(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面にコンタクト層を備えた膜（４）を有する複数の膜状電解セル（２）を備え、各コンタクト層にそれぞれ接触板（５）が配置され、各接触板（５）は所属したコンタクト層側の表面に水及び／又はガスを輸送するための通路系（１４）を有する電解装置（１）において、１個または各々の膜（４）のコンタクト層が、膜（４）への電流供給が停止したのちこの膜（４）に残留する電圧の時間的挙動を調べる分析部（３０）に電気的に接続されていることを特徴とする電解装置。
【請求項２】
各接触板（５）の通路系（１４）が同心状の環状セグメントの形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電解装置。
【請求項３】
複数の膜状電解セル（２）が直列に電気接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電解装置。
【請求項４】
各コンタクト層とそれに所属した接触板（５）との間に多孔性の導電板（６）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の電解装置。
【請求項５】
膜（４）の両面に配置された接触板（５）の通路系（１４）に、互いに独立して媒質が供給されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の電解装置。
【請求項６】
複数の膜状電解セル（２）が、膜状電解セル（２）を互いに締付ける固定部材（１２）を各側面（１０）にそれぞれ備えたケース（８）の内部に積層して配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の電解装置。
【請求項７】
分析部（３０）が、膜（４）への電流供給が停止したときこの膜（４）の電圧信号の減衰時間を調べることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電解装置。
【請求項８】
ガス純度を調べるためのセンサーが分析部（３０）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の電解装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、両面にコンタクト層を備えた膜を有する複数の膜状電解セルを備え、各コンタクト層にそれぞれ接触板が配置され、各接触板は所属したコンタクト層側の表面に水及び／又はガスを輸送するための通路系を有する電解装置に関する。
電解装置においては、アノードとカソードの間に供給電圧を印加することによって媒質が分解される。水を媒質として用いれば水素と酸素が生成される。この種の電解装置は水素及び／又は酸素を需要に合わせて発生するために使用される。この電解装置は、例えば、加圧水型原子炉の一次冷却循環系に必要に応じて水素を注入するために設置される。
電解装置は膜状電解槽として形成されている。この場合、電解装置には、燃料電池の動作原理とは逆に動作する複数の膜状電解セルが備えられる。燃料電池の動作原理は例えば論文“ブレンシュトッフ・フュア・エレクトロトラクチオン
0003748896.tif 000002
”Ｋ．ストラーサ著、VDI報告書、第９１２号（１９９２年）、第１２５頁以降に記載されている。
この種の膜状電解セルにおいては、媒質として用意された水が、アノードとカソードの間に配置された膜、特に、電解質として備えられたカチオン交換膜に供給される。このとき、この膜には両面にそれぞれコンタクト層が備えられ、一方のコンタクト層がアノードとして、他方のコンタクト層がカソードとして使用される。この種の膜状電解セルは、特にコンパクトな構成という点で特に優れており、複数の膜状電解セルよりなる電解ユニットは特に狭い空間に収納することができる。
電解装置を工業分野あるいは発電所分野の水素発生器として使用するためには、基礎となる水素の需要を考慮して製造能力を設計する必要がある。この場合、特に水素需要量の比較的大量な用途には、構造上の利点から望ましいとのもとにこの電解装置を膜状電解槽として設計することは適していない。
本発明の課題は、コンパクトな構成で、比較的高い水素製造率を有し、それゆえフレキシブルに使用できる冒頭で述べた種類の複数の膜状電解槽を備えた電解装置を提供することにある。
本発明によれば、この課題は、１個または各々の膜のコンタクト層が、膜への電流供給が停止したのちこの膜に残留する電圧の時間的挙動を調べる分析部に電気的に接続されていることにより解決される。
本発明は、高い水素製造率を有する膜状電解槽が、特に大面積に設計された膜を持つ複数の膜状電解セルを備えるべきであるとの考えに基づいている。さらに、膜をこのように設計する場合にも、分解される媒質、特に水がこの膜に確実に供給されることが保証されなければならない。このため、電解装置の各膜のために、確実で、かつ大面積の膜にも適した、媒質および電解プロセスで生じるガスの輸送系が備えられる。膜に取付けられた電極の電気的接触のために備えられた接触板にこの輸送系を組込むことによって、特にコンパクトな構成が得られる。
さらに、膜状電解セルの運転に伴う故障が比較的頻繁にその膜の損傷、特に穴の形成を生ぜしめるとの認識に基づいている。このような穴の形成による膜の損傷は、膜への電流供給が停止したのちこの膜に残留する電圧の時間的挙動を測定することによって、特に簡単に検出することができる。この場合、検査の対象となる膜状電解セルは、その膜の両面にそれ以前に発生した水素および酸素の残余分が現存しているので、しばらくの間は燃料電池のごとく振る舞う。完全な膜の場合には、膜に残る電圧はしばらくの間一定となり、その後電圧信号は減衰する。これに対して膜が損傷している場合には、電圧信号の減衰が比較的速やかに生じる。したがって、電圧信号の減衰を調べることによって膜の状態を逆推論可能である。これにより損傷した膜状電解セルが特に簡単に同定される。
各接触板の通路系が、同心状の環状セグメントの形に形成されると好ましい。判明しているように、通路系をこのように配置した場合、膜の動作領域全体に、特に良好にかつ確実に媒質を供給することができる。このとき、これらの膜状電解セルは適切な方法で電気的に直列に接続される。
好適な実施態様では、各コンタクト層とこれに所属した接触板との間に多孔性の導電板が配置される。この種の多孔性の導電板は、例えばチタンにより形成され、一方ではコンタクト層とこれに所属した接触板との間を確実に電気接触させるとともに、他方では分解される媒質が妨げを受けることなく膜へ透過し、また電解により生じたガスが妨げを受けることなく通路系へ透過するのを保証する。さらに、この多孔性の導電板は膜へ供給される媒質の分配を促進する。
別の好適な実施態様では、膜の両側に配置された接触板の通路系に、互いに独立して媒質、特に水あるいは脱イオン水が供給される。この種の装置の場合、電解プロセスのためにアノードとして用いられる膜のコンタクト層は、カソードとして用いられるコンタクト層とは異なった媒質を供給可能である。これによって電解装置は特にフレキシブルに使用することができる。例えばこの種の装置におて原子炉プラントの一次循環系に導かれた冷却媒体をカソードとして用いられるコンタクト層に供給することができ、それに対してアノードとして用いられるコンタクト層に脱イオン水を供給することができる。それゆえ、このように構成された電解装置は、原子炉プラントの冷却剤循環系に直接組み込まれた原子炉冷却剤用水素発生器として使用することができる。この際、膜の両側に配置された接触板に設けられた通路系は、適切な方法で互いに分離したガス排出系に接続される。
電解装置の内部の電流伝導を特に信頼性高くするために、膜状電解セルがケースの内部に積層して配置されると好ましい。その際、このケースには、その各側面に膜状電解セルを互いに締付けるための固定部材が備えられる。隣接する膜状電解セルは固定部材により平面で互いに押圧されるので、各コンタクト層とそれに所属した接触板との間の確実な導電接続が保証される。
電解装置の運転信頼性を特に高めるために、分析部は、膜への電流供給が停止したときこの膜の電圧信号の減衰を調べる。
目的にかなった別の実施態様においては、分析部にガス純度を調べるためのセンサーが接続される。膜の減衰時間に関するデータにガス純度に関するデータを加えることにより、その都度の膜の今後の運転の安全性に対する予測が特に簡単に導きだされることとなる。したがって、この電解装置は、個々の膜状電解セルに運転障害が生じた場合にも特に安全に運転できる。この場合、故障した膜状電解セルは短絡されるので、もはやガスの製造には寄与しないが、完全な膜状電解セルの動作を妨げることはない。
本発明の利点は、特に、接触板に備えられた通路系によって、特にコンパクトな構成と共に、電解により分解される媒質の膜への確実でかつ大面積での供給が保証される点にある。このとき、これらの膜状電解セルは互いに独立して運転することができ、それゆえいずれかの膜状電解セルが故障した際にも電解装置の機能は維持される。選定した膜の電圧信号の減衰時間を調べるために設けられた分析装置によって、とりわけ簡単に、故障した膜状電解セルを検出することができる。運転故障を生じた場合には特に簡単に故障した膜状電解セルの切り離しができ、その場合残りの完全な膜状電解セルにより電解装置の運転を維持することができる。
本発明の実施例を図面を用いてより詳細に説明する。以下において
図１は電解装置の縦断面図、
図２はこの電解装置の横断面図、
図３は模式的に示したプラントの部分システムに対するガス注入装置である。
これらの図において、同一部分は同一参照符号を付されている。
図１のごとく電解装置１は膜状電解槽として構成され、複数の直列に電気接続された膜状電解セル２を備えている。図１の実施例においては４個の直列に接続された膜状電解セル２が示されているが、これ以外の任意の数の膜状電解セル２を備えることもできる。各膜状電解セル２は、分解される媒質の水に対する電解質としてカチオン交換膜よりなる膜４を有している。各膜状電解セル２の膜４は両面に詳細には示されていないコンタクト層をそれぞれ備えている。膜４の両コンタクト層は電解過程において電極としての役割を果たす。本実施例においては、カソードとして備えられた各膜４のコンタクト層はプラチナにより形成されている。これに対して、アノードとして備えられた各膜４のコンタクト層は主にイリジウムよりなる。
各膜４の各コンタクト層にはそれぞれ１枚の接触板５が配置されている。さらに、各コンタクト層はそれぞれに配置された接触板５に多孔性導電板６を介して電気的に接続されている。多孔性導電板６は、例えばチタン基材により製作され、コンタクト層とそれに配置された接触板５の間にそれぞれ配置されている。
１枚の膜４と２枚の導電板６と２枚の接触板５とからそれぞれ形成された膜状電解セル２はケース８の内部に積層して配置されている。その際、異なった膜状電解セル２の隣接する導電板６はそれぞれ絶縁板９によって互いに分離されている。膜状電解セル２の直列接続は詳しくは示されていない外部配線システムにより行われる。これに替わって、異なった膜状電解セル２の隣接する接触板５を直接互いに電気的に接触させることもでき、またそれぞれ個別に構成することもできる。ケース８は、その側面に、膜状電解セル２を互いに締付けるための固定部材１２として備えられたボルトを有している。
各接触板５は、電解装置１の横断面を示した図２に示されているように、ほぼ円形に形成され、コンタクト層側の表面に通路系１４を備えている。この通路系１４はそれぞれの接触板５へ突入した溝から構成され、この溝はそれぞれの接触板５の表面に同心状の環状セグメントの形で配置されている。各接触板５の通路系１４は電解により分解される媒質をそれぞれの膜４へ送るために設けられている。そのために各接触板５の通路系１４は電解媒質の供給系へ連結されている。さらに、各接触板５の通路系１４に、ガス、あるいはガスの混合した電解媒質の排出系が接続されている。
上記の場合、電解装置１は、膜４の両面に配置された接触板５の通路系１４にそれぞれ独立に媒質が供給されるように構成される。さらに媒質、あるいは電解により放出されたガスは、膜４の両面に配置された接触板５の通路系１４から互いに独立に排出される。このために、膜４にカソードとして備えられたコンタクト層に配置された全ての接触板５の通路系１４は、入口側が共通の供給系１６に接続され、出口側が共通の排出系１８に接続されている。
これに対して、膜４にアノードとして備えられたコンタクト層に配置された接触板５の通路系１４は、入口側が供給系１６から独立した供給系２０に、出口側が排出系１８から独立した排出系２２に接続されている。このように装置においては、カソードとして備えたコンタクト層に、アノードとして備えたコンタクト層への供給に使用される電解媒質とは異なる電解媒質を供給することが可能となる。したがって、この電解装置１はフレキシブルに使用することができる。例えば、この電解装置１は、原子炉プラントの冷却媒体循環系に直接組み込むことが可能となり、この場合には、カソードとして備えられたコンタクト層に電解媒質として原子炉冷却材が直接供給され、電解による水素を豊富に含んだ原子炉冷却材が原子炉プラントの冷却剤循環系へ直接送り返される。このとき、アノードとして備えたコンタクト層には脱イオン水が供給される。この種の構成の電解装置の運転の際、脱イオン水を供給されるアノードには、原子炉冷却材により加圧されるカソードに比較してより高い運転圧力が加わる。したがって、膜の破損や漏洩の際にも原子炉冷却材の周辺への放出が確実に回避される。
図３には、プラント、特に加圧水型原子炉の一次循環系に用いられるガス注入システム２８が模式的に図示されている。このガス注入システム２８は水素発生器として電解装置１を備え、この電解装置１の供給、排出系１６、１８、２０、２２は、詳しくは示されていない方法によってこのプラントに接続されている。電解装置１はさらに分析部３０を備えている。各膜４のコンタクト層は分析部３０に電気的に接続されている。
この分析部３０は、膜４への電流供給を停止した後、この膜４の電圧信号の減衰を調べるよう構成されている。電圧信号の減衰から、分析部３０によってそれぞれの膜４の動作性能の逆推論が行われる。故障のない完全な膜４の場合、それぞれの膜状電解セル２は、電流供給を停止した後しばらくの間は、電解によりすでに放出されていたガスが運び去られるまで、燃料電池として動作する。したがって、完全な膜４の場合、この膜に残存する電圧信号は最初にしばらくの間一定となり、その後減衰が始まる。これに対して、例えば穴の形成により故障した膜４の場合、電力供給が停止すると電圧は直ちに減衰するので、分析部３０により完全な膜４を故障した膜４から区別することができる。
これに追加して診断するために、各膜４の排出系１８、２２にガス純度の検査用センサー３２が接続されている。このセンサー３２は同様に分析部３０に接続されている。選択した膜４の電圧信号の減衰時間に関する情報を、その膜が属する膜状電解セル２で生じた電解ガスの純度に関する情報と組み合わせることにより、それぞれの膜状電解セル２の動作特性について特に信頼度の高い予測を行うことが可能となる。
膜状電解セル２を通して水が適切に貫流するよう選定することによって、運転時に電解装置が確実に冷却されることが保証される。このとき、冷却剤としては電解装置１に供給されて混合される媒質が使われる。さらに、ケース８に、例えば放熱フィンの形の新たな冷却設備を備えることも可能である。
【図１】
0003748896.tif 000003
【図２】
0003748896.tif 000004
【図３】
0003748896.tif 000005