JP7157240B2 - 電解生成ガスの精製方法及び電解装置 - Google Patents
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Description
[1]陰極及び陽極を有する電解槽内に供給した電解液を電解し、電解された電解液を電解槽外に設けた電解液循環タンクを介して循環させながら電解を繰り返す工程で、該電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を精製しながら電解することで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製する電解生成ガスの精製方法であって、前記電解液循環タンクの内部に、前記電解生成ガス及び前記電解液と共存しているバブル径の大きなガスバブルを透過させずに残留させる構成の多孔質隔膜材質からなる、上端に開口を有し、全側面及び全底面が閉じられた形状の、前記全側面及び前記全底面に広範な透過面積を有する袋状隔膜体を、前記電解液循環タンクの内面との間に間隔を空けて設置し、前記電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を、前記袋状隔膜体の開口より前記袋状隔膜体の内部に供給し、前記袋状隔膜体の内部に供給した前記電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記電解液循環タンク内へ、前記全側面及び前記全底面より、前記電解液及び前記電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記電解生成ガス及び前記バルブ径の大きなガスバブルを残留させて、共存しているガスバブルを少なくした前記電解液を、前記電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製することを特徴とする電解生成ガスの精製方法。
[2]前記電解槽として、隔膜又はイオン交換膜により隔離された陰極室及び陽極室を有し、前記陰極室及び前記陽極室内にそれぞれ陰極及び陽極を有するアルカリ水電解槽を用い、該電解槽の前記陰極室及び前記陽極室内に、苛性アルカリを含有する共通の組成の電解液を供給するとともに、前記電解液循環タンクを、陰極側電解液と陽極側電解液に共通の共通電解液循環タンクとして使用し、前記陰極室内で陰極側電解生成ガスを生成し、前記陽極室内で陽極側電解生成ガスを生成し、前記陰極側電解生成ガス、前記陰極側電解液、及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブル並びに前記陽極側電解生成ガス、前記陽極側電解液、及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを、前記袋状隔膜体の開口より内部に供給し、前記袋状隔膜体の内部に供給した前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記共通電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液並びに前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記陰極側電解生成ガス、前記陽極側電解生成ガス、及び前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを少なくした共通の組成の電解液を、前記共通電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、
前記陰極側電解生成ガスである水素ガス又は該水素ガスと前記陽極側電解生成ガスである前記酸素ガスとを精製する上記[1]の電解生成ガスの精製方法。
[3]陰極及び陽極を有する電解槽内に供給した電解液を電解し、電解された電解液を電解液循環タンクにより循環しながら連続的に電解処理し、電解生成ガスを回収することで精製された電解生成ガスを得るための電解装置であって、前記電解槽内に供給された電解液と、前記電解槽内の前記電解液を循環するための電解液循環タンクと、前記電解液循環タンクの内部に、前記電解液循環タンクの内面との間に間隔を空けて設置した袋状隔膜体とを有してなり、前記袋状隔膜体が、前記電解液及び前記電解液と共存しているバブル径の大きなガスバブルを透過させずに残留させる構成の多孔質隔膜材質からなる、上端に開口を有し、全側面及び全底面が閉じられた形状の、前記全側面及び前記全底面に広範な透過面積を有する袋状隔膜体よりなり、前記電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を、前記袋状隔膜体の開口より前記袋状隔膜体の内部に供給し、前記袋状隔膜体の内部に供給した前記電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記電解液及び前記電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記電解生成ガス及び電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、共存しているガスバブルを少なくした前記電解液を、前記電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製できるように構成されていることを特徴とする電解装置。
[4]前記電解槽が、隔膜又はイオン交換膜により隔離された陰極室及び陽極室を有し、前記陰極室及び前記陽極室内にそれぞれ陰極及び陽極を有してなり、該電解槽内に供給された陰極側電解液と陽極側電解液が、共通の組成の苛性アルカリ水溶液よりなり、前記電解液循環タンクが、前記陰極側電解液と前記陽極側電解液を混合し、共通の組成の苛性アルカリ水溶液として、前記陰極室及び前記陽極室にそれぞれ供給するための、前記陰極側電解液と前記陽極側電解液に共通の共通電解液循環タンクであり、前記陰極室にて生成された陰極側電解生成ガス、前記陰極側電解液及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブル並びに前記陽極室にて生成された陽極側電解生成ガス、陽極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを、前記袋状隔膜体の開口より内部に供給し、前記袋状隔膜体の内部に供給した前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記共通電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記陰極側電解液、前記陽極側電解液、前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記陰極側電解生成ガス、前記陽極側電解生成ガス、及び前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、前記陽極側電解液及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブルを少なくした共通の組成の電解液を、前記共通電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、前記陰極側電解生成ガスである水素ガス又は該水素ガスと前記陽極側電解生成ガスである酸素ガスとを精製する上記[3]に記載の電解装置。
(2)電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を、袋状隔膜体の開口より袋状隔膜体の内部に供給する。
(3)袋状隔膜体の内部に供給した前記電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の広範な透過面積を有する前記全側面及び前記全底面より、前記電解液及び前記電解液中に溶存している溶存ガス及び前記電解液とバブル径の小さな共存ガスバブルを透過させ、
(4)前記袋状隔膜体の内部に、前記電解生成ガス及び前記バルブ径の大きな共存ガスバブルを残留させて、
(5)電解液循環タンク内に透過された、共存ガスバブルが少なくなった電解液を電解槽に循環し、連続的に電解処理(再電解)し、
(6)供給電解液中における不純物となる共存ガスバブルが少なくなることから、再電解時に電極で発生する電解生成ガスと共に電解液の溶存ガスが液相から気相に移ることが抑制される。
(7)上記のように構成したことで、例えば、電解生成ガスである水素ガス、酸素ガス等から、不純物であるバブル径の大きな共存ガスバブルが除去され、その結果、電解生成ガスが高純度に精製されて回収されることになる。
〔第1実施形態〕
図1は、電解槽1としてアルカリ水電解槽を用い、陰極室内の陰極側電解液及び陽極室内の陽極側電解液を、共通の共通電解液循環タンク5にて混合し、共に循環しながら、陰極室内及び陽極室内でそれぞれ継続電解を行い、陰極側電解生成ガスである水素ガス及び陽極側電解生成ガスである酸素ガスを精製する目的で本発明の精製方法を適用した1例のアルカリ水電解を説明するためのフロー図である。図1において、アルカリ水電解装置は、電解槽1を有する。2は陰極を収容する陰極室、3は陽極を収容する陽極室、4は陰極室2と陽極室3とを区画する隔膜である。以下、図1を参照して説明する。
上記した通り、図1を参照して、陽極側電解液排出手段が、陽極側気液混合流体排出ライン16から排出された陽極側電解液は、陽極側気液分離手段17により陽極ガスである酸素ガスと陽極側電解液とに分離され、酸素ガスを分離した後の陽極側電解液は、陽極側電解液循環ライン18により、水溶液透過性の隔膜よりなる袋状隔膜体32の上部の開口30に供給される例について説明した。然るに、陽極側気液分離手段17の上方に設けたバルブ6を閉とすることにより、陽極側電解生成ガスである酸素ガスを、陽極側気液分離手段17によって分離せずに、陽極側気液混合流体として、陽極側気液混合流体排出ライン16から、陽極側電解液循環ライン18により、袋状隔膜体32に供給する形態とすることもできる。以下、この第2実施形態について説明する。
第1実施形態と第2実施形態の例で説明したように、図1に示したアルカリ水電解装置では、陽極側と陰極側とで共通電解液循環タンクが共通する。従って、陰極側電解液循環手段と陽極側電解液循環手段では、陽極側電解液と陰極側電解液とが混合された電解液が、陰極室2と共通電解液循環タンク5との間及び陽極室3と共通電解液循環タンク5との間をそれぞれ循環する構成となっている。しかしながら、本発明は、上記の図示した例に限らず、陰極側電解液循環手段のみを設置し、陰極側電解液のみを電解液循環タンク5と陰極室2との間で循環し、陽極側電解液は循環しない構成(不図示)としてもよい。
図2は、本発明において、電解槽に食塩電解槽を用いる場合のフローを示したものである。図2に示した例では、食塩電解槽101を用い、陰極側電解液として水酸化ナトリウム又は水酸化カリウム水溶液からなる電解液を使用し、陽極側電解液として、食塩水からなる電解液を使用した。そして、電解液循環タンクとして、袋状隔膜体(メンブレンバック)132aを設置した陰極側電解液循環タンク105aと、及び袋状隔膜体(メンブレンバック)を設置していない陽極側電解液循環タンク105bを使用した。103は陽極室、104は陽イオン交換膜である。
図2に示した食塩電解装置では、陽極側と陰極側とで、それぞれ電解液循環タンクが設けられている。従って、上記では、陰極側電解液循環手段と陽極側電解液循環手段では、陽極側電解液と陰極側電解液とが、それぞれ循環する例について説明した。しかしながら、本発明は、陰極側電解液循環手段のみを設置し、陰極側電解液のみを陰極側電解液循環タンク105aと陰極室102との間で循環し、陽極側電解液は循環しない構成であってもよい。
図2に示した食塩電解装置では、陽極側と陰極側とで電解液循環タンクがそれぞれ設けられており、前記電解液循環タンクとして、タンク内に袋状隔膜体132aを設置した陰極側電解液循環タンク105aと、タンク内に袋状隔膜体を設置していない陽極側循環タン105bを使用した例を示した。しかしながら、本発明は、上記に限定されず、例えば、陽極側循環タン105b内にも袋状隔膜体を設置し、陽極側電解液を、袋状隔膜体を通過させ、バブル径の大きな共存ガスバブルを袋状隔膜体内に残留させて除去した後、陽極室に循環するようにしてもよい。そのようにすることよって、陽極側電解生成ガスも同時に精製することができる。
第4の実施態様及び第6の実施態様においては、「陽極側気液混合流体排出ライン116から排出された電解処理後の陽極側電解液は、陽極側気液分離手段117によって、陽極側電解生成ガスである塩素ガスと電解処理後の陽極側電解液とに分離され、塩素ガスを分離した後の電解処理後の陽極側電解液は、陽極側電解液循環ライン118により、陽極側電解液循環タンク105bに供給される。」例を示した。しかし、これに限定されず、陽極側気液混合流体排出ライン116から排出された電解処理後の陽極側電解液は、陽極側気液分離手段117によって、陽極側電解生成ガスである塩素ガスと電解処理後の陽極側電解液とに気液分離せずに、陽極側気液混合流体として、陽極側循環タンク105b又は陽極側循環タンク105bに設けた袋状隔膜体に供給してもよい。
電解槽として、図1に示すフローで運転されるアルカリ水電解槽を使用した。電解面積16dm2の電解槽1で試験を実施した。陽極室3(容量18L)、陰極室2(容量18L)は共にNi製で、陽極は、エクスパンドメッシュ(厚さ約1.0mm×SW約4.0mm×LW8.0mm)に、活性陽極コーティングを施したものを用いた。陰極は、ファインメッシュ(厚さ約0.2mm×SW2.0mm×LW1.0mm)に、貴金属系の活性陰極コーティングを施してあるものを使用した。電解槽1の隔膜4として、親水処理を施した、PPS(ポリフェニレンサルファイド)製の不織布に高分子ポリマー含浸させた、厚みが250μmのフィルム状の隔膜を使用し、これを両極間に挟み、ゼロギャップの状態で組み立てた。
図1のアルカリ水電解槽において、電解槽の陰極室と陽極室とを隔離する隔膜に、実施例1で袋状隔膜体の形成材料に使用した3種の隔膜材料をそれぞれに用い、いずれの場合も、電解液循環タンク5内に袋状隔膜体32を設置しないこと以外は、実施例1と同様の装置及び実施例1と同じ電解条件で、電解を行った。
実施例1及び比較例1で行った電解プロセスから出てきた陰極側電解生成ガスである水素ガス及び酸素ガスの純度を、表1及び表2にそれぞれ示した。表中に示した純度は、5日間行った間欠運転試験における、毎日6時間の運転稼働後に得られた各電解生成ガスの純度における、最低値と最高値の範囲で示した。
2:陰極室
3:陽極室
4:隔膜/イオン交換膜
5:共通電解液循環タンク
11:陰極側電解液循環ライン
14:陰極側電解液供給ライン
15:陽極側電解液供給ライン
16:陽極側気液混合流体排出ライン
17:陽極側気液分離手段
18:陽極側電解液循環ライン
27:陽極側電解生成ガス排出ライン
29:陽極側電解生成ガス排出ライン
30:開口
31:全底面
32:袋状隔膜体
33:全側面
101:電解槽
102:陰極室
103:陽極室
104:隔膜/イオン交換膜
105a:陰極側電解液循環タンク
109:陰極側気液混合流体排出ライン
110:陰極側気液分離手段
111:陰極側電解液循環ライン
112:陰極側電解生成ガス排出ライン
114:陰極側電解液供給ライン
127:陽極側電解生成ガス排出ライン
129:陽極側電解生成ガス排出ライン
130a:開口
131a:全底面
132a:袋状隔膜体(メンブレンバック)
133a:全側面
131:陰極側電解生成ガス排出ライン
Claims (4)
- 陰極及び陽極を有する電解槽内に供給した電解液を電解し、電解された電解液を電解槽外に設けた電解液循環タンクを介して循環させながら電解を繰り返す工程で、電解により生成した電解生成ガス、該電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を精製しながら電解することで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製する電解生成ガスの精製方法であって、
前記電解液循環タンクの内部に、前記電解生成ガス及び前記電解液と共存しているバブル径の大きなガスバブルを透過させずに残留させる構成の多孔質隔膜材質からなる、上端に開口を有し、全側面及び全底面が閉じられた形状の、前記全側面及び前記全底面に広範な透過面積を有する袋状隔膜体を、前記電解液循環タンクの内面との間に間隔を空けて設置し、
前記電解生成ガス及び前記電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を、前記袋状隔膜体の開口より前記袋状隔膜体の内部に供給し、
前記袋状隔膜体の内部に供給した前記電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記電解液循環タンク内へ、前記全側面及び前記全底面より、前記電解液及び前記電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記電解生成ガス及び前記バルブ径の大きなガスバブルを残留させて、
共存しているガスバブルを少なくした前記電解液を、前記電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製することを特徴とする電解生成ガスの精製方法。 - 前記電解槽として、隔膜又はイオン交換膜により隔離された陰極室及び陽極室を有し、前記陰極室及び前記陽極室内にそれぞれ陰極及び陽極を有するアルカリ水電解槽を用い、該電解槽の前記陰極室及び前記陽極室内に、苛性アルカリを含有する共通の組成の電解液を供給するとともに、前記電解液循環タンクを、陰極側電解液と陽極側電解液に共通の共通電解液循環タンクとして使用し、前記陰極室内で陰極側電解生成ガスを生成し、前記陽極室内で陽極側電解生成ガスを生成し、
前記陰極側電解生成ガス、前記陰極側電解液、及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブル並びに前記陽極側電解生成ガス、前記陽極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを、前記袋状隔膜体の開口より内部に供給し、
前記袋状隔膜体の内部に供給した前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記共通電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液並びに前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記陰極側電解生成ガス、前記陽極側電解生成ガス、及び前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、
前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを少なくした共通の組成の電解液を、前記共通電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、
前記陰極側電解生成ガスである水素ガス又は該水素ガスと前記陽極側電解生成ガスである酸素ガスとを精製することを特徴とする請求項1に記載の電解生成ガスの精製方法。 - 陰極及び陽極を有する電解槽内に供給した電解液を電解し、電解に使用された、電解により生成した電解生成ガス、該電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を電解液循環タンクにより循環しながら連続的に電解処理し、電解生成ガスを回収することで精製された電解生成ガスを得るための電解装置であって、
前記電解槽内に供給された電解液と、
前記電解槽内の前記電解液を循環するための電解液循環タンクと、
前記電解液循環タンクの内部に、前記電解液循環タンクの内面との間に間隔を空けて設置した袋状隔膜体とを有してなり、
前記袋状隔膜体が、前記電解生成ガス及び前記電解液と共存しているバブル径の大きなガスバブルを透過させずに残留させる構成の多孔質隔膜材質からなる、上端に開口を有し、全側面及び全底面が閉じられた形状の、前記全側面及び前記全底面に広範な透過面積を有する袋状隔膜体よりなり、
前記電解生成ガス及び前記電解生成ガスのガスバブルが共存している電解液を、前記袋状隔膜体の開口より前記袋状隔膜体の内部に供給し、
前記袋状隔膜体の内部に供給した前記電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記電解液及び前記電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記電解生成ガス及び電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、
共存しているガスバブルを少なくした前記電解液を、前記電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、前記電解槽から発生する電解生成ガスを精製できるように構成されていることを特徴とする電解装置。 - 前記電解槽が、隔膜又はイオン交換膜により隔離された陰極室及び陽極室を有し、前記陰極室及び前記陽極室内にそれぞれ陰極及び陽極を有してなり、
該電解槽内に供給された陰極側電解液と陽極側電解液が、共通の組成の苛性アルカリ水溶液よりなり、
前記電解液循環タンクが、前記陰極側電解液と前記陽極側電解液を混合し、共通の組成の苛性アルカリ水溶液として、前記陰極室及び前記陽極室にそれぞれ供給するための、前記陰極側電解液と前記陽極側電解液に共通の共通電解液循環タンクであり、
前記陰極室にて生成された陰極側電解生成ガス、前記陰極側電解液及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブル並びに前記陽極室にて生成された陽極側電解生成ガス、陽極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているガスバブルを、前記袋状隔膜体の開口より内部に供給し、
前記袋状隔膜体の内部に供給した前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液の自重による差圧によって、前記袋状隔膜体から前記共通電解液循環タンク内へ、前記袋状隔膜体の前記全側面及び前記全底面より、前記陰極側電解液、前記陽極側電解液、前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバブル径の小さなガスバブルを透過させ、前記袋状隔膜体の内部に、前記陰極側電解生成ガス、前記陽極側電解生成ガス、及び前記陰極側電解液及び前記陽極側電解液と共存しているバルブ径の大きなガスバブルを残留させて、
前記陽極側電解液及び前記陰極側電解液と共存しているガスバブルを少なくした共通の組成の電解液を、前記共通電解液循環タンクより前記電解槽に連続的に循環しながら電解を繰り返すことで、
前記陰極側電解生成ガスである水素ガス又は該水素ガスと前記陽極側電解生成ガスである酸素ガスとを精製することを特徴とする請求項3に記載の電解装置。
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