JP2002363782A - 水電解装置 - Google Patents

水電解装置

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JP2002363782A
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克雄 橋▲崎▼
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】構成を簡単にし、消費エネルギーを小さくする
こと。 【解決手段】第1水溶液11を電気分解して第1流体1
2を生成する水電解セル2と、熱交換器3とイオン交換
樹脂槽6とを具備している。熱交換器3は、第1流体1
2の熱を第2水溶液17に与えて加熱して第1水溶液1
1を生成し、第1流体12を冷却して第2流体14生成
する。イオン交換樹脂槽6は、第2流体に由来する第3
水溶液15,16からイオンを除去して第2水溶液17
を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水電解装置に関
し、特に、イオン交換樹脂槽が設けられて腐食が防止さ
れている水電解装置に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池に利用される酸素と水素とを水
から生成する水電解装置が利用されている。その水電解
装置には、水を電気分解して酸素と水素とを生成する水
電解セルが設けられている。水素酸素は、水とともに出
力されその水は水電解セルに供給され再度電気分解され
る。この水は、ステンレス鋼製の配管を移動し、その配
管に含まれている金属イオンが溶存している。この金属
イオンは、配管と水電解セルに備えられている電極とを
腐食させ、水電解セルの寿命を短くする。
【0003】図2に示されている公知の固体高分子水電
解装置100は、水電解セル102と冷却器103と気
液分離器104とポンプ105とイオン交換樹脂槽10
6と加熱器107とを備えている。水電解セル102
は、供給される水111に電圧を印加して、酸素が混合
した酸素水112と水素が混合した水素水113とを生
成する。冷却器103は、酸素水112をイオン交換樹
脂の耐熱温度以下、たとえば60℃以下に冷却して、気
液分離器104に供給する。気液分離器104は、酸素
水を気体酸素と液体の水115に分離し、気体酸素は外
部の装置に供給し、水115は、ポンプ105に供給す
る。
【0004】ポンプ105は、水115を加圧してイオ
ン交換樹脂槽106に供給する。この水115は、配管
に使用されているステンレス鋼に含まれる金属の金属イ
オンを含んでいる。この金属イオンとしては、鉄イオ
ン、クロムイオン、ニッケルイオンが例示される。イオ
ン交換樹脂槽106は、水116から溶存している金属
イオンを除去する。イオン交換樹脂槽106により金属
イオンが除去された水117は、加熱器107に供給さ
れる。加熱器107は、水117を加熱して水111を
生成する。加熱された水111は、水電解セル102に
供給される。
【0005】このような水電解装置100は、金属イオ
ンが溶存している水による金属部品の腐食を防止して水
電解装置100を延命化することができる。水電解装置
は、構成が簡単であることが望まれ、消費エネルギーが
小さいことが望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、構成
が簡単である水電解装置を提供することにある。本発明
の他の課題は、消費エネルギーが小さい水電解装置を提
供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧()付きで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも1つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈すること
を意味しない。
【0008】本発明による水電解装置(1)は、第1水
溶液(11)を電気分解して第1流体(12)を生成す
る水電解セル(2)と、第2水溶液(17)と第1流体
(12)との間で熱の授受を行い、第1流体(12)が
冷却された第2流体(14)を生成し、かつ、第2水溶
液(17)が加熱された第1水溶液(11)を生成する
熱交換器(3)とを具備している。水電解セル(2)
は、第1水溶液(11)が高温であるとき、効率よく電
気分解を実行する。水電解セル(2)は、さらに、電気
分解に伴って熱を発生し、その熱は、第1流体(12)
に伝達されて外部に放出される。熱交換器(3)は、第
1流体(12)の熱を第2水溶液(17)に与えて加熱
して第1水溶液(11)を生成し、第1流体(12)を
冷却している。このような水電解装置(1)は、第1流
体(12)の冷却と第2水溶液(17)の加熱を別個に
実行するより消費エネルギーが小さく、構成が簡単であ
り好ましい。
【0009】水電解装置(1)は、第3水溶液(15,
16)からイオンを除去して第2水溶液(17)を生成
するイオン交換樹脂槽(6)を更に具備している。イオ
ン交換樹脂槽(6)は、第3水溶液(16)が高温であ
るとき、破壊され機能しなくなる。第3水溶液(15,
16)は、熱交換器(3)に冷却された第2流体に由来
している。
【0010】そのイオンは、鉄イオン、クロムイオン、
ニッケルイオンまたはチタンイオンである。このイオン
は、配管などに用いられているステンレス鋼から水に溶
出し、水電解セル(2)および水電解装置(1)の構成
部品を腐食させる。イオン交換樹脂槽(6)は、そのイ
オンを除去することにより、水電解セル(2)および水
電解装置(1)を防食する。
【0011】水電解装置(1)は、第2流体(14)か
ら混合している気体を除去して第3水溶液(15,1
6)を生成する気液分離器(4)を更に具備している。
第1流体(12)が熱交換された後で気液分離すること
は、熱の授受のエネルギーロスが小さい点で好ましい。
その気体は、酸素である。または、その気体は、水素で
あってもよい。すなわち、水電解セル(2)は、水を電
気分解して酸素と水素を生成している。
【0012】
【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明による水
電解装置の実施の形態を説明する。その水電解装置1
は、図1に示されているように、水電解セル2、熱交換
器3、気液分離器4、ポンプ5およびイオン交換樹脂槽
6を備えている。水電解セル2は、熱交換器3にステン
レス鋼製の配管を介して接続されている。熱交換器3
は、気液分離器4にステンレス鋼製の配管を介して接続
されている。気液分離器4は、ポンプ5にステンレス鋼
製の配管を介して接続されている。ポンプ5は、イオン
交換樹脂槽6にステンレス鋼製の配管を介して接続され
ている。イオン交換樹脂槽6は、熱交換器3にステンレ
ス鋼製の配管を介して接続されている。熱交換器3は、
さらに水電解セル2にステンレス鋼製の配管を介して接
続されている。
【0013】水電解セル2は、熱交換器3から供給され
る水11に電圧を印加して、水11を電気分解し、酸素
水12と水素水13とを生成する。水電解セル2は、ア
ノード、カソード、及び、アノードとカソードとを隔離
する固体高分子膜を有している。水分解セル2は、アノ
ードで次のアノード反応: 2HO→O+4H+4e を進行させて酸素水12を生成し、カソードで次のカソ
ード反応: 2H+2e→H を進行させて水素水13を生成する。酸素水12は、酸
素と水との混合物であり、酸素水溶液、酸素と水との気
体混合物、または、分散媒が液体の水もしくは気体酸素
であるコロイドである。水素水13は、水素と水との混
合物であり、水素水溶液、水素と水との気体混合物、ま
たは、分散媒が液体の水もしくは気体水素であるコロイ
ドである。酸素水12と水素水13とは、電気分解に伴
う発熱により、加熱されている。この発熱は、反応熱お
よびジュール熱に由来する。水電解セル2は、酸素水1
2を熱交換器3に供給し、水素水13を図示されていな
い外部の装置に供給する。
【0014】熱交換器3は、水電解セル2から供給され
た酸素水12をイオン交換樹脂の耐熱温度以下、たとえ
ば60℃以下の温度に冷却して酸素水14を生成し、気
液分離器4に酸素水14を供給する。
【0015】熱交換器3は、2つの流体間で熱の授受を
実行させる装置である。この熱交換器3としては、プレ
ートフィン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器が
例示される。プレートフィン熱交換器は、多数の平板を
重ねて周囲に細いパッキンを置いた薄い空隙室を複数備
え、それぞれに高温流体と低温流体とを流して熱交換を
実行する。シェルアンドチューブ熱交換器は、外套中に
多数の管の束を収めたものであり、たとえば、管内に高
温流体を流し、外套内に低温流体を流す。シェルアンド
チューブ熱交換器は、さらに、伝熱係数を大きくする目
的で、適宜の間隔で邪魔板を設けている。熱交換器3の
さらに他の方式としては、2重管式、蛇管(コイル)
式、または、熱流体が充填物に与えた熱を冷流体が持ち
去るようにした蓄熱室式が例示される。
【0016】気液分離器4は、酸素水14を気体酸素と
水15とに分離して、水15をポンプ5に供給する。酸
素水12を熱交換した後で気液分離することは、気液分
離した後で熱交換するより熱の授受のエネルギーロスが
小さい。
【0017】ポンプ5は、水15を加圧して、イオン交
換樹脂槽6に供給する。イオン交換樹脂槽6は、ポンプ
5から供給された水16から金属イオンを除去した水1
7を熱交換器3に供給する。この金属イオンは、水電解
装置1を構成する配管、水電解セル2に用いられている
金属部品から溶出したものであり、その金属部品をさら
に腐食させる。イオン交換樹脂槽6は、水16から金属
イオンを除去することにより、その金属部品を防食す
る。
【0018】熱交換器3は、酸素水12の熱を水17に
与えて加熱して水11を生成する。熱交換器3は、さら
に、この水11の生成に伴って酸素水12をイオン交換
樹脂の耐熱温度以下、たとえば60℃以下の温度に冷却
する。生成された水11は、水分解セル2に供給され
る。
【0019】
【発明の効果】本発明による水電解装置は、冷却器と加
熱器とを別途設けることより、構成が簡単であり、消費
エネルギーが小さい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による水電解装置の実施の形態
を示すブロック図である。
【図2】図2は、公知の水電解装置の実施の形態を示す
ブロック図である。
【符号の説明】
1…水電解装置 2…水電解セル 3…熱交換器 4…気液分離器 5…ポンプ 6…イオン交換樹脂槽 11,15,16,17…水 12,14…酸素水 13…水素水
フロントページの続き (72)発明者 橋▲崎▼ 克雄 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Fターム(参考) 4K021 AA01 BA02 BC04 BC05 CA11 CA12

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1水溶液を電気分解して第1流体を生
    成する水電解セルと、 第2流体と前記第1流体との間で熱の授受を行い、前記
    第1流体が冷却された第2流体を生成し、かつ、第2水
    溶液が加熱された前記第1水溶液を生成する熱交換器と
    を具備する水電解装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、 第3水溶液からイオンを除去して前記第2水溶液を生成
    するイオン交換樹脂槽を更に具備する水電解装置。
  3. 【請求項3】請求項2において、 前記イオンは、鉄イオン、クロムイオン、ニッケルイオ
    ンまたはチタンイオンである水電解装置。
  4. 【請求項4】請求項2において、 前記第2流体から混合し及び溶存している気体を除去し
    て前記第3水溶液を生成する気液分離器を更に具備する
    水分解装置。
  5. 【請求項5】請求項4において、 前記気体は、酸素である水電解装置。
  6. 【請求項6】請求項4において、 前記気体は、水素である水電解装置。
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