JP2007211268A - Water-vapor electrolysis apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成する水蒸気電解装置に関する。 The present invention relates to a steam electrolysis apparatus that generates hydrogen and oxygen by electrolyzing high-temperature steam.
近年、環境を汚損することの少ない燃料として水素ガスが注目されているが、水素ガスを効率よく生成する方法として高温水蒸気電解法が検討されている。高温水蒸気電解法は、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素を生成する方法であり、その動作原理は固体電解質燃料電池の逆反応である。 In recent years, hydrogen gas has attracted attention as a fuel that does not pollute the environment, but high-temperature steam electrolysis has been studied as a method for efficiently generating hydrogen gas. The high-temperature steam electrolysis method is a method of generating hydrogen and oxygen by electrolyzing high-temperature steam, and its operation principle is a reverse reaction of a solid electrolyte fuel cell.
高温水蒸気電解装置では、一般的に固体酸化物電解質材料をはさんで水素極と酸素極を設けた電気化学セルを用い、電解によって得られる水素と酸素とを隔てる構造が必要である。通常、水素極側雰囲気は、原料である水蒸気と水素が主成分である。酸素極側雰囲気は酸素が主成分となる。このように、両極から得られるガスの種類が全く異なるので、夫々に対してガスの取出し機構が必要であり構成が複雑となる。 A high-temperature steam electrolysis apparatus generally requires a structure that separates hydrogen and oxygen obtained by electrolysis using an electrochemical cell having a hydrogen electrode and an oxygen electrode sandwiched between solid oxide electrolyte materials. Usually, the hydrogen electrode side atmosphere is mainly composed of water vapor and hydrogen as raw materials. The oxygen electrode side atmosphere is mainly composed of oxygen. As described above, since the types of gases obtained from the two electrodes are completely different, a gas extraction mechanism is required for each of them, and the configuration becomes complicated.
また、電気化学セルの構造は平板型や円筒型などがあり、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気は、電気化学セルの構成部材である固体酸化物電解質の緻密構造とセル端部のガスシールによって分離され、相互への雰囲気ガスのリークを最小限にとどめている。セル端部のガスシールは、電気化学セル単体で使用する場合であれば比較的容易であるが、複数の電気化学セルを積層するなどして集合体として使用する場合には高い信頼性を得ることは難しい。 In addition, the structure of the electrochemical cell includes a flat plate type and a cylindrical type. The atmosphere on the hydrogen electrode side and the atmosphere on the oxygen electrode side are a dense structure of a solid oxide electrolyte that is a component of the electrochemical cell and a gas seal at the end of the cell And the leakage of atmospheric gas to each other is minimized. Gas sealing at the cell edge is relatively easy when used as a single electrochemical cell, but high reliability is obtained when used as an assembly by stacking a plurality of electrochemical cells. It ’s difficult.
円筒型セルを複数備えた従来の高温水蒸気電解装置は例えば図4、図5に示すようになっている(特許文献1)。図4は装置全体の構造を示し、図5はセルおよびその周辺部の構造を示す。高温水蒸気電解装置の主要構成要素は、円筒型の電解セル21と、水蒸気供給室22と、水蒸気および生成水素排出室23と、水蒸気注入管24と、酸素生成室25である。電解セル21の片端に電流リード用の金属キャップ26を取り付け、他端をシールキャップ27により密閉構造とし、電解セル21での水蒸気の供給・排出を一方の端部のみで行う。また、管板31とのシール部において電解セル21を支持する。電流リードについては、水素極側リード29aはテーパ型シーリング28を用いて取り出され、酸素極側リード29bは、電解セル下端のセルリード部がシールキャップ27に固定されて電解セル21の内部に導入され、還元雰囲気を通って電流リード用の金属キャップ26から取り出される。
A conventional high-temperature steam electrolysis apparatus including a plurality of cylindrical cells is configured as shown in FIGS. 4 and 5, for example (Patent Document 1). FIG. 4 shows the structure of the entire apparatus, and FIG. 5 shows the structure of the cell and its peripheral part. The main components of the high-temperature steam electrolysis apparatus are a cylindrical
この構成の場合、水素極側の雰囲気ガスは水素および水蒸気であり、酸素極側の雰囲気ガスは窒素および酸素であるため、ガス導出部が分離され、構造的に複雑である。また、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気のガスシール部は電解セル21の上下の2箇所であり、かつ、これらのガスシール部はいずれもセルリード部を有するシール構造となっているため、確実で信頼性のあるシールの実現は困難である。さらに高温で使用するためシールの寿命も課題である。
上述の通り、従来の水蒸気電解装置においては、構造の複雑さ、および、水素と酸素とを隔てる部分のガスシールなどが技術課題となっている。完全なシールを達成することは難しく、ガスリークが生じたとしても、安全な運転が可能な装置が必要と考えられる。 As described above, in the conventional steam electrolysis apparatus, the complexity of the structure and the gas seal of the part separating hydrogen and oxygen are technical problems. It is difficult to achieve a perfect seal, and it is considered that a device capable of safe operation is required even if a gas leak occurs.
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has a simple structure, has little gas leakage between the hydrogen electrode side atmosphere and the oxygen electrode side atmosphere, and is a steam electrolysis that can be operated safely. An object is to provide an apparatus.
上記課題を解決するために本発明の水蒸気電解装置は、内部に水蒸気リッチガスを往復通流させるガス通流孔を有して前記水蒸気リッチガス中の水蒸気を電気分解する方形板状をなす電解セルと、前記電解セルの一辺に取り付けられ前記ガス通流孔に前記水蒸気リッチガスを供給するとともに前記ガス通流孔で生じた水素を含む水蒸気リッチガスを集めるガスマニホールドとを備えている構成とする。 In order to solve the above problems, a steam electrolysis apparatus according to the present invention includes an electrolytic cell having a gas flow hole for reciprocating a steam-rich gas therein and having a rectangular plate shape for electrolyzing the steam in the steam-rich gas. And a gas manifold that is attached to one side of the electrolysis cell and supplies the water vapor rich gas to the gas flow holes and collects the water vapor rich gas containing hydrogen generated in the gas flow holes.
本発明によれば、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a steam electrolysis apparatus that has a simple structure, has few gas leaks between the hydrogen electrode side atmosphere and the oxygen electrode side atmosphere, and can be operated safely.
以下、本発明に係る水蒸気電解装置の実施の形態を図1から図3を参照して説明する。本実施の形態の水蒸気電解装置は、図1に示すように、複数の方形板状の電解セル1と、これら複数の電解セル1の一辺を収容し、水蒸気または水蒸気と水素の混合ガス(水蒸気リッチガス)を供給し水素濃度の高くなった水蒸気リッチガスを排出するガスマニホールド2と、電解セル1間の電気接続を行う集電部材3とを備え、図示されていない容器に収容されている。
Embodiments of a steam electrolysis apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the steam electrolysis apparatus of the present embodiment accommodates a plurality of rectangular plate-
電解セル1は、図2に示すように板の長さ方向に複数のガス通流孔4を有する反応部5と、反応部5の一辺に設けられたガスリターン部6とから構成されている。反応部5は、図2(c)に示すように、複数のガス通流孔4を有する扁平状の多孔質の金属を主成分とする水素発生極7の一側面および両端面に緻密質の固体電解質層8を形成し、一側面の固体電解質層8上に多孔質の導電性セラミックからなる酸素発生極9を形成し、酸素発生極9の反対側の水素発生極7の外面にインターコネクタ10を形成して構成されており、水素発生極7が支持体となっている。
集電部材3は耐酸化性表面を形成した合金薄板で構成されており、隣り合う電解セル1の酸素発生極9およびインターコネクタ10と接触するよう挿入されている。
As shown in FIG. 2, the
The current collecting member 3 is composed of an alloy thin plate having an oxidation-resistant surface, and is inserted so as to be in contact with the oxygen generating electrode 9 and the
ガスマニホールド2は、図3に示すように、電解セル1の一辺が挿入される取付け孔12を有する天板11と、箱部13とから構成される。箱部13は隔壁14によりガス入口室15とガス出口室16とに分割されている。ガス入口室15にはガス供給管17が接続され、ガス出口室16にはガス排出管18が接続されている。隔壁14と天板11および電解セル1との接触面、および電解セル1と取付け孔12との間にはガラスまたはガラスとセラミックスの混合物等がシール材として用いられる。
As shown in FIG. 3, the
このように構成された本実施の形態の水蒸気電解装置においては、水蒸気電解に供される水蒸気リッチガスがガス供給管17からガスマニホールド2の箱部13のガス入口室15へ供給され、天板11の取付け孔12に固定された電解セル1のガス通流孔4のうち、ガス入口室15に開口しているものへ流れ込む。流れ込んだ水蒸気リッチガスはガスリターン部6へ達した後、ガス出口室16に開口したガス通流孔4を通ってガス出口室16に達した後にガス排出管18から排出される。
In the steam electrolysis apparatus of the present embodiment configured as described above, the steam rich gas used for steam electrolysis is supplied from the
供給された水蒸気リッチガスはガス通流孔4から水素発生極7内へ拡散し、水蒸気が下記(1)式の電解反応(水素発生)
H2O+2e−→H2+O2− ……(1)
により、水素と酸素イオンに分解される。発生した水素は分解されなかった水蒸気とともにガス通流孔4とガス出口室16を通って外部へ回収される。一方、発生した酸素イオンは固体電解質層8を通って、酸素発生極9で下記(2)式の電解反応(酸素発生)により
O2−→1/2O2+2e− ……(2)
酸素に変換される。この酸素は図示されていない容器内に集積され外部に取り出される。
The supplied water vapor rich gas diffuses from the gas flow hole 4 into the
H 2 O + 2e − → H 2 + O 2− (1)
Is decomposed into hydrogen and oxygen ions. The generated hydrogen is recovered to the outside through the gas flow hole 4 and the
Converted to oxygen. This oxygen is collected in a container (not shown) and taken out to the outside.
本実施の形態の水蒸気電解装置においては、電解セル1のガス通流孔4とガスリターン部6によって水蒸気リッチガスがリターンフローで流れるので、従来の水蒸気注入管(図4の符号24)を廃止することができる。また、円筒型の電解セル21と水蒸気注入管24との場合に生じる位置あわせが不要である。さらに、集電部材3が電解セル1の外側に存在するため、集電に伴うシールが不要である。したがって本実施の形態によれば、簡易な構造を有し、水素極側雰囲気と酸素極側雰囲気間でのガスリークが少なく、安全な運転が可能な水蒸気電解装置を提供することができる。なお、本発明は燃料電池として使用することも可能である。
In the water vapor electrolysis apparatus of the present embodiment, the water vapor rich gas flows in the return flow by the gas flow hole 4 and the
1…電解セル、2…ガスマニホールド、3…集電部材、4…ガス通流孔、5…反応部、6…ガスリターン部、7…水素発生極、8…固体電解質層、9…酸素発生極、10…インターコネクタ、11…天板、12…取付け孔、13…箱部、14…隔壁、15…ガス入口室、16…ガス出口室、17…ガス供給管、18…ガス排出管、19…ガス流、21…電解セル、22…水蒸気供給室、23…水蒸気および生成水素排出室、24…水蒸気注入管、25…酸素生成室、26…金属キャップ、27…シールキャップ、28…テーパ型シーリング、29a,29b…電流リード、30…モジュールハウジング、31…管板、32…隔壁。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
8. The steam electrolysis apparatus according to claim 7, wherein the current collecting member is formed by coating a surface of a conductive metal or alloy with an oxidation resistant substance.
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