JP7113313B2 - Hydrogen generation system - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学デバイスを用いて、ガス供給装置から供給される水素含有ガスから純度の高い水素を生成する水素生成システムに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen generation system that uses an electrochemical device to generate high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas supplied from a gas supply device.
水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、純度の高い水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオンを輸送する電解質膜の両側にアノードおよびカソードを設けた電解質膜－電極接合体を、セパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。 A hydrogen generation system is a system that generates high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas using an electrochemical reaction. This hydrogen generation system includes, for example, an electrochemical device in which an electrolyte membrane-electrode assembly having an anode and a cathode provided on both sides of an electrolyte membrane that transports hydrogen ions is sandwiched between separators.
アノードに加湿された水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を介してカソードの方向に電流を流すことで、アノードでは、（化１）に示す水素が水素イオンと電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、（化２）に示す水素イオンと電子から水素が生成する還元反応が起こる。 A humidified hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current is passed from the anode through the electrolyte membrane to the cathode. At the anode, an oxidation reaction dissociates the hydrogen shown in Chemical Formula 1 into hydrogen ions and electrons. occurs, and a reduction reaction in which hydrogen is produced from the hydrogen ions and electrons shown in Chemical Formula 2 occurs at the cathode.
前記水素生成システムに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料改質器によって、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料を水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質して生成され、水素の他に窒素や二酸化炭素、水分などの不純物を含んでいる。 The hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen generation system is obtained by, for example, steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming of a hydrocarbon-based raw material such as city gas or propane gas by a fuel reformer. It is produced and contains impurities such as nitrogen, carbon dioxide, and moisture in addition to hydrogen.
この水素含有ガスから水素を生成する水素生成システムにおいて、純度の高い水素を生成するために、電気化学デバイスを、直列に２台接続することで、水素生成システムから生成される水素の純度を高める構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。 In the hydrogen generation system that generates hydrogen from this hydrogen-containing gas, two electrochemical devices are connected in series in order to generate hydrogen of high purity, thereby increasing the purity of the hydrogen generated from the hydrogen generation system. A configuration has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
図９は、非特許文献１に開示された従来の水素生成システムの概略構成図である。 FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a conventional hydrogen generation system disclosed in Non-Patent Document 1. As shown in FIG.
図９に示すように、従来の水素生成システム９００は、電解質膜９０６の両側にアノード９０７およびカソード９０８を設けた電解質膜－電極接合体９１５を、アノード側セパレータ９１６とカソード側セパレータ９１７とによって挟持した、２台の電気化学デバイス９０１と、加湿器９１４とを備えている。
As shown in FIG. 9, in a conventional
電解質膜９０６には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜が用いられている。また、アノード９０７とカソード９０８とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜９０６に塗布形成したものが用いられて
いる。
For the
アノード９０７とカソード９０８とは、液水を多く保持するほど、水素イオン輸送経路が多くなり、水素イオン輸送抵抗が小さくなるため、水素含有ガスは加湿器９１４を用いて露点が高い状態になるように加湿されている。
The more liquid water is held between the
電気化学デバイス９０１は、加湿された水素含有ガスをアノード９０７に供給するためのアノード側入口９０３と、水素含有ガスをアノード９０７から排出するためのアノード側出口９０４と、カソード９０８において生成する水素を排出するためのカソード側出口９０５とを備えている。
The
水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出された水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給されるように直列に接続されている。
The
また、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１のアノード９０７から電解質膜９０６を介してカソード９０８の方向に電流を流すための電源９０９を備えている。
The
さらに、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１を所定の温度に維持するための温度調節器９１２を備えている。
Furthermore, the
以上のように構成された水素生成システム９００は、1台の電気化学デバイス９０１を用いる場合に比べ、2台の電気化学デバイス９０１を直列に接続して用いることで、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離し、純度の高い水素を生成している。
The
しかしながら、前記従来の構成では、各電気化学デバイスにおいて、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離してカソードに生成するときに、水素含有ガス中の水素は水素イオンに解離し容易にカソードに移動するが、水素含有ガス中の水分は電解質膜を通ってカソードに移動し難くい。 However, in each electrochemical device, when hydrogen is electrochemically separated from the hydrogen-containing gas and produced at the cathode, the hydrogen in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and easily transferred to the cathode. However, water in the hydrogen-containing gas is difficult to move through the electrolyte membrane to the cathode.
よって、直列に接続した複数の電気化学デバイスでは、アノードに供給される水素含有ガスの水分の含有率に比べ、カソードに移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。 Therefore, in a plurality of electrochemical devices connected in series, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the cathode is smaller than the moisture content of the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
このため、直列に接続した複数の電気化学デバイスのカソードに移動した水素含有ガスの水分の含有率は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって漸次小さくなる。 Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas that has moved to the cathodes of the multiple electrochemical devices connected in series gradually decreases from the upstream side toward the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas.
このことから、直列に接続した複数の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送経路は、上流側から下流側に向かうにしたがって漸次少なくなる。よって、カソードの水素イオン輸送抵抗は、上流側から下流側に向かうにしたがって漸次大きくなる。 For this reason, the number of hydrogen ion transport paths of the cathodes of a plurality of electrochemical devices connected in series gradually decreases from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen ion transport resistance of the cathode gradually increases from the upstream side to the downstream side.
これにより、上流側の電気化学デバイスの水素純化効率に比べ、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなり、水素生成システムの水素純化効率が低いという課題を有していた。 As a result, the hydrogen purification efficiency of the downstream electrochemical device is lower than the hydrogen purification efficiency of the upstream electrochemical device, and the hydrogen generation system has a low hydrogen purification efficiency.
ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合である。 Here, the hydrogen purification efficiency is the ratio of the generated hydrogen energy to the electric energy input to the electrochemical device.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低いことを改善することで、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in a plurality of electrochemical devices connected in series, by improving the low hydrogen purification efficiency of the downstream electrochemical device, hydrogen with high hydrogen purification efficiency The purpose is to provide a generation system.
前記従来の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見い出した。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the inventors found out the following as a result of earnest studies.
電気化学デバイスのカソードは、電解質膜側に配置されるカソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成されており、カソードガス拡散層の撥水性が高いと液水をはじく性質がある。 A cathode of an electrochemical device is composed of a cathode catalyst layer arranged on the electrolyte membrane side and an anode gas diffusion layer arranged on the side opposite to the electrolyte membrane side of the cathode catalyst layer. If the water content is high, it has the property of repelling liquid water.
逆に、カソードガス拡散層の撥水性が低いと液水がはじかれることなく、ガス拡散層に吸着される。つまり、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が低いと、カソードガス拡散層の吸水性が高くなり、カソードガス拡散層の液水保持量が多くなる。 Conversely, if the water repellency of the cathode gas diffusion layer is low, the liquid water will not be repelled and will be absorbed by the gas diffusion layer. That is, when the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device has low water repellency, the cathode gas diffusion layer has a high water absorbency and a large amount of liquid water can be retained in the cathode gas diffusion layer.
カソードガス拡散層で液水が多くなると、カソード触媒層の液水が、カソードガス拡散層へ移動し難くなり、カソード触媒層の液水保持量が多くなる。 When the amount of liquid water in the cathode gas diffusion layer increases, it becomes difficult for the liquid water in the cathode catalyst layer to move to the cathode gas diffusion layer, and the amount of liquid water retained in the cathode catalyst layer increases.
カソード触媒層の液水保持量が多くなると、カソード触媒層の水素イオン輸送経路が多くなり、カソード触媒層の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 As the amount of liquid water retained in the cathode catalyst layer increases, the number of hydrogen ion transport paths in the cathode catalyst layer increases, and the hydrogen ion transport resistance of the cathode catalyst layer decreases.
この原理に基づくと、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、上流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性よりも低くすることで、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が、カソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、小さくなる。 Based on this principle, by making the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device on the downstream side lower than that of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device on the upstream side, the water repellency of the electrochemical device on the downstream side is reduced. The hydrogen ion transport resistance of the cathode becomes smaller than before the water repellency of the cathode gas diffusion layer is lowered.
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が、カソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、小さくなる。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システムの水素純化効率が低くなることが改善される。 From this, even if the cathode of the electrochemical device on the downstream side is exposed to a hydrogen-containing gas with a low moisture content, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side is reduced by the water repellency of the cathode gas diffusion layer. becomes smaller than before it is lowered. Therefore, the lowering of the hydrogen purification efficiency of the downstream electrochemical device is suppressed, and the lowering of the hydrogen purification efficiency of the hydrogen generation system is improved.
前記従来の課題を解決するその他の手段としては、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層のアイオノマーのＥＷを、上流側の電気化学デバイスのＥＷよりも小さくする方法が考えられる。ここで、ＥＷとは、アイオノマーのスルホン酸基などのイオン交換基１当量当たりの乾燥状態のアイオノマーのグラム数をいう。 As another means for solving the conventional problems, a method of making the EW of the ionomer in the cathode catalyst layer of the downstream electrochemical device smaller than the EW of the upstream electrochemical device is conceivable. Here, EW refers to grams of dry ionomer per equivalent of ion exchange groups, such as sulfonic acid groups, of the ionomer.
しかし、前記手段では、カソード触媒層のアイオノマーのＥＷが異なるスラリーを複数作製し、それぞれを電解質膜に塗布形成しなければならないため、電解質膜－電極接合体の作製工程が煩雑になる。 However, with the above means, a plurality of slurries having different ionomer EWs for the cathode catalyst layer must be prepared, and each of the slurries must be coated and formed on the electrolyte membrane.
一方、カソードガス拡散層の撥水性を高くするには、カソードガス拡散層を構成する炭
素繊維からなる多孔質基材への撥水材の含侵時間を調整するだけで、カソードガス拡散層の撥水性を簡単に制御することができる。
On the other hand, in order to increase the water repellency of the cathode gas diffusion layer, it is possible to increase the water repellency of the cathode gas diffusion layer by simply adjusting the impregnation time of the water repellent material in the porous base material made of carbon fibers constituting the cathode gas diffusion layer. Water repellency can be easily controlled.
このことから、前記従来の課題を解決する手段としては、カソード触媒層のアイオノマーのＥＷよりも、カソードガス拡散層の撥水性を制御した方が望ましい。 Therefore, as a means for solving the conventional problems, it is preferable to control the water repellency of the cathode gas diffusion layer rather than the EW of the ionomer of the cathode catalyst layer.
本発明の水素生成システムは、電解質膜と該電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すこと
で、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層と該アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層と該カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くした水素生成システムである。
The hydrogen generation system of the present invention has an electrolyte membrane-electrode assembly composed of an electrolyte membrane, an anode arranged on one side of the electrolyte membrane, and a cathode arranged on the other side, and the anode a plurality of electrochemical devices for generating hydrogen at the cathode by supplying a hydrogen-containing gas to and passing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode; gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas; and a power supply for passing an electric current between an anode and a cathode of an electrochemical device, wherein the anode is arranged on the electrolyte membrane side of the anode catalyst layer, and the electrolyte membrane side of the anode catalyst layer is The cathode is composed of a cathode catalyst layer disposed on the electrolyte membrane side and a cathode gas diffusion layer disposed on the opposite side of the cathode catalyst layer from the electrolyte membrane side. The plurality of electrochemical devices are configured such that the hydrogen-containing gas discharged from the cathode of the electrochemical device on the upstream side in the direction of supply of the hydrogen-containing gas is discharged to the anode of the electrochemical device on the downstream side in the direction of supply of the hydrogen-containing gas. are connected in series so as to be supplied, and the gas supply means supplies the hydrogen-containing gas to the anode of the most upstream electrochemical device in the supply direction of the hydrogen-containing gas among the plurality of electrochemical devices, In the hydrogen generating system, the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device is gradually lowered from the upstream side toward the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas.
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 As a result, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes smaller than before the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device on the downstream side is lowered.
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 Therefore, even if the cathode of the electrochemical device on the downstream side is exposed to a hydrogen-containing gas with a low moisture content, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes small.
よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システムの水素純化効率が低いことが改善される。 Therefore, lowering of the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device on the downstream side is suppressed, and the low hydrogen purification efficiency of the hydrogen generation system is improved.
本発明の水素生成システムは、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、水素純化効率の高い水素生成システムにできる。 In the hydrogen generation system of the present invention, in a plurality of electrochemical devices connected in series, even if the cathode catalyst layer of the electrochemical device on the downstream side is exposed to a hydrogen-containing gas with a low moisture content, the hydrogen purification efficiency is reduced. It can be a high hydrogen generation system.
また、これにより、水素生成システムに用いる電気エネルギーが小さいため、省エネ性の高い水素生成システムを提供できる。 In addition, since the electric energy used for the hydrogen generation system is small, a highly energy-saving hydrogen generation system can be provided.
第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層とアノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くなることを特徴とする水素生成システムである。 A first invention has an electrolyte membrane-electrode assembly composed of an electrolyte membrane, an anode arranged on one side of the electrolyte membrane, and a cathode arranged on the other side, and the anode contains hydrogen. a plurality of electrochemical devices for generating hydrogen at the cathode by supplying a gas and causing a current to flow between the anode and the cathode in a predetermined direction; a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas; and a plurality of electrochemical devices and a power source for passing an electric current between an anode and a cathode of, wherein the anode is disposed on the side of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer is disposed on the side opposite the electrolyte membrane side of the anode catalyst layer The cathode is composed of a cathode catalyst layer disposed on the electrolyte membrane side and a cathode gas diffusion layer disposed on the opposite side of the cathode catalyst layer from the electrolyte membrane side, and a plurality of The electrochemical device is arranged such that the hydrogen-containing gas discharged from the cathode of the electrochemical device on the upstream side in the direction of supply of the hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the electrochemical device on the downstream side in the direction of supply of the hydrogen-containing gas. , are connected in series, and the gas supply means supplies the hydrogen-containing gas to the anode of the most upstream electrochemical device in the supply direction of the hydrogen-containing gas among the plurality of electrochemical devices, wherein The hydrogen generating system is characterized in that the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device gradually decreases from the upstream side to the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas.
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 As a result, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes smaller than before the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device on the downstream side is lowered.
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 Therefore, even if the cathode of the electrochemical device on the downstream side is exposed to a hydrogen-containing gas with a low moisture content, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes small.
よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが改善されるため、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a hydrogen generation system with high hydrogen purification efficiency because the lowering of the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device on the downstream side can be improved.
第２の発明は、特に第１の発明において、カソードガス拡散層に撥水材を備え、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次少なくなることを特徴とする記載の水素生成システムである。 In a second invention, particularly in the first invention, the cathode gas diffusion layer is provided with a water repellent material, and the content of the water repellent material per unit volume of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device is determined in the direction of supply of the hydrogen-containing gas. The hydrogen generation system described is characterized in that it gradually decreases from the upstream side to the downstream side of the.
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量を少なくする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 As a result, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes lower than before the water repellent material content per unit volume of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device on the downstream side is reduced.
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。 Therefore, even if the cathode of the electrochemical device on the downstream side is exposed to a hydrogen-containing gas with a low moisture content, the hydrogen ion transport resistance of the cathode of the electrochemical device on the downstream side becomes small.
よって、上下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが改善されるため
、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
Therefore, the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical devices on the upstream and downstream sides can be improved, so that a hydrogen generation system with high hydrogen purification efficiency can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗は、水素生成システムの使用環境下における電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗を電気化学的に測定して求める。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited by this embodiment. The hydrogen ion transport resistance of the cathode catalyst layer of the electrochemical device is obtained by electrochemically measuring the hydrogen ion transport resistance of the cathode catalyst layer of the electrochemical device under the usage environment of the hydrogen generation system.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first electrochemical device used in a hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a second electrochemical device used in the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a third electrochemical device used in the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention.
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図１～図４を参照しながら具体的に説明する。 The materials and structures of the constituent elements of the first electrochemical device, the second electrochemical device, the third electrochemical device, and the hydrogen generation system according to the present embodiment will be specifically described below with reference to FIGS. to explain.
なお、図４において、図１～図３と同一の構成要素については同一の符号を付すこととして、詳細な説明は省略する場合もある。 In FIG. 4, the same components as in FIGS. 1 to 3 are given the same reference numerals, and detailed description may be omitted.
図１に示すように、第１電気化学デバイス１００は、電解質膜１０４の両側に、アノード１０５およびカソード１０６を設けた電解質膜－電極接合体１０７を有し、該電解質膜－電極接合体１０７を一対のアノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９とによって挟持して構成されている。
As shown in FIG. 1, the first
ここで、電解質膜１０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード１０５は、電解質膜１０４側に配置されるアノード触媒層１１１と、アノード触媒層１１１の電解質膜１０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層１１０とで構成されている。
The
また、カソード１０６は、電解質膜１０４側に配置されるカソード触媒層１１２と、カソード触媒層１１２の電解質膜１０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層１１３とで構成されている。
The
アノード触媒層１１１とカソード触媒層１１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜１０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層１１０とカソードガス拡散層１１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層１１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層１１３と液水面との接触角が１２４°の撥水性を有するものを用いる。
Porous felt made of carbon fibers is used for the anode
アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ１０８には、水素含有ガスをアノード１０５に供給するためのア
ノード側入口１０１と、水素含有ガスをアノード１０５から排出するためのアノード側出口１０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ１０９には、カソード１０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口１０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図２に示すように、第２電気化学デバイス２００は、電解質膜２０４の両側に、アノード２０５およびカソード２０６を設けた電解質膜－電極接合体２０７を有し、該電解質膜－電極接合体２０７を一対のアノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９とによって挟持して構成されている。
Also, as shown in FIG. 2, the second
ここで、電解質膜２０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード２０５は、電解質膜２０４側に配置されるアノード触媒層２１１と、アノード触媒層２１１の電解質膜２０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層２１０とで構成されている。
The
また、カソード２０６は、電解質膜２０４側に配置されるカソード触媒層２１２と、カソード触媒層２１２の電解質膜２０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層２１３とで構成されている。
The
アノード触媒層２１１とカソード触媒層２１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜２０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層２１０とカソードガス拡散層２１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層２１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層２１３表面と液水面との接触角が１１５°の撥水性を有するものを用いる。
Porous felt made of carbon fiber is used for the anode
アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ２０８には、水素含有ガスをアノード２０５に供給するためのアノード側入口２０１と、水素含有ガスをアノード２０５から排出するためのアノード側出口２０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ２０９には、カソード２０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口２０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図３に示すように、第３電気化学デバイス３００は、電解質膜３０４の両側に、アノード３０５およびカソード３０６を設けた電解質膜－電極接合体３０７を有し、該電解質膜－電極接合体３０７を一対のアノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９とによって挟持して構成されている。
Also, as shown in FIG. 3, the third
ここで、電解質膜３０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード３０５は、電解質膜３０４側に配置されるアノード触媒層３１１と、アノード
触媒層３１１の電解質膜３０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層３１０とで構成されている。
The
また、カソード３０６は、電解質膜３０４側に配置されるカソード触媒層３１２と、カソード触媒層３１２の電解質膜３０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層３１３とで構成されている。
The
アノード触媒層３１１とカソード触媒層３１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜３０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層３１０とカソードガス拡散層３１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層３１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層３１３と液水面との接触角が９７°の撥水性を有するものを用いる。
Porous felt made of carbon fibers is used for the anode
アノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ３０８には、水素含有ガスをアノード３０５に供給するためのアノード側入口３０１と、水素含有ガスをアノード３０５から排出するためのアノード側出口３０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ３０９には、カソード３０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口３０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図４に示すように、水素生成システム４００は、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００とを備えている。
Further, as shown in FIG. 4, the
また、第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段４０２と、ガス供給手段４０２を制御するための制御器４０３とを備えている。
It also has a gas supply means 402 for supplying humidified hydrogen-containing gas to the
ガス供給手段４０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し、供給する燃料改質器で構成され、ガス供給手段４０２は第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に接続されている。
The gas supply means 402 is composed of a fuel reformer that generates and supplies a hydrogen-containing gas composed of humidified hydrogen and carbon dioxide using a reforming reaction from city gas. It is connected to the
第１電気化学デバイス１００には、アノード１０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１０２が設けられている。
The first
第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３は、接続流路４０１によって下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１と接続されている。
The cathode-
第２電気化学デバイス２００には、アノード側入口２０１に供給され、アノード２０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口２０２が設けられている。
The second
さらに、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３は、接続流路４０１によって下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１と接続されている。
Furthermore, the cathode-
第３電気化学デバイス３００には、アノード側入口３０１に供給され、アノード３０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口３０２が設けられている。
The third
第１電気化学デバイス１００には、アノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６の方向に電流を流すための電源１１５が備えられている。
The first
第２電気化学デバイス２００には、アノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６の方向に電流を流すための電源２１５が備えられている。
The second
また、第３電気化学デバイス３００には、アノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６の方向に電流を流すための電源３１５が備えられている。
Further, the third
電源１１５、電源２１５、電源３１５は、制御器４０３により制御されている。電源１１５、電源２１５、電源３１５には直流電源を用いる。
また、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００には、温度を調節するための温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４が備えられており、温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４は、制御器４０３により制御されている。
Also, the first
温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４には設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
A heat exchanger is used for the
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム４００について、以下、その動作、作用を、図４を参照しながら具体的に説明する。
Next, the operation and action of the
まず、ガス供給手段４０２から、加湿された二酸化炭素３０％と水素７０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１を介してアノード１０５に供給する。
First, a humidified hydrogen-containing gas containing 30% carbon dioxide and 70% hydrogen is supplied from the gas supply means 402 to the
第１電気化学デバイス１００は温度７０℃となるように温度調節器１１４を制御器４０３で制御し、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６の方向に電源１１５から電流を流す。
The
これにより、第１電気化学デバイス１００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６において水素含有ガスから水素を生成する。
As a result, an electrochemical reaction proceeds in the first
ここで、電解質膜１０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード１０６に移動するため、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
Here, the
また、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は電解質膜１０４によりカソード１０６への移動が妨げられる。
Further, the
このため、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率比べ、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の水素イオン輸送抵抗を
、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４３ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
次に、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１を介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１に供給する。
Next, the hydrogen-containing gas discharged from the cathode-
第２電気化学デバイス２００は温度７０℃となるように温度調節器２１４を制御器４０３で制御し、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６の方向に電源２１５から電流を流す。
The
これにより、第２電気化学デバイス２００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６において水素含有ガスから水素を生成する。
Thereby, an electrochemical reaction proceeds in the second
ここで、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード２０６に移動するため、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３からは水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
Here, the
また、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜２０４によりカソード２０６への移動が妨げられる。
In addition, moisture contained in the hydrogen-containing gas supplied to the
このため、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, compared to the moisture content of the hydrogen-containing gas that has migrated to the
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性は低い。
Here, the water repellency of the cathode
このため、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
Therefore, compared to the cathode
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２に比べて、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２では、液水がカソードガス拡散層２１３に移動し難くなる。
Therefore, compared to the
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水保持量が多くなる。
From this, the cathode catalyst of the second
このため、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
Therefore, even if the
よって、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素
イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, even if the
ここで、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４８ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
なお、第２電気化学デバイス２００に第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７４ｍΩ・ｃｍ２となる。
When the hydrogen ion transport resistance when the cathode
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
From this, the cathode catalyst of the second
よって、第２電気化学デバイス２００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム４００の水素純化効率が低いことが改善される。
Therefore, the reduction in the hydrogen purification efficiency of the second
次に、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１を介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１に供給する。
Next, the hydrogen-containing gas discharged from the cathode-
第３電気化学デバイス３００は温度７０℃となるように温度調節器３１４を制御器４０３で制御し、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６の方向に電源３１５から電流を流す。
The
これにより、第３電気化学デバイス３００において電気化学反応が進行し、カソード３０６において水素含有ガスから水素を生成する。
As a result, an electrochemical reaction proceeds in the third
ここで、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード３０６に移動する。
Here, the
しかしながら、既に第２電気化学デバイス２００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス３００のカソード側出口３０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
However, since the hydrogen-containing gas already discharged from the second
また、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜３０４によりカソード３０６への移動が妨げられる。
In addition, moisture contained in the hydrogen-containing gas supplied to the
このため、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード３０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
このため、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２および第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, compared to the water content of the hydrogen-containing gas that has moved to the
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性は低い。
Here, compared to the water repellency of the cathode
このため、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
Therefore, the cathode
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２および第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２では、液水がカソードガス拡散層３１３に移動し難くなる。
Therefore, compared to the
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水保持量が多くなる。
Therefore, the water repellency of the cathode
このため、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
Therefore, even if the
よって、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, even if the
ここで、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
なお、第３電気化学デバイス３００に第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１０５ｍΩ・ｃｍ２となる。
When the hydrogen ion transport resistance when the cathode
また、第３電気化学デバイス３００に第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、８６ｍΩ・ｃｍ２となる。
Further, when the hydrogen ion transport resistance when the cathode
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, the water repellency of the cathode
よって、第３電気化学デバイス３００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム４００の水素純化効率が低いことが改善される。
Therefore, a decrease in the hydrogen purification efficiency of the third
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００とを直列に接続して水素生成システム４００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス１００から順に、下流側の第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００に向うにしたがって、カソードガス拡散層１１３、カソードガス拡散層２１３、カソードガス拡散層３１３の撥水性を漸次低くし、カソード触媒層１１２、カソード触媒層２１２、カソード触媒層３１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水
分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が上流側の第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同一の場合に比べ、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム４００にできる。
As described above, in the present embodiment, the first
なお、本実施の形態では、電解質膜を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜としているが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte membrane is a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer electrolyte membrane having sulfonic acid groups. A fluorine-based resin having a functional group such as a group and containing hydrogen ions may also be used.
なお、本実施の形態では、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。 In this embodiment, as the electrolyte membrane, a hydrogen ion-conducting hydrocarbon-based resin containing hydrogen ions having a skeleton of sulfonated polyphenylene, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polyetheretherketone, or the like is used. good too.
なお、本実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。 Although the number of electrochemical devices is three in this embodiment, this number is merely an example, and the number may be two or more.
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値はカソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積あたりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。これら物性値に基づき、上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に低くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。 In this embodiment, the physical property value for controlling the water repellency of the cathode gas diffusion layer is the contact angle between the cathode gas diffusion layer and the liquid water surface, or the content of the water repellent material per unit volume. The physical properties that control the water repellency of the layer may be pore diameter, surface roughness, and the like. Based on these physical properties, the water repellency of the cathode gas diffusion layer used in each electrochemical device is selected so that the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device decreases in order from upstream to downstream. you can
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In this embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon dioxide and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a first electrochemical device used in a hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second electrochemical device used in the hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a third electrochemical device used in the hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention.
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図５～図８を参照しながら具体的に説明する。 The materials and structures of the constituent elements of the first electrochemical device, the second electrochemical device, the third electrochemical device, and the hydrogen generation system according to the present embodiment will be specifically described below with reference to FIGS. to explain.
なお、図８において、図５～図７と同一の構成要素については同一の符号を付すこととして、詳細な説明は省略する場合もある。 In addition, in FIG. 8, the same components as those in FIGS. 5 to 7 are assigned the same reference numerals, and detailed description thereof may be omitted.
図５に示すように、第１電気化学デバイス５００は、電解質膜５０４の両側に、それぞれアノード５０５およびカソード５０６を設けた電解質膜－電極接合体５０７を有し、該電解質膜－電極接合体５０７を一対のアノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９とによって挟持して構成されている。
As shown in FIG. 5, the first
ここで、電解質膜５０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード５０５は、電解質膜５０４側に配置されるアノード触媒層５１１と、アノード触媒層５１１の電解質膜５０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層５１０とで構成されている。
The
また、カソード５０６は、電解質膜５０４側に配置されるカソード触媒層５１２と、カソード触媒層５１２の電解質膜５０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層５１３とで構成されている。
The
アノード触媒層５１１とカソード触媒層５１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜５０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層５１０とカソードガス拡散層５１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層５１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１９％であるものを用いる。
Porous felt made of carbon fibers is used for the anode
アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ５０８には、水素含有ガスをアノード５０５に供給するためのアノード側入口５０１と、水素含有ガスをアノード５０５から排出するためのアノード側出口５０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ５０９には、カソード５０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口５０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図６に示すように、第２電気化学デバイス６００は、電解質膜６０４の両側に、アノード６０５およびカソード６０６を設けた電解質膜－電極接合体６０７を有し、該電解質膜－電極接合体６０７を一対のアノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９とによって挟持して構成されている。
Also, as shown in FIG. 6, the second
ここで、電解質膜６０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード６０５は、電解質膜６０４側に配置されるアノード触媒層６１１と、アノード触媒層６１１の電解質膜６０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層６１０とで構成されている。
The
また、カソード６０６は、電解質膜６０４側に配置されるカソード触媒層６１２と、カソード触媒層６１２の電解質膜６０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層６１３とで構成されている。
The
アノード触媒層６１１とカソード触媒層６１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜６０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層６１０とカソードガス拡散層６１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層６１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１４％であるものを用いる。
Porous felt made of carbon fibers is used for the anode
アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ６０８には、水素含有ガスをアノード６０５に供給するためのアノード側入口６０１と、水素含有ガスをアノード６０５から排出するためのアノード側出口６０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ６０９には、カソード６０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口６０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図７に示すように、第３電気化学デバイス７００は、電解質膜７０４の両側に、アノード７０５およびカソード７０６を設けた電解質膜－電極接合体７０７を有し、該電解質膜－電極接合体７０７を一対のアノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９とによって挟持して構成されている。
Also, as shown in FIG. 7, the third
ここで、電解質膜７０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
Here, for the
アノード７０５は、電解質膜７０４側に配置されるアノード触媒層７１１と、アノード触媒層７１１の電解質膜７０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層７１０とで構成されている。
The
また、カソード７０６は、電解質膜７０４側に配置されるカソード触媒層７１２と、カソード触媒層７１２の電解質膜７０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層７１３とで構成されている。
The
アノード触媒層７１１とカソード触媒層７１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜７０４に塗布形成したものを用いる。
The
アノードガス拡散層７１０とカソードガス拡散層７１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層７１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１１％であるものを用いる。
Porous felt made of carbon fiber is used for the anode
アノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ７０８には、水素含有ガスをアノード７０５に供給するためのアノード側入口７０１と、水素含有ガスをアノード７０５から排出するためのアノード側出口７０２とが設けられている。
Anode-
一方、カソード側セパレータ７０９には、カソード７０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口７０３が設けられている。
On the other hand, the cathode-
また、図８に示すように、本実施の形態の水素生成システム８００は、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００とを備えている。
Further, as shown in FIG. 8, the
また、第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に加湿された水素含有ガス
を供給するガス供給手段８０２と、ガス供給手段８０２を制御するための制御器８０３とを備えている。
It also has a gas supply means 802 for supplying humidified hydrogen-containing gas to the
ガス供給手段８０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し、供給する燃料改質器で構成され、ガス供給手段８０２は第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に接続されている。
The gas supply means 802 is composed of a fuel reformer that generates and supplies a hydrogen-containing gas composed of humidified hydrogen and carbon dioxide using a reforming reaction from city gas. It is connected to the
第１電気化学デバイス５００には、アノード５０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口５０２が設けられている。
The first
第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３は、接続流路８０１によって下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１と接続されている。
The cathode-
第２電気化学デバイス６００には、アノード側入口６０１に供給され、アノード６０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口６０２が設けられている。
The second
さらに、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３は、接続流路８０１によって下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１と接続されている。
Furthermore, the cathode-
第３電気化学デバイス７００には、アノード側入口７０１に供給され、アノード７０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口７０２が設けられている。
The third
第１電気化学デバイス５００には、アノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６の方向に電流を流すための電源５１５が備えられている。
The first
第２電気化学デバイス６００には、アノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６の方向に電流を流すための電源６１５が備えられている。
The second
また、第３電気化学デバイス７００には、アノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６の方向に電流を流すための電源７１５が備えられている。
The third
電源５１５、電源６１５、電源７１５は、制御器８０３により制御されている。電源５１５、電源６１５、電源７１５には直流電源を用いる。
また、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００には、温度を調節するための温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４が備えられており、温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４は、制御器８０３により制御されている。
Also, the first
温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４には設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
A heat exchanger is used for the
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム８００について、以下、その動作、作用を、図８を参照しながら具体的に説明する。
Next, the operation and action of the
まず、ガス供給手段８０２から、加湿された二酸化炭素３０％と水素７０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１を介してアノード５０５に供給する。
First, a humidified hydrogen-containing gas containing 30% carbon dioxide and 70% hydrogen is supplied from the gas supply means 802 to the
第１電気化学デバイス５００は温度７０℃となるように温度調節器５１４を制御器８０３で制御し、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６の方向に電源５１５から電流を流す。
The
これにより、第１電気化学デバイス５００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６において水素含有ガスから水素を生成する。
Thereby, an electrochemical reaction proceeds in the first
ここで、電解質膜５０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード５０６に移動するため、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
Here, the
また、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は電解質膜５０４によりカソード５０６への移動が妨げられる。
Further, the
このため、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４３ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
次に、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１を介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１に供給する。
Next, the hydrogen-containing gas discharged from the cathode-
第２電気化学デバイス６００は温度７０℃となるように温度調節器６１４を制御器８０３で制御し、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６の方向に電源６１５から電流を流す。
The
これにより、第２電気化学デバイス６００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６において水素含有ガスから水素を生成する。
Thereby, an electrochemical reaction proceeds in the second
ここで、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード６０６に移動するため、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３からは水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
Here, the
また、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜６０４によりカソード６０６への移動が妨げられる。
In addition, moisture contained in the hydrogen-containing gas supplied to the
このため、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, compared to the moisture content of the hydrogen-containing gas that has migrated to the
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの
撥水材含有量に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量は少ない。
Here, the water repellent material content per unit volume of the cathode
このため、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
Therefore, compared to the cathode
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２では、液水がカソードガス拡散層６１３に移動し難くなる。
Therefore, compared to the
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水保持量が高くなる。
Therefore, the water repellent material content per unit volume of the cathode
このため、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
Therefore, even if the
よって、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, even if the
ここで、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４８ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
なお、第２電気化学デバイス６００に第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７４ｍΩ・ｃｍ２となる。
When the hydrogen ion transport resistance when the cathode
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, the water repellent material content per unit volume of the cathode
よって、第２電気化学デバイス６００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム８００の水素純化効率が低いことが改善される。
Therefore, the reduction in the hydrogen purification efficiency of the second
次に、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１を介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１に供給する。
Next, the hydrogen-containing gas discharged from the cathode-
第３電気化学デバイス７００は温度７０℃となるように温度調節器７１４を制御器８０３で制御し、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６の方向に電源７１５から電流を流す。
The
これにより、第３電気化学デバイス７００において電気化学反応が進行し、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６において水素含有ガスから水素を生成する。
As a result, an electrochemical reaction proceeds in the third
ここで、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード７０６に移動する。
Here, the
しかしながら、既に第２電気化学デバイス６００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス７００のカソード側出口７０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
However, since the hydrogen-containing gas already discharged from the second
また、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜７０４によりカソード７０６への移動が妨げられる。
Also, moisture contained in the hydrogen-containing gas supplied to the
このため、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, the moisture content of the hydrogen-containing gas transferred to the
このため、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２および第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
Therefore, compared to the moisture content of the hydrogen-containing gas that has migrated to the
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量は少ない。
Here, compared with the water repellent material content per unit volume of the cathode
このため、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
Therefore, the cathode
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２および第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２では、液水がカソードガス拡散層７１３に移動し難くなる。
Therefore, compared to the
よって、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水保持量が多くなる。
Therefore, the water repellent material content per unit volume of the cathode
このため、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
Therefore, even if the
よって、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
Therefore, even if the
ここで、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
Here, when the hydrogen ion transport resistance of the
なお、第３電気化学デバイス７００に第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１０５ｍΩ・ｃｍ２となる。
When the hydrogen ion transport resistance when the cathode
また、第３電気化学デバイス７００に第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
Further, when the hydrogen ion transport resistance when the cathode
このことから、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
From this, it can be concluded that the water repellent material content per unit volume of the cathode
よって、第３電気化学デバイス７００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム８００の水素純化効率が低いことが改善される。
Therefore, the reduction in the hydrogen purification efficiency of the third
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００とを直列に接続して水素生成システム８００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス５００から順に、下流側の第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００に向うにしたがって、カソードガス拡散層５１３、カソードガス拡散層６１３、カソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量を漸次少なくし、カソード触媒層５１２、カソード触媒層６１２、カソード触媒層７１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が上流側の第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同一の場合に比べ、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム８００にできる。
As described above, in the present embodiment, the first
なお、本実施の形態では、電解質膜を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜としているが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte membrane is a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer electrolyte membrane having sulfonic acid groups. A fluorine-based resin having a functional group such as a group and containing hydrogen ions may also be used.
なお、本実施の形態では、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。 In this embodiment, as the electrolyte membrane, a hydrogen ion-conducting hydrocarbon-based resin containing hydrogen ions having a skeleton of sulfonated polyphenylene, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polyetheretherketone, or the like is used. good too.
なお、本実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。 Although the number of electrochemical devices is three in this embodiment, this number is merely an example, and the number may be two or more.
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値はカソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積あたりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。 In this embodiment, the physical property value for controlling the water repellency of the cathode gas diffusion layer is the contact angle between the cathode gas diffusion layer and the liquid water surface, or the content of the water repellent material per unit volume. The physical properties that control the water repellency of the layer may be pore diameter, surface roughness, and the like.
これら物性値に基づき、上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に高くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。 Based on these physical properties, the water repellency of the cathode gas diffusion layer used in each electrochemical device is selected so that the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device increases in order from upstream to downstream. you can
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In this embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon dioxide and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素純化効率が低いことを改善できるため、電気化学デバイスを複数台用いて、不純物を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに最適である。 As described above, the hydrogen generation system according to the present invention can improve the low hydrogen purification efficiency, so that a plurality of electrochemical devices are used to produce hydrogen with high purity from a hydrogen-containing gas containing impurities. Perfect for your system.
１００、５００ 第１電気化学デバイス
１０１、２０１、３０１、５０１、６０１、７０１ アノード側入口
１０２、２０２、３０２、５０２、６０２、７０２ アノード側出口
１０３、２０３、３０３、５０３、６０３、７０３ カソード側出口
１０４、２０４、３０４、５０４、６０４、７０４ 電解質膜
１０５、２０５、３０５、５０５、６０５、７０５ アノード
１０６、２０６、３０６、５０６、６０６、７０６ カソード
１０７、２０７、３０７、５０７、６０７、７０７ 電解質膜－電極接合体
１０８、２０８、３０８、５０８、６０８、７０８ アノード側セパレータ
１０９、２０９、３０９、５０９、６０９、７０９ カソード側セパレータ
１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、７１０ アノードガス拡散層
１１１、２１１、３１１、５１１、６１１、７１１ アノード触媒層
１１２、２１２、３１２、５１２、６１２、７１２ カソード触媒層
１１３、２１３、３１３、５１３、６１３、７１３ カソードガス拡散層
１１４、２１４、３１４、５１４、６１４、７１４ 温度調節器
１１５、２１５、３１５、５１５、６１５、７１５ 電源
２００、６００ 第２電気化学デバイス
３００、７００ 第３電気化学デバイス
４００、８００ 水素生成システム
４０１、８０１ 接続流路
４０２、８０２ ガス供給手段
４０３、８０３ 制御器
100, 500 First
Claims (2)
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、
前記アノードは前記電解質膜側に配置されるアノード触媒層と前記アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、
前記カソードは前記電解質膜側に配置されるカソード触媒層と前記カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、
複数の前記電気化学デバイスは、前記水素含有ガスの供給方向の上流側の前記電気化学デバイスの前記カソードから排出された水素含有ガスが、前記水素含有ガスの供給方向の下流側の前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、直列に接続されており、
前記ガス供給手段は、複数の前記電気化学デバイスの内の前記水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスの前記アノードに前記水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くなることを特徴とする水素生成システム。 It has an electrolyte membrane-electrode assembly composed of an electrolyte membrane, an anode arranged on one side with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a cathode arranged on the other side, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. , a plurality of electrochemical devices for generating hydrogen at the cathode by applying a current in a predetermined direction between the anode and the cathode;
gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas;
a power source for passing an electric current between the anodes and the cathodes of a plurality of the electrochemical devices,
The anode comprises an anode catalyst layer arranged on the electrolyte membrane side and an anode gas diffusion layer arranged on the opposite side of the anode catalyst layer from the electrolyte membrane side,
The cathode is composed of a cathode catalyst layer arranged on the electrolyte membrane side and a cathode gas diffusion layer arranged on the opposite side of the cathode catalyst layer from the electrolyte membrane side,
In the plurality of electrochemical devices, the hydrogen-containing gas discharged from the cathode of the electrochemical device on the upstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas is discharged from the electrochemical device on the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas. connected in series so as to be supplied to the anode of
The gas supply means is a hydrogen generation system that supplies the hydrogen-containing gas to the anode of the most upstream electrochemical device in the supply direction of the hydrogen-containing gas among the plurality of electrochemical devices,
The hydrogen generation system, wherein the water repellency of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device gradually decreases from the upstream side to the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas.
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次少なくなることを特徴とする請求項１に記載の水素生成システム。 The cathode gas diffusion layer is provided with a water-repellent material,
2. The content of the water repellent material per unit volume of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical device is gradually decreased from the upstream side toward the downstream side in the supply direction of the hydrogen-containing gas. The hydrogen generation system according to .
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