特開 2022-174400 水電解セル、および、水電解セルの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022174400

(43)【公開日】2022-11-24

(54)【発明の名称】水電解セル、および、水電解セルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20221116BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20221116BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20221116BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20221116BHJP

   C25B 9/67 20210101ALI20221116BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20221116BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/23

C25B9/65

C25B9/67

C25B13/02 302

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021080169

(22)【出願日】2021-05-11

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(72)【発明者】

【氏名】村田 元

(72)【発明者】

【氏名】植田 忠伸

(72)【発明者】

【氏名】香山 智之

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC05

4K021CA03

4K021CA07

4K021CA12

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB49

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA05

(57)【要約】

【課題】 水電解セルにおいて、部材の劣化を抑制し、水の電気分解を安定して行う技術を提供する。
【解決手段】 水電解セルは、複極板と、水を拡散させる拡散層と、複極板とは別体に形成され、複極板と拡散層との間に配置される板状の水電解用集電板であって、導電性金属材料を含んでおり、一方の主面に凸部が形成され、他方の主面のうち、一方の主面に凸部が形成されている部分の反対側の部分には凹部が形成されている水電解用集電板と、を備え、水電解用集電板は、凸部の先端が拡散層に接触し、凹部の内側を水が流通可能なように形成されており、一方の主面側を流通する気体が、凹部の内側に移動することを規制する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解セルであって、
複極板と、
水を拡散させる拡散層と、
前記複極板とは別体に形成され、前記複極板と前記拡散層との間に配置される板状の水電解用集電板であって、導電性金属材料を含んでおり、一方の主面に凸部が形成され、他方の主面のうち、前記一方の主面に前記凸部が形成されている部分の反対側の部分には凹部が形成されている水電解用集電板と、を備え、
前記水電解用集電板は、
前記凸部の先端が前記拡散層に接触し、前記凹部の内側を水が流通可能なように形成されており、
前記一方の主面側を流通する気体が、前記凹部の内側に移動することを規制する、
水電解セル。

【請求項2】

請求項１に記載の水電解セルであって、
前記水電解用集電板の前記凸部は、前記一方の主面において、第１の方向に沿って延設され、かつ、前記第１の方向に交差する方向に複数並んで配置される、
水電解セル。

【請求項3】

請求項２に記載の水電解セルであって、
前記水電解用集電板は、
互いに隣接する２つの凸部のそれぞれの先端の間の距離が、１ｍｍ以下であり、
前記凸部の高さが、０．６ｍｍ以下である、
水電解セル。

【請求項4】

請求項１に記載の水電解セルであって、
前記水電解用集電板は、前記一方の主面に、略円筒形状の前記凸部が複数形成されている、
水電解セル。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水電解セルであって、
前記水電解用集電板の厚みは、０．２ｍｍ以下である、
水電解セル。

【請求項6】

水電解セルの製造方法であって、
導電性金属材料を含む板状の部材を、冷間加工によって、一方の主面に凸部を形成し、他方の主面のうち、前記一方の主面に前記凸部が形成されている部分の反対側の部分に凹部が形成し、水電解用集電板を成形する加工工程と、
前記水電解用集電板を、複極板と拡散層との間に配置する配置工程と、を備える、
水電解セルの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解セル、および、水電解セルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、水を電気分解して、水素ガスと酸素ガスを生成する水電解セルが知られている（例えば、特許文献１）。一般的に、水電解セルでは、電気分解される水は、複極板に形成されている流路を流れる。この複極板は、電極と電気的に接続されており、水を電気分解するための電力を電極に供給する。このため、複極板と電極との接点には電流が集中するため、発熱しやすい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－１２９９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複極板と電極との接点における発熱によって部材に温度が上昇する場合、流路を流れる水を用いて冷却する場合がある。しかしながら、流路を流れる水の一部は、電気分解されるため、流路を流れていくにしたがって流量が徐々に減少する。さらに、流路を流れる水には、電気分解によって生成される酸素ガスが含まれるため、流路の単位体積当たりの水の量はさらに減少する。このため、流路を流れる水では発熱個所を十分に冷却することが困難であり、局所的に温度が上昇するヒートスポットが発生するため、部材が劣化するおそれがあった。

【0005】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水電解セルにおいて、部材の劣化を抑制し、水の電気分解を安定して行う技術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】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、水電解セルが提供される。この水電解セルは、複極板と、水を拡散させる拡散層と、前記複極板とは別体に形成され、前記複極板と前記拡散層との間に配置される板状の水電解用集電板であって、導電性金属材料を含んでおり、一方の主面に凸部が形成され、他方の主面のうち、前記一方の主面に前記凸部が形成されている部分の反対側の部分には凹部が形成されている水電解用集電板と、を備え、前記水電解用集電板は、前記凸部の先端が前記拡散層に接触し、前記凹部の内側を水が流通可能なように形成されており、前記一方の主面側を流通する気体が、前記凹部の内側に移動することを規制する。

【0008】

この構成によれば、板状の水電解用集電板は、一方の主面に形成されている凸部の先端が拡散層に接触しており、複極板から水電解用集電板を介して拡散層に電流が流れる。これにより、凸部の先端と拡散層との接触部分に電流が集中するため、温度が上昇しやすく、ヒートスポットになりやすい。上述の構成では、水電解用集電板は、他方の主面のうち、一方の主面に凸部が形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部が形成されている。これにより、凹部の内側を流れる水によって、凸部の先端と拡散層との接触部分を効率的に冷却することができる。さらに、水電解用集電板は、一方の主面側を流
通する気体が凹部の内側に移動することを規制するように形成されている。一方の主面側では、水の電気分解によって酸素ガスが生成されるため、一方の主面側を流れる水は、下流に向かうにしたがって含まれる酸素ガスの量が多くなり、冷却効率が低下する。一方、他方の主面側を流れる水には、下流であっても酸素ガスは含まれないため、冷却効率が維持され、凸部の先端と拡散層との接触部分を冷却することができる。したがって、水電解セルにおいて、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0009】

（２）上記形態の水電解セルにおいて、前記水電解用集電板の前記凸部は、前記一方の主面において、第１の方向に沿って延設され、かつ、前記第１の方向に交差する方向に複数並んで配置されていてもよい。この構成によれば、凸部の先端と拡散層との接触によって温度が上昇しやすい部分は、水電解用集電板と拡散層との接触面において比較的均等に分布するため、局所的な温度上昇を抑制することができる。さらに、凸部の先端と拡散層との接触部分を効率的に冷却する水が流れる凹部も、一方の主面に凸部が形成されている部分の反対側の部分に形成されているため、水電解用集電板と拡散層との接触面において比較的均等に配置されており、凸部の先端と拡散層との接触部分を冷却することができる。したがって、ヒートスポットの発生を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0010】

（３）上記形態の水電解セルにおいて、前記水電解用集電板は、前記複極板と前記拡散層との間に配置されており、互いに隣接する２つの凸部のそれぞれの先端の間の距離が、１ｍｍ以下であり、前記凸部の高さが、０．６ｍｍ以下であってもよい。この構成によれば、互いに隣接する２つの凸部のそれぞれの先端の間の距離が比較的小さいため、一方の主面側の水の流れは、乱流になりやすい。これは、凸部の反対側に形成される凹部においても同様である。これにより、水電解用集電板の一方の主面側の水は、流れが乱れるため、水の電気分解が進むことで酸素ガスが含まれるようになっても、拡散層に水を供給しやすくなる。また、水電解用集電板の他方の主面側の水は、流れが乱れるため、水による冷却効果を向上させることができる。さらに、上述の構成によれば、凸部の高さは、隣接する２つの凸部のそれぞれの先端の間の距離と同程度のスケールを有しており、水が流れる流路として比較的深い。これにより、一方の主面側と他方の主面側とのそれぞれにおいて圧力損失を低減することができるため、水を流すために必要なエネルギを低減することができる。したがって、水電解セルにおいて水の電気分解を行うために必要なエネルギを低減しつつ、ヒートスポットの発生を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0011】

（４）上記形態の水電解セルにおいて、前記水電解用集電板は、前記一方の主面に、略円筒形状の前記凸部が複数形成されていてもよい。この構成によれば、水電解用集電板の一方の主面に形成されている複数の凸部は、略円筒形状を有している。ここで「略円筒形状」の断面形状である「円」は、真円に限られず、一見して円形状のものや、楕円形状にものも含まれる。一方の主面に沿って流れる水は、複数の凸部の間を流れることで凸部に衝突し、流れの方向が変化する。これにより、水電解用集電板の一方の主面側の水は、流れが乱れるため、水の電気分解が進むことで酸素ガスが含まれるようになっても、拡散層に水を供給しやすくなる。また、略円筒形状の凹部が複数形成される他方の主面側においても、他方の主面に沿って流れる水は、流れが乱れるため、水による冷却効果を向上させることができる。したがって、ヒートスポットの発生を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0012】

（５）上記形態の水電解セルにおいて、前記水電解用集電板の厚みは、０．２ｍｍ以下であってもよい。この構成によれば、水電解用集電板の厚みは、比較的小さいため、熱容量が小さい。これにより、水電解セルの始動時の温度上昇を比較的短時間で行うことがで
きるため、水の電気分解を早期に安定して行うことができる。また、凸部の先端と拡散層との接触部分で電流の集中によって温度が上昇しても、熱容量が小さいため、凹部を流れる水によって冷却しやすい。これにより、水電解用集電板や拡散層の温度を速やかに下げることができるため、ヒートスポットの発生を抑制することができる。したがって、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0013】

（６）本発明の別の形態によれば、水電解セルの製造方法が提供される。この水電解セルの製造方法は、導電性金属材料を含む板状の部材を、冷間加工によって、一方の主面に凸部を形成し、他方の主面のうち、前記一方の主面に前記凸部が形成されている部分の反対側の部分に凹部が形成し、水電解用集電板を成形する加工工程と、前記水電解用集電板を、複極板と拡散層との間に配置する配置工程と、を備える。この構成によれば、水電解用集電板は、部材に熱を加えることなく折り曲げる冷間加工によって、凸部と凹部とを形成する。これにより、加熱工程が不要であるため、加熱用の設備が不要であり、比較的短時間で加工することができる。また、加工時に不要となる材料が排出されないため、切削加工に比べて、材料を有効に利用することができる。さらに、このように加工された水電解用集電板では、凹部の内側を流れる水によって、凸部の先端と拡散層との接触部分を効率的に冷却することができるため、ヒートスポットの発生を抑制することができる。したがって、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0014】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解用集電板、水電解用集電板の製造方法、水電解セルを製造するときの部材の積層方法、水電解セルを備える水電解装置、水電解装置を含む水電解システム、水電解装置または水電解システムの制御方法、制御部が水電解装置または水電解システムを制御するためのコンピュータプログラム等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態の水電解装置を備える水電解システムの模式図である。

【図2】水電解装置が備える水電解セルの模式図である。

【図3】水電解装置の概略構成を示す図である。

【図4】水電解装置の流路の配置を説明する図である。

【図5】アノード側スペーサの斜視図である。

【図6】水電解用集電板の斜視図である。

【図7】水電解セルの作用を説明する図である。

【図8】水電解用集電板の機能を説明する図である。

【図9】第１の比較例の水電解セルの作用を説明する図である。

【図10】第２の比較例の水電解システムの模式図である。

【図11】第１の評価試験の結果を示す図である。

【図12】第２の評価試験の結果を示す図である。

【図13】第２実施形態の水電解用集電板の模式図である。

【図14】第３実施形態の水電解用集電板の模式図である。

【図15】第４実施形態の水電解用集電板の模式図である。

【図16】第５実施形態の水電解用集電板の斜視図である。

【図17】水電解用集電板の断面図である。

【図18】第６実施形態のアノード側スペーサの模式図である。

【図19】マニホールド部の位置変更による効果を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解装置１０１を備える水電解システム１００の模式図である。本実施形態の水電解システム１００は、水を電気分解することで水素ガスと酸素ガス
とを生成する。水電解システム１００は、水電解装置１０１と、ＤＣ電源１０２と、２台の気液分離器１０３ａ、１０３ｂと、熱交換器１０４と、浄水器１０５と、除湿器１０６と、純水貯蔵タンク１０７と、供給ポンプ１０８などを備える。

【0017】

水電解装置１０１は、複数の水電解セルを備え、純水貯蔵タンク１０７とＤＣ電源１０２に接続されている。水電解装置１０１は、純水貯蔵タンク１０７から供給される純水を、ＤＣ電源１０２から供給される電力を用いて電気分解し、酸素ガスと水素ガスとを生成する。水電解装置１０１の詳細な構成は、後述する。

【0018】

水電解装置１０１で生成される酸素ガスを含む水は、気液分離器１０３ａにおいて、酸素ガスと水とに分離される。気液分離器１０３ａにおいて分離された酸素ガスは、水電解システム１００の外部の供給先に送られる。気液分離器１０３ａにおいて酸素ガスと分離された水は、供給ポンプ１０８を介して純水貯蔵タンク１０７から供給される純水とともに、熱交換器１０４において冷却されたのち、循環ポンプ１００ａによって浄水器１０５に送られる。浄水器１０５において不純物が取り除かれた水は、水電解装置１０１に供給され、再度、電気分解に利用される。水電解装置１０１で生成される水素ガスを含む水は、気液分離器１０３ｂにおいて、水素ガスと水とに分離される。気液分離器１０３ｂにおいて分離された水素ガスは、水電解システム１００の外部の供給先に送られる。気液分離器１０３ｂにおいて水素ガスと分離された水は、循環ポンプ１００ｂによって、水電解装置１０１に送られる。

【0019】

図２は、水電解装置１０１が備える水電解セル１の模式図である。図３は、水電解装置１０１の概略構成を示す図である。図４は、水電解装置１０１の流路の配置を説明する図である。図２に示す水電解セル１は、固体高分子形水電解セルであり、複数個が積層されることで図１に示す固体高分子形の水電解装置１０１を構成する。水電解装置１０１は、いわゆる、水電解スタックであって、本実施形態では、４個の水電解セル１を積層することで形成される（図３参照）。しかしながら、１つの水電解装置１０１において積層される水電解セル１の数はこれに限定されない。なお、図２から図４において、水電解セル１が積層される方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に垂直な平面上において直交する２つの方向をｘ軸方向とｙ軸方向とする。また、図２から図４に示す水電解セル１や水電解装置１０１を構成する部材の厚みや大きさは、説明の便宜上、実際の厚みや大きさと異なっている。

【0020】

水電解セル１は、バイポーラプレート１０と、アノード側スペーサ２０と、膜電極接合部３０と、カソード側スペーサ４０と、図示しない複数のガスケットと、を備える。水電解セル１では、ｚ軸方向のマイナス側から、バイポーラプレート１０、ガスケット、アノード側スペーサ２０、ガスケット、膜電極接合部３０、ガスケット、カソード側スペーサ４０、ガスケットが、この順で積層されている。本実施形態では、水電解セル１は、直方体形状をなしており、４個の水電解セル１と１枚のバイポーラプレート１０が積層されている水電解装置１０１には、水電解装置１０１をｚ軸方向に貫通する貫通孔１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれが四隅に形成されている（図４参照）。貫通孔１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、水電解装置１０１が有する複数の水電解セル１のそれぞれでの水の電気分解に関与する流体が流れる流路となる。

【0021】

バイポーラプレート１０は、略長方形の板状部材であって、隣り合う水電解セル１との間に配置されるセパレータである。バイポーラプレート１０には、アノード側スペーサ２０に供給される水が流れる流路１１が形成されている。流路１１は、バイポーラプレート１０において、ｘ軸方向のマイナス側であって、ｙ軸方向のマイナス側の角に形成されており、貫通孔１ａの一部となる。バイポーラプレート１０には、流路１１の他に、図２に示す流路１２を含む流路が長方形状の四隅のそれぞれに形成されている。これらの流路は、水電解セル１の貫通孔１ｂ、１ｃ、１ｄの一部となる。

【0022】

アノード側スペーサ２０は、内側に開口が形成される樹脂製の枠状部材であって、バイポーラプレート１０のｚ軸方向のプラス側に配置される。アノード側スペーサ２０に形成される開口は、流路１１を流れる水を水電解セル１における貫通孔１ａが形成される角部から、該角部の対角に形成される水電解セル１における貫通孔１ｄまで流す。アノード側スペーサ２０の構造の詳細は、後述する。

【0023】

膜電極接合部３０は、略長方形の板状部材であって、樹脂製の枠部３１と、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、「ＭＥＡ」という）３２と、を有する。枠部３１の外形は、長方形であって、内側にＭＥＡ３２が配置される開口が形成されている。ＭＥＡ３２は、電解質膜３３と、アノード側電極３４と、カソード側電極３５と、を有する。

【0024】

電解質膜３３には、例えば、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸膜が用いられており、水素イオンや水を透過可能である。電解質膜３３の両面のそれぞれに、アノード側電極３４と、カソード側電極３５が接合されている。

【0025】

アノード側電極３４は、電解質膜３３のｚ軸方向のマイナス側に接合される。アノード側電極３４は、酸化イリジウム（Ｉｒ₂Ｏ）を含むアノード側触媒層３４ａと、チタン（Ｔｉ）から形成されるメッシュであるアノード側拡散層３４ｂと、を有する。アノード側電極３４は、ＤＣ電源１０２が供給する電力を用いて水を電気分解し、酸素ガスと水素イオンとを生成する。アノード側電極３４で生成された水素イオンと水の一部は、電解質膜３３を通って、電解質膜３３のｚ軸方向のプラス側に接合されるカソード側電極３５に移動する。

【0026】

カソード側電極３５は、白金（Ｐｔ）を含むカソード側触媒層３５ａと、カーボンペーパであるカソード側拡散層３５ｂと、を有する。カソード側電極３５は、ＤＣ電源１０２が供給する電力を用いて、電解質膜３３を通過した水素イオンを水素ガスにする。

【0027】

カソード側スペーサ４０は、内側に開口が形成されている樹脂製の板状部材であって、膜電極接合部３０のｚ軸方向のプラス側に配置されている。本実施形態では、カソード側スペーサ４０は、アノード側スペーサ２０と同じ構成の部材を用いており、具体的には、アノード側スペーサ２０の状態で配置されているものを、ｚ軸方向のプラス側とマイナス側とが入れ替わるようにひっくり返したものである。

【0028】

図５は、アノード側スペーサ２０の斜視図である。アノード側スペーサ２０は、枠部２１と、２つのマニホールド部２２、２３と、水電解用集電板２４と、を備える。

【0029】

枠部２１は、外形が長方形であり、内側には、水電解用集電板２４が配置される開口が形成されている。枠部２１の開口において、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のプラス側の表面には、開口を囲むように配置される環状の溝２１ａが形成される。枠部２１には、貫通孔１ｂの一部である流路２１ｂと、貫通孔１ｃの一部である流路２１ｃが形成されている。流路２１ｂの開口の周囲には、流路２１ｂの開口を囲むように配置される環状の溝２１ｄが形成される。流路２１ｂの開口の周囲には、流路２１ｂの開口を囲むように配置される環状の溝２１ｅが形成される。枠部２１に形成されている環状の溝２１ａ、２１ｄ、２１ｅのそれぞれは、アノード側スペーサ２０と膜電極接合部３０との間に配置されるガスケットの表面が変形し入り込むことで、アノード側スペーサ２０とガスケットとの間での流体の漏れを抑制する。

【0030】

マニホールド部２２は、厚みが枠部２１の厚みに比べ薄い略三角形状の部材であって、
枠部２１の内側において、ｘ軸のマイナス側であって、ｙ軸のマイナス側の角に配置される。マニホールド部２２は、枠部２１の厚み方向、すなわち、ｚ軸方向において、枠部２１におけるｚ軸方向のマイナス側に配置されている（図２参照）。マニホールド部２２には、流路１１に連通する流路２２ａが形成されている。流路２２ａを流れる流体は、マニホールド部２２を通って、水電解用集電板２４に流入する。

【0031】

マニホールド部２３は、厚みが枠部２１の厚みに比べ薄い略三角形状の部材であって、枠部２１の内側において、ｘ軸のプラス側であって、ｙ軸のプラス側に配置されている。マニホールド部２３は、枠部２１の厚み方向、すなわち、ｚ軸方向においては、枠部２１のｚ軸方向のマイナス側に配置されている。マニホールド部２３には、水電解用集電板２４を流れた流体が流れる流路２３ａが形成される。水電解用集電板２４から流出する流体は、マニホールド部２３を通って、流路２３ａに流入する。

【0032】

図６は、水電解用集電板２４の斜視図である。水電解用集電板２４は、バイポーラプレート１０やアノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２，２３とは別体に形成されている。水電解用集電板２４は、バイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとの間に配置されている。水電解用集電板２４は、白金（Ｐｔ）がコーティングされているチタン（Ｔｉ）からなる板状の部材であり、電気伝導性を有する。

【0033】

水電解用集電板２４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工、例えば、エンボス加工やロールプレス加工によって、部材を折り曲げることで形成されている。本実施形態の水電解用集電板２４は、図６に示すように、一方の主面２５に複数の凸部２５ａが形成され、他方の主面２６に複数の凹部２６ａが形成されている。本実施形態では、凸部２５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が曲線形状となるように形成されている。凹部２６ａは、一方の主面２５に凸部２５ａが形成されている部分の反対側に形成されている。水電解セル１に取り付けられている水電解用集電板２４では、凸部２５ａは、一方の主面２５において、ｘ軸方向に沿って延設され、かつ、ｙ軸方向に複数並んで配置されている。本実施形態の水電解用集電板２４では、隣接する２つの凸部２５ａのそれぞれの先端の間の距離Ｌ１が、１ｍｍ以下であり、凸部２５ａのｚ軸方向の高さＨ２４が、０．６ｍｍ以下である。

【0034】

水電解セル１が備えるカソード側スペーサ４０は、上述したように、アノード側スペーサ２０と同じ構成を有しており、枠部４１と、２つのマニホールド部４２、４３と、水電解用集電板２４と同様の構成を有する流路構造体４４と、を備える。マニホールド部４２には、貫通孔１ｂの一部である流路４２ａが形成されている（図１参照）。マニホールド部４３には、貫通孔１ｃの一部である流路４３ａが形成されている（図１参照）。

【0035】

図７は、水電解セル１の作用を説明する図である。水電解セル１に供給される水は、流路１１およびアノード側スペーサ２０の流路２２ａからマニホールド部２２を通り、水電解用集電板２４に流入する。水電解用集電板２４に流入する水は、一方の主面２５側（一方の主面２５とアノード側触媒層３４ａとの間）と、他方の主面２６側（他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間）と、のそれぞれを流れる。一方の主面２５側を流れる水は、アノード側拡散層３４ｂを通り、アノード側触媒層３４ａにおいて電気分解される。アノード側触媒層３４ａにおける水の電気分解のための電力は、アノード側触媒層３４ａと電気的に接続する、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂによって、バイポーラプレート１０から供給される。アノード側触媒層３４ａでの水の電気分解によって生成される酸素ガスＧ１は、未反応の水とともに水電解用集電板２４の一方の主面２５側を通り、水電解セル１の外部に送られる。アノード側触媒層３４ａでの水の電気分解によって生成される水素イオンは、未反応の水とともに、電解質膜３３を通り、カソード側電極３５に到達する。カソード側電極３５に到達した水素イオンは、カソード側触媒層３５ａ
において水素ガスＧ２となり、カソード側拡散層３５ｂと流路構造体４４を通って、水電解セル１の外部に送られる。

【0036】

図８は、水電解用集電板２４の機能を説明する図である。図８には、水電解セル１が水を電気分解している状態において、水電解用集電板２４と、水電解用集電板２４の両側に配置されるアノード側のバイポーラプレート１０と、アノード側拡散層３４ｂとのそれぞれについて、ｘ軸に垂直な断面を示している。

【0037】

水電解用集電板２４では、一方の主面２５側と、他方の主面２６側とのそれぞれに水が流れる構成となっている。具体的には、図８に示すように、アノード側スペーサ２０が有するマニホールド部２２の表面２２ｂが、バイポーラプレート１０と、アノード側拡散層３４ｂとの間のほぼ中間に位置しており、表面２２ｂに沿って流れる水は、一方の主面２５側と、他方の主面２６側とのそれぞれに流入する。これにより、図８での断面位置Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３のそれぞれにおいて、水電解用集電板２４の形状に応じて、一方の主面２５側を流れる水であるか、他方の主面２６側を流れる水であるかが異なる。具体的には、断面位置Ｃｓ１では、水電解用集電板２４がバイポーラプレート１０の近傍に位置するため、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間を流れる水となる（図８の符号Ｓｖ１）。断面位置Ｃｓ３では、水電解用集電板２４がアノード側拡散層３４ｂの近傍に位置するため、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間を流れる水となる（図８の符号Ｓｖ３）。また、断面位置Ｃｓ２では、水電解用集電板２４がバイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとのほぼ中間に位置するため、半分が一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間を流れる水となり、半分が他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間を流れる水となる（図８の符号Ｓｖ２）

【0038】

一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間を流れる水は、上述したように、一部がアノード側拡散層３４ｂに浸透し、アノード側触媒層３４ａにおいて電気分解されることで、酸素ガスＧ１を生成する。これにより、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間を流れる水の流量は、少なくなるとともに、水に含まれる酸素ガスＧ１の量は、水電解セル１における流路の上流から下流に向かうにしたがって増える。したがって、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間における単位体積当たりの水の量は、流路の上流から下流に向かうにしたがって少なくなる。

【0039】

他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間を流れる水は、そのまま流れるため、水電解セル１における流路の上流から下流にかけて、水の流量は変化しない。さらに、一方の主面２５側のように、酸素ガスＧ１が混入することもないため、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間における単位体積当たりの水の量も、変化しない。

【0040】

水電解用集電板２４は、一方の主面２５に形成されている凸部２５ａの先端２５ｂがアノード側拡散層３４ｂに接触しており、他方の主面２６がバイポーラプレート１０に接触している。これにより、バイポーラプレート１０から水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂを介して、アノード側触媒層３４ａに電流が流れている。凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１は、電流が集中しやすい箇所となるため、発熱しやすく、温度上昇しやすい。本実施形態の水電解用集電板２４では、接触部分Ｃｐ１のすぐ近くに、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の水が流れているため、この水によって、接触部分Ｃｐ１は冷却される。これにより、接触部分Ｃｐ１での温度上昇を抑制することができる。

【0041】

図９は、第１の比較例の水電解セルの作用を説明する図である。図９に示す第１の比較例の水電解セル９では、本実施形態と比較して、バイポーラプレート１０の形状が異なる。具体的には、水電解セル９では、２つのバイポーラプレート１０のそれぞれに、アノー
ド側拡散層３４ｂまたはカソード側拡散層３５ｂのいずれかに接触する複数の接触部１６が設けられている。複数の接触部１６は、図９に示すように、バイポーラプレート１０のアノード側拡散層３４ｂ側、または、カソード側拡散層３５ｂに設けられており、バイポーラプレート１０から突出している。これにより、アノード側拡散層３４ｂに浸透する水は、隣り合う接触部１６の間を流れる。

【0042】

第１の比較例の水電解セル９では、バイポーラプレート１０から複数の接触部１６とアノード側拡散層３４ｂを介して、アノード側触媒層３４ａに電流が流れている。このため、接触部１６とアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ０は、電流が集中しやすい箇所となるため、発熱しやすく、温度上昇しやすい。さらに、図８での説明で述べたように、水電解セル９では、流路の上流から下流に向かうにしたがって水に含まれる酸素ガスＧ１の量は増えるため、単位体積当たりの水の量は、流路の上流から下流に向かうにしたがって少なくなる。このため、接触部分Ｃｐ０の冷却が不十分となり、ヒートスポットが発生する。ヒートスポットが発生すると、水電解セル６が破損するおそれがあるため、ＤＣ電源１０２が出力する電力を低下させる必要があり、水電解セル９の水素ガスの発生量が少なくなる。

【0043】

図１０は、第２の比較例の水電解システム２００の模式図である。水電解システム２００は、本実施形態の水電解システム１００と異なり、第１の比較例の水電解セル９を備えた水電解装置２０１を冷却するための冷却システム２０２を備えている。冷却システム２０２では、図１０に示すように、例えば、供給ポンプ２０２ａを用いて、純水貯蔵タンク１０７の貯蔵されている純水が、貯水タンク２０２ｂに供給される。貯水タンク２０２ｂに貯留されている純水の一部は、熱交換器２０２ｃにおいて低温にされてから、水電解装置２０１のアノード側に供給される。また、貯水タンク２０２ｂに貯留されている純水の一部は、循環ポンプ２０２ｄによって加圧され、浄水器２０２ｅを用いて不純物が除去されたのち、水電解装置２０１のカソード側に供給される。これにより、水電解装置２０１１が備える２つのバイポーラプレート１０のそれぞれに冷却水を供給することで、接触部分Ｃｐ０の冷却を行う。しかしながら、冷却システム２０２が供給する冷却水は、部材の腐食を抑制するため、電気分解用の水と同じくレベルの純水であることが望ましく、電気伝導度を測定するなどの水質管理や、イオン交換システムなどが必要になる。このため、水電解システム２００は、本実施形態の水電解システム１００に比べ大きくなる。

【0044】

次に、本実施形態の水電解セル１に関する２つの評価試験について説明する。第１の評価試験では、水電解セル１に組み込まれた水電解用集電板２４の凸部２５ａとアノード側拡散層３４ｂとの接触の程度を確認した。

【0045】

図１１は、第１の評価試験の結果を示す図である。図１１に示す図は、エンボス加工で作製した水電解用集電板２４を用いて水電解セル１を組み上げたときに、感圧紙を用いて、水電解用集電板２４の凸部２５ａの面圧測定を行った結果を示している。図１１に示すように、凸部２５ａの荷重は、アノード側拡散層３４ｂの全体にかかっていることが確認された。この試験結果より、水電解セル１において、全体に荷重が均一にかかっており、水電解セル１を構成する複数の部品のそれぞれに存在する公差レベルのゆがみやひずみ、ｚ軸方向の寸法誤差を吸収することが可能な構造となっていることが明らかとなった。

【0046】

第１の評価試験によって図１１に示すような結果が得られるのは、水電解用集電板２４が、エンボス加工やロールプレス加工などの冷間加工によって作製されているためである。水電解用集電板２４の作製方法の比較例としての切削加工で水電解用集電板を作製する場合、水電解用集電板の厚みを薄くするには限界があり、上述したようなひずみを吸収するような変形は困難である。また、別の比較例としての面プレス方法では、板形状の部材の厚み方向に上述したようなひずみを吸収するために深堀りを行う場合、大きさを変えず
にプレスするためには、部材を部分的に引き伸ばす必要がある。そのためには、加熱により熱間プレスが必要になるため、加工時間が非常に長くなり、生産効率が低下する。また、生産効率を向上させようとすると、主面に沿った方向のひずみが大きくなり、深掘りにすればするほどずれが大きくなるため、主面に沿った方向の大きさに個体差が生じやすい。そのため、水電解セルを構成する部品として積層した場合、シールができなくなるおそれがある。

【0047】

本実施形態では、水電解用集電板２４は、上述したように、エンボス加工やロールプレス加工などの冷間加工によって作製されているため、板形状の部材を延ばすのではなく、折り畳むようにして、凸部２５ａと凹部２６ａとが形成される。これにより、板形状の部材の大きさは、縮小するもののその縮小幅は、凸部２５ａや凹部２６ａの大きさなどから容易に予想できるため、この縮小幅に合わせた枠部２１やマニホールド部２２、２３を別体で準備することで、シールを確保することができる。

【0048】

第２の評価試験では、水電解セルのセル電圧について評価を行った。具体的には、水電解セルに入力される電力に対するセル電圧を測定し、測定したセル電圧を用いて算出した効率（セル効率）を比較例と比較した。第２の評価試験では、本実施形態の水電解用集電板２４を備える水電解セル１の出力電圧と、比較例として切削加工によって作製した水電解用集電板を備える水電解セルの出力電圧とを比較した。

【0049】

図１２は、第２の評価試験の結果を示す図である。第２の評価試験では、水電解セルに入力される３Ａ／ｃｍ²の電力に対して測定される１ｃｍ²あたりのセル電圧から算出されたセル効率を示している。本評価試験では、測定温度を８０℃とした。図１２に示すように、本実施形態の水電解セル１は、比較例の水電解セルに比べて、高いセル効率を示すことが明らかとなった。これにより、本実施形態の水電解セル１は、３Ａ／ｃｍ²のような比較的高電流密度での運転においても、比較例の水電解セルに比べて高いセル効率を示すことから、高性能の水電解セルであることが明らかとなった。

【0050】

比較例の水電解セルでは、アノード側において、水は、電気分解によって消費されるとともに、水素イオンとともにカソード側に移動するため、水の流量は、流路の上流から下流に向かうにしたがって減少する。さらに、アノード側では、酸素ガスが発生し、バイポーラプレートとアノード側拡散層との間を流れる水に気泡として含まれる。例えば、１８グラムの水が電気分解すると、１１．２リットルの酸素ガスが発生するため、バイポーラプレートとアノード側拡散層との間を流れる水において、気泡が含まれる割合が急激に大きくなる。このため、流路の下流側では、水は、酸素ガス中を粒状となって流れるため、拡散層への水の供給が不足するおそれがある。また、酸素ガスは、水に比べ熱伝導率などが低いため、アノード側拡散層は、バイポーラプレートと拡散層との間を流れる流体では、冷却されにくくなる。一方、バイポーラプレートから水電解用集電板を介してアノード側拡散層に至る電流経路において、例えば、水電解用集電板と拡散層との接触部分など電流が集中する箇所では、電気抵抗が大きくなる傾向がある。このため、このような箇所に、ヒートスポットが形成され、局所的に部材が劣化するおそれがある。

【0051】

以上説明した、本実施形態の水電解セル１によれば、板状の水電解用集電板２４は、一方の主面２５に形成されている凸部２５ａの先端２５ｂがアノード側拡散層３４ｂに接触しており、バイポーラプレート１０から水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂを介してアノード側触媒層３４ａに電流が流れる。これにより、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１に電流が集中するため、温度が上昇しやすい。水電解セル１では、水電解用集電板２４は、他方の主面２６のうち、一方の主面２５に凸部２５ａが形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部２６ａが形成されている。これにより、凹部２６ａの内側を流れる水によって、凸部２５ａの先端２５
ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を効率的に冷却することができる。さらに、水電解用集電板２４は、一方の主面２５側を流通する気体が凹部２６ａの内側に移動することを規制するように形成されている。一方の主面２５側では、水の電気分解によって酸素ガスＧ１が生成されるため、一方の主面２５側を流れる水は、下流に向かうにしたがって含まれる酸素ガスＧ１の量が多くなり、冷却効率が低下する。一方、他方の主面２６側を流れる水には、下流であっても酸素ガスＧ１は含まれないため、冷却効率が維持され、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を冷却することができる。したがって、水電解セル１において、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0052】

また、本実施形態の水電解セル１によれば、バイポーラプレート１０からアノード側触媒層３４ａに電流が流れるときに電流の集中によって発熱しやすい、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を集中的に冷却する。これにより、冷却機構を有していない、例えば、図９に示すような水電解セル９では、電流密度を増大させると温度が上昇するため、低電流密度での運転に限定されるが、本実施形態の水電解セル１では、高密度電流での運転を行うことができる。したがって、より多くの水素ガスを生成することができる。

【0053】

図９に示す比較例の水電解セル９のように、バイポーラプレートに流路が形成される場合、比較的深い流路を形成するためには、流路間の間隔を大きくする必要があり、水の供給量が少なくなる。また、流路に腐食などの不具合が発生した場合、バイポーラプレートごと交換する必要がある。本実施形態の水電解セル１では、水電解用集電板２４は、バイポーラプレート１０やアノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２、２３とは別体に形成されている。これにより、水電解用集電板２４は、バイポーラプレート１０やアノード側拡散層３４ｂとともに、水が流れる比較的深い流路を形成することができるとともに、流路に不具合が生じた場合、水電解用集電板２４のみを交換することで不具合に対処することができる。

【0054】

また、本実施形態の水電解セル１によれば、流路１１および流路２２ａからマニホールド部２２に供給された水は、水電解用集電板２４の一方の主面２５側と他方の主面２６側とのそれぞれに分流される。これにより、一方の主面２５側では、水の電気分解によって酸素ガスが生成される一方、他方の主面２６側では、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を冷却する水を流すことができる。これにより、例えば、図１０に示した比較例の水電解システム２００とは異なり、冷却のための新たな仕組みを別に設ける必要がないため、水電解システムの大型化を抑制することができる。

【0055】

また、本実施形態の水電解セル１によれば、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触によって温度が上昇しやすい接触部分Ｃｐ１は、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂとの接触面において比較的均等に分布しているため、局所的な温度上昇を抑制することができる。さらに、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を効率的に冷却する水が流れる凹部２６ａも、一方の主面２５に凸部２５ａが形成されている部分の反対側の部分に形成されているため、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂとの接触面において比較的均等に配置されており、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を冷却することができる。したがって、局所的な温度上昇を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0056】

また、本実施形態の水電解セル１によれば、隣接する２つの凸部２５ａのそれぞれの先端２５ｂの間の距離Ｌ１が比較的小さいため、一方の主面２５側の水の流れは、乱流になりやすい。これは、凸部２５ａの反対側に形成される凹部２６ａにおいても同様である。
これにより、水電解用集電板２４の一方の主面２５側の水は、流れが乱れるため、水の電気分解が進むことで酸素ガスＧ１が含まれるようになっても、アノード側拡散層３４ｂに水を供給しやすくなる。また、水電解用集電板２４の他方の主面２６側の水は、流れが乱れるため、水による冷却効果を向上させることができる。さらに、凸部２５ａの高さＨ２４は、隣接する２つの凸部２５ａのそれぞれの先端２５ｂの間の距離Ｌ１と同程度のスケールを有しており、水が流れる流路としては比較的深い。これにより、一方の主面２５側と他方の主面２６側とのそれぞれにおいて圧力損失を低減することができるため、水を流すために必要なエネルギを低減することができる。したがって、水電解セル１において水の電気分解を行うために必要なエネルギを低減しつつ、ヒートスポットの発生を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0057】

また、本実施形態の水電解セル１によれば、水電解用集電板２４の厚みは、比較的小さいため、熱容量が小さい。これにより、水電解セル１の始動時の温度上昇を比較的短時間で行うことができるため、水の電気分解を早期に安定して行うことができる。また、水電解用集電板２４の凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１で電流の集中によって温度が上昇しても、熱容量が小さいため、凹部２６ａを流れる水によって冷却しやすい。これにより、水電解用集電板２４やアノード側拡散層３４ｂの温度を速やかに下げることができるため、ヒートスポットの発生を抑制することができる。したがって、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0058】

また、本実施形態の水電解セル１の製造方法によれば、水電解用集電板２４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に熱を加えることなく折り曲げる冷間加工によって形成される。これにより、加熱工程が不要であるため、比較的短時間で加工することができるとともに、加熱用の設備が不要となる。また、冷間加工による折り曲げによる製造方法では、加工時に不要となる材料が発生しないため、切削加工に比べて、材料を有効に利用することができる。さらに、このように加工された水電解用集電板２４では、凹部２６ａの内側を流れる水によって、凸部２５ａの先端２５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ１を効率的に冷却することができるため、ヒートスポットの発生を抑制することができる。したがって、水の電気分解を安定して行うことができる水電解セル１を製造することができる。

【0059】

図９に示す比較例の水電解セル９のように、バイポーラプレートの流路が形成される場合、上述したように、深い流路を形成することは困難であり、加工時間が長くなる。例えば、チタンを原料とする板状部材に深い溝を形成する方法として、超塑性加工が知られているが、プロセスに時間がかかりすぎるため、生産面で現実的でない。また、チタンの超塑性加工では、純度が高いチタン材料は不向きであり、添加物を入れる場合がある。しかしながら、このような添加物が含まれるチタンの部材を水電解セルの水電解用集電板に用いる場合、添加物が溶出し、水電解セルの性能を低下させるおそれがある。また、超塑性加工では加工時に大きさが変化するため、シール位置がずれるおそれがある。本実施形態の水電解セル１の製造方法によれば、水電解用集電板２４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に熱を加えることなく折り曲げる冷間加工によって形成される。これにより、比較的深い溝を有する形状に成形できるとともに、加工時の大きさの変化が予測できるため、シール位置のずれを予測して水電解セル１を製造することができる。したがって、水の電気分解を安定して行うことができる水電解セル１を製造することができる。

【0060】

＜第２実施形態＞
図１３は、第２実施形態の水電解用集電板の模式図である。第２実施形態の水電解セル２は、第１実施形態の水電解セル１と比べて、水電解用集電板の形状が異なる。

【0061】

本実施形態の水電解セル２が備える水電解用集電板５４は、バイポーラプレート１０や
アノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２，２３とは別体に形成されており、バイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとの間に配置されている。水電解用集電板５４は、図１３に示すように、一方の主面５５に、ｘ軸に垂直な断面形状が台形形状となる凸部５５ａが形成されている。凸部５５ａの平面状の先端５５ｂは、アノード側拡散層３４ｂと接触している（接触部分Ｃｐ２）。他方の主面５６には、一方の主面５５に凸部５５ａが形成されている部分の反対側に凹部５６ａが形成されている。本実施形態の水電解セル２に取り付けられている水電解用集電板５４では、凸部５５ａは、一方の主面５５において、ｘ軸方向に沿って延設されて、かつ、ｙ軸方向に複数並んで配置されている。水電解用集電板５４では、隣接する２つの凸部５５ａのそれぞれの先端の間の距離Ｌ２が、１ｍｍ以下であり、凸部５５ａのｚ軸方向の高さＨ５４が、０．６ｍｍ以下である。水電解用集電板５４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工によって、部材を折り曲げることで形成されている。

【0062】

以上、本実施形態の水電解セル２によれば、水電解用集電板５４は、他方の主面５６のうち、一方の主面５５に凸部５５ａが形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部５６ａが形成されている。これにより、凹部５６ａの内側を流れる水によって、凸部５５ａの先端５５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ２を効率的に冷却することができる。したがって、水電解セル２において、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0063】

また、本実施形態の水電解セル２によれば、一方の主面５５の凸部５５ａは、アノード側拡散層３４ｂと平面形状の部分で接触している。これにより、凸部５５ａの先端５５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ２の面積を比較的大きくすることができるため、水電解用集電板５４とアノード側拡散層３４ｂとの接触を確保することができる。したがって、水電解用集電板５４とアノード側拡散層３４ｂとの間の電気抵抗が小さくなるため、ヒートスポットの発生を抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0064】

＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態の水電解用集電板の模式図である。第３実施形態の水電解セル３は、第１実施形態の水電解セル１と比べて、水電解用集電板の形状が異なる。

【0065】

本実施形態の水電解セル３が備える水電解用集電板６４は、バイポーラプレート１０やアノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２，２３とは別体に形成されており、バイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとの間に配置されている。水電解用集電板６４は、図１４に示すように、一方の主面６５に凸部６５ａが形成されている。凸部６５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が、ｙ軸方向の大きさが段階的に変化する、いわゆる、階段形状を有している。凸部６５ａの平面状の先端６５ｂは、アノード側拡散層３４ｂと接触している（接触部分Ｃｐ３）。他方の主面６６には、一方の主面６５に凸部６５ａが形成されている部分の反対側に凹部６６ａが形成されている。本実施形態の水電解セル３に取り付けられている水電解用集電板６４では、凸部６５ａは、一方の主面６５において、ｘ軸方向に沿って延設され、かつ、ｙ軸方向に複数並んで配置されている。水電解用集電板６４では、隣接する２つの凸部６５ａのそれぞれの先端の間の距離Ｌ３が、１ｍｍ以下であり、凸部６５ａのｚ軸方向の高さＨ６４が、０．６ｍｍ以下である。水電解用集電板６４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工によって、部材を折り曲げることで形成されている。

【0066】

以上、本実施形態の水電解セル３によれば、水電解用集電板６４は、他方の主面６６のうち、一方の主面６５に凸部６５ａが形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部６６ａが形成されている。これにより、凹部６６ａの内側を流れる水によって、凸部６５ａの先端６５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ３を効率的に冷却
することができる。したがって、水電解セル３において、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0067】

また、本実施形態の水電解セル３によれば、一方の主面６５の凸部６５ａは、アノード側拡散層３４ｂと平面形状の部分で接触している。これにより、凸部６５ａの先端６５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ３の面積を比較的大きくすることができるため、水電解用集電板６４とアノード側拡散層３４ｂとの接触を確保することができる。したがって、水電解用集電板６４とアノード側拡散層３４ｂとの間の電気抵抗が小さくなるため、ヒートスポットの発生を抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0068】

また、本実施形態の水電解セル３によれば、凸部６５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が、ｙ軸方向の大きさが段階的に変化する、いわゆる、階段形状を有している。これにより、凸部６５ａは、ｚ軸方向に沿ってある程度伸縮することができるため、水電解セル３を構成する複数の部品のそれぞれに存在する公差レベルのゆがみやひずみを吸収することができる。

【0069】

＜第４実施形態＞
図１５は、第４実施形態の水電解用集電板の模式図である。第４実施形態の水電解セル４は、第１実施形態の水電解セル１と比べて、水電解用集電板の形状が異なる。

【0070】

本実施形態の水電解セル４が備える水電解用集電板７４は、バイポーラプレート１０やアノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２，２３とは別体に形成されており、バイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとの間に配置されている。水電解用集電板７４は、図１５に示すように、一方の主面７５に凸部７５ａが形成されている。凸部７５ａは、図１５に示すように、ｘ軸に垂直な断面形状が、ｚ軸のプラス方向に突出する半円形状の部分と、ｚ軸方向のマイナス方向に突出する中心角が９０度の円弧形状の部分とが、直線７７で接続される形状を有している。凸部７５ａの平面状の先端７５ｂは、アノード側拡散層３４ｂと接触している（接触部分Ｃｐ４）。他方の主面７６には、一方の主面７５に凸部７５ａが形成されている部分の反対側に凹部７６ａが形成されている。本実施形態の水電解セル４に取り付けられている水電解用集電板７４では、凸部７５ａは、一方の主面７５において、ｘ軸方向に沿って延設され、かつ、ｙ軸方向に複数並んで配置されている。水電解用集電板７４では、隣接する２つの凸部７５ａのそれぞれの先端の間の距離Ｌ４が、１ｍｍ以下であり、凸部７５ａのｚ軸方向の高さＨ７４が、０．６ｍｍ以下である。水電解用集電板７４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工によって、部材を折り曲げることで形成されている。

【0071】

以上、本実施形態の水電解セル４によれば、水電解用集電板７４は、他方の主面７６のうち、一方の主面７５に凸部７５ａが形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部７６ａが形成されている。これにより、凹部７６ａの内側を流れる水によって、凸部７５ａの先端７５ｂとアノード側拡散層３４ｂとの接触部分Ｃｐ４を効率的に冷却することができる。したがって、水電解セル４において、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0072】

また、本実施形態の水電解セル４によれば、凸部７５ａは、ｚ軸方向のプラス側の円弧形状と、ｚ軸方向のマイナス側の円弧形状とが直線で接続される形状を有する。これにより、凸部７５ａは、ｚ軸方向に沿ってある程度伸縮することができるため、水電解セル４を構成する複数の部品のそれぞれに存在する公差レベルのゆがみやひずみを吸収することができる。

【0073】

また、本実施形態の水電解セル４によれば、凸部７５ａは、ｚ軸方向のプラス側に、円
弧形状を有している。これにより、凸部７５ａは、第２実施形態の凸部５５ａや第３実施形態の凸部６５ａと異なり、曲面でアノード側拡散層３４ｂに接触することができる。したがって、水電解用集電板７４との接触によるアノード側拡散層３４ｂの破損を抑制することができる。

【0074】

＜第５実施形態＞
図１６は、第５実施形態の水電解用集電板の斜視図である。図１７は、第５実施形態の水電解用集電板の断面図である。第５実施形態の水電解セルは、第１実施形態の水電解セル１と比べて、水電解用集電板の形状が異なる。

【0075】

本実施形態の水電解セルが備える水電解用集電板８４は、バイポーラプレート１０やアノード側スペーサ２０の枠部２１、マニホールド部２２、２３とは別体に形成されており、バイポーラプレート１０とアノード側拡散層３４ｂとの間に配置されている。水電解用集電板８４は、図１６に示すように、一方の主面８５に、複数の凸部８５ａが形成されている。複数の凸部８５ａは、略円筒形状を有するように形成されており、凸部８５ａの平面状の先端は、アノード側拡散層３４ｂと接触している。ここで「略円筒形状」の断面形状である「円」は、真円に限られず、一見して円形状のものや、楕円形状にものも含まれる。他方の主面８６には、一方の主面８５に凸部８５ａが形成されている部分の反対側に凹部８６ａが形成されている（図１６のα－α線断面図である図１７参照）。本実施形態では、図１７に示すように、他方の主面８６に、略円筒形状を有する複数の凸部８６ｂが形成されており、他方の主面８６に凸部８６ｂが形成されている部分の反対側に凹部８５ｂが形成されている。凸部８６ｂの平面状の先端は、バイポーラプレート１０と接触している。

【0076】

本実施形態では、図１６に示すように、水電解用集電板８４の一方の主面８５には、ｘ軸のマイナス側からプラス側に向かって、ｙ軸方向に６個並べられている凸部８５ａの２列と、ｙ軸方向に６個並べられている凹部８５ｂの２列と、が交互に配置されている。図１７に示すように、ｙ軸方向に６個並べられている凸部８５ａの一列と、その後方に６個並べられている凸部８５ａの一列とは、互い違いに配置されており、例えば、一方の主面８５に沿って流れる水は、凸部８５ａに衝突しやすくなっている。この構成は、他方の主面８６においても同様である。水電解用集電板８４は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工によって、部材を折り曲げることで形成されている。

【0077】

以上、本実施形態の水電解セルによれば、水電解用集電板８４は、他方の主面８６のうち、一方の主面８５に凸部８５ａが形成されている部分の反対側の部分には、水が流通可能な凹部８６ａが形成されている。これにより、凹部８６ａの内側を流れる水によって、凸部８５ａの先端とアノード側拡散層３４ｂとの接触部分を効率的に冷却することができる。したがって、ヒートスポットの発生を抑制することができるため部材の劣化が抑制され、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0078】

また、本実施形態の水電解セルによれば、水電解用集電板８４に形成されている複数の凸部８５ａは、互いに離間して形成されており、１つの凸部８５ａに対して、２つの異なる方向に、別の凸部８５ａが形成されている。これにより、水電解用集電板８４の一方の主面８５に沿って流れる水は、凸部８５ａに衝突することで、流れの方向が変化する。これは、凸部８６ｂが形成されている他方の主面８６側においても同様である。これにより、水電解用集電板８４の一方の主面８５側の水は、流れが乱れるため、水の電気分解が進むことで酸素ガスＧ１が含まれるようになっても、アノード側拡散層３４ｂに水を供給しやすくなる。また、水電解用集電板８４の他方の主面８６側の水は、流れが乱れるため、水による冷却効果を向上させることができる。したがって、ヒートスポットの発生を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0079】

＜第６実施形態＞
図１８は、第６実施形態のアノード側スペーサの模式図である。第６実施形態の水電解セルは、第１実施形態の水電解セル１と比べて、アノード側スペーサの形状が異なる。

【0080】

第６実施形態の水電解セルは、バイポーラプレート１０と、アノード側スペーサ９０と、膜電極接合部３０と、カソード側スペーサ４０と、図示しない複数のガスケットと、を備える。第６実施形態の水電解セルでは、ｚ軸方向のマイナス側から、バイポーラプレート１０、ガスケット、アノード側スペーサ９０、ガスケット、膜電極接合部３０、ガスケット、カソード側スペーサ４０、ガスケットが、この順で積層されている。

【0081】

アノード側スペーサ９０は、内側に開口が形成される樹脂製の枠状部材であって、枠部２１と、２つのマニホールド部２２、２３と、水電解用集電板２４と、を備える。本実施形態では、マニホールド部２２、２３のそれぞれと、枠部２１の内側に配置される水電解用集電板２４との間に、隙間９７、９８が形成されている。

【0082】

図１９は、マニホールド部の位置変更による効果を説明する図である。本実施形態では、マニホールド部２２の表面２２ｂは、水電解用集電板２４に対して、図１９（Ａ）に示す位置に配置されている。マニホールド部２２の水は、表面２２ｂよりｚ軸方向のプラス側を流れており、マニホールド部２２の表面２２ｂが図１９（Ａ）の位置Ｍｐにある場合、マニホールド部２２を流れる水は、図１９（Ａ）に示す開口部分Ｏｐ１のうちの一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間の面積と、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の面積との比に応じた流量で、水電解用集電板２４に流入する。図１９（Ａ）の状態では、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間の水の流量は、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の水の流量より多い。

【0083】

一方、マニホールド部２２の表面２２ｂが、水電解用集電板２４に対して、図１９（Ａ）に示す位置Ｍｐより、図１９（Ｂ）に示す、ｚ軸のマイナス方向の位置に配置されるとする（図１９（Ｂ）の白抜き矢印Ａ６参照）。この場合、図１９（Ａ）の状態に比べて、開口部分Ｏｐ２のうちの他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の面積が比較的大きくなるため、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の水の流量は、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間の水の流量より多くなる。これにより、凹部２６ａの水の流量を増大させることで、水電解用集電板２４とアノード側拡散層３４ｂの冷却度合いを向上させることができる。

【0084】

以上、本実施形態の水電解セルによれば、水電解用集電板２４に対する、マニホールド部２２の表面２２ｂの位置を変更することで、一方の主面２５とアノード側拡散層３４ｂとの間の水の流量と、他方の主面２６とバイポーラプレート１０との間の水の流量を調整することができる。これにより、水電解セルの出力特性に応じて、冷却度合いを調整することができるため、水電解セルの出力特性を向上させることができる。

【0085】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0086】

［変形例１］
上述の実施形態では、水電解用集電板における、隣接する２つの凸部のそれぞれの先端の間の距離が、１ｍｍ以下であり、ｚ軸方向の高さが、０．６ｍｍ以下であるとした。先端の間の距離、および、ｚ軸方向の高さは、これらに限定されない。また、水電解用集電板は、厚さが０．２ｍｍ以下の板状部材に対して、冷間加工、例えば、エンボス加工やロ
ールプレス加工によって、部材を折り曲げることで形成されるとした。しかしながら、水電解用集電板となる部材の厚みは、これに限定されない。

【0087】

［変形例２］
第１実施形態では、凸部２５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が曲線形状となるように形成されているとした。第２実施形態では、凸部５５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が台形形状となるように形成されるとした。第３実施形態では、凸部６５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が、ｙ軸方向の大きさが段階的に変化する、いわゆる、階段形状を有しているとした。第４実施形態では、凸部７５ａは、ｘ軸に垂直な断面形状が、ｚ軸のプラス方向に突出するように配置される半円形状の部分と、ｚ軸方向のマイナス方向に突出する中心角が９０度の円弧形状の部分とが、直線７７で接続される形状を有しているとした。しかしながら、凸部の断面形状は、これらに限定されない。

【0088】

［変形例３］
上述の実施形態では、ＭＥＡ３２のアノード側電極３４は、アノード側触媒層３４ａと、アノード側拡散層３４ｂと、を有しているとした。しかしながら、ＭＥＡの構成はこれに限定されない。例えば、アノード側拡散層は、アノード側スペーサに含まれてもよい。

【0089】

［変形例４］
第５実施形態では、水電解用集電板８４は、一方の主面８５に形成される複数の凸部８５ａは、略円筒形状を有するとした。しかしながら、凸部８５ａの形状はこれに限定されない。断面が矩形形状や三角形状であってもよく、柱状でなく、円錐形状であってもよい。

【0090】

［変形例５］
上述の実施形態では、アノード側における水電解用集電板での冷却について述べた。同様の効果は、カソード側における流路構造体４４についても言える。具体的には、水電解システム１００の構成を示した図１に示すように、カソード側には、熱交換器１０４と、循環ポンプ１００ａと、浄水器１０５とを経由した水が供給される。この水は、カソード側において、流路構造体４４の一方の主面側と他方の主面側とのそれぞれを流れる。一方の主面側を流れる水には、生成された水素ガスが混入し、他方の主面側を流れる水には、水素ガスなどの気体は混入しない。カソード側では、カソード側電極３５とバイポーラプレート１０とが流路構造体４４によって電気的に接続されており、カソード側電極３５からバイポーラプレート１０に向かって電気が流れる。このため、流路構造体４４とカソード側電極３５との接触部分では、電流集中によって高温になりやすいが、流路構造体４４の他方の主面側を流れる水によって冷却することができるため、ヒートスポットの発生を抑制することができる。したがって、部材の劣化を抑制することができるため、水の電気分解を安定して行うことができる。

【0091】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0092】

１，２，３，４，５…水電解セル
１０…バイポーラプレート
２４，５４，６４，７４，８４…水電解用集電板
２５，５５，７５，８５…一方の主面
２５ａ，５５ａ，６５ａ，７５ａ，８５ａ…凸部
２５ｂ，５５ｂ，６５ｂ，７５ｂ…先端
２６，５６，６６，７６，８６…他方の主面
２６，５６ａ，６６ａ，７６ａ，８６ａ…凹部
３４ｂ…アノード側拡散層
３５ｂ…カソード側拡散層
Ｇ１…酸素ガス
Ｇ２…水素ガス
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…距離
Ｈ２４，Ｈ５４，Ｈ６４，Ｈ７４…高さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】