4kWh/Nm3高効率水電解システム
Developmentof High

Water

E什icientElectrolysis

Systemヽ､=/With4kWh/Nm30fPowerConsumpt■On(技)研究圃発部第1研究室
三
宅明
Akiko

Miyake泰永Yorihisa

子久順Yasllnaga

同体高分子電解質膜を使用した高純度水素酸素発生装置HHOGにおいて,実用的なコストで電解効率90%以上,消費電力量4kWIJN皿3を実現できる高効率水電解システムを開発した｡高効率化のため,Ir系電極触媒をもちいた薄膜電極膜接合体を使用した｡プレス成形電極板と突起付き平ガスケットを組合せた新型電解モジュールを開発し,酸素側大気圧で水素側のみ加圧する差圧電解を可能にした｡この新型電解モジュールを使用して5Nm3/h実証システムを製作し,補助加熱装置なしで80℃以上に昇温できること,および電解性能を確認した｡

AhighlyefBcie山Water

withpolymer

hy血oge□a血oxyge□ge□eratOr,HHOG.This

pureatelectrolyzer

power

co□Su皿ptio□Of4kWb爪皿3at

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Of5N皿3/hexceed80℃

performa皿Ce.

申)′仲brdゞ:水水電素

Hy血oge□解Water

同体高分子電解質膜
電極 膜

高接合

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率High

費

電力量

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鮎Sembly

efBciellCy

Powermoduleco□Su皿ptioll

ギ産業技術縛合開発機構)では,WE‑NET(Worldまえがき
水素製造技術の中で,PEM(Polymer

electrolyte

Electrolysis

電解モジュール
消electrolysis

Polymer

ElectrolyteE□ergyNetwork,水素利用国際クリーンエネルギシ

Me皿bra皿e,同体高分子電解質膜)をもちいたPEM

ステム技術)プロジェクトにおいて,PEM型水電型水電解は,通常のアルカリ水電解よりも高電流密解による大規模な水素製造技術の開発がおこなわれ度条件で高効率化が可能である｡NEDO(新エネルており,エネルギ効率90%以上の高効率化が達成

J4

神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫された｡また,近年,水素利用技術のひとつである

Nm3/hの装置を国内外を含めこれまでに50基近く納燃料電池自動車の開発が急速に進んでいるのに対応入してきた｡その間,装置をコンパクト化し,よりし,実用規模の1/10に相当する30N皿3/hの水素供給

手軽な新シリーズのパッケージ型HHOG｢水素サーステーションの実証テストがおこなわれた｡

バ+を発売している(写真1)｡1)

PEM型水電解による水素製造の実用面での特長
は,操作が簡単で,メンテナンスが容易であること,一方,水電解では水素発生に要する消費電力量を如何に下げるかが重要であり,ランニングコストを水素ボンベを貯蔵するよりもオンサイトで安全に高低減するため,電解モジュールの高効率化にも取組純度水素がえられることである｡当社では,早くかんできた｡これまでに,電解効率90%の1Nm3/h

らこのような点に着目し,PEM型水電解による水電解モジュールを開発し某自動車メーカに納入した

素酸素発生装置HHOG(High‑purity実績をもつ｡この電解モジュールを使用して,米国

0Ⅹyge□

Hy血oge□Ge□era土Or)を独自に商品化し,1〜100カリフォルニア州の同メーカの研究所において,太陽光発電と組み合わせた水電解一燃料電池システムの実証テストが実施されている｡
当社では,その後,さらに実用的なコストで高効率電解を可能にする新型電解モジュールの開発を進軸めている｡また,周辺機器類の動力低減を含め,水T電解システム全体の高効率化の検討もおこなってき■た｡その結果,低コストで電解効率90%以上,消h■l■･

費電力量4kWbノNm3の水電解システムを開発したので報告する｡

1.電極膜接合体と電解効率
L

PEM型水電解では,園1に示すように陽極側に接合した電極触媒の作用で純水が分解されて酸素が発生し,同時に生成した水素イオンが膜中を陰極側CL‑5写真1PI10tOl

水素サーバー

へ移動し,陰極側に接合された触媒の作用で水素がHydrogen発生する｡

server

B肋ofElec廿01y血1わ血ge･加ord血1E18血1y由Ⅴ○血g6･An∝kO▼mlb酢･C8血odeO▼m血g亡･0血b8S
Re血血nceorMemb甘ne
Rβ血血60rO血8r地18
CoⅡ也Ct且朗i触q＋E20(NotEl地1yzd)､Ⅱユ＋H20伊此た)
E＋

堅田t摩

Ⅰも0(＋)(

mCⅦmlS叩pu肝/El血∝kPl由2取0→q＋4Ⅰ叶＋4e一)

土＼心￣

4E＋＋由一一2地図1【古】体高分子型水電解の原理
Fig.1Princlple

ofwatertわ上47∧b.J(2仇I且/助elec山101ysisusingpolymer

electrolyte

membrane

神鋼パンテツク技報J∫PEMは,スルホン酸基(‑SO3￣H＋)を有するフッものが市販されており,乾燥状態での膜厚が50〜素樹脂膜であり,電極板を通して通電するとスルホ200〃mのものが水電解で使用される｡従来から使ン酸基の水素イオン(H＋)が陽極から陰極へ移動用されているのはDuPo山社製Nafio山17(膜厚:する｡このため,通常の水の電気分解と異なり電解183〃m)が多い｡これに対し,50〃mの薄膜は効率質を添加する必要がなく,純水を電気分解することは高いが長期電解中にPEMが破損しやすく,実用ができる｡

的には100〃皿前後の薄膜が検討されている｡

電解電圧は,次式で表される｡2)

このように一系電極触媒と薄膜を組合せ,電解温度を80℃以上に上げることにより,90〜95%の(1)且=且0＋乃｡＋乃｡＋盲点電解効率が達成される｡このため,Ir系電極触媒の薄膜への接合方法が,各社･各研究機関で開発されここで,ている｡

且:電解電圧(セル電圧)

薄膜化すると電解電圧は下がるが,膜のガス透過且0:理論分解電圧量が増加する｡このため,電解時に発生した水素あ乃｡:陽極過電圧

るいは酸素が対極へ透過し,水素中酸素濃度および乃｡:陰極過電圧
盲点:オーム損

酸素中水素濃度が高くなり,ガス純度が低下する｡
HHOGは高純度水素のオンサイト供給装置である
ため,電解効率だけでなくガス純度も重要な因子で理論分解電圧は,電解温度と圧力に依存し熱力学的ある｡当社では,薄膜でも厚膜と同等のガス純度がに決定される｡陽極および陰極過電圧,オーム損失

えられる高性能MEAの製造方法を開発した｡

は,電極触媒の種類,膜厚,電極触媒の膜への接合

園2に,膜厚の異なる高性能MEAの電解効率を方法によって変わる｡

従来のPt電極触媒のMEAと比較して示した｡ま

電解効率乃(エネルギ効率)は,次のように電圧た,園3に,80℃,1A/cm2におけるそれぞれの過効率乃且と電流効率乃′から求められ,一般に80℃,電圧,オーム損失を示した｡両図において,Nl17

1.OA/cm2の条件で定義される｡

は前述のNafio山17を示しており,Nl15(NaBo□115)は127〃恥(2)

乃且=理論稼働電圧[V]/電解電圧[V]Nl135(NaBolll135)は89〃皿,Nl12(NaBo□112)は51〃皿の膜厚である｡それぞれのガス純度は,精製器を設置せずにMEAのみで水素中酸素濃度が10pp皿以下,酸素中水素濃度が乃′=実際の水素発生量[N皿3/h]/(3)理論水素発生量[Nm3/h]1000ppm以下であった｡

3.新型電解モジュール(4)

乃=乃且×乃′今回開発した新型電解モジュールは,高効率を達成するだけでなく低コスト化を図っている｡

PEM型水電解では,電流効率は100%近い値であり,3.1ガスケットと電極板電圧効率の向上,すなわち電極膜接合体(Membra皿eElectrode

電解モジュールは単位セルを積層し,両端を端板

Asse皿bly,MEA)の性能向上により電解電圧を低減することが重要である｡

州州甜州
1717島12≡〓2.高性能薄膜電極膜接合体
電極触媒は,陽極,陰極ともに化学的に安定なPt[)巴む星叩○増田畳戸召u貞一が使用されているが,電圧を低減するためには一系触媒が良いことが知られている｡PtよりもIrのほうが陽極の水の分解反応の活性が高く,陽極過電圧を下げることができるためである｡また,電解温度を上げると触媒活性が増し,電解電圧はさらに下ヱ0がる｡

PEMの膜厚を薄くすることによりオーム損失を下げることもできる｡PEMは,いろいろな膜厚のJβ406080

T切1p血【℃】

図2Fig.2

神鋼パンテツク技報

薄膜高仕能電極股接合体の電解効率
ElectrolysisefBciencyofhigh‑performancethinMEA

W.47∧b.J(2仇I且/劫で挟みボルト締結するのが一般的である｡電解モジュー

めMEAが破損しやすくなる｡
新型電解モジュールでは,平ガスケットと0リルの締め付け状態が悪いと,MEA/多孔質給電体/電極板の接触抵抗が高くなり,電解電圧が上昇

ングの長所を活かし,平ガスケットに突起をつけたするため,適正面圧で均一に接触するようにする必形状を考案した｡電極板は,突起付き平ガスケット要がある｡一方,純水を各セルの陽極室へ供給し,の形状に合わせてプレス成形により凹凸を形成した｡

発生する酸素と水素が混合しないよう陽極室と陰極電極板の外周部は,電極板を積層したときにハニカ重から取出す必要がある｡このため,陽極側と陰極ム形状になるようにした｡

側とが異なるポートを通る構造となっており,これ園4に新型電解モジュールの概略構成図を示した｡

らの純水やガスが混合しないよう,また,外部へ漏この構造により,薄膜でもガスケットのシール部でれないようシールすることが必須である｡シール方

過度の面圧がかかり破損することなく,シール性を法として,平ガスケットや0リングが使用される｡

上げることができた｡その結果,数MPaの耐圧性

平ガスケットは,面シールであるためMEAとの接を有する電解モジュールがえられた｡

触がソフトであるが,シール性は0リングにくら3.2

差圧電解
電解で発生する水素と酸素の圧力はMEAの両面べると弱くなる｡0リングは,線シールであるためシール性は良いが,局所的に大きな面圧がかかるたにかかるため,水素と酸素の差圧が大きいとMEAは破損しやすい｡したがって,従来から,水素側と酸素側の差圧が大きくならないよう差圧制御をおこ
2.5乙O[コObni￠b紺

ないながら電解する方式を採用している｡今回の新□0▼mlb且￠□仙k山El血l田由Wl吻型電解モジュールは,耐圧性だけでなくこの耐差圧性も向上させることを目的に開発されたものである｡

80℃,1.OA血が酸素側を大気圧として,水素側の圧力を0.85El.5
亀MPagまで上げたときの電流一電圧特性を園5に示男した｡平均セル電圧は水素側圧力が増加するとわず>
1.0

かに増加するが,20皿V程度であった｡大気圧と0.50.85MPagの差圧電解を繰返す加速テストをおこなっ

0.0

解では,酸素側への水素ガスの透過量が増加するが,た後も,電圧上昇は見られなかった｡また,差圧電3

図
Fig.3

薄膜高仕能電極股接合体の電圧低減
Reduction也inofovervoltage

overhigh‑performance

MEA‑‑‥LOMP喝
十0･4MP喝＋0.さ5M軸
十D.85MP喝A血αT鶴ナ

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SⅦ血ロ㌔

址A

1.40+0.0///こ̲⊥す∴∠/Cmt叫[A/cm2】

図/逆5Fig.5

累壁二図
Fig.4

4ofunittわ上47∧b.J(2仇I且/助densitypressureelectrolysIS
test was*The
multiple新型電解モジュールの単位セルの構成
Structure

差圧電解における電流一電圧特仕
Cellvoltage‑Current

cellofnew

electrolysis

trolysIS
module

神鋼パンテツク技報

underpressure

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range丘10m

indefferential

pressureelec‑O to O.85MPagof H2.

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Fig.6

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02

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実証装置のフロー囲
Flow

diagramofdemonstration

WT:Deionizedwater

PD:Non‑regenerative

unit

tank
polisher

FF:F血1alfilter
EM:ElectrolysIS
HS:H2/water

mOduleseparator

CL:H2COOler

写真25Nm3/h実証テスト装置

PI10tO

2

Demonstration

unitof5Nm3/h

酸素中水素濃度は若干増加する程度で2000ppm以下であった｡
このように,新型電解モジュールを使用すること素化し,装置をコンパクト化できる｡

4.実証装置によるテスト
前述した高性能MEAと新型電解モジュールを使用して,水素発生量5Nm3/hの装置を製作し,高効【巳巴言萱Vn訂芦により差圧制御が不要となり,水電解システムを簡●M￠粥Wd,50%●･Simubtd,50%●OM￠粥Wd,70%●･Simubtd,70%●

20■M￠粥Wd,1(氾%●･Simubtd,100%●率水電解システムの実証テストをおこなった｡
104.1実証装置の構成

20

純水は,非再生型イオン交換樹脂筒を通して水質を維持しながら循環使用する｡循環水の温度は,電4860

T血e[皿1皿】
7

図Fig.7解により発生するジュール熱のため上昇する｡高性能MEAを使用した場合は,電解電圧が低いため循環水温度の昇温挙動とシミュレーションTemperature

behavior

deionizedwater*current

Loadandsimulationofcirculating

ジュール熱の発生量が少なく,電解温度を上げるには補助加熱装置が必要になる｡しかし,これでは電水の温度上昇を測定した｡その結果をシミュレーショ解モジュールの電解効率を上げても装置全体の消費ン結果と合わせて園7に示した｡

電力量はかえって増加する｡このため,システム全昇温挙動のシミュレーションは,電解モジュール,体の見直しをおこない,補助加熱装置なしで80℃循環水ライン,水素分離器,純水タンクについて,以上に昇温できるようにした｡

それぞれの物質収支および熱収支をとり,微小時間

園6に,実証装置のフロー図を示す｡酸素側の循△tの純水温度の微小変化△Tを求める式を導出し,環水ラインは大気圧で,水素側のみ加圧するシステ測定値と比較しながらカーブフィッティングし,そムになっている｡なお,この実証装置では除湿器はれぞれの縛括伝熱係数を決定して求めた｡

設置しておらず,水素ガスは水素ガスターラで35

園7より,電流負荷が高いほど昇温速度が大きく,℃以下に冷却後,放出している｡写真2に実証テス

電流負荷50%で65℃,70%で75℃,100%で80℃

ト装置を示した｡

以上に昇温できることがわかった｡80℃への昇温

4.2

は装置を起動後1時間以内であった｡図中で,昇温昇温特性

電流負荷が50%,70%,100%の場合で,循環Jβ

途中に温度減少が見られるのは,水電解で純水が消神鋼パンテツク技報

W.47∧b.J(2仇I且/劫

費され純水タンク水位が下がった際に,室温純水がTablelSpecification補給されたためである｡
測定値とシミュレーション結果はばぼ一致しており,今後の設計指針とすることができる｡

Flow

Rate

PressureSize

表1に,装置の什様と性能をまとめて示した｡消費電力量は次式で定義される｡

SIzeElectrolysis

消費電力量[kWIJN皿3]=モジュールの電解電圧[V]×2.393[kAIJN皿3]/乃′＋補機電力量[kWIJNm3](5)results

ofdemonstration

unit

5Nm3/hMax.0.85MPag

Max.90℃
650WX800DX1200H
ControIUnlt

Efficiency

700WX900DX1200H>90%

Consumption

Including
Puritytestof H2

ofElectrolyzer
of Rectifier andPower

andof H2
Temperature

0peration

電解性能

4.3

表1実証テスト装置の什様とテスト結果

4.OkWh/Nm3

PeripheralEquipmentofH2>99.999%

はじめ,将来は太陽,風力などの自然エネルギ利用において重要な役割を果たすと思われる｡高効率の補機電力量は,循環水ポンプと計装機器を含めた電PEM型水電解を安価に実現するための開発は不可力量である｡温度が80℃に昇温した時点で装置全欠であり,今後さらに大きなブレークスルーが期待体の消費電力量を測定した結果,4.OkWb/Nm3であされる｡ることを確認した｡また,水素ガス純度は,99.999[参考文献]%以上であった｡

むす1)上村全弘ほか:

び

神鋼パンテツク技報,Vol.46,No.2(2003)p.61

PEM型水電解による水素製造技術は,燃料電池との組合せによる夜間の余剰商用電力の有効利用を

2)電気化学協会鮎,発行,p.273

電気化学便覧(第4版),丸善(株)

連絡先
三宅明

子

技術開発本部
付｢究開発部買‡1付｢究重主任付｢先見(学術博士)

T

E

FAXL

078‑992‑6525
078‑992‑6504

E‑maila.miyake@pantec.coJp

tわ上47∧b.J(2仇I且/助神鋼パンテツク技報

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