JP2025076541A - Electrolysis module and electrolysis device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電解セルが配列された電解モジュール及び電解装置に関する。 The present invention relates to an electrolysis module and an electrolysis device in which electrolysis cells are arranged.
2つの電極を隔離する電解質を含む素子部が配置された電解セルが配列された電解モジュールは、作動温度に加熱された素子部で燃料ガスを電気分解し、水素や炭化水素等のエネルギーキャリアを合成する(特許文献1)。 An electrolysis module, which is an array of electrolysis cells in which an element part containing an electrolyte is arranged to separate two electrodes, electrolyzes fuel gas in the element part heated to an operating temperature, synthesizing energy carriers such as hydrogen and hydrocarbons (Patent Document 1).
素子部を作動温度に加熱するエネルギーの低減のため、電解セルの放熱を低減する技術が要求されている。 In order to reduce the energy required to heat the element to its operating temperature, technology is required to reduce heat dissipation from the electrolytic cell.
本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、電解セルの放熱を低減できる電解モジュール及び電解装置の提供を目的とする。 The present invention has been made to meet this demand, and aims to provide an electrolysis module and electrolysis device that can reduce heat dissipation from the electrolysis cell.
この目的を達成するための第1の態様は、2つの電極を隔離する電解質を含む素子部が配置された電解セルを含み、電解セルが配列され、素子部が電気的に直列に接続された電解モジュールであって、配列された電解セルの集合の外周に位置する外周部と、外周部に囲まれた中央部と、に電解セルを区画したときに、外周部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均は、中央部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均よりも大きい。 The first aspect for achieving this object is an electrolysis module including an electrolysis cell in which an element part containing an electrolyte is arranged to separate two electrodes, the electrolysis cells being arranged and the element parts being electrically connected in series, in which when the electrolysis cell is partitioned into an outer peripheral part located on the outer periphery of the set of arranged electrolysis cells and a central part surrounded by the outer peripheral part, the average area of the element parts included in the electrolysis cells in the outer peripheral part is larger than the average area of the element parts included in the electrolysis cells in the central part.
第2の態様は、第1の態様において、中央部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均は、外周部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均に対して40%以上である。 In the second aspect, the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the central portion is 40% or more of the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the peripheral portion in the first aspect.
第3の態様は、第1又は第2の態様において、中央部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均は、外周部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均に対して97%以下である。 In the third aspect, in the first or second aspect, the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the central portion is 97% or less of the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the peripheral portion.
第4の態様は、第1から第3の態様のいずれかの電解モジュールと、電極に接続された回路に電流を流す電源と、電源の出力を調整する調整部と、を備え、調整部は、予め定めた温度に設定された電解モジュールにおける吸熱と発熱とがバランスする熱中立点よりも高い電圧に中央部の平均の電圧を設定し、熱中立点よりも低い電圧に外周部の平均の電圧を設定する。 The fourth aspect includes an electrolysis module according to any one of the first to third aspects, a power source that passes a current through a circuit connected to the electrodes, and an adjustment unit that adjusts the output of the power source, and the adjustment unit sets the average voltage of the central portion to a voltage higher than the thermal neutral point where the heat absorption and heat generation are balanced in the electrolysis module set to a predetermined temperature, and sets the average voltage of the outer periphery to a voltage lower than the thermal neutral point.
本発明によれば、配列された電解セルの集合の外周に位置する外周部と、外周部に囲まれた中央部と、に電解セルを区画したときに、外周部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均は、中央部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均よりも大きい。素子部は直列に接続されているため、外周部と中央部に同じ電流が流れ、外周部における素子部の電流密度を、中央部における素子部の電流密度よりも小さくできる。中央部に比べて放熱が多い外周部の温度上昇を低減し、外周部の温度と雰囲気の温度との差を小さくできるため、電解セルの放熱を低減できる。 According to the present invention, when the electrolytic cell is divided into an outer periphery located on the outer periphery of the set of arranged electrolytic cells and a central portion surrounded by the outer periphery, the average area of the element parts included in the electrolytic cells in the outer periphery is larger than the average area of the element parts included in the electrolytic cells in the central portion. Since the element parts are connected in series, the same current flows in the outer periphery and the central portion, and the current density of the element parts in the outer periphery can be made smaller than the current density of the element parts in the central portion. By reducing the temperature rise in the outer periphery, which dissipates more heat than the central portion, and by reducing the difference between the temperature of the outer periphery and the temperature of the atmosphere, the heat dissipation of the electrolytic cell can be reduced.
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は第1実施の形態における電解モジュール10の斜視図である。電解モジュール10は複数の電解セル11を含む。電解セル11は、通気性を有する支持体12に素子部13が配置されている。電解モジュール10は、支持体12の片方の端に接続されたマニホールド14と、支持体12のもう片方の端に接続されたマニホールド15と、を含む。電解セル11はマニホールド14,15の間に配列されている。本実施形態では電解セル11が互いに間隔をあけて配列された20枚が3列並んでいる。
Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view of an
図2は電解セル11の断面図である。支持体12にはマニホールド14とマニホールド15との間をつなぐ、断面が円形の空洞16が複数設けられている。支持体12の外表面(表と裏)にそれぞれ素子部13が設けられている。支持体12は、支持体12の外表面と空洞16との間の通気性を有する。素子部13は、支持体12の外表面から順に、燃料極17、電解質18及び空気極19を含む。図2では素子部13の厚さが誇張して図示されている。本実施形態では電解セル11は、空洞16に沿って素子部13が並ぶ扁平円筒横縞形の電解セルである。
Figure 2 is a cross-sectional view of the
支持体12は電子伝導性を有しない部材であり、材料は安定化ジルコニアが例示される。安定化ジルコニアの安定化剤は、CaO,MgOが例示される。燃料極の材料は、Niを含む触媒とYが固溶したジルコニアとを含むもの、Niを含む触媒とGdが固溶したセリアとを含むものが例示される。触媒は、Ni,Ni基合金、NiOと酸化物(固体電解質)との複合体(焼結体)であるサーメットが例示される。
The
電解質18の材料は固体酸化物であり、安定化ジルコニア、セリア系固溶体、安定化ジルコニア及びセリア系固溶体から選択される1種または2種以上とアルミナとの固溶体が例示される。安定化ジルコニアの安定化剤は、CaO,MgO,Y2O3,Sc2O3,Yb2O3が例示される。セリア系固溶体のセリアに固溶する元素は、Gd,Sm,Yが例示される。
The material of the
空気極19の材料は、ペロブスカイト型酸化物であるLa1-XSrXMnO3-δ,La1-XSrXCoO3-δ,La1-XSrXCo1-YFeYO3-δ,Pr1-XSrXMnO3-δが例示される。
Examples of the material of the
インタコネクタ20は、隣り合う素子部13の空気極19と燃料極17とを接続する。インタコネクタ20の材料は導電性を有するLa1-XSrXTiO3-δが例示される。一つの電解セル11において素子部13はインタコネクタ20によって直列に接続されている。隣り合う電解セル11において素子部13は接続部材(図示せず)によって接続され、60枚の電解セル11に含まれる素子部13は直列に接続されている。
The
図1に戻って説明する。マニホールド14は、電解セル11の各々に燃料ガスを供給する。燃料ガスは、水蒸気、二酸化炭素、それらの混合ガスが例示される。電解セル11の各々を通過した使用済みの燃料ガスはマニホールド15に供給される。電解セル11の外側を酸化剤ガスが流れる。酸化剤ガスは空気、酸素が例示される。
Returning to FIG. 1, the
素子部13の空気極19(図2参照)に電源(図示せず)の正極が接続され、燃料極17に電源の負極が接続されると、燃料極17に向かって電子が流れ出す。支持体12を通過した燃料ガスは燃料極17で還元される。空気極19では電子が奪われるため、電解質18を経て空気極19へ移動した酸化物イオンは空気極19で酸化される。これにより水素や炭化水素等のエネルギーキャリアが電解セル11で合成される。
When the positive electrode of a power source (not shown) is connected to the air electrode 19 (see FIG. 2) of the
図3は電解モジュール10の電流-電圧特性および発熱特性を示すグラフである。燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素等の電気分解は吸熱反応であるため、素子部13の温度(マニホールド15に入る排ガスの温度)は、電流が流れ始める素子部13の開回路電圧(電流密度が0のときの素子部13の平均電圧)のときの温度と比較して、電流密度の増加に伴い低下する。さらに電流密度が増加すると、ジュール熱によって素子部13の温度は上昇に転じ、吸熱と発熱とがバランスする熱中立点Nに達する。
Figure 3 is a graph showing the current-voltage characteristics and heat generation characteristics of the
熱中立点Nでは電解セル11は発熱も吸熱もしないが、素子部13の電流密度が、熱中立点Nのときの素子部13の電流密度よりも低くなると、電解セル11は吸熱が優勢になるため温度は低下する。素子部13の電流密度が、熱中立点Nのときの素子部13の電流密度よりも高くなると、電解セル11は発熱が優勢になるため温度は上昇する。
At the thermal neutral point N, the
図1に戻って説明する。電解モジュール10は、通常、断熱容器(図示せず)の中に配置される。電解モジュール10はヒータ(図示せず)によって電解セル11が加熱され、素子部13が作動温度(例えば700℃程度)となる状態で使われる。加熱された電解セル11の放熱を低減すれば、素子部13を作動温度に加熱するエネルギーを低減できるため、エネルギーキャリアを合成する効率を向上できる。
Returning to FIG. 1, the
図4は電解モジュール10の平面図である。図4ではマニホールド14,15の図示が省略されている。外周部21は、配列された電解セル11の外周に位置する部分である。本実施形態では42本の電解セル11が外周部21に含まれる。中央部22は外周部21に囲まれた部分である。本実施形態では18本の電解セル11が中央部22に含まれる。電解セル11の集合を平面視したときに、外周部21に含まれる電解セル11を線で結ぶと一重の環ができる。中央部22に含まれる電解セル11は、その環の内側に位置する。
Figure 4 is a plan view of the
電解モジュール10は、外周部21における電解セル11に含まれる素子部13(図1参照)の面積の平均が、中央部22における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均よりも大きい。素子部13の面積とは、電解質18(図2参照)と燃料極17と空気極19とが重なり合う部分の面積をいう。素子部13の面積は、例えば燃料極17や空気極19の面積を変えることにより変えられる。素子部13の面積の平均とは、素子部13の面積の総和を、総和を求めた素子部13の数で除した値である。
In the
電解セル11の素子部13は電気的に直列に接続されているため、素子部13には同じ電流が流れる。外周部21における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均は、中央部22における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均よりも大きいため、外周部21における素子部13の電流密度を、中央部22における素子部13の電流密度よりも小さくできる。これにより外周部21における素子部13の温度上昇を低減できる。
The
中央部22は外周部21に囲まれており、外周部21は中央部22の反対側が開放されているため、外周部21の放熱は、中央部22の放熱よりも多い。中央部22に比べて放熱が多い外周部21の温度上昇を低減できるため、外周部21の温度と雰囲気の温度との差を小さくできる。これにより電解モジュール10はヒータ(図示せず)によって加熱された電解セル11の放熱を低減できる。従ってヒータが素子部13を作動温度に加熱するエネルギーを低減し、エネルギーキャリアを合成する効率を向上できる。
The
中央部22における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均は、外周部21における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均に対して40%以上であると、中央部22における素子部13の電流密度が過大になるのを防ぎ、中央部22における素子部13の劣化を低減できるため好ましい。中央部22における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均は、外周部21における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均に対して97%以下であると、中央部22における素子部13の発熱と外周部21における素子部13の発熱との差をつけることができるため好ましい。
It is preferable that the average area of the
図5は電解装置30のブロック図である。電解装置30は、電解モジュール10と、電解モジュール10の素子部13に電流を流す電源31と、電源31の出力を調整する調整部33と、を備えている。図5では電解モジュール10の外周部21及び中央部22における電解セル11に含まれる素子部13が、線分で表されている。線分の長さは、各部における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均の大きさを示している。
Figure 5 is a block diagram of the
電源31と素子部13とに接続された回路には、回路に流れる電流を測定する電流計32が配置されている。電源31は、単極性の脈流やパルス、直流を回路に出力する。
An
電解装置30は、電解セル11(図1参照)の温度を検知する温度計34を備えている。温度計34は、マニホールド15の付近に配置され、電解セル11の温度の代表値としてマニホールド15に入る排ガスの温度を検知する。但しこれに限られるものではなく、マニホールド15以外の部分に温度計34を配置し、電解セル11の温度の代表値を検知することは当然可能である。
The
電解装置30は、電解セル11を加熱するヒータ(図示せず)を備えている。ヒータは電解セル11を加熱できるものであれば制限がない。ヒータは、電解セル11に供給される燃料ガスや酸化剤ガスを加熱して電解セル11を加熱するもの、電解セル11の周囲から電解セル11を加熱するために電解セル11を収容する断熱容器に配置されるものが例示される。
The
調整部33は、CPU,ROM,RAM及びバックアップRAM(いずれも図示せず)を備えている。調整部33は、電流計32が検知した電流を取得し、素子部13の平均温度(電解セル11の温度)が熱中立点N(図3参照)に相当する温度になるように、電源31の出力を調整する。素子部13の面積は既知であるため、素子部13の平均温度を熱中立点Nに相当する温度にするために電解セル11に流す電流は、予め求められる。調整部33は、電流計32が検知した電流が、予め求めた電流と等しくなるように電源31の出力を調整する。
The
電流計32が検知した電流と予め求めた電流とが等しくなるように電源31の出力を調整部33が調整する代わりに、調整部33は、温度計34が検知した温度を取得し、素子部13の平均温度(電解セル11の温度)が熱中立点Nに相当する温度になるように、電源31の出力を調整しても良い。調整部33はこれらを併用しても良い。
Instead of the
電解モジュール10は、外周部21における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均が、中央部22における電解セル11に含まれる素子部13の面積の平均よりも大きいため、素子部13の平均温度が熱中立点Nに相当する温度になるように電解セル11に電流が流れると、中央部22に含まれる素子部13の平均電圧が、熱中立点Nに相当する電圧よりも高くなる。また、外周部21に含まれる素子部13の平均電圧は、熱中立点Nに相当する電圧よりも低くなる。
In the
その結果、中央部22に含まれる素子部13の平均温度は熱中立点Nに相当する温度よりも高くなり、外周部21に含まれる素子部13の平均温度は熱中立点Nに相当する温度よりも低くなる。これにより中央部22の活性化過電圧を外周部21の活性化過電圧よりも低くできる。その結果、電解モジュール10に電源31が投入するエネルギーに対して、中央部22は外周部21に比べ、高効率でエネルギーキャリアを合成できる。
As a result, the average temperature of the
さらに外周部21に含まれる素子部13の平均温度は熱中立点Nに相当する温度よりも低いため、外周部21の放熱を低減できる。ヒータ(図示せず)が素子部13を作動温度に加熱するエネルギーの損失を低減できるため、エネルギーキャリアを合成する効率を向上できる。
Furthermore, since the average temperature of the
電解装置30は、熱中立点Nに相当する素子部13の電流密度の付近で電気分解を行うため、新規に投入するエネルギーが少なくても素子部13の温度を維持できる。従って電解効率を確保できる。さらに素子部13の温度変化を低減できるため、素子部13の耐久性を向上できる。
The
図6及び図7を参照して第2実施の形態における電解モジュール40を説明する。第2実施形態では円筒縦縞形の電解セル41を含む電解モジュール40を説明する。図6は第2実施の形態における電解モジュール40の平面図である。電解モジュール40は複数の電解セル41を含む。本実施形態では電解セル41は縦に6本、横に3本の合計18本が配列されている。
The
図7は電解セル41の斜視図である。電解セル41は筒状であり素子部42を含む。素子部42は、内側から外側に向かって順に、空気極43、電解質44及び燃料極45を含む。インタコネクタ46は空気極43に接続されている。空気極43、電解質44、燃料極45及びインタコネクタ46の材料は、第1実施形態における電解セル11の空気極19、電解質18、燃料極17及びインタコネクタ20と同様なので説明を省略する。
Figure 7 is a perspective view of the
図6に戻って説明する。隣り合う電解セル41は導電体47によって接続されている。導電体47は隣り合う電解セル41のインタコネクタ46と燃料極45とに接している。導電体47は電解セル41の熱膨張を緩衝する機能も有する。導電体47はニッケル等を含む金属繊維の不織布が例示される。
Returning to FIG. 6, adjacent
導電体47を介して隣り合う電解セル41と異なる方向に隣り合う電解セル41は、絶縁体48によって電気的に絶縁されている。絶縁体48の材料はアルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニアが例示される。導電体47及び絶縁体48によって電解セル41は全部が直列に接続されている。電解セル41の中に酸化剤ガスが供給され、電解セル41の外に燃料ガスが供給された状態で、電圧が印加された素子部42において電気分解が行われる。
The
電解モジュール40は、電解セル41の集合の外周に位置する外周部49、及び、外周部49に囲まれた中央部50の2つに電解セル41を区画したときに、外周部49における電解セル41に含まれる素子部42の面積の平均が、中央部50における電解セル41に含まれる素子部42の面積の平均よりも大きい。外周部49における素子部42の電流密度を、中央部50における素子部42の電流密度よりも小さくできるため、外周部49における素子部42の温度上昇を低減できる。外周部49の温度と雰囲気の温度との差を小さくできるため、ヒータ(図示せず)によって加熱された電解セル41の放熱を低減できる。従ってヒータが素子部42を作動温度に加熱するエネルギーを低減し、エネルギーキャリアを合成する効率を向上できる。
When the
図8及び図9を参照して第3実施の形態における電解モジュール60を説明する。第3実施形態では円筒横縞形の電解セル61を含む電解モジュール60を説明する。図8は第3実施の形態における電解モジュール60の側面図である。図9は図8のIX-IX線における電解モジュール60の断面図である。
The
電解モジュール60は、互いに間隔をあけて配置された円筒形の複数の電解セル61の両端にマニホールド63,64がそれぞれ接続されている。電解セル61は、支持体、及び、支持体に複数が配置された素子部62を含む。素子部62は、支持体の外表面から順に、燃料極、電解質および空気極を含み、隣り合う素子部62はインタコネクタで接続されている(いずれも図示せず)。電解セル61に含まれる支持体、燃料極、電解質、空気極およびインタコネクタは、第1実施形態における電解セル11の支持体12、燃料極17、電解質18、空気極19及びインタコネクタ20と同様なので説明を省略する。素子部62は全てが直列に接続されている。
In the
マニホールド63は電解セル61の中に燃料ガスを供給する。電解セル61の各々を通過した使用済みの燃料ガスはマニホールド64に供給される。電解セル61の外を酸化剤ガスが流れる。電圧が印加された素子部62において電気分解が行われる。
The manifold 63 supplies fuel gas into the
電解モジュール60は、電解セル61の集合の外周に位置する外周部65、及び、外周部65に囲まれた中央部66の2つに電解セル61を区画したときに、外周部65における電解セル61に含まれる素子部62の面積の平均が、中央部66における電解セル61に含まれる素子部62の面積の平均よりも大きい。外周部65における素子部62の電流密度を、中央部66における素子部62の電流密度よりも小さくできるため、外周部65における素子部62の温度上昇を低減し、放熱を低減できる。
When the
図10及び図11を参照して第4実施の形態における電解モジュール70を説明する。第4実施形態では平板形の電解セル71を含む電解モジュール70を説明する。図10は第4実施の形態における電解モジュール70の斜視図である。本実施形態では電解セル71は縦に3個、横に3個の合計9個が配列されている。
The
電解セル71は、反応単位72と、反応単位72を厚さ方向に挟むエンドプレート73,74と、を含む。電解セル71の周縁に、反応単位72とエンドプレート73,74とを厚さ方向に貫通するボルト75が配置されている。反応単位72及びエンドプレート73,74はボルト75によって締結されている。本実施形態では反応単位72は複数が重なっている。
The
電解セル71の周縁を厚さ方向に貫通する4本の空間は、電解セル71の外から反応単位72の燃料室90(後述する)へガスが入る通路76、燃料室90から電解セル71の外へガスが出る通路77、電解セル71の外から反応単位72の空気室92(後述する)へガスが入る通路78、空気室92から電解セル71の外へガスが出る通路79としてそれぞれ機能する。
The four spaces that penetrate the periphery of the
図11は、通路76,77を通過する図10のXI-XI線において切断した電解セル71の分解図である。図11は一つの反応単位72を構成する部品を厚さ方向に離した、XI-XI線における断面図である。図11は各部の厚さが誇張して図示されている。反応単位72は、厚さ方向に順に、インタコネクタ80、燃料極フレーム81、セパレータ付きセル82、空気極フレーム83を含む。
Figure 11 is an exploded view of the
セパレータ付きセル82は、素子部84と、素子部84に配置されたセパレータ88と、を含む。インタコネクタ80、燃料極フレーム81、セパレータ88及び空気極フレーム83には穴(通路76-78)が貫通している。素子部84は、電解質85と、電解質85に隔離された燃料極86及び空気極87と、を含む。電解質85、燃料極86及び空気極87の材料は、第1実施形態における電解セル11の電解質18、燃料極17及び空気極19と同様なので説明を省略する。
The separator-equipped
セパレータ88は、空気極87よりも大きい開口が設けられた枠状の部材である。セパレータ88の材料はステンレス鋼が例示される。セパレータ88は、空気極87を避けて、ろう材等によって気密に電解質85に接合されている。
The
インタコネクタ80は、素子部84の厚さ方向の両側に配置された導電性を有する板状の部材である。インタコネクタ80は、厚さ方向に隣り合う反応単位72間を電気的に接続する。インタコネクタ80の材料はステンレス鋼が例示される。
The
燃料極フレーム81は、インタコネクタ80とセパレータ88との間に配置された枠状の部材である。燃料極フレーム81の材料はステンレス鋼が例示される。燃料極フレーム81は、素子部84と、インタコネクタ80の中央に設けられた集電体89と、を囲む。
The
集電体89は、燃料極86とインタコネクタ80とを電気的に接続する。集電体89の材料は、ガス透過性を有するNi等の金属製の多孔体が例示される。燃料極フレーム81の内側に、インタコネクタ80及びセパレータ付きセル82に囲まれた燃料室90が設けられる。
The
空気極フレーム83は、インタコネクタ80とセパレータ88との間に配置された枠状の部材である。空気極フレーム83の材料はマイカ等の絶縁体が例示される。空気極フレーム83は、インタコネクタ80の中央に設けられた集電体91を囲む。集電体91は空気極87とインタコネクタ80とを電気的に接続する。本実施形態では集電体91はインタコネクタ80と一体に形成されているが、これに限られるものではない。集電体91をインタコネクタ80と別の部材にすることは当然可能である。
The
空気極フレーム83の内側に、インタコネクタ80及びセパレータ付きセル82に囲まれた空気室92が設けられる。セパレータ88は燃料室90と空気室92とを隔離し、燃料室90内の燃料ガスと空気室92内の酸化剤ガスとが混ざらないようにする。
An
図10に戻って説明する。電解セル71は、エンドプレート73と反応単位72との間に配置されたターミナルプレート93と、エンドプレート74と反応単位72との間に配置されたターミナルプレート94と、を備えている。複数の反応単位72は、ターミナルプレート93,94の間に電気的に直列に接続されている。ターミナルプレート93は空気極87に接続し、ターミナルプレート94は燃料極86に接続する。ターミナルプレート93,94の張り出し部分は端子として機能する。ターミナルプレート94には穴(通路76-78)が貫通している。複数の電解セル71に含まれる素子部84は直列に接続されている。
Returning to FIG. 10, the
ターミナルプレート93に電源(図示せず)の正極が接続され、ターミナルプレート94に電源の負極が接続されると、素子部84の燃料極86に向かって電子が流れ出す。燃料室90に入った燃料ガスは燃料極86で還元される。素子部84の空気極87では電子が奪われるため、電解質85を経て空気極87へ移動した酸化物イオンは空気極87で酸化される。これにより水素や炭化水素等のエネルギーキャリアが電解セル71で合成される。
When the positive pole of a power supply (not shown) is connected to
電解モジュール70は、電解セル71の集合の外周に位置する外周部95(本実施形態では8個)、及び、外周部95に囲まれた中央部96(本実施形態では1個)の2つに電解セル71を区画したときに、外周部95における電解セル71に含まれる素子部84の面積の平均が、中央部96における電解セル71に含まれる素子部84の面積の平均よりも大きい。外周部95における素子部84の電流密度を、中央部96における素子部84の電流密度よりも小さくできるため、外周部95における素子部84の温度上昇を低減できる。電解モジュール70はヒータ(図示せず)によって加熱された電解セル71の放熱を低減できるため、ヒータが素子部84を作動温度に加熱するエネルギーを低減し、エネルギーキャリアを合成する効率を向上できる。
When the
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 The present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is in no way limited to the above embodiments, and it can be easily imagined that various improvements and modifications are possible within the scope of the invention without departing from its spirit.
実施形態における電解セル11,41,61,71の数や配列は一例であり、電解モジュールの要求特性に応じて適宜設定される。
The number and arrangement of the
第1実施形態では一つの電解セル11に複数の素子部13が設けられた電解モジュール10を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。複数の素子部13が設けられた電解セル11に、一つの素子部13を設けた電解セル11を混ぜて配列しても良いし、一つの素子部13を設けた電解セル11を複数配列しても良い。
In the first embodiment, an
第1実施形態では扁平円筒横縞形の電解セル11が配列されている場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。電解セル11のデザインを平板形や円筒横縞形に変更することは当然可能である。
In the first embodiment, the
第2実施形態では18本の全ての電解セル41が直列に接続された電解モジュール40を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば縦3本横3本の9本を直列に接続した2組を作り、その2組を並列に接続することは当然可能である。この場合、直列に接続した9本において外周部(8本)と、外周部に囲まれた中央部(1本)と、に電解セル41を区画したときの、中央部における電解セル41に含まれる素子部42の面積の平均が、外周部における電解セル41に含まれる素子部42の面積の平均より小さくなるようにする。
In the second embodiment, an
第3実施形態では電解セル61が群がっている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。電解セル61を縦横に整列したり横一列に並べたりすることは当然可能である。
In the third embodiment, the
第4実施形態では電解セル71のデザインが平板形の場合について説明した。平板形の電解セル71は、電極支持形でも良いし電解質支持形でも良い。Fe-Cr系等の金属の多孔体で電極および電解質を支持する金属支持形(金属支持平板形)でも良い。
In the fourth embodiment, the
第4実施形態ではガスが通る通路76-79が電解セル71に内蔵されている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。通路76-79としてのマニホールドを電解セルに接合して電解セルの外に設けることは当然可能である。マニホールドの材料は、高温強度が高いセラミックスが例示される。
In the fourth embodiment, the passages 76-79 through which the gas passes are built into the
第4実施形態では電源(図示せず)が接続される端子を含むターミナルプレート93,94が、電解セル71に配置される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ターミナルプレート93,94を省き、エンドプレート73,74に反応単位72を電気的に接続して、エンドプレート73,74を電解セル71の端子にすることは当然可能である。
In the fourth embodiment, the
実施形態では電解モジュール10,40,60,70に含まれる電解セル11,41,61,71の素子部13,42,62,84が全て直列に接続されている場合、すなわち電解モジュール10,40,60,70の中に素子部13,42,62,84が直列に接続された回路が1つだけ存在する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。電解モジュール10,40,60,70の中に、素子部13,42,62,84が直列に接続された回路が複数存在することは当然可能である。この場合は、直列に接続された回路を構成する素子部を含む電解セルを外周部と中央部とに区画し、中央部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均が、外周部における電解セルに含まれる素子部の面積の平均より小さくなるようにする。
In the embodiment, the case where the
実施形態では酸化物イオン伝導性を有する電解質18,44,85を用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。素子部13,42,62,84の作動条件でプロトン伝導性を有する電解質18,44,85を用いることは当然可能である。素子部13,42,62,84の作動条件でプロトン伝導性を示す物質は、YやIn等の3価の金属イオンでBサイトを置換したSrZrO3やBaZrO3等のペロブスカイト型酸化物、パイロクロア型酸化物、リン酸塩などが例示される。
In the embodiment, the
10,40,60,70 電解モジュール
11,41,61,71 電解セル
13,42,62,84 素子部
17,45,86 燃料極(電極)
18,44,85 電解質
19,43,87 空気極(電極)
21,49,65,95 外周部
22,50,66,96 中央部
30 電解装置
31 電源
33 調整部
10, 40, 60, 70
18, 44, 85
21, 49, 65, 95 outer
Claims (4)
配列された前記電解セルの集合の外周に位置する外周部と、前記外周部に囲まれた中央部と、に前記電解セルを区画したときに、前記外周部における前記電解セルに含まれる前記素子部の面積の平均は、前記中央部における前記電解セルに含まれる前記素子部の面積の平均よりも大きい電解モジュール。 An electrolysis module including an electrolysis cell in which an element portion including an electrolyte is disposed separating two electrodes, the electrolysis cells being arranged and the element portions being electrically connected in series,
An electrolysis module, wherein when the electrolysis cells are partitioned into an outer periphery located on the outer periphery of the set of arranged electrolysis cells and a central portion surrounded by the outer periphery, the average area of the element units included in the electrolysis cells in the outer periphery is larger than the average area of the element units included in the electrolysis cells in the central portion.
前記電極に接続された回路に電流を流す電源と、
前記電源の出力を調整する調整部と、を備え、
前記調整部は、予め定めた温度に設定された前記電解モジュールにおける吸熱と発熱とがバランスする熱中立点よりも高い電圧に前記中央部の平均の電圧を設定し、前記熱中立点よりも低い電圧に前記外周部の平均の電圧を設定する電解装置。 An electrolysis module according to any one of claims 1 to 3;
A power source that applies a current to a circuit connected to the electrodes;
An adjustment unit that adjusts the output of the power source,
The adjustment unit sets an average voltage of the central portion to a voltage higher than a thermal neutral point at which heat absorption and heat generation are balanced in the electrolysis module, which is set to a predetermined temperature, and sets an average voltage of the outer periphery to a voltage lower than the thermal neutral point.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023188092A JP2025076541A (en) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | Electrolysis module and electrolysis device |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2023188092A JP2025076541A (en) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | Electrolysis module and electrolysis device |
Publications (1)
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| JP2025076541A true JP2025076541A (en) | 2025-05-16 |
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ID=95700319
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Country Status (1)
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| JP (1) | JP2025076541A (en) |
-
2023
- 2023-11-02 JP JP2023188092A patent/JP2025076541A/en active Pending
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