特許 7213537 電気化学セルおよびセルスタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-19

(45)【発行日】2023-01-27

(54)【発明の名称】電気化学セルおよびセルスタック

(51)【国際特許分類】

   C25B 13/02 20060101AFI20230120BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230120BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230120BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20230120BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20230120BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20230120BHJP

   C25B 11/02 20210101ALI20230120BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20230120BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230120BHJP

【ＦＩ】

C25B13/02 302

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/70

C25B15/08 302

C25B15/00 302

C25B11/02 301

H01M8/0273

H01M8/10 101

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019037417

(22)【出願日】2019-03-01

(65)【公開番号】P2020066799

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2022-01-13

(31)【優先権主張番号】P 2018197348

(32)【優先日】2018-10-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中山 伸一

(72)【発明者】

【氏名】小池 佳代

(72)【発明者】

【氏名】藤井 克司

(72)【発明者】

【氏名】小川 貴代

(72)【発明者】

【氏名】和田 智之

【審査官】松岡 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２１３０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３７２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００－ ９／７７

Ｃ２５Ｂ １１／００－ １１／０９７

Ｃ２５Ｂ １３／００－ １５／０８

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極を含む第１ユニットと、第２電極を含む第２ユニットと、電解質膜および触媒担持電極とを含み、前記第１電極と前記第２電極の間に前記電解質膜および前記触媒担持電極が挟まれた電気化学セルであって、
前記第１ユニットは、嵌合凹部と、前記嵌合凹部の底面に設けられた第１凹部とを含み、前記第１電極は前記第１凹部に設けられており、
前記第２ユニットは、前記嵌合凹部の深さ以上の高さを有し前記嵌合凹部と嵌合する嵌合凸部と、前記嵌合凸部の上面に設けられた第２凹部とを含み、前記第２電極は前記第２に凹部に設けられており、
前記嵌合凹部と前記嵌合凸部が嵌合されており、
前記第１電極の表面と前記第２電極の表面の間隔は、無荷重状態の前記電解質膜および前記触媒担持電極の厚さよりも、小さい、
ことを特徴とする電気化学セル。

【請求項2】

前記嵌合凹部の底面と前記嵌合凸部の上面は、直接または絶縁シートを介して接触している、
請求項１に記載の電気化学セル。

【請求項3】

前記第１ユニットおよび前記第２ユニットのいずれかには、前記電解質膜および前記触媒担持電極と外部とを連通する２つの流体通路が設けられており、
一方の流体通路が、他方の流体通路よりも径が大きい、
請求項１または２に記載の電気化学セル。

【請求項4】

水および酸素を排出する流体通路が、水を供給する流体通路よりも径が大きい、
請求項３に記載の電気化学セル。

【請求項5】

前記第１電極と前記第２電極の表面には、溝が設けられている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学セル。

【請求項6】

前記第１電極と前記第２電極の表面には、粗面加工が施されている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学セル。

【請求項7】

前記第１ユニットは、前記第１電極と電気的に接続し、前記嵌合凹部が設けられた面と反対側の面から側面まで延びる第１外部電極を有し、
前記第２ユニットは、前記第２電極と電気的に接続し、前記嵌合凸部が設けられた面と反対側の面から側面まで延びる第２外部電極を有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学セル。

【請求項8】

前記第１ユニットおよび前記第２ユニットは、流体を供給または排出するための流体通路を側面に有しており、
前記第１外部電極および前記第２外部電極は、前記流体通路が設けられた側面とは異なる側面に設けられている、
請求項７に記載の電気化学セル。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載の電気化学セルを複数有し、
複数の電気化学セルが電気的に直列または並列に接続されている、
セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学セルおよびセルスタックに関する。

【背景技術】

【0002】

再生可能エネルギーを水素燃料として貯蔵する水素貯蔵システムの需要がますます高まっている。水素貯蔵システムは、余剰電力を用いて水電解セルで水の電気分解を行って水素の形でエネルギーを貯蔵し、電力不足時には貯蔵水素を燃料電池セルで発電して不足電力を補う。

【0003】

電気化学セル（水電解セルおよび燃料電池セル）には、効率的かつ安定な水素分解および発電が求められる。しかしながら、特に水電解セルでは、金属電極と触媒担持電極あるいは触媒担持電極と固体電解質に接触ムラがあると、電力集中（高電圧印加）につながり電極が劣化してしまう。

【0004】

従来の電気化学セルでは、アノードユニットとカソードユニットの締め付けは４～６箇所程度のネジ締めによって行われている。ネジ締めによって抑え付け圧を均一化することは容易ではなく、上述したような電極劣化が生じてしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５５５３３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したような従来技術の課題を考慮し、本発明は、効率的かつ安定な反応が可能な電気化学セルおよびセルスタック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】

上記課題を解決するために、本発明に係る電気化学セルは以下の構成を有する。すなわち、本発明の一態様は、第１電極を含む第１ユニットと、第２電極を含む第２ユニットと、触媒担持電極と、電解質膜とを含み、前記第１電極と前記第２電極の間に前記触媒担持電極および前記電解質膜が挟まれた電気化学セルである。本態様において、前記第１ユニットは、嵌合凹部と、前記嵌合凹部の底面に設けられた第１凹部とを含み、前記第１電極は前記第１凹部に設けられており、前記第２ユニットは、前記嵌合凹部と嵌合する嵌合凸部と、前記嵌合凸部の上面に設けられた第２凹部とを含み、前記第２電極は前記第２に凹部に設けられており、前記嵌合凹部と前記嵌合凸部が嵌合されている。

【0008】

このようにインロー構造を採用することで、電極と前記電解質膜および前記触媒担持電極の接触ムラを抑制できる。これにより、本態様に係る電気化学セルは、効率的かつ安定な反応を実現できる。また、インロー構造を採用しているので、組み立てが容易であるという利点もある。

【0009】

本態様において、前記嵌合凹部の底面と前記嵌合凸部の上面は、直接または絶縁シートを介して接触していてもよい。これのように、嵌合凹部の底面と嵌合凸部の上面の接触により、第１電極・電解質膜および前記触媒担持電極・第２電極の接触が規定されるので、接触ムラを抑制できる。

【0010】

本態様において、前記第１電極の表面と前記第２電極の表面の間隔は、無荷重状態の前記電解質膜および前記触媒担持電極の厚さよりも、小さいことが好ましい。電解質膜および触媒担持電極は第１電極および第２電極により挟まれて第１電極および第２電極と均一に接触する。

【0011】

本態様において、前記第１ユニットおよび前記第２ユニットのいずれかには、前記電解質膜および前記触媒担持電極と外部とを連通する２つの流体通路が設けられており、一方の流体通路が、他方の流体通路よりも径が大きくてもよい。例えば、水および酸素を排出する流体通路が、水を供給する流体通路よりも径が大きいことが好ましい。流体通路の径が大きいほど流速は遅くなるので、発生した酸素ガスをより確実に排出することができる。

【0012】

本態様において、前記第１電極と前記第２電極の表面には、溝または穴が設けられていてもよい。この溝は、例えば、蛇行した溝、直線の溝、直交した溝、もしくはこれらの組み合わせとすることができる。これにより、水やガスの効率的な供給および排出が可能となる。

【0013】

本態様において、前記第１電極と前記第２電極の表面には、粗面加工が施されていてもよい。粗面加工により電極と触媒担持電極の接触面積が増加するので、抵抗を下げることができる。

【0014】

本態様において、前記第１ユニットは、前記第１電極と電気的に接続し、前記嵌合凹部が設けられた面と反対側の面から側面まで延びる第１外部電極を有し、前記第２ユニットは、前記第２電極と電気的に接続し、前記嵌合凸部が設けられた面と反対側の面から側面まで延びる第２外部電極を有してもよい。このように外部電極がユニットの側面まで延びていることで、電源供給のための配線が容易となる。

【0015】

本態様において、前記第１ユニットおよび前記第２ユニットは、流体を供給または排出するための流体通路を側面に有しており、前記第１外部電極および前記第２外部電極は、前記流体通路が設けられた側面とは異なる側面に設けられていてもよい。このように流体通路と外部電極が異なる側面に設けられることで、配線や配管が容易となる。

【0016】

本発明の第２の態様は、上記態様の電気化学セルを複数有し、複数の電気化学セルが電気的に直列または並列に接続されているセルスタックである。

【0017】

本態様に係るセルスタックは、単セルの集合体であるため、故障や劣化したセルの特定が容易であるとともに、故障や劣化したセルのみを交換することも可能である。また、独立した単セルの集合体であるためスタックの形状を自由に決定でき、使用状況に応じた適切な形状のセルスタックを提供可能である。

【0018】

また、水を供給する配給管から分岐して電気化学セルに水を供給することにより、流量や発電量を一定にすることもできる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、効率的かつ安定な反応が可能な電気化学セルおよびセルスタックを提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は水電解セルスタックの構成説明図である。

【図2】図２Ａは水電解セルの分解図であり、図２Ｂは水電解セルの組立図である。

【図3】図３Ａはアノードユニットの表面側の斜視図であり、図３Ｂはアノードユニットの裏面側の斜視図である。

【図4】図４Ａ～図４Ｃは、それぞれアノードユニットの側面図、正面図、断面図である。

【図5】図５Ａはカソードユニットの表面側の斜視図であり、図５Ｂはカソードユニットの裏面側の斜視図である。

【図6】図６Ａ～図６Ｃは、それぞれカソードユニットの側面図、正面図、断面図である。

【図7】図７は、アノードユニットとカソードユニットの嵌合を説明する図である。

【図8】図８は、金属電極表面に加工を施さない場合、粗面加工を施した場合、十字溝を設けた場合のそれぞれについての水電解性能の評価結果を示す図である。

【図9】図９は、測定順序による影響を評価するために、加工を施していない金属電極を用いて行った２回の評価結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態及び実施例を説明する。ただし、以下の実施形態及び実施例は本発明の好ましい構成を例示的に示すものにすぎず、本発明の範囲をそれらの構成に限定されない。また、以下の説明における、装置のハードウェア構成及びソフトウェア構成、処理フロー、製造条件、寸法、材質、形状などは、特に特定的な記載がないかぎりは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【0022】

（全体構成）
本実施形態は、電力を使用して水を電気分解する水電解セルスタックである。本実施形態では、例えば、太陽光・風力・水力・地熱等の再生可能エネルギーに基づく電力を使用して水を電気分解することを想定している。しかしながら、本実施形態は、化石燃料や原子力等に基づく電力を使用してもよい。

【0023】

図１は、本実施形態に係る水電解セルスタック１（以下、単にスタック１ともいう）の構成説明図である。スタック１は、複数の水電解セル２（単セル）が積層された集合体である。ただし、後述するように個々の水電解セル２は独立した構造を有するので、スタック１は必ずしも水電解セル２を積層する必要はなく、スタック形状は自由に決定できる。また、図１では３個の水電解セル２を含むセルスタック１を示しているが、水電解セル２の数は任意であってよい。

【0024】

水電解セル２は、アノードユニット１０とカソードユニッド２０を含んで構成される。アノードユニット１０とカソードユニット２０には直流電源（不図示）から電力が供給され、アノードユニット１０の電極が陽極（酸素発生極）、カソードユニット２０の電極が陰極（水素発生極）に設定される。

【0025】

それぞれの水電解セル２のアノードユニット１０には共通の供給管３から分岐した多岐管により水が供給され、陽極で発生した酸素は水とともに酸素取出管４から取り出される。また、カソードユニットの陰極で発生した水素は水素取出管５から取り出されて、水素貯蔵部（不図示）に導かれる。

【0026】

水電解セル２の構造についてより詳細に説明する。図２Ａは水電解セル２の分解図であり、図２Ｂは水電解セル２の組立図である。図３Ａはアノードユニット１０の表面（組み立て時の内側）の斜視図であり、図３Ｂはアノードユニット１０の裏面（組み立て時の外側）の斜視図である。図４Ａ～４Ｃはアノードユニット１０の側面図、正面図、断面図である。図５Ａはカソードユニット２０の表面（組み立て時の内側）の斜視図であり、図５Ｂはカソードユニット２０の裏面（組み立て時の外側）の斜視図である。図６Ａ～６Ｃは
カソードユニット２０の側面図、正面図、断面図である。

【0027】

図２Ａ，２Ｂに示すように、水電解セル２は、アノードユニット１０とカソードユニット２０の間に、絶縁シート４０ａ、金属メッシュ５０ａ、膜電極構造体（ＭＥＡ）３０、金属メッシュ５０ｂ、絶縁シート４０ｂが挟まれた構造を有する。アノードユニット１０とカソードユニット２０は、ボルト６３とナット６１，６２により固定される。

【0028】

（アノードユニット）
アノードユニット１０の本体１０１は、例えば、アクリル樹脂製であり、正方形板状である。本体１０１の材料は特に限定されず、アクリル樹脂以外の絶縁材料であってもよく、導電性材料であっても他の導電性部材との間に絶縁材を挟めばよい。また、本体１０１の形状は正方形に限定されず、任意の形状であって構わない。本体１０１の表面には、円形状の嵌合凹部１０２が設けられ、嵌合凹部１０２の底面１０２ａにはさらに、正方形状の凹部１０３（第１凹部）が設けられている。なお、嵌合凹部１０２の形状は嵌合凸部２０２と対応した形状であれば、円形状以外であってもよい。

【0029】

凹部１０３には、ＭＥＡ３０に電力を供給するための金属電極１０４が設けられている。金属電極１０４の材料は、導電性や耐腐食性を有すれば特に制限はなく、例えば、チタン、ニッケル、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等を使用できる。なお、電極は必ずしも金属製である必要はなく、導電性および耐腐食性があれば、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブなどのカーボン（黒鉛）電極あるいはその他の半導体電極を採用することもできる。金属電極１０４の表面には粗面加工が施されたり、蛇行した溝や直交した溝や直線の溝や穴などの少なくともいずれかが設けられたりしてもよい。金属電極１０４の基部１０４ａは、外部電極１０５と接触しており、本体１０１の裏面側から外部電極１０５とともにネジ１０６によって本体１０１に固定されている。金属電極１０４の基部１０４ａには、Ｏリング１０４ｂが設けられてシーリングが施されている。外部電極１０５は、本体１０１の裏面から側面に延びる電極である。外部電極１０５は直流電源に接続される。

【0030】

本体１０１の側面のうち、外部電極１０５が設けられる面とは異なる側面に、水の供給管３と接続する継ぎ手１０７が設けられる。継ぎ手１０７を介して供給される水は、流体通路１０８および開口１０９を通って凹部１０３に流入する。また、継ぎ手１０７と反対側の側面には継ぎ手１１０が設けられる。水電解の際に陽極で発生した酸素（および水）は、開口１１２および流体通路１１１を介して、継ぎ手１１０から酸素取出管４に排出される。このように凹部１０３の空間は、開口１０９・流体通路１０８・継ぎ手１０７と開口１１２・流体通路１１１・継ぎ手１１０を介して外部に連通する。

【0031】

ここで、水供給用の流体通路１０８および開口１０９の径は、水および酸素排出用の流体通路１１１および開口１１２の径よりも小さく設定される。流体通路の径が小さいほど流体の流速が早くなるので、水電解の際に発生した酸素がより確実に、開口１１２の方に流れるようにできる。

【0032】

（カソードユニット）
カソードユニット２０の本体２０１は、例えば、アクリル樹脂製であり、正方形板状である。本体２０１の材料は特に限定されず、アクリル樹脂以外の絶縁材料であってもよく、導電性材料であっても他の導電性部材との間に絶縁材を挟めばよい。また、本体２０１の形状は正方形に限定されず、任意の形状であって構わない。本体２０１の表面には、アノードユニット１０の嵌合凹部１０２と嵌合する円形状の嵌合凸部２０２が設けられる。嵌合凸部２０２の上面２０２ａには、正方形状の凹部２０３（第２凹部）が設けられている。なお、嵌合凸部２０２の形状は嵌合凹部１０２と対応した形状であれば、円形状以外であってもよい。

【0033】

凹部２０３には、ＭＥＡ３０に電力を供給するための金属電極２０４が設けられている。金属電極２０４の材料は、導電性や耐腐食性を有すれば特に制限はなく、例えば、チタン、ニッケル、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等を使用できる。なお、電極は必ずしも金属製である必要はなく、導電性および耐腐食性があれば、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブなどのカーボン（黒鉛）電極あるいはその他の半導体電極を採用することもできる。金属電極２０４の表面には粗面加工が施されたり、蛇行した溝や直交した溝や直線の溝や穴などの少なくともいずれかが設けられたりしてもよい。金属電極２０４の基部２０４ａは、外部電極２０５と接触しており、本体２０１の裏面側から外部電極２０５とともにネジ２０６によって本体２０１に固定されている。金属電極２０４の基部２０４ａには、Ｏリング２０４ｂが設けられてシーリングが施されている。外部電極２０５は、本体２０１の裏面から側面に延びる電極である。外部電極２０５は直流電源に接続される。

【0034】

本体２０１の側面のうち、外部電極２０５が設けられる面とは異なる側面に、水電解の際に発生する水素を取り出すための継ぎ手２０７が設けられる。水素は、開口２０９および流体通路２０８を介して、継ぎ手２０７から外部に排出される。このように凹部２０３の空間は、開口２０９・流体通路２０８・継ぎ手２０７を介して外部に連通する。なお、水素とともに水の一部も、ＭＥＡ３０の間のイオン交換膜を通って、開口２０９・流体通路２０８・継ぎ手２０７を介して外部に排出される。

【0035】

（電極の表面加工）
アノードユニット１０の金属電極１０４およびカソードユニットの金属電極２０４の表面のいずれか一方または両方に、溝を設けたり粗面（砂面）加工を施したりしてもよい。溝は、例えば、蛇行した溝、直交した溝、ストライプ状の溝とすることができる。粗面加工は、例えば、サンドブラスト加工により設ければよい。金属電極１０４と金属電極２０４の両方に加工を施す場合、両方の電極に同じ加工を施してもよいし、異なる加工を施してもよい。金属電極１０４，２０４に表面加工を施すことで、電極にて発生した気体を効率的に排出することができ、電極での反応を阻害しない。これにより、セルの水電解性能が向上する。

【0036】

（ＭＥＡ：膜電極構造体）
ＭＥＡ３０は、電解質層（電解質膜）を触媒担持電極で挟んだ構造を有する。電解質層は、イオン透過性であり、具体的にはイオン交換膜で構成される。本実施形態では、水電解で使用される公知のイオン交換膜を使用すればよい。イオン交換膜の具体例として、例えば、イオン交換基を導入したパーフルオロカーボン樹脂等の固体高分子電解質膜が挙げられる。触媒担持電極は、電解質層と接触する側の少なくとも表面部に水電解触媒を含む電極である。水電解触媒は任意の公知のものを使用すればよく、その一例として、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、およびこれら金属の合金や酸化物等が挙げられる。

【0037】

（絶縁シート）
絶縁シート４０ａ，４０ｂは絶縁性および柔軟性がある材料（たとえば、シリコーン）であり、それぞれ嵌合凹部１０２の底面１０２ａおよび嵌合凸部２０２の上面２０２ａと略同一の形状、すなわち金属電極１０４，２０４に対応する開口を有する円形状のシートである。絶縁シート４０ａ，４０ｂは、電解反応部（凹部１０３と凹部２０３によって形成される空間）をシールするシール材として機能する。絶縁シート４０ａ、４０ｂの厚さは例えば、０．１ｍｍ～０．３ｍｍである。なお、筐体が絶縁性の場合、絶縁シート４０ａ，４０ｂは省略してもよい。

【0038】

（金属メッシュ）
金属メッシュ５０ａ，５０ｂは、金属電極１０４，２０４と触媒担持電極に挟まれる。
金属メッシュ５０ａ，５０ｂは、例えば、ＳＵＳ製の２０～１００メッシュである。金属電極１０４，２０４と触媒担持電極の間の導電性が確保できる場合は、金属メッシュ５０ａ，５０ｂは省略してもよい。

【0039】

（アノードユニットとカソードユニットの嵌合）
次に、図７を参照して、アノードユニット１０とカソードユニット２０の嵌合、および金属電極１０４と金属電極２０４によるＭＥＡ３０の挟持について説明する。

【0040】

アノードユニット１０の嵌合凹部１０２とカソードユニット２０の嵌合凸部２０２は嵌合して、嵌合凹部１０２の底面１０２ａと嵌合凸部２０２の上面２０２ａは、絶縁シート４０ａ，４０ｂを介して接触する。そのため、嵌合凸部２０２の高さ（Ｔ２’）は嵌合凹部１０２の深さ（Ｔ２）以上であることが望ましい。このように、嵌合凹部１０２と嵌合凸部２０２の面によりアノードユニット１０とカソードユニット２０の接触、さらには金属電極１０４と金属電極２０４の位置が規定されるため、金属電極１０４，２０４とＭＥＡ３０の抑え付け圧を一定にでき、接触ムラを抑制できる。

【0041】

金属電極１０４，２０４の表面部の厚さは、凹部１０３，２０３の深さよりも小さい。したがって、アノードユニット１０とカソードユニット２０を組み立てた状態で、金属電極１０４と金属電極２０４の表面には間隔Ｔ１がある。この間隔Ｔ１は、ＭＥＡ３０の触媒担持電極と金属メッシュ５０ａ，５０ｂの厚さの合計（ここでの厚さは無荷重時のもの）よりも小さくなるようにする。したがって、組み立て時にＭＥＡ３０の触媒担持電極に対して金属電極１０４，２０４が均一な圧力で接触する。本実施形態において、例えば、金属電極１０４，２０４の表面部の厚さが２ｍｍ、凹部１０３，２０３の深さが２．４ｍｍ、ＭＥＡ３０の触媒担持電極の厚さ（無荷重時）が０．８～１．０ｍｍ、金属メッシュ５０ａ，５０ｂの厚さが各々０．１ｍｍである。

【0042】

組み立て時における嵌合凹部１０２の底面１０２ａと嵌合凸部２０２の上面２０２ａの間の間隔Ｔ３は、絶縁シート４０ａ，４０ｂの厚さと等しい。絶縁シート４０ａ，４０ｂを省略する場合には、間隔Ｔ３はゼロである。本実施形態では、嵌合凸部２０２の高さ（Ｔ２’）は嵌合凹部１０２の深さ（Ｔ２）以上であるため、組み立て時における嵌合凹部１０２の上端部と嵌合凸部２０２の下端部の間の間隔Ｔ４は、Ｔ４≧Ｔ３（≧０）という関係を満たす。

【0043】

本実施形態において、アノードユニット１０の外部電極１０５とカソードユニット２０の外部電極２０５は、同じ向きの側面に位置するように組み立てられる。そして、継ぎ手１０７，１１０，２０７は、外部電極１０５，２０５とは異なる向きの側面に位置する。したがって、配線や配管の接続が容易となる。なお、アノードユニット１０とカソードユニット２０は、必ずしもこのような向きに組み立てられる必要はなく、必要に応じて任意の向きに組み立てられてもよい。

【0044】

（性能評価）
上述した構成の水電解セル２を作成して水電解性能の評価を行った。その結果を図８に示す。ここでは、電極１０４，２０４に表面加工をしない場合、粗面加工を施した場合、十字溝を設けた場合のそれぞれについて評価を行った。粗面加工は、番手１００のサンドブラストにより設けている。また、十字溝は、溝の幅２ｍｍ、溝の深さ０．２ｍｍ、溝の間隔４ｍｍとしている。この評価ではＰｔＣ／ＩｒＯｘの５層のＭＥＡを利用しており、それぞれの評価には同じＭＥＡを使用している。

【0045】

図８のうち、グラフ８１は加工無しの場合、グラフ８２は粗面加工の場合、グラフ８３は十字溝の場合の電圧電流特性を示す。また、図８には、それぞれの電極に水滴を垂らし
たときの様子も示している。

【0046】

図に示すように、電極表面に加工を施さない場合も十分に大きな電流が得られているが、粗面加工や十字溝を設けることで、大きな電流増加が達成できている。このように、電極表面の親水・疎水などが水電解性能に影響することが分かる。

【0047】

なお、図８の実験は同じＭＥＡを用いて、加工無し、粗面加工、十字溝の順番で測定を行っている。ここで、実験の順序による影響を考慮して、最後に再度加工無しの場合の測定を行った。図９は、１回目と２回目の加工無しの電極を用いた場合の評価結果を示す。グラフ８１が１回目の測定であり、グラフ８４が２回目の測定である。このように、２回目の測定においてそれほど大きな電流増加は見られず、測定順序による影響は少ないことが分かる。すなわち、図８に示す電流増加は、電極の表面加工によるものであることが分かる。

【0048】

（本実施形態の有利な効果）
本実施形態に係る水電解セル２は、アノードユニット１０の嵌合凹部１０２とカソードユニット２０の嵌合凸部２０２によるインロー構造により、これらのユニットの接触を規定している。したがって、金属電極１０４，２０４と触媒担持電極の間の抑え付け圧や、触媒担持電極と電解質層の間の抑え付け圧を一定とすることができる。接触ムラを抑制することで電力集中（高電圧印加）を回避でき、効率的な水素発生や電極の劣化抑制といった効果が得られる。

【0049】

また、インロー構造を採用しているので、例えば、アノードユニット１０の表面側を上にして載置した状態で、ＭＥＡ３０や絶縁シート４０ａ，４０ｂ等を載せ、さらにカソードユニット２０を嵌合させることにより、水電解セル２が組み立てられる。このように、本実施形態に係る水電解セル２は組み立てが容易であるという利点がある。

【0050】

また、アノードユニット１０において、水を供給する流体通路１０８や開口１０９の径が、酸素および水を排出する流体通路１１１や開口１１２の径よりも小さいため、流入する水の流速が、流出する水（および酸素）の流速よりも早くなる。したがって、水電解によって発生した酸素がより確実に排出され、電極に酸素が残留することを抑制できる。

【0051】

また、本実施形態に係る水電解セル２をスタックした水電解セルスタック１には次のような利点がある。第１に、個々の水電解セル２が独立しているので、個別に動作をモニタリングでき、故障や劣化したセルを特定ができる。また、セル単位で交換することもできる。第２に、水電解セル２が独立しているので、水電解セル２を必ずしも積層させる必要はなく、水電解セルスタック１の利用用途にあわせてスタック形状を自由に変えることができる。

【0052】

（変形例）
上記の実施形態では、アノードユニット１０に嵌合凹部１０２が設けられカソードユニット２０に嵌合凸部２０２が設けられているが、これとは逆に、アノードユニット１０に嵌合凸部が設けられ、カソードユニット２０に嵌合凹部が設けられてもよい。このような構成でも同様の効果が得られる。

【0053】

水電解セル２の形状は四角形であるが、これは丸形やその他の多角形形状であってもよく、その形状は特に限定されない。

【0054】

上記の実施形態は水電解セル（スタック）であるが、燃料電池セル（スタック）を同様の構造としてもよい。すなわち、本発明は、水電解セル（スタック）と燃料電池セル（ス
タック）のどちらにも適用可能である。

【符号の説明】

【0055】

１：水電解セルスタック ２：水電解セル
３：水供給管 ４：酸素取出管 ５：水素取出管
１０：アノードユニット ２０：カソードユニット
１０１：アノードユニット本体 １０２：嵌合凹部 １０３：凹部
１０４：金属電極 １０５：外部電極 １０６：ネジ
１０７：継ぎ手 １０８：流体通路 １０９：開口
１１０：継ぎ手 １１１：流体通路 １１２：開口
２０１：カソードユニット本体 ２０２：嵌合凸部 ２０３：凹部
２０４：金属電極 ２０５：外部電極 ２０６：ネジ
２０７：継ぎ手 ２０８：流体通路 ２０９：開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】