水電解装置
【課題】各水通路に水を均等に分配することができ、水流路全体に前記水を均一且つ確実に供給して良好な水分解処理を行うことを可能にする。
【解決手段】水電解装置１０は、アノード側セパレータ３４を備え、前記アノード側セパレータ３４には、水流路５４が設けられる。水流路５４は、複数の水通路５６、円弧状入口バッファ部５８ａ及び円弧状出口バッファ部５８ｂを備える。各水通路５６の一端と円弧状入口バッファ部５８ａとは、複数の入口連結通路６０ａを介して連通するとともに、前記複数の入口連結通路６０ａは、前記円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定される。各角度は、中央側の入口連結通路６０ａから両側の入口連結通路６０ａに向かって、順次、大きな角度に設定される。
【解決手段】水電解装置１０は、アノード側セパレータ３４を備え、前記アノード側セパレータ３４には、水流路５４が設けられる。水流路５４は、複数の水通路５６、円弧状入口バッファ部５８ａ及び円弧状出口バッファ部５８ｂを備える。各水通路５６の一端と円弧状入口バッファ部５８ａとは、複数の入口連結通路６０ａを介して連通するとともに、前記複数の入口連結通路６０ａは、前記円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定される。各角度は、中央側の入口連結通路６０ａから両側の入口連結通路６０ａに向かって、順次、大きな角度に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。
【０００３】
一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置（電気化学装置）が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
この種の設備として、例えば、特許文献１に開示された水電解装置が知られている。この水電解装置は、図８に示すように、固体高分子電解質膜を円盤状の陽極給電板１及び陰極給電板で挟んだセル２を、分離板を介して複数個重合している。陽極給電板１は、ケーシングを構成するケーシングリング３に外嵌されている。
【０００６】
陽極給電板１の電解質膜と接触しない側の面には、複数の溝４が互いに平行に設けられている。各溝４は、純水の流路を構成するとともに、発生する酸化剤ガスを流通させる流路も構成している。ケーシングリング３の内周面には、溝４に連通する周溝５が形成されるとともに、３つの貫通孔６ａ、６ｂ及び６ｃが積層方向に貫通形成されている。
【０００７】
純水供給用の貫通孔６ａと周溝５との間、純水及び酸素ガス排出用の貫通孔６ｂと前記周溝５との間には、これらを連通するための通孔７ａ、７ｂが形成されている。水素ガス排出用の貫通孔６ｃは、貫通孔６ｂ側に近接して設けられており、水の電気分解により陰極給電板に発生する水素が、前記貫通孔６ｃに導出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９５７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の水電解装置では、貫通孔６ａから通孔７ａを通って周溝５に供給された純水が、各溝４に分配される際、前記貫通孔６ａに近接する中央の溝４ａの圧損が最も低くなっている。
【００１０】
このため、純水は、中央の溝４ａに優先して分配される一方、前記中央の溝４ａに隣接する溝４ｂでは、周溝５からの進入角度が急になり、分配圧損が一挙に高くなってしまう。これにより、各溝４への水の分配性が低下し易く、各溝４では、流量の差が増大してしまい、良好な水分解処理が遂行されないという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、各水通路に水を均等に分配することができ、水流路全体に前記水を均一且つ確実に供給して良好な水分解処理を行うことが可能な水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置に関するものである。
【００１３】
この水電解装置は、セパレータの積層方向に延在し、水流路に水を供給する水供給連通孔と、前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水を排出する排出連通孔とを備えている。
【００１４】
そして、水流路は、水供給連通孔と排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、給電体の面内に並列される複数の水通路と、前記給電体の外方を周回し、前記水供給連通孔に連通する円弧状入口バッファ部と、前記複数の水通路と前記円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路とを有している。
【００１５】
複数の入口連結通路は、円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、前記角度は、中央側の入口連結通路から両側の入口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されている。
【００１６】
また、水供給連通孔は、複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されることが好ましい。
【００１７】
さらに、水流路は、給電体の外方を周回し、排出連通孔に連通する円弧状出口バッファ部と、複数の水通路と前記円弧状出口バッファ部とを連通する屈曲した複数の出口連結通路とを有し、前記複数の出口連結通路は、前記円弧状出口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、前記角度は、中央側の出口連結通路から両側の出口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、排出連通孔は、複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水流路は、複数の水通路と円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路を有し、前記複数の入口連結通路は、前記円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度に設定されている。
【００２０】
このため、円弧状入口バッファ部から各入口連結通路に分配される水の分配圧損が低減されるとともに、特に水供給連通孔に近接する中央側の入口連結通路に、前記水が優先的に流れることを阻止することができる。これにより、各水通路毎の圧力損失の差が良好に低減され、各水通路に水を均等に分配することが可能になり、水流路全体に前記水を均一且つ確実に供給して水分解処理を良好に遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。
【図２】前記水電解装置の一部断面側面図である。
【図３】前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。
【図６】前記アノード側セパレータの一部拡大説明図である。
【図７】本実施形態の圧力損失と比較例の圧力損失との説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置（電気化学装置）１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、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が上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、同様に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が下方に向かって、順次、配設される。
【００２３】
水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。４本のタイロッド２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの中心に対してそれぞれ等角度ずつ離間して配置される。
【００２４】
なお、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、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有している。
【００２５】
図１に示すように、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は、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。
【００２６】
図２及び図３に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６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、又は、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、あるい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して、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される。
【００２７】
電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられる円形のアノード側給電体４０及び円形のカソード側給電体４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の周縁部は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外周から外方に突出している。
【００２８】
固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２９】
アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２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。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２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。
【００３０】
図３に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃが形成される。第１突出部４４ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔４６が設けられる。
【００３１】
第２突出部４４ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８が設けられる。第３突出部４４ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素（第２流体）を流すための水素連通孔５０が設けられる。水供給連通孔４６及び排出連通孔４８は、断面長円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。
【００３２】
図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４には、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する水流路５４が設けられる。
【００３３】
図５に示すように、水流路５４は、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ０に平行する給電体面方向に延在し、アノード側給電体４０の面内Ｆに等しい間隔で並列される複数の水通路５６と、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記水供給連通孔４６に連通する円弧状入口バッファ部５８ａと、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記排出連通孔４８に連通する円弧状出口バッファ部５８ｂとを備える。
【００３４】
各水通路５６の一端と円弧状入口バッファ部５８ａとは、屈曲した複数の入口連結通路６０ａを介して連通するとともに、各水通路５６の他端と円弧状出口バッファ部５８ｂとは、屈曲した複数の出口連結通路６０ｂを介して連通する。
【００３５】
複数の入口連結通路６０ａは、円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度α１〜角度αｎに設定される。各角度α１〜角度αｎは、中央側の入口連結通路６０ａから両側の入口連結通路６０ａに向かって、順次、大きな値に設定される。
【００３６】
第１の実施形態では、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ０、すなわち、アノード側給電体４０の直径を境にして、矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向に各入口連結通路６０ａが角度α１〜角度αｎずつ傾斜するとともに、前記角度α１〜角度αｎは、矢印Ｂ１方向下流に向かって、及び矢印Ｂ２方向下流に向かって、順次、大きな角度に設定される（図５及び図６参照）。各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０（中央）を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられる。
【００３７】
複数の出口連結通路６０ｂは、円弧状出口バッファ部５８ｂとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度α１〜角度αｎに設定される。各角度α１〜角度αｎは、中央側の出口連結通路６０ｂから両側の出口連結通路６０ｂに向かって、順次、大きな値に設定される。
【００３８】
各出口連結通路６０ｂは、各入口連結通路６０ａと同様に、アノード側給電体４０の直径を境にして、矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向にそれぞれ角度α１〜角度αｎずつ傾斜するとともに、前記角度α１〜角度αｎは、矢印Ｂ１方向下流に向かって、及び矢印Ｂ２方向下流に向かって、順次、大きな角度に設定される。各出口連結通路６０ｂは、仮想直線Ｌ０を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられる。
【００３９】
図５に示すように、水供給連通孔４６は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定される。排出連通孔４８は、同様に、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定される。
【００４０】
図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６には、水素連通孔５０に連通する排出通路６２が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路６２に連通する水素流路６４が形成される。この水素流路６４は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図４参照）。
【００４１】
アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６６ａ、６６ｂが一体化される。このシール部材６６ａ、６６ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００４２】
図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素流路６４の外側を周回して第１シール溝６８ａが形成される。
【００４３】
カソード側セパレータ３６の面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄが形成される。第１シール溝６８ａ〜第４シール溝６８ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７０ａ〜第４シール部材７０ｄが配設される。
【００４４】
水素流路６４と第１シール溝６８ａとは、複数、例えば４つの通路（開口部）７２を介して連通する。通路７２は、第１シール溝６８ａに対し、第１シール部材７０ａの配置位置よりも水素流路６４側に近接する壁部（内側壁部）に開口する。通路７２は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素流路６４と第１シール溝６８ａとを直接連通する。
【００４５】
高圧水素連通孔である水素連通孔５０と第４シール溝６８ｄとは、１以上の通路（開口部）７４を介して連通する。この通路７４は、第４シール溝６８ｄの内側壁部に開放される。通路７４は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝６８ｄとを直接連通する。
【００４６】
アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、水流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６８ａに対向して第１シール溝７６ａが形成される。面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回し、且つ第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄに対向して第２シール溝７６ｂ、第３シール溝７６ｃ及び第４シール溝７６ｄが形成される。
【００４７】
第１シール溝７６ａ〜第４シール溝７６ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７８ａ〜第４シール部材７８ｄが収容される。第４シール溝７６ｄと水素連通孔５０とは、１以上の通路（開口部）８０を介して連通する。この通路８０は、第４シール溝７６ｄの内側壁部に開放される。通路８０は、アノード側セパレータ３４と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝７６ｄとを直接連通する。
【００４８】
図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管８２ａ、８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。
【００４９】
このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。
【００５０】
図１に示すように、配管８２ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６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に電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の水流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。
【００５１】
従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００５２】
このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される水素流路６４に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、水流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水電解装置１０の外部に排出される。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、水流路５４は、複数の水通路５６と円弧状入口バッファ部５８ａとを連通する屈曲した複数の入口連結通路６０ａを有している。そして、複数の入口連結通路６０ａは、円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度α１〜角度αｎに設定されている。
【００５４】
このため、円弧状入口バッファ部５８ａから各入口連結通路６０ａに分配される水の分配圧損が低減されるとともに、特に水供給連通孔４６に近接する中央側（仮想直線Ｌ０近傍）の入口連結通路６０ａに、前記水が優先的に流れることを阻止することができる。
【００５５】
特に、各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられている。これにより、第１の実施形態では、各水通路５６毎の圧力損失の差が良好に低減され、各水通路５６に水を均等に分配することが可能になる。従って、水流路５４全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
しかも、第１の実施形態では、水供給連通孔４６は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されている。このため、水供給連通孔４６は、中央側の複数本の入口連結通路６０ａを跨いで配置されるため、前記中央側の複数本の入口連結通路６０ａの分配圧損が小さくなる。すなわち、１本の入口連結通路６０ａに集中して水が進入することを確実に阻止することができる。
【００５７】
また、第１の実施形態では、水流路５４は、複数の水通路５６と円弧状出口バッファ部５８ｂとを連通する屈曲した複数の出口連結通路６０ｂを有している。そして、複数の出口連結通路６０ｂは、円弧状出口バッファ部５８ｂとの連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度α１〜角度αｎに設定されている。
【００５８】
これにより、各出口連結通路６０ｂから円弧状出口バッファ部５８ｂへの合流損失が低減されるため、入口側に前記合流損失による影響を小さくすることができ、各水通路５６に水を均等に分配することが可能になる。従って、水流路５４全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行することが可能になる。
【００５９】
しかも、第１の実施形態では、排出連通孔４８は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されている。このため、排出連通孔４８は、中央側の複数本の入口連結通路６０ａを跨いで配置されるため、前記中央側の複数本の入口連結通路６０ａの合流圧損が小さくなる。すなわち、１本の入口連結通路６０ａに集中して水が流通することを確実に阻止することができる。
【００６０】
また、複数の水通路５６は、等しい間隔で設けられている。従って、高圧水素によりアノード側セパレータ３４に作用する応力を均一化させることができるという利点がある。
【００６１】
なお、第１の実施形態では、各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０（中央）を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられているが、これに限定されるものではない。分配圧損をされに小さくするため、角度α１〜角度αｎを異ならせるとともに、各入口連結通路６０ａが互いに平行しない構成を採用することも可能である。各出口連結通路６０ｂも同様に、互いに平行しない構成を採用することができる。
【００６２】
図７には、本実施形態による水流路５４全体の圧損と、比較例（特許文献１）による前記水流路５４全体の圧損とが示されている。これにより、比較例では、連通孔に近接する中央側の分配圧損が大きく低下して水流路５４全体の圧力損失が変動する一方、第１の実施形態では、前記水流路５４全体の圧力損失が略均一化されている。
【符号の説明】
【００６３】
１０…水電解装置 １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部 ２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体
４４ａ〜４４ｃ…突出部 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…水素連通孔
５４…水流路 ５６…水通路
５８ａ…円弧状入口バッファ部 ５８ｂ…円弧状出口バッファ部
６０ａ…入口連結通路 ６０ｂ…出口連結通路
６２…排出通路 ６４…水素流路
７２、７４、８０…通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。
【０００３】
一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置（電気化学装置）が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
この種の設備として、例えば、特許文献１に開示された水電解装置が知られている。この水電解装置は、図８に示すように、固体高分子電解質膜を円盤状の陽極給電板１及び陰極給電板で挟んだセル２を、分離板を介して複数個重合している。陽極給電板１は、ケーシングを構成するケーシングリング３に外嵌されている。
【０００６】
陽極給電板１の電解質膜と接触しない側の面には、複数の溝４が互いに平行に設けられている。各溝４は、純水の流路を構成するとともに、発生する酸化剤ガスを流通させる流路も構成している。ケーシングリング３の内周面には、溝４に連通する周溝５が形成されるとともに、３つの貫通孔６ａ、６ｂ及び６ｃが積層方向に貫通形成されている。
【０００７】
純水供給用の貫通孔６ａと周溝５との間、純水及び酸素ガス排出用の貫通孔６ｂと前記周溝５との間には、これらを連通するための通孔７ａ、７ｂが形成されている。水素ガス排出用の貫通孔６ｃは、貫通孔６ｂ側に近接して設けられており、水の電気分解により陰極給電板に発生する水素が、前記貫通孔６ｃに導出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９５７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の水電解装置では、貫通孔６ａから通孔７ａを通って周溝５に供給された純水が、各溝４に分配される際、前記貫通孔６ａに近接する中央の溝４ａの圧損が最も低くなっている。
【００１０】
このため、純水は、中央の溝４ａに優先して分配される一方、前記中央の溝４ａに隣接する溝４ｂでは、周溝５からの進入角度が急になり、分配圧損が一挙に高くなってしまう。これにより、各溝４への水の分配性が低下し易く、各溝４では、流量の差が増大してしまい、良好な水分解処理が遂行されないという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、各水通路に水を均等に分配することができ、水流路全体に前記水を均一且つ確実に供給して良好な水分解処理を行うことが可能な水電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置に関するものである。
【００１３】
この水電解装置は、セパレータの積層方向に延在し、水流路に水を供給する水供給連通孔と、前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水を排出する排出連通孔とを備えている。
【００１４】
そして、水流路は、水供給連通孔と排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、給電体の面内に並列される複数の水通路と、前記給電体の外方を周回し、前記水供給連通孔に連通する円弧状入口バッファ部と、前記複数の水通路と前記円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路とを有している。
【００１５】
複数の入口連結通路は、円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、前記角度は、中央側の入口連結通路から両側の入口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されている。
【００１６】
また、水供給連通孔は、複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されることが好ましい。
【００１７】
さらに、水流路は、給電体の外方を周回し、排出連通孔に連通する円弧状出口バッファ部と、複数の水通路と前記円弧状出口バッファ部とを連通する屈曲した複数の出口連結通路とを有し、前記複数の出口連結通路は、前記円弧状出口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、前記角度は、中央側の出口連結通路から両側の出口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、排出連通孔は、複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水流路は、複数の水通路と円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路を有し、前記複数の入口連結通路は、前記円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度に設定されている。
【００２０】
このため、円弧状入口バッファ部から各入口連結通路に分配される水の分配圧損が低減されるとともに、特に水供給連通孔に近接する中央側の入口連結通路に、前記水が優先的に流れることを阻止することができる。これにより、各水通路毎の圧力損失の差が良好に低減され、各水通路に水を均等に分配することが可能になり、水流路全体に前記水を均一且つ確実に供給して水分解処理を良好に遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。
【図２】前記水電解装置の一部断面側面図である。
【図３】前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。
【図６】前記アノード側セパレータの一部拡大説明図である。
【図７】本実施形態の圧力損失と比較例の圧力損失との説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている水電解装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置（電気化学装置）１０は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、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が上方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、同様に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が下方に向かって、順次、配設される。
【００２３】
水電解装置１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する４本のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。４本のタイロッド２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの中心に対してそれぞれ等角度ずつ離間して配置される。
【００２４】
なお、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、水電解装置１０は、全体として略円柱体形状を有している。
【００２５】
図１に示すように、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は、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。
【００２６】
図２及び図３に示すように、単位セル１２は、略円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６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、又は、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、あるい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して、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される。
【００２７】
電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられる円形のアノード側給電体４０及び円形のカソード側給電体４２とを備える。固体高分子電解質膜３８の周縁部は、アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２の外周から外方に突出している。
【００２８】
固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２９】
アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２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。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２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。
【００３０】
図３に示すように、単位セル１２の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第１突出部４４ａ、第２突出部４４ｂ及び第３突出部４４ｃが形成される。第１突出部４４ａには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、第１流体である水（純水）を供給するための水供給連通孔４６が設けられる。
【００３１】
第２突出部４４ｂには、矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８が設けられる。第３突出部４４ｃには、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、反応により生成された水素（第２流体）を流すための水素連通孔５０が設けられる。水供給連通孔４６及び排出連通孔４８は、断面長円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。
【００３２】
図３及び図４に示すように、アノード側セパレータ３４には、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する水流路５４が設けられる。
【００３３】
図５に示すように、水流路５４は、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ０に平行する給電体面方向に延在し、アノード側給電体４０の面内Ｆに等しい間隔で並列される複数の水通路５６と、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記水供給連通孔４６に連通する円弧状入口バッファ部５８ａと、前記アノード側給電体４０の外方を周回し、前記排出連通孔４８に連通する円弧状出口バッファ部５８ｂとを備える。
【００３４】
各水通路５６の一端と円弧状入口バッファ部５８ａとは、屈曲した複数の入口連結通路６０ａを介して連通するとともに、各水通路５６の他端と円弧状出口バッファ部５８ｂとは、屈曲した複数の出口連結通路６０ｂを介して連通する。
【００３５】
複数の入口連結通路６０ａは、円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度α１〜角度αｎに設定される。各角度α１〜角度αｎは、中央側の入口連結通路６０ａから両側の入口連結通路６０ａに向かって、順次、大きな値に設定される。
【００３６】
第１の実施形態では、水供給連通孔４６と排出連通孔４８とを繋ぐ仮想直線Ｌ０、すなわち、アノード側給電体４０の直径を境にして、矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向に各入口連結通路６０ａが角度α１〜角度αｎずつ傾斜するとともに、前記角度α１〜角度αｎは、矢印Ｂ１方向下流に向かって、及び矢印Ｂ２方向下流に向かって、順次、大きな角度に設定される（図５及び図６参照）。各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０（中央）を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられる。
【００３７】
複数の出口連結通路６０ｂは、円弧状出口バッファ部５８ｂとの連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度α１〜角度αｎに設定される。各角度α１〜角度αｎは、中央側の出口連結通路６０ｂから両側の出口連結通路６０ｂに向かって、順次、大きな値に設定される。
【００３８】
各出口連結通路６０ｂは、各入口連結通路６０ａと同様に、アノード側給電体４０の直径を境にして、矢印Ｂ１方向及び矢印Ｂ２方向にそれぞれ角度α１〜角度αｎずつ傾斜するとともに、前記角度α１〜角度αｎは、矢印Ｂ１方向下流に向かって、及び矢印Ｂ２方向下流に向かって、順次、大きな角度に設定される。各出口連結通路６０ｂは、仮想直線Ｌ０を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられる。
【００３９】
図５に示すように、水供給連通孔４６は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定される。排出連通孔４８は、同様に、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定される。
【００４０】
図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６には、水素連通孔５０に連通する排出通路６２が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路６２に連通する水素流路６４が形成される。この水素流路６４は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される（図２及び図４参照）。
【００４１】
アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６６ａ、６６ｂが一体化される。このシール部材６６ａ、６６ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００４２】
図３及び図４に示すように、カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素流路６４の外側を周回して第１シール溝６８ａが形成される。
【００４３】
カソード側セパレータ３６の面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄが形成される。第１シール溝６８ａ〜第４シール溝６８ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７０ａ〜第４シール部材７０ｄが配設される。
【００４４】
水素流路６４と第１シール溝６８ａとは、複数、例えば４つの通路（開口部）７２を介して連通する。通路７２は、第１シール溝６８ａに対し、第１シール部材７０ａの配置位置よりも水素流路６４側に近接する壁部（内側壁部）に開口する。通路７２は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素流路６４と第１シール溝６８ａとを直接連通する。
【００４５】
高圧水素連通孔である水素連通孔５０と第４シール溝６８ｄとは、１以上の通路（開口部）７４を介して連通する。この通路７４は、第４シール溝６８ｄの内側壁部に開放される。通路７４は、カソード側セパレータ３６と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝６８ｄとを直接連通する。
【００４６】
アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、水流路５４の外側を周回し、且つ第１シール溝６８ａに対向して第１シール溝７６ａが形成される。面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回し、且つ第２シール溝６８ｂ、第３シール溝６８ｃ及び第４シール溝６８ｄに対向して第２シール溝７６ｂ、第３シール溝７６ｃ及び第４シール溝７６ｄが形成される。
【００４７】
第１シール溝７６ａ〜第４シール溝７６ｄには、例えば、Ｏリングである第１シール部材７８ａ〜第４シール部材７８ｄが収容される。第４シール溝７６ｄと水素連通孔５０とは、１以上の通路（開口部）８０を介して連通する。この通路８０は、第４シール溝７６ｄの内側壁部に開放される。通路８０は、アノード側セパレータ３４と固体高分子電解質膜３８との境界部位を迂回して水素連通孔５０と第４シール溝７６ｄとを直接連通する。
【００４８】
図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管８２ａ、８２ｂ及び８２ｃが接続される。配管８２ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。
【００４９】
このように構成される水電解装置１０の動作について、以下に説明する。
【００５０】
図１に示すように、配管８２ａから水電解装置１０の水供給連通孔４６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に電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。このため、図３に示すように、各単位セル１２では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の水流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。
【００５１】
従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００５２】
このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される水素流路６４に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１０の外部に取り出し可能となる。一方、水流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水電解装置１０の外部に排出される。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、水流路５４は、複数の水通路５６と円弧状入口バッファ部５８ａとを連通する屈曲した複数の入口連結通路６０ａを有している。そして、複数の入口連結通路６０ａは、円弧状入口バッファ部５８ａとの連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度α１〜角度αｎに設定されている。
【００５４】
このため、円弧状入口バッファ部５８ａから各入口連結通路６０ａに分配される水の分配圧損が低減されるとともに、特に水供給連通孔４６に近接する中央側（仮想直線Ｌ０近傍）の入口連結通路６０ａに、前記水が優先的に流れることを阻止することができる。
【００５５】
特に、各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられるとともに、矢印Ｂ２方向に互いに平行して設けられている。これにより、第１の実施形態では、各水通路５６毎の圧力損失の差が良好に低減され、各水通路５６に水を均等に分配することが可能になる。従って、水流路５４全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
しかも、第１の実施形態では、水供給連通孔４６は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されている。このため、水供給連通孔４６は、中央側の複数本の入口連結通路６０ａを跨いで配置されるため、前記中央側の複数本の入口連結通路６０ａの分配圧損が小さくなる。すなわち、１本の入口連結通路６０ａに集中して水が進入することを確実に阻止することができる。
【００５７】
また、第１の実施形態では、水流路５４は、複数の水通路５６と円弧状出口バッファ部５８ｂとを連通する屈曲した複数の出口連結通路６０ｂを有している。そして、複数の出口連結通路６０ｂは、円弧状出口バッファ部５８ｂとの連結部位での接線に対してそれぞれ中央側から両側に向かって、順次、大きな角度α１〜角度αｎに設定されている。
【００５８】
これにより、各出口連結通路６０ｂから円弧状出口バッファ部５８ｂへの合流損失が低減されるため、入口側に前記合流損失による影響を小さくすることができ、各水通路５６に水を均等に分配することが可能になる。従って、水流路５４全体に水を均一且つ確実に供給することができ、水分解処理を良好に遂行することが可能になる。
【００５９】
しかも、第１の実施形態では、排出連通孔４８は、複数の水通路５６が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されている。このため、排出連通孔４８は、中央側の複数本の入口連結通路６０ａを跨いで配置されるため、前記中央側の複数本の入口連結通路６０ａの合流圧損が小さくなる。すなわち、１本の入口連結通路６０ａに集中して水が流通することを確実に阻止することができる。
【００６０】
また、複数の水通路５６は、等しい間隔で設けられている。従って、高圧水素によりアノード側セパレータ３４に作用する応力を均一化させることができるという利点がある。
【００６１】
なお、第１の実施形態では、各入口連結通路６０ａは、仮想直線Ｌ０（中央）を境にして、矢印Ｂ１方向に互いに平行して設けられているが、これに限定されるものではない。分配圧損をされに小さくするため、角度α１〜角度αｎを異ならせるとともに、各入口連結通路６０ａが互いに平行しない構成を採用することも可能である。各出口連結通路６０ｂも同様に、互いに平行しない構成を採用することができる。
【００６２】
図７には、本実施形態による水流路５４全体の圧損と、比較例（特許文献１）による前記水流路５４全体の圧損とが示されている。これにより、比較例では、連通孔に近接する中央側の分配圧損が大きく低下して水流路５４全体の圧力損失が変動する一方、第１の実施形態では、前記水流路５４全体の圧力損失が略均一化されている。
【符号の説明】
【００６３】
１０…水電解装置 １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部 ２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体
４４ａ〜４４ｃ…突出部 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…水素連通孔
５４…水流路 ５６…水通路
５８ａ…円弧状入口バッファ部 ５８ｂ…円弧状出口バッファ部
６０ａ…入口連結通路 ６０ｂ…出口連結通路
６２…排出通路 ６４…水素流路
７２、７４、８０…通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置であって、
前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路に前記水を供給する水供給連通孔と、
前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水を排出する排出連通孔と、
を備え、
前記水流路は、前記水供給連通孔と前記排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、前記給電体の面内に並列される複数の水通路と、
前記給電体の外方を周回し、前記水供給連通孔に連通する円弧状入口バッファ部と、
前記複数の水通路と前記円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路と、
を有し、
前記複数の入口連結通路は、前記円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、
前記角度は、中央側の入口連結通路から両側の入口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
請求項１記載の水電解装置において、前記水供給連通孔は、前記複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記水流路は、前記給電体の外方を周回し、前記排出連通孔に連通する円弧状出口バッファ部と、
前記複数の水通路と前記円弧状出口バッファ部とを連通する屈曲した複数の出口連結通路と、
を有し、
前記複数の出口連結通路は、前記円弧状出口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、
前記角度は、中央側の出口連結通路から両側の出口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
請求項３記載の水電解装置において、前記排出連通孔は、前記複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項１】
電解質膜の両側に円形の給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する水流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて水素を得る水素流路が形成される水電解装置であって、
前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路に前記水を供給する水供給連通孔と、
前記セパレータの積層方向に延在し、前記水流路から残余の前記水を排出する排出連通孔と、
を備え、
前記水流路は、前記水供給連通孔と前記排出連通孔とを繋ぐ仮想直線に平行する給電体面方向に延在し、前記給電体の面内に並列される複数の水通路と、
前記給電体の外方を周回し、前記水供給連通孔に連通する円弧状入口バッファ部と、
前記複数の水通路と前記円弧状入口バッファ部とを連通する屈曲した複数の入口連結通路と、
を有し、
前記複数の入口連結通路は、前記円弧状入口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、
前記角度は、中央側の入口連結通路から両側の入口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
請求項１記載の水電解装置において、前記水供給連通孔は、前記複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｂに設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解装置において、前記水流路は、前記給電体の外方を周回し、前記排出連通孔に連通する円弧状出口バッファ部と、
前記複数の水通路と前記円弧状出口バッファ部とを連通する屈曲した複数の出口連結通路と、
を有し、
前記複数の出口連結通路は、前記円弧状出口バッファ部との連結部位での接線に対してそれぞれ異なる角度に設定されるとともに、
前記角度は、中央側の出口連結通路から両側の出口連結通路に向かって、順次、大きな角度に設定されることを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
請求項３記載の水電解装置において、前記排出連通孔は、前記複数の水通路が並列される方向の通路領域Ｈａに対して、Ｈａ／３以上の開口寸法Ｈｃに設定されることを特徴とする水電解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１２７２０８（Ｐ２０１１−１２７２０８Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８９４４（Ｐ２００９−２８８９４４）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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