JP2021017628A - 水素ガスの製造装置、水素ガスの製造方法、および水素吸蔵合金 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、陰極となる電極には、例えばニッケル(Ni)、鉄(Fe)等の金属材料が使用されている。まず、水素イオン(H+)が電極の表面に吸着する。水素イオンが電極から電子(e-)を受け取ることにより、原子状水素(H)が生成される。電極の表面を構成する原子と、原子状水素との間に、化学結合(−H)が生成される。電極の表面において、近接する2個の水素原子同士の間に、新たな共有結合が生成される。すなわち水素分子(H−H)が生成される。水素分子が電極の表面から離脱する。
本開示において、陰極となる電極には、水素吸蔵合金が使用されている。水素イオン(H+)は、電極から電子を受け取ると共に、原子状水素(H)となって水素吸蔵合金に吸蔵される。水素吸蔵合金の結晶構造中において、2つの原子状水素が結合することにより、水素分子(H−H)が生成される。水素分子が水素ガスとなって放出される。
LasCetPruNdvNiwCoxMnyAlz
により表されてもよい。
組成式中、s、t、u、v、w、x、yおよびzは、各元素の比を示し、
0.2≦s≦0.3、
0.5≦t≦0.6、
0≦u≦0.1、
0.1≦v≦0.2、
3.9≦w≦4.2、
0.6≦x≦0.8、
0≦y≦0.4、かつ
0≦z≦0.1
の関係を満たす。
上記組成式により表される水素吸蔵合金は、高い平衡解離圧を有し得る。
(A)第1電極と第2電極とを、それぞれアルカリ水溶液に接触させる。
(B)第1電極と第2電極との間に電圧を印加することにより、アルカリ水溶液を電気分解する。
第1電極と第2電極とは、互いに離れて配置される。第1電極が陰極となり、かつ第2電極が陽極となるように、両極間に電圧が印加される。第1電極は、水素吸蔵合金を含む。水素吸蔵合金は、20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有する。アルカリ水溶液の電気分解により、第1電極において水素ガスが発生する。
(C)電気分解によって酸化された第2電極を放電させる。
第2電極の一部と、第3電極とが、それぞれ水に接触させられる。第2電極の一部と、第3電極とが、互いに離れて配置される。外部回路を通じて、第2電極と第3電極とが接続されることにより、第2電極が還元され、かつ第3電極において酸素ガスが発生する。
図3は、本実施形態における水素ガスの製造装置の構成を示す概念図である。
以下「水素ガスの製造装置」が「製造装置」と略記され得る。本実施形態における製造装置100は、水電解セル10と、電源20とを含む。製造装置100は、放電セル30と、外部回路40とをさらに含んでいてもよい。
水電解セル10は、第1電極1と、第2電極2と、アルカリ水溶液4とを含む。第1電極1と、第2電極2と、アルカリ水溶液4とは、例えば、所定の容器に入れられていてもよい。第1電極1と第2電極2とは、それぞれアルカリ水溶液4に接触している。第1電極1の全部がアルカリ水溶液4に接触していてもよい。第1電極1の一部がアルカリ水溶液4に接触していてもよい。第2電極2の全部がアルカリ水溶液4に接触していてもよい。第2電極2の一部がアルカリ水溶液4に接触していてもよい。
第1電極1は、例えば、板状であってもよい。第1電極1は、陰極材料を含む。陰極材料は、水素吸蔵合金である。第1電極1は、例えば、水素吸蔵合金のみからなっていてもよい。例えば、第1電極1は、水素吸蔵合金の成形体等であってもよい。
第2電極2は、例えば、板状であってもよい。第2電極2は、陽極材料を含む。第2電極2は、陽極材料のみからなっていてもよい。陽極材料は、特に限定されるべきではない。陽極材料は、例えば、Ni、Fe、NiFe合金、水酸化ニッケル、二酸化マンガン、水酸化マンガン、亜鉛(Zn)等を含んでいてもよい。
アルカリ水溶液4は、水酸化物の水溶液である。図3においては、水酸化物の一例として、水酸化カリウム(KOH)が記されている。ただし、水酸化物は、KOHに限定されるべきではない。アルカリ水溶液は、例えば、KOH、水酸化ナトリウム(NaOH)、および水酸化リチウム(LiOH)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。アルカリ水溶液は、例えば、0.1N以上10N以下(0.1規定以上10規定以下)の濃度を有していてもよい。アルカリ水溶液は、例えば、1N以上10N以下の濃度を有していてもよい。
製造装置100は、放電セル30と、外部回路40とをさらに含んでいてもよい。放電セル30および外部回路40により、酸化された第2電極2が放電され得る。
第3電極3は、各種の電極材料を含み得る。第3電極3は、例えば、Ni等を含んでいてもよい。Niは、低い酸素過電圧を有し得る。第3電極3の表面積が大きい程、酸素過電圧が低くなる傾向がある。第3電極3は、例えば、多孔質ニッケル材料等を含んでいてもよい。多孔質ニッケル材料は、大きい表面積を有し得る。
図4は、本実施形態における水素ガスの製造方法の概略フローチャートである。
以下「水素ガスの製造方法」が「製造方法」と略記され得る。本実施形態における製造方法は、「A.セルの形成」および「B.水電解」を含む。製造方法は、「C.放電」をさらに含んでいてもよい。
本実施形態における製造方法は、第1電極1と第2電極2とを、それぞれアルカリ水溶液4に接触させることを含む。第1電極1と第2電極2とは、互いに離れて配置される。これにより、水電解セル10が形成される。水電解セル10に含まれる各構成の詳細は、前述のとおりである。
本実施形態における製造方法は、第1電極1と第2電極2との間に電圧を印加することにより、アルカリ水溶液4を電気分解することを含む。例えば、電源20が電極間に電解電圧を印加する。電解電圧は、第1電極1が陰極となり、かつ第2電極2が陽極となるように印加される。これにより水電解が進行する。水電解中、例えばヒータ等により、アルカリ水溶液4が加熱されてもよい。水電解中のアルカリ水溶液4の温度(電解温度)は、例えば、20℃以上80℃以下であってもよい。
本実施形態における製造方法は、「B.水電解」の後に「C.放電」をさらに含んでいてもよい。すなわち、本実施形態における製造方法は、電気分解によって酸化された第2電極2を放電させることをさらに含んでいてもよい。
本実施形態における水素吸蔵合金は、アルカリ水電解の陰極材料として使用される。すなわち、本実施形態における水素吸蔵合金は、アルカリ水電解の陰極材料用の水素吸蔵合金である。
本実施形態における水素吸蔵合金は、高解離圧合金である。高解離圧合金は、0.2MPa以上の平衡解離圧を有する。「平衡解離圧」は、水素吸蔵合金が可逆的に水素を吸蔵し、かつ放出し得る圧力を示す。平衡解離圧は、圧力−組成等温線図から求められる。
圧力−組成等温線図は、PCT(pressure−composition−temperature)線図と略記され得る。本明細書のPCT線図に示される曲線は、放出線である。PCT線図の縦軸は水素圧である。縦軸は常用対数目盛を有する。横軸は水素吸蔵量である。10点以上の測定点が結ばれることにより、放出線が形成される。例えば、20点以上の測定点が結ばれることにより、放出線が形成されてもよい。
本実施形態における水素吸蔵合金は、0.2MPa以上の平衡解離圧を有する限り、如何なる組成を有していてもよい。例えば、水素吸蔵合金は、AB5型であってもよい。AB5型は、六方晶系CaCu5型の結晶構造を有する。AB5型の水素吸蔵合金は、高い平衡解離圧を有し得る。
LasCetPruNdvNiwCoxMnyAlz
により表されてもよい。
上記組成式中、s、t、u、v、w、x、yおよびzは、各元素の比を示し、
0.2≦s≦0.3、
0.5≦t≦0.6、
0≦u≦0.1、
0.1≦v≦0.2、
3.9≦w≦4.2、
0.6≦x≦0.8、
0≦y≦0.4、かつ
0≦z≦0.1
の関係を満たす。
上記組成式において、s、t、uおよびvは、例えば、
0.90≦s+t+u+v≦1.1
の関係を満たしていてもよい。
4.9≦w+x+y+z≦5.1
の関係を満たしていてもよい。
0.241≦s≦0.26、
0.534≦t≦0.543、
0.0508≦u≦0.0575、
0.156≦v≦0.163、
3.986≦w≦4.19、
0.601≦x≦0.786、
0≦y≦0.36、かつ
0≦z≦0.055
の関係を満たしていてもよい。
水素吸蔵合金を準備すること、および、
水素吸蔵合金をアルカリ水電解の陰極材料として使用すること、
を含む。水素吸蔵合金は、20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有する。
以下のように、各種の供試装置において、アルカリ水電解が実施された。電解電圧と、水素ガスの圧力とが測定された。
(A.セルの形成)
所定の金属粉末が準備された。アルゴン雰囲気中、アーク溶解炉により、金属粉末が溶解された。これにより合金溶湯が調製された。合金溶湯が冷却されることにより、水素吸蔵合金が得られた。水素吸蔵合金が粉砕された。これにより、20から100μmの粒子径を有する粉末が調製された。水素吸蔵合金の組成は、下記表1に示される。
第1電極1:水素吸蔵合金(下記表1)
第2電極2:水酸化ニッケル
第3電極3:多孔質ニッケル材料
セパレータ:ポリオレフィン製の多孔質膜
アルカリ水溶液4:KOH水溶液(濃度 6規定)
電源20:直流電源
電源20により、2.5mA/cm2の電流が第1電極1と第2電極2に供給された。第1電極1において水素ガスの発生が確認された。水素ガス発生時の電圧が測定された。さらに、水素ガスの圧力が測定された。
第2電極2において、水酸化ニッケルがすべてオキシ水酸化ニッケルに変化した。その後、外部回路40を通じて、第2電極2と第3電極3とが接続された。第2電極2と第3電極3との間に、0.1Vの電圧が印加された。これにより、第2電極2においてオキシ水酸化ニッケルが水酸化ニッケルに還元された。第3電極3において酸素ガスの発生が確認された。酸素ガス発生時の電圧が測定された。
下記表1に示される各種の水素吸蔵合金が調製された。各種の水素吸蔵合金が使用されることを除いては、No.1と同様に、供試装置が組み立てられた。各供試装置において、電解電圧と、水素ガスの圧力とが測定された。
No.1からNo.3においては、水素ガスの圧力が0.2MPa以上であった。陰極材料として使用された水素吸蔵合金が、0.2MPa以上の平衡解離圧を有していたためと考えられる。
Claims (15)
- 水電解セルと電源とを含み、
前記水電解セルは、第1電極と、第2電極と、アルカリ水溶液とを含み、
前記第1電極と前記第2電極とは、それぞれ前記アルカリ水溶液に接触しており、
前記第1電極と前記第2電極とは、互いに離れて配置されており、
前記第1電極は、水素吸蔵合金を含み、
前記水素吸蔵合金は、20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有し、
前記第1電極と、前記第2電極とは、それぞれ前記電源に接続されており、
前記電源は、前記第1電極が陰極となり、かつ前記第2電極が陽極となるように、両極間に電圧を印加し、
前記アルカリ水溶液の電気分解により、前記第1電極において水素ガスが発生する、
水素ガスの製造装置。 - 前記水素吸蔵合金は、AB5型である、
請求項1に記載の水素ガスの製造装置。 - 前記水素吸蔵合金は、組成式:
LasCetPruNdvNiwCoxMnyAlz
により表され、
前記組成式中、s、t、u、v、w、x、yおよびzは、各元素の比を示し、
0.2≦s≦0.3、
0.5≦t≦0.6、
0≦u≦0.1、
0.1≦v≦0.2、
3.9≦w≦4.2、
0.6≦x≦0.8、
0≦y≦0.4、かつ
0≦z≦0.1
の関係を満たす、
請求項1または請求項2に記載の水素ガスの製造装置。 - 前記第2電極は、水酸化ニッケルを含む、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の水素ガスの製造装置。 - 放電セルと外部回路とをさらに含み、
前記放電セルは、前記第2電極の一部と、第3電極と、水とを含み、
前記第2電極の前記一部と、前記第3電極とは、それぞれ水に接触しており、
前記第2電極の前記一部と、前記第3電極とは、互いに離れて配置されており、
前記外部回路を通じて、前記第2電極と前記第3電極とが接続されることにより、前記第2電極が還元され、かつ前記第3電極において酸素ガスが発生する、
請求項4に記載の水素ガスの製造装置。 - 前記第3電極は、ニッケルを含む、
請求項5に記載の水素ガスの製造装置。 - 第1電極と第2電極とを、それぞれアルカリ水溶液に接触させること、
および
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加することにより、前記アルカリ水溶液を電気分解すること、
を含み、
前記第1電極と前記第2電極とは、互いに離れて配置され、
前記第1電極が陰極となり、かつ前記第2電極が陽極となるように、両極間に電圧が印加され、
前記第1電極は、水素吸蔵合金を含み、
前記水素吸蔵合金は、20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有し、
前記アルカリ水溶液の電気分解により、前記第1電極において水素ガスが発生する、
水素ガスの製造方法。 - 前記水素吸蔵合金は、AB5型である、
請求項7に記載の水素ガスの製造方法。 - 前記水素吸蔵合金は、組成式:
LasCetPruNdvNiwCoxMnyAlz
により表され、
前記組成式中、s、t、u、v、w、x、yおよびzは、各元素の比を示し、
0.2≦s≦0.3、
0.5≦t≦0.6、
0≦u≦0.1、
0.1≦v≦0.2、
3.9≦w≦4.2、
0.6≦x≦0.8、
0≦y≦0.4、かつ
0≦z≦0.1
の関係を満たす、
請求項7または請求項8に記載の水素ガスの製造方法。 - 前記第2電極は、水酸化ニッケルを含む、
請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の水素ガスの製造方法。 - 電気分解によって酸化された前記第2電極を放電させること、
をさらに含み、
前記第2電極の一部と、第3電極とが、それぞれ水に接触させられ、
前記第2電極の前記一部と、前記第3電極とが、互いに離れて配置され、
外部回路を通じて、前記第2電極と前記第3電極とが接続されることにより、前記第2電極が還元され、かつ前記第3電極において酸素ガスが発生する、
請求項10に記載の水素ガスの製造方法。 - 前記第3電極は、ニッケルを含む、
請求項11に記載の水素ガスの製造方法。 - アルカリ水電解の陰極材料として使用される水素吸蔵合金であって、
20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有する、
水素吸蔵合金。 - AB5型である、
請求項13に記載の水素吸蔵合金。 - 組成式:
LasCetPruNdvNiwCoxMnyAlz
により表され、
前記組成式中、s、t、u、v、w、x、yおよびzは、各元素の原子比を示し、
0.2≦s≦0.3、
0.5≦t≦0.6、
0≦u≦0.1、
0.1≦v≦0.2、
3.9≦w≦4.2、
0.6≦x≦0.8、
0≦y≦0.4、かつ
0≦z≦0.1
の関係を満たす、
請求項13または請求項14に記載の水素吸蔵合金。
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