WO2001038608A1 - Dispositif d'electrolyse de l'eau - Google Patents

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WO2001038608A1
WO2001038608A1 PCT/JP2000/007890 JP0007890W WO0138608A1 WO 2001038608 A1 WO2001038608 A1 WO 2001038608A1 JP 0007890 W JP0007890 W JP 0007890W WO 0138608 A1 WO0138608 A1 WO 0138608A1
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pure water
line
separation tank
heat exchanger
hydrogen
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PCT/JP2000/007890
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Kiyoshi Hirai
Tsutomu Oi
Masaru Yonezawa
Akiko Miyake
Manabu Toyoshima
Yutaka Ishii
Original Assignee
Shinko Pantec Co., Ltd
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a solid electrolyte type water electrolysis device.
  • the electrolytic cell 41 includes a large number of solid polymer electrolyte membrane units 42 connected in series, and current-carrying end electrode plates 43, 43 disposed at both ends.
  • the solid polymer electrolyte membrane unit 42 mainly includes a solid polymer electrolyte membrane 44, porous feeders 45, 45 provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 44, And a bipolar electrode plate 46, 46 disposed outside the power feeders 45, 45.
  • the solid polymer electrolyte membrane 44 is generally a polymer membrane made of a proton conductive material.
  • the bipolar electrode plate 46 is such that when a voltage is applied between the end electrode plates 43, 43, one surface becomes a cathode and the other surface becomes an anode. If one bipolar electrode plate 46 is taken, it is a common component to the solid polymer electrolyte membrane units 42, 42 on both the left and right sides.
  • FIG. 6 is an exploded cross-sectional view of one solid polymer electrolyte membrane unit 42, and a porous catalyst layer 47 made of a platinum group metal is provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 44.
  • a space surrounded by a seal is formed by the solid polymer electrolyte membrane 44, the bipolar electrode plate 46, and the annular gasket 48.
  • Each of the spaces becomes a cathode chamber A and an anode chamber B (shown by a two-dot chain line in FIG. 6) described later.
  • a porous power supply 45 is accommodated in each of the cathode chamber A and the anode chamber B.
  • a cation exchange membrane for example, fluorine Resin-based sulfonic acid cation exchange membranes, such as “Naphion 117” and “Naphion 115” manufactured by DuPont) are preferred.
  • each bipolar electrode plate 46 is placed on the left side. Is the cathode of one unit 42, and the right side is the anode of the other unit 42. That is, one bipolar electrode plate 46 is a constituent member of the cathode side 49 in the solid polymer electrolyte membrane unit 42 on the left side of the bipolar electrode plate in the drawing, and the solid polymer electrolyte unit on the right side in the drawing. In the electrolyte membrane unit 42, it is a constituent member on the anode side 50.
  • each solid polymer electrolyte membrane unit 42 has a cathode chamber A located on the right side of the solid polymer electrolyte membrane 44 and a cathode chamber A located on the left side of the solid polymer electrolyte membrane 44.
  • An anode compartment B is formed.
  • the process of generating hydrogen gas and oxygen gas in the solid polymer electrolyte type water electrolyzer is roughly as described above.Hydrogen and oxygen generated in the process are, for example, according to the flow shown in FIG. Supplied to each news point. That is, in FIG. 7, the hydrogen gas generated in the electrolytic cell 52 is separated from the water in the hydrogen separation tank 54 through the line 53, and then supplied to each use bottle through the dehumidifier 55. On the other hand, the oxygen gas generated in the electrolytic cell 52 is separated from water in an oxygen separation tank 57 via a line 56, and then released into the atmosphere.
  • water electrolysis is performed by applying a predetermined current under a predetermined voltage.
  • energy efficiency voltage efficiency x current efficiency
  • the current efficiency is independent of temperature and ranges from about 90 to 98%.
  • the voltage efficiency is indicated by the theoretical operating voltage and the actual electrolysis voltage, and is temperature-dependent. That is, unless the electrolysis temperature is maintained relatively high, the actual electrolysis voltage rises, and as a result, the voltage efficiency decreases. With the higher performance of electrolytic cells, the voltage efficiency, which was conventionally limited to about 80%, should be improved to about 96% if the electrolysis temperature is maintained at 80 to 120 ° C. Is possible.
  • pure water used for water electrolysis is circulated from the viewpoint of cost and the like.
  • a method using an ion-exchange resin as the ion-removing means is performed.
  • the heat-resistant temperature of the ion-exchange resin is low (about 55 ° C.). The temperature was set at a relatively low temperature of about 5 ° C.
  • pure water separated from oxygen gas in an oxygen separation tank 57 is supplied through a line 65 and a pure water circulation pump 69. Supplied on line 59.
  • the line 59 has a heat exchanger
  • reference numeral 58 denotes a pure water tank
  • reference numeral 70 denotes a pure water supply pump for supplying supply pure water from the pure water tank 70 to the oxygen separation tank 57.
  • the pure water separated from the hydrogen gas in the hydrogen separation tank 54 is introduced into the gas scrubber 67 via the line 66, and is purified in the gas scrubber 67.
  • the hydrogen gas separated from the pure water in the hydrogen separation tank 54 is dehumidified by the dehumidifier 55 and then supplied to the use point.
  • cooling water supplied through the line 61 is supplied to the dehumidifier through a line 68. 55, thereby lowering the temperature of the dehumidifier 55.
  • the temperature of the circulated pure water (generally, about 85 to 120 ° C.) can be lowered, and the temperature of the humidified hydrogen gas (generally, Only reduces the temperature to 85 to 120 ° C), including the pure water discharged from the oxygen separation tank 57 and the hydrogen separation tank 54 and the water discharged from the hydrogen separation tank 54. No consideration was given to using the temperature energy of wet hydrogen gas.
  • the present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and reduces the ion concentration in pure water supplied to an electrolytic cell without using an ion exchange resin, and furthermore, the electrolytic temperature is reduced.
  • One object of the present invention is to provide a water electrolysis apparatus capable of maintaining a high temperature of water. Disclosure of the invention
  • the present invention discharges a part of pure water having a low purity (high ion concentration) from a pure water circulation line to the outside of the system and supplies the pure water through a pure water supply line.
  • the pure water circulation line Reduces the ion concentration of the circulating pure water (hereinafter referred to as "circulating pure water"), and at the same time, circulates heat by exchanging heat between the hot water discharged outside the system and the replenished pure water.
  • circulating pure water circulating pure water
  • a water electrolysis apparatus that can raise the temperature of pure water supplied to pure water and maintain the electrolysis temperature at a high temperature.
  • a water electrolysis apparatus for electrolyzing pure water in an electrolysis cell to generate hydrogen gas and oxygen gas, and an oxygen separation tank storing pure water to be supplied to the electrolysis cell.
  • a pure water circulation line configured to supply pure water from the oxygen separation tank to the electrolysis cell and return the remaining pure water after electrolysis to the oxygen separation tank; and a pure water circulation line configured to supply pure water to the oxygen separation tank or the pure water circulation line.
  • Heat exchange with pure water discharged outside the system To provide water electrolysis apparatus consists to perform.
  • the water electrolysis apparatus having such a configuration, a part of the pure water flowing through the pure water circulation line is discharged through the first pure water discharge line, and high-purity water is supplied to the pure water circulation line through the pure water supply line. Since pure water is supplied, the ion concentration of the circulating pure water flowing through the pure water circulation line can be reduced without using an ion exchange resin. In addition, the high temperature discharged from the first pure water discharge line (about 85 to 12)
  • a hydrogen separation tank for receiving hydrogen gas generated in the electrolysis cell, a hydrogen discharge line having a base end connected to the hydrogen separation tank, and a pre-heat exchanger inserted in the hydrogen discharge line
  • the pre-heat exchanger is configured to perform heat exchange between pure water supplied through a pure water supply line and wet hydrogen gas discharged through a hydrogen discharge line. it can. In such a configuration, the waste heat energy can be more effectively used, and the energy efficiency during water electrolysis can be further improved.
  • the hot (about 85 to 120 ° C) high-humidity hydrogen gas discharged from the hydrogen separation tank is cooled by make-up pure water flowing through the pure water make-up line. Since the condensed water is generated from the hydrogen-containing gas, the amount of water carried into the dehumidifier provided in the subsequent stage can be reduced, and the dehumidifier can be easily dehumidified and the dehumidifier itself can be downsized. be able to.
  • a hydrogen separation tank for receiving hydrogen gas generated in the electrolysis cell, a second end connected to the hydrogen separation tank, and a second end extending outside the system via the first heat exchanger
  • a pure water discharge line wherein in the first heat exchanger, pure water supplied through the pure water supply line and pure water discharged out of the system through the first and second pure water discharge lines are provided. It can be configured to exchange heat with water.
  • the temperature of pure water supplied to the electrolysis cell via the pure water supply line can be further increased, and it becomes much easier to ensure high energy efficiency during water electrolysis.
  • the flow rate of pure water discharged from the first and second pure water discharge lines to each heat exchanger can be individually controlled, so that the flow rate control can be performed stably. Becomes possible.
  • a hydrogen separation tank for receiving hydrogen gas generated in the electrolysis cell, a second pure water discharge line having a base end communicated with the hydrogen separation tank and a front end extending outside the system, A second heat exchanger interposed between the second discharge line and the second heat exchanger, wherein the second heat exchanger includes a pure water supplied through the pure water supply line and a second pure water discharge line. It can be configured to perform heat exchange with pure water discharged to the outside through the system.
  • the pure water supply line is connected to the first heat exchanger and the second heat exchanger.
  • the first heat exchanger heat exchange is performed between pure water flowing through one pure water supply line and pure water flowing through the first pure water discharge line
  • the second heat exchanger can be configured so that heat exchange is performed between pure water flowing through the other pure water supply line and pure water flowing through the second pure water discharge line.
  • the amount of pure water circulating in the pure water circulation line is discharged out of the system, and at least the same amount of pure water as the discharged pure water is discharged through the pure water supply line. It can be configured to replenish.
  • the specific resistance of the circulating pure water can be maintained at 5 ⁇ or more, the increase in operating voltage during water electrolysis can be effectively suppressed, and high energy efficiency can be secured.
  • FIG. 1 is an overall flow chart of a preferred embodiment of a water electrolysis apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a partial flow chart showing a modification of the heat exchange method between pure water discharged from the system and make-up pure water.
  • FIG. 3 is a partial flow chart showing still another modified example of the method of exchanging heat between pure water discharged from the system and make-up pure water.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the ratio of the amount of water passed through the ion exchange resin to the total amount of circulating pure water and the specific resistance of the circulating pure water.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of an electrolysis cell used in a solid polymer electrolyte water electrolysis device.
  • FIG. 6 is an exploded sectional view of the solid polymer electrolyte membrane unit in the electrolytic cell shown in FIG.
  • FIG. 7 is an overall flow diagram of a conventional water electrolysis device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is an overall flow chart of an embodiment of a water electrolysis apparatus according to the present invention.
  • the water electrolysis apparatus is configured to perform electrolysis of pure water supplied to the electrolysis cell 20 through the pure water supply line 9 in the electrolysis cell 20 to produce hydrogen gas and oxygen.
  • a gas is generated, and the hydrogen gas and the oxygen gas are discharged to the outside via a hydrogen separation tank 10 and an oxygen separation tank 14, respectively.
  • the water electrolysis apparatus further includes: a pure water supply line 9 for supplying pure water to the oxygen separation tank 14; a first heat exchanger 13 inserted into the pure water supply line 9; A pure water circulation line 15 from the separation tank 14 to the oxygen separation tank via the electrolysis cell 20; a hydrogen supply line 21 from the electrolysis cell 20 to the hydrogen separation tank 10; 15 and a first pure water discharge line 22 extending out of the system via the first heat exchanger 13. Pure water replenishment is performed by the first heat exchanger 13. The heat exchange is performed between the pure water supplied through the line 9 and the pure water discharged out of the system through the first pure water discharge line 22.
  • the water electrolysis device includes a hydrogen supply line 21 for supplying hydrogen generated in the electrolysis cell 20 to the hydrogen separation tank 10, and a hydrogen supply tank 1.
  • a hydrogen discharge line 11 for extracting hydrogen separated from pure water at 0 is provided.
  • the pure water supply line 9 includes a pre-filter 1, a booster pump 2, a first reverse osmosis membrane 3, a second reverse osmosis membrane 4, a make-up pure water tank 5, a pump 6, an ion exchange Apparatus 7 (by ion exchange resin), and final filter
  • a pre-heat exchanger 12 can be connected to the hydrogen discharge line 11, and the pure water supply line 9 can be connected to the pre-heat exchanger 12 and the first heat exchanger 13. Through the oxygen separation tank 14 Wear.
  • pure water is supplied from the oxygen separation tank 14 to the electrolytic cell 20, and oxygen generated in the electrolytic cell 20 and residual pure water are supplied to the oxygen separation tank 15. It has an endless loop shape so that it can be returned to 14.
  • Reference numerals 16 and 19 in FIG. 1 indicate a pump and a final filter, respectively.
  • the final filter 19 is provided depending on the purity of the pure water in the pure water circulation line 15, and is provided when no foreign matter is mixed in the pure water in the pure water circulation line 15. Can be omitted.
  • the hydrogen separation tank 10 is connected to a second pure water discharge line 24 for discharging pure water after hydrogen gas has been separated, and the first pure water discharge line 2
  • a dehumidifier 25 is disposed in a portion of the hydrogen discharge line 11 downstream of the pre-heat exchanger 12.
  • reference numerals 26 and 27 provided on each line are a flow control valve and an on / off valve, respectively.
  • the tap water supplied to the front end of the pure water supply line 9 is pre-filtered in the prefill unit 1 and pressurized by the pressurizing pump 2 via an on-off valve 27, so that the first reverse osmosis membrane 3 and the After being purified to a predetermined high purity by the reverse osmosis membrane 4, it is stored in a replenishment pure water tank 5.
  • the pure water stored in the supply pure water tank 5 is supplied to the oxygen separation tank 14 via the pure water supply line 9 according to the water level of the oxygen separation tank 14.
  • the oxygen separation tank 14 is provided with a level meter 28 for monitoring the water level, and a flow control valve provided on the pure water supply line 9 in accordance with the instruction of the level meter 28. The opening of 26 is adjusted appropriately.
  • the pure water in the replenishment pure water tank 5 pumped by the pump 6 is supplied to the pre-heat exchanger 12 via the ion exchange device 7 and the final fill 1-8.
  • the pre-heat exchanger 12 supplementary water supplied from the make-up pure water tank 5 is provided. Heat exchange is performed indirectly between the feed water and the high-temperature (about 85 to 120 ° C) wet hydrogen gas discharged from the hydrogen separation tank 10 after water electrolysis. That is, the replenishment pure water receives a temperature energy from the high-temperature moist hydrogen gas and is heated to a certain temperature. For example, make-up pure water which was initially at 15 to 25 ° C is turned to about 16 to 26 ° C by the pre-heat exchanger 12.
  • the wet hydrogen gas in the hydrogen discharge line 11 is cooled by make-up pure water in the pre-heat exchanger 12, and condensed water is generated from the wet hydrogen gas.
  • the amount of moisture brought into the dehumidifier 25 disposed downstream of the discharge line 11 decreases. Therefore, the amount of dehumidification in the dehumidifier 25 can be reduced, and the size of the dehumidifier 25 can be reduced.
  • the hydrogen discharge line 11 is configured so that the wet hydrogen gas moves from the lower part to the upper part of the pre-heat exchanger 12, and the condensed water generated by the pre-heat exchanger is
  • the hydrogen discharge line 11 can be formed so as to flow from the preheat exchanger 12 to the hydrogen separation tank 10. With such a configuration, effective use of pure water can be achieved.
  • the hydrogen gas after being dehumidified in the dehumidifier 25 has a flow rate provided in the hydrogen discharge line 11 according to the instruction of the pressure indicating controller 29 for monitoring the pressure in the hydrogen separation tank 10.
  • the opening of the control valve 26 By adjusting the opening of the control valve 26 as appropriate, it is supplied to the user point.
  • the replenishment pure water whose temperature has been raised by a predetermined temperature in the pre-heat exchanger 12 passes through the first pure water discharge line 22 and the second pure water discharge line 24.
  • An indirect heat exchange takes place with the hot (eg, about 85-120) pure water that is exhausted.
  • pure water heated to about 16 to 26 ° C. by the pre-heat exchanger 12 is heated to about 82 to 119 and supplied to the oxygen separation tank 14. Is done.
  • Hot pure water is stored in the oxygen separation tank 14 serving as a pure water supply source. Therefore, in this embodiment, an ion exchange resin cannot be used. Therefore, in the embodiment, the following method is used so that the purity (specific resistance) of pure water supplied to the electrolytic cell 20 does not fall below a predetermined value (for example, 5 ⁇ ) without using an ion exchange resin.
  • a predetermined value for example, 5 ⁇
  • the amount of pure water discharged through the first pure water discharge line 22 branched from the pure water circulation line 15 is defined as, and supplied to the oxygen separation tank 14 via the pure water supply line 9.
  • the opening of the flow control valve 2 6 provided the pure water supply line 9 and the first pure water discharge line 2 2 Adjusted appropriately.
  • the flow rate of each line is controlled so that the water level in the oxygen separation tank 14 is constant. That is, the amount Q 2 of the pure water is supplied to the oxygen separation tank 1 4 through the pure water supply line 9, the net weight of the water (the solid polymer electrolyte membrane Yuni' preparative 4 2 supplied to the hydrogen separation tank 1 0 to be equal to the sum of the amount of pure water discharged from the cathode chamber the amount of pure water to move to a) Q 3 and the first pure water discharge line 2 2 from the anode compartment B (Q i + Q s) , The openings of the flow control valves 26 provided in the pure water supply line 9 and the first pure water discharge line 22 are adjusted.
  • the specific resistance of pure water is generally increased to 18 M Qcm. Therefore, if the entire amount of pure water with reduced specific resistance used for water electrolysis is passed through the ion exchange resin, the specific resistance of pure water supplied to the electrolytic cell is always maintained at 18 MQ cm. Is done.
  • the heat-resistant temperature of ion exchange resin is about 55 ° C. Therefore, when the specific resistance of pure water is maintained by the ion exchange resin, the temperature of the pure water supplied to the electrolytic cell must be suppressed to about 55 ° C or less. However, if the temperature of the pure water supplied to the electrolytic cell is about 55 ° C or less, sufficient energy efficiency cannot be obtained. As a result of the inventor's intensive research, it has been found that an abnormal increase in operating voltage during water electrolysis can be avoided if a specific resistance of 5 MQ cni or more can be secured as pure water electrolyzed in the electrolysis cell.
  • the inventor has determined that the specific resistance of the circulating pure water of 5 MQcm can be secured without passing the entire amount of pure water used for water electrolysis through the ion-exchange resin, but with some pure water. He hypothesized that water should be passed through the ion exchange resin.
  • the ratio of the amount of water passed through the ion exchange resin to the amount of circulating pure water increases, but a specific resistance of circulating pure water of 5 MQ cm or more is secured. It can be seen that the ratio of water passing through the ion exchange resin should be at least 3.5%.
  • the specific resistance of the replenishment pure water is also 18 M Qcm, which is the same as that of the pure water passed through the ion exchange resin. Therefore, instead of passing a part of the circulating pure water through the ion exchange resin, a part of the circulating pure water is discharged out of the system, and at least the same amount of high-purity pure water as the discharge amount is added to the circulating pure water. In addition, the specific resistance of the circulating pure water can be maintained. In other words, 3.5% or more of the total circulating pure water is discharged out of the system, and instead, at least the same amount of new high-purity pure water is supplied to the pure water circulation line. Without this, the specific resistance of the circulating pure water can be maintained at 5 MQ cni or more.
  • pure water is supplied from oxygen separation tank 14 to electrolysis cell 20 and the remaining pure water in electrolysis cell 20 is returned to oxygen separation tank 20.
  • a pure water circulation line 15 configured to obtain, a first pure water discharge line 22 for discharging a part of pure water in the oxygen separation tank 14 out of the system, and a high-purity pure water. Since a pure water supply line 9 for supplying oxygen to the oxygen separation tank 14 is provided, the ion concentration of pure water supplied to the electrolytic cell 20 is reduced even though the ion exchange resin is not used. Resistance).
  • the apparatus 13 is configured to transmit the high-purity pure water supplied to the oxygen separation tank 14 via the pure water supply line 9 via the pure water supply line 9, so that the temperature of the pure water supplied to the electrolytic cell 20 is controlled. Can be maintained at a high temperature equal to or higher than a predetermined value. Therefore, in the present embodiment, high-temperature and high-purity pure water can be supplied to the electrolysis cell 20 and water electrolysis can be performed with high energy efficiency.
  • the temperature of the pure water circulating in the pure water circulation line 15 becomes 80 ° C. or more, a disadvantage that the 0 ring ⁇ gasket as a sealing member, which is a module component, is likely to be thermally degraded easily occurs.
  • the temperature of the pure water supplied to the electrolytic cell 20 can be lower than 80 ° C.
  • a part of the pure water circulation line 15 from the oxygen separation tank 14 to the electrolysis cell 20 is connected via a heat exchanger 17 and a thermometer 18.
  • the flow rate of the cold water supply line 30 connected to the heat exchanger 17 is adjusted by the flow control valve 26 so that the temperature of the pure water detected by the thermometer 18 becomes 80 ° C or less. ing.
  • the internal pressure of the oxygen separation tank 14 is detected by a pressure indicating controller 29 or the like, and when the internal pressure exceeds a predetermined value, the oxygen in the oxygen separation tank 14 is controlled by a flow control valve 26. Can be released to the atmosphere via With such a configuration, the pressure in the oxygen separation tank 14 can be kept at a certain level or less, whereby the pressure difference between the H 2 side and the ⁇ 2 side in the electric field cell is kept constant, The breakage of the secondary electrolyte membrane can be effectively prevented. More preferably, as shown in FIG. 1, a hydrogen concentration meter 31 can be provided in the oxygen release line, and an alarm can be issued when the hydrogen concentration in the oxygen release line exceeds a predetermined value. Danger such as explosion due to the above can be effectively prevented.
  • a second pre-heat exchanger 32 is installed in front of the first heat exchanger 13 of the pure water supply line 9 and the second pure heat exchanger 32 is installed.
  • Indirect heat exchange between pure water discharged through the water discharge line 24 and pure water passing through the pure water supply line 9 is performed in the second pre-heat exchanger 32, and the second pre-heat exchanger 3
  • the indirect heat exchange between the replenished pure water after the heat exchange in step 2 and the pure water discharged through the first pure water discharge line 2 2 is performed in the first heat exchanger 13, Alternatively, as shown in Fig.
  • the pure water supply line 9 is branched into two, and heat exchangers 33 and 34 are installed in each of the branched lines 9a and 9b, and the second pure water discharge line Indirect heat exchange between pure water discharged through 24 and make-up pure water passing through the branch line 9a is performed in the heat exchanger 33, and then through the first pure water discharge line 22.
  • the indirect heat exchange between the supply pure water through the pure water and the branch line 9 b issued is also possible to perform in the heat exchanger 3 4.
  • the former case there is a possibility that efficient heat exchange cannot be performed in the first heat exchanger 13 because the temperature of the make-up pure water has already been increased by a considerable amount in the second pre-heat exchanger 32. is there. Therefore, the latter is preferable from the viewpoint of heat exchange efficiency.
  • the pure water discharged in the first discharge line 22 and the pure water discharged in the second discharge line 24 are configured to be discharged separately from the system without being combined, the first pure Disturbance in the discharge flow rate due to the difference in back pressure between the flow control valve 26 installed in the water discharge line 22 and the flow control valve 26 installed in the second pure water discharge line 24 can be effectively prevented, and the flow rate can be controlled. Can be performed stably.
  • a force configured so that the base end of the first pure water discharge line 22 communicates with the pure water circulation line 15 is not limited to such a form.
  • Various forms are suitable as long as a part of the remaining pure water after electrolysis returned from the cell 20 is discharged out of the system through the first pure water discharge line 22. Is available.
  • the base end of the first pure water discharge line 22 may be communicated with the oxygen separation tank 14.

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Description

技術分野
本発明は、 固体電解質型水電解装置に関する。 背景技術
明
近年、固体高分子電解質膜を使用した高効率の水電解が注目されている。 この固体高分子電解質型水電解装置と田しては、例えば、 図 5に示すものが知 られている。 図 5において、 電解セル 4 1は、 直列に連結された多数の固体 高分子電解質膜ュニット 4 2と、両端に配された通電用の端部電極板 4 3 、 4 3とを備えている。前記固体高分子電解質膜ュニット 4 2は、 主として、 固体高分子電解質膜 4 4と、該固体高分子電解質膜 4 4の両面に添設される 多孔質給電体 4 5、 4 5と、 該多孔質給電体 4 5、 4 5の外側に配設される 複極式電極板 4 6 、 4 6とを備えている。前記固体高分子電解質膜 4 4は、 一般的に、 プロトン導電性材料からなる高分子膜である。前記複極式電極板 4 6は、 前記端部電極板 4 3 , 4 3間に電圧を印加した場合に、 片面が陰極 に、 もう一方の面が陽極になるものである。 1つの複極式電極板 4 6をとつ てみれば、 それは左右両側の固体高分子電解質膜ユニット 4 2 、 4 2に共通 の構成部材となっている。
図 6は、 1つの固体高分子電解質膜ュニット 4 2の分解断面図であり、 固 体高分子電解質膜 4 4の両面には白金族金属からなる多孔質の触媒層 4 7 が設けられている。 固体高分子電解質膜 4 4の両側には、 該固体高分子電解 質膜 4 4と複極式電極板 4 6と環状のガスケッ ト 4 8とによってシール状 態に囲まれた空間が形成されており、 該空間のそれぞれが、 後記する陰極室 Aおよび陽極室 B (図 6中 2点鎖線で示されたもの） となる。 そして、 前記 陰極室 Aおよび陽極室 Bのそれぞれに多孔質給電体 4 5が収容されている。 なお、 前記固体高分子電解質膜としては、 カチオン交換膜 （例えば、 フッ素 樹脂系スルホン酸カチオン交換膜、 デュポン社製 「ナフイオン 1 1 7」 「ナ フイオン 1 1 5」 など） が好ましい。
次に、 前記従来の水電解装置の動作説明を行う。 図 5に示すように、 端部 電極板 4 3 、 4 3間に図 5中左側が陽極、 右側が陰極になるように電流を通 電すると、 各複極式電極板 4 6は、 左側部が一のュニッ ト 4 2の陰極となり、 且つ、 右側部が他のュニッ ト 4 2の陽極となる。 即ち、 1つの複極式電極板 4 6は、該複極式電極板の図中左側の固体高分子電解質膜ュニッ ト 4 2では 陰極側 4 9の構成部材となり、図中右側の固体高分子電解質膜ュニッ ト 4 2 では陽極側 5 0の構成部材となる。 こうして、 図 6に示すように、 各固体高 分子電解質膜ュニッ ト 4 2には、固体高分子電解質膜 4 4より右側に位置す る陰極室 Aと、固体高分子電解質膜 4 4より左側に位置する陽極室 Bとが形 成される。
この状態で純水供給経路 5 1 (図 5参照） を通じて純水を陽極室 Bに供給 すれば、 陽極室 Bでは、
2 H 2 0 → 0 2 + 4 H + + 4 e "
の反応が起こり、 酸素ガスが発生する。 陽極室 Bで発生したプロトンはプロ トン導通性を有する固体高分子電解質膜 4 4内を少量の水を伴って移動し、 陰極室 Aに到達する。 陰極室 Aでは、 この到達したプロ トンによって、
4 H T + 4 e → 2 H 2
の反応が起こり、 水素ガスが発生する。
固体高分子電解質型水電解装置における水素ガス及び酸素ガスの生成プ ロセスは、 概略、 上記のとおりであるが、 そのプロセスで発生した水素及び 酸素は、 例えば、 図 7に示すようなフローに従って、 各ュ一スポィン卜へ供 給される。 すなわち、 図 7において、 電解セル 5 2で生成した水素ガスは、 ライン 5 3を経て水素分離タンク 5 4で水と分離されてから、除湿器 5 5を 経て各ユースボイン卜へ供給される。 一方、 電解セル 5 2で生成した酸素ガ スは、 ライン 5 6を経て酸素分離タンク 5 7で水と分離された後、 大気中へ 放出される。
ところで、 水電解は、 所定の電圧下で所定の電流を通電することにより行 われており、 水電解時の消費電力を減少するにはエネルギー効率（電圧効率 X電流効率） を高くすることが好ましい。
ここで、 電流効率は温度に無関係で、 約 9 0〜 9 8 %の範囲にある。 一方、 電圧効率は、 理論稼働電圧ノ実際電解電圧で示されるもので、温度依存性が ある。 即ち、 電解温度を比較的高めに維持しないと、 前記実際電解電圧が上 昇し、 その結果、 電圧効率が低下する。 電解セルの高性能化に伴って、 従来 は 8 0 %程度が限度であった電圧効率は、電解温度が 8 0〜 1 2 0 °Cに維持 されれば、 9 6 %程度まで向上させることが可能となっている。
ところ力、 従来の水電解装置においては、 下記理由により、 4 5 °Cという 比較的低い電解温度で水電解を行う必要があり、 その結果、 前記エネルギー 効率も約 5 5 %程度であった。
即ち、 水電解に供される純水は、 費用等の観点から循環使用されている。 該水電解用の純水の純度を一定に保って固体高分子電解質膜の汚染を防い で良好に水電解を行うためには、前記純水中に包含されるイオンを除去する 必要がある。 一般的には、 該イオン除去手段としてイオン交換樹脂を用いた 方法が行われているが、 該イオン交換樹脂の耐熱温度は低く （約 5 5 °C ) 、 その為、従来の電解温度は 4 5 °C程度と比較的低い温度に設定されていた。 より詳しくは、 従来の水電解装置においては、 図 7に示すように、 酸素分 離タンク 5 7において酸素ガスと分離された純水は、ライン 6 5及び純水循 環ポンプ 6 9を介してライン 5 9に供給される。該ライン 5 9には熱交換器
6 0が介挿されており、ライン 6 1を経て供給される冷却水によって該ライ ン 5 9を流通する純水が約 4 5でまで冷却される。その後、 前記ライン 5 9 に介挿されたイオン交換樹脂を用いた非再生ポリツシャ一 6 2によってィ オンが取り除かれた高純度の純水が、フィルター 6 3及びライン 6 4を介し て電解セル 5 2に供給される。 なお、 図 7中、 符号 5 8は純水タンクであり、 符号 7 0は純水タンク 7 0から酸素分離タンク 5 7へ補給用純水を供給す る為の純水補給用ポンプである。
一方、 水素分離タンク 5 4において水素ガスと分離された純水は、 ライン 6 6を経てガススクラバ一 6 7に導入され、ガススクラバー 6 7において純 P T/JP00/07890
水中に溶存している水素ガスを放出してから純水タンク 5 8へ戻される。前 記水素分離タンク 5 4において純水と分離された水素ガスは、除湿器 5 5に よって除湿された後、 ユースポイントへ供給される。 なお、 前記除湿器 5 5 における水素ガスの除湿の効率化を図る為、図 7に示す水電解装置において は、前記ライン 6 1を経て供給される冷却水をライン 6 8を介して前記除湿 器 5 5に導いており、 これにより、 該除湿器 5 5の低温化を図っている。 このように、 従来の水電解装置においては、 循環される純水の温度 （一般 的には、 約 8 5〜1 2 0 °C ) を下げることや、 含湿水素ガスの温度 （一般的 には、 8 5〜 1 2 0 °C ) を下げることを行うのみであり、 前記酸素分離タン ク 5 7や水素分離タンク 5 4から排出される純水ならびに水素分離タンク 5 4から排出される含湿水素ガスの温度エネルギーを利用することについ ては全く考慮されていなかった。
前述のように、 近年、 水電解時の消費電力を少なくするために、 エネルギ 一効率を向上させたいという要望がある。 斯かる要望に応える為には、 水電 解時の温度を高く保持し、 これにより、 温度依存性の高い電圧効率の低下を 防止する必要がある。 例えば、 電圧効率 9 6 %を維持して最大 9 4 %のエネ ルギー効率を確保しょうとした場合、 上記したように、 約 8 0〜 1 2 0 °C程 度の電解温度を保持する必要がある。 これに対し、 従来の水電解装置におい ては、 イオン交換樹脂の耐熱温度 （約 5 5 °C程度） の為に、 このような高温 で水電解を行うことができなかった。
本発明は、 従来技術の斯かる問題点に鑑みてなされたものであって、 ィォ ン交換樹脂を使用することなく、電解セルへ供給さえる純水中のイオン濃度 を減少させ、 しかも電解温度を高温に保持することが可能な水電解装置を提 供することを一の目的とする。 発明の開示
本発明は、 前記目的を達成する為に、 純水の循環ラインから純度の低下し た （イオン濃度の高い） 純水の一部を系外に排出すると共に、 純水補給ライ ンを介して高純度の純水を一定量補給することによって、純水循環ラインを 循環する純水 （以下 「循環純水」 という） のイオン濃度を低下させ、 同時に. 系外に排出される温度の高い純水と補給される純水との間で熱交換を行つ て循環純水に補給される純水の温度を高め、電解温度を高温に保持し得る水 電解装置を提供する。
本発明の一態様においては、電解セルにおいて純水を電解して水素ガス及 び酸素ガスを生成する水電解装置であって、前記電解セルに供給すべき純水 を貯留する酸素分離タンクと、前記酸素分離タンクから前記電解セルへ純水 を供給し且つ電解後の残余の純水を酸素分離タンクへ戻すように構成され た純水循環ラインと、前記酸素分離タンク又は純水循環ラインに純水を補給 する純水補給ラインと、前記純水補給ラインに介挿された第一熱交換器と、 基端部が前記酸素分離タンク又は純水循環ラインに連通され、 且つ、 先端部 が前記第一熱交換器を経て系外に延びる第一純水排出ラインとを備え、前記 第一熱交換器において、前記純水補給ラインを経て補給される純水と第一純 水排出ラインを経て系外に排出される純水との間で熱交換を行うように構 成された水電解装置を提供する。
斯かる構成の水電解装置においては、第一純水排出ラインを介して純水循 環ラインを流れる純水の一部を排出すると共に、純水補給ラインを介して純 水循環ラインに高純度の純水を補給するので、イオン交換樹脂を使用するこ と無く純水循環ラインを流れる循環純水のイオン濃度を低下させることが できる。 さらに、 第一純水排出ラインから排出される高温 （約 8 5〜 1 2
0 °C )の純水と純水補給ラインを経て補給される純水との間で熱交換を行う ので、純水循環ラインを介して電解セルへ供給される補給純水の温度を高め ることができ、電解セルにおける高工ネルギ一効率を確保することができる。 好ましくは、前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる水素分 離タンクと、基端部が前記水素分離タンクに接続された水素排出ラインと、 前記水素排出ラインに介挿されたプレ熱交換器とを、 さらに備え、 前記プレ 熱交換器において、純水補給ラインを経て補給される純水と水素排出ライン を経て排出される含湿水素ガスとの間の熱交換を行うように構成すること ができる。 斯かる構成においては、廃棄する熱エネルギーをより有効に利用すること ができ、 水電解時のエネルギー効率をより向上させることができる。 さらに. プレ熱交換器において、 水素分離タンクから排出される高温 （約 8 5 〜 1 2 0 °C ) の含湿水素ガスが、 純水補給ラインを流れる補給純水によって冷却さ れ、 これにより、 含湿水素ガスから凝縮水が生成されるので、 後段に配設さ れる除湿器への持ち込み水分量を減少させることができ、該除湿器における 除湿容易化や除湿器自身の小型化を図ることができる。
さらに好ましくは、前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる 水素分離タンクと、 基端部が前記水素分離タンクに連通され、 且つ、 先端部 が前記第一熱交換器を経て系外に延びる第二純水排出ラインとを、さらに備 え、 前記第一熱交換器において、 前記純水補給ラインを経て補給される純水 と第一および第二純水排出ラインを経て系外に排出される純水との間で熱 交換を行うように構成することができる。
斯かる構成によれば、純水補給ラインを介して電解セルへ供給される純水 の温度をさらに高めることができ、水電解時の高エネルギー効率の確保が一 層容易になる。
また、第一および第二純水排出ラインを経て系外に排出される高温純水と 純水補給ラインを経て補給される純水との熱交換を同一の熱交換器で行う のではなく、 別々の熱交換器で行うことも可能である。
斯かる構成によれば、第一および第二純水排出ラインから各熱交換器へ向 けて排出される純水の流量制御を個別に行うことができるので、流量制御を 安定的に行うことが可能となる。
具体的には、前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる水素分 離タンクと、 基端部が前記水素分離タンクに連通され、 且つ、 先端部が系外 に延びる第二純水排出ラインと、前記第二排出ラインに介挿された第二熱交 換器とを、 さらに備え、 前記第二熱交換器において、 前記純水補給ラインを 経て補給される純水と第二純水排出ラインを経て系外に排出される純水と の間で熱交換を行うように構成することができる。
より好ましくは、 前記純水補給ラインを、 前記第一熱交換器及び第二熱交 換器の前段側において分岐し、 前記第一熱交換器においては、 一方の純水補 給ラインを流れる純水と第一純水排出ラインを流れる純水との間で熱交換 が行われ、 前記第二熱交換器においては、 他方の純水補給ラインを流れる純 水と第二純水排出ラインを流れる純水との間で熱交換が行われるように構 成することができる。
斯かる構成によれば、第一排出ライン及び第二排出ラインを流れる排出純 水から純水循環ラインを流れる純水への熱交換を、より効率良く行うことが 可能となる。
さらに、 好ましくは、 前記純水循環ラインを循環する純水量の 3 . 5 %以 上を系外に排出し、 且つ、 少なくとも排出純水と同量の純水を前記純水補給 ラインを介して補給するように構成することができる。
斯かる構成によれば、循環純水の比抵抗を 5 Μ Ω 以上に維持することが でき、 水電解時の運転電圧の上昇を有効に抑え、 高エネルギー効率を確保す ることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明に係る水電解装置の好ましい実施の形態の全体フロー図で ある。
図 2は、系外へ排出される純水と補給純水との熱交換方法の変形例を示す 部分フロー図である。
図 3は、系外へ排出される純水と補給純水との熱交換方法のさらに他の変 形例を示す部分フロー図である。
図 4は、 循環純水全量に対するイオン交換樹脂通過水量の比率と、 循環純 水の比抵抗との関係を示すグラフである。
図 5は、固体高分子電解質型水電解装置に用いられる電解セルの一例を示 す模式図である。
図 6は、図 5に示す電解セルにおける固体高分子電解質膜ュニッ 卜の分解 断面図である。
図 7は、 従来の水電解装置の全体フロー図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。 図 1は、 本発明に 係る水電解装置の一実施の形態の全体フロー図である。
図 1に示すように、 本実施の形態に係る水電解装置は、 純水補給ライン 9 を介して電解セル 2 0に供給された純水を該電解セル 2 0において電解し て水素ガス及び酸素ガスを生成し、 該水素ガス及び酸素ガスを、 それぞれ、 水素分離タンク 1 0及び酸素分離タンク 1 4を介して外部に排出するよう に構成されている。
該水電解装置は、 さらに、 前記酸素分離タンク 1 4に純水を補給する純水 補給ライン 9と、 該純水補給ライン 9に介挿された第一熱交換器 1 3と、 前 記酸素分離タンク 1 4から電解セル 2 0を経て該酸素分離タンクに至る純 水循環ライン 1 5と、前記電解セル 2 0から前記水素分離タンク 1 0に至る 水素供給ライン 2 1 と、 前記純水循環ライン 1 5から分岐され、 且つ、 前記 第一熱交換器 1 3を介して系外に延びる第一純水排出ライン 2 2 とを備え ており、 前記第一熱交換器 1 3によって、 純水補給ライン 9を介して補給さ れる純水と第一純水排出ライン 2 2を介して系外に排出される純水との間 において熱交換を行うように構成されている。
さらに、 前記水電解装置には、 前記電解セル 2 0で発生した水素を前記水 素分離タンク 1 0に供給する水素供給ライン 2 1 と、前記水素分離タンク 1
0で純水と分離された水素を取り出す為の水素排出ライン 1 1 とが備えら れている。
図 1に示すように、 前記純水補給ライン 9には、 プレフィルタ一 1、 昇圧 ポンプ 2、 第一逆浸透膜 3、 第二逆浸透膜 4、 補給純水タンク 5、 ポンプ 6 、 イオン交換装置 7 (イオン交換樹脂によるもの） 、 及びファイナルフィルタ
― 8が介挿されている。
好ましくは、前記水素排出ライン 1 1 にプレ熱交換器 1 2を介揷すること ができ、 前記純水補給ライン 9を、 前記プレ熱交換器 1 2及び前記第一熱交 換器 1 3を経て前記酸素分離タンク 1 4に達するように構成することがで きる。
前記純水循環ライン 1 5は、前記酸素分離タンク 1 4から前記電解セル 2 0へ純水が供給されると共に、該電解セル 2 0において発生した酸素及び残 余の純水が該酸素分離タンク 1 4へ戻されるように、無端ループ状とされて いる。 なお、 図 1おける符号 1 6及び符号 1 9は、 それぞれ、 ポンプ及びフ アイナルフィルタ一である。 該ファイナルフィルター 1 9は、 純水循環ライ ン 1 5中の純水の純度に依存して備えられるものであり、該純水循環ライン 1 5中の純水に異物が混入していない場合には省略することができる。
前記水素分離タンク 1 0には、水素ガスが分離された後の純水を排出する 為の第二純水排出ライン 2 4が接続されており、前記第一純水排出ライン 2
2は、流量指示調節計 2 3を介して該第二純水排出ライン 2 4に合流した後、 前記第一熱交換器 1 3を経て系外に達するようになつている。
好ましくは、前記水素排出ライン 1 1における前記プレ熱交換器 1 2より 後段部分に、 除湿器 2 5が配置される。
なお、 図 1中、 各ラインに設置された符号 2 6及び符号 2 7は、 それぞれ、 流量制御弁及びオンオフ弁である。
以下、 前記水電解装置の動作説明を行う。 前記純水補給ライン 9の前端部 に供給された水道水は前記プレフィル夕一 1において予備濾過され、オンォ フ弁 2 7を介して昇圧ポンプ 2により昇圧されて、第一逆浸透膜 3及び第二 逆浸透膜 4によって所定の高純度に精製された後、補給純水タンク 5に貯え られる。 該補給純水タンク 5に貯留された純水は、 前記酸素分離タンク 1 4 の水位に応じ、 純水補給ライン 9を介して、 該酸素分離タンク 1 4へ供給さ れる。
本実施の形態においては、前記酸素分離タンク 1 4に水位を監視するレべ ル計 2 8を設けており、該レベル計 2 8の指示に応じて純水補給ライン 9に 設けた流量制御弁 2 6の開度を適宜調節している。ポンプ 6によって圧送さ れた補給純水タンク 5内の純水は、イオン交換装置 7及びファイナルフィル 夕一 8を介して、 前記プレ熱交換器 1 2へ供給される。
該プレ熱交換器 1 2においては、前記補給純水タンク 5から供給される補 給純水と、 前記水素分離タンク 1 0から排出される水電解後の高温 （約 8 5 〜 1 2 0 °C ) の含湿水素ガスとの間で間接的に熱交換が行われる。 即ち、 前 記補給純水は、前記高温の含湿水素ガスから温度エネルギーを受けて一定温 度昇温される。 例えば、 当初 1 5〜 2 5 °Cであった補給純水は、 前記プレ熱 交換器 1 2によって、 約 1 6〜 2 6 °Cになる。
一方、 前記水素排出ライン 1 1中の含湿水素ガスは、 前記プレ熱交換器 1 2において補給純水によって冷却されるから、該含湿水素ガスから凝縮水が 生成され、 これにより、 前記水素排出ライン 1 1の後段に配された前記除湿 器 2 5への水分の持ち込み量が減少する。 従って、 除湿器 2 5における除湿 量を少なくでき、 除湿器 2 5の小型化を図り得る。
好ましくは、前記含湿水素ガスが前記プレ熱交換器 1 2の下部から上部へ 向けて移動するように前記水素排出ライン 1 1を構成すると共に、前記プレ 熱交換器で生成した前記凝縮水が該プレ熱交換器 1 2から前記水素分離夕 ンク 1 0へ向かって流れるように前記水素排出ライン 1 1 を形成すること ができる。 斯かる構成により、 純水の有効利用を図ることができる。
なお、 前記除湿器 2 5において除湿された後の水素ガスは、 水素分離タン ク 1 0内の圧力を監視する圧力指示調節計 2 9の指示に応じて水素排出ラ イン 1 1 に設けた流量制御弁 2 6の開度を適宜調節することによって、ユー スポィントへ供給される。 このように、 水素分離タンク 1 0の内圧に応じて、 水素排出ライン 1 1の流量制御を行うことにより、水素供給圧力を一定に保 持できると共に、 電界セルにおける H 2側と〇2側との差圧を一定に保ち、 固 体高分子電解質膜の破損を有効に防止できる。
前記プレ熱交換器 1 2において所定温度だけ昇温された補給純水は、第一 熱交換器 1 3において、前記第一純水排出ライン 2 2および第二純水排出ラ イン 2 4を介して排出される高温 （例えば、 約 8 5〜 1 2 0で） の純水との 間で、 間接的な熱交換が行われる。 これにより、 例えば、 前記プレ熱交換器 1 2によって約 1 6 〜 2 6 °Cとされた純水は、約 8 2〜 1 1 9でまで昇温さ れて前記酸素分離タンク 1 4に供給される。
このように本実施の形態に係る水電解装置においては、電解セル 2 0への 純水供給源となる酸素分離タンク 1 4に高温の純水が貯留される。従って、 本実施の形態においては、 イオン交換樹脂を用いることができない。 そこで， 実施の形態においては、 イオン交換樹脂を用いること無く、 電解セル 2 0に 供給される純水の純度 （比抵抗） が所定値 （例えば、 5 Μ Ω ) を下回らな いように、 下記構成を採用している。
即ち、前記純水循環ライン 1 5から分岐された第一純水排出ライン 2 2を 介して排出される純水の量を とし、前記純水補給ライン 9を経て酸素分 離タンク 1 4へ補給される純水の量を Q 2 とした場合、 Q 2≥Q iとなるよう に、前記純水補給ライン 9及び第一純水排出ライン 2 2に設けた流量制御弁 2 6の開度を適宜調節している。
本実施の形態においては、酸素分離タンク 1 4の水位が一定となるように、 各ラインの流量制御を行っている。 即ち、 純水補給ライン 9を経て酸素分離 タンク 1 4へ補給される純水の量 Q 2 が、水素分離タンク 1 0へ供給される 純水の量（固体高分子電解質膜ュニッ ト 4 2における陽極室 Bから陰極室 A へ移動する純水の量） Q 3 と第一純水排出ライン 2 2から排出される純水の 量 との和 （Q i + Q s ) と等しくなるように、 純水補給ライン 9及び第一 純水排出ライン 2 2に設けた流量制御弁 2 6の開度を調節している。
ここで、 純水の排出量と補給量との関係について、 詳細に説明する。
イオン交換樹脂を使用した場合、 純水の比抵抗は、 一般的に、 1 8 M Q c mまで高められる。 従って、 水電解に使用して比抵抗の低下した純水の全量 をイオン交換樹脂に通過させるように構成すれば、電解セルへ供給される純 水の比抵抗は、 常に 1 8 M Q cmに保持される。
その一方、 イオン交換樹脂の耐熱温度は約 5 5 °Cである。 従って、 イオン 交換樹脂によって純水の比抵抗を維持する場合、電解セルへ供給される純水 の温度を約 5 5 °C以下に抑える必要がある。 ところが、 電解セルへの供給純 水温度が約 5 5 °C以下では、 十分なエネルギー効率を得ることができない。 発明者が鋭意努力した研究の結果、電解セルにおいて電解される純水の比 抵抗として 5 M Q cni以上確保できれば、水電解時の運転電圧の異常な上昇を 避けることができるという知見を得た。 斯かる知見に基づき、 発明者は、 循環純水の比抵抗として 5 M Q cmを確保 するには、水電解に使用した純水の全量をイオン交換樹脂に通過させなくと も、一部の純水をイオン交換樹脂に通過させれば良いのではないかという仮 説を立てた。
そして、 該仮説を立証する為に、 発明者は下記実験を行った。 即ち、 水電 解に使用する純水を循環させておき、該循環純水中のイオン交換樹脂に通過 させる量を変化させ、イオン交換樹脂通過水量の比率と循環純水全体の比抵 抗との関係を調査した。 該実験結果を図 4に示す。
図 4に示されるように、循環純水量に対するイオン交換樹脂通過水量の比 率を増加させるに従って、 循環純水の比抵抗は高くなるが、 循環純水の比抵 抗として 5 M Q cm以上確保するには、イオン交換樹脂通過水量比率として 3 . 5 %以上あればよいことが分かる。
ところで、 補給純水の比抵抗も、 イオン交換樹脂に通過された純水と同じ 1 8 M Q cmである。 従って、 循環純水の一部をイオン交換樹脂に通過させる 代わりに、循環純水の一部を系外に排出すると共に該排出量と少なくとも同 量の高純度純水を循環純水に加えれば、循環純水の比抵抗を維持することが できる。 即ち、 循環純水全量の 3 . 5 %以上を系外に排出して、 その代わり に少なくとも同量の新しい高純度純水を純水循環ラインに補給すれば、ィォ ン交換樹脂を使用することなく、循環純水の比抵抗を 5 M Q cni以上に維持す ることが可能となる。
このように、 本実施の形態に係る水電解装置においては、 酸素分離タンク 1 4から電解セル 2 0へ純水を供給し且つ電解セル 2 0における残余の純 水を酸素分離タンク 2 0へ戻し得るように構成された純水循環ライン 1 5 と、前記酸素分離タンク 1 4中の純水の一部を系外に排出する第一純水排出 ライン 2 2 と、高純度の純水を前記酸素分離タンク 1 4へ供給する純水補給 ライン 9とを備えたので、イオン交換樹脂を使用していないにも拘わらず、 前記電解セル 2 0へ供給される純水のイオン濃度を低下 （比抵抗を増加） さ せることができる。
さらに、 前記第一純水排出ライン 2 2を介して、 前記電解セル 2 0から戻 された水電解後の純水を含む，前記酸素分離タンク 1 4中の純水の一部を系 外に排出する際に、該排出される純水が有する熱エネルギーを前記第一熱交 換器 1 3によって前記純水補給ライン 9を介して酸素分離タンク 1 4へ供 給される高純度の純水に伝達するように構成したので、前記電解セル 2 0へ 供給される純水の温度を所定値以上の高温に維持することが可能となって いる。 従って、 本実施の形態においては、 高温高純度の純水を電解セル 2 0 に供給でき、 高エネルギー効率の下で水電解を行うことが可能になる。
なお、前記純水循環ライン 1 5を循環する純水の温度が 8 0 °C以上になる と、モジュール構成部品であるシール部材としての 0リングゃガスケッ 卜が 熱劣化するという不都合が生じ易いので、 好ましくは、 前記電解セル 2 0へ 供給される純水の温度を 8 0 °Cより低くすることができる。
本実施の形態においては、 前記純水循環ライン 1 5のうち， 酸素分離タン ク 1 4から電解セル 2 0へ至る部分に、熱交換器 1 7及び温度計 1 8を介揷 しており、該温度計 1 8で検知される純水の温度が 8 0 °C以下になるように、 前記熱交換器 1 7に接続された冷水供給ライン 3 0の流量を流量制御弁 2 6で調節している。
さらに、 好ましくは、 前記酸素分離タンク 1 4の内圧を圧力指示調節計 2 9等で検知し、 該内圧が所定値を越える場合には、 酸素分離タンク 1 4内の 酸素を流量制御弁 2 6を介して大気に放出することができる。斯かる構成に よって、 酸素分離タンク 1 4内の圧力を一定以下に保持することができ、 こ れにより、 電界セルにおける H 2側と〇2側との差圧を一定に保ち、 固体高分 子電解質膜の破損を有効に防止できる。 より好ましくは、 図 1に示されるよ うに、 酸素放出ラインに水素濃度計 3 1 を設け、 酸素放出ライン中の水素濃 度が所定値を越えると警報を発するように構成でき、 これにより、 水素によ る爆発等の危険性を有効に防止することができる。
なお、 本実施の形態においては、 図 1 に示されるように、 第一純水排出ラ イン 2 2内の純水と第二純水排出ライン 2 4内の純水とを合流させた後、一 つの熱交換器 1 3を介して、純水補給ライン 9内の補給純水と熱交換するよ うに構成したが、 これに代えて、 熱交換器を 2台備え、 個別に熱交換するよ うに構成することも可能である。
個別に熱交換する方法としては、 例えば、 図 2に示すように、 純水補給ラ イン 9の第一熱交換器 1 3の前に第二プレ熱交換器 3 2を設置し、第二純水 排出ライン 2 4を経て排出される純水と純水補給ライン 9を通る純水との 間の間接的な熱交換を第二プレ熱交換器 3 2において行い、第二プレ熱交換 器 3 2で熱交換後の補給純水と第一純水排出ライン 2 2を経て排出される 純水との間の間接的な熱交換を第一熱交換器 1 3において行うように構成 したり、 若しくは、 図 3に示すように、 純水補給ライン 9を 2つに分岐し、 分岐した各ライン 9 a、 9 bにそれぞれ熱交換器 3 3 、 3 4を設置し、 第二 純水排出ライン 2 4を経て排出される純水と分岐ライン 9 aを通る補給純 水との間の間接的な熱交換を熱交換器 3 3で行わせ、第一純水排出ライン 2 2を経て排出される純水と分岐ライン 9 bを通る補給純水との間の間接的 な熱交換を熱交換器 3 4で行わせることも可能である。 但し、 前者の場合に は、補給純水は既に第二プレ熱交換器 3 2で相当量温度が上昇しているので、 第一熱交換器 1 3で効率的な熱交換が行えない恐れがある。 従って、 熱交換 効率の観点からは後者が好ましい。
このように、第一排出ライン 2 2中の排出純水及び第二排出ライン 2 4中 の排出純水を合流させずに、 個別に系外へ排出させるように構成すれば、 該 第一純水排出ライン 2 2 に設置した流量制御弁 2 6 と第二純水排出ライン 2 4に設置した流量制御弁 2 6 との背圧の相違による排出流量の乱れを有 効に防止でき、 流量制御を安定的に行うことができる。
又、前記第一排出ライン 2 2及び第二排出ライン 2 4を合流させるか否か に拘わらず、熱交換器で熱交換された後の排出純水を前記補給純水タンク 5 へ戻すことができ、 これにより、 純水の消費量を減少させることが可能とな る。
又、 本実施の形態においては、 第一純水排出ライン 2 2の基端部を前記純 水循環ライン 1 5に連通するように構成した力 本発明は斯かる形態に限ら れるものではなく、電解セル 2 0から戻される電解後の残余の純水の一部を 前記第一純水排出ライン 2 2を介して系外に排出する限り、種々の形態が適 用可能である。 例えば、 第一純水排出ライン 2 2の基端部を酸素分離タンク 1 4に連通させても良い。

Claims

請 求 の 範 囲 1 . 電解セルにおいて純水を電解して水素ガス及び酸素ガスを生成する水電解 装置であって、
前記電解セルに供給すべき純水を貯留する酸素分離タンクと、
前記酸素分離タンクから前記電解セルへ純水を供給し且つ電解後の残余の 純水を酸素分離タンクへ戻すように構成された純水循環ラインと、
前記酸素分離タンク又は純水循環ラインに純水を補給する純水補給ライン と、
前記純水補給ラインに介挿された第一熱交換器と、
基端部が前記酸素分離タンク又は純水循環ラインに連通され、 且つ、 先端 部が前記第一熱交換器を経て系外に延びる第一純水排出ラインとを備え、
前記第一熱交換器において、 前記純水補給ラインを経て補給される純水と 第一純水排出ラインを経て系外に排出される純水との間で熱交換を行うように 構成されていることを特徴とする水電解装置。
2 . 前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる水素分離タンクと、 基端部が前記水素分離タンクに接続された水素排出ラインと、
前記水素排出ラインに介挿されたプレ熱交換器とを、 さらに備え、 前記プレ熱交換器において、 純水補給ラインを経て補給される純水と水素 排出ラインを経て排出される含湿水素ガスとの間の熱交換を行うように構成さ れていることを特徴とする請求項 1 に記載の水電解装置。
3 . 前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる水素分離タンクと、 基端部が前記水素分離タンクに連通され、 且つ、 先端部が前記第一熱交換 器を経て系外に延びる第二純水排出ラインとを、 さらに備え、
前記第一熱交換器において、 前記純水補給ラインを経て補給される純水と 第一および第二純水排出ラインを経て系外に排出される純水との間で熱交換を 行うように構成されていることを特徴とする請求項 1 に記載の水電解装置。
4 . 前記電解セルにおいて発生した水素ガスを受け入れる水素分離タンクと、 基端部が前記水素分離タンクに連通され、 且つ、 先端部が系外に延びる第 二純水排出ラインと、
前記第二排出ラインに介挿された第二熱交換器とを、 さらに備え、 前記第二熱交換器において、 前記純水補給ラインを経て補給される純水と 第二純水排出ラインを経て系外に排出される純水との間で熱交換を行うように 構成されていることを特徴とする請求項 1 に記載の水電解装置。
5 . 前記純水補給ラインは、 前記第一熱交換器及び第二熱交換器の前段側にお いて分岐されており、
前記第一熱交換器においては、 一方の純水補給ラインを流れる純水と第一 純水排出ラインを流れる純水との間で熱交換が行われ、
前記第二熱交換器においては、 他方の純水補給ラインを流れる純水と第二 純水排出ラインを流れる純水との間で熱交換が行われるように構成されている ことを特徴とする請求項 4に記載の水電解装置。
6 . 基端部が前記水素分離タンクに接続された水素排出ラインと、
前記水素排出ラインに介挿されたプレ熱交換器とを、 さらに備え、 前記プレ熱交換器において、 純水補給ラインを経て補給される純水と水素 排出ラインを経て排出される含湿水素ガスとの間の熱交換を行うように構成さ れていることを特徴とする請求項 3から 5の何れかに記載の水電解装置。
7 . 前記純水循環ラインを循環する純水量の 3 . 5 %以上が系外に排出され、 且つ、 少なく とも排出純水と同量の純水が前記純水補給ラインを介して補給さ れることを特徴とする請求項 1から 6の何れかに記載の水電解装置。
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