CN115161680B - 电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电化学装置,其能够抑制实施起动停止操作时的性能降低。实施方式的电化学装置具备:电化学池,其具备具有第1流路的第1电极、具有第2流路的第2电极、以及被第1电极和第2电极夹持的隔膜;气液分离罐,其与第1电极的第1流路连接,在运转时输送由第1电极生成的产物和从第2电极浸透到第1电极的水;以及水封入配管,其与气液分离罐的液体部分连接,在停止时将气液分离罐的水输送至第1电极的第1流路(1)。
Description
本申请以日本专利申请2021-044794(申请日:2021年3月18日)为基础,享有该申请的优先权。本申请通过参考上述申请而包括该申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及电化学装置。
背景技术
作为电解装置这样的电化学装置的代表例,已知有将水(H2O)电解而产生氢(H2)和氧(O2)的水电解装置。水电解装置例如具备电解池,该电解池具有阳极、阴极和被它们夹持的固体高分子电解质膜,通过电解水(H2O),在阴极产生氢(H2),在阳极产生氧(O2)。使用这样的固体高分子电解质膜(Polymer Electrolyte Membrane:PEM)作为隔膜的水电解池(PEM型水电解池)具有工作温度低、氢纯度高等特征。然而,PEM型水电解池存在若进行起动停止操作则其性能容易降低的课题。这不限于水电解,在使用PEM作为隔膜的电解池和电解装置(电化学装置)的全部中都成为课题。
发明内容
本发明要解决的课题在于,提供一种可抑制实施起动停止操作时的性能降低的电化学装置。
实施方式的电化学装置具备:
电化学池,其具备:具有第1流路的第1电极、具有第2流路的第2电极、以及被所述第1电极和所述第2电极夹持的隔膜,
气液分离罐,其与所述第1电极的所述第1流路连接,在运转时输送由所述第1电极生成的产物和从所述第2电极浸透到所述第1电极的水,和
水封入配管,其与所述气液分离罐的液体部分连接,在停止时将所述气液分离罐的水输送至所述第1电极的所述第1流路。
附图说明
[图1]是表示实施方式的电化学装置中的电解池的构成和电解池与电源的连接结构的图。
[图2]是表示第1实施方式的电化学装置的图。
[图3]是表示第2实施方式的电化学装置的图。
附图标记说明
1…电化学池、2…第1电极、3…第2电极、4…隔膜、5…第1催化剂层、7…第2催化剂层、12…第1流路、13…第2流路、20…电化学装置、24…第1水箱、27…第2水箱、28…第2配管(工作用配管)、29…第3配管(水封入配管)、30、31…止回阀。
具体实施方式
以下,参照附图说明实施方式的电化学装置。在以下所示的各实施方式中,有时对基本上相同的构成部位标注相同的附图标记,并部分省略其说明。附图是示意性的,存在厚度与平面尺寸的关系、各部分的厚度的比率等与实际不同的情况。
(第1实施方式)
参照图1说明实施方式的电化学装置的电化学池的构成、以及电化学池与电源的连接结构。图1所示的电化学池1具备:第1电极2、第2电极3、以及由第1电极2和第2电极3夹持的隔膜4。隔膜4例如是固体高分子电解质膜(PEM)。在将电化学池1用作水电解池的情况下,第1电极2为阴极(还原电极/氢极),第2电极3为阳极(氧化电极/氧极)。以下,主要说明将电化学池1用作水电解池的情况。作为隔膜4的固体高分子电解质膜使用质子传导膜。
作为质子传导性的PEM的构成材料,例如使用具有磺酸基的氟树脂。作为这样的材料的具体例,可举出:杜邦公司制的将四氟乙烯磺化并聚合而成的氟树脂Nafion(注册商标)、旭化成公司制的Flemion(注册商标)、AGC公司制的アシブレック(注册商标)等。隔膜4不限于固体高分子电解质膜,也可以是包含电解质成分的烃膜、包含钨酸或磷钨酸等无机物的膜等电解质膜。
作为阳极的第2电极3通过氧化反应分解水(H2O),产生氢离子(H+)和氧(O2)。作为阴极的第1电极2将在阳极产生的氢离子(H+)还原,产生氢(H2)。作为阴极的第1电极2具有第1催化剂层5和第1供电层6。第1催化剂层5以与隔膜4接触的方式配置。作为阳极的第2电极2具有第2催化剂层7和第2供电层8。第2催化剂层7以与隔膜4接触的方式配置。通过用这样的第1电极2和第2电极3夹持PEM等隔膜4,构成膜电极接合体(Membrane ElectrodeAssembly:MEA)9。
作为阴极的第1电极2的第1催化剂层5例如使用铂(Pt)、银(Ag)、钯(Pd)等金属、包含Pt、Ag、Pd中的至少1种的合金(Pt合金、Ag合金、Pd合金)等。第1催化剂层5更优选使用Pt、或PtCo、PtFe、PtNi、PtPd、PtIr、PtRu、PtSn等Pt合金。作为阳极的第2电极3的第2催化剂层7例如使用铱(Ir)氧化物、钌(Ru)氧化物、钯(Pd)氧化物、Ir复合氧化物、Ru复合氧化物、Pd复合氧化物等。作为构成Ir复合氧化物或Ru复合氧化物的复合金属,可举出:钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、锌(Zn)、锆(Zr)、钼(Mo)、钽(Ta)、Ru、Ir、Pd等。第2催化剂层7更优选使用Ir氧化物或Ir复合氧化物等。
第1电极2的第1供电层6和第2电极2的第2供电层8使用具有气体扩散性和导电性的材料。具体而言,多孔质的导电部件等适用于第1供电层6和第2供电层8。第1供电层6和第2供电层8使用Ti、Ta、SUS、Ni、Pt等多孔质金属部件、金属毡、将金属纤维缠绕而成的金属无纺布、碳纸、碳布等。第1供电层6和第2供电层8优选使用耐腐蚀性优异的Ti,由此能够提高耐久性。
上述的MEA9被阴极隔板10和阳极隔板11夹持,由它们构成电化学池1。在阴极隔板10设置有使反应物质或生成物质流通的第1流路12。在阳极隔板11设置有使反应物质或生成物质流通的第2流路13。在第1催化剂层5和第1供电层6的侧面以及第2催化剂层7和第2供电层8的侧面配置有密封部件14,防止来自MEA9以及电化学池1的气体和液体的泄漏。
电化学池1不限于单个池结构,也可以具有将多个电化学池1层叠而成的堆叠池结构。堆叠池的形状没有特别限定,可根据期望的电压和反应量等适当选择。另外,在使用多个电化学池1的情况下,不限于堆叠池结构,也可以是将多个电化学池1平面配置的结构等。进而,也可以将平面配置的池层叠。电化学池1中含有的单个池(单池)的数量也没有特别限定,可以适当选择。
作为向电化学池1供给的反应物质,例如可以使用含有水、氢、改性气体、甲醇、乙醇、甲酸等中的至少1种的水溶液。实施方式的电化学池1并不限定于用于水电解的电解池,只要是二氧化碳的电解反应池等同样地使用氧化物作为催化剂的电解池,就能够应用于各种电化学池。
电化学池1的第1电极2和第2电极3与电压施加装置(电源)15电连接。进而,在将电源15与第1电极2和第2电极3电连接的电路中,设置有电压测定部16和电流测定部17。电源15的工作由控制部18控制。即,控制部18控制电源15,向电化学池1施加电压。电压测定部16与第1电极2和第2电极3电连接,测定施加于电化学池1的电压。该测定信息被输送至控制部18。电流测定部17被插入到对电化学池1的电压施加电路中,测定流过电化学池1的电流。该测定信息被输送至控制部18。
控制部18例如由PC或微型计算机等计算机构成,对由各部输出的数据信号进行运算处理,将必要的控制信号输出到各构成部。控制部18还具有存储器,按照存储在存储器中的程序,根据各测定信息控制电源15的输出,向电化学池1施加电压或进行使负载变化等的控制。予以说明,在将电化学池1用于电池反应的情况下,向电化学池1负载电压。在将电化学池1用于电池反应以外的反应、例如通过水电解的氢产生反应或二氧化碳的电解反应等的情况下,向电化学池1施加电压。在实施方式的电化学装置中,构成为向第1电极2与第2电极3之间负载电压,以进行电化学反应。
接着,参照图2说明具备图1所示的电化学池1的第1实施方式的电化学装置。在此,主要说明将电化学装置应用于水电解装置的情况的构成,但实施方式的电化学装置不限定于此,也可以是二氧化碳电解装置等。图2所示的电化学装置20具备向电化学池1的第2电极3供给水的水供给系统21,还具备从电化学池1的第1电极2排出氢或水的氢排出系统22。
水供给系统21具有与纯水制造装置23连接的第1水箱24。从纯水制造装置23向第1水箱24供给水。装纳于第1水箱24的水经由泵25和第1配管26被送至电化学池1的第2电极3。在作为阳极的第2电极3处进行水分解,由水分解产生的氧(O2)和剩余的水被返送至第1水箱24。第1水箱24具有气液分离功能,回收在第1水箱24分离出的氧(O2)。在第1水箱24中分离出的水经由泵25、第1配管26和第2流路13而循环。
氢气排出系统22经由第2配管28与第2水箱27连接。虽然不向作为阴极的第1电极2供给水,但由于水穿过隔膜4被送至第1电极2侧,因此水也与氢混合而被排出。因此,在具有气液分离机构的第2水箱27的气体部分连接有第2配管(工作用配管)28。在第2水箱27中分离出的氢(H2)被回收。进而,在第2水箱27上连接有第3配管29。如后面详细叙述的那样,第3配管29是从第2水箱27向电化学池1输送水的配管(水封入配管),与第2水箱27的液体部分和作为阴极的第1电极2的第1流路12的入口连接。在第2配管28和第3配管29分别设置有止回阀30、31。而且,在第2水箱27的氢排出配管32上设置有电磁阀33。予以说明,装纳于第2水箱27的水也可以根据需要输送至第1水箱24。此时,由于氢和氧的混合存在爆炸的危险,因此优选在将第1水箱24和第2水箱27连接的配管上设置阀。
接着,说明图2所示的电化学装置20的工作。在进行水的电解的情况下,当从外部的电源(18)向作为阳极的第2电极3施加电压时,水(H2O)被电解,引起以下所示的式(1)的反应。
2H2O→O2+4H++4e-……(1)
此时产生的质子(H+)通过隔膜4被送至作为阴极的第1电极2。另外,电子(e-)通过外部电路而到达第1电极2。在作为阴极的第1电极2处,通过以下所示的式(2)的反应而产生氢。
4H++4e-→2H2……(2)
通过上述的式(1)和式(2)的反应,能够制造氢和氧。
在此,在第2水箱27未连接第3配管29的情况下,在停止电化学装置20的工作时,停止向作为阳极的第2电极3供给水,因此,在作为阴极的第1电极2处产生的氢有可能流入第2电极3侧。如果氢混入第2电极3,则不仅第2催化剂层7中含有的Ir氧化物、Ru氧化物等金属氧化物催化剂被还原而催化特性降低,而且金属氧化物催化剂成为电化学不稳定的状态,由此引起Ir等金属的溶出、或第2电极3的电化学反应的性能劣化。这成为电化学池1的性能降低的主要原因。
因此,在第1实施方式的电化学装置20中,通过具有止回阀31的第3配管29将第2水箱27与第1电极2的第1流路12的入口连接。在停止电化学装置20的工作时,水从第2水箱27被输送至第1电极2,从而第1流路12被水淹没。由于残留在第1流路12中的氢被水挤出,因此能够抑制由残留氢引起的第2电极3的金属氧化物催化剂的还原。在实现这样的构成的基础上,第2水箱27配置在比电化学池1高的位置。在运转时,产生的氢气通过第2配管28和第2水箱27被排出到外部。此时,通过第3配管29的止回阀31,水不会因压力的关系从第2水箱27向第1电极2输送。另一方面,在运转停止时,水从比第2水箱27的液面低的位置通过第3配管29,利用水压差被自动地输送到第1电极2的第1流路12,第1流路12被水淹没。
此时,为了减少压力损失,使第1电极2的第1流路12顺利地被水淹没,优选使停止时输送水的第3配管29的配管直径尽可能地大。具体而言,第3配管29的配管直径优选为3/8英寸以上,更优选为3/2英寸以上。另外,止回阀31至少设置于第3配管。由此,在运转时从第1配管28排出氢气,能够防止水从第3配管29逆流,因此具有温度变得均匀、电压变得稳定的效果。
根据第1实施方式的电化学装置20,能够在装置刚停止后将残存于作为阴极的第1电极2的氢气赶出。其结果,能够抑制作为阳极的第2电极3的金属氧化物催化剂的还原,因此能够抑制电化学池1的性能降低。即,可提供具备稳定地发挥性能的电化学池1的电化学装置20。
(第2实施方式)
参照图3说明第2实施方式的电化学装置20。在图3所示的电化学装置20中,将在装置停止时从第2水箱27向电化学池1输送水的第3配管29连接到将第1电极2的第1流路12的入口与第2水箱27连接的第2配管28的途中。在第3配管29中设置有止回阀31。第3配管29经由第2配管28与运转时成为第1流路12的氢出口的开口连接。进而,在装置停止时成为第1流路12的水出口的开口连接有电磁阀34。关于除此以外的构成,第2实施方式的电化学装置20具有与第1实施方式同样的构成。
在第2实施方式的电化学装置20中,在装置运转时,氢和水从第1流路12的一个开口(运转时的出口)经由第2配管28被输送至第2水箱27。在装置运转时,电磁阀34关闭。在装置停止时,第2水箱27的水经由第3配管29和止回阀31被输送至第1流路12的一个开口(运转时的出口/停止时的入口)。此时,关于第1流路12的电磁阀34,直至水从第1流路12的另一个开口(停止时的入口)流出为止,电磁阀34例如仅打开20秒,然后关闭电磁阀34。由此,在装置停止时能够使第1流路12被水淹没,能够通过水挤出残留氢。因此,与第1实施方式同样地,能够抑制由氢产生的第2电极3的金属氧化物催化剂的还原。
实施例
接着,说明实施例及其评价结果。
(实施例1)
如图2所示,电化学装置20的构成为:第2水箱27与电化学池(电解池)1中的第1电极2的第1流路12通过第3配管29连接。在装置运转时,在第1电极2处产生的氢和水经由第2配管被输送至第2水箱27。在第3配管29中设置有止回阀31,因此水不会逆流。另一方面,在装置停止时,第2水箱27的水被输送至第1流路12。
在上述电化学装置20中,在装置运转时,在电化学池1的第1电极(氢极)2侧产生氢。从第1电极2的氢侧出口生成的氢与从第2电极(氧极)3交叉的水一起通过3/8英寸的配管排出到水箱27。氢气通过电磁阀33排出到外部。另一方面,水在水箱27中冷凝。此时,其构成为:当在水箱27内达到规定的液面高度以上时,打开电磁阀而向水箱24移动。在电解池1的氢极入口处连接有从比水箱27的液面低的液体部分连接的3/2英寸的配管29,在配管29中设置有止回阀31。在装置运转时,由于止回阀31的效果,水不会逆流。
在具有这样构成的电化学装置20中,确认了在装置停止时水自动流入电解池1的氢极而将之淹没。使用这样的装置,将以1小时50A运转、然后停止1小时的步骤设为1次,重复2000次。初期电压为1.85V,电流密度为2A/cm2。对此,确认了在2000次后也维持电压为1.87V、电流密度为2A/cm2的值。
(实施例2)
如图3所示,电化学装置20的构成为:在将第2水箱27与电化学池(电解池)1中的第1电极2的第1流路12连接的配管28上连接有设置于第2水箱27的液面下的配管29。在装置运转时,在第1电极2处产生的氢和水经由第2配管被输送至第2水箱27。在第3配管29中设置有止回阀31,因此水不会逆流。另一方面,在装置停止时,第2水箱27的水被输送至第1流路12。
在上述电化学装置20中,在电解池1的氢极出口处还连接有与外部相连的水配管,设置有电磁阀34。在电解池的运转时关闭电磁阀34,在停止时,仅在水从水配管流出为止的20秒打开电磁阀34,之后每次停止时进行关闭工作。使用该装置,将以1小时50A运转、然后停止1小时的步骤设为1次,重复2000次。初期电压为1.85V,电流密度为2A/cm2。对此,确认了在2000次后也维持电压为1.865V、电流密度为2A/cm2的值。
(实施例3)
如图3所示,电化学装置20的构成为:在将第2水箱27与电化学池(电解池)1中的第1电极2的第1流路12连接的配管28上连接有设置于第2水箱27的液面下的配管29。另外,第2水箱27设置在比第1电极2低的位置。在装置运转时,电磁阀33被节流以将氢侧的循环系统的压力调整为10个大气压。在第1电极2处产生的10个大气压的氢和水经由第2配管28被输送至第2水箱27。在第3配管29中设置有止回阀31,因此水不会逆流。
在上述电化学装置20中,在电解池1的氢极出口处还连接有与外部相连的水配管,设置有电磁阀34。在电解池的运转时关闭电磁阀34,在停止时,仅在水从水配管流出为止的20秒打开电磁阀34,之后每次停止时进行关闭工作。当电磁阀34打开的装置停止时,由于水箱内的10个大气压与电磁阀34的下游部的大气压之差,第2水箱27中的水被输送至第1流路12。使用该装置,将以1小时50A运转、然后停止1小时的步骤设为1次,重复2000次。初期电压为1.85V,电流密度为2A/cm2。对此,确认了在2000次后也维持电压为1.865V、电流密度为2A/cm2的值。
(比较例1)
不设置图2和图3中的配管29而构成电化学装置20。予以说明,水箱24和水箱27通过具有电磁阀的配管连接。该配管用于在水箱27内液面达到规定高度以上时,打开电磁阀而使水向水箱24移动。在具有这样的构成的电化学装置20中,在装置停止时氢极不会被淹没。使用这样的装置,在与实施例1、2相同的条件下重复进行2000次工作。初始电压为1.85V,电流密度为2A/cm2。对此,2000次后电压上升至2.25V,电流密度为2A/cm2。由以上结果确认,由于停止时的氢的泄漏,电解池1的劣化正在发展。
予以说明,上述各实施方式的构成可各自组合应用,也可以替换其中一部分。虽然这里说明了本发明的几个实施方式,但这些实施方式仅作为示例提示,并不意图限制本发明的范围。这些实施方式可以以各种其他方式实施,在不脱离本发明主旨的范围内,可以进行各种省略、替换、变更等。这些实施方式及其变形包含在本发明的范围和主旨内,同时也包含在权利要求书记载的发明及其等同的范围内。
Claims (4)
1.电化学装置,其具备:
电化学池,其具备:具有第1流路的第1电极、具有第2流路的第2电极、以及被所述第1电极和所述第2电极夹持的隔膜,
气液分离罐,其与所述第1电极的所述第1流路连接,在运转时输送由所述第1电极生成的产物和从所述第2电极浸透到所述第1电极的水,
工作用配管,其与所述第1电极的所述第1流路和所述气液分离罐的气体部分连接,和
水封入配管,其与所述气液分离罐的液体部分和所述工作用配管连接,在停止时将所述气液分离罐的水输送至所述第1电极的所述第1流路;
其中,
所述水封入配管在运转时经由所述工作用配管与成为所述第1电极的所述第1流路的氢出口的第1开口连接,
在停止时成为所述第1电极的所述第1流路的水出口的第2开口连接有电磁阀。
2.权利要求1所述的电化学装置,其中,所述水封入配管的构成为:以水头压力或气体压力为动力将所述水从所述气液分离罐的液体部分输送至所述第1电极的所述第1流路。
3.权利要求1所述的电化学装置,其中,所述隔膜具有固体高分子电解质膜。
4.权利要求1~3任一项所述的电化学装置,其为水电解装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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