JP6438739B2 - Electrolysis method - Google Patents

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Description

本発明は、電解方法に関する。詳しくは、電解システム中の電解セルへの通電が停止された時に、導電路を遮断して逆電流の発生を防止することができる、電解方法である。   The present invention relates to an electrolysis method. Specifically, it is an electrolysis method that can prevent the occurrence of a reverse current by interrupting a conductive path when energization to an electrolysis cell in an electrolysis system is stopped.

水素は、例えば燃料電池自動車における燃料、水素発電におけるタービン燃料、都市ガス成分等の燃料としての使用の他、化学肥料の原料等として、重要度が極めて高い。
水素は、例えば水の電気分解によって製造することができる。特に、近年の環境意識の高まりとともに、電源として再生可能エネルギーを用いた水の電気分解が注目されている。再生可能エネルギーとしては、例えば太陽光が挙げられる。太陽光を用いた発電システムは、既に実用化され、市販品も多いことから、電気分解の電源として好適である。
しかしながら、太陽光に代表される再生可能エネルギーを用いた発電システムは、発電量の変動が大きい。例えば晴天時と雨天時との間、昼間と夜間との間には、日照量に顕著な差があり、発電量に大きく影響する。
Hydrogen, for example, is very important as a raw material for chemical fertilizer, in addition to being used as a fuel in fuel cell vehicles, a turbine fuel in hydrogen power generation, a fuel such as city gas components, and the like.
Hydrogen can be produced, for example, by electrolysis of water. In particular, with the recent increase in environmental awareness, water electrolysis using renewable energy as a power source has attracted attention. An example of renewable energy is sunlight. Since a power generation system using sunlight has already been put into practical use and there are many commercial products, it is suitable as a power source for electrolysis.
However, a power generation system using renewable energy typified by sunlight has a large amount of power generation. For example, there is a significant difference in the amount of sunshine between clear and rainy days, and between daytime and nighttime, which greatly affects the amount of power generation.

水の電気分解を行う電解システムが、例えば太陽光発電システムに接続された場合、日照が得られ、電解セルに通電されている時は、水の電気分解が行われ、生成物として水素を得ることができる。しかし、例えば日没によって日照が失われ、電解セルへの通電が停止された場合、電解セル内に起電力が生じ、所謂「逆電流」が発生する。電解セルに逆電流が発生すると、例えば電極(特に負極)表面に存在する触媒層の溶出、ひび割れ、剥落、酸化劣化等に起因する電極活性の低下、及びこれに伴う水素過電圧の上昇等の不都合を引き起こすことになる。
従って、電解セルへの通電が停止される時には、可及的速やかに導電路を遮断して、逆電流の発生を阻止することが好ましい。
この点、特許文献1には、電解システムにおける陰極室及び陽極室に電解液を供給するための供給流路中の電解液を気体で置換することにより、絶縁を得る方法が提案されている。
When an electrolysis system that performs electrolysis of water is connected to, for example, a photovoltaic power generation system, sunlight is obtained, and when the electrolysis cell is energized, electrolysis of water is performed to obtain hydrogen as a product. be able to. However, for example, when sunlight is lost due to sunset and energization of the electrolysis cell is stopped, an electromotive force is generated in the electrolysis cell, and so-called “reverse current” is generated. When reverse current is generated in the electrolysis cell, for example, elution of the catalyst layer existing on the surface of the electrode (especially the negative electrode), cracking, peeling, degradation of electrode activity due to oxidation deterioration, etc., and associated increase in hydrogen overvoltage Will cause.
Therefore, when the energization to the electrolytic cell is stopped, it is preferable to block the conductive path as soon as possible to prevent the generation of reverse current.
In this regard, Patent Document 1 proposes a method of obtaining insulation by replacing the electrolyte in the supply passage for supplying electrolyte to the cathode chamber and the anode chamber in the electrolysis system with gas.

特開2014−95128号公報JP 2014-95128 A

特許文献1の方法は、具体的には、ループ状に巻いた状態で設置された供給流路に気体(例えば空気)を吹き込むことにより、前記置換を行って絶縁を得る方法である。ところが、通常の電解システムにおいては、電解セルは、直列に積層して複数設置されることが多い。従って、供給流路も、電解セルの数に分岐して設置される。
このような構成の電解システムにおいて、供給流路へ気体を吹き込んだ場合、複数のループ状供給流路のすべてについて、漏れなく迅速に完全に電解液を置換することは、極めて困難である。気体吹込み位置から遠い供給流路中の電解液は、その一部が置換されずに残存し、従って、該流路が接続された電解セルにおいては、逆電流発生の懸念が払拭されないのである。
Specifically, the method of Patent Document 1 is a method of obtaining insulation by performing the replacement by blowing a gas (for example, air) into a supply flow channel installed in a looped state. However, in an ordinary electrolysis system, a plurality of electrolysis cells are often stacked in series. Therefore, the supply channel is also branched and installed in the number of electrolytic cells.
In the electrolysis system having such a configuration, when gas is blown into the supply channel, it is extremely difficult to replace the electrolyte solution quickly and completely without leakage in all of the plurality of loop-shaped supply channels. The electrolytic solution in the supply flow channel far from the gas blowing position remains partly without being replaced. Therefore, in the electrolytic cell to which the flow channel is connected, the concern about the occurrence of reverse current is not wiped out. .

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものである。
従って、本発明の目的は、電解システム中の電解セルへの通電が停止された場合に、導電路を容易、迅速、且つ確実に遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することのできる、電解方法を提供することである。
The present invention has been made in view of the above situation.
Therefore, an object of the present invention is to prevent the occurrence of reverse current as much as possible by interrupting the conductive path easily, quickly and reliably when the energization to the electrolysis cell in the electrolysis system is stopped. It is to provide an electrolysis method that can be used.

本発明の上記目的は、以下のとおりに要約される本発明によって達成される;
[1] 少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、並びに前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セル
を備える電解システムを用い、
前記電解セルへ通電する時に、前記陰極及び前記陽極に電解液をかけ流すことを特徴とする、電解方法。
[2] 前記電解液のかけ流し量が、前記陰極又は陽極の表面積当たり、単位時間当たり、0.001〜100L/(m・分)である、[1]に記載の電解方法。
The above objects of the present invention are achieved by the present invention summarized as follows:
[1] Using an electrolysis system including at least a cathode chamber to which a cathode is attached, an anode chamber to which an anode is attached, and an electrolysis cell having a diaphragm partitioning the cathode chamber and the anode chamber,
An electrolysis method comprising flowing an electrolyte through the cathode and the anode when energizing the electrolysis cell.
[2] The electrolysis method according to [1], wherein a flow rate of the electrolytic solution is 0.001 to 100 L / (m 2 · min) per unit time per surface area of the cathode or anode.

[3] 前記電解セルへの通電が停止された時に、前記陰極室及び陽極室への前記電解液のかけ流しを停止して電気絶縁を得る、[1]又は[2]に記載の電解方法。
[4] 少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、並びに前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セルと、
前記陰極及び前記陽極に電解液をかけ流す手段と
を備え、そして
水の電気分解に用いられることを特徴とする、システム。
[5] 燃料電池としても用いられる、[4]に記載のシステム。
[6] 前記隔膜が、親水化処理された多孔膜である、[4]又は[5]に記載のシステム。
[3] The electrolysis method according to [1] or [2], wherein when the energization to the electrolysis cell is stopped, the flow of the electrolyte solution to the cathode chamber and the anode chamber is stopped to obtain electrical insulation. .
[4] An electrolytic cell comprising at least a cathode chamber to which a cathode is attached, an anode chamber to which an anode is attached, and a diaphragm partitioning the cathode chamber and the anode chamber;
A system comprising: the cathode and means for pouring electrolyte over the anode and used for electrolysis of water.
[5] The system according to [4], which is also used as a fuel cell.
[6] The system according to [4] or [5], wherein the diaphragm is a porous membrane subjected to hydrophilic treatment.

本発明によると、電解システム中の電解セルへの通電が停止された場合に、導電路を容易、迅速、且つ確実に遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することのできる、電気絶縁方法が提供される。
本発明の方法は、例えば太陽光発電システムに接続された電解システムにおいて、日照量が変動して電解セルへの通電が停止された場合に、逆電流の発生を防止することができるから、特に陰極の経時劣化を可及的に抑制することが可能となる。
According to the present invention, when energization to the electrolysis cell in the electrolysis system is stopped, it is possible to easily, quickly and surely cut off the conductive path and prevent the occurrence of reverse current as much as possible. An electrical isolation method is provided.
Since the method of the present invention can prevent the occurrence of reverse current when the amount of sunshine changes and the energization of the electrolysis cell is stopped, for example, in an electrolysis system connected to a photovoltaic power generation system, It becomes possible to suppress deterioration of the cathode with time as much as possible.

図1は、本発明の電解システムを説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic view for explaining an electrolysis system of the present invention.

本発明において使用する電解システムは、少なくとも、
陰極が取り付けられた陰極室、
陽極が取り付けられた陽極室、並びに
前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セルを備える。
上記の電解システムは、陰極室及び陽極室が電解液によって充填されない状態で電解を行う。上記の電解システムを用いて電解を行う際には、陰極及び陽極に電解液をかけ流すことにより通電を確保する。ここで「かけ流す」とは、陰極及び陽極が、常に流動する電解液によって濡れている状態の創出を意味する。従って、本発明における電解システムは、上記電解セルの他に、前記陰極及び陽極に電解液をかけ流すための手段を更に備えることが好ましい。
The electrolysis system used in the present invention is at least:
A cathode chamber with a cathode attached,
An electrolytic cell is provided that includes an anode chamber to which an anode is attached, and a diaphragm that partitions the cathode chamber and the anode chamber.
The above electrolysis system performs electrolysis in a state where the cathode chamber and the anode chamber are not filled with the electrolytic solution. When electrolysis is performed using the above-described electrolysis system, energization is ensured by flowing an electrolyte solution through the cathode and the anode. Here, “spraying” means creation of a state in which the cathode and the anode are always wetted by the flowing electrolyte. Therefore, it is preferable that the electrolysis system according to the present invention further includes means for pouring the electrolyte solution through the cathode and the anode in addition to the electrolysis cell.

本明細書における「かけ流す」には、「使い捨てる」の意味は含まれない。従って、本発明の方法においてかけ流された電解液は、循環再利用してもかまわない。
前記の陰極、陽極、隔膜、及び電解液としては、それぞれ、水の電気分解において使用される公知の材料を、制限なく使用することができる。具体的に例示すると、例えば以下のとおりである。
In the present specification, “spreading” does not include the meaning of “disposable”. Therefore, the electrolytic solution poured in the method of the present invention may be recycled.
As the cathode, the anode, the diaphragm, and the electrolytic solution, known materials used in water electrolysis can be used without limitation. Specific examples are as follows, for example.

陰極及び陽極としては、例えば炭素電極、Al電極、Cu電極、Sn電極、Pb電極等の溶性電極;
金属メッキ電極、Pt/Ti電極、金属焼成電極、IrO/Ti電極等の不溶性電極;
ガス拡散電極
等を挙げることができる。
陰極と陽極との間に電圧を印加するには、公知のものから適宜に選択された給電体を用いて行うことができる。この給電体としては、例えば、
金属繊維の焼結体から成る給電体;
前記焼結体の表面に金属粒子層を形成して成る給電体;
発泡金属等の多孔体から成る給電体;
金属細線を織り込んだ金属織布から成る給電体;
金属板に穴を空けたパンチングメッシュから成る給電体;
金属板に千鳥状に切れ目を入れると同時に押し広げ、菱形又は亀甲形の網目状に加工したエクスパンドメタルから成る給電体
等を挙げることができる。
Examples of the cathode and the anode include soluble electrodes such as carbon electrodes, Al electrodes, Cu electrodes, Sn electrodes, and Pb electrodes;
Insoluble electrodes such as metal plated electrodes, Pt / Ti electrodes, metal fired electrodes, IrO 2 / Ti electrodes;
A gas diffusion electrode etc. can be mentioned.
Application of voltage between the cathode and the anode can be performed using a power feeding member appropriately selected from known ones. As this electric power feeder, for example,
A power feeder made of a sintered metal fiber;
A power feeding body formed by forming a metal particle layer on the surface of the sintered body;
Power feeding body made of a porous material such as foam metal;
Power supply body made of metal woven fabric with fine metal wires;
A power feeder consisting of a punching mesh with holes in a metal plate;
Examples of the power supply include an expanded metal that is cut into a metal plate in a zigzag pattern and simultaneously spread and processed into a rhombus or turtle-shaped mesh.

隔膜としては、イオン透過性の膜を使用することが好ましく、例えばフッ素原子を有する陽イオン交換膜を例示することができる。これらの膜は、親水化処理されたものであってもよい。
隔膜は、イオン(特にカリウムイオン、ナトリウムイオン)を透過し易くするとともに、その導電性を確保するために、稼働中は常に電解液で湿った状態にあることが好ましい。従って、本実施形態における隔膜は、浸水化処理された多孔膜であることが好ましい。親水化の方法は、特に限定はされないが、多孔膜に、親水性の無機材料等で修飾する方法等を例示することができる。上記親水性無機材料としては、例えばTiO、ZrO
を挙げることができる。これらの修飾剤を多孔膜に結着するには、例えば導電性のイオン交換樹脂等のバインダーを使用することができる。
電解液としては、例えばハロゲン化アルカリの水溶液、水酸化アルカリの水溶液等を例示することができる。
As the diaphragm, an ion permeable membrane is preferably used, and for example, a cation exchange membrane having fluorine atoms can be exemplified. These films may be subjected to hydrophilic treatment.
The diaphragm is preferably always wet with the electrolyte during operation in order to facilitate the permeation of ions (especially potassium ions and sodium ions) and to ensure the conductivity thereof. Therefore, the diaphragm in the present embodiment is preferably a porous film that has been subjected to a water immersion treatment. The method of hydrophilization is not particularly limited, and examples thereof include a method of modifying the porous film with a hydrophilic inorganic material or the like. Examples of the hydrophilic inorganic material include TiO 2 and ZrO 2 . In order to bind these modifiers to the porous membrane, for example, a binder such as a conductive ion exchange resin can be used.
Examples of the electrolytic solution include an alkali halide aqueous solution and an alkali hydroxide aqueous solution.

本発明における電解システムは、上記のような電解セルを1個だけ有していてもよいし、2個以上の電解セルが積層されて成るセルスタック構造を有する物であってもよい。セルスタック構造を採用する場合には、各単位電解セルは、上記のような隔膜を介して設置されていてもよいし、或いは各単位電解セル間に導電性材料による導電路が形成されていてもよい。   The electrolysis system in the present invention may have only one electrolysis cell as described above, or may have a cell stack structure in which two or more electrolysis cells are laminated. When the cell stack structure is adopted, each unit electrolysis cell may be installed through the diaphragm as described above, or a conductive path made of a conductive material is formed between each unit electrolysis cell. Also good.

本発明における電解システムを用いて電解を行う際には、陰極室及び陽極室を、電解液によって充填せずに、陰極及び陽極に電解液をかけ流すことにより通電を確保するとともに、電解の原料である水(電解液の溶媒)を供給する。このかけ流しの態様としては、例えば、陰極及び陽極の上端部近傍から供給された電解液が、陰極及び陽極に接触した後、重力によって下方へ流れる際に前記陰極及び陽極の全面を濡らす場合を好ましく例示することができる。電解液をかけ流す手段としては、電解セル内にノズルを設け、ノズルから液を垂らす方法等を挙げることができる。例えば、スプレーノズルを挙げることができる。
前記スプレーノズルとしては、例えば、点状、充円形状、円環状、楕円形状、多角形状、扁平状、渦巻き状、膜状等の任意のスプレーパターンを示すノズル(供給口)を、1個又は2個以上から成るノズル(群)を有するスプレーノズルを挙げることができる。
When performing electrolysis using the electrolysis system according to the present invention, the cathode chamber and the anode chamber are not filled with the electrolyte solution, and the electrolyte is flowed through the cathode and the anode, thereby ensuring energization and the raw material for the electrolysis. Water (electrolyte solvent) is supplied. As an example of this pouring, for example, when the electrolyte supplied from the vicinity of the upper ends of the cathode and the anode comes into contact with the cathode and the anode and then flows downward by gravity, the entire surface of the cathode and the anode is wetted. It can be illustrated preferably. Examples of means for pouring the electrolyte include a method in which a nozzle is provided in the electrolysis cell and the liquid is dropped from the nozzle. For example, a spray nozzle can be mentioned.
As the spray nozzle, for example, one nozzle (supply port) showing an arbitrary spray pattern such as a dot shape, a full circle shape, an annular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, a flat shape, a spiral shape, a film shape, or the like Mention may be made of spray nozzles having two or more nozzles (groups).

電解液をかけ流す手段は、該供給手段から供給される電解液によって陰極及び陽極の全面が濡れることとなる位置に設置することが好ましい。具体的には、電解液の供給口が陰極及び陽極それぞれの上端近傍となるように設置することである。電解液の供給口は、陰極用供給口と陽極用供給口とを別個独立のものとして設置してもよいし、陰極陽極共用の供給口として設置してもよい。
電解液のかけ流し量が少ないと、電解に必要な水分が足りなくなり、電解が進行しなくなる。また、電解液は冷却の効果を有しているため、電解液のかけ流しが少ないと、その効果が低減してしまうことで、電極が発熱する。その結果、電極そのものは勿論、電極と接する隔膜も損傷してしまう可能性がある。電解液のかけ流し量としては、陰極及び陽極の表面積当たり、単位時間当たりの流量として、0.001〜100L/(m・分)とすることが好ましく、0.01〜10L/(m・分)とすることがより好ましく、0.02〜1.0L/(m・分)とすることが更に好ましい。
電解液のかけ流し(電解液を再利用する場合を含む)は、例えば送液ポンプによって行うことができる。
The means for pouring the electrolytic solution is preferably installed at a position where the entire surface of the cathode and the anode is wetted by the electrolytic solution supplied from the supply means. Specifically, the electrolyte solution supply port is installed near the upper ends of the cathode and the anode. The supply port for the electrolytic solution may be installed as a cathode supply port and an anode supply port as separate independent ports, or may be installed as a common cathode anode supply port.
If the amount of electrolyte flowed is small, the water necessary for electrolysis will be insufficient, and electrolysis will not proceed. In addition, since the electrolytic solution has an effect of cooling, if the amount of flowing of the electrolytic solution is small, the effect is reduced, and the electrode generates heat. As a result, not only the electrode itself but also the diaphragm in contact with the electrode may be damaged. The over flow quantity of the electrolytic solution, per surface area of the cathode and anode, as the flow rate per unit time, it is preferable to 0.001~100L / (m 2 · min), 0.01~10L / (m 2 Min), more preferably 0.02 to 1.0 L / (m 2 · min).
Flowing of the electrolyte solution (including the case of reusing the electrolyte solution) can be performed by, for example, a liquid feed pump.

本発明の電解方法においては、前記陰極室及び陽極室への前記電解液のかけ流しを停止することが好ましい。このことにより、陰極・陽極間の電気絶縁を得ることができるから、電解セルへの通電が停止された場合であっても逆電流が流れることがなくなる。かけ流しの停止は任意の方法、例えば送液ポンプの停止、流路の閉鎖等により、行うことができる。
本発明の好ましい態様において、陰極及び陽極の上端部近傍から供給され、陰極及び陽極に接触した後、重力によって下方へ流れ落ちた電解液は、これを回収して再利用することが好ましい。従って、本発明において使用される電解システムは、使用後の電解液を回収するための、電解液貯蔵タンクを有することが好ましい。該電解液貯蔵タンクに回収された電解液は、陰極及び陽極にかけ流すことに再利用することができる。最も好ましくは、該電解液貯蔵タンクが前記陰極室及び陽極室よりも下に位置し、かけ流しに使用した後の電解液が自重で前記電解液貯蔵タンク中に収納される態様である。
In the electrolysis method of the present invention, it is preferable to stop pouring the electrolyte into the cathode chamber and the anode chamber. As a result, electrical insulation between the cathode and the anode can be obtained, so that no reverse current flows even when the energization of the electrolysis cell is stopped. The pouring can be stopped by an arbitrary method, for example, by stopping the liquid feeding pump or closing the flow path.
In a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to recover and reuse the electrolytic solution supplied from the vicinity of the upper ends of the cathode and the anode and flowing down due to gravity after contacting the cathode and the anode. Therefore, it is preferable that the electrolytic system used in the present invention has an electrolytic solution storage tank for collecting the electrolytic solution after use. The electrolytic solution recovered in the electrolytic solution storage tank can be reused for flowing over the cathode and the anode. Most preferably, the electrolyte storage tank is located below the cathode chamber and the anode chamber, and the electrolyte after being used for pouring is stored in the electrolyte storage tank under its own weight.

上記の電解液貯蔵タンクは、陰極室から排出された陰極液と陽極室から排出された陽極液とを共通に回収するための1個のタンクから成っていてもよいし;或いは
陰極室から排出された陰極液を回収するための陰極液貯蔵タンクと、
陽極室から排出された陽極液を回収するための陽極液貯蔵タンクと
から成っていてもよい。電解液貯蔵タンクを、このような2個のタンクから成る構成とすることにより、陰極から発生したガスと陽極から発生したガスとの混合を避けることができるから、本発明の電解システムの製品である水素(及び酸素又はハロゲン)の純度向上に資する。各極から発生したガスは、電解液が貯蔵タンクに貯蔵されている間に気化して各極室に帰って行くから、電解液貯蔵タンクを2個のタンク構成とした場合であっても、電解液を再利用する際には再利用ラインは両極共通として構わない。
The electrolyte storage tank may comprise a single tank for commonly collecting the catholyte discharged from the cathode chamber and the anolyte discharged from the anode chamber; or discharged from the cathode chamber. A catholyte storage tank for recovering the prepared catholyte,
You may consist of the anolyte storage tank for collect | recovering the anolyte discharged | emitted from the anode chamber. Since the electrolyte storage tank is composed of such two tanks, mixing of the gas generated from the cathode and the gas generated from the anode can be avoided. Contributes to improving the purity of certain hydrogen (and oxygen or halogen). Since the gas generated from each electrode is vaporized while the electrolyte is stored in the storage tank and returns to each electrode chamber, even if the electrolyte storage tank has two tank configurations, When reusing the electrolyte, the reuse line may be common to both electrodes.

本発明における電解システムは、製品として水素(及び酸素又はハロゲン)を得ることを目的とする。従って、電極近傍に発生した水素等を電解液から分離回収するための気液分離手段を有することが好ましい。
公知の電解システムにおいては、電解セルより上部に設けられた陰極タンク及び陽極タンクがこの気液分離手段となる。しかし、これらのタンクはその中ほどまでが電解液で満たされているため、これらのタンクを気液分離手段として用いることは、かけ流しの停止により陰極・陽極間の絶縁を得ようとする本発明の趣旨からは好ましくない。
The electrolytic system in the present invention aims to obtain hydrogen (and oxygen or halogen) as a product. Therefore, it is preferable to have gas-liquid separation means for separating and recovering hydrogen or the like generated in the vicinity of the electrode from the electrolytic solution.
In a known electrolysis system, a cathode tank and an anode tank provided above the electrolysis cell serve as the gas-liquid separation means. However, since these tanks are filled to the middle with electrolyte, using these tanks as a gas-liquid separation means is intended to obtain insulation between the cathode and anode by stopping pouring. It is not preferable from the gist of the invention.

従って、本発明においては、これらのタンクに代えて、気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない気液分離室を備えることが好ましい。この気液分離室は、例えば、陰極室及び陽極室よりも上方に、縦に細長い室を設けることにより、実現することができる。気液分離室の容積は、陰極室及び陽極室の容積の1,000倍以下とすることが好ましく、より好ましくは1〜100倍である。気液分離室の縦横比としては、室の幅に対する高さ(長さ)の比として、10〜1,000程度とすることが好ましい。
気液分離室は、陰極室に接続された陰極気液分離室と、陽極室に接続された陽極気液分離室と、から成ることが、製品の純度の観点から好ましい。
陰極及び陽極に前記電解液をかけ流す際、送液ポンプによって好ましくは電解液貯蔵タンクから汲み出された電解液は、流路から直接陰極及び陽極にかけ流してもよいし、前記気液分離室を介して陰極及び陽極にかけ流してもよい。
Therefore, in the present invention, it is preferable to provide a gas-liquid separation chamber that has gas-liquid separation ability but does not substantially have liquid storage ability, instead of these tanks. This gas-liquid separation chamber can be realized, for example, by providing a vertically elongated chamber above the cathode chamber and the anode chamber. The volume of the gas-liquid separation chamber is preferably 1,000 times or less, more preferably 1 to 100 times the volume of the cathode chamber and the anode chamber. The aspect ratio of the gas-liquid separation chamber is preferably about 10 to 1,000 as the ratio of the height (length) to the width of the chamber.
The gas-liquid separation chamber preferably includes a cathode gas-liquid separation chamber connected to the cathode chamber and an anode gas-liquid separation chamber connected to the anode chamber from the viewpoint of product purity.
When flowing the electrolyte solution through the cathode and the anode, the electrolyte solution preferably pumped out from the electrolyte storage tank by the liquid feed pump may be directly flowed from the flow path to the cathode and anode, or the gas-liquid separation chamber It may flow over the cathode and the anode via

本発明における電解システムは、上記のとおり、水を電気分解して水素(及び酸素又はハロゲン)を製造するために好適に用いられる。しかし、本発明の電解システムにおいて、電解液を前記電解液貯蔵タンク中に収納し、陰極側に水素を、陽極側に酸素をそれぞれ供給すると、燃料電池として利用することができる。
本発明における電解システムを燃料電池としても使用することにより、本発明における電解システムから発生した水素を利用して、オンサイトで発電をすることが可能になる。このような使用態様は、エネルギーの供給が難しい隔絶された地域においても、本発明のシステムのみの使用によるエネルギーの自立化ができることとなる。
As described above, the electrolysis system according to the present invention is suitably used for electrolyzing water to produce hydrogen (and oxygen or halogen). However, in the electrolysis system of the present invention, when the electrolyte is stored in the electrolyte storage tank and hydrogen is supplied to the cathode side and oxygen is supplied to the anode side, it can be used as a fuel cell.
By using the electrolysis system according to the present invention as a fuel cell, it is possible to generate electric power on-site using hydrogen generated from the electrolysis system according to the present invention. Such a usage mode enables energy self-sufficiency by using only the system of the present invention even in an isolated area where it is difficult to supply energy.

燃料電池は、燃料ガス、電解液、及び触媒が同時に接触する三相界面において電気化学的な反応が生じることにより、発電を行うことができる。この三相界面に燃料ガスが到達するまでに時間がかかると、燃料電池の発電効率が悪くなる。そのため、本発明のシステムを燃料電池としても利用する場合には、電極として、燃料ガスを三相界面に速やかにフィードすることが可能なガス拡散電極を使用することが好ましい。
ガス拡散電極とは、燃料ガス、電解液、及び触媒が同時に接触する三相界面が多数形成されるように構成された多孔性構造を有する導電性材料から成る電極である。本発明のシステムに適用されるガス拡散電極の材質については、特に限定されないが、例えば、カーボン、鉄、ステンレス鋼、チタニウム、ニッケル等からなる多孔性の構造体を使用することができる。
本発明のシステムを燃料電池としても利用する場合の隔膜としては、前述の浸水化処理された多孔膜を好ましく使用することができる。
The fuel cell can generate electric power by causing an electrochemical reaction at a three-phase interface where the fuel gas, the electrolytic solution, and the catalyst are simultaneously in contact. If it takes time for the fuel gas to reach this three-phase interface, the power generation efficiency of the fuel cell will deteriorate. Therefore, when the system of the present invention is also used as a fuel cell, it is preferable to use a gas diffusion electrode capable of quickly feeding fuel gas to the three-phase interface as an electrode.
The gas diffusion electrode is an electrode made of a conductive material having a porous structure configured so that a large number of three-phase interfaces where the fuel gas, the electrolyte solution, and the catalyst are simultaneously in contact are formed. The material of the gas diffusion electrode applied to the system of the present invention is not particularly limited. For example, a porous structure made of carbon, iron, stainless steel, titanium, nickel, or the like can be used.
As the diaphragm in the case where the system of the present invention is also used as a fuel cell, the above-described water-immersed porous membrane can be preferably used.

以下、図を参照して本発明における電解システムの構成を具体的に説明する。
図1に、本発明において好ましく使用されるシステムの概略図を示した。
図1のシステムは、陰極11を具備する陰極室1、陽極21を具備する陽極室2、及び隔膜3を具備する電解セル10と、前記陰極室1に接続された陰極気液分離室12及び陰極液貯蔵タンク31と、前記陽極室2に接続された陽極気液分離室22及び陽極液貯蔵タンク32と、陰極側停止弁41及び陽極側停止弁42と、循環ポンプ50と、を備える。陰極気液分離室12及び陽極気液分離室22は、それぞれ、細長い形状を有し、前記陰極室1及び陽極室2よりも上方に縦型に設置されている。これらの気液分離室は、気液分離能を有するから製品の純度を高くすることには寄与するが、液体貯留能を実質的に有さないので、電解セルへの通電が停止され、陰極及び陽極への電解液のかけ流しが停止された場合の絶縁の確保にも資する。陰極液貯蔵タンク31及び陽極液貯蔵タンク32は、それぞれ、前記陰極室1及び陽極室2よりも下に配置されている。電解液を循環再利用するための電解液供給ライン60は、陰極液貯蔵タンク31及び陽極液貯蔵タンク32に共通である。
Hereinafter, the configuration of the electrolysis system of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a system preferably used in the present invention.
1 includes a cathode chamber 1 having a cathode 11, an anode chamber 2 having an anode 21, and an electrolysis cell 10 having a diaphragm 3, a cathode gas-liquid separation chamber 12 connected to the cathode chamber 1, A catholyte storage tank 31, an anode gas-liquid separation chamber 22 and an anolyte storage tank 32 connected to the anode chamber 2, a cathode-side stop valve 41, an anode-side stop valve 42, and a circulation pump 50 are provided. Each of the cathode gas-liquid separation chamber 12 and the anode gas-liquid separation chamber 22 has an elongated shape, and is installed vertically above the cathode chamber 1 and the anode chamber 2. These gas-liquid separation chambers contribute to increasing the purity of the product because they have gas-liquid separation ability, but since they do not substantially have liquid storage ability, energization to the electrolysis cell is stopped, and the cathode In addition, it contributes to securing insulation when the flow of the electrolyte solution to the anode is stopped. The catholyte storage tank 31 and the anolyte storage tank 32 are disposed below the cathode chamber 1 and the anode chamber 2, respectively. An electrolyte supply line 60 for circulating and reusing the electrolyte is common to the catholyte storage tank 31 and the anolyte storage tank 32.

図1のシステムを用いて電解を行う場合、循環ポンプ50の機能により、電解液(例えば水酸化カリウム水溶液、図示せず)を陰極液貯蔵タンク31及び陽極液貯蔵タンク32から汲み出して、共通の電解液供給ライン60を介して陰極11及び陽極21にそれぞれ供給してかけ流しを行う。このシステムにおいて、電解液は、陰極気液分離室12を介して陰極11に、陽極気液分離室22を介して陽極極20に、それぞれ最上部から供給される。供給された電解液は、自重で下降する際に陰極11及び陽極21の全面を濡らし、電解セル10への通電により水の電気分解を可能とする。後、電解液は循環ポンプ50の機能によって再利用される。   When electrolysis is performed using the system of FIG. 1, the electrolyte pump (for example, potassium hydroxide aqueous solution, not shown) is pumped from the catholyte storage tank 31 and the anolyte storage tank 32 by the function of the circulation pump 50, It is supplied to the cathode 11 and the anode 21 through the electrolytic solution supply line 60 to carry out pouring. In this system, the electrolytic solution is supplied from the top to the cathode 11 via the cathode gas-liquid separation chamber 12 and to the anode electrode 20 via the anode gas-liquid separation chamber 22. The supplied electrolyte solution wets the entire surfaces of the cathode 11 and the anode 21 when descending by its own weight, and enables electrolysis of water by energizing the electrolytic cell 10. Thereafter, the electrolytic solution is reused by the function of the circulation pump 50.

電解セル10への通電が停止された際には、例えば循環ポンプ50の停止、若しくは停止弁41及び42の閉鎖、又はこれらの双方によって、陰極11及び陽極21への電解液かけ流しを停止することにより、陰極11・陽極21間の絶縁が容易に得られるから、通電停止時にも逆電流が流れることはない。電解セル10への通電が再開された時には、停止弁41及び42を開放し、循環ポンプ50を再稼働させることにより、電解を継続することができる。   When energization of the electrolysis cell 10 is stopped, for example, by stopping the circulation pump 50, closing the stop valves 41 and 42, or both, the flow of the electrolyte solution to the cathode 11 and the anode 21 is stopped. As a result, insulation between the cathode 11 and the anode 21 can be easily obtained, so that no reverse current flows even when the energization is stopped. When energization to the electrolysis cell 10 is resumed, the electrolysis can be continued by opening the stop valves 41 and 42 and restarting the circulation pump 50.

図1のシステムは、電解液を前記陰極液貯蔵タンク31及び陽極液貯蔵タンク32中に収納し、陰極室1に水素を、陽極室2に酸素を、それぞれ供給することにより、燃料電池としても利用することができる。   The system shown in FIG. 1 stores the electrolytic solution in the catholyte storage tank 31 and the anolyte storage tank 32, and supplies hydrogen to the cathode chamber 1 and oxygen to the anode chamber 2, respectively. Can be used.

1 陰極室
2 陽極室
3 隔膜
11 陰極
21 陽極
10 電解セル
12 陰極気液分離室
22 陽極気液分離室
31 陰極液貯蔵タンク
32 陽極液貯蔵タンク
41 陰極側停止弁
42 陽極側停止弁
50 送液ポンプ
60 電解液供給ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode chamber 2 Anode chamber 3 Diaphragm 11 Cathode 21 Anode 10 Electrolysis cell 12 Cathode gas-liquid separation chamber 22 Anode gas-liquid separation chamber 31 Catholyte storage tank 32 Anode solution storage tank 41 Cathode side stop valve 42 Anode side stop valve 50 Liquid sending Pump 60 Electrolyte supply line

Claims (7)

少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、並びに前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セル
を備える電解システムを用い、
前記電解セルへ通電する時に、前記陰極及び前記陽極に電解液を供給して、前記陰極及び前記陽極が流動する電解液によって常に濡れている状態にすることを特徴とする、電解方法。
Using an electrolysis system comprising at least a cathode chamber to which a cathode is attached, an anode chamber to which an anode is attached, and an electrolysis cell comprising a diaphragm partitioning the cathode chamber and the anode chamber;
An electrolysis method comprising supplying an electrolyte to the cathode and the anode when the electrolysis cell is energized so that the cathode and the anode are always wetted by the flowing electrolyte.
前記陰極及び前記陽極への前記電解液の供給量が、前記陰極又は陽極の表面積当たり、単位時間当たり、0.001〜100L/(m・分)である、請求項1に記載の電解方法。 2. The electrolysis method according to claim 1, wherein the supply amount of the electrolytic solution to the cathode and the anode is 0.001 to 100 L / (m 2 · min) per unit time per surface area of the cathode or anode. . 前記電解セルへの通電が停止された時に、前記陰極室及び陽極室への前記電解液の供給を停止して電気絶縁を得る、請求項1又は2に記載の電解方法。 The electrolysis method according to claim 1 or 2, wherein when the energization to the electrolysis cell is stopped, the supply of the electrolyte solution to the cathode chamber and the anode chamber is stopped to obtain electrical insulation. 少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、並びに前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セルと、
前記陰極及び前記陽極に電解液を供給して、前記陰極及び前記陽極が流動する電解液によって常に濡れている状態を創出するための手段と
を備え、そして
水の電気分解に用いられることを特徴とする、システム。
An electrolysis cell comprising at least a cathode chamber to which a cathode is attached, an anode chamber to which an anode is attached, and a diaphragm partitioning the cathode chamber and the anode chamber;
Means for supplying an electrolytic solution to the cathode and the anode, and creating a state in which the cathode and the anode are always wet by the flowing electrolytic solution , and used for electrolysis of water And the system.
燃料電池としても用いられる、請求項4に記載のシステム。   The system according to claim 4, which is also used as a fuel cell. 少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、並びに前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する電解セルと、
前記陰極及び前記陽極に電解液を供給して、前記陰極及び前記陽極が流動する電解液によって常に濡れている状態を創出するための手段と
を備え、そして
燃料電池として用いられることを特徴とする、システム。
An electrolysis cell comprising at least a cathode chamber to which a cathode is attached, an anode chamber to which an anode is attached, and a diaphragm partitioning the cathode chamber and the anode chamber;
Means for supplying an electrolyte to the cathode and the anode, and creating a state in which the cathode and the anode are always wet by the flowing electrolyte , and used as a fuel cell. ,system.
前記隔膜が、親水化処理された多孔膜である、請求項4〜6のいずれか一項に記載のシステム。   The system according to any one of claims 4 to 6, wherein the diaphragm is a porous membrane subjected to a hydrophilic treatment.
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