JP2014504680A - In particular, an electrolytic cell for producing H2 and O2 and an assembly comprising the electrolytic cell - Google Patents

In particular, an electrolytic cell for producing H2 and O2 and an assembly comprising the electrolytic cell Download PDF

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Abstract

本発明は、純水の、又はNaCl、HSO、KOH又はNaOHなどの少なくとも1つの塩、塩基及び/又は酸を含む水の電気分解により、水素、酸素、塩素又は次亜塩素酸、又は水酸化ナトリウムなどの少なくとも1つの化学物質を生成するための電解槽に関し、この電解槽は、少なくとも第1及び第2の連続する電解セルのスタックを備え、各電解セル(10)は、陽極と、陰極と、陽極と陰極の間に配置されたイオン交換膜(11)とを備え、第1及び第2の電解セルのイオン交換膜(11)は、一方では第1の電解セルの陽極を構成し、他方では第1の電解セルの陰極を構成するバイポーラ電極(15)により分離される。
【選択図】 図3
The present invention relates to hydrogen, oxygen, chlorine or hypochlorous acid by electrolysis of pure water or water containing at least one salt, base and / or acid such as NaCl, H 2 SO 4 , KOH or NaOH. Or an electrolyzer for producing at least one chemical such as sodium hydroxide, the electrolyzer comprising at least a stack of first and second successive electrolysis cells, each electrolysis cell (10) comprising an anode And an ion exchange membrane (11) disposed between the anode and the cathode, the ion exchange membrane (11) of the first and second electrolysis cells on the one hand being the anode of the first electrolysis cell On the other hand, it is separated by a bipolar electrode (15) constituting the cathode of the first electrolysis cell.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、各々が陽極と陰極の間に少なくとも1つのイオン交換膜を配置する複数の電解セルを備えた電解槽を用いて、純水、又はNaCl、H2SO4、KOH、NaOHなどの塩、塩基及び/又は酸を含む水の電気分解により二水素、二酸素、塩素、次亜塩素酸又はソーダなどの化学物質を生成することに関する。 The present invention uses an electrolytic cell provided with a plurality of electrolytic cells each having at least one ion exchange membrane disposed between an anode and a cathode, and uses pure water, NaCl, H 2 SO 4 , KOH, NaOH, or the like. It relates to the production of chemicals such as dihydrogen, dioxygen, chlorine, hypochlorous acid or soda by electrolysis of water containing salts, bases and / or acids.

本発明は、対象とする1又は複数の物質の生成を容易にしてそのコストを低下させるように電解槽を改善することを目的とする。   It is an object of the present invention to improve an electrolytic cell so as to facilitate the production of one or more substances of interest and reduce the cost thereof.

従って、本発明は、少なくとも第1及び第2の連続する電解セルのスタックを備えた、二水素及び二酸素又はその他の化学物質を生成するための電解槽に関し、各電解セルは、
− 陽極と、
− 陰極と、
− 陽極と陰極の間に配置された少なくとも1つのイオン交換膜と、
を有し、第1及び第2の電解セルの交換膜は、一方では第1の電解セルの陽極を構成し、他方では第2の電解セルの陰極を構成するバイポーラ電極により分離される。
Accordingly, the present invention relates to an electrolyzer for producing dihydrogen and dioxygen or other chemicals comprising at least a stack of first and second successive electrolysis cells, each electrolysis cell comprising:
-An anode;
-A cathode;
-At least one ion exchange membrane arranged between the anode and the cathode;
The exchange membranes of the first and second electrolysis cells are separated by a bipolar electrode constituting on the one hand the anode of the first electrolysis cell and on the other hand the cathode of the second electrolysis cell.

本発明による電解槽は、異なるセルの陽極と陰極が互いに分離された既知の電解槽に比べて組み立てが単純である。   The electrolytic cell according to the present invention is simple to assemble compared to known electrolytic cells in which the anode and cathode of different cells are separated from each other.

さらに、電解槽内の、特にセル内及び/又は異なる電解セル間における電流の循環を改善することができる。   Furthermore, the current circulation in the electrolytic cell, in particular in the cell and / or between different electrolytic cells, can be improved.

この電解槽は、純水、或いはNaCl、H2SO4、KOH又はNaOHなどの塩、塩基及び/又は酸を含む水の電気分解により、二水素、二酸素、塩素、次亜塩素酸、ソーダを生成するように構成することができる。 This electrolytic cell is made of dihydrogen, dioxygen, chlorine, hypochlorous acid, soda by electrolysis of pure water or water containing salt, base and / or acid such as NaCl, H 2 SO 4 , KOH or NaOH. Can be configured to generate.

バイポーラ電極は、一体部品のバイポーラ板を有することができ、このバイポーラ板には、必要に応じて少なくとも1つのグリッド又は少なくとも1つの多孔板、特に1つ又は2つのグリッド及び1つ又は2つの多孔板が伴い、これらのグリッド及び多孔板はバイポーラ板の両側に配置することができる。本出願を通じて、「板(plate)」という用語は、壁と同義語であると広く理解すべきであり、平坦形状が好ましい場合でも平坦な構成部品に限定されるものではない。一方のグリッドは、第1のセルの陽極チャンバを少なくとも部分的に定め、もう一方のグリッドは、第2のセルの陰極チャンバを少なくとも部分的に定めることができる。各陽極チャンバ又は陰極チャンバは、一方ではバイポーラ板により、他方では多孔板により、その範囲を定めることができる。多孔板は、隣接するイオン交換膜を好適に支持することができる。多孔板は、電気化学反応を促すように電解質及び気体を循環させるディフューザの役割も果たす。180°軸回転させて組み立てた同一のガスケットにより、気体及び電解質に対するチャンバの気密性、並びに互いに独立して不透過性である陽極チャンバ及び陰極チャンバの各々における循環が得られる。   The bipolar electrode can have a one-piece bipolar plate, which includes at least one grid or at least one perforated plate, especially one or two grids and one or two perforated plates, as required. With the plates, these grids and perforated plates can be placed on either side of the bipolar plate. Throughout this application, the term “plate” should be broadly understood to be synonymous with wall and is not limited to flat components even if a flat shape is preferred. One grid can at least partially define the anode chamber of the first cell, and the other grid can at least partially define the cathode chamber of the second cell. Each anode or cathode chamber can be delimited by a bipolar plate on the one hand and a perforated plate on the other. The perforated plate can favorably support adjacent ion exchange membranes. The perforated plate also serves as a diffuser that circulates electrolyte and gas so as to promote an electrochemical reaction. The same gasket assembled with 180 ° axis rotation provides chamber tightness to gases and electrolytes and circulation in each of the anode and cathode chambers, which are impermeable independently of each other.

バイポーラ電極は、全体的に一体部品で作製することができ、この場合、バイポーラ板、グリッド及び多孔板は、電解槽内に設置される前に互いに一体化される。   The bipolar electrode can be made entirely as a single piece, in which case the bipolar plate, grid and perforated plate are integrated with each other before being installed in the electrolytic cell.

バイポーラ電極、又は少なくともバイポーラ板は、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、カドミウム、モリブデン、白金、ステンレス鋼、チタン、タンタル、鉄合金、鉛合金、及び/又は酸化タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化鉛、酸化鉄、白金、白金カーボン、パラジウム、ニッケル、カドミウム及び/又はモリブデンの薄層のうちの少なくとも1つを含むことができる。   Bipolar electrode or at least bipolar plate is nickel, iridium, ruthenium, palladium, cadmium, molybdenum, platinum, stainless steel, titanium, tantalum, iron alloy, lead alloy and / or tantalum oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, lead oxide , Iron oxide, platinum, platinum carbon, palladium, nickel, cadmium and / or a thin layer of molybdenum.

多孔板は、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、カドミウム、モリブデン、白金、ステンレス鋼、チタン、タンタル、鉄合金、鉛合金、及び/又は酸化タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化鉛、酸化鉄、白金、白金カーボン、パラジウム、ニッケル、カドミウム及び/又はモリブデンの薄層のうちの少なくとも1つを含むことができる。   Perforated plate is nickel, iridium, ruthenium, palladium, cadmium, molybdenum, platinum, stainless steel, titanium, tantalum, iron alloy, lead alloy and / or tantalum oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, lead oxide, iron oxide, platinum , Platinum carbon, palladium, nickel, cadmium and / or a thin layer of molybdenum.

1又は複数の多孔板は、例えば、イオン交換膜に隣接する面が上述した材料のうちの1つの層で覆われたチタンを含むことができる。   The one or more perforated plates can include, for example, titanium whose surface adjacent to the ion exchange membrane is covered with one layer of the materials described above.

陽極は、チタン、タンタル、イリジウム、鉄合金、鉛合金、及び/又は酸化タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化鉛及び/又は酸化鉄の薄層のうちの少なくとも1つを含むことができる。この薄層は、特にイオン交換膜に隣接する陽極面上に配置することができる。   The anode can include at least one of a thin layer of titanium, tantalum, iridium, iron alloy, lead alloy, and / or tantalum oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, lead oxide, and / or iron oxide. This thin layer can in particular be arranged on the anode surface adjacent to the ion exchange membrane.

陰極は、ニッケル、イリジウム、カドミウム、モリブデン、白金、チタン、タンタル、鉄合金、鉛合金、ニッケル合金、及び/又は白金、白金カーボン、パラジウム、ニッケル、カドミウム及び/又はモリブデンの薄層のうちの少なくとも1つを含むことができる。この薄層は、特にイオン交換膜に隣接する陰極面上に配置することができる。   The cathode is at least one of a thin layer of nickel, iridium, cadmium, molybdenum, platinum, titanium, tantalum, iron alloy, lead alloy, nickel alloy, and / or platinum, platinum carbon, palladium, nickel, cadmium and / or molybdenum. One can be included. This thin layer can in particular be arranged on the cathode surface adjacent to the ion exchange membrane.

バイポーラ電極は、特にその全体を、例えばチタンなどの同一の材料で作製することができる。より正確には、バイポーラ板の全体を、例えばチタンなどの同一の材料で作製することができる。1又は複数のグリッドも、その全体を、例えばチタンなどの同一の材料で作製することができる。1又は複数の多孔板も、その全体を、例えばチタンなどの同一の材料で作製することができる。   In particular, the entire bipolar electrode can be made of the same material, for example titanium. More precisely, the entire bipolar plate can be made of the same material, for example titanium. The entire grid or grids can also be made of the same material, for example titanium. The entire porous plate can also be made of the same material such as titanium.

電極間には、フレーム及びガスケットを配置することができる。電解質は、フレーム及びガスケット内に形成された孔、及びガスケット内に形成された循環ダクトを通じてセル間を循環することができる。   A frame and a gasket can be disposed between the electrodes. The electrolyte can circulate between the cells through holes formed in the frame and gasket and a circulation duct formed in the gasket.

変形例として、バイポーラ電極、特にバイポーラ板は、例えばチタンなどの材料の被覆を含むことができる。この被覆は、例えば約50μmなどの、10〜100μmの厚みを有することができる。   As a variant, the bipolar electrode, in particular the bipolar plate, can comprise a coating of a material such as, for example, titanium. This coating can have a thickness of 10-100 μm, for example about 50 μm.

イオン交換膜は、窒化ホウ素を含むことが好ましく、活性化された窒化ホウ素を含むことがより好ましい。   The ion exchange membrane preferably contains boron nitride, and more preferably contains activated boron nitride.

窒化ホウ素の「活性化」の目的は、窒化ホウ素のイオン伝導を高めることにある。活性化された窒化ホウ素では、活性化された「BN」結晶が、その表面上に−OH、−H、−SO3H、−SO4H結合を生じ、これによりN−H2 +、B−OH2 +、B−SOX2 +又はN−SOX2 +基が生成される。イオンの伝導は、窒化ホウ素中の窒素の孔に挿入された酸素原子上で利用可能な対によっても行われることがある。これらの酸素原子を含む窒素の孔は、特にB2O3又はH3BO3から窒化ホウ素が得られた際に存在し得る。 The purpose of “activation” of boron nitride is to increase the ionic conduction of boron nitride. In activated boron nitride, the activated “BN” crystal produces —OH, —H, —SO 3 H, —SO 4 H bonds on its surface, thereby producing N—H 2 + , B A —OH 2 + , B—SO X H 2 + or N—SO X H 2 + group is produced. Ionic conduction may also be performed by pairs available on oxygen atoms inserted into nitrogen holes in boron nitride. These nitrogen pores containing oxygen atoms may be present especially when boron nitride is obtained from B2O3 or H3BO3.

使用する窒化ホウ素は、酸化ホウ素、ホウ酸カルシウム、ホウ酸、硫酸からの少なくとも1つの、例えば1又はそれ以上の置換元素を含むことができる。このような元素が存在することにより、特にこれらが1〜10%の重量比率で存在する時に活性化を促すことができる。例えば窒化ホウ素の細孔内に、又はアモルファス形態でホウ酸が存在することにより、B−OH及びN−H結合の形成を促すことができる。   The boron nitride used can comprise at least one, for example one or more substitution elements from boron oxide, calcium borate, boric acid, sulfuric acid. The presence of such elements can promote activation, especially when they are present in a weight ratio of 1 to 10%. For example, the presence of boric acid in the pores of boron nitride or in an amorphous form can facilitate the formation of B—OH and N—H bonds.

活性化を行うには、窒化ホウ素又はこれを含む膜を、H3+又はSO4 2-イオンを供給して窒化ホウ素中にB−OH及び/又はB−SO4H、B−SO3H、N−SO4H、N−SO3H結合及び/又はN−H結合を形成するための流体に曝すことができる。この流体は、例えばHCl、H2SO4、H3PO4、H227などの強酸又は弱酸などの、H3+を含む酸性溶液とすることができ、或いは酸性溶液である必要はないが、例えばソーダ又はカリの溶液などの、例えばOH−イオンを含む塩基溶液とすることができる。溶液の濃度は、得られる活性化の速度及びレベル、すなわち得られるイオン伝導性のレベルに影響を与え得るが、活性化自体の出現には影響しない。酸の濃度は、例えば1〜18モル/Lであり、ソーダの濃度は0.5〜1モル/Lとすることができる。 In order to perform the activation, boron nitride or a film including the same is supplied with H 3 O + or SO 4 2− ions, and B—OH and / or B—SO 4 H, B—SO 3 is supplied into the boron nitride. It can be exposed to a fluid to form H, N—SO 4 H, N—SO 3 H and / or N—H bonds. The fluid can be an acidic solution containing H 3 O + , such as a strong or weak acid such as HCl, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 2 S 2 O 7 , or is an acidic solution. Although not necessary, it can be a base solution containing, for example, OH-ions, such as a soda or potash solution. The concentration of the solution can affect the rate and level of activation obtained, i.e. the level of ionic conductivity obtained, but not the appearance of activation itself. The acid concentration is, for example, 1 to 18 mol / L, and the soda concentration can be 0.5 to 1 mol / L.

[BN]結晶の、−OH、−SO4H、−SO3H、−SO4H、−SO3H及び/又は−Hとの結合の形成を促進するには、窒化ホウ素又はこれを含む膜を、例えばH2SO4酸の1M溶液の存在下で、例えば15〜40000V/mの電場に曝すことができる。 To promote the formation of bonds with [BN] crystals with —OH, —SO 4 H, —SO 3 H, —SO 4 H, —SO 3 H and / or —H, including boron nitride or this The membrane can be exposed to an electric field of, for example, 15-40,000 V / m, for example in the presence of a 1M solution of H 2 SO 4 acid.

この電場は、外部発電機によって供給することができる。印加する電圧は、例えば約30Vなどの、1.5V〜50Vである。電圧源は一定とすることができ、又は変形例として非一定とすることもできる。この電圧源は、例えば材料内の電流密度が急激に高まった場合などに、活性化の終了を自動的に検出するように構成することができる。活性化中に窒化ホウ素内を循環する電流の強度は、例えば約10mA/cm2〜1000mA/cm2である。 This electric field can be supplied by an external generator. The applied voltage is 1.5V to 50V, for example, about 30V. The voltage source can be constant or, as a variant, non-constant. The voltage source can be configured to automatically detect the end of activation, for example, when the current density in the material increases rapidly. Intensity of the current circulating in the boron nitride in the activation is, for example, about 10mA / cm 2 ~1000mA / cm 2 .

流体による活性化は、例えば約60℃などの、0〜90℃、或いは室温で行うことができる。   Activation by the fluid can be performed at 0-90 ° C., such as about 60 ° C., or at room temperature.

窒化ホウ素は、溶液に曝した後に洗浄し、任意に電解槽の製造に使用する前に乾燥させることができる。流体は、その残留含量が2%未満になるように除去することができる。   Boron nitride can be washed after exposure to a solution and optionally dried prior to use in the manufacture of an electrolytic cell. The fluid can be removed so that its residual content is less than 2%.

流体に曝すステップの持続時間は、50時間未満とすることができる。   The duration of the step of exposing to the fluid can be less than 50 hours.

本発明の実施例では、例えば粉末形態の窒化ホウ素を、例えば3Mの濃硫酸と所定時間にわたって混合することにより窒化ホウ素を活性化させてから洗浄した後で、例えばこの活性化された窒化ホウ素をポリマーマトリクスと混合することにより、活性化された窒化ホウ素をイオン交換膜の作製に使用する。   In an embodiment of the invention, for example, boron nitride in powder form is activated after being activated by mixing boron nitride, for example, with 3M concentrated sulfuric acid for a predetermined time, and then washed, for example. Activated boron nitride by mixing with a polymer matrix is used to make an ion exchange membrane.

イオン交換膜は、ポリマーマトリクスを含むことができる。ポリマーマトリクスは、以下に限定されるわけではないが、ポリビニルアルコール(PVA)、ビニルカプロラクタム、PTFE(テフロン(登録商標))、スルホン化ポリエーテルスルホンからのポリマーのうちの少なくとも1つを含むことができる。ポリマーマトリクスは、例えばテフロン(登録商標)という商品名で知られているDUPONT社からのPTFE、又は別の会社からのPTFEを含むことができる。PTFEによるイオン伝導は、他のポリマーとの場合と同様に良好であり、0.2S/cmに達することができる。   The ion exchange membrane can include a polymer matrix. The polymer matrix may include, but is not limited to, at least one of polymers from polyvinyl alcohol (PVA), vinyl caprolactam, PTFE (Teflon), sulfonated polyethersulfone. it can. The polymer matrix can comprise, for example, PTFE from DUPONT, known under the trade name Teflon, or PTFE from another company. The ionic conduction with PTFE is as good as with other polymers and can reach 0.2 S / cm.

膜内の窒化ホウ素の重量比率は、50%を上回ることができ、特にPTFEとの組み合わせの場合には、さらに95%以上になることができる。いくつかの実施形態では、この比率が、例えば約70%であり、他の実施形態では約90%である。   The weight ratio of boron nitride in the film can exceed 50%, and can be further 95% or more, particularly in combination with PTFE. In some embodiments, this ratio is, for example, about 70%, and in other embodiments about 90%.

イオン交換膜の機械的強度(300μmでの機械的強度)は、少量のPTFEの場合でも十分であり、例えば25℃における5重量%のPTFEでは約4MPa(ヤング率)であり、より多量のPTFE、例えば15%では約6MPaと有意に高まる。   The mechanical strength (mechanical strength at 300 μm) of the ion exchange membrane is sufficient even with a small amount of PTFE, for example, about 4 MPa (Young's modulus) with 5 wt% PTFE at 25 ° C., and a larger amount of PTFE. For example, at 15%, it is significantly increased to about 6 MPa.

イオン交換膜を使用する温度範囲はかなり広く、最高180℃とすることができる。   The temperature range in which the ion exchange membrane is used is fairly wide and can be up to 180 ° C.

イオン交換膜内に存在する窒化ホウ素は、例えば5μmを中心とする0.5〜15μmの長軸寸法を有する粒子で構成された粉末の形をとることができる。   Boron nitride present in the ion exchange membrane can take the form of a powder composed of particles having a major axis dimension of 0.5 to 15 μm centered on 5 μm, for example.

作用機構の1つの仮説によれば、窒化ホウ素におけるイオン伝導は、この粒子を構成する活性化された窒化ホウ素結晶の表面上で生じる。   According to one hypothesis of the mechanism of action, ionic conduction in boron nitride occurs on the surface of the activated boron nitride crystals that make up this particle.

1つの実施形態では、窒化ホウ素が、ナノ粒子の、すなわち例えば10〜500ナノメートルなどのナノメートルサイズの単結晶を有する粒子の粉末で構成される。   In one embodiment, the boron nitride is composed of a powder of nanoparticles, ie, particles having a nanometer-sized single crystal, such as, for example, 10-500 nanometers.

イオン交換膜は、例えば約200μm〜300μmなどの、50〜500μmの厚みを有することができる。比較的薄い厚みでは、イオン伝導を向上させることができる。それにも関わらず、必要に応じて、イオン交換膜の厚みは、電解槽内の高圧に耐えられるほど十分なものとする。本発明の1つの実施例では、この圧力が、例えば30バールに達することができる。   The ion exchange membrane can have a thickness of 50 to 500 μm, such as about 200 μm to 300 μm. With a relatively thin thickness, ion conduction can be improved. Nevertheless, if necessary, the thickness of the ion exchange membrane should be sufficient to withstand the high pressure in the electrolytic cell. In one embodiment of the invention, this pressure can reach, for example, 30 bar.

「材料の透過性」は、その材料の内在する特性を示し、流体又は気体を含む液体を通過させる能力の測定基準であり、材料の多孔性とは無関係である。水に溶解した二水素又は二酸素は、イオン交換膜を通過することができる。この現象は、収集された二酸素中に二水素が存在すること、及び収集された二水素中に二酸素が存在することを示す。   “Material permeability” refers to an intrinsic property of the material and is a metric for the ability to pass fluids, including fluids or gases, and is independent of the porosity of the material. Dihydrogen or dioxygen dissolved in water can pass through the ion exchange membrane. This phenomenon indicates the presence of dihydrogen in the collected dioxygen and the presence of dioxygen in the collected dihydrogen.

二酸素中に二水素が存在すると、危険な状態になる場合がある。空気中又は二酸素中に約4%の二水素が存在することが、爆発下限(LEL)に相当する。従って、LELの基準は、二酸素中に4%の二水素が存在することが100%LELに対応するものとして定義される。   The presence of dihydrogen in dioxygen can be dangerous. The presence of about 4% dihydrogen in air or dioxygen corresponds to the lower explosion limit (LEL). Therefore, the LEL criterion is defined as the presence of 4% dihydrogen in dioxygen corresponding to 100% LEL.

イオン交換膜を通過する二水素及び二酸素の透過性は、二酸素中の二水素の割合が、30バール及び90℃で70%LEL未満になるほど十分に小さいことが好ましい。電解槽は、この限界を超えたときに起動するアラームを備えることができる。アセンブリは、二酸素中の二水素のレベル及び二水素中の二酸素のレベルをモニタするための1又はそれ以上のセンサを電解槽出口に配置することができ、これにより二水素の十分な純度を保証することができる。純度が不十分な場合、動作を停止することができる。   The permeability of dihydrogen and dioxygen through the ion exchange membrane is preferably sufficiently small so that the proportion of dihydrogen in dioxygen is less than 70% LEL at 30 bar and 90 ° C. The electrolyzer can be equipped with an alarm that is activated when this limit is exceeded. The assembly can have one or more sensors at the outlet of the cell to monitor the level of dihydrogen in dioxygen and the level of dioxygen in dihydrogen, thereby providing sufficient purity of dihydrogen Can be guaranteed. If the purity is insufficient, the operation can be stopped.

「多孔性」は、流体、液体又は気体を含むことができる材料の間隙が結合しているかどうかに関わらず、これらの間隙全てを示す。多孔性は、これらの間隙を特徴付ける数値であり、材料の空隙容積を全容積で除算した割合に対応する。イオン交換膜は、動作状態では気体を通さないように、動作中には無孔性であることが好ましい。逆に、乾いたイオン交換膜は無孔性でなくてもよい。乾いたイオン交換膜は、気体不浸透性でなくてもよい。   “Porosity” refers to all of these gaps, regardless of whether the gaps in the material, which can include fluids, liquids or gases, are bonded. Porosity is a numerical value that characterizes these gaps and corresponds to the ratio of the void volume of the material divided by the total volume. The ion exchange membrane is preferably nonporous during operation so as not to allow gas to pass in the operating state. Conversely, a dry ion exchange membrane may not be nonporous. The dry ion exchange membrane may not be gas impermeable.

各電解セルは水を消費することができ、電解セル内では、例えばH2O→H2+1/2O2の反応が生じる。この反応は、H3+イオン又はプロトンH+がイオン交換膜を通って陽極から陰極に循環しやすくすることができる酸性媒体中で生じ得る。 Each electrolytic cell can consume water, and a reaction of, for example, H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 occurs in the electrolytic cell. This reaction can occur in an acidic medium that can facilitate the circulation of H 3 O + ions or protons H + through the ion exchange membrane from the anode to the cathode.

従って、電解質は、水及び酸を含むことができる。酸は、以下に限定されるわけではないが、硫酸、リン酸、カルボン酸から選択することができる。酸の濃度は、例えば約5〜20重量%とすることができる。   Thus, the electrolyte can include water and acid. The acid can be selected from, but not limited to, sulfuric acid, phosphoric acid, and carboxylic acid. The acid concentration can be, for example, about 5 to 20% by weight.

この反応は、OH-イオンがイオン交換膜を通って陰極から陽極に循環しやすくすることができる塩基媒体中でも生じ得る。 This reaction can also occur in a basic medium that can facilitate the circulation of OH - ions through the ion exchange membrane from the cathode to the anode.

従って、電解質は、水及び塩基を含むことができる。塩基は、以下に限定されるわけではないが、カリKOH及びソーダNaOHから選択することができる。塩基の濃度は、例えば約5〜30重量%とすることができる。   Thus, the electrolyte can include water and a base. The base can be selected from, but not limited to, potash KOH and soda NaOH. The concentration of the base can be, for example, about 5 to 30% by weight.

生成したいと思う1又は複数の物質によっては、使用中に酸又は塩基を添加する必要がなく、例えば水のみでよい場合もある。   Depending on the substance or substances that one wishes to produce, it may not be necessary to add an acid or base during use, for example water alone.

動作中、各電解セルの端子における電圧は、例えば約1.48Vなどの、1.24〜5Vである。動作中、電解セル内を循環する電流は、活性表面が500cm2の場合、例えば約500Aなどの、200〜1000Aとすることができる。   In operation, the voltage at the terminals of each electrolysis cell is 1.24-5V, such as about 1.48V. In operation, the current circulating in the electrolysis cell can be 200-1000 A, such as about 500 A, for example, when the active surface is 500 cm 2.

1つの実施形態では、スタックの少なくとも1つのセルが、陽極と陰極の間に単一のイオン交換膜を有する。このセルは、陽極とイオン交換膜の間に定められた陽極チャンバ、及び陰極とイオン交換膜の間の陰極チャンバという2つのチャンバを有することができる。この構成では、電解槽を、H2とO2の生成、Cl2とNaOHの生成、又はCl2とH2の生成に使用することができる。 In one embodiment, at least one cell of the stack has a single ion exchange membrane between the anode and the cathode. The cell can have two chambers: an anode chamber defined between the anode and the ion exchange membrane, and a cathode chamber between the cathode and the ion exchange membrane. In this configuration, the electrolytic cell can be used to produce H 2 and O 2 , Cl 2 and NaOH, or Cl 2 and H 2 .

1つの実施形態では、スタックの少なくとも1つのセルが2つのイオン交換膜を有することができ、この2つのイオン交換膜は、その間に中間チャンバを形成することが好ましい。このセルは、3つのチャンバを有することができる。この構成では、電解槽を、HClOの生成及びNaOHの生成に、又は塩水の脱塩、従って純水の生成に使用することができる。   In one embodiment, at least one cell of the stack can have two ion exchange membranes, which preferably form an intermediate chamber therebetween. This cell can have three chambers. In this configuration, the electrolyzer can be used for HClO and NaOH production, or for salt water desalination and thus pure water production.

少なくとも1つのセルは、窒化ホウ素を含む膜などの非選択性イオン交換膜、及びNafionベースの膜などの選択性交換膜を有することができる。   At least one cell can have a non-selective ion exchange membrane, such as a membrane comprising boron nitride, and a selective exchange membrane, such as a Nafion-based membrane.

「非選択性交換膜」は、陰イオンと陽イオンの両方を伝導する能力を有する膜を意味する。   “Nonselective exchange membrane” means a membrane having the ability to conduct both anions and cations.

中間チャンバ内の電解質の循環を、特に電解槽の動作中に電解槽内で生成される物質を取り出す目的で設定する手段が存在してもよい。   There may be means for setting the circulation of the electrolyte in the intermediate chamber, especially for the purpose of taking out the material produced in the electrolytic cell during operation of the electrolytic cell.

本発明はさらに、電解アセンブリにも関し、この電解アセンブリは、
− 上記で定義した電解槽と、
− 例えば二水素の陰極生成に関連し、得られた二水素を所与の圧力で供給するためのリザーバと、
− 例えば二酸素の陽極生成に関連し、得られた二酸素を所与の圧力で供給するためのリザーバと、
を備える。
The present invention further relates to an electrolytic assembly, the electrolytic assembly comprising:
-An electrolytic cell as defined above;
A reservoir for supplying the obtained dihydrogen at a given pressure, for example in connection with the cathode production of dihydrogen,
A reservoir for supplying the resulting dioxygen at a given pressure, for example in connection with anodic production of dioxygen;
Is provided.

電解質は、これら2つのリザーバの各々に貯蔵することができる。   The electrolyte can be stored in each of these two reservoirs.

アセンブリは、特に2つのリザーバの基部に、これらのリザーバ間の流体連通部を有することができる。アセンブリは、各リザーバ内の電解質の液位をモニタする装置を備えることができる。後述するように、流体連通部は、各リザーバ内の電解質の液位との関連で切替弁により制御することができる。   The assembly can have a fluid communication between these reservoirs, particularly at the base of the two reservoirs. The assembly can comprise a device for monitoring the electrolyte level in each reservoir. As will be described later, the fluid communication portion can be controlled by a switching valve in relation to the electrolyte level in each reservoir.

変形例として、及び可能性に応じて、この流体連通部を自由にして、2つのリザーバ内の電解質の液位の均衡を確実にすることができる。このようにすることで、電気分解により二水素と二酸素を生成する場合に、各リザーバ内で得られる気体に利用できる相対容積の比率が常に一定となり、結果的に反応の化学量論、従ってリザーバ内の圧力の均衡が尊重される。リザーバ間の接続部を有する利点は、各リザーバ内の液位の均衡を確実にすることができる点である。   As a variant and possibly, this fluid communication can be freed to ensure a balance of electrolyte levels in the two reservoirs. In this way, when dihydrogen and dioxygen are produced by electrolysis, the ratio of the relative volume available for the gas obtained in each reservoir is always constant, resulting in the reaction stoichiometry, and thus The balance of pressure in the reservoir is respected. The advantage of having a connection between the reservoirs is that the liquid level in each reservoir can be ensured.

アセンブリは、給水部を有することができる。1つの実施形態では、二酸素を生成する場合、二酸素リザーバにより給水部を提供することができる。変形例として、二水素リザーバにより給水部を提供することもできる。   The assembly can have a water supply. In one embodiment, when generating dioxygen, the water supply can be provided by a dioxygen reservoir. As a modification, the water supply unit may be provided by a dihydrogen reservoir.

電解質は、水に加えて、水酸基イオン及び硫酸イオンを含むことができる。   The electrolyte can contain hydroxyl ions and sulfate ions in addition to water.

陽極側では、電圧が存在する場合、硫酸イオンが、水を気体酸素と水酸基イオンに変換する。酸素は回収され、水酸基イオンは膜を通過して陰極に向かう。従って、これにより水が消費される。陰極側では、電圧が存在する場合、水酸基イオンが水素と水に変換される。硫酸イオンが存在することにより、水酸基イオンの濃度レベルを維持することができる。   On the anode side, when voltage is present, sulfate ions convert water into gaseous oxygen and hydroxyl ions. Oxygen is recovered and hydroxyl ions pass through the membrane toward the cathode. Accordingly, this consumes water. On the cathode side, when voltage is present, hydroxyl ions are converted to hydrogen and water. The presence of sulfate ions makes it possible to maintain the concentration level of hydroxyl ions.

本発明の実施例では、電解槽が、7つの連続する電解セルを備え、セル当たりの活性表面は500cm2である。動作中、このような電解槽は、70%の効率で7kWの電力を消費することができる。 In an embodiment of the invention, the electrolytic cell comprises 7 consecutive electrolysis cells and the active surface per cell is 500 cm 2 . In operation, such an electrolytic cell can consume 7 kW of power with 70% efficiency.

別の実施例では、電解槽が、70個の連続する電解セルを備える。動作中、このような電解槽は、70%の効率で70kWの電力を消費することができる。   In another embodiment, the electrolytic cell comprises 70 consecutive electrolysis cells. In operation, such an electrolytic cell can consume 70 kW of power with 70% efficiency.

各イオン交換膜は、例えば30cm×35cmの寸法の、約1050cm2の全表面積、又は500cm2の活性表面を有することができる。 Each ion-exchange membrane, for example, the dimensions of 30 cm × 35 cm, may have a total surface area, or the active surface of 500 cm 2 to about 1050 cm 2.

電解槽は、連続する電解セルに隣接する前端部シールド及び後端部シールドを備えることができる。前端部シールド及び後端部シールドは、例えばステンレス鋼316Lなどのステンレス鋼を含むことができる。   The electrolytic cell can include a front end shield and a rear end shield adjacent to a continuous electrolysis cell. The front end shield and the rear end shield can include, for example, stainless steel such as stainless steel 316L.

アセンブリは、大気に放出されない気体排出が存在する場合に、リザーバ内の圧力を、例えば10〜30バールの値に安定化させるためのスタビライザを有する。大気圧で動作することも可能である。このスタビライザは、対応するリザーバ内の圧力を調整して各リザーバにおいて同一の圧力を得るための、各リザーバのための排出装置を有することができ、これにより電解セルに対する損傷、特にイオン交換膜に対する損傷を防ぐことができる。   The assembly has a stabilizer to stabilize the pressure in the reservoir to a value of, for example, 10-30 bar when there is a gas exhaust that is not released to the atmosphere. It is also possible to operate at atmospheric pressure. This stabilizer can have an exhaust device for each reservoir to adjust the pressure in the corresponding reservoir to obtain the same pressure in each reservoir, thereby causing damage to the electrolysis cell, particularly against the ion exchange membrane Damage can be prevented.

各リザーバは、制御圧センサ、及び緊急時に動作する安全弁を備えた脱気口を有することもできる。   Each reservoir may also have a deaeration port with a control pressure sensor and a safety valve that operates in an emergency.

各リザーバは、生成された気体をユーザが回収できるようにする出口弁をさらに有する。生成された気体は、回収して直接使用することも、又は例えば300バールの値に圧縮して移送することもできる。   Each reservoir further has an outlet valve that allows the user to collect the generated gas. The gas produced can be recovered and used directly, or it can be transported compressed for example to a value of 300 bar.

二水素及び二酸素を生成する場合、純粋な二水素が得られるように、二水素リザーバ内に存在し得る残留二酸素を燃焼させることができる触媒を含む装置を二水素リザーバの出口に備えることができる。例えば二水素を残留二酸素と燃焼させることにより得られることがある残留水分を除去するための乾燥器を使用することもできる。その後、得られた二水素の流量を計測することができ、また得られた気体の純度を確認するためのセンサを取り付けることもできる。   When producing dihydrogen and dioxygen, a device containing a catalyst capable of burning residual dioxygen that may be present in the dihydrogen reservoir is provided at the outlet of the dihydrogen reservoir so that pure dihydrogen is obtained. Can do. For example, a drier can be used to remove residual moisture that may be obtained by burning dihydrogen with residual dioxygen. Thereafter, the flow rate of the obtained dihydrogen can be measured, and a sensor for confirming the purity of the obtained gas can be attached.

アセンブリは、電解槽の温度を制御して、例えば0℃〜120℃の、さらには70℃〜120℃の値のほぼ一定の動作温度を維持するように、一方では各リザーバ内に、他方では電解セル自体の中に、電解質の温度センサをさらに有することができる。電解質の温度は、例えば約70℃とすることができる。十分に高い動作温度を維持することにより、圧力の選択とは関係なく電気化学反応を促すことができる。逆に、それを上回るとアセンブリが劣化するリスクがある温度限界を超えてはならない。必要に応じて、アセンブリは、電解質が電解槽に入る前に電解質を冷却するための、冷却の有効性をモニタするための温度センサを任意に備えた少なくとも1つ、或いは2つの装置を備えることもできる。   The assembly controls the temperature of the electrolytic cell to maintain a substantially constant operating temperature, for example from 0 ° C. to 120 ° C., or even from 70 ° C. to 120 ° C., on the one hand in each reservoir, on the other hand. An electrolytic temperature sensor can be further included in the electrolytic cell itself. The temperature of the electrolyte can be about 70 ° C., for example. By maintaining a sufficiently high operating temperature, an electrochemical reaction can be promoted regardless of pressure selection. Conversely, temperature limits above which the risk of the assembly degrading must not be exceeded. Optionally, the assembly comprises at least one or two devices, optionally with a temperature sensor for monitoring the effectiveness of cooling, for cooling the electrolyte before it enters the electrolytic cell. You can also.

アセンブリは、動作温度と外部温度の温度差に応じて、例えば低温環境で使用するための加熱装置をさらに備えることができる。この加熱装置は、例えば電解質リザーバ内の電解質中に又はセルのスタックに近接して配置された例えば抵抗を含む。変形例として、アセンブリを加熱するための抵抗損を得るために動作の開始時に電圧を高め、その後、動作電圧に戻すこともできる。   The assembly may further comprise a heating device, for example for use in a low temperature environment, depending on the temperature difference between the operating temperature and the external temperature. The heating device includes, for example, a resistor disposed, for example, in the electrolyte in the electrolyte reservoir or close to the stack of cells. As a variant, the voltage can be increased at the start of operation to obtain a resistance loss for heating the assembly and then returned to the operating voltage.

アセンブリは、外部からの断熱を有することもできる。   The assembly can also have external insulation.

温度を動作温度に安定化させることにより、電解槽の効率及び耐用期間を向上させることができる。   By stabilizing the temperature to the operating temperature, the efficiency and lifetime of the electrolytic cell can be improved.

電磁弁は、少なくとも部分的にPVDFで作製することができる。   The solenoid valve can be made at least partially from PVDF.

電解槽の電源装置は、コンセントの電流及び電圧から電解セルのスタックに供給される電流及び/又は電圧までを制御するためのプロセス制御コンピュータを備えた電気キャビネット内に収容されることが好ましい。   The electrolyzer power supply is preferably housed in an electrical cabinet with a process control computer for controlling from outlet current and voltage to current and / or voltage supplied to the stack of electrolysis cells.

この制御キャビネットは、アセンブリの遠隔保守を可能にする遠隔接続を備えることもできる。   The control cabinet can also be equipped with a remote connection that allows remote maintenance of the assembly.

アセンブリの動作時間は、少なくとも約10000時間とすることができる。   The operating time of the assembly can be at least about 10,000 hours.

さらに、アセンブリは、電解質貯蔵タンクを備えることができる。   Further, the assembly can comprise an electrolyte storage tank.

アセンブリは、酸性度センサを備えることができ、又は逆にこれを備えなくてもよい。   The assembly can be equipped with an acidity sensor, or vice versa.

本発明はさらに、中間チャンバ電解槽を用いた次亜塩素酸の生成方法にも関する。セルの陽極チャンバが水を含み、陰極チャンバが水を含み、中間チャンバが塩水を含むことができる。   The present invention further relates to a method for producing hypochlorous acid using an intermediate chamber electrolytic cell. The cell's anode chamber can contain water, the cathode chamber can contain water, and the intermediate chamber can contain salt water.

本発明はさらに、電解槽セルにも関し、このセルは、
− 陽極と、
− 陰極と、
− 2つの交換膜、特に、
陽極と陰極の間に配置された選択性交換膜及び非選択性交換膜、好ましくは活性化された窒化ホウ素ベースの非選択性膜、及び好ましくはNafionベースの選択性膜と、
を備え、非選択性膜は、選択性膜を塩基性環境又は酸性環境から保護することが好ましい。
The present invention further relates to an electrolyzer cell, the cell comprising:
-An anode;
-A cathode;
-Two exchange membranes, in particular
A selective exchange membrane and a non-selective exchange membrane disposed between the anode and the cathode, preferably an activated boron nitride-based non-selective membrane, and preferably a Nafion-based selective membrane;
The non-selective membrane preferably protects the selective membrane from a basic environment or an acidic environment.

以下に示す実施例の詳細な説明を読んで添付図面を検討すれば、本発明をより良く理解できるであろう。   A better understanding of the present invention can be obtained when the following detailed description of the embodiments is read and the accompanying drawings are considered.

本発明による電解セルのスタックの斜視図である。1 is a perspective view of a stack of electrolysis cells according to the present invention. FIG. 図1の電解セルのスタックの分解図である。FIG. 2 is an exploded view of the stack of electrolysis cells of FIG. 1. 電解セルの分解図である。It is an exploded view of an electrolysis cell. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図1及び図2のスタックを構成する各構成部品の平面図である。It is a top view of each component which comprises the stack | stuck of FIG.1 and FIG.2. 図3の電解セルの概略的部分断面図である。FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of the electrolytic cell of FIG. 3. 図3の電解セルの概略的部分断面図である。FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of the electrolytic cell of FIG. 3. 本発明によるアセンブリの斜視図である。Figure 2 is a perspective view of an assembly according to the present invention. 本発明によるアセンブリの斜視図である。Figure 2 is a perspective view of an assembly according to the present invention. 本発明によるアセンブリの斜視図である。Figure 2 is a perspective view of an assembly according to the present invention. 本発明によるアセンブリの動作を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the operation of the assembly according to the present invention. 電解質温度の制御を示す図である。It is a figure which shows control of electrolyte temperature. 電解質温度の制御を示す図である。It is a figure which shows control of electrolyte temperature. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明によるアセンブリ内の電解質の流れの管理を概略的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the management of electrolyte flow in an assembly according to the invention. 本発明による電解槽の変形例を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the modification of the electrolytic cell by this invention. 本発明の1つの実施形態によるセルのスタック内の電解質の循環を示す図である。FIG. 3 illustrates electrolyte circulation within a stack of cells according to one embodiment of the invention. 様々なチャンバ内の循環を定めるための、様々な要素内の孔の使用を示す図である。FIG. 5 shows the use of holes in various elements to define circulation in various chambers.

図1及び図2に、本発明による電解セルのスタック1を示す。説明する例では、このスタックが、6つのバイポーラ電極4により分離された7つの電解セル10、及び両端に2つの端部電極4aを備える。   1 and 2 show a stack 1 of electrolysis cells according to the invention. In the example described, this stack comprises seven electrolysis cells 10 separated by six bipolar electrodes 4 and two end electrodes 4a at both ends.

図3、図4a〜図4lに示すように、各セルは、少なくとも1つのイオン交換膜11を備え、その両側に、各々がフレーム13によって取り巻かれた多孔板12が配置される。この2つの多孔板12は、図4e及び図4gに示すように異なるサイズを有することができ、図6に示すように一方を他方よりも大きくして、スタックの設置中に一方の多孔板が他方の多孔板の周囲のフレーム上に支持されるようにし、イオン交換膜の良好な機械的保護を保証してあらゆる剪断効果を回避するようにすることができる。フレーム13は、関連する多孔板に対応する形状を有しているので、結果として図4d及び図4hに示すように各々が異なる形状を有するようになる。大きい方の多孔板は、陰極側又は陽極側のいずれに存在してもよい。各フレーム13は、対応する多孔板の位置決めを可能にする。これにより機械的保護が与えられる。フレーム13は、チタン、例えばナイロン、テフロン(登録商標)、PFA、PEHDなどのプラスチック、又はエポキシで作製することができる。   As shown in FIGS. 3 and 4 a to 4 l, each cell includes at least one ion exchange membrane 11, and porous plates 12 each surrounded by a frame 13 are arranged on both sides thereof. The two perforated plates 12 can have different sizes as shown in FIGS. 4e and 4g, with one of the perforated plates being larger than the other as shown in FIG. It can be supported on a frame around the other perforated plate to ensure good mechanical protection of the ion exchange membrane and avoid any shearing effects. Since the frame 13 has a shape corresponding to the associated perforated plate, each of the frames 13 has a different shape as shown in FIGS. 4d and 4h. The larger porous plate may be present on either the cathode side or the anode side. Each frame 13 allows the positioning of the corresponding perforated plate. This provides mechanical protection. The frame 13 can be made of titanium, for example, nylon, Teflon (registered trademark), plastic such as PFA, PEHD, or epoxy.

多孔板の両側には、説明する例のように同一のサイズ及び形状を有することができるグリッド14が配置される。各グリッドは、一方では陽極チャンバを、他方では陰極チャンバを定める。グリッド14は、チタンで作製することができる。   On both sides of the perforated plate, grids 14 having the same size and shape are arranged as in the example described. Each grid defines an anode chamber on the one hand and a cathode chamber on the other hand. The grid 14 can be made of titanium.

各グリッド14は、ガスケット15によって取り巻かれる。各陰極チャンバ及び陽極チャンバには同じガスケットを使用するが、陽極チャンバ内を流れる電解質と陰極チャンバ内を流れる電解質とが混ざり合うのを避けるために逆向きに配置する。説明する例では、ガスケット15が、スタックの各構成部品の製造公差に起因するスタックの厚みの製造偏差を吸収できるように容易に圧壊するよう鋸歯状になっている。   Each grid 14 is surrounded by a gasket 15. The same gasket is used for each cathode chamber and anode chamber, but placed in the opposite direction to avoid mixing the electrolyte flowing in the anode chamber with the electrolyte flowing in the cathode chamber. In the illustrated example, the gasket 15 is serrated to easily collapse so as to absorb manufacturing variations in stack thickness due to manufacturing tolerances of each component of the stack.

グリッド14の各々は、ガスケット15内に設けられた循環ダクト15a内に突出するように構成された突出部14aを備える。これらの突出部14aは、スタックの締め付け中にイオン交換膜を支持して、このレベルの気密性を改善することができ、すなわち生成される気体の混合を回避することができる。   Each of the grids 14 includes a protrusion 14 a configured to protrude into a circulation duct 15 a provided in the gasket 15. These protrusions 14a can support the ion exchange membrane during stack tightening to improve this level of tightness, i.e. avoid mixing of the gas produced.

最終的に、バイポーラ板4が、第1の電解セルの陽極チャンバと第2の隣接する電解セルの陰極チャンバとを閉鎖するようになる。バイポーラ板は、チタンで作製することができる。バイポーラ板は、グリッド14及び多孔板と共に、一方では第1の電解セルの陽極を、他方では第2の電解セルの陰極を構成するバイポーラ電極15を形成し、第1の電解セルのイオン交換膜を第2の電解セルのイオン交換膜から分離する。   Eventually, the bipolar plate 4 will close the anode chamber of the first electrolysis cell and the cathode chamber of the second adjacent electrolysis cell. The bipolar plate can be made of titanium. The bipolar plate, together with the grid 14 and the perforated plate, forms on the one hand the anode of the first electrolysis cell and on the other hand forms the bipolar electrode 15 constituting the cathode of the second electrolysis cell, and the ion exchange membrane of the first electrolysis cell. Is separated from the ion exchange membrane of the second electrolysis cell.

バイポーラ電極15、換言すれば2つのグリッド、2つの多孔板、及びバイポーラ部品は、図5に示すような5つの構成部品のアセンブリを構成し、拡散接合により、例えばチタンなどの一体部品で作製することができる。この目的のために、この5つの構成部品を金型内に配置し、これらを押圧して適所に保持し、その後、例えば約1500℃の高温に加熱する。この時、チタン上にボンディングスポットが現れることにより、一体部品のバイポーラ電極を得ることができる。   The bipolar electrode 15, in other words, the two grids, the two perforated plates, and the bipolar component constitute an assembly of five components as shown in FIG. 5, and are manufactured by diffusion bonding as an integral component such as titanium. be able to. For this purpose, the five components are placed in a mold, pressed and held in place, and then heated to a high temperature of about 1500 ° C., for example. At this time, when a bonding spot appears on the titanium, an integrated bipolar electrode can be obtained.

以下に、電解セルの異なる厚みの値の例を示す。
− 多孔板及びフレーム:0.5〜0.6mm、
− グリッド:1.25mm、これにより電解質の循環を促して水頭損失を回避することができる、
− ガスケット:1.5mm、圧壊時には1.25mmに達する、
− バイポーラ板:0.5〜0.6mm、
− イオン交換膜:0.2〜0.5mm。
Below, the example of the value of the different thickness of an electrolysis cell is shown.
-Perforated plate and frame: 0.5-0.6 mm,
-Grid: 1.25mm, which can promote electrolyte circulation and avoid head loss,
-Gasket: 1.5mm, reaching 1.25mm when crushing,
-Bipolar plate: 0.5-0.6mm,
-Ion exchange membrane: 0.2-0.5 mm.

従って、例えば4.2〜4.8mmのセル全体の厚みが得られる。   Therefore, for example, a total cell thickness of 4.2 to 4.8 mm is obtained.

イオン交換膜の表面積は、合計で約1000cm2とすることができる。活性部分、すなわち電気化学反応を起こす部分は、ほんの約半分、例えば500cm2とすることができる。イオン交換膜の一部は、多孔板に伴うフレームと同じサイズのガスケットとして使用することができる。 The total surface area of the ion exchange membrane can be about 1000 cm 2 . The active part, i.e. the part causing the electrochemical reaction, can be only about half, for example 500 cm < 2 >. A portion of the ion exchange membrane can be used as a gasket of the same size as the frame associated with the perforated plate.

電解槽は、電気化学反応の触媒を含む。これらの触媒は、イオン交換膜と多孔板の間に配置されることが好ましい。触媒は、多孔板上ではなくイオン交換膜上に堆積されることが好ましい。   The electrolytic cell contains a catalyst for electrochemical reaction. These catalysts are preferably disposed between the ion exchange membrane and the perforated plate. The catalyst is preferably deposited on the ion exchange membrane rather than on the perforated plate.

1つの実施形態では、触媒が、一方ではイオン交換膜上に堆積された触媒を、他方では、上述したように陽極及び/又は陰極を形成する多孔板上に堆積された薄層を備える。この場合、多孔板は、イオン交換膜に隣接する表面上に触媒材料の薄層を有する。   In one embodiment, the catalyst comprises, on the one hand, a catalyst deposited on an ion exchange membrane and on the other hand a thin layer deposited on a perforated plate forming an anode and / or cathode as described above. In this case, the perforated plate has a thin layer of catalyst material on the surface adjacent to the ion exchange membrane.

セルが単一のイオン交換膜を含む場合、イオン交換膜は、片側に1つずつの2つの触媒層を有することができる。   If the cell includes a single ion exchange membrane, the ion exchange membrane can have two catalyst layers, one on each side.

1つの実施形態では、セルが2つのイオン交換膜を含む場合、各イオン交換膜が単一の触媒層を有する。   In one embodiment, if the cell includes two ion exchange membranes, each ion exchange membrane has a single catalyst layer.

本発明の実施例では、触媒が、一方では水素生成側のイオン交換膜(又はそのうちの1つ)上に白金を含み、他方では二酸素生成側のイオン交換膜(又はそのうちの1つ)上にIrO2を含む。 In an embodiment of the present invention, the catalyst comprises platinum on one side (or one of them) on the hydrogen production side and on the other side (or one of them) on the dioxygen production side. Contains IrO 2 .

本発明の実施例では、触媒が、一方では陰極側のイオン交換膜(又はそのうちの1つ)上に白金を含み、他方では陽極側のイオン交換膜(又はそのうちの1つ)上にIrO2を含む。 In an embodiment of the invention, the catalyst comprises, on the one hand, platinum on the cathode side ion exchange membrane (or one of them), and on the other hand, IrO 2 on the anode side ion exchange membrane (or one of them). including.

以下、イオン交換膜上に触媒を堆積する方法の例について説明する。   Hereinafter, an example of a method for depositing a catalyst on an ion exchange membrane will be described.

多孔板と同じサイズのマスクを使用し、イオン交換膜の多孔質に覆われるようにした部分にのみ触媒が堆積するようにしてイオン交換膜上に配置する。   A mask having the same size as the perforated plate is used, and the catalyst is deposited on the ion exchange membrane so that the catalyst is deposited only on the portion of the ion exchange membrane covered with the porous material.

IrO2の堆積は、粉末形態のIrO2をエタノール、及びNafion(登録商標)、又はPTFEと混合させた活性化した窒化ホウ素などの、接着剤として使用される液体プロトン伝導体と混合することによって行われる。得られた液体を、顆粒を砕くためにソノトロード(sonotrode)内に配置し、その後、膜の一方の面に噴射することができる。この膜を、噴射の直後又は噴射中に約50℃の温度に加熱して、混合物中に存在するエタノールの蒸発を促進することができる。 IrO 2 deposition is accomplished by mixing IrO 2 in powder form with liquid proton conductors used as adhesives, such as activated boron nitride mixed with ethanol and Nafion®, or PTFE. Done. The resulting liquid can be placed in a sonotrode to break up the granules and then sprayed onto one side of the membrane. The membrane can be heated to a temperature of about 50 ° C. immediately after injection or during injection to promote the evaporation of ethanol present in the mixture.

混合物に活性炭を添加することにより、白金でも同じ手順を使用することができる。1つの実施形態では、多孔板上に堆積した触媒を使用する。   The same procedure can be used with platinum by adding activated carbon to the mixture. In one embodiment, a catalyst deposited on a perforated plate is used.

1つの実施例では、1mg/cm2の白金、及び2mg/cm2の酸化イリジウムを堆積させる。 In one embodiment, 1 mg / cm 2 of platinum and 2 mg / cm 2 of iridium oxide are deposited.

検討する例では、さらに同時にセルを組み立て、可撓性ワッシャ5によりエンドシールド2aと2bの間に締め付けて保持する。1つの実施例では、これらのワッシャが平坦ではなくバネを形成し、電解セルのスタックが受ける圧力を、結果としての圧力がほぼ一定となるように調整することができる。この圧力は、例えば約100バールとすることができる。スティフネス定数を高めるために、ワッシャのスタックを使用することができる。電解セルのスタックの締め付けは、適当な締め付けトルクを計算することにより、制御された方法で行うことができる。   In the example to be studied, the cells are assembled at the same time, and are clamped and held between the end shields 2a and 2b by the flexible washer 5. In one embodiment, these washers form a spring rather than flat, and the pressure experienced by the stack of electrolysis cells can be adjusted so that the resulting pressure is substantially constant. This pressure can be, for example, about 100 bar. A washer stack can be used to increase the stiffness constant. The clamping of the electrolysis cell stack can be performed in a controlled manner by calculating the appropriate clamping torque.

スタックは、全てが同じ形のバイポーラ板4を有することができる。特に、バイポーラ板は全て平坦とすることができる。   The stack can have bipolar plates 4 all of the same shape. In particular, all bipolar plates can be flat.

変形例として、スタックは、イオン交換膜の間に配置された平坦なバイポーラ板4を備えるとともに、陽極集電体及び陰極集電体と呼ばれる2つの異なる形のバイポーラ板4aを両端に備えることができる。これらのバイポーラ板は、対応するエンドシールド2a、2b内の中心孔に収まるようにするためのスリーブ8を有する銅部品7とそれぞれ接触して、スタックへの電力供給を可能にするように構成することができる。銅部品7は、シール(図示せず)によってエンドシールドから絶縁し、気密性及び応力分散を確実にするためにガスケット9によって取り巻くことができる。スリーブ8は、電気の供給を保護するために、テフロン(登録商標)の挿入体によって取り巻くことができる。   As a variant, the stack comprises a flat bipolar plate 4 arranged between the ion exchange membranes and two different forms of bipolar plates 4a, called the anode current collector and the cathode current collector, at both ends. it can. These bipolar plates are each configured to contact a copper part 7 having a sleeve 8 to fit in a central hole in the corresponding end shield 2a, 2b, to allow power supply to the stack. be able to. The copper part 7 can be insulated from the end shield by a seal (not shown) and surrounded by a gasket 9 to ensure hermeticity and stress distribution. The sleeve 8 can be surrounded by a Teflon insert to protect the electricity supply.

電解槽は、2つの入口と2つの出口、より正確には陰極端チャンバの入口3a及び出口3bと、陽極端チャンバの入口3c及び出口3dとを定める流体コネクタをさらに備え、2つの連続するセル間の陰極チャンバと陽極チャンバは互いに連通する。各流体コネクタは、例えばチタン製の中間挿入体を有することができる。   The electrolyzer further comprises a fluid connector defining two inlets and two outlets, more precisely a cathode end chamber inlet 3a and outlet 3b, and an anode end chamber inlet 3c and outlet 3d. The cathode chamber and the anode chamber in between communicate with each other. Each fluid connector can have an intermediate insert made of, for example, titanium.

図4kにも示す前端部シールド2aは、電解質の入口と出口、すなわち、より正確には二酸素生成側の電解質入口3a、二酸素を含む電解質のための出口3b、並びに二水素生成側の電解質入口3c、及び最後に二水素を含む電解質のための出口3dを収容する。   The front end shield 2a, also shown in FIG. 4k, has an electrolyte inlet and outlet, more precisely an electrolyte inlet 3a on the dioxygen production side, an outlet 3b for an electrolyte containing dioxygen, and an electrolyte on the dihydrogen production side. It contains an inlet 3c and finally an outlet 3d for an electrolyte containing dihydrogen.

電解質は、グリッドの周囲に配置されたガスケット15の形状に応じて電解槽内の電解セル間を循環する。   The electrolyte circulates between the electrolytic cells in the electrolytic cell according to the shape of the gasket 15 arranged around the grid.

以下、図7a、図7b及び図8を参照して、上述した電解槽、得られた二水素を供給するための二水素リザーバ21及び得られた二酸素を供給するための二酸素リザーバ22を備えた電解アセンブリ20について説明する。検討する例では、二水素リザーバの断面積が二酸素リザーバの断面積の2倍であるが、そうでなくてもよい。   Hereinafter, referring to FIG. 7a, FIG. 7b and FIG. 8, the electrolytic cell, the dihydrogen reservoir 21 for supplying the obtained dihydrogen and the dioxygen reservoir 22 for supplying the obtained dioxygen will be described. The provided electrolytic assembly 20 will be described. In the example considered, the cross-sectional area of the dihydrogen reservoir is twice that of the dioxygen reservoir, but this need not be the case.

電解質の循環は、電磁弁V1、V2、V3及びV4によって制御され、ポンプP1及びP2により、例えば「全部かゼロか」で供給される。 Electrolyte circulation is controlled by solenoid valves V 1 , V 2 , V 3 and V 4 and is supplied, for example, “all or zero” by pumps P 1 and P 2 .

実施例で使用する電解質は、10重量%のH2S04を含む脱塩水とすることができる。 The electrolyte used in the examples can be demineralized water containing 10 wt% H 2 SO 4 .

電解質は、二水素リザーバ及び二酸素リザーバの各々に貯蔵され、アセンブリは、この2つのリザーバの基部に、これらのリザーバ内の電解質の液位及び酸性度レベルの均衡を保つための、切替弁EV1によって制御される2つのリザーバ間の流体連通部を備える。 The electrolyte is stored in each of a dihydrogen reservoir and a dioxygen reservoir, and the assembly has a switching valve EV at the base of the two reservoirs to balance the electrolyte level and acidity level in these reservoirs. A fluid communication between two reservoirs controlled by 1 ;

二水素及び二酸素を生成するための反応を考慮すると、膜を通過するH3+イオン束が存在する。さらに、膜が陰イオン及び陽イオンの両方を伝導できることを考慮すると、膜を通過する硫酸イオン束が存在する。このようにして、硫酸イオンの濃度は、二水素生成側で低下し、二酸素生成側で高まる。実際には、Nafion(登録商標)を含むイオン交換膜とは対照的に、窒化ホウ素を含むイオン交換膜は、非選択性イオン交換膜である。従って、これにより硫酸イオンが膜を通過して循環するようになり、これらの濃度がチャンバ内の膜の両側で異なるようになることがある。従って、この濃度を調整することが望ましい。この目的のために、アセンブリは、切替弁EV1、給水ポンプP3、並びに二水素出口側の排出装置DEV1及び二酸素出口側のDEV2を備える。 Considering the reaction to generate dihydrogen and dioxygen, there is a H 3 O + ion flux that passes through the membrane. Furthermore, considering that the membrane can conduct both anions and cations, there is a sulfate ion flux that passes through the membrane. In this way, the concentration of sulfate ions decreases on the dihydrogen generation side and increases on the dioxygen generation side. In fact, in contrast to ion exchange membranes containing Nafion®, ion exchange membranes containing boron nitride are non-selective ion exchange membranes. Thus, this causes the sulfate ions to circulate through the membrane, and their concentration may differ on both sides of the membrane in the chamber. Therefore, it is desirable to adjust this density. For this purpose, the assembly comprises a switching valve EV 1 , a feed water pump P 3 , a discharge device DEV1 on the dihydrogen outlet side and a DEV2 on the dioxygen outlet side.

二酸素リザーバ及び二水素リザーバ内の電解質の液位は、通常動作では高位と低位の間に維持される。従って、これらの高位と低位の間に電解質の液位が維持されている間は、図10に示すように供給ポンプP3及び切替弁EV1は非作動状態を保つ。 The electrolyte level in the dioxygen and dihydrogen reservoirs is maintained between high and low in normal operation. Accordingly, while the electrolyte level is maintained between the high level and the low level, the supply pump P 3 and the switching valve EV 1 remain inactive as shown in FIG.

電解槽の通常動作時に膜を通過して水が自然移動する結果、二水素リザーバ内の電解質の液位が高位を超えると、電子切替弁EV1が開いて二水素ガス出口の放出装置DEV1が圧力制御を行うことにより、アセンブリ内に残っている電解質の量に応じて、図11aに示すような酸素リザーバの高位、又は図11bに示すような二水素リザーバの低位のいずれかに達するまで液位のバランスを取り直すことが可能になる。 Results through the membrane during normal operation of the electrolyzer water naturally moves, two of hydrogen electrolyte liquid level in the reservoir exceeds high, the electronic switching valve EV 1 is open emitting device of dihydrogen gas outlet DEV1 By controlling the pressure, depending on the amount of electrolyte remaining in the assembly, the liquid will reach either the high level of the oxygen reservoir as shown in FIG. 11a or the low level of the dihydrogen reservoir as shown in FIG. 11b. It becomes possible to rebalance the position.

利用可能な水が全て消費されたことにより、両方のリザーバ内の電解質の液位が低い場合には、図12aに示すように供給ポンプP3が作動して、二酸素リザーバを脱塩水リザーバ23からの水で満たす。 If all the available water has been consumed and the electrolyte level in both reservoirs is low, the supply pump P 3 is activated as shown in FIG. Fill with water from.

なお、電解槽の通常動作中には、実際の膜の動作により、二水素リザーバと二酸素リザーバの間の酸の濃度の不均衡が生じる。陰イオン側の二酸素リザーバは、硫酸イオンSO4 2-のほとんど大部分を回収し、水素リザーバからは硫酸イオンSO4 2-が枯渇する。二酸素リザーバが満たされた後には、図12b及び図12cに示すように、2つのリザーバ間の双方向移動により、2つのリザーバ間の硫酸イオンSO4 2-の濃度のバランスを取り直すことが可能になる。従って、このサイクルは、高位と低位の間の消費される水の量に依存する。使用される電解質が少ない場合にも、移動が逆になる点を除き、同じ調整を適用することができる。 It should be noted that during normal operation of the electrolytic cell, the actual membrane operation causes an acid concentration imbalance between the dihydrogen reservoir and the dioxygen reservoir. Dioxygen reservoir anion side, to recover the vast majority of the 2-sulfate ion SO 4, 2-sulfate ion SO 4 depleted from hydrogen reservoir. After the dioxygen reservoir is filled, it is possible to rebalance the concentration of sulfate ion SO 4 2− between the two reservoirs by bi-directional movement between the two reservoirs, as shown in FIGS. 12b and 12c. become. This cycle therefore depends on the amount of water consumed between the high and low levels. The same adjustment can be applied when less electrolyte is used, except that the movement is reversed.

アセンブリは、リザーバから放出されることがある、基本的には水蒸気を、及び任意に電解質を回収するための2つの凝縮器24を備えることもできる。   The assembly may also comprise two condensers 24 for recovering essentially water vapor and optionally electrolyte that may be released from the reservoir.

リザーバ21、22の出口圧力は、放出装置DEV1及びDEV2によって制御することができる。圧力は、二水素生成側で最高圧力となるように調整することができ、この場合、圧力差をプラスにし、二水素生成側で最大10バールにすることができる。この目的のために、この圧力差を考慮して、二水素生成側でより大きなサイズの多孔板を使用し、他方の側でより小さなサイズの多孔板を使用することができる。これにより、より高純度の水素をより長時間にわたって有利に得ることが可能になる。 Outlet pressure of the reservoir 21 can be controlled by the release device DEV 1 and DEV 2. The pressure can be adjusted to be the highest pressure on the dihydrogen production side, in which case the pressure difference can be positive and up to 10 bar on the dihydrogen production side. For this purpose, taking into account this pressure difference, it is possible to use a larger size perforated plate on the dihydrogen generation side and a smaller size perforated plate on the other side. This makes it possible to advantageously obtain higher purity hydrogen over a longer period of time.

言うまでもなく、多孔板のサイズを逆にすることも本発明の範囲に含まれる。   Needless to say, reversing the size of the porous plate is also included in the scope of the present invention.

ユーザは、動作圧を選択することができる。リザーバ内の圧力は、2つの圧力センサPH2及びPO2と、2つの放出装置DEV1及びDEV2とで構成されたループにより制御することができる。この制御ループは、気体流を調整してリザーバ内の圧力を調整することを可能にする。 The user can select the operating pressure. The pressure in the reservoir can be controlled by a loop composed of two pressure sensors PH 2 and PO 2 and two discharge devices DEV 1 and DEV 2 . This control loop allows the gas flow to be adjusted to adjust the pressure in the reservoir.

リザーバ21、22の各々は、リザーバを最初に満たすための安全弁25及び開口部26をさらに含むことができる。   Each of the reservoirs 21, 22 can further include a safety valve 25 and an opening 26 for initially filling the reservoir.

リザーバ21、22の出口には、例えば二水素が残留二酸素と燃焼することにより生成される可能性がある残留水分を除去するための乾燥器27も備わる。   The outlets of the reservoirs 21 and 22 are also provided with a dryer 27 for removing residual moisture that may be generated by, for example, dihydrogen burning with residual dioxygen.

得られた二水素の流量と二酸素の流量を28において計測するとともに、得られた気体の純度を確認するためのセンサを29において提供することができる。   The flow rate of the obtained dihydrogen and the flow rate of dioxygen can be measured at 28 and a sensor for confirming the purity of the obtained gas can be provided at 29.

アセンブリは、電解槽の温度を制御し、例えば70〜120℃の値のほぼ一定の動作温度を維持するように、一方では各リザーバ内の電解質の温度の、他方では電解セル自体の温度のセンサ30をさらに備えることができる。十分に高い動作温度を維持することにより、選択された圧力に関わらず電気化学反応を促すことができる。しかしながら、それを上回るとアセンブリが劣化するリスクがある温度限界を超えてはならない。必要に応じて、アセンブリは、電解質が電解槽に入る前に電解質を冷却するための、任意に冷却の有効性をモニタするための温度センサを備えた少なくとも1つの、或いは2つの装置を備えることもできる。   The assembly controls the temperature of the electrolytic cell, for example maintaining a substantially constant operating temperature of a value between 70 and 120 ° C., on the one hand the temperature of the electrolyte in each reservoir and on the other hand the temperature of the electrolytic cell itself. 30 may further be provided. By maintaining a sufficiently high operating temperature, an electrochemical reaction can be promoted regardless of the selected pressure. However, the temperature limit above which there is a risk of degradation of the assembly must not be exceeded. Optionally, the assembly comprises at least one or two devices, optionally with temperature sensors for monitoring the effectiveness of cooling, for cooling the electrolyte before it enters the electrolytic cell. You can also.

説明する例では、アセンブリが、二水素リザーバから受け取った電解質及び二酸素リザーバから受け取った電解質を各々が冷却するための2つの冷却装置50を備える。説明する例では、図9aに示すように、各冷却装置50が、冷却ポンプ51、高温の電解質を受け取る液液熱交換器52、及び気液熱交換器53という3つの要素を備える。   In the illustrated example, the assembly comprises two cooling devices 50 each for cooling the electrolyte received from the dihydrogen reservoir and the electrolyte received from the dioxygen reservoir. In the illustrated example, as shown in FIG. 9 a, each cooling device 50 includes three elements: a cooling pump 51, a liquid-liquid heat exchanger 52 that receives a high-temperature electrolyte, and a gas-liquid heat exchanger 53.

従って、この冷却装置は、図9bに示すように2つの動作レベルを有することができる。第1のレベル55では、冷却ポンプの動作のみによって冷却を行い、気液交換器内で電解質を循環させてから、冷却された電解質をセルのスタックに戻す。第2のレベル56では、冷却ポンプ及び気液交換器のファンが同時に動作することができる。最後に、これでも不十分な場合、システムは、57において自動的に電流を低下させるように構成される。使用するレベルを決める温度閾値は、アセンブリに望ましい動作温度に応じて適宜決定することができる。具体的には、図9bに示す閾値は指針にすぎない。   Thus, this cooling device can have two levels of operation as shown in FIG. 9b. In the first level 55, cooling is performed only by the operation of the cooling pump, the electrolyte is circulated in the gas-liquid exchanger, and then the cooled electrolyte is returned to the cell stack. At the second level 56, the cooling pump and gas-liquid exchanger fan can be operated simultaneously. Finally, if this is insufficient, the system is configured to automatically reduce the current at 57. The temperature threshold that determines the level to use can be determined as appropriate according to the operating temperature desired for the assembly. Specifically, the threshold shown in FIG. 9b is only a guideline.

最後に、電解槽の電源装置は、コンセントの電流及び電圧から電解セルのスタックに供給される電流強度及び/又は電圧までを制御するためのプロセス制御コンピュータを備えた電気キャビネット40内に収容される。   Finally, the electrolyzer power supply is housed in an electrical cabinet 40 with a process control computer for controlling from outlet current and voltage to current intensity and / or voltage supplied to the stack of electrolysis cells. .

この制御キャビネットは、アセンブリの遠隔保守を可能にする遠隔接続41を備えることもできる。   The control cabinet may also be provided with a remote connection 41 that allows remote maintenance of the assembly.

説明した例では、二水素及び二酸素の生成に使用する電力は5kWである。言うまでもなく、消費電力が異なる場合、及びアセンブリのサイズが大きい又は小さい場合も、本発明の範囲に含まれる。一例として、図7cに、1kWの消費電力用に構成されたアセンブリを示す。   In the example described, the power used to generate dihydrogen and dioxygen is 5 kW. Needless to say, the case where the power consumption is different and the case where the size of the assembly is large or small are also included in the scope of the present invention. As an example, FIG. 7c shows an assembly configured for 1 kW power consumption.

本発明は、二水素及び二酸素の生成に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the production of dihydrogen and dioxygen.

本発明は、他の物質、特に次亜塩素酸の生成にも適用される。   The invention also applies to the production of other substances, in particular hypochlorous acid.

本発明は、交換膜がセル毎に1つ存在することに限定されるものではない。   The present invention is not limited to having one exchange membrane per cell.

従って、本発明の1つの態様によれば、セルが、陽極と陰極の間に、中間チャンバIを定める少なくとも2つの交換膜11を含む。   Thus, according to one aspect of the invention, the cell includes at least two exchange membranes 11 defining an intermediate chamber I between the anode and the cathode.

このようなセルの例を図13に示す。   An example of such a cell is shown in FIG.

このようなセルでは、セルの陽極と陰極の間に2つの膜11が配置され、上述した全ての要素をさらに備えることができる。   In such a cell, two membranes 11 are arranged between the anode and cathode of the cell and can further comprise all the elements described above.

従って、このセルは、単一の膜11の代わりに2つの膜11が使用され、これらの膜が、中間チャンバIを形成するようにフレームにより分離されている点を除き、図3に示すスタックを含むことができる。さらに、追加の流体連通部を設けることもできる。   Thus, this cell uses two membranes 11 instead of a single membrane 11 and the stack shown in FIG. 3 except that these membranes are separated by a frame to form an intermediate chamber I. Can be included. Furthermore, an additional fluid communication part can also be provided.

例えば、図14及び図15に示すように、入口3g及び出口3fを追加して、中間チャンバI内の電解質の循環を可能にすることができる。   For example, as shown in FIGS. 14 and 15, an inlet 3 g and an outlet 3 f can be added to allow electrolyte circulation in the intermediate chamber I.

従って、セル毎に1つの膜を、追加の循環チャンバIを定める2つの膜に置き換えた実施形態では、電解槽が、3つの入口及び3つの出口を有することができる。この場合、電解質を受け入れるための第3のリザーバ(図示せず)を設けることができる。   Thus, in an embodiment in which one membrane per cell is replaced with two membranes that define an additional circulation chamber I, the electrolyser can have three inlets and three outlets. In this case, a third reservoir (not shown) for receiving the electrolyte can be provided.

陽極チャンバA、陰極チャンバC及び中間チャンバI内の電解質の循環は、図14に示すように行うことができる。   The electrolyte circulation in the anode chamber A, the cathode chamber C, and the intermediate chamber I can be performed as shown in FIG.

次亜塩素酸を生成する場合には、例えば1又は複数の陽極チャンバ内で水が循環し、例えば1又は複数の陰極チャンバ内で水が循環し、例えば1又は複数の中間チャンバI内で塩水(例えば水/NaCl)が循環して、1又は複数の中間チャンバ内で次亜塩素酸が回収され、1又は複数の陰極チャンバ内でソーダが回収される。   When producing hypochlorous acid, for example, water circulates in one or more anode chambers, for example, water circulates in one or more cathode chambers, for example, salt water in one or more intermediate chambers I. (Eg water / NaCl) circulates to recover hypochlorous acid in one or more intermediate chambers and soda in one or more cathode chambers.

4 バイポーラ板
10 電解セル
11 イオン交換膜
12 多孔板
13 フレーム
14 グリッド
15 ガスケット
4 Bipolar plate 10 Electrolysis cell 11 Ion exchange membrane 12 Perforated plate 13 Frame 14 Grid 15 Gasket

Claims (19)

純水の、又はNaCl、H2SO4、KOH又はNaOHなどの少なくとも1つの塩、塩基及び/又は酸を含む水の電気分解により、二水素、二酸素、塩素又は次亜塩素酸、又はソーダなどの少なくとも1つの化学物質を生成するための電解槽であって、該電解槽は、少なくとも第1及び第2の連続する電解セルのスタックを備え、各電解セル(10)は、
− 陽極と、
− 陰極と、
− 前記陽極と前記陰極の間に配置された少なくとも1つのイオン交換膜(11)と、
を備え、前記第1及び第2の電解セルの前記イオン交換膜(11)は、一方では前記第1の電解セルの前記陽極を構成し、他方では前記第1の電解セルの前記陰極を構成するバイポーラ電極(15)により分離される、
ことを特徴とする電解槽。
Dihydrogen, dioxygen, chlorine or hypochlorous acid, or soda by electrolysis of pure water or water containing at least one salt such as NaCl, H 2 SO 4 , KOH or NaOH, base and / or acid An electrolytic cell for producing at least one chemical substance, such that the electrolytic cell comprises a stack of at least first and second successive electrolytic cells, each electrolytic cell (10) comprising:
-An anode;
-A cathode;
-At least one ion exchange membrane (11) arranged between the anode and the cathode;
The ion exchange membranes (11) of the first and second electrolysis cells comprise on the one hand the anode of the first electrolysis cell and on the other hand constitute the cathode of the first electrolysis cell Separated by a bipolar electrode (15)
An electrolytic cell characterized by that.
前記バイポーラ電極(15)は、一体部品のバイポーラ板(4)を含み、該バイポーラ板は、必要に応じて少なくとも1つのグリッド(14)及び少なくとも1つの多孔板(12)を伴う、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解槽。
The bipolar electrode (15) comprises a monolithic bipolar plate (4), optionally with at least one grid (14) and at least one perforated plate (12),
The electrolytic cell according to claim 1.
前記バイポーラ電極(15)は全体的に一体部品であり、前記バイポーラ板(4)、前記グリッド(14)及び前記多孔板(12)は、前記電解槽内に設置される前に互いに一体化される、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電解槽。
The bipolar electrode (15) is an integral part as a whole, and the bipolar plate (4), the grid (14) and the porous plate (12) are integrated with each other before being installed in the electrolytic cell. The
The electrolytic cell according to claim 1 or 2, characterized in that
前記バイポーラ電極(15)は、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、カドミウム、モリブデン、白金、ステンレス鋼、チタン、タンタル、鉄合金、ニッケル合金、鉛合金、及び/又は酸化タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化鉛、酸化鉄、白金、白金カーボン、パラジウム、ニッケル、カドミウム及び/又はモリブデンの薄層のうちの少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電解槽。
The bipolar electrode (15) is nickel, iridium, ruthenium, palladium, cadmium, molybdenum, platinum, stainless steel, titanium, tantalum, iron alloy, nickel alloy, lead alloy, and / or tantalum oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, Comprising at least one of a thin layer of lead oxide, iron oxide, platinum, platinum carbon, palladium, nickel, cadmium and / or molybdenum,
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolytic cell is characterized.
前記陽極は、チタン、タンタル、イリジウム、鉄合金、鉛合金、及び/又は酸化タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化鉛及び/又は酸化鉄の薄層のうちの少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電解槽。
The anode includes at least one of a thin layer of titanium, tantalum, iridium, iron alloy, lead alloy, and / or tantalum oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, lead oxide and / or iron oxide.
The electrolytic cell of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
前記陰極は、ニッケル、イリジウム、パラジウム、カドミウム、モリブデン、白金、チタン、タンタル、鉄合金、鉛合金、ニッケル合金、及び/又は白金、白金カーボン、パラジウム、ニッケル、カドミウム及び/又はモリブデンの薄層のうちの少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電解槽。
The cathode is a thin layer of nickel, iridium, palladium, cadmium, molybdenum, platinum, titanium, tantalum, iron alloy, lead alloy, nickel alloy and / or platinum, platinum carbon, palladium, nickel, cadmium and / or molybdenum. Including at least one of them,
The electrolytic cell of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
前記イオン交換膜(11)は、窒化ホウ素、特に活性化された窒化ホウ素を含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電解槽。
Said ion exchange membrane (11) comprises boron nitride, in particular activated boron nitride,
The electrolytic cell of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned.
前記イオン交換膜(11)は、ポリマーマトリクス、特にPTEFベースのポリマーマトリクスを含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電解槽。
Said ion exchange membrane (11) comprises a polymer matrix, in particular a PTEF-based polymer matrix,
The electrolytic cell of any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned.
前記イオン交換膜(11)は、100〜500μmの厚みを有する、
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電解槽。
The ion exchange membrane (11) has a thickness of 100 to 500 μm,
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrolytic cell is characterized.
前記電解質は、水と酸、水と塩基、又は水と塩を含む、
ことを特徴とする請求項9に記載の電解槽。
The electrolyte includes water and acid, water and base, or water and salt.
The electrolytic cell according to claim 9.
1つのセルが、前記陽極と前記陰極の間に単一のイオン交換膜を含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電解槽。
One cell includes a single ion exchange membrane between the anode and the cathode;
The electrolytic cell of any one of Claims 1-10 characterized by the above-mentioned.
前記スタックの少なくとも1つのセルが、2つのイオン交換膜(11)を含み、好ましくは該2つの膜がその間に中間チャンバ(I)を形成する、
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電解槽。
At least one cell of the stack comprises two ion exchange membranes (11), preferably the two membranes form an intermediate chamber (I) between them,
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrolytic cell is characterized.
少なくとも1つのセルが、窒化ホウ素を含む膜などの非選択性イオン交換膜と、Nafionベースの膜などの選択性交換膜とを含む、
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電解槽。
At least one cell comprises a non-selective ion exchange membrane, such as a membrane comprising boron nitride, and a selective exchange membrane, such as a Nafion-based membrane;
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrolytic cell is characterized.
前記中間チャンバ(I)内の電解質の循環を、特に前記電解槽の動作中に該電解槽内で生成される物質を取り出す目的で設定する手段を備える、
ことを特徴とする請求項12に記載の電解槽。
Means for setting the circulation of the electrolyte in the intermediate chamber (I), in particular for the purpose of taking out substances produced in the electrolytic cell during operation of the electrolytic cell;
The electrolytic cell according to claim 12, wherein:
電解アセンブリであって、
− 請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の電解槽(1)と、
− リザーバ、特に得られた二水素を貯蔵するための二水素リザーバ(21)と、
− リザーバ、特に得られた二酸素を貯蔵するための二酸素リザーバ(22)と、
を備えることを特徴とするアセンブリ。
An electrolytic assembly comprising:
-An electrolytic cell (1) according to any one of claims 1 to 14;
A reservoir, in particular a dihydrogen reservoir (21) for storing the resulting dihydrogen,
A reservoir, in particular a dioxygen reservoir (22) for storing the obtained dioxygen;
An assembly comprising:
前記電解質は、前記2つのリザーバの各々に貯蔵される、
ことを特徴とする請求項15に記載のアセンブリ。
The electrolyte is stored in each of the two reservoirs;
The assembly of claim 15.
前記2つのリザーバ内の前記電解質の液位の均衡を維持するための、好ましくは前記2つのリザーバの基部に存在し、より好ましくは切替弁(EV1)により制御される、前記2つのリザーバ間の流体連通部を有する、
ことを特徴とする請求項16に記載のアセンブリ。
Between the two reservoirs, preferably at the base of the two reservoirs, and more preferably controlled by a switching valve (EV 1 ), to maintain a balance of the electrolyte levels in the two reservoirs Having a fluid communication section of
The assembly of claim 16.
請求項12に記載の電解槽を使用して、前記セルの陽極チャンバが好ましくは水を含み、陰極チャンバが水を含み、前記中間チャンバが塩水を含む、
ことを特徴とする次亜塩素酸の生成方法。
Using the electrolyzer of claim 12, the anode chamber of the cell preferably comprises water, the cathode chamber comprises water, and the intermediate chamber comprises brine.
A method for producing hypochlorous acid characterized by the above.
− 陽極と、
− 陰極と、
− 2つの交換膜(11)、特に、
− 前記陽極と前記陰極の間に配置された選択性交換膜及び非選択性交換膜(11)、好ましくは活性化された窒化ホウ素ベースの非選択性膜(11)、及び好ましくはNafionベースの選択性膜と、
を備え、好ましくは前記非選択性膜が、前記選択性膜を塩基性環境又は酸性環境から保護する、
ことを特徴とする電解槽セル。
-An anode;
-A cathode;
Two exchange membranes (11), in particular
A selective exchange membrane and a non-selective exchange membrane (11) arranged between the anode and the cathode, preferably an activated boron nitride-based non-selective membrane (11), and preferably a Nafion-based membrane A selective membrane;
Preferably the non-selective membrane protects the selective membrane from a basic or acidic environment,
An electrolytic cell characterized by that.
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