(57)【要約】【課題】陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる電気分解用デバイスを提供する。【解決手段】電気分解用デバイス１は、陽極２Ａと、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦの表面を覆う陰極用表面材２ＣＳと、を有する陰極２Ｃと、陽極２Ａに接触し、かつ、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に陰極用表面材２ＣＳから距離を置いて配置されたイオン交換膜３と、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の陰極用通水路１０Ｃに設けられたスペーサＳと、を備えている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と、
陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する陰極と、
前記陽極に接触し、かつ、前記陽極と前記陰極との間に前記陰極用表面材から距離を置いて配置されたイオン交換膜と、
前記陰極用表面材と前記イオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられたスペーサと、を備えた、電気分解用デバイス。
【請求項２】
前記スペーサと前記陰極用表面材との間には、水が流れる隙間が存在する、請求項１に記載の電気分解用デバイス。
【請求項３】
前記スペーサの長手方向が前記陰極用通水路の長手方向に沿って延びるように、前記スペーサが前記陰極用通水路に配置された、請求項１または２に記載の電気分解用デバイス。
【請求項４】
前記スペーサの長手方向が前記陰極用表面材の長手方向に沿って延びるように、前記スペーサが前記陰極用表面材に接触している、請求項１〜３のいずれかに記載の電気分解用デバイス。
【請求項５】
前記陰極用給電体は、少なくとも前記イオン交換膜に対向する主表面に窪みおよび貫通孔のうちの少なくともいずれか一方を有し、
前記窪みおよび前記貫通孔のうちの少なくともいずれか一方の内面の少なくとも一部が前記陰極用表面材によって覆われている、請求項１〜４のいずれかに記載の電気分解用デバイス。
【請求項６】
前記スペーサと前記陰極用表面材とが接触している部分の面積が、前記スペーサと前記イオン交換膜とが接触している部分の面積よりも小さい、請求項１〜５のいずれかに記載の電気分解用デバイス。
【請求項７】
陽極と、
前記陽極に向かって延びる貫通孔を有する陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたイオン交換膜と、
前記陰極の両側に設けられ、前記貫通孔を経由して互いに連通した２つの陰極用通水路と、を備えた、電気分解用デバイス。
【請求項８】
前記２つの陰極用通水路においては、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積が、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい、請求項７に記載の電気分解用デバイス。
【請求項９】
前記２つの陰極用通水路においては、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面の裏側の陰極用通水路の流路断面積が、前記陰極の前記イオン交換膜に対向する表面側の陰極用通水路の流路断面積よりも小さい、請求項７に記載の電気分解用デバイス。
【請求項１０】
前記陰極は、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の前記イオン交換膜に対向する主表面を覆う陰極用表面材とを含み、
前記貫通孔の内周面の少なくとも一部も前記陰極用表面材によって覆われている、請求項８または９に記載の電気分解用デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば、特許文献１に開示されているように、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスの開発が行われている。従来の電気分解用デバイスには、陽極用給電体およびその陽極用給電体の主表面に覆う陽極用表面材を有する陽極と、陰極用給電体およびその陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材を有する陰極を有している。
【０００３】
前述の従来の電気分解用デバイスにおいては、イオン交換膜が、陽極用表面材に接触するように、かつ、陰極用表面材から距離を置いて、陽極および陰極のそれぞれに対向するように、陽極と陰極との間に配置されているものがある。この従来の電気分解用デバイスにおいては、陰極用表面材のイオン交換膜側の主表面に接触しながらその主表面に沿って流速が大きな水を流すことによって、陰極用表面材の近傍で発生した水素の水への溶解を促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４５６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の電気分解用デバイスによれば、イオン交換膜が、陰極用表面材側に膨潤することによって、陰極用表面材の一部に接触してしまうことがある。この場合、イオン交換膜と陰極用表面材とが接触した部位で電流集中が生じる。その結果、陰極用表面材が劣化するおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる電気分解用デバイスを提供することである。
【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、本発明の第１の態様に係る電気分解用デバイスは、陽極と、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する陰極と、前記陽極に接触し、かつ、前記陽極と前記陰極との間に前記陰極用表面材から距離を置いて配置されたイオン交換膜と、前記陰極用表面材と前記イオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられたスペーサと、を備えている。
【０００８】
本発明の第２の態様の電気分解用デバイスは、陽極と、前記陽極に向かって延びる貫通孔を有する陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置されたイオン交換膜と、前記陰極の両側に設けられ、前記貫通孔を経由して互いに連通した２つの陰極用通水路と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る電気分解用デバイスによれば、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の電気分解用デバイスの斜視外観図である。
【図２】実施の形態の電気分解用デバイスの陽極用ケース内の構造の斜視図である。
【図３】実施の形態の電気分解用デバイスの陰極用ケース内の構造の斜視図である。
【図４】実施の形態の電気分解用デバイスの縦断面図である。
【図５】実施の形態の電気分解用デバイスの横断面図であって、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】実施の形態の電気分解用デバイスの陽極、イオン交換膜、スペーサ、および陰極の部分的に拡大された横断面図である。
【図７】実施の形態の電気分解用デバイスの陽極、イオン交換膜、スペーサ、および陰極の部分的に拡大された縦断面図であって、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。
【００１２】
各実施の形態において、同一の参照符号が付されている部位は、同一の機能を有するものとする。したがって、特に必要がなければ、同一参照符号が付された部位の機能の説明は繰り返さない。
【００１３】
図１〜図７を用いて、実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。
【００１４】
（電気分解用デバイスの全体構成）
図１に示されるように、電気分解用デバイス１は、矩形の平板状の陽極用ケース１Ａと矩形の平板状の陰極用ケース１Ｃとを備えている。図１に示される電気分解用デバイス１においては、図２に示される陽極用ケース１Ａと図３に示される陰極用ケース１Ｃとは、互いの内側面を対向させるように一体化されている。
【００１５】
（陽極用ケース）
図２、図４、および図５に示されるように、陽極用ケース１Ａは、陽極２Ａを収容し、電気分解用デバイス１の外郭の一部を構成する。陽極用ケース１Ａの材質は、アクリル樹脂である。陽極用ケース１Ａは、厚肉の矩形でかつ平板状の外観をなし、電気分解用デバイス１の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成された複雑な形状の陽極用ケース凹部１ＡＣを有している。
【００１６】
図２および図４に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置された入水孔１ＡＩを有している。陽極用ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置された出水孔１ＡＯを有している。図４に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の中央と出水孔１ＡＯとの間に配置された陽極導電線挿入孔１ＡＬを有している。
【００１７】
図４および図５に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の内側面の略中央に配置され、入水孔１ＡＩ、出水孔１ＡＯ、および陽極導電線挿入孔１ＡＬを含む陽極用面状窪み１ＡＤを有している。図２および図４に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、陽極用面状窪み１ＡＤを取り囲むように、陽極用面状窪み１ＡＤの外側に配置された環状のパッキン用窪み１ＡＰを有している。
【００１８】
図２および図４に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、出水孔１ＡＯを含むが、陽極導電線挿入孔１ＡＬを含まない領域において、陽極用面状窪み１ＡＤよりもさらに電気分解用デバイス１の外側面に向かってくぼむバッファ用窪み１ＡＢを有している。図２に示されるように、陽極用ケース凹部１ＡＣは、バッファ用窪み１ＡＢおよび陽極用面状窪み１ＡＤよりも外側に位置付けられた環状のパッキン用窪み１ＡＰのさらに外側に配置された複数の陽極ケース固定用孔１ＡＦを有している。
【００１９】
図４および図５に示されるように、陽極用面状窪み１ＡＤの内部には、円盤状の複数の陽極ケースリブ１ＡＲが配置されている。図２および図４に示されるように、陽極用面状窪み１ＡＤとバッファ用窪み１ＡＢとは陽極ケース傾斜面１ＡＳで接続されている。
【００２０】
（陰極用ケース）
図３〜図５に示されるように、陰極用ケース１Ｃは、陰極２Ｃと、複数、たとえば、３本のスペーサＳとを収容し、電気分解用デバイス１の外郭の一部を構成する。陰極用ケース１Ｃの材質は、アクリル樹脂である。図３に示されるように、陰極用ケース１Ｃは、厚肉の矩形でかつ平板状の外観をなし、電気分解用デバイス１の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成された複雑な形状の陰極用ケース凹部１ＣＣを有している。
【００２１】
図３および図５に示されるように、陰極用ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置される入水孔１ＣＩを有している。陰極用ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置された出水孔１ＣＯを有している。図４に示されるように、陰極用ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の長手方向の中央と出水孔１ＣＯとの間に配置された陰極導電線挿入孔１ＣＬを有している。
【００２２】
図４に示されるように、陰極用ケース凹部１ＣＣは、電気分解用デバイス１の内側面の略中央に配置され、入水孔１ＣＩ、出水孔１ＣＯ、および陰極導電線挿入孔１ＣＬを含む陰極用面状窪み１ＣＤを有している。図３および図４に示されるように、陰極用面状窪み１ＣＤを取り囲むように、陰極用面状窪み１ＣＤの外側に配置された環状のパッキン用窪み１ＣＰを有している。
【００２３】
図３および図４に示されるように、陰極用ケース凹部１ＣＣは、出水孔１ＣＯを含む。しかしながら、陰極用ケース凹部１ＣＣは、陰極導電線挿入孔１ＣＬを含まない領域において、陰極用面状窪み１ＣＤよりもさらに電気分解用デバイス１の外側面側に向かってくぼむバッファ用窪み１ＣＢを有している。陰極用ケース凹部１ＣＣは、バッファ用窪み１ＣＢおよび陰極用面状窪み１ＣＤを取り囲むように設けられている。陰極用ケース凹部１ＣＣは、バッファ用窪み１ＣＢおよび陰極用面状窪み１ＣＤよりも外側に位置付けられた環状のパッキン用窪み１ＣＰのさらに外側に配置された陰極ケース固定用孔１ＣＦを有している。
【００２４】
図４および図５に示されるように、陰極用面状窪み１ＣＤの内部には複数の円盤状の陰極ケースリブ１ＣＲが配置されている。円盤状の陰極ケースリブ１ＣＲと円盤状の陽極ケースリブ１ＡＲとは、図４および図５から分かるように、それぞれの円形の先端面が互いに対向するように設けられている。図３および図４に示されるように、陰極用面状窪み１ＣＤとバッファ用窪み１ＣＢとは陰極ケース傾斜面１ＣＳで接続されている。
【００２５】
（イオン交換膜）
図４および図５に示されるように、本実施の形態においては、イオン交換膜３は、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に配置されている。より具体的には、図６に示されるように、イオン交換膜３は、陽極用表面材２ＡＳに接触し、かつ、陰極用表面材２ＣＳから距離を置いて配置されている。
【００２６】
より具体的に言うと、本実施の形態のイオン交換膜３は、陽極２Ａの近傍で発生した水素イオン、不可避の金属イオン、水分子、および酸素分子を通過させるが、カチオンを通過させないカチオン交換膜である。カチオン交換膜としては、たとえば、デュポン社の商品名「ナフィオン（Ｒ）」などが挙げられる。イオン交換膜３の厚さは、０．１ｍｍ程度である。イオン交換膜３は、薄肉の平面状の形状を有している。
【００２７】
イオン交換膜３は、スルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体である。具体的には、イオン交換膜３は、ポリフルオロエチレンースルホン酸である。図４および図５に示されるように、イオン交換膜３の一方の主表面が陽極用表面材２ＡＳの一方の全主表面に接触している。図５に示されているように、イオン交換膜３の他方の主表面の一部が、互いに距離を置いて設けられた複数のスペーサＳに接触している。図４および図５に示されるように、イオン交換膜３の端部は、陽極２Ａ（陽極用表面材２ＡＳ）および陰極２Ｃ（陰極用表面材２ＣＳ）の外周縁からさらに外方へ突出するように延びている。また、イオン交換膜３の端部は、陽極用ケース１Ａ側のパッキンＰおよび陰極用ケース１Ｃ側のパッキンＰによって挟持されている。
【００２８】
（陽極用給電体＜チタン面材＞）
図６および図７に示される陽極用給電体２ＡＦは、負の電荷を陽極用表面材２ＡＳから受け取る。陽極用給電体２ＡＦの厚さは、０．４ｍｍである。陽極用給電体２ＡＦは、薄肉平面状の形状を有している。図６および図７に示されているように、陽極用給電体２ＡＦのイオン交換膜３に対向する主表面には、たとえば、１ｍｍ間隔でかつ直径１ｍｍの貫通孔ＴＨＡが形成されている。ただし、貫通孔ＴＨＡは、たとえば、１ｎｍ〜１ｍｍ程度の孔径を有していればよい。陽極用給電体２ＡＦの材質は、チタンと不可避の不純物とからなる。
【００２９】
図６および図７に示されるように、陽極用給電体２ＡＦの一方の主表面には陽極用表面材２ＡＳが設けられている。陽極用給電体２ＡＦの貫通孔ＴＨＡの内周面の一部にも陽極用表面材２ＡＳが設けられている。ただし、陽極用給電体２ＡＦの貫通孔ＴＨＡの内周面の全体に陽極用表面材２ＡＳが設けられていてもよい。図４に示されるように、陽極用導電線２ＡＥは、陽極導電線挿入孔１ＡＬに挿入され、陽極用給電体２ＡＦの他方の主表面に電気的に接続されている。図６および図７に示されるように、陽極用ケース１Ａの陽極用面状窪み１ＡＤから突出する複数の円盤状の陽極ケースリブ１ＡＲが陽極用給電体２ＡＦの他方の主表面に当接している。
【００３０】
（陽極用表面材＜ＰｔＩｒ＞）
陽極用表面材２ＡＳは、２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−の反応が行われる場所を提供する。陽極用表面材２ＡＳの厚さは、０．１μｍである。陽極用表面材２ＡＳは、薄肉でかつ平面状の形状を有している。陽極用表面材２ＡＳは、その主表面に微細な凹凸（図示せず）を有し、かつ、微細で連続する多数の空隙（図示せず）を有する。陽極用表面材２ＡＳの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図６および図７に示されるように、陽極用表面材２ＡＳは、陽極用給電体２ＡＦの一方の主表面の全体に接触するように設けられており、陽極用ケース１Ａと陰極用ケース１Ｃとが組み合わされた状態で、イオン交換膜３にも接触している。ただし、陽極用表面材２ＡＳは、陽極用給電体２ＡＦの全表面に形成されていてもよい。
【００３１】
（陰極用給電体＜チタン面材＞）
陰極用給電体２ＣＦは、負の電荷を陰極用表面材２ＣＳ（図６参照）に供給する。陰極用給電体２ＣＦの厚さは、０．４ｍｍである。陰極用給電体２ＣＦは、薄肉平面状の形状を有している。陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する主表面に１ｍｍ間隔でかつ直径１ｍｍの窪みＤが形成されている。陰極用給電体２ＣＦの窪みＤを含まない位置のイオン交換膜３に対向する主表面に１ｍｍ間隔でかつ直径１ｍｍの貫通孔ＴＨＣが形成されている。ただし、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのいずれか一方のみが陰極用給電体２ＣＦに設けられていてもよい。また、貫通孔ＴＨＣは、１ｎｍ〜1ｍｍ程度の孔径を有していればよい。陰極用給電体２ＣＦの材質は、チタンと不可避の不純物とからなる。
【００３２】
図６および図７に示されるように、陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面に陰極用表面材２ＣＳが設けられている。また、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの内周面の一部にも陰極用表面材２ＣＳが形成されている。ただし、陰極用給電体２ＣＦの貫通孔ＴＨＣの内周面の全体に陰極用表面材２ＣＳが設けられていてもよい。図４に示されるように、陰極用導電線２ＣＥが、陰極導電線挿入孔１ＣＬに挿入され、陰極用給電体２ＣＦの他方の主表面に接続されている。図４に示されるように、陽極用ケース１Ａと陰極用ケース１Ｃとが組み合わされた状態で、陰極用給電体２ＣＦの他方の主表面に陰極用ケース１Ｃの陰極用面状窪み１ＣＤから突出した複数の円盤状の陰極ケースリブ１ＣＲが当接している。
【００３３】
（陰極用表面材＜ＰｔＩｒ＞）
陰極用表面材２ＣＳは、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２の反応が行われる場所を提供する。陰極用表面材２ＣＳの厚さは、０．１μｍである。陰極用表面材２ＣＳは、薄肉でかつ平面状の形状を有している。陰極用表面材２ＣＳは、その主表面に微細な凹凸（図示せず）を有し、かつ、微細で連続する空隙（図示せず）を多く有する。陰極用表面材２ＣＳの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図６および図７に示されるように、陰極用表面材２ＣＳは、陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面の全体に接触するように形成されており、陽極用ケース１Ａと陰極用ケース１Ｃとが組み合わされた状態で、スペーサＳに接触している。ただし、陰極用表面材２ＣＳは、陰極用給電体２ＣＦの全表面に形成されていてもよい。
【００３４】
（スペーサ）
図４〜図７に示されるように、スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の陰極用通水路１０Ｃに設けられている。そのため、スペーサＳの存在によって、イオン交換膜３の膨潤に起因したイオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとの接触を抑制することができる。その結果、陰極用表面材２ＣＳの劣化を抑制することができる。そのため、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部位の電流集中の発生を抑制することができる。
【００３５】
図６に示されるように、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとの間には、水が流れる隙間Ｃが存在する。そのため、陰極用表面材２ＣＳの全表面のうちのスペーサＳによって覆われた部分にも、隙間Ｃを通じて水が流れ込む。そのため、陰極用表面材２ＣＳが水に接触する面積の低減量を小さくすることができる。その結果、陰極２Ｃで発生する水素の量のスペーサＳの存在に起因した低減量を小さくすることができる。また、本実施の形態においては、スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳに対応する表面に形成された凹部が隙間Ｃとして機能している。また、陰極用表面材２ＣＳの表面に形成された窪みＤも隙間Ｃと同様の機能を発揮している。ただし、前述の隙間Ｃは、スペーサＳまたは陰極用表面材２ＣＳに意図的に形成された凹部ではなく、陰極用表面材２ＣＳまたはスペーサＳの不陸によって自然に生じたものであってもよい。たとえば、製造過程において陰極用表面材２ＣＳの主表面に自然に形成されたボイド（ＰｔＩｒめっきのボイド）が前述の隙間Ｃと同様の機能を発揮してもよい。
【００３６】
図４〜図７に示されるように、スペーサＳの長手方向が陰極用通水路１０Ｃの長手方向に沿って延びるように、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｃに配置されている。そのため、スペーサＳの存在に起因した通水抵抗を小さくすることができる。
【００３７】
また、スペーサＳの長手方向が陰極用表面材２ＣＳの長手方向に沿って延びるように、スペーサＳが陰極用表面材２ＣＳに接触している。そのため、陰極用表面材２ＣＳの長手方向におけるイオン交換膜３のたわみを小さくすることができる。その結果、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との接触のおそれをさらに低減させることができる。
【００３８】
図６および図７に示されるように、陰極用給電体２ＣＦは、少なくともイオン交換膜３に対向する面に窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣを有している。また、窪みＤの内面および貫通孔ＴＨＣの内面の一部が陰極用表面材２ＣＳによって覆われている。そのため、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの位置では、水の流速が他の位置と比較して若干遅くなる。その結果、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣの一部の位置で、水素をより多く発生させることができる。
【００３９】
図６に示されるように、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触している部分の面積が、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触している部分の面積よりも大きい。そのため、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触している部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積をより大きくすることができる。
【００４０】
より具体的には、スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間に設けられており、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の距離、すなわち、陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）の幅を維持している。また、スペーサＳは、イオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳの部分的な接触を抑制することによって、接触箇所で生じる電流集中を回避している。スペーサＳの形状は、図６に示されているように、台形断面の棒状部材である。スペーサＳの両端が折り曲げ加工されて引掛り部（図２参照）となる。ただし、スペーサＳは、長方形断面または円形断面を有する棒状部材であってもよい。
【００４１】
前述のことから分かるように、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触している部分の面積が、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触している部分の面積よりも小さい。具体的には、スペーサＳのイオン交換膜３に接触する部位の幅は、たとえば、３ｍｍである。スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳと接触する部位の幅は、たとえば、２ｍｍである。そのため、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）に存在しても、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積がより大きくなっている。スペーサＳのイオン交換膜３に対向する部位に窪みＤを有している。スペーサＳの陰極用表面材２ＣＳに対向する部位に窪みＤを有している。スペーサＳは、イオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとに挟まれている。この状態で、スペーサＳの両端の引掛り部（図２参照）が陰極用ケース１Ｃに接触する。
【００４２】
（陰極用通水路）
図６および図７に示されるように、２つの陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）は、陰極２Ｃの両主表面側に設けられ、貫通孔ＴＨＣを経由して互いに連通している。そのため、貫通孔ＴＨＣを経由して水が移動することにより、貫通孔ＴＨＣの近傍で乱流が生じる。その結果、陰極２Ｃの近傍で発生した水素が陰極２Ｃの近傍に留まって凝集することを抑制することができる。したがって、水への水素の溶解が促進される。
【００４３】
図６から分かるように、貫通孔ＴＨＣを横切る流路断面において、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）の流路断面積が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）の流路断面積よりも小さい。そのため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の水の流速Ｖ１が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の水の流速Ｖ２よりも大きい。その結果、貫通孔ＴＨＣからイオン交換膜３に面する側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）へ水が流れ込むことより、発生した水素の水への溶解が促進される。
【００４４】
図６の貫通孔ＴＨＣを横切る流路断面において、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）の流路断面積が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）の流路断面積よりも小さくてもよい。この場合、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の裏側の水の流速Ｖ２が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の水の流速Ｖ１よりも大きくなる。そのため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）で発生した水素の一部が、貫通孔ＴＨＣを通過するように移動し、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）で水に接触する。その結果、陰極２Ｃの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。したがって、この場合においても、水素の水への溶解を促進させることができる。
【００４５】
陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する表面を覆う陰極用表面材２ＣＳとを含んでいる。貫通孔ＴＨＣの内周面の一部または全部も陰極用表面材２ＣＳによって覆われている。そのため、貫通孔ＴＨＣの内部でも水素が発生するため、陰極２Ｃの水素が発生する部分の面積を大きくすることができる。その結果、水素の発生量を増加させることができる。
【００４６】
（電気分解用デバイスの組み立て）
陰極用給電体２ＣＦの一方の主表面上に、電解めっきによって陰極用表面材２ＣＳを析出させる。この際、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤの表面と貫通孔ＴＨＣの表面上にも陰極用表面材２ＣＳを析出させる。なお、陰極用表面材２ＣＳは貫通孔ＴＨＣの一部または全部に析出されてもよい。
【００４７】
陰極用給電体２ＣＦが、陰極用面状窪み１ＣＤに対して、陰極用表面材２ＣＳを露出させるように設置される。この状態で、陰極用導電線２ＣＥが、陰極導電線挿入孔１ＣＬから陰極用ケース１Ｃの内側面のさらに内側に挿入され、陰極用給電体２ＣＦに接続されている。
【００４８】
３つのスペーサＳは、それぞれ、その長手方向を陰極用給電体２ＣＦの長手方向に沿った状態で、陰極用給電体２ＣＦの短手方向の両端部のそれぞれおよび陰極用給電体２ＣＦの短手方向の中央に、略等間隔で陰極用表面材２ＣＳの上に配置される。それにより、図２に示される状態が得られる。
【００４９】
その後、スペーサＳの引掛り部（図２参照）が陰極用ケース１Ｃに接着剤によって固定される。この状態で、スペーサＳの長手方向と陰極用表面材２ＣＳの長手方向とが同一方向に沿っている。また、この状態で、スペーサＳとイオン交換膜３とが接触する部分の面積は、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触する部分の面積よりも大きくなっている。
【００５０】
パッキンＰがパッキン用窪み１ＡＰに挿入される。この状態で、イオン交換膜３が陰極２Ｃの上に重ね合わされる。イオン交換膜３の周縁部は、パッキン用窪み１ＡＰよりも外側に位置付けられている。
【００５１】
陽極用給電体２ＡＦが、陽極用表面材２ＡＳを露出するように、陽極用面状窪み１ＡＤに配置される。この状態で、陽極用導電線２ＡＥが、陽極導電線挿入孔１ＡＬから陽極用ケース１Ａの内側面のさらに内側に挿入され、陽極用給電体２ＡＦに電気的に接続される。
【００５２】
パッキンＰがパッキン用窪み１ＡＰに挿入される。陽極用表面材２ＡＳがイオン交換膜３に向けられた状態で、陰極用ケース１Ｃの内側面と陽極用ケース１Ａの内側面とを互いに重ね合される。この状態で、円盤状の陰極ケースリブ１ＣＲと円盤状の陽極ケースリブ１ＡＲとは、ほぼ対向するように配置される。それにより、図３に示される状態が得られる。
【００５３】
図１に示される状態で、図示されないビスおよびナットが陰極ケース固定用孔１ＣＦおよび陽極ケース固定用孔１ＡＦに挿入されることによって、陰極用ケース１Ｃと陽極用ケース１Ａとが固定される。
【００５４】
この状態で、図４および図５に示されるように、イオン交換膜３の外周の近傍がパッキンＰによって挟持される。また、イオン交換膜３の中心付近が陽極用表面材２ＡＳとスペーサＳとによって支持される。このとき、図６〜図７に示されるように、イオン交換膜３は、陰極用表面材２ＣＳから距離を置いて設けられる。
【００５５】
（電解水生成装置への電気分解用デバイスの組み込み）
電気分解用デバイス１が電解水生成装置に取り付けられ、入水用パイプが入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩに取り付けられ、出水用パイプが出水孔１ＡＯおよび出水孔１ＣＯに取り付けられる。ここで、出水孔１ＡＯ，１ＣＯが入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩよりも高くなるように配置される。この状態で、スペーサＳの長手方向と陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）の長手方向とが同一方向に沿って延びている。外部導電線が陽極用導電線２ＡＥおよび陰極用導電線２ＣＥに接続され、かつ、電源に接続される。
【００５６】
（電気分解用デバイスにおける電気分解の動作）
操作電源への通電により、電気分解用デバイス１の初期動作の確認が開始される。たとえば、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に所定電圧を印加した際の電流値に基づいて、上記したそれぞれの外部導電線の外れ、イオン交換膜３と陰極２Ｃとの不適切な接触、および陰極用表面材２ＣＳの劣化等の不具合の有無を判断する。このテストにおいて、異常が検出されたら、異常の報知が行われるとともに、電解水生成装置の動作が停止される。
【００５７】
また、図４に示されるように、水が電気分解用デバイス１の中へ流れ込んだ後、入水孔１ＡＩおよび入水孔１ＣＩ側から出水孔１ＡＯおよび出水孔１ＣＯ側へ向かって流れ、電気分解用デバイス１の内部空間に充填される。このとき、水は、陰極用給電体２ＣＦおよび陰極用表面材２ＣＳの貫通孔ＴＨＣの両側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）、ならびに、陽極用給電体２ＡＦおよび陽極用表面材２ＡＳの貫通孔ＴＨＡの両側の陽極用通水路１０Ａを流れる。ここでは、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する主表面側を流れる水の流速Ｖ１（陰極用表面材２ＣＳの露出面側の流速）のほうが、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する主表面の裏側を流れる水の流速Ｖ２（陰極用給電体２ＣＦの露出面側の流速）よりも大きい。
【００５８】
電気分解用デバイス１の電源がオンされると、電気分解によって主として、陰極用表面材２ＣＳのイオン交換膜３に対向する主表面で、水素が生成される。ここで、水素が生成される部位は、陰極用表面材２ＣＳに設けられた貫通孔ＴＨＣ、陰極用給電体２ＣＦの窪みＤに配置された陰極用表面材２ＣＳ、および、陰極用給電体２ＣＦの貫通孔ＴＨＣの内周面上に付着した陰極用表面材２ＣＳ上である。
【００５９】
以下、実施の形態の電気分解用デバイス１の特徴的構成およびそれにより得られる効果を説明する。
【００６０】
（１）  電気分解用デバイス１は、陽極２Ａ、陰極２Ｃ、イオン交換膜３、およびスペーサＳを備えている。陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦの主表面を覆う陰極用表面材２ＣＳと、を有する。イオン交換膜３は、陽極２Ａに接触し、かつ、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に陰極用表面材２ＣＳから距離を置いて配置されている。スペーサＳは、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との間の陰極用通水路１０Ｃに設けられている。
【００６１】
上記の構成によれば、イオン交換膜３の膨潤に起因してイオン交換膜３と陰極用表面材２ＣＳとが接触することを抑制することができる。そのため、陰極用表面材２ＣＳの劣化を抑制することができる。
【００６２】
（２）  スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとの間には、水が流れる隙間Ｃが存在することが好ましい。これによれば、陰極用表面材２ＣＳの全表面のうちのスペーサＳによって覆われた領域の表面上にも、隙間Ｃを通じて水が流れ込む。そのため、陰極用表面材２ＣＳが水に接触する面積がスペーサＳの存在に起因して低減される量を小さくすることができる。その結果、陰極２Ｃで発生する水素の量のスペーサＳの存在に起因した低減量を小さくすることができる。
【００６３】
（３）  スペーサＳの長手方向が陰極用通水路１０Ｃの長手方向に沿って延びるように、スペーサＳが陰極用通水路１０Ｃに配置されていることが好ましい。これによれば、スペーサＳの存在に起因して増加する通水抵抗を極力小さくすることができる。
【００６４】
（４）  スペーサＳの長手方向が陰極用表面材２ＣＳの長手方向に沿って延びるように、スペーサＳが陰極用表面材２ＣＳに接触していることが好ましい。これによれば、陰極用表面材２ＣＳの長手方向におけるイオン交換膜３のたわみを小さくすることができる。そのため、陰極用表面材２ＣＳとイオン交換膜３との接触のおそれをさらに低減させることができる。
【００６５】
（５）  陰極用給電体２ＣＦは、少なくともイオン交換膜３に対向する主表面に窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのうちの少なくともいずれか一方を有していることが好ましい。また、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのうちの少なくともいずれか一方の内面の少なくとも一部が陰極用表面材２ＣＳによって覆われていることが好ましい。これによれば、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのうちの少なくともいずれか一方の位置では、水の流速が他の位置と比較して遅くなる。そのため、窪みＤおよび貫通孔ＴＨＣのうちの少なくともいずれか一方の位置で、水素をより多く発生させることができる。
【００６６】
（６）  スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触している部分の面積がスペーサＳとイオン交換膜３とが接触している部分の面積よりも小さいことが好ましい。これによれば、スペーサＳと陰極用表面材２ＣＳとが接触している部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材２ＣＳのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積をより大きくすることができる。
【００６７】
（７）  電気分解用デバイス１は、陽極２Ａ、陰極２Ｃ、イオン交換膜３、および２つの陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）を備えている。陰極２Ｃは、陽極２Ａに向かって延びる貫通孔ＴＨＣを有する。イオン交換膜３は、陽極２Ａと陰極２Ｃとの間に配置されている。２つの陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）は、陰極２Ｃの両側に設けられ、貫通孔ＴＨＣを経由して互いに連通している。これによれば、貫通孔ＴＨＣを経由して水が２つの陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）の間で移動することにより、貫通孔ＴＨＣの近傍で乱流が生じる。そのため、陰極２Ｃの近傍で発生した水素が陰極２Ｃの近傍に留まって凝集することを抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解が促進される。
【００６８】
（８）  陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）の流路断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）の流路断面積よりも小さくてもよい。これによれば、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ1）の表面側を流れる水の流速Ｖ１が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）を流れる水の流速Ｖ２よりも大きい。そのため、イオン交換膜３に面する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）から貫通孔ＴＨを経由してイオン交換膜３に面する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）へ水が流れ込むことより、発生した水素の水への溶解が促進される。
【００６９】
（９）  陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）の流路断面積が、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）の流路断面積よりも小さくてもよい。これによれば、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）を流れる水の流速Ｖ２が陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）を流れる水の流速Ｖ１よりも大きい。そのため、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ１）で発生した水素の一部が、貫通孔ＴＨＣを通過するように移動し、陰極２Ｃのイオン交換膜３に対向する表面の裏側の陰極用通水路１０Ｃ（Ｐ２）で水に接触する。そのため、陰極２Ｃの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解を促進させることができる。
【００７０】
（１０）  陰極２Ｃは、陰極用給電体２ＣＦと、陰極用給電体２ＣＦのイオン交換膜３に対向する主表面を覆う陰極用表面材２ＣＳとを含んでいてもよい。貫通孔ＴＨＣの内周面の少なくとも一部も陰極用表面材２ＣＳによって覆われていることが好ましい。これによれば、貫通孔ＴＨＣの内部でも水素が発生するため、陰極２Ｃの水素が発生する部分の面積を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  電気分解用デバイス
２Ａ  陽極
２Ｃ  陰極
２ＣＦ  陰極用給電体
２ＣＳ  陰極用表面材
３  イオン交換膜
１０Ｃ（Ｐ１），１０Ｃ（Ｐ２）  陰極用通水路
Ｄ  窪み
Ｓ  スペーサ
ＴＨＣ  貫通孔
Ｖ１，Ｖ２  水の流速
【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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