(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業設備の部分系統内を導かれる水（Ｗ）に水素（Ｈ2）を注入するために、その部分系統に、その中を導かれる水（Ｗ）の部分量を水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）に分解する電解ユニット（３）が接続され、電解ユニット（３）が多数のダイアフラム電解槽（１０）を有し、電解ユニット（３）に酸素（Ｏ2）の排出系統（２６）が接続されていることを特徴とするガス注入装置。
【請求項２】
電解ユニット（３）に部分系統の水（Ｗ）で貫流される混合器（２８）が後置接続されていることを特徴とする請求項１記載のガス注入装置。
【請求項３】
電解ユニット（３）に予め設定された水圧に調整するための調整装置が後置接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス注入装置。
【請求項４】
電解ユニット（３）にイオン交換器（９）がフィルタとして前置接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のガス注入装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、工業設備の部分系統内を導かれる水に水素を注入するためのガス注入装置に関する。
多くの工業設備において例えば化学生産工場あるいは原子力発電所や化石燃料火力発電所にも、水を導く部分系統が設けられている。その部分系統は例えば冷却回路あるいは作動媒体の循環回路である。そのような部分系統内を導かれる水に種々の理由から水素あるいは酸素を注入する必要がある。
例えば一つには、部分系統内を導かれる水の酸素濃度が高いと、部分系統の構成部品あるいは配管が腐食してしまう。これは水に水素を注入することによって阻止される。これは水に注入された水素が余分な酸素と化合して水中における酸素濃度を低下させるからである。
原子力発電所の加圧水形原子炉の部分系統としての一次冷却回路に対しても通常、その中を冷却媒体として導かれる水に水素を注入することが考えられている。この場合にはそれによって冷却回路内を流れる媒体が放射線分解することを阻止しようとしている。
もう一つには、工業設備の部分系統内を導かれる水に酸素を注入することも必要とされる。この要求は例えば、水にこれを浄化するために酸素が注入されるような浄化装置において生ずる。
そのような部分系統内を導かれる水に水素あるいは酸素を注入するために通常ガス供給装置が設けられている。一般に水素あるいは酸素を注入すべき部分系統に、水素あるいは酸素が貯えられているガス貯蔵タンクが配管系統を介して接続されている。しかしかかるガス供給装置は一般に例えば貯蔵タンク、配管あるいは安全装置のような多数の構成要素を有し、従って高価であり故障し易い。このような水素の供給装置は更に、その供給装置から水素が流出した際に爆発性の混合気が形成される恐れがあるので、漏洩について連続して検査しなければならない。
本発明の課題は、部分系統内を導かれる水の水素含有量ないし酸素含有量を、特に簡単に確実に且つ安価なメンテナンス費用で迅速に精確に調整することが保証されるような冒頭に述べた形式のガス注入装置を提供することにある。
この課題は本発明に基づいて、その部分系統にその中をかれる水の部分量を水素と酸素に分解する電解ユニットが接続され、電導解ユニットが多数のダイアフラム電解槽を有し、電解ユニットに酸素の排出系統が接続されていることによって解決される。
本発明は水素ないし酸素の伝達経路を特に短くするという考えから出発している。その伝達経路は、中央ガス貯蔵タンクを省き、水素ないし酸素がこれを部分系統に注入する場所で直接発生されることによって最適に短くすることができる。これは部分系統内を導かれる水自体の部分量が水素ないし酸素の発生に関与させられることによって特に効果的に達成できる。これはこの部分量を水素ないし酸素に適当に分解することによって達成され、その際に発生した水素ないし酸素が部分系統内を導かれる分解されていない水に直接入れられる。
電解ユニットが多数のダイアフラム電解槽を有していると有利である。このダイアフラム電解槽の場合、例えばＶＤＩレポート、第９１２号（１９９２年）、第１２５頁およびそれに続く頁に掲載のＫ．ストラーセル著の論文「電気運転用の燃料電池」で知られているような燃料電池の機能原理が逆にされている。そのために陽極と陰極との間に配置されたダイアフラム（膜）に水素が供給される。陽極と陰極との間に電圧を印加することによって、水が水素と酸素に電気分解される。そのようなダイアフラム（膜）電解槽は特にコンパクトな構造によって特徴づけられるので、多数のダイアフラム電解槽を備えた電解ユニットを特に狭い空間に収納することができる。従ってこのような電解ユニットは特に柔軟に部分系統の特別な要件に合わせて部分系統に接続できる。
更に本発明の有利な実施態様において、電解ユニットに酸素ないし水素の排出系統が接続される。これによって、水の部分量を分解した際に生成し水への注入にとって必要とされない余分なガスは簡単に排出され、別の用途に利用される。
水に注入された水素ないし酸素が水中へ特に効果的に溶解することを保証するために、電解ユニットに部分系統の水で貫流される混合器が後置接続されていると有利である。
その代わりにあるいはそれに加えて、注入されたガスを電解ユニットの水に特に良好に溶解させるために、電解ユニットに予め設定された水圧に調整するための調整装置が後置接続されていると有利である。これによって水素あるいは酸素の水中への可溶性と水の圧力との関係をガス注入装置のために特に簡単に利用することができる。
更に電解ユニットにイオン交換器がフィルタとして前置接続されていると有利である。
本発明によって得られる利点は特に、部分系統に接続されたガス注入装置によって、部分回路内を導かれる水自体の部分量を分解することによって水に注入するために必要な水素あるいは酸素を産出することができることにある。従って部分系統に水素あるいは酸素を注入するための運転技術上の周辺設備は不要である。特に配管、調整装置およびガス分離器を備えた高価なガス貯蔵系統は要らない。
水素ないし酸素の経費のかかる貯蔵及び支障を来たし易い長距離搬送が不要となるので、メンテナンス作業も最小になる。更に電解ユニットがコンパクトな構造をしていることにより、部分系統に多数のガス注入装置を分散して配置することが特に簡単にでき、これによって水素ないし酸素の産出量を実際に必要な量に特に柔軟に適合させることができる。
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図は工業設備の部分系統に対するガス注入装置を示している。
図におけるガス注入装置１は工業設備の概略的に示されている部分系統２内を導かれる水Ｗに水素Ｈ2を注入するために設けられている。その部分系統２は例えば化学生産工場の冷却水回路、火力発電所の水蒸気回路あるいは原子力発電所の一次回路あるいは二次回路である。あるいはまた工業設備の水Ｗを導く任意の他の部分系統２である。
ガス注入装置１は管部材４の中に配置されている電解ユニット３を有している。管部材４自体はフランジ６を介して部分系統２の配管系統８に接続されている。特に部分系統２が原子力発電所の一次回路あるいは二次回路である場合、その配管系統８は目的に適って弁（図示せず）を介してしゃ断できるバイパス管である。
電解ユニット３の機能性能にとって十分な水の純度を保証するために、これにフィルタ要素としてイオン交換器９が前置接続されている。
電解ユニット３は多数のダイアフラム（膜）電解槽１０を有している。各ダイアフラム電解槽１０において陽極１４と陰極１６との間にポリマー電解質からなるダイアフラム（膜）１２が配置されている。陽極１４および陰極１６は特に大きな耐食性を与えるために好適には白金あるいは白金合金から成っている。あるいはまた別の材料を利用することも考えられる。
陽極１４および陰極１６は図示していない様式で電圧源に接続されている。ダイアフラム電解槽１０の水素産出量あるいは酸素産出量を制御するために、電圧源は水Ｗのガス濃度測定値に関係して調整される。
各ダイアフラム電解槽１０においてそのダイアフラム１２はそれに配置された陽極１４および陰極１６と共にハウジング１８によって包囲されている。各ダイアフラム電解槽１０のハウジング１８は多数の水Ｗの入口開口２０と多数の水素Ｈ2の出口開口２２を有している。同様に各ダイアフラム電解槽１０のハウジング１８に設けられた酸素Ｏ2の出口開口２４に、管部材４の壁を貫通して導き出されている排出系統２６が接続されている。
電解ユニット３に混合器２８が後置接続されている。その代わりにあるいはそれに加えて、電解ユニット３に予め設定できる水圧に調整するための調整装置も後置接続できる。
ガス注入装置１の運転中に、配管系統８に接続された管部材４は部分系統２内を導かれる水Ｗで貫流される。矢印Ｔで記号的に示されている水Ｗの部分流は入口開口２０を通ってダイアフラム電解槽１０の中に到達する。各ダイアフラム電解槽１０の陽極１４および陰極１６に電圧を印加することによって、各ダイアフラム電解槽１０に導入された水は水素Ｈ2と酸素Ｏ2に分解される。その水素Ｈ２は出口開口２２を通って部分系統２内を導かれる水Ｗの中に到達し、その中に溶解する。この溶解を促進するために、水素Ｈ2および水Ｗは混合器２８の中で混合される。その代わりにあるいはそれに加えて、目標水素濃度に関係して予め設定された水Ｗの水圧が調整装置によって形成される。水Ｗの部分流が分解して発生した酸素Ｏ2は排出系統２６を通して排出される。
この実施例においてガス注入装置１は水Ｗに水素Ｈ2を注入するために設計されている。あるいはまたこのガス注入装置１は水Ｗに酸素Ｏ2を注入するためにも設計できる。この場合、発生した酸素Ｏ2の出口開口２４は酸素Ｏ2が直接水Ｗに侵入できるように開けられる。発生した水素Ｈ2の出口開口２２は排出系統２６に接続される。
ダイアフラム電解槽１０がコンパクトな構造をしているために、ガス注入装置１は特に所要空間を節約でき、従って特に工業設備の部分系統２に柔軟に接続できる。これによって水素あるいは酸素の産出量は、部分系統２に配置されるガス注入装置１の数を変更することによっても、必要な水素あるいは酸素の産出量に特に柔軟に合わせることができる。
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