JP2006257480A - Hydrogen generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気分解による水素発生方法に関する。 The present invention relates to a method for generating hydrogen by electrolysis.
従来より、水を含む電解液の直流電気分解により水素を発生する水素発生方法が用いられている。当該水素発生方法では、電解液に浸漬された電極対に直流電圧を印加することにより、陰極の表面から水素を発生させている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a hydrogen generation method for generating hydrogen by direct current electrolysis of an electrolyte containing water has been used. In the hydrogen generation method, hydrogen is generated from the surface of the cathode by applying a DC voltage to a pair of electrodes immersed in an electrolytic solution (for example, Patent Document 1).
ここで、図9を参照しながら、従来の水素発生方法で用いられる直流電気分解について説明する。図9は、電極対92への直流電圧の印加を開始した時(図9(1))と、電極対92への直流電圧の印加を開始してから所定時間が経過した時(図9(2))とについて、電解液91の内部における電位(以下では、「内部電位」とも称する)の変化と、電解液91の内部における水素イオン81及び酸素イオン82の分布とを模式的に示す図である。
Here, the direct current electrolysis used in the conventional hydrogen generation method will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a case where application of a DC voltage to the
図9(1)に示すように、電極対92への直流電圧の印加を開始した時には、電解液91の内部における水素イオン81及び酸素イオン82の分布は均一であり、内部電位は、陽極922から陰極921へ向かって直線的に低下している。
As shown in FIG. 9 (1), when application of a DC voltage to the
一方、図9(2)に示すように、電極対92への直流電圧の印加を開始してから所定時間(典型的には約30ms)が経過した時には、陰極921及び陽極922の近傍に電気2重層98,99が発生し、内部電位は、電気2重層98,99の部分で大きく変化し、残余の部分ではほとんど変化しない。このため、直流電気分解では、幅W1の電気2重層98,99に含まれる水素イオン81のみが電位勾配により移動させられる。
On the other hand, as shown in FIG. 9 (2), when a predetermined time (typically about 30 ms) has elapsed since the start of application of the DC voltage to the
しかし、従来の直流電気分解を用いた水素発生方法では、水素の発生効率が十分でないという問題があった。 However, the conventional hydrogen generation method using direct current electrolysis has a problem that hydrogen generation efficiency is not sufficient.
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、水素の発生効率を向上可能な水素発生方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to provide a hydrogen generation method capable of improving hydrogen generation efficiency.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、電解液の電気分解により水素を発生する水素発生方法であって、前記電解液に浸漬された電極対に短パルスを印加する短パルス印加工程と、前記短パルス印加工程に続いて、電圧が漸次低下するテーリングパルスを前記短パルス印加工程よりも長時間に渡って前記電極対に印加するテーリングパルス印加工程とを備え、前記短パルスの最大電圧が、前記テーリングパルスの最大電圧よりも高いことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載の水素発生方法において、前記テーリングパルスの電流が漸次減少するとともに、前記短パルスの最大電流が、前記テーリングパルスの最大電流よりも大きいことを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の水素発生方法において、前記テーリングパルス印加工程において前記電極対に流れる電流と逆方向の電流が流れることを防止することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the hydrogen generation method according to the first or second aspect, a current in a direction opposite to a current flowing through the electrode pair is prevented from flowing in the tailing pulse applying step. .
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の水素発生方法において、前記短パルス印加工程及び前記テーリングパルス印加工程を交互に繰り返し実行するとともに、前記テーリングパルス印加工程において前記電極対に流れる電流が0となった後に、次の短パルス印加工程を実行することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the hydrogen generation method according to any one of the first to third aspects, the short pulse applying step and the tailing pulse applying step are alternately and repeatedly performed, and the tailing pulse applying step After the current flowing through the electrode pair becomes 0, the next short pulse applying step is performed.
請求項1ないし請求項4の発明によれば、水素の発生効率を改善可能である。 According to the first to fourth aspects of the invention, the hydrogen generation efficiency can be improved.
請求項3の発明によれば、水素の発生効率をさらに改善可能である。 According to the invention of claim 3, the generation efficiency of hydrogen can be further improved.
請求項4の発明によれば、水素の発生効率の低下を防止可能である。 According to the invention of claim 4, it is possible to prevent a decrease in hydrogen generation efficiency.
<1 水素発生装置>
図1は、本発明の実施形態に係る水素発生方法で用いられる水素発生装置1の構成を示す図である。
<1 Hydrogen generator>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
図1に示すように、水素発生装置1は、水を含む電解液11に浸漬された電極対12に、パルスジェネレータ13を用いて電圧を印加可能に構成されている。水素発生装置1は、電解液11の電気分解により陰極121から気体の水素を発生させる電気分解装置となっている。
As shown in FIG. 1, the
電極対12を形成する陰極121及び陽極122としては、水を含む電解液11の電気分解に用いられる周知の電極を採用可能である。陰極121及び陽極122は、望ましくは、白金電極であるが、白金電極以外の電極の採用も妨げられない。
As the
また、電解液11としては、電気分解による水素発生に用いられる周知の電解液を採用可能である。電解液11は、典型的には、水酸化カリウム水溶液であるが、水酸化カリウム水溶液以外の電解液を採用することも妨げられない。
As the
なお、水素発生装置1において、プロトン交換膜(PEM)の表面に電極を形成したPEM電解セルを用いれば、電解質を溶解させない水を電解液11として用いることもできる。
In the
電極対12に電気的に接続されたパルスジェネレータ13は、電極対12に印加する電圧の波形(時間変化)を様々に変化させることができる。
The
<2 パルス電気分解>
図2は、本発明の実施形態に係る水素発生方法において、電極対12に印加する電圧Vの波形(図2(1))及び陽極122へ流入する(陰極121から流出する)電流Iの波形(図2(2))を模式的に示す図である。ただし、図2は、パルス電気分解による水素発生方法の概略を説明することを目的としており、実際にパルス電気分解を行う場合の実測の波形を厳密に再現することを目的としていない。
<2 Pulse electrolysis>
FIG. 2 shows the waveform of the voltage V applied to the electrode pair 12 (FIG. 2 (1)) and the waveform of the current I flowing into the anode 122 (flowing out of the cathode 121) in the hydrogen generation method according to the embodiment of the present invention. It is a figure which shows (FIG.2 (2)) typically. However, FIG. 2 is intended to explain the outline of the hydrogen generation method by pulse electrolysis, and is not intended to strictly reproduce the waveform actually measured when pulse electrolysis is actually performed.
図2(1)に示すように、本発明の実施形態に係る水素発生方法では、短パルスPと、短パルスPに続くテーリングパルスTPとを、電極対12に交互に繰り返し印加することにより、パルス電気分解を行っている。
As shown in FIG. 2 (1), in the hydrogen generation method according to the embodiment of the present invention, by alternately applying the short pulse P and the tailing pulse TP following the short pulse P to the
短パルスPは、短時間で立ち上げ及び立ち下げが終了する短パルスである。短パルスPの最大電圧V(P)(電圧V0を基準とする)は、テーリングパルスTPの最大電圧V(TP)(電圧V0を基準とする)より高くなっている。また、最大電圧V(P)は、従来の直流電気分解において電極対12に印加される電圧(典型的には約2V)より高くなっており、例えば、当該電圧の数倍〜数10倍となっている。ここで、最大電圧V(P)及び最大電圧V(TP)の基準となる電圧V0は、電気分解中に電極対12がキャパシタと等価になること等に起因して発生する電圧であり、その具体的な電圧値は一定しない。短パルスPの印加時間Δt(P)=t2-t1は、特定の値に制限されないが、一例としては、約100nsである。なお、図2(1)に示すように、リンギングやオーバーシュート等の若干の波形の乱れが短パルスPに伴うことも許容される。
The short pulse P is a short pulse that finishes rising and falling in a short time. The maximum voltage V (P) (referenced to the voltage V0) of the short pulse P is higher than the maximum voltage V (TP) (referenced to the voltage V0) of the tailing pulse TP. Further, the maximum voltage V (P) is higher than a voltage (typically about 2 V) applied to the
短パルスPの立ち上げ時の電圧上昇率dV/dtは、水素の発生効率すなわち投入電力に対する水素の発生速度(以下では、「水素発生速度」とも称する)に影響を与える。水素の発生効率は、電圧上昇率dV/dtが、水素の発生条件によって変化する最適値となったときに最大となり、電圧上昇率dV/dtが当該最適値よりも高くなっても低くなっても低下する(図3参照)。なお、図3は、水素発生速度が0.06cc/sである場合の、電圧上昇率に対する投入電力の変化を実験的に調べて示した図である。 The voltage increase rate dV / dt at the start-up of the short pulse P affects the hydrogen generation efficiency, that is, the hydrogen generation rate relative to the input power (hereinafter also referred to as “hydrogen generation rate”). The hydrogen generation efficiency is maximized when the voltage increase rate dV / dt reaches an optimum value that varies depending on the hydrogen generation conditions, and decreases even when the voltage increase rate dV / dt is higher than the optimum value. (See FIG. 3). In addition, FIG. 3 is the figure which investigated and showed the change of the input electric power with respect to a voltage increase rate in case a hydrogen generation rate is 0.06 cc / s.
テーリングパルスTPは、短パルスPの尾を引くような、短パルスPの印加時間Δt(P)よりも長時間に渡って電圧Vが漸次低下する波形を有している。テーリングパルスTPの印加時間Δt(TP)=t3-t2は、特定の値に制限されないが、一例としては、約60μsである。 The tailing pulse TP has a waveform in which the voltage V gradually decreases over a longer time than the application time Δt (P) of the short pulse P, such that the tail of the short pulse P is pulled. The application time Δt (TP) = t3-t2 of the tailing pulse TP is not limited to a specific value, but is about 60 μs as an example.
ここで、電極対12への電圧Vの印加に応答して流れる電流Iに着目すると、図2(2)に示すように、電流Iは、電極対12への短パルスPの印加と略同期して負方向へ変化した後に正方向へ変化するとともに、テーリングパルスTPにおける電圧Vの漸次的な低下に伴って、「0」へ向かって漸次的に減少する。したがって、このパルス電気分解では、陰極121から水素を発生させるのに有効な電流I(>0)は、短パルスPの印加時には流れず、テーリングパルスTPの印加時に流れることになる。なお、電極対への短パルスPの印加と略同期して流れる最大電流は、電極対へのテーリングパルスTPの印加中に流れる最大電流よりも大きくなっている。
Here, when attention is paid to the current I flowing in response to the application of the voltage V to the
なお、短パルスPの印加と略同期して流れる電流(以下では、「逆電流」とも称する)RCを防止するために、図4に示すように、パルスジェネレータ13と電極対12との間に、ダイオードDを挿入することが望ましい。ダイオードDとしては、SiCショットキーダイオードに代表される、逆回復時間が短いダイオードを好適に使用することができる。このようなダイオードDの挿入による逆電流防止対策により、テーリングパルスTPの印加中に電極対12に流れる、陰極121から水素を発生させるのに有効な電流とは逆方向の逆電流RCが流れることを防止し、もって、短パルスPの波形の著しい乱れを抑制可能となり、短パルスPの立ち上げ時の電圧上昇率dV/dtを向上可能となる(図5参照)。なお、図5(1)は、逆電流防止対策を行った場合の短パルスPの立ち上げ時の実測の波形(電圧上昇率287V/μs)であり、図5(2)は、逆電流防止対策を行わない場合の短パルスPの立ち上げ時の実測の波形(電圧上昇率81V/μs)である。これらはいずれもNaOH 1N液での試験データである。
In order to prevent a current (hereinafter also referred to as “reverse current”) RC that flows substantially synchronously with the application of the short pulse P, as shown in FIG. 4, between the
また、このパルス電気分解では、短パルスPとテーリングパルスTPとを電極対12に交互に繰り返し印加しているが、テーリングパルスTPの印加中に流れる電流Iが「0」になった後に、次の短パルスPの印加を行っている。これは、電流Iが「0」にならないうちに次の短パルスPの印加を行うと、印加した短パルスPの波形の乱れが著しくなり、水素の発生効率の低下につながることによるものである。一方で、パルス電気分解に係る系への投入電力を増加させて水素発生速度を速くするためには、電流Iが「0」になってから次の短パルスPを印加するまでの時間Δt(W)=t4-t3を短くすることが望まれ、Δt(W)=0とすることが最も望ましい。
In this pulse electrolysis, the short pulse P and the tailing pulse TP are alternately and repeatedly applied to the
ここで、図6を参照しながら、このパルス電気分解について説明する。図6は、電極対12への短パルスPの印加を開始した時(図6(1))と、電極対12への短パルスPの印加を開始してから所定時間が経過した時(図6(2))とについて、電解液11の内部における電位(以下では、「内部電位」とも称する)の変化と、電解液11の内部における水素イオン21及び酸素イオン22の分布とを模式的に示す図である。
Here, the pulse electrolysis will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a case where the application of the short pulse P to the
図6(1)に示すように、電極対12への短パルスPの印加を開始した時には、電解液の内部における水素イオン21及び酸素イオン22の分布は均一であり、内部電位は、陽極122から陰極121へ向かって直線的に低下している。
As shown in FIG. 6A, when the application of the short pulse P to the
一方、図6(2)に示すように、電極対12への短パルスPの印加を開始してから所定時間(例えば、100ns)が経過した時には、陰極121及び陽極122の近傍部分(以下では、「擬電気2重層」とも称する)48,49で内部電位が大きく変化し、残余の部分ではほとんど変化しない。このため、このパルス電気分解では、幅W2の擬電気2重層48,49に含まれる水素イオン21のみが電位勾配により移動させられる。
On the other hand, as shown in FIG. 6 (2), when a predetermined time (for example, 100 ns) has elapsed since the application of the short pulse P to the
しかし、短パルスPの最大電圧V(P)は、直流電気分解において電極対12に印加される電圧よりも高くなっており、短パルスPの印加時間Δt(P)は、直流電気分解において電極対12への直流電圧の印加開始から電気2重層98,99が発生するまでの時間より短いので、擬電気2重層48,49の幅W2は、直流電気分解で発生する電気2重層98,99の幅W1よりも厚くなる。このため、このパルス電気分解では、直流電気分解よりも多量の水素イオンを短パルスPの印加中により高速に電解液11の内部で移動させることが可能になっており、このようにして移動させられた水素イオン21をテーリングパルスTPの印加中に還元することにより大量の水素を効率良く発生させている。
However, the maximum voltage V (P) of the short pulse P is higher than the voltage applied to the
以下では、1Nの水酸化カリウム水溶液に45mmの間隔を保持した状態で浸漬された2枚の矩形形状の白金電極対に、波形を様々に変化させながら電圧を印加し、投入電力と水素発生速度との関係を調べた実施例について説明する。 In the following, a voltage is applied to two rectangular platinum electrode pairs immersed in a 1N potassium hydroxide aqueous solution at a distance of 45 mm while varying the waveform, and the input power and the hydrogen generation rate are applied. The example which investigated the relationship with is described.
<投入電力と水素発生速度との関係>
図7は、投入電力(横軸)と水素発生速度(縦軸)との関係を示す図である。図7において、実線及び点線は、それぞれ、白金電極対に直流電圧を印加した場合の関係の上限及び下限を示しており、一点破線は、投入電力が全て水素の発生に利用された場合の理想的な関係を示している。また、図7において、プロットP1,P2,P5は、それぞれ、逆電流防止対策を行わなかった場合の実施例1,2,5における実測結果であり、プロットP3,P4,P6は、逆電流防止対策を行った場合の実施例3,4,6における実測結果である。なお、実施例1〜6における短パルスPの周波数、短パルスPの最大電圧V(P)、テーリングパルスTPの最大電圧V(TP)及び短パルスPの立ち上げ時の電圧上昇率dV/dtは図8に一覧にして示している。なお、図8における「備考」欄は、パルスジェネレータ13の発生電圧を昇圧トランスで昇圧する場合の1次側電圧に相当している。図8に示すように、パルス逆電流を抑えたときの最適dV/dt値は図3に比べ一桁向上している。
<Relationship between input power and hydrogen generation rate>
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between input power (horizontal axis) and hydrogen generation rate (vertical axis). In FIG. 7, the solid line and the dotted line indicate the upper and lower limits of the relationship when a DC voltage is applied to the platinum electrode pair, respectively, and the one-dot broken line is the ideal when all the input power is used for generation of hydrogen. The relationship. In FIG. 7, plots P1, P2, and P5 are actual measurement results in Examples 1, 2, and 5 when no reverse current prevention measures are taken, and plots P3, P4, and P6 are reverse current preventions. It is an actual measurement result in Examples 3, 4 and 6 when measures are taken. It should be noted that the frequency of the short pulse P, the maximum voltage V (P) of the short pulse P, the maximum voltage V (TP) of the tailing pulse TP, and the voltage increase rate dV / dt at the start of the short pulse P in Examples 1-6. Are listed in FIG. Note that the “Remarks” column in FIG. 8 corresponds to the primary side voltage when the voltage generated by the
図7から明らかなように、本発明の実施例1〜4においては、水素発生効率すなわち投入電力に対する水素発生速度を、直流電気分解よりも顕著に上昇させることができている。特に、実施例3,4,6(プロットP3,P4,P6)では、逆電流防止対策により、水素発生効率をさらに顕著に上昇させることができている。 As is apparent from FIG. 7, in Examples 1 to 4 of the present invention, the hydrogen generation efficiency, that is, the hydrogen generation rate relative to the input power can be significantly increased as compared with the direct current electrolysis. In particular, in Examples 3, 4, and 6 (plots P3, P4, and P6), the hydrogen generation efficiency can be further remarkably increased by the countermeasure against reverse current.
1 水素発生装置
11 電解液
121 陰極
122 陽極
12 電極対
13 パルスジェネレータ
21 酸素イオン
22 水素イオン
P 短パルス
TP テーリングパルス
D ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電解液に浸漬された電極対に短パルスを印加する短パルス印加工程と、
前記短パルス印加工程に続いて、電圧が漸次低下するテーリングパルスを前記短パルス印加工程よりも長時間に渡って前記電極対に印加するテーリングパルス印加工程と、
を備え、
前記短パルスの最大電圧が、前記テーリングパルスの最大電圧も高いことを特徴とする水素発生方法。 A hydrogen generation method for generating hydrogen by electrolysis of an electrolyte solution,
A short pulse applying step of applying a short pulse to the electrode pair immersed in the electrolytic solution;
Following the short pulse applying step, a tailing pulse applying step of applying a tailing pulse whose voltage gradually decreases to the electrode pair over a longer time than the short pulse applying step;
With
The method for generating hydrogen, wherein the maximum voltage of the short pulse is higher than the maximum voltage of the tailing pulse.
前記テーリングパルスの電流が漸次減少するとともに、
前記短パルスの最大電流が、前記テーリングパルスの最大電流よりも大きいことを特徴とする水素発生方法。 The hydrogen generation method according to claim 1,
As the current of the tailing pulse gradually decreases,
The method for generating hydrogen, wherein the maximum current of the short pulse is larger than the maximum current of the tailing pulse.
前記テーリングパルス印加工程において前記電極対に流れる電流と逆方向の電流が流れることを防止することを特徴とする水素発生方法。 In the hydrogen generation method according to claim 1 or 2,
A method for generating hydrogen, characterized in that in the tailing pulse applying step, a current in a direction opposite to a current flowing in the electrode pair is prevented from flowing.
前記短パルス印加工程及び前記テーリングパルス印加工程を交互に繰り返し実行するとともに、
前記テーリングパルス印加工程において前記電極対に流れる電流が0となった後に、次の短パルス印加工程を実行することを特徴とする水素発生方法。
In the hydrogen generating method according to any one of claims 1 to 3,
While alternately executing the short pulse application step and the tailing pulse application step,
A hydrogen generation method comprising: performing a next short pulse applying step after a current flowing through the electrode pair becomes 0 in the tailing pulse applying step.
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