JP6433719B2 - 電解槽用の高効率の媒体分配装置のジオメトリ - Google Patents

Description

本発明は、媒体案内系を有する電解セルであって、媒体分配構造体と、該媒体分配構造体の外側において互いに反対側に位置する側に配置された２つの供給通路と、任意に媒体分配構造体と供給通路との間に配置された流入領域とを備えた電解セルに関する。

水から酸素と水素への酸化還元による電解は、一般的に、プロトン交換膜・電解槽（ＰＥＭ電解槽）において実施される。このようなＰＥＭ電解槽にはアノードとカソードとが、プロトンを導く膜によって互いに隔てられている。通常、個々のセルはいわゆるスタックにまとめられて配置されている。膜材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）-マトリックスにおけるパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）が使用される。通常、アノード及びカソードは、プロトンを導く幕に被着された触媒被覆層、多孔性の流れ分配層及び流れ分配構造体（媒体分配構造体とも呼ばれる）から成っている。流れ分配構造体は、出発物質及び生成物を活性面にわたって均一に分配する、もしくは活性面から均一に搬出するという課題をもっている。典型的には、流れ分配構造体は、例えばチタンプレートにおける複数の通路から成っており、これらの通路は、液体の水を電極に供給し、アノードにおいて発生する気体の酸素を搬出する。実地において、今日使用される流れ分配構造体の大部分は、相応なプレートに通路をフライス加工することによって製造される。

一般的に、このようなセルにおける電解のためには、水が電極（酸素電極、アノード）に運ばれ、かつ対向路において、酸素がこの電極から搬出され、水素が対応電極（水素電極、カソード）から搬出されねばならない。このような搬送プロセスの最適化に対して、当業者は特別な注意を払う。搬送プロセスの最適化は、物質搬送損失の最小化を意味し、ひいては個々の電解セルの効率損失の最小化を意味する。電解セルは通常の電解槽において、大抵、スタック又は積層体として運転されるので、搬送プロセスの最適化に関する規準値は電解槽に対しても通用する。搬送プロセスを最適に導くために、反応出発物質は均一にかつ十分な分量で、電極に供給されねばならない。同じことは、電極からの反応生成物の排出に対して言える。通常、このことは、従来技術では、スタック又は積層体の個々のセルへの供給のための流入通路及び流出通路によって、本来の媒体分配構造体に媒体を分配するための流入領域によって、いわゆる流れ場、及び電極の活性面の上に位置する媒体分配構造体（流れ場）によって試みられる。この場合に重要なことは、媒体分配構造体（流れ場）が媒体の入口領域及び出口領域において、可能な限り均一に供給もしくは排出されることである。

国際公開第２００４／１１４４４６号ではそのために、電解セルのための流れ場プレートもしくはセパレータが提案されており、この流れ場プレートもしくはセパレータは、流体を排出又は供給するための、単数又は複数の分岐された一次通路を有していて、この一次通路は流体を二次通路である複数の細い流体ディフュージョン通路に供給する。この二次通路は、ウェブの配置によって形成されていて、これらのウェブは該ウェブの間において、互いに接続されている流体ディフュージョン通路網を形成している。

国際公開第２００４／１１４４４６号

ゆえに本発明の課題は、活性面への出発物質の均一な供給と、活性面からの生成物の好適な排出とを保証する電解セルを提供することである。

本発明は、媒体案内系を有する電解セルであって、媒体分配構造体と、該媒体分配構造体の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路と、任意に媒体分配構造体と供給通路との間に配置された流入領域とを備えた電解セルにおいて、
供給通路は、水供給、水排出及び酸素排出のための通路（第１の通路）と、水素排出のための通路（第２の通路）とを有していることを特徴とする。

このように構成されていると、流れ場における活性面への出発物質の均一な供給と、流れ場からの生成物の排出とを保証する電解セルが得られる。

ここに記載した媒体案内系は、基本的にはすべての形式の電解槽において使用可能であるが、好ましくは、アルカリ式及びＰＥＭ電解槽において使用可能である。以下において本発明は、ＰＥＭ電解槽を例にとって説明する。しかしながら当業者は、以下の記載を難なく、他の形式の電解槽にも適用することができる。

このような電解セルにおいて、水は電流によって水素と酸素に変換される。カソードにおいては水素が発生し、アノードにおいては酸素が発生する。そのために媒体案内系によって水がセル内にもしくはセルを通して案内され、発生するガスが排出される。通常、個々のセルは、例えば図１に示すように、１つの共通の媒体案内系と一緒にスタック又は積層体にまとめられている。個々のセルの媒体案内系は、相応な媒体の入口通路もしくは出口通路と、セルの活性面に媒体を供給するため、つまりプロトンを導く幕に被着されたアノードもしくはカソードの触媒層に媒体を供給するための媒体分配構造体（いわゆる流れ場）とに分かれている。入口通路もしくは出口通路と媒体分配構造体もしくは流れ場との間には、従来技術では、通常、さらに媒体分配構造体に対する流入領域もしくは流出領域が設けられている。

電解セルの水素側に位置するカソードは、典型的には、当業者にとって周知の標準水素電極（ＮＨＥ）に対して０Ｖに近い電位を有する。カソードは、好ましくは、プロトンを導く膜に被着された触媒層と、多孔性の流れ分配層と、流れ分配構造体とから成っている。多孔性の流れ分配層は好ましくは、炭素繊維から成るフリース又は織布、延ばされた薄いチタンプレートの積層体、織られた又は織られていないチタン繊維、又は多孔性のチタン焼結体或いはこれらの組合せから成っている。流れ分配構造体は、好ましくは、通路構造体を有する導電性のポリマから成っている。ポリマの導電性は例えば、カーボンブラックのような炭素の充填によって達成することができる。通路構造体は、射出成形法において、エンボッシングによって又はフライス加工によって製造することができる。択一的に、カソードの流れ分配構造体もチタンから形成することができる。この場合好ましくは、チタンの上に、セルの耐用寿命にわたって密な保護層が形成されている。このような保護層は、当業者にとって従来技術に基づいて公知であり、保護層のための一例としては、炭素製の保護層がある。このような保護層は例えば、ＰＶＤ法（物理蒸着法）によって被着させることができる。

本発明による電解槽の電解セルのアノードは、通常運転時に、＋１.０Ｖ〜＋２.５Ｖの範囲の電位を有する。アノードは好ましくは、プロトンを導く幕に被着された触媒層、多孔性の流れ分配層及び流れ分配構造体から成っている。多孔性の流れ分配層は、好ましくは、延ばされた薄いチタンプレートの積層体、織られた又は織られていないチタン繊維、又は多孔性のチタン焼結体或いはこれらの組合せから成っている。流れ分配構造体は、電極に液状の水を供給しかつ発生した気体の酸素を搬出する、チタンプレートにおける通路から成っているか、又は多孔性のチタン構造体から成っていてよい。この場合チタンプレートは同時に、バイメタル・セルセパレータのチタンプレート部分として働くことができる。

本発明におけるチタンとしては、市販のチタンプレートや、同様に、例えばＴｉ-６Ａｌ-４Ｖ（つまり６％のアルミニウムと４％のバナジウムを含有するチタン合金）のような、５０質量％を越えるチタンを含有する市販のチタン合金を使用することができる。その他の一般に使用されている適宜なチタン合金も、当業者にとって周知である。

幾何学的なデザイン規定及び大きな活性面の必要性に基づいて、電解スタック（本発明による電解スタックも）は好ましくは、媒体案内路の方向に対して横方向に大きな広がりをもって設計される。従って、活性面の媒体分配構造体に媒体を均一に供給するために、入口領域又は流入領域が必要であり、これらの領域は、媒体を入口通路もしくは供給通路から均一に媒体分配構造体の幅にわたって分配し、もしくは媒体を均一に、つまり比較可能な流れ抵抗又は圧力損失で再び出口通路にまとめる（図１参照）。入口領域又は流入領域は、電解反応には寄与せず、従ってスタックの出力密度を低下させる。しかしながら本発明による供給通路の構成によって、入口領域又は流出領域もしくはそのために設けられた面を最小にすることができる。これらの領域の最小化及びこれらの領域の好適な節減によって、構造空間及びコストを減じることができ、電解スタックの出力密度を高めることができる。

さらにこのような配置構成によって、媒体供給通路の間において、特に電解セルのカソード／水素側において、発生する凝縮水を排出するための追加的な通路を形成することができる。このことには、集まった水による活性面の遮断を阻止することができる、という有利な効果がある。本発明の好適な態様では、供給通路は、追加的に凝縮水排出のための通路（第３の通路）を有している。このように構成されていると、相応の電解スタックの出力密度をさらに高めることができる。

水供給及び水／酸素排出は、アノードにおいて行われ、水素排出及び凝縮水排出は、カソードにおいて行われ、つまり媒体分配構造体の活性領域のそれぞれ異なった平面において行われる。さらに製造ガスの迅速かつ妨げられない排出のために、製造ガスは好ましくは重力に抗して上方に向かって流れ、これに対して例えば凝縮水のような液状の水は同様に好ましくは重力場によって移動する。このような水の集積及び重力に抗した製造ガスの上昇は、好ましくは、供給通路（第１、第２及び第３の通路）の本発明による構成並びに重力に抗した電荷セルの貫流によって達成される。

本発明の好適な態様では、本発明による電解セルの媒体案内系は、最小化された入口領域もしくは流出領域だけを有しており、特に好適には、入口領域もしくは流出領域を有していない。この好適な態様では、媒体は活性面の媒体分配構造体に、第１の通路、第２の通路及び／又は第３の通路である複数の通路を介して供給される。このように構成されていると、構造空間及びコストの節減によって、相応の電解スタックの出力密度高めることができ、有利である。

カソードにおいて発生する水素の粘性は、水／酸素混合物の粘性に比べて著しく低いので、水素を許容可能な圧力損失で排出するためには、カソード側に著しく小さな出口通路を設けるだけで十分である。従って、供給通路（第２の通路）の横断面は、好ましくは供給通路（第１の通路）の横断面よりも小さい。

電解の生成物、つまり水素及び酸素は気体であるので、これらの生成物は、水に比べて大幅に低い密度を有しており、ゆえに、媒体内において水を重力に抗して上昇させる傾向を有している。逆に、液体として存在する水は、重力によって下方に移動し、ゆえに活性面の下方領域において水を集積させることができる。しかしながら、活性面の下方領域における水の集積は望まれていない。カソードにおいて発生するこの凝縮水の量は、アノードから膜を通ってカソードに透過する水の量の一部に過ぎない。従って凝縮水を排出するためには、比較的小さな通路で十分である。ゆえに本発明の別の好適な態様では、供給通路（第３の通路）の横断面は、供給通路（第１の通路）の横断面に比べて小さい。この場合、供給通路（第１の通路）が、供給通路（第２及び第３の通路）よりも大きな横断面を有していると、特に有利である。

本発明の別の好適な態様では、水供給及び酸素排出のための供給通路（第１の通路）は、媒体分配構造体の側において、水素排出のための供給通路（第２の通路）及び凝縮水排出のための供給通路（第３の通路）よりも大きな面積を占めている。

特に好適には、アノード（水／酸素側）の供給及び排出通路（第１の通路）は、活性面もしくは媒体分配構造体（流れ場）に向かって拡大し、これにより、利用できるポート面の最大部分を占めている。従って、本発明の別の好適な態様では、水供給及び酸素排出のための供給通路（第１の通路）の側辺は、媒体分配構造体の側において、水素排出のための供給通路（第２の通路）及び凝縮水排出のための供給通路（第３の通路）の側辺よりも長い。

利用できる空間の利用効率をさらに高めるため及び活性面への供給効率を高めるために、別の好適な態様では、供給通路（第１の通路）の横断面は、媒体分配構造体に向かって拡大していて、供給通路（第２及び第３の通路）の横断面は、媒体分配構造体に向かって先細になっている。

また、供給通路（第１、第２及び第３の通路）が、台形に形成されていると、特に等脚台形の形で形成されていると、このようなセルの利用できる空間を特に良好に利用することができる。従って本発明の別の好適な態様では、供給通路（第１、第２及び第３の通路）は、台形状の横断面を有している。供給通路（第１、第２及び第３の通路）は、好ましくは、等脚台形である台形状の横断面を有している。この場合好ましくは、供給通路（第１の通路）の横断面の最長の辺は、媒体分配構造体に向けられている。この場合さらに同時に、供給通路（第２及び第３の通路）の横断面の最短の辺が、媒体分配構造体に向けられていると、特に好適である。このように構成されていると、セルの空間もしくは面が最適に利用され、流入領域もしくは流出領域のための空間をさらに最小にすることができ、このことは特に有利である。

本発明の別の対象は、本発明による電極セルのうちの少なくとも１つを有する電解スタックである。このようにして、構造空間の最適化された利用と、反応物及び生成物の効果的な供給及び排出とに基づいて、安価に製造可能でかつ高い出力密度を有することができる電解スタックが得られる。

電解セルもしくは、本発明による電解セルのうちの少なくとも１つを有する電解スタックは、その改善された空間分配及び出力密度に基づいて、汎用の電解槽における使用のために極めて適している。

供給通路、流入領域及び媒体分配構造体を有する、本発明による電解スタックの長手方向軸線に沿った断面図である。 入口兼出口通路、流入領域及び媒体分配構造体体／流れ場を備えたセルを上から見た平面図である。 電解セルの構造を示す分解図である。 電解セルの活性面への媒体の有利な供給形態を示す図である。 電解セルの活性面への媒体の別の有利な供給形態を示す図である。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図１ａには、供給通路、流入領域及び媒体分配構造体の共働の様子が示され、入口兼出口通路２；２（i）を介して媒体が並列的に供給される４つのセルＩ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶを備えたスタック１の長手方向軸線に沿った断面図が示されている。下から上に向かって延びる矢印によって、個々のセルＩ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶを通る媒体の流れ方向が示されている。媒体は、例えば通路構造体１９を通ってバイポーラプレート９に沿って導かれる。バイポーラプレート９には、多孔性の流れ分配層１１が接続しており、これらの流れ分配層１１を通って媒体は、触媒によって両側を被覆された膜１２へと導かれる。膜１２及び両側の流れ分配層１１は、この場合図で見て上下にシールフレーム１０を備えている。

図１ｂには、入口兼出口通路２、流入領域４及び媒体分配構造体／流れ場５を備えたセル３が上から見た平面図で例示されている。セルの活性面に媒体を供給する媒体分配構造体５は、ここでは例えば通路構造体を有しており、この通路構造体において矢印によって、媒体、特に水及び発生する酸素の流れが示されている。

図１ｃには、本発明による電解セル３の構造が分解図で示されている。左から右に向かって、例えば電解セル３の酸素側であってよい電極１３、場合によってはシールフレーム１５を有することができる多孔性の流れ分配構造体１４、両側の触媒被覆層によって形成される活性面１７及び補強フレームを備えた膜１６、任意のシールフレーム１５を備えた第２の多孔性の流れ分配構造体１４′、例えば電解セル３の水素側であってよい第２の電極１８が、示されている。電極１３，１８は、バイポーラプレート９；９′を有している。バイポーラプレート９′は、１つの電解スタック１において隣接したセル３のバイポーラプレート９の背側を形成することができる。この場合バイポーラプレート９は、活性面１７の一側の通路構造体１９を有し、バイポーラプレート９′は、活性面１７の他側の通路構造体１９′を有している。これによって、それぞれ媒体の流路２０が形成される。同様に、例えば活性面の通路構造体への均一な媒体供給のための流入領域４も図示されている。バイポーラプレート９，９′はシール部材２１を有することができる。図面から同様に分かるように、酸素側の電極１３においてバイポーラプレート９では、水素排出のための通路２（ii）は、シール部材２１によって取り囲まれている。それというのは、この通路２（ii）はセルの酸素側では使用されないからである。相応に、水素側の電極１８においてバイポーラプレート９′では、酸素排出及び水排出のための通路２（i）は、シール部材２１によって取り囲まれている。それというのは、通路２（i）はセル３の酸素側１８では使用されないからである。

図２には、図１ｃと同様に、本発明の好適な実施形態による、セル３の活性面への媒体の有利な供給形態が示されている。酸素側の電極１３には、水と気体の酸素との混合物６の流れ方向が示されている。従って通路２（ii），２（iii）はシール部材２１によって取り囲まれている。これに対して水素側の電極１８では、通路２（ii）内への気体の水素と水蒸気とから成る混合物７の流れ方向と、通路２（iii）内への凝縮水８の流れ方向とが示されている。従って水素側の電極１８では通路２（i）はシール部材２１によって取り囲まれている。図２においては図面を見易くするために、電極１３と電極１８との間に位置している部材は示されていない。これらの部材は、図１ｃにおけるように、場合によってはシールフレーム１５を有することができる多孔性の流れ分配構造体１４、両側の触媒被覆層によって形成される活性面１７と補強フレームとを備えた膜１６、並びに任意のシールフレーム１５を備えた第２の多孔性の流れ分配構造体１４′である。

図３には、図２及び図１ｃと同様に、本発明の好適な実施形態であって、セル３の活性面に媒体を好適に供給する実施形態が示されている。酸素側の電極１３には、水と気体の酸素との混合物６の流れ方向が示されている。従って通路２（ii）及び通路２（iii）は、シール部材２１によって取り囲まれている。これに対して、水素側の電極１８では、通路２（ii）内への気体の水素と水蒸気とから成る混合物７の流れ方向と、通路２（iii）内への凝縮水８の流れ方向とが示されている。従って通路２（i）は、水素側の電極１８ではシール部材２１によって取り囲まれている。この場合好ましくは、通路２（i）、２（ii）及び２（iii）は台形状の横断面を有しており、このような横断面は、通路の間における中間室を可能な限り小さく構成することを可能にする。図面を見易くするために、図３には、電極１３と電極１８との間に位置している部材は示されていない。これらの部材は、図１ｃにおけるように、場合によってはシールフレーム１５を有することができる多孔性の流れ分配構造体１４、両側の触媒被覆層によって形成される活性面１７と補強フレームとを備えた膜１６、並びに任意のシールフレーム１５を備えた第２の多孔性の流れ分配構造体１４′である。

１ 電解スタック、 ２ 入口兼出口通路、 ３ 電解セル、 ４ 流入領域、 ５ 媒体分配構造体、 ６ 混合物（水・酸素）、 ７ 混合物（水素・水蒸気）、 ８ 凝縮水、 ９ バイポーラプレート、 １０ シールフレーム、 １１ 流れ分配層、 １２ 膜、 １３ 電極、 １４，１４′ 流れ分配構造体、 １５ シールフレーム、 １６ 膜、 １７ 活性面、 １８ 第２の電極、 １９，１９′ 通路構造体、 ２０ 流路、 ２１ シール部材

Claims (9)

1. 媒体案内系を有する電解セル（３）であって、媒体分配構造体（５）と、該媒体分配構造体（５）の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路（２）と、任意に前記媒体分配構造体（５）と前記供給通路（２）との間に配置された流入領域（４）とを備えた電解セル（３）において、
   前記供給通路（２）は、水供給、水排出及び酸素排出のための第１の通路（２（i））と、水素排出のための第２の通路（２（ii））とを有しており、
   前記供給通路（２）は、追加的に、凝縮水排出のための第３の通路（２（iii））を有しており、
   前記第１の通路（２（i））は、前記第２の通路（２（ii））及び前記第３の通路（２（iii））よりも大きな横断面を有していることを特徴とする、電解セル（３）。
2. 媒体案内系を有する電解セル（３）であって、媒体分配構造体（５）と、該媒体分配構造体（５）の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路（２）と、任意に前記媒体分配構造体（５）と前記供給通路（２）との間に配置された流入領域（４）とを備えた電解セル（３）において、
   前記供給通路（２）は、水供給、水排出及び酸素排出のための第１の通路（２（i））と、水素排出のための第２の通路（２（ii））とを有しており、
   前記供給通路（２）は、追加的に、凝縮水排出のための第３の通路（２（iii））を有しており、
   前記第１の通路（２（i））は、前記媒体分配構造体（５）の側において、前記第２の通路（２（ii））及び前記第３の通路（２（iii））よりも大きな面積を占めていることを特徴とする電解セル（３）。
3. 媒体案内系を有する電解セル（３）であって、媒体分配構造体（５）と、該媒体分配構造体（５）の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路（２）と、任意に前記媒体分配構造体（５）と前記供給通路（２）との間に配置された流入領域（４）とを備えた電解セル（３）において、
   前記供給通路（２）は、水供給、水排出及び酸素排出のための第１の通路（２（i））と、水素排出のための第２の通路（２（ii））とを有しており、
   前記供給通路（２）は、追加的に、凝縮水排出のための第３の通路（２（iii））を有しており、
   前記第１の通路（２（i））、前記第２の通路（２（ii））、及び前記第３の通路（２（iii））は、矩形状の横断面を有しており、
   前記第１の通路（２（i））の側辺は、前記媒体分配構造体（５）の側において、前記第２の通路（２（ii））及び前記第３の通路（２（iii））の側辺よりも長いことを特徴とする電解セル（３）。
4. 媒体案内系を有する電解セル（３）であって、媒体分配構造体（５）と、該媒体分配構造体（５）の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路（２）と、任意に前記媒体分配構造体（５）と前記供給通路（２）との間に配置された流入領域（４）とを備えた電解セル（３）において、
   前記供給通路（２）は、水供給、水排出及び酸素排出のための第１の通路（２（i））と、水素排出のための第２の通路（２（ii））とを有しており、
   前記供給通路（２）は、追加的に、凝縮水排出のための第３の通路（２（iii））を有しており、
   前記第１の通路（２（i））の横断面は、前記媒体分配構造体（５）に向かって拡大していて、前記第２の通路（２（ii））及び前記第３の通路（２（iii））の横断面は、前記媒体分配構造体（５）に向かって先細になっていることを特徴とする電解セル（３）。
5. 媒体案内系を有する電解セル（３）であって、媒体分配構造体（５）と、該媒体分配構造体（５）の外側において互いに反対側に位置する２つの側に配置された供給通路（２）と、任意に前記媒体分配構造体（５）と前記供給通路（２）との間に配置された流入領域（４）とを備えた電解セル（３）において、
   前記供給通路（２）は、水供給、水排出及び酸素排出のための第１の通路（２（i））と、水素排出のための第２の通路（２（ii））とを有しており、
   前記供給通路（２）は、追加的に、凝縮水排出のための第３の通路（２（iii））を有しており、
   前記第１の通路（２（i））、前記第２の通路（２（ii））、及び前記第３の通路（２（iii））は、台形状の横断面を有していることを特徴とする電解セル（３）。
6. 前記第１の通路（２（i））、前記第２の通路（２（ii））、及び前記第３の通路（２（iii））は、等脚台形である台形状の横断面を有している、請求項５記載の電解セル（３）。
7. 前記第１の通路（２（i））の横断面の最長の辺は、前記媒体分配構造体（５）に向けられている、請求項５又は６記載の電解セル（３）。
8. 前記第２の通路（２（ii））及び前記第３の通路（２（iii））の横断面の最短の辺は、前記媒体分配構造体（５）に向けられている、請求項５から７までのいずれか１項記載の電解セル（３）。
9. 請求項１から８までの少なくとも１つに記載された電解セル（３）のうちの少なくとも１つを有する、電解スタック（１）。