(57)【要約】【課題】  差圧制御の遅れを生じさせない水電解装置を提供する。【解決手段】  水電解槽1 は圧力容器2 に収められ、圧力容器2 は隔壁3 により左右２室に分かれている。右室は水電解槽1 を収納し、酸素と水を分離する酸素気液分離室4 を兼ねる。左室は水素気液分離室5 である。圧力容器2 の右側頂部には酸素気液分離室4 から酸素を放出する酸素ライン6 が設けられ、同ライン6 には放出酸素量を調整する第２流量調整弁7 が設けられている。圧力容器2 の右側外部には酸素気液分離室4 の液面レベルを検出する第２液面計8 が設けられ、容器2 底部には酸素気液分離室4 内へ純水を供給する純水供給口9 が設けられている。純水供給口9 は給水ライン10と接続されており、純水は給水ライン10に設けられた給水ポンプ11で圧力容器2 内に送られる。給水ポンプ11と圧力容器2 の間に圧力容器2 内圧力を調整する給水圧調整弁12が設けられている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を陰極に水素を発生させる水電解槽と、  発生した水素と水を分離する水素気液分離室と、
水素気液分離室の水素を水素ラインへ放出する量を調整する第１流量調整弁と、
発生した酸素と水を分離する酸素気液分離室と、
酸素気液分離室の酸素を酸素ラインへ放出する量を調整する第２流量調整弁と、
水素気液分離室の液面レベルを検出可能な第１液面計と、
酸素気液分離皇の液面レベルを検出可能な第２液面計と、
水素気液分離室の水素圧と酸素気液分離室の酸素圧の差を調整する制御装置とからなる固体高分子型水電解装置であって、
前記制御装置は、第１液面計と第２液面計の検出値から液面差を検出する液面差検出手段と、
液面差検出手段で得られた検出液面差と既定液面差とを比較する液面差比較手段と、
検出液面差が既定液面差になるように前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の少なくとも一方を制御する弁制御手段とを備えることを特徴とする固体高分子型水電解装置。
【請求項２】
酸素気液分離室と水素気液分離室が同一圧力容器内に設けられ、これら気液分離室が気体部を完全分離しかつ液体部どうしを連通するように隔壁により分けられていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型水電解装置。
【請求項３】
酸素気液分離室と水素気液分離室が独立に設けられ、各気液分離室の液体部どうしが連連管により連通されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型水電解装置。
【請求項４】
前記連通管に遮断弁が設けられ、第１液面レベルと第２液面レベルの少なくとも一方が所定レベルに達した時に、前記遮断弁が閉じられることを特徴とする請求項３記載の固体高分子型水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度の水素および酸素を製造するための固体高分子型水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は、水素気液分離室の液面レベルが正規のレベルより下がった場合には酸素ガス流量を減少させ、逆に水素気液分離室の液面レベルが正規のレベルより上がった場合には酸素ガス流量を増大させていた。このようにして液面レベルを常に一定の高さに制御することにより、水素ガス流量と酸素ガス流量の比が２：１に正しく制御されていた（特許文献１、実施例４、段落［００９１］と図４参照）。
【０００３】
別の従来技術では、後述する比較例１に示すように、水電解装置の差圧制御は酸素ラインおよび水素ラインの圧力計または各ライン間の差圧計からの信号により実施されていた（特許文献２、図３参照）。
【特許文献１】特許第３２２０６０７号公報
【特許文献２】特願２００４−０６０００２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、酸素ラインおよび水素ラインの圧力計または各ライン間の差圧計からの信号により差圧制御を行う方法では、全水圧範囲（数十ＭＰａ程度）に比べて制御する差圧の範囲がかなり狭く（ｌ％程度）、しかも精度の高い制御が求められ、急激な圧力変化が生じると制御遅れが生じ易い。
【０００５】
特に、数十ＭＰａ程度までに昇圧させる必要がある水電解装置においては、全水圧範囲と電解槽の限界差圧の差があまりにも大きいために制御遅れは許されない。
【０００６】
本発明は、上記実状から、差圧制御の遅れを生じさせない水電解装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、
固体高分子膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を陰極に水素を発生させる水電解槽と、  発生した水素と水を分離する水素気液分離室と、
水素気液分離室の水素を水素ラインへ放出する量を調整する第１流量調整弁と、
発生した酸素と水を分離する酸素気液分離室と、
酸素気液分離室の酸素を酸素ラインへ放出する量を調整する第２流量調整弁と、
水素気液分離室の液面レベルを検出可能な第１液面計と、
酸素気液分離皇の液面レベルを検出可能な第２液面計と、
水素気液分離室の水素圧と酸素気液分離室の酸素圧の差を調整する制御装置とからなる固体高分子型水電解装置であって、
前記制御装置は、第１液面計と第２液面計の検出値から液面差を検出する液面差検出手段と、
液面差検出手段で得られた検出液面差と既定液面差とを比較する液面差比較手段と、
検出液面差が既定液面差になるように前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の少なくとも一方を制御する弁制御手段とを備えることを特徴とする固体高分子型水電解装置。  請求項２に係る発明は、酸素気液分離室と水素気液分離室が同一圧力容器内に設けられ、これら気液分離室が気体部を完全分離しかつ液体部どうしを連通するように隔壁により分けられていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型水電解装置である。
【０００８】
請求項３に係る発明は、酸素気液分離室と水素気液分離室が独立に設けられ、各気液分離室の液体部どうしが連連管により連通されていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型水電解装置である。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記連通管に遮断弁が設けられ、第１液面レベルと第２液面レベルの少なくとも一方が所定レベルに達した時に、前記遮断弁が閉じられることを特徴とする請求項３記載の固体高分子型水電解装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、第１液面計により検出された液面レベルと第２液面計により検出された液面レベルとの検出液面差が既定液面差になるように弁を制御することにより、酸素側と水素側の差圧を従来に比べてかなり小さくすることができ、かつ制御応答性も迅速化することが可能となり、高圧（数十ＭＰａ、好ましくは３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）用の水電解装置に適切に対応することができる。
【００１１】
また、請求項４に係る発明においては、連通管に遮断弁が設けられ、第１液面レベルと第２液面レベルの少なくとも一方が所定のレベルに達した時に遮断弁が閉じられることにより、連連管内で水素と酸素が混じり合うことがない。こうして、十分な安全対策を講じることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施例１
固体高分子型水電解装置の構成を図１に示す。
【００１３】
図１において、高分子電解質膜を用いて水を電解する水電解槽(1) は圧力容器(2) に収められ、圧力容器(2) は隔壁(3) により左右２室に分かれている。
【００１４】
右側の室は水電解槽(1) を収納し、かつ酸素と水を分離する酸素気液分離室(4) を兼ねている。左側の室は水素気液分離室(5) である。圧力容器(2) の右側頂部には酸素気液分離室(4) から酸素を放出する酸素ライン(6) が設けられ、同ライン(6) には放出酸素量を調整する第２流量調整弁(7) が設けられている。圧力容器(2) の右側外部には酸素気液分離室(4) の液面レベルを検出する第２液面計(8) が設けられ、容器(2) 底部には酸素気液分離室(4) 内へ純水を供給する純水供給口(9) が設けられている。
【００１５】
純水供給口(9) は給水ライン(10)と接続されており、純水は給水ライン(10)に設けられた給水ポンプ(11)で圧力容器(2) 内に送られる。給水ポンプ(11)と圧力容器(2) の間に圧力容器(2) 内圧力を調整する給水圧調整弁(12)が設けられている。
【００１６】
圧力容器(2) の左側頂部には水素気液分離室(5) から水素を放出する水素ライン(13)が設けられ、同ライン(13)に放出水素量を調整する第１流量調整弁(14)が設けられている。圧力容器(2) の左側外部には水素気液分離室(5) の液面レベルを検出する第１液面計(15)が設けられている。
【００１７】
水電解槽(1) の陽極にて発生した酸素は、酸素気液分離室(4) の上部にある酸素気相部に貯められる。
【００１８】
水電解槽(1) の陰極にて発生した水素は、隔壁(3) を貫通する水素取出管(27)によって水素気液分離室(5) へ送られ、同気液分離室(5) の上部にある水素気相部に貯められる。
【００１９】
制御手段は、図５に示すように、液面差検出手段、液面差比較手段および開口制御手段を備えている。
【００２０】
液面差検出手段は、第１液面計(15)で検出された水素気液分離室(5) における第１液面レベルと、第２液面計(8) で検出された酸素気液分離室(4) における第２液面レベルとの差を検出する。
【００２１】
液面差比較手段は、液面差検出手段によって得られた検出液面差と既定液面差とを比較する。
【００２２】
開口制御手段は、検出液面差が既定液面差になるように、第１流量調整弁(14)と第２流量調整弁(7) の少なくとも一方の開度を制御する。
【００２３】
以上のように、この実施例では酸素気液分離室(4) と水素気液分離室(5) は同一圧力容部(2) 内に隔壁(3) を介して設置されている。水電解反応で発生した水素と酸素は、水と完全分離してそれぞれ水素気液分離室(5) および酸素気液分離室(4) の上部に貯められており、各気液分離室(4) (5) の水は連通しており、水素と酸素が混じり合うことはない。
【００２４】
発生した気体の圧力調整は第１流量調整弁(14)および第２流量調整弁(7) によりなされるが、水素および酸素の間の差圧は第１液面計(15)および第２液面計(8) により得られる検知液面差を既定液面差に合わせるように、第１流量調整弁(14)と第２流量調整弁(7) の少なくとも一方が制御される（例えば、水素気液分離室(5) の液面が上がった場合は、第１流量調整弁(14)の開度を下げるか、第２流量調整弁(7) の開度を上げるように、弁が制御される）。
【００２５】
このように、水素気液分離室(5) の液面レベルと酸素気液分離室(4) の液面レベルとの差が常に規定レベル差になるように、第１流量調整弁(14)と第２流量調整弁(7) の少なくとも一方が制御されているので、水素気液分離室(5) および酸素気液分離室(4) の液面レベルは高くても低くても構わない。
【００２６】
各気液分離室(4) (5) の液面レベルが、図３に示すように、一点鎖線(a) で示される所定レベルより下の方に下がりそうなときには、水素と酸素が混じり合う恐れがあり（非常時）、第２液面計(8) がこれを検知して、給水圧調整弁(12)が開口され、給水ポンプ(11)により純水が圧力容器(2) へ補給される。
【００２７】
実施例２
固体高分子型水電解装置の変形例を図２に示す。図２において、高分子電解質膜を用いて水を電解する水電解槽(1) は、酸素気液分離室(4) を兼ねた圧力容器(2) 内に設置されており、水素気液分離室(5) は圧力容器(2) とは別に設置され、これらの気液分離室(4) (5) の液体部どうしは連通管(16)によって連通されている。
【００２８】
圧力容器(2) の頂部には酸素気液分離室(4) から酸素を放出する酸素ライン(6) が設けられ、同ライン(6) に放出酸素量を調整する第２流量調整弁(7) が設けられている。圧力容器(2) の外部には酸素気液分離室(4) の液面レベルを検出する第２液面計(8) が設けられ、容器(2) 底部には純水を供給する純水供給口(9) が設けられている。
【００２９】
純水供給口(9) は給水ライン(10)と接続されており、純水は給水ライン(10)に設けられた給水ポンプ(11)で圧力容器(2) 内に送られる。給水ポンプ(11)と圧力容器(2) の間で給水ライン(10)に容器内圧力を調整する給水圧調整弁(12)が設けられている。
【００３０】
水電解槽(1) の陰極にて発生した水素は、圧力容器(2) の底壁を貫通する水素排出口(17)およびこれに接続された水素移送ライン(18)によって水素気液分離室(5) へ送られる。水素気液分離室(5) の頂部には水素気液分離室(5) から水素を放出する水素ライン(13)が設けられ、同ライン(13)に放出水素量を調整する第１流量調整弁(14)が設けられている。水素気液分離室(5) の外部には水素気液分離室(5) の液面レベルを検出する第１液面計(15)が設けられている。
【００３１】
水電解槽(1) の陽極にて発生した酸素は圧力容器(2) の上部にある酸素気相部に貯められる。水素は水素気液分離室(5) に貯められる。
【００３２】
制御装置の構成および作動は、図５に基づいて実施例１で説明した通りである。
【００３３】
以上のように、この実施例においては、酸素気液分離室(4) と水素気液分離室(5) が別々に設置され、これらの気液分離室(4) (5) は連通管(16)によって連通されている。水電解反応で発生した水素と酸素は、水と完全分離してそれぞれ水素気液分離室(5) および酸素気液分離室(4) の上部に貯められており、各気液分離室(4) (5) の水は連通しており、水素と酸素が混じり合うことはない。
【００３４】
制御装置による水素圧および酸素圧の調整は図５に基づいて実施例１で説明した通りである。
【００３５】
このように、水素気液分離室(5) の液面レベルと酸素気液分離室(4) の液面レベルとの差が常に規定液面差になるように、第１流量調整弁(14)と第２流量調整弁(7) の少なくとも一方が制御されているので、水素気液分離室(5) および酸素気液分離室(4) の液面レベルは高くても低くても構わない。
【００３６】
各気液分離室(4) (5) の液面レベルが、図４に示すように、一点鎖線(b) で示される酸素側の所定レベルおよび一点鎖線(c) で示される水素側の所定レベルより下の方に下がりそうなときには（圧力容器(2) 内の酸素気液分離室(4) の方で液面レベルが所定レベルより下の方に下がれば、水電解檜が焼き付く恐れがあり、水素気液分離室(5) の方で液面レベルが所定レベルより下の方に下がれば、連連管(16)内で酸素と水素が混じり合う恐れがある）、第１液面計(15)と第２液面計(8) のうちいずれか一方が図５に示す液面監視手段で検知されて、連通管(16)に設けられている遮断弁(19)が閉じられるように制御が行われる。
【００３７】
比較例１
図６において、固体高分子型水電解槽は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素を、陰極に水素をそれぞれ発生させる固体高分子型水電解槽(20)と、水電解槽(20)を収める圧力容器(21)と、水電解槽(20)の水素排出口から圧力容器(21)の底壁を貫通して延びる水素排出管(21a)に接続された水素ライン(22)と、水素ライン(22)に設けられ 、かつ水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水を分離する水素気液分離器(23)と、水電解槽(20)の頂部に突出状に設けられ、かつ水電解槽(20)の陽極にて発生した酸素を貯める酸素気相部(25)と、同気相部(25)から系外へ延びる酸素ライン(24)と、圧力容器(21)の底壁に設けられた水排出管(21b)から純水タンク(29)へ配された水循環ライン(26)と、純水タンク(29)から圧力容器(21)の底壁に設けられた水導入管(21c)へ配され、かつ 電解原料水として純水を電解槽(20)へ送る給水ライン(17)と、純水タンク(29)に純水を導入する純水導入ライン(30)と、水素気液分離器(23)と純水タンク(29)とを接続する分離水回収ライン(31)と、水電解槽(20)に接続された直流電源（図示略）とを備えている。
【００３８】
圧力容器(21)の内部は純水で充満されており、圧力容器(21)内の純水が水電解槽(20)への供給水を兼ねるようになされている。
【００３９】
水素気液分離器(23)により分離された水素は、水素ライン(22)における水素圧調整弁(34)に設定された圧力で外部に送り出される。水素気液分離器(23)で分離された純水は、水素ライン(22)に設けられた水素冷却器(33)で凝縮した水と共に、分離水回収ライン(31)の分離水圧力調整弁(35)および減圧弁(36)を通じて純水タンク(29)に戻される。分離水圧力調整弁(35)は水素気液分離器(23)に設けられた液面制御計(51)によって制御される。
【００４０】
酸素気相部(25)で分離された酸素は、酸素圧力調整弁(40)に設定された圧力で外部へ送り出される。
【００４１】
(37)は給水ポンプ、(38)は温度計、(39)は循環水圧調整弁、(41)は水素圧力計、(42)は給水圧力計、(43)は流量調整弁、(44)は調圧弁、(45)は給水圧調整弁、(46)は圧力容器内圧力計、(48)は減圧弁、(49)は熱交換器、(50)は純水器、(52)は液面制御計である。
【００４２】
水素圧力、給水圧力および圧力容器内圧力が実質上同一になるように、水素圧力計(41)からの信号により水素圧調整弁(34)が、給水圧力計(42)からの信号により給水圧調整弁(45)が、そして圧力容器内圧力計(46)からの信号により調圧弁(44)がそれぞれ制御される。調圧弁(44)は酸素気相部(25)に設けられた液面制御計(52)によっても制御される。水素圧力計(41)は、３５〜７０ＭＰａ（３５０〜７００ｋｇ／ｃｍ２）の高圧水素ガスが得られるように設定されている。
【００４３】
水素ライン(22)と酸素ライン(24)の間に差圧計(47)が設けられ、両ライン間の差圧が設定値になるように差圧計(47)からの信号により酸素ライン(24)における酸素圧調整弁(40)が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１の固体高分子型水電解装置を示す垂直縦断面図である。
【図２】実施例２の固体高分子型水電解装置を示す垂直縦断面図である。
【図３】実施例１の固体高分子型水電解装置を示す垂直縦断面図である。
【図４】実施例２の固体高分子型水電解装置を示す垂直縦断面図である。
【図５】従来の高圧容器収納型水電解水素発生装置を示す概略図である。
【図６】弁制御手段を示すフローシートである。
【符号の説明】
【００４５】
(1) 水電解槽
(2) 圧力容器
(3) 隔壁
(4) 酸素気液分離室
(5) 水素気液分離室
(6) 酸素ライン
(7) 第２流量調整弁
(8) 第２液面計
(9) 純水供給口
(10)給水ライン
(11)給水ポンプ
(12)給水圧調整弁
(13)水素ライン
(14)第１流量調整弁
(15)第１液面計
(16)連連管
(17)水素排出ロ
(18)水素移送ライン
(19)遮断弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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