TW202407153A - 電解胞元及電解裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的電解胞元，具備：第1分隔件；第2分隔件；離子交換膜，配置於第1分隔件與第2分隔件之間，是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜；陰極，配置於第1分隔件與離子交換膜之間；以及陽極，配置於第2分隔件與離子交換膜之間。自離子交換膜、陰極以及陽極所重疊的第1方向看來，陽極的面積比陰極的面積更大。
Description
本發明是關於電解胞元及電解裝置。
日本專利特表2009-513820號公報揭示了一種用於高分子電解質膜(PEM，Polymer Electrolyte Membrane)型水電解的膜電極組件。這種膜電極組件在高壓差的情況下，為了提升壓力穩定性及氣密性，配置於離子傳導膜之正面側的第1氣體擴散層，具有比上述離子傳導膜更小的面積；而配置於離子傳導膜之背面側的第2氣體擴散層，具有比上述離子傳導膜相同的面積(半同層延伸設計)。
話說電解胞元使用時會劣化，陽極劣化比陰極劣化的速度快上許多，結果有時會造成電解胞元的性能降低。
本發明是為了解決上述課題而完成，目的是提供一種能夠謀求性能提升的電解胞元及電解裝置。
為了解決上述課題，有關本發明的電解胞元具備：第1分隔件；第2分隔件；離子交換膜，配置於前述第1分隔件與前述第2分隔件之間，是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜；陰極，配置於前述第1分隔件與前述離子交換膜之間；以及陽極，配置於前述第2分隔件與前述離子交換膜之間。自前述離子交換膜、前述陰極以及前述陽極所重疊的第1方向看來，前述陽極的面積比前述陰極的面積更大。
為了解決上述課題，有關本發明的電解裝置具備：電解胞元；電解液供給部，對前述電解胞元供給電解液；以及電源部，對前述電解胞元施加電壓。前述電解胞元具備：第1分隔件；第2分隔件；離子交換膜，配置於前述第1分隔件與前述第2分隔件之間，是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜；陰極，配置於前述第1分隔件與前述離子交換膜之間；以及陽極，配置於前述第2分隔件與前述離子交換膜之間。自前述離子交換膜、前述陰極以及前述陽極所重疊的第1方向看來，前述陽極的面積比前述陰極的面積更大。
若依據本發明的電解胞元及電解裝置，則可謀求性能提升。
以下參考圖式，說明本發明之實施方式的電解胞元及電解裝置。以下說明中，對具有相同或類似之功能的結構附加相同符號。本發明中所謂的「面對」，代表從某個方向來看，2個構件為重疊，也包含上述2個構件之間存在其他構件(例如其他層)的情況。
首先參考圖4，定義Z方向、X方向及Y方向。Z方向，是從後述之第1分隔件41朝向第2分隔件42的方向。X方向，是與Z方向交叉(例如正交)的方向，也是從後述之離子交換膜51之中央部C朝向離子交換膜51之一端部的方向。Y方向，是與Z方向及X方向交叉(例如正交)的方向，例如是圖4中的紙面深入方向。本發明中所謂的「面積」，代表從Z方向看來的面積(亦即在X方向及Y方向延展的面積)。再者，本發明中的「外型尺寸」，代表從Z方向看來的外型尺寸。亦即「面積」與「外型尺寸」有時具備實質相同的意義，可適當交換讀解。
(第1實施方式) ＜1.電解裝置的結構＞ 圖1，係表示第1實施方式之電解裝置1之整體結構的概略結構圖。電解裝置1，例如是將電解液中所包含的水加以電解，藉此產生氫氣的裝置。電解裝置1例如是陰離子交換膜(AEM:Anion Exchange Membrane)式的電解裝置。不過，電解裝置1並不限定於上述例子，也可以是將二氧化碳電解還原之裝置等等不同種類的電解裝置。
電解裝置1例如具備電解胞元堆10、電解液供給部20、電源部30。
(電解胞元堆) 電解胞元堆10是多個電解胞元11的集合體。例如，電解胞元堆10是由多個電解胞元11於一個方向排列而形成。各個電解胞元11包含陰極室Sa與陽極室Sb。關於電解胞元11會於之後詳細解釋。
(電解液供給部) 電解液供給部20，是對各個電解胞元11供給電解液的供給部。電解液，例如是純水或鹼性水溶液。電解液供給部20包含陰極側供給部20a與陽極部供給側20b。
陰極側供給部20a，是對各個電解胞元11之陰極室Sa供給電解液的供給部。陰極側供給部20a，例如包含氫氣液分離裝置21、第1泵22、氫回收部23、第1電解液供給部24以及配管線路L1、L2。
氫氣液分離裝置21會貯存電解液。氫氣液分離裝置21的供給口，是經由配管線路L1連接於電解胞元11的陰極室Sa。第1泵22設置在配管線路L1的途中，將貯存於氫氣液分離裝置21的電解液送往電解胞元11的陰極室Sa。
氫氣液分離裝置21的回送口，是經由配管線路L2連接於電解胞元11的陰極室Sa。電解胞元11所產生之含有氫的電解液，會從電解胞元11流入氫氣液分離裝置21。氫氣液分離裝置21具有氣液分離部，將電解液所含有的氫分離出來。被氫氣液分離裝置21從電解液中所分離出來的氫，會由氫回收部23所回收。從第1電解液供給部24，對氫氣液分離裝置21補充電解液。
另一方面，陽極側供給部20b，是對各個電解胞元11之陽極室Sb供給電解液的供給部。陽極側供給部20b，例如包含氧氣液分離裝置26、第2泵27、氧回收部28、第2電解液供給部29以及配管線路L3、L4。
氧氣液分離裝置26會貯存電解液。氧氣液分離裝置26的供給口，是經由配管線路L3連接於電解胞元11的陽極室Sb。第2泵27設置在配管線路L3的途中，將貯存於氧氣液分離裝置26的電解液送往電解胞元11的陽極室Sb。
氧氣液分離裝置26的回送口，是經由配管線路L4連接於電解胞元11的陽極室Sb。電解胞元11所產生之含有氧的電解液，會從電解胞元11流入氧氣液分離裝置26。氧氣液分離裝置26具有氣液分離部，將電解液所含有的氧分離出來。被氧氣液分離裝置26從電解液中所分離出來的氧，會由氧回收部28所回收。從第2電解液供給部29，對氧氣液分離裝置26補充電解液。
(電源部) 電源部30，是對電解胞元11施加電壓的直流電源裝置。電源部30，是對電解胞元11的陽極與陰極之間，施加電解液之電解所需的直流電壓。
＜2.電解胞元的結構＞ ＜2.1 電解胞元的基本構造＞ 其次，詳細說明電解胞元11。 圖2，係示意表示電解胞元11的剖面圖。電解胞元11例如包含第1分隔件41、第2分隔件42以及膜電極接合體43。
(第1分隔件) 第1分隔件41，是將電解胞元11之內部空間S中一邊的面加以規畫的構件。內部空間S，是包含後述之陰極室Sa與陽極室Sb的空間。第1分隔件41例如是矩形的板狀，以金屬構件形成。第1分隔件41，例如是自電源部30經由後述之第1集電體61(參考圖3)而被施加有負電壓。
第1分隔件41具有第1端部41e1(例如下端部)、與第1端部41e1位於相反側的第2端部41e2(例如上端部)。第1分隔件41的第1端部41e1，連接於上述的配管線路L1。第1分隔件41的第2端部41e2，連接於上述的配管線路L2。第1分隔件41具有第1內面41a，其面向後述的陰極室Sa。第1內面41a形成有第1流路FP1，其中流動有自配管線路L1所供給的電解液。第1流路FP1，例如是設置於第1內面41a的溝。流動於第1流路FP1的電解液，通過配管線路L2被排出至電解胞元11外部。另外，圖2所示的各個構造(例如流路構造等等)僅是舉例，並非限定本實施方式的內容。例如，流路構造可以因應裝置的大小、目的、使用環境而使用各種構造。這點對其他圖式所表示的構造也是相同。
(第2分隔件) 第2分隔件42，是在與第1分隔件41的至少一部份之間隔著內部空間S來配置，將內部空間S中另一邊的面加以規畫的構件。第2分隔件42例如是矩形的板狀，以金屬構件形成。第2分隔件42，例如是自電源部30經由後述之第2集電體62(參考圖3)而被施加有正電壓。同一個電解胞元11所包含的第1分隔件41與第2分隔件42，是作為一對分隔件來形成該電解胞元11的電解槽40。
第2分隔件42具有第1端部42e1(例如下端部)、與第1端部42e1位於相反側的第2端部42e2(例如上端部)。第2分隔件42的第1端部42e1，連接於上述的配管線路L3。第2分隔件42的第2端部42e2，連接於上述的配管線路L4。第2分隔件42具有第2內面42a，其面向後述的陽極室Sb。第2內面42a形成有第2流路FP2，其中流動有自配管線路L3所供給的電解液。第2流路FP2，例如是設置於第2內面42a的溝。流動於第2流路FP2的電解液，通過配管線路L4被排出至電解胞元11外部。
另外，在此為了方便說明，而說明以下的結構：第1分隔件41之第1內面41a具有流路用的溝(第1流路FP1)，第2分隔件42之第2內面42a具有流路用的溝(第2流路FP2)。然而，例如電解胞元堆10(參考圖1)所包含之電解胞元11的第1分隔件41，除了第1內面41a之外，與第1內面41a相反側之面41b也可以具有相同之流路用的溝(第1流路FP1，圖2中以2點鏈線表示)，也就是雙極板。再者，電解胞元堆10所包含之電解胞元11的第2分隔件42，除了第2內面42a之外，與第2內面42a相反側之面42b也可以具有相同之流路用的溝(第2流路FP2，圖2中以2點鏈線表示)，也就是雙極板。另外，設置於第1分隔件41之兩面之流路用的溝，形狀與配置可以互不相同。再者，設置於第2分隔件42之兩面之流路用的溝，形狀與配置可以互不相同。
膜電極接合體(MEA:Membrane Electrode Assembly)43，是由離子交換膜、觸媒以及供電體所組裝而成的結構體。膜電極接合體43配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間並位於內部空間S中。膜電極接合體43，例如包含離子交換膜51、陰極觸媒層52、陰極供電體53、陽極觸媒層54以及陽極供電體55。
(離子交換膜) 離子交換膜51，是選擇性通過離子的膜。離子交換膜51，例如是固態高分子電解質膜。離子交換膜51，例如是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜(AEM)。不過，離子交換膜51並不限定於上述例子，也可以是與上述不同種類的離子交換膜。離子交換膜51，例如是矩形的薄片狀。離子交換膜51之外型尺寸，比第1分隔件41或第2分隔件42的外型尺寸要小。離子交換膜51，是配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間並位於上述的內部空間S中。離子交換膜51具有：第1面51a，與第1分隔件41的第1內面41a面對；以及第2面51b，與第1面51a位於相反側並面對第2分隔件42的第2內面42a。在內部空間S中，離子交換膜51的第1面51a與第1分隔件41的第1內面41a之間，規劃為陰極室Sa。在內部空間S中，離子交換膜51的第2面51b與第2分隔件42的第2內面42a之間，規劃為陽極室Sb。
在對電解胞元11施加電壓的情況下，陰極室Sa中會發生下述的化學反應，而從電解液產生氫。另外本發明所述之「產生XX」，也可包含隨著XX之產生而同時產生其他物質的情況。在陰極室Sa所產生之氫氧化物離子，會從陰極室Sa通過膜電極接合體43而移動至陽極室Sb。
在對電解胞元11施加電壓的情況下，陽極室Sb中會發生下述的化學反應，而從電解液產生氧。
藉此，從整個電解胞元11看來，會產生下述的化學反應。
(陰極觸媒層) 陰極觸媒層52，是促進上述之陰極室Sa中之化學反應的層。陰極觸媒層52，例如是矩形的薄片狀。在本實施方式中，陰極觸媒層52之外型尺寸，比離子交換膜51的外型尺寸要小。陰極觸媒層52配置於陰極室Sa中，與離子交換膜51相鄰。另外，本發明中所謂的「相鄰」，不限定為2個構件獨立相鄰的情況，也包含2個構件之其中一個構件之至少一部份進入另一個構件的情況。例如，陰極觸媒層52的一部份，可以進入離子交換膜51的表面部。在本實施方式中，陰極觸媒層52是設置於離子交換膜51的第1面51a。陰極觸媒層52，例如是在離子交換膜51之第1面51a塗佈該陰極觸媒層52的材料，而藉此形成。陰極觸媒層52發揮電解胞元11之陰極47之一部份的功能，自電源部30經由第1分隔件41及陰極供電體53而被施加有負電壓。
至於陰極觸媒層52的材質，只要是能促進上述之陰極室Sa中之化學反應的的材質，則可利用各種材質。例如陰極觸媒層52可包含鎳、鎳合金、鈰氧化物、鑭氧化物或者鉑的其中1種以上。另外本發明中的「XX氧化物」，可包含XX及氧之外的其他材料。再者，陰極觸媒層52除了上述材料之外，亦可含有碳等其他材料。「XX」是任意的材料。
(陰極供電體) 陰極供電體53是電氣連接部，將被施加於第1分隔件41的電壓傳導至陰極觸媒層52。陰極供電體53配置於陰極室Sa中。陰極供電體53，是位於第1分隔件41的第1內面41a與陰極觸媒層52之間，分別接觸第1分隔件41的第1內面41a與陰極觸媒層52。另外，陰極供電體53的至少一部份，可與第1分隔件41或陰極觸媒層52之至少一者的至少一部份重疊。陰極供電體53具有可以使電解液和氣體通過其內部的構造。陰極供電體53，例如是以金屬製網狀構造體、燒結體或纖維等等所形成。在本實施方式中，陰極供電體53之外型尺寸，與陰極觸媒層52的外型尺寸相同。在本實施方式中，藉由陰極觸媒層52與陰極供電體53，形成電解胞元11的陰極47。
(陽極觸媒層) 陽極觸媒層54，是促進上述之陽極室Sb中之化學反應的層。陽極觸媒層54，例如是矩形的薄片狀。在本實施方式中，陽極觸媒層54之外型尺寸，比離子交換膜51的外型尺寸要小。陽極觸媒層54配置於陽極室Sb中，與離子交換膜51相鄰。另外，例如陽極觸媒層54的一部份，可以進入離子交換膜51的表面部。在本實施方式中，陽極觸媒層54是設置於離子交換膜51的第2面51b。陽極觸媒層54，例如是在離子交換膜51之第2面51b塗佈該陽極觸媒層54的材料，而藉此形成。陽極觸媒層54發揮電解胞元11之陽極48之一部份的功能，自電源部30經由第2分隔件42及陽極供電體55而被施加有正電壓。
至於陽極觸媒層54的材質，只要是能促進上述之陽極室Sb中之化學反應的的材質，則可利用各種材質。例如，陽極觸媒層54可包含鎳、鎳合金、鎳氧化物、銅氧化物、銥氧化物、鈮氧化物、鉛氧化物或者鉍氧化物的其中1種以上。如上所述，本發明中的「XX氧化物」，可包含XX及氧之外的其他材料。例如「鎳氧化物」除了鎳及氧之外，亦可包含鐵或鈷等其他材料。再者，「銅氧化物」除了銅及氧之外，亦可包含鈷等其他材料。「銥氧化物」除了銥及氧之外，亦可包含釕等其他材料。「鉛氧化物」除了鉛及氧之外，亦可包含釕等其他材料。「鉍氧化物」除了鉍及氧之外，亦可包含釕等其他材料。
(陽極供電體) 陽極供電體55是電氣連接部，將被施加於第2分隔件42的電壓傳導至陽極觸媒層54。陽極供電體55配置於陽極室Sb中。陽極供電體55，是位於第2分隔件42的第2內面42a與陽極觸媒層54之間，分別接觸第2分隔件42的第2內面42a與陽極觸媒層54。另外，陽極供電體55的至少一部份，可與第2分隔件42或陽極觸媒層54之至少一者的至少一部份重疊。陽極供電體55具有可以使電解液和氣體通過其內部的構造。陽極供電體55，例如是以金屬製網狀構造體、燒結體或纖維等等所形成。在本實施方式中，陽極供電體55之外型尺寸，與陽極觸媒層54的外型尺寸相同。在本實施方式中，藉由陽極觸媒層54與陽極供電體55，形成電解胞元11的陽極48。
圖3，係表示電解胞元11的分解立體圖。電解胞元11除了上述結構之外，例如包含第1集電體61、第2集電體62、第1絕緣體63、第2絕緣體64、第1絕緣材65、第2絕緣材66、第1終端板67及第2終端板68。另外在圖3中為了方便說明，省略後述之支撐部70及封閉部80的圖示。
(第1集電體) 第1集電體61是電氣連接部，將自電源部30所施加的負電壓傳導至第1分隔件41。第1集電體61是金屬製的板構件(例如銅板)。第1集電體61，例如是從與電解胞元11之內部空間S相反的側邊來接觸第1分隔件41，並電性連接第1分隔件41。第1集電體61，自電源部30被施加有電解胞元11進行電解所需要的負電壓。另外，第1集電體61可以由電解胞元堆10中2個彼此相鄰的電解胞元11來共用。
(第2集電體) 第2集電體62是電氣連接部，將自電源部30所施加的正電壓傳導至第2分隔件42。第2集電體62是金屬製的板構件(例如銅板)。第2集電體62，例如是從與電解胞元11之內部空間S相反的側邊來接觸第2分隔件42，並電性連接第2分隔件42。第2集電體62，自電源部30被施加有電解胞元11進行電解所需要的正電壓。另外，第2集電體62可以由電解胞元堆10中2個彼此相鄰的電解胞元11來共用。
(第1絕緣體) 第1絕緣體63，是將第1分隔件41之外周部與第2分隔件42之外周部之間加以絕緣的構件。第1絕緣體63是框狀的薄片構件，比陰極觸媒層52之外型及陰極供電體53之外型還要大上一圈。第1絕緣體63設置於第1分隔件41的第1內面41a，覆蓋第1內面41a的端部。第1絕緣體63的材質，只要是絕緣材料就沒有特別限定，例如是聚四氟乙烯(PTFE，polytetrafluoroethylene)等薄片狀樹脂。
(第2絕緣體) 第2絕緣體64，與第1絕緣體63相同，是將第1分隔件41之外周部與第2分隔件42之外周部之間加以絕緣的構件。第2絕緣體64是框狀的薄片構件，比陽極觸媒層54之外型及陽極供電體55之外型還要大上一圈。第2絕緣體64設置於第2分隔件42的第2內面42a，覆蓋第2內面42a的端部。第2絕緣體64的材質，只要是絕緣材料就沒有特別限定，例如是PTFE等薄片狀樹脂。再者，第1絕緣體63與第2絕緣體64，亦可使用一體化的絕緣體。
(第1絕緣材) 第1絕緣材65，位於第1集電體61與第1終端板67之間。第1絕緣材65之外型尺寸，例如與第1集電體61之外型尺寸相同，或者比第1集電體61的外型尺寸要大。
(第2絕緣材) 第2絕緣材66，位於第2集電體62與第2終端板68之間。第2絕緣材66之外型尺寸，例如與第2集電體62之外型尺寸相同，或者比第2集電體62的外型尺寸要大。
(第1終端板) 第1終端板67，對電解胞元11的內部空間S來說，是與第1絕緣材65位於相反側。第1終端板67之外型尺寸，例如比第1絕緣材65的外型尺寸要大。
(第2終端板) 第2終端板68，對電解胞元11的內部空間S來說，是與第2絕緣材66位於相反側。第2終端板68之外型尺寸，例如比第2絕緣材66的外型尺寸要大。
另外，電解胞元11不限定為上述的結構。例如，當電解胞元堆10中有多個電解胞元11排列配置的情況下，多個電解胞元11中相鄰的2個電解胞元11，亦可分別共用第1分隔件41或第2分隔件42(也就是雙極板)。在此情況下，相鄰的2個電解胞元11之間，也可以不存在集電體(第1集電體61或第2集電體62)、絕緣體(第1絕緣體63或第2絕緣體64)、絕緣材(第1絕緣材65或第2絕緣材66)、終端板(第1終端板67或第2終端板68)。
＜2.2 電解胞元之外周部的結構＞ 圖4，係表示電解胞元11的剖面圖。在本實施方式中，陰離子交換膜51的外型尺寸，分別比陰極觸媒層52之外型尺寸及陰極供電體53的外型尺寸都要大。換句話說，離子交換膜51的面積，分別比陰極觸媒層52的面積及陰極供電體53的面積都要大。離子交換膜51，在與膜電極接合體43之厚度方向(Z方向)正交的方向(例如X方向或Y方向)上，比陰極觸媒層52及陰極供電體53都更往外側(外周側)突出。本發明中所謂的「外側」或「外周側」，代表在與膜電極接合體43之厚度方向(Z方向)正交的方向(例如X方向或Y方向)上，自離子交換膜51之中央部C遠離的側邊。
同樣地，陰離子交換膜51的外型尺寸，分別比陽極觸媒層54之外型尺寸及陽極供電體55的外型尺寸都要大。換句話說，從膜電極接合體43之厚度方向(Z方向)看來，離子交換膜51的面積，分別比陽極觸媒層54的面積及陽極供電體55的面積都要大。離子交換膜51，在與膜電極接合體43之厚度方向(Z方向)正交的方向(例如X方向或Y方向)上，比陽極觸媒層54及陽極供電體55都更往外周側突出。
如圖4所示，電解胞元11例如具有支撐部70與封閉部80。支撐部70，是在電解胞元11內部支撐膜電極接合體43的構件。封閉部80，是將第1分隔件41與第2分隔件42之間的內部空間S加以關閉的構件。以下說明此等構件。
(支撐部) 支撐部70，是配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間。支撐部70位於比離子交換膜51之外緣部51e更為內側(內周側)，來支撐離子交換膜51。本發明中所謂的「外緣部」，代表在與膜電極接合體43之厚度方向(Z方向)正交的方向(例如X方向或Y方向)上，自離子交換膜51之中央部C遠離的緣部。再者，本發明中所謂的「內側」或「內周側」，是從離子交換膜51之中央部C看來的內側(靠近中央部C的側邊)。本實施方式中，支撐部70例如包含第1支撐部71、第2支撐部72。
(第1支撐部) 第1支撐部71，是陰極側的支撐部。第1支撐部71，配置於第1分隔件41的第1內面41a與離子交換膜51的第1面51a之間。第1支撐部71，位於比離子交換膜51之外緣部51e更為內側(內周側)。第1支撐部71，在比陰極觸媒層52及陰極供電體53更為外側(外周側)的位置，被夾在第1分隔件41的第1內面41a(或者第1絕緣體63)與離子交換膜51的第1面51a之間，對第1分隔件41的第1內面41a支撐離子交換膜51。第1支撐部71，是沿著離子交換膜51之外緣部51e形成為環狀(例如框狀)，也就是比離子交換膜51之外緣部51e小一圈的環狀。
(第2支撐部) 第2支撐部72，是陽極側的支撐部。第2支撐部72，配置於第2分隔件42的第2內面42a與離子交換膜51的第2面51b之間。第2支撐部72，位於比離子交換膜51之外緣部51e更為內側(內周側)。第2支撐部72，在比陽極觸媒層54及陽極供電體55更為外側(外周側)的位置，被夾在第2分隔件42的第2內面42a與離子交換膜51的第2面51b之間，對第2分隔件42的第2內面42a支撐離子交換膜51。第2支撐部72，是沿著離子交換膜51之外緣部51e形成為環狀(例如框狀)，也就是比離子交換膜51之外緣部52e小一圈的環狀。
(封閉部) 封閉部80，是配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間。封閉部80，位於比離子交換膜51之外緣部51e更為外側(外周側)，將電解胞元11的內部空間S加以封閉。本實施方式中，封閉部80例如包含第1封閉部81、第2封閉部82。不過，第1封閉部81與第2封閉部82亦可形成為一體。也就是說，第1封閉部81與第2封閉部82可以是1個構件。再者，封閉部80可以與上述之第1絕緣體63或第2絕緣體64中的至少一者形成為一體。
(第1封閉部) 第1封閉部81，是陰極側的封閉部。第1封閉部81，位於比離子交換膜51之外緣部51e更為外側(外周側)。第1封閉部81，是夾在第1分隔件41的第1內面41a與第2封閉部82之間，將內部空間S之外周側的一部份加以封閉。第1封閉部81，是沿著離子交換膜51之外緣部51e形成為環狀(例如框狀)，也就是比離子交換膜51之外緣部51e大一圈的環狀。
(第2封閉部) 第2封閉部82，是陽極側的封閉部。第2封閉部82，位於比離子交換膜51之外緣部51e更為外側。第2封閉部82，是夾在第2分隔件42的第2內面42a與第1封閉部81之間，將內部空間S之外周側的一部份加以封閉。第2封閉部82，是沿著離子交換膜51之外緣部51e形成為環狀(例如框狀)，也就是比離子交換膜51之外緣部51e大一圈的環狀。
＜3. 陰極及陽極的面積比例＞ 其次，說明陰極及陽極的面積比例。本實施方式中，陽極48的面積大於陰極47的面積。例如，陽極觸媒層54的面積大於陰極觸媒層52的面積。陽極供電體55的面積，也大於陰極供電體53的面積。
本實施方式中，陽極48對於陰極47的面積比例，是比1.0大而在2.0以下。而且從別的觀點來看，本實施方式中，陽極48對於陰極47的面積比例，是設定為隨著劣化進行，陽極48之過電壓之增加率成為陰極47之過電壓之增加率的未滿2倍(以未滿1.5倍較佳)。以下詳細說明此等內容。
圖5，係用以說明電解胞元11之作用的圖。圖5是針對陽極面積與陰極面積相同之比較例的電解胞元，表示電流-電壓特性的實驗結果。圖5中的「週期(cycle)」，代表預先設定的規定期間。如圖5所示，可以發現在比較例的電解胞元中，隨著週期數的增加(亦即隨著使用期間的增長)，過電壓就會增加。
圖6，係用以說明電解胞元11之作用的其他圖。圖6是針對上述比較例，表示週期數與電極反應電阻之關係的實驗結果。如圖6所示，陽極48的反應電阻比起陰極47的反應電阻，絕對值更大。更且，隨著劣化進行之陽極48之反應電阻的增加率，比隨著劣化進行之陰極47之反應電阻的增加率更大。例如，陽極48之反應電阻的增加率，是陰極47之反應電阻的增加率的2倍以上。這是因為陽極48會發生氧化反應，所以陽極48的劣化比陰極47的劣化更嚴重。
因此本實施方式中，將陽極48的面積形成為比陰極47的面積更大。若藉由此結構，則可將陽極48的氧化反應分散至陽極48的廣大面積中。藉此，與上述比較例相比，可大幅抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象。若能夠抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象，則可抑制過電壓的增加，謀求電解胞元11A的性能提升及壽命提升。
從其他觀點看來，針對陰極觸媒層52及陽極觸媒層54，各個觸媒層的端部會產生潛洩電流，使觸媒層端部的電流密度容易增加。因此，像比較例那樣陰極觸媒層與陽極觸媒層之面積相同的情況下，電流密度變大的各個觸媒層之端部會互相面對，因此各個觸媒層的端部容易發生嚴重的局部劣化。
另一方面，在本實施方式中，陽極觸媒層54比陰極觸媒層52更大，因此電流密度變大的各個觸媒層之端部會互相錯開。結果，各個觸媒層之端部的劣化就不容易變嚴重。由此觀點看來也可抑制過電壓的增加，而可謀求電解胞元11的性能提升及壽命提升。
如圖6所示，關於比較例中週期數與電極反應電阻之關係的實驗結果，陽極48之反應電阻的增加率，是陰極47之反應電阻的增加率的2倍以上。而在本實施方式中，陽極48對陰極47的面積比例，是基於陽極48之反應電阻的增加率與陰極47之反應電阻的增加率來設定。也就是說，陽極48對陰極47的面積比例，是調整為使陽極48之反應電阻的增加率與陰極47之反應電阻的增加率，兩者差值在規定基準以下(例如未滿2倍，以未滿1.5倍較佳)。
本實施方式中，陽極觸媒層54之觸媒支撐量，是陰極觸媒層52之觸媒支撐量的1倍以上。另外，本發明中所謂的「觸媒支撐量」代表每單位面積的觸媒重量[mg/cm
2]。
(第2實施方式) 其次，說明第2實施方式。第2實施方式與第1實施方式不同的地方，是陽極觸媒層54的厚度比陰極觸媒層52的厚度更大。另外，除了以下說明的結構之外，與第1實施方式的結構相同。
圖7，係表示第2實施方式之電解胞元11A的剖面圖。在本實施方式中，陽極觸媒層54的面積比陰極觸媒層52的面積更大，而且陽極觸媒層54的厚度比陰極觸媒層52的厚度更大。陽極觸媒層54之觸媒支撐量，是陰極觸媒層52之觸媒支撐量的1倍以上。
本實施方式中，陽極觸媒層54對陰極觸媒層52的體積比例(或者觸媒支撐量比例)，是設定為為隨著劣化進行，陽極48之過電壓之增加率成為陰極47之過電壓之增加率的未滿2倍(以未滿1.5倍較佳)。換句話說，陽極48對陰極47的體積比例，是調整為使陽極48之反應電阻的增加率與陰極47之反應電阻的增加率，兩者差值在規定基準以下(例如未滿2倍，以未滿1.5倍較佳)。
若藉由如此結構，則可大幅抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象。因此，可抑制過電壓的增加，而可謀求電解胞元11B的性能提升及壽命提升。
以上參考圖示詳細說明本發明的實施方式，但具體結構並不限定於此實施方式，也包含不脫離本發明主旨之範圍內的設計變更等等。
＜附註＞ 各個實施方式所記載之電解胞元11、11A及電解裝置1，例如可掌握為以下的內容。
(1)第1型態的電解胞元11、11A，具備：第1分隔件41；第2分隔件42；離子交換膜51，配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間，是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜；陰極47，配置於第1分隔件41與離子交換膜51之間；以及陽極48，配置於第2分隔件42與離子交換膜51之間。自離子交換膜51、陰極47以及陽極48所重疊的第1方向(Z方向)看來，陽極48的面積比陰極47的面積更大。若藉由如此結構，比起陰極47之面積與陽極48之面積相同的情況，可大幅抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象。結果，可抑制陽極48之過電壓的大幅增加，而可謀求電解胞元11、11A的性能提升及壽命提升。
(2)第2型態的電解胞元11、11A是針對前述第1型態的電解胞元11、11A，其中自第1方向(Z方向)看來，離子交換膜51的面積比陽極48的面積更大。若依據此結構，則可利用比陽極48更大之離子交換膜51的外周部，來設置支撐離子交換膜51的支撐構造(例如支撐部70)。藉此，可提供一種能夠更穩定支撐離子交換膜51的電解胞元11、11A。
(3)第3型態的電解胞元11、11A是針對前述第1型態或第2型態的電解胞元11、11A，其中自第1方向(Z方向)看來，陽極48之面積對陰極47之面積的比例，是比1.0大而在2.0以下。若依據此結構，可在電解胞元11、11A不過度變大的範圍內，謀求電解胞元11、11A的性能提升及壽命提升。換句話說，可謀求電解胞元11、11A的小型化，同時謀求電解胞元11、11A的性能提升及壽命提升。
(4)第4型態的電解胞元11是針對前述第1至第3型態的任1個電解胞元11，其中自第1方向(Z方向)看來，陽極48之面積對陰極47之面積的比例，是設定為隨著劣化進行，陽極48之過電壓之增加率成為陰極47之過電壓之增加率的未滿2倍。若藉由如此結構，則可基於面積比例，在適當範圍內設置陽極48及陰極47的大小。
(5)第5型態的電解胞元11A是針對前述第1至第4型態的任1個電解胞元11、11A，其中陰極47包含與離子交換膜51重疊的陰極觸媒層52、配置在陰極觸媒層52與第1分隔件41之間的陰極供電體53；陽極48包含與離子交換膜51重疊的陽極觸媒層54、配置在陽極觸媒層54與第2分隔件42之間的陽極供電體55；陽極觸媒層54之觸媒支撐量，是陰極觸媒層52之觸媒支撐量的1倍以上。若藉由如此結構，則更容易確保陽極觸媒層54的觸媒支撐量。藉此，可更大幅度地抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象。結果，可謀求電解胞元11、11A更進一步的性能提升及壽命提升。
(6)第6型態的電解胞元11A是針對前述第5型態的電解胞元11A，其中陽極觸媒層54對陰極觸媒層52的體積比率，是設定為隨著劣化進行，陽極48之過電壓之增加率成為陰極47之過電壓之增加率的未滿2倍。若藉由如此結構，則可基於體積比例，在適當範圍內設置陽極48及陰極47的大小。
(7)第7型態的電解胞元11、11A是具備：第1分隔件41；第2分隔件42；離子交換膜51，配置於第1分隔件41與第2分隔件42之間；陰極47，配置於第1分隔件41與離子交換膜51之間；以及陽極48，配置於第2分隔件42與離子交換膜51之間。陰極47包含與離子交換膜51重疊的陰極觸媒層52、配置在陰極觸媒層52與第1分隔件41之間的陰極供電體53；陽極48包含與離子交換膜51重疊的陽極觸媒層54、配置在陽極觸媒層54與第2分隔件42之間的陽極供電體55。陽極觸媒層54對陰極觸媒層52的體積比率，是設定為隨著劣化進行，陽極48之過電壓之增加率成為陰極47之過電壓之增加率的未滿2倍。若藉由如此結構，則可基於劣化之進行程度，在體積比例觀點的適當範圍內，設置陰極47及陽極48的大小(觸媒支撐量)。若藉由如此結構，比起陰極47之面積與陽極48之面積相同的情況，可大幅抑制陽極48劣化嚴重於陰極47的現象。結果，可抑制陽極48之過電壓的大幅增加，而可謀求電解胞元11、11A的性能提升及壽命提升。
(8)第8型態的電解裝置1，具備：如前述第1至第7型態之任1者所記載的電解胞元11、11A；電解液供給部20，對電解胞元11、11A供給電解液；以及電源部30，對電解胞元11、11A施加電壓。若依據此結構，可提升電解裝置1的性能，並提升壽命結構。
(9)第9型態的電解裝置1是針對前述第8型態的電解裝置1，其中具備電解胞元堆10，該電解胞元堆10具有包含電解胞元11、11A的多個電解胞元；多個電解胞元中相鄰之2個電解胞元，是共用作為雙極板之第1分隔件41或第2分隔件42。若依據此結構，可提升具有電解胞元堆10之電解裝置1的性能，並提升壽命結構。
[實施例] 在本發明中，電解胞元會因應被施加直流電壓的時間而進行劣化，但陽極的劣化進行速度比陰極更快。劣化進行會引發電阻值增加，當電流密度為恆定的情況下，電壓上升就會變得明顯。以下，是製作多個陽極對陰極之面積比例各不相同的電解胞元實驗體，實施評估實驗，調查經過規定時間之後，電解胞元之陽極的電壓上升。
首先製作陽極面積與陰極面積相等的實驗體A，也就是先前型的電解胞元，來當作比較對象。更且，製作陽極48之面積比陰極47之面積更大相等的實驗體B、C、D，來當作本發明的電解胞元。實驗體A、B、C、D中陽極及陰極的尺寸，以及陽極對陰極的面積比例，是如下所述。
實驗體A中，陽極及陰極的尺寸都是高45mm×寬45mm，因此實驗體A中陽極對陰極的面積比例為1。另一方面，實驗體B、C、D的大小都相同，陽極尺寸為高50mm×寬50mm，陰極尺寸為高41mm×寬41mm，因此實驗體B、C、D中陽極對陰極的面積比例為1.5。觸媒支撐量的比例也是1.5。
在第1實施方式的電解裝置1中，將實驗體A、B、C、D分別設置於電解胞元11的位置，進行4次的通電實驗。各個通電實驗都是驅動電源部30，在電解胞元11的陽極48與陰極47之間施加直流電壓使電流密度成為恆定(2安培/cm
2)，針對從施加電壓之後經過100小時之時間點到經過400小時之時間點的這段期間，調查陽極48的電壓上升。
圖8表示經過上述實驗期間之後，實驗體B、C、D中陽極48之電壓上升的評估值。假設作為比較對象之實驗體A的電壓上升(電壓值的相差量)為100，則實驗體B之電壓上升對於實驗體A之電壓上升為63，實驗體C之電壓上升對於實驗體A之電壓上升為88，實驗體D之電壓上升對於實驗體A之電壓上升為25。
實驗體A的陽極及陰極尺寸相同，陽極對陰極的面積比例為1，相較之下得知實驗體B、C、D都是陽極尺寸比陰極尺寸更大，陽極面積比陰極面積更大，而任一者的電壓上升值都比實驗體A更小。藉此得知，相較於陽極及陰極面積相同的先前型電解胞元實驗體A，陽極面積比陰極面積更大之本發明的電解胞元實驗體B、C、D，劣化會更難進行。亦即，若採用本發明的電解胞元即可抑制陽極的劣化，故可期待電解裝置的性能提升，並期待包含電解胞元之裝置的壽命延長。
1:電解裝置 10:電解胞元堆 11,11A:電解胞元 20:電解液供給部 30:電源部 40:電解槽 41:第1分隔件 42:第2分隔件 43:膜電極接合體 47:陰極 48:陽極 51:離子交換膜 52:陰極觸媒層 53:陰極供電體 54:陽極觸媒層 55:陽極供電體
[圖1]係表示本發明之第1實施方式之電解裝置之整體結構的概略結構圖。 [圖2]係示意表示本發明之第1實施方式之電解胞元的剖面圖。 [圖3]係表示本發明之第1實施方式之電解胞元的分解立體圖。 [圖4]係表示本發明之第1實施方式之電解胞元的剖面圖。 [圖5]係用以說明本發明之第1實施方式之電解胞元之作用的圖。 [圖6]係用以說明本發明之第1實施方式之電解胞元之作用的圖。 [圖7]係表示本發明之第2實施方式之電解胞元的剖面圖。 [圖8]係使用本發明之1實施方式的電解裝置，針對多個電解胞元實驗體，調查經過規定時間之後之陽極劣化狀態，表示調查結果的表。
11:電解胞元
30:電源部
40:電解槽
41:第1分隔件
41a:第1內面
41b:相反側之面
41e1:第1端部
41e2:第2端部
42:第2分隔件
42a:第2內面
42b:相反側之面
42e1:第1端部
42e2:第2端部
43:膜電極接合體
47:陰極
48:陽極
51:離子交換膜
51a:第1面
51b:第2面
52:陰極觸媒層
53:陰極供電體
54:陽極觸媒層
55:陽極供電體
FP1:第1流路
FP2:第2流路
L1,L2,L3,L4:配管線路
Claims (9)
- 一種電解胞元，具備：第1分隔件； 第2分隔件； 離子交換膜，配置於前述第1分隔件與前述第2分隔件之間，是具有氫氧化物離子傳導性的陰離子交換膜； 陰極，配置於前述第1分隔件與前述離子交換膜之間；以及 陽極，配置於前述第2分隔件與前述離子交換膜之間， 自前述離子交換膜、前述陰極以及前述陽極所重疊的第1方向看來，前述陽極的面積比前述陰極的面積更大。
- 如請求項1所記載的電解胞元，其中，自前述第1方向看來，前述離子交換膜的面積比前述陽極的面積更大。
- 如請求項1所記載的電解胞元，其中，自前述第1方向看來，前述陽極之面積對前述陰極之面積的比例，是比1.0大而在2.0以下。
- 如請求項1所記載的電解胞元，其中，自前述第1方向看來，前述陽極之面積對前述陰極之面積的比例，是設定為隨著劣化進行，前述陽極之過電壓之增加率成為前述陰極之過電壓之增加率的未滿2倍。
- 如請求項1所記載的電解胞元，其中，前述陰極包含與前述離子交換膜重疊的陰極觸媒層、配置在前述陰極觸媒層與前述第1分隔件之間的陰極供電體； 前述陽極包含與前述離子交換膜重疊的陽極觸媒層、配置在前述陽極觸媒層與前述第2分隔件之間的陽極供電體； 前述陽極觸媒層之觸媒支撐量，是前述陰極觸媒層之觸媒支撐量的1倍以上。
- 如請求項5所記載的電解胞元，其中，前述陽極觸媒層對前述陰極觸媒層的體積比率，是設定為隨著劣化進行，前述陽極之過電壓之增加率成為前述陰極之過電壓之增加率的未滿2倍。
- 一種電解胞元，具備：第1分隔件； 第2分隔件； 離子交換膜，配置於前述第1分隔件與前述第2分隔件之間； 陰極，配置於前述第1分隔件與前述離子交換膜之間；以及 陽極，配置於前述第2分隔件與前述離子交換膜之間， 前述陰極包含與前述離子交換膜重疊的陰極觸媒層、配置在前述陰極觸媒層與前述第1分隔件之間的陰極供電體； 前述陽極包含與前述離子交換膜重疊的陽極觸媒層、配置在前述陽極觸媒層與前述第2分隔件之間的陽極供電體； 前述陽極觸媒層對前述陰極觸媒層的體積比率，是設定為隨著劣化進行，前述陽極之過電壓之增加率成為前述陰極之過電壓之增加率的未滿2倍。
- 一種電解裝置，具備：如請求項1至請求項7之任1項所記載的電解胞元； 電解液供給部，對前述電解胞元供給電解液；以及 電源部，對前述電解胞元施加電壓。
- 如請求項8所記載的電解裝置，其中，具備電解胞元堆，該電解胞元堆具有包含前述電解胞元的多個電解胞元； 前述多個電解胞元中相鄰之2個電解胞元，是共用作為雙極板之前述第1分隔件或前述第2分隔件。
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