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JP7763416B2 - Electrolyzers and water electrolysis systems - Google Patents

Electrolyzers and water electrolysis systems

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JP7763416B2
JP7763416B2 JP2021165732A JP2021165732A JP7763416B2 JP 7763416 B2 JP7763416 B2 JP 7763416B2 JP 2021165732 A JP2021165732 A JP 2021165732A JP 2021165732 A JP2021165732 A JP 2021165732A JP 7763416 B2 JP7763416 B2 JP 7763416B2
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electrolyte
electrolytic cell
porous diaphragm
water electrolysis
anode
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竜也 品川
剛大 内藤
武史 西本
健生 市原
綾一 小島
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Asahi Kasei Corp
University of Tokyo NUC
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Asahi Kasei Corp
University of Tokyo NUC
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    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、中性pH領域において高効率で作動する電解槽及び水電解システムに関する。 The present invention relates to an electrolytic cell and water electrolysis system that operates with high efficiency in the neutral pH range.

持続可能な社会の実現に向けて再生可能エネルギーの有効活用が社会的な急務となっているが、再生可能エネルギーは地域による偏りに加え、時間的、季節的、気象的変動が大きく、安定供給できないことが大規模利用への妨げとなっている。
この観点から、再生可能エネルギー由来の電力から水を電気分解(水電解)して水素を製造し、その水素を貯蔵・輸送して、水素発電装置や燃料電池を利用して必要なときに必要な場所でエネルギーを取り出すことによりエネルギー供給を平準化する方法が提案されている。
Toward the realization of a sustainable society, the effective use of renewable energy has become an urgent social imperative. However, renewable energy is unevenly distributed by region and fluctuates greatly over time, seasons, and weather, making it difficult to ensure a stable supply, which hinders its large-scale use.
From this perspective, a method has been proposed to level out energy supplies by producing hydrogen by electrolyzing water using electricity derived from renewable energy sources, storing and transporting the hydrogen, and then using hydrogen power generation equipment or fuel cells to extract energy when and where it is needed.

工業的な水電解の方法としては、濃厚な水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの水溶液を用いるアルカリ水電解や、プロトン交換膜を用いるプロトン交換膜(PEM)型水電解の技術が主に用いられている。これらの技術では、強塩基性又は強酸性の電解液を用いるため、電解装置を構成する部材の素材には高い腐食耐性が要求される。 The main industrial methods of water electrolysis are alkaline water electrolysis, which uses concentrated aqueous solutions of sodium hydroxide or potassium hydroxide, and proton exchange membrane (PEM) water electrolysis, which uses a proton exchange membrane. Because these technologies use strongly basic or strongly acidic electrolytes, the materials used to make the electrolysis equipment must be highly corrosion-resistant.

このため、水電解を弱酸性~弱塩基性の中性領域で実施することができれば、水電解装置を汎用な材料で構成できるようになり、電解装置の長寿命化が可能となることから、中性pH領域での水電解の開発が検討されている。
ただし、中性pH領域での水電解は、強塩基性条件又は強酸性条件に比べてエネルギー効率が低い、すなわち電解電圧が高くなる傾向にある。
For this reason, if water electrolysis could be performed in a neutral range from weakly acidic to weakly basic, it would be possible to construct a water electrolysis device using general-purpose materials and extend the life of the electrolysis device. Therefore, the development of water electrolysis in a neutral pH range is being considered.
However, water electrolysis in the neutral pH range tends to be less energy efficient, i.e., the electrolysis voltage tends to be higher, compared to strongly basic or strongly acidic conditions.

そのため、中性pH領域での水電解のエネルギー効率を高める技術が検討されており、例えば特許文献1及び非特許文献1には、高濃度の緩衝液を用いて60~120℃の比較的高い温度での水電解を実施する技術が開示されている。高濃度の緩衝液を用いることにより、イオン伝導性が向上して電解槽の電気抵抗が低減される。また、高温で水電解することで陰極反応及び陽極反応が促進され、活性化過電圧を低減できる。 For this reason, technologies to improve the energy efficiency of water electrolysis in the neutral pH range are being investigated. For example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a technology for performing water electrolysis at a relatively high temperature of 60 to 120°C using a high-concentration buffer solution. Using a high-concentration buffer solution improves ionic conductivity and reduces the electrical resistance of the electrolytic cell. Furthermore, water electrolysis at high temperatures promotes the cathode and anode reactions, reducing the activation overvoltage.

また、特許文献2には、アルカリ水電解ではあるが、隔膜が陰極及び陽極と接触した構造とすることによって、電解槽の電気抵抗を抑制して電解電圧を低く保つ技術が開示されている。特許文献2では、電解液に由来する電気抵抗を抑制するためには隔膜と電極間との隙間が実質的になく、隔膜の気孔率が高く、隔膜の厚みが薄い方が好ましい一方、陰極発生ガスと陽極発生ガスの混合を防止するためには、隔膜の気孔率は低く、一定以上の厚みが必要であることが述べられている。 Patent Document 2 also discloses a technology for alkaline water electrolysis in which the electrical resistance of the electrolytic cell is suppressed and the electrolysis voltage is kept low by employing a structure in which the diaphragm is in contact with the cathode and anode. Patent Document 2 also states that in order to suppress the electrical resistance resulting from the electrolyte, it is preferable that there is substantially no gap between the diaphragm and the electrodes, that the porosity of the diaphragm is high, and that the diaphragm is thin. However, in order to prevent mixing of the gas generated at the cathode and the gas generated at the anode, the diaphragm needs to have a low porosity and a certain thickness or greater.

特開2021-116468Patent Publication No. 2021-116468 特開2019-65349Patent Publication No. 2019-65349 T.Naito,et al.,ChemSusChem 2020,13,5921-5933T. Naito, et al. , ChemSusChem 2020, 13, 5921-5933

しかしながら、特許文献1及び2、非特許文献1の技術を用いて、水電解処理を実施した場合であっても、中性pH領域での水電解のエネルギー効率はいまだ十分でなく、さらなる技術の改善が望まれていた。 However, even when water electrolysis is performed using the technologies described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1, the energy efficiency of water electrolysis in the neutral pH range is still insufficient, and further technological improvements are desired.

そのため、本発明は、中性pH領域の電解液を用いた場合であっても、電解電圧を抑えることができる電解槽、及び、それを用いた水電解システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide an electrolytic cell that can suppress electrolysis voltage even when using an electrolyte solution in the neutral pH range, and a water electrolysis system using the same.

本発明者らは、上記課題を解決するべく検討を行った結果、中性pH領域(非電解時のpHが1.5~12.6)であり、電解質濃度が2mol/kg以上である緩衝液を、電解液として用いるとともに、多孔質隔膜が陰極及び陽極と接触している電解槽を採用することによって、陰極発生ガスと陽極発生ガスの混合を防止しつつ、中性pH領域における電解電圧を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of investigations into solving the above-mentioned problems, the inventors discovered that by using a buffer solution in the neutral pH range (a pH of 1.5 to 12.6 when not electrolyzed) with an electrolyte concentration of 2 mol/kg or more as the electrolyte and employing an electrolytic cell in which a porous diaphragm is in contact with the cathode and anode, it is possible to reduce the electrolysis voltage in the neutral pH range while preventing mixing of the gas generated at the cathode and the gas generated at the anode, leading to the completion of the present invention.

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
1.非電解時のpHが1.5~12.6であり且つ電解質濃度が2mol/kg以上である緩衝液を電解液として用い、多孔質隔膜が陰極及び陽極と接触していることを特徴とする、電解槽。
2.前記多孔質隔膜は、気孔率が40~98%、厚みが20~450μmであることを特徴とする、前記1に記載の電解槽。
3.前記多孔質隔膜が、ガラス繊維からなることを特徴とする、前記1又は2に記載の電解槽。
4.前記ガラス繊維が、親水化処理されたガラス繊維であることを特徴とする、前記3に記載の電解槽。
5.前記緩衝液が、アルカリ金属のカチオン及びアルカリ土類金属のカチオンからなる群から選択される少なくとも1種のカチオン種、並びに、リン酸塩、ホウ酸塩及び炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1つのアニオン種、を含む電解質溶液であることを特徴とする、前記1~4のいずれかに記載の電解槽。
6.前記1~5のいずれかに記載の電解槽を、60~120℃で運転し、水電解を行うことを特徴とする、水電解システム。
The present invention has been made based on the above findings, and the gist of the present invention is as follows.
1. An electrolytic cell characterized in that a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis and an electrolyte concentration of 2 mol/kg or more is used as an electrolyte solution, and a porous diaphragm is in contact with the cathode and the anode.
2. The electrolytic cell according to 1 above, wherein the porous diaphragm has a porosity of 40 to 98% and a thickness of 20 to 450 μm.
3. The electrolytic cell according to 1 or 2 above, wherein the porous diaphragm is made of glass fiber.
4. The electrolytic cell according to 3 above, wherein the glass fiber is a glass fiber that has been hydrophilically treated.
5. The electrolytic cell according to any one of 1 to 4 above, wherein the buffer solution is an electrolyte solution containing at least one cation species selected from the group consisting of alkali metal cations and alkaline earth metal cations, and at least one anion species selected from the group consisting of phosphates, borates, and carbonates.
6. A water electrolysis system comprising the electrolytic cell according to any one of 1 to 5 above, operated at 60 to 120°C to perform water electrolysis.

本発明によれば、中性pH領域の電解液を用いた場合であっても、電解電圧を抑えることができる電解槽、及び、それを用いた水電解システムの提供が可能となる。 The present invention makes it possible to provide an electrolytic cell that can suppress electrolysis voltage even when using an electrolyte solution in the neutral pH range, and a water electrolysis system that uses the same.

本発明の電解槽の一例の断面を模式的に示した図である。1 is a diagram showing a schematic cross section of an example of an electrolytic cell of the present invention. 実施例1~2及び比較例1~2の、電解質濃度と水素酸化反応及び酸素還元反応の電流密度(水素クロスオーバー量及び酸素クロスオーバー量の指標)との関係を示したグラフである。1 is a graph showing the relationship between the electrolyte concentration and the current density (indicators of the amount of hydrogen crossover and the amount of oxygen crossover) of the hydrogen oxidation reaction and the oxygen reduction reaction in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2. 比較例3、比較例4及び実施例3の、定電流で24時間水電解を行った際の電圧の推移を示したグラフである。1 is a graph showing the change in voltage when water electrolysis was carried out at a constant current for 24 hours in Comparative Example 3, Comparative Example 4, and Example 3. 実施例3の、電解槽の水電解測定における電流-電圧曲線と、過電圧解析の結果を示したグラフである。1 is a graph showing a current-voltage curve in water electrolysis measurement of an electrolytic cell and the results of overpotential analysis in Example 3.

以下、本発明の複合材の処理方法を実施するための形態(以下、「本実施形態」と言う。)について詳細に説明する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The following provides a detailed description of an embodiment of the composite material processing method of the present invention (hereinafter referred to as the "present embodiment"). Note that this embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment alone. In other words, the present invention can be modified in various ways without departing from the spirit and scope of the invention.

図1は、本実施形態の電解槽の断面を模式的に示したものである。 Figure 1 shows a schematic cross section of the electrolytic cell of this embodiment.

<電解槽>
本実施形態の電解槽は、図1に示すように、電源6と、該電源に接続した陰極1及び陽極3と、該陰極1と該陽極3との間に設けられた多孔質隔膜2と、該多孔質隔膜2によって隔てられた陰極室4及び陽極室5と、該陰極室4及び陽極室5へ導入する電解液と、を備える。
<Electrolytic cell>
As shown in FIG. 1 , the electrolytic cell of the present embodiment includes a power supply 6, a cathode 1 and an anode 3 connected to the power supply, a porous diaphragm 2 provided between the cathode 1 and the anode 3, a cathode chamber 4 and an anode chamber 5 separated by the porous diaphragm 2, and an electrolytic solution introduced into the cathode chamber 4 and the anode chamber 5.

(電解液)
本実施形態の電解液は、非電解時のpHが中性領域(1.5~12.6)であり、且つ、電解質濃度が2mol/kg以上の緩衝液である。
(electrolyte)
The electrolytic solution of this embodiment is a buffer solution whose pH is in the neutral range (1.5 to 12.6) during non-electrolysis and whose electrolyte concentration is 2 mol/kg or more.

水電解においては、基質であるプロトン(H)若しくは水酸化物イオン(OH)が電極へ供給されて反応が進行するが、基質濃度が十分でない場合は基質の供給律速により電流密度が制限されてしまう。この際、運転しうる最大の電流密度は、「拡散限界電流密度」と呼ばれる。工業的な水電解においては、生産性の観点から、通常100mA/cm以上の電流密度で運転されるため、本実施形態においては、拡散限界電流密度が100mA/cmを下回る場合は、H濃度若しくはOH濃度が不十分である、すなわち中性pH領域であると考え、非電解時のpHが1.5~12.6の範囲にある電解液を中性pH領域の電解液と定義した。なお、数値の算出方法については、T.Shinagawa,and K.Takanabe,Phys.Chem.Chem.Phys.2015,17,15111-15114を参照。 In water electrolysis, the reaction proceeds by supplying the substrate protons (H + ) or hydroxide ions (OH ) to the electrodes. However, if the substrate concentration is insufficient, the current density is limited by the rate-determining substrate supply. In this case, the maximum current density at which operation is possible is called the "diffusion-limited current density." From the viewpoint of productivity, industrial water electrolysis is usually operated at a current density of 100 mA/cm 2 or more. Therefore, in this embodiment, when the diffusion-limited current density is less than 100 mA/cm 2 , it is considered that the H + concentration or OH concentration is insufficient, i.e., the neutral pH region, and an electrolyte having a pH in the range of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis is defined as an electrolyte in the neutral pH region. Regarding the calculation method of the numerical values, see T. Shinagawa, and K. Takanabe, Phys. Chem. Chem. Phys. See 2015, 17, 15111-15114.

前述のように、本実施形態の電解液は、非電解時のpHが1.5~12.6の範囲であるが、電解槽の各種部材への腐食を抑制する観点から、非電解時のpHが4~11であることが好ましく、非電解時のpHが5~10であることがより好ましい。電解液のpHは後述するカチオン種及びアニオン種の種類及び濃度を適切に選択することにより調整可能である。 As mentioned above, the pH of the electrolyte solution of this embodiment when not electrolyzed is in the range of 1.5 to 12.6. However, from the viewpoint of suppressing corrosion of various components of the electrolytic cell, the pH when not electrolyzed is preferably 4 to 11, and more preferably 5 to 10. The pH of the electrolyte solution can be adjusted by appropriately selecting the types and concentrations of the cation species and anion species described below.

そして、本実施形態では、前記電解液として緩衝液を用いる。これにより、電解中のpHを一定に保つことができる。前記緩衝液は、非電解時のpHが1.5~12.6の範囲であり、緩衝作用があるものであれば特に限定されない。例えば、前記緩衝液として、アルカリ金属のカチオン及びアルカリ土類金属のカチオンからなる群から選択される少なくとも1種のカチオン種、及び、リン酸のアニオン、ホウ酸のアニオン及び炭酸のアニオンからなる群から選択される少なくとも1つのアニオン種を含む水溶液であることが好ましい。 In this embodiment, a buffer solution is used as the electrolyte solution. This allows the pH to be maintained constant during electrolysis. There are no particular limitations on the buffer solution, as long as it has a pH in the range of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis and has a buffering effect. For example, the buffer solution is preferably an aqueous solution containing at least one cation species selected from the group consisting of alkali metal cations and alkaline earth metal cations, and at least one anion species selected from the group consisting of phosphate anions, borate anions, and carbonate anions.

前記カチオン種としては、アルカリ金属のカチオン(すなわち、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)及びルビジウム(Rb)のカチオン)、並びに、アルカリ土類金属のカチオン(すなわち、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)及びバリウム(Ba)のカチオン)からなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましく、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム及びルビジウムのカチオン(すなわち、Li、Na、K、Cs及びRb)であることがより好ましい。これらの中でも、ナトリウム、カリウムのカチオンは、特にリン酸塩との緩衝液において、温度の上昇に伴い飽和溶解度が大きく上昇することから、さらに好ましい。 The cation species preferably includes at least one selected from the group consisting of alkali metal cations (i.e., cations of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), cesium (Cs), and rubidium (Rb)) and alkaline earth metal cations (i.e., cations of beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba)), and more preferably lithium, sodium, potassium, cesium, and rubidium cations (i.e., Li + , Na + , K + , Cs + , and Rb + ). Among these, sodium and potassium cations are even more preferred because their saturated solubility increases significantly with increasing temperature, particularly in a buffer solution with phosphate.

アニオン種として、リン酸のアニオン(HPO 、HPO 2-、PO 3-)、ホウ酸のアニオン(B(OH)4-、B 2-)及び炭酸のアニオン(HCO 、CO 2-)からなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。 The anion species preferably contains at least one selected from the group consisting of phosphate anions (H 2 PO 4 , HPO 4 2− , PO 4 3− ), boric acid anions (B(OH) 4− , B 4 O 7 2− ), and carbonate anions (HCO 3 , CO 3 2− ).

ここで、前記緩衝液の調整方法は特に限定されないが、リン酸、ホウ酸、及び/又は炭酸の水溶液とアルカリ金属の水酸化物(LiOH,NaOH,KOH,CsOH,RbOH)の水溶液を混合する方法や、リン酸塩、ホウ酸塩、及び/又は炭酸塩(例えば、KHPO、KHPO、LiHPO、LiHPO、NaHPO、NaHPO、Na、K、LiHCO、NaHCO、KHCO、CsHCO等)のいずれか一つ以上からなる水溶液を用いることができる。 Here, the method for preparing the buffer solution is not particularly limited, but a method of mixing an aqueous solution of phosphoric acid, boric acid, and/or carbonic acid with an aqueous solution of an alkali metal hydroxide (LiOH, NaOH, KOH, CsOH , RbOH ), or a method of preparing an aqueous solution of one or more of phosphates , borates, and / or carbonates (e.g., KH2PO4 , K2HPO4 , LiH2PO4 , Li2HPO4 , NaH2PO4, Na2HPO4 , Na2B4O7 , K2B4O7, LiHCO3 , NaHCO3 , KHCO3 , CsHCO3 , etc.) can be used.

前記緩衝液は、前記カチオン種及び前記アニオン種で構成される塩以外に、本発明の方法に不利な影響を与えない他の成分、例えば、硫酸塩、塩酸塩、過塩素酸塩を含んでもよい。 In addition to the salts composed of the cationic and anionic species, the buffer solution may contain other components that do not adversely affect the method of the present invention, such as sulfate, hydrochloride, and perchlorate.

また、前記緩衝液中の電解質濃度は、2mol/kg以上であり、2.5mol/kg以上であることが好ましく、3mol/kg以上であることがより好ましい。
前記緩衝液中の電解液濃度が2mol/kg以上であることにより、電解液の導電率が向上し、水の沸点上昇により高温で運転できるようになる。加えて、陰極室で発生した水素の陽極室への移動(水素クロスオーバー)や、陽極室で発生した酸素の陰極室への移動(酸素クロスオーバー)を抑制することもできる。高濃度の電解液を用いることにより水素クロスオーバー及び酸素クロスオーバーを抑制できる理由は必ずしも明らかではないが、電解質濃度の増大により水素及び酸素の電解液中への溶解度が低下することや、電解液の粘度上昇により水素及び酸素の電解液中での拡散速度が低下することにより水素及び酸素のクロスオーバーが抑制されているものと推察される。
The electrolyte concentration in the buffer solution is 2 mol/kg or more, preferably 2.5 mol/kg or more, and more preferably 3 mol/kg or more.
By setting the electrolyte concentration in the buffer solution to 2 mol/kg or more, the conductivity of the electrolyte solution is improved, and the boiling point of water is raised, enabling operation at high temperatures. In addition, it is possible to suppress the migration of hydrogen generated in the cathode chamber to the anode chamber (hydrogen crossover) and the migration of oxygen generated in the anode chamber to the cathode chamber (oxygen crossover). Although the reason why hydrogen crossover and oxygen crossover can be suppressed by using a high-concentration electrolyte solution is not entirely clear, it is presumed that the increase in electrolyte concentration reduces the solubility of hydrogen and oxygen in the electrolyte solution, and the increase in the viscosity of the electrolyte solution reduces the diffusion rate of hydrogen and oxygen in the electrolyte solution, thereby suppressing hydrogen and oxygen crossover.

なお、本実施形態においては、前記電解質濃度を一義的に決定するため、プロトン(H)以外のカチオンの濃度の総和と水酸化物イオン(OH)以外のアニオンの濃度の総和のうち、小さい方を電解質濃度と定義している。
例えば、実例を挙げて説明すると、2mol/kgのリン酸二水素ナトリウム(NaHPO)水溶液1kg、及び、2mol/kgのリン酸水素二ナトリウム(NaHPO)水溶液1kgを混合して緩衝液とする場合、Naが3mol/kgとなるのでカチオン濃度は3mol/kg、アニオン濃度はHPO が1mol/kg、HPO 2-が1mol/kgとなるのでアニオン濃度は2mol/kgであり、電解質濃度としては2mol/kgとなる。
また、別の例としては、4mol/kgのリン酸(H3PO)水溶液1kgと6mol/kgの水酸化カリウム(KOH)水溶液1kgを混合して緩衝液とする場合、Kが3mol/kgとなるのでカチオン濃度は3mol/kgとなる。このとき緩衝液のpHは7.2程度であり、リン酸のほぼ全てが電離してHPO とHPO 2-となっているため、アニオン濃度は2mol/kgであり、電解質濃度としては2mol/kgとなる。
In this embodiment, in order to uniquely determine the electrolyte concentration, the smaller of the sum of the concentrations of cations other than protons (H + ) and the sum of the concentrations of anions other than hydroxide ions (OH ) is defined as the electrolyte concentration.
For example, if 1 kg of a 2 mol/kg aqueous solution of sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) and 1 kg of a 2 mol/kg aqueous solution of disodium hydrogen phosphate (Na 2 HPO 4 ) are mixed to make a buffer solution, the cation concentration will be 3 mol/kg because Na + will be 3 mol/kg, and the anion concentrations will be 1 mol/kg for H 2 PO 4 - and 1 mol/kg for HPO 4 2- , so the anion concentration will be 2 mol/kg, and the electrolyte concentration will be 2 mol/kg.
As another example, if 1 kg of a 4 mol/kg aqueous solution of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 1 kg of a 6 mol/kg aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) are mixed to make a buffer solution, the K + concentration will be 3 mol/kg, so the cation concentration will be 3 mol/kg. In this case, the pH of the buffer solution will be about 7.2, and almost all of the phosphoric acid will have ionized to H 2 PO 4 - and HPO 4 2- , so the anion concentration will be 2 mol/kg, and the electrolyte concentration will be 2 mol/kg.

本実施形態の電解槽は、図1に示すように、多孔質隔膜2が陰極1及び陽極3と接触している。
多孔質隔膜2が陰極1及び陽極3と接触しているため、電極間距離が小さくなる結果、電解液のイオン伝導パスが短くなるとともに、多孔質隔膜の存在によって発生するガス泡の電極間への蓄積が抑制されることにより、電解液に起因する電気抵抗が低減され、電解電圧を低減することができる。
In the electrolytic cell of this embodiment, as shown in FIG. 1, a porous diaphragm 2 is in contact with a cathode 1 and an anode 3.
Because the porous diaphragm 2 is in contact with the cathode 1 and the anode 3, the distance between the electrodes is reduced, resulting in a shorter ion conduction path for the electrolyte. In addition, the presence of the porous diaphragm suppresses the accumulation of gas bubbles generated between the electrodes, thereby reducing the electrical resistance caused by the electrolyte and enabling a reduction in the electrolysis voltage.

前記多孔質隔膜2を前記陰極1及び前記陽極3と接触させる手段は、特に限定されず、平滑な陰極及び平滑な陽極で多孔質隔膜を挟むように押し付ける方法等が挙げられる。 The means for contacting the porous diaphragm 2 with the cathode 1 and the anode 3 is not particularly limited, and examples include a method in which the porous diaphragm is pressed between a smooth cathode and a smooth anode.

電解を実施する際には、図1に示すように、前記陰極1及び前記陽極3が、それぞれ電源6と電気的に接続されている必要があり、前記陰極1と前記陽極3は、互いに電気的に絶縁されている必要がある。
本実施形態の電解槽では、前記陰極1及び前記陽極3は前記多孔質隔膜2と接触しているため、前記多孔質隔膜2は必然的に絶縁性を有する。
When electrolysis is performed, the cathode 1 and the anode 3 must be electrically connected to a power source 6, as shown in FIG. 1, and the cathode 1 and the anode 3 must be electrically insulated from each other.
In the electrolytic cell of this embodiment, the cathode 1 and the anode 3 are in contact with the porous diaphragm 2, and therefore the porous diaphragm 2 necessarily has insulating properties.

(多孔質隔膜)
本実施形態では、上述したように、前記多孔質隔膜2は、前記陰極1及び前記陽極3と接触した状態で設けられている。
ここで、前記多孔質隔膜2は、絶縁性を有するシート状の多孔質膜である。前記多孔質隔膜2は、必ずしも全てが絶縁体で構成されている必要はなく、陰極1と陽極間3を絶縁できていれば一部導体や半導体が含まれていてもよい。前記多孔質隔膜2として、例えば、無機多孔膜、高分子多孔膜、織布、不織布等を用いることができる。
(Porous diaphragm)
In this embodiment, as described above, the porous diaphragm 2 is provided in contact with the cathode 1 and the anode 3.
Here, the porous diaphragm 2 is a sheet-like porous membrane having insulating properties. The porous diaphragm 2 does not necessarily need to be composed entirely of an insulator, and may partially contain a conductor or semiconductor as long as it can insulate the cathode 1 from the anode 3. As the porous diaphragm 2, for example, an inorganic porous membrane, a polymer porous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, or the like can be used.

前記無機多孔膜としては、例えば、ガラス繊維濾紙、ガラス焼結フィルター、アスベスト隔膜が挙げられる。高分子多孔膜としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、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、ポリイミド等の高分子材料を、ミクロ相分離法、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸化法等の方法で多孔膜化したものが挙げられる。織布としては、例えば、ポリアミド繊維、ポリイミド繊維、ポリエステル繊維、綿等の高分子繊維を織ったり編んだりしたものが挙げられる。不織布としては、例えばポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、綿、セルロース等の繊維を、カード式・エアレイド式等の乾式法や、抄紙等の湿式法、成膜したものや、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、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、ポリイミド等の高分子材料を、スパンボンド法、メルトブロー法、電界紡糸法等で成膜したものが挙げられる。機械強度や化学耐久性の観点から、ガラス繊維濾紙を好ましく用いることができる。 Examples of inorganic porous membranes include glass fiber filters, sintered glass filters, and asbestos diaphragms. Examples of polymeric porous membranes include those made by forming porous membranes from polymeric materials such as polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, and polyimide using methods such as microphase separation, extraction, stretching, and wet gel stretching. Examples of woven fabrics include those made by weaving or knitting polymeric fibers such as polyamide fibers, polyimide fibers, polyester fibers, and cotton. Nonwoven fabrics include those made by forming films from fibers such as polyamide fibers, polyester fibers, polypropylene fibers, cotton, and cellulose using dry processes such as carding and air-laid processes, or wet processes such as papermaking, and those made by forming films from polymeric materials such as polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, and polyimide using methods such as spunbonding, meltblowing, and electrospinning. Glass fiber filter paper is preferred from the standpoint of mechanical strength and chemical durability.

また、前記多孔質隔膜中の細孔は、イオン伝導を良好にし、発生した酸素ガス及び水素ガスの透過を抑制する観点から、電解液(緩衝液)で満たされている必要がある。
したがって、前記多孔質隔膜は親水性を有することが好ましい。この場合、親水性の材質からなる多孔質隔膜を用いてもよいし、疎水性の材質からなる多孔質隔膜を用いて多孔質隔膜表面の化学的処理や、多孔質隔膜表面への親水性物質の担持等によって親水性を付与してもよい。例えば、ガラス繊維濾紙では、濃硫酸と過酸化水素水溶液の混合物に浸漬することによって、表面を親水化する方法(親水化処理)を好ましく用いることができる。
The pores in the porous membrane must be filled with an electrolyte (buffer solution) from the viewpoint of improving ion conduction and suppressing permeation of generated oxygen gas and hydrogen gas.
Therefore, the porous diaphragm is preferably hydrophilic. In this case, a porous diaphragm made of a hydrophilic material may be used, or a porous diaphragm made of a hydrophobic material may be used and hydrophilicity may be imparted to the porous diaphragm by chemically treating the surface of the porous diaphragm or by supporting a hydrophilic substance on the surface of the porous diaphragm. For example, in the case of glass fiber filter paper, a method of hydrophilizing the surface (hydrophilization treatment) by immersing the filter paper in a mixture of concentrated sulfuric acid and an aqueous hydrogen peroxide solution can be preferably used.

前記多孔質隔膜の気孔率は、アルキメデス法等の一般的な方法で測定することができる。 The porosity of the porous diaphragm can be measured using common methods such as the Archimedes method.

ここで、前記多孔質隔膜の気孔率は、40~98%であることが好ましく、50%~97%であることがより好ましく、60%~96%であることがさらに好ましく、70%~95%であることが特に好ましい。気孔率が高いほど、電解液に由来する電気抵抗を低減できる一方、水素及び酸素クロスオーバーが増大してしまう。逆に気孔率が低いほど、電解液に由来する電気抵抗が増大してしまう一方、水素及び酸素クロスオーバーを低減できる。また、気孔率が高すぎると多孔質隔膜の機械強度が低下してしまう。前記多孔質隔膜の気孔率が前述の範囲にあることにより多孔質隔膜の機械強度を担保したうえで、電解液に由来する電気抵抗と、水素及び酸素クロスオーバーのバランスをとることができる。 Here, the porosity of the porous diaphragm is preferably 40 to 98%, more preferably 50 to 97%, even more preferably 60 to 96%, and particularly preferably 70 to 95%. The higher the porosity, the more the electrical resistance caused by the electrolyte solution can be reduced, but hydrogen and oxygen crossover increases. Conversely, the lower the porosity, the more the electrical resistance caused by the electrolyte solution increases, but hydrogen and oxygen crossover can be reduced. Furthermore, if the porosity is too high, the mechanical strength of the porous diaphragm decreases. By ensuring the porosity of the porous diaphragm within the above-mentioned range, it is possible to balance the electrical resistance caused by the electrolyte solution with hydrogen and oxygen crossover while ensuring the mechanical strength of the porous diaphragm.

なお、前記多孔質隔膜の厚みは20~450μmであることが好ましく、40~400μmであることがより好ましく、60~350μmであることがさらに好ましく、80~300μmであることが特に好ましい。前記多孔質隔膜の厚みが薄いほど、電解液に由来する電気抵抗を低減できる一方、水素及び酸素クロスオーバーが増大してしまう。逆に多孔質隔膜の厚みが厚いほど、電解液に由来する電気抵抗が増大してしまう一方、水素及び酸素クロスオーバーを低減できる。また、多孔質隔膜の厚みが薄すぎると多孔質隔膜の機械強度が低下してしまう。前記多孔質隔膜の厚みが前述の範囲にあることにより多孔質隔膜の機械強度を担保したうえで、電解液に由来する電気抵抗と、水素及び酸素クロスオーバーのバランスをとることができる。 The thickness of the porous diaphragm is preferably 20 to 450 μm, more preferably 40 to 400 μm, even more preferably 60 to 350 μm, and particularly preferably 80 to 300 μm. The thinner the porous diaphragm, the more the electrical resistance due to the electrolyte solution can be reduced, but hydrogen and oxygen crossover increases. Conversely, the thicker the porous diaphragm, the more the electrical resistance due to the electrolyte solution increases, but hydrogen and oxygen crossover can be reduced. Furthermore, if the porous diaphragm is too thin, the mechanical strength of the porous diaphragm decreases. By keeping the thickness of the porous diaphragm within the aforementioned range, it is possible to ensure the mechanical strength of the porous diaphragm and strike a balance between the electrical resistance due to the electrolyte solution and hydrogen and oxygen crossover.

(電極)
本実施形態の電極(陰極及び陽極)は多孔質隔膜と接触するため、電極の多孔質隔膜側ではイオンを伝導させ、電極の多孔質隔膜と反対側からはガスが抜けることが好ましい。そのため、導電性のある金属若しくは炭素材料の多孔体であることが好ましい。金属の多孔体として、例えば、平織りメッシュ、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。炭素材料の多孔体としては、炭素繊維を織った織布、炭素繊維をバインダーで結着した不織布、炭素フォーム等が挙げられる。
(electrode)
Since the electrodes (cathode and anode) of this embodiment are in contact with the porous diaphragm, it is preferable that ions are conducted on the porous diaphragm side of the electrodes and gas escapes from the side opposite the porous diaphragm of the electrodes. Therefore, a porous body made of a conductive metal or carbon material is preferable. Examples of porous metal bodies include plain woven mesh, punched metal, expanded metal, and metal foam. Examples of porous carbon material bodies include woven fabric made of woven carbon fibers, nonwoven fabric made of carbon fibers bound with a binder, and carbon foam.

前述の金属の多孔体や炭素の多孔体をそのまま電極として用いてもよいし、金属の多孔体や炭素の多孔体を電極基材として、電極基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものを電極として用いてもよい。電解電圧を低減する観点から、電極として、電極基材の表面に反応活性の高い触媒層を用いることが好ましい。 The aforementioned porous metal body or porous carbon body may be used as an electrode directly, or a porous metal body or porous carbon body may be used as an electrode substrate with a highly reactive catalyst layer on the surface of the electrode substrate. From the perspective of reducing the electrolysis voltage, it is preferable to use a highly reactive catalyst layer on the surface of the electrode substrate as an electrode.

前記電極基材の材料は、特に限定されないが、化学的・電気化学的耐久性から、軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金を用いることが好ましい。炭素材料は酸化劣化に弱いため陽極の基材には適していないが、陰極の基材には好ましく用いることができる。 The material for the electrode substrate is not particularly limited, but mild steel, stainless steel, nickel, nickel alloys, titanium, and titanium alloys are preferred due to their chemical and electrochemical durability. Carbon materials are susceptible to oxidation degradation and are therefore not suitable for use as anode substrates, but can be preferably used as cathode substrates.

前記陰極の触媒層は、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、白金族元素(例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等)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金属酸化物や合金、あるいはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ラネーニッケルや、ニッケルとアルミニウム、あるいはニッケルとスズ等の複数の材料の組み合わせからなるラネー合金、ニッケル化合物やコバルト化合物を原料として、プラズマ溶射法により作製した多孔被膜、ニッケルと、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅等から選ばれる元素との合金や複合化合物、水素発生能の高い白金やルテニウム等の白金族元素の金属や酸化物、および、それら白金族元素の金属や酸化物と、イリジウムやパラジウム等の他の白金族元素の化合物やランタンやセリウム等の希土類金属の化合物との混合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。高い触媒活性や耐久性を実現するために、上記の材料を複数積層してもよく、触媒層中に複数混在させてもよい。耐久性や基材との接触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 cathode catalytic layer preferably has high hydrogen generation capacity, and nickel, cobalt, iron, platinum group elements (e.g., ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, etc.), 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 metal oxide or alloy composed of multiple metal elements, or a mixture thereof. Specific examples include Raney nickel, Raney alloys composed of multiple materials such as nickel and aluminum or nickel and tin, porous coatings prepared by plasma spraying using nickel compounds or cobalt compounds, alloys or composite compounds of nickel with an element selected from cobalt, iron, molybdenum, silver, copper, etc., platinum group element metals or oxides such as platinum and ruthenium, which have high hydrogen generation capacity, and mixtures of these platinum group element metals or oxides with compounds of other platinum group elements such as iridium and palladium, or compounds of rare earth metals such as lanthanum and cerium, and carbon materials such as graphene. To achieve high catalytic activity and durability, multiple layers of the above materials may be stacked, or multiple materials may be mixed in the catalyst layer. Organic substances such as polymeric materials may also be included to improve durability and contact with the substrate.

前記陽極の触媒層は、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、マンガン、白金族元素、チタン、スズ、モリブデン、タンタル、ニオブ、バナジウム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、あるいはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ニッケルメッキや、ニッケルとコバルト、ニッケルと鉄等の合金メッキ、LaNiOやLaCoO、NiCo等のニッケルやコバルトを含む複合酸化物、酸化イリジウム等の白金族元素の化合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。耐久性や基材との接触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 anode preferably has high oxygen generating capacity, and nickel, cobalt, iron, manganese, platinum group elements, titanium, tin, molybdenum, tantalum, niobium, vanadium, etc. can be used. These can be used to form the catalytic layer as a single metal, a compound such as an oxide, a composite oxide or alloy of multiple metal elements, or a mixture thereof, to achieve the desired activity and durability. Specific examples include nickel plating, alloy plating of nickel and cobalt, nickel and iron, etc., composite oxides containing nickel and cobalt such as LaNiO3 , LaCoO3 , and NiCo2O4 , platinum group element compounds such as iridium oxide, and carbon materials such as graphene. Organic materials such as polymeric materials may also be included to improve durability and contact with the substrate.

なお、前記電極基材上に触媒層を形成させる方法としては、メッキ法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体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 the electrode substrate include plating, thermal spraying methods such as plasma spraying, thermal decomposition methods in which a precursor 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.

(電解槽の運転条件)
本実施形態において電解槽は、60℃~120℃の温度範囲で運転する。70~110℃の温度範囲であることがより好ましく、80~100℃の温度範囲であることが更に好ましい。水の沸点近傍又はそれ以上の温度で運転することにより、水電解の反応速度が大幅に向上するとともに、イオン種や分子種の移動速度が大きく向上し、物質移動に伴うエネルギー損失が低減される。これらによって電解電圧を低減することができる。
(Operating conditions of electrolytic cell)
In this embodiment, the electrolytic cell is operated in a temperature range of 60°C to 120°C. A temperature range of 70°C to 110°C is more preferable, and a temperature range of 80°C to 100°C is even more preferable. By operating at a temperature near the boiling point of water or higher, the reaction rate of water electrolysis is significantly improved, and the transfer rate of ionic and molecular species is significantly improved, thereby reducing energy loss associated with mass transfer. As a result, the electrolysis voltage can be reduced.

また、図1に示すように、工業的な電解槽を運転する際には、消費される水を補う観点から、前記陰極室4及び前記陽極室5の下部から電解液を導入し、上部から電解液と発生ガス(陰極1では水素、陽極3では酸素)を抜き出す方法を好ましく用いることができる。 Furthermore, as shown in Figure 1, when operating an industrial electrolytic cell, in order to replenish the water consumed, it is preferable to introduce the electrolyte from the bottom of the cathode chamber 4 and the anode chamber 5, and withdraw the electrolyte and generated gas (hydrogen at the cathode 1 and oxygen at the anode 3) from the top.

<水電解システム>
本実施形態の水電解システムは、上述した本発明の電解槽を、60~120℃で運転し、水電解を行う。
かかる水電解システムによれば、中性pH領域の電解液を用いた場合であっても、電解電圧を抑え、効率的な電解を実施できる。
<Water electrolysis system>
The water electrolysis system of this embodiment operates the electrolytic cell of the present invention described above at 60 to 120° C. to perform water electrolysis.
According to this water electrolysis system, even when an electrolytic solution in the neutral pH range is used, the electrolysis voltage can be suppressed and efficient electrolysis can be performed.

なお、本実施形態の水電解システムの電解槽の条件は、上述した本実施形態の電解槽の内容と同様である。 The conditions for the electrolytic cell of the water electrolysis system of this embodiment are the same as those for the electrolytic cell of this embodiment described above.

以下、具体的な実施例、比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained below using specific examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(水素酸化反応及び酸素還元反応の限界電流密度の測定)
水電解における水素及び酸素クロスオーバー量の指標として、回転ディスク電極法によって所定の電解液中で水素酸化反応及び酸素還元反応を実施し、それぞれの限界電流密度を求めた。これらの限界電流密度が小さいほど、その電解液中において水素又は酸素の拡散が遅いということを意味しており、したがって、限界電流密度が小さい電解液ほど、実際の電解槽においてもクロスオーバー量が低減できると考えられる。
(Measurement of limiting current density of hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction)
As indicators of the amounts of hydrogen and oxygen crossover in water electrolysis, hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction were carried out in a predetermined electrolyte by the rotating disk electrode method, and the respective limiting current densities were determined. The smaller the limiting current density, the slower the diffusion of hydrogen or oxygen in the electrolyte. Therefore, it is considered that the smaller the limiting current density of an electrolyte, the more likely it is that the amount of crossover can be reduced in an actual electrolytic cell.

本実施例では、白金の回転ディスク電極を作用極に、白金線を対極に、飽和カロメル電極を参照極に用い三電極式で電気化学測定を行った。電解液はリン酸水溶液に水酸化カリウム水溶液を徐々に添加し、25℃でpHが7.2となるよう調整することで所定の濃度のリン酸カリウム電解液とした。電気化学セルの中に電解液を加え、作用極、対極、参照極を配置し、電気化学セルを加温して電解液温度を所定の温度に調整した。次に、電解液を水素ガス又は酸素ガスでバブリングすることにより、電解液に水素又は酸素を飽和させた。この状態で、作用極を3600rpmで回転させながら50mV/sで掃引することにより、水素酸化反応又は酸素還元反応の限界電流密度を測定した。 In this example, electrochemical measurements were performed using a three-electrode system with a platinum rotating disk electrode as the working electrode, a platinum wire as the counter electrode, and a saturated calomel electrode as the reference electrode. The electrolyte was prepared by gradually adding potassium hydroxide aqueous solution to phosphoric acid aqueous solution and adjusting the pH to 7.2 at 25°C, thereby creating a potassium phosphate electrolyte of the specified concentration. The electrolyte was added to an electrochemical cell, and the working electrode, counter electrode, and reference electrode were placed inside. The electrochemical cell was then heated to adjust the electrolyte temperature to the specified temperature. Next, hydrogen gas or oxygen gas was bubbled through the electrolyte, saturating it with hydrogen or oxygen. In this state, the limiting current density of the hydrogen oxidation reaction or oxygen reduction reaction was measured by sweeping at 50 mV/s while rotating the working electrode at 3600 rpm.

測定した限界電流密度の結果を、図2に示す。電解液濃度が2mol/kg以上であること、好ましくは2.5mol/kg以上であることにより、25℃、80℃のいずれの温度領域においても水素及び酸素のクロスオーバーを大幅に抑制できることがわかる。
また、非特許文献1に記載されているように、リン酸カリウム電解液の電気抵抗率は電解液濃度が高いほど、温度が高いほど低減される。これらのことから、本発明においては2mol/kg以上の電解液を用い、60~120℃で運転することが好ましいことがわかる。
The results of the measured limiting current density are shown in Figure 2. It can be seen that by setting the electrolyte concentration to 2 mol/kg or more, preferably 2.5 mol/kg or more, crossover of hydrogen and oxygen can be significantly suppressed in both the temperature ranges of 25°C and 80°C.
Furthermore, as described in Non-Patent Document 1, the electrical resistivity of a potassium phosphate electrolyte decreases as the electrolyte concentration increases and as the temperature increases. From these facts, it can be seen that in the present invention, it is preferable to use an electrolyte of 2 mol/kg or more and operate at 60 to 120°C.

[実施例1]
95%の硫酸9mLに30%の過酸化水素水3mLを混合し、この混合溶液に気孔率94%のガラス繊維濾紙(Whatman製GF/A,直径50mm)を30分間浸漬させた。浸漬後、超純水にて親水化処理ガラス繊維濾紙を洗浄し、風乾した。この親水化処理ガラス繊維濾紙の膜厚は260μmであった。
上述した親水化処理ガラス繊維濾紙の両側を、白金メッシュ陰極及び白金メッシュ陽極で挟み込み、4.1mol/kgのリン酸カリウム電解液の入った電気化学セル内に設置した。その後、セルを100℃に加温し、2電極でのインピーダンス法を用いて電気抵抗を測定した。このとき、電気抵抗は0.09Ωであり、電気抵抗率は0.04Ωmであった。
[Example 1]
9 mL of 95% sulfuric acid was mixed with 3 mL of 30% hydrogen peroxide, and a glass fiber filter paper (Whatman GF/A, diameter 50 mm) with a porosity of 94% was immersed in this mixed solution for 30 minutes. After immersion, the hydrophilic treated glass fiber filter paper was washed with ultrapure water and air-dried. The film thickness of this hydrophilic treated glass fiber filter paper was 260 μm.
The hydrophilic treated glass fiber filter paper was sandwiched between a platinum mesh cathode and a platinum mesh anode, and placed in an electrochemical cell containing 4.1 mol/kg potassium phosphate electrolyte. The cell was then heated to 100°C, and the electrical resistance was measured using a two-electrode impedance method. The electrical resistance was 0.09 Ω, and the electrical resistivity was 0.04 Ωm.

[実施例2]
親水化処理ガラス繊維濾紙の膜厚が130μmであること以外は、実施例1と同様の条件で測定を行った。このとき、電気抵抗は0.05Ωであり、電気抵抗率は0.04Ωmであった。
[Example 2]
The measurement was carried out under the same conditions as in Example 1, except that the thickness of the hydrophilic treated glass fiber filter paper was 130 μm. At this time, the electrical resistance was 0.05 Ω and the electrical resistivity was 0.04 Ωm.

[比較例1]
親水化処理ガラス繊維濾紙の代わりにアルカリ水電解用の多孔質隔膜として一般的に用いられる気孔率55%、膜厚500μmのZirfon(日本アグフアマテリアルズ(株)製)を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で測定を行った。このとき、電気抵抗は0.48Ωであり、電気抵抗率は0.09Ωmであった。
[Comparative Example 1]
Measurement was carried out under the same conditions as in Example 1, except that Zirfon (manufactured by Agfa Materials Japan, Inc.), which is commonly used as a porous diaphragm for alkaline water electrolysis and has a porosity of 55% and a thickness of 500 μm, was used instead of the hydrophilic treated glass fiber filter paper. In this case, the electrical resistance was 0.48 Ω and the electrical resistivity was 0.09 Ωm.

[比較例2]
4.1mol/kgのリン酸カリウム電解液の代わりに7mol/kgの水酸化カリウム電解液を用いたこと以外は、比較例1と同様の条件で測定を行った。このとき、電気抵抗は0.09Ωであり、電気抵抗率は0.02Ωmであった。
[Comparative Example 2]
Measurement was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that a 7 mol/kg potassium hydroxide electrolyte was used instead of the 4.1 mol/kg potassium phosphate electrolyte. At this time, the electrical resistance was 0.09 Ω and the electrical resistivity was 0.02 Ωm.

実施例1~2及び比較例1~2の、多孔質隔膜及び電解質の条件、測定された電気抵抗及び電気抵抗率の結果を、表1に示す。 Table 1 shows the conditions of the porous diaphragm and electrolyte, as well as the measured electrical resistance and electrical resistivity for Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.

表1の結果から、電気抵抗を低減するためには気孔率が高いほど、また膜厚が薄いほど好ましいことがわかる。なお、比較例2は、アルカリ水電解において一般的に用いられる条件であるが、実施例1及び2の電気抵抗は、これと同程度か、さらに低減されていることがわかる。なお、ガラス繊維は濃厚アルカリ水溶液に溶解してしまうため、ガラス繊維濾紙を使用する方法はアルカリ水電解には適用できない。このように部材選定の自由度が大きい点が、中性pH領域での電解の大きなメリットである。 The results in Table 1 show that higher porosity and thinner membrane thickness are preferable for reducing electrical resistance. Comparative Example 2 uses conditions commonly used in alkaline water electrolysis, but it can be seen that the electrical resistance in Examples 1 and 2 is comparable to or even lower than these. Furthermore, because glass fiber dissolves in concentrated alkaline aqueous solutions, the method of using glass fiber filter paper cannot be applied to alkaline water electrolysis. This great degree of freedom in component selection is a major advantage of electrolysis in the neutral pH range.

[実施例3]
非特許文献1に記載の方法で、陰極として白金担持白金メッシュを、陽極として酸化イリジウム担持チタンメッシュを作製した。
前述した親水化処理ガラス繊維濾紙を多孔質隔膜とし、多孔質隔膜を陰極と陽極で挟みこみ、さらにその両側をPTFE製の板2枚で挟む構造にした。このPTFE製の板2枚をPTFE製のねじで締めることにより多孔質隔膜を陰極及び陽極と接触させた。
[Example 3]
According to the method described in Non-Patent Document 1, a platinum mesh carrying platinum was prepared as a cathode, and a titanium mesh carrying iridium oxide was prepared as an anode.
The porous diaphragm was sandwiched between the cathode and anode using the hydrophilic treated glass fiber filter paper described above, and the porous diaphragm was further sandwiched between two PTFE plates on both sides. The two PTFE plates were fastened together with PTFE screws to bring the porous diaphragm into contact with the cathode and anode.

そして、多孔質隔膜が陰極及び陽極と接触した構造体を4.1mol/kgのリン酸カリウム電解液に浸漬し、陰極と陽極をポテンショスタットに接続した。
電解液を100℃まで加温した後、アルゴン雰囲気化、100mA/cmで24時間定電流運転を行った際のセル電圧の推移を測定した。24時間水電解を行った際の電圧の推移を図3に示す。
Then, the structure in which the porous diaphragm was in contact with the cathode and the anode was immersed in a 4.1 mol/kg potassium phosphate electrolyte, and the cathode and the anode were connected to a potentiostat.
After heating the electrolytic solution to 100°C, the cell was operated in an argon atmosphere at a constant current of 100 mA/ cm2 for 24 hours, and the change in cell voltage was measured. The change in voltage during 24 hours of water electrolysis is shown in Figure 3.

[比較例3]
多孔質隔膜が陰極及び陽極と接触していない電解槽として、多孔質隔膜を用いず、陰極-陽極間の距離を1cmに配置した以外は、実施例3と同様の条件で定電流運転を行った。セル電圧の推移を測定し、その結果を図3に示す。
[Comparative Example 3]
As an electrolytic cell in which the porous diaphragm was not in contact with the cathode and the anode, a constant current operation was carried out under the same conditions as in Example 3, except that no porous diaphragm was used and the cathode-anode distance was set to 1 cm. The change in cell voltage was measured, and the results are shown in Figure 3.

運転開始初期のセル電圧については、実施例3が1.55V程度であるのに対し、比較例3は1.90V程度と、陰極と陽極を多孔質隔膜と接触させることで、0.35V程度の大幅なセル電圧の低減が見られた。また、実施例3では24時間セル電圧が安定しているのに対し、比較例3では8時間の時点で急激なセル電圧の増大によりそれ以上運転が継続できなくなってしまった。
この急激なセル電圧の増大の理由は明らかではないが、比較例3のような構成では陰極又は陽極が多量の泡で覆われて、イオン伝導が阻害されている可能性がある。陰極と陽極を多孔質隔膜と接触させることで電解電圧を低減できるのみならず、電解の安定性も向上することを示す例である。
The cell voltage at the beginning of operation was about 1.55 V in Example 3, while it was about 1.90 V in Comparative Example 3, and a significant reduction in cell voltage of about 0.35 V was observed by bringing the cathode and anode into contact with the porous diaphragm. Furthermore, while the cell voltage was stable for 24 hours in Example 3, a sudden increase in cell voltage occurred after 8 hours in Comparative Example 3, making it impossible to continue operation any further.
The reason for this sudden increase in cell voltage is unclear, but there is a possibility that ion conduction is inhibited by the cathode or anode being covered with a large amount of bubbles in a configuration such as Comparative Example 3. This is an example showing that bringing the cathode and anode into contact with a porous diaphragm not only reduces the electrolysis voltage but also improves the stability of electrolysis.

[比較例4]
アルカリ水電解評価として、非特許文献1に記載の方法で作製したニッケル鉄酸化物担持ニッケルフォームを陽極に用い、多孔質隔膜としてZirfonを用い、電解液として1mol/kgの水酸化カリウム水溶液を用いたこと以外は、実施例3と同様の条件で定電流運転を行った。セル電圧の推移を測定し、その結果を図3に示す。
運転開始初期の比較例4のセル電圧は1.53V程度であり、実施例3よりもセル電圧が若干低い。しかしながら、比較例4では運転開始1時間後からセル電圧が上昇し、24時間の時点では1.64V程度となった。このセル電圧の増大の理由は明らかではないが、運転中に電極触媒が変質し活性が低下している可能性がある。中性pH領域の濃厚な緩衝液を電解液とすることで、電解の安定性が向上することを示す例である。
[Comparative Example 4]
For alkaline water electrolysis evaluation, constant current operation was performed under the same conditions as in Example 3, except that the nickel iron oxide-supported nickel foam prepared by the method described in Non-Patent Document 1 was used as the anode, Zirfon was used as the porous diaphragm, and a 1 mol/kg aqueous potassium hydroxide solution was used as the electrolyte. The cell voltage was measured over time, and the results are shown in Figure 3.
The cell voltage of Comparative Example 4 at the beginning of operation was about 1.53 V, which is slightly lower than that of Example 3. However, in Comparative Example 4, the cell voltage began to increase one hour after operation began, reaching about 1.64 V at 24 hours. The reason for this increase in cell voltage is unclear, but it is possible that the electrode catalyst has changed in quality during operation, resulting in a decrease in activity. This is an example that shows that the stability of electrolysis is improved by using a concentrated buffer solution in the neutral pH range as the electrolyte.

さらに、実施例3の電解槽の水電解測定における電流-電圧曲線と、過電圧解析の結果を図4に示す。図4の結果から、電流密度600mA/cmにおける電解電圧が2.2Vと中性pH領域の水電解としては非常に低く、本発明の工業スケールでの適用可能性を示すことがわかる。 Furthermore, the current-voltage curve in the water electrolysis measurement of the electrolytic cell of Example 3 and the results of overpotential analysis are shown in Figure 4. The results in Figure 4 show that the electrolysis voltage at a current density of 600 mA/ cm2 was 2.2 V, which is extremely low for water electrolysis in a neutral pH range, demonstrating the applicability of the present invention on an industrial scale.

本発明の電解槽は、中性pH領域で使用できるため、水電解の分野で好適に利用できる。 The electrolytic cell of the present invention can be used in the neutral pH range, making it suitable for use in the field of water electrolysis.

1 陰極
2 多孔質隔膜
3 陽極
4 陰極室
5 陽極室
6 電源
1 Cathode 2 Porous diaphragm 3 Anode 4 Cathode chamber 5 Anode chamber 6 Power supply

Claims (5)

非電解時のpHが1.5~12.6であり且つ電解質濃度が2mol/kg以上である緩衝液を電解液として用い、多孔質隔膜が陰極及び陽極と接触している電解槽であって、前記多孔質隔膜が、ガラス繊維からなることを特徴とする、電解槽。 An electrolytic cell using, as an electrolyte solution, a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis and an electrolyte concentration of 2 mol/kg or more, wherein a porous diaphragm is in contact with a cathode and an anode, wherein the porous diaphragm is made of glass fiber . 前記多孔質隔膜は、気孔率が40~98%、厚みが20~450μmであることを特徴とする、請求項1に記載の電解槽。 The electrolytic cell described in claim 1, characterized in that the porous diaphragm has a porosity of 40 to 98% and a thickness of 20 to 450 μm. 前記ガラス繊維が、親水化処理されたガラス繊維であることを特徴とする、請求項に記載の電解槽。 2. The electrolytic cell according to claim 1 , wherein the glass fibers are hydrophilically treated glass fibers. 前記緩衝液が、アルカリ金属のカチオン及びアルカリ土類金属のカチオンからなる群から選択される少なくとも1種のカチオン種、並びに、リン酸塩、ホウ酸塩及び炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1つのアニオン種、を含む電解質溶液であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1項に記載の電解槽。 4. The electrolytic cell according to claim 1 , wherein the buffer solution is an electrolyte solution containing at least one cation species selected from the group consisting of alkali metal cations and alkaline earth metal cations, and at least one anion species selected from the group consisting of phosphates, borates, and carbonates. 請求項1~のいずれか1項に記載の電解槽を、60~120℃で運転し、水電解を行うことを特徴とする、水電解システム。 A water electrolysis system, comprising: an electrolytic cell according to any one of claims 1 to 4 , operated at 60 to 120°C to perform water electrolysis.
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