JP4095782B2 - ガス発生装置 - Google Patents
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電気分解を用いたガス発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
クリーンなシステムとして注目されている燃料電池や、水素エンジンには、水素ガスあるいは酸素ガスが必要である。水の電気分解(以下、「水電解」と記す)により水素ガス及び酸素ガスを製造するガス発生装置(固体高分子電解質膜を用いた装置)は、比較的容易に無公害で水素ガス及び酸素ガスを製造することが可能である。特に、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いれば、環境に負荷を与えないガス発生装置とすることが出来る。
【0003】
従来の技術でのガス発生装置について、添付図面を用いて説明する。
図5は、従来技術でのガス発生装置の構成を示す図である。ガス発生装置は、水電解セル101、酸素気液分離器102、水素気液分離器103、気液冷却器107、純水精製器109、水素側排水弁110、水素排気弁111、酸素排気弁112、純水供給弁113、ヒータ115、循環水ポンプ117、酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインF120−6、水素生成ライン121、酸素排気ラインA123−1〜酸素排気ラインB123−2、純水供給ラインA124−1〜純水供給ラインB124−2、水素排気ラインA125−1〜水素排気ラインB125−2、第1排水ラインA126−1〜第1排水ラインB126−2を具備する。
【0004】
水電解セル101は、酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインD120−4経由で、純水を正極側に供給され、電気分解により水素ガス(負極側)及び酸素ガス(正極側)を生成する。固体高分子電解質膜を用いている。負極側では、生成した水素ガスが、浸透した純水と共に水素生成ライン121経由で水素気液分離器103へ送出される。また、正極側では、生成した酸素ガスが、供給された純水の残りと共に酸素生成ラインE120−5〜酸素生成ラインF120−6経由で酸素気液分離器102へ送出される。
酸素気液分離器102は、酸素生成ラインF120−6経由で、生成した酸素ガス及び純水を受け取り、貯蔵する。また、純水供給弁113を介し、純水供給ラインA124−1〜純水供給ラインB124−2経由で純水の補給を受ける。貯蔵された酸素ガスは、酸素排気弁112を介し、酸素排気ラインA123−1〜酸素排気ラインB123−2経由で外部の設備で利用される。
水素気液分離器103は、水素生成ライン121経由で、生成した水素ガス及び純水を受け取り、貯蔵する。貯蔵された水素ガスは、水素排気弁111を介し、水素排気ラインA125−1〜水素排気ラインB125−2経由で外部の設備で利用される。また、内部に溜まった純水は、水素側排水弁110を介し、第1排水ラインA126−1〜第1排水ラインB126−2経由で外部に排出される。
気液冷却器107は、水電解セル101で生成された酸素ガス及び残余の純水の温度を低下させる熱交換器である。酸素生成ラインE120−5と酸素生成ラインF120−6との間に設置されている。
純水精製器109は、酸素気液分離器102から水電解セル101へ向かう純水に、純水再精製処理を施すことにより、配管等から溶出した内部のイオン等の不純物を除去し、純水としての純度を高める。酸素気液分離器102から水電解セル101に向かう酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインD120−4の途中に設置されている。
ヒータ115は、純水精製器109で精製された純水を、水電解セル101の運転温度まで加熱高温化する。酸素気液分離器102から水電解セル101に向かう酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインD120−4の途中に設置されている。
循環水ポンプ117は、酸素気液分離器102から水電解セル101に向かい、再び酸素気液分離器102へ戻る純水の還流を形成する。酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインD120−4の途中に設置されている。
【0005】
従来の技術においては、上述のように、酸素気液分離器102と水電解セル101とを結ぶ還流を形成する酸素生成ラインA120−1〜酸素生成ラインF120−6の途中に、純水精製器109、ヒータ115、気液冷却器107が存在した。純水精製器109は、低温の純水でないと処理が出来ないため、気液冷却器107で冷却している。
この場合、純水の温度を下げるのに、気液冷却器107により純水全量を冷却処理している。更に、酸素ガスも同時に冷却するので、気液冷却器107の容量を大きくする必要がある。また、水電解セル101へ純水を供給する際、一度冷却した純水全量を運転温度までヒータ115で加熱する必要がある。そのため、ヒータ115が必要となり、その容量も大きくする必要がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、水電解に利用する純水の還流において、必要に応じて、必要量の純水だけ簡便かつ適切に温度調整を行なうことが可能なガス発生装置を提供することである。
【0007】
また、本発明の別の目的は、水電解に利用する純水の還流において、必要に応じて、必要量の純水だけ簡便かつ適切に純水再精製処理を行なうことが可能なガス発生装置を提供することである。
【0008】
また、本発明の別の目的は、水電解に利用する純水の還流において、純水を加熱するする必要が無く、使用する電力容量を低減し、エネルギー効率を改善したガス発生装置を提供することである。
【0009】
また、本発明の別の目的は、機器の大きさを抑制し、省スペース化、低コスト化が可能であるガス発生装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0011】
従って、上記課題を解決するための本発明のガス発生装置は、気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器(2)と、供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器(2)へ戻す水電解セル(1)と、前記気液分離器(2)から前記水電解セル(1)へ前記純水を供給し、前記純水の温度及び前記純水の導電率の少なくとも一方に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器(2)へ戻す循環水管理部(40)とを具備する。
【0012】
また、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部(40)が、更に、前記純水の前記導電率に基づいて、前記純水の一部について純水再精製処理を行ない前記気液分離器(2)へ戻す。
【0013】
また、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器(2)が、内部に有する純水の温度を測定する温度センサ(4)を具備する。そして、前記循環水管理部(40)は、前記気液分離器(2)から前記水電解セル(1)へ前記純水を供給する冷却ポンプ(7)と、前記純水の一部を冷却可能な冷却器(8)と、前記純水の一部を前記冷却器(8)へ供給する流量を制御可能な冷却バルブ(6−1、6−2、6−3)とを具備する。
【0014】
また、本発明のガス発生装置は、前記冷却ポンプ(7)が、前記気液分離器(2)から前記水電解セル(1)へ向かう第1配管(20−1〜20−2)の途中に接続されている。また、前記冷却器(8)は、前記第1配管(20−1〜20−2)の前記冷却ポンプ(7)よりも前記水電解セル(1)に近い側から前記気液分離器(2)へ向かう第2配管(22−1〜22−4、27−1〜27−3、22−1〜22−4)の途中に接続されている。更に、前記冷却バルブ(6−1、6−2、6−3)は、前記第2配管(22−1〜22−4、27−1〜27−3、22−1〜22−4)の前記冷却器(8)と前記気液分離器(2)との間に接続されている。
【0015】
更に、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部(40)が、前記気液分離器(2)内の純水の温度が所定温度(例:100度以下)になるように、前記冷却処理を行なう。
【0016】
更に、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器(2)が、内部に有する純水の導電率を測定する純水センサ(5)を具備する。そして、前記循環水管理部(40)は、前記気液分離器(2)から前記水電解セル(1)へ前記純水を供給する純水ポンプ(7)と、前記純水の一部を純水再精製処理することが可能な純水精製器(9)と、前記純水の一部を前記純水精製器(9)へ供給する流量を制御可能な純水バルブ(6−1、6−3、6−4)とを具備する。
【0017】
更に、本発明のガス発生装置は、前記純水ポンプ(7)が、前記気液分離器(2)から前記水電解セル(1)へ向かう第3配管(20−1〜20−2)の途中に接続されている。また、前記純水製造器(9)は、前記第3配管(20−1〜20−2)の前記純水ポンプ(7)よりも前記水電解セル(1)に近い側から前記気液分離器(2)へ向かう第4配管(22−1〜22−4、27−1〜27−2−28−1〜28−3、22−1〜22−4)の途中に接続されている。更に、前記純水バルブ(6−1、6−3、6−4)は、前記第4配管(22−1〜22−4、27−1〜27−2−28−1〜28−3、22−1〜22−4)の前記純水精製器(9)と前記気液分離器(2)との間に接続される。
【0018】
更に、本発明のガス発生装置は、前記循環水管理部(40)が、前記気液分離器(2)内の純水の導電率が基準値以上(例:10−5S/cm以上)の場合に、前記純水再精製処理を行なう。
【0019】
更に、本発明のガス発生装置は、前記気液分離器(2)の酸素を前記気液分離器(2)から取り出す配管(23−1〜23−3)に接続され、前記酸素を冷却する酸素放熱部(14)を更に具備する。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明であるガス発生装置について、添付の図面を用いて説明する。本実施例において、ガス発生装置における水電解セルの温度調整を行なうシステムを例に示して説明するが、他の液体を用いる温度調整システムにおいても適用可能である。
【0021】
本発明であるガス発生装置の実施の形態について説明する。
本発明であるガス発生装置の実施の形態における構成について、図1を参照して説明する。
図1は、ガス発生装置の実施の形態における構成を示す図である。
ガス発生装置は、水電解セル1、温度センサ4及び純水センサ5を有する酸素気液分離器2、水素気液分離器3、流量制御弁A6−1と循環水ポンプ7と純水冷却器8と純水精製器9とを有する循環水管理部40、水素側排水弁10、水素排気弁11、酸素排気弁12、純水供給弁13、酸素冷却器14、酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインC20−3、水素生成ライン21、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4、酸素排気ラインA23−1〜酸素排気ラインC23−3、純水供給ラインA24−1〜純水供給ラインB24−2、水素排気ラインA25−1〜水素排気ラインB25−2、第1排水ラインA26−1〜第1排水ラインB26−2を具備する。
【0022】
本発明のガス発生装置では、酸素気液分離器2に貯蔵された、水電解の原料となる純水の温度を計測し、その結果に基づいて、その純水の一部を純水冷却器8へ送り冷却して、酸素気液分離器2へ戻す。その操作により、水電解セル1で製造した酸素ガスと残余の純水を冷却する図5における気液冷却器107も必要がなくなる。また、酸素気液分離器2の純水の温度は、水電解セル1の運転温度に保たれるので、図5におけるヒータ115が不要になる。更に、酸素気液分離器2に貯蔵された純水の導電率(又は抵抗率)を計測し、その結果に基づいて、その純水の一部を純水精製器9へ送り再精製して、酸素気液分離器2へ戻す。その操作により、酸素気液分離器2の純水の純度は、高く保たれる。この場合、必要な量だけ純水処理しているので、純水精製器9は、図5における純水精製器109のような大容量のものは必要無くなる。
【0023】
図1の各構成について、以下に説明する。
水電解セル1は、外部電源からの電力と純水の供給を受けて、水電解(電気化学反応)により水素ガスと酸素ガスを2:1の割合で製造する。固体高分子電解質を用い、負極側で水素ガス、正極側で酸素ガスを発生する。水素ガス及び酸素ガス発生時は、固体高分子電解質及び触媒層での抵抗損等により、発熱する。
【0024】
酸素気液分離器2は、水電解セル1において水電解に使用する純水と、水電解セル1により製造された酸素ガスとを貯蔵する。水電解部1へ供給された純水の一部は、製造された酸素ガスと共に酸素気液分離器2へ還流される。純水の温度を測定する温度センサ4と、純水の導電率又は抵抗率を測定する純水センサ5とを有する。また、図示しない圧力計を有する。
【0025】
ここで、水電解セル1と酸素気液分離器2との純水の還流に関わる配管について説明する。
酸素生成ラインA20−1は、一端部を酸素気液分離器2に、他端部を循環水ポンプ7に接続している。酸素生成ラインB20−2は、一端部を循環水ポンプ7に、他端部を水電解セル1(の正極側)に接続している。酸素生成ラインC20−3は、一端部を水電解セル1(の正極側)に、他端部を酸素気液分離器2に接続している。
酸素気液分離器2の純水は、酸素生成ラインA20−1−循環水ポンプ7−酸素生成ラインB20−2−水電解セル1(の正極側)−酸素生成ラインC20−3経由で(一部は水電解により消費)循環している。なお、水電解セル1(の正極側)−酸素生成ラインC20−3においては、水電解セル1で生成された酸素ガスも含まれる。
【0026】
温度センサ4は、気液分離器2内の純水の温度を測定する。熱電対や抵抗温度計などである。本実施例では、熱電対を用いる。そして、温度に対応した電圧を出力する。測定結果は、流量調整弁A6−1へ出力される。
純水センサ5は、酸素気液分離器2内の純水の導電率又は抵抗率を測定する。液体の導電率又は抵抗率を測定可能な装置である。本実施例では、導電率測定器を用いる。そして、導電率に対応した電圧を出力する。測定結果は、流量調整弁A6−1へ出力される。
【0027】
冷却バルブあるいは純水バルブとしての流量調整弁A6−1は、温度センサ4の出力、又は、純水センサ5の出力に基づいて、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4を通過する純水の量を調整する。弁の開度が大きくなるほど、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4を通過する純水の量が多くなる。循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4には、純水冷却器8及び純水精製器9が設置され、そこを流れる純水の温度を低下させ、また純水の純度を向上する。循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4に流れ込む純水の量は、酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインB20−2を流れる純水の量の1/100〜1/10とし、水電解セル1へ供給する純水量に影響を及ぼさないようにする。
【0028】
例えば、温度センサ4の出力電圧の上昇(=温度の上昇)に対応して、流量制御弁A6−1の弁の開度を大きくし、通過する純水量が多くなるように調整する。それにより、純水冷却器8を通過する純水量が増え、酸素気液分離器2内の純水の温度が低下する。
同様に、純水センサ5の出力電圧の上昇(=導電率の上昇)に対応して、流量制御弁A6−1の弁の開度を大きくし、通過する純水量が多くなるように調整する。それにより、純水精製器9を通過する純水量が増え、酸素気液分離器2内の純水の純度が向上する。
【0029】
冷却ポンプあるいは純水ポンプとしての循環水ポンプ7は、酸素気液分離器2中の純水を水電解セル1へ供給し、製造された酸素と残余の純水を再び酸素気液分離器2へ還流させる送液ポンプである。また、水電解セル1へ供給される純水の一部を、純水冷却器8や純水精製器9へも送り出す。
【0030】
純水冷却器8は、内部を流れる純水の温度を低下させる熱交換器である。低温の媒体により、純水中の熱を奪い、純水の温度を低下させる。奪った熱は外部の他の設備で利用可能である。
純水精製器9は、内部を流れる純水の純度を向上させる。フィルターやイオン交換樹脂等により、純水中の不純物を取り除き、純水を高純度の純水に精製する。なお、純水精製器9は、低い温度(50℃以下)の純水を処理することが望ましいため、純水冷却器8の後に設置されることが望ましい。
【0031】
ここで、純水の温度調整及び導電率調整を行なう配管について説明する。
酸素生成ラインB20−2の途中までは、純水の還流と同様である。循環水ラインA22−1は、一端部を酸素生成ラインB20−2の途中に、他端部を純水冷却器8に接続している。循環水ラインB22−2は、一端部を純水冷却器8に、他端部を純水精製器9に接続している。循環水ラインC22−3は、一端部を純水精製器9に、他端部を流量制御弁A6−1に接続している。循環水ラインD22−4は、一端部を流量制御弁A6−1に、他端部を酸素気液分離器2に接続している。
温度調整及び導電率調整を行なう純水(酸素気液分離器2内)は、酸素生成ラインB20−2の途中−循環水ラインA22−1−純水冷却器8−循環水ラインB22−2−純水精製器9−循環水ラインC22−3−流量制御弁A6−1−循環水ラインD22−4経由で循環している。
【0032】
水素気液分離器3は、水電解セル1により製造された水素ガスを貯蔵する。その際、一部の原料の純水が固体高分子電解質を負極側へ浸透し、水素ガスと共に貯蔵される。図示しない圧力計を有する。水電解で発生するガスの体積比が、水素ガス:酸素ガス=2:1であることから、水素貯蔵タンク2の容積:酸素貯蔵タンク3の容積は、概ね2:1にする。より正確を期すためには、水素貯蔵タンク2の容積:酸素貯蔵タンク3の容積=(2+β):(1+α)とする。+αは、原料の純水の分である。+βは、負極側に浸透した純水の分である。実験的やシミュレーションなどで決定する。
【0033】
ここで、水電解セル1で生成した水素ガスを貯蔵する配管について説明する。
水素生成ライン21は、一端部を水電解セル1(の負極側)に、他端部を水素気液分離器3に接続している。
製造された水素ガス及び負極側に浸透した純水は、水素生成ライン21経由で、水素気液分離器3へ供給される。
【0034】
水素側排水弁10は、水素気液分離器3内の純水を外部に排水する配管(第1排水ラインA26−1〜第1排水ラインB26−2)に接続され、純水の排水を制御する。
水素排気弁11は、水素気液分離器3内の水素ガスを外部に供給する配管(水素排気ラインA25−1〜水素排気ラインB25−2)に接続され、水素ガスの供給を制御する。
【0035】
ここで、水素気液分離器3内の純水を排出する配管について説明する。
第1排水ラインA26−1は、一端部を水素気液分離器3に、他端部を水素側排水弁10に接続している。第1排水ラインB26−2は、一端部を水素側排水弁10に、他端部を外部の純水利用設備(図示せず)などへ接続している。
水素気液分離器3内の過剰の水は、第1排水ラインA26−1−水素側排水弁10−第1排水ラインB26−2−経由で、外部の純水利用設備(図示せず)などに排出される。
【0036】
水素ガスを水素気液分離器3から外部へ供給する配管について説明する。
水素排気ラインA25−1は、一端部を水素気液分離器3に、他端部を水素排気弁11に接続している。水素排気ラインB25−2は、一端部を水素排気弁11に、他端部を外部の水素使用設備など(図示せず)に接続している。
水素気液分離器3内の水素ガスは、水素排気ラインA25−1−水素排気弁11−水素排気ラインB25−2経由で、外部の水素使用設備など(図示せず)に供給される。
【0037】
酸素排気弁12は、酸素気液分離器2内の酸素ガスを外部に供給する配管(酸素排気ラインA23−1〜酸素排気ラインC23−3)に接続され、酸素ガスの供給を制御する。
酸素冷却器14は、酸素気液分離器2内の酸素ガスを外部に供給する配管(酸素排気ラインA23−1〜酸素排気ラインC23−3)に接続され、酸素ガスを冷却する熱交換器である。低温の媒体により、酸素ガス中の熱を奪い、酸素ガスの温度を低下させる。奪った熱は外部の他の設備で利用可能である。送出される酸素ガスのみの冷却なので、冷却器の容量を小さく出来る。
純水供給弁13は、酸素気液分離器2へ外部の純水供給部(図示せず)から純水を補給する配管(純水供給ラインA24−1〜純水供給ラインB24−2)に接続され、純水の供給を制御する。
【0038】
ここで、酸素気液分離器2へ純水を供給する配管について説明する。
純水供給ラインA24−1は、一端部を純水の供給部(図示せず)に、他端部を純水供給弁13に接続している。給水ラインB24−2は、一端部を純水供給弁13に、他端部を酸素気液分離器2に接続している。
純水は、純水供給ラインA24−1−純水供給弁13−純水供給ラインB24−2経由で、酸素気液分離器2に貯蔵される。
【0039】
酸素ガスを酸素気液分離器2から外部へ供給する配管について説明する。
酸素排気ラインA23−1は、一端部を酸素気液分離器2に、他端部を酸素排気弁12に接続している。酸素排気ラインB23−2は、一端部を酸素排気弁12に、他端部を酸素冷却器14に接続している。酸素排気ラインC23−3は、一端部を酸素冷却器14に、他端部を外部の酸素使用設備など(図示せず)に接続している。
酸素気液分離器2の酸素ガスは、酸素排気ラインA23−1−酸素排気弁12−酸素排気ラインB23−2−酸素冷却器14−酸素排気ラインC23−3経由で、外部の酸素使用設備などに供給される。
【0040】
次に、本発明のガス発生装置の実施の形態における動作について、図面を参照して説明する。
【0041】
酸素気液分離器2は、水電解セル1へ供給する原料となる純水を貯蔵する貯蔵タンクでもある。純水は、外部の純水の供給部(図示せず)から、純水供給ラインA24−1−純水供給弁13−純水供給ラインB24−2経由で、酸素気液分離器2に供給され、貯蔵される。
その際、酸素気液分離器2の純水用の液面計(図示せず)により測定された純水の水位が、予め設定された下限値以下の場合に、液面計からの出力信号により純水供給弁13が開く。そして、純水は、純水供給ラインA24−1−純水供給弁13−純水供給ラインB24−2経由で、酸素気液分離器2へ供給される。純水の水位が予め設定された上限値に達したら、液面からの出力信号により純水供給弁13が閉じ、給水が完了する。水電解中も、純水の水位に応じて上記制御を行なう。
【0042】
酸素気液分離器2の純水は、循環水ポンプ7により、酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインB20−2経由で水電解セル1(の正極側)へ供給される。水電解セル1は、電源(図示せず)から電力を投入され、供給された純水を用いて水電解を行なう。
水電解により、正極側では酸素ガスが生成される。生成された酸素ガスは、水電解されなかった純水と共に酸素生成ラインC20−3経由で酸素気液分離器2へ送出され、そこで貯蔵される。一方、負極側では、水素ガスが生成される。生成された水素ガスは、水電解中に電解質膜を浸透してきた純水と共に水素生成ライン21経由で水素気液分離器3へ送出され、そこで貯蔵される。
【0043】
水電解が進むと、水電解セル1は、抵抗損などにより発熱する。そのため、水電解後に酸素生成ラインC20−3を経由して酸素気液分離器2へ戻る純水及び酸素ガスは、温度が高くなっている。そのまま、純水の冷却を行なわず、水電解セル1へ純水を循環させると、酸素気液分離器2内の純水の温度は、継続的に上昇する。そして、その上昇した純水を使用する水電解セル1は、熱のため劣化や損傷が起きることになる。
【0044】
それに対処するために、本発明のガス発生装置では、以下のような冷却処理を行なう。
酸素気液分離器2に設置された温度センサ4は、酸素気液分離器2内の純水の温度を常時測定している。そして、その測定結果を示す出力信号(例えば、温度と共に上昇する電圧信号)を流量制御弁A6−1へ出力している。流量制御弁A6−1は、温度センサ4の出力信号に基づいて、弁の開度を変化させる。例えば、温度が高い場合(例えば、出力信号が電圧のとき、電圧が大きい場合)、その温度に合わせて弁の開度を大きくする。
【0045】
流量制御弁A6−1の弁が開くと、酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインB20−2を流れる純水の一部が、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4へ流れ込むことが出来るようになる。循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4へ流れ込んだ純水は、純水冷却器8により温度を低減される。そして、低温化した純水が、酸素気液分離器2へ還流するので、酸素気液分離器2内の純水の温度を低減することが可能となる。また、あまり低くならないようにも制御する。水電解セル1での水電解の効率が低下するからである。
【0046】
すなわち、酸素気液分離器2内の純水の温度に応じて、流量制御弁A6−1の開度が制御される。温度が非常に高い場合には、弁の開度が大きくなり、冷却され酸素気液分離器2へ還流する純水量が多くなる。温度が少しだけ高い場合には、弁の開度が小さくなり、冷却され酸素気液分離器2へ還流する純水量が少なくなる。温度が十分低い場合には、弁は閉じ、冷却され還流する純水は無くなる。それにより、酸素気液分離器2内の純水を一定温度以下に保つことが出来る。一定の温度としては、100℃以下である。より好ましくは、90℃以下である。下限は、60℃である。より好ましくは70℃である。水電解セル1の温度が高いほうが、効率が上がるが、高すぎると電解質膜に損傷を与えることになるためである。
【0047】
一方、水電解が進むと、純水の温度が上昇することや、上記のように一部の純水は酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインC20−3内を循環することなどにより、配管や水電解セル1から純水へのイオンの溶出や不純物の混入が起こる。酸素気液分離器2内の純水の不純物濃度は、高くなってくる。そのまま、純水の再精製を行なわず、水電解セル1へ純水を供給すると、不純物の影響により水電解効率の低下や、水電解セル1の劣化や損傷が起きることになる。
【0048】
それに対処するために、本発明のガス発生装置では、以下のような純水処理を行なう。
不純物濃度の上昇は、導電率の上昇で把握できる。酸素気液分離器2に設置された純水センサ4は、酸素気液分離器2内の純水の導電率を常時測定している。そして、その測定結果を示す出力信号(例えば、導電率と共に上昇する電圧信号)を流量制御弁A6−1へ出力している。流量制御弁A6−1は、純水センサ4の出力信号に基づいて、弁の開度を変化させる。例えば、導電率が高い場合(例えば、出力信号が電圧のとき、電圧が大きい場合)、その導電率に合わせて弁の開度を大きくする。
【0049】
流量制御弁A6−1の弁が開くと、酸素生成ラインA20−1〜酸素生成ラインB20−2を流れる純水の一部が、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4へ流れ込むことが出来るようになる。循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4へ流れ込んだ純水は、純水精製器9により不純物を取り除かれ導電率を低減される。そして、再精製された純水が、酸素気液分離器2へ還流するので、酸素気液分離器2内の純水の不純物濃度(導電率)を低減することが可能となる。
【0050】
すなわち、酸素気液分離器2内の純水の導電率に応じて、流量制御弁A6−1の開度が制御される。導電率が非常に高い場合には、弁の開度が大きくなり、再精製され酸素気液分離器2へ還流する純水量が多くなる。導電率が少しだけ高い場合には、弁の開度が小さくなり、再精製され酸素気液分離器2へ還流する純水量が少なくなる。温度が十分低い場合には、弁は閉じ、再精製され還流する純水は無くなる。それにより、酸素気液分離器2内の純水を一定の不純物濃度(導電率)以下に保つことが出来る。一定の導電率としては、基準値である。基準値としては10−12S/cmである。より好ましくは、10−15S/cmである。高いと水電解セル壱の効率低下や電解質膜の損傷を招くことになる。
【0051】
なお、純水センサ5は、抵抗率を測定する場合には、抵抗率=1/導電率であるから、抵抗率の低下に伴い、流量制御弁A6−1の弁の開度を大きくすることになる。そして、抵抗率を一定の値以上に保つ(=不純物濃度を一定の値以下に保つ)ように制御する。一定の抵抗率としては、1012Ωcmである。より好ましくは、1015Ωcmである。低いと水電解セル1の効率低下や電解質膜の損傷を招くことになる。
【0052】
循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4では、純水冷却器8と純水精製器9とが直列に並んでいるので、一方を通せば、他方も通るようになっている。流量制御弁A6−1は、温度センサ4の出力により決まる弁の開度と、純水センサ5の出力により決まる弁の開度とを比較し、弁の開度の大きい方を優先し、弁の開度を決定する。それにより、酸素気液分離器2内の純水の温度及び導電率(不純物濃度)を一定の値以下に抑えることが可能となる。
【0053】
また、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4へ流れ込む純水の量は、1/100〜1/10の間で制御する。それにより、水電解セル1へ供給する純水の量が著しく減少するというような水電解への影響を抑えることが出来る。また、流量が小さいため、純水冷却器8及び純水精製器9の容量を小さく抑えることが可能となる。
【0054】
酸素気液分離器2内の酸素ガスは、酸素排気ラインA23−1〜酸素排気ラインC23−3経由で、酸素利用設備(図示せず)などへ送出される。その際、酸素冷却器14により、酸素ガスの温度が低減される。この場合、純水が無く酸素ガスだけの冷却なので、容量が小さくて済む。
【0055】
水素気液分離器3内の水素ガスは、水素排気ラインA25−1〜水素排気ラインB25−2経由で、水素利用設備(図示せず)などへ送出される。必要に応じて、冷却器を通して温度を低減しても良い。
また、水素気液分離器3内の純水は、第1排水ラインA26−1〜第1排水ラインB26−2経由で純水利用設備(図示せず)などへ送出される。
【0056】
本実施例では、循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4に純水冷却器8と純水精製器9が接続され、同時に処理を行なっている。そのため、純水温度維持と純水純度維維持とを同時に行なうことが出来、かつ配管が一ラインのため省スペースである。
しかし、配管や水電解セル1からのイオンや不純物の溶出がほとんどない場合には、純水精製器9を省略することも可能である。その場合の構成を示したのが図2である。図2では、各部の構成及び動作は、既述の通りである。ただし、純水センサ5及び純水精製器9が省略されており、温度センサ4の出力信号のみで、流量制御弁B6−2を制御している。この場合、導電率の増加は非常にゆっくりなので、純水供給ラインA24−1−純水供給弁13−純水供給ラインB24−2経由で補給される純水により、既存の純水が薄められるだけで、十分に導電率を低く維持可能である。
【0057】
また、図1に示す構成において、純水冷却器8の後にバイパス弁30及びバイパスライン29を設け、導電率を下げる必要の無い場合に、純水精製器9をバイパスさせることも可能である。それを示したのが図3である。例えば、図3では、各部の構成及び動作は、既述の通りである。ただし、循環水ラインA22−2の途中で、三方弁であるバイパス弁30を接続している。バイパス弁30の二方は、どちらも循環水ラインA22−2である。残りの一方は、新設のバイパスライン29の一端部に接続する。バイパスライン29の他端部は、循環水ラインC22−3の途中に接続している。そして、制御部16でその制御を行なう。
【0058】
すなわち、制御部16は、通常バイパス弁30を、純水冷却器8−バイパス弁30−純水精製器9 とつなげ、バイパスライン29へ純水が行かないように、3つの弁を制御している。そして、温度センサ4の出力により決まる流量制御弁C6−1の弁の開度と、純水センサ5の出力により決まる流量制御弁C6−1の弁の開度とを比較し、弁の開度の大きい方を優先し、弁の開度を決定する。しかし、純水の導電率が十分に低く、純水精製器9を通す必要が無い場合、バイパス弁30を操作して、純水冷却器8−バイパス弁30−(バイパスライン29)−流量制御弁C6−3 とつなげ、純水が純水精製器9をバイパスするように、3つの弁を制御する。そして、その場合には、制御部16は、純水精製器9の電源を切る。
これにより、純水冷却と純水精製とを別々に独立に制御することが可能となる。そして、純水精製器9を通す純水量を減らし、純水精製器9のフィルタやイオン交換樹脂などの消耗品の寿命を延ばし、また、消費電力も抑えることが可能となる。
【0059】
また、純水冷却及び純水精製を行なうラインと、純水冷却を行なうラインとを分けることも可能である。図4を参照して、説明する。
図1の場合と比較すると、図1の循環水ラインA22−1〜循環水ラインD22−4が無くなり、その代わりとして、循環水ラインA27−1〜循環水ラインC27−3、及び循環水ラインA28−1〜循環水ラインC28−3が加わっている。
【0060】
純水冷却器8による、純水冷却を行なうラインは、酸素生成ラインB20−2の途中−循環水ラインA27−1−純水冷却器8−循環水ラインB27−2−流量制御弁B6−2−循環水ラインC27−3−酸素気液分離器2 となる。温度センサ4の出力信号に基づいて、流量制御弁B6−2の弁の開度を制御する。
【0061】
一方、純水精製器9による、純水精製を行なうラインは、酸素生成ラインB20−2の途中−循環水ラインA27−1−純水冷却器8−循環水ラインB27−2の途中−循環水ラインA28−1−純水精製器9−循環水ラインB28−2−流量制御弁D6−4−循環水ラインC28−3−酸素気液分離器2 となる。純水センサ5の出力信号に基づいて、流量制御弁D6−4の弁の開度を制御する。その時、流量制御弁D6−4が少しでも開いている場合には、純水精製器9は電源ONの状態であり、流量制御弁D6−4が閉じている場合には、純水精製器9は電源OFF(又は待ち受け)の状態である。
【0062】
これにより、純水冷却と純水精製とを別々に独立に制御することが可能となる。そして、純水精製器9を通す純水量を減らし、純水精製器9のフィルタやイオン交換樹脂などの消耗品の寿命を延ばし、また、消費電力も抑えることが可能となる。
【0063】
本発明において、上記水電解セル1での排熱を、酸素冷却器14及び純水冷却器8において、熱交換により取り出すことにより、排熱を利用する設備とコンバインしたコジェネレーションシステムを組むことが可能となる。排熱を利用する設備として、ヒートポンプ、吸収式冷凍機、ボイラ、暖房用熱交換器などがある。
【0064】
【発明の効果】
本発明により、ガス発生装置で使用する純水の温度及び純度(導電率)を省スペース、高効率で維持管理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス発生装置の実施の形態における構成を示す図である。
【図2】本発明のガス発生装置の実施の形態における他の構成を示す図である。
【図3】本発明のガス発生装置の実施の形態における更に他の構成を示す図である。
【図4】本発明のガス発生装置の実施の形態における別の構成を示す図である。
【図5】従来技術におけるガス発生装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 水電解セル
2 酸素気液分離器
3 水素気液分離器
4 温度センサ
5 純水センサ
6−1 流量制御弁A
6−2 流量制御弁B
6−3 流量制御弁C
6−4 流量制御弁D
7 循環水ポンプ
8 純水冷却器
9 純水精製器
10 水素側排水弁
11 水素排気弁
12 酸素排気弁
13 純水供給弁
14 酸素冷却器
16 制御部
20−1 酸素生成ラインA
20−2 酸素生成ラインB
20−3 酸素生成ラインC
21 水素生成ライン
22−1 循環水ラインA
22−2 循環水ラインB
22−3 循環水ラインC
22−4 循環水ラインD
23−1 酸素排気ラインA
23−2 酸素排気ラインB
23−3 酸素排気ラインC
24−1 純水供給ラインA
24−2 純水供給ラインB
25−1 水素排気ラインA
25−2 水素排気ラインB
26−1 第1排水ラインA
26−2 第1排水ラインB
27−1 循環水ラインA
27−2 循環水ラインB
27−3 循環水ラインC
28−1 循環水ラインA
28−2 循環水ラインB
22−3 循環水ラインC
29 バイパス弁
30 バイパスライン
40 循環管理部
Claims (10)
- 気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器と、
供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器へ戻す水電解セルと、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給し、前記純水の温度に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器へ戻す循環水管理部と、
を具備する、
ガス発生装置。 - 気液混合体を受け、気体を分離する気液分離器と、
供給される純水から酸素と水素を発生し、前記酸素と残余の前記純水とを前記気液混合体として前記気液分離器へ戻す水電解セルと、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給し、温度に応じて変化する前記純水の導電率に基づいて、前記純水の一部について冷却処理を行ない前記気液分離器へ戻す循環水管理部と、
を具備する、
ガス発生装置。 - 前記循環水管理部は、更に、前記純水の前記導電率に基づいて、前記純水の一部について純水再精製処理を行ない前記気液分離器へ戻す、
請求項1又は2に記載のガス発生装置。 - 前記気液分離器は、
内部に有する純水の温度を測定する温度センサ、
を具備し、
前記循環水管理部は、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給する冷却ポンプと、
前記純水の一部を冷却可能な冷却器と、
前記純水の一部を前記冷却器へ供給する流量を制御可能な冷却バルブと、
を具備する、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のガス発生装置。 - 前記冷却ポンプは、前記気液分離器から前記水電解セルへ向かう第1配管の途中に接続され、
前記冷却器は、前記第1配管の前記冷却ポンプよりも前記水電解セルに近い側から前記気液分離器へ向かう第2配管の途中に接続され、
前記冷却バルブは、前記第2配管の前記冷却器と前記気液分離器との間に接続される、
請求項4に記載のガス発生装置。 - 前記循環水管理部は、前記気液分離器内の純水の温度が所定温度以下になるように、前記冷却処理を行なう、
請求項4又は5に記載のガス発生装置。 - 前記気液分離器は、
内部に有する純水の導電率を測定する純水センサ、
を具備し、
前記循環水管理部は、
前記気液分離器から前記水電解セルへ前記純水を供給する純水ポンプと、
前記純水の一部を純水再精製処理することが可能な純水精製器と、
前記純水の一部を前記純水精製器へ供給する流量を制御可能な純水バルブと、
を具備する、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のガス発生装置。 - 前記純水ポンプは、前記気液分離器から前記水電解セルへ向かう第3配管の途中に接続され、
前記純水製造器は、前記第3配管の前記純水ポンプよりも前記水電解セルに近い側から前記気液分離器へ向かう第4配管の途中に接続され、
前記純水バルブは、前記第4配管の前記純水精製器と前記気液分離器との間に接続される、
請求項7に記載のガス発生装置。 - 前記循環水管理部は、前記気液分離器内の純水の導電率が基準値以上の場合に、前記純水再精製処理を行なう、
請求項7又は8に記載のガス発生装置。 - 前記気液分離器の酸素を前記気液分離器から取り出す配管に接続され、前記酸素を冷却する酸素放熱部を更に具備する、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載のガス発生装置。
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