(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と、
水電解槽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と、
水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器と、
水電解槽へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプを含む水循環ラインと、
水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁を備えた水素ラインと、
酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁を備えた酸素ラインと、
酸素気液分離器へ純水を供給する水供給ポンプと、
水電解槽に接続され、かつ予め設定された水素圧力の値に合わせて水素ラインに設置された圧力検知器からの計測値を基に圧力制御装置のＰＩＤ制御により調整される整流器と
からなる固体高分子型水電解装置において、
立ち上げ時に水供給ポンプと水循環ポンプを起動し、
酸素気液分離器内の水面が設定値になるまで待機し、
この水面が設定値になると水素圧力調整弁と酸素圧力調整弁を全閉とした後、
整流器が起動され、
予め設定された水素圧力に到達するまで整流器の出力上昇速度を調整すると共に、
酸素圧力調整弁の開閉調整のみにより水素と酸素の差圧を調整する
ようになされていることを特徴とする固体高分子型水電解装置。
【請求項２】
水素圧力と酸素圧力の差圧を常時計測し、酸素圧力と水素圧力を同じに制御するか、または酸素圧力と水素圧力の差圧が予め定めた設定範囲内に入るように制御する請求項１記載の固体高分子型水電解装置。
【請求項３】
水素圧力が設定値より高い時に水素圧力調整弁が圧力制御装置のＰＩＤ制御により調整される
請求項１または２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】
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の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型水電解装置は、図５に示すように、水電解槽(1) と、整流器(2) と、水素気液分離器(3) と、酸素気液分離器(4) と、酸素側に設けられた水循環ポンプ(11)と、水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁(8) を備えた水素ライン(6) と、酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁(9) を備えた酸素ライン(7) とから構成されている。水素圧力および酸素圧力は水素圧力調整弁(8) および酸素圧力調整弁(9) により調整される。水素圧力の制御は、水素ライン(6) に設けられた圧力検知器(13)の計測値に基づいて圧力制御器(10)により水素圧力調整弁(8) の開閉を制御することにより行われ、酸素圧力の制御は、水素ライン(6) と酸素ライン(7) の間に設けた差圧計(14)からの計測値を基に弁開度制御装置(15)により酸素圧力調整弁(9) の開閉を制御することにより行われていた。これらの制御方法により水電解槽(1) における電解膜の両面にかかる差圧を最小限にし、電解膜の破損を極力防止していた。
【０００３】
また、差圧を一定にするためにたとえば、特開２０００−５４１７５号公報に示されるように、水素側と酸素側に循環ポンプをそれぞれ設け、自律差圧制御手段を設けたものも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す従来の圧力調整方法では、水素圧力調整弁(8) を水素圧力値により、また酸素圧力調整弁(9) を差圧値によりこれらの弁を別々に調整するため、水素流量または酸素流量の急激な要求値変動による水素および酸素の圧力の急激な変動に対応できる微妙な調整弁の動作ができず、必要以上に電解膜に差圧がつくことがあった。これは、特に流動変動が急激に起こる起動時に顕著に現れており、このため整流器(2) の出力調整を抑制する必要があり、起動時間が長くかかることがあった。また、水循環は酸素側のみで行われているため、水電解装置の運転中に酸素側の圧力が若干高めになる傾向があった。
【０００５】
そこで本発明者らは先に特願２００１−４１１６２号にて電解セル側の給電体の改良を提案した。すなわち、高分子型水電解槽の１つのセルの構成要素を示す図６、および水電解槽内の一部を示す図７において、陽極給電体(31)の左右幅は従来の陽極給電体よりもやや大きくなされ、これにより陽極給電体(31)の左右縁部(31a) がＯリング嵌込み溝(35)の内周縁部(35a) に接するようになされている。陰極給電体(32)の左右幅は従来の陰極給電体および陽極給電体(31)の各左右幅よりも大きくなされ、これにより陰極給電体(32)の左右縁部(32a) がＯリング嵌込み溝(35)の内周縁部(35a) およびＯリング(34)の内周面に接するようになされている。
【０００６】
図７から分かるように、Ｏリング嵌込み溝(35)の内周縁部において酸素側から水素側にかかる圧力は、陽極給電体(31)および陰極給電体(32)の左右縁部(31a)(32a)で受けられることになるので、電解膜(30)の部分的な伸びが抑えられる。したがって、電解膜(30)の早期破損が防止され、電解膜(30)の寿命が長くなされる。
【０００７】
図６および図７中、(33)はシールゴム挿通孔、(36)はシールゴム、(37)は酸素通過孔、(38)は水素通過孔、(39)は複極板、(40)はイオン交換膜、(41)は通電部、(46)は水通過孔、(50)は触媒電極層である。
【０００８】
この構成では、酸素圧力がある程度高くても電解膜の破損を避けることができるが、これに対応できる水電解装置の圧力制御は十分なものではなかった（酸素側の差圧は若干高くても容認されるが、水素圧力が高くなることは望ましくない。）。
【０００９】
また、水電解装置の構成機器もできるだけ簡素なものにすることが望ましく、特開２０００−５４１７５号公報に示されるように循環ポンプを追加してシステムを複雑なものにするのではなく、構成機器を従来のものとできるだけ同一にすることが望ましい。
【００１０】
本発明はこのような要望に応えるべく工夫されたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、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を分離する酸素気液分離器と、
水電解槽へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプを含む水循環ラインと、
水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁を備えた水素ラインと、
酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁を備えた酸素ラインと、
酸素気液分離器へ純水を供給する水供給ポンプと、
水電解槽に接続され、かつ予め設定された水素圧力の値に合わせて水素ラインに設置された圧力検知器からの計測値を基に圧力制御装置のＰＩＤ制御により調整される整流器と
からなる固体高分子型水電解装置において、
立ち上げ時に水供給ポンプと水循環ポンプを起動し、
酸素気液分離器内の水面が設定値になるまで待機し、
この水面が設定値になると水素圧力調整弁と酸素圧力調整弁を全閉とした後、
整流器が起動され、
予め設定された水素圧力に到達するまで整流器の出力上昇速度を調整すると共に、
酸素圧力調整弁の開閉調整のみにより水素と酸素の差圧を調整する
ようになされていることを特徴とする固体高分子型水電解装置である。
【００１２】
この構成により、簡素な構成の水電解装置において、急激な流量変動に伴う急激な圧力変動に迅速な対応ができ、かつ電解膜の両面にかかる差圧を抑制し、電解膜の破損を防止できることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の固体高分子型水電解装置において、水素圧力と酸素圧力の差圧を常時計測し、酸素圧力と水素圧力を同じに制御するか、または酸素圧力と水素圧力の差圧が予め定めた設定範囲内に入るように制御するものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の固体高分子型水電解装置において、水素圧力が設定値より高い時に水素圧力調整弁が圧力制御装置のＰＩＤ制御により調整されるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を図面の実施例に基づいて具体的に説明する。
【００１８】
実施例１
固体高分子型水電解装置の全体フローを示す図１において、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(1) と、水電解槽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(3) と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器(4) と、水電解槽へ水を供給するように水を循環させる循環ポンプ(11)を含む水循環ライン(12)と、水素気液分離器に設けられ、かつ水素圧力調整弁(8) を備えた水素ライン(6) と、酸素気液分離器に設けられ、かつ酸素圧力調整弁(9) を備えた酸素ライン(7) とからなる。
【００１９】
水電解槽(1) の陽極にて発生した酸素は酸素気液分離器(4) に送られ、陰極にて発生した水素は水素気液分離器(3) に送られる。このとき水電解槽(1) から出る水はほとんど酸素側に送られる。水素気液分離器(3) と酸素気液分離器(4) は配管にてつながれており、両気液分離器の水面レベルは常に同じに制御されている。このため水素気液分離器(3) と酸素気液分離器(4) の気体側の体積容量は水素と酸素の発生比に等しく２：１である。両気液分離器に送られた水は、循環水冷却器にて温度調整（例えば設定温度を８０℃とする）されて、循環ポンプ(11)にて再度水電解槽(1) に送られる。水電解装置への水の供給は、予め設定しておいた酸素気液分離器(4) のレベルの設定値に合わせて水供給ポンプ(5) によって純水を酸素気液分離器(4) に供給することにより行われる。
【００２０】
整流器(2) の出力は、予め設定された水素圧力の値に合わせて水素ライン(6) に設置された圧力検知器(13)からの計測値を基に圧力制御装置(10)のＰＩＤ制御により調整される。
【００２１】
水素圧力と酸素圧力は、水素ライン(6) と酸素ライン(7) の間に設けた差圧計(14)からの計測値を基に弁開度制御装置(15)により調整される。すなわち、水素側差圧が高くなると、両者の差圧を無くすように水素圧力調整弁(8) を開くように、かつ酸素圧力調整弁(9) を閉じるようにこれらの弁がＰＩＤ制御により調整される。逆に酸素側差圧が高くなると、両者の差圧を無くすか設定差圧の範囲以内（例えば、酸素側差圧をプラス側に設定して０．０〜１．０ｋＰａ）になるように、すなわち水素圧力調整弁(8) を閉じ、かつ酸素圧力調整弁(9) を開くように、これらの弁がＰＩＤ制御により調整される。この時、水素側差圧および酸素側差圧が許容範囲（水素側差圧を−側、酸素側差圧を＋側に設定した場合、例えば−１．０〜１．０ｋＰａ）を越えて異常設定値に達した場合、水電解装置は電解膜の破損を防止するために緊急停止される。このように圧力調整弁を動作することにより、かなり狭い差圧許容範囲で水電解装置を運転することが可能となる。
【００２２】
水素圧力調整弁(8) の出口には水素供給ライン(16)が接続され、同ライン(16)には、水素の逆流を防止するための逆止弁(17)と、必要以上の流量が流れることを防止するための流量制限弁(18)を設置し、水素圧力調整弁(8) の上流側に大きな影響を与える予想外の突発的な圧力変動を防止している。ここで、流量制限弁(18)の調整は手動でも自動でもよい。また、流量制限弁の代わりにオリフィスを用いてもよい。水素流量は流量制限弁(18)の下流に設置された流量調整弁(19)により調整されるが、その要求値は流量調整弁(19)の下流の流量計(20)からの計測値によるものでもよく、水素ライン(6) の圧力値によるものでもよい。
【００２３】
図２にこの実施例の起動時のフローチャートを示す。起動スイッチにより起動命令が発信されると、水供給ポンプ(5) と水循環ポンプ(11)が起動し、起動時の水素と酸素の圧力バランスが崩れないように酸素気液分離器(4) 内の水面が設定値になるまで待機する。この時、装置特性より水面の設定値到達時間が把握できればタイマー制御にしてもよい。水面が設定値になると水素圧力調整弁(8) と酸素圧力調整弁(9) は一旦全閉となり、ガス閉じ込め状態とした後、整流器(2) が起動され、予め設定された水素圧力に到達するまで出力が上げられる。圧力上昇中は、酸素圧力調整弁(9) の開閉調整のみにより水素と酸素の差圧を調整する。この時、水素側差圧が異常に上昇する場合は、整流器(2) の出力上昇速度を調整することによりこれに対応する。水素圧力が設定値に達すると、水素圧力調整弁(8) と水素流量調整弁(19)が開いて水素が供給される。
【００２４】
実施例２
固体高分子型水電解装置の全体フローを示す図３において、水素ライン(6) を水素供給ライン(16)と過剰水素排出ライン(21)に分岐し、水素圧力調整弁(8) を過剰水素排出ライン(21)に設置し、逆止弁(17)と流量制限弁(18)と水素流量調整弁(19)と流量計(20)を水素供給ライン(16)に設置している。水素圧力調整弁(8) は水電解装置運転中は全閉であるが、水素圧力が設定圧力より高い場合や、水素側差圧が許容値より高い場合にのみ、ＰＩＤ制御により開くようになっている。その他の点では圧力調整弁の動作は実施例１と同様である。
【００２５】
図４に実施例２の起動時のフローチャートを示す。起動時の各機器の動作は実施例１のそれと同様であるが、水素側差圧に許容値を設けておき、この差圧が許容値以上である場合に、水素圧力調整弁(8) がＰＩＤ制御により開くようになっている。これにより立ち上げ時の急激な圧力変動により柔軟に対応ができるようになっている。
【００２６】
また、これまで酸素圧力を若干高めに制御できるシステムについて述べたが、もちろん使用条件によっては、水素圧力調整弁(8) と酸素圧力調整弁(9) の動作を逆にすることにより、水素圧力を高めたシステムにも対応ができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、水素圧力を調整する水素圧力調整弁と酸素圧力を調整する酸素圧力調整弁の開度を水素圧力と酸素圧力の差圧により制御することにより、簡素な機器構成の水電解装置において、急激な流量変動に伴う急激な圧力変動に迅速に対応ができ、かつ電解膜の両面にかかる差圧を抑制し、電解膜の破損を防止することができる。
【００２８】
またこのことにより差圧の制御範囲を例えば、−１．０〜１．０ｋＰａというかなり狭い範囲内に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の固体高分子型水電解装置を示すフローシートである。
【図２】実施例１の起動時のフローチャートである。
【図３】実施例２の固体高分子型水電解装置を示すフローシートである。
【図４】実施例２の起動時のフローチャートである。
【図５】従来の固体高分子型水電解装置を示すフローシートである。
【図６】従来の固体高分子型水電解装置の１つのセルの分解状態を示す正面図である。
【図７】従来の固体高分子型水電解装置の水電解槽内の一部を示す水平断面図である。
【符号の説明】
(1) ：水電解槽
(2) ：整流器
(3) ：水素気液分離器
(4) ：酸素気液分離器
(5) ：水供給ポンプ
(6) ：水素ライン
(7) ：酸素ライン
(8) ：水素圧力調整弁
(9) ：酸素圧力調整弁
(10)：圧力制御器
(11)：水循環ポンプ
(12)：水循環ライン
(13)：圧力検知器
(14)：差圧計
(15)：弁開度制御装置
(16)：水素供給ライン
(17)：逆止弁
(18)：流量制限弁
(19)：流量調整弁
(20)：流量計
(21)：過剰水素排出ライン
【図１】
0004000415.tif 000002
【図２】
0004000415.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004000415.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004000415.tif 000008