JP7454428B2 - Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method - Google Patents
Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7454428B2 JP7454428B2 JP2020065044A JP2020065044A JP7454428B2 JP 7454428 B2 JP7454428 B2 JP 7454428B2 JP 2020065044 A JP2020065044 A JP 2020065044A JP 2020065044 A JP2020065044 A JP 2020065044A JP 7454428 B2 JP7454428 B2 JP 7454428B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- bipolar
- electrolytic cell
- alkaline water
- water electrolysis
- header
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims description 161
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 152
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 114
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 99
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 83
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 56
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 45
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 40
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 31
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 26
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 26
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 21
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 18
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 16
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 71
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 61
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 description 24
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 18
- -1 etc. Substances 0.000 description 14
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 14
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 14
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 14
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 12
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 11
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 10
- 239000002585 base Substances 0.000 description 10
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 10
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 8
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000010220 ion permeability Effects 0.000 description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 8
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 8
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 6
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 6
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 6
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 6
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 5
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 4
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 4
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- 241000220317 Rosa Species 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 3
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 3
- 229920001038 ethylene copolymer Polymers 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 description 2
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 description 2
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229920006311 Urethane elastomer Polymers 0.000 description 2
- 150000001447 alkali salts Chemical class 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 description 2
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 description 2
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 2
- 238000000357 thermal conductivity detection Methods 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229920000181 Ethylene propylene rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930182556 Polyacetal Natural products 0.000 description 1
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- ABDBNWQRPYOPDF-UHFFFAOYSA-N carbonofluoridic acid Chemical compound OC(F)=O ABDBNWQRPYOPDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007084 catalytic combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- UUAGAQFQZIEFAH-UHFFFAOYSA-N chlorotrifluoroethylene Chemical group FC(F)=C(F)Cl UUAGAQFQZIEFAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- MYRTYDVEIRVNKP-UHFFFAOYSA-N divinylbenzene Substances C=CC1=CC=CC=C1C=C MYRTYDVEIRVNKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 229910021480 group 4 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 229920002681 hypalon Polymers 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000005504 petroleum refining Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000000614 phase inversion technique Methods 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 1
- 229920001470 polyketone Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 125000001453 quaternary ammonium group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 239000011240 wet gel Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
本発明は、アルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、アルカリ水電解方法に関する。 The present invention relates to a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis, a bipolar electrolytic device for alkaline water electrolysis, and an alkaline water electrolysis method.
近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。 In recent years, technologies such as wind power generation and solar power generation using renewable energy have been attracting attention in order to solve problems such as global warming caused by greenhouse gases such as carbon dioxide and decreasing fossil fuel reserves.
再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存するため、その変動が非常に大きいという性質がある。そのため、再生可能エネルギーによる発電で得られた電力を一般電力系統に輸送することが常に可能とはならず、電力需給のアンバランスや電力系統の不安定化等の社会的な影響が懸念されている。 The nature of renewable energy is that its output is highly variable, as it depends on climatic conditions. For this reason, it is not always possible to transport the electricity obtained from renewable energy generation to the general power grid, and there are concerns about social impacts such as an imbalance in power supply and demand and instability of the power grid. There is.
そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて、これを利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解(電解)により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。 Therefore, research is being conducted to use electricity generated from renewable energy in a form that can be stored and transported instead. Specifically, consideration is being given to generating hydrogen that can be stored and transported through electrolysis (electrolysis) of water using electricity generated from renewable energy, and using hydrogen as an energy source or raw material. There is.
水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車(FCV)向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから特に高純度の水素を得る技術の開発に対する期待は高い。 Hydrogen is widely used industrially in petroleum refining, chemical synthesis, metal refining, etc., and in recent years, it has become possible to use it in hydrogen stations for fuel cell vehicles (FCV), smart communities, hydrogen power plants, etc. Gender is also expanding. For this reason, expectations are high for the development of technology to obtain particularly high-purity hydrogen from renewable energy.
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等がある。この中で、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解装置に比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。 Examples of water electrolysis methods include solid polymer water electrolysis, high-temperature steam electrolysis, and alkaline water electrolysis. Among these, alkaline water electrolysis is one of the most promising because it has been industrialized for several decades, can be implemented on a large scale, and is inexpensive compared to other water electrolysis devices. has been done.
しかしながら、アルカリ水電解を今後エネルギーの貯蔵及び輸送のための手段として適応させるためには、前述のとおり出力の変動が大きい電力を効率的且つ安定的に利用して水電解を行うことを可能にする必要がある。そのため、アルカリ水電解用の電解セルや装置の諸課題を解決することが求められている。 However, in order to adapt alkaline water electrolysis as a means of storing and transporting energy in the future, it will be possible to perform water electrolysis by efficiently and stably using electricity, which has large output fluctuations, as mentioned above. There is a need to. Therefore, there is a need to solve various problems with electrolytic cells and devices for alkaline water electrolysis.
例えば、アルカリ水電解用複極式電解装置において、電解液を配液又は集液する管であるヘッダー(マニホールド)の流路の長さや断面積、通電面の面積を調節することにより、装置の電気抵抗を調整し、リーク電流(逆電流)による電極の劣化を抑制して、装置の耐久性の向上を図ることが報告されている(特許文献1及び2)。
上記ヘッダーとしては、その配設態様により、代表的には、電解槽と一体化している(電解槽内部に設けられている)内部ヘッダー型と、電解槽とは独立している(電解槽の外部に設けられている)外部ヘッダー型とがある。
For example, in a bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, by adjusting the length and cross-sectional area of the flow path, cross-sectional area, and area of the current-carrying surface of the header (manifold), which is a pipe that distributes or collects electrolyte, the device can be adjusted. It has been reported that the durability of the device is improved by adjusting the electrical resistance and suppressing electrode deterioration due to leakage current (reverse current) (
Depending on how the header is installed, there are typically internal header types that are integrated with the electrolytic cell (provided inside the electrolytic cell), and internal header types that are independent of the electrolytic cell (provided inside the electrolytic cell). There is also an external header type (provided externally).
内部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽の場合、リーク電流が大きくなり易く、このリーク電流により、陰極側で水素ガスの他に酸素ガスも発生する、或いは、陽極側で酸素ガスの他に水素ガスも発生することで、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスが生成され、ガス純度が悪化するという問題がある。また、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスは、爆発性ガスであるため、安全面でも問題である。
このリーク電流を小さくする手段の一つとして、電気抵抗を大きくすることが挙げられる。電気抵抗は、ヘッダーの流路の断面積と電解セルの厚さで決まるため、電気抵抗を大きくするには、ヘッダーの流路の断面積を小さくしたり、電解セルの厚みを増やしたりするといった設計上の調整をすることが考えられる。しかしながら、内部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽では、その構造上、これらの設計調整が困難である。
また、内部ヘッダーの配管において均一な流量配分を得るには、内部ヘッダーの配管の各電解セル入口における流体的な抵抗が大きいことが求められる。内部ヘッダーの配管には、電解液や発生したガスを流出入させるための孔(切り欠き)があり、この孔の数を増やしたり、大きさを小さくしたりすることで各電解セル入口における流体的な抵抗を上げることが可能であるが、内部ヘッダーの構造上、これらの調整は非常に狭い範囲でしか行うことができず、困難である。更に、孔が小さ過ぎると、異物等による詰まりが生じることがあるが、内部ヘッダーでは、構造上、この孔の詰まりの視認性が悪く、詰まりの解消のためには電解槽を解枠する必要がある。
In the case of an internal header type bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, leakage current tends to increase, and this leakage current may generate oxygen gas in addition to hydrogen gas on the cathode side, or generate oxygen gas as well as oxygen gas on the anode side. Since hydrogen gas is also generated, a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas is generated, resulting in a problem of deterioration of gas purity. Further, since a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas is an explosive gas, it is also a safety problem.
One way to reduce this leakage current is to increase electrical resistance. Electrical resistance is determined by the cross-sectional area of the header's flow path and the thickness of the electrolytic cell, so to increase the electrical resistance, you can reduce the cross-sectional area of the header's flow path or increase the thickness of the electrolytic cell. It may be possible to make design adjustments. However, in the internal header type bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, these design adjustments are difficult due to its structure.
Furthermore, in order to obtain uniform flow distribution in the piping of the internal header, it is required that the fluid resistance at each electrolytic cell inlet of the piping of the internal header is large. The piping of the internal header has holes (notches) for the inflow and outflow of electrolyte and generated gas, and by increasing the number of these holes or reducing their size, the fluid at the inlet of each electrolytic cell can be reduced. However, due to the structure of the internal header, these adjustments can only be made within a very narrow range and are difficult. Furthermore, if the holes are too small, they may become clogged with foreign matter, but due to the structure of the internal header, it is difficult to see if the holes are clogged, so it is necessary to disassemble the electrolytic cell to clear the clogs. There is.
一方、外部ヘッダー型アルカリ水電解用複極式電解槽では、収集する発生ガスの体積を考慮して、入口ヘッダー(ホース)よりも出口ヘッダー(ホース)を太くしなければならない。しかしながら、出口ヘッダーの太径化に合わせて出口ヘッダーを接続するためのノズルを太くし過ぎると、ノズル同士の干渉が生じるという問題がある。更に、このノズル同士の干渉を解消するために電解セルを厚くしていくと、電解槽全体が肥大化するという問題も生じる。
また、出口ヘッダー(ホース)は、径が太くなるほど耐圧性が弱くなり、加圧運転に耐え得るものとするには、耐圧性を向上させるために出口ヘッダーを肉厚化する等が必要となる。
On the other hand, in an external header type bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, the outlet header (hose) must be thicker than the inlet header (hose) in consideration of the volume of generated gas to be collected. However, if the nozzles for connecting the outlet headers are made too thick as the diameter of the outlet headers increases, there is a problem that interference between the nozzles occurs. Furthermore, if the thickness of the electrolytic cell is increased in order to eliminate interference between the nozzles, a problem arises in that the entire electrolytic cell becomes enlarged.
In addition, the larger the diameter of the outlet header (hose), the weaker its pressure resistance becomes, and in order to withstand pressurized operation, it is necessary to thicken the outlet header to improve its pressure resistance. .
そこで、本発明は、リーク電流の発生が抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能なアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis, which suppresses the occurrence of leakage current, prevents deterioration of gas purity, makes the electrolytic cell thinner, and enables pressurized operation, and a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis. The present invention aims to provide a type electrolyzer and an alkaline water electrolysis method.
即ち、本発明は以下のとおりである。
[1]
陽極ターミナルエレメントと陰極ターミナルエレメントとを備え、
前記陽極ターミナルエレメントと前記陰極ターミナルエレメントとの間に、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、
前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記隔壁及び/又は外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
[2]
前記複極式エレメントの通電面の面積をS1、前記入口ヘッダーの流路の断面積をS2i、前記出口ヘッダーの流路の断面積をS2o、前記入口ヘッダーの流路の長さをL2i、前記出口ヘッダーの流路の長さをL2oとしたときに、((S2i/S1)/L2i)/((S2o/S1)/L2o)が0.0001~0.5である、[1]に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[3]
50~500の複極式エレメントを有する、[1]又は[2]に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[4]
前記S1が0.1~10m2である、[2]に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[5]
電解セルの厚さdが5~100mmである、[1]~[4]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
ここで、電解セルの厚さdは、隣接する2つの前記複極式エレメントの隔壁同士の間の隔壁に垂直な方向についての距離、隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陽極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離、又は隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陰極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離を意味する。
[6]
前記入口ヘッダーの耐圧が0.1~10MPaである、[1]~[5]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[7]
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が可撓性素材である、[1]~[6]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[8]
前記入口ヘッダーの少なくとも一部が絶縁性である、[1]~[7]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[9]
前記入口ヘッダーと前記外枠との間に、電気的な絶縁層を有する、[1]~[8]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[10]
前記電気的な絶縁層の抵抗値が0.1MΩ以上である、[9]に記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[11]
前記出口ヘッダーが、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも1つを含む、[1]~[10]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽。
[12]
[1]~[11]のいずれかに記載のアルカリ水電解用複極式電解槽と、
電解液を循環させるための送液ポンプと、
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と、
水を補給するための水補給器と
を含むことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解装置。
[13]
前記アルカリ水電解用複極式電解装置への電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、前記送液ポンプを自動停止する制御器を更に含む、[12]に記載のアルカリ水電解用複極式電解装置。
[14]
[12]又は[13]に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、前記送液ポンプを停止することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
[15]
[12]又は[13]に記載のアルカリ水電解用電解装置への電力供給の停止時に、電解液の液面を前記出口ヘッダーの前記電極室への連通口より下方に制御することを特徴とする、アルカリ水電解方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
Comprising an anode terminal element and a cathode terminal element,
A plurality of bipolar elements are provided between the anode terminal element and the cathode terminal element, each of which includes an anode, a cathode, a partition separating the anode and the cathode, and an outer frame that frames the partition. are superimposed across the
an inlet header that communicates with an electrode chamber defined by the partition wall, the outer frame, and the partition film on the outside of the outer frame; and an entrance header that communicates with the electrode chamber defined by the partition wall, the outer frame, and the partition film; and an outlet header communicating with an electrode chamber defined by the diaphragm and the diaphragm.
[2]
The area of the conductive surface of the bipolar element is S1, the cross-sectional area of the flow path of the inlet header is S2i, the cross-sectional area of the flow path of the outlet header is S2o, the length of the flow path of the inlet header is L2i, and the cross-sectional area of the flow path of the inlet header is S2o. As described in [1], where the length of the outlet header flow path is L2o, ((S2i/S1)/L2i)/((S2o/S1)/L2o) is 0.0001 to 0.5. A bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis.
[3]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to [1] or [2], which has 50 to 500 bipolar elements.
[4]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to [2] , wherein the S1 is 0.1 to 10 m 2 .
[5]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [4], wherein the electrolytic cell has a thickness d of 5 to 100 mm.
Here, the thickness d of the electrolytic cell is defined as the distance between the partition walls of two adjacent bipolar elements in the direction perpendicular to the partition walls, and the distance between the partition walls of the adjacent bipolar elements and the anode terminal element. It means the distance between the partition wall in the direction perpendicular to the partition wall, or the distance between the partition wall of the adjacent bipolar element and the partition wall of the cathode terminal element in the direction perpendicular to the partition wall.
[6]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [5], wherein the inlet header has a withstand pressure of 0.1 to 10 MPa.
[7]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [6], wherein at least a portion of the inlet header is made of a flexible material.
[8]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [7], wherein at least a portion of the inlet header is insulating.
[9]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [8], which has an electrically insulating layer between the inlet header and the outer frame.
[10]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to [9], wherein the electrical insulating layer has a resistance value of 0.1 MΩ or more.
[11]
The bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [10], wherein the outlet header includes at least one selected from the group consisting of nickel, resin, and resin-coated metal. Tank.
[12]
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [11],
A liquid pump for circulating the electrolyte,
a gas-liquid separation tank that separates the electrolyte from hydrogen and/or oxygen;
A bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, comprising a water replenisher for replenishing water.
[13]
The method according to [12], further comprising a detector that detects the stoppage of the power supply when the power supply to the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis is stopped, and a controller that automatically stops the liquid feeding pump. Bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis.
[14]
An alkaline water electrolysis method, characterized in that the liquid feeding pump is stopped when power supply to the electrolyzer for alkaline water electrolysis according to [12] or [13] is stopped.
[15]
[12] or [13], when the power supply to the electrolyzer for alkaline water electrolysis is stopped, the liquid level of the electrolyte is controlled to be lower than the communication port to the electrode chamber of the outlet header. Alkaline water electrolysis method.
本発明によれば、リーク電流の発生が抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能なアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法を提供することができる。 According to the present invention, a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis, which suppresses the occurrence of leakage current, prevents deterioration of gas purity, and enables thinner electrolytic cells and pressurized operation, and a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis. A type electrolyzer and an alkaline water electrolysis method can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
(アルカリ水電解用複極式電解槽)
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする。
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の構成について、図を参照しながら説明する。
(Bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis)
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment includes a plurality of bipolar elements including an anode, a cathode, a partition separating the anode and the cathode, and an outer frame that frames the partition. an inlet header that is stacked with a diaphragm in between and communicates with an electrode chamber defined by the diaphragm, the outer frame, and the diaphragm on the outside of the outer frame; and the diaphragm on the inside of the outer frame. and an outlet header communicating with an electrode chamber defined by the outer frame and the diaphragm.
Hereinafter, the configuration of an example of a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態のアルカリ水電解用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槽の一例のゼロギャップ構造の側面図を、図1に示す破線四角枠の部分について示す。
図3に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の一部の、複極式エレメント、ヘッダー、導管についての斜視図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50は、図1及び図2に示すとおり、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とを備える複数の複極式エレメント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50である。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、特に限定されないが、隔膜4が陽極2a及び陰極2cと接触したゼロギャップ構造Zが形成されていることが好ましい(図2参照)。
FIG. 1 shows a side view of an entire example of a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the present embodiment.
FIG. 2 shows a side view of a zero-gap structure of an example of a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the present embodiment, with respect to a portion surrounded by a broken line rectangular frame shown in FIG. 1.
FIG. 3 shows a perspective view of a part of the bipolar element, header, and conduit of an example of the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment.
As shown in FIGS. 1 and 2, the bipolar
In the bipolar
複極式は、多数のセルを電源に接続する方法の1つであり、片面が陽極2a、片面が陰極2cとなる複数の複極式エレメント60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50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。
The bipolar type is one of the methods of connecting a large number of cells to a power supply, and is a method in which a plurality of
The bipolar
((複極式エレメント))
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、図1及び図2に示すように、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。
((Bipolar element))
As shown in FIGS. 1 and 2, a
なお、本実施形態では、複極式エレメント60は、通常、隔壁1に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように使用してよく、具体的には、図2に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、隔壁1に沿う所与の方向D1が、向かい合う2組の辺のうちの1組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい(図3~図5参照)。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
In addition, in this embodiment, the
本実施形態では、図1に示すとおり、複極式電解槽50は複極式エレメント60を必要数積層(スタック)することで構成されている。
図1及び図2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。陽極側ガスケット部分7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。陽極側ガスケット部分7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、陰極側ガスケット部分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をこの順番で配置する。複極式電解槽50は、全体をタイロッド51r(図1参照)や油圧シリンダー方式等の締め付け機構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2a側からでも陰極2c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。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the bipolar
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the bipolar
The arrangement of the bipolar
図1に示すように、複極式電解槽50では、複極式エレメント60が、陽極ターミナルエレメント51aと陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置されている。隔膜4は、陽極ターミナルエレメント51aと複極式エレメント60との間、隣接して並ぶ複極式エレメント60同士の間、及び複極式エレメント60と陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置されている。
As shown in FIG. 1, in the bipolar
また、本実施形態における複極式電解槽50では、図2~5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。
Furthermore, in the bipolar
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。
In this embodiment, in particular, the portion between two adjacent
詳細には、電極室5は、外枠3との境界において、電極室5に電解液を導入する電解液入口5iと、電極室5から電解液を導出する電解液出口5oとを有する。より具体的には、陽極室5aには、陽極室5aに電解液を導入する陽極電解液入口5aiと、陽極室5aから導出する電解液を導出する陽極電解液出口5aoとが設けられる。同様に、陰極室5cには、陰極室5cに電解液を導入する陰極電解液入口5ciと、陰極室5cから導出する電解液を導出する陰極電解液出口5coとが設けられる。
Specifically, the
本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解液を電解槽50内部で、電極面内に均一に分配するための内部ディストリビュータを備えてもよい。また、電極室5は、電解槽50内部での液の流れを制限する機能を備えるバッフル板を備えてもよい。更に、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解槽50内部での電解液の濃度や温度の均一化、及び、電極2や隔膜4に付着するガスの脱泡の促進のために、カルマン渦を作るための突起物を備えてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態における複極式電解槽50は、外枠3の外方に、電極室5に連通する入口ヘッダー10と、隔壁1及び/又は外枠3の内方に、電極室5に連通する出口ヘッダー11とを備える(図3参照)。
The bipolar
本実施形態の複極式電解槽50は、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダーが取り付けられる。詳細には、ヘッダーは、電極室5に電解液を入れるための入口ヘッダー10と電極室5からガスや電解液を出すための出口ヘッダー11とからなる。
本実施形態の複極式電解槽50では、入口ヘッダー10として外部ヘッダー型を採用し、出口ヘッダー11として内部ヘッダー型を採用する。
入口ヘッダー10を外部ヘッダー型とすることにより、内部ヘッダーを用いた場合と比較して、リーク電流経路を短縮することができ、リーク電流に起因するガス純度の悪化を低減することができる。また、電解セルの構造とは関係なく、ヘッダーの長さ及び径を調整することができるため、電気抵抗、流体抵抗の調整が容易である。また、外部ヘッダーであると、異物等の混入によりヘッダーが詰まった場合でも、外部ヘッダーを取り外すことで簡単に対処することができる。
また、出口ヘッダー11を内部ヘッダー型とすることにより、外部ヘッダーとは異なり、ノズルを用いる必要がないため、ノズル同士が干渉するという問題が生じなくなり、その解消ための電解セルの肥大化も回避できるため、電解セルを薄型化することができる。更に、外部ヘッダーよりも耐圧性が増すため、加圧運転にも対応可能となる。
なお、外部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽とは独立している(電解槽の外部に設けられている)形式をいい、複極式電解槽と絶縁性部材で区切られている等、複極式電解槽と電気的に絶縁されているものとしてよい。また、内部ヘッダー型とは、ヘッダーが複極式電解槽と一体化している(電解槽内部に設けられている)形式であり、複極式電解槽と電気的に絶縁されていないものとしてよい。
図3~図5に示す一例では、隔壁1の端縁にある外枠3の下方に、陽極室5aに電解液を入れる外部ヘッダー型の陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極室5cに電解液を入れる外部ヘッダー型の陰極入口ヘッダー10Ociとを備えている。また、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に、陽極室5aから電極液を出す内部ヘッダー型の陽極出口ヘッダー11Iaoと、陰極室5cから電解液を出す内部ヘッダー型の陰極出口ヘッダー11Icoとを備えている。
また、図3~図5に示す一例では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、入口ヘッダー10と出口ヘッダー11とが、電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設けられている。
The bipolar
In the bipolar
By making the inlet header 10 an external header type, the leakage current path can be shortened compared to the case where an internal header is used, and deterioration in gas purity caused by leakage current can be reduced. Furthermore, since the length and diameter of the header can be adjusted regardless of the structure of the electrolytic cell, it is easy to adjust the electrical resistance and fluid resistance. Furthermore, if the header is an external header, even if the header becomes clogged due to foreign matter, it can be easily dealt with by removing the external header.
In addition, by making the
The external header type refers to a type in which the header is independent of the bipolar electrolytic cell (located outside the electrolytic cell), and is separated from the bipolar electrolytic cell by an insulating member. etc., may be electrically insulated from the bipolar electrolytic cell. In addition, the internal header type is a type in which the header is integrated with the bipolar electrolytic cell (provided inside the electrolytic cell), and may not be electrically insulated from the bipolar electrolytic cell. .
In the example shown in FIGS. 3 to 5, below the
Further, in the example shown in FIGS. 3 to 5, in the
更に、図3及び図4に示すように、入口ヘッダー10には、入口ヘッダー10に配液されるガスや電解液を集める管である導管(配液管)20が取り付けられ、入口ヘッダー10と連通している。
図3及び図4に示す一例では、外枠3のうちの下方に、陽極入口ヘッダー10Oaiに連通する陽極用配液管20Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociに連通する陰極用配液管20Ociとを備えている。
Furthermore, as shown in FIGS. 3 and 4, a conduit (liquid distribution pipe) 20 is attached to the inlet header 10 and is a pipe that collects gas and electrolyte distributed to the inlet header 10. It's communicating.
In the example shown in FIGS. 3 and 4, a lower part of the
本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、入口ヘッダー10と出口ヘッダー11とは、水電解効率の観点から、離れた位置に設けられることが好ましく、電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設けられることが好ましく、図3及び図4に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心に関して対称となるように設けられることが好ましい。
In this embodiment, in the
通常、図3及び図4に示すように、陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci、陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Icoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、各電極室5にそれぞれ複数設けられてもよい。
また、通常、陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Ociは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、複数の電極室5で兼用されてもよい。
Normally, as shown in FIGS. 3 and 4, one anode inlet header 10Oai, one cathode inlet header 10Oci, one anode outlet header 11Iao, and one cathode outlet header 11Ico are provided in each
Further, normally, one anode liquid distribution pipe 20Oai and one cathode liquid distribution pipe 20Oci are provided in each
本実施形態における入口ヘッダー10の材質は、特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。入口ヘッダー10の材質に、鉄、ニッケル、コバルト等の金属、PTFE、ETFE、PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂、等を採用してもよい。
また、入口ヘッダー10の材質は、電解槽50や導管20等への接続や取り扱いが容易なことから、少なくとも一部が可撓性素材であることが好ましい。可撓性素材としては、例えば、PFA、PTFE、蛇腹構造の金属(ニッケル、ステンレス)等が挙げられる。
また、本実施形態における入口ヘッダー10の材質は、電解槽50との電気的導通を遮断する観点から、少なくとも一部が絶縁性であることが好ましい。絶縁性素材としては、例えば、PFA、PTFE等が挙げられる。
The material of the inlet header 10 in this embodiment is not particularly limited, but it is necessary to adopt a material that can sufficiently withstand the corrosivity of the electrolyte used and operating conditions such as pressure and temperature. The material of the inlet header 10 may be metals such as iron, nickel, cobalt, etc., resins such as PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene, etc.
Furthermore, it is preferable that at least a portion of the material of the inlet header 10 is a flexible material because it is easy to connect to the
Moreover, it is preferable that at least a part of the material of the inlet header 10 in this embodiment is insulating from the viewpoint of cutting off electrical continuity with the
また、本実施形態では、入口ヘッダー10と電解槽50との電気的導通を遮断する観点から、入口ヘッダー10と外枠3との間に、電気的な絶縁層を有することが好ましい。電気的な絶縁層としては、例えば、PFA、PTFE、EPDM等を含む層が挙げられる。
上記電気的な絶縁層の抵抗値は、電解槽50との電気的導通を遮断する観点から、0.1MΩ以上であることが好ましく、より好ましくは0.4MΩ以上、更に好ましくは1.0MΩ以上である。また、上記電気的な絶縁層の抵抗値は大きいほど好ましいため、上限は特に制限されるものではないが、通常100MΩ以下であることが好ましい。
Furthermore, in this embodiment, from the viewpoint of interrupting electrical continuity between the entrance header 10 and the
The resistance value of the electrical insulating layer is preferably 0.1 MΩ or more, more preferably 0.4 MΩ or more, still more preferably 1.0 MΩ or more, from the viewpoint of blocking electrical continuity with the
本実施形態における出口ヘッダー11の材質は、特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。出口ヘッダー11の材質に、鉄、ニッケル、コバルト等の金属、PTFE、ETFE、PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等の樹脂、前記樹脂でコーティングされた前記金属等を採用してもよい。中でも、耐アルカリ性の観点から、ニッケル、樹脂、及び樹脂でコーティングされた金属からなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。
The material of the
なお、図示した例では、平面視で長方形形状の隔壁1と平面視で長方形形状の隔膜4とが平行に配置され、また、隔壁1の端縁に設けられる直方体形状の外枠の隔壁1側の内面が隔壁1に垂直となっているため、電極室5の形状が直方体となっている。しかしながら、本発明において、電極室5の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁1や隔膜4の平面視形状、外枠3の隔壁1側の内面と隔壁1とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
In the illustrated example, the
本実施形態では、電極室5と、入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11との位置関係は、特に限定されず、図3及び図4に示すように、複極式エレメント60を隔壁1に沿う所与の方向D1が鉛直方向となるように使用した場合に、入口ヘッダー10は、電極室5に対して下方や側方に位置し(図示では、下方)、出口ヘッダー11は、電極室5に対して上方に位置していてよく、また、入口ヘッダー10に連通する配液管20は、電極室5に対して下方や側方に位置していてよい(図示では、下方)。
In this embodiment, the positional relationship between the
本実施形態では、入口ヘッダー10の延在方向は、特に限定されない。
また、本実施形態では、入口ヘッダー10に連通する配液管20の延在方向は、特に限定されないが、図3及び図4に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci)は、隔壁1に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci)のいずれもが、隔壁1に垂直な方向に延びることが更に好ましい。
In this embodiment, the direction in which the inlet header 10 extends is not particularly limited.
Further, in this embodiment, the extending direction of the
本実施形態では、出口ヘッダー11の延在方向は、特に限定されないが、本発明の効果を得られやすくする観点から、図3及び図4に示す一例のように、隔壁1に垂直な方向に延びるものがあることが好ましく、出口ヘッダー11のいずれもが、隔壁1に垂直な方向に延びることがより好ましい。
In this embodiment, the direction in which the
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、電解室5内における気液の流れの乱れにより電解室5に生じる対流を低減して、局所的な電解液の温度の上昇を抑制するため、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に配置される複数の整流板6を備えていてもよい(図4参照)。
整流板6の数、長さ、隔壁1とのなす角度、及び隔壁1に沿う所与の方向D1に垂直な方向についての一定の間隔(ピッチ)は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。また、整流板6は、貫通孔を有していてもよく、貫通孔の数及び隔壁1に沿う所与の方向D1についての一定の間隔(ピッチ)は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよく、一定でなくてもよい。
In addition, in the bipolar
The number and length of the rectifying
ときに、電解セル65は、電解停止時に電解液供給配管によって形成される漏洩電流回路を介して自己放電反応を生じる。自己放電反応は、通電面に流れる電流の向きが、電解時と逆向きであるため、逆電流と呼ばれる。
陰極2c又は陽極2aは、逆電流が生じる過程で酸化還元されることで、活性化溶解或いは体積膨張収縮により、失活する場合がある。
Sometimes, the
The
陰極2c又は陽極2aよりも、自らが酸化還元されることで逆電流を優先的に消費する、表面積の非常に大きな構造体は、逆電吸収体と呼ばれる。
逆電吸収体を、陰極室5c内部又は陽極室5a内部で、陰極2c又は陽極2aと電気的に接続し、陰極2c又は陽極2aの電気化学的な電位を逆電吸収体の電位に保つことで、陰極2c又は陽極2aを保護することができる。
A structure with a very large surface area that consumes reverse current preferentially by itself being redoxed than the
The reverse electric absorber is electrically connected to the
本実施形態では、陰極2c又は陽極2aが、触媒層と触媒層を支持する基材とで構成され、この触媒層や基材が、逆電吸収体の機能を備える。
In this embodiment, the
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、複極式エレメント60の通電面の面積をS1、入口ヘッダー10の流路の断面積をS2i、出口ヘッダー11の流路の断面積をS2o、入口ヘッダー10の流路の長さをL2i、出口ヘッダー11の流路の長さをL2oとしたときに、((S2i/S1)/L2i)/((S2o/S1)/L2o)が、0.0001~0.5であることが好ましく、0.0001~0.03であることがより好ましく、0.0001~0.01であることが更に好ましく、0.0001~0.001であることがより更に好ましい。
In the bipolar
上記複極式エレメント60の通電面の面積S1とは、複極式エレメント60の電極(陽極2a及び陰極2c)の隔壁1に平行な面における面積をいう。なお、陽極2aと陰極2cとにおいて上記面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー10の流路の断面積S2iとは、入口ヘッダー10のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、入口ヘッダー10の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Ociにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー11の流路の断面積をS2oとは、出口ヘッダー11のうち電解液が通過する内部空間の断面積をいう。なお、出口ヘッダー11の延在方向について断面積に変化がある場合には、その断面積の平均をいうものとする。また、陽極出口ヘッダー11Iao、陰極入口ヘッダー11Icoにおいて上記断面積が異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記入口ヘッダー10の流路の長さL2iとは、入口ヘッダー10のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。特に、入口ヘッダー10に連通する導管(配液管)20を備える場合には、入口ヘッダー10の電解液入口5iから導管(配液管)20との接続部分までの部分についての長さをいう。また、陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Ociにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
上記出口ヘッダー11の流路の長さL2oとは、出口ヘッダー11のうち電解液が通過する内部空間の延在長さをいう。また、陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Icoにおいて上記長さが異なる場合には、その平均をいうものとする。
The area S1 of the current-carrying surface of the
The cross-sectional area S2i of the flow path of the inlet header 10 refers to the cross-sectional area of the internal space of the inlet header 10 through which the electrolyte passes. In addition, when there is a change in the cross-sectional area in the extending direction of the entrance header 10, the average of the cross-sectional area is used. Furthermore, when the above-mentioned cross-sectional area is different between the anode inlet header 10Oai and the cathode inlet header 10Oci, the average thereof is used.
S2o, the cross-sectional area of the flow path of the
The length L2i of the flow path of the inlet header 10 refers to the extended length of the internal space of the inlet header 10 through which the electrolyte passes. In particular, when a conduit (liquid distribution pipe) 20 communicating with the inlet header 10 is provided, this refers to the length from the electrolyte inlet 5i of the inlet header 10 to the connection part with the conduit (liquid distribution pipe) 20. . In addition, when the above-mentioned lengths differ between the anode inlet header 10Oai and the cathode inlet header 10Oci, the average length is used.
The length L2o of the flow path of the
((S2i/S1)/L2i)/((S2o/S1)/L2o)が上記範囲であると、電解中に生じるリーク電流を低減して、リーク電流に起因するガス純度の悪化を低減することが可能となる。 When ((S2i/S1)/L2i)/((S2o/S1)/L2o) is within the above range, leakage current generated during electrolysis is reduced, and deterioration in gas purity due to leakage current is reduced. becomes possible.
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、複極式エレメント60の通電面の面積S1が、0.1~10m2であることが好ましく、0.15~8m2であることがより好ましく、0.2~5m2であることが更に好ましい。
通電面が小さすぎると、電解液供給ヘッダーも小さくなり、電解槽50の製作が難しくなる。また、通電面が大きすぎると、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩の原因になる。
Furthermore, in the bipolar
If the current-carrying surface is too small, the electrolyte supply header will also be small, making it difficult to manufacture the
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、ガス純度をより高純度化させる観点、及び循環流路中に存在する固形物による流路閉塞を抑制する観点から、入口ヘッダーの流路の断面積S2iが、7.00×10-7~3.14×10-4m2であることが好ましく、1.0×10-6~2.0×10-4m2であることがより好ましい。
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、特に限定されるものではないが、上記S2iの好適範囲の場合と同様の観点から、入口ヘッダーの流路の長さL2iが、0.2~10mであることが好ましく、0.4~8mであることが更に好ましい。
Furthermore, in the bipolar
Furthermore, in the bipolar
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、ガス純度をより高純度化させる観点、及び循環流路中に存在する固形物による流路閉塞を抑制する観点から、出口ヘッダーの流路の断面積S2oが、1.0×10-4~1.0×10-1m2であることが好ましく、1.0×10-3~5.0×10-1m2であることがより好ましい。
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50において、出口ヘッダーは内部ヘッダーであるため、その流路の長さL2oは、電解セル65の厚さdや数等により定められてよい。
Furthermore, in the bipolar
In addition, in the bipolar
更に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、電解セル65の厚さdが、5~100mmであることが好ましく、10~70mmであることがより好ましく、20~60mmであることが更に好ましい。
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51a、51c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51a、51cの隔壁1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が複極式電解槽50全体において一定でない場合には、その平均をいうものとしてよい。
電解セルの厚さdが小さすぎると、電解セル65のガス液チャンバー内のガス比率が増大しやすくなり、セル電圧が上昇しやすくなる。また、厚さdが大きすぎると、ヘッダー10の圧損の影響で均一分配が難しくなり、設置面積が大きくなりすぎる。
Furthermore, in the bipolar
The thickness d of the
If the thickness d of the electrolytic cell is too small, the gas ratio in the gas-liquid chamber of the
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50は、加圧運転に対応した耐圧性の観点から、入口ヘッダー10の耐圧が0.1~10MPaであることが好ましく、0.3~5MPaであることがより好ましく、0.3~1.5MPaであることが更に好ましく、0.3~0.9MPaであることがより更に好ましく、0.5~0.7MPaであることが特に好ましい。
入口ヘッダー10の耐圧は、入口ヘッダー10の材質や厚みにより調整することができる。
なお、入口ヘッダー10の耐圧は、耐圧試験の結果、破損や変形がないことにより確認することができ、より具体的には、後述する実施例に記載の方法によって求めることができる。
In the bipolar
The pressure resistance of the inlet header 10 can be adjusted by changing the material and thickness of the inlet header 10.
The pressure resistance of the inlet header 10 can be confirmed by the fact that there is no damage or deformation as a result of a pressure resistance test, and more specifically, it can be determined by the method described in Examples described later.
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50は、50~500の複極式エレメント60を有することが好ましく、70~300の複極式エレメント60を有することがより好ましく、100~200の複極式エレメント60を有することが更に好ましい。
複極式エレメント60の数(対数)が減ると、リーク電流によるガス純度の影響は緩和される一方で、対数が増加すると、電解液を各電解セル65に均一に分配することが困難になる。
また、対数が増え過ぎると、電解槽50の製作が困難になるおそれがあり、製作精度が悪い複極式エレメント60を多数スタックした場合には、シール面圧が不均一になりやすく、電解液の漏れやガス漏洩が生じやすい。
The bipolar
As the number (logarithm) of
Furthermore, if the number of logarithms increases too much, it may become difficult to manufacture the
以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50の構成要素について、詳細に説明する。
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。
Hereinafter, the constituent elements of the bipolar
Further, preferred embodiments for enhancing the effects of the present invention will also be described in detail below.
-隔壁-
本実施形態における隔壁1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1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1と外枠3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1に、隔壁1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2a側に張り出した陽極フランジ部、陰極2c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3の一部としてもよい。
-Bulkhead-
The shape of the
The shape of the
In one embodiment, the
なお、隔壁1は、通常、隔壁1に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図3及び図4に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、隔壁1に沿う所与の方向D1が、向かい合う2組の辺のうちの1組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。
Note that the
隔壁1の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
The material for the
-電極-
本実施形態のアルカリ水電解による水素製造において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減は、大きな課題である。この電解電圧は電極2に大きく依存するため、両電極2の性能は重要である。
-electrode-
In hydrogen production by alkaline water electrolysis of this embodiment, reducing energy consumption, specifically reducing electrolysis voltage, is a major issue. Since this electrolytic voltage largely depends on the
アルカリ水電解の電解電圧は、理論的に求められる水の電気分解に必要な電圧の他に、陽極反応(酸素発生)の過電圧、陰極反応(水素発生)の過電圧、陽極2aと陰極2cとの電極2間距離による電圧とに分けられる。ここで、過電圧とは、ある電流を流す際に、理論分解電位を越えて過剰に印加する必要のある電圧のことを言い、その値は電流値に依存する。同じ電流を流すとき、過電圧が低い電極2を使用することで消費電力を少なくすることができる。
In addition to the theoretically required voltage for water electrolysis, the electrolytic voltage of alkaline water electrolysis is determined by the overvoltage of the anodic reaction (oxygen generation), the overvoltage of the cathodic reaction (hydrogen generation), and the voltage between the
低い過電圧を実現するために、電極2に求められる要件としては、導電性が高いこと、酸素発生能(或いは水素発生能)が高いこと、電極2表面で電解液の濡れ性が高いこと等が挙げられる。
In order to achieve a low overvoltage, the requirements for the
アルカリ水電解の電極2として、過電圧が低いこと以外に、再生可能エネルギーのような不安定な電流を用いても、電極2の基材及び触媒層の腐食、触媒層の脱落、電解液への溶解、隔膜4への含有物の付着等が起きにくいことが挙げられる。
In addition to its low overvoltage, the
本実施形態における電極2としては、電解に用いられる表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極2表面から除去するために、多孔体が好ましい。特に、ゼロギャップ電解槽の場合、隔膜4との接触面の裏側から発生するガスを脱泡する必要があるため、電極2の膜に接する面と反対に位置する面が、貫通していることが好ましい。
The
多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。 Examples of porous bodies include plain woven mesh, punched metal, expanded metal, and metal foam.
本実施形態における電極2は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
The
基材の材料は、特に制限されないが、使用環境への耐性から、軟鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましい。 The material of the base material is not particularly limited, but mild steel, stainless steel, nickel, and nickel-based alloys are preferable from the viewpoint of resistance to the usage environment.
陽極2aの触媒層は、酸素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子等の有機物が含まれていてもよい。
The catalytic layer of the
陰極2cの触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
The catalyst layer of the
基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。 Methods for forming the catalyst layer on the substrate include plating, thermal spraying such as plasma spraying, thermal decomposition in which a precursor layer solution is applied onto the substrate and then heated, and a catalyst material is mixed with a binder component. Examples of methods include a method of fixing the film on a base material, and a vacuum film forming method such as a sputtering method.
-外枠-
本実施形態における外枠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3の形状としては、特に限定されることなく、隔壁1の平面視形状に合わせて適宜定められてよい。
-Outer frame-
The shape of the
The shape of the
外枠3の材料としては、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ニッケル合金、軟鋼、ニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
The material for the
-隔膜-
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50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4が使用される。このイオン透過性の隔膜4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4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。
-diaphragm-
As the diaphragm 4 used in the bipolar
--多孔膜--
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、隔膜4を電解液が透過できる構造を有する。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の制御が非常に重要となる。一方、電解液だけでなく、発生ガスを通過させないこと、すなわちガスの遮断性を有することが求められる。この観点でも多孔構造の制御が重要となる。
--Porous membrane--
The porous membrane has a plurality of fine through holes and has a structure that allows the electrolyte to permeate through the diaphragm 4 . Since ion conduction occurs when the electrolyte permeates into the porous membrane, control of the porous structure such as pore size, porosity, and hydrophilicity is extremely important. On the other hand, it is required that not only the electrolyte but also the generated gas pass through, that is, it must have gas barrier properties. Control of the pore structure is also important from this point of view.
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。
Porous membranes have a plurality of fine through-holes, and include porous polymer membranes, porous inorganic membranes, woven fabrics, non-woven fabrics, and the like. These can be produced using known techniques.
Examples of methods for producing porous polymer membranes include a phase inversion method (microphase separation method), an extraction method, a stretching method, a wet gel stretching method, and the like.
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。 The porous membrane preferably contains a polymer material and hydrophilic inorganic particles, and the presence of the hydrophilic inorganic particles can impart hydrophilicity to the porous membrane.
---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。
---Polymer materials---
Examples of polymeric materials include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyvinylidene fluoride, polycarbonate, tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene/ethylene copolymer, and polyvinylidene fluoride. , polytetrafluoroethylene, perfluorosulfonic acid, perfluorocarboxylic acid, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyparaphenylenebenzobisoxazole, polyketone, polyimide, polyetherimide, and the like. Among these, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, and polytetrafluoroethylene are preferable, and polysulfone is more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
多孔膜は、分離能、強度等適切な膜物性を得る為に、孔径を制御することが好ましい。また、アルカリ水電解に用いる場合、陽極2aから発生する酸素ガス及び陰極2cから発生する水素ガスの混合を防止し、かつ電解における電圧損失を低減する観点から、多孔膜の孔径を制御することが好ましい。
多孔膜の平均孔径が大きいほど、単位面積あたりの多孔膜透過量は大きくなり、特に、電解においては多孔膜のイオン透過性が良好となり、電圧損失を低減しやすくなる傾向にある。また、多孔膜の平均孔径が大きいほど、アルカリ水との接触表面積が小さくなるので、ポリマーの劣化が抑制される傾向にある。
一方、多孔膜の平均孔径が小さいほど、多孔膜の分離精度が高くなり、電解においては多孔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。更に、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を多孔膜に担持した場合、欠落せずしっかりと保持することができる。これにより、親水性無機粒子が持つ高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。
The pore diameter of the porous membrane is preferably controlled in order to obtain appropriate membrane properties such as separation ability and strength. Furthermore, when used in alkaline water electrolysis, the pore diameter of the porous membrane may be controlled in order to prevent mixing of oxygen gas generated from the
The larger the average pore diameter of the porous membrane, the larger the amount of permeation through the porous membrane per unit area. Particularly in electrolysis, the ion permeability of the porous membrane becomes better, and voltage loss tends to be reduced more easily. Furthermore, the larger the average pore diameter of the porous membrane, the smaller the surface area of contact with alkaline water, which tends to suppress the deterioration of the polymer.
On the other hand, the smaller the average pore diameter of the porous membrane, the higher the separation accuracy of the porous membrane, and the better the gas barrier properties of the porous membrane tend to be in electrolysis. Furthermore, when hydrophilic inorganic particles with a small particle size, which will be described later, are supported on a porous membrane, they can be firmly held without falling off. Thereby, the high retention ability of the hydrophilic inorganic particles can be imparted, and the effect can be maintained over a long period of time.
かかる観点から、本実施形態の多孔膜においては、平均孔径は、0.1~1.0μmの範囲であることが好ましい。多孔膜は、孔径がこの範囲であれば、優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを両立することができる。また、多孔膜の孔径は実際に使用する温度域において制御されることが好ましい。従って、例えば90℃の環境下での電解用隔膜4として使用する場合は、90℃で上記の孔径の範囲を満足させることが好ましい。また、多孔膜は、アルカリ水電解用隔膜4として、より優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを発現できる範囲として、平均孔径が0.1~0.5μmであることがより好ましい。 From this point of view, in the porous membrane of this embodiment, the average pore diameter is preferably in the range of 0.1 to 1.0 μm. If the porous membrane has a pore diameter within this range, it can have both excellent gas barrier properties and high ion permeability. Further, it is preferable that the pore diameter of the porous membrane is controlled within the temperature range in which it is actually used. Therefore, for example, when used as a diaphragm 4 for electrolysis in an environment of 90°C, it is preferable that the above-mentioned pore diameter range be satisfied at 90°C. Further, the porous membrane preferably has an average pore diameter of 0.1 to 0.5 μm, which is a range in which the diaphragm 4 for alkaline water electrolysis can exhibit better gas barrier properties and high ion permeability.
多孔膜の平均孔径は、以下の方法で測定することができる。
多孔膜の平均孔径とは、完全性試験機(ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Sartocheck Junior BP-Plus」)を使用して以下の方法で測定した平均透水孔径をいう。まず、多孔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとする。このサンプルを任意の耐圧容器にセットして、容器内を純水で満たす。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から純水が透過してくる際の圧力及び透過流量の数値を記録する。平均透水孔径は、圧力が10kPaから30kPaの間の圧力と透水流量との勾配を使い、以下のハーゲンポアズイユの式から求めることができる。
平均透水孔径(m)={32ηLμ0/(εP)}0.5
ここで、ηは水の粘度(Pa・s)、Lは多孔膜の厚み(m)、μ0は見かけの流速であり、μ0(m/s)=流量(m3/s)/流路面積(m2)である。また、εは空隙率、Pは圧力(Pa)である。
The average pore diameter of a porous membrane can be measured by the following method.
The average pore diameter of the porous membrane refers to the average water permeation pore diameter measured by the following method using an integrity tester (Sartorius Stedim Japan, "Sartocheck Junior BP-Plus"). First, a porous membrane including the core material is cut into a predetermined size, and this is used as a sample. Set this sample in any pressure-resistant container and fill the container with pure water. Next, the pressure container is held in a constant temperature bath set at a predetermined temperature, and measurement is started after the inside of the pressure container reaches the predetermined temperature. When measurement begins, the upper surface of the sample is pressurized with nitrogen, and the pressure and permeation flow rate when pure water permeates from the lower surface of the sample are recorded. The average water permeation pore diameter can be determined from the following Hagen-Poiseuille equation using the gradient between the pressure and the permeation flow rate when the pressure is between 10 kPa and 30 kPa.
Average permeable pore diameter (m) = {32ηLμ 0 /(εP)} 0.5
Here, η is the viscosity of water (Pa・s), L is the thickness of the porous membrane (m), μ 0 is the apparent flow velocity, and μ 0 (m/s) = flow rate (m 3 /s)/flow It is the road area (m 2 ). Further, ε is the porosity, and P is the pressure (Pa).
アルカリ水電解用隔膜4は、ガス遮断性、親水性の維持、気泡の付着によるイオン透過性低下の防止、更には長時間安定した電解性能(低電圧損失等)が得られるといった観点から、多孔膜の気孔率を制御することが好ましい。
ガス遮断性や低電圧損失等を高いレベルで両立させるといった観点から、多孔膜の気孔率の下限は30%以上であることが好ましく、35%以上であることがより好ましく、40%以上であることが更に好ましい。また、気孔率の上限は70%以下であることが好ましく、65%以下であることがより好ましく、55%以下であることが更に好ましい。多孔膜の気孔率が上記上限値以下であれば、膜内をイオンが透過しやすく、膜の電圧損失を抑制できる。
The diaphragm 4 for alkaline water electrolysis is porous from the viewpoint of maintaining gas barrier properties, hydrophilicity, preventing reduction in ion permeability due to adhesion of air bubbles, and obtaining stable electrolytic performance (low voltage loss, etc.) over a long period of time. It is preferred to control the porosity of the membrane.
From the viewpoint of achieving both high levels of gas barrier properties and low voltage loss, the lower limit of the porosity of the porous membrane is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, and 40% or more. More preferably. Further, the upper limit of the porosity is preferably 70% or less, more preferably 65% or less, and even more preferably 55% or less. If the porosity of the porous membrane is below the above upper limit, ions can easily permeate through the membrane, and voltage loss in the membrane can be suppressed.
多孔膜の気孔率とは、アルキメデス法により求めた開気孔率をいい、以下の式により求めることができる。
気孔率P(%)=ρ/(1+ρ)×100
ここで、ρ=(W3-W1)/(W3-W2)であり、W1は多孔膜の乾燥質量(g)、W2は多孔膜の水中質量(g)、W3は多孔膜の飽水質量(g)である。
The porosity of a porous membrane refers to the open porosity determined by the Archimedes method, and can be determined by the following formula.
Porosity P (%) = ρ / (1 + ρ) × 100
Here, ρ=(W3-W1)/(W3-W2), W1 is the dry mass of the porous membrane (g), W2 is the mass of the porous membrane in water (g), and W3 is the saturated mass of the porous membrane ( g).
気孔率の測定方法としては、純水で洗浄した多孔膜を3cm×3cmの大きさで3枚に切出して、測定サンプルとする。まず、サンプルのW2及びW3を測定する。その後、多孔膜を50℃に設定された乾燥機で12時間以上静置して乾燥させて、W1を測定する。そして、W1、W2、W3の値から気孔率を求める。3枚のサンプルについて気孔率を求め、それらの算術平均値を気孔率Pとする。 As a method for measuring porosity, a porous membrane washed with pure water is cut into three pieces of 3 cm x 3 cm and used as measurement samples. First, W2 and W3 of the sample are measured. Thereafter, the porous membrane is left to dry for 12 hours or more in a dryer set at 50° C., and W1 is measured. Then, the porosity is determined from the values of W1, W2, and W3. The porosity is determined for the three samples, and the arithmetic mean value thereof is defined as the porosity P.
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、100~700μmであることが好ましく、より好ましくは100~600μm、更に好ましくは200~600μmである。
多孔膜の厚みが、上記下限値以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。また、上記上限値以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
また、隔膜の厚みが、100μm以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。600μm以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
多孔膜の厚みが、250μm以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、300μm以上であることがより好ましく、350μm以上であることが更に好ましく400μm以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、700μm以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、600μm以下であることがより好ましく、550μm以下であることが更に好ましく、500μm以下であることがより一層好ましい。
The thickness of the porous membrane is not particularly limited, but is preferably 100 to 700 μm, more preferably 100 to 600 μm, even more preferably 200 to 600 μm.
When the thickness of the porous membrane is equal to or greater than the above lower limit, it is less likely to be torn by puncture or the like, and short-circuits between the electrodes are less likely to occur. In addition, gas barrier properties are improved. Moreover, if it is below the above upper limit, voltage loss is unlikely to increase. Furthermore, the influence of variations in the thickness of the porous membrane is reduced.
Moreover, when the thickness of the diaphragm is 100 μm or more, it is difficult to tear due to puncture or the like, and short-circuit between the electrodes is difficult to occur. In addition, gas barrier properties are improved. If it is 600 μm or less, voltage loss is unlikely to increase. Furthermore, the influence of variations in the thickness of the porous membrane is reduced.
When the thickness of the porous membrane is 250 μm or more, even better gas barrier properties can be obtained, and the strength of the porous membrane against impact is further improved. From this viewpoint, the lower limit of the thickness of the porous membrane is more preferably 300 μm or more, still more preferably 350 μm or more, and even more preferably 400 μm or more. On the other hand, if the thickness of the porous membrane is 700 μm or less, ion permeability is less likely to be inhibited by the resistance of the electrolyte contained in the pores during operation, and even better ion permeability can be maintained. From this viewpoint, the upper limit of the thickness of the porous membrane is more preferably 600 μm or less, even more preferably 550 μm or less, and even more preferably 500 μm or less.
---親水性無機粒子---
多孔膜は、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために親水性無機粒子を含有していることが好ましい。親水性無機粒子は多孔膜の表面に付着していても良いし、一部が多孔膜を構成する高分子材料に埋没していても良い。また親水性無機粒子が多孔膜の空隙部に内包されると、多孔膜から脱離しにくくなり、多孔膜の性能を長時間維持できる。
--- Hydrophilic inorganic particles ---
The porous membrane preferably contains hydrophilic inorganic particles in order to exhibit high ion permeability and high gas barrier properties. The hydrophilic inorganic particles may be attached to the surface of the porous membrane, or may be partially embedded in the polymeric material constituting the porous membrane. Furthermore, when the hydrophilic inorganic particles are encapsulated in the voids of the porous membrane, they become difficult to detach from the porous membrane, and the performance of the porous membrane can be maintained for a long time.
親水性無機粒子としては、例えば、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物又は水酸化物;周期律表第IV族元素の酸化物;周期律表第IV族元素の窒化物、及び周期律表第IV族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の無機物が挙げられる。これらの中でも、化学的安定性の観点から、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物、周期律表第IV族元素の酸化物がより好ましく、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物が更に好ましく、酸化ジルコニウムがより更に好ましい。 Examples of the hydrophilic inorganic particles include oxides or hydroxides of zirconium, bismuth, and cerium; oxides of elements of group IV of the periodic table; nitrides of elements of group IV of the periodic table; and nitrides of elements of group IV of the periodic table. At least one inorganic substance selected from the group consisting of carbides of group elements can be mentioned. Among these, from the viewpoint of chemical stability, oxides of zirconium, bismuth, and cerium, and oxides of Group IV elements of the periodic table are more preferred, oxides of zirconium, bismuth, and cerium are even more preferred, and zirconium oxide is more preferred. Even more preferred.
親水性無機粒子の形態は、微粒子形状であることが好ましい。 The hydrophilic inorganic particles preferably have a fine particle shape.
--多孔性支持体--
隔膜4として多孔膜を用いる場合、多孔膜は多孔性支持体と共に用いてよい。好ましくは、多孔膜が多孔性支持体を内在した構造であり、より好ましくは、多孔性支持体の両面に多孔膜を積層した構造である。また、多孔性支持体の両面に対称に多孔膜を積層した構造であってもよい。
--Porous support--
When a porous membrane is used as the diaphragm 4, the porous membrane may be used together with a porous support. Preferably, the structure is such that the porous membrane includes a porous support, and more preferably, the structure is such that the porous membrane is laminated on both sides of the porous support. Alternatively, it may have a structure in which porous membranes are laminated symmetrically on both sides of a porous support.
多孔性支持体としては、例えば、メッシュ、多孔質膜、不織布、織布、不織布及びこの不織布に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。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。多孔性支持体のより好適な態様としては、例えば、ポリフェニレンサルファイドのモノフィラメントで構成されるメッシュ基材、又は不織布及び該不織布内に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。 Examples of the porous support include meshes, porous membranes, nonwoven fabrics, woven fabrics, composite fabrics containing nonwoven fabrics, and woven fabrics inherent in the nonwoven fabrics. These may be used alone or in combination of two or more. More preferable embodiments of the porous support include, for example, a mesh base material composed of monofilaments of polyphenylene sulfide, or a composite fabric containing a nonwoven fabric and a woven fabric inherent in the nonwoven fabric.
--イオン交換膜--
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。
--Ion exchange membrane--
Ion exchange membranes include cation exchange membranes that selectively allow cations to pass through, and anion exchange membranes that selectively allow anions to pass through, and either of these membranes can be used.
The material of the ion exchange membrane is not particularly limited, and known materials can be used. For example, fluorine-containing resins and modified resins such as polystyrene/divinylbenzene copolymers can be suitably used. In particular, fluorine-containing ion exchange membranes are preferred because they have excellent heat resistance, chemical resistance, and the like.
含フッ素系イオン交換膜としては、電解時に発生するイオンを選択的に透過する機能を有し、かつイオン交換基を有する含フッ素系重合体を含むもの等が挙げられる。ここでいうイオン交換基を有する含フッ素系重合体とは、イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体、を有する含フッ素系重合体をいう。例えば、フッ素化炭化水素の主鎖を有し、加水分解等によりイオン交換基に変換可能な官能基をペンダント側鎖として有し、かつ溶融加工が可能な重合体等が挙げられる。 Examples of the fluorine-containing ion-exchange membrane include those containing a fluorine-containing polymer that has the function of selectively permeating ions generated during electrolysis and has an ion exchange group. The fluorine-containing polymer having an ion-exchange group as used herein refers to a fluorine-containing polymer having an ion-exchange group or an ion-exchange group precursor that can become an ion-exchange group by hydrolysis. Examples include polymers that have a main chain of fluorinated hydrocarbon, have functional groups as pendant side chains that can be converted into ion exchange groups by hydrolysis, etc., and can be melt processed.
含フッ素系共重合体の分子量は、特に限定されないが、該前駆体を、ASTM:D1238に準拠して(測定条件:温度270℃、荷重2160g)測定されたメルトフローインデックス(MFI)の値で0.05~50(g/10分)であることが好ましく、0.1~30(g/10分)であることがより好ましい。 The molecular weight of the fluorine-containing copolymer is not particularly limited. It is preferably 0.05 to 50 (g/10 minutes), more preferably 0.1 to 30 (g/10 minutes).
イオン交換膜が有するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等のカチオン交換基、4級アンモニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。 Examples of the ion exchange groups that the ion exchange membrane has include cation exchange groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, and anion exchange groups such as quaternary ammonium groups.
イオン交換膜は、イオン交換基の当量質量EWを調整することによって、優れたイオン交換能と親水性を付与することができる。また、より小さなクラスター(イオン交換基が水分子を配位及び/又は吸着した微小部分)を数多く有するように制御でき、耐アルカリ性やイオン選択透過性を向上する傾向にある。
この当量質量EWは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量EWは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量EWは、親水性、膜の耐水性の観点から300以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から1300以下であることが好ましい。
The ion exchange membrane can be provided with excellent ion exchange ability and hydrophilicity by adjusting the equivalent mass EW of the ion exchange groups. Furthermore, it can be controlled to have many smaller clusters (tiny portions in which ion exchange groups coordinate and/or adsorb water molecules), which tends to improve alkali resistance and ion selective permselectivity.
This equivalent mass EW can be measured by replacing the ion exchange membrane with salt and back titrating the solution with an alkali or acid solution. The equivalent mass EW can be adjusted by the copolymerization ratio of monomers as raw materials, selection of monomer species, etc.
The equivalent mass EW of the ion exchange membrane is preferably 300 or more from the viewpoint of hydrophilicity and water resistance of the membrane, and preferably 1300 or less from the viewpoint of hydrophilicity and ion exchange ability.
イオン交換膜の厚みは特に制限されないが、イオン透過性や強度の観点から、5~300μmの範囲が好ましい。 The thickness of the ion exchange membrane is not particularly limited, but from the standpoint of ion permeability and strength, a thickness in the range of 5 to 300 μm is preferable.
イオン交換膜の表面の親水性を向上させる目的で、表面処理を施してもよい。具体的には、酸化ジルコニウム等の親水性無機粒子をコーティングする方法や、表面に微細な凹凸を付与する方法が挙げられる。 For the purpose of improving the hydrophilicity of the surface of the ion exchange membrane, surface treatment may be performed. Specifically, examples include a method of coating with hydrophilic inorganic particles such as zirconium oxide, and a method of providing fine irregularities on the surface.
イオン交換膜は、膜強度の観点から、補強材と共に用いることが好ましい。補強材としては、特に限定されず、一般的な不織布や織布、各種素材からなる多孔膜が挙げられる。この場合の多孔膜としては、特に限定されないが、延伸されて多孔化したPTFE系膜が好ましい。 From the viewpoint of membrane strength, it is preferable to use the ion exchange membrane together with a reinforcing material. The reinforcing material is not particularly limited, and examples include common nonwoven fabrics, woven fabrics, and porous membranes made of various materials. The porous membrane in this case is not particularly limited, but a PTFE membrane that has been stretched and made porous is preferred.
((ゼロギャップ構造))
ゼロギャップ型セルにおける複極式エレメント60では、極間距離を小さくする手段として、電極2と隔壁1との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極2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2が隔膜4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。
((Zero gap structure))
In the
-電極室-
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。
-Electrode chamber-
In the bipolar
本実施形態においては、複極式電解槽の入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11の配設態様は、それぞれ外部ヘッダー10O型及び内部ヘッダー10I型であるところ、陽極2a及び陰極2c自身が占める空間も電極室5の内部にある空間であるものとしてよい。また、特に、気液分離ボックスが設けられている場合、気液分離ボックスが占める空間も電極室5の内部にある空間であるものとしてよい。
In this embodiment, the inlet header 10 and
-整流板-
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、隔壁1に整流板6(陽極整流板6a、陰極整流板6c)が取り付けられ、整流板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、整流板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、整流板6に、電極2が設けられていてもよく、整流板6に、集電体2r、導電性弾性体2e、電極2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槽50では、陰極室5cにおいて、整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2の順に重ね合わせられた構造が採用され、陽極室5aにおいて、整流板6-電極2の順に重ね合わせられた構造が採用されている。
-rectifier-
In the bipolar
Here, the
In the above-mentioned bipolar
なお、前述の一例のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、陰極室5cにおいて上記「整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2」の構造が採用され、陽極室5aにおいて上記「整流板6-電極2」の構造が採用されているが、本発明ではこれに限定されることなく、陽極室5aにおいても「整流板6-集電体2r-導電性弾性体2e-電極2」構造が採用されてもよい。
In addition, in the bipolar
整流板6(陽極整流板6a、陰極整流板6c)には、陽極2a又は陰極2cを支える役割だけでなく、電流を隔壁1から陽極2a又は陰極2cへ伝える役割を備えることが好ましい。
It is preferable that the rectifying plate 6 (
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、整流板6の少なくとも一部が導電性を備えことが好ましく、整流板6全体が導電性を備えことが更に好ましい。かかる構成によれば、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制することができる。
In the bipolar
整流板6の材料としては、一般的に導電性の金属が用いられる。例えば、ニッケルメッキを施した軟鋼、ステンレススチール、ニッケル等が利用できる。
As a material for the
隣接する陽極整流板6a同士の間隔、又は隣接する陰極整流板6c同士の間隔は、電解圧力や陽極室5aと陰極室5cの圧力差等を勘案して決められる。
The interval between adjacent
整流板6(陽極整流板6a、陰極整流板6c)の長さは、隔壁1のサイズに応じて、適宜に定められてよい。
整流板6の高さは、隔壁1から各フランジ部までの距離、ガスケット7の厚さ、電極2(陽極2a、陰極2c)の厚さ、陽極2aと陰極2cとの間の距離等に応じて、適宜に定められてよい。
また、整流板6の厚みは、コストや製作性、強度等も考慮して、0.5~5mmとしてよく、1~2mmのものが用いやすいが、特に限定されない。
The length of the current plate 6 (anode
The height of the
Further, the thickness of the
-ガスケット-
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、隔壁1を縁取る外枠3同士の間に隔膜4を有するガスケット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。
-gasket-
In the bipolar
The
ガスケット7の一般的な構造としては、エレメントの枠体に接する面に合わせて、電極面をくり抜いた四角形状又は環状である。このようなガスケット2枚で隔膜4を挟み込む形でエレメント間に隔膜4をスタックさせることができる。更に、ガスケット7は、隔膜4を保持できるように、隔膜4を収容することが可能なスリット部を備え、収容された隔膜4がガスケット7両表面に露出することを可能にする開口部を備えることも好ましい。これにより、ガスケット7は、隔膜4の縁部をスリット部内に収容し、隔膜4の縁部の端面を覆う構造がとれる。したがって、隔膜4の端面から電解液やガスが漏れることをより確実に防止できる。
The general structure of the
ガスケット7の材質としては、特に制限されるものではなく、絶縁性を有する公知のゴム材料や樹脂材料等を選択することができる。
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。
The material of the
Specific examples of rubber materials and resin materials include natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), chloroprene rubber (CR), butadiene rubber (BR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), and silicone rubber (SR). ), ethylene-propylene rubber (EPT), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), fluororubber (FR), isobutylene-isoprene rubber (IIR), urethane rubber (UR), chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM), etc. Materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene/ethylene copolymer (ETFE), chlorotrifluoroethylene/ethylene copolymer (ECTFE), etc. Resin materials such as fluororesin materials, polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene, polyimide, and polyacetal can be used. Among these, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and fluororubber (FR) are particularly preferred from the viewpoint of elastic modulus and alkali resistance.
ガスケット7は、補強材が埋設されていてもよい。これにより、スタック時に枠体に挟まれて押圧されたときに、ガスケット7が潰れることを抑制でき、破損を防止し易くできる。
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。
The
Such reinforcing materials can be made of known metal materials, resin materials, carbon materials, etc. Specifically, metals such as nickel and stainless steel, resins such as nylon, polypropylene, PVDF, PTFE, and PPS, carbon particles and carbon Examples include carbon materials such as fibers.
ガスケット7のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室5や膜の寸法に合わせて設計すればよいが、幅が10~40mmにするのがよい。
この場合、ガスケット7がスリット部を備える場合、スリット部のサイズはスリットの内寸が膜のサイズより縦横で0.5~5mm大きくなるようにするのがよい。
The size of the
In this case, if the
ガスケット7の厚みは、特に制限されるものではなく、ガスケット7の材質や弾性率、セル面積に応じて設計される。好ましい厚みの範囲としては、1.0~10mmが好ましく、3.0~10mmがより好ましい。
また、ガスケット7がスリット部を備える場合、スリット部の開口幅としては、膜の厚みの0.5~1.0倍としてよい。
The thickness of the
Further, when the
ガスケット7の弾性率は、特に制限されるものではなく、電極2の材質やセル面積に応じて設計される。好ましい弾性率の範囲としては、100%変形時の引張応力で、0.20~20MPaの範囲がより好ましく、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、1.0~10MPaの範囲がより好ましい。
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を用いてよい。
The elastic modulus of the
Note that the tensile stress can be measured in accordance with JIS K6251. For example, Autograph AG manufactured by Shimadzu Corporation may be used.
特に、本実施形態では、ガスケット7の厚みが3.0~10mmであり、100%変形時の引張応力で1.0~10MPaであることが、電極たわみによるセル電圧の上昇を抑制する観点、また、シーリング特性やスタック時のセル強度の観点から、好ましい。
In particular, in this embodiment, the thickness of the
本実施形態においては、ガスケット7の表面を絶縁性の樹脂シート(例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂等)で覆うことが好ましい。このようにすることにより、複数のエレメント60間では相互に絶縁された状態となるので、通電工程(電解液の電気分解が行われる工程)でそれぞれのエレメント60に蓄積された電荷が、停止工程(電解液の電気分解が停止している工程)において他のエレメント60に影響することを抑制することができる。
In this embodiment, it is preferable to cover the surface of the
-ヘッダー-
アルカリ水電解用複極式電解槽50は、電解セル65毎に、陰極室5c、陽極室5aを有する。電解槽50で、電気分解反応を連続的に行うためには、各電解セル65の陰極室5cと陽極室5a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。
-header-
The bipolar
電解セル65は、複数の電解セル65に共通する入口ヘッダー10と呼ばれる電解液の供給配管と繋がっている。一般に、陽極用配液管は陽極入口ヘッダー10ai、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー10ciと呼ばれる。電解セル65はホース等を通じて各電極用配液管と繋がっている。
また、電解セル65は、複数の電解セル65に共通する出口ヘッダー11と呼ばれる電解液の集液配管と繋がっている。一般に、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー11ao、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー11coと呼ばれる。
The
Furthermore, the
入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11の材質は特に限定されないが、使用する電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうるものを採用する必要がある。ヘッダー10の材質に、鉄、ニッケル、コバルト、PTFE、ETFE,PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用しても良い。
The materials for the inlet header 10 and the
本実施形態において、電極室5の範囲は、隔壁1の外端に設けられる外枠3の詳細構造により、変動するところ、外枠3の詳細構造は、外枠3に取り付けられる入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11の配設態様により異なることがある。
In this embodiment, the range of the
アルカリ水電解用複極式電解槽50では、出口ヘッダー11が、複極式電解槽50と一体化された内部ヘッダーであり、陽極出口ヘッダー11Iao及び陰極出口ヘッダー11Icoが、隔壁1内及び/又は外枠3内の上部に設けられる。
図3~図5に示す例では、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の一部に、陽極出口ヘッダー11Iaoと陰極出口ヘッダー11Icoとを備えている。
In the bipolar
In the example shown in FIGS. 3 to 5, a part of the upper portion of the
また、アルカリ水電解用複極式電解槽50では、入口ヘッダー11が、複極式電解槽50と独立している外部ヘッダーであり、陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociとが、電解セル65の通電面に対し、垂直方向に、電解槽50と並走する形で、独立して設けられる。この陽極入口ヘッダー10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociと、各電解セル65が、ホースで接続される。
図3及び図4に示す例では、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入口ヘッダー10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10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociに接続されている。
Further, in the bipolar
In the example shown in FIGS. 3 and 4, a tubular member is installed in the through hole for the inlet header 10 provided in the lower part of the
-気液分離ボックス-
複極式電解槽50において、その内部に電解によって発生した気体と、電解液を分離する気液分離ボックスを有してもよい。気液分離ボックスの取付位置は、特に限定されないが、陽極室5aと陽極出口ヘッダー11Iaoとの間や、陰極室5cと陰極出口ヘッダー11Icoとの間に取付けられてもよい。
-Gas-liquid separation box-
The bipolar
気液分離ボックスの表面は、電解液の腐食性や、圧力や温度等の運転条件に十分耐えうる材質のコーティング材料で、被覆されていても良い。コーティング材料の材質は、電解槽内部での漏洩電流回路の電気抵抗を大きくする目的で、絶縁性のものを採用してもよい。コーティング材料の材質に、EPDM、PTFE、ETFE、PFA、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン等を採用してもよい。 The surface of the gas-liquid separation box may be coated with a coating material that is sufficiently resistant to the corrosivity of the electrolytic solution and operating conditions such as pressure and temperature. The coating material may be insulating for the purpose of increasing the electrical resistance of the leakage current circuit inside the electrolytic cell. EPDM, PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene, etc. may be used as the coating material.
(アルカリ水電解用電解装置)
図6に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70は、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽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、電解により消費した水を補給するための水補給器73とを有する。
(Electrolyzer for alkaline water electrolysis)
FIG. 6 shows an outline of the electrolyzer for alkaline water electrolysis of this embodiment.
The
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70によれば、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、リーク電流の発生を抑制されてガス純度の悪化が防止され、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能であるため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、長期にわたって高いエネルギー変換効率を維持することができる。
According to the
In other words, according to this embodiment, the occurrence of leakage current is suppressed to prevent deterioration of gas purity, and the electrolytic cell can be made thinner and operated under pressure, so that it can be operated under variable power sources such as renewable energy. High energy conversion efficiency can be maintained over a long period of time.
以下、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70の構成要素について説明する。
Hereinafter, the constituent elements of the
-送液ポンプ-
本実施形態において用いられる送液ポンプ71としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
-Feed pump-
The
-気液分離タンク-
本実施形態において用いられる気液分離タンク72は、電解液と水素ガスとを分離する水素分離タンク72hと、電解液と酸素ガスとを分離する酸素分離タンク72oとを含む。
水素分離タンク72hは陰極室5cに接続され、酸素分離タンク72oは陽極室5aに接続されて用いられる。
-Gas-liquid separation tank-
The gas-liquid separation tank 72 used in this embodiment includes a
The
アルカリ水電解システムの気液分離タンク72は、陽極室5a用に用いられる酸素分離タンク72oと、陰極室5cに用に用いられる水素分離タンク72hの二つが備えられる。
The gas-liquid separation tank 72 of the alkaline water electrolysis system includes an oxygen separation tank 72o used for the
陽極室5a用の気液分離タンク72は、陽極室5aで発生した酸素ガスと電解液を分離し、陰極室5c用の気液分離タンク72は、陰極室5cで発生した水素ガスと電解液を分離する。
The gas-liquid separation tank 72 for the
電解セル65から電解液と発生ガスが混合した状態で排出されたものを、気液分離タンク72に流入させる。気液分離が適切に行われなかった場合は、陰極室5cと陽極室5aの電解液が混合したときに、酸素ガス、水素ガスが混合されてしまい、ガスの純度が低下する。最悪の場合、爆鳴気を形成してしまう危険性がある。
A mixture of electrolytic solution and generated gas discharged from the
気液分離タンク72に流入したガスと電解液は、ガスはタンク上層の気相へ、電解液はタンク下層の液相に分かれる。気液分離タンク72内での電解液の線束と、発生したガス気泡の浮遊する速度と、気液分離タンク72内の滞留時間によって、気液分離の度合いが決まる。 The gas and electrolyte flowing into the gas-liquid separation tank 72 are separated into a gas phase in the upper layer of the tank and a liquid phase in the lower layer of the tank. The degree of gas-liquid separation is determined by the flux of the electrolyte in the gas-liquid separation tank 72, the floating speed of the generated gas bubbles, and the residence time in the gas-liquid separation tank 72.
ガスが分離された後の電解液は、タンク下方の流出口から流出し、電解セル65に再び流入することで循環経路を形成する。タンク上方の排出口から排出された酸素、及び水素ガスは、いずれもアルカリミストを含んだ状態であるため、排出口の下流に、ミストセパレーターや、クーラー等の、余剰ミストを液化し気液分離タンク72に戻すことが可能な装置を取り付けることが好ましい。
After the gas has been separated, the electrolytic solution flows out from the outlet at the bottom of the tank and flows into the
気液分離タンク72には、内部に貯留する電解液の液面高さを把握するために、液面計を備えることも可能である。 The gas-liquid separation tank 72 may be equipped with a liquid level gauge in order to ascertain the level of the electrolytic solution stored therein.
また、前記気液分離タンク72は、圧力解放弁を備えることが好ましい。これにより電解で発生するガスによる圧力の上昇を受けても、設計圧力を超えた場合、安全に圧力を下げることが可能となる。 Moreover, it is preferable that the gas-liquid separation tank 72 includes a pressure release valve. This makes it possible to safely lower the pressure if it exceeds the design pressure, even if the pressure increases due to the gas generated during electrolysis.
気液分離タンク72への流入口は、気液分離性を向上させる上で、電解液面よりも上面に位置することが好ましいが、これに限定されるものではない。
循環停止時の電解槽中の液面の低下を防ぐ目的で、気液分離タンク72内の電解液面を電解槽上面よりも高いことが好ましいが、これに限定されるものではない。
電解セル65と気液分離タンク72との間に遮断弁を付けることが好ましいが、これに限定されるものではない。
The inlet to the gas-liquid separation tank 72 is preferably located above the electrolyte level in order to improve gas-liquid separation, but is not limited thereto.
In order to prevent a drop in the liquid level in the electrolytic cell when circulation is stopped, it is preferable that the electrolytic liquid level in the gas-liquid separation tank 72 is higher than the top surface of the electrolytic cell, but the present invention is not limited thereto.
Although it is preferable to provide a shutoff valve between the
気液分離タンク72の材料には、ニッケル等の耐アルカリ性金属が用いられる。一方、鉄等の汎用金属をタンク筐体材料として用いる場合においては、タンク内部の電解液接触面に、フッ素系樹脂等で被覆処理を施したものを用いることもあるが、本発明における気液分離タンク72の素材を限定するものではない。 The material for the gas-liquid separation tank 72 is an alkali-resistant metal such as nickel. On the other hand, when a general-purpose metal such as iron is used as the tank housing material, the surface in contact with the electrolyte inside the tank may be coated with a fluorine-based resin, etc. The material of the separation tank 72 is not limited.
気液分離タンク72の容量は、設置容積を考慮すると、小さい方が好ましいが、容積が小さすぎると、陰極2cと陽極2aの圧力差が大きくなった場合や電解電流値に変動が生じた場合、タンク内の液面が変動するため、この変動分を考慮する必要がある。
また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
Considering the installation volume, the capacity of the gas-liquid separation tank 72 is preferably small, but if the capacity is too small, the pressure difference between the
Similarly, if the height of the tank is low, it is likely to be affected by the above-mentioned fluctuations, so it is preferable to increase the height of the tank.
-水補給器-
本実施形態において用いられる水補給器73としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に渡る運転を考慮した場合、イオン交換水、RO水、超純水等を使用することが好ましい。
-Water supply device-
The
As the water, general tap water may be used, but in consideration of long-term operation, it is preferable to use ion exchange water, RO water, ultrapure water, or the like.
-その他-
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70は、複極式電解槽50、気液分離タンク72、水補給器73以外にも、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を備えてよい。
-others-
In addition to the
また、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70は、更に、電力供給の停止時に、電力供給の停止を検知する検知器、及び、送液ポンプを自動停止する制御器を更に備えることが好ましい。検知器及び制御器を備えることで、再生可能エネルギーのように、変動が激しい電力源下でも、人為的な操作なしに、自己放電の影響を効率的に低減することが可能になる。
Moreover, it is preferable that the
(アルカリ水電解方法)
本実施形態のアルカリ水電解方法は、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70を用いて、実施することができる。
方法の好適な条件を以下に記載する。
(Alkaline water electrolysis method)
The alkaline water electrolysis method of this embodiment can be implemented using the
Preferred conditions for the method are described below.
本実施形態において用いられる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液等が挙げられる。
アルカリ塩の濃度としては、20~50質量%が好ましく、25~40質量%がより好ましい。
本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、25~40質量%のKOH水溶液が特に好ましい。
The electrolytic solution used in this embodiment may be an alkaline aqueous solution in which an alkali salt is dissolved, and examples thereof include a NaOH aqueous solution, a KOH aqueous solution, and the like.
The concentration of the alkali salt is preferably 20 to 50% by mass, more preferably 25 to 40% by mass.
In this embodiment, a 25 to 40 mass % KOH aqueous solution is particularly preferred from the viewpoints of ionic conductivity, kinematic viscosity, and freezing at low temperatures.
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65内にある電解液の温度が80~130℃であることが好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、ガスケット7、隔膜4等の電解装置70の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
電解液の温度は、85~125℃であることが更に好ましく、90~115℃であることが特に好ましい。
In the alkaline water electrolysis method of this embodiment, the temperature of the electrolytic solution in the
With the above temperature range, it is possible to effectively suppress deterioration of the members of the
The temperature of the electrolytic solution is more preferably 85 to 125°C, particularly preferably 90 to 115°C.
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65に与える電流密度としては、0.5~20kA/m2であることが好ましく、1~15kA/m2であることが更に好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の下限と上限を上記範囲にすることが好ましい。
In the alkaline water electrolysis method of this embodiment, the current density applied to the
In particular, when using a variable power source, it is preferable to set the lower and upper limits of the current density to the above ranges.
本実施形態のアルカリ水電解方法において、電解セル65内の圧力としては、0.1~10MPaであることが好ましく、0.3~5MPaであることがより好ましく、0.3~1.5MPaであることが更に好ましく、0.3~0.9MPaであることがより更に好ましく、0.5~0.7MPaであることが特に好ましい。
In the alkaline water electrolysis method of this embodiment, the pressure inside the
本実施形態では、前述のアルカリ水電解用電解装置70の構成要素を用いて、例えば、図6に示すような構成のアルカリ水電解用電解装置70を作製することができるが、これに限定されるものではない。
In this embodiment, for example, an
また、本実施形態では、アルカリ水電解用複極式電解槽への電力供給の停止時に、送液ポンプを停止することが好ましい。一つの循環経路から電解槽の陰極室と陽極室に電解液を分配する構成においては、送液ポンプを停止することで、電解液に溶存する水素と酸素の混合及び混合した水素と酸素の放出を防止することができる。これにより、運転停止中に装置内のガス純度が悪化することを抑制することが可能となる。 Moreover, in this embodiment, it is preferable to stop the liquid feeding pump when power supply to the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis is stopped. In a configuration in which the electrolyte is distributed from one circulation path to the cathode chamber and anode chamber of the electrolytic cell, stopping the liquid pump allows mixing of hydrogen and oxygen dissolved in the electrolyte and release of the mixed hydrogen and oxygen. can be prevented. This makes it possible to suppress deterioration of gas purity within the apparatus during shutdown.
以上、図面を参照して、本発明の実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法について例示説明したが、本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用電解装置、アルカリ水電解方法は、上記の例に限定されることはなく、上記実施形態には、適宜変更を加えることができる。 Above, the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, the electrolyzer for alkaline water electrolysis, and the alkaline water electrolysis method according to the embodiments of the present invention have been exemplified with reference to the drawings. The type electrolyzer, the electrolyzer for alkaline water electrolysis, and the alkaline water electrolysis method are not limited to the above examples, and changes can be made to the above embodiments as appropriate.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
実施例及び比較例で用いた測定方法及び評価方法について、以下に説明する。 The measurement methods and evaluation methods used in Examples and Comparative Examples will be explained below.
(入口ヘッダーの耐圧)
入口ヘッダーの耐圧は、入口ヘッダーを気密状態とした上で、液体又は気体により加圧し、破損、変形、封入した液体又は気体の漏れがないことを評価することで耐圧(MPa)を確認した。
(入口リーク電流及び出口リーク電流)
入口リーク電流及び出口リーク電流は、それぞれ、電解中又は電解槽電圧が残留している間にヘッダーの一部をクランプメーターで囲い、ヘッダーに流れる電流値(A)を測定することにより、得た。
構造上、クランプメーターによる測定が困難な場合は、ヘッダー内の参照極に対する電位を電解槽の積層方向(隔壁1に垂直な方向)に2点以上測定して求めたヘッダー内の電位差Vを、ヘッダー内の電解液の電気抵抗Rで除した値を、リーク電流値とした。
(Inlet header pressure resistance)
The pressure resistance (MPa) of the inlet header was confirmed by making the inlet header airtight, pressurizing it with liquid or gas, and evaluating that there was no damage, deformation, or leakage of the enclosed liquid or gas.
(Inlet leakage current and outlet leakage current)
The inlet leak current and outlet leak current were obtained by enclosing a part of the header with a clamp meter and measuring the current value (A) flowing through the header during electrolysis or while the electrolytic cell voltage remained. .
If it is difficult to measure with a clamp meter due to the structure, the potential difference V in the header is determined by measuring the potential with respect to the reference electrode in the header at two or more points in the stacking direction of the electrolytic cell (direction perpendicular to the partition wall 1). The value divided by the electrical resistance R of the electrolytic solution in the header was defined as the leakage current value.
(水素中酸素濃度O2/H2)
電解により生成した水素ガスの純度の指標である水素中酸素濃度O2/H2(体積ppm)を、生成した水素ガスの一部を採取し、ガルバニ式酸素センサー、ガスクロマトグラフ及び熱伝導度検出器(TCD)を組み合わせた装置を用いて測定した。
(Oxygen concentration in hydrogen O 2 /H 2 )
The oxygen concentration in hydrogen (O 2 /H 2 (ppm by volume), which is an indicator of the purity of hydrogen gas generated by electrolysis, is measured by collecting a portion of the generated hydrogen gas and using a galvanic oxygen sensor, gas chromatograph, and thermal conductivity detection. The measurement was carried out using a device combined with a device (TCD).
(酸素中水素濃度H2/O2)
電解により生成した酸素ガスの純度の指標である酸素中水素濃度H2/O2(体積ppm)を、生成した酸素ガスの一部を採取し、接触燃焼式センサーを用いて測定した。
(Hydrogen concentration in oxygen H 2 /O 2 )
A portion of the generated oxygen gas was sampled, and the hydrogen concentration in oxygen H 2 /O 2 (ppm by volume), which is an index of the purity of the oxygen gas generated by electrolysis, was measured using a catalytic combustion sensor.
[実施例1、2]
電解槽として、表1に示す個数の複極式エレメント60(11個のゼロギャップ型電解セル65、図2)が図1に示すように並べられた複極式電解槽50を用いた。陽極2aとしてはニッケル(触媒層コバルト)を用い、陰極2cとしてはニッケル(触媒層白金・パラジウム)を用いた。また、電解液は、水酸化カリウム水溶液とした。
ヘッダー、導管については、図3及び図4に示すように、電解槽50の筐体の外方に、電解液を配液するための陽極用配液管20Oai及び陰極用配液管20Ociを設けた。更に、これらの導管20から電極室5に電解液を通過させる入口ヘッダー10としてのホース(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci)を、外部から取り付けた。
ここで、図3及び図4に示すように、入口ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1の下方から外方に延びるように、配置した。また、図3及び図4に示すように、陽極用配液管20Oai及び陰極用配液管20Ociのいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
また、図3~図5に示すように、出口ヘッダー11(陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Ico)を、いずれもが複極式エレメント60の隔壁1の側方の2辺に対して平行に延びるように(隔壁1の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように)、配置した。
また、図3~図5に示すように、陽極用集液管20Iao及び陰極用集液管20Icoのいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
なお、入口ヘッダー10の材質はPFA、陽極用配液管20Oai、及び陰極用配液管20Oci、出口ヘッダー11、陽極用集液管20Iao、及び陰極用集液管20Icoの材質はニッケルとした。
[Example 1, 2]
As the electrolytic cell, a bipolar
Regarding the header and the conduit, as shown in FIGS. 3 and 4, an anode liquid distribution pipe 20Oai and a cathode liquid distribution pipe 20Oci are provided outside the case of the
Here, as shown in FIGS. 3 and 4, both of the inlet headers 10 (anode inlet header 10Oai, cathode inlet header 10Oci) extend outward from below the
Further, as shown in FIGS. 3 to 5, the outlet headers 11 (anode outlet header 11Iao, cathode outlet header 11Ico) are arranged parallel to the two lateral sides of the
Further, as shown in FIGS. 3 to 5, both the anode liquid collection tube 20Iao and the cathode liquid collection tube 20Ico were arranged so as to extend in a direction perpendicular to the
The material of the inlet header 10 was PFA, and the material of the anode liquid distribution pipe 20Oai, the cathode liquid distribution pipe 20Oci, the
陽極室5a及び陰極室5cの入口ホースから、陽極室5a及び陰極室5cに電解液が流入し、陽極室5a及び陰極室5cの陽極出口ヘッダー11Iao及び陰極出口ヘッダー11Icoから、電解液及び生成ガスが電解槽50外へ流出する構造とした。
陰極入口ヘッダー10Ociを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口ヘッダー11Icoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー10Oaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口ヘッダー11Iaoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、電解により酸素ガスが発生するため、陰極出口ヘッダー11Icoでは電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー11Iaoでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
Electrolyte flows into the
The electrolytic solution was flowed into the
In the
複極式エレメント60に取り付けた電極(陽極5a及び陰極5c)の面積S1、入口ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci)の流路の断面積S2i、出口ヘッダー11(陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Ico)の流路の断面積S2o、入口ヘッダー10の流路の長さL2i、出口ヘッダー11の流路の長さL2o、電解セル65の厚さdは、それぞれ表1に示す値に調整した。
The area S1 of the electrodes (
図6に示すように、送液ポンプにより、陽極室、酸素分離タンク(陽極用気液分離タンク)、陽極室の循環を、また、陰極室、水素分離タンク(陰極用気液分離タンク)、陰極室の循環を行った。
整流器から複極式電解槽に、各々の陰極及び陽極の面積S1に対して、6kA/m2となるように電流を流した。
測定結果を表1に示す。
As shown in Figure 6, the liquid pump circulates the anode chamber, the oxygen separation tank (gas-liquid separation tank for the anode), the anode chamber, and the cathode chamber, the hydrogen separation tank (gas-liquid separation tank for the cathode), The cathode chamber was circulated.
A current of 6 kA/m 2 was applied to the area S1 of each cathode and anode from the rectifier to the bipolar electrolytic cell.
The measurement results are shown in Table 1.
[比較例1、2]
入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11を、いずれも内部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
入口ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Iai、陰極入口ヘッダー10Ici)及び出口ヘッダー11(陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Ico)を、いずれもが複極式エレメント60の隔壁1の側方の2辺に対して平行に延びるように(隔壁1の上方の辺及び下方の辺に対して直交して延びるように)、配置した。
また、導管20(陽極用配液管20Iai、陰極用配液管20Ici、陽極用集液管20Iao、陰極用集液管20Ico)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
また、入口ヘッダー10と出口ヘッダー11とを、平面視で長方形の電極室5において電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設け、陽極室5a及び陰極室5cの陽極入口ヘッダー10Iai及び陰極入口ヘッダー10Iciから、陽極室5a及び陰極室5cに電解液が流入し、陽極室5a及び陰極室5cの陽極出口ヘッダー11Iao及び陰極出口ヘッダー11Icoから、電解液及び生成ガスが電解槽50外へ流出する構造とした。
陰極入口ヘッダー10Iciを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口ヘッダー11Icoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー10Iaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口ヘッダー11Iaoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、電解により酸素ガスが発生するため、陰極出口ヘッダー11Icoでは電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー11Iaoでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
[Comparative Examples 1 and 2]
A bipolar electrolytic cell and an electrolytic device for alkaline water electrolysis were produced in the same manner as in the example except that the inlet header 10 and the
The inlet header 10 (anode inlet header 10Iai, cathode inlet header 10Ici) and the outlet header 11 (anode outlet header 11Iao, cathode outlet header 11Ico) are connected to the two lateral sides of the
Further, all of the conduits 20 (anode liquid distribution pipe 20Iai, cathode liquid distribution pipe 20Ici, anode liquid collection pipe 20Iao, and cathode liquid collection pipe 20Ico) are arranged in a direction perpendicular to the
Further, the inlet header 10 and the
The electrolytic solution was flowed into the
In the
複極式エレメント60に取り付けた電極(陽極5a及び陰極5c)の面積S1、入口ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Iai、陰極入口ヘッダー10Ici)の流路の断面積S2i、出口ヘッダー11(陽極出口ヘッダー11Iao、陰極出口ヘッダー11Ico)の流路の断面積S2o、入口ヘッダー10の流路の長さL2i、出口ヘッダー11の流路の長さL2o、電解セル65の厚さdは、それぞれ表1に示す値に調整した。
測定結果を表1に示す。
The area S1 of the electrodes (
The measurement results are shown in Table 1.
[比較例3~5]
入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11を、いずれも外部ヘッダー型とした以外は、実施例と同様にしてアルカリ水電解用複極式電解槽及び電解装置を作製した。
複極式電解槽50の筐体の外方に、電解液を配液及び集液するための導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)を設けた。更に、この電解槽50では、これらの導管20から電極室5に電解液を通過させる入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11としてのホース(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci、陽極出口ヘッダー11Oao、陰極出口ヘッダー11Oco)を、外部から取り付けた。
ここで、入口ヘッダー10及び出口ヘッダー11(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci、陽極出口ヘッダー11Oao、陰極出口ヘッダー11Oco)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1の側方から外方に延びるように、配置した。また、導管20(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)のいずれもが、複極式エレメント60の隔壁1に垂直な方向に延びるように、配置した。
[Comparative Examples 3 to 5]
A bipolar electrolytic cell and an electrolytic device for alkaline water electrolysis were produced in the same manner as in the example except that the inlet header 10 and the
Here, both the inlet header 10 and the outlet header 11 (anode inlet header 10Oai, cathode inlet header 10Oci, anode outlet header 11Oao, cathode outlet header 11Oco) are directed outward from the side of the
また、入口ホースと出口ホースとを、平面視で長方形の電極室5において電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設け、陽極室5a及び陰極室5cの入口ホースから、陽極室5a及び陰極室5cに電解液が流入し、陽極室5a及び陰極室5cの出口ホースから、電解液及び生成ガスが電解槽50外へ流出する構造とした。
陰極入口ヘッダー10Ociを介して陰極室5cへ、陰極室5cから陰極出口ヘッダー11Ocoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。また、陽極入口ヘッダー10Oaiを介して陽極室5aへ、陽極室5aから陽極出口ヘッダー11Oaoを介して電解槽50外へ、電解液を流した。電解液は、鉛直方向に対して下方から上方へ流れ、電極面に沿って上昇した。
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、電解により酸素ガスが発生するため、陰極出口ヘッダー11Ocoでは電解液と水素ガスとの混相流となり、陽極出口ヘッダー11Oaoでは電解液と酸素ガスとの混相流となった。
Further, an inlet hose and an outlet hose are provided to face each other across the center of the
The electrolytic solution was flowed into the
In the
複極式エレメント60に取り付けた電極(陽極5a及び陰極5c)の面積S1、入口ヘッダー10(陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci)の流路の断面積S2i、出口ヘッダー11(陽極出口ヘッダー11Oao、陰極出口ヘッダー11Oco)の流路の断面積S2o、入口ヘッダー10の流路の長さL2i、出口ヘッダー11の流路の長さL2o、電解セル65の厚さdは、それぞれ表1に示す値に調整した。
測定結果を表1に示す。
Area S1 of the electrodes (
The measurement results are shown in Table 1.
実施例1及び2では、入口ヘッダーが外部ヘッダーであるため、比較例1及び2と比較して、入口ヘッダーのリーク電流を大幅に抑制することができ、ガス純度が改善された。
また、実施例1及び2では、出口ヘッダーが内部ヘッダーであるため、比較例3~5と比較して、入口ヘッダーの耐圧(電解装置の耐圧)が向上した。
In Examples 1 and 2, since the inlet header was an external header, compared to Comparative Examples 1 and 2, the leakage current of the inlet header could be significantly suppressed, and the gas purity was improved.
Furthermore, in Examples 1 and 2, since the outlet header was an internal header, the withstand voltage of the inlet header (withstand voltage of the electrolyzer) was improved compared to Comparative Examples 3 to 5.
本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解装置、及びアルカリ水電解方法によれば、リーク電流の発生を抑制し、ガス純度が良好で、電解セルの薄型化及び加圧運転が可能であるため、再生可能エネルギー等の変動電源下で運転する場合でも、幅広い出力範囲にわたる安定的な運転及び高効率的な電解が可能である。 According to the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, and the alkaline water electrolysis method of the present invention, the occurrence of leakage current is suppressed, the gas purity is good, and the electrolytic cell is thin. Since it is possible to operate under reduced pressure and pressure, stable operation over a wide output range and highly efficient electrolysis are possible even when operating under fluctuating power sources such as renewable energy.
1 隔壁
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 導電性弾性体
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
5ai 陽極電解液入口
5ao 陽極電解液出口
5ci 陰極電解液入口
5co 陰極電解液出口
6 整流板
6a 陽極整流板(陽極リブ)
6c 陰極整流板(陰極リブ)
7 ガスケット
10、11 ヘッダー
10O 外部ヘッダー
10Oai 陽極入口ヘッダー(陽極入口側ホース)
10Oao 陽極出口ヘッダー(陽極出口側ホース)
10Oci 陰極入口ヘッダー(陰極入口側ホース)
10Oco 陰極出口ヘッダー(陰極出口側ホース)
11I 内部ヘッダー
11Iai 陽極入口ヘッダー
11Iao 陽極出口ヘッダー
11Ici 陰極入口ヘッダー
11Ico 陰極出口ヘッダー
20 導管
20Oai、20Iai 陽極用配液管
20Oao、20Iao 陽極用集液管
20Oci、20Ici 陰極用配液管
20Oco、20Ico 陰極用集液管
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
72h 水素分離タンク
72o 酸素分離タンク
73 水補給器
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
D1 隔壁に沿う所与の方向(電解液通過方向)
S1 複極式エレメントの通電面の面積
S2i 入口ヘッダーの流路の断面積
S2o 出口ヘッダーの流路の断面積
L2i 入口ヘッダーの流路の長さ
L2o 出口ヘッダーの流路の長さ
Z ゼロギャップ構造
d 電解セルの厚さ
1
6c Cathode rectifier plate (cathode rib)
7
10Oao Anode outlet header (Anode outlet side hose)
10Oci cathode inlet header (cathode inlet side hose)
10Oco Cathode outlet header (Cathode outlet side hose)
11I Internal header 11Iai Anode inlet header 11Iao Anode outlet header 11Ici Cathode inlet header 11Ico
S1 Area of conductive surface of bipolar element S2i Cross-sectional area of inlet header flow path S2o Cross-sectional area of outlet header flow path L2i Length of inlet header flow path L2o Length of outlet header flow path Z Zero gap structure d Thickness of electrolytic cell
Claims (15)
前記陽極ターミナルエレメントと前記陰極ターミナルエレメントとの間に、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを隔離する隔壁と、前記隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントが隔膜を挟んで重ね合わせられ、
前記外枠の外方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する入口ヘッダーと、前記隔壁及び/又は外枠の内方に、前記隔壁と前記外枠と前記隔膜とにより画成される電極室に連通する出口ヘッダーと、を備えることを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。 Comprising an anode terminal element and a cathode terminal element,
A plurality of bipolar elements are provided between the anode terminal element and the cathode terminal element, each of which includes an anode, a cathode, a partition separating the anode and the cathode, and an outer frame that frames the partition. are superimposed across the
an inlet header that communicates with an electrode chamber defined by the partition wall, the outer frame, and the partition film on the outside of the outer frame; and an entrance header that communicates with the electrode chamber defined by the partition wall, the outer frame, and the partition film; and an outlet header communicating with an electrode chamber defined by the diaphragm and the diaphragm.
ここで、電解セルの厚さdは、隣接する2つの前記複極式エレメントの隔壁同士の間の隔壁に垂直な方向についての距離、隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陽極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離、又は隣接する前記複極式エレメントの隔壁と前記陰極ターミナルエレメントの隔壁との間の隔壁に垂直な方向についての距離を意味する。 The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrolytic cell has a thickness d of 5 to 100 mm.
Here, the thickness d of the electrolytic cell is defined as the distance between the partition walls of two adjacent bipolar elements in the direction perpendicular to the partition walls, and the distance between the partition walls of the adjacent bipolar elements and the anode terminal element. It means the distance between the partition wall in the direction perpendicular to the partition wall, or the distance between the partition wall of the adjacent bipolar element and the partition wall of the cathode terminal element in the direction perpendicular to the partition wall.
電解液を循環させるための送液ポンプと、
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と、
水を補給するための水補給器と
を含むことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解装置。 A bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to any one of claims 1 to 11,
A liquid pump for circulating the electrolyte,
a gas-liquid separation tank that separates the electrolyte from hydrogen and/or oxygen;
A bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis, comprising a water replenisher for replenishing water.
When power supply to the electrolyzer for alkaline water electrolysis according to claim 12 or 13 is stopped, the liquid level of the electrolytic solution is controlled to be lower than the communication port to the electrode chamber of the outlet header, Alkaline water electrolysis method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020065044A JP7454428B2 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020065044A JP7454428B2 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021161498A JP2021161498A (en) | 2021-10-11 |
JP7454428B2 true JP7454428B2 (en) | 2024-03-22 |
Family
ID=78002759
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020065044A Active JP7454428B2 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7454428B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW202334508A (en) * | 2021-12-10 | 2023-09-01 | 日商德山股份有限公司 | Electrolysis vessel for alkaline water electrolysis |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106148993A (en) | 2015-04-24 | 2016-11-23 | 王树岩 | A kind of multipole saline electrolyzer |
WO2018139616A1 (en) | 2017-01-26 | 2018-08-02 | 旭化成株式会社 | Electrolytic bath, electrolysis device, electrolysis method, and method for producing hydrogen |
WO2018174281A1 (en) | 2017-03-23 | 2018-09-27 | 旭化成株式会社 | Water electrolysis system, water electrolysis method and method for producing hydrogen |
WO2018182005A1 (en) | 2017-03-31 | 2018-10-04 | 旭化成株式会社 | Water electrolysis system, water electrolysis method, and method for producing hydrogen |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4139448A (en) * | 1978-01-03 | 1979-02-13 | Hooker Chemicals & Plastics Corp. | Separating web - electrolytic compartment frames assembly for electrolytic apparatuses |
US4263112A (en) * | 1980-06-20 | 1981-04-21 | Frosch Robert A | Cell and method for electrolysis of water and anode therefor |
-
2020
- 2020-03-31 JP JP2020065044A patent/JP7454428B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106148993A (en) | 2015-04-24 | 2016-11-23 | 王树岩 | A kind of multipole saline electrolyzer |
WO2018139616A1 (en) | 2017-01-26 | 2018-08-02 | 旭化成株式会社 | Electrolytic bath, electrolysis device, electrolysis method, and method for producing hydrogen |
WO2018174281A1 (en) | 2017-03-23 | 2018-09-27 | 旭化成株式会社 | Water electrolysis system, water electrolysis method and method for producing hydrogen |
WO2018182005A1 (en) | 2017-03-31 | 2018-10-04 | 旭化成株式会社 | Water electrolysis system, water electrolysis method, and method for producing hydrogen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021161498A (en) | 2021-10-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6948384B2 (en) | Water electrolysis system, water electrolysis method, hydrogen production method | |
JP6797940B2 (en) | Electrolytic cell, electrolyzer, electrolysis method, hydrogen production method | |
JPWO2018182005A1 (en) | Water electrolysis system, water electrolysis method, and hydrogen production method | |
JP7543001B2 (en) | Alkaline Water Electrolyzer | |
JP7454428B2 (en) | Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method | |
JP7308361B2 (en) | Electrolytic system and method of use | |
JP7542334B2 (en) | Internal manifold type bipolar water electrolysis element | |
JP7295704B2 (en) | Method of operating electrolyzer and electrolyzer | |
JP7269099B2 (en) | Method of operating electrolyzer and electrolyzer | |
JP7228692B2 (en) | How to operate the electrolyzer | |
JP7579086B2 (en) | Method for operating electrolysis device and electrolysis system | |
JP6858841B2 (en) | External header type multi-pole element, external header type multi-pole electrolytic cell, and hydrogen production method | |
WO2023106381A1 (en) | Internal manifold type bipolar electrolysis element, electrolytic cell, and method for producing hydrogen | |
JP2021172867A (en) | Water-electrolysis bipolar electrolytic cell | |
AU2020323283B2 (en) | Alkaline water electrolytic cell | |
JP2022036814A (en) | Operational method of electrolytic apparatus, and electrolytic system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221201 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231107 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231227 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240305 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240311 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7454428 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |