JP2002143852A - 固体高分子型水電解装置 - Google Patents
固体高分子型水電解装置Info
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Treatment Of Water By Ion Exchange (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 循環水中の不純物含有量を抑えるとともに、
水の消費量も少なくし、しかも、装置全体のコストを抑
えた固体高分子型水電解装置を提供する。 【解決手段】 循環ポンプ23と水電解槽20との間に、
Ｈ型陽イオン交換樹脂を充填したイオン交換器30を設置
する。イオン交換器30本体材料をチタン合金とする。
水の消費量も少なくし、しかも、装置全体のコストを抑
えた固体高分子型水電解装置を提供する。 【解決手段】 循環ポンプ23と水電解槽20との間に、
Ｈ型陽イオン交換樹脂を充填したイオン交換器30を設置
する。イオン交換器30本体材料をチタン合金とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、高純度の水素お
よび酸素を製造するための固体高分子型水電解装置に関
する。
よび酸素を製造するための固体高分子型水電解装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、化石燃料の熱分解によって水素を
生産する方法に代えて、自然エネルギーを一次エネルギ
ーとする水素製造法の開発が重要課題となっており、そ
の１つに、固体高分子型水電解技術を利用したものが知
られている。このような固体高分子型水電解装置として
は、図３に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電
解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(2
0)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分
離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて
発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、
酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給するこ
とにより水を循環させる循環ポンプ(23)と、電気伝導度
の低い純水を製造する純水製造装置(24)と、純水製造装
置(24)から酸素気液分離器(22)へ純水を供給するポンプ
(25)とを備えているものが知られている。循環水ライン
の配管は、比較的安価なステンレス鋼で形成されてい
る。
生産する方法に代えて、自然エネルギーを一次エネルギ
ーとする水素製造法の開発が重要課題となっており、そ
の１つに、固体高分子型水電解技術を利用したものが知
られている。このような固体高分子型水電解装置として
は、図３に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電
解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(2
0)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分
離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて
発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、
酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給するこ
とにより水を循環させる循環ポンプ(23)と、電気伝導度
の低い純水を製造する純水製造装置(24)と、純水製造装
置(24)から酸素気液分離器(22)へ純水を供給するポンプ
(25)とを備えているものが知られている。循環水ライン
の配管は、比較的安価なステンレス鋼で形成されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の固体高分子
型水電解装置において、性能劣化を避けるためには循環
水中の不純物含有量を抑える必要があるが（１ＭΩ−ｃ
ｍ以下）、８０〜１００℃という運転温度のために金属
イオン（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）が原料純水中に溶出し、こ
れが固体高分子膜に吸着して膜の抵抗を増加させ、水電
解槽のセル電圧を上昇させるという問題があった。この
問題を回避するために、循環水の電気伝導度の設定値を
例えば１μＳ／ｃｍ以下とし、この値を越えると、ブロ
ー弁(29)を開いて循環水を排水し、新たに純水を供給し
て循環水の純度を上げるという運転方法が採られている
が、これにより、水の消費量が多くなるという問題を生
じている。
型水電解装置において、性能劣化を避けるためには循環
水中の不純物含有量を抑える必要があるが（１ＭΩ−ｃ
ｍ以下）、８０〜１００℃という運転温度のために金属
イオン（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）が原料純水中に溶出し、こ
れが固体高分子膜に吸着して膜の抵抗を増加させ、水電
解槽のセル電圧を上昇させるという問題があった。この
問題を回避するために、循環水の電気伝導度の設定値を
例えば１μＳ／ｃｍ以下とし、この値を越えると、ブロ
ー弁(29)を開いて循環水を排水し、新たに純水を供給し
て循環水の純度を上げるという運転方法が採られている
が、これにより、水の消費量が多くなるという問題を生
じている。
【０００４】そこで、水循環ラインの配管機器をステン
レス鋼製に代えてチタン合金製とすることにより、循環
水中の不純物含有量を抑えて水の消費量も少なくする装
置も知られているが、この場合には、ランニングコスト
が低減できても、装置の製造コストが高価なものとなる
という別の問題が生じる。
レス鋼製に代えてチタン合金製とすることにより、循環
水中の不純物含有量を抑えて水の消費量も少なくする装
置も知られているが、この場合には、ランニングコスト
が低減できても、装置の製造コストが高価なものとなる
という別の問題が生じる。
【０００５】また、循環水中の不純物含有量を抑えると
ともに、水の消費量も少なくする固体高分子型水電解装
置として、図４に示すように、図３の装置にさらに純水
タンク(26)、熱交換器(27)およびイオン交換器(28)を付
加し、循環水を一旦純水タンク(26)に供給し、熱交換器
(27)にて冷却した後、通常の常温用イオン交換樹脂にて
電気伝導を下げるものが提案されている。この装置で
は、余分に純水タンク(26)および熱交換器(27)が必要と
なり、また、高温の循環水を一旦冷却することにより、
熱効率が悪くなるという問題がある。
ともに、水の消費量も少なくする固体高分子型水電解装
置として、図４に示すように、図３の装置にさらに純水
タンク(26)、熱交換器(27)およびイオン交換器(28)を付
加し、循環水を一旦純水タンク(26)に供給し、熱交換器
(27)にて冷却した後、通常の常温用イオン交換樹脂にて
電気伝導を下げるものが提案されている。この装置で
は、余分に純水タンク(26)および熱交換器(27)が必要と
なり、また、高温の循環水を一旦冷却することにより、
熱効率が悪くなるという問題がある。
【０００６】この発明の目的は、上記実状に鑑み、循環
水中の不純物含有量を抑えるとともに、水の消費量も少
なくし、しかも、装置全体のコストを抑えた固体高分子
型水電解装置を提供することにある。
水中の不純物含有量を抑えるとともに、水の消費量も少
なくし、しかも、装置全体のコストを抑えた固体高分子
型水電解装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明による固体高分
子型水電解装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解
し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽と、
水電解槽の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素
気液分離器と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水と
を分離する酸素気液分離器と、酸素気液分離器から水電
解槽へ水を供給することにより水を循環させる循環ポン
プとを備えている固体高分子型水電解装置において、循
環ポンプと水電解槽との間に、イオン交換樹脂を充填し
たイオン交換器を設置したことを特徴とするものであ
る。
子型水電解装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解
し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽と、
水電解槽の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素
気液分離器と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水と
を分離する酸素気液分離器と、酸素気液分離器から水電
解槽へ水を供給することにより水を循環させる循環ポン
プとを備えている固体高分子型水電解装置において、循
環ポンプと水電解槽との間に、イオン交換樹脂を充填し
たイオン交換器を設置したことを特徴とするものであ
る。
【０００８】イオン交換器に充填するイオン交換樹脂
は、耐熱性のカチオン交換樹脂が好ましい。これによ
り、高温（約８０℃）の循環水に対応できる。また、イ
オン交換樹脂は、Ｈ型（プロトン型）陽イオン交換樹脂
がより好ましい。これにより、鉄イオン等の溶出イオン
を効率的に除去することができる。
は、耐熱性のカチオン交換樹脂が好ましい。これによ
り、高温（約８０℃）の循環水に対応できる。また、イ
オン交換樹脂は、Ｈ型（プロトン型）陽イオン交換樹脂
がより好ましい。これにより、鉄イオン等の溶出イオン
を効率的に除去することができる。
【０００９】また、イオン交換器本体材料をチタン合金
とすることが好ましく、これにより、循環水がよどみや
すいイオン交換器において金属イオンの溶出を抑え、イ
オン交換樹脂の寿命を長くすることができる。
とすることが好ましく、これにより、循環水がよどみや
すいイオン交換器において金属イオンの溶出を抑え、イ
オン交換樹脂の寿命を長くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下図
面を参照して説明する。
面を参照して説明する。
【００１１】この発明による固体高分子型水電解装置
は、図１に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電
解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(2
0)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分
離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて
発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、
酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給するこ
とにより水を循環させる循環ポンプ(23)と、電気伝導度
の低い純水を製造する純水製造装置(24)と、純水製造装
置(24)から酸素気液分離器(22)へ純水を供給するポンプ
(25)と、循環ポンプ(23)と水電解槽(20)との間に設置さ
れたイオン交換器(30)とを備えている。
は、図１に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電
解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(2
0)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分
離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて
発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、
酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給するこ
とにより水を循環させる循環ポンプ(23)と、電気伝導度
の低い純水を製造する純水製造装置(24)と、純水製造装
置(24)から酸素気液分離器(22)へ純水を供給するポンプ
(25)と、循環ポンプ(23)と水電解槽(20)との間に設置さ
れたイオン交換器(30)とを備えている。
【００１２】水電解槽(20)は、図２に示すように、両端
に配された陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これ
ら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セル
と、これらを一体化する各４本の締付けボルトおよびナ
ットとから主として構成され、１つのセルは、チタン合
金製の複極板(9)の陽極側と、多孔質の陽極給電体(7)
と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜(3)と、
多孔質の陰極給電体(8)と、隣の複極板(9)の陰極側とか
らなり、電極接合体膜(3)は、イオン交換膜(4)とその両
面に設けられた触媒電極層(5)(6)とからなる。
に配された陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これ
ら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セル
と、これらを一体化する各４本の締付けボルトおよびナ
ットとから主として構成され、１つのセルは、チタン合
金製の複極板(9)の陽極側と、多孔質の陽極給電体(7)
と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜(3)と、
多孔質の陰極給電体(8)と、隣の複極板(9)の陰極側とか
らなり、電極接合体膜(3)は、イオン交換膜(4)とその両
面に設けられた触媒電極層(5)(6)とからなる。
【００１３】水電解槽(20)では、電解槽下部の給水ヘッ
ダ(10)から供給された水が、陽極給電体(7)を通って電
極接合体膜(3)の陽極側触媒電極層(5)に達し、ここで付
加された電力によって水の電気分解反応が起こり、酸素
が発生する。発生した酸素は、陽極給電体(7)を通り、
複極板(9)の陽極側に設けられた垂直流路内を未反応の
水とともに上昇し、酸素ヘッダー(11)に排出される。一
方、電極接合膜(3)の陰極側触媒電極層(6)表面で発生し
た水素とイオン交換膜(4)を透過した水は、陰極給電体
(8)を通り、複極板(9)の陰極側に設けられた垂直流路内
を上昇し、水素ヘッダー(12)に排出される。
ダ(10)から供給された水が、陽極給電体(7)を通って電
極接合体膜(3)の陽極側触媒電極層(5)に達し、ここで付
加された電力によって水の電気分解反応が起こり、酸素
が発生する。発生した酸素は、陽極給電体(7)を通り、
複極板(9)の陽極側に設けられた垂直流路内を未反応の
水とともに上昇し、酸素ヘッダー(11)に排出される。一
方、電極接合膜(3)の陰極側触媒電極層(6)表面で発生し
た水素とイオン交換膜(4)を透過した水は、陰極給電体
(8)を通り、複極板(9)の陰極側に設けられた垂直流路内
を上昇し、水素ヘッダー(12)に排出される。
【００１４】図１において、水電解槽(20)の陽極にて発
生した酸素は、酸素気液分離器(22)に送られ、陰極にて
発生した水素は水素気液分離器(21)に送られる。このと
き、水電解槽(20)から出る水は、ほとんどが酸素気液分
離器(22)に送られる。水素気液分離器(21)と酸素気液分
離器(22)とは、配管にてつながれており、両気液分離器
(21)(22)の水面レベルは、常に同じとなるように制御さ
れている。両気液分離器(21)(22)に送られた水は、循環
水として循環ポンプ(23)にてイオン交換器(30)へ送られ
る。循環水は、ここで溶出金属イオンを除去され、除去
後の水が水電解槽(20)へ供給される。
生した酸素は、酸素気液分離器(22)に送られ、陰極にて
発生した水素は水素気液分離器(21)に送られる。このと
き、水電解槽(20)から出る水は、ほとんどが酸素気液分
離器(22)に送られる。水素気液分離器(21)と酸素気液分
離器(22)とは、配管にてつながれており、両気液分離器
(21)(22)の水面レベルは、常に同じとなるように制御さ
れている。両気液分離器(21)(22)に送られた水は、循環
水として循環ポンプ(23)にてイオン交換器(30)へ送られ
る。循環水は、ここで溶出金属イオンを除去され、除去
後の水が水電解槽(20)へ供給される。
【００１５】上記において、イオン交換器(30)として
は、粒状または膜状のカチオン交換樹脂が充填された充
填塔が使用される。カチオン交換樹脂は強酸性であるた
め、イオン交換器(30)の本体の材料としては、チタン合
金や耐熱性樹脂のような耐食材料が使用され、それ以外
の水循環ラインの配管機器の材料は、すべて比較的安価
なステンレス鋼とされている。また、カチオン交換樹脂
としては、耐熱性のある例えば含フッ素イオン交換樹脂
でスルホン酸基、カルボキシル基、燐酸基などが使用さ
れ、より好ましくは、耐熱性のＨ型陽イオン交換樹脂
（例えば、Amberlite IR-1-20B(H)）が使用される。
は、粒状または膜状のカチオン交換樹脂が充填された充
填塔が使用される。カチオン交換樹脂は強酸性であるた
め、イオン交換器(30)の本体の材料としては、チタン合
金や耐熱性樹脂のような耐食材料が使用され、それ以外
の水循環ラインの配管機器の材料は、すべて比較的安価
なステンレス鋼とされている。また、カチオン交換樹脂
としては、耐熱性のある例えば含フッ素イオン交換樹脂
でスルホン酸基、カルボキシル基、燐酸基などが使用さ
れ、より好ましくは、耐熱性のＨ型陽イオン交換樹脂
（例えば、Amberlite IR-1-20B(H)）が使用される。
【００１６】また、循環水の設定値は例えば１μＳ／ｃ
ｍ以下とされ、それ以上の場合には、循環水を排出し、
新たに純水が供給される。このときの供給水の電気伝導
度は、例えば０．５μＳ／ｃｍ以下とされる。排水は、
ブロー弁(29)を開くことにより行われるが、上記の固体
高分子型水電解装置でのブロー弁(29)の開く頻度は、図
３に示した従来の装置でのものに比べて、大幅に少なく
することができた。
ｍ以下とされ、それ以上の場合には、循環水を排出し、
新たに純水が供給される。このときの供給水の電気伝導
度は、例えば０．５μＳ／ｃｍ以下とされる。排水は、
ブロー弁(29)を開くことにより行われるが、上記の固体
高分子型水電解装置でのブロー弁(29)の開く頻度は、図
３に示した従来の装置でのものに比べて、大幅に少なく
することができた。
【００１７】
【発明の効果】この発明の固体高分子型水電解装置によ
ると、水循環の配管機器の材料にステンレス鋼を使用し
かつイオン交換器を使用しない従来の装置（図３のも
の）では、初期のセル電圧が８０００時間後に約５％上
昇し、電力原単位も約５％上昇するのに対し、清浄な原
料水が電解槽に供給され、セル電圧の上昇が認められ
ず、水素製造の電力原単位が悪化しない。すなわち、循
環水中の不純物含有量を抑えるとともに、水の消費量も
少なくし、しかも、装置全体のコストを抑えることがで
きる。
ると、水循環の配管機器の材料にステンレス鋼を使用し
かつイオン交換器を使用しない従来の装置（図３のも
の）では、初期のセル電圧が８０００時間後に約５％上
昇し、電力原単位も約５％上昇するのに対し、清浄な原
料水が電解槽に供給され、セル電圧の上昇が認められ
ず、水素製造の電力原単位が悪化しない。すなわち、循
環水中の不純物含有量を抑えるとともに、水の消費量も
少なくし、しかも、装置全体のコストを抑えることがで
きる。
【図１】この発明による固体高分子型水電解装置を示す
フロー図である。
フロー図である。
【図２】水電解槽の構成を示す断面図である。
【図３】従来の固体高分子型水電解装置を示すフロー図
である。
である。
【図４】従来の固体高分子型水電解装置の他の例を示す
フロー図である。
フロー図である。
(20) 水電解槽 (21) 水素気液分離器 (22) 酸素気液分離器 (23) 循環ポンプ (30) イオン交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２５Ｂ 13/08 ３０５ Ｃ２５Ｂ 13/08 ３０５ Ｆターム(参考） 4D006 GA17 HA48 JA70A JA70C KA01 KA71 KB11 KE16Q KE16R KE19Q KE19R MA40 MB15 MC28X MC74X MC75X PB07 PB62 PB66 PC80 4D025 AA06 BA11 BB02 BB18 CA04 DA05 DA06 4D061 DA03 DB20 EA02 EA09 EB13 EB30 EB31 FA08 4K021 AA01 BA02 CA01 CA08 DB31 DB40 DB43 DC01 DC03 EA05 EA06
Claims (4)
- 【請求項１】 高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽
極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(20)と、水
電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分離する水
素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて発生した
酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、酸素気液
分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給することにより
水を循環させる循環ポンプ(23)とを備えている固体高分
子型水電解装置において、 循環ポンプ(23)と水電解槽(20)との間に、イオン交換樹
脂を充填したイオン交換器(30)を設置したことを特徴と
する固体高分子型水電解装置。 - 【請求項２】 イオン交換器(30)に充填するイオン交換
樹脂を耐熱性のカチオン交換樹脂としたことを特徴とす
る請求項１記載の固体高分子型水電解装置。 - 【請求項３】 イオン交換器(30)に充填するイオン交換
樹脂をＨ型陽イオン交換樹脂としたことを特徴とする請
求項２記載の固体高分子型水電解装置。 - 【請求項４】 イオン交換器(30)本体材料をチタン合金
としたことを特徴とする請求項１から請求項３にいずれ
か記載の固体高分子型水電解装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000347705A JP2002143852A (ja) | 2000-11-15 | 2000-11-15 | 固体高分子型水電解装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000347705A JP2002143852A (ja) | 2000-11-15 | 2000-11-15 | 固体高分子型水電解装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002143852A true JP2002143852A (ja) | 2002-05-21 |
Family
ID=18821391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000347705A Pending JP2002143852A (ja) | 2000-11-15 | 2000-11-15 | 固体高分子型水電解装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002143852A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004283710A (ja) * | 2003-03-20 | 2004-10-14 | Kurita Water Ind Ltd | 純水製造装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0374670U (ja) * | 1989-11-21 | 1991-07-26 | ||
| JPH0490882A (ja) * | 1990-08-01 | 1992-03-24 | Hitachi Ltd | 蒸留装置 |
| JPH10212590A (ja) * | 1997-01-27 | 1998-08-11 | Shinko Pantec Co Ltd | 水素・酸素発生装置の運転方法及びこれに用いる水素・酸素発生装置 |
| JPH10265989A (ja) * | 1997-03-24 | 1998-10-06 | Shinko Pantec Co Ltd | 水素・酸素発生装置 |
| JPH11228101A (ja) * | 1998-02-09 | 1999-08-24 | Shinko Pantec Co Ltd | 水素・酸素製造プロセス及びその水素の利用プロセス |
| JP2002038290A (ja) * | 2000-07-26 | 2002-02-06 | Shinko Pantec Co Ltd | 水素・酸素供給システム |
-
2000
- 2000-11-15 JP JP2000347705A patent/JP2002143852A/ja active Pending
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