JP2003328170A

JP2003328170A - アノード／カソードフィード高圧電解方法およびシステム

Info

Publication number: JP2003328170A
Application number: JP2003132176A
Authority: JP
Inventors: John Zagaja; ザガジャジョン; Spanner Michael; スパナーミッチェル; Elena Stockton; ストックトンエレナ; Tushar Ghuwalewala; グーワレワラチューシャー; Everett Anderson; アンダーソンエヴァレット; Eric Styche; スティーチエリック; Tomasco Alan; トマスコアラン; Mark E Dristy; イードリスティーマーク; Lawrence C Moulthrop; シーモールスロップローンレンス
Original assignee: Proton Energy Systems Inc
Current assignee: Proton Energy Systems Inc
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【課題】水を電解し水素ガスを生成するための、改良
型装置および方法を提供する。【解決手段】電気化学セルシステム（３２）の運転方
法の一実施形態は、電解セルのアノード電極（７７）に
供給水を流入させるステップと、電解セルに第一の電流
密度を印加するステップと、アノード電極（７７）にて
供給水を電解し、水素イオンおよび第一部分の水が電解
セル（３２）のカソード電極（７５）に移動するステッ
プと、カソード電極（７５）に流体が通じるチャンバ
（１０８）に第一部分の水を回収するステップと、チャ
ンバ（１０８）内の第一部分の水の水位を監視するステ
ップと、第一部分の水の水位が第一選択レベルに達した
時に、アノード電極（７７）への供給水フローを十分な
量にて減少させて、第一部分の水をチャンバ（１０８）
からアノード電極（７７）へ流出させるステップと、第
一部分の水を電解するステップと、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気化学セルに関
し、特に高圧運転可能な電解システムに関する。なお、
本願は、２００２年５月１０日に出願された米国特許仮
出願第６０／３７９，４４８号と、２００２年９月１３
日に出願された米国特許仮出願第６０／３１９，５４９
号とに基づく優先権を主張し、その両仮出願の全体を本
願に引用し援用する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学セルは、エネルギ変換デバイス
であり、通常は電解セルまたは燃料セルのどちらかに分
類される。プロトン交換膜電解セルは、水を電気分解し
水素および酸素ガスを発生させることで、水素生成器と
して機能できる。図１に、従来技術のアノードフィード
電解セルの一部分を示し、それを以下「セル１０」と呼
ぶ。反応水１２が、酸素電極（アノード）１４側からセ
ル１０内へ供給され、酸素ガス１６、電子、および水素
イオン（プロトン）１５を生成する化学反応が実施され
る。電源１８のプラス端子をアノード１４に接続し、電
源１８のマイナス端子を水素電極（カソード）２０に接
続することで、この化学反応を促進させる。酸素ガス１
６および水２２（第二部分の水）が、電解セル１０から
排出される一方、プロトン１５および水２４（第一部分
の水）が、プロトン交換膜２６を通過してカソード２０
に至る。カソード２０では、水素ガス２８が生成され、
燃料または反応ガスとしての使用のために送出される。
水素ガスに連行される水２４も同様に、カソード２０か
ら排出される。

【０００３】図１に示すものと同じ構造を用いる水電解
セルの他の種類は、カソードフィード電解セルである。
カソードフィードセルでは、反応水が水素電極側から供
給される。水の一部分が、カソードから膜を通過してア
ノードに至る。アノードとカソードとの間に電源を接続
することで、水素イオンおよび酸素ガスを生成する化学
反応が促進される。余分な反応水は、膜を通過せずに、
セル１０のカソード側から排出される。

【０００４】電気化学セルシステムは通常、スタック状
に配置された一つ以上の個々のセルを含む。スタック構
造内に形成された取入および排出導管を通じて、使用流
体をセルに送る。セルはスタック内で連続的に配置され
ており、各セルは、カソード、プロトン交換膜、および
アノードから成る膜電極アセンブリ（以下、「ＭＥＡ」
と呼ぶ）を含む。各セルは通常さらに、カソードに流体
が通じる（in fluid communication）第一フローフィー
ルドと、アノードに流体が通じる第二フローフィールド
とを有する。ＭＥＡは、片側または両側が、フローフィ
ールド内に設けられたスクリーンパックまたは二極プレ
ート（bipolar plates）などのフローフィールド支持部
材によって支持されている場合もある。フローフィール
ド支持部材は、膜水和、ならびに／あるいは、ＭＥＡへ
およびＭＥＡからの流体移動を促進するよう構成されて
もよい。セル運転時には多くの場合、ＭＥＡの両側間に
圧力差が生じるため、圧力パッドまたは他の与圧手段を
用いて、セル構成品にかかる圧力を均一に維持するよう
にする。それによって、フローフィールドとセル電極と
の間の緊密な接触を、長期間にわたって維持できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在の電解セルは意図
される目的においては適切であるが、水素を燃料とする
燃料セルなどの用途での使用のために、水を電解し水素
ガスを生成する改良型装置および方法が、なおも必要と
されている。

【０００６】本発明は、電解システムおよび電気化学セ
ルシステムの運転方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】電気化学セルシステム運
転方法の一実施形態は、電解セルのアノード電極に供給
水を流入させるステップと、電解セルに第一の電流密度
を印加するステップと、アノード電極にて供給水を電解
し、水素イオンおよび第一部分の水が電解セルのカソー
ド電極に移動するステップと、カソード電極に流体が通
じるチャンバに第一部分の水を回収するステップと、チ
ャンバ内の第一部分の水の水位を監視するステップと、
第一部分の水の水位が第一選択レベルに達した時に、ア
ノード電極への供給水フローを十分な量にて減少させ
て、第一部分の水をチャンバからアノード電極へ流出さ
せるステップと、第一部分の水を電解するステップと、
を有する。

【０００８】電解システムの一実施形態は、電解セルの
カソード側に流体が通じるよう設けられた流体蓄積チャ
ンバを有する電解セルと、電解セルのアノード側に流体
が通じるよう設けられた重力供給水源と、電解セルの上
流かつ水源の下流に設けられた制御弁と、流体蓄積チャ
ンバに設けられたレベル感知ユニットと、を有し、レベ
ル感知ユニットは電源および制御弁と作動上連携し、電
源は電解セルと作動上連携する。

【０００９】

【発明の実施の形態】図面は、例示的であって限定を課
すものではなく、それらの図面において、同一の要素に
は同じ符号を付す。

【００１０】本明細書では、電気化学セル、セルシステ
ム、および電気化学セルシステム運転方法を開示する。
セルは、プロトン交換膜の両側表面に設けられた電極を
含む。このセル設計では、高圧（約２４００ポンド／平
方インチ(psi)以上）での水の電解が可能である。セル
はたとえば、約２４００psiおよびそれ以上の運転圧力
を生成し、それに耐えることができる。アノードおよび
カソードフィード電解が可能なこのシステムは、ポンプ
や圧縮器などを使用せずに運転圧力を達成することがで
きる。運転時には、水をセルのアノードに供給する。ア
ノードに供給した水が電解されると、水素およびいくら
かの水が、セルのカソード側に蓄積する。カソード側の
流体蓄積チャンバがいっぱいになった時点で、アノード
への水供給を停止または低減すると共に、水素の気圧を
用いて、流体蓄積チャンバ内に蓄積した水が、プロトン
交換膜を逆戻りして通過するよう送出することにより、
さらなる電解を実施する。

【００１１】以下の説明は、水素、酸素、および水を用
いるプロトン交換膜型電気化学セルに関連して為される
が、他の種類の電気化学セルおよび／または電解質を用
いることも可能である。電解質は、リン酸などを含んで
もよいが、それに限定されない。また、限定されること
なく、水素、臭素、酸素、空気、塩素、ヨウ素などを含
む様々な反応物を使用することができる。異なる反応物
および／または電解質を用いた場合、フローおよび反応
は、該当する電気化学セルの種類にしたがって異なった
ものになる。さらに以下の説明は、反応水をアノードま
たはカソードのいずれから供給してもよい電解セルに関
するが、当業者であれば、燃料セルおよび再生燃料セル
（電解および燃料セルを組み合わせたもの）が、以下に
開示される実施形態の範囲に含まれると理解すべきであ
る。

【００１２】電気化学セルは、プロトン交換膜と、プロ
トン交換膜の一方の側に設けられるカソードと、プロト
ン交換膜の他方の側に設けられるアノードとから成る膜
電極アセンブリと、カソード側に設けられる水／水素チ
ャンバとを有する。水／水素チャンバは、プロトン交換
膜を通じて水を受け、さらに水素ガスを受けるよう構成
される。そして、プロトン交換膜を逆戻りするようその
水を送出するために、水素ガスの気圧を用いる。水／水
素チャンバにレベル感知ユニットを設け、水／水素チャ
ンバ内の水位を検知してもよい。レベル感知ユニット
は、互いに電気的に連通する少なくとも２つのプローブ
を含む。水／水素チャンバとカソードとの中間に、水素
フローフィールドを設けることが考えられる。水素フロ
ーフィールドは、周縁部を囲って延伸するリップを含む
フレームと、フレームのリップの内周表面に設けられる
支持リングとを有してもよい。支持リングが、水素フロ
ーフィールドの境界を画成することが好ましい。水／水
素チャンバには、流体出口を設けてもよい。その流体出
口は、水素を燃料とする利用設備に流体が通じるよう設
けられることが考えられる。水／水素チャンバにさら
に、通気口を設けてもよい。

【００１３】図２に、重力計量手段を用いて水をセルに
流入させる高圧電解システム３０（以下、「システム３
０」と呼ぶ）の一実施形態を示す。システム３０は、ポ
ンプや圧縮器を使用せずに高い運転圧力を達成できる流
体貯蔵設備と一体化されたセルを提供する。ある実施形
態では、入力電力は約１．４８ボルトから約３．０ボル
トであり、その電流密度は約５０Ａ／ｆｔ²（アンペア
／平方フィート）から約４０００Ａ／ｆｔ²である。

【００１４】システム３０は、電気化学セル３２（以
下、「セル３２」と呼ぶ）と、水ストリームをセル３２
に重力供給する水源（たとえば容器４４）と、セル３２
に流体が通じるよう設けられる相分離ユニット３４と、
利用設備３８へ水素ガスを供給できる水素ガス排出部３
６とを有する。セル３２に電気的に接続する電源と、様
々な弁、センサ、およびシステム３０構成品と作動上連
携する制御部とを有する制御／電源ユニット４０が、セ
ル３２や、システム３０に関連する様々な他の構成品に
対して電力を供給し、システム３０の動作を制御する。
システム３０に関連する様々な制御装置およびセンサに
は、弁、トランスミッタ、制御器（たとえば温度、圧
力、フロー、水位など）、およびセンサ（たとえば水
位、圧力、温度、フローなど）が含まれるが、それらに
限定されない。セル内の水フローを増加させて酸素ガス
の除去を促進するために、オプションとしてポンプ４７
を用いてもよい。

【００１５】セル３２は、少なくとも１つの膜電極アセ
ンブリ（図示せず）と、レベル感知ユニット４２とを含
む。レベル感知ユニット４２は、セル３２の流体貯蔵部
内に設けられ、カソード側における水の蓄積を感知する
よう構成される。水は、容器４４を通じてセル３２に供
給される。容器４４は、セル３２に対して水をバッチで
供給できる、へこませることが可能な（collapsible）
容器であることが好ましい。ポンプの必要性を排除する
ために、オプションとして容器４４は、その下方端部に
排出口を有し、重力に依存してセル３２に対する供給を
実施するよう構成される。容器４４とセル３２との間の
流体の連通は、オプションの制御弁４６を介して維持さ
れる。また、制御弁４６の出口とセル３２の入口との中
間に、逆止弁４８や様々なセンサおよび制御装置を設け
て、セル３２からの流体の逆流を防止することもでき
る。相分離ユニット３４は、セル３２に流体が通じるよ
う設けられ、電解動作において消費されなかった余分な
水を受ける。

【００１６】水素ガス排出部３６は、セル３２の出口側
に設けられ、供給ライン５０と、通気ライン５２とを有
する。供給ライン５０は、たとえば燃料セルなどの利用
設備３８に流体が通じている。システム３０の他の構成
品と同じく、水素ガス排出部３６においても、様々なセ
ンサ、弁、および制御器を用いることが可能である。た
とえば、利用設備３８とセル３２との中間における供給
ライン５０内に逆止弁５４を設置し、セル３２からの利
用設備３８への水素の逆流を防止することが好ましい。
また、乾燥装置（図示せず；たとえばスイング式圧力乾
燥器、吸着カラム、乾燥剤など）を、供給ライン５０内
に組み込んでもよい。さらにオプションで、利用設備３
８と逆止弁５４との中間に、供給ライン５０に流体が通
じる補助充填ポート５６を設けることもできる。補助充
填ポート５６は、利用設備３８への水素ガス供給を補足
するために用いることが可能である。あるいは補助充填
ポート５６を介して、システム３０を他のいずれかの種
類の水素生成システムと相互接続することで、共同で単
一または複数の利用設備に水素供給することも可能であ
る。通気ライン５２は、セル３２および圧力センサ／ト
ランスミッタ６０から水素ガスを排出可能にする通気デ
バイス５８を有することが好ましい。通気デバイス５８
は破裂板であってもよいが、通気デバイス５８は好まし
くは、センサ／トランスミッタ６０のセンサ部分によっ
てセル３２内で感知された圧力に応じて制御可能な通気
弁である。

【００１７】図３に、容器４４、相分離ユニット３４、
制御弁４６，およびセル３２の構成の一実施形態を示
す。セル３２に水を直接かつ連続的に供給することもで
きるが、容器４４が、セル３２に水をバッチで供給可能
なモジュール式ユニットであって、セル３２に各バッチ
を供給する前にその品質を確認できることが好ましい。
容器４４からの水を排水ライン６６が受け、制御弁４６
を通じてセル３２へ送る。セル３２および制御弁４６
は、ハウジング（図示せず）内に設置されてもよい。相
分離ユニット３４からセル３２（またはオプションで容
器４４）へ逆戻りするよう水を重力排出させるために、
相分離ユニット３４をセル３２（およびオプションで容
器４４）より高い位置に配置することが考えられる。

【００１８】容器４４は、フレーム６４内に設けられ
た、へこませることが可能な材料６２（たとえばバッ
グ、膨張可能な袋、膜など）から成ることが好ましい。
フレーム６４は、容器４４から水を排出する排水ライン
６６に対して角度をつけて設置されることが好ましい。
代替案では、容器４４は単に剛直な構造体であるか、ま
たは可動のディバイダを内部に有する剛直構造体であ
る。水を容器４４から送出する際に水から汚染物質や粒
状物質を除去するために、容器４４はさらに出口にフィ
ルタを含むことが考えられる。セル３２は、連続的な水
供給を受けることも可能である。

【００１９】図４から図６に、セル３２をより詳細に示
す。セル３２は、本体６８とヘッド７０とを有する。本
体６８は、セル３２の能動的作用部分を形成し、水素フ
ローフィールド構造体８４と、プロトン交換膜７３およ
びその両側に設けられた電極７５，７７を含む膜電極ア
センブリ７２（ＭＥＡ７２）と、酸素フローフィールド
構造体７４と、端板８２とを有する。本体６８は、たと
えばボルトやクランプなどのいずれかの適切な手段によ
って、ヘッド７０と連結される。

【００２０】水素フローフィールド構造体８４は、フレ
ーム８６と、フレーム８６内に設けられた水素フローフ
ィールド部材９２とを含む。オプションで水素フローフ
ィールド構造体８４に、与圧パッド７１を、水素フロー
フィールド部材９２とヘッド７０との間に設けてもよ
い。酸素フローフィールド構造体７４は、フレーム７６
と、フレーム７６内に設けられた酸素フローフィールド
部材８０とを含む。オプションで与圧パッド７９を、酸
素フローフィールド構造体７４と端板８２との間に設け
てもよい。フローフィールド部材８０，９２は、スクリ
ーンパックまたは二極プレートなどであることが考えら
れる。フレーム７６，８６は、電気化学セルの環境に適
合する誘電性材料であればいずれでもよい。使用可能な
フレーム材料としては、ガラスが充填されたポリカーボ
ネート、熱硬化性物質、熱可塑性物質、ゴム材料（たと
えばポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテル
スルホン、ポリアリールエーテルケトン、およびそれら
の材料の組み合わせなど）、およびそれらの材料の少な
くとも一つを含む混合物が挙げられるが、それらに限定
されない。

【００２１】図５に示す水素フローフィールド構造体８
４の代表的実施形態の一つでは、水素フローフィールド
構造体８４は、フレーム８６と、フレーム８６に設けら
れた支持リング８８と、水素フローフィールド部材９２
と、フレーム８６の開口部内に設けられた多孔プレート
９３とを有する。フレーム８６は、フレーム８６の周縁
部を囲って一方の側に延伸するリップ１０４を含むこと
が好ましい。リップ１０４は、支持リング８８を受けて
保持する構成および寸法に形成されており、水素フロー
フィールド部材９２から外側に向けて力（たとえば圧
力）がかかる際に、フレーム８６を構造的に補強するも
のである。支持リング８８は、金属製であることが好ま
しく、スチール製であればさらに好適である。

【００２２】バスプレート９９を、水素フローフィール
ド部材９２に隣接して設けてもよい。さらに、バスプレ
ート９９と、組み合わされた状態の支持リング８８およ
びフレーム８６との間の、支持リング８８とフレーム８
６との接合部分に、ガスケット１０１を設けることが考
えられる。それにより、フレーム８６と、多孔プレート
９３と、バスプレート９９との間に、水素フローフィー
ルド部材９２を効果的に保持できる。バスプレート９９
の水素フローフィールド部材９２側とは反対の側に配置
された与圧パッド７１に隣接して、オプションの穿孔プ
レート９７を設けてもよい。ガスケット１０２（たとえ
ばＯリング）を用いて、ヘッドと水素フローフィールド
構造体８４との間の密閉を維持することができる。上述
のとおり、端板、酸素フローフィールド構造体、ＭＥ
Ａ、および水素フローフィールド構造体８４は、ボルト
やクランプなどによってヘッド７０に連結される。

【００２３】図６に、ヘッド７０をより詳細に示す。ヘ
ッド７０は、たとえば水／水素チャンバ１０８などの流
体蓄積チャンバを内側に画成するシェル１０６を有す
る。水／水素チャンバ１０８は、相分離ユニットととし
て機能する圧力チャンバであって、電気化学セルの作用
本体部分と一体化している。水／水素チャンバ１０８
は、水および水素ガスを運転圧力にて保持するよう構成
されている。水／水素チャンバ１０８を画成するシェル
１０６の開放側９１は、水素フローフィールド構造体に
接して配置され、セルの本体にボルト固定され得る。そ
れにより、水の電解時に生成される水素（および残存
水）は、水／水素チャンバ１０８に収容される。

【００２４】レベル感知ユニット４２は、シェル１０６
内に取り付けられ、異なる長さのプローブ１１０が、水
／水素チャンバ１０８内の水面に対して直角になるよう
に、水／水素チャンバ１０８内に延伸する。水／水素チ
ャンバ１０８内の水位が上昇するにつれて、プローブ１
１０間に電気的ショートが生じ、それによって水／水素
チャンバ１０８内の水位が示される。

【００２５】図７に、レベル感知ユニット４２をより詳
細に示す。レベル感知ユニット４２は、シェル内の開口
部に設置されたフィッティング１１２から延伸する少な
くとも２本のプローブを用いて、制御／電力ユニットに
フィードバックを供給する。図中では３本示される各プ
ローブ１１０は、シェルの水／水素チャンバ１０８内に
延伸する導電性材料を含む。レベル感知ユニット４２
は、シェル内の水面がいずれか２本のプローブ１１０に
接触した時に生じる電気的ショートを検知することによ
って作動する。プローブ１１０の長さが異なることによ
って、異なる水位を検知可能である。たとえば、上昇す
る水位が、長いプローブ１１０および中間長さのプロー
ブ１１０にかかると、制御／電源ユニットは、該当する
水位を示す電気的ショートを検出する。水位がさらに上
昇して短いプローブ１１０に接触すると、制御／電源ユ
ニットは、該当する異なった水位を示す電気的ショート
を検出する。

【００２６】フィッティング１１２は、プローブ１１０
が挿入されるシール１１４を有する。シール１１４を形
成する材料は、ヘッド内の水素環境をセルに隣接する環
境から密閉封止できるものであって、長期間にわたって
プローブ１１０間の連結安定性およびシール１１４の保
全性を維持できるものであることが好適である。シール
１１４は、好ましくはホウケイ酸ガラスから製造され、
さらに好ましくはアルミノ−ホウケイ酸ガラスから製造
される。シール１１４を製造できる他の材料としては、
セラミック、ガラス、エポキシ、ＶＩＴＯＮ（登録商
標）（デュポン・ダウ・エラストマＬＬＣ社から市販さ
れているフルオロエラストマ）、接着剤、エポキシとＶ
ＩＴＯＮとの組み合わせ、およびそれらの材料の少なく
とも一つを含む組み合わせなどが挙げられる。

【００２７】プローブ１１０は、セルの運転環境に適合
する導電性材料であれば、いずれの材料を含んでもよ
い。使用可能な材料としては、銅、鉄、鉄含有材料（た
とえばスチール）、銀、ニッケル、コバルト、チタンな
どの金属、およびそれらの材料の少なくとも一つを含む
合金ならびに組み合わせなどが挙げられる。プローブ１
１０は、鉄／ニッケル／コバルト合金（たとえば鉄（Ｆ
ｅ）を約４５％から約５５％、ニッケル（Ｎｉ）を約４
３％から約５３％、そしてコバルト（Ｃｏ）を約７％以
下（たとえばＣｏ約０．５％から約７％）含む合金）の
端部に、ステンレススチール製ピン（たとえば３１６ス
テンレススチール）の端部を鑞付けして製造することが
好ましい。鑞付け材料は、好ましくは銀（Ａｇ）および
／または銅（Ｃｕ）であり、鑞付け接合部がシール１１
４内に配置されることで、セルが鑞付け材料によって汚
染されることを制限または防止することが好適である。
プローブ１１０を製造できる他の材料としては、上記材
料をＮｉおよび／または金（Ａｕ）でメッキしたもの
や、上記材料の少なくとも一つを含む組み合わせなどが
挙げられる。

【００２８】続いて、すべての図に関連して説明する。
システム３０の運転は、セル３２のプロトン交換膜７３
のアノード側に、水源４４から水を重力供給することに
よって開始される。水は、セル３２内に収容されると電
流が印加され、水素イオンおよび酸素に還元される。水
素イオンは、プロトン交換膜７３を通過してセルのカソ
ード側に至る。酸素は、セルから除去されて、たとえば
大気に放出される。セルのカソード側に水が蓄積する
と、レベル感知ユニット４２は水位を検知し、水位信号
を制御／電源ユニット４０に送信する。所定水位が検知
された時点で、制御／電源ユニット４０は、オプション
の制御弁４６および／またはポンプ４７に信号を送り、
アノードへの水フローを停止または制限する（たとえ
ば、少なくとも一部閉鎖するか、あるいは完全に閉鎖す
ることによって）。

【００２９】制御弁４６および／またはポンプ４７の操
作によって、セルのアノード側への水フローが停止また
は低減された時点で、水フローを反転させ、セルのカソ
ード側から供給を実施する。セルのカソード側供給時に
は、プロトン交換膜のカソード側の圧力によって、蓄積
した水が、プロトン交換膜を通過してアノード側へ至る
よう押し戻されると考えられており、それによってさら
なる電解が実施される。電解される水（および生成され
る水素）の量は、セルに印加される電流密度の関数とな
っている。システムではオプションとして、アノードフ
ィードおよびカソードフィードの両モードにおいて、同
じ電流密度を用いることが可能である。ただし、カソー
ドフィードモード時には極めて複雑かつ動的な反応が起
きるために、そのようにして運転した場合、膜が不都合
かつ不可逆な乾燥状態になることが認められた。

【００３０】液体アノードフィードの運転条件下では、
電解時に、水が水素イオンに連行されて膜を通過する。
この余分な水が、膜の水和状態を維持し、膜の寿命を延
ばす。水が膜の外から電極へ運ばれてくるのだから、水
の一定供給条件下で電解が連続的に実施される。しか
し、電気化学セルをカソードフィードモードに切り換え
ると、反応のメカニズムが変化する。上述のとおり、カ
ソードフィードモードは、アノード電極への水フローを
停止した時に実施される。アノード電極に直に隣接する
水が電解された後、アノード電極は、カソード側の水を
消費し始める。

【００３１】図９に示すように、カソード水には、カソ
ード水をアノード電極へ移動しようとする以下の２つの
力が作用する：１）逆拡散、および２）水圧流束（hydr
aulic flux）である。逆拡散現象は、自然条件下では高
い含水率（ｗ_C）にて水和状態を維持しようとするとい
う、膜材料の特性に起因する。以下で説明するようにカ
ソードフィード電解では、度合いは異なるが、膜内の水
が消費され膜が乾燥する傾向がある。この消費がさら
に、逆拡散活動を促進させる。第２の現象である水圧流
束は、セルの両側間の圧力差に起因して発生する。カソ
ード側の水素ガスが約２０００psi以上であって、アノ
ード側が常圧である場合など、大きな圧力差が存在する
条件下では、その圧力差が、水圧下にある膜を通じて水
を押し戻すよう作用する。圧力差が存在する時に水圧流
束は常に存在するが、圧力差が極めて大きい場合に水圧
流束が、膜を逆戻りするよう水を移動させる主因とな
る。

【００３２】セルに電流が印加され続けるので、電解は
継続される。ただし、電解される水は現時点では、アノ
ードフローフィールドに隣接する表面にではなく膜内
に、逆拡散および水圧流束によって供給される。したが
って、水分子がアノード電極に至り分子が解離される
と、酸素はアノードフローフィールドに存在し続け、水
素イオンは逆戻りしてセルのカソード側へ移動する。電
気浸透流束によって、いくらかの水分子も、水素イオン
に連行され膜を通過して戻る。この現象は、水圧流束に
よって移動された水の一部が、アノード電極に至り電解
されることを阻止するよう作用する。高い電流密度での
運転時には、電解に必要な反応水と電気浸透流束との合
計量が、カソードから移動してくる水量より多くなる。
このような条件下では、カソードフィード電解は継続さ
れるが、膜内の水量が減少し、膜が不可逆に乾燥してし
まう。そのような膜の乾燥は、電解セルの予想寿命を短
縮してしまう。乾燥は、アノード電極に隣接する膜表面
において最も顕著になる。解離される水分子量および発
生する乾燥量は、電流密度およびセル両側間の圧力差に
正比例する。

【００３３】乾燥の回避および膜寿命の延長を達成する
ために、カソードフィードモード時には、圧力差によっ
て拡散される水量と電流密度とのバランスをとるべきで
ある。図９に示すとおり、アノード電極における理想的
な水バランスは以下の通りである：水圧流束＋逆拡散≧
電気浸透流束＋水電解。

【００３４】すなわち、膜を通じて戻される水量が、電
気浸透流束によって移動される水量と電解反応によって
消費される水量との合計量に等しいか、それより多いと
いうことである。この条件を維持することによって、長
い寿命を達成しつつ、水素生成を最大限に実施すること
ができる。そのために、制御システム４０を修正して、
ポンプ４７が停止された時あるいは制御弁４６が閉鎖さ
れた時（カソードフィードモードのみで発生する状態）
に、電解のための電流密度を低減するようにした。代表
的実施形態では、アノードフィード時に５００アンペア
／平方フィート（asf）で水を電解し、カソードフィー
ド時には２００asfに低減する。また、低減した電流密
度で運転することによって電解を継続できるので、電解
セルの寿命の延長を達成しつつ水素ガスを生成できる。

【００３５】図８に、アノードフィードからカソードフ
ィード電解に切り換える際の制御論理を示す。運転は、
ボックス１２０で初期化される。レベル感知ユニット４
２（図２も参照のこと）が、所定の低水位（たとえばＰ
１以下）を検知する。アノードフィード電解を実施する
ために、水を導入し（たとえば、オプションのポンプ４
７および／またはオプションの制御弁４６を作動させ
て）、アノード電極に水を流入させる（ボックス１２
４）。アノード電極にて、水が電解される（ボックス１
２６）。レベル感知ユニット４２が所定水位を検知する
まで、水の電解を継続する。その後、カソードフィード
に切り換えるために、ボックス１３０で電流密度を低減
し、ボックス１３２で水フローを停止する（または、セ
ルのカソード電極側から水を消費できるよう少なくとも
適切量まで制限する）。ボックス１３０および１３２の
操作は直列に図示されているが、それらの操作は同時に
実施してもよいと理解されるべきである。レベル感知ユ
ニット４２が所定の低水位（たとえばＰ１以下）を検知
するまで、カソードからの水が消費される。その後、制
御システム４０は、１３６を通じてボックス１２４へル
ープし、アノード電極への水フローを再開する。

【００３６】上述の電気化学セルおよび代表的実施形態
によって、他の電解システムで達成可能な圧力より高圧
での電解システムの運転を実現できる。その際の高圧
は、ポンプまたは圧縮器を使用せずに達成できる。さら
に、セルへの供給水の方向を交互に切り換えてアノード
／カソードフィード複合セルとすることによって、セル
をより効率的に運転できる。

【００３７】重力供給水システムを用いることで、フィ
ードポンプを排除するか、あるいはその寸法を縮小で
き、システムに必要な空間を縮小できる。さらに、水供
給が連続的でないシステム利用においては、容器をモジ
ュール式にすることによって、汚染物質を含まないフィ
ード水の供給が可能になる。また、へこませることが可
能であるという水容器の特徴によって、容器に通気させ
る必要なく重力供給を実施することが可能になり、した
がって容器から排出される気体をフィルタする必要が排
除される。さらに、アノードフィードおよびカソードフ
ィード電解時に異なる電流密度を印加することで、寿命
の延長と、水素ガス出力の増加とが達成できる。

【００３８】好適な実施形態を説明したが、本発明の範
囲から逸れることなく、数々の変更を実施でき、構成要
素を同等物で置換できると、当業者は理解するであろ
う。さらに、特定の状況または材料に適応させる目的
で、本発明の教示事項に対して、本発明の実質的範囲か
ら逸れることなく多くの修正を実施することが可能であ
る。したがって本発明は、本発明の実施において考えら
れる限り最適なモードとしてここで開示した特定の実施
形態に限定されず、開示の範囲内に属するすべての実施
形態を含むことを意図する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のアノードフィード電解セルを示す
略図である。

【図２】高圧電解システムの一実施形態を示す略図で
ある。

【図３】水源、相分離器、制御弁、ならびに、重力に
よって水源から供給を受けるセルの一実施形態を示す斜
視図である。

【図４】高圧電解セルの一実施形態を示す分解略図で
ある。

【図５】水素フローフィールド構造の一実施形態を示
す分解略図である。

【図６】高圧電解セルの水／水素チャンバの一実施形
態を示す断面図である。

【図７】レベル感知ユニットの一実施形態を示す斜視
図である。

【図８】アノードフィードおよびカソードフィード運
転を制御するためのシステムの一実施形態を示すフロー
チャートである。

【図９】アノード−カソードフィード高圧電解セルの
一実施形態を示す略図である。

【符号の説明】

１４アノード電極、２０カソード電極、３０電気
化学セルシステム（高圧電解システム）、３２電気化
学セル、４０電源／制御ユニット、４４水源（容
器）、４６制御弁、４７ポンプ、７２ＭＥＡ、７
５カソード電極、７７アノード電極、１０８流体
蓄積チャンバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョンザガジャアメリカ合衆国コネチカットイーストグランビーアルダーマンレーン 23 (72)発明者ミッチェルスパナーアメリカ合衆国コネチカットディープリバーハイストリート 15 (72)発明者エレナストックトンアメリカ合衆国コネチカットウォーリングフォードノースファームロード 776 (72)発明者チューシャーグーワレワラアメリカ合衆国コネチカットウェザースフィールドヴィレッジドライブ 36 アパートメント 110 (72)発明者エヴァレットアンダーソンアメリカ合衆国コネチカットグランストンバリーフェアウェイクロッシング 100 (72)発明者エリックスティーチアメリカ合衆国コネチカットマンチェスターバックランドヒルズドライブ 345 (72)発明者アラントマスコアメリカ合衆国コネチカットサウスイングトンウッドブリーヒルドライブ 59 (72)発明者マークイードリスティーアメリカ合衆国ペンシルバニアクッズタウンウエストメインストリート 136 セカンドフロアー (72)発明者ローンレンスシーモールスロップアメリカ合衆国コネチカットウィンザーキャリッジウェイ 244 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 BB03 BB04 BC01 BC09 CA06 CA08 CA09 DB02 DB04 DB12 DB53 DC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気化学セルシステム（３０）の運転方
法であって、電解セル（７２）のアノード電極（７７）に供給水を流
入させるステップと、電解セル（７２）に第一の電流密度を印加するステップ
と、アノード電極（７７）にて前記供給水を電解し、水素イ
オンおよび第一部分の水が電解セル（７２）のカソード
電極（２０）に移動するステップと、カソード電極（７５）に流体が通じるチャンバ（１０
８）に第一部分の水を回収するステップと、チャンバ（１０８）内の第一部分の水の水位を監視する
ステップと、第一部分の水の水位が第一選択レベルに達した時に、ア
ノード電極（７７）への供給水フローを十分な量にて減
少させて、第一部分の水をチャンバ（１０８）からアノ
ード電極（７７）へ流出させるステップと、第一部分の水を電解するステップと、を有する方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法であってさらに、
第一部分の水の水位が第二選択レベルに達した時に、ア
ノード電極（７７）への供給水フローを増加させるステ
ップを有する、方法。
【請求項３】請求項２に記載の方法であってさらに、
第一部分の水の水位が前記第一選択レベルに達した時
に、電解セル（３２）に印加する電流密度を低減するス
テップを有する、方法。
【請求項４】請求項３に記載の方法であってさらに、
水圧流束と逆拡散との合計水量が、電気浸透流束と水電
解との合計水量以上になるまで、前記電流密度を低減す
るステップを有する、方法。
【請求項５】請求項１に記載の方法であってさらに、
第一部分の水の水位が前記第一選択レベルに達した時
に、電解セル（３２）に印加する電流密度を低減するス
テップを有する、方法。
【請求項６】請求項５に記載の方法であってさらに、
水圧流束と逆拡散との合計水量が、電気浸透流束と水電
解との合計水量以上になるまで、前記電流密度を低減す
るステップを有する、方法。
【請求項７】請求項１に記載の方法であってさらに、
第一部分の水の水位が前記第一選択レベルに達した時
に、前記供給水フローを停止するステップを有する、方
法。
【請求項８】請求項１に記載の方法であって、アノー
ド電極（７７）に供給水を流入させるステップが、重力
による水供給（４４）のみによって実施される、方法。
【請求項９】電解システム（３０）であって、電解セル（３２）のカソード側に流体が通じるよう設け
られた流体蓄積チャンバ（１０８）を有する電解セル
（３２）と、電解セル（３２）のアノード（１４）側に流体が通じる
よう設けられた重力供給水源（４４）と、電解セル（３２）の上流かつ水源（４４）の下流に設け
られた制御弁（４６）と、流体蓄積チャンバ（１０８）に設けられたレベル感知ユ
ニット（４２）と、を有し、レベル感知ユニット（４２）は電源（１８）および制御
弁（４６）と作動上連携し、電源（１８）は電解セル
（３２）と作動上連携する、電解システム。
【請求項１０】請求項９に記載の電解システムであっ
て、すべてのポンプ（４７）および圧縮器が、電解セル
（３２）の下流に配置される、電解システム。