(57)【要約】      （修正有）【課題】電解システム中の電解セルへの通電が停止された場合に、導電路を容易、迅速、且つ確実に遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することのできる、電気絶縁方法を提供する。【解決手段】少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室１、陽極が取り付けられた陽極室２、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜３、並びに陰極室１及び陽極室２に充填された電解液を具備する電解セル１０を備える電解システムにおいて、電解セル１０への通電が停止された時に、陰極室１及び陽極室２から前記電解液を排出して電解液の液面レベルを電解セル１０の最下端よりも下まで下げる、電解システムの電気絶縁方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに前記陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルを備える電解システムにおいて、
前記電解セルへの通電が停止された時に、前記陰極室及び陽極室から前記電解液を排出して電解液の液面レベルを前記電解セルの最下端よりも下まで下げることを特徴とする、電解システムの電気絶縁方法。
【請求項２】
前記電解システムが、前記陰極室及び陽極室よりも下に位置する抜液タンクを更に有し、
電解液の排出が、前記陰極室及び陽極室中の電解液を前記抜液タンク中に移動させることによって行われる、請求項１に記載の電気絶縁方法。
【請求項３】
前記電解液の排出が、前記陰極室及び陽極室中の電解液を自重で前記抜液タンク中に移動させることによって行われる、請求項２に記載の電気絶縁方法。
【請求項４】
前記陰極室及び陽極室から前記電解液を排出した後の電解液の液面レベルが、前記陰極室及び陽極質から該抜液タンクに電解液を移動させるための流路の合流点よりも上部にある、請求項２又は３に記載の電気絶縁方法。
【請求項５】
前記電解システムが、
気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない、前記陰極室に接続された陰極気液分離室と、
気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない、前記陽極室に接続された陽極気液分離室と
を更に有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気絶縁方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって電解システムの電気絶縁を行った後、前記電解セルへの通電が再開される時に、前記陰極室及び陽極室に電解液を再充填することを特徴とする、電解システムの通電復活方法。
【請求項７】
少なくとも、
陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに前記陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルと、
前記陰極室及び陽極室よりも下に位置する抜液タンクと
を備えることを特徴とする、電解システム。
【請求項８】
前記抜液タンクが、該抜液タンク内の圧力を調整するための圧力調整手段を備える、請求項７に記載の電解システム。
【請求項９】
前記抜液タンク中の圧力が低下したときに、前記圧力調整手段によって該抜液タンクに供給されるガスが不活性ガスである、請求項８に記載の電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解システムの電気絶縁方法に関する。詳しくは、電解システム中の電解セルへの通電が停止された時に、導電路を遮断して逆電流の発生を防止するための、電気絶縁方法である。
【背景技術】
【０００２】
水素は、例えば燃料電池自動車における燃料、水素発電におけるタービン燃料、都市ガス成分等の燃料としての使用の他、化学肥料の原料等として、重要度が極めて高い。
水素は、例えば水の電気分解によって製造することができる。特に、近年の環境意識の高まりとともに、電源として再生可能エネルギーを用いた水の電気分解が注目されている。再生可能エネルギーとしては、例えば太陽光が挙げられる。太陽光を用いた発電システムは、既に実用化され、市販品も多いことから、電気分解の電源として好適である。
しかしながら、太陽光に代表される再生可能エネルギーを用いた発電システムは、発電量の変動が大きい。例えば晴天時と雨天時との間、昼間と夜間との間には、日照量に顕著な差があり、発電量に大きく影響する。
【０００３】
水の電気分解を行う電解システムが、例えば太陽光発電システムに接続された場合、日照が得られ、電解セルに通電されている時は、水の電気分解が行われ、生成物として水素を得ることができる。しかし、例えば日没によって日照が失われ、電解セルへの通電が停止された場合、電解セル内に起電力が生じ、所謂「逆電流」が発生する。電解セルに逆電流が発生すると、例えば電極（特に負極）表面に存在する触媒層の溶出、ひび割れ、剥落、酸化劣化等に起因する電極活性の低下、及びこれに伴う水素過電圧の上昇等の不都合を引き起こすことになる。
従って、電解セルへの通電が停止された時には、可及的速やかに導電路を遮断して、逆電流の発生を阻止することが好ましい。
この点、特許文献１には、電解システムにおける陰極室及び陽極室に電解液を供給するための供給流路中の電解液を気体で置換することにより、絶縁を得る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−９５１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法は、具体的には、ループ状に巻いた状態で設置された供給流路に気体（例えば空気）を吹き込むことにより、前記置換を行って絶縁を得る方法である。ところが、通常の電解システムにおいては、電解セルは、直列に積層して複数設置されることが多い。従って、供給流路も、電解セルの数に分岐して設置される。
このような構成の電解システムにおいて、供給流路へ気体を吹き込んだ場合、複数のループ状供給流路のすべてについて、漏れなく迅速に完全に電解液を置換することは、極めて困難である。気体吹込み位置から遠い供給流路中の電解液は、その一部が置換されずに残存し、従って、該流路が接続された電解セルにおいては、逆電流発生の懸念が払拭されないのである。
【０００６】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものである。
従って、本発明の目的は、電解システム中の電解セルへの通電が停止された場合に、導電路を容易、迅速、且つ確実に遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することのできる、電気絶縁方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記目的を達成すべく、鋭意検討を進めた。その結果、公知の電解システムは、逆電流の防止において構造的な欠陥があることが明らかとなった。
図１に、公知の電解システムの概略図を示した。
図１の電解システムは、陰極室１、陽極室２、隔膜３、及び電解液（図示せず）を具備する電解セル１０と、前記陰極室１に接続された陰極タンク１１と、前記陽極室２に接続された陽極タンク２１と、を備える。前記陰極タンク１１及び陽極タンク２１は、それぞれ、気液分離層としても働き、これらのタンクの機能により、製品である水素（及び酸素又はハロゲン）は、電解液から分離されて回収される。図１には更に、送液のためのポンプ５０が描画されている。
【０００８】
図１の電解システムにおいて、電解セル１０への通電が停止された場合には、電気分解の進行は停止され、電解セル１０内に起電力が生じる。この起電力は、前記電解セル１０への通電とは逆方向の電流を生じる力として働く。
ここで、電解液の水位は、前記陰極タンク及び陽極タンクの中ほどにある。従って、これらのタンクよりも下部にある配管は、満水状態となっており、逆電流の導電路が用意されていることになる。このような状態で電解セルへの通電が停止された場合、該電解セルの陰極室と陽極室とは配管を通じて導電しているため、逆電流が発生し、例えば陰極の劣化を来たすことになるのである。
【０００９】
上記の考察のもと、本発明者等は、電解セルへの通電が停止された時に、配管による導電路を遮断すれば、逆電流の発生を回避し得るものと考えた。本発明は、このような考察に基づくものである。
従って本発明の上記目的は、以下のとおりに要約される本発明によって達成される；
【００１０】
［１］  少なくとも、陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに前記陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルを備える電解システムにおいて、
前記電解セルへの通電が停止された時に、前記陰極室及び陽極室から前記電解液を排出して電解液の液面レベルを前記電解セルの最下端よりも下まで下げることを特徴とする、電解システムの電気絶縁方法。
［２］  前記電解システムが、前記陰極室及び陽極室よりも下に位置する抜液タンクを更に有し、
電解液の排出が、前記陰極室及び陽極室中の電解液を前記抜液タンク中に移動させることによって行われる、［１］に記載の電気絶縁方法。
【００１１】
［３］  前記電解液の排出が、前記陰極室及び陽極室中の電解液を自重で前記抜液タンク中に移動させることによって行われる、［２］に記載の電気絶縁方法。
［４］  前記陰極室及び陽極室から前記電解液を排出した後の電解液の液面レベルが、前記陰極室及び陽極質から該抜液タンクに電解液を移動させるための流路の合流点よりも上部にある、［２］又は［３］に記載の電気絶縁方法。
［５］  前記電解システムが、
気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない、前記陰極室に接続された陰極気液分離室と、
気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない、前記陽極室に接続された陽極気液分離室と
を更に有する、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の電気絶縁方法。
【００１２】
［６］  ［１］〜［５］のいずれか一項に記載の方法によって電解システムの電気絶縁を行った後、前記電解セルへの通電が再開される時に、前記陰極室及び陽極室に電解液を再充填することを特徴とする、電解システムの通電復活方法。
［７］  少なくとも、
陰極が取り付けられた陰極室、陽極が取り付けられた陽極室、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに前記陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルと、
前記陰極室及び陽極室よりも下に位置する抜液タンクと
を備えることを特徴とする、電解システム。
［８］  前記抜液タンクが、該抜液タンク内の圧力を調整するための圧力調整手段を備える、［７］に記載の電解システム。
［９］  前記抜液タンク中の圧力が低下したときに、前記圧力調整手段によって該抜液タンクに供給されるガスが不活性ガスである、［８］に記載の電解システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、電解システム中の電解セルへの通電が停止された場合に、導電路を容易、迅速、且つ確実に遮断して、逆電流の発生を可及的に防止することのできる、電気絶縁方法が提供される。
本発明の方法は、例えば太陽光発電システムに接続された電解システムにおいて、日照量が変動して電解セルへの通電が停止された場合に、逆電流の発生を防止することができるから、特に陰極の経時劣化を可及的に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、公知の電解システムを説明するための概略図である。
【図２】図２は、本発明の電解システムの一例を説明するための概略図である。
【図３】図３は、本発明の電解システムの別の一例を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明において使用する電解システムは、少なくとも、
陰極を有する陰極室、陽極を有する陽極室、前記陰極室と陽極室とを区画する隔膜、並びに前記陰極室及び陽極室に充填された電解液を具備する電解セルを備え、
好ましくは、前記陰極室及び陽極室よりも下に位置する抜液タンクを、更に備える。
前記電解セルは、陰極を有する陰極室、陽極を有する陽極室、並びに陰極室と陽極室とを区画する隔膜を具備する。前記陰極室と前記陽極室とは、隔膜を介して対向して配置されている。前記陰極室及び陽極室は、それぞれ、電解液によって充填されている。
前記の陰極、陽極、隔膜、及び電解液としては、それぞれ、水の電気分解において使用される公知の材料を、制限なく使用することができる。具体的に例示すると、例えば以下のとおりである。
【００１６】
陰極及び陽極としては、例えば炭素電極、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、Ｓｎ電極、Ｐｂ電極等の溶性電極；
金属メッキ電極、Ｐｔ／Ｔｉ電極、金属焼成電極、ＩｒＯ２／Ｔｉ電極等の不溶性電極等を挙げることができる。
隔膜としては、イオン交換膜を使用することが好ましく、例えばフッ素原子を有する陽イオン交換膜を例示することができる。
電解液としては、例えばハロゲン化アルカリの水溶液、水酸化アルカリの水溶液等を例示することができる。
本発明における電解システムは、上記のような電解セルを１個だけ有していてもよいし、２個以上の電解セルが積層されて成るセルスタック構造を有する物であってもよい。セルスタック構造を採用する場合には、各単位電解セルは、上記のような隔膜を介して設置されているか、或いは各単位電解セル間に導電性材料による導電路が形成されていることが好ましい。
【００１７】
本発明において、電解セルにおける陰極室及び陽極室は、電気分解を実施する際には電解液で充填されている。本発明の方法は、電解セルへの通電が停止された時に、陰極室及び陽極室から電解液を排出して電解液の液面レベルを電解セルの最下端よりも下まで下げることを特徴とする。電解セルへの通電が停止された時に、陰極室及び陽極室から電解液を排出したとしても、電解液の液面レベルが電解セルの最下端よりも高いと、該電解液が導電路として機能するから、逆電流発生の懸念を払拭できない。しかしながら本発明の方法によると、配管中の導電路が完全に遮断されるから、電解セルへの通電が停止された場合であっても逆電流が流れることはなくなるのである。
陰極室及び陽極室から電解液を排出する方法は問わない。例えば、送液ポンプによって強制的に排出してもよいし、自重による降下を利用して排出してもよい。好ましくは、自重による降下を利用して排出することである。
【００１８】
電解セルへの通電停止時に陰極室及び陽極室から排出された電解液は、電解セルへの通電が再開された時には、陰極室及び陽極室に再び充填して、電気分解に供することが好ましい。従って、本発明における電解システムは、排出された電解液を一時貯蔵し、再利用に供するための抜液タンクを有することが好ましい。最も好ましくは、該抜液タンクが前記陰極室及び陽極室よりも下に位置し、前記電解液の排出が、前記陰極室及び陽極室中の電解液を自重で前記抜液タンク中に移動させることによって行われる態様である。この場合、電解液を移動させるための流路は、陰極室及び陽極質のそれぞれから発し、途中で合流したうえで抜液タンクに至ることが便宜である。この流路にはトラップ部を設けずに、一律に下る構成とすることが好ましい。
陰極室及び陽極室から前記電解液を排出した後の電解液の液面レベルは、陰極室及び陽極室から電解液を移動させるための流路の合流点よりも上部とすることが好ましい。液面レベルを前記合流点よりも下まで下げると、陰極室と陽極室とが気相で流通可能となる。そのため、陰極室の水素と陽極室の酸素とが混合し、製品の純度が低下するとともに、水素及び酸素から成る爆鳴気が形成される可能性が生じ、好ましくない。
移動の開始は、例えば弁の開閉によって行うことができる。この弁は、手動によって開閉されるものであってもよいし、電解セルへの通電の有無に連動して開閉する自動制御の弁であってもよい。
【００１９】
本発明における電解システムは、製品として水素（及び酸素又はハロゲン）を得ることを目的とする。従って、電極近傍に発生した水素等を電解液から分離回収するための気液分離手段を有することが好ましい。
公知の電解システムにおいては、陰極タンク及び陽極タンクがこの気液分離手段となる。しかし、前述のように、これらのタンクはその中ほどまでが電解液で満たされている。このような態様は、陰極室及び陽極室から電解液を排出する時の迅速性を考慮すると、好ましくない。
従って、本発明においては、これらのタンクに代えて、気液分離能を有するが液体貯留能を実質的に有さない気液分離室を備えることが好ましい。この気液分離室は、例えば、陰極室及び陽極室よりも上方に、縦に細長い室を設けることにより、実現することができる。気液分離室の容積は、陰極室及び陽極室の容積の１，０００倍以下とすることが好ましく、より好ましくは１〜１００倍である。気液分離室の縦横比としては、室の幅に対する高さ（長さ）の比として、１０〜１，０００程度とすることが好ましい。
【００２０】
気液分離室は、陰極室に接続された陰極気液分離室と、陽極室に接続された陽極気液分離室と、から成ることが、製品の純度の観点から好ましい。
上記のような構成の電解システムを用いることにより、電解セルへの通電が停止された時に、陰極室及び陽極室から電解液を速やかに排出することができ、従って、導電路が遮断されて逆電流が流れることがなくなるから、例えば陰極の劣化を可及的に防止することが可能となる。
そして、電解セルへの通電が再開される時には、陰極室及び陽極室に電解液を再充填して電気分解を継続することができる。この時再充填される電解液は、排出された電解液であってもよいし、新規に調製された電解液であってもよい。好ましくは、前記抜液ポンプ中に排出された前回液を再利用することである。陰極室及び陽極室への電解液の再充填は、例えば送液ポンプによって行うことができる。
【００２１】
前記抜液タンクは、電解セルへの通電が停止された時には電解液を受容し、電解セルへの通電が再開される時には電解液を排出する。この受容及び排出の時には、該抜液タンクの気相部体積が変動する。従って、受容・排出に伴って抜液タンク内の圧力が変動しないように、該抜液タンクは内部の圧力を調整するための圧力調整手段を備えることが好ましい。
上記圧力調整手段としては、例えば、水封器、弁、アキュムレータ等、及びこれらの組み合わせを例示することができる。
上記水封器は、例えば、抜液タンクが電解液を受容した時に該抜液タンクから押し出された気相部ガスを大気に逃がすために、大気に開放された減圧用水封器と、
抜液タンクが電解液を排出する時に該抜液タンクの気相部にガスを補充するために、該ガスの配管に接続された加圧用水封器と、
を組み合わせたものであってよい。
上記弁としては、例えば、抜液タンクが電解液を受容して、該抜液タンクの気相部圧力が送液をスムースに行うために予め定めた圧力以上に上昇した時に、該気相部のガスを放出して減圧する機能を有する減圧用弁と、
抜液タンクが電解液を排出して、該抜液タンクの気相部圧力が予め定めた圧力以下に減少した時に、該気相部にガスを補充して加圧する機能を有する加圧用弁と、
を組み合わせたものであってよい。
更に、上記アキュムレータとしては、抜液タンクが、電解液を受容する際及び電解液を排出する時に起こる気相部体積の変動を緩和するために、該タンクの気相部に直接又は弁を介して接続された容量可変のガスタンク（例えば風船）であってよい。
抜液タンクから電解液が排出される時に該タンクに供給されるガスとしては、不活性ガス（例えば窒素、ヘリウム、アルゴン等）が好ましい。支燃性ガス（例えば空気等）、可燃性ガス（例えば都市ガス等）等を用いると、これらのガスが陰極室及び陽極室に混入して製品の純度を損なうとともに、支燃性ガスが陰極室に混入した場合、及び可燃性ガスが陽極室に混入した場合には、それぞれ、爆鳴気が形成されるおそれが皆無ではない。
【００２２】
以下、図を参照して本発明における電解システムの構成を具体的に説明する。
図２に、本発明において好ましく使用される電解システムの一例の概略図を示した。
図２の電解システムは、陰極室１、陽極室２、隔膜３、及び電解液（図示せず）を具備する電解セル１０と、前記陰極室１に接続された陰極気液分離室１２と、前記陽極室２に接続された陽極気液分離室２２と、抜液タンク３０と、弁４０と、を備える。陰極気液分離室１２及び陽極気液分離室２２は、それぞれ、細長い形状を有し、前記陰極室１及び陽極室２よりも上方に縦型に設置されている。これらの気液分離室は、気液分離能を有するので製品の純度を高くすることには寄与するが、液体貯留能を実質的に有さないので、陰極室１及び陽極室２中の電解液の排出の迅速にも資する。抜液タンク３０は、前記陰極室１及び陽極室２よりも下に配置されている。より詳しくは、抜液タンク３０の最上部が、極室及び陽極室に電解液を供給するための供給流路の分岐点よりも下部にある。
【００２３】
そして弁４０は電解液の供給用配管と前記抜液タンク３０との間に設置されているから、電解セル１０への通電停止時には、この弁４０を開放することにより、電解液はその自重によって陰極室１及び陽極室２から抜液タンク３０中に、速やかに移動することができる。この電解システムでは、電解セル１０への通電が停止された時の電解液移動後の液面レベルは、最も高い場合であっても、陰極室１及び陽極室２よりも下になるから、電解液の移動後には、逆電流のための導電路が維持されることはない。また、電解液移動後の液面レベルは、前記陰極室１及び陽極質２から抜液タンク３０に電解液を移動させるための流路の合流点よりも上部にあるから、陰極室１と陽極室２とが気相で流通可能となることはなく、爆鳴気が形成されるおそれがない。
図２には更に、送液のためのポンプ５０が描画されている。該ポンプ５０の機能により、電解セル１０への通電停止時に抜液タンク３０中に移動した電解液を、陰極室１及び陽極室２に再充填することができる。
【００２４】
図３に、本発明において好ましく使用される電解システムの別の一例の概略図を示した。
図３の電解システムは、図２の電解システムと概ね同様であるが、ただし、抜液タンク３０の上部（気相部）に、加圧用水封器６１及び減圧用水封器６２からなる圧力調整手段が備えられている。加圧用水封器６１は、不活性ガスの配管に好ましくは圧力調整用レギュレーター（図示せず）を介して接続されている。減圧用水封器６２は、気相部が大気に解放されている。
電解セル１０への通電が停止された時には、弁４０の開放により、電解液は陰極室１及び陽極室２から抜液タンク３０へと移動する。この時、抜液タンク３０の気相部の体積は減少し、押し出されたガスは減圧用水封器６２中の封水を経て大気に放出される。一方、電解セル１０への通電が再開される時には、ポンプ５０の機能によって、電解液が抜液タンク３０から排出され、陰極室１及び陽極室２に再充填される。この時、この時、抜液タンク３０の気相部の体積は増大するが、該気相部には不活性ガス配管から加圧用水封器６１中の封水を経て不活性ガスが供給される。
【００２５】
以上のような作用により、圧力調整手段を備える電解システムは、抜液タンクが電解液を受容及び排出する時にも該タンク内の圧力を一定に維持することができるから、安定な運転が可能となるのである。
更に、電解液の液面レベルを電解液移動流路の合流点よりも上に維持する発明の好ましい実施形態によると、陰極室１と、陽極室２と、抜液タンク３０の気相部と、大気と、不活性ガス配管と、が、互いに気相流通することがないから、製品の高純度が担保されるとともに、爆鳴気が形成されるおそれがない。
【符号の説明】
【００２６】
１    陰極室
２    陽極室
３    隔膜
１０    電解セル
１１    陰極タンク
２１    陽極タンク
１２    陰極気液分離室
２２    陽極気液分離室
３０    抜液タンク
４０    弁
５０    送液ポンプ
６０    加圧用水封器
６１    減圧用水封器
【図１】
2015129345.tif 000003
【図２】
2015129345.tif 000004
【図３】
2015129345.tif 000005