JP2018178231A - 水素・酸素発生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このような水素・酸素発生装置を用いた水素ガスの製造方法では、下記特許文献1にも示されているように効率良く水素ガスを得る方法が検討されている。
これらの送水装置は、通常、外部系統電力によって運転されているため、これらの省エネルギー化を図ることが水素・酸素発生装置を効率良く運転する上において有効である。
なかでも、陽極側から酸素と純水が排出され、気液分離された後の水を再び水電解装置に供給するタイプの水素・酸素発生装置の場合は、例えば水素と酸素を発生させること、電気分解に伴い発生する熱で高温となる水電解モジュールの冷却・保護を行うことを目的として、水電解モジュールの陽極側に常に水を循環供給する必要がある。
水の循環供給に利用されるポンプの消費電力の割合は、水電解装置全体の消費電力の中でも比較的大きいため、水電解装置の運転効率向上にはポンプをはじめとする送水装置の消費電力の低減、すなわち省エネルギー化が非常に重要である。
そのため、送水装置の省エネルギー化が図られればこのような水素・酸素発生装置を効率良く運転する上において特に有効であると考えられる。
しかしながら、これまで送水装置の省エネルギー化に関しては十分な検討がなされておらず、このような形で効率化が図られた水素・酸素発生装置は、これまで提供されていない。
そして、ガス駆動式送水装置を備えた本発明では、このような生成ガスの自然な流れにおけるエネルギーを利用して水が搬送されるため、送水装置の省エネルギー化が行われうる。
しかも、本発明では、電気分解が高負荷で行われて生成ガスが大量に発生している際には、ガス駆動式送水装置の動力源も大きなものになるため、ガス駆動式送水装置で多くの水を搬送できる。
その一方で、生成ガスの需要が低下して電気分解の負荷が低減する場面では、ガス駆動式送水装置による水の搬送量も低減されることになる。
従って、本発明の水素・酸素発生装置では、生成ガスの需要に伴う水の搬送量の調整が自動的に図られるという効果も発揮され得る。
ここでは、水電解装置での電気分解による生成ガスの内、水素ガスのみを有効利用し、酸素ガスを大気放出させるように構成された水素・酸素発生装置を例に本発明の実施形態について説明する。
また、本実施形態においては、陽極側を純水が循環供給される水循環極として用いている水素・酸素発生装置を例にして説明する。
即ち、水素・酸素発生装置100には、前記給水経路3と前記返送経路4とを通って前記水電解装置1と前記純水貯留タンク2との間を純水が循環する循環経路が形成されている。
なお、前記水素気液分離装置5には、水素ガスの移動経路に沿って、気液分離タンク51と、除湿装置52とが順に備えられている。
前記気液分離タンク51は、水電解モジュール1aから排出された湿潤状態の水素ガスを気液分離して主として液体状態の水を取り除くためのものである。
一方で、前記除湿装置52は気液分離タンク51を通過した後の水素ガスにミストや水蒸気となって含まれている水分を取り除くためのものである。
なお、以下においては陽極側での水の返送経路4と陰極側からの水の返送経路7とを区別すべく、それぞれ「陽極側返送経路4」、及び、「陰極側返送経路7」と呼び分けることがある。
そのため、本実施形態の水素・酸素発生装置100は、それぞれの純水の搬送経路に送水装置が設けられている。
なお、残りの送水装置の内の1つは、電力などで駆動されるタイプの送水装置(電力駆動式送水装置)である。
本実施形態においては、前記ガス駆動式送水装置31と、電力駆動式送水装置32との2台の送水装置が給水経路3に備えられている。
該給水経路3には、前記純水貯留タンク2から前記ガス駆動式送水装置31を経由して前記水電解装置1へと至るメイン経路と、前記ガス駆動式送水装置31を迂回して前記ガス駆動式送水装置31を経由せずに前記純水貯留タンク2から前記水電解装置1へと至る迂回経路とを有する。
即ち、給水経路3には、前記ガス駆動式送水装置31の上流側と下流側とをガス駆動式送水装置31を介さずに結ぶバイパス部3aが設けられている。
そして、前記電力駆動式送水装置32はこのバイパス部3aに設けられている。
言い換えれば、前記ガス駆動式送水装置31は、電気分解による生成ガスたる酸素ガスによって駆動されるように備えられている。
即ち、陰極側返送経路7には、気液分離タンク51で分離された水を陽極側の循環経路に返送するための送水装置としてガス駆動式送水装置71が設けられている。
また、陰極側返送経路7には、ガス駆動式送水装置71を迂回するバイパス部7aが設けられており、該バイパス部7aに電力駆動式送水装置72が設けられている。
陰極側返送経路7に備えられたガス駆動式送水装置71は、電気分解による生成ガスによって駆動される点においては給水経路3に設けられた第1のガス駆動式送水装置31(以下、「第1ガス駆動式送水装置31」ともいう)と共通するが、この陰極側返送経路7に備えられた第2のガス駆動式送水装置71(以下、「第2ガス駆動式送水装置71」ともいう)は、水素ガスを動力源としている点において酸素ガスを動力源としている第1ガス駆動式送水装置31と異なっている。
該補給経路8では、給水経路3や陰極側返送経路7と同様に第3ガス駆動式送水装置81を迂回するバイパス部8aが設けられ、該バイパス部8aに電力駆動式送水装置82が設けられている。
また、補給経路8に設けられた第3ガス駆動式送水装置81は、給水経路3に設けられた第1ガス駆動式送水装置31と同様に酸素ガスを動力源として利用するものとなっている。
なお、本実施形態においてこれらの3つのガス駆動式送水装置31,71,81を同じ送水装置とする必要はなく、例えば、第1ガス駆動式送水装置31をガス駆動式ダイヤフラムポンプとし、第2ガス駆動式送水装置71をガス駆動式タービンポンプなどとしてもよい。
本実施形態においてこれらのガス駆動式送水装置31,71,81として用いる送水装置は、ダイヤフラムポンプ(ガス駆動式ダイヤフラムポンプ)であることが好ましい。
図2に例示のダイヤフラムポンプ200は、搬送する液体を吸引する吸水口210と、吸引した水を排出する排水口220とを有し、吸水口210と、排水口220との間に液体を一時貯留するポンプ室230を有している。
該ダイヤフラムポンプ200は、この吸水口210からポンプ室230までの間に第1の液体流路(以下「入水路211」ともいう)を備え、ポンプ室230から排水口220までの間に第2の液体流路(以下「排水路221」ともいう)を備えている。
即ち、前記開閉弁は、弁座212aの貫通孔よりも径大な球体であるチャッキボール212bが弁座212aに当接されることによって貫通孔が塞がれて閉止状態となり、チャッキボール212bが弁座212aから離れることで貫通孔の閉止が解除されて開放状態となるものである。
ポンプ室230と排水路221との間にも開閉弁(以下「排出弁222」ともいう)が備えられており、該排出弁222は、入水路211とポンプ室230との間に設けられた開閉弁(以下「流入弁212」ともいう)と同様の構成を有している。
即ち、排出弁222は、円環状の弁座222aと、チャッキボール222bとを備えている。
即ち、前記流入弁212では、弁座212aの貫通孔がポンプ室側に設けられたチャッキボール212bによって閉塞されているのに対し、排出弁222では、排水路側に設けられたチャッキボール222bによって弁座222aの貫通孔が閉塞されている。
ダイヤフラムポンプ200は、水電解装置で発生した生成ガス(酸素)を前記ガス室240に供給し得るように構成されており、前記ガス室240への酸素の供給を制御するガス制御部260を備えている。
そして本実施形態のダイヤフラムポンプ200は、ポンプ室230の水がダイヤフラム250を介してガス室側から加圧されることで流入弁212が閉止状態となり排出弁222が開放状態となってポンプ室230の水が排水路221を通じて排出されるように構成されている。
なお、本実施形態のダイヤフラムポンプ200は、前記ガス制御部260によってガス室240へ酸素が間欠的に供給されることでダイヤフラム250のポンプ室側への移動とガス室側への移動とが交互に生じるように構成されている。
即ち、本実施形態のダイヤフラムポンプ200は、ダイヤフラム250のガス室側への移動に際し、ポンプ室230を負圧化し、排出弁222を閉止状態にするとともに流入弁212を開放状態として新たな水をポンプ室230に流入させうるように構成されており、このポンプ室230への水の流入とポンプ室230からの水の排出とを繰り返すことで水を搬送し得るように構成されている。
また、本実施形態のダイヤフラムポンプ200は、ガス室240への酸素の供給周期によって水の搬送量を制御し得るように構成されている。
本実施形態の水素・酸素発生装置100は、ガス室240への酸素の供給周期を制御するガス制御部260を備えることによって単位時間当たりにダイヤフラムポンプ200を通過する酸素ガスの量が同じ場合でも水の搬送量をある程度の範囲内で変更することができ、水電解モジュール1aの運転状況などに応じてキメ細かな運転ができるように構成されている。
ダイヤフラムポンプ200は、一方の機構においてダイヤフラム250をポンプ室側に移動させて水を排出している際に他方の機構においてダイヤフラム250をガス室側に移動させて水を吸引させ得るようにポンプ室230とガス室240との並びが一方の機構と他方の機構とで逆(対称)になっており、且つ、これらのダイヤフラム250,250どうしがピストンロッド270によって連結されている。
また、本実施形態の水素・酸素発生装置100は、ガス貯留装置9における水素ガスの貯留量や水素貯留圧力が十分なものとなって水電解モジュール1aでの電気分解の必要性が低下した際には、酸素ガスの発生量を低下させてダイヤフラムポンプ200による水の搬送量を低減させることができる。
このように本実施形態の水素・酸素発生装置100においては、水電解モジュール1aでの水消費量に応じて水の搬送量が自動的に変化され得る。
例えば、水電解モジュール1aは、電気分解を行っている運転モードから、電気分解を行っていない停止モードへと移行した際には、水電解モジュール1aが電気分解に伴い発生する熱によって高温になっている可能性がある。
そのため、水素・酸素発生装置100は、水電解モジュール1aが運転モードから停止モードへと移行した後も、水電解モジュール保護の観点から、しばらくは循環経路を使って水の循環を継続することが好ましい。
このとき、通常の場合では、ガス駆動式送水装置31による水の搬送に十分な生成ガスが水電解モジュール1aから発生することがないので、代わりに電力駆動式送水装置32を運転させて水電解モジュール1aからのガスの排出や水電解モジュール1aの冷却を行えばよい。
また、水電解モジュール1aが停止モードから運転モードとなった直後は、通常、ガス駆動式送水装置31による水の搬送に十分な生成ガスが確保し難いため、代わりに電力駆動式送水装置32を運転させて水電解モジュール1aからのガスの生成や水電解モジュール1aの冷却を行えばよい。
即ち、本実施形態での水素ガスの製造に際しては、水電解モジュール1aが停止モードとなる前に酸素ガスを系外に排出するのを抑制し、水素ガスでガス駆動式送水装置を駆動させて水電解モジュール1aへの水の循環供給を実施しつつ一定量の加圧酸素ガスを系内に貯留し、水電解モジュール1aが停止モードとなった後にこの加圧状態の酸素ガスでガス駆動式送水装置を駆動させて水電解モジュール1aへの水の循環供給を継続させてもよい。
この場合、安全性を考慮して、水素ガスと酸素ガスとの混合を防止する意味において純水を水電解装置に循環供給するためのガス駆動式送水装置は、複数設けて水素ガス駆動用の送水装置と酸素ガス駆動用の送水装置とを個別に用意することが好ましい。
このような水素濃度測定装置を利用するのに際しては、例えば、酸素ガス中の水素濃度を常時監視し、安全上問題となる濃度、即ち爆発下限濃度に達した場合、水電解モジュール1aへの水の循環供給を継続し、水電解モジュール1aが十分冷却された後、装置を停止させるようにしてもよい。
即ち、ガスタンク300に貯留した加圧状態の酸素は、水電解モジュール1aが停止した後の水の循環や水電解モジュール1aが運転を開始する際の水の循環に利用することができる。
このため、本実施形態の水素ガスの製造方法においては、純水の搬送に消費するエネルギーを節約することができ、効率良く水素ガスを製造することができる。
本実施形態の水素ガスの製造方法においては、エネルギー消費の大きな送水装置をガス駆動式送水装置とすることが好ましい。
このような点において本実施形態の水素ガスの製造方法では、前記水電解装置の陽極側に水を循環供給するための送水装置として前記ガス駆動式送水装置を用いることが好ましい。
さらに、本実施形態の水素ガスの製造方法においては、水電解装置の運転を停止した後も水電解装置に純水を流通させることが好ましく、水電解装置の運転停止前に酸素を加圧状態で貯留し、水電解装置の運転後にガス駆動式送水装置を用いて水の前記流通を実施させ、該ガス駆動式送水装置の駆動に前記貯留した酸素ガスを用いることが好ましい。
図4に示す、タービンポンプ400は、搬送する液体を吸引する吸水口410と、吸引した水を排出する排水口420とを有し、吸水口410と、排水口420との間に液体を
貯えるポンプ室430を有している。
該タービンポンプ400は、このポンプ室430と排水口420との間に水を搬送するための羽根車を備えている。
また、タービンポンプ400は、前記羽根車の動力源となるガスを取り入れる吸気口440と、吸気したガスを排出する排気口450とを有し、吸気口440と、排気口450との間にガス室460を備えている。
該タービンポンプ400は、吸気口440からガス室460を通って排気口450へと流れるガスによって回転される羽根車を前記ガス室460に備えている。
前記ポンプ室430に設けられた第1の羽根車(以下「液体用羽根車421」ともいう)と、前記ガス室460に設けられた第2の羽根車(以下「ガス用羽根車461」ともいう)は、互いに連動するように備えられている。
本実施形態においては液体用羽根車421及びガス用羽根車461のそれぞれは、軸周りに回転可能で、共通する回転軸470で連結されることによって互いに連動するようになっている。
即ち、本実施形態のタービンポンプ400は、ガス室460に生成ガスを流通させることでガス用羽根車461が回転し、該ガス用羽根車461と同じ回転軸に固定された液体用羽根車421がポンプ室内で回転することによって水が排水口420から排出されるように構成されている。
また、この場合、水の搬送動力のメインをモーター側とし、ガス用羽根車461の回転動力をサブとしてもよい。
即ち、循環水量をモーター480の回転数で制御し、当該モーター480の負荷をガス用羽根車461の回転によって軽減させるようにしてもよい。
このようにして電力でも駆動可能なガス駆動式送水装置を設置することで水素・酸素発生装置100は、装置構成が簡略化できるとともに運転の制御も簡略化させることができる。
即ち、モーターの回転軸と、前記ピストンロッド270とのリンク機構としてクランクを採用し、モーターの回転運動をクランクによってレシプロ運動に変換するようにすれば前記ダイヤフラムポンプ200も電力で駆動可能となる。
このような場合も、水素・酸素発生装置100は、装置構成が簡略化できるとともに運転の制御も簡略化させることができる。
即ち、送水装置の省エネルギー化が図られるという本発明の効果は、搬送する水が純水以外の場合でも上記例示と同様に発揮され得るものである。
また、本発明は上記例示に何等限定されるものではなく、本実施形態の水素・酸素発生装置に上記例示の事項以外にも構成要素を付加するなどして各種の変更を加えることができる。
気液分離タンク51で分離された水は、例えば、補給水タンク61に送水してもよい。
補給水タンク内は大気圧であるため、気液分離タンク51で分離された水を補給水タンク61に送水する場合、気液分離タンク内の水素ガスの圧力を利用して水を送水することができる。
従って、このような場合においては第2ガス駆動式送水装置71の設置が不要となる。
1a 水電解モジュール
2 純水貯留タンク
3 給水経路
4 陽極側返送経路
5 水素気液分離装置
6 水補給装置
7 陰極側返送経路
8 補給経路
9 ガス貯留装置
10 ガス搬送経路
11 ガス排出経路
31 第1ガス駆動式送水装置
71 第2ガス駆動式送水装置
81 第3ガス駆動式送水装置
Claims (2)
- 水を電気分解する水電解装置を備え、
該水電解装置が、前記電気分解による生成ガスとして陰極側に水素ガスを発生させるとともに陽極側に酸素ガスを発生させる水素・酸素発生装置であって、
前記生成ガスで駆動するガス駆動式送水装置を備え、該ガス駆動式送水装置によって前記水電解装置で電気分解される水が搬送される水素・酸素発生装置。 - 前記水電解装置の陽極側に水を循環供給するための送水装置として前記ガス駆動式送水装置が備えられている請求項1記載の水素・酸素発生装置。
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