JP2023065251A - 水素発生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】陽極と陰極の極間距離を出来るだけ小さくして、陽極と陰極の間に存在する電解液やガス気泡の影響をなくすことができ、しかも電解液の電圧損失を大幅に低減できるものとする。【解決手段】陰極と陽極の電極１１、両電極によって挟まれた隔膜１２、及び電解液１３で構成され、陰極に供給された水と外部電源からやってくる電子とが電極１１上で結合して水素と水酸化イオンが生成され、生成された水酸化イオンは陽極側へ移動し、陽極電極上で水と酸素と電子が生成され、水素が陰極側に生成される水素発生装置１０であって、厚みのある隔膜を採用し、前記電極１１を打ち抜き多孔板などとして前記隔膜１２に接触してなる。【選択図】図１
Description
本発明は、アルカリ水電解を用いた水素発生装置に関する。
再生可能エネルギー電源が電力系統へ大量に導入されると、電力系統では過剰電力供給状態となる場合が多くなり、それに対し「蓄電池による電力貯蔵」、「揚水発電による上流の貯水池への揚水」、「電力貯蔵の代替えとなる水電解による水素製造と貯蔵」等の対策が必要とされる。
そこで、近年では、余剰再生可能エネルギーを利用した「水電解による水素製造方法」として、水電解法は「アルカリ水電解法」、「固体高分子形水電解法」、「高温水蒸気電解法」がある。
アルカリ水電解法は、２０世紀の初頭に水力発電を利用して水電解を行い、水素を製造し、その水素でアンモニアを、最終的に硫安、硝安といった肥料を生産していた。このように水電解による水素製造方法は既に工業的に確立された技術といえる。
近年は再生可能エネルギー電源で、大量に水素を製造する要求が高まり、水電解による水素製造の高効率化及び再生可能エネルギー電源の変動に対する水素製造量の追従性の研究が行われている。
従来のアルカリ水電解装置の構成を図４に示す。アルカリ水電解装置２０は、主に電極２１、隔壁２２及び電解液２３で構成される。ここで電極２１は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料が、隔壁２２は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるもので、以前はアスペストが使用されていたが、人体への影響を考慮して最近はポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜等、そして電解液２３としてアルカリ電解液、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が利用できるが、イオン電導性の面で濃度２０～２５％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が広く利用されている。
しかしながら、通常の場合、イオン交換膜（隔膜）は陰極側の圧力により陽極に押しつけられているため、陰極とイオン交換膜との間には隙間が生じている。この部分には電解液の他に大量の気泡が存在し、電気抵抗が非常に高い。電解セルの大幅な電解電圧の低減を図るためには、陽極と陰極の間隔（以下極間距離と言う）を出来るだけ小さくして、陽極と陰極の間に存在する電解液やガス気泡の影響をなくすことが必要である。
従来はこの極間距離は１～３ｍｍ程度が普通であった（ファイナイトギャップと言う）。この極間距離を小さくするための手段は既にいくつか提案されていが、しかし電解セルは一般に２平方メートル以上の通電面積を有しており、陽極と陰極を完全に平滑にして製作精度の公差をほぼゼロｍｍとすることは不可能であるという問題点を有していた。
また、従来のアルカリ水電解装置の場合、膜材が破損することが多くあり、その対策としてニッケルマットや弾性体を介在させる構造が一般的であった（引用特許文献１参照）、そのため体間電圧が低下せず、また、目標とされるコストＮＥＤＯの要望では５万円／Ｋｗを達成できなかった。
そこで、本発明は従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、陽極と陰極の極間距離を出来るだけ小さくして、陽極と陰極の間に存在する電解液やガス気泡の影響をなくすことができ、しかも電解液の電圧損失を大幅に低減できるものとしたアルカリ水電解を用いた水素発生装置を提供することを目的とする。
ただ単に極間距離を小さくして行くだけでは、陽極と陰極の間に存在するイオン交換膜を押し切り破損させたり、或いは、極間距離がイオン交換膜の厚みとほぼ同じ距離で、陽極と膜、陰極と膜の間に隙間の殆ど無い状態（以下ゼロギャップと言う）に保てない部分が存在したりして、理想的なゼロギャップは得られない。
本発明では、イオン交換膜法では、ゼロギャップとするために、両極は比較的剛性を強くして、イオン交換膜を押しつけても変形の少ない構造とし、電解セルの製作精度上の公差や電極の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つような構造としている。
上述した課題を解決するために、本発明に係る水素発生装置にあっては、陰極と陽極の電極、両電極によって挟まれた隔膜、及び電解液で構成され、陰極に供給された水と外部電源からやってくる電子と、が電極上で結合して水素と水酸化イオンが生成され、生成された水酸化イオンは陽極側へ移動し、陽極電極上で水と酸素と電子が生成され、これにより水素が陰極側に生成される水素発生装置であって、厚みのある隔膜を採用し、前記電極を打ち抜き多孔板などとして前記隔膜に接触してなる（ゼロギャップ構造）ことを特徴とした。
前記電極は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料が利用されことを特徴とした。
前記隔膜は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜とすることを特徴とした。
前記電解液としてアルカリ電解液を利用することを特徴とした。
前記アルカリ電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が利用でき、好ましくは、イオン電導性の面で濃度２０～３２％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が利用されることを特徴とした。
前記隔は、約０．５ｍｍ前後のテフロン含有の隔膜であることを特徴とした。
前記電極は、電流密度４０Ａ／ｄｍ２に対し、電解電圧が１．８Ｖ以下で、水電解性能は４．３Ｋｗｈ／Ｎｍ３以下であることを特徴とした。
本発明によれば、陽極と陰極の極間距離を出来るだけ小さくして、陽極と陰極の間に存在する電解液やガス気泡の影響をなくすことができ、しかも電解液の電圧損失を大幅に低減できる。
すなわち、これは本発明に係る水素発生装置が、電極を打ち抜き多孔板などとして、隔膜に接触してなる（ゼロギャップ構造）からであり、これにより、陽極と陰極の間に存在する電解液やガス気泡の影響をなくすことができる。
また、電極は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料が利用され、隔膜は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜とし、前記電解液としてアルカリ電解液を利用し、さらに前記アルカリ電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が利用でき、好ましくは、イオン電導性の面で濃度２０～２５％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が利用されるため、両極は比較的剛性を強くして、イオン交換膜を押しつけても変形の少ない構造とし、電解セルの製作精度上の公差や電極の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つような構造とすることができる。
隔膜は、約０．５ｍｍ前後の隔膜であるとしたので、陽極と陰極の間に存在する隔膜を押し切り破損させることなく、電極の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップを保つような構造とすることができる。
電極は、電流密度４０Ａ／ｄｍ２に対し、電解電圧が１．８Ｖで、水電解性能は４．３Ｋｗｈ／Ｎｍ３以下であるとしたので、電解液の電圧損失を大幅に低減することができる。
また、従来よりも厚みのある隔膜を採用して電極を直接取り付けることによって、体間電圧の目標が達成可能となった。すなわち、ＮＥＤＯの目標である５万円／Ｋｗを達成可能となった。例えば対間電圧１．７～１．９Ｖを達成することができた。
さらに、膜材の破損がニッケルマットなしで解消された。尚、水素価格に関しては材料費等の削減、電力量の削減によって達成可能と考えられる。
以下、図面を参照して本発明の実施の一形態を詳細に説明する。
本実施形態の水素発生装置１０は、図１（ａ）に示すように、陰極と陽極の電極１１、両電極１１によって挟まれた隔膜１２、及び電解液１３で構成されている。前記電極１１は、打ち抜き多孔板などとして加工され、前記隔膜１２に接触してなる（ゼロギャップ構造）。
図１（ｂ）に示すように、水素発生装置１０の水素発生の化学反応式は、まず陰極に供給された水（Ｈ２Ｏ）と外部電源からやってくる電子（２ｅ－）とが電極１１上で結合して水素（Ｈ２）と水酸化イオン（２ＯＨ－）が生成され、生成された水酸化イオンは陽極側へ移動し、陽極電極上で水（Ｈ２Ｏ）と酸素（（１／２）Ｏ２）と電子（２ｅ－）が生成され、水素が陰極側に生成される。
前記電極１１は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料が利用さている。
前記隔膜１２は膜厚約０．５ｍｍ前後の隔膜を利用する。また、前記隔膜１２は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜としても良い。
前記電解液１３としてアルカリ電解液を利用し、前記アルカリ電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が利用でき、好ましくは、イオン電導性の面で濃度２０～２５％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が利用される。
図２に示すように、前記電極１１は、電流密度４０Ａ／ｄｍ２に対し、電解電圧が１．６～１．８７Ｖで、電解効率は９２％が可能であり、この特性を利用すると従来の特性２０Ａ／ｄｍ２、１．８Ｖを６０Ａ／ｃｍ２、１．８Ｖ（電流密度を増やしても電解電圧が従来品の特性と同じ）にできることから、従来の電流密度で運転する時は印加電圧を下げることができることによる１０％の効率向上を、また効率を従来通りとすると、従来の３倍の電流を、従って３倍の水素を発生させることが可能となる。
大容量化においては、試作品は電極面積３平方メートル、印加電流最大１５ｋＡ、積層した数セルで、最大２５Ｎ立方メートル／ｈの水素が発生できた。大型水電解装置で長時間寿命試験を実施し、７０００時間にわたり運転した結果、電流密度０．６Ａ／ｃｍ２で電解電圧が１．８Ｖ以下であったことから耐久性については極めて安定した特性を示していることが確認できた。尚、実用化に当たってはこのセルを１００～２００セル積層して、１ユニット２０００Ｎ立方メートル／ｈ、１０ＭＷ（1万ｋＷ）クラスの世界最大水電解装置を製作することが可能との目途が得られている。
次に再生可能エネルギー電源の変動による水素製造への影響が検討された。太陽光発電は自然現象に左右されるため、電源の変動は避けられない。このため頻繁に繰り返し変動が発生し、その変動幅の大きい条件が考えられる。そのような状態でも安定して水素を製造する必要がある。その状況を検証するため、待機状態から瞬時に定格電流値まで変化させた場合のセル電圧と水素発生量の変化の関係を調査した。その結果を図３に示すように、水素製造は良好に追随していた。
これまで示した「アルカリ水電解法」は他の水電解法と比べ、大型化に適しており、また貴金属等特殊な金属の便用がないため、低コストの水電解システムが期待できる。
１０ 水素発生装置
１１ 電極
１２ 隔膜
１３ 電解液
２０ 水素発生装置
２１ 電極
２２ 隔膜
２３ 電解液
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２０ 水素発生装置
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上述した課題を解決するために、本発明に係る水素発生装置にあっては、陰極と陽極の電極、両電極によって挟まれた隔膜、及び電解液で構成され、陰極に供給された水と外部電源からやってくる電子と、が電極上で結合して水素と水酸化イオンが生成され、生成された水酸化イオンは陽極側へ移動し、陽極電極上で水と酸素と電子が生成され、これにより水素が陰極側に生成される水素発生装置であって、前記隔膜を採用し、前記電極を打ち抜き多孔板として前記隔膜に接触してなり、前記電極は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料であり、前記隔膜は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜であり、前記電解液はアルカリ電解液であり、前記隔膜は、０．５ｍｍの隔膜である（ゼロギャップ構造）ことを特徴とした。
Claims (7)
- 陰極と陽極の電極、両電極によって挟まれた隔膜、及び電解液で構成され、陰極に供給された水と外部電源からやってくる電子とが電極上で結合して水素と水酸化イオンが生成され、生成された水酸化イオンは陽極側へ移動し、陽極電極上で水と酸素と電子が生成され、これにより水素が陰極側に生成される水素発生装置であって、厚みのある前記隔膜を採用し、前記電極を打ち抜き多孔板などとして前記隔膜に接触してなることを特徴としたアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記電極は両極ともニッケルメッキした鉄電極あるいはニッケル系材料が利用されことを特徴とした請求項１に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記隔膜は両極で発生する水素と酸素との混合を防止し、あわせてイオン電導をつかさどるポリエステル系の多孔質膜、フッ素膜、芳香族膜とすることを特徴とした請求項１に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記電解液としてアルカリ電解液を利用することを特徴とした請求項１に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記アルカリ電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が利用でき、好ましくは、イオン電導性の面で濃度２０～３２％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が利用されることを特徴とした請求項４に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記隔膜は、約０．５ｍｍ前後の隔膜であることを特徴とした請求項１または３に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
- 前記電極は、電流密度４０Ａ／ｄｍ２に対し、電解電圧が１．７Ｖ～１．９Ｖであることを特徴とした請求項１または２に記載のアルカリ水電解を用いた水素発生装置。
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