JP6826699B2 - ガス製造装置及びガス製造方法 - Google Patents
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Description
2OH−→(1/2)O2↑+H2O+2e− …(1)
で表され、陰極反応は
2H2O+2e−→H2↑+2OH− …(2)
で表される。したがってアルカリ水の電解プロセスにおいては、全体としては水が消費されるものの、陰極反応において水が消費されるのに対し陽極反応においては水が生成するので、電解反応の進行に伴って陽極側循環タンクと陰極側循環タンクとの間に液面差が生じてしまう。また陽極反応ではOH−イオンが消費され、陰極反応ではOH−イオンが生成するので、陽極室と陰極室との間で電荷中性を保つように隔膜を透過してイオンが移動するところ、陰極反応で生成したOH−イオンの全てが陰極室から陽極室に移動するわけではない。すなわち、通常、陰極反応で生成したOH−イオンの一部のみが隔膜を透過して陰極室から陽極室に移動し、その残部に対応する陰極室における負電荷の過剰は陽イオン(アルカリ水の溶質がNaOHならNa+イオン、アルカリ水の溶質がKOHならK+イオン)が隔膜を透過して陽極室から陰極室に移動することによって解消される。その結果、電解反応の進行に伴って陽極側循環タンクと陰極側循環タンクとの間で電解液の濃度差が生じてしまう。
[1] 陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画するイオン透過性の隔膜とを備える電解槽と、
第1の電解液循環系と、
第2の電解液循環系と、
電解液交換装置と
を備える、ガス製造装置であって、
前記第1の電解液循環系は、
前記陽極室から流出した第1の電解液を受け容れ貯留する、第1の循環タンクと、
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を前記陽極室に供給する、第1の循環ポンプとを含み、
前記第2の電解液循環系は、
前記陰極室から流出した第2の電解液を受け容れ貯留する、第2の循環タンクと、
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を前記陰極室に供給する、第2の循環ポンプとを含み、
前記電解液交換装置は、前記第1の電解液循環系に存在する前記第1の電解液の一部を前記第2の電解液循環系に移送し、且つ、前記第2の電解液循環系に存在する前記第2の電解液の一部を前記第1の電解液循環系に移送することを特徴とする、ガス製造装置。
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液の一部を前記第2の循環タンクに移送する、第1の電解液移送手段と、
前記第2の循環ポンプの出側と前記陰極室の入側とを繋ぐ配管を流れる前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環ポンプの出側と前記陽極室の入側とを繋ぐ配管に移送する、第2の電解液移送手段とを含む、[1]に記載のガス製造装置。
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液の一部を前記第1の循環タンクに移送する、第1の電解液移送手段と、
前記第1の循環ポンプの出側と前記陽極室の入側とを繋ぐ配管を流れる前記第1の電解液の一部を、前記第2の循環ポンプの出側と前記陰極室の入側とを繋ぐ配管に移送する、第2の電解液移送手段とを含む、[1]に記載のガス製造装置。
前記陰極室から流出した第2のガス流の圧力を制御する、第2の圧力制御弁と、
をさらに備える、[1]〜[3]のいずれかに記載のガス製造装置。
前記第2のガス流を受け容れ冷却する、第2の冷却装置と、
前記第1の冷却装置に接続され、前記第1の冷却装置によって冷却された第1のガス流を受け容れ、該第1のガス流中の液化された水分を除去する、第1のフィルタ装置と、
前記第2の冷却装置に接続され、前記第2の冷却装置によって冷却された第2のガス流を受け容れ、該第2のガス流中の液化された水分を除去する、第2のフィルタ装置と、
をさらに備え、
前記第1の冷却装置および前記第1のフィルタ装置は、前記第1の圧力制御弁の上流側に配置され、
前記第2の冷却装置および前記第2のフィルタ装置は、前記第2の圧力制御弁の上流側に配置されている、[4]に記載のガス製造装置。
前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を測定する、差圧検知器と、
前記差圧検知器の測定結果に基づいて、前記第1の圧力制御弁および/または前記第2の圧力制御弁を制御する、弁制御装置とを備える、[6]に記載のガス製造装置。
(a)前記陽極室に第1の電解液を供給し且つ前記陰極室に第2の電解液を供給しながら前記陽極と前記陰極との間に通電することにより、前記陽極から酸素ガスを発生させ且つ前記陰極から水素ガスを発生させる工程と、
(b)前記陽極室から、酸素ガスを含む第1のガス流、及び、前記第1の電解液を回収する工程と、
(c)前記陰極室から、水素ガスを含む第2のガス流、及び、前記第2の電解液を回収する工程と、
(d)前記陽極室から回収された前記第1の電解液を、第1の循環タンクに貯留する工程と、
(e)前記陰極室から回収された前記第2の電解液を、第2の循環タンクに貯留する工程と、
(f)前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を、第1の循環ポンプを用いて前記陽極室に送液する工程と;
(g)前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を、第2の循環ポンプを用いて前記陰極室に送液する工程と;
(h)前記第1の電解液の一部を、前記第2の電解液中に導入する工程と、
(i)前記第2の電解液の一部を、前記第1の電解液中に導入する工程とを含む、ガス製造方法。
前記工程(i)が、前記第2の循環ポンプから送出された前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環ポンプから送出された前記第1の電解液に合流させることを含む、[8]に記載のガス製造方法。
前記工程(i)が、前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環タンクに移送することを含む、[8]に記載のガス製造方法。
(k)前記陰極室から回収された前記第2のガス流の圧力を、該第2のガス流の流路に設けられた第2の圧力制御弁を用いて制御する工程とをさらに含む、[8]〜[10]のいずれかに記載のガス製造方法。
(m)前記第2のガス流を冷却する工程と、
(n)前記工程(l)を経た前記第1のガス流から、前記工程(l)において凝縮した水分を除去する工程と、
(o)前記工程(m)を経た前記第2のガス流から、前記工程(m)において凝縮した水分を除去する工程とをさらに含み、
前記工程(j)は、前記工程(l)及び(n)を経た前記第1のガス流の圧力を、前記第1の圧力制御弁を用いて制御することにより行われ、
前記工程(k)は、前記工程(m)及び(o)を経た前記第2のガス流の圧力を、前記第2の圧力制御弁を用いて制御することにより行われる、[11]に記載のガス製造方法。
(p1)前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を測定する工程と、
(p2)前記工程(p1)の測定結果に基づいて、前記工程(j)及び(k)において前記第1の圧力制御弁および/または前記第2の圧力制御弁を制御する工程とを含む、[13]に記載のガス製造方法。
図1は、本発明の一の実施形態に係るガス製造装置100を模式的に説明する図である。ガス製造装置100は、電解液としてアルカリ水を用い、アルカリ水の電気分解により酸素ガス及び水素ガスを製造する装置である。ガス製造装置100は、電解槽10と、第1の電解液循環系20と、第2の電解液循環系30と、純水供給系40と、電解液交換装置50と、第1のガス回収ライン60と、第2のガス回収ライン70とを備えている。図1中、矢印は物質の流れる向きを指している。
陽極室11からは、第1の電解液と陽極室11で発生したガスとを含む第1の気液混合物が流出する。陽極室11から流出した第1の気液混合物は、配管23を通じて第1の循環タンク21に導かれ、第1の循環タンク21内部において、第1の電解液は液相領域21aに、ガス(第1のガス流)は気相領域21bに、それぞれ分離(気液分離)する。
陰極室12からは、第2の電解液と陰極室12で発生したガスとを含む第2の気液混合物が流出する。陰極室12から流出した第2の気液混合物は、配管33を通じて第2の循環タンク31に導かれ、第2の循環タンク31内部において、第2の電解液は液相領域31aに、ガス(第2のガス流)は気相領域31bに、それぞれ分離(気液分離)する。
0=dV1/dt=−wc1−v12+v21 …(3)
0=dV2/dt=−wc2+v12−v21+ws2 …(4)
0=dN1/dt=nf1+np21−v12・C1+v21・C2 …(5)
0=dN2/dt=nf2−np21+v12・C1−v21・C2 …(6)
(式中、
V1:第1の電解液循環系20の液量[L]
V2:第2の電解液循環系30の液量[L]
N1:第1の電解液循環系20のOH−イオン含有量[mol]
N2:第2の電解液循環系30のOH−イオン含有量[mol]
wc1:陽極室における単位時間毎の水消費量[L/s](水が生成する場合は負の値)
wc2:陰極室における単位時間毎の水消費量[L/s]
ws2:純水供給系40による第2の循環タンク31への単位時間毎の水供給量[L/s]
nf1:陽極室における単位時間毎のOH−イオン生成量[mol/s](OH−イオンが消費される場合は負の値)
nf2:陰極室における単位時間毎のOH−イオン生成量[mol/s]
np21:隔膜13を透過して陰極室12から陽極室11へ移動するOH−イオンの単位時間毎の量[mol/s]
v12:電解液交換装置50による第1の電解液循環系20から第2の電解液循環系30への単位時間毎の送液量[L/s]
v21:電解液交換装置50による第2の電解液循環系30から第1の電解液循環系20への単位時間毎の送液量[L/s]
である。)
なおガス製造装置100において、v12は第1の電解液移送手段51の送液量と同義であり、v21は第2の電解液移送手段52の送液量と同義である。
ws2=wc1+wc2 …(7)
が得られる。すなわち純水供給系40による水の供給量は電解槽10における水の消費量と等しければよい。
また式(4)−式(3)から
v12−v21=−wc1 …(8)
が得られる。
式(5)+式(6)から
nf1+nf2=0 …(9)
が得られる。これは常に満たされる(上記式(1)(2)参照)。
式(6)−式(5)から
nf2−nf1−2np21+2(v12・C1−v21・C2)=0
が得られ、式(9)からnf1=−nf2なので
nf2−np21+v12・C1−v21・C2=0 …(10)
となる。陰極室12で生成したOH−イオンの全部が隔膜13を透過して陽極室11に移動すればnp21=nf2であるが、上記の通り実際にはそうではないので、0<np21<nf2である。したがって無次元数α(0<α<1。以下において「OH−透過率α」ということがある。)を用いて
np21=α・nf2 …(11)
と表すことができ、式(10)から
(1−α)nf2+v12・C1−v21・C2=0 …(10’)
となる。式(8)を用いてv21を消去すると
v12={(1−α)nf2−wc1・C2}/(C2−C1) …(12)
が得られ、式(8)から
v21={(1−α)nf2−wc1・C1}/(C2−C1) …(13)
となる。
nf2=ne …(14)
wc1=(18/1000)×(−1/2)ne=−0.009ne …(15)
wc2=(18/1000)×ne=0.018ne …(16)
と表すことができる。ただしガス製造装置100運転時の電解液温度における水の密度を1000g/Lとする近似を採用している。式(14)〜(16)を式(12)(13)(7)及び(8)に代入すると
v12={(1−α)ne+0.009ne・C2}/(C2−C1) …(12’)
v21={(1−α)ne+0.009ne・C1}/(C2−C1) …(13’)
ws2=0.009ne …(7’)
v12=v21+0.009ne …(8’)
が得られる。式(12’)(13’)において左辺(v12及びv21)は正であり、右辺の分子も常に正であるから、右辺の分母においてC2>C1が成り立つ。すなわち定常状態においては、第2の電解液循環系30における電解液濃度C2(すなわち第2の電解液の濃度。)が、第1の電解液循環系20における全体としての電解液濃度C1(すなわち第1の電解液の濃度。)よりも高く維持される。
v1=vp1+v21 …(14)
v2=vp2−v21 …(15)
と表される。陽極室11及び陰極室12への電解液供給量v1、v2は略等しいことが好ましい。具体的には、比v2/v1が0.80〜1.20、より好ましくは0.90〜1.10となるように、第1の循環ポンプ22、第2の循環ポンプ32、及び第2の電解液移送手段52の送液量vp1、vp2、及びv21が制御されることが好ましい。比v2/v1が上記範囲内であることにより、陽極室11と陰極室12との間での電解後の電解液濃度差が安定するので、電解槽10の電解電圧を安定化することが容易になる。
ガス製造装置100の動作、及び、ガス製造装置100を用いる形態のガス製造方法について、図1を参照しつつさらに説明する。
本発明に関する上記説明では、第1の循環タンク21に貯留された第1の電解液の一部を第2の循環タンク31に移送する第1の電解液移送手段51、及び、第2の循環ポンプ32の出側と陰極室12の入側とを繋ぐ第2の配管35を流れる第2の電解液の一部を第1の循環ポンプ22の出側と陽極室11の入側とを繋ぐ第1の配管25に移送する第2の電解液移送手段52を含む電解液交換装置50を備える形態のガス製造装置100、並びに、該ガス製造装置100を用いる形態のガス製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第1の電解液移送手段が、第2の循環タンク31に貯留された第2の電解液の一部を第1の循環タンク21に移送し、第2の電解液移送手段が、第1の循環ポンプ22の出側と陽極室11の入側とを繋ぐ第1の配管25を流れる第1の電解液の一部を第2の循環ポンプ32の出側と陰極室12の入側とを繋ぐ第2の配管35に移送する形態の電解液交換装置を備えるガス製造装置、及び、該ガス製造装置を用いる形態のガス製造方法とすることも可能である。
0=dV1/dt=−wc1−v12+v21 …(3)
0=dV2/dt=−wc2+v12−v21+ws2 …(4)
0=dN1/dt=nf1+np21−v12・C1+v21・C2 …(5)
0=dN2/dt=nf2−np21+v12・C1−v21・C2 …(6)
ガス製造装置200において、v12は第2の電解液移送手段252の送液量と同義であり、v21は第1の電解液移送手段251の送液量と同義である。式(3)〜(6)は上記同様に解くことができ、上記同様に
v12={(1−α)ne+0.009ne・C2}/(C2−C1) …(12’)
v21={(1−α)ne+0.009ne・C1}/(C2−C1) …(13’)
ws2=0.009ne …(7’)
v12=v21+0.009ne …(8’)
が得られる。すなわちガス製造装置100における場合と同様に、定常状態においては、第2の電解液循環系30における電解液濃度C2(すなわち第2の電解液の濃度。)が、第1の電解液循環系20における全体としての電解液濃度C1(すなわち第1の電解液の濃度。)よりも高く維持される。また電解液交換装置250の送液量v12、v21を増やすほど、定常状態における第1の電解液と第2の電解液との濃度差C2−C1は小さくなる。
v1=vp1−v12 …(14’)
v2=vp2+v12 …(15’)
と表される。陽極室11及び陰極室12への電解液供給量v1、v2は略等しいことが好ましい。具体的には、比v2/v1が0.80〜1.20、より好ましくは0.90〜1.10となるように、第1の循環ポンプ22、第2の循環ポンプ32、及び第2の電解液移送手段252の送液量vp1、vp2、及びv12が制御されることが好ましい。比v2/v1が上記範囲内であることにより、陽極室11と陰極室12との間での電解後の電解液濃度差が安定するので、電解槽10の電解電圧を安定化することが容易になる。
ガス製造装置200の動作、及び、ガス製造装置200を用いる形態のガス製造方法について、図2を参照しつつさらに説明する。
本発明に関する上記説明では、第2の循環タンク31に水を供給する純水供給系40を備える形態のガス製造装置100及び200、並びに、該ガス製造装置100及び200を用いる形態のガス製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第1の循環タンク21に水を供給する純水供給系を備える形態のガス製造装置、及び、該ガス製造装置を用いる形態のガス製造方法とすることも可能である。
0=dV1/dt=−wc1−v12+v21+ws1 …(18)
0=dV2/dt=−wc2+v12−v21 …(19)
0=dN1/dt=nf1+np21−v12・C1+v21・C2 …(5)
0=dN2/dt=nf2−np21+v12・C1−v21・C2 …(6)
(式(18)及び(19)中、ws1は純水供給系40による第1の循環タンク21への単位時間毎の水供給量[L/s]を表す。)
ガス製造装置300において、v12は第1の電解液移送手段51の送液量と同義であり、v21は第2の電解液移送手段52の送液量と同義である。式(18)(19)(5)(6)を解く。式(18)+(19)より
ws1=wc1+wc2 …(20)
である。式(2)−(1)より、
wc1−wc2+2(v12−v21)−ws1=0
さらに式(20)を代入して
v12−v21=wc2 …(21)
が得られる。
式(5)及び(6)より、上記同様に
nf1+nf2=0 …(9)
及び
nf2−np21+v12・C1−v21・C2=0 …(10)
が得られる。上記同様にOH−透過率α(0<α<1)を用いて
np21=α・nf2 …(11)
と表すことができ、式(10)から
(1−α)nf2+v12・C1−v21・C2=0 …(10’)
となる。式(10’)及び(21)から
v12={(1−α)nf2+wc2・C2}/(C2−C1) …(22)
v21={(1−α)nf2+wc2・C1}/(C2−C1) …(23)
が得られる。上記同様に
nf2=ne …(14)
wc1=(18/1000)×(−1/2)ne=−0.009ne …(15)
wc2=(18/1000)×ne=0.018ne …(16)
と表せる。式(14)〜(16)を式(20)〜(23)に代入すると
v12={(1−α)ne+0.018ne・C2}/(C2−C1) …(22’)
v21={(1−α)ne+0.018ne・C1}/(C2−C1) …(23’)
ws1=0.009ne …(20’)
v12=v21+0.018ne …(21’)
が得られる。すなわちガス製造装置100における場合と同様に、定常状態においては、第2の電解液循環系30における電解液濃度C2(すなわち第2の電解液の濃度。)が、第1の電解液循環系20における全体としての電解液濃度C1(すなわち第1の電解液の濃度。)よりも高く維持される。また電解液交換装置50の送液量v12、v21を増やすほど、定常状態における第1の電解液と第2の電解液との濃度差C2−C1は小さくなる。
v1=vp1+v21 …(14)
v2=vp2−v21 …(15)
と表される。陽極室11及び陰極室12への電解液供給量v1、v2は略等しいことが好ましい。具体的には、比v2/v1が0.80〜1.20、より好ましくは0.90〜1.10となるように、第1の循環ポンプ22、第2の循環ポンプ32、及び第2の電解液移送手段52の送液量vp1、vp2、及びv21が制御されることが好ましい。比v2/v1が上記範囲内であることにより、陽極室11と陰極室12との間での電解後の電解液濃度差が安定するので、電解槽10の電解電圧を安定化することが容易になる。
ガス製造装置300の動作、及び、ガス製造装置300を用いる形態のガス製造方法は、純水供給系40が第2の循環タンク31ではなく第1の循環タンク21に水を供給する点以外は、ガス製造装置100に関する上記説明と同様である。ガス製造装置300及び該ガス製造装置300を用いる形態のガス製造方法によっても、上記同様の効果を得ることが可能である。
図4は、他の一の実施形態に係るガス製造装置400を模式的に説明する図である。図4において、図1〜3に既に表れた要素には図1〜3における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。ガス製造装置400は、電解液交換装置50に代えて電解液交換装置250(図2参照)を備える点において、ガス製造装置300と異なっている。
0=dV1/dt=−wc1−v12+v21+ws1 …(18)
0=dV2/dt=−wc2+v12−v21 …(19)
0=dN1/dt=nf1+np21−v12・C1+v21・C2 …(5)
0=dN2/dt=nf2−np21+v12・C1−v21・C2 …(6)
ガス製造装置400において、v12は第2の電解液移送手段252の送液量と同義であり、v21は第1の電解液移送手段251の送液量と同義である。式(18)(19)(5)(6)は上記同様に解くことができ、
v12={(1−α)ne+0.018ne・C2}/(C2−C1) …(22’)
v21={(1−α)ne+0.018ne・C1}/(C2−C1) …(23’)
ws1=0.009ne …(20’)
v12=v21+0.018ne …(21’)
が得られる。すなわちガス製造装置300における場合と同様に、定常状態においては、第2の電解液循環系30における電解液濃度C2(すなわち第2の電解液の濃度。)が、第1の電解液循環系20における全体としての電解液濃度C1(すなわち第1の電解液の濃度。)よりも高く維持される。また電解液交換装置250の送液量v12、v21を増やすほど、定常状態における第1の電解液と第2の電解液との濃度差C2−C1は小さくなる。
v1=vp1−v12 …(14’)
v2=vp2+v12 …(15’)
と表される。陽極室11及び陰極室12への電解液供給量v1、v2は略等しいことが好ましい。具体的には、比v2/v1が0.80〜1.20、より好ましくは0.90〜1.10となるように、第1の循環ポンプ22、第2の循環ポンプ32、及び第2の電解液移送手段252の送液量vp1、vp2、及びv12が制御されることが好ましい。比v2/v1が上記範囲内であることにより、陽極室11と陰極室12との間での電解後の電解液濃度差が安定するので、電解槽10の電解電圧を安定化することが容易になる。
ガス製造装置400の動作、及び、ガス製造装置400を用いる形態のガス製造方法は、純水供給系40が第2の循環タンク31ではなく第1の循環タンク21に水を供給する点以外は、ガス製造装置200に関する上記説明と同様である。ガス製造装置400及び該ガス製造装置400を用いる形態のガス製造方法によっても、上記同様の効果を得ることが可能である。
図5は、他の一の実施形態に係るガス製造装置500を模式的に説明する図である。図5において、図1〜4に既に表れた要素には図1〜4における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。ガス製造装置500は、第1の圧力制御弁61の上流側における第1のガス流の圧力と、第2の圧力制御弁71の上流側における第2のガス流の圧力との差圧を制御する差圧制御手段80をさらに備える点において、ガス製造装置100(図1参照)と異なっている。図5において、破線の矢印は情報の流れる向きを表す。
ガス製造装置500の動作、及び、ガス製造装置500を用いる形態のガス製造方法は、差圧制御手段80に関する事項以外は、ガス製造装置100に関する上記説明と同様である。ガス製造装置500においては更に、差圧制御手段80により、第1の圧力制御弁61の上流側における第1のガス流の圧力と、第2の圧力制御弁71の上流側における第2のガス流の圧力との差圧が所定の値に制御される(ステップ(p))。具体的には、差圧検知器81により、第1の圧力制御弁61の上流側における第1のガス流の圧力と、第2の圧力制御弁71の上流側における第2のガス流の圧力との差圧が測定され(ステップ(p1))、ステップ(p1)の測定結果に基づいて、上記ステップ(j)及び(k)において第1の圧力制御弁61及び/又は第2の圧力制御弁71が制御される(ステップ(p2))。ステップ(p)は、上記説明したステップ(a)乃至(k)と同時に連続的に行われる。かかる形態のガス製造方法によれば、ガス製造装置100を用いる形態のガス製造方法について上記説明した効果に加えて、第1の循環タンク21及び第2の循環タンク31における液面レベルの差をさらに低減することが可能になるほか、電解槽10において差圧によって一方の極室中のガスが隔膜を透過して他方の極室中に押し込まれることによるガス純度の低下を抑制することが可能になる。
図6は、他の一の実施形態に係るガス製造装置600を模式的に説明する図である。図6において、図1〜5に既に表れた要素には図1〜5における符号と同一の符号を付し、説明を省略することがある。ガス製造装置600は、第1のガス回収ライン60に代えて第1のガス回収ライン660を備え、第2のガス回収ライン70に代えて第2のガス回収ライン670を備える点において、ガス製造装置500(図5参照)と異なっている。
ガス製造装置600の動作、及び、ガス製造装置600を用いる形態のガス製造方法については、第1の冷却装置664及び第1のフィルタ装置665、並びに第2の冷却装置674及び第2のフィルタ装置675に関する事項以外は、ガス製造装置500を用いる形態のガス製造方法に関する上記説明と同様である。
陰極室12から回収され、第2の循環タンク31の気相領域31bから流出した第2のガス流は、第2の冷却装置674において冷却される(ステップ(m))。第2のフィルタ装置675において、ステップ(m)を経た第2のガス流から、ステップ(m)において凝縮した水分が除去される(ステップ(o))。ステップ(m)及び(o)を経た第2のガス流の圧力は、第2の圧力制御弁71により制御される(ステップ(k))。
ステップ(l)乃至(o)は、上記説明したステップ(a)乃至(k)及び(p)と同時に連続的に行われる。
第2の圧力制御弁71を経た第2のガス流は、第2の冷却装置674において冷却される(ステップ(m))。第2のフィルタ装置675において、ステップ(m)を経た第2のガス流から、ステップ(m)において凝縮した水分が除去される(ステップ(o))。
ステップ(l)乃至(o)は、上記説明したステップ(a)乃至(k)及び(p)と同時に連続的に行われる。
本発明に関する上記説明では、第1の電解液移送手段51/251及び第2の電解液移送手段52/252としてそれぞれポンプを有する電解液交換装置50/250を備える形態のガス製造装置100、200、300、400、500、及び600、並びにかかる形態のガス製造装置を用いるガス製造方法を主に例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、ポンプを有しない電解液交換装置を備える形態のガス製造装置、及び該ガス製造装置を用いる形態のガス製造方法とすることも可能である。
vp1=f1 …(24)
vp2=f2 …(25)
v21=f3 …(26)
v1=f1+f3 …(27)
v2=f2−f3 …(28)
と表される。f3の目標値は例えば上記式(13’)によりv21として求めることができる。
f1=v1−v21 …(27’)
f2=v2+v21 …(28’)
として定まるので、f1、f2、及びf3の目標値が実現されるように第1〜第3の流量制御弁FCV1、FCV2、及びFCV3の開度を制御することができる。第1〜第3の流量制御弁FCV1、FCV2、及びFCV3の開度の制御にあたっては、フィードバック制御等の公知の制御手段を用いることができる。
ガス製造装置700の動作、及び、ガス製造装置700を用いる形態のガス製造方法について、図8を参照しつつさらに説明する。
本発明に関する上記説明では、第1の循環タンク21に貯留された第1の電解液の一部を第2の循環タンク31に移送する第1の電解液移送手段751、及び、第2の循環ポンプ32の出側と陰極室12の入側とを繋ぐ第2の配管35を流れる第2の電解液の一部を第1の循環ポンプ22の出側と陽極室11の入側とを繋ぐ第1の配管25に移送する第2の電解液移送手段752を含む電解液交換装置750を備える形態のガス製造装置700、並びに、該ガス製造装置700を用いる形態のガス製造方法を例に挙げたが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、ポンプを有しない電解液交換装置を備え、第1の電解液移送手段が、第2の循環タンク31に貯留された第2の電解液の一部を第1の循環タンク21に移送し、第2の電解液移送手段が、第1の循環ポンプ22の出側と陽極室11の入側とを繋ぐ第1の配管25を流れる第1の電解液の一部を第2の循環ポンプ32の出側と陰極室12の入側とを繋ぐ第2の配管35に移送する形態の電解液交換装置を備えるガス製造装置、及び、該ガス製造装置を用いる形態のガス製造方法とすることも可能である。
vp1=f1 …(24)
vp2=f2 …(25)
v12=f3 …(29)
v1=f1−f3 …(30)
v2=f2+f3 …(31)
と表される。f3の目標値は例えば上記式(12’)によりv12として求めることができる。
f1=v1+v12 …(30’)
f2=v2−v12 …(31’)
として定まるので、f1、f2、及びf3の目標値が実現されるように第1〜第3の流量制御弁FCV1、FCV2、及びFCV3の開度を制御することができる。第1〜第3の流量制御弁FCV1、FCV2、及びFCV3の開度の制御にあたっては、フィードバック制御等の公知の制御手段を用いることができる。
ガス製造装置800の動作、及び、ガス製造装置800を用いる形態のガス製造方法について、図9を参照しつつさらに説明する。
10 電解槽
11 陽極室
12 陰極室
13 (イオン透過性の)隔膜
20 第1の電解液循環系
21 第1の循環タンク
21a 液相領域
21b 気相領域
22 第1の循環ポンプ
23、24 配管
25 第1の配管
30 第2の電解液循環系
31 第2の循環タンク
31a 液相領域
31b 気相領域
32 第2の循環ポンプ
33、34 配管
35 第2の配管
40 純水供給系
41 純水タンク
42 水供給ポンプ
50、250、750、850 電解液交換装置
51、251、751、851 第1の電解液移送手段
52、252、752、852 第2の電解液移送手段
7525、8525 第3の配管
F1 第1の流量計
F2 第2の流量計
F3 第3の流量計
FCV1 第1の流量制御弁
FCV2 第2の流量制御弁
FCV3 第3の流量制御弁
60、660 第1のガス回収ライン
61 第1の圧力制御弁
62 配管
63 圧力計
664 第1の冷却装置
665 第1のフィルタ装置
70、670 第2のガス回収ライン
71 第2の圧力制御弁
72 配管
73 圧力計
674 第2の冷却装置
675 第2のフィルタ装置
80 差圧制御手段
81 差圧検知器
82 弁制御装置
Claims (14)
- 陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画するイオン透過性の隔膜とを備える電解槽と、
第1の電解液循環系と、
第2の電解液循環系と、
電解液交換装置と
を備える、ガス製造装置であって、
前記第1の電解液循環系は、
前記陽極室から流出した第1の電解液を受け容れ貯留する、第1の循環タンクと、
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を前記陽極室に供給する、第1の循環ポンプと
を含み、
前記第2の電解液循環系は、
前記陰極室から流出した第2の電解液を受け容れ貯留する、第2の循環タンクと、
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を前記陰極室に供給する、第2の循環ポンプと
を含み、
前記電解液交換装置は、前記第1の電解液循環系に存在する前記第1の電解液の一部を前記第2の電解液循環系に移送し、且つ、前記第2の電解液循環系に存在する前記第2の電解液の一部を前記第1の電解液循環系に移送し、
前記電解液交換装置が、
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液の一部を前記第2の循環タンクに移送する、第1の電解液移送手段と、
前記第2の循環ポンプの出側と前記陰極室の入側とを繋ぐ配管を流れる前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環ポンプの出側と前記陽極室の入側とを繋ぐ配管に移送する、第2の電解液移送手段と
を含む、ガス製造装置。 - 陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画するイオン透過性の隔膜とを備える電解槽と、
第1の電解液循環系と、
第2の電解液循環系と、
電解液交換装置と
を備える、ガス製造装置であって、
前記第1の電解液循環系は、
前記陽極室から流出した第1の電解液を受け容れ貯留する、第1の循環タンクと、
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を前記陽極室に供給する、第1の循環ポンプと
を含み、
前記第2の電解液循環系は、
前記陰極室から流出した第2の電解液を受け容れ貯留する、第2の循環タンクと、
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を前記陰極室に供給する、第2の循環ポンプと
を含み、
前記電解液交換装置は、前記第1の電解液循環系に存在する前記第1の電解液の一部を前記第2の電解液循環系に移送し、且つ、前記第2の電解液循環系に存在する前記第2の電解液の一部を前記第1の電解液循環系に移送し、
前記電解液交換装置が、
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液の一部を前記第1の循環タンクに移送する、第1の電解液移送手段と、
前記第1の循環ポンプの出側と前記陽極室の入側とを繋ぐ配管を流れる前記第1の電解液の一部を、前記第2の循環ポンプの出側と前記陰極室の入側とを繋ぐ配管に移送する、第2の電解液移送手段と
を含む、ガス製造装置。 - 前記陽極室から流出した第1のガス流の圧力を制御する、第1の圧力制御弁と、
前記陰極室から流出した第2のガス流の圧力を制御する、第2の圧力制御弁と、
をさらに備える、請求項1又は2に記載のガス製造装置。 - 前記第1のガス流を受け容れ冷却する、第1の冷却装置と、
前記第2のガス流を受け容れ冷却する、第2の冷却装置と、
前記第1の冷却装置に接続され、前記第1の冷却装置によって冷却された第1のガス流を受け容れ、該第1のガス流中の液化された水分を除去する、第1のフィルタ装置と、
前記第2の冷却装置に接続され、前記第2の冷却装置によって冷却された第2のガス流を受け容れ、該第2のガス流中の液化された水分を除去する、第2のフィルタ装置と、
をさらに備え、
前記第1の冷却装置および前記第1のフィルタ装置は、前記第1の圧力制御弁の上流側に配置され、
前記第2の冷却装置および前記第2のフィルタ装置は、前記第2の圧力制御弁の上流側に配置されている、請求項3に記載のガス製造装置。 - 前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を所定の値に制御する、差圧制御手段をさらに備える、
請求項3又は4に記載のガス製造装置。 - 前記差圧制御手段が、
前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を測定する、差圧検知器と、
前記差圧検知器の測定結果に基づいて、前記第1の圧力制御弁および/または前記第2の圧力制御弁を制御する、弁制御装置と
を備える、
請求項5に記載のガス製造装置。 - 陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画するイオン透過性の隔膜とを備える電解槽を用いて、アルカリ水溶液である電解液を電解することにより酸素ガス及び水素ガスを製造する方法であって、
(a)前記陽極室に第1の電解液を供給し且つ前記陰極室に第2の電解液を供給しながら前記陽極と前記陰極との間に通電することにより、前記陽極から酸素ガスを発生させ且つ前記陰極から水素ガスを発生させる工程と、
(b)前記陽極室から、酸素ガスを含む第1のガス流、及び、前記第1の電解液を回収する工程と、
(c)前記陰極室から、水素ガスを含む第2のガス流、及び、前記第2の電解液を回収する工程と、
(d)前記陽極室から回収された前記第1の電解液を、第1の循環タンクに貯留する工程と、
(e)前記陰極室から回収された前記第2の電解液を、第2の循環タンクに貯留する工程と、
(f)前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を、第1の循環ポンプを用いて前記陽極室に送液する工程と、
(g)前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を、第2の循環ポンプを用いて前記陰極室に送液する工程と、
(h)前記第1の電解液の一部を、前記第2の電解液中に導入する工程と、
(i)前記第2の電解液の一部を、前記第1の電解液中に導入する工程と、
を含み、
前記工程(h)が、
前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液の一部を、前記第2の循環タンクに移送すること
を含み、
前記工程(i)が、
前記第2の循環ポンプから送出された前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環ポンプから送出された前記第1の電解液に合流させること
を含む、ガス製造方法。 - 陽極を収容し酸素ガスを発生する陽極室と、陰極を収容し水素ガスを発生する陰極室と、前記陽極室と前記陰極室とを区画するイオン透過性の隔膜とを備える電解槽を用いて、アルカリ水溶液である電解液を電解することにより酸素ガス及び水素ガスを製造する方法であって、
(a)前記陽極室に第1の電解液を供給し且つ前記陰極室に第2の電解液を供給しながら前記陽極と前記陰極との間に通電することにより、前記陽極から酸素ガスを発生させ且つ前記陰極から水素ガスを発生させる工程と、
(b)前記陽極室から、酸素ガスを含む第1のガス流、及び、前記第1の電解液を回収する工程と、
(c)前記陰極室から、水素ガスを含む第2のガス流、及び、前記第2の電解液を回収する工程と、
(d)前記陽極室から回収された前記第1の電解液を、第1の循環タンクに貯留する工程と、
(e)前記陰極室から回収された前記第2の電解液を、第2の循環タンクに貯留する工程と、
(f)前記第1の循環タンクに貯留された前記第1の電解液を、第1の循環ポンプを用いて前記陽極室に送液する工程と、
(g)前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液を、第2の循環ポンプを用いて前記陰極室に送液する工程と、
(h)前記第1の電解液の一部を、前記第2の電解液中に導入する工程と、
(i)前記第2の電解液の一部を、前記第1の電解液中に導入する工程と、
を含み、
前記工程(h)が、
前記第1の循環ポンプから送出された前記第1の電解液の一部を、前記第2の循環ポンプから送出された前記第2の電解液に合流させること
を含み、
前記工程(i)が、
前記第2の循環タンクに貯留された前記第2の電解液の一部を、前記第1の循環タンクに移送すること
を含む、ガス製造方法。 - (j)前記陽極室から回収された前記第1のガス流の圧力を、該第1のガス流の流路に設けられた第1の圧力制御弁を用いて制御する工程と、
(k)前記陰極室から回収された前記第2のガス流の圧力を、該第2のガス流の流路に設けられた第2の圧力制御弁を用いて制御する工程と、
をさらに含む、請求項7又は8に記載のガス製造方法。 - (l)前記第1のガス流を冷却する工程と、
(m)前記第2のガス流を冷却する工程と、
(n)前記工程(l)を経た前記第1のガス流から、前記工程(l)において凝縮した水分を除去する工程と、
(o)前記工程(m)を経た前記第2のガス流から、前記工程(m)において凝縮した水分を除去する工程と、
をさらに含み、
前記工程(j)は、前記工程(l)及び(n)を経た前記第1のガス流の圧力を、前記第1の圧力制御弁を用いて制御することにより行われ、
前記工程(k)は、前記工程(m)及び(o)を経た前記第2のガス流の圧力を、前記第2の圧力制御弁を用いて制御することにより行われる、請求項9に記載のガス製造方法。 - (p)前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を、所定の値に制御する工程
をさらに含む、
請求項9又は10に記載のガス製造方法。 - 前記工程(p)が、
(p1)前記第1の圧力制御弁の上流側における前記第1のガス流の圧力と、前記第2の圧力制御弁の上流側における前記第2のガス流の圧力との差圧を測定する工程と、
(p2)前記工程(p1)の測定結果に基づいて、前記工程(j)及び(k)において前記第1の圧力制御弁および/または前記第2の圧力制御弁を制御する工程と、
を含む、
請求項11に記載のガス製造方法。 - 前記陰極室の内部の圧力が、大気圧に対して20kPa以上高圧に維持される、
請求項7〜12のいずれかに記載のガス製造方法。 - 前記陽極室の内部の圧力が、大気圧に対して20kPa以上高圧に維持される、
請求項7〜13のいずれかに記載のガス製造方法。
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