JP2727518B2 - 水電解方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、陽極生成物として酸素やオゾンを電解によ
り得るための水電解方法及び装置に関する。

（従来技術とその問題点） 水を電解して陽極室で酸素（及びオゾン）を、又陰極
室で水素を得ることは従来から広く行われ、例えば電解
液を苛性カリ水溶液とし隔膜を装着した電解槽を使用し
て水素ガスを製造し、該水素ガスをアンモニア合成の水
素源として利用することが従来から行われている。

このように従来の水電解装置は水電解発生ガスのうち
水素を利用するものが多く、発生水素ガス自体が目的で
あるため、生成水素の無害化を考慮する必要はなかっ
た。

しかしながら最近はオゾンが強力でクリーンな酸化剤
として注目を集めつつあり、特にその燃焼生成物が酸素
であり従来から使用されている塩素系酸化剤と比較し
て、被処理物中に残留することがなく又環境汚染の問題
も生じないことから、水処理用としての使用が増加して
いる。

オゾン生成方法は放電法と電解法に大別され、前者は
不純物の混入、生成オゾンの溶解の困難性等の問題点を
有しているため、最近ではエネルギ原単位は若干劣る
が、不純物含有量の少ない高濃度オゾンを製造できる後
者の電解法が主流を占めつつある。

又該電解オゾン以外にも高純度酸素を得る目的で水電
解が頻繁に行われている。

しかしながら該電解法によるオゾンあるいは酸素生成
装置では、陰極室で生成する水素は大気に放散されるタ
イプのものが多く、室内で使用すると室内に水素が充満
して爆発の危険が生ずるため常に換気に注意を払わなけ
ればならないという欠点がある。

最近では水の電解によりオゾンと酸素の混合ガスを得
る装置が商品化されており、該装置の陰極生成物である
水素ガスは陽極で生成する前記混合ガスの圧力上昇に使
用される程度で多くはそのまま大気中に放散され更に該
電解は室内で行われることが多く、前述した室内の水素
ガス充満を回避するため、前記電解装置の陽極室からの
排出ラインに触媒を収容した反応器を設置し、陰極生成
物である水素を該触媒を通して水蒸気に変換し無害化し
てから大気に放散するようにしている。

しかしながら該触媒の失活やラインの漏れ等の理由か
ら、前記触媒が確実に前記水素ガスを水蒸気に変換でき
るという保証はなく、安全性確保のためには常に前記触
媒の状態をチェックし続けるという煩雑な操作を必要と
するという欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、上記問題点を解決するためになされたもの
で、水電解により発生する水素を常にほぼ完全に変換し
室内においても安全に安定した運転をすることが可能な
水電解方法及び装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、陰極から発生する水素を触媒により反応さ
せ水蒸気に変換しながら水電解を行う水電解方法におい
て、前記触媒の温度を計測し該温度が所定範囲未満に低
下した際に、実質的な通電を停止し水素発生を回避する
ようにしたことを特徴とする水電解方法、及び該水電解
に使用する装置である。

以下本発明を詳細に説明する。

本発明者らは、水電解における水素触媒による水素変
換反応が正常な状態で維持される場合には触媒の温度が
所定の許容範囲内に維持され、前記水素反応が停止した
場合あるいは不十分に進行している場合には、前記所定
温度範囲を下回ることを利用して本発明を完成したもの
である。つまり触媒による水素変換反応では、該触媒が
正常に機能していればその際に発生する酸化（燃焼）熱
により触媒自身の温度が上昇して200℃以上の高温とな
るが、水素変換が不十分であると前記酸化熱の発生も不
十分となり温度上昇度も減少する。従って前記触媒の温
度を温度センサ等で検出し、該温度が通常の酸化熱によ
り生ずる温度範囲であれば水素の反応が十分進行してい
ることを意味し、一方温度上昇がない場合や上昇度が著
しく小さい場合は触媒が十分機能していないことを意味
する。従って前記触媒の温度を検知することにより反応
の進行をチェックすることができ、該進行が不十分であ
る場合つまり発生する水素が十分燃焼されていない場合
には、制御装置により電源を停止するか、あるいは電源
を停止すると生ずる逆電流による電極の損傷が予想され
る場合には、電解が進行しない程度の微小な保護電流を
流すための保護電源に接続してより以上の水素発生を回
避する。

本発明に使用する水電解槽は従来の水電解槽を制限な
く使用することができ、例えば隔膜としてはフッ素系イ
オン交換膜であるナフィオン（商品名）を、陽極及び陰
極としてはチタン基体に貴金属酸化物等を被覆した寸法
安定性電極をそれぞれ使用して電解槽を構成したり、あ
るいは前記イオン交換膜の少なくとも一方の面に電極活
性物質であるβ−二酸化鉛や白金を被覆したいわゆるSP
E型電極を使用して前記電解槽を構成したりすることが
できる。

該電解槽の陰極室側には発生水素排出用のラインを接
続し該ラインに触媒の収容部を設置する。該水素触媒
は、銅基体にパラジウムを担持させた触媒、カーボン上
にパラジウムを担持させた触媒等、従来の水素触媒をそ
のまま使用することができる。

該触媒収容部には温度センサを接続して該収容部の触
媒温度の昇降を継続的に測定し該温度が予め設定した許
容温度範囲内に維持されているかをチェックする。該温
度センサの種類は特に限定されないが、高温において安
定に作動し経時変化が殆どない熱電対やサーミスタを使
用することが好ましい。

前記触媒の温度が前記許容温度範囲を未満に低下した
場合には、水素燃焼反応が不完全であることを意味する
ため、できるだけ迅速に電解を停止して水素の放散を防
止する。該電解停止のためには前記温度センサを前記電
解電源と連動させて該電源を切るか、あるいは直ちに電
源を切ると逆電流が流れて電極活性物質を損傷する恐れ
がある場合は前記電解電源を該損傷を防止する保護電源
へ切り換えるようにする。該切り換えは手動でも可能で
あるが、制御器により自動的に行うことが好適である。

水電解によるオゾン発生装置の場合、一般に電解液抵
抗等の負荷の変動が比較的少ないという特徴があるが、
僅かながら変動し該変動に伴って水素発生量も変動しこ
れに応じて触媒部分の温度の変動が起こる。従って前記
許容温度を一定値にしておくと触媒による水素の燃焼反
応が完全でも負荷変動に基づく温度変動が生じ電解を停
止する自体を招くため、前述の通り許容温度にはある程
度の範囲を設定することが望ましく、該範囲は100〜500
℃、より好ましくは150〜450℃とするが、水素排出量が
急激に増加する等して過度の温度上昇が生じても、触媒
性能自体は落ちていないため、許容温度範囲の上限は設
定しなくてもよい。

なお触媒の温度は電解開始直後から通常の反応時の温
度に達しているわけではないので、該温度に上昇するた
めに十分な時間経過後に前記温度センサを作動させるよ
うにすることが好ましい。該温度上昇に必要な時間は規
模や構造により異なり一般的には10〜15分であるが、該
時間の設定が不適切で長過ぎると運転初期の水素漏洩を
チェックできず、又短か過ぎると運転初期の不安定な時
期に温度センサが機能して電解を停止してしまうことに
なるため、前記時間は適切に設定することが望ましい。

添付図面は本発明に係わる水電解装置の一例を示す概
略図である。

水電解槽１はイオン交換膜２により陽極室３と陰極室
４に区画され、両極室３、４にはそれぞれメッシュ状の
貴金属酸化物被覆されたチタン基体から成る陽極５及び
陰極６が前記イオン交換膜２に近接して設置されてい
る。該陽極５及び陰極６には電解電源７から電流が供給
され、電解液である例えば希釈された硫酸水溶液を電解
して陽極室３で酸素及びオゾンを、陰極室で水素を生成
する。

陽極室で発生した酸素及びオゾンは陽極液とともにガ
ス分離塔８へ導かれ気液分離されて系外に取り出され、
陽極液は前記電解槽１へ循環される。

陰極室４で発生する水素は導管９を通して水素触媒10
が収容された触媒収容部11に導かれ、該収容部11におい
て燃焼し水蒸気へ変換されて大気中へ放散される。該収
容部11の温度を継続的に前記電解電源７に制御器15を介
して接続された温度センサ12により測定し該温度が予め
設定した許容範囲を逸脱したときは、信号ケーブル13を
通して前記温度センサ12及び制御器15により前記電解電
源７を切って電解の進行を停止させる。その際電極を保
護する必要がある場合は保護電源14を付設して制御器15
により電源を保護電源に切り換え電極に微小電流を流す
よう接続する。これにより前記触媒10による水素の反応
が不完全になったときは常に電解が停止され、爆発の危
険のある水素の大気中への放散を防止することができ、
併せて電極の保護も可能となる。

（実施例） 以下本発明の実施例を記載するが、該実施例は本発明
を限定するものではない。

実施例１ 電極及び隔膜としてその両面にそれぞれ面積が3cm²で
あるβ−二酸化鉛（陽極側）及び白金（陰極側）層を形
成したイオン交換膜（ナフィオン＃117）を使用し、又
電解電源に加えて保護電源を使用し該電解電源から該保
護電源への接続の切り換えを温度センサに接続した制御
器により行うようにし、容量300mlの電解槽を使用して
イオン交換水の電解による酸素及びオゾン（陽極側）及
び水素（陰極側）の生成を行った。前記電解電源の出力
は直流4V、6Aとし、銅基体にパラジウムを担持した触媒
を直径2cm高さ5cmの筒状の収容部に収容した。温度セン
サはそのセンサ部が前記触媒の中心部に位置するように
設置し、許容温度範囲を100〜500℃として、該温度セン
サの信号により前記電解電源の出力が直流0.03Aの前記
保護電源回路に切り替わるよう構成した。

電解開始後約１分で触媒の温度が上昇を開始し２〜３
分で200℃を越え５〜10分経過後に400℃となり定常状態
となった。電解開始３分後に温度センサの許容温度範囲
の下限を100℃に設定し電解を継続させたが、６カ月経
過時まで前記温度センサは機能せず、前記電解電源は正
常に6Aの電流を供給し続けた。

実施例２ 燃焼触媒の収容部を直径0.5cm高さ1cmの筒状体とした
こと以外は実施例１と同様にして水電解を行った。電解
開始後の温度上昇傾向は実施例１とほぼ同様であり400
℃近くまで上昇した。しかし６カ月経過後燃焼触媒の粘
度が細かくなり脱落して該触媒の機能が低下し、水素燃
焼が不十分となって前記触媒温度が100℃未満まで低下
し、前記温度センサからの信号により前記電解電源の出
力が保護電源回路に切り替わり電解が実質的に停止され
て、水素が系外に放散されることが防止された。

（発明の効果） 本発明は、水電解時に発生する水素変換触媒の機能が
低下した際に前記水素が大気中に放散することを防止す
るために、温度センサを使用して前記触媒の温度を継続
的にチェックし該温度が所定範囲未満に低下したとき
に、前記温度センサの信号により実質的な電解を停止し
て水素のより以上の発生を回避するようにしている。

前記触媒における触媒温度は反応水素量にほぼ比例し
て昇降するため、該温度が所定温度未満に低下すること
は水素燃焼反応が不十分で未反応のまま大気中に放散さ
れる恐れがあることを意味する。従って該温度下降を検
出後直ちに前記温度センサにより電源を切る等して電解
を停止することにより、より以上の水素発生が抑制され
て、前記触媒の性能劣化にもかかわらず水素が大気中に
放散され爆発等の危険が生ずることが回避される。

又電解停止時の電極の保護を付設した保護電源への接
続により容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明に係わる水電解装置の一例を示す概
略図である。 １……水電解槽、２……イオン交換膜 ３……陽極室、４……陰極室 ５……陽極、６……陰極 ７……電解電源、８……ガス分離塔 ９……導管、10……燃焼触媒 11……触媒収容部、12……温度センサ 13……信号ケーブル、14……保護電源 15……制御器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陰極から発生する水素を触媒により反応さ
   せ水蒸気に変換しながら水電解を行なう水電解方法にお
   いて、前記触媒の温度を計測し該温度が所定範囲未満に
   低下した際に、実質的な通電を停止し水素発生を回避す
   るようにしたことを特徴とする水電解方法。
2. 【請求項２】隔膜により陽極室と陰極室に区画された水
   電解用電解槽、該電解槽の陽極及び陰極に通電するため
   の電解電源、及び前記陰極室の排出ラインに設置された
   触媒収容部を含み、前記陰極室で発生する水素ガスを前
   記触媒収容部で反応させて水蒸気に変換しながら水電解
   を行う水電解装置において、前記触媒収容部に設置した
   温度計測手段を制御器を介して前記電解電源に電気的に
   接続し、前記触媒の温度が所定範囲未満に低下した際
   に、前記電源を停止して実質的な電解を停止するように
   したことを特徴とする水電解装置。
3. 【請求項３】隔膜により陽極室と陰極室に区画された水
   電解用電解槽、該電解槽の陽極及び陰極に通電するため
   の電解電源及び保護電源、及び前記陰極室の排出ライン
   に設置された触媒収容部を含み、前記陰極室で発生する
   水素ガスを前記触媒収容部で反応させて水蒸気に変換し
   ながら水電解を行う水電解装置において、前記触媒収容
   部に設置した温度計測手段を制御器を介して前記電解電
   源及び保護電源に電気的に接続し、前記触媒の温度が所
   定範囲未満に低下した際に、前記電源への接続を前記保
   護電源への接続に切り換えて実質的な電解を停止するよ
   うにしたことを特徴とする水電解装置。