JP2012001800A - 電解槽 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解槽100は、ともに面状の第一電極10および第二電極20が互いに対向して配置された電極対30と、電極対30の間に電解液ESを供給する給液部40と、を備え、電解液を電気分解してガスを生成する。そして、電解槽100は、電極対30が面直方向に湾曲または屈曲可能な可撓性を有している。電解槽100は、第一電極10および第二電極20が対向して配置された電極対30の間に、絶縁性の保液シート50が挟持されている。
【選択図】図2
Description
また、特許文献2には、黒鉛やニッケルなどの板からなる電極とガスケットとをボルトおよびナットで圧接して多層に積層した電解槽が記載されている。
第一には、電解槽の構造設計の自由度が乏しかったため、電解槽の形状や設置位置が限られていた。第二には、非可撓性ゆえに耐衝撃性が低く、屋外曝露時の電解槽の耐久性に問題があった。たとえば電解槽を屋外設置して家庭用の水素ガス発生装置に用いた場合、風雨や小石等の異物が電解槽に衝突すると割れや欠けが容易に生じるおそれがあった。
図1は、本発明の第一の実施形態にかかる電解槽100を示す斜視図である。図2は、電解槽100の分解斜視図である。
はじめに、本実施形態の電解槽100の概要について説明する。
電解槽100は、電解液ESを電気分解してガスGを生成するガス生成装置である。電解液ESおよびガスGは特に限定されないが、本実施形態ではガスGの一つとして水素ガスを挙げる。すなわち、本実施形態の電解槽100は、水電気分解による水素ガス発生装置を構成している。
本実施形態の電解槽100を含む水素発生装置は、家庭用の燃料電池用水素製造のほか、水素自動車、家庭用電化製品に用いることができる。電解槽100で発生した水素ガスを動力源として用いる場合には、他の自然エネルギーと組み合わせてもよい。
電極ホルダ35は板状をなし、第一電極10を嵌め込むための中空凹部351が厚み方向に貫通形成されている。中空凹部351には、導線353の一端が露出しており、中空凹部351に第一電極10が嵌め込まれることで、第一電極10と導線353とは接続される。
中空凹部351の裏面側には、電解液送液ライン43と電解液排出ライン53がそれぞれ凹溝として形成されている。電極間スペーサ32と電極ホルダ35とを接合したときに、電解液送液ライン41と43、および電解液排出ライン51と53は、それぞれ互いに一致する。
電解液送液ライン41、43、44は互いにあわさって管路を構成し、かかる管路に給液管46が装着されている。給液管46は、電解液ESを所定の圧力で中空部33に供給するための配管であり、中空部33と貯液槽48とを連通している。
また、電解液排出ライン51、53、54は互いにあわさって他の管路を構成し、かかる他の管路に排液管47が装着されている。排液管47は、中空部33で電解された電解液ESを排出するための配管であり、中空部33に連通している。
ガス回収用ホルダ37の裏面側には、キャビティ状のガス回収室371と、ガス回収室371に一端が連通した回収ガス流路373と、回収ガス流路373の他端に接続されたガス取出ライン375が設けられている。回収ガス流路373は、ガス回収用ホルダ37の裏面側に凹溝状に設けられている。ただし、回収ガス流路373は、ガス回収用ホルダ37の板厚内部を貫通する貫通孔として形成してもよい。ガス取出ライン375は回収ガス流路373に対して気密に接続された管状部材である。
言い換えると、電解槽100は、電解槽本体110と、電解槽本体110からガスGを取り出すための流路を構成する部材(ガス回収用ホルダ37、38)とを含む。
γ:水(電解液)の表面張力
θ:孔壁の水(電解液)接触角
r:孔径
また、本実施形態のように繊維材からなる保液シート50を用いることで、保液シート50の毛管力によって電解液ESが中空部33に保持され、電解液ESが貫通孔12、22に浸入することが抑制される。
また、電解面14、24の水接触角が90°未満であることにより、電解液ESと第一電極10、第二電極20との親和性が良好となり、ガスGの気泡が電解面14、24上に残存することが防止される。これにより、貫通孔12、22による気液分離効果が十分に発揮され、高い電解効率を得ることができる。
第一電極10、第二電極20の表面を場所選択的に親水性または疎水性にする方法は特に限定されない。一例として、ポリエチレン等のポリオレフィンの疎水性のフィルム全面に金属薄膜(親水性)を設けてから貫通孔12、22を孔あけ加工する方法が挙げられる。このほか、孔あけ加工した金属フィルムの上面にマスクを貼り付けた後、CVD法等により疎水性処理し、処理後、マスクを取り除く方法を用いることもできる。
なお、下面側にあたる貫通孔(例えば第二電極20の貫通孔22)は、上面側にあたる貫通孔(例えば第一電極10の貫通孔12)よりも水圧の負荷が大きいため、下面側の貫通孔を上面側の貫通孔よりも小径としてもよい。
ともに面状の第一電極10および第二電極20が互いに対向して配置され、少なくとも一部が面直方向に湾曲または屈曲して形成された電極対30と、前記電極対30の間に電解液ESを供給する給液部40と、を備え、電解液ESを電気分解してガスGを生成する電解槽100。
かかる電解槽100によれば、電極対30が面直方向に湾曲または屈曲しているため、設置面積あたりの電極面積を大きくすることができ、また平坦でない設置面に電解槽100を設置することも可能である。
図4(a)は本実施形態にかかる電極対30の斜視図であり、同図(b)はその部分拡大図である。具体的には、図4(b)は、同図(a)の円Bで囲んだ一部領域の拡大図である。
本実施形態の電極対30は、第二電極20を内側として巻回され、最外表面には第一電極10が位置している。
シール部材92は、多重巻回された最外周の第一電極10と第二電極20との間、および最外周の第二電極20とその内周の第一電極10との間を液密に封止する部材である。
図5(a)は本実施形態の電極(第一電極10または第二電極20)の平面図である。
本実施形態の第一電極10または第二電極20は、網状部材16、26と、網状部材16、26に被着された導電性の電極部材18、28とを含む。
より具体的には、本実施形態の網状部材16、26は金属線が格子状に編組された金網である。格子形状は直交格子でも斜交格子でもよい。
<導電性フィルム電極の作成方法>
1.炭素電極
辺長15mmの正方形、かつ30μm厚さのポリイミドカプトンフィルムに、孔径30μm、近接3孔ピッチ(孔中心間の距離)正三角形50μmの貫通孔を、リソグラフィーによるパターン印刷とケミカルエッチングを組み合わせて作成した。その後、このポリイミドフィルムを、窒素ガス雰囲気下にて、2000℃、3時間焼成して、炭素化した。これを導電性の電極フィルムとした。焼成後、フィルム厚さ28μm、孔径28μm、近接3孔ピッチ46μmに変化していた。
この電極フィルムの水接触角を測定したところ、60°であった。この電極フィルムの孔壁を疎水化するために、まず片面に5nm厚のアルミ膜を、そして、その裏面に、50nm厚のシリカ膜をスパッタ法により形成した。その後、この電極フィルムを、50℃のHMDS(ヘキサメチルジシラザン)雰囲気に3時間曝露した。取り出し後、アルミ膜を38%塩酸にて溶かして除去した。そして、アルミ膜に覆われていた面と、覆われていなかった面の水接触角を測定した。
その結果、アルミ膜に覆われていた部分の水接触角は43°であり、覆われていなかった面の水接触角は120°であった。これにより、アルミ膜に覆われていなかった部分が疎水化されたことが確認された。
また、以下に記す耐水圧測定方法にて、接触角43°の親水性の面を上にして、この電極フィルムの耐水圧を測定したところ、27g/cm2以上あることを確認した。
図6に示すホルダ400に、貫通孔を持つ電極フィルム410を水平に載置した。この電極フィルム410上に、透明チューブ420を直立状態で設置した。この透明チューブ420内に水(電解液ES)を徐々に滴下した。そして、この水が貫通孔から漏れ出す直前異時点で、電極フィルム410の表面から液面430までの高さを測定し、この高さと透明チューブ420のチューブ内径から、電極フィルム410の単位面積あたりにかかる圧力を算出した。これを電極フィルム410の貫通孔の耐水圧とした。
この電極フィルムを、図1および図2に示した電極ホルダ35に装着した。
また、電極間スペーサ32を用意した。電極間スペーサ32は、中心に辺長10mmの正方形の中空部33が空いたポリイミドカプトンフィルム(膜厚:500μm)を用いた。中空部33には、セルロース製の親水性の保液シート50(10mm四方の正方形、乾燥厚さ:50μm、かさ密度:0.075g/cm3)を置いた。
そして、もう一方の同様に作成した電極フィルムを電極ホルダ36に装着して、電極ホルダ35と電極ホルダ36とで電極間スペーサ32を挟持してこれらを圧締して電解槽本体110を作成した。
電極フィルム410の対向間隔は、電極間スペーサ32の膜厚の500μmとなった。
尚、これらの電極ホルダ35、36、電極間スペーサ32および電極フィルム410は、使用前に部材ごとに個別に曲げ試験をおこなった。具体的には、これらの部材を、150〜170°の中心角となるまで曲げたところ、ひび割れや破損がないこと、および元の状態に戻る曲げ弾性を有していることを、目視により確認した。
この電解槽本体110に、0.0025ml/minの速度で電解液(25%KOH)を注入した。電解液が充分に満たされ、出口ラインの排液管47から電解液が見られたところでCV(サイクリックボルタモグラム)カーブを測定した。
CVカーブの測定は、電気化学測定システムHZ−3000(北斗電工株式会社製)を使用しておこなった。具体的には、2枚の電極フィルム410を、それぞれ陽極および陰極とし、電圧の印加速度を50mV/sec、印加電圧を0〜2.5Vとして電圧を上げながら、電極フィルム410間に流れる電流値を測定した。結果を図7に示す。
陽極側の電極フィルムのみ、貫通孔なしとした以外は、実施例1と同様の操作をした。
陽極と陰極の電極フィルムを、ともに貫通孔なしとした以外は、実施例1と同様の操作をした。
陽極と陰極の電極フィルムの表面の全体をHMDS雰囲気で曝露し、その水接触角を110°とした以外は、実施例1と同様の操作を行なった。
電極間スペーサ32の厚みを120μmとし、キュプラ製の親水性の保液シート50(乾燥厚さ:20μm、かさ密度:0.08g/cm3)を用いて、実施例1と同様の電解槽本体110を作成した。
次に、この電解槽本体110を、長手方向の中心から120°の中心角となるまで60°だけ面直方向に湾曲させ、凸部を上方として電解槽本体110を横置きに設置した。
親水性の保液シート50を電極フィルム間に入れない以外は、実施例2と同様に3回の操作を行なった。その結果、測定毎に電流値が低下していくことを確認した。結果を図9に示す。
Ni箔(純度99.99%以上、厚さ5μm)を電極フィルムとし、NC加工機を使用して直径120μm、近接3孔ピッチ(孔中心間距離)240μmの貫通孔を多数加工した。そして、この電極フィルムの片面を濃硫酸にて洗浄した。この洗浄面の水接触角は35°であり、背面の水接触角は120°であった。この電極フィルムを陽極および陰極に用いた。一方、実施例2と同様のキュプラ製の保液シート50を用いて、実施例2と同様の湾曲形状の電解槽本体110を作成した。
この電解槽本体110に電解液(25%KOH)を用いた場合のCVカーブを測定した。その結果、電極フィルムを炭素からNi箔に変更しても、良好に水電気分解が行なわれることを確認した。
表面にITO膜が成膜された、厚さ17μmのPEN(Polyethylene Naphthalate)フィルム(品名OTEC,株式会社トービ製)上に、スパッタ法により白金(Pt)を10nmの膜厚で成膜した。
次に、NC加工機により、孔径120μm、近接3孔ピッチ(孔中心間距離)240μmの貫通孔を作成した。そして、このPt面を電解面として、実施例3と同様の保液シート50を用いて、実施例3と同様の湾曲形状の電解槽本体110を作成し、CVカーブを測定した。
その結果、有機(PEN)フィルム上に金属を成膜した電極フィルムとして使用しても、良好な電解が行なわれることを確認した。
実施例1の電解槽本体110を、長手方向の中心部から、図3に示したように150°の中心角となるまで30°だけ湾曲させた。3組の電解槽本体110を互いに重ねた多層の電解槽を作成してCVカーブを測定した。
その結果、曲面を持つ3層の電解槽においても、良好な電解が行なわれることを確認した。
電極フィルムの間隔を120μmとし、電解液を1Nの硫酸(H2SO4)に変更し、電解槽本体を長手方向の中心部分から図3に示したように150°の中心角となるまで30°だけ湾曲させた以外は実施例1と同様の装置にて、2.5Vの印加電圧にて、64時間の電解を行なった。その結果、急激な電流値低下が見られず、安定した水電解運転が行なわれることを確認した。尚、この際も、電解槽本体を150°の中心角で湾曲させることによる割れやヒビが発生しないこと、および電解液もれが発生していないことを、電圧の印加前に目視により確認した。
20 第二電極
12、22 貫通孔
13、23 内壁面
14、24 電解面
15、25 背面
16、26 網状部材
17、27 区画領域
18、28 電極部材
30 電極対
32 電極間スペーサ
33 中空部
35、36 電極ホルダ
351、361 中空凹部
353、363 導線
37、38 ガス回収用ホルダ
371、381 ガス回収室
372、382 平板部
373、383 回収ガス流路
375、385 ガス取出ライン
39 固定ネジ
391 ネジ孔
40 給液部
41、43、44 電解液送液ライン
46 給液管
47 排液管
48 貯液槽
49 送液ポンプ
50 保液シート
51、53、54 電解液排出ライン
60 ガス回収路
62 空隙部
90 給電部
92 シール部材
94 ロール端
100 電解槽
110 電解槽本体
200 ガス生成装置
400 ホルダ
410 電極フィルム
420 透明チューブ
430 液面
ES 電解液
G ガス
Claims (11)
- ともに面状の第一電極および第二電極が互いに対向して配置された電極対と、前記電極対の間に電解液を供給する給液手段と、を備え、前記電解液を電気分解してガスを生成する電解槽であって、
前記電極対が面直方向に湾曲または屈曲可能な可撓性を有していることを特徴とする電解槽。 - 前記電極対の間に、絶縁性の保液シートが挟持されている請求項1に記載の電解槽。
- 前記保液シートが、親水性高分子からなる繊維材のシート成形体である請求項2に記載の電解槽。
- 前記第一電極または前記第二電極を厚み方向に貫通する貫通孔と、
生成した前記ガスを、前記貫通孔を通じて回収するガス回収路と、をさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載の電解槽。 - 前記貫通孔の内壁面が疎水性であり、前記第一電極および前記第二電極のうち前記電解液と接する電解面が親水性である請求項4に記載の電解槽。
- 前記電極対の少なくとも一部が三次元的に湾曲または屈曲している請求項1から5のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記電極対がロール状に巻成されていることを特徴とする請求項6に記載の電解槽。
- 前記第一電極および前記第二電極が、内部に形成された空隙部と、前記空隙部に連通する貫通孔と、をそれぞれ備えることを特徴とする請求項7に記載の電解槽。
- 前記第一電極または前記第二電極が、網状部材と、前記網状部材に被着された導電性の電極部材とを含む請求項1から8のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記網状部材は、配列された複数の区画領域を備え、
前記電極部材は、厚み方向に貫通する貫通孔を前記区画領域にそれぞれ一つ以上有している請求項9に記載の電解槽。 - 前記電極対の曲げ弾性率が0.1MPa以上2000MPa以下である請求項1から10のいずれか一項に記載の電解槽。
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