JP2023096216A - Method of suppressing degradation of anode in water electrolysis device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、水電解デバイスのアノードの劣化を抑制する方法に関するものである。 The present disclosure relates to a method of suppressing deterioration of an anode of a water electrolysis device.
特許文献1は、水を電気分解し、水素と酸素とを製造する水電解システムを開示する。
この水電解システムは、カソードとアノードとで隔膜を挟んだ水電解デバイスを用いてカソードとアノードとの間に電流を流してアルカリ水溶液を電気分解してカソードで水素を製造しアノードで酸素を製造するアルカリ水電解システムであり、水素と酸素との製造を停止する工程において、カソードの水素量を制御し、カソードの劣化を抑制している。 This water electrolysis system uses a water electrolysis device in which a diaphragm is sandwiched between a cathode and an anode, and an electric current is passed between the cathode and the anode to electrolyze an alkaline aqueous solution to produce hydrogen at the cathode and oxygen at the anode. This is an alkaline water electrolysis system, which suppresses deterioration of the cathode by controlling the amount of hydrogen in the cathode in the process of stopping the production of hydrogen and oxygen.
本開示は、水素と酸素との製造を停止したときのアノードの電位変化を抑制し、アノードの構造変化や変質によるアノードの劣化を抑制する水電解デバイスのアノード劣化抑制方法を提供する。 The present disclosure provides a method for suppressing anode deterioration in a water electrolysis device that suppresses potential changes in the anode when production of hydrogen and oxygen is stopped, and suppresses deterioration of the anode due to structural changes and deterioration of the anode.
本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、カソードとアノードとで水酸化物イオン伝導性の隔膜を挟んだ隔膜-電極接合体を、カソードセパレータと、アノードセパレータとで挟持した水電解デバイスのアノードの劣化を抑制する方法である。 A method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device according to the present disclosure is a water electrolysis device in which a diaphragm-electrode assembly in which a hydroxide ion conductive diaphragm is sandwiched between a cathode and an anode is sandwiched between a cathode separator and an anode separator. This is a method for suppressing deterioration of the anode.
カソードは、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノードは、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。 The cathode has a structure in which a catalyst for causing a reductive reaction in which water becomes hydrogen and hydroxide ions is carried on an electron-conducting base material. The anode has a structure in which a catalyst for causing an oxidation reaction to generate oxygen and water from hydroxide ions is carried on an electron-conductive substrate.
カソードセパレータは、カソード流路がカソードと対向する面に形成されている。アノードセパレータは、アノード流路がアノードと対向する面に形成されている。 The cathode separator is formed on the surface facing the cathode with the cathode flow path. The anode separator is formed on the surface facing the anode with the anode flow channel.
そして、本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイスで水素と酸素を製造する運転モードから水電解デバイスでの水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路に供給することによりアノードの劣化を抑制することを特徴としている。 Then, in the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device in the present disclosure, after shifting from an operation mode in which hydrogen and oxygen are produced in the water electrolysis device to a stop mode in which production of hydrogen and oxygen in the water electrolysis device is stopped, alkaline aqueous solution and oxygen is supplied to the anode channel to suppress deterioration of the anode.
本開示における水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノードへ供給するので、水素と酸素との製造を停止したときのアノードの電位変化を抑制することができる。そのため、アノードの構造変化や変質を防ぎ、アノードの劣化を抑制することができる。 In the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device in the present disclosure, after the operation mode is shifted to the stop mode, the mixed-phase flow of the alkaline aqueous solution and oxygen is supplied to the anode. potential change can be suppressed. Therefore, structural change and deterioration of the anode can be prevented, and deterioration of the anode can be suppressed.
(本開示の基礎となった知見等)
発明者らが本開示に想到するに至った当時、水電解デバイスのカソード、又はアノードの少なくとも一方にアルカリ水溶液を供給しながら、カソードとアノードとの間に直流電流を流し、水を電気分解することで、カソードで水素を製造し、アノードで酸素を製造する技術があった。
(Knowledge, etc. on which this disclosure is based)
At the time when the inventors arrived at the present disclosure, water was electrolyzed by supplying an alkaline aqueous solution to at least one of the cathode and the anode of a water electrolysis device and applying a direct current between the cathode and the anode. Therefore, there was a technology to produce hydrogen at the cathode and oxygen at the anode.
これにより、太陽光、風力などの出力変動が大きい再生可能エネルギー由来の余剰電力を水素に変換することができる。 As a result, it is possible to convert surplus electric power derived from renewable energy such as solar power and wind power, whose output fluctuates greatly, into hydrogen.
しかし、再生可能エネルギーの変動に応じて、水素と酸素との製造を停止した(運転モードから停止モードに移行した)ときに、水電解デバイスが劣化し、運転再開後のエネルギー効率が低下する課題があった。ここで、エネルギー効率とは、水電解デバイスに投入する電気エネルギーに対する、水の電気分解に必要な理論エネルギーの割合である。 However, when the production of hydrogen and oxygen is stopped (shifted from operation mode to stop mode) in response to fluctuations in renewable energy, the water electrolysis device deteriorates, and the energy efficiency after restarting operation decreases. was there. Here, the energy efficiency is the ratio of the theoretical energy required for water electrolysis to the electrical energy input to the water electrolysis device.
そのため、当該業界では、エネルギー効率低下の要因として、運転モードから停止モードに移行後に、カソードの水素量が変化し、カソードの電位が変化する現象を推定した。そして、対策として、停止モードにおいて、カソードの水素量を制御する運転方法等が検討されていた。 Therefore, in the industry, the phenomenon that the amount of hydrogen in the cathode changes and the potential of the cathode changes after shifting from the operation mode to the stop mode is presumed as a factor of the decrease in energy efficiency. As a countermeasure, an operating method for controlling the amount of hydrogen in the cathode in the stop mode has been studied.
しかし、水電解デバイスのエネルギー効率の低下について、カソード以外の劣化要因の考察や、劣化メカニズム、及び評価方法等について、十分な検討がされていなかった。 However, regarding the decrease in the energy efficiency of water electrolysis devices, consideration of deterioration factors other than the cathode, deterioration mechanisms, evaluation methods, and the like have not been sufficiently investigated.
そうした状況において、発明者らは、水電解デバイスの運転と停止を交互に繰り返すサイクル試験を行った。その結果、エネルギー効率が低下する要因として、アノードが早期
に劣化する現象を把握した。
Under such circumstances, the inventors conducted a cycle test in which the water electrolysis device was alternately operated and stopped. As a result, the phenomenon of early deterioration of the anode was found to be a factor in lowering the energy efficiency.
一般的に、アノードは、電子伝導性を有する基材の表面に、酸化物や水酸化物等の触媒が担持された構造であるが、サイクル試験における停止モードにおいて、アノードの酸素量が変化し、アノードの電位が早期に変化することが確認された。 In general, the anode has a structure in which a catalyst such as an oxide or hydroxide is supported on the surface of a base material having electronic conductivity. , it was confirmed that the potential of the anode changes early.
そして、水電解デバイスの運転と停止が交互に繰り返されることで、アノードの電位変化が繰り返され、その結果、アノードの構造が変化することが確認された。 It was also confirmed that by alternately repeating the operation and stoppage of the water electrolysis device, the potential of the anode was repeatedly changed, and as a result, the structure of the anode was changed.
更に、一部残った触媒も、アノードの電位変化によって変質し、触媒活性が低下することが確認された。 Furthermore, it was confirmed that a part of the remaining catalyst was also deteriorated due to the potential change of the anode, and the catalytic activity was lowered.
上記試験結果に基づき、アノードの電位変化を制御する運転方法を検討した結果、アノードの酸素量とアルカリ水溶液のpHとによって、アノードの電位を制御出来ることを見出し、本開示の主題を構成するに至った。 Based on the above test results, an operation method for controlling changes in the potential of the anode was investigated. As a result, it was found that the potential of the anode can be controlled by the amount of oxygen in the anode and the pH of the alkaline aqueous solution. Arrived.
そこで、本開示は、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流をアノードへ供給することによって、アノードの構造変化や変質を抑制して、アノードの劣化を抑制する水電解システムを提供する。 Therefore, the present disclosure suppresses deterioration of the anode by suppressing structural change and deterioration of the anode by supplying a multiphase flow containing an alkaline aqueous solution and oxygen to the anode after shifting from the operation mode to the stop mode. Provide a water electrolysis system.
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, more detailed description than necessary may be omitted. For example, detailed descriptions of well-known matters or redundant descriptions of substantially the same configurations may be omitted.
なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。 It should be noted that the accompanying drawings and the following description are provided for a thorough understanding of the present disclosure by those skilled in the art and are not intended to limit the claimed subject matter.
(実施の形態1)
以下、図1から図5を用いて、実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
[1-1.構成]
[1-1-1.隔膜-電極接合体の構成]
図1に示すように、隔膜-電極接合体104は、カソード102とアノード103とで水酸化物イオン伝導性の隔膜101の主面を挟むように構成されている。
[1-1. composition]
[1-1-1. Structure of Diaphragm-Electrode Assembly]
As shown in FIG. 1, the diaphragm-
カソード102およびアノード103の主面の大きさは、隔膜101の主面よりも小さく、カソード102およびアノード103は、隔膜101の主面の周縁領域が露出するように配置される。
The size of the main surface of the
隔膜101は、イオン交換可能な水酸化物イオンを含む高分子で構成された緻密な膜である。具体的には、隔膜101は、水酸化物イオン交換基としてトリメチルアンモニウム基などの4級アミンを有する高分子で構成されている。
The
隔膜101の厚さは、特に限定されないが、例えば、5~1000μmの厚さであればよく、本実施の形態では、厚さが100μmの隔膜101を用いた。
The thickness of
本実施の形態では、水酸化物イオンを含む隔膜101として、一辺の長さが100mmの正方形の形状を有するDioxide Materials社製のアニオン交換膜(Sustanion(登録商標)X37)を用いた。
In the present embodiment, an anion exchange membrane (Sustanion (registered trademark) X37) manufactured by Dioxide Materials having a square shape with a side length of 100 mm was used as the
カソード102は、隔膜101の一方の主面に積層されるカソード触媒層と、カソード触媒層における隔膜101と接する面とは反対側の面にカソード触媒層が露出しないように積層されるカソードガス拡散層と、から構成されている。カソードガス拡散層の主面の大きさは、カソード触媒層の主面と略同じ大きさである。
The
カソード触媒層は、カソード触媒と、カソード触媒を担持するカソード基材と、カソード触媒を担持したカソード基材の外表面の少なくとも一部を覆うアイオノマーと、から構成されている。カソード触媒層は、カソード触媒層に供給されるアルカリ水溶液に含まれる水から水素を生成する電気化学反応を促進する機能を果たしている。 The cathode catalyst layer is composed of a cathode catalyst, a cathode base material supporting the cathode catalyst, and an ionomer covering at least part of the outer surface of the cathode base material supporting the cathode catalyst. The cathode catalyst layer functions to promote an electrochemical reaction that produces hydrogen from water contained in the alkaline aqueous solution supplied to the cathode catalyst layer.
カソード触媒の材料には、鉄やニッケル、コバルト等の遷移金属単体や、それら酸化物や水酸化物、複数の金属元素からなる合金や酸化物、水酸化物、或いはそれらの混合物、白金やイリジウム等の貴金属や、それら酸化物を用いることができる。 Cathode catalyst materials include simple transition metals such as iron, nickel, and cobalt, their oxides and hydroxides, alloys, oxides, and hydroxides composed of multiple metal elements, and mixtures thereof, platinum and iridium. and other noble metals and their oxides can be used.
カソード基材は、粒子状や繊維状、多孔質状の電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソード基材の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。 The cathode base material is composed of a particulate, fibrous, or porous material having electronic conductivity. Carbon, nickel, nickel alloys, titanium, titanium-based alloys, mild steel, stainless steel, and the like can be used as materials for the cathode base material in terms of resistance to the environment in which they are used.
本実施の形態では、カソード触媒及びカソード基材(カソード触媒を担持したカソード基材)として、田中貴金属社製の白金を担持した炭素粒子(TEC10E50E)を用いた。また、アイオノマーとして、Dioxide Materials社製の電解質樹脂(Sustanion(登録商標)XA-9 5%分散液)を用いた。 In the present embodiment, platinum-supported carbon particles (TEC10E50E) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. were used as the cathode catalyst and the cathode base material (cathode base material supporting the cathode catalyst). As an ionomer, an electrolytic resin (Sustanion (registered trademark) XA-9 5% dispersion) manufactured by Dioxide Materials was used.
カソード触媒層は、例えば、カソード触媒と、カソード基材と、アイオノマーと、を分散媒に分散させることによって調製したカソード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜101に塗工した後に、分散媒を加熱乾燥により除去することによって形成することができる。
For the cathode catalyst layer, for example, a cathode catalyst slurry prepared by dispersing a cathode catalyst, a cathode base material, and an ionomer in a dispersion medium is applied to the
本実施の形態では、25重量部のカソード触媒及びカソード基材と、15重量部のアイオノマーと、15重量部の純水と45重量部のエタノールとからなる分散媒と、を容器に採取し混合し、得られた混合物を室温で2時間混練して、カソード触媒スラリーを得た。混錬には、分散機及び超音波ホモジナイザーを用いた。 In the present embodiment, 25 parts by weight of a cathode catalyst and a cathode base material, 15 parts by weight of an ionomer, and a dispersion medium composed of 15 parts by weight of pure water and 45 parts by weight of ethanol are collected in a container and mixed. The resulting mixture was kneaded at room temperature for 2 hours to obtain a cathode catalyst slurry. A disperser and an ultrasonic homogenizer were used for kneading.
そして、得られたカソード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜101の一方の主面の周縁領域以外の中央領域に塗布した。
Then, the obtained cathode catalyst slurry was applied to the central region of one main surface of the
そして、カソード触媒スラリーが塗布された隔膜101を恒温器に入れ、80℃の温度で1時間の条件で加熱して、隔膜101に塗布されたカソード触媒スラリーから分散媒を除去した。その後、その隔膜101を室温で2時間の条件で冷却することによって、隔膜101の一方の主面にカソード触媒層を形成した。
Then, the
カソード触媒層の厚さは、特に限定されないが、例えば、5~1000μmであればよく、本実施の形態では、隔膜101の一方の主面に、100μmの厚さになるように、カソード触媒層を形成した。 The thickness of the cathode catalyst layer is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 1000 μm. formed.
アノード103は、隔膜101の他方の主面に積層されるアノード触媒層と、アノード触媒層における隔膜101と接する面とは反対側の面にアノード触媒層が露出しないように積層されるアノードガス拡散層と、から構成されている。アノードガス拡散層の主面の大きさは、アノード触媒層の主面と略同じ大きさである。
The
アノード触媒層は、アノード触媒と、カソード触媒を担持するアノード基材と、カソード触媒を担持したアノード基材の外表面の少なくとも一部を覆うアイオノマーと、から構成されている。アノード触媒層は、アノード触媒層に供給される水酸化物イオンから酸素と水とを生成する電気化学反応を促進する機能を果たしている。 The anode catalyst layer is composed of an anode catalyst, an anode substrate supporting a cathode catalyst, and an ionomer covering at least part of the outer surface of the anode substrate supporting the cathode catalyst. The anode catalyst layer functions to promote an electrochemical reaction that produces oxygen and water from hydroxide ions supplied to the anode catalyst layer.
アノード触媒の材料には、鉄やニッケル、コバルト等の遷移金属単体や、それら酸化物や水酸化物、複数の金属元素からなる合金や酸化物、水酸化物、或いはそれらの混合物、白金やイリジウム等の貴金属や、それら酸化物を用いることができる。 Materials for the anode catalyst include simple transition metals such as iron, nickel and cobalt, their oxides and hydroxides, alloys, oxides and hydroxides composed of multiple metal elements, their mixtures, platinum and iridium. and other noble metals and their oxides can be used.
アノード基材は、粒子状や繊維状、多孔質状の電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、アノード基材の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。 The anode base material is composed of a particulate, fibrous, or porous material having electronic conductivity. Carbon, nickel, nickel alloys, titanium, titanium-based alloys, mild steel, stainless steel, and the like can be used as materials for the anode base material in terms of resistance to the environment in which they are used.
本実施の形態では、カソード基材として、US Research Nanomaterials社製のニッケルナノ粒子(100nm)を用いた。そして、カソード触媒として、ゾルゲル法により合成したニッケル及び鉄を含む水酸化物粒子をカソード基材に担持した。 In this embodiment, nickel nanoparticles (100 nm) manufactured by US Research Nanomaterials were used as the cathode base material. As a cathode catalyst, hydroxide particles containing nickel and iron synthesized by a sol-gel method were supported on the cathode substrate.
アイオノマーとして、Dioxide Materials社製の電解質樹脂(Sustanion(登録商標)XA-9 5%分散液)を用いた。 As an ionomer, an electrolytic resin (Sustanion® XA-9 5% dispersion) manufactured by Dioxide Materials was used.
アノード触媒層は、例えば、アノード触媒と、アノード基材と、アイオノマーと、を分散媒に分散させることによって調製したアノード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜101に塗工した後に、分散媒を加熱乾燥により除去することによって形成することができる。
The anode catalyst layer is formed by, for example, applying an anode catalyst slurry prepared by dispersing an anode catalyst, an anode substrate, and an ionomer in a dispersion medium to the
本実施の形態では、35重量部のアノード触媒及びアノード基材と、5重量部のアイオノマーと、15重量部の純水と45重量部のエタノールとからなる分散媒と、を容器に採取し混合し、得られた混合物を室温で2時間混練して、アノード触媒スラリーを得た。混錬には、分散機及び超音波ホモジナイザーを用いた。 In the present embodiment, 35 parts by weight of the anode catalyst and the anode base material, 5 parts by weight of the ionomer, and a dispersion medium composed of 15 parts by weight of pure water and 45 parts by weight of ethanol are collected in a container and mixed. The resulting mixture was kneaded at room temperature for 2 hours to obtain an anode catalyst slurry. A disperser and an ultrasonic homogenizer were used for kneading.
そして、得られたアノード触媒スラリーを、スプレー塗工機によって、隔膜101の他方の主面の周縁領域以外の中央領域に塗布した。
Then, the obtained anode catalyst slurry was applied to the central region other than the peripheral region of the other main surface of the
そして、アノード触媒スラリーが塗布された隔膜101を恒温器に入れ、80℃の温度で1時間の条件で加熱して分散媒を除去した。その後、室温、2時間の条件で隔膜101を冷却することによって、隔膜101の他方の主面にアノード触媒層を形成した。
Then, the
アノード触媒層の厚さは、特に限定されないが、例えば、5~1000μmであればよく、本実施の形態では、隔膜101の他方の主面に、100μmの厚さになるように、アノード触媒層を形成した。 The thickness of the anode catalyst layer is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 1000 μm. formed.
カソードガス拡散層は、繊維状や多孔質状のガス通気性と電子伝導性とを有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソードガス拡散層の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。 The cathode gas diffusion layer is made of a fibrous or porous material having gas permeability and electronic conductivity. Carbon, nickel, nickel alloys, titanium, titanium-based alloys, mild steel, stainless steel, and the like can be used as materials for the cathode gas diffusion layer in terms of resistance to the environment in which they are used.
本実施の形態では、カソードガス拡散層として、一辺の長さが80mmの正方形の形状を有する東レ社製のカーボンペーパー(TGP-H-120)を用いた。 In this embodiment, carbon paper (TGP-H-120) manufactured by Toray Industries, Inc. having a square shape with a side length of 80 mm was used as the cathode gas diffusion layer.
アノードガス拡散層は、繊維状や多孔質状のガス通気性と電子伝導性とを有する材料で
構成されている。使用環境への耐性から、アノードガス拡散層の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。
The anode gas diffusion layer is composed of a fibrous or porous material having gas permeability and electronic conductivity. Carbon, nickel, nickel alloys, titanium, titanium-based alloys, mild steel, stainless steel, etc. can be used as the material of the anode gas diffusion layer in terms of resistance to the environment in which it is used.
本実施の形態では、アノードガス拡散層として、一辺の長さが80mmの正方形の形状を有するベカルト社製のニッケル繊維(Bekipor(登録商標))を用いた。 In the present embodiment, a nickel fiber (Bekipor (registered trademark)) manufactured by Bekaert Co., Ltd. and having a square shape with a side length of 80 mm was used as the anode gas diffusion layer.
一方の主面にカソード触媒層を形成し他方の主面にアノード触媒層を形成した隔膜101と、カソードガス拡散層と、アノードガス拡散層とを、カソードガス拡散層がカソード触媒層と対向するとともにアノードガス拡散層がアノード触媒層と対向するように重ね、2MPaの圧力で、130℃の温度で、10分間ホットプレスすることにより、隔膜101にカソード102とアノード103とを形成し、隔膜-電極接合体104を得た。
A
[1-1-2.水電解デバイスの構成]
図1に示すように、水電解デバイス100は、隔膜-電極接合体104を、カソードセパレータ105とアノードセパレータ106とで挟持した構造になっている。
[1-1-2. Configuration of water electrolysis device]
As shown in FIG. 1, the
隔膜-電極接合体104は、両主面が重力方向に対して略平行となる向きに配置され、カソードセパレータ105とアノードセパレータ106との間に挟まれて、使用される。
The diaphragm-
その際、隔膜-電極接合体104の両主面の周縁領域には、カソードセパレータ105とアノードセパレータ106のどちらかのセパレータと隔膜101とに挟まれて弾性変形する、樹脂を主成分とするシール部材が更に配置され、これにより、水電解デバイス100からアルカリ水溶液及び水電解により生成するガスの漏洩を防止している。
At this time, seals mainly made of resin, which are elastically deformed by being sandwiched between the
一方、隔膜-電極接合体104の中央領域では、一方の主面のカソード102にはカソードセパレータ105が接触し、他方の主面のアノード103にはアノードセパレータ106が接触するように構成、配置されている。
On the other hand, in the central region of the diaphragm-
カソードセパレータ105は、カソード入口107と、カソード出口108と、カソード流路109とが、それぞれ形成されており、隔膜-電極接合体104と対向する面の凹部(カソード流路109等を含む)に、カソード102と、カソード102に供給されたアルカリ水溶液と、カソード102で製造した水素と、を収容することができる。
The
ここで、カソード入口107は、カソードセパレータ105における下側で隔膜-電極接合体104の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アルカリ水溶液をカソード102に供給するための孔である。
Here, the
カソード出口108は、カソードセパレータ105における上側で隔膜-電極接合体104の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、カソード102で水電解に利用されなかった残余のアルカリ水溶液と、カソード102で製造した水素と、をカソード102から排出するための孔である。
The
カソード流路109は、カソード102における隔膜101と接する面とは反対側の面に沿って、カソード入口107から流入したアルカリ水溶液がカソード出口108へ向かって略水平方向に蛇行しながら、カソードセパレータ105とカソード102との間を流れるように、カソード102と当接する面に溝状に形成された流路である。
In the
カソードセパレータ105は、ガス透過性がなく電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、カソードセパレータ105の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。本実
施の形態では、カソードセパレータ105の材料にニッケルを用いた。
The
カソード流路109とカソード入口107とが接続する部分は、カソード102の主面における下端部近傍であり、カソード流路109とカソード出口108とが接続する部分は、カソード102の主面における上端部近傍である。
The portion where the
アノードセパレータ106は、アノード入口110と、アノード出口111と、アノード流路112とが、それぞれ形成されており、隔膜-電極接合体104と対向する面の凹部(アノード流路112等を含む)に、アノード103と、アノード103に供給されたアルカリ水溶液と、アノード103で製造した酸素と、アノード103で酸素製造時に生成された水と、を収容することができる。
The
ここで、アノード入口110は、アノードセパレータ106における下側で隔膜-電極接合体104の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アルカリ水溶液をアノード103に供給するための孔である。
Here, the
アノード出口111は、アノードセパレータ106における上側で隔膜-電極接合体104の主面に略垂直な方向に形成された貫通孔であって、アノード103に供給されたアルカリ水溶液と、アノード103で製造した酸素と、アノード103で酸素製造時に生成された水と、をアノード103から排出するための孔である。
The
アノード流路112は、アノード103における隔膜101と接する面とは反対側の面に沿って、アノード入口110から流入したアルカリ水溶液がアノード出口111へ向かって略水平方向に蛇行しながら、アノードセパレータ106とアノード103との間を流れるように、アノード103と当接する面に溝状に形成された流路である。
In the
アノードセパレータ106は、ガス透過性がなく電子伝導性を有する材料で構成されている。使用環境への耐性から、アノードセパレータ106の材料には、炭素、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン系合金、軟鋼、ステンレス等を用いることができる。本実施の形態では、アノードセパレータ106の材料にニッケルを用いた。
The
[1-1-3.水電解システムの構成]
図1に示すように、本実施の形態における水電解システム180は、水電解デバイス100と、カソード水溶液供給手段121と、アノード水溶液供給手段122と、酸素供給手段125と、水素貯蔵室126と、酸素貯蔵室127と、電源128と、電圧計129と、制御器130と、を備える。
[1-1-3. Configuration of water electrolysis system]
As shown in FIG. 1,
カソード水溶液供給手段121は、所定条件(温度、pH、流量)のアルカリ水溶液をカソード102に供給するように構成されており、例えば、カソードpH調整手段123を組み合わせて用いることができる。これにより、所定のpHに制御されたアルカリ水溶液をカソード102に供給することができる。
The cathode aqueous solution supply means 121 is configured to supply the alkaline aqueous solution under predetermined conditions (temperature, pH, flow rate) to the
また、カソード水溶液供給手段121は、カソード出口108から排出される水素と、アルカリ水溶液とを気液分離するように構成されており、気液分離した水素を水素貯蔵室126に供給するように構成されている。
The cathode aqueous solution supply means 121 is configured to gas-liquid separate the hydrogen discharged from the
本実施の形態では、カソード水溶液供給手段121には、アルカリ水溶液タンクと、気液分離タンクと、アルカリ水溶液供給ポンプと、水素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。 In this embodiment, the cathode aqueous solution supply means 121 includes an alkaline aqueous solution tank, a gas-liquid separation tank, an alkaline aqueous solution supply pump, a hydrogen supply pump, a temperature controller, a pressure controller, and a check valve. , was used.
カソードpH調整手段123は、カソード水溶液供給手段121から供給するアルカリ水溶液のpHを制御するように構成されており、所定のpHに調整したpH調整剤をカソード水溶液供給手段121に供給する。 The cathode pH adjusting means 123 is configured to control the pH of the alkaline aqueous solution supplied from the cathode aqueous solution supplying means 121 , and supplies the cathode aqueous solution supplying means 121 with a pH adjuster adjusted to a predetermined pH.
本実施の形態では、カソードpH調整手段123には、pH調整剤の貯蔵タンクと、pH調整剤供給ポンプと、pH調整剤のpHを希釈する水タンクと、水供給ポンプと、pH計と、温度調節器と、逆止弁と、を用いた。 In the present embodiment, the cathode pH adjusting means 123 includes a pH adjusting agent storage tank, a pH adjusting agent supply pump, a water tank for diluting the pH of the pH adjusting agent, a water supply pump, a pH meter, A temperature controller and a check valve were used.
アノード水溶液供給手段122は、所定条件(温度、pH、流量)のアルカリ水溶液をアノード103に供給するように構成されており、例えば、アノードpH調整手段124を組み合わせて用いることができる。これにより、所定のpHに制御されたアルカリ水溶液をアノード103に供給することができる。
The anode aqueous solution supply means 122 is configured to supply an alkaline aqueous solution under predetermined conditions (temperature, pH, flow rate) to the
また、アノード水溶液供給手段122は、アノード出口111から排出される酸素と、アルカリ水溶液とを気液分離するように構成されており、気液分離した酸素を酸素貯蔵室127に供給するように構成されている。
Further, the anode aqueous solution supply means 122 is configured to gas-liquid separate the oxygen discharged from the
本実施の形態では、アノード水溶液供給手段122には、アルカリ水溶液タンクと、気液分離タンクと、アルカリ水溶液供給ポンプと、酸素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。 In this embodiment, the anode aqueous solution supply means 122 includes an alkaline aqueous solution tank, a gas-liquid separation tank, an alkaline aqueous solution supply pump, an oxygen supply pump, a temperature regulator, a pressure regulator, and a check valve. , was used.
アノードpH調整手段124は、アノード水溶液供給手段122から供給するアルカリ水溶液のpHを制御するように構成されており、所定のpHに調整したpH調整剤をアノード水溶液供給手段122に供給する。 The anode pH adjusting means 124 is configured to control the pH of the alkaline aqueous solution supplied from the anode aqueous solution supplying means 122 , and supplies the anode aqueous solution supplying means 122 with a pH adjuster adjusted to a predetermined pH.
本実施の形態では、アノードpH調整手段124には、pH調整剤の貯蔵タンクと、pH調整剤供給ポンプと、pH調整剤のpHを希釈する水タンクと、水供給ポンプと、pH計と、温度調節器と、逆止弁と、を用いた。 In this embodiment, the anode pH adjusting means 124 includes a pH adjusting agent storage tank, a pH adjusting agent supply pump, a water tank for diluting the pH of the pH adjusting agent, a water supply pump, a pH meter, A temperature controller and a check valve were used.
酸素供給手段125は、所定条件(温度、流量)の酸素をアノード103に供給するように構成されている。例えば、アノード水溶液供給手段122を組み合わせて用いることで、所定条件(温度、pH、流量)に制御されたアルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード103に供給することができる。
The oxygen supply means 125 is configured to supply oxygen under predetermined conditions (temperature, flow rate) to the
本実施の形態では、酸素供給手段125には、酸素供給ポンプと、温度調節器と、圧力調節器と、逆止弁と、を用いた。 In this embodiment, the oxygen supply means 125 includes an oxygen supply pump, a temperature regulator, a pressure regulator, and a check valve.
カソード供給経路141は、カソード水溶液供給手段121におけるアルカリ水溶液の出口と、カソード入口107とを接続する経路である。カソード供給経路141の途中には、カソード供給経路141を開閉するカソード入口弁150が配置されている。これにより、所定条件に制御されたアルカリ水溶液をカソード102に供給することができる。
The
カソード排出経路142は、カソード出口108と、カソード水溶液供給手段121における水素とアルカリ水溶液の入口とを接続する経路である。カソード排出経路142の途中には、カソード排出経路142を開閉するカソード出口弁151が配置されている。これにより、カソード102から排出される水素とアルカリ水溶液とをカソード水溶液供給手段121に供給することができる。
The
水素排出経路145は、カソード水溶液供給手段121における水素の出口と、外部インフラとを接続する経路である。水素排出経路145の途中には、水素入口弁152と、
水素入口弁152の下流側に水素貯蔵室126と、水素貯蔵室126の下流側に水素出口弁153と、が配置されている。これにより、気液分離した水素を、水素貯蔵室126を介して、外部インフラに供給することができる。
The
A
アノード供給経路143は、アノード水溶液供給手段122におけるアルカリ水溶液の出口と、アノード入口110とを接続する経路である。アノード供給経路143の途中には、二つの入口と一つの出口を有しアノード供給経路143を開閉可能で両方の入口と出口とを同時に連通可能に構成されたアノード入口切替弁154が配置されている。これにより、所定条件に制御されたアルカリ水溶液をアノード103に供給することができる。
The
アノード排出経路144は、アノード出口111と、アノード水溶液供給手段122における酸素とアルカリ水溶液の入口とを接続する経路である。アノード排出経路144の途中には、アノード排出経路144を開閉するアノード出口弁155が配置されている。これにより、アノード103から排出される酸素とアルカリ水溶液とをアノード水溶液供給手段122に供給することができる。
The
酸素排出経路146は、アノード水溶液供給手段122における酸素の出口と、外部インフラとを接続する経路である。酸素排出経路146の途中には、酸素入口弁156と、酸素入口弁156の下流側に酸素貯蔵室127と、酸素貯蔵室127の下流側に酸素出口弁157と、が配置されている。これにより、気液分離した酸素を、酸素貯蔵室127を介して、外部インフラに供給することができる。
The
酸素供給経路147は、酸素貯蔵室127と、アノード入口切替弁154におけるアノード水溶液供給手段122側の入口とは別の入口とを接続する経路である。酸素供給経路147の途中には、酸素供給弁158と、酸素供給弁158とアノード入口切替弁154との間に酸素供給手段125と、が配置されている。これにより、酸素貯蔵室127に貯蔵された酸素を所定条件に制御し、アノード103に供給することができる。
The
また、アノード水溶液供給手段122と、酸素供給手段125とを組み合わせて用いるとともに、アノード入口切替弁154を両方の入口と出口とを同時に連通可能な状態にすることで、所定条件に制御されたアルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード103に供給することができる。
In addition, by using the anode aqueous solution supply means 122 and the oxygen supply means 125 in combination, and by setting the anode
電源128は、指示された電流値の電流を流す定電流型の直流電源である。電源128のプラス側の出力端子はアノード103に電気的に接続され、電源128のマイナス側の出力端子はカソード102に電気的に接続されている。
The
電圧計129は、カソード102とアノード103との間の電圧、又はアノード103の電位を測定する。ここで、カソード102とアノード103との間の電圧を測定する場合、電圧計129の一方の端子がカソード102に、他方の端子がアノード103に接続されて、両電極の電位差、つまり電圧が検知される。
また、アノード103の電位を測定する場合、参照極が隔膜101に設けられる。参照極は、標準水素電極(SHE:Standard Hydrogen Electrode)であり、電圧計129の一方の端子が参照極に、他方の端子がアノード103に接続されて、参照極に対する電極の電位が検知される。
Moreover, when measuring the potential of the
制御器130は、カソード水溶液供給手段121とアノード水溶液供給手段122とカソードpH調整手段123とアノードpH調整手段124と酸素供給経路147と酸素供給手段125とカソード入口弁150とカソード出口弁151と水素入口弁152と水素
出口弁153とアノード入口切替弁154とアノード出口弁155と酸素入口弁156と酸素出口弁157と酸素供給弁158と電源128と電圧計129とに接続されている。
制御器130は、各機器を制御することで、以下の1-2で説明する運転モードと、立ち下げモードと、停止モードと、を動作させる。
The
以上のように、本実施の形態の水電解システム180は、隔膜-電極接合体104をカソードセパレータ105とアノードセパレータ106とで挟持した水電解デバイス100と、隔膜-電極接合体104に電流を流す電源128と、カソード水溶液供給手段121と、アノード水溶液供給手段122と、酸素供給手段125と、を備えている。
As described above, in the
隔膜-電極接合体104は、水酸化物イオン伝導性の隔膜を、カソード102とアノード103とで挟んだ構成になっている。カソード102は、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノード103は、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。
The diaphragm-
カソードセパレータ105は、カソード入口107とカソード出口108とを連通させるカソード流路109がカソード102と対向する面に形成されている。アノードセパレータ106は、アノード入口110とアノード出口111とを連通させるアノード流路112がアノード103と対向する面に形成されている。
The
電源128は、カソード102とアノード103とに電気的に接続され、水電解デバイス100で水素と酸素を製造する運転モード時に、カソード102で還元反応が起き、アノード103で酸化反応が起きるようにカソード102とアノード103との間に電流を流すように構成されている。
A
カソード水溶液供給手段121は、運転モード時に、カソードpH調整手段123によって所定のpHに制御されたアルカリ水溶液を、カソード供給経路141を介してカソード入口107へ供給し、カソード出口108からカソード排出経路142に排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離するように構成されている。
In the operation mode, the cathode aqueous solution supply means 121 supplies the alkaline aqueous solution controlled to a predetermined pH by the cathode pH adjustment means 123 to the
さらに、カソード水溶液供給手段121は、分離後のアルカリ水溶液を、カソードpH調整手段123によって所定のpHに制御して再利用し、分離後の水素を水素排出経路145に排出するように構成されている。
Furthermore, the cathode aqueous solution supply means 121 is configured to control the separated alkaline aqueous solution to a predetermined pH by the cathode pH adjustment means 123 and reuse it, and to discharge the separated hydrogen to the
アノード水溶液供給手段122は、運転モード時、及び運転モードから水電解デバイス100での水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アノードpH調整手段124によって所定のpHに制御されたアルカリ水溶液を、アノード供給経路143を介してアノード入口110へ供給し、アノード出口111からアノード排出経路144に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離するように構成されている。
The anode aqueous solution supply means 122 supplies an alkali solution whose pH is controlled to a predetermined value by the anode pH adjustment means 124 during the operation mode and after transitioning from the operation mode to the stop mode in which the production of hydrogen and oxygen in the
さらに、アノード水溶液供給手段122は、分離後のアルカリ水溶液を、アノードpH調整手段124によって所定のpHに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路146を介して酸素貯蔵室127へ供給するように構成されている。
Furthermore, the anode aqueous solution supply means 122 controls the separated alkaline aqueous solution to a predetermined pH by the anode pH adjustment means 124 and reuses it, and the separated oxygen is supplied to the
酸素供給手段125は、酸素貯蔵室127とアノード供給経路143とを連通させる酸素供給経路147に設けられ、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード103へ供給されるように、アノード供給経路143を通流するアルカリ水溶液に酸素貯蔵室127の酸素を混合するように構成されている。
The oxygen supply means 125 is provided in the
本実施の形態の水電解システム180は、電源128とカソード水溶液供給手段121とアノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とを制御する制御器130を備えている。
The
電源128は、制御器130に制御されて、運転モード時に、カソード102とアノード103との間に電流を流す構成になっている。
カソード水溶液供給手段121は、制御器130に制御されて、運転モード時に、所定のpHに制御されたアルカリ水溶液を、カソード入口107へ供給し、カソード出口108から排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離して、分離後のアルカリ水溶液は再利用し、分離後の水素は水素排出経路145に排出する構成になっている。
The cathode aqueous solution supply means 121 is controlled by the
アノード水溶液供給手段122は、制御器130に制御されて、運転モード時及び運転モードから停止モードに移行した後に、所定のpHに制御されたアルカリ水溶液を、アノード入口110へ供給し、アノード出口111から排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離して、分離後のアルカリ水溶液は再利用し、分離後の酸素は酸素貯蔵室127へ供給する構成になっている。
The anode aqueous solution supply means 122 is controlled by the
酸素供給手段125は、制御器130に制御されて、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード103へ供給されるように、アノード供給経路143を通流するアルカリ水溶液に酸素を混合する構成になっている。
The oxygen supply means 125 is controlled by the
本実施の形態の水電解システム180は、カソード102とアノード103との間の電圧、又はアノード103の電位を計測可能な電圧計129を備えている。
The
そして、制御器130は、運転モードから停止モードに移行した後に、電圧計129により計測した値が規定値より小さくなった場合に、アルカリ水溶液と酸素との混相流がアノード103へ供給されるように、アノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とを制御するように構成されている。
The
本実施の形態の水電解システム180の制御器130は、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード103へ供給する時にアノードpH調整手段124によって制御するアルカリ水溶液のpHの値が、運転モード時にアノードpH調整手段124によって制御するアルカリ水溶液のpHの値よりも低くなるように、アノードpH調整手段124を調整するように構成されている。
The
本実施の形態の水電解システム180は、運転モードから立ち下げモードを経て停止モードに移行するように構成され、制御器130は、立ち下げモードにおいて、カソード102とアノード103との間に流れる電流が徐々に小さくなるように、電源128を制御するとともに、アノード水溶液供給手段122によりアノード103へ供給するアルカリ水溶液のpHの値が徐々に低くなるように、アノードpH調整手段124を調整するように構成されている。
The
本実施の形態の水電解システム180の制御器130は、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流がアノード103へ供給されるように、アノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とを制御した後に、所定条件を満たすと、アノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125の供給動作を停止させるように構成されている。
[1-2.動作]
以上のように構成された本実施の形態の水電解システム180について、図2から図14に基づいて、その動作と作用を以下に説明する。
[1-2. motion]
The operation and action of the
なお、図3から図14において、弁を表す三角形が黒塗りの場合は開状態を示し、弁を表す三角形が白抜きの場合は閉状態を示している。 In FIGS. 3 to 14, a black triangle representing a valve indicates an open state, and a white triangle representing a valve indicates a closed state.
水電解システム180の動作は、運転モードと、立ち下げモードと、停止モードと、との3つのモードからなる。
The operation of the
まず、運転モードについて説明する。 First, the operation mode will be explained.
[1-2-1.運転モードの動作]
図2は、本実施の形態における水電解システム180の動作を示すフローチャートである。運転モードは、図2のフローチャートのS101~S106のステップから構成されている。
[1-2-1. operation mode operation]
FIG. 2 is a flow chart showing the operation of
図3は、水電解システム180における図2のフローチャートのS101の実行直後の状態を示し、図4は、水電解システム180における図2のフローチャートのS102の実行直後の状態を示し、図5は、水電解システム180における図2のフローチャートのS103の実行直後の状態を示し、図6は、水電解システム180における図2のフローチャートのS104の実行直後の状態を示している。
3 shows the state immediately after execution of S101 in the flow chart of FIG. 2 in the
以下では、各ステップの動作と作用とについて、図2と、図3~図6とに基づいて、説明する。 The operations and effects of each step will be described below with reference to FIG. 2 and FIGS. 3 to 6. FIG.
まず、制御器130は、図3に示すように、カソード入口弁150とカソード出口弁151とアノード出口弁155とを開ける。また、アノード水溶液供給手段122におけるアルカリ水溶液の出口がアノード入口110と連通して酸素供給手段125における酸素の出口がアノード入口110と連通しないように、アノード入口切替弁154を開ける(S101)。
First,
次に、制御器130は、図4に示すように、カソード水溶液供給手段121とカソードpH調整手段123とアノード水溶液供給手段122とアノードpH調整手段124とを動作させる。
Next, the
その結果、カソード102側では、カソードpH調整手段123によって所定のpHに制御されたアルカリ水溶液が、カソード水溶液供給手段121からカソード供給経路141を介してカソード入口107へ供給され、カソード入口107に供給されたアルカリ水溶液が、カソード出口108へ向かってカソード流路109を流れ、カソード出口108からカソード排出経路142に排出されたアルカリ水溶液が、カソード水溶液供給手段121に戻って再びカソード入口107へ供給される。
As a result, on the
また、アノード103側では、アノードpH調整手段124によって所定のpHに制御されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段122からアノード供給経路143を介してアノード入口110へ供給され、アノード入口110に供給されたアルカリ水溶液が、アノード出口111へ向かってアノード流路112を流れ、アノード出口111からアノード排出経路144に排出されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段122に戻って再びアノード入口110へ供給される(S102)。
Further, on the
本実施の形態では、カソード水溶液供給手段121からカソード入口107へ供給する
アルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。アノード水溶液供給手段122からアノード入口110へ供給するアルカリ水溶液には、水酸化カリウム水溶液を用いる。
In this embodiment, a potassium hydroxide aqueous solution is used as the alkaline aqueous solution supplied from the cathode aqueous solution supply means 121 to the
カソード水溶液供給手段121からカソード入口107へ供給するアルカリ水溶液は、カソード水溶液供給手段121とカソードpH調整手段123とによって、温度が75℃で、pHが14で、流量が150cc/minになるように調整(制御)されている。
The alkaline aqueous solution supplied from the cathode aqueous solution supply means 121 to the
アノード水溶液供給手段122からアノード入口110へ供給するアルカリ水溶液は、アノード水溶液供給手段122とアノードpH調整手段124とによって、温度が75℃で、pHが14で、流量が150cc/minになるように調整(制御)されている。
The alkaline aqueous solution supplied from the anode aqueous solution supply means 122 to the
次に、制御器130は、図5に示すように、水素入口弁152と水素出口弁153と酸素入口弁156と酸素出口弁157とを開ける(S103)。
Next, the
そして、制御器130は、図6に示すように、電源128を動作させて、電源128により、アノード103から隔膜101を介してカソード102へ所定電流量(1.0A/cm2)の電流を流す(S104)。
Then, as shown in FIG. 6, the
この動作により、カソード102では、(化1)に示す、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応が起こり、アノード103では、(化2)に示す、水酸化物イオンから酸素と水とが生成する酸化反応が起こる。
This operation causes a reduction reaction in which water becomes hydrogen and hydroxide ions at the
(化1)と(化2)とに示す電気化学反応により、水電解デバイス100のカソード102において水素が、アノード103において酸素が、それぞれ生成される。
Hydrogen and oxygen are generated at the
このとき、カソード水溶液供給手段121は、カソード出口108からカソード排出経路に排出された水素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、カソードpH調整手段123によって所定のpHに制御して再利用し、分離後の水素を、水素排出経路145に排出(水素排出経路145を介して水素貯蔵室126へ供給)する。
At this time, the cathode aqueous solution supply means 121 gas-liquid separates the hydrogen and the alkaline aqueous solution discharged from the
また、アノード水溶液供給手段122は、アノード出口111からアノード排出経路144に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、アノードpH調整手段によって所定のpHに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路146に排出(酸素排出経路146を介して酸素貯蔵室127へ供給)する。
Further, the anode aqueous solution supply means 122 gas-liquid separates the oxygen and the alkaline aqueous solution discharged from the
次に、制御器130は、停止モードの指示が入ったか確認する(S105)。S105の確認の結果、停止モードの指示が入っていなければ、現状を所定時間(10分間)継続して(S106)、S105に戻る。S105の確認の結果、停止モードの指示が入っていれば、運転モードが終了したと判断して、立ち下げモード(S107)に移行する。次に、立ち下げモードについて説明する。
Next, the
[1-2-2.立ち下げモードの動作]
立ち下げモードは、図2のフローチャートのS107~S110のステップから構成されている。
[1-2-2. Operation in shutdown mode]
The shutdown mode consists of steps S107 to S110 in the flow chart of FIG.
図7は、水電解システム180における図2のフローチャートのS107の実行直後の状態を示し、図8は、水電解システム180における図2のフローチャートのS108の実行直後の状態を示し、図9は、水電解システム180における図2のフローチャートのS109の実行直後の状態を示し、図10は、水電解システム180における図2のフローチャートのS110の実行直後の状態を示している。
7 shows the state immediately after execution of S107 in the flow chart of FIG. 2 in the
立ち下げモードでは、まず、制御器130は、図7に示すように、電源128により、水電解デバイス100に流す電流を、ゼロになるまで徐々に小さくして、停止させる。また、アノード水溶液供給手段122とアノードpH調整手段124とにより、アノード103に供給するアルカリ水溶液のpHを所定pH(11)になるまで徐々に低くする(S107)。
In the shutdown mode, first, as shown in FIG. 7, the
次に、制御器130は、図8に示すように、水素入口弁152と水素出口弁153と酸素入口弁156と酸素出口弁157とを閉める(S108)。
Next, the
そして、制御器130は、図9に示すように、カソード水溶液供給手段121とカソードpH調整手段123とアノード水溶液供給手段122とアノードpH調整手段124とを停止する(S109)。
Then, as shown in FIG. 9, the
続いて、制御器130は、図10に示すように、カソード入口弁150とカソード出口弁151とアノード入口切替弁154とアノード出口弁155とを閉め(S110)、停止モード(S111)に移行する。
Subsequently, as shown in FIG. 10, the
[1-2-3.停止モードの動作]
停止モードは、図2のフローチャートのS111~S121のステップから構成されている。
[1-2-3. Operation in stop mode]
The stop mode consists of steps S111 to S121 in the flow chart of FIG.
図11は、水電解システム180における図2のフローチャートのS114の実行直後の状態を示し、図12は、水電解システム180における図2のフローチャートのS115の実行直後の状態を示し、図13は、水電解システム180における図2のフローチャートのS119の実行直後の状態を示し、図14は、水電解システム180における図2のフローチャートのS120の実行直後の状態を示している。
11 shows the state immediately after execution of S114 in the flow chart of FIG. 2 in the
停止モードでは、まず、制御器130は、電圧計129により、アノード電位を計測し(S111)、アノード電位が所定電位(500mV)未満になったか確認する(S112)。
In the stop mode, the
S112の確認の結果、アノード電位が所定電位(500mV)未満になっていなければ、現状を所定時間(10分間)継続して(S113)、S111に戻る。S112の確認の結果、アノード電位が500mV未満になっていれば、S114に移行する。 As a result of checking in S112, if the anode potential is not less than the predetermined potential (500 mV), the current state is continued for a predetermined time (10 minutes) (S113), and the process returns to S111. As a result of confirmation in S112, if the anode potential is less than 500 mV, the process proceeds to S114.
次に、制御器130は、図11に示すように、アノード入口切替弁154とアノード出口弁155と酸素入口弁156と酸素供給弁158とを開ける(S114)。
Next, the
このとき、アノード入口切替弁154は、アノード水溶液供給手段122におけるアルカリ水溶液の出口がアノード入口110と連通するとともに酸素供給手段125における酸素の出口がアノード入口110と連通する(アノード入口切替弁154における二つの
入口がアノード入口切替弁154における一つの出口と連通する)ように、開ける。
At this time, the anode
そして、制御器130は、図12に示すように、アノード水溶液供給手段122とアノードpH手段120と酸素供給手段125とにより、所定条件のアルカリ水溶液(水酸化カリウム水溶液)と酸素との混相流を、アノード103に所定時間(10分間)供給する(S115)。
Then, as shown in FIG. 12, the
このとき、アノードpH調整手段124によって所定のpHに制御されたアルカリ水溶液が、アノード水溶液供給手段122からアノード供給経路143に排出され、酸素供給手段125によって酸素貯蔵室127の酸素が、酸素供給経路147からアノード入口切替弁154に流入し、アノード供給経路143を通流するアルカリ水溶液と混合される。
At this time, the alkaline aqueous solution controlled to a predetermined pH by the anode pH adjustment means 124 is discharged from the anode aqueous solution supply means 122 to the
そして、所定条件のアルカリ水溶液と酸素の混相流が、アノード供給経路143からアノード入口110へ供給され、アノード入口110に供給されたアルカリ水溶液と酸素の混相流が、アノード出口111へ向かってアノード流路112を流れ、アノード出口111からアノード排出経路144に排出される。
Then, a mixed-phase flow of the alkaline aqueous solution and oxygen under predetermined conditions is supplied from the
アノード水溶液供給手段122は、アノード出口111からアノード排出経路144に排出された酸素とアルカリ水溶液とを気液分離し、分離後のアルカリ水溶液を、アノードpH調整手段によって所定のpHに制御して再利用し、分離後の酸素を、酸素排出経路146を介して酸素貯蔵室127へ供給する。
The anode aqueous solution supply means 122 gas-liquid separates the oxygen and the alkaline aqueous solution discharged from the
このとき、アノード103に所定時間(10分間)供給されるアルカリ水溶液と酸素との混相流は、アノードpH調整手段124とアノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とによって、アルカリ水溶液と酸素の体積比が1:2で、温度が75℃で、pHが9で、総流量が450cc/minになるように調整(制御)されている。
At this time, the mixed phase flow of the alkaline aqueous solution and oxygen supplied to the
続いて、制御器130は、電圧計129によりアノード電位を計測し(S116)、アノード電位が所定電位(600mV)を超えたか確認する(S117)。
Subsequently, the
S117の確認の結果、アノード電位が600mVを超えていなければ、現状を所定時間(10分間)継続して(S118)、S116に戻る。S117の確認の結果、アノード電位が600mVを超えていれば、S118に移行する。 As a result of checking in S117, if the anode potential does not exceed 600 mV, the current state is continued for a predetermined time (10 minutes) (S118), and the process returns to S116. As a result of checking in S117, if the anode potential exceeds 600 mV, the process proceeds to S118.
次に、制御器130は、図13に示すように、アノード水溶液供給手段122とアノードpH手段120と酸素供給手段125とを停止する(S119)。
Next, as shown in FIG. 13, the
そして、制御器130は、図14に示すように、アノード入口切替弁154とアノード出口弁155と酸素入口弁156と酸素供給弁158とを閉める(S120)。
Then, as shown in FIG. 14, the
次に、制御器130は、運転モード再開の指示が入ったか確認する(S121)。S121の確認の結果、運転モード再開の指示が入っていれば、S101に戻る。S121の確認の結果、運転モード再開の指示が入っていなければ、水電解システム180の動作を終了する。
Next, the
(実施例1)
実施例1では、図1に示す実施の形態1の水電解システム180を用いて、図2に示すフローチャートを10回繰り返し、サイクル試験前後のエネルギー効率を評価した。
(Example 1)
In Example 1, the flow chart shown in FIG. 2 was repeated 10 times using the
その結果、下記の(表1)に示す通り、サイクル試験後、エネルギー効率の大幅な低下は確認されなかった。 As a result, as shown in Table 1 below, no significant decrease in energy efficiency was confirmed after the cycle test.
(比較例1)
比較例1では、図1に示す実施の形態1の水電解システム180を用いて、図2に示すフローチャートのS110を1日間継続した後、S111からS120の動作を割愛し、S121に移行する動作を行うこと以外は、実施例1と同様のフローチャートを10回繰り返した後、エネルギー効率を評価した。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, the
その結果、下記の(表1)に示す通り、サイクル試験によるエネルギー効率の大幅な低下が確認された。また、サイクル試験後、水電解デバイス100を解体し、アノード触媒層を透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察した結果、アノード基材からアノード触媒の剥離が観察された。
As a result, as shown in (Table 1) below, a significant decrease in energy efficiency due to the cycle test was confirmed. After the cycle test, the
以上の水電解試験から、実施例1の水電解システム180は、サイクル試験耐性が高いことが確認された。
From the above water electrolysis test, it was confirmed that the
[1-3.効果等]
以上のように、本実施の形態の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、カソード102とアノード103とで水酸化物イオン伝導性の隔膜101を挟んだ隔膜-電極接合体104を、カソードセパレータ105と、アノードセパレータ106とで挟持した水電解デバイス100のアノード103の劣化を抑制する方法である。
[1-3. effects, etc.]
As described above, in the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device according to the present embodiment, the diaphragm-
カソード102は、水が水素と水酸化物イオンになる還元反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。アノード103は、水酸化物イオンから酸素と水を生成する酸化反応を起こすための触媒が電子伝導性の基材に担持された構成になっている。
The
カソードセパレータ105は、カソード流路109がカソード102と対向する面に形成されている。アノードセパレータ106は、アノード流路112がアノード103と対向する面に形成されている。
The
そして、本実施の形態の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイス100で水素と酸素を製造する運転モードから水電解デバイス100での水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路112(アノード103)に供給することにより、アノード103の劣化を抑制することを特徴としている。
Then, the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device of the present embodiment shifts from the operation mode in which hydrogen and oxygen are produced in the
これにより、運転モードから停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流を、アノード103に供給するので、水素の製造を停止する工程において、アノード103の電位変化に起因したアノード103の構造変化や変質を抑制することができ
る。そのため、アノード103の劣化を抑制することができる。
As a result, after the operation mode is shifted to the stop mode, the multiphase flow containing the alkaline aqueous solution and oxygen is supplied to the
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、運転モードから停止モードに移行した後に、カソード102とアノード103との間の電圧、又はアノード103の電位が規定値より小さくなった場合に、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路112(アノード103)に供給してもよい。
As in the present embodiment, the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device is such that the voltage between the
これにより、アノード103の電位が規定値より小さくなった場合に生じるアノード103の構造変化や変質を適切なタイミングで抑制することができる。そのため、アノード103の劣化を、より適切なタイミングで抑制することができる。
As a result, it is possible to suppress the structural change and deterioration of the
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、アルカリ水溶液と酸素との混相流をアノード流路112(アノード103)へ供給する時のアルカリ水溶液のpHの値を、運転モード時に水電解デバイス100へ供給するアルカリ水溶液のpHの値よりも低くしてもよい。
As in the present embodiment, the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device is such that the pH value of the alkaline aqueous solution when supplying the mixed-phase flow of the alkaline aqueous solution and oxygen to the anode channel 112 (anode 103) is set to the operation mode It may be lower than the pH value of the alkaline aqueous solution supplied to the
これにより、アノード103を高い電位に保持することができ、アノード103の構造変化や変質を更に抑制することができる。そのため、アノード103の劣化を更に抑制することができる。
As a result, the
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、水電解デバイス100が運転モードから立ち下げモードを経て停止モードに移行する場合において、立ち下げモードにおいて、カソード102とアノード103との間に流す電流を徐々に小さくするとともに、アノード103へ供給するアルカリ水溶液のpHの値が徐々に低くなるように、アノード103へ供給するアルカリ水溶液のpHを調整してもよい。
As in the present embodiment, the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device is such that when the
これにより、立ち下げモードにおいて、アノードを高い電位に保持することができ、アノード103の構造変化や変質を抑制することができる。そのため、立ち下げモードにおけるアノード103の劣化を抑制することができる。
As a result, in the fall mode, the anode can be held at a high potential, and structural change and deterioration of the
本実施の形態のように、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法は、アルカリ水溶液と酸素とを含む混相流のアノード103への供給を開始した後に、所定条件を満たすと、混相流のアノード103への供給を停止してもよい。
As in the present embodiment, the method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device starts supplying a multiphase flow containing an alkaline aqueous solution and oxygen to the
これにより、水電解デバイス100で水素と酸素を製造しないときに、アノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とが必要以上に供給動作を継続して、アノード水溶液供給手段122と酸素供給手段125とを動作させるのに必要な電気エネルギーを無駄に消費するのを防止することができる。
As a result, when hydrogen and oxygen are not produced in the
(他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
(Other embodiments)
As described above,
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。 Therefore, other embodiments will be exemplified below.
実施の形態1では、水電解デバイス100を直列に複数積層(スタック)した構成であってもよい。これにより、スタック化により助長されるアノード103の劣化(特に、逆電流によるアノード103の劣化)を抑制することができる。
In
また、カソード102とアノード103のどちらか一方に供給したアルカリ水溶液が、カソード102とアノード103のどちらか他方にも供給されるように、水電解デバイス100を構成した場合は、アルカリ水溶液供給手段を一つにしてもよい。
Further, when the
そのようにアルカリ水溶液供給手段を一つにした場合は、簡素化できるとともに、スタックの水酸化物イオンの短絡経路を削減することができ、スタック化により助長されるアノード103の劣化(特に、逆電流によるアノード103の劣化)を抑制することができる。
In the case of using only one alkaline aqueous solution supply means, it is possible to simplify the stack and reduce the short-circuit paths of hydroxide ions in the stack. deterioration of the
また、運転モードから停止モードに移行した後に、カソード102の電位が規定値になった場合に、アルカリ水溶液と水素との混相流がカソード102へ供給されるように構成すれば、カソード102の電位変化に起因したカソード102の劣化を抑制することができる。
Further, when the potential of the
本開示は、隔膜-電極接合体を備えた水電解デバイスを用いて、アルカリ水溶液に含まれる水を電気分解し、水素と酸素とを製造する水電解システムなどに適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure is applicable to, for example, a water electrolysis system that electrolyzes water contained in an alkaline aqueous solution to produce hydrogen and oxygen using a water electrolysis device that includes a diaphragm-electrode assembly.
100 水電解デバイス
101 隔膜
102 カソード
103 アノード
104 隔膜-電極接合体
105 カソードセパレータ
106 アノードセパレータ
107 カソード入口
108 カソード出口
109 カソード流路
110 アノード入口
111 アノード出口
112 アノード流路
121 カソード水溶液供給手段
122 アノード水溶液供給手段
123 カソードpH調整手段
124 アノードpH調整手段
125 酸素供給手段
126 水素貯蔵室
127 酸素貯蔵室
128 電源
129 電圧計
130 制御器
141 カソード供給経路
142 カソード排出経路
143 アノード供給経路
144 アノード排出経路
145 水素排出経路
146 酸素排出経路
147 酸素供給経路
150 カソード入口弁
151 カソード出口弁
152 水素入口弁
153 水素出口弁
154 アノード入口切替弁
155 アノード出口弁
156 酸素入口弁
157 酸素出口弁
158 酸素供給弁
180 水電解システム
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記水電解デバイスで水素と酸素を製造する運転モードから前記水電解デバイスでの水素と酸素の製造を停止した停止モードに移行した後に、アルカリ水溶液と酸素との混相流を前記アノード流路に供給することにより前記アノードの劣化を抑制する、水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。 Electrons are the catalyst for causing the oxidation reaction that produces oxygen and water from the cathode, which is supported on an electron-conductive base material, and the catalyst for causing the reduction reaction in which water becomes hydrogen and hydroxide ions. A cathode separator having a cathode flow channel formed on the surface facing the cathode, and an anode flow A method for suppressing deterioration of the anode of a water electrolysis device in which a channel is sandwiched between the anode and an anode separator formed on the surface facing the anode, comprising:
After shifting from the operation mode in which hydrogen and oxygen are produced in the water electrolysis device to the stop mode in which the production of hydrogen and oxygen in the water electrolysis device is stopped, a mixed phase flow of an alkaline aqueous solution and oxygen is supplied to the anode flow channel. A method for suppressing deterioration of an anode in a water electrolysis device, comprising:
前記立ち下げモードにおいて、前記カソードと前記アノードとの間に流す前記電流を徐々に小さくするとともに、前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のpHの値が徐々に低くなるように前記アノード流路へ供給するアルカリ水溶液のpHを調整する、請求項1から3のいずれか1項に記載の水電解デバイスのアノード劣化抑制方法。 When shifting from the operation mode to the stop mode via the shutdown mode,
In the shutdown mode, the current flowing between the cathode and the anode is gradually decreased, and the pH value of the alkaline aqueous solution supplied to the anode flow channel is gradually lowered. 4. The method for suppressing anode deterioration of a water electrolysis device according to any one of claims 1 to 3, wherein the pH of the alkaline aqueous solution to be supplied is adjusted.
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JP2021211801A JP2023096216A (en) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | Method of suppressing degradation of anode in water electrolysis device |
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