JP5770829B2 - 電解装置の安全性及び性能を確保し監視する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、膜で隔てられたカソード及びアノードを含む少なくとも１つの電解槽を使用する製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を監視し確保する方法に関する。
本発明はまた、少なくとも１つの電解槽を使用する製造ユニット内で行われる製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を監視し確保するための、本発明の方法を実行することができるシステムに関する。
本発明はまた、少なくとも１つの電解槽を使用する製造ユニット内で行われる製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を監視し確保するための、本発明の方法を実行することができるシステムに関する。
電気分解は、例えば、塩素酸ナトリウム、苛性ソーダ及び塩素の製造などの化学工業の種々の分野において、より価値の高い化学物質を製造するために用いられる。通常、電気分解は、酸化反応が起るアノード及び還元反応が起るカソードを備え、これら２つの電極がイオン交換膜によって隔てられた電解装置内で行われる。
電解装置は、通常、アノード３及びカソード５を備えた電解槽２から構成される（図１参照）。酸化が起るのはアノード３においてであり、酸化体が電気化学的に還元されるのはカソード５においてである。電子は、アノード３で生成され、外部負荷を通って流れてカソード５に至る。電解液中でイオンがアノード３とカソード５との間に流れて、回路が完結する。薄いプロトン交換膜７が、アノード・コンパートメントからカソード・コンパートメントへのイオンの通過を可能にする。
塩素の製造の場合、飽和塩水（塩化ナトリウム、ＮａＣｌ）が電解槽のアノード側に供給され、そこで塩化物イオン（Ｃｌ-）が酸化されて塩素（Ｃｌ2）になる。電解槽のカソード側では、水が還元されて水素（Ｈ2）と水酸化物イオン（ＯＨ-）になる。後者は、アノード側から膜を通過して移動したナトリウムイオン（Ｎａ+）と結合して、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）を形成する。
アノードとカソードとを接続する方式は、技術によって異なる。電極は、並列、直列又はそれらの組合せで接続することができる。
電解槽の監視に付随する１つの問題は、その運転条件が非常に過酷なことである。このことにより、データ取得は困難で信頼できないものになる。単一の電解槽電圧は、なんら遅延することなく電解槽の機能不全に応答することが知られている。しかし、単一の電解槽電圧は、正常運転中にも、例えば、負荷が変化する際に変化する。既知の単一電圧監視システムは、電解槽室内の安全システムとして働くにも、塩素及び／又は水素の製造に関連する高い危険性をカバーするにも、十分に正確ではなく信頼できるものではない。
安全システムとして、一群の電解槽の平均電圧を別の群の平均電圧と比較する、バランス電圧監視システムを装備することが一般的である。この方法は、例えば、故障した電解槽の単一電圧が下がり、一方、直ぐ隣の２つの電解槽の電圧が上がる短絡回路の場合のように、電解装置の全体のバランスが変化しない場合には、信頼できない可能性がある。また、製品品質を分析して電解槽の機能不全を検出することも一般的である。例えば、欠陥がある膜は、塩化ナトリウムの電気分解の場合には、水素と塩素の爆発性混合物を生じる可能性がある。ほとんどのプラントでは、１つの分析器が主塩素冷却器の後に装備されている。それゆえに、理論的には電解槽室の外部の爆発だけを回避することができる。しかし、実際には、その分析器（通常、ガスクロマトグラフ又は熱伝導性検出器）は応答時間が数分もかかるので、塩素取り扱い区域内の爆発も起きている。
本明細書において、ＩＥＣ ６１５１１のＳＩＬ ２に準拠する安全システムとして共に働く、電解槽のいかなる機能不全をも検出して危険発生前に電解槽をシャットダウンさせるための方法及びシステムを説明する。
また本明細書において、電気分解を監視し、個々の電解槽が故障又は性能低下しているかどうか判断する方法を説明する。
また本明細書において、電気分解を監視し、個々の電解槽が故障又は性能低下しているかどうか判断する方法を説明する。
この目的で、一態様は、膜で隔てられた少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとを含む少なくとも１つの電解槽を使用する製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を監視する方法を提供することであり、該方法は、電流に依存し、正常に動作する電解槽に対応する、安全単一電圧運転範囲を決定するステップと、電流の時間微分に依存する参照電圧偏差を決定するステップと、電解槽の端子の単一電圧を経時的に計測するステップと、計測された単一電圧の時間微分を計算することにより計測単一電圧偏差を決定するステップと、経時的に、電解槽の計測された単一電圧を安全単一電圧運転範囲と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を参照電圧偏差と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を一群の参照電解槽の平均電圧偏差と比較するステップと、計測された単一電圧が安全単一電圧運転範囲を外れるか、又は計測単一電圧偏差と参照電圧偏差との間の差が所定の範囲を外れるか、又は単一電圧挙動が一群の参照電解槽の平均と異なるときに、製造プロセスを停止させるステップとを含む。
この方法は、電解槽の端子において計測された実電圧をその電圧偏差と共に比較すること、並びに、これらの実データを、電解槽が正常に動作しているとき、即ち、１つの電解槽の損傷又は破壊に至る事象が生じ得ないときの参照データと比較することを可能にする。
電解槽の正常機能は、その寿命及び／又は性能などの幾つかの条件によって決定される。電解槽の損傷及び／又は破壊の原因となる事象の大部分は、短時間のうちにその電圧の大きな変動を生じさせることがわかっている。従って、電解槽の電圧を監視することが、プロセス及びプラントの安全を守るために重要となってきた。
電解槽を損傷及び／又は破壊する原因としては、アノードの被覆損失、カソードの被覆損失、カソードの被毒、電極の不動態化、電解槽又は液体回路の閉塞、浄化に関する問題、不十分な塩水供給、供給苛性流の損失、膜の膨れ、膜汚れ及び膜の穿孔を挙げることができる。
なんらかの異常の正確且つ早期の検出には、電解槽固有の運転範囲が必要とされる。従って、本方法の第１のステップは、図４に示すような分極曲線を用いた正常挙動の分析及び識別である。一実施形態において、安全単一電圧運転範囲の限界は、それぞれ次式に従って決定される、電流Ｉ及び時間ｔに依存する最大電圧Ｕmax（ｔ）及び最小電圧Ｕmin（ｔ）である。
Ｕmin（ｔ）＝Ｕ0,min＋ｋmin／Ａ ｘ Ｉ（ｔ）
Ｕmax（ｔ）＝Ｕ0,max＋ｋmax／Ａ ｘ Ｉ（ｔ），
式中、
Ｉ（ｔ）は電解槽を通過する電流であり、
Ｕ0,min及びＵ0,maxは、それぞれ、２．２０Ｖと２．４０Ｖとの間、及び２．６０Ｖと２．８０Ｖとの間に含まれ、
ｋmin及びｋmaxは、それぞれ、０．０５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間、及び０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．２５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間に含まれ、Ａは、１．５ｍ2と５．４ｍ2の間に含まれる。
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Ｉ（ｔ）は電解槽を通過する電流であり、
Ｕ0,min及びＵ0,maxは、それぞれ、２．２０Ｖと２．４０Ｖとの間、及び２．６０Ｖと２．８０Ｖとの間に含まれ、
ｋmin及びｋmaxは、それぞれ、０．０５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間、及び０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．２５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間に含まれ、Ａは、１．５ｍ2と５．４ｍ2の間に含まれる。
一実施形態において、参照電圧偏差は次式に等しい。
式中、ｋは、０．１０Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．２０Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間に含まれ、Ａは、１．５ｍ2と５．４ｍ2との間に含まれる。
一実施形態において、本方法は、直列に取り付けられた複数の電解槽に適用される。
一実施形態において、塩化物塩を含む水溶液が電気分解される。
一実施形態において、塩化物塩を含む水溶液が電気分解される。
本明細書で説明する別の態様は、少なくとも１つの電解槽を用いる製造ユニット内で実行される製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を確保し監視するための、本方法を実行することができるシステムであり、該システムは、各々が各電解槽の端子の単一電圧を経時的に計測して、計測された電圧を伝送するように構成された複数の取得及び伝送ユニットと、取得及び伝送ユニットの各々によって伝送された単一計測電圧を収集するための処理デバイスとを備え、該処理デバイスは、電流に依存し、正常に動作する電解槽に対応する、安全単一電圧運転範囲を決定し、電流の時間微分に依存する参照単一電圧偏差を決定し、計測された単一電圧の時間微分を計算することによって計測単一電圧偏差を決定し、経時的に、電解槽の計測された単一電圧を安全単一電圧運転範囲と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を参照電圧偏差と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を一群の参照電解槽の平均電圧偏差と比較し、データを中継手段に伝送するように構成され、該システムはさらに中継ユニットを備え、該中継ユニットは、計測された単一電圧が安全単一電圧運転範囲から外れるか、又は計測単一電圧偏差と参照電圧偏差との間の差が所定の範囲から外れるか、又は単一電圧挙動が一群の参照電解槽の平均と異なるときに、処理デバイスから送出されたデータを用いて製造プロセスを停止させるように、且つ、製造プロセスを停止させる命令を伝送するように構成される。
一実施形態において、処理デバイスは、該処理デバイスから送出されるデータを受け取り分析するためのサーバに接続される。
一実施形態において、処理デバイスは、決定されたデータをサーバに対して中継し及び／又はフォーマットするように構成された中間デバイスに接続される。
一実施形態において、処理デバイスは、決定されたデータをサーバに対して中継し及び／又はフォーマットするように構成された中間デバイスに接続される。
一実施形態において、取得及び伝送ユニットは、少なくとも１つの光ファイバによって処理デバイスに接続される。
プロセッサによりアクセス可能であり、該プロセッサによって実行されるとき、該プロセッサに本方法のステップを実行させる、１つ又はそれ以上の格納された命令シーケンスを含むコンピュータプログラム製品についても説明する。
コンピュータプログラム製品の１つ又はそれ以上の命令シーケンスを搬送するコンピュータ可読媒体についても説明する。
コンピュータプログラム製品の１つ又はそれ以上の命令シーケンスを搬送するコンピュータ可読媒体についても説明する。
一実施形態において、処理デバイスは、コンピュータ可読媒体を実装するための手段を備える。
本発明は、以下の説明によってより良く理解され、添付の図面によって例証される。
図中の要素は簡単且つ明瞭となるように描かれており、必ずしも一定の尺度で描かれてはいない。例えば、図中の幾つかの要素の寸法は、実施形態の理解を深めるように、他の要素に比べて誇張されている場合がある。
図１及び図２に示すように、電解装置１に属する１つの電解槽２は、アノード３及びカソード５を備え、イオン交換膜７がそれらの間に配置される。
アノード３は、貴金属ベースの触媒を用いてチタン基材から作成することができる。カソード５は、貴金属ベースの触媒を用いてニッケル基材から作成することができる。膜７は、置換カルボン酸基及びスルホン酸基を有するパーフルオロ化ポリマーで作成することができる。
電解槽２は、アノード側３において、塩化ナトリウムを含んだ飽和塩水の水溶液９で充填され、そこで塩化物イオンが酸化されて塩素１０になる。電解槽のカソード側５では、電解液を形成する水１３が還元されて水素１５及び水酸化物イオン１７になり、これらは電解槽２から抽出される。後者は、アノード側３から膜７を通して移動するナトリウムイオンと結合して苛性ソーダを形成する。
別の実施形態において、飽和塩化カリウム溶液が用いられ、その結果、カソード・コンパートメント５内で苛性カリが形成される。
一実施形態によれば、塩酸が用いられ、その結果、カソード・コンパートメント５内で水が形成される。
別の実施形態によれば、カソード５の材料は、水素を生成する代りに酸素を消費するように適合させることができる。
驚くべきことに、カソード及び膜の被毒、アノード及びカソードの被覆の損失、並びに電極不動態化は、ゆっくりした電圧上昇と共に始まり、指数関数的に進展することが見出された。電気分解を停止させなければ、電解液が沸騰し、膜及び／又はホースが破損することになる。膜の破損の場合には、内部若しくは外部の短絡のため、又は、電解液と塩水と苛性ソーダとが混ざり合う結果として塩素の代りに酸素が生成されるため、電圧が異常に高い値から異常に低い値に降下することになる。
さらに、電解液の供給が不十分な場合には、温度及び濃度の制御が機能せず電圧が急速に上昇し、電解液が沸騰する可能性がある。差圧が所定範囲を外れた場合には、逆差圧が電圧上昇を生じさせる傾向があり、膜が破損し始めると直ぐに電圧が降下する。膜のピンホール、裂け目及び膨れは、異常に低い電圧を生じさせる。電解槽の漏れは、電解液が混ざり合う場合には異常に低い電圧を示し、又は、コンパートメントが干上がる場合には異常に高い電圧を示す。
短絡は、通常、３つの電解槽の電解槽電圧に影響を及ぼす。中間の電解槽の電解槽電圧が異常に低くなると、隣接する電解槽電圧が異常に高くなることが見出された。
要約すれば、影響を受けた電解槽の電圧は、短時間のうちに著しく上昇及び／又は降下して、実電流の関数である許容運転帯域から離れる。
図２及び図３に示すように、方法１０１は、（Ａ）正常に動作する電解槽２に対応する安全単一電圧運転範囲を決定するステップと、（Ｂ）電解槽を通過する電流の時間微分によって定められる参照電圧偏差を決定するステップと、（Ｃ）電解槽２の端子３０３及び３０５における単一電圧を経時的に計測するステップと、（Ｄ）計測された単一電圧の時間微分を計算することによって計測単一電圧偏差を決定するステップと、（Ｅ）経時的に、電解槽の計測された単一電圧を安全単一電圧運転範囲と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を参照電圧偏差と比較し、電解槽の計測単一電圧偏差を一群の参照電解槽の平均電圧偏差と比較するステップと、（Ｆ）計測された単一電圧が安全単一電圧運転範囲から外れるか、又は計測単一電圧偏差と参照電圧偏差との間の差が所定の範囲から外れるか、又は単一電圧の挙動が一群の参照電解槽の平均と異なるときに、製造プロセスを停止させるステップとを含む。
方法１０１は、少なくとも１つの電解槽２の端子３及び５の電圧の異常値、並びにそれらの異常な変動の検出を可能にする。従って、本方法は、電解槽の電圧及び電流を監視し、電解槽の電圧が許容範囲を外れた場合に、塩素１０及び／又は水素１５が放出されるか又は塩素と水素との爆発性混合物が生じる前に、製造プロセスを停止させることを含意する。
一実施形態により、本方法は、２個、１０個又は１００個など複数の電解槽に適用することができる。より正確には、本方法のステップＡは、電解槽が正常に動作する安全単一電圧運転範囲の決定を含意する。「正常に動作する」という語句は、電解槽２内の電気分解が、電解槽２の爆発又は損傷の危険性無しに進行していることに対応する。
複数の電解槽２を方法１０１によって監視する場合、電解槽２は同じものでも異なるものでもよい。正常運転範囲は、装着された膜の性能、電極間隙、アノード及びカソード上の触媒の種類などに依存する。許容される安全単一電圧運転範囲の定義は、プロセス及び電解槽２技術供給者にも依存する。
本方法のステップＡの安全単一電圧運転範囲の限界は、実験によって、又は、一実施形態において電解槽２の最大電圧及び最小電圧の値を各時間で計算することによって決定することができる。
この計算は、次式によって実行することができる。
Ｕmin（ｔ）＝Ｕ0,min＋ｋmin／Ａ ｘ Ｉ（ｔ）
Ｕmax（ｔ）＝Ｕ0,max＋ｋmax／Ａ ｘ Ｉ（ｔ），
式中、Ｕ0,min、Ｕ0,max、ｋmin及びｋmaxは、電解槽の分極曲線（図４参照）によって決定される。
Ｕmin（ｔ）＝Ｕ0,min＋ｋmin／Ａ ｘ Ｉ（ｔ）
Ｕmax（ｔ）＝Ｕ0,max＋ｋmax／Ａ ｘ Ｉ（ｔ），
式中、Ｕ0,min、Ｕ0,max、ｋmin及びｋmaxは、電解槽の分極曲線（図４参照）によって決定される。
図４に、２つの分極曲線２１及び２２で境界を定められた実分極曲線２０を示す。分極曲線２０は、種々の電流レベル（Ｉ）で計測された電解槽２の端子３０３及び３０５における実電圧（Ｕ）を報告することによって得られる（図２参照）。曲線２１及び２２は、電解槽２の正常動作の範囲を定める。これらは、本方法のステップＡの間に計算される。結果として得られる許容運転範囲は、パラメータＵ0及びｋの正常な変動範囲をカバーする。本方法は、曲線２１及び２２を履歴データから決定するためのソフトウェアモジュールを含む。しかし、それらは電解槽又は電解槽部品の供給者によって与えられるパラメータによって作成することもできる。
実分極曲線２０は、電解槽２の抵抗性効果を表す実勾配２５を示す。この実勾配２５は、２つの理論的分極曲線２１及び２２の最小勾配２７及び最大勾配２９ｋmin及びｋmaxによって囲まれる。
ｋminは、０．０５ＶｋＡ・ｍ2と０．１５ＶｋＡ・ｍ-2の間に含まれるものとすることができ、０．１０ＶｋＡ・ｍ-2付近であり得る。ｋmaxは、０．１５ＶｋＡ・ｍ2と０．２５ＶｋＡ・ｍ2の間に含まれるものとすることができ、即ち、０．２０ＶｋＡ・ｍ-2付近であり得る。上式のＵ0min及びＵ0maxは、分極曲線の電圧軸との切片３１及び３３に対応する。Ｕ0minは、２．２０Ｖと２．４０Ｖとの間に含まれるものとすることができ、即ち、２．３０Ｖ付近であり得る。Ｕ0maxは、２．６０Ｖと２．８０Ｖとの間に含まれるものとすることができ、即ち、２．７０Ｖ付近であり得る。
Ａは、電解槽の全表面積であり、典型的には、１．５ｍ2と５．４ｍ2との間に含まれ、即ち３．０ｍ2付近である。その結果として、本発明のシステムの高い精度（±１．５ｍＶ）は、経時的に電圧偏差を監視することによって異常挙動の可能な限り早期の検出を可能にする（本方法のステップＥ）。
ステップＢは、電解槽を通過する電流の時間微分によって決められる参照電圧偏差を決定することによって実行される。一実施形態によれば、参照電圧偏差は次式によって得られる。
式中、ｋは、実分極曲線２０の勾配２５であり、０．１０ＶｋＡ・ｍ-2と０．２０ＶｋＡ・ｍ-2との間に含まれ、０．１５ＶｋＡ・ｍ-2付近であり、Ａは、電解槽２の全表面積であり、典型的には、１．５ｍ2と５．４ｍ2の間に含まれ、３．０ｍ2付近である。
ステップＣは、１つの電解槽又は複数の電解槽の各々の端子３０３及び３０５の電圧を経時的に計測することにより実行される（図２参照）。あるバリエーションによれば、電圧は、１秒間及び／又は１分間といった規則的な時間範囲で計測することができる。
ステップＤは、計測された電圧の時間微分を計算して、計測電圧偏差を決定することによって実行される。
ステップＥは、経時的に、計測された電圧を安全単一電圧運転範囲と比較し、計測電圧偏差を参照電圧偏差と比較することによって実行される。
ステップＦは、計測された電圧が安全単一電圧運転範囲から外れるか、又は計測電圧偏差と参照電圧偏差との間の差が所定の範囲から外れるときに製造プロセスを停止させることによって実行される。
一実施形態によれば、所定の範囲は±５０ｍＶと±５００ｍＶとの間とされる。
ステップＤ、Ｅ及びＦは、コンピュータによって実行される適切なコンピュータプログラムによって行うことができる。
方法１０１は、１つ又はそれ以上の電解槽２の動作中に生じるいずれの問題も数ステップで検出することができるという特徴を示す。上述のように、複数の電解槽２の場合、これらは直列に取付けられる。従って、計測電圧は、各電解槽２の端子３０３及び３０５で計測された電圧である（図２参照）。直列に取付けられる電解槽２の総計は、１つの電解装置１当たり、典型的には、１個と２００個との間の電解槽２とすることができる。
反応が起きるのに必要とされる化学ポテンシャルは、２ＶＤＣと４ＶＤＣとの間にあり得る。２００個の電解槽２が直列に取付けられている場合、電解装置１の端から端までの全ポテンシャルは約８００ＶＤＣに達することがある。電気分解に必要な電流は、電極３及び５の表面、並びに所望の生産速度に依存する。例えば、電解槽２は、２ｋＡ・ｍ-2と７ｋＡ・ｍ-2との間で運転することができる。
図５に示すように、方法１０１は、前述のように少なくとも１つの電解槽２を使用する製造プロセス中に電解装置１の性能を監視するためのシステム２０１によって実装することができ、システム２０１は、各々が各電解槽２の端子３０３及び３０５の単一電圧をステップＣに従って経時的に計測し、計測された電圧を伝送するように意図された複数のデータ取得及び伝送ユニット２０３と、各々のデータ取得及び伝送ユニット２０３によって伝送される単一計測電圧を収集するための、ステップＡ、Ｂ、Ｄ及びＥを実装するように、且つ、シャットダウン命令をシャットダウン・システム２０７に伝送するように意図された処理デバイス２０５と、製造プロセスが行われる電解装置１を含む製造ユニットに接続され、処理デバイス２０５によって送られたシャットダウン命令に従って製造プロセスを停止させるように意図されたシャットダウン・システム２０７とを備える。
データ取得及び伝送ユニット２０３は、各電解槽２の端子３０３及び３０５の電圧をステップＣに従って経時的に計測し、計測された電圧を伝送するように意図されたものである。電圧の計測は、このデータ取得ユニット２０３の入力端子に接続された金属線２１１を用いて実行することができる。計測値の精度を高め、ノイズを最小にするために、線２１１を多重ケーブル保護ケーブル内に集めることができる。図６に示すように、線２１１は、当業者に知られたボルトなど任意の手段により、電解槽２の端子３０３及び３０５に結合することができる。
ＴＦＰ（端子ヒューズ保護）デバイス２１３を、電解槽２とデータ取得及び伝送ユニット２０３との間に配置することができる。データ取得及び伝送ユニット２０３は、具体的には、１つ又はそれ以上の電解槽２からデータを取得してそれらを他のユニットに伝送することができるハードウェアデバイスを含むことができる。これは、電解槽２の端子３０３及び３０５の電圧のうちの少なくとも１つを計測するＭＯＤＡ（モジュール取得）と呼ばれる電子回路基板を含むことができ、さらに、適切なセンサによって計測される温度及び気体濃度などの他の変数を計測するように適合させることができる。ＭＯＤＡは、定められたサンプリング速度でアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、メモリバッファと、不要なノイズを除去するデジタルフィルタと、そしてコア内に、データ取得及び伝送手続きを実行するために用いられるマイクロコントローラとを含む。データ取得ユニット２０３の構成要素は、それらを周囲の過酷な環境から保護する気密性の箱に収容することができる。
データ取得及び伝送ユニット２０３から送出される全てのデータは、ＳＦＯＣＯＭ（ＳＩＬ光ファイバ通信モジュール）と呼ばれる処理デバイス２０５に送られる。
一実施形態によれば、データは光ファイバ２０４を介して送られる。ＳＦＯＣＯＭ２０５は、パーソナルコンピュータ又はターミナルにプラグインされる基板である。これは、データストリームを受取り、集め、フォーマットして、これらをデータベース及びデータ管理ユニット２１５により記録可能なものにするためにデータ列にすることができる。ＳＦＯＣＯＭ２０５は、処理デバイス２０５の電力供給を可能にするＥＣＡＭと呼ばれる気密性の筐体２１９の中に配置することができる。処理デバイス２０５は、本方法を実行することができるコンピュータプログラム製品を実装するための手段を備えることができる。ＳＦＯＣＯＭ２０５はまた、ＳＦＯＣＯＭ２０５から送出されるデータを受け取るためのデータベース及びデータ管理ユニット２１５、例えば、サーバにも接続される。サーバ２１５には、何らかの異常状態が発生した場合のさらなる検査のために、全てのサンプリングされたデータ及び事象を格納するためのデータベースが装備される。
ＥＦＯＣＯＭ（イーサネット光ファイバ通信モジュール）と呼ばれる中間デバイス２２１を用いて、ＳＦＯＣＯＭ２０５をサーバ２１５に接続することができる。中間デバイス２２１は、ＳＦＯＣＯＭ２０５によって収集されたデータをサーバ２１５に対して中継することができる。中間デバイス２２１は、主としてデータ伝送目的で、そして必要な場合には付加的な高度管理アルゴリズムの実行のために用いられる。中継ユニット２２３が、処理デバイス２０５に接続される。中継ユニット２２３は、処理デバイスから送出されたデータを用いてステップＦを実装するように、そして製造プロセスを停止させるための命令を伝送するように構成される。中継ユニット２２３によって送出された命令はシャットダウン・ユニット２０７に送られ、このシャットダウン・ユニット２０７は、ＳＦＯＣＯＭ２０５によって送られた命令を送ることにより、電気分解を停止させることができる。シャットダウン・ユニット２０７は、例えば、プラントの中央デジタル制御システム（ＤＣＳ）及び／又は変圧整流器の制御システムとすることができる。
ＳＦＯＣＯＭ２０５と、サーバ２１５と、中継ユニット２２３と、必要な場合にはＥＦＯＣＯＭ２２１との間の接続は、光ファイバを用いて構成することができる。
説明した方法及びシステムは、任意の電解装置内で行われる電気分解に適用される。特に、これは燃料電池内で用いることもできる。
燃料電池は、発電機として使用される特別のタイプの電解装置である。これは、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、普通、各々がアノード３及びカソード５を備えた多数の電解槽２から構成される。燃料が電気化学的に酸化されるのはアノード３においてであり、酸化体が電気化学的に還元されるのはカソード５においてである。電子は、アノード３で生成され、外部負荷を通って流れてカソード５に至る。電解液中でイオンがアノード３とカソード５との間に流れて、回路を完結する。薄いプロトン交換膜７が、アノード・コンパートメントからカソード・コンパートメントへのイオンの通過を可能にする。
種々異なる燃料電池技術が存在する。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）はその中の１つである。ＰＥＭＦＣはまた、固体高分子形電解質（ＳＰＥ）燃料電池としても知られている。
上記の実施形態は、例示のみを意図したものである。具体的には、添付の図面に示され、上で説明された特徴はいずれも、その種々の組合せで用いることができる。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。
１：電解装置
２：電解槽
３：アノード
５：カソード
７：イオン交換膜
９：水溶液
１０：塩素
１３：水
１５：水素
１７：水酸化物イオン
２０：実分極曲線
２１、２２：分極曲線
１０１：方法
２０１：システム
２０３：データ取得及び伝送ユニット
２０４：光ファイバ
２０５：処理デバイス（ＳＦＯＣＯＭ）
２０７：シャットダウン・システム
２１１：金属線
２１３：ＴＦＰ（端子ヒューズ保護）デバイス
２１５：データベース及びデータ管理ユニット（サーバ）
２１９：密閉筐体
２２１：中間デバイス（ＥＦＯＣＯＭ）
２２３：中継ユニット
３０３、３０５：端子
２：電解槽
３：アノード
５：カソード
７：イオン交換膜
９：水溶液
１０：塩素
１３：水
１５：水素
１７：水酸化物イオン
２０：実分極曲線
２１、２２：分極曲線
１０１：方法
２０１：システム
２０３：データ取得及び伝送ユニット
２０４：光ファイバ
２０５：処理デバイス（ＳＦＯＣＯＭ）
２０７：シャットダウン・システム
２１１：金属線
２１３：ＴＦＰ（端子ヒューズ保護）デバイス
２１５：データベース及びデータ管理ユニット（サーバ）
２１９：密閉筐体
２２１：中間デバイス（ＥＦＯＣＯＭ）
２２３：中継ユニット
３０３、３０５：端子
Claims (12)
- カソード（５）及びアノード（３）を含む少なくとも１つの電解槽（２）を使用する製造プロセスにおいて、電解装置（１）の安全性及び性能を確保し、監視する方法であって、
Ａ）電流に依存し、正常に動作する電解槽（２）に対応する、安全単一電圧運転範囲を決定するステップと、
Ｂ）電流の時間微分に依存する参照単一電圧偏差を決定するステップと、
Ｃ）前記電解槽（２）の端子（３０３、３０５）の単一電圧を経時的に計測するステップと、
Ｄ）前記計測された単一電圧の時間微分を計算することにより、計測単一電圧偏差を決定するステップと、
Ｅ） 経時的に、電解槽の前記計測された単一電圧を前記安全単一電圧運転範囲と比較し、電解槽の前記計測単一電圧偏差を前記参照電圧偏差と比較し、電解槽の前記計測単一電圧偏差を一群の参照電解槽の平均電圧偏差と比較するステップと、
Ｆ） 前記計測された単一電圧が前記安全単一電圧運転範囲から外れるか、又は、前記計測単一電圧偏差と前記参照電圧偏差との間の差が所定の範囲を外れるか、又は、単一電圧挙動が一群の参照電解槽の平均電圧挙動と異なるときに、前記製造プロセスを停止させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記安全単一電圧運転範囲の限界は、電流Ｉ及び時間ｔに依存し、それぞれ、以下の式によって決定される最大電圧Ｕmax（ｔ）及び最小電圧Ｕmin（ｔ）であり、
Ｕmin（ｔ）＝Ｕ0,min＋ｋmin／Ａ ｘ Ｉ（ｔ）
Ｕmax（ｔ）＝Ｕ0,max＋ｋmax／Ａ ｘ Ｉ（ｔ），
式中、
Ｉ（ｔ）は、電解槽を通過する電流であり、
Ｕ0,min（３３）及びＵ0,max（３１）は、それぞれ、２．２０Ｖと２．４０Ｖとの間、及び２．６０Ｖと２．８０Ｖとの間に含まれ、
ｋmin（２７）及びｋmax（２９）は、それぞれ、０．０５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間、及び０．１５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2と０．２５Ｖ／ｋＡ・ｍ-2との間に含まれ、
Ａは、１．５ｍ2と５．４ｍ2との間に含まれる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。 - 前記参照電圧偏差は、次式に等しく、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。 - 直列に取付けられた複数の電解槽（２）に適用されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
- 塩化物塩を含む水溶液が電気分解されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか記載の方法。
- 少なくとも１つの電解槽（２）を使用する製造ユニット内で実行される製造プロセスにおいて、電解装置の安全性及び性能を確保し監視するための、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の方法を実行することができるシステム（２０１）であって、
ａ）各々が、各電解槽（２）の端子（３０３、３０５）の単一電圧をステップＣに従って経時的に計測し、計測された電圧を伝送するように構成された、複数の取得及び伝送ユニット（２０３）と、
ｂ）前記取得及び伝送ユニット（２０３）の各々によって伝送される単一計測電圧を収集するための、ステップＡ、Ｂ、Ｄ及びＥを実装するように、且つ、データを中継手段に伝送するように構成された処理デバイス（２０５）と、
ｃ）前記処理デバイス（２０５）から送出されたデータを用いてステップＦを実装するように、且つ、前記製造プロセスを停止させる命令を伝送するように構成された中継ユニット（２２３）と、
を備えることを特徴とするシステム（２０１）。 - 前記処理デバイス（２０５）は、該処理デバイス（２０５）から送出されたデータを受け取って分析するためのサーバ（２１５）に接続されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム（２０１）。
- 前記処理デバイス（２０５）は、前記決定されたデータを前記サーバ（２１５）に対して中継し及び／又はフォーマットするように構成された中間デバイス（２２１）に接続されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム（２０１）。
- 前記取得及び伝送ユニット（２０３）は、少なくとも１つの光ファイバによって前記処理デバイス（２０５）に接続されることを特徴とする、請求項７又は８に記載のシステム（２０１）。
- プロセッサによりアクセス可能であり、前記プロセッサによって実行されるとき、前記プロセッサに、請求項１〜請求項５までのいずれかに記載の方法のステップを実行させる、１つ又はそれ以上の格納された命令シーケンスを含むコンピュータプログム製品。
- 請求項１０に記載のコンピュータプログラム製品の１つ又はそれ以上の命令シーケンスを搬送するコンピュータ可読媒体。
- 前記処理デバイス（２０５）は、請求項１１に記載のコンピュータ可読媒体を実装するための手段を備えることを特徴とする、請求項６〜請求項９のいずれかに記載のシステム。
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