JP7784802B2 - Multipolar electrolyzer for water electrolysis - Google Patents
Multipolar electrolyzer for water electrolysisInfo
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Description
本発明は、水電解用複極式電解槽に関する。 The present invention relates to a bipolar electrolytic cell for water electrolysis.
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, renewable energy technologies such as wind power and solar power generation have been attracting attention as a way to solve problems such as global warming caused by greenhouse gases such as carbon dioxide and dwindling 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。 Renewable energy output is subject to extreme fluctuations due to its dependence on weather conditions. As a result, it is not always possible to transport electricity generated by renewable energy sources to the general power grid, raising concerns about social impacts such as imbalances in power supply and demand and destabilization of the power grid.
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。 Research is therefore being conducted to convert electricity generated from renewable energy sources into a form that can be stored and transported, and to utilize this energy. Specifically, research is being conducted into the use of electricity generated from renewable energy sources to electrolyze water, generating hydrogen that can be stored and transported, and using this hydrogen as an energy source or raw material.
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 processes such as petroleum refining, chemical synthesis, and metal refining, and in recent years its potential use has expanded in hydrogen stations for fuel cell vehicles (FCVs), smart communities, and hydrogen power plants. For this reason, there are high expectations for the development of technologies to obtain hydrogen, especially from renewable energy sources.
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が、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。 Water electrolysis methods include solid polymer water electrolysis, high-temperature steam electrolysis, and alkaline water electrolysis, but alkaline water electrolysis is considered to be one of the most promising methods because it has been industrialized for over several decades, can be carried out on a large scale, and is inexpensive compared to other water electrolysis devices.
しかしながら、今後水電解を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り、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 water electrolysis as a means of storing and transporting energy in the future, it will be necessary to make it possible to carry out water electrolysis using electric power, which has large output fluctuations as mentioned above, efficiently and stably, and there is a need to resolve various issues with electrolytic cells and equipment for water electrolysis.
例えば、装置の長寿命化に関し、特許文献1には、顕著に温度が変化する状況下でも長寿命を示すシーリングデバイスを備えた電気化学システム(燃料電池、電解槽等)を得るために、異なる熱膨張係数を有する終端バイポーラプレート及びエンドプレートと、両プレートの間に配置されるシーリングデバイスとを備える電気化学システムにおいて、シーリングデバイスのシーリング機能が、シーリングデバイスに沿ったエンドプレート及び/又は終端バイポーラプレートの摺動によって与えられるように設計したことが報告されている。
また、特許文献2には、500℃以上の高温においてもシールの耐漏洩性が十分である高温蒸気電解槽又は高温燃料電池を得るため、平均熱膨張係数が異なる2つの構成部材間に配置されて構成部材間をシールするアセンブリにおいて、初期クランプによって達成される各構成部材に対して直交する直交方向の圧縮と、シールを熱膨張差により摺動させることによって達成される半径方向の圧縮との組合せによりアセンブリが封止されるように設計したことが報告されている。
For example, with regard to extending the life of the device, Patent Document 1 reports that, in order to obtain an electrochemical system (fuel cell, electrolyzer, etc.) with a sealing device that exhibits a long life even under conditions of significant temperature changes, an electrochemical system is provided with a terminal bipolar plate and an end plate having different thermal expansion coefficients and a sealing device disposed between the two plates, and the sealing function of the sealing device is designed to be provided by sliding of the end plate and/or the terminal bipolar plate along the sealing device.
Furthermore, Patent Document 2 reports that in order to obtain a high-temperature steam electrolyzer or high-temperature fuel cell in which the seal has sufficient leak resistance even at high temperatures of 500°C or higher, an assembly is placed between two components having different average thermal expansion coefficients to seal the components, and the assembly is designed to be sealed by a combination of orthogonal compression perpendicular to each component, which is achieved by initial clamping, and radial compression, which is achieved by sliding the seal due to the thermal expansion difference.
また、特に、タイロッドにより複数の電解セルが直列に接続(スタック)された電解槽においては、電解によりセル温度が高温になると、以下のようにタイロッドの増し締めが必要となり、このタイロッドの増し締めが電解槽の寿命を縮める要因となっている。
(1)セル温度が上昇すると、電解セルを構成する電極エレメント間をシールしているガスケットの弾性率が低下するため、ガスケットと各エレメントとの間の面圧(シール面圧)が低下する。加えて、セルからの熱伝導によりタイロッドも昇温し、セル及びタイロッドが膨張して、電解槽全体としてセルのスタック方向の長さが伸びる。タイロッドのスタック方向の熱膨張量(伸び量)がスタックされたセルの熱膨張量(伸び量)よりも大きいと、タイロッドによる締め付け力が弱くなり、シール面圧は更に低下する。
(2)上記(1)のようにしてシール面圧が低下した場合、電解液及び発生ガスの漏れを防ぐために、タイロッドの増し締めによりシール面圧を確保する(面圧を上げて元の値に調節する)ことが必要となる。タイロッドを増し締めすると、ガスケットはスタック方向に更に圧縮され、締め付け面の外へとガスケットが逃げる(はみ出す)ようになる。
(3)電解が終了し、セル温度が電解前の温度に戻ると、ガスケットの弾性率は回復するが、増し締めされた状態であるため、ガスケットは過圧縮状態となる。このとき、増し締めした分だけタイロッドを緩めても、ガスケットに永久ひずみが残っているため、シール面圧は電解前の元の値には戻らない。
(4)上記(3)のように、ガスケット及びシール面圧が電解前の状態に戻らないため、再び電解を行い、セル温度が高温となった際には、更なる増し締めが必要となる。
(5)(1)~(4)のようにして増し締めを繰り返し行うと、初期と比べて電解槽のスタック方向の長さは次第に短くなり、ガスケットの圧縮ひずみは次第に増大する。こうして過圧縮状態となったガスケットはやがて破損し、電解液及び発生ガスの漏れが生じる。
Furthermore, particularly in an electrolytic cell in which a plurality of electrolytic cells are connected in series (stacked) by tie rods, when the cell temperature becomes high due to electrolysis, it becomes necessary to retighten the tie rods as described below, and this retightening of the tie rods is a factor that shortens the life of the electrolytic cell.
(1) When the cell temperature rises, the elastic modulus of the gasket that seals between the electrode elements that make up the electrolytic cell decreases, thereby reducing the surface pressure (sealing surface pressure) between the gasket and each element. In addition, the temperature of the tie rod also rises due to heat conduction from the cell, causing the cell and tie rod to expand, and the length of the entire electrolytic cell in the stacking direction of the cells increases. If the thermal expansion amount (elongation amount) of the tie rod in the stacking direction is greater than the thermal expansion amount (elongation amount) of the stacked cells, the tightening force of the tie rod weakens, further reducing the sealing surface pressure.
(2) When the seal surface pressure is reduced as in (1) above, it is necessary to secure the seal surface pressure by retightening the tie rod (raising the surface pressure to adjust it back to its original value) in order to prevent leakage of the electrolyte and generated gas. When the tie rod is retightened, the gasket is further compressed in the stack direction, causing the gasket to escape (protrude) outside the tightened surface.
(3) When electrolysis is completed and the cell temperature returns to the temperature before electrolysis, the elastic modulus of the gasket recovers, but because it is in a retightened state, the gasket is in an over-compressed state. At this time, even if the tie rod is loosened by the amount of retightening, the permanent strain remains in the gasket, so the sealing surface pressure does not return to its original value before electrolysis.
(4) As in (3) above, the gasket and seal surface pressure do not return to the state they were in before electrolysis, so when electrolysis is performed again and the cell temperature becomes high, further retightening is required.
(5) Repeated tightening as in (1) to (4) causes the length of the electrolytic cell in the stack direction to gradually shorten compared to the initial state, and the compressive strain of the gasket gradually increases. The over-compressed gasket eventually breaks, causing leakage of the electrolyte and generated gas.
上記のように、タイロッドの増し締めは、ガスケットのはみ出しや圧縮ひずみを増加させ、電解液や発生ガスの漏れ、ガスケットの切れや破損を引き起こす。そのため、タイロッドの増し締めの回数を減らすことは、水電解槽及び水電解槽装置の長寿命化、メンテナンス頻度の低減に繋がる。 As mentioned above, retightening the tie rods increases the gasket's protrusion and compressive strain, leading to leakage of electrolyte and generated gas, and the gasket's tearing and damage. Therefore, reducing the number of times the tie rods are retightened will extend the life of the water electrolyzer and water electrolyzer equipment and reduce the frequency of maintenance.
そこで、本発明は、上述の課題に鑑み、変動電源や運転停止の頻度が高い条件で使用される場合でも長寿命である水電解用複極式電解槽を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention aims to provide a bipolar electrolytic cell for water electrolysis that has a long life even when used with a variable power supply or under conditions where operation is frequently stopped.
即ち、本発明は以下のとおりである。
[1]
陽極を備える陽極ターミナルエレメントと、
陰極を備える陰極ターミナルエレメントと、
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位置し、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と、
隣接する前記各エレメントの間に配置される隔膜とが
ガスケットを介してスタックされたセルスタック(a)と;
前記セルスタック(a)の両端に配置され、前記ガスケットと前記隔膜との間、及び前記ガスケットと前記各エレメントとの間に面圧を与えるプレス板(b)と;
前記セルスタック(a)と前記プレス板(b)とを締結するタイロッド(c)とを備える水電解用複極式電解槽であり、
前記プレス板(b)と前記セルスタック(a)との間に断熱部材(d)を備え、
前記セルスタック(a)、前記プレス板(b)、及び前記断熱部材(d)の電解温度におけるスタック方向の平均熱膨張率αが、前記タイロッド(c)の電解温度における前記スタック方向の平均熱膨張率βよりも大きく、かつ、前記セルスタック(a)、前記プレス板(b)、及び前記断熱部材(d)をスタックしたもの全体の電解温度における熱膨張量(前記スタック方向の長さの伸び)が、前記タイロッド(c)の電解温度における熱膨張量(前記スタック方向の長さの伸び)よりも大きい
ことを特徴とする、水電解用複極式電解槽。
[2]
前記断熱部材(d)の電解温度における熱伝導率Aが、前記プレス板(b)の電解温度における熱伝導率Bよりも小さい、[1]に記載の水電解用複極式電解槽。
[3]
前記断熱部材(d)の100℃における熱伝導率Aが1W/m・K以下である、[1]又は[2]に記載の水電解用複極式電解槽。
[4]
前記断熱部材(d)の電解温度における体積抵抗率が1kΩ・cm以上である、[1]~[3]のいずれかに記載の水電解用複極式電解槽。
[5]
前記ガスケットの厚さが前記複極式エレメントの厚さの5~20%である、[1]~[4]のいずれかに記載の水電解用複極式電解槽。
[6]
前記タイロッド(c)の軸の外周に配置され、前記セルスタック(a)のスタック方向に弾性変形可能なばね部材(e)を更に備え、
前記セルスタック(a)の電解温度におけるスタック方向の膨張長さΔLが、前記ばね部材(e)の前記スタック方向の全たわみTの75%以下である、[1]~[5]のいずれかに記載の水電解用複極式電解槽。
[7]
前記タイロッド(c)の本数をnとして、前記n本のタイロッド(c)に配置される前記ばね部材(e)のばね定数が5/n~20/n kN/mmである、[6]に記載の水電解用複極式電解槽。
[8]
電解時の前記ガスケットと前記各エレメントとの間の面圧が、前記電解槽の最大内圧の2倍以上であり、前記セルスタック(a)のスタック方向における前記ガスケットの圧縮率が10~25%である、[1]~[7]のいずれかに記載の水電解用複極式電解槽。
That is, the present invention is as follows.
[1]
an anode terminal element comprising an anode;
a cathode terminal element comprising a cathode;
a plurality of bipolar elements positioned between the anode terminal element and the cathode terminal element, each element including an anode, a cathode, a partition wall separating the anode and the cathode, and an outer frame that frames the partition wall;
A cell stack (a) in which adjacent elements are stacked with a diaphragm disposed between them via a gasket;
press plates (b) disposed at both ends of the cell stack (a) and applying surface pressure between the gasket and the diaphragm, and between the gasket and each of the elements;
a tie rod (c) fastening the cell stack (a) and the press plate (b),
a heat insulating member (d) is provided between the press plate (b) and the cell stack (a);
a mean thermal expansion coefficient α of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) in the stacking direction at electrolysis temperature is greater than a mean thermal expansion coefficient β of the tie rod (c) in the stacking direction at electrolysis temperature , and an amount of thermal expansion of the entire stack of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) at electrolysis temperature (elongation in the stacking direction) is greater than an amount of thermal expansion of the tie rod (c) at electrolysis temperature (elongation in the stacking direction).
[2]
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to [1], wherein a thermal conductivity A of the heat insulating member (d) at an electrolysis temperature is smaller than a thermal conductivity B of the press plate (b) at an electrolysis temperature.
[3]
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to [1] or [2], wherein the thermal conductivity A of the heat insulating member (d) at 100°C is 1 W/m K or less.
[4]
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of [1] to [3], wherein the heat insulating member (d) has a volume resistivity of 1 kΩ cm or more at an electrolysis temperature.
[5]
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of [1] to [4], wherein the thickness of the gasket is 5 to 20% of the thickness of the bipolar element.
[6]
a spring member (e) arranged on an outer periphery of the axis of the tie rod (c) and elastically deformable in the stacking direction of the cell stack (a),
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of [1] to [5], wherein an expansion length ΔL of the cell stack (a) in the stack direction at an electrolysis temperature is 75% or less of a total deflection T of the spring member (e) in the stack direction.
[7]
[6] The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to [6], wherein the number of the tie rods (c) is n, and the spring members (e) arranged on the n tie rods (c) have a spring constant of 5/n to 20/n kN/mm.
[8]
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of [1] to [7], wherein the surface pressure between the gasket and each of the elements during electrolysis is at least twice the maximum internal pressure of the electrolytic cell, and the compressibility of the gasket in the stacking direction of the cell stack (a) is 10 to 25%.
本発明によれば、変動電源や運転停止の頻度が高い条件で使用される場合でも長寿命である水電解用複極式電解槽を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide a bipolar electrolytic cell for water electrolysis that has a long life even when used with a variable power supply or under conditions where operation is frequently stopped.
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。 The following describes in detail the mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the "present embodiment"). Note that the present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications can be made within the scope of its gist.
〈水電解用複極式電解槽〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽は、セルスタック(a)と、セルスタック(a)の両端に位置するプレス板(b)と、セルスタック(a)とプレス板(b)とを締結するタイロッド(c)とを備える電解槽であり、更に、セルスタック(a)とプレス板(b)との間に断熱部材(d)を備えることを特徴とする。
セルスタック(a)は、陽極を備える陽極ターミナルエレメントと、陰極を備える陰極ターミナルエレメントと、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の間に位置し、陽極と、陰極と、陽極と陰極とを隔離する隔壁と、隔壁を縁取る外枠とを備える複数の複極式エレメントと、隣接する各エレメントの間に配置される隔膜とがガスケットを介してスタック(積層)されてなる。なお、本開示において、セルスタック(a)のスタック(積層)方向を単に「スタック方向」とも称する。
プレス板(b)は、タイロッド(c)によりセルスタック(a)に締結され、ガスケットと隔膜との間、及びガスケットと各エレメントとの間に面圧(シール面圧)を与える。
本実施形態の水電解用複極式電解槽は、セルスタック(a)とプレス板(b)との間に断熱部材(d)を備えることにより、電解中にセルスタック(a)が高温になった際に、セルスタック(a)からタイロッド(c)への熱伝導を低減することができる。これにより、タイロッド(c)が膨張してスタック方向の長さが伸びること、それによりシール面圧が低下することを防ぐことができるため、タイロッド(c)の増し締めの回数を減らすことができ、長寿命の水電解用複極式電解槽を実現できる。
以下、本実施形態の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 water electrolysis>
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis of this embodiment is an electrolytic cell including a cell stack (a), press plates (b) located at both ends of the cell stack (a), and tie rods (c) that fasten the cell stack (a) and the press plates (b), and is further characterized by including a heat insulating member (d) between the cell stack (a) and the press plates (b).
The cell stack (a) is formed by stacking (layering) an anode terminal element having an anode, a cathode terminal element having a cathode, a plurality of bipolar elements positioned between the anode terminal element and the cathode terminal element and having an anode, a cathode, a partition wall separating the anode and the cathode, and an outer frame bordering the partition wall, with a diaphragm disposed between each adjacent element via a gasket. In this disclosure, the stacking (layering) direction of the cell stack (a) is also simply referred to as the "stack direction."
The press plate (b) is fastened to the cell stack (a) by tie rods (c), and applies surface pressure (sealing surface pressure) between the gasket and the diaphragm, and between the gasket and each element.
The bipolar electrolytic cell for water electrolysis of this embodiment includes a heat insulating member (d) between the cell stack (a) and the press plate (b), thereby reducing heat conduction from the cell stack (a) to the tie rods (c) when the temperature of the cell stack (a) rises during electrolysis. This prevents the tie rods (c) from expanding and increasing in length in the stack direction, which would otherwise cause a decrease in seal surface pressure. This reduces the number of times the tie rods (c) need to be retightened, thereby achieving a bipolar electrolytic cell for water electrolysis with a long life.
Hereinafter, the configuration of an example of a bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to this embodiment will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態の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。
本実施形態の水電解用複極式電解槽50は、図1及び図2に示す一例では、一端からプレス板(b)、断熱部材(d)、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7、隔膜4、陰極側ガスケット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7、隔膜4、陰極側ガスケット7を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51c、断熱部材(d)、プレス板(b)をこの順番で配置する。水電解用複極式電解槽50は、全体をタイロッド(c)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。陽極ターミナルエレメント51aから陰極ターミナルエレメント51cまでをセルスタック(a)と称する。
水電解用複極式電解槽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。
また、本実施形態の水電解用複極式電解槽50では、特に限定されないが、図2に示すように、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。
FIG. 1 shows a side view of an example of an entire bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to this embodiment.
FIG. 2 is a side view of an example of a zero-gap structure of a bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to this embodiment, showing the area enclosed by a dashed square frame in FIG.
In the example of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis according to this embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , a press plate (b), a heat insulating member (d), and an anode terminal element 51a are arranged in this order from one end, and further an anode side gasket 7, a diaphragm 4, a cathode side gasket 7, and a bipolar element 60 are arranged in this order. The bipolar element 60 is arranged so that the cathode 2c faces the anode terminal element 51a. The anode side gasket 7 to the bipolar element 60 are arranged repeatedly as many times as necessary for the designed production volume. After the anode side gasket 7 to the bipolar element 60 are arranged repeatedly as necessary, the anode side gasket 7, the diaphragm 4, and the cathode side gasket 7 are again arranged in this order, and finally the cathode terminal element 51c, the heat insulating member (d), and the press plate (b) are arranged in this order. The bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis is integrated by fastening the entire assembly with tie rods (c) to form the bipolar electrolytic cell 50. The elements from the anode terminal element 51a to the cathode terminal element 51c are referred to as a cell stack (a).
The arrangement of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis can be arbitrarily selected from either the anode 2a side or the cathode 2c side, and is not limited to the above order.
Furthermore, although not particularly limited, the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis according to this embodiment preferably has a zero-gap structure Z in which the diaphragm 4 is in contact with the anode 2 a and the cathode 2 c, as shown in FIG. 2 .
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。
水電解用複極式電解槽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 method of connecting a large number of cells to a power source, in which multiple bipolar elements 60, one side of which is an anode 2a and the other side of which is a cathode 2c, are arranged in the same direction and connected in series, and only both ends are connected to the power source.
The bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis has the advantage of being able to reduce the current of the power supply, and is capable of producing large amounts of compounds, predetermined substances, etc. in a short period of time through electrolysis. For power supply equipment with the same output, a constant current, high voltage type is cheaper and more compact, so from an industrial perspective, a bipolar type is preferable to a monopolar type.
〈〈セルスタック(a)〉〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽50に含まれるセルスタック(a)は、図1に示すように、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、複極式エレメント60を必要数スタックすることで構成されている。
セルスタック(a)において、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。
図1に示すように、隣接する各エレメント51a、60、51c同士、及び、各エレメント51a、60、51cと隔膜4とは、ガスケット7を介してスタックされる。
<<Cell stack (a)>>
As shown in FIG. 1 , the cell stack (a) included in the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment is configured by stacking a required number of bipolar elements 60 between an anode terminal element 51 a and a cathode terminal element 51 c.
In the cell stack (a), the diaphragms 4 are arranged between the anode terminal element 51a and the bipolar element 60, between adjacent bipolar elements 60, and between the bipolar element 60 and the cathode terminal element 51c.
As shown in FIG. 1, adjacent elements 51 a , 60 , 51 c and adjacent elements 51 a , 60 , 51 c and diaphragms 4 are stacked with gaskets 7 interposed therebetween.
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。
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。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。
1 and 2, the bipolar element 60 includes a partition wall 1 that separates the anode 2a and the cathode 2c, and an outer frame 3 that frames the partition wall 1. More specifically, the partition wall 1 is conductive, and the outer frame 3 is provided along the outer edge of the partition wall 1 so as to surround the partition wall 1.
In this embodiment, the bipolar element 60 may be used so that the given direction D1 along the partition wall 1 is normally the vertical direction. Specifically, when the partition wall 1 has a rectangular shape in a plan view as shown in Fig. 2, the given direction D1 along the partition wall 1 may be the same direction as the direction of one of two pairs of opposing sides. In this specification, the vertical direction is also referred to as the electrolyte passage direction.
本実施形態における水電解用複極式電解槽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。
本実施形態では、特に、水電解用複極式電解槽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。
なお、図1及び図2に示す例では、隔壁1、陽極2a、陰極2cがいずれも所定の厚みを有する板状の形状であるが、本発明はこれに限定されることなく、断面において全部又は一部がジグザグ状、波状となる形状であってもよく、端部が丸みを帯びている形状であってもよい。
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis in this embodiment, as shown in FIG. 2, an electrode chamber 5 through which the electrolyte passes is defined by a partition wall 1, an outer frame 3, and a diaphragm 4.
In this embodiment, in particular, the portion between the partition walls 1 between two adjacent bipolar elements 60 and the portion between the partition walls 1 between an adjacent bipolar element 60 and a terminal element in the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis are referred to as the electrolytic cell 65. The electrolytic cell 65 includes the partition wall 1, anode chamber 5a, anode 2a, and diaphragm 4 of one element, and the cathode 2c, cathode chamber 5c, and partition wall 1 of the other element.
In the examples shown in FIGS. 1 and 2 , the partition wall 1, the anode 2 a, and the cathode 2 c all have a plate-like shape with a predetermined thickness; however, the present invention is not limited thereto, and they may all or partly have a zigzag or wavy shape in cross section, or may have a shape with rounded edges.
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と、電極室5から電解液を導出する電解液出口とを有する。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とが設けられる。 Specifically, the electrode chamber 5 has, at the boundary with the outer frame 3, an electrolyte inlet for introducing electrolyte into the electrode chamber 5 and an electrolyte outlet for discharging electrolyte from the electrode chamber 5. More specifically, the anode chamber 5a is provided with an anolyte inlet for introducing electrolyte into the anode chamber 5a and an anolyte outlet for discharging electrolyte from the anode chamber 5a. Similarly, the cathode chamber 5c is provided with a catholyte inlet for introducing electrolyte into the cathode chamber 5c and a catholyte outlet for discharging electrolyte from the cathode chamber 5c.
本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解液を水電解用複極式電解槽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、水電解用複極式電解槽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。さらに、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、水電解用複極式電解槽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 anode chamber 5a and the cathode chamber 5c may be provided with internal distributors for uniformly distributing the electrolyte solution across the electrode surfaces inside the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis. The electrode chambers 5 may also be provided with baffle plates that function to restrict the flow of the solution inside the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis. Furthermore, the anode chamber 5a and the cathode chamber 5c may be provided with protrusions for creating Karman vortices to uniform the concentration and temperature of the electrolyte solution inside the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis and to promote degassing of gases adhering to the electrodes 2 and diaphragm 4.
なお、図1及び図2に示した例では、長方形形状の隔壁1と長方形形状の隔膜4とが平行に配置され、また、隔壁1の端縁に設けられた直方体形状の外枠3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。電極室5の形状は、これに限定されず、隔壁1や隔膜4の平面視形状、外枠3の隔壁2側の内面と隔壁2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 example shown in Figures 1 and 2, the rectangular partition wall 1 and rectangular diaphragm 4 are arranged parallel to each other, and the inner surface of the rectangular outer frame 3 attached to the edge of the partition wall 1 on the partition wall 1 side is perpendicular to the partition wall 1, resulting in the electrode chamber 5 having a rectangular parallelepiped shape. The shape of the electrode chamber 5 is not limited to this, and may be modified as appropriate depending on the planar shapes of the partition wall 1 and diaphragm 4, the angle between the inner surface of the outer frame 3 on the partition wall 2 side and the partition wall 2, etc. Any shape is acceptable as long as the effects of the present invention are achieved.
水電解用複極式電解槽50には、通常、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、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に、陽極室5aに電解液を入れる陽極入口ヘッダーと、陰極室5cに電解液を入れる陰極入口ヘッダーとを備えている。また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に、陽極室5aから電極液を出す陽極出口ヘッダーと、陰極室5cから電解液を出す陰極出口ヘッダーとを備えている。
なお、水電解用複極式電解槽50に取り付けられるヘッダーの配設態様として、代表的には、内部ヘッダー型と外部ヘッダー型とがあるが、本発明では、いずれの型を採用してもよく、特に限定されない。
The bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis is usually fitted with headers, which are pipes for distributing or collecting the electrolyte, and is provided with an anode inlet header for introducing the electrolyte into the anode chamber 5a and a cathode inlet header for introducing the electrolyte into the cathode chamber 5c, both located at the lower part of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1. Similarly, an anode outlet header for discharging the electrode solution from the anode chamber 5a and a cathode outlet header for discharging the electrolyte from the cathode chamber 5c are provided at the upper part of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1.
The headers attached to the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis are typically of an internal header type and an external header type, but either type may be employed in the present invention, and there is no particular limitation.
本実施形態の水電解用複極式電解槽50では、陽極入口ヘッダーで配液された電解液が、陽極電解液入口を通って陽極室5aに導入され、陽極室5aを通過し、陽極電解液出口を通って陽極室5aから導出され、陽極出口ヘッダーで集液される。 In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, the electrolyte dispensed in the anode inlet header is introduced into the anode chamber 5a through the anode electrolyte inlet, passes through the anode chamber 5a, and is discharged from the anode chamber 5a through the anode electrolyte outlet, and is collected in the anode outlet header.
本実施形態の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2参照)。 The bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment may be provided with multiple straightening plates 6 arranged parallel to a given direction D1 along the partition wall 1 to reduce convection that occurs in the electrolysis chamber 5 due to turbulence in the gas-liquid flow within the electrolysis chamber 5 and suppress local increases in the temperature of the electrolyte (see Figure 2).
セルスタック(a)において、ガスケット7の厚さは、複極式エレメントの厚さの5~20%であることが好ましく、より好ましくは5~15%であり、更に好ましくは5~10%である。
後述するように、複極式エレメント60の外枠や隔壁等の材質は、ステンレス鋼(SUS)、鉄鋼、ニッケル等であり、ガスケット7の材質はゴム等であるため、複極式エレメント60の熱膨張率よりもガスケット7の熱膨張率の方が高く、ガスケット7の厚さが大きい(スタック方向の長さが長い)ほど、セルスタック(a)全体の平均熱膨張率は高くなる。そのため、ガスケット7の厚さを上記範囲にすることで、セルスタック(a)の平均熱膨張率を低減することができ、シール面圧の低下を防ぐことができる。
ガスケット7の具体的な厚さは、水電解用複極式電解槽50の大きさや形状に応じて定まるが、例えば、0.5~10mmであることが好ましく、より好ましくは2~7mmであり、更に好ましくは3~6mmである。
In the cell stack (a), the thickness of the gasket 7 is preferably 5 to 20% of the thickness of the bipolar element, more preferably 5 to 15%, and even more preferably 5 to 10%.
As will be described later, the outer frame, partition walls, etc. of the bipolar element 60 are made of materials such as stainless steel (SUS), steel, nickel, etc., and the gasket 7 is made of material such as rubber, so the thermal expansion coefficient of the gasket 7 is higher than that of the bipolar element 60, and the thicker the gasket 7 (the longer its length in the stack direction), the higher the average thermal expansion coefficient of the entire cell stack (a). Therefore, by setting the thickness of the gasket 7 within the above range, the average thermal expansion coefficient of the cell stack (a) can be reduced, and a decrease in seal surface pressure can be prevented.
The specific thickness of the gasket 7 is determined depending on the size and shape of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis, but is, for example, preferably 0.5 to 10 mm, more preferably 2 to 7 mm, and even more preferably 3 to 6 mm.
また、電解時のガスケット7と各エレメントと51a、60、51cの間の面圧(シール面圧)が、水電解用複極式電解槽50の最大内圧の2倍以上であり、且つ、セルスタック(a)のスタック方向におけるガスケット7の圧縮率が10~30%であることが好ましい。シール面圧及びガスケット7の圧縮率が上記範囲であると、電解液や発生ガスの漏れがなく、ガスケットの切れや破損が生じ難い。
シール面圧は、より好ましくは、水電解用複極式電解槽50の最大内圧の5倍以上であり、更に好ましくは10倍以上である。
なお、上記水電解用複極式電解槽50の最大内圧は、発生ガスの出口流路に設けた圧力計により測定することができる。また、シール面圧は、プレス板(b)と断熱部材(d)の間にロードセルを挿入してスタック方向荷重を測定することにより求めることができる。
また、スタック方向におけるガスケット7の圧縮率は、より好ましくは13~25%であり、更に好ましくは15~20%である。
なお、ガスケット7の圧縮率とは、電解の前後で比較したガスケット7のスタック方向の長さの収縮率を指す。
Furthermore, it is preferable that the surface pressure (sealing surface pressure) between the gasket 7 and each element 51a, 60, 51c during electrolysis is at least twice the maximum internal pressure of the bipolar electrolytic cell for water electrolysis 50, and that the compression rate of the gasket 7 in the stacking direction of the cell stack (a) is 10 to 30%. When the sealing surface pressure and the compression rate of the gasket 7 are within the above ranges, there is no leakage of the electrolyte or generated gas, and the gasket is less likely to tear or break.
The seal surface pressure is more preferably 5 times or more, and even more preferably 10 times or more, the maximum internal pressure of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis.
The maximum internal pressure of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis can be measured by a pressure gauge provided in the outlet flow path for the generated gas. The seal surface pressure can be determined by inserting a load cell between the press plate (b) and the heat insulating member (d) to measure the load in the stack direction.
The compression ratio of the gasket 7 in the stacking direction is more preferably 13 to 25%, and even more preferably 15 to 20%.
The compression ratio of the gasket 7 refers to the shrinkage ratio of the length of the gasket 7 in the stack direction compared before and after electrolysis.
〈〈プレス板(b)〉〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽50において、プレス板(b)は、セルスタック(a)の両端に配置される。プレス板(b)は、タイロッド(c)によりセルスタック(a)に締結され、タイロッド(c)の締結荷重によりガスケット7と隔膜4との間、及びガスケット7と各エレメント51a、60、51cとの間に面圧(シール面圧)を与える。プレス板(b)により面圧を掛けられたガスケット7が各複極式エレメントと隔膜4との間、及び隣接する各複極式エレメント間を電解液と発生ガスに対してシールすることにより、電解液や発生ガスが水電解用複極式電解槽50の外へ漏れることや両極室間において発生ガスが混合することを防ぐ。
<<Press plate (b)>>
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, press plates (b) are arranged on both ends of the cell stack (a). The press plates (b) are fastened to the cell stack (a) by tie rods (c), and the fastening load of the tie rods (c) applies surface pressure (sealing surface pressure) between the gasket 7 and the diaphragm 4, and between the gasket 7 and each of the elements 51 a, 60, 51 c. The gasket 7 to which surface pressure is applied by the press plates (b) seals the spaces between each bipolar element and the diaphragm 4, and between adjacent bipolar elements, against the electrolytic solution and the generated gas, thereby preventing leakage of the electrolytic solution or the generated gas to the outside of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis and mixing of the generated gas between the two electrode chambers.
プレス板(b)の材質としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを使用することができる。具体的には、ステンレス鋼、機械構造用炭素鋼、ニッケル等が挙げられる。 The material of the press plate (b) is not particularly limited, and conventionally known materials can be used. Specific examples include stainless steel, carbon steel for mechanical structures, nickel, etc.
〈〈タイロッド(c)〉〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽50において、タイロッド(c)は、プレス板(b)に取り付けられ、セルスタック(a)とプレス板(b)とを締結することにより、水電解用複極式電解槽50を一体化させる。
<<Tie rod (c)>>
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, the tie rods (c) are attached to the press plates (b) and fasten the cell stack (a) and the press plates (b) together, thereby integrating the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis.
タイロッド(c)の材質としては、熱膨張率が小さいものが好ましく、具体的には、チタン等が挙げられる。 The material for the tie rod (c) is preferably one with a low thermal expansion coefficient, such as titanium.
タイロッド(c)の電解温度におけるスタック方向の平均熱膨張率βは、12×10-6K-1以下であることが好ましく、より好ましくは8×10-6K-1以下であり、更に好ましくは3×10-6K-1以下である。
なお、本開示において、電解温度とは、電解中の電解液の温度であり、80±30℃としてよい。
The average thermal expansion coefficient β of the tie rods (c) in the stack direction at the electrolysis temperature is preferably 12×10 −6 K −1 or less, more preferably 8×10 −6 K −1 or less, and even more preferably 3×10 −6 K −1 or less.
In the present disclosure, the electrolysis temperature refers to the temperature of the electrolyte during electrolysis, and may be 80±30°C.
〈〈断熱部材(d)〉〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽50において、断熱部材(d)板は、セルスタック(a)とプレス板(b)との間に配置されて、電解中のセルスタック(a)からプレス板(b)への熱伝導を低減する。これにより、プレス板(b)に接触しているタイロッド(c)が膨張してスタック方向の長さが伸びること、それによりシール面圧が低下することを防ぐことができ、タイロッド(c)の増し締めの回数を減らすことができるため、長寿命の水電解用複極式電解槽を実現できる。
<<Thermal insulation member (d)>>
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, the heat insulating member (d) plate is disposed between the cell stack (a) and the press plate (b) to reduce heat conduction from the cell stack (a) to the press plate (b) during electrolysis. This prevents the tie rods (c) in contact with the press plate (b) from expanding and increasing in length in the stack direction, which would result in a decrease in seal surface pressure, and reduces the number of times the tie rods (c) need to be retightened, thereby achieving a long-life bipolar electrolytic cell for water electrolysis.
断熱部材(d)の材質としては、熱伝導率が小さいものが好ましく、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリオキシメチレン(POM)等が挙げられる。 The material for the insulating member (d) is preferably one with low thermal conductivity, and specific examples include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride, polyether ether ketone (PEEK), polyoxymethylene (POM), etc.
断熱部材(d)は、100℃における熱伝導率Aが、10W/m・K以下であることが好ましく、より好ましくは1W/m・K以下であり、更に好ましくは0.5W/m・K以下であり、より更に好ましくは0.3W/m・K以下であり、特に好ましくは0.1W/m・K以下である。
また、本実施形態の水電解用複極式電解槽50の好適例では、断熱部材(d)の電解温度における熱伝導率Aは、上記プレス板(b)の電解温度における熱伝導率Bよりも小さい。熱伝導率Aが熱伝導率Bよりも小さいことにより、プレス板(b)に接触しているタイロッド(c)への熱伝導が低減し、タイロッド(c)の温度上昇を低減することができるため、タイロッド(c)の熱膨張の低減し、シール面圧の低下を防ぐことができる。
なお、上記熱伝導率は、具体的には後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The thermal conductivity A of the heat insulating member (d) at 100°C is preferably 10 W/m·K or less, more preferably 1 W/m·K or less, even more preferably 0.5 W/m·K or less, still more preferably 0.3 W/m·K or less, and particularly preferably 0.1 W/m·K or less.
Furthermore, in a preferred example of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis according to this embodiment, the thermal conductivity A of the heat insulating member (d) at the electrolysis temperature is smaller than the thermal conductivity B of the press plate (b) at the electrolysis temperature. Since the thermal conductivity A is smaller than the thermal conductivity B, heat conduction to the tie rod (c) in contact with the press plate (b) is reduced, and the temperature rise of the tie rod (c) can be reduced, thereby reducing thermal expansion of the tie rod (c) and preventing a decrease in seal surface pressure.
The thermal conductivity can be measured specifically by the method described in the examples below.
また、断熱部材(d)は、電気絶縁性であることが好ましい。そのため、断熱部材(d)の電解温度における体積抵抗率は、1kΩ・cm以上であることが好ましく、より好ましくは1MΩ・cm以上であり、更に好ましくは1GΩ・cm以上である。 The insulating member (d) is preferably electrically insulating. Therefore, the volume resistivity of the insulating member (d) at the electrolysis temperature is preferably 1 kΩ·cm or more, more preferably 1 MΩ·cm or more, and even more preferably 1 GΩ·cm or more.
〈〈ばね部材(e)〉〉
本実施形態の水電解用複極式電解槽50は、タイロッド(c)の軸の外周に、セルスタック(a)のスタック方向に弾性変形可能なばね部材(e)を更に備えていてもよい。ばね部材(e)を備えると、セルスタック(a)が熱膨張した(スタック方向の長さが伸びた)際に、ばね部材(e)が圧縮することによりセルスタック(a)の熱膨張量をばね部材(e)が吸収するため、シール面圧の低下を防ぐことができる。
<<Spring member (e)>>
The bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment may further include a spring member (e) elastically deformable in the stacking direction of the cell stack (a) and attached to the outer periphery of the axis of the tie rod (c). When the spring member (e) is provided, when the cell stack (a) thermally expands (i.e., its length in the stacking direction) the spring member (e) compresses, thereby absorbing the amount of thermal expansion of the cell stack (a), thereby preventing a decrease in seal surface pressure.
ばね部材(e)は、特に限定されず、従来公知のものを使用することができ、好適例として皿ばねが挙げられる。また、ばね部材(e)の材質は、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、ばね鋼、機械構造用炭素鋼等が挙げられる。 The spring member (e) is not particularly limited and can be any conventionally known member, with a preferred example being a disc spring. The material of the spring member (e) is also not particularly limited and examples include stainless steel, spring steel, and carbon steel for mechanical structures.
また、ばね部材(e)のセルスタック(a)のスタック方向の全たわみをTとして、セルスタック(a)の電解温度におけるスタック方向の膨張長さΔLが、全たわみTの75%以下となるようなばね部材(e)を用いることが好ましい。より好ましくは、ΔLが全たわみTの50%以下となるばね部材であり、更に好ましくは25%以下である。上記膨張長さΔLと上記全たわみTとの関係が上記範囲であると、セルスタック(a)の熱膨張量をばね部材(e)が良好に吸収することができる。
なお、全たわみTとは、ばねの自由長さから密着時のばねの長さを引いた値を指す。
Furthermore, it is preferable to use a spring member (e) such that the expansion length ΔL in the stack direction of the cell stack (a) at the electrolysis temperature of the cell stack (a) is 75% or less of the total deflection T, where T is the total deflection of the spring member (e). More preferably, the spring member has ΔL of 50% or less of the total deflection T, and even more preferably 25% or less. When the relationship between the expansion length ΔL and the total deflection T is within the above range, the spring member (e) can effectively absorb the amount of thermal expansion of the cell stack (a).
The total deflection T refers to the value obtained by subtracting the length of the spring when in close contact from the free length of the spring.
また、ばね部材(e)は、ばね定数が、5/n~20/n kN/mmであることが好ましく、より好ましくは5/n~15/n kN/mmであり、更に好ましくは5/n~10/n kN/mmである。なお、nは、ばね部材(e)が取り付けられるタイロッド(c)の本数である。ばね定数が上記範囲であると、セルスタック(a)の熱膨張量をばね部材(e)が良好に吸収することができる。 The spring member (e) preferably has a spring constant of 5/n to 20/n kN/mm, more preferably 5/n to 15/n kN/mm, and even more preferably 5/n to 10/n kN/mm. Here, n is the number of tie rods (c) to which the spring member (e) is attached. A spring constant within the above range allows the spring member (e) to effectively absorb the thermal expansion of the cell stack (a).
本実施形態の水電解用複極式電解槽50において、上記セルスタック(a)、上記プレス板(b)、及び上記断熱部材(d)をスタックしたもの全体の電解温度におけるスタック方向の平均熱膨張率αは、上記タイロッド(c)の電解温度における前記スタック方向の平均熱膨張率βよりも大きいことが好ましい。言い換えれば、セルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)をスタックしたもの全体の熱膨張量(スタック方向の長さが伸び)の方が、タイロッド(c)の熱膨張量(スタック方向の長さが伸び)よりも大きいことが好ましい。これにより、電解中にセルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)、並びにタイロッド(c)が熱膨張した際に、タイロッド(c)による締め付け力の低下を防ぐことができる。 In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, the average thermal expansion coefficient α in the stacking direction of the entire stack of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) at the electrolysis temperature is preferably greater than the average thermal expansion coefficient β in the stacking direction of the tie rod (c) at the electrolysis temperature. In other words, the amount of thermal expansion (length extension in the stacking direction) of the entire stack of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) is preferably greater than the amount of thermal expansion (length extension in the stacking direction) of the tie rod (c). This prevents a decrease in the tightening force of the tie rod (c) when the cell stack (a), the press plate (b), the heat insulating member (d), and the tie rod (c) thermally expand during electrolysis.
セルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)の電解温度におけるスタック方向の平均熱膨張率αは、10×10-6K-1以上であることが好ましく、より好ましくは30×10-6K-1以上であり、更に好ましくは50×10-6K-1以上である。
なお、上記平均熱膨張率αは、後述の実施例に記載の方法により求めることができる。
The average thermal expansion coefficient α in the stack direction at the electrolysis temperature of the cell stack (a), press plate (b), and heat insulating member (d) is preferably 10×10 −6 K −1 or more, more preferably 30×10 −6 K −1 or more, and even more preferably 50×10 −6 K −1 or more.
The average thermal expansion coefficient α can be determined by the method described in the examples below.
以下、プレス板(b)、タイロッド(c)、断熱部材(d)、ばね部材(e)以外の本実施形態の水電解用複極式電解槽50の各構成要素について、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, each of the components of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment other than the press plate (b), the tie rod (c), the heat insulating member (d), and the spring member (e) will be described in detail.
In addition, preferred embodiments for enhancing the effects of the present invention will 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 partition wall 1 in this embodiment may be a plate shape having a predetermined thickness, but is not particularly limited to this.
The shape of the partition wall 1 in plan view is not particularly limited, and may be rectangular (square, oblong, etc.) or circular (circle, ellipse, etc.), and the rectangle may have rounded corners.
In an embodiment, the partition wall 1 and the outer frame 3 may be integrated by joining them by welding or a other method. For example, the partition wall 1 may be provided with a flange portion protruding in a direction perpendicular to the plane of the partition wall 1 (an anode flange portion protruding toward the anode 2a side and a cathode flange portion protruding toward the cathode 2c side), and the flange portions may be part of the outer frame 3.
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。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。 The partition wall 1 may typically be used so that the given direction D1 along the partition wall 1 is the vertical direction. Specifically, when the partition wall 1 has a rectangular shape in plan view as shown in Figure 2, the given direction D1 along the partition wall 1 may be used so that it is the same direction as the direction of one of two pairs of opposing sides. In this specification, the vertical direction is also referred to as the electrolyte passage direction.
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、耐性や耐熱性といった面から、ステンレス鋼、鉄鋼、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 partition wall 1 is preferably a conductive material from the perspective of realizing a uniform supply of power, and from the perspective of durability and heat resistance, stainless steel, steel, nickel, nickel alloy, mild steel, or nickel alloy plated with nickel is preferred.
-電極-
本実施形態の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 water electrolysis according to this embodiment, reducing energy consumption, specifically reducing the electrolysis voltage, is a major issue. Since this electrolysis voltage is highly dependent on the electrodes 2, the performance of both electrodes 2 is important.
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。 The electrolysis voltage for water electrolysis is divided into the theoretically required voltage for water electrolysis, the overvoltage for the anodic reaction (oxygen generation), the overvoltage for the cathodic reaction (hydrogen generation), and the voltage due to the distance between the electrodes 2, the anode 2a and the cathode 2c. Here, overvoltage refers to the voltage that must be applied in excess of the theoretical decomposition potential when a certain current is passed, and its value depends on the current value. When passing the same current, power consumption can be reduced by using an electrode 2 with a lower overvoltage.
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。 Requirements for electrode 2 to achieve low overvoltage include high electrical conductivity, high oxygen generation capacity (or hydrogen generation capacity), and high wettability of the electrolyte on the surface of electrode 2.
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。 As an electrode 2 for water electrolysis, in addition to having a low overvoltage, it is also less susceptible to corrosion of the electrode 2 substrate and catalytic layer, detachment of the catalytic layer, dissolution in the electrolyte, and adhesion of inclusions to the diaphragm 4, even when using an unstable current such as that from renewable energy.
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。 In this embodiment, the electrode 2 is preferably porous in order to increase the surface area available for electrolysis and to efficiently remove gas generated by electrolysis from the surface of the electrode 2. In particular, in the case of a zero-gap electrolytic cell, it is necessary to degas the gas generated from the back side of the surface that comes into contact with the diaphragm 4, so it is preferable that the surface of the electrode 2 opposite the surface that comes into contact with the membrane be perforated.
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 materials 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。 In this embodiment, the electrode 2 may be the substrate itself, or may have a highly reactive catalyst layer on the surface of the substrate, but it is preferable that the electrode 2 has a highly reactive catalyst layer on the surface of the substrate.
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。 There are no particular restrictions on the material of the substrate, but mild steel, stainless steel, nickel, and nickel-based alloys are preferred due to their 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 anode 2a preferably has high oxygen generation capacity, and nickel, cobalt, iron, or platinum group elements can be used. To achieve the desired activity and durability, the catalytic layer can be formed as a single metal, a compound such as an oxide, a composite oxide or alloy made of multiple metal elements, or a mixture of these. Organic substances such as polymers may also be included to improve durability and adhesion to the substrate.
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 catalytic layer of the cathode 2c preferably has high hydrogen generation capacity, and nickel, cobalt, iron, platinum group elements, etc. can be used. To achieve the desired activity and durability, the catalytic layer can be formed as a single metal, a compound such as an oxide, a composite oxide or alloy made of multiple metal elements, or a mixture of these. Organic substances such as polymeric materials may also be included to improve durability and adhesion to the substrate.
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 a catalyst layer on a substrate include plating, thermal spraying methods such as plasma spraying, thermal decomposition methods in which a precursor layer solution is applied to the substrate and then heated, methods in which a catalyst substance is mixed with a binder component and immobilized on the substrate, and vacuum film formation methods such as sputtering.
-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 outer frame 3 in this embodiment is not particularly limited as long as it can frame the partition wall 1, but it may be a shape that has an inner surface that is perpendicular to the plane of the partition wall 1 and extends along the outer periphery of the partition wall 1.
The shape of the outer frame 3 is not particularly limited and may be determined appropriately in accordance with the shape of the partition wall 1 in a plan view.
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、ステンレス鋼、鉄鋼、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 outer frame 3 is preferably a conductive material, and from the standpoint of alkali resistance and heat resistance, stainless steel, steel, nickel, nickel alloy, mild steel, or nickel alloy plated with nickel is preferred.
-隔膜-
本実施形態の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-
The diaphragm 4 used in the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment is an ion-permeable diaphragm 4 that separates the generated hydrogen gas and oxygen gas while conducting ions. The ion-permeable diaphragm 4 can be an ion exchange membrane having ion exchange capacity or a porous membrane that is permeable to the electrolytic solution. The ion-permeable diaphragm 4 preferably has low gas permeability, high ionic conductivity, low electronic conductivity, and high strength.
--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 structure that has a plurality of fine through-holes and allows the electrolyte to pass through the diaphragm 4. Since the electrolyte permeates the porous membrane to exhibit ionic conduction, it is extremely important to control the porous structure, such as the pore size, porosity, and hydrophilicity. On the other hand, it is required that not only the electrolyte but also the generated gas does not pass through, i.e., the membrane has gas barrier properties. From this viewpoint as well, control of the porous structure is important.
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。
The porous membrane has a plurality of fine through-holes, and examples thereof include polymer porous membranes, inorganic porous membranes, woven fabrics, nonwoven fabrics, etc. These can be produced by known techniques.
Examples of methods for producing porous polymer membranes include a phase inversion method (microphase separation method), an extraction method, a stretching method, and a wet gel stretching method.
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 hydrophilic properties 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, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, perfluorosulfonic acid, perfluorocarboxylic acid, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene benzobisoxazole, polyketone, polyimide, polyetherimide, etc. Among these, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, and polytetrafluoroethylene are preferred, and polysulfone is more preferred. 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、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 size of the porous membrane is preferably controlled in order to obtain appropriate membrane properties such as separation ability, strength, etc. When the porous membrane is used for water electrolysis, it is preferable to control the pore size of the porous membrane from the viewpoints of preventing mixing of oxygen gas generated from the anode 2a and hydrogen gas generated from the cathode 2c and reducing voltage loss during electrolysis.
The larger the average pore size of the porous membrane, the larger the amount of ion passing through the porous membrane per unit area, and particularly in electrolysis, the better the ion permeability of the porous membrane becomes, which tends to facilitate reduction in voltage loss. Also, the larger the average pore size of the porous membrane, the smaller the contact surface area with alkaline water becomes, which tends to suppress degradation of the polymer.
On the other hand, the smaller the average pore size of the porous membrane, the higher the separation accuracy of the porous membrane, and the better the gas barrier property of the porous membrane in electrolysis tends to be. Furthermore, when hydrophilic inorganic particles having a small particle size, as described later, are supported on the porous membrane, they can be firmly held without falling off. This allows the high holding ability of the hydrophilic inorganic particles to be imparted, and the effect can be maintained for 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。したがって、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、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 perspective, the porous membrane of this embodiment preferably has an average pore size in the range of 0.1 to 1.0 μm. A porous membrane with a pore size in this range can achieve both excellent gas barrier properties and high ion permeability. The pore size of the porous membrane is preferably controlled within the temperature range in which it will actually be used. Therefore, for example, when used as an electrolysis diaphragm 4 in an environment of 90°C, it is preferable that the pore size satisfy the above-mentioned range at 90°C. Furthermore, the porous membrane more preferably has an average pore size of 0.1 to 0.5 μm, which is the range in which the porous membrane can achieve even better gas barrier properties and high ion permeability as a water electrolysis diaphragm 4.
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 size of the porous membrane can be measured by the following method.
The average pore size of the porous membrane refers to the average water permeation pore size measured using an integrity tester (manufactured by Sartorius Stedim Japan, "Sartocheck Junior BP-Plus") using the following method. First, the porous membrane, including the core material, is cut to a predetermined size and used as a sample. This sample is placed in an arbitrary pressure-resistant container, and the container is filled with pure water. Next, the pressure-resistant container is held in a thermostatic chamber set to a predetermined temperature, and measurement is started once the inside of the pressure-resistant container has reached 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 size can be determined from the following Hagen-Poiseuille equation using the gradient between pressure and water permeation flow rate at pressures of 10 kPa to 30 kPa.
Average permeable pore diameter (m) = {32ηLμ 0 /(εP)} 0.5
where η is the viscosity of water (Pa·s), L is the thickness of the porous membrane (m), μ 0 is the apparent flow velocity, μ 0 (m/s) = flow rate (m 3 /s) / flow path area (m 2 ), ε is the porosity, and P is the pressure (Pa).
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。
It is preferable to control the porosity of the diaphragm 4 from the viewpoints of gas barrier properties, maintaining hydrophilicity, preventing a decrease in ion permeability due to adhesion of gas bubbles, and further obtaining stable electrolytic performance (low voltage loss, etc.) for a long period of time.
From the viewpoint of achieving 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 even more preferably 40% or more. 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 the above upper limit or less, ions can easily permeate the membrane, and the voltage loss of 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 the porous film refers to the open porosity determined by Archimedes' method, and can be calculated by the following formula.
Porosity P (%) = ρ / (1 + ρ) × 100
Here, ρ = (W3 - W1) / (W3 - W2), W1 is the dry mass (g) of the porous membrane, W2 is the mass (g) of the porous membrane in water, and W3 is the saturated mass (g) of the porous membrane.
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。 To measure porosity, a porous membrane washed with pure water is cut into three pieces measuring 3 cm x 3 cm to serve as measurement samples. First, W2 and W3 of the sample are measured. The porous membrane is then left to dry for at least 12 hours in a dryer set at 50°C, and W1 is measured. The porosity is then calculated from the values of W1, W2, and W3. The porosity of the three samples is calculated, and their arithmetic average is taken 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, and even more preferably 200 to 600 μm.
When the thickness of the porous membrane is equal to or greater than the lower limit, it is less likely to be broken by piercing or the like, and it is less likely to short-circuit between electrodes. Furthermore, the gas barrier property is improved. When the thickness is equal to or less than the upper limit, the voltage loss is less likely to increase. Furthermore, the influence of variations in the thickness of the porous membrane is reduced.
Furthermore, when the thickness of the diaphragm is 100 μm or more, it is difficult to break by piercing or the like, and short circuits between electrodes are unlikely to occur. Furthermore, gas barrier properties are good. When the thickness 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.
If the thickness of the porous membrane is 250 μm or more, better gas barrier properties can be obtained, and the strength of the porous membrane against impact can be further improved. From this viewpoint, the lower limit of the thickness of the porous membrane is more preferably 300 μm or more, even 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, the ion permeability is less likely to be hindered by the resistance of the electrolyte contained in the pores during operation, and 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 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 polymer material constituting the porous membrane. Furthermore, when the hydrophilic inorganic particles are encapsulated in the voids of the porous membrane, they are less likely to be detached from the porous membrane, and the performance of the porous membrane can be maintained for a long period of 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。 Hydrophilic inorganic particles include, for example, at least one inorganic material selected from the group consisting of oxides or hydroxides of zirconium, bismuth, and cerium; oxides of Group IV elements of the periodic table; nitrides of Group IV elements of the periodic table; and carbides of Group IV elements of the periodic table. Among these, from the standpoint 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 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 are preferably in the form of fine particles.
--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 porous membrane has a structure in which the porous support is embedded, and more preferably, the porous membrane is laminated on both sides of the porous support. Alternatively, the porous membrane may be laminated symmetrically on both sides of the 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 porous supports include meshes, porous membranes, nonwoven fabrics, woven fabrics, and composite fabrics containing nonwoven fabrics and woven fabrics embedded within the nonwoven fabrics. These may be used alone or in combination of two or more. More suitable embodiments of the porous support include, for example, mesh substrates made of polyphenylene sulfide monofilaments, or composite fabrics containing nonwoven fabrics and woven fabrics embedded within the nonwoven fabrics.
--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 type of exchange membrane 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 of polystyrene-divinylbenzene copolymers can be suitably used. Fluorine-containing ion exchange membranes are particularly preferred because of their excellent heat resistance and chemical resistance.
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 fluorine-containing ion exchange membranes include those that selectively transmit ions generated during electrolysis and contain fluorine-containing polymers that have ion exchange groups. Here, a fluorine-containing polymer with ion exchange groups refers to a fluorine-containing polymer that has ion exchange groups or ion exchange group precursors that can become ion exchange groups through hydrolysis. Examples include polymers that have a fluorinated hydrocarbon main chain, pendant side chains with functional groups that can be converted to ion exchange groups through hydrolysis or other processes, and are melt-processable.
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, but the melt flow index (MFI) of the precursor measured in accordance with ASTM D1238 (measurement conditions: temperature 270°C, load 2160 g) is preferably 0.05 to 50 (g/10 min), and more preferably 0.1 to 30 (g/10 min).
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 ion exchange groups possessed by ion exchange membranes include cation exchange groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphate 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。
By adjusting the equivalent mass (EW) of the ion exchange groups, the ion exchange membrane can be endowed with excellent ion exchange capacity and hydrophilicity. In addition, it can be controlled to have many smaller clusters (microscopic portions where the ion exchange groups coordinate and/or adsorb water molecules), which tends to improve alkali resistance and ion selective permeability.
The equivalent weight EW can be measured by salt-substituting the ion exchange membrane and back-titrating the resulting solution with an alkaline or acid solution. The equivalent weight EW can be adjusted by the copolymerization ratio of the raw material monomers, the selection of the 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 is preferably 1300 or less from the viewpoint of hydrophilicity and ion exchange capacity.
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 range of 5 to 300 μm is preferred.
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。 The ion exchange membrane may be subjected to a surface treatment to improve its hydrophilicity. Specific examples include coating the surface with hydrophilic inorganic particles such as zirconium oxide, or imparting fine irregularities to 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 standpoint of membrane strength, it is preferable to use the ion exchange membrane together with a reinforcing material. Reinforcing materials are not particularly limited, and include common nonwoven fabrics, woven fabrics, and porous membranes made from various materials. In this case, the porous membrane is not particularly limited, but is preferably a PTFE-based membrane that has been stretched to make it porous.
((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 bipolar element 60 of the zero-gap cell, a means for reducing the inter-electrode distance is preferably provided by disposing an elastic spring between the electrode 2 and the partition wall 1 and supporting the electrode 2 with this spring. For example, in a first example, a spring made of a conductive material may be attached to the partition wall 1, and the electrode 2 may be attached to this spring. In a second example, a spring may be attached to an electrode rib attached to the partition wall 1, and the electrode 2 may be attached to this spring. When adopting such a configuration using an elastic body, the strength, number, shape, etc. of the spring must be appropriately adjusted as necessary to prevent uneven contact pressure between the electrode 2 and the diaphragm 4.
-電極室-
本実施形態における水電解用複極式電解槽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 electrolytic cell 50 for water electrolysis in this embodiment, as shown in FIG. 2, an electrode chamber 5 through which the electrolyte passes is defined by a partition wall 1, an outer frame 3, and a diaphragm 4.
本実施形態においては、複極式電解槽のヘッダー10の配設態様としては、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型を採用できるところ、例えば、図示の例の場合、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 header 10 of the bipolar electrolytic cell can be arranged in either an internal header type or an external header type. For example, in the example shown, the space occupied by the anode 2a and cathode 2c themselves may also be considered to be part of the space inside the electrode chamber 5. Furthermore, particularly when a gas-liquid separation box is provided, the space occupied by the gas-liquid separation box may also be considered to be part of the space inside the electrode chamber 5.
-整流板-
本実施形態の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、陰極整流板)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 plate -
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, it is preferable that the current rectifying plates 6 (anode current rectifying plates, cathode current rectifying plates) are attached to the partition wall 1, and the current rectifying plates 6 are physically connected to the electrodes 2. With such a configuration, the current rectifying plates 6 serve as supports for the electrodes 2, making it easy to maintain the zero gap structure Z.
Here, the electrode 2 may be provided on the rectifying plate 6, or the current collector 2r, the conductive elastic body 2e, and the electrode 2 may be provided on the rectifying plate 6 in this order.
In the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis described above as an example, a structure is adopted in the cathode chamber 5c in which the current rectifying plate 6, the current collector 2r, the conductive elastic body 2e, and the electrode 2 are stacked in this order, and a structure is adopted in the anode chamber 5a in which the current rectifying plate 6 and the electrode 2 are stacked in this order.
なお、前述の一例の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 the example bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis described above, the cathode chamber 5c employs the above-described "rectifying plate 6 - current collector 2r - conductive elastic body 2e - electrode 2" structure, and the anode chamber 5a employs the above-described "rectifying plate 6 - electrode 2" structure. However, the present invention is not limited to this, and the anode chamber 5a may also employ the "rectifying plate 6 - current collector 2r - conductive elastic body 2e - electrode 2" structure.
整流板6(陽極整流板、陰極整流板)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 current rectifier plate 6 (anode current rectifier plate, cathode current rectifier plate) not only supports the anode 2a or cathode 2c, but also transmits current from the partition wall 1 to the anode 2a or cathode 2c.
本実施形態の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 electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, it is preferable that at least a portion of the rectifying plate 6 is conductive, and it is even more preferable that the entire rectifying plate 6 is conductive. With this configuration, it is possible to suppress an increase in cell voltage due to electrode deflection.
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。 The current plate 6 is generally made of a conductive metal. For example, nickel-plated mild steel, stainless steel, nickel, etc. can be used.
隣接する陽極整流板同士の間隔、又は隣接する陰極整流板同士の間隔は、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 distance between adjacent anode rectifier plates or between adjacent cathode rectifier plates is determined taking into account factors such as the electrolysis pressure and the pressure difference between the anode chamber 5a and the cathode chamber 5c.
整流板6(陽極整流板、陰極整流板)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 plates 6 (anode current plates, cathode current plates) may be determined appropriately depending on the size of the partition wall 1 .
The height of the rectifying plate 6 may be determined appropriately depending on the distance from the partition wall 1 to each flange portion, the thickness of the gasket 7, the thickness of the electrode 2 (anode 2 a, cathode 2 c), the distance between the anode 2 a and the cathode 2 c, etc.
The thickness of the current plate 6 may be 0.5 to 5 mm, taking into consideration cost, manufacturability, strength, etc., and a thickness of 1 to 2 mm is easy to use, but is not particularly limited.
-ガスケット-
本実施形態の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 electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, it is preferable that a gasket 7 having a diaphragm 4 is sandwiched between the outer frames 3 that frame the partition walls 1 .
The gasket 7 is used to seal the space between the bipolar element 60 and the diaphragm 4 and between the bipolar elements 60 against the electrolytic solution and the generated gas, and can prevent leakage of the electrolytic solution or the generated gas to the outside of the electrolytic cell and mixing of gases between the two electrode chambers.
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 gasket 7 generally has a rectangular or annular structure with the electrode surface hollowed out to match the surface that contacts the element frame. The diaphragm 4 can be stacked between elements by sandwiching it between two such gaskets. Furthermore, the gasket 7 preferably has a slit that can accommodate the diaphragm 4 so that it can hold the diaphragm 4, and also has openings that allow the accommodated diaphragm 4 to be exposed on both surfaces of the gasket 7. This allows the gasket 7 to accommodate the edge of the diaphragm 4 within the slit, covering the edge faces of the diaphragm 4. This more reliably prevents electrolyte and gas from leaking from the edge faces of the diaphragm 4.
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 gasket 7 is not particularly limited, and known insulating rubber materials, resin materials, etc. can be selected.
Specific examples of rubber and resin materials that can be used include rubber materials such as natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), chloroprene rubber (CR), butadiene rubber (BR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), silicone rubber (SR), ethylene-propylene rubber (EPT), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), fluororubber (FR), isobutylene-isoprene rubber (IIR), urethane rubber (UR), and chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM); fluororesin materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), and chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE); and resin materials such as polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene, polyimide, and polyacetal. Among these, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and fluororubber (FR) are particularly suitable 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。
A reinforcing material may be embedded in the gasket 7. This makes it possible to prevent the gasket 7 from being crushed when it is sandwiched and pressed between the frames during stacking, and makes it easier to prevent damage.
Such reinforcing materials can be made of known metal materials, resin materials, carbon materials, etc., and specific examples include metals such as nickel and stainless steel, resins such as nylon, polypropylene, PVDF, PTFE, and PPS, and carbon materials such as carbon particles and carbon 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 gasket 7 is not particularly limited and may be designed to match the dimensions of the electrode chamber 5 and the membrane, but it is preferable that the width be 10 to 40 mm.
In this case, when the gasket 7 has a slit portion, the size of the slit portion is preferably set so that the inner dimensions of the slit are 0.5 to 5 mm larger in length and width than the size of the membrane.
ガスケット7の厚みは、上述のとおりである。
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 gasket 7 is as described above.
Furthermore, when the gasket 7 has a slit portion, the opening width of the slit portion may be 0.5 to 1.0 times the thickness of the film.
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 gasket 7 is not particularly limited and is designed depending on the material and cell area of the electrode 2. A preferred range of the elastic modulus is a tensile stress at 100% deformation of 0.20 to 20 MPa, and from the viewpoint of sealing properties and cell strength when stacked, a range of 1.0 to 10 MPa is more preferred.
The tensile stress can be measured in accordance with JIS K6251. For example, an 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, it is preferable that the thickness of the gasket 7 is 3.0 to 10 mm and that the tensile stress at 100% deformation is 1.0 to 10 MPa, from the viewpoints of suppressing an increase in cell voltage due to electrode deflection, as well as sealing properties and cell strength when stacked.
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 gasket 7 with an insulating resin sheet (e.g., a fluororesin such as polytetrafluoroethylene). This ensures that the multiple elements 60 are insulated from one another, preventing the charge accumulated in each element 60 during the energization process (the process in which electrolysis of the electrolyte is carried out) from affecting other elements 60 during the stop process (the process in which electrolysis of the electrolyte is stopped).
-ヘッダー-
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。水電解用複極式電解槽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 electrolytic cell 50 for water electrolysis has a cathode chamber 5c and an anode chamber 5a for each electrolytic cell 65. In order to continuously perform the electrolytic reaction in the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis, it is necessary to continuously supply an electrolyte solution containing a sufficient amount of raw materials to be consumed by electrolysis to the cathode chamber 5c and the anode chamber 5a of each electrolytic cell 65.
電解セル65は、複数の電解セル65に共通するヘッダーと呼ばれる電解液の給排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、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー、陰極用集液管は陰極出口ヘッダーと呼ばれる。電解セル65はホース等を通じて各電極用配液管及び各電極用集液管と繋がっている。 The electrolytic cells 65 are connected to electrolyte supply and discharge pipes called headers that are common to multiple electrolytic cells 65. Generally, the anode distribution pipe is called the anode inlet header, the cathode distribution pipe is called the cathode inlet header, the anode collection pipe is called the anode outlet header, and the cathode collection pipe is called the cathode outlet header. The electrolytic cells 65 are connected to each electrode distribution pipe and each electrode collection pipe via hoses, etc.
ヘッダー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。 There are no particular restrictions on the material of the header, but it must be able to withstand the corrosiveness of the electrolyte used and operating conditions such as pressure and temperature. Materials that may be used for the header include iron, nickel, cobalt, PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene, etc.
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に取り付けられるヘッダー(電解液を配液又は集液する管)の配設態様により異なることがある。水電解用複極式電解槽50のヘッダーの配設態様としては、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型が代表的である。 In this embodiment, the extent of the electrode chambers 5 varies depending on the detailed structure of the outer frame 3 provided at the outer end of the partition wall 1, and the detailed structure of the outer frame 3 may differ depending on the arrangement of the headers (pipes for distributing or collecting the electrolyte) attached to the outer frame 3. Typical header arrangements for a bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis are internal header and external header types.
--内部ヘッダー--
内部ヘッダー型とは、水電解用複極式電解槽50とヘッダー(電解液を配液又は集液する管)とが一体化されている形式をいう。
--Internal Header--
The internal header type refers to a type in which the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis and a header (a pipe for distributing or collecting the electrolyte) are integrated.
内部ヘッダー型複極式電解槽では、より具体的には、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダーが、隔壁1内及び/又は外枠3内の下部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられ、また、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーが、隔壁1内及び/又は外枠3内の上部に設けられ、且つ、隔壁1に垂直な方向に延在するように設けられる。 More specifically, in an internal header type bipolar electrolytic cell, the anode inlet header and cathode inlet header are provided at the lower part of the partition wall 1 and/or the outer frame 3, and extend perpendicular to the partition wall 1, while the anode outlet header and cathode outlet header are provided at the upper part of the partition wall 1 and/or the outer frame 3, and extend perpendicular to the partition wall 1.
内部ヘッダー型複極式電解槽が内在的に有する、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーと、陽極出口ヘッダーと、陰極出口ヘッダーを総称して、内部ヘッダーと呼ぶ。 The anode inlet header, cathode inlet header, anode outlet header, and cathode outlet header inherent in an internal header type bipolar electrolyzer are collectively referred to as the internal headers.
内部ヘッダー型の例では、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の一部に、陽極入口ヘッダーと陰極入口ヘッダーとを備えており、また、同様に、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、陽極出口ヘッダーと陰極出口ヘッダーとを備えている。 In an example of the internal header type, an anode inlet header and a cathode inlet header are provided in a portion of the lower part of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1, and similarly, an anode outlet header and a cathode outlet header are provided in a portion of the upper part of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1.
--外部ヘッダー--
外部ヘッダー型とは、水電解用複極式電解槽50とヘッダー(電解液を配液又は集液する管)とが独立している形式をいう。
--External headers--
The external header type refers to a type in which the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis and the header (a pipe for distributing or collecting the electrolyte) are independent.
外部ヘッダー型複極式電解槽は、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーとが、電解セル65の通電面に対し、垂直方向に、水電解用複極式電解槽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及び陰極入口ヘッダーと、各電解セル65が、ホースで接続される。 In an external header type bipolar electrolytic cell, the anode inlet header and cathode inlet header are installed independently, running parallel to the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis, in a direction perpendicular to the current-carrying surface of the electrolytic cell 65. The anode inlet header and cathode inlet header are connected to each electrolytic cell 65 with hoses.
外部ヘッダー型複極式電解槽に外在的に接続される、陽極入口ヘッダーと、陰極入口ヘッダーと、陽極出口ヘッダーと、陰極出口ヘッダーを総称して、外部ヘッダーと呼ぶ。
外部ヘッダー型の例では、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ヘッダー用貫通孔に、管腔状部材が設置され、管腔状部材が、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダーに接続されており、また、同様に、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に設けられたヘッダー用貫通孔に、管腔状部材(例えば、ホースやチューブ等)が設置され、かかる管腔状部材が、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーに接続されている。
The anode inlet header, cathode inlet header, anode outlet header, and cathode outlet header, which are externally connected to an external header type bipolar electrolyzer, are collectively called external headers.
In the external header type example, a tubular member is installed in a header through hole provided in a lower portion of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1, and the tubular member is connected to an anode inlet header and a cathode inlet header. Similarly, a tubular member (e.g., a hose or a tube) is installed in a header through hole provided in an upper portion of the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1, and the tubular member is connected to an anode outlet header and a cathode outlet header.
なお、内部ヘッダー型及び外部ヘッダー型の水電解用複極式電解槽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との間や、陰極室5cと陰極出口ヘッダーとの間に取付けられてもよい。 In addition, both internal header and external header bipolar electrolytic cells 50 for water electrolysis may have a gas-liquid separation box inside them that separates the gas generated by electrolysis from the electrolyte. The installation position of the gas-liquid separation box is not particularly limited, but it may be installed between the anode chamber 5a and the anode outlet header, or between the cathode chamber 5c and the cathode outlet header.
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 corrosiveness of the electrolyte and operating conditions such as pressure and temperature. The coating material may be insulating in order to increase 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.
〈水電解用電解装置〉
図3に、本実施形態の水電解用複極式電解槽50を用いた水電解用電解装置70の概要を示す。
本実施形態の水電解用電解装置70は、本実施形態の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 water electrolysis>
FIG. 3 shows an outline of an electrolysis device 70 for water electrolysis using the bipolar electrolysis cell 50 for water electrolysis of this embodiment.
The electrolysis device 70 for water electrolysis of this embodiment includes the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment, a liquid feed pump 71 for circulating the electrolytic solution, a gas-liquid separation tank 72 for separating the electrolytic solution from hydrogen and/or oxygen, and a water supply device 73 for supplying water consumed by electrolysis.
本実施形態の水電解用電解装置70によれば、本実施形態の水電解用複極式電解槽50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、変動電源や運転停止の頻度が高い条件で使用される場合でも長寿命である水電解用複極式電解装置を得ることができる。
According to the electrolysis device 70 for water electrolysis of this embodiment, the effects of the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis of this embodiment can be obtained.
That is, according to this embodiment, a bipolar electrolysis device for water electrolysis having a long life even when used under conditions of variable power supply or frequent operation stoppages can be obtained.
以下、本実施形態の水電解用電解装置70の構成要素について説明する。 The components of the water electrolysis device 70 of this embodiment are described below.
-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。
- Liquid delivery pump -
The liquid feed pump 71 used in this embodiment is not particularly limited and may be determined as appropriate.
-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、陰極室5cで発生した水素ガスと電解液とを分離する水素分離タンク72hと、陽極室5aで発生した酸素ガスと電解液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 hydrogen separation tank 72h that separates the hydrogen gas generated in the cathode chamber 5c from the electrolytic solution, and an oxygen separation tank 72o that separates the oxygen gas generated in the anode chamber 5a from the electrolytic solution.
The hydrogen separation tank 72h is connected to the cathode chamber 5c, and the oxygen separation tank 72o is connected to the anode chamber 5a.
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。 The mixture of electrolyte and generated gas discharged from the electrolytic cell 65 is allowed to flow into the gas-liquid separation tank 72. If gas-liquid separation is not performed properly, oxygen gas and hydrogen gas will be mixed when the electrolytes in the cathode chamber 5c and anode chamber 5a mix, reducing the purity of the gas. In the worst case scenario, there is a risk of explosive gas formation.
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。 When the gas and electrolyte flow into the gas-liquid separation tank 72, the gas separates into the gas phase in the upper layer of the tank, and the electrolyte separates into the 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 is separated, the electrolyte flows out of the outlet at the bottom of the tank and flows back into the electrolytic cell 65, forming a circulation path. Because the oxygen and hydrogen gas discharged from the outlet at the top of the tank both contain alkaline mist, it is preferable to install a device downstream of the outlet that can liquefy the excess mist and return it to the gas-liquid separation tank 72, such as a mist separator or cooler.
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 also be equipped with a level gauge to monitor the liquid level of the electrolyte stored inside.
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。 It is also preferable that the gas-liquid separation tank 72 be equipped with a pressure relief valve. This allows the pressure to be safely reduced if it exceeds the design pressure, even if it is increased by 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 surface in order to improve gas-liquid separation, but is not limited to this.
In order to prevent the liquid level in the electrolytic cell from dropping when circulation is stopped, it is preferable that the electrolyte level in the gas-liquid separation tank 72 be higher than the upper surface of the electrolytic cell, but this is not limitative.
It is preferable to provide a shutoff valve between the electrolytic cell 65 and the gas-liquid separation tank 72, but this is not a limitation.
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 gas-liquid separation tank 72 is made of 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 electrolyte-contacting surface inside the tank may be coated with a fluorine-based resin or the like, but this does not limit the material of the gas-liquid separation tank 72 in the present invention.
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, it is preferable that the capacity of the gas-liquid separation tank 72 is small. However, if the volume is too small, the liquid level in the tank will fluctuate if the pressure difference between the cathode 2 c and the anode 2 a increases or if there is a fluctuation in the electrolysis current value, and therefore it is necessary to take this fluctuation into consideration.
Similarly, if the tank height is low, it is susceptible to the influence of the above fluctuations, so it is preferable to make it high.
-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 water supply device 73 used in this embodiment is not particularly limited and may be determined as appropriate.
As the water, ordinary tap water may be used, but in consideration of long-term operation, it is preferable to use ion-exchanged water, RO water, ultrapure water, etc.
-その他-
本実施形態の水電解用電解装置70は、水電解用複極式電解槽50、送液ポンプ71、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-
The electrolysis apparatus 70 for water electrolysis of this embodiment may include a rectifier 74, an oxygen concentration meter 75, a hydrogen concentration meter 76, a flow meter 77, a pressure meter 78, a heat exchanger 79, and a pressure control valve 80, in addition to the bipolar electrolytic cell 50 for water electrolysis, a liquid feed pump 71, a gas-liquid separation tank 72, and a water supply device 73.
また、本実施形態の水電解用電解装置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。 Furthermore, the water electrolysis device 70 of this embodiment preferably further includes a detector that detects the interruption of power supply when the power supply is stopped, and a controller that automatically stops the liquid feed pump. By including a detector and a controller, it becomes possible to efficiently reduce the effects of self-discharge without manual operation, even with a power source that fluctuates greatly, such as renewable energy.
以上、図面を参照して、本発明の実施形態の水電解用複極式電解槽、水電解用電解装置について例示説明したが、本発明の水電解用複極式電解槽、水電解用電解装置は、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。 The bipolar electrolytic cell for water electrolysis and the electrolysis device for water electrolysis according to the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the bipolar electrolytic cell for water electrolysis and the electrolysis device for water electrolysis according to the present invention are not limited to the above examples, and appropriate modifications can be made to the above embodiments.
以下、本発明を実施例、比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができることはいうまでもない。 The present invention will be explained in detail below using examples and comparative examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples and can be practiced in various modifications within the scope of the present invention.
(実施例1)
図3に示す構成の水電解用複極式電解装置を用いた。具体的には、水電解用複極式電解槽には、セルスタック(a)として、陽極ターミナルエレメント1個、複極式エレメント4個、陰極ターミナルエレメント1個、及び隔膜5枚が、ゴム製ガスケット(電解前の圧縮率:20%)5個を介して図1に示すようにスタックされたセルスタック(5個の電解セル)を用いた。いずれのエレメントも、隔壁及び外枠等の電解液に接液する部材の材料は全てニッケルとした。陽極にはニッケル(触媒層はコバルト)を用い、陰極にはニッケル(触媒層は白金及びパラジウム)を用いた。その他の構成部材としては、SUS製プレス板(b)2枚、チタン製タイロッド(c)6本(プレス板(b)1枚に対して各3本)、PTFE製断熱部材(d)2枚、SUS製ばね部材(e)(皿ばね)6個(タイロッド(c)1本に対して各1個)を用いた。また、電解液には、水酸化カリウム水溶液を用いた。
電流密度6000A/m2にて7時間運転した。雰囲気温度は10℃、電解中の電解槽の温度は100℃であり、電解中の電解槽の内圧は0.01MPaに調整した。
水電解用複極式電解槽の構成及び各測定結果を表1に示す。
なお、セルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)の平均熱膨張率αは、下記式により求めた。
α=(t(a)α(a)+t(b)α(b)+t(d)α(d))/(t(a)+t(b)+t(d))
(式中、t(a)、t(b)、及びt(d)は、それぞれセルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)のスタック方向の長さ(厚み)を表し、α(a、)α(b)、α(d)は、それぞれセルスタック(a)、プレス板(b)、及び断熱部材(d)の熱膨張率を表す。)
また、電解槽の内圧及びシール面圧は、それぞれ、電解槽の出口ヘッダーに設けた圧力計、及びプレス板(b)と断熱部材(d)との間に設置したロードセルにより測定した。
Example 1
A bipolar electrolysis device for water electrolysis with the configuration shown in FIG. 3 was used. Specifically, the bipolar electrolysis cell for water electrolysis used a cell stack (a) (five electrolysis cells) in which one anode terminal element, four bipolar elements, one cathode terminal element, and five diaphragms were stacked via five rubber gaskets (compression rate before electrolysis: 20%) as shown in FIG. 1 . In all elements, nickel was used for all components that come into contact with the electrolyte, such as the partition wall and outer frame. Nickel (with a cobalt catalytic layer) was used for the anode, and nickel (with platinum and palladium catalytic layers) was used for the cathode. Other components included two SUS press plates (b), six titanium tie rods (c) (three for each press plate (b)), two PTFE heat insulating members (d), and six SUS spring members (e) (disc springs) (one for each tie rod (c)). The electrolyte used was an aqueous potassium hydroxide solution.
The electrolysis was carried out for 7 hours at a current density of 6000 A/m 2. The atmospheric temperature was 10° C., the temperature of the electrolytic cell during electrolysis was 100° C., and the internal pressure of the electrolytic cell during electrolysis was adjusted to 0.01 MPa.
The configuration of the bipolar electrolytic cell for water electrolysis and the measurement results are shown in Table 1.
The average thermal expansion coefficient α of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) was calculated using the following formula.
α=(t (a) α (a) +t (b) α (b) +t (d) α (d) )/(t (a) +t (b) +t (d) )
(In the formula, t (a) , t (b) , and t (d) represent the lengths (thicknesses) of the cell stack (a), press plate (b), and heat insulating member (d) in the stacking direction, respectively, and α (a ) , α (b) , and α (d) represent the thermal expansion coefficients of the cell stack (a), press plate (b), and heat insulating member (d), respectively.)
The internal pressure and seal surface pressure of the electrolytic cell were measured by a pressure gauge provided at the outlet header of the electrolytic cell and a load cell installed between the press plate (b) and the heat insulating member (d), respectively.
(実施例2)
タイロッド(c)の材質をSUSとした以外は、実施例1と同様にして実施した。
水電解用複極式電解槽の構成及び各測定結果を表1に示す。
Example 2
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the material of the tie rod (c) was SUS.
The configuration of the bipolar electrolytic cell for water electrolysis and the measurement results are shown in Table 1.
(比較例1)
断熱部材(d)の代わりにSUS製の部材(d’)を用い、タイロッド(c)の材質をSUSとした以外は、実施例1と同様にして実施した。
水電解用複極式電解槽の構成及び各測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was carried out except that a SUS member (d') was used instead of the heat insulating member (d) and the tie rod (c) was made of SUS.
The configuration of the bipolar electrolytic cell for water electrolysis and the measurement results are shown in Table 1.
比較例1では、シール面圧(ガスケットと各エレメントとの間に掛かる面圧)が電解前の2MPaから電解中には1.9MPaに低下したため、タイロッドを増し締めする必要があった。一方、実施例1及び2では、シール面圧が電解前の2MPaから電解中にはそれぞれ2.3MPa、2.1MPaに上昇し、タイロッドの増し締めは不要であった。 In Comparative Example 1, the seal surface pressure (the surface pressure between the gasket and each element) decreased from 2 MPa before electrolysis to 1.9 MPa during electrolysis, making it necessary to retighten the tie rods. In contrast, in Examples 1 and 2, the seal surface pressure increased from 2 MPa before electrolysis to 2.3 MPa and 2.1 MPa, respectively, during electrolysis, making it unnecessary to retighten the tie rods.
本発明の水電解用複極式電解槽は、変動電源や運転停止の頻度が高い条件で使用される場合でも長寿命であるため、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、長期にわたり安定して運転することができる。 The bipolar electrolytic cell for water electrolysis of the present invention has a long life even when used under conditions of variable power supplies or frequent shutdowns, and can therefore operate stably for long periods of time even when operated under variable power supplies such as renewable energy sources.
(a) セルスタック
(b) プレス板
(c) タイロッド
(d) 断熱部材
(e) ばね部材
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
6 整流板
7 ガスケット
50 水電解用複極式電解槽
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
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)
Z ゼロギャップ構造
(a) cell stack (b) press plate (c) tie rod (d) heat insulating member (e) spring member 1 partition wall 2 electrode 2a anode 2c cathode 2e conductive elastic body 2r current collector 3 outer frame 4 diaphragm 5 electrode chamber 5a anode chamber 5c cathode chamber 6 rectifier plate 7 gasket 50 bipolar electrolytic cell for water electrolysis 51a anode terminal element 51c cathode terminal element 60 bipolar element 65 electrolytic cell 70 electrolysis device 71 liquid feed pump 72 gas-liquid separation tank 72h hydrogen separation tank 72o oxygen separation tank 73 water supply device 74 rectifier 75 oxygen concentration meter 76 hydrogen concentration meter 77 flow meter 78 pressure gauge 79 heat exchanger 80 pressure control valve D1 A given direction along the partition (electrolyte flow direction)
Z Zero gap structure
Claims (8)
陰極を備える陰極ターミナルエレメントと、
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位置し、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と、
隣接する前記各エレメントの間に配置される隔膜とが
ガスケットを介してスタックされたセルスタック(a)と;
前記セルスタック(a)の両端に配置され、前記ガスケットと前記隔膜との間、及び前記ガスケットと前記各エレメントとの間に面圧を与えるプレス板(b)と;
前記セルスタック(a)と前記プレス板(b)とを締結するタイロッド(c)とを備える水電解用複極式電解槽であり、
前記プレス板(b)と前記セルスタック(a)との間に断熱部材(d)を備え、
前記セルスタック(a)、前記プレス板(b)、及び前記断熱部材(d)の電解温度におけるスタック方向の平均熱膨張率αが、前記タイロッド(c)の電解温度における前記スタック方向の平均熱膨張率βよりも大きく、かつ、前記セルスタック(a)、前記プレス板(b)、及び前記断熱部材(d)をスタックしたもの全体の電解温度における熱膨張量(前記スタック方向の長さの伸び)が、前記タイロッド(c)の電解温度における熱膨張量(前記スタック方向の長さの伸び)よりも大きい
ことを特徴とする、水電解用複極式電解槽。 an anode terminal element comprising an anode;
a cathode terminal element comprising a cathode;
a plurality of bipolar elements positioned between the anode terminal element and the cathode terminal element, each element including an anode, a cathode, a partition wall separating the anode and the cathode, and an outer frame that frames the partition wall;
A cell stack (a) in which adjacent elements are stacked with a diaphragm disposed between them via a gasket;
press plates (b) disposed at both ends of the cell stack (a) and applying surface pressure between the gasket and the diaphragm, and between the gasket and each of the elements;
a tie rod (c) fastening the cell stack (a) and the press plate (b),
a heat insulating member (d) is provided between the press plate (b) and the cell stack (a);
a mean thermal expansion coefficient α of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) in the stacking direction at electrolysis temperature is greater than a mean thermal expansion coefficient β of the tie rod (c) in the stacking direction at electrolysis temperature , and an amount of thermal expansion of the entire stack of the cell stack (a), the press plate (b), and the heat insulating member (d) at electrolysis temperature (elongation in the stacking direction) is greater than an amount of thermal expansion of the tie rod (c) at electrolysis temperature (elongation in the stacking direction).
前記セルスタック(a)の電解温度におけるスタック方向の膨張長さΔLが、前記ばね部材(e)の前記スタック方向の全たわみTの75%以下である、請求項1~5のいずれか一項に記載の水電解用複極式電解槽。 a spring member (e) arranged on an outer periphery of the axis of the tie rod (c) and elastically deformable in the stacking direction of the cell stack (a),
6. The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of claims 1 to 5, wherein an expansion length ΔL of the cell stack (a) in the stack direction at an electrolysis temperature is 75% or less of a total deflection T of the spring member (e) in the stack direction.
8. The bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to any one of claims 1 to 7, wherein a surface pressure between the gasket and each of the elements during electrolysis is at least twice the maximum internal pressure of the electrolytic cell, and a compressibility of the gasket in a stacking direction of the cell stack (a) is 10 to 25%.
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