JP2010532823A - 高圧電解装置及びこの種の装置を不活性化するための処理 - Google Patents

Abstract

本発明は、水を水素と酸素に分解するための電解装置に関し、該装置は、
電解スタック（５）と、
回路（１１、１３）、再循環ポンプ（１５）、スタック（５）内でそれぞれ生成された水素と酸素とを水から分離するための第１及び第２の分離器（７、９）を含む、前記スタックに水を供給する水再循環システムと、
気体水素及び酸素の生成により消費された水を補うために再循環回路（１１、１３）に脱イオン水を供給する油圧供給手段と、
装置が停止したときに第１及び第２の分離器（７、９）を不活性化するための消火手段と、を含み、
消火手段が、２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で２つの分離器内の水位を実質的に一定に保持すべく第１及び第２の分離器（７、９）にそれぞれ設けられた第１及び第２の解放弁（３６、２３）を含むことと、消火手段が、２つの分離器が圧力を解放したら２つの分離器（７、９）を水で完全に満たすように前記供給手段を制御することとを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水を水素と酸素に分解するための高圧電解装置に関する。より具体的には、本発明は、各々が陽極及び陰極を備える複数の電解セルで構成された電解スタックを備えたこの種の装置に関する。装置は、前記陽極及び陰極に水を供給する水再循環システムをさらに備える。再循環システム自体は、水再循環回路と、再循環ポンプと、水と電解スタック内で生成された気体水素とを分離するための第１の分離器と、水と電解スタック内で生成された酸素とを分離するための第２の分離器とを備え、前記装置は、気体水素及び酸素の生成により消費された水を補うために再循環回路に脱イオン水を供給するための油圧供給手段をさらに備え、装置が停止したときに第１及び第２の分離器を不活性化するための消火手段を最後に備える。

本発明はまた、上述した種類の装置が停止したときに、これを不活性化するための処理にも関する。

上記前文による電解装置はすでに公知である。この種の従来技術の装置を添付図１に概略的に示す。この図は、電解スタック５を内包する圧力室３と、第１の分離器７と、第２の分離器９とを示している。この点に関して、これら装置の様々な実施形態によっては圧力室を省略できることに留意されたい。二重再循環回路１１、１３を設けて、電解スタックに電解質（この例では、例えば水酸化カリウムなどの適当な物質を溶かした水）を供給する。再循環回路１１、１３は二重回路である。この回路は、電解スタックの陰極を通過する陰極回路１１、並びに陽極を通過する陽極回路１３で形成される。２つの回路１１及び１３は、再循環ポンプ１５を通過する共有部分を有する。ポンプ１５の目的は、二重再循環回路１１、１３内にループの形で電解質を循環させることである。スタック５から出ると、第１の分離器７までは電解液の一部が陰極回路１１の中に取り込まれる一方で、第２の分離器９までは溶液の残りが陽極回路の中に取り込まれる。陰極から第１の分離器７までに取り込まれた液体は気体水素を含む。同様に、陽極から取り込まれた液体は気体酸素を含む。分離器３、５内で液体と気体の分離が行われる。その後、脱気された液体が再循環ポンプ１５に戻される。

水素及び酸素は、２つの分離器のそれぞれの上部に蓄積する。第１の分離器７は、装置全体としての作動圧力（一般に５〜３０バールの間）を決定する圧力調整弁１７を備える。分離器７内部の圧力が弁１７の限界値に達すると、前記弁が、生成された水素を放出できるようにする。この間も酸素は第２の分離器９内で蓄積し続けるので、前記分離器内の水位が減少し、連通管の原理により第１の分離器７内の水位が増加する。２つの分離器は各々水位計を備える（それぞれ１９及び２０で示す）。第２の分離器９は圧力解放弁２３をさらに備え、分離器内の水位差が所定値を超えたことを水位計が示すと弁２３が開き、２つの水位が等しくなるまで酸素を放出できるようにする。

電解装置の動作は、含有する水の進行性破壊を伴う。２つの分離器内の水位の合計が所定値よりも下がると、油圧供給手段が始動して再循環回路１１、１３に冷水を供給する。図１に示すように、油圧供給手段は、脱イオン水の容器２５と、この容器を再循環回路に接続するパイプ２８とを含む。冷水を再循環回路内へ運ぶために供給ポンプ２７がさらに設けられる。

電解装置は、装置が停止したときに第１及び第２の分離器を不活性化するための消火手段をさらに備える。消火手段は、加圧窒素の貯蔵部３０と、この窒素貯蔵部を２つの分離器７、９に接続する供給パイプ３２とを含む。装置を停止しようとすると弁３４が開かれ、分離器内に窒素を、好ましくは大量に流入させる。第１の分離器７の解放弁３６と第２の分離器９の解放弁２３とが同時に開かれる。従って、弁３６を通じて第１の分離器から窒素が排出され、分離器７に含まれる水素を運ぶ。同様に、弁２３を介して窒素が脱出し、分離器９に含まれる酸素をともに運ぶことができる。この手順により２つの分離器を空にできるようになり、ひいては特に水素の存在に関連するあらゆる爆発の危険性を回避できるようになる。

今説明したものと同じ種類の電解装置はいくつかの欠点を示す。まず、消火手段は、使用可能な大量の加圧窒素を有することを必要とする。さらに、第１の分離器７に含まれる水素は大量の窒素と混合され、その後大気中に放出されるので、不活性化中にこの水素が失われる。

本発明は、特に上述の欠点を克服することを目的とする。この目的は、消火手段が、２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で２つの分離器内の水位を実質的に一定に保持すべく第１及び第２の分離器にそれぞれ設けられた第１及び第２の解放弁を含むことと、消火手段を設けて、２つの分離器が実際に圧力を解放したら２つの分離器を水で完全に満たすように前記油圧供給手段を制御することとを特徴とする、前文で説明した種類の電解装置を提供することにより達成される。

本発明によれば、装置の油圧供給手段を使用して分離器に不活性流体を供給することが理解されよう。この特徴は、加圧窒素貯蔵部を設ける必要がないことを意味し、これにより電解装置のメンテナンス費用が大幅に削減される。

さらにこの油圧供給手段は、通常動作時に再循環回路１１の冷水を補充するために備えられるものと同じものである。消火段階中及び通常動作段階中に同じ設備が使用されるという事実により、本発明の設計を大幅に簡略化できるようになる。

本発明の有利な改良型では、２つの分離器７、９が水で完全に満たされると、不活性化段階中に第１の分離器から追い出された水素が大気中に放出されずに回収される。実際のところ、水素は窒素と混合されないので、その性質は不活性化処理による影響を受けず、従って回収することができる。

前記圧力解放弁が開かれる前に電解スタックの電力供給を遮断するために消火手段も備えられることが好ましい。別の好ましい特徴では、消火手段を設けて、第１の分離器内の水素圧力が２バールよりも下がった場合に油圧供給手段に２つの分離器の充填を開始させるようにすることができる。

別の有利な特徴では、消火手段が油圧供給手段を自動的に制御する。２つの圧力解放弁も自動的に制御できるという利点が得られる。好ましい実施形態では、第１の圧力解放弁が水素を大気中に放出する。

別の態様では、本発明はまた、油圧供給手段が脱イオン水の容器を含み、この容器が、これを再循環ポンプの入口から上流の再循環回路と連通させるためのパイプに接続されることと、前記パイプが、再循環システム内の水量が所定のレベルよりも下がったときに開くべく設けられた弁を備えることとを特徴とする、前文で説明した種類の電解装置を提供することにより上記の欠点を克服することも目的とする。

この第２の態様の好ましい特徴では、前記パイプが逆流防止器を備える。さらに、有利な実施形態では、このパイプが再循環回路と合流する地点から上流に配置された再循環弁が再循環回路に設けられ、前記再循環弁を設けて、油圧供給手段から到来する水の比率を増加させるように２つの交換器からの水流を減少させる。

さらに別の態様では、本発明は、装置が停止した場合、水を水素と酸素に分解するための高圧電解装置を不活性化するための処理に関し、前記装置は、各々が陽極及び陰極を備える複数の電解セルで構成された電解スタックと、前記陽極及び陰極に水を供給する水再循環システムとを備え、この再循環システムは、水再循環回路と、再循環ポンプと、電解スタック内で生成された気体水素を水から分離するための第１の分離器と、電解スタック内で生成された酸素を水から分離するための第２の分離器とを備え、前記装置は、気体水素及び酸素の生成により消費された水を補うために再循環回路に脱イオン水を供給するための油圧供給手段をさらに備え、装置が停止したときに第１及び第２の分離器を不活性化するための消火手段を最後に備え、この消火手段は、第１及び第２の分離器にそれぞれ設けられた第１及び第２の圧力解放弁を含み、この処理は、
２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で、２つの分離器内の水位を実質的に一定に保持するステップと、
前記油圧供給手段を制御して、２つの分離器が実際に圧力を解放したら２つの分離器を水で完全に満たすようにするステップと、
を含むことを特徴とする。

処理の有利な実施形態では、前記圧力解放弁が開かれる前に電解スタックの電力供給が遮断され、第１の分離器内の水素の圧力が２バールよりも下がった場合に２つの分離器が油圧供給手段により充填される。

油圧供給手段及び２つの圧力解放弁が自動的に制御され、第１の圧力解放弁（３６）が水素を大気中に放出することが好ましい。

単に非限定的な例として、及び添付図面に関連して提供する以下の説明を読むと、本発明のさらなる特徴及び利点が明らかになるであろう。

従来技術の電解装置の概略図である。 本発明の特定の実施形態による電解装置の概略図である。

図１の略図から窒素貯蔵部３０、供給パイプ３２、及び弁３４を単純に除去することにより、本発明の第１の実施形態に対応する単純化した電解装置の概略図を示す。

消火段階は別として、図１に示す電解装置は、上述した従来技術の装置と全く同じ原理で動作する。唯一の相違点は、消火段階及びその段階に関連する手段にある。実際のところ、本例では、装置の消火が始動すると、圧力解放弁３６及び２３が自動的に或いはオペレータにより制御された態様で開き、２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で前記分離器内の水位を実質的に一定に保持する。弁３６及び２３により放出された水素及び酸素は、回収を受けるためにそれぞれ排気管３８及び３９介して装置から出る。排気管３８及び３９は、装置の通常動作中に生成された気体の除去に使用するものと同じものであってもよい。分離器内の圧力が解放されると、ゲージ１９及び２０が各分離器の水位を制御する。

分離器７、９内の圧力が約２バールよりも下がると、油圧供給手段が自動的に起動し、再循環回路に水を供給して２つの分離器内の液面を完全に満たされるまで上昇させ、このようにして分離器内に含まれる全ての水素及び全ての酸素を放出する。この動作が完了すると、供給ポンプ２７及び再循環ポンプ１５が停止して全ての弁が閉じられる。

図２は、本発明の第２の実施形態による電解装置の概略図である。図２では、図１に関連してすでに説明した構成要素には同じ参照符号を付している。

図２の図面に示す電解装置は、再循環ポンプ及び供給ポンプの機能を１つの単一ポンプ３１のみが担うという点で基本的に図１に示すものと異なる。

この目的のために、ポンプ３１が、パイプ２８と再循環回路１３との間の接点から上流に配置される。図面は、第１の実施形態で供給ポンプ２７が配置されていた回路２８上の位置に供給弁３５が取り付けられることを示している。さらに、再循環回路上の前記回路とパイプ２８との間の接点から上流に第２の弁３７及び逆止め弁３８が取り付けられる。なお、逆止め弁は省略することができる。弁３５及び３７の相対的な開放を制御することにより、２つのポンプを使用する必要なく電解質の再循環に対する冷水の相対的供給量を制御可能であることが理解されよう。従って、本例の改良型の主な利点は、２つのポンプのうちの１つを省くことにより装置を簡略化し、装置が故障する危険性を制限し、かつ安価にすることができるという点である。

添付の特許請求の範囲に定める本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には明白な様々な修正及び／又は改善を本説明の実施形態に適用できることも理解されよう。具体的には、本発明の主題は、不活性化のために油圧供給手段を使用するという特徴と、再循環ポンプ及び供給ポンプの機能を同時に担う１つの単一ポンプ３１のみを有するという特徴とを組み合わせた電解装置に限定されるものでない。本発明による電解装置は、これらの２つの特徴のいずれか１つを含んでいればよい。

３ 高圧室； ５ 電解スタック； ７，９ 分離器； １１，１３ 再循環回路；
１７ 背圧弁； １９，２０ 水位計； ２３ （酸素放出）弁； ２５ 冷水容器；
２８ パイプ； ３１ 再循環ポンプ； ３５ 供給弁； ３６ 弁（水素放出）：
３７ 再循環弁； ３９ 排気管。

Claims (15)

1. 水を水素と酸素に分解するための高圧電解装置であって、
   陽極及び陰極をそれぞれ備える複数の電解セルで構成された電解スタック（５）と、前記陽極及び陰極に水を供給する水再循環システムとを備え、その水循環システムには、水再循環回路（１１、１３）と、再循環ポンプ（１５）と、前記電解スタック（５）内で生成された前記気体水素を前記水から分離するための第１の分離器（７）と、前記電解スタック（５）内で生成された前記酸素を前記水から分離するための第２の分離器（９）とが含まれ、
   さらに、前記気体水素及び酸素の生成により消費された前記水を補うために前記再循環回路（１１、１３）に脱イオン水を供給するための油圧供給手段と、前記装置が停止したときに前記第１及び第２の分離器（７、９）を不活性化するための消火手段とを備え、
   前記消火手段が、前記２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で前記２つの分離器内の水位を実質的に一定に保持すべく前記第１及び第２の分離器（７、９）にそれぞれ設けられた第１及び第２の解放弁（３６、２３）を含むことと、前記消火手段を設けて、前記２つの分離器が実際に圧力を解放したら前記２つの分離器（７、９）を水で完全に満たすように前記油圧供給手段を制御することと、
   を特徴とする電解装置。
2. 前記消火手段を設けて、前記圧力解放弁（３６、２３）が開放される前に前記電解スタック（５）の電力供給も遮断する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電解装置。
3. 前記消火手段を設けて、前記第１の分離器（７）内の水素圧が２バールよりも下がった場合に前記油圧供給手段に前記２つの分離器（７、９）の充填を開始させる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電解装置。
4. 前記消火手段が、前記油圧供給手段を自動的に制御する、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の電解装置。
5. 前記２つの圧力解放弁（３６、２３）が自動的に制御される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電解装置。
6. 前記第１の圧力解放弁（３６）が水素を大気中に放出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電解装置。
7. 水を水素と酸素に分解するための高圧電解装置であって、
   陽極及び陰極をそれぞれ備える複数の電解セルで構成された電解スタック（５）と、
   前記陽極及び陰極に水を供給する水再循環システムにして、水再循環回路（１１、１３）と、再循環ポンプ（１５）と、前記装置の動作により生成された前記気体水素を前記水から抽出するための第１の分離器（７）と、前記装置の動作により生成された前記酸素を前記水から抽出するための第２の分離器（９）とを含む、水再循環システムと、
   前記装置の動作中に消費された前記水を戻すために前記再循環回路に脱イオン水を供給するための油圧供給手段と、
   前記装置が停止したときに前記第１及び第２の分離器（７、９）を不活性化するための消火手段と、
   を備え、
   前記油圧供給手段が脱イオン水の容器（２５）を含み、該容器（２５）が、これを前記再循環ポンプ（３１）の入口から上流の前記再循環回路（１１、１３）に連通させるためのパイプ（２８）に接続されることと、前記パイプが、前記再循環システム内の水量が所定のレベルよりも下がったときに開くべく設けられた弁（３５）を備えることと、
   を特徴とする電解装置。
8. 前記パイプ（２８）が逆流防止器を備える、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電解装置。
9. 前記再循環回路が、前記パイプ（２８）が前記再循環回路（１１、１３）に合流する地点から上流に配置された再循環弁（３７）を備え、前記再循環弁（３７）を設けて、前記油圧供給手段から到来する前記水の比率を増加させるために前記２つの交換器（７、９）からの水流を減少させる、
   ことを特徴とする請求項７又は請求項８のいずれかに記載の電解装置。
10. 水を水素と酸素とに分解するための高圧電解装置を、該装置が停止したときに不活性化するための処理法であって、
    前記装置は、
    陽極及び陰極をそれぞれ備える複数の電解セルで構成された電解スタック（５）と、
    前記陽極及び陰極に水を供給する水再循環システムにして、水再循環回路（１１、１３）と、再循環ポンプ（１５）と、前記電解スタック（５）内で生成された前記気体水素を前記水から分離するための第１の分離器（７）と、前記電解スタック（５）内で生成された前記酸素を前記水から分離するための第２の分離器（９）とを含む、水再循環システムと、
    気体水素及び酸素の生成により消費された水を補うために前記再循環回路（１１、１３）に脱イオン水を供給するための油圧供給手段と、
    前記装置が停止したときに前記第１及び第２の分離器（７、９）を不活性化するための消火手段にして、前記第１及び第２の分離器（７、９）にそれぞれ設けられた第１及び第２の圧力解放弁（３６、２３）を含む、消火手段
    を備えており、
    前記２つの分離器内の圧力を同時に解放する一方で前記２つの分離器内の水位を実質的に一定に保持するステップと、
    前記２つの分離器が実際に圧力を解放したら前記２つの分離器（７、９）を水で完全に満たすように前記油圧供給手段を制御するステップと、
    を備える、ことを特徴とする処理法。
11. 前記圧力解放弁（３６、２３）が開かれる前に前記電解スタック（５）の電力供給が遮断される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の処理法。
12. 前記第１の分離器（７）内の前記水素圧が２バールよりも下がった場合、前記２つの分離器（７、９）が前記油圧供給手段により充填される、
    ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の処理法。
13. 前記油圧供給手段が自動的に制御される、
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の処理法。
14. 前記２つの圧力解放弁（３６、２３）が自動的に制御される、
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の処理法。
15. 前記第１の圧力解放弁（３６）が水素を大気中に放出する、
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の処理法。

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