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JP5364063B2 - High pressure water electrolyzer - Google Patents

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JP5364063B2
JP5364063B2 JP2010202830A JP2010202830A JP5364063B2 JP 5364063 B2 JP5364063 B2 JP 5364063B2 JP 2010202830 A JP2010202830 A JP 2010202830A JP 2010202830 A JP2010202830 A JP 2010202830A JP 5364063 B2 JP5364063 B2 JP 5364063B2
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-pressure water electrolysis device easily and economically formable, and capable of effectively reducing contact resistance. <P>SOLUTION: A unit cell 12 constituting this high-pressure water electrolysis device 10 includes: an electrolyte membrane/electrode structure 32; and an anode-side separator 34 and a cathode-side separator 36 sandwiching the electrolyte membrane/electrode structure 32 therebetween. The electrolyte membrane/electrode structure 32 includes: a solid polymer electrolyte membrane 38; and an anode-side power feeder 40 and a cathode-side power feeder 42 arranged on both the surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. The cathode-side power feeder 42 is a porous conductive body formed integrally with a plate member 44 by depressurization plasma thermal spraying. A plate spring 46 is arranged on the plate member 44, and the plate spring 46 applies a load on the cathode-side power feeder 42 through the plate member 44. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置に関する。   The present invention relates to a high-pressure water electrolyzer that electrolyzes water to generate oxygen on the anode side, and generates hydrogen at a higher pressure than oxygen on the cathode side.

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素(及び酸素)を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、それぞれ給電体を配設してユニットが構成されている。   For example, hydrogen gas is used as a fuel gas for generating power from a fuel cell. Generally, when producing hydrogen gas, a water electrolysis apparatus is employed. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to electrolyze water and generate hydrogen (and oxygen). An electrode catalyst layer is provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to constitute an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on each side of the electrolyte membrane / electrode structure. Is configured.

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。   Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.

この種の水電解装置では、カソード側に、アノード側に生成される酸素よりも高圧(例えば、数十MPa)な水素が生成される高圧水電解装置を採用する場合がある。例えば、特許文献1に開示されている高圧水素製造装置は、図14に示すように、固体高分子膜1と、その両側に相対向して設けられたカソード給電体2aとアノード給電体2bと、各給電体2a、2bに積層されたセパレータ3a、3bと、各セパレータ3a、3bに設けられ、前記各給電体2a、2bが露出する流体通路4a、4bとを備えている。   In this type of water electrolysis apparatus, a high pressure water electrolysis apparatus that generates hydrogen at a higher pressure (for example, several tens of MPa) than oxygen generated on the anode side may be employed on the cathode side. For example, as shown in FIG. 14, the high-pressure hydrogen production apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a solid polymer membrane 1, cathode power supply 2a and anode power supply 2b provided opposite to each other on both sides thereof. , Separators 3a and 3b stacked on the power feeders 2a and 2b, and fluid passages 4a and 4b provided in the separators 3a and 3b and exposing the power feeders 2a and 2b.

固体高分子膜1、各給電体2a、2b、各セパレータ3a、3bは、前記セパレータ3a、3bに積層された絶縁部材5a、5bを介してエンドプレート6a、6bに挟持されている。   The solid polymer film 1, the power feeders 2a and 2b, and the separators 3a and 3b are sandwiched between end plates 6a and 6b via insulating members 5a and 5b stacked on the separators 3a and 3b.

カソード側セパレータ3aに設けられた流体通路4a内には、カソード給電体2aを固体高分子膜1側に付勢するチタン製皿バネ7が配設されている。皿バネ7と固体高分子膜1との間には、チタン製パンチングプレート8が介装されている。これにより、カソード側が高圧になったときにも、固体高分子膜1とカソード給電体2aとの接触抵抗が増大することがない。   In the fluid passage 4a provided in the cathode side separator 3a, a titanium disc spring 7 for urging the cathode power feeding body 2a toward the solid polymer film 1 is disposed. A titanium punching plate 8 is interposed between the disc spring 7 and the solid polymer film 1. Thereby, even when the cathode side becomes a high pressure, the contact resistance between the solid polymer film 1 and the cathode power supply 2a does not increase.

特開2006−70322号公報JP 2006-70322 A

ところで、上記の高圧水素製造装置では、高圧水素が生成されるカソード側に、それぞれ別部材で構成された皿バネ7とパンチングプレート8とカソード給電体2aとが積層されている。   By the way, in the high pressure hydrogen production apparatus described above, the disc spring 7, the punching plate 8, and the cathode power supply body 2 a, which are formed of different members, are stacked on the cathode side where high pressure hydrogen is generated.

その際、パンチングプレート8とカソード給電体2aとは、面内の荷重分布を均一にするために、それぞれの平面度及び平行度を高精度に管理する必要がある。しかも、パンチングプレート8とカソード給電体2aとの接触面には、チタン表面に存在する酸化皮膜による接触抵抗が発生するおそれがある。   At that time, the punching plate 8 and the cathode power supply 2a need to manage their flatness and parallelism with high accuracy in order to make the load distribution in the surface uniform. Moreover, the contact surface between the punching plate 8 and the cathode power supply 2a may cause contact resistance due to an oxide film existing on the titanium surface.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に構成することができ、しかも接触抵抗を有効に低減させることが可能な高圧水電解装置を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a high-pressure water electrolysis apparatus that can be configured simply and economically and that can effectively reduce contact resistance.

本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、前記カソード側給電体に積層されるプレート部材と、前記プレート部材と前記カソード側セパレータとの間に配置され、前記プレート部材に積層方向に荷重を付与する弾性部材とを備える高圧水電解装置に関するものである。   The present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, an anode-side power feeding body and a cathode-side power feeding body provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and opposed to the anode-side power feeding body. An anode separator that is supplied and electrolyzed with water to generate oxygen and disposed opposite to the cathode power supply, and electrolyzes the water to generate hydrogen at a pressure higher than that of oxygen A cathode-side separator, a plate member stacked on the cathode-side power feeder, and an elastic member that is disposed between the plate member and the cathode-side separator and applies a load to the plate member in the stacking direction. The present invention relates to a high-pressure water electrolysis apparatus provided.

この高圧水電解装置では、カソード側給電体は、プレート部材に溶射により一体成形される多孔質導電体である。   In this high-pressure water electrolysis apparatus, the cathode-side power feeder is a porous conductor that is integrally formed on the plate member by thermal spraying.

また、この高圧水電解装置では、プレート部材は、多孔質導電体が一体成形される溶射面に流路を設けることが好ましい。   In this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the plate member is provided with a flow path on a sprayed surface on which the porous conductor is integrally formed.

さらに、この高圧水電解装置では、溶射は、減圧プラズマ溶射であることが好ましい。   Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, the thermal spraying is preferably reduced pressure plasma spraying.

さらにまた、この高圧水電解装置では、プレート部材は、弾性部材が配置される荷重付与面にリブを設けることが好ましい。   Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the plate member is provided with a rib on the load application surface on which the elastic member is disposed.

また、この高圧水電解装置では、プレート部材は、円板状を有するとともに、リブは、前記プレート部材の中心に点対称の形状を有することが好ましい。   Moreover, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the plate member has a disk shape and the rib has a point-symmetric shape at the center of the plate member.

さらに、この高圧水電解装置では、リブは、円板状のプレート部材と同心円上に円形に形成されることが好ましい。   Furthermore, in this high pressure water electrolysis apparatus, it is preferable that the rib is formed in a circular shape concentrically with the disk-shaped plate member.

本発明によれば、カソード側給電体が、プレート部材に溶射により一体成形されている。従って、弾性部材による荷重を均一化させるために、平行度管理が必要な面は、大幅に削減される。これにより、平行度の管理が一挙に簡素化し、作業の簡略化が容易に図られるとともに、コストが良好に削減される。   According to the present invention, the cathode-side power feeder is integrally formed on the plate member by thermal spraying. Therefore, in order to make the load by the elastic member uniform, the surface that requires parallelism management is greatly reduced. This simplifies the management of the parallelism at once, simplifies the work, and reduces the cost favorably.

しかも、カソード側給電体とプレート部材とが一体化されるため、これらを別体で構成される場合に比べて、接触抵抗が良好に抑制される。さらに、部品点数が容易に削減可能になる。このため、簡単且つ経済的に構成することができ、しかも接触抵抗を有効に低減させることが可能になる。   And since a cathode side electric power feeding body and a plate member are integrated, contact resistance is suppressed favorably compared with the case where these are comprised separately. Furthermore, the number of parts can be easily reduced. For this reason, it can comprise simply and economically, and also it becomes possible to reduce contact resistance effectively.

本発明の第1の実施形態に係る高圧水電解装置の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the high pressure water electrolysis apparatus concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記高圧水電解装置の一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said high pressure water electrolysis apparatus. 前記高圧水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said high voltage | pressure water electrolysis apparatus. 前記単位セルの、図3中、IV−IV線断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the unit cell taken along line IV-IV in FIG. 3. 前記高圧水電解装置を構成するプレート部材の一方の面側からの斜視説明図である。It is a perspective explanatory drawing from the one surface side of the plate member which comprises the said high voltage | pressure water electrolysis apparatus. 前記プレート部材の他方の面側からの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view from the other surface side of the plate member. 前記プレート部材にカソード側給電体を一体成形する際のフローチャートである。It is a flowchart at the time of integrally forming the cathode side power feeding body on the plate member. 前記プレート部材にカソード側給電体を一体成形する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of integrally forming the cathode side electric power feeding body in the said plate member. 減圧プラズマ溶射処理の説明図である。It is explanatory drawing of a low pressure plasma spraying process. 本発明の第2の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the plate member which constitutes the high pressure water electrolysis apparatus concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the plate member which constitutes the high pressure water electrolysis apparatus concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the plate member which constitutes the high pressure water electrolysis apparatus concerning a 4th embodiment of the present invention. 本発明の第5の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the plate member which constitutes the high pressure water electrolysis apparatus concerning a 5th embodiment of the present invention. 特許文献1に開示されている高圧水素製造装置の説明図である。It is explanatory drawing of the high pressure hydrogen production apparatus currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る高圧水電解装置10は、複数の単位セル12が鉛直方向(矢印A方向)又は水平方向(矢印B方向)に積層された積層体14を備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the high-pressure water electrolysis apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention, a plurality of unit cells 12 are stacked in the vertical direction (arrow A direction) or in the horizontal direction (arrow B direction). The laminated body 14 is provided.

積層体14の積層方向一端(上端)には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが上方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端(下端)には、同様にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが下方に向かって、順次、配設される。   At one end (upper end) in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16a, an insulating plate 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed upward. Similarly, a terminal plate 16b, an insulating plate 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed on the other end (lower end) in the stacking direction of the stacked body 14 in a downward direction.

高圧水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する4本のタイロッド22を介して円盤形状のエンドプレート20a、20b間を一体的に締め付け保持する。なお、高圧水電解装置10は、エンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、高圧水電解装置10は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。   The high-pressure water electrolysis apparatus 10 integrally clamps and holds the disc-shaped end plates 20a and 20b via, for example, four tie rods 22 extending in the arrow A direction. Note that the high-pressure water electrolysis apparatus 10 may employ a configuration in which the high-pressure water electrolysis apparatus 10 is integrally held by a box-like casing (not shown) including the end plates 20a and 20b as end plates. Moreover, although the high-pressure water electrolysis apparatus 10 has a substantially cylindrical shape as a whole, it can be set in various shapes such as a cubic shape.

図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの側部には、端子部24a、24bが外方に突出して設けられる。端子部24a、24bは、配線26a、26bを介して電源28に電気的に接続される。   As shown in FIG. 1, terminal portions 24a and 24b are provided on the side portions of the terminal plates 16a and 16b so as to protrude outward. The terminal portions 24a and 24b are electrically connected to the power source 28 via the wirings 26a and 26b.

図2〜図4に示すように、単位セル12は、略円盤状の電解質膜・電極構造体32と、この電解質膜・電極構造体32を挟持するアノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36とを備える。アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36は、略円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。   As shown in FIGS. 2 to 4, the unit cell 12 includes a substantially disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 32, and an anode side separator 34 and a cathode side separator 36 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 32. Prepare. The anode-side separator 34 and the cathode-side separator 36 have a substantially disk shape and are made of, for example, a carbon member or the like, or a steel plate, a stainless steel plate, a titanium plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof. A metal plate subjected to an edible surface treatment is press-molded or cut and subjected to an anticorrosive surface treatment.

電解質膜・電極構造体32は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜38と、前記固体高分子電解質膜38の両面に設けられる円形状のアノード側給電体40及びカソード側給電体42とを備える。固体高分子電解質膜38の外形寸法は、アノード側給電体40及びカソード側給電体42の外径寸法よりも大径に設定される(図4参照)。   The electrolyte membrane / electrode structure 32 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a circular anode-side power feeder provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. 40 and a cathode side power supply body 42. The outer dimensions of the solid polymer electrolyte membrane 38 are set larger than the outer diameters of the anode-side power feeder 40 and the cathode-side power feeder 42 (see FIG. 4).

固体高分子電解質膜38の両面には、アノード電極触媒層40a及びカソード電極触媒層42aが形成される。アノード電極触媒層40aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層42aは、例えば、白金触媒を使用する。   An anode electrode catalyst layer 40a and a cathode electrode catalyst layer 42a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. The anode electrode catalyst layer 40a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 42a uses, for example, a platinum catalyst.

アノード側給電体40は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体(多孔質導電体)により構成される。アノード側給電体40は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が10%〜50%、より好ましくは、20%〜40%の範囲内に設定される。   The anode side power feeding body 40 is constituted by, for example, a sintered body (porous conductor) of spherical atomized titanium powder. The anode-side power supply body 40 is provided with a smooth surface portion that is etched after grinding, and the porosity is set within a range of 10% to 50%, more preferably 20% to 40%.

カソード側給電体42は、後述するように、例えば、純チタン粒子を溶射材として減圧プラズマ溶射によりプレート部材44に一体成形される多孔質導電体である。この多孔質導電体の気孔率は、10%〜50%の範囲内に設定される。   As will be described later, the cathode-side power feeder 42 is a porous conductor integrally formed on the plate member 44 by, for example, low-pressure plasma spraying using pure titanium particles as a spraying material. The porosity of the porous conductor is set within a range of 10% to 50%.

プレート部材44は、円板状を有するとともに、カソード側給電体42が溶射される溶射面44aとは反対側の荷重付与面44bに、弾性部材、例えば、4枚の皿ばね46が配設される。皿ばね46は、皿ばねホルダであるプレート部材44を介してカソード側給電体42に荷重を付与する。   The plate member 44 has a disk shape, and an elastic member, for example, four disc springs 46 are disposed on the load application surface 44b opposite to the thermal spray surface 44a on which the cathode side power supply body 42 is sprayed. The The disc spring 46 applies a load to the cathode-side power feeder 42 via a plate member 44 that is a disc spring holder.

図3に示すように、単位セル12の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第1突出部48a、第2突出部48b及び第3突出部48cが形成される。第1突出部48aには、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、第1の流体である水(純水)を供給するための水供給連通孔50aが設けられる。   As shown in FIG. 3, a first protrusion 48 a, a second protrusion 48 b, and a third protrusion 48 c that protrude outward in the separator surface direction are formed on the outer periphery of the unit cell 12. The first protrusion 48a is provided with a water supply communication hole 50a that communicates with each other in the direction of arrow A that is the stacking direction and supplies water (pure water) that is the first fluid.

第2突出部48bには、矢印A方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔50bが設けられる。第3突出部48cには、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、反応により生成された高圧水素を流すための水素連通孔50cが設けられる。   The second projecting portion 48b is provided with a discharge communication hole 50b that communicates with each other in the direction of the arrow A and discharges oxygen generated by the reaction and used water. The third protrusion 48c is provided with a hydrogen communication hole 50c that is in communication with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, for flowing high-pressure hydrogen generated by the reaction.

図3及び図4に示すように、アノード側セパレータ34には、水供給連通孔50aに連通する供給通路52aと、排出連通孔50bに連通する排出通路52bとが設けられる。アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、供給通路52a及び排出通路52bに連通する第1流路54が設けられる。この第1流路54は、アノード側給電体40の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the anode-side separator 34 is provided with a supply passage 52a that communicates with the water supply communication hole 50a and a discharge passage 52b that communicates with the discharge communication hole 50b. A first flow path 54 communicating with the supply passage 52a and the discharge passage 52b is provided on the surface 34a of the anode separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32. The first flow path 54 is provided in a range corresponding to the contact area range of the anode-side power feeding body 40.

カソード側セパレータ36には、水素連通孔50cに連通する排出通路56が設けられる。プレート部材44の溶射面44aには、排出通路56に連通する第2流路58が形成される。この第2流路58は、カソード側給電体42の接触面積範囲に対応する範囲内に設けられる。   The cathode separator 36 is provided with a discharge passage 56 that communicates with the hydrogen communication hole 50c. A second flow path 58 communicating with the discharge passage 56 is formed on the sprayed surface 44 a of the plate member 44. The second flow path 58 is provided in a range corresponding to the contact area range of the cathode-side power feeder 42.

図5に示すように、プレート部材44の溶射面44aには、第2流路58を構成する複数本の直線状溝部58aが互いに平行して形成される。直線状溝部58a間は、プレート部材44を補強するリブとしての機能を有する。なお、溶射面44aには、直線状溝部58aを設けずに、カソード側給電体42内部の多孔質空間に第2流路58を構成してもよい。   As shown in FIG. 5, a plurality of linear grooves 58 a constituting the second flow path 58 are formed in parallel with each other on the spray surface 44 a of the plate member 44. The space between the linear grooves 58a functions as a rib that reinforces the plate member 44. Note that the second flow path 58 may be formed in the porous space inside the cathode power supply body 42 without providing the linear groove portion 58a on the sprayed surface 44a.

図6に示すように、プレート部材44の荷重付与面44bには、前記プレート部材44の中心に点対称の形状、すなわち、直径方向に延在し且つ互いに直交する一対のリブ59aと、前記プレート部材44と同心円上に円形のリブ59bとが形成される。リブ59a、59b間には、4枚の皿ばね46が配置される。   As shown in FIG. 6, the load application surface 44 b of the plate member 44 has a point-symmetric shape at the center of the plate member 44, that is, a pair of ribs 59 a extending in the diametrical direction and orthogonal to each other, and the plate A circular rib 59b is formed concentrically with the member 44. Four disc springs 46 are arranged between the ribs 59a and 59b.

アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36の外周端部を周回して、シール部材60a、60bが一体化される。このシール部材60a、60bには、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   The seal members 60a and 60b are integrated with each other around the outer peripheral ends of the anode side separator 34 and the cathode side separator 36. The seal members 60a and 60b include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, acrylic rubber, or other seal materials, cushion materials, or packing materials. Used.

図3及び図4に示すように、アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、第1流路54及びアノード側給電体40の外方を周回して第2シール部材62aを配設するための第2シール溝64aが形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the surface 34 a of the anode-side separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32 circulates outward from the first flow path 54 and the anode-side power feeding body 40, and thus the second seal. A second seal groove 64a for disposing the member 62a is formed.

面34aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cの外側を周回して、第3シール部材62b、第4シール部材62c及び第5シール部材62dを配置するための第3シール溝64b、第4シール溝64c及び第5シール溝64dが形成される。第2シール部材62a〜第5シール部材62dは、例えば、Oリングである。   On the surface 34a, a third seal member 62b, a fourth seal member 62c, and a fifth seal member 62d are arranged around the outside of the water supply communication hole 50a, the discharge communication hole 50b, and the hydrogen communication hole 50c. A third seal groove 64b, a fourth seal groove 64c, and a fifth seal groove 64d are formed. The second seal member 62a to the fifth seal member 62d are, for example, O-rings.

カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、第2流路58及びカソード側給電体42の外方を周回して、第1シール部材66aを配設するための第1シール溝68aが形成される。   On the surface 36a of the cathode side separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32, the second seal 58a is disposed for circulating the second flow path 58 and the cathode side power supply body 42 outward. One seal groove 68a is formed.

面36aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cの外側を周回して、第3シール部材66b、第4シール部材66c及び第5シール部材66dを配置するための第3シール溝68b、第4シール溝68c及び第5シール溝68dが形成される。第1シール部材66a、第3シール部材66b〜第5シール部材66dは、例えば、Oリングである。   On the surface 36a, the third seal member 66b, the fourth seal member 66c, and the fifth seal member 66d are disposed around the outside of the water supply communication hole 50a, the discharge communication hole 50b, and the hydrogen communication hole 50c. A third seal groove 68b, a fourth seal groove 68c, and a fifth seal groove 68d are formed. The first seal member 66a, the third seal member 66b to the fifth seal member 66d are, for example, O-rings.

アノード側給電体40の外方を周回する第2シール溝64aと、カソード側給電体42の外方を周回する第1シール溝68aとは、セパレータ積層方向(矢印A方向)に対し固体高分子電解質膜38を挟んで互いに異なる位置に設定される。   The second seal groove 64a that goes around the outside of the anode-side power supply body 40 and the first seal groove 68a that goes around the outside of the cathode-side power supply body 42 are solid polymer in the separator stacking direction (arrow A direction). The positions are set different from each other with the electrolyte membrane 38 interposed therebetween.

水素連通孔50cの外方を周回する第5シール溝64dと前記水素連通孔50cの外方を周回する第5シール溝68dとは、矢印A方向に対し固体高分子電解質膜38を挟んで互いに異なる位置に設定される。   The fifth seal groove 64d that circulates outward from the hydrogen communication hole 50c and the fifth seal groove 68d that circulates outward from the hydrogen communication hole 50c sandwich each other across the solid polymer electrolyte membrane 38 in the direction of arrow A. Set to a different position.

図1及び図2に示すように、エンドプレート20aには、水供給連通孔50a、排出連通孔50b及び水素連通孔50cに連通する配管76a、76b及び76cが接続される。配管76cには、図示しないが、背圧弁(又は電磁弁)が設けられており、水素連通孔50cに生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。エンドプレート20a、20b間には、図示しない押し付け力付与装置により押し付け力が付与され、この状態で、前記エンドプレート20a、20bがタイロッド22を介して締め付けられる。   As shown in FIGS. 1 and 2, pipes 76a, 76b and 76c communicating with the water supply communication hole 50a, the discharge communication hole 50b and the hydrogen communication hole 50c are connected to the end plate 20a. Although not shown, the pipe 76c is provided with a back pressure valve (or electromagnetic valve), and the pressure of hydrogen generated in the hydrogen communication hole 50c can be maintained at a high pressure. A pressing force is applied between the end plates 20 a and 20 b by a pressing force applying device (not shown), and the end plates 20 a and 20 b are tightened via the tie rods 22 in this state.

次いで、プレート部材44にカソード側給電体42を一体に製造する作業について、図7に示すフローチャートに沿って説明する。   Next, an operation for manufacturing the cathode-side power feeder 42 integrally with the plate member 44 will be described with reference to a flowchart shown in FIG.

先ず、図8に示すように、プレート部材44のベースとなるベースプレート80が、作製される(ステップS1)。このベースプレート80の溶射面44aには、第2流路58を構成する複数本の直線状溝部58aが形成される一方、荷重付与面44bには、リブ59a、59bが形成される。   First, as shown in FIG. 8, a base plate 80 that serves as a base of the plate member 44 is manufactured (step S1). A plurality of linear grooves 58a constituting the second flow path 58 are formed on the sprayed surface 44a of the base plate 80, while ribs 59a and 59b are formed on the load applying surface 44b.

なお、溶射面44aは、溶射処理されるため、精密性が不要であるとともに、荷重付与面44bは、皿ばね46が直接荷重を付与する面ではなく、同様に精密性が不要である。このため、ベースプレート80は、直線状溝部58a及びリブ59a、59bを一体に有して鋳造成形されることができる。   In addition, since the spraying surface 44a is sprayed, precision is not necessary, and the load applying surface 44b is not a surface to which the disc spring 46 directly applies a load, and similarly, precision is unnecessary. For this reason, the base plate 80 can be cast-molded integrally with the linear groove portion 58a and the ribs 59a, 59b.

次に、ベースプレート80の溶射面44aには、溶射処理が施される(ステップS2)。この溶射処理は、減圧プラズマ溶射処理であり、具体的には、図9に示すように、真空チャンバ90にベースプレート80が配置されるとともに、この真空チャンバ90では、溶射ガン92が前記ベースプレート80に対向する。溶射ガン92には、粉末材料入口94、作動ガス入口96、冷却水入口98a及び冷却水出口98bが設けられている。   Next, a thermal spraying process is performed on the thermal spray surface 44a of the base plate 80 (step S2). This thermal spraying process is a low pressure plasma spraying process. Specifically, as shown in FIG. 9, a base plate 80 is disposed in a vacuum chamber 90, and in this vacuum chamber 90, a thermal spray gun 92 is applied to the base plate 80. opposite. The spray gun 92 is provided with a powder material inlet 94, a working gas inlet 96, a cooling water inlet 98a, and a cooling water outlet 98b.

そこで、真空チャンバ90内において、溶射ガン92の粉末材料入口94から球状チタン粉末(純チタン粒子)100が供給されるとともに、作動ガス入口96からアルゴン又はヘリウム等の不活性ガスが供給される。この状態で、プラズマジェットを発生させ、この中に球状チタン粉末100が投入されることにより、前記球状チタン粉末100の溶融粒子がベースプレート80の溶射面44aに溶射される。   Therefore, in the vacuum chamber 90, spherical titanium powder (pure titanium particles) 100 is supplied from the powder material inlet 94 of the spray gun 92, and an inert gas such as argon or helium is supplied from the working gas inlet 96. In this state, a plasma jet is generated, and the spherical titanium powder 100 is introduced into the plasma jet, whereby the molten particles of the spherical titanium powder 100 are sprayed onto the sprayed surface 44a of the base plate 80.

その際、プラズマ溶射が真空中若しくは不活性ガス中で行われるため、チタン粒子表面に酸化皮膜が形成されることがない。このため、低溶融度状態で成膜が行われ、空隙率が10%〜50%、より好ましくは、20%〜40%の範囲内に設定された多孔質の給電体層102が確実に形成される。   At this time, since plasma spraying is performed in a vacuum or in an inert gas, an oxide film is not formed on the surface of the titanium particles. Therefore, film formation is performed in a low melting state, and the porous power supply layer 102 having a porosity set within a range of 10% to 50%, more preferably 20% to 40% is reliably formed. Is done.

しかも、ベースプレート80の荷重付与面44bには、リブ59a、59bが設けられている。従って、リブ59a、59bは、上記の溶射時の熱によりベースプレート80が変形することを、良好に抑制する機能を有することが可能になる。   In addition, ribs 59 a and 59 b are provided on the load application surface 44 b of the base plate 80. Accordingly, the ribs 59a and 59b can have a function of satisfactorily suppressing the deformation of the base plate 80 due to the heat generated during the thermal spraying.

溶射処理が終了すると、ステップS3に進んで、給電体層102の表面に、研削又は切削による平滑化処理が施される(図8参照)。一方、ベースプレート80の荷重付与面44bには、リブ59a、59bの先端面に研削又は切削による平滑化処理が施される。これにより、給電体層102の表面とリブ59a、59bの先端面とは、所望の平行度を確保することができる。この平滑化処理では、研削等によって目詰まりが発生しており、前記平滑化処理後にエッチング処理が施される(ステップS4)。   When the thermal spraying process ends, the process proceeds to step S3, and the surface of the power supply layer 102 is subjected to a smoothing process by grinding or cutting (see FIG. 8). On the other hand, the load application surface 44b of the base plate 80 is subjected to a smoothing process by grinding or cutting on the tip surfaces of the ribs 59a and 59b. Thereby, the desired parallelism can be ensured between the surface of the power supply layer 102 and the tip surfaces of the ribs 59a and 59b. In this smoothing process, clogging occurs due to grinding or the like, and an etching process is performed after the smoothing process (step S4).

具体的には、エッチング溶液として、硝酸が10ml、10%のフッ化水素酸が10ml及び純水が180mlの混合溶液を用い、90秒間のエッチング時間で室温によるエッチングが行われる。次いで、洗浄が行われる。このため、カソード側給電体42が一体化されたプレート部材44が製造される。なお、エッチング処理は、必要に応じて行えばよく、削除することもできる。   Specifically, a mixed solution of 10 ml of nitric acid, 10 ml of 10% hydrofluoric acid and 180 ml of pure water is used as an etching solution, and etching is performed at room temperature with an etching time of 90 seconds. Next, cleaning is performed. For this reason, the plate member 44 in which the cathode side power feeding body 42 is integrated is manufactured. Note that the etching process may be performed as necessary and may be deleted.

このように構成される高圧水電解装置10の動作について、以下に説明する。   The operation of the high-pressure water electrolysis apparatus 10 configured as described above will be described below.

図1に示すように、配管76aから高圧水電解装置10の水供給連通孔50aに水が供給されるとともに、ターミナルプレート16a、16bの端子部24a、24bに電気的に接続されている電源28を介して電圧が付与される。このため、図3に示すように、各単位セル12では、水供給連通孔50aからアノード側セパレータ34の第1流路54に水が供給され、この水がアノード側給電体40内に沿って移動する。   As shown in FIG. 1, water is supplied from a pipe 76 a to the water supply communication hole 50 a of the high-pressure water electrolysis apparatus 10, and the power supply 28 is electrically connected to the terminal portions 24 a and 24 b of the terminal plates 16 a and 16 b. A voltage is applied via Therefore, as shown in FIG. 3, in each unit cell 12, water is supplied from the water supply communication hole 50 a to the first flow path 54 of the anode-side separator 34, and this water flows along the anode-side power feeder 40. Moving.

従って、水は、アノード電極触媒層40aで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜38を透過してカソード電極触媒層42a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。   Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 40a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 38 and move to the cathode electrode catalyst layer 42a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

このため、カソード側給電体42の内部及びプレート部材44に形成される第2流路58に沿って、水素が流動する。この水素は、水供給連通孔50aよりも高圧に維持されており、水素連通孔50cを流れて高圧水電解装置10の外部に取り出し可能となる。一方、第1流路54には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔50bに沿って高圧水電解装置10の外部に排出される。   For this reason, hydrogen flows along the inside of the cathode side power supply body 42 and the second flow path 58 formed in the plate member 44. The hydrogen is maintained at a pressure higher than that of the water supply communication hole 50a, and can flow out of the high pressure water electrolysis apparatus 10 through the hydrogen communication hole 50c. On the other hand, oxygen generated by the reaction and used water flow through the first flow path 54, and these are discharged to the outside of the high-pressure water electrolysis apparatus 10 along the discharge communication hole 50b.

この場合、第1の実施形態では、カソード側給電体42が、プレート部材44の溶射面44aに溶射により一体成形されている。このため、皿ばね46による荷重を均一化させるために、平行度管理が必要な面は、実質的にプレート部材44のリブ59a、59bの先端面及びカソード側給電体42の表面だけでよい。従って、平行度の管理が一挙に簡素化し、作業の簡略化が容易に図られるとともに、コストが良好に削減されるという効果が得られる。   In this case, in the first embodiment, the cathode-side power feeding body 42 is integrally formed on the sprayed surface 44a of the plate member 44 by spraying. For this reason, in order to make the load by the disc spring 46 uniform, the surfaces that need to be managed in parallelism may be substantially only the tip surfaces of the ribs 59a and 59b of the plate member 44 and the surface of the cathode side power supply body 42. Therefore, the parallelism management can be simplified at once, the work can be simplified easily, and the cost can be advantageously reduced.

しかも、カソード側給電体42とプレート部材44とが一体化されるため、これらを別体で構成される場合に比べて、接触抵抗が良好に抑制される。特に、プラズマ溶射が真空中若しくは不活性ガス中で行われるため、チタン粒子表面に酸化皮膜が形成されることがなく、接触抵抗が削減される。さらに、部品点数が容易に削減可能になる。これにより、簡単且つ経済的に構成することができ、しかも接触抵抗を有効に低減させることが可能になるという利点がある。   In addition, since the cathode-side power feeding body 42 and the plate member 44 are integrated, the contact resistance is favorably suppressed as compared with a case where these are configured separately. In particular, since plasma spraying is performed in a vacuum or in an inert gas, an oxide film is not formed on the surface of the titanium particles, and the contact resistance is reduced. Furthermore, the number of parts can be easily reduced. As a result, there is an advantage that it can be configured simply and economically, and the contact resistance can be effectively reduced.

また、溶射処理が終了した後、給電体層102の表面に平滑化処理が施されている。このため、給電体層102の表面により固体高分子電解質膜38が損傷することを可及的に抑制することができる。次いで、給電体層102の表面には、エッチング処理が施されることにより、目詰まりが良好に除去される。   In addition, after the thermal spraying process is finished, the surface of the power supply layer 102 is smoothed. For this reason, it can suppress as much as possible that the solid polymer electrolyte membrane 38 is damaged by the surface of the electric power feeder layer 102. Next, the clogging is satisfactorily removed by performing an etching process on the surface of the power supply layer 102.

図10は、本発明の第2の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材110の斜視説明図である。   FIG. 10 is a perspective explanatory view of the plate member 110 constituting the high-pressure water electrolysis apparatus according to the second embodiment of the present invention.

プレート部材110の溶射面110aには、第2流路58を構成する複数本の直線状溝部58bと、複数本のリング状溝部58cとが形成される。直線状溝部58bは、プレート部材110の中心から放射状に配置されるとともに、リング状溝部58cは、前記プレート部材110と同心円上に配置される。プレート部材110は、直線状溝部58b及びリング状溝部58c以外が補強用リブとしての機能を有する。   A plurality of linear grooves 58b and a plurality of ring-shaped grooves 58c constituting the second flow path 58 are formed on the sprayed surface 110a of the plate member 110. The linear grooves 58b are arranged radially from the center of the plate member 110, and the ring-shaped grooves 58c are arranged concentrically with the plate member 110. The plate member 110 has a function as a reinforcing rib except for the linear groove portion 58b and the ring-shaped groove portion 58c.

図11は、本発明の第3の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材120の斜視説明図である。   FIG. 11 is a perspective explanatory view of the plate member 120 constituting the high-pressure water electrolysis apparatus according to the third embodiment of the present invention.

プレート部材120の溶射面120aには、第2流路58を構成する複数本の直線状溝部58dと、複数本の直線状溝部58eとが形成される。直線状溝部58d、58eは、格子状に配置されるとともに、プレート部材120は、前記直線状溝部58d、58e以外が補強用リブとしての機能を有する。   A plurality of linear grooves 58d and a plurality of linear grooves 58e constituting the second flow path 58 are formed on the sprayed surface 120a of the plate member 120. The linear groove portions 58d and 58e are arranged in a lattice pattern, and the plate member 120 has a function as a reinforcing rib except for the linear groove portions 58d and 58e.

このように構成される第2及び第3の実施形態では、プレート部材44に代えて、それぞれプレート部材110、120を用いており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second and third embodiments configured as described above, plate members 110 and 120 are used in place of the plate member 44, respectively, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図12は、本発明の第4の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材130の斜視説明図である。   FIG. 12 is an explanatory perspective view of the plate member 130 constituting the high-pressure water electrolysis apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.

プレート部材130の溶射面130aとは反対の荷重付与面130bには、前記プレート部材130の中心に点対称の形状、すなわち、直径方向に延在する3本のリブ59cと、前記プレート部材44と同心円上に円形のリブ59bとが形成される。リブ59c、59b間には、6枚の皿ばね46が配置される。   The load application surface 130b opposite to the thermal spraying surface 130a of the plate member 130 has a point-symmetric shape around the center of the plate member 130, that is, three ribs 59c extending in the diameter direction, and the plate member 44 Circular ribs 59b are formed on the concentric circles. Six disc springs 46 are arranged between the ribs 59c and 59b.

図13は、本発明の第5の実施形態に係る高圧水電解装置を構成するプレート部材140の斜視説明図である。   FIG. 13 is a perspective explanatory view of a plate member 140 constituting the high-pressure water electrolysis apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.

プレート部材140の溶射面140aとは反対の荷重付与面140bには、前記プレート部材140と同心円上に円形の2本のリブ59d、59bが形成される。リブ59d内に1枚の皿ばね46が配置されるとともに、前記リブ59d、59b間には、8枚の皿ばね46が配置される。   Two circular ribs 59d and 59b are formed concentrically with the plate member 140 on the load applying surface 140b opposite to the sprayed surface 140a of the plate member 140. One disc spring 46 is disposed in the rib 59d, and eight disc springs 46 are disposed between the ribs 59d and 59b.

このように構成される第4及び第5の実施形態では、プレート部材44に代えて、それぞれプレート部材130、140を用いており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the fourth and fifth embodiments configured as described above, plate members 130 and 140 are used in place of the plate member 44, respectively, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

10…高圧水電解装置 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18a…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
24a、24b…端子部 28…電源
32…電解質膜・電極構造体 34…アノード側セパレータ
36…カソード側セパレータ 38…固体高分子電解質膜
40…アノード側給電体 42…カソード側給電体
44、110、120、130、140…プレート部材
44a、110a、120a、130a、140a…溶射面
44b、130b、140b…荷重付与面
46…皿ばね 50a…水供給連通孔
50b…排出連通孔 50c…水素連通孔
54、58…流路 58a、58b、58d、58e…直線状溝部
58c…リング状溝部 59a、59b、59c、59d…リブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... High pressure water electrolysis apparatus 12 ... Unit cell 14 ... Laminate body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18a ... Insulation plate 20a, 20b ... End plate 24a, 24b ... Terminal part 28 ... Power supply 32 ... Electrolyte membrane and electrode structure 34 ... anode-side separator 36 ... cathode-side separator 38 ... solid polymer electrolyte membrane 40 ... anode-side power feeder 42 ... cathode-side power feeders 44, 110, 120, 130, 140 ... plate members
44a, 110a, 120a, 130a, 140a ... sprayed surfaces 44b, 130b, 140b ... load application surface 46 ... disc spring 50a ... water supply communication hole 50b ... discharge communication hole 50c ... hydrogen communication hole 54, 58 ... flow path 58a, 58b 58d, 58e ... linear groove 58c ... ring-shaped groove 59a, 59b, 59c, 59d ... ribs

Claims (6)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、
前記カソード側給電体に積層されるプレート部材と、
前記プレート部材と前記カソード側セパレータとの間に配置され、前記プレート部材に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
を備える高圧水電解装置であって、
前記カソード側給電体は、前記プレート部材に溶射により一体成形される多孔質導電体であることを特徴とする高圧水電解装置。
A solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side power feeding body and a cathode-side power feeding body for electrolysis provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side separator that is disposed to face the anode-side power feeder, is supplied with water, and electrolyzes the water to generate oxygen;
A cathode-side separator that is disposed opposite to the cathode-side power feeder and generates hydrogen having a pressure higher than that of oxygen by electrolyzing the water;
A plate member laminated on the cathode-side power feeder;
An elastic member that is disposed between the plate member and the cathode-side separator and applies a load to the plate member in a stacking direction;
A high pressure water electrolysis apparatus comprising:
The high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the cathode-side power supply body is a porous conductor integrally formed on the plate member by thermal spraying.
請求項1記載の高圧水電解装置において、前記プレート部材は、前記多孔質導電体が一体成形される溶射面に流路を設けることを特徴とする高圧水電解装置。   2. The high pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the plate member is provided with a flow path on a sprayed surface on which the porous conductor is integrally formed. 請求項1又は2記載の高圧水電解装置において、前記溶射は、減圧プラズマ溶射であることを特徴とする高圧水電解装置。   3. The high pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the thermal spraying is low pressure plasma spraying. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の高圧水電解装置において、前記プレート部材は、前記弾性部材が配置される荷重付与面にリブを設けることを特徴とする高圧水電解装置。   The high pressure water electrolysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the plate member is provided with a rib on a load application surface on which the elastic member is disposed. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の高圧水電解装置において、前記プレート部材は、円板状を有するとともに、
前記リブは、前記プレート部材の中心に点対称の形状を有することを特徴とする高圧水電解装置。
The high pressure water electrolysis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the plate member has a disk shape,
The high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the rib has a point-symmetric shape at the center of the plate member.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の高圧水電解装置において、前記リブは、円板状の前記プレート部材と同心円上に円形に形成されることを特徴とする高圧水電解装置。   6. The high-pressure water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein the rib is formed in a circular shape concentrically with the disk-shaped plate member. 7.
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