JP6788378B2 - 水電解セル及び複極式水電解槽 - Google Patents
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Description
(1)酸素極及び水素極触媒をコーティングした固体高分子電解質を用いる固体高分子型水電解法
(2)酸素イオン伝導体である固体電解質を用いて、高温・高圧の水蒸気を電解する高温水蒸気電解法
(3)NaOH又はKOH等を含むアルカリ性の水(電解液)を電解するアルカリ水電解法
酸素を発生させるための酸素極と、
前記水素極と電解質水溶液を内包する水素極室と、
前記酸素極と電解質水溶液を内容する酸素極室と、
前記水素極室と前記酸素極室を隔てる隔膜と、を備え、
水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる負の保有電荷量が、酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる正の保有電荷量の
0.1倍を超え、0.99倍以下である、
電解質水溶液を電気分解するための水電解セル。
[2]前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量の0.1を超え、0.49倍以下である、[1]に記載の水電解セル。
[3]前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、幾何酸素極面積1m2あたり、
0.01〜10Fの範囲である[1]又は[2]に記載の水電解セル。
[4]前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、幾何酸素極面積1m2あたり、
0.05〜5Fの範囲である[1]〜[3]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[5]前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、幾何水素極面積1m2あたり、
0.001〜9.9Fの範囲である[1]〜[4]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[6]前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、幾何水素極面積1m2あたり、
0.005〜4.95Fの範囲である[1]〜[5]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[7]前記水素極室が、更に還元補助材を内包し、前記還元補助材は前記水素極と電気的に接続していることを特徴とする、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[8]前記酸素極が、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含む、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[9]前記酸素極の幾何セル面積1m2当たりの実電極表面積が、90〜10000m2の範囲である、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[10]前記酸素極が、導電性基材と、前記導電性基材上に配置された触媒層を有し、
前記触媒層は、ニッケルの金属結晶を含み、且つ、細孔を有し、
前記触媒層の細孔のうち、
孔径が2〜5nmの範囲内である第一細孔の比表面積が0.6〜2.0m2/gであり、
前記第一細孔の細孔容積が3×10−4〜9×10−4ml/gであり、
前記細孔のうち、孔径が0.01〜2.00μmの範囲内である第二細孔の比表面積が2.0〜5.0m2/gであり、
前記第二細孔の細孔容積が0.04〜0.2ml/gであり、さらに、
前記触媒層の厚みが50〜800μmである、[1]〜[9]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[11]前記還元補助材が、金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含む、[7]に記載の水電解セル。
[12]前記水素極が、Ru−La−Pt系、Ru−Ce系、Pt−Ce系、及びPt−Ir系、Ir−Pt−Pd系、Pt−Ni系からなる群から選択される少なくとも一種のPt族化合物を含む事を特徴とする[1]〜[11]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[13]前記水素極及び酸素極の構成が、前記導電性基材の表面に触媒層を有するものであり、前記導電性基材が金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含む、[10]に記載の水電解セル。
[14]前記水素極及び酸素極が、メッシュ状の構造である、[1]〜[13]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[15]前記水素極の基材が、0.05〜0.5mmの範囲の線形を有し、目開きが30メッシュから80メッシュの範囲を有する、[1]〜[14]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[16]前記酸素極の基材が、開口率が20%から60%の範囲を有するメッシュ状の構造である[1]〜[15]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[17]前期還元補助材に蓄えられる負の保有電荷量が、前記水素極室に蓄えられる負の電気容量の0.00025〜0.98倍の範囲である[7]又は[11]に記載の水電解セル。
[18]前記水素極室が、さらに金属製弾性クッション材と集電体を内包しており、前記金属製弾性クッション材が、前記水素極と前記集電体との間で電気的に接続した状態で圧縮収容されており、前記水素極集電体の一部が前記還元補助材で構成されている、[7]、[11]又は[17]のいずれか一項に記載の水電解セル。
[19][1]〜[18]のいずれか一項に記載の水電解セルを単位水電解セルとして、電気的に直列に接続した複極式電解槽。
[20]前記複極式水電解槽が、前記水素極、前記酸素極、イオン透過性隔膜、前記酸素極室と前記水素極室を区画する隔壁及び導電性隔壁を取囲むフランジパンを有する複極式フレームを備え、前記水素極と前記酸素極の間に前記イオン透過性隔膜位置し、前記イオン透過性隔膜は前記水素極及び前記酸素極と接触している事を特徴とする[19]に記載の複極式水電解槽。
[21]少なくとも、[19]又は[20]に記載の複極式水電解槽と、気液分離タンク、電解液循環ポンプ、水投入ポンプ、電気分解用の電力供給用の整流器を具備する、水素製造装置。
[22][21]に記載の水素製造装置を用いて、前記水素極から消費電荷量換算で、1.8kF/m2〜1217.7kF/m2の水素を連続的に発生させた後に、5〜400分の範囲で、連続的に水素製造を停止する水素製造方法。
本発明における水素極室の保有電荷量の調整には、還元補助材を使用することが好ましい。前記還元補助材は、保有電荷量を有するコンデンサー或いは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵することが出来る。つまり、化学電池の負極として機能する漏洩電流を吸収する機能を有する構造体である。具体的な保有電荷量の調整は、水素極室の電位と等しい電位になる位置に、還元補助材を電気的に接続することで行うことが出来る。前記水素極室が、前記還元補助材を内包し、前記還元補助材は前記水素極と電気的に接続していることが好ましい。
酸素極23は、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備え、触媒層は多孔質体であることが好ましい。なお、触媒層は導電性基材の表面全体を被覆していることが好ましい。
本実施形態に係るアルカリ水電解用酸素極の製造方法は、特に限定されない。好ましい製造方法として、酸化ニッケルを溶射法によって導電性基材に吹き付ける第一工程(溶射工程)と、導電性基材に吹付けられた酸化ニッケルを還元する第二工程(還元工程)と、を備える方法が挙げられる。
前記の製造方法では、触媒層の出発原料として、酸化ニッケルは粉末状であることが好ましい。第一工程に先立ち、平均粒径が1.0〜5.0μmである酸化ニッケル粉末を噴霧乾燥造粒機により造粒し、平均粒径が10〜100μmである酸化ニッケルの粒子を得る。この酸化ニッケルの粒子をプラズマガス等の高温のガス中に吹き込み、溶融させて、導電性基材に吹き付ける。つまり、導電性基材を溶融した酸化ニッケルでコーティングする。造粒する前の酸化ニッケルの粒径が大きすぎても、小さすぎても、電極を形成した際に必要な孔径や比表面積、細孔容量が得られない。造粒前の酸化ニッケルの粉末の平均粒径は1.0〜5.0μmであることが好ましく、1.0〜1.2μmであることがより好ましい。
溶射法によって形成されたコーティング層を、水素気流下で還元することにより、触媒層の第一細孔が形成される。コーティング層を電解によって還元してもよい。例えば、コーティング層が形成された導電性基材を水素極として食塩水の電解を行って水素極で水素を発生させることにより、コーティング層が還元され、所望の触媒層が得られる。または、濃度が32%程度である苛性ソーダ水溶液の電気分解を70℃〜90℃の液温で行ってもよい。電気分解の実施時間は1ヶ月から半年程度であればよい。還元工程として、コーティング層が形成された導電性基材を水素極として水の電解を行ってもよい。還元工程として、コーティング層が形成された導電性基材を水素極として、濃度が10%〜30%であるKOH又はNaOHの水溶液の電気分解(水素極における水素の発生)を半年程度行ってもよい。ただし、これらの方法は、時間がかかる上、生産性も低いという欠点がある。しかし、これらの電解還元によれば、微細な細孔が形成された触媒層(多孔質の触媒層)を得ることができる。この電解還元では、低温で実施されるため、酸化ニッケルの還元に非常に時間を要するが、触媒層の第一細孔の孔径を2〜5nmの範囲に容易に制御することができる。電解還元によって得られる触媒層には、脱泡性及び電子伝導性に優れた骨格が形成される。
水素極22としては、特に限定されない。Ru−La−Pt系、Ru−Ce系、Pt−Ce系、及びPt−Ir系、Ir−Pt−Pd系、Pt−Ni系からなる群から選択される少なくとも一種のPt族化合物を含むことが好ましい。また、熱分解型活性水素極であることが好ましい。前記水素極の基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する点で、メッシュ構造であることが好ましい。
酸素極及び水素極の導電性基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する観点で、メッシュ構造であることが好ましい。前記導電性基材の材質は、ニッケル鉄、バナジウム、モリブデン、銅、銀、マンガン、白金族、黒鉛及びクロム等からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。二種以上の金属からなる合金又は、二種以上の導電性物質の混合物を導電性基材に用いてもよい。金属ニッケルを導電性基材に用いるのが好ましい。
前記還元補助材は、アルカリに対する耐久性が高く、且つ、酸素極に対して酸化還元電位が碑であり、電解停止時に酸素極を還元することが出来るという点から、ニッケルを母体に含むことが好ましい。母体に酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種を含んでもよい。
特に限定されないが、酸素極と同様の製造方法が挙げられる。
電解槽は、イオン透過性隔膜(以下「隔膜」と言う。)を介して直列に連結された複数の前記電解セル(少なくとも一対の電解セル)を有する。なお、「複数の電解セルが直列に連結される」とは、各電解セルが備える酸素極及び負極が所定の方向に沿って交互に並ぶように複数の電解セルが配置されることを意味する。直列に並んだ多数の電解セルを有する電解槽は、一般的に、複極式水電解槽と呼ばれるものである。
前記複極式水電解槽を、水素製造装置として使用することで、電解効率が高い水素製造装置が提供できる。さらに、前記水素製造装置は、少なくとも、気液分離タンク、電解液循環ポンプ、水投入ポンプ、電気分解用の電力供給用の整流器を具備する。
前記水素製造装置を用いて、本発明の効果を最大限に発揮させる上で、運転時間を制御する事が好ましい。具体的には、水素極から消費電荷量換算で、1.8kF/m2〜1217.7kF/m2の水素を連続的に発生させた後に、5〜400分の範囲で、連続的に水素製造を停止する運転である。これにより、電圧の上昇を低減し、且つ、稼働率を高く保つことができるため、電力を効率的に水素に変化することが出来る。
粒径が0.2〜2μmである酸化ニッケル粉末100重量部、アラビアゴム2.25重量部、カルボキシルメチルセルロース0.7重量部、ラウリル硫酸ナトリウム0.001重量部、及び水100重量部を混合・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。
導電性基材としては、予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であった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを1:0.8の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、3:2の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、2.0kg/m2 となるように調整したものを、酸素極サンプルAの前駆体とした。
粒径が0.2〜2μmである酸化ニッケル粉末100重量部、アラビアゴム2.25重量部、カルボキシルメチルセルロース0.7重量部、ラウリル硫酸ナトリウム0.001重量部、及び水100重量部を混合・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。
導電性基材としては、予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であった。プラズマ溶射法では、プラズマガスとして、アルゴンと窒素とを1:0.8の割合で混合したガスを用いた。導電性基材の表面を被覆する表面層の前駆体の厚みと、導電性基材の裏面を被覆する表面層の前駆体の厚みが、3:2の割合になるように調整した。導電性基材の表面層の前駆体の重量が、1.5kg/m2 となるように調整したものを構造体Aの前駆体とした。
(比較例用の電解セルA)
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した水素極サンプルAを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横1.6cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルAを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横3.33cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルCを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横8.91cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルDを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横9.11cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルEを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横14.88cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルFを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横18.54cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルGを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
マイクロメッシュ状の活性水素極(Pt系の熱分解活性水素極)を切断加工により、50cm角に調整した。構造体Aを切断加工により、寸法を、縦50cm×横18.73cmに調整し、前記活性水素極と構造体Aを積層し、水素極電位と構造体Aの電位が等しい電位になるように接続した水素極サンプルHを10枚用意した。酸素極サンプルを切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。ポリスルホン系多孔質膜を切断加工により、50cm角に調整したものを10枚用意した。電極面サイズ50cm角用の複極式槽用の複極式エレメントを9枠用意した。複極式電解槽用の水素極ターミナルエレメント、酸素極ターミナルエレメントを1枠ずつ用意した。
前記電解セルA〜Hについて、12kA/m2で、7時間通電を行いその間10対全ての電解セルについてセル電圧を測定し、セル電圧の平均値を求めた。その後、電解を停止し、1時間放置する事で電解セルに充電された電荷を自然放電させた。この操作を1、2、3、4、5、100、1000回繰り返した。シャットダウン後のセル電圧から、初期のセル電圧の平均値を引くことにより、上昇量を計算により求めた。
前記水素極サンプルA、B、C,D、E、F、G、Hを、各々一枚ずつ用意し、フッ素樹脂製ビーカーを30wt%KOHの電解液で満たした、その中に浸漬させた。KOHの水溶液の温度は90℃に維持した。水素極サンプル、白金金網(対極)及び対極の周りを覆うフッ素樹脂の筒を備え、これらの電気伝導性が確保された装置で、水素極サンプルに対して、0.4A/cm2の電流密度の還元電流を流し、30分間、水素を発生させた。その後、0.05A/cm2の酸化電流を流し、水素極サンプルの電位の変化を測定した。この電位変化を、流した電流のトータル電荷量に対してプロットして、水素極サンプルの酸化曲線とした。
水素極サンプルA、B、C,D、E、F、G、Hについて、測定した水素極サンプルの酸化曲線において、水素極電位が−0.8Vv.s.Ag/AgClになるまで流した電流のトータル電荷量を水素発生時に水素極室に蓄えられる負の保有電荷量とした。
前記酸素極サンプルを一枚用意し、フッ素樹脂製ビーカーを30wt%KOHの電解液で満たした、その中に浸漬させた。KOHの水溶液の温度は90℃に維持した。酸素極サンプル、白金金網(対極)及び対極の周りを覆うフッ素樹脂の筒を備え、これらの電気伝導性が確保された装置で、酸素極サンプルに対して、0.4A/cm2の電流密度の酸化電流を流し、30分間、水素を発生させた。その後、0.05A/cm2の還元電流を流し、酸素極サンプルの電位の変化を測定した。この電位変化を、流した電流のトータル保有電荷量に対してプロットして、酸素極サンプルの酸化曲線とした。
酸素極サンプルAについて測定した、酸素極サンプルの還元曲線において、酸素極電位が0Vv.s.Ag/AgClになるまで流した電流のトータル電荷量を酸素発生時に酸素極室に蓄えられる正の保有電荷量とした。
複極式電解槽Bについて、40kWの定格電力が得られる発電機と組み合わせて、所定量の水素を製造し、300分間、電解を停止する運転を繰返した。この運転中に製造される、水素量を測定することで、運転方法と水素製造量の関係を調べた。但し、電解停止時間中も発電機は一定の電力を発電し、水素を製造していない間に発電された電力は全て電力損失と見なした。運転方法は、A〜Hの8水準の条件を採用した。
(比較例用の運転方法A)1.8kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後に、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法B)3.6kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法C)6.9kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法D)7.2kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法E5)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法F)214.9kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(実施例用の運転方法G)1217.7kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(比較例用の運転方法H)1343.0kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
各運転方法A〜Hによって10000時間の間、製造した水素量を、セル数10で除し、セル一対当たりの総水素製造量に換算した。
複極式電解槽Bについて、40kWの定格電力が得られる発電機と組み合わせて、50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を製造し、所定時間、電解を停止する運転を繰返した。この運転中に製造される、水素量を測定することで、運転方法と水素製造量の関係を調べた。但し、電解停止時間中も発電機は一定の電力を発電し、水素を製造していない間に発電された電力は全て電力損失と見なした。運転方法は、E1〜E7の7水準の条件を採用した。
(運転方法E1)2984.5kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造し続ける運転方法。
(運転方法E2)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、5分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(運転方法E3)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、100分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(運転方法E4)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、200分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(運転方法E5)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、300分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(運転方法E6)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、400分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
(運転方法E7)50.1kF/m2の電荷量に相当する水素を連続的に製造した後で、7000分電解を停止する運転を繰返す運転方法。
各運転方法E1〜E7によって10000時間の間、製造した水素量を、電解セル数10で除し、電解セル一対当たりの総水素製造量に換算した。
酸素極サンプルの酸素発生時に酸素極室内に蓄えられる正の電気容量は、1.54F/m2だった。
21 水素極室
22 水素極
23 酸素極室
24 酸素極
25 隔壁
26 ガスケット
27 気液分離室
28 膈膜
29 酸素極液入口
30 水素極液出口
31 水素極液入口
32 酸素極液出口
33 還元補助材
Claims (22)
- 水素を発生させるための水素極と、
酸素を発生させるための酸素極と、
前記水素極と電解質水溶液を内包する水素極室と、
前記酸素極と電解質水溶液を内容する酸素極室と、
前記水素極室と前記酸素極室を隔てる隔膜と、を備え、
前記水素極が、Pt化合物を含み、
水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる負の保有電荷量が、酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる正の保有電荷量の
0.1倍を超え、0.49倍以下である、
電解質水溶液を電気分解するための水電解セル。 - 前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、前記酸素極の面積1m2あたり、
0.01〜10Fの範囲である、請求項1に記載の水電解セル。 - 前記の酸素発生時に前記酸素極室内に蓄えられる前記正の保有電荷量が、前記酸素極の面積1m2あたり、
0.05〜5Fの範囲である、請求項1又は2に記載の水電解セル。 - 前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記水素極の面積1m2あたり、
0.001〜9.9Fの範囲である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記の水素発生時に前記水素極室内に蓄えられる前記負の保有電荷量が、前記水素極の面積1m2あたり、
0.005〜4.95Fの範囲である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記水素極室が、更に還元補助材を内包し、前記還元補助材は前記水素極と電気的に接続している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記還元補助材が、金属ニッケル、酸化ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項6に記載の水電解セル。
- 前記還元補助材に蓄えられる負の保有電荷量が、前記水素極室に蓄えられる負の電気容
量の0.00025〜0.98倍の範囲である、請求項6又は7に記載の水電解セル。 - 前記還元補助材に蓄えられる負の保有電荷量が、前記水素極室に蓄えられる負の電気容
量の0.76〜0.95倍の範囲である、請求項6又は7に記載の水電解セル。 - 前記水素極室が、更に金属製弾性クッション材と集電体を内包しており、前記金属製弾性クッション材が、前記水素極と前記集電体との間で電気的に接続した状態で圧縮収容されており、前記集電体の一部が前記還元補助材で構成されている、請求項7〜9のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記酸素極が、導電性基材と、前記導電性基材を被覆する触媒層とを備えている、請求項1〜10のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記触媒層が、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項11に記載の水電解セル。
- 前記酸素極が、導電性基材と、前記導電性基材を被覆する触媒層とを有し、
前記触媒層は、ニッケルの金属結晶を含み、
前記触媒層は、細孔を有し、
前記触媒層の前記細孔のうち、
孔径が2〜5nmの範囲内である第一細孔の比表面積が0.6〜2.0m2/gであり、
前記第一細孔の細孔容積が3×10−4〜9×10−4ml/gであり、
前記触媒層の前記細孔のうち、孔径が0.01〜2.00μmの範囲内である第二細孔の比表面積が2.0〜5.0m2/gであり、
前記第二細孔の細孔容積が0.04〜0.2ml/gであり、さらに、
前記触媒層の厚みが50〜800μmである、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の水電解セル。 - 前記酸素極の前記触媒層の実電極表面積が、90〜10000m2の範囲である、請求項11〜13のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極が、Ru−La−Pt系、Pt−Ce系、及びPt−Ir系、Ir−Pt−Pd系、Pt−Ni系からなる群から選択される少なくとも一種のPt化合物を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極及び酸素極が、メッシュ状の構造である、請求項1〜15のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記水素極の基材が、0.05〜0.5mmの範囲の線形を有し、目開きが30メッシュから80メッシュの範囲を有する、請求項1〜16のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 前記酸素極の基材が、開口率が20%から60%の範囲を有するメッシュ状の構造である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の水電解セル。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の水電解セルを単位水電解セルとして、電気的に直列に接続されている、複極式水電解槽。
- 前記複極式水電解槽が、前記水素極、前記酸素極、イオン透過性隔膜、前記酸素極室と前記水素極室を区画する隔壁及び導電性隔壁を取囲むフランジパンを有する複極式フレームを備え、前記水素極と前記酸素極の間に前記イオン透過性隔膜が位置し、前記イオン透過性隔膜は前記水素極及び前記酸素極と接触している、請求項19に記載の複極式水電解槽。
- 少なくとも、請求項19又は20に記載の複極式水電解槽、気液分離タンク、電解液循環ポンプ、水投入ポンプ、及び電気分解用の電力供給用の整流器を具備する、水素製造装置。
- 請求項21に記載の水素製造装置を用いて、前記水素極から消費電荷量換算で、1.8kF/m2〜1217.7kF/m2の水素を連続的に発生させた後に、5〜400分の範囲で、連続的に水素製造を停止する、水素製造方法。
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