JP2009155666A

JP2009155666A - 水電解装置

Info

Publication number: JP2009155666A
Application number: JP2007331743A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sasaki; 加津也佐々木
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】酸素及び水素を発生させる水電解槽で火災が発生した際に、安全かつ経済的に消火できる方法を提供する。
【解決手段】水電解装置は、固体高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる電解槽１２と、電解槽を水没させるための容器１１とを備えている。容器内１１の水は、電解槽１２内部と連通されない状態となされている。この水電解装置を用いることにより、たとえば電解槽１２が破損し火災が発生した場合でも、容器１１内の水によって消火される。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体高分子電解質膜を用いて、水の電気分解により酸素ガスおよび水素ガスを発生させる水電解装置に関する。

従来、固体高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる電解槽は、以下に説明する３種類の環境下に設置されてきた。

Ａ．大気中に設置されている。

Ｂ．電解槽から出た水素で充満された圧力容器内に設置されている。

Ｃ．電解槽から出た酸素および水で充満された圧力容器内に水没した状態で設置されている。

上記Ａのケースでは、例えば、特許文献１に開示されているように、固体高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる酸素・水素発生装置と、酸素・水素発生装置の陰極に発生した水素と水を分離する水素側気液分離タンクと、酸素・水素発生装置の陽極に発生した酸素と水を分離する酸素側気液分離タンクと、純水装置から水素・酸素発生装置へ水を供給する純水供給ラインとを備えているものが知られている。

特許文献１の酸素・水素発生装置は、基本的には、複数の固体電解質ユニットを、複数個並設しかつ大気中に設置された水電解セルからなる構造のものである。各固体電解質ユニットは、固体電解質膜と、その両面に添設された多孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設された陽極および陰極の両作用を行う電極板とによって構成されている。

なお、各電極板は、複極式電極板であって、通電した際に電極板の表面と裏面が逆の電位となる単一の電極板である。

このＡのようなケースでは、水電解セル内で火災が起きた場合、水電解セルに消火手段が備わっていないため、消火器等で消火するしか無いが、消火前に火災が広がってしまう恐れがある。

上記Ｂのケースでは、例えば、特許文献２に開示されているように、圧力容器内に電解槽が配置されている。電解槽は、上下両側にそれぞれ配置された陽極主電極および陰極主電極と、これらの主電極間に直列に配置された複数の単位セルと、陽極主電極−複数の単位セル−陰極主電極の組合わせを両側から挟む上下端板とから構成されている。

単位セルは、複極板の陽極側、陽極給電体、電極接合体膜、陰極給電体および複極板の陰極側から構成されている。

この装置においては、電解槽の各陽極で発生した酸素を酸素ヘッダで回収して、圧力容器外に排出し、電解槽の各陰極で発生した水素によつて、圧力容器内は充満される。

このＢのようなケースでは、電解槽で生成した水素の気液分離器の機能を圧力容器が満たさなければならない。そのため、圧力容器内で火災が発生した場合、火災によって水蒸気が発生し、圧力容器内が過大な圧力状態となって、圧力容器が破損する恐れがある。

上記Ｃのケースでは、例えば、特許文献３に開示されているように、Ａのケースと同様に、複数の固体電解質ユニットを、複数個並設した水電解セルからなる構造のものである。但し、このＣのケースでは、水電解セルは、圧力容器内に設置されている。各固体電解質ユニットは、Ａのケースと同様に、固体電解質膜と、その両面に添設された多孔質給電体と、両多孔質給電体の外側に配設された陽極および陰極の両作用を行う電極板とによって構成されている。

この装置においては、電解槽の各陰極で発生した水素を水素ヘッダで回収して、圧力容器外に排出し、電解槽の各陽極で発生した酸素によつて、圧力容器内は充満される。

このＣのようなケースでは、Ｂのケースと同様に、圧力容器が気液分離器の機能を満たさなければならないため、圧力容器内に発生した水蒸気によって圧力容器が破損する恐れがある。
特開平８−２６０１８０号公報特開２００６−３０７２６２号公報特開平８−７８２８７号公報

この発明の目的は、上記課題を解決すべく、電解槽で火災が発生した際に、安全かつ経済的に鎮火することのできる水電解装置を提供することにある。

この発明による水電解装置は、固体高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる電解槽と、電解槽を水没させるための容器とを備えており、容器内の水が電解槽内部と連通されない状態となされていることを特徴とするものである。

この発明による水電解装置では、水で満たされている容器内に電解槽を水没させることで、電解槽内で火災が発生した場合、これを、周囲に存在する水によって消火することができる。

さらに、容器の上部は常時開放されており、容器内は大気圧状態となっていると、容器の上部が常時開放されていることで、電解槽内で火災が発生した場合、これにより、容器内に水蒸気が発生しても、容器内に過大な圧力が発生することなく、安全である。

また、上記水電解装置に、容器内の水の純度を保つために水を循環させる水循環ラインと、水循環ラインに設けられているイオン交換樹脂とが備わっていると、水循環ラインのイオン交換樹脂によって、容器内の水の電気伝導度を５μＳ／ｃｍ以下に保つことで、電解槽からの漏電を防ぐことができる。

また、容器が、電解槽へ電解用の水を供給するための水循環ラインにおけるタンクを形成している酸素気液分離器に供給する純水タンクとなされていても良い。

純水タンクの代わりとして使用された容器に電気伝導度を１μＳ／ｃｍ以下の水を供給して、容器内の水の電気伝導度を５μＳ／ｃｍ以下に保つことで、電解槽からの漏電を防ぐことができる。

また、容器内の水量は、電解槽を構成する複極板および給電体の重量に対し、１ｋｇ当たり４ｌ以上６ｌ以下であり、固体高分子電解質膜の重量に対し、１ｋｇ当たり２ｌ以上３ｌ以下となされていることが好ましい。

容器内の水量は、電解槽を構成する複極板および給電体の重量に対して、１ｋｇ当たり４ｌ未満であるか、固体高分子電解質膜の重量に対し、１ｋｇ当たり２ｌ未満であると、水不足となり、電解槽を十分に鎮火できなくなる。

また、容器内の水量は、電解槽を構成する複極板および給電体の重量に対して、１ｋｇ当たり６ｌを超えるか、固体高分子電解質膜の重量に対し、１ｋｇ当たり３ｌを超えると、電解槽を十分に鎮火できるが、水の消費量が多くなる。

この発明によれば、電解槽で火災が発生した際に、安全かつ経済的に鎮火することのできる水電解装置が提供される。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

＜実施の形態１＞
図１を参照すると、水電解装置は、水で満たされている上部開放容器11と、容器11内において水没させられている電解槽12とを備えている。

容器11の側壁および底壁にまたがるように水循環ライン13が配されている。水循環ライン13には、水流れ方向の順に、循環ポンプ14およびイオン交換樹脂15が備えられている。循環ポンプ14の上流（あるいは下流）にはブロー弁18が備えられている。循環ポンプ14およびイオン交換樹脂15との間には給水パイプ19が接続されている。給水パイプ19には純水装置16が備えられている。

電解槽12は、給水ヘッダ21、酸素ヘッダ22および水素ヘッダ23を備えている。

図２および図３に、電解槽12が詳細に示されている。電解槽12は、主として、両端に配された陽極主電極31および陰極主電極32と、これらの主電極31、32間に直列に配された複数の単位セル33と、陽極主電極31−複数の単位セル33−陰極主電極32の組み合わせを両側から挟む一対の端板34とから構成されている。

各単位セル33は、主として、複極板41の陽極側、陽極給電体42、電極接合体膜43、陰極給電体44および隣の複極板41の陰極側から構成されている。各単位セル33の周縁部には、電解槽12の内外をシールするためのＯリング（図示略）が介在させられている。

容器11内の水は、電解槽12からの漏電を防ぐために電気伝導度が５μＳ／ｃｍ以下（望ましくは１μＳ／ｃｍ以下）の純水でなければならない。容器11内の水は、循環水として循環ポンプ14によってイオン交換樹脂15に送られる。循環水は、ここで溶出金属イオンを除去され、除去後の水が容器11内へ供給される。循環水の設定値は、例えば、電気伝導度が５μＳ／ｃｍ以下（望ましくは１μＳ／ｃｍ以下）とされ、それを超えた場合には、循環水を排出し、予め設定した容器11のレベルにあわせて、純水装置16から給水パイプ19を介して、新たに純水が供給される。排水は、ブロー弁18を開くことによって行われる。

電解槽12へは、給水ヘッダ21を通じて、電気伝導度が５μＳ／ｃｍ以下（望ましくは１μＳ／ｃｍ以下）の純水を供給する。水の電気伝導度が５μＳ／ｃｍを超えると、純水中に溶けた不純物が固体高分子電解質膜に吸着して膜の抵抗を増加させ、電解槽12のセル電圧を上昇させる。

水の電解によって電解槽12の各陽極に発生した水と同伴水を酸素ヘッダ22によって回収し、容器11外へ排出する。ついで、容器11外の酸素気液分離タンク（図示略）へ送り、同タンクで気液分離する。電解槽12の各陰極には水素が発生し、これを同伴水とともに水素ヘッダ23によって回収する。ついで、水素気液分離タンク（図示略）によって気液分離する。

電解槽12の使用の際、電極接合体膜43が破れないように、各機器で酸素ガスと水素ガスの圧力差が０．１ＭＰａ以下になるように調整される。また、電解槽12の内部圧力は、Ｏリングによって０．１ＭＰａ以下に保たれる。

水電解を行っている際に、万一、電解槽12が破損した場合、電解槽12の構成部品（給電体42、44や電極接合体膜43等）が燃焼する可能性があるが、これは、電解槽12の周囲の水によって消火される。

また、容器11の上部は常時開放されていることによって、燃焼によって水蒸気が生成された場合でも、容器11内が過大な圧力とならず、安全である。

さらに、容器11内の水量は、電解槽12を構成する複極板41および給電体42、44の重量に対し、１ｋｇ当たり４ｌ以上６ｌ以下であり、固体高分子電解質膜の重量に対し、１ｋｇ当たり２ｌ以上３ｌ以下となされている。そのため、電解槽12内で燃焼が生じた場合、電解槽12を十分に鎮火できる。

電解槽12を構成する複極板41および給電体42、44はチタンを使用しており、チタンの発熱量は１２ＭＪ／Ｋｇであり、固体高分子電解質膜の発熱量は５．８ＭＪ／Ｋｇ（５８００Ｊ／Ｋｇ）である。

また、水の蒸発潜熱は約４０℃において、２〜３ＭＪ／Ｋｇである。ここで、水１ｌ＝１Ｋｇである。

蒸発潜熱とは蒸発にともなう蒸発熱（気化熱）であって、液体から気体に相転移するときには吸熱が起こる。水を水蒸気に変化させるためにはエネルギーが必要であるため、液体の水はそこから蒸発する水蒸気によって熱エネルギーを奪われる、つまり熱を放出する。

チタン（電解槽12を構成する複極板41および給電体42、44）１Ｋｇあたりで発生する熱量１２ＭＪ／Ｋｇを、水が吸収して消火するので、１Ｋｇあたり４ｌ（１２ＭＪ／３ＭＪ）以上６ｌ（１２ＭＪ／２ＭＪ）以下になる。

また、固体高分子電解質膜１Ｋｇあたりで発生する熱量５．８ＭＪを、水が吸収して消火するので、１Ｋｇあたり２ｌ≒１．９３ｌ（５．８ＭＪ／３ＭＪ）以上３ｌ≒２．９ｌ（５．８ＭＪ／２ＭＪ）以下になる。

＜実施の形態２＞
図４に、図１に示す水電解装置とは相違する他の水電解装置が示されている。以下、主として、双方の水電解装置の相違点についてのみ説明する。また、図４において、図１に示す部分に対応するものには、便宜上、同一の符号を付して、重複説明は省略する。

容器11の側壁には給水パイプ19が接続されている。給水パイプ19には純水装置16が備えられている。容器11の側壁および底壁にまたがるように水循環ライン13が配されている。水循環ライン13には、水流れ方向の順に、供給ポンプ17、酸素気液分離器51、循環ポンプ14およびイオン交換樹脂15が備えられている。酸素気液分離器51および循環ポンプ14間にはブロー弁18が備えられている。電解槽12および酸素気液分離器51は、酸素搬送ライン52によって接続されている。

容器11には給水パイプ19を通じて純水が設定レベルとなるように供給される。容器11内の水は、供給ポンプ17の作動によって酸素気液分離器51へ送られる。電解槽12で発生した酸素は、同伴水とともに酸素気液分離器51へ送られる。酸素気液分離器51で酸素と分離された水は、循環ポンプ14の作動によって、イオン交換樹脂15を経由した後、電解槽12の給水ヘッダ21に送られる。

この発明による水電解装置の構成図である。同電解装置の電解槽の詳細断面図である。同電解槽の分解斜視図である。この発明による他の水電解装置の構成図である。

符号の説明

11 容器
12 電解槽
13 水循環ライン
43 電極接合体膜

Claims

固体高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる電解槽と、電解槽を水没させるための容器とを備えており、容器内の水が電解槽内部と連通されない状態となされていることを特徴とする水電解装置。
容器の上部は常時開放されており、容器内は大気圧状態となっていることを特徴とする請求項１に記載の水電解装置。
容器内の水の純度を保つために水を循環させる水循環ラインと、水循環ラインに設けられているイオン交換樹脂とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の水電解装置。
容器が、電解槽へ電解用の水を供給するための水循環ラインにおけるタンクを形成している酸素気液分離器に供給する純水タンクとなされていることを特徴とする請求項１または２に記載の水電解装置。
容器内の水量は、電解槽を構成する複極板および給電体の重量に対し、１ｋｇ当たり４ｌ以上６ｌ以下であり、固体高分子電解質膜の重量に対し、１ｋｇ当たり２ｌ以上３ｌ以下となされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の水電解装置。