特開 2023-105646 セパレータ、及び、水電解デバイス

(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】P2023105646

(43)【公開日】2023-07-31

(54)【発明の名称】セパレータ、及び、水電解デバイス

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20230724BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20230724BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20230724BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230724BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20230724BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20230724BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

H01M8/0258

C25B15/08 302

C25B1/04

C25B13/02 302

C25B9/65

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006607

(22)【出願日】2022-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安藤 大樹

(72)【発明者】

【氏名】常木 達也

(72)【発明者】

【氏名】河村 将史

(72)【発明者】

【氏名】櫛 拓人

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021CA07

4K021CA08

4K021CA09

4K021DB04

4K021DB16

4K021DB28

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB49

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA05

5H126AA08

5H126EE04

5H126EE11

5H126EE25

5H126EE27

(57)【要約】

【課題】水やガスなどの流体の供給、拡散を良好に行うことができるセパレータ、及び、このセパレータを用いた水電解デバイスを提供する。
【解決手段】セパレータ２６は、導電性を有する板状のセパレータ本体２７と、セパレータ本体２７の一端部に形成された流体供給口２８Ａと、セパレータ本体２７の他端部に形成された流体排出口２８Ｂと、流体供給口２８Ａと流体排出口２８Ｂの間にセパレータ本体２７と一体的に形成され、流体を通過させる流路領域４０と、流路領域４０において、流体供給口２８Ａに隣接する流路一端部及び流体排出口２８Ｂに隣接する流路他端部に形成され、流体供給口２８Ａからの流体供給方向Ｘの流路抵抗を大きくする抵抗大流路部４２と、流路領域４０において、流体供給口２８Ａ及び流体排出口２８Ｂと非隣接の位置に形成され、流体供給方向Ｘの流路抵抗が前記抵抗大流路部４２よりも小さい抵抗小流路部４４と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性を有する板状のセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の一端部に前記セパレータ本体を貫通して形成された流体供給口と、
前記セパレータ本体の他端部に前記セパレータ本体を貫通して形成された流体排出口と、
前記流体供給口と前記流体排出口の間に前記セパレータ本体と一体的に形成され、流体を通過させる流路領域と、
前記流路領域において、前記流体供給口に隣接する流路一端部及び前記流体排出口に隣接する流路他端部に形成され、前記流体供給口からの流体供給方向の流路抵抗を前記流体供給口と直交する方向の流路抵抗よりも大きくする抵抗大流路部と、
前記流路領域において、前記流体供給口及び前記流体排出口と非隣接の位置に形成され、前記流体供給方向の流路抵抗が前記抵抗大流路部よりも小さい抵抗小流路部と、
を備えた、セパレータ。

【請求項2】

前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部は、前記セパレータ本体の一方面の凹状が他方面で凸状となる凹凸パターンで形成されている、
請求項１に記載のセパレータ。

【請求項3】

前記流体供給口と前記流路領域の間に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部と隣接して形成され、流体を前記流路領域へ送り出す供給ヘッダと、
前記流体排出口と前記流路領域の間に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部と隣接して形成され、流体を前記流路領域から排出させる排出ヘッダと、
を備えた、請求項１または請求項２に記載のセパレータ。

【請求項4】

前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部は、厚み方向からみて、基準部と、前記基準部よりも一方面側に凹となる第１凹部と、前記基準部よりも他方面側に凹となる第２凹部と、を有し、前記基準部に前記流体供給口及び前記流体排出口が形成されている、
請求項３に記載のセパレータ。

【請求項5】

前記供給ヘッダ及び前記排出ヘッダは、厚み方向からみて、前記基準部と面一に形成されている、
請求項４に記載のセパレータ。

【請求項6】

前記セパレータ本体の板面の一方面と他方面の両面に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部が形成された、
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のセパレータ。

【請求項7】

前記抵抗大流路部は、前記流体供給方向と交差する方向に延出される凹状で形成され、前記抵抗小流路部は、前記抵抗大流路部の延出方向と直交する方向に延出される凹状で形成されている、
請求項１～６のいずれか１項に記載のセパレータ。

【請求項8】

前記抵抗小流路部は、前記抵抗大流路部よりも前記流体供給方向と交差する方向に短尺の凹状とされている、
請求項７に記載のセパレータ。

【請求項9】

請求項１～請求項８のいずれか１項に記載のセパレータを備えた、水電解デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セパレータ、及び、このセパレータを用いた水電解デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、クリーンエネルギーの活用として、水素を生成する水電解デバイスや、水素を用いて発電する燃料電池デバイスが注目されている。再生可能エネルギーから得た電力により水電解デバイスで水素を生成して貯留し、必要に応じて水素を用いて燃料電池で発電することにより、安定しない再生可能エネルギーによる場合でも、継続的に電力を供給することができる。

【0003】

このような、水電解デバイスや燃料電池デバイスについては、セルスタックの構成についても開発が行われており、電解質膜、アノード、カソード、セパレータを含むセル構造についても、様々な技術が提案されている。（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１３６２１８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような、水電解デバイスや燃料電池デバイスにおいては、水やガスなどの流体を供給したり拡散させたりする流路を構成するためにセパレータが用いられる。当該セパレータにより、水やガスなどの流体の供給、拡散が良好に行われると発電効率や水電解効率が向上するため、セパレータ流路の改良が求められている。

【0006】

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、水やガスなどの流体の供給、拡散を良好に行うことができるセパレータ、及び、このセパレータを用いた水電解デバイス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】

【0007】

請求項１に係るセパレータは、導電性を有する板状のセパレータ本体と、前記セパレータ本体の一端部に前記セパレータ本体を貫通して形成された流体供給口と、前記セパレータ部材の他端部に前記セパレータ本体を貫通して形成された流体排出口と、前記流体供給口と前記流体排出口の間に前記セパレータ本体と一体的に形成され、流体を通過させる流路領域と、前記流路領域において、前記流体供給口に隣接する流路一端部及び前記流体排出口に隣接する流路他端部に形成され、前記流体供給口からの流体供給方向の流路抵抗を前記流体供給口と直交する方向の流路抵抗よりも大きくする抵抗大流路部と、前記流路領域において、前記流体供給口及び前記流体排出口と非隣接の位置に形成され、前記流体供給方向の流路抵抗が前記抵抗大流路部よりも小さい抵抗小流路部と、を備えている。

【0008】

請求項１に係るセパレータは、セパレータ本体と一体的に、流体供給口と流体排出口の間に、流体を通過させる流路領域が形成されている。流路領域には、流体供給口と流体排出口に隣接して、抵抗大流路部が形成され、流体供給口と流体排出口に非隣接の位置に抵抗小流路部が形成されている。抵抗大流路部は、流体供給方向の流路抵抗が、この方向と直交する方向よりも大きい。したがって、流体供給口から供給された液体やガスなどの流体は、流体排出口へ直線的に流れにくくなり、抵抗小流路部へ流れやすくなる。これにより、流体供給口から供給された流体が直線的に流体排出口へ流れることが抑制され、セパレータの流体供給口及び流体排出口から遠い部分へ拡散させ流体を流すことができ、流体の供給、拡散を良好に行うことができる。

【0009】

請求項２に係るセパレータは、前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部が、前記セパレータ本体の一方面の凹状が他方面で凸状となる凹凸パターンで形成されている。

【0010】

請求項２に係るセパレータによれば、比較的厚みの薄い板に容易に流路を形成することができる。

【0011】

請求項３に係るセパレータは、前記流体供給口と前記流路領域の間に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部と隣接して形成され、流体を前記流路領域へ送り出す供給ヘッダと、前記流体排出口と前記流路領域の間に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部と隣接して形成され、流体を前記流路領域から排出させる排出ヘッダと、を備えている。

【0012】

請求項３に係るセパレータによれば、供給ヘッダから抵抗大流路部及び抵抗小流路部の両方へ流体を送り出すことができ、流体供給口と隣接しない領域へスムーズに流体を拡散させることができる。また、排出ヘッダで流路領域からスムーズに流体を排出させることができる。

【0013】

請求項４に係るセパレータは、前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部は、厚み方向からみて、基準部と、前記基準部よりも一方面側に凹となる第１凹部と、前記基準部よりも他方面側に凹となる第２凹部と、を有し、前記基準部に前記流体供給口及び前記流体排出口が形成されている。

【0014】

請求項４に係るセパレータによれば、一つのセパレータの一方面と他方面の両面において、流体供給口及び流体排出口を凹凸パターンの凹と容易に連通させることができる。

【0015】

請求項５に係るセパレータは、前記供給ヘッダ及び前記排出ヘッダは、厚み方向からみて、前記基準部と面一に形成されている。

【0016】

請求項５に係るセパレータによれば、供給ヘッダ及び排出ヘッダを容易に形成することができる。

【0017】

請求項６に係るセパレータは、前記セパレータ本体の板面の一方面と他方面の両面に前記抵抗大流路部及び前記抵抗小流路部が形成されている。

【0018】

請求項６に係るセパレータによれば、一つのセパレータの一方面と他方面に、別々の流体を流す流路を形成することができる。

【0019】

請求項７に係るセパレータは、前記抵抗大流路部は、前記流体供給方向と交差する方向に延出される凹状で形成され、前記抵抗小流路部は、前記抵抗大流路部の延出方向と直交する方向に延出される凹状で形成されている。

【0020】

請求項７に係るセパレータによれば、凹状を流体供給方向と交差する方向に延出させることにより、簡易に流体供給方向と異なる方向へ流体を流れやすくすることができる。

【0021】

請求項８に係るセパレータは、前記抵抗小流路部は、前記抵抗大流路部よりも前記流体供給方向と交差する方向に短尺の凹状とされている。

【0022】

請求項８に係るセパレータによれば、凹状を抵抗大流路部よりも短尺とすることにより、簡易に抵抗大流路部よりも流路抵抗が小さい抵抗小流路部を形成することができる。

【0023】

請求項９に係る水電解デバイスは、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載のセパレータを備えている。

【0024】

請求項９に係る水電解デバイスによれば、セパレータにより、水やガスなどの流体の供給、拡散が良好に行われるので、水電解効率を向上させることができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明に係るセパレータによれば、水やガスなどの流体の供給、拡散を良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１実施形態に係る水電解装置に用いられるセパレータのアノード側の平面図である。

【図2】第１施形態に係る水電解装置の図１の２－２線に対応する部分のセル断面図である。

【図3】第１施形態に係る水電解装置の図１の３－３線に対応する部分の断面図である。

【図4】抵抗大流路部の一部平面図である。

【図5】抵抗小流路部の一部平面図である。

【図6】抵抗中流路部の一部平面図である。

【図7】（Ａ）は抵抗大流路部の図４のＡ－Ａ線の断面図であり、（Ｂ）は抵抗小流路部の図５のＢ－Ｂ線の断面図であり、（Ｃ）は抵抗中流路部の図６のＣ－Ｃ線の断面図である。

【図8】第１実施形態に係る水電解装置に用いられるセパレータのカソード側の平面図である。

【図9】（Ａ）は抵抗大流路部の断面図であり、（Ｂ）は抵抗小流路部の断面図であり、（Ｃ）は抵抗中流路部の断面図である。

【図10】（Ａ）は、本実施形態の流路領域における水の流れを示す説明図であり、（Ｂ）は比較例の流路領域における水の流れを示す説明図である。

【図11】変形例に係る抵抗小流路部の一部平面図である。

【図12】第１施形態に係る水電解装置の図１の３－３線に対応する部分のスタック断面図である。

【図13】第２実施形態に係る水電解装置に用いられるセパレータのアノード側の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

＜第１実施形態＞
本発明の水電解デバイスの第１実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態では、固体高分子電解質膜型（ＰＥＭ）の水電解装置１０Ａを例に説明する。図１には、水電解装置１０Ａのセル２０のセパレータ２６の平面図が示され、図２、３には、セル２０の一部概略断面が示されている。

【0028】

図２及び図３に示されるように、セル２０は、電解質層２２を備え、電解質層２２の一方面側に、アノード触媒層２４、アノードガス拡散層２５、及び、セパレータ２６が、この順に積層されている。また、電解質層２２の他方面側に、カソード触媒層３４、カソードガス拡散層３５、及び、セパレータ３６が、この順に積層されている。

【0029】

電解質層２２は、方形状とされ、炭素－フッ素系高分子膜や炭素－フッ素系高分子膜などを用いることができる。電解質層２２の一方面に積層されるアノード触媒層２４は、電解質層２２の一方面の外周よりも狭い内周側を覆っており、Ｉｒ系触媒などを用いることができる。電解質層２２の他方面に積層されるカソード触媒層３４は、電解質層２２の他方面の外周よりも狭い内周側を覆っており、Ｐｔ／カーボン系触媒などを用いることができる。

【0030】

アノードガス拡散層２５は、アノード触媒層２４に積層されている。アノードガス拡散層２５は、平面視でアノード触媒層２４と略同一形状とされている。アノードガス拡散層２５は、多孔質体、粉末焼結体、繊維焼結体、金属メッシュ、フェルトなどの、層内を流体が流通可能とする物質を用いることができる。

【0031】

アノードガス拡散層２５には、セパレータ２６が積層されている。セパレータ２６の詳細については後述する。

【0032】

カソードガス拡散層３５は、カソード触媒層３４に積層されている。カソードガス拡散層３５は、平面視でカソード触媒層３４と略同一形状とされている。カソードガス拡散層３５は、多孔質体、粉末焼結体、繊維焼結体、金属メッシュ、フェルトなどの、層内を流体が流通可能とする物質を用いることができる。

【0033】

カソードガス拡散層３５には、セパレータ３６が積層されている。セパレータ３６の詳細については後述する。セパレータ２６とセパレータ３６の間に、電圧印加手段１１により電圧が印加される。

【0034】

図１に示されるように、セパレータ２６は、長方形板状とされたセパレータ本体２７で構成されており、セパレータ本体２７に、流体用開口２８、流路領域４０が形成されている。なお、図１は、図２、３の断面の下側からみた平面図となっている。

【0035】

流体用開口２８は、セパレータ本体２７の４つの角の各々に形成されており、一方面から見たとき、一端側の一の流体用開口２８が流体供給口２８Ａとなり、一の流体供給口２８Ａと対角線上にある他端側の流体用開口２８が流体排出口２８Ｂとなる。平面視で、流体供給口２８Ａから流路領域４０へ流体が供給される方向を流体供給方向Ｘとする。ここでは、流体供給口２８Ａから流路領域４０の最短距離となる方向を流体供給方向Ｘとする。一方面側のその他の２個の流体用開口２８周りには、開口シール部材５６が設けられ、セパレータ本体２７と電解質層２２の間がシールされている。

【0036】

流路領域４０は、流体を通過させる領域である。流路領域４０は、平面視で、流体供給口２８Ａと流体排出口２８Ｂの間に、アノードガス拡散層２５と対応する形状でセパレータ２６と一体的に形成されている。流路領域４０には、抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４、抵抗中流路部４６が形成されている。

【0037】

図１に示されるように、抵抗大流路部４２は、流路領域４０を縦横に４分割して、領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１とした時の、流体供給口２８Ａに隣接する流路一端部（領域Ａ１）、及び、流体排出口２８Ｂに隣接する流路他端部（領域Ｄ１）、に形成されている。図４に示されるように、抵抗大流路部４２は、平面視において、流体供給方向Ｘと直交するＹ方向に長尺の長孔４２Ａと、同方向に長尺の凸状４２Ｂが、流体供給方向Ｘ及びＹ方向に交互に並べられて形成されている。抵抗大流路部４２は、流体供給方向Ｘの流路抵抗が大となり、Ｙ方向の流路抵抗が小となっている。

【0038】

抵抗小流路部４４は、流路領域４０において、流体供給口２８Ａ及び流体排出口２８Ｂと非隣接の領域Ｂ１及び領域Ｃ１に形成されている。図５に示されるように、抵抗小流路部４４は、平面視において、抵抗大流路部４２を９０°回転させた構成とされており、流体供給方向Ｘに長尺の長孔４４Ａと、同方向に長尺の凸状４４Ｂが、流体供給方向Ｘ及びＹ方向に交互に並べられて形成されている。抵抗小流路部４４は、流体供給方向Ｘの流路抵抗が小となり、Ｙ方向の流路抵抗が大となっている。

【0039】

抵抗中流路部４６は、流路領域４０の中央部分に配置されている。図６に示されるように、抵抗中流路部４６は、平面視において、流体供給方向Ｘと直交するＹ方向に長尺の長孔４６Ａと、同方向に長尺の凸状４６Ｂが、流体供給方向Ｘ及びＹ方向に交互に並べられて形成されている。長孔４６Ａ及び凸状４６Ｂの流体供給方向Ｘの長さは、長孔４２Ａ及び凸状４２Ｂの同方向の長さよりも短く設定されている。抵抗中流路部４６は、流体供給方向Ｘの流路抵抗が中となり、Ｙ方向の流路抵抗が小となっている。

【0040】

抵抗大流路部４２、抵抗中流路部４６、抵抗小流路部４４における、流体供給方向Ｘの流路抵抗は、抵抗大流路部４２が最も大きく、抵抗小流路部４４が最も小さく、抵抗中流路部４６は、抵抗大流路部４２よりも小さく抵抗小流路部４４よりも大きくなっている。

【0041】

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４、抵抗中流路部４６は、厚み方向からみて（断面視で）、セパレータ本体２７の一方面側の凹状が他方面で凸状となる凹凸パターンで形成されている。当該凹凸パターンは、厚み方向の中央に位置する、基準部αと、基準部αよりも一方面側に凹となる第１凹部βと、基準部αよりも他方面側に凹となる第２凹部γと、を有している。第１凹部βと第２凹部γの深さは同じに設定されている。

【0042】

図７（Ａ）に示されるように、一方面側（アノードガス拡散層２５に対向する側）において、抵抗大流路部４２の長孔４２Ａは、第１凹部βで形成され、隣り合う長孔４２Ａ同士の間に第２凹部γ及び基準部αが形成されている。また、一方面側において、抵抗小流路部４４の長孔４４Ａは、第１凹部βで形成され、隣り合う長孔４４Ａ同士の間に第２凹部γ及び基準部αが形成されている。また、一方面側において、抵抗中流路部４６の長孔４６Ａは、第１凹部βで形成され、隣り合う長孔４６Ａ同士の間に第２凹部γ及び基準部αが形成されている。第１凹部β、第２凹部γは、一方面側と他方面側で凹凸が逆になる、すなわち、第１凹部βは一方面側で凹、他方面側で凸となり、第２凹部γは一方面側で凸、他方面側で凹となる。このように両面に凹凸となるパターンは、両面プレスで容易に形成することができる。

【0043】

図１に示されるように、セパレータ本体２７の流路領域４０を挟んで一方側には、流体用開口２８以外の部分に、抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４と連続して供給ヘッダ５０が形成されている。供給ヘッダ５０は、図３に示されるように基準部αと面一の平坦面で形成されている。

【0044】

セパレータ本体２７の流路領域４０を挟んで他方側には、流体用開口２８以外の部分に、抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４と連続して、排出ヘッダ５２が形成されている。排出ヘッダ５２は、供給ヘッダ５０と同様に、基準部αと面一の平坦面で形成されている。

【0045】

セパレータ本体２７の外周部分には、外周シール層５４が形成されている。図２に示されるように、外周シール層５４は、電解質層２２とセパレータ２６の間をシールしている。また、図１に示されるように、開口シール部材５６と連結されている。外周シール層５４、開口シール部材５６は、樹脂、ゴム材料で形成することができる。

【0046】

図２に示されるように、セパレータ本体２７は、第２凹部γの底部がアノードガス拡散層２５と接触するように配置されている。そして、アノードガス拡散層２５と第１凹部β及び基準部αの間に空間が構成され、流体の通路となる。

【0047】

セパレータ２６は、導電性材料で形成されており、電圧印加手段１１により電圧が印加される。

【0048】

セパレータ３６は、セパレータ２６と同一形状とされている。図８において、セパレータ３６は、図２、３の断面の上側からみた平面図となっている。セパレータ３６は、セパレータ本体３７で構成されており、セパレータ２６と同様に、セパレータ本体３７に、流体用開口２８、流路領域４０が形成されている。そして、流路領域４０には、抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４、抵抗中流路部４６が形成されている。

【0049】

流体用開口２８のうち、排出ヘッダ５２に設けられたものが、カソード側において、カソード流体排出口２８Ｃとなる。一方面側のカソード流体排出口２８Ｃ以外の３個の流体用開口２８周りには、開口シール部材５６が設けられ、セパレータ本体３７と電解質層２２の間がシールされている。

【0050】

図９（Ａ）に示されるように、一方面側において、抵抗大流路部４２の長孔４２Ａは、第２凹部γで形成され、隣り合う長孔４２Ａ同士の間に第１凹部β及び基準部αが形成されている。また、一方面側において、抵抗小流路部４４の長孔４４Ａは、第２凹部γで形成され、隣り合う長孔４４Ａ同士の間に第１凹部β及び基準部αが形成されている。また、一方面側において、抵抗中流路部４６の長孔４６Ａは、第２凹部γで形成され、隣り合う長孔４６Ａ同士の間に第１凹部β及び基準部αが形成されている。すなわち、凹凸パターンにおいて、セパレータ２６の他方面側が、セパレータ３６において一方面側となる。

【0051】

図２に示されるように、セパレータ３６では、セパレータ本体３７は、第１凹部βの底部がカソードガス拡散層３５と接触するように配置されている。そして、カソードガス拡散層３５と第２凹部γ及び基準部αの間に空間が構成され、流体の通路となる。

【0052】

図８に示されるように、セパレータ本体３７の流路領域４０を挟んで一方側には、供給ヘッダ５０が基準部αと面一の平坦面で形成されている。また、セパレータ本体２７の流路領域４０を挟んで他方側には、排出ヘッダ５２が基準部αと面一の平坦面で形成されている。

【0053】

セパレータ本体２７の外周部分には、外周シール層５４が形成されている。図２に示されるように、外周シール層５４は、電解質層２２とセパレータ２６の間をシールしている。また、開口シール部材５６と連結されている。外周シール層５４、開口シール部材５６は、樹脂、ゴム材料で形成することができる。

【0054】

セパレータ３６は、導電性材料で形成されており、電圧印加手段１１により電圧が印加される。

【0055】

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

【0056】

流体供給口２８Ａから供給された水は、供給ヘッダ５０へ流入し、供給ヘッダ５０から流路領域４０へ流入する。流路領域４０には、流体供給口２８Ａと供給ヘッダ５０を介して隣接するように領域Ａ１に抵抗大流路部４２が設けられているので、領域Ａと領域Ｂが同じ流路抵抗の場合と比較して、領域Ａ１への水の流入が抑制される。一方、流体供給口２８Ａと非隣接の領域Ｂ１に抵抗小流路部４４が設けられているので、領域Ｂ１への水の流入は促進される。これにより、水が流体供給口２８Ａから直線的に流体排出口２８Ｂへ流れる量が抑制され、流路領域４０において、供給された水を良好に拡散させることができる。

【0057】

水電解装置１０Ａでは、セパレータ２６とセパレータ３６間への電圧印加により、アノード触媒層２４の表面では、以下の反応（１）が生じる。

【0058】

Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ^＋ ＋ ０．５Ｏ_２ ＋ ２ｅ^－ （１）

【0059】

酸素Ｏ_２は、アノードガス拡散層２５で拡散され、後述の未反応の水（Ｈ_２Ｏ）と共に流体排出口２８Ｂへ排出される。

【0060】

水素イオンＨ^＋は、電解質層２２を通ってカソード側へ移動し、外部配線で供給される電子ｅ^－を得て（反応（２））水素Ｈ_２となり、カソードガス拡散層３５で拡散され、排出ヘッダ５２を通ってカソード流体排出口２８Ｃから送出される。

【0061】

２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ^－ → Ｈ_２ （２）

【0062】

流路領域４０の領域Ａ１、領域Ｂ１へ流入した水は、流路領域４０の流体供給方向Ｘにおいて、領域Ｃ１、領域Ｄ１へ各々向かい、一部が中央部の抵抗中流路部４６を通過する。領域Ａ１で流体供給方向Ｘに流れ難かった水は、領域Ｃ１で流れやすくなり、領域Ｂ１で流体供給方向Ｘに流れやすかった水は、領域Ｄ１で流れ難くなる。また、中央部の抵抗中流路部４６では、中程度の流体抵抗で水が流れ、領域Ｃ１、領域Ｄ１を経て排出ヘッダ５２へ流入し、流体排出口２８Ｂへ排出される。

【0063】

図１０には、流路領域４０の流体抵抗をすべて同じに設定した場合の流体の流れ（Ｂ）と、本実施形態のように流体抵抗の異なる領域を設けた場合の流体の流れ（Ａ）が示されている。流路領域４０の流体抵抗をすべて同じに設定した場合、図１０（Ｂ）に示すように、流体供給口２８Ａから直線的に流体排出口２８Ｂへ流れる量が多くなる。一方、本実施形態のように流体抵抗の異なる領域を設けることにより、図１０（Ａ）に示すように、流路領域４０における流体の流れが均等化され、流路領域４０全体への拡散を図ることができる。

【0064】

また、本実施形態では、供給ヘッダ５０、排出ヘッダ５２を有しているので、供給ヘッダ５０から抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４の両方へ流体を送り出すことができ、流体供給口２８Ａと隣接しない領域へスムーズに水を拡散させることができる。また、排出ヘッダ５２で流路領域４０からスムーズに水を排出させることができる。

【0065】

また、本実施形態では、抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４、抵抗中流路部４６が、セパレータ本体２７、３７の一方面の凹状が他方面で凸状となる凹凸パターンで形成されている。したがって、比較的厚みの薄い板に容易に流路を形成することができ、セパレータ２６、３７の厚みを薄くすることができる。

【0066】

また、本実施形態では、基準部αに流体供給口２８Ａ及び流体排出口２８Ｂが形成されている。したがって、一つのセパレータ２６、３６の一方面と他方面の両面において、流体供給口２８Ａ、及び流体排出口２８Ｂを、第１凹部β、第２凹部γと容易に連通させることができる。

【0067】

また、本実施形態では、供給ヘッダ５０及び排出ヘッダ５２が、厚み方向からみて、基準部αと面一に形成されている。したがって、供給ヘッダ５０及び排出ヘッダ５２を容易に形成することができる。

【0068】

また、本実施形態では、セパレータ本体２７、３７の板面の一方面と他方面の両面に抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４、抵抗中流路部４６を有する流路領域４０が形成されている。したがって、一つのセパレータ２６、３６の一方面と他方面に、別々の流体を流す流路を形成することができる。

【0069】

また、本実施形態では、抵抗大流路部４２を、流体供給方向Ｘと直交する方向に延出される長孔で形成し、抵抗小流路部４４を、抵抗大流路部４２の長孔延出方向と直交する方向に延出される長孔で形成している。したがって、簡易に流体供給方向と異なる方向へ、流体を流れやすくすることができる。

【0070】

なお、本実施形態では、抵抗大流路部４２、抵抗小流路部４４を、長孔延出方向を変えることにより流路抵抗を異ならせたが、長孔延出長さを変えることにより流路抵抗を異ならせてもよい。例えば、抵抗小流路部４４の長孔延出長さを抵抗大流路部４２よりも短くすることにより、流路抵抗を小さくすることができる。また、図１１に示されるように、平面視で円形の凹凸パターンとすることにより、流路抵抗を小さくすることができる。

【0071】

また、本実施形態のセル２０を、図１２に示されるように、複数積層してセルスタック２０Ｓとすることもできる。この場合には、一のセパレータ２６の一方面側をアノードガス拡散層２５に対向させ、他方面側をカソードガス拡散層３５に対向させてセパレータ３６の一方面側と同様に用いることができる。

【0072】

また、本実施形態のセパレータ２６を水電解装置１０Ａに用いることにより、一方面側を水を供給するアノード側に利用し、他方面側をカソード側で水素ガスの回収に用いることができる。したがって、セパレータ２６の凹と凸が一方面側と他方面側で逆になる場合でも、一枚のセパレータ２６の表裏に好適に異なる流体を流すことができる。

【0073】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0074】

本実施形態の水電解装置１０Ｂは、セパレータの平面形状、流路領域に形成されたパターン、及び、流体用開口の配置のみ第１実施形態と異なり、その他の構成は第１実施形態と同様である。

【0075】

図１３に示されるように、本実施形態のセパレータ６６は、一方面側に平面視で、長方形板状の短辺に凸部６６Ａ、６６Ｂが突出形成されている。凸部６６Ａには、流体供給口２８Ａが形成され、凸部６６Ｂには流体排出口２８Ｂが形成されている。本実施形態の説明では、流体供給口２８Ａ、流体排出口２８Ｂ以外の流体用開口は省略している。

【0076】

流路領域４０には、抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４が形成されている。抵抗大流路部４２は、流路領域４０を縦に４分割して、一方端を領域Ａ２、真ん中の２つを領域Ｂ２、他方端を領域Ｃ２とした時の、流体供給口２８Ａ及び流体排出口２８Ｂに隣接する流路一端部（領域Ｂ２）に形成されている。抵抗小流路部４４は、流路領域４０において、流体供給口２８Ａ及び流体排出口２８Ｂと非隣接の領域Ａ２及び領域Ｃ２に形成されている。

【0077】

セパレータ本体２７の流路領域４０を挟んで一方側には、流体用開口２８以外の部分に、抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４と連続して供給ヘッダ５０が形成されている。セパレータ本体２７の流路領域４０を挟んで他方側には、流体用開口２８以外の部分に、抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４と連続して、排出ヘッダ５２が形成されている。

【0078】

本実施形態のセパレータ６６を用いた場合でも、流路領域４０の全体に流体を流すことができる。

【0079】

なお、前述の各実施形態では、水電解装置１０Ａ、１０Ｂにアノードガス拡散層２５、カソードガス拡散層３５を設けたが、アノードガス拡散層２５、カソードガス拡散層３５は省略してもよい。

【0080】

また、前述の各実施形態では、セパレータ２６、３６の流路領域４０の抵抗大流路部４２及び抵抗小流路部４４を、セパレータ本体２７、３７の一方面の凹状が他方面で凸状となる凹凸パターンで形成したが、片面のみに凹凸が形成されるパターンとしてもよい。

【0081】

また、前述の各実施形態では、セパレータ２６、３６に供給ヘッダ５０、排出ヘッダ５２を形成したが、供給ヘッダ５０、排出ヘッダ５２の領域に、別途シール部材を配置して形成することもできる。

【0082】

また、前述の各実施形態では、セパレータ２６、３６の第１凹部βと第２凹部γの深さを同じに設定したが、用途に応じて深さを変えてもよい。例えば、本実施形態のように水電解装置のアノード側の流路を構成するセパレータ２６では、一方面側の第１凹部βを他方面側の第２凹部γよりも深くすることができる。このように設定することにより、流体の流量に応じてセパレータの裏表で効率的に流体を通過させることができる。

【0083】

また、前述の各実施形態では、固体高分子電解質膜型（ＰＥＭ）の水電解装置を例に説明したが、本発明は、アニオン交換膜型（ＡＥＭ）の水電解装置に用いることもできる。

【符号の説明】

【0084】

１０Ａ、１０Ｂ 水電解装置（水電解デバイス）
２６、６６ セパレータ
２７ セパレータ本体
２８Ａ 流体供給口
２８Ｂ 流体排出口
４０ 流路領域
４２ 抵抗大流路部
４４ 抵抗小流路部
５０ 供給ヘッダ
５２ 排出ヘッダ
α 基準部
β 第１凹部
γ 第２凹部
Ｘ 流体供給方向

【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】