JP2003293179A - 水電解装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解運転停止中における水質の汚染の進行を
防止し、水電解セルのダメージを抑制可能な水電解装置
とその運転方法を提供する。 【解決手段】 水電解セル１と、陽極室と陰極室とに個
別に接続した気液分離器１３，１４を含むアノード側お
よびカソード側の個別の純水循環回路と、外部から水電
解セルに純水を供給する外部純水供給ライン４とを備え
た水電解装置の運転方法において、電解運転中は、外部
純水供給ライン４からアノード側に純水を供給し、か
つ、前記陽極室内の純水の一部を排水しながら運転を行
ない、電解運転を停止した際には、アノード側への外部
純水の供給と一部排水とを継続し、さらに、カソード側
にも、外部純水供給ライン４から純水を供給し、かつ、
前記陰極室内の純水の一部も排水して、外部純水のアノ
ード側およびカソード側双方の給排水をそれぞれ継続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子等の
電解質膜を用いた水電解装置とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子等の電解質膜を隔膜として陽
極（アノード）側と陰極（カソード）側とに分離し、陽
極側に純水、又はイオンを含む水を供給しながら電気分
解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスを
それぞれ発生するように構成した水電解装置の開発が、
近年進められ、そのシステム構成，スタックの構造，運
転方法等々に関して、種々の提案が行なわれている（例
えば、実開平２−５１２６３号の全文明細書、特開平７
−２５２６８２号公報、特開平８−３１１６７６号公
報、特開平９−１４３７７９号公報、特開２０００−５
４１７５号公報など参照）。

【０００３】前記特開２０００−５４１７５号公報に
は、模式的なシステム構成が記載されており、また、前
記特開平９−１４３７７９号公報や実開平２−５１２６
３号の全文明細書には、供給水入口にイオン交換樹脂槽
を設けることにより、電解される水に含まれる不純物イ
オンが、固体高分子電解質膜に付着蓄積して電解性能が
低下するのを防止するシステム構成が記載されている。

【０００４】図５は、前記先行技術を参照して模式的に
記載した従来の固体高分子電解質膜を用いた水電解装置
のシステム系統図を示す。図５において、水電解セル１
は固体高分子電解質膜により陰極室と陽極室とに内部が
区画されている。前記陰極室と陽極室は、それぞれ、図
示しない触媒電極と多孔質給電体とを備える。

【０００５】前記固体高分子電解質膜は工業用として広
く用いられており、代表的な例として、ペルフルオロカ
ーボンスルホン酸膜が上げられる。給電体としてはチタ
ン繊維やステンレス繊維焼結板等の導電性の高い材料が
用いられる。陽極側に供給された水は、2H₂0→0₂＋4H⁺
＋4e^-の反応により分解され、酸素を発生する。H⁺は電
解質膜のスルホン基を経由し、陰極側で、4H⁺＋4e^-→2H
₂の反応が起こり水素ガスが発生する。

【０００６】図５において、水電解セル（以下、単に電
解セルともいう。）１のアノ−ド側には、外部から、純
水装置２を経由した純水が供給ポンプ３により外部純水
供給ライン４を経由して供給される。電解セルの各極内
の純水は、アノード側循環ポンプ５、カソード側循環ポ
ンプ６により電解セル入り口配管７，８、電解セル出口
配管１１，１２、及び戻り配管９，１０を経由して循環
される。電解セルの出口配管１１，１２は気液分離器１
３，１４に接続される。

【０００７】気液分離器１３，１４からは、電解セル入
り口への戻り配管９，１０の他に、分離した発生ガス
（水素・酸素）を取り出す配管１５，１６が設置され、
ガス冷却器１７，１８に接続される。ガス冷却器１７，
１８には、凝縮水を気液分離器１３，１４に戻す配管１
９，２０と、ガスを水電解装置から取り出す配管２１，
２２が接続される。アノード側の入り口配管７には純水
中の不純物の濃縮を避けるために、純水の一部を系外に
排出するブローダウン配管２３が接続される。又、図示
しないが、電解セル１には電気分解の電力を供給する配
線リードが接続されている。

【０００８】次に、上記装置の運転動作について以下に
述べる。図５のような構成の装置において、図示しない
配線リードから電力を供給すると、電解セル１で水の電
気分解がおこり、配管１１，１２を経由して、純水と発
生ガスの混合流が気液分離器１３，１４に流入する。気
液分離器１３，１４では、純水と発生ガスが分離され、
純水は循環ポンプ５，６により配管９，１０を経由して
再び電解セル１に戻される。電解で発生したガスは、気
液分離器１３，１４で分離されたのち、がス冷却器１
７，１８で冷却され、凝縮水とガスに分離される。凝縮
水は配管１９，２０を介して気液分離器１３，１４に戻
される。冷却されたガスは、配管２１，２２を介して水
電解装置の外部に送出される。

【０００９】また、電気分解反応に要する純水は、電解
質膜などを汚染して電解セルの特性を低下させる（電解
電圧を上昇させる）要因となる水中の不純物質を除去す
るために、イオン交換樹脂筒等の純水装置２を経由して
アノード側に供給される。電解セル内は、電気分解温度
を一定（例えば、８０℃）に保つためと発生したガスを
電解セル外部に速やかに排出するために、両極ともに電
解用純水供給量の数十倍の水量が循環されている。

【００１０】さらに、運転に伴いアノード側からは、電
解される水量の数倍の水量が電解質膜を通してカソード
側に移動する。その要因は、電解質膜の中をイオンが通
過する際に水が同伴することにあり、実験結果の一例に
よれば、約７倍から９倍の水量が電解質膜を通してアノ
ード側からカソード側に移動する。上記により、カソー
ド側の純水は増加することとなるため、カソード側の純
水は前記移動水水量を装置系外に排出するか、アノード
側に戻す等の方法で、カソード側の水量を一定に調節す
る必要がある。図５において、ポンプ２７は、各気液分
離器の間を接続するライン上に設けた前記移動水をアノ
ード側に戻すためのポンプである。この水量の調節は、
通常、気液分離器等に設置した液面計等を監視して行な
われる。

【００１１】また、純水装置を通しても純水中から不純
物質は完全には除去することはできずに微量成分が残
る。この不純物質は電極質膜を純水が通過する際に電解
質膜に補足され、電解質膜が汚染して電解セルの特性低
下を引き起こす要因となる。一方、電解質膜を通過した
カソード側の純水は、アノード側の純水よりも清浄とな
って電気比抵抗が向上する。この向上する比率は、装置
内の純水の水質が低下した場合に顕著となり、カソ−ド
側純水の電気比抵抗はアノード側電気比抵抗の２倍以上
となる場合もある。

【００１２】さらに、装置に供給される電解用純水は電
気分解により装置外部に発生ガスや発生ガス中の水蒸気
として排出されるが、微量の不純物（アルカリ金属イオ
ン等）はガスや水蒸気には同伴されないため、装置内の
水は運転を継続するに従い濃縮されていく。この濃縮が
進むと、電解セルの特性低下を招くため、水電解装置で
は、装置外部に適量の水を、前記ブローダウン配管２３
から排出して、不純物の過度の濃縮を抑止している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電解運転を
停止した場合、アノード側については、前記純水の一部
排出を停止せずにそのまま継続すれば、アノード側系内
の純水の入れ替えが行なわれ、水質は良好に維持され
る。しかしながら、カソード側は、電解運転の停止に伴
い、電解によるアノード側からの純水の移動がとまり、
純水の入れ替えが行なわれないため、カソード側系内の
構造材（給電体や容器等）から溶出する不純物による不
純物濃度の上昇が進行する。

【００１４】また、電解運転停止中は、カソード側の電
解質膜や触媒が、前記不純物により汚染された水に浸漬
された状態が継続するとともに、電解運転開始時はこの
汚染された水がアノード側にも戻されるので、結果的
に、アノード側の電解質膜や触媒も汚染されることとな
る。

【００１５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、本発明の課題は、電解運転停
止中における水質の汚染の進行を防止し、水電解セルの
ダメージを抑制可能な水電解装置とその運転方法を提供
することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明は、固体高分子等の電解質膜によって内部
が陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、前記陽
極室と陰極室とにそれぞれ個別に接続した気液分離器を
含む陽極側（アノード側）および陰極側（カソード側）
のそれぞれ個別の純水循環回路と、外部から水電解セル
に純水を供給する外部純水供給ラインとを備えた水電解
装置の運転方法において、前記水電解セルの電解運転中
は、前記外部純水供給ラインから前記水電解セルのアノ
ード側に純水を供給し、かつ、前記陽極室内の純水の一
部を排水しながら運転を行ない、前記電解運転を停止し
た際には、前記アノード側への外部純水の供給と一部排
水とを継続し、さらに、前記水電解セルのカソード側に
も、前記外部純水供給ラインから純水を供給し、かつ、
前記陰極室内の純水の一部も排水して、前記外部純水の
アノード側およびカソード側双方の給排水をそれぞれ継
続することととする（請求項１の発明）。

【００１７】前記水電解装置の運転方法によれば、電解
運転停止中も水電解セルの両極側において、純水の供給
及び排水が継続され、電解運転停止中の電解装置構造材
からの溶出による不純物質の濃縮が防止でき、電解運転
停止中の水電解セルへの不純物質の付着を防止し、水電
解セルのダメージを抑制することが可能となる。

【００１８】また、前記運転方法を実施するための装置
としては、下記請求項２ないし４の発明が好適である。
即ち、前記請求項１に記載の運転方法を実施するための
水電解装置であって、前記アノード側およびカソード側
の各純水循環回路と外部純水供給ラインとを接続するア
ノード側純水供給配管およびカソード側純水供給配管
と、この各純水供給配管上にそれぞれ設けた電磁開閉弁
と、前記外部純水供給ライン上に設けたポンプと、前記
アノード側およびカソード側の各純水循環回路にそれぞ
れ接続して設けた排水用のブローダウン配管と、少なく
ともカソード側の前記ブローダウン配管上に設けた電磁
開閉弁と、前記各気液分離器の間を接続するライン上に
設けたポンプおよび電磁開閉弁とを備え、さらに前記運
転方法を実施するために、前記電解運転の開始または停
止の信号に基づき、前記ポンプおよび電磁開閉弁のオン
オフ制御を行なう制御装置を備えるものとする（請求項
２の発明）。

【００１９】さらに、請求項２に記載の水電解装置にお
いて、前記外部純水供給ライン上にポンプを設ける構成
に代えて、各純水供給配管上にそれぞれ並列にポンプを
設ける構成とする（請求項３の発明）。

【００２０】さらにまた、前記請求項２または３に記載
の水電解装置において、前記電解運転の開始または停止
の信号は、運転計画による指令信号や装置の故障信号等
に基づく運転・停止の切り替え信号とする（請求項４の
発明）。

【００２１】前記水電解装置によれば、電解運転中と電
解運転停止中の各機器の制御を自動的に行なうことがで
き、装置故障等による電解運転停止の際にも、不純物質
の濃縮に基づく水電解セルのダメージを抑制することが
可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１ないし図４に基づき、この発
明の実施の形態について以下に述べる。なお、図１およ
び図２は、この発明の水電解装置のそれぞれ異なる実施
例の系統図を示し、図１および図２に示す水電解装置に
おいて、図５に示す部材と同一機能を有する部材には、
同一番号を付して詳細説明を省略する。

【００２３】まず、図１の実施例について述べる。図１
の水電解装置の系統図において、図５と異なる主な点
は、アノード側およびカソード側の各純水循環回路の戻
り配管９および１０と外部純水供給ライン４とを接続す
るアノード側純水供給配管４ａおよびカソード側純水供
給配管４ｂと、この各純水供給配管上にそれぞれ設けた
電磁開閉弁３０ａ，３０ｂと、前記アノード側およびカ
ソード側の各純水循環回路にそれぞれ接続して設けた排
水用のブローダウン配管２３ａ，２３ｂと、ブローダウ
ン配管２３ｂ上に設けた電磁開閉弁２９と、各気液分離
器１３および１４の間を接続するライン２６上に設けた
電磁開閉弁２８とを備えた点である。

【００２４】さらに、図１の実施例においては、図１に
は図示しないが、電解運転の開始または停止の信号に基
づき、前記各ポンプおよび電磁開閉弁のオンオフ制御を
行なう制御装置を備える。前記各ポンプおよび電磁開閉
弁の制御は、図３に示すように行なわれる。なお、図３
に示す制御実施例においては、各気液分離器内に設けた
水位センサの信号によっても、オンオフを切り替えるよ
うにしている。

【００２５】上記構成の水電解装置において、図示しな
い配線リードから電力を供給すると水電解セル１で水の
電気分解がおこり、配管１１，１２を経由して純水と発
生ガスの混合流が気液分離器１３，１４に流入する。気
液分離器１３，１４では純水と発生ガスが分離され、純
水は循環ポンプ５，６により配管９，１０を経由して再
び水電解セル１に戻される。電解で発生したガスは気液
分離器１３，１４で分離されたのち、ガス冷却器１７，
１８で冷却され、凝縮水とガスに分離される。凝縮水は
配管１９，２０を介して気液分離器１３，１４に戻され
る。冷却されたガスは、配管２１，２２を介して水電解
装置の外部に送り出される。

【００２６】また、水電解セル１のカソード側へは電解
に伴いアノード側から電解用水の数倍の水の移動が起こ
る。カソード側の水量は、この移動水から水素ガス中に
含まれて系外に排出する水蒸気量を差し引いた水量が増
加するため、戻し配管２６に設置した戻しポンプ２７に
よりアノード側に水を移動する。アノード側では水電解
セル１の入り口側に設置したブローダウン配管２３ａか
ら系外へ水を排出している。アノード側には、系外へ排
出するブローダウン水量と電解水量と両極の生成ガスに
含まれて系外へ排出する水量の和が供給ポンプ３により
系外から供給される。この結果、アノード側、カソード
側共に、系内の水の入れ替えが行なわれ不純物の濃縮が
防止される。

【００２７】また、この装置において電解運転を停止す
る場合は、電磁開閉弁２８が閉止し、アノード側とカソ
ード側は独立した系となり、各々、アノード側ブローダ
ウン配管２３ａ，カソード側ブローダウン配管２３ｂか
ら排水される。この排水量に等しい水量が、供給ポンプ
３及び電磁開閉弁３０ａ，３０ｂの開動作により供給さ
れることにより、系内の純水は入れ替えが行なわれ、電
解運転停止中の水電解装置部材からの溶出による不純物
質の濃縮が防止される。

【００２８】ところで、上記運転方法において、電解運
転開始または停止の切り替えは、例えば、以下のように
行う。電解運転開始の場合、電解運転開始指令は人為
的、自動的によらず計画的な指令が出すこととし、この
指令信号により、電解電流投入前に切り替える。なお、
前記電解運転開始指令は、電解電流値入力の場合もあ
る。

【００２９】電解運転停止の場合、計画的な指令の場合
には、電解電流遮断後に切り替え信号を出力して切り替
える。電源装置以外の異常検出により、自動的に電解電
流が遮断された時には、電解電流遮断後に切り替え信号
を出力して切り替える。電源装置異常で電解電流が遮断
された時には、電源装置の故障信号を受けた時に切り替
え信号を出力して切り替える。なお、電解電流の計測値
により電解運転または停止を判断するソフトを設ける方
法もあるが、前述のような指令信号又は故障信号により
切り替える方法の方が、ソフト上簡便となる。

【００３０】次に、図２の実施例について述べる。図２
は、本発明の異なる実施例を示す系統図で、図１と異な
る点は、アノード側・カソード側共通の供給ポンプ３に
代えて、アノード側用供給ポンプ３ａ、カソード側用供
給ポンプ３ｂを並列に設置した点にある。

【００３１】図２の実施例の場合、各ポンプ、電磁開閉
弁等は、電解運転の開始または停止の信号に基づき、図
４に示すように制御される。図２の実施例によっても、
図１の実施例と同様に、電解運転の停止中において系内
の純水は入れ替えが行なわれ、電解運転停止中の水電解
装置部材からの溶出による不純物質の濃縮が防止され
る。

【００３２】

【発明の効果】前述のように、この発明によれば、固体
高分子等の電解質膜によって内部が陽極室と陰極室とに
区画された水電解セルと、前記陽極室と陰極室とにそれ
ぞれ個別に接続した気液分離器を含む陽極側（アノード
側）および陰極側（カソード側）のそれぞれ個別の純水
循環回路と、外部から水電解セルに純水を供給する外部
純水供給ラインとを備えた水電解装置の運転方法におい
て、前記水電解セルの電解運転中は、前記外部純水供給
ラインから前記水電解セルのアノード側に純水を供給
し、かつ、前記陽極室内の純水の一部を排水しながら運
転を行ない、前記電解運転を停止した際には、前記アノ
ード側への外部純水の供給と一部排水とを継続し、さら
に、前記水電解セルのカソード側にも、前記外部純水供
給ラインから純水を供給し、かつ、前記陰極室内の純水
の一部も排水して、前記外部純水のアノード側およびカ
ソード側双方の給排水をそれぞれ継続することとし、ま
た、前記運転方法を実施するための装置として、アノー
ド側およびカソード側の各純水循環回路と外部純水供給
ラインとを接続するアノード側純水供給配管およびカソ
ード側純水供給配管と、この各純水供給配管上にそれぞ
れ設けた電磁開閉弁と、前記外部純水供給ライン上に設
けたポンプと、前記アノード側およびカソード側の各純
水循環回路にそれぞれ接続して設けた排水用のブローダ
ウン配管と、少なくともカソード側の前記ブローダウン
配管上に設けた電磁開閉弁と、前記各気液分離器の間を
接続するライン上に設けたポンプおよび電磁開閉弁とを
備え、さらに前記運転方法を実施するために、前記電解
運転の開始または停止の信号に基づき、前記ポンプおよ
び電磁開閉弁のオンオフ制御を行なう制御装置を備える
ものとしたので、電解運転停止中も水電解セルの両極側
において、純水の供給及び排水が継続され、電解運転停
止中の電解装置構造材からの溶出による不純物質の濃縮
が防止でき、水電解セルのダメージを抑制することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の水電解装置の実施例の系統図

【図２】この発明の水電解装置の異なる実施例の系統図

【図３】図１の水電解装置における各ポンプ，電磁開閉
弁等の制御を説明する図

【図４】図２の水電解装置における各ポンプ，電磁開閉
弁等の制御を説明する図

【図５】従来の水電解装置の一例を示す系統図

【符号の説明】

１：水電解セル、２：純水装置、３，３ａ，３ｂ：供給
ポンプ、４：外部純水供給ライン、４ａ：アノード側純
水供給配管、４ｂ：カソード側純水供給配管、５：アノ
ード側循環ポンプ、６：カソード側循環ポンプ、７，
８：電解セル入りロ配管、９，１０：循環水戻り配管、
１１，１２：電解セル出口配管、１３，１４：気液分離
器、１５，１６：発生ガス（水素・酸素）を取り出す配
管、１７，１８：ガス冷却器、１９，２０：凝縮水の戻
り配管、２１，２２：発生ガスを水電解装置から取り出
す配管、２３，２３ａ，２３ｂ：プローダウン配管、２
６：移動水をカソード側からアノード側に送水する配
管、２７：移動水をカソード側からアノード側に送水す
るポンプ、２８，２９，３０ａ，３０ｂ：電磁開閉弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 BC01 BC03 BC06 CA08 CA10 CA11 DB28 DC01 DC03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子等の電解質膜によって内部が
   陽極室と陰極室とに区画された水電解セルと、前記陽極
   室と陰極室とにそれぞれ個別に接続した気液分離器を含
   む陽極側（アノード側）および陰極側（カソード側）の
   それぞれ個別の純水循環回路と、外部から水電解セルに
   純水を供給する外部純水供給ラインとを備えた水電解装
   置の運転方法において、 前記水電解セルの電解運転中は、前記外部純水供給ライ
   ンから前記水電解セルのアノード側に純水を供給し、か
   つ、前記陽極室内の純水の一部を排水しながら運転を行
   ない、 前記電解運転を停止した際には、前記アノード側への外
   部純水の供給と一部排水とを継続し、さらに、前記水電
   解セルのカソード側にも、前記外部純水供給ラインから
   純水を供給し、かつ、前記陰極室内の純水の一部も排水
   して、前記外部純水のアノード側およびカソード側双方
   の給排水をそれぞれ継続することを特徴とする水電解装
   置の運転方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の運転方法を実施するた
   めの水電解装置であって、前記アノード側およびカソー
   ド側の各純水循環回路と外部純水供給ラインとを接続す
   るアノード側純水供給配管およびカソード側純水供給配
   管と、この各純水供給配管上にそれぞれ設けた電磁開閉
   弁と、前記外部純水供給ライン上に設けたポンプと、前
   記アノード側およびカソード側の各純水循環回路にそれ
   ぞれ接続して設けた排水用のブローダウン配管と、少な
   くともカソード側の前記ブローダウン配管上に設けた電
   磁開閉弁と、前記各気液分離器の間を接続するライン上
   に設けたポンプおよび電磁開閉弁とを備え、さらに前記
   運転方法を実施するために、前記電解運転の開始または
   停止の信号に基づき、前記ポンプおよび電磁開閉弁のオ
   ンオフ制御を行なう制御装置を備えることを特徴とする
   水電解装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の水電解装置において、
   前記外部純水供給ライン上にポンプを設ける構成に代え
   て、各純水供給配管上にそれぞれ並列にポンプを設ける
   構成とすることを特徴とする水電解装置。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の水電解装置に
   おいて、前記電解運転の開始または停止の信号は、運転
   計画による指令信号や装置の故障信号等に基づく運転・
   停止の切り替え信号とすることを特徴とする水電解装
   置。