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(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】2024-11-22
(45)【発行日】2024-12-02
(54)【発明の名称】電気化学セルおよび電気化学セルスタック
(51)【国際特許分類】
C25B 13/02 20060101AFI20241125BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20241125BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20241125BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20241125BHJP
【ＦＩ】
C25B13/02 302
C25B9/23
C25B9/77
C25B15/08 302
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021200341
(22)【出願日】2021-12-09
(65)【公開番号】P2023085988
(43)【公開日】2023-06-21
【審査請求日】2024-03-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100150717
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 和也
(74)【代理人】
【識別番号】100198029
【弁理士】
【氏名又は名称】綿貫 力
(72)【発明者】
【氏名】菊池 勇
【審査官】祢屋 健太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５５－１４８７８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国登録特許第１０－０８２７９２９（ＫＲ，Ｂ１）
【文献】特開昭５６－１０２５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第００１１１１４９（ＥＰ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ １３／００
Ｃ２５Ｂ ９／００
Ｃ２５Ｂ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
隔膜と、前記隔膜の一方の主面に配置されたアノード電極と、前記隔膜の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電極板と、前記電極板に積層される流路板であって、前記アノード電極に対向して配置され、アノード流体が流通するアノード流路と、前記カソード電極に対向して配置され、カソード流体が流通するカソード流路と、を有する流路板と、
前記電極板の外側に配置された電極板外枠と、
前記流路板の外側に配置された流路板外枠と、を備え、
前記電極板外枠および前記流路板外枠は、それぞれ積層方向に連通したアノード流体連通孔およびカソード流体連通孔を有し、
前記流路板外枠は、前記アノード流体連通孔と前記流路板の前記アノード流路とを連通するアノード連絡溝および前記カソード流体連通孔と前記流路板の前記カソード流路とを連通するカソード連絡溝のうちのいずれか一方の連絡溝を有し、
前記電極板外枠は、前記アノード連絡溝および前記カソード連絡溝のうちのいずれか他方の連絡溝を有する、電気化学セル。
【請求項2】
前記流路板は、平面視で前記アノード電極および前記カソード電極よりも外側に突出した突出部を有し、前記突出部は、前記アノード流路または前記カソード流路から連続した流路を有し、
前記電極板外枠の前記連絡溝は、前記電極板まで延びておらず、積層方向において前記突出部の前記流路と連通している、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項3】
前記電極板外枠は、複数のシート状の部材が重ね合わされて形成されている、請求項１または２に記載の電気化学セル。
【請求項4】
前記流路板外枠は、複数のシート状の部材が重ね合わされて形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項5】
前記アノード流路および前記カソード流路は、前記流路板に形成された複数の凸部を含み、前記流路板を前記電極板を挟んで互いに面内で１８０度回転させて積層した場合に、前記アノード流路の前記凸部と前記カソード流路の前記凸部とが前記電極板を挟んで互いに対向するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項6】
互いに積層された複数の請求項１～５のいずれか一項に記載の電気化学セルを備える、電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施の形態は、電気化学セルおよび電気化学セルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学セルは、電解質膜等の隔膜を挟んで配置されたアノード電極およびカソード電極の少なくとも一方に液体もしくは気体または液体と気体の混合体からなる流体（以下、アノード流体、カソード流体等と称する）を供給した状態で、アノード電極とカソード電極の間に外部から電位差を付与し電流を流して、イオン化した物質が隔膜を通過させられることで、電気化学反応を発生させる。例えば、アノード側に水（Ｈ２Ｏ）を供給し、カソード出口側から水素（Ｈ２）を取り出す水電解や、アノード側に水（Ｈ２Ｏ）、カソード側に二酸化炭素（ＣＯ２）を供給し、カソード出口側から一酸化炭素（ＣＯ）を取り出す二酸化炭素電解等に用いられる。また、アノード流体またはカソード流体には、電気化学反応を促進する目的で、反応に必要な液体に少量のイオン性物質を溶解させた電解質溶液が用いられる場合もある。
【0003】
アノード電極とカソード電極にアノード流体とカソード流体をそれぞれ供給するために、アノード電極とカソード電極に隣接して流路板が設置される。流路板にはアノード流体およびカソード流体が流通するための流路が形成されており、更に電極板と流路板を複数積層した状態でそれぞれの電極が直列に接続されるように、流路板は導電性の物質で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第６３８５７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、アノード流体またはカソード流体は、純水を使用しても流体中に混入する不純物の影響で導電率をゼロにすることは困難である。このため、積層された流路板の連通孔を通して、異なる流路板の間で電流が流れ、電気化学反応のために使用すべき電流の一部がリーク電流として消費されてしまう。また、流体として電解質溶液を使用する場合には、更に導電率が増加してしまい、リーク電流も増加する。アノード流体またはカソード流体が主に気体の流体であっても、含有されている物質の一部が凝縮して連通孔の壁面に付着することで、同様にリーク電流が発生する原因となる。
【0006】
このような問題に対処するため、電極板の外側に電極板外枠を配置するとともに、流路板の外側に流路板外枠を配置する方法が考えられる。電極板外枠および流路板外枠には、電気化学セルの外部からアノード流体やカソード流体を供給するための連通孔が設けられる。連通孔からのアノード流体およびカソード流体は、流路板外枠の両面にそれぞれ配置された連絡溝を通って、流路板の両面にそれぞれ配置された流路に流通する。ここで、電極板外枠および流路板外枠とアノード流体およびカソード流体とのそれぞれの接触部分は、電気絶縁性の材料で構成される。このことにより、連通孔と流路板の間の流路において流体と接する部分が絶縁される。このため、電極板を挟んで隣接する流路板の間に流れるリーク電流を低減することができる。
【0007】
しかしながら、このように流路板外枠の両面に連絡溝を配置する構成では、流路板外枠の厚さが厚くなり、電気化学セルの厚さが厚くなってしまう。このため、複数の電気化学セルが積層された電気化学セルスタックが大型化してしまうという課題がある。
【0008】
本実施の形態は、このような点に鑑み、厚さを低減することができる電気化学セルおよび電気化学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】
【0009】
実施の形態による電気化学セルは、隔膜と、隔膜の一方の主面に配置されたアノード電極と、隔膜の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電極板と、電極板に積層される流路板であって、アノード電極に対向して配置され、アノード流体が流通するアノード流路と、カソード電極に対向して配置され、カソード流体が流通するカソード流路と、を有する流路板と、電極板の外側に配置された電極板外枠と、流路板の外側に配置された流路板外枠と、を備える。電極板外枠および流路板外枠は、それぞれ積層方向に連通したアノード流体連通孔およびカソード流体連通孔を有する。流路板外枠は、アノード流体連通孔と流路板のアノード流路とを連通するアノード連絡溝およびカソード流体連通孔と流路板のカソード流路とを連通するカソード連絡溝のうちのいずれか一方の連絡溝を有し、電極板外枠は、アノード連絡溝およびカソード連絡溝のうちのいずれか他方の連絡溝を有する。
【0010】
また、実施の形態による電気化学セルスタックは、互いに積層された複数の上述した電気化学セルを備える。
【発明の効果】
【0011】
本実施の形態によれば、電気化学セルの厚さを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による電気化学セルおよび電気化学セルスタックについて説明する。
【0014】
【0015】
図１は、本実施の形態による電気化学セルスタック１の斜視図である。図１に示すように、本実施の形態による電気化学セルスタック１は、互いに積層された複数の電気化学セル２を備えている。電気化学セルスタック１は、複数の電気化学セル２が積層されて構成されている。
【0016】
また、図１に示すように、電気化学セルスタック１は、絶縁板３と集電板４と締付板５とを備えている。絶縁板３は、板状の絶縁体である。絶縁板３は、積層された複数の電気化学セル２の積層方向における両側にそれぞれ配置されている。集電板４は、板状の導電体である。集電板４は、それぞれの絶縁板３に埋め込まれていてもよい。集電板４は、外側に向けて延び出た端子４ａを有している。この端子４ａは、ケーブル等を介して外部の電源と電気的に接続される。これにより、外部の電源から各電気化学セル２に電圧を付与し電流を流すことができる。締付板５は、各電気化学セル２および絶縁板３の積層方向における両側にそれぞれ配置されている。締付板５は、各電気化学セル２を互いに近接する方向に締付けている。締付板５は、タイロッド６により固定されていてもよい。締付板５は、タイロッド６による締付力により、各電気化学セル２を互いに近接する方向に締付けていてもよい。
【0017】
また、図１に示すように、締付板５は、アノード流体流入孔７ａ、アノード流体流出孔７ｂ、カソード流体流入孔７ｃおよびカソード流体流出孔７ｄを有している。これらの流入孔７ａ、７ｃおよび流出孔７ｂ、７ｄは、締付板５を貫通している。アノード流体流入孔７ａは、後述する電気化学セル２のアノード流体入口連通孔１２、２２と連通している。アノード流体流出孔７ｂは、後述する電気化学セル２のアノード流体出口連通孔１３、２３と連通している。カソード流体流入孔７ｃは、後述する電気化学セル２のカソード流体入口連通孔１４、２４と連通している。カソード流体流出孔７ｄは、後述する電気化学セル２のカソード流体出口連通孔１５、２５と連通している。アノード流体流入孔７ａには、外部から供給されたアノード流体が流入する。各電気化学セル２による電気化学反応後のアノード流体は、アノード流体流出孔７ｂから外部に流出する。カソード流体流入孔７ｃには、外部から供給されたカソード流体が流入する。各電気化学セル２による電気化学反応後のカソード流体は、カソード流体流出孔７ｄから外部に流出する。
【0018】
図２は、本実施の形態による電気化学セル２の斜視図である。図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図２および図３に示すように、本実施の形態による電気化学セル２は、電極板１０および電極板外枠１１と、流路板２０および流路板外枠２１と、を備えている。電気化学セル２は、電極板１０および電極板外枠１１と、流路板２０および流路板外枠２１とを一組として、これらを積層した構造を有している。
【0019】
図４は、本実施の形態による電極板１０と電極板外枠１１を分解して示す斜視図である。図５は、本実施の形態による電極板１０と電極板外枠１１の平面図である。図６は、図５の電極板１０と電極板外枠１１を裏側から見た図である。図７は、図５のＢ－Ｂ線断面図である。
【0020】
図４に示すように、本実施の形態による電極板１０は、隔膜１６と、アノード電極１７と、カソード電極１８と、を有している。アノード電極１７およびカソード電極１８は、隔膜１６を挟んで配置されている。すなわち、隔膜１６の両側にアノード電極１７およびカソード電極１８がそれぞれ配置されている。アノード電極１７は、隔膜１６の一方の主面（図４および図７における上側）に配置され、カソード電極１８は、隔膜１６の他方の主面（図４および図７における下側）に配置されている。
【0021】
隔膜１６は、固体高分子膜（イオン交換膜）や固体電解質膜（電解質膜）等のイオン濾過膜であってもよい。アノード電極１７およびカソード電極１８は、カーボンまたは金属を原料としたガス透過性を有する基材に、ニッケル、イリジウム、金、銀または白金等の金属や、酸化ニッケル、二酸化イリジウムまたは酸化コバルト等の金属酸化物を含む触媒が付着されて構成されていてもよい。
【0022】
図４に示すように、隔膜１６、アノード電極１７およびカソード電極１８は、それぞれ平板状に形成されていてもよい。図４に示すように、カソード電極１８は、隔膜１６と同じ平面サイズを有していてもよい。一方、アノード電極１７は、隔膜１６よりも小さい平面サイズを有していてもよい。このことにより、図４および図７に示すように、アノード電極１７と隔膜１６との間に段差が形成されていてもよい。
【0023】
図４～図７に示すように、電極板１０の外側には、電極板外枠１１が配置されている。電極板外枠１１は、電極板１０に接合されている。電極板外枠１１は、電極板１０の外周部に接合されていてもよい。また、図４および図７に示すように、電極板１０のアノード電極１７と隔膜１６との間の段差の部分を覆うように電極板外枠１１が積層方向に重ね合わされて接合されていてもよい。この場合、電極板１０と電極板外枠１１との接合部の接合面積を広くすることができ、接合部でのシール性を向上させることができる。
【0024】
図４～図７に示すように、電極板外枠１１は、アノード流体入口連通孔１２、アノード流体出口連通孔１３、カソード流体入口連通孔１４およびカソード流体出口連通孔１５を有している。これらの連通孔１２、１３、１４、１５は、それぞれ電極板１０から離れた位置に設けられている。これらの連通孔１２、１３、１４、１５は、厚さ方向（積層方向）においてそれぞれ電極板外枠１１を貫通している。
【0025】
また、図４および図５に示すように、電極板外枠１１は、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂを有している。アノード連絡溝１９ａは、アノード流体入口連通孔１２と後述する流路板２０のアノード流路２６とを連通している。すなわち、アノード連絡溝１９ａは、アノード流体入口連通孔１２から流路板２０のアノード流路２６にアノード流体を流通させる。アノード連絡溝１９ｂは、流路板２０のアノード流路２６とアノード流体出口連通孔１３とを連通している。すなわち、アノード連絡溝１９ｂは、流路板２０のアノード流路２６からアノード流体出口連通孔１３にアノード流体を流通させる。
【0026】
図４および図５に示すように、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、電極板外枠１１の表面に形成された複数の溝部を含んでいてもよい。すなわち、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、内部をアノード流体が流通する複数の溝部で構成されていてもよい。また、図４および図５に示すように、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、連通孔１２、１３から延び出ていてもよい。一方、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、電極板１０までは延びていなくてもよい。すなわち、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、電極板１０から離間していてもよい。図４および図５に示すように、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、複数の屈曲部を有するサーペンタイン型流路であってもよい。
【0027】
また、図４および図５に示すように、電極板外枠１１は、積層シール部材３０を有していてもよい。積層シール部材３０は、アノード流体入口連通孔１２、アノード連絡溝１９ａ、電極板１０、アノード連絡溝１９ｂおよびアノード流体出口連通孔１３を囲むように設けられていてもよい。また、積層シール部材３０は、カソード流体入口連通孔１４を囲むように設けられていてもよい。また、積層シール部材３０は、カソード流体出口連通孔１５を囲むように設けられていてもよい。
【0028】
積層シール部材３０は、電極板１０および電極板外枠１１と流路板２０および流路板外枠２１とを積層したときに、部材間の隙間からアノード流体やカソード流体が外部に流出しないようにその隙間をシールするための部材である。積層シール部材３０は、ゴム等の弾性体であってもよい。この場合、電極板１０および電極板外枠１１と流路板２０および流路板外枠２１とを積層して互いに近接する方向に締付けたときに、電極板外枠１１と流路板外枠２１との間で積層シール部材３０が圧縮され、その反力によって部材間の隙間をシールすることができる。あるいは、シール部材３０は、接着剤であってもよい。この場合、電極板１０および電極板外枠１１と流路板２０および流路板外枠２１とを積層して互いに近接する方向に締付けたときに、電極板外枠１１と流路板外枠２１とが互いに接着され、部材間の隙間をシールすることができる。
【0029】
電極板外枠１１は、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム等のゴム材料等の電気絶縁性の材料から構成されていてもよい。あるいは、電極板外枠１１は、導電性の基材の表面に電気絶縁性の材料が被膜されて構成されていてもよい。電極板外枠１１は、少なくともアノード流体およびカソード流体と接する部分に電気絶縁性の材料が設けられていればよい。
【0030】
図８は、本実施の形態による流路板２０と流路板外枠２１を分解して示す斜視図である。図９は、本実施の形態による流路板２０と流路板外枠２１の平面図である。図１０は、図９の流路板２０と流路板外枠２１を裏側から見た図である。図１１は、図９のＣ－Ｃ線断面図である。
【0031】
図８～図１１に示すように、本実施の形態による流路板２０は、アノード流路２６と、カソード流路２８と、を有している。アノード流路２６およびカソード流路２８は、流路板２０の両面にそれぞれ配置されている。アノード流路２６は、流路板２０のアノード電極１７の側の面（図８および図１１における下側）に配置され、カソード流路２８は、流路板２０のカソード電極１８の側の面（図８および図１１における上側）に配置されている。アノード流路２６は、電極板１０のアノード電極１７に対向して配置される。カソード流路２８は、電極板１０のカソード電極１８に対向して配置される。
【0032】
アノード流路２６は、アノード流体が流通するように構成されている。図１０および図１１に示すように、アノード流路２６は、流路板２０の一側の主面から凹んだ複数の凹部を含んでいてもよい。すなわち、アノード流路２６は、内部をアノード流体が流通する複数の凹部で構成されていてもよい。ここで、アノード流路２６は、流路板２０の溝底部（凹部の底）から突出した複数の凸部を含んでいるということもでき、アノード流路２６は、隣り合う凸部間をアノード流体が流通する複数の凸部で構成されているということもできる。図１０に示すように、アノード流路２６は、複数の屈曲部を有するサーペンタイン型流路であってもよい。
【0033】
カソード流路２８は、カソード流体が流通するように構成されている。図８、図９および図１１に示すように、カソード流路２８は、流路板２０の他側の主面から突出した複数の凸部を含んでいてもよい。すなわち、カソード流路２８は、隣り合う凸部間をカソード流体が流通する複数の凸部で構成されていてもよい。図８および図９に示すように、カソード流路２８は、複数の屈曲部を有するサーペンタイン型流路であってもよい。
【0034】
アノード流路２６およびカソード流路２８は、流路板２０となる薄板を一側の主面からプレス加工することにより形成されてもよい。すなわち、プレス加工により流路板２０の一側の主面に複数の凹部が形成されるとともに他側の主面に複数の凸部が形成され、その一側の主面に形成された複数の凹部をアノード流路２６とし、他側の主面に形成された複数の凸部をカソード流路２８としてもよい。アノード流路２６およびカソード流路２８をプレス加工により形成することにより、流路板２０の大量生産を容易化し、電気化学セル２の製造コストを低減することができる。
【0035】
また、図８～図１１に示すように、流路板２０は、平面視でアノード電極１７およびカソード電極１８よりも外側に突出した突出部２７ａ、２７ｂを有していてもよい。突出部２７ａは、後述する流路板外枠２１のカソード流体入口連通孔２４の側に向かって突出している。突出部２７ｂは、後述する流路板外枠２１のカソード流体出口連通孔２５の側に向かって突出している。
【0036】
図１０に示すように、突出部２７ａ、２７ｂには、アノード流路２６から連続した流路が設けられている。すなわち、アノード流路２６は、突出部２７ａ、２７ｂまで延びるように形成されている。突出部２７ａ、２７ｂのアノード流路２６は、積層方向において電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ａ、１９ｂの電極板１０側の端部に対向し、積層方向においてアノード連絡溝１９ａ、１９ｂと連通している。このため、電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ａを流通したアノード流体は、積層方向に流れて流路板２０のアノード流路２６に流入する。そして、流路板２０のアノード流路２６を流通したアノード流体は、積層方向に流れて電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ｂに流入する。
【0037】
また、図９に示すように、突出部２７ａ、２７ｂには、カソード流路２８から連続した流路が設けられている。すなわち、カソード流路２８は、突出部２７ａ、２７ｂまで延びるように形成されている。突出部２７ａ、２７ｂのカソード流路２８は、後述する流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ａ、２９ｂまで延び、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂと連通している。このため、流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ａを流通したカソード流体は、流路板２０のカソード流路２８に流入する。そして、流路板２０のカソード流路２８を流通したカソード流体は、流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ｂに流入する。
【0038】
流路板２０は、カーボン、カーボンと樹脂の混合物、金属等の導電性の材料から構成されていてもよい。あるいは、流路板２０は、導電性の材料の表面に、腐食電位を高くする、接触抵抗を低減する等の目的で導電性のコーティング剤が被膜されて構成されていてもよい。
【0039】
図８～図１１に示すように、流路板２０の外側には、流路板外枠２１が配置されている。流路板外枠２１は、流路板２０に接合されている。流路板外枠２１は、流路板２０の外周部に接合されていてもよい。また、図８および図１１に示すように、流路板２０の流路が形成されていない部分において流路板外枠２１が積層方向に重ね合わされて接合されていてもよい。この場合、流路板２０と流路板外枠２１との接合部の接合面積を広くすることができ、接合部でのシール性を向上させることができる。
【0040】
図８～図１１に示すように、流路板外枠２１は、アノード流体入口連通孔２２、アノード流体出口連通孔２３、カソード流体入口連通孔２４およびカソード流体出口連通孔２５を有している。これらの連通孔２２、２３、２４、２５は、それぞれ流路板２０から離れた位置に設けられている。これらの連通孔２２、２３、２４、２５は、厚さ方向（積層方向）においてそれぞれ流路板外枠２１を貫通している。
【0041】
図２および図３に示すように、電極板１０および電極板外枠１１と流路板２０および流路板外枠２１とが積層された状態において、連通孔２２、２３、２４、２５は、対応する連通孔１２、１３、１４、１５と重なっている。すなわち、アノード流体入口連通孔１２、２２、アノード流体出口連通孔１３、２３、カソード流体入口連通孔１４、２４およびカソード流体出口連通孔１５、２５は、それぞれ積層方向に連通している。また、アノード流体入口連通孔１２、２２はアノード流体流入孔７ａと連通し、アノード流体出口連通孔１３、２３はアノード流体流出孔７ｂと連通し、カソード流体入口連通孔１４、２４はカソード流体流入孔７ｃと連通し、カソード流体流出孔７ｄはカソード流体出口連通孔１５、２５と連通している。外部から供給されたアノード流体は、アノード流体流入孔７ａを通ってアノード流体入口連通孔１２、２２に流入する。アノード流路２６を流通した電気化学反応後のアノード流体は、アノード流体出口連通孔１３、２３からアノード流体流出孔７ｂを通って外部に流出する。外部から供給されたカソード流体は、カソード流体流入孔７ｃを通ってカソード流体入口連通孔１４、２４に流入する。カソード流路２８を流通した電気化学反応後のカソード流体は、カソード流体出口連通孔１５、２５からカソード流体流出孔７ｄを通って外部に流出する。
【0042】
また、図８および図９に示すように、流路板外枠２１は、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂを有している。カソード連絡溝２９ａは、カソード流体入口連通孔２４と流路板２０のカソード流路２８とを連通している。すなわち、カソード連絡溝２９ａは、カソード流体入口連通孔２４から流路板２０のカソード流路２８にカソード流体を流通させる。カソード連絡溝２９ｂは、流路板２０のカソード流路２８とカソード流体出口連通孔２５とを連通している。すなわち、カソード連絡溝２９ｂは、流路板２０のカソード流路２８からカソード流体出口連通孔２５にカソード流体を流通させる。
【0043】
図８および図９に示すように、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂは、流路板外枠２１の表面に形成された複数の溝部を含んでいてもよい。すなわち、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂは、内部をアノード流体が流通する複数の溝部で構成されていてもよい。また、図８および図９に示すように、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂは、連通孔２４、２５から流路板２０まで延びていてもよい。また、図８および図９に示すように、カソード連絡溝２９ａ、２９ｂは、直線状に延びる平行流型流路であってもよい。
【0044】
また、図８および図９に示すように、流路板外枠２１は、電極板外枠１１と同様、積層シール部材３０を有していてもよい。積層シール部材３０は、カソード流体入口連通孔２４、カソード連絡溝２９ａ、流路板２０、カソード連絡溝２９ｂおよびカソード流体出口連通孔２５を囲むように設けられていてもよい。また、積層シール部材３０は、アノード流体入口連通孔２２を囲むように設けられていてもよい。また、積層シール部材３０は、アノード流体出口連通孔２３を囲むように設けられていてもよい。
【0045】
流路板外枠２１は、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム等のゴム材料等の電気絶縁性の材料から構成されていてもよい。あるいは、流路板外枠２１は、導電性の基材の表面に電気絶縁性の材料が被膜されて構成されていてもよい。流路板外枠２１は、少なくともアノード流体およびカソード流体と接する部分に電気絶縁性の材料が設けられていればよい。
【0046】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用効果について説明する。ここでは、本実施形態による電気化学セルおよび電気化学セルスタックの動作について説明する。
【0047】
まず、電気化学セルスタック１にカソード流体およびアノード流体が供給される。電気化学セルスタック１に供給されたカソード流体は、カソード流体流入孔７ｃを通って各電気化学セル２のカソード流体入口連通孔１４、２４に流入する。続いて、カソード流体は、カソード流体入口連通孔１４、２４から流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ａに流入し、カソード連絡溝２９ａを流通する。次に、カソード連絡溝２９ａの流路板２０側の端部に到達したカソード流体は、流路板２０のカソード流路２８に流入する。そして、カソード流体は、電極板１０のカソード電極１８に接触しながら、カソード流路２８を流通する。
【0048】
また、電気化学セルスタック１に供給されたアノード流体は、アノード流体流入孔７ａを通って各電気化学セル２のアノード流体入口連通孔１２、２２に流入する。続いて、アノード流体は、アノード流体入口連通孔１２、２２から電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ａに流入し、アノード連絡溝１９ａを流通する。次に、アノード連絡溝１９ａの電極板１０側の端部に到達したアノード流体は、積層方向に流れて流路板２０のアノード流路２６に流入する。そして、アノード流体は、電極板１０のアノード電極１７に接触しながら、流路板２０のアノード流路２６を流通する。
【0049】
カソード電極１８に接触したカソード流体とアノード電極１７に接触したアノード流体の構成物質の少なくとも一部は電極に付着した触媒と反応してイオン化する。この状態で、電気化学セルスタック１の積層方向における両端に所定の電圧を付与すると、電極板１０の電気絶縁性の隔膜１６を挟んでカソード電極１８とアノード電極１７との間に電位差が生じる。これにより、流体中のイオン化した特定の物質が隔膜１６を通過することで、カソード流体とアノード流体の物質構成が変化する電気化学反応が発生する。
【0050】
例えば、アノード側に水（Ｈ２Ｏ）を供給することで、カソード出口側から水素（Ｈ２）を取り出す水電解の反応を得ることができる。また例えば、アノード側に水（Ｈ２Ｏ）を供給し、カソード側に二酸化炭素（ＣＯ２）を供給することで、カソード出口側から一酸化炭素（ＣＯ）を含む混合ガスを取り出す二酸化炭素電解の反応を得ることができる。
【0051】
電気化学反応後のカソード流体は、流路板２０のカソード流路２８から流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ｂに流入する。続いて、カソード流体は、流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ｂを流通する。次に、流路板外枠２１のカソード連絡溝２９ｂを流通したカソード流体は、カソード流体出口連通孔１５、２５に到達する。そして、カソード流体は、カソード流体出口連通孔１５、２５からカソード流体流出孔７ｄを通って外部に流出する。
【0052】
また、電気化学反応後のアノード流体は、流路板２０のアノード流路２６から積層方向に流れて電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ｂに流入する。続いて、アノード流体は、電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ｂに流通する。次に、電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ｂを流通したアノード流体は、アノード流体出口連通孔１３、２３に到達する。そして、アノード流体は、アノード流体出口連通孔１３、２３からアノード流体流出孔７ｂを通って外部に流出する。
【0053】
ここで、流路板外枠の両面にそれぞれ連絡溝を配置した場合、すなわち、流路板外枠の一側の面にアノード連絡溝を配置するとともに、流路板外枠の他側の面にカソード連絡溝を配置した場合、平面視でアノード連絡溝とカソード連絡溝とが重なる部分が生じ得る。この場合、各連絡溝は流路としての機能を確保するためにある程度の深さを有するため、当該連絡溝が重なる部分では流路板外枠の厚さが厚くなることが要求される。このため、流路板外枠の厚さが全体的に厚くなり、電気化学セルの厚さも厚くなってしまう。この結果、電気化学セルスタックが大型化してしまう。
【0054】
これに対して本実施の形態によれば、流路板外枠２１がカソード連絡溝２９ａ、２９ｂを有し、電極板外枠１１がアノード連絡溝１９ａ、１９ｂを有している。このようにアノード連絡溝１９ａ、１９ｂを電極板外枠１１に配置することにより、流路板外枠２１にアノード連絡溝１９ａ、１９ｂを配置することを不要にすることができる。このため、流路板外枠２１の厚さを低減することができ、電気化学セル２の厚さを低減することができる。この結果、電気化学セルスタック１を小型化することができる。
【0055】
また、本実施の形態によれば、電極板外枠１１のアノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、電極板１０まで延びておらず、積層方向において流路板２０の突出部２７ａ、２７ｂのアノード流路２６と連通している。このような構成により、電極板１０に流路を形成することなく、アノード連絡溝１９ａ、１９ｂとアノード流路２６とを連通させることができる。このため、電極板１０に流路を形成する場合よりも製造を容易化することができ、電気化学セル２の製造コストを低減することができる。
【0056】
【0057】
図１２および図１３に示す第２の実施の形態においては、電極板外枠および流路板外枠が、それぞれ複数のシート状の部材が重ね合わされて形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１～図１１に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１２および図１３において、図１～図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0058】
図１２は、本実施の形態による電極板１０と電極板外枠１１の断面図である。図１３は、本実施の形態による流路板２０と流路板外枠２１の断面図である。図１２は、第１の実施の形態の図７に対応する部分の断面図である。図１３は、第１の実施の形態の図１１に対応する部分の断面図である。
【0059】
図１２に示すように、本実施の形態による電極板外枠１１は、複数のシート状の部材（シート部材）が重ね合わされて形成されている。また、図１３に示すように、本実施の形態による流路板外枠２１は、複数のシート状の部材（シート部材）が重ね合わされて形成されている。
【0060】
図１２に示す例においては、電極板外枠１１は、２枚のシート部材１１ａ、１１ｂが重ね合わされて形成されている。シート部材１１ａは、アノード電極１７側（図１２における上側）に配置されており、シート部材１１ｂは、カソード電極１８側（図１２における下側）に配置されている。シート部材１１ａは、シート部材１１ａの内側部分が電極板１０のアノード電極１７と隔膜１６との間の段差の部分を覆うように配置されている。アノード連絡溝１９ａ、１９ｂは、シート部材１１ａに配置されており、シート部材１１ａを貫通するように形成されている。
【0061】
図１３に示す例においては、流路板外枠２１は、３枚のシート部材２１ａ、２１ｂ、２２ｃが重ね合わされて形成されている。シート部材２１ａは、カソード電極１８側（図１３における上側）に配置されており、シート部材２１ｂは、アノード電極１７側（図１３における下側）に配置されており、シート部材２１ｃは、シート部材２１ａとシート部材２１ｂの間に配置されている。カソード連絡溝２９ａ、２９ｂは、シート部材２１ａに配置されており、シート部材２１ａを貫通するように形成されている。
【0062】
各シート部材１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ｃは、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム等のゴム材料等の電気絶縁性の材料から構成されていてもよい。あるいは、流体に接しないシート部材２１ｂは、金属板等の剛性の高い材料から構成され、流体に接するシート部材１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２２ｃは、電気絶縁性の材料から構成されていてもよい。あるいは、流体に接するシート部材１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２２ｃは、金属板等の導電性の基材の表面に電気絶縁性の材料が被膜されて構成されていてもよい。流体に接するシート部材１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２２ｃは、少なくともアノード流体およびカソード流体と接する部分に電気絶縁性の材料が設けられていればよい。
【0063】
重ね合わされたシート部材１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ｃ間は、互いに近接する方向に締付けて密着させる、接触面を接着材で互いに接着する、部材の少なくとも一部に凹部を設け、凹部内にゴム材料等の弾性変形の比較的大きい部材を設置する等の方法により接合され、シールされてもよい。
【0064】
このように本実施の形態によれば、電極板外枠１１は、複数のシート状の部材が重ね合わされて形成されている。このことにより、電極板外枠１１を比較的安価に作製することができる。このため、電気化学セル２の製造コストを低減することができる。
【0065】
また、本実施の形態によれば、流路板外枠２１は、複数のシート状の部材が重ね合わされて形成されている、このことにより、流路板外枠２１を比較的安価に作製することができる。このため、電気化学セル２の製造コストを低減することができる。
【0066】
【0067】
図１４～図１６に示す第３の実施の形態においては、アノード流路およびカソード流路は、流路板を電極板を挟んで互いに面内で１８０度回転させて積層した場合に、アノード流路の凸部とカソード流路の凸部とが電極板を挟んで互いに対向するように構成されている点が主に異なり、他の構成は、図１～図１１に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１４～図１６において、図１～図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0068】
図１４は、本実施の形態による電気化学セルが複数積層された状態を示す斜視図である。図１５は、図１４を電気化学セル毎に分解して示す断面図である。図１６は、図１４のＤ－Ｄ線断面図である。図１４～図１６に示す例においては、４つの電気化学セル２が積層されている。
【0069】
図１５および図１６に示すように、本実施の形態による流路板２０は、電極板１０を挟んで互いに面内で１８０度回転されて積層されている。ここで、流路板２０のみが、電極板１０を挟んで互いに面内で１８０度回転されていてもよいし、流路板２０および流路板外枠２１が、電極板１０および電極板外枠１１を挟んで互いに面内で１８０度回転されていてもよい。図１５および図１６では、このように面内で１８０度回転された流路板を符号２０’、流路板外枠を符号２１’、そのような流路板２０’および流路板外枠２１’を含む電気化学セルを符号２’で示している。図１５および図１６に示す例においては、電気化学セル２と電気化学セル２’とが積層方向において交互に配置されている。
【0070】
また、本実施の形態においては、図１６に示すように、流路板２０のアノード流路２６の凸部と流路板２０’のカソード流路２８’の凸部とが電極板１０を挟んで互いに対向している。また、流路板２０’のアノード流路２６’の凸部と流路板２０のカソード流路２８の凸部とが電極板１０を挟んで互いに対向している。すなわち、本実施の形態による流路板２０のアノード流路２６およびカソード流路２８は、流路板２０を電極板１０を挟んで互いに面内で１８０度回転させて積層した場合に、アノード流路２６の凸部と流路板２０のカソード流路２８の凸部とが電極板１０を挟んで互いに対向するように構成されている。
【0071】
通常、同一の流路板を積層方向に複数積層した場合、流路板の各凸部は電極板を挟んで互いに対向せず、むしろ流路板の凸部と凹部が互いに対向する場合がある。この状態で、電極板と流路板を互いに近接する方向に締付けた場合、電極板が流路板の凸部から力を受けて、電極板が曲がったり破損したりするおそれがある。このことを回避するために、凸部の位置が異なる２種類の流路板を準備して、流路板の各凸部が電極板を挟んで互いに対向するように配置する方法もあるが、この場合、２種類の流路板を準備する必要があり、電気化学セルの製造コストが増大するおそれがある。
【0072】
これに対して本実施の形態によれば、アノード流路２６およびカソード流路２８は、流路板２０を電極板１０を挟んで互いに面内で１８０度回転させて積層した場合に、アノード流路２６の凸部と流路板２０のカソード流路２８の凸部とが電極板１０を挟んで互いに対向するように構成されている。このことにより、１種類の流路板２０により、流路板２０の各凸部を電極板１０を挟んで互いに対向させることができる。このため、電極板１０と流路板２０を互いに近接する方向に締付けた場合であっても、電極板１０が曲がったり破損したりすることを抑制することができる。また、電極板１０と流路板２０を締付ける締付力を増大させることができ、シール性能を向上させることができる。また、１種類の流路板２０により流路板２０の各凸部を電極板１０を挟んで互いに対向させることができるため、複数種類の流路板を準備する必要がなく、電気化学セル２の製造コストの増大を抑制することができる。
【0073】
以上述べた実施の形態によれば、電気化学セルの厚さを低減することができる。
【0074】
（その他の実施の形態）
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0075】
例えば、流路板の各流路の溝の幅、本数および断面形状、サーペンタイン型流路の屈曲回数および屈曲部の面取り形状、並びに平行流型流路の分岐部や合流部の形状等は図示の内容に限定されない。また、電極板外枠と流路板外枠の連通孔および連絡溝の形状等も図示の内容に限定されない。
【0076】
また、図１２および図１３にそれぞれ示す電極板外枠および流路板外枠の構成も図示の内容に限定されない。図１２に示す例においては、電極板外枠は、２枚のシート状の部材が重ね合わされて形成されているが、電極板外枠は、３枚以上のシート状の部材が重ね合わされて形成されていてもよい。図１３に示す例においては、流路板外枠は、３枚のシート状の部材が重ね合わされて形成されているが、流路板外枠は、２枚のシート状の部材あるいは４枚以上のシート状の部材が重ね合わされて形成されていてもよい。
【0077】
また、上述した実施の形態においては、流路板外枠がカソード連絡溝を有し、電極板外枠がアノード連絡溝を有している例について説明した。しかしながら、このことに限定されず、流路板外枠がアノード連絡溝を有し、電極板外枠がカソード連絡溝を有していてもよい。このような場合であっても、同様に、流路板外枠の厚さを低減することができ、電気化学セルの厚さを低減することができる。すなわち、流路板外枠が、アノード連絡溝およびカソード連絡溝のうちのいずれか一方の連絡溝を有し、電極板外枠が、アノード連絡溝およびカソード連絡溝のうちのいずれか他方の連絡溝を有していればよい。
【符号の説明】
【0078】
１：電気化学セルスタック、２：電気化学セル、１０：電極板、１１：電極板外枠、１２：アノード流体入口連通孔、１３：アノード流体出口連通孔、１４：カソード流体入口連通孔、１５：カソード流体出口連通孔、１６：隔膜、１７：アノード電極、１８：カソード電極、１９ａ、１９ｂ：アノード連絡溝、２０：流路板、２１：流路板外枠、２２：アノード流体入口連通孔、２３：アノード流体出口連通孔、２４：カソード流体入口連通孔、２５：カソード流体出口連通孔、２７ａ、２７ｂ：突出部、２９ａ、２９ｂ：カソード連絡溝
【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】
