JPS6366397B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、加圧水を電気分解することによつて
水素及び酸素を工業生産する装置の如き電解装置
に関する。

現在知られている電解装置においては、隔離器
から発した陽極液及び陰極液の戻り回路は１本
の、そして同一の配管に合体され、それによつて
電解槽の入口におけるカリの濃度を陽極側と陰極
側とにおいて等しくすることができる。脱気電解
液の戻り回路をこのように結合すると、電解槽の
２つの各入口のおけるカリの濃度が等しく保たれ
るため、操業中の電解槽の性能低下を避けること
ができる（この性能低下は陰極側におけるカリの
濃度の増加と、陽極側におけるカリの濃度の対応
低下に起因する）。電解反応によつて陽極側にお
いてはカリが失われて水が得られ、陽極側におい
てはその逆となる。電解液の固有抵抗がこのカリ
の濃度に依存することから、もしカリ濃度が最適
濃度のいずれかの側へ大巾にずれることがあれば
固有抵抗が増大することは知られている。従つて
満足すべき操業を遂行するためには、電解槽の入
口におけるカリ濃度を常に電解質混合体の最小固
有抵抗に対応する最適濃度に保つことが不可欠で
ある。

公知装置においては、水素ガスと酸素とのあり
得る混合に起因する爆発の危険を避けるために、
循還する電解液流の全てを脱気する極めて効果的
な液体・ガス分離器を装備することが不可欠であ
る。このような脱気装置は大型且つ高価であり、
電解装置はより簡便な脱気装置を装備できること
が望ましい。

本発明は新規な型の電解装置に係り、本装置は
上述の先行装置と同じような最適効率で作動し、
しかも、遥かに簡易で遥かに小型の脱気装置を装
備し得ることから、上述の如き欠陥を有していな
い。本装置は、陽極液回路と陰極液回路とが分離
されている型であつて、液体に対しては透過性で
あるがガスに対しては不透過性の隔膜を少なくと
も部分的に装備した電解槽を備え、また陽極液及
び陰極液の各流路の電解質濃度を同一に保持する
ように、電解槽内において電解液を各陰極液区画
から対応陽極液区画に向かつて上記隔膜を通して
部分的に転送可能ならしめる手段をも備えている
ことを特徴とする。

以下に添附図面に基いて本発明の若干の実施例
を説明する。

第１図には本発明によつて加圧水の電解を遂行
する装置に組込まれた電解槽１が示されている。
電解槽１は複数のセルからなつており、各セルに
は陽極液と陰極液とを分離した区画に分離する隔
膜が設けられている。隔膜はガスに対しては不透
過性である（例えば直径が10ミクロン以上の気泡
は通過させない）が液体は透過させるような多孔
性である。例えばこれらの隔膜は、このような特
性を有する材料であるアスベストである。

通常のように、電解槽１には陽極液出口１７、
陰極液出口２、陽極液区画用電解液入口６１、及
び陰極液区画用電解液入口６２が設けられてい
る。同様に、通常のように、出口１７から出た陽
極液は回路６３によつて陽極液脱気装置２１に送
られ、ガス出口導管２０によつて酸素が抽出され
る。同様に、通常のように、脱気された陽極液は
脱気装置２１から出口６４を通して冷凍回路２２
及び濾過器２３へ送られる。

同様に、そして対称的に、電解槽１から出口２
を通つた陽極液は接続回路６５、水素出口導管５
を備えた陽極液脱気装置６、冷凍回路７及び濾過
器８を連続して通過する。

本発明によれば、公知装置とは異なつて、濾器
器２３及び８を通過した陽極液及び陰極液の戻り
回路２６，９は単一の導管に合体することなく、
電解槽１の対応入口６１，６２まで分離されたま
まである。それでもなお各電解セル内のカリの濃
度を、電解液に最小固有抵抗を与える1.3程度の
濃度の約±10％以内の最適濃度に保つために、本
装置は、電解槽内に陰極液流と陽極液流との間に
流れの差を生じさせることによつて陰極液の充分
に限定された分率（大よそ10乃至20％程度）が各
隔膜を通して恒常的に陽極液区画へ流入できるよ
うにする手段を備えている。第１図の実施例に図
式的に示されているこれらの手段を以下に説明す
る。

通常のように、電解槽の上流には歯車伝導循還
ポンプが配置されている。即ちポンプ３２は陽極
液回路内に、またポンプ１２は陰極液回路内に配
置されている。これらのポンプは、水を電解する
場合に必要な（１／３、２／３）に極めて近い比
の流れを発生させる。この目的のために、図示装
置においては信頼でき且つ経済的な方策として、
共通の電動機１１及びシヤフト１３によつて２台
の歯車伝導ポンプ１２及び３２を採用している。
これらのポンプ自体はシヤフト１４によつて結合
され、各ポンプの歯車の直径は対応歯車の直径と
同一になつているが、歯巾は流れの比に必要な比
（１／３、２／３）に極めて近い比になつている。

矢印によつて極めて図式的に示してあるよう
に、陰極流の充分に限定された分率を吸込みによ
つて陽極流へ転送せしめるべく電解槽１の出口に
は歯車伝導レギユレータが配置されている。この
レギユレータはシヤフト１６によつて結合された
２台の流れ制御装置１８，３からなり、各流れ制
御装置１８，３は歯車伝導定量ポンプの場合のよ
うに１対のかみ合つた歯車からなつている。本発
明によれば、陽極液回路に関係づけられた流れ制
御装置１８及び陰極液回路内の流れ制御装置３の
歯巾の比は、ポンプ３２及び１２における歯巾の
比よりも10乃至30％大きくしてある。例えばポン
プ３２と１２との比が（１／３、２／３）である
のに対して、流れ制御装置１８と３との比は
（0.37、0.62）である。このために生ずる流れの
差が若干の陰極液を陽極液回路に向けて吸込ませ
るので濃度差は極めて僅かなものとなり、これら
２つの回路に対する電解槽の満足すべき効率が保
証されることになる。例えば、もし最適濃度が
1.3であれば、この値の±10％までのずれの濃度
が得られる。

しかし、陽極液回路と陰極液回路とが分離して
おり陰極液の流れの10乃至20％が恒常的に陽極液
回路へ転送されるのであるから、陽極液を同じ割
合で陰極液回路へ恒常的に分流させることによつ
てこの転送を補償する必要がある。さもなければ
陰極液回路は完全に枯渇してしまう。

本発明によるこの目的のために使用される手段
を以下に説明する。

陰極液脱気装置６だけに矢印６７で示されてい
るように、電解現象によつて自然に消費される水
（或はより一般的には、水以外の液体の電解の場
合の基となる液体）を補償するために水が加えら
れる。

一方、陽極液流の僅かな割合（10乃至20％程
度）は導管２９に導びかれ、この導びかれた陽極
液の酸素を出口２８に更に分離させる小型の脱気
装置３０を通過させられた後（酸素の泡が陰極液
回路内に導入されるのを回避するため）、導管３
１を通して陰極液回路内へ再注入される。

図示のように、陽極液の分流２９，３０，３１
は定量ポンプ３２，１２の上流において行われ、
本発明の転送流に対応する必要分率を分流可能な
らしめるために、レギユレータ１８，１６，３と
実質的に同一のレギユレータ２７，１５，１０が
分流手段２９及び３１の上流の２つの電解液回路
内に配置されている。

以上に説明した電解装置によれば、電解反応生
成を最良ならしめる最適条件を保ちつつ、陽極液
回路と陰極液回路とを分離することが可能であ
る。従つて本装置は、先行公知装置の如く99％ま
での総合ガス分離を行う必要はなく、例えば90％
まで脱気すれば充分である。それでも、流れ補償
回路２９，３０，３１内に付加的な脱気装置３０
を必要とするが、この脱気装置３０は陽極液の合
計流の僅かな分率の分離を遂行するだけであるた
め小型の装置であつてもよい。

第２図は第１図に基いて説明した型の装置に複
雑さを加えることを条件として若干改善した装置
を示す。

第２図の装置が第１の装置と異なる点は、流れ
制御装置１８，３及び２７，１０の結合シヤフト
１６，１５に、及びポンプ３２，１２の結合シヤ
フト１４に調速器３４，３５，３６が設けられて
いることである。これらの電解液濃度に望ましい
１或はそれ以上の条件、本例においては多分抽出
されるガスの純度に対応する１或はそれ以上の説
定値Ｃに依存して調整器３３によつて空気的に遠
隔制御することが可能である。調整器３３は電解
槽１の陰極液及び陽極液入口回路６１及び６２間
に配置されている差動濃度計２５からの入力信
号、酸素出口回路２０上に配置されているガス分
析器１９からの入力信号、及び水素出口回路５上
に配置されているガス分析器４からの入力信号と
設定値Ｃとを比較する。通常の如く、調整器３３
は、これらの検出要素４，１９，２５からの情報
が設定値Ｃに一致するようにレギユレータ及びポ
ンプ類を変化せしめて流れの比を変化させる信号
を調整器３４，３５及び３６に供給する。

動作が満足できるか否かを点検するために、第
１図の装置にも４及び１９のようなガス分析器及
び２５のような差動濃度計を設け、調整器３３の
代りに単なるしきい値警報装置を取付けて例えば
隔膜の割れによつて生ずる異常の場合にトリガさ
せ得ることに注目されたい。

本発明による隔膜を通して部分転送を可能なら
しめる手段は変化させることができる。このよう
な別の実施例を第３図に示す。第３図に示されて
いるこれらの手段は、前例が流れの差に基いてい
るのに対して、圧力の差に基いている。

第３図から明らかなように第３図の装置は第２
図の装置に酷似しており、両装置において同一の
機能を有する素子に対しては同一の参照番号が付
されている。第３図の装置は流れ制御装置を備え
ておらず、本発明による転送及び再注入回路２
９，３０，３１による転送の補償は陽極液及び陰
極液回路の圧力の作用によつて得ている。

この目的のために、陽極液脱気装置２１内の酸
素圧は、酸素出口２０上に配置されている弁４４
に作用する調節装置４３を含む普通の調圧ループ
によつて、脱気装置２１に接続された圧力検出器
４２からの信号及び指令C1に依存して一定に保
たれる。一方、陰極液脱気装置６内の水素圧は、
弁４８に作用する調節装置４７によつて陽極液回
路の酸素圧よりも高い値に保たれ、圧力差によつ
て電解槽１の隔膜を通して転送を可能ならしめ陽
極液回路と陰極液回路との間に約20％を超えない
カリ濃度差を得ることができるように、調整器３
３の指令Ｃによつて固定される。調節装置４７に
は、酸素圧に依存して水素圧を完全に追随せしめ
得るようにするために調節装置４３からの信号
と、指令Ｃによつて固定された圧力に対する実際
に得られた圧力との差を監視する装置として役立
つ導管６３，６５間に配置された差圧検出器４９
からの信号が印加されている。最後に、第２図の
装置と同様に、調整器３３は差動濃度計２５から
の信号及びガス分析器４及び１９からの信号を受
けている。

第３図の装置においては、流れ損失補償分流２
９，３０，３１も圧力手段によつて付活される。
このために、脱気装置３０の圧力は酸素出口回路
２８上に配置されている弁５１によつて固定され
る。弁５１は、分流回路２９よりも上流の陽極液
戻り回路２６に配置されている圧力検出器５０か
らの信号、及び調整器３３からの信号を受けてい
る調節装置５２によつて制御される。調整器３３
と調節装置５２の制御の下に、第２図の装置と同
じように回路２６から回路９への所望の分流が得
られるように脱気装置３０内に所与の圧力が固定
される。

本発明の応用は、加圧水の電気分解によつて水
素及び酸素を製造することである。

陽極液流回路と陰極液流回路とが別になつてい
る電解装置には第４図に示す電解槽を設ける。

各電解セル１００はフレーム１３０の間に配置
された２枚の電極プレート１１０により境界を定
められている。これらは比較的薄いプレートであ
り、例えばニツケルからつくられ、それらの周縁
絶縁ジヨイントは短絡回避のためフレームが支持
されている区域に配置されている。電極プレート
がバイポーラであるようにセルは電気的に直列と
されている。表面１１１は酸素を発生する陽極を
構成し、表面１１２は水素を発生する陰極を構成
している。

例えばアスベストウエブからつくられる隔膜１
２０を各フレームに取付け、各電解セルはこのよ
うにして２つの隔室に分けられる。電極プレート
の面１１１の隔室１０１は陽極電解液を含んでお
り、そして面１１２の隔室１０２は陰極電解液を
含んでいる。この種の隔膜は液体を透過するが、
気体を透過せず、一方の隔室から他方の隔室へ陽
極電解液又は陰極電解液を転送するが、酸素又は
水素を転送することはない。

陽極電解液と陰極電解液とは、コレクタ１４
１，１４２と導管１４３，１４４とにより別々に
各隔室の下方部分に送りこまれる。セルの上方部
分で、同様にしてコレクタ１５１，１５２と導管
１５３，１５４とにより陽極電解液と陰極電解液
とが送り出される。

２枚の端板１６０間にすべてのセルが取付けら
れている。端板１６０はタイロツド１６５により
相互接続され、これらのタイロツドを締めつける
ことによりセルの機械的相互結合を保証し、フレ
ーム１３０と電極プレート１１０との間の堅締も
保証する。このユニツトを、セル内を循環する電
解液の圧力と同じ圧力に脱塩水によつて加圧した
室に配置するのが普通である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水の電解装置の１実施例
を図式的に示し、第２図は第１図の水の電解装置
の変形例を図式的に示し、第３図は本発明による
水の電解装置の別の実施例を図式的に示す。第４
図は本発明の水の電解装置に使用する電解槽を示
す。 １……電解槽、２……陰極液出口、３，１０，
１８，２７……流れ制御装置、４，１９……ガス
分析器、５……水素出口導管、６……陰極液脱気
装置、７，２２……冷凍装置、８，２３……濾過
器、９……陰極液戻り回路、１１……電動機、１
２，３２……ポンプ、１３，１４，１５，１６…
…シヤフト、１７……陽極液出口、２０，２８…
…酸素出口導管、２１，３０……陽極液脱気装
置、２５……差動濃度計、２６……陽極液戻り回
路、２９，３１……導管、３３，４３，４７，５
２……レギユレータ、３４，３５，３６……調速
器、４２，５０……圧力検出器、４４，４８，５
１……弁、４９……差圧検出器、６１……陽極液
区画用電解液入口、６２……陰極液区画用電解液
入口、６３，６４……陽極液回路、６５……陰極
液回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分離した陽極液流回路と陰極液流回路、及び
   ガス出口を有し、脱気された電解液をポンプによ
   つて電解槽に再循還させる水の電解装置におい
   て、陽極液と陰極液を分離区画に分離する隔膜を
   備える電解槽と、流れの差の発生に基いて陽極液
   及び陰極液の各流路の電解液濃度を同一に保持す
   るべく電解槽内において電解液を各陰極液区画か
   ら対応陽極液区画へ上記隔膜を通して部分的に転
   送する転送手段とを具備し、この転送手段は相互
   に結合された陰極液流れ制御装置と陽極液流れ制
   御装置とを電解槽の下流に備え、これらの流れ制
   御装置は、電解槽の出口における陽極液の流量と
   陰極液の流量とを電解槽への再循還電解液の入口
   における陽極液の流量と陽極液の流量とは異なる
   値としていることを特徴とする水の電解装置。 ２ 陽極液の若干を陰極液流回路内へ電解槽の上
   流で補償再注入するようにした特許請求の範囲１
   項記載の水の電解装置。 ３ 電解槽の下流に配置されている流れ制御装置
   と実質的に同一の結合された流れ制御装置を再注
   入手段の上流に備える特許請求の範囲２項記載の
   水の電解装置。 ４ 結合された流れ制御装置の少なくとも一方は
   調速器により結合されている特許請求の範囲３項
   記載の水の電解装置。 ５ ポンプは調速器により結合されている特許請
   求の範囲３項記載の水の電解装置。 ６ 調速器を遠隔制御する調整器を備える特許請
   求の範囲４項或は５項記載の水の電解装置。 ７ 分離した陽極液流回路と陰極液流回路、及び
   ガス出口を有し、脱気された電解液が電解槽に再
   循還させられる水の電解装置において、陽極液と
   陰極液を分離区画に分離する隔膜を備える電解槽
   と、圧力の差の発生に基いて陽極液及び陰極液の
   各流路の電解液濃度を同一に保持するべく電解槽
   内において電解液を各陰極液区画から対応陽極液
   区画へ上記隔膜を通して部分的に転送する転送手
   段とを具備し、この転送手段は調節装置によつて
   制御される弁をガス出口に備え、それにより電解
   槽の出口における陽極液の流量と陰極液の流量と
   を電解槽への再循環電解液の入口における陽極液
   の流量と陽極液の流量とは異なる値としているこ
   とを特徴としている水の電解装置。 ８ 電解反応によつて消費される水の損失を補償
   するための入口を陰極液流回路だけに備えている
   特許請求の範囲１項記載の水の電解装置。 ９ 電解反応によつて消費される水の損失を補償
   するための入口を陰極液流回路だけに備えている
   特許請求の範囲７項記載の水の電解装置。