JP2020079450A - Electrolytic cell and hydrogen production device - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、電解槽及び水素製造装置に関する。 The embodiment relates to an electrolytic cell and a hydrogen production device.
電解液を用いて水を電気分解することにより、水素ガスを製造できる。水素ガスの製造装置においては、純度を高めた水素ガスを製造することが要求されている。 Hydrogen gas can be produced by electrolyzing water using an electrolytic solution. In a hydrogen gas production apparatus, it is required to produce hydrogen gas with high purity.
実施形態の目的は、純度を高めた水素ガスを製造可能な電解槽及び水素製造装置を提供することである。 An object of the embodiment is to provide an electrolyzer and a hydrogen production device capable of producing hydrogen gas with increased purity.
実施形態に係る電解槽は、筐体と、前記筐体内に相互に離隔して設けられた陽極電極及び陰極電極と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に設けられ、前記陽極電極に接した陽極側隔膜と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に設けられ、前記陰極電極に接し、前記陽極側隔膜から離隔した陰極側隔膜と、を備え、前記陽極側隔膜と前記陰極側隔膜との間に電解液が供給される。 The electrolytic cell according to the embodiment is provided between a case, an anode electrode and a cathode electrode that are provided in the case so as to be separated from each other, and between the anode electrode and the cathode electrode, and is in contact with the anode electrode. An anode side diaphragm, and a cathode side diaphragm provided between the anode electrode and the cathode electrode, in contact with the cathode electrode, and separated from the anode side diaphragm, the anode side diaphragm and the cathode side diaphragm. The electrolytic solution is supplied between and.
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る水素製造装置を示すブロック図である。
図２は、本実施形態における陰極電極を示す平面図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing a hydrogen production device according to this embodiment.
FIG. 2 is a plan view showing the cathode electrode in this embodiment.
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１においては、電解槽１０が設けられている。また、本実施形態では、電解液として、例えばアルカリ性の電解液１００を用いる。但し、電解液は中性であってもよく、酸性であってもよい。電解槽１０には筐体１６が設けられており、筐体１６内には隔膜１１が設けられている。筐体１６の内部は、隔膜１１によって、陽極側セル１２と陰極側セル１３に区画されている。隔膜１１は、例えば、樹脂材料からなる多孔質膜であり、水分子及びイオンは通過させるが、大きな気泡は通過させない膜である。隔膜１１は絶縁性の多孔質材料によって形成されていればよく、例えば、セラミックス材料によって形成されていてもよい。 As shown in FIG. 1, in the hydrogen production device 1 according to this embodiment, an electrolytic cell 10 is provided. In addition, in the present embodiment, for example, an alkaline electrolytic solution 100 is used as the electrolytic solution. However, the electrolytic solution may be neutral or acidic. A case 16 is provided in the electrolytic cell 10, and a diaphragm 11 is provided in the case 16. The inside of the housing 16 is divided by the diaphragm 11 into an anode-side cell 12 and a cathode-side cell 13. The diaphragm 11 is, for example, a porous film made of a resin material, and is a film that allows water molecules and ions to pass through but does not allow large bubbles to pass through. The diaphragm 11 may be made of an insulating porous material, for example, a ceramic material.
陰極側セル１３の厚さ、すなわち、陽極側セル１２及び陰極側セル１３の配列方向における長さは、陽極側セル１２の厚さよりも短い。このため、陰極側セル１３の容積は、陽極側セル１２の容積よりも小さい。陽極側セル１２内には陽極電極１４が設けられており、陰極側セル１３内には陰極電極１５が設けられている。陽極電極１４及び陰極電極１５は隔膜１１に接しており、隔膜１１を挟んでいる。 The thickness of the cathode side cell 13, that is, the length in the arrangement direction of the anode side cell 12 and the cathode side cell 13 is shorter than the thickness of the anode side cell 12. Therefore, the volume of the cathode side cell 13 is smaller than the volume of the anode side cell 12. An anode electrode 14 is provided in the anode side cell 12, and a cathode electrode 15 is provided in the cathode side cell 13. The anode electrode 14 and the cathode electrode 15 are in contact with the diaphragm 11 and sandwich the diaphragm 11.
陽極側セル１２内には、アルカリ性の電解液１００、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が保持されている。一方、陰極側セル１３内には、電解液１００はごく少量しか存在しておらず、陰極側セル１３の大部分は気相１０１が占めている。例えば、陽極側セル１２の容積の半分以上には電解液１００が存在し、陰極側セル１３の容積の半分以上には気相１０１が存在する。このため、陽極電極１４における隔膜１１に接していない側の表面の大部分、少なくとも半分以上は電解液１００に接し、陰極電極１５における隔膜１１に接していない側の表面の大部分、少なくとも半分以上は気相１０１に接している。 An alkaline electrolyte 100, for example, an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution is held in the anode-side cell 12. On the other hand, only a small amount of the electrolytic solution 100 exists in the cathode-side cell 13, and most of the cathode-side cell 13 is occupied by the gas phase 101. For example, the electrolytic solution 100 exists in more than half of the volume of the anode side cell 12, and the gas phase 101 exists in more than half of the volume of the cathode side cell 13. Therefore, most of the surface of the anode electrode 14 on the side not in contact with the diaphragm 11, at least more than half, contacts the electrolyte solution 100, and most of the surface of the cathode electrode 15 on the side not in contact with the diaphragm 11, at least more than half. Is in contact with gas phase 101.
図２に示すように、陰極電極１５の形状は例えばメッシュ状であり、多数の開口部１５ａが形成されている。陽極電極１４の形状も、陰極電極１５と同様なメッシュ状であり、多数の開口部１４ａ（図３参照）が形成されている。なお、陰極電極１５及び陽極電極１４の形状は、多数の開口部が形成された形状であればよく、メッシュ状には限定されない。 As shown in FIG. 2, the cathode electrode 15 has a mesh shape, for example, and has a large number of openings 15a. The shape of the anode electrode 14 is also the same mesh shape as the cathode electrode 15, and a large number of openings 14a (see FIG. 3) are formed. The shapes of the cathode electrode 15 and the anode electrode 14 are not limited to the mesh shape as long as the openings have a large number of openings.
図１に示すように、水素製造装置１には、整流器１９が設けられている。整流器１９は水素製造装置１の外部から電力が供給されて、陽極電極１４と陰極電極１５の間に直流電力を印加する。 As shown in FIG. 1, the hydrogen production device 1 is provided with a rectifier 19. Electric power is supplied to the rectifier 19 from the outside of the hydrogen production apparatus 1, and DC electric power is applied between the anode electrode 14 and the cathode electrode 15.
水素製造装置１には、陽極側電解液タンク２１が設けられている。陽極側セル１２の上部と陽極側電解液タンク２１の上部との間には、配管２２が接続されている。なお、本明細書において「接続」とは、内部間を流体が流通可能なように機械的に連結されていることをいう。陽極側電解液タンク２１の下部と陽極側セル１２の下部との間には、配管２３が接続されている。配管２３の途中には、ポンプ２４が介在している。陽極側セル１２、配管２２、陽極側電解液タンク２１、配管２３及びポンプ２４により、ループ状の流路２５が形成されている。ポンプ２４が作動することにより、電解液１００は流路２５に沿って循環する。 The hydrogen production device 1 is provided with an anode-side electrolytic solution tank 21. A pipe 22 is connected between the upper part of the anode side cell 12 and the upper part of the anode side electrolytic solution tank 21. In the present specification, “connection” means mechanically connected so that a fluid can flow between the insides. A pipe 23 is connected between the lower portion of the anode-side electrolytic solution tank 21 and the lower portion of the anode-side cell 12. A pump 24 is provided in the middle of the pipe 23. The anode-side cell 12, the pipe 22, the anode-side electrolytic solution tank 21, the pipe 23, and the pump 24 form a loop-shaped flow path 25. When the pump 24 operates, the electrolytic solution 100 circulates along the flow path 25.
水素製造装置１には、陰極側電解液タンク２６が設けられている。陰極側セル１３の下部、例えば、底面と陰極側電解液タンク２６の上部との間には、配管２７が接続されている。配管２７の途中には、ポンプ２８が介在している。ポンプ２８が作動することにより、陰極側セル１３の下部に溜まった電解液１００が、配管２７を介して陰極側電解液タンク２６に排出される。但し、電解液１００を陰極側電解液タンク２６から陰極側セル１３に移動させるポンプは設けられていない。このため、電解液１００は、陰極側セル１３と陰極側電解液タンク２６との間を循環はせず、陰極電極１５の開口部１５ａからしみ出す電解液１００を除けば、陰極側セル１３から陰極側電解液タンク２６に一方的に移動するのみである。 The hydrogen production device 1 is provided with a cathode-side electrolytic solution tank 26. A pipe 27 is connected between a lower portion of the cathode side cell 13, for example, a bottom surface and an upper portion of the cathode side electrolytic solution tank 26. A pump 28 is interposed in the middle of the pipe 27. By operating the pump 28, the electrolytic solution 100 accumulated in the lower portion of the cathode side cell 13 is discharged to the cathode side electrolytic solution tank 26 via the pipe 27. However, a pump for moving the electrolytic solution 100 from the cathode side electrolytic solution tank 26 to the cathode side cell 13 is not provided. Therefore, the electrolytic solution 100 does not circulate between the cathode-side cell 13 and the cathode-side electrolytic solution tank 26, and except for the electrolytic solution 100 which exudes from the opening 15a of the cathode electrode 15, the electrolytic solution 100 is removed from the cathode-side cell 13. It only moves unilaterally to the cathode side electrolytic solution tank 26.
図１に示すように、水素製造装置１には、酸素ガス洗浄塔３１、水素ガス洗浄塔３２、圧縮器３３、及び、配管３５〜４０が設けられている。水素製造装置１の外部には、水素貯蔵タンク１２０が設けられている。配管３５は陽極側電解液タンク２１の上部と酸素ガス洗浄塔３１の下部との間に接続されており、配管３６は酸素ガス洗浄塔３１の上部から水素製造装置１の外部に引き出されている。配管３７は陰極側セル１３の上部と水素ガス洗浄塔３２の下部との間に接続されており、配管３８は水素ガス洗浄塔３２の上部と圧縮器３３との間に接続されており、配管３９は圧縮器３３と外部の水素貯蔵タンク１２０との間に接続されている。配管４０は、陽極側電解液タンク２１と陰極側電解液タンク２６との間に接続されている。配管２７、ポンプ２８、陰極側電解液タンク２６及び配管４０は、陰極側セル１３の底部から陽極側電解液タンク２１に電解液１００を移動させる手段である。 As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus 1 is provided with an oxygen gas cleaning tower 31, a hydrogen gas cleaning tower 32, a compressor 33, and pipes 35 to 40. A hydrogen storage tank 120 is provided outside the hydrogen production apparatus 1. The pipe 35 is connected between the upper part of the anode-side electrolyte solution tank 21 and the lower part of the oxygen gas cleaning tower 31, and the pipe 36 is drawn from the upper part of the oxygen gas cleaning tower 31 to the outside of the hydrogen production apparatus 1. . The pipe 37 is connected between the upper part of the cathode side cell 13 and the lower part of the hydrogen gas cleaning tower 32, and the pipe 38 is connected between the upper part of the hydrogen gas cleaning tower 32 and the compressor 33. 39 is connected between the compressor 33 and the external hydrogen storage tank 120. The pipe 40 is connected between the anode side electrolyte solution tank 21 and the cathode side electrolyte solution tank 26. The pipe 27, the pump 28, the cathode-side electrolyte solution tank 26, and the pipe 40 are means for moving the electrolyte solution 100 from the bottom of the cathode-side cell 13 to the anode-side electrolyte solution tank 21.
次に、本実施形態に係る水素製造装置の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る水素製造装置の動作を示す断面図である。
図１に示すように、電解槽１０の陽極側セル１２、及び、陽極側電解液タンク２１内に、電解液１００を注入する。一方、陰極側セル１３内には電解液１００を注入せず、気相１０１としておく。電解液１００はアルカリ性水溶液であり、例えば、水酸化カリウム水溶液である。また、酸素ガス洗浄塔３１及び水素ガス洗浄塔３２内には、洗浄液、例えば、純水を注入する。ポンプ２４が作動することにより、流路２５に沿って、（陽極側電解液タンク２１→配管２３→陽極側セル１２→配管２２→陽極側電解液タンク２１）の順に、電解液１００が循環する。
Next, the operation of the hydrogen production device according to this embodiment will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the operation of the hydrogen production device according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, the electrolytic solution 100 is injected into the anode-side cell 12 of the electrolytic cell 10 and the anode-side electrolytic solution tank 21. On the other hand, the electrolytic solution 100 is not injected into the cathode-side cell 13 and is kept in the gas phase 101. The electrolytic solution 100 is an alkaline aqueous solution, for example, a potassium hydroxide aqueous solution. A cleaning liquid, for example, pure water is injected into the oxygen gas cleaning tower 31 and the hydrogen gas cleaning tower 32. By operating the pump 24, the electrolytic solution 100 circulates along the flow path 25 in the order of (anode side electrolytic solution tank 21→pipe 23→anode side cell 12→pipe 22→anode side electrolytic solution tank 21). ..
このとき、図３に示すように、陽極側セル１２内に充填された電解液１００が、陽極電極１４の開口部１４ａ、隔膜１１の孔１１ａ、及び、陰極電極１５の開口部１５ａを介して、陰極電極１５と気相１０１との界面付近までしみ出し、電解液１００の表面張力により、開口部１５ａの出口付近で停止する。このため、陽極電極１４と陰極電極１５が、共に電解液１００に接触する。 At this time, as shown in FIG. 3, the electrolytic solution 100 filled in the anode-side cell 12 passes through the opening 14 a of the anode electrode 14, the hole 11 a of the diaphragm 11, and the opening 15 a of the cathode electrode 15. The exudates near the interface between the cathode electrode 15 and the gas phase 101, and stops due to the surface tension of the electrolytic solution 100 near the outlet of the opening 15a. Therefore, the anode electrode 14 and the cathode electrode 15 both come into contact with the electrolytic solution 100.
この状態で、図１に示すように、外部から整流器１９に電力を供給すると、整流器１９が陽極電極１４と陰極電極１５の間に直流電力を供給する。これにより、電解液１００における陽極電極１４と陰極電極１５の間で、以下の反応が生じる。 In this state, as shown in FIG. 1, when power is externally supplied to the rectifier 19, the rectifier 19 supplies DC power between the anode electrode 14 and the cathode electrode 15. As a result, the following reaction occurs between the anode electrode 14 and the cathode electrode 15 in the electrolytic solution 100.
陽極側：２ＯＨ− → （１／２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
陰極側：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → Ｈ２＋２ＯＨ−
Anode side: 2OH − → (1/2)O 2 +H 2 O+2e −
Cathode side: 2H 2 O+2e − →H 2 +2OH −
この結果、水が電気分解されて、陽極側セル１２においては、水（Ｈ２Ｏ）と酸素ガス（Ｏ２）が発生し、陰極側セル１３においては、水が消費されて水素ガス（Ｈ２）が発生する。発生した酸素ガスは、陽極電極１４の開口部１４ａ付近に小さな気泡として付着するが、循環する電解液１００によって陽極電極１４から引き剥がされて、陽極側セル１２の上部に移動する。一方、発生した水素ガスは、陰極電極１５の開口部１５ａを介して、そのまま気相１０１中に拡散し、陰極側セル１３の上部に移動する。 As a result, water is electrolyzed, water (H 2 O) and oxygen gas (O 2 ) are generated in the anode-side cell 12, and water is consumed in the cathode-side cell 13 to generate hydrogen gas (H 2 2 ) occurs. The generated oxygen gas adheres as small bubbles near the opening 14a of the anode electrode 14, but is peeled off from the anode electrode 14 by the circulating electrolyte solution 100 and moves to the upper part of the anode-side cell 12. On the other hand, the generated hydrogen gas diffuses as it is into the gas phase 101 through the opening 15 a of the cathode electrode 15 and moves to the upper part of the cathode side cell 13.
陽極側セル１２において発生した酸素ガスは、電解液１００と共に配管２２を介して陽極側電解液タンク２１に流入し、陽極側電解液タンク２１内において電解液１００から分離される。分離された酸素ガスは、配管３５を介して酸素ガス洗浄塔３１内に引き込まれ、洗浄液と接触することにより電解液１００が更に除去された後、配管３６を介して水素製造装置１の外部に排出される。 The oxygen gas generated in the anode-side cell 12 flows into the anode-side electrolyte solution tank 21 through the pipe 22 together with the electrolyte solution 100, and is separated from the electrolyte solution 100 in the anode-side electrolyte solution tank 21. The separated oxygen gas is drawn into the oxygen gas cleaning tower 31 through the pipe 35, and the electrolytic solution 100 is further removed by coming into contact with the cleaning liquid, and then is discharged to the outside of the hydrogen production apparatus 1 through the pipe 36. Is discharged.
一方、陰極側セル１３においては発生した水素ガスは、配管３７を介して水素ガス洗浄塔３２内に引き込まれ、洗浄液と接触することにより不純物が除去された後、配管３８を介して圧縮器３３に供給される。圧縮器３３は水素ガスを圧縮し、配管３９を介して水素貯蔵タンク１２０に供給する。水素貯蔵タンク１２０は、水素ガスを貯蔵する。 On the other hand, the hydrogen gas generated in the cathode-side cell 13 is drawn into the hydrogen gas cleaning tower 32 through the pipe 37, and the impurities are removed by coming into contact with the cleaning liquid, and then the compressor 33 through the pipe 38. Is supplied to. The compressor 33 compresses the hydrogen gas and supplies it to the hydrogen storage tank 120 via the pipe 39. The hydrogen storage tank 120 stores hydrogen gas.
また、上述の電気分解過程において、少量の電解液１００が陰極電極１５の開口部１５ａからしみ出し、陰極電極１５の表面を伝わって落下し、陰極側セル１３の底部に溜まることがある。この場合は、ポンプ２８を作動させることにより、配管２７を介して、電解液１００を陰極側電解液タンク２６内に移動させる。陰極側電解液タンク２６内に保持された電解液１００は、配管４０を介して、陽極側電解液タンク２１に戻される。 In the electrolysis process described above, a small amount of the electrolytic solution 100 may seep out from the opening 15a of the cathode electrode 15, travel along the surface of the cathode electrode 15 and drop, and collect at the bottom of the cathode-side cell 13. In this case, by operating the pump 28, the electrolytic solution 100 is moved into the cathode side electrolytic solution tank 26 via the pipe 27. The electrolyte solution 100 held in the cathode-side electrolyte solution tank 26 is returned to the anode-side electrolyte solution tank 21 via the pipe 40.
なお、なお、配管４０の途中にもポンプを設け、陰極側電解液タンク２６に溜まった電解液１００を強制的に陽極側電解液タンク２１に移動させてもよい。また、本実施形態においては、陰極側セル１３の底部から陽極側電解液タンク２１に電解液１００を移動させる手段として、配管２７、ポンプ２８、陰極側電解液タンク２６及び配管４０を設ける例を示したが、これには限定されない。例えば、陽極側電解液タンク２１を電解槽１０よりも下方に設置し、電解液１００を、陰極側セル１３から配管を介して陽極側電解液タンク２１に落下させてもよい。この場合は、陽極側電解液タンク２１内の酸素ガスが陰極側セル１３に流入しないように、配管の途中に弁等の逆流防止機構を設けることが好ましい。これにより、陰極側電解液タンク２６及びポンプ２８を省略することができる。 It should be noted that a pump may be provided in the middle of the pipe 40 to forcibly move the electrolyte solution 100 accumulated in the cathode side electrolyte solution tank 26 to the anode side electrolyte solution tank 21. Further, in the present embodiment, an example in which a pipe 27, a pump 28, a cathode side electrolyte solution tank 26, and a pipe 40 are provided as means for moving the electrolyte solution 100 from the bottom of the cathode side cell 13 to the anode side electrolyte solution tank 21. Although shown, it is not limited thereto. For example, the anode side electrolytic solution tank 21 may be installed below the electrolytic bath 10 and the electrolytic solution 100 may be dropped from the cathode side cell 13 to the anode side electrolytic solution tank 21 via a pipe. In this case, it is preferable to provide a backflow prevention mechanism such as a valve in the middle of the pipe so that the oxygen gas in the anode side electrolyte solution tank 21 does not flow into the cathode side cell 13. Thereby, the cathode-side electrolyte solution tank 26 and the pump 28 can be omitted.
次に、本実施形態の効果について説明する。
図１に示すように、電解槽１０の陽極側セル１２においては、水の電気分解によって発生した酸素が、電解液１００中に混入する。電解液１００中に混入した酸素の大部分は、陽極側電解液タンク２１内において電解液１００から分離されるが、一部は電解液１００に溶解した状態、又は、ナノバブルの状態で、電解液１００中に残留する。
Next, the effect of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, in the anode-side cell 12 of the electrolytic cell 10, oxygen generated by electrolysis of water is mixed in the electrolytic solution 100. Most of the oxygen mixed in the electrolytic solution 100 is separated from the electrolytic solution 100 in the anode-side electrolytic solution tank 21, but part of the oxygen is dissolved in the electrolytic solution 100 or in the state of nanobubbles. Remains in 100.
仮に、このようにして酸素が残留した電解液１００が、陰極側セル１３内に混入すると、この酸素が水素ガス中に混入し、水素ガスの純度が低下する。しかしながら、本実施形態に係る水素製造装置１においては、上述の如く、陰極側セル１３は流路２５から切り離されており、電解液１００自体が陰極側セル１３に漏出することがほとんどない。このため、電解液１００内の酸素が水素ガス中に混入することもほとんどなく、純度を高めた水素ガスを得ることができる。 If the electrolytic solution 100 in which oxygen remains in this way mixes into the cathode-side cell 13, this oxygen mixes into the hydrogen gas, and the purity of the hydrogen gas decreases. However, in the hydrogen production device 1 according to this embodiment, as described above, the cathode-side cell 13 is separated from the flow path 25, and the electrolytic solution 100 itself hardly leaks to the cathode-side cell 13. Therefore, oxygen in the electrolytic solution 100 is hardly mixed in the hydrogen gas, and hydrogen gas having high purity can be obtained.
また、本実施形態によれば、陰極側電解液タンク２６における気液分離が不要となるため、水素製造装置１の構成を簡略化できる。そして、気液分離が不要な分だけ、水素ガスの製造に要する消費電力量を抑えることが可能となる。また、同じ電力供給量であれば、従来よりも水素ガスの製造量を多くすることが可能となる。更に、陰極側セル１３内に所定量の電解液１００を保持する必要がないため、陰極側セル１３の容積を陽極側セル１２の容積よりも小さくできる。これにより、水素製造装置１の小型化が可能となる。この結果、水素製造装置１の設備コスト、運搬コスト及び設置コストを低減できる。又は、水素製造装置１のサイズを維持したまま、陽極側セル１２及び陰極側セル１３の対の数を増加させることができるため、製造できる水素量が増加する。 Further, according to the present embodiment, the gas-liquid separation in the cathode-side electrolyte solution tank 26 is unnecessary, so that the configuration of the hydrogen production device 1 can be simplified. Then, the amount of power consumption required for producing hydrogen gas can be suppressed by the amount that gas-liquid separation is unnecessary. Further, if the amount of power supply is the same, it is possible to increase the production amount of hydrogen gas as compared with the conventional case. Furthermore, since it is not necessary to hold a predetermined amount of the electrolytic solution 100 in the cathode side cell 13, the volume of the cathode side cell 13 can be made smaller than the volume of the anode side cell 12. As a result, the hydrogen production device 1 can be downsized. As a result, the equipment cost, transportation cost, and installation cost of the hydrogen production apparatus 1 can be reduced. Alternatively, the number of pairs of the anode-side cell 12 and the cathode-side cell 13 can be increased while maintaining the size of the hydrogen production apparatus 1, so that the amount of hydrogen that can be produced is increased.
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態に係る水素製造装置を示すブロック図である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 4 is a block diagram showing the hydrogen production device according to the present embodiment.
図４に示すように、本実施形態に係る水素製造装置２は、前述の第１の実施形態に係る水素製造装置１（図１参照）と比較して、電解槽１０の替わりに電解槽５０が設けられている点、陽極側電解液タンク２１及び陰極側電解液タンク２６の替わりに、電解液タンク５１が設けられている点、並びに、ポンプ２４及び２８の替わりにポンプ５２が設けられている点が異なっている。 As shown in FIG. 4, the hydrogen producing apparatus 2 according to the present embodiment is different from the hydrogen producing apparatus 1 according to the first embodiment (see FIG. 1) described above in that the electrolytic cell 50 is replaced by the electrolytic cell 50. Is provided, an electrolytic solution tank 51 is provided instead of the anode side electrolytic solution tank 21 and the cathode side electrolytic solution tank 26, and a pump 52 is provided instead of the pumps 24 and 28. The difference is that
電解槽５０においては、筐体１６が設けられており、筐体１６内には陽極電極１４及び陰極電極１５が相互に離隔して設けられている。陽極電極１４と陰極電極１５との間には、陽極側隔膜５４及び陰極側隔膜５５が相互に離隔して設けられている。陽極側隔膜５４は陽極電極１４における陰極電極１５側の面に接しており、陰極側隔膜５５は陰極電極１５における陽極電極１４側の面に接している。 A case 16 is provided in the electrolytic cell 50, and an anode electrode 14 and a cathode electrode 15 are provided in the case 16 so as to be separated from each other. An anode side diaphragm 54 and a cathode side diaphragm 55 are provided between the anode electrode 14 and the cathode electrode 15 so as to be separated from each other. The anode side diaphragm 54 is in contact with the surface of the anode electrode 14 on the cathode electrode 15 side, and the cathode side diaphragm 55 is in contact with the surface of the cathode electrode 15 on the anode electrode 14 side.
電解槽５０における陽極電極１４から見て陰極電極１５の反対側の部分が、陽極側セル１２となっており、電解槽５０における陰極電極１５から見て陽極電極１４の反対側の部分が、陰極側セル１３となっている。陽極側隔膜５４と陰極側隔膜５５との間は、中央セル５６となっている。 The portion of the electrolytic cell 50 on the opposite side of the cathode electrode 15 from the anode electrode 14 is the anode-side cell 12, and the portion of the electrolytic cell 50 on the opposite side of the anode electrode 14 from the cathode electrode 15 is the cathode. It is the side cell 13. A central cell 56 is provided between the anode-side diaphragm 54 and the cathode-side diaphragm 55.
例えば、電解液タンク５１は電解槽５０よりも下方に配置されている。陽極側セル１２の下部、例えば底面と電解液タンク５１の上部との間には、配管６１が接続されている。陰極側セル１３の下部、例えば底面と電解液タンク５１の上部との間には、配管６２が接続されている。電解液タンク５１と中央セル５６との間には、配管６３が接続されている。配管６３の途中には、ポンプ５２が介在している。中央セル５６の上部から電解液タンク５１の上部との間には、配管６４が接続されている。中央セル５６、配管６４、電解液タンク５１、配管６３及びポンプ５２により、電解液１００の流路６０が形成されている。そして、ポンプ５２が作動することにより、流路６０に沿って電解液１００が循環し、電解液タンク５１から中央セル５６内に電解液１００を供給する。また、配管２２は、陽極側セル１２の上部と酸素ガス洗浄塔３１の下部との間に接続されている。 For example, the electrolytic solution tank 51 is arranged below the electrolytic bath 50. A pipe 61 is connected between the lower portion of the anode-side cell 12, for example, the bottom surface and the upper portion of the electrolytic solution tank 51. A pipe 62 is connected between the lower portion of the cathode-side cell 13, for example, the bottom surface and the upper portion of the electrolytic solution tank 51. A pipe 63 is connected between the electrolytic solution tank 51 and the central cell 56. The pump 52 is interposed in the middle of the pipe 63. A pipe 64 is connected between the upper part of the central cell 56 and the upper part of the electrolytic solution tank 51. The flow path 60 for the electrolytic solution 100 is formed by the central cell 56, the pipe 64, the electrolytic solution tank 51, the pipe 63, and the pump 52. Then, by operating the pump 52, the electrolytic solution 100 circulates along the flow path 60, and the electrolytic solution 100 is supplied from the electrolytic solution tank 51 into the central cell 56. The pipe 22 is connected between the upper part of the anode-side cell 12 and the lower part of the oxygen gas cleaning tower 31.
電解液タンク５１内及び中央セル５６内には、電解液１００が保持されている。陽極側セル１２内は気相１０２によって占められている。陰極側セル１３内は気相１０１によって占められている。陽極電極１４は気相１０２に接し、陰極電極１５は気相１０１に接している。 The electrolytic solution 100 is held in the electrolytic solution tank 51 and in the central cell 56. The inside of the cell 12 on the anode side is occupied by the gas phase 102. The inside of the cathode-side cell 13 is occupied by the gas phase 101. The anode electrode 14 is in contact with the gas phase 102, and the cathode electrode 15 is in contact with the gas phase 101.
次に、本実施形態に係る水素製造装置の動作について説明する。
前述の第１の実施形態においては、電気分解により発生した酸素ガスは陽極側セル１２内において電解液１００中に放出され、水素ガスは陰極側セル１３内において気相１０１中に放出された。これに対して、本実施形態においては、酸素ガスも気相１０２中に放出される。
Next, the operation of the hydrogen production device according to this embodiment will be described.
In the above-described first embodiment, the oxygen gas generated by electrolysis was released into the electrolyte solution 100 in the anode side cell 12, and the hydrogen gas was released into the gas phase 101 in the cathode side cell 13. On the other hand, in the present embodiment, oxygen gas is also released into the gas phase 102.
以下、詳細に説明する。
図４に示すように、電解槽５０の中央セル５６内及び電解液タンク５１内に、電解液１００を注入する。このとき、陽極側セル１２内及び陰極側セル１３内には電解液１００を注入せず、それぞれ、気相１０２及び気相１０１としておく。また、酸素ガス洗浄塔３１及び水素ガス洗浄塔３２内には、洗浄液、例えば、純水を注入する。そして、ポンプ５２が作動することにより、流路６０に沿って、（電解液タンク５１→配管６３→中央セル５６→配管６４→電解液タンク５１）の順に、電解液１００が循環する。
The details will be described below.
As shown in FIG. 4, the electrolytic solution 100 is injected into the central cell 56 of the electrolytic cell 50 and the electrolytic solution tank 51. At this time, the electrolytic solution 100 is not injected into the anode-side cell 12 and the cathode-side cell 13, but is left in the vapor phase 102 and the vapor phase 101, respectively. A cleaning liquid, for example, pure water is injected into the oxygen gas cleaning tower 31 and the hydrogen gas cleaning tower 32. Then, by operating the pump 52, the electrolytic solution 100 circulates along the flow path 60 in the order of (electrolytic solution tank 51→pipe 63→central cell 56→pipe 64→electrolytic solution tank 51).
このとき、中央セル５６内に充填された電解液１００が、陽極側隔膜５４の孔（図示せず）、及び、陽極電極１４の開口部１４ａ（図３参照）を介して、陽極電極１４と気相１０２との界面付近までしみ出す。一方、中央セル５６内に充填された電解液１００は、陰極側隔膜５５の孔（図示せず）、及び、陰極電極１５の開口部１５ａ（図３参照）を介して、陰極電極１５と気相１０１との界面付近までしみ出す。これにより、陽極電極１４と陰極電極１５が、共に電解液１００に接触する。 At this time, the electrolytic solution 100 filled in the central cell 56 is connected to the anode electrode 14 through the hole (not shown) in the anode-side diaphragm 54 and the opening 14a of the anode electrode 14 (see FIG. 3). It exudes up to near the interface with the gas phase 102. On the other hand, the electrolytic solution 100 filled in the central cell 56 is separated from the cathode electrode 15 through the hole (not shown) of the cathode side diaphragm 55 and the opening 15a of the cathode electrode 15 (see FIG. 3). It oozes out near the interface with the phase 101. As a result, the anode electrode 14 and the cathode electrode 15 both come into contact with the electrolytic solution 100.
この状態で、外部から整流器１９に電力を供給すると、陽極電極１４と陰極電極１５との間で水が電気分解されて、陽極側セル１２においては酸素ガスが発生し、陰極側セル１３においては水素ガスが発生する。発生した酸素ガスは、陽極電極１４の開口部１４ａを介して、そのまま気相１０２中に拡散し、陽極側セル１２の上部に移動する。一方、発生した水素ガスは、第１の実施形態と同様に、陰極電極１５の開口部１５ａを介して、そのまま気相１０１中に拡散し、陰極側セル１３の上部に移動する。 When power is supplied to the rectifier 19 from the outside in this state, water is electrolyzed between the anode electrode 14 and the cathode electrode 15, oxygen gas is generated in the anode side cell 12, and in the cathode side cell 13. Hydrogen gas is generated. The generated oxygen gas diffuses into the gas phase 102 as it is through the opening 14 a of the anode electrode 14 and moves to the upper part of the anode-side cell 12. On the other hand, the generated hydrogen gas diffuses into the gas phase 101 as it is through the opening 15a of the cathode electrode 15 and moves to the upper part of the cathode side cell 13, as in the first embodiment.
また、上述の電気分解過程において、電解液１００が陽極電極１４の開口部１４ａからしみ出し、陽極電極１４の表面を伝わって落下し、陽極側セル１２の底部に溜まることがある。陽極側セル１２の底部に溜まった電解液１００は、配管６１を介して、電解液タンク５１に落下する。同様に、電解液１００が陰極電極１５の開口部１５ａからしみ出し、陰極電極１５の表面を伝わって落下し、陰極側セル１３の底部に溜まることがある。陰極側セル１３の底部に溜まった電解液１００は、配管６２を介して、電解液タンク５１に落下する。なお、電解液タンク５１を電解槽５０の下方に配置できない場合には、配管６１及び配管６２の途中にポンプを設けて、電解液１００を強制的に移動させてもよい。 Further, in the above-mentioned electrolysis process, the electrolytic solution 100 may seep out from the opening 14 a of the anode electrode 14, travel along the surface of the anode electrode 14 and drop, and collect at the bottom of the anode-side cell 12. The electrolytic solution 100 accumulated at the bottom of the anode-side cell 12 drops into the electrolytic solution tank 51 via the pipe 61. Similarly, the electrolytic solution 100 may seep out from the opening 15 a of the cathode electrode 15, travel along the surface of the cathode electrode 15 and drop, and collect at the bottom of the cathode-side cell 13. The electrolytic solution 100 accumulated at the bottom of the cathode-side cell 13 falls into the electrolytic solution tank 51 via the pipe 62. When the electrolytic solution tank 51 cannot be arranged below the electrolytic bath 50, a pump may be provided in the middle of the pipe 61 and the pipe 62 to forcibly move the electrolytic solution 100.
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、電解液１００の流路６０が陽極側セル１２から切り離されているため、電解液１００中に酸素が混入することを抑制できる。また、仮に、少量の酸素が電解液１００中に混入したとしても、陰極側セル１３が流路６０から切り離されているため、電解液１００中の酸素が水素ガス中に混入することを抑制できる。この結果、純度を高めた水素ガスを得ることができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
In this embodiment, since the flow path 60 of the electrolytic solution 100 is separated from the anode-side cell 12, it is possible to prevent oxygen from being mixed into the electrolytic solution 100. Further, even if a small amount of oxygen is mixed in the electrolytic solution 100, since the cathode-side cell 13 is separated from the flow channel 60, it is possible to prevent oxygen in the electrolytic solution 100 from being mixed in hydrogen gas. .. As a result, hydrogen gas with increased purity can be obtained.
（比較例）
次に、比較例について説明する。
図５は、本比較例に係る水素製造装置を示すブロック図である。
(Comparative example)
Next, a comparative example will be described.
FIG. 5 is a block diagram showing a hydrogen production device according to this comparative example.
図５に示すように、本比較例に係る水素製造装置１１１においては、電解槽１１０が設けられている。電解槽１１０においては、隔膜１１によって陽極側セル１２と陰極側セル１３とが区画されており、陽極側セル１２及び陰極側セル１３の双方に電解液１００が保持されている。そして、陽極側セル１２及び陰極側セル１３から同じ電解液タンク１１２に電解液１００が落下し、この電解液タンク１１２から陽極側セル１２及び陰極側セル１３に電解液１００が供給される。すなわち、陽極側セル１２に対して電解液１００を循環させる流路と、陰極側セル１３に対して電解液１００を循環させる流路が、１つの電解液タンク１１２を共有している。 As shown in FIG. 5, an electrolytic cell 110 is provided in the hydrogen production device 111 according to this comparative example. In the electrolytic cell 110, the diaphragm 11 divides the anode-side cell 12 and the cathode-side cell 13, and the electrolytic solution 100 is held in both the anode-side cell 12 and the cathode-side cell 13. Then, the electrolytic solution 100 drops from the anode side cell 12 and the cathode side cell 13 into the same electrolytic solution tank 112, and the electrolytic solution 100 is supplied from the electrolytic solution tank 112 to the anode side cell 12 and the cathode side cell 13. That is, the flow path for circulating the electrolytic solution 100 to the anode side cell 12 and the flow path for circulating the electrolytic solution 100 to the cathode side cell 13 share one electrolytic solution tank 112.
このため、陽極側セル１２において電解液１００中に混入した酸素が、電解液タンク１１２を介して、陰極側セル１３に流入する。この結果、陰極側セル１３において生成される水素ガスに酸素が混入し、水素ガスの純度が低下する。 Therefore, oxygen mixed in the electrolytic solution 100 in the anode-side cell 12 flows into the cathode-side cell 13 via the electrolytic solution tank 112. As a result, oxygen is mixed in the hydrogen gas generated in the cathode-side cell 13, and the purity of the hydrogen gas is reduced.
なお、電解液１００の循環流量を小さくすれば、酸素の流入量も抑制できるが、そうすると、陰極電極１５に付着した水素ガスの気泡を陰極電極１５から引き剥がす効果が低減し、水素の製造効率が低下する。このため、電解槽１１０に投入する電流密度を高くしても、それに見合った量の水素を生成できなくなる。 It should be noted that if the circulation flow rate of the electrolytic solution 100 is reduced, the inflow amount of oxygen can also be suppressed, but then the effect of peeling the bubbles of hydrogen gas adhering to the cathode electrode 15 from the cathode electrode 15 is reduced, and the hydrogen production efficiency is reduced. Is reduced. Therefore, even if the current density applied to the electrolytic cell 110 is increased, it is impossible to generate hydrogen in an amount commensurate with that.
これに対して、前述の各実施形態によれば、電解液１００の循環経路を陰極側セル１３から切り離しているため、電解液１００の循環流量を大きくしても、高純度の水素ガスを生成することができる。これにより、電解槽に投入する電流密度を高くしても、効率よく水素を生成することができる。 On the other hand, according to each of the above-described embodiments, since the circulation path of the electrolytic solution 100 is separated from the cathode side cell 13, even if the circulation flow rate of the electrolytic solution 100 is increased, high-purity hydrogen gas is generated. can do. As a result, hydrogen can be efficiently generated even if the current density applied to the electrolytic cell is increased.
例えば、前述の各実施形態に係る水素製造装置は、再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、風力発電施設又は太陽光発電施設に隣接して設置してもよい。再生可能エネルギーは、化石燃料とは異なり、持続可能であり、一般的には発電時に二酸化炭素を生成することもないため、将来のエネルギー源として注目されている。しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電は、発電量に時間的なばらつきがあることが多い。例えば、風力発電施設であれば風に依存して発電量がばらつき、太陽光発電施設であれば日射量に依存して発電量がばらつく。 For example, the hydrogen production device according to each of the above-described embodiments may be installed adjacent to a power generation facility using renewable energy, such as a wind power generation facility or a solar power generation facility. Renewable energy, unlike fossil fuels, is sustainable and generally does not produce carbon dioxide during power generation, so it is attracting attention as a future energy source. However, power generation using renewable energy often has a temporal variation in the amount of power generation. For example, in a wind power generation facility, the amount of power generation varies depending on the wind, and in a solar power generation facility, the amount of power generation varies depending on the amount of solar radiation.
そこで、再生可能エネルギーにより発電された電力を、水素製造装置に投入して水素を製造し、この水素を水素貯蔵タンクに貯蔵しておき、必要に応じて回収し、燃料電池により電力に変換する。これにより、発電時と使用時を一致させる必要がなくなり、再生可能エネルギーを効率よく利用することができる。そして、上述の如く、水素製造装置において電解液の循環流量を大きくしておけば、発電量が一時的に大きくなったとき、例えば、強い風が吹いたときや日射が強くなったときに、発電された大電流を効率的に利用して水素を製造することができる。このように、再生可能エネルギーを利用した発電施設に前述の各実施形態に係る水素製造装置を組み合わせたシステムを構築すれば、再生可能エネルギーを効率よく回収することができる。 Therefore, the electric power generated by renewable energy is input to a hydrogen production device to produce hydrogen, this hydrogen is stored in a hydrogen storage tank, recovered if necessary, and converted to electric power by a fuel cell. .. As a result, it is not necessary to match the time of power generation with the time of use, and renewable energy can be used efficiently. Then, as described above, if the circulation flow rate of the electrolytic solution is increased in the hydrogen production device, when the power generation amount temporarily increases, for example, when a strong wind blows or when the solar radiation becomes strong, Hydrogen can be produced by efficiently utilizing the generated large current. Thus, by constructing a system in which the hydrogen production device according to each of the above-described embodiments is combined with a power generation facility using renewable energy, it is possible to efficiently recover the renewable energy.
再生可能エネルギーを利用した発電において、発電量に時間的なばらつきや低下が生じた場合、水素ガスの生成純度が低下する虞がある。本実施形態では、このような場合に、従来よりも水素ガスの製造に要する消費電力量を抑え、水素ガスの生成純度の低下を抑えることが可能となる。 In power generation using renewable energy, if the amount of power generation fluctuates or decreases with time, the production purity of hydrogen gas may decrease. In the present embodiment, in such a case, it is possible to suppress the amount of power consumption required for manufacturing hydrogen gas more than before, and to suppress the decrease in hydrogen gas production purity.
（試験例）
次に、試験例について説明する。
図６は、横軸に水素製造装置の種類をとり、縦軸に生成された水素ガス中の酸素濃度をとって、第１の実施形態の効果を示すグラフ図である。
前述の第１の実施形態に係る水素製造装置１、及び、比較例に係る水素製造装置１１１を使用して水素を製造し、生成された水素ガス中の酸素濃度を測定した。
図６に示すように、第１の実施形態によれば、比較例と比較して、水素ガス中の酸素濃度を大幅に低減することができた。
(Test example)
Next, a test example will be described.
FIG. 6 is a graph showing the effect of the first embodiment in which the horizontal axis represents the type of hydrogen production device and the vertical axis represents the oxygen concentration in the produced hydrogen gas.
Hydrogen was produced using the hydrogen producing apparatus 1 according to the first embodiment and the hydrogen producing apparatus 111 according to the comparative example, and the oxygen concentration in the produced hydrogen gas was measured.
As shown in FIG. 6, according to the first embodiment, the oxygen concentration in the hydrogen gas could be significantly reduced as compared with the comparative example.
以上説明した実施形態によれば、純度を高めた水素ガスを製造可能な電解槽及び水素製造装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize an electrolytic cell and a hydrogen production apparatus capable of producing hydrogen gas with high purity.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１：水素製造装置
２：水素製造装置
１０：電解槽
１１：隔膜
１１ａ：孔
１２：陽極側セル
１３：陰極側セル
１４：陽極電極
１４ａ：開口部
１５：陰極電極
１５ａ：開口部
１６：筐体
１９：整流器
２１：陽極側電解液タンク
２２、２３：配管
２４：ポンプ
２５：流路
２６：陰極側電解液タンク
２７：配管
２８：ポンプ
３１：酸素ガス洗浄塔
３２：水素ガス洗浄塔
３３：圧縮器
３５〜４０：配管
５０：電解槽
５１：電解液タンク
５２：ポンプ
５４：陽極側隔膜
５５：陰極側隔膜
５６：中央セル
６０：流路
６１〜６４：配管
１００：電解液
１０１、１０２：気相
１１０：電解槽
１１１：水素製造装置
１１２：電解液タンク
１２０：水素貯蔵タンク
1: Hydrogen production device 2: Hydrogen production device 10: Electrolyzer 11: Diaphragm 11a: Hole 12: Anode side cell 13: Cathode side cell 14: Anode electrode 14a: Opening portion 15: Cathode electrode 15a: Opening portion 16: Housing 19: Rectifier 21: Anode-side electrolytic solution tank 22, 23: Piping 24: Pump 25: Flow path 26: Cathode-side electrolytic solution tank 27: Piping 28: Pump 31: Oxygen gas cleaning tower 32: Hydrogen gas cleaning tower 33: Compression Device 35-40: Piping 50: Electrolytic tank 51: Electrolyte tank 52: Pump 54: Anode-side diaphragm 55: Cathode-side diaphragm 56: Central cell 60: Flow path 61-64: Pipe 100: Electrolyte 101, 102: Gas Phase 110: Electrolyzer 111: Hydrogen production device 112: Electrolyte tank 120: Hydrogen storage tank
Claims (4)
前記筐体内に相互に離隔して設けられた陽極電極及び陰極電極と、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に設けられ、前記陽極電極に接した陽極側隔膜と、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に設けられ、前記陰極電極に接し、前記陽極側隔膜から離隔した陰極側隔膜と、
を備え、
前記陽極側隔膜と前記陰極側隔膜との間に電解液が供給される電解槽。 Housing and
An anode electrode and a cathode electrode that are provided apart from each other in the housing,
An anode side diaphragm provided between the anode electrode and the cathode electrode and in contact with the anode electrode,
A cathode side diaphragm provided between the anode electrode and the cathode electrode, in contact with the cathode electrode, and separated from the anode side diaphragm,
Equipped with
An electrolytic cell in which an electrolytic solution is supplied between the anode-side diaphragm and the cathode-side diaphragm.
前記電解液を保持する電解液タンクと、
前記電解液タンクから前記陽極側隔膜と前記陰極側隔膜との間に前記電解液を供給する供給手段と、
を備えた水素製造装置。 An electrolytic cell according to any one of claims 1 to 3,
An electrolytic solution tank for holding the electrolytic solution,
Supply means for supplying the electrolytic solution from the electrolytic solution tank between the anode side diaphragm and the cathode side diaphragm,
Hydrogen generator equipped with.
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|---|---|---|---|---|
| CN115161707A (en) * | 2022-06-28 | 2022-10-11 | 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 | Method and system for controlling electrolyte flow of water electrolysis hydrogen production system |
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- 2020-02-26 JP JP2020030138A patent/JP2020079450A/en active Pending
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