JP2005298938A - 水電解装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 純水を供給することなく、空気中の水分を利用して、高純度のガスまたは高濃度のガスが得られる水電解装置を得ることを目的としている。
【解決手段】 高分子電解質膜５の一方の面に密着するように触媒電極７及び給電体１からなるアノード電極１ａを形成し、高分子電解質膜５の他方の面に密着するように触媒電極８及び給電体２からなるカソード電極２ａを形成し、カソード電極２ａ側は、パッケージ４に貫通孔１２を設けて外気開放とし、アノード電極１ａ側は、パッケージ３、アノード電極１ａを取り囲むシール剤９及び高分子電解質膜５で気密な電極室を形成し、電極室にガス出口１１を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用して水を電気分解する水電解装置に関するものである。

水電解セルは、電気化学的な反応を利用して水を電気分解し、水素や酸素等を発生させるものである。例えば、電解質として高分子電解質膜を使用する水電解装置は、高分子電解質膜、触媒電極、触媒電極に電流を流すための給電体、それらを収めたパッケージ（槽）を備えている。
例えば、特許文献１に示されるように、高分子電解質膜、アノード触媒電極、アノード給電体、カソード触媒電極及びカソード給電体から電解セルが構成され、電解セルが、導電性の端板で挟まれて電解装置が構成されている。また、複数の電解セルを、セパレータ板を介して積層した構造とすることもできる。

高分子電解質膜としては、パーフルオロスルフォン酸膜が使用されている。アノード給電体にはチタン多孔質体、アノード触媒電極には白金と酸化イリジウムが使用されている。カソード給電体には炭素繊維、カソード触媒電極には白金が使用されている。

次に動作について説明する。
アノード側に水を供給し、アノード給電体に電圧（対カソード電圧２Ｖ程度）をかけると、アノード側では、水が分解され、酸素が発生し、水素イオンが高分子電解質膜中を移動する（下記式（１））。
カソードでは、高分子電解質膜中を移動してきた水素イオンが電子を受け取り水素が発生する（下記式（２））。
アノード反応
Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ １／２Ｏ_２↑…（１）
カソード反応
２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２↑…（２）

上記アノード反応及びカソード反応を継続するには、反応によって消費する水を供給する必要がある。工業プラントのような設備では、必要とする水量の供給も困難なことではない。しかし、生成したガスを利用するには、水と分離する等が必要があるため、電解セルの設置方向が垂直に限定されたり、気水分離の装置を設ける必要があった。また、水電解には高純度な水質の水が要求され、純水製造設備のない場所では、タンクに純水を貯めたりして、補充する必要があった。

そこで、純水製造設備あるいはタンクに貯めた純水を必要としない電解方法が提案された。例えば、特許文献２に記載の発明では、空気中の水分を吸収し、その水分を電気分解する。

また、特許文献３の発明では、送風する空気を積極的に加湿し、その空気中の水分を用いて電気分解をする。

特開平９−２４１８８０号公報（第２頁、図３） 特許第３２０１３１６号公報（第２−３頁、図１） 特許第３２４０９８１号公報（第４頁、図１）

上述のように、従来の純水を利用する水電解装置は、生成したガスと水を分離するため、水電解装置の設置方向に制約が生じることがあった。また、純水製造設備あるいはタンクに貯めた純水を補給する必要があり、運転維持が容易ではないという問題があった。

また、空気中の水分を利用する水電解装置でも、送風する空気を積極的に加湿する場合は、得られたガスと加湿した水分とを分離する気水分離装置を必要とし、また、加湿しない場合には、電解により生成したガスが空気に希釈される構成であり、濃度の低い希薄なものしか利用することができないという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、純水を供給することなく、空気中の水分を利用して、高純度なガスまたは高濃度のガスが得られる水電解装置を得ることを目的としている。

この発明に係る水電解装置は、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜の一方の面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなるアノード電極と、上記高分子電解質膜の他方の面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなるカソード電極とからなる電解セルを備えた水電解装置において、上記アノード電極及びカソード電極のいずれか一方の電極は外気開放とし、他方の電極を気密に密閉して電極室を形成し、上記電極室にガス出口を設けたものである。

この発明に係る水電解装置の運転方法は、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜のそれぞれの面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなる電極を備え、上記電極のいずれか一方の電極は外気開放とし、他方の電極を気密に密閉して電極室を形成し、上記電極室にガス出口を設け、上記電極間に印加する直流電圧の極性を、アノード反応及びカソード反応によって生じるガスのうち、必要とするガスに応じて随時変更するものである。

この発明に係わる水電解装置によれば、一方の外気開放とした電極側から空気中の水分を吸収するので、反応に必要な水が確保され、電気分解反応が生じるとともに、他方の密閉した電極で発生したガスは、外気で希釈されることなく、ガス出口から高純度で取り出すことができる。

この発明に係る水電解装置の運転方法によれば、アノード電極と上記カソード電極との間に印加する直流電圧の極性を、必要ガス種に応じて随時変更することによって、所望の種類のガスをガス出口から取り出すことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る水電解装置の実施の形態１を概念的に示す断面図である。図２は、この実施の形態１の水電解装置において、３Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。
水電解装置１０は、給電体１，２、触媒電極７，８、高分子電解質膜５で電解セル６を構成する。

給電体１は、チタン金属繊維のウェブ焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を開繊機にかけた後に焼結したもの）からなる目付け２００ｇ／ｃｍ^２の布であり、この布繊維間には多数の空隙がある。この布の、高分子電解質膜５と接する面に白金酸化イリジウム複合メッキを行い、白金酸化イリジウム複合メッキからなる触媒電極７を、布（給電体１）と一体化している。

給電体２は、厚さ２００μｍのカーボンペーパー（東レ製、型名ＴＧＰＨ−０６０：繊維径約１０μｍ、空隙率７８％）である。高分子電解質膜５と接するカーボンペーパーの面に、白金担持カーボン触媒を電解質膜（パーフルオロスルホン酸膜）を分散させた液を塗布して触媒電極８を形成し、触媒電極８をカーボンペーパーと一体化している。

高分子電解質膜５は、パーフルオロスルホン酸膜の市販品であり、高分子電解質膜５として、デュポン社のナフィオン１１７（１辺７ｃｍの正方形）を用いている。

給電体１と触媒電極７とを一体化したアノード極１ａは１辺が５ｃｍの正方形とし、給電体２と触媒電極８を一体化したカソード極２ａは１辺が５ｃｍより少し小さめの正方形としている。そして、電流端子を兼ねたパッケージ３，４により、電解セル６を挟み込み、水電解装置１０を構成した。

パッケージ３，４は、金属等の導電性材料からなり、ここでは、厚さ３ｍｍ、１辺が７ｃｍの正方形のチタン板を用いている。このチタン板には、シール材９を挿入するための、カソード電極２ａ及びアノード電極１ａを取り囲む挿入溝を設けている。

パッケージ３には、アノード電極１ａ上にガス出口１１を設けるための孔を配している。パッケージ４には、カソード電極２ａまで貫通する多数の貫通孔１２を設けている。この実施の形態１では、Φ３ｍｍの孔１００個を１辺が５ｃｍの正方形内に均等に配置した。高分子電解質膜５は、１辺が６．８ｃｍ正方形でパッケージ内に収まっている。なお、図示していないが、パッケージ３，４の面間は、絶縁材を介して約１ｋｇ／ｃｍ^２の面圧で締め付け、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａと高分子電解質膜５とが密着するようにしている。

アノード電極１ａは、シール材９、パッケージ３及び高分子電解質膜５により気密に取り囲まれて、アノード電極室が形成されていて、アノード電極室に給電体１内の空隙と連通するガス出口１１が設けられている。一方、カソード電極２ａ側のカソード電極室は、パッケージ４に貫通孔１２が設けられ、大気と接している。

次に動作について説明する。気温２０℃、湿度５０％の状態で電圧３Ｖ（アノードを＋側とした直流）を印加した。図２は、３Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。図２に示したように、カソード側の貫通孔１２から空気中の水分を連続的に吸収することが可能となったため、電圧印加後、数分で電流値が落ち着き、１０分後以降では約１．２Ａの電流が流れた。

この時、アノード側のガス出口１１からは約４ｃｃ／ｍｉｎの流量の高純度の酸素ガスが発生した。一方、カソード側では水素ガスが発生したが、空気中の酸素と反応して直ちに水分となった。

この実施の形態１によれば、高分子電解質膜５は気体は透過せず、水分のみを透過し、アノード電極室は外気と遮断されており、また、電解反応に必要な水分は高分子電解質膜５に含有されたものだけで、アノード電極室には存在せず、吸収された水分のほとんど全てが電気分解されてガス出口１１から取り出されるので、特別な気液分離の工程を経ることなく高純度の酸素ガスが得られる。

なお、電解セル６の高分子電解質膜５と各電極１ａ，２ａとが熱圧着等により一体化されている場合には、締め付け力をパッケージと給電体との電気接触を維持できる程度に低減することも可能である。

また、この実施の形態１の説明では、カソード側に外気と流通する貫通孔１２を設けた場合を示したが、逆にアノード側に外気と流通する貫通孔を設け、カソード電極２ａ側を気密に保ったカソード電極室を形成し、このカソード電極室にガス出口を設けた場合は、カソード側のガス出口から高純度の水素ガスを連続的に発生させることが可能となる。

以上のように、この実施の形態１の水電解装置によれば、純水を供給することなく、空気中の水分から、高純度の酸素または高純度の水素が連続的に得られる。

実施の形態２．
この実施の形態２では、構成は実施の形態１とほぼ同様であるが、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａの仕様を同じとし、触媒電極７，８はＰｔ系、給電体１，２はチタン金属繊維のウェブ焼結体とし、アノード電極１ａとカソード電極２ａとの間に印加する直流電圧の極性を切り替えるための切替スウィッチを備えている。その他の構成は、上記実施の形態１と同じとした。

次に動作について説明する。この実施の形態２では、印加する電圧の極性を周期的に反転させた。気温２０℃、湿度５０％の状態で直流電圧３Ｖを印加し、３０分毎に極性を反転させた。その場合、図３に示したように、アノード側が＋（プラス）の時はガス出口１１から高純度の酸素ガスを発生し、アノード側が−（マイナス）の時は同じガス出口１１から高純度の水素ガスを発生することができた。

以上のように、この実施の形態２によれば、印加する電圧の極性を、アノード反応及びカソード反応で発生するガスのうち、必要とするガスに応じて反転させることによって、同じガス出口１１から、所望のガスを取り出すことができる。

実施の形態３．
図４は、この発明に係る水電解装置の実施の形態３を概念的に示す断面図である。この実施の形態２における電解セルの構成は、実施の形態１と同様で、基本的に実施の形態１と異なる点は、２つの電解セル６ａ，６ｂを積層している点であり、触媒電極７ａ，７ｂは、白金酸化イリジウム複合メッキとし、触媒電極８ａ，８ｂは、白金担持カーボン触媒としている。

図４に示したように、電解セル６ａのアノード電極１ａ側のパッケージ１３には、アノード電極１ａの面に対応して多数の貫通孔１２を形成し外気開放状態にし、電解セル６ｂのカソード電極２ｂ側にもカソード電極２ｂの面に対応して多数の貫通孔１２を形成している。電解セル６ａと電解セル６ｂ間にはセパレータ１５が設けられている。

セパレータ１５は、厚さ６ｍｍ、１辺が７ｃｍの正方形のチタン板にシール材９の挿入溝とガス出口２２，２３を設けるための孔を配している。電解セル６ａのカソード電極１ｂ及び電解セル６ｂのアノード電極２ａはそれぞれ、各電極を取り囲むシール材９、セパレータ１５及び高分子電解質膜５により電解セル６ａのカソード電極室と電解セル６ｂのアノード電極室が外気と遮断されるように形成されている。ガス出口２３は、電解セル６ｂのアノード電極１ｂと通じており、ガス出口２２は、電解セル６ａのカソード電極２ａと通じている。なお、図示していないが、パッケージ１３，１４間は、絶縁材を介して約１ｋｇ／ｃｍ^２の面圧で締め付け、アノード電極１ａ，１ｂ及びカソード電極２ａ，２ｂと高分子電解質膜５とが密着するようにしている。

次に動作について説明する。気温２０℃、湿度５０％の状態で直流電圧６Ｖを、電解セル６ａのアノード電極１ａ側を＋として印加する。電解セル６ａ、電解セル６ｂともに約３Ｖの電圧がかかり、電解セル６ａはアノード電極１ａ側の孔２１から、また、電解セル６ｂはカソード電極２ｂ側の孔１２から空気中の水分を連続的に吸収することが可能となったため、電圧印加後、数分で電流値が落ち着き、１０分後以降には約１．２Ａの電流が流れた。

この時、電解セル６ｂのアノード電極１ｂ側のガス出口２３からは約４ｃｃ／ｍｉｎの流量で高純度の酸素が連続的に発生し、電解セル６ａのカソード電極２ａ側のガス出口２２からは約９ｃｃ／ｍｉｎの流量で高純度の水素が連続的に発生した。

なお、電解セル６ａのアノード電極１ａ側では酸素が発生しているが外気に希釈されている。同様に、電解セル６ｂのカソード電極２ｂ側では水素が発生したが、空気中の酸素と反応して水分となり、この水分の一部は電解セル６ｂ内で消費され残りは大気中に蒸発する。

以上のように、この実施の形態３によれば、高分子電解質膜５は気体は透過せず、水分のみを透過し、電解セル６ａのカソード電極室及び電解セル６ｂのアノード電極室は外気と遮断されており、また、電解反応に必要な水分は高分子電解質膜５に含有されたものだけで、カソード電極室及びアノード電極室には存在せず、吸収された水分のほとんど全てが電気分解されてガス出口２２、２３から取り出されるので、特別な気液分離の工程を経ることなく高純度の酸素ガス及び水素ガスが、純水を供給することなく、空気中の水分から得られる。

なお、上記実施の形態３において、電解セル６ｂの触媒電極７ｂを白金担持カーボン触媒に代えて二酸化鉛とすることによって、高濃度のオゾンを含む高濃度の酸素ガスが連続的に得られる。

例えば、気温２０℃、湿度５０％の状態で、電解装置１０に電圧印加（電解セル６ａのアノード電極１ａ側を＋とした直流８Ｖ）を行ったところ、電解セル６ａには約３Ｖの電圧が掛かり、電解セル６ｂには約５Ｖの電圧が掛かった。印加を続けている間は約１Ａの電流が流れ、ガス出口２２から約７ｃｃ／ｍｉｎの高純度の水素ガスを繰り返し発生させることができた。この時、ガス出口２３からは、高濃度のオゾン（オゾン濃度５％程度）を含む高濃度の酸素ガス（約３ｃｃ／ｍｉｎ）が連続的に発生した。

この発明に係る水電解装置及びその運転方法は、還元剤として利用される水素ガス並びに酸化剤として利用される酸素ガス及びオゾンを高純度または高濃度で生成する。

この発明に係る水電解装置の実施の形態１を概念的に示す断面図である。 実施の形態１の水電解装置において、３Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。 実施の形態１の水電解装置において、極性反転動作時のガス発生を示す図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態３を概念的に示す断面図である。

符号の説明

１，２ 給電体、３，４，１３，１４ パッケージ、５ 高分子電解質膜、
６，６ａ，６ｂ 電解セル、７，７ａ，７ｂ，８，８ａ，８ｂ 触媒電極、
９ シール材、１０ 水電解装置、１１，２２，２３ ガス出口、１２ 貫通孔。

Claims (5)

1. 高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜の一方の面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなるアノード電極と、上記高分子電解質膜の他方の面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなるカソード電極とからなる電解セルを備えた水電解装置において、上記アノード電極及びカソード電極のいずれか一方の電極は外気開放とし、他方の電極を気密に密閉して電極室を形成し、上記電極室にガス出口を設けたことを特徴とする水電解装置。
2. 上記アノード電極及びカソード電極の触媒電極を同一材料で構成し、かつ、上記アノード電極及びカソード電極の給電体を同一材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
3. 上記電解セルを２個備え、一方の電解セルは、アノード電極側が外気開放とされるとともにカソード電極側に電極室が形成され、他方の電解セルは、カソード電極側が外気開放とされるとともにアノード電極側に電極室が形成され、上記電解セルは上記電極室同士が上下方向に隣り合わせとなるように積層されていることを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
4. アノード電極とカソード電極との間に印加する直流電圧の極性を反転させる切替スウィッチを設けたことを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
5. 高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜のそれぞれの面に密着するように設けられた触媒電極及び給電体からなる電極を備え、上記電極のいずれか一方の電極は外気開放とし、他方の電極を気密に密閉して電極室を形成し、上記電極室にガス出口を設け、上記電極間に印加する直流電圧の極性を、アノード反応及びカソード反応によって生じるガスのうち、必要とするガスに応じて随時変更することを特徴とする水電解装置の運転方法。

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