JP4146106B2 - 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、水電解装置に関し、特に、イオン交換樹脂槽が設けられて腐食が防止されている水電解装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池に利用される酸素と水素とを水から生成する水電解装置が利用されている。その水電解装置には、水を電気分解して酸素と水素とを生成する水電解セルが設けられている。水素酸素は、水とともに出力されその水は水電解セルに供給され再度電気分解される。この水は、ステンレス鋼製の配管を移動し、その配管に含まれている金属イオンが溶存している。この金属イオンは、配管と水電解セルに備えられている電極とを腐食させ、水電解セルの寿命を短くする。
【0003】
図2に示されている公知の固体高分子水電解装置100は、水電解セル102と冷却器103と気液分離器104とポンプ105とイオン交換樹脂槽106と加熱器107とを備えている。水電解セル102は、供給される水111に電圧を印加して、酸素が混合した酸素水112と水素が混合した水素水113とを生成する。冷却器103は、酸素水112をイオン交換樹脂の耐熱温度以下、たとえば60℃以下に冷却して、気液分離器104に供給する。気液分離器104は、酸素水を気体酸素と液体の水115に分離し、気体酸素は外部の装置に供給し、水115は、ポンプ105に供給する。
【0004】
ポンプ105は、水115を加圧してイオン交換樹脂槽106に供給する。この水115は、配管に使用されているステンレス鋼に含まれる金属の金属イオンを含んでいる。この金属イオンとしては、鉄イオン、クロムイオン、ニッケルイオンが例示される。イオン交換樹脂槽106は、水116から溶存している金属イオンを除去する。イオン交換樹脂槽106により金属イオンが除去された水117は、加熱器107に供給される。加熱器107は、水117を加熱して水111を生成する。加熱された水111は、水電解セル102に供給される。
【0005】
このような水電解装置100は、金属イオンが溶存している水による金属部品の腐食を防止して水電解装置100を延命化することができる。水電解装置は、構成が簡単であることが望まれ、消費エネルギーが小さいことが望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、構成が簡単である水電解装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、消費エネルギーが小さい水電解装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧()付きで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも1つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈することを意味しない。
【0008】
本発明による水電解装置(1)は、第1水溶液(11)を電気分解して第1流体(12)を生成する水電解セル(2)と、第2水溶液(17)と第1流体(12)との間で熱の授受を行い、第1流体(12)が冷却された第2流体(14)を生成し、かつ、第2水溶液(17)が加熱された第1水溶液(11)を生成する熱交換器(3)とを具備している。水電解セル(2)は、第1水溶液(11)が高温であるとき、効率よく電気分解を実行する。水電解セル(2)は、さらに、電気分解に伴って熱を発生し、その熱は、第1流体(12)に伝達されて外部に放出される。熱交換器(3)は、第1流体(12)の熱を第2水溶液(17)に与えて加熱して第1水溶液(11)を生成し、第1流体(12)を冷却している。このような水電解装置(1)は、第1流体(12)の冷却と第2水溶液(17)の加熱を別個に実行するより消費エネルギーが小さく、構成が簡単であり好ましい。
【0009】
水電解装置(1)は、第3水溶液(15,16)からイオンを除去して第2水溶液(17)を生成するイオン交換樹脂槽(6)を更に具備している。イオン交換樹脂槽(6)は、第3水溶液(16)が高温であるとき、破壊され機能しなくなる。第3水溶液(15,16)は、熱交換器(3)に冷却された第2流体に由来している。
【0010】
そのイオンは、鉄イオン、クロムイオン、ニッケルイオンまたはチタンイオンである。このイオンは、配管などに用いられているステンレス鋼から水に溶出し、水電解セル(2)および水電解装置(1)の構成部品を腐食させる。イオン交換樹脂槽(6)は、そのイオンを除去することにより、水電解セル(2)および水電解装置(1)を防食する。
【0011】
水電解装置(1)は、第2流体(14)から混合している気体を除去して第3水溶液(15,16)を生成する気液分離器(4)を更に具備している。第1流体(12)が熱交換された後で気液分離することは、熱の授受のエネルギーロスが小さい点で好ましい。その気体は、酸素である。または、その気体は、水素であってもよい。すなわち、水電解セル(2)は、水を電気分解して酸素と水素を生成している。
【0012】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明による水電解装置の実施の形態を説明する。その水電解装置1は、図1に示されているように、水電解セル2、熱交換器3、気液分離器4、ポンプ5およびイオン交換樹脂槽6を備えている。水電解セル2は、熱交換器3にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。熱交換器3は、気液分離器4にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。気液分離器4は、ポンプ5にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。ポンプ5は、イオン交換樹脂槽6にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。イオン交換樹脂槽6は、熱交換器3にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。熱交換器3は、さらに水電解セル2にステンレス鋼製の配管を介して接続されている。
【0013】
水電解セル2は、熱交換器3から供給される水11に電圧を印加して、水11を電気分解し、酸素水12と水素水13とを生成する。水電解セル2は、アノード、カソード、及び、アノードとカソードとを隔離する固体高分子膜を有している。水分解セル2は、アノードで次のアノード反応:
2H2O→O2+4H++4e−
を進行させて酸素水12を生成し、カソードで次のカソード反応:
2H++2e−→H2
を進行させて水素水13を生成する。酸素水12は、酸素と水との混合物であり、酸素水溶液、酸素と水との気体混合物、または、分散媒が液体の水もしくは気体酸素であるコロイドである。水素水13は、水素と水との混合物であり、水素水溶液、水素と水との気体混合物、または、分散媒が液体の水もしくは気体水素であるコロイドである。酸素水12と水素水13とは、電気分解に伴う発熱により、加熱されている。この発熱は、反応熱およびジュール熱に由来する。水電解セル2は、酸素水12を熱交換器3に供給し、水素水13を図示されていない外部の装置に供給する。
【0014】
熱交換器3は、水電解セル2から供給された酸素水12をイオン交換樹脂の耐熱温度以下、たとえば60℃以下の温度に冷却して酸素水14を生成し、気液分離器4に酸素水14を供給する。
【0015】
熱交換器3は、2つの流体間で熱の授受を実行させる装置である。この熱交換器3としては、プレートフィン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器が例示される。プレートフィン熱交換器は、多数の平板を重ねて周囲に細いパッキンを置いた薄い空隙室を複数備え、それぞれに高温流体と低温流体とを流して熱交換を実行する。シェルアンドチューブ熱交換器は、外套中に多数の管の束を収めたものであり、たとえば、管内に高温流体を流し、外套内に低温流体を流す。シェルアンドチューブ熱交換器は、さらに、伝熱係数を大きくする目的で、適宜の間隔で邪魔板を設けている。熱交換器3のさらに他の方式としては、2重管式、蛇管(コイル)式、または、熱流体が充填物に与えた熱を冷流体が持ち去るようにした蓄熱室式が例示される。
【0016】
気液分離器4は、酸素水14を気体酸素と水15とに分離して、水15をポンプ5に供給する。酸素水12を熱交換した後で気液分離することは、気液分離した後で熱交換するより熱の授受のエネルギーロスが小さい。
【0017】
ポンプ5は、水15を加圧して、イオン交換樹脂槽6に供給する。イオン交換樹脂槽6は、ポンプ5から供給された水16から金属イオンを除去した水17を熱交換器3に供給する。この金属イオンは、水電解装置1を構成する配管、水電解セル2に用いられている金属部品から溶出したものであり、その金属部品をさらに腐食させる。イオン交換樹脂槽6は、水16から金属イオンを除去することにより、その金属部品を防食する。
【0018】
熱交換器3は、酸素水12の熱を水17に与えて加熱して水11を生成する。熱交換器3は、さらに、この水11の生成に伴って酸素水12をイオン交換樹脂の耐熱温度以下、たとえば60℃以下の温度に冷却する。生成された水11は、水分解セル2に供給される。
【0019】
【発明の効果】
本発明による水電解装置は、冷却器と加熱器とを別途設けることより、構成が簡単であり、消費エネルギーが小さい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による水電解装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】図2は、公知の水電解装置の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
1…水電解装置
2…水電解セル
3…熱交換器
4…気液分離器
5…ポンプ
6…イオン交換樹脂槽
11,15,16,17…水
12,14…酸素水
13…水素水
Claims (6)
- 第1水溶液を電気分解して第1流体を生成する水電解セルと、
第2水溶液と前記第1流体との間で熱の授受を行い、前記第1流体を冷却して第2流体を生成し、かつ、前記第2水溶液を加熱して前記第1水溶液を生成する熱交換器
とを具備する水電解装置。 - 請求項1において、
第3水溶液からイオンを除去して前記第2水溶液を生成するイオン交換樹脂槽を更に具備する
水電解装置。 - 請求項2において、
前記イオンは、鉄イオン、クロムイオン、ニッケルイオンまたはチタンイオンである
水電解装置。 - 請求項2において、
前記第2流体から混合し及び溶存している気体を除去して前記第3水溶液を生成する気液分離器を更に具備する
水分解装置。 - 請求項4において、
前記気体は、酸素である
水電解装置。 - 請求項4において、
前記気体は、水素である
水電解装置。
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- 2001-06-05 JP JP2001170215A patent/JP4146106B2/ja not_active Expired - Lifetime
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