JP2017052987A - 水電気分解装置及び水の電気分解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水電気分解装置における電気分解能力の低下の抑制を図る。
【解決手段】電解槽１０と、電解槽１０内を陰極室１５と陽極室１７とに仕切る隔膜２０と、電解槽１０に接続され、水を電解槽１０に供給する給水配管３０と、陰極室１５で生じた水素及び陽極室１７で生じた酸素のいずれか一方の気体で電解槽１０に供給される水を予め曝気する曝気部と、を備えることよりなる。陰極室１５と陽極室１７とが隔膜２０で仕切られた電解槽１０に水を供給し、供給された水を電気分解する水素の製造方法において、陰極室１５で生じた水素及び陽極室１７で生じた酸素のいずれか一方の気体で、電解槽１０に供給される水を予め曝気することよりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水電気分解装置及び水の電気分解方法に関する。

新しいエネルギー源として水素が注目されている。水素の製造方法としては、炭化水素の水蒸気改質、水の光触媒分解、微生物反応、水の電気分解等が挙げられる。中でも、水の電気分解による水素の製造方法は、太陽光発電や風力発電等の再生エネルギーによる電力を用いることで、二酸化炭素排出量を抑えられる。加えて、水の電気分解によって水素を製造することで、再生エネルギーによる電力を水素に変換して貯蔵し、利用できる。

水電気分解装置としては、隔膜で陰極室と陽極室とに区画された電解槽を備える装置が知られている。この水電気分解装置は、電解槽中の電解液に電圧を印可することで、陰極室で水素を発生する（特許文献１）。一般に、ＮａＯＨ水溶液やＫＯＨ水溶液等が電解液として用いられる。

国際公開第２０１２／０４３０８５号

上記の水電気分解装置を長期にわたって運転するには、水の電気分解によって消費された水を補充する必要がある。水電気分解装置を大型化したり、家庭用として用いる場合には、電解槽への水の補充作業が煩雑となる。
水の補充作業の煩雑さを軽減するには、電解槽に給水配管を接続し、この給水配管から電解槽内に継続的に水を供給する方法がある。
しかしながら、電解槽に水を継続的に供給すると、徐々に電気分解能力が低下する。
そこで、本発明は、電気分解能力の低下を抑制できる水電気分解装置を目的とする。

本発明者らは、検討した結果、電解槽に供給される水中の二酸化炭素が電解液中のＮａＯＨやＫＯＨ等の電解質と反応することで、電解液の劣化を促進して、水電気分解装置の電気分解能力を低下させるとの知見を得た。
そして、電解槽中で発生した気体で、電解槽に供給される水を予め曝気することで、水中の二酸化炭素量を低減し、水電気分解装置の電気分解能力の低下を抑制できることを見出し、本発明に至った。

本発明の水電気分解装置は、以下の態様を有する。
［１］電解槽と、前記電解槽内を陰極室と陽極室とに仕切る隔膜と、前記電解槽に接続され、水を前記電解槽に供給する給水配管と、前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体で前記電解槽に供給される水を予め曝気する曝気部と、を備える、水電気分解装置。
［２］前記曝気部は、前記給水配管である、［１］に記載の水電気分解装置。
［３］前記給水配管は、前記電解槽の上部に接続されている、［２］に記載の水電気分解装置。
［４］前記給水配管が前記陰極室に接続されている、［１］〜［３］のいずれかに記載の水電気分解装置。
［５］前記の電解槽に供給される水を曝気する気体は、水素であり、前記の電解槽に供給される水を曝気した水素を回収する回収部を備える、［１］〜［４］のいずれかに記載の水電気分解装置。
［６］陰極室と陽極室とが隔膜で仕切られた電解槽に水を供給し、供給された水を電気分解する水の電気分解方法において、前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体で、前記電解槽に供給される水を予め曝気する、水の電気分解方法。
［７］前記電解槽には、水を供給する給水配管が接続され、前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体を前記給水配管に供給して、前記電解槽に供給される水を前記給水配管内で曝気する、［６］に記載の水の電気分解方法。
［８］前記の電解槽に供給される水を曝気する気体は、水素であり、
前記の電解槽に供給される水を曝気した後、前記水素を回収する、［６］又は［７］に記載の水の電気分解方法。

本発明の水電気分解装置は、水の電気分解能力の低下を抑制できる。

本発明の第一の実施形態にかかる水電気分解装置の模式図である。 本発明の第二の実施形態にかかる水電気分解装置の模式図である。 本発明の第三の実施形態にかかる水電気分解装置の模式図である。

本発明の水電気分解装置は、電解槽と、電解槽に接続された給水配管とを備える。

（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態にかかる水電気分解装置について、図面を参照して説明する。
図１の水電気分解装置１は、電解槽１０と、隔膜２０と、給水配管３０と、気液分離器４０と、を備える。図１において、電解槽１０は断面図で示されている。
電解槽１０は、離間して対向する２枚の基材１２と、基材１２の周縁を液密に封止する封止材１４とを備える。
電解槽１０内には、隔膜２０が設けられている。電解槽１０内は、隔膜２０によって、陰極室１５と陽極室１７とに仕切られている。陰極室１５には陰極１６が備えられ、陽極室１７には陽極１８が備えられている。陰極１６と陽極１８とは、隔膜２０を介して対向している。
陰極室１５及び陽極室１７には、電解液５０が備えられている。

電解槽１０は、給水配管３０によって気液分離器４０と接続されている。給水配管３０は、第一の分岐配管３２と第二の分岐配管３４とを備える。第一の分岐配管３２は、陰極室１５の上部に接続され、第二の分岐配管３４は、陽極室１７の上部に接続されている。
陽極室１７の上部には、酸素排出管１９が設けられている。
気液分離器４０は、水源４２及び水素貯留部４４と接続されている。
本実施形態において、「曝気部」は、給水配管３０である。また、本実施形態において、「回収部」は気液分離器４０と水素貯留部４４とで構成されている。

基材１２は、絶縁性を有し、かつ電解液５０で変性しない材質であれば特に限定されない。基材１２としては、例えば、樹脂製板や樹脂製フィルム等が挙げられる。基材１２を構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド（ナイロン）、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン、アセタール樹脂、塩素化ポリエーテル、ポリビニルアルコール、フラン樹脂等が挙げられる。
基材１２は、可撓性を有してもよいし、可撓性を有さなくてもよく、可撓性を有することが好ましい。基材１２が可撓性を有することで、水電気分解装置１が柔軟となり、水電気分解装置１の施工が容易となる。
基材１２の厚さは、基材１２の材質と電解槽１０に求められる強度等を勘案して決定され、例えば、０．０５〜１ｍｍとされる。

封止材１４は、電解槽１０を液密に封止できればよい。封止材１４としては、例えば、ホットメルト接着剤（熱可塑性樹脂）、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、並びに、紫外線硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂を含んだ樹脂等が挙げられる。ホットメルト接着剤としては、例えば、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ベンゾオキサゾン樹脂等が挙げられる。

隔膜２０は、イオン透過性を有しかつ水素ガス及び酸素ガスを透過しない膜であればよい。隔膜２０としては、従来公知の隔膜が挙げられ、例えば、炭化水素系の陰イオン交換膜等が挙げられる。

陰極１６としては、従来公知の陰極が用いられる。陰極１６の材質としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ等の白金族、Ｎｉ、Ｆｅ等、及びこれらの合金等が挙げられる。陰極１６の形態としては、平板、メッシュ、スパッタリング等で形成された膜等が挙げられる。

陽極１８としては、従来公知の陽極が用いられる。陽極１８の材質としては、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｎ及びこれらの合金並びにこれらの酸化物が挙げられる。陽極１８の形態としては、平板、メッシュ、スパッタリング等で形成された膜等が挙げられる。

電解液５０としては、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等のアルカリ金属水酸化物の水溶液が挙げられる。
アルカリ金属水酸化物の水溶液を電解液５０として用いる場合、該水溶液中のアルカリ金属水酸化物の含有量は、５〜５０質量％が好ましく、１５〜４０質量％がより好ましい。アルカリ金属水酸化物の含有量が上記下限値以上であれば、水の電気分解を容易に行え、上記上限値以下であれば、各部材の劣化の抑制を図れる。

気液分離器４０は、水中の水素を分離できるものであればよく、例えば、加圧タンク等の容器、水素吸着材が充填された分離塔等が挙げられる。

水源４２は、特に限定されず、例えば、水道、イオン交換水製造器、純水製造器等が挙げられる。
水素貯留部４４は、特に限定されず、加圧タンク、水素吸着剤が充填されたボンベ等、水素を貯留し得る容器が挙げられる。

水電気分解装置１は、従来公知の水電気分解装置の製造方法に準じて製造される。
例えば、隔膜２０の一方の面に陰極１６を設け、隔膜２０の他方の面に陽極１８を設けて、電極対を形成する。基材１２と電極対と基材１２とをこの順で、かつ互いに任意の距離で離間するように配し、対向する基材１２の周縁を封止材１４で密封し、電解槽１０とする。この際、対向する基材１２同士の間に電解液５０を充填しつつ、基材１２の周縁を密封してもよいし、基材１２の周縁を密封した後に、内部に電解液５０を充填してもよい。
得られた電解槽１０に給水配管３０、気液分離器４０、酸素排出管１９を接続して、水電気分解装置１を得る。

水電気分解装置１を用いた水の電気分解方法について説明する。
陰極１６と陽極１８との間に直流電圧を印可する。水を水源４２から気液分離器４０と、給水配管３０との順で通流させ、電解槽１０に流入させる。
陰極１６と陽極１８との間に電圧を印可すると、陰極１６では下記（１）式の反応が生じ、陽極１８では下記（２）式の反応が生じる。
陰極：４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２ ・・・（１）
陽極：４ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ ・・・（２）
これにより、陰極室１５に水素ガスが生じ、陽極室１７に酸素ガスが生じる。

陽極室１７で生じた酸素ガスは、陽極室１７内を上昇し、酸素排出管１９から排出される。
陰極室１５で生じた水素ガスは、陰極室１５内を上昇し、第一の分岐配管３２から給水配管３０に流入する。
給水配管３０に流入した水素ガスは、給水配管３０中で水を曝気する。水が水素ガスで曝気されると、水中に溶存していた二酸化炭素の分圧が下がり、二酸化炭素が水から排出される。こうして、電解槽１０に供給される水は、予め水素ガスで曝気され、二酸化炭素が除去される。
水から排出された二酸化炭素、及び、水を曝気した水素ガスは、給水配管３０内を通流し、気液分離器４０に流入する。
気液分離器４０に流入した水素ガスは、気液分離器４０で水と分離され、水素貯留部４４に流入する。

電解槽１０への水の供給量は、電解液５０における水の消費量に応じて適宜決定される。電解槽１０への水の供給量は、例えば、１〜１００ｍＬ／ｍｉｎとされる。

上述の通り、本実施形態の水電気分解装置によれば、給水配管が電解槽に接続されているため、電気分解により消費された水を容易に補充できる。
加えて、給水配管が陰極室に接続されているため、陰極室で生じた水素ガスによって、電解槽に供給される水が予め曝気される。このため、電解槽中に二酸化炭素が持ち込まれにくくなり、電解液の劣化が抑制され、水の電気分解能力の低下が抑制される。

（第二の実施形態）
本実施形態の水電気分解装置について、図面を参照して説明する。第一の実施形態と同じ部材には同じ符号を付して、その説明を省略する。
図２の水電気分解装置１００は、電解槽１０と給水配管３０と水素排出管４９とを備える。

陰極室１５の上部には、水素排出管４９が接続されている。水素排出管４９は、水素貯留部４４に接続されている。
給水配管３０には、ブロー弁３９が備えられている。給水配管３０は、水源４２に接続されている。
本実施形態において、「曝気部」は、給水配管３０である。

本実施形態の水電気分解装置１００を用いた水の電気分解方法について説明する。
陰極１６と陽極１８との間に直流電圧を印可する。水を水源４２から給水配管３０に通流させ、電解槽１０に流入させる。
陰極１６と陽極１８との間に電圧を印可すると、陰極室１５で水素ガスが生じ、陽極室１７で酸素ガスが生じる。
陰極室１５で生じた水素ガスは、陰極室１５内を上昇し、水素排出管４９内を通流し、水素貯留部４４に流入する。
陽極室１７で生じた酸素ガスは、陽極室１７内を上昇し、第二の分岐配管３４から給水配管３０内に流入する。給水配管３０に流入した酸素ガスは、給水配管３０中で水を曝気する。水が酸素ガスで曝気されると、水中に溶存していた二酸化炭素の分圧が下がり、二酸化炭素が水から排出される。こうして、電解槽１０に供給される水は、予め酸素ガスで曝気され、二酸化炭素が除去される。
水から排出された二酸化炭素、及び、水を曝気した酸素ガスは、給水配管３０内を通流し、ブロー弁３９で給水配管３０から排出される。

（第三の実施形態）
本実施形態の水電気分解装置について、図面を参照して説明する。第一又は第二の実施形態と同じ部材には同じ符号を付して、その説明を省略する。
図３の水電気分解装置２００は、電解槽１０と給水配管３０と水素排出管４９と曝気槽２４０とを備える。本実施形態において、「曝気部」は曝気槽２４０である。また、本実施形態において、「回収部」は曝気槽２４０と水素貯留部４４とで構成されている。

陰極室１５には、水素排出管４９が接続されている。水素排出管４９は、曝気槽２４０の下部に接続されている。
曝気槽２４０は、水素貯留部４４と、水源４２と、給水配管３０とに接続されている。
曝気槽２４０としては、例えば、底部に散気管を備えた水槽等が挙げられる。

本実施形態の水電気分解装置２００を用いた水の電気分解方法について説明する。
陰極１６と陽極１８との間に直流電圧を印可する。水を水源４２から曝気槽２４０と、給水配管３０との順で通流させ、電解槽１０に流入させる。
陰極１６と陽極１８との間に電圧を印可すると、陰極室１５で水素ガスが生じ、陽極室１７で酸素ガスが生じる。
陽極室１７で生じた酸素ガスは、陽極室１７内を上昇し、酸素排出管１９から排出される。
陰極室１５で生じた水素ガスは、陰極室１５内を上昇し、水素排出管４９内を通流し、曝気槽２４０に流入する。曝気槽２４０に流入した水素ガスは、曝気槽２４０内の水を曝気する。水が水素ガスで曝気されると、水中に溶存していた二酸化炭素の分圧が下がり、二酸化炭素が水から排出される。こうして、電解槽１０に供給される水は、予め水素ガスで爆気され、二酸化炭素が除去される。
水素で曝気された水は、給水配管３０を経由して電解槽１０に流入する。
水を曝気した水素は、曝気槽２４０から水素貯留部４４に流入する。

本実施形態によれば、電解槽に供給される水から、より確実に二酸化炭素を除去できる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
第一〜第三の実施形態では、給水配管が陰極室及び陽極室に接続されているが、本発明はこれに限定されない。
第一及び第三の実施形態においては、隔膜が透水性を有すれば、給水配管が陰極室のみに接続されていてもよい。
また、第二の実施形態においては、隔膜が透水性を有すれば、給水配管が陽極室のみに接続されていてもよい。

第一及び第三の実施形態においては、酸素排出管が酸素貯留部に接続されていてもよい。第二の実施形態においては、ブロー弁の排出先に酸素貯留部が設けられていてもよい。酸素貯留部としては、加圧タンク、ボンベ等の容器が挙げられる。

以上説明した通り、本発明の水電気分解装置は、水素又は酸素の製造装置として好適であり、水素の製造装置として特に好適である。

１、１００、２００ 水電気分解装置
１０ 電解槽
２０ 隔膜
１５ 陰極室
１７ 陽極室
３０ 給水配管
４０ 気液分離器
４４ 水素貯留部
２４０ 曝気槽

Claims (8)

1. 電解槽と、
   前記電解槽内を陰極室と陽極室とに仕切る隔膜と、
   前記電解槽に接続され、水を前記電解槽に供給する給水配管と、
   前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体で前記電解槽に供給される水を予め曝気する曝気部と、
   を備える、水電気分解装置。
2. 前記曝気部は、前記給水配管である、請求項１に記載の水電気分解装置。
3. 前記給水配管は、前記電解槽の上部に接続されている、請求項２に記載の水電気分解装置。
4. 前記給水配管が前記陰極室に接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水電気分解装置。
5. 前記の電解槽に供給される水を曝気する気体は、水素であり、
   前記の電解槽に供給される水を曝気した水素を回収する回収部を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水電気分解装置。
6. 陰極室と陽極室とが隔膜で仕切られた電解槽に水を供給し、供給された水を電気分解する水の電気分解方法において、
   前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体で、前記電解槽に供給される水を予め曝気する、水の電気分解方法。
7. 前記電解槽には、水を供給する給水配管が接続され、
   前記陰極室で生じた水素及び前記陽極室で生じた酸素のいずれか一方の気体を前記給水配管に供給して、前記電解槽に供給される水を前記給水配管内で曝気する、請求項６に記載の水の電気分解方法。
8. 前記の電解槽に供給される水を曝気する気体は、水素であり、
   前記の電解槽に供給される水を曝気した後、前記水素を回収する、請求項６又は７に記載の水の電気分解方法。

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