JP2010180451A - 水電解装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、水電解により高圧水素を安定して生成することを可能にする。
【解決手段】水電解装置１２を構成する単位セル１４は、電解質膜・電極構造体３２をアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６により挟持する。各単位セル１４内には、水を供給するとともに、反応により酸素が生成される第１流路５４と、反応により高圧水素が生成される第２流路５８とが形成される。この運転方法は、水電解装置１２に電解電圧を印加して水電解処理を行う工程と、前記水電解処理中の前記電解電圧の変動を検出する工程と、前記電解電圧の変動に応じて第１流路５４に供給される水の圧力を調整する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を、前記第１流路よりも高圧な高圧水素として流動させる第２流路が形成される水電解装置の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧（電解電圧）が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の設備として、例えば、特許文献１に開示されている電気化学電池が知られている。この電気化学電池は、図５に示すように、膜１の両面に陽極２及び陰極３が設けられたＭＥＡを備え、このＭＥＡが低圧力フローフィールド４と高圧力フローフィールド５とに挟持されている。高圧力フローフィールド５側には、高圧力分離板６を介して圧力パッド７が配設されている。

そして、低圧力フローフィールド４に水が供給されると、水素イオンが膜１を透過して陰極３側に移動し、高圧力フローフィールド５に高圧力水素が生成されている。

特表２００３−５２３５９９号公報

上記の特許文献１では、低圧力フローフィールド４と高圧力フローフィールド５との圧力差により、膜１が前記低圧力フローフィールド４側に押圧され、該膜１に破損が生じるおそれがある。このため、特に、低圧力フローフィールド４では、膜１を良好に支持するための強度を有する必要があり、実際上、低空隙率の給電体が使用されている。

しかしながら、低空隙率の給電体では、内部の多孔空間の割合が低くなっている。これにより、膜１上の陽極２に水を十分に供給することができず、電解性能が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、水電解により高圧水素を安定して生成することが可能な水電解装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を、前記第１流路よりも高圧な高圧水素として流動させる第２流路が形成される水電解装置の運転方法に関するものである。

この運転方法は、水電解装置に電解電圧を印加して水電解処理を行う工程と、前記水電解処理中の前記電解電圧の変動を検出する工程と、前記電解電圧の変動に応じて、第１流路に供給される水の圧力を調整する工程とを有している。

また、この運転方法は、電解電圧が一定に維持されるように、第１流路に供給される水の圧力を調整することが好ましい。

さらに、この運転方法は、電解電圧が上昇した際には、第１流路に供給される水の圧力を上昇させることが好ましい。

さらにまた、この運転方法は、第１流路が水循環系に連通するとともに、前記水循環系に配設された弁又はポンプの少なくともいずれかを制御することにより、前記第１流路に供給される水の圧力を調整することが好ましい。

また、この運転方法は、要求される水の増加圧力が規定値以下である際には、弁を制御する一方、要求される前記水の増加圧力が前記規定値を越える際には、ポンプを制御することが好ましい。

本発明によれば、水電解処理中の電解電圧の変動に応じて、第１流路に供給される水の圧力を調整することにより、電解質膜への水の供給不足を良好に阻止することができる。従って、簡単な工程で、水電解により高圧水素を安定して生成することが可能になる。特に、高圧水素を得るために、低空隙率の給電体が使用される際にも、電解質膜に水を確実に供給することができ、前記高圧水素を効率的に得ることが可能になる。

本発明に係る運転方法を実施するための水電解システムの概略説明図である。 前記水電解システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 電解電圧と水圧との説明図である。 前記電解電圧と電流との関係図である。 特許文献１に開示されている電気化学電池の説明図である。

図１に示すように、本発明に係る運転方法を実施するための水電解システム１０は、水電解装置１２を備える。水電解装置１２は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル１４が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｂ方向）に積層される。単位セル１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

水電解装置１２は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２２を介して円盤形状のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置１２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置１２は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記電源２８のマイナス極に接続される。

図２に示すように、単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状ガストマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。

単位セル１４の外周縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔４６と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔５０とが設けられる。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。

カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０に連通する配管６２ａ、６２ｂ及び６２ｃが接続される。配管６２ｃには、図示しないが、背圧弁（又は電磁弁）が設けられており、水素連通孔５０に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。

水電解システム１０は、水電解装置１２に純水を循環供給するための水循環系６４を備える。この水循環系６４は、排出連通孔４８に配管６２ｂを介して連通する排出配管６６を有し、この排出配管６６は、気液分離器６８に接続されるとともに、該排出配管６６の途上に絞り弁７０が配設される。

気液分離器６８は、排出された混合物から酸素と水とを分離するとともに、分離されたこの水は、前記気液分離器６８の下部側に接続される給水配管７２を介して配管６２ａから水供給連通孔４６に供給される。給水配管７２には、循環用のポンプ７４が配設される。

水電解システム１０は、制御部７６を介して制御されるとともに、この制御部７６は、電源２８、絞り弁７０及びポンプ７４を制御する。

このように構成される水電解システム１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、以下に説明する。

先ず、水電解装置１２に電解電圧を印加して水電解処理が行われる。具体的には、図１に示すように、水循環系６４を構成するポンプ７４が駆動され、給水配管７２から配管６２ａを通って水電解装置１２の水供給連通孔４６に水が供給される。一方、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂには、電気的に接続されている電源２８を介して電圧が付与される。

このため、図２に示すように、各単位セル１４では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水循環系６４の排出配管６６に排出される。この使用済みの水及び酸素は、気液分離器６８に導入されて分離された後、水は、ポンプ７４を介して給水配管７２から水供給連通孔４６に導入される。

上記の水電解処理を行っている際、制御部７６では、電源２８の電圧変動を検出している。ここで、水電解装置１２において、電解電圧と水循環系６４を循環する水の圧力とは、図３に示す関係を有している。水圧が低くなって固体高分子電解質膜３８のアノード電極触媒層４０ａに供給される水が不足すると、電解電圧が高くなって水電解性能が低下する。一方、水圧が高くなることによってアノード電極触媒層４０ａへの水供給量が十分になされると、電解電圧が低下して水電解性能が向上する。

そこで、制御部７６は、図４に示すように、電解電圧の変動をモニタし、前記電解電圧が一定に維持されるように、第１流路５４に供給される水の圧力を調整する。すなわち、電解電圧が上昇した際には、第１流路５４に供給される水の圧力を絞り弁７０又はポンプ７４を制御することにより、第１流路５４に供給される水の圧力を上昇させる。

より具体的には、通常の圧力上昇処理（要求される水の増加圧力が規定値以下である際）では、制御部７６は、絞り弁７０の開度が小さくなるように調整することにより、排出連通孔４８の圧力を上昇させ、水電解装置１２内の水圧の上昇を行う。そして、さらに圧力が必要な場合（要求される水の増加圧力が規定値を超える際）には、ポンプ７４の回転数を上げ、水電解装置１２に供給される水の圧力を上昇させる。

これにより、水電解装置１２に供給される水の圧力が上昇し、アノード側給電体４０からアノード電極触媒層４０ａに十分な水を供給することができる。従って、電解電圧が低下して水電解処理性能の向上を図ることが可能になる。

なお、電解電圧が上昇する要因として、アノード側給電体４０の水透過性の低下や、気液分離器６８からの酸素の排出性が低下し、気泡として電極面に付着する場合や、水素発生量が変動した場合等がある。

このように、本実施形態では、水電解システム１０の水電解装置１２の電解電圧が変動した際に、第１流路５４に供給される水の圧力を調整することにより、固体高分子電解質膜３８への水の供給不足を良好に阻止することができる。従って、簡単な工程で、水電解により高圧水素を安定して生成することが可能になる。

特に、高圧水素を得る水電解装置１２では、アノード側給電体４０は、強度を維持するために、低空隙率に構成されているが、このアノード側給電体４０内を通って固体高分子電解質膜３８に水を確実に供給することができる。これにより、高圧水素を効率的に得ることが可能になるという効果が得られる。

１０…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ａ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ、２４ｂ…端子部 ２８…電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体
４６…水供給連通孔 ４８…排出連通孔
５０…水素連通孔 ５４、５８…流路

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、水を供給する第１流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記水が電気分解されて得られる水素を、前記第１流路よりも高圧な高圧水素として流動させる第２流路が形成される水電解装置の運転方法であって、
   前記水電解装置に電解電圧を印加して水電解処理を行う工程と、
   前記水電解処理中の前記電解電圧の変動を検出する工程と、
   前記電解電圧の変動に応じて、前記第１流路に供給される前記水の圧力を調整する工程と、
   を有することを特徴とする水電解装置の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記電解電圧が一定に維持されるように、前記第１流路に供給される前記水の圧力を調整することを特徴とする水電解装置の運転方法。
3. 請求項１又は２記載の運転方法において、前記電解電圧が上昇した際には、前記第１流路に供給される前記水の圧力を上昇させることを特徴とする水電解装置の運転方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第１流路は、水循環系に連通するとともに、
   前記水循環系に配設された弁又はポンプの少なくともいずれかを制御することにより、前記第１流路に供給される前記水の圧力を調整することを特徴とする水電解装置の運転方法。
5. 請求４記載の運転方法において、要求される前記水の増加圧力が規定値以下である際には、前記弁を制御する一方、
   要求される前記水の増加圧力が前記規定値を越える際には、前記ポンプを制御することを特徴とする水電解装置の運転方法。

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