JPH076401B2

JPH076401B2 - オゾナイザのエネルギ回収方法及びそのエネルギ回収装置

Info

Publication number: JPH076401B2
Application number: JP3338577A
Authority: JP
Inventors: 仁高橋; 武仁大谷; 孝文松永; 秋夫大野; 道尚相原
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH05171953A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オゾナイザのエネルギ
回収方法及びそのエネルギ回収装置に関し、特に、水電
解オゾナイザから高濃度で発生するオゾンガス及び水素
ガスを共に有効利用するための新規な改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般的に用いられていた放電式オ
ゾナイザから発生するオゾンガスの濃度は２〜７重量％
であり、濃度が低いため、オゾン応用の範囲が限られて
いた。そこで、最近、水を電気分解してオゾンガスを得
るオゾナイザとして、固体高分子電解質を用いた水電解
オゾナイザが開発された。この水電解オゾナイザは、純
水を用い、陽極からオゾンガス（Ｏ₃）と酸素（Ｏ₂）と
を有する酸素含有オゾンガスを、陰極では水素ガス（Ｈ
₂）を発生する。陽極から発生するオゾンガスは、通常
１０〜１４重量％の高濃度であり、従来の放電式のオゾ
ナイザに比べ２倍の濃度をもっており、高濃度オゾン水
の製造、オゾンによる急速殺菌、オゾン漂白、オゾン酸
化、脱臭等に用いるオゾン応用装置に利用されつつあ
る。オゾナイザから発生する水素ガスは、そのまま放出
すると爆発する危険があるので、触媒を用いて酸化さ
せ、水に戻して排出したり、また、燃料電池技術の応用
例としてのイオン交換膜型固体電解質の燃料電池に、水
素ガスを導入し、空気中の酸素と電気化学的に反応させ
て水に戻して排出したりして、水素ガスを安全な状態に
変換して装置外に排出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の水電解オゾナイ
ザは、以上のように構成されていたため、次のような課
題が存在していた。すなわち、水電解オゾナイザから発
生した水素ガスは、上述したいずれの場合でも、単に化
学反応させて水に変換しているだけであり、貴重な電力
を利用して純水から電気分解されて得られた高純度の水
素ガスを単に水に変換して外部に捨てており、水素ガス
の有効利用とはほど遠いものとなっている。なお、前記
水電解オゾナイザから発生するオゾンは高濃度であるか
ら利用範囲が広く、将来的に水電解オゾナイザは広範囲
な利用が予測され、それに伴って、消費される電力量も
大きくなり、ランニングコストも高くなるという問題が
でてくる。また、高濃度のオゾンガスの利用範囲が広が
ると、排出される水素ガスの量が多くなり、結果的に、
前述した触媒の量が増えたり、燃料電池が大型化したり
するといった問題点が予測される。

【０００４】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、特に、水電解オゾナイザから高濃
度で発生するオゾンガス及び水素ガスを共に有効利用す
るようにしたオゾナイザのエネルギ回収方法及びそのエ
ネルギ回収装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によるオゾナイザ
のエネルギ回収方法は、水電解オゾナイザから発生した
水素ガスを燃焼器により燃焼させ、その燃焼ガスにより
ガスタービンを駆動させるオゾナイザのエネルギ回収方
法において、前記水電解オゾナイザから発生した酸素含
有オゾンガスを大気中の空気と混合させて混合気体と
し、この混合気体と前記水素ガスとを混合させて前記燃
焼器で燃焼させるようにした方法である。

【０００６】さらに詳細には、前記水電解オゾナイザか
ら発生した前記水素ガスを、水素貯蔵合金が充填された
水素貯蔵容器内に導入し、前記水素貯蔵容器が水素ガス
の吸収／放出を行うことにより、前記水素ガスの流量を
調節する方法である。

【０００７】さらに詳細には、前記酸素含有オゾンガス
が物品の酸化に利用された後に発生する排オゾンガスを
前記空気と混合させる方法である。

【０００８】本発明によるオゾナイザのエネルギ回収装
置は、水電解オゾナイザと、この水電解オゾナイザから
発生した水素ガスを案内する水素ガス管路と、前記水電
解オゾナイザから発生した酸素含有オゾンガスを案内す
るオゾンガス管路と、このオゾンガス管路に接続され且
つ前記オゾンガス管路から供給される前記酸素含有オゾ
ンガスと大気中の空気とを混合させて混合気体を発生さ
せる混合器と、前記水素ガス管路及び前記混合器に接続
され且つ前記水素ガス管路から供給される前記水素ガス
と前記混合器から供給される前記混合気体とを燃焼させ
る燃焼器と、この燃焼器から発生する燃焼ガスにより駆
動されるガスタービンとを備えた構成である。

【０００９】さらに詳細には、前記水電解オゾナイザと
前記燃焼器との間に、前記水素ガス管路と連通し且つ水
素貯蔵合金を充填した水素貯蔵容器を備えた構成であ
る。

【００１０】さらに詳細には、前記オゾンガス管路の途
中に、物品の酸化を行うオゾン作用部を連結し、このオ
ゾン作用部から発生する排オゾンガスを前記混合器に供
給する構成である。

【００１１】

【作用】本発明によるオゾナイザのエネルギ回収方法及
びそのエネルギ回収装置においては、水電解オゾナイザ
から発生した水素ガスと、前記水電解オゾナイザから発
生した酸素含有オゾンガスを大気中の空気と混合させた
混合気体と、を燃焼器内で燃焼させ、その燃焼ガスのエ
ネルギでガスタービンを駆動させることにより、このタ
ービンの駆動で得られた出力で、例えば発電機を回すこ
とにより新たな電力を発生させることができ、この電力
を水電解オゾナイザの電力として再利用することも可能
となる。

【００１２】

【実施例】以下、図面と共に本発明によるオゾナイザの
エネルギ回収方法及びそのエネルギ回収装置の好適な実
施例について詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明の第１実施例を示す図であ
る。図１において、直流電源２を有する水電解オゾナイ
ザ１には、発生した酸素含有オゾンガスが導かれるオゾ
ンガス管路３と、発生した水素ガス（Ｈ₂）が導かれる
水素ガス管路１０が接続されている。また、使用される
純水は、純水供給弁３４を介して水電解オゾナイザ１に
導入される。

【００１４】発生した水素ガスが導かれる前記水素ガス
管路１０は、第１水素ガス管路１０ａと第２水素ガス管
路１０ｂとに分岐されている。前記第１水素ガス管路１
０ａは、水素ガス処理用弁１１を経由して水素ガス処理
装置１２に導かれ、前記第２水素ガス管路１０ｂは、水
素ガス締切弁１６を経由した後、減圧弁２４と、コント
ローラ３２により制御されたマスフローコントローラ２
６とを経由して、水素ガスタービンシステムの燃焼器２
９に導かれている。

【００１５】前記水電解オゾナイザ１から発生した酸素
含有オゾンガスが導かれる前記オゾンガス管路３は、オ
ゾン作用部４に接続されている。このオゾン作用部４
は、オゾンの酸化作用を利用して、物品のオゾン殺菌、
オゾン漂白、オゾン酸化脱臭等を行うオゾン応用装置を
構成している。前記オゾン作用部４で消費されて残った
酸素含有オゾンガス（以下排オゾンガスという）は、第
１オゾンガス管路３ａにより外部へ排出される。この第
１オゾンガス管路３ａは、第２オゾンガス管路３ｂと第
３オゾンガス管路３ｃとに分岐され、前記第２オゾンガ
ス管路３ｂは、排オゾンガス処理用弁６を介して排オゾ
ンガス処理装置７に、前記第３オゾンガス管路３ｃは、
混合器用弁８を介して後述する混合器２７に各々接続さ
れている。

【００１６】前記混合器２７は、前記オゾン作用部４か
ら排出された排オゾンガスと大気中の空気とを任意の割
合で混合し、水素ガスとの燃焼に必要な混合気体を発生
させるための装置であると共に、圧縮機２８を経由して
前記燃焼器２９と接続されている。

【００１７】前記圧縮機２８で圧縮され前記燃焼器２９
に送り込まれた前記混合気体は、燃焼器２９内で前記水
素ガスと燃焼反応し、ここで生成された高圧の燃焼ガス
は、ガスタービン３０へ導かれ、ガスタービン３０を回
転させた後、系外へ排出される。このとき得られたガス
タービン３０の軸出力は、発電機３１、プロペラ機械
（図示せず）の駆動などに用いることができる。例え
ば、このガスタービン３０の回転軸３０ａに発電機３１
を接続し、得られた電力を整流器３３を経由して、水電
解オゾナイザ１の直流電源２へ導けば、電気分解で消費
される電力の一部とすることができるので、エネルギの
回収ができる。なお、符号２５で示されるものはテスト
弁である。

【００１８】前述した構成に基づき、以下に、その作動
を図１と共に説明する。まず、電気分解に用いられる純
水は、純水供給弁３４を経由して、水電解オゾナイザ１
に導かれる。ここで直流電源２からの電流により水電解
オゾナイザ１が作動して純水を電気分解すると、陽極か
らオゾンガス（Ｏ₃）と酸素ガス（Ｏ₂）とを有する酸素
含有オゾンガスが、陰極から水素ガス（Ｈ₂）が発生す
る。発生した水素ガスの流路は、水素ガス処理用弁１１
及び水素ガス切換弁１６の切換動作により、必要に応じ
て、水素ガス処理装置１２側又は燃焼器２９側に切換え
ることができる。

【００１９】次に、前述の作動により発生した水素ガス
を化学反応により水に変換したい場合には、弁１１を開
き、水素ガス締切弁１６を閉じて、水素ガス処理装置１
２内に水素ガスを送り込む。これに対して、燃焼器２９
内で水素ガスを処理したい場合には、弁１１を閉じ、水
素ガス締切弁１６を開けて、水素ガスを、減圧弁２４で
所定の圧力に調整した後、マスフローコントローラ２６
に送り込む。そして、コントローラ３２の制御下で水素
ガスは所定のガス流量に調整されて、水素ガスタービン
システムの燃焼器２９内に導かれる。

【００２０】また、水電解オゾナイザ１から発生した酸
素含有オゾンガスは、オゾンガス管路３を通ってオゾン
作用部４へ導かれ、このオゾン作用部４内で任意の物品
のオゾン殺菌、オゾン漂白、オゾン酸化脱臭等を行う。
殺菌等が行われ残った酸素含有オゾンガス（排オゾンガ
ス）は第１オゾンガス管路３ａを通って排出される。こ
こで発生した排オゾンガスを、活性炭や触媒等により構
成された排オゾンガス処理装置７により処理したい場
合、例えば、ガスタービン３０の回転が停止した場合に
は、排オゾンガス処理用弁６を開き、混合器用弁８を閉
じて混合器２７への排オゾンガスの供給を止め、前記排
オゾンガス処理装置７で排オゾンガスを酸化処理する。

【００２１】また、ガスタービン３０の運転を再開させ
たい場合には、排オゾンガス処理用弁６を閉じ、混合器
用弁８を開いて、混合器２７へ排オゾンガスを供給し、
この排オゾンガスと大気中の空気と任意の割合で混合す
る。その結果、この混合気体は、酸素含有量が高められ
た状態で圧縮機２８に送られ、ここで圧縮された後、燃
焼器２９内に導かれる。

【００２２】前記マスフローコントローラ２６を経由し
て送り込まれた水素ガスと、前記圧縮機２８を経由して
送り込まれた前記混合気体とを燃焼器２９内で燃焼させ
る。ここで生成された燃焼ガスは、ガスタービン３０へ
導かれ、そのガス圧によりガスタービン３０を回転さ
せ、軸出力を生じた後、系外へ排出される。

【００２３】前記軸出力により前記発電機３１を駆動さ
せた場合に得られた電力は、コントローラ３２の制御の
もとで整流器３３を経由して直流電源２へ導かれ、電気
分解の電力の一部に役立てることができる。

【００２４】さらに、図２は、水電解オゾナイザ１と水
素ガス締切弁１６の間の第２水素ガス管路１０ｂの途中
に、水素貯蔵合金が充填され水素貯蔵容器１４を備え
た、本発明の第２実施例を示す図である。なお、図１と
の共通部分には同一符号を付し、構成上の相違点のみ以
下説明する。

【００２５】水素ガスを導く水素ガス管路１０は、水素
ガス処理用弁１１を経由して水素ガス処理装置１２に導
かれる第１水素ガス管路１０ａと、水素貯蔵用弁１３を
経由して水素貯蔵容器１４を経由し、その後、燃焼器２
９に導かれる第２水素ガス管路１０ｂとに分岐されてい
る。

【００２６】前記水素貯蔵容器１４には、水素貯蔵合金
が充填されており、また水素貯蔵合金を冷却または加熱
するための冷水または加熱水の通る冷温水管路１８が設
けられている。さらに、水素貯蔵容器１４内の圧力を下
げるために、真空ポンプ（図示せず）が排気管３５によ
り、真空引き用弁１５を介して水素貯蔵容器１４に接続
されている。また、冷温水管路１８の一方は、冷温水入
口弁１７及びポンプ２１を介して冷温水タンク２０に接
続され、他方は、冷温水出口弁１９を介して冷温水タン
ク２０に接続されている。前記冷温水タンク２０内には
ヒータ２２が配置され、このヒータ２２には温度調節器
２３が接続されている。なお、符号２５で示されるもの
は、テスト弁である。

【００２７】前記した構成に基づき、以下に、その作動
を図２と共に説明する。まず、電気分解に用いられる純
水は純水供給弁３４を経由して、水電解オゾナイザ１に
導かれる。ここで直流電源２の電流により水電解オゾナ
イザ１が作動して純水を電気分解すると、陽極からはオ
ゾンガス（Ｏ₃）と酸素ガス（Ｏ₂）とを有する酸素含有
オゾンガスが、陰極からは水素ガス（Ｈ₂）が発生す
る。発生した水素ガスは、水素ガス処理用弁１１を閉鎖
し水素貯蔵用弁１３を開放した状態で、第２水素ガス管
路１０ｂを通り水素貯蔵容器１４に導入される。

【００２８】前記水素貯蔵容器１４内部の空気は、排気
管３５を通り、真空引き用弁１５を介して真空ポンプ
（図示せず）で真空に引かれる。次に真空引き用弁１５
を閉じ、水素貯蔵容器１４内へ水素ガスを導入すれば、
水素貯蔵容器１４内に予じめ充填された水素貯蔵合金に
より水素ガスが吸着される。水素貯蔵容器１４内の水素
貯蔵合金が吸着ガス量を超えた場合、この余剰な水素ガ
スは、開放された水素ガス締切弁１６を経由し、減圧弁
２４で所定の圧力に調整された後、マスフローコントロ
ーラ２６で所定の流量にコントロールされ、その後、水
素ガスタービンシステムの燃焼器２９へ導入され、そし
て、圧縮機２８を経由して燃焼器２９へ導入された混合
気体によって燃焼させられる。

【００２９】前記燃焼器２９で生成された燃焼ガスはガ
スタービン３０へ導かれ、ガスタービン３０を回転さ
せ、タービンの軸出力を得た後、系外へ排出される。こ
のとき得られたタービンの軸出力は、発電機３１、プロ
ペラ機械（図示せず）の駆動などに用いることができ
る。例えば、前記ガスタービン３０の回転軸３０ａに発
電機３１を接続し、得られた電力を整流器３３を経由し
て、水電解オゾナイザ１の直流電源２へ導けば、電気分
解で消費される電力の一部となりエネルギを効率よく回
収することができる。

【００３０】ここで、水電解オゾナイザ１により発生す
る水素ガスに負荷変動が生じている場合、特に、水素ガ
ス管路１０の一部をなす第２水素ガス管路１０ｂ内の水
素ガスが不足している場合には、水素貯蔵容器１４内の
冷温水管路１８に、温水を流すことによって、水素貯蔵
合金に吸着されている水素ガスを放出し、第２水素ガス
管路１０ｂ内の水素を補う。一方、前記第２水素ガス管
路１０ｂ内の水素が過剰の場合は、冷温水管路１８に冷
水を流すことによって、余分な水素ガスを水素貯蔵合金
に吸着させる。これによって、水素ガスの負荷変動に対
応して安定した量の水素ガスを水素ガスタービンシステ
ムに供給することができる。その結果、安定したガスタ
ービン軸出力を得ることができるので、例えば、発電機
３１をタービン回転軸に接続した場合、安定した電力が
得られることになる。

【００３１】さらに、２つ以上の水素貯蔵容器１４を用
いれば、繰返し水素ガスを吸着させて水素を分離貯蔵す
ることができるので水素ガスの負荷変動に対して、より
平滑化が可能となり、安定したガスタービン軸出力を得
ることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によるオゾナイザのエネルギ回収
方法及びそのエネルギ回収装置は、以上のように構成さ
れているため、次のような効果を得ることができる。

【００３３】すなわち、従来のように、水電解オゾナイ
ザから発生する水素ガスを単に水に変換するのではな
く、また、水電解オゾンガスから発生する酸素含有オゾ
ンガスを単に殺菌等に利用するだけでなく、余剰のオゾ
ンガスを、混合器を用いて大気中の空気と混合させ、酸
素濃度が高められた混合気体として燃焼に利用するの
で、余剰のオゾンガスは、従来、単に酸化させて酸素と
して捨てていたものを燃焼用の酸素源として利用するこ
とができ、水素ガスの燃焼効率を更に向上させることが
できる。

【００３４】また、その混合気体と前記水素ガスとの燃
焼により発生する燃焼ガスを利用して、出力発生手段と
して最も有益なタービンを駆動させ、出力を取り出すこ
とで、将来的に予想される水電解オゾナイザの広範囲な
利用に対応して、例えば発電機を回わし新たな電力を発
生させることができ、この電力を水電解オゾナイザの電
源として再利用することができるので、水電解オゾナイ
ザのトータルコストやランニングコストを下げることが
できる。

【００３５】さらに、水素貯蔵容器を設けることによ
り、水電解オゾナイザから発生する水素ガスの負荷変動
に対し、水素ガスの発生が過剰の時には前記容器内に水
素ガスを吸収させ、水素ガスの不足時には水素ガスを放
出させることによって、燃焼器内へ送り込まれる水素ガ
スの量を常に一定にすることができ、その結果、ガスタ
ービンの駆動も常に安定するので、質の良い出力エネル
ギを得ることができる。

【００３６】また、オゾン作用部を利用し、ここから生
じる排オゾンガスを処理するための排オゾンガス処理装
置を設けた場合、混合器に排オゾンガスを供給する必要
のないときだけ前記排オゾンガス処理装置を作動させれ
ばよいので、この処理装置を小型にすることができると
いった効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるオゾナイザのエネルギ回収方法に
適用したエネルギ回収装置の第１実施例を示す概略図で
ある。

【図２】本発明によるオゾナイザのエネルギ回収方法に
適用したエネルギ回収装置の第２実施例を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１水電解オゾナイザ３オゾンガス管路４オゾン作用部１０水素ガス管路１４水素貯蔵容器２７混合器２９燃焼器３０ガスタービン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大野秋夫千葉県四街道市鷹の台一丁目３番株式会社日本製鋼所内 (72)発明者相原道尚東京都千代田区有楽町一丁目１番２号株式会社日本製鋼所内 (56)参考文献特開昭50−61548（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水電解オゾナイザ（１）から発生した水
素ガスを燃焼器（２９）により燃焼させ、その燃焼ガス
によりガスタービン（３０）を駆動させるオゾナイザの
エネルギ回収方法において、前記水電解オゾナイザ（１）から発生した酸素含有オゾ
ンガスを大気中の空気と混合させて混合気体とし、この
混合気体と前記水素ガスとを混合させて前記燃焼器（２
９）で燃焼させることを特徴とするオゾナイザのエネル
ギ回収方法。
【請求項２】前記水電解オゾナイザ（１）から発生し
た前記水素ガスを、水素貯蔵合金が充填された水素貯蔵
容器（１４）内に導入し、前記水素貯蔵容器（１４）が
水素ガスの吸収／放出を行うことにより、前記水素ガス
の流量を調節することを特徴とする請求項１記載のオゾ
ナイザのエネルギ回収方法。
【請求項３】前記酸素含有オゾンガスが物品の酸化に
利用された後に発生する排オゾンガスを前記空気と混合
させることを特徴とする請求項１記載のオゾナイザのエ
ネルギ回収方法。
【請求項４】水電解オゾナイザ（１）と、この水電解
オゾナイザ（１）から発生した水素ガスを案内する水素
ガス管路（１０）と、前記水電解オゾナイザ（１）から
発生した酸素含有オゾンガスを案内するオゾンガス管路
（３）と、このオゾンガス管路（３）に接続され且つ前
記オゾンガス管路（３）から供給される前記酸素含有オ
ゾンガスと大気中の空気とを混合させて混合気体を発生
させる混合器（２７）と、前記水素ガス管路（１０）及
び前記混合器（２７）に接続され且つ前記水素ガス管路
（１０）から供給される前記水素ガスと前記混合器（２
７）から供給される前記混合気体とを燃焼させる燃焼器
（２９）と、この燃焼器から発生する燃焼ガスにより駆
動されるガスタービン（３０）とを備えたことを特徴と
するオゾナイザのエネルギ回収装置。
【請求項５】前記水電解オゾナイザ（１）と前記燃焼
器（２９）との間に、前記水素ガス管路（１０）と連通
し且つ水素貯蔵合金を充填した水素貯蔵容器（１４）を
備えたことを特徴とする請求項４記載のオゾナイザのエ
ネルギ回収装置。
【請求項６】前記オゾンガス管路（３）の途中に、物
品の酸化を行うオゾン作用部（４）を連結し、このオゾ
ン作用部（４）から発生する排オゾンガスを前記混合器
（２７）に供給することを特徴とする請求項４記載のオ
ゾナイザのエネルギ回収装置。