JP7454428B2 - Electrolyzer, electrolyzer, electrolysis method - Google Patents
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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.
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