(57)【要約】【課題】ポンプの動力を抑えつつ水電解の原料水を大量に水電解セルの反応領域に流して、好適な水電解処理を行う。【解決手段】水電解セル１０は、電解質膜の両側に給電体を配置してなる電極体２１の両側に、水素極側のセパレータ３１、酸素極側のセパレータ４１が設けられている。水電解セル１０は長方形であって、横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層される。水電解セル１０の下側の長辺に沿って設けられている連通口２４、３４、４４から上側の長辺に沿って設けられている連通口２３、３３、４３に向けて水電解の原料水が供給される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置を用いて水を電気分解する方法であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給することを特徴とする、水電解方法。
【請求項２】
電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置であって、
前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解セルの下側の長辺側に、水供給のための連通口が配置され、各水電解セルの上側の長辺側に、電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、水電解装置。
【請求項３】
前記長方形の各水電解セルの短辺側に、水素ガス排出用の連通口が配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載の水電解装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の水電解装置を用いた水電解システムであって、
前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
を有することを特徴とする、水電解システム。
【請求項６】
電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置を用いて、水電解運転と燃料電池運転を切り替えて行う方法であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
水電解運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解燃料電池一体型セル内に供給し、
燃料電池運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの短辺側から対向する短辺側に向けて、原料ガスを水電解燃料電池一体型セル内に供給することを特徴とする、水電解・燃料電池運転方法。
【請求項７】
電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置であって、
前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、
前記長方形の各水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側に、水電解運転の際の原料水供給のための連通口、及び冷却水供給のための連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの上側の長辺側に、水電解運転の際の電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置され、
各水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、水電解運転の際の水素ガス排出用の連通口、及び燃料電池運転の際の水素ガス供給用の連通口、及び空気または酸素ガス供給用の連通口が形成されていることを特徴とする、水電解・燃料電池装置。
【請求項８】
前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の水電解・燃料電池装置。
【請求項９】
水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口が形成され、水電解燃料電池一体型セルの電極面の最下部よりも、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口の最下部の方が下方に位置していることを特徴とする、請求項７または８のいずれか一項に記載の水電解・燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一項に記載の水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムであって、
前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、
前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、
前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形の水電解セルを用いた水電解方法、水電解装置、水電解システム、並びに、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを用いた水電解・燃料電池運転方法、水電解・燃料電池装置及び水電解・燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層して水電解装置として利用されている（特許文献１）。
【０００３】
より詳述すると、特許文献１の技術は、水電解の原料水を水流路に均等に分配して水流路全体に原料水を均一且つ確実に供給して水電解処理を行うことを目的としており、そのため水電解セルは水平に配置し、かつこれを鉛直方向に積層した構成を有している。具体的には、水供給連通孔と水流路とを連通する複数の入口連結流路が設けられるとともに、前記水供給連通孔は、前記複数の入口連結流路が開口する連通孔内側壁面及び前記連通孔内側壁面に対向する連通孔外側壁面が長尺な開口断面長円形状を有するようにしている。
【０００４】
これによって、原料水は、長円形状の水供給連通孔から複数の入口連結流路に均等に分岐された後、水流路に供給され、当該水流路では、特に水供給連通孔に近接する中央側に、水が優先的に流れることを阻止するようにしていた。その結果、水流路内で圧力損失のばらつきが発生することを抑え、水流路全域に水を均等に分配することになるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した従来技術は、水電解の原料水を水流路に均等に分配して水流路全体に原料水を均一且つ確実に供給して水電解処理を行うことを目的としてはいるが、各流路の長さに基づく圧力損失については格別示唆することはなく、また原料水を各水電解セルに対して大量に流すためには、別途原料水を供給するポンプの圧力を上げるなどする必要があった。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ポンプの動力を抑えつつ水電解の原料水を大量にセルの反応領域に流して、好適な水電解処理を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置を用いて水を電気分解する方法であって、前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給することを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルを横長かつ鉛直方向に配置し、さらにこれらを水平方向に積層し、水電解セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解セル内に供給するようにしたので、たとえば同一反応面積の下で考えると、水電解セルの下側の長辺側から原料水を対向する長辺側に向けて供給すると、その流路長は短辺方向であるから、まず供給する供給元（供給口）を長手方向に亘って長くとることができ、この点で原料水の流量を多くできる。そして流路長は短辺方向であるから、反応流路が短くなるので、圧損も低く抑えることができる。それゆえ、原料水を供給するポンプの動力を抑えつつ原料水を大量にセルの反応領域に流すことが可能である。
【００１０】
別な観点による本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各給電体の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを、複数積層した水電解装置であって、前記固体高分子形の水電解セルは長方形であって、かつ当該水電解セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の各水電解セルの下側の長辺側に、水供給のための連通口が配置され、各水電解セルの上側の長辺側に、電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置されていることを特徴としている。
【００１１】
かかる特徴を有する水電解装置においては、前記長方形の各水電解セルの短辺側に、水素ガス排出用の連通口が配置されていてもよい。
【００１２】
さらにまた前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されているものを用いることが好ましい。このようなセパレータとしては、その構成材としてたとえば、エンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等の公知のものを使用することができる。
【００１３】
またさらに別な観点によれば、本発明は、そのような水電解装置を用いた水電解システムであって、当該水電解装置に対して（直接的には、電解質膜の両側に給電体に対して）直流電力を供給する電源装置と、前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴としている。
【００１４】
さらに前記した水電解方法、水電解装置、水電解システムで採用した水電解セルの特徴に鑑み、さらに以下の発明を提案できる。
【００１５】
まず、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置を用いて、水電解運転と燃料電池運転を切り替えて行う方法であって、前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、水電解運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側から上側の長辺側に向けて、原料水を水電解燃料電池一体型セル内に供給し、燃料電池運転の際には、前記長方形の水電解燃料電池一体型セルの短辺側から対向する短辺側に向けて、原料ガスを水電解燃料電池一体型セル内に供給することを特徴とする、水電解・燃料電池運転方法。
【００１６】
また別な観点によれば、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各給・集電体の外側に配置した、固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを、複数積層した水電解・燃料電池装置であって、前記固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルは長方形であって、かつ当該水電解燃料電池一体型セルは横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層されており、前記長方形の各水電解燃料電池一体型セルの下側の長辺側に、水電解運転の際の原料水供給のための連通口、及び冷却水供給のための連通口が配置され、各水電解燃料電池一体型セルの上側の長辺側に、水電解運転の際の電解水と酸素ガスの排出用の連通口が配置され、各水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、水電解運転の際の水素ガス排出用の連通口、及び燃料電池運転の際の水素ガス供給用の連通口、及び空気または酸素ガス供給用の連通口が形成されていることを特徴とする、水電解・燃料電池装置が提案できる。
【００１７】
この場合、前記セパレータには、縦方向、横方向のいずれにも流体が流通可能な流路が形成されているものを用いることが好ましい。このセパレータは、前記したような、たとえば、エンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等の公知のものを使用することができる。
【００１８】
さらにまたかかる水電解・燃料電池装置において、水電解燃料電池一体型セルの短辺側に、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口が形成され、水電解燃料電池一体型セルの電極面の最下部よりも、空気又は酸素ガス、及び反応生成水が排出される連通口の最下部の方が下方に位置しているようにしてもよい。
【００１９】
そのような水電解・燃料電池装置を用いた水電解・燃料電池システムとして、例えば次のようなものを提案できる。すなわち、前記水電解・燃料電池装置に直流電力を供給する電源装置と、前記水電解・燃料電池装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水素ガスをシステム外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した酸素ガスをシステム外に放出する酸素ガス放出路と、前記水電解・燃料電池装置に水素ガスを供給する水素ガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置に酸素ガスまたは空気を供給するガス供給路と、前記水電解・燃料電池装置で発生した水をシステム外に放出する酸素ガス放出路と、を有することを特徴とする、水電解・燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、原料水を供給するポンプの動力を抑えつつ原料水を大量にセルの反応領域に流すことが可能であり、好適な水電解処理を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態にかかる水電解セルスタックを組み入れた水電解システムの系統の概略を示した説明図である。
【図２】実施の形態にかかる水電解セルスタックで使用された水電解セルの分解斜視図である。
【図３】実施の形態にかかる水電解セルスタックにおける酸素極側セパレータ上に流れる流体の様子を示す酸素極側セパレータの正面図である。
【図４】実施の形態にかかる水電解セルスタックにおける水素極側セパレータ上に流れる流体の様子を示す水素極側セパレータの正面図である。
【図５】実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックを組み入れた水電解・燃料電池システムの系統の概略を示した説明図である。
【図６】実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックで使用された固体高分子形の一体型セルにおける、水電解運転時の流体の流れる様子を示す分解斜視図である。
【図７】実施の形態にかかる水電解・燃料電池セルのスタックで使用された固体高分子形の一体型セルにおける、燃料電池運転時の流体の流れる様子を示す分解斜視図である。
【図８】電極の縦横比に対する流路圧損の倍率を示すグラフである。
【図９】固体高分子形の一体型セルにおけるセパレータにおいて、空気及び反応生成水が排出される連通口が、電極面の最下部及びシール材における下方側の最上部よりも、下側まで位置するように設定した様子を示す正面側の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について説明すると、図１は実施の形態にかかる水電解システム１の構成の概略を示しており、この水電解システム１においては、図２に示される固体高分子形の水電解セル（単位セル）１０を鉛直方向に正立させた状態で、複数枚直列に水平方向に接続、積層し、両側からエンドプレート１１、１２で挟持することによって構成された、水電解装置としての水電解セルスタック１３を有している。
【００２３】
水電解セル１０は、図２に示したように、電解質膜を両側から集電体で挟持した構成を有する電極体２１、及びこの電極体２１を両側から挟持する水素極側のセパレータ３１、酸素極側のセパレータ４１を有している。
【００２４】
電極体２１、水素極側のセパレータ３１、酸素極側のセパレータ４１には、夫々中央に、電極部分２２、当該電極部分２２に対応する領域３２、４２を有している。そして電極部分２２、領域３２、４２外側の上下に、連通口２３、２４、３３、３４、４３、４４が形成されている。これら連通口２３、２４、３３、３４、４３、４４は、電解水、及び水電解によって発生した酸素ガスのマニホールドとして機能する。連通口２３、２４、３３、３４、４３、４４の水平方向の長さは、電極部分２２、領域３２、４２と同一の長さに設定されている。
【００２５】
また電極体２１、水素極側のセパレータ３１、酸素極側のセパレータ４１における夫々中央の電極部分２２、電極部分２２に対応する領域３２、４２の外側の一側下方（本実施の形態では、図２中の右側下方）には、水電解の際に発生する水素ガスのマニホールドとして機能する縦長の連通口２５、３５、４５が夫々形成されている。
【００２６】
そして水素極側のセパレータ３１についていうと、連通口３３、３４の背面の外周には、夫々連通口３３、３４を独立して囲むようにシール材３６、３７（破線で示す）が配置されている。また中央の領域３２の背面と連通口３５の背面を一緒に囲むようにシール材３８（破線で示す）が配置されている。また酸素極側のセパレータ４１についていうと、中央の領域４２と連通口４３、４４を一緒に囲むようにシール材４６が配置され、連通口４５のみを独立して囲むように、シール材４７が連通口４５の外周に設けられている。これらシール材３６〜３８、４６、４７によって、所定の経路以外に各流体が流れ出ることが防止されている。
【００２７】
また本実施の形態においては、水素極側のセパレータ３１及び酸素極側のセパレータ４１における、反応流路となる少なくとも中央の領域３２、４２には、一般的なストレート流路やサーペンタイン流路を構成する材料とは異なり、表面に多数の凹凸が形成されるようなエンボス加工されたプレート、メッシュ、パンチングメタル等からなる材料が使用されている。これによって、水素極側のセパレータ３１及び酸素極側のセパレータ４１セパレータには、縦方向、横方向のいずれの方向にも流体が流通可能な流路が形成される。
【００２８】
以上の構成にかかる水電解セル（単位セル）１０が、既述したように、複数枚、鉛直方向に正立させた状態、かつ図２に示したように、横長の状態で複数枚水平方向に直列に接続、積層され、両側からエンドプレート１１、１２で挟持されて、水電解セルスタック１３が構成されている。
【００２９】
次に図１に戻って、この水電解セルスタック１３が採用された水電解システム１について説明する。水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１には、原料水となるたとえば純水が供給される。具体的には、水電解セルスタック１３の原料水入口となる純水入口ポートＰ１に対しては、酸素側の気液分離機能を有するタンク５１から原料水（純水）が供給されて、水電解運転がなされる。
【００３０】
より詳述すると、タンク５１の底部と水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１との間には、配管５２が接続されている。そして配管５２に設けられたポンプ５３によって、水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１に対して、タンク５１から原料水としての純水が供給されるようになっている。配管５２には、ポンプ５３の下流側において逆止弁５４が設けられ、さらにその下流側には、配管５２内の圧力を計測する圧力計５５が設けられている。純水入口ポートＰ１は、前記各水電解セル１０における既述した、図２に示す連通口２４、３４、４４と連通している。
【００３１】
配管５２には、ポンプ５３の下流側において、配管５２内を流れる水の一部をタンク５１に戻すための戻し管５６が接続されており、この戻し管５６には、流量調整弁Ｖ１、熱交換器５７、イオン交換樹脂塔５８、フィルタ５９が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、タンク５１内の水の水質が維持される。なおタンク５１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ５１ａが設けられている。またタンク５１内には、液面センサ５１ａからの信号に基づいて、外部の純水供給源（図示せず）から、配管６０を通じて適宜原料水となる純水の補充がなされる。またタンク５１内の気層部に滞留する酸素ガスは、配管６３を通じて外部や外部の需要先へと放出される。
【００３２】
配管５２を通じて純水入口ポートＰ１から水電解セルスタック１３に供給された原料水は、水電解セルスタック１３において電気分解され、酸素、並びに酸素に随伴する水が、酸素側の出口となる純水出口ポートＰ２から配管６１を通じて、タンク５１に戻され、タンク５１内にて気液分離される。配管６１には、配管６１内の圧力を計測する圧力計６２、及び電磁弁Ｖ２が設けられている。純水出口ポートＰ２は、前記各水電解セル１０における既述した、図２に示す連通口２３、３３、４３と連通している。
【００３３】
水電解セルスタック１３の水素側出口となる水素出口ポートＰ３には、配管７１が接続され、この配管７１は、水素側の気液分離機能を有するタンク７２に通じている。水素出口ポートＰ３は、前記各水電解セル１０における既述した図２に示す、連通口２５、３５、４５と連通している。
【００３４】
タンク７２とタンク５１の気層部（タンク内において貯留する水の液面より上の部分であり、貯留する液面が上昇しても、液面が達することのない部分）との間には、配管７３が接続されている。配管７３には、電磁弁Ｖ３、バルブＶ４が設けられている。タンク７２内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ７２ａが設けられている。
【００３５】
前記したように、水電解によって発生した水素は、随伴水と共に、配管７１を通じてタンク７２に送られ、タンク７２内において気液分離される。タンク７２において気液分離された後の水素ガスは、配管７４を通じて、たとえば需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。配管７４には背圧弁Ｖ５が設けられ、また配管７４における背圧弁Ｖ５の上流側には、放出管７５が接続され、放出管７５には、電磁弁Ｖ６が設けられている。
【００３６】
そして水電解セルスタック１３には、直流電源２が接続されており、その出力に応じて純水入口ポートＰ１から供給された電解用の純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは水電解セル１０内の触媒上で酸素分子となり、前記したように、純水と共に純水出口ポートＰ２からセル外に排出され、一方電気分解によって発生した水素イオンは、随伴水を伴って水電解セル１０内の水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって水素出口ポートＰ３からセル外に排出される。
【００３７】
以上の構成にかかる水電解システム１によれば、直流電源２からの電力によって、純水入口ポートＰ１から水電解セルスタック１３の各水電解セル１０に供給された純水は、各水電解セル１０において、水の電気分解が行なわれ、酸素分子は純水とともに純水出口ポートＰ２からセル外に排出されるのであるが、このとき、図３に示したように、酸素極側のセパレータ４１では、純水入口ポートＰ１と連通している下方の連通口４４から、純水出口ポートＰ２と連通している上方の連通口４３へと原料水である純水が流れて行く。一方、水素極側のセパレータ３１では、図４に示したように、発生した水素ガスが、中央の領域３２を斜め方向から連通口３５に向かって流れて行く（図中の矢印）。
【００３８】
ここで水電解セル１０の反応流路に求められる主な要件は、ポンプ５３の動力の低減や、流路上下流の圧力差低減の観点から酸素極の反応流路圧損が低いことと、並びに電極面まで純水を十分に供給したり、セルの冷却機能を確保すること、さらにはボイド率（純水中の気泡の割合）の上昇による流路下流での水枯れ防止の観点から供給純水流量を十分確保できることである。
【００３９】
この点に照らして図３に示した酸素極側のセパレータ４１における反応流体の流れをみれば、下方の連通口４４から、上方の連通口４３へと原料水である純水が流れて行き（図中の矢印）、電極部分２２と対応する中央の領域４２で発生した酸素分子は、水電解されなかった電解水（水電解に供された純水）とともに、上方の連通口４３から純水出口ポートＰ２へと流れて行く。したがって、同一反応面積の下で考えると、実施の形態で示したように、領域４２、及びセパレータ４１が横長の長方形であり、しかも純水の供給口となる連通口４４は、長辺側に沿って配置されて供給口が長手方向に亘っているから、連通口４４の長さを長く確保することができ、原料水である純水を大量に領域４２に流すことができる。しかもその流路長は短辺方向であるから、電極部分２２に対応する領域３２、４２を流れるときの反応流路の圧損も低く抑えられている。
【００４０】
一方、この水電解セル１０では、供給した電解水がセルの冷却の役割も担うため、そのように供給純水流量を多くできるということは、セルの冷却にも有利である。電解水の流量が少ないと、反応の際に発生する熱を十分取り除けなくなり、異常過熱してセルが破損する恐れがある。また冷却が不十分の場合、水電解セル１０の上流、下流で大きな温度変化が発生することがあるが、実施の形態の水電解セル１０によれば、供給純水流量を多くでき、しかも流路長が短いので、そのような事態を抑えることができる。
【００４１】
なお、実施の形態の水電解セル１０では、システムの簡素化のために、水素ガス排出用には１か所の連通口２５、３５、４５のみを設けたが、水素ガスの排出性を高めたければ、電極部分２２、領域３２、４２の両側に水素出口ポートＰ３と連通する連通口を適宜増加して設ければよい。
【００４２】
また水素ガス排出用の連通口の垂直方向の位置は、電極面下部から上部を完全に覆うように、縦長に全面にしてもよい（すなわち、セパレータ３１、４１の短辺にほぼ相当するように長さを設置するようにしてもよい）。但し、その場合には運転中に、当該連通口部分に大量の水素が滞留することになり、水電解セルスタック１３内の水素ガス量が多くなる。したがって安全性の観点からは水素ガス排出用の連通口３５のサイズを小さくし、水電解セルスタック１３内に滞留する水素の量を減らした方がよい。
【００４３】
その配置の仕方としては、たとえば、連通口３５を電極面の下側部分のみに設け、当該連通口３５に通ずる外部配管７１を、電極面２２の下端よりも低い位置に設け、酸素極側からの配位水をスムーズに排出できるようにしてもよい。また、電解質膜の湿潤状態を少しでも確保するために、連通口３５を電極面２２の上側部分に設け、外部配管７１を電極面２２の上端よりも高い位置に設けて電極面２２を水没させるようにしてもよい。
【００４４】
以上は、固体高分子形の水電解セル１０を用いた水電解システム１についての例であったが、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルを一体化した固体高分子形の一体型セル（水電解燃料電池一体型セル、一体型セル、可逆セルとも呼称される）については、これまで下記のような問題があった。
【００４５】
すなわち、固体高分子形の一体型セルは、固体高分子形の水電解セルと燃料電池セルを一体化して、双方の機能を１つのセルで選択的に発揮させるエネルギー変換器であるが、前記したように、水電解セルでは、酸素発生極の反応流路に純水を供給し、外部から電力を供給することで純水を電気分解するものである。そして固体高分子製の隔膜で隔離された酸素発生極には酸素が、水素発生極には水素が発生する。発生した水素は水素発生極の反応流路を通ってセル外に排出され、必要に応じて貯蔵容器に貯蔵したり、直接水素需要に供給される。このとき、酸素発生極の反応流路に供給された純水は全てが水素と酸素に分解されるわけではなく、分解されなかった純水は発生した酸素と一緒に反応流路を通ってセル外に排出される。
【００４６】
一方、燃料電池セルでは、水素極（水電解セルの水素発生極；以降、「水素極」と言うことがある）の反応流路に水素を、酸素極（水電解セルの酸素発生極；以降、「酸素極」と言うことがある）の反応流路に空気や酸素など酸素を含むガスを、必要に応じて加湿した状態で供給し、外部に負荷を接続することで発電する。
【００４７】
このような発電に伴って、酸素極では水が生成し、反応に使われなかった空気や酸素と共に反応流路を通ってセル外に排出される。水素極側についてもセル内で発生する水が、反応に使われなかった水素と共に反応流路を通ってセル外に排出される。
【００４８】
通常の水電解セルや燃料電池セルは、既述した水電解セルと同様、単位セルを複数積層したスタックの形状をしているため、セル外部から反応流体を各極に供給したり、各極から反応流体をセル外部に排出するときには、セル外部と反応流路を繋ぐマニホールドとして機能する連通口を介して行われる。この連通口は、従来は水電解セルと燃料電池セルの各極で共通となっている（例えば特開２００６−１２７８０７）。
【００４９】
ここで水電解セルの反応流路に求められる主な要件は、先にも述べたように、ポンプ動力の低減や、流路上下流の圧力差低減の観点から酸素極の反応流路圧損が低いことと、電極面まで純水を十分に供給したりセルの冷却機能の確保、ボイド率の上昇による、流路下流での水枯れ防止の観点から供給純水流量を多くできることである。一方、燃料電池セルの反応流路に求められる主な要件は、電極面への酸素の拡散性向上や、発生水による反応流路の閉塞を防ぐ観点からの、酸素極の反応流路内の流速を速めることである。
【００５０】
この場合、水電解セルの酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を大きくする必要があるが、燃料電池セルの酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を小さくする必要がある。また、水電解セルの酸素極に供給する純水と、燃料電池セルの酸素極に供給する加湿空気（酸素）では、密度が約１，０００倍異なる。このため、仮に純水と加湿空気を同一流量で流した場合には、水を流した時の圧力損失の方が圧倒的に大きくなる。つまり、双方の反応流路、特に酸素極の反応流路に求められる要件には相反するものがあり、それをいかに満足させるかが重要である。
【００５１】
この点に関し、従来は、水電解と燃料電池のうち、より重要な機能の方に合わせて反応流路を設計したり、双方のニーズの中間点辺りで反応流路を設計していた。そのため、双方にとって最適な反応流路設計はなされていなかった。
【００５２】
かかる点に鑑み、以下に、これまで水電解セルと燃料電池セルで共通に使用していた酸素極の連通口（マニホールドとして機能する）を、水電解セルの酸素極の連通口（マニホールドとして機能する）と燃料電池セルの酸素極の連通口（マニホールドとして機能する）を、それぞれ専用に設けて、そのような問題の解決を図る実施の形態について説明する。
【００５３】
図５は実施の形態にかかる水電解・燃料電池システム１０１の構成の概略を示しており、この水電解・燃料電池システム１０１においては、図６に示される固体高分子形の一体型セル（単位セル）１１０を鉛直方向に正立させた状態で、複数枚、水平方向に直列に接続、積層し、両側からエンドプレート１１１、１１２で挟持することによって構成された、水電解・燃料電池セルのスタック１１３を有している
【００５４】
図６は、実施の形態にかかる水電解セルと燃料電池セルが一体化された一体型セル１１０を示している。なお図６は、後で水電解運転時の流体の流れを説明する際の流体の流れも併せて示している。
【００５５】
一体型セル１１０は、電解質膜を両側から給・集電体で挟持した構成を有する電極体１２１、及びこの電極体１２１を両側から挟持する水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１を有している。
【００５６】
電極体１２１、水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１には、夫々中央の電極部分１２２、この電極部分１２２に対応する領域１３２の背面、１４２の外側に、下記に述べる種々の連通口が設けられている。
【００５７】
まず、長方形の電極体１２１、水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１における電極部分１２２、電極部分１２２に対応する領域１３２、１４２の外側の両側には、水素極連通口１２３ａ、１２３ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１４３ａ、１４３ｂが設けられている。また同様に、長方形の電極体１２１、水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１における電極部分１２２、電極部分に対応する領域１３２、１４２の外側の両側には、燃料電池用の酸素極連通口１２４ａ、１２４ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１４４ａ、１４４ｂが設けられている。
【００５８】
一方、長方形の電極体１２１、水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１における電極部分１２２、電極部分１２２に対応する領域１３２、１４２の外側の下方には、各々冷却水用連通口１２５ａ、酸素極連通口１２６ａ、冷却水用連通口１３５ａ、酸素極連通口１３６ａ、冷却水用連通口１４５ａ、酸素極連通口１４６ａが交互に設けられている。また電極体１２１、水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１における、電極部分１２２、電極部分１２２に対応する領域１３２、１４２の外側の上方には、各々酸素極連通口１２６ｂ、冷却水用連通口１２５ｂ、酸素極連通口１３６ｂ、冷却水用連通口１３５ｂ、酸素極連通口１４６ｂ、冷却水用連通口１４５ｂが交互に設けられている。
【００５９】
そしてこれら水素極側のセパレータ１３１、酸素極側のセパレータ１４１の各連通口の周囲には、下記に述べるようにシール材が配置されている。まず、水素極側のセパレータ１３１について言うと、酸素極連通口１３４ａ、１３４ｂの外周には、各々独立して各連通口を囲むシール材１３７（破線で示す）が配置されている。また水素極連通口１３３ａ、１３３ｂ及び中央の領域１３２の周囲には、これらを一体的に囲むシール材１３８（破線で示す）が配置されている。そして、冷却水用連通口１３５ａ、１３５ｂ及び酸素極連通口１３６ａ、１３６ｂの外周には、各々独立してこれらを囲む、シール材１３９（破線で示す）が配置されている。
【００６０】
一方、酸素極側のセパレータ１４１についていうと、燃料電池用の酸素極連通口１４３ａ、１４３ｂの周囲には、各々独立して各連通口を囲むシール材１４７が配置されている。また冷却水用連通口１４５ａ、１４５ｂの周囲には、各々独立して各連通口を囲むシール材１４８が配置されている。そして残りの酸素極連通口１４６ａ、１４６ｂ及び中央の領域１４２については、これらを一体にして囲むシール材１４９が配置されている。
【００６１】
これらシール材１３７〜１３９、１４７〜１４９によって、所定の経路以外に各流体が流れることが防止されている。また本実施の形態では、水素極側のセパレータ１３１及び酸素極側のセパレータ１４１における、反応流路となる、少なくとも中央の領域１３２、１４２には、一般的なストレート流路やサーペンタイン流路を構成する材料とは異なり、エンボス加工、メッシュ、パンチングメタル等からなる材料が使用されている。これによって、これによって、水素極側のセパレータ１３１及び酸素極側のセパレータ１４１には、縦方向、横方向のいずれの方向にも流体が流通可能な流路が形成される
【００６２】
次に図５に戻って、この一体型セル１１０を積層した水電解・燃料電池セルのスタック１１３が採用された水電解・燃料電池システム１０１について説明する。図５において、図１で説明した際に使用した符号と同一の符号によって特定される部材、装置等の構成は、図１の水電解システム１と同一の部材、装置等の構成を示しているので、重複した説明は省略する。
【００６３】
この水電解・燃料電池システム１０１に採用された一体型セル１１０は、既述したように、マニホールドとして機能する連通口の種類が多いので、各連通口に連通する水電解・燃料電池セルのスタック１１３に設けられたポートの数も多くなっている。すなわち、まず純水入口ポートＰ１は、酸素極連通口１２６ａ、１３６ａ、１４６ａに連通し、純水出口ポートＰ２は、酸素極連通口１２６ｂ、１３６ｂ、１４６ｂと連通し、水素出口ポートＰ３は水素極連通口１２３ｂ、１３３ｂ、１４３ｂと連通している。そして水電解・燃料電池システム１０１は燃料電池運転が可能であるから、原料ガスとなる水素ガスの導入口となる水素入口ポートＰ４が新たに設けられている。
【００６４】
水素入口ポートＰ４は、水素極連通口１２３ａ、１３３ａ、１４３ａと連通している。さらに燃料電池用の酸素極連通口１２４ａ、１３４ａ、１４４ａと連通する空気入口ポートＰ５が設けられ、燃料電池用の酸素極連通口１２４ｂ、１３４ｂ、１４４ｂと連通する空気出口ポートＰ６が設けられている。またさらに、冷却水用連通口１２５ａ、１３５ａ、１４５ａと連通する冷却水出口ポートＰ７、冷却水用連通口１２５ｂ、１３５ｂ、１４５ｂと連通する冷却水入口ポートＰ８が新たに設けられている。
【００６５】
水素入口ポートＰ４には、流路１５１が接続されており、水素ガス供給源（図示せず）からの水素ガスが、水素入口ポートＰ４に導入可能である。流路１５１には、調整弁Ｖ７、電磁弁Ｖ８、圧力計１５２が設けられている。そして流路１５１における電磁弁Ｖ８の下流側には、タンク７２の気層部に通ずる流路１５３が接続されている。流路１５３には、水素ポンプ１５４が設けられている。
【００６６】
空気入口ポートＰ５には、ブロワ１６１によって供給される空気が、湿度交換器１６２を経て導入される流路１６３が接続されている。流路１６３には逆止弁１６４が設けられている。空気出口ポートＰ６には、流路１６５が接続されており、水電解・燃料電池セルのスタック１１３から出た空気を、湿度交換器１６２を経て外部に放出されるようになっている。流路１６５には、電磁弁Ｖ９が設けられている。
【００６７】
冷却水出口ポートＰ７には、配管１８１が接続されており、昇温した冷却水は、水素ポンプ１８２によって、熱交換器１８３送られて、外部からの冷却用水と熱交換され降温した後、配管１８４を通じて、冷却水入口ポートＰ８から水電解・燃料電池セルのスタック１１３内に導入されるようになっている。なお冷却用水の水源は、例えば水道水等の市水、地下水等を用いることができる。また熱交換後に昇温した冷却用水は、適宜温熱の需要先に供給するようにしてもよい。
【００６８】
また水電解・燃料電池セルのスタック１１３には、直流電源２以外に、電力需要先となる電力負荷３が接続されている。
【００６９】
水電解・燃料電池システム１０１は以上のように構成されており、次にその運転方法について説明する。
【００７０】
［水電解運転］
まず電磁弁Ｖ２を開、それ以外の電磁弁Ｖ３、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ９を閉とする。タンク５１に貯留されている純水は、ポンプ５３を起動することで配管５２を通って、水電解・燃料電池セルのスタック１１３の純水入口ポートＰ１に供給される。純水入口ポートＰ１は酸素極連通口１２６ａ、１３６ａ、１４６ａと連通しており、図６に示したように、酸素極側のセパレータ１４１では、これら酸素極連通口１２６ａ、１３６ａ、１４６ａから中央の領域１４２を通って、酸素極連通口１２６ｂ、１３６ｂ、１４６ｂを経て、純水出口ポートＰ２から水電解・燃料電池セルのスタック１１３外へと排出され、配管６１からタンク５１へと返水される。
【００７１】
この状態で直流電源２から水電解・燃料電池セルのスタック１１３に直流電力を供給すると、酸素極の電極上でプロトン（Ｈ＋）と酸素が発生する。発生したプロトン（Ｈ＋）は電極体１２１の中を酸素極から水素極へ配位水を伴って移動し、図６に示したように、セパレータ１３１の領域１３２を通って、水素極連通口１３３ｂを通って、水素出口ポートＰ３から、水電解・燃料電池セルのスタック１１３外に排出される。そしてタンク７２において、気液分離された水素ガスは、配管７１を通って背圧弁Ｖ５に送られ、そこで圧力調整された後に、システム外の水素需要先や水素貯蔵タンク（図示せず）に送られる。
【００７２】
タンク７２で分離された純水は、配管７３を通って水素側と酸素側の圧力差を利用してタンク５１に送水される。タンク７２の純水をタンク５１に送水するにあたっては、既存の公知技術を使用すればよい。
【００７３】
一方、水電解・燃料電池セルのスタック１１３で発生した酸素は、分解されなかった純水と共に、連通口１２６ｂ、１３６ｂ、１４６ｂから純水出口ポートＰ２を経由して、配管６１を通ってタンク５１に返水される。タンク５１で気液分離された酸素ガスは配管６３を通ってシステムの系外に放出される。なお、酸素ガスが必要な場合には、酸素貯蔵タンク（図示せず）を別途設け、当該酸素貯蔵タンクに送るようにしてもよい。タンク５１で分離された純水は、再び電解用の純水として水電解・燃料電池セルのスタック１１３に供給される。
【００７４】
なお既述したように、配管１８１、１８４は冷却水系統であり、電解に伴い発生する熱を取り除く役割を果たす。取り除いた熱は、既述したように、熱交換器１８３を介して温熱需要に供給しても良い。但し、水電解運転の場合には、電気分解用の電解水（純水）で冷却できるため、冷却水は循環しなくてもよい。
【００７５】
［燃料電池運転］
次に燃料電池運転の場合について説明する。燃料電池運転時には、電磁弁Ｖ８、Ｖ９を開、それ以外の電磁弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６を閉とする。水素側では、調整弁Ｖ７で圧力調整された水素が流路１５１を通って水素入口ポートＰ４に供給される。水素入口ポートＰ４に供給された水素は、図７に示したように、連通口１２３ａ、中央の電極部分１２２、水素極連通口１２３ｂを通って水素出口ポートＰ３からセル外に排出される。ここで水素ポンプ１５４を起動することで、排出された水素ガスは水素ポンプ１５４に吸い込まれ、再び水電解・燃料電池セルのスタック１１３に供給される。
【００７６】
一方酸素側では、ブロワ１６１を起動することで大気中から空気が吸い込まれ、湿度交換器１６２で適宜加湿された後、配管１６３を通って、空気入口ポートＰ５から水電解・燃料電池セルのスタック１１３内に供給される。空気入口ポートＰ５は、酸素極連通口１４４ａと連通しているので、酸素極連通口１４４ａから中央の領域１４２を通って連通口１４４ｂから、空気出口ポートＰ６から水電解・燃料電池セルのスタック１１３外に排出される。そして配管１６５、湿度交換器１６２を通って大気に排気される。この状態で外部の電力負荷３との接続をＯＮにすると、水素極の電極上で水素がプロトンに分解され、酸素極の電極上でプロトンと酸素が結合して水と電気が発生する。発生した電気は電力負荷３に供給されることになる。
【００７７】
このような燃料電池運転の反応に使われなかった水素ガスは、水素極連通口１２３ｂを通じて、水素出口ポートＰ３から水電解・燃料電池セルのスタック１１３外に排出され、配管７１を通ってタンク７２に供給される。そしてタンク７２で気液分離された水素ガスは水素ポンプ１５４により再び水電解・燃料電池セルのスタック１１３に供給される。反応で消費された分の水素は、調整弁Ｖ７の機能により、適宜外部から一定圧力で供給される。
【００７８】
他方、反応に使われなかった空気と反応生成水は、連通口１４４ｂを通って、空気出口ポートＰ６から水電解・燃料電池セルのスタック１１３外に排出される。そして配管１６５を経由して湿度交換器１６２に送られる。湿度交換器１６２では、ブロワ１６１から送られる空気を加湿した後に、配管１６５から系外に排気される。したがってブロワ１６１から送られる空気は、低湿度のものであっても、湿度交換器１６２で十分加湿されてから、水電解・燃料電池セルのスタック１１３に供給される。なお、燃料電池運転を行う場合には、配管１８１、１８４によって構成されている冷却水系統の冷却水の循環は必須である。
【００７９】
なお、水電解運転から燃料電池運転へと運転切り替えをするときは、まず直流電源２からの電力供給を停止する。次に、水素側については電磁弁Ｖ６を開とし、水素系全体の圧力を外部に放出して系内圧力を常圧近傍まで低下させる。酸素側については、ポンプ５３を停止し、電磁弁Ｖ２を閉、電磁弁Ｖ９を開としてから、ブロワ１６１を起動して、電極体１２１の電極部分１２２やその周辺に残存した純水を、連通口１４４ｂから、空気出口ポートＰ６を経由して水電解・燃料電池セルのスタック１１３外へと排出する。その後の水電解・燃料電池セルのスタック１１３内の乾燥方法については、適宜従来技術を適用すればよい。
【００８０】
また、燃料電池運転から水電解運転へと運転の切り替えにあたっては、まず電力負荷３との接続を切断する。次に水素側については水素ポンプ１５４を停止してから、電磁弁Ｖ８を閉とする。酸素側については、ブロワ１６１を停止してから電磁弁Ｖ９を閉とする。その後は通常通り水電解運転を起動すればよい。
【００８１】
以上のような水電解運転、燃料電池運転に関し、従来の一体型セルの場合、既述したように、水電解運転時と燃料電池運転時では、酸素極の連通口を共通に使用していたため、水電解運転時と燃料電池運転時で反応流体を流すときの流路断面積と流路長が、どちらの運転モードにおいても同一であった。そのため、先に述べたように、双方の反応流路に求められる要件を満足することは不可能であった。
【００８２】
これに対し、実施の形態にかかる一体型セル１１０を使用した例では、水電解運転時と燃料電池運転時では、流路断面積も流路長も大幅に変えることが可能になっている。
【００８３】
すなわち、水電解運転時では、図６に示したように、酸素極側のセパレータ１４１における反応流体の流れをみれば、下方の酸素極連通口１４６ａから、上方の酸素極連通口１４６ｂへと原料水である純水が流れて行き（図中の矢印）、電極部分１２２と対応する中央の領域１４２で発生した酸素分子は、水電解されなかった電解水（水電解に供された純水）とともに、上方の酸素極連通口１４６ｂから純水出口ポートＰ２へと流れて行く。したがって、同一反応面積の下で考えると、実施の形態で示したように、領域１４２、及びセパレータ１４１が横長の長方形であり、しかも純水の供給口となる酸素極連通口１４６ａは、長辺側に沿って配置されて供給口が長手方向に亘っているから、供給口を多く確保することができ、原料水である純水を大量に電極部分１２２、領域１４２に流すことができる。しかもその流路長は短手方向であるから、反応流路における圧損も低く抑えられている。
【００８４】
一方、燃料電池運転時では、酸素極反応流路に求められる要件を確保するには、流路断面積を小さくする必要があるが、図７に示したように、空気については、長方形の短辺側に位置している酸素極連通口１４４ａから領域１４２を通って反対側の短辺に位置している酸素極連通口１４４ｂに向かって流れて行くので、流路断面積は、前記した、水電解運転時の長辺側から長辺側に流れて行く場合よりも小さい。また水素ガスについても、同様に、短辺側に位置している連通口１２３ａから反対側の短辺側に位置している水素極連通口１２３ｂに向かって流れて行くので、その時の流路断面積は、水電解運転時よりも小さいものである。
【００８５】
このように、本発明の実施の形態での一体型セル１１０は、従来は水電解セルと燃料電池セルで共通に使用していた酸素極の連通口を、水電解セルの酸素極の連通口と燃料電池セルの酸素極の連通口とに分けて、それぞれ専用に設けている。さらに電極体１２１、及びセパレータ１３１、１４１の形状を、長方形にするとともに横長配置にしてこれを鉛直方向にした状態で配置しているから、水電解運転では原料水である純水を短手方向に流し、一方燃料電池運転では加湿空気を長手方向に流すことが可能である。
【００８６】
これにより、同一セルを使用していながら、水電解運転時と燃料電池運転時では、反応流路の断面積を大幅に変えることができ、また圧力損失への影響度が大きい流路長も大幅に変えることができる。その結果、水電解セルの反応流路に求められる要件と、燃料電池セルに求められる要件を、同一のセルであってもより理想的な条件で満足することができる。
【００８７】
このことを定量的に示すために、従来型セパレータと実施の形態にかかるセパレータとで、電極形状が同一としながら流路の圧力損失や流速をどの程度変えることができるのかを以下に示す。
【００８８】
まず流路圧損：ΔＰについては、以下の式で示される。
ΔＰ＝λ・（Ｌ／Ｄ）・（ρ・ｖ２／２）  ・・・・・式（１）
なお式（１）において、λは管摩擦係数、Ｌは流路長、Ｄは流路断面積、ρは流体密度、ｖは流速である。
【００８９】
電極面積を一定に固定した条件で、電極の縦横比を変えたときに流路圧損がどのように変化するかの概略を図８に示す。この図８のグラフは、管摩擦係数の値を仮に一定として評価した結果である。電極の縦横比（短手方向Ｘ：長手方向Ｙ）を１：２とした場合、長手方向に流体を流すときに対して短手方向に流体を流したときの方が流路圧損は１／１６倍に低減できる。さらに、電極の縦横比を１：４とした場合には１／２５８倍に低減できる。管摩擦抵抗はレイノルズ数や流れが層流か乱流かによって異なるが、縦横比が１：４程度の範囲では最大差を見積もっても５倍程度である。単純計算して縦横比が１：２の場合で１／３倍以下、１：４の場合で１／５１倍以下に低減できる。ここで、ガスと水の密度は、約１０００倍異なるが、従来の一体型セルで実際に燃料電池運転するときの加湿空気の流量は、水電解するときの純水の流量の１０倍前後である。
【００９０】
これらの点を考慮すると、実際に一体型セルに加湿空気を流した場合と純水を流した場合の流路圧損の差は、長手方向に加湿空気を流した場合を基準とする短手方向に純水を流した場合において、縦横比が１：２の場合で３．３倍以下、１：４の場合で１／５倍以下となる。
【００９１】
従来通りに連通口を共通にした場合、流路の縦横比に関係無く加湿空気を流したときに対して純水を流したときは流路圧損の差は１０倍となる（水の密度：１，０００倍ｖｓ加湿空気の密度、水の流量：１／１０倍ｖｓ加湿空気の流量）ことから、本発明の実施の形態によって、水電解時の流路圧損を飛躍的に低減できることがわかる。但し、水電解運転時は、電気分解に伴い酸素極では酸素が発生するため、酸素極反応流路の流動形式は純水の単相流からセル出口に向かうにつれて酸素ガスが増加していく気液二相流となる。気液二相流の流路圧損は単相流の場合よりも高くなるため、その点を考慮して、流路の縦横比を決定する必要がある。
【００９２】
次に電極の縦横比を変えたときに流路内の流速ｖがどのように変化するかについてであるが、これは流量をＱで固定すれば、あとは断面積Ａの差による違いだけであるので、ｖ＝Ｑ／Ａの単純計算で求まる。流量Ｑを短手方向に流すのと長手方向に流すのとでは、縦横比が１：２の場合は２倍、縦横比が１：４の場合は４倍の差となる。物質伝達と熱伝達のアナロジーから、物質伝達率は流れが層流の場合で流速の０．５乗、乱流の場合で流速の０．８乗に比例して増加する。このため、流速が４倍であれば物質伝達率は流れが層流の倍で２倍、乱流の場合で３倍となり、反応流路から電極面への酸素の拡散を促進させることができるだけでなく、反応生成水の排出効果も大きくなる。
【００９３】
電極面への酸素拡散が促進されれば、従来よりも高い電流密度（＝電流値／電極面積）での燃料電池運転が可能になり、単位セル当たりの出力密度を向上させることができる。この点に関しても、従来通りに連通口を共通にした場合で、水電解時の流路圧損が小さくなるようにセルを設計した場合には、縦横比を１：４にした場合だと流速が１／４倍になるため、物質伝達率は１／２倍や１／３倍となり電極面への酸素拡散が十分に行われなくなり、また反応生成水の排出効果も低減する。その結果、より低い電流密度でしか運転ができなくなってしまう。
【００９４】
以上のことから、本発明の実施の形態の一体型セル１１０で採用した流路、セパレータの形状により、水電解時の流路圧損の低減と燃料電池時の流速確保を両立できることがわかる。
【００９５】
なお図６、図７に示した一体型セル１１０で採用した電極体１２１、セパレータ１３１、１４１では、純水の連通口１２６ａ、１２６ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１４６ａ、１４６ｂと、冷却水の連通口１２５ａ、１２５ｂ、１３５ａ、１３５ｂ、１４５ａ、１４５ｂを複数に分割している。これによって流体が反応流路に均一に分配することが可能になっている。また単に複数に分割するだけではなく、上下に対向する連通口の用途が、互い違いになるように設けられているため、かかる点からも流体を均一に分配させることが可能になっている。
【００９６】
ところで、前記した実施の形態では、水電解セル１０、一体型セル１１０は、いずれも横長かつ鉛直方向に配置され、かつ水平方向に積層して各々水電解セルスタック１３、水電解・燃料電池セルのスタック１１３を構成していたが、これら長方形のセルを縦長に配置して、側方から原料水等を流す（長辺側から原料水等を流す）構成とした場合には、次のような問題がある。すなわち、長方形のセルを縦長に配置して側方から原料水等を流すようにした場合、水電解運転の際には、セルの上部と下部とで水頭圧による圧力差が大きくなる（セルの下部が、強い圧力を受ける）。したがって、このセル下部が受ける強い圧力に耐えられるように、セル全体を設計する必要がある。そのため、セル内で受ける圧力差を小さくできるように横長に設置するほうが好ましい。
【００９７】
また、燃料電池運転の際には、酸素側、水素側ともに発生水を（重力による自由落下で）電極面からマニホールドを通ってセル外に排水させるが、長方形のセルを縦長設置とすると、ガスの流れが上下方向となり、酸素側、水素側の少なくとも一方は、ガスの流れが上向きとなるので排水を妨げることになる。この観点からも、前記した長方形の各セルは、横長に設置するほうが好ましい。
【００９８】
ところで、前記した一体型セル１１０は、正立状態（横長に配置して鉛直方向に立てた状態）で使用されるため、燃料電池運転の際、図９に示されるシール材１４９の下縁部分（図中、波線ａで示した）に反応生成水が溜まる可能性がある。そのようにして反応生成水が溜まって、電極面（中央の領域１４２に対応する部分）が水没してしまうと、反応に寄与できる電極面積が減少し、発電効率が落ちてしまう。
【００９９】
かかる事態に対処するため、空気及び反応生成水が排出される酸素極連通口１４４ｂが、電極面の最下部（図中の波線ｂで示した）、及びシール材１４９における下方側の最上部（図中の波線ｃで示した）よりも、下側まで位置するように、すなわち、酸素極連通口１４４ｂの下縁（図中の波線ｄで示した）が、波線ｂで示される電極面の最下部、及び波線ｃで示されるシール材１４９における下方側の最上部よりも下側に位置するように、その配置を設定することが提案できる。
【０１００】
これによって、反応生成水が電極面まで達して電極面が水没することなく、酸素極連通口１４４ｂから排出される。したがって、反応生成水の貯留による電極の水没は防止され、電極面積が減少して発電効率が落ちてしまうことは防止できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解セルを用いた水電解、電解質膜の両側に給・集電体を配置してさらにセパレータを各々の外側に配置した固体高分子形の水電解燃料電池一体型セルを用いた水電解・燃料電池に有用である。
【符号の説明】
【０１０２】
１    水電解システム
２    直流電源
３    外部負荷
１０    水電解セル
１１、１２    エンドプレート
１３    水電解セルスタック
２１    電極体
２２    電極部分
２３、２４、２５、３３、３４、３５、４３、４４、４５    連通口
３１    水素極側のセパレータ
３２、４２    領域
３６、３７、３８、４６、４７    シール材
４１    酸素極側のセパレータ
５１、７２    タンク
５２、５９、７４    配管
５３    ポンプ
Ｐ１    純水入口ポート
Ｐ２    純水出口ポート
Ｐ３    水素出口ポート
Ｐ４    水素入口ポート
Ｐ５    空気入口ポート
Ｐ６    空気出口ポート
Ｐ７    冷却水出口ポート
Ｐ８    冷却水入口ポート
１０１    水電解・燃料電池システム１０１
１１０    一体型セル
１１１、１１２    エンドプレート
１１３    水電解・燃料電池セルのスタック
１２１    電極体
１２２    電極部分
１２３ａ、１２３ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１４３ａ、１４３ｂ    水素極連通口
１２４ａ、１２４ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ    酸素極連通口
１３１    水素極側のセパレータ
１３２、１４２    領域
１３７、１３８、１３９、１４７、１４８、１４９    シール材
１４１    酸素極側のセパレータ
１５１、１５３、１６３、１６５    流路
１５４    水素ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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