JP3791477B2 - 水電解装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽イオン交換膜として固体高分子電解質膜を用いた水電解槽で純水の電気分解を行い、水素ガスと酸素ガスを得る水電解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽イオン交換膜として固体高分子電解質膜を用いた水電解槽で純水の電気分解を行う水電解装置においては、固体高分子電解質膜の破損を防止するために、固体高分子電解質膜で隔てられた陰極室と陽極室との差圧を小さく抑える必要がある。このため、例えば特開平８−２６０１７６号公報に開示されているように、陰極室と陽極室に、発生したガスと純水とを分離する気液分離器とこのガスの圧力を調整するための圧力制御弁を連結して、陰極室と陽極室の圧力をそれぞれ一定に保持する等の方策を採って、差圧を小さく抑えている。
【０００３】
図２は、従来のこの種の水電解装置の要部の基本構成を示す構成図である。水電解槽１は、陽極室２、陰極室３、およびこれらを隔てる陽イオン交換膜４より構成されており、このうち陽極室２と陰極室３には、それぞれ図示しない触媒電極と多孔質給電体が備えられている。この水電解槽１の陽極室２には陽極側気液分離器１０が、また陰極室３には陰極側気液分離器１１が連結されており、循環ポンプ５により陽極側気液分離器１０に貯留された純水が陽極室２へと送られ、また、循環ポンプ６により陰極側気液分離器１１に貯留された純水が陰極室３へと送られて電気分解される。電気分解によって陽極室２で発生した酸素と純水の混合物は連通管を通して陽極側気液分離器１０へと戻され、酸素ガスと純水とに分離される。また、電気分解によって陰極室３で発生した水素と純水の混合物は連通管を通して陰極側気液分離器１１へと戻され、水素ガスと純水とに分離される。陽極側気液分離器１０で分離された酸素ガスはガス冷却器１２で冷却されたのち、圧力制御弁１８を経て外部へ放出される。このとき、圧力制御弁１８は、圧力計２２で検出される圧力が所定の一定した圧力となるように、圧力制御装置２４により開度が制御される。この圧力制御弁１８の制御により陽極側気液分離器１０の圧力、したがって陽極室２の圧力が一定に保持される。同様に、陰極側気液分離器１１で分離された水素ガスは、ガス冷却器１３で冷却されたのち、圧力制御弁２１を経て外部へ放出されるよう構成されており、圧力制御装置２４により圧力制御弁２１の開度を制御することによって、圧力計２３で検出される圧力が所定の圧力に調整される。すなわち、従来のこの種の水電解装置においては、圧力制御弁１８，２１の開度を制御することによって放出ガス量を調整して、陽極室２と陰極室３の圧力を所定値に保持し、その差圧が過大にならないように調整して運転されている。
【０００４】
なお、図２において、９は純水を貯える純水貯槽、７は、純水貯槽９から陽極側気液分離器１０への純水の供給に用いられる純水供給ポンプであり、８は、陰極側気液分離器１１から陽極側気液分離器１０への純水の返送に用いる返送ポンプ、２５，２６は、それぞれ、陰極側気液分離器１１と陽極側気液分離器１０の水位を検出する水位計、３０は、貯留された純水の排出に用いられる排水口、３１は、陰極側気液分離器１１と陽極側気液分離器１０の水位の調整を行う制御装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のこの種の水電解装置においては、生成ガスを圧力制御弁を介して放出することによって圧力を調整し、水電解槽１の陽極槽２と陰極槽３との差圧を所定の値以下に抑えて、陽極槽２と陰極槽３とを隔てる陽イオン交換膜４の破損を防止している。
【０００６】
しかしながら、このように構成した装置においても、なお以下のごとき問題点がある。すなわち、水電解の進行に伴って消費された純水を補うために気液分離器から水電解槽への純水の移動が生じ、この移動により不足した純水を補給するために純水貯槽より気液分離器へと純水の供給が行われ、供給量が過大となった場合にはさらに排水口へと排水して所定の水位が保持されることとなるが、このように供給、排出が行われると、気液分離器の水位の変化に伴うガス容積の変化によってガス圧力が変化し、陽極槽と陰極槽の差圧が過渡的に増大して、陽イオン交換膜が破損してしまう危険性がある。
【０００７】
また、水電解で発生する水素と酸素の割合は２：１であるため、水電解を開始したのち定常運転に至る過渡時や、電解電流が変化する過渡時には、陰極側と陽極側でガス発生量の差による圧力差が生じ、この差圧によって陽極槽と陰極槽を隔てる陽イオン交換膜が破損する恐れがある。
さらに、何らかの理由により緊急に装置の運転を停止する必要が生じた場合には、重大事故となるのを防止するために、通常、装置内部のガスを外部に放出して、圧力を速やかに下げる措置が採られることとなるが、圧力制御弁の制御を中止して弁を全開にしてガスを放出することとすれば、ガス放出量は制御されないので、陰極側の圧力と陽極側の圧力に差が生じて陽イオン交換膜が破損する可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、定常運転状態のみならず、純水の供給時や運転開始時、さらには緊急停止時等の過渡運転状態においても、差圧による固体高分子電解質膜の破損が回避され、長期にわたり安定した水電解が可能な水電解装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、 純水の電気分解によって水電解槽の陰極室で生じた水素と純水の混合物を陰極側気液分離器で水素ガスと純水とに分離し、水電解槽の陽極室で生じた酸素と純水の混合物を陽極側気液分離器で酸素ガスと純水とに分離して水素ガスと酸素ガスとを得る水電解装置において、陰極側気液分離器からの水素ガスの排出系に水素ガスタンクを、また、陽極側気液分離器からの酸素ガスの排出系に酸素ガスタンクを備えることとし、さらに、これらの水素ガスタンクの内容積と酸素ガスタンクの内容積との比を 1.9 : 1〜 2.1 : 1とする。
【００１０】
気液分離器からのガス排出系にガスタンクを連結すれば、気液分離器のガス空間は実質的にこのガスタンクのガス容量相当分だけ増加することとなる。したがって、気液分離器のガス容積の変化が生じても、ガス圧力の変化は小さく抑えられる。さらに、水素ガスの発生量と酸素ガスの発生量の比は略２：１であり、水素ガスの排出系に連結するガスタンクの内容積と酸素ガスの排出系に連結するガスタンクの内容積との比を 1.9 : 1〜 2.1 : 1とすることで、タンク内圧力が 10 kg/cm²の時の二つのガスタンクの圧力差を 0.5 kg/cm² 以下に抑えることができる。したがって、純水貯槽より気液分離器への純水の供給に際して水位の変化が生じてもガス圧力の変化は小さく抑えられ、また、水電解を開始したのち定常運転に至る過渡時にも水素ガス排出系と酸素ガス排出系の圧力はほぼ同様に変化することとなるので、水電解槽の陽極室と陰極室との差圧が微小に抑えられ、これらを隔てる固体高分子電解質膜の破損が回避されて、長期にわたり安定した水電解が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の水電解装置の一実施例の要部の基本構成を示す構成図である。本図において、図２に示した従来例の構成に用いられている構成部品と同一機能をもつ構成部品には同一符号が付されており、重複する説明は省略する。
本実施例の構成の従来例の構成との相違点は以下の２点にある。すなわち、第１の相違点は、陰極側気液分離器１１からの水素ガスの排出系に水素ガスタンク１５が、また、陽極側気液分離器１０からの酸素ガスの排出系に酸素ガスタンク１４が備えられ、さらに、これらの水素ガスタンク１５の内容積と酸素ガスタンク１４の内容積との比が略２：１に設定されている点にある。したがって、本実施例の水電解装置では、純水貯槽９より陽極側気液分離器１０への純水の供給に際して水位の変化が生じてもガス圧力の変化は小さく抑えられ、また、水電解を開始したのち定常運転に至る過渡時にも水素ガス排出系と酸素ガス排出系の圧力はほぼ同様に変化することとなるので、水電解槽の陽極室と陰極室との差圧が微小に抑えられる。
【００１３】
また、第２の相違点は、水素ガス排出系の水素ガスタンク１５の下流側に備えられた圧力調整弁２１に、自動開閉弁２０と固定絞り１９との直列接続体が並列に接続され、酸素ガス排出系の酸素ガスタンク１４の下流側に備えられた圧力調整弁１８に、自動開閉弁１７と固定絞り１６との直列接続体が並列に接続されている点にある。したがって、本実施例の水電解装置では、定常運転時には、制御装置２４により圧力調整弁１８，２４の開度を制御して圧力を調整し、ガスの急速放出を必要とする緊急時には、自動開閉弁１７と所定の固定絞り１６、および自動開閉弁２０と所定の固定絞り１９を通してガスを放出することとすれば、定常運転時のみならず、緊急時にも水素ガス排出系と酸素ガス排出系の圧力はほぼ同一に保持されるので、水電解槽の陽極室と陰極室とを隔てる固体高分子電解質膜に加わる差圧が微小に抑えられ、固体高分子電解質膜の破損が回避されることとなる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、水電解装置を請求項１のごとく構成することとしたので、純水の供給時など気液分離器の水位に変化が生じてもガス圧力の変化は小さく抑えられ、水電解槽の陽極室と陰極室との差圧が微小に抑えられこととなったので、固体高分子電解質膜の破損が回避され、長期にわたり安定した水電解が可能となった。さらに水電解を開始したのち定常運転に至る過渡時にも水素ガス排出系と酸素ガス排出系の圧力がほぼ同様に変化し、水電解槽の陽極室と陰極室との差圧が微小に抑えられるので、長期にわたり安定した水電解を行う水電解装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水電解装置の一実施例の要部の基本構成を示す構成図
【図２】従来のこの種の水電解装置の要部の基本構成を示す構成図
【符号の説明】
１ 水電解槽
２ 陽極室
３ 陰極室
４ 陽イオン交換膜
９ 純水貯槽
１０ 陽極側気液分離器
１１ 陰極側気液分離器
１２ ガス冷却器
１３ ガス冷却器
１４ 酸素ガスタンク
１５ 水素ガスタンク
１６ 固定絞り
１７ 自動開閉弁
１８ 圧力制御弁
１９ 固定絞り
２０ 自動開閉弁
２１ 圧力制御弁
２２ 圧力計
２３ 圧力計
２４ 圧力制御装置

Claims (1)

1. 純水の電気分解によって水電解槽の陰極室で生じた水素と純水の混合物を陰極側気液分離器で水素ガスと純水とに分離し、水電解槽の陽極室で生じた酸素と純水の混合物を陽極側気液分離器で酸素ガスと純水とに分離して水素ガスと酸素ガスとを得る水電解装置において、
   前記の陰極側気液分離器からの水素ガスの排出系に水素ガスタンクが備えられ、陽極側気液分離器からの酸素ガスの排出系に酸素ガスタンクが備えられており、
   前記の水素ガスタンクの内容積と酸素ガスタンクの内容積との比が、1.9 : 1 〜 2.1 : 1であることを特徴とする水電解装置。

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