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(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】P2024093484
(43)【公開日】2024-07-09
(54)【発明の名称】水電解システム
(51)【国際特許分類】
C25B 9/60 20210101AFI20240702BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240702BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240702BHJP
C25B 9/17 20210101ALI20240702BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20240702BHJP
C25B 9/70 20210101ALI20240702BHJP
C25B 13/08 20060101ALI20240702BHJP
【ＦＩ】
C25B9/60
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B9/17
C25B13/02 302
C25B9/70
C25B13/08 305
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022209890
(22)【出願日】2022-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100129838
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 典輝
(74)【代理人】
【識別番号】100101203
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100104499
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 達人
(72)【発明者】
【氏名】加藤 育康
(72)【発明者】
【氏名】藤田 敬祐
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA09
4K021DB16
4K021DB31
4K021DB40
4K021DB53
(57)【要約】
【課題】水電解効率を向上させる。
【解決手段】水の電気分解によって酸素と水素とを生成する水電解システムであって、複数の水電解セルが積層された水電解スタックを備え、水電解セルは水電解が行われる水電解部と、水電解部の外側に設けられ水電解部へ、及び、水電解部からの流体が流れる流路を形成する流路形成部と、を備え、流路形成部では水素極セパレータ、酸素極セパレータ、及び、水素極セパレータと酸素極セパレータとの間に配置された樹脂シートを有し、樹脂シートには水素極セパレータ及び酸素極セパレータのマニホールドに通じる流路を形成するように複数スリットが設けられており、水電解セルの平面視で、複数のスリットは、該複数のスリットが形成された範囲の面積に対する、複数のスリットの開口の合計面積が５０％以上である。
【選択図】図３
【解決手段】水の電気分解によって酸素と水素とを生成する水電解システムであって、複数の水電解セルが積層された水電解スタックを備え、水電解セルは水電解が行われる水電解部と、水電解部の外側に設けられ水電解部へ、及び、水電解部からの流体が流れる流路を形成する流路形成部と、を備え、流路形成部では水素極セパレータ、酸素極セパレータ、及び、水素極セパレータと酸素極セパレータとの間に配置された樹脂シートを有し、樹脂シートには水素極セパレータ及び酸素極セパレータのマニホールドに通じる流路を形成するように複数スリットが設けられており、水電解セルの平面視で、複数のスリットは、該複数のスリットが形成された範囲の面積に対する、複数のスリットの開口の合計面積が５０％以上である。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水の電気分解によって酸素と水素とを生成する水電解システムであって、
複数の水電解セルが積層された水電解スタックを備え、
前記水電解セルは水電解が行われる水電解部と、前記水電解部の外側に設けられ前記水電解部へ、及び、前記水電解部からの流体が流れる流路を形成する流路形成部と、を備え、
前記流路形成部では水素極セパレータ、酸素極セパレータ、及び、前記水素極セパレータと前記酸素極セパレータとの間に配置された樹脂シートを有し、
前記樹脂シートには前記水素極セパレータ及び前記酸素極セパレータのマニホールドに通じる流路を形成するように複数スリットが設けられており、
前記水電解セルの平面視で、前記複数のスリットは、該複数のスリットが形成された範囲の面積に対する、前記複数のスリットの開口の合計面積が５０％以上である、
水電解システム。
複数の水電解セルが積層された水電解スタックを備え、
前記水電解セルは水電解が行われる水電解部と、前記水電解部の外側に設けられ前記水電解部へ、及び、前記水電解部からの流体が流れる流路を形成する流路形成部と、を備え、
前記流路形成部では水素極セパレータ、酸素極セパレータ、及び、前記水素極セパレータと前記酸素極セパレータとの間に配置された樹脂シートを有し、
前記樹脂シートには前記水素極セパレータ及び前記酸素極セパレータのマニホールドに通じる流路を形成するように複数スリットが設けられており、
前記水電解セルの平面視で、前記複数のスリットは、該複数のスリットが形成された範囲の面積に対する、前記複数のスリットの開口の合計面積が５０％以上である、
水電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は水電解システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、水電解システムにおいて、高電流密度で水電解するときには、水不足による効率の低下や劣化が懸念されるため、電気分解される水量を推定することにより水不足を発生させないように水の供給量を制御することが開示されている。ここでは水不足発生状態に対して水不足を発生させないようにすることでの効率向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－１４３３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１の水電解システムでは、より高電流密度で高効率に水電解し、小型化したい要求に対して、水不足がない状態で効率を向上することについては開示されていない。
本開示は水電解効率を向上させることを目的とする。
本開示は水電解効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本願は、水の電気分解によって酸素と水素とを生成する水電解システムであって、複数の水電解セルが積層された水電解スタックを備え、水電解セルは水電解が行われる水電解部と、水電解部の外側に設けられ水電解部へ、及び、水電解部から流体が流れる流路を形成する流路形成部と、を備え、流路形成部では水素極セパレータ、酸素極セパレータ、及び、水素極セパレータと酸素極セパレータとの間に配置された樹脂シートを有し、樹脂シートには水素極セパレータ及び酸素極セパレータのマニホールドに通じる流路を形成するように複数スリットが設けられており、水電解セルの平面視で、複数のスリットは、該複数のスリットが形成された範囲の面積に対する、複数のスリットの開口の合計面積が５０％以上である、水電解システムを提供する。
【発明の効果】
【0006】
本開示によれば、排水性能が向上し、両極間の水濃度差が大きくなって電解質膜を通る水の量が増え、膜抵抗が下がるため、水電解効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
１．水電解システムの構成
図１には１つの形態にかかる水電解システム１０を概念的に表した。
本形態で水電解システム１０は、複数の水電解セル１１が積層されてなる水電解スタック２０、水電解スタック２０を挟んで一方側の給水側経路（酸素側経路）、他方側の水素側経路を有している。水電解システム１０では、水電解スタック２０に具備された水電解セル１１に対して給水側経路から純水を供給して電源２１で通電することで水を水素と酸素とに分解し、水素を得て水素側経路に分離する。
図１には１つの形態にかかる水電解システム１０を概念的に表した。
本形態で水電解システム１０は、複数の水電解セル１１が積層されてなる水電解スタック２０、水電解スタック２０を挟んで一方側の給水側経路（酸素側経路）、他方側の水素側経路を有している。水電解システム１０では、水電解スタック２０に具備された水電解セル１１に対して給水側経路から純水を供給して電源２１で通電することで水を水素と酸素とに分解し、水素を得て水素側経路に分離する。
【0009】
給水側経路（酸素側経路）では、市水をイオン交換機２２に通して水タンク２３に貯水し、これを水ポンプ２４で水電解スタック２０に供給する。水電解スタック２０から出た酸素と水は気液分離器２５で気液が分離され、気体（酸素）は排出、液（水）は水タンク２３に戻される。
水素側経路では、水電解スタック２０から出た水素と水は気液分離器２６で気液が分離され、気体（水素）は除湿器２７で除湿され、水素タンク２９に送られる。一方、気液分離器２６で分離された液（水）は不図示のポンプにより水タンク２３に戻される。
水素側経路では、水電解スタック２０から出た水素と水は気液分離器２６で気液が分離され、気体（水素）は除湿器２７で除湿され、水素タンク２９に送られる。一方、気液分離器２６で分離された液（水）は不図示のポンプにより水タンク２３に戻される。
【0010】
水電解スタック２０の両極間に電源線を介して電源２１が接続されている。
【0011】
２．水電解セル
２．１．形態例１
図２には１つの水電解セル１１を平面視した図（図２（ａ））、及び、Ａ－Ａ断面図（図２（ｂ））を示した。図３（ａ）には図２（ａ）のうちの水素極出口マニホールド１３の近傍に注目した図、及び、さらに図３（ｂ）には水素極連結流路５３の部位に注目した図を示した。また、図４（ａ）には図３（ａ）のＢーＢ矢視断面図、図４（ｂ）には図４（ａ）のＣ－Ｃ矢視断面図、図４（ｃ）には図４（ａ）のＤ－Ｄ矢視断面図をそれぞれ示した。
水電解セル１１は図２～図４よりわかるように複数の層による積層構造を有しているが、図２（ｂ）に表れるように中央部分の一定の範囲を占め、水分解が行われる部位（水電解部）、及び、図３、図４に表れるように水電解部の外側に配置され、水電解部に対して水を供給したり発生した気体を排出したりする流路形成部を有してなる。
２．１．形態例１
図２には１つの水電解セル１１を平面視した図（図２（ａ））、及び、Ａ－Ａ断面図（図２（ｂ））を示した。図３（ａ）には図２（ａ）のうちの水素極出口マニホールド１３の近傍に注目した図、及び、さらに図３（ｂ）には水素極連結流路５３の部位に注目した図を示した。また、図４（ａ）には図３（ａ）のＢーＢ矢視断面図、図４（ｂ）には図４（ａ）のＣ－Ｃ矢視断面図、図４（ｃ）には図４（ａ）のＤ－Ｄ矢視断面図をそれぞれ示した。
水電解セル１１は図２～図４よりわかるように複数の層による積層構造を有しているが、図２（ｂ）に表れるように中央部分の一定の範囲を占め、水分解が行われる部位（水電解部）、及び、図３、図４に表れるように水電解部の外側に配置され、水電解部に対して水を供給したり発生した気体を排出したりする流路形成部を有してなる。
【0012】
水電解部の層構成は公知の通りであり特に限定されることはないが、図２（ｂ）に表れているように、水電解セル１１は、電解質膜１の一方側に水素極触媒層２、水素極拡散層４、水素極セパレータ６が積層され、電解質膜１の他方側に酸素極触媒層３、酸素極拡散層５、酸素極セパレータ７が積層されている。
水素極セパレータ６は当該断面において波形状であり水素極拡散層４との間に溝状の水素極流路８を形成し、酸素極セパレータ７も当該断面において波形状であり酸素極拡散層５との間に溝状の酸素極流路９を形成する。
水素極セパレータ６は当該断面において波形状であり水素極拡散層４との間に溝状の水素極流路８を形成し、酸素極セパレータ７も当該断面において波形状であり酸素極拡散層５との間に溝状の酸素極流路９を形成する。
【0013】
流路形成部では、水電解部の各酸素極流路９に水を供給する流路のための孔である酸素極入口マニホールド１４、水電解部の各酸素極流路９から発生したガス（酸素）及び余剰の水を集めて排出する孔である酸素極出口マニホールド１５を備えている。また、流路形成部では、水電解部の各水素極流路８から発生したガス（水素）及び酸素極側から透過してきた水を集めて排出する水素極出口マニホールド１３を備えている。
【0014】
流路形成部では図４に表れているように水素極セパレータ６と酸素極セパレータ７との間に樹脂シート５１を挟むことで封止している。
【0015】
また、流路形成部では水電解部から水素極出口マニホールド１３に向けて水素連結流路５２及び水素連結流路５３が形成されており、図４（ａ）に矢印Ｆで示したように各水素極流路８からの水素及び水を集めて水素出口マニホールド１３に導いて排出している。
【0016】
水素連結流路５２は、図４（ａ）、図４（ｃ）からわかるように、水素連結流路５３よりも水電解部側に設けられ、水素極流路８から水素及び水を受け入れて水素連結流路５３に導く流路である。本形態で水素連結流路５２は水素極セパレータ６の凹部に形成され、樹脂シート５１と当該凹部で囲まれた溝状空間である。
【0017】
水素連結流路５３は、図３（ａ）、図３（ｂ）からわかるように、樹脂シート５１に複数のスリット５３ａが並べられることにより形成されており、一端が水素連結流路５２に連結されて、他端側が水素極出口マニホールド１３につながる流路となっている。
この水素連結流路５３は複数の水電解セル１１が積層された際の隣り合う水電解セル１１間のシール部材であるガスケット５０を支える土台（シールライン）として形成されている。
この水素連結流路５３は複数の水電解セル１１が積層された際の隣り合う水電解セル１１間のシール部材であるガスケット５０を支える土台（シールライン）として形成されている。
【0018】
本開示では水素連結流路５３は、当該平面視において、スリット５３ａが形成される範囲の面積（図３（ｂ）のＨ×Ｖ、全てのスリット５３ａを内包する長方形で最も小さいものの面積）に対して複数のスリット５３ａの開口が占める面積の割合が５０％以上である。ここで、Ｈはスリット５３ａが延びる方向における長さ、Ｖは並べられる方向における両端のスリット５３ａの端部間の距離である。
これにより、水素極出口マニホールド付近における水素連結流路５３における圧力損失を低く抑えることができ、より多くの水素及び水を排出することができる。このように水素極側の水素及び水の排出量が増えることで電解質膜1の両極間の水濃度差が大きくなり、水の透過量が増え、電解質膜１の抵抗が下がり、過電圧も下がって水電解効率が向上する。
これにより、水素極出口マニホールド付近における水素連結流路５３における圧力損失を低く抑えることができ、より多くの水素及び水を排出することができる。このように水素極側の水素及び水の排出量が増えることで電解質膜1の両極間の水濃度差が大きくなり、水の透過量が増え、電解質膜１の抵抗が下がり、過電圧も下がって水電解効率が向上する。
【0019】
２．２．形態例２
図５（ａ）には形態例２を説明する図を示した。図５（ａ）は図３（ｂ）と同じ視点による図である。形態例２においても水素連結流路５３が形成される部位の面積（図５（ａ）のＨ×Ｖ、全てのスリット５３ａを内包する長方形で最も小さいものの面積）に対してスリット５３ａの開口が占める面積割合が５０％以上である。ただし、形態例２では、複数のスリット５３ａは、水素連結流路５２側の端部が一体化されている。このような水素連結流路５３でも上記形態例１と同様の効果を奏するものとなる。なお、複数のスリット５３ａが連結される部分はシールラインとなるガスケット５０よりも水素連結流路５２側となるように構成されている。
図５（ａ）には形態例２を説明する図を示した。図５（ａ）は図３（ｂ）と同じ視点による図である。形態例２においても水素連結流路５３が形成される部位の面積（図５（ａ）のＨ×Ｖ、全てのスリット５３ａを内包する長方形で最も小さいものの面積）に対してスリット５３ａの開口が占める面積割合が５０％以上である。ただし、形態例２では、複数のスリット５３ａは、水素連結流路５２側の端部が一体化されている。このような水素連結流路５３でも上記形態例１と同様の効果を奏するものとなる。なお、複数のスリット５３ａが連結される部分はシールラインとなるガスケット５０よりも水素連結流路５２側となるように構成されている。
【0020】
２．３．形態例３
図５（ｂ）には形態例３を説明する図を示した。図５（ｂ）は図３（ｂ）と同じ視点による図である。形態例３においても水素連結流路５３が形成される部位の面積（図５（ｂ）のＨ×Ｖ、全てのスリット５３ａを内包する長方形で最も小さいものの面積）に対してスリット５３ａの開口が占める面積割合が５０％以上である。本形態ではスリット５３ａによる流路の圧力損失を下げるために、シールラインとなるガスケット５０から外れた位置のスリット５３ａのみ、幅を拡幅した形態である。このような水素連結流路５３でも上記形態例１と同様の効果を奏するものとなる。
図５（ｂ）には形態例３を説明する図を示した。図５（ｂ）は図３（ｂ）と同じ視点による図である。形態例３においても水素連結流路５３が形成される部位の面積（図５（ｂ）のＨ×Ｖ、全てのスリット５３ａを内包する長方形で最も小さいものの面積）に対してスリット５３ａの開口が占める面積割合が５０％以上である。本形態ではスリット５３ａによる流路の圧力損失を下げるために、シールラインとなるガスケット５０から外れた位置のスリット５３ａのみ、幅を拡幅した形態である。このような水素連結流路５３でも上記形態例１と同様の効果を奏するものとなる。
【0021】
３．他の形態
３．１．形態例４
形態例４では水電解セル１１は上記形態例１～形態例３のいずれかとし、図１に示した水電解システム１０に対して水素側経路で水素極流路８に対して、乾燥ガスとして窒素を供給するように構成する。そのため、形態例４では図１の除湿器２７と水素タンク２９との間に水素分離膜を配置して窒素と水素とを分離する。
３．１．形態例４
形態例４では水電解セル１１は上記形態例１～形態例３のいずれかとし、図１に示した水電解システム１０に対して水素側経路で水素極流路８に対して、乾燥ガスとして窒素を供給するように構成する。そのため、形態例４では図１の除湿器２７と水素タンク２９との間に水素分離膜を配置して窒素と水素とを分離する。
【0022】
供給された窒素は、水素極側の水を水蒸気として持ち去るため、乾燥ガスを供給しない通常の場合に比べ、より多くの水分量を排出することができる。また、水素のみの場合に比べてガス量が増えること、ガスの質量が増えることで、液水状態での排出量も増える。水素極側の水分の排出量が増えることで電解質膜１の両極間の水濃度差が大きくなり、水の透過量が増え、電解質膜１の抵抗が下がり、過電圧も下がって水電解効率が向上する。なお、水電解セル１１上記形態例１～形態例３のいずれかを適用すれば、当該形態例に基づいた効果を奏するものとなる。
【0023】
３．２．形態例５
形態例５では単位水電解セル１１は上記形態例１～形態例３のいずれかとし、図１に示した水電解システム１０に対して除湿器２７を通過して得られた水素の一部を、水素極流路８に対して供給する。他の一部は水素タンク２９に送られるように構成する。これによっても供給された水素によりガス量が増え、ガスの質量が増えることで、液水状態での排出量も増える。そしてより多くの水分量を排出し、形態例４と同様の効果を奏するものとなる。
形態例５では単位水電解セル１１は上記形態例１～形態例３のいずれかとし、図１に示した水電解システム１０に対して除湿器２７を通過して得られた水素の一部を、水素極流路８に対して供給する。他の一部は水素タンク２９に送られるように構成する。これによっても供給された水素によりガス量が増え、ガスの質量が増えることで、液水状態での排出量も増える。そしてより多くの水分量を排出し、形態例４と同様の効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【0024】
１…電解質膜、２…水素極触媒層、３…酸素極触媒層、４…水素極拡散層、５…酸素極触媒層、６…水素極セパレータ、７…酸素極セパレータ、８…水素極流路、９…酸素極流路、１０…水電解システム、１１…単位水電解セル、１３…水素極出口マニホールド、２０…水電解スタック、２１…電源、２２…イオン交換器、２３…水タンク、２４…ポンプ、２５…気液分離器、２６…気液分離器、２７…除湿器、２８…水素分離膜、２９…水素タンク、５０…ガスケット、５１…樹脂シート、５２…水素連結流路、５３…水素連結流路、５３ａ…スリット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】