JP7260045B1 - 水電解システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水素のクロスオーバーによる酸素中の水素濃度の増加を抑制する水電解システムを提供する。【解決手段】少なくとも１つの水電解セルと、水電解セルの酸素極に水を供給する水供給装置と、水電解セルと水供給装置とを接続し、水供給装置から水電解セルの酸素極に供給される水を流す水供給流路と、水電解セルの酸素極から排出される水及び気体成分を分離する気液分離器と、水電解セルと気液分離器とを接続し、水電解セルの酸素極から排出される水及び気体成分を流す水排出流路と、水排出流路において、水電解セルと気液分離器との間に配置される再結合器と、を備え、再結合器は水素と酸素との反応を触媒する再結合触媒を備え、水電解セルと再結合器とは電気的に絶縁されている、水電解システムを提供する。【選択図】図１
Description
本願は水電解システムに関する。
近年、ＣＯ２フリーなエネルギー源として水素が注目されている。水素の製造方法としては、アルカリ水電解や、ＰＥＭ型水電解（ＰＥＭ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｎｂｒａｎｅ）等がある。中でも、ＰＥＭ型水電解は高効率であるため、注目されている。
ところで、水電解の際、カソード触媒層（水素極触媒層）で生成した水素が電解質膜を透過して、アノード触媒層（酸素極触媒層）側へと移動するという、いわゆる水素のクロスオーバーが発生する。これにより、アノード触媒層側で発生した酸素に水素が混合され、酸素中の水素濃度が高まる。そして、酸素中の水素濃度が所定の濃度（例えば、約４％）を超えると爆発につながる危険性がある。従って、酸素中の水素濃度の増加を抑制する技術が望まれている。
非特許文献１には、水電解システムにおいて、水電解セルから排出される水を気液分離器で水と酸素（クロスオーバーした水素を含む）に分離し、分離された酸素を再結合触媒を備える再結合器に供給し、再結合器においての酸素と水素とを再結合し、水を生成することで、酸素中の水素濃度の増加を抑制する水電解システムが開示されている。
また、特許文献１、２には、ＰＥＭ型水電解用の膜電極接合体において、再結合触媒を用いてクロスオーバーによって移動した水素と酸素とを反応させることで、酸素中の水素濃度の増加を抑制する技術が開示されている。
Ｓ．Ａ． Ｇｒｉｇｏｒｉｅｖ ｅｔ． ａｌ．， "Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓａｆｅｔｙ Ａｓｐｅｃｔｓ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｏ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ"， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ， ３４（２００９）， ｐｐ． ５９８６－５９９１
上述した通り、再結合触媒により酸素と水素とを反応させると、水が生成する。非特許文献１では、気相中で上記の再結合反応を行っているため、再結合触媒の表面に水が生成し・凝縮する。そうすると、この凝縮水によって、再結合触媒表面に水素と酸素とが供給されることが妨げられるため、再結合反応の効率が低下する。その結果、酸素中の水素濃度を十分に低減できない問題がある。
そこで、本開示の目的は、水素のクロスオーバーによる酸素中の水素濃度の増加を抑制する水電解システムを提供することである。
本開示は上記課題を解決するための一つの態様として、少なくとも１つの水電解セルと、水電解セルの酸素極に水を供給する水供給装置と、水電解セルと水供給装置とを接続し、水供給装置から水電解セルの酸素極に供給される水を流す水供給流路と、水電解セルの酸素極から排出される水及び気体成分を分離する気液分離器と、水電解セルと気液分離器とを接続し、水電解セルの酸素極から排出される水及び気体成分を流す水排出流路と、水排出流路において、水電解セルと気液分離器との間に配置される再結合器と、を備え、再結合器は水素と酸素とを反応させる再結合触媒を備え、水電解セルと再結合器とは電気的に絶縁されている、水電解システムを提供する。
上記水電解システムにおいて、再結合触媒は白金又は白金合金としてよい。白金合金における合金元素はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素であってもよい。
本開示の水電解ステムによれば、水素のクロスオーバーによる酸素中の水素濃度の増加を抑制することができる。
本開示の水電解システムについて、一実施形態である水電解システム１００を用いて説明する。図１に水電解システム１００のブロック図を示した。
図１に示した通り、水電解システム１００は、少なくとも１つの水電解セル１０と、水電解セルの酸素極側に配置される酸素極配管部２０と、水電解セルの水素極側に配置される水素極配管部３０と、電源４０と、を備える。
＜水電解セル１０＞
水電解セル１０は、水を電気分解し、水素と酸素とを生成するための装置である。水電解システム１００において、水電解セルは１つであってもよく、複数であってもよい。典型的には、水電解効率を向上する観点から、水電解システム１００は複数の水電解セル１０を有する。
水電解セル１０は、水を電気分解し、水素と酸素とを生成するための装置である。水電解システム１００において、水電解セルは１つであってもよく、複数であってもよい。典型的には、水電解効率を向上する観点から、水電解システム１００は複数の水電解セル１０を有する。
水電解セル１０は酸素極と水素極とを有し、水電解セル１０の酸素極に水を供給するとともに電圧をかけることで、酸素極から酸素が、水素極から水素が発生する。このように、水電解セル１０による水の電気分解反応は、酸素極にのみ水を供給するだけで足り、水素極に水を供給する必要はない。ただし、水素極への水の供給は禁止されておらず、例えばシステム冷却のために、水素極に水を供給される場合がある。水電解システム１００では、システム冷却を目的に水素極に水を供給している。
水電解により酸素極において発生した酸素は水と共に排出され、酸素極側気液分離器２３において酸素と水とに分離される。水電解により水素極において発生した水素はそのまま回収されてもよいが、水素極に水を供給する水電解システム１００においては、当該水素は水と共に排出され、水素極側気液分離器３３において水素と水とに分離される。なお、水素極に水を供給しない場合であっても、酸素極から電解質層を介して水素極に水が浸入するため、水素は水と共に排出され、水素極側気液分離器３３において水素と水とに分離されてもよい。
図１に示した通り、水電解セル１０は、酸素極に水を供給するための酸素極側水入口１１と、酸素極から水を排出するための酸素極側水出口１２と、を有する。また、水電解システム１００は水素極に水を供給する形態であるため、水電解セル１０は、水素極に水を供給するための水素極側水入口１３と、水素極から水を排出するための水素極側水出口１４と、を有する。水電解セル１０が複数の場合、酸素極側水入口１１及び水素極側水入口１３に供給された水は、各水電解セル１０の酸素極及び水素極に供給され、酸素極側水出口１２及び水素極側水出口１４から排出される。
水電解セル１０の種類は特に限定されないが、水電解効率を向上する観点化からＰＥＭ型水電解セルを採用してよい。以下、ＰＥＭ型水電解セルの構成について簡単に説明する。
ＰＥＭ型水電解セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置される１対のセパレータとを備える。また、ＰＥＭ型水電解セルは、膜電極接合体とセパレータとの間にガス拡散層を配置してもよい。ガス拡散層、セパレータは公知のものを適宜用いることができる。
膜電極接合体は電解質層と、電解質層の一方の面に配置される酸素極触媒層と、電解質層の他方の面に配置される水素極触媒層と、を有する。
電解質層は水素イオン伝導性を有していれば特に限定されない。例えば、スルホン酸基を有する高分子電解質であればよい。耐久性の観点から高分子電解質は含フッ素重合体としてもよい。例えば、パーフルオロカーボン重合体としてもよい。
酸素極触媒層は、水電解により酸素を生成することができる酸素極触媒を含む。酸素極触媒は特に限定されないが、例えば金属触媒が挙げられる。金属触媒としては、例えばその組成にＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｄ、及びＡｕを含む金属触媒が挙げられる。金属触媒はこれらの金属の酸化物であってもよい。酸素極触媒は金属触媒を担持した電気伝導性の担体（金属担持触媒）であってもよい。また、酸素極触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーを含んでいてもよい。アイオノマーは特に限定されない。例えば、プロトン伝導性ポリマーが挙げられる。プロトン伝導性ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等のフルオロアルキルポリマー；パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー等のフルオロアルキルポリマー等が挙げられる。
水素極触媒層は、水電解により水素を生成することができる水素極触媒を含む。水素極触媒は特に限定されないが、例えば金属触媒が挙げられる。金属触媒としては、例えばその組成にＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｄ、及びＡｕを含む金属触媒が挙げられる。金属触媒はこれらの金属の酸化物であってもよい。水素極触媒は金属触媒を担持した電気伝導性の担体（金属担持触媒）であってもよい。担体の種類は特に限定されないが、例えば炭素担体が挙げられる。また、水素極触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーを含んでいてもよい。アイオノマーは特に限定されない。例えば、上述のアイオノマーが挙げられる。
＜酸素極配管部２０＞
酸素極配管部２０は水電解セルの酸素極に水を供給し、酸素極において発生した酸素を回収する役割を有する。図１に示した通り、酸素極配管部２０は、酸素極水供給装置２１と、酸素極水供給流路２２と、酸素極気液分離器２３と、酸素極水排出流路２４と、再結合装置２５と、酸素極循環流路２６と、酸素タンク２７と、酸素供給流路２８とを有する。
酸素極配管部２０は水電解セルの酸素極に水を供給し、酸素極において発生した酸素を回収する役割を有する。図１に示した通り、酸素極配管部２０は、酸素極水供給装置２１と、酸素極水供給流路２２と、酸素極気液分離器２３と、酸素極水排出流路２４と、再結合装置２５と、酸素極循環流路２６と、酸素タンク２７と、酸素供給流路２８とを有する。
酸素極水供給装置２１は水電解セル１０の酸素極に水を供給する装置である。水を循環させるために、圧力をかけて水を水電解セル１０に供給してもよい。酸素極水供給装置２１としては、例えばポンプが挙げられる。
酸素極水供給流路２２は、水電解セル１０の酸素極と酸素極水供給装置２１とを接続し、酸素極水供給装置２１から供給される水を流す配管である。図１では、酸素極水供給流路２２は水電解セル１０の酸素極水入口１１と酸素極水供給装置２１とを接続しており、酸素極水供給装置２１から供給される水は酸素極水供給流路２２及び酸素極水入口１１を介して、水電解セル１０の酸素極に供給される。
酸素極気液分離器２３は、水電解セル１０の酸素極から排出される水及び気体成分を分離する装置である。酸素極配管部２０における気体成分（酸素極気体成分）とは、水電解セル１０の酸素極で生成された酸素である。ただし、気体成分は水電解セル１０の水素極で生成され、電解質層を通ってクロスオーバーした水素も極微量含まれる場合がある。従って、気体成分は酸素のみを含んでもよく、酸素及び水素を含んでもよい。酸素極気液分離器２３により分離された水は、酸素極循環流路２６を介して、酸素極水供給装置２１に送られ、水電解反応に再利用される。酸素極気液分離器２３により分離された気体成分は、酸素供給流路２８を介して、酸素タンク２７に送られ、そこに貯留される。
酸素極水排出流路２４は水電解セル１０と気液分離器２３とを接続し、水電解セル１０の酸素極から排出される水及び気体成分を流す配管である。図１では、酸素極水排出流路２４は水電解セル１０の酸素極水出口１２と酸素極気液分離器２３とを接続しており、水電解セル１０から排出される水は酸素極水出口１２及び酸素極水排出流路２４（後述する再結合装置も含む）を介して、酸素極気液分離器２３に供給される。
再結合器２５は、酸素極水排出流路２４において、水電解セル１０と酸素極気液分離器２３との間に配置される。再結合器２５を、水電解セル１０と酸素極気液分離器２３との間に配置する理由については後述する。
再結合器２５は水素と酸素とを反応させる再結合触媒を備えている。上述した通り、酸素は水電解セル１０の酸素極において水電解反応により生成される。水素は、水電解セル１０の水素極において水電解反応により生成され、電解質層を通って水素極側から酸素極側にクロスオーバーしたものである。これらの水素及び酸素が、気体のまま水電解セル１０の酸素極から排出されたり、水に溶存した状態で排出されたりする。そして、水素及び酸素が再結合器２５に備えられる再結合触媒に到達し、再結合反応が生じる。このように再結合器２５が再結合触媒を備えることにより、水電解セル１０の酸素極から排出された酸素と水素とを反応させ、酸素極側の水素を消費することができるため、最終的に得られる酸素中の水素濃度の増加を抑制することができる。
再結合触媒は酸素と水素との再結合反応を触媒することができれば特に限定されない。例えば、白金又は白金合金が挙げられる。白金合金における合金元素はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素である。また、再結合触媒は担体に担持されていてもよい。担体は特に限定されないが、再結合反応の活性を高める観点から、カーボン担体を用いてもよい
再結合器２５に配置される再結合触媒の態様は特に限定されず、上記の再結合反応を触媒できる態様であればよい。例えば、再結合器２５の内面に再結合触媒が単に配置されているだけでもよい。再結合反応効率を高める観点から、再結合触媒が表面に付着した網目状の金属体を再結合器２５に配置してもよい。
図２にその実施形態の一例を示した。図２に示した通り、再結合器２５は筐体２５ａと、再結合触媒が表面に付着した網目状金属体２５ｂとを含む。網目状金属体２５ｂは水の流通方向に直交する方向（筐体２５ａの長手方向に直交する方向）に配置され、水及び気体成分は網目状金属体２５ｂの細孔を通り抜ける。このとき、再結合触媒の表面上で再結合反応が生じる。
筐体２５ａの形状は特に限定されず、四角柱状であってもよく、円柱状であってもよい。また、酸素極水排出流路２４の一部を筐体２５ａとみなしてもよい。この場合、酸素極水排出流路２４に網目状構造物２５ｂを配置するだけでよい。
網目状金属構造体２５ｂは、基材となる網目状金属体と、その表面に付着した再結合触媒を含む。再結合触媒は網目状金属体の表面の少なくとも一部に配置されていればいようが、効率向上の観点から、表面全体に配置されていてもよい。網目状金属体は網目構造を有する金属であれば特に限定されない。金属の種類は特に限定されず、例えばＳＵＳやチタンが挙げられる。耐腐食性の観点から、チタンを選択してもよい。網目構造の細孔径は特に限定されず、水が通過できる大きさであればよい。網目状金属体の厚みも特に限定されず、再結合反応効率等の目的に応じて適宜設定すればよい。
また、水電解セル１０と再結合器２５とは電気的に絶縁されていることを要件とする。これは、水電解セル１０の酸素極は高電位（例えば１．２Ｖ以上）であるため、水電解セル１０と再結合器２５とが電気的に接続されていると、再結合器２５の電位はそれと等しくなり、そうすると再結合触媒の表面が酸化され、触媒反応効率を低下させるためである。より詳細には、再結合器２５（再結合触媒）と水電解セル１０とが電気的に絶縁されており、かつ、再結合器２５（再結合触媒）の電位が０．８Ｖ以下となればよい。これにより、再結合触媒の表面の酸化を抑制することができ、再結合反応効率が高い状態を維持することができる。
例えば、再結合器２５を設けずに、水電解セルの酸素極に含まれるガス拡散層に再結合触媒（例えば、白金触媒）をコートし、水電解セル１０中で再結合反応を生じさせることが考えられる。しかし、この場合、ガス拡散層は酸素極と電気的に接続されているため、再結合触媒表面は次第に酸化し、再結合反応効率が低下する。このように、水電解セルと再結合触媒とが電気的に接続されていると、再結合反応効率が高い状態を維持することができない。
ここで、再結合器２５を水電解セル１０と酸素極気液分離器２３との間に配置する理由について説明する。図３に従来の水電解システム２００のブロック図を示した。これは非特許文献１に記載されている水電解システムを模したものである。
図３に記載されている通り、水電解システム２００は水電解セル１１０と、酸素極配管部１２０と、水素極配管部１３０と、電源１４０と、を備えている。水電解システム１００と水電解システム２００との違いは、酸素極配管部１２０において、再結合器１２５が酸素極気液分離器１２３と酸素タンク１２７との間に配置されていることである。それ以外の構成は同じである。上述した通り、酸素極気液分離器１２３により分離された気体成分は、酸素供給流路１２８に送られる。従って、再結合器１２５における再結合反応は気相中でのみ行われる。
図４に従来の水電解システム２００の再結合触媒Ｃにおける再結合反応の様子を示した。図４に示した通り、従来の再結合反応は気相中で行われるため、再結合触媒Ｃの表面に水が生成し、時間経過とともに凝縮する。そうすると、この凝縮水Ｗによって、再結合触媒Ｃの表面に水素と酸素とが供給されることが妨げられるため、再結合反応の効率が低下する。その結果、酸素中の水素濃度を十分に低減できない問題がある。
一方で、水電解システム１００では、再結合器２５は水電解セル１０と酸素極気液分離器２３との間に配置されているため、水中で再結合反応が生じる。具体的には、水電解セル１０の酸素極から排出された水（未反応水）には溶存した水素及び酸素が含まれているため、これらが再結合触媒に到達し、水中で再結合反応が生じる。再結合反応が生じると水（凝縮水）が生成するが、従来と異なり、凝縮水は再結合器２５を通過する未反応水に流されることになり、再結合触媒には常に未反応水が接触することとなる。従って、水電解システム１００は、水電解セル１０と酸素極気液分離器２３との間に再結合器２５を配置することにより、再結合反応効率が高い状態を維持することができる。
なお、水電解セル１０の酸素極から配置出された水素及び酸素は気体状態のものも存在するため、これらが再結合触媒に到達した場合でも再結合反応が生じる。この場合であっても、生成する水（凝縮水）は未反応水に流されることになるため、再結合反応効率が高い状態を維持することができる。なお、酸素極配管部２０は、通常、多量の水が流通・循環しているため、再結合反応は主に水中で生じると推定される。
酸素極循環流路２６は、酸素極水供給装置２１と酸素極気液分離器２３とを接続し、酸素極気液分離器２３から排出される水を流す配管である。酸素極循環流路２６は、酸素極配管部２０において水を循環させる場合に用いられるものであるため、水を循環させない場合は不要である。
酸素タンク２７は、酸素極気液分離器２３によって分離された気体成分を貯留するためのものである。
酸素供給流路２８は、酸素極気液分離器２３と酸素タンク２７とを接続し、酸素極気液分離器２３により分離された気体成分を流す配管である。
＜水素極配管部３０＞
水素極配管部３０は、水素極において発生した水素を回収する役割を有する。また、水素極配管部３０は、システム冷却のために水素極配管部３０内で水を循環させている。図１に示した通り、水素極配管部３０は、水素極水供給装置３１と、水素極水供給流路３２と、水素極気液分離器３３と、水素極水排出流路３４と、水素極循環流路３６と、水素タンク３７と、水素供給流路３８とを有する。
水素極配管部３０は、水素極において発生した水素を回収する役割を有する。また、水素極配管部３０は、システム冷却のために水素極配管部３０内で水を循環させている。図１に示した通り、水素極配管部３０は、水素極水供給装置３１と、水素極水供給流路３２と、水素極気液分離器３３と、水素極水排出流路３４と、水素極循環流路３６と、水素タンク３７と、水素供給流路３８とを有する。
水素極水供給装置２１は水電解セル１０の水素極に水を供給する装置である。水を循環させるために、圧力をかけて水を水電解セル１０に供給してもよい。水素極水供給装置３１としては、例えばポンプが挙げられる。
水素極水供給流路３２は、水電解セル１０の水素極と水素極水供給装置３１とを接続し、水素極水供給装置３１から供給される水を流す配管である。図１では、水素極水供給流路３２は水電解セル１０の水素極水入口１３と水素極水供給装置３１とを接続しており、水素極水供給装置３１から供給される水は水素極水供給流路３２及び水素極水入口１３を介して、水電解セル１０の水素極に供給される。
水素極気液分離器３３は、水電解セル１０の水素極から排出される水及び気体成分を分離する装置である。水素極配管部３０における気体成分（水素極気体成分）とは、水電解セル１０の水素極で生成された水素である。ただし、気体成分は水電解セル１０の酸素極で生成され、電解質層を通ってクロスオーバーした酸素も極微量含まれる場合がある。ただし、酸素は水素よりもクロスオーバーし難いことが知られている。従って、気体成分は水素を含み、任意に酸素を含んでよいものである。水素極気液分離器３３を通過した水は、水素極循環流路３６を介して、水素極水供給装置３１に送られ、水電解反応に再利用される。水素極気液分離器３３により分離された気体成分は、水素供給流路３８を介して、水素タンク３７に送られ、そこに貯留される。
水素極水排出流路３４は水電解セル１０と気液分離器３３とを接続し、水電解セル１０の水素極から排出される水及び気体成分を流す配管である。図１では、水素極水排出流路３４は水電解セル１０の水素極水出口１４と水素極気液分離器３３とを接続しており、水電解セル１０から排出される水は水素極水出口１４及び水素極水排出流路３４を介して、水素極気液分離器３３に供給される。
水素極循環流路３６は、水素極水供給装置３１と水素極気液分離器３３とを接続し、水素極気液分離器３３から排出される水を流す配管である。水素極循環流路３６は、水素極配管部３０において水を循環させる場合に用いられるものであるため、水を循環させない場合は不要である。
水素タンク３７は、水素極気液分離器３３によって分離された気体成分を貯留するためのものである。
水素供給流路３８は、水素極気液分離器３３と水素タンク３７とを接続し、水素極気液分離器３３により分離された気体成分を流す配管である。
＜電源４０＞
電源４０は、水電解セル１０に電力を供給するものであり、水電解セル１０の酸素極と水素極との両方に接続されている。このような電源４０は公知である。
電源４０は、水電解セル１０に電力を供給するものであり、水電解セル１０の酸素極と水素極との両方に接続されている。このような電源４０は公知である。
以上より、一実施形態を用いて、本開示の水電解システムを説明した。本開示の水電システムは、水電解セルと酸素極気液分離器との間に再結合装置を配置することにより、水素のクロスオーバーによる酸素中の水素濃度の増加を抑制することができる。
以下、実施例を用いて、本開示の水電解システムについてさらに説明する。
＜水電解システムの構築＞
図１の水電解システム１００に倣って、実施例１の水電解システムを構築した。水電解セルは、表１に示す膜電極接合体の水素極側にカーボン繊維からなる拡散層を配置し、酸素極側にチタン繊維の表面に白金が蒸着された拡散層を配置し、得られた積層体を電極面積１ｃｍ２の単セル（酸素極及び水素極ともにストレート流路）に組付けることで、水電解セルと作製した。再結合器は図２に倣って構築した。網目状金属構造体は、細孔径３０μｍ、厚み２００μｍのチタン繊維焼結体の表面に白金を蒸着したものを用いた。
図１の水電解システム１００に倣って、実施例１の水電解システムを構築した。水電解セルは、表１に示す膜電極接合体の水素極側にカーボン繊維からなる拡散層を配置し、酸素極側にチタン繊維の表面に白金が蒸着された拡散層を配置し、得られた積層体を電極面積１ｃｍ２の単セル（酸素極及び水素極ともにストレート流路）に組付けることで、水電解セルと作製した。再結合器は図２に倣って構築した。網目状金属構造体は、細孔径３０μｍ、厚み２００μｍのチタン繊維焼結体の表面に白金を蒸着したものを用いた。
比較例１の水電解システムは、実施例１の水電解システムから再結合器を除いたものである。
比較例２の水電解システムは、図３の水電解システム２００に倣って構築されており、実施例１の水電解システムの再結合器の配置位置を、酸素極気液分離器と酸素タンクとの間に配置したものである。
＜酸素中の水素濃度評価＞
水電解セル温度：８０℃、圧力：大気圧の条件下で、酸素極及び水素極の両極に水電解に必要な量の数倍量の水（水電解を十分に実施できる量の水）を循環し、電子負荷装置を用いて電流密度２Ａ／ｃｍ２の定電流で水電解を実施した。
水電解セル温度：８０℃、圧力：大気圧の条件下で、酸素極及び水素極の両極に水電解に必要な量の数倍量の水（水電解を十分に実施できる量の水）を循環し、電子負荷装置を用いて電流密度２Ａ／ｃｍ２の定電流で水電解を実施した。
そして、上記の条件で水電解を実施し、酸素極から排出される気体成分と水とを酸素極気液分離器で分離し、得られた気体成分を３０分間捕集した後、ＧＣ－ＭＳで気体成分中の水素濃度（酸素中の水素濃度）を測定した。結果を図５、表２に示した。
図５、表２により、実施例の水素濃度は比較例１、２の水素濃度に比べて最も低い結果であった。このことから、再結合器を水電解セルと酸素極気液分離器との間に配置することにより、水素濃度の増加を顕著に抑制することができると考えられる。
１０、１１０ 水電解セル
１１ 酸素極水入口
１２ 酸素極水出口
１３ 水素極水入口
１４ 水素極水出口
２０、１２０ 酸素極配管部
２１ 酸素極水供給装置
２２ 酸素極水供給流路
２３、１２３ 酸素極気液分離器
２４ 酸素極水排出流路
２５、１２５ 再結合器
２５ａ 筐体
２５ｂ 網目状金属体
２６ 酸素極水循環流路
２７、１２７ 酸素タンク
２８、１２８ 酸素供給流路
３０、１３０ 水素極配管部
３１ 水素極水供給装置
３２ 水素極水供給流路
３３ 水素極気液分離器
３４ 水素極水排出流路
３６ 水素極水循環流路
３７ 水素タンク
３８ 水素供給流路
４０、１４０ 電源
１００、２００ 水電解システム
Ｃ 再結合触媒
Ｗ 凝縮水
１１ 酸素極水入口
１２ 酸素極水出口
１３ 水素極水入口
１４ 水素極水出口
２０、１２０ 酸素極配管部
２１ 酸素極水供給装置
２２ 酸素極水供給流路
２３、１２３ 酸素極気液分離器
２４ 酸素極水排出流路
２５、１２５ 再結合器
２５ａ 筐体
２５ｂ 網目状金属体
２６ 酸素極水循環流路
２７、１２７ 酸素タンク
２８、１２８ 酸素供給流路
３０、１３０ 水素極配管部
３１ 水素極水供給装置
３２ 水素極水供給流路
３３ 水素極気液分離器
３４ 水素極水排出流路
３６ 水素極水循環流路
３７ 水素タンク
３８ 水素供給流路
４０、１４０ 電源
１００、２００ 水電解システム
Ｃ 再結合触媒
Ｗ 凝縮水
Claims (4)
- 少なくとも１つの水電解セルと、
前記水電解セルの酸素極に水を供給する水供給装置と、
前記水電解セルと前記水供給装置とを接続し、前記水供給装置から前記水電解セルの酸素極に供給される前記水を流す水供給流路と、
前記水電解セルの酸素極から排出される前記水及び気体成分を分離する気液分離器と、
前記水電解セルと前記気液分離器とを接続し、前記水電解セルの酸素極から排出される前記水及び前記気体成分を流す水排出流路と、
前記水排出流路において、前記水電解セルと前記気液分離器との間に配置される再結合器と、を備え、
前記再結合器は水素と酸素とを反応させる再結合触媒を備え、
前記水電解セルと前記再結合器とは電気的に絶縁されており、
前記再結合器は水中で水素と酸素とを反応させる、
水電解システム。 - 前記再結合触媒は白金又は白金合金であり、
前記白金合金における合金元素はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素である、
請求項１に記載の水電解システム。 - 前記水電解セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置される１対のセパレータと、を備え、
前記膜電極接合体は、水素イオン伝導性を有する電解質層と、前記電解質層の一方の面に配置される酸素極触媒層と、前記電解質層の他方の面に配置される水素極触媒層と、を有する、
請求項１又は２に記載の水電解システム。 - 前記再結合器は、筐体と、前記再結合触媒が表面に付着した網目状金属体と、を含み、
前記網目状金属体は、前記筐体内において、水の流通方向に直交する方向に配置されており、
前記水及び前記気体成分が前記網目状金属体の細孔を通り抜けるときに、前記再結合触媒の表面上で水素と酸素とが反応する、
請求項１又は２に記載の水電解システム。
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| DE102023123842A1 (de) | 2024-03-14 |
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