JP2013189699A - Apparatus for electrolysis of water - Google Patents

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Makoto Kito
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Chishu Kin
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for electrolysis of water of which the size and the weight are reduced, wherein a high production function, a temperature control function, and a freezing prevention function are provided.SOLUTION: In generation of hydrogen and oxygen gas, improvement in generation efficiency and electric power efficiency can be achieved even under relatively low temperature conditions by using a laminated structure as an electrode for electrolysis. Thus, the size and the weight of an apparatus for electrolysis of water can be achieved. Wherein, a graphite plate is used as a substrate for the electrode. With respect to both surfaces thereof, a graphene layer is formed on the surface which is to be used as an anode, and a hydrogen storage metal layer or an alloy layer thereof with low oxygen and hydrogen overvoltage is formed on the surface which is to be used as an cathode, respectively. Thus the laminated structure is obtained. Also, temperature control and antifreeze can be achieved by providing an electrothermal mechanism using a corrosive-resistant electric heating material or a waterproofing electric heating material as a heat generation source in an electrolysis tank comprising a low concentration hydroxide-contaminated aqueous solution or purified and concentrated tap water, and by controlling external electric power which is applied to the electrothermal mechanism.

Description

本発明は、水素及び酸素ガスを生成する水電気分解装置に係り、特に、高生成機能、温度制御機能及び凍結防止機能を付与したことを特徴とする小型軽量化した水電気分解装置に関する。  The present invention relates to a water electrolysis apparatus that generates hydrogen and oxygen gas, and more particularly to a water electrolysis apparatus that is reduced in size and weight and is provided with a high production function, a temperature control function, and an antifreezing function.

水素及び酸素を生成する水電気分解装置及びその生成方法に関しては、工業的には成熟した技術である。また、多方面への利用を目的として小型化した水電気分解装置は、既に様々な方法が提案され、実用化に向けての研究開発がなされている。  The water electrolysis apparatus that generates hydrogen and oxygen and the method for generating the same are industrially mature technologies. In addition, various methods have already been proposed for water electrolyzers that have been miniaturized for use in various fields, and research and development for practical use has been made.

水電気分解装置の性能は、電気分解自体が酸化−還元反応であるため、使用する電解用電極の材質や特性に大きく左右される。また、電力効率の面からも酸素及び水素過電圧の低い材質が要求され、陽極ではニッケル(Ni)、陰極では白金(Pt)が理想的とされている。しかしながら、実用化においては、チタン(Ti)や鉄(Fe)属の合金類(例えば、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)を含むステンレス鋼)等が一般的に使用されている。一方、水電気分解装置の小型軽量化に伴い、電極反応効率のよい電極の開発も進められている。  The performance of the water electrolyzer is greatly influenced by the material and characteristics of the electrode for electrolysis to be used because the electrolysis itself is an oxidation-reduction reaction. Further, from the viewpoint of power efficiency, a material having low oxygen and hydrogen overvoltage is required, and nickel (Ni) is ideal for the anode and platinum (Pt) is ideal for the cathode. However, in practical use, titanium (Ti) and iron (Fe) genus alloys (for example, stainless steel containing nickel (Ni) and chromium (Cr)) are generally used. On the other hand, development of an electrode with high electrode reaction efficiency is also progressing with the reduction in size and weight of the water electrolysis apparatus.

通常の水電気分解装置では、工業的には濃度が重量比で18〜20%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液や、25〜30%の水酸化カリウム(KOH)水溶液が使用されているが、水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液では50〜70度、水酸化カリウム(KOH)水溶液では70〜90度の温度範囲で稼動している。この場合、一般的に電解槽内の温度を安定な熱平衡状態に維持する方法としては、外部から電解用電極に印加する電力を制御することで行われている。一方、小型化された水電気分解装置では、安全上、上記化学物質の低濃度化や比較的に低い温度での稼動が重視され検討が進められており、また電解槽内の温度に関しては上記と同様の制御方法が取られている。  In an ordinary water electrolysis apparatus, an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) having a concentration of 18 to 20% by weight or an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) of 25 to 30% is used industrially. The sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution operates at a temperature of 50 to 70 degrees, and the potassium hydroxide (KOH) aqueous solution operates at a temperature range of 70 to 90 degrees. In this case, generally, as a method of maintaining the temperature in the electrolytic cell in a stable thermal equilibrium state, electric power applied to the electrode for electrolysis from the outside is controlled. On the other hand, for miniaturized water electrolyzers, for safety reasons, low concentration of the above chemical substances and operation at a relatively low temperature have been emphasized, and studies have been made on the temperature inside the electrolytic cell. The same control method is taken.

水電気分解装置の多方面での応用を考えた場合、冬場の寒冷地での使用において、槽内水溶液の凍結の問題も考慮しなければならない。このため自動車等で搭載されているバッテリー等の水溶液には、寒冷地での仕様として−20度まで凍結しないことが要求されている。上記の問題を解決するため、水電気分解槽内で水素及び酸素ガス生成特性に影響しないということで、化学物質であるホウ水素化ナトリウム(NaBH)を凍結防止剤として電解水溶液に混合することが効果的であるという結果が示された。ホウ水素化ナトリウム(NaBH)は、10〜20%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液中においては安定であり、70〜260g/Lを混入することで凝固温度が−20度以下に保持されている。(特許文献1、2参照)When considering the application of the water electrolyzer in various fields, it is necessary to consider the problem of freezing of the aqueous solution in the tank when used in cold regions in winter. For this reason, it is requested | required that aqueous solution, such as a battery mounted in the motor vehicle etc., should not freeze to -20 degree | times as a specification in a cold region. In order to solve the above problems, the chemical substance sodium borohydride (NaBH 4 ) is mixed with the electrolytic aqueous solution as an antifreezing agent by not affecting the hydrogen and oxygen gas generation characteristics in the water electrolysis tank. Has been shown to be effective. Sodium borohydride (NaBH 4 ) is stable in a 10-20% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution, and by mixing 70-260 g / L, the coagulation temperature is kept at −20 ° C. or less. Yes. (See Patent Documents 1 and 2)

また、電熱材または電熱素子も利用されているが、その中でもサーモスタットで制御できる各種電熱線材や、シート状に加工した凍結防止材が実用化されている。これらの電熱材は、電解槽の外部に巻くか、若しくは覆い被せ、それに電力を入力し熱を発生させることで、外部から熱を伝達し凍結を防止する方法である。ここで使用する制御装置としてのサーモスタットは、供給電力を温度3度でON状態にし、10度でOFF状態にする機能を有したものである。  In addition, although an electric heating material or an electric heating element is also used, various electric heating wires that can be controlled by a thermostat, and antifreezing materials processed into a sheet shape have been put into practical use. These electrothermal materials are a method of preventing the freezing by transferring heat from the outside by winding or covering the outside of the electrolytic cell and inputting electric power to generate heat. The thermostat as a control device used here has a function of turning on the supplied power at a temperature of 3 degrees and turning it off at 10 degrees.

特開2003−146618号公報JP 2003-146618 A 特表2005−520759号公報JP 2005-520759 A

しかしながら、水電気分解装置の生成効率や電力効率の向上、また小型軽量化を実現するには、従前の電解電極の使用では難しい。上記の問題を解決するには、酸素及び水素過電圧が低く、また軽量で電気伝導率が高く、かつ電解反応効率の優れた材質の使用が特に要望される。また、従前の稼動温度の制御方法や、電解水溶液の凍結防止方法では、当該水電気分解装置の多方面への利用や応用において、障害や危険が生じる恐れがあった。事実、水電気分解装置をトラック等に搭載する場合、電解槽内の温度を速やかに熱平衡状態にし、その温度での安定的な稼動状態を維持する必要があるが、従前の方法では、電解槽内の温度が緩やかに上昇するため、安定的な稼動を実現するにはかなりの時間を要する。  However, it is difficult to use a conventional electrolytic electrode to improve the generation efficiency and power efficiency of the water electrolyzer and to reduce the size and weight. In order to solve the above problems, it is particularly desired to use a material having low oxygen and hydrogen overvoltage, light weight, high electric conductivity, and excellent electrolytic reaction efficiency. In addition, the conventional method for controlling the operating temperature and the method for preventing the electrolytic solution from freezing may cause problems and dangers in the use and application of the water electrolysis apparatus in various fields. In fact, when a water electrolysis device is mounted on a truck or the like, it is necessary to quickly bring the temperature inside the electrolytic cell into a thermal equilibrium state and maintain a stable operating state at that temperature. Since the temperature of the inside gradually rises, it takes a considerable time to realize stable operation.

特に、水溶液内電解質の濃度を1%以下と微量にした場合、水溶液の電気伝導率がかなり低下するため、電解用電極の間隔を5mm以下と狭くしたとしても、要求する水素及び酸素ガスの生成量を得るには、ある程度の電力を加える必要があるが、それに伴い水溶液内でのジュール熱の発生等により電解槽内の温度はかなり上昇する。したがって、電力損失等による熱の発生温度が80度以上になると電解槽内で水蒸気の発生が起こり始めるので、使用上危険を伴うため好ましくない。  In particular, when the concentration of the electrolyte in the aqueous solution is as small as 1% or less, the electrical conductivity of the aqueous solution is considerably reduced. Therefore, even if the interval between the electrodes for electrolysis is narrowed to 5 mm or less, the required generation of hydrogen and oxygen gas In order to obtain the amount, it is necessary to apply a certain amount of electric power, and accordingly, the temperature in the electrolytic cell rises considerably due to generation of Joule heat in the aqueous solution. Therefore, if the heat generation temperature due to power loss or the like is 80 ° C. or higher, the generation of water vapor in the electrolytic cell begins to occur, which is not preferable because it involves danger in use.

一方、電解槽内の水溶液の凍結防止においても、危険物である化学物質を、比較的多量に使用しなければならないため、取り扱いに危険を伴うので好ましくない。また、凍結防止用として一般的には、各種電熱線材や、シート状の電熱材が使用されているが、それらを電解槽の外側に取り巻くか、または覆い被せなければならず、トラック等への搭載、または室内以外の外部環境で使用する場合、風雨に曝されるなどにより破損や腐食等の恐れがあり、またそれに伴う漏電等による重大な事故につながる恐れがある。  On the other hand, in order to prevent freezing of the aqueous solution in the electrolytic cell, a dangerous chemical substance must be used in a relatively large amount. In general, various types of heating wires and sheet-shaped heating materials are used for anti-freezing, but they must be wrapped around or covered with the outside of the electrolytic cell. When mounted or used in an external environment other than indoors, it may be damaged or corroded by exposure to wind and rain, and may lead to a serious accident due to leakage.

本発明は、従来技術における問題を解決するためになされたもので、水電気分解装置の生成効率や電力効率の向上、その帰結としての小型軽量化、短時間で電解温度を達成することによる安定的な稼動や電解水溶液の凍結防止等を実現するため、新たな方法の提供を目的としている。  The present invention has been made to solve the problems in the prior art, and improves the generation efficiency and power efficiency of the water electrolysis apparatus, resulting in smaller and lighter weight, and stability by achieving the electrolysis temperature in a short time. The purpose is to provide a new method in order to realize efficient operation and prevention of freezing of the electrolytic aqueous solution.

本発明は、電解反応効率のよい電解用電極の使用による水素及び酸素ガスの効率的で安定的な生成、電解槽内に熱源として電熱材を設けた電熱機構による安定稼動温度の早期達成及び水溶液の凍結防止に関する実験結果からの知見に基づいてなされたものである。  The present invention provides efficient and stable generation of hydrogen and oxygen gas by using an electrode for electrolysis with good electrolytic reaction efficiency, early achievement of stable operating temperature by an electric heating mechanism provided with an electrothermal material as a heat source in an electrolytic cell, and an aqueous solution It was made based on the knowledge from the experimental results on the freeze prevention of sewage.

したがって、本発明は、前記記載の目的を達成するために、電解反応効率のよい電極材の使用することで水素及び酸素ガスの生成効率を向上させ、また電解槽内部電熱材による電熱機構を設けることで短時間に電解温度まで上昇させ水電気分解装置の安定稼動を達成し、寒冷時における電解水溶液の凍結防止を実現することを特徴としている。  Therefore, in order to achieve the above-described object, the present invention improves the generation efficiency of hydrogen and oxygen gas by using an electrode material having good electrolytic reaction efficiency, and also provides an electric heating mechanism using an electric heating material inside the electrolytic cell. Thus, the electrolysis temperature is raised to a short time to achieve stable operation of the water electrolysis apparatus, and the electrolytic solution is prevented from freezing in cold weather.

以下、課題の解決手段に関し順を追って説明する。  Hereinafter, the problem solving means will be described in order.

本発明における第1の解決手段は、電解用電極を水素及び酸素過電圧が低く、また比較的低い温度でも電解反応効率がよく、かつ軽量の物質で構成し、水電気分解装置の水素及び酸素ガスの生成効率の向上を実現する方法を提供することである。これにより水電気分解装置の省電力化や小型軽量化も実現できる。  The first solution in the present invention is that the electrode for electrolysis is made of a lightweight substance having a low hydrogen and oxygen overvoltage, good electrolysis reaction efficiency even at a relatively low temperature, and hydrogen and oxygen gas of the water electrolysis apparatus. It is to provide a method for improving the generation efficiency. As a result, it is possible to achieve power saving and reduction in size and weight of the water electrolysis apparatus.

水を電気分解して水素2容に対し酸素1容の発生で必要な理論分解電圧は、25度では約1.23Vとなるが、実際には電極における過電圧や、水溶液内でのジュール熱の発生等のエネルギー損失を考慮しなければならない。水の電気分解は酸化−還元での電極反応であるため、使用する電極の材質や性能はその選択において非常に重要な因子である。電力利用効率の面から、陽極としては酸素過電圧が0.3Vと低い材質が、また陰極としては水素過電圧が0.1〜0.2Vの材質が要求される。  The theoretical decomposition voltage required for electrolysis of water to generate 1 volume of oxygen for 2 volumes of hydrogen is about 1.23 V at 25 degrees, but in reality, the overvoltage at the electrode and the Joule heat in the aqueous solution Energy loss such as generation must be considered. Since electrolysis of water is an oxidation-reduction electrode reaction, the material and performance of the electrode used are very important factors in the selection. From the viewpoint of power utilization efficiency, a material with a low oxygen overvoltage of 0.3 V is required for the anode, and a material with a hydrogen overvoltage of 0.1 to 0.2 V is required for the cathode.

上記要求を満たす陽極材としては、白金類、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)族系の合金類、チタン(Ti)やグラファイトがこれに相当するが、コスト的な面からは鉄(Fe)族の合金類、チタン(Ti)やグラファイトの使用が好ましく、また水電気分解装置の小型化、軽量化の面からはグラファイトの使用が最も好ましい。また、陰極材としては、白金類、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)やグラファイト等があるが、好ましくはニッケル(Ni)、鉄(Fe)、モリブデン(Mo)の合金やグラファイトがよい。しかし、水溶液中での耐久性や小型軽量化の面から、やはり軽量物質であるグラファイトの使用が最も好ましい。  As the anode material satisfying the above requirements, platinum, nickel (Ni), iron (Fe) group alloys, titanium (Ti) and graphite correspond to this, but from the viewpoint of cost, iron (Fe). Group alloys, titanium (Ti) and graphite are preferable, and graphite is most preferable from the viewpoint of miniaturization and weight reduction of the water electrolysis apparatus. Further, as the cathode material, there are platinum, nickel (Ni), molybdenum (Mo), iron (Fe), graphite and the like, but preferably an alloy of nickel (Ni), iron (Fe), molybdenum (Mo) Graphite is good. However, from the viewpoint of durability in an aqueous solution and reduction in size and weight, it is most preferable to use graphite, which is also a lightweight material.

グラファイトは、多孔質物質であり、炭素から成る元素鉱物として六方晶系、六角板状結晶として、その構造は亀の甲状の層状物質で、層面内は強い共有結合でつながっているが、層間は弱いファンデルワールス力で結合している。グラファイト結晶は、面内炭素原子間距離0.142nm、層面間距離0.335nmの異方性の強い層状構造を有しており、そのような特長により層間を拡張しながら反応物質を挿入する、いわゆるインターカレーション効果を発揮する多孔体である。したがって、多孔質グラファイトも、水素に対し高い吸着、吸蔵能力を有している。この水素に対する高い吸着、吸蔵能力は、水素及び酸素ガスの生成効率に大きな影響を及ぼす。  Graphite is a porous material. It is a hexagonal and hexagonal plate-like crystal elemental mineral composed of carbon. Its structure is a turtle-like layered material, and the layers are connected by strong covalent bonds, but the layers are weak. They are connected by van der Waals forces. The graphite crystal has a strongly anisotropic layered structure with an in-plane distance between carbon atoms of 0.142 nm and a distance between layer planes of 0.335 nm. It is a porous body that exhibits a so-called intercalation effect. Therefore, porous graphite also has a high adsorption and storage capability for hydrogen. This high adsorption and storage capacity for hydrogen greatly affects the generation efficiency of hydrogen and oxygen gas.

水の電気分解においては、水素の吸蔵よりも電解反応が優勢となるため、陰極側に吸着した水素イオン(H)は放電により水素ガスとして生成される。したがって、反応性の高い水素吸蔵物質を電解用電極として使用することは、水素及び酸素ガスの生成効率の向上において有効な手段となり得る。In the electrolysis of water, since the electrolytic reaction is dominant over the occlusion of hydrogen, hydrogen ions (H + ) adsorbed on the cathode side are generated as hydrogen gas by discharge. Therefore, using a highly reactive hydrogen storage material as an electrode for electrolysis can be an effective means for improving the production efficiency of hydrogen and oxygen gas.

したがって、電極材としてのグラファイトは、電極での高反応性により単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成量が、他の電極材に比べ遜色がなく高い傾向にあることが知られている。特に、グラファイト表面にシート状のグラフェン層を形成した構造体は、水素の吸着、吸蔵能力に優れた特性を有しているため、電解用電極として使用した場合、単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成における高効率化が大いに期待できる。グラフェンというのは、1原子厚のsp結合炭素原子のシート状をさしているが、グラファイトと同様に六角形格子構造を成している。Therefore, it is known that graphite as an electrode material tends to have a higher generation amount of hydrogen and oxygen gas per unit power than the other electrode materials due to high reactivity at the electrode. In particular, a structure in which a sheet-like graphene layer is formed on the surface of graphite has excellent characteristics of hydrogen adsorption and storage. Therefore, when used as an electrode for electrolysis, hydrogen and oxygen gas per unit power High efficiency in the generation of can be expected. Graphene is a sheet of sp 2 bonded carbon atoms with a thickness of 1 atom, but has a hexagonal lattice structure like graphite.

グラファイト自体は、グラフェンシートが多数積み重なってできているものであるが、電極に加工する際に表面層がグラフェン層というよりは、欠陥の多い複雑な層が形成されている。したがって、電解電極として使用する場合、グラファイトの両面加工層を研磨やエッチング等により平坦に処理し、その両面にグラフェンを数μm厚に積層した方が最も好ましい。したがって、グラファイトを電極用基材として使用し、その表面にグラフェン層を積層することにより、かなり安定した状態の表面を形成することができる。グラファイト両面にグラフェン層を形成するための形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法やCVD法等があり、これらの気相成長法により欠陥の少ないグラフェン層を形成することができる。  Graphite itself is formed by stacking a large number of graphene sheets, but when processing into an electrode, a surface layer is a complex layer having many defects rather than a graphene layer. Therefore, when used as an electrolytic electrode, it is most preferable to treat the double-sided processed layer of graphite flatly by polishing, etching or the like, and to stack graphene on both sides to a thickness of several μm. Therefore, it is possible to form a fairly stable surface by using graphite as an electrode substrate and laminating a graphene layer on the surface thereof. As a formation method for forming the graphene layers on both surfaces of the graphite, there are a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, and the like, and a graphene layer with few defects can be formed by these vapor phase growth methods.

また、グラフェン層ではなく、グラファイト両面に水素吸蔵物質層である酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵金属層、水素吸蔵合金層を形成した電解用電極も、単位電力当りの水素及び酸素ガスの生成における高効率化が大いに期待できる。この場合においても、上記気相成長法により形成できる。なお、グラファイト両面への層状形成物質としては、酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵物質であれば、上記に記載した物質に限定されるものではない。勿論、酸素過電圧の低い水素吸蔵物質層は陽極として、また水素過電圧の低い水素吸蔵物質層は陰極として使用される。  In addition, the electrode for electrolysis in which the hydrogen storage metal layer and the hydrogen storage alloy layer having a low hydrogen overvoltage are formed on both surfaces of the graphite, not the graphene layer, in the generation of hydrogen and oxygen gas per unit power. High efficiency can be greatly expected. Even in this case, it can be formed by the vapor phase growth method. Note that the layer-forming material on both surfaces of the graphite is not limited to the materials described above as long as it is a hydrogen storage material with low oxygen and hydrogen overvoltage. Of course, the hydrogen storage material layer having a low oxygen overvoltage is used as an anode, and the hydrogen storage material layer having a low hydrogen overvoltage is used as a cathode.

また、グラフェン層や水素吸蔵金属層またはその合金層の形成は、グラファイト板の片面だけでもよく、この場合は水素吸蔵物質層の形成面は陰極として、また他方のグラファイト面を陽極としての使用か、またはその逆の使用でもよく、何れの場合でも電極反応効率において特に大きな影響を及ぼすものではない。例えば、陰極面にグラファイトよりも水素過電圧の低いニッケル(Ni)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)や鉄(Fe)等の金属層またはその合金層を形成し、電解電極として使用した場合、電極反応特性が高いため生成効率はかなり向上する。ただし、グラファイト自体は、不溶性であるため問題はないが、陰極用物質の耐食性を高めるため形成層の表面に極薄い安定皮膜の形成が必要であり、耐食性に優れたクロム(Cr)を10〜20%程度混入する必要がある。含有したクロム(Cr)は酸素と結合して表面に5nm程度の安定化した極薄い皮膜を形成する金属である。電解電極として使用されているステンレス鋼にも、クロム(Cr)を10〜20%含んでいるため、電解による生成効率に対して特に影響を及ぼすものではない。  In addition, the graphene layer, the hydrogen storage metal layer or its alloy layer may be formed only on one side of the graphite plate. In this case, the formation surface of the hydrogen storage material layer is used as a cathode and the other graphite surface is used as an anode. , Or vice versa, and in any case, the electrode reaction efficiency is not particularly affected. For example, when a metal layer such as nickel (Ni), titanium (Ti), molybdenum (Mo) or iron (Fe) or an alloy layer thereof having a lower hydrogen overvoltage than graphite is formed on the cathode surface and used as an electrolytic electrode, The production efficiency is significantly improved due to the high electrode reaction characteristics. However, although graphite itself is insoluble, there is no problem. However, in order to increase the corrosion resistance of the cathode material, it is necessary to form an extremely thin stable film on the surface of the forming layer, and chromium (Cr) having excellent corrosion resistance is 10 to 10. It is necessary to mix about 20%. The contained chromium (Cr) is a metal that combines with oxygen to form a stabilized ultrathin film of about 5 nm on the surface. Stainless steel used as an electrolytic electrode also contains 10 to 20% of chromium (Cr), so that it does not particularly affect the generation efficiency by electrolysis.

水素吸蔵物質は、水素吸蔵性及び水素放出性を有した物質で構成されているが、鉄(Fe)属系はほとんどが水素放出性を有した物質である。したがって、ニッケル(Ni)や鉄(Fe)等の金属層またはその合金層を陰極として使用した場合、陰極に吸着した水素イオン(H)は放電により速やかに水素ガスとして放出される。The hydrogen storage material is composed of a material having a hydrogen storage property and a hydrogen release property, but most of the iron (Fe) group is a material having a hydrogen release property. Therefore, when a metal layer such as nickel (Ni) or iron (Fe) or an alloy layer thereof is used as a cathode, hydrogen ions (H + ) adsorbed on the cathode are quickly released as hydrogen gas by discharge.

本発明における第2の解決手段は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、電解槽内温度を短時間の間に熱平衡状態である安定稼動温度まで引き上げ、水電気分解装置の早期安定稼動を実現する方法を提供することである。  The second solving means in the present invention is that an electrothermal mechanism using an electrothermal material is provided in the electrolytic cell, and the temperature in the electrolytic cell is raised to a stable operating temperature that is in a thermal equilibrium state in a short time, so that the water electrolysis apparatus can be operated quickly and stably. It is to provide a method of realizing.

電解用電極の配置には直列式(複極式)と、並列式(単極式)の二通りがある。並列式は多数の電極が並列に接続されているものであるが、一極当りの電流容量は大きく、電圧は1.9〜2.6V程度を要する。一方、直列式の場合は電極が交互に絶縁されて組まれており、電圧は中間電極の数だけ高くなる。本発明における解決手段は、どちらの方式の水電気分解装置にも適用できることはいうまでもない。  There are two types of electrode arrangement for electrolysis: series (bipolar) and parallel (single). In the parallel type, a large number of electrodes are connected in parallel, but the current capacity per pole is large, and the voltage requires about 1.9 to 2.6V. On the other hand, in the case of the series type, the electrodes are alternately insulated and assembled, and the voltage is increased by the number of intermediate electrodes. Needless to say, the solution in the present invention can be applied to either type of water electrolysis apparatus.

水電気分解装置に外部から電力を供給し稼動を開始する場合、初期の温度は常温であるが、時間の経過とともに穏やかに温度が上昇する。この時、温度の上昇に伴い電圧及び電流が変動し安定しないため、水素及び酸素ガスの生成量自体も変動し、槽内温度が熱平衡状態に達するまでは安定な生成量を得ることができない。  When the operation is started by supplying electric power to the water electrolysis apparatus from the outside, the initial temperature is room temperature, but the temperature rises gently with time. At this time, as the temperature rises, the voltage and current fluctuate and become unstable, so the production amount of hydrogen and oxygen gas itself also fluctuates, and a stable production amount cannot be obtained until the temperature in the tank reaches a thermal equilibrium state.

上記問題は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電力を加え制御することで解決できる。電解槽内に設けた電熱機構は、電解槽内の温度を効果的に制御することを可能にする。電解槽外部に取り付けた電熱材による加熱方式では、加えた電力により外部から加熱するため、電解槽内部までに熱が伝わるまでに時間がかかるだけでなく、また時間がかかる分、電力消費量もばかにならない。しかし、本発明における電熱材内蔵形式は、電解槽内水溶液に熱を直接伝えるため、目的とする温度まで上げるのに極めて短時間で済み、供給電力の消費量も少なく経済的であるため最も好ましい方法である。また、目的温度に達した後は、電熱材へ加えた電力を止める制御を行うことで、水電気分解装置の安定的な稼動を実現できることはいうまでもない。  The above problem can be solved by providing an electric heating mechanism with an electric heating material in the electrolytic cell, and adding external electric power to the electrolytic cell and controlling it. The electric heating mechanism provided in the electrolytic cell makes it possible to effectively control the temperature in the electrolytic cell. In the heating method using an electrothermal material attached to the outside of the electrolytic cell, it is heated from the outside by the applied power, so it takes time not only to transfer the heat to the inside of the electrolytic cell, but also the amount of power consumed. Don't be foolish However, the electric heating material built-in type in the present invention is most preferable because it directly transfers heat to the aqueous solution in the electrolytic cell, so that it takes a very short time to raise to the target temperature, and it is economical because it consumes less power. Is the method. Needless to say, after the target temperature is reached, the water electrolysis apparatus can be stably operated by controlling the power applied to the electrothermal material to stop.

使用する電熱材は、電解槽内に設置するため、耐食性材質、または防水加工された材質のものを使用することが好ましく、しかもそれら材質が低電力仕様であることが最も好ましい。また、使用する電熱材は、線状、網目状若しくはシート状に加工された物であればよく、電解槽内での配置は底面部位、槽壁部位、電極内臓セル外壁と電解槽内壁の間の部位、若しくは電極内臓セル外壁に設置すればよいが、電熱材の配置場所としては、電極内臓セル外壁に設置することが最も好ましい。この設置方法により、セル外壁を通して電極内蔵セル内の電解水溶液を加熱でき、またセル外壁と槽内壁の間の電解水溶液を同時に加熱することができるので、電解槽内の電解水溶液全体を効率的に、また速やかに加熱することができる。  Since the electrothermal material to be used is installed in the electrolytic cell, it is preferable to use a corrosion-resistant material or a waterproof material, and it is most preferable that these materials have a low power specification. Moreover, the electric heating material to be used may be a material processed into a linear shape, a mesh shape or a sheet shape, and the arrangement in the electrolytic cell is between the bottom surface region, the tank wall region, the electrode built-in cell outer wall and the electrolytic cell inner wall. However, it is most preferable that the electrothermal material is placed on the outer wall of the electrode-embedded cell. By this installation method, the electrolytic aqueous solution in the cell with a built-in electrode can be heated through the outer wall of the cell, and the electrolytic aqueous solution between the outer wall of the cell and the inner wall of the tank can be heated at the same time. Moreover, it can be heated quickly.

本発明における第3の解決手段は、第2の解決手段の帰結ともいえるが電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電源から電力を加え制御し、電解水溶液の凍結を防止した水電気分解装置の実現方法を提供することである。  The third solving means in the present invention can be said to be a consequence of the second solving means, but is a water in which an electrothermal mechanism using an electrothermal material is provided in the electrolytic cell, and electric power is controlled from an external power source to prevent the aqueous electrolytic solution from freezing. It is to provide a method for realizing an electrolysis apparatus.

水電気分解装置を冬場における寒冷地で使用する場合、電解水溶液の凍結が大きな問題となるが、電解槽内に設けた電熱材による電熱機構を利用することは、凍結防止策として最も有効な方法である。  When water electrolyzers are used in cold regions in winter, freezing of the aqueous electrolytic solution is a major problem, but using an electrothermal mechanism with an electrothermal material provided in the electrolytic cell is the most effective method for preventing freezing. It is.

最近の傾向として、水電気分解装置の多方面への応用を可能にするため、装置自体の小型化が推し進められている。装置の小型化に伴い、電解セル内の電極間距離も狭まり、1〜5mmとなっている。また電極間距離の短縮に伴い水溶液中の水酸化ナトリウム(NaOH)や水酸化カリウム(KOH)の使用量も減少する傾向にあり、濃度として0.1〜1.0%となっている。  As a recent trend, downsizing of the apparatus itself is being promoted in order to enable application of the water electrolysis apparatus to various fields. With the miniaturization of the apparatus, the distance between the electrodes in the electrolytic cell is also reduced to 1 to 5 mm. In addition, the amount of sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) in the aqueous solution tends to decrease as the distance between the electrodes decreases, and the concentration is 0.1 to 1.0%.

一方、特別なケースではあるが、浄水器やイオン交換樹脂を通すことで、水電気分解を妨げる外乱因子としての、塩素等の物質を除去した水道水を使用することも検討されている。このような傾向は、危険物としての化学物質の取り扱いが減少するため、非常に好ましいことである。水道水には残留物として、カルシウム(Ca)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)等が微量に含まれているが、これらの物質は電気分解に寄与するものである。したがって、浄化した水道水を適当な方法により安価に濃縮できれば、より効果的に電気分解に寄与することが期待され、また取り扱いが危険な水酸化物等の化学物質を使用する必要がなくなるため最も好ましい。  On the other hand, although it is a special case, the use of tap water from which substances such as chlorine have been removed as a disturbance factor that hinders water electrolysis by passing a water purifier or an ion exchange resin is also being studied. Such a tendency is very preferable because the handling of chemical substances as dangerous substances is reduced. Although tap water contains trace amounts of calcium (Ca), sodium (Na), potassium (K), etc., these substances contribute to electrolysis. Therefore, if purified tap water can be concentrated at a low cost by an appropriate method, it is expected to contribute to electrolysis more effectively, and it is no longer necessary to use chemical substances such as hydroxides that are dangerous to handle. preferable.

電解槽内水溶液の凍結防止剤としては、既にホウ水素化ナトリウム(NaBH)等の化学物質の使用が検討されたが、凝固温度を−20度以下に保持するには、多量の混入を必要とするため、化学物質を少なめにした水溶液または浄水した水道水を使用しようとする傾向とは逆行するもので、その取り扱いに危険が伴うため好ましい方法とはいえない。The use of chemical substances such as sodium borohydride (NaBH 4 ) has already been studied as an antifreezing agent for aqueous solution in the electrolytic cell, but a large amount of contamination is required to maintain the solidification temperature below -20 ° C. Therefore, it is contrary to the tendency to use an aqueous solution or a purified tap water with a reduced amount of chemical substances, and it is not a preferable method because it involves danger in handling.

また、水道水等の凍結防止材としては、サーモスタットで制御できる、線状やシート状の電熱材が一般的に使用されている。このような電熱材を電解層の外側を取り巻くことで凍結防止を行うことができるが、すでに記載したように、トラック等に搭載する場合、風雨に曝されることにより破損や腐食等の恐れがあり、またそれに伴う漏電等の重大な問題が生じる恐れがあるため好ましくない。  Moreover, as antifreezing materials such as tap water, linear or sheet-shaped electric heating materials that can be controlled by a thermostat are generally used. Freezing can be prevented by surrounding such an electrothermal material around the outside of the electrolytic layer. However, as described above, when mounted on a truck or the like, there is a risk of damage or corrosion due to exposure to wind and rain. In addition, there is a possibility that serious problems such as electric leakage may occur.

凍結防止自体の目的は、電解水溶液の凍結を防止することにより、電解槽内部の構造変化、電解水溶液の特性変化や電解反応の変化を防止することにある。したがって、電熱材を電解槽内部に設け、外部から電力を加えることで発生する熱は、直接電解水溶液に速やかに伝わるのでより効果的であり、それに消費される電力を少なく抑えることができる。  The purpose of antifreezing itself is to prevent structural changes inside the electrolytic cell, changes in the characteristics of the electrolytic aqueous solution, and changes in the electrolytic reaction by preventing the electrolytic aqueous solution from freezing. Therefore, the heat generated by providing an electric heating material inside the electrolytic cell and applying electric power from the outside is more effective because it is directly transmitted to the aqueous electrolytic solution, and the electric power consumed by it can be reduced.

上記の問題は、既に記載した電解槽内に設けた電熱材を、そのまま凍結防止用として使用することで解決できる。また、凍結を防止するための温度制御は、サーモスタットを使用して行ってもよく、また別の制御装置を使用して行ってもよい。しかしながら、電解水溶液の凍結防止温度としては、6度前後であれば十分なので、サーモスタットで制御するよりも電力効率の面から別電源で制御する方が遥かに好ましい。  The above problem can be solved by using the electric heating material provided in the already described electrolytic cell as it is for preventing freezing. Moreover, temperature control for preventing freezing may be performed using a thermostat, or may be performed using another control device. However, as the antifreezing temperature of the electrolytic aqueous solution is around 6 degrees, it is sufficient to control it with a separate power source from the viewpoint of power efficiency rather than controlling with a thermostat.

使用する電熱材の仕様や電解槽内における配置に関しては、既に記載した。それにより第2の解決手段の場合と同様の効果を得ることができる。また、電熱材として各種形状のものがあるが、水電気分解装置の小型軽量化に大きく影響するものではない。  The specifications of the electric heating material to be used and the arrangement in the electrolytic cell have already been described. Thereby, the same effect as the case of the second solution can be obtained. Moreover, although there are various types of electrothermal materials, it does not greatly affect the reduction in size and weight of the water electrolysis apparatus.

以上のように、本発明は、効率的な生成を可能にする電解用電極を使用し、また水溶液の加熱用としての電熱材を電解層の内部に設け、それらに加える外部電力を制御することで、安定的な稼動による水素及び酸素ガスの生成効率の向上や、電解水溶液の凍結防止を可能にした水電気分解装置を提供する。  As described above, the present invention uses an electrode for electrolysis that enables efficient production, and provides an electrothermal material for heating an aqueous solution inside the electrolytic layer, and controls the external power applied to them. Thus, a water electrolysis apparatus capable of improving the production efficiency of hydrogen and oxygen gas through stable operation and preventing the electrolytic aqueous solution from freezing is provided.

本発明によれば、グラファイト板を電極用基材として使用し、陽極として使用する面にはグラフェン層、酸素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成し、また陰極として使用する面にはグラフェン層、水素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成することで水素及び酸素ガスの生成効率が向上し、かつ電力効率の向上も実現することができる。上記高生成効率及び高電力効率は、電解用電極の面積を使用目的に応じて選択することができ、また軽量なグラファイト板を電極用基材として使用したため、水電気分解装置の小型軽量化も同時に達成することができる。  According to the present invention, a graphite plate is used as an electrode substrate, and a graphene layer, a hydrogen storage metal layer having a low oxygen overvoltage or an alloy layer thereof is formed on a surface used as an anode, and a surface used as a cathode. By forming a graphene layer, a hydrogen storage metal layer with a low hydrogen overvoltage, or an alloy layer thereof, the generation efficiency of hydrogen and oxygen gas can be improved, and the power efficiency can be improved. The high generation efficiency and high power efficiency can be selected according to the purpose of use of the electrode area for electrolysis, and since a lightweight graphite plate is used as the electrode substrate, the water electrolysis apparatus can be reduced in size and weight. Can be achieved at the same time.

また、本発明によれば、電解層内部に電熱材による電熱機構を設け、それに加える外部電力を制御することで、安定的な稼動による水素及び酸素ガスの生成や、凍結を防止する機能を有した水電気分解装置を提供することにより、危険な凍結防止用化学物質の使用が回避できるだけではなく、風雨に曝されることにより破損や腐食等の恐れや、またそれに伴う漏電等の重大な問題も回避することができる。また、電解層内部に電熱材による電熱機構を設けたとしても、水電気分解装置の小型軽量化は十分に可能であるため、その使用において上記記載の機能により多方面への応用を可能にする。  In addition, according to the present invention, there is a function of preventing generation of hydrogen and oxygen gas by stable operation and freezing by providing an electric heating mechanism with an electric heating material inside the electrolytic layer and controlling external electric power applied thereto. By providing a water electrolyzer that can be used, it is possible not only to avoid the use of dangerous anti-freeze chemicals, but also to cause serious problems such as damage and corrosion due to exposure to wind and rain, and the associated leakage Can also be avoided. In addition, even if an electrothermal mechanism using an electrothermal material is provided inside the electrolytic layer, the water electrolysis apparatus can be sufficiently reduced in size and weight, so that it can be applied to various fields by using the functions described above. .

電解用電極の構造を示す斜視図である。  It is a perspective view which shows the structure of the electrode for electrolysis. 水電気分解装置の稼働において電熱機構を使用しない場合と使用した場合の時間の経過による温度上昇及び平衡温度状態を示す対比グラフである  It is the contrast graph which shows the temperature rise by the passage of time, and the equilibrium temperature state when not using the electrothermal mechanism in the operation of the water electrolysis apparatus and when using it

以下、本発明の実施の形態に係る水電気分解装置の生成効率の向上させる方法、電解温度での安定稼動を実現する方法や電解水溶液の凍結を防止する方法に関して、その態様を説明する。  Hereinafter, the aspect is demonstrated regarding the method of improving the production | generation efficiency of the water electrolyzer based on embodiment of this invention, the method of implement | achieving the stable operation at electrolysis temperature, and the method of preventing freezing of aqueous electrolytic solution.

まず、本発明の第1の実施形態に係る電解反応効率の高い電解用電極の使用による水素及び酸素ガスの生成効率及び電力効率を高める方法に関して、以下に説明する。  First, a method for increasing the generation efficiency and power efficiency of hydrogen and oxygen gas by using the electrode for electrolysis with high electrolytic reaction efficiency according to the first embodiment of the present invention will be described below.

図1は、本発明の実施のために使用する電解用電極の構造を示す斜視図である。基材としてのグラファイト板に電力供給端子を取り付けるための端子孔を設け、研磨やエッチングを施した後、プラズマCVD装置によりグラファイト板11の両面に対しグラフェン層12、13を形成した積層構造体としての電解用電極1を示している。  FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an electrode for electrolysis used for carrying out the present invention. A laminated structure in which graphene layers 12 and 13 are formed on both surfaces of a graphite plate 11 by a plasma CVD apparatus after providing a terminal hole for attaching a power supply terminal to a graphite plate as a base material, polishing and etching 1 shows an electrode 1 for electrolysis.

電解用電極1の大きさは、面積が30×20cm、厚さが0.8mmである。電解用電極1は3枚一組として2極を電解セル内に組み込んでいるが、電解槽内に連結して4セルを組み込んであるので、電解用電極板1の枚数は12枚で、電解用電極8極を直列に連結した構成になっている。また、電極間距離は5mmである。The electrode 1 for electrolysis has an area of 30 × 20 cm 2 and a thickness of 0.8 mm. The electrode 1 for electrolysis is incorporated into two electrolysis cells as a set of three, but since four cells are incorporated in the electrolysis tank, the number of electrolysis electrode plates 1 is twelve. This is a configuration in which eight electrodes for a motor are connected in series. The interelectrode distance is 5 mm.

実験に使用した水電気分解装置は、電解槽函(34×18×26cm)がステンレス鋼で組み上げられ、上蓋が厚めのプラスチックで構成されている。電解槽函に関しては、軽量化の面から自動車に搭載されているバッテリーと同様の強化プラスチック材を使用することが好ましい。また、上蓋には、電解電極への電力供給端子、電熱材への電力供給端子、温度計測用端子、圧力弁や水素及び酸素ガス取り出し口が設けられている。電解水溶液としては、蒸留水(9.5l)に水酸化ナトリウム(NaOH)を重量比で0.7%を加えたものである。In the water electrolysis apparatus used in the experiment, an electrolytic cell box (34 × 18 × 26 cm 2 ) is assembled from stainless steel, and the upper lid is formed from a thick plastic. As for the electrolytic cell case, it is preferable to use a reinforced plastic material similar to the battery mounted on the automobile from the viewpoint of weight reduction. In addition, the upper lid is provided with a power supply terminal for the electrolytic electrode, a power supply terminal for the electric heating material, a temperature measurement terminal, a pressure valve, and a hydrogen and oxygen gas outlet. The electrolytic aqueous solution is obtained by adding 0.7% by weight of sodium hydroxide (NaOH) to distilled water (9.5 l).

電気系統は、電源と制御系で構成されている。電源は、出力定格値として電圧24V及び電流50Aであり、ON/OFFサイクルが25msec、40Hzで、ON状態が70%、OFF状態が30%のチョッパ方式を採用したものである。また、制御系は、供給電流制御及び温度制御回路で構成されている。  The electric system is composed of a power supply and a control system. The power supply employs a chopper method with a voltage of 24V and a current of 50A as output rated values, an ON / OFF cycle of 25 msec and 40 Hz, an ON state of 70%, and an OFF state of 30%. The control system includes a supply current control and a temperature control circuit.

上記に示した構成の水電気分解装置で水素及び酸素ガスの生成実験を実施したが、電解槽内の温度が60度の条件下で、1分間の生成量から割り出した単位電力当りの生成量が約5.2cc/W、また50度の条件下では約4.8cc/Wという好結果が得られた。上記実験結果は、水電気分解装置の多方面への適用において十分に耐え得るものである。現に、ディゼルエンジン搭載のトラックの燃費試験では、27%以上の燃費の向上効果が得られており、このテスト結果は当該水電気分解装置の多方面への適用が十分に可能であることを示している。  A hydrogen and oxygen gas generation experiment was conducted with the water electrolysis apparatus having the above-described configuration. The generated amount per unit power calculated from the generated amount per minute under the condition that the temperature in the electrolytic cell was 60 degrees. Was about 5.2 cc / W, and about 4.8 cc / W was obtained under the condition of 50 degrees. The above experimental results can be sufficiently tolerated in various applications of the water electrolysis apparatus. In fact, in the fuel economy test of trucks equipped with a diesel engine, an improvement in fuel efficiency of more than 27% has been obtained, and this test result shows that the water electrolysis apparatus can be applied to many areas. ing.

上記に示した結果は、グラファイト板を電極用基材として、その両面にグラフェン層を形成した積層構造体としての電解用電極の効率的な電解反応効率の向上によるもので、水素及び酸素ガスの生成効率や電力効率の向上に大きく寄与する電解用電極であることが確認された。  The results shown above are due to the improvement in the efficiency of the electrolytic reaction of the electrode for electrolysis as a laminated structure in which a graphene layer is formed on both surfaces of a graphite plate as an electrode substrate. It was confirmed that the electrode for electrolysis greatly contributes to improvement of generation efficiency and power efficiency.

一方、グラファイト板を電極用基材として、陽極側にグラフェン層を、陰極側に鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−チタン(Ti)合金層を形成して、それを電解電極として使用し上記と同様の条件で実験を行ったが、生成効率は上記の結果よりも上回った。  On the other hand, a graphite plate is used as an electrode substrate, a graphene layer is formed on the anode side, and an iron (Fe) -nickel (Ni) -titanium (Ti) alloy layer is formed on the cathode side. The experiment was conducted under the same conditions as above, but the production efficiency exceeded the above results.

以上の結果により、グラファイト板を電極用基材として、陽極として使用する面には水素吸蔵物質層であるグラフェン層、酸素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成し、また陰極として使用する面にはグラフェン層、水素過電圧の低い水素吸蔵金属層やその合金層を形成することで水素及び酸素ガスの生成効率が向上し、かつ電力効率の向上も実現することができた。また、上記の結果から、電解用電極の面積を使用目的に応じて選択でき、また軽量なグラファイト板を電極用基材として使用したため、水電気分解装置の小型軽量化も達成することができる。  Based on the above results, a graphite plate is used as an electrode substrate, and a graphene layer, which is a hydrogen storage material layer, a hydrogen storage metal layer with a low oxygen overvoltage, or an alloy layer thereof is formed on the surface to be used as an anode, and is also used as a cathode. By forming a graphene layer, a hydrogen storage metal layer with a low hydrogen overvoltage, or an alloy layer thereof on the surface to be produced, the generation efficiency of hydrogen and oxygen gas was improved, and the power efficiency was also improved. Moreover, from the above results, the area of the electrode for electrolysis can be selected according to the purpose of use, and since a lightweight graphite plate is used as the electrode substrate, the water electrolysis apparatus can also be reduced in size and weight.

本発明の第2の実施形態に係る電解槽内に加熱用として電熱材による電熱機構を設けることで、水電気分解装置の電解反応温度による安定稼動を短時間で実現する方法と電解水溶液の凍結を防止する方法に関して、以下に説明する。  By providing an electrothermal mechanism using an electrothermal material for heating in the electrolytic cell according to the second embodiment of the present invention, a method for realizing a stable operation in an electrolysis temperature of the water electrolysis apparatus in a short time and freezing of the aqueous electrolytic solution A method for preventing this will be described below.

本発明による電熱材としては、ニクロム、タンタルやグラファイト等の各種物質があるが、当該実験で使用したのはニクロム線を加工しシート状にした電熱材である。シート状電熱材は、線状のニクロム線をジグザグ状に蛇行する形状に形成して、絶縁性、耐熱性及び耐食性に優れた折り曲げ可能な薄手の平板状シートで両側からはさみこみ、耐食性、耐熱性接着剤で接着するか、若しくは熱で溶着して形設した構造体である。線状電熱材の両端は外部電極と結合するための端子が設けてある。この端子は、外部から電力を入力できるようにしたものである。  The electrothermal material according to the present invention includes various materials such as nichrome, tantalum, and graphite. The electrothermal material used in the experiment is a nichrome wire processed into a sheet shape. The sheet-shaped electric heating material is formed in a zigzag meandering shape of linear nichrome wire, and is a thin foldable flat sheet with excellent insulation, heat resistance, and corrosion resistance, sandwiched from both sides, corrosion resistance, heat resistance The structure is formed by bonding with an adhesive or welding with heat. Both ends of the linear electric heating material are provided with terminals for coupling with external electrodes. This terminal can be used to input power from the outside.

シート状電熱材は、電解槽内の電解セルの外壁に巻き付け、ずれ等が起きないように貼り付けた状態で設置している。シート状電熱材の端子は、電解槽の上部に設けた端子と耐食性皮膜で被われた電線で結ばれている。このとき電熱線端子と電線の接合部はスパーク等の発生を防ぐため溶接する。また、電解槽の上部に設けた電極は電源装置に連結されている。このとき電源は、温度制御可能な制御装置が組み込まれており、それによって温度センサーからの信号を感知し供給電力を制御する。また、電源は、シート状電熱材と電解用電極に加える電力は独立しており、制御も独立して行う構成に設計されたものである。  The sheet-like electrothermal material is installed in a state where it is wound around the outer wall of the electrolysis cell in the electrolyzer and attached so as not to be displaced. The terminal of the sheet-like electrothermal material is connected to a terminal provided on the upper part of the electrolytic cell and an electric wire covered with a corrosion-resistant film. At this time, the junction between the heating wire terminal and the electric wire is welded to prevent the occurrence of sparks or the like. Moreover, the electrode provided in the upper part of the electrolytic cell is connected with the power supply device. At this time, the power supply incorporates a control device capable of controlling the temperature, thereby sensing the signal from the temperature sensor and controlling the power supply. The power source is designed to have a structure in which the electric power applied to the sheet-like electrothermal material and the electrode for electrolysis is independent and control is performed independently.

図2は、水電気分解装置を稼動した時の温度上昇及び平衡温度状態を示したグラフである。横軸は稼働時間を示し、縦軸は電解槽内の温度を示している。温度曲線aは電解用電極にだけに外部電力を加えた通常の稼動による温度上昇及び熱平衡温度状態になるまでのグラフを示しており、また温度曲線bは電解用電極と同時にシート状電熱材にも外部電力を加えた稼動による温度上昇及び熱平衡温度状態になるまでのグラフを示している。  FIG. 2 is a graph showing a temperature rise and an equilibrium temperature state when the water electrolysis apparatus is operated. The horizontal axis indicates the operating time, and the vertical axis indicates the temperature in the electrolytic cell. A temperature curve a shows a graph of a temperature rise and a thermal equilibrium temperature state due to normal operation in which external power is applied only to the electrode for electrolysis, and a temperature curve b shows the sheet-like electrothermal material simultaneously with the electrode for electrolysis. The graph also shows the temperature rise and thermal equilibrium temperature state due to operation with external power applied.

上記グラフから明らかなように、電解用電極だけに外部から電力を供給した通常の稼動においては、温度上昇が緩やかであり、熱平衡温度である一定の温度に達するまではかなりの時間がかかる。また、電解用電極と同時にシート状電熱材にも外部から電力を加えた稼動においては、温度上昇は急であり、平衡温度である一定の温度に達するまでの時間はかなり短縮される。このときシート状電熱材に外部から加えた電力は、電解槽内温度が45度を超えた時点で自動的に電源がOFF状態になり、電力供給が中断するよう制御される。その後は、電解電極だけに電力を供給し、その電力を制御することで水電気分解装置の安定稼動が可能となる。  As is apparent from the graph, in normal operation in which power is supplied from the outside to only the electrode for electrolysis, the temperature rises slowly, and it takes a considerable time to reach a certain temperature that is the thermal equilibrium temperature. In addition, during operation in which electric power is applied to the sheet-like electrothermal material simultaneously with the electrode for electrolysis, the temperature rises rapidly, and the time required to reach a certain temperature that is the equilibrium temperature is considerably shortened. At this time, the electric power applied from the outside to the sheet-like electrothermal material is controlled so that the power supply is automatically turned off and the power supply is interrupted when the temperature inside the electrolytic cell exceeds 45 degrees. Thereafter, by supplying power only to the electrolytic electrode and controlling the power, the water electrolysis apparatus can be stably operated.

以上のように、本発明による水電気分解装置は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、それに外部電源から電解用電極と同時に電力を加え、電解槽内の温度を急激に立ち上げ短時間に熱平衡温度である一定温度にすることで、目標とする水素酸素ガスの生成量を安定的に得ることを可能にした。  As described above, the water electrolysis apparatus according to the present invention is provided with an electrothermal mechanism using an electrothermal material in an electrolytic cell, to which electric power is simultaneously applied from an external power source to the electrode for electrolysis, and the temperature in the electrolytic cell is rapidly increased. By making the temperature a constant temperature, which is the thermal equilibrium temperature, it is possible to stably obtain the target amount of hydrogen oxygen gas produced.

また、本発明の実施においては、水溶液電解質として水酸化物を使用することなく、浄化し濃縮した水道水を電気分解用水溶液として、上記と同様の水電気分解装置を使用して実験を行った。その結果、水溶液電解質として水酸化物を使用した場合と同様の温度特性を得ることができたと同時に、水素及び酸素ガスの生成量を安定的に得ることができた。したがって、本発明によれば、取り扱いが危険な水酸化物等の化学物質を電解質として使用することなく、最も安全である濃縮した浄化水道水を使用することでも十分に安定稼動が可能な水電気分解装置を提供することができる。  Further, in the practice of the present invention, an experiment was conducted using a water electrolysis apparatus similar to the above, using purified and concentrated tap water as an aqueous solution for electrolysis without using hydroxide as an aqueous electrolyte. . As a result, it was possible to obtain the same temperature characteristics as when the hydroxide was used as the aqueous electrolyte, and at the same time, to stably obtain the generation amounts of hydrogen and oxygen gas. Therefore, according to the present invention, water and electricity that can be sufficiently stably operated by using the safest concentrated purified tap water without using chemical substances such as hydroxides that are dangerous to handle as an electrolyte. A disassembly device can be provided.

一方、本発明の実施においては、電解水溶液の凍結を防止の確認をするための実験も行った。この実験は、水電気分解装置を−30度以下の冷凍室内に設置し、外部と遮断した雰囲気の中で行った。水溶液の凍結を防止するため、加える電力の制御は、電解槽内の温度が2度でON、6度でOFF、または6度で一定温度になるよう設定した。その結果、長時間の実験でも電解水溶液の凍結は起こることはなかった。また、実験後、当該水電気分解装置により水素及び酸素ガスの生成実験を行ったが、生成効率等の稼動特性には何ら変化は起こらなかった。  On the other hand, in carrying out the present invention, an experiment for confirming prevention of freezing of the electrolytic aqueous solution was also conducted. This experiment was carried out in an atmosphere where the water electrolysis apparatus was installed in a freezing room of −30 degrees or less and shut off from the outside. In order to prevent the aqueous solution from freezing, the electric power applied was set so that the temperature in the electrolytic cell was ON at 2 degrees, OFF at 6 degrees, or a constant temperature at 6 degrees. As a result, freezing of the aqueous electrolytic solution did not occur even in a long experiment. In addition, after the experiment, hydrogen and oxygen gas production experiments were performed with the water electrolysis apparatus, but no change occurred in the operation characteristics such as production efficiency.

以上のように、本発明による水電気分解装置は、電解槽内に電熱材による電熱機構を設け、電解槽内の温度を温度センサーにより感知し、それにより供給電力を制御することで電解水溶液の凍結を防止することを可能にした。これにより取り扱いが危険な凍結防止用化学物質を使用することなく、また電熱材を電解層の外側を取り巻くことで凍結防止を行うことがないため、風雨に曝されることによる破損や腐食等の恐れがなくなり、またそれに伴う漏電等の重大な問題が生じる恐れもなくなる。また、電源からの電力の制御もサーモスタットを使用しなくてもよいため、電力の消費も少なくてすむ。  As described above, the water electrolysis apparatus according to the present invention includes an electrothermal mechanism using an electrothermal material in an electrolytic cell, senses the temperature in the electrolytic cell with a temperature sensor, and controls the power supplied thereby, It was possible to prevent freezing. As a result, it is possible to prevent damage or corrosion due to exposure to wind and rain, because it does not use freeze-preventing chemical substances that are dangerous to handle and does not prevent freezing by surrounding the electrothermal material outside the electrolytic layer. There is no fear, and there is no danger of serious problems such as leakage. In addition, since it is not necessary to use a thermostat for the control of power from the power source, power consumption can be reduced.

1:電解用電極
11:グラファイト板
12:蒸着したグラフェン層
13:蒸着したグラフェン層
14:電力供給端子を取り付けるための端子孔
a:電熱材を使用しないときの温度上昇曲線
b:電熱材を使用したときの温度上昇曲線
1: Electrode for electrolysis 11: Graphite plate 12: Deposited graphene layer 13: Deposited graphene layer 14: Terminal hole for attaching a power supply terminal a: Temperature rise curve when no heating material is used b: Using heating material Temperature rise curve when

Claims (2)

水素及び酸素ガスの生成効率及び電力効率を向上させるため、軽量なグラファイト板を電極用基材として使用し、その両面に対して、陽極及び陰極として使用する面にそれぞれ水素吸蔵物質層であるグラフェン層、酸素及び水素過電圧の低い水素吸蔵金属層またはその合金層を形成して成る積層構造体を電解用電極として使用したことを特徴とし、それにより小型軽量化した水電気分解装置  In order to improve the generation efficiency and power efficiency of hydrogen and oxygen gas, a lightweight graphite plate is used as an electrode substrate, and on both sides, graphene is a hydrogen storage material layer on the surfaces used as an anode and a cathode, respectively. Water electrolysis apparatus characterized in that a layered structure formed by forming a layer, a hydrogen storage metal layer having a low oxygen and hydrogen overvoltage or an alloy layer thereof is used as an electrode for electrolysis. 電解反応温度まで運転稼動時から短時間で達成し、また電解槽内水溶液の凍結防止を実現にするため、低濃度水酸化物混入水溶液または濃縮した浄化水道水から成る電解槽内に熱の発生源として、耐食性電熱材または防水加工された電熱材による電熱機構を設けたことを特徴とする請求項1記載の水電気分解装置  Heat generation in the electrolytic cell consisting of low-concentration hydroxide mixed aqueous solution or concentrated purified tap water to achieve the electrolytic reaction temperature in a short time from the start of operation and to prevent freezing of the aqueous solution in the electrolytic cell 2. The water electrolysis apparatus according to claim 1, wherein an electrothermal mechanism is provided as a source by a corrosion-resistant electrothermal material or a waterproof electrothermal material.
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