JP4751594B2 - Hydrogen / oxygen gas generator and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、水素・酸素ガス発生装置に関し、より詳しくは、固体電解質膜により陽極部と陰極部とに分離された水電解装置を用いて、純水の電気分解を行い加圧された水素ガスと酸素ガスとを供給する水素・酸素ガス発生装置およびその運転方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen / oxygen gas generator, and more specifically, hydrogen gas pressurized by electrolyzing pure water using a water electrolysis apparatus separated into an anode part and a cathode part by a solid electrolyte membrane. The present invention relates to a hydrogen / oxygen gas generator for supplying oxygen and oxygen gas and an operation method thereof.
水素・酸素ガス発生装置を構成する水電解装置としては、電解質の役割を果たす部材として固体電解質膜を備えた電解セルを用いたものが従来知られている(特許文献1参照)。
斯かる電解セルは、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層(陽極側および陰極側触媒層)が設けられた固体高分子電解質膜/電極接合体膜(以下、「固体電解質膜」という。)と、この固体電解質膜を挟持すべく設けられた電極板(陽極側および陰極側電極板)と、固体電解質膜と電極板との間に設けられた給電体(陽極側および陰極側給電体)等を用いて陽極部と陰極部とに分離されて構成されている。
As a water electrolysis apparatus constituting the hydrogen / oxygen gas generating apparatus, one using an electrolytic cell provided with a solid electrolyte membrane as a member serving as an electrolyte is conventionally known (see Patent Document 1).
Such an electrolytic cell is referred to as a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly membrane (hereinafter referred to as “solid electrolyte membrane”) in which electrode catalyst layers (anode side and cathode side catalyst layers) are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. ), An electrode plate (anode side and cathode side electrode plate) provided to sandwich the solid electrolyte membrane, and a power supply body (anode side and cathode side power supply body) provided between the solid electrolyte membrane and the electrode plate ) Etc. to be separated into an anode part and a cathode part.
上記従来技術に係る電解セルにおいては、陽極部に純水を供給して、電極板に対して通電することにより、主に陽極側触媒層で純水が分解され、酸素が発生することとなる。そして、酸素と同時に生成されたH+イオンは、電場の働きによって固体電解質膜内を移動するため、陰極側触媒層において電子を得て、陰極部に水素が発生することとなる。
これら、発生した水素と酸素は、それぞれ、分離タンクと呼ばれる気液分離装置により水素ガスならびに酸素ガスとして取り出され、脱水処理の後、使用される。
上記の電解セルを用いた、水素・酸素ガス発生装置は、ガス圧縮機を用いることなく高い圧力の水素ガス、酸素ガスを発生させることができ、また、これらのガスの圧力は加える電力により制御できる。さらに、これらのガスを連続的に発生させることができることから、ガスボンベに代えて、オンサイトの水素・酸素供給源として広く用いられている。
特に近年は、水素ステーションのように、より高圧の水素ガスが多量に必要とされる用途に広く用いられるようになってきている。
In the electrolysis cell according to the above prior art, by supplying pure water to the anode part and energizing the electrode plate, the pure water is decomposed mainly in the anode side catalyst layer and oxygen is generated. . The H + ions generated simultaneously with oxygen move in the solid electrolyte membrane by the action of the electric field, so that electrons are obtained in the cathode side catalyst layer and hydrogen is generated at the cathode portion.
The generated hydrogen and oxygen are respectively taken out as hydrogen gas and oxygen gas by a gas-liquid separation device called a separation tank, and used after dehydration.
The hydrogen / oxygen gas generator using the above electrolytic cell can generate high-pressure hydrogen gas and oxygen gas without using a gas compressor, and the pressure of these gases is controlled by the applied power. it can. Furthermore, since these gases can be continuously generated, they are widely used as an on-site hydrogen / oxygen supply source instead of a gas cylinder.
In particular, in recent years, it has come to be widely used for applications that require a large amount of higher-pressure hydrogen gas, such as hydrogen stations.
ところで、水素や酸素は、分子サイズが小さく高分子フィルムなどを透過することが知られている。また、水素や酸素の分子が高分子フィルムなどを透過する量は、水素や酸素の分圧に比例し、透過する高分子フィルムの膜厚に反比例する。そのため、このような水素・酸素ガス発生装置、特に、水素ステーションに用いられるような水素・酸素ガス発生装置において、例えば、運転停止時には、分離タンクのガスを加圧状態のまま保持しようとすると水素ガスが固体電解質膜の陽極側に透過したり、酸素ガスが陰極側に透過したりして両方のガスが混合されるおそれがある。したがって、このような水素・酸素ガス発生装置においては、運転停止時に分離タンクの圧力を開放して大気圧程度とされる。そのため、運転開始時には、分離タンクが所望の圧力に到達するまでの時間を必要とし、運転効率を低下させるという問題を有している。このことを防止すべく、固体電解質膜の厚さを厚くして水素や酸素が透過することを抑制させることも考え得るが、その場合は、固体電解質膜の電気抵抗値が高くなることからジュール熱によるエネルギーロスが大きくなり運転効率を低下させる問題を有するものとなる。すなわち、従来の水素・酸素ガス発生装置は、運転効率の低下を抑制しつつ、水素ガスあるいは酸素ガスが固体電解質膜を透過し両方のガスが混合されることを防止することが困難であるという問題を有している。 By the way, it is known that hydrogen and oxygen have a small molecular size and permeate a polymer film. The amount of hydrogen or oxygen molecules that permeate the polymer film or the like is proportional to the partial pressure of hydrogen or oxygen and inversely proportional to the thickness of the permeating polymer film. For this reason, in such a hydrogen / oxygen gas generator, particularly in a hydrogen / oxygen gas generator used in a hydrogen station, for example, when the operation is stopped, the gas in the separation tank is kept in a pressurized state. There is a possibility that both gases will be mixed by gas permeating to the anode side of the solid electrolyte membrane or oxygen gas permeating to the cathode side. Therefore, in such a hydrogen / oxygen gas generator, the pressure in the separation tank is released to about atmospheric pressure when the operation is stopped. For this reason, at the start of operation, it takes time for the separation tank to reach a desired pressure, which has a problem of reducing the operation efficiency. In order to prevent this, it may be possible to suppress the permeation of hydrogen and oxygen by increasing the thickness of the solid electrolyte membrane, but in that case, the electrical resistance value of the solid electrolyte membrane increases, so Energy loss due to heat is increased, resulting in a problem of lowering operation efficiency. That is, it is difficult for the conventional hydrogen / oxygen gas generator to prevent the hydrogen gas or oxygen gas from passing through the solid electrolyte membrane and mixing both gases while suppressing a decrease in operating efficiency. Have a problem.
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、運転効率の低下を抑制しつつ、水素ガスあるいは酸素ガスが固体電解質膜を透過して両方のガスが混合されることを防止し得る水素・酸素ガス発生装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide hydrogen / oxygen gas capable of preventing hydrogen gas or oxygen gas from passing through the solid electrolyte membrane and mixing both gases while suppressing a decrease in operating efficiency. It is to provide a generator.
本発明は、前記課題を解決すべく、陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有し、水が電気分解され陽極部にて酸素ガスが発生され、陰極部にて水素ガスが発生される水電解セルを備え、前記陰極部にて発生された水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部に連通され、前記陰極部の水素ガスと水とが導入され加圧状態で気液分離される水素分離タンクと、前記陽極部にて発生された酸素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陽極部に連通され、前記陽極部の酸素ガスと水とが導入され加圧状態で気液分離される酸素分離タンクとを備える水素・酸素ガス発生装置であって、前記水素分離タンクおよび前記酸素分離タンクの少なくとも一方の分離タンクには、前記水電解セルの運転が停止した場合に、内部に蓄えられているガスが排出され且つ純水が注入されることにより内部に純水が充満されて加圧状態とされ得るように、ガス排出機構と注水機構とが備えられていることを特徴とする水素・酸素ガス発生装置と、陽電極を備えた陽極部と、陰電極を備えた陰極部と、前記陽極部と前記陰極部とを分離する固体電解質膜とを有する水電解セルを用いて、水を電気分解して陽極部にて酸素ガスを発生させ、陰極部にて水素ガスを発生させ、前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部の水素ガスと水とを水素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離し、前記陽極部にて発生させた酸素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陽極部の酸素ガスと水とを酸素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離する水素・酸素ガス発生装置の運転方法であって、前記水電解セルの運転が停止した場合に、前記水素分離タンクおよび前記酸素分離タンクの少なくとも一方の分離タンクにおいて、内部に蓄えられているガスを排出させ且つ純水を注入させて、分離タンクの内部を純水にて充満させ加圧状態とすることを特徴とする水素・酸素ガス発生装置の運転方法とを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention comprises an anode part provided with a positive electrode, a cathode part provided with a negative electrode, and a solid electrolyte membrane separating the anode part and the cathode part, A water electrolysis cell that is electrolyzed and oxygen gas is generated at the anode part and hydrogen gas is generated at the cathode part, so that the hydrogen gas generated at the cathode part can be taken out in a pressurized state. A hydrogen separation tank that is communicated with the cathode part, into which hydrogen gas and water in the cathode part are introduced and gas-liquid separated in a pressurized state, and oxygen gas generated in the anode part can be taken out in a pressurized state And a hydrogen / oxygen gas generator comprising an oxygen separation tank that is communicated with the anode part and into which oxygen gas and water in the anode part are introduced and gas-liquid separated in a pressurized state. And at least one of the oxygen separation tanks When the operation of the water electrolysis cell is stopped, the gas stored in the inside is discharged and pure water is injected so that the inside is filled with pure water and can be in a pressurized state. A hydrogen / oxygen gas generator characterized by being provided with a gas discharge mechanism and a water injection mechanism, an anode part with a positive electrode, a cathode part with a negative electrode, the anode part and the cathode part A water electrolysis cell having a solid electrolyte membrane for separating water and electrolyzing water to generate oxygen gas at the anode part, hydrogen gas at the cathode part, and at the cathode part The hydrogen gas and water in the cathode part are introduced into a hydrogen separation tank so that the hydrogen gas can be taken out in a pressurized state, gas-liquid separation is performed in the pressurized state, and the oxygen gas generated in the anode part is removed. Oxygen gas and water in the anode part so that it can be taken out under pressure An operation method of a hydrogen / oxygen gas generating device that is introduced into an oxygen separation tank and performs gas-liquid separation in a pressurized state, and when the operation of the water electrolysis cell is stopped, the hydrogen separation tank and the oxygen separation tank Hydrogen / oxygen gas characterized in that in at least one of the separation tanks, the gas stored in the interior is discharged and pure water is injected, and the interior of the separation tank is filled with pure water to be in a pressurized state. And a method of operating the generator.
本発明によれば、水素・酸素ガス発生装置が水素ガス分離タンクもしくは酸素ガス分離タンクの少なくとも一方の分離タンクにガス排出機構と注水機構とを備えていることから、水素・酸素ガス発生装置の運転を停止させる場合に、分離タンクからガスを排出させて純水で充満させることができ、水素ガスあるいは酸素ガスが固体電解質膜を透過して両方のガスが混合されることを防止できる。また、前記充満させた純水により分離タンクの内部を加圧状態に維持し得ることから始動時にガスが所望の圧力に到達するまでの時間を短縮させることができ、水素・酸素ガス発生装置の運転効率が低下することを抑制し得る。 According to the present invention, since the hydrogen / oxygen gas generator includes the gas discharge mechanism and the water injection mechanism in at least one of the hydrogen gas separation tank or the oxygen gas separation tank, When the operation is stopped, the gas can be discharged from the separation tank and filled with pure water, and hydrogen gas or oxygen gas can be prevented from passing through the solid electrolyte membrane and mixing of both gases. In addition, since the inside of the separation tank can be maintained in a pressurized state by the filled pure water, the time until the gas reaches a desired pressure at the time of starting can be shortened, and the hydrogen / oxygen gas generator It can suppress that operating efficiency falls.
以下に、本発明の好ましい実施の形態の水素・酸素ガス発生装置について図1に示す概略的な系統図に基づき説明する。
本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、電解セルを用いて構成された水電解装置1を中心として、この水電解装置1に純水を供給するための純水タンク3、および水電解装置1にて発生された水素を貯留して供給するための水素分離タンク4を備え、水素・酸素ガス発生装置の運転停止時に水素分離タンク4の水素ガスを収容するとともに、水素分離タンク4に純水を注入する注水タンク50が前記水素分離タンク4の上位にさらに備えられている。
A hydrogen / oxygen gas generator according to a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to a schematic system diagram shown in FIG.
The hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment is centered on a
本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、水電解装置1を備えた酸素分離タンク(電解タンク)2に対して、純水を供給すべく、純水供給配管部5を介して純水タンク3が接続されている。また、純水供給配管部5には、純水タンク3に貯留された純水を電解タンク2に補給(供給)すべく、補給水ポンプ6が設けられている。純水タンク3には、純水タンク3内の純水貯留量を検知する純水タンク水位計3Lが設けられており、この純水タンク水位計3Lで得られた検知信号は、純水タンク3に純水を供給すべく設けられた純水供給部の純水供給バルブ3Aに送られる。そして、純水タンク3内の純水貯留量は、純水タンク水位計3Lの検知信号に基づいて、純水供給バルブ3Aを調整することにより、適宜制御される。電解タンク2内には、電解タンク2内の純水貯留量を検知する電解タンク水位計2Lが設けられており、この電解タンク水位計2Lで得られた検知信号は、補給水ポンプに送られる。そして、電解タンク2内の純水貯留量は、電解タンク水位計2Lの検知信号に基づいて、補給水ポンプ6の駆動状態を適宜調整することによって制御される。
In the hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment, pure water is supplied via a pure water
また、電解タンク2には、電解タンク2内の純水を循環して再利用すべく、純水循環配管部7が設けられており、この純水循環配管部7は、電解タンク2内の純水を電解タンク2外に取り出した後に、再び、水電解装置1(を構成する電解セル)の純水供給孔(後述する)に供給可能であるように、配管構成されている。そして、この純水循環配管部7には、純水を循環させるための循環水ポンプ8、純水の熱交換を行うため(純水の温度を低下させるため)の熱交換器9、純水の純度を高めるためのポリシャ(polisher)10、および純水の濾過等を行うためのフィルタ11等が設けられている。ポリシャ10としては、例えば、イオン交換樹脂が用いられる。さらに、この純水循環配管部7には、純水循環配管部7中の純水の水質(電気伝導度)を監視して、必要な場合(所定の電気伝導度(例えば、0.2μS/cm)を超えた場合等)には警報を発する水質警報手段12、および純水循環配管部7中の純水の温度を監視して、必要な場合(所定の温度範囲(例えば、40〜90℃)を超えた場合等)には警報を発する水温警報手段13が設けられている。また、この純水循環配管部7を循環される純水は、酸素ガスを溶存した純水であるため、純水中から純水循環配管部7中に溶存酸素が排出される場合がある。このように、酸素ガスが排出されると、純水循環配管部7に設けられている循環水ポンプ8、ポリシャ10、あるいはフィルタ11等に酸素ガスが溜まり、斯かる酸素ガスが純水の循環に不具合を生じさせるおそれがある。そこで、本実施形態においては、循環水ポンプ8、ポリシャ10、およびフィルタ11の少なくともいずれかの箇所にガス抜きが設けられている。
The
電解タンク2内の水電解装置1にて生成された水素ガスは、若干の純水と共に、水素ガス搬送配管部14を介して、水素分離タンク4に送られる。この水素ガス搬送配管部14には、バルブ18が設けられると共に、水素ガス搬送配管部14上のバルブ18を迂回すべく、バイパス配管部19が設けられている。そして、このバイパス配管部19には、逆止弁20が設けられている。
The hydrogen gas generated in the
水素分離タンク4には、水素・酸素ガス発生装置の運転停止時に水素分離タンク4の水素ガスを排出する還流配管54と、水素分離タンク4に純水を注入する純水注入配管52とが備えられている。
前記還流配管54は、水素分離タンク4上部と注水タンク50上部とを連通させ、還流バルブ54Aを備えている。そして、該還流バルブ54Aの開閉により前記還流配管54の水素ガスの流通を制御している。
また、前記純水注入配管52は、水素分離タンク4下部と注水タンク50下部とを連通させ、注入水制御バルブ52Aを備えている。そして、該注入水制御バルブ52Aの開閉により前記純水注入配管52の純水の流通を制御している。
また、水素分離タンク4には、水素分離タンク4内の純水貯留量を検知する水素分離タンク水位計4Lが設けられており、この水素分離タンク水位計4Lで得られた検知信号は、水素分離タンク4から純水タンク3に対して純水を戻すべく(純水を排出して再利用すべく)設けられた純水戻り配管部15の純水排出バルブ4Aに送られる。そして、水素分離タンク水位計4Lにて、水素分離タンク4内に所定量以上の純水が貯留されていると判断されれば、水素分離タンク水位計4Lの検知信号に基づいて、純水排出バルブ4Aを調整することにより、適宜、水素分離タンク4内の純水貯留量が制御されることとなる。また、純水戻り配管部15内を流通する純水は、若干ではあるが、水素を溶存している。そこで、本実施形態においては、純水戻り配管部15にガススクラバ16を配し、このガススクラバ16には水素放出配管部17が接続されている。したがって、本実施形態においては、水素分離タンク4から排出される純水に溶存している水素が、適当に除去されることとなる。
The hydrogen separation tank 4 includes a
The
The pure
The hydrogen separation tank 4 is provided with a hydrogen separation tank
水素分離タンク4に貯留されている水素ガスは、水素ガスの使用箇所(図示省略)に対して、水素ガス供給配管部21を介して搬送供給される。そして、この水素ガス供給配管部21には、水素ガスの供給量を調整する水素ガス供給バルブ22と、水素ガスを除湿するための水素ガス除湿手段23と、水素ガスの流量を定格流量に維持するための水素ガス流量制御手段24とが設けられている。この水素ガス流量制御手段24は、水素ガス供給バルブ22を介して水素ガス供給配管部21を流通している水素ガスの流量を検知する流量検知手段24Aと、この流量検知手段24Aで得られた検知信号に基づいて制御可能な定格流量制御バルブ24Bとを用いて構成されている。ここで、水素ガス除湿手段23は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そして、この水素ガス除湿手段23においては、中空糸膜の内部に水素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空気を流通させることによって、水素ガスの除湿を行っている。なお、図1には特に示していないが、より高純度(例えば6N(99.9999)以上)の水素ガスを得ようとする場合には、水素ガス除湿手段23の後流側、または水素ガス除湿手段の換わりに、ゼオライト、活性アルミナ等のモレキュラシーブを用いて構成された精製器を設ける構成が好ましい。本実施形態は、中空糸膜等を用いた水素ガス除湿手段23(あるいは精製器)によって水素ガスの除湿を行う構成であるので、従来技術において必要であったパラジウム精製器等を用いる必要がなくなる。要すれば、これら精製器を組み合わせて使用することもできる。また、水素ガス供給バルブ22は、後述すべく、水素分離タンク4の圧力に基づいて制御される。このために、水素分離タンク4には、第一の圧力検知手段25が設けられている。
さらに、水素分離タンク4には、第一のリリーフ弁26を有する第一のリリーフ配管部27が設けられている。そして、この第一のリリーフ弁26は、後述すべく、電解タンク2の圧力と、水素分離タンク4の圧力とに基づいて制御されるように構成されている。
The hydrogen gas stored in the hydrogen separation tank 4 is transported and supplied via a hydrogen gas
Further, the hydrogen separation tank 4 is provided with a first
前記注水タンク50は、該水素分離タンク4を充満させることができる量の純水を貯留するのに十分な内容積を有している。
さらに、前記注水タンク50の上部と水素ガス供給配管21の水素ガス供給バルブ22よりも上流側とを連通する水素ガス排出配管53を備え、該水素ガス排出配管53には、流通させる水素ガスの制御を行う水素ガス排出バルブ53Aが備えられている。
The
Furthermore, a hydrogen
また、電解タンク2内の水電解装置1にて生成された酸素ガスは、電解タンク2の上部に貯留され、酸素ガスの使用箇所(図示省略)に対して、酸素ガス供給配管部31を介して搬送供給される。そして、この酸素ガス供給配管部31には、酸素ガスの供給量を調整する酸素ガス供給バルブ32と、酸素ガスを除湿するための酸素ガス除湿手段33と、酸素ガス供給配管部31を流通している酸素ガス中の水素濃度を検出するための水素ガス検出手段34とが設けられている。ここで、酸素ガス供給バルブ32は、後述すべく、電解タンク2の圧力と、水素分離タンク4の圧力とに基づいて制御される。このために、電解タンク2には、第二の圧力検知手段35が設けられている。また、酸素ガス除湿手段33は、例えば、中空糸膜等を用いて構成されている。そして、この酸素ガス除湿手段33においては、中空糸膜の内部に酸素ガスを流通させ、中空糸膜の外部に乾燥空気を流通させることによって、酸素ガスの除湿を行っている。また、図示しないが、水素ガスと同様に酸素ガスの流路にも調整バルブなどの流量制御手段を設けた構造としてもよい。
Further, the oxygen gas generated in the
さらに、電解タンク2には、第二のリリーフ弁36を有する第二のリリーフ配管部37が設けられている。そして、この第二のリリーフ弁36は、後述すべく、電解タンク2の圧力と、水素分離タンク4の圧力とに基づいて制御されるように構成されている。
Furthermore, the
また、本実施形態においては、第一の圧力検知手段25の検知値と第二の圧力検知手段35の検知値とを比較して、所定の信号を種々のバルブ22,26,32,36に送り得る差圧検知手段45が設けられている。さらに、本実施形態においては、第一の圧力検知手段25からの圧力検知信号を受けて、水電解装置1に対して適切な電流を供給する電流値制御手段28が設けられている。
In this embodiment, the detection value of the first pressure detection means 25 and the detection value of the second pressure detection means 35 are compared, and a predetermined signal is sent to
以上のように、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、水電解装置1を用いて構成されており、この水電解装置1は、純水と所定の電流とを供給することによって水素および酸素を生じさせ得る、電解セルを用いて構成されている。次に、この電解セルの構造を図面に基づいて説明する。
As described above, the hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment is configured using the
図2は、水電解装置を構成する水電解セルの一例の概略断面図である。図2において、62は電極板であり、63は固体電解質膜である。64は多孔質給電体であり、65はガスケット、66は保護シートである。また67は水素ガス取り出し経路、67aは水素ガス取り出し通路、68は酸素ガス取り出し経路、68aは酸素ガス取り出し通路である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of a water electrolysis cell constituting the water electrolysis apparatus. In FIG. 2, 62 is an electrode plate, and 63 is a solid electrolyte membrane. 64 is a porous power supply, 65 is a gasket, and 66 is a protective sheet.
69、69は端板である。この図では純水供給経路は示されていないが、酸素ガス取り出し経路68と同様の構成によって形成されている。上記のような各部品類をボルト60によって絶縁板61を介して、両端板69、69間で挟持するように締結することによって、電解セル(水電解装置1)が形成されているのである。尚、多孔質給電体64の部分が陽極部(酸素発生室A)及び陰極部(水素発生室C)となる。
固体電解質膜63としては、固体高分子電解質を膜状に形成したものを両面に貴金属、特に白金からなる多孔質層を化学的に無電解メッキによって形成した固体電解質膜を使用するのが好ましい。固体高分子電解質としては、カチオン交換膜(フッ素樹脂系スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえばデュポン社製「ナフィオン117」が好ましい。 As the solid electrolyte membrane 63, it is preferable to use a solid electrolyte membrane in which a porous layer made of a noble metal, particularly platinum, is chemically formed by electroless plating. As the solid polymer electrolyte, a cation exchange membrane (a fluororesin sulfonic acid cation exchange membrane, for example, “Nafion 117” manufactured by DuPont is preferable.
本実施形態においては、上述のように、図2に示す電解セルにて構成された水電解装置1を用いて水素・酸素ガス発生装置が形成されている。従って、図1に示すべく、電解タンク2内に設けられた水電解装置1においては、電解タンク2内の純水が、純水供給経路を介して酸素発生室Aに供給される。純水は、Oリング等によって、水素発生室Cへの流入が阻止される。
In the present embodiment, as described above, the hydrogen / oxygen gas generator is formed using the
酸素発生室で発生した酸素ガスは、酸素ガス取り出し通路68a及び酸素ガス取り出し経路68を介して電解タンク2中に放出され、電解タンク2中から酸素ガス供給配管部31等を介して酸素ガス使用箇所等に供給される。水電解装置1中において、酸素ガスは、Oリング等によって、水素発生室Cへの流入が阻止される。
Oxygen gas generated in the oxygen generation chamber is discharged into the
また、水素発生室で発生した水素ガスは、水電解装置1(電解セル)内の水素ガス取り出し通路67a、水素ガス取り出し経路67、及び水素ガス搬送配管部14を介して、高圧水素分離タンク4に搬送される。水素ガスは、Oリング等によって、酸素発生室Aへの流入が阻止される。
Further, the hydrogen gas generated in the hydrogen generation chamber passes through the hydrogen gas extraction passage 67a, the hydrogen
本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、上述した図1および図2に示すべく構成されており、斯かる装置においては、適切に、純水供給制御、電流値制御等が行われている。 The hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment is configured as shown in FIGS. 1 and 2 described above. In such an apparatus, pure water supply control, current value control, and the like are appropriately performed. Yes.
本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、上述した図1および図2に示すべく構成されており、斯かる装置においては、適切に、純水供給制御、電流値制御等が行われている。 The hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment is configured as shown in FIGS. 1 and 2 described above. In such an apparatus, pure water supply control, current value control, and the like are appropriately performed. Yes.
図3a)は、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置を運転する際のフローチャートを示したものである。以下、図3等の必要な図面を用いて、制御方法を具体的に説明する。 FIG. 3a) shows a flowchart when the hydrogen / oxygen gas generator according to this embodiment is operated. Hereinafter, the control method will be specifically described with reference to necessary drawings such as FIG.
図3a)に示すように、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、まず、ステップ601において、電解タンク2に対する純水の供給が行われる。具体的には、補給水ポンプ6を駆動させて、純水タンク3から電解タンク2に対して純水を供給する。
As shown in FIG. 3 a), in the hydrogen / oxygen gas generator according to the present embodiment, first, pure water is supplied to the
次に、ステップ602においては、電解タンク2内の純水の貯留量(水位)が、電解タンク水位計2Lを用いて検知される。
Next, in
次に、ステップ603においては、ステップ602における水位検知信号に基づいて、電解タンク2内の水位が所定量であるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定量に達している場合には(ステップ603にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ604の処理が行われる。また、水位が所定量に達していない場合には(ステップ603にて「No」と判断された場合には)、補給水ポンプ6を駆動させた状態で、再度ステップ602以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ604においては、ステップ603の判断に基づいて、純水タンク3から電解タンク2に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポンプ6を停止させる。次に、ステップ605においては、電解セル1へ供給される循環水量の検知が行われる。すなわち、このステップ605においては、電解セル1に対する通電前に、循環水ポンプ8を駆動させ、電解セル1に対して純水を供給しているので、その循環水量を検知する。
Next, in
次に、ステップ606においては、ステップ605における循環水量検知信号に基づいて、電解セル1に対して、所定水量が供給されているか否かの判断が行われる。そして、ここで、循環水量が所定量に達している場合には(ステップ606にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ607の処理が行われる。また、循環水量が所定量に達していない場合には(ステップ606にて「No」と判断された場合には)、ステップ607に進むことなく、再度ステップ605以降の処理が行われる(すなわち、循環水ポンプ8の駆動および循環水量の検知等が継続して行われる)。
Next, in
次に、ステップ607においては、水電解装置1に対する通電が開始される。すなわち、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、水電解装置(電解セル)1内に所定量の純水が循環された状態になってから、はじめて、水電解装置1に対する電流の供給が開始される。このように、循環水流量を確認した後に通電を開始するのは、水電解装置1に対して純水が十分に補給されていない状態で通電を行うと、水電解装置1を構成する固体電解質膜63が破損する可能性があるからである。つまり、本実施形態においては、固体電解質膜63を保護するために、純水の循環量を確認した後に、水電解装置1に対して通電を行っている。また、ここで、水電解装置1に対する電流の供給は、0%(0A)から100%(例えば、600A)の電流値にあげるまでに、所定の時間(例えば、30秒程度)を要するべく行う。このように電流の供給を行うことによって、固体電解質膜63に対して、徐々に電流が負荷されることとなるため、固体電解質膜63の保護を図ることが可能となる。すなわち、水電解装置1に対する供給電流が急激に変動すると、オーバーシュートして過大電流が電解セルに加わり、固体電解質膜を損傷させる可能性があるが、上述した本実施形態に係る電流供給手段(段階的な電流供給手段)によれば、斯かる問題を効果的に解決することができる。
Next, in
次に、ステップ608においては、図1に示された水素・酸素ガス発生装置による連続した水素・酸素供給工程が行われる。具体的には、適切な純水供給制御、および電流値制御等が行われる。これらの制御については、後に、具体的に説明する。
Next, in
次に、ステップ609においては、水素・酸素供給工程を終了するか否かの判断が行われる。そして、ここで、水素・酸素供給工程を終了すると判断された場合には(ステップ609にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ610の処理が行われる。また、水素・酸素供給工程を終了しないと判断された場合には(ステップ609にて「No」と判断された場合には)、再度、ステップ608以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ610においては、ステップ609における水素・酸素供給工程の終了の判断に基づいて、水電解装置1に対する通電を終了させる。
この停止時には、より詳しくは、図3c)のフローチャートに示すような注水工程が行われる。すなわち、バルブ55が閉じられ、前記還流バルブ54Aと前記注入水制御バルブ52Aとを共に開状態とし、注水タンク50に貯留していた純水を純水注入配管52を通して水素分離タンク4に自然流下させるとともに水素分離タンク4の水素ガスを注水タンク50に収容させる注水工程が行われ、そして、水素分離タンク水位計4Lにて水素分離タンク4が純水で充満されたことが検知されると注水工程が終了され、還流バルブ54Aと注入水制御バルブ52Aとを閉状態とする。
Next, in
More specifically, at the time of this stop, a water injection process as shown in the flowchart of FIG. That is, the valve 55 is closed, both the
また、水素・酸素ガス発生装置の停止前に後述する方法にて注水タンク50内を水素分離タンクと同圧に保つことで、水素分離タンク4は、運転終了時の圧力を充満させた純水にて保持できることとなる。
In addition, by maintaining the inside of the
また、フローチャートには特に示していないが、ステップ610においては、水電解装置1の陽極側が純水に十分満たされた状態で、通電を終了させる。具体的には、水電解装置1に対する通電を停止してから、数秒(30秒程度)後に循環水ポンプ8を停止している。このように通電停止後に所定時間循環ポンプを運転することにより、水電解セル内に酸素ガスが滞留することを防止でき、したがって、固体電解質膜63に対して余計な負荷をかけることを防止することができる。
Although not particularly shown in the flowchart, in
さらに、水素・酸素供給工程を再開する場合には、注水タンク50に保持された高圧の水素ガスを利用することができ、さらに、水電解装置1ならびに水素分離タンク4が運転停止以前の圧力を維持していることから、従来のように水素ガスが供給圧力に達するまで待つ必要がなく、従来に比べて短時間で水素ガスの供給を再開できる。
Furthermore, when restarting the hydrogen / oxygen supply process, the high-pressure hydrogen gas held in the
このとき、ステップ607、608は、より詳しくは、図3b)のフローチャートに示すようになる。すなわち、バルブ55を閉状態としたまま、前記注入水制御バルブ52Aと水素ガス排出バルブ53Aとを開状態とし、前記注水タンク50に収容していた水素ガスを水素ガス供給配管21に供給しつつ、水素分離タンク4に水電解装置1から導入される水素ガスの圧力により、水素分離タンク4に充満していた純水を純水注入配管52から逆流させて収容する還流工程を実施する。そして、水素分離タンク水位計4Lにて水素分離タンク4の純水が、注水タンク50に返送されたことが検知された段階で前記注入水制御バルブ52Aと水素ガス排出バルブ53Aとを閉状態とし、バルブ55を開状態として水素ガスの供給を水素分離タンク4側からのみ行うようにする。
このことから、注水タンク50には、水素・酸素ガス発生装置の運転停止時の圧力を有した純水が貯留されることとなる。
At this time, steps 607 and 608 are as shown in the flowchart of FIG. That is, while the valve 55 is closed, the injection
From this, the
本実施形態においては、注水機構として水素分離タンク4よりも上位に配された注水タンク50と、注水タンク50と水素分離タンク4とを連通させる純水注入配管52が備えられているため、純水の注入を自然流下を利用して行うことができ、余分な動力を必要としない。さらに、純水注入配管52が水素分離タンク4の底部にて連通されているために充満させた純水を注水タンク50に戻す再にも余分な動力を必要としない。また、水素・酸素ガス発生装置の運転停止時に水素分離タンク4に貯留されていた水素ガスを注水タンク50に一旦貯留させていることから、水素ガスを廃棄せずに有効に利用でき、また、この水素ガスを蓄えるための新たなタンクを必要とせず運転コスト、設備コストが上昇することを抑制し得る。
In the present embodiment, a
なお、本実施形態においては、純水に溶存しているガスが減圧されることにより気泡となって純水中に混入し、該気泡によりポンプやポリシャに不具合が生じることを防止し得る点、および、安全性を維持しつつより高圧で運転させ得る点において、運転停止時の圧力を有した純水を分離タンクに貯留させているが、本発明においては、純水を分離タンクに貯留させる圧力は、運転停止時の分離タンクの圧力と同じ圧力に限定されるものではない。 In this embodiment, the gas dissolved in the pure water is reduced in pressure to become bubbles and mixed in the pure water, and the bubbles can prevent the pump and the polisher from malfunctioning. And in the point which can be operated at a higher pressure while maintaining safety, the pure water having the pressure at the time of operation stop is stored in the separation tank. In the present invention, the pure water is stored in the separation tank. The pressure is not limited to the same pressure as that of the separation tank at the time of shutdown.
以上、図3a)におけるステップ601からステップ610までの工程ならびに、図3b)及びc)の還流工程、注水工程に基づいて、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置の運転が制御される。
As described above, the operation of the hydrogen / oxygen gas generator according to the present embodiment is controlled based on the processes from
次に、ステップ608で行われる水素・酸素供給工程における電解タンク2に対する純水供給制御、および水電解装置1に対する電流値制御等を具体的に説明する。
Next, the pure water supply control for the
図4は、本実施形態に係る純水供給制御の一態様のフローチャートを示したものである。 FIG. 4 shows a flowchart of one aspect of the pure water supply control according to this embodiment.
図4に示すように、本実施形態においては、まず、ステップ701において、電解タンク2内の純水貯水量の検知が行われる。ここでは、電解タンク水位計2Lを用いて、電解タンク2内の純水の貯留量(水位)が検知される。
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, first, in
次に、ステップ702においては、ステップ701における水位検知信号に基づいて、電解タンク2内の水位が所定値以下であるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定値以下であると判断された場合には(ステップ702にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ703の処理が行われる。また、水位が所定値以下でない場合には(ステップ702にて「No」と判断された場合には)、再度、ステップ701以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ703においては、ステップ702の判断に基づいて、補給水ポンプ6の駆動が開始される。すなわち、補給水ポンプ6を駆動させて、純水供給配管部を介して、純水タンク3から電解タンク2に対して純水を補給する。
Next, in
次に、ステップ704においては、電解タンク2内の純水貯水量の検知が行われる。ここでは、ステップ701と同様に、電解タンク水位計2Lを用いて、電解タンク2内の純水の貯留量(水位)が検知される。
Next, in
次に、ステップ705においては、ステップ704における水位検知信号に基づいて、電解タンク2内の水位が所定範囲内にあるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水位が所定範囲内にあると判断された場合には(ステップ705にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ706の処理が行われる。また、水位が所定範囲内にないと判断された場合には(ステップ705にて「No」と判断された場合には)、補給水ポンプ6を駆動させた状態で、再度、ステップ704以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ706においては、ステップ705の判断に基づいて、純水タンク3から電解タンク2に対する給水が停止される。すなわち、補給水ポンプ6を停止させる。そして、このステップ706の後は、再度、ステップ701以降の処理が行われる。
Next, in step 706, water supply from the
以上のステップ701からステップ706の工程が、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置における、基本的な純水供給(補給)制御である。なお、この図4では特に示さなかったが、本実施形態においては、電解タンク2内の純水が、電解タンク2に対して閉回路として設けられた純水循環配管部7を介して、循環されつつ、水電解装置1に供給されるべく構成されている。
The processes from
具体的には、本実施形態においては、純水循環配管部7に設けられた循環水ポンプ8によって、電解タンク2内の純水が循環させられ、純水循環配管部7に設けられた熱交換器9、ポリシャ10、およびフィルタ11を介して、水電解装置1の純水用孔115,116に純水が供給される。なお、この純水循環配管部7には、水質警報手段12、水温警報手段13、および循環水量警報手段も設けられている。
Specifically, in the present embodiment, pure water in the
本実施形態においては、このように種々の要素を設けた閉回路たる純水循環配管部7を介して、水電解装置1に純水が供給されるので、適切な性状を有する純水の供給が可能となる。また、ポリシャ10を設けたことにより、純水の純度を高めた状態で、水電解装置1に対して純水を供給可能となる。また、フィルタ11を設けたことにより、純水中に含まれた不純物を除去して、水電解装置1に対して純水を供給することができる。さらに、本実施形態においては、水質警報手段12および水温警報手段13が設けられているので、上述した熱交換器9、ポリシャ10、およびフィルタ11に何等かの不具合が生じた(あるいは生じそうであった)としても、その旨を検知して、不適切な(純度が低いあるいは不純物が多い等の)純水が供給される前に、熱交換器9、ポリシャ10、あるいはフィルタ11を交換可能である。また、本実施形態においては、循環水量警報手段が設けられているので、循環水量が処理量(所定の処理量)を下回って、電解セルが損傷するのを防止している。つまり、電解セルへの供給水量が不足すると、電解セル内での水の流れが不均一となり、局部的な発熱によって固体電解質膜が損傷するおそれがあるが、本実施形態は、循環水量警報手段を設けることによって、循環水量の低下を事前に察知して、斯かる問題を効果的に解決することができる。したがって、本実施形態によれば、継続的に、適切な性状を有する純水を水電解装置1に対して供給することができる。また、本実施形態においては、先に述べたように、純水循環配管部7の適切な箇所にガス抜きを設けているので、純水循環配管部7中の酸素ガスが純水の循環に不具合を生じさせないように、必要に応じて、適宜、ガス抜きを行うことができる。
In the present embodiment, pure water is supplied to the
このように、本実施形態においては、純水の水質や温度を制御して、適切な性状を有する純水を水電解装置1に供給しているので、固体電解質膜63の寿命をのばすことが可能となると共に、水電解装置1における電解効率をも向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, the quality and temperature of pure water are controlled and pure water having appropriate properties is supplied to the
また、本実施形態においては、水素分離タンク4にて水素ガスと分離された純水についても、純水戻り配管部15(および純水タンク3等)を介して、再利用可能(水電解装置1に対して供給可能)であるべく構成されている。なお、本実施形態においては、上述したように、純水タンク3と電解タンク2とが純水供給配管部5にて接続され、電解タンク2中の水電解装置1と水素分離タンク4とが水素ガス搬送配管部14にて接続され、水素分離タンク4と純水タンク3とが純水戻り配管部15にて接続されている。すなわち、純水タンク3、電解タンク2、および水素分離タンク4は、純水供給配管部5、水素ガス搬送配管部14、および純水戻り配管部15によって、閉じた回路として構成されている。水素分離タンク4から純水戻り配管部15を用いて搬送される純水には、水素が溶存されており、もし、この閉回路中の循環を連続して繰り返すとすれば、その溶存率は高まる一方となり、装置構成上好ましくない。つまり、水素分離タンク4から排出される純水中には、水素発生圧力下での溶存水素が含まれており、これをそのまま純水タンク(補給水タンク)3に戻した場合、圧力が大気圧に開放されるため、減圧に伴い、差圧分の溶存水素がガス化して放出される。そうすると、純水タンク3内で水素と空気とが混合し、徐々に水素濃度が上昇して、種々の不具合を生ずる可能性がある。そこで、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、斯かる純水戻り配管部15の所定箇所にガススクラバ16を配して、上述した不具合を解消すべく構成されている。
In the present embodiment, the pure water separated from the hydrogen gas in the hydrogen separation tank 4 can also be reused via the pure water return pipe section 15 (and the
次に、水電解装置1に対する電流値制御について説明する。図5は、本実施形態に係る電流値制御の一態様のフローチャートを示したものである。
Next, current value control for the
図5に示すように、本実施形態においては、まず、ステップ801において、水素分離タンク4に設けられた第一の圧力検知手段25を用いて、水素ガスの圧力を検知する。ここで、水素分離タンク4内の水素ガスの圧力は、水素ガス生成量(水電解装置1で生成され、水素ガス搬送配管部14を介して水素分離タンク4に搬送される水素ガス量)と、水素ガス供給量(水素ガス供給配管部21を介して、水素分離タンク4から水素ガス使用箇所に供給される水素ガス量)とのバランスによって変動するものである。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, first, in
次に、ステップ802においては、ステップ801における圧力検知信号に基づいて、水素分離タンク4内の水素ガス圧力が所定値以下であるか否かの判断が行われる。水素ガス圧力が所定値以下になると、必要とされる水素ガスの供給が困難となるからである。そして、ここで、水素ガス圧力が所定値以下であると判断された場合には(ステップ802にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ803の処理が行われる。また、水素ガス圧力が所定値以下ではないと判断された場合には(ステップ802にて「No」と判断された場合には)、再度、ステップ801以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ803においては、ステップ802の判断に基づいて、第一の圧力検知手段25から電流値制御手段28に対して圧力検知信号を送り、この圧力検知信号に基づいて、電流値制御手段28から水電解装置1に対して適切な値の電流が供給される。ここで、供給する電流は、必要とする供給水素ガス量(あるいは水素ガス圧等)、および水素ガス圧変動率(単位時間当たりの水素ガス圧変動量)等によって、適宜、適切な値が選択されて水電解装置1に供給される。
Next, in
次に、ステップ804においては、水素分離タンク4に設けられた第一の圧力検知手段25を用いて、水素ガスの圧力を検知する。
Next, in
次に、ステップ805においては、ステップ804における圧力検知信号に基づいて、水素分離タンク4内の水素ガス圧力が所定範囲内にあるか否かの判断が行われる。そして、ここで、水素ガス圧力が所定範囲内にあると判断された場合には(ステップ805にて「Yes」と判断された場合には)、次いでステップ806の処理が行われる。また、水素ガス圧力が所定範囲内にないと判断された場合には(ステップ805にて「No」と判断された場合には)、再度、ステップ803以降の処理が行われる。
Next, in
次に、ステップ806においては、ステップ805の判断に基づいて、水電解装置1に対する電流値制御手段28からの電流の供給が停止される。そして、このステップ806の後は、再度、ステップ801以降の処理が行われる。
Next, in
本実施形態においては、上述したように、ステップ801からステップ806の工程に示すべく、水電解装置1に対して、電流が供給される。すなわち、本実施形態においては、水素ガス生成量と水素ガス供給量とのバランスを第一の圧力検知手段25を用いて検知し、この検知信号を電流値制御手段28に送って、検知信号に応じた(圧力変動に応じた)電流値が水電解装置1に供給されている。なお、本実施形態においては、電流値制御手段28としては、整流器等が用いられる。すなわち、本実施形態においては、整流器等を用いて、整流器PID制御が行われる。
In the present embodiment, as described above, a current is supplied to the
水電解装置に対する電流の供給は、常時一定電流を供給する定電流制御、あるいは、ON/OFF制御などを用いて制御機構が煩雑となることを抑制し、よりメンテナンスし易いものとすることも可能である。
前記PID制御によれば水素ガスの必要な圧力に対応すべく、水素ガスを貯留するための大きいタンク(すなわち、使用圧力の下限値から上限値にまで対応可能なタンク)が必要となることを防止し得る。そして、使用される水素ガス圧力の変動に対応するために、あらかじめ、斯かるタンク内に所定量の水素ガスを貯留する必要があり、使用される水素ガス圧力が、上限値側から下限値側に移行する場合には、水素ガスを大気開放等して、必要とされる水素ガス圧力に対応することが必要となることも防止し得る。すなわち、使用される水素ガス圧力が、上限値側に移行する場合には、上記のような整流器PID制御を用いることで他の電流供給方法(常時一定あるいはON/OFF制御)等に比べ、迅速に対応(必要な水素ガス圧力の上昇に応じた水素ガスの生成)し得る。そのため、タンク内に常に所定量(例えば100%運転で30分〜2時間分のガス発生量)の水素ガスを貯留しておく必要がなくなるという効果をも奏する。さらに、本実施形態の電解装置は、アルカリ水電解に比べて装置の出力が低下(例えば15%以下)した場合でも、陰極側と陽極側との圧力を均一に維持することができ、水素と酸素とが隔膜を通過して混合してしまうおそれを防止し得る。このため、装置停止/再起動時には、装置内のガスをN2パージして追い出すという作業を必要としないという効果をも奏する。
Current supply to the water electrolysis device can be controlled more easily by using constant current control that constantly supplies a constant current, or by using ON / OFF control to prevent the control mechanism from becoming complicated. It is.
According to the PID control, a large tank for storing hydrogen gas (that is, a tank capable of handling from the lower limit value to the upper limit value of the working pressure) is required to accommodate the required pressure of hydrogen gas. Can be prevented. In order to cope with fluctuations in the used hydrogen gas pressure, it is necessary to store a predetermined amount of hydrogen gas in the tank in advance, and the used hydrogen gas pressure is changed from the upper limit side to the lower limit side. In the case of shifting to (1), it is possible to prevent the hydrogen gas from being released into the atmosphere or the like to cope with the required hydrogen gas pressure. That is, when the hydrogen gas pressure to be used moves to the upper limit value side, using the rectifier PID control as described above, it is quicker than other current supply methods (always constant or ON / OFF control). (Generation of hydrogen gas in response to an increase in the required hydrogen gas pressure). Therefore, there is also an effect that it is not necessary to always store a predetermined amount (for example, gas generation amount for 30 minutes to 2 hours in 100% operation) in the tank. Furthermore, the electrolysis apparatus of the present embodiment can maintain the pressure on the cathode side and the anode side uniformly even when the output of the apparatus is reduced (for example, 15% or less) as compared with alkaline water electrolysis. It is possible to prevent the possibility of oxygen mixing with the diaphragm. For this reason, when the apparatus is stopped / restarted, there is an effect that the operation of purging the gas in the apparatus by purging with N 2 is not required.
しかも、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、上述したように、水素ガスの使用量に応じて、電流値制御手段28から水電解セル1に対し適切な電流が供給される構成であるため、生成される水素ガス、および水電解セル1に供給される電流について、無駄をなくすことが可能となる。また、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、閉回路たる純水循環配管部7を介して、水電解セル1に対して純水が供給されるため、水電解セル1および電解タンク2は、比較的高い密閉性を維持することができる。つまり、水電解セル1を駆動させなくとも、所定の水素ガス圧力を得ることができる。よって、水素ガスの圧力に特に変動がない場合(水素ガスが使用されていない場合)には、水電解セル1に対する電流の供給を停止することも可能である。したがって、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、適切な圧力の水素等の供給を行いつつ、水電解セル1を0〜100%の範囲で駆動させることが可能となる。
In addition, as described above, the hydrogen / oxygen gas generator according to the present embodiment is configured such that an appropriate current is supplied from the current value control means 28 to the
また、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、第一の圧力検知手段25によって水素分離タンク4内の水素ガスの圧力を検知し、第二の圧力検知手段35によって電解タンク2内の酸素ガスの圧力を検知して、それぞれの検知信号が差圧検知手段45に送られる。そして、この差圧検知手段45で得られる水素ガス圧力と酸素ガス圧力との差圧信号に基づいて、水素ガス供給バルブ22、第一のリリーフ弁26、酸素ガス供給バルブ32、および第二のリリーフ弁36が、適宜調整される。本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、運転中においても、固体電解質膜を通して酸素ガスが水素ガスに混入することを防止し、得られる水素ガスの純度を高くし得る点において水素ガス圧力を酸素ガス圧力よりも若干高く設定している。すなわち、本実施形態においては、上述した差圧信号に基づいて、水電解セル1内にて、酸素ガス圧力よりも水素ガス圧力の方が若干高くなるよう、各バルブ26,36の調整が行われている。
In the hydrogen / oxygen gas generator according to this embodiment, the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen separation tank 4 is detected by the first pressure detection means 25, and the inside of the
なお、要すれば、逆に酸素ガスの圧力を水素ガスに比べて若干高いものにすることもできる。このように、水素ガスと酸素ガスとの間に設ける若干の圧力差としては、固体電解質膜に加わる負荷を抑制し得る点から、通常、0.05〜1MPaとされ、好ましくは、0.05〜0.4MPaさらに好ましくは、0.05〜0.1MPaである。 If necessary, the pressure of the oxygen gas can be slightly higher than that of the hydrogen gas. As described above, the slight pressure difference provided between the hydrogen gas and the oxygen gas is usually 0.05 to 1 MPa, preferably 0.05, from the viewpoint that the load applied to the solid electrolyte membrane can be suppressed. -0.4 MPa More preferably, it is 0.05-0.1 MPa.
さらに、本実施形態においては、上述した各リリーフ弁26,36が、インターロックとしても機能することとなる。すなわち、差圧検知手段45で得られる差圧信号に何等かの異常が生じた場合には、固体電解質膜63等を保護するために、各リリーフ弁26,36を適切に調整して、水素ガスおよび酸素ガスの少なくとも一方を各リリーフ配管部27,37を介して放出する。なお、リリーフ弁26,36を用いたインターロックは、上述した構成に限定されるものではない。したがって、例えば、各リリーフ弁26,36としては、ばね逃がし弁等を用いることが可能であり、各リリーフ配管部27,37内の圧力が、所定の圧力を超えた場合には、各リリーフ弁26,36が適切に開放されるべく構成されていてもよい。
Furthermore, in this embodiment, each
また、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、電解タンク2から酸素使用箇所(図示省略)に対して酸素ガスを供給するために設けられた酸素ガス供給配管部31に、水素ガス検出手段34が設けられている。この水素ガス検出手段34は、酸素ガス中の水素濃度を検出すべく、熱伝導率式、密度式等のオンラインガス分析計等を用いて構成されている。本実施形態によれば、この酸素ガス供給配管部31において酸素ガス中の水素ガス濃度を検出することによって、固体電解質膜63におけるピンホールの発生等を検知することができる。すなわち、本実施形態によれば、上述したように、水電解装置1内の圧力は、酸素ガス発生側(酸素発生室A側)よりも水素ガス発生側(水素発生室C側)の方が、高くなるように構成されているため、固体電解質膜63にピンホール等が発生すれば、水素発生室Cから酸素発生室Aに対して水素ガスが混入し、水素ガスが混入した酸素ガスが、酸素ガス供給配管部31を介して供給されることとなる。したがって、本実施形態によれば、図1に示すべく、酸素ガス供給配管部31に水素ガス検出手段34を設けて、酸素ガス中の水素ガス濃度を監視することによって、固体電解質膜63の破損(ピンホール)等を早期に発見して、装置の保守管理を効果的に行うことが可能となる。なお、前記水素ガス検出手段の設置場所については、酸素ガス供給配管部31に限定されるものではなく、例えば、電解タンク2に濃度測定用の取り出し配管を設けて、該取り出し配管に設ける構成としてもよい。
Further, in the hydrogen / oxygen gas generator according to the present embodiment, hydrogen gas is supplied to the oxygen gas
さらに、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、水素分離タンク4から水素使用箇所(図示省略)に対して水素ガスを供給するために設けられた水素ガス供給配管部21に、水素ガス流量制御手段24が設けられている。この水素ガス流量制御手段24は、上述したように、流量検知手段24Aと定格流量制御バルブ24Bとを用いて構成されている。そして、この流量検知手段24Aは、水素ガス供給配管部21中を流れる水素ガスの流量を常時監視して、この水素ガスの流量に応じて、定格流量制御バルブ24Bに対し適切な制御信号を送信すべく構成されている。すなわち、本実施形態によれば、水素ガス供給配管部21の後流側にて(すなわち、水素ガス使用箇所にて)大量の水素ガスが使用されたとしても、水素ガス供給配管部21中を流れる水素ガスが定格流量を超える前に、流量検知手段24Aから定格流量制御バルブ24Bに対して制御信号が送られ、定格流量以上の水素ガスが流れないように、定格流量制御バルブ24Bが調整される。したがって、本実施形態によれば、水素ガス供給配管部21の後流側における水素ガス使用量がどのように変動したとしても、水素ガス供給配管部21にて定格流量以上の水素ガスが流れることはないので、水素ガスの品質を一定に維持することができる。このような水素ガス流量制御手段24を有する構成によれば、ユーザがバッファタンク等を用いる場合における不具合を効果的に防止可能である。具体的には、バッファタンクを用いるケースでは、水素の使用量が平常時とピーク時とで大きく変動する場合がある。このような場合、ピーク時の使用量に合わせて水素・酸素ガス発生装置を構成すると、大容量のものとなり、稼働率が低下し、経済性も悪い。このため、バッファタンクの圧力に幅をもたせて使用している(例えば、0.9MPaから0.4MPaの幅で使用している)。この間は、水電解装置1の定格発生量以上のガスを使用することになる。このような構成において、水電解装置1を定格運転するためには、本実施形態に示すべく、定格以上のガスが流れないように、流量制御を行う必要がある。これにより、水電解装置1が安定して稼動を続けると共に、後段の除湿器入口のガス性状(圧力等)も一定に制御でき、供給ガス品質を一定に維持することができる。また、このような構成であれば、水電解装置(電解セル)1の性能以上の使用をも防止することが可能となるので、装置の長寿命化を図ることもできる。
Further, in the hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment, hydrogen is supplied to the hydrogen gas
また、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、水電解装置1と水素分離タンク4との間に設けられた水素ガス搬送配管部14には、バルブ18が設けられており、さらに、水素ガス搬送配管部14上のバルブ18を迂回すべく、バイパス配管部19が設けられている。そして、このバイパス配管部19には、逆止弁20が設けられている。ここで、逆止弁20は、所定値以上の圧力が作用しない場合には開放せず、水電解装置1から水素分離タンク4に対して水素ガスが流通しないように構成されている。すなわち、本実施形態は、所定値以上(例えば、0.1MPa以上)の圧力が作用したときに、はじめて逆止弁20が開放されて、バイパス配管部19を介して、水電解装置1から水素分離タンク4に対して水素ガスが流通すべく構成されている。したがって、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置によれば、バイパス配管部19に所定値以上の圧力が作用した場合には、逆止弁20を介して、水素ガスの搬送が行われることとなる。よって、逆止弁20が開いて、水素ガス搬送配管部14、バイパス配管部19、および逆止弁20を介して、水素ガスを適切に流通させることが可能となるので、水電解装置1を構成する固体電解質膜63の破損等を効果的に防止することができる。また、前記バルブ18を、通常時には閉止させて、前記バイパス配管部19を通じて水素ガスを搬送するようにした場合には、前記バルブ18が閉止しているため、運転停止時などにおいても水素ガス分離タンクから水素ガスが水電解セルに逆流して水電解セル1を構成する固体電解質膜63の破損することをさらに防止することができる。
Further, in the hydrogen / oxygen gas generator according to the present embodiment, a
さらに、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、種々の検知手段等を用いて、ガス圧力および各タンク2,4内の水位をそれぞれ所定値となるべく制御可能に構成されている。具体的には、電解タンク2は、第二の圧力制御手段35、差圧検知手段45、および第二のリリーフ弁36等を用いてタンク内圧力が所定値となるべく制御されており、また、電解タンク水位計2Lおよび補給水ポンプ6を用いてタンク内水位が所定値となるべく制御されている。そして、水素分離タンク4は、第一の圧力制御手段25、差圧検知手段45、および第一のリリーフ弁26等を用いてタンク内圧力が所定値となるべく制御されており、また、水素分離タンク水位計4Lおよび純水排出バルブ4Aを用いてタンク内水位が所定値となるべく制御されている。さらに、水電解装置1内における酸素発生室Aと水素発生室Cとの圧力についても、先に述べたように、適切に所定値となるべく制御されている。本実施形態においては、以上のように、各ガス圧力および各タンク2,4内の水位をそれぞれ所定値となるべく制御可能である。すなわち、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、一定の条件に基づいて、運転可能に構成されている。したがって、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置は、基本的に、一定の条件に基づいて運転させることが可能であるため、高品質のガス(特に高純度の水素ガス)を得ることができる。また、一定の条件にて運転可能であるため、装置を構成している各要素に対して、ストレスが生じにくくなり、各構成要素は勿論のこと、装置全体としても、寿命を延ばすことが可能となる。なお、上述したように、本実施形態においては、ガス圧制御のみではなく、水位制御も合わせて行っているため、ガス圧制御のみを行う場合よりも、容易にガス圧制御を行うことが可能となる。
Further, the hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment is configured to be able to control the gas pressure and the water level in each of the
なお、本実施形態においては、水電解装置1を一つ用いて水素・酸素ガス発生装置を構成する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、複数の水電解装置1を用いて水素・酸素ガス発生装置を構成してもよい。この際、各水電解装置1については、それぞれ電解タンク2等を設けて、各水電解装置1をブロック化して、水素・酸素ガス発生装置を構成してもよい。斯かる構成によれば、装置全体はもとより、各ブロック毎についても、水電解装置1等の不具合を検知可能であるため、装置のいずれかの箇所に故障等が発生した場合であっても、その故障したブロックのみを停止させて交換等を行うことができる。したがって、このようなブロック化を実現した水素・酸素ガス発生装置であれば、水電解装置1等に故障が発生した場合であっても、装置全体を停止させる必要がないので、安定したガス供給を実現可能な装置とすることができる。
In the present embodiment, the case where the hydrogen / oxygen gas generating apparatus is configured by using one
また、本実施形態においては、注水機構と水素ガス排出機構とを上記のごとく構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、注水機構としては、純水を注入させて水素分離タンク4内で加圧状態に保持させ得る機構であれば、一般的なポンプ、配管、タンクなどを種々組み合わせて構成してもよく、水素ガス排出機構としては、単に大気放出させるものであってもよい。すなわち、水素ガスの供給を停止させる場合に、純水を充満させて内部の圧力を前記純水により加圧状態とさせ得るように、純水を注入させる注水機構と、水素分離タンク4内部に蓄えられている水素ガスを排出させる水素ガス排出機構が備えられていればその種類、形態などを限定するものではない。 Further, in this embodiment, the water injection mechanism and the hydrogen gas discharge mechanism are configured as described above, but the present invention is not limited to this configuration, and pure water is injected as the water injection mechanism. As long as the mechanism can be maintained in a pressurized state in the hydrogen separation tank 4, it may be configured by combining various general pumps, pipes, tanks, etc. The hydrogen gas discharge mechanism is simply released into the atmosphere. There may be. That is, when the supply of hydrogen gas is stopped, the water injection mechanism for injecting pure water and the inside of the hydrogen separation tank 4 are filled so that the pure water can be filled and the internal pressure can be made pressurized by the pure water. If the hydrogen gas discharge mechanism which discharges the stored hydrogen gas is provided, the kind, form, etc. will not be limited.
なお、本実施形態においては、固体電解質膜を透過して水素ガスと酸素ガスとが混合されるおそれをより確実に防止し得る点において、酸素ガスより固体電解質膜を通過しやすい水素ガスの分離タンクにガス排出機構および注水機構を設けているが、本発明においては、ガス排出機構および注水機構を、酸素ガスの分離タンクに設ける構成としてもよく、酸素ガス、水素ガスの両方の分離タンクにガス排出機構および注水機構を設けてもよい。 In the present embodiment, the separation of hydrogen gas that is easier to pass through the solid electrolyte membrane than oxygen gas is possible in that it can more reliably prevent the hydrogen gas and oxygen gas from being mixed through the solid electrolyte membrane. The gas discharge mechanism and the water injection mechanism are provided in the tank. However, in the present invention, the gas discharge mechanism and the water injection mechanism may be provided in the oxygen gas separation tank, and both the oxygen gas and hydrogen gas separation tanks may be provided. A gas discharge mechanism and a water injection mechanism may be provided.
また、本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置については、各要素を接続するための配管部については特に説明しなかったが、本発明においては、酸素ガスを多く有する流体を搬送させる配管部(O2リッチライン)と、水素ガスを多く有する流体を搬送させる配管部(H2リッチライン)とに対して、それぞれ適切な特性を有する配管を用いて、水素・酸素ガス発生装置を構成してもよい。具体的に、例えば、O2リッチラインは、ステンレス鋼表面に電解研磨処理を施した後、酸化性雰囲気中で加熱することにより、鉄系酸化物を主とする金属酸化物の着色酸化被膜が表面に形成されたステンレス鋼(特開平10−140322号公報参照)を用いて構成することが好ましい。このようなステンレス鋼は、酸素ガスを多く有する流体に対する金属イオンの溶出量が極めて少ないという特性を有する。したがって、このようなステンレス鋼を用いてO2リッチラインを構成すれば、酸素ガス中に対する不必要な金属イオンの溶出を効果的に防止可能な装置を実現することができる。また、例えば、H2リッチラインは、ステンレス鋼表面を清浄化処理した後、酸化性雰囲気中で加熱処理して清浄化処理面上に着色酸化被膜を形成し、その後にこの着色酸化被膜を溶解除去したステンレス鋼(特開平10−25561号公報参照)を用いて構成することが好ましい。このようなステンレス鋼は、水素ガスを多く有する流体に対する金属イオンの溶出量が極めて少ないという特性を有する。したがって、このようなステンレス鋼を用いてH2リッチラインを構成すれば、水素ガス中に対する不必要な金属イオンの溶出を効果的に防止可能な装置を実現することができる。 In addition, the hydrogen / oxygen gas generating apparatus according to the present embodiment has not been particularly described with respect to the piping portion for connecting each element, but in the present invention, the piping portion for transporting a fluid having a large amount of oxygen gas. A hydrogen / oxygen gas generator is constructed using pipes having appropriate characteristics for the (O 2 rich line) and the pipe part (H 2 rich line) for conveying a fluid containing a large amount of hydrogen gas. May be. Specifically, for example, in an O 2 rich line, after a surface of stainless steel is subjected to an electropolishing treatment and heated in an oxidizing atmosphere, a colored oxide film of a metal oxide mainly composed of an iron-based oxide is formed. It is preferable to use stainless steel formed on the surface (see Japanese Patent Laid-Open No. 10-140322). Such stainless steel has a characteristic that the elution amount of metal ions with respect to a fluid containing a large amount of oxygen gas is extremely small. Therefore, if an O 2 rich line is configured using such stainless steel, a device capable of effectively preventing unnecessary metal ions from being eluted into oxygen gas can be realized. In addition, for example, the H 2 rich line cleans the stainless steel surface, heats it in an oxidizing atmosphere to form a colored oxide film on the cleaned surface, and then dissolves the colored oxide film. It is preferable to use the removed stainless steel (see JP-A-10-25561). Such stainless steel has a characteristic that the elution amount of metal ions with respect to a fluid containing a large amount of hydrogen gas is extremely small. Therefore, if such a stainless steel is used to form an H 2 rich line, it is possible to realize an apparatus that can effectively prevent unnecessary elution of metal ions into the hydrogen gas.
さらに、本実施形態においては、上述した配管部のみならず、各タンク2,4についても、電解タンク2は、O2リッチラインと同様のステンレス鋼を用いて構成し、水素分離タンクは、H2リッチラインと同様のステンレス鋼を用いて構成することが好ましい。この好ましい構成によれば、各タンク2,4についても、金属イオンの溶出を防止することが可能となるので、斯かるタンクを用いれば、純度の高いガスを供給可能な装置を実現することができる。
Furthermore, in the present embodiment, not only the piping section described above but also the
また、本発明においては、自らの装置にて生成した酸素ガスを用いて、純水タンク3内の純水をバブリングすべく構成することが好ましい。本実施形態に係る水素・酸素ガス発生装置においては、空気(中の特に窒素)が唯一の不純物であり、斯かる空気は主に純水タンク3を介して装置中に混入する。したがって、斯かる空気を排除すれば、さらに高い純度の水素あるいは酸素を得ることが可能となる。そこで、本発明においては、斯かる不純物たる空気を排除するために、純水タンク3中を酸素ガスにてバブリングする構成とすることが好ましい。この際、バブリングには、本来リリーフされるはずの酸素ガス等を用いることが可能である。斯かる構成によれば、本来リリーフされるべき酸素ガス等を用いることによって、特に新たな設備等を用いることなく、純度の高い水素ガスあるいは酸素ガスを得ることが可能な水素・酸素ガス発生装置を実現することができる。
Moreover, in this invention, it is preferable to comprise so that the pure water in the
さらに、本実施形態においては、水電解装置1を電解タンク(酸素分離タンクとしても機能するタンク)2内に収容した、水素・酸素ガス発生装置について説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではなく、必要に応じて、圧力容器に保持されない構成としてもよい。具体的には、水電解装置1を特にタンク等内に収容せずに設置して、水電解装置1の酸素供給側に、酸素分離タンクを設けるように構成してもよい。ここで、図6は、水素・酸素ガス発生装置の一例を示したものである。この図6において、図1等を用いて説明した要素と同様のものについては、同様の符号を付している。図6に示された水素・酸素ガス発生装置は、酸素分離タンク2の外に設けられた電解セル1に対して、純水循環配管部7を介して純水が供給され、この電解セルに対しては、図1等を用いて説明した水素・酸素ガス発生装置と同様に、電流値制御手段28を介して電力(電流)が供給される。また、電解セル1にて生成された水素ガスは、水素ガス搬送配管部14を介して、水素分離タンク(図示省略)に搬送される。さらに、電解セルにて生成された酸素ガスは、酸素ガス搬送配管部94を介して、酸素分離タンク2に搬送される。図6に示した水素・酸素ガス発生装置は、以上のように構成されており、電解セル1がタンク外に設けられている点(およびこれに伴う酸素ガス搬送配管部94の存在等)を除けば、基本的には、図1等を用いて説明した水素・酸素ガス発生装置と同様の構成を有している。つまり、この図6に示した水素・酸素ガス発生装置についても、図1等を用いて説明した水素・酸素ガス発生装置の場合と同様に、種々のセンサ等を設けることができ、上述した種々の制御等を実現することが可能となるので、図1等を用いて説明した水素・酸素ガス発生装置と同様の効果を得ることができる。
Further, in the present embodiment, the hydrogen / oxygen gas generating apparatus in which the
また、本実施形態においては純水循環配管部にポリシャ、フィルタなどを配した構成としたが、このようなポリシャ、フィルタなどを純水循環配管部に設けずに補給水ポンプと純水タンクとの間の純水供給配管部に配して純水循環配管部の耐圧性を高めて、発生させる水素ガスおよび酸素ガスの圧力をより高圧のものとすることもできる。 Further, in the present embodiment, a polisher, a filter, and the like are arranged in the pure water circulation piping unit. However, a makeup water pump, a pure water tank, and the like are not provided in the pure water circulation piping unit. It is also possible to increase the pressure resistance of the hydrogen gas and oxygen gas to be increased by increasing the pressure resistance of the pure water circulation piping section by arranging in the pure water supply piping section.
なお、このようにポリシャ、フィルタなどを純水供給配管部に配する場合には、電解セルに供給される水の純度が、前述のごとく、溶解された金属などにより低下することを抑制し得る点から、水電解セルを前述のごとく水面上に露出させることが好ましく、さらに、純水循環配管部の水の一部を純水タンクに戻し、その分、ポリシャ、フィルタなどを通過して補給される水量を増量させることが好ましい。 In addition, when a polisher, a filter, etc. are arranged in the pure water supply piping section as described above, the purity of water supplied to the electrolysis cell can be suppressed from being lowered by dissolved metal as described above. From the point of view, it is preferable to expose the water electrolysis cell on the water surface as described above. Further, a part of the water in the pure water circulation piping section is returned to the pure water tank, and the water is replenished by passing through a polisher and a filter. It is preferable to increase the amount of water produced.
また、本実施形態においては、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する構成としたが、酸素分離タンクに代えて水素分離タンク内に収容することも可能で、別の圧力容器内に収容することも可能ある。 In this embodiment, the water electrolysis cell is housed in the oxygen separation tank. However, the water electrolysis cell may be housed in a hydrogen separation tank instead of the oxygen separation tank, and housed in another pressure vessel. It is also possible.
なお、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する構成とした場合においては、水電解セル内外の圧力差を小さいものとし水電解セルの破損を抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。さらに、水素分離タンク内に収容した場合に比べて、部材の水素脆化を低減させる。また、水電解セルに不具合が生じても、水素分離タンク内の水素ガスの純度低下を低減し得る。なお、部材の水素脆化を低減させる点、水電解セルに不具合が生じても水素分離タンク内の水素ガスの純度低下を低減し得る点においては、水電解セルを別途圧力容器内に収容して該圧力容器内を窒素ガスなどのガスにより加圧しても同様の効果を得ることができるが、水電解セルを酸素分離タンク内に収容する場合は、別途圧力容器を用いることでの装置の部品点数が増加し、製造コストが増大することを抑制し得る。さらに、窒素ガスなどの圧力制御などにより運転コストが増大することも抑制し得る。 When the water electrolysis cell is configured to be accommodated in the oxygen separation tank, the pressure difference between the inside and outside of the water electrolysis cell is made small so that hydrogen gas at a higher pressure is generated while suppressing damage to the water electrolysis cell. obtain. Furthermore, hydrogen embrittlement of the member is reduced as compared with the case where it is accommodated in the hydrogen separation tank. Moreover, even if a malfunction occurs in the water electrolysis cell, the decrease in purity of the hydrogen gas in the hydrogen separation tank can be reduced. In addition, in terms of reducing hydrogen embrittlement of the member and reducing the purity of hydrogen gas in the hydrogen separation tank even if a failure occurs in the water electrolysis cell, the water electrolysis cell is separately accommodated in a pressure vessel. The same effect can be obtained by pressurizing the inside of the pressure vessel with a gas such as nitrogen gas. However, when the water electrolysis cell is accommodated in the oxygen separation tank, the pressure vessel is separately used. It can suppress that the number of parts increases and manufacturing cost increases. Furthermore, it is possible to suppress an increase in operating cost due to pressure control of nitrogen gas or the like.
また、本実施形態においては、水電解セル全体を均一にかつすばやく冷却し、局所的に高温となって不具合が生じることを防止し得る点から、水電解セルを酸素分離タンク内に水中に水没させた状態で収容しているが、本発明においては、酸素分離タンク内に台座を設けるなどして、水電解セルを水面上に露出させて収容しても良い。純水、なかでも超純水と呼ばれる純水は、高圧となることで、金属などを溶解させるおそれがあることから前述のように水電解セルを水面上に露出させて収容することで水電解セルの劣化を抑制しつつ、より高い圧力の水素ガスを発生させ得る。 Further, in the present embodiment, the entire water electrolysis cell is uniformly and quickly cooled, and the water electrolysis cell is submerged in water in the oxygen separation tank from the point that it can be prevented from becoming defective due to high temperatures locally. In the present invention, the water electrolysis cell may be exposed and stored on the water surface by providing a pedestal in the oxygen separation tank. Pure water, especially pure water called ultrapure water, has the potential to dissolve metals, etc. due to high pressure, so water electrolysis cells are exposed and stored on the water surface as described above. While suppressing the deterioration of the cell, higher pressure hydrogen gas can be generated.
なお、本明細書中において、「所定値」とは、定められたある値を示す場合のみならず、定められたある範囲(ある範囲内の値、あるいは範囲内の複数の値)を示す場合も含む概念である。 In this specification, the “predetermined value” is not only a case where a predetermined value is indicated, but also a case where a predetermined range (a value within a certain range or a plurality of values within a range) is indicated. It is a concept that also includes
1…水電解装置(電解セル)、2…電解タンク、2L…電解タンク水位計、3…純水タンク、3A…純水供給バルブ、3L…純水タンク水位計、4…水素分離タンク、4A…純水排出バルブ、4L…水素分離タンク水位計、5…純水供給配管部、6…補給水ポンプ、7…純水循環配管部、8…循環水ポンプ、9…熱交換器、10…ポリシャ、11…フィルタ、12…水質警報手段、13…水温警報手段、14…水素ガス搬送配管部、15…純水戻り配管部、16…ガススクラバ、17…水素放出配管部、18…バルブ、19…バイパス配管部、20…逆止弁、21…水素ガス供給配管部、22…水素ガス供給バルブ、23…水素ガス除湿手段、24…水素ガス流量制御手段、24A…流量検知手段、24B…定格流量制御バルブ、25…第一の圧力検知手段、26…第一のリリーフ弁、27…第一のリリーフ配管部、28…電流値制御手段、31…酸素ガス供給配管部、32…酸素ガス供給バルブ、33…酸素ガス除湿手段、34…水素ガス検出手段、35…第二の圧力検知手段、36…第二のリリーフ弁、37…第二のリリーフ配管部、45…差圧検知手段、50…注水タンク、52…純水注入配管、52A…注入水制御バルブ、53…水素ガス排出配管、53A…水素ガス排出バルブ、54…還流配管、54A…還流バルブ、60…ボルト、61…絶縁板、62…電極板、63…固体電解質膜、64…多孔質給電体、65…ガスケット、66…保護シート、67…水素ガス取り出し経路、67a…水素ガス取り出し通路、68…酸素ガス取り出し経路、68a…酸素ガス取り出し通路、69…両端板、94…酸素ガス搬送配管部
A…酸素発生室、C…水素発生室
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記陰極部にて発生された水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部に連通され、前記陰極部の水素ガスと水とが導入され加圧状態で気液分離される水素分離タンクと、
前記陽極部にて発生された酸素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陽極部に連通され、前記陽極部の酸素ガスと水とが導入され加圧状態で気液分離される酸素分離タンクとを備える水素・酸素ガス発生装置であって、
前記水素分離タンクおよび前記酸素分離タンクの少なくとも一方の分離タンクには、前記水電解セルの運転が停止した場合に、内部に蓄えられているガスが排出され且つ純水が注入されることにより内部に純水が充満されて加圧状態とされ得るように、ガス排出機構と注水機構とが備えられていることを特徴とする水素・酸素ガス発生装置。 It has an anode part with a positive electrode, a cathode part with a negative electrode, and a solid electrolyte membrane that separates the anode part and the cathode part, and water is electrolyzed to generate oxygen gas at the anode part. A water electrolysis cell in which hydrogen gas is generated at the cathode part,
Hydrogen separation in which hydrogen gas generated in the cathode portion is taken out in a pressurized state and is communicated with the cathode portion, and hydrogen gas and water in the cathode portion are introduced and gas-liquid separated in a pressurized state A tank,
Oxygen separation that is communicated with the anode part and oxygen gas and water in the anode part are introduced and gas-liquid separated in a pressurized state so that oxygen gas generated in the anode part can be taken out in a pressurized state A hydrogen / oxygen gas generator comprising a tank,
When at least one of the hydrogen separation tank and the oxygen separation tank is stopped, the gas stored therein is discharged and pure water is injected when the operation of the water electrolysis cell is stopped. A hydrogen / oxygen gas generator comprising a gas discharge mechanism and a water injection mechanism so that the water can be filled with pure water to be pressurized.
前記陰極部にて発生させた水素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陰極部の水素ガスと水とを水素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離し、
前記陽極部にて発生させた酸素ガスを加圧状態で取り出し得るように、前記陽極部の酸素ガスと水とを酸素分離タンクに導入して加圧状態で気液分離する水素・酸素ガス発生装置の運転方法であって、
前記水電解セルの運転が停止した場合に、前記水素分離タンクおよび前記酸素分離タンクの少なくとも一方の分離タンクにおいて、内部に蓄えられているガスを排出させ且つ純水を注入させて、分離タンクの内部を純水にて充満させ加圧状態とすることを特徴とする水素・酸素ガス発生装置の運転方法。 Using a water electrolysis cell having an anode part provided with a positive electrode, a cathode part provided with a negative electrode, and a solid electrolyte membrane separating the anode part and the cathode part, water was electrolyzed and the anode part To generate oxygen gas, to generate hydrogen gas at the cathode,
Introducing the hydrogen gas and water in the cathode part into a hydrogen separation tank and gas-liquid separation in a pressurized state so that hydrogen gas generated in the cathode part can be taken out in a pressurized state,
Hydrogen / oxygen gas generation in which oxygen gas and water in the anode part are introduced into an oxygen separation tank and gas-liquid separation is performed in a pressurized state so that the oxygen gas generated in the anode part can be taken out in a pressurized state A method of operating the device,
When the operation of the water electrolysis cell is stopped, in the separation tank of at least one of the hydrogen separation tank and the oxygen separation tank, the gas stored therein is discharged and pure water is injected, A method for operating a hydrogen / oxygen gas generator, wherein the interior is filled with pure water to provide a pressurized state.
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