JP2000239873A

JP2000239873A - 電解装置及びこれに用いる電解セル

Info

Publication number: JP2000239873A
Application number: JP11038655A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Oi; 勉多井; Seiji Hirai; 清司平井; Hiroshi Nakai; 寛中井; Akiko Miyake; 明子三宅; Manabu Toyoshima; 学豊島; Yutaka Ishii; 豊石井
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2000-09-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】コンパクトでスペースをとらず、高内圧状態
で長期間運転された場合でも信頼性が高い電解装置及び
これに用いる電解セルを提供すること。【解決手段】多数の固体電解質膜ユニット２６が水平
方向において互いに隣接するように配置され、電解セル
６が構成されている。固体電解質膜ユニット２６は、主
として固体電解質膜３４と、この固体電解質膜３４の両
側に固体電解質膜３４とは離間して配置される電極板３
６とを備えている。固体電解質膜３４と電極板３６との
間は、陽極室３８又は陰極室４０とされている。陰極室
４０は、遮蔽板４４によって外部から遮蔽されている。
陽極室３８の上側には上部開口４６が形成されており、
下側には下部開口４８が形成されている。この上部開口
４６及び下部開口４８により、陽極室３８は電解タンク
中の純水に対して開放されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水を電気分解する
ための電解セル及び電解装置に関するものであり、特に
は、固体電解質膜によって陽極室と陰極室とに区画され
た固体電解質膜ユニットを備えた電解セル及びこの電解
セルを用いた電解装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水を電気分解して水素ガス、酸素ガス又
はオゾンを製造する場合に、イオン導電性の固体電解質
膜を備えた電解装置が用いられている。図５は、水素ガ
スと酸素ガスとを製造するための従来の電解装置が示さ
れた模式図である。この電解装置は、補給水タンク１０
２、補給水ポンプ１０４、熱交換器１０６、循環水ポン
プ１０８、非再生ポリシャー１１０、電解タンク１１
２、電解セル１１４、水素ガス分離タンク１１６及び水
素ガススクラバー１１８を備えている。

【０００３】補給水タンク１０２には、補給用の純水が
蓄えられている。この純水は、補給水ポンプ１０４によ
って、補給経路１２０を通じて循環経路１２２に補給さ
れる。循環経路１２２には、後述するように循環水ポン
プ１０８によって純水が循環しているので、補給された
純水は循環している純水と混合される。この純水は熱交
換器１０６で所定温度に冷却され、非再生ポリシャー
（イオン交換樹脂）１１０によるイオン交換でイオンが
除去される。電解タンク１１２には純水が蓄えられてい
ると共に、電解セル１１４が収納されている。電解セル
１１４は、電解タンク１１２内の純水中に水没してい
る。電解セル１１４は、固体電解質膜によって陽極室と
陰極室とに区画されている。冷却され、イオン除去され
た純水は、電解セル１１４の陽極室に供給される。そし
て、固体電解質膜に電圧が印加され、純水から酸素ガス
と水素イオンとが発生する。水素イオンは少量の純水と
共に固体電解質膜を通過して陰極室に至り、ここで水素
ガスが発生する。陰極室の水素ガスと純水とは、水素ガ
ス分離タンク１１６に取り出される。ここで水素ガスと
純水とが気液分離され、水素ガスがユースポイントへ送
られる。気液分離された後の純水は、環流経路１２４を
通じて補給水タンク１０２へと戻される。この環流経路
１２４には水素ガススクラバー１１８が設けられてお
り、返還される純水中に若干含まれる水素ガスが除去さ
れる。一方、陽極室で発生した酸素ガスは、多量の純水
（電気分解されなかった純水）とともに電解タンク１１
２に放出される。ここで酸素ガスと純水とが気液分離さ
れ、酸素ガスが電解タンク１１２から取り出されてユー
スポイントへ送られる。電解タンク１１２中の純水は取
り出され、循環経路１２２を通じて循環する。電気分解
に消費された分の純水を補うため、補給水タンクには純
水製造装置１３０が連結されている。なお、電解タンク
１１２は前述のように酸素ガスの気液分離装置としての
機能を果たすが、同時に、その内部に蓄えられた純水に
よって電解セル１１４を冷却する機能も果たす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の電解
装置では、電解時に発生する熱を冷却して適正な電解温
度に保持する必要があり、また、非再生ポリシャー１１
０を通して電解に必要な水質を保持する必要がある。こ
のため、純水を循環させる必要があり、循環経路１２２
と循環水ポンプ１０８とが必要となってしまうので、電
解装置が大がかりなものとなってしまい、省スペースの
観点から好ましくない。また、特に循環水ポンプ１０８
は概して高価であり、電解装置の製造コストが高額とな
ってしまう。また、循環経路１２２の配管が複雑となっ
てしまう。

【０００５】さらに、この電解装置では、陰極室の内部
と水素ガス分離タンク１１６の内部とは同圧とされてい
るので、水素ガス分離タンク１１６の内部を高圧として
高圧水素ガスを得ようとすると、陰極室の内部も高圧と
なってしまう。従って、固体電解質膜を差圧により破損
させないためには、固体電解質膜を介して陰極室と隣接
している陽極室の内部も、陰極室の内部とほぼ同等に高
圧としなければならない。陽極室と循環経路１２２とは
同圧であるので、循環経路１２２並びにこの循環経路１
２２内に設けられた熱交換器１０６、循環水ポンプ１０
８及び非再生ポリシャー１１０の内部も高圧となる。熱
交換器１０６、循環水ポンプ１０８及び非再生ポリシャ
ー１１０の耐圧性を高めるには費用がかかってしまう。
また、これらの耐圧性を高めても、このような高内圧状
態で長期間電解装置が運転された場合に、各機器の信頼
性が不十分となり、特に循環水ポンプ１０８においてこ
の傾向が顕著である。

【０００６】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、コンパクトでスペースをとらず、高内圧状
態で長期間運転された場合でも信頼性が高い電解装置及
びこれに用いる電解セルを提供することをその目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めになされた発明は、水を蓄えた電解タンクと、固体電
解質膜によって陽極室と陰極室とに区画された固体電解
質膜ユニットを備えた電解セルとを備えた電解装置であ
って、陽極室と陰極室とは水平方向において互いに隣接
するように配置されており、陽極室は上部及び下部にお
いて電解タンク中の水に連通された構造とされているこ
とを特徴とする電解装置、である（請求項１）。

【０００８】また、上記の問題を解決するためになされ
た他の発明は、固体電解質膜によって陽極室と陰極室と
に区画された固体電解質膜ユニットを備えており、水を
蓄えた電解タンクを備えた電解装置に用いられる電解セ
ルであって、陽極室と陰極室とは水平方向において互い
に隣接するように配置されており、陽極室は上部及び下
部において電解タンク中の水に連通された構造とされて
いることを特徴とする電解セル、である（請求項５）。

【０００９】これらの発明によれば、陽極室が上部及び
下部において電解タンク中の水に連通された構造とされ
ているので、この上部及び下部を通じて電解タンク内の
水が直接電解セル内を循環する。従って、循環水ポンプ
等を設ける必要がなく、電解装置がコンパクトとなる。
また、耐圧性が高められた循環水ポンプを設けることな
く陽極室の内圧を高めることができ、高圧の水素ガスを
得ることができる。

【００１０】これらの発明において、複数の固体電解質
膜ユニットを備えた電解セルを用いる場合は、各固体電
解質膜ユニットの陽極室のそれぞれを、上部及び下部に
おいて電解タンク中の水に連通された構造とすればよい
（請求項２、請求項６）。こうすれば、各陽極室に円滑
に水を循環させることができる。

【００１１】これらの発明において、電解タンク内にイ
オン交換樹脂成形体を設ければ（請求項３）、このイオ
ン交換樹脂成形体によって水に含まれるイオンが除去さ
れるので、電解タンクの外部に非再生ポリシャー等のイ
オン除去装置を設ける必要がない。従って、電解装置を
さらにコンパクトにすることができる。

【００１２】これらの発明において、電解タンクの外壁
に冷却手段を設ければ（請求項４）、電解タンク内の水
を冷却することができ、電解タンクの外部に熱交換器等
の冷却手段を設ける必要がない。従って、電解装置をさ
らにコンパクトにすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しつつ本発
明を詳説する。

【００１４】図１は、本発明の一実施形態にかかる電解
装置が示された模式図である。この電解装置は、補給水
ポンプ２、補給水タンク３、電解タンク４、電解セル
６、水素ガス分離タンク８、水素ガススクラバー１０及
び除湿器１２を備えている。

【００１５】補給水タンク３には純水が蓄えられてお
り、この内圧は電解タンク４の内圧よりも高圧とされて
いる。補給水弁１４を開放することにより、補給水タン
ク３内の純水が電解タンク４内に間欠的に供給される。
電解タンク４には純水が蓄えられていると共に、電解セ
ル６が収納されている。電解セル６は、純水中に水没し
ている。電解タンク４内の純水は後述するように電解セ
ル６に流入し、ここで電気分解が行われ、陽極室で酸素
ガスが発生し、陰極室で水素ガスが発生する。水素ガス
は、少量の純水と共に、水素ガス取出経路１５を通じて
水素ガス分離タンク８に取り出され、ここで水素ガスと
純水とが気液分離される。気液分離された水素ガスは除
湿器１２で除湿され、ユースポイントへ送られる。気液
分離された後の純水は、補給水ポンプ２の作用により、
環流経路１６を通じて補給水タンク３へと戻される。こ
の際は、純水戻し弁１８及び補給水ポンプ出口側弁２０
が開放される。この環流経路１６には水素ガススクラバ
ー１０が設けられているので、返還される純水中に若干
含まれる水素ガスが除去される。

【００１６】一方、電解セル６で発生した酸素ガスは、
多量の純水（電気分解されなかった純水）とともに電解
タンク４に放出される。ここで酸素ガスと純水とが気液
分離され、酸素ガスが酸素ガス取出経路２２を通じて電
解タンク４から取り出されて、ユースポイントへ送られ
る。この電解装置には純水製造装置２４が連結されてお
り、ここで製造された純水が補給水タンク３に補給され
る。この補給は、電気分解に消費された分の純水を補う
ためのものである。

【００１７】図２（ａ）は図１の電解装置の電解セル６
が示された平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中の
Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。電解セル６は、図２
（ｂ）における上側が鉛直方向上側となるように、電解
タンク４内に配置されている。この電解セル６には多数
の固体電解質膜ユニット２６が水平方向において互いに
隣接するように配置されており、両端に通電用の端部電
極板２８が設けられている。また、一方の端部電極板２
８から他方の端部電極板２８まで、各固体電解質膜ユニ
ット２６の両側端面に沿うように、第一絶縁板３０及び
第二絶縁板３２が設けられている。両方の端部電極板２
８、第一絶縁板３０及び第二絶縁板３２の４枚の板状体
は、電解セル６の側壁を形成している。図２では、左側
の端部電極板２８がプラス側、右側の端部電極板２８が
マイナス側となるように、電解セル６に直流電圧が印加
される。

【００１８】固体電解質膜ユニット２６は、主として固
体電解質膜３４と、この固体電解質膜３４の両側に固体
電解質膜３４とは離間して配置される電極板３６とを備
えている。１つの電極板３６は、その左右両側の固体電
解質膜ユニット２６に共通の構成部材となっている。固
体電解質膜３４と電極板３６との間は空間となってお
り、固体電解質膜３４に対して一方側（図２では左側）
の空間が陽極室３８となり、他方側が陰極室４０とな
る。陽極室３８及び陰極室４０には、給電体４２が収納
されている。図２（ａ）では陽極室３８の給電体４２の
みが図示されている。陰極室４０の上側及び下側には遮
蔽板４４が設けられており、陰極室４０が外部（すなわ
ち電解タンク４中の純水）から遮蔽されている。陽極室
３８の上側には上部開口４６が形成されており、下側に
は下部開口４８が形成されている。この上部開口４６及
び下部開口４８により、陽極室３８は電解タンク４中の
純水に対して開放され、連通されている。なお、固体電
解質膜３４としては、イオン導電性の高分子膜の両面に
化学メッキ、ホットプレス等の手段によって白金族金属
等からなる多孔質層が形成された、いわゆる固体高分子
電解質膜が好適に用いられる。

【００１９】この電解セル６に、左側の端部電極板２８
がプラス側、右側の端部電極板２８がマイナス側となる
ように直流電圧を印加すると、電極板３６は複極式であ
るので、一方側面（図２における左側面）が陰極とな
り、他方側面が陽極となって、前述のように電解セル６
に陰極室４０と陽極室３８とが形成される。陽極室３８
は上部開口４６と下部開口４８とによって電解タンク４
に開放・連通されているので、純水が充満している。こ
の陽極室３８で下記式２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- で表される反応が起こり、純水から酸素ガスと水素イオ
ンとが発生する。発生した酸素ガスは微小な気泡となる
ので純水中に分散しており、陽極室３８内は気液二相流
となる。このため陽極室３８中の気液二相流体の平均密
度は純水よりも低下し、一方電解タンク４内は純水であ
って気液二相流体よりも密度が高いので、この密度差に
よって陽極室３８内の気液二相流体が上部開口４６を通
じて上方に移動し、酸素ガスが電解タンク４に放出され
る。一方、気液二相流体の移動に伴って下部開口４８か
ら新たな純水が陽極室３８に侵入し、さらなる電気分解
に供される。こうして、電解タンク４内の純水が陽極室
３８を循環する。従って、循環水ポンプ等によって純水
を強制的に陽極室３８に送り込む必要がない。

【００２０】陽極室３８で発生した水素イオンは少量の
純水と共に固体電解質膜３４を通過して陰極室４０に移
動する。陰極室４０では、下記式４Ｈ⁺＋４ｅ^-→ ２Ｈ₂ で表される反応が起こり、水素ガスが発生する。この水
素ガスは、第二絶縁板３２に形成された通路５０を通じ
て水素ガス分離タンク８（図１参照）へと取り出され
る。

【００２１】電解タンク４の外壁には、冷却手段として
の水冷ジャケット５２が巻き付けられている。この水冷
ジャケット５２には、図示されない配管を通じて冷却水
が循環している。この水冷ジャケット５２によって、電
解タンク４の内壁近傍の純水が冷却される。冷却された
純水は下方へ降下し、電解タンク４内に自然対流が発生
する。この自然対流により、電解タンク４内の純水全体
が冷却される。電解セル６での電気分解によって反応熱
が発生するが、電解セル６は電解タンク４中の純水によ
って冷却されるので、電解セル６が高温となることはな
い。従って、電解タンク４内の純水を循環経路を設けて
強制的に循環させ、これを熱交換器等で冷却する必要が
ない。なお、水冷ジャケット５２は、電解タンク４の外
壁全面を覆ってもいいし、その一部を覆ってもよい。冷
却手段としては、水冷ジャケット５２の他に、例えば空
冷用フィン等の種々の手段を用いることができる。

【００２２】電解タンク４内には、イオン交換樹脂成形
体５４が設けられている。このイオン交換樹脂成形体５
４は、イオン交換能を有する合成樹脂から成形されてお
り、純水中のイオンを除去するものである。イオン交換
樹脂成形体５４を電解タンク４内に設けることにより、
電解タンク４内の純水を循環経路を設けて強制的に循環
させ、これにイオン除去操作を施す必要がない。イオン
交換樹脂成形体５４には使用上限温度があるので、電解
タンク４のうち特に純水が低温となっている内壁の近傍
に設けられるのが好ましい。なお、イオン交換樹脂成形
体５４の形状は特には限られず、例えば粒状、膜状、繊
維状等のものを用いることができる。

【００２３】図３は、図２の電解セル６に用いられる給
電体４２が固体電解質膜３４及び電極板３６とともに示
された、一部切り欠き斜視図である。この図において両
矢印Ａで示される方向が、電解セル６の上下方向であ
る。この給電体４２は、焼結板５６と、この焼結板５６
に重ね合わされたフィンプレート５８とから構成されて
いる。焼結板５６は粉末金属等を焼結して得られるもの
であり、固体電解質膜３４への給電を均一とする目的で
用いられている。フィンプレート５８には、断面が
「コ」の字状のフィン６０が多数個形成されている。こ
のフィン６０は、この内部を流通する純水と給電体４２
との接触面積を多くするとともに乱流化を促進し、冷却
効率を高める。フィン６０は、純水の流通方向が電解セ
ル６の上下方向と一致するように形成されている。従っ
て、陽極室３８の下部開口４８から上部開口４６への純
水の循環が円滑に行われる。なお、給電体４２として
は、図３に示されるものの他、下部開口４６から上部開
口４８への純水の循環が円滑に行われるあらゆる構成の
ものを用いることができ、例えば白金族金属等でメッキ
されたチタン等からなるメッシュ状の多孔質給電板等を
用いることができる。

【００２４】図１から図３に示された電解装置には循環
経路は設けられておらず、また、循環水ポンプ、熱交換
器、循環水ポンプ及び非再生ポリシャーも設けられてい
ない。従って、電解装置全体としてコンパクトであり、
設置場所の省スペースが可能である。また、耐圧性の高
価な機器を用意することなく、電解タンク４、配管等の
耐圧性を高めるのみで、容易に電解タンク４の内圧（す
なわち電解セル６の陽極室３８の内圧）を高めることが
できる。従って、固体電解質膜３４の破損を防止しつ
つ、電解セル６の陰極室４０の内圧を高めることがで
き、容易に高圧の水素ガスを得ることができる。

【００２５】この電解装置では、全ての陽極室３８が上
部開口４６によって電解タンク４中の純水に直接開放さ
れているが、陽極室３８の上部に配管を接続し、この配
管によって複数の陽極室３８から上昇する気液二相流体
を集め、その後にこの純水を電解タンク４に放出させて
もよい。

【００２６】図４は、本発明の他の実施形態にかかる電
解装置が示された模式図である。この電解装置の補給水
ポンプ２、補給水タンク３、水素ガス分離タンク８、水
素ガススクラバー１０及び除湿器１２の構成は、それぞ
れ図１の電解装置のものと同等であり、同一の符号が付
されている。電解セル６２は、基本構造は図２の電解セ
ル６と同等であり、陽極室３８（図２参照）、上部開口
４６、下部開口４８等を備えている。さらにこの電解セ
ル６２は、全ての上部開口４６と連通する上部通路６４
及び全ての下部開口４８と連通する下部通路６６をも備
えている。電解セル６２は電解タンク６８の外部に配置
されている。電解タンク６８は電解セル６２を収納する
必要がないので、図１の電解装置の電解タンク４よりも
若干小型とされている。

【００２７】上部通路６４と電解タンク６８とは、上部
配管７０によって連結されている。すなわち、電解セル
６２は、上部開口４６、上部通路６４及び上部配管７０
によって、電解タンク６８中の純水に連通されている。
下部通路６６と電解タンク６８とは、下部配管７２によ
って連結されている。すなわち、電解セル６２は、下部
開口４８、下部通路６６及び下部配管７２によって、電
解タンク６８中の純水に連通されている。

【００２８】電解セル６２の陽極室３８内は、電気分解
によって前述のように気液二相流となる。この気液二相
流体の平均密度は純水よりも低く、一方電解タンク４内
の純水は気液二相流体よりも密度が高い。従って、この
密度差によって、陽極室３８内の気液二相流体が上部開
口４６、上部通路６４及び上部配管７０を通じて電解タ
ンク６８に流れ込む。一方、気液二相流体の移動に伴っ
て、電解タンク６８内の純水が下部配管７２、下部通路
６６及び下部開口４８を通じて陽極室３８に侵入し、さ
らなる電気分解に供される。こうして、電解タンク６８
内の純水が陽極室３８を循環する。

【００２９】この電解装置も、循環経路、循環水ポン
プ、熱交換器、循環水ポンプ及び非再生ポリシャーを備
えていない。従って、電解装置全体としてコンパクトで
あり、設置場所の省スペースが可能である。

【００３０】以上、酸素ガスと水素ガスとを供給する場
合を例にとり本発明の電解装置を説明したが、本発明の
電解装置において例えば水素ガスしか必要とされない場
合は、酸素ガスを廃棄等してもよい。また、この電解装
置を用いて運転条件を調整することにより、オゾンを製
造することもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンパクトでスペースをとらず、高内圧状態で長期間運
転された場合でも信頼性が高い電解装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる電解装置
が示された模式図である。

【図２】図２（ａ）は図１の電解装置の電解セルが示さ
れた平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＢ−Ｂ
線に沿った断面図である。

【図３】図３は、図２の電解セルに用いられる給電体が
固体電解質膜及び電極板とともに示された、一部切り欠
き斜視図である。

【図４】図４は、本発明の他の実施形態にかかる電解装
置が示された模式図である。

【図５】図５は、従来の電解装置が示された模式図であ
る。

【符号の説明】

２・・・補給水ポンプ３・・・補給水タンク４、６８・・・電解タンク６、６２・・・電解セル８・・・水素ガス分離タンク１０・・・水素ガススクラバー１２・・・除湿器１４・・・補給水弁１５・・・水素ガス取出経路１６・・・環流経路１８・・・純水戻し弁２０・・・補給水ポンプ出口側弁２２・・・酸素ガス取出経路２４・・・純水製造装置２６・・・固体電解質膜ユニット２８・・・端部電極板３０・・・第一絶縁板３２・・・第二絶縁板３４・・・固体電解質膜３６・・・電極板３８・・・陽極室４０・・・陰極室４２・・・給電体４４・・・遮蔽板４６・・・上部開口４８・・・下部開口５０・・・通路５２・・・水冷ジャケット５４・・・イオン交換性樹脂成形体５６・・・焼結板５８・・・フィンプレート６０・・・フィン６４・・・上部通路６６・・・下部通路７０・・・上部配管７２・・・下部配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三宅明子兵庫県神戸市須磨区清水台１−18−716 (72)発明者豊島学兵庫県神戸市須磨区白川台３丁目38−53− 6104 (72)発明者石井豊兵庫県神戸市須磨区南落合１丁目13−８− 283 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 BC01 BC03 BC04 BC05 CA08 CA09 CA11 DB02 DB34 DB40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水を蓄えた電解タンクと、固体電解質膜
によって陽極室と陰極室とに区画された固体電解質膜ユ
ニットを備えた電解セルとを備えた電解装置であって、陽極室と陰極室とは水平方向において互いに隣接するよ
うに配置されており、陽極室は上部及び下部において電
解タンク中の水に連通された構造とされていることを特
徴とする電解装置。
【請求項２】上記電解セルは連続して配置される複数
の固体電解質膜ユニットを備えており、各固体電解質膜
ユニットの陽極室はそれぞれ上部及び下部において電解
タンク中の水に連通された構造とされている請求項１に
記載の電解装置。
【請求項３】上記電解タンク内にイオン交換樹脂成形
体が設けられている請求項１又は請求項２に記載の電解
装置。
【請求項４】上記電解タンクの外壁に冷却手段が設け
られている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載
の電解装置。
【請求項５】固体電解質膜によって陽極室と陰極室と
に区画された固体電解質膜ユニットを備えており、水を
蓄えた電解タンクを備えた電解装置に用いられる電解セ
ルであって、陽極室と陰極室とは水平方向において互いに隣接するよ
うに配置されており、陽極室は上部及び下部において電
解タンク中の水に連通された構造とされていることを特
徴とする電解セル。
【請求項６】連続して配置される複数の固体電解質膜
ユニットを備えており、各固体電解質膜ユニットの陽極
室はそれぞれ上部及び下部において電解タンク中の水に
連通された構造とされている請求項５に記載の電解セ
ル。