[发明专利]水电解装置

说明书

                      技术领域

本发明涉及一种固体电解质型水电解装置。

                      背景技术

近年来，使用固体聚合物电解质膜的高效水电解越来越受到人们的关注。作为该固体聚合物电解质水电解装置，已知的有例如图5所示的装置。在图5中，电解池41由串联连接的多个固体聚合物电解质膜单元42和配置在两端的通电用的端部电极板43、43构成。上述固体聚合物电解质膜单元42主要由固体聚合物电解质膜44，和设在该固体聚合物电解质膜44两侧的多孔质给电体45、45，和设在该多孔质给电体45、45外侧的复极式电极板46、46构成。上述固体聚合物电解质膜44一般为由质子导电性材料构成的高分子膜。上述复极式电极板46在上述端部电极板43、43间加电压时，一面为阴极，另一面为阳极。如果看一个复极式电极板46，其为与左右两侧的固体聚合物电解质膜单元42、42共通的构成部件。

图6为一个固体聚合物电解质膜单元42的分解断面图，在固体聚合物电解质膜44的两面设置有由铂族金属组成的多孔质催化剂层47。在固体聚合物电解质膜44的两侧，通过该固体聚合物电解质膜44、复极式电极板46和环状垫圈48，形成了被围成封闭状的空间，该空间分别成为了后述的阴极室A及阳极室B(图6中用两点点划线表示)。多孔质给电体45容纳在上述阴极室A及阳极室B中。上述固体聚合物电解质膜优选阳离子交换膜(例如氟树脂系磺酸阳离子交换膜、杜邦公司制ナフィオン 117、ナフィオン 115等)。

接下来对上述以往的水电解装置的运行进行说明。如图5所示，在端部电极板43、43间通入电流以使图5中左侧为阳极，右侧为阴极，此时，各复极式电极板46左侧部成为一个单元42的阴极，且右侧部成为另一个单元42的阳极。即，一个复极式电极板46在该复极式电极板的图中左侧的固体聚合物电解质膜单元42中成为阴极侧49的构成部件，在图中右侧的固体聚合物电解质膜单元42中成为阳极侧50的构成部件。这样，如图6所示，在各固体聚合物电解质膜单元42中，形成了位于固体聚合物电解质膜44右侧的阴极室A和位于固体聚合物电解质膜44左侧的阳极室B。

在该状态下，如果通过纯水供给通路51(参照图5)将纯水供给阳极室B，在阳极室B，发生如下反应：

产生了氧气。在阳极室B生成的质子伴随着少量水在具有质子传导性的固体高分子电解质膜44内移动，到达阴极室A。在阴极室A，该到达的质子引发了下述反应，产生了氢气：

在固体聚合物电解质型水电解装置中，氢气及氧气的生成过程大致如上所述，在该过程中产生的氢和氧按照例如图7所示的流动路线，被供给到各使用点。即，在图7中，在电解池52生成的氢气，经管线53，在氢分离罐54中与水分离后，经除湿器55被供给到各使用点。另一方面，在电解池52生成的氧气，经管线56，在氧分离罐57中与水分离后，被排放到大气中。

在规定的电压下，通入规定的电流进行水电解，为了减少水电解时消耗的电力，优选提高能量效率(电压效率×电流效率)。

在这里，电流效率与温度无关，其在大约90～98％的范围内。另一方面，电压效率由于表示为理论运转电压/实际电解电压，因此具有温度依存性。即，如果不将电解温度维持在较高的值，则上述实际电解电压上升，其结果导致电压效率降低。伴随着电解池的高性能化，以往最高限度为80％左右的电压效率，如果电解温度维持在80～120℃，则可以提高到96％左右。

但是，在以往的水电解装置中，由于下述原因需要在45℃的较低的电解温度下进行水电解，其结果是上述能量效率约为55％左右。

从费用等观点出发考虑，供给水电解的纯水被循环使用。为了将该水电解用纯水的纯度保持一定，防止对固体聚合物电解质膜污染，良好地进行水电解，需要将上述纯水中所含有的离子除去。一般地，目前作为该离子的去除手段，进行使用离子交换树脂的方法，但该离子交换树脂的耐热温度低(约为55℃)，因此以往的电解温度被设定在较低的温度-45℃左右。