(57)【要約】【課題】電力消費効率に優れた電気分解装置を提供する。【解決手段】電気分解装置１は、電解液中に浸漬される電極対および当該電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタをそれぞれが含んで互いに縦続接続された４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４と、電解液中に浸漬される電極対および当該電極対に直列に接続された主電路を有するサイリスタを含み、４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４のさらに後段に接続された最終段の電解回路Ｅ５と、を備える。トリガー制御回路１９は、５つの電解回路Ｅ１〜Ｅ５のうちの初段の電解回路Ｅ１に含まれるサイリスタ４１から順次後段の電解回路Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に含まれるサイリスタ４２，４３，４４を導通させ、最後に最終段の電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタ４５を導通させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液の電気分解を行う電気分解装置であって、
電解液を収容する電解槽と、
電気分解のための電力を供給する直流電源と、
前記電解液中に浸漬された電極対および当該電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタをそれぞれが含んで互いに縦続接続された複数の電解回路と、
前記電解液中に浸漬された電極対および当該電極対に直列に接続された主電路を有するサイリスタを含み、前記複数の電解回路のさらに後段に接続された最終電解回路と、
前記複数の電解回路および前記最終電解回路に含まれるサイリスタを順次導通させるトリガー制御回路と、
を備えることを特徴とする電気分解装置。
【請求項２】
請求項１記載の電気分解装置において、
前記複数の電解回路のそれぞれに含まれるコンデンサの一端および前記最終電解回路に含まれる電極対の一端を前記直流電源の帰路端に接続し、
縦続接続された前記複数の電解回路のうちの初段の電解回路におけるサイリスタの主電路の一端を前記直流電源の出力端に接続するとともに、前記複数の電解回路のうちの残余の電解回路におけるサイリスタの主電路の一端を直前の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続し、
前記最終電解回路に含まれるサイリスタの主電路の一端を前記複数の電解回路のうちの最後段の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続し、
前記トリガー制御回路は、前記複数の電解回路のうちの前記初段の電解回路に含まれるサイリスタから順次後段の電解回路に含まれるサイリスタを導通させ、最後に前記最終電解回路に含まれるサイリスタを導通させることを特徴とする電気分解装置。
【請求項３】
電解質を溶解した電解液の電気分解を行う電気分解装置であって、
電解液を収容する電解槽と、
電気分解のための電力を供給する直流電源と、
前記電解液中に浸漬された第１電極対および当該第１電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有する第１サイリスタを含む第１の電解回路と、
前記電解液中に浸漬された第２電極対および当該第２電極対に直列に接続された主電路を有する第２サイリスタを含む第２の電解回路と、
前記第１サイリスタから前記第２サイリスタの順に順次導通させるトリガー制御回路と、
を備え、
前記コンデンサの一端および前記第２電極対の一端を前記直流電源の帰路端に接続し、
前記第１サイリスタの主電路の一端を前記直流電源の出力端に接続し、
前記第２サイリスタの主電路の一端を前記第１の電解回路における前記第１電極対と前記コンデンサとの接続点に接続することを特徴とする電気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液の電気分解を行う電気分解装置に関し、例えば水の電気分解や金属の電解精錬に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
電解質を溶解した水溶液などの電解液に電極を接触させて所定の電圧を印加することにより、電気化学的に酸化還元反応が生じ、その結果電流が流れる現象は電気分解（電解）として広く知られている。電気分解を工業分野に応用した例としては金属の電解精錬が挙げられ（例えば、特許文献１）、例えばアルミニウムはボーキサイトを原料として電気分解によって生産するのが一般的である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９７１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、金属を電気分解によって精錬する手法は大量の電力を消費する。このため、例えば日本のように安価な電力供給が困難な立地においては、電気分解によってアルミニウムなどの金属を量産することは極めて困難であった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電力消費効率に優れた電気分解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、電解液の電気分解を行う電気分解装置において、電解液を収容する電解槽と、電気分解のための電力を供給する直流電源と、前記電解液中に浸漬された電極対および当該電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタをそれぞれが含んで互いに縦続接続された複数の電解回路と、前記電解液中に浸漬された電極対および当該電極対に直列に接続された主電路を有するサイリスタを含み、前記複数の電解回路のさらに後段に接続された最終電解回路と、前記複数の電解回路および前記最終電解回路に含まれるサイリスタを順次導通させるトリガー制御回路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る電気分解装置において、前記複数の電解回路のそれぞれに含まれるコンデンサの一端および前記最終電解回路に含まれる電極対の一端を前記直流電源の帰路端に接続し、縦続接続された前記複数の電解回路のうちの初段の電解回路におけるサイリスタの主電路の一端を前記直流電源の出力端に接続するとともに、前記複数の電解回路のうちの残余の電解回路におけるサイリスタの主電路の一端を直前の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続し、前記最終電解回路に含まれるサイリスタの主電路の一端を前記複数の電解回路のうちの最後段の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続し、前記トリガー制御回路は、前記複数の電解回路のうちの前記初段の電解回路に含まれるサイリスタから順次後段の電解回路に含まれるサイリスタを導通させ、最後に前記最終電解回路に含まれるサイリスタを導通させることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３の発明は、電解質を溶解した電解液の電気分解を行う電気分解装置において、電解液を収容する電解槽と、電気分解のための電力を供給する直流電源と、前記電解液中に浸漬された第１電極対および当該第１電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有する第１サイリスタを含む第１の電解回路と、前記電解液中に浸漬された第２電極対および当該第２電極対に直列に接続された主電路を有する第２サイリスタを含む第２の電解回路と、前記第１サイリスタから前記第２サイリスタの順に順次導通させるトリガー制御回路と、を備え、前記コンデンサの一端および前記第２電極対の一端を前記直流電源の帰路端に接続し、前記第１サイリスタの主電路の一端を前記直流電源の出力端に接続し、前記第２サイリスタの主電路の一端を前記第１の電解回路における前記第１電極対と前記コンデンサとの接続点に接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電気分解反応によって流れた電流を一旦コンデンサに蓄電し、その蓄電による電圧を新たな電極対に印加することによって再度電気分解反応を生じさせることとなるため、電力を再利用して電気分解を行うことができ、電力消費効率を格段に優れたものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。本明細書中において「電解液」とは、電気伝導性を有する液体の総称であり、電解質が溶媒中に溶解した溶液の他に、溶媒を含まずにイオンのみからなる液体であるいわゆる溶融塩（またはイオン液体）をも含む。また、溶液の溶媒は、水に限定されるものではなく、有機溶媒であっても良い。なお、電解液としては単なる水であっても良いが、その水には意図的或いは不可避的に電解質が溶解しており、電解質が溶媒中に溶解した溶液の一種である。
【００１１】
図１は、本発明に係る電気分解装置１の回路構成を示す図である。また、図２は、電極を配置した電解セル（電解槽）の一例を示す斜視図である。電気分解装置１は、電解セル１０、直流電源１５、複数の電解回路Ｅ１〜Ｅ５およびトリガー制御回路１９を備える。
【００１２】
電解セル１０には電気分解の対象となる電解液１１が収容されている。電解液１１が高温の溶融塩である場合には、電解セル１０に塩を融解するための加熱機構が付設されていても良い。
【００１３】
直流電源１５は、通常、交流電源に接続された整流回路およびその整流回路の出力を平滑化して直流を得る平滑回路によって構成されており、電解液１１を電気分解するための電力（直流）を供給する。
【００１４】
５つの電解回路Ｅ１〜Ｅ５は互いに縦続接続された回路であり、それぞれは電解セル１０に貯留された電解液１１の電気分解を行う。これらのうち４つの電解回路Ｅ１〜Ｅ４は、電極対２１〜２４、コンデンサ３１〜３４およびサイリスタ４１〜４４をそれぞれ備え、縦続接続の初段から第４段を構成する。また、電解回路Ｅ５は、電極対２５およびサイリスタ４５を備え、縦続接続の最終段を構成する。
【００１５】
初段の電解回路Ｅ１は、電極対２１とコンデンサ３１とを直列に接続した直列回路およびその直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタ４１を有する。サイリスタ４１の主電路の一端（アノード側）は直流電源１５のプラス端（出力端）に接続され、他端（カソード側）は電極対２１の陽極２１ａと接続される。また、コンデンサ３１の一端は直流電源１５のマイナス端（帰路端）に接続され、他端は電極対２１の陰極２１ｂと接続される。酸化反応が生じる陽極２１ａおよび還元反応が生じる陰極２１ｂにて構成される電極対２１は電解セル１０の電解液１１中に浸漬される。
【００１６】
縦続接続のうちの第２段〜第４段を構成する電解回路Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、それぞれ電極対２２，２３，２４とコンデンサ３２，３３，３４とを直列に接続した直列回路およびその直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタ４２，４３，４４を有する。サイリスタ４２〜４４の主電路の一端（アノード側）は、上記縦続接続における直前の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続される。すなわち、電解回路Ｅ２のサイリスタ４２の一端は直前の電解回路Ｅ１における電極対２１とコンデンサ３１との接続点に接続され、電解回路Ｅ３のサイリスタ４３の一端は直前の電解回路Ｅ２における電極対２２とコンデンサ３２との接続点に接続され、同様に電解回路Ｅ４のサイリスタ４４の一端は直前の電解回路Ｅ３における電極対２３とコンデンサ３３との接続点に接続される。また、サイリスタ４２，４３，４４の主電路の他端（カソード側）は、それぞれ電極対２２，２３，２４の陽極２２ａ，２３ａ，２４ａと接続される。さらに、コンデンサ３２，３３，３４の一端は直流電源１５のマイナス端（帰路端）に接続され、他端は電極対２２，２３，２４の陰極２２ｂ，２３ｂ，２４ｂとそれぞれ接続される。電解回路Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電極対２２，２３，２４は全て電解セル１０の電解液１１中に浸漬される。
【００１７】
縦続接続の最終段を構成する電解回路Ｅ５は、電極対２５および電極対２５に直列に接続された主電路を有するサイリスタ４５を有する。サイリスタ４５の主電路の一端（アノード側）は直前の電解回路Ｅ４（つまり、コンデンサを有する電解回路Ｅ１〜Ｅ４の最後段の電解回路）における電極対２４とコンデンサ３４との接続点に接続される。サイリスタ４５の主電路の他端（カソード側）は電極対２５の陽極２５ａと接続される。また、電極対２５の陰極２５ｂは直流電源１５のマイナス端（帰路端）に直接接続される。電解回路Ｅ５の電極対２５も電解セル１０の電解液１１中に浸漬される。
【００１８】
電解回路Ｅ１〜Ｅ５におけるサイリスタ４１，４２，４３，４４，４５のそれぞれのゲートにはトリガー制御回路１９の出力端が個別に接続されている。トリガー制御回路１９は、サイリスタ４１，４２，４３，４４，４５のそれぞれのゲートに個別にトリガー信号を印加することができる。
【００１９】
次に、上記の構成を有する電気分解装置１の動作について説明する。直流電源１５がオンの状態にて、トリガー制御回路１９が最初に電解回路Ｅ１に含まれるサイリスタ４１のゲートのみにトリガー信号を印加する。そうすると、直流電源１５からサイリスタ４１の主電路を介して電極対２１の陽極２１ａと陰極２１ｂとの間に所定の電圧が印加される。その結果、陽極２１ａでは酸化反応が生じる一方、陰極２１ｂでは還元反応が生じ、これらの電気分解反応が進行することによって陽極２１ａと陰極２１ｂとの間に電流が流れる。なお、陽極２１ａと陰極２１ｂとの間に印加される電圧は直流電源１５の端子間電圧に等しく、電解液１１の電気分解が生じる電圧（例えば、電解液１１が水であれば１．２３Ｖ）よりも高いことは勿論である。
【００２０】
電極対２１を流れた電流はコンデンサ３１に蓄電される。コンデンサ３１の両端間の電圧が所定値を超えるとサイリスタ４１の導通が停止する。この時点ではコンデンサ３１に電荷が蓄積されており、それによって第２段の電解回路Ｅ２に電圧が印加されることとなる。
【００２１】
次に、トリガー制御回路１９が電解回路Ｅ２に含まれるサイリスタ４２のゲートのみにトリガー信号を印加する。そうすると、コンデンサ３１が電源として機能し、コンデンサ３１からサイリスタ４２の主電路を介して電極対２２の陽極２２ａと陰極２２ｂとの間に所定の電圧が印加される。その結果、陽極２２ａおよび陰極２２ｂにて電気分解反応が生じ、両極間に電流が流れる。電極対２２を流れた電流はコンデンサ３２に蓄電される。コンデンサ３２の両端間の電圧が所定値を超えるとサイリスタ４２の導通が停止する。この時点ではコンデンサ３２に電荷が蓄積されており、それによって第３段の電解回路Ｅ３に電圧が印加されることとなる。
【００２２】
続いて、トリガー制御回路１９が電解回路Ｅ３に含まれるサイリスタ４３のゲートのみにトリガー信号を印加する。そうすると、コンデンサ３２が電源として機能し、コンデンサ３２からサイリスタ４３の主電路を介して電極対２３の陽極２３ａと陰極２３ｂとの間に所定の電圧が印加される。その結果、陽極２３ａおよび陰極２３ｂにて電気分解反応が生じ、両極間に電流が流れる。電極対２３を流れた電流はコンデンサ３３に蓄電される。コンデンサ３３の両端間の電圧が所定値を超えるとサイリスタ４３の導通が停止する。この時点ではコンデンサ３３に電荷が蓄積されており、それによって第４段の電解回路Ｅ４に電圧が印加されることとなる。
【００２３】
その後同様に、トリガー制御回路１９は電解回路Ｅ４に含まれるサイリスタ４４のゲートのみにトリガー信号を印加する。そうすると、コンデンサ３３が電源として機能し、コンデンサ３３からサイリスタ４４の主電路を介して電極対２４の陽極２４ａと陰極２４ｂとの間に所定の電圧が印加される。その結果、陽極２４ａおよび陰極２４ｂにて電気分解反応が生じ、両極間に電流が流れる。電極対２４を流れた電流はコンデンサ３４に蓄電される。コンデンサ３４の両端間の電圧が所定値を超えるとサイリスタ４４の導通が停止する。この時点ではコンデンサ３４に電荷が蓄積されており、それによって最終段の電解回路Ｅ５に電圧が印加されることとなる。
【００２４】
最後に、トリガー制御回路１９は電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタ４５のゲートのみにトリガー信号を印加する。そうすると、コンデンサ３４が電源として機能し、コンデンサ３４からサイリスタ４５の主電路を介して電極対２５の陽極２５ａと陰極２５ｂとの間に所定の電圧が印加される。その結果、陽極２５ａおよび陰極２５ｂにて電気分解反応が生じ、両極間に電流が流れる。最終段の電解回路Ｅ５にはコンデンサが設けられていないため、電極対２５を流れた電流が蓄電されることはない。なお、コンデンサ３４によって電極対２５に印加される電圧も電解液１１の電気分解が生じる電圧より高い。
【００２５】
以上のように、本実施形態において、電気分解装置１は、電解液１１を収容する電解セル１０と、電気分解のための電力を供給する直流電源１５と、電解液１１中に浸漬された電極対および当該電極対を流れる電流を蓄電するコンデンサを直列に接続した直列回路並びに当該直列回路に直列接続された主電路を有するサイリスタをそれぞれが含んで互いに縦続接続された４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４と、電解液１１中に浸漬された電極対および当該電極対に直列に接続された主電路を有するサイリスタを含み、４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４のさらに後段に接続された最終段の電解回路Ｅ５と、電解回路Ｅ１〜Ｅ４および電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタを順次導通させるトリガー制御回路１９と、を備えて構成される。また、４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれに含まれるコンデンサの一端および最終の電解回路Ｅ５に含まれる電極対２５の一端を直流電源１５の帰路端に接続し、縦続接続された４段の電解回路Ｅ１〜Ｅ４のうちの初段の電解回路Ｅ１におけるサイリスタ４１の主電路の一端を直流電源１５の出力端に接続するとともに、残余の電解回路Ｅ２〜Ｅ４におけるサイリスタの主電路の一端を直前の電解回路における電極対とコンデンサとの接続点に接続し、最終の電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタ４５の主電路の一端を上記４段の電解回路のうちの最後段の電解回路Ｅ４における電極対２４とコンデンサ３４との接続点に接続している。
【００２６】
そして、トリガー制御回路１９が５つの電解回路Ｅ１〜Ｅ５のうちの初段の電解回路Ｅ１に含まれるサイリスタ４１から順次後段の電解回路Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に含まれるサイリスタ４２，４３，４４を導通させ、最後に最終段の電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタ４５を導通させている。これにより、電解回路Ｅ１〜Ｅ５が順次動作することとなり、電極対２１〜２５において順次断続的に電気分解反応が進行する。このことは、前段の電極対にて生じた電気分解反応によって流れた電流をコンデンサに蓄電し、その蓄電による電圧をサイリスタを導通して後段の電極対に印加することによって再度電気分解反応を生じさせるという現象を繰り返していることに他ならない。要するに、電気分解反応によって流れた電流をコンデンサに蓄電し、それをサイリスタによって順次後段の電極対に送ることを繰り返すことによって一度電気分解に使用された電力の再利用を行っているのである。よって、従来の電気分解に比較して電力消費効率を格段に優れたものとすることができる。
【００２７】
本発明に係る電気分解装置１を水の電気分解に適用した場合には、少ない消費電力にて安価に水素を得ることができる。水素は次世代のパワー源として期待されている燃料電池の燃料となりうるものであり、安価な水素の提供は燃料電池の普及促進に繋がる。また、電気分解装置１をアルミニウムやチタンなどの精錬に適用した場合には、少ない消費電力にて電気分解反応を進行させることができ、安価な電力供給が困難な立地においてもアルミニウムなどの金属を生産することが可能となる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、電解回路Ｅ１〜Ｅ５を５段に縦続接続していたが、これに限定されるものではなく、縦続接続する電解回路の段数は２段以上であれば良い。但し、縦続接続する電解回路の最終段はコンデンサを備えていない上記電解回路Ｅ５と同様のものとする。従って、上記実施形態の初段の電解回路Ｅ１に直接電解回路Ｅ５を接続する２段構成としても良い。この場合、電解回路Ｅ５に含まれるサイリスタ４５の主電路の一端は電解回路Ｅ１における電極対２１とコンデンサ３１との接続点に接続される。なお、電解回路を多段に縦続接続すると後段の電解回路における電極対ほど印加電圧が低下することとなるが、少なくとも最終段における電極対の印加電圧が電解液１１の電気分解が生じる電圧より高くなる段数および直流電源１５を選択する必要がある。
【００２９】
また、上記実施形態においては、電解回路Ｅ１〜Ｅ５の電極対２１〜２５を相互に異なるものとしていたが、これを電解回路Ｅ１〜Ｅ５に共通の１つの電極対としても良い。また、電極の形状は平板状や棒状など任意の形状とすることができる。
【００３０】
また、上記実施形態においては、サイリスタ４１〜４５の導通によって電極対２１〜２５に電圧を印加するようにしていたが、サイリスタに代えて回路の一部をＯＮ／ＯＦＦ可能な他のスイッチング素子を使用するようにしても良い。この場合、各スイッチング素子を制御する導通制御回路が前段の電解回路に含まれるスイッチング素子から順次後段の電解回路に含まれるスイッチング素子を導通させるとともに、各電解回路に含まれるコンデンサの電圧が所定値を超えた時点で導通を遮断するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る電気分解装置の回路構成を示す図である。
【図２】電極を配置した電解セルの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  電気分解装置
１０  電解セル
１１  電解液
１５  直流電源
１９  トリガー制御回路
２１〜２５  電極対
２１ａ〜２５ａ  陽極
２１ｂ〜２５ｂ  陰極
３１〜３４  コンデンサ
４１〜４５  サイリスタ
Ｅ１〜Ｅ５  電解回路
【図１】
2008255409.tif 000003
【図２】
2008255409.tif 000004