TWI822978B - 水電解裝置的功能回復方法以及水電解裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的水電解裝置（100）的功能回復方法是包括水電解槽（10）的水電解裝置（100）的功能回復方法，所述水電解槽（10）包括固體高分子膜（11）、陽極（12）、及陰極（13），水電解裝置（100）的功能回復方法包括以下步驟：將水電解裝置（100）的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是使水的溫度比利用水電解槽（10）進行水電解的正常運轉時的水的溫度低的狀態；及於低溫運轉的狀態時，對陽極（12）及陰極（13）間通電。
Description
本發明是關於一種水電解裝置的功能回復方法及水電解裝置。
作為現有技術，已知有使用固體高分子膜將水電解的水電解裝置。水電解裝置存在如下問題：水電解裝置所具備的水電解槽的電池電壓於尚未達到設計壽命的階段便上升，導致水電解裝置劣化。於是，作為解決此種問題的水電解裝置，專利文獻1中，揭示有一種水電解裝置，其藉由以額定電流以上的規定電流進行電解，使水電解功能回復，從而持續運轉。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本公開專利公報「日本專利特開2004-277870號公報」
[發明所欲解決之課題]
水電解裝置可流通的電流的最大值受整流器的規格等限制，通常以運用於水電解時的額定電流為標準選擇整流器。專利文獻1中揭示的水電解裝置藉由以額定電流以上的規定電流進行電解來使水電解功能回復。但，一般的水電解裝置其電流的最大值受到限制，因此專利文獻1中揭示的方法有時無法使水電解功能充分回復。
又，專利文獻1中揭示的水電解裝置以額定電流以上的規定電流進行電解，因此存在耗電變多的問題。本發明的一形態的目的在於以節能的方式使水電解裝置的電解功能回復。
[解決課題之手段]
為了解決所述課題，本發明的一形態的水電解裝置的功能回復方法是包括水電解槽的水電解裝置的功能回復方法，所述水電解裝置包括固體高分子膜、設置於所述固體高分子膜的一個面的陽極、及設置於所述固體高分子膜的另一個面的陰極，所述水電解裝置的功能回復方法包括以下步驟：將所述水電解裝置的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是使對所述水電解槽供給的水的溫度比利用所述水電解槽進行水電解的正常運轉時對所述水電解槽供給的水的溫度低的狀態；及於所述低溫運轉的狀態時對所述陽極及所述陰極間通電。
又，本發明的一形態的水電解裝置是使用固體高分子膜將水電解的裝置，包括：水電解槽，包括所述固體高分子膜、設置於所述固體高分子膜的一個面的陽極、及設置於所述固體高分子膜的另一個面的陰極；冷卻裝置，使對所述水電解槽供給的水冷卻；控制部，藉由控制所述冷卻裝置，將所述水電解裝置的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是使對所述水電解槽供給的水的溫度比利用所述水電解槽進行水電解的正常運轉時對所述水電解槽供給的水的溫度低的狀態；及電源，可藉由於所述低溫運轉時對所述陽極及所述陰極間通電，於所述陽極及所述陰極間產生比所述正常運轉時更高的電壓。
[發明的效果]
根據本發明的一形態，能以節能的方式使水電解裝置的電解功能回復。
＜水電解裝置100的構成＞
基於圖1對水電解裝置100的構成進行說明。圖1是表示本發明的實施形態的水電解裝置100的構成的流程圖。如圖1所示，水電解裝置100包括水電解槽10、電源20、供給水罐30、冷卻裝置40、循環泵60、供給水泵70、過濾器80、氧氣液分離器C1、氫氣液分離器C2、及控制部110。
又，水電解裝置100包括循環管線A1、氧管線B1、氫管線B2、充氫水管線B3、分支管線B4、充氧水管線B5、第一測定部M1、第二測定部M2、及切換閥90。水電解裝置100是使用固體高分子膜11將水電解的裝置。
水電解槽10包括固體高分子膜11、陽極12、及陰極13。水電解槽10使用固體高分子膜11將水電解，於陽極12產生氧，於陰極13產生氫。固體高分子膜11是傳導氫離子的氫離子傳導性的膜。
陽極12設置於固體高分子膜11的一個面，陰極13設置於固體高分子膜11的另一個面。水電解槽10的內部藉由固體高分子膜11劃分為陽極室14與陰極室15。電源20為直流電源，藉由配線連接於陽極12及陰極13。
供給水罐30為了補充水電解的處理中所使用量的水，儲存自系統外供給的純水。供給水罐30中儲存的水流向供給水泵70。供給水泵70是自供給水罐30對氧氣液分離器C1供給水的泵。供給水泵70設置於氧氣液分離器C1與供給水罐30之間。
冷卻裝置40是使對水電解槽10供給的水冷卻的裝置。換言之，冷卻裝置40是使於循環管線A1流動的水冷卻的裝置。循環管線A1是使水於陽極室14、冷卻裝置40、循環泵60、及氧氣液分離器C1中循環的管線。
冷卻裝置40例如是熱交換器，藉由自冷卻塔（cooling tower）或製冷機（chiller）對裝置內導入冷媒來進行系統內的冷卻。冷卻裝置40設置於位於陽極室14與循環泵60之間的循環管線A1上。藉此，防止形成氣液二相流，且防止壓損變得過高，從而可使水於熱交換器中順利地流動。
氧氣液分離器C1儲存來自陽極室14的水及來自供給水罐30的水。氧氣液分離器C1設置於位於陽極室14與循環泵60之間的循環管線A1上。但，氧氣液分離器C1於循環管線A1上以循環泵60為基準設置於設有冷卻裝置40一側的相反側。氧氣液分離器C1中儲存的水流向循環泵60。循環泵60是藉由自氧氣液分離器C1對陽極室14供給水而使於循環管線A1中流動的水循環的循環泵。循環泵60設置於位於氧氣液分離器C1與冷卻裝置40之間的循環管線A1上。
過濾器80設置於自位於冷卻裝置40與循環泵60之間的循環管線A1分支的充氧水管線B5上。過濾器80是去除於充氧水管線B5中流動的水中所含的污染物的過濾器。
第一測定部M1測定水電解槽10的陰極13側、即陰極室15中生成的陰極室15側的充氫水的導電率（比電阻）。第一測定部M1是導電率計，亦可為比電阻計。第二測定部M2是測定陽極12及陰極13間產生的電壓的電壓計。陰極室15側的充氫水是自陽極12側通過陰極13側的水。控制部110是藉由控制水電解裝置100的各部而控制水電解裝置100的運轉的控制裝置。
＜水電解裝置100正常運轉時的處理＞
其次，對水電解裝置100正常運轉時的處理進行說明。此處，考量水電解裝置100的額定氫產生量為10（Nm3
/h）、水電解槽10的額定電流密度為2（A/cm2
）、額定溫度為80℃的情形。
於該情形時，當水電解裝置100正常運轉時，水電解槽10內的水溫為80℃。藉由水電解槽10所包括的電池（未圖示）發熱，水電解槽10內的水溫上升。正常運轉時，控制部110藉由控制冷卻裝置40，使冷卻裝置40將水冷卻，從而不使水電解槽10內的水溫較80℃大幅上升。
藉由利用電源20對陽極12及陰極13間通電，對利用循環泵60對陽極室14供給的水進行水電解。藉此，於陽極室14產生氧，於陰極室15產生氫。當對供給至陽極室14的水進行水電解時，氫離子自陽極室14向陰極室15移動。具體而言，於陽極室14，產生以下的式（1）所示的化學反應，於陰極室15，產生以下的式（2）所示的化學反應。
2H2
O→O2
＋4H+
＋4e-
・・・（1）
4H+
＋4e-
→2H2
・・・（2）
於陽極室14產生的氧輸送至氧氣液分離器C1，氧氣液分離器C1將於陽極室14產生的氧與水分離。藉由循環泵60自氧氣液分離器C1向陽極室14供給水，該水作為陽極室14側的充氧水流向供給水罐30及冷卻裝置40。該氧自連接於氧氣液分離器C1的氧管線B1向系統外排出。
於陰極室15產生的氫輸送至氫氣液分離器C2，氫氣液分離器C2將於陰極室15產生的氫與水分離。氫氣液分離器C2中儲存的水作為充氫水流向充氫水管線B3。陰極室15側的充氫水於充氫水管線B3中流動，通過切換閥90，向供給水罐30供給。即，正常運轉時，陰極室15側的充氫水被再利用。該氫自連接於氫氣液分離器C2的氫管線B2向系統外排出。藉由控制部110的控制，使切換閥90將流路切換至供給水罐30側與分支管線B4側。
又，於固體高分子膜11會累積如鈣離子或鎂離子等污染物（contamination）（陽離子）的污染物質。這是因為於循環管線A1中流動的水所含的污染物質附著於固體高分子膜11。污染物質累積於固體高分子膜11會導致水電解槽10的電池電壓上升。
此處，考量水電解裝置100為正常運轉的狀態時。此時，水電解裝置100藉由第二測定部M2測定陽極12及陰極13間產生的電壓，藉由第一測定部M1測定水電解槽10的陰極13側、即陰極室15中生成的陰極室15側的充氫水的導電率。再者，於水電解裝置100不包括第一測定部M1的情形時，使用者亦可適當提取陰極室15側的充氫水，使用導電率計對提取的陰極室15側的充氫水測定導電率。
又，使用者對利用第二測定部M2所測定的陽極12及陰極13間產生的電壓與第一臨限值進行比較，對利用第一測定部M1所測定的導電率與第二臨限值進行比較。使用者於陽極12及陰極13間產生的電壓為第一臨限值以上、且所述導電率為第二臨限值以上的情形時，將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態。
作為第一臨限值的一例，可列舉正常運轉時陽極12及陰極13間產生的電壓的105%。第一臨限值的值可根據使用者所希望的功能任意設定。作為第二臨限值的一例，可列舉1.5（μS/cm）。於該情形時，當充氫水的導電率成為1.5（μS/cm）以上時，將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態。當開始低溫運轉時，污染物質會自固體高分子膜11來到充氫水內。因此，開始低溫運轉時的充氫水的導電率會較第二臨限值大幅上升。第二臨限值的值可根據使用者所希望的功能任意設定。
所述構成中，藉由確認是否陽極12及陰極13間產生的電壓為第一臨限值以上、且陰極室15側的充氫水的導電率為第二臨限值以上，判定水電解裝置100的功能是否劣化。因此，僅於可確認水電解裝置100的功能劣化的情形時，將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，故而可於適當的時機使水電解裝置100的電解功能回復。
又，藉由使水電解裝置100包括第一測定部M1及第二測定部M2，可測定陰極室15側的充氫水的導電率、及陽極12及陰極13間產生的電壓。因此，可適當判斷水電解裝置100的功能是否劣化。
再者，使用者亦可僅於陽極12及陰極13間產生的電壓為第一臨限值以上的情形時將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態。於該情形時，使用者藉由對利用第二測定部M2所測定的陽極12及陰極13間產生的電壓與第一臨限值進行比較，判斷是否將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態。又，於該情形時，水電解裝置100亦可不包括第一測定部M1。
進而，使用者對利用第一測定部M1所測定的導電率與第三臨限值進行比較。使用者於所述導電率為第三臨限值以下的情形時，結束水電解裝置100的低溫運轉。亦可於使水電解裝置100的低溫運轉結束後，開始水電解裝置100的正常運轉。作為第三臨限值的一例，可列舉1.0（μS/cm）。於該情形時，若於以下兩個條件的任一條件下將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，則於充氫水的導電率成為1.0（μS/cm）以下的情形時，結束水電解裝置100的低溫運轉。
所述兩個條件為陽極12及陰極13間產生的電壓為第一臨限值以上的情形、及陽極12及陰極13間產生的電壓為第一臨限值以上且充氫水的導電率為第二臨限值以上的情形。第三臨限值的值可根據使用者所希望的功能任意設定，亦可為低於第二臨限值的值。
所述構成中，藉由確認陰極室15側的充氫水的導電率是否為第三臨限值以下，判斷水電解裝置100的功能是否充分回復。因此，僅於可確認水電解裝置100的功能已經充分回復的情形時，使水電解裝置100的低溫運轉結束，故而可於適當的時機結束水電解裝置100的低溫運轉。
＜水電解裝置100低溫運轉時的處理＞
其次，對水電解裝置100低溫運轉時的處理、即水電解裝置100的功能回復方法進行說明。具體而言，使用者藉由變更水電解裝置100的運轉的設定，將水電解裝置100的運轉的設定自正常運轉的設定切換為低溫運轉的設定。當水電解裝置100的運轉的設定成為低溫運轉的設定時，藉由控制部110的控制，使冷卻裝置40將供給至水電解槽10的水與正常運轉時相比過度冷卻。
藉此，控制部110藉由控制冷卻裝置40，將水電解裝置100的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是對水電解槽10供給的水的溫度比利用水電解槽10進行水電解的正常運轉時對水電解槽10供給的水的溫度低的狀態。此時，較佳為控制部110藉由控制冷卻裝置40，使對水電解槽10供給的水的溫度例如成為5℃以上且60℃以下。又，更佳為控制部110藉由控制冷卻裝置40，使對水電解槽10供給的水的溫度成為15℃以上且35℃以下。
當水電解裝置100低溫運轉時，電源20對陽極12及陰極13間通電。如此，電源20藉由於水電解裝置100低溫運轉時對陽極12及陰極13間通電，可於陽極12及陰極13間產生高於水電解裝置100正常運轉時的電壓。
根據所述構成，藉由設為使對水電解槽10供給的水的溫度低於正常運轉時的水的溫度的狀態並進行通電，於水電解槽10產生比正常運轉時於水電解槽10產生的電壓更高的電壓。藉此，於低溫運轉中去除水電解槽10內的污染物質，因此可降低正常運轉時於水電解槽10產生的電壓。
因此，可於不提高對水電解槽10供給的電流的電流值的情況下以節能的方式使水電解裝置100的電解功能回復。又，現有的水電解裝置中使用的整流器的電流的最大值受限制，因此無法使電解功能充分回復，與此相對，本發明的一形態的水電解裝置100藉由設為低溫運轉可使電解功能充分回復。
電源20對陽極12及陰極13間通電時，去除固體高分子膜11內的污染物質，該污染物質通過固體高分子膜11向陰極室15移動。此時，包含所述污染物質的陰極室15側的充氫水於充氫水管線B3流動。包含所述污染物質的陰極室15側的充氫水由自充氫水管線B3分支的分支管線B4向系統外排出。於充氫水管線B3與分支管線B4的連接部位設置有切換閥90。藉由切換閥90，使低溫運轉時自陰極室15排出的陰極室15側的充氫水不流向供給水罐30而是流向分支管線B4。
再者，對於未設置分支管線B4的水電解裝置100，亦可進行正常運轉，於進行低溫運轉前，於充氫水管線B3設置分支管線B4，於低溫運轉時自分支管線B4將陰極室15側的充氫水向系統外排出。
又，亦可於充氫水管線B3設置過濾器（未圖示）來代替於水電解裝置100設置分支管線B4及切換閥90。藉由該過濾器，去除低溫運轉時陰極室15側的充氫水所含的污染物質，於低溫運轉後更換該過濾器。
＜水電解裝置100的低溫運轉試驗＞
其次，對實施水電解裝置100的低溫運轉試驗的情形進行說明。關於使用的水電解裝置100，水電解槽10的額定電流密度為2（A/cm2
），額定溫度為80℃。使水電解裝置100以低溫運轉的方式進行運轉。此時，將水電解槽10內的水的溫度設為25℃以上且30℃以下。水電解裝置100的低溫運轉試驗開始前，正常運轉時的電池的運轉電壓為1.92（V），正常運轉時的初始電池的運轉電壓為1.80（V）。
又，於充氫水管線B3設置分支管線B4，將陰極室15側的充氫水向系統外排出。關於水電解裝置100的運轉，於將對水電解槽10供給的水的溫度維持於低溫的狀態下實施日啟停（Daily Start and Stop，DSS）運轉，於各試驗日結束時，使水電解槽10內的水的溫度上升至80℃，獲取圖2所示的曲線圖。又，適當提取正常運轉中陰極室15側的充氫水，對所提取的陰極室15側的充氫水使用導電率計測定導電率，與正常運轉並行地確認是否存在污染物質。
圖2是表示實施圖1所示的水電解裝置100的低溫運轉試驗所得的結果中正常運轉時的電池的運轉電壓的曲線圖。圖2中，橫軸表示運轉時的電流密度（A/cm2
），縱軸表示運轉時水電解槽10所包括的電池的運轉電壓（V）。如圖2所示，確認尤其是電流密度高時的電池的運轉電壓隨著反覆進行低溫運轉試驗，逐漸接近初始的正常運轉時的電池的運轉電壓。
進而，低溫運轉試驗開始時的陰極室15側的充氫水的導電率為8.0（μS/cm），陰極室15側的充氫水的導電率隨著反覆進行低溫運轉試驗逐漸降低，最終降低至0.9（μS/cm）。因此，確認藉由利用低溫運轉排出來自固體高分子膜11污染物質，使陰極室15側的充氫水的導電率降低，從而水電解裝置100的功能回復。
根據以上，水電解裝置100的功能的回復是藉由一面將水電解槽10內的水的溫度維持於低溫，一面於將電池電壓維持為高電壓的狀態下通電，可將累積於固體高分子膜11的污染物質排出。又，不使陰極室15側的充氫水返回供給水罐30，而是將陰極室15側的充氫水持續向系統外排出，直至陰極室15側的充氫水的導電率下降至某一指標以下。藉此，可使電池電壓降低至接近初始電池電壓的值。
本發明並不限定於所述各實施形態，可於申請專利範圍所示的範圍內進行各種變更，適當組合不同實施形態各自所揭示的技術手段所得的實施形態亦包含於本發明的技術範圍內。
[產業上的可利用性]
本發明可用於使用固體高分子膜進行的水的電解。
10:水電解槽
11:固體高分子膜
12:陽極
13:陰極
14:陽極室
15:陰極室
20:電源
30:供給水罐
40:冷卻裝置
60:循環泵
70:供給水泵
80:過濾器
90:切換閥
100:水電解裝置
110:控制部
A1:循環管線
B1:氧管線
B2:氫管線
B3:充氫水管線
B4:分支管線
B5:充氧水管線
C1:氧氣液分離器
C2:氫氣液分離器
M1:第一測定部
M2:第二測定部
圖1是表示本發明的實施形態的水電解裝置的構成的流程圖。
圖2是表示實施圖1所示的水電解裝置的低溫運轉試驗所得的結果中正常運轉時的電池的運轉電壓的曲線圖。
10:水電解槽
11:固體高分子膜
12:陽極
13:陰極
14:陽極室
15:陰極室
20:電源
30:供給水罐
40:冷卻裝置
60:循環泵
70:供給水泵
80:過濾器
90:切換閥
100:水電解裝置
110:控制部
A1:循環管線
B1:氧管線
B2:氫管線
B3:充氫水管線
B4:分支管線
B5:充氧水管線
C1:氧氣液分離器
C2:氫氣液分離器
M1:第一測定部
M2:第二測定部
Claims (7)
- 一種水電解裝置的功能回復方法，其是包括水電解槽的水電解裝置的功能回復方法，所述水電解槽包括固體高分子膜、設置於所述固體高分子膜的一個面的陽極、及設置於所述固體高分子膜的另一個面的陰極，所述水電解裝置的功能回復方法的特徵在於包括以下步驟： 將所述水電解裝置的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是使對所述水電解槽供給的水的溫度比利用所述水電解槽進行水電解的正常運轉時對所述水電解槽供給的水的溫度低的狀態；及 於所述低溫運轉的狀態時對所述陽極及所述陰極間通電。
- 如請求項1所述的水電解裝置的功能回復方法，更包括以下步驟：於所述正常運轉的狀態時測定所述陽極及所述陰極間產生的電壓；及 對所述陽極及所述陰極間產生的電壓與第一臨限值進行比較； 在所述陽極及所述陰極間產生的電壓為第一臨限值以上的情形時，將所述水電解裝置的運轉狀態設為所述低溫運轉的狀態。
- 如請求項2所述的水電解裝置的功能回復方法，更包括以下步驟：測定所述水電解槽的所述陰極側生成的充氫水的導電率；及 對所述導電率與第三臨限值進行比較； 於所述導電率為第三臨限值以下的情形時，使所述水電解裝置的所述低溫運轉結束。
- 如請求項1所述的水電解裝置的功能回復方法，更包括以下步驟：於所述正常運轉的狀態時，測定所述陽極及所述陰極間產生的電壓； 測定所述水電解槽的所述陰極側生成的充氫水的導電率； 對所述陽極及所述陰極間產生的電壓與第一臨限值進行比較；及 對所述導電率與第二臨限值進行比較； 於所述陽極及所述陰極間產生的電壓為第一臨限值以上且所述導電率為第二臨限值以上的情形時，將所述水電解裝置的運轉狀態設為所述低溫運轉的狀態。
- 如請求項4所述的水電解裝置的功能回復方法，更包括對所述導電率與第三臨限值進行比較的步驟， 於所述導電率為第三臨限值以下的情形時，使所述水電解裝置的所述低溫運轉結束。
- 一種水電解裝置，其是使用固體高分子膜對水進行電解的裝置，其特徵在於包括： 水電解槽，具有所述固體高分子膜、設置於所述固體高分子膜的一個面的陽極、及設置於所述固體高分子膜的另一個面的陰極； 冷卻裝置，使對所述水電解槽供給的水冷卻； 控制部，藉由控制所述冷卻裝置，將所述水電解裝置的運轉狀態設為低溫運轉的狀態，所述低溫運轉的狀態是對所述水電解槽供給的水的溫度比利用所述水電解槽進行水電解的正常運轉時對所述水電解槽供給的水的溫度低的狀態；及 電源，可藉由於所述低溫運轉時對所述陽極及所述陰極間通電，於所述陽極及所述陰極間產生比所述正常運轉時更高的電壓。
- 如請求項6所述的水電解裝置，更包括：第一測定部，測定所述水電解槽的所述陰極側生成的充氫水的導電率；及 第二測定部，測定所述陽極及所述陰極間產生的電壓。
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