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JP7530626B2 - Electrochemical Single Cell - Google Patents
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Description

本発明は、アルカリ水電解、固体高分子水電解や固体高分子形燃料電池の触媒等の材料性能を電気化学的試験によって評価するのに用いて好適な電気化学単セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical unit cell suitable for use in evaluating the performance of materials such as catalysts for alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and solid polymer fuel cells through electrochemical testing.

従来、板状部材が多数重ねられたセル積層体について、両エンドプレートを所定の圧力で均等に押圧して締付ける締付構造(特許文献1参照)や、複数部位に対して独立した締付力を付与可能な構造体を持つ固体高分子水電解セルが知られている(特許文献2参照)。例えば特許文献2の固体高分子水電解セルは、固体高分子電解質膜を用いたセルと、前記セルに積層されるエンドプレートと、前記セルと前記エンドプレートとを含む積層体を挟んで前記積層体に締付力を付与するための第1のフランジ及び第2のフランジ部と、支持部材と、前記支持部材に設けられ、前記第1のフランジ部の中央部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な複数の締付力調整部材とを備えている。 Conventionally, there are known solid polymer water electrolysis cells having a structure capable of applying independent tightening forces to multiple parts of a cell stack in which multiple plate-like members are stacked, such as a tightening structure (see Patent Document 1) in which both end plates are evenly pressed with a predetermined pressure to tighten them (see Patent Document 2). For example, the solid polymer water electrolysis cell of Patent Document 2 includes a cell using a solid polymer electrolyte membrane, end plates stacked on the cell, a first flange and a second flange portion for sandwiching the stack including the cell and the end plate and applying a tightening force to the stack, a support member, and multiple tightening force adjustment members provided on the support member and capable of applying a pressing force to multiple parts of the center of the first flange portion under independent control.

特開平11-97054号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-97054 特開2002-302785号公報JP 2002-302785 A

従来のアルカリ水電解、固体高分子水電解及び固体高分子形燃料電池の基本構造である単セルは、電解質膜及びその両面にそれぞれ配置した陽極及び陰極の電極からなるセルと、エンドプレートとが積層された構造となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するために、少なくとも片方のエンドプレートをもう一方のエンドプレート又は中間プレートに対して調整ボルト又は調整ばねによって所定の圧力で締付けて接触性を高め、接触抵抗を低く抑えている。 A single cell, which is the basic structure of conventional alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and solid polymer fuel cells, is constructed by stacking cells consisting of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes arranged on both sides of the membrane, and end plates. In order to suppress the increase in internal resistance due to stacking, at least one end plate is tightened to the other end plate or intermediate plate at a specified pressure using an adjustment bolt or adjustment spring to improve contact and keep contact resistance low.

例えば固体高分子形燃料電池において、電極及び集電体面にかかる加圧力の増加は接触抵抗を低く抑えるため性能向上効果を与えるが、同時に拡散層が加圧されることで空隙率が減少し、拡散の低下をもたらすことは性能の低下を引き起こす。
また、二枚のエンドプレートの内側の積層体は、積層面内においてガスケットと対向する領域(以下、「ガスケット面領域」ともいう。)と、隔膜又は電解質膜等の膜、電極、拡散層及び集電体等を有する領域(以下、「電極面領域」ともいう。)とがある。電極面領域への加圧力を高くする設計、すなわちガスケット厚の低減又はガスケット材を弾性変形し易い材料に変更することは、膜、電極、拡散層及び集電体の面内の接触抵抗の低減をもたらすが、同時にガスケットからの液漏れを引き起こすおそれがある。逆にガスケット厚の増加又はガスケット材を弾性変形し難い材料に変更することはガスケットからの液漏れを防止するが、電極面領域への加圧力が低くなり、膜、電極、拡散層及び集電体の面内の接触抵抗が増加し性能低下を引き起こすおそれがある。このためセル設計において性能を最適化するには、ガスケットからの液漏れを防止しつつ、電極面領域にかかる圧力を適切に調整すること、その領域の圧力を正確に把握することが必要である。
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, increasing the pressure applied to the electrode and current collector surfaces reduces the contact resistance, thereby improving performance. However, at the same time, the pressure applied to the diffusion layer reduces the porosity, resulting in reduced diffusion and thus reduced performance.
In addition, the laminate on the inner side of the two end plates has a region facing the gasket in the laminate surface (hereinafter also referred to as the "gasket surface region") and a region having a membrane such as a diaphragm or electrolyte membrane, an electrode, a diffusion layer, a current collector, etc. (hereinafter also referred to as the "electrode surface region"). A design that increases the pressure on the electrode surface region, i.e., reducing the gasket thickness or changing the gasket material to a material that is easily elastically deformed, reduces the contact resistance in the surfaces of the membrane, electrode, diffusion layer, and current collector, but at the same time, there is a risk of causing liquid leakage from the gasket. Conversely, increasing the gasket thickness or changing the gasket material to a material that is less elastically deformable prevents liquid leakage from the gasket, but the pressure on the electrode surface region is reduced, which increases the contact resistance in the surfaces of the membrane, electrode, diffusion layer, and current collector, which may cause a decrease in performance. For this reason, in order to optimize performance in cell design, it is necessary to appropriately adjust the pressure applied to the electrode surface region while preventing liquid leakage from the gasket and accurately grasp the pressure in that region.

しかしながら、エンドプレートに対して調整ボルト又は調整ばねによって所定の締結力で締付け、内部の積層体に圧力を付与する従来の構造は、エンドプレートの締結力により、ガスケット面領域と、電極面領域との二面域を同時に加圧するため、電極面領域にかかる圧力を正確に把握することは困難であった。 However, in conventional structures where the end plate is tightened with a predetermined tightening force using an adjustment bolt or adjustment spring to apply pressure to the internal laminate, the tightening force of the end plate simultaneously pressurizes two areas, the gasket surface area and the electrode surface area, making it difficult to accurately grasp the pressure applied to the electrode surface area.

アルカリ水電解や固体高分子水電解でも同様に、セル設計において性能を最適化するには電極にかかる圧力を正確に把握する必要があるところ、従来の構造においては、電極にかかる圧力を正確に把握することは困難であった。 Similarly, in alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis, the pressure applied to the electrodes must be accurately understood in order to optimize performance in cell design, but with conventional structures, it was difficult to accurately grasp the pressure applied to the electrodes.

本発明は、上記課題に着目してなされたものでアルカリ水電解や固体高分子水電解や固体高分子形燃料電池において、電極に対する圧力を正確に測定し、調整することができる電気化学単セルを提供することを目的とする。このような電気化学単セルの実現により、電気化学単セルにおいて容易に加圧力の最適化を行うことができると共に、性能比較における評価結果の信頼性が向上し、更には標準化された試験装置、試験条件により膜や電極を評価することも可能になる。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide an electrochemical unit cell that can accurately measure and adjust the pressure applied to the electrodes in alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and solid polymer fuel cells. By realizing such an electrochemical unit cell, it is possible to easily optimize the pressure applied to the electrochemical unit cell, improve the reliability of the evaluation results in performance comparisons, and further make it possible to evaluate membranes and electrodes using standardized test equipment and test conditions.

上記目的を達成するため、本発明の電気化学単セルは、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、
前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the electrochemical unit cell of the present invention is an electrochemical unit cell in which one of a cathode and an anode is arranged on one side of a membrane, and the other of the cathode and anode is arranged on the other side of the membrane, a gasket having an opening for one electrode, an electrode flow path plate, and an end plate for the one electrode are arranged in that order on the one electrode side of a membrane-electrode assembly, and a gasket having an opening for the other electrode and an end plate for the other electrode are arranged in that order on the other electrode side of the membrane-electrode assembly, and the membrane sandwiched between the end plate for the one electrode and the end plate for the other electrode are fastened and fixed together with the gasket on the one electrode side and the gasket on the other electrode side by a fastening member,
The end plate for the other electrode has an opening at a position facing the other electrode, an electrode flow path block that can be pressed toward the other electrode within the opening is arranged so as to be movable in a direction toward the other electrode independently of the end plate for the other electrode, and a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism are arranged for the electrode flow path block.

本発明の電気化学単セルにおいて、前記圧力調整機構が圧力調整用ばね及びばね縮み調整用ねじを有し、前記圧力計測機構が前記圧力調整用ばねのばね縮み量を読み取る目盛り付きバーを有することができる。前記ばね縮み調整用ねじを回転させることによって前記圧力調整用ばねの伸縮量を調整し、前記圧力調整用ばねの弾性力を、電極流路ブロックを通じて前記電極に加えることで、セルを分解することなく膜・電極体にかかる圧力を精密かつ容易に調整することが可能である。
また、本発明の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路パターン及び前記陽極の流路パターンの少なくとも一方を変更することが可能であり、また、前記陰極の流路サイズ及び前記陽極の流路サイズの少なくとも一方を変更することが可能である。
前記膜・電極体の電極サイズは、例えば0.5cm×0.5cmから4cm×4cmの範囲の大きさとすることで少量触媒の評価が可能である。
前記電極流路プレート及び前記他方の電極用エンドプレートは参照極を設置することができる。これにより、膜の表面のうち電極が接触している部分とは異なる領域に対し、電解液を介して電気的に接触することにより、陰極電位及び陽極電位を測定することが可能である。
また、前記電極流路プレートにカーボン素材を、前記他方の電極用エンドプレートにチタン素材を、前記電極流路ブロックに白金メッキしたチタン素材をそれぞれ使用することにより、アルカリ水電解と固体高分子水電解の両電解の測定が可能である。
In the electrochemical single cell of the present invention, the pressure adjustment mechanism can have a pressure adjustment spring and a spring compression adjustment screw, and the pressure measurement mechanism can have a graduated bar for reading the amount of spring compression of the pressure adjustment spring. By adjusting the amount of expansion and contraction of the pressure adjustment spring by rotating the spring compression adjustment screw and applying the elastic force of the pressure adjustment spring to the electrode through the electrode flow path block, it is possible to precisely and easily adjust the pressure applied to the membrane/electrode assembly without disassembling the cell.
Furthermore, in the electrochemical single cell of the present invention, by making the electrode flow path plate and the electrode flow path block replaceable parts, it is possible to change at least one of the flow path pattern of the cathode and the flow path pattern of the anode, and it is also possible to change at least one of the flow path size of the cathode and the flow path size of the anode.
The electrode size of the membrane-electrode assembly is set within a range of, for example, 0.5 cm×0.5 cm to 4 cm×4 cm, which allows evaluation of a small amount of catalyst.
The electrode flow path plate and the end plate for the other electrode can be provided with a reference electrode, which makes it possible to measure the cathode potential and the anode potential by electrically contacting, via the electrolyte, an area of the membrane surface different from the area in contact with the electrode.
In addition, by using a carbon material for the electrode flow path plate, a titanium material for the other electrode end plate, and a platinum-plated titanium material for the electrode flow path block, it is possible to measure both alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis.

本発明によれば、電極に対する圧力を正確に測定し、調整することができる。したがって、電気化学セルにおける膜、電極、拡散層を変更したり、又は集電体の材質、構造、又は形状を変更したりしたときに、膜、電極、拡散層及び集電体への圧力を容易かつ精密に変更することができる。この結果、膜、電極、拡散層、又は集電体の材質、構造、又は形状の変更による性能評価の際、それぞれ別のガスケットを用意することなく、性能比較するときに加圧力の最適化を容易に行うことができ、かつ評価結果の信頼性を向上することができる。 According to the present invention, the pressure on the electrodes can be accurately measured and adjusted. Therefore, when the membrane, electrode, or diffusion layer in the electrochemical cell is changed, or the material, structure, or shape of the current collector is changed, the pressure on the membrane, electrode, diffusion layer, and current collector can be easily and precisely changed. As a result, when evaluating the performance of the membrane, electrode, diffusion layer, or current collector due to changes in the material, structure, or shape, it is possible to easily optimize the pressure when comparing performance without preparing separate gaskets for each, and the reliability of the evaluation results can be improved.

実施例1の電気化学単セルを示す全体斜視図である。FIG. 1 is an overall perspective view showing an electrochemical unit cell of Example 1. 実施例1の電気化学単セルを示す分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrochemical unit cell of Example 1. 実施例1の電気化学単セルにおいて陰極側部品であり交換可能な部品である陰極流路プレートの一例を示す側面図(a)及び正面図(b)である。3A and 3B are a side view and a front view showing an example of a cathode flow channel plate, which is a cathode-side part and a replaceable part in the electrochemical unit cell of Example 1. FIG. 実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品である陰極流路プレートの別の例を示す側面図(a)及び正面図(b)である。4A and 4B are a side view and a front view showing another example of a cathode flow channel plate, which is an anode-side part and a replaceable part in the electrochemical unit cell of Example 1. FIG. 実施例1の電気化学単セルにおいて陰極側部品であり共通部品である陰極エンドプレートの一例を示す側面図(a)及び正面図(b)である。3A and 3B are a side view and a front view showing an example of a cathode end plate, which is a cathode-side part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1. FIG. 実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり共通部品である陽極エンドプレートを示す側面図(a)及び正面図(b)である。3A and 3B are a side view and a front view, respectively, showing an anode end plate, which is an anode-side part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1. 実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品の一例である陽極流路ブロックを示す側面図(a)及び正面図(b)である。3A and 3B are a side view and a front view, respectively, showing an anode flow path block, which is an example of an anode-side part and a replaceable part in the electrochemical unit cell of Example 1. FIG. 実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品の一例である陽極流路ブロックを示す側面図(a)及び正面図(b)である。3A and 3B are a side view and a front view, respectively, showing an anode flow path block, which is an example of an anode-side part and a replaceable part in the electrochemical unit cell of Example 1. FIG. 実施例1の電気化学単セルにおいて圧力調整用部品であり共通部品であるバスバーを示す側面図(a)及び正面図(b)である。4A and 4B are a side view and a front view, respectively, showing a bus bar, which is a pressure adjusting part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1.

以下、本発明の電気化学単セルの実施形態を、図面に基づいて説明する。 Below, an embodiment of the electrochemical single cell of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施例1)
実施例1の電気化学単セルは、電極に対する圧力をガスケットに対する圧力とは独立して、容易に加えることができる構造を持つ電気化学単セルである。実施例1の電気化学単セルにより、アルカリ水電解、固体高分子水電解の触媒や固体高分子形燃料電池の材料性能等を電気化学試験によって評価することができる。そのために実施例1の電気化学単セルは、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したものである。
実施例1の電気化学単セルAについて、以下では、具体例として上記「陰極及び陽極のうちの一方の電極」を「陰極」とし、上記「陰極及び陽極のうちの他方の電極」を「陽極」とし、上記「電極流路プレート」を「陰極流路プレート」とし、上記「一方の電極用エンドプレート」を「陰極エンドプレート」とし、上記「他方の電極用エンドプレート」を「陽極エンドプレート」とし、上記「電極流路ブロック」を「陽極流路ブロック」とした例について述べる。
以下、実施例1の電気化学単セルAの構成を、「全体構成」、「陰極側部品構成」、「陽極側部品構成」「圧力調整用部品」に分けて説明する。
Example 1
The electrochemical unit cell of Example 1 is an electrochemical unit cell having a structure that allows pressure to be easily applied to the electrodes independently of pressure to the gaskets. By using the electrochemical unit cell of Example 1, the performance of catalysts for alkaline water electrolysis and solid polymer water electrolysis, and the material performance of solid polymer fuel cells can be evaluated by electrochemical tests. To this end, the electrochemical single cell of Example 1 is an electrochemical single cell in which one of a cathode and an anode is arranged on one side of a membrane, and the other of the cathode and anode is arranged on the other side of the membrane, a gasket having an opening for one electrode, an electrode flow path plate, and an end plate for the one electrode are arranged in that order on the one electrode side of the membrane-electrode assembly, and a gasket having an opening for the other electrode and an end plate for the other electrode are arranged in that order on the other electrode side of the membrane-electrode assembly, and the membrane sandwiched between the end plate for one electrode and the end plate for the other electrode are fastened and fixed together with the gasket on the one electrode side and the gasket on the other electrode side by a fastening member, in which the end plate for the other electrode has an opening at a position facing the other electrode, an electrode flow path block that can be pressed toward the other electrode is arranged within the opening so as to be movable in a direction toward the other electrode independently of the end plate for the other electrode, and a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism for the electrode flow path block are also arranged.
Regarding the electrochemical unit cell A of Example 1, hereinafter, a specific example will be described in which the above-mentioned "one of the cathode and the anode" is the "cathode", the above-mentioned "the other of the cathode and the anode" is the "anode", the above-mentioned "electrode flow path plate" is the "cathode flow path plate", the above-mentioned "end plate for one electrode" is the "cathode end plate", the above-mentioned "end plate for the other electrode" is the "anode end plate", and the above-mentioned "electrode flow path block" is the "anode flow path block".
The configuration of the electrochemical unit cell A of Example 1 will be described below by dividing it into "overall configuration,""cathode side component configuration,""anode side component configuration," and "pressure regulating components."

[全体構成]
図1は、実施例1の電気化学単セルAを示す全体斜視図であり、図2は、実施例1の電気化学単セルAを示す分解斜視図である。図1、図2に示す電気化学単セルAは、膜・電極体1の陽極側に、圧力調整機構及び圧力計測機構を配置している。
[Overall configuration]
Fig. 1 is an overall perspective view showing an electrochemical unit cell A of Example 1, and Fig. 2 is an exploded perspective view showing the electrochemical unit cell A of Example 1. In the electrochemical unit cell A shown in Figs. 1 and 2, a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism are disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 1.

電気化学単セルAは、図1及び図2に示すように、膜・電極体1と、ガスケット2と、陰極流路プレート3と、陰極エンドプレート4と、陽極エンドプレート5と、陽極流路ブロック6と、バスバー7と、ボアドスルー継手8と、圧力調整用ばね9と、目盛付きバー10と、固定プレート11と、ばね縮み調整用ねじ12と、回転棒13と、セル固定用ボルト14と、セル固定用スペーサ15と、固定プレート固定用ボルト16と、を備えている。 As shown in Figures 1 and 2, the electrochemical single cell A includes a membrane/electrode assembly 1, a gasket 2, a cathode flow path plate 3, a cathode end plate 4, an anode end plate 5, an anode flow path block 6, a bus bar 7, a bore-through joint 8, a pressure adjustment spring 9, a graduated bar 10, a fixing plate 11, a spring compression adjustment screw 12, a rotating rod 13, a cell fixing bolt 14, a cell fixing spacer 15, and a fixing plate fixing bolt 16.

これらの構成要素は、図2に示すように、膜・電極体1の電極のうちの陰極1b側は、ガスケット2と、陰極流路プレート3と、陰極エンドプレート4とを順次配置している。また、膜・電極体1の陽極1c側は、膜・電極体1の膜に対向する領域(ガスケット面領域)ではガスケット2と、陽極エンドプレート5とを順次配置し、膜・電極体1の陽極に対向する領域(電極面領域)では陽極流路ブロック6とバスバー7と圧力調整用ばね9と目盛付きバー10とばね縮み調整用ねじ12を順次配置している。陽極流路ブロック6は、陽極エンドプレート5に形成された開口部の内側において陽極に向けて移動可能に配置している。陽極流路ブロック6の外側端部にバスバー7がねじ結合されている。バスバー7はボアドスルー継手8を通して陽極エンドプレート5を貫通している。ボアドスルー継手8は陽極エンドプレート5に固定されている。バスバー7は、ボアドスルー継手8が未締結時は軸線方向に移動可能になっていて、締結後はボアドスルー継手8によって固定される。
陰極エンドプレート4、陰極流路プレート3、ガスケット2、膜・電極体1、ガスケット2、及び陽極エンドプレート5を貫通してセル固定用ボルト14を配置している。セル固定用ボルト14の先端は、棒状のセル固定用スペーサ15と螺合する。セル固定用スペーサ15は、両端がめねじとなっており、セル固定用スペーサ15の一方の端部とセル固定用ボルト14とが螺合することで膜・電極体1とガスケット2と陰極流路プレート3と陰極エンドプレート4と陽極エンドプレート5を締結する。セル固定用スペーサ15の他方の端部近傍には固定プレート11を貫通して配置し、セル固定用スペーサ15のめねじと、固定プレート固定用ボルト16とが螺合することで固定プレート11を固定する。固定プレート11は、バスバー7の軸線方向にねじ穴11aが形成されている。このねじ穴11aにばね縮み調整用ねじ12が螺合され、ばね縮み調整用ねじ12の回動により、ばね縮み調整用ねじ12は軸線方向に移動可能になっている。ばね縮み調整用ねじ12の基端近傍に、ばね縮み調整用ねじ12を正回転又は逆回転に回転させるための回転棒13が取り付けられる。もっとも、ばね縮み調整用ねじ12を回転させる手段は、図示した回転棒に限られない。例えば、ばね縮み調整用ねじ12に歯車を取り付けて、この歯車をモータで駆動してばね縮み調整用ねじ12を回転させるようにしてもよい。ばね縮み調整用ねじ12の先端は、目盛付きバー10の一端と当接している。目盛付きバー10は、バスバー7の一端に形成されたばね格納用穴7b内に格納された圧力調整用ばね9を押圧可能になっている。圧力調整用ばね9の弾性力により、バスバー7及び陽極流路ブロックを介して膜・電極体1の陽極1cに圧力を独立して加えることができる。
As shown in FIG. 2, the cathode 1b side of the electrode of the membrane electrode assembly 1 is provided with a gasket 2, a cathode flow path plate 3, and a cathode end plate 4 arranged in this order. The anode 1c side of the membrane electrode assembly 1 is provided with a gasket 2 and an anode end plate 5 arranged in this order in the region (gasket surface region) facing the membrane of the membrane electrode assembly 1, and an anode flow path block 6, a bus bar 7, a pressure adjustment spring 9, a graduated bar 10, and a spring compression adjustment screw 12 arranged in this order in the region (electrode surface region) facing the anode of the membrane electrode assembly 1. The anode flow path block 6 is arranged inside the opening formed in the anode end plate 5 so as to be movable toward the anode. The bus bar 7 is screwed to the outer end of the anode flow path block 6. The bus bar 7 penetrates the anode end plate 5 through a bore-through joint 8. The bore-through joint 8 is fixed to the anode end plate 5. The bus bar 7 is movable in the axial direction when the bore-through joint 8 is not fastened, and is fixed by the bore-through joint 8 after fastening.
A cell fixing bolt 14 is disposed penetrating the cathode end plate 4, the cathode flow path plate 3, the gasket 2, the membrane electrode assembly 1, the gasket 2, and the anode end plate 5. The tip of the cell fixing bolt 14 is screwed into a rod-shaped cell fixing spacer 15. Both ends of the cell fixing spacer 15 are internally threaded, and one end of the cell fixing spacer 15 is screwed into the cell fixing bolt 14 to fasten the membrane electrode assembly 1, the gasket 2, the cathode flow path plate 3, the cathode end plate 4, and the anode end plate 5. A fixing plate 11 is disposed penetrating the cell fixing spacer 15 near the other end, and the fixing plate 11 is fixed by screwing the internal thread of the cell fixing spacer 15 into the fixing plate fixing bolt 16. A screw hole 11a is formed in the fixing plate 11 in the axial direction of the bus bar 7. A spring compression adjustment screw 12 is screwed into this screw hole 11a, and the spring compression adjustment screw 12 can move in the axial direction by rotating the spring compression adjustment screw 12. A rotating rod 13 for rotating the spring compression adjustment screw 12 forward or backward is attached near the base end of the spring compression adjustment screw 12. However, the means for rotating the spring compression adjustment screw 12 is not limited to the rotating rod shown in the figure. For example, a gear may be attached to the spring compression adjustment screw 12, and the gear may be driven by a motor to rotate the spring compression adjustment screw 12. The tip of the spring compression adjustment screw 12 abuts against one end of the graduated bar 10. The graduated bar 10 is capable of pressing the pressure adjustment spring 9 stored in the spring storage hole 7b formed at one end of the bus bar 7. The elastic force of the pressure adjusting spring 9 makes it possible to independently apply pressure to the anode 1c of the membrane electrode assembly 1 via the bus bar 7 and the anode flow path block.

膜・電極体1は、実施例1では、アルカリ水電解や固体高分子水電解用や固体高分子形燃料電池用の膜・電極体1を有する単セル構造の例を示している。図示した例では四角形の平面形状のイオン交換膜1aの両端面に、電極である陰極1bと陽極1cが設置又は接合されている。膜・電極体1は、イオン交換膜1aの代わりに、多孔質膜に電解質を含侵したイオン電導性の膜を有するものであってもよい。膜・電極体1は、一般に膜・電極接合体又はMEAと呼ばれるものを用いることができるが、膜と電極とが接合されたものに限られず、両者が非接合で接触しているものも含めて膜・電極体1という。また、膜・電極体1は、両電極の外側に拡散層又は集電体が設置されることがある。
電極である陰極1bと陽極1cの縦と横の長さによる電極サイズは様々であり、特に実験、研究に用いられるものでは、例えば、少量サンプルの性能評価を行う小サイズのものや量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズものがある。なお、イオン交換膜1aには、図2に示すように、セル固定用ボルト14を挿通する位置決め用穴1dが開けられている。
In the first embodiment, the membrane-electrode assembly 1 shows an example of a single cell structure having the membrane-electrode assembly 1 for alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, or solid polymer fuel cell. In the illustrated example, a cathode 1b and an anode 1c, which are electrodes, are installed or joined to both end faces of an ion exchange membrane 1a having a rectangular planar shape. The membrane-electrode assembly 1 may have an ion-conductive membrane in which an electrolyte is impregnated in a porous membrane, instead of the ion exchange membrane 1a. The membrane-electrode assembly 1 may be one generally called a membrane-electrode assembly or MEA, but is not limited to one in which a membrane and an electrode are joined, and may also include one in which the two are in contact without being joined. In addition, the membrane-electrode assembly 1 may have a diffusion layer or a current collector installed on the outside of both electrodes.
The electrode sizes, which are determined by the vertical and horizontal lengths of the cathode 1b and anode 1c, vary, and those used in experiments and research include, for example, small sizes for evaluating the performance of a small amount of samples and large sizes for evaluating the performance of actual cells for mass production. Note that the ion exchange membrane 1a has a positioning hole 1d through which the cell fixing bolt 14 is inserted, as shown in Figure 2.

ガスケット2は同じ構成のものが一対用意される。ガスケット2は、中央部に電極用開口部2aを有し、膜・電極体1を陰極流路プレート3又は陽極流路ブロック6により挟持した状態で締め付け固定したときのガス又は液シール機能を発揮するシール部材である。ガスケット2は、例えば、フッ素ゴムシート等の電気絶縁素材からなる。なお、ガスケット2には、図2に示すように、位置決め用穴2b及び参照極用開口部2cが開けられている。 A pair of gaskets 2 with the same configuration are prepared. The gasket 2 has an electrode opening 2a in the center, and is a sealing member that exhibits a gas or liquid sealing function when the membrane/electrode body 1 is clamped and fixed by the cathode flow path plate 3 or the anode flow path block 6. The gasket 2 is made of an electrically insulating material such as a fluororubber sheet. In addition, the gasket 2 has a positioning hole 2b and an opening 2c for the reference electrode, as shown in Figure 2.

膜・電極体1、ガスケット2、陰極流路プレート3、陰極エンドプレート4、及び陽極エンドプレート5の位置決め用穴1d、2b、3i、4b、5hは、全く同じ位置に開けられ、電気化学単セルAの組み付け時に、絶縁チューブの施されたセル固定用ボルト14を挿通する。また、固定プレート11の位置決め用穴11bは、固定プレート固定用ボルトを挿通する。これにより、膜・電極体1とガスケット2と陰極流路プレート3と陰極エンドプレート4と陽極エンドプレート5と固定プレート11との互いの位置ずれを抑えて適正な位置関係とする位置決めを行うことができる。 The positioning holes 1d, 2b, 3i, 4b, and 5h of the membrane/electrode assembly 1, gasket 2, cathode flow path plate 3, cathode end plate 4, and anode end plate 5 are drilled in exactly the same positions, and when assembling the electrochemical single cell A, the cell fixing bolt 14 with an insulating tube is inserted through it. Furthermore, the positioning hole 11b of the fixing plate 11 is used to insert the fixing plate fixing bolt. This makes it possible to position the membrane/electrode assembly 1, gasket 2, cathode flow path plate 3, cathode end plate 4, anode end plate 5, and fixing plate 11 in an appropriate positional relationship while suppressing misalignment between them.

セル固定用ボルト14と陰極エンドプレート4との間、セル固定用ボルト14と陽極エンドプレート5の間、及び、固定プレート固定用ボルト16と固定プレート11との間は、それぞればね座金、座金、及び絶縁座金が設けられる構成としている。絶縁座金は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材からなる。 A spring washer, washer, and insulating washer are provided between the cell fixing bolt 14 and the cathode end plate 4, between the cell fixing bolt 14 and the anode end plate 5, and between the fixing plate fixing bolt 16 and the fixing plate 11. The insulating washer is made of a chemical-resistant, insulating material such as polyether ether ketone.

[陰極側部品構成]
図3及び図4は、実施例1の電気化学単セルにおいて陰極側部品であって複数のバリエーションを用意して、相互に交換可能な部品である陰極流路プレート3の一例(図3)及び別の例(図4)を示し、図5は、実施例1の電気化学単セルにおいて陰極側部品であって共通部品である陰極エンドプレート4を示す。
[Cathode side component configuration]
FIGS. 3 and 4 show one example ( FIG. 3 ) and another example ( FIG. 4 ) of the cathode flow channel plate 3, which is a cathode-side part in the electrochemical unit cell of Example 1 and is prepared in a plurality of variations so as to be mutually interchangeable. FIG. 5 shows the cathode end plate 4, which is a cathode-side part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1.

陰極流路プレート3は、膜・電極体1の陰極1bに対向して陰極液流路3aが形成され、膜・電極体1の陰極1bに対して電気化学反応に必要な反応基質(アルカリ水電解の場合は電解液、固体高分子水電解の場合は水、固体高分子形燃料電池の場合は燃料極として加湿水素)を送る機能を持つ。また、液充填管3bが陰極流路プレート3に埋設されている。液充填管3bはイオン交換膜1aに対向して参照極用開口部3cを有し、参照極17が、液充填管3bに充填された電解質液を通して、参照極用開口部3cにおいてイオン交換膜1aと電気的に接触する構造を持つ。液充填管3bは参照極用開口部3cまで電解液と周辺部材の間を電気的に絶縁するために、例えばポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材が用いられる。また陰極流路プレート3は、セル温度管理、計測用の熱電対用穴3d、電流及び電圧の印加、計測用の端子取り付け用穴3eを備えることができる。液充填管3b、参照極17、参照極17用のボアドスルー継手3f、入口継手3g、出口継手3hを除いた、この陰極流路プレート3の材質は、例えば、チタン素材やカーボン等の熱伝導性部材が用いられる。
この陰極流路プレート3の別の例としては、外形寸法(縦、横、高さ寸法)と材質(例えば、カーボン素材等の導電性部材)が同じであって、例えば流路パターンを変更した図4の陰極流路プレート3を用意することができる。なお、陰極流路プレート3には、図3に示すように、セル固定用ボルト14を挿通する位置決め用穴3iが開けられている。
The cathode flow path plate 3 has a cathode liquid flow path 3a formed opposite the cathode 1b of the membrane electrode assembly 1, and has a function of sending a reactant required for an electrochemical reaction (electrolyte in the case of alkaline water electrolysis, water in the case of solid polymer water electrolysis, and humidified hydrogen as a fuel electrode in the case of a solid polymer electrolyte fuel cell) to the cathode 1b of the membrane electrode assembly 1. In addition, a liquid-filled tube 3b is embedded in the cathode flow path plate 3. The liquid-filled tube 3b has a reference electrode opening 3c opposite the ion exchange membrane 1a, and has a structure in which the reference electrode 17 is electrically contacted with the ion exchange membrane 1a at the reference electrode opening 3c through the electrolyte liquid filled in the liquid-filled tube 3b. In order to electrically insulate the electrolyte from the surrounding members up to the reference electrode opening 3c, a chemical-resistant and insulating material such as a polyether ether ketone material is used for the liquid-filled tube 3b. In addition, the cathode flow path plate 3 can be provided with a thermocouple hole 3d for cell temperature management and measurement, and a terminal attachment hole 3e for applying current and voltage and measurement. The material of this cathode flow path plate 3, excluding the liquid filling tube 3b, the reference electrode 17, the bore-through joint 3f for the reference electrode 17, the inlet joint 3g, and the outlet joint 3h, is, for example, a thermally conductive material such as titanium or carbon.
As another example of the cathode flow passage plate 3, a cathode flow passage plate 3 shown in Fig. 4 can be prepared which has the same outer dimensions (length, width, and height) and material (e.g., a conductive member such as a carbon material) but has a different flow passage pattern. Note that the cathode flow passage plate 3 has positioning holes 3i through which the cell fixing bolts 14 are inserted, as shown in Fig. 3.

陰極エンドプレート4は、ヒーター用穴4aを有した熱伝導部材である。この陰極エンドプレート4は、例えばステンレス材で構成される。なお、陰極エンドプレート4には、図5に示すように、セル固定用ボルト14を挿通する位置決め用穴4bが開けられている。 The cathode end plate 4 is a heat-conducting member having heater holes 4a. The cathode end plate 4 is made of, for example, stainless steel. As shown in FIG. 5, the cathode end plate 4 has positioning holes 4b through which the cell fixing bolts 14 are inserted.

[陽極側部品構成]
図6は、実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり共通部品である陽極エンドプレート5を示し、図7及び図8は、実施例1の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり複数のバリエーションを用意して、相互に交換可能な部品である陽極流路ブロック6の一例(図7)及び別の例(図8)を示す。
[Anode side component configuration]
FIG. 6 shows the anode end plate 5, which is an anode-side part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1, and FIGS. 7 and 8 show one example ( FIG. 7 ) and another example ( FIG. 8 ) of the anode flow channel block 6, which is an anode-side part in the electrochemical unit cell of Example 1 and is prepared in a plurality of variations so as to be mutually interchangeable.

陽極エンドプレート5は、膜・電極体1の陽極1cに対向して開口部5aが形成され、この開口部5a内に陽極流路ブロック6を格納し、膜・電極体1の陽極1cに対して電解に必要な反応基質(アルカリ水電解の場合は電解液、固体高分子水電解の場合は水、固体高分子形燃料電池の場合は酸素極として加湿空気)を送る機能を持つ。また、液充填管5bが陽極エンドプレート5に埋設されている。液充電管5bはイオン交換膜1aに対向して参照極用開口部5cを有し、参照極17が液充電管5bに充填された電解質液を通して、参照極用開口部5cにおいてイオン交換膜と電気的に接触する構造を持つ。液充填管5bは参照極用開口部5cまで電解液と周辺部材の間を電気的に絶縁するために、例えばポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材が用いられる。また陽極エンドプレート5は、セル加熱用のヒーター用穴5dを備えることができる。液充填管5b、参照極17、参照極17用のボアドスルー継手5e、入口継手5f、出口継手5gを除いた、この陽極エンドプレート5の材質は、例えば、チタン素材やカーボン等の熱伝導性部材が用いられる。なお、陽極エンドプレート5は、図6に示すように、セル固定用ボルト14を挿通する位置決め用穴5hが開けられるとともに、バスバー7を移動可能に挿通したボアドスルー継手8を螺合するためのめねじ5iが開けられている。 The anode end plate 5 has an opening 5a formed opposite the anode 1c of the membrane-electrode assembly 1, and contains the anode flow path block 6 inside this opening 5a. It has the function of sending the reaction substrate required for electrolysis (electrolyte in the case of alkaline water electrolysis, water in the case of solid polymer water electrolysis, and humidified air as an oxygen electrode in the case of a solid polymer fuel cell) to the anode 1c of the membrane-electrode assembly 1. In addition, a liquid-filled tube 5b is embedded in the anode end plate 5. The liquid charging tube 5b has a reference electrode opening 5c opposite the ion exchange membrane 1a, and has a structure in which the reference electrode 17 electrically contacts the ion exchange membrane at the reference electrode opening 5c through the electrolyte filled in the liquid charging tube 5b. The liquid-filled tube 5b is made of a chemical-resistant, insulating material such as polyether ether ketone material to electrically insulate the electrolyte from the surrounding components up to the reference electrode opening 5c. The anode end plate 5 can also be provided with a heater hole 5d for heating the cell. The material of this anode end plate 5, excluding the liquid filling tube 5b, the reference electrode 17, the bore-through joint 5e for the reference electrode 17, the inlet joint 5f, and the outlet joint 5g, is, for example, a thermally conductive material such as titanium material or carbon. As shown in FIG. 6, the anode end plate 5 has a positioning hole 5h through which the cell fixing bolt 14 is inserted, and a female thread 5i for screwing in the bore-through joint 8 through which the bus bar 7 is movably inserted.

陽極流路ブロック6は、膜・電極体1の陽極1cに対向して陽極液流路6aを形成するとともに、バスバー7の一端を螺合するためのめねじ6bを形成している。めねじ6bに結合されたバスバー7から伝えられる圧力を膜・電極体1の電極面域に伝える機能を持つ。陽極流路ブロック6は陽極エンドプレート5の開口部5aに格納された状態で膜・電極体1の陽極1cに向けて進退する方向にのみ可動する。
この陽極流路ブロック6の別の例を図8に示す。図8の陽極流路ブロック6は、外形寸法(縦、横、高さ寸法)と材質(例えば、白金メッキしたチタン素材等の電気伝導性、熱伝導性、耐食性部材)が図7の陽極流路ブロック6と同じであって、例えば流路パターンを変更したものを用意することができる。
The anode flow path block 6 forms an anolyte flow path 6a facing the anode 1c of the membrane electrode assembly 1, and also has an internal thread 6b for screwing one end of a bus bar 7. It has the function of transmitting pressure transmitted from the bus bar 7 connected to the internal thread 6b to the electrode surface area of the membrane electrode assembly 1. The anode flow path block 6 is movable only in the direction toward and away from the anode 1c of the membrane electrode assembly 1 while housed in the opening 5a of the anode end plate 5.
Another example of the anode flow passage block 6 is shown in Fig. 8. The anode flow passage block 6 in Fig. 8 has the same external dimensions (length, width, and height) and material (e.g., an electrically conductive, thermally conductive, and corrosion-resistant material such as platinum-plated titanium) as the anode flow passage block 6 in Fig. 7, and can be prepared with, for example, a changed flow passage pattern.

[圧力調整用部品]
図9は、実施例1の電気化学単セルにおいて圧力調整用部品であって共通部品であるバスバー7を示す。
[Pressure adjustment parts]
FIG. 9 shows the bus bar 7, which is a pressure adjusting part and a common part in the electrochemical unit cell of Example 1.

棒状のバスバー7は、一端に形成されたおねじ7aが陽極流路ブロック6のめねじ6bと結合し、他端にばね格納用穴7bが形成されており、このばね格納用穴7bに圧力調整用ばね9が格納される。ばね格納用穴7b内で圧力調整用ばね9は、ばね縮み調整用ねじ12の軸線方向の移動により目盛付きバー10を介して圧縮され、その弾性力から得られる圧力を陽極流路ブロック6に伝える。また、バスバー7の端子用穴7cに設置された端子と陽極流路ブロック6との間を通電する機能を持つ。このバスバー7の材質は、例えば、チタン素材等の電気伝導性部材が用いられる。 The rod-shaped busbar 7 has a male thread 7a formed at one end that connects with a female thread 6b of the anode flow path block 6, and a spring storage hole 7b formed at the other end, in which a pressure adjustment spring 9 is stored. Inside the spring storage hole 7b, the pressure adjustment spring 9 is compressed via a graduated bar 10 by the axial movement of a spring compression adjustment screw 12, and transmits pressure obtained from the elastic force to the anode flow path block 6. It also has the function of conducting electricity between the terminal installed in the terminal hole 7c of the busbar 7 and the anode flow path block 6. The material of this busbar 7 is, for example, an electrically conductive material such as titanium.

次に、本発明の電気化学単セルの作用効果を、実施例1の電気化学単セルAを具体例として説明する。本発明の電気化学単セルは、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の材料性能の評価等に用いて好適である。 Next, the effects of the electrochemical single cell of the present invention will be explained using electrochemical single cell A of Example 1 as a specific example. The electrochemical single cell of the present invention is suitable for use in alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and evaluation of material performance of solid polymer fuel cells.

従来から、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の材料性能は、触媒は回転ディスク電極法による試験によって評価し、又は触媒を含むその他の材料は単セルを用いた電解による試験によって評価することが一般的である。 Traditionally, the material performance of alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, and solid polymer fuel cells has generally been evaluated by testing catalysts using the rotating disk electrode method, and other materials, including catalysts, by electrolysis testing using a single cell.

回転ディスク電極法による三電極式試験による触媒評価は、実機に即した燃料電池用触媒評価と異なり、ガス発生反応であり、回転ディスク電極セルの構造上、触媒にガスが滞留するため、精度の高い測定は一般的に難しい。 Catalyst evaluation using a three-electrode test with the rotating disk electrode method is different from catalyst evaluation for fuel cells based on actual equipment in that it is a gas generation reaction, and because of the structure of the rotating disk electrode cell, gas remains on the catalyst, so it is generally difficult to perform highly accurate measurements.

一方、単セルを用いた電解による試験によって評価するにしても、材料開発者が単セルまで設計製作して評価を行うことは困難である。そのため、試験研究用の単セルがいくつか販売使用されている。 On the other hand, even if evaluation is carried out by electrolytic testing using a single cell, it is difficult for material developers to design and manufacture a single cell and carry out the evaluation. For this reason, several single cells for testing and research purposes are sold and used.

しかし、従来の試験研究用の単セルは、組み立てて電解評価を行うことには技術を要していた。また、セル組み技術の差による性能差が生じることがあり、従来の単セルを用いて材料を評価するときに、同じ材料であっても評価者ごとに性能が異なることが多く、ましてや異なる材料開発者間で性能を比較することは困難であった。それゆえ適切な材料評価が困難であった。 However, conventional single cells for testing and research required skill to assemble and perform electrolytic evaluation. In addition, differences in cell assembly technology can lead to differences in performance, and when evaluating materials using conventional single cells, the performance of the same material often differs depending on the evaluator, making it difficult to compare performance between different material developers. This makes it difficult to properly evaluate materials.

従来の単セルにおいて、測定された絶対性能が試験ごとに、または評価者ごとに異なる大きな要因の一つが膜、電極、拡散層、集電体等にかかる圧力の制御が困難であることであった。これは単セルのエンドプレートをボルト及びナットで締結した圧力がセパレータに挟まれている電極とガスケットの両方にかかるため、電極にかかる圧力を精度良く知ることは難しいためである。また、圧力の調整もエンドプレートをボルト及びナットで締結する締結トルクの管理とその調整によって行われることから、精密に調整することが難しかった。 In conventional single cells, one of the major factors that caused the measured absolute performance to differ from test to test or from evaluator to evaluator was the difficulty in controlling the pressure applied to the membrane, electrodes, diffusion layer, current collector, etc. This is because the pressure applied when fastening the end plates of the single cell with bolts and nuts is applied to both the electrodes and gaskets that are sandwiched between the separators, making it difficult to accurately know the pressure applied to the electrodes. In addition, pressure adjustment was performed by managing and adjusting the fastening torque that fastens the end plates with bolts and nuts, making it difficult to adjust precisely.

また、電極にかかる圧力を制御し性能の最適化を行うことが材料開発の上で必要となるが、電極にかかる圧力はガスケットの厚さ、弾性、面積と膜、電極、拡散層、集電体等の厚さ、弾性、面積に影響される。更にガスケットのシール性も確保する必要も生じることから電極にかかる圧力を精度よく制御することは困難であった。 In addition, controlling the pressure on the electrodes and optimizing performance is necessary in material development, but the pressure on the electrodes is affected by the thickness, elasticity, and area of the gasket, as well as the thickness, elasticity, and area of the membrane, electrode, diffusion layer, current collector, etc. Furthermore, since it is necessary to ensure the sealing properties of the gasket, it has been difficult to precisely control the pressure on the electrodes.

一方、試作レベルの新規触媒等では、作製できるサンプル量が非常に少量であるため、例えば1cm角程度の小面積の触媒層しか作製できない場合がある。この場合、セルのハンドリングを考慮するとセル本体はある程度の大きさ(例えば5~10cm角程度)が必要となる。この設計では必然的に電極面積に対するガスケット面積の比率が大きくなり、ボルト及びナットで締結した圧力のほとんどがガスケットにかかってしまう。この為に電極面への加圧制御の困難さは電極小面積化することで更に増加する。 On the other hand, with new prototype catalysts, the amount of sample that can be produced is very small, so it may be possible to produce only a small catalyst layer of, for example, about 1 cm square. In this case, taking into account the handling of the cell, the cell body needs to be a certain size (for example, about 5 to 10 cm square). With this design, the ratio of the gasket area to the electrode area is inevitably large, and most of the pressure applied by the bolts and nuts is applied to the gasket. For this reason, the difficulty of controlling the pressure on the electrode surface increases even more when the electrode area is reduced.

これに対して、本発明の電気化学単セルでは、図面を用いて説明した電気化学単セルAのように陽極側において、電極面領域に接する部材を陽極流路ブロック6とし、ガスケット面領域に接する部材を陽極エンドプレート5として、それぞれ独立した別部品としている。陽極流路ブロック6をセル外部からバスバー7を介して圧力調整用ばね9の弾性により加圧することで、膜、電極、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密に制御することが可能な構造を採用した。 In contrast, in the electrochemical single cell of the present invention, as in electrochemical single cell A described with reference to the drawings, the member in contact with the electrode surface area on the anode side is the anode flow path block 6, and the member in contact with the gasket surface area is the anode end plate 5, each of which is an independent separate part. A structure is adopted in which the pressure applied to the membrane, electrode, diffusion layer, current collector, etc. can be precisely controlled by applying pressure to the anode flow path block 6 from outside the cell via the bus bar 7 using the elasticity of the pressure adjustment spring 9.

上記構造を採用した電気化学単セルAによって以下の作用効果が得られる。
・ガスケット2の厚さ、弾性、面積の影響及び膜・電極体1、拡散層、集電体等の厚さ、弾性、面積及びセル固定用ボルト14とセル固定用スペーサ15の螺合による電気化学セルの締結圧に影響されることなく膜・電極体1、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密に制御できる。このため、ガスケット材料、形状の選定やセル締結圧の調整により、電極にかかる圧力を制御する時間が大幅に短縮される。
・電極面への圧力を段階的に変更し、電解性能を最適化する評価試験において、電気化学セルを分解することなく、実験中に容易かつ精度よく変更することができる。
・本電気化学単セルAのセル固定用ボルト14とセル固定用スペーサ15によるセル締結はガスケット2からの液漏れを防ぐことのみに注意すれば良いため、従来の電気化学セルで求められるセル締結の際の厳重な締結トルク管理が不要となる。
・評価者間のセル組み技術の差による性能差が極めて低く抑えられるため、材料開発者間で統一した基準での材料性能比較ができる。
The electrochemical unit cell A having the above structure provides the following effects.
The pressure applied to the membrane/electrode body 1, diffusion layer, current collector, etc. can be precisely controlled without being affected by the thickness, elasticity, and area of the gasket 2, or the thickness, elasticity, and area of the membrane/electrode body 1, diffusion layer, current collector, etc., or the fastening pressure of the electrochemical cell due to the screwing of the cell fixing bolts 14 and the cell fixing spacer 15. Therefore, the time required to control the pressure applied to the electrodes can be significantly reduced by selecting the gasket material and shape and adjusting the cell fastening pressure.
In evaluation tests in which the pressure on the electrode surface is gradually changed to optimize electrolysis performance, the pressure can be easily and precisely changed during the experiment without disassembling the electrochemical cell.
When fastening the electrochemical single cell A using the cell fixing bolts 14 and the cell fixing spacer 15, care must be taken only to prevent liquid leakage from the gasket 2, so there is no need for strict fastening torque management when fastening the cell, as was required with conventional electrochemical cells.
- Because performance differences due to differences in cell assembly technology between evaluators are kept extremely low, material developers can compare material performance using a unified standard.

本発明の電気化学単セルの使用方法の一例として、触媒等の材料性能を評価する電気化学試験について、電気化学単セルの組み立て方法を含めて以下説明する。
膜・電極体1、拡散層、集電体等の性能を評価するために電気化学試験が実施される。この電気化学試験において、試作レベルの新規触媒等でサンプル量が非常に少量である場合には、電極サイズが小さい(例えば1cm角)電解セルを使用する。サンプル量が大量である場合であっても、電極サイズを例えば1cm角と標準化して、サンプル量が非常に少量である場合の電極サイズと統一することにより、標準化された試験を実施することができ、各サンプル同士の性能比較を容易に行うことができるようになる。電極サイズは1cm角のものに限られず、例えば0.5cm×0.5cmから4cm×4cmの範囲の大きさとすることができる。電極の平面形状は正方形に限られず、一辺が0.5~4.0cmの範囲の長方形とすることもできる。
As an example of a method for using the electrochemical unit cell of the present invention, an electrochemical test for evaluating the performance of materials such as catalysts will be described below, including a method for assembling the electrochemical unit cell.
Electrochemical tests are carried out to evaluate the performance of the membrane/electrode body 1, the diffusion layer, the current collector, etc. In this electrochemical test, when the amount of sample is very small for a new prototype catalyst, etc., an electrolytic cell with a small electrode size (for example, 1 cm square) is used. Even when the amount of sample is large, the electrode size is standardized to, for example, 1 cm square to unify it with the electrode size when the amount of sample is very small, so that a standardized test can be carried out and performance comparison between each sample can be easily performed. The electrode size is not limited to 1 cm square, and can be, for example, in the range of 0.5 cm x 0.5 cm to 4 cm x 4 cm. The planar shape of the electrode is not limited to a square, and can be a rectangle with one side in the range of 0.5 to 4.0 cm.

膜・電極体1のサイズに応じた最適なガスケット2、陰極流路プレート3、陽極エンドプレート5、陽極流路ブロック6、試験条件に応じた圧力調整用ばね9が選択される。そして、共通部品である陰極エンドプレート4、バスバー7、ボアドスルー継手8、目盛付きバー10、固定プレート11、ばね縮み調整用ねじ12、回転棒13、セル固定用ボルト14、セル固定用スペーサ15、固定プレート固定用ボルト16、参照極17と、用意された膜・電極体1、拡散層、集電体等と選択したガスケット2、陰極流路プレート3、陽極エンドプレート5、陽極流路ブロック6、圧力調整用ばね9とを組み合わせることで、電気化学単セルAが構成される。 The optimal gasket 2, cathode flow path plate 3, anode end plate 5, anode flow path block 6, and pressure adjustment spring 9 according to the test conditions are selected according to the size of the membrane/electrode body 1. Then, the electrochemical single cell A is constructed by combining the common parts, cathode end plate 4, bus bar 7, bore-through joint 8, graduated bar 10, fixing plate 11, spring compression adjustment screw 12, rotating rod 13, cell fixing bolt 14, cell fixing spacer 15, fixing plate fixing bolt 16, and reference electrode 17, with the prepared membrane/electrode body 1, diffusion layer, current collector, etc., and the selected gasket 2, cathode flow path plate 3, anode end plate 5, anode flow path block 6, and pressure adjustment spring 9.

ボアドスルー継手8、ばね縮み調整用ねじ12、セル固定用ボルト14、セル固定用スペーサ15、固定プレート固定用ボルト16及び参照極17は市販の規格品を使用することが可能である。また、陰極流路プレート3の構成部材であるボアドスルー継手3f、入口継手3g、出口継手3hや、陽極エンドプレート5の構成部材であるボアドスルー継手5e、入口継手5f、出口継手5gもまた、市販の規格品を使用することが可能である。 The bore-through joint 8, spring compression adjustment screw 12, cell fixing bolt 14, cell fixing spacer 15, fixing plate fixing bolt 16, and reference electrode 17 can be commercially available standard products. In addition, the bore-through joint 3f, inlet joint 3g, and outlet joint 3h, which are components of the cathode flow path plate 3, and the bore-through joint 5e, inlet joint 5f, and outlet joint 5g, which are components of the anode end plate 5, can also be commercially available standard products.

所定の膜・電極体1、ガスケット2、陰極流路プレート3、陰極エンドプレート4、陽極流路ブロック6を並べ置き、陽極流路ブロック6のめねじ6bにバスバー7のおねじ7aを螺合して陽極流路ブロック6を陽極エンドプレート5の開口部5aに挿入する。上記膜・電極体1、ガスケット2、陰極流路プレート3、陰極エンドプレート4及び陽極エンドプレート5のそれぞれの位置決め用穴1d、位置決め用穴2b、位置決め用穴3i、位置決め用穴4b、位置決め用穴5hにセル固定用ボルト14とセル固定用スペーサ15を螺合することでセルを締結する。この時セルの短絡を防止するため、セル固定用ボルト14のねじ部には絶縁チューブ、両端には絶縁ブッシュが取り付けられる。セル固定用ボルト14とセル固定用スペーサ15の締結トルクは厳密な最適化は不要であり、ガスケット2のシール性を確保する適切な値で良い。 The predetermined membrane electrode assembly 1, gasket 2, cathode flow path plate 3, cathode end plate 4, and anode flow path block 6 are arranged side by side, and the male thread 7a of the bus bar 7 is screwed into the female thread 6b of the anode flow path block 6, and the anode flow path block 6 is inserted into the opening 5a of the anode end plate 5. The cell is fastened by screwing the cell fixing bolt 14 and the cell fixing spacer 15 into the positioning holes 1d, 2b, 3i, 4b, and 5h of the membrane electrode assembly 1, gasket 2, cathode flow path plate 3, cathode end plate 4, and anode end plate 5, respectively. At this time, an insulating tube is attached to the threaded portion of the cell fixing bolt 14, and insulating bushes are attached to both ends to prevent short-circuiting of the cell. The fastening torque of the cell fixing bolt 14 and the cell fixing spacer 15 does not need to be strictly optimized, and may be an appropriate value that ensures the sealing properties of the gasket 2.

陽極エンドプレート5のめねじ5iとボアドスルー継手8を締結し、バスバー7とボアドスルー継手8は最初は未締結としてボアドスルー継手8内でバスバー7が軸線方向に移動可能にしておく。バスバー7のばね格納用穴7b内に圧力調整用ばね9、目盛り付きバー10の順に設置する。固定プレート11の位置決め用穴11baを通してセル固定用スペーサ15と固定プレート固定用ボルト16とを螺合することで締結する。ばね縮み調整用ねじ12を固定プレート11のねじ穴11aに取り付け、ばね縮み調整用ねじ12の回転棒用穴12aに回転棒13を取り付ける。 The female thread 5i of the anode end plate 5 is fastened to the bore-through joint 8, and the bus bar 7 and the bore-through joint 8 are initially left untightened so that the bus bar 7 can move axially within the bore-through joint 8. The pressure adjustment spring 9 and the scaled bar 10 are placed in this order in the spring storage hole 7b of the bus bar 7. The cell fixing spacer 15 and the fixing plate fixing bolt 16 are fastened by screwing them through the positioning hole 11ba of the fixing plate 11. The spring compression adjustment screw 12 is attached to the threaded hole 11a of the fixing plate 11, and the rotating rod 13 is attached to the rotating rod hole 12a of the spring compression adjustment screw 12.

回転棒13を用いてばね縮み調整用ねじ12を正回転させることで目盛り付きバー10が移動し、圧力調整用ばね9が圧縮し、ばね縮み調整用ねじ12を逆回転させることで目盛り付きバー10が移動し、圧力調整用ばね9が伸長する。この圧力調整用ばね9の弾性力がバスバー7、陽極流路ブロック6を経由して、膜・電極体1の陰極1b及び陽極1c及びイオン交換膜1aの電極面領域、拡散層、集電体等に圧力をかける。目盛り付きバー10には目盛りが付けられており、圧力調整用ばね9の自然長時と縮み時の目盛り付きバー10の位置から圧力調整用ばね9の縮み長さを求める。この長さと圧力調整用ばね9の弾性係数から容易に圧力を求めることができるとともに、ばね縮み調整用ねじ12を回転させて目盛り付きバー10を微小移動させることで、圧力の精密制御が可能である。 The scaled bar 10 is moved by rotating the spring compression adjustment screw 12 in the forward direction using the rotating rod 13, and the pressure adjustment spring 9 is compressed. The scaled bar 10 is moved by rotating the spring compression adjustment screw 12 in the reverse direction, and the pressure adjustment spring 9 is expanded. The elastic force of this pressure adjustment spring 9 is applied to the cathode 1b and anode 1c of the membrane electrode body 1 and the electrode surface area of the ion exchange membrane 1a, the diffusion layer, the current collector, etc. through the bus bar 7 and the anode flow path block 6. The scaled bar 10 is graduated, and the contracted length of the pressure adjustment spring 9 is obtained from the position of the scaled bar 10 when the pressure adjustment spring 9 is at its natural length and when it is contracted. The pressure can be easily obtained from this length and the elastic coefficient of the pressure adjustment spring 9, and the pressure can be precisely controlled by rotating the spring compression adjustment screw 12 to move the scaled bar 10 slightly.

所定の圧力に設定した後、バスバー7とボアドスルー継手8を締結する。 After setting the specified pressure, the busbar 7 and bore-through joint 8 are fastened.

図1に示す電気化学単セルAの組立て状態において、所定のセル温度で膜・電極体1の陰極1bと陽極1cに対して電解に必要な反応基質をそれぞれ送ることで電気化学試験が行われる。 In the assembled state of the electrochemical single cell A shown in Figure 1, electrochemical testing is performed by sending reactive substrates required for electrolysis to the cathode 1b and anode 1c of the membrane/electrode body 1 at a specified cell temperature.

セル温度は陰極エンドプレート4のヒーター用穴4aと陽極エンドプレート5のヒーター用穴5dに設置されたロッドヒーターでセルを加熱し、陰極流路プレート3の熱電対用穴3dに設置された熱電対で温度計測及び制御を行う。熱電対の先端は陰極流路プレート3の陰極液流路3aの中心部近くに設置されるため、膜・電極体1の陰極1b及び陽極1c、拡散層、集電体等の温度に近い値を測定することができる。これは評価材料の実際の温度と設定したセル温度の間の乖離を最小限に抑え、実験精度が向上する効果を持つ。 The cell temperature is heated by rod heaters installed in heater hole 4a in cathode end plate 4 and heater hole 5d in anode end plate 5, and the temperature is measured and controlled by a thermocouple installed in thermocouple hole 3d in cathode flow path plate 3. The tip of the thermocouple is installed near the center of the cathode liquid flow path 3a in cathode flow path plate 3, so it is possible to measure values close to the temperatures of the cathode 1b and anode 1c, diffusion layer, current collector, etc. of the membrane/electrode body 1. This has the effect of minimizing the discrepancy between the actual temperature of the evaluation material and the set cell temperature, improving the accuracy of the experiment.

陰極側においては図3陰極流路プレート3において、供給された液が入口継手3g→入口管3j→入口マニホールド3kを経由して陰極液流路3a及び膜・電極体1の陰極1bに流れ込む。そして出口マニホールド3l→出口管3m→出口継手3hを経由して水素ガスと液が排出される。一方、ボアドスルー継手3fによって固定された参照極17は液充填管3bで充填された電解質液と接触している。電解質液は参照極用開口部3cを経由してガスケット2の参照極用開口部2cまで充填され、イオン交換膜と電気的に接触しているため、参照極17と端子取り付け用穴3eに接続した端子の間で陰極電位を測定することができる。 On the cathode side, in the cathode flow path plate 3 in FIG. 3, the supplied liquid flows through the inlet joint 3g → inlet tube 3j → inlet manifold 3k into the cathode liquid flow path 3a and the cathode 1b of the membrane-electrode body 1. Then, hydrogen gas and liquid are discharged through the outlet manifold 3l → outlet tube 3m → outlet joint 3h. Meanwhile, the reference electrode 17 fixed by the bore-through joint 3f is in contact with the electrolyte liquid filled in the liquid filling tube 3b. The electrolyte liquid is filled up to the reference electrode opening 2c of the gasket 2 through the reference electrode opening 3c, and is in electrical contact with the ion exchange membrane, so the cathode potential can be measured between the reference electrode 17 and the terminal connected to the terminal mounting hole 3e.

陽極側においては図6の陽極エンドプレート5の開口部5aに図7の陽極流路ブロック6が挿入されており、図6の陽極エンドプレート5において、供給された液が入口継手5f→入口管5j→入口マニホールド5kを経由して図7に示す陽極液流路6a及び膜・電極体1の陽極1cに流れ込む。そして出口マニホールド5l→出口管5m→出口継手5gを経由して酸素ガスと液が排出される。一方、ボアドスルー継手5eによって固定された参照極17は液充填管5bで充填された電解質液と接触している。電解質液は参照極用開口部5cを経由してガスケット2の参照極用開口部2cまで充填され、イオン交換膜と電気的に接触している為、参照極17とバスバー7の端子用穴7cに接続した端子の間で陽極電位を測定することができる。 On the anode side, the anode flow path block 6 in FIG. 7 is inserted into the opening 5a of the anode end plate 5 in FIG. 6, and the supplied liquid flows through the inlet joint 5f → inlet tube 5j → inlet manifold 5k into the anode liquid flow path 6a and the anode 1c of the membrane electrode body 1 shown in FIG. 7. Then, oxygen gas and liquid are discharged through the outlet manifold 5l → outlet tube 5m → outlet joint 5g. On the other hand, the reference electrode 17 fixed by the bore-through joint 5e is in contact with the electrolyte liquid filled in the liquid filling tube 5b. The electrolyte liquid is filled up to the reference electrode opening 2c of the gasket 2 through the reference electrode opening 5c, and is in electrical contact with the ion exchange membrane, so the anode potential can be measured between the reference electrode 17 and the terminal connected to the terminal hole 7c of the bus bar 7.

セル全体の性能は陰極流路プレート3の端子取り付け用穴3eに取り付けられた端子とバスバー7の端子用穴7cに取り付けられた端子間で測定する。測定時にはセルを分解することなくばね縮み調整用ねじ12及び回転棒13を回転させることで膜・電極体1、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密かつ容易に制御することができる。 The performance of the entire cell is measured between the terminal attached to the terminal attachment hole 3e of the cathode flow path plate 3 and the terminal attached to the terminal hole 7c of the bus bar 7. During measurement, the pressure applied to the membrane/electrode body 1, diffusion layer, current collector, etc. can be precisely and easily controlled by rotating the spring compression adjustment screw 12 and the rotating rod 13 without disassembling the cell.

以上、本発明の電気化学単セルを実施例1に基づき説明してきた。しかし、具体的な構成については、この実施例1に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。 The electrochemical single cell of the present invention has been described above based on Example 1. However, the specific configuration is not limited to Example 1, and design changes and additions are permitted as long as they do not deviate from the gist of the present invention.

例えば、実施例1では、陰極流路プレート3、陽極流路ブロック6として、平行流路の場合(図3、図7参照)と、流路なしの場合(図4、図8参照)の2種類の流路パターンを用意している例を示した。しかし、陰極流路プレート3、陽極流路ブロック6の流路としては、この二種類に限られたものではなく目的に応じてサーペンタイン流路や櫛型流路等を用意しても良い。 For example, in the first embodiment, two types of flow path patterns are prepared for the cathode flow path plate 3 and the anode flow path block 6: a parallel flow path (see Figs. 3 and 7) and no flow path (see Figs. 4 and 8). However, the flow paths of the cathode flow path plate 3 and the anode flow path block 6 are not limited to these two types, and serpentine flow paths, comb-shaped flow paths, etc. may be prepared depending on the purpose.

実施例1では、電気化学単セルとして、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の触媒等の材料性能を電気化学試験によって評価する電気化学単セルAの例を示した。しかし、本発明において開示した電気化学解単セルの構成を、実機における電気化学単セルの構成や技術思想として流用する例であっても良い。 In Example 1, an example of an electrochemical single cell A was shown, in which the material performance of alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, catalysts for solid polymer fuel cells, etc. was evaluated by electrochemical testing. However, the configuration of the electrochemical single cell disclosed in the present invention may be used as the configuration or technical concept of an electrochemical single cell in an actual device.

実施例1では、圧力調整機構は圧力調整用ばね9とばね縮み調整用ねじ12とを含むものであるが、圧力調整機構は、圧力調整用ばね9とばね縮み調整用ねじ12を含むものに限られない。陽極流路ブロック6及びバスバー7を直線的に移動可能な手段であればよく、例えば、リニアアクチュエータ等を圧力調整機構に用いることができる。もっとも、実施例1に示した圧力調整機構は、シンプルで機械的な構造により安価で故障の少ない圧力調整を実現することができる。
また、圧力計測機構は、圧力調整用ばね9に組み合わされた目盛付きバー10を含むものであるが、この目盛付きバー10を含むものに限られない。例えば、圧力調整用ばね9の変位量(圧縮量)を計測することができるセンサであってもよい。また、バスバー7に取り付けられたロードセルであってもよい。もっとも、実施例1に示した圧力計測機構は、シンプルで機械的な構造により安価で故障の少ない圧力計測調整を実現することができる。
In the first embodiment, the pressure adjustment mechanism includes the pressure adjustment spring 9 and the spring compression adjustment screw 12, but the pressure adjustment mechanism is not limited to including the pressure adjustment spring 9 and the spring compression adjustment screw 12. Any means capable of linearly moving the anode flow path block 6 and the bus bar 7 may be used, and for example, a linear actuator or the like may be used for the pressure adjustment mechanism. However, the pressure adjustment mechanism shown in the first embodiment has a simple mechanical structure and can realize pressure adjustment that is inexpensive and has few malfunctions.
Furthermore, the pressure measurement mechanism includes the graduated bar 10 combined with the pressure adjustment spring 9, but is not limited to including this graduated bar 10. For example, it may be a sensor capable of measuring the amount of displacement (amount of compression) of the pressure adjustment spring 9. It may also be a load cell attached to the bus bar 7. However, the pressure measurement mechanism shown in the first embodiment has a simple mechanical structure and can realize pressure measurement and adjustment that is inexpensive and has few malfunctions.

また、以上述べた実施例1では、電気化学単セルAは、膜・電極体1の陽極側に、圧力調整機構及び圧力計測機構を配置した例を示したが、圧力調整機構及び圧力計測機構は、膜・電極体1の陰極側に配置してもよい。この場合の電気化学単セルの構成は、膜の一方の面に電極のうちの陽極を配置し、前記膜の他方の面に前記電極のうちの陰極を配置した膜・電極体の前記陽極側に、前記陽極用の開口部を有するガスケットと、陽極流路プレートと、陽極エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記陰極側に、前記陰極用の開口部を有するガスケットと、陰極エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記陽極エンドプレートと前記陰極エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記陽極側のガスケット及び前記陰極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、前記陰極エンドプレートが前記陰極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記陰極に向けて押圧可能な陰極流路ブロックを、前記陰極用エンドプレートとは独立して前記陰極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記陰極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置している。すなわち、本発明の電気化学単セルにおいて、具体例として上記「陰極及び陽極のうちの一方の電極」を「陽極」とし、上記「陰極及び陽極のうちの他方の電極」を「陰極」とし、上記「電極流路プレート」を「陽極流路プレート」とし、上記「一方の電極用エンドプレート」を「陽極エンドプレート」とし、上記「他方の電極用エンドプレート」を「陰極エンドプレート」とし、上記「電極流路ブロック」を「陰極流路ブロック」とした構成とすることができる。この構成においても、図1、図2を用いて先に述べた構成と同様の効果を有している。 In addition, in the above-described Example 1, an example was shown in which the electrochemical single cell A has a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism arranged on the anode side of the membrane/electrode body 1, but the pressure adjustment mechanism and the pressure measurement mechanism may also be arranged on the cathode side of the membrane/electrode body 1. The electrochemical unit cell in this case is configured as follows: an anode among the electrodes is arranged on one side of a membrane, and a cathode among the electrodes is arranged on the other side of the membrane; a gasket having an opening for the anode, an anode flow path plate, and an anode end plate are arranged in that order on the anode side of a membrane-electrode assembly; a gasket having an opening for the cathode and a cathode end plate are arranged in that order on the cathode side of the membrane-electrode assembly; the membrane sandwiched between the anode end plate and the cathode end plate are fastened and fixed together with the anode-side gasket and the cathode-side gasket by fastening members; the cathode end plate has an opening at a position facing the cathode, and a cathode flow path block that can be pressed toward the cathode is arranged within the opening so as to be movable in a direction toward the cathode independently of the cathode end plate; and a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism are also arranged for the cathode flow path block. That is, in the electrochemical single cell of the present invention, as a specific example, the "one of the cathode and anode" can be the "anode", the "other of the cathode and anode" can be the "cathode", the "electrode flow path plate" can be the "anode flow path plate", the "one electrode end plate" can be the "anode end plate", the "other electrode end plate" can be the "cathode end plate", and the "electrode flow path block" can be the "cathode flow path block". This configuration also has the same effect as the configuration described above with reference to Figures 1 and 2.

A 電気化学単セル
1 膜・電極体
1a イオン交換膜(多孔質膜)
1b 陰極
1c 陽極
1d 位置決め用穴
2 ガスケット
2a 電極用開口部
2b 位置決め用穴
2c 参照極用開口部
3 陰極流路プレート
3a 陰極液流路
3b 液充填管
3c 参照極用開口部
3d 熱電対用穴
3e 端子取り付け用穴
3f ボアドスルー継手
3g 入口継手
3h 出口継手
3i 位置決め用穴
3j 入口管
3k 入口マニホールド
3l 出口マニホールド
3m 出口管
4 陰極エンドプレート
4a ヒーター用穴
4b 位置決め用穴
5 陽極エンドプレート
5a 開口部
5b 液充填管
5c 参照極用開口部
5d ヒーター用穴
5e ボアドスルー継手
5f 入口継手
5g 出口継手
5h 位置決め用穴
5i めねじ
5j 入口管
5k 入口マニホールド
5l 出口マニホールド
5m 出口管
6 陽極流路ブロック
6a 陽極液流路
6b めねじ
7 バスバー
7a おねじ
7b ばね格納用穴
7c 端子用穴
8 ボアドスルー継手
9 圧力調整用ばね
10 目盛付きバー
11 固定プレート
11a ねじ穴
11b 位置決め用穴
12 ばね縮み調整用ねじ
12a 回転棒用穴
13 回転棒
14 セル固定用ボルト
15 セル固定用スペーサ
16 固定プレート固定用ボルト
17 参照極
A Electrochemical single cell 1 Membrane/electrode body 1a Ion exchange membrane (porous membrane)
1b Cathode 1c Anode 1d Positioning hole 2 Gasket 2a Electrode opening 2b Positioning hole 2c Reference electrode opening 3 Cathode flow path plate 3a Cathode liquid flow path 3b Liquid filling tube 3c Reference electrode opening 3d Thermocouple hole 3e Terminal mounting hole 3f Bored-through joint 3g Inlet joint 3h Outlet joint 3i Positioning hole 3j Inlet tube 3k Inlet manifold 3l Outlet manifold 3m Outlet tube 4 Cathode end plate 4a Heater hole 4b Positioning hole 5 Anode end plate 5a Opening 5b Liquid filling tube 5c Reference electrode opening 5d Heater hole 5e Bored-through joint 5f Inlet joint 5g Outlet joint 5h Positioning hole 5i Female thread 5j Inlet tube 5k Inlet manifold 5l Outlet manifold 5m Outlet tube 6 Anode flow path block 6a Anode liquid flow path 6b Female thread 7, bus bar 7a, male thread 7b, spring storage hole 7c, terminal hole 8, bore-through joint 9, pressure adjustment spring 10, scaled bar 11, fixing plate 11a, screw hole 11b, positioning hole 12, spring compression adjustment screw 12a, rotating rod hole 13, rotating rod 14, cell fixing bolt 15, cell fixing spacer 16, fixing plate fixing bolt 17, reference electrode

Claims (8)

アルカリ水電解、固体高分子水電解又は固体高分子形燃料電池の性能評価又は実機に用いられ、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、
前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したことを特徴とする電気化学単セル。
An electrochemical unit cell used in performance evaluation or in an actual machine for alkaline water electrolysis, solid polymer water electrolysis, or solid polymer fuel cell, the electrochemical unit cell comprising: a membrane-electrode assembly having one of a cathode and an anode disposed on one side of a membrane, and the other of the cathode and anode disposed on the other side of the membrane; a gasket having an opening for the one electrode, an electrode flow path plate, and an end plate for the one electrode disposed in that order on the one electrode side of the membrane-electrode assembly; a gasket having an opening for the other electrode and an end plate for the other electrode disposed in that order on the other electrode side of the membrane-electrode assembly; and the membrane sandwiched between the end plate for the one electrode and the end plate for the other electrode are fastened and fixed together with the gasket on the one electrode side and the gasket on the other electrode side by fastening members,
an electrode flow path block that can be pressed toward the other electrode within the opening and is disposed so as to be movable in a direction toward the other electrode independently of the end plate for the other electrode; and a pressure adjustment mechanism and a pressure measurement mechanism are disposed for the electrode flow path block.
請求項1記載の電気化学単セルにおいて、前記圧力調整機構が圧力調整用ばね及びばね縮み調整用ねじを有し、前記圧力計測機構が前記圧力調整用ばねのばね縮み量を読み取る目盛り付きバーを有することを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to claim 1, characterized in that the pressure adjustment mechanism has a pressure adjustment spring and a spring compression adjustment screw, and the pressure measurement mechanism has a graduated bar for reading the amount of spring compression of the pressure adjustment spring. 請求項2に記載の電気化学単セルにおいて、前記ばね縮み調整用ねじを回転させることによって前記圧力調整用ばねの伸縮量を調整し、前記圧力調整用ばねの弾性力を、前記電極流路ブロックを通じて前記電極に加えることで、セルを分解することなく前記膜・電極体にかかる圧力を精密かつ容易に調整することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to claim 2, characterized in that the amount of expansion and contraction of the pressure adjustment spring is adjusted by rotating the spring compression adjustment screw, and the elastic force of the pressure adjustment spring is applied to the electrode through the electrode flow path block, making it possible to precisely and easily adjust the pressure applied to the membrane/electrode assembly without disassembling the cell. 請求項1~3のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路パターン及び前記陽極の流路パターンの少なくとも一方を変更することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the electrode flow path plate and the electrode flow path block are each replaceable parts, making it possible to change at least one of the flow path pattern of the cathode and the flow path pattern of the anode. 請求項1~4のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路サイズ及び前記陽極の流路サイズの少なくとも一方を変更することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the electrode flow path plate and the electrode flow path block are each replaceable parts, making it possible to change at least one of the flow path size of the cathode and the flow path size of the anode. 請求項1~5のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記膜・電極体の電極サイズを0.5cm×0.5cmから4cm×4cmの範囲の大きさとすることで少量触媒の評価が可能なことを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode size of the membrane/electrode assembly is set to a range of 0.5 cm x 0.5 cm to 4 cm x 4 cm, making it possible to evaluate a small amount of catalyst. 請求項1~6のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記他方の電極用エンドプレートに参照極が設置され、膜の表面のうち電極が接触している部分とは異なる領域に対し、電解液を介して電気的に接触することにより、陰極電位及び陽極電位を測定することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。 An electrochemical single cell according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a reference electrode is provided on the electrode flow path plate and the other electrode end plate, and the cathode potential and the anode potential can be measured by electrically contacting, via an electrolyte, an area of the membrane surface that is different from the area in contact with the electrode. 請求項1~7のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレートにカーボン素材を、前記他方の電極用エンドプレートにチタン素材を、前記電極流路ブロックに白金メッキしたチタン素材をそれぞれ使用することにより、アルカリ水電解及び固体高分子水電解のいずれかの測定に用いることを特徴とする電気化学単セル。 8. The electrochemical single cell according to claim 1, wherein a carbon material is used for the electrode flow path plate, a titanium material is used for the other electrode end plate, and a platinum-plated titanium material is used for the electrode flow path block, thereby making it possible to use the electrochemical single cell for measuring either alkaline water electrolysis or solid polymer water electrolysis.
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