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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