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JP2020012146A - Electrolytic cell and method of using the same - Google Patents

Electrolytic cell and method of using the same Download PDF

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JP2020012146A JP2018134265A JP2018134265A JP2020012146A JP 2020012146 A JP2020012146 A JP 2020012146A JP 2018134265 A JP2018134265 A JP 2018134265A JP 2018134265 A JP2018134265 A JP 2018134265A JP 2020012146 A JP2020012146 A JP 2020012146A
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久尚 青木
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Abstract

To prevent an increase of an excessive voltage caused by the degradation of an electrode resulting from a reverse current generated when electrolysis is suspended.SOLUTION: There are provided an electrolysis tank comprising an electrode chamber and a flow path communicating with the electrode chamber, which is characterized by comprising a current cutoff valve disposed in the flow path, and a method of using the electrolysis tank.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電解槽及びその使用方法に関する。   The present invention relates to an electrolytic cell and a method for using the same.

電気分解技術を産業に応用することは古くから行われており、例えば、食塩水の電気分解による苛性ソーダ・塩素の製造、次亜塩素酸の製造、アルカリイオン水、オゾン水の製造等多岐にわたっている。これまでも、設備コストの低減、電解効率の向上や装置の耐久性の向上等を目指した種々の提案がなされてきている。
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。
The application of electrolysis technology to industry has been practiced for a long time.For example, the production of caustic soda / chlorine by electrolysis of saline, the production of hypochlorous acid, the production of alkaline ionized water, the production of ozone water, etc. are wide-ranging. . Until now, various proposals have been made aiming at reduction of equipment cost, improvement of electrolysis efficiency and improvement of durability of the apparatus.
In recent years, technologies such as wind power generation and solar power generation using renewable energy have been attracting attention in order to solve problems such as global warming due to greenhouse gases such as carbon dioxide and a decrease in reserves of fossil fuels.

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 varies depending on climatic conditions, and its fluctuations are very large. As a result, it is not always possible to transport the power obtained from renewable energy generation to the general power system, and there are concerns about social implications such as imbalance in power supply and demand and instability of the power system. I have.

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 has been conducted to use electric power generated from renewable energy instead of storing and transporting the electric power. Specifically, it has been studied to generate hydrogen that can be stored and transported by electrolysis (electrolysis) of water using electric power generated from renewable energy, and to use hydrogen as an energy source and a raw material. I have.

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高純度の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. In recent years, hydrogen can be used in hydrogen stations for fuel cell vehicles (FCV), smart communities, hydrogen power plants, and the like. Sex is also spreading. For this reason, there is high expectation for the development of a technique for obtaining particularly high-purity 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。この中で、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 a solid polymer water electrolysis method, a high temperature steam electrolysis method, an alkaline water electrolysis method and the like. Among them, alkaline water electrolysis is one of the most promising ones because it has been industrialized for more than several decades, it can be implemented on a large scale, and it is cheaper than other water electrolysis devices. Have been.

しかしながら、アルカリ水電解を今後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る。そのため、アルカリ水電解用等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 alkaline water electrolysis as a means for storing and transporting energy in the future, water electrolysis can be performed efficiently and stably using electric power whose output fluctuates greatly as described above. There is a need to. Therefore, it is required to solve various problems of an electrolytic cell and an apparatus for alkaline water electrolysis.

アルカリ水電解において電解電圧を低く抑えて、水素製造の電力原単位を改善するという課題を解決するためには、電解セルの構造として、特に、隔膜と電極との隙間を実質的に無くした構造である、ゼロギャップ構造と呼ばれる構造を採用することが有効なことはよく知られている(特許文献1、2参照)。ゼロギャップ構造では、発生するガスを電極の細孔を通して電極の隔膜側とは反対側に素早く逃がすことによって、電極間の距離を低減しつつ、電極近傍におけるガス溜まりの発生を極力抑えて、電解電圧を低く抑制している。ゼロギャップ構造は、電解電圧の抑制にきわめて有効であり、種々の電解装置に採用されている。   In order to solve the problem of reducing the electrolysis voltage in alkaline water electrolysis and improving the power consumption of hydrogen production, the structure of the electrolytic cell, particularly, the structure in which the gap between the diaphragm and the electrode is substantially eliminated It is well known that adopting a structure called a zero gap structure is effective (see Patent Documents 1 and 2). In the zero-gap structure, the generated gas quickly escapes through the pores of the electrode to the side opposite to the diaphragm side of the electrode, thereby reducing the distance between the electrodes and minimizing the generation of gas accumulation near the electrodes, and The voltage is kept low. The zero gap structure is extremely effective in suppressing the electrolytic voltage, and has been adopted in various electrolytic devices.

米国特許第4530743号明細書U.S. Pat. No. 4,530,743 特開昭59−173281号公報JP-A-59-173281

しかしながら、例えば、変動電源下での使用の場合には電解停止が頻繁に生じることから、電極をより長い期間に亘って使用できるように改良された電解セルが求められていた。
そこで、本発明は、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することを目的とする。
However, for example, in the case of use under a fluctuating power supply, electrolysis is frequently stopped. Therefore, there is a need for an improved electrolysis cell so that the electrode can be used for a longer period.
Therefore, an object of the present invention is to suppress an increase in overvoltage caused by deterioration of an electrode due to a reverse current generated when electrolysis is stopped.

発明者らは、従来の電解セルにおいては、電解停止時に、電極室に電解液を供給する流路により漏洩電流回路が形成されて、自己放電を生じることを見出した。かかる自己放電は、通電面に流れる電流の向きが、電解時の電流の向きと逆向きであるため、逆電流とも称される。上記逆電流が生じる過程では、電極(陰極及び陽極)が酸化還元され、活性化溶解や体積膨張収縮が生じ、電極が失活して過電圧が上昇するおそれがあることを知見した。   The inventors have found that in a conventional electrolytic cell, when electrolysis is stopped, a leakage current circuit is formed by a flow path for supplying an electrolytic solution to an electrode chamber, and self-discharge occurs. Such self-discharge is also referred to as a reverse current because the direction of the current flowing through the conducting surface is opposite to the direction of the current during electrolysis. It has been found that in the process in which the reverse current is generated, the electrodes (cathode and anode) are redox-oxidized, activated dissolution and volume expansion / contraction occur, and the electrodes may be deactivated to increase the overvoltage.

本発明の要旨は以下の通りである。
[1]
電極室と該電極室に連通する流路とを備え、前記流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする、電解槽。
[2]
前記電流遮断弁が前記流路を遮断可能なように設けられる、[1]に記載の電解槽。
[3]
前記流路を備え前記電極室に連通するヘッダー、前記流路を備え前記ヘッダーに連通する導管からなる群から選ばれる少なくとも一つをさらに備える、[1]又は[2]に記載の電解槽。
[4]
前記電流遮断弁が絶縁性材料を含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の電解槽。
[5]
前記電流遮断弁が設けられている箇所に対応する前記流路の部分が絶縁性材料を含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の電解槽。
[6]
前記電流遮断弁が前記流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられる、[1]〜[5]のいずれかに記載の電解槽。
[7]
前記電流遮断弁が手動、ガス圧力、電気エネルギーからなる群から選ばれる少なくとも一つにより駆動される、[1]〜[6]のいずれかに記載の電解槽。
[8]
前記電流遮断弁がボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁からなる群から選ばれる少なくとも一つである、[1]〜[7]のいずれかに記載の電解槽。
[9]
[1]〜[8]のいずれかに記載の電解槽において、電解停止前又は電解停止後に前記電流遮断弁を閉じることを特徴とする、電解槽の使用方法。
[10]
電解停止後2時間以内に前記電流遮断弁を閉じる、[9]に記載の電解槽の使用方法。
[11]
電解停止後30秒以内に前記電流遮断弁を閉じる、[10]に記載の電解槽の使用方法。
[12]
電解再開後60秒以内に前記電流遮断弁を開ける、[10]又は[11]に記載の電解槽の使用方法。
The gist of the present invention is as follows.
[1]
An electrolytic cell comprising: an electrode chamber; and a flow path communicating with the electrode chamber, wherein a current cutoff valve is provided in the flow path.
[2]
The electrolytic cell according to [1], wherein the current cutoff valve is provided so as to shut off the flow path.
[3]
The electrolytic cell according to [1] or [2], further comprising at least one selected from the group consisting of a header having the flow path and communicating with the electrode chamber, and a conduit having the flow path and communicating with the header.
[4]
The electrolytic cell according to any one of [1] to [3], wherein the current cutoff valve includes an insulating material.
[5]
The electrolytic cell according to any one of [1] to [4], wherein a portion of the flow path corresponding to a location where the current cutoff valve is provided includes an insulating material.
[6]
The electrolytic cell according to any one of [1] to [5], wherein the current cutoff valve is provided in a portion of the flow passage having a smallest cross-sectional area.
[7]
The electrolytic cell according to any one of [1] to [6], wherein the current cutoff valve is driven by at least one selected from the group consisting of manual operation, gas pressure, and electric energy.
[8]
The electrolytic cell according to any one of [1] to [7], wherein the current cutoff valve is at least one selected from the group consisting of a ball valve, a globe valve, a gate valve, a butterfly valve, a diaphragm valve, and a check valve.
[9]
The method for using an electrolytic cell according to any one of [1] to [8], wherein the current cutoff valve is closed before or after the electrolytic stop.
[10]
The use of the electrolytic cell according to [9], wherein the current cutoff valve is closed within 2 hours after the electrolysis is stopped.
[11]
The use of the electrolytic cell according to [10], wherein the current cutoff valve is closed within 30 seconds after stopping the electrolysis.
[12]
The use of the electrolytic cell according to [10] or [11], wherein the current cutoff valve is opened within 60 seconds after restarting the electrolysis.

本発明によれば、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that an electrode deteriorates and overvoltage rises by the reverse current which arises at the time of electrolysis stop.

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体について示す側面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a side view shown about the whole example of the bipolar electrode type electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment. 本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電解室、ヘッダー、導管について示す斜視図である。It is a perspective view showing an electrolysis room, a header, and a conduit of an example of a bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis of this embodiment. 本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the bipolar electrode type electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the external header type of this embodiment. 本実施形態の外部ヘッダー型の複極式電解槽の側面図の一部を電解液の流れと共に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of a side view of an external header type bipolar electrolytic cell of the present embodiment together with a flow of an electrolytic solution. 本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す図である。It is a figure showing the outline of the electrolysis device for alkaline water electrolysis of this embodiment. 実施例1〜5及び比較例1についての電極の劣化評価の結果を示す。縦軸に電圧上昇値を示し、横軸に通電/停止の繰り返し回数を示す図である。The results of electrode degradation evaluation for Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are shown. The vertical axis shows the voltage rise value, and the horizontal axis shows the number of repetitions of energization / stop.

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, a mode for carrying out the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.

(電解槽)
図1に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体について側面図で示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50は、特に限定されないが、例えば、図1に示すとおり、陽極2aと、陰極2cと、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1と、隔壁1を縁取る外枠3とを備える複数の複極式エレメント60が隔膜4を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽50としてよい。
(Electrolyzer)
FIG. 1 is a side view showing an example of a bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis according to the present embodiment.
The bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 1, an anode 2a, a cathode 2c, a partition wall 1 for separating the anode 2a and the cathode 2c, The bipolar electrolytic cell 50 may include a plurality of bipolar elements 60 including the outer frame 3 surrounding the partition wall 1 and stacked with the diaphragm 4 interposed therebetween.

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。
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、低電流、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 bipolar type is one of the methods of connecting a large number of cells to a power source. A plurality of bipolar elements 60 having one side serving as an anode 2a and one side serving as a cathode 2c are arranged in the same direction and connected in series. This is the method of connecting to the power supply.
The bipolar electrolyzer 50 has a feature that the current of the power supply can be reduced, and a compound, a predetermined substance, or the like can be mass-produced in a short time by electrolysis. If the output of the power supply equipment is the same, low current and high voltage are cheaper and more compact, so a double pole type is more preferable than a single pole type industrially.

図2に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電解室、ヘッダー、導管について斜視図で示す。
本実施形態における複極式電解槽50では、電解槽50に電解液が通過する電極室5が画成されており、特に限定されないが、例えば、図2に示すとおり、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより、電極室5が画成されていてよい。
また、本実施形態における複極式電解槽50は、電極室5に連通するヘッダー10を備え、特に限定されないが、例えば、図2に示すとおり、外枠3の外方にヘッダー10を備えていてよい。
さらに、本実施形態における複極式電解槽50は、ヘッダー10に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管20が取り付けられていてよい。
FIG. 2 is a perspective view showing an electrolytic chamber, a header, and a conduit of an example of the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present embodiment.
In the bipolar electrolytic cell 50 according to the present embodiment, the electrode chamber 5 through which the electrolytic solution passes is defined in the electrolytic cell 50. Although not particularly limited, for example, as shown in FIG. The electrode chamber 5 may be defined by the and the diaphragm 4.
Further, the bipolar electrolytic cell 50 in the present embodiment includes a header 10 communicating with the electrode chamber 5, and is not particularly limited. For example, as illustrated in FIG. 2, the header 10 is provided outside the outer frame 3. May be.
Further, the bipolar electrolytic cell 50 in the present embodiment may be provided with the conduit 20 which is a pipe for collecting gas or electrolyte solution distributed or collected on the header 10.

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50は、図2に示すように、電極室と該電極室に連通する流路とを備え、流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする。
上記構成により、電解槽50の電解セル65への通電が停止された場合に、電流遮断弁を閉じることによって、電極室に電解液を供給する流路により形成される漏洩電流回路を、容易に、迅速に、確実に、遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することができる。そのため、本実施形態の電解槽50によれば、電解停止時に生じる逆電流により電極が劣化することを抑制することができる。
As shown in FIG. 2, the bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis according to the present embodiment includes an electrode chamber and a flow path communicating with the electrode chamber, and a current cutoff valve is provided in the flow path. It is characterized by.
With the above configuration, when the power supply to the electrolytic cell 65 of the electrolytic cell 50 is stopped, by closing the current cutoff valve, the leakage current circuit formed by the flow path for supplying the electrolytic solution to the electrode chamber can be easily formed. It is possible to shut off quickly, reliably, and to prevent the occurrence of reverse current as much as possible. Therefore, according to the electrolytic cell 50 of the present embodiment, it is possible to suppress the electrode from being deteriorated due to the reverse current generated when the electrolysis is stopped.

本実施形態では、図2に示すように、電流遮断弁が流路を遮断可能なように設けられる。
ここで、「流路を遮断する」とは、上記逆電流の発生をなくす、又は最小化することをいい、具体的には、上記漏洩電流の電流密度を0.1mA/m以下にすることをいう。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the current cutoff valve is provided so as to be able to cut off the flow path.
Here, "blocking the flow path" means eliminating or minimizing the generation of the reverse current, and specifically, setting the current density of the leakage current to 0.1 mA / m 2 or less. That means.

図3に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の例を平面図で示す。
本実施形態では、電解槽50は、図2、図3に示すように、流路を備え電極室に連通するヘッダー10、流路を備えヘッダー10に連通する導管20をさらに備えていてよく、電流遮断弁は、図2、図3に示すように、ヘッダー10、導管20に設けられていてよい。
FIG. 3 is a plan view showing an example of the external header type bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present embodiment.
In this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the electrolytic cell 50 may further include a header 10 having a flow path and communicating with the electrode chamber, and a conduit 20 having a flow path and communicating with the header 10. The current cutoff valve may be provided on the header 10 and the conduit 20, as shown in FIGS.

本実施形態では、電流遮断弁が絶縁性材料を含むことが好ましい。   In the present embodiment, the current cutoff valve preferably includes an insulating material.

本実施形態では、電流遮断弁が設けられている箇所に対応するヘッダーの部分が絶縁性材料を含むことが好ましい。
絶縁性材料としては、詳細には、フッ素ゴム(FKM)、ニトリルゴム(NBR)、テトラフルオロエチレンプロピレンゴム(FEPM)、パーフロロゴム(FFKM)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)等が挙げられる。
In the present embodiment, the header portion corresponding to the location where the current cutoff valve is provided preferably contains an insulating material.
As the insulating material, specifically, fluorine rubber (FKM), nitrile rubber (NBR), tetrafluoroethylene propylene rubber (FEPM), perfluoro rubber (FFKM), ethylene propylene rubber (EPDM), ethylene tetrafluoride resin (PTFE) ), Polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), and the like.

電流遮断弁や上述のヘッダーの部分に用いられる絶縁性材料としては、フッ素ゴム(FKM)、ニトリルゴム(NBR)、テトラフルオロエチレンプロピレンゴム(FEPM)、パーフロロゴム(FFKM)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が挙げられ、フッ素ゴム(FKM)、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)が好ましい。   Insulating materials used for the current cutoff valve and the above-mentioned header portion include fluoro rubber (FKM), nitrile rubber (NBR), tetrafluoroethylene propylene rubber (FEPM), perfluoro rubber (FFKM), and ethylene propylene rubber (EPDM). , Fluorotetrafluoroethylene resin (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and the like, and fluororubber (FKM), tetrafluoroethylene resin (PTFE), polypropylene (PP), and polyphenylene sulfide (PPS) are preferable.

本実施形態では、電流遮断弁がヘッダーの流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられることが好ましい。かかる構成によれば、弁設置にかかるコストを低減することができる。
なお、図2に示す例では、ヘッダーの流路の断面積はヘッダーの延在長さに亘って一定であり、電流遮断弁はヘッダーの延在長さに関して任意の位置に設けられている。
In the present embodiment, it is preferable that the current cutoff valve is provided at a location where the cross-sectional area is the smallest in the flow path of the header. According to such a configuration, the cost for installing the valve can be reduced.
In the example shown in FIG. 2, the cross-sectional area of the flow path of the header is constant over the extension length of the header, and the current cutoff valve is provided at an arbitrary position with respect to the extension length of the header.

本実施形態では、電流遮断弁の駆動は、手動、ガス圧力、電気エネルギー等によりなされてよい。   In the present embodiment, the drive of the current cutoff valve may be performed manually, by gas pressure, by electric energy, or the like.

本実施形態では、電流遮断弁としては、ボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁等が挙げられ、ボール弁、ゲート弁が好ましい。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In the present embodiment, examples of the current cutoff valve include a ball valve, a globe valve, a gate valve, a butterfly valve, a diaphragm valve, a check valve, and the like, and a ball valve and a gate valve are preferable.
These may be used alone or in combination of two or more.

電流遮断弁の抵抗としては、各々、好ましくは1Ω以上であり、より好ましくは1kΩ以上であり、さらに好ましくは1MΩ以上である。
電流遮断弁の抵抗率としては、各々、10−1Ω・m以上であり、好ましくは10Ω・m以上であり、更に好ましくは、10Ω・m以上である。
なお、抵抗及び抵抗率は、JIS K6911に準じて測定されるものとする。
The resistance of each of the current cutoff valves is preferably 1 Ω or more, more preferably 1 kΩ or more, and further preferably 1 MΩ or more.
The resistivity of each of the current cutoff valves is at least 10 −1 Ω · m, preferably at least 10 4 Ω · m, more preferably at least 10 6 Ω · m.
The resistance and the resistivity are measured according to JIS K6911.

以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50の主要構成について詳細に説明する。   Hereinafter, a main configuration of the bipolar electrolytic cell 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment will be described in detail.

((複極式エレメント))
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽50に用いられる複極式エレメント60は、図1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3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3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。
((Double pole element))
As shown in FIG. 1, a bipolar element 60 used in a bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis includes, as shown in FIG. 1, a partition 1 that separates an anode 2 a and a cathode 2 c, and an outer frame that borders the partition 1. 3 is provided. More specifically, the partition 1 has conductivity, and the outer frame 3 is provided so as to surround the partition 1 along the outer edge of the partition 1.

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、図3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(図1〜図3参照)。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。   Note that, in the present embodiment, the bipolar element 60 may be used so that a given direction D1 along the partition wall 1 is generally a vertical direction. Specifically, FIG. 2 and FIG. When the shape of the partition wall 1 in a plan view is rectangular as shown in the drawing, the partition wall 1 is used such that a given direction D1 along the partition wall 1 is the same as the direction of one set of two opposite sides. (See FIGS. 1 to 3). In this specification, the vertical direction is also referred to as an electrolyte passage direction.

本実施形態では、図1に示すとおり、複極式電解槽50は複極式エレメント60を必要数積層することで構成されている。
図1に示す一例では、複極式電解槽50は、一端からファストヘッド51g、絶縁板51i、陽極ターミナルエレメント51aが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7、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。陽極側ガスケット部分7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。陽極側ガスケット部分7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、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51c、絶縁板51i、ルーズヘッド51gをこの順番で配置される。複極式電解槽50は、全体をタイロッド方式51r(図1参照)や油圧シリンダー方式等の締め付け機構により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。
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。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the bipolar electrolytic cell 50 is configured by laminating a required number of bipolar elements 60.
In the example shown in FIG. 1, the bipolar electrolytic cell 50 has a fast head 51g, an insulating plate 51i, and an anode terminal element 51a arranged in this order from one end, and further includes an anode-side gasket portion 7, a diaphragm 4, and a cathode-side gasket portion. 7. The bipolar element 60 is arranged in this order. At this time, the bipolar element 60 is arranged so that the cathode 2c faces the anode terminal element 51a. From the anode side gasket portion 7 to the bipolar element 60, the number required for the design production amount is repeatedly arranged. After the necessary number of the anode side gasket portion 7 to the bipolar element 60 are repeatedly arranged, the anode side gasket portion 7, the diaphragm 4, and the cathode side gasket portion 7 are arranged again, and finally, the cathode terminal element 51c, the insulation The plate 51i and the loose head 51g are arranged in this order. The bipolar electrolytic cell 50 is formed into a body by tightening the whole by a tie rod type 51r (see FIG. 1) or a hydraulic cylinder type tightening mechanism.
The arrangement of the bipolar electrolytic cell 50 can be arbitrarily selected from either the anode 2a side or the cathode 2c side, and is not limited to the above order.

図1に示すように、複極式電解槽50では、複極式エレメント60が、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との間に配置されている。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。   As shown in FIG. 1, in the bipolar electrolytic cell 50, the bipolar element 60 is disposed between the anode terminal element 51a and the cathode terminal element 51c. The diaphragm 4 is arranged between the anode terminal element 51a and the bipolar element 60, between the adjacent bipolar elements 60, and between the bipolar element 60 and the cathode terminal element 51c. .

また、本実施形態における複極式電解槽50では、図2、図3に示すとおり、隔壁1と外枠3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。   In the bipolar electrolytic cell 50 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, an electrode chamber 5 through which the electrolytic solution passes is defined by the partition wall 1, the outer frame 3, and the diaphragm 4.

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 electrolytic cell 50, a portion between the two partition walls 1 between two adjacent bipolar elements 60, and a portion between the adjacent bipolar element 60 and the terminal element The portion between the partitions 1 is referred to as an electrolytic cell 65. The electrolytic cell 65 includes a partition 1, an anode chamber 5a, an anode 2a, and a diaphragm 4 of one element, and a cathode 2c, a cathode chamber 5c, and the partition 1 of the other element.

詳細には、電極室5は、外枠3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5iと、電極室5から電解液を導出する電解液出口5o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5ai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5ao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5ci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5coとが設けられる。   Specifically, the electrode chamber 5 has an electrolyte inlet 5 i for introducing an electrolyte into the electrode chamber 5 and an electrolyte outlet 5 o for leading the electrolyte from the electrode chamber 5 at the boundary with the outer frame 3. More specifically, the anode chamber 5a is provided with an anode electrolyte inlet 5ai for introducing an electrolyte into the anode chamber 5a and an anode electrolyte outlet 5ao for leading an electrolyte derived from the anode chamber 5a. Similarly, the cathode chamber 5c is provided with a cathode electrolyte inlet 5ci for introducing an electrolyte into the cathode chamber 5c and a cathode electrolyte outlet 5co for extracting an electrolyte derived from the cathode chamber 5c.

そして、本実施形態における複極式電解槽50は、外枠3の外方に、電極室5に連通するヘッダー10を備える(図2、図3参照)。   The bipolar electrolytic cell 50 in the present embodiment includes a header 10 that communicates with the electrode chamber 5 outside the outer frame 3 (see FIGS. 2 and 3).

図2、図3に示す一例では、複極式電解槽50に、ガスや電解液を配液又は集液する管であるヘッダー10が取り付けられる。詳細には、ヘッダー10は、電極室5に電解液を入れるための入口ヘッダーと電極室5からガスや電解液を出すための出口ヘッダーとからなる。
一例では、隔壁1の端縁にある外枠3の下方に、陽極室5aに電解液を入れる陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極室5cに電解液を入れる陰極入口ヘッダー10Ociとを備えており、また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3の側方に、陽極室5aから電極液を出す陽極出口ヘッダー10Oaoと、陰極室5cから電解液を出す陰極出口ヘッダー10Ocoとを備えている。
また、一例では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとが、電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設けられている。
In an example shown in FIGS. 2 and 3, a header 10 which is a pipe for distributing or collecting a gas or an electrolytic solution is attached to a bipolar electrolytic cell 50. Specifically, the header 10 includes an inlet header for putting the electrolyte into the electrode chamber 5 and an outlet header for taking out the gas and the electrolyte from the electrode chamber 5.
In one example, below the outer frame 3 at the edge of the partition 1, an anode inlet header 10Oai for putting the electrolyte in the anode chamber 5a and a cathode inlet header 10Oci for putting the electrolyte in the cathode chamber 5c are provided. Similarly, on the side of the outer frame 3 at the edge of the partition 1, an anode outlet header 10Oao for discharging the electrode solution from the anode chamber 5a and a cathode outlet header 10Oco for discharging the electrolyte from the cathode chamber 5c are provided. .
In one example, in the anode chamber 5a and the cathode chamber 5c, the inlet header and the outlet header are provided so as to face each other with the central portion of the electrode chamber 5 interposed therebetween.

特に、この一例の複極式電解槽50は、複極式電解槽50とヘッダー10とが独立している形式である外部ヘッダー10O型を採用している。
図4に、本実施形態の外部ヘッダー型のアルカリ水電解用複極式電解槽の側面図の一部を電解液の流れと共に示す。
In particular, the bipolar electrolytic cell 50 of this example employs an external header 100 type in which the bipolar electrolytic cell 50 and the header 10 are independent.
FIG. 4 shows a part of a side view of the external header type bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present embodiment together with the flow of the electrolytic solution.

なお、図1〜図3に示す複極式電解槽に取り付けられるヘッダー10の配設態様として、代表的には、内部ヘッダー10I型と外部ヘッダー10O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。   In addition, as a disposition mode of the header 10 attached to the bipolar electrolytic cell shown in FIGS. 1 to 3, typically, there are an internal header 10I type and an external header 10O type. A mold may be adopted, and there is no particular limitation.

さらに、図2、図3に示す一例では、ヘッダー10に、ヘッダー10に配液又は集液されたガスや電解液を集める管である導管20が取り付けられる。詳細には、導管20は、入口ヘッダーに連通する配液管と出口ヘッダーに連通する集液管とからなる。
一例では、外枠3のうちの下方に、陽極入口ヘッダー10Oaiに連通する陽極用配液管20Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociに連通する陰極用配液管20Ociとを備えており、また、同様に、外枠3のうちの側方に、陽極出口ヘッダー10Oaoに連通する陽極用集液管20Oaoと、陰極出口ヘッダー10Ocoに連通する陰極用集液管20Ocoとを備えている。
Further, in one example shown in FIGS. 2 and 3, a conduit 20 which is a pipe for collecting gas or electrolyte solution distributed or collected in the header 10 is attached to the header 10. Specifically, the conduit 20 is composed of a liquid distribution pipe communicating with the inlet header and a liquid collecting pipe communicating with the outlet header.
In one example, a lower part of the outer frame 3 is provided with an anode liquid distribution pipe 20Oai communicating with the anode inlet header 100ai and a cathode liquid distribution pipe 20Oci communicating with the cathode inlet header 100ci. An anode liquid collecting tube 20Oao communicating with the anode outlet header 10Oao and a cathode liquid collecting tube 20Oco communicating with the cathode outlet header 10Oco are provided on the side of the outer frame 3.

本実施形態では、陽極室5a及び陰極室5cにおいて、入口ヘッダーと出口ヘッダーとは、水電解効率の観点から、離れた位置に設けられることが好ましく、電極室5の中央部を挟んで向かい合うように設けられることが好ましく、図2、図3に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、長方形の中心に関して対称となるように設けられることが好ましい。   In the present embodiment, in the anode chamber 5a and the cathode chamber 5c, the inlet header and the outlet header are preferably provided at separate positions from the viewpoint of water electrolysis efficiency, and face each other with the central portion of the electrode chamber 5 interposed therebetween. When the shape of the partition wall 1 in a plan view is rectangular as shown in FIGS. 2 and 3, it is preferable that the partition wall 1 be provided symmetrically with respect to the center of the rectangle.

通常、図2、図3に示すように、陽極入口ヘッダー10Oai、陰極入口ヘッダー10Oci、陽極出口ヘッダー10Oao、陰極出口ヘッダー10Ocoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、各電極室5にそれぞれ複数設けられてもよい。
また、通常、陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci、陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Ocoは、各電極室5に1つずつ設けられるが、本実施形態では、これに限定されず、複数の電極室5で兼用されてもよい。
Usually, as shown in FIGS. 2 and 3, the anode inlet header 10 Oai, the cathode inlet header 10 Oci, the anode outlet header 10 Oao, and the cathode outlet header 10 Oco are provided one by one in each electrode chamber 5. The present invention is not limited to this, and a plurality of electrode chambers 5 may be provided.
Usually, the anode liquid distribution pipe 20Oai, the cathode liquid distribution pipe 20Oci, the anode liquid collection pipe 20Oao, and the cathode liquid collection pipe 20Oco are provided one by one in each electrode chamber 5, but in the present embodiment, The present invention is not limited to this, and a plurality of electrode chambers 5 may also be used.

なお、図示した例では、平面視で長方形形状の隔壁1と平面視で長方形形状の隔膜4とが平行に配置され、また、隔壁1の端縁に設けられる直方体形状の外枠の隔壁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。しかしながら、本発明において、電極室5の形状は、図示の例の直方体に限定されることなく、隔壁1や隔膜4の平面視形状、外枠3の隔壁1側の内面と隔壁1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 illustrated example, a rectangular partition wall 1 in a plan view and a rectangular diaphragm 4 in a plan view are arranged in parallel, and a rectangular parallelepiped outer frame provided on an edge of the partition wall 1 on the partition 1 side. Is perpendicular to the partition 1, the shape of the electrode chamber 5 is a rectangular parallelepiped. However, in the present invention, the shape of the electrode chamber 5 is not limited to the rectangular parallelepiped in the illustrated example, and the shape of the partition 1 and the diaphragm 4 in a plan view and the inner surface of the outer frame 3 on the partition 1 side and the partition 1 are formed. The shape may be appropriately changed depending on the angle or the like, and may have any shape as long as the effects of the present invention can be obtained.

本実施形態では、ヘッダー10の延在方向は、特に限定されない。   In the present embodiment, the extending direction of the header 10 is not particularly limited.

本実施形態では、導管20の延在方向は、特に限定されないが、図2、図3に示す一例のように、本発明の効果を得られやすくする観点から、配液管20Oi(陽極用配液管20Oai、陰極用配液管20Oci)及び集液管20Oo(陽極用集液管20Oao、陰極用集液管20Oco)は、ぞれぞれ、隔壁1に垂直な方向に延びることが好ましく、導管20のいずれもが、隔壁1に垂直な方向に延びることがさらに好ましい。   In the present embodiment, the extending direction of the conduit 20 is not particularly limited. However, from the viewpoint of easily obtaining the effects of the present invention, as shown in an example shown in FIGS. The liquid tube 20Oai, the liquid distribution tube 20Oci for the cathode, and the liquid collection tube 20Oo (the liquid collection tube 20Oao for the anode, the liquid collection tube 20Oco for the cathode) preferably extend in a direction perpendicular to the partition wall 1, respectively. More preferably, each of the conduits 20 extends in a direction perpendicular to the partition wall 1.

本実施形態では、電解槽50における流路のどこか一箇所又は複数箇所に、1個又は複数個の電流遮断弁90が設けられていればよく、より具体的には、ヘッダー10Oの一箇所又は複数箇所に、1個又は複数個の電流遮断弁90が設けられていてよく、導管20Oの一箇所又は複数箇所に、1個又は複数個の電流遮断弁90が設けられていてよい。
なお、図2、図3に示す例では、ヘッダー10Oの複数箇所、及び導管20Oの複数箇所に、複数個の電流遮断弁90が設けられている。
In the present embodiment, one or a plurality of current cutoff valves 90 may be provided at any one or a plurality of locations in the flow path in the electrolytic cell 50, and more specifically, one location of the header 10O. Alternatively, one or more current cutoff valves 90 may be provided at a plurality of locations, and one or more current cutoff valves 90 may be provided at one or more locations of the conduit 20O.
In the example shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of current cutoff valves 90 are provided at a plurality of locations of the header 100 and a plurality of locations of the conduit 200.

また、本実施形態では、電解槽50における流路のうち、入口側の流路及び/又は出口側の流路に電流遮断弁90が設けられていてよく、ヘッダー10Oのうち、入口ヘッダー10Oi及び出口ヘッダー10Ooに電流遮断弁90が設けられていてよく、導管20Oのうち、配液管20Oi及び集液管20Ooに電流遮断弁90が設けられていてよく、ヘッダー20Oの延在方向中央部に1個又は複数個設けられていてもよく、ヘッダー20Oの隣接する配液管20Oi同士の間に1個又は複数個設けられていてもよい。
なお、図2、図3に示す例では、ヘッダー10Oのうち、入口ヘッダー10Oi(陽極入口ヘッダー10Oai及び陰極入口ヘッダー10Oci)に電流遮断弁90が設けられており、出口ヘッダー10Oo(陽極出口ヘッダー10Oao及び陰極出口ヘッダー10Oco)に電流遮断弁90が設けられている。
In the present embodiment, among the flow paths in the electrolytic cell 50, the current cutoff valve 90 may be provided in the flow path on the inlet side and / or the flow path on the outlet side. A current cutoff valve 90 may be provided in the outlet header 10Oo, and a current cutoff valve 90 may be provided in the liquid distribution pipe 20Oi and the liquid collection pipe 20Oo of the conduit 20O. One or more may be provided, and one or more may be provided between adjacent liquid distribution pipes 20Oi of the header 20O.
In the examples shown in FIGS. 2 and 3, among the headers 100, the current cutoff valve 90 is provided at the inlet header 100i (the anode inlet header 100ai and the cathode inlet header 100ci), and the outlet header 100oo (the anode outlet header 100oo). And a cathode exit header 10Oco) is provided with a current cutoff valve 90.

本実施形態では、複数の電流遮断弁90が、各電解セル65が電気的に独立であるようにすることが可能なように、設けられることが望ましい。   In the present embodiment, it is desirable that a plurality of current cutoff valves 90 be provided so that each electrolysis cell 65 can be electrically independent.

以下、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50の構成要素について詳細に説明する。
また、以下では、本発明の効果を高めるための好適形態についても詳述する。
Hereinafter, the components of the bipolar electrolytic cell 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment will be described in detail.
Hereinafter, preferred embodiments for enhancing the effects of the present invention will be described in detail.

−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。
-Partition wall-
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 shape of the partition wall 1 in plan view is not particularly limited, and may be a rectangle (square, rectangle, etc.) or a circle (circle, ellipse, etc.). Here, the rectangle may have rounded corners.

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、図3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 1 may be used so that a given direction D1 along the partition 1 may be a vertical direction. Specifically, as shown in FIGS. If the shape is rectangular, it may be used such that a given direction D1 along the partition 1 is the same as the direction of one of the two opposing sides. In this specification, the vertical direction is also referred to as an electrolyte passage 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、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、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。   The material of the partition wall 1 is preferably a conductive material from the viewpoint of realizing uniform supply of electric power, and is nickel-plated on nickel, nickel alloy, mild steel, nickel alloy from the viewpoint of alkali resistance and heat resistance. Are preferred.

−電極−
本実施形態のアルカリ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。
−electrode−
In the hydrogen production by alkaline water electrolysis according to the present embodiment, reduction of energy consumption, specifically, reduction of electrolysis voltage is a major problem. Since the electrolysis voltage greatly depends on the electrodes 2, the performance of both electrodes 2 is important.

アルカリ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。   The electrolysis voltage of the alkaline water electrolysis is, in addition to the voltage required for the electrolysis of water theoretically determined, the overvoltage of the anodic reaction (oxygen generation), the overvoltage of the cathodic reaction (hydrogen generation), and the voltage between the anode 2a and the cathode 2c. And a voltage depending on the distance between the electrodes 2. Here, the overvoltage refers to a voltage that needs to be applied excessively beyond the theoretical decomposition potential when a certain current flows, and its value depends on the current value. When the same current flows, power consumption can be reduced by using the electrode 2 having a low overvoltage.

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, requirements for the electrode 2 include high conductivity, high oxygen generating ability (or hydrogen generating ability), and high wettability of the electrolyte on the surface of the electrode 2. No.

アルカリ水電解の電極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 electrode 2 for alkaline water electrolysis in addition to low overvoltage, corrosion of the base material and the catalyst layer of the electrode 2, falling off of the catalyst layer, and Dissolution, adhesion of inclusions to the diaphragm 4, and the like are unlikely to occur.

陽極及び陰極の導電性基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する観点で、メッシュ構造であることが好ましい。前記導電性基材の材質は、ニッケル鉄、バナジウム、モリブデン、銅、銀、マンガン、白金族、黒鉛及びクロム等からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。二種以上の金属からなる合金又は、二種以上の導電性物質の混合物を導電性基材に用いてもよい。金属ニッケルを導電性基材に用いるのが好ましい。   The structure of the conductive substrate of the anode and the cathode is preferably a mesh structure from the viewpoint of securing a specific surface area as a carrier and achieving both defoaming properties. The material of the conductive substrate may be at least one selected from the group consisting of nickel iron, vanadium, molybdenum, copper, silver, manganese, platinum group, graphite, chromium, and the like. An alloy composed of two or more metals or a mixture of two or more conductive substances may be used for the conductive substrate. Preferably, nickel metal is used for the conductive substrate.

−−陽極−−
陽極2aは、導電性基材と、導電性基材を被覆する触媒層と、を備え、触媒層は多孔質体であることが好ましい。なお、触媒層は導電性基材の表面全体を被覆していることが好ましい。
−−Anode−−
The anode 2a includes a conductive substrate and a catalyst layer that covers the conductive substrate, and the catalyst layer is preferably a porous body. The catalyst layer preferably covers the entire surface of the conductive substrate.

陽極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、酸素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。   The catalyst layer of the anode preferably contains nickel as an element in terms of durability against alkali and high activity against oxygen generation. The catalyst layer preferably contains at least one nickel compound selected from nickel oxide, nickel metal, nickel hydroxide, and a nickel alloy.

−−陰極−−
陰極2cとしては、特に限定されない。Ru−La−Pt系、Ru−Ce系、Pt−Ce系、及びPt−Ir系、Ir−Pt−Pd系、Pt−Ni系からなる群から選択される少なくとも一種のPt族化合物を含むことが好ましい。また、熱分解型活性陰極であることが好ましい。前記陰極の基材の構造は、担体として比表面積を確保すること、及び、脱泡性を両立する点で、メッシュ構造であることが好ましい。
−−Cathode−−
The cathode 2c is not particularly limited. Ru-La-Pt-based, Ru-Ce-based, Pt-Ce-based, and at least one Pt-group compound selected from the group consisting of Pt-Ir-based, Ir-Pt-Pd-based, and Pt-Ni-based Is preferred. Further, it is preferable to use a pyrolytic active cathode. The structure of the base material of the cathode is preferably a mesh structure from the viewpoint of securing a specific surface area as a carrier and achieving both defoaming properties.

陰極の触媒層は元素として、アルカリに対する耐久性と、水素発生に対する活性が高い点で、ニッケルを含むことが好ましい。触媒層は、酸化ニッケル、金属ニッケル、水酸化ニッケル及びニッケル合金から選ばれる少なくとも一種のニッケル化合物を含むことが好ましい。   The catalyst layer of the cathode preferably contains nickel as an element in terms of durability against alkali and high activity against hydrogen generation. The catalyst layer preferably contains at least one nickel compound selected from nickel oxide, nickel metal, nickel hydroxide, and a nickel alloy.

−外枠−
本実施形態における外枠3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。
−Outer frame−
The shape of the outer frame 3 in the present embodiment is not particularly limited as long as the partition 1 can be bordered.

−隔膜−
本実施形態のアルカリ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。
-Diaphragm-
As the diaphragm 4 used in the bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis according to the present embodiment, an ion-permeable diaphragm 4 is used to isolate generated hydrogen gas and oxygen gas while conducting ions. You. As the ion-permeable diaphragm 4, an ion-exchange membrane having an ion-exchange ability and a porous membrane that can penetrate an electrolyte can be used. The ion-permeable diaphragm 4 preferably has low gas permeability, high ionic conductivity, low electron conductivity, and high strength.

−電極室−
本実施形態における複極式電解槽50では、図2に示すとおり、隔壁1と外枠3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 room−
In the bipolar electrolytic cell 50 of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the partition 1, the outer frame 3, and the diaphragm 4 define an electrode chamber 5 through which the electrolytic solution passes.

−ガスケット−
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、隔壁1を縁取る外枠3同士の間に隔膜4を有するガスケット7が挟持されることが好ましい。
ガスケット7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。
-Gasket-
In the bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment, it is preferable that the gasket 7 having the diaphragm 4 is sandwiched between the outer frames 3 bordering the partition 1.
The gasket 7 is used for sealing between the bipolar element 60 and the diaphragm 4 and between the bipolar element 60 with respect to the electrolytic solution and the generated gas. Gas mixing between the two electrode chambers can be prevented.

−ヘッダー−
アルカリ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。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 electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis has a cathode chamber 5c and an anode chamber 5a for each electrolytic cell 65. In order to continuously perform the electrolysis reaction in the electrolytic cell 50, it is necessary to continuously supply the cathode solution 5c and the anode compartment 5a of each electrolysis cell 65 with an electrolytic solution sufficiently containing raw materials consumed by electrolysis. There is.

電解セル65は、複数の電解セル65に共通するヘッダー10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10ai、陰極用配液管は陰極入口ヘッダー10ci、陽極用集液管は陽極出口ヘッダー10ao、陰極用集液管は陰極出口ヘッダー10co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 electrolytic cell 65 is connected to an electrolyte supply / discharge pipe called a header 10 common to the plurality of electrolytic cells 65. In general, the liquid distributor for the anode is called the anode inlet header 10ai, the liquid distributor for the cathode is called the cathode inlet header 10ci, the liquid collector for the anode is called the anode outlet header 10ao, and the liquid collector for the cathode is called the cathode outlet header 10co. The electrolytic cell 65 is connected to a liquid distribution pipe for each electrode and a liquid collection pipe for each electrode through a hose or the like.

ヘッダー10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10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 10 is not particularly limited, but it is necessary to adopt a material that can sufficiently withstand operating conditions such as the corrosiveness of the electrolytic solution used, pressure and temperature. The material of the header 10 may be iron, nickel, cobalt, PTFE, ETFE, PFA, polyvinyl chloride, polyethylene, or the like.

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3の詳細構造により、変動するところ、外枠3の詳細構造は、外枠3に取り付けられるヘッダー10(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。複極式電解槽50のヘッダー10の配設態様としては、内部ヘッダー10I型及び外部ヘッダー10O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 3 provided at the outer end of the partition wall 1. It may differ depending on the disposition mode of the pipe for distributing or collecting the liquid). As a mode of disposing the header 10 of the bipolar electrolytic cell 50, an inner header 10I type and an outer header 100 type are typical.

本実施形態では、電流遮断弁の設置が容易であることから、外部ヘッダー10O型が好ましい。   In the present embodiment, the external header 100 type is preferable because the installation of the current cutoff valve is easy.

−外部ヘッダー−
外部ヘッダー10O型とは、複極式電解槽50とヘッダー10(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 100 type refers to a type in which the bipolar electrolytic cell 50 and the header 10 (a pipe for distributing or collecting an electrolytic solution) are independent.

外部ヘッダー10O型複極式電解槽50は、陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociとが、電解セル65の通電面に対し、垂直方向に、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10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociと、各電解セル65が、ホースで接続される。   The external header 10O type bipolar electrolytic cell 50 is configured such that the anode inlet header 10Oai and the cathode inlet header 10Oci run in parallel with the electrolytic cell 50 in a direction perpendicular to the energizing surface of the electrolytic cell 65. Provided. The anode inlet header 10Oai and the cathode inlet header 10Oci are connected to the respective electrolytic cells 65 by hoses.

外部ヘッダー10O型複極式電解槽50に外在的に接続される、陽極入口ヘッダー10Oaiと、陰極入口ヘッダー10Ociと、陽極出口ヘッダー10Oaoと、陰極出口ヘッダー10Ocoを総称して、外部ヘッダー10Oと呼ぶ。
外部ヘッダー10O型の例では、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に位置する部分に設けられたヘッダー10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10Oai及び陰極入口ヘッダー10Ociに接続されており、また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に位置する部分に設けられたヘッダー10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10Oao及び陰極出口ヘッダー10Ocoに接続されている。
The anode header 100 Oai, the cathode inlet header 100 Oci, the anode outlet header 100 Oao, and the cathode outlet header 100 Oco which are externally connected to the external header 10 O type bipolar electrolytic cell 50 are collectively referred to as an external header 10 O. Call.
In the example of the external header 100 type, a luminal member is installed in a header 10 through hole provided in a portion located below the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1, and the luminal member is Are connected to the anode inlet header 10Oai and the cathode inlet header 10Oci, and similarly, in the through hole for the header 10 provided in the upper portion of the outer frame 3 at the edge of the partition 1, A lumen member (for example, a hose or a tube) is installed, and the lumen member is connected to the anode outlet header 100Oao and the cathode outlet header 10Oco.

(アルカリ水電解用電解装置)
図5に、本実施形態のアルカリ水電解用電解装置の概要を示す。
本実施形態の複極式水電解槽を、他の要素も含む電解装置にして、水素製造装置として使用することで、電解効率が高い水素製造装置が提供できる。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置は、少なくとも、本実施形態の複極式水電解槽50、気液分離タンク72(水素分離タンク72h、酸素分離タンク72o)、電解液循環ポンプ71、水投入ポンプ73、電気分解用の電力供給用の整流器74を具備する。
本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70は、上記以外にも、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。
(Electrolysis device for alkaline water electrolysis)
FIG. 5 shows an outline of the electrolysis apparatus for alkaline water electrolysis of the present embodiment.
By using the bipolar water electrolysis tank of this embodiment as an electrolysis device including other components and using it as a hydrogen production device, a hydrogen production device with high electrolysis efficiency can be provided.
The electrolytic apparatus for alkaline water electrolysis of the present embodiment includes at least the bipolar water electrolysis tank 50, the gas-liquid separation tank 72 (hydrogen separation tank 72h, oxygen separation tank 72o), the electrolyte circulation pump 71, and the water A charging pump 73 and a rectifier 74 for supplying power for electrolysis are provided.
In addition to the above, the alkaline water electrolysis apparatus 70 of the present embodiment may include an oxygen concentration meter 75, a hydrogen concentration meter 76, a flow meter 77, a pressure gauge 78, a heat exchanger 79, and a pressure control valve 80.

本実施形態のアルカリ水電解用電解装置70によれば、本実施形態のアルカリ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、再生可能エネルギー等の変動電源での運転時に、高効率での水素製造を実現することが可能となり、電力供給を停止した際に生じる自己放電を低減して、電気制御システムの安定化が可能となる。
According to the electrolysis apparatus 70 for alkaline water electrolysis of the present embodiment, the effect of the bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment can be obtained.
That is, according to the present embodiment, during operation with a variable power supply such as renewable energy, it is possible to realize high-efficiency hydrogen production, reduce self-discharge that occurs when power supply is stopped, The electric control system can be stabilized.

(電解槽の使用方法)
本実施形態の電解槽の使用方法は、本実施形態の電解槽において、電解停止前に又は電解停止後に電流遮断弁を閉じることを特徴とする。
(How to use the electrolytic cell)
The method for using the electrolytic cell according to the present embodiment is characterized in that, in the electrolytic cell according to the present embodiment, the current cutoff valve is closed before or after the electrolysis is stopped.

本実施形態では、電解停止前に逆電流が流れるため、電解停止前又は電解停止後速やかに電流遮断弁を閉じることが、逆電流を抑制するうえで好ましく、具体的には、電解停止後2時間以内に電流遮断弁を閉じることが好ましい。
ここで、「電解停止」とは、通電させる電流が0.1mA/m以下になった時点をいい、好適には0(ゼロ)になった時点をいう。
また、電流遮断弁を閉じるタイミングは、より好ましくは電解停止後5分以内であり、さらに好ましくは電解停止後5秒以内である。
また、電解液を循環させた状態で電流遮断弁を閉止することによって発生するウォーターハンマー現象を抑制するために、電解液の循環が停止し電解液の内部状態が定常化したタイミングで電流遮断弁を閉じることが、好ましい。
In this embodiment, since a reverse current flows before the electrolysis is stopped, it is preferable to close the current cutoff valve before or immediately after the electrolysis is stopped in order to suppress the reverse current. It is preferred that the current cutoff valve be closed within an hour.
Here, “electrolysis stop” refers to a point in time when the electric current to be supplied becomes 0.1 mA / m 2 or less, and preferably a point in time when it becomes 0 (zero).
The timing for closing the current cutoff valve is more preferably within 5 minutes after the electrolysis is stopped, and even more preferably within 5 seconds after the electrolysis is stopped.
In addition, in order to suppress the water hammer phenomenon caused by closing the current cutoff valve while the electrolyte is circulated, the current cutoff valve is stopped at the timing when the circulation of the electrolyte is stopped and the internal state of the electrolyte is stabilized. Is preferably closed.

本実施形態では、通電を再開した後には弁を開放しないと電解液の過加熱を招くことから、電解再開後2時間以内に電流遮断弁を開けることが好ましい。
ここで、「電解再開」とは、通電させる電流が0(ゼロ)超になった時点とすることが好ましい。
また、電流遮断弁を開けるタイミングは、より好ましくは電解再開後1時間以内であり、より好ましくは30分以内であり、更に好ましくは5秒以内である。
また、電流遮断弁を開けるタイミングは、電解再開前であってもよい。
In the present embodiment, it is preferable to open the current cut-off valve within 2 hours after resuming the electrolysis, since overheating of the electrolytic solution is caused unless the valve is opened after the energization is restarted.
Here, the “restart of electrolysis” is preferably a point in time when the current to be supplied has exceeded 0 (zero).
The timing for opening the current cutoff valve is more preferably within one hour after the restart of electrolysis, more preferably within 30 minutes, and even more preferably within 5 seconds.
The timing for opening the current cutoff valve may be before the electrolysis is restarted.

本実施形態では、本発明の効果を高める観点から、電流遮断弁90を閉じる操作は、電解槽50に設けられた複数の電流遮断弁90に対して同時に行われることが好ましく、電解槽50に設けられた全ての電流遮断弁90に対して同時に行われることがより好ましい。   In the present embodiment, from the viewpoint of enhancing the effect of the present invention, the operation of closing the current cutoff valve 90 is preferably performed simultaneously on a plurality of current cutoff valves 90 provided in the electrolytic cell 50. More preferably, it is performed simultaneously for all the provided current cutoff valves 90.

本実施形態において用いられる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液等が挙げられる。
アルカリ塩の濃度としては、20質量%〜50質量%が好ましく、25質量%〜40質量%がより好ましい。
本実施形態では、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、25質量%〜40質量%のKOH水溶液が特に好ましい。
The electrolytic solution used in the present embodiment may be an alkaline aqueous solution in which an alkali salt is dissolved, and examples thereof include an NaOH aqueous solution and a KOH aqueous solution.
The concentration of the alkali salt is preferably from 20% by mass to 50% by mass, more preferably from 25% by mass to 40% by mass.
In the present embodiment, an aqueous solution of 25% by mass to 40% by mass of KOH is particularly preferable from the viewpoints of ionic conductivity, kinematic viscosity, and freezing during cooling.

本実施形態の電解槽の使用方法において、上記本発明の効果を高める観点から、電極室当たりの電解液の流量Qは、電極室5のサイズに応じて制御されるものであるが、1×10−7/秒〜1×10−2/秒であることが好ましく、1×10−6/秒〜1×10−3/秒であることがさらに好ましい。
電解液の動粘度νは、電解液の種類、濃度、温度によって決まるものである。
In the method of using the electrolytic cell of the present embodiment, the flow rate Q of the electrolytic solution per electrode chamber is controlled according to the size of the electrode chamber 5 from the viewpoint of enhancing the effect of the present invention. It is preferably from 10 −7 m 3 / sec to 1 × 10 −2 m 3 / sec, more preferably from 1 × 10 −6 m 3 / sec to 1 × 10 −3 m 3 / sec.
The kinematic viscosity ν of the electrolytic solution is determined by the type, concentration, and temperature of the electrolytic solution.

本実施形態の電解槽の使用方法において、本発明の効果を好適に得る観点からは、電解セル65内にある電解液の温度が室温〜150℃であることが好ましく、80℃〜130℃であることがさらに好ましい。   In the method for using the electrolytic cell of the present embodiment, from the viewpoint of suitably obtaining the effects of the present invention, the temperature of the electrolytic solution in the electrolytic cell 65 is preferably room temperature to 150 ° C, and 80 ° C to 130 ° C. It is more preferred that there be.

本実施形態の電解槽の使用方法において、電解セル65に与える電流密度としては、通常30kA/m以下であってよい。一定の電流密度での運転でもよく、電流密度が変動する運転でもよい。 In the method of using the electrolytic cell according to the present embodiment, the current density applied to the electrolytic cell 65 may be usually 30 kA / m 2 or less. Operation may be performed at a constant current density or an operation in which the current density fluctuates.

本実施形態の電解槽の使用方法において、電解セル65内の圧力としては、電解セル65の設計圧力の範囲で実施することができる。   In the method of using the electrolytic cell according to the present embodiment, the pressure in the electrolytic cell 65 can be set within the range of the design pressure of the electrolytic cell 65.

以上、図面を参照して、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の使用方法について例示説明したが、本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽、アルカリ水電解用複極式電解槽の使用方法は、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。   Above, with reference to the drawings, the method of using the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis of the present embodiment and the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis of the present embodiment has been described by way of example. The method of using the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis and the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis is not limited to the above examples, and the above embodiment can be appropriately modified.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

(電解装置の構成)
電解装置の構成は図5に示す通りとした。
(Configuration of electrolysis device)
The configuration of the electrolyzer was as shown in FIG.

電解槽は、図3及び図4に示す外部ヘッダー10O型の電解槽でセル数を10枚とした。
電解槽に用いたヘッダーは流路の断面積が同じものとし、電解槽に用いた導管は流路の断面積が同じものとした。
The electrolytic cell was an external header 100 type electrolytic cell shown in FIGS. 3 and 4 and had 10 cells.
The header used for the electrolytic cell had the same cross-sectional area of the flow path, and the conduit used for the electrolytic cell had the same cross-sectional area of the flow path.

電流遮断弁の型式は、ダイヤフラム弁又はボール弁とし、ダイヤフラム弁又はボール弁を構成する材料は、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)であった。
ボール弁について、抵抗は1MΩ以上であり、抵抗率は10Ω・mであった。
ダイヤフラム弁について、抵抗は1MΩ以上であり、抵抗率は10Ω・mであった。
電流遮断弁の設置方法は後述の通りとした。
電流遮断弁は、陽極入口ヘッダー(陽極入口側ホース)10Oai、陽極出口ヘッダー(陽極出口側ホース)10Oao、陰極入口ヘッダー(陰極入口側ホース)10Oci、陰極出口ヘッダー(陰極出口側ホース)10Ocoに各ホース毎に各々1箇所に設置した(図3参照)。
また、電流遮断弁は、陽極用配液管20Oai、陽極用集液管20Oao、陰極用配液管20Oci、陰極用集液管20Ocoにおいて、配液管の入口部及び中央部、集液管の出口部及び中央部に、各々1個ずつ設置した(図4参照)。
The type of the current cutoff valve was a diaphragm valve or a ball valve, and the material constituting the diaphragm valve or the ball valve was polypropylene (PP) or polyphenylene sulfide (PPS).
For the ball valve, the resistance was 1 MΩ or more and the resistivity was 10 6 Ω · m.
With respect to the diaphragm valve, the resistance was 1 MΩ or more, and the resistivity was 10 6 Ω · m.
The installation method of the current cutoff valve was as described later.
The current cutoff valve is provided in each of an anode inlet header (anode inlet side hose) 100 Oai, an anode outlet header (anode outlet side hose) 100 Oao, a cathode inlet header (a cathode inlet side hose) 100 Oci, and a cathode outlet header (a cathode outlet side hose) 100 Oco. One hose was installed at each location (see FIG. 3).
In addition, the current cutoff valves are provided at the inlet and the center of the liquid distribution pipe, and at the liquid collection pipe in the anode liquid distribution pipe 20Oai, the anode liquid collection pipe 20Oao, the cathode liquid distribution pipe 20Oci, and the cathode liquid collection pipe 20Oco. One piece was installed at each of the outlet and the center (see FIG. 4).

<電解装置の運転>
電解装置を25質量%のKOH水溶液を電極室当たりの電解液の流量1×10−3/秒となるように図5に示す電解液循環ポンプを調節して運転を行った。また、図5の熱交換器を利用して電解液循環時の液温度を80℃に保った。
図3の複極式エレメント60へは、図5の整流器74より、電流密度を8kA/mとして通電して電解を行った。通電は、12時間連続通電と12時間通電停止とを繰り返す方法で行い、連続通電と通電停止時とは必要に応じて、設置した遮断弁を各々開(通電時)、閉(停止時)した。
<Operation of electrolyzer>
The electrolytic apparatus was operated by adjusting the electrolytic solution circulation pump shown in FIG. 5 so that the flow rate of the electrolytic solution per electrode chamber was 1 × 10 −3 m 3 / sec with a 25% by mass KOH aqueous solution. The liquid temperature during circulation of the electrolytic solution was maintained at 80 ° C. using the heat exchanger of FIG.
Electrolysis was performed on the bipolar element 60 shown in FIG. 3 by passing a current from the rectifier 74 shown in FIG. 5 at a current density of 8 kA / m 2 . The energization was performed by repeating the continuous energization for 12 hours and the energization stop for 12 hours. The continuous energization and the stop of the energization were performed by opening (closing) and closing (stopping) the installed shut-off valves, respectively, as necessary. .

<実施例における電流遮断弁の条件>
実施例で使用した電流遮断弁の種類や実際に遮断の開閉を行った場所、電流遮断弁の開閉のタイミングは、下記表1の通りである。
なお、本実施例においては、電解停止は、通電させる電流が0(ゼロ)の時点とした。
<Conditions of the current cutoff valve in the embodiment>
The type of the current cutoff valve used in the embodiment, the place where the cutoff was actually opened and closed, and the timing of opening and closing the current cutoff valve are as shown in Table 1 below.
In this example, the electrolysis was stopped when the current to be supplied was 0 (zero).

Figure 2020012146
Figure 2020012146

<電極の劣化評価>
次に、電極の劣化評価の方法について説明する。
複極式エレメント60には、陽極及び陰極にエレメント毎に電圧測定用の端子がつけられており、通電を行う毎に通電開始10時間後の各エレメントの電圧を測定して平均値を算出した。連続通電と通電停止とを繰り返す毎に算出した電圧は少しずつ上昇を続けた。その上昇値により、電解槽の電極(陽極及び陰極)の劣化の程度を、次の評価基準により評価した。
○:電圧上昇値30mV未満、電極の劣化なし
×:電圧上昇値30mV以上、電極の劣化あり
<Evaluation of electrode deterioration>
Next, a method of evaluating electrode deterioration will be described.
In the bipolar element 60, terminals for voltage measurement are attached to the anode and the cathode for each element, and the voltage of each element was measured 10 hours after the start of energization every time the energization was performed, and the average value was calculated. . Each time the continuous energization and the energization stop were repeated, the calculated voltage continued to increase little by little. Based on the rise value, the degree of deterioration of the electrodes (anode and cathode) of the electrolytic cell was evaluated according to the following evaluation criteria.
:: Voltage rise value of less than 30 mV, no electrode deterioration ×: Voltage rise value of 30 mV or more, electrode deterioration

実施例1〜5について、繰り返し回数毎の電圧上昇値(数値の単位はmV)の測定結果を下記表2に示す。
また、比較例1として、設置した全ての遮断弁の開閉を行わずに、連続通電と通電停止とを繰り返した場合の電圧上昇値の測定結果も合わせて示した。
図6に、実施例1〜5及び比較例1についての電極の劣化評価の結果を示す。縦軸に電圧上昇値を示し、横軸に通電/停止の繰り返し回数を示す。
Table 2 below shows the measurement results of the voltage rise value (the unit of the numerical value is mV) for each of the repetitions for Examples 1 to 5.
Further, as Comparative Example 1, the measurement results of the voltage rise value when continuous energization and energization stop were repeated without opening and closing all the installed shutoff valves were also shown.
FIG. 6 shows the results of the electrode degradation evaluation for Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. The vertical axis shows the voltage rise value, and the horizontal axis shows the number of repetitions of energization / stop.

Figure 2020012146
Figure 2020012146

また、表2に示した電圧上昇値について上述の評価基準に従って評価した結果を下記表3に示す。   Table 3 below shows the results of the voltage rise values shown in Table 2 evaluated according to the evaluation criteria described above.

Figure 2020012146
Figure 2020012146

表3に示した通り、比較例1は連続通電と通電停止との繰り返し回数が400回を超えた時点で電極の劣化が認められる結果となった。比較例1は遮断弁を使用していないため、水電解装置の通電/停止の繰り返し運転において、電流遮断弁を開閉する効果は大きいといえる。   As shown in Table 3, in Comparative Example 1, deterioration of the electrode was observed when the number of times of continuous energization and energization stop exceeded 400 times. Since the comparative example 1 does not use the shutoff valve, it can be said that the effect of opening and closing the current shutoff valve is large in the repeated operation of energizing / stopping the water electrolysis device.

また、表3より、通電と停止の繰り返し運転を長期に亘り行うと、電流遮断弁を閉とするタイミングを2秒と早めにする方が、60秒と遅めにするよりも、電極の劣化が少ないことがわかる。   Also, from Table 3, when the repetitive operation of energization and stop is performed for a long period of time, the timing of closing the current cutoff valve is set to 2 seconds earlier than to 60 seconds later to deteriorate the electrode. Is small.

本発明によれば、電解停止時に生じる逆電流により、電極が劣化して過電圧が上昇することを抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that an electrode deteriorates and overvoltage rises by the reverse current which arises at the time of electrolysis stop.

1 隔壁
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 導電性弾性体
2r 集電体
3 外枠
4 隔膜
5 電極室
5a 陽極室
5c 陰極室
5i 電解液入口
5o 電解液出口
5ai 陽極電解液入口
5ao 陽極電解液出口
5ci 陰極電解液入口
5co 陰極電解液出口
6 整流板
6a 陽極整流板(陽極リブ)
6c 陰極整流板(陰極リブ)
7 ガスケット
10 ヘッダー
10I 内部ヘッダー
10O 外部ヘッダー
10Oai 陽極入口ヘッダー(陽極入口側ホース)
10Oao 陽極出口ヘッダー(陽極出口側ホース)
10Oci 陰極入口ヘッダー(陰極入口側ホース)
10Oco 陰極出口ヘッダー(陰極出口側ホース)
20 導管
20Oai 陽極用配液管
20Oao 陽極用集液管
20Oci 陰極用配液管
20Oco 陰極用集液管
50 複極式電解槽
51g ファストヘッド、ルーズヘッド
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
51i 絶縁板
51r タイロッド
60 複極式エレメント
65 電解セル
70 電解装置
71 電解液循環ポンプ
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 水投入ポンプ
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
90 電流遮断弁
D1 隔壁に沿う所与の方向(電解液通過方向)
S1 複極式エレメントの通電面の面積
S2 ヘッダーの流路の断面積
L2 ヘッダーの流路の長さ
Z ゼロギャップ構造
d 電解セルの厚さ
Reference Signs List 1 partition 2 electrode 2a anode 2c cathode 2e conductive elastic body 2r current collector 3 outer frame 4 diaphragm 5 electrode chamber 5a anode chamber 5c cathode chamber 5i electrolyte inlet 5o electrolyte outlet 5ai anode electrolyte inlet 5ao anode electrolyte outlet 5ci Cathode electrolyte inlet 5co Cathode electrolyte outlet 6 Rectifier plate 6a Anode rectifier plate (anode rib)
6c Cathode rectifier (cathode rib)
7 gasket 10 header 10I inner header 100 outer header 100ai anode inlet header (anode inlet side hose)
10Oao anode outlet header (anode outlet side hose)
10Oci cathode inlet header (cathode inlet side hose)
10Oco cathode outlet header (cathode outlet side hose)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Conduit 20Oai Anode distribution pipe 20Oao Anode collection pipe 20Oci Cathode distribution pipe 20Oco Cathode collection pipe 50 Bipolar electrolytic cell 51g Fast head, loose head 51a Anode terminal element 51c Cathode terminal element 51i Insulating plate 51r Tie rod 60 Bipolar element 65 Electrolysis cell 70 Electrolyzer 71 Electrolyte circulation pump 72 Gas-liquid separation tank 72 h Hydrogen separation tank 72 o Oxygen separation tank 73 Water injection pump 74 Rectifier 75 Oxygen analyzer 76 Hydrogen analyzer 77 Flowmeter 78 Pressure gauge 79 heat exchanger 80 pressure control valve 90 current cutoff valve D1 given direction along partition wall (electrolyte passage direction)
S1 Area of the conducting surface of the bipolar element S2 Cross-sectional area of the flow path of the header L2 Length of the flow path of the header Z Zero gap structure d Thickness of the electrolytic cell

Claims (12)

電極室と該電極室に連通する流路とを備え、前記流路に電流遮断弁が設けられていることを特徴とする、電解槽。   An electrolytic cell comprising: an electrode chamber; and a flow path communicating with the electrode chamber, wherein a current cutoff valve is provided in the flow path. 前記電流遮断弁が前記流路を遮断可能なように設けられる、請求項1に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to claim 1, wherein the current cutoff valve is provided so as to be able to cut off the flow path. 前記流路を備え前記電極室に連通するヘッダー、前記流路を備え前記ヘッダーに連通する導管からなる群から選ばれる少なくとも一つをさらに備える、請求項1又は2に記載の電解槽。   3. The electrolytic cell according to claim 1, further comprising at least one selected from the group consisting of a header having the flow path and communicating with the electrode chamber, and a conduit having the flow path and communicating with the header. 4. 前記電流遮断弁が絶縁性材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the current cutoff valve includes an insulating material. 前記電流遮断弁が設けられている箇所に対応する前記流路の部分が絶縁性材料を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a portion of the flow path corresponding to a location where the current cutoff valve is provided includes an insulating material. 前記電流遮断弁が前記流路のうち最も断面積が小さい箇所に設けられる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the current cutoff valve is provided at a portion of the flow passage having a smallest cross-sectional area. 前記電流遮断弁が手動、ガス圧力、電気エネルギーからなる群から選ばれる少なくとも一つにより駆動される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the current cutoff valve is driven by at least one selected from the group consisting of manual operation, gas pressure, and electric energy. 前記電流遮断弁がボール弁、グローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、チャッキ弁からなる群から選ばれる少なくとも一つである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解槽。   The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the current cutoff valve is at least one selected from the group consisting of a ball valve, a globe valve, a gate valve, a butterfly valve, a diaphragm valve, and a check valve. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解槽において、電解停止前又は電解停止後に前記電流遮断弁を閉じることを特徴とする、電解槽の使用方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the current cutoff valve is closed before or after the electrolysis is stopped. 電解停止後2時間以内に前記電流遮断弁を閉じる、請求項9に記載の電解槽の使用方法。   The use of the electrolytic cell according to claim 9, wherein the current cutoff valve is closed within 2 hours after stopping the electrolysis. 電解停止後30秒以内に前記電流遮断弁を閉じる、請求項10に記載の電解槽の使用方法。   The use of the electrolytic cell according to claim 10, wherein the current cutoff valve is closed within 30 seconds after stopping the electrolysis. 電解再開後60秒以内に前記電流遮断弁を開ける、請求項10又は11に記載の電解槽の使用方法。   The use of the electrolytic cell according to claim 10 or 11, wherein the current cutoff valve is opened within 60 seconds after restarting the electrolysis.
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