JP7129941B2 - 水電解装置の性能回復方法及び水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水電解装置の性能回復方法及び水電解装置に関する。

固体高分子膜を用いて水を電解する水電解装置が従来技術として知られている。水電解装置では、設計寿命よりも早い段階で水電解装置が備える水電解槽のセル電圧が上昇し、水電解装置が劣化するという問題がある。そこで、このような問題を解決する水電解装置として、特許文献１には、定格電流以上の所定の電流で電解を行うことにより水電解性能を回復させて、運転を継続する水電解装置が開示されている。

特開２００４－２７７８７０号公報

水電解装置が流すことが可能な電流の最大値は、整流器の仕様等で制限されるが、水電解運用時の定格電流を目安に整流器の選定がなされることが一般的である。特許文献１に開示されている水電解装置では、定格電流以上の所定の電流で電解を行うことにより水電解性能を回復させているが、一般的な水電解装置では、電流の最大値が制限されるため、特許文献１に開示されている方法では、水電解性能を十分に回復させることができない場合がある。

また、特許文献１に開示されている水電解装置では、定格電流以上の所定の電流で電解を行うため、消費電力が多くなるという問題がある。本発明の一態様は、省エネルギーで水電解装置の電解性能を回復させることを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る水電解装置の性能回復方法は、固体高分子膜と、前記固体高分子膜の一方の面に設けられた陽極と、前記固体高分子膜の他方の面に設けられた陰極と、を有する水電解槽を備える水電解装置の性能回復方法であって、前記水電解装置の運転状態を、前記水電解槽に供給される水の温度が前記水電解槽による水電解が行われる通常運転での前記水電解槽に供給される水の温度よりも低い状態となる低温運転の状態にする工程と、前記低温運転の状態であるときに前記陽極及び前記陰極間に通電する工程と、を含む。

また、本発明の一態様に係る水電解装置は、固体高分子膜を用いて水を電解する水電解装置であって、前記固体高分子膜と、前記固体高分子膜の一方の面に設けられた陽極と、前記固体高分子膜の他方の面に設けられた陰極と、を有する水電解槽と、前記水電解槽に供給される水を冷却する冷却装置と、前記冷却装置を制御することにより、前記水電解装置の運転状態を、前記水電解槽に供給される水の温度が前記水電解槽による水電解が行われる通常運転での前記水電解槽に供給される水の温度よりも低い状態となる低温運転の状態にする制御部と、前記低温運転時に前記陽極及び前記陰極間に通電することにより、前記通常運転時よりも高い電圧を前記陽極及び前記陰極間に発生し得る電源と、を備える。

本発明の一態様によれば、省エネルギーで水電解装置の電解性能を回復させることができる。

本発明の実施形態に係る水電解装置の構成を示すフロー図である。 図１に示す水電解装置の低温運転試験を実施した結果において、通常運転時のセルの運転電圧を示すグラフである。

＜水電解装置１００の構成＞
水電解装置１００の構成について図１に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る水電解装置１００の構成を示すフロー図である。水電解装置１００は、図１に示すように、水電解槽１０と、電源２０と、供給水タンク３０と、冷却装置４０と、循環ポンプ６０と、供給水ポンプ７０と、フィルタ８０と、酸素気液分離器Ｃ１と、水素気液分離器Ｃ２と、制御部１１０と、を備えている。

また、水電解装置１００は、循環ラインＡ１と、酸素ラインＢ１と、水素ラインＢ２と、水素ブロー水ラインＢ３と、分岐ラインＢ４と、酸素ブロー水ラインＢ５と、第１測定部Ｍ１と、第２測定部Ｍ２と、切り替え弁９０と、を備えている。水電解装置１００は、固体高分子膜１１を用いて水を電解する装置である。

水電解槽１０は、固体高分子膜１１と、陽極１２と、陰極１３と、を備えている。水電解槽１０は、固体高分子膜１１を用いて水を電解し、陽極１２に酸素を発生させ、陰極１３に水素を発生させる。固体高分子膜１１は、水素イオンを伝導する水素イオン伝導性の膜である。

陽極１２は、固体高分子膜１１の一方の面に設けられ、陰極１３は、固体高分子膜１１の他方の面に設けられている。水電解槽１０の内部は、固体高分子膜１１により陽極室１４と陰極室１５とに区画されている。電源２０は、直流電源であり、配線によって陽極１２と陰極１３とに接続されている。

供給水タンク３０は、水電解の処理で使用された分の水を補充するために、系外から供給された純水を蓄える。供給水タンク３０に蓄えられた水は、供給水ポンプ７０に流れる。供給水ポンプ７０は、供給水タンク３０から酸素気液分離器Ｃ１に水を供給するポンプである。供給水ポンプ７０は、酸素気液分離器Ｃ１と供給水タンク３０との間に設けられている。

冷却装置４０は、水電解槽１０に供給される水を冷却する装置である。換言すると、冷却装置４０は、循環ラインＡ１に流れる水を冷却する装置である。循環ラインＡ１は、陽極室１４と、冷却装置４０と、循環ポンプ６０と、酸素気液分離器Ｃ１と、に水が循環するラインである。

冷却装置４０は、例えば、熱交換器であり、装置内にクーリングタワーやチラーから冷媒を導入することで系内の冷却を行う。冷却装置４０は、陽極室１４と循環ポンプ６０との間にある循環ラインＡ１上に設けられている。これにより、気液２相流となることを防ぎ、かつ、圧損が高くなりすぎることを防ぐことにより、熱交換器に水が円滑に流れるようにすることができる。

酸素気液分離器Ｃ１は、陽極室１４からの水と、供給水タンク３０からの水と、を蓄える。酸素気液分離器Ｃ１は、陽極室１４と循環ポンプ６０との間にある循環ラインＡ１上に設けられている。ただし、酸素気液分離器Ｃ１は、循環ラインＡ１上において、循環ポンプ６０を基準として冷却装置４０が設けられている側とは反対側に設けられている。酸素気液分離器Ｃ１に蓄えられた水は、循環ポンプ６０に流れる。循環ポンプ６０は、酸素気液分離器Ｃ１から陽極室１４に水を供給することにより循環ラインＡ１に流れる水を循環させる循環ポンプである。循環ポンプ６０は、酸素気液分離器Ｃ１と冷却装置４０との間にある循環ラインＡ１上に設けられている。

フィルタ８０は、冷却装置４０と循環ポンプ６０との間にある循環ラインＡ１から分岐する酸素ブロー水ラインＢ５上に設けられている。フィルタ８０は、酸素ブロー水ラインＢ５に流れる水に含まれる汚染物を除去するフィルタである。

第１測定部Ｍ１は、水電解槽１０の陰極１３側、つまり、陰極室１５で生成された陰極室１５側での水素ブロー水の導電率（比抵抗）を測定する。第１測定部Ｍ１は、導電率計であるが、比抵抗計であってもよい。第２測定部Ｍ２は、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧を測定する電圧計である。陰極室１５側での水素ブロー水は、陽極１２側から陰極１３側に通過する水である。制御部１１０は、水電解装置１００の各部を制御することにより、水電解装置１００の運転を制御する制御装置である。

＜水電解装置１００の通常運転時の処理＞
次に、水電解装置１００の通常運転時の処理について説明する。ここで、水電解装置１００の定格水素発生量が１０（Ｎｍ^３／ｈ）であり、水電解槽１０の定格電流密度が２（Ａ／ｃｍ^２）であり、定格温度が８０℃である場合を考える。

この場合、水電解装置１００の通常運転時では、水電解槽１０内の水温が８０℃となる。水電解槽１０内の水温は、水電解槽１０が備えるセル（図示せず）が発熱することにより上昇する。通常運転時において、制御部１１０は、冷却装置４０を制御することにより、水電解槽１０内の水温が８０℃よりも大幅に上昇し過ぎないように、冷却装置４０に水を冷却させる。

循環ポンプ６０によって陽極室１４に供給される水は、電源２０によって陽極１２及び陰極１３間が通電されることにより、水電解される。これにより、陽極室１４では酸素が発生し、陰極室１５では水素が発生する。陽極室１４に供給される水が水電解されたとき、水素イオンが陽極室１４から陰極室１５へ移動する。具体的には、陽極室１４では、以下の式（１）に示す化学反応が発生し、陰極室１５では、以下の式（２）に示す化学反応が発生する。

２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－・・・（１）
４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２・・・（２）
陽極室１４で発生した酸素は、酸素気液分離器Ｃ１に送られ、酸素気液分離器Ｃ１は、陽極室１４で発生した酸素と水とを分離する。循環ポンプ６０によって酸素気液分離器Ｃ１から陽極室１４へ水が供給され、その水は、陽極室１４側での酸素ブロー水として供給水タンク３０及び冷却装置４０に流れる。その酸素は、酸素気液分離器Ｃ１に接続された酸素ラインＢ１から系外へ排出される。

陰極室１５で発生した水素は、水素気液分離器Ｃ２に送られ、水素気液分離器Ｃ２は、陰極室１５で発生した水素と水とを分離する。水素気液分離器Ｃ２に蓄えられた水は、水素ブロー水として水素ブロー水ラインＢ３を流れる。陰極室１５側での水素ブロー水は、水素ブロー水ラインＢ３を流れて、切り替え弁９０を通過して供給水タンク３０に供給される。つまり、通常運転時では、陰極室１５側での水素ブロー水は再利用される。その水素は、水素気液分離器Ｃ２に接続された水素ラインＢ２から系外へ排出される。切り替え弁９０は、制御部１１０に制御されることにより、流路を供給水タンク３０側と分岐ラインＢ４側とで切り替える。

また、固体高分子膜１１には、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオン等のコンタミネーション（カチオン）のような汚染物質が蓄積される。これは、循環ラインＡ１を流れる水に含まれる汚染物質が固体高分子膜１１に付着するためである。固体高分子膜１１に汚染物質が蓄積されることにより、水電解槽１０のセル電圧が上昇する。

ここで、水電解装置１００が通常運転の状態であるときに、水電解装置１００は、第２測定部Ｍ２によって陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧を測定し、第１測定部Ｍ１によって水電解槽１０の陰極１３側、つまり、陰極室１５で生成された陰極室１５側での水素ブロー水の導電率を測定する。なお、第１測定部Ｍ１が水電解装置１００に備えられない場合、ユーザは、陰極室１５側での水素ブロー水を適宜抽出して、抽出した陰極室１５側での水素ブロー水に対して導電率計を用いて導電率を測定してもよい。

また、ユーザは、第２測定部Ｍ２によって測定された陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧と第１閾値とを比較し、第１測定部Ｍ１によって測定された導電率と第２閾値とを比較する。ユーザは、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧が第１閾値以上であり、かつ、前記導電率が第２閾値以上である場合、水電解装置１００の運転状態を低温運転の状態にする。

第１閾値の一例としては、通常運転時における陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧の１０５％が挙げられる。第１閾値の値は、ユーザの欲しい性能に応じて任意に設定されてもよい。第２閾値の一例としては、１．５（μＳ／ｃｍ）が挙げられる。この場合、水素ブロー水の導電率が１．５（μＳ／ｃｍ）以上となった場合に、水電解装置１００の運転状態を低温運転の状態にする。低温運転を開始すると、汚染物質が固体高分子膜１１から水素ブロー水内に出てくるようになる。このため、低温運転を開始した際の水素ブロー水の導電率は、第２閾値より大きく上昇する。第２閾値の値は、ユーザの欲しい性能に応じて任意に設定されてもよい。

前記構成において、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧が第１閾値以上であり、かつ、陰極室１５側での水素ブロー水の導電率が第２閾値以上であるか否かを確認することで、水電解装置１００の性能が劣化しているか否かを判断する。よって、水電解装置１００の性能が劣化したことを確認できる場合のみ、水電解装置１００の運転状態を低温運転の状態にするため、適切なタイミングで水電解装置１００の電解性能を回復させることができる。

また、水電解装置１００が第１測定部Ｍ１と第２測定部Ｍ２とを備えることにより、陰極室１５側での水素ブロー水の導電率と、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧と、を測定することができる。よって、水電解装置１００の性能が劣化したか否かを適切に判断することができる。

なお、ユーザは、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧が第１閾値以上である場合のみ、水電解装置１００の運転状態を低温運転の状態にしてもよい。この場合、ユーザは、第２測定部Ｍ２によって測定された陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧と第１閾値とを比較することにより、水電解装置１００の運転状態を低温運転の状態にするか否かを判断する。また、この場合、第１測定部Ｍ１は水電解装置１００に備えられていなくてもよい。

さらに、ユーザは、第１測定部Ｍ１によって測定された導電率と第３閾値とを比較する。ユーザは、前記導電率が第３閾値以下である場合、水電解装置１００における低温運転を終了させる。水電解装置１００における低温運転を終了させた後、水電解装置１００における通常運転を開始してもよい。第３閾値の一例としては、１．０（μＳ／ｃｍ）が挙げられる。この場合、以下の２つの条件のいずれかで水電解装置１００の運転状態が低温運転の状態になったとすると、水素ブロー水の導電率が１．０（μＳ／ｃｍ）以下となった場合に、水電解装置１００における低温運転を終了させる。

前記２つの条件は、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧が第１閾値以上である場合と、陽極１２及び陰極１３間に発生する電圧が第１閾値以上であり、かつ、水素ブロー水の導電率が第２閾値以上である場合と、の２つである。第３閾値の値は、ユーザの欲しい性能に応じて任意に設定されてもよく、第２閾値よりも低い値であってもよい。

前記構成において、陰極室１５側での水素ブロー水の導電率が第３閾値以下であるか否かを確認することで、水電解装置１００の性能が十分回復したか否かを判断する。よって、水電解装置１００の性能が十分回復したことを確認できる場合のみ、水電解装置１００における低温運転を終了させるため、適切なタイミングで水電解装置１００における低温運転を終了させることができる。

＜水電解装置１００の低温運転時の処理＞
次に、水電解装置１００の低温運転時の処理、つまり、水電解装置１００の性能回復方法について説明する。具体的には、ユーザは、水電解装置１００の運転の設定を変更することにより、水電解装置１００の運転の設定が、通常運転の設定から低温運転の設定に切り替わる。水電解装置１００の運転の設定が低温運転の設定になると、冷却装置４０は、制御部１１０に制御されることにより、水電解槽１０に供給される水を通常運転時よりも過剰に冷却する。

これにより、制御部１１０は、冷却装置４０を制御することにより、水電解装置１００の運転状態を、水電解槽１０に供給される水の温度が水電解槽１０による水電解が行われる通常運転での水電解槽１０に供給される水の温度よりも低い状態となる低温運転の状態にする。このとき、制御部１１０は、冷却装置４０を制御することにより、水電解槽１０に供給される水の温度を、例えば、５℃以上６０℃以下にすることが好ましい。また、制御部１１０は、冷却装置４０を制御することにより、水電解槽１０に供給される水の温度を、１５℃以上３５℃以下にすることがより好ましい。

水電解装置１００の低温運転時に、電源２０は、陽極１２及び陰極１３間に通電する。このように、電源２０は、水電解装置１００の低温運転時に陽極１２及び陰極１３間に通電することにより、水電解装置１００の通常運転時よりも高い電圧を陽極１２及び陰極１３間に発生し得る。

前記構成によれば、水電解槽１０に供給される水の温度を通常運転での水の温度より低い状態にして通電することにより、通常運転における水電解槽１０に生じる電圧よりも高い電圧が水電解槽１０に生じる。これにより、低温運転において水電解槽１０内の汚染物質が除去されるため、通常運転において水電解槽１０に生じる電圧を低減することができる。

よって、水電解槽１０に供給する電流の電流値を上げることなく、省エネルギーで水電解装置１００の電解性能を回復させることができる。また、従来の水電解装置では、使用される整流器の電流の最大値が制限されることにより、電解性能を十分に回復させることができないことに対し、本発明の一態様に係る水電解装置１００では、低温運転にすることにより電解性能を十分に回復させることができる。

電源２０が陽極１２及び陰極１３間に通電するとき、固体高分子膜１１内の汚染物質が除去され、当該汚染物質が固体高分子膜１１を通過して陰極室１５に移動する。このとき、前記汚染物質を含む陰極室１５側での水素ブロー水は、水素ブロー水ラインＢ３を流れる。前記汚染物質を含む陰極室１５側での水素ブロー水は、水素ブロー水ラインＢ３から分岐する分岐ラインＢ４から系外へ排出される。水素ブロー水ラインＢ３と分岐ラインＢ４との接続箇所には、切り替え弁９０が設けられている。低温運転時では陰極室１５から排出される陰極室１５側での水素ブロー水は、切り替え弁９０によって供給水タンク３０には流れずに、分岐ラインＢ４に流れるようになっている。

なお、分岐ラインＢ４が設けられていない水電解装置１００について通常運転を行い、低温運転を行う前に、水素ブロー水ラインＢ３に分岐ラインＢ４を設けて、低温運転時に分岐ラインＢ４から陰極室１５側での水素ブロー水を系外へ排出してもよい。

また、水電解装置１００に分岐ラインＢ４及び切り替え弁９０を設ける代わりに、水素ブロー水ラインＢ３にフィルタ（図示せず）を設けてもよい。このフィルタにより、低温運転時において陰極室１５側での水素ブロー水に含まれる汚染物質を除去し、低温運転後にこのフィルタを交換してもよい。

＜水電解装置１００の低温運転試験＞
次に、水電解装置１００の低温運転試験を実施した場合について説明する。使用する水電解装置１００については、水電解槽１０の定格電流密度が２（Ａ／ｃｍ^２）であり、定格温度が８０℃である。水電解装置１００を低温運転で運転した。このとき、水電解槽１０内の水の温度を２５℃以上３０℃以下にした。水電解装置１００の低温運転試験の開始前において通常運転時のセルの運転電圧は、１．９２（Ｖ）であり、通常運転時の初期のセルの運転電圧は、１．８０（Ｖ）である。

また、水素ブロー水ラインＢ３に分岐ラインＢ４を設けて陰極室１５側での水素ブロー水を系外へ排出することにした。水電解装置１００の運転については、水電解槽１０に供給される水の温度を低温に維持した状態でＤＳＳ（Daily Start and Stop）運転を実施し、各試験日の終了時に、水電解槽１０内の水の温度を８０℃まで上昇させて、図２に示すグラフを取得した。また、通常運転中における陰極室１５側での水素ブロー水を適宜抽出して、抽出した陰極室１５側での水素ブロー水に対して導電率計を用いて導電率を測定し、通常運転と並行して汚染物質の存在の有無を確認した。

図２は、図１に示す水電解装置１００の低温運転試験を実施した結果において、通常運転時のセルの運転電圧を示すグラフである。図２において、横軸は、運転時の電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示し、縦軸は、運転時において水電解槽１０が備えるセルの運転電圧（Ｖ）を示している。図２に示すように、特に電流密度が高い場合のセルの運転電圧が、低温運転試験を繰り返すごとに、初期の通常運転時におけるセルの運転電圧に近づいていくことが確認された。

さらに、低温運転試験の開始時の陰極室１５側での水素ブロー水の導電率が８．０（μＳ／ｃｍ）であったが、陰極室１５側での水素ブロー水の導電率は、低温運転試験の繰り返しとともに徐々に低下し、最終的には０．９（μＳ／ｃｍ）まで低減した。よって、低温運転による固体高分子膜１１からの汚染物質の排出によって陰極室１５側での水素ブロー水の導電率が低減し、水電解装置１００の性能が回復することが確認された。

以上により、水電解装置１００の性能の回復は、水電解槽１０内の水の温度を低温に維持しながら、セル電圧を高い電圧に維持した状態で通電することにより、固体高分子膜１１に蓄積された汚染物質を排出することできる。また、陰極室１５側での水素ブロー水を供給水タンク３０に戻さず、陰極室１５側での水素ブロー水の導電率がある指標以下に下がるまで、陰極室１５側での水素ブロー水を系外へ排水し続けることにより、セル電圧を初期のセル電圧に近い値まで低減させることができる。

本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、固体高分子膜を用いることによる水の電解に利用することができる。

１０ 水電解槽
１１ 固体高分子膜
１２ 陽極
１３ 陰極
２０ 電源
４０ 冷却装置
１００ 水電解装置
１１０ 制御部
Ｍ１ 第１測定部
Ｍ２ 第２測定部

Claims (7)

1. 固体高分子膜と、前記固体高分子膜の一方の面に設けられた陽極と、前記固体高分子膜の他方の面に設けられた陰極と、を有する水電解槽を備える水電解装置の性能回復方法であって、
   前記水電解装置の運転状態を、前記水電解槽に供給される水の温度が前記水電解槽による水電解が行われる通常運転での前記水電解槽に供給される水の温度よりも低い状態となる低温運転の状態にする工程と、
   前記低温運転の状態であるときに前記陽極及び前記陰極間に通電する工程と、を含むことを特徴とする水電解装置の性能回復方法。
2. 前記通常運転の状態であるときに前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧を測定する工程と、
   前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧と第１閾値とを比較する工程と、をさらに含み、
   前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧が第１閾値以上である場合、前記水電解装置の運転状態を前記低温運転の状態にすることを特徴とする請求項１に記載の水電解装置の性能回復方法。
3. 前記水電解槽の前記陰極側で生成された水素ブロー水の導電率を測定する工程と、
   前記導電率と第３閾値とを比較する工程と、をさらに含み、
   前記導電率が第３閾値以下である場合、前記水電解装置における前記低温運転を終了させることを特徴とする請求項２に記載の水電解装置の性能回復方法。
4. 前記通常運転の状態であるときに前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧を測定する工程と、
   前記水電解槽の前記陰極側で生成された水素ブロー水の導電率を測定する工程と、
   前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧と第１閾値とを比較する工程と、
   前記導電率と第２閾値とを比較する工程と、をさらに含み、
   前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧が第１閾値以上であり、かつ、前記導電率が第２閾値以上である場合、前記水電解装置の運転状態を前記低温運転の状態にすることを特徴とする請求項１に記載の水電解装置の性能回復方法。
5. 前記導電率と第３閾値とを比較する工程をさらに含み、
   前記導電率が第３閾値以下である場合、前記水電解装置における前記低温運転を終了させることを特徴とする請求項４に記載の水電解装置の性能回復方法。
6. 固体高分子膜を用いて水を電解する水電解装置であって、
   前記固体高分子膜と、前記固体高分子膜の一方の面に設けられた陽極と、前記固体高分子膜の他方の面に設けられた陰極と、を有する水電解槽と、
   前記水電解槽に供給される水を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置を制御することにより、前記水電解装置の運転状態を、前記水電解槽に供給される水の温度が前記水電解槽による水電解が行われる通常運転での前記水電解槽に供給される水の温度よりも低い状態となる低温運転の状態にする制御部と、
   前記低温運転時に前記陽極及び前記陰極間に通電することにより、前記通常運転時よりも高い電圧を前記陽極及び前記陰極間に発生し得る電源と、を備えることを特徴とする水電解装置。
7. 前記水電解槽の前記陰極側で生成された水素ブロー水の導電率を測定する第１測定部と、
   前記陽極及び前記陰極間に発生する電圧を測定する第２測定部と、をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の水電解装置。

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