(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(20)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給することにより水を循環させる循環ポンプ(27)を含む水循環ライン(23)とを備えている固体高分子型水電解装置において、
水循環ライン(23)に、水電解槽(20)に供給される循環水の一部を取り出しかつイオン交換器(43)(24)(62)による処理後に酸素気液分離器(22)に供給する分岐ライン(41)(51)(61)を設けるとともに、分岐ライン(41)(51)(61)への循環水流入量を調整する流量調整弁(29)を設け、流量調整弁(29)の開度を循環水の電気伝導度により制御したことを特徴とする固体高分子型水電解装置。
【請求項２】
循環水処理用イオン交換器(43)(24)上流に、循環水冷却用の熱交換器(42)(52)を設けた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】
水電解槽(20)へ新規に供給される供給水の処理用イオン交換器(24)と処理後の水を蓄える純水タンク(25)とが設けられており、分岐ライン(41)の下流端を純水タンク(25)に接続したことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型水電解装置。
【請求項４】
水電解槽(20)へ新規に供給される供給水の処理用イオン交換器(24)が設けられており、分岐ライン(51)の下流端をこの供給水処理用イオン交換器(24)に接続することにより、循環水処理用イオン交換器として供給水処理用イオン交換器(24)を使用したことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型水電解装置。
【請求項５】
イオン交換器(62)に充填するイオン交換樹脂を耐熱性のカチオン交換樹脂とした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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化石燃料の熱分解によって水素を生産する方法に代えて、自然エネルギーを一次エネルギーとする水素製造法の開発が重要課題となっており、その１つに、固体高分子型水電解技術を利用したものが知られている。このような固体高分子型水電解装置としては、図５に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(20)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、循環ポンプ(27)、循環水冷却器(28)、ブロー弁(29)および電気伝導度コントローラ(30)を有し酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を循環させる水循環ライン(23)と、電解槽への供給水をイオン交換処理するイオン交換器(24)と、イオン交換処理後の水を蓄える純水タンク(25)と、純水タンク(25)から酸素気液分離器(22)へ純水を供給するポンプ(26)とを備えているものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の固体高分子型水電解装置において、性能劣化を避けるためには循環水中の不純物含有量を抑える必要があるが（１ＭΩ−ｃｍ以下）、８０〜１００℃という運転温度のために金属イオン（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）が原料純水中に溶出し、これが固体高分子膜に吸着して膜の抵抗を増加させ、水電解槽のセル電圧を上昇させるという問題があった。この問題を回避するために、循環水の電気伝導度の設定値を例えば１μＳ／ｃｍ以下とし、この値を越えると、ブロー弁(29)を開いて循環水を排水し、新たに純水を供給して循環水の純度を上げるという運転方法が採られているが、これにより、水の消費量が多くなるという問題を生じている。
【０００４】
そこで、循環水ラインに純水タンクを設置して純水製造装置から純水を供給することや循環水ラインにイオン交換器を設置して電気伝導度を下げることなどが考えられているが、通常、循環水量は供給水量に比べてかなり多く、そのため、前者の場合には、余分な大きなタンクを水電解槽内に組み込むために、また、後者の場合には、必要以上に大きなイオン交換器が必要となるために、いずれの場合でも装置全体が大きなものとなるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、上記実状に鑑み、循環水中の不純物含有量を抑えるとともに、水の消費量も少なくし、しかも、装置をコンパクトなものとした固体高分子型水電解装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明による固体高分子型水電解装置は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽と、水電解槽の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素気液分離器と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、酸素気液分離器から水電解槽へ水を供給することにより水を循環させる循環ポンプを含む水循環ラインとを備えている固体高分子型水電解装置において、水循環ラインに、水電解槽に供給される循環水の一部を取り出しかつイオン交換器による処理後に酸素気液分離器に供給する分岐ラインを設けるとともに、分岐ラインへの循環水流入量を調整する流量調整弁を設け、流量調整弁の開度を循環水の電気伝導度により制御したことを特徴とするものである。
【０００７】
このようにすることにより、水の消費量を抑え、必要最小限の水量を処理することができ、水処理用の設備（イオン交換器）の容量を最小限に抑えることができる。また、分岐ラインへの循環水流入量を調整する流量調整弁を設け、流量調整弁の開度を循環水の電気伝導度により制御することにより、分岐ラインに流れる環流量を任意に決めることができ、循環水の純度を常に所定値以上にすることができる。
【０００８】
循環水処理用イオン交換器上流に、循環水冷却用の熱交換器が設けられることがある。このようにすると、イオン交換器として常温用のものを使用することができる。
【０００９】
循環水冷却用の熱交換器が設けられる場合には、水電解槽へ新規に供給される供給水の処理用イオン交換器と処理後の水を蓄える純水タンクとが設けられており、分岐ラインの下流端が純水タンクに接続されていることがある。このようにすると、循環水用のイオン交換器の容量を供給水の処理用イオン交換器の容量に比べて小さくすることができる。
【００１０】
循環水冷却用の熱交換器が設けられる場合には、また、水電解槽へ新規に供給される供給水の処理用イオン交換器が設けられており、分岐ラインの下流端をこの供給水処理用イオン交換器に接続することにより、循環水処理用イオン交換器として供給水処理用イオン交換器が使用されることがある。このようにすると、イオン交換器を一つにすることができる。
【００１１】
また、循環水冷却用の熱交換器を設けずに、イオン交換器に充填するイオン交換樹脂が耐熱性のカチオン交換樹脂とされることがある。このようにすると、循環水冷却用の熱交換器の分だけ装置全体の簡略化が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１４】
この発明による固体高分子型水電解装置の第１実施形態は、図１に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽(20)と、水電解槽(20)の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素気液分離器(21)と、水電解槽(20)の陽極にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器(22)と、酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給する水循環ライン(23)と、水電解槽(20)へ新規に供給される供給水の処理用イオン交換器(24)と、イオン交換処理後の水を蓄える純水タンク(25)と、純水タンク(25)の水を酸素気液分離器(22)に送るための供給ポンプ(26)と、水循環ライン(23)の循環水の一部を取り出して処理し処理後の水を酸素気液分離器(22)に送る分岐ライン(41)とを備えている。
【００１５】
水循環ライン(23)は、酸素気液分離器(22)から水電解槽(20)へ水を供給することにより水を循環させる循環ポンプ(27)と、酸素気液分離器(22)からの循環水を水電解槽(20)へ供給する前に冷却する循環水冷却器(28)とを備えている。また、水素気液分離器(21)の出口には、水素冷却器(31)が設けられ、酸素気液分離器(22)の出口には、酸素冷却器(32)が設けられている。
【００１６】
分岐ライン(41)は、水循環ライン(23)から取り出した循環水を冷却するブロー水冷却器(42)と、冷却後の水をイオン交換処理するイオン交換器(43)とを有しており、その下流側端部は、純水タンク(25)に接続されている。また、水循環ライン(23)の循環ポンプ(27)と循環水冷却器(28)との間に、ブロー弁（流量調整弁）(29)が設けられており、このブロー弁(29)を介して水循環水ライン(23)と分岐ライン(41)の上流側端部とが接続されている。ブロー弁(29)の開閉は、下流に設置された電気伝導度コントローラ(30)から得られる循環水の電気伝導度によって自動制御されている。
【００１７】
水電解槽(20)は、図２に示すように、両端に配された陽極主電極(1)および陰極主電極(2)と、これら主電極(1)(2)の間に直列に配された複数の単位セルと、これらを一体化する各４本の締付けボルトおよびナットとから主として構成され、１つのセルは、チタン合金製の複極板(9)の陽極側と、多孔質の陽極給電体(7)と、固体高分子電解質膜からなる電極接合体膜(3)と、多孔質の陰極給電体(8)と、隣の複極板(9)の陰極側とからなり、電極接合体膜(3)は、イオン交換膜(4)とその両面に設けられた触媒電極層(5)(6)とからなる。
【００１８】
水電解槽(20)では、電解槽下部の給水ヘッダ(10)から供給された水が、陽極給電体(7)を通って電極接合体膜(3)の陽極側触媒電極層(5)に達し、ここで付加された電力によって水の電気分解反応が起こり、酸素が発生する。発生した酸素は、陽極給電体(7)を通り、複極板(9)の陽極側に設けられた垂直流路内を未反応の水とともに上昇し、酸素ヘッダー(11)に排出される。一方、電極接合膜(3)の陰極側触媒電極層(6)表面で発生した水素とイオン交換膜(4)を透過した水は、陰極給電体(8)を通り、複極板(9)の陰極側に設けられた垂直流路内を上昇し、水素ヘッダー(12)に排出される。
【００１９】
図１において、水電解槽(20)の陽極にて発生した酸素は、酸素気液分離器(22)に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(21)に送られる。このとき、水電解槽(20)から出る水は、ほとんどが酸素気液分離器(22)に送られる。水素気液分離器(21)と酸素気液分離器(22)とは、配管にてつながれており、両気液分離器(21)(22)の水面レベルは、常に同じとなるように制御されている。両気液分離器(21)(22)に送られた水は、水循環ライン(23)にて水電解槽(20)へ供給されるとともに、その一部は分岐ライン(41)を経て純水タンク(25)に送られる。
【００２０】
供給水ラインにて送られた供給水（市水）は、イオン交換器(24)により処理して純水とし、別置きの純水タンク(25)に一旦貯めておき、予め設定しておいた酸素気液分離器(22)のレベルの設定値に合わせて供給ポンプ(26)によって酸素気液分離器(22)に送られる。
【００２１】
循環水は、循環水冷却器(28)にて所定の温度（例えば８０℃）に調整されて、循環ポンプ(27)にて水電解槽(20)に送られる。分岐ライン(41)側に循環水を流すための循環水の設定値は例えば１μＳ／ｃｍ以下とされ、それ以上の場合には、ブロー弁(29)が開き、未満の場合には、ブロー弁(29)が閉じるようになされている。分岐ライン(41)に取り出された循環水は、ブロー水冷却器(42)にて常温まで冷却し、イオン交換器(43)へ供給されて処理され（電気伝導度が例えば０．５μＳ／ｃｍ以下）、純水タンク(25)へ供給される。イオン交換器(43)は、常温用でよく（例えばオルガノ株式会社製G20-B）、これに充填されるイオン交換樹脂は、例えばAmberlite MB-2とされる。
【００２２】
第１実施形態の固体高分子型水電解装置によると、水循環ライン(23)から分岐ライン(41)に送られる循環水は、供給水（市水）よりもはるかに純水に近いため、循環水用のイオン交換器(43)の容量は供給水用イオン交換器(24)の容量よりも小さくてよく、装置全体をコンパクトなものにすることができる。また、循環水が再利用されることにより、水の消費量を減らすことができる。
【００２３】
この発明による固体高分子型水電解装置の第２実施形態を図３に示す。第２実施形態のものは、第１実施形態のものと分岐ラインの構成だけが異なっているもので、分岐ライン(51)には、循環水を冷却するブロー水冷却器(52)のみが設けられ、分岐ライン(51)用のイオン交換器は設けられていない。そして、分岐ライン(51)の下流側端部が供給水処理用のイオン交換器(24)に接続されている。水循環ライン(23)より分岐ライン(51)に供給された循環水は、ブロー水冷却器(52)にて常温まで冷却され、供給水ラインの常温用イオン交換器(24)の供給口へ接続され、これにより、供給水と循環水の一部の処理（電気伝導度が例えば０．５μＳ／ｃｍ以下）が一つのイオン交換器(24)にて実施される。
【００２４】
第２実施形態の固体高分子型水電解装置によると、イオン交換器(24)は、供給水処理用に従来から設けられているもの一つでよく、機器構成が簡略化され、装置全体をコンパクトなものにすることができる。水循環ライン(23)から分岐ライン(51)に送られる循環水は、供給水（市水）よりもはるかに純水に近いため、このような簡略化を行っても、供給水用イオン交換器(24)の容量を従来のものから上げる必要はなく、実施形態１のものに比べて、イオン交換樹脂の寿命が若干短くなる程度のデメリットがあるのみである。循環水が再利用されることにより、水の消費量を減らすことができることは、第１実施形態のものと同じである。
【００２５】
この発明による固体高分子型水電解装置の第３実施形態を図４に示す。第３実施形態のものは、第１実施形態のものと分岐ラインの構成だけが異なっているもので、分岐ライン(61)には、イオン交換器(62)のみが設けられ、分岐ライン用のブロー水冷却器は設けられていない。そして、分岐ライン(61)の下流側端部が酸素気液分離器(32)に接続されている。分岐ライン(61)のイオン交換器(62)には、耐熱性のある例えば含フッ素イオン交換樹脂でスルホン酸基、カルボキシル基、燐酸基などのカチオン交換樹脂が充填される。カチオン交換樹脂は強酸性であるため、イオン交換器(30)の本体の材料としては、チタン合金や耐熱性樹脂のような耐食材料が使用され、それ以外の水循環ライン(61)の配管機器の材料は、すべて比較的安価なステンレス鋼とされている。カチオン交換樹脂としては、より好ましくは、耐熱性のＨ型陽イオン交換樹脂（例えば、Amberlite IR-20B(H)）が使用される。
【００２６】
第３実施形態の固体高分子型水電解装置によると、水循環ライン(23)より分岐ライン(61)に供給された循環水は、耐熱性のＨ型陽イオン交換樹脂が充填されたイオン交換器(62)に送られ、ここで処理（電気伝導度が例えば０．５μＳ／ｃｍ以下）された後、直接酸素気液分離器(32)に供給される。このことにより、循環水の一部を冷却することなく、温度が高いまま（約８０℃）水電解槽(20)へ戻すことができ、効率を上げることができる。しかも、ブロー水冷却器が不要であることから、装置全体をコンパクトなものにすることができる。循環水が再利用されることにより、水の消費量を減らすことができることは、第１実施形態のものと同じである。
【００２７】
【発明の効果】
この発明の固体高分子型水電解装置によると、循環水の一部を再循環してイオン交換器により電気伝導度（含有イオン濃度）を調整することにより、構成機器をできるだけ少なくコンパクトにすることができ、供給水（市水）よりもはるかに純水に近い循環水を捨てずに再利用することにより、水の消費量を抑えることができ、供給水用イオン交換器内のイオン交換樹脂の再生回数を少なくすることができる。また、分岐ラインへの循環水流入量を調整する流量調整弁を設け、流量調整弁の開度を循環水の電気伝導度により制御することにより、分岐ラインに流れる環流量を任意に決めることができ、循環水の純度を常に所定値以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による固体高分子型水電解装置の第１実施形態を示すフロー図である。
【図２】水電解槽の構成を示す断面図である。
【図３】この発明による固体高分子型水電解装置の第２実施形態を示すフロー図である。
【図４】この発明による固体高分子型水電解装置の第３実施形態を示すフロー図である。
【図５】従来の固体高分子型水電解装置の他の例を示すフロー図である。
【符号の説明】
(20)          水電解槽
(21)          水素気液分離器
(22)          酸素気液分離器
(23)          水循環ライン
(24)          イオン交換器
(25)          純水タンク
(27)          循環ポンプ
(29)          流量調整弁
(41)(51)(61)  分岐ライン
(43)(62)      イオン交換器
(42)(52)      熱交換器
【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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