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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Anwendung bezieht sich auf ein Wasserelektrolysesystem.
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2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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In den letzten Jahren hat Wasserstoff als CO2 -freie Energiequelle Aufmerksamkeit erregt. Ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff umfasst die alkalische Wasserelektrolyse und die PEM-Wasserelektrolyse (PEM: Polymerelektrolytmembran). Die PEM-Wasserelektrolyse zieht aufgrund ihrer hohen Effizienz die Aufmerksamkeit auf sich.
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Bei der Wasserelektrolyse kommt es zu einem sogenannten Wasserstoff-Crossover, bei dem der in einer Kathodenkatalysatorschicht (Wasserstoffelektroden-Katalysatorschicht) erzeugte Wasserstoff eine Elektrolytmembran durchdringt und zu einer Anodenkatalysatorschicht (Sauerstoffelektroden-Katalysatorschicht) wandert. Dabei vermischt sich der Wasserstoff mit dem auf der Seite der Anodenkatalysatorschicht erzeugten Sauerstoff, und die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff nimmt zu. Wenn die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff eine vorgegebene Konzentration (z. B. etwa 4 %) überschreitet, besteht die Möglichkeit einer abnormalen Reaktion. Daher ist eine Technik zur Unterdrückung eines Anstiegs der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff erwünscht.
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Nach S. A. Grigorievet. al, „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymerelektrolytmembran Water Electrolysis", International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), pp. In 5986-5991 wird ein Wasserelektrolysesystem offenbart, bei dem das aus einer Wasserelektrolysezelle abgegebene Wasser durch einen Gas-Flüssigkeitsabscheider in Wasser und Sauerstoff (einschließlich Wasserstoff-Crossover) getrennt wird, der abgetrennte Sauerstoff einem Rekombinator zugeführt wird, der mit einem Rekombinationskatalysator ausgestattet ist, und der Sauerstoff und der Wasserstoff in dem Rekombinator rekombiniert werden, um Wasser zu erzeugen, wodurch ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff unterdrückt wird.
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Darüber hinaus wird in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr.
2019-167619 (
JP 2019-167619 A ) und der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr.
2020-514528 (
JP 2020-514528 A ) ein Verfahren offenbart, bei dem in einer Membran-Elektroden-Einheit für die Wasserelektrolyse vom PEM-Typ Wasserstoff und Sauerstoff, die durch Crossover bewegt werden, unter Verwendung eines Rekombinationskatalysators umgesetzt werden, um einen Anstieg der Wasserstoffkonzentration in Sauerstoff zu unterdrücken.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Wie oben beschrieben, wird Wasser erzeugt, wenn Sauerstoff und Wasserstoff durch einen Rekombinationskatalysator umgesetzt werden. Nach S. A. Grigorievet. al., „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymerelektrolytmembran Water Electrolysis", International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), S. 5986-5991, wird die Rekombinationsreaktion in der Gasphase durchgeführt, so dass Wasser entsteht und an der Oberfläche des Rekombinationskatalysators kondensiert. Das kondensierte Wasser verhindert dann, dass Wasserstoff und Sauerstoff der Oberfläche des Rekombinationskatalysators zugeführt werden, wodurch die Effizienz der Rekombinationsreaktion verringert wird. Infolgedessen kann die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff nicht ausreichend reduziert werden.
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Daher stellt die vorliegende Offenbarung ein Wasserelektrolysesystem bereit, das einen Anstieg der Wasserstoffkonzentration in Sauerstoff aufgrund von Wasserstoff-Crossover unterdrückt.
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Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung sieht ein Wasserelektrolysesystem vor, das Folgendes umfasst: mindestens eine Wasserelektrolysezelle; eine Wasserzufuhrvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einer Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle Wasser zuführt; einen Wasserzufuhrkanal, der so konfiguriert ist, dass er die Wasserelektrolysezelle und die Wasserzufuhrvorrichtung verbindet und so konfiguriert ist, dass das von der Wasserzufuhrvorrichtung der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle zugeführte Wasser strömt; einen Gas-Flüssigkeitsabscheider, der so konfiguriert ist, dass er das Wasser und einen gasförmigen Bestandteil, der von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle abgegeben wird, trennt; einen Wasserzufuhrkanal, der so konfiguriert ist, dass er die Wasserelektrolysezelle und den Gas-Flüssigkeitsabscheider verbindet und so konfiguriert ist, dass das Wasser und der gasförmige Bestandteil, der von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle zugeführt wird, strömen; und einen Rekombinator, der zwischen der Wasserelektrolysezelle und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider im Wasserzufuhrkanal angeordnet ist. Der Rekombinator enthält einen Rekombinationskatalysator, der Wasserstoff und Sauerstoff umsetzt, und die Wasserelektrolysezelle und der Rekombinator sind elektrisch voneinander isoliert.
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In dem obigen Wasserelektrolysesystem kann der Rekombinationskatalysator Platin oder eine Platinlegierung sein, und ein Legierungselement in der Platinlegierung kann mindestens ein Metallelement sein, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Co, Ni, Fe, Mn, Ta, Ti, Hf, W, Zr, Nb, Al, Sn, Mo und Si besteht.
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In dem obigen Wasserelektrolysesystem kann der Rekombinator ein Gehäuse und einen netzförmigen Metallkörper umfassen, in dem der Rekombinationskatalysator an einer Oberfläche befestigt ist.
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In dem oben genannten Wasserelektrolysesystem kann das Potential des Rekombinators 0,8 V oder weniger betragen.
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Gemäß dem Wasserelektrolysesystem der vorliegenden Offenbarung kann ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff aufgrund von Wasserstoff-Crossover unterdrückt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile sowie technische und gewerbliche Bedeutung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen:
- 1 ist ein Blockdiagramm eines Wasserelektrolysesystems;
- 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Rekombinator;
- 3 ist ein Blockdiagramm eines Wasserelektrolysesystems nach dem verwandten Stand der Technik;
- 4 ist ein Diagramm, das eine Rekombinationsreaktion in einem Rekombinator des Wasserelektrolysesystems aus dem verwandten Stand der Technik zeigt; und
- 5 zeigt die Messergebnisse der Wasserstoffkonzentration in Sauerstoff in einem Beispiel sowie in einem ersten und einem zweiten Vergleichsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein Wasserelektrolysesystem gemäß der vorliegenden Offenbarung wird anhand eines Wasserelektrolysesystems 100 beschrieben, das ein Ausführungsbeispiel darstellt. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Wasserelektrolysesystems 100.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst das Wasserelektrolysesystem 100 mindestens eine Wasserelektrolysezelle 10, einen Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20, der auf der Sauerstoffelektrodenseite der Wasserelektrolysezelle angeordnet ist, einen Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30, der auf der Wasserstoffelektrodenseite der Wasserelektrolysezelle angeordnet ist, und eine Stromquelle 40. Wasserelektrolysezelle 10
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Die Wasserelektrolysezelle 10 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser. Das Wasserelektrolysesystem 100 kann eine oder mehrere Wasserelektrolysezellen umfassen. Typischerweise umfasst das Wasserelektrolysesystem 100 eine Vielzahl von Wasserelektrolysezellen 10 unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Wasserelektrolyseeffizienz.
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Die Wasserelektrolysezelle 10 umfasst eine Sauerstoffelektrode und eine Wasserstoffelektrode. Sauerstoff wird von der Sauerstoffelektrode und Wasserstoff von der Wasserstoffelektrode erzeugt, wenn Wasser zugeführt wird und eine Spannung an die Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 angelegt wird. Wie oben beschrieben, muss für die Elektrolysereaktion von Wasser durch die Wasserelektrolysezelle 10 nur der Sauerstoffelektrode Wasser zugeführt werden, die Wasserstoffelektrode muss nicht mit Wasser versorgt werden. Die Zuführung von Wasser zur Wasserstoffelektrode ist jedoch nicht verboten, und der Wasserstoffelektrode kann Wasser zugeführt werden, zum Beispiel zur Kühlung des Systems. In dem Wasserelektrolysesystem 100 wird der Wasserstoffelektrode Wasser zur Systemkühlung zugeführt.
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Der an der Sauerstoffelektrode durch Wasserelektrolyse erzeugte Sauerstoff wird zusammen mit Wasser abgegeben und in einem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode in Sauerstoff und Wasser getrennt. An der Wasserstoffelektrode durch Wasserelektrolyse erzeugter Wasserstoff kann unverändert zurückgewonnen werden. In dem Wasserelektrolysesystem 100, in dem der Wasserstoffelektrode Wasser zugeführt wird, wird der Wasserstoff jedoch zusammen mit dem Wasser abgegeben und in einem Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode in Sauerstoff und Wasser getrennt. Auch wenn der Wasserstoffelektrode kein Wasser zugeführt wird, gelangt Wasser von der Sauerstoffelektrode durch eine Elektrolytschicht in die Wasserstoffelektrode. Daher wird der Wasserstoff zusammen mit dem Wasser abgegeben, und der Wasserstoff kann in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode in Wasserstoff und Wasser getrennt werden.
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Die Wasserelektrolysezelle 10 umfasst einen Sauerstoffelektroden-Wassereinlass zum Zuführen von Wasser zur Sauerstoffelektrode und einen Sauerstoffelektroden-Wasserauslass zum Abgeben von Wasser von der Sauerstoffelektrode. Ferner ist das Wasserelektrolysesystem 100 so konfiguriert, dass es der Wasserstoffelektrode Wasser zuführt. Daher umfasst die Wasserelektrolysezelle 10 einen Wassereinlass für die Wasserstoffelektrode, um der Wasserstoffelektrode Wasser zuzuführen, und einen Wasserauslass für die Wasserstoffelektrode, um Wasser von der Wasserstoffelektrode abzugeben. Bei einer Vielzahl von Wasserelektrolysezellen 10 wird das dem Wassereinlass der Sauerstoffelektrode und dem Wassereinlass der Wasserstoffelektrode zugeführte Wasser der Sauerstoffelektrode und der Wasserstoffelektrode jeder Wasserelektrolysezelle 10 zugeführt und aus dem Wasserauslass der Sauerstoffelektrode und dem Wasserauslass der Wasserstoffelektrode abgegeben.
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Der Typ der Wasserelektrolysezelle 10 ist nicht besonders beschränkt. Jedoch kann eine Wasserelektrolysezelle des PEM-Typs unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Wasserelektrolyse-Effizienz angenommen werden. Nachfolgend wird die Konfiguration der Wasserelektrolysezelle vom PEM-Typ kurz beschrieben.
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Die Wasserelektrolysezelle vom PEM-Typ umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit und ein Paar Separatoren, wobei die Separatoren auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Darüber hinaus kann die Wasserelektrolysezelle vom PEM-Typ eine Gasdiffusionsschicht enthalten, die zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und dem Separator angeordnet ist. Bekannte Gasdiffusionsschichten und Separatoren können je nach Bedarf verwendet werden.
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Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Elektrolytschicht, eine Katalysatorschicht für die Sauerstoffelektrode, die auf einer Seite der Elektrolytschicht angeordnet ist, und eine Katalysatorschicht für die Wasserstoffelektrode, die auf der anderen Seite der Elektrolytschicht angeordnet ist.
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Die Elektrolytschicht ist nicht besonders beschränkt, solange die Elektrolytschicht eine Wasserstoffionenleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann ein Polymerelektrolyt verwendet werden, der eine Sulfonsäuregruppe enthält. Unter dem Gesichtspunkt der Haltbarkeit kann der Polymerelektrolyt ein Fluorpolymer sein. Der Polymerelektrolyt kann zum Beispiel ein Perfluorkohlenstoffpolymer sein.
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Die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode enthält einen Katalysator für die Sauerstoffelektrode, der in der Lage ist, durch Wasserelektrolyse Sauerstoff zu erzeugen. Der Katalysator für die Sauerstoffelektrode ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele dafür umfassen einen Metallkatalysator. Der Metallkatalysator umfasst zum Beispiel einen Metallkatalysator, der Pt, Ru, Rh, Os, Ir, Pd und Au in seiner Zusammensetzung enthält. Der Metallkatalysator kann ein Oxid der oben genannten Metalle sein. Der Katalysator für die Sauerstoffelektrode kann ein elektrisch leitender Träger sein, der einen Metallkatalysator trägt (metallgestützter Katalysator). Außerdem kann die Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode ein Ionomer mit Protonenleitfähigkeit enthalten. Das Ionomer ist nicht besonders beschränkt. Beispiele sind ein protonenleitendes Polymer. Beispiele für protonenleitende Polymere sind Fluoralkylpolymere wie Polytetrafluorethylen und Fluoralkylpolymere wie Perfluoralkylsulfonsäurepolymere.
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Die Wasserstoff-Elektroden-Katalysatorschicht enthält einen Wasserstoffelektroden-Katalysator, der in der Lage ist, durch Wasserelektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Der Katalysator für die Wasserstoffelektrode ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele dafür umfassen einen Metallkatalysator. Der Metallkatalysator umfasst zum Beispiel einen Metallkatalysator, der Pt, Ru, Rh, Os, Ir, Pd und Au in seiner Zusammensetzung enthält. Der Metallkatalysator kann ein Oxid der oben genannten Metalle sein. Der Katalysator für die Wasserstoffelektrode kann ein elektrisch leitender Träger sein, der einen Metallkatalysator trägt (metallgestützter Katalysator). Die Art des Trägers ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele hierfür sind Kohlenstoffträger. Außerdem kann die Katalysatorschicht der Wasserstoffelektrode ein Ionomer mit Protonenleitfähigkeit enthalten. Das Ionomer ist nicht besonders beschränkt. Beispiele sind das oben beschriebene Ionomer. Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20
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Der Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20 hat die Aufgabe, der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle Wasser zuzuführen und den an der Sauerstoffelektrode erzeugten Sauerstoff zurückzugewinnen. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20 eine Wasserzufuhrvorrichtung für die Sauerstoffelektrode 21, einen Wasserzufuhrkanal für die Sauerstoffelektrode 22, den Gas-Flüssigkeitsabscheider für die Sauerstoffelektrode 23, einen Wasserabgabekanal für die Sauerstoffelektrode 24, einen Rekombinator 25, einen Zirkulationskanal für die Sauerstoffelektrode 26, einen Sauerstofftank 27 und einen Sauerstoffzufuhrkanal 28.
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Die Wasserzufuhrvorrichtung 21 für die Sauerstoffelektrode ist eine Vorrichtung, die der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 Wasser zuführt. Das Wasser kann der Wasserelektrolysezelle 10 unter Druck zugeführt werden, so dass das Wasser zirkuliert. Beispiele für die Wasserzufuhrvorrichtung für die Sauerstoffelektrode 21 sind eine Pumpe.
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Der Wasserzufuhrkanal 22 für die Sauerstoffelektrode ist eine Rohrleitung, die die Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 und die Wasserzufuhrvorrichtung 21 für die Sauerstoffelektrode verbindet und durch die das von der Wasserzufuhrvorrichtung 21 für die Sauerstoffelektrode zugeführte Wasser strömt. In 1 verbindet der Wasserzufuhrkanal 22 für die Sauerstoffelektrode den Wassereinlass für die Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 und die Wasserzufuhrvorrichtung 21 für die Sauerstoffelektrode, und das von der Wasserzufuhrvorrichtung 21 für die Sauerstoffelektrode zugeführte Wasser wird der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 über den Wasserzufuhrkanal 22 und den Wassereinlass für die Sauerstoffelektrode zugeführt.
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Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode ist eine Vorrichtung zur Trennung von Wasser und einem gasförmigen Bestandteil, der von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegeben wird. Der gasförmige Bestandteil (Sauerstoffelektroden-Gasbestandteil) in dem Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20 ist der an der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugte Sauerstoff. Der gasförmige Bestandteil kann jedoch auch eine sehr geringe Menge Wasserstoff enthalten, der an der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugt wird und durch die Elektrolytschicht hindurchtritt. Dementsprechend kann der gasförmige Bestandteil nur Sauerstoff oder Sauerstoff und Wasserstoff enthalten. Das von dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgeschiedene Wasser wird über den Wasserzufuhrkanal 26 der Wasserzufuhrvorrichtung 21 der Sauerstoffelektrode zugeführt und für die Wasserelektrolysereaktion wiederverwendet. Der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgeschiedene gasförmige Bestandteil wird über den Sauerstoffzuführungskanal 28 in den Sauerstofftank 27 geleitet und dort gespeichert. Der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgeschiedene gasförmige Bestandteil kann an die Atmosphäre abgegeben werden.
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Der Wasserabgabekanal 24 der Sauerstoffelektrode ist eine Rohrleitung, die die Wasserelektrolysezelle 10 und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 verbindet und durch die das Wasser und der gasförmige Bestandteil strömen, die von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegeben werden. In 1 verbindet der Wasserabgabekanal 24 der Sauerstoffelektrode den Wasserauslass der Wasserelektrolysezelle 10 und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode, und das von der Wasserelektrolysezelle 10 abgegebene Wasser wird dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode über den Wasserauslass der Sauerstoffelektrode und den Wasserabgabekanal 24 der Sauerstoffelektrode zugeführt (einschließlich des Rekombinators, der später beschrieben wird).
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Zwischen der Wasserelektrolysezelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode ist im Wasserabgabekanal 24 ein Rekombinator 25 angeordnet. Der Grund für die Anordnung des Rekombinators 25 zwischen der Wasserelektrolysezelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode wird später beschrieben.
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Der Rekombinator 25 enthält einen Rekombinationskatalysator, der Wasserstoff und Sauerstoff umsetzt. Wie oben beschrieben, wird der Sauerstoff durch eine Wasserelektrolyse-Reaktion an der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugt. Wasserstoff wird durch eine Wasserelektrolyse-Reaktion an der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugt, strömt durch die Elektrolytschicht und geht von der Seite der Wasserstoffelektrode auf die Seite der Sauerstoffelektrode über. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 in gasförmiger Form oder in einem in Wasser gelösten Zustand abgegeben. Der Wasserstoff und der Sauerstoff gelangen dann zu dem im Rekombinator 25 vorgesehenen Rekombinationskatalysator und führen eine Rekombinationsreaktion durch. Bei der obigen Konfiguration, bei der der Rekombinator 25 mit dem Rekombinationskatalysator versehen ist, können der Sauerstoff und der Wasserstoff, die von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegeben werden, miteinander umgesetzt werden, und der Wasserstoff auf der Seite der Sauerstoffelektrode kann verbraucht werden. Daher kann die Wasserstoffkonzentration in dem aus dem Gas-Flüssigkeitsabscheider abgetrennten Gas (Sauerstoff) reduziert werden.
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Der Rekombinationskatalysator ist nicht besonders beschränkt, solange der Rekombinationskatalysator die Rekombinationsreaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff katalysieren kann. Beispiele sind Platin oder eine Platinlegierung. Das Legierungselement in der Platinlegierung ist mindestens ein Metallelement aus der Gruppe bestehend aus Co, Ni, Fe, Mn, Ta, Ti, Hf, W, Zr, Nb, Al, Sn, Mo und Si. Der Rekombinationskatalysator kann auch auf einem Träger getragen werden. Der Träger ist nicht besonders beschränkt. Um die Aktivität der Rekombinationsreaktion zu erhöhen, kann jedoch ein Kohlenstoffträger verwendet werden.
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Die Art und Weise der Anordnung des Rekombinationskatalysators im Rekombinator 25 ist nicht besonders beschränkt, solange der Rekombinationskatalysator die oben beschriebene Rekombinationsreaktion katalysieren kann. Zum Beispiel kann der Rekombinationskatalysator einfach auf der inneren Oberfläche des Rekombinators 25 angeordnet werden. Um die Effizienz der Rekombinationsreaktion zu erhöhen, kann im Rekombinator 25 ein netzförmiger Metallkörper angeordnet sein, an dessen Oberfläche der Rekombinationskatalysator befestigt ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Rekombinator 25 ein Gehäuse 25a und einen netzförmigen Metallkörper 25b, in dem der Rekombinationskatalysator an seiner Oberfläche befestigt ist. Der netzförmige Metallkörper 25b ist in einer Richtung orthogonal zu einer Wasserströmungsrichtung (einer Richtung orthogonal zu einer Längsrichtung des Gehäuses 25a) angeordnet, und das Wasser und der gasförmige Bestandteil treten durch die Poren des netzförmigen Metallkörpers 25b. Zu diesem Zeitpunkt findet die Rekombinationsreaktion an der Oberfläche des Rekombinationskatalysators statt.
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Die Form des Gehäuses 25a ist nicht besonders beschränkt und kann eine viereckige Prismenform oder eine zylindrische Form haben. Ferner kann ein Teil des Wasserabgabekanals 24 der Sauerstoffelektrode als das Gehäuse 25a angesehen werden. In diesem Fall braucht der netzförmige Metallkörper 25b nur in dem Wasserabgabekanal 24 der Sauerstoffelektrode angeordnet zu werden.
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Der netzförmige Metallkörper 25b enthält ein Basismaterial und einen Rekombinationskatalysator, der auf dessen Oberfläche aufgebracht ist. Der Rekombinationskatalysator braucht nur auf mindestens einem Teil der Oberfläche des netzförmigen Metallkörpers angeordnet zu sein. Der Rekombinationskatalysator kann jedoch unter dem Gesichtspunkt der Effizienzsteigerung auf der gesamten Oberfläche angeordnet werden. Der netzförmige Metallkörper ist nicht besonders beschränkt, solange der netzförmige Metallkörper ein Metall mit einer Netzstruktur ist. Die Art des Metalls ist nicht besonders beschränkt, und Beispiele dafür sind rostfreier Stahl (SUS) und Titan. Titan kann unter dem Gesichtspunkt der Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden. Die Porengröße der Maschenstruktur ist nicht besonders beschränkt, solange die Porengröße den Durchgang von Wasser ermöglicht. Die Dicke des netzförmigen Metallkörpers ist ebenfalls nicht besonders beschränkt und kann je nach Verwendungszweck, wie z. B. der Effizienz der Rekombinationsreaktion, angemessen festgelegt werden.
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Außerdem müssen die Wasserelektrolysezelle 10 und der Rekombinator 25 voneinander elektrisch isoliert sein. Dies liegt daran, dass die Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 ein hohes Potential hat (z.B. 1,2 V oder mehr), und wenn die Wasserelektrolysezelle 10 und der Rekombinator 25 elektrisch miteinander verbunden sind, wird das Potential des Rekombinators 25 gleich dem Potential der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10, und dies oxidiert die Oberfläche des Rekombinationskatalysators und verschlechtert die Effizienz der katalytischen Reaktion. Genauer gesagt besteht die Anforderung darin, dass der Rekombinator 25 (Rekombinationskatalysator) und die Wasserelektrolysezelle 10 voneinander elektrisch isoliert sind und das Potential des Rekombinators 25 (Rekombinationskatalysator) vorzugsweise 1,2 V oder weniger, und noch bevorzugter 0,8 V oder weniger beträgt. Auf diese Weise kann die Oxidation der Oberfläche des Rekombinationskatalysators unterdrückt und ein Zustand hoher Rekombinationsreaktionseffizienz aufrechterhalten werden.
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Es ist beispielsweise denkbar, dass die in der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle enthaltene Gasdiffusionsschicht mit dem Rekombinationskatalysator (z. B. einem Platinkatalysator) beschichtet ist, ohne dass der Rekombinator 25 vorgesehen ist, um die Rekombinationsreaktion in der Wasserelektrolysezelle 10 auszulösen. Da jedoch in diesem Fall die Gasdiffusionsschicht elektrisch mit der Sauerstoffelektrode verbunden ist, wird die Oberfläche des Rekombinationskatalysators allmählich oxidiert und die Effizienz der Rekombinationsreaktion verschlechtert sich. Wenn die Wasserelektrolysezelle und der Rekombinationskatalysator elektrisch miteinander verbunden sind, ist es, wie oben beschrieben, nicht möglich, den Zustand einer hohen Rekombinationsreaktionseffizienz aufrechtzuerhalten.
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Hier wird der Grund für die Anordnung des Rekombinators 25 zwischen der Wasserelektrolysezelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode beschrieben. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Wasserelektrolysesystems 200 aus dem verwandten Stand der Technik. Das Wasserelektrolysesystem 200 ahmt das Wasserelektrolysesystem nach, das in S. A. Grigorievet. al., „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymer Electrolytmembrane Water Electrolysis", International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), S. 5986-5991, beschrieben ist.
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Wie in 3 gezeigt, umfasst das Wasserelektrolysesystem 200 eine Wasserelektrolysezelle 110, einen Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 120, einen Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 130 und eine Stromquelle 140. Der Unterschied zwischen dem Wasserelektrolysesystem 100 und dem Wasserelektrolysesystem 200 besteht darin, dass ein Rekombinator 125 zwischen dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 123 der Sauerstoffelektrode und einem Sauerstofftank 127 im Sauerstoff-Elektroden-Rohrleitungsabschnitt 120 angeordnet ist. Andere Konfigurationen sind die gleichen. Wie oben beschrieben, wird der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 123 der Sauerstoffelektrode abgeschiedene gasförmige Bestandteil dem Sauerstoffzuführungskanal 128 zugeführt. Daher findet die Rekombinationsreaktion im Rekombinator 125 nur in der Gasphase statt.
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4 zeigt die Rekombinationsreaktion in einem Rekombinationskatalysator C des Wasserelektrolysesystems 200 nach dem verwandten Stand der Technik. Da die Rekombinationsreaktion nach dem verwandten Stand der Technik in der Gasphase abläuft, entsteht an der Oberfläche des Rekombinationskatalysators C Wasser, das mit der Zeit kondensiert, wie in 4 gezeigt. Dieses kondensierte Wasser W hindert dann Wasserstoff und Sauerstoff daran, der Oberfläche des Rekombinationskatalysators C zugeführt zu werden, wodurch die Effizienz der Rekombinationsreaktion verringert wird. Dies hat zur Folge, dass die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff nicht ausreichend reduziert werden kann.
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Andererseits ist im Wasserelektrolysesystem 100 der Rekombinator 25 zwischen der Wasserelektrolysezelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode angeordnet, so dass die Rekombinationsreaktion im Wasser stattfindet. Insbesondere enthält das von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegebene Wasser (unreagiertes Wasser) gelösten Wasserstoff und Sauerstoff, so dass der Wasserstoff und der Sauerstoff den Rekombinationskatalysator erreichen und die Rekombinationsreaktion im Wasser ablaufen. Bei der Rekombinationsreaktion entsteht Wasser (kondensiertes Wasser). Im Gegensatz zum verwandten Stand der Technik strömt das kondensierte Wasser jedoch in das nicht umgesetzte Wasser, das durch den Rekombinator 25 fließt, und das nicht umgesetzte Wasser kommt ständig mit dem Rekombinationskatalysator in Kontakt. Daher kann das Wasserelektrolysesystem 100 mit der Konfiguration, in der der Rekombinator 25 zwischen der Wasserelektrolysezelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 mit Sauerstoffelektrode angeordnet ist, den Zustand einer hohen Rekombinationsreaktionseffizienz aufrechterhalten.
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Da ein Teil des von der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegebenen Wasserstoffs und Sauerstoffs in gasförmiger Form vorliegt, findet die Rekombinationsreaktion auch dann statt, wenn der Wasserstoff und der Sauerstoff den Rekombinationskatalysator erreichen. Selbst in diesem Fall wird das erzeugte Wasser (Kondenswasser) durch das nicht umgesetzte Wasser weggespült, wodurch die Effizienz der Rekombinationsreaktion hoch gehalten werden kann. Da im Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20 normalerweise eine große Menge Wasser strömt und zirkuliert, ist davon auszugehen, dass die Rekombinationsreaktion hauptsächlich im Wasser stattfindet.
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Der Sauerstoff-Elektroden-Zirkulationskanal 26 ist eine Rohrleitung, die die Wasserzufuhrvorrichtung 21 der Sauerstoffelektrode und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode verbindet und durch die das vom Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgegebene Wasser strömt. Der Sauerstoffelektroden-Zirkulationskanal 26 wird verwendet, wenn das Wasser im Sauerstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 20 zirkuliert. Daher ist der Sauerstoffelektroden-Zirkulationskanal 26 nicht erforderlich, wenn kein Wasser zirkuliert.
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Der Sauerstofftank 27 dient zur Speicherung des gasförmigen Bestandteils, der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgeschieden wird. Anstelle des Sauerstofftanks 27 kann der gasförmige Bestandteil auch an die Atmosphäre abgegeben werden.
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Der Sauerstoffzufuhrkanal 28 ist eine Rohrleitung, die den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode mit dem Sauerstofftank 27 verbindet und durch die der gasförmige Bestandteil strömt, der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 23 der Sauerstoffelektrode abgeschieden wird. Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30
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Der Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30 hat die Aufgabe, den an der Wasserstoffelektrode erzeugten Wasserstoff zurückzugewinnen. Ferner lässt der Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30 Wasser innerhalb des Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitts 30 zur Systemkühlung zirkulieren. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30 eine Wasserzufuhrvorrichtung für die Wasserstoffelektrode 31, einen Wasserzufuhrkanal für die Wasserstoffelektrode 32, den Gas-Flüssigkeitsabscheider für die Wasserstoffelektrode 33, einen Wasserabgabekanal für die Wasserstoffelektrode 34, einen Zirkulationskanal für die Wasserstoffelektrode 36, einen Wasserstofftank 37 und einen Wasserstoffzufuhrkanal 38.
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Die Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode ist eine Vorrichtung, die der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 Wasser zuführt. Das Wasser kann der Wasserelektrolysezelle 10 unter Druck zugeführt werden, so dass das Wasser zirkuliert. Beispiele für die Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode sind eine Pumpe.
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Der Wasserzufuhrkanal 32 für die Wasserstoffelektrode ist eine Rohrleitung, die die Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 und die Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode verbindet und durch die das von der Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode zugeführte Wasser strömt. In 1 verbindet der Wasserzufuhrkanal 32 für die Wasserstoffelektrode den Wassereinlass der Wasserelektrolysezelle 10 und die Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode, und das von der Wasserzufuhrvorrichtung 31 für die Wasserstoffelektrode zugeführte Wasser wird der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 über den Wasserzufuhrkanal 32 für die Wasserstoffelektrode und den Wassereinlass für die Wasserstoffelektrode zugeführt.
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Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 für die Wasserstoffelektrode ist eine Vorrichtung zur Trennung von Wasser und einem gasförmigen Bestandteil, der von der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegeben wird. Der gasförmige Bestandteil (Wasserstoff-Elektroden-Gasbestandteil) im Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30 ist Wasserstoff, der an der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugt wird. Der gasförmige Bestandteil kann jedoch auch eine sehr geringe Menge an Sauerstoff enthalten, der an der Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 erzeugt wird und durch die Elektrolytschicht hindurchtritt. Es ist jedoch bekannt, dass der Crossover von Sauerstoff schwerer fällt als der von Wasserstoff. Dementsprechend enthält der gasförmige Bestandteil Wasserstoff und kann optional Sauerstoff enthalten. Das Wasser, das den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode passiert hat, wird über den Wasserstoffelektroden-Zirkulationskanal 36 der Wasserzufuhrvorrichtung 31 zugeführt und für die Wasserelektrolysereaktion wiederverwendet. Der von dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode abgeschiedene gasförmige Bestandteil wird über den Wasserstoffzuführungskanal 38 in den Wasserstofftank 37 geleitet und dort gespeichert.
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Der Wasserabgabekanal 34 der Wasserstoffelektrode ist eine Rohrleitung, die die Wasserelektrolysezelle 10 und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 verbindet und durch die das von der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 abgegebene Wasser und der gasförmige Bestandteil strömen. In 1 verbindet der Wasserabgabekanal 34 der Wasserelektrode den Wasserauslass der Wasserelektrolysezelle 10 und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33, und das von der Wasserelektrolysezelle 10 abgegebene Wasser wird dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 über den Wasserauslass der Wasserelektrode und den Wasserabgabekanal 34 der Wasserelektrode zugeführt.
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Der Wasserstoffelektroden-Zirkulationskanal 36 ist eine Rohrleitung, die die Wasserzufuhrvorrichtung 31 der Wasserstoffelektrode und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode verbindet und durch die das vom Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode abgegebene Wasser strömt. Der Wasserstoffelektroden-Rohrleitungskanal 36 wird verwendet, wenn das Wasser im Wasserstoffelektroden-Rohrleitungsabschnitt 30 zirkuliert. Daher ist der Zirkulationskanal 36 für die Wasserstoffelektrode nicht erforderlich, wenn kein Wasser zirkuliert.
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Der Wasserstofftank 37 dient zur Speicherung des gasförmigen Bestandteils, der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode abgeschieden wird.
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Der Wasserstoffzuführungskanal 38 ist eine Rohrleitung, die den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode mit dem Wasserstofftank 37 verbindet und durch die der gasförmige Bestandteil strömt, der durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 33 der Wasserstoffelektrode abgeschieden wird.
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Stromquelle 40
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Die Stromquelle 40 führt der Wasserelektrolysezelle 10 elektrische Energie zu und ist sowohl mit der Sauerstoffelektrode als auch mit der Wasserstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle 10 verbunden. Bei der oben beschriebenen Stromquelle 40 handelt es sich um eine bekannte Stromquelle.
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Wie oben beschrieben, ist das Wasserelektrolysesystem gemäß der vorliegenden Offenbarung anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Das Wasserelektrolysesystem gemäß der vorliegenden Offenbarung kann einen Anstieg der Wasserstoffkonzentration in Sauerstoff aufgrund von Wasserstoff-Crossover in einer Weise unterdrücken, dass der Rekombinator zwischen der Wasserelektrolysezelle und der Sauerstoffelektrode Gas-Flüssigkeitsabscheider angeordnet ist.
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Nachfolgend wird das Wasserelektrolysesystem gemäß der vorliegenden Offenbarung anhand von Beispielen näher beschrieben.
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Aufbau eines Wasserelektrolysesystems
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Ein Wasserelektrolysesystem eines ersten Beispiels wurde in Anlehnung an das in 1 gezeigte Wasserelektrolysesystem 100 aufgebaut. Die Wasserelektrolysezelle wurde hergestellt, indem auf der Wasserstoff-Elektroden-Seite der in Tabelle 1 gezeigten Membran-Elektroden-Einheit eine Diffusionsschicht aus Kohlenstoff-Fasern aufgebracht wurde, auf der Sauerstoff-Elektroden-Seite eine Diffusionsschicht, in der Platin auf eine Oberfläche einer Titan-Faser aufgedampft wurde, und ein so erhaltener laminierter Körper zu einer einzigen Zelle (sowohl die Sauerstoff-Elektrode als auch die Wasserstoff-Elektrode waren gerade Kanäle) mit einer Elektrodenfläche von 1 cm2 zusammengesetzt wurde. Ein Rekombinator wurde nach 2 aufgebaut. Als netzförmiger Metallkörper 25b wurde ein gesinterter Titanfaserkörper mit einer Porengröße von 30 µm und einer Dicke von 200 µm verwendet, und auf die Oberfläche des gesinterten Titanfaserkörpers wurde Platin aufgedampft.
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Ein Wasserelektrolysesystem eines ersten Vergleichsbeispiels ist bis auf den Rekombinator mit dem Wasserelektrolysesystem des ersten Beispiels identisch.
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Ein Wasserelektrolysesystem eines zweiten Vergleichsbeispiels ist in Anlehnung an das Wasserelektrolysesystem 200 von
3 aufgebaut, und die Position des Rekombinators im Wasserelektrolysesystem des ersten Beispiels ist zwischen dem Gas-Flüssigkeitsabscheider der Sauerstoffelektrode und dem Sauerstofftank angeordnet.
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Unter der Bedingung, dass die Temperatur der Wasserelektrolysezelle 80°C und der Druck der atmosphärische Druck war, wurde Wasser in einer Menge, die ein Mehrfaches der für die Wasserelektrolyse erforderlichen Wassermenge beträgt (Wasser, das für die Durchführung der Wasserelektrolyse ausreicht), sowohl zur Sauerstoffelektrode als auch zur Wasserstoffelektrode geleitet, und die Wasserelektrolyse wurde mit einem konstanten Strom mit einer Stromdichte von 2 A/cm2 unter Verwendung einer elektronischen Vorrichtung durchgeführt.
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Dann wurde die Wasserelektrolyse unter den oben genannten Bedingungen durchgeführt, der gasförmige Bestandteil und das von der Sauerstoffelektrode abgegebene Wasser wurden durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider der Sauerstoffelektrode getrennt, und der erhaltene gasförmige Bestandteil wurde 30 Minuten lang gesammelt. Anschließend wurde die Konzentration des Wasserstoffs im gasförmigen Bestandteil (Konzentration von Wasserstoff in Sauerstoff) mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) gemessen. Die Ergebnisse sind in
5 und Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
| | Wasserstoffkonzentration in Sauerstoff (%) |
| Beispiel | 0.1 |
| Erstes Vergleichsbeispiel | 0.94 |
| Zweites Vergleichsbeispiel | 0.52 |
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Gemäß 5 und Tabelle 2 war die Wasserstoffkonzentration des Beispiels im Vergleich zu den Wasserstoffkonzentrationen des ersten und zweiten Vergleichsbeispiels am niedrigsten. Ausgehend davon ist es denkbar, dass ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration deutlich unterdrückt werden kann, wenn der Rekombinator zwischen der Wasserelektrolysezelle und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider der Sauerstoffelektrode angeordnet ist.
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Wie oben dargelegt, wird ein Wasserelektrolysesystem (100) offenbart, das Folgendes umfasst: eine Wasserelektrolysezelle (10); eine Wasserzufuhrvorrichtung (21), die einer Sauerstoffelektrode der Wasserelektrolysezelle (10) Wasser zuführt; einen Wasserzufuhrkanal (22), der die Wasserelektrolysezelle (10) und die Wasserzufuhrvorrichtung (21) verbindet und durch den das von der Wasserzufuhrvorrichtung (21) zur Sauerstoffelektrode zugeführte Wasser strömt; einen Gas-Flüssigkeitsabscheider (23), der das Wasser und einen von der Sauerstoffelektrode abgegebenen gasförmigen Bestandteil trennt; einen Wasserabgabekanal (24), der die Wasserelektrolysezelle (10) und den Gas-Flüssigkeitsabscheider (23) verbindet und durch den das Wasser und ein gasförmiger Bestandteil, der von der Sauerstoffelektrode abgegeben wird, strömen; und einen Rekombinator (25), der zwischen der Wasserelektrolysezelle (10) und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider (23) im Wasserabgabekanal (24) angeordnet ist. Der Rekombinator (25) enthält einen Rekombinationskatalysator, der Wasserstoff und Sauerstoff umsetzt, und die Wasserelektrolysezelle (10) und der Rekombinator (25) sind elektrisch voneinander isoliert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2019167619 [0005]
- JP 2019167619 A [0005]
- JP 2020514528 [0005]
- JP 2020514528 A [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. A. Grigorievet. al, „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymerelektrolytmembran Water Electrolysis“, International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), pp. In 5986-5991 [0004]
- S. A. Grigorievet. al., „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymerelektrolytmembran Water Electrolysis“, International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), S. 5986-5991 [0006]
- S. A. Grigorievet. al., „Hydrogen Safety Aspects Related To High-Pressure Polymer Electrolytmembrane Water Electrolysis“, International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), S. 5986-5991 [0040]
