JP2018511694A - 電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】新たな電解システム、好ましくは、水から水素および酸素を生成する低温ガス電解セルシステムを提供する。【解決手段】水から水素および酸素を生成する電解セルシステム（１００）は、アノード（１０７）およびカソード（１０９）を備える少なくとも一対のガス透過性電極（１０７、１０９）と、各対のアノード（１０７）およびカソード（１０９）間に配置されるイオン伝導性電解質（１０８）と、を備える膜電極アセンブリ（１０２）を含む少なくとも一つの電解セル（１０１）；アノードガス空間（１０４）およびカソードガス空間（１０６）を備える各電極（１０７、１０９）の非電解質側の電極ガス空間（１０４、１０６）、少なくとも一つの電極ガス空間（１０４）が入口（１３０）および出口（１３２）を含む；各電極ガス空間（１０４）を通って、少なくとも一つの電極ガス空間（１０４）の出口（１３２）から各電極ガス空間（１０４）の入口（１３０）まで生成される酸素生成ガスの少なくとも一部を再循環させる再循環ループ（１４３）；再循環ループ（１４３）と流体連通し、再循環ループ（１４３）内の各生成ガスから提供される気化熱を用いて給水設備（１４４）からの水を気化させて、水蒸気を再循環ループ（１４３）に供給する給水容器（１４２）；膜電極アセンブリ（１０２）と、入口および出口を通って再循環ループに流体連通される電極ガス空間（１０４）に配置されるアノードガス空間（１０４）内のガスとの間で熱を伝達する熱伝達構造（１０５）を備え、熱伝達構造（１０５）は膜電極アセンブリ（１０２）と接触し、膜電極アセンブリ（１０２）と各ガス空間（１０４）との間でガスを循環させる。【選択図】図２

Description

概して、本発明は電解プロセス、および前記電気分解プロセスを実行して、水素および酸素などの清浄なガスを生成する装置に関する。特に、本発明は、水を電気分解する低温ガス電解セルシステムに適用可能であり、便宜上、この例示の用途に関連して本発明を開示する。しかしながら、本発明はこの用途に限定されず、他の電解用途でも使用することができると認識すべきである。

本発明の背景に関する以下の説明は、発明の理解を促進することを目的とする。しかしながら、その説明は、言及される材料のいずれも、本願の優先日の時点で、公開されている、既知である、一般的知識の一部であることを自認または承認するものではないと認識すべきである。

低温ガス電解セルシステムでは、動作条件下での水電解の放熱反応の結果として、膜電極アセンブリ（特にアノード側）で相当量の熱が生成される。したがって、膜電極アセンブリおよび電解セル全体で低動作温度を維持するためには冷却システムを使用しなければならない。

熱交換システムを利用する水電解装置の一つが米国特許公開第３，９１７，５２０号（Ｋａｔｚ ｅｔ ａｌ．）と３，９０５，８８４号（Ｅｄｍｕｎｄ ｅｔ ａｌ．）に教示されており、図１に示す。図１に示すように、該装置は、カソード１４とアノード１６に挟まれ、水溶性電解質を充填した多孔質母材１８を備える電解セルを含む。セルから除去される熱は、アノード１６に隣接する多孔質受け板２０（電解質保管母材も含む）と、熱交換部２２とを通過する。セルは、カソードとアノードの非電解質側にそれぞれガス空間２４、２６を含む。

動作中、電位が電源３０によって印加されて、水の電気分解を生じさせ、セルのアノード側の酸素をガス空間２６に、セルのカソード側の水素をガス空間２４に、および出口３２を介して放出する。ガスは通路３４と３６を用いて除去される。圧力調整手段を使用して、ガス空間２４と２６において略同等の圧力を維持する。水素ガスの一部は、ポンプ３９によってセルを通じて再循環され、入口３８でガス空間２４に再度進入する。

熱はポンプ４６によってセルから除去され、該ポンプは、冷却剤入口４２および冷却剤出口４４を用いる熱交換部２２を通過するループ４１を通じて冷却液を再循環させる。ループ４１は、バイパス制御弁５０と、熱素子５２と、放熱器５４と共にバイパスループ４８も含む。冷却剤は、再循環水素ガスと逆流する方向に、セルを通じて循環される。

セルによって使用される水と通路３４、３６を通じてガスと共に出る水とを置き換えるのに十分な量だけ、計測装置５８を用いて水が保管コンパートメント５６から再循環水素流へ供給される。水は、熱交換部２２を離れる高温の液体冷却剤から提供される蒸発熱によって、蒸発器６０を用いて気化される。

したがって、ＵＳ３，９０５，８８４号および３，９１７，５２０号の水電解セルシステム装置は、電解セルに装着される別個の熱交換部を含む。この熱交換部は、ガスのクロスオーバーを防ぐためにアノード室から隔離させなければならない。

その結果、本システムは以下の欠点を有する。
（Ａ）別個の熱交換部をセルに装着させなければならないことによる、システム全体のさらなる複雑化と、接続材を介した熱損失。
（Ｂ）熱センサと、循環を提供し、様々な動作条件下で液体冷却剤の温度を維持する制御機器と、を含むセル熱管理システムの高コストおよび複雑性。
（Ｃ）ガス再循環ループ内の水の凝結による低信頼性。
熱が液体冷却剤ループを用いてセルから除去され、バイパスループを通じて放出されるか、あるいは蒸発器内の水を気化させるのに使用される。

該システムは、セルに入る液体冷却剤の温度を一定に維持する。再循環される水素ガスを使用して、蒸発器からセルに蒸気の形で水を移送する。しかし、記載のシステムは、ガス再循環ループにおいて略一定の温度を維持する手段を備えていない。相当量の水を蒸気の形状で移送するには、プロセスを高温で実行すべきであることを認識しなければならない。ガス再循環ループ内の温度変動がある場合、水の一部がガス再循環ループ内で局地的に凝結する可能性がある。給水は、セルを出る水の量によって制限される。よって、このような温度変動は最終的に、電解質の乾燥や、その結果起きる装置の不良などを招くことがある。

したがって、電解プロセスを実行して、水素および酸素などの清浄なガスを生成する別の、および／または改良された方法および装置を提供することが望ましいであろう。このようなシステムは好ましくは、装置を動作させるのに必要なセル熱管理・制御機器のコストと複雑さを低減させる。

本発明は、新たな電解システム、好ましくは、水から水素および酸素を生成する低温ガス電解セルシステムを提供する。

本発明の第１の側面は、水から水素および酸素生成ガスを生成する電解セルシステムを提供し、該システムは、アノードおよびカソードを備える少なくとも一対のガス透過性電極と、各対のアノードおよびカソード間に配置されるイオン伝導性電解質と、を備える膜電極アセンブリを含む少なくとも一つの電解セルと、入口および出口を含む、各電極の非電解質側の少なくとも一つの電極ガス空間と、各電極ガス空間の出口から電極ガス空間の入口まで、生成される酸素または水素生成ガスの少なくとも一方の少なくとも一部を再循環させる再循環ループと、再循環ループと流体連通する給水容器であって、生成ガスから提供される気化熱を利用して給水設備からの水を気化し、水蒸気を再循環ループに導入する給水容器と、膜電極アセンブリと、入口および出口を通じて再循環ループに流体連通される電極ガス空間内のガスとの間で熱を伝達する熱伝達構造と、を備え、熱伝達構造が膜電極アセンブリと接触し、膜電極アセンブリと各電極ガス空間との間でガスを循環させる。

従来技術の電解セル構成（たとえば上述するような）と異なり、本発明は、カソードまたはアノードの電極ガス空間に、膜電極アセンブリと接触する、好ましくは物理的に接触して、各水素または酸素生成ガスと膜電極アセンブリとの間で効率的に熱を伝達させる熱伝達構造を含む。各生成ガスは電極ガス空間を介して熱伝達構造全体で循環し、電極ガス空間から熱を除去する。

電気分解を維持するのに必要な水は、再循環生成ガスと共に蒸気の形状で供給される。水蒸気は、流体連通する電極ガス空間を介して膜電極アセンブリに供給される。有益なことに、再循環ループにより、水の電解中に生成される熱は、膜電極アセンブリにおける電気分解に必要な（給水設備からの）水を蒸発させるために使用することができる。水の電解中に生成される熱の残りが利用されて、電解セルシステムの温度を維持し、必要に応じて上昇させると認識すべきである。

電解セルの効率は動作温度の上昇と共に向上すると認識すべきである。よって、一定の水素生成速度（すなわち、一定の流れの供給）でシステムの温度が上昇するにつれ、電解セルが生成する熱は少なくなる。その結果、電気分解中に生成される熱が使用されて、システム内の高温を維持し、電解セル内での電気分解に必要な水を蒸発させるエネルギーを提供するという平衡状態が達成される。

熱伝達構造は、膜電極アセンブリから、熱伝達構造を収容する電極ガス空間内のガスまで熱を伝達することのできる任意の適切な本体、システム、または構造を備えることができる。いくつかの実施形態では、熱伝達構造が、各アノードまたはカソードと直接物理的に接触するヒートシンクを備える。より好ましくは、ヒートシンクは、各アノードまたはカソードの少なくとも一部に接合接触している、あるいは物理的に接続される。適切な熱伝達構造は好ましくは、各電極ガス空間と膜電極アセンブリ間のガス流のための孔または開口、好ましくは複数の孔／開口を含む。したがって、熱伝達構造は、好ましくは膜電極アセンブリの縦軸に平行な方向にガス透過性である。適切な熱伝達構造は、網、好ましくは波形網部、または穿孔シートを含む。通常、この種の熱伝達構造は、シートまたは板形状である。いくつかの実施形態では、熱伝達構造は導電性を有する。したがって、熱伝達構造は好ましくは、導電性金属、たとえばニッケルまたはステンレス鋼で形成される。また、腐食耐性は、特に特定の腐食性電解質にとって好ましい。したがって、いくつかの実施形態では、熱伝達構造は好ましくは、耐食金属、好ましくは耐食ステンレス鋼で作製される。この耐食性は、合金組成や耐食性被覆などから生じる場合がある。

膜電極アセンブリは任意数の構造を有することができる。たとえば、一実施形態では、各電解セルは、電解質の各側に押圧される一対のガス透過性電極を含む。電解質は好ましくは、同じ温度および圧力の純水と比べて表面にわたって飽和水圧が低い任意の適切な電解質組成を有する。いくつかの実施形態では、電解質は、様々な多孔質母材に埋めこまれる固体イオン交換膜または液体電解質を備えることができる。アノードおよびカソード用の電極は好ましくは、電解質の種類に応じて、酸性またはアルカリ性媒体のいずれかで水の酸化還元を引き起こす周知の材料から成る。幅広い適切な材料が当該技術において十分既知である。

所望の電解セル構成に応じて、アノードの電極ガス空間またはカソードの電極ガス空間は、熱伝達構造を含み、再循環ループと流体連通することができる。したがって、いくつかの実施形態では、再循環ループに流体連通される入口および出口を含む電極ガス空間はアノードの電極ガス空間であり、生成ガスは酸素を備える。このような実施形態では、酸素生成ガスは再循環ループを通じて循環し、加湿器に供給される水の気化のための気化熱を供給する。他の実施形態では、再循環ループに流体連通される入口および出口を含む電極ガス空間はカソードの電極ガス空間であり、生成ガスは水素を備える。このような実施形態では、水素生成ガスは再循環ループを通じて循環し、加湿器に供給される水の気化のための気化熱を供給する。

給水容器は、水を気化させるように、気体相（再循環ガス流）から液体相（供給水）まで熱／エネルギーを伝達することができる任意の容器を備える。各種熱伝達構造が可能である。好適な実施形態では、給水容器が加湿器を備える。加湿器は好ましくは、再循環ループ内の生成酸素または水素ガスと、加湿器に供給され加湿器を流れる水とを直接混合させる。したがって、再循環される酸素または水素生成ガスは、加湿器を通過し、水蒸気を同伴することができる。このような実施形態では、水の気化のための気化熱が、再循環ループ内の生成ガスによって供給される。

加湿器、特に加湿器の出口は好ましくは、流体連通する電極ガス空間の入口に近接して配置される。加湿器と、流体連通される電極ガス空間の入口とを近接させることで、加湿器と電極ガス空間の間の熱損失と、流体連通部での凝結の可能性とを最小限にとどめる。

したがって、システムは好ましくは低温電解システムであり、０〜３００℃、好ましくは１００〜２００℃、より好ましくは１２０〜１６０℃の温度で動作する。

水が電解時にシステムにおいて使用されて、水素および酸素を生成する。好ましくは、電気分解によってシステムで使用される水を補給するのに必要な速度で、水が給水容器に供給される。これに関して、制御システムを使用して、給水容器に供給される水の量を制御することができる。上記の実施形態では、（たとえば電流計またはその他の適切なセンサによって）感知される電気分解中に使用される量の水、各電極ガス空間の出口を通って、再循環される生成ガスと共にセルから失われる量の水、および適切な／等価の量が給水容器に供給される。

本発明の実施形態では、電極ガス空間は、各電解セルの膜電極アセンブリの縦軸に垂直に配向されるガス流軸に沿って配置される入口および出口開口を有する電極室に収容される。入口および出口開口は好ましくは、電極ガス空間と各電極室を通る十分なガス流を維持するようなサイズに設定される。いくつかの実施形態では、膜電極アセンブリの縦軸に垂直な膜電極アセンブリの総活性平面領域と、電極室の入口および出口開口のそれぞれの平面領域との比は１〜５である。

電極室の入口および出口開口のサイズは、０．１〜２０ｍ／ｓ、好ましくは１〜２０ｍ／ｓ、より好ましくは５〜２０ｍ／ｓの好適な速度で、ガスが電極ガス空間を通じて流れ循環することを促進する。有効な熱伝達を提供し、電気分解のための原料として十分な量の水を供給するのに少量の循環ガスが要求されるシステムでは、高動作温度および高ガス圧で低循環速度を採用することができる。低温および低ガス圧で所望のシステム効率を維持するには速い速度が必要である。

いくつかの実施形態では、システムは、積層される少なくとも２つの電解セルを含む。いくつかの実施形態では、システムは、積層される複数の電解セルを含む。このようなシステムはセルスタックを備え、積層された電解セルが並行して機能し、供給水から所望の生成ガスを生成する。

本発明の第２の側面は、アノードおよびカソードを備える少なくとも一対のガス透過性電極と、各対のアノードとカソード間に配置されるイオン伝導性電解質と、を備える膜電極アセンブリを含む少なくとも一つの電解セルを用いて、水から水素および酸素を生成するプロセスを提供し、ガス透過性電極がそれぞれ非電解質側に電極ガス空間を含み、アノードおよびカソードの電極ガス空間の少なくとも一方が入口および出口を含み、該プロセスは、電流と水蒸気を前記膜電極アセンブリに供給して、カソードから水素ガスを、アノードから酸素ガスを生成し、再循環ループを通じて各電極ガス空間の前記出口から、各ガス空間を通じて各ガス空間の前記入口まで、生成される酸素ガスと水素ガスの少なくとも一方の一部を再循環させ、再循環ループ内の前記各酸素または水素生成ガスの少なくとも一部から提供されて、所要の気化熱を供給するエネルギーを用いて、給水設備から再循環ループへ供給される水を気化し、膜電極アセンブリと接触する各電極ガス空間に配置され、膜電極アセンブリと各電極ガス空間との間でガスを循環させる熱伝達構造を用いて、膜電極アセンブリと各電極ガス空間内の生成ガスとの間で熱を伝達する。

上述したように、所望の構造に応じて、アノードの電極ガス空間またはカソードの電極ガス空間は、熱伝達構造を含むことができ、再循環ループと流体連通することができる。よって、いくつかの実施形態では、前記各ガス空間がアノードの電極ガス空間であり、生成ガスが酸素を含む。 他の実施形態では、前記各ガス空間はカソードの電極ガス空間であり、生成ガスが水素を含む。

同様に、上述したように、水を気化するステップは好ましくは加湿器で実行される。このステップでは、水は好ましくは、生成される酸素ガスの一部を再循環して混合されることによって、水の気化のために、生成される酸素生成ガスから混合物内の水まで熱を伝達する。

本発明の第２の側面に係るプロセスは、本発明の第１の側面に係るシステムを用いて実行することができると認識すべきである。したがって、本発明の第１の側面に関連して説明する特徴は、本発明の第２の側面にも同等に適用される。

本発明は、本発明の特定の好適な実施形態を示す添付図面を参照して説明する。
従来技術による、本明細書の導入部に記載されるような電解セルシステムの図である。 本発明に係る電解セルシステムの図である。 本発明の一実施形態に係る電解セルの酸素室の一般的な設計の概略図である。 酸素室（図３に示す）を伴わない本発明の一実施形態に係る電解セルの一部の斜視図である。 図３および図４に示す実施形態に係る、組み立てられた電解セルの斜視図である。 セルスタックを形成する、図５に示すようないくつかの電解セルの斜視図である。

本発明は、給水設備から水素および酸素生成ガスを生成する電界セルを提供する。一般的に、本発明の電解セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソード間の電解質と、を含む膜電極アセンブリを備える。

本発明によって提供される進歩の一つは、膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリによって生成される酸素ガスまたは水素生成ガスとの間の効率的な熱伝達を簡易化する熱伝達構造の使用である。本発明の熱伝達構造は、電解セルの所望の構造に応じて、アノードまたはカソードの非電解質側の電極ガス室に収容される。熱伝達構造は各アノードまたはカソードに物理的に接続される。生成された酸素または水素生成ガスは、電極ガス室を介して熱伝達構造全体で循環し、電極ガス室から熱を除去して、電気分解用の水を供給する。この加熱された生成ガスの一部が、電極ガス室の出口と入口とを接続する再循環ループを通じて再循環される。再循環ループは、給水設備から十分な量の水が供給されて、電気分解を維持する加湿器を含む。加湿器は再循環ループにおける生成ガスの熱を利用して、所要のエネルギー（気化熱）を供給し、供給された水を気化させる。したがって、電気分解に必要な水は、再循環生成ガスと共に再循環ループから蒸気の形状で膜電極アセンブリに供給される。

図１から図６は、本発明に係る電解セルシステムまたは電解槽１００の一つの形状を示す。

図２は、本発明の一実施形態に係る電解セルシステム１００のプロセス概略図である。図示する電解セルシステム１００は少なくとも一つの電解セル１０１を備える。各電解セル１０１は、イオン伝導性電解質１０８の両側に配置されるアノード１０７およびカソード１０９を備えるガス透過性電極を有する膜電極アセンブリ１０２を含む。膜電極アセンブリ１０２は、当該技術において周知な手段によって構成される。たとえば、本発明の一実施形態では、電解セル１０１は、電解質１０８の各側に押圧される一対のガス透過性電極を含む。

電解質１０８は好ましくは、固体イオン交換膜（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）などの市販のプロトン交換膜や、Ｔｏｋｕｙａｍａ Ａｍｅｒｉｃａ：米国ＩＬ６０００５、Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ Ｈｅｉｇｈｔｓから入手可能なＴｏｋｕｙａｍａのＡ２０１などのイオン交換膜）、あるいは様々な多孔質母材に埋めこまれる液体電解質（たとえば、米国特許第５，８４３，２９７号と第４，８９５，６３４号に記載されるような液体電解質。この引用により該特許の内容は本明細書に組み込まれると理解すべきである）である。電解質１０８の主要件は、同じ温度および圧力の純水と比べて表面にわたって飽和水圧が低いことである。

アノード１０７とカソード１０９用の電極は好ましくは、電解質の種類に応じて、酸性またはアルカリ性媒体のいずれかで水の酸化還元を引き起こす周知の材料から成る。たとえば、アノード１０７とカソード１０９用の電極は、イオン交換膜（たとえば、Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．、２０１１、４、２９９３に記載されるようなイオン交換膜。その内容は引用により本明細書に組み込まれると理解すべきである）の面に分散されるナノ粒子を形成することができる、あるいは、穿孔シートまたは網（Ｉｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ３７（２０１２）１０９９２〜１１０００に記載されるようなもの。その内容は引用により本明細書に組み込まれると理解すべきである）として製造することができる。

電解セル１０１は、カソード１０９およびアノード１０７の非電解質側のガス空間１０４、１０６を使用する。電気分解によって生成される酸素ガスは、アノードガス空間１０４に収集される。電気分解によって生成される水素は、カソードガス空間１０７に収集される。生成される酸素および水素ガスはそれぞれ出口１３２および１３２Ａを介してガス空間１０４、１０６から出る。後述するように、アノードガス空間１０４は、電気分解のために水を電解セル１０１に供給するのに使用される水蒸気も含む。セルガス空間１０４、１０６は、図３および図４に示すようにカソード室１２８とアノード室１２９によってセル内に形成される。アノード室１２９は入口１３０と出口１３２を有する。

カソード室１２８は、電流をカソード１０９に供給し、好ましくは水素ガスをシステム１００から除去させる電解質側の複数の流路（図示せず）を含む任意の周知の手段によって製造することができる。このような手段は、たとえばＥｎｅｒｇｙ Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．２０１１、４、２９９３に記載され、その内容は引用により本明細書に組み込まれるものと理解すべきである。

本発明に係る電解セル１０１の１実施形態を図３から図６に示す。本発明の本実施形態で使用されるアノード室１２９の概略的設計を図３に示す。図示するアノード室１２９は薄い中空の板から成り、該板は、対向側部１３１Ａおよび１３１Ｂに入口１３０および出口１３２の２つの開口を有し、ベース１３１Ｃのアノード室１２９および開口１３３との間でガスを循環させる。膜電極アセンブリ１０２（アノードを含む）がアノード１０７を介してベース１３１Ｃに装着される。

熱交換器またはヒートシンク１０５を備える熱伝達構造は、アノードガス空間１０４内に配置される。ヒートシンク１０５は、アノード１０７とアノードガス空間１０４内のガス間のガス流通／ガス拡散を維持しつつ、アノード１０７と直接物理的に接触する。ヒートシンク１０５は金属穿孔板または網部を備えることができる。しかしながら、ヒートシンク１０５は、大量のガス流通量を維持し、アノード１０７からアノードガス空間１０４内のガスまでの効率的な熱伝達を提供することのできる任意の適切な構造を採り得ると認識すべきである。

アノード室１２９を備えずに図示する電解セル１０１の本実施形態の一部を図４に示す。ヒートシンク１０５は、アノード１０７から熱を除去するために使用され、カソード室１２８にわたって配置される膜電極アセンブリ１０２のアノード１０７に押圧される。好適な実施形態では、ヒートシンク１０５は金属シートまたは金属網で作製することができる。図示する実施形態では、ヒートシンク１０５は、アノード１０７を有する穿孔接触領域１０７Ａと固形波形フィン１０７Ｂとを有する波形金属板（正方形の波形構造）を備える。膜電極アセンブリ１０２のアノード１０７と接触するヒートシンク１０５の領域は、膜電極アセンブリ１０２とアノード室１２９内の酸素生成ガスとの間で熱と水の伝達を可能にするいくつかの開口１４５を有する。ヒートシンク１０５は、アルカリ性膜の場合はニッケルまたは耐食ステンレス鋼、あるいは酸性膜の場合は耐食被覆を備えるステンレス鋼（たとえば、２０１３年５月９日のＷａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．のＪＰ２０１３０８２９８５Ａに教示されるカーボン被覆、この引用によりその内容は本明細書に組み込まれると理解すべきである）で作製することができる。

ヒートシンク１０５は、膜電極アセンブリ１０２とアノード室１２９内で循環するガスとの間の熱伝達を向上させるように様々に設計することができる。電流はアノード１０７に直接供給することができる、あるいは導電性材料が使用される場合はヒートシンク１０５を介して供給することができる。

セルアセンブリ１０１全体を図５に示す。好適な実施形態では、アノード室１２９（その外側）がアノード１０７と直接電気的に接触する一方、カソード室１２８（その外側）がカソード１０９と直接電気的に接触する。

アノード室１２９の入口１３０と出口１３２の開口は、アノード室１２９側に配置され、入口開口は電解セル１０１の縦軸Ｘ−Ｘに垂直に配向される。アノード室１２９の入口１３０および出口１３２を介するガス流は、膜電極アセンブリ１０２の縦軸Ｘ−Ｘに垂直に配向される流れ軸に沿って位置する。入口１３０と出口１３２の開口は、アノード室１２９を通る十分なガス流を維持するようなサイズに設定される。この目的で、膜電極アセンブリ１０２の活性領域（縦軸Ｘ−Ｘに垂直な電極や電解質などの平面領域）と、アノード室１２９への入口１３０および出口１３２の入口領域Ａとの比は好ましくは１〜５である。

システム１００の動作に応じて、電位が電源１１３からカソード１０９とアノード１０７間に印加されて、電解質１０８に保持される水の一部を電気分解させることによって、酸素をアノードガス空間１０４に、水素をカソードガス空間１０６に放出する。酸素および水素生成ガスは、圧力制御出口１１５を通るガス空間１０４および１０６内の略均等な圧力を維持しつつ、システム１００から除去される。水酸化プロセスの非効率性のため、熱の大半は、電気分解中にアノード１０７と電解質１０８との間の界面で生成される。電解質１０８から生成される熱は、アノード１０７を介してヒートシンク１０５に伝達される。

電解セル１０１での電気分解から生成される酸素ガスの一部は、電解セル１０１内でポンプ１１１によって再循環され、ヒートシンク１０５から熱を除去するのに使用される。再循環酸素は、アノードガス空間１０４の出口１４６で電解セル１０１を離れ、入口１４８で電解セル１０１に再度進入する。

ガスは、０．１〜２０ｍ／ｓの速度で、アノード室１２９およびアノードガス空間１０４を通じて循環される。有効な熱伝達を提供し、電気分解のための原料として十分な量の水を供給するのに少量の循環ガスが要求されるシステムでは、高動作温度および高ガス圧で低循環速度を採用することができる。低温および低ガス圧でシステム１００の効率を維持することが重要であるときは高速が必要である。

なお、膜電極アセンブリ１０２の活性領域（縦軸Ｘ−Ｘに垂直な平面領域）と、アノード室までの入口１３０および出口１３２の入口領域Ａとの比が高いと、有効な熱伝達を維持し、電気分解のための原料として十分な量の水を供給するために高いガス循環速度が必要である。

生成される酸素および水素ガスの一部は、アノードガス空間１０４の出口から加湿器１４２を通り、再循環ループ１４３を介してアノードガス空間１０４の入口に戻るように循環する。加湿器１４２は、（電気分解からの）酸素生成ガスが流れる再循環ループ１４３に流体連通される。加湿器１４２は給水設備１４４から水を供給される。供給される水は、再循環ループ１４３において加熱される酸素生成ガス流から提供されるエネルギーを用いて、加湿器１４２内で気化され（すなわち、所要エネルギー（気化熱）が伝達されることによって所要温度まで加熱され）、酸素生成ガスに同伴する蒸気の形状で加湿器１４２の出口から流れ出る。したがって、再循環される酸素は加湿器１４２を通過して、水蒸気を同伴する。その結果、水蒸気は再循環ループ１４３から各電解セル１０１のアノードガス空間１０４に供給される。

電気分解によってシステム１００で使用される水を補給するのに必要な速度で、水が給水設備からシステム１００に供給される。生成される酸素および水素ガスの一部は、アノードガス空間１０４の出口から加湿器１４２を通り、再循環ループ１４３を介してアノードガス空間１０４の入口に戻るように循環する。加湿器１４２は、（電気分解からの）酸素生成ガスが流れる再循環ループ１４３に流体連通される。また、加湿器１４２は、再循環ループ１４３において加熱酸素生成ガス流によって供給されるエネルギー／熱を用いて、加湿器１４２で気化される水を給水設備１４４から供給される。したがって、水蒸気は、加湿器１４２の出口から、酸素生成ガスに同伴されて流れる。その結果、水蒸気は再循環ループ１４３から各電解セル１０１のアノードガス空間１０４に供給される。電気分解によってシステム１００で使用される水を補給するのに必要な速度で、水が給水設備からシステム１００に供給される。

制御システム（図示せず）を使用して、給水設備１４４から加湿器１４２に供給される水流を制御することができる。制御システムにより確実に、電流計１５２によって感知される電気分解中に使用される量の水と、出口１１５を通って（すなわち、再循環ループ１４３を循環しない）ガスと共にセルから失われる量の水との合計が、加湿器１４２に供給された後、再循環される酸素へと気化する。点線１４９は、電流計１５２と給水設備１４４間の概略的な制御線を示す。給水設備１４４は、制御弁、または加湿器１４２に供給される水の量を制御できる類似の流量制限／制御装置を含むと認識すべきである。

加湿器１４２に供給される水を気化する気化エネルギーは、再循環される酸素の温度／熱によって供給される。循環される生成酸素ガスから不十分な熱しか得られない場合、加湿器１４２内の水を気化することができない。よって、システム１００のエネルギーレベルを超過する水蒸気は再循環ループ１４３に入ることができないため、再循環ループ１４３内でこのような水蒸気の凝結は発生しない。

電解セル１０１内の水の電解中に生成される熱が使用されて、電気分解に必要な水を気化し、残りの熱が電解セルシステム１００の温度を上昇させる。電解セル１０１の温度が上昇するにつれ、プロセスの効率が向上し、電解セル１０１によって生成される熱が水の気化にとって十分になることによって、システム１００内の熱損失を補償する。電解セルの効率が動作温度と共に上昇することは周知である。よって、一定の水素生成速度（すなわち、一定の流れの供給）でシステムの温度が上昇するにつれ、セルが生成する熱は少なくなる。その結果、電気分解中に生成される熱が使用されて、システム１００内の高温を維持し、電気分解に必要な水を蒸発させるエネルギーを提供するという平衡状態が達成される。また、電解セル１０１は、再循環された酸素による熱伝達を可能にするため、加湿器１４２よりも高い温度で維持される。概して、システム１００は、０〜３００℃、好適な動作モードでは１２０〜１６０℃で動作することができる。

電解セル１０１は、酸素と水素ガス間で略同等の圧力で動作する。 膜の種類とガスの所要の純度とに応じて、システム１００は大気圧から３０バールを超える高圧までの範囲で動作することができる。

なお、例示のシステムでは、ヒートシンク１０５がアノードガス空間１０４に配置される。しかし、他の実施形態では、ヒートシンク１０５は循環ループ１４３に流体連通されるカソードガス空間１０６に代替的に配置することができると認識すべきである。上記実施形態では、電解セルシステム１００の構成は図２の構成と類似するが、カソード１０９およびアノード１０７が膜電極アセンブリ１０２内で交換され、それに応じて電気的接続も交換される。これにより、水素生成ガスは再循環ループ１４３を循環する。同様に、別の実施形態では、アノード室１２９の構成はカソード室の構成にも同等に使用することができる。図示する実施形態の説明は、上記の変更および変形を伴う実施形態にも同等に適用されると理解すべきである。

本発明に係るいくつかのセル１０１は直列に接続し、相互に積層して、スタックを形成することができる。たとえば、個々のセル１０１は、図６に示すようにセルスタック１６０に積層することができる。各セル（アノード室１２９への入口１３０および出口１３２を有する）の開口１６２は、セル１０１の積層側１６４の表面積の相当部分を含むことができる。側部１６４の総領域と、側部１６４上／内の開口１３０、１３１の領域との比は通常１〜５である。

当業者であれば、本発明に記載される発明が、明示される以外の変形や変更を適用することができると理解するであろう。本発明は、発明の精神と範囲に属する上記の変形および変更をすべて含むと理解される。

「備える」や「備えて」などの用語が本明細書（請求項を含む）で使用される場合、記載される特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するとして解釈することができるが、１以上のその他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはその構成要素群の存在を排除するものと解釈すべきではない。

１００ 電解セルシステム
１０１ 電解セル
１０２ 膜電極アセンブリ
１０４ ガス空間
１０５ ヒートシンク
１０６ ガス空間
１０７ アノード
１０８ 電解質
１０９ カソード
１３０ 入口
１３２ 出口
１４２ 加湿器
１４３ 再循環ループ
１４４ 給水設備

図２から図６は、本発明に係る電解セルシステムまたは電解槽１００の一つの形状を示す。

Claims (26)

1. 水から水素および酸素生成ガスを生成する電解セルシステムであって、
   アノードおよびカソードを備える少なくとも一対のガス透過性電極と、各対のアノードおよびカソード間に配置されるイオン伝導性電解質と、を備える膜電極アセンブリを含む少なくとも一つの電解セルと、
   入口および出口を含む、各電極の非電解質側の少なくとも一つの電極ガス空間と、
   前記各電極ガス空間の前記出口から前記各電極ガス空間の前記入口まで、前記生成される酸素または水素生成ガスの少なくとも一方の少なくとも一部を再循環させる再循環ループと、
   前記再循環ループと流体連通する給水容器であって、前記生成ガスから提供される気化熱を利用して給水設備からの水を気化し、前記水蒸気を前記再循環ループに導入する給水容器と、
   前記膜電極アセンブリと、前記入口および出口を通じて前記再循環ループに流体連通される前記電極ガス空間内のガスとの間で熱を伝達する熱伝達構造と、を備え、
   前記熱伝達構造が前記膜電極アセンブリと接触し、前記膜電極アセンブリと前記各電極ガス空間との間でガスを循環させる、電解セルシステム。
2. 前記熱伝達構造が、前記各アノードまたはカソードと直接物理的に接触するヒートシンクを備える、請求項１に記載の電解セルシステム。
3. 前記ヒートシンクが、前記各アノードまたはカソードの少なくとも一部に接合接触している、あるいは物理的に接続される、請求項２に記載の電解セルシステム。
4. 前記熱伝達構造が網、好ましくは波形網部、または穿孔シートを備える、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電解セルシステム。
5. 前記熱伝達構造がシートまたは板を備える、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電解セルシステム。
6. 前記熱伝達構造が、好ましくは前記膜電極アセンブリの縦軸に平行な方向にガス透過性である、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電解セルシステム。
7. 前記熱伝達構造が導電性を有する、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電解セルシステム。
8. 前記熱伝達構造が、金属、好ましくはニッケルまたはステンレス鋼、より好ましくは耐食ステンレス鋼で作製される、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の電解セルシステム。
9. 前記再循環ループに流体連通される前記入口および前記出口を含む前記電極ガス空間が前記アノードの前記電極ガス空間であり、前記生成ガスが酸素を備える、請求項１ないし８のいずれかに記載の電解セルシステム。
10. 前記再循環ループに流体連通される前記入口および前記出口を含む前記電極ガス空間が前記カソードの前記電極ガス空間であり、前記生成ガスが水素を備える、請求項１ないし８のいずれかに記載の電解セルシステム。
11. 前記給水容器が加湿器を備える、請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の電解セルシステム。
12. 前記加湿器が、前記生成ガスと、前記加湿器に供給され前記加湿器を流れる水とを直接混合させる、請求項１１に記載の電解セルシステム。
13. 前記再循環される酸素または水素生成ガスが前記加湿器を通過して、水蒸気を同伴する、請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の電解セルシステム。
14. 水の気化のための気化熱が、前記再循環ループ内の前記生成ガスによって提供される、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の電解セルシステム。
15. 電気分解によって前記システムで使用される水を補給するのに必要な速度で、水が前記給水容器に供給される、請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の電解セルシステム。
16. 前記電極ガス空間が、前記各電解セルの前記膜電極アセンブリに垂直に配向されるガス流軸に沿って配置される入口および出口開口を有する電極室に収容される、請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載の電解セルシステム。
17. 膜電極アセンブリの縦軸に垂直な前記膜電極アセンブリの総活性平面領域と、前記電極室の入口および出口開口のそれぞれの平面領域との比が１〜５である、請求項１６に記載の電解セルシステム。
18. ガスが、０．１〜２０ｍ／ｓの速度で、前記再循環ループに流体連通される前記電極ガス空間を通じて流れ循環する、請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載の電解セルシステム。
19. ０〜３００℃、好ましくは１２０〜１６０℃の温度で動作される、請求項１ないし請求項１８のいずれかに記載の電解セルシステム。
20. 積層される少なくとも２つの電解セルを含む、請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載の電解セルシステム。
21. アノードおよびカソードを備える少なくとも一対のガス透過性電極と、各対のアノードとカソード間に配置されるイオン伝導性電解質と、を備える膜電極アセンブリを含む少なくとも一つの電解セルを用いて、水から水素および酸素を生成するプロセスであって、前記ガス透過性電極がそれぞれ非電解質側に電極ガス空間を含み、前記アノードおよびカソードの前記電極ガス空間の少なくとも一方が入口および出口を含み、前記プロセスが、
    電流と水蒸気を前記膜電極アセンブリに供給して、前記カソードから水素ガスを、前記アノードから酸素ガスを生成し、
    再循環ループを通じて前記各電極ガス空間の前記出口から、前記各ガス空間を通じて前記各ガス空間の前記入口まで、前記生成される酸素ガスと水素ガスの少なくとも一方の一部を再循環させ、
    前記再循環ループ内の前記各酸素または水素生成ガスの少なくとも一部から提供されて、前記所要の気化熱を供給するエネルギーを用いて、給水設備から前記再循環ループへ供給される水を気化し、
    前記膜電極アセンブリと接触する前記各電極ガス空間に配置され、前記膜電極アセンブリと前記各電極ガス空間との間でガスを循環させる熱伝達構造を用いて、前記膜電極アセンブリと前記各電極ガス空間内の生成ガスとの間で熱を伝達する。
22. 前記水を気化させるステップが加湿器で実行される、請求項２１に記載のプロセス。
23. 前記水を気化させるステップが、生成される酸素ガスの再循環部分を水と混合して、水の気化のために、前記生成される酸素生成ガスから前記混合物内の水へ熱を伝達することを含む、請求項２１または請求項２２に記載のプロセス。
24. 前記各ガス空間が前記アノードの前記電極ガス空間であり、前記生成ガスが酸素を備える、請求項２１ないし請求項２３のいずれかに記載の電解セルシステム。
25. 前記各ガス空間が前記カソードの前記電極ガス空間であり、前記生成ガスが水素を備える、請求項２１ないし請求項２３のいずれかに記載の電解セルシステム。
26. 請求項１ないし請求項２０のいずれかに記載のシステムを用いる、請求項２１ないし請求項２５のいずれかに記載のプロセス。

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