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JP2025076541A - Electrolysis module and electrolysis device - Google Patents

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JP2025076541A
JP2025076541A JP2023188092A JP2023188092A JP2025076541A JP 2025076541 A JP2025076541 A JP 2025076541A JP 2023188092 A JP2023188092 A JP 2023188092A JP 2023188092 A JP2023188092 A JP 2023188092A JP 2025076541 A JP2025076541 A JP 2025076541A
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Japan
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electrolysis
electrolytic
cells
cell
module
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JP2023188092A
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Japanese (ja)
Inventor
昌宏 柴田
Masahiro Shibata
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

To provide an electrolytic module and an electrolytic device which are capable of reducing heat dissipation from electrolytic cells.SOLUTION: An electrolysis module includes arrayed electrolytic cells, each containing elements that include an electrolyte isolating two electrodes, and the elements are electrically connected in series. When the electrolytic cells are divided into a peripheral portion on an outer periphery of the group of the arrayed electrolytic cells, and a central portion surrounded by the peripheral portion, an average of the area of the elements included in the electrolytic cells in the peripheral portion is greater than an average of the area of the elements included in the electrolytic cells in the central portion.SELECTED DRAWING: Figure 1

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).

特開2023-72892号公報JP 2023-72892 A

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.

第1実施の形態における電解モジュールの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of an electrolysis module according to the first embodiment. 電解セルの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an electrolysis cell. 電解モジュールの電流-電圧特性および発熱特性を示すグラフである。1 is a graph showing the current-voltage characteristics and heat generation characteristics of an electrolysis module. 電解モジュールの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the electrolysis module. 電解装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an electrolysis device. 第2実施の形態における電解モジュールの平面図である。FIG. 11 is a plan view of an electrolysis module according to a second embodiment. 電解セルの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an electrolysis cell. 第3実施の形態における電解モジュールの側面図である。FIG. 13 is a side view of the electrolysis module according to the third embodiment. 図8のIX-IX線における電解モジュールの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the electrolysis module taken along line IX-IX in FIG. 8. 第4実施の形態における電解モジュールの斜視図である。FIG. 13 is a perspective view of an electrolysis module according to a fourth embodiment. 電解セルの分解図である。FIG. 2 is an exploded view of the electrolysis cell.

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 electrolysis module 10 in a first embodiment. The electrolysis module 10 includes a plurality of electrolysis cells 11. The electrolysis cells 11 have element sections 13 arranged on a breathable support 12. The electrolysis module 10 includes a manifold 14 connected to one end of the support 12, and a manifold 15 connected to the other end of the support 12. The electrolysis cells 11 are arranged between the manifolds 14 and 15. In this embodiment, 20 electrolysis cells 11 are arranged at intervals from each other in three rows.

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 electrolysis cell 11. The support 12 has a plurality of cavities 16 with a circular cross section that connect the manifolds 14 and 15. The element units 13 are provided on the outer surfaces (front and back) of the support 12. The support 12 has air permeability between the outer surface of the support 12 and the cavities 16. The element units 13 include, in order from the outer surface of the support 12, a fuel electrode 17, an electrolyte 18, and an air electrode 19. In Figure 2, the thickness of the element units 13 is exaggerated. In this embodiment, the electrolysis cell 11 is a flat cylindrical horizontal stripe electrolysis cell in which the element units 13 are lined up along the cavities 16.

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 support 12 is a member that does not have electronic conductivity, and an example of the material is stabilized zirconia. Examples of stabilizers for stabilized zirconia include CaO and MgO. Examples of the material for the fuel electrode include a material that includes a catalyst containing Ni and zirconia with Y dissolved therein, and a material that includes a catalyst containing Ni and ceria with Gd dissolved therein. Examples of the catalyst include Ni, Ni-based alloys, and cermets that are composites (sintered bodies) of NiO and oxides (solid electrolytes).

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,Y,Sc,Yb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 electrolyte 18 is a solid oxide, and examples thereof include stabilized zirconia, a ceria-based solid solution, and a solid solution of one or more selected from stabilized zirconia and a ceria-based solid solution and alumina . Examples of stabilizers for stabilized zirconia include CaO, MgO, Y2O3 , Sc2O3 , and Yb2O3 . Examples of elements that are dissolved in ceria in the ceria-based solid solution include Gd, Sm, and Y.

空気極19の材料は、ペロブスカイト型酸化物であるLa1-XSrMnO3-δ,La1-XSrCoO3-δ,La1-XSrCo1-YFe3-δ,Pr1-XSrMnO3-δが例示される。 Examples of the material of the air electrode 19 include perovskite oxides such as La1- xSrxMnO3 , La1-xSrxCoO3-δ, La1- xSrxCo1- YFeYO3 - δ , and Pr1 - xSrxMnO3 .

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-XSrTiO3-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 interconnector 20 connects the air electrode 19 and fuel electrode 17 of adjacent element units 13. An example of the material of the interconnector 20 is conductive La1 - xSrxTiO3 . In one electrolysis cell 11, the element units 13 are connected in series by the interconnector 20. In adjacent electrolysis cells 11, the element units 13 are connected by a connecting member (not shown), and the element units 13 included in 60 electrolysis cells 11 are connected in series.

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 manifold 14 supplies fuel gas to each of the electrolytic cells 11. Examples of fuel gas include water vapor, carbon dioxide, and a mixture of these. The spent fuel gas that has passed through each of the electrolytic cells 11 is supplied to the manifold 15. An oxidizer gas flows outside the electrolytic cells 11. Examples of the oxidizer gas include air and oxygen.

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 element section 13 and the negative electrode of the power source is connected to the fuel electrode 17, electrons flow toward the fuel electrode 17. The fuel gas that has passed through the support 12 is reduced at the fuel electrode 17. Since electrons are taken away at the air electrode 19, oxide ions that have moved to the air electrode 19 via the electrolyte 18 are oxidized at the air electrode 19. As a result, energy carriers such as hydrogen and hydrocarbons are synthesized in the electrolysis cell 11.

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 electrolysis module 10. Since the electrolysis of water vapor, carbon dioxide, and other substances contained in the fuel gas is an endothermic reaction, the temperature of the element section 13 (the temperature of the exhaust gas entering the manifold 15) decreases as the current density increases, compared to the temperature at the open circuit voltage of the element section 13 when current begins to flow (the average voltage of the element section 13 when the current density is 0). If the current density increases further, the temperature of the element section 13 begins to rise due to Joule heat, and reaches the thermal neutral point N where the heat absorption and heat generation are balanced.

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 electrolytic cell 11 neither generates nor absorbs heat, but when the current density of the element part 13 becomes lower than the current density of the element part 13 at the thermal neutral point N, the electrolytic cell 11 becomes dominated by heat absorption, and the temperature drops. When the current density of the element part 13 becomes higher than the current density of the element part 13 at the thermal neutral point N, the electrolytic cell 11 becomes dominated by heat generation, and the temperature rises.

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 electrolysis module 10 is typically placed in an insulated container (not shown). The electrolysis module 10 is used in a state where the electrolysis cell 11 is heated by a heater (not shown) and the element unit 13 is at its operating temperature (e.g., about 700°C). Reducing the heat dissipation from the heated electrolysis cell 11 can reduce the energy required to heat the element unit 13 to its operating temperature, thereby improving the efficiency of energy carrier synthesis.

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 electrolysis module 10. The manifolds 14, 15 are not shown in Figure 4. The outer peripheral portion 21 is a portion located on the outer periphery of the arranged electrolysis cells 11. In this embodiment, 42 electrolysis cells 11 are included in the outer peripheral portion 21. The central portion 22 is a portion surrounded by the outer peripheral portion 21. In this embodiment, 18 electrolysis cells 11 are included in the central portion 22. When the collection of electrolysis cells 11 is viewed in a plan view, a single ring is formed by connecting the electrolysis cells 11 included in the outer peripheral portion 21 with lines. The electrolysis cells 11 included in the central portion 22 are located inside the ring.

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 electrolysis module 10, the average area of the element parts 13 (see FIG. 1) included in the electrolysis cells 11 in the outer peripheral portion 21 is larger than the average area of the element parts 13 included in the electrolysis cells 11 in the central portion 22. The area of the element parts 13 refers to the area of the parts where the electrolyte 18 (see FIG. 2), the fuel electrode 17, and the air electrode 19 overlap. The area of the element parts 13 can be changed, for example, by changing the area of the fuel electrode 17 or the air electrode 19. The average area of the element parts 13 is the sum of the areas of the element parts 13 divided by the number of element parts 13 for which the sum was calculated.

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 element parts 13 of the electrolytic cell 11 are electrically connected in series, so the same current flows through the element parts 13. The average area of the element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the outer periphery 21 is larger than the average area of the element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the central part 22, so the current density of the element parts 13 in the outer periphery 21 can be made smaller than the current density of the element parts 13 in the central part 22. This makes it possible to reduce the temperature rise of the element parts 13 in the outer periphery 21.

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 central portion 22 is surrounded by the outer peripheral portion 21, and the outer peripheral portion 21 is open on the opposite side of the central portion 22, so that the heat dissipation of the outer peripheral portion 21 is greater than that of the central portion 22. Since the temperature rise of the outer peripheral portion 21, which dissipates more heat than the central portion 22, can be reduced, the difference between the temperature of the outer peripheral portion 21 and the temperature of the atmosphere can be reduced. This allows the electrolysis module 10 to reduce heat dissipation of the electrolysis cell 11 heated by a heater (not shown). Therefore, the energy required by the heater to heat the element portion 13 to the operating temperature can be reduced, and the efficiency of energy carrier synthesis can be improved.

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 element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the central portion 22 is 40% or more of the average area of the element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the peripheral portion 21, since this prevents the current density of the element parts 13 in the central portion 22 from becoming excessive and reduces deterioration of the element parts 13 in the central portion 22. It is preferable that the average area of the element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the central portion 22 is 97% or less of the average area of the element parts 13 included in the electrolytic cell 11 in the peripheral portion 21, since this allows a difference to be made between the heat generation of the element parts 13 in the central portion 22 and the heat generation of the element parts 13 in the peripheral portion 21.

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 electrolysis device 30. The electrolysis device 30 includes an electrolysis module 10, a power supply 31 that supplies current to the element portion 13 of the electrolysis module 10, and an adjustment portion 33 that adjusts the output of the power supply 31. In Figure 5, the element portions 13 included in the electrolysis cells 11 in the outer peripheral portion 21 and central portion 22 of the electrolysis module 10 are represented by line segments. The length of the line segments indicates the average size of the area of the element portions 13 included in the electrolysis cells 11 in each portion.

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 ammeter 32 that measures the current flowing through the circuit is disposed in the circuit connected to the power supply 31 and the element unit 13. The power supply 31 outputs a unipolar pulsating current, pulse, or direct current to the circuit.

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 electrolysis device 30 is equipped with a thermometer 34 that detects the temperature of the electrolysis cell 11 (see FIG. 1). The thermometer 34 is placed near the manifold 15 and detects the temperature of the exhaust gas entering the manifold 15 as a representative value of the temperature of the electrolysis cell 11. However, this is not limited to this, and it is of course possible to place the thermometer 34 in a part other than the manifold 15 and detect a representative value of the temperature of the electrolysis cell 11.

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 electrolysis device 30 is equipped with a heater (not shown) that heats the electrolysis cell 11. There are no limitations on the heater as long as it can heat the electrolysis cell 11. Examples of heaters include a heater that heats the fuel gas or oxidant gas supplied to the electrolysis cell 11 to heat the electrolysis cell 11, and a heater that is placed in an insulated container that houses the electrolysis cell 11 to heat the electrolysis cell 11 from around the electrolysis cell 11.

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 adjustment unit 33 includes a CPU, ROM, RAM, and backup RAM (none of which are shown). The adjustment unit 33 obtains the current detected by the ammeter 32, and adjusts the output of the power source 31 so that the average temperature of the element unit 13 (the temperature of the electrolytic cell 11) becomes a temperature equivalent to the thermal neutral point N (see FIG. 3). Since the area of the element unit 13 is known, the current to be passed through the electrolytic cell 11 in order to make the average temperature of the element unit 13 a temperature equivalent to the thermal neutral point N is determined in advance. The adjustment unit 33 adjusts the output of the power source 31 so that the current detected by the ammeter 32 becomes equal to the previously determined current.

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 adjustment unit 33 adjusting the output of the power supply 31 so that the current detected by the ammeter 32 is equal to the pre-determined current, the adjustment unit 33 may obtain the temperature detected by the thermometer 34 and adjust the output of the power supply 31 so that the average temperature of the element unit 13 (the temperature of the electrolytic cell 11) becomes a temperature equivalent to the thermal neutral point N. The adjustment unit 33 may use both of these.

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 electrolysis module 10, the average area of the element parts 13 included in the electrolysis cells 11 in the outer peripheral portion 21 is larger than the average area of the element parts 13 included in the electrolysis cells 11 in the central portion 22. Therefore, when a current flows through the electrolysis cells 11 so that the average temperature of the element parts 13 becomes a temperature equivalent to the thermal neutral point N, the average voltage of the element parts 13 included in the central portion 22 becomes higher than the voltage equivalent to the thermal neutral point N. In addition, the average voltage of the element parts 13 included in the outer peripheral portion 21 becomes lower than the voltage equivalent to the thermal neutral point N.

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 element parts 13 included in the central part 22 becomes higher than the temperature corresponding to the thermal neutral point N, and the average temperature of the element parts 13 included in the peripheral part 21 becomes lower than the temperature corresponding to the thermal neutral point N. This makes it possible to make the activation overvoltage of the central part 22 lower than the activation overvoltage of the peripheral part 21. As a result, the central part 22 can synthesize energy carriers more efficiently than the peripheral part 21 for the energy input by the power source 31 to the electrolysis module 10.

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 element portion 13 included in the outer peripheral portion 21 is lower than the temperature corresponding to the thermal neutral point N, heat dissipation from the outer peripheral portion 21 can be reduced. Since the energy loss caused by the heater (not shown) in heating the element portion 13 to the operating temperature can be reduced, the efficiency of synthesizing energy carriers can be improved.

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 electrolysis device 30 performs electrolysis near the current density of the element part 13 that corresponds to the thermal neutral point N, so the temperature of the element part 13 can be maintained even with little new energy input. This ensures electrolysis efficiency. Furthermore, the temperature change of the element part 13 can be reduced, improving the durability of the element part 13.

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 electrolytic module 40 in the second embodiment will be described with reference to Figures 6 and 7. In the second embodiment, the electrolytic module 40 including cylindrical vertical stripe electrolytic cells 41 will be described. Figure 6 is a plan view of the electrolytic module 40 in the second embodiment. The electrolytic module 40 includes a plurality of electrolytic cells 41. In this embodiment, a total of 18 electrolytic cells 41 are arranged, six vertically and three horizontally.

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 electrolytic cell 41. The electrolytic cell 41 is cylindrical and includes an element section 42. From the inside to the outside, the element section 42 includes an air electrode 43, an electrolyte 44, and a fuel electrode 45. An interconnector 46 is connected to the air electrode 43. The materials of the air electrode 43, the electrolyte 44, the fuel electrode 45, and the interconnector 46 are the same as those of the air electrode 19, the electrolyte 18, the fuel electrode 17, and the interconnector 20 of the electrolytic cell 11 in the first embodiment, so a description thereof will be omitted.

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 electrolytic cells 41 are connected by conductors 47. The conductors 47 are in contact with the interconnectors 46 and fuel electrodes 45 of adjacent electrolytic cells 41. The conductors 47 also function to buffer the thermal expansion of the electrolytic cells 41. An example of the conductors 47 is a nonwoven fabric of metal fibers containing nickel or the like.

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 electrolytic cells 41 adjacent to each other in a different direction via the conductor 47 are electrically insulated by the insulator 48. Examples of materials for the insulator 48 include alumina, mullite, magnesia, and zirconia. All of the electrolytic cells 41 are connected in series by the conductors 47 and the insulators 48. With oxidant gas supplied into the electrolytic cells 41 and fuel gas supplied outside the electrolytic cells 41, electrolysis is carried out in the element section 42 to which a voltage is applied.

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 electrolysis module 40 is divided into two parts, an outer peripheral part 49 located on the outer periphery of the set of electrolysis cells 41, and a central part 50 surrounded by the outer peripheral part 49, the average area of the element part 42 included in the electrolysis cells 41 in the outer peripheral part 49 is larger than the average area of the element part 42 included in the electrolysis cells 41 in the central part 50. Since the current density of the element part 42 in the outer peripheral part 49 can be made smaller than the current density of the element part 42 in the central part 50, the temperature rise of the element part 42 in the outer peripheral part 49 can be reduced. Since the difference between the temperature of the outer peripheral part 49 and the temperature of the atmosphere can be reduced, the heat dissipation of the electrolysis cells 41 heated by a heater (not shown) can be reduced. Therefore, the energy required by the heater to heat the element part 42 to the operating temperature can be reduced, and the efficiency of synthesizing energy carriers can be improved.

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 electrolysis module 60 in the third embodiment will be described with reference to Figures 8 and 9. In the third embodiment, the electrolysis module 60 including a cylindrical horizontal stripe electrolysis cell 61 will be described. Figure 8 is a side view of the electrolysis module 60 in the third embodiment. Figure 9 is a cross-sectional view of the electrolysis module 60 taken along line IX-IX in Figure 8.

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 electrolysis module 60, manifolds 63, 64 are connected to both ends of a plurality of cylindrical electrolysis cells 61 arranged at intervals from each other. The electrolysis cells 61 include a support and a plurality of element units 62 arranged on the support. The element units 62 include, in order from the outer surface of the support, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, and adjacent element units 62 are connected by an interconnector (all not shown). The support, fuel electrode, electrolyte, air electrode, and interconnector included in the electrolysis cell 61 are similar to the support 12, fuel electrode 17, electrolyte 18, air electrode 19, and interconnector 20 of the electrolysis cell 11 in the first embodiment, so a description thereof will be omitted. All element units 62 are connected in series.

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 electrolytic cells 61. The spent fuel gas that has passed through each of the electrolytic cells 61 is supplied to the manifold 64. The oxidizer gas flows outside the electrolytic cells 61. Electrolysis takes place in the element section 62 to which a voltage is applied.

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 electrolytic cell 61 of the electrolytic module 60 is divided into two parts, an outer peripheral part 65 located on the outer periphery of the set of electrolytic cells 61, and a central part 66 surrounded by the outer peripheral part 65, the average area of the element parts 62 included in the electrolytic cell 61 in the outer peripheral part 65 is larger than the average area of the element parts 62 included in the electrolytic cell 61 in the central part 66. Since the current density of the element parts 62 in the outer peripheral part 65 can be made smaller than the current density of the element parts 62 in the central part 66, the temperature rise of the element parts 62 in the outer peripheral part 65 can be reduced, and heat dissipation can be reduced.

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 electrolytic module 70 in the fourth embodiment will be described with reference to Figures 10 and 11. In the fourth embodiment, the electrolytic module 70 including a flat electrolytic cell 71 will be described. Figure 10 is a perspective view of the electrolytic module 70 in the fourth embodiment. In this embodiment, a total of nine electrolytic cells 71 are arranged, three vertically and three horizontally.

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 electrolytic cell 71 includes a reaction unit 72 and end plates 73, 74 that sandwich the reaction unit 72 in the thickness direction. Bolts 75 are arranged on the periphery of the electrolytic cell 71, penetrating the reaction unit 72 and the end plates 73, 74 in the thickness direction. The reaction unit 72 and the end plates 73, 74 are fastened by the bolts 75. In this embodiment, multiple reaction units 72 are stacked on top of each other.

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 electrolytic cell 71 in the thickness direction function as a passage 76 through which gas enters from outside the electrolytic cell 71 to the fuel chamber 90 (described later) of the reaction unit 72, a passage 77 through which gas exits from the fuel chamber 90 to the outside of the electrolytic cell 71, a passage 78 through which gas enters from outside the electrolytic cell 71 to the air chamber 92 (described later) of the reaction unit 72, and a passage 79 through which gas exits from the air chamber 92 to the outside of the electrolytic cell 71.

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 electrolysis cell 71 cut along line XI-XI in Figure 10, passing through passages 76 and 77. Figure 11 is a cross-sectional view along line XI-XI, with the components constituting one reaction unit 72 separated in the thickness direction. In Figure 11, the thickness of each part is exaggerated. The reaction unit 72 includes, in order in the thickness direction, an interconnector 80, an anode frame 81, a cell with separator 82, and an cathode frame 83.

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 cell 82 includes an element portion 84 and a separator 88 arranged in the element portion 84. Holes (passages 76-78) penetrate the interconnector 80, the fuel electrode frame 81, the separator 88, and the air electrode frame 83. The element portion 84 includes an electrolyte 85, and an anode 86 and an air electrode 87 isolated by the electrolyte 85. The materials of the electrolyte 85, the anode 86, and the air electrode 87 are the same as those of the electrolyte 18, the anode 17, and the air electrode 19 of the electrolysis cell 11 in the first embodiment, so a description thereof will be omitted.

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 separator 88 is a frame-shaped member with an opening larger than the air electrode 87. The separator 88 is made of, for example, stainless steel. The separator 88 is hermetically bonded to the electrolyte 85 by brazing material or the like, avoiding the air electrode 87.

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 interconnector 80 is a conductive plate-like member arranged on both sides of the element section 84 in the thickness direction. The interconnector 80 electrically connects adjacent reaction units 72 in the thickness direction. An example of the material of the interconnector 80 is stainless steel.

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 fuel electrode frame 81 is a frame-shaped member disposed between the interconnector 80 and the separator 88. An example of the material of the fuel electrode frame 81 is stainless steel. The fuel electrode frame 81 surrounds the element portion 84 and the current collector 89 provided in the center of the interconnector 80.

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 current collector 89 electrically connects the fuel electrode 86 and the interconnector 80. The material of the current collector 89 is, for example, a gas-permeable porous body made of a metal such as Ni. Inside the fuel electrode frame 81, a fuel chamber 90 is provided, surrounded by the interconnector 80 and the separator-equipped cell 82.

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 air electrode frame 83 is a frame-shaped member disposed between the interconnector 80 and the separator 88. Examples of the material of the air electrode frame 83 include an insulator such as mica. The air electrode frame 83 surrounds a current collector 91 provided in the center of the interconnector 80. The current collector 91 electrically connects the air electrode 87 and the interconnector 80. In this embodiment, the current collector 91 is formed integrally with the interconnector 80, but this is not limited to this. It is of course possible for the current collector 91 to be a separate member from the interconnector 80.

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 air chamber 92 surrounded by an interconnector 80 and a separator-equipped cell 82 is provided inside the air electrode frame 83. The separator 88 separates the fuel chamber 90 from the air chamber 92, preventing the fuel gas in the fuel chamber 90 from mixing with the oxidizer gas in the air chamber 92.

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 electrolytic cell 71 includes a terminal plate 93 arranged between the end plate 73 and the reaction unit 72, and a terminal plate 94 arranged between the end plate 74 and the reaction unit 72. The reaction units 72 are electrically connected in series between the terminal plates 93 and 94. The terminal plate 93 is connected to the air electrode 87, and the terminal plate 94 is connected to the fuel electrode 86. The protruding portions of the terminal plates 93 and 94 function as terminals. The terminal plate 94 has holes (passages 76-78) penetrating it. The element parts 84 included in the multiple electrolytic cells 71 are connected in series.

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 terminal plate 93 and the negative pole of the power supply is connected to terminal plate 94, electrons flow toward the fuel electrode 86 of element section 84. The fuel gas that enters the fuel chamber 90 is reduced at the fuel electrode 86. Since electrons are taken away from the air electrode 87 of element section 84, oxide ions that have moved to the air electrode 87 via electrolyte 85 are oxidized at the air electrode 87. As a result, energy carriers such as hydrogen and hydrocarbons are synthesized in the electrolysis cell 71.

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 electrolytic cell 71 of the electrolytic module 70 is divided into two parts, an outer peripheral part 95 (eight in this embodiment) located on the outer periphery of the set of electrolytic cells 71, and a central part 96 (one in this embodiment) surrounded by the outer peripheral part 95, the average area of the element part 84 included in the electrolytic cell 71 in the outer peripheral part 95 is larger than the average area of the element part 84 included in the electrolytic cell 71 in the central part 96. Since the current density of the element part 84 in the outer peripheral part 95 can be made smaller than the current density of the element part 84 in the central part 96, the temperature rise of the element part 84 in the outer peripheral part 95 can be reduced. Since the electrolytic module 70 can reduce the heat dissipation of the electrolytic cell 71 heated by a heater (not shown), the energy required by the heater to heat the element part 84 to the operating temperature can be reduced, and the efficiency of synthesizing energy carriers can be improved.

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 electrolytic cells 11, 41, 61, and 71 in the embodiment are merely examples and are set appropriately according to the required characteristics of the electrolytic module.

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 electrolysis module 10 in which multiple element units 13 are provided in one electrolysis cell 11 has been described, but this is not necessarily limited to this. Electrolysis cells 11 each having one element unit 13 may be mixed and arranged with electrolysis cells 11 each having multiple element units 13, or multiple electrolysis cells 11 each having one element unit 13 may be arranged.

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 electrolytic cells 11 are arranged in a flat cylindrical horizontal stripe shape, but this is not necessarily limited to this. It is of course possible to change the design of the electrolytic cells 11 to a flat plate shape or a cylindrical horizontal stripe shape.

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 electrolysis module 40 in which all 18 electrolysis cells 41 are connected in series has been described, but this is not necessarily limited to this. For example, it is of course possible to create two sets of nine cells, three vertical and three horizontal, connected in series, and connect the two sets in parallel. In this case, when the electrolysis cell 41 is divided into an outer periphery (eight cells) and a central portion (one cell) surrounded by the outer periphery, the average area of the element portion 42 included in the electrolysis cell 41 in the central portion is set to be smaller than the average area of the element portion 42 included in the electrolysis cell 41 in the outer periphery.

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 electrolytic cells 61 are clustered together, but this is not necessarily limited to this. It is of course possible to arrange the electrolytic cells 61 vertically and horizontally or in a single horizontal row.

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 electrolytic cell 71 is described as having a flat plate design. The flat plate electrolytic cell 71 may be an electrode-supported type or an electrolyte-supported type. It may also be a metal-supported type (metal-supported flat plate type) in which the electrodes and electrolyte are supported by a porous body of a metal such as an Fe-Cr system.

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 electrolytic cell 71, but this is not necessarily limited to this. It is of course possible to connect a manifold serving as the passages 76-79 to the electrolytic cell and provide it outside the electrolytic cell. Examples of materials for the manifold include ceramics, which have high high-temperature strength.

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 terminal plates 93, 94 including terminals to which a power source (not shown) is connected are arranged in the electrolytic cell 71, but this is not necessarily limited to this. It is of course possible to omit the terminal plates 93, 94 and electrically connect the reaction units 72 to the end plates 73, 74, thereby making the end plates 73, 74 the terminals of the electrolytic cell 71.

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 element parts 13, 42, 62, 84 of the electrolytic cells 11, 41, 61, 71 included in the electrolytic module 10, 40, 60, 70 are all connected in series, that is, the case where there is only one circuit in which the element parts 13, 42, 62, 84 are connected in series in the electrolytic module 10, 40, 60, 70 is described, but this is not necessarily limited to this. Of course, it is possible for the electrolytic module 10, 40, 60, 70 to have multiple circuits in which the element parts 13, 42, 62, 84 are connected in series. In this case, the electrolytic cell including the element parts constituting the circuit connected in series is divided into an outer periphery and a center, and the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the center is made smaller than the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the outer periphery.

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SrZrOやBaZrO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 electrolyte 18, 44, 85 having oxide ion conductivity is used, but the present invention is not necessarily limited to this. It is of course possible to use the electrolyte 18, 44, 85 having proton conductivity under the operating conditions of the element unit 13, 42, 62, 84. Examples of materials that exhibit proton conductivity under the operating conditions of the element unit 13, 42, 62, 84 include perovskite-type oxides such as SrZrO3 and BaZrO3 in which the B site is substituted with a trivalent metal ion such as Y or In, pyrochlore-type oxides, and phosphates.

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 Electrolysis module 11, 41, 61, 71 Electrolysis cell 13, 42, 62, 84 Element portion 17, 45, 86 Fuel electrode (electrode)
18, 44, 85 Electrolyte 19, 43, 87 Air electrode
21, 49, 65, 95 outer peripheral part 22, 50, 66, 96 central part 30 electrolysis device 31 power supply 33 adjustment part

Claims (4)

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、前記電解セルが配列され、前記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は、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に対して40%以上である請求項1記載の電解モジュール。 The electrolytic module according to claim 1, wherein the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the central part is 40% or more of the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the peripheral part. 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は、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に対して97%以下である請求項1記載の電解モジュール。 The electrolytic module according to claim 1, wherein the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the central part is 97% or less of the average area of the element parts included in the electrolytic cell in the peripheral part. 請求項1から3のいずれかに記載の電解モジュールと、
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.
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