水素製造システム（第5回）...

水素製造システム（第５回）

電解による水素製造（２）

松本

Kyushu University UI project Kyudai Taro,2007

本日の講義の目的

• 各種電解の方法

• アルカリ水電解

• 固体高分子形水電解

• 水蒸気電解

• 電解のエネルギー効率

• 小テスト

アナウンス：11/21は休講

2第3回


水電解の方法

3

Polymer electrolyte water

electrolysis

Alkaline water electrolysis

High-temperature steam electrolysis

Overview Electrolyte: NafionElectrode: Pt supported on active carbon

Electrolyte: KOH solution, conventional method

Electrolyte: zirconiaWorking at 800～900℃

Efficiency(HHV)

70～80%@1～2A/cm2

73～76%@0.2A/cm2

75%@1A/cm2

CostHigh cost of

polymer electrolyte and

platinum electrode

DurabilityProblematic Corrosive due to

conc KOH aq.Corrosive due to

high-temp operation

Applicability to pressurization of hydrogen

Low strength of polymer

electrolyte

possible difficult

水電解による水素製造

4

Ⅰ.アルカリ水電解

原理図

OH－＋陽極

KOH 隔膜

＋－

2e-2e

- O２ H２

－陰極

電極反応

［アルカリ溶液］

アノード２OH－ H２O＋1/2O２＋２ｅ－

（陽極）

カソード２H＋＋２ｅ－ H２（陰極）

cf.［酸性溶液］

アノード H２O ２H＋＋1/2O２＋２ｅ－

カソード２H＋＋２ｅ－ H２


How the reactions proceed

5

Cathode

2H++2e-=H2

H+

Ele

ctr

ic p

ote

ntial

cathode

Electrolytee-

e-

e-

e-

e-

e-

H2


アルカリ水電解装置

第3回 6

http://www.aist.go.jp/fukushima/ja/unit/HyC

aT.html

ソース：福島再生可能エネルギー研究所


Polymer electrolyte water electrolysis

7

Proton-exchange membrane

H+

H2O H2O

Water

＋oxygen

Water

＋Hydrogen


商用電解装置の例

第3回 8

http://www.kobelco-

eco.co.jp/product/suisohassei/hhog_seihin.html


9

Ⅱ.固体高分子水電解

原理図

H＋

＋陽極電極

H２O

給水固体高分子電解質膜（フッ素樹脂系膜）

＋－

2e-

2e-

O２ H２

－陰極電極

電極反応

アノード H２O ２H＋＋1/2O２＋２ｅ－

（陽極）

カソード２H＋＋２ｅ－ H２（陰極）

O２ H２

給電帯（チタン繊維等）

複極板複極板


Polymer exchange membrane

10

Perfluorosulfonic acidSchematic illustration

representing hydrophobic/-phylic

domains


11

Ⅲ.高温水蒸気電解

原理図

O２－

＋陽極電極

H２O 水蒸気

固体酸化物電解質（ZrO2等）

＋－

2e-

2e-

H２

－陰極電極

電極反応

アノード O２－ 1/2O２＋２ｅ－

（陽極）

カソード H２O ＋２ｅ－ H２＋O２－

（陰極）

O２

H２O 水蒸気

H２

O２

O２

実用例


Steam electrolysis

12

Anode

O2- H2O

O2

e- e-

Cathode

D.C. power

source

H2

Anode

H+H2O

O2

e- e-

Cathode

D.C. power

source

H2

Oxide ion conductor Proton conductor


Solid electrolyte

Oxide ion conductors:

Y-doped ZrO2

Gd-doped CeO2

(La,Sr)(Ga,Mg)O3, etc

Proton conductors

Y-doped BaZrO3, etc.

13

Wikipedia: YSZ

14

Y. Yoo (National Research Council Canada)

J. Power Sources 229 (2013) 48-57

Energy efficiency水電解と水蒸気電解の比較

liquid water electrolysis steam electrolysis（600℃）

H2O（液体）

H2+0.5O2

DH

285.8 kJ/mol

(1.48 V)

HHV

237.1 kJ/mol

→1.23 V

h

199.7 kJ/mol

→1.02 V

40.9 kJ/mol

→0.21 V

(Efficiency)=1.48/(1.23+h) (Efficiency)=1.48/(1.02+0.21+h)

DG

heat

TDS

DG

Vapoli-

zation

heat

heat

TDSh

H2O（気体）

H2+0.5O2

DH

244.98 kJ/mol

(1.29 V)

LHV

水蒸気電解• 水蒸気が手に入れば、熱力学的にも有利• 作動温度以上の排熱が利用できればなお有利2016.9.12 九州大学・宮崎大学 Confidential 15


水電解と水蒸気電解

第3回 16

燃料電池（PEFC）

電解（SOEC)

燃料電池（SOFC）

電解（polymer)

1.8

1.6

1.4

1.2

1

0.8

0.60 200 400 600 800 1000

電流密度, j/A cm-2

端子電圧

, V

/ V


小テスト

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liquid water electrolysis

H2O（liquid）

H2+0.5O2

DH=285.8 kJ/mol

(1.48 V) 237.1 kJ/mol

→1.23 VDG

Joule

heat

h（overpotentials）

問題アルカリ水電解を以下の条件で行った• 初期温度：25℃• 端子電圧：1.3 V

で行った。

時間とともに、セルの温度はどのように変化するか？理由とともに答えよ

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