JP6782796B2 - 複極式電解セル、複極式電解槽、水素製造方法 - Google Patents
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Description
これを解決する方法を提供するのが本発明の主旨であり、下記の通りである。
[1]
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されている複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、複極式電解セル。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2]
陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されているアルカリ水電解用複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解セル。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2]
前記発熱係数Haが2.0K/sec以下である、[1]又は[2]の複極式電解セル。
前記発熱係数Hcが5.0K/sec以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記発熱係数Haと前記発熱係数Hcとの和ΣH(Ha+Hc)が0.5K/sec以上である、[1]〜[4]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方が金属の多孔体を含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記陽極過電圧ηaが前記陰極過電圧ηcよりも大きい、[1]〜[6]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記陰極が孔を有し、開口率が40%以上70%以下である、[1]〜[7]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記陰極の表面が、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群から選択される少なくとも1つの白金族元素を含む層で被覆されている、[1]〜[8]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記陽極が孔を有し、開口率が30%以上70%以下である、[1]〜[9]のいずれかに記載の複極式電解セル。
前記隔膜が、厚さ60μm以上600μm以下の多孔膜である、[1]〜[10]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解セル。
前記隔膜の熱伝導率が0.01W/m・K以上1.0W/m・K以下である、[11]に記載の複極式電解セル。
[13]
前記隔膜が高分子材料を含む多孔膜であり、前記高分子材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる材料である、[1]〜[12]のいずれかに記載の複極式電解セル。
[1]〜[12]のいずれかに記載の複極式電解セルを含むことを特徴とする、複極式電解槽。
アルカリを含有する水を、電解セルを有する電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
前記電解セルが、陽極及び陰極が、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触した構造の電解セルであって、
前記構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、水素製造方法。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2]
前記電解セルは、[1]〜[12]のいずれかに記載の複極式電解セルであってもよく、前記電解槽は[13]に記載の複極式電解槽であってもよい。
図1に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを含む複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図2に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルを含む複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造の図(図1に示す破線四角枠の部分の断面図)を示す。
本実施形態の複極式電解槽50は、図1、2に示すように、陽極2aと、陰極2cと、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1と、隔壁1を縁取る外枠3とを備える複数のエレメント60が隔膜4を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽であることが好ましい。
単極式とは、1又は複数のエレメントを直接電源に接続する方法であり、並列に並べた各エレメントの陽極に隔膜を挟んで陰極ターミナルエレメントを設け、陰極に隔膜を挟んで陽極ターミナルエレメントを設け、各ターミナルエレメントに電源をつなぐ並列回路である。
複極式とは、多数の複極式エレメントを電源に接続する方法の1つであり、片面が陽極、片面が陰極となる複数の複極式エレメントを同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
複極式電解槽は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、定電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
上記エレメントとしては、単極式電解槽に用いられるエレメントと、複極式電解槽に用いられる複極式エレメント等が挙げられる。中でも、複極式エレメントが好ましい。
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽50に用いられる複極式エレメント60は、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1を備え、隔壁1を縁取る外枠3を備えている。より具体的には、隔壁1は導電性を有し、外枠3は隔壁1の外縁に沿って隔壁1を取り囲むように設けられている。
上記エレメントは、陽極2a、陰極集電体2r、導電性弾性体2e、陰極2cをこの順に含み、さらに、隔壁1、リブ6、外枠3、逆電吸収体、陽極集電体等を備えていてもよい。
図1に示す一例では、複極式電解槽50は、一端からファストヘッド51g、絶縁板51i、陽極ターミナルエレメント51aが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7、複極式エレメント60が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント60は陽極ターミナルエレメント51a側に陰極2cを向けるよう配置する。陽極ガスケットから複極式エレメント60までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極ガスケットから複極式エレメント60までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット7を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51c、絶縁板51i、ルーズヘッド51gをこの順番で配置される。複極式電解槽50は、全体をタイロッド51rで締め付けることによりー体化され、複極式電解槽50となる。
複極式電解槽50を構成する配置は、陽極側からでも陰極側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
本実施形態では、特に、複極式電解槽50における、隣接する2つの複極式エレメント60間の互いの隔壁1間における部分、及び、隣接する複極式エレメント60とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁1間における部分、を電解セル65と称する。電解セル65は、一方のエレメントの隔壁1、陽極室5a、陽極2a、及び、隔膜4、及び、他方のエレメントの陰極2c、陰極室5c、隔壁1を含む。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2]
なお、過電圧、比熱、面密度、熱膨張係数は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル65では、上記ΔH及び上記線膨張係数を上記範囲とすることにより、陽極2aと陰極2cの通電に伴う自己発熱の差を小さくし、隔膜4の反りを、隔膜4が裂けたり破けたりしない範囲に抑えることが可能となる。これにより、陰極室5cと陽極室5aとの分離の崩壊を抑制し、水素ガスと酸素ガスとの隔離を保つことができる。また、長時間の通電や入力電源の不安定な通電を行っても、隔膜4に亀裂を生じることなく、高いガスの生成純度を保ったまま電気化学反応を継続することができる。
上記ΔHは、ゼロギャップ構造Zにおいて隔膜4の陽極側と陰極側に生じる温度勾配を一層小さくできる観点から、8.0K/sec以下であることが好ましく、より好ましくは5.0K/sec以下である。
上記隔膜の線膨張係数は、2.0×10−5[1/K]以下であることが好ましい。
上記ΔH、上記線膨張係数の範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
上記Ha、上記Hcの範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
上記電解セル65の厚さdとは、隣接する2つの複極式エレメント60間の互いの隔壁1間における部分の厚さ、及び、隣接する複極式エレメント60とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁1間における部分の厚さであり、それぞれ、隣接する2つの複極式エレメント60の隔壁1同士の間の隔壁1に垂直な方向についての距離、及び、隣接する複極式エレメント60の隔壁1とターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁1に垂直な方向についての距離をいう。上記厚さdは、複極式電解槽全体において一定でない場合には、その平均としてもよい。
本実施形態(例えば、上記[1]〜[14]の形態等)において、上記ΔH、上記隔膜の線膨張係数、上記発熱係数Ha、上記発熱係数Hc、上記和ΣH、上記厚さd、の範囲は、上述のいずれかの数値範囲としてよい。
なお、図1〜図2に示す複極式電解槽50に取り付けられるヘッダー管の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー型と外部ヘッダー型とがあるが、本発明では、いずれの型を採用してもよく、特に限定されない。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
上記隔壁1は、陰極2cと陽極2aとの間であって、陽極2aと陰極集電体2rとの間及び/又は陰極2cと陽極集電体2rとの間に設けられることが好ましい。
本実施形態における隔壁の形状は、所定の厚みを有する板状の形状としてよいが、特に限定されない。
隔壁の平面視形状としては、特に限定されることなく、矩形(正方形、長方形等)、円形(円、楕円等)としてよく、ここで、矩形は角が丸みを帯びていてもよい。
一実施形態において、隔壁と外枠とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁に、隔壁の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部(陽極側に張り出した陽極フランジ部、陰極側に張り出した陰極フランジ部)を設け、フランジ部を外枠の一部としてもよい。
本実施形態の複極式電解槽のアルカリ水電解による水素製造においては公知の電極が適用可能であるが、ゼロギャップ構造において上記ΔHが12K/sec以下となるように材料を選択することが好ましい。
なお、電極の開口率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記陰極の開口率、上記陽極の開口率の範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
これらの理由から、触媒層の厚みは、0.2μm以上1000μm以下が好ましく、より好ましくは0.5μm以上300μm以下である。
なお、触媒層の厚みは、例えば電子顕微鏡にて電極の断面を観察することにより測定できる。
金属元素としては、パラジウム、イリジウム、白金、金、ルテニウム、ロジウム、セリウム、ニッケル、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、ランタノイド等が挙げられる。塗布液中での金属の形態は特に制限はなく、金属や金属化合物の微粒子でもよく、溶解してイオン化されていてもよい。微粒子状態の場合、均質な前駆体層を形成するために、液中で分散されている状態が好ましい。そのため粒径は100nm以下であることが好ましい。イオン化されている場合、金属塩としては、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩等の無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩等が例示できる。これらの中で、塩化物、硝酸塩は原料を工業的に入手できるために好ましく用いられる。さらに、硝酸塩は分解後に残留するアニオン成分による基材の劣化が小さく、保存安定性の良好な電極を得ることができるため、より好ましい。
なお、比表面積は例えばBET法を用いて測定することができる。測定試料を専用セルに入れ、加熱真空排気を行うことにより前処理を行い、細孔表面への吸着物を予め取り除く。その後、−196℃で測定サンプルへのガス吸着の吸脱着等温線を測定する。得られた吸脱着等温線をBET法で解析することにより、測定サンプルの比表面積を求めることができる。
なお、二重層容量は例えば電気化学インピーダンス法により測定することができる。交流インピーダンス測定により得られた実部と虚部をプロットしたCole−Coleプロットに対して、等価回路フィッティングにより解析することで、二重層容量を算出する。
なお、被膜抵抗は例えば電気化学インピーダンス法により測定することができる。交流インピーダンス測定により得られた実部と虚部をプロットしたCole−Coleプロットに対して、等価回路フィッティングにより解析することで、被膜抵抗を算出する。
なお、電極の比熱は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
なお、電極の面密度は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
陽極の酸素過電圧は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
陰極の水素過電圧は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記Ca、上記Cc、上記Da、上記Dc、上記ηa、上記ηcの範囲は、本発明の効果を好適に得るうえで、それぞれ個別に選択されてもよい。
上記ηaと上記ηcとの差(ηa−ηc)は、300mV以下であることが好ましく、より好ましくは150mV以下である。ηaとηcとの差が上記範囲であることにより、陽極と陰極とで過電圧により発生する熱の差が少なくなり、隔膜に亀裂や裂けが一層生じにくくなる。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セルにおける外枠3の形状は、隔壁1を縁取ることができる限り特に限定されないが、隔壁1の平面に対して垂直な方向に沿う内面を隔壁1の外延に亘って備える形状としてよい。
外枠の形状としては、特に限定されることなく、隔壁の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
外枠の寸法としては、特に限定されることなく、電極室の外寸に応じて設計されてよい。
一実施形態において、隔壁と外枠とを溶接その他の方法で接合することで一体化してもよく、例えば、隔壁に、隔壁の平面に対して垂直な方向に張り出したフランジ部(陽極側に張り出した陽極フランジ部、陰極側に張り出した陰極フランジ部)を設け、フランジ部を外枠の一部としてもよい。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル65において用いられる隔膜4としては、イオンを導通しつつ、発生する水素ガスと酸素ガスを隔離するために、イオン透過性の隔膜が使用される。このイオン透過性の隔膜は、イオン交換能を有するイオン交換膜と、電解液を浸透することができる多孔膜が使用できる。このイオン透過性の隔膜は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有するものであるが、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布等が挙げられる。これらは公知の技術により作製することができる。
高分子多孔膜の製法例としては、相転換法(ミクロ相分離法)、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。相転換法(ミクロ相分離法)とは、高分子材料を良溶媒に溶解して得られた溶液により製膜し、これを貧溶媒中で相分離させることで多孔質化する方法(非溶媒誘起相分離法)である。抽出法とは、高分子材料に炭酸カルシウム等の無機粉体を混練して製膜した後に、該無機粉体を溶解抽出して多孔質化する方法である。延伸法とは、所定の結晶構造を有する高分子材料のフィルムを所定の条件で延伸して開孔させる方法である。湿式ゲル延伸法とは、高分子材料を流動パラフィン等の有機溶剤で膨潤させてゲル状シートとし、これを所定の条件で延伸したのち有機溶剤を抽出除去する方法である。
無機多孔膜の製法例としては、焼結法等が挙げられる。焼結法は、プレスや押出しによって得られた成形物を焼き、微細孔を残したまま一体化させる方法である。
不織布の製法例としては、スパンボンド法、電界紡糸(エレクトロスピニング)法等が挙げられる。スパンボンド法とは、溶融したペレットから紡糸された糸を熱ロールで圧着し、シート状に一体化させる方法である。電界紡糸(エレクトロスピニング)法とは、溶融ポリマーの入ったシリンジとコレクター間に高電圧を印加しながら射出することで、細く伸長した繊維をコレクター上に集積させる方法である。
多孔膜は、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましく、親水性無機粒子が存在することによって多孔膜に親水性を付与することができる。
−−−高分子材料−−−
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、であることが好ましく、ポリスルホンであることがより好ましい。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
高分子材料として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンを用いることで、高温、高濃度のアルカリ溶液に対する耐性が一層向上する。
また、例えば、非溶媒誘起相分離法等の方法を用いることで、隔膜を一層簡便に製膜することができる。特にポリスルホンであれば、孔径を一層精度よく制御することができる。
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンは架橋処理が施されていてもよい。かかる架橋処理が施されたポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホンの重量平均分子量は、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量として、4万以上15万以下であることが好ましい。架橋処理の方法は、特に限定されないが、電子線やγ線等の放射線照射による架橋や架橋剤による熱架橋等が挙げられる。なお、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量はGPCで測定することができる。
なお、隔膜の熱伝導率は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
<隔膜の製造方法>
隔膜の製造方法として、湿式相分離法の例を記載する。
この方法は、高分子樹脂と、溶媒と、親水性無機粒子を含有する溶液を調製する工程、溶液を基材に塗工し、基材上に塗膜を形成する工程、塗膜の基材とは反対側の表面を、この高分子樹脂の貧溶媒の蒸気を含む気体に晒す工程、基材上の塗膜を、この高分子樹脂の貧溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、多孔膜を形成する工程を含むことが好ましい。
本実施形態の作用効果が得られる範囲であれば、上記各工程はこの順に行うことに限定されるものではなく、必要に応じて同時に行ってもよいし、連続的に行ってもよい。
溶媒は、高分子樹脂を溶解する性質を有するものであり、使用する高分子樹脂について高い溶解性を有する良溶媒であることが好ましい。この溶媒は、使用する高分子樹脂の種類等に応じて適宜選択することができる。かかる溶媒としては、特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N、N−ジメチルアセトアミド、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホオキシド等が挙げられる。これらの溶媒は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中で、種々の樹脂に対する溶解性、不揮発性、及び溶媒の管理の容易性等の観点から、N−メチル−2−ピロリドンがより好ましい。
貧溶媒は、高分子樹脂を実質的に溶解しない溶媒であり、全く溶かさない非溶媒であることが好ましい。貧溶媒は、使用する高分子樹脂の種類に応じて適宜選択することができる。貧溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、イソブチルアルコール等が挙げられる。
多孔膜の表面孔径を制御するには、例えば、溶液を基材に塗工し、基材上に塗膜を形成する工程と、基材上の塗膜を、高分子樹脂の貧溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、多孔膜を形成する工程との間に、塗膜の基材とは反対側の表面を、高分子樹脂の貧溶媒の蒸気を含む気体に晒す工程を行うことが好ましい。
イオン交換膜としては、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜とアニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜があり、いずれの交換膜でも使用することができる。
イオン交換膜の材質としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、含フッ素系樹脂やポリスチレン・ジビニルベンゼン共重合体の変性樹脂が好適に使用できる。特に耐熱性及び耐薬品性等に優れる点で、含フッ素系イオン交換膜が好ましい。
ゼロギャップ型電解セル65では、極間距離を小さくする手段として、電極2と隔壁1との間に弾性体2eであるバネを配置し、このバネで電極を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第1の例では、隔壁1に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極2を取り付けてよい。また、第2の例では、隔壁1に取り付けた電極リブ6にバネを取り付け、そのバネに電極2を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極が隔膜に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル65では、図2に示すように、陰極2cと隔壁1との間に、導電性弾性体2e及び陰極集電体2rが、導電性弾性体2eが陰極2cと陰極集電体2rとに挟まれるように、設けられていることが好ましい。また、陰極集電体2rは、陰極のリブ6と接していることが好ましい。
集電体としては、例えば、陰極集電体、陽極集電体が挙げられる。
集電体は、その上に積層される導電性弾性体や電極へ電気を伝えるとともに、それらから受ける荷重を支え、電極から発生するガスを隔壁側に支障なく通過させる役割がある。従って、この集電体の形状は、エキスパンドメタルや打ち抜き多孔板等が好ましい。この場合の集電体の開口率は、電極から発生した水素ガスを支障なく隔壁側に抜き出せる範囲であることが好ましい。しかし、あまり開口率が大きいと強度が低下する、或いは導電性弾性体への導電性が低下する等の問題が生ずる場合があり、小さすぎるとガス抜けが悪くなる場合がある。
導電性弾性体は、集電体と電極の間にあって集電体及び電極と接しており、電気を電極に伝えること、電極から発生したガスの拡散を阻害しないことが必須要件である。ガスの拡散が阻害されることにより、電気的抵抗が増加し、また電解に使用される電極面積が低下することで、電解効率が低下するためである。そして最も重要な役割は、隔膜を損傷させない程度の適切な圧力を電極に均等に加えることで、隔膜と電極とを密着させることである。
材質は限定されるものではないが、導電性、耐アルカリ性の面からニッケル、ニッケル合金又はステンレススチール又は軟鋼にニッケルメッキを施したものが好ましい。
またこのような導電性弾性体の厚みは、通常1mm〜20mm程度のものが使用できる。
なお、50%圧縮変形時の反発力は、JIS K6400に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製の品番:AGS−1kNXの卓上形精密万能試験機を、常温、大気圧で、圧縮試験モードの条件下で用いてよい。
導電性弾性体の上に、直接電極を重ねても良い。或いは別の導電性シートを介して電極を重ねても良い。
本実施形態における複極式電解槽50では、図2に示すとおり、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより、電解液が通過する電極室5が画成されている。ここで、隔壁1を挟んで陽極側の電極室5が陽極室5a、陰極側の電極室5が陰極室5cである。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル65では、リブ6が電極2と物理的に接続されていることが好ましい。かかる構成によれば、リブ6が電極2の支持体となり、ゼロギャップ構造Zを維持しやすい。
ここで、リブに、電極が設けられていてもよく、リブに、集電体、導電性弾性体、電極がこの順に設けられていてもよい。
前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解セルでは、陰極室において、陰極リブ−陰極集電体−導電性弾性体−陰極の順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室において、陽極リブ−陽極の順に重ね合わせられた構造が採用されている。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解セル65では、図2に示すように、隔壁1を縁取る外枠3同士の間に、隔膜4と共にガスケット7が挟持されることが好ましい。
ガスケット7は、複極式エレメント60と隔膜4との間、複極式エレメント60間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
ゴム材料や樹脂材料としては、具体的には、天然ゴム(NR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、シリコーンゴム(SR)、エチレン−プロピレンゴム(EPT)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、フッ素ゴム(FR)、イソブチレン−イソプレンゴム(IIR)、ウレタンゴム(UR)、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体(ECTFE)等のフッ素樹脂材料や、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアセタール等の樹脂材料を用いることができる。これらの中でも、弾性率や耐アルカリ性の観点でエチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、フッ素ゴム(FR)が特に好適である。
このような補強材は公知の金属材料、樹脂材料及び炭素材料等が使用でき、具体的には、ニッケル、ステンレス等の金属、ナイロン、ポリプロピレン、PVDF、PTFE、PPS等の樹脂、カーボン粒子や炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。
なお、引張応力は、JIS K6251に準拠して、測定することができる。例えば、島津製作所社製のオートグラフAGを用いてもよい。
アルカリ水電解用電解槽は、電解セル毎に、陰極室、陽極室を有することが好ましい。電解槽で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セルの陰極室と陽極室とに電気分解によって消費される原料を十分に含んだ電解液を供給し続ける必要がある。
内部ヘッダー型とは、複極式電解槽とヘッダー(電解液を配液又は集液する管)とが一体化されている形式をいう。
外部ヘッダー型とは、複極式電解槽とヘッダー(電解液を配液又は集液する管)とが独立している形式をいう。
図3に示す外部ヘッダー型の例では、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に位置する部分に設けられたヘッダー用貫通孔に、管腔状部材が設置され、管腔状部材が、陽極入口ヘッダー10ai及び陰極入口ヘッダー10ciに接続されており、また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に位置する部分に設けられたヘッダー用貫通孔に、管腔状部材(例えば、ホースやチューブ等)が設置され、かかる管腔状部材が、陽極出口ヘッダー10ao及び陰極出口ヘッダー10coに接続されている。
本実施形態の複極式電解槽内においては、陰極を取り付けた陰極室枠と、陽極を取り付けた陽極室枠とが、隔壁を介して配置されている。つまり、陽極室と陰極室とは隔壁によって区分されている。電解液は、この陽極室及び陰極室に供給される。
電解液としては、水電解に一般に使用されるものを使用することができる。例えば、水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などが挙げられる。また、電解質濃度は1N以上12N以下が好ましく、6N以上10N以下がより好ましい。
次に、本実施形態の複極式電解槽を用いたアルカリ水電解による水素の製造方法について説明する。
本実施形態においては、前述のような陽極及び陰極を備え、電解液が循環した複極式電解槽に電流を印加して水電解を行うことにより、陰極で水素を製造する。このとき、電源として、例えば変動電源を用いることができる。変動電源とは、系統電力等の、安定して出力される電源と異なり、再生可能エネルギー発電所由来の数秒乃至数分単位で出力が変動する電源のことである。再生可能エネルギー発電の方法は特に限定されないが、例えば、太陽光発電や風力発電が挙げられる。
例えば、複極式電解槽を利用した電解の場合、電解液中のカチオン性電解質は、エレメントの陽極室から、隔膜を通過して、隣接するエレメントの陰極室へ移動し、アニオン性電解質はエレメントの陰極室から隔膜を通過して、隣接するエレメントの陽極室へ移動する。よって、電解中の電流は、エレメントが直列に連結された方向に沿って、流れることになる。つまり、電流は、隔膜を介して、一方のエレメントの陽極室から、隣接するエレメントの陰極室に向かって流れる。電解に伴い、陽極室内で酸素ガスが生成し、陰極室内で水素ガスが生成する。
上記アルカリ水電解用電解装置は、さらに、整流器74、酸素濃度計75、水素濃度計76、流量計77、圧力計78、熱交換器79、圧力制御弁80等を備えてよい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
アルカリ水電解用電解セル、複極式電解槽を下記の通りに作製した。
複極式エレメントとして、陽極と陰極とを区画する隔壁と、隔壁を取り囲む外枠と、を備えたものを用いた。隔壁及び複極式エレメントのフレーム等の電解液に接液する部材の材料は、全てニッケルとした。
粒径が0.2〜2μmである酸化ニッケル粉末100質量部、アラビアゴム2.25質量部、カルボキシルメチルセルロース0.7質量部、ラウリル硫酸ナトリウム0.001質量部、及び水100質量部を混合・攪拌して、懸濁液を調製した。噴霧乾燥造粒機を用いて、懸濁液から、粒径が5〜50μmである造粒物を調製した。
上記造粒物をプラズマ溶射法によって導電性基材の両面に吹き付けた。導電性基材としては、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエキスパンド基材を用いた。基材の厚みは1mm、開口率は54%であった。導電性基材の表面を被覆する触媒層の前駆体の厚みは、240μmに調整した。導電性基材の裏面を被覆する触媒層の前駆体の厚みは、160μmに調整した。この電極を、石英管中に設置した。この石英管を、管状炉内に差し込んで、石英管内を200℃に加熱し、石英管内へ水素気流を2時間供給し続けることにより、触媒層の前駆体を還元した。以上の工程により、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備える厚さ1.5mmの陽極を得た。
導電性基材として、直径0.15mmのニッケルの細線を40メッシュの目開きで編んだ平織メッシュ基材を用いた。
硝酸パラジウム溶液(田中貴金属製、パラジウム濃度:100g/L)とジニトロジアンミン白金硝酸溶液(田中貴金属製、白金濃度:100g/L)とを、パラジウムと白金のモル比が1:1となるように混合し、塗布液を調製した。
前記導電性基材に前記塗布液をディップ法にて塗布し、500℃で10分間の加熱焼成を行った。この塗布及び焼成のサイクルを2回繰り返し、パラジウムと白金を含有する触媒層を形成させ陰極を得た。
導電性弾性体は、線径0.15mmのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ5mmになるように波付け加工したものを使用した。厚みは5mmであり、50%圧縮変形時の反発力は150g/cm2、目開きは5メッシュ程度であった。
酸化ジルコニウム(商品名「EP酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製)とN−メチル−2−ピロリドン(和光純薬工業社製)とを、粒径0.5mmのSUSボールが入ったボールミルポットに投入した。これらを回転数70rpmで25℃雰囲気下において3時間攪拌して、分散させて混合物を得た。得られた混合物を、ステンレス製のざる(網目30メッシュ)により濾過し、混合物からボールを分離した。ボールを分離した混合物にポリスルホン(「ユーデル」(登録商標)、ソルベイアドバンストポリマーズ社製)及びポリビニルピロリドン(重量平均分子量(Mw)900000、和光純薬工業社製)を加え、スリーワンモータを用いて60℃で12時間攪拌して溶解させ、以下の成分組成の塗工液を得た。
ポリスルホン :15質量部
ポリビニルピロリドン :6質量部
N−メチル−2−ピロリドン :70質量部
酸化ジルコニウム :45質量部
上記塗工液を、基材であるポリフェニレンサルファイドメッシュ(くればぁ社製、膜厚280μm、目開き358μm、繊維径150μm)の両表面に対して、コンマコータを用いて塗工厚みが各面150μmとなるよう塗工した。塗工後直ちに、塗工液を塗工した基材を、30℃の純水/イソプロパノール混合液(和光純薬工業社製、純水/イソプロパノール=50/50(v/v))を溜めた凝固浴の蒸気下へ2分間晒した。その後直ちに、塗工液を塗工した基材を、凝固浴中へ4分間浸漬した。そして、ポリスルホンを凝固させることで基材表面に塗膜を形成させた。その後、純水で塗膜を十分洗浄して多孔膜を得た。
この多孔膜の平均孔径は90℃の透水平均孔径で0.3μmであった。厚みは580μmであった。気孔率は43%であった。ZrO2のモード径は5.0μmであった。多孔膜の平均孔径に対する無機粒子のモード径の比(モード径/平均孔径)は2.6であった。
ガスケットは、厚み4.0mm、幅18mmの内寸504mm角の四角形状のもので、内側に平面視で電極室と同じ寸法の開口部を有し、隔膜を挿入することで保持するためのスリット構造を有するものを使用した。スリット構造は、開口部の内壁の厚み方向の中央部分に、隔壁を挿入することでこれを保持するための、0.4mmの隙間を設けた構造とした。このガスケットは、EPDMゴムを材質とし、100%変形時の引張応力が4.0MPaであった。
外部ヘッダー型のゼロギャップ型セルユニット60は、540mm×620mmの長方形とし、陽極2aおよび陰極2cの通電面の面積は500mm×500mmとした。ゼロギャップ型複極式エレメント60の陰極側は、陰極2c、導電性弾性体2e、陰極集電体2rが積層され、陰極リブ6を介して隔壁1と接続され、電解液が流れる陰極室5cがある。また、陽極側は、陽極2aが陽極リブ6を介して隔壁1と接続され、電解液が流れる陽極室5aがある(図2)。
陽極室5aの深さ(陽極室深さ、図2における隔壁と陽極との距離)は25mm、陰極室5cの深さ(陰極室深さ、図2における隔壁と陰極集電体との距離)25mmとし、材質はニッケルとした。高さ25mm、厚み1.5mmのニッケル製の陽極リブ6と、高さ25mm、厚み1.5mmのニッケル製の陰極リブ6を溶接により取り付けたニッケル製の隔壁1の厚みは2mmとした。
陰極集電体2rとして、集電体として、あらかじめブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を用いた。基材の厚みは1mmで、開口率は54%であった。導電性弾性体2eを、陰極集電体2r上にスポット溶接して固定した。このゼロギャップ型複極式エレメントを、隔膜を保持したガスケットを介してスタックさせることで、陽極2aと陰極2cとが隔膜4に押し付けられたゼロギャップ構造Zを形成することができる。
以下の陰極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陰極−
塗布液を硝酸パラジウム溶液(田中貴金属製、パラジウム濃度:100g/L)とした以外は実施例1の陰極と同様にして作製した。
以下の陽極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陽極−
ブラスト処理を施したニッケルエクスパンド基材を使用した。基材の厚みは1mmであった。
陰極として実施例2の陰極を、陽極として実施例3の陽極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
以下の陽極、陰極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型セルユニットを製造した。
−陽極−
導電性基材を厚さ1.0mm、開口率28%のニッケルエクスパンド基材としたこと以外は、実施例1の陽極と同様の方法で陽極を作製した。
−陰極−
導電性基材を厚さ1.0mm、開口率28%のニッケルエクスパンド基材としたこと以外は、実施例1の陰極と同様の方法で陰極を作製した。
以下の陰極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陰極−
直径0.15mmのニッケルの細線を40メッシュの目開きで編んだ平織メッシュ基材に、重量平均粒径100μm以下のアルミナ粉を用いてブラストし、次に、6Nの塩酸中にて室温で5分間酸処理した後、水洗、乾燥して、陰極を作製した。
以下の陽極、及び比較例1と同様の陰極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−陽極−
28%アンモニア水5質量部を水200質量部に加えたのち、塩化ロジウム1%水溶液20質量部を加えて浸漬液を調製した。この浸漬液を50℃に加温し、実施例1の陽極を浸漬して含浸させた。電極を浸漬液から引き揚げたのち、60℃で風乾させて、ロジウムが表面修飾した溶射還元Ni陽極を得た。ロジウムの塗付量は約10g/m2であった。
以下の隔膜を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−隔膜−
ポリエチレン粉末SH810(旭化成株式会社製)、UH950(旭化成株式会社製)、ZrO2粒子、可塑剤流動パラフィン(スモイルP−350P(商標)、松村石油研究所製)、酸化防止剤としてのペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、滑剤としてのステアリン酸カルシウムを配合し、東洋精機製作所社製プラストミルを用いて加熱混合(混練)した。加熱混合は、プラストミルの温度を200℃、回転数を50rpmに設定して10分間行った。溶融した混合物をプラストミルから取り出して、得られた以下の組成の溶液を冷却し、得られた固化物を、ポリイミドフィルムを介して金属板の間に挟み、200℃に設定した熱プレス機を用い10MPaで圧縮し、厚さ10mmのシートを作製した。得られたシートに対して、120℃で縦方向に7倍、横方向に7倍に同時二軸延伸を行った。得られた延伸シートを、ステンレスの枠でその四方を固定した状態で、塩化メチレンに浸漬して可塑剤を除去した後、室温で乾燥して塩化メチレンを除去して得た微多孔膜を隔膜とした。
SH810 :29質量部
UH950 :20質量部
ZrO2粒子 :51質量部
スモイルP−350P :150質量部
ペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート] :0.2質量部
ステアリン酸カルシウム :0.4質量部
以下の隔膜を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてゼロギャップ型複極式エレメントを製造した。
−隔膜−
フッ素系イオン交換樹脂前駆体として、一般式CF2=CF−O(CF2CFCF3O)−(CF2)2−SO2Fで表されるフッ化ビニル化合物と、一般式CF2=CF2で表されるフッ化オレフィンとの二元共重合体(EW:950、MI:20)を、Tダイ法により厚さ32μmに成膜し、前駆体膜とした。得られた前駆体膜を95℃に加温した加水分解浴(DMSO:KOH:水=5:30:65)に1時間浸漬し、金属塩型のイオン交換基を有するフッ素系イオン交換膜を得た。これをよく水洗した後、65℃に加温した2Nの塩酸浴に15分間浸漬し、酸型のイオン交換基を有するフッ素系イオン交換膜を得た。これをよく水洗した後、膜を乾燥した。当該乾燥膜を拘束から外して得られたフッ素系イオン交換膜を隔膜とした。
(陽極の過電圧ηa)
陽極を2cm×2cmに切り出し、PTFEで被覆したニッケル製の棒にニッケル製のネジで固定した。対極には白金メッシュを使用し、80℃、32wt%水酸化ナトリウム水溶液中で、電流密度0.6A/cm2で電解し、酸素過電圧を測定した。酸素過電圧は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陽極との間隔は、常に1mmに固定した。酸素過電圧の測定装置としては、ソーラートロン社製のポテンショガルバノスタット「1470Eシステム」を用いた。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀(Ag/AgCl)を用いた。三電極法を使用しても排除しきれないオーム損を交流インピーダンス法で測定し、オーム損の測定値に基づき前記酸素過電圧を補正した。オーム損の測定には、ソーラートロン社製の周波数特性分析器「1255B」を使用した。
なお、式(1)中のIは、陽極の過電圧の測定時の電流密度6kA/m2とした。
陰極を2cm×2cmに切り出し、PTFEで被覆したニッケル製の棒にニッケル製のネジで固定した。対極には白金メッシュを使用し、80℃、32wt%水酸化ナトリウム水溶液中で、電流密度0.6A/cm2で電解し、水素過電圧を測定した。水素過電圧は、液抵抗によるオーム損の影響を排除するために、ルギン管を使用する三電極法によって測定した。ルギン管の先端と陰極との間隔は、常に1mmに固定した。水素過電圧の測定装置としては、ソーラートロン社製のポテンショガルバノスタット「1470Eシステム」を用いた。三電極法用の参照極としては、銀−塩化銀(Ag/AgCl)を用いた。三電極法を使用しても排除しきれないオーム損を交流インピーダンス法で測定し、オーム損の測定値に基づき前記水素過電圧を補正した。オーム損の測定には、ソーラートロン社製の周波数特性分析器「1255B」を使用した。
なお、式(2)中のIは、陰極の過電圧の測定時の電流密度6kA/m2とした。
電極を20mgほど切り出し、示差走査熱量計DSC8230(株式会社リガク社製)を用いて、比熱(J/kg・K)を測定した。
8cm×17cmの大きさの電極を切り出し、電子天秤PG503−S(Mettler Toledo社製)を用いて重量を測定し、電極の面密度(kg/m2)を算出した。
エキスパンドメタルを基材とした電極を5mm×5mm程度の大きさに切り出し、卓上顕微鏡Miniscope TM3000(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて、短目方向中心間距離SW、長目方向中心間距離LW、ボンド長さB、開口部の単目方向長さSWO、開口部の長目方向長さLWOを測量した。これらの値を用いて、下記式に従って、開口率を算出した。
開口率=SWO×(LWO+B)×100/(SW×LW)
また、平織メッシュを基材とした電極は、同様にTM3000を用いて目開きA、線径dを測量し、下記式に従って開口率(%)を算出した。
開口率=(A/(A+d))2×100
電極の開口率の算出方法は、エキスパンドメタルを基材とした電極と、平織メッシュを基材とした電極とで異なる。なお、エキスパンドメタル、平織メッシュ以外を基材とした電極の開口率は、電極を所定の大きさ(例えば5mm×5mm程度)に切り出し、水平に静置した該電極の中央部の鉛直方向上側から光を投射し、鉛直方向下側に電極を投影させ、光が透過した部分の総面積及び電極の投影面積(影と透過光との面積の合計)を測定して、以下の式に従って算出することができる。
開口率=(光が透過した部分の総面積)/(電極の投影面積)×100
隔膜を長さ15mm、幅10mmに裁断し、株式会社島津製作所製、熱機械分析装置TMA−60で27℃から100℃までの熱膨張を測定して、線膨張係数(K/sec)を算出した。
各隔膜を厚さ1mm〜1.5mmになるように数枚重ねたサンプルを用意し、カトーテック株式会社製KES―F7サーモラボII精密迅速熱物性装置を使用して熱伝導率(W/m・K)を測定した。
図5に示す順にスタックした複極式電解槽を作製した。
実施例1の陽極を用いた陽極ターミナルセルユニット51a、実施例1の隔膜、実施例1のゼロギャップ型複極式エレメント3組が実施例1の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例1の隔膜、実施例1の陰極と実施例2の陽極とを備える複極式エレメント、実施例2の隔膜、実施例2のゼロギャップ型複極式エレメント2組が実施例2の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例2の隔膜、実施例2の陰極と実施例3の陽極とを備える複極式エレメント、実施例3の隔膜、実施例3のゼロギャップ型複極式エレメント2組が実施例3の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例3の隔膜、実施例3の陰極と実施例4の陽極とを備える複極式エレメント、実施例4の隔膜、実施例4のゼロギャップ型複極式エレメント2組が実施例4の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例4の隔膜、実施例4の陰極と実施例5の陽極とを備える複極式エレメント、実施例5の隔膜、実施例5のゼロギャップ型複極式エレメント2組が実施例5の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、実施例5の隔膜、実施例5の陰極と比較例1の陽極とを備える複極式エレメント、比較例1の隔膜、比較例1のゼロギャップ型複極式エレメント2組が比較例1の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例1の隔膜、比較例1の陰極と比較例2の陽極とを備える複極式エレメント、比較例2の隔膜、比較例2のゼロギャップ型複極式エレメント2組が比較例2の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例2の隔膜、比較例2の陰極と比較例3の陽極とを備える複極式エレメント、比較例3の隔膜、比較例3のゼロギャップ型複極式エレメント2組が比較例3の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例3の隔膜、比較例3の陰極と比較例4の陽極とを備える複極式エレメント、比較例4の隔膜、比較例4のゼロギャップ型複極式エレメント2組が比較例4の隔膜を挟んで重ね合わされた部分、比較例4の隔膜、比較例4の陰極と実施例1の陽極とを備える複極式エレメント、実施例1の隔膜、実施例1の陰極を用いた陰極ターミナルセル51cの順にスタックした。
実施例1の隔膜が実施例1の陽極及び実施例1の陰極に接触した電解セル101(ゼロギャップ構造)3個、実施例2の隔膜が実施例2の陽極及び実施例2の陰極に接触した電解セル102(ゼロギャップ構造)3個、実施例3の隔膜が実施例3の陽極及び実施例3の陰極に接触した電解セル103(ゼロギャップ構造)3個、実施例4の隔膜が実施例4の陽極及び実施例4の陰極に接触した電解セル104(ゼロギャップ構造)3個、実施例5の隔膜が実施例5の陽極及び実施例5の陰極に接触した電解セル105(ゼロギャップ構造)3個、比較例1の隔膜が比較例1の陽極及び比較例1の陰極に接触した電解セル106(ゼロギャップ構造)3個、比較例2の隔膜が比較例2の陽極及び比較例2の陰極に接触した電解セル107(ゼロギャップ構造)3個、比較例3の隔膜が比較例3の陽極及び比較例3の陰極に接触した電解セル108(ゼロギャップ構造)3個、比較例4の隔膜が比較例4の陽極及び比較例4の陰極に接触した電解セル109(ゼロギャップ構造)3個、を含む、図5に示す複極式電解槽を用いて、電解装置を作製した。
電解装置は、複極式電解槽50と、電解液を循環させるための送液ポンプ71と、電解液と水素及び/又は酸素とを分離する気液分離タンク72とを備え、気液分離タンク72及び複極式電解槽50には30%KOH水溶液である電解液が封入されており、送液ポンプ71により、複極式電解槽50の陽極室5a、陽極用の気液分離タンク72、陽極室5aを循環し、また、複極式電解槽50の陰極室5c、陰極用の気液分離タンク72、陰極室5cを循環している。温度は90℃に調整した。
なお、上記電解装置は、気液分離タンク72で分離した気体が圧力計78、圧力制御弁80、酸素濃度計75又は水素濃度計76、を通して回収される。また、整流器74により電力は制御可能である。また、循環する電解液の流路には、流量計77、熱交換器79が備えられている。また、図4中の矢印は、循環液(電解液)及び気体が流れる方向を示している。
循環流路は電解液接液部には、SGP炭素鋼配管にテフロン(登録商標)ライニング内面処理を施し、20Aの配管を用いた。気液分離タンク72は、高さ1400mm、容積1m3のものを用いた。
気液分離タンク72は、高さ1400mm、容積1m3のものを使用した。
各気液分離タンク72の液量は、設計容積の50%程度とした。
外部ヘッダー式電解槽では、図3のように、複極式エレメントの筐体となる電解枠に、電解液が流通するための外部配管(陽極入口ヘッダー10ai、陰極入口ヘッダー10ci、陽極出口ヘッダー10ao、陰極出口ヘッダー10co)が4か所設けられている。これらの各外部配管は、外部ホースで電解槽の各電極室と接続されている。
これらの配管構造を外部ヘッダー構造と呼ぶ。外部ヘッダー配管は、陰極側外部ヘッダー配管と陽極側外部ヘッダー配管とに分かれている。
そのため、各エレメント内では、陰極入口ヘッダー10ciから外部ホースを介して陰極室5cに電解液が入り、陰極室5cから外部ホースを介して陰極出口ヘッダー10coへと電解液が流れる(図3の実線矢印方向)。陽極側も同様に、陽極入口ヘッダー10aiから外部ホースを介して陽極室5aに電解液が入り、陽極室5aから外部ホースを介して陽極出口ヘッダー10aoへと電解液が流れる(図3の点線矢印方向)。外部ヘッダーの入ヘッダーは電解枠下側に、出ヘッダーは電解枠上側にあるため、電解液は、下から上へ流れる。また、電極面に対して、略垂直方向に上昇していく。各セルの外部ホースにはそれぞれ熱電対が設置されており、エレメントを通過する前後での温度差を測定できる。
本例においては、陽極室5a、陰極室5cが各29室あるため、29室それぞれに入口ヘッダーから出口ヘッダーに向かって電解液が流れる構造となっている。
陰極室5cでは、電解により水素ガスが発生し、陽極室5aでは酸素ガスが発生するため、陰極出口ヘッダー10coでは、電解液と水素ガスの混相流となり、陽極出口ヘッダー10aoでは、電解液と酸素ガスの混相流となる。
なお、図3中の矢印は、エレメント内の電解液が流れる方向を示している。
整流器74から、複極式電解槽50に対して、陰極及び陽極の面積に対して、下記電解試験1又は電解試験2の条件で通電した。通電開始後の槽内圧力を圧力計78で測定し、陰極側圧力が50kPa、酸素側圧力が49kPaとなるとように調整した。圧力調整は、圧力計78の下流に制御弁80を設置し、これにより行った。
なお、上記電解装置は、気液分離タンク72で分離した気体が圧力計78、圧力制御弁80、酸素濃度計75又は水素濃度計76、を通して回収される。また、整流器74により電力は制御可能である。また、循環する電解液の流路には、流量計77、熱交換器79が備えられている。
なお、整流器としては、メーカー:高砂製作所製、型番:75V−1000Aを3台並列に接続したものを用いた。
酸素濃度計としては、アドバンストインストゥルメンツ社製のGPR−2500を用いた。
水素濃度計としては、理研計器(株)社製のSD−D58・ACを用いた。
圧力計としては、横河電機(株)社製のEJA−118Wを用いた。
送液ポンプ、気液分離タンク、水補給器等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いて、アルカリ水電解用電解装置を作製した。
−電解試験1−
上記電解装置を用いて、電流密度が6kA/m2となるように連続で500時間通電し、水電解を行った。500時間後、各エレメントへ出入りする前後の電解液の温度差を測定し、同一実施例又は比較例の陰極、隔膜、陽極からなる電解セル3個の平均値(℃)を算出した。また、500時間後の各電解セルの電圧を測定し、3個の電解セルの平均値(V)を算出した。そして電解槽を解枠し、各隔膜に破れが生じているか、状態を観察した。
これらの結果を表1に記載した。
−電解試験2−
上記電解装置を用いて、最大電流密度6kA/m2、最小電流密度0.6kA/m2、1周期1200秒のサイン波となるように変動電流を通電し、水電解を連続500時間行った。通電後の電解槽を解枠し、各隔膜に破れが生じているか、状態を観察した。その結果を表1に示した。
また、実施例1の電解セルは、平均セル電圧が最も低く、セル電圧の上昇が最も起こりにくかった。また、実施例2〜5は平均セル電圧が低かった。実施例5の電解セルは、電解により生じた熱による電解液の温度上昇が最も低かった。
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 弾性体
2r 集電体
3 外枠
4 隔膜
5 電極室
5a 陽極室
5c 陰極室
5i 電解液入口
5o 電解液出口
6 リブ
7 ガスケット
10 ヘッダー
10o 外部ヘッダー
10ai 陽極入口ヘッダー
10ao 陽極出口ヘッダー
10ci 陰極入口ヘッダー
10co 陰極出口ヘッダー
50 複極式電解槽
51g ファストヘッド、ルーズヘッド
51i 絶縁板
51a 陽極ターミナルエレメント
51c 陰極ターミナルエレメント
51r タイロッド
60 複極式エレメント
65 電解セル
70 電解装置
71 送液ポンプ
72 気液分離タンク
74 整流器
75 酸素濃度計
76 水素濃度計
77 流量計
78 圧力計
79 熱交換器
80 圧力制御弁
Z ゼロギャップ構造
Claims (15)
- 陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されている複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、複極式電解セル。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2] - 陽極及び陰極を含む複数のエレメントが、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触してゼロギャップ構造が形成されているアルカリ水電解用複極式電解セルであって、
前記ゼロギャップ構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解セル。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2] - 前記発熱係数Haが2.0K/sec以下である、請求項1又は2に記載の複極式電解セル。
- 前記発熱係数Hcが5.0K/sec以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の複極式電解セル。
- 前記発熱係数Haと前記発熱係数Hcとの和ΣH(Ha+Hc)が0.5K/sec以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方が金属の多孔体を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記陽極過電圧ηaが前記陰極過電圧ηcよりも大きい、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記陰極が孔を有し、開口率が40%以上70%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記陰極の表面が、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群から選択される少なくとも1つの白金族元素を含む層で被覆されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の極式電解セル。
- 前記陽極が孔を有し、開口率が30%以上70%以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記隔膜が、厚さ60μm以上600μm以下の多孔膜である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の複極式電解セル。
- 前記隔膜の熱伝導率が0.01W/m・K以上1.0W/m・K以下である、請求項11に記載の複極式電解セル。
- 前記隔膜が高分子材料を含む多孔膜であり、前記高分子材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる材料である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の複極式電解セル。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の複極式電解セルを含むことを特徴とする、複極式電解槽。
- アルカリを含有する水を、電解セルを有する電解槽により水電解し、水素を製造する水素製造方法において、
前記電解セルが、陽極及び陰極が、隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記隔膜が前記陽極及び前記陰極と接触した構造の電解セルであって、
前記構造において、式(1)によって定義される前記陽極の発熱係数Ha[K/sec]と、式(2)によって定義される前記陰極の発熱係数Hc[K/sec]との差ΔH(|Ha−Hc|)が0.18〜10.11K/secであり、
前記隔膜の線膨張係数が0.5×10−5[1/K]以上2.0×10−5[1/K]以下である、
ことを特徴とする、水素製造方法。
(1) Ha=(I×ηa)÷(Ca×Da)
(2) Hc=(I×ηc)÷(Cc×Dc)
I:電流密度(6[kA/m2])
ηa:電流密度6kA/m2の時の陽極過電圧[mV]
ηc:電流密度6kA/m2の時の陰極過電圧[mV]
Ca:陽極の比熱[J/kg・K]
Cc:陰極の比熱[J/kg・K]
Da:陽極の面密度[kg/m2]
Dc:陰極の面密度[kg/m2]
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