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(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】P2024134954
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】水電解装置
(51)【国際特許分類】
C25B 13/02 20060101AFI20240927BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20240927BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240927BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240927BHJP
C25B 13/05 20210101ALI20240927BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240927BHJP
C25B 13/07 20210101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
C25B13/02 302
C25B13/04 302
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B13/05
C25B9/23
C25B13/07
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023045423
(22)【出願日】2023-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003177
【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】藤井 健志
(72)【発明者】
【氏名】平方 聡樹
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC01
4K021CA10
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB49
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
4K021EA05
(57)【要約】
【課題】局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損を抑制する。
【解決手段】水電解装置１００は、相互に反対側の第１面Ｆ1と第２面Ｆ2とを含むアニオン交換膜１１と、第１面Ｆ1に対向する第１流路部材４１と、第１面Ｆ1と第１流路部材４１と間の陽極部２０と、第２面Ｆ2に対向する第２流路部材４２と、第２面Ｆ2と第２流路部材４２と間の陰極部３０と、第１面Ｆ1と第１流路部材４１との間において陽極部２０を包囲する第１ガスケット５１と、第１面Ｆ1と第１ガスケット５１との間に位置する第１外周部６１１と第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1の内側に位置する第１内周部６１２とを含む第１保護膜６１とを具備する。
【選択図】図１
【解決手段】水電解装置１００は、相互に反対側の第１面Ｆ1と第２面Ｆ2とを含むアニオン交換膜１１と、第１面Ｆ1に対向する第１流路部材４１と、第１面Ｆ1と第１流路部材４１と間の陽極部２０と、第２面Ｆ2に対向する第２流路部材４２と、第２面Ｆ2と第２流路部材４２と間の陰極部３０と、第１面Ｆ1と第１流路部材４１との間において陽極部２０を包囲する第１ガスケット５１と、第１面Ｆ1と第１ガスケット５１との間に位置する第１外周部６１１と第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1の内側に位置する第１内周部６１２とを含む第１保護膜６１とを具備する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、
前記第１面に対向する第１流路部材と、
前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、
前記第２面に対向する第２流路部材と、
前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、
前記第１面と前記第１流路部材との間において前記陽極部を包囲する第１ガスケットと、
前記第１面と前記第１ガスケットとの間に位置する第１外周部と前記第１ガスケットの内周縁の内側に位置する第１内周部とを含む第１保護膜と
を具備する水電解装置。
前記第１面に対向する第１流路部材と、
前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、
前記第２面に対向する第２流路部材と、
前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、
前記第１面と前記第１流路部材との間において前記陽極部を包囲する第１ガスケットと、
前記第１面と前記第１ガスケットとの間に位置する第１外周部と前記第１ガスケットの内周縁の内側に位置する第１内周部とを含む第１保護膜と
を具備する水電解装置。
【請求項2】
前記第１保護膜は、前記第１ガスケットの内周縁に沿う枠状に形成される
請求項１の水電解装置。
請求項１の水電解装置。
【請求項3】
前記第１保護膜の機械的強度は、前記アニオン交換膜の機械的強度を上回る
請求項１の水電解装置。
請求項１の水電解装置。
【請求項4】
前記第１保護膜は、炭素系材料または金属酸化物材料により形成される
請求項１の水電解装置。
請求項１の水電解装置。
【請求項5】
前記第１保護膜は、グラフェン積層体である
請求項１の水電解装置。
請求項１の水電解装置。
【請求項6】
前記第１保護膜の膜厚は５μｍ以下である
請求項１の水電解装置。
請求項１の水電解装置。
【請求項7】
前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、
前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜と
をさらに具備する請求項１の水電解装置。
前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜と
をさらに具備する請求項１の水電解装置。
【請求項8】
相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、
前記第１面に対向する第１流路部材と、
前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、
前記第２面に対向する第２流路部材と、
前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、
前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、
前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜と
を具備する水電解装置。
前記第１面に対向する第１流路部材と、
前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、
前記第２面に対向する第２流路部材と、
前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、
前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、
前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜と
を具備する水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電解質膜を利用した水電解装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えばアニオン交換膜（ＡＥＭ：Anion Exchange Membrane）等の電解質膜を利用した水電解により水素を製造する各種の技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、電解質膜とセパレータ部材との間にシール層が設置された水電解デバイスが開示されている。シール層は、触媒層を包囲する枠状に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第７１０２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電解質膜に局所的な圧力が作用する場合がある。例えば、特許文献１の技術において、シール層の内周縁と触媒層の外周縁との間の隙間において圧力が局所的に上昇する場合が想定される。以上のような局所的な圧力が作用する結果、電解質膜にピンホール等の破損が発生する可能性がある。以上の事情を考慮して、本開示のひとつの態様は、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
以上の課題を解決するために、本開示のひとつの態様に係る水電解装置は、相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、前記第１面に対向する第１流路部材と、前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、前記第２面に対向する第２流路部材と、前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、前記第１面と前記第１流路部材との間において前記陽極部を包囲する第１ガスケットと、前記第１面と前記第１ガスケットとの間に位置する第１外周部と前記第１ガスケットの内周縁の内側に位置する第１内周部とを含む第１保護膜とを具備する。
【0006】
本開示の他の態様に係る水電解装置は、相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、前記第１面に対向する第１流路部材と、前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、前記第２面に対向する第２流路部材と、前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施形態に係る水電解装置の構成を例示する断面図である。
【図2】水電解装置の各要素の位置関係を説明するための平面図である。
【図5】第１保護膜の製造工程の説明図である。
【図6】実施形態の効果を説明するための図表である。
【図7】変形例に係る水電解装置の構成を例示する断面図である。
【図8】変形例に係る水電解装置の構成を例示する断面図である。
【図9】変形例に係る水電解装置について各要素の位置関係を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、各要素の寸法および縮尺が実際の製品とは相違する場合がある。また、以下に説明する形態は、本開示を実施する場合に想定される例示的な一形態である。したがって、本開示の範囲は、以下に例示する形態には限定されない。
【0009】
Ａ：実施形態
図１は、本開示のひとつの形態における水電解装置１００の断面図である。図２は、水電解装置１００を構成する各要素の位置関係を表す平面図である。本形態の水電解装置１００は、水電解により水素と酸素とを生成する。図１に例示される通り、水電解装置１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０と第１流路部材４１と第２流路部材４２と第１ガスケット５１と第２ガスケット５２と第１保護膜６１と第２保護膜６２とを具備する。
図１は、本開示のひとつの形態における水電解装置１００の断面図である。図２は、水電解装置１００を構成する各要素の位置関係を表す平面図である。本形態の水電解装置１００は、水電解により水素と酸素とを生成する。図１に例示される通り、水電解装置１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０と第１流路部材４１と第２流路部材４２と第１ガスケット５１と第２ガスケット５２と第１保護膜６１と第２保護膜６２とを具備する。
【0010】
第１流路部材４１と第２流路部材４２との間に膜電極接合体１０が設置される。具体的には、第１流路部材４１と第２流路部材４２とが例えばネジまたはボルト等の締結具により相互に固定され、第１流路部材４１と第２流路部材４２との間に膜電極接合体１０が挟持される。
【0011】
第１流路部材４１と第２流路部材４２とは、電源装置９０に接続された電極として機能する。電源装置９０は、膜電極接合体１０との間で電子を授受する直流電源である。膜電極接合体１０は、水電解により水素と酸素とを発生させる。本形態の膜電極接合体１０は、アニオン交換膜１１と陽極部２０と陰極部３０との積層で構成される。
【0012】
アニオン交換膜（ＡＥＭ：Anion Exchange Membrane）１１は、水酸化物イオン（ＯＨ－）等の陰イオンが選択的に移動可能な電解質膜である。例えばＰＦＯＴＦＰｈ－ＴＭＡ－Ｃ１０等等の各種の高分子材料により、アニオン交換膜１１が形成される。ただし、アニオン交換膜１１の材料は任意であり、以上の例示には限定されない。例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等の高分子材料によりアニオン交換膜１１が形成されてもよい。
【0013】
本形態のアニオン交換膜１１は、第１面Ｆ1と第２面Ｆ2とを含む矩形状の薄膜である。第１面Ｆ1および第２面Ｆ2は、相互に反対側に位置する表面である。アニオン交換膜１１の膜厚は例えば３０μｍ程度である。なお、以下の説明においては、第１面Ｆ1または第２面Ｆ2に垂直な方向から水電解装置１００の各要素を観察することを、以下では「平面視」と表記する。
【0014】
陽極部２０は、第１面Ｆ1に積層される。図２に例示される通り、陽極部２０は、平面視で矩形状に形成される。陽極部２０においては、以下に例示する第１反応により酸素ガスが発生する。
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－
４ＯＨ－→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－
【0015】
図１に例示される通り、陽極部２０は、陽極触媒層２１と第１拡散層２２との積層で構成される。第１面Ｆ1と第１拡散層２２との間に陽極触媒層２１が位置する。陽極触媒層２１は、第１面Ｆ1に密着する薄膜であり、前述の第１反応を促進する。例えばイリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）またはニッケル（Ｎｉ）等の金属材料により陽極触媒層２１が形成される。以上に例示した金属材料の酸化物により陽極触媒層２１が形成されてもよい。第１拡散層２２は、第１反応により発生した酸素ガスを効率的に分離および排出するための要素である。例えばニッケル（Ｎｉ）フォームまたは炭素系材料の多孔質膜が第１拡散層２２として利用される。
【0016】
陰極部３０は、第２面Ｆ2に積層される。図２に例示される通り、陰極部３０は、平面視で矩形状に形成される。陰極部３０においては、以下に例示する第２反応により水素ガスが発生する。
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋４ＯＨ－
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋４ＯＨ－
【0017】
図１に例示される通り、陰極部３０は、陰極触媒層３１と第２拡散層３２との積層で構成される。第２面Ｆ2と第２拡散層３２との間に陰極触媒層３１が位置する。陰極触媒層３１は、第２面Ｆ2に密着する薄膜であり、前述の第２反応を促進する。例えば白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を担持したカーボンにより陰極触媒層３１が形成される。第２拡散層３２は、第２反応により発生した水素ガスを効率的に分離および排出するための要素である。例えばニッケル（Ｎｉ）フォームまたは炭素系材料の多孔質膜が第２拡散層３２として利用される。以上の説明から理解される通り、陽極触媒層２１と陰極触媒層３１との間にアニオン交換膜１１が位置する。
【0018】
第１流路部材４１は、金属等の導電材料により形成された板状の構造体（セパレータ）である。第１流路部材４１は、陽極部２０を挟んで第１面Ｆ1に対向する。すなわち、陽極部２０は、第１面Ｆ1と第１流路部材４１との間に位置する。
【0019】
第１流路部材４１のうち第１面Ｆ1との対向面には第１流路４１１が形成される。第１流路４１１は、第１反応により陽極部２０に発生した酸素ガスが流通する流路である。また、第１流路部材４１には供給管４３と第１排出管４４とが設置される。供給管４３は、水電解装置１００に水を供給するための管路である。第１排出管４４は、第１反応により発生した酸素ガスと水とを外部に排出するための管路である。
【0020】
第１ガスケット５１は、アニオン交換膜１１と第１流路部材４１との間に陽極部２０を密封するための矩形枠状のシール部材である。図１および図２に例示される通り、第１ガスケット５１は、アニオン交換膜１１の第１面Ｆ1と第１流路部材４１との間において陽極部２０を包囲する。第１ガスケット５１のうちアニオン交換膜１１との対向面は第１面Ｆ1に密着し、反対側の表面は第１流路部材４１に密着する。第１ガスケット５１は、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種の弾性材料により形成される。以上に例示した弾性材料の積層体により、第１ガスケット５１が形成されてもよい。
【0021】
第１保護膜６１は、第１面Ｆ1に形成された薄膜である。第１保護膜６１は、第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1に沿う矩形枠状に形成される。第１保護膜６１は、第１ガスケット５１および陽極部２０に平面視で重複する。
【0022】
図３は、図１における領域α1の拡大図である。図３に例示される通り、第１保護膜６１は、第１外周部６１１と第１内周部６１２とを含む。第１外周部６１１は、第１保護膜６１のうち外周縁を含む矩形枠状の部分である。第１内周部６１２は、第１保護膜６１のうち内周縁を含む矩形枠状の部分である。すなわち、第１内周部６１２は第１外周部６１１の内側に位置する。
【0023】
具体的には、第１外周部６１１は、第１保護膜６１のうち第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1よりも外側の部分である。したがって、第１外周部６１１は、第１面Ｆ1と第１ガスケット５１との間に位置する。他方、第１内周部６１２は、第１保護膜６１のうち第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1よりも内側の部分である。
【0024】
図３に例示される通り、第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1と陽極部２０の外周縁との間には隙間Ｇ1が形成される。第１保護膜６１の第１内周部６１２は、陽極部２０と隙間Ｇ1とに平面視で重複する。具体的には、第１内周部６１２は、陽極触媒層２１と第１面Ｆ1との間に位置する。以上の説明から理解される通り、第１保護膜６１は、隙間Ｇ1を閉塞するように第１ガスケット５１と陽極部２０とにわたり形成される。
【0025】
図１の第２流路部材４２は、第１流路部材４１と同様に、金属等の導電材料により形成された板状の構造体（セパレータ）である。第２流路部材４２は、陰極部３０を挟んで第２面Ｆ2に対向する。すなわち、陰極部３０は、第２面Ｆ2と第２流路部材４２との間に位置する。
【0026】
第２流路部材４２のうち第２面Ｆ2との対向面には第２流路４２１が形成される。第２流路４２１は、前述の第２反応により陰極部３０に発生した水素ガスが流通する流路である。また、第２流路部材４２には第２排出管４５が設置される。第２排出管４５は、第２反応により発生した水素ガスを外部に排出するための管路である。
【0027】
第２ガスケット５２は、アニオン交換膜１１と第２流路部材４２との間に陰極部３０を密封するための矩形枠状のシール部材である。図１および図２に例示される通り、第２ガスケット５２は、アニオン交換膜１１の第２面Ｆ2と第２流路部材４２との間において陰極部３０を包囲する。第２ガスケット５２のうちアニオン交換膜１１との対向面は第２面Ｆ2に密着し、反対側の表面は第２流路部材４２に密着する。第２ガスケット５２は、第１ガスケット５１と同様の弾性材料により形成される。
【0028】
第２保護膜６２は、第２面Ｆ2に形成された薄膜である。第２保護膜６２は、第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2に沿う矩形枠状に形成される。第１保護膜６１と第２保護膜６２とは実質的に同じ形状に形成され、平面視で相互に重複する。第２保護膜６２は、第２ガスケット５２および陰極部３０に平面視で重複する。
【0029】
図４は、図１における領域α2の拡大図である。図４に例示される通り、第２保護膜６２は、第２外周部６２１と第２内周部６２２とを含む。第２外周部６２１は、第２保護膜６２のうち外周縁を含む矩形枠状の部分である。第２内周部６２２は、第２保護膜６２のうち内周縁を含む矩形枠状の部分である。すなわち、第２内周部６２２は第２外周部６２１の内側に位置する。
【0030】
具体的には、第２外周部６２１は、第２保護膜６２のうち第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2よりも外側の部分である。したがって、第２外周部６２１は、第２面Ｆ2と第２ガスケット５２との間に位置する。他方、第２内周部６２２は、第２保護膜６２のうち第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2よりも内側の部分である。
【0031】
図４に例示される通り、第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2と陰極部３０の外周縁との間には隙間Ｇ2が形成される。第２保護膜６２の第２内周部６２２は、陰極部３０と隙間Ｇ2とに平面視で重複する。具体的には、第２内周部６２２は、陰極触媒層３１と第２面Ｆ2との間に位置する。以上の説明から理解される通り、第２保護膜６２は、隙間Ｇ2を閉塞するように第２ガスケット５２と陰極部３０とにわたり形成される。
【0032】
以上に例示した構成において、第１保護膜６１および第２保護膜６２の機械的強度（例えば剛性または硬度）は、アニオン交換膜１１の機械的強度を上回る。具体的には、第１保護膜６１および第２保護膜６２は、アニオン交換膜１１と比較して外力の作用による変形または破損が発生し難い。なお、アニオン交換膜１１は、吸水により膨潤することで機械的強度が低下する。第１保護膜６１および第２保護膜６２の機械的強度は、アニオン交換膜１１の機械的強度の最大値（例えば初期的な状態における機械的強度）を上回る。
【0033】
第１保護膜６１および第２保護膜６２は、例えば炭素系材料または金属酸化物（例えばセラミックス）材料等の無機材料により形成される。第１保護膜６１または第２保護膜６２の形成に利用される炭素系材料としては、例えばグラフェン積層体が例示される。グラフェン積層体は導電材料である。すなわち、第１保護膜６１および第２保護膜６２は、導電材料により形成されてもよい。なお、第１保護膜６１および第２保護膜６２の形成に利用される導電材料はグラフェン積層体に限定されない。また、例えば樹脂材料等の有機材料により第１保護膜６１および第２保護膜６２が形成されてもよい。
【0034】
前述の通り、アニオン交換膜１１は吸水により膨潤する。第１保護膜６１および第２保護膜６２の吸水率はアニオン交換膜１１の吸水率を下回る。例えば、第１保護膜６１および第２保護膜６２は、吸水による膨潤（すなわち体積増加）が実質的に発生しない。すなわち、吸水により第１保護膜６１および第２保護膜６２に発生する寸法または形状の変化は、吸水によりアニオン交換膜１１に発生する寸法または形状の変化よりも小さい。
【0035】
第１保護膜６１および第２保護膜６２の膜厚は、アニオン交換膜１１の膜厚を下回る。例えば、第１保護膜６１および第２保護膜６２の膜厚は、５μｍ以下の膜厚に形成される。より具体的には、第１保護膜６１および第２保護膜６２は、例えば１０ｎｍ以上かつ１μｍ以下の膜厚に形成され、さらに好適には１００ｎｍ以上の膜厚に形成される。第１保護膜６１および第２保護膜６２の線幅は、例えば１ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下であり、より好適には２ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下である。
【0036】
ところで、アニオン交換膜１１と第１流路部材４１との間には局所的に高圧が発生する場合がある。例えば、第１ガスケット５１と陽極部２０との間の隙間Ｇ1には、供給管４３から供給される水により高圧が発生する場合がある。したがって、第１保護膜６１が形成されない形態（以下「対比例」という）では、隙間Ｇ1内の高圧がアニオン交換膜１１に直接的に作用することで、第１面Ｆ1にピンホール等の破損が発生する可能性がある。アニオン交換膜１１は、吸水により膨潤して機械的強度が低下する傾向がある。すなわち、アニオン交換膜１１においては、カチオン交換膜等の他の電解質膜と比較して、隙間Ｇ1内の高圧の作用により第１面Ｆ1の破損が特に発生し易いという事情がある。
【0037】
以上の事情を考慮して、本形態においては、第１面Ｆ1と第１ガスケット５１との間に位置する第１外周部６１１と、第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1の内側に位置する第１内周部６１２とを含む第１保護膜６１が設置される。以上の構成によれば、第１ガスケット５１と陽極部２０との隙間Ｇ1に局所的な圧力が発生した場合でも、アニオン交換膜１１の第１面Ｆ1は第１保護膜６１により保護される。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜１１の破損（例えばピンホールの形成）を抑制できる。
【0038】
同様に、第２ガスケット５２と陰極部３０との間の隙間Ｇ2にも高圧が発生する場合がある。本形態においては、第２面Ｆ2と第２ガスケット５２との間に位置する第２外周部６２１と、第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2の内側に位置する第２内周部６２２とを含む第２保護膜６２が設置される。以上の構成によれば、第２ガスケット５２と陰極部３０との隙間Ｇ2に局所的な圧力が発生した場合でも、アニオン交換膜１１の第２面Ｆ2は第２保護膜６２により保護される。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜１１の破損（例えばピンホールの形成）を抑制できる。
【0039】
本形態においては特に、第１保護膜６１および第２保護膜６２の機械的強度がアニオン交換膜１１の機械的強度を上回る。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜１１の破損を有効に抑制できる。また、第１保護膜６１および第２保護膜６２がグラフェン積層体により形成された形態によれば、第１保護膜６１および第２保護膜６２について機械的強度を充分に確保できる。
【0040】
なお、第１保護膜６１および第２保護膜６２が絶縁材料により形成された形態では、膜電極接合体１０との間で電子が授受される範囲が第１保護膜６１または第２保護膜６２の内周縁の内側の領域に制限される。すなわち、前述の第１反応または第２反応が発生する範囲が第１保護膜６１および第２保護膜６２により制限される。本形態においては、第１保護膜６１および第２保護膜６２がグラフェン積層体等の導電材料により形成される。したがって、アニオン交換膜１１のうち水電解に利用できる領域が第１保護膜６１または第２保護膜６２により制約されることを抑制できる。ただし、第１保護膜６１および第２保護膜６２は絶縁材料により形成されてもよい。
【0041】
また、第１保護膜６１の膜厚が充分に大きい形態では、第１保護膜６１の膜厚を反映した段差が第１ガスケット５１に形成され、結果的に第１ガスケット５１による密封性能が低下する可能性がある。本形態においては、第１保護膜６１が５μｍ以下の膜厚に形成されるから、第１ガスケット５１の密封性能の低下を抑制できる。第２保護膜６２についても同様に５μｍ以下の膜厚に形成されるから、第２ガスケット５２の密封性能の低下を抑制できる。
【0042】
図５は、第１保護膜６１を形成する工程の説明図である。なお、第２保護膜６２をアニオン交換膜１１の第２面Ｆ2に形成する工程は、第１保護膜６１を第１面Ｆ1に形成する工程と同様である。したがって、第２保護膜６２の形成について詳細な説明は省略する。
【0043】
まず、工程Ｐ1において、アニオン交換膜１１の第１面Ｆ1に第１保護膜６１が形成される。なお、アニオン交換膜１１の耐熱温度は比較的に低温（例えば８０℃～９０℃）である。そこで、低温での成膜が可能な湿式成膜が、工程Ｐ1における第１保護膜６１の形成に利用される。湿式成膜は、液状の材料を塗布および硬化する成膜処理である。湿式成膜によれば、アニオン交換膜１１の第１面Ｆ1にダメージを付与せずに第１保護膜６１を形成できる。
【0044】
具体的には、第１保護膜６１の材料であるグラフェンを水またはＮ,Ｎ-ジメチルホルムアミド （ＤＭＦ：N,N-dimethylformamide）等の溶媒に分散した溶液材料が、第１保護膜６１の形成に利用される。溶液材料におけるグラフェンの濃度は、例えば１ｍｇ／ｍｌ程度である。
【0045】
湿式成膜としては、例えばスプレー法、インクジェット法またはスクリーン印刷法等の印刷技術が例示される。溶液材料の塗布後に、例えば６０℃程度の真空状態において１時間程度にわたり溶媒を蒸発させることで、第１保護膜６１が形成される。
【0046】
工程Ｐ1の実施後の工程Ｐ2において、第１保護膜６１の表面に対する窒化処理が実行される。窒化処理により表面に窒素が付着することで、第１保護膜６１の機械的強度が増加する。窒化処理は、例えばヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）等の有機化合物のガス雰囲気中に第１保護膜６１を暴露し、電解質膜（アニオン交換膜１１）の分解温度よりも低い温度の環境下で所定の時間にわたり第１保護膜６１を反応させる処理である。
【0047】
図６は、本形態の効果を説明するための図表である。図６の実施例１および実施例２が前述の実施形態に相当する。実施例１は、膜厚１μｍおよび線幅３ｍｍで第１保護膜６１および第２保護膜６２を形成した形態である。実施例１は窒化処理（工程Ｐ2）が実施されていない形態であり、実施例２は、実施例１と同様の寸法の第１保護膜６１および第２保護膜６２に対して窒化処理が実施された形態である。対比例は、前述の通り、第１保護膜６１および第２保護膜６２が形成されない形態である。図６においては、０.２Ａ／ｃｍ２の低電流の供給により１０００時間以上にわたり水電解装置１００を継続的に動作させた。
【0048】
図６から理解される通り、対比例においてはアニオン交換膜１１（ＡＥＭ）が破損し、水素ガスの製造が停止した。対比例とは対照的に、第１保護膜６１および第２保護膜６２が設置された実施例１および実施例２においては、アニオン交換膜１１に破損が発生していない。以上の結果から、実施例１および実施例２によれば、水電解装置１００の信頼性を長期間にわたり高い水準に維持できることが確認できる。
【0049】
Ｂ：変形例
以上に例示した各態様に付加される具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を、矛盾しない範囲で適宜に併合してもよい。
以上に例示した各態様に付加される具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を、矛盾しない範囲で適宜に併合してもよい。
【0050】
（１）前述の形態においては、第１保護膜６１の第１外周部６１１が第１ガスケット５１の内周側の一部に重複する形態を例示したが、図７に例示される通り、第１保護膜６１は、第１ガスケット５１の全幅にわたり形成されてもよい。すなわち、第１保護膜６１の第１外周部６１１は、第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1から外周縁まで連続してもよい。同様に、第２保護膜６２は、第２ガスケット５２の全幅にわたり形成されてもよい。
【0051】
（２）前述の形態においては、第１保護膜６１の第１内周部６１２がアニオン交換膜１１の第１面Ｆ1と陽極触媒層２１との間に位置する形態を例示した。すなわち、本形態においては、第１保護膜６１の形成後に陽極触媒層２１が形成される。図８に例示される通り、第１保護膜６１の第１内周部６１２が陽極触媒層２１と第１拡散層２２との間に介在してもよい。すなわち、第１保護膜６１は、陽極触媒層２１の形成後（第１拡散層２２の形成前）に形成されてもよい。同様に、第２保護膜６２の第２内周部６２２が陰極触媒層３１と第２拡散層３２との間に介在してもよい。すなわち、第２保護膜６２は、陰極触媒層３１の形成後（第２拡散層３２の形成前）に形成されてもよい。
【0052】
（３）前述の形態においては、第１保護膜６１の膜厚が全体にわたり一定である形態を例示したが、第１保護膜６１の膜厚は部位に応じて相違してもよい。例えば、第１ガスケット５１と陽極部２０との隙間Ｇ1のうち供給管４３の近傍においては圧力が高い傾向がある。したがって、第１保護膜６１のうち供給管４３の近傍に位置する第１部位の膜厚が、第１部位よりも供給管４３から遠い第２部位の膜厚を上回る形態も想定される。第２保護膜６２についても同様に、膜厚は部位に応じて相違してもよい。
【0053】
（４）前述の形態においては、第１保護膜６１が矩形枠状に形成された形態を例示したが、第１保護膜６１の平面形状は以上の例示に限定されない。具体的には、第１保護膜６１が枠状である構成は必須ではない。
【0054】
例えば、第１ガスケット５１と陽極部２０との隙間Ｇ1は、陽極部２０の四隅に特に形成され易いという傾向がある。すなわち、陽極部２０の四隅以外の箇所においては、第１ガスケット５１と陽極部２０とが相互に密着して隙間Ｇ1は形成されない場合がある。以上の事情を考慮すると、図９に例示される通り、第１ガスケット５１および陽極部２０における四隅の部分に第１保護膜６１が形成されてもよい。第２保護膜６２についても同様に、平面形状は矩形枠状に限定されない。例えば、図９の例示の通り、第２ガスケット５２および陰極部３０における四隅の部分に第２保護膜６２が形成されてもよい。
【0055】
ただし、第１保護膜６１が枠状に形成された図１の形態によれば、例えば第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1の一部のみに第１保護膜６１が形成される図９の形態と比較して、第１ガスケット５１の全周にわたりアニオン交換膜１１の破損を抑制できるという効果がある。同様に、第２保護膜６２が枠状に形成された図１の形態によれば、例えば第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2の一部のみに第２保護膜６２が形成される図９の形態と比較して、第２ガスケット５２の全周にわたりアニオン交換膜１１の破損を抑制できるという効果がある。
【0056】
（５）前述の形態においては、第１ガスケット５１が矩形枠状である形態を例示したが、第１ガスケット５１の平面形状は任意であり、以上の例示には限定されない。例えば、第１ガスケット５１は、陽極部２０を包囲する円環状に形成されてもよい。第１ガスケット５１が円環状に形成された形態において、第１保護膜６１は、第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1に沿う円環状に形成される。第２ガスケット５２についても同様であり、平面形状は矩形枠状に限定されない。例えば、第２ガスケット５２は、陰極部３０を包囲する円環状に形成されてもよい。第２ガスケット５２が円環状に形成された形態において、第２保護膜６２は、第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2に沿う円環状に形成される。
【0057】
なお、第１ガスケット５１と第１保護膜６１とが同様の形状である必要はない。例えば、第１ガスケット５１が矩形枠状である形態において、第１保護膜６１の外周縁が第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1を包囲する矩形状であり、第１保護膜６１の内周縁が第１ガスケット５１の内周縁Ｅ1の内側の円形状である形態も想定される。第２ガスケット５２および第２保護膜６２の関係についても同様である。例えば、第２ガスケット５２が矩形枠状である形態において、第２保護膜６２の外周縁が第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2を包囲する矩形状であり、第２保護膜６２の内周縁が第２ガスケット５２の内周縁Ｅ2の内側の円形状である形態も想定される。
【0058】
（６）前述の形態においては、第１保護膜６１および第２保護膜６２の双方を具備する水電解装置１００を例示したが、第１保護膜６１および第２保護膜６２の一方は省略されてもよい。また、前述の形態においては、第１保護膜６１と第２保護膜６２との間で形状および寸法が共通する形態を例示したが、第１保護膜６１と第２保護膜６２との間で形状および寸法が相違してもよい。
【0059】
（７）前述の各形態においては、第１保護膜６１および第２保護膜６２の表面に窒化処理を実施することで機械的強度を増加させる形態を例示したが、第１保護膜６１および第２保護膜６２について実施される表面処理は窒化処理に限定されない。例えば、第１保護膜６１および第２保護膜６２に対してフッ化処理が実施されてもよい。フッ化処理により表面にフッ素が付着することで、第１保護膜６１および第２保護膜６２の機械的強度が増加する。
【0060】
（８）本願における「第ｎ」（ｎは自然数）という記載は、各要素を表記上において区別するための形式的かつ便宜的な標識（ラベル）としてのみ使用され、如何なる実質的な意味も持たない。したがって、「第ｎ」という表記を根拠として、各要素の位置または製造の順番等が限定的に解釈される余地はない。
【0061】
Ｃ：付記
以上に例示した形態から、例えば以下の構成が把握される。
以上に例示した形態から、例えば以下の構成が把握される。
【0062】
本開示のひとつの態様（態様１）に係る水電解装置は、相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、前記第１面に対向する第１流路部材と、前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、前記第２面に対向する第２流路部材と、前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、前記第１面と前記第１流路部材との間において前記陽極部を包囲する第１ガスケットと、前記第１面と前記第１ガスケットとの間に位置する第１外周部と前記第１ガスケットの内周縁の内側に位置する第１内周部とを含む第１保護膜とを具備する。以上の態様においては、第１面と第１ガスケットとの間に位置する第１外周部と前記第１ガスケットの内周縁の内側に位置する第１内周部とを含む第１保護膜が設置される。すなわち、第１ガスケットと陽極部との隙間に局所的な圧力が発生した場合でも、アニオン交換膜の第１面は第１保護膜により保護される。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損（例えばピンホールの形成）を抑制できる。
【0063】
態様１の具体例（態様２）において、前記第１保護膜は、前記第１ガスケットの内周縁に沿う枠状に形成される。以上の態様においては、第１保護膜が枠状に形成される。したがって、例えば第１ガスケットの内周縁の一部のみに第１保護膜が形成される形態と比較して、第１ガスケットの全周にわたりアニオン交換膜の破損を抑制できる。
【0064】
態様１または態様２の具体例（態様３）において、前記第１保護膜の機械的強度は、前記アニオン交換膜の機械的強度を上回る。以上の態様においては、第１保護膜の機械的強度がアニオン交換膜を上回る。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損を有効に抑制できる。
【0065】
態様１から態様３の何れかの具体例（態様４）において、前記第１保護膜は、炭素系材料または金属酸化物材料により形成される。態様１から態様４の何れかの具体例（態様５）において、前記第１保護膜は、グラフェン積層体である。以上の態様によれば、第１保護膜について機械的強度を確保できる。また、グラフェン積層体は導電材料であるから、アニオン交換膜のうち水電解に利用できる領域が第１保護膜により制約されることを抑制できる。
【0066】
態様１から態様５の何れかの具体例（態様６）において、前記第１保護膜の膜厚は５μｍ以下である。第１保護膜の膜厚が過度に大きい形態では、第１保護膜の膜厚を反映した段差が第１ガスケットに顕著に形成され、結果的に第１ガスケットによる密封性能が低下する可能性がある。第１保護膜の膜厚が５μｍ以下に低減された形態によれば、第１ガスケットの密封性能の低下を抑制できる。
【0067】
態様１から態様６の何れかの具体例（態様７）において、前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜とをさらに具備する。以上の態様においては、第２ガスケットと陰極部との隙間に局所的な圧力が発生した場合でも、アニオン交換膜の第２面は第２保護膜により保護される。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損（例えばピンホールの形成）を抑制できる。
【0068】
本開示のひとつの態様（態様８）に係る水電解装置は、相互に反対側の第１面と第２面とを含むアニオン交換膜と、前記第１面に対向する第１流路部材と、前記第１面と前記第１流路部材と間の陽極部と、前記第２面に対向する第２流路部材と、前記第２面と前記第２流路部材と間の陰極部と、前記第２面と前記第２流路部材との間において前記陰極部を包囲する第２ガスケットと、前記第２面と前記第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜とを具備する。以上の態様においては、第２面と第２ガスケットとの間に位置する第２外周部と前記第２ガスケットの内周縁の内側に位置する第２内周部とを含む第２保護膜が設置される。すなわち、第２ガスケットと陰極部との隙間に局所的な圧力が発生した場合でも、アニオン交換膜の第２面は第２保護膜により保護される。したがって、局所的な圧力に起因したアニオン交換膜の破損（例えばピンホールの形成）を抑制できる。
【符号の説明】
【0069】
１００…水電解装置、１０…膜電極接合体、１１…アニオン交換膜、Ｆ1…第１面、Ｆ2…第２面、２０…陽極部、２１…陽極触媒層、２２…第１拡散層、３０…陰極部、３１…陰極触媒層、３２…第２拡散層、４１…第１流路部材、４２…第２流路部材、４３…供給管、４４…第１排出管、４５…第２排出管、５１…第１ガスケット、Ｅ1…内周縁、５２…第２ガスケット、Ｅ2…内周縁、６１…第１保護膜、６１１…第１外周部、６１２…第１内周部、６２…第２保護膜、６２１…第２外周部、６２２…第２内周部、９０…電源装置、Ｇ1，Ｇ2…隙間。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】