JP2018028116A

JP2018028116A - 電解装置

Info

Publication number: JP2018028116A
Application number: JP2016159367A
Authority: JP
Inventors: 明義真鍋; Akiyoshi Manabe; 正浩大原; Masahiro Ohara
Original assignee: De Nora Permelec Ltd
Current assignee: De Nora Permelec Ltd
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2036-08-15
Also published as: JP6727984B2

Abstract

【課題】電解装置によって生成された水素ガスを加圧するとともに、生成された水素ガス中の不純物を除去することができる電解装置を提供する。
【解決手段】電解により生成する水素ガスの排出ライン１２に、エジェクタ１１０と循環用液体を貯留する貯留タンク１０３と水素ガスと循環用液体との混合流体をエジェクタに循環させる循環パイプ１０５と循環ポンプ１０４とによりなる気体圧縮手段１０１を設け、貯留タンク１０３に水素ガス排出パイプ１０６と第１のバルブＶ１とを設け、水素ガス中の不純物を循環用液体に移行させて水素ガスから不純物を除去するとともに、貯留タンク１０３からエジェクタ１１０へ循環させる循環用液体の流速と、第１のバルブＶ１の開閉とを制御することにより、貯留タンク１０３内に貯留される水素ガスの圧力を昇圧する電解装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解により水素ガスを生成する電解装置に関するものである。

アルカリ水電解、非精製水の電解、食塩電解、塩化物水溶液、臭素酸水溶液、塩酸、硫酸水溶液の電解等では、電解により陰極室から水素ガスが発生する。
水素ガスを発生する電解装置及び電解方法の一例として、特許文献１に記載されるアルカリ水電解装置及びアルカリ水電解方法がある。特許文献１の電解装置及び電解方法では、陽極室及び陰極室で生成する気液混合流体よりなる陽極液及び陰極液を共通の循環タンクに回収し、該循環タンク内において混合した後、陽極室と陰極室との両電解室に循環供給する。循環タンクで陽極液及び陰極液を混合することにより、両電解室内に供給する電解液の濃度を同じ濃度にするとともに、常に一定濃度に維持しながら連続電解を行っている。

近年、地球温暖化防止のため化石燃料からの脱却が重要となっており、代替えエネルギー源として水素ガスの利用が広く検討されている。上記の電解により生成した高純度の水素ガスは、例えば特許文献２に開示されているように、貯蔵等の次の工程に移送するため、圧縮機により加圧することが要求されている。

アルカリ水電解、非精製水の電解、食塩電解、塩化物水溶液、臭化物水溶液、塩酸水溶液、硫酸水溶液等の電解では、電解により陰極室より水素ガスが生成されるとともに陽極室より酸素ガス、オゾンガス及び又は塩素ガスが生成される。酸素ガスは大気放出される場合もあれば、回収して別用途に供される場合もあり、オゾンガス及び塩素ガスは、回収されて使用される。

特開２０１５−２９９２１号公報特開２０１０−１４３７７８号公報

上記したような従来の電解装置では、大気圧下において生成された気体を加圧するために、圧縮機が使用されている。圧縮機には、ターボ圧縮機と容積圧縮機があり、いずれも大型の装置である。従って、広い設備面積が必要であり、設備費用が高く、更に騒音が問題となっていた。

また、上記従来の電解装置においては、気液分離装置によって水素ガスや酸素ガスが電解液から分離される。アルカリ水電解装置においては、循環タンクにおいて混合されたアルカリ電解液が混合され、陽極室及び陰極室において循環使用されるため、この時、水素ガス及び酸素ガスには、アルカリ性ミストやパーティクル等の不純物が含有されている。
また、食塩電解においては、陽極液と陰極液は、循環せずに使用される場合と、循環使用される場合とがあるが、いずれの場合においても、陰極室においては、電解液はアルカリ性となり、陰極室で生成される水素ガスには、アルカリ性ミスト等の不純物が含有されるとともに、陽極室においては、電解液は酸性となり、陽極室で生成される酸素ガスには、酸ミスト等の不純物が含有される。
電解液から分離された水素ガスや酸素ガスは、水洗塔により洗浄されて、アルカリ性ミスト、酸ミスト等の不純物が除去されていた。しかしながら、水洗塔とライン中のミストセパレータなどの簡単な設備では、アルカリ性ミスト等の不純物を十分に除去することができなかった。このため、圧縮機の部品にアルミニウムを使用した場合、アルカリ性ミストによってアルミニウムが腐食されるという問題があった。また、ガスに含まれるパーティクルが圧縮機の運転に影響を与えていた。
また、生成ガス中のアルカリ性ミスト、酸性ミストの除去が不十分であると、環境基準を超えるアルカリや酸が大気放出される恐れがあった。

本発明の目的は、これらの従来技術の問題点を解消し、設置面積が小さく安価な設備により、電解装置によって生成された水素ガスを加圧するとともに、生成された水素ガス中のアルカリ性ミスト等の不純物を除去することができる電解装置を提供することにある。

本発明における第１の解決手段は、上記の目的を達成するため、
陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、を備える電解槽と、
前記陰極室に接続し、水素ガスを含む陰極側電解液を前記陰極室から排出する陰極側電解液排出ラインと、
前記陰極側電解液排出ラインに接続し、前記陰極側電解液から前記水素ガスを分離する陰極側気液分離手段と、
前記陰極側気液分離手段に接続し、前記陰極側気液分離手段により分離された前記水素ガスを前記陰極側気液分離手段から排出する水素ガス排出ラインと、
前記水素ガス排出ラインに接続する気体圧縮手段と、
を備え、
前記気体圧縮手段は、
前記水素ガス排出ラインに接続する陰極側エジェクタと、
前記水素ガスと前記気体圧縮手段内を流通する陰極側循環用液体とを貯留する陰極側貯留タンクと、
前記陰極側エジェクタと前記陰極側貯留タンクとを連結し、前記陰極側エジェクタから前記陰極側貯留タンクに前記陰極側循環用液体と前記水素ガスとの混合流体を搬送する陰極側混合流体搬送パイプと、
前記陰極側貯留タンクと前記陰極側エジェクタとを連結し、前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタに前記陰極側循環用液体を搬送する陰極側循環パイプと、
前記陰極側循環パイプに設置される陰極側循環ポンプと、
前記陰極側貯留タンクに接続し、前記陰極側貯留タンクから前記水素ガスを排出する水素ガス排出パイプと、
前記水素ガス排出パイプに設けられる第１のバルブと、
を有し、
前記陰極側循環ポンプ、前記陰極側混合流体搬送パイプ及び前記陰極側循環パイプにより、前記陰極側循環用液体を前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタに循環させることにより前記水素ガスを前記水素ガス排出ラインから前記陰極側エジェクタ内に流入させ、前記陰極側エジェクタ内で前記水素ガスと前記陰極側循環用液体とを混合させて、前記水素ガス中の不純物を前記陰極側循環用液体に移行させて前記水素ガスから前記不純物を除去するとともに、
前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタへ循環させる前記陰極側循環用液体の流速と、前記第１のバルブの開閉とを制御することにより、前記陰極側貯留タンク内に貯留される前記水素ガスの圧力を昇圧することを特徴とする電解装置を提供することにある。

本発明における第２の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極室に接続し、陽極ガスを含む陽極側電解液を前記陽極室から排出する陽極側電解液排出ラインと、
前記陽極側電解液排出ラインに接続し、前記陽極側電解液から陽極ガスを分離する陽極側気液分離手段と、
前記陽極側気液分離手段に接続し、前記陽極側気液分離手段により分離された前記陽極ガスを前記陽極側気液分離手段から排出する陽極ガス排出ラインと、
前記陽極ガス排出ラインに接続する不純物除去手段と、
を備え、
前記不純物除去手段は、
前記陽極ガス排出ラインに接続する陽極側エジェクタと、
前記陽極ガスと前記不純物除去手段内を流通する陽極側循環用液体とを貯留する陽極側貯留タンクと、
前記陽極側エジェクタと前記陽極側貯留タンクとを連結し、前記陽極側エジェクタから前記陽極側貯留タンクに前記陽極側循環用液体と前記陽極ガスとの混合流体を搬送する陽極側混合流体搬送パイプと、
前記陽極側貯留タンクと前記陽極側エジェクタとを連結し、前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタに前記陽極側循環用液体を搬送する陽極側循環パイプと、
前記陽極側循環パイプに設置される陽極側循環ポンプと、を有し、
前記陽極側循環ポンプ、前記陽極側混合流体搬送パイプ及び前記陽極側循環パイプにより、前記陽極側循環用液体を前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタに循環させることにより前記陽極ガスを前記陽極ガス排出ラインから前記陽極側エジェクタ内に流入させ、前記陽極側エジェクタ内で前記陽極ガスと前記陽極側循環用液体とを混合させて、前記陽極ガス中の不純物を前記陽極側循環用液体に移行させて前記陽極ガス前記不純物を除去する電解装置を提供することにある。

本発明における第３の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記不純物除去手段が、
前記陽極側貯留タンクに接続し、前記陽極側貯留タンクから前記陽極ガスを排出する陽極ガス排出パイプと、
前記陽極ガス排出パイプに設けられる第２のバルブと、
を更に備え、
前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタへ循環させる前記陽極側循環用液体の流速と、前記第２のバルブの開閉とを制御することにより、前記陽極側貯留タンク内に貯留される前記陽極ガスの圧力を昇圧する電解装置を提供することにある。

本発明における第４の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陰極側電解液がアルカリ性水溶液であり、前記水素ガス中の前記不純物がアルカリ性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明における第５の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極側電解液がアルカリ性水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物がアルカリ性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明における第６の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極側電解液が塩化物水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明における第７の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極側電解液が塩酸であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明における第８の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極側電解液が臭素酸水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明における第９の解決手段は、上記の目的を達成するため、
前記陽極側電解液が硫酸水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む電解装置を提供することにある。

本発明によれば、従来の圧縮機を用いる気体圧縮と比較して設置面積が小さく安価な設備によって、水素ガスを昇圧することができるとともに、水素ガス中に含まれるアルカリ性ミストやパーティクルと言った不純物も除去することができる。
陽極側においても同様に、設置面積が小さく安価な設備によって、陽極ガス中に含まれる不純物を除去することができる。例えば、電解により発生した酸素ガスを大気中に放出する場合でも、環境中へのアルカリ性ミストや、酸性ミスト、パーティクルの放出を抑制することができる。更に、簡易な設備にて陽極ガスを昇圧することも可能である。
また、本発明によれば、従来の大型圧縮機を用いる必要がないため、設備容積を削減することができる。又、振動、騒音、長期運転時の機械的損傷がなく、長期にわたって安定して稼働することが可能となり、装置のメンテナンス費が大幅に低減される。

本発明の第１実施形態に係るアルカリ水電解装置を示すフロー図。本発明の第１実施形態に係るアルカリ水電解装置に用いるエジェクタの１例の詳細を示す断面図。本発明の他の実施形態に係るアルカリ水電解装置の一部（不純物除去手段）を示すフロー図。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る電解装置の１例を示すフロー図である。ここではアルカリ水電解装置を例に挙げて説明する。但し本発明は、アルカリ水電解のほか、非精製水の電解、食塩電解、塩化物水溶液、臭化物水溶液、塩酸水溶液、硫酸水溶液電解等、電解により水素ガスが発生する電解装置にも適用可能である。
図１において、アルカリ水電解装置は電解槽１を有する。２は陰極を収容する陰極室、３は陽極を収容する陽極室、４は陰極室２と陽極室３とを区画する隔膜である。隔膜４は、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、高分子多孔層と不織布からなる複合膜などである。

陰極側での電解液の搬送経路として、陰極側電解液循環手段と、陰極ガス分離手段が設けられる。陰極側ガス分離手段は、陰極側電解液排出ライン９と、陰極側気液分離手段１０と、水素ガス排出ライン１２とを有する。陰極側電解液循環手段は、循環タンク５と、陰極側電解液供給ライン７と、循環ポンプ８と、陰極側電解液回収ライン１１とを有する。
陰極側電解液供給ライン７は、陰極室２と循環タンク５とを接続し、循環ポンプ８により、循環タンク５内に収納された電解液６を陰極室２に供給する配管である。陰極側電解液排出ライン９は、陰極室２と陰極側気液分離手段１０とを接続し、陰極室２内の電解液（陰極側電解液）と水素ガスとを陰極側気液分離手段１０に搬送する配管である。陰極側気液分離手段１０は、電解液から水素ガスを分離する。陰極側電解液回収ライン１１は、陰極側気液分離手段１０と循環タンク５とを接続し、陰極側気液分離手段１０により分離された電解液を循環タンク５に搬送する配管である。水素ガス排出ライン１２は、陰極側気液分離手段１０と後述する気体圧縮手段１０１とを接続し、陰極側気液分離手段１０により分離された水素ガスを気体圧縮手段１０１に搬送する配管である。陰極側電解液供給ライン７に熱交換器１３が設置される。

陽極側での電解液の搬送経路として、陽極側電解液循環手段と、陽極ガス分離手段が設けられる。陽極ガス分離手段は、陽極側電解液排出ライン１６と、陽極側気液分離手段１７と、陽極ガス排出ライン１９とを備える。陽極側電解液循環手段は、循環タンク５と、陽極側電解液供給ライン１４と、循環ポンプ１５と、陽極側電解液回収ライン１８と、を有する。
陽極側電解液供給ライン１４は、陽極室３と循環タンク５とを接続し、循環ポンプ１５により、循環タンク５内に収納された電解液６を陽極室３に供給する配管である。陽極側電解液排出ライン１６は、陽極室３と陽極側気液分離手段１７とを接続し、陽極室３内の電解液（陽極側電解液）と陽極ガス（アルカリ水電解の場合は酸素ガス）とを陽極側気液分離手段１７に搬送する配管である。陽極側気液分離手段１７は、電解液から陽極ガスを分離する。陽極側電解液回収ライン１８は、陽極側気液分離手段１７と循環タンク５とを接続し、陽極側気液分離手段１７により分離された電解液を循環タンク５に搬送する配管である。陽極ガス排出ライン１９は、陽極側気液分離手段１７に接続し、陽極側気液分離手段１７により分離された陽極ガスを系外に排出する配管である。陽極側電解液供給ライン１４に熱交換器２０が設置される。

図１の例では、電解液はアルカリ水溶液（例えばアルカリ金属水酸化物の水溶液、具体的にＫＯＨ水溶液又はＮａＯＨ水溶液）である。

本実施形態の電解装置は、電解液補充手段と水補充手段とを備える。電解液補充手段は、高濃度のアルカリ水２２を貯留するアルカリ水タンク２１と、ポンプ２３とを備える。水補充手段は、純水２５を貯留する純水タンク２４と、ポンプ２６とを備える。

アルカリ水電解装置では、図１に示すように陽極側と陰極側とで循環タンクが共通する。従って、陰極側電解液循環手段と陽極側電解液循環手段では、陽極側電解液と陰極側電解液とが混合された電解液が、陰極室２と循環タンク５との間及び陽極室３と循環タンク５との間をそれぞれ循環する。

水素ガス排出ライン１２の下流側に、気体圧縮手段１０１が設けられる。気体圧縮手段１０１は、陰極側エジェクタ１１０と、陰極側混合流体搬送パイプ１０２と、陰極側貯留タンク１０３と、陰極側循環ポンプ１０４と、陰極側循環パイプ１０５と、水素ガス排出パイプ１０６とを備える。

図２は、陰極側エジェクタ１１０の１例の詳細を示す断面図である。１１１はノズル、１１２はディフューザ、１１３は吸入口、１１４はサクションチャンバである。ノズル１１１は、循環パイプ１０５に接続する。吸入口１１３は、水素ガス排出ライン１２に接続する。ディフューザ１１２の出口１１２ａは、陰極側混合流体搬送パイプ１０２に接続する。

陰極側混合流体搬送パイプ１０２は陰極側エジェクタ１１０と陰極側貯留タンク１０３とを接続し、陰極側エジェクタ１１０から排出された混合流体を陰極側貯留タンク１０３に搬送する。

陰極側貯留タンク１０３は、循環用液体（陰極側循環用液体）を内部に収容する。この循環用液体は水であり、水素ガスに含まれていた不純物（後述）を含んでいる。陰極側貯留タンク１０３の上部空間には、陰極側エジェクタ１１０から搬送された混合流体から分離した水素ガスが貯留される。陰極側貯留タンク１０３の底部に陰極側循環パイプ１０５が接続する。陰極側貯留タンク１０３の上部に水素ガス排出パイプ１０６が接続する。水素ガス排出パイプ１０６にバルブＶ１（第１のバルブ）が設置される。

陰極側循環パイプ１０５に、陰極側循環ポンプ１０４及び陰極側熱交換器１０７が設置される。陰極側循環ポンプ１０４により、陰極側貯留タンク１０３内の循環用液体が陰極側循環パイプ１０５を経由して陰極側エジェクタ１１０に循環される。

本実施形態の電解装置では、陰極側循環パイプ１０５に陰極側循環用液体取出しパイプ１２０が接続されても良い。陰極側循環用液体取出しパイプ１２０に、バルブＶ２及びポンプ１２１が設置される。陰極側循環用液体取出しパイプ１２０は、循環用液体の一部を系外に放出するように構成されていても良く、循環用液体の一部を電解液に循環するように構成されていても良い。循環用液体を電解液に用いるための構成としては、陰極側での電解液の搬送経路及び陽極側での電解液の搬送経路のいずれかの場所に、陰極側循環用液体取出しパイプ１２０が接続される。図１の例では、陰極側循環用液体取出しパイプ１２０が循環タンク５に接続される。その他、陰極側循環用液体取出しパイプ１２０は、陰極側電解液供給ライン７、陰極側電解液排出ライン９、陰極側電解液回収ライン１１、陽極側電解液供給ライン１４、陽極側電解液排出ライン１６、陽極側電解液回収ライン１８のいずれかの箇所にも接続することができる。

図１の電解装置を用いて電解及び水素ガスの圧縮を行う工程を以下で説明する。
電解開始前及び初期において、電解液補充手段はポンプ２３によりアルカリ水２２をアルカリ水タンク２１から循環タンク５に供給する。水補充手段は、ポンプ２６により純水２５を純水タンク２４から循環タンク５に供給する。アルカリ水及び純水が循環タンク５内で混合され、電解液６は所定の濃度に制御されている。循環タンク５内には、純水２５と共に、新たな電解用の原料水を添加することもできる。

電解液６は、循環ポンプ８により陰極側電解液供給ライン７を経由して電解槽１の陰極室２に供給される。電解液は熱交換器１３を通過することにより、所定温度に冷却される。また電解液６は、循環ポンプ１５により陽極側電解液供給ライン１４を経由して電解槽１の陽極室３に供給される。電解液は熱交換器２０を通過することにより、所定温度に冷却または加熱される。

陰極室２及び陽極室３内で電解液が電解される。これにより、陰極室２内で水素ガスが生成され、陽極室３内で陽極ガス（酸素ガス）が生成される。

生成した水素ガスは、電解液と共に、陰極側電解液排出ライン９を介して陰極側気液分離装置１０に搬送される。陰極側気液分離装置１０により、水素ガスと電解液とが気液分離される。分離された電解液は、陰極側電解液回収ライン１１を介して循環タンク５に循環される。分離された水素ガスは、陰極ガス排出ライン１２を介して気体圧縮手段１０１に搬送される。

生成した酸素ガスは、電解液と共に、陽極側電解液排出ライン１６を介して陽極側気液分離装置１７に搬送される。陽極側気液分離装置１７により、酸素ガスと電解液とが気液分離される。分離された電解液は、陽極側電解液回収ライン１８を介して循環タンク５に循環される。酸素ガスは、陽極ガス排出ライン１９を介して系外に排出される。

陰極室２及び陽極室３内のアルカリ濃度をコントロールするため、電解で消失する水の相当量が純水補充手段から供給される。純水を連続的に供給することで、電解液の濃度等の電解条件を一定に維持しながら電解を継続する。なお、循環タンクの容量に依存するが、純水を間欠的に供給することも可能である。

気体圧縮手段１０１において、陰極側循環ポンプ１０４が作動することにより、循環用液体が陰極側混合流体搬送パイプ１０２及び陰極側循環パイプ１０５を介して循環している。陰極側エジェクタ１１０内で、循環用液体がノズル１１１からディフューザ１１２に向かって流れる。これにより、水素ガス排出ライン１２より排出された水素ガスが、吸入口１１３からサクションチャンバ１１４に引き込まれる。サクションチャンバ１１４で循環用液体と水素ガスとが激しく混合し、混合流体がディフューザ１１２から排出される。

陰極側混合流体搬送パイプ１０２から陰極側貯留タンク１０３内に混合流体が噴出される。陰極側エジェクタ１１０内で循環用液体（水）と水素ガスとが激しく混合し、陰極側貯留タンク１０３内で水素ガスと循環用液体とが分離する。これにより、水素ガス排出ライン１２を流通する水素ガスに含まれていたアルカリ性ミスト（アルカリ水溶液のミスト）やパーティクル等の不純物は循環用液体に移行して、水素ガスと不純物とが分離する。

更に、図２に示した陰極側エジェクタ１１０と陰極側貯留タンク１０３との間に、内部に充填物を充填した充填塔（図示せず）を設けると、水素ガスと陰極側循環液体との気液接触面積が大きくなり、水素ガスと陰極側循環液体とが充填塔を通過する際に両者の衝突も激しくなるため、水素ガスから不純物が除去される割合も大きくなる。該充填物としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、フッ素樹脂等を各種サイズに成型したプラスティック充填物、金属製線構造充填物などを使用することができる。プラスティック充填物の一例としては、テラレット（テラレットは、月島環境エンジニアリング株式会社の登録商標）があり、金属製線構造充填物の一例として、ラシヒリングスーパーリンク（ラシヒリングスーパーリンクは、ラシヒ社（ドイツ）の登録商標）がある。
該充填塔は、陰極側エジェクタ１１０の外部に設けることが好ましいが、陰極側エジェクタ１１０のディフューザ１１２の出口１１２ａの内部に設けてもよく、或いは、充填塔の代わりに、その内部に充填されている充填物のみをディフューザ１１２の出口１１２ａの内部に設けてもよい。

陰極側貯留タンク１０３に貯留された、不純物を含む循環用液体は、陰極側循環ポンプ１０４により陰極側循環パイプ１０５を介して陰極側エジェクタ１１０に循環される。この途中で、陰極側熱交換器１０７により循環用液体が冷却または加熱される。

陰極側貯留タンク１０３から陰極側エジェクタ１１０へ循環する陰極側循環用液体の循環速度（流速）と、バルブＶ１の開閉とを制御することにより、陰極側貯留タンク１０３内に貯留される水素ガスが昇圧される。例えば、電解装置の運転を開始する際には、バルブＶ１を閉とし、気体圧縮手段１０１内を閉ループとする。この状態で陰極側循環用液体の流速を上げると、水素ガスは加圧状態で陰極側貯留タンク１０３内に貯留される。水素ガスが所定の圧力まで上昇したところで、バルブＶ１を開放し、定常運転とする。
陰極側循環用液体の流速を上げるほど、陰極側エジェクタ１１０の吸引力が増加する。この結果、気体圧縮手段１０１に流入する水素ガス量が増加し、水素ガスの圧力が上昇する。本発明では、水素ガスを最大で１ＭＰａ（１０ｂａｒ）まで加圧する。例えば、陰極側循環用液体の循環速度を１５０ｍ³／ｈに上げることにより、陰極側貯留タンク１０３内に貯留される水素ガスは、０．６ＭＰａ（６ｂａｒ）〜１ＭＰａ（１０ｂａｒ）に加圧される。

エジェクタの機能は、一般にガス並びに液を速度の速い流体を流すことで、その流れに伴いガスまたは液体を吸引するものである。本発明では、陰極側エジェクタ１１０に陰極側循環用液体を流すことにより、水素ガス排出ライン１２を通じて水素ガスを陰極側エジェクタ１１０内に吸引する。陰極側エジェクタ１１０では、狭い管内で水素ガスと循環用液体が激しくぶつかる。
この現象の中、高圧を達成する為、更に水素ガス内の不純物であるアルカリ性ミストは、循環用液体である水にぶつかり、循環用液体である水に溶解する確率が増大する。

本発明においては、陰極側貯留タンク１０３から陰極側エジェクタ１１０への陰極側循環用液体の循環速度と、バルブＶ１の開閉とを制御することにより、水素ガスの圧力を制御することができる。本発明の気体圧縮手段１０１により水素ガスを最大で１ＭＰａ（１０ｂａｒ）まで加圧するので、高圧設備を必要としない。このため、設備を簡略化することができるとともに、メンテナンスが容易となる。
本発明の気体圧縮手段１０１では大型の圧縮機を用いる必要がないため、設置面積を大幅に削減できる。また、圧縮機の冷却補機などの設置が不要である。本発明による陰極側エジェクタ１１０には駆動部がないため、振動、騒音、長期運転時の機械的損傷がなく、長期にわたって安定して使用することができる。この結果、装置のメンテナンス費が大幅に低減される。

これに対して、従来から実施されている水洗塔による洗浄においては、例えば１００Ｎｍ³／ｈの水素発生量に対して洗浄水の供給量は５ｍ³／ｈである。洗浄水と処理すべき発生水素量との比から考慮しても、水洗塔による洗浄では不純物除去効率は低い。また、水洗塔による洗浄では水素ガスの加圧は行われない。

不純物が除去され昇圧された水素ガスは、水素ガス排出パイプ１０６を経由して電解装置の系外に排出される。排出された水素ガスは、例えばタンクに貯留された後、他の用途（燃料電池など）で使用される。より高圧の水素ガスを製造する場合、本発明の電解装置を用いて圧縮された水素ガスを用いれば、大気圧から昇圧する場合に比べてエネルギーを削減できるので有利である。

気体圧縮手段１０１内で循環用液体が循環されることにより、循環用液体中にアルカリ性ミストが溶解し、循環用液体のｐＨが上昇する。気体圧縮手段１０１の系内中に循環用液体のｐＨを計測する手段（図１では不図示）を設置し、バルブＶ２と連動させる。ｐＨ計測手段は例えば陰極側貯留タンク１０３や循環パイプ１０５に設置される。循環用液体のｐＨが所定値に到達した場合に、バルブＶ２が開放される。バルブＶ２の開放により、循環用液体の一部が陰極側循環用液体取出しパイプ１２０を流通する。
陰極側循環用液体は循環用液体取出しパイプ１２０を経由して系外に排出されても良い。あるいは、陰極側循環用液体は、陰極側循環用液体取出しパイプ１２０を経由して陰極側での電解液の搬送経路及び陽極側での電解液の搬送経路のいずれかの場所において電解液に添加し、電解液として利用することもできる。例えば図１に示すアルカリ水電解装置では、気体圧縮手段１０１から排出された陰極側循環用液体は、陰極側循環用液体取出しパイプ１２０を経由して循環タンク５に供給されて電解液と混合する。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電解装置の１例であり、電解装置の一部である不純物除去手段を示したフロー図である。本実施形態においても、アルカリ水電解装置を例に挙げて説明する。

第２の実施形態の電解装置は、図１に示した第１の実施形態に係る電解装置の陽極ガス排出ライン１９の下流側に、更に不純物除去手段２０１が設けられている例である。不純物除去手段２０１の構成は、基本的に気体圧縮手段１０１と同じである。すなわち、不純物除去手段２０１は、陽極側エジェクタ２１０と、陽極側混合気体搬送パイプ２０２と、陽極側貯留タンク２０３と、陽極側循環ポンプ２０４と、陽極側循環パイプ２０５と、陽極ガス排出パイプ２０６とを備える。陽極ガス排出パイプ２０６にバルブＶ３（第２のバルブ）が設置される。

陽極側エジェクタ２１０は第１の実施形態で説明した陰極側エジェクタ１０１と同じ構成である。陽極側エジェクタ２１０のノズル２１１は陽極側循環パイプ２０５に接続する。陽極側エジェクタ２１０の吸入口２１３は陽極ガス排出ライン１９に接続する。陽極側エジェクタ２１０のディフューザ出口は陽極側混合流体搬送パイプ２０２を介して陽極側貯留タンク２０３に接続する。
更に、陽極側エジェクタ２１０においても、陽極側エジェクタ２１０と陽極側貯留タンク２０３との間に、内部に充填物を充填した充填塔（図示せず）を設けると、陽極ガスと陽極側循環液体との気液接触面積が大きくなり、陽極ガスと陽極側循環液体とが充填塔を通過する際に両者の衝突も激しくなるため、陽極ガスから不純物が除去される割合も大きくなる。
該充填塔は、陽極側エジェクタ２１０の外部に設けることが好ましいが、陽極側エジェクタ２１０のディフューザの出口の内部に設けてもよく、或いは、充填塔の代わりに、その内部に充填されている充填物のみをディフューザの出口の内部に設けてもよい。

陽極側循環パイプ２０５に、陽極側循環ポンプ２０４及び陽極側熱交換器２０７が設置される。陽極側循環ポンプ２０４により、陽極側貯留タンク２０３内の循環用液体（水）が陽極側循環パイプ２０５及びノズル２１１を経由して陽極側エジェクタ２１０に循環される。

陽極側においても、陽極側循環パイプ２０５に陽極側循環用液体取出しパイプ２２０が接続されても良い。陽極側循環用液体取出しパイプ２２０は、陽極側循環用液体取出しパイプ２２０により循環用液体を系外に放出するように構成されていても良い。あるいは、陰極側での電解液の搬送経路及び陽極側での電解液の搬送経路のいずれかの場所に陽極側循環用液体取出しパイプ２２０が接続されて、循環用液体の一部を電解液に添加するように構成されていても良い。具体的に、陽極側循環用液体取出しパイプ２２０は、循環タンク５、陰極側電解液供給ライン７、陰極側電解液排出ライン９、陰極側電解液回収ライン１１、陽極側電解液供給ライン１４、陽極側電解液排出ライン１６、陽極側電解液回収ライン１８のいずれかの箇所に接続することができる。陽極側循環用液体取出しパイプ２２０に、第４のバルブＶ４及びポンプ２２１が設置される。

図３に示す不純物除去手段で不純物の除去及び陽極ガスの圧縮を行う工程を以下に説明する。
不純物除去手段２０１において、陽極側循環ポンプ２０４が作動することにより、循環用液体が陽極側混合流体搬送パイプ２０２及び陽極側循環パイプ２０５を介して循環している。陽極側エジェクタ２１０内で、循環用液体がノズル２１１からディフューザに向かって流れることにより、陽極ガス排出ライン１９を流通する陽極ガス（酸素ガス）が陽極側エジェクタ２１０内に引き込まれる。陽極側エジェクタ２１０内で循環用液体と陽極ガスとが激しく混合し、混合流体が陽極側エジェクタ２１０から排出される。

陽極側混合流体搬送パイプ２０２から陽極側貯留タンク２０３内に混合流体が噴出される。陽極側エジェクタ２１０内で循環用液体（水）と陽極ガスとが激しく混合し、陽極側貯留タンク２０３内で陽極ガスと循環用液体とが分離することによって、アルカリ性ミストやパーティクル等の不純物は循環用液体に移行して、陽極ガスと不純物とが分離する。

陽極側貯留タンク２０３に貯留された循環用液体は、陽極側循環ポンプ２０４により陽極側循環パイプ２０５を介して陽極側エジェクタ２１０に循環される。

昇圧せずに陽極ガスを大気放出する場合は、バルブＶ３を全開にする。
陽極ガスを昇圧する場合には、陽極側貯留タンク２０３から陽極側エジェクタ２１０への陽極側循環用液体の循環速度（流速）とを制御することにより、陽極側貯留タンク２０３内に貯留される陽極ガスが昇圧される。例えば、運転開始時にバルブＶ３を閉として不純物除去手段２０１内を閉ループとする。この状態で陽極側循環用液体の流速を上げると、陽極ガスは加圧状態で陽極側貯留タンク２０３内に貯留される。陽極ガスが所定の圧力まで上昇したところで、バルブＶ３を開放し、定常運転とする。
陽極側循環用液体の流速を上げるほど、陽極ガスの圧力が上昇する。例えば陽極側循環用液体の循環速度を１５０ｍ³／ｈ以下とすることにより、電解により生成する陽極ガスは、０．６ＭＰａ（６ｂａｒ）以下の低圧とすることができる。一方、陽極側循環用液体の循環速度を１５０ｍ³／ｈ以上とすることにより、電解により生成する陽極ガスを、０．６ＭＰａ（６ｂａｒ）〜１ＭＰａ（１０ｂａｒ）に加圧することができる。すなわち、本実施形態の不純物除去手段２０１は、気体圧縮手段１０１と同じ効果を奏することができる。

不純物除去手段２０１内で循環用液体中にアルカリ性ミストが溶解することにより、循環用液体のｐＨが上昇する。不純物除去手段２０１の系内中に循環用液体のｐＨを計測する手段（図３では不図示）を設置し、バルブＶ４と連動させる。ｐＨ計測手段は、例えば陽極側貯留タンク２０３や陽極側循環パイプ２０５に設置される。循環用液体のｐＨが所定値に到達した場合にバルブＶ４が開放され、循環用液体の一部が陽極側循環用液体取出しパイプ２２０を経由して不純物除去手段２０１から排出される。排出された循環用液体は陽極側循環用液体取出しパイプ２２０を経由して系外に排出されても良い。循環用液体は、循環用液体取出しパイプ２２０を経由して陰極側での電解液の搬送経路及び陽極側での電解液の搬送経路のいずれかの場所において電解液に添加されて、電解液として利用されても良い。例えばアルカリ水電解装置では、陽極側循環用液体取り出しパイプ２２０が図１に示す循環タンク５に接続する構成として、陽極側循環用液体が循環タンク５に供給されて電解液と混合されても良い。

以上の実施態様においては、陽極側電解液及び陰極側電解液は、循環タンク５を介して循環している例を示したが、これら陽極側電解液及び陰極側電解液は、循環せずに、陽極側電解液回収ライン１８及び陰極側電解液回収ライン１１より装置外に排出されてもよい。

即ち、図１及び図３は、アルカリ水電解装置の１例を示したものであり、陰極側電解液及び陽極側電解液が共通の電解液として、陰極室２及び陽極室３に循環する例について説明した。しかしながら本発明は、電解液の循環を行わない場合にも適用することができる。
また、陰極側電解液循環手段及び陽極側電解液循環手段のいずれか一方のみが設置される場合もある。例えば、陰極側は陰極側電解液循環手段を設けて電解液が循環される構成とする一方で、陽極側は陽極側電解液回収ラインから装置外に排出する構成とすることもできる。

更に本発明は、アルカリ水電解以外に、食塩電解、硫酸電解、塩酸電解、臭素酸電解等の水溶液電解にも適用することができる。これらの電解においては、図１に示される循環タンク５の代わりに、陰極側循環タンク及び陽極側循環タンクを設置する。この場合、陰極側で陰極側電解液を陰極側循環タンクと陰極室との間で循環させ、陽極側で陽極側電解液を陽極側循環タンクと陽極室との間で循環させてもよい。
また、アルカリ水電解と同様に、陰極側電解液循環手段及び陽極側電解液循環手段のいずれか一方のみが設置される場合もある。例えば、陰極側は陰極側電解液循環手段を設けて電解液が循環される構成とする一方で、陽極側は陽極側電解液回収ラインから装置外に排出する構成とすることもできる。

アルカリ水電解においては、陰極側電解液及び陽極側電解液は、何れもアルカリ水溶液であるため、水素ガス及び陽極ガス中の不純物は、アルカリ性ミストを含む。その他の電解においては、陽極ガス中の不純物は、酸性ミストを含む。特に、食塩電解においては、陽極側電解液は、塩化物水溶液であるので、酸性ミスト中に固形物であるＮａＣｌが混入されることがある。このようなアルカリ水電解以外の電解であっても、上記で説明したアルカリ水電解と同様に、ガス中の不純物を除去できるとともに、ガスを昇圧することができる。

１：電解槽
２：陰極室
３：陽極室
４：隔膜
５：循環タンク
６：電解液
７：陰極側電解液供給ライン
８：循環ポンプ
９：陰極側電解液排出ライン
１０：陰極側気液分離手段
１１：陰極側電解液回収ライン
１２：水素ガス排出ライン
１３：熱交換器
１４：陽極側電解液供給ライン
１５：循環ポンプ
１６：陽極側電解液排出ライン
１７：陽極側気液分離手段
１８：陽極側電解液回収ライン
１９：陽極ガス排出ライン
２０：熱交換器
２１：アルカリ水タンク
２２：アルカリ水
２３：ポンプ
２４：純水タンク
２５：純水
２６：ポンプ
１０１：気体圧縮手段
１０２：陰極側混合流体搬送パイプ
１０３：陰極側貯留タンク
１０４：陰極側循環ポンプ
１０５：陰極側循環パイプ
１０６：水素ガス排出パイプ
１０７：陰極側熱交換器
１１０：陰極側エジェクタ
１１１：ノズル
１１２：ディフューザ
１１２ａ：ディフューザ１１２の出口
１１３：吸入口
１１４：サクションチャンバ
１２０：陰極側循環用液体取出しパイプ
１２１：陰極側ポンプ
２０１：不純物除去手段
２０２：陽極側混合流体搬送パイプ
２０３：陽極側貯留タンク
２０４：陽極側循環ポンプ
２０５：陽極側循環パイプ
２０６：陽極ガス排出パイプ
２０７：陽極側熱交換器
２１０：陽極側エジェクタ
２１１：ノズル
２１３：吸入口
２２０：陽極側循環用液体取出しパイプ
２２１：陽極側ポンプ

Claims

陽極を収容する陽極室と、陰極を収容する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画する隔膜と、を備える電解槽と、
前記陰極室に接続し、水素ガスを含む陰極側電解液を前記陰極室から排出する陰極側電解液排出ラインと、
前記陰極側電解液排出ラインに接続し、前記陰極側電解液から前記水素ガスを分離する陰極側気液分離手段と、
前記陰極側気液分離手段に接続し、前記陰極側気液分離手段により分離された前記水素ガスを前記陰極側気液分離手段から排出する水素ガス排出ラインと、
前記水素ガス排出ラインに接続する気体圧縮手段と、
を備え、
前記気体圧縮手段は、
前記水素ガス排出ラインに接続する陰極側エジェクタと、
前記水素ガスと前記気体圧縮手段内を流通する陰極側循環用液体とを貯留する陰極側貯留タンクと、
前記陰極側エジェクタと前記陰極側貯留タンクとを連結し、前記陰極側エジェクタから前記陰極側貯留タンクに前記陰極側循環用液体と前記水素ガスとの混合流体を搬送する陰極側混合流体搬送パイプと、
前記陰極側貯留タンクと前記陰極側エジェクタとを連結し、前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタに前記陰極側循環用液体を搬送する陰極側循環パイプと、
前記陰極側循環パイプに設置される陰極側循環ポンプと、
前記陰極側貯留タンクに接続し、前記陰極側貯留タンクから前記水素ガスを排出する水素ガス排出パイプと、
前記水素ガス排出パイプに設けられる第１のバルブと、
を有し、
前記陰極側循環ポンプ、前記陰極側混合流体搬送パイプ及び前記陰極側循環パイプにより、前記陰極側循環用液体を前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタに循環させることにより前記水素ガスを前記水素ガス排出ラインから前記陰極側エジェクタ内に流入させ、前記陰極側エジェクタ内で前記水素ガスと前記陰極側循環用液体とを混合させて、前記水素ガス中の不純物を前記陰極側循環用液体に移行させて前記水素ガスから前記不純物を除去するとともに、
前記陰極側貯留タンクから前記陰極側エジェクタへ循環させる前記陰極側循環用液体の流速と、前記第１のバルブの開閉とを制御することにより、前記陰極側貯留タンク内に貯留される前記水素ガスの圧力を昇圧することを特徴とする電解装置。
前記陽極室に接続し、陽極ガスを含む陽極側電解液を前記陽極室から排出する陽極側電解液排出ラインと、
前記陽極側電解液排出ラインに接続し、前記陽極側電解液から陽極ガスを分離する陽極側気液分離手段と、
前記陽極側気液分離手段に接続し、前記陽極側気液分離手段により分離された前記陽極ガスを前記陽極側気液分離手段から排出する陽極ガス排出ラインと、
前記陽極ガス排出ラインに接続する不純物除去手段と、
を備え、
前記不純物除去手段は、
前記陽極ガス排出ラインに接続する陽極側エジェクタと、
前記陽極ガスと前記不純物除去手段内を流通する陽極側循環用液体とを貯留する陽極側貯留タンクと、
前記陽極側エジェクタと前記陽極側貯留タンクとを連結し、前記陽極側エジェクタから前記陽極側貯留タンクに前記陽極側循環用液体と前記陽極ガスとの混合流体を搬送する陽極側混合流体搬送パイプと、
前記陽極側貯留タンクと前記陽極側エジェクタとを連結し、前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタに前記陽極側循環用液体を搬送する陽極側循環パイプと、
前記陽極側循環パイプに設置される陽極側循環ポンプと、を有し、
前記陽極側循環ポンプ、前記陽極側混合流体搬送パイプ及び前記陽極側循環パイプにより、前記陽極側循環用液体を前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタに循環させることにより前記陽極ガスを前記陽極ガス排出ラインから前記陽極側エジェクタ内に流入させ、前記陽極側エジェクタ内で前記陽極ガスと前記陽極側循環用液体とを混合させて、前記陽極ガス中の不純物を前記陽極側循環用液体に移行させて前記陽極ガス前記不純物を除去する請求項１に記載の電解装置。
前記不純物除去手段が、
前記陽極側貯留タンクに接続し、前記陽極側貯留タンクから前記陽極ガスを排出する陽極ガス排出パイプと、
前記陽極ガス排出パイプに設けられる第２のバルブと、
を更に備え、
前記陽極側貯留タンクから前記陽極側エジェクタへ循環させる前記陽極側循環用液体の流速と、前記第２のバルブの開閉とを制御することにより、前記陽極側貯留タンク内に貯留される前記陽極ガスの圧力を昇圧する請求項２に記載の電解装置。
前記陰極側電解液がアルカリ性水溶液であり、前記水素ガス中の前記不純物がアルカリ性ミストを含む請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電解装置。
前記陽極側電解液がアルカリ性水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物がアルカリ性ミストを含む請求項２または請求項３に記載の電解装置。
前記陽極側電解液が塩化物水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む請求項２又は３に記載の電解装置。
前記陽極側電解液が塩酸であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む請求項２又は３に記載の電解装置。
前記陽極側電解液が臭素酸水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む請求項２又は３に記載の電解装置。
前記陽極側電解液が硫酸水溶液であり、前記陽極ガス中の前記不純物が酸性ミストを含む請求項２又は３に記載の電解装置。