JP2007084914A

JP2007084914A - 電解槽の電極

Info

Publication number: JP2007084914A
Application number: JP2006111464A
Authority: JP
Inventors: Bunshi Cho; 文士張
Original assignee: FUTURE SOLUTION KK; STAR ENERGY KK; Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: FUTURE SOLUTION KK; STAR ENERGY KK; Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】水の電気分解装置において、電極での反応抵抗及び電解液の内部抵抗による電圧損失を最小化して、電解効率を極大化させることができる電解槽の電極を提供する。
【解決手段】隔膜４の両側に位置する電極８に生じた気泡１０がすみやかに電極外部に移動するように、電解槽１に反応物である電解液５を連続かつ円滑に供給するようにした水の電気分解装置１において、電極８が多孔性ニッケル合金を用いて表面処理されている。多孔性ニッケル合金は、その粉末粒度が１０〜５０ミクロンに構成されることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解槽に使用され、効率のよい水の電気分解が可能な電極に関する。

既存の、水を電気分解する方法は、図１に示すように、電解槽１の電解液５と接触する２つの電極に直流電源９から電流を印加するもので、各電極には水素ガス６と酸素ガス７が得られる。純水な水は電気をほとんど通さず、そのため電気分解ができないから、一般的には、電気が通じる電解質の水溶液を使用する。現在、よく使用される水の電気分解装置は、１気圧、８０℃程度で、Ｈ_２ＯとＫＯＨからなるアルカリ水溶液（２５〜３０ｗｔ％ＫＯＨ）を電解液として使用し、水の電気分解を行なっている。

このような水の電気分解装置は、図１に示すように、電子を発生するアノード３（ａｎｏｄｅ：陽極）、電子を消耗するカソード２（ｃａｔｈｏｄｅ：陰極）、ＯＨ⁻イオンを伝達するアルカリ水溶液（電解液）、そして隔膜４（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）を含んで構成される。電解液は、陽イオンと陰イオンに電離されて電流が流れるように反応物である溶質を溶かしたものである。隔膜４は、電解液は通過させるが、生成した気体の混合は阻む役割をする。各電極で起こる電気化学の反応は下記の式で表わされる。ここでの生成物は、水素、酸素である。
カソード：２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｈ_２＋２ＯＨ⁻
アノード：２ＯＨ⁻ → Ｈ_２Ｏ＋１／２・Ｏ_２＋４ｅ⁻
全体反応：Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２＋１／２・Ｏ_２

カソード２では、水から水素とＯＨ⁻イオンが生じて、ＯＨ⁻イオンは電解液の隔膜を通過して移動し、アノード３でＯＨ⁻イオンの反応によって水と酸素が生じる。従って、連続的な電気分解反応を進めるには、カソード２の部分に水が続いて供給されなければならない。

なお、水を電気分解して水素と酸素を得るのに、このような水の電気分解（ｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）法は、水素を得る工業的製造法の１つで重要な位置を占めている。図１及び図２に示すように、カソード２（陰極）は、水素過電圧が小さく耐蝕性に優れた鉄が主に使われている。また、アノード３（陽極）は、ニッケルまたはニッケルを鍍金した鉄板が主に使用されている。電解液は、電気伝導度が大きい水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムの溶液が使用されている。一般に水の電気分解において、生産性を増加させるため電流密度を増大させると、電解液の温度が上昇する。温度が上昇すると、電解液の電気伝導度（約１５０℃で最大となる）が増大して電圧損失（過電圧）が減少する。電圧損失の少ない高温で運転するには、高温でも腐食しない電極が求められていた。

また、水を電気分解において、アノード３及びカソード２に加える最小電圧は、水の電気分解反応に対するギッブスの自由エネルギーの変化量で決まり、これを平衡電圧と呼ぶ。図２に示すように、ｎｃはカソードでの電位、ｎａはアノードでの電位、ｎＩＲは電解液の内部抵抗による電位である。標準条件での水の電気分解に要する最小電圧（Ｖ０）は１．２９９Ｖである。実際の水の電気分解に要求される電圧は、電極での反応抵抗及び電気分解装置の内部抵抗等による電圧損失（過電圧）が発生するので、通常は、１．４８〜２．４Ｖの電圧（Ｖｃｅｌｌで示す）となるように調整される。このように、従来の電解液を用いた水の電気分解装置では、電流密度による過電圧及びセル電圧特性により電解効率が落ちるので、電圧損失（過電圧）の少ない電極が求められていた。
特表２００１−５００１９０号公報

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、水の電気分解装置において、電極での反応抵抗及び電解液の内部抵抗による電圧損失を最小化して、電解効率を極大化させることができる電解槽の電極を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による電解槽の電極は、隔膜の両側に位置する電極に生じた気泡がすみやかに電極外部に移動するように、電解槽に反応物である電解液を連続かつ円滑に供給するようにした水の電気分解装置において、前記電極が多孔性ニッケル合金を用いて表面処理されたことを特徴とする。

前記多孔性ニッケル合金は、その粉末粒度が１０〜５０ミクロンに構成されることが好ましい。

本発明によれば、電極に多孔性ニッケル合金の電極を使用したので、電解槽の内部抵抗及び電極の電圧損失（過電圧）の上昇を阻むことになって、水の電気分解に要する消費電力を減少させることができる。すなわち水の電気分解の効率を極大化させるとの長所を有する。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。

水の電気分解反応は、電解液内の隔膜の両側に設置された電極表面で起こる。電極と隔膜の間が離れている場合、セルの内部抵抗が増加する。また、発生した水素と酸素の気泡が電流通路を邪魔する構造だと、電解液を連続して供給できず、電極の過電圧が増大して電気分解に必要な消費電力が増加する。消費電力が増えれば電解効率を落とすことになる。そこで本発明による水の電気分解装置の電解槽１は、図３に示すように、複数の電極８と隔膜４を接近して組み合わせた双極構造とし、電解液５（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）は、矢印で示すように、電解槽１の下部（図３の左下側）から供給し、各電極表面と隔膜の間を通して上部に連続かつ円滑に流すようにしている。電気分解を連続的に進めると熱が発生するので、実際には、電解槽１の冷却と電解質の安定化のため電解液５に水を補給する。また、電解槽１から出た電解液５は、水素の気泡１０または酸素の気泡１１が分離されるとともに、循環されて再び電解槽１に供給される。直流電源９（ｎｘＵｃｅｌｌで示す）は、各電極間で１．４８〜２．４Ｖが得られるように、複数の電極数に対応して高い電圧が設定され、電流は矢印で示すように＋から−の方向に流れる。

電解槽１の電極８は、耐腐食性及び機械的強度に優れ、長時間低い過電圧を保つことができるように、ニッケルで表面処理される。表面処理は、ローリングまたは爆発による圧着、増着などの技術を用いて、１０ミクロンから５０ミクロンの粉末を表面に付着させるものである。すなわち電極の表面は、多孔性ニッケル合金で表面処理されている。

多孔性ニッケル合金で表面処理された電極８及び電解槽１への連続で円滑な電解液５の供給により、電解槽の内部抵抗及び電極の過電圧を減少させ、水の電気分解の効率を極大化させることができる。

本発明は、水の電気分解を行なう電解槽の電極として好適である。

一般的な電気分解の原理を表わす概略図である。一般的な電解槽の電流−電圧の特性を表わすグラフである。本発明による電解槽の構造図である。（実施例１）

符号の説明

１電解槽
２カソード（陰極）
３アノード（陽極）
４隔膜
５電解液
６水素ガス
７酸素ガス
８電極
９直流電源
１０水素の気泡
１１酸素の気泡

Claims

隔膜の両側に位置する電極に生じた気泡がすみやかに電極外部に移動するように、電解槽に反応物である電解液を連続かつ円滑に供給するようにした水の電気分解装置において、前記電極が多孔性ニッケル合金を用いて表面処理されたことを特徴とする電解槽の電極。
前記多孔性ニッケル合金は、その粉末粒度が１０〜５０ミクロンに構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電解槽の電極。