JPH03130385A - 電気化学反応における電圧監視方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水電解反応等の各種電気化学反応において爆
発等の危険を誘起することのある電圧変動を監視する方
法及び装置に関する。

（従来技術とその問題点） 電気化学反応に使用する直流電源には、実験用の小型の
ものから食塩水を電解して苛性ソーダ及び塩素を製造す
る工業用の超大型のものまで多くの種類が利用されてい
る。

これらの電気化学反応用電源は大きく分けて２種類つま
り定電圧電源と定電流電源に分けることができる。定電
圧電源は、電源の入力変動があっても内蔵された安定器
により二次側の直流電圧を一定に保つ装置であり、設定
した電圧を超えることはないが、電解による生成物量を
決める電解装置では重要な電流値が時間と共に変動する
可能性を有している。この種の装置は比較的大型の工業
用電解装置にみられ、電流の監視を常時行うような箇所
に設置されている。

一方定電流電源は、電流値を一定に保つように設計され
ているため、例えば電解槽側の事故等により装置抵抗が
大きくなった場合でも一定電流を流すために電源電圧が
整流器の能力限界まで太きくなってしまい、過熱等の事
故を引き起こす等の問題点を有しており、この定電流電
源は主として実験装置用又は無人運転用の比較的小型の
装置に使用されている。

これらの電源装置単独の連続運転では前述のように事故
等の可能性があるため、通常は緊急時に自動的に電源を
遮断する等の保護装置を用途に応じて別途設置する必要
がある。つまり工業用電解装置では、人間が常駐して監
視すると共に専用の制御装置を必要とするのである。一
方小型の定電流電源装置では、連続運転のために常時監
視する機構を別途設置しているが、該監視機構の方が装
置自体より大型化してしまいあるいは電解電源とうまく
マツチしない等の問題点がある。

特に最近では、小型の水素発生装置や電解オゾン発生装
置等が開発されており、これらは実質的に水を電解して
陰極側から水素を、又陽極側から酸素及びオゾンを取り
出すものであるが、通常は陰極生成物である水素と陽極
生成物である酸素やオゾンとが完全に分離されている必
要があり、該分離のために隔膜が使用されている。しか
し電解中に該隔膜に僅かな破損が生じても、前記ガスが
該隔膜を通して混合し爆発を引き起こす可能性があり監
視及び保護を十分に行う必要がある。該隔膜法電解の場
合、隔膜が完全に破損してしまうと電圧が大幅に変化す
るためどのような保護回路でも検知出来るが、隔膜にピ
ンホール等が形成された場合には該ピンホールを通して
ガスの混合及び該混合による爆発の危険等が増大するに
もかかわらず前記ピンホールの形成の検知は困難である
ことが多い。従って無人運転を行うには別途保護回路を
設置する必要があり、該保護回路は予め数値を設定して
その数値に達したときに保護回路へ接続を切り換えるよ
うにしである。該保護回路の数値は負荷の値を適宜選定
して前記数値を設定する必要があるが、該設定値が変化
するたびに負荷の値を変化させなければ適切な保護回路
として作動せず、却って事故の原因になるという問題点
がある。又該保護回路は通常は電源保護の立場から高電
圧側にのみ数値を設定しているため、前記水電解の場合
のような隔膜の破損時における電圧降下に対する保護は
困難である。又電解初期は電圧が安定せずに変動幅が比
較的大きく、そのため前記保護回路が電解初期に作動す
ることがあり、該電解初期の作動を印刷するために許容
幅を大きくすると隔膜等の実質的な保護が達成できなく
なるという問題点がある。

（発明の目的） 本発明は、電解装置の種類や電解条件によって許容され
る電圧の変動許容範囲が異なる点に鑑み、どのような種
類の電解装置にも適用可能であり、隔膜等の損傷を検知
し爆発等の危険を回避するための電圧監視方法及び装置
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、第１に電解装置の安定電圧値を読取りかつ記
憶し、該安定電圧値に対して前記電解装置の電圧の変動
許容範囲を設定し、前記電解装置の電圧値が前記許容範
囲を逸脱した際に、前記電解装置を保護することを特徴
とする電圧監視方法であり、第２に電解装置に接続され
該電解装置の安定電圧値を連続的に読取るための読取機
構、該安定電圧値に対して前記電解装置の電圧の変動許
容範囲を設定する許容範囲設定機構、及び前記電解装置
の電圧値が前記許容範囲を逸脱した際に、前記電解装置
を保護する保護機構を含んで成ることを特徴とする電圧
監視装置である。

以下本発明の詳細な説明する。

電解装置に異常が生ずる際の電解電圧幅の変動は、通常
の安定運転時の電圧値に対する変化であるが、従来の電
圧変動幅により異常を検知する方法では電解の種類や電
解条件を考慮せずに一律に変動許容範囲を設定している
ため、前記安定運転時の電圧に対する変動許容範囲とは
必ずしも一致せず、実際の許容範囲より狭く許容範囲が
設定されたり、あるいは逆に許容範囲を越えて電圧が変
動して電解を停止しなければならないにもかかわらず保
護回路等が機能しないという事態が生ずることがある。

添付図面は、電解反応の初期における電解電圧の典型的
な経時変化を示すグラフである。通常の電解反応では、
例えば添付図面に示すように電解開始時の電圧変動が大
きく一旦通常の電圧値より高い値に急激に上昇した後、
徐々に降下して通常値に近付くという挙動をとるが、該
通常値は電解の種類や条件により変化する値である。従
って電解初期に変動した電圧値が例えば図面中に実線（
ａ）に示す通常値Ｖ１で安定した場合には該安定値から
上下に等しい許容変動幅ΔＶで許容変動幅の上下限（ａ
ｌ’（図中に点線で示す）を設定すればよいが、例えば
前記電圧が前記通常値Ｖ、より小さい、図面中で（ｂ）
に示す通常値Ｖｔ（図中−点鎖線で示す）で安定した場
合に許容変動幅の上下限として前述の通り（ａ）“を設
定すると、特に前記通常値（ｂｌの下方への許容変動幅
は僅かであり、この程度の変動は正常運転時でも生じ正
常運転が行われているにもかかわらず運転が停止されて
しまうという事態が生ずることになり、通常安定値（′
ｂ）の場合には該安定値から上下に等しい許容変動幅Δ
Ｖで許容変動幅の上下限（ｂｌ’（図中に二点鎖線で示
す）を設定しなければならない。

従って本発明では、電解装置の安定電圧値を読取りかつ
記憶し、該安定電圧値に対して前記電解装置の電圧の変
動許容範囲を設定するようにして、安定電圧に対する変
動許容範囲が常に一定に維持されるようにする。なおこ
こで安定電圧値とは、電解初期におけるガス発生等によ
る電圧変動期を過ぎて電圧変化が一定の微小範囲内に達
している安定期の電圧値をいい、例えば電解初期より５
分以降に電圧変動が１分間に±９．３ｍＶの範囲内であ
る場合の最後の電圧値をいう。

このようにすることにより、電解初期の電圧が安定する
安定電圧値の大小にかかわらず、該電圧を中心として変
動許容範囲が適切に設定されるため、一定量の電圧変動
が生じた際には電解槽等に異常が生じたものとみなし、
電解槽を停止する等の保護するための手段を講じるもの
とする。

予め設定される変動許容範囲は電解装置の容量や、隔膜
あるいは電極等のうち最も損傷を受は易い部材の安定性
等各種条件により左右されるが±３００ｍＶ程度とする
ことが好ましく、この範囲を逸脱したときに電解反応を
停止する等の電解槽の保護手段を講するようにする。こ
の変動許容範囲の上下限は電解装置や電解条件により変
化するものであるため、可変とすることが望ましく特に
電解装置自体を分解したりすることなく外部から調節で
きることが望ましい。

前記保護手段には、例えば警報を発して作業員に異常を
知らせて該作業員に電解を停止させたり、あるいは前記
電圧計と電源を接続して直接電源を遮断したり、あるい
は電源を遮断すると共に電解装置を電極等を保護するた
めに微小電流を流すことのできる保護回路に接続したり
あるいはこれらを組み合わせた手段が含まれる。

通常の電解反応では、例えば添付図面に示すように電解
開始時の電圧変動が大きく一旦通常の電圧値より高い値
に急激に上昇した後、徐々に降下して通常値に近付くと
いう挙動をとるが、本発明による電圧監視によるとこの
状態では前記安定電圧値が設定されないため、実質的な
電解反応が停止され電解槽が保護されることがない。

又電解反応の異常が生じた際に、電圧値が急激に上昇又
は降下して僅かな変動範囲内において大きな変動率で変
動を生じさせることがある。この場合には本発明単独で
は対応することができないため、本発明の変動許容範囲
の設定の他に、単位時間当たりの電圧の変動率つまり電
圧の微分値が一定範囲以上の変動を示した場合に、電解
を停止する等の保護手段を講じるようにしてもよい。

本発明の対象とする電解装置、該電解装置に使用する電
極及び直流電源等は特に限定されないが、前記電源は電
源ノイズを発生しないものが好ましく、二次側直流がコ
ンデンサー機構により平滑化されていることが好ましい
。又電解装置としては特に損傷を受は易く異常の原因を
生じ易い隔膜が装着された隔膜型電解槽、あるいは該隔
膜として固体電解質を用い電極物質を被覆したいわゆる
ＳＰＥ型電解槽を使用する場合に本発明による効果はよ
り大きくなる。

（実施例） 以下本発明の詳細な説明するが、該実施例は本発明を限
定するものではない。

叉装置 その両面にそれぞれ面積が２０−であるβ−二酸化鉛（
陽極側）及び白金（陰極側）層を形成したイオン交換膜
（ナフィオン（商品名）　＃１）７）を、イオン交換水
を満たした容量３００＋＋＋　１の電解槽に装着し、電
解開始後５分以降に電極間の電圧を計測しかつ該電圧を
記憶し、６０秒間の電圧変動が０．３ｍＶ以内の場合に
その最終電圧値を安定電圧値として設定し該安定電圧値
に対し±２００ｍＶの範囲を変動許容範囲とする電圧計
を設置しＳＰＥ型電解槽とした。該電圧計には直流電源
を接続し該変動許容範囲外の電圧が検出された場合に前
記直流電源を遮断するようにした。この電解槽に通電し
て陰極で水素を、陽極で酸素及びオゾンを電解により発
生させたところ、開始後３０分経過後に電圧は３．２ｖ
で前記安定電圧値に達した。

更に１００時間経過後に２０ｍＶ／分の微小な割合で電
圧を徐々に上昇させたところ、設定した変動許容範囲３
．４ｖでｔａが遮断され電解は停止した。

電解槽を分解し隔膜及び電極等を観察したが損傷は認め
られなかった。

比較として、電圧計を電源に接続しなかったこと以外は
同様にして電解を行い、安定電圧に達した後１０時間経
過後に２０ｍＶ／分の微小な割合で電圧を徐々に上昇さ
せ、電圧が５Ｖに達したところで電解を停止した後、電
解槽を分解し隔膜及び電極等を観察したが隔膜にはピン
ホールが多数認められ、電極物質である二酸化鉛及び白
金の剥離が生じていた。

（発明の効果） 本発明は、電解反応における電圧変動が安定電圧値を特
徴とする変動許容範囲を越えた場合に、電解槽を保護す
るようにした電圧監視方法及び装置である。

本発明によると、電解反応初期における安定電圧値の大
小にかかわらず電圧変動幅が一定範囲を逸脱した際に、
電解反応を停止する等の手段により電解槽を保護しかつ
発生ガスの爆発等を回避することかできる。本発明は特
に電圧値が徐々に上昇又は降下して変動許容範囲を越え
る変動を示す場合に有用である。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、電解反応初期における一般的な電解電圧の
経時変化を示すグラフである。 撃 ヰ 争　咳

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解装置の安定電圧値を読取りかつ記憶し、該安
   定電圧値に対して前記電解装置の電圧の変動許容範囲を
   設定し、前記電解装置の電圧値が前記許容範囲を逸脱し
   た際に、前記電解装置を保護することを特徴とする電圧
   監視方法。
2. （２）電解装置に接続され該電解装置の安定電圧値を連
   続的に読取るための読取機構、該安定電圧値に対して前
   記電解装置の電圧の変動許容範囲を設定する許容範囲設
   定機構、及び前記電解装置の電圧値が前記許容範囲を逸
   脱した際に、前記電解装置を保護する保護機構を含んで
   成ることを特徴とする電圧監視装置。