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JP7694604B2 - 水電解装置 - Google Patents
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Description

本開示は、水電解装置に関する。
近年、燃料電池自動車や、発電用のエネルギーとして水素(H)ガスの需要が高まっており、Hガスの製造方法の研究も進められている。なお、Hガスの製造する方法としては、例えば水(HO)を水電解反応によって水素(H)ガスと酸素(O)ガスに分けて回収する方法が挙げられる。
例えば、特許文献1には、水電解セルと電源とを含み、前記水電解セルは、第1電極と、第2電極と、アルカリ水溶液とを含み、前記第1電極と前記第2電極とは、それぞれ前記アルカリ水溶液に接触しており、前記第1電極と前記第2電極とは、互いに離れて配置されており、前記第1電極は、水素吸蔵合金を含み、前記水素吸蔵合金は、20℃において0.2MPa以上の平衡解離圧を有し、前記第1電極と、前記第2電極とは、それぞれ前記電源に接続されており、前記電源は、前記第1電極が陰極となり、かつ前記第2電極が陽極となるように、両極間に電圧を印加し、前記アルカリ水溶液の電気分解により、前記第1電極において水素ガスが発生する、水素ガスの製造装置、が開示されている。
また、特許文献2には、水溶液から水素ガスを発生させるシステムであって:第1作用電極と第1レドックス活性電極とを含む第1区画;および第2作用電極と第2レドックス活性電極とを含む第2区画を含み、前記第1区画および前記第2区画の各々が、水溶液を受け入れるために構成された入口を有し、前記第1作用電極が電源に接続可能であり、かつ前記電源によって印加された電圧に応答して前記水溶液中の水の還元をもたらし、それによって水素ガスおよび水酸化物イオンを発生させるように構成されており、前記第2作用電極が、前記電源に接続可能であり、かつ、前記電源によって印加された電圧に応答して水酸化物イオンの酸化をもたらしてそれによって酸素ガスおよび水を発生させるように構成されており、さらに前記第2レドックス活性電極および前記第1レドックス活性電極が、互いに対して電気接続可能であり、かつ各々が、水酸化物イオンの存在下で可逆的に酸化を受けることおよび水の存在下で還元を受けてそれによって水酸化物イオンを生成することができ、前記第1区画と前記第2区画とが相互に分離されている、システム、が開示されている。
特開2021-17628号公報 特表2017-534764号公報
なお、水電解反応によって水が消費されて電解液の水位が下がると、電解液に浸漬されている正極及び負極が露出し、さらにこの状態で電圧がかけ続けられると発熱が生じる。特に電解液が無くなって正極及び負極が露出しきると、強い発熱が生じてセルが高温となる可能性がある。そのため、電解液の量が多めになるよう管理することが予想される。しかし、電解液の水位が高くなると、正極に接続する正極端子及び負極に接続する負極端子も電解液に浸漬され、この端子が電解液に浸漬された表面において水電解反応以外の他の反応が生じる。その結果、他の反応に電荷が消費されて、Hガスの発生効率が低下することとなる。
本開示は、以上の点に鑑み、発熱が生じてセルが高温となることを抑制し、且つ高いHガスの発生効率を達成できる水電解装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための手段は、以下の態様を含む。
<1> 電源と、
正極、負極、前記電源及び前記正極に接続する正極端子、前記電源及び前記負極に接続する負極端子、並びに水を含む電解液を有するセルと、
前記セルにかかる電圧を検知する電圧センサ、及び前記電解液の温度を検知する温度センサの少なくとも一方と、
前記電解液の水位を検知する水位センサと、
前記電解液に水を注入する水注入部と、
前記水注入部からの前記水の注入量を制御する制御部と、
を有し、
水電解反応を生じさせてHガスを取り出す水電解装置であって、
下記(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に、前記水位センサで検知した前記電解液の水位が、前記正極と前記正極端子との境界線及び前記負極と前記負極端子との境界線より低い場合には、前記水注入部からの前記水の注入量を増量し、前記電解液の水位が前記境界線より高い場合には、前記水注入部からの前記水の注入量を減量するよう、前記制御部により制御する、水電解装置。
(a)前記電圧センサで検知した前記電圧が1.7V超となった際
(b)前記温度センサで検知した前記電解液の温度が50℃超となった際
<2> 前記セルがニッケル水素蓄電池である、<1>に記載の水電解装置。
<3> 前記ニッケル水素蓄電池が、使用済みの蓄電池である、<2>に記載の水電解装置。
<4> 前記電解液の水位が、前記境界線と一致する場合を100%とした場合に、80%以上の水位となるよう、前記制御部により前記水の注入量が制御される、<1>~<3>のいずれか1項に記載の水電解装置。
<5> 前記水注入部から前記電解液に前記水が注入される際に、前記正極端子及び前記負極端子に前記水が接触しないように注入が行われる、<1>~<4>のいずれか1項に記載の水電解装置。
本開示によれば、発熱が生じてセルが高温となることを抑制し、且つ高いHガスの発生効率を達成できる水電解装置を提供することができる。
本開示の実施形態に係る水電解装置を示す概略断面図である。 図1において電解液の水位が下がった状態を示す概略断面図である。 図1において電解液の水位が上がった状態を示す概略断面図である。
以下、本開示における水電解装置について、図面を用いて詳細に説明する。以下に示す各図は、模式的に示したものであり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。また、本明細書において、ある部材に対して他の部材を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」または「下に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある部材に接するように、直上または直下に他の部材を配置する場合と、ある部材の上方または下方に、別の部材を介して他の部材を配置する場合との両方を含む。
〔水電解装置〕
本開示の実施形態に係る水電解装置は、水電解反応を生じさせてHガスを取り出す装置である。なお、さらにOガスを取り出すこともできる。
水電解装置は、電源と、セルと、を有する。セルは、正極と、負極と、電源及び正極に接続する正極端子と、電源及び負極に接続する負極端子と、水を含む電解液と、を有する。さらに水電解装置は、セルにかかる電圧を検知する電圧センサ、及び電解液の温度を検知する温度センサの少なくとも一方と、電解液の水位を検知する水位センサと、電解液に水を注入する水注入部と、水注入部からの水の注入量を制御する制御部と、を有する。
そして、水電解装置は、下記(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子との境界線及び負極と負極端子との境界線より低い場合には、水注入部からの水の注入量を増量し、電解液の水位が境界線より高い場合には、水注入部からの水の注入量を減量するよう、制御部により制御する。
(a)電圧センサで検知した電圧が1.7V超となった際
(b)温度センサで検知した電解液の温度が50℃超となった際
本開示に係る水電解装置の一実施形態について、図1を参照して説明する。
図1は、本開示の実施形態における水電解装置を例示する概略斜視図である。図1に示す水電解装置100は、電源1、及びセル2を有する。セル2では、正極20、負極22、電源1及び正極20に接続する正極端子200、電源1及び負極22に接続する負極端子220、並びに水(HO)32を含む電解液24が、筐体26に収容されている。なお、図1に示すセル2は、正極20、負極22、正極端子200、負極端子220及び電解液24を収容する筐体26を6つ並べた6連のセルである。正極端子200は正極20に対して重力方向の上方に配置され、また負極端子220は負極22に対して重力方向の上方に配置される。図1に示すセル2では、正極20及び負極22が電解液24に浸漬され、一方正極端子200及び負極端子220は電解液24に浸漬されておらず、つまり電解液24の水位が、正極20と正極端子200及び負極22と負極端子220の境界線Xと等しい高さに調整されている。
水電解装置100は、セル2にかかる電圧を電圧センサ(不図示)で検知し、検知された電圧をモニタリングする電圧モニタリング装置4Aを有する。なお、水電解装置100は、電圧センサ及び電圧モニタリング装置4Aに替えて、セル2における電解液24の温度を温度センサ(不図示)で検知し、検知された温度をモニタリングする温度モニタリング装置4Bを有していてもよい。電圧センサ及び電圧モニタリング装置4Aにより、電源1(必要によりさらに抵抗器)によって調整されたセル2にかかる電圧を検知し且つ電圧のモニタリングを行う。温度センサ及び温度モニタリング装置4Bにより、セル2の各筐体26中における電解液24の温度を検知し且つ温度のモニタリングを行う。
水電解装置100は、電解液24の水位を検知する水位センサ5、電解液24に水32を注入する水注入部としての水注入管30、及び水注入管30からの水の注入量を制御する制御部として制御装置3を有する。水位センサ5は、セル2の各筐体26中における電解液24の水位を検知するセンサである。
電源1には、電子負荷の機能が内蔵されている。ただし、電子負荷の機能が内蔵されていない電源1を用いてもよく、その場合にはさらに、水電解装置100が電子負荷の機能を有する装置(例えば抵抗器、不図示)を有していてもよい。水電解装置100では、電源1(必要によりさらに抵抗器)によって電圧の上昇及び下降の調整が行われ、求められる電圧で保持することで、電解液中の水において水電解反応を生じさせ、Hガスを取り出すことができる。また、水電解反応によって生じるOガスを併せて回収することもできる。なお、正極及び負極での反応式を下記に示す。
(正極)OH→1/2HO+1/4O+e
(負極)HO+e→1/2H+OH
水電解装置100は、セル2としてニッケル水素蓄電池を用いている。つまり、正極20、負極22、正極端子200、負極端子220及び電解液24を収容する筐体26が6つ並べられたニッケル水素蓄電池を、セル2として用いている。
このニッケル水素蓄電池は、使用済みのニッケル水素蓄電池であってよい。なお、使用済みとは、充電容量が製造直後の電池より低下していることをさす。
ここで電解液24の水位について説明する。
なお、電解液24の水位とはセル2中における電解液24の液面の高さを意味する。したがって、図1では電解液24の水位が、正極20と正極端子200及び負極22と負極端子220の境界線Xと等しい高さに調整されているが、この電解液24の水位が図2に示すように低くなると、正極20及び負極22の一部が電解液24から露出する。一方、電解液24の水位が図3のように高くなると正極端子200及び負極端子220も電解液24に浸漬された状態となる。
図1に示す水電解装置100で水電解反応を行う場合、反応によって電解液24中の水が消費されるため、電解液24の量が減少する。一方で、電解液24には制御装置3から水注入管30を通じて水32が注入され、電解液24の量が増加する。この水電解反応による水の消費量と水32の注入量が等しければ電解液24の水位は一定に保たれ、水電解反応による水の消費量の方が多ければ電解液24の水位は下がり、水32の注入量の方が多ければ電解液24の水位は上がる。
しかし、電解液24の水位が下がり続けて電解液24が無くなり(つまり液枯れし)、正極20及び負極22が露出した状態で電圧がかけ続けられると、発熱が生じて高温となる可能性がある。そのため、電解液24が無くなること(液枯れ)を抑制するために、電解液24の量が多めになるよう管理することが予想される。ただし、電解液24の量が多くなり電解液24の水位が高くなると、正極端子200及び負極端子220も電解液24に浸漬された状態となる。正極端子200及び負極端子220が電解液24に浸漬された状態で電圧がかけられると、端子の表面において水電解反応以外の他の反応が生じ、つまり他の反応に電荷が消費されるため、Hガスの発生効率が低下することとなる。
なお本開示では、前述の通り、セルとしてニッケル水素蓄電池を用いることができ、特に使用済みのニッケル水素蓄電池を用いることができる。今後、電気自動車(BEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、ハイブリッド自動車(HEV)等に搭載された使用済みのニッケル水素蓄電池が多量に排出されることが予想され、こうした使用済みのニッケル水素蓄電池を可能な限りリユースに近い形で水電解装置に転用することが望ましい。ただし、使用済みのニッケル水素蓄電池を水電解装置のセルに用いた場合、電解液の液枯れ抑制のために、電解液の量が多めになるよう管理する方法が考えられる。しかし、上述の通り、その場合には正極端子及び負極端子が電解液に浸漬され、水電解反応以外の他の反応が生じて、Hガスの発生効率が低下することとなる。
以上の理由から、電解液の水位を、正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線付近の高さとなるよう調整し続けることが好ましい。
そこで、本開示の実施形態に係る水電解装置は、下記(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子との境界線及び負極と負極端子との境界線より低い場合には、水注入部からの水の注入量を増量し、電解液の水位が境界線より高い場合には、水注入部からの水の注入量を減量するよう、制御部により制御する。
(a)電圧センサで検知した電圧が1.7V超となった際
(b)温度センサで検知した電解液の温度が50℃超となった際
まず、電解液の水位とセルの電圧および電解液の温度との関係について説明する。図1に示すように電解液の水位が正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線と等しい高さに調整されている場合に比べ、電解液の水位が低くなると、正極及び負極の一部が電解液から露出する。正極及び負極が露出した状態で電圧がかけ続けられると、正極及び負極の露出箇所において発熱が生じて電解液の温度は高くなり、またセルにかかる電圧は高くなる。一方、電解液の水位が境界線と等しい高さに調整されている場合に比べて高くなると、正極端子及び負極端子も電解液に浸漬された状態となる。この状態で電圧がかけ続けられると、正極端子及び負極端子の浸漬箇所において漏電が生じた状態となり、セルにかかる電圧は高くなり、また電解液の温度は高くなる。
以上の点より、セルの電圧の上昇および電解液の温度の上昇の少なくとも一方を検知することで、電解液の水位の変化の指標とすることができることを見出した。
本開示において(a)を満たす場合には、電圧センサによりセルの電圧を検知する。そしてセルの電圧が1.7V超となった際に、制御部による水の注入量を制御する。具体的には、セルの電圧が1.7V超となった際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子との境界線及び負極と負極端子との境界線より低い場合には、制御部によって水注入部からの水の注入量を増量するよう制御し、一方水位センサで検知した電解液の水位が境界線より高い場合には、制御部によって水注入部からの水の注入量を減量するよう制御する。
また(b)を満たす場合には、温度センサにより電解液の温度を検知する。そして電解液の温度が50℃超となった際に、制御部による水の注入量を制御する。具体的には、電解液の温度が50℃超となった際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子との境界線及び負極と負極端子との境界線より低い場合には、制御部によって水注入部からの水の注入量を増量するよう制御し、一方水位センサで検知した電解液の水位が境界線より高い場合には、制御部によって水注入部からの水の注入量を減量するよう制御する。
こうして、前記(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に水の注入量を制御することで、電解液の水位を正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線付近の高さとなるよう調整し続けることができる。その結果、電解液が無くなり(つまり液枯れして)発熱が生じて高温となることが抑制され、且つ水電解反応以外の他の反応に電荷が消費されることが抑制され、Hガスの発生効率を高めることができる。
なお、前記(a)を満たす場合、発熱が生じてセルが高温となることをより抑制し且つより高いHガスの発生効率を達成する観点から、電圧センサで検知したセルの電圧が1.6V超となった際に制御部による水の注入量を上記の方法によって制御することが好ましく、セルの電圧が1.5V超となった際に制御部による水の注入量を上記の方法によって制御することがより好ましい。
また、前記(b)を満たす場合、発熱が生じてセルが高温となることをより抑制し且つより高いHガスの発生効率を達成する観点から、温度センサで検知した電解液の温度が30℃超となった際に制御部による水の注入量を上記の方法によって制御することが好ましい。
前記(a)及び(b)のいずれを満たす場合においても、発熱が生じてセルが高温となることをより抑制する観点から、電解液の水位が正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線と一致する場合を100%とした場合に、80%以上の高さの水位となるよう、制御部による水の注入量を制御することが好ましい。
また、水注入部(例えば図1に示す水注入管30)から電解液に水が注入される際に、漏電の発生を抑制する観点から、正極端子及び負極端子に水が接触しないように注入が行われることが好ましい。
なお、図1では、正極20、負極22、正極端子200、及び負極端子220がそれぞれ1つずつ1つの筐体26に収容されたセル2を示したが、セルの態様はこれに限定されるものではない。
例えば、正極と負極がそれぞれ別の筐体に収容されており、この筐体同士が同じ電解液に浸漬された態様であってもよい。つまり、正極及び正極端子が第1筐体に収容され、負極及び負極端子が第2筐体に収容され、第1筐体及び第2筐体が同じ電解液に浸漬されることでセルを構成していてもよい。この場合、正極を有する第1筐体から酸素ガスが発生し、負極を有する第2筐体から水素ガスが発生するため、水素ガスと酸素ガスとを容易に別々に取り出すことができる。なお、第1筐体及び第2筐体にもニッケル水素蓄電池を用いることができ、さらに使用済みのニッケル水素蓄電池を用いることもできる。
本開示では、セルに使用済みのニッケル水素蓄電池を適用することができ、ニッケル水素蓄電池を再利用して、Hガス及びOガスを取り出すことができる。
ここで、本開示の実施形態に係る水電解装置における水素ガスの発生について、実験により確認した。
(水電解装置の準備)
図1に示す水電解装置100と同じ構成であり、セル及び電解液として以下のものを用いた水電解装置を準備した。
セル:使用済みのニッケル水素畜電池であり、正極、負極、正極端子、及び負極端子を1つずつ収容し、さらに電解液を収容する筐体を6つ並べた6連のセル
電解液:水酸化カリウム(KOHaq、pH15)であって、水(HO)を質量比で64%含む電解液
なお、筐体が6つ並べられた6連のセルにおける各正極端子及び各負極端子を、直列で電源(電子負荷の機能が内蔵されたもの)に接続した。
この水電解装置において、水注入管から電解液に水を注入しながら、水電解反応が生じる電圧となるよう、電源によってセルにかかる電圧を調整した。
(実施例1-1)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、電圧センサでセルの電圧を検知し且つ検知された電圧を電圧モニタリング装置でモニタリングし、セルの電圧が1.7V超となった際に、制御装置による水の注入量を制御した。具体的には、セルの電圧が1.7V超となった際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線より低い場合には、制御装置によって水注入管からの水の注入量を増量するよう制御し、一方水位センサで検知した電解液の水位が境界線より高い場合には、制御装置によって水注入管からの水の注入量を減量するよう制御した。
10分、20分、30分、40分後における「セルの温度」を測定し、また40分後における「水素ガスの発生効率」を測定した。結果を表1に示す。
(実施例1-2)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、電圧センサでセルの電圧を検知し、セルの電圧が1.6V超となった際に、制御装置による水の注入量を制御したこと以外は、実施例1-1と同様にして水電解反応を生じさせた。結果を表1に示す。
(実施例1-3)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、電圧センサでセルの電圧を検知し、セルの電圧が1.5V超となった際に、制御装置による水の注入量を制御したこと以外は、実施例1-1と同様にして水電解反応を生じさせた。結果を表1に示す。
(実施例2-1)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、温度センサで電解液の温度を検知し且つ検知された温度を温度モニタリング装置でモニタリングし、電解液の温度が50℃超となった際に、制御装置による水の注入量を制御した。具体的には、電解液の温度が50℃超となった際に、水位センサで検知した電解液の水位が、正極と正極端子及び負極と負極端子の境界線より低い場合には、制御装置によって水注入管からの水の注入量を増量するよう制御し、一方水位センサで検知した電解液の水位が境界線より高い場合には、制御装置によって水注入管からの水の注入量を減量するよう制御した。
実施例1-1と同様に、10分、20分、30分、40分後における「セルの温度」、及び40分後における「水素ガスの発生効率」を測定した。結果を表1に示す。
(実施例2-2)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、温度センサで電解液の温度を検知し、電解液の温度が30℃超となった際に、制御装置による水の注入量を制御したこと以外は、実施例2-1と同様にして水電解反応を生じさせた。結果を表1に示す。
(比較例1)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、電圧センサでセルの電圧を検知し、セルの電圧が2.0V超となった際に、制御装置による水の注入量を制御したこと以外は、実施例1-1と同様にして水電解反応を生じさせた。結果を表1に示す。
(比較例2)
水電解装置によって水電解反応を生じさせる際、温度センサで電解液の温度を検知し、電解液の温度が70℃超となった際に、制御装置による水の注入量を制御したこと以外は、実施例2-1と同様にして水電解反応を生じさせた。結果を表1に示す。
表1の実施例及び比較例に示す通り、セルの電圧の検知又は電解液の温度の検知を行って、前述の(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に、制御装置により水の注入量を制御することで、発熱によりセルが高温となることが抑制され、且つ高いHガスの発生効率が達成できることが分かる。
なお、セルの電圧の検知及び電解液の温度の検知のいずれも実施せずに、単純に電解液の水位が前記境界線より高い状態に保ち続けた場合、例えば電解液の水位が境界線と一致する場合を100%とした場合に120%の水位のまま保持され続けるように水注入管からの水の注入量を設定した場合には、水素ガスの発生効率が比較例1よりもさらに悪化するものと推測される。
また、セルの電圧の検知及び電解液の温度の検知のいずれも実施せずに、単純に電解液の水位が前記境界線より低い状態に保ち続けた場合、例えば電解液の水位が境界線と一致する場合を100%とした場合に50%の水位のまま保持され続けるように、水注入管からの水の注入量を設定した場合には、セルの温度が急上昇して電解液が沸騰し、最終的には液枯れに至るものと推測される。
1 電源、2 セル、20 正極、200 正極端子、22 負極、220 負極端子、24 電解液、26 筐体、3 制御装置、30 水注入管、32 水、4 セル、4A 電圧モニタリング装置、4B 温度モニタリング装置、5 水位センサ、100 水電解装置

Claims (5)

  1. 電源と、
    正極、負極、前記電源及び前記正極に接続する正極端子、前記電源及び前記負極に接続する負極端子、並びに水を含む電解液を有するセルと、
    前記セルにかかる電圧を検知する電圧センサ、及び前記電解液の温度を検知する温度センサの少なくとも一方と、
    前記電解液の水位を検知する水位センサと、
    前記電解液に水を注入する水注入部と、
    前記水注入部からの前記水の注入量を制御する制御部と、
    を有し、
    水電解反応を生じさせてHガスを取り出す水電解装置であって、
    下記(a)及び(b)の少なくとも一方を満たす際に、前記水位センサで検知した前記電解液の水位が、前記正極と前記正極端子との境界線及び前記負極と前記負極端子との境界線より低い場合には、前記水注入部からの前記水の注入量を増量し、前記電解液の水位が前記境界線より高い場合には、前記水注入部からの前記水の注入量を減量するよう、前記制御部により制御する、水電解装置。
    (a)前記電圧センサで検知した前記電圧が1.7V超となった際
    (b)前記温度センサで検知した前記電解液の温度が50℃超となった際
  2. 前記セルがニッケル水素蓄電池である、請求項1に記載の水電解装置。
  3. 前記ニッケル水素蓄電池が、使用済みの蓄電池である、請求項2に記載の水電解装置。
  4. 前記電解液の水位が、前記境界線と一致する場合を100%とした場合に、80%以上の水位となるよう、前記制御部により前記水の注入量が制御される、請求項1に記載の水電解装置。
  5. 前記水注入部から前記電解液に前記水が注入される際に、前記正極端子及び前記負極端子に前記水が接触しないように注入が行われる、請求項1に記載の水電解装置。
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