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公開番号2024053538
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-15
出願番号2023148183
出願日2023-09-13
発明の名称水電解装置および水電解装置の制御方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類C25B 15/029 20210101AFI20240408BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水電解装置の性能の低下を抑制する。
【解決手段】水電解装置は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質膜と、アノード供給流路とアノード排出流路とを接続する第1の循環流路と、第1の循環流路と並列に接続された第2の循環流路と、第2の循環流路の途中に設けられ、アノード溶液中の金属イオンの一部を除去するイオンフィルタと、アノード溶液に金属イオンを供給する金属供給源と、第1の循環流路の途中に設けられた第1のバルブと、第2の循環流路の途中に設けられた第2のバルブと、金属供給流路の途中に設けられた第3のバルブと、アノード溶液中の金属イオンの濃度を測定する濃度センサと、測定された金属イオンの濃度に応じ、第1のバルブの開閉、第2のバルブの開閉、および第3のバルブの開閉を制御する制御装置と、を具備する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
水を酸化して酸素を生成するアノードと、
水素イオンを還元して水素を生成するカソードと、
前記アノードに面し、水と金属イオンとを含有するアノード溶液が流れるアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜と、
前記アノード流路の入口に接続されたアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口に接続されたアノード排出流路と、
前記アノード供給流路と前記アノード排出流路とを接続する第1の循環流路と、
前記第1の循環流路と並列に接続された第2の循環流路と、
前記第2の循環流路の途中に設けられ、前記アノード溶液中の前記金属イオンの一部を除去するイオンフィルタと、
前記アノード溶液に前記金属イオンを供給する金属供給源と、
前記金属供給源と、前記アノード供給流路と、を接続する金属供給流路と、
前記第1の循環流路の途中に設けられた第1のバルブと、
前記第2の循環流路の途中に設けられた第2のバルブと、
前記金属供給流路の途中に設けられた第3のバルブと、
前記アノード流路から排出される前記アノード溶液中の前記金属イオンの濃度を測定する濃度センサと、
測定された前記金属イオンの濃度に応じ、前記第1のバルブの開閉、前記第2のバルブの開閉、および前記第3のバルブの開閉を制御する制御装置と、
を具備する、水電解装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
前記制御装置は、
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.05μmol/l未満の場合、前記第1のバルブおよび前記第3のバルブを開け、前記第2のバルブを閉じる第1の動作と、
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.5μmol/lを超える場合、前記第2のバルブを開け、前記第1のバルブおよび前記第3のバルブを閉じる第2の動作と、
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.05μmol/l以上0.5μmol/l以下である場合、前記第1のバルブを開け、前記第2のバルブおよび前記第3のバルブを閉じる第3の動作と、
を制御する、請求項1に記載の装置。
【請求項3】
前記アノードは、金属を含む第1のアノード触媒層を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項4】
前記アノード流路を有するアノード流路板をさらに具備し、
前記アノード流路板は、前記アノード流路の内面に金属を含む第2のアノード触媒層を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項5】
前記アノード溶液は、0.05μS/cm以上0.7μS/cm以下の導電率を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項6】
前記アノード溶液中の前記金属イオンの濃度は、0.05μmol/l以上0.5μmol/l以下の範囲に調整される、請求項1に記載の装置。
【請求項7】
前記金属は、ニッケル、鉄、コバルト、およびマンガンからなる群より選ばれる少なくとも一つの金属である、請求項3に記載の装置。
【請求項8】
前記金属イオンは、ニッケルイオン、鉄イオン、コバルトイオン、およびマンガンイオンからなる群より選ばれる少なくとも一つの2価の金属イオンである、請求項1に記載の装置。
【請求項9】
水電解装置の制御方法であって、
前記水電解装置は、
水を酸化して酸素を生成するアノードと、
水素イオンを還元して水素を生成するカソードと、
前記アノードに面し、水と金属イオンとを含有するアノード溶液が流れるアノード流路と、
前記カソードに面するカソード流路と、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜と、
前記アノード流路の入口に接続されたアノード供給流路と、
前記アノード流路の出口に接続されたアノード排出流路と、
前記アノード供給流路と前記アノード排出流路とを接続する第1の循環流路と、
前記第1の循環流路と並列に接続された第2の循環流路と、
前記第2の循環流路の途中に設けられ、前記アノード溶液中の前記金属イオンの一部を除去するイオンフィルタと、
前記アノード溶液に前記金属イオンを供給する金属供給源と、
前記金属供給源と、前記アノード供給流路と、を接続する金属供給流路と、
前記第1の循環流路の途中に設けられた第1のバルブと、
前記第2の循環流路の途中に設けられた第2のバルブと、
前記金属供給流路の途中に設けられた第3のバルブと、
を具備し、
前記方法は、
前記アノード流路から排出される前記アノード溶液中の前記金属イオンの濃度を測定し、測定された前記金属イオンの濃度に応じ、前記第1のバルブの開閉、前記第2のバルブの開閉、および前記第3のバルブの開閉を制御する、
水電解装置の制御方法。
【請求項10】
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.05μmol/l未満の場合、前記第1のバルブおよび前記第3のバルブを開け、前記第2のバルブを閉じ、
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.5μmol/lを超える場合、前記第2のバルブを開け、前記第1のバルブおよび前記第3のバルブを閉じ、
前記測定された前記金属イオンの濃度が0.05μmol/l以上0.5μmol/l以下である場合、前記第1のバルブを開け、前記第2のバルブおよび前記第3のバルブを閉じる、請求項9に記載の方法。
(【請求項11】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、水電解装置および水電解装置の制御方法に関する。
続きを表示(約 1,400 文字)【背景技術】
【0002】
近年、水を酸素や水素に変換する水電解装置等の電気化学反応装置の開発が進められている。水電解装置は、例えば、アノードと、カソードと、電解質膜と、を有する膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を備える。水電解装置は、例えばアノードにより水を酸化して水素イオンと酸素を生成し、カソードにより水素イオンを還元して水素を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2019-167620号公報
特許第7125021号公報
特開2017-115232号公報
【非特許文献】
【0004】
東芝レビュー、Vol.77、No.4(2022年7月)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、水電解装置の性能の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態の水電解装置は、水を酸化して酸素を生成するアノードと、水素イオンを還元して水素を生成するカソードと、アノードに面し、水と金属イオンとを含有するアノード溶液が流れるアノード流路と、カソードに面するカソード流路と、アノードとカソードとの間に設けられた電解質膜と、アノード流路の入口に接続されたアノード供給流路と、アノード流路の出口に接続されたアノード排出流路と、アノード供給流路とアノード排出流路とを接続する第1の循環流路と、第1の循環流路と並列に接続された第2の循環流路と、第2の循環流路の途中に設けられ、アノード溶液中の金属イオンの一部を除去するイオンフィルタと、アノード溶液に金属イオンを供給する金属供給源と、金属供給源と、アノード供給流路と、を接続する金属供給流路と、第1の循環流路の途中に設けられた第1のバルブと、第2の循環流路の途中に設けられた第2のバルブと、金属供給流路の途中に設けられた第3のバルブと、アノード流路から排出されるアノード溶液中の金属イオンの濃度を測定する濃度センサと、測定された金属イオンの濃度に応じ、第1のバルブの開閉、第2のバルブの開閉、および第3のバルブの開閉を制御する制御装置と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
水電解装置の構成例を示す模式図である。
電極の構造例を示す断面模式図である。
積層体の形成方法の例を説明するための断面模式図である。
アノード流路板の他の例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。以下に示す各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【0009】
なお、本明細書において、「接続する」とは、特に指定する場合を除き、直接的に接続することだけでなく、間接的に接続することも含む。
【0010】
図1は、水電解装置の構成例を示す模式図である。図1に示す水電解装置1は、膜電極接合体100と、アノード溶液供給系統200と、制御装置300と、を有する。
(【0011】以降は省略されています)

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