CN113677830A - 水电解装置的功能回复方法以及水电解装置 - Google Patents

水电解装置的功能回复方法以及水电解装置 Download PDF

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Abstract

本发明的水电解装置(100)的功能回复方法是包括水电解槽(10)的水电解装置(100)的功能回复方法，所述水电解槽(10)包括固体高分子膜(11)、阳极(12)、及阴极(13)，水电解装置(100)的功能回复方法包括以下步骤：将水电解装置(100)的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是使水的温度比利用水电解槽(10)进行水电解的正常运转时的水的温度低的状态；及在低温运转的状态时，对阳极(12)及阴极(13)间通电。

Description

水电解装置的功能回复方法以及水电解装置
技术领域
本发明涉及一种水电解装置的功能回复方法及水电解装置。
背景技术
作为现有技术，已知有使用固体高分子膜将水电解的水电解装置。水电解装置存在如下问题：水电解装置所具备的水电解槽的电池电压在尚未达到设计寿命的阶段便上升，导致水电解装置劣化。于是，作为解决此种问题的水电解装置，专利文献1中，公开有一种水电解装置，其通过以额定电流以上的规定电流进行电解，使水电解功能回复，从而持续运转。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报“日本专利特开2004-277870号公报”
发明内容
发明所要解决的问题
水电解装置可流通的电流的最大值受整流器的规格等限制，通常以运用在水电解时的额定电流为标准选择整流器。专利文献1中公开的水电解装置通过以额定电流以上的规定电流进行电解来使水电解功能回复。但，一般的水电解装置其电流的最大值受到限制，因此专利文献1中公开的方法有时无法使水电解功能充分回复。
又，专利文献1中公开的水电解装置以额定电流以上的规定电流进行电解，因此存在耗电变多的问题。本发明的一实施例的目的在于以节能的方式使水电解装置的电解功能回复。
解决问题的技术手段
为了解决所述课题，本发明的一实施例的水电解装置的功能回复方法是包括水电解槽的水电解装置的功能回复方法，所述水电解装置包括固体高分子膜、设置于所述固体高分子膜的一个面的阳极、及设置于所述固体高分子膜的另一个面的阴极，所述水电解装置的功能回复方法包括以下步骤：将所述水电解装置的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是使对所述水电解槽供给的水的温度比利用所述水电解槽进行水电解的正常运转时对所述水电解槽供给的水的温度低的状态；及在所述低温运转的状态时对所述阳极及所述阴极间通电。
又，本发明的一实施例的水电解装置是使用固体高分子膜将水电解的装置，包括：水电解槽，包括所述固体高分子膜、设置于所述固体高分子膜的一个面的阳极、及设置于所述固体高分子膜的另一个面的阴极；冷却装置，使对所述水电解槽供给的水冷却；控制部，通过控制所述冷却装置，将所述水电解装置的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是使对所述水电解槽供给的水的温度比利用所述水电解槽进行水电解的正常运转时对所述水电解槽供给的水的温度低的状态；及电源，可通过在所述低温运转时对所述阳极及所述阴极间通电，在所述阳极及所述阴极间产生比所述正常运转时更高的电压。
发明的效果
根据本发明的一实施例，能以节能的方式使水电解装置的电解功能回复。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的水电解装置的结构的流程图。
图2是表示实施图1所示的水电解装置的低温运转试验所得的结果中正常运转时的电池的运转电压的曲线图。
具体实施方式
＜水电解装置100的结构＞
基于图1对水电解装置100的结构进行说明。图1是表示本发明的实施方式的水电解装置100的结构的流程图。如图1所示，水电解装置100包括水电解槽10、电源20、供给水罐30、冷却装置40、循环泵60、供给水泵70、过滤器80、氧气液分离器C1、氢气液分离器C2、及控制部110。
又，水电解装置100包括循环管线A1、氧管线B1、氢管线B2、充氢水管线B3、分支管线B4、充氧水管线B5、第一测定部M1、第二测定部M2、及切换阀90。水电解装置100是使用固体高分子膜11将水电解的装置。
水电解槽10包括固体高分子膜11、阳极12、及阴极13。水电解槽10使用固体高分子膜11将水电解，在阳极12产生氧，在阴极13产生氢。固体高分子膜11是传导氢离子的氢离子传导性的膜。
阳极12设置于固体高分子膜11的一个面，阴极13设置于固体高分子膜11的另一个面。水电解槽10的内部通过固体高分子膜11划分为阳极室14与阴极室15。电源20为直流电源，通过配线连接于阳极12及阴极13。
供给水罐30为了补充水电解的处理中所使用量的水，储存自系统外供给的纯水。供给水罐30中储存的水流向供给水泵70。供给水泵70是自供给水罐30对氧气液分离器C1供给水的泵。供给水泵70设置于氧气液分离器C1与供给水罐30之间。
冷却装置40是使对水电解槽10供给的水冷却的装置。换言之，冷却装置40是使在循环管线A1流动的水冷却的装置。循环管线A1是使水在阳极室14、冷却装置40、循环泵60、及氧气液分离器C1中循环的管线。
冷却装置40例如是热交换器，通过自冷却塔(cooling tower)或制冷机(chiller)对装置内导入冷媒来进行系统内的冷却。冷却装置40设置于位于阳极室14与循环泵60之间的循环管线A1上。由此，防止形成气液二相流，且防止压损变得过高，从而可使水在热交换器中顺利地流动。
氧气液分离器C1储存来自阳极室14的水及来自供给水罐30的水。氧气液分离器C1设置于位于阳极室14与循环泵60之间的循环管线A1上。但，氧气液分离器C1在循环管线A1上以循环泵60为基准设置于设有冷却装置40一侧的相反侧。氧气液分离器C1中储存的水流向循环泵60。循环泵60是通过自氧气液分离器C1对阳极室14供给水而使在循环管线A1中流动的水循环的循环泵。循环泵60设置于位于氧气液分离器C1与冷却装置40之间的循环管线A1上。
过滤器80设置于自位于冷却装置40与循环泵60之间的循环管线A1分支的充氧水管线B5上。过滤器80是去除在充氧水管线B5中流动的水中所含的污染物的过滤器。
第一测定部M1测定水电解槽10的阴极13侧、即阴极室15中生成的阴极室15侧的充氢水的导电率(比电阻)。第一测定部M1是导电率计，也可为比电阻计。第二测定部M2是测定阳极12及阴极13间产生的电压的电压计。阴极室15侧的充氢水是自阳极12侧通过阴极13侧的水。控制部110是通过控制水电解装置100的各部而控制水电解装置100的运转的控制装置。
＜水电解装置100正常运转时的处理＞
其次，对水电解装置100正常运转时的处理进行说明。此处，考量水电解装置100的额定氢产生量为10(Nm3/h)、水电解槽10的额定电流密度为2(A/cm2)、额定温度为80℃的情形。
在所述情形时，当水电解装置100正常运转时，水电解槽10内的水温为80℃。通过水电解槽10所包括的电池(未图示)发热，水电解槽10内的水温上升。正常运转时，控制部110通过控制冷却装置40，使冷却装置40将水冷却，从而不使水电解槽10内的水温较80℃大幅上升。
通过利用电源20对阳极12及阴极13间通电，对利用循环泵60对阳极室14供给的水进行水电解。由此，在阳极室14产生氧，在阴极室15产生氢。当对供给至阳极室14的水进行水电解时，氢离子自阳极室14向阴极室15移动。具体而言，在阳极室14，产生以下的式(1)所示的化学反应，在阴极室15，产生以下的式(2)所示的化学反应。
2H2O→O2+4H++4e-…(1)
4H++4e-→2H2…(2)
在阳极室14产生的氧输送至氧气液分离器C1，氧气液分离器C1将在阳极室14产生的氧与水分离。通过循环泵60自氧气液分离器C1向阳极室14供给水，所述水作为阳极室14侧的充氧水流向供给水罐30及冷却装置40。所述氧自连接于氧气液分离器C1的氧管线B1向系统外排出。
在阴极室15产生的氢输送至氢气液分离器C2，氢气液分离器C2将在阴极室15产生的氢与水分离。氢气液分离器C2中储存的水作为充氢水流向充氢水管线B3。阴极室15侧的充氢水在充氢水管线B3中流动，通过切换阀90，向供给水罐30供给。即，正常运转时，阴极室15侧的充氢水被再利用。所述氢自连接于氢气液分离器C2的氢管线B2向系统外排出。通过控制部110的控制，使切换阀90将流路切换至供给水罐30侧与分支管线B4侧。
又，在固体高分子膜11会累积如钙离子或镁离子等污染物(contamination)(阳离子)的污染物质。这是因为在循环管线A1中流动的水所含的污染物质附着于固体高分子膜11。污染物质累积于固体高分子膜11会导致水电解槽10的电池电压上升。
此处，考量水电解装置100为正常运转的状态时。此时，水电解装置100通过第二测定部M2测定阳极12及阴极13间产生的电压，通过第一测定部M1测定水电解槽10的阴极13侧、即阴极室15中生成的阴极室15侧的充氢水的导电率。再者，在水电解装置100不包括第一测定部M1的情形时，使用者也可适当提取阴极室15侧的充氢水，使用导电率计对提取的阴极室15侧的充氢水测定导电率。
又，使用者对利用第二测定部M2所测定的阳极12及阴极13间产生的电压与第一阈值进行比较，对利用第一测定部M1所测定的导电率与第二阈值进行比较。使用者在阳极12及阴极13间产生的电压为第一阈值以上、且所述导电率为第二阈值以上的情形时，将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态。
作为第一阈值的一例，可列举正常运转时阳极12及阴极13间产生的电压的105％。第一阈值的值可根据使用者所希望的功能任意设定。作为第二阈值的一例，可列举1.5(μS/cm)。在所述情形时，当充氢水的导电率成为1.5(μS/cm)以上时，将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态。当开始低温运转时，污染物质会自固体高分子膜11来到充氢水内。因此，开始低温运转时的充氢水的导电率会较第二阈值大幅上升。第二阈值的值可根据使用者所希望的功能任意设定。
所述结构中，通过确认是否阳极12及阴极13间产生的电压为第一阈值以上、且阴极室15侧的充氢水的导电率为第二阈值以上，判定水电解装置100的功能是否劣化。因此，仅在可确认水电解装置100的功能劣化的情形时，将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态，故而可在适当的时机使水电解装置100的电解功能回复。
又，通过使水电解装置100包括第一测定部M1及第二测定部M2，可测定阴极室15侧的充氢水的导电率、及阳极12及阴极13间产生的电压。因此，可适当判断水电解装置100的功能是否劣化。
再者，使用者也可仅在阳极12及阴极13间产生的电压为第一阈值以上的情形时将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态。在所述情形时，使用者通过对利用第二测定部M2所测定的阳极12及阴极13间产生的电压与第一阈值进行比较，判断是否将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态。又，在所述情形时，水电解装置100也可不包括第一测定部M1。
进而，使用者对利用第一测定部M1所测定的导电率与第三阈值进行比较。使用者在所述导电率为第三阈值以下的情形时，结束水电解装置100的低温运转。也可在使水电解装置100的低温运转结束后，开始水电解装置100的正常运转。作为第三阈值的一例，可列举1.0(μS/cm)。在所述情形时，若在以下两个条件的任一条件下将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态，则在充氢水的导电率成为1.0(μS/cm)以下的情形时，结束水电解装置100的低温运转。
所述两个条件为阳极12及阴极13间产生的电压为第一阈值以上的情形、及阳极12及阴极13间产生的电压为第一阈值以上且充氢水的导电率为第二阈值以上的情形。第三阈值的值可根据使用者所希望的功能任意设定，也可为低于第二阈值的值。
所述结构中，通过确认阴极室15侧的充氢水的导电率是否为第三阈值以下，判断水电解装置100的功能是否充分回复。因此，仅在可确认水电解装置100的功能已经充分回复的情形时，使水电解装置100的低温运转结束，故而可在适当的时机结束水电解装置100的低温运转。
＜水电解装置100低温运转时的处理＞
其次，对水电解装置100低温运转时的处理、即水电解装置100的功能回复方法进行说明。具体而言，使用者通过变更水电解装置100的运转的设定，将水电解装置100的运转的设定自正常运转的设定切换为低温运转的设定。当水电解装置100的运转的设定成为低温运转的设定时，通过控制部110的控制，使冷却装置40将供给至水电解槽10的水与正常运转时相比过度冷却。
由此，控制部110通过控制冷却装置40，将水电解装置100的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是对水电解槽10供给的水的温度比利用水电解槽10进行水电解的正常运转时对水电解槽10供给的水的温度低的状态。此时，优选为控制部110通过控制冷却装置40，使对水电解槽10供给的水的温度例如成为5℃以上且60℃以下。又，更优选为控制部110通过控制冷却装置40，使对水电解槽10供给的水的温度成为15℃以上且35℃以下。
当水电解装置100低温运转时，电源20对阳极12及阴极13间通电。如此，电源20通过在水电解装置100低温运转时对阳极12及阴极13间通电，可在阳极12及阴极13间产生高于水电解装置100正常运转时的电压。
根据所述结构，通过设为使对水电解槽10供给的水的温度低于正常运转时的水的温度的状态并进行通电，在水电解槽10产生比正常运转时在水电解槽10产生的电压更高的电压。由此，在低温运转中去除水电解槽10内的污染物质，因此可降低正常运转时在水电解槽10产生的电压。
因此，可在不提高对水电解槽10供给的电流的电流值的情况下以节能的方式使水电解装置100的电解功能回复。又，现有的水电解装置中使用的整流器的电流的最大值受限制，因此无法使电解功能充分回复，与此相对，本发明的一实施方式的水电解装置100通过设为低温运转可使电解功能充分回复。
电源20对阳极12及阴极13间通电时，去除固体高分子膜11内的污染物质，所述污染物质通过固体高分子膜11向阴极室15移动。此时，包含所述污染物质的阴极室15侧的充氢水在充氢水管线B3流动。包含所述污染物质的阴极室15侧的充氢水由自充氢水管线B3分支的分支管线B4向系统外排出。在充氢水管线B3与分支管线B4的连接部位设置有切换阀90。通过切换阀90，使低温运转时自阴极室15排出的阴极室15侧的充氢水不流向供给水罐30而是流向分支管线B4。
再者，对于未设置分支管线B4的水电解装置100，也可进行正常运转，在进行低温运转前，在充氢水管线B3设置分支管线B4，在低温运转时自分支管线B4将阴极室15侧的充氢水向系统外排出。
又，也可在充氢水管线B3设置过滤器(未图示)来代替在水电解装置100设置分支管线B4及切换阀90。通过所述过滤器，去除低温运转时阴极室15侧的充氢水所含的污染物质，在低温运转后更换所述过滤器。
＜水电解装置100的低温运转试验＞
其次，对实施水电解装置100的低温运转试验的情形进行说明。关于使用的水电解装置100，水电解槽10的额定电流密度为2(A/cm2)，额定温度为80℃。使水电解装置100以低温运转的方式进行运转。此时，将水电解槽10内的水的温度设为25℃以上且30℃以下。水电解装置100的低温运转试验开始前，正常运转时的电池的运转电压为1.92(V)，正常运转时的初始电池的运转电压为1.80(V)。
又，在充氢水管线B3设置分支管线B4，将阴极室15侧的充氢水向系统外排出。关于水电解装置100的运转，在将对水电解槽10供给的水的温度维持于低温的状态下实施日启停(Daily Start and Stop，DSS)运转，在各试验日结束时，使水电解槽10内的水的温度上升至80℃，获取图2所示的曲线图。又，适当提取正常运转中阴极室15侧的充氢水，对所提取的阴极室15侧的充氢水使用导电率计测定导电率，与正常运转并行地确认是否存在污染物质。
图2是表示实施图1所示的水电解装置100的低温运转试验所得的结果中正常运转时的电池的运转电压的曲线图。图2中，横轴表示运转时的电流密度(A/cm2)，纵轴表示运转时水电解槽10所包括的电池的运转电压(V)。如图2所示，确认尤其是电流密度高时的电池的运转电压随着反复进行低温运转试验，逐渐接近初始的正常运转时的电池的运转电压。
进而，低温运转试验开始时的阴极室15侧的充氢水的导电率为8.0(μS/cm)，阴极室15侧的充氢水的导电率随着反复进行低温运转试验逐渐降低，最终降低至0.9(μS/cm)。因此，确认通过利用低温运转排出来自固体高分子膜11污染物质，使阴极室15侧的充氢水的导电率降低，从而水电解装置100的功能回复。
根据以上，水电解装置100的功能的回复是通过一面将水电解槽10内的水的温度维持于低温，一面在将电池电压维持为高电压的状态下通电，可将累积于固体高分子膜11的污染物质排出。又，不使阴极室15侧的充氢水返回供给水罐30，而是将阴极室15侧的充氢水持续向系统外排出，直至阴极室15侧的充氢水的导电率下降至某一指标以下。由此，可使电池电压降低至接近初始电池电压的值。
本发明并不限定于所述各实施方式，可在权利要求所示的范围内进行各种变更，适当组合不同实施方式各自所公开的技术手段所得的实施方式也包含于本发明的技术范围内。
产业上的可利用性
本发明可用于使用固体高分子膜进行的水的电解。
符号的说明
10：水电解槽
11：固体高分子膜
12：阳极
13：阴极
20：电源
40：冷却装置
100：水电解装置
110：控制部
M1：第一测定部
M2：第二测定部。

Claims (7)

1.一种水电解装置的功能回复方法，其是包括水电解槽的水电解装置的功能回复方法，所述水电解槽包括固体高分子膜、设置于所述固体高分子膜的一个面的阳极、及设置于所述固体高分子膜的另一个面的阴极，所述水电解装置的功能回复方法的特征在于包括以下步骤：
将所述水电解装置的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是使对所述水电解槽供给的水的温度比利用所述水电解槽进行水电解的正常运转时对所述水电解槽供给的水的温度低的状态；及
在所述低温运转的状态时对所述阳极及所述阴极间通电。
2.根据权利要求1所述的水电解装置的功能回复方法，其特征在于还包括以下步骤：
在所述正常运转的状态时测定所述阳极及所述阴极间产生的电压；及
对所述阳极及所述阴极间产生的电压与第一阈值进行比较；
在所述阳极及所述阴极间产生的电压为第一阈值以上的情形时，将所述水电解装置的运转状态设为所述低温运转的状态。
3.根据权利要求2所述的水电解装置的功能回复方法，其特征在于还包括以下步骤：
测定所述水电解槽的所述阴极侧生成的充氢水的导电率；及
对所述导电率与第三阈值进行比较；
在所述导电率为第三阈值以下的情形时，使所述水电解装置的所述低温运转结束。
4.根据权利要求1所述的水电解装置的功能回复方法，其特征在于还包括以下步骤：
在所述正常运转的状态时，测定所述阳极及所述阴极间产生的电压；
测定所述水电解槽的所述阴极侧生成的充氢水的导电率；
对所述阳极及所述阴极间产生的电压与第一阈值进行比较；及
对所述导电率与第二阈值进行比较；
在所述阳极及所述阴极间产生的电压为第一阈值以上且所述导电率为第二阈值以上的情形时，将所述水电解装置的运转状态设为所述低温运转的状态。
5.根据权利要求4所述的水电解装置的功能回复方法，其特征在于还包括对所述导电率与第三阈值进行比较的步骤，
在所述导电率为第三阈值以下的情形时，使所述水电解装置的所述低温运转结束。
6.一种水电解装置，其是使用固体高分子膜对水进行电解的装置，其特征在于包括：
水电解槽，具有所述固体高分子膜、设置于所述固体高分子膜的一个面的阳极、及设置于所述固体高分子膜的另一个面的阴极；
冷却装置，使对所述水电解槽供给的水冷却；
控制部，通过控制所述冷却装置，将所述水电解装置的运转状态设为低温运转的状态，所述低温运转的状态是对所述水电解槽供给的水的温度比利用所述水电解槽进行水电解的正常运转时对所述水电解槽供给的水的温度低的状态；及
电源，可通过在所述低温运转时对所述阳极及所述阴极间通电，在所述阳极及所述阴极间产生比所述正常运转时更高的电压。
7.根据权利要求6所述的水电解装置，其特征在于还包括：
第一测定部，测定所述水电解槽的所述阴极侧生成的充氢水的导电率；及
第二测定部，测定所述阳极及所述阴极间产生的电压。
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