(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽と、
上記陽極室の固体高分子電解質膜側に電解水を供給し、水電解により発生した酸素及び水素を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、
上記電解槽の固体高分子電解質膜を設置させると共に、上記陰極室側に循環水を供給する循環水供給手段が、電解槽の上方側に設置してなる水供給タンクと、
上記水供給タンクからの循環水を自然落下により電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ラインと、
発生した水素を上昇流として循環水と共に二層流として水素分離手段へ送給する上昇ラインとを備え、
上記陽極側に電解水を供給する電解水供給手段が、水供給タンクから供給された電解水を冷却する冷却手段と、
該冷却手段の下流側に介装され水中の汚染物を除去するフィルタと、該フィルタの下流側に介装され電解水を加熱する加熱手段と、循環水を循環させる循環ポンプとを備えてなる
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記循環水供給手段の水供給タンクが水素分離手段を併用してなる
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記電解水供給手段の水供給タンクが酸素分離手段を併用してなる
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項４】
請求項２において、
上記循環水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を循環水として降下ラインに供給する
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項５】
請求項３において、
上記電解水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を電解水として降下ラインに供給する
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項６】
請求項４又は５において、
上記整流手段がハニカム構造である
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項７】
請求項１において、
循環水を供給する供給管がチタン製である
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【請求項８】
請求項１において、
電解水を供給する供給管がチタン製である
ことを特徴とする固体高分子膜型水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を隔膜として用いて水を電気分解して酸素及び水素を製造する固体高分子膜型水電解装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
図４を参照して従来の固体高分子膜型水分解装置を説明する。
図４に示すように、水電解槽０１は固体高分子電解質膜（例えば「ナフィオン膜」（商品名）、デュポン社製）０２により陽極室０３と陰極室０４とに内部が区画されている。
循環ポンプ０５によって入口ライン０６を通して水電解槽０１の陽極室０３内に流入する電解水０７は、上記膜０２により電気分解され、水素イオンが膜０２を通過して対極側の陰極室０３側にて水素が発生する。一方、酸素は陽極室０３側に発生する。
【０００３】
ここで、陽極室０３で発生した酸素は電解水と混合され酸素／水との二層流０８とし、出口ライン０９を通って水供給タンクと気水分離手段とを併用した気水分離タンク０１０に入り、酸素と水とに分離される。ここで、酸素は別途回収され、水は再度電解水として供給される。
なお、電解により消費した電解水は、別途精製水が上記気水分離タンク０１０に供給されている。
上記電解水の流速は一般に１〜１０Ｌ／ｍｉｎ／セル程度としており、加圧は７ａｔａ程度としている。
【０００４】
また、循環ポンプ０１１によって入口ライン０１２を通して水電解槽０１の陰極室０４には循環水０１３が供給され、陰極室０４内で発生した水素と水素／水の二相流０１４とし、出口ライン０１５を通って水供給タンクと気水分離手段を併用した気水分離タンク０１６に入り、水素と水とに分離さここで、水素は別途回収され、水は再度循環水として供給される。
【０００５】
ところで、上記電解水及び循環水はステンレス製の配管により供給されている場合には、微量金属成分の溶出のために、固体高分子電解質膜０２が汚染されるのを防止するために、フィルタ０１７がラインに介装されている。このフィルタ０１７は、その性能維持のために一般に５０〜６０℃近傍で使用する必要があるので、電解水及び循環水は共にラインに介装された冷却手段０１８により冷却した後に、フィルタ０１７を通過させている。
【０００６】
一方、固体高分子電解質膜０２を用いた水電解槽０１においては、その電解効率向上のために、８０℃以上の高温（膜との電解水の接触時において８０℃を維持するようにしている。）で電解処理することが望まれている。よって、一度フィルタ０１７を通過するために冷却した水を再度加熱する必要があり、再度加熱手段０１９を設置する必要がある、という問題がある。
【０００７】
この結果、水電解を長期間に亙って且つ効率的に処理するには、電解水及び循環水の供給ラインにそれぞれ同様な冷却手段、フィルタ及び加熱手段が必要となり、装置構成が複雑となると共に装置が大がかりとなる、という問題がある。
【０００８】
このため、図５に示すように、陰極室０４側の循環水の供給を停止し、水素排出ライン０２０を陰極室０４側に設けることが提案されているが、この場合には、以下のような問題がある。
(1) 図５のＡ部拡大を示す図６に示すように、陽極室０３に供給される電解水の電解により水素イオンが膜を通過し、電子を受け取って水素が発生するが、膜の表面に設けられている給電体（カーボン、ステンレス製、チタン製等）０２１と膜０３との界面に発生した水素が留まり、水素の抜けが悪いという問題がある。
すなわち、図４に示す装置では、陽極室０３と同様に陰極室０４内でも循環水の作用により水素／水の二層流０１４となって上昇して界面には水素が留まらないが、図５に示す循環水がない装置として装置構成を簡略化した場合には、水素ガスの気泡のつまり現象（ボイドの発生）が生じる、という問題がある。
この結果、電流効率の低下（９９％から９７％への低下）となり、水電解効率が悪くなるという問題がある。これは、電流密度を向上させることができず、問題となる。
【０００９】
(2) このため、電解に供する電流密度を低くして水素の発生率を低下（ボイド率の低下）させ、水素の抜けを良好とすることが提案されるが、この場合には電解効率が低下する、という問題がある。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、水電解を長期間に亙って且つ効率的に処理することができる簡易な固体高分子膜型水電解装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第１の発明は、固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽と、上記陽極室の固体高分子電解質膜側に電解水を供給し、水電解により発生した酸素及び水素を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記電解槽の固体高分子電解質膜を設置させると共に、上記陰極室側に循環水を供給する循環水供給手段が、電解槽の上方側に設置してなる水供給タンクと、上記水供給タンクからの循環水を自然落下により電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ラインと、発生した水素を上昇流として循環水と共に二層流として水素分離手段へ送給する上昇ラインとを備え、上記陽極側に電解水を供給する電解水供給手段が、水供給タンクから供給された電解水を冷却する冷却手段と、該冷却手段の下流側に介装され水中の汚染物を除去するフィルタと、該フィルタの下流側に介装され電解水を加熱する加熱手段と、循環水を循環させる循環ポンプとを備えてなることを特徴とする。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、上記循環水供給手段の水供給タンクが水素分離手段を併用してなることを特徴とする。
【００１７】
第３の発明は、第１の発明において、上記電解水供給手段の水供給タンクが酸素分離手段を併用してなることを特徴とする。
【００１８】
第４の発明は、第２の発明において、上記循環水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を循環水として降下ラインに供給することを特徴とする。
【００１９】
第５の発明は、第３の発明において、上記電解水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を電解水として降下ラインに供給することを特徴とする。
【００２０】
第６の発明は、第４又は５の発明において、上記整流手段がハニカム構造であることを特徴とする。
【００２１】
第７の発明は、第１の発明において、循環水を供給する供給管がチタン製であることを特徴とする。
【００２２】
第８の発明は、第１の発明において、電解水を供給する供給管がチタン製であることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は本実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置の概略図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置１０は、固体高分子電解質膜１１によって内部が陽極室１２と陰極室１３に区画された水電解槽１４と、上記陽極室１２の固体高分子電解質膜１１側に電解水１５を供給する水供給手段１６と、水電解により発生した酸素（Ｏ2 ）及び水素（Ｈ2 ）を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記固体高分子電解質膜１１が鉛直方向に立設されてなる電解槽１４の上方に水供給タンク２０を設置してなり、水供給タンク２０からの水を循環水２１として固体高分子電解質膜１１に自然循環しつつ供給するようにしたものである。
【００２５】
すなわち、上記電解槽１４内の固体高分子電解質膜１１は鉛直軸方向に立設されており、上記陰極室１３側に循環水２１を供給する循環水手段２２は、電解槽の上方側に設置してなる水供給タンク２０と、上記水供給タンク２０からの循環水２１を自然落下による降下流を電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ライン２３と、発生した水素（Ｈ2 ）を上昇流として循環水と共に水素（Ｈ2 ）／水（Ｈ2 Ｏ）の二層流２４として水素分離手段へ送給する上昇ライン２５とを備えてなるものである。
【００２６】
このように、電解質膜１１で発生する水素が、電解槽１４の上方側に設置した水タンク２０からの自然循環水によって膜の下端側から入流され、膜に沿って上昇する際に、上昇二層流として膜の界面から水素を取り除くことになるので、気泡の抜けが良好となり、電解効率が向上する。
【００２７】
なお、電解効率向上のためには通常膜を立設してなるセルを複数集合させてスタックを構成して多量の酸素及び水素の製造をするようにすればよい。
【００２８】
また、これにより気泡の抜けが良好となるので固体高分子電解質膜１１に対しての電流密度を、例えば１〜３Ａ／４ｃｍ2 程度と向上させることができる。
このときの上昇流の流速としては、０．３〜１．０ｍ／ｓ程度としている。
【００２９】
本実施の形態では、上記循環水供給タンク２０は、水素分離手段を兼用しており、気水分離タンクを構成している。
【００３０】
上記気水分離タンクである循環水供給タンク２０は、図２に示すように、壁面２０ａの接線方向に沿って上昇ライン２５（図１に図示）と連通する供給管２６からの循環水が供給されるようにしている。
これにより、タンク２０の内部で水素／水の二層流が旋回流２７が形成され、旋回流の中心近傍から水素（Ｈ2 ）が気体としてサイクロン方式により分離されることになり、気水分離効率が向上する。
【００３１】
また、循環水供給タンク２０内には、ハニカム材２８が介装されており、旋回流を整流させ、いわゆるキャリーアンダーを防止している。なお、タンク２０の下端側には排出管２９を設け、降下ライン２３（図１に図示）に連通させて再度循環水２１として陰極室１３に供給するようにしている。
【００３２】
なお、本実施の形態では、上記水供給タンク２０は、気水分離手段を設けているが、気水分離手段を別に設けるようにしてもよい。
【００３３】
上記水供給タンク２０の設置位置は、高ければ高いほど降下流が増すが、高さＨ１と高さＨ２との比率が１：０．２〜０．８程度とすればよい。
また、ラインの管径と長さとの割合により、上記比率を適宜設置して好適な降下水量を維持し、循環水の循環効率を好適なものとすればよい。
【００３４】
本発明においては、陽極室１２側に電解水１５を供給する電解水手段３１は、公知の電解水の供給手段を用いることができ、特に限定されるものではない。
なお、本実施の形態では、図１に示すように、水供給タンク３２から供給された電解水１５を約６０℃程度まで冷却する冷却手段３３と、該冷却手段３３の下流側に介装され水中の汚染物を除去するフィルタ３４と、該フィルタ３４の下流側に介装され電解水を８０℃以上まで加熱する加熱手段３５と、電解水を循環させる循環ポンプ３６とを備えてなり、電解水１５を供給して酸素（Ｏ2 ）／水（Ｈ2 Ｏ）の二層流３７を形成している。
【００３５】
本実施の形態では、上記水供給タンク３２を循環水側のタンクと同様に、気水分離手段を設けているが、気水分離手段を別に設けるようにしてもよい。
【００３６】
なお、本実施の形態では、循環水ラインはチタン製としているが、電解水ラインもチタン製とする場合には、フィルタ３４を省くことができる。フィルタ３４を除いた場合には冷却手段３３も省くことができる。
【００３７】
［第２の実施の形態］
図３は本実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置の概略図である。図３に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置５０は、固体高分子電解質膜１１によって内部が陽極室１２と陰極室１３に区画された水電解槽１４と、上記陽極室１２の固体高分子電解質膜１１側に電解水１５を供給する水供給手段と、水電解により発生した酸素（Ｏ2 ）及び水素（Ｈ2 ）を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記固体高分子電解質膜１１が鉛直方向に立設されてなる電解槽１４の上方に、循環水５１を自然循環流として供給する循環水供給タンク５２と、電解水１５を自然循環流として供給する電解水供給タンク５３とを設置してなり、循環水供給タンク５２及び電解水供給タンク５３からの水を循環水５１及び電解水１５として固体高分子電解質膜１１に自然循環供給するようにしたものである。
【００３８】
本実施の形態では、第１の実施の形態の循環水のみならず電解水も自然循環型としたものである。
なお、自然循環流も電解により冷却されるので、電解水側の電解水流入ライン５４には電解水５３を８０℃以上に加熱する加熱手段５６を介装している。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように第１の発明によれば、固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽と、上記陽極室の固体高分子電解質膜側に電解水を供給し、水電解により発生した酸素及び水素を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記固体高分子電解質膜が鉛直方向に立設されてなる電解槽の上方に水供給タンクを設置してなり、水供給タンクからの水を循環水として固体高分子電解質膜に自然循環しつつ供給するので、陰極側において発生する水素を循環水で同伴することができ、膜界面での水素の留まりが解消され、電流密度を向上させることができ、電解効率が向上する。
【００４０】
第２の発明は、第１の発明において、上記自然循環水が陰極側又は陽極側のいずれか一方又は両方に供給するので、陰極側の水素又は陽極側の酸素を自然循環水で同伴することができ、膜界面でのガスの留まりが解消され、電解効率が向上する。
【００４１】
第３の発明は、固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽と、上記陽極室の固体高分子電解質膜側に電解水を供給し、水電解により発生した酸素及び水素を分離する酸素分離手段及び水素分離手段とを具備してなる固体高分子膜型水電解装置であって、上記電解槽の固体高分子電解質膜を鉛直方向に立設させると共に、上記陰極室側に循環水を供給する循環水供給手段が、電解槽の上方側に設置してなる水供給タンクと、上記水供給タンクからの循環水を自然落下による降下流を電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ラインと、発生した水素を上昇流として循環水と共に二層流として水素分離手段へ送給する上昇ラインとを備えてなるので、陰極側において発生する水素を循環水で同伴することができ、膜界面での水素の留まりが解消され、電解効率が向上する。
【００４２】
第４の発明は、第３の発明において、上記陽極側に電解水を供給する電解水供給手段が、水供給タンクから供給された電解水を冷却する冷却手段と、該冷却手段の下流側に介装され水中の汚染物を除去するフィルタと、該フィルタの下流側に介装され電解水を加熱する加熱手段と、循環水を循環させる循環ポンプとを備えてなるので、電解効率が向上する。
【００４３】
第５の発明は、第３の発明において、上記陽極側に電解水を供給する電解水供給手段が、電解槽の上方側に設置してなる電解水供給タンクと、上記電解水供給タンクからの電解水を自然落下による降下流を電解質膜の下端側から供給しつつ循環させる降下ラインと、該降下ラインに介装され、供給された電解水を加熱する加熱手段と、発生した酸素を上昇流として水素分離手段へ送給する上昇ラインとを備えてなるので、陽極側においても発生する酸素を循環水で同伴することができ、膜界面での酸素の留まりが解消され、電流密度を向上させることができ、電解効率が向上する。
【００４４】
第６の発明は、第３の発明において、上記循環水供給手段の水供給タンクが水素分離手段を併用してなるので、装置構成が簡略化され、効率的に水素を分離することができる。
【００４５】
第７の発明は、第３の発明において、上記電解水供給手段の水供給タンクが酸素分離手段を併用してなるので、装置構成が簡略化され、効率的に水素を分離することができる。
【００４６】
第８の発明は、第６の発明において、上記循環水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を循環水として降下ラインに供給するので、水素のキャリーアンダーが解消される。
【００４７】
第９の発明は、第７の発明において、上記電解水供給手段が整流手段を内装してなり、整流を電解水として降下ラインに供給するので、酸素のキャリーアンダーが解消される。
【００４８】
第１０の発明は、第８又は９の発明において、上記整流手段がハニカム構造であるので、整流効率が向上する。
【００４９】
第１１の発明は、第３の発明において、循環水を供給する供給管がチタン製であるので、金属汚染が解消され、フィルタが不要となり、装置構成が簡略化される。
【００５０】
第１２の発明は、第４又は５の発明において、電解水を供給する供給管がチタン製であるので、金属汚染が解消され、フィルタが不要となり、装置構成が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置の概略図である。
【図２】供給タンクの概略図である。
【図３】第２の実施の形態にかかる固体高分子膜型水電解装置の概略図である。
【図４】従来技術にかかる固体高分子膜型水電解装置の概略図である。
【図５】従来技術にかかる他の固体高分子膜型水電解装置の概略図である。
【図６】図５のＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１０  固体高分子膜型水電解装置
１１  固体高分子電解質膜
１２  陽極室
１３  陰極室
１４  水電解槽
１５  電解水
１６  水供給手段
２０  水供給タンク
２１  循環水
２２  循環水手段
２３  降下ライン
２４  水素／水の二層流
２５  上昇ライン
２６  供給管
２７  旋回流
２８  ハニカム材
２９  排出管
３１  電解水手段
３２  水供給タンク
３３  冷却手段
３４  フィルタ
３５  加熱手段
３６  循環ポンプ
５０  固体高分子膜型水電解装置
５１  循環水
５２  循環水供給タンク
５４  電解水供給タンク
５５  電解水流入ライン
５６  加熱手段
【図１】
0004240834.tif 000002
【図２】
0004240834.tif 000003
【図３】
0004240834.tif 000004
【図４】
0004240834.tif 000005
【図５】
0004240834.tif 000006
【図６】
0004240834.tif 000007