JPWO2020260370A5

JPWO2020260370A5 -

Info

Publication number: JPWO2020260370A5
Application number: JP2021576861A
Authority: JP
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2040-06-24

Description

ＡＥＭ電解装置とＰＥＭ電解装置とは、水素を生成するために、一方のハーフセルからもう一方のハーフセルへのイオン移動に依存する。ＡＥＭシステムは水酸化物イオンＯＨ^－の動きに依存するのに対して、ＰＥＭシステムは水素イオンＨ^＋の動きに依存する。 AEM and PEM electrolysers rely on ion transfer from one half-cell to the other half-cell to produce hydrogen. The AEM system relies on the movement of hydroxide ions OH ⁻ whereas the PEM system relies on the movement of hydrogen ions H ⁺ .

本発明によれば、含水液体からの水素と酸素との電解的製造のための装置が提供され、この装置は、アノード電極を含むアノードハーフセルと、カソード電極を含むカソードハーフセルと、２つのハーフセルの間に位置する陰イオン交換膜（ＡＥＭ）と、を備え、アノード電極と、カソード電極と、陰イオン交換膜とはＭＥＡを形成し、含水液体をアノードハーフセルとカソードハーフセルとの一方だけに供給する手段であって、少なくとも、他方の、実質的に乾式のハーフセルの電極は、アイオノマフリーおよび／またはバインダフリーである。 According to the present invention there is provided an apparatus for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from aqueous liquids, the apparatus comprising an anode half- cell comprising an anode electrode, a cathode half-cell comprising a cathode electrode and two half-cells . an anion exchange membrane (AEM) positioned therebetween, the anode electrode, the cathode electrode, and the anion exchange membrane forming an MEA for supplying aqueous liquid to only one of the anode half-cell and the cathode half-cell . Means, at least the electrodes of the other substantially dry half-cell are ionomer-free and/or binder-free.

本明細書では、「乾式」ハーフセルまたは実質的な乾式ハーフセルへの言及は、液体が直接導入されないハーフセルを指すものである。これは、添付の図面に明確に示されている。乾式カソードでは、浸透抗力により、乾式ハーフセルに一時的に水が存在する可能性があることが認められているが、生じる反応で示されるように、乾式ハーフセルに存在する水は、水素と水酸基イオンとに容易に分解される。水酸基イオンはアノードに戻り、同時に電気浸透抗力により溶媒和水をもたらす。 References herein to "dry" half-cells or substantially dry half-cells refer to half-cells in which no liquid is directly introduced. This is clearly shown in the accompanying drawings. It has been recognized that for dry cathodes, there may be a temporary presence of water in the dry half-cell due to osmotic drag, but as shown by the reaction that occurs, the water present in the dry half-cell is a mixture of hydrogen and hydroxyl ions. easily decomposed into The hydroxyl ions return to the anode, simultaneously bringing solvated water by electroosmotic drag.

乾式アノードを用いると、電気浸透抗力が乾式ハーフセル内の水酸基イオンを移動させて、酸素と水とを生成する可能性が認められている。生成された水は、浸透抗力によりカソードに戻る。いずれの場合にも、一時的な水の存在は、ハーフセルを乾燥させないために十分であるとは見なされない。 With a dry anode, it has been recognized that electro-osmotic drag can move hydroxyl ions within the dry half-cell to produce oxygen and water. The produced water returns to the cathode due to osmotic drag. In either case, the temporary presence of water is not considered sufficient to keep the half-cell from drying out.

好ましくは、含水液体は、カソードが乾燥しており、また生成した水素が実質的に乾燥し且つ電解質を含まないように、アノードに供給される。あるいは、含水液体は、アノードが乾燥しており、また生成した酸素が実質的に乾燥し且つアノードハーフセル電解質を含まないように、セルのカソード側に供給されてもよいと考えられる。 Preferably, the hydrous liquid is supplied to the anode such that the cathode is dry and the hydrogen produced is substantially dry and free of electrolyte. Alternatively, a hydrous liquid could be supplied to the cathode side of the cell such that the anode is dry and the oxygen produced is substantially dry and free of anode half- cell electrolyte.

アノード電極とカソード電極との両方は、触媒被覆膜（Catalyst Coated Membrane：ＣＣＭ）、触媒被覆基板（Catalyst Coated Substrate：ＣＣＳ）、または直接堆積（Direct Deposition：ＤＤ）など様々なプロセスにより製造され得ることが想定されるが、これらに限定されない。上記のいずれについても、少なくとも１つのアイオノマフリーおよび／またはバインダフリーハーフセルを有することが可能である。 Both the anode and cathode electrodes can be manufactured by various processes such as Catalyst Coated Membrane (CCM), Catalyst Coated Substrate (CCS), or Direct Deposition (DD). are assumed, but not limited to. Any of the above can have at least one ionomer-free and/or binder-free half-cell .

使用する任意の膜に必要な特性は、機械的強度と、熱安定性と、化学的安定性と、イオン伝導性と、生成した電子とガスの両方がハーフセル区画の間を通過するのを防止することとである。 The required properties of any membrane used are mechanical strength, thermal stability, chemical stability, ionic conductivity, and the prevention of both generated electrons and gases from passing between the half- cell compartments. to do.

図１Ａでは、電解装置セル１ａを見ることができ、当該セルは、アノードハーフセル３と、カソードハーフセル４と、ＭＥＡ１０と、を含む。アノードハーフセルに水溶液を導入する入口２が存在する。これはＫＯＨの希薄水溶液でもよいが、代替のアルカリ塩、または場合によりは純水を使用できることも想定される。セルに電力を供給する手段は、よく知られているので示されていない。これは、全ての実施形態に当てはまる。 In FIG. 1A, an electrolyser cell 1a can be seen, which cell comprises an anode half-cell 3, a cathode half-cell 4 and an MEA 10. In FIG. There is an inlet 2 for introducing an aqueous solution into the anode half-cell . This could be a dilute aqueous solution of KOH, but it is also envisioned that alternative alkaline salts or possibly pure water could be used. The means of powering the cells are not shown as they are well known. This applies to all embodiments.

ＭＥＡ１０は、アノード電極（またはアノード）７と、カソード電極（またはカソード）８と、陰イオン交換膜９と、を含む。本発明の本実施形態において、入口２は、アノードハーフセル３を含む区画にあるため、アイオノマフリーおよび／またはバインダフリーであるのはカソード８である。 The MEA 10 includes an anode electrode (or anode) 7 , a cathode electrode (or cathode) 8 and an anion exchange membrane 9 . In this embodiment of the invention, the inlet 2 is in the compartment containing the anode half-cell 3, so it is the cathode 8 that is ionomer-free and/or binder-free.

各ハーフセルにおける反応は、次のとおりである。
アノード：４ＯＨ^－ → ２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－＋Ｏ_２
カソード：４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ → ２Ｈ_２＋４ＯＨ^－ The reactions in each half-cell are as follows.
Anode: 4OH ⁻ → 2H ₂ O + 4e ⁻ + O ₂
Cathode: 4H ₂ O + 4e ^- → 2H ₂ + 4OH ^-

ここで図１Ｂを参照すると、図１Ｂの実施形態は、図１Ａの実施形態の大部分と類似していることが分かる。相違点は、入口２が、アノードハーフセル３ではなく、カソードハーフセル４を含む区画にあることである。各ハーフセルでの反応は、上記と同じである。水はカソード８で消費されるため、この実施形態は、アノード７からカソード８への水の移動により制限されないことが分かる。しかし、乾燥水素が生成されるのが一般的に好ましいのに対して、この動作モードでは湿った水素が生成される。そのため、水素を精製するために乾燥機（不図示）が使用される。このような段階は、通常、生成された水素の圧縮（不図示）の前に行われる。 Referring now to FIG. 1B, it can be seen that the embodiment of FIG. 1B is similar to most of the embodiment of FIG. 1A. The difference is that the inlet 2 is in the compartment containing the cathode half-cell 4 instead of the anode half-cell 3 . The reactions in each half-cell are the same as above. It can be seen that this embodiment is not limited by the migration of water from anode 7 to cathode 8 since water is consumed at cathode 8 . However, wet hydrogen is produced in this mode of operation, whereas it is generally preferred that dry hydrogen be produced. Therefore, a dryer (not shown) is used to purify the hydrogen. Such a step typically precedes compression (not shown) of the produced hydrogen.

本発明は、ＡＥＭ以外の特定の膜に限定されることを意図するものではない。一方のハーフセルから他方のハーフセルへのイオンの輸送を可能にするものであれば、必要な特性を示す任意の膜を使用してもよい。 The present invention is not intended to be limited to any particular membrane other than AEM. Any membrane exhibiting the required properties may be used as long as it allows the transport of ions from one half -cell to the other.