対し、面接触ではなく、凸部の先端のみを介する複数の点接触で当接する。第２端面も同様に、カソード側セパレータに対して複数の点接触で当接する。従って、絶縁体と耐圧部材との間、耐圧部材とカソード側セパレータとの間に若干のクリアランスが形成される。

シール部材の内周側のカソードで高圧の水素が生成されると、シール部材の外周側（耐圧部材）は常圧であるため、シール部材の内部を透過した水素や、電解質膜を透過した水素が絶縁体と耐圧部材の第１端面との間、第２端面とカソード側セパレータとの間に水素が進入することがあり得る。しかしながら、本発明では、上記したように当該箇所にクリアランスを形成するようにしている。このため、水素の生成を停止した後にカソードを脱圧したとき、クリアランスに進入した水素が速やかに排出される。

その結果、高圧の水素が絶縁体と第１端面との間、第２端面とカソード側セパレータとの間に滞留することが防止されるので、シール部材の内周側と外周側に差圧が生じることが回避される。従って、この差圧に起因してシール部材が絶縁体と耐圧部材との間、耐圧部材とカソード側セパレータとの間に噛み込むことや、シール部材が電解質膜・電極構造体側に押圧されてシール部材と電解質膜・電極構造体との間に間隙が形成されることが回避される。これにより、電解質膜やシール部材が損傷することを有効に回避することができる。

耐圧部材の第１端面、すなわち、絶縁体に対して点接触する端面の面粗度は、最大高さが１．５～１３．０μｍの範囲内となるように設定することが好ましい。この場合、水素の排出が容易となるとともに、シール部材が絶縁体と耐圧部材との間に噛み込むことを防止することが容易となる。

また、シール部材と耐圧部材との間に、シール部材からの押圧を受けて電解質膜・電極構造体に圧力を付与する面圧付与部材を介在することが好ましい。この面圧付与部材は、水素の生成中、シール部材からの押圧を受ける。このため、
電解質膜・電極構造体を押さえ付ける力（面圧）に変換する。従って、水素の生成・生成停止に伴ってシール部材が圧縮又は伸縮する際、電解質膜・電極構体が位置ズレを起こすことが有効に防止される。

しかも、水素の生成時にはシール部材の外周壁が面圧付与部材に当接して圧縮されるので、該シール部材の外周壁が絶縁体と耐圧部材の間に噛み込まれることが有効に防止される。

以上の構成において、絶縁体は、耐圧部材と電解質膜・電極構造体に対して接着されていないことが好ましい。接着を行う場合、前記凹凸、ひいてはクリアランスが接着剤で充填される可能性がある。このような状態では、水素を排出することが容易でなくなるからである。

本発明によれば、シール部材を外周側から囲繞する耐圧部材の、電解質膜・電極構造体に臨む第１端面と、カソード側セパレータに臨む第２端面に凹凸を形成するようにしている。このため、絶縁体と耐圧部材との間、耐圧部材とカソード側セパレータとの間にシール部材が噛み込んだり、シール部材が耐圧部材から離間したりすることが回避される。これにより、電解質膜やシール部材が損傷することを防止することができる。

本発明の実施の形態に係る差圧式高圧水電解装置（水電解装置）の概略全体斜視図である。 図１の差圧式高圧水電解装置を構成する高圧水電解セルの分解斜視図である。 図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視断面図である。 高圧水電解セルの要部拡大断面図である。 大Ｏリング（シール部材）に高圧水素の押圧力が作用した状態を示す要部拡大断面図である。 最大高さが０．４μｍである凹凸を形成したときの、積層体内の圧力（水素圧）と該積層体外での水素濃度の経時変化を示したグラフである。 最大高さが１．６８μｍである凹凸を形成したときの、積層体内の圧力と該積層体外での水素濃度の経時変化を示したグラフである。 最大高さが８．０μｍである凹凸を形成したときの、積層体内の圧力と該積層体外での水素濃度の経時変化を示したグラフである。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

カソード室４５ｃａには、カソード給電体４４、板ばねホルダ６２及び導電シート６６の外周を周回する大Ｏリング７２（シール部材）が配置される。この大Ｏリング７２の外周には、該大Ｏリング７２よりも高硬度な耐圧部材７４が配置される。耐圧部材７４は、略リング形状を有するとともに、外周部が樹脂枠部材３６の内周部に嵌合する。

大Ｏリング７２の断面は、真円ないし楕円に近い。従って、図３に示すように、大Ｏリング７２とカソード電極触媒層４４ａとの間に空隙７６が生じる。後述するように、カソード電極触媒層４４ａで発生した水素は、この空隙７６に進入する。

大Ｏリング７２と耐圧部材７４の間には、面圧付与部材としてのバックアップリング７８が介装される。要部拡大断面図である図４から諒解されるように、バックアップリング７８は、径方向に沿う断面が略三角形をなし、大Ｏリング７２と耐圧部材７４の下半分との間に形成される略三角形状の空隙を埋める。このような形状をなすバックアップリング７８は、電解質膜・電極構造体３０に当接する第１当接面８０ａと、耐圧部材７４に当接する第２当接面８０ｂと、大Ｏリング７２に当接する第３当接面８０ｃとを有する。以下、第１当接面８０ａをなす辺、第２当接面８０ｂをなす辺、第３当接面８０ｃをなす辺を、それぞれ、第１辺８２ａ、第２辺８２ｂ、第３辺８２ｃと表記する。この中の第１辺８２ａが底辺となり、且つ第３辺８２ｃが第１辺８２ａと第２辺８２ｂの双方に連なる斜辺となることで、バックアップリング７８の径方向断面が略三角形となる。

バックアップリング７８は、摩擦係数が低い材料からなることが好ましい。このような材料の好適な一例としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が挙げられる。

耐圧部材７４の、電解質膜・電極構造体３０を臨む下面（第１端面）と、カソード側セパレータ３４を臨む上面（第２端面）には、粗面化処理が施されている。このため、下面及び上面は平滑ではなく、凹部９０及び凸部９２を含む凹凸が形成されている。下面及び上面の面粗度は、最大高さ（Ｒｚ）が１．５～１３．０μｍの範囲内となるように設定することが好ましい。なお、一層好適な面粗度は、最大高さ（Ｒｚ）が１．５～８．０μｍの範囲内である。

電解質膜・電極構造体３０を構成する電解質膜４０と耐圧部材７４との間には、絶縁体としての絶縁性円環体９４が介挿される。換言すれば、絶縁性円環体９４は、電解質膜４０と耐圧部材７４との間に挟み込まれる。なお、絶縁性円環体９４は、例えば、樹脂シート６８と同様にＰＥＮやポリイミドフィルム等から構成される。

従来技術では、耐圧部材７４と絶縁体（絶縁性円環体９４）は接着剤によって接着される。これに対し、本実施の形態では、絶縁性円環体９４は耐圧部材７４に対して接着されていない。また、その他の接合手法によって接合されてもおらず、単に接触するのみである。

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

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

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

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

カソード電極触媒層４４ａで発生した水素の一部は、空隙７６に進入する。空隙７６及びカソード室４５ｃａに進入した水素が上記したように高圧であるため、各高圧水電解セル１２では、大Ｏリング７２の内方が高圧、外方が低圧となる。このため、図５に示すように、大Ｏリング７２に対し、該大Ｏリング７２を耐圧部材７４側に押し付けるように移動させ且つ圧縮させる押圧力Ｆが作用する。バックアップリング７８は、この押圧力Ｆを受ける。

すなわち、バックアップリング７８は、大Ｏリング７２に当接した第３当接面８０ｃが、大Ｏリング７２によって押圧される。第３当接面８０ｃをなす第３辺８２ｃが斜辺であるので、大Ｏリング７２の押圧力Ｆは、第３辺８２ｃに略直交する方向に沿って作用する。押圧力Ｆは、さらに、第１辺８２ａ、第２辺８２ｂのそれぞれに略直交する方向に分配される。このため、第１辺８２ａ（第１当接面８０ａ）は電解質膜４０を分配力ｆ１で押圧し、第２辺８２ｂ（第２当接面８０ｂ）は分配力ｆ２で耐圧部材７４を押圧する。このように、大Ｏリング７２の拡径に伴って生じる押圧力Ｆは、バックアップリング７８によって、電解質膜４０を保護シート部材４８に押し付ける力ｆ１に変換される。

このように、バックアップリング７８の内方側に空隙７６が形成されることにより、水素の圧力が大Ｏリング７２に確実に伝達される。その結果として、大Ｏリング７２の押圧力Ｆがバックアップリング７８の第１当接面８０ａを介して電解質膜４０に伝達されるので、バックアップリング７８から電解質膜・電極構造体３０に面圧（分配力ｆ２）が付与される。従って、電解質膜・電極構造体３０が保護シート部材４８に強力に押し付けられる。すなわち、電解質膜４０が保護シート部材４８に指向して押圧される。

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

加えて、大Ｏリング７２がバックアップリング７８に堰き止められた状態で圧縮されるため、大Ｏリング７２の外周壁の一部が電解質膜４０ないし絶縁性円環体９４と耐圧部材７４との間に噛み込むことが防止される。

ここで、大Ｏリング７２の内周側（カソード）では高圧の水素が発生しており、常圧である外周側（耐圧部材７４）との差圧が大きい。このため、カソード電極触媒層４４ａで発生して大Ｏリング７２の内部を透過した水素や、電解質膜４０を透過した水素が耐圧部材７４側に進行し、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間や、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間に進入して滞留する可能性がある。

電気分解を停止するべく差圧式高圧水電解装置１０の運転を停止するに際しては、低圧（常圧）側のアノード室４５ａｎと高圧側のカソード室４５ｃａとの差圧を解消させるために、カソード室４５ｃａに脱圧（減圧）処理が施される。上記したように、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４との間、耐圧部材７４とカソード側セパレータ３４との間に水素が滞留していると、大Ｏリング７２の内周側が低圧、外周側が高圧となるために差圧が生じる。

この差圧に基づいて大Ｏリング７２が内周側に押圧されると、該大Ｏリング７２が耐圧部材７４から離間したり、絶縁性円環体９４ないし電解質膜４０と耐圧部材７４との間、耐圧部材７４とカソード側セパレータ３４との間に噛み込んだりすることがあり得る。その結果として、電解質膜４０や大Ｏリング７２が破損する懸念がある。

しかしながら、本実施の形態では、先ず、耐圧部材７４の下面及び上面に対して粗面化処理を施し、凹部９０及び凸部９２を含む凹凸を形成している。このため、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間は、面接触ではなく、凸部９２の先端を介した複数の点接触で当接している。換言すれば、凸部９２の先端以外は、絶縁性円環体９４又は耐圧部材７４から離間している。この離間により、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間に、クリアランスがそれぞれ形成される。

耐圧部材７４の下面及び上面の面粗度は、好ましくは最大高さ（Ｒｚ）が１．５～１３．０μｍの範囲内となるように設定される。最大高さが１．５μｍ未満では十分なクリアランスを形成することが容易でなくなる。また、１３．０μｍを超えると、上記の水素生成時に大Ｏリング７２が押圧力Ｆを受けて耐圧部材７４に押し付けられた際、耐圧部材７４とカソード側セパレータ３４との間に大Ｏリング７２が噛み込む懸念がある。一層好適な最大高さ（Ｒｚ）は、１．５～８．０μｍの範囲内である。

しかも、本実施の形態では、絶縁性円環体９４を耐圧部材７４に対して当接させるのみとし、接着はしていない。このため、接着剤が前記クリアランスを充填することもない。

従って、水素が、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間に進入した場合、カソードに脱圧が施されると、水素は、前記クリアランスを介して流通することが可能である。すなわち、耐圧部材７４の下面及び上面に凹部９０及び凸部９２（凹凸）を設ける粗面化処理を施したことにより、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間に進入した水素が速やかに排出される。

換言すれば、脱圧後に水素が滞留することが防止される。従って、大Ｏリング７２の内周側と外周側に差圧が生じることが回避される。これにより、大Ｏリング７２の内周側と外周側との差圧に起因して電解質膜４０や大Ｏリング７２が破損する懸念が払拭される。

図６～図８は、それぞれ、最大高さが０．４μｍ、１．６８μｍ、８．０μｍであるときの積層体１４内の圧力（水素圧）と、積層体１４外での水素濃度の経時変化を示したグラフである。図６においては積層体１４内の圧力の下降に伴って水素濃度もなだらかに下降しているのに対し、図７及び図８においては脱圧時に水素濃度が瞬間的に上昇していることが分かる。このことは、図７及び図８では、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４の下面との間、耐圧部材７４の上面とカソード側セパレータ３４との間に進入していた水素が排出されているのに対し、図６では滞留したままであることを表している。

すなわち、図６と、図７及び図８とを対比すれば、耐圧部材７４の下面及び上面に、所定の面粗度となるように粗面化加工を施すことにより、カソードの脱圧後に、絶縁性円環体９４と耐圧部材７４との間、耐圧部材７４とカソード側セパレータ３４との間に水素が滞留することを防止し得ることが明らかである。

なお、脱圧により、バックアップリング７８の内方と外方が同圧となる。このために大Ｏリング７２が上記の押圧力Ｆから解放されるので、該大Ｏリング７２が伸長して元の形状に戻るとともに、元の位置に移動する。

このときにも、バックアップリング７８の第２当接面８０ｂが絶縁性円環体９４に当接している状態が継続されている。従って、上記と同様に電解質膜・電極構造体３０が保護シート部材４８に対して位置ズレを起こすことは困難であり、大Ｏリング７２の移動に伴って電解質膜４０が引っ張られることが回避される。すなわち、該電解質膜４０に皺が発生する懸念が払拭される。

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

例えば、バックアップリング７８を用いる必要は特にない。

１０…差圧式高圧水電解装置 １２…高圧水電解セル
１４…積層体 ２８…電解電源
３０…電解質膜・電極構造体 ３２…アノード側セパレータ
３４…カソード側セパレータ ３６…樹脂枠部材
３７ａ、３７ｂ…シール部材 ３８ａ…水供給連通孔
３８ｂ…水排出連通孔 ３８ｃ…高圧水素連通孔
３９ａ…水供給口 ３９ｂ…水排出口
４０…電解質膜 ４２…アノード給電体
４２ａ…アノード電極触媒層 ４４…カソード給電体
４４ａ…カソード電極触媒層 ４５ａｎ…アノード室
４５ｃａ…カソード室 ４６…水流路部材
５２、７０…連通孔部材 ５２ａ、５２ｂ…シール室
５６…多孔質部材 ５８…荷重付与機構
６０…板ばね ６２…板ばねホルダ
７１…水素排出通路 ７２…大Ｏリング
７４…耐圧部材 ７６…空隙
７８…バックアップリング ８０ａ…第１当接面
８０ｂ…第２当接面 ８０ｃ…第３当接面
８２ａ…第１辺 ８２ｂ…第２辺
８２ｃ…第３辺 ９０…凹部
９２…凸部 ９４…絶縁性円環体

Claims (2)

1. アノード側セパレータと、
   カソード側セパレータと、
   アノード電極触媒層とカソード電極触媒層が電解質膜に設けられることで構成され、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に位置する電解質膜・電極構造体と、
   前記カソード側セパレータと前記電解質膜・電極構造体とで挟持され、前記カソード電極触媒層を囲繞するシール部材と、
   前記シール部材を外方から囲繞する耐圧部材と、
   を有する水電解装置であって、
   前記耐圧部材の、前記電解質膜・電極構造体に臨む第１端面と、前記カソード側セパレータに臨む第２端面に凹凸が形成され、
   前記第１端面及び前記第２端面の面粗度は、最大高さで１．５～１３．０μｍであり、
   且つ前記耐圧部材と前記電解質膜・電極構造体との間に介挿された絶縁体をさらに有し、
   前記絶縁体は、前記耐圧部材と前記電解質膜・電極構造体に対して接着されていないことを特徴とする水電解装置。
2. 請求項１記載の水電解装置において、前記シール部材と前記耐圧部材との間に介在し、前記シール部材からの押圧を受けて前記電解質膜・電極構造体に圧力を付与する面圧付与部材をさらに有することを特徴とする水電解装置。

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