JP4269109B2 - 高圧槽及び高圧槽を遮断する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の高圧槽及び請求項９の上位概念に記載の高圧槽を遮断する方法に関する。

水を水素と酸素に電気分解するため、高圧槽が公知である。この高圧槽は、圧力容器及びスタックの形態で統合された多数の電解セルを有し、圧力容器内に配置された電解セルブロックを備える。電解セルはそれぞれ、陽極及び陰極を有する。電解液を陽極及び陰極に供給するための電解液循環系が設けられている。酸素分離装置が、高圧槽の運転時に発生する気体の酸素を分離するために使用される。水素分離装置が、高圧槽の運転時に発生する気体の水素を分離するために使用される。高圧槽の遮断時にこの高圧槽を不活性化するため、不活性ガス、特に窒素が準備されている。

既存の種類の高圧槽が、例えばドイツ連邦共和国特許発明第 25 48 699号明細書から公知である。

この種類の高圧槽の場合、迅速で確実で包括的な不活性化に対する、すなわち圧力容器と水素分離装置とからの水素の除去に対する能力において、安全が非常に要求される。その結果、水素の残留量が、爆発限度の４vol.％より明らかに下にある。

従来では、より多くの不活性ガス、特に窒素が、不活性化のために導入される。水素が、遮断時に例えば緊急の遮断時に不活性ガスによって水素分離装置から排除される。これによって、高圧槽内の圧力が保持されるか又は大気圧への減圧が不活性ガスによる排除の途中で実施される。各場合では、ガスの混合のに起因して、水素分離装置の何倍もの不活性ガスの形態のガス容量を導入する必要がある。

見えない空洞内の水素又は酸素を排気することによって電解槽を急激に減圧する場合、一般に破損がセルのパッキング及び構成要素内に発生し、無圧の設備の再起動が大きな経費につながるので、電解槽の減圧は、実際に不可避である３種類の事故：電解液の漏れ，生成ガスの漏れ及び生成ガスの危険な汚染に限定しなければならない。そうでない場合は、圧力は遮断時に常に保持しなければならない。
ドイツ連邦共和国特許発明第 25 48 699号明細書

本発明の課題は、電解槽の確実な不活性化が可能な限り僅かな量の不活性ガスで可能である、高圧槽及び高圧槽を遮断する方法を提供することにある。特に、必須ではないものの、電解槽の遮断が、減圧なしでも可能にすべきである。

この課題は、装置では請求項１の特徴に記載の高圧槽によって解決される。

この課題は、方法では請求項９の特徴に記載の方法によって解決される。

本発明の好適な構成は、従属請求項中に記載されている。

圧力容器と多数の電気分解セルを有しこの圧力容器内に配置された電気分解セルブロックとを備えた圧力槽が、本発明によって提供される。これらの電気分解セルはそれぞれ、陽極及び陰極を有する。電解液を陽極と陰極に供給する電気分解循環系が設けられている。高圧槽の運転時に発生する気体の酸素を分離するため、酸素分離装置が設けられている。高圧槽の運転時に発生する気体の水素を分離するため、水素分離装置が設けられている。不活性ガス、特に窒素の貯蔵が、高圧槽の遮断時のこの高圧槽の不活性化に使用される。本発明によれば、貯蔵されている不活性ガスが、酸素分離装置に供給可能である。電気分解循環系は、導管連結部を有する。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、電解液の一部が、気体の水素を水素分離装置から排除する目的でこの導管連結部を通じて移動可能である。

本発明の高圧槽の実施形によれば、酸素分離装置及び／又は水素分離装置が、圧力容器の外側に設けられている。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、電解液の一部が、水素を水素分離装置から排除するために圧力容器から及び／又は酸素分離装置から水素分離装置内に移動可能である。

本発明の別の好適な実施形によれば、酸素分離装置及び／又は水素分離装置が、圧力容器内部の容積の一部によって構成されている。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、特に圧力容器内部の電解液の一部が、水素を排除するために水素分離装置を構成する圧力容器の容積の一部内に移動可能である。

本発明の一実施形によれば、管連結部が、圧力容器の外側に設けられている。電解液の一部が、この連結部を通じて水素を水素分離装置から排除する目的で移動可能である。

この場合、この管連結部は、電解液の水面下に延在して酸素分離装置を水素分離装置に連結する懸垂管によって形成され得る。

本発明の高圧槽の別の実施形によれば、管連結部が、圧力容器内部に設けられている。電解液の一部が、水素を水素分離装置から排除する目的で移動可能である。本発明の高圧槽の好適な実施形によれば、電気分解セルブロックのハウジングが、圧力容器と共に互いに隔離された少なくとも２つの室を形成する。これらの室は、電気分解循環系の構成要素であって電気分解セル側のハウジングと周囲側の圧力容器とによって仕切られている。この場合、互いに分離された一方の室が、陽極液循環室の構成要素であって酸素分離装置に連結されている。互いに分離された他方の室が、陰極液循環室の構成要素であって水素分離装置に連結されている。

この場合、互いに分離された室は、隔壁によって互いに分離され得る。これらの隔壁は、電気分解セルブロックのハウジングと圧力容器との間に延在する。管連結部が、電解液の液面の下にある隔壁の領域内の通過部分によって形成され得る。電解液の一部が、水素を水素分離装置から排除する目的で管連結部から移動可能である。

さらに、高圧槽を遮断する方法が、本発明によって提供される。この場合、高圧槽が、圧力容器を備えかつ多数の電気分解セルを有し圧力容器内に配置された電気分解セルブロックを備える。電気分解セルはそれぞれ、陽極及び陰極を有する。電解液を陽極及び陰極に供給する電気分解循環系が設けられている。酸素分離装置は、高圧槽の運転時に発生する気体の酸素を分離するために使用される。水素分離装置は、高圧槽の運転時に発生する気体の水素を分離するために使用される。不活性ガス、特に窒素が、不活性化のために高圧槽の遮断時に高圧槽に供給される。本発明によれば、不活性ガスは、酸素分離装置に供給される。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、電解液の一部が、電気分解循環系内に設けられている管連結部を通じて気体の水素を水素分離装置から排除する目的で移動する。

本発明の方法の好適な実施形によれば、酸素分離装置及び／又は水素分離装置が、圧力容器内部に設けられている。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、電解液の一部が、水素を水素分離装置から排除するために圧力容器から及び／又は酸素分離装置から水素分離装置内に移動する。

本発明の方法の別の好適な実施形によれば、酸素分離装置及び／又は水素分離装置は、圧力容器内部の容積の一部によって構成されている。不活性ガスが酸素分離装置に入る場合、電解液の一部が、特に圧力容器内部の水素を排除するために水素分離装置を構成する圧力容器の容積の一部内に移動する。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１ａ），１ｂ），２ａ）及び２ｂ）では、共通に符号１１又は３１で示した高圧槽が、圧力容器１２又は３２を有する。この高圧槽は、水を水素と酸素に電気分解するために使用される。電気分解セルブロック１３又は３３が、この圧力容器１２又は３２内に配置されている。この電気分解セルブロック１３又は３３は、スタックの形態で統合された多数の電気分解セル１４又は３４から構成される。これらの電気分解セル１４又は３４は、図中では概略的に示されている。図中に特に示されていない電気分解セル４はそれぞれ、１つの陽極及び１つの陰極を有する。図中では一部しか示されていない電気分解循環系が、電解液を陽極と陰極に供給するために使用される。このような電解槽は、例えばドイツ連邦共和国特許出願第101 50 557.4号明細書に記されている。

図１ａ），１ｂ）中に示された実施の形態の場合、高圧槽１１の運転時に発生する気体の酸素を分離する酸素分離装置２１及び高圧槽１１の運転時に発生する気体の水素を分離する水素発生装置２２が、圧力容器１２の外側に設けられている。

図２ａ），２ｂ）中に示された実施の形態の場合、電気分解セルブロック３３のハウジング３５が、圧力容器３２と共に互いに隔離された２つの室３７，３８を形成する。これらの室３７，３８は、隔壁３９，４０によって互いに隔離されている。これらの隔壁３９，４０は、電気分解セルブロック３３のハウジング３５と圧力容器３２との間に延在する。互いに隔離されたこれらの両室３７，３８は、電気分解循環系の構成要素であって電気分解セル３４側のハウジング３５と周囲側の圧力容器３２とによって仕切られている。

電気分解セルブロック３３にわたって存在している圧力容器３２内部の容積の一部によって、高圧槽３１の運転時に発生する気体の酸素を分離する酸素分離装置４１が構成されている。同様に電気分解セルブロック３３にわたって存在している圧力容器３２内部の容積の一部によって、高圧槽３１の運転時に発生する気体の水素を分離する水素分離装置４２が構成されている。電気分解循環系の構成要素である上述した互いに隔離されたこれらの両室では、一方の室、すなわち室３７が、陽極液循環室の構成要素であって酸素分離装置４１を構成する圧力容器３２内部の容積の一部に連結されている。他方の室３８は、陰極液循環室の構成要素であって水素分離装置４２を形成する圧力容器３２内部の容積の一部に連結されている。

示された全ての実施の形態の場合、高圧槽１１又は３１の遮断時にこの高圧槽１１又は３１を不活性化する不活性ガス、特に窒素の貯蔵部が設けられている。しかしこの貯蔵部は、図中には特に示されていない。この不活性ガスは、少なくとも水素の含有量が爆発限界の４vol.％を下回るまで高圧槽及び特に水素分離装置２２又は４２から水素を除去するために使用される。そのため、不活性ガスが酸素分離装置２１又は４１に入る場合に、電気分解循環系内部の電解液の一部が移動して気体の水素が水素分離装置２２又は４２から排除されるように、この不活性ガス貯蔵部又は保持された不活性ガスは、一般的に言って酸素分離装置２１又は４１に供給可能である。この場合、排除された水素は、例えば周囲に対して排出されるか貯蔵されるか又はその他の方法で除去される。

電気分解循環系内部の電解液が、気体の水素を水素分離装置２２又は４２から排除する上述した目的で移動可能であるように、管連結部２３ａ，２３ｂ，４３ａ，４３ｂが、電気分解循環系内に設けられている。これらの管連結部は、いろいろな様式に構成され得る。

図１ａ）及び１ｂ）中に示された実施の形態の場合、上述した管連結部が、圧力容器１２の外側に設けられている。この場合、２つの異なる構成が同時に示されている。すなわち、圧力容器１２の外側に延在する管連結部は、管連結部２３ａによって形成され得るか又は酸素分離装置２１を水素分離装置に連結する懸垂管２３ｂによって形成され得る。管連結部２３ａは、酸素分離装置２１に割り当てられた圧力容器１２内部の容積領域を水素分離装置２２に割り当てられた圧力容器１２内部の容積領域に連結する。懸垂管２３ｂは、電解液の液面の下に延在する。上述した管連結部は、圧力容器１２内部でも酸素分離装置２１に割り当てられた電気分解循環系の領域を水素分離装置に割り当てられた電気分解循環系の領域に最終的に連結する。しかしこのことは、図１ａ）及び１ｂ）中に示されていない。

図１ａ）中に示された高圧槽１１の通常の運転状態では、発生する酸素が酸素分離装置２１内に集められ、発生する水素が水素分離装置２２内に集められる。酸素分離装置２１と水素分離装置２２のそれぞれの一部が、すなわち下の領域内で電解液で満たされる。それぞれの生成ガスが、これらの分離装置２１，２２の上の領域内に集まる。

高圧槽１１を遮断しなければならない時に、保持されている不活性ガス、すなわち一般に窒素が、酸素分離装置２１に供給される、一般的には気体の酸素を集めるために設けられている酸素分離装置２１の上の容積領域内に供給される。電解液の一部が、電気分解循環系内に設けられている管連結部２３ａ又は２３ｂを通じて酸素分離装置２１から及び／又は圧力容器１２から水素分離装置２２内に移動して気体の水素をこの水素分離装置２２から排除する。これによって、高圧槽１１及び水素分離装置２２が不活性にされる。ほぼ全ての気体の水素が、圧力容器１２から水素分離装置２２内に上昇している時に初めて、この不活性化が実施されれば効果的である。図１ｂ）は、遮断されて不活性化された状態の高圧槽１１を示す。

図２ａ）及び２ｂ）中に示された実施の形態の場合、管連結部４３ａ；４３ｂが、圧力容器３２の外側に延在する管連結部４３ａによって形成されているか、又は、管連結部４３ｂが、圧力容器３２の内部に設けられている。電解液の一部が、気体の水素を水素分離装置４２を構成する圧力容器３２の容積領域から排除する目的でこの管連結部４３ａ；４３ｂを通じて移動可能である。管連結部４３ａは、酸素分離装置４１に割り当てられた圧力容器３２の容積領域、すなわち陽極液循環室の構成要素を形成する室３７を水素分離装置４２に割り当てられた圧力容器３２の容積領域、すなわち陰極循環室の一部を形成する室３８に連結する。管連結部４３ｂは、酸素分離装置４１に割り当てられた圧力容器３２の容積領域、すなわち陽極液循環室の構成要素を形成する室３７を水素分離装置４２に割り当てられた圧力容器３２の容積領域、すなわち陰極液循環室の一部を形成する室３８に互いに連結する。この管連結部４３ｂは、一般に電気分解セルブロック３３の下に設けられている隔壁４０内に設けられている。

電解槽３１の不活性化の場合、保持されている不活性ガス、一般に窒素が、酸素分離装置４１を形成する圧力容器３２の容積領域に入る。これによって、水素が、水素分離装置４２を構成する圧力容器３２の容積領域から完全に除去されるまで、電解液が、管連結部４３ａ又は４３ｂを通じて酸素分離装置４１に割り当てられた圧力容器３２の容積領域から、すなわち陽極液循環室３７から水素分離装置４２に割り当てられた圧力容器３２の容積領域、すなわち陰極液循環室３８内に移動される。ここでも、ほぼ全ての生成された水素が、水素分離装置４２内に、すなわち圧力容器３２の対応する容積領域内に集められている時に初めて、この不活性化が有効である。

水素分離装置２２又は４２内の電解液面の変位が、全ての実施の形態で適切な手段によって、例えば水位監視装置によって監視され得る。この水位監視装置は、所定の水位になるまで水素分離装置２２又は４２内の電解液の充填高さの上昇を監視する。

水素分離装置２２又は４２の不活性化で排除された水素は、貯蔵されて再び使用され得る。この水素は供給された不活性ガスと混合されていないので、この水素は廃棄する必要はない。

本発明の用途は、全ての種類の電解槽で可能である。すなわち、例えばＰＥＭ電解槽でも、水を電解液として使用する。

本発明の高圧槽の運転状態中の概略図である。 本発明の高圧槽の遮断状態中の概略図である。 本発明の高圧槽の運転状態中の概略図である。 本発明の高圧槽の遮断状態中の概略図である。

符号の説明

１１；３１ 高圧槽
１２；３２ 圧力容器
１３；３３ 電気分解セルブロック
１４；３４ 電気分解セル
１５；３５ ハウジング
１７；３７ 陽極液循環室
１８；３８ 陰極液循環室
２９ 隔壁
４０ 隔壁
２１；４１ 酸素分離装置
２２；４２ 水素分離装置
２３ａ；４３ａ 導管連結部
２３ｂ；４３ｂ 導管連結部

Claims (11)

1. 圧力容器（１２；３２）と、多数の電気分解セル（１４；３４）を有しかつこの圧力容器（１２；３２）内に配置された電気分解セルブロック（１３；３３）とを備えた高圧槽にあって、この場合、これらの電気分解セル（１４；３４）はそれぞれ、陽極及び陰極を有し、電解液を陽極及び陰極に供給する電気分解循環系が設けられていて、この電気分解循環系は、高圧槽（１１；３１）の運転時に発生する気体の酸素を分離する酸素分離装置（２１；４１），高圧槽（１１；３１）の運転時に発生する気体の水素を分離する水素分離装置（２２；４２）及び高圧槽（１１；３１）の遮断時にこの高圧槽（１１；３１）を不活性化する不活性ガス特に窒素を有する高圧槽において、
   前記不活性ガスが、前記酸素分離装置（２１；４１）に供給可能であること、及び、前記電気分解循環系が、管連結部（２３ａ；２３ｂ；４３ａ；４３ｂ）を有し、前記不活性ガスが前記酸素分離装置（２１；４１）に入る時に、電解液の一部が、気体の水素を前記水素分離装置（２２；４２）から排除する目的で前記管連結部（２３ａ；２３ｂ；４３ａ；４３ｂ）を通じて移動可能であることを特徴とする高圧槽。
2. 酸素分離装置（２１）及び／又は水素分離装置（２２）は、圧力容器（１２）の外側に設けられていること、及び、不活性ガスが酸素分離装置（２１）に入る時に、電解液の一部が、水素を水素分離装置（２２）から排除するために圧力容器（１２）から及び／又は酸素分離装置（２１）から水素分離装置（２２）内に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の高圧槽。
3. 酸素分離装置（４１）及び／又は水素分離装置（４２）は、圧力容器（３２）の内側の容積の一部によって構成されていること、及び、不活性ガスが酸素分離装置（４１）に入る時に、電解液の一部が、水素を排除するために水素分離装置（４２）を構成する圧力容器の容積の一部内に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の高圧槽。
4. 管連結部（２３ａ；２３ｂ；４３ａ）は、圧力容器（１２；３２）の外側に設けられていて、電解液の一部が、水素を水素分離装置（２２；４２）から排除する目的で管連結部（２３ａ；２３ｂ；４３ａ）を通じて移動可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧槽。
5. 管連結部（２３ｂ）は、電解液の液面の下に延在し酸素分離装置（２１）を水素分離装置（２２）に連結している懸垂管（２３ｂ）によって形成されていることを特徴とする請求項２又は４に記載の高圧槽。
6. 管連結部（４３ｂ）は、圧力容器（３２）の内側に設けられていて、電解液の一部が、水素を水素分離装置（４２）から排除する目的で移動可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧槽。
7. 電気分解セルブロック（３３）のハウジング（３５）が、圧力容器（３２）と共に互いに隔離された少なくとも２つの室（３７，３８）を形成し、これらの室は、電気分解循環系の構成要素であって電気分解セル（３４）側のハウジング（３５）と周囲側の圧力容器（３２）とによって仕切られていて、この場合、互いに分離された一方の室（３７）が、陽極液循環室の構成要素であって酸素分離装置（４１）に連結されていて、互いに分離された他方の室（３８）が、陰極液循環室の構成要素であって水素分離装置（４２）に連結されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高圧槽。
8. 互いに分離された室（３７，３８）は、隔壁（３９，４０）によって互いに分離されていて、これらの隔壁は、電気分解セルブロック（３３）のハウジング（３５）と圧力容器（３２）との間に延在すること、及び、管連結部（４３ｂ）が、電解液の液面の下にある隔壁（３９，４０）の領域内の通過部分によって形成されていて、電解液の一部が、水素を水素分離装置（４２）から排除する目的で管連結部から移動可能であることを特徴とする請求項７に記載の高圧槽。
9. 高圧槽を遮断する方法にあって、この高圧槽は、圧力容器（１２，３２）と多数の電気分解セル（１４；３４）を有しかつ圧力容器（１２；２２）内に配置された電気分解セルブロック（１３；３３）とを有し、この場合、これらの電気分解セル（１４；３４）はそれぞれ、陽極と陰極を有し、電解液を陽極と陰極に供給する電気分解循環系，高圧槽（１１；３１）の運転時に発生する気体の酸素を分離する酸素分離装置（２１；４１）及び高圧槽（１１；３１）の運転時に発生する気体の水素を分離する水素分離装置（２２；４２）が設けられていて、この場合、不活性ガス、特に窒素が、高圧槽（１１；３１）の遮断時に不活性化するためにこの高圧槽（１１；３１）に供給される高圧槽において、不活性ガスは、酸素分離装置（２１；４１）に供給されること、及び、不活性ガスが酸素分離装置（２１；４１）に入る時に、電解液の一部が、気体の水素を水素分離装置（２２；４２）から排除する目的で電気分解循環系（２３ａ，２３ｂ，４３ａ，４３ｂ）内に有する管連結部を通じて移動されることを特徴とする方法。
10. 酸素分離装置（２１）及び／又は水素分離装置（２２）は、圧力容器（１２）の外側に設けられていること、及び、不活性ガスが酸素分離装置（２１）に入る時に、電解液の一部が、水素を水素分離装置（２２）から排除するために圧力容器（１２）から及び／又は酸素分離装置（２１）から水素分離装置（２２）内に移動されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 酸素分離装置（４１）及び／又は水素分離装置（４２）は、圧力容器（３２）の内側の容積の一部によって構成されていること、及び、不活性ガスが酸素分離装置（４１）に入る時に、電解液の一部が、水素を排除するために水素分離装置 （４２）を構成する圧力容器の容器の一部内に移動されることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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