CN117987844A - 水电解小室 - Google Patents
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Abstract
本发明是水电解小室，上述水电解小室具备隔离件，该隔离件在正反面具有成为流路的槽，在俯视视角中，上述隔离件在面方向的端部具有氧极侧供给孔、氧极侧排出孔、氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔，在上述隔离件的俯视视角中配置有包围上述氧极侧供给孔的密封部件、和包围上述氧极侧排出孔的密封部件，在上述氢极侧供给孔、上述氢极侧排出孔、上述小室间流路供给孔以及上述小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的该密封部件。
Description
技术领域
本公开涉及水电解小室。
背景技术
对水电解装置进行了各种研究。
例如在日本特开2016-060944中公开了以下技术，即，在差压式高压水电解装置中，通过将被挤压的载荷赋予机构配置于水电解小室内来抑制电极部的上浮。
存在为了使在水电解中生成的氢升压而提高水电解小室(以下，存在称为小室的情况)内的压力的需求。在以往的小室中，存在因载荷赋予机构而小室的隔离件变形的问题。若为了抑制隔离件的变形而将隔离件加厚，则存在小室的重量变重的问题。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够抑制隔离件的变形的水电解小室。
在本公开中，提供一种水电解小室，上述水电解小室具备隔离件，该隔离件在正反面具有成为流路的槽，在俯视视角中，上述隔离件在面方向的端部具有氧极侧供给孔、氧极侧排出孔、氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔，在上述隔离件的俯视视角中，配置有包围上述氧极侧供给孔的密封部件、和包围上述氧极侧排出孔的密封部件，在上述氢极侧供给孔、上述氢极侧排出孔、上述小室间流路供给孔以及上述小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的该密封部件。
在本公开中，上述水电解小室也可以具有电极部、具有包围该电极部的开口部的支承框架、以及夹持该电极部和该支承框架的一对上述隔离件。
本公开的水电解小室能够抑制隔离件的变形。
以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1是表示用于对以往的水电解小室的课题进行说明的水电解小室的一部分的一例的局部剖面示意图。
图2是表示俯视以往的水电解小室时的一例的平面示意图。
图3是表示俯视本公开的水电解小室时的一例的平面示意图。
具体实施方式
以下，对基于本公开的实施方式进行说明。此外，在本说明书中特别提及的事项以外的本公开的实施所需的事项(例如，不对本公开赋予特征的水电解小室的一般的结构和制造工序)能够作为该领域中的基于现有技术的本领域技术人员的设计事项来理解。本公开能够基于在本说明书中公开的内容和该领域中的技术常识来实施。
另外，附图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不反映实际的尺寸关系。
在本说明书中表示数值范围的“～”以包括在其前后记载的数值作为下限值和上限值的含义来使用。
另外，数值范围内的上限值和下限值能够采用任意的组合。
在本公开中，提供一种水电解小室，
上述水电解小室具备隔离件，该隔离件在正反面具有成为流路的槽，
在俯视视角中，上述隔离件在面方向的端部具有氧极侧供给孔、氧极侧排出孔、氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔，
在上述隔离件的俯视视角中，配置有包围上述氧极侧供给孔的密封部件、和包围上述氧极侧排出孔的密封部件，在上述氢极侧供给孔、上述氢极侧排出孔、上述小室间流路供给孔以及上述小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的该密封部件。
图1是表示用于对以往的水电解小室的课题进行说明的水电解小室的一部分的一例的局部剖面示意图。
如图1所示，以往的水电解小室100具有阳极隔离件10、阳极侧气体扩散层11、阳极侧微孔层12、阳极催化剂层13、电解质膜14、阴极催化剂层15、阴极侧微孔层16、阴极侧气体扩散层17、阴极隔离件18以及支承框架19。
图2是表示俯视以往的水电解小室时的一例的平面示意图。
如图2所示，以往的水电解小室的隔离件60在面方向的端部具有氧极侧供给孔20、氧极侧排出孔21、氢极侧供给孔30、氢极侧排出孔31、小室间流路供给孔40以及小室间流路排出孔41。
在隔离件60中，氧极侧供给孔20、氧极侧排出孔21、氢极侧供给孔30、氢极侧排出孔31、小室间流路供给孔40以及小室间流路排出孔41被外周密封部件50包围。另外，氧极侧供给孔20、氧极侧排出孔21、氢极侧供给孔30以及氢极侧排出孔31分别被密封部件51包围。外周密封部件50的材质与密封部件51的材质可以相同，也可以不同。
如图2所示，在被用作燃料小室的以往的小室中，需要对氢、氧或者空气等含有氧的气体以及冷却介质的3种流体的流路分别进行密封，因此，它们的空间是独立的。若为了提高取出的氢的压力而如图1左侧所示使氢极的压力上升，则在小室内和小室间产生差压，从而阳极隔离件10变形。如图1右侧所示，存在以下问题，即，由于因阳极隔离件10的变形而拉拽支承框架19，因此支承框架19的密封从电解质膜14剥离，从而导致泄漏的产生。
图3是表示俯视本公开的水电解小室时的一例的平面示意图。在图3中，对于与图2相同的结构，标注相同的编号，并省略其说明。
如图3所示，在本公开的水电解小室的隔离件70中，氧极侧供给孔20和氧极侧排出孔21分别被密封部件51包围。另一方面，氢极侧供给孔30和氢极侧排出孔31分别未被密封部件51包围，阴极流体流路与冷却介质流路的空间相连。
在本公开中，在成为氢极歧管的氢极侧供给孔及氢极侧排出孔、和成为小室间的冷却介质流路的冷却介质歧管的小室间流路供给孔及小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的密封部件，由此，使阴极流体流路与冷却介质流路的空间相连，由此使小室间和小室内氢极为相同压力，由此能够抑制隔离件的变形，从而能够抑制泄漏的产生。
另外，在本公开中，通过使用具有冷却介质的流路的隔离件，能够使冷却介质向小室内流动，能够抑制小室内的发热，并能够使小室、密封部件等的耐久性提高。另外，能够借用以往的燃料小室用的小室作为水电解小室，从而能够实现低成本化。
如以下那样，本公开的水电解小室将供给至阳极(氧极)的水电解，从阳极产生氧，从阴极(氢极)产生氢。
阳极：H2O→2H++1/2O2+2e－
阴极：2H++2e－→H2
本公开的水电解小室也可以层叠多个该水电解小室而成为水电解小室组(以下，存在称为小室堆的情况)。
水电解小室的层叠数并不特别地限定，例如，也可以是2～数百个。
本公开的水电解小室具备隔离件，通常也可以具有电极部、具有包围该电极部的开口部的支承框架、以及夹持该电极部和该支承框架的一对隔离件。
一对隔离件的一方是阳极隔离件，另一方是阴极隔离件。将阳极隔离件和阴极隔离件统称为隔离件。
阳极隔离件与阴极隔离件这两个隔离件夹持电极部和支承框架。
隔离件具有用于使反应水、氧、氢以及冷却介质等流体向水电解小室的层叠方向流通的供给孔和排出孔等成为歧管的孔。作为反应水和冷却介质，能够使用水、纯水、碱水等。
具体而言，在俯视视角中，隔离件在面方向的端部具有氧极侧供给孔、氧极侧排出孔、氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔。
氧极侧供给孔向氧极供给反应水。氧极侧排出孔将通过水电解产生的氧从氧极排出。氢极侧供给孔可以在水电解时未被使用，也可以将冷却介质向氢极供给。氢极侧排出孔将通过水电解产生的氢从氢极排出。小室间流路供给孔向水电解小室组的小室间供给冷却介质。小室间流路排出孔从水电解小室组的小室间排出冷却介质。
隔离件在正反面具有成为流路的槽。
具体而言，隔离件也可以在与气体扩散层接触的面具有反应水、氧、氢等反应流体的流路。另外，隔离件也可以在和与气体扩散层接触的面相反的一侧的面、即在小室间具有用于将水电解小室的温度保持恒定的冷却介质的流路。
阳极隔离件也可以在与阳极侧气体扩散层接触的面具有反应水、氧等阳极流体的流路。另外，阳极隔离件也可以在和与阳极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有用于将水电解小室的温度保持恒定的冷却介质的流路。
阴极隔离件也可以在与阴极侧气体扩散层接触的面具有氢等阴极流体的流路。另外，阴极隔离件也可以在和与阴极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有用于将水电解小室的温度保持恒定的冷却介质的流路。
隔离件也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如，也可以是将热固化树脂、热塑性树脂以及树脂纤维等树脂材料、和碳粉末及碳纤维等碳材料压缩而变得不透气的致密质碳、以及冲压成型的金属(例如，钛和不锈钢等)板等。
隔离件的形状也可以是长方形、横向长6边形、横向长8边形、圆形以及长圆形状等。
在隔离件的俯视视角中，配置有包围氧极侧供给孔的密封部件、和包围氧极侧排出孔的密封部件，在氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的该密封部件。
密封部件也可以是以往公知的垫圈、树脂片等。
水电解小室也可以具备电极部。
电极部依次具有阳极侧气体扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层以及阴极侧气体扩散层，也可以根据需要依次具有阳极侧气体扩散层、阳极侧微孔层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层、阴极侧微孔层以及阴极侧气体扩散层。
从抑制由氢极与氧极的差压的产生引起的电解质膜的塑性变形的产生的观点出发，电极部也可以具有阳极侧微孔层与阴极侧微孔层中的至少阴极侧微孔层。
阴极(氢极)包括阴极催化剂层和阴极侧气体扩散层，根据需要，在阴极催化剂层与阴极侧气体扩散层之间包括阴极侧微孔层。
阳极(氧极)包括阳极催化剂层和阳极侧气体扩散层，根据需要，在阳极催化剂层与阳极侧气体扩散层之间包括阳极侧微孔层。
对于水电解小室而言，氧极与氢极中的一方的面积可以小于另一方的面积，氧极的面积也可以小于氢极的面积。由此，水电解小室的电极部在面方向的端部具有带台阶的构造。
氧极与氢极中的面积较小的一方的电极的催化剂层、微孔层以及气体扩散层的面积都小于电解质膜即可。只要氧极与氢极中的面积较小的一方的电极的催化剂层、微孔层以及气体扩散层的面积小于电解质膜，各自面积的大小就不特别地限定。
本公开的水电解小室也可以使该水电解小室内的氢极的压力高于氧极的压力。
将阴极催化剂层和阳极催化剂层统称为催化剂层。
催化剂层例如也可以具备促进电化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质、和具有电子传导性的载体等。
作为催化剂金属，例如，能够使用铱(Ir)、二氧化铱(IrO2)、钌(Ru)、铂(Pt)、以及由Pt与其他的金属构成的合金(例如混合了钴和镍等的Pt合金)等。对于阳极催化剂层而言，作为催化剂金属，例如，也可以使用Ir、IrO2以及Ru等，对于阴极催化剂层而言，作为催化剂金属，例如，也可以使用Pt和Pt合金等。
作为电解质，也可以是氟类树脂等。作为氟类树脂，例如，也可以使用Nafion溶液等。
上述催化剂金属担载于载体上，在各催化剂层中，担载有催化剂金属的载体(催化剂担载载体)与电解质也可以混合存在。
用于担载催化剂金属的载体例如能够举出一般市面出售的碳等碳材料等。
电解质膜也可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如能够举出包含水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜、和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如，也可以是Nafion膜(杜邦公司制)等。
将阴极侧气体扩散层和阳极侧气体扩散层统称为气体扩散层。
气体扩散层也可以是气体透过性、即具有气孔的导电性部件等。
作为导电性部件，例如能够举出碳布及碳纸等碳多孔体、和金属网及发泡金属等金属多孔体等。
将阳极侧微孔层和阴极侧微孔层统称为微孔层。
微孔层也可以是PTFE等疏水性树脂与碳黑等导电性材料的混合物。
微孔层也可以具有1～数百μm的气孔。
支承框架配置于电极部的外周，并且配置于阴极隔离件与阳极隔离件之间。
支承框架也可以具有骨架部、开口部以及孔。
骨架部是与电极部连接的支承框架的主要部分。
开口部是电极部的保持区域，是为了收纳电极部而将骨架部的一部分贯通的区域。开口部在支承框架配置于在电极部的周围(外周部)配置骨架部的位置即可，也可以在支承框架的中央具有。
支承框架的孔使反应水、氧、氢以及冷却介质等流体向水电解小室的层叠方向流通。支承框架的孔也可以以与隔离件的孔连通的方式对位来配置。
支承框架也可以包括框状的芯层、和设置于芯层的两面的框状的两个壳层、即、第1壳层和第2壳层。
第1壳层及第2壳层也可以与芯层相同地呈框状设置于芯层的两面。
芯层只要是具有气体密封性、绝缘性的构造部件即可，也可以由即使在水电解小室的制造工序中的热压时的温度条件下构造也不会变化的材料形成。具体而言，芯层的材料例如也可以是聚乙烯、聚丙烯、PC(聚碳酸酯)、PPS(聚苯硫醚)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PA(聚酰胺)、PI(聚酰亚胺)、PS(聚苯乙烯)、PPE(聚苯醚)、PEEK(聚醚醚酮)、环烯烃、PES(聚醚砜)、PPSU(聚苯砜)、LCP(液晶聚合物)、环氧树脂等树脂等。芯层的材料也可以是EPDM(三元乙丙橡胶)、氟类橡胶、硅系橡胶等橡胶材料。
从确保绝缘性的观点出发，芯层的厚度可以为5μm以上，也可以为20μm以上，从降低水电解小室厚度的观点出发，可以为200μm以下，也可以为150μm以下。
为了将芯层与阳极隔离件及阴极隔离件粘合而确保密封性，第1壳层和第2壳层也可以具有与其他的物质的粘合性较高、在热压时的温度条件下软化、并且粘度和熔点低于芯层的性质。具体而言，第1壳层和第2壳层可以是聚酯系和改性烯烃系等热塑性树脂，也可以是作为改性环氧树脂的热固化性树脂。
构成第1壳层的树脂与构成第2壳层的树脂可以是相同种类的树脂，也可以是不同种类的树脂。通过在芯层的两面设置壳层，支承框架与两个隔离件之间的基于加热冲压的粘合变得容易。
从确保粘合性的观点出发，第1壳层与第2壳层的各个壳层的厚度可以为5μm以上，也可以为30μm以上，从降低水电解小室的厚度的观点出发，可以为100μm以下，也可以为40μm以下。
在支承框架，第1壳层和第2壳层也可以分别仅设置于与阳极隔离件及阴极隔离件粘合的部分。设置于芯层的一个面的第1壳层也可以与阴极隔离件粘合。设置于芯层的另一面的第2壳层也可以与阳极隔离件粘合。而且，支承框架也可以被一对隔离件夹持。
水电解小室组也可以具有供各供给孔连通的入口歧管、和供各排出孔连通的出口歧管等歧管。
入口歧管能够举出氧极入口歧管、氢极入口歧管以及冷却介质入口歧管等。
出口歧管能够举出氧极出口歧管、氢极出口歧管以及冷却介质出口歧管等。
氧极入口歧管和氧极出口歧管统称为氧极歧管。氢极入口歧管和氢极出口歧管统称为氢极歧管。冷却介质入口歧管和冷却介质出口歧管统称为冷却介质歧管。
Claims (2)
1.一种水电解小室，其中，
所述水电解小室具备隔离件，该隔离件在正反面具有成为流路的槽，
在俯视视角中，所述隔离件在面方向的端部具有氧极侧供给孔、氧极侧排出孔、氢极侧供给孔、氢极侧排出孔、小室间流路供给孔以及小室间流路排出孔，
在所述隔离件的俯视视角中，配置有包围所述氧极侧供给孔的密封部件、和包围所述氧极侧排出孔的密封部件，在所述氢极侧供给孔、所述氢极侧排出孔、所述小室间流路供给孔以及所述小室间流路排出孔，未配置包围各个孔的该密封部件。
2.根据权利要求1所述的水电解小室，其中，
所述水电解小室具有电极部、具有包围该电极部的开口部的支承框架、和夹持该电极部和该支承框架的一对所述隔离件。
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