JP3788489B2 - 水電解装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換膜の両面に白金族金属電極を接合した、イオン交換膜―触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽を用いる水電解装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水電解装置は、イオン交換膜の両面に白金族金属電極を接合した、イオン交換膜―触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽を用い、前記水電解槽の陽極より発生する酸素と水を分ける気液分離タンク（Ｏ）または、前記水電解槽の陰極より発生する水素と水を分ける気液分離タンク（Ｈ）のいずれか一つを少なくとも有し、それら気液分離タンクまたは気液分離タンクに接続する配管に圧力信号発振器を設け、この圧力信号発振器からの信号によりスイッチング方式などの直流電源から前記水電解槽への供給電力を増減する制御回路を有する。
【０００３】
この従来の水電解装置は、供給量の増減に伴い変動しようとする気液分離タンク（ＯまたはＨ）のガス圧を一定に保つよう水電解槽への供給電力を増減し、一定の圧力に制御された水素又は酸素を、必要なときに必要な量を必要な場所に提供する装置である。
【０００４】
このような水電解装置は、ボンベの運搬が困難な僻地等の半導体工場や、高圧ガスの使用が禁止されている住宅地等で用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
イオン交換膜―触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽を用い、前記水電解槽の陽極より発生する酸素と水を分ける気液分離タンク又は前記水電解槽の陰極より発生する水素と水を分ける気液分離タンクのいずれか一つを少なくとも有し、それら気液分離タンク、又は気液分離タンクに接続する配管に圧力信号発振器を設け、この圧力信号発振器からの信号により直流電源から前記水電解槽への供給電力を増減する制御回路を持つ従来の水電解装置において、その制御回路がオン、オフ制御である場合、たとえガスの供給量が一定していても直流電源から水電解槽への電力供給自体、頻繁にオン、オフが繰り返される。
【０００６】
しかし、このオフ時毎に直流電源の出力が停止し、直流電源の電圧がダウンするために水電解槽の起電力による逆電流が発生する。そのためイオン交換膜の両面に接合した触媒電極が消耗し、水電解槽の寿命が予想以上に短くなる。
【０００７】
また、その制御回路が比例制御であっても、たとえば、一定サイクルで供給、停止が頻繁に繰り返されるような使用条件下では、前述のオン、オフ制御の場合と同様に供給停止時に逆電流が発生し、水電解槽の寿命が短くなる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イオン交換膜の両面に白金族金属電極を接合した、イオン交換膜−触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽と、前記水電解槽の陽極より発生する酸素と水とを分ける気液分離タンク又は／及び前記水電解槽の陰極より発生する水素と水とを分ける気液分離タンクと、前記気液分離タンクの水素供給側配管に設けられた圧力信号出力手段と、前記圧力信号出力手段からの信号により前記水電解槽への供給電力を増減する制御回路とを備えており、前記供給電力の最低電圧が、基本ユニット１個あたり、１．２〜１．７Ｖであることを特徴とすることにより、上述のごとき課題を解決するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を好適な図面を用いて説明する。
【００１０】
図1は、本発明の実施例にかかる水電解装置を簡略化した流路図である。同図において、水タンク１の純水は、ポンプ2により流路９を経て強制的に水電解槽３に送られる。ここで水電解槽3は、イオン交換膜―触媒電極接合体からなる基本ユニット１３、１４を2つ直列に配している。水電解槽３に送られた水は、スイッチング方式の直流電源４からの供給電力により電解され、酸素と水素に分解された後、酸素は電解されずにあまった水とともに水タンク１に戻される。
【００１１】
また、水素は、陽極から電気浸透により移動したわずかな水とともに流路１１を経て気液分離タンク７に送られ気液分離される。気液分離された水素は、圧力信号発振器６および、気液分離タンク７の内部ガス圧力を上昇させるためのニードルバルブ８を配した流路１２を経て目的地へ供給される。流路１２の圧力は、上記圧力信号発振器６により、制御回路５へを送られる。制御回路５は、流路１２内の圧があらかじめ設定された圧力（１．００ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）より高くなると直流電源４の水電解槽３への電力供給を停止し、流路内の圧があらかじめ設定された圧力より０．１ｋｇ／ｃｍ２Ｇ低くなると、直流電源４の水電解槽３への電力供給を再開するオン、オフ制御回路である。
【００１２】
ここで、流路１２内の圧があらかじめ設定された圧力（1.00ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）より高くなり直流電源４の水電解槽３への電力供給を停止した際でも、水電解槽には３．４Ｖの電圧が印加されるように制御回路５は直流電源４の供給最低電圧を規定しており、その電圧は、水電解槽３に搭載されているイオン交換膜―触媒電極接合体である基本ユニット一個あたり１．７Ｖであり、電解停止中も水電解槽３に逆電流が生じず、水電解も行われない。
【００１３】
なお、１．２Ｖ未満では逆電流が生じ、１．７Ｖより大きいと水電解が起こるので、供給最低電圧を基本ユニット一個あたり１．２〜１．７Ｖにすれば飛躍的に水電解装置の寿命を延ばすことが可能となる。
【００１４】
図２は、本水電解装置を最大水素供給量４Ｌ／ｍｉｎの半分にあたる２L/minの水素発生条件で連続運転した際の水電解槽の電解時電圧を示す。このとき、電解停止時の水電解槽への電力供給を完全に停止する従来式の水電解装置を同条件で運転した際の電解電圧も合わせて示す。この運転条件下では、水電解装置は５秒間水電解した後５秒間水電解を停止するオン、オフ運転となる。
【００１５】
図２に示されるように、本発明による水電解槽は、停止時に逆電流が生じないために、水電解槽の電解電圧が長期間にわたって安定している。一方、従来式の水電解槽は、停止時に発生する逆電流のために触媒電極の消耗が激しく、比較的早く電解電圧が上昇し寿命（６Ｖ）にいたっている。
【００１６】
図３は、本発明の実施例にかかるもう一つの水電解装置を簡略化した流路図である。
【００１７】
同図において、水タンクａの純水は、ポンプｂにより流路ｉを経て強制的に水電解槽ｃに送られる。ここで水電解槽ｃは、イオン交換膜−触媒電極接合体からなる基本ユニットｍ、ｎを２つ直列に配している。水電解槽ｃに送られた水は、スイッチング方式の直流電源ｄからの供給電力により電解された後、酸素と水素とに分解され、酸素は電解されずにあまった水とともに水タンクａに戻される。
【００１８】
また、水素は、陽極から電気浸透により移動したわずかな水とともに流路ｋを経て気液分離タンクｇに送られ気液分離される。気液分離された水素は、圧力信号発振器ｆおよび、気液分離タンクｇの内部ガス圧力を上昇させるためのニードルバルブｈを配した流路ｌを経て目的地へ供給される。流路ｌの圧力は、上記圧力信号発振器ｆにより、制御回路ｅへ送られる。制御回路ｅは、流路ｌ内の圧があらかじめ設定された圧力（1.00ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）になるように流路ｌ内の変動に応じて直流電源ｄの水電解槽ｃへの供給電力を増減させる比例制御回路である。
【００１９】
ここで、この制御回路ｅは、ニードルバルブhが完全に閉じられたために、水電解槽ｃへの電力供給を停止する際でも、水電解槽には３．４Ｖの電圧が印加されるように制御回路ｅは直流電源ｄの供給最低電圧を規定しており、その電圧は、水電解槽に搭載されているイオン交換膜―触媒電極接合体である基本ユニット一つあたり１．７Ｖであり、電解停止中も水電解槽cに逆電流が生じず、水電解も行われない。
【００２０】
図４は、本水電解装置を最大水素供給量４Ｌ／ｍｉｎの運転状態を１分間、ニードルバルブｈを完全に閉じた状態を１分間で一つのサイクルとする、間欠運転を10000サイクル行なったときの水電解槽cの電解時電圧を示す。加えて、電解停止時の水電解槽への電力供給を完全に停止する従来式の水電解装置を同条件で運転した際の電解電圧を合わせて示す。
【００２１】
図４に示されるように本発明による水電解槽は、停止時に逆電流が生じないため、水電解槽の電解電圧が長期間にわたって安定している。
【００２２】
一方、従来式の水電解槽は、停止時に発生する逆電流のために触媒電極の消耗が激しく、比較的早く電解電圧が上昇し寿命（６Ｖ）に至っていることがわかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来の水電解装置に比べ、いかなる運転条件下に於いても、水電解槽に逆電流が生じないので、水電解槽の寿命を飛躍的に延ばせることができる。したがって、その産業上寄与すること大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる水電解装置を簡略化した流路図である。
【図２】図１に示す水電解装置の電解電圧の経時特性を示す図である。
【図３】本発明の実施例にかかる水電解装置を簡略化した流路図である。
【図４】図２に示す水電解装置の電解電圧の経時特性を示す図である。
【符号の説明】
１、ａ 水タンク
２、ｂ ポンプ
３、ｃ 水電解槽
４、ｄ 直流電源
５、ｅ 制御回路
６、ｆ 圧力信号発振器
７、ｇ 気液分離タンク
８、ｈ ニードルバルブ
１３、１４、ｍ、ｎ イオン交換膜−触媒電極接合体
Claims (3)
- イオン交換膜の両面に白金族金属電極を接合した、イオン交換膜−触媒電極接合体を基本ユニットとする水電解槽と、前記水電解槽の陽極より発生する酸素と水とを分ける気液分離タンク又は／及び前記水電解槽の陰極より発生する水素と水とを分ける気液分離タンクと、前記気液分離タンクの水素供給側配管に設けられた圧力信号出力手段と、前記圧力信号出力手段からの信号により前記水電解槽への供給電力を増減する制御回路とを備えており、前記供給電力の最低電圧が、基本ユニット１個あたり、１．２〜１．７Ｖであることを特徴とする水電解装置。
- 前記制御回路の制御が、オン、オフ制御である請求項１記載の水電解装置。
- 前記制御回路の制御が、比例(ＰＩＤ)制御である請求項１記載の水電解装置。
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