特許 7497677 積層構造体、および、固体高分子形水電解セル

(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】2024-06-03

(45)【発行日】2024-06-11

(54)【発明の名称】積層構造体、および、固体高分子形水電解セル

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20240604BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240604BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20240604BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALN20240604BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALN20240604BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALN20240604BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240604BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B9/23

C25B13/02 302

H01M8/0271

H01M8/0258

H01M8/0247

H01M8/10 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020202529

(22)【出願日】2020-12-07

(65)【公開番号】P2022090256

(43)【公開日】2022-06-17

【審査請求日】2023-03-15

(73)【特許権者】

【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】植田 忠伸

(72)【発明者】

【氏名】村田 元

(72)【発明者】

【氏名】池田 飛展

(72)【発明者】

【氏名】小澤 忠夫

(72)【発明者】

【氏名】奥田 勝治

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 由美江

【審査官】和瀬田 芳正

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１６３０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４７２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１６４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２５２４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２９４２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９６４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２５９７８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００－ ９／７７

Ｃ２５Ｂ １３／００－１５／０８

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層構造体であって、
積層される一対の部材であって、それぞれが備える主面が互いに対向するように積層され、前記主面に流体が流通するマニフォルド部が形成されている一対の部材と、
前記一対の部材の間に配置されるシール部材と、
前記一対の部材の前記主面において前記マニフォルド部を囲むように形成される溝部と、
前記一対の部材の前記マニフォルド部に形成され、前記一対の部材の積層方向に突出する複数の突起部と、を備え、
前記一対の部材の一方に形成される複数の前記突起部は、
前記積層方向において、前記一対の部材の他方に形成される前記溝部と重なる位置に前記溝部の延設方向に沿って並んで設けられ、
前記一対の部材の他方に形成される前記溝部との間に前記シール部材が配置された状態において、互いに隣接する前記突起部の間を流体が流通可能に構成されており、
前記一対の部材の一方に形成される複数の前記突起部のそれぞれの頂部には、前記一対の部材の他方に形成される前記溝部の延設方向に沿った方向に延びる溝が形成されている、
積層構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の積層構造体であって、
前記一対の部材は、前記主面のうちの前記マニフォルド部の外側に形成され、前記溝部を有する外周部を備えており、
前記マニフォルド部は、前記主面において、前記外周部に対して凹んでおり、
前記突起部は、頂部の高さが前記外周部の高さと揃うように形成されている、
積層構造体。

【請求項3】

請求項２に記載の積層構造体であって、
前記マニフォルド部は、前記外周部に対して凹んでいる凹部と、前記凹部に隣接する孔部と、を備えており、
前記一対の部材は、前記凹部と前記孔部との境界に沿って長尺状に形成され、前記凹部から前記孔部に向かう流体の流通方向を前記凹部に沿った方向から、前記凹部に沿った方向と交差する方向に切り替える長尺状部を備える、
積層構造体。

【請求項4】

請求項３に記載の積層構造体であって、
前記長尺状部は、
両端部が、前記孔部において前記外周部にそれぞれ接続されており、
前記積層方向において前記外周部から突出する複数の突起が形成されている、
積層構造体。

【請求項5】

固体高分子形水電解セルであって、
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の積層構造体を備え、
前記一対の部材の一方をアノード側スペーサとし、他方をカソード側スペーサとした、
固体高分子形水電解セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層構造体、および、固体高分子形水電解セルに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の部材が積層されて形成される積層構造体が知られている。この積層構造体が固体高分子形燃料電池や固体電解質形電池を構成するセルである場合、セルの内部に、流体が流れるマニフォルド部が形成されており、部材間にシール部材を配置することで、マニフォルド部のシール性を維持させる必要がある（例えば、特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１３１０８５号公報

【文献】特開２００３－１６６０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記先行技術においても、積層構造体において、マニフォルド部のシール性を向上するためには、なお改善の余地があった。

【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、積層構造体において、内部に形成されるマニフォルド部のシール性を向上する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、積層構造体が提供される。この積層構造体は、積層される一対の部材であって、それぞれが備える主面が互いに対向するように積層され、前記主面に流体が流通するマニフォルド部が形成されている一対の部材と、前記一対の部材の間に配置されるシール部材と、前記一対の部材の前記主面において前記マニフォルド部を囲むように形成される溝部と、前記一対の部材の前記マニフォルド部に形成され、前記一対の部材の積層方向に突出する複数の突起部と、を備え、前記一対の部材の一方に形成される複数の前記突起部は、前記積層方向において、前記一対の部材の他方に形成される前記溝部と重なる位置に前記溝部の延設方向に沿って並んで設けられ、前記一対の部材の他方に形成される前記溝部との間に前記シール部材が配置された状態において、互いに隣接する前記突起部の間を流体が流通可能に構成されている。

【0008】

この構成によれば、一対の部材のそれぞれには、マニフォルド部を囲むように溝部が形成されている。一対の部材とシール部材とが積層されるとき、溝部の内側に向かってシール部材の表面が変形し突出することで、シール部材によるマニフォルド部のシール性が維持される。一対の部材の一方に形成されるマニフォルド部には、積層方向において、一対の部材の他方に形成される溝部と重なる位置に、一対の部材の他方の溝部の延設方向に沿って並べられる複数の突起部が設けられる。これにより、一対の部材の一方では、一対の部材の他方の溝部が重なる位置において、マニフォルド部と突起部との厚みの合計は、マニフォルド部が形成されていない部位の厚みに近い値となる。すなわち、積層構造体は、積層方向で溝部と重なる位置には隙間が少なくなるため、積層方向の構造強度を大きくすることができる。これにより、積層方向における溝部と重なる位置では、溝部の内側に向かって表面が変形しやすいように、シール部材や一対の部材に積層される部材を支持することができる。また、複数の突起部は、マニフォルド部において、流体が流通可能な隙間を、隣接する突起部の間に形成されるように構成されている。これにより、流体は、マニフォルド部における流通が複数の突起部によって妨げられにくくなっている。したがって、マニフォルド部において流体を流通させつつ、シール部材によるマニフォルド部のシール性を向上することができる。

【0009】

（２）上記形態の積層構造体において、前記一対の部材の一方に形成される複数の前記突起部のそれぞれの頂部には、前記一対の部材の他方に形成される前記溝部の延設方向に沿った方向に延びる溝が形成されてもよい。この構成によれば、突起部の頂部には、一対の部材の他方に形成される溝部の延設方向に沿った方向に延びる溝が形成されている。これにより、突起部の頂部に対向するシール部材の表面は、頂部に形成されている溝の内側に向かって変形し、シール部材と突起部との間のシール性を維持することができる。したがって、マニフォルド部において、流体がシール部材と突起部との間を流れることを抑制することができるため、流体は、互いに隣接する突起部の間を流れることができる。

【0010】

（３）上記形態の積層構造体において、前記一対の部材は、前記主面のうちの前記マニフォルド部の外側に形成され、前記溝部を有する外周部を備えており、前記マニフォルド部は、前記主面において、前記外周部に対して凹んでおり、前記突起部は、頂部の高さが前記外周部の高さと揃うように形成されていてもよい。この構成によれば、突起部は、頂部の高さが、溝部を有する外周部の高さと揃うように形成されている。これにより、一対の部材の一方において、マニフォルド部と突起部との厚みの合計は、マニフォルド部が形成されていない部位の厚みとほとんど同じになるため、シール部材がさらに変形しやすくなる。したがって、シール部材によるマニフォルド部のシール性をさらに向上することができる。

【0011】

（４）上記形態の積層構造体において、前記マニフォルド部は、前記外周部に対して凹んでいる凹部と、前記凹部に隣接する孔部と、を備えており、前記一対の部材は、前記凹部と前記孔部との境界に沿って長尺状に形成され、前記凹部から前記孔部に向かう流体の流通方向を前記凹部に沿った方向から、前記凹部に沿った方向と交差する方向に切り替える長尺状部を備えていてもよい。この構成によれば、一対の部材は、マニフォルド部における凹部と孔部との境界に沿って長尺状に形成され、凹部から孔部に向かう流体の流通方向を、凹部に沿った方向から、凹部に沿った方向と交差する方向に切り替える長尺状部を備える。これにより、シール部材に一対の部材のそれぞれのマニフォルド部を連通する貫通孔が形成されており、一対の部材のそれぞれにおいて、凹部をシール部材に配置する場合、一対の部材は、シール部材を凹部と長尺状部とによって押さえつつ、シール部材の貫通孔を介した一対の部材のマニフォルド部の間での流体のやり取りを容易に行うことができる。

【0012】

（５）上記形態の積層構造体において、前記長尺状部は、両端部が、前記孔部において前記外周部にそれぞれ接続されており、前記積層方向において前記外周部から突出する複数の突起が形成されてもよい。この構成によれば、長尺状部には、積層方向において外周部から突出する複数の突起が形成されている。これにより、複数の突起は、一対の部材に隣接する部材に接触することができるため、該部材の孔部への落ち込みを抑制することができる。したがって、孔部の断面積の減少を抑制することができる。

【0013】

（６）本発明の別の形態によれば、固体高分子形水電解セルが提供される。この固体高分子形水電解セルは、上記の積層構造体を備え、前記一対の部材の一方をアノード側スペーサとし、他方をカソード側スペーサとする。この構成によれば、固体高分子形水電解セルが備える積層構造体では、一対の部材の一方をアノード側スペーサとし、他方をカソード側スペーサとする。固体高分子形水電解セルでは、アノード側スペーサに水を供給することで酸素ガスと水素イオンを発生させつつ、カソード側スペーサにおいて、アノード側スペーサとカソード側スペーサとの間の膜電極接合体を介して供給される水素イオンから水素を発生させる。この固体高分子形水電解セルが上記の積層構造体を備えることで、アノード側スペーサのマニフォルド部を流れる水やカソード側スペーサのマニフォルド部を流れる水素ガスなどが外部に漏れることを抑制することができる。

【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、積層構造体を含む各種装置、積層構造体を製造する方法、積層構造体を含む装置の制御方法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実施形態の水電解セルの模式図である。

【図2】複数の水電解セルを備える水電解装置の模式図である。

【図3】アノード側スペーサの斜視図である。

【図4】アノード側スペーサをバイポーラプレート側から見た図である。

【図5】アノード側スペーサを膜電極接合部側から見た図である。

【図6】図３のＡ部拡大図である。

【図7】カソード側スペーサを膜電極接合部側から見た図である。

【図8】カソード側スペーサをバイポーラプレート側から見た図である。

【図9】第１実施形態の水電解セルの作用を説明する第１の模式図である。

【図10】第１実施形態の水電解セルの透過拡大図である。

【図11】比較例の水電解セルの透過拡大図である。

【図12】第１実施形態の水電解セルの作用を説明する第２の模式図である。

【図13】第１実施形態の水電解セルの第１の部分断面図である。

【図14】第１実施形態の水電解セルの第２の部分断面図である。

【図15】第２実施形態の水電解セルの模式図である。

【図16】水電解セルの第１の変形例の模式図である。

【図17】水電解セルの第２の変形例の模式図である。

【図18】水電解セルの第３の変形例の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解セル１の模式図である。図２は、複数の水電解セル１を備える水電解装置６の模式図である。図１に示す本実施形態の水電解セル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固体高分子形水電解槽（以下、単に「水電解槽」という）３（図２参照）を構成する。水電解槽３は、いわゆる、水電解スタックであり、水電解槽３に直流電力を供給する電力供給部４や、貯留している水を水電解セル１に供給する水タンク５などを備えることで、図２に示す水電解装置６を構成する。本実施形態では、水電解装置６は、固体高分子形水電解装置であり、水タンク５の水を電力供給部４の電力によって電気分解することで、酸素ガスと水素ガスを生成する。本実施形態では、水電解装置６が備える複数の水電解槽３のそれぞれは、４個の水電解セル１を積層することで形成される。しかしながら、１つの水電解槽３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１および図２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１に示す水電解セル１や図２に示す水電解槽３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。水電解セル１は、特許請求の範囲の「積層構造体」に相当する。

【0017】

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４０と、カソード側スペーサ５０と、ガスケット３１、３６、６１、６６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３１、アノード側スペーサ２０、ガスケット３６、膜電極接合部４０、ガスケット６１、カソード側スペーサ５０、ガスケット６６の順に積層されている。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槽３には、水電解槽３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（水電解槽３をｚ軸方向から見た図２（Ｂ）参照）。貫通孔１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、水電解槽３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。

【0018】

バイポーラプレート１０は、略長方形の平板状部材であって、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（図２（Ｂ）参照）の一部となる。バイポーラプレート１０のｚ軸方向のマイナス側の表面における流路１１の開口の周囲には、流路１１の開口を囲むように配置される環状の溝１１ａ、１１ｂが形成される。また、バイポーラプレート１０のｚ軸方向のプラス側の表面における流路１１の開口の周囲には、流路１１の開口を囲むように配置される環状の溝１１ｃ、１１ｄが形成される。バイポーラプレート１０には、流路１１の他に、図１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（図２（Ｂ）参照）。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。これらの流路においても、バイポーラプレート１０のｚ軸方向のプラス側の表面と、マイナス側の表面とのそれぞれには、これらの流路の開口を囲むように配置される環状の溝（例えば、図１に示す流路１２における溝１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）が二重に形成される。

【0019】

アノード側スペーサ２０は、中央部に開口が形成される樹脂製の板状部材であって、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には、貫通孔１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれの一部となる流路２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが四隅に形成されている（図２（Ｂ）参照）。アノード側スペーサ２０は、流路２０ａを流れる水が、アノード側スペーサ２０のほぼ全面に流れるように、水電解セル１のｘｙ平面に沿って流す。アノード側スペーサ２０の構造の詳細は、後述する。アノード側スペーサ２０は、特許請求の範囲の「一対の部材の一方」に該当する。

【0020】

ガスケット３１は、バイポーラプレート１０のｚ軸方向のプラス側と、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のマイナス側との間に配置されるテフロン（登録商標）からなるシートである。ガスケット３１は、バイポーラプレート１０とアノード側スペーサ２０との間をシールする。なお、ガスケット３１は、ＥＰＤＭであってもよい。

【0021】

膜電極接合部４０は、略長方形の板状部材であって、樹脂製の枠部４１と、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、「ＭＥＡ」という）４２と、を有する。枠部４１の外形は、長方形であって、内側にＭＥＡ４２が配置される開口が形成されている。ＭＥＡ４２は、図示しない電解質膜の両面に、図示しない触媒を含む電極が接合されている。電解質膜は、例えば、ナフィオン（登録商標）から形成されており、水素イオンや水を透過可能である。電解質膜のｚ軸方向のマイナス側に接合されるアノード側電極は、酸化イリジウム（Ｉｒ₂Ｏ）を含むアノード側触媒層と、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と、を有する。アノード側電極では、電気的に接続する電力供給部４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。アノード側電極で生成された水素イオンと水の一部は、電解質膜を通って、電解質膜のｚ軸方向のプラス側に接合されるカソード側電極に移動する。カソード側電極は、白金（Ｐｔ）を含むカソード側触媒層と、カーボンペーパであるカソード側拡散層と、を有する。カソード側電極では、電気的に接続する電力供給部４が供給する電力を用いて、電解質膜を通過した水素イオンを水素ガスにする。

【0022】

ガスケット３６は、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のプラス側と、膜電極接合部４０のｚ軸方向のマイナス側との間に配置されるテフロン（登録商標）からなるシートである。ガスケット３６は、アノード側スペーサ２０と膜電極接合部４０との間をシールする。なお、ガスケット３６は、ＥＰＤＭであってもよい。

【0023】

カソード側スペーサ５０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４０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５０は、アノード側スペーサ２０と同じ構成の部材を用いている。具体的には、カソード側スペーサ５０は、水電解セル１において、アノード側スペーサ２０の状態で配置されている部材を、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状態で配置されている。カソード側スペーサ５０には、貫通孔１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれの一部となる流路５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄが四隅に形成されている（図２（Ｂ）参照）。カソード側スペーサ５０の構造の詳細は、後述する。カソード側スペーサ５０は、特許請求の範囲の「一対の部材の他方」に該当する。

【0024】

ガスケット６１は、膜電極接合部４０のｚ軸方向のプラス側と、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のマイナス側との間に配置されているテフロン（登録商標）からなるシートである。ガスケット６１は、膜電極接合部４０とカソード側スペーサ５０との間をシールする。なお、ガスケット６１は、ＥＰＤＭであってもよい。

【0025】

本実施形態では、水電解セル１において、ガスケット３６と、膜電極接合部４０と、ガスケット６１とからなる積層体は、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とに挟み込まれている。ガスケット３６と、膜電極接合部４０と、ガスケット６１とからなる積層体は、特許請求の範囲の「シール部材」に該当する。

【0026】

ガスケット６６は、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のプラス側に配置されているテフロン（登録商標）からなるシートである。ガスケット６６は、水電解セル１に隣り合う別の水電解セル１が備えるバイポーラプレート（図１に示す二点鎖線１０Ａ）と、カソード側スペーサ５０との間をシールする。なお、ガスケット６６は、ＥＰＤＭであってもよい。

【0027】

図３は、アノード側スペーサ２０の斜視図である。図４は、水電解セル１に備えられているアノード側スペーサ２０をバイポーラプレート１０側から見た図である。図５は、水電解セル１に備えられているアノード側スペーサ２０を膜電極接合部４０側から見た図である。図６は、図３のＡ部拡大図である。次に、アノード側スペーサ２０の詳細な構造について説明する。アノード側スペーサ２０は、外周部２１と、マニフォルド部２２と、２つのリブ２３、２４と、２つのガスケット押え２５、２６と、を備える。本実施形態では、外周部２１と、マニフォルド部２２と、２つのリブ２３、２４と、２つのガスケット押え２５、２６とは、一体に形成されている。リブ２３、２４のそれぞれは、特許請求の範囲の「突起部」に該当する。

【0028】

外周部２１は、外形が長方形状の平板である。外周部２１の内側には、マニフォルド部２２が配置されている。外周部２１には、マニフォルド部２２の外側において、マニフォルド部２２を囲むように、複数の溝部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが形成される。溝部２１ａと溝部２１ｂとは、外周部２１のバイポーラプレート１０側（ｚ軸方向のマイナス側）の主面において、マニフォルド部２２の開口を囲むように形成されている。本実施形態では、溝部２１ａと溝部２１ｂとは、図４に示すように、平行となるように形成されている。溝部２１ｃと溝部２１ｄとは、外周部２１の膜電極接合部４０側（ｚ軸方向のプラス側）の主面において、マニフォルド部２２の開口を囲むように形成されている。本実施形態では、溝部２１ｃと溝部２１ｄとは、図５に示すように、平行となるように形成されている。

【0029】

外周部２１には、貫通孔１ｂ、１ｃのそれぞれの一部である流路２０ｂ、２０ｃが形成されている。流路２０ｂについては、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のマイナス側の表面における流路２０ｂの周囲に、流路２０ｂを囲むように配置される環状の溝部２１ｅ、２１ｆが形成される（図４参照）。また、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のプラス側の表面における流路２０ｂの周囲には、流路２０ｂを囲むように配置される環状の溝部２１ｇ、２１ｈが形成される（図５参照）。流路２０ｃについては、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のマイナス側の表面における流路２０ｃの周囲に、流路２０ｃを囲むように配置される環状の溝２０ｉ、２０ｊが形成される（図４参照）。また、アノード側スペーサ２０のｚ軸方向のプラス側の表面における流路２０ｃの周囲には、流路２０ｃを囲むように配置される環状の溝２０ｋ、２０ｌが形成される（図５参照）。

【0030】

マニフォルド部２２は、図４および図５に示すように、アノード側スペーサ２０の略中央部に配置される略平行四辺形形状の部位である。マニフォルド部２２は、２つの凹部２２ａ、２２ｂと、孔部２２ｃと、を備える。

【0031】

凹部２２ａは、マニフォルド部２２において、ｘ軸方向のマイナス側に配置されている。凹部２２ａは、ｚ軸に垂直な断面形状が略三角形状に形成されており、外周部２１に対してｚ軸方向のプラス側に凹んでいる。凹部２２ａには、凹部２２ａのｘ軸方向のプラス側であってｙ軸方向のマイナス側の端に、貫通孔１ａの一部である流路２０ａが形成されている（図４参照）。凹部２２ａのｚ軸方向のプラス側には、流路２０ａの周りに、溝部２２ｄが形成されている（図５参照）。

【0032】

凹部２２ｂは、マニフォルド部２２において、ｙ軸方向のプラス側に配置されている。凹部２２ｂは、ｚ軸に垂直な断面形状が略三角形状に形成されており、外周部２１に対してｚ軸方向のプラス側に凹んでいる。凹部２２ｂには、凹部２２ｂのｘ軸方向のプラス側であってｙ軸方向のプラス側の端に、貫通孔１ｄの一部である流路２０ｄが形成されている（図４参照）。凹部２２ｂのｚ軸方向のプラス側には、流路２０ｄの周りに、溝部２２ｅが形成されている（図５参照）。

【0033】

孔部２２ｃは、凹部２２ａのｘ軸のプラス側の端部と凹部２２ｂのｘ軸のマイナス側の端部との間に配置されている。孔部２２ｃは、ｚ軸に垂直な断面形状が矩形形状に形成されており、流路構造体２７を収容している。流路構造体２７は、白金（Ｐｔ）がコーティングされているチタン（Ｔｉ）からなる多孔質体であり、電気伝導性を有する。流路構造体２７には、凹部２２ａと凹部２２ｂとの間を流れる流体の流路が複数形成されている。

【0034】

リブ２３は、凹部２２ａのｚ軸方向のマイナス側に配置され、凹部２２ａからｚ軸のマイナス方向に向かって突出する凸形状の部位である。リブ２３は、複数の第１リブ２３ａと、複数の第２リブ２３ｂと、を有する。

【0035】

第１リブ２３ａは、流路２０ａの周りに配置されている。複数の第１リブ２３ａのそれぞれは、頂部の高さが外周部２１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第１リブ２３ａは、図４に示すように、流路２０ａから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第１リブ２３ａの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第１リブ２３ａのそれぞれの頂部には、流路２０ａを囲むように配置される円弧状の溝２３ｃ、２３ｄが形成されている。

【0036】

第２リブ２３ｂは、第１リブ２３ａに比べ、流路２０ａから離れた位置に配置されている。複数の第２リブ２３ｂのそれぞれは、頂部の高さが外周部２１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第２リブ２３ｂは、図４に示すように、流路２０ａから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第２リブ２３ｂの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第２リブ２３ｂのそれぞれの頂部には、直線状に配置される溝２３ｅ、２３ｆが形成されている。

【0037】

リブ２４は、凹部２２ｂのｚ軸方向のマイナス側に配置され、凹部２２ｂからｚ軸のマイナス方向に向かって突出する凸形状の部位である。リブ２４は、複数の第１リブ２４ａと、複数の第２リブ２４ｂとを有する。

【0038】

第１リブ２４ａは、流路２０ｄの周りに配置されている。複数の第１リブ２４ａは、頂部の高さが外周部２１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第１リブ２４ａのそれぞれは、図４に示すように、流路２０ｄから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第１リブ２４ａの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第１リブ２４ａのそれぞれの頂部には、流路２０ｄを囲むように配置される円弧状の溝２４ｃ、２４ｄが形成されている。

【0039】

第２リブ２４ｂは、第１リブ２４ａに比べ、流路２０ｄから離れた位置に配置されている。複数の第２リブ２４ｂのそれぞれは、頂部の高さが外周部２１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第２リブ２４ｂは、図４に示すように、流路２０ｄから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第２リブ２４ｂの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第２リブ２４ｂのそれぞれの頂部には、直線状に配置される溝２４ｅ、２４ｆが形成されている。

【0040】

ガスケット押え２５は、凹部２２ａと孔部２２ｃとの境界に沿って長尺状に形成されており、両端が外周部２１に接続されている。ガスケット押え２５は、アノード側スペーサ２０において、ｚ軸のマイナス側に設けられている。これにより、ガスケット押え２５は、バイポーラプレート１０とアノード側スペーサ２０との間にガスケット３１が積層されるとき、ガスケット３１に接触し、ガスケット３１がマニフォルド部２２に落ちることを抑制する。ガスケット押え２５には、ｚ軸のプラス側に、複数の突起２５ａが設けられている。複数の突起２５ａは、積層方向において、外周部２１から突出するように形成されており、アノード側スペーサ２０と膜電極接合部４０との間にガスケット３６が積層されるとき、ガスケット３６に接触し、ガスケット３６がマニフォルド部２２に落ちることを抑制する。ガスケット押え２５は、特許請求の範囲の「長尺状部」に該当する。

【0041】

ガスケット押え２６は、凹部２２ｂと孔部２２ｃとの境界に沿って長尺状に形成されており、両端が外周部２１に接続されている。ガスケット押え２６は、アノード側スペーサ２０において、ｚ軸のマイナス側に設けられている。これにより、ガスケット押え２６は、バイポーラプレート１０とアノード側スペーサ２０との間にガスケット３１が積層されるとき、ガスケット３１に接触し、ガスケット３１がマニフォルド部２２に落ちることを抑制する。ガスケット押え２６には、ｚ軸のプラス側に、複数の突起２６ａが設けられている。複数の突起２５ａは、積層方向において、外周部２１から突出するように形成されており、アノード側スペーサ２０と膜電極接合部４０との間にガスケット３６が積層されるとき、ガスケット３６に接触し、ガスケット３６がマニフォルド部２２に落ちることを抑制する。ガスケット押え２６は、特許請求の範囲の「長尺状部」に該当する。

【0042】

図７は、水電解セル１に備えられているカソード側スペーサ５０を膜電極接合部４０側から見た図である。図８は、水電解セル１に備えられているカソード側スペーサ５０を、水電解セル１に隣り合う別の水電解セル１が備えるバイポーラプレート１０Ａ（図１参照）側から見た図である。次に、カソード側スペーサ５０の詳細な構造について説明する。カソード側スペーサ５０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、外周部５１と、マニフォルド部５２と、２つのリブ５３、５４と、２つのガスケット押え５５、５６と、を備える。本実施形態では、外周部５１と、マニフォルド部５２と、２つのリブ５３、５４と、２つのガスケット押え５５、５６とは、一体に形成されている。リブ５３、５４のそれぞれは、特許請求の範囲の「突起部」に該当する。

【0043】

外周部５１は、外形が長方形状の平板である。外周部５１には、外周部５１の内側に配置されているマニフォルド部５２の外側において、マニフォルド部５２を囲むように、複数の溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄが形成される。溝部５１ａと溝部５１ｂとは、外周部５１の膜電極接合部４０側の主面において、図７に示すように、マニフォルド部５２の開口を囲むように形成されている。本実施形態では、溝部５１ａと溝部５１ｂとは、平行となるように形成されている。溝部５１ｃと溝部５１ｄとは、図８に示すように、外周部５１のバイポーラプレート１０Ａ側の主面において、マニフォルド部５２の開口を囲むように形成されている。本実施形態では、溝部５１ｃと溝部５１ｄとは、平行となるように形成されている。

【0044】

外周部５１には、貫通孔１ａ、１ｄのそれぞれの一部である流路５０ａ、５０ｄが形成されている。流路５０ａについては、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のマイナス側の表面における流路５０ａの周囲に、流路５０ａを囲むように配置される環状の溝部５１ｅ、５１ｆが形成される（図７参照）。また、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のプラス側の表面における流路５０ａの周囲には、流路５０ａを囲むように配置される環状の溝部５１ｇ、５１ｈが形成される（図８参照）。流路５０ｄについては、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のマイナス側の表面における流路５０ｄの周囲に、流路５０ｄを囲むように配置される環状の溝５０ｉ、５０ｊが形成される（図７参照）。また、カソード側スペーサ５０のｚ軸方向のプラス側の表面における流路５０ｄの周囲には、流路５０ｄを囲むように配置される環状の溝５０ｋ、５０ｌが形成される（図８参照）。

【0045】

マニフォルド部５２は、図７および図８に示すようにカソード側スペーサ５０の略中央部に配置される略平行四辺形形状の部位である。マニフォルド部５２は、２つの凹部５２ａ、５２ｂと、孔部５２ｃと、を備える。

【0046】

凹部５２ａは、マニフォルド部５２において、ｘ軸方向のマイナス側に配置されている。凹部５２ａは、ｚ軸に垂直な断面形状が略三角形状に形成されており、ｚ軸方向のマイナス側が外周部５１に対して凹んでいる。凹部５２ａには、凹部５２ａのｘ軸方向のマイナス側であってｙ軸方向のプラス側の端に、貫通孔１ｂの一部である流路５０ｂが形成されている（図８参照）。凹部５２ａのｚ軸方向のマイナス側には、流路５０ａの周りに、溝部５２ｄが形成されている（図７参照）。

【0047】

凹部５２ｂは、マニフォルド部５２において、ｘ軸方向のプラス側に配置されている。凹部５２ｂは、ｚ軸に垂直な断面形状が略三角形状に形成されており、ｚ軸方向のプラス側が外周部５１に対して凹んでいる。凹部５２ｂには、凹部５２ｂのｘ軸方向のプラス側であってｙ軸方向のマイナス側の端に、貫通孔１ｃの一部である流路５０ｃが形成されている（図８参照）。凹部５２ｂのｚ軸方向のマイナス側には、流路５０ｃの周りに、溝部５２ｅが形成されている（図７参照）。

【0048】

孔部５２ｃは、凹部５２ａのｘ軸のプラス側の端部と凹部５２ｂのｘ軸のマイナス側の端部との間に配置されている。孔部５２ｃは、ｚ軸に垂直な断面形状が矩形形状に形成されており、流路構造体５７を収容している。流路構造体５７は、白金（Ｐｔ）がコーティングされているチタン（Ｔｉ）からなる多孔質体であり、電気伝導性を有する。流路構造体５７には、凹部５２ａと凹部５２ｂとの間を流れる流体の流路が複数形成されている。

【0049】

リブ５３は、凹部５２ａのｚ軸方向のプラス側に配置され、凹部５２ａからｚ軸のプラス方向に向かって突出する凸形状の部位である。リブ５３は、複数の第１リブ５３ａと、複数の第２リブ５３ｂと、を有する。

【0050】

第１リブ５３ａは、流路５０ａの周りに配置されている。複数の第１リブ５３ａのそれぞれは、頂部の高さが外周部５１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第１リブ５３ａは、図８に示すように、流路５０ｂから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第１リブ５３ａの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第１リブ５３ａのそれぞれの頂部には、流路５０ｂを囲むように配置される円弧状の溝５３ｃ、５３ｄが形成されている。

【0051】

第２リブ５３ｂは、第１リブ５３ａに比べ、流路５０ａから離れた位置に配置されている。複数の第２リブ５３ｂのそれぞれは、頂部の高さが外周部５１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第２リブ５３ｂは、図８に示すように、流路５０ａから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第２リブ５３ｂの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第２リブ５３ｂのそれぞれの頂部には、直線状に配置される溝５３ｅ、５３ｆが形成されている。

【0052】

リブ５４は、凹部５２ｂのｚ軸方向のプラス側に配置され、凹部５２ｂからｚ軸のプラス方向に向かって突出する凸形状の部位である。リブ５４は、複数の第１リブ５４ａと、複数の第２リブ５４ｂと、を有する。

【0053】

第１リブ５４ａは、流路５０ｃの周りに配置されている。複数の第１リブ５４ａは、頂部の高さが外周部５１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第１リブ５４ａのそれぞれは、図８に示すように、流路５０ｃから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第１リブ５４ａの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第１リブ５４ａのそれぞれの頂部には、流路５０ｃを囲むように配置される円弧状の溝５４ｃ、５４ｄが形成されている。

【0054】

第２リブ５４ｂは、第１リブ５４ａに比べ、流路５０ｃから離れた位置に配置されている。複数の第２リブ５４ｂのそれぞれは、頂部の高さが外周部５１の高さに揃うように形成されている（図１参照）。複数の第２リブ５４ｂは、図８に示すように、流路５０ｃから放射状に延びるように配置されており、隣り合う第２リブ５４ｂの間には、流体が流れる隙間が形成されている。複数の第２リブ５４ｂのそれぞれの頂部には、直線状に配置される溝５４ｅ、５４ｆが形成されている。

【0055】

ガスケット押え５５は、凹部５２ａと孔部５２ｃとの境界に沿って長尺状に形成されており、両端が外周部５１に接続されている。ガスケット押え５５は、カソード側スペーサ５０において、ｚ軸のプラス側に設けられている。これにより、ガスケット押え５５は、バイポーラプレート１０Ａとカソード側スペーサ５０との間にガスケット６６が積層されるとき、ガスケット６６に接触し、ガスケット６６がマニフォルド部５２に落ちることを抑制する。ガスケット押え５５には、ｚ軸のマイナス側に、複数の突起５５ａが設けられている。複数の突起５５ａは、積層方向において、外周部５１から突出するように形成されており、カソード側スペーサ５０と膜電極接合部４０との間にガスケット６１が積層されるとき、ガスケット６１に接触し、ガスケット６１がマニフォルド部５２に落ちることを抑制する。ガスケット押え５５は、特許請求の範囲の「長尺状部」に該当する。

【0056】

ガスケット押え５６は、凹部５２ｂと孔部５２ｃとの境界に沿って長尺状に形成されており、両端が外周部５１に接続されている。ガスケット押え５６は、カソード側スペーサ５０において、ｚ軸のプラス側に設けられている。これにより、ガスケット押え５６は、バイポーラプレート１０Ａとカソード側スペーサ５０との間にガスケット６６が積層されるとき、ガスケット６６に接触し、ガスケット６６がマニフォルド部５２に落ちることを抑制する。ガスケット押え５６には、ｚ軸のマイナス側に、複数の突起５６ａが設けられている。複数の突起５６ａは、積層方向において、外周部５１から突出するように形成されており、カソード側スペーサ５０と膜電極接合部４０との間にガスケット６１が積層されるとき、ガスケット６１に接触し、ガスケット６１がマニフォルド部５２に落ちることを抑制する。ガスケット押え５６は、特許請求の範囲の「長尺状部」に該当する。

【0057】

次に、本実施形態の水電解セル１の第１の特徴について説明する。水電解セル１では、バイポーラプレート１０と、アノード側スペーサ２０と、カソード側スペーサ５０のそれぞれに、アノード側スペーサ２０やカソード側スペーサ５０に形成されている流路や開口を囲むように、複数の溝が形成されている。

【0058】

図９は、水電解セル１の第１の特徴による作用を説明する模式図である。図９には、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とによって、膜電極接合部４０を介してガスケット３６とガスケット６１とを挟み込むときのガスケット３６とガスケット６１の変形を模式的に示している。図９（Ａ）には、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とを締結する前の状態を示しており、図９（Ｂ）には、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とが締結された後の状態を示している。

【0059】

図９に示すように、ガスケット３６とガスケット６１とが間に配置されているアノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とを締結すると、ガスケット３６の表面３６ａの一部が変形し、溝部２１ｃ、２１ｄの内側に突出する（図９（Ｂ）に示す突出部３７）。これより、アノード側スペーサ２０とガスケット３６との間にラビリンスシールが形成されるため、アノード側スペーサ２０とガスケット３６との間からのガスの漏れが抑制される。また、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とを締結すると、ガスケット６１の表面６１ｂの一部が変形し、溝部５１ａ、５１ｂの内側に突出する（図９（Ｂ）に示す突出部６３）。これより、カソード側スペーサ５０とガスケット６１との間にラビリンスシールが形成されるため、カソード側スペーサ５０とガスケット６１との間からのガスの漏れが抑制される。この状態において、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２と、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２とは、上述したラビリンスシールによってシール性が維持される。

【0060】

本実施形態の水電解セル１では、バイポーラプレート１０のガスケット３１側には、ガスケット３１の表面の一部を突出させる溝１１ｃ、１１ｄ、１２ｃ、１２ｄが形成されている（図１参照）。アノード側スペーサ２０のガスケット３１側には、ガスケット３１の表面の一部を突出させる２１ａ、２１ｂ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｉ、２１ｊが形成されている（図４参照）。アノード側スペーサ２０の膜電極接合部４０側には、ガスケット３６の表面の一部を突出させる２１ｃ、２１ｄ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｋ、２１ｌが形成されている（図５参照）。カソード側スペーサ５０の膜電極接合部４０側には、ガスケット６１の表面の一部を突出させる溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｉ、５１ｊが形成されている（図７参照）。カソード側スペーサ５０のバイポーラプレート１０Ａ側には、ガスケット６６の表面の一部を突出させる溝部５１ｃ、５１ｄ、５１ｇ、５１ｈ、５１ｋ、５１ｌが形成されている（図８参照）。水電解セル１が備えるガスケットの表面の一部は、隣り合うバイポーラプレートやスペーサの溝部に突出することで、内部からの流体の漏れを抑制することができる。

【0061】

次に、本実施形態の水電解セル１の第２の特徴について説明する。本実施形態の水電解セル１では、アノード側スペーサ２０のリブ２３、２４のそれぞれは、積層方向において、カソード側スペーサ５０に形成される溝部と重なる位置に、該溝部の延設方向に沿って並んで設けられている。また、カソード側スペーサ５０のリブ５３、５４のそれぞれは、積層方向において、アノード側スペーサ２０に形成される溝部と重なる位置に、該溝部の延設方向に沿って並んで設けられている。

【0062】

図１０は、第１実施形態の水電解セル１の透過拡大図である。図１１は、比較例の水電解セルの透過拡大図である。比較例の水電解セル９には、水電解セル１においてアノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２に設けられるリブ２３、２４と、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２に設けられるリブ５３、５４とが設けられていない。また、比較例の水電解セル９は、図１１に示すように、水電解セル１が備えるガスケット押え２５、２６、５５、５６を備えていない。

【0063】

比較例の水電解セル９は、図１１に示すように、カソード側スペーサ５０の溝部の一部が、積層方向（ｚ軸方向）において、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２に重なる。具体的には、図１１において、ドットによるハッチングで示す、溝部５１ｅ、５１ｆ、５１ｈ、５１ｇの一部と、溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの一部とが、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２に重なる。なお、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２には、アノード側スペーサ２０の溝部２１ｃ、２２ｄの一部も重なる。

【0064】

また、比較例の水電解セル９は、図１１に示すように、アノード側スペーサ２０の溝部の一部が、積層方向において、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２に重なる。具体的には、図１１において、ドットのハッチングで示す、溝部２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈの一部と、溝部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの一部とが、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２に重なる。なお、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２には、カソード側スペーサ５０の溝部５１ｃ、５１ｄの一部も重なる。

【0065】

比較例の水電解セル１では、上述したように、積層方向において、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の一方の溝部の一部が、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方のマニフォルド部に重なっている。このため、ガスケットのうち、マニフォルド部に面している表面は、スペーサによって支持されていないため、ガスケットが溝部の内側に向かって変形しにくくなり、ガスケットによるシール性を維持しにくくなる。

【0066】

一方、本実施形態の水電解セル１では、積層方向において、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の一方のマニフォルド部には、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方の溝部が重なる位置にリブが設けられている（図１０参照）。具体的には、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２には、溝部５１ｅ、５１ｆ、５１ｈ、５１ｇの一部の延設方向に沿って並べられている第１リブ２３ａが設けられており、溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの一部の延設方向に沿って並べられている第２リブ２３ｂが設けられている。また、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２には、溝部２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈの一部の延設方向に沿って並べられている第１リブ５３ａが設けられており、溝部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの一部の延設方向に沿って並べられている第２リブ５３ｂが設けられている。これにより、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の一方では、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方の溝部が重なる位置において、マニフォルド部とリブとの厚みの合計は、マニフォルド部が形成されていない部位、例えば、外周部の厚みに近い値となる。したがって、マニフォルド部においてもガスケットを支持することができるため、アノード側スペーサ２０およびカソード側スペーサ５０に形成される溝部のエッジへの応力集中によってガスケットが変形しやすくなる。ガスケットが変形しやすくなると、溝部の内側への突出によってラビリンスシールが形成されやすくなるたため、ガスケットによるマニフォルド部のシール性を向上することができる。

【0067】

本実施形態の水電解セル１は、図１０で示した端部とは反対側の端部、すなわち、アノード側スペーサ２０の凹部２２ｂと、カソード側スペーサ５０の凹部５２ｂのそれぞれについても、同様の構成を備えている。具体的には、アノード側スペーサ２０の凹部２２ｂには、溝部５１ｉ、５１ｊ、５１ｋ、５１ｌの一部の延設方向に沿って並べられている第１リブ２４ａが設けられており、溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの一部の延設方向に沿って並べられている第２リブ２４ｂが設けられている。また、カソード側スペーサ５０の凹部５２ｂには、溝部２１ｉ、２１ｊ、２１ｋ、２１ｌの一部の延設方向に沿って並べられている第１リブ５４ａが設けられており、溝部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの一部の延設方向に沿って並べられている第２リブ５４ｂが設けられている。これにより、アノード側スペーサ２０のリブ２４と、カソード側スペーサ５０のリブ５４についても、上述したリブ２３、５３と同様の効果を奏する。

【0068】

図１２は、水電解セル１の作用を説明する図である。次に、水電解セル１の作用について説明する。水タンク５によって供給される水（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１１）がバイポーラプレート１０の流路１１を経由してアノード側スペーサ２０の流路２０ａを流れる。流路２０ａを流れる水の一部は、マニフォルド部２２の凹部２２ａを通って、流路構造体２７に流入する（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１２）。また、流路２０ａを流れる水のうち、凹部２２ａに流入しなかった残りの水は、流路２０ａを通って、水電解セル１に隣接する別の水電解セル１に供給される（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１３）。

【0069】

図１３は、水電解セル１の第１の部分断面図であって、流路２０ａから凹部２２ａを通って孔部２２ｃに向かう水の流れを説明するアノード側スペーサ２０の断面斜視図である。図１４は、水電解セル１の第２の部分断面図であって、図１３に示した水の流れを示す水電解セル１の拡大断面図である。図１３に示すように、流路２０ａから凹部２２ａに流入する水は、アノード側スペーサ２０におけるバイポーラプレート１０側（ｚ軸のマイナス側）を流れる。凹部２２ａに流入する水は、第１リブ２３ａにおける隣り合うリブの間と、第２リブ２３ｂにおける隣り合うリブの間と、を流れる。凹部２２ａを流れた水は、孔部２２ｃに流入する前に、バイポーラプレート１０側に配置されているガスケット押え２５によって、バイポーラプレート１０側から膜電極接合部４０側に移動する（図１４参照）。膜電極接合部４０側に移動した水は、ガスケット押え２５が有する複数の突起２５ａの間を通って、孔部２２ｃに収容されている流路構造体２７に流入する（図１４参照）。

【0070】

図１２に戻り、流路構造体２７に流入した水は、孔部２２ｃの全面に広がる（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１４）。流路構造体２７の全面に広がった水は、ほとんどが膜電極接合部４０のアノード側拡散層を通り、アノード側触媒層に到達する。アノード側触媒層は、電力供給部４によって供給されている電力を用いて、アノード側触媒層に到達した水から電気分解されて酸素ガスと水素イオンとを生成する。生成された酸素ガスは、電気分解されなかった水とともに、アノード側スペーサ２０の凹部２２ｂを通って、貫通孔１ｄを流れ、水電解セル１の外部に排出される（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１５）。

【0071】

アノード側触媒層において生成される水素イオンは、水の一部（随伴水）とともに電解質膜を通り（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１６）、カソード側電極に到達する。カソード側電極は、電力供給部４によって供給される電力を用いて、水素イオンから水素ガスを生成する。生成された水素ガスと随伴水は、流路構造体５７を経由して（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１７）、ガスケット押え５５の複数の突起５５ａの間を通る。複数の突起５５ａの間を通った水素ガスは、図１２に示すように、膜電極接合部４０側からバイポーラプレート１０Ａ側に移動し、第２リブ５３ｂにおける隣り合うリブの間と、第１リブ５３ａにおける隣り合うリブの間とを流れ、流路５０ｂを通って、水電解セル１の外部に排出される（図１２の二点鎖線矢印Ｆ１８）。

【0072】

以上説明した、本実施形態の水電解セル１によれば、水電解セル１では、アノード側スペーサ２０には、マニフォルド部２２を囲むように、溝部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄなどが形成されている。また、カソード側スペーサ５０には、マニフォルド部５２を囲むように、溝部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄなどが形成されている。アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とが積層されるとき、これらの溝部の内側に向かってガスケット３６、６１の表面を変形し突出させることで、ガスケット３６、６１および膜電極接合部４０と、アノード側スペーサ２０と、カソード側スペーサ５０との間のシール性を維持することができる。さらに、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２には、積層方向において、カソード側スペーサ５０の溝部の延設方向に沿って並べられているリブ２３、２４が設けられる。また、カソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２には、積層方向において、アノード側スペーサ２０の溝部の延設方向に沿って並べられているリブ５３、５４が設けられる。これにより、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の一方では、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方の溝部が重なる位置において、マニフォルド部と突起部との厚みの合計は、外周部の厚みに近い値となる。すなわち、水電解セル１は、積層方向で溝部と重なる位置には隙間が少なくなるため、積層方向の構造強度を大きくすることができる。これにより、積層方向における溝部と重なる位置では、溝部の内側に向かって表面が変形しやすいように、ガスケット３１、３６、６１、６６を支持することができる。また、リブ２３、２４は、マニフォルド部２２において、流体が流通可能な隙間を、隣接するリブの間に形成している。リブ５３、５４は、マニフォルド部５２において、流体が流通可能な隙間を、隣接するリブの間に形成している。このように、リブ２３、２４、５３、５４は、マニフォルド部２２、５２において、流体が流通可能な隙間を、隣接するリブの間に形成するため、マニフォルド部２２、５２における流体の流通を妨げにくくなっている。したがって、マニフォルド部２２、５２において流体を流通させつつ、ガスケット３１、３６、６１、６６によるマニフォルド部２２、５２のシール性を向上することができる。

【0073】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０のそれぞれにおいて、マニフォルド部とリブとの厚みの合計は、外周部の厚みに近い値となる。これにより、２つのバイポーラプレート１０、１０Ａの間に積層されている部材どうしの物理的な接触状態が把握しやすくなるため、２つのバイポーラプレート１０、１０Ａの間における電気抵抗を比較的容易に管理することができる。

【0074】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０では、マニフォルド部２２とリブ２３、２４とは一体に形成されており、カソード側スペーサ５０では、マニフォルド部５２とリブ５３、５４とは一体に形成されている。これにより、リブをマニフォルド部とは別部品とする場合に比べ、構造強度を維持しつつ、隣り合うリブの間の断面積を大きくすることができる。

【0075】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０において、第１リブ２３ａの頂部には、カソード側スペーサ５０の溝部５１ｅなどの延設方向に沿った方向に延びる溝２３ｃ、２３ｄが形成されている。また、第２リブ２３ｂの頂部には、カソード側スペーサ５０の溝部５１ａなどの延設方向に沿った方向に延びる溝２３ｅ、２３ｆが形成されている。第１リブ２４ａの頂部には、カソード側スペーサ５０の溝部５１ｉなどの延設方向に沿った方向に延びる溝２４ｃ、２４ｄが形成されている。第２リブ２４ｂの頂部には、カソード側スペーサ５０の溝部５１ａなどの延設方向に沿った方向に延びる溝２４ｅ、２４ｆが形成されている。カソード側スペーサ５０において、第１リブ５３ａの頂部には、アノード側スペーサ２０の溝部２１ｅなどの延設方向に沿った方向に延びる溝５３ｃ、５３ｄが形成されている。また、第２リブ５３ｂの頂部には、アノード側スペーサ２０の溝部２１ａなどの延設方向に沿った方向に延びる溝５３ｅ、５３ｆが形成されている。第１リブ５４ａの頂部には、アノード側スペーサ２０の溝部２１ｉなどの延設方向に沿った方向に延びる溝５４ｃ、５４ｄが形成されている。第２リブ５４ｂの頂部には、アノード側スペーサ２０の溝部２１ａなどの延設方向に沿った方向に延びる溝５４ｅ、５４ｆが形成されている。これにより、例えば、リブ２３の頂部に対向するガスケット３１の表面は、頂部に形成されている溝２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆの内側に向かって変形し、ガスケット３１とリブ２３との間のシール性を維持することができる。したがって、マニフォルド部２２、５２において、流体がガスケットとリブとの間を流れることを抑制することができるため、流体は、互いに隣接するリブの間を流れることができる。

【0076】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０のリブ２３、２４は、頂部の高さが、外周部２１の高さと揃うように形成されている。カソード側スペーサ５０のリブ５３、５４は、頂部の高さが、外周部５１の高さと揃うように形成されている。これにより、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とのそれぞれにおいて、マニフォルド部とリブとの積層方向における厚みの合計は、外周部の厚みとほとんど同じなるため、ガスケットがさらに変形しやすくなる。したがって、ガスケットによるマニフォルド部のシール性をさらに向上することができる。

【0077】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０は、凹部２２ａから孔部２２ｃに向かう水の流通方向を、凹部２２ａに沿った方向から、凹部２２ａに沿った方向と交差する方向に切り替えるガスケット押え２５を備える。また、アノード側スペーサ２０は、マニフォルド部２２における凹部２２ｂと孔部２２ｃとの境界に沿って長尺状に形成されているガスケット押え２６を備える。これにより、アノード側スペーサ２０では、ガスケット３６を凹部２２ａ、２２ｂによって押さえるとともに、ガスケット３１をガスケット押え２５、２６によって押さえることができる。さらに、凹部２２ａから孔部２２ｃに向かう水の流通方向を切り替えることによって、ＭＥＡ４２を介したカソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２への水素イオンや随伴水の供給を容易に行うことができる。

【0078】

また、本実施形態の水電解セル１において、膜電極接合部４０には、ナフィオンから形成される電解質膜が配置されており、ガスケット３６は、テフロン（登録商標）から形成されている。この場合、凹部２２ａ、２２ｂは、ガスケット３６を押さえているため、ガスケット３６と電解質膜との間に水が浸入することを抑制することができる。これにより、水との接触によって水電解質膜の膨潤を抑制することができるため、ナフィオン膜の膨潤によるガスケットの押出を起因とするマニフォルド部２２の断面積の低下を抑制することができる。

【0079】

また、本実施形態の水電解セル１において、ガスケット押え２５、２６のそれぞれには、積層方向において外周部２１から突出する複数の突起２５ａ、２６ａが形成されている。これにより、複数の突起２５ａ、２６ａは、ガスケット３６に接触し、ガスケット３６の孔部２２ｃへの落ち込みを抑制することができるため、孔部２２ｃの流路断面積の減少を抑制することができる。また、ガスケット押え５５、５６のそれぞれには、積層方向において外周部５１から突出する複数の突起５５ａ、５６ａが形成されている。これにより、複数の突起５５ａ、５６ａは、ガスケット６１に接触し、ガスケット６１の孔部５２ｃへの落ち込みを抑制することができるため、孔部５２ｃの流路断面積の減少を抑制することができる。

【0080】

また、本実施形態の水電解セル１において、アノード側スペーサ２０に水を供給することで酸素ガスと水素イオンを発生させつつ、カソード側スペーサ５０において、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０との間の膜電極接合部４０を介して供給される水素イオンから水素ガスを発生させる。この固体高分子形の水電解セル１が上述したような構成となることで、アノード側スペーサ２０のマニフォルド部２２を流れる水やカソード側スペーサ５０のマニフォルド部５２を流れる水素ガスなどが外部に漏れることを抑制することができる。

【0081】

＜第２実施形態＞
図１５は、第２実施形態の水電解セル２の作用を説明する第１の図である。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（図１）と比較すると、積層方向に対するスペーサの配置の向きと、スペーサの形状とが異なる。

【0082】

本実施形態の水電解セル２は、バイポーラプレート１０と、アノード側スペーサ７０と、膜電極接合部４０と、カソード側スペーサ８０と、ガスケット３１、３６、６１、６６と、を備える。アノード側スペーサ７０は、中央部に開口が形成される樹脂製の板状部材であって、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。カソード側スペーサ８０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４０のｚ軸方向のプラス側に配置されている。

【0083】

アノード側スペーサ７０は、外周部２１と、マニフォルド部２２と、２つのリブ２３、２４と、を備えている。アノード側スペーサ７０は、第１実施形態のアノード側スペーサ２０と比較すると、２つのガスケット押えを備えていないことと、図１５に示すように、２つのリブ２３、２４が膜電極接合部４０側に配置されていることとが異なる。

【0084】

カソード側スペーサ８０は、外周部５１と、マニフォルド部５２と、２つのリブ５３、５４と、を備えている。カソード側スペーサ８０は、第１実施形態のカソード側スペーサ８０と比較すると、２つのガスケット押えを備えていないことと、図１５に示すように、２つのリブ５３、５４が膜電極接合部４０側に配置されていることとが異なる。

【0085】

以上説明した、本実施形態の水電解セル２によれば、アノード側スペーサ７０のマニフォルド部２２には、積層方向において、カソード側スペーサ８０の溝部の延設方向に沿って並べられているリブ２３、２４が設けられる。また、カソード側スペーサ８０のマニフォルド部５２には、積層方向において、アノード側スペーサ７０の溝部の延設方向に沿って並べられているリブ５３、５４が設けられる。これにより、アノード側スペーサ７０またはカソード側スペーサ８０の一方では、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方の溝部が重なる位置においても、ガスケット３６、６１のマニフォルド部２２、５２への落ち込みを抑制し、ガスケット３１、３６、６１、６６を支持することができる。また、リブ２３、２４、５３、５４は、マニフォルド部２２、５２において、流体が流通可能な隙間を、隣接するリブの間に形成するため、マニフォルド部２２、５２における流体の流通を妨げにくくなっている。したがって、マニフォルド部２２、５２において流体を流通させつつ、ガスケット３１、３６、６１、６６によるマニフォルド部２２、５２のシール性を向上することができる。

【0086】

＜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。

【0087】

［変形例１］
上述の実施形態では、積層構造体としての水電解セルは、固体高分子形水電解槽に適用されるとした。しかしながら、積層構造体が適用される分野はこれに限定されない。水素と酸素との化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池が備えるセルに適用されてもよい。

【0088】

［変形例２］
上述の実施形態では、リブは、頂部の高さが、外周部の高さと揃うように形成されるとした。しかしながら、リブの頂部の高さと、外周部の高さとの関係は、これに限定されない。リブの頂部の高さと、外周部の高さとが揃うことによって、ガスケットがさらに変形しやすくなるため、ガスケットによるマニフォルド部のシール性をさらに向上することができる。

【0089】

［変形例３］
上述の実施形態では、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の一方のリブの頂部には、アノード側スペーサ２０またはカソード側スペーサ５０の他方に形成される溝部の延設方向に沿った方向に延びる溝が形成されるとした。しかしながら、リブの頂部には、溝はなくてもよい。

【0090】

［変形例４］
第１実施形態では、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とのそれぞれは、ガスケット押え２５、２６、５５、５６を有するとした。しかしながら、ガスケット押えはなくてもよい。

【0091】

図１６は、水電解セルの第１の変形例の模式図である。図１６に示す水電解セル１のように、ガスケット押えがなくても、リブによって、マニフォルド部においてもガスケットを支持することができるため、ガスケットが変形しやすくなり、ガスケットによるマニフォルド部のシール性を向上することができる。また、アノード側スペーサ２０とカソード側スペーサ５０とのいずれか一方に、ガスケット押えがあってもよい。

【0092】

［変形例５］
第２実施形態では、アノード側スペーサ７０とカソード側スペーサ８０とのそれぞれは、ガスケット押えを有しないとした。しかしながら、ガスケット押えを有していてもよい。

【0093】

図１７は、水電解セルの第２の変形例の模式図である。図１７に示す水電解セル２は、アノード側スペーサ７０がガスケット押え２５、２６を備えており、カソード側スペーサ８０がガスケット押え５５、５６を備えている。これにより、ガスケット押え２５、２６によってガスケット３１を押さえることができるとともに、ガスケット押え５５、５６によってガスケット６６を押さえることができる。したがって、ガスケット３１の孔部２２ｃへの落ち込みと、ガスケット６６の孔部５２ｃの落ち込みとを抑制することができる。

【0094】

［変形例６］
上述の実施形態では、マニフォルド部２２、５２のそれぞれに収容される流路構造体２７、５７は、複数の流路を有する多孔質体であるとした。しかしながら、流路構造体の構成はこれに限定されない。

【0095】

図１８は、水電解セルの第３の変形例の模式図である。図１８に示す水電解セル１では、マニフォルド部２２、５２に収容される流路構造体２８、５８は、ＭＥＡ４２側に流路２８ａ、５８ａを有する。凹部２２ａを流れる水は、流路２８ａを流れることで酸素ガスと水素イオンを発生させる。発生した水素イオンは、ＭＥＡ４２を通って、流路５８ａに送られる。流路５８ａでは、水素イオンから水素ガスを発生させる。スペーサの流路構造体がこのような構成であっても、リブとガスケット押えによってガスケットを支持することができるため、ガスケットが変形しやすくなる。これにより、ガスケットによるマニフォルド部のシール性を向上することができる。

【0096】

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】

【0097】

１，２…水電解セル
３…水電解槽
６…水電解装置
１０，１０Ａ…バイポーラプレート
２０，７０…アノード側スペーサ
２１…外周部
２１ｃ，２１ｄ，５１ａ，５１ｂ…溝部
２２，５２…マニフォルド部
２２ａ，２２ｂ，５２ａ，５２ｂ…凹部
２２ｃ，５２ｃ…孔部
２３，２４，５３，５４…リブ
２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ，５３ｃ，５３ｄ，５３ｅ，５３ｆ，５４ｃ，５４ｄ，５４ｅ，５４ｆ…溝
２５ａ，２６ａ，５５ａ，５６ａ…突起
３１，３６，６１，６６…ガスケット
５０，８０…カソード側スペーサ
５２ａ…凹部
５２ａ…マニフォルド部

【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】