JP6865436B2 - 電気化学デバイス - Google Patents
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Description
(1)2H2O+2e−→H2+2OH−
<陽極での反応>
(2)4OH−→O2+2H2O+4e−
(3)Ni(OH)2+OH−→NiOOH+H2O+e−
(4)NiOOH+OH−→NiO2+H2O+e−
本発明者らは、給電停止中に電気化学デバイス1で流れる逆電流について鋭意研究を重ねた結果、逆電流の発生メカニズムを解明するに至った。すなわち、電源10からの給電が停止して、各電気化学セル100における水の電解反応が停止すると、図2(A)〜図3(B)に示す経路に沿った逆電流が流れる。図2(A)は、第1逆電流経路を示す図である。図2(B)は、第2逆電流経路を示す図である。図3(A)は、第3逆電流経路を示す図である。図3(B)は、第4逆電流経路を示す図である。以下、逆電流経路について具体的に説明する。
<第1電気化学セルの陽極での反応>
(a)NiO2+H2O+e−→NiOOH+OH−
(b)NiOOH+H2O+e−→Ni(OH)2+OH−
(c)O2+2H2O+4e−→4OH−
<第2電気化学セルの陰極での反応>
(d)H2+2OH−→2H2O+2e−
陽極110にNiメッシュを、陰極108にPtメッシュを、隔膜106にZirfon(登録商標)Perl(Agfa社製)を用いて、ゼロギャップの電気化学セル100を作製した。陽極110の電極面積は100cm2、陰極108の電極面積は100cm2とした。電極面積は、電極の幾何面積である。幾何面積とは、電極の外形により画定される面積を意味する。電極の外形は、例えば陰極室102、陽極室104及び隔膜106の積層方向から見たときの形状である。電極の外形が四角形である場合、幾何面積は縦の長さと横の長さとの積である。電極がメッシュ状であっても、電極面積Sは電極の幾何面積とする。
本発明者らは、イオン伝導抵抗R及び電極面積Sの積RSと、電気化学セル100における電圧の変化との関係を解析した。まず、複数の電気化学デバイス1を用意した。これらの電気化学デバイス1は、それぞれイオン伝導抵抗Rが異なる。各電気化学デバイス1の電気化学セル100には上述の電圧変動の解析と同じものを用い、その数は3セルとした。この電気化学セル100では、陽極110aと陰極108bの幾何面積はともに100cm2=0.01m2である。したがって、電極面積Sは、100cm2である。
本発明者らは、風力発電装置(WT)及び太陽光発電装置(PV)の出力変動を解析した。具体的には、給電の停止回数と各停止回の停止時間との関係を調べた。結果を図7(A)及び図7(B)に示す。図7(A)及び図7(B)は、給電の停止回数と各停止回の停止時間との関係を示す図である。停止回数は、1日の総停止回数を1としたときの割合(累積確率)として示した。本解析では、産業技術総合研究所福島再生可能エネルギー研究所内にあるWT(300kW)とPV(250kW)の1年間のデータを用いた。なお、WT及びPVの停止回数及び停止時間は、他の場所に設置されるWT及びPVでも同様であることを、本発明者らは確認している。
本変形例に係る電気化学デバイスは、往路部202の構造が異なる点を除き、実施の形態に係る電気化学デバイス1と共通の構成を有する。以下、本変形例に係る電気化学デバイスについて実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。図9は、変形例に係る電気化学デバイスの模式図である。本変形例に係る電気化学デバイス1(1B)において、マニホールド200の往路部202は、循環装置206と各電気化学セル100の陰極室102及び陽極室104との間に配置される第7配管220を有する。第7配管220は、実施の形態における第3配管212と第4配管214とを兼ねる配管である。
Claims (5)
- それぞれ陰極室と、陽極室と、前記陰極室及び前記陽極室を仕切る隔膜と、前記陰極室に収容される陰極と、前記陽極室に収容される陽極とを有し、電気的に直列接続された複数の電気化学セルと、
各電気化学セルの前記陰極室及び前記陽極室にイオン伝導性電解液を供給し、また前記陰極室及び前記陽極室からそれぞれのイオン伝導性電解液を回収するマニホールドと、を備え、
前記複数の電気化学セルにおける隣り合う第1電気化学セルと第2電気化学セルとについて、前記第1電気化学セルの陽極室から前記マニホールドを介して前記第2電気化学セルの陰極室に至るまでの経路におけるイオン伝導抵抗Rと、前記第1電気化学セルの前記陽極の電極面積及び前記第2電気化学セルの前記陰極の電極面積のうち小さい方の電極面積Sとの積RSが、1.2Ωm2以上であり、
前記イオン伝導抵抗Rは、隣り合う前記第1電気化学セルと前記第2電気化学セルとにおいて、前記第1電気化学セルの陽極と前記第2電気化学セルの陰極との間に形成される全ての水酸化物イオン経路のイオン伝導抵抗の合成抵抗であり、
前記イオン伝導抵抗Rは、前記第1電気化学セルの陽極室と、前記第2電気化学セルの陰極室とに白金板を設置し、両白金板の間で電流密度が1mA/cm 2 となるようにして定電流電解を実施し、さらに±0.1mA/cm 2 の電流を重畳して電気化学インピーダンス測定を実施したときの、周波数1kHzにおける実抵抗の値であることを特徴とする電気化学デバイス。 - 水電解装置である請求項1に記載の電気化学デバイス。
- 前記イオン伝導性電解液は、アルカリ水溶液である請求項1又は2に記載の電気化学デバイス。
- 前記複数の電気化学セルに電力を印加する風力発電装置をさらに備える請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記複数の電気化学セルに電力を印加する太陽光発電装置をさらに備える請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
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