JP2017206731A5 - 水電解セル及び複極式水電解槽 - Google Patents
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Description
前記酸素発生時に酸素極室に蓄えられる正の保有電荷量は、次の方法で求められる。酸素極の電位を、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２における水素発生電位（単位：Ｖ ｖｓ. Ａｇ／ＡｇＣｌ）に設定する。そして、酸素を発生させる場合と逆側に電流を流した場合に、酸素極の電位が０Ｖになるまでに流した電流を積分することにより求められる。
水素発生時に水素極室に蓄えられる負の保有電荷量は、水素極の電位を、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２における水素発生電位（単位：Ｖ ｖｓ. Ａｇ／ＡｇＣｌ）に設定し、水素を発生させる場合と逆側に電流を流した場合に、水素極の電位が−０．８Ｖになるまでに流した電流を積分することにより求められる。前記水素発生時に水素極室に蓄えられる負の保有電荷量を水素極１ｍ２あたり、０．００１Ｆ〜９．９Ｆの範囲にすることで、再生可能エネルギー等の出力電力の変動が激しい電源に対して、高い耐久性を有する水素極となる。前記水素発生時に水素極室に蓄えられる負の保有電荷量を０．００５Ｆ〜４．９５Ｆにすることで、更に高い耐久性を有する水素極を得る事が出来る。
第一細孔の容積は３．３×１０−４〜８．５×１０−４ｍｌ／ｇであることが好ましい。第一細孔の容積は３．６×１０−４ｍｌ／ｇ〜７．９×１０−４ｍｌ／ｇであってもよい。第一細孔の細孔容積の増加に伴い、比表面積が減少する傾向がある。第一細孔の細孔容積の減少に伴い、触媒層全体の比表面積が増加する傾向がある。
（酸素極サンプルの作製）
粒径が０．２〜２μｍである酸化ニッケル粉末１００重量部、アラビアゴム２．２５重量部、カルボキシルメチルセルロース０．７重量部、ラウリル硫酸ナトリウム０．００１重量部、及び水１００重量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が５〜５０μｍである造粒物を調製した。
粒径が０．２〜２μｍである酸化ニッケル粉末１００重量部、アラビアゴム２．２５重量部、カルボキシルメチルセルロース０．７重量部、ラウリル硫酸ナトリウム０．００１重量部、及び水１００重量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が５〜５０μｍである造粒物を調製した。
（酸素極サンプルＡ）
導電性基材としては、予めブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを１：０．８の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、３：２の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、２．０ｋｇ／ｍ２ となるように調整したものを、酸素極サンプルＡの前駆体とした。
導電性基材としては、予めブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを１：０．８の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、３：２の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、２．０ｋｇ／ｍ２ となるように調整したものを、酸素極サンプルＡの前駆体とした。
（還元補助材の作製）
粒径が０．２〜２μｍである酸化ニッケル粉末１００重量部、アラビアゴム２．２５重量部、カルボキシルメチルセルロース０．７重量部、ラウリル硫酸ナトリウム０．００１重量部、及び水１００重量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が５〜５０μｍである造粒物を調製した。
粒径が０．２〜２μｍである酸化ニッケル粉末１００重量部、アラビアゴム２．２５重量部、カルボキシルメチルセルロース０．７重量部、ラウリル硫酸ナトリウム０．００１重量部、及び水１００重量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が５〜５０μｍである造粒物を調製した。
（構造体Ａ）
導電性基材としては、予めブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを１：０．８の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、３：２の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、１．５ｋｇ／ｍ２ となるように調整したものを構造体Ａの前駆体とした。
導電性基材としては、予めブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは１ｍｍであった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを１：０．８の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、３：２の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、１．５ｋｇ／ｍ２ となるように調整したものを構造体Ａの前駆体とした。
２ 複極式エレメント
２１ 水素極室
２２ 水素極
２３ 酸素極室
２４ 酸素極
２５ 隔壁
２６ ガスケット
２７ 気液分離室
２８ 膈膜
２９ 酸素極液入口
３０ 水素極液出口
３１ 水素極液入口
３２ 酸素極液出口
３３ 還元補助材
２１ 水素極室
２２ 水素極
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２９ 酸素極液入口
３０ 水素極液出口
３１ 水素極液入口
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３３ 還元補助材
Claims (22)
- 水素を発生させるための水素極と、
酸素を発生させるための酸素極と、
前記水素極と電解質水溶液を内包する水素極室と、
前記酸素極と電解質水溶液を内容する酸素極室と、
前記水素極室と前記酸素極室を隔てる隔膜と、を備え、
水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる負の保有電荷量が、酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる正の保有電荷量の
０．１倍を超え、０．９９倍以下である、
電解質水溶液を電気分解するための水電解セル。 - 前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量の０．１倍を超え、０．４９倍以下である、請求項１に記載の水電解セル。
- 前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、前記酸素極の面積１ｍ２あたり、
０．０１〜１０Ｆの範囲である、請求項１又は２に記載の水電解セル。 - 前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、前記酸素極の面積１ｍ２あたり、
０．０５〜５Ｆの範囲である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記水素極の面積１ｍ２あたり、
０．００１〜９．９Ｆの範囲である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記水素極の面積１ｍ２あたり、
０．００５〜４．９５Ｆの範囲である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記水素極室が、更に還元補助材を内包し、前記還元補助材は前記水素極と電気的に接続している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記還元補助材が、金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項７に記載の水電解セル。
- 前期還元補助材に蓄えられる負の保有電荷量が、前記水素極室に蓄えられる負の電気容
量の０．０００２５〜０．９８倍の範囲である、請求項７又は８に記載の水電解セル。 - 前記水素極室が、更に金属製弾性クッション材と集電体を内包しており、前記金属製弾性クッション材が、前記水素極と前記集電体との間で電気的に接続した状態で圧縮収容されており、前記集電体の一部が前記還元補助材で構成されている、請求項７〜９のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記酸素極が、導電性基材と、前記導電性基材を被覆する触媒層とを備えている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記触媒層が、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１１に記載の水電解セル。
- 前記酸素極が、導電性基材と、前記導電性基材を被覆する触媒層とを有し、
前記触媒層は、ニッケルの金属結晶を含み、
前記触媒層は、細孔を有し、
前記触媒層の前記細孔のうち、
孔径が２〜５ｎｍの範囲内である第一細孔の比表面積が０．６〜２．０ｍ２／ｇであり、
前記第一細孔の細孔容積が３×１０−４〜９×１０−４ｍｌ／ｇであり、
前記触媒層の前記細孔のうち、孔径が０．０１〜２．００μｍの範囲内である第二細孔の比表面積が２．０〜５．０ｍ２／ｇであり、
前記第二細孔の細孔容積が０．０４〜０．２ｍｌ／ｇであり、さらに、
前記触媒層の厚みが５０〜８００μｍである、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記酸素極の前記触媒層の実電極表面積が、９０〜１００００ｍ ２ の範囲である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極が、Ｒｕ−Ｌａ−Ｐｔ系、Ｒｕ−Ｃｅ系、Ｐｔ−Ｃｅ系、及びＰt−Ｉｒ系、Ｉｒ−Ｐｔ−Ｐｄ系、Ｐｔ−Ｎｉ系からなる群から選択される少なくとも一種のＰｔ族化合物を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極及び酸素極が、メッシュ状の構造である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極の基材が、０．０５〜０．５ｍｍの範囲の線形を有し、目開きが３０メッシュから８０メッシュの範囲を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記酸素極の基材が、開口率が２０％から６０％の範囲を有するメッシュ状の構造である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の水電解セルを単位水電解セルとして、電気的に直列に接続されている、複極式水電解槽。
- 前記複極式水電解槽が、前記水素極、前記酸素極、イオン透過性隔膜、前記酸素極室と前記水素極室を区画する隔壁及び導電性隔壁を取囲むフランジパンを有する複極式フレームを備え、前記水素極と前記酸素極の間に前記イオン透過性隔膜が位置し、前記イオン透過性隔膜は前記水素極及び前記酸素極と接触している、請求項１９に記載の複極式水電解槽。
- 少なくとも、請求項１９又は２０に記載の複極式水電解槽、気液分離タンク、電解液循環ポンプ、水投入ポンプ、及び電気分解用の電力供給用の整流器を具備する、水素製造装置。
- 請求項２１に記載の水素製造装置を用いて、前記水素極から消費電荷量換算で、１．８ｋＦ／ｍ２〜１２１７．７ｋＦ／ｍ２の水素を連続的に発生させた後に、５〜４００分の範囲で、連続的に水素製造を停止する、水素製造方法。
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