特開 2024-117416 水電解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024117416

(43)【公開日】2024-08-29

(54)【発明の名称】水電解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20240822BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240822BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240822BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240822BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/23

C25B15/08 302

C01B3/02 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023023506

(22)【出願日】2023-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100135013

【弁理士】

【氏名又は名称】西田 隆美

(72)【発明者】

【氏名】榎本 悠人

(72)【発明者】

【氏名】川上 拓人

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC09

4K021CA08

4K021CA09

4K021CA15

4K021DB04

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB46

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA06

(57)【要約】

【課題】水電解装置において、回収される酸素ガスに混入する水素ガスを低減することができる技術を提供する。
【解決手段】水電解装置１は、本体部１０と、水配管２０と、酸素配管３０と、水素配管４０と、触媒フィルタ５０と、を備える。本体部１０は、複数のセル１１を有する。各セル１１は、電解質膜１２１、電解質膜１２１の一方の面に位置するアノード触媒層１２２、および、電解質膜１２１の他方の面に位置するカソード触媒層１２４を有する。水配管２０は、本体部１０に水を供給する。酸素配管３０は、本体部１０内にて発生した酸素ガスを本体部１０外に導く。水素配管４０は、本体部１０内にて発生した水素ガスを本体部１０外に導く。触媒フィルタ５０は、酸素配管３０において、水素ガスおよび酸素ガスから水を生成する反応を促進する触媒を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解装置であって、
電解質膜、前記電解質膜の一方の面に位置するアノード触媒層、および、前記電解質膜の他方の面に位置するカソード触媒層、を有する本体部と、
前記本体部に水を供給する水供給部と、
前記本体部内にて発生した酸素ガスを前記本体部外に導く酸素配管と、
前記本体部内にて発生した水素ガスを前記本体部外に導く水素配管と、
前記酸素配管において、水素ガスおよび酸素ガスから水を生成する反応を促進する触媒を含む触媒フィルタと、
を備える、水電解装置。

【請求項2】

請求項１に記載の水電解装置であって、
前記酸素配管は、前記触媒フィルタの出口側から鉛直上向き延びる部分を有する、水電解装置。

【請求項3】

請求項２に記載の水電解装置であって、
前記触媒フィルタは、前記本体部よりも鉛直上側に位置する、水電解装置。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の水電解装置であって、
前記酸素配管は、前記触媒フィルタの入口側から鉛直下方に延びる部分を有する、水電解装置。

【請求項5】

請求項４に記載の水電解装置であって、
前記触媒フィルタの直下に、前記本体部に供給された水の液面が保持される、水電解装置。

【請求項6】

請求項１または請求項２に記載の水電解装置であって、
前記触媒は、白金を含む、水電解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、水電解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解することにより水素（Ｈ_２）を製造する水電解装置が知られている。水素は温室効果ガスを排出しない燃料となるため、水電解装置は、脱炭素化に貢献できる技術として、近年特に注目されている。水電解装置は、高分子電解質膜を用いたものがある。この種の水電解装置は、セルとセパレータとが交互に積層された積層構造を有する。各セルは、電解質膜と、電解質膜の両面に形成された触媒層とを有する。

【0003】

水電解が行われる場合、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に、電圧が印加されるとともに、アノード側の触媒層に水が供給される。これにより、次の電気化学反応式に示されるように、アノード側の触媒層においては、水から水素イオンと酸素と電子が生成される。そして、カソード側の触媒層においては、水素イオンと電子とから、水素が生成される。カソード側で発生した水素およびアノード側で発生した酸素は、適宜回収される。
（アノード側） ２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋ ＋ Ｏ^２ ＋ ４ｅ^－
（カソード側） ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ^－ → Ｈ^２

【0004】

実際の水電解装置では、水電解においてカソード側で発生した水素が、電解質膜を透過して、アノード側に移動する場合があった。この場合、水素の混入によって、高純度の酸素を回収することが困難となる。特許文献１では、アノード側の触媒層に、酸化イリジウムに加えて白金が配合される。これにより、アノード側において、白金の触媒機能により、アノード側に透過してきた水素が、酸素と化合して水が生成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８－２４００６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、アノード側の触媒層に白金を配合した場合、電解性能が低下するおそれがあった。このため、他の方法で、回収される酸素に混入する水素を低減することが求められている。

【0007】

本発明の目的は、水電解装置において、回収される酸素ガスに混入する水素ガスを低減することができる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、第１態様は、水電解装置であって、電解質膜、前記電解質膜の一方の面に位置するアノード触媒層、および、前記電解質膜の他方の面に位置するカソード触媒層、を有する本体部と、前記本体部に水を供給する水供給部と、前記本体部内にて発生した酸素ガスを前記本体部外に導く酸素配管と、前記本体部内にて発生した水素ガスを前記本体部外に導く水素配管と、前記酸素配管において、水素ガスおよび酸素ガスから水を生成する反応を促進する触媒を含む触媒フィルタとを備える。

【0009】

第２態様は、第１態様の水電解装置であって、前記酸素配管は、前記触媒フィルタの出口側から鉛直上向き延びる部分を有する。

【0010】

第３態様は、第２態様の水電解装置であって、前記触媒フィルタは、前記本体部よりも鉛直上側に位置する。

【0011】

第４態様は、第１態様から第３態様のいずれかの水電解装置であって、前記酸素配管は、前記触媒フィルタの入口側から鉛直下方に延びる部分を有する。

【0012】

第５態様は、第４態様の水電解装置であって、前記触媒フィルタの直下に、前記本体部に供給された水の液面が保持される。

【0013】

第６態様は、第１態様から第５態様のいずれかの水電解装置であって、前記触媒は、白金を含む。

【発明の効果】

【0014】

第１態様から第６態様の水電解装置によれば、酸素配管を通過する水素ガスが、触媒フィルタによって酸素ガスと反応し、水に変化する。これにより、酸素配管を通過する水素ガスを低減できるため、酸素ガスの純度を高めることができる。

【0015】

第２態様の水電解装置によれば、触媒フィルタにおいて発生した水と、触媒フィルタを通過した酸素ガスとを適切に分離できる。

【0016】

第４態様の水電解装置によれば、触媒フィルタにおいて発生した水を鉛直下方に落下させることができる。

【0017】

第５態様の水電解装置によれば、触媒フィルタにおいて発生した水を、本体部に戻すことができる。

【0018】

第６態様の水電解装置によれば、白金の触媒機能により水素と酸素とから水を生成できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態に係る水電解装置を示す図である。

【図2】本体部が備える１つのセルを模式的に示す断面図である。

【図3】触媒フィルタとその周辺部分を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数が誇張又は簡略化して図示されている場合がある。

【0021】

＜１． 実施形態＞
図１は、実施形態に係る水電解装置１を示す図である。水電解装置１は、本体部１０と、水配管２０と、水タンク２１と、酸素配管３０と、酸素タンク３１と、水素配管４０と、水素タンク４１と、触媒フィルタ５０と、電源６０とを備える。図２は、本体部１０が備える１つのセル１１を模式的に示す断面図である。

【0022】

本体部１０は、一方向に積層された複数のセル１１を有する。本体部１０におけるセル１１の数は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数が選択される。図２に示されるように、セル１１は、膜電極接合体１２と、アノードセパレータ１３と、カソードセパレータ１４とを有する。

【0023】

膜電極接合体１２は、電解質膜１２１と、アノード触媒層１２２と、アノードガス拡散層１２３と、カソード触媒層１２４と、カソードガス拡散層１２５とを有する。

【0024】

電解質膜１２１は、イオン伝導性を有する薄板状の膜（イオン交換膜）である。電解質膜１２１は、水素イオン（Ｈ^＋）を伝導するプロトン交換膜である。電解質膜１２１には、フッ素系または炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。具体的には、電解質膜１２１には、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどの固体高分子電解質が用いられる。電解質膜１１の膜厚は、例えば、５μｍ～２００μｍである。

【0025】

アノード触媒層１２２は、アノード側において電気化学反応を起こす。アノード触媒層１２２は、電解質膜１２１のアノード側の表面に積層されている。アノード触媒層１２２は、多数の触媒粒子を含む。アノード触媒層１２２の触媒粒子には、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯ_Ｘ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金、または、イリジウムと二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の合金などが用いられる。水電解装置１の使用時には、アノード触媒層１２２に水（Ｈ_２Ｏ）が供給される。

【0026】

アノードガス拡散層１２３は、アノード触媒層１２２外側の面、すなわち、アノード触媒層１２２の電解質膜１２１とは反対側の面に積層されている。すなわち、アノード触媒層１２２は、電解質膜１２１とアノードガス拡散層１２３との間に挟まれている。アノードガス拡散層１２３は、導電性を有し、且つ多孔質の材料により形成される。アノードガス拡散層１２３には、例えば、カーボンペーパーが用いられる。

【0027】

カソード触媒層１２４は、カソード側において電気化学反応を起こす。カソード触媒層１２４は、電解質膜１２１のカソード側の表面、すなわち、電解質膜１２１のアノード触媒層１２２とは反対側の表面に積層されている。カソード触媒層１２４は、触媒粒子を担持した多数のカーボン粒子を含む。カソード触媒層１２４の触媒粒子には、例えば、白金の粒子が用いられる。ただし、カソード触媒層１２４の触媒粒子には、白金の粒子に微量のルテニウムまたはコバルトの粒子を混合したものが用いられてもよい。

【0028】

カソードガス拡散層１２５は、カソード触媒層１２４の外側の面、すなわち、カソード触媒層１２４の電解質膜１２１とは反対側の面に積層されている。すなわち、カソード触媒層１２４は、電解質膜１２１とカソードガス拡散層１２５との間に挾まれている。カソードガス拡散層１２５は、導電性を有し、且つ多孔質の材料により形成される。カソードガス拡散層１２５には、例えば、カーボンペーパーが用いられる。

【0029】

アノードセパレータ１３は、膜電極接合体１２のアノード側に隣接して配置されている。カソードセパレータ１４は、膜電極接合体１２のカソード側に隣接して配置されている。アノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１４は、導電性を有し、且つ気体および液体を透過させない板状の部材である。

【0030】

アノードセパレータ１３は、アノード面１３１を有する。アノード面１３１は、アノードガス拡散層１２３と接している。アノードセパレータ１３は、アノード面１３１に、凹状のアノード溝１３２を有する。アノード溝１３２は、アノードガス拡散層１２３とともに、水および酸素を通過させる流路を構成する。

【0031】

アノードセパレータ１３は、水流通孔１３３および酸素流通孔１３４を有する。水流通孔１３３および酸素流通孔１３４は、アノードセパレータ１３を積層方向に貫通している。水流通孔１３３および酸素流通孔１３４は、積層方向においてアノード溝１３２と重なっている。水流通孔１３３は、図示しない水供給用のマニホールドを介して、本体部１０の水導入口１５１と連通されている。酸素流通孔１３４は、図示しない酸素排出用のマニホールドを介して、本体部１０の酸素排出口１５２に連通されている。なお、「連通」とは、２つの要素が、流体が流通できるように互いに連結された状態をいう。

【0032】

カソードセパレータ１４は、カソード面１４１を有する。カソード面１４１は、カソードガス拡散層１２５と接している。カソードセパレータ１４は、カソード面１４１に、凹状のカソード溝１４２を有する。カソード溝１４２は、カソードガス拡散層１２５とともに、水素を通過させる流路を構成する。

【0033】

カソードセパレータ１４は、水素流通孔１４３を有する。水素流通孔１４３は、カソードセパレータ１４を積層方向に貫通している。水素流通孔１４３は、積層方向においてカソード溝１４２と重なっている。水素流通孔１４３は、図示しない水素排出用のマニホールドを介して、本体部１０の水素排出口１５３と連通されている。

【0034】

水タンク２１は、水を貯留可能である。水配管２０は、本体部１０の水導入口と、水タンク２１の排出口とを接続している。水配管２０には、ポンプ２２が設けられている。ポンプ２２は、水タンク２１に貯留された水を、本体部１０の水導入口１５１へ送る。酸素配管３０は、本体部１０の酸素排出口と、酸素タンク３１の導入口とを接続している。水素配管４０は、本体部１０の水素排出口と、水素タンク４１の導入口とを接続している。水配管２０、および、ポンプ２２は、本体部１０に水を供給する「水供給部」の一例である。

【0035】

触媒フィルタ５０は、酸素配管３０上に取り付けられている。触媒フィルタ５０は、気体を通過させることが可能な複数の孔を有し、且つ孔の内側に触媒を有する。触媒フィルタ５０の触媒は、酸素ガスと水素ガスとから水を生成する水生成反応を促進する。触媒フィルタ５０には、例えば、ハニカム構造を有するセラミックスが用いられる。また、触媒フィルタ５０の触媒には、例えば、白金が用いられる。

【0036】

水電解装置１の使用時には、ポンプ２２により、水タンク２１から本体部１０の水導入口１５１に水が供給される。本体部１０に供給された水は、アノードセパレータ１３のアノード溝１３２を通って、アノードガス拡散層１２３に供給される。アノードガス拡散層１２３は、アノード触媒層１２２へ均一に水を供給する。

【0037】

電源６０は、アノード触媒層１２２とカソード触媒層１２４との間に、電圧を印加する。そうすると、アノード触媒層１２２において、水が、水素イオン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ_２）、および電子（ｅ^－）に電気分解される。アノード触媒層１２２において生成された酸素ガスは、アノード溝１３２、酸素流通孔１３４、酸素排出口１５２、および酸素配管３０を通って、酸素タンク３１に回収される。また、カソード触媒層１２４においては、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）とが反応して、水素ガス（Ｈ_２）が生成される。カソード触媒層１２４において生成された水素ガスは、カソード溝１４２、水素流通孔１４３、水素排出口１５３、および水素配管４０を通って、水素タンク４１に回収される。

【0038】

カソード触媒層１２４において生成された水素ガスのうち一部は、電解質膜１２１を透過してアノード側へ移動する。そして、アノード側に移動した水素ガスは、酸素ガスとともにアノード溝１３２、酸素流通孔１３４、酸素排出口１５２を通って、酸素配管３０に排出される。ただし、水素ガスは、触媒フィルタ５０を通過する間に、酸素ガスと反応し、水に変化する。これにより、酸素ガスに混入している水素ガスを低減できるため、高純度の酸素ガスを酸素タンク３１に回収できる。

【0039】

図３は、触媒フィルタ５０とその周辺部分を示す図である。図３に示されるように、酸素配管３０は、触媒フィルタ５０の出口側（酸素タンク３１側）から鉛直上向きに延びる部分を有する。これにより、触媒フィルタ５０において発生した水と、触媒フィルタ５０を通過した酸素ガスとを適切に分離できるため、酸素タンク３１に回収される酸素ガスの純度を高めることができる。

【0040】

図１に示されるように、触媒フィルタ５０は、本体部１０よりも鉛直上側に位置する。これにより、本体部１０の水が、触媒フィルタ５０に接触することを低減できる。

【0041】

図３に示されるように、酸素配管３０は、触媒フィルタ５０の入口側（本体部１０側）から鉛直下向きに延びる部分を有する。これにより、触媒フィルタ５０において発生した水を鉛直下方に落下させることができる。また、図３に示されるように、水タンク２１から水を本体部１０に供給するに当たり、酸素配管３０内にも水が供給されてもよい。そして、水の液面Ｆ１が触媒フィルタ５０の直下に配置されていてもよい。これにより、触媒フィルタ５０において発生した水を本体部１０へ戻すことができる。

【0042】

＜２． 変形例＞
以上、実施形態について説明してきたが、本発明は上記のようなものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【0043】

例えば、上記実施形態では、触媒フィルタの触媒として、白金が用いられている。しかしながら、触媒フィルタ５０の触媒は、水生成の触媒機能を持つものであればよい。触媒フィルタ５０の触媒は、例えば、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）などの、白金とは異なる遷移金属であってもよい。

【0044】

また、上記実施形態では、ポンプ２２によって水を移動させているが、例えば、水タンク２１を本体部１０よりも高い位置に配置し、水頭差によって水が本体部１０に供給されてもよい。

【0045】

この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

【符号の説明】

【0046】

１ 水電解装置
１０ 本体部
１１ 電解質膜
１２１ 電解質膜
１２２ アノード触媒層
１２４ カソード触媒層
２０ 水配管
２２ ポンプ
３０ 酸素配管
４０ 水素配管
５０ 触媒フィルタ

【図1】

【図2】

【図3】