JP2021195596A - Alkaline water electrolysis tank - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルカリ水電解槽に関する。 The present invention relates to an alkaline water electrolytic cell.
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, in order to solve problems such as global warming caused by greenhouse gases such as carbon dioxide and reduction of fossil fuel reserves, technologies such as wind power generation and solar power generation using renewable energy have been attracting attention.
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 has the property that its output is very variable because its output depends on climatic conditions. Therefore, it is not always possible to transport the electric power obtained from power generation by renewable energy to the general electric power system, and there are concerns about social impacts such as imbalance between supply and demand of electric power and destabilization of the electric power system. There is.
そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて、これを利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解(電解)により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。 Therefore, research is being conducted to replace the electric power generated from renewable energy with a form that can be stored and transported. Specifically, it has been considered to generate hydrogen that can be stored and transported by electrolysis (electrolysis) of water using electricity generated from renewable energy, and to use hydrogen as an energy source or a raw material. There is.
水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車(FCV)向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから特に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 the fields of petroleum refining, chemical synthesis, metal refining, etc., and in recent years, it can be used in hydrogen stations for fuel cell vehicles (FCVs), smart communities, hydrogen power plants, etc. The sex is also spreading. Therefore, there are high expectations for the development of technology for obtaining hydrogen from renewable energy.
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等があるが、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。 As a method of electrolysis of water, there are solid polymer type water electrolysis method, high temperature steam electrolysis method, alkaline water electrolysis method, etc., but they have been industrialized for more than several decades and can be carried out on a large scale. Alkaline water electrolysis is considered to be one of the most promising ones because it is cheaper than other water electrolyzers.
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 for storing and transporting energy in the future, as described above, it will be possible to efficiently and stably utilize power with large fluctuations in output to perform water electrolysis. It is necessary to solve various problems of electrolysis cells and devices for water electrolysis.
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が圧縮されることで、ガスケットと各エレメントの間の面圧(シール面圧)が得られ、電解液の流出を防いでいる。
従来型の油圧制御式電解槽においては、電解液および発生ガスを封止するガスケットとして、ゴムガスケットが使用されてきたが、再生可能エネルギーを用いた高圧水電解システムの実現には以下の課題がある。
(1)再生可能エネルギーを電源として電解する場合、天候等の影響を受けるため、一定の電解出力とはならない。出力の変動に伴って電解槽内圧力も変動することから、スタック圧力の変動頻度、変動幅が大きくなる、また運転停止の頻度も増加する。
(2)従来型の油圧制御式電解槽においては、ゴムガスケットが使用されてきたが、スタック圧の変動によってガスケット面圧が大きく変動するため、油圧制御によって内圧上昇に応じてスタック圧を上昇させる必要があった。
(3)高効率化のために、運転時の内圧を高くする場合、停止時と運転時のスタック圧の差が大きくなり、スタック圧力制御がよりシビアになる
(4)運転時の内圧が高くなるほど、ゴムガスケットが電解槽外へはみ出しやすくなる。はみ出しを防止するには、スタック圧をより強くする必要があるが、過大なスタック圧はクリープの促進やガスケットの破損を引き起こし、電解槽寿命の低下につながる。
(5)高圧大型の電解槽の場合は、発生内圧の受圧面積が広がる為、より高いスタック圧が必要となり、電解槽寿命の低下につながる。
(6)強度の高い樹脂等を用いたガスケットを使用することでスタック圧を高くすることが可能であるが、樹脂ガスケットはゴムガスケットと比較してシール性が劣る
(7)油圧制御式電解槽は、水平方向に複数の電解セルをスタックするが、スタック開放時にその場で、各セルを構成する隔膜やガスケットを交換することが困難である。
(8)上記部材交換を実施するには、電解セルをスタック状態から開放した後、1枠ずつ作業台にセットして交換作業を行う必要がある。特に大型枠は重量大の為、クレーン作業を伴うなど作業性が悪く、作業中の電解槽停止時間が長期化し、電解効率の低下につながる。
(9)上記部材交換において、隔膜がガスケットの圧縮のみによって固定される場合は、スタック開放時に、隔膜が自重により落下するため、電解セルを立てた状態での部材の交換・組立は一層困難である。
(10)電解液及び発生ガスをシールするために、隔膜とガスケットを接触させ、漏れを防ぐ必要があるが、多孔質隔膜を用いる場合、隔膜内を電解液が透水することで、液が外部に流出する。
In an electrolytic cell in which a plurality of electrolytic cells are connected (stacked) in series, the gasket that seals between the electrode elements constituting the electrolytic cell is compressed, so that the surface pressure (seal) between the gasket and each element is compressed. Surface pressure) is obtained and the outflow of the electrolytic solution is prevented.
In the conventional hydraulically controlled electrolytic cell, a rubber gasket has been used as a gasket for sealing the electrolytic solution and the generated gas, but the realization of a high-pressure water electrolysis system using renewable energy has the following problems. be.
(1) When electrolyzing renewable energy as a power source, the electrolytic output is not constant because it is affected by the weather and the like. Since the pressure inside the electrolytic cell also fluctuates as the output fluctuates, the fluctuation frequency and fluctuation range of the stack pressure increase, and the frequency of operation stoppage also increases.
(2) A rubber gasket has been used in the conventional hydraulic control type electrolytic cell, but since the gasket surface pressure fluctuates greatly due to the fluctuation of the stack pressure, the stack pressure is increased according to the increase in the internal pressure by the hydraulic control. I needed it.
(3) When the internal pressure during operation is increased for high efficiency, the difference between the stack pressure during stop and operation becomes large, and the stack pressure control becomes more severe. (4) The internal pressure during operation is high. Indeed, the rubber gasket tends to protrude out of the electrolytic cell. In order to prevent protrusion, it is necessary to increase the stack pressure, but excessive stack pressure promotes creep and damages the gasket, which leads to a decrease in the life of the electrolytic cell.
(5) In the case of a large high-pressure electrolytic cell, the area for receiving the generated internal pressure is widened, so that a higher stack pressure is required, which leads to a decrease in the life of the electrolytic cell.
(6) It is possible to increase the stack pressure by using a gasket made of high-strength resin or the like, but the resin gasket is inferior in sealing performance to the rubber gasket (7) Hydraulically controlled electrolytic cell. Stacks a plurality of electrolytic cells in the horizontal direction, but it is difficult to replace the diaphragms and gaskets constituting each cell on the spot when the stack is opened.
(8) In order to replace the members, it is necessary to release the electrolytic cells from the stacked state and then set the electrolytic cells on the workbench one frame at a time to perform the replacement work. In particular, since the large frame is heavy, workability is poor due to crane work, and the electrolysis tank stop time during work is prolonged, leading to a decrease in electrolysis efficiency.
(9) When the diaphragm is fixed only by compressing the gasket in the above-mentioned member replacement, the diaphragm falls due to its own weight when the stack is opened, so that it is more difficult to replace and assemble the member with the electrolytic cell upright. be.
(10) In order to seal the electrolytic solution and the generated gas, it is necessary to bring the diaphragm into contact with the gasket to prevent leakage. However, when a porous diaphragm is used, the electrolytic solution permeates the inside of the diaphragm, so that the liquid is external. Leaks into.
上記のように、油圧制御式電解槽において、電解槽内圧の変動幅増大及び高内圧化によって、スタック圧力変動頻度が増し、最大スタック圧力が増大する。スタック圧力の増大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。電解槽の耐圧性及び内圧変動へのロバスト性を向上させることは、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 described above, in the hydraulically controlled electrolytic cell, the stack pressure fluctuation frequency increases and the maximum stack pressure increases due to the increase in the fluctuation range of the electrolytic cell internal pressure and the increase in the internal pressure. An increase in stack pressure increases gasket protrusion and compressive strain, causing leakage of electrolyte and generated gas, and breakage or breakage of the gasket. Improving the pressure resistance of the electrolytic cell and the robustness to fluctuations in the internal pressure leads to a longer life of the water electrolytic cell and the water electrolytic cell device and a reduction in maintenance frequency.
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く、電解槽内圧が高圧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。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, the present invention provides a multi-pole electrolytic cell for water electrolysis, which has a high frequency of variable power supply and operation stoppage and has a long life even when the internal pressure of the electrolytic cell is high. The purpose.
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(d)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微多孔質隔膜とが
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油圧制御機構(g)と;
を備える水電解用複極式電解槽であり、
少なくとも1対の前記エレメント間に、電解液と発生ガスをシールする1次ガスケット(b)と、前記1次ガスケット(b)の外側に位置し、前記1次ガスケット(b)の封止範囲外に流出した電解液の電解槽外部への漏洩を防ぐ2次ガスケット(c)とを備えることを特徴とする、アルカリ水電解槽。
[2]
前記1次ガスケット(b)がゴムガスケットであり、前記2次ガスケット(c)が高強度ガスケットであることを特徴とする、[1]に記載のアルカリ水電解槽。
[3]
前記1次ガスケット(b)は100%変形時の引張応力σが30MPa以下であることを特徴とする、[1]または[2]に記載のアルカリ水電解槽。
[4]
前記2次ガスケット(c)はヤング率Eが200MPa以上であることを特徴とする、[1]〜[3]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[5]
前記2次ガスケット(c)のヤング率Eと前記1次ガスケット(b)の100%変形時の引張応力σの比E/σがE/σ≧10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]
前記複極式エレメントの前記外枠(d)は前記1次ガスケット(b)を設置するための溝構造(e)を備え、前記溝構造(e)の深さは設置される前記1次ガスケット(b)の高さより小さいことを特徴とし、少なくとも前記1次ガスケット(b)の外周面側に側壁(f)を備えることを特徴とする、[1]〜[5]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[7]
前記溝構造(e)が、前記側壁(f)と前記1次ガスケット(b)の外周面の少なくとも一部とが接触する形状であることを特徴とする、[6]に記載のアルカリ水電解槽。
[8]
前記溝構造(e)がさらに前記1次ガスケット(b)の内周面側にも側壁を有することを特徴とする、[6]または[7]に記載のアルカリ水電解槽。
[9]
前記2次ガスケット(c)が、絶縁性を有することを特徴とする、[1]〜[8]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[10]
前記2次ガスケット(c)は、電解温度における体積抵抗率が1MΩ・cm以上であることを特徴とする、[9]に記載のアルカリ水電解槽。
[11]
前記2次ガスケット(c)はスタック方向の圧縮を支持し、スタック時に隣り合う前記エレメントの前記外枠(d)間の距離を0.5mm〜5mmの範囲内に保つことを特徴とする、[1]〜[10]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[12]
複数の前記複極式電解エレメントが油圧制御によってスタック圧を制御されている、[1]〜[11]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[13]
前記複極式エレメントは前記外枠(d)に前記隔膜の落下防止機構(f)を有することを特徴とする、[1]〜[12]のいずれかに記載のアルカリ水電解槽。
[14]
前記落下防止機構(f)は、前記1次ガスケット(b)と前記2次ガスケット(c)との間に設置される、[13]に記載のアルカリ水電解槽。
That is, the present invention is as follows.
[1]
An anode terminal element with an anode and
A cathode terminal element with a cathode and
A plurality of duplexers located between the anode terminal element and the cathode terminal element, comprising an anode, a cathode, a partition wall separating the anode and the cathode, and an outer frame (d) edging the partition wall. Polar element and
With the cell stack (a) in which the microporous diaphragm disposed between the adjacent elements is stacked via a gasket;
With a hydraulic control mechanism (g) that applies surface pressure between the gasket and the diaphragm, and between the gasket and each of the elements;
It is a multi-pole electrolytic cell for water electrolysis equipped with
Located outside the primary gasket (b) that seals the electrolytic solution and the generated gas between at least one pair of the elements, and outside the sealing range of the primary gasket (b). An alkaline water electrolytic cell, characterized in that it is provided with a secondary gasket (c) for preventing leakage of the electrolytic cell that has flowed out to the outside of the electrolytic cell.
[2]
The alkaline water electrolytic cell according to [1], wherein the primary gasket (b) is a rubber gasket and the secondary gasket (c) is a high-strength gasket.
[3]
The alkaline water electrolytic cell according to [1] or [2], wherein the primary gasket (b) has a tensile stress σ at the time of 100% deformation of 30 MPa or less.
[4]
The alkaline water electrolytic cell according to any one of [1] to [3], wherein the secondary gasket (c) has a Young's modulus E of 200 MPa or more.
[5]
Of [1] to [4], the ratio E / σ of the Young's modulus E of the secondary gasket (c) to the tensile stress σ at the time of 100% deformation of the primary gasket (b) is E / σ ≧ 10. The multi-pole electrolytic cell for water electrolysis described in any one.
[6]
The outer frame (d) of the multipolar element is provided with a groove structure (e) for installing the primary gasket (b), and the depth of the groove structure (e) is such that the primary gasket is installed. 4. The method according to any one of [1] to [5], wherein the height is smaller than the height of (b), and at least the side wall (f) is provided on the outer peripheral surface side of the primary gasket (b). Alkaline water electrolytic cell.
[7]
The alkaline water electrolysis according to [6], wherein the groove structure (e) has a shape in which the side wall (f) and at least a part of the outer peripheral surface of the primary gasket (b) are in contact with each other. Tank.
[8]
The alkaline water electrolytic cell according to [6] or [7], wherein the groove structure (e) further has a side wall on the inner peripheral surface side of the primary gasket (b).
[9]
The alkaline water electrolytic cell according to any one of [1] to [8], wherein the secondary gasket (c) has an insulating property.
[10]
The alkaline water electrolytic cell according to [9], wherein the secondary gasket (c) has a volume resistance of 1 MΩ · cm or more at an electrolytic temperature.
[11]
The secondary gasket (c) supports compression in the stacking direction and is characterized in that the distance between the outer frames (d) of adjacent elements during stacking is kept within the range of 0.5 mm to 5 mm. 1] The alkaline water electrolytic cell according to any one of [10].
[12]
The alkaline water electrolytic cell according to any one of [1] to [11], wherein the stack pressure is controlled by hydraulic control of the plurality of the bipolar electrolytic cells.
[13]
The alkaline water electrolytic cell according to any one of [1] to [12], wherein the bipolar element has a fall prevention mechanism (f) for the diaphragm in the outer frame (d).
[14]
The alkaline water electrolytic cell according to [13], wherein the fall prevention mechanism (f) is installed between the primary gasket (b) and the secondary gasket (c).
本発明によれば、変動電源や運転停止の頻度が高く、電解槽内圧が高圧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。また、メンテナンス時の作業時間が短縮され、装置の稼働率が向上する。 According to the present invention, it is possible to provide a multi-pole electrolytic cell for water electrolysis, which has a high frequency of variable power supply and operation stoppage and has a long life even when the internal pressure of the electrolytic cell is high. In addition, the work time during maintenance is shortened, and the operating rate of the device is improved.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist thereof.
本実施形態のアルカリ水電解槽は、水電解用複極式電解槽として構成してよい。 The alkaline water electrolytic cell of the present embodiment may be configured as a multi-pole electrolytic cell for water electrolysis.
〈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)にスタック圧を与え、電解槽内圧の変動に応じてスタック圧を変動可能な油圧制御機構(g)を備える電解槽であり、少なくとも1対のエレメント間に、電解液と発生ガスをシールする1次ガスケット(b)と、1次ガスケット(b)の外側に位置し、1次ガスケット(b)の封止範囲外に流出した電解液の電解槽外部への漏洩を防ぐ2次ガスケット(c)を備えることを特徴とする。
ここで、1次ガスケット(b)の外側とは、1次ガスケット(b)の外縁の外側としてよい。また、1次ガスケット(b)の封止範囲外とは、1次ガスケット(b)の外周により囲まれる範囲の外としてよい。
本実施形態では、詳細は後述するが、1次ガスケット(b)がゴムガスケットであり、2次ガスケット(c)が高強度ガスケットであることが好ましい。
<Multi-pole electrolytic cell for water electrolysis>
The multi-pole electrolytic cell for water electrolysis of the present embodiment is an electrolytic cell provided with a hydraulic control mechanism (g) that applies a stack pressure to the cell stack (a) and can change the stack pressure according to fluctuations in the internal pressure of the electrolytic cell. There is, between at least one pair of elements, located outside the primary gasket (b) that seals the electrolyte and the generated gas, and outside the sealing range of the primary gasket (b). It is characterized by comprising a secondary gasket (c) for preventing the outflow of the electrolytic solution from leaking to the outside of the electrolytic cell.
Here, the outside of the primary gasket (b) may be the outside of the outer edge of the primary gasket (b). Further, the outside of the sealing range of the primary gasket (b) may be outside the range surrounded by the outer circumference of the primary gasket (b).
In this embodiment, the details will be described later, but it is preferable that the primary gasket (b) is a rubber gasket and the secondary gasket (c) is a high-strength gasket.
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(d)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。 The cell stack (a) is located between the anode terminal element having an anode, the cathode terminal element having a cathode, and the anode terminal element and the cathode terminal element, and separates the anode, the cathode, and the anode and the cathode. A plurality of bipolar elements having a partition wall and an outer frame (d) edging the partition wall, and a diaphragm arranged between the adjacent elements are stacked (laminated) via a gasket. In the present disclosure, the stacking direction of the cell stack (a) is also simply referred to as a "stacking direction".
油圧制御機構(g)は、セルスタック(a)の両側から油圧によってセルスタックを締結し、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。電解槽内圧の増減に応じて、適切なスタック圧が得られるように、締付油圧が制御される。 The hydraulic control mechanism (g) fastens the cell stack by hydraulic pressure from both sides of the cell stack (a), and applies surface pressure (seal surface pressure) between the gasket and the diaphragm and between the gasket and each element. The tightening hydraulic pressure is controlled so that an appropriate stack pressure can be obtained according to the increase or decrease in the internal pressure of the electrolytic cell.
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。 Hereinafter, the configuration of an example of the multipolar electrolytic cell for water electrolysis of the present 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2Aに、図1の破線四角枠の部分の電解セル内部のガスケット及び溝構造、ゼロギャップ構造部分の断面の一例を示す。
図2Bに、図1の破線四角枠の部分の電解セル内部のガスケット及び溝構造、ゼロギャップ構造部分の断面の別の例を示す。
FIG. 1 shows a side view of an entire example of a bipolar electrolytic cell for water electrolysis according to the present embodiment.
FIG. 2A shows an example of a cross section of the gasket, the groove structure, and the zero gap structure portion inside the electrolytic cell in the portion of the broken line square frame in FIG.
FIG. 2B shows another example of the gasket and groove structure inside the electrolytic cell in the portion of the broken line square frame in FIG. 1 and the cross section of the zero gap structure portion.
複極式エレメントを構成する外枠(d)に1次ガスケット(b)を設置する溝構造(e)を有し、その大気側(外周面側)の側壁と設置する1次ガスケット(b)の外周面が接触した状態で設置される。2次ガスケット(c)は外枠(d)の1次ガスケット(b)の外側に設置される。
溝構造(e)の設置は、1次ガスケット(b)位置のみに限定されず、2次ガスケット(c)位置に設けることも可能である。
The outer frame (d) constituting the multi-pole element has a groove structure (e) for installing the primary gasket (b), and the primary gasket (b) to be installed with the side wall on the atmospheric side (outer peripheral surface side) thereof. It is installed in a state where the outer peripheral surfaces of the are in contact with each other. The secondary gasket (c) is installed outside the primary gasket (b) of the outer frame (d).
The groove structure (e) is not limited to the primary gasket (b) position, but can be installed at the secondary gasket (c) position.
溝構造(e)は、スタック方向に直交する方向に側壁(f)を有して良く、エレメント外側に位置する側壁とエレメント内側に位置する側壁とを有して良い。エレメント外側に位置する側壁は、1次ガスケット(b)の外周面側にあり、エレメント内側に位置する側壁は、1次ガスケット(b)の内周面側にある。 The groove structure (e) may have a side wall (f) in a direction orthogonal to the stack direction, and may have a side wall located outside the element and a side wall located inside the element. The side wall located on the outside of the element is on the outer peripheral surface side of the primary gasket (b), and the side wall located on the inside of the element is on the inner peripheral surface side of the primary gasket (b).
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、一端から陽極ターミナルエレメント51、陽極側1次ガスケット(b)、隔膜4、陰極側1次ガスケット(b)、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1次ガスケット(b)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1次ガスケット(b)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1次ガスケット(b)、隔膜4、陰極側1次ガスケット(b)を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51cをこの順番で配置する。水電解用複極式電解槽50は、全体を油圧制御機構(g)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。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the water electrolysis bipolar
The arrangement constituting the bipolar
Further, in the bipolar
複極式は、多数のセルを電源に接続する方法の1つであり、片面が陽極2a、片面が陰極2cとなる複数の複極式エレメント60を同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である。
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 multi-pole type is one of the methods for connecting a large number of cells to a power source. A plurality of
The multi-pole
本実施形態では、特に、複極式電解槽50における、隣接する2つの複極式エレメント60間の互いの隔壁1間における部分、及び、隣接する複極式エレメント60とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁1間における部分を電解セル65と称する。電解セル65は、一方のエレメントの隔壁1、陽極室5a、陽極2a、及び、隔膜4、及び、他方のエレメントの陰極2c、陰極室5c、隔壁1を含む。
In the present embodiment, in particular, in the bipolar
〈〈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、1次ガスケット(b)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 water electrolysis multi-pole
In the cell stack (a), the
As shown in FIG. 1,
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(d)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(d)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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
In the present embodiment, the
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(d)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
In the present embodiment, in particular, in the bipolar
In the examples shown in FIGS. 1 and 2, the partition wall 1, the
詳細には、電極室5は、外枠(d)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 an electrolytic solution inlet for introducing the electrolytic solution into the electrode chamber 5 and an electrolytic solution outlet for drawing out the electrolytic solution from the electrode chamber 5 at the boundary with the outer frame (d). More specifically, the
本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、電解液を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 the present embodiment, the
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(d)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(d)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 examples shown in FIGS. 1 and 2, a rectangular parallelepiped outer frame (d) in which the rectangular partition wall 1 and the
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(d)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(d)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。
A header, which is a tube for distributing or collecting an electrolytic solution, is usually attached to the bipolar
There are typically an internal header type and an external header type as an arrangement mode of the header attached to the multipolar
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
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)。
In the multipolar
セルスタック(a)において、2次ガスケット(c)の厚さは、複極式エレメントの厚さの10〜40%であることが好ましく、より好ましくは15〜35%であり、更に好ましくは20〜30%である。
後述するように、複極式エレメント60の外枠(d)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、2次ガスケット(c)の材質は樹脂等である。
2次ガスケット(c)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、0.5〜15mmであることが好ましく、より好ましくは2〜10mmであり、更に好ましくは3〜8mmである。
2次ガスケット(c)のシール面圧は、好ましくは、水電解用複極式電解槽50の最大内圧の10倍以上であり、更に好ましくは20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。シール面圧は1次及び2次ガスケット(c)の材質に応じて定まるが、油圧制御機構(g)からセルスタックが受ける荷重を2次ガスケット(c)の接触面積で除した値を概算値として使用してもよい。
In the cell stack (a), the thickness of the secondary gasket (c) is preferably 10 to 40%, more preferably 15 to 35%, still more preferably 20% of the thickness of the bipolar element. ~ 30%.
As will be described later, the material of the outer frame (d) and the partition wall of the
The specific thickness of the secondary gasket (c) is determined according to the size and shape of the bipolar
The sealing surface pressure of the secondary gasket (c) is preferably 10 times or more, more preferably 20 times or more, the maximum internal pressure of the bipolar
セルスタック(a)において、1次ガスケット(b)の厚さは、使用時の圧縮率が10%〜30%であることが好ましく、より好ましくは15%〜25%であり、更に好ましくは18〜23%である。
なお、1次ガスケット(b)の圧縮率とは、電解の前後で比較した1次ガスケット(b)のスタック方向の長さの収縮率を指す。
In the cell stack (a), the thickness of the primary gasket (b) is preferably 10% to 30%, more preferably 15% to 25%, and further preferably 18 in terms of compressibility during use. ~ 23%.
The compression rate of the primary gasket (b) refers to the shrinkage rate of the length of the primary gasket (b) in the stack direction compared before and after electrolysis.
1次ガスケット(b)の具体的な高さは、隣り合う複極式エレメントの外枠(d)間の距離と2次ガスケット(c)厚さに応じて定まるが、例えば5〜15mmであることが好ましく、より好ましくは8〜12mmである。 The specific height of the primary gasket (b) is determined by the distance between the outer frames (d) of the adjacent bipolar elements and the thickness of the secondary gasket (c), and is, for example, 5 to 15 mm. It is preferably 8 to 12 mm, more preferably 8 to 12 mm.
また、溝構造(e)の深さは、1次ガスケット(b)高さよりも小さいことが好ましく、具体的には、1次ガスケット(b)高さの50%〜95%であることが好ましく、より好ましくは60%〜80%である。 Further, the depth of the groove structure (e) is preferably smaller than the height of the primary gasket (b), and specifically, it is preferably 50% to 95% of the height of the primary gasket (b). , More preferably 60% to 80%.
1次ガスケット(b)の厚さ及び溝構造(e)の深さが上記の範囲であると、1MPa以内の高圧条件や0〜1MPaG内での圧力変動が生じる場合にも、電解液や発生ガスの漏れがなく、1次ガスケット(b)のはみ出しや切れが生じ難い。 When the thickness of the primary gasket (b) and the depth of the groove structure (e) are within the above ranges, the electrolytic solution and generation occur even under high pressure conditions of 1 MPa or less and pressure fluctuations within 0 to 1 MPaG. There is no gas leakage, and the primary gasket (b) is unlikely to stick out or break.
−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(d)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(d)の一部としてもよい。
− Septum −
The shape of the partition wall 1 in the present embodiment may be a plate-like shape having a predetermined thickness, but is not particularly limited.
The plan view shape of the partition wall 1 is not particularly limited, and may be a rectangle (square, rectangle, etc.) or a circle (circle, ellipse, etc.), and the rectangle may have rounded corners.
In one embodiment, the partition wall 1 and the outer frame (d) may be integrated by joining by welding or other methods. For example, a flange protruding from the partition wall 1 in a direction perpendicular to the plane of the partition wall 1 A portion (anode flange portion overhanging on the
なお、隔壁1は、通常、隔壁1に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように、使用してよく、具体的には、図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 be used so that the given direction D1 along the partition wall 1 is usually in the vertical direction. Specifically, as shown in FIG. 2, the partition wall 1 has a rectangular shape in a plan view. If, the given direction D1 along the partition wall 1 may be used so as to be in the same direction as the direction of one of the two facing sides. In the present specification, the vertical direction is also referred to as an electrolytic solution passing 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。 As the material of the partition wall 1, a material having conductivity is preferable from the viewpoint of realizing a uniform supply of electric power, and from the viewpoint of resistance and heat resistance, on stainless steel, steel, nickel, nickel alloy, mild steel, and nickel alloy. Nickel-plated ones are preferable.
−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。
-Electrodes-
In hydrogen production by water electrolysis of the present embodiment, reduction of energy consumption, specifically, reduction of electrolysis voltage is a big problem. Since this electrolytic voltage largely depends on the
水電解の電解電圧は、理論的に求められる水の電気分解に必要な電圧の他に、陽極反応(酸素発生)の過電圧、陰極反応(水素発生)の過電圧、陽極2aと陰極2cとの電極2間距離による電圧とに分けられる。ここで、過電圧とは、ある電流を流す際に、理論分解電位を越えて過剰に印加する必要のある電圧のことを言い、その値は電流値に依存する。同じ電流を流すとき、過電圧が低い電極2を使用することで消費電力を少なくすることができる。
In addition to the theoretically required voltage for electrolysis of water, the electrolytic voltage of water electrolysis includes the overvoltage of the anode reaction (oxygen generation), the overvoltage of the cathode reaction (hydrogen generation), and the electrodes of the
低い過電圧を実現するために、電極2に求められる要件としては、導電性が高いこと、酸素発生能(或いは水素発生能)が高いこと、電極2表面で電解液の濡れ性が高いこと等が挙げられる。
In order to realize a low overvoltage, the requirements for the
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。
Even if an unstable current such as renewable energy is used as the
本実施形態における電極2としては、電解に用いられる表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極2表面から除去するために、多孔体が好ましい。特に、ゼロギャップ電解槽の場合、隔膜4との接触面の裏側から発生するガスを脱泡する必要があるため、電極2の膜に接する面と反対に位置する面が、貫通していることが好ましい。
As the
多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。 Examples of the porous body include plain weave mesh, punching metal, expanded metal, metal foam and the like.
本実施形態における電極2は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
The
基材の材料は、特に制限されないが、使用環境への耐性から、軟鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましい。 The material of the base material is not particularly limited, but mild steel, stainless steel, nickel, and nickel-based alloys are preferable from the viewpoint of resistance to the usage environment.
陽極2aの触媒層は、酸素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子等の有機物が含まれていてもよい。
The catalyst layer of the
陰極2cの触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄もしくは白金族元素等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合酸化物や合金、或いはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。耐久性や基材との接着性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。
The catalyst layer of the
基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。 As a method for forming a catalyst layer on a substrate, a spraying method such as a plating method or a plasma spraying method, a thermal decomposition method in which heat is applied after applying a precursor layer solution on the substrate, and a catalytic substance mixed with a binder component. Then, a method of immobilizing the material on the substrate and a vacuum film forming method such as a sputtering method can be mentioned.
−外枠(d)−
本実施形態における外枠(d)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(d)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 (d)-
The shape of the outer frame (d) in the present embodiment is not particularly limited as long as the partition wall 1 can be bordered, but is provided with an inner surface along the direction perpendicular to the plane of the partition wall 1 over the outer extension of the partition wall 1. May be.
The shape of the outer frame (d) is not particularly limited and may be appropriately determined according to the plan view shape of the partition wall 1.
外枠(d)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。 As the material of the outer frame (d), a material having conductivity is preferable, and from the viewpoint of alkali resistance and heat resistance, stainless steel, steel, nickel, nickel alloy, mild steel, and nickel alloy coated with nickel are used. preferable.
−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。
-Septum-
As the
−−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。
--Perforated membrane ---
The porous membrane has a plurality of fine through holes and has a structure in which the electrolytic solution can permeate through the
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 a polymer porous membrane, an inorganic porous membrane, a woven fabric, and a non-woven fabric. These can be produced by known techniques.
Examples of the method for producing a polymer porous membrane include a phase conversion method (micro phase separation method), an extraction method, a stretching method, a wet gel stretching method, and the like.
多孔膜は、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましく、親水性無機粒子が存在することによって多孔膜に親水性を付与することができる。 The porous membrane preferably contains a polymer material and hydrophilic inorganic particles, and the presence of the hydrophilic inorganic particles can impart hydrophilicity to the porous membrane.
−−−高分子材料−−−
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、であることが好ましく、ポリスルホンであることがより好ましい。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
--- Polymer material ---
Examples of the polymer material include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyvinylidene fluoride, polycarbonate, tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene / ethylene copolymer, and polyvinylidene fluoride. , Polytetrafluoroethylene, perfluorosulfonic acid, perfluorocarboxylic acid, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene benzobisoxazole, polyketone, polyimide, polyetherimide and the like. Among these, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, and polytetrafluoroethylene are preferable, and polysulfone is more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.
多孔膜は、分離能、強度等適切な膜物性を得る為に、孔径を制御することが好ましい。また、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。
It is preferable to control the pore size of the porous membrane in order to obtain appropriate membrane characteristics such as separation ability and strength. When used for water electrolysis, it is preferable to control the pore size of the porous film from the viewpoint of preventing mixing of oxygen gas generated from the
The larger the average pore size of the porous membrane, the larger the permeation amount of the porous membrane per unit area. In particular, in electrolysis, the ion permeability of the porous membrane becomes good, and the voltage loss tends to be easily reduced. Further, the larger the average pore size of the porous membrane, the smaller the contact surface area with alkaline water, so that the deterioration of the polymer tends to be suppressed.
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. Further, when hydrophilic inorganic particles having a small particle size, which will be described later, are supported on the porous membrane, they can be firmly held without being chipped. As a result, the high holding ability of the hydrophilic inorganic particles can 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 point of view, in the porous membrane of the present embodiment, the average pore diameter is preferably in the range of 0.1 to 1.0 μm. As long as the pore size is in this range, the porous membrane can achieve both excellent gas blocking property and high ion permeability. Further, it is preferable that the pore size of the porous membrane is controlled in the temperature range actually used. Therefore, for example, when used as an
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 means the average pore size measured by the following method using an integrity tester (“Sartorius Stedim Japan Co., Ltd.,“ Sartocheck Junior BP-Plus ”). First, the porous membrane is cut into a predetermined size including the core material, and this is used as a sample. This sample is set in an arbitrary pressure-resistant container, and the inside of the container is filled with pure water. Next, the pressure-resistant container is held in a constant temperature bath set to a predetermined temperature, and the measurement is started after the inside of the pressure-resistant container reaches the predetermined temperature. When the measurement starts, the upper surface side of the sample is pressurized with nitrogen, and the numerical values of the pressure and the permeation flow rate when pure water permeates from the lower surface side of the sample are recorded. The average permeability hole diameter can be obtained from the following Hagen-Poiseuille equation using the gradient between the pressure and the permeability flow rate at which the pressure is between 10 kPa and 30 kPa.
Average permeable hole diameter (m) = {32ηLμ 0 / (εP)} 0.5
Here, η is the viscosity of water (Pa · s), L is the thickness of the porous film (m), μ 0 is the apparent flow velocity, and μ 0 (m / s) = flow rate (m 3 / s) / flow. The road area (m 2 ). Further, 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。
The
From the viewpoint of achieving both gas breaking property and low voltage loss at a high level, the lower limit of the porosity of the porous membrane is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, and more preferably 40% or more. Is even more preferable. The upper limit of the porosity is preferably 70% or less, more preferably 65% or less, and further preferably 55% or less. When the porosity of the porous membrane is not more than the above upper limit value, ions easily permeate through 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 membrane refers to the open porosity determined by the Archimedes method, and can be determined by the following formula.
Porosity P (%) = ρ / (1 + ρ) x 100
Here, ρ = (W3-W1) / (W3-W2), W1 is the dry mass (g) of the porous membrane, W2 is the underwater mass (g) of the porous membrane, and W3 is the satiety mass of the porous membrane (W3). g).
気孔率の測定方法としては、純水で洗浄した多孔膜を3cm×3cmの大きさで3枚に切出して、測定サンプルとする。まず、サンプルのW2及びW3を測定する。その後、多孔膜を50℃に設定された乾燥機で12時間以上静置して乾燥させて、W1を測定する。そして、W1、W2、W3の値から気孔率を求める。3枚のサンプルについて気孔率を求め、それらの算術平均値を気孔率Pとする。 As a method for measuring the porosity, a porous membrane washed with pure water is cut into three pieces having a size of 3 cm × 3 cm and used as a measurement sample. First, W2 and W3 of the sample are measured. Then, the porous membrane is allowed to stand for 12 hours or more in a dryer set at 50 ° C. to dry, and W1 is measured. Then, the porosity is obtained from the values of W1, W2, and W3. The porosity is obtained for three samples, and the arithmetic mean value thereof is defined as the porosity P.
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、100〜700μmであることが好ましく、より好ましくは100〜600μm、更に好ましくは200〜600μmである。
多孔膜の厚みが、上記下限値以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。また、上記上限値以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
また、隔膜の厚みが、100μm以上であると、突刺し等で破れにくく、電極間がショートしにくい。また、ガス遮断性が良好となる。600μm以下であると、電圧損失が増大しにくい。また、多孔膜の厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
多孔膜の厚みが、250μm以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度が一層向上する。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、300μm以上であることがより好ましく、350μm以上であることが更に好ましく400μm以上でることがより一層好ましい。一方で、多孔膜の厚みが、700μm以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、多孔膜の厚みの上限は、600μm以下であることがより好ましく、550μm以下であることが更に好ましく、500μm以下であることがより一層好ましい。
The thickness of the porous membrane is not particularly limited, but is preferably 100 to 700 μm, more preferably 100 to 600 μm, and even more preferably 200 to 600 μm.
When the thickness of the porous membrane is not less than the above lower limit value, it is difficult to tear due to piercing or the like, and it is difficult to short-circuit between the electrodes. In addition, the gas barrier property becomes good. Further, when it is not more than the above upper limit value, the voltage loss is unlikely to increase. In addition, the influence of variation in the thickness of the porous membrane is reduced.
Further, when the thickness of the diaphragm is 100 μm or more, it is difficult to tear due to piercing or the like, and it is difficult to short-circuit between the electrodes. In addition, the gas barrier property becomes good. When it is 600 μm or less, the voltage loss is unlikely to increase. In addition, the influence of variation in the thickness of the porous membrane is reduced.
When the thickness of the porous membrane is 250 μm or more, more excellent gas blocking property can be obtained, and the strength of the porous membrane against impact is further improved. From this viewpoint, the lower limit of the thickness of the porous membrane is more preferably 300 μm or more, further preferably 350 μm or more, and further preferably 400 μm or more. On the other hand, when the thickness of the porous membrane is 700 μm or less, the resistance of the electrolytic solution contained in the pores during operation does not hinder the permeability of ions, and more excellent ion permeability can be maintained. From this point of view, the upper limit of the thickness of the porous membrane is more preferably 600 μm or less, further preferably 550 μm or less, and further preferably 500 μm or less.
−−−親水性無機粒子−−−
多孔膜は、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために親水性無機粒子を含有していることが好ましい。親水性無機粒子は多孔膜の表面に付着していても良いし、一部が多孔膜を構成する高分子材料に埋没していても良い。また親水性無機粒子が多孔膜の空隙部に内包されると、多孔膜から脱離しにくくなり、多孔膜の性能を長時間維持できる。
--- Hydrophilic inorganic particles ---
The porous membrane preferably contains hydrophilic inorganic particles in order to exhibit high ion permeability and high gas blocking property. 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. Further, when the hydrophilic inorganic particles are encapsulated in the voids of the porous membrane, it becomes difficult to separate from the porous membrane, and the performance of the porous membrane can be maintained for a long time.
親水性無機粒子としては、例えば、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物又は水酸化物;周期律表第IV族元素の酸化物;周期律表第IV族元素の窒化物、及び周期律表第IV族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の無機物が挙げられる。これらの中でも、化学的安定性の観点から、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物、周期律表第IV族元素の酸化物がより好ましく、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物が更に好ましく、酸化ジルコニウムがより更に好ましい。 Examples of the hydrophilic inorganic particles include oxides or hydroxides of zirconium, bismuth, and cerium; oxides of Group IV elements of the Periodic Table; nitrides of Group IV elements of the Periodic Table, and IV of the Periodic Table. At least one inorganic substance selected from the group consisting of carbides of group elements can be mentioned. Among these, from the viewpoint of chemical stability, oxides of zirconium, bismuth and cerium, oxides of Group IV elements of the Periodic Table are more preferable, oxides of zirconium, bismuth and cerium are more preferable, and zirconium oxide is preferable. Even more preferable.
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 form of the hydrophilic inorganic particles is preferably a fine particle shape.
−−多孔性支持体−−
隔膜4として多孔膜を用いる場合、多孔膜は多孔性支持体と共に用いてよい。好ましくは、多孔膜が多孔性支持体を内在した構造であり、より好ましくは、多孔性支持体の両面に多孔膜を積層した構造である。また、多孔性支持体の両面に対称に多孔膜を積層した構造であってもよい。
--Porosity support ---
When a porous membrane is used as the
多孔性支持体としては、例えば、メッシュ、多孔質膜、不織布、織布、不織布及びこの不織布に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。多孔性支持体のより好適な態様としては、例えば、ポリフェニレンサルファイドのモノフィラメントで構成されるメッシュ基材、又は不織布及び該不織布内に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。 Examples of the porous support include a mesh, a porous film, a non-woven fabric, a woven fabric, a non-woven fabric, and a composite cloth including a woven fabric contained in the non-woven fabric. These may be used alone or in combination of two or more. More preferred embodiments of the porous support include, for example, a mesh substrate made of a monofilament of polyphenylene sulfide, or a composite fabric containing a nonwoven fabric and a woven fabric contained therein.
−−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 ---
The ion exchange membrane includes a cation exchange membrane that selectively permeates a cation and an anion exchange membrane that selectively permeates an anion, and any exchange membrane can be used.
The material of the ion exchange membrane is not particularly limited, and known materials can be used. For example, a fluorine-containing resin or a modified resin of a polystyrene / divinylbenzene copolymer can be preferably used. In particular, a fluorine-containing ion exchange membrane is preferable because it is excellent in 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 the fluorine-containing ion exchange membrane include those having a function of selectively permeating ions generated during electrolysis and containing a fluorine-containing polymer having an ion exchange group. The fluorinated polymer having an ion exchange group as used herein means a fluorinated polymer having an ion exchange group or an ion exchange group precursor that can become an ion exchange group by hydrolysis. For example, a polymer having a main chain of a fluorinated hydrocarbon, having a functional group that can be converted into an ion exchange group by hydrolysis or the like as a pendant side chain, and capable of melt processing can be mentioned.
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 precursor is measured by the melt flow index (MFI) value measured in accordance with ASTM: D1238 (measurement conditions: temperature 270 ° C., load 2160 g). It is preferably 0.05 to 50 (g / 10 minutes), more preferably 0.1 to 30 (g / 10 minutes).
イオン交換膜が有するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等のカチオン交換基、4級アンモニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。 Examples of the ion exchange group contained in the ion exchange film include a cation exchange group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group and a phosphoric acid group, and an anion exchange group such as a quaternary ammonium group.
イオン交換膜は、イオン交換基の当量質量EWを調整することによって、優れたイオン交換能と親水性を付与することができる。また、より小さなクラスター(イオン交換基が水分子を配位及び/又は吸着した微小部分)を数多く有するように制御でき、耐アルカリ性やイオン選択透過性を向上する傾向にある。
この当量質量EWは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ又は酸溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量EWは、原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
イオン交換膜の当量質量EWは、親水性、膜の耐水性の観点から300以上であることが好ましく、親水性、イオン交換能の観点から1300以下であることが好ましい。
The ion exchange membrane can impart excellent ion exchange ability and hydrophilicity by adjusting the equivalent mass EW of the ion exchange group. In addition, it can be controlled to have many smaller clusters (microparts in which ion exchange groups coordinate and / or adsorb water molecules), and tends to improve alkali resistance and ion selective permeability.
This equivalent mass EW can be measured by substituting the ion exchange membrane with a salt and back-titrating the solution with an alkaline or acid solution. The equivalent mass EW can be adjusted by the copolymerization ratio of the monomer as a raw material, the selection of the monomer type, and the like.
The equivalent mass EW of the ion exchange membrane is preferably 300 or more from the viewpoint of hydrophilicity and water resistance of the membrane, and preferably 1300 or less from the viewpoint of hydrophilicity and ion exchange ability.
イオン交換膜の厚みは特に制限されないが、イオン透過性や強度の観点から、5〜300μmの範囲が好ましい。 The thickness of the ion exchange membrane is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 300 μm from the viewpoint of ion permeability and strength.
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。 Surface treatment may be applied for the purpose of improving the hydrophilicity of the surface of the ion exchange membrane. Specific examples thereof include a method of coating hydrophilic inorganic particles such as zirconium oxide and a method of imparting fine irregularities on the surface.
イオン交換膜は、膜強度の観点から、補強材と共に用いることが好ましい。補強材としては、特に限定されず、一般的な不織布や織布、各種素材からなる多孔膜が挙げられる。この場合の多孔膜としては、特に限定されないが、延伸されて多孔化したPTFE系膜が好ましい。 The ion exchange membrane is preferably used together with the reinforcing material from the viewpoint of film strength. The reinforcing material is not particularly limited, and examples thereof include general non-woven fabrics, woven fabrics, and porous membranes made of various materials. The porous membrane in this case is not particularly limited, but a stretched and porous PTFE membrane is preferable.
−隔膜の落下防止機構−
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(d)に隔膜の落下防止機構(h)を備える。隔膜の落下防止機構(h)は、少なくとも1つ以上の絶縁性の支持体であり、隔膜の自重を支持し、組立交換でスタック圧がゼロになった際に隔膜の落下を防ぐ。
-Septal fall prevention mechanism-
In the multipolar
隔膜の落下防止機構(h)はピンやボルトのような簡易な構造で隔膜を外枠(d)に固定することが好ましい。その場合は外枠にピン穴もしくはボルト穴を設け、隔膜にも同様に穴をあけ、隔膜を外枠と落下防止機構(h)で挟持する。 The fall prevention mechanism (h) of the diaphragm preferably has a simple structure such as a pin or a bolt to fix the diaphragm to the outer frame (d). In that case, a pin hole or a bolt hole is provided in the outer frame, a hole is similarly made in the diaphragm, and the diaphragm is sandwiched between the outer frame and the fall prevention mechanism (h).
隔膜の落下防止機構(f)は1次ガスケット(b)の外側に設ける必要がある。また、2次ガスケットのシーリング性に影響するため、2次ガスケットの内側に設けることが好ましい。すなわち、隔膜の落下防止機構(f)は、1次ガスケット(b)と2次ガスケット(c)との間に設置されることが好ましい。 The fall prevention mechanism (f) of the diaphragm needs to be provided on the outside of the primary gasket (b). Further, since it affects the sealing property of the secondary gasket, it is preferable to provide it inside the secondary gasket. That is, it is preferable that the fall prevention mechanism (f) of the diaphragm is installed between the primary gasket (b) and the secondary gasket (c).
((ゼロギャップ構造))
ゼロギャップ型セルにおける複極式エレメント60では、極間距離を小さくする手段として、電極2と隔壁1との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極2を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第1の例では、隔壁1に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極2を取り付けてよい。また、第2の例では、隔壁1に取り付けた電極リブにバネを取り付け、そのバネに電極2を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極2が隔膜4に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
((Zero gap structure))
In the
−電極室−
本実施形態における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(d)と隔膜4とにより、電解液が通過する電極室5が画成されている。
-Electrode chamber-
In the bipolar
本実施形態においては、複極式電解槽のヘッダー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 the present embodiment, an internal header type and an external header type can be adopted as the arrangement mode of the header 10 of the bipolar electrolytic cell. For example, in the case of the illustrated example, the space occupied by the
−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。
-Rectifying plate-
In the multipolar
Here, the rectifying
In the double-pole
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 above-mentioned example of the double-pole
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。
The straightening vane 6 (anode straightening vane, cathode straightening vane) preferably has not only a role of supporting the
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 multipolar
整流板6の材料としては、一般的に導電性の金属が用いられる。例えば、ニッケルメッキを施した軟鋼、ステンレススチール、ニッケル等が利用できる。
As the material of the straightening
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 rectifying plates or the distance between adjacent cathode rectifying plates is determined in consideration of the electrolytic pressure, the pressure difference between the
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、1次ガスケット(b)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 straightening vane 6 (anode straightening vane, cathode straightening vane) may be appropriately determined according to the size of the partition wall 1.
The height of the rectifying
The thickness of the straightening
−1次ガスケット−
本実施形態の水電解用複極式電解槽50では、1次ガスケット(b)は隔壁1を縁取る外枠(d)に設けられた溝構造(e)に、1次ガスケット(b)の少なくとも一部が外周面の全周について断続的に、好適には1次ガスケット(b)の外周面が全周に渡って、溝構造(e)の側壁(f)に接触した状態で格納される。
隔膜4は図2Aのように、1次ガスケット(b)と隣の外枠(d)とに挟持されることが好ましいが、図2Bのように、隔膜4が1次ガスケット同士の間で挟持される構造でもよい。
-Primary gasket-
In the water electrolysis multi-pole
The
1次ガスケット(b)は隔膜の陰極側面と陽極側面の両側に使用され、1次ガスケット(b)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。
The primary gasket (b) is used on both the cathode side surface and the anode side surface of the diaphragm, and the primary gasket (b) generates an electrolytic solution between the
1次ガスケット(b)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。
The general structure of the primary gasket (b) is a quadrangular shape or an annular shape in which the electrode surface is hollowed out so as to match the surface of the element in contact with the frame. The
1次ガスケット(b)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を選択することができる。
ゴム材料としては、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 primary gasket (b) is not particularly limited, and a known rubber material having an insulating property can be selected.
Specific examples of the rubber material include natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), chloroprene rubber (CR), butadiene rubber (BR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), silicone rubber (SR), and ethylene. Use rubber materials such as -propylene rubber (EPT), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), fluororubber (FR), isobutylene-isoprene rubber (IIR), urethane rubber (UR), and chlorosulfonated polyethylene rubber (CSM). be able to. Among these, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and fluororubber (FR) are particularly preferable from the viewpoint of elastic modulus and alkali resistance.
1次ガスケット(b)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、1次ガスケット(b)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 primary gasket (b). As a result, it is possible to prevent the primary gasket (b) from being crushed when it is sandwiched between the frames and pressed during stacking, and it is possible to easily prevent damage.
Known metal materials, resin materials, carbon materials and the like can be used as such reinforcing materials, and specifically, metals such as nickel and stainless steel, resins such as nylon, polypropylene, PVDF, PTFE and PPS, carbon particles and carbon. Examples include carbon materials such as fibers.
1次ガスケット(b)のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室5や隔膜4の寸法に合わせて設計すればよいが、好ましい条件は上述のとおりである。
The size of the primary gasket (b) is not particularly limited and may be designed according to the dimensions of the electrode chamber 5 and the
1次ガスケット(b)の弾性率については、100%変形時の引張応力で、30MPaの以下の範囲であり、シーリング特性や耐圧強度の観点から、5.0〜20MPa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 primary gasket (b) is in the range of 30 MPa or less in terms of tensile stress at the time of 100% deformation, and is more preferably in the range of 5.0 to 20 MPa from the viewpoint of sealing characteristics and pressure resistance.
The tensile stress can be measured according to JIS K6251. For example, Autograph AG manufactured by Shimadzu Corporation may be used.
−2次ガスケット−
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(d)同士の間に2次ガスケット(c)が挟持されることが好ましい。
2次ガスケット(c)は隣接する複極式エレメント60間で、1次ガスケット(b)および隔膜4より外周側(大気側)に設置され、多孔膜を透水して1次ガスケット(b)の外部へ流出した電解液をシールするために使用され、電解液の電解槽外への漏れを防ぐことができる。
-Secondary gasket-
In the multipolar
The secondary gasket (c) is installed between the adjacent
2次ガスケット(c)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を外枠(d)同士で挟み込むことで外枠(d)間の隙間を適切に保ち、外枠(d)同士が接触、短絡することを防ぐと共に、内側に設置された1次ガスケット(b)に適切な圧縮率を与えることができる。
2次ガスケット(c)はスタック方向の圧縮を支持し、スタック時に隣り合う外枠(d)間の隙間における距離を0.5mm〜5mmの範囲内に保つことができる。
The general structure of the secondary gasket (c) is a quadrangular shape or an annular shape in which the electrode surface is hollowed out according to the surface of the element in contact with the frame. By sandwiching such a gasket between the outer frames (d), the gap between the outer frames (d) is appropriately maintained, the outer frames (d) are prevented from coming into contact with each other and short-circuited, and the gasket is installed inside 1 An appropriate compression ratio can be given to the next gasket (b).
The secondary gasket (c) supports compression in the stacking direction and can keep the distance in the gap between adjacent outer frames (d) during stacking within the range of 0.5 mm to 5 mm.
2次ガスケット(c)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樹脂材料等を選択することができる。
樹脂材料としては、具体的には、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ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が特に好適である。
The material of the secondary gasket (c) is not particularly limited, and a known resin material having insulating properties can be selected.
Specific examples of the resin material include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE), and chlorotrifluorethylene / ethylene. Fluororesin materials such as copolymer (ECTFE) and resin materials such as polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene, polyimide, and polyacetal can be used. Among these, polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable from the viewpoint of elastic modulus and alkali resistance.
2次ガスケット(c)の電解温度における体積抵抗率が1MΩ・cm以上であることを特徴とする。
なお、体積抵抗率は、JIS K6911規格に準拠して、測定することができる。例えば、日置電機株式会社社製の超絶縁計を用いてよい。
The secondary gasket (c) is characterized in that the volume resistivity at the electrolytic temperature is 1 MΩ · cm or more.
The volume resistivity can be measured in accordance with JIS K6911 standard. For example, a super insulation meter manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. may be used.
2次ガスケット(c)のサイズは、特に制限されるものではなく、電極室5や隔膜4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。厚さは、上述のとおりである。
The size of the secondary gasket (c) is not particularly limited and may be designed according to the dimensions of the electrode chamber 5 and the
2次ガスケット(c)はヤング率が200MPa以上であることを特徴とする。
なお、ヤング率は、JIS K7161規格に準拠して、測定することができる。例えば、株式会社島津製作所社製の精密万能試験機(オートグラフ)を用いてよい。
The secondary gasket (c) is characterized by having a Young's modulus of 200 MPa or more.
Young's modulus can be measured in accordance with JIS K7161 standard. For example, a precision universal testing machine (autograph) manufactured by Shimadzu Corporation may be used.
また、2次ガスケット(c)のヤング率Eと1次ガスケット(b)の100%変形時の引張応力σの比E/σがE/σ≧10であることを特徴とする。 Further, the ratio E / σ of the Young's modulus E of the secondary gasket (c) and the tensile stress σ at the time of 100% deformation of the primary gasket (b) is E / σ ≧ 10.
−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
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
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。 The material of the header is not particularly limited, but it is necessary to use a header that can sufficiently withstand the corrosiveness of the electrolytic solution used and the operating conditions such as pressure and temperature. As the material of the header, iron, nickel, cobalt, PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene or the like may be adopted.
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(d)の詳細構造により、変動するところ、外枠(d)の詳細構造は、外枠(d)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 the present embodiment, the range of the electrode chamber 5 varies depending on the detailed structure of the outer frame (d) provided at the outer end of the partition wall 1, and the detailed structure of the outer frame (d) is changed to the outer frame (d). It may differ depending on the arrangement mode of the attached header (tube for distributing or collecting the electrolytic solution). The internal header type and the external header type are typical as the arrangement mode of the header of the bipolar
−−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 a bipolar
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(d)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(d)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。 In the internal header type multi-pole electrolytic cell, more specifically, the anode inlet header and the cathode inlet header are provided in the partition wall 1 and / or in the lower portion in the outer frame (d), and are perpendicular to the partition wall 1. The anode outlet header and the cathode outlet header are provided so as to extend in the direction, and the anode outlet header and the cathode outlet header are provided in the partition wall 1 and / or in the upper part in the outer frame (d), and extend in the direction perpendicular to the partition wall 1. It is provided to do so.
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, the cathode inlet header, the anode outlet header, and the cathode outlet header inherently possessed by the internal header type multi-pole electrolytic cell are collectively referred to as an internal header.
内部ヘッダー型の例では、隔壁1の端縁にある外枠(d)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(d)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 the example of the internal header type, the anode inlet header and the cathode inlet header are provided in a part of the lower portion of the outer frame (d) at the edge of the partition wall 1, and similarly, the same. An anode outlet header and a cathode outlet header are provided in a part of the outer frame (d) located at the upper end 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 header ---
The external header type refers to a type in which the bipolar
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 the external header type multi-pole electrolytic cell, the anode inlet header and the cathode inlet header run in parallel with the water electrolysis multi-pole
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(d)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(d)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。
External header type The anode inlet header, cathode inlet header, anode outlet header, and cathode outlet header that are externally connected to the multi-pole electrolytic cell are collectively referred to as an external header.
In the example of the external header type, the luminal member is installed in the header through hole provided in the lower portion of the outer frame (d) at the end edge of the partition wall 1, and the luminal member is formed. In the header through hole provided in the upper portion of the outer frame (d) on the edge of the partition wall 1, which is connected to the anode inlet header and the cathode inlet header, as well. A luminal member (eg, hose, tube, etc.) is installed and the luminal member is connected to the anode outlet header and the 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。
The internal header type and the external header type multipolar
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 can sufficiently withstand the corrosiveness of the electrolytic solution and operating conditions such as pressure and temperature. As the material of the coating material, an insulating material may be adopted for the purpose of increasing the electric resistance of the leakage current circuit inside the electrolytic cell. EPDM, PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene or the like may be adopted as the material of the coating material.
〈水電解用電解装置〉
図3に、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 the electrolyzer for
The electrolyzer for
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 water electrolysis
That is, according to the present embodiment, it is possible to obtain a bipolar electrolyzer for water electrolysis having a long life even when used under conditions of a variable power source or a high frequency of operation stoppage.
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。
Hereinafter, the components of the electrolyzer for
−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 pump-
The
−気液分離タンク−
本実施形態において用いられる気液分離タンク72は、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 and liquid separation tank-
The gas-liquid separation tank 72 used in the present embodiment is a
The
電解セル65から電解液と発生ガスが混合した状態で排出されたものを、気液分離タンク72に流入させる。気液分離が適切に行われなかった場合は、陰極室5cと陽極室5aの電解液が混合したときに、酸素ガス、水素ガスが混合されてしまい、ガスの純度が低下する。最悪の場合、爆鳴気を形成してしまう危険性がある。
What is discharged from the
気液分離タンク72に流入したガスと電解液は、ガスはタンク上層の気相へ、電解液はタンク下層の液相に分かれる。気液分離タンク72内での電解液の線束と、発生したガス気泡の浮遊する速度と、気液分離タンク72内の滞留時間によって、気液分離の度合いが決まる。 The gas and the electrolytic solution that have flowed into the gas-liquid separation tank 72 are separated into the gas phase in the upper layer of the tank and the electrolytic solution in the liquid phase in the lower layer of the tank. The degree of gas-liquid separation is determined by the line bundle of the electrolytic solution 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 electrolytic solution flows out from the outlet below the tank and flows into the
気液分離タンク72には、内部に貯留する電解液の液面高さを把握するために、液面計を備えることも可能である。 The gas-liquid separation tank 72 may be provided with a liquid level gauge in order to grasp the liquid level height of the electrolytic solution 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。 Further, it is preferable that the gas-liquid separation tank 72 is provided with a pressure release valve. As a result, even if the pressure rises due to the gas generated by electrolysis, the pressure can be safely lowered when the design pressure is exceeded.
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 inflow port to the gas-liquid separation tank 72 is preferably located on the upper surface of the electrolytic solution surface in order to improve the gas-liquid separation property, but is not limited thereto.
For the purpose of preventing the liquid level in the electrolytic cell from dropping when the circulation is stopped, it is preferable that the electrolytic liquid level in the gas-liquid separation tank 72 is higher than the upper surface of the electrolytic cell, but the present invention is not limited to this.
It is preferable, but not limited to, a shutoff valve to be provided between the
気液分離タンク72の材料には、ニッケル等の耐アルカリ性金属が用いられる。一方、鉄等の汎用金属をタンク筐体材料として用いる場合においては、タンク内部の電解液接触面に、フッ素系樹脂等で被覆処理を施したものを用いることもあるが、本発明における気液分離タンク72の素材を限定するものではない。 An alkali-resistant metal such as nickel is used as the material of the gas-liquid separation tank 72. On the other hand, when a general-purpose metal such as iron is used as the tank housing material, the electrolytic solution contact surface inside the tank may be coated with a fluororesin or the like. The material of the separation tank 72 is not limited.
気液分離タンク72の容量は、設置容積を考慮すると、小さい方が好ましいが、容積が小さすぎると、陰極2cと陽極2aの圧力差が大きくなった場合や電解電流値に変動が生じた場合、タンク内の液面が変動するため、この変動分を考慮する必要がある。
また、タンク高さも同様に、高さが低い場合は、上記変動の影響を受けやすいため、高くすることが好ましい。
The capacity of the gas-liquid separation tank 72 is preferably small in consideration of the installation volume, but if the volume is too small, the pressure difference between the
Similarly, when the height of the tank is low, it is easily affected by the above fluctuations, so it is preferable to increase the height of the tank.
−水補給器−
本実施形態において用いられる水補給器73としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
水としては、一般上水を使用してもよいが、長期間に渡る運転を考慮した場合、イオン交換水、RO水、超純水等を使用することが好ましい。
-Water replenisher-
The water replenisher 73 used in the present embodiment is not particularly limited and may be appropriately defined.
As the water, general clean water may be used, but in consideration of long-term operation, it is preferable to use ion-exchanged water, RO water, ultrapure water, or the like.
−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。
-Other-
The water electrolysis
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。
Further, it is preferable that the electrolyzer for
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。 Although the bipolar electrolysis tank for water electrolysis and the electrolysis device for water electrolysis of the embodiment of the present invention have been exemplified with reference to the drawings, the bipolar electrolysis tank for water electrolysis and the electrolysis for water electrolysis of the present invention have been described above. The device is not limited to the above example, and modifications can be made to the above embodiments as appropriate.
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。 Since the multi-pole electrolytic cell for water electrolysis of the present invention has a long life even when used under a variable power source or a condition where the operation is frequently stopped, it has a long life even when operated under a variable power source such as renewable energy. It can be operated stably over the years.
(a) セルスタック
(b) 1次ガスケット
(c) 2次ガスケット
(d) 外枠
(e) 溝構造
(f) 側壁
(g) 油圧制御機構
(h) 隔膜落下防止機構
1 隔壁
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 導電性弾性体
2r 集電体
4 隔膜
5 電極室
5a 陽極室
5c 陰極室
6 整流板
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) Primary gasket (c) Secondary gasket (d) Outer frame (e) Groove structure (f) Side wall (g) Hydraulic control mechanism (h) Diaphragm fall prevention mechanism 1
Z zero gap structure
Claims (14)
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(d)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微多孔質隔膜とが
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油圧制御機構(g)と;
を備える水電解用複極式電解槽であり、
少なくとも1対の前記エレメント間に、電解液と発生ガスをシールする1次ガスケット(b)と、前記1次ガスケット(b)の外側に位置し、前記1次ガスケット(b)の封止範囲外に流出した電解液の電解槽外部への漏洩を防ぐ2次ガスケット(c)とを備えることを特徴とする、アルカリ水電解槽。 An anode terminal element with an anode and
A cathode terminal element with a cathode and
A plurality of duplexers located between the anode terminal element and the cathode terminal element, comprising an anode, a cathode, a partition wall separating the anode and the cathode, and an outer frame (d) edging the partition wall. Polar element and
With the cell stack (a) in which the microporous diaphragm disposed between the adjacent elements is stacked via a gasket;
With a hydraulic control mechanism (g) that applies surface pressure between the gasket and the diaphragm, and between the gasket and each of the elements;
It is a multi-pole electrolytic cell for water electrolysis equipped with
Located outside the primary gasket (b) that seals the electrolytic solution and the generated gas between at least one pair of the elements, and outside the sealing range of the primary gasket (b). An alkaline water electrolytic cell, characterized in that it is provided with a secondary gasket (c) for preventing leakage of the electrolytic cell that has flowed out to the outside of the electrolytic cell.
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