JP4729311B2 - 電気分解によって水を分解するためのプラント - Google Patents

Description

本発明は、電気化学の分野に関し、特に、水の電気分解によって、酸素と水素との混合物（水素及び酸素の爆発ガス）を生産するための電気分解装置のデザインに関する。本発明は、内燃機関やその他の電力又は熱プラントで用いる水素燃料を得べく、また、様々な産業界における技術的プラントで用いる酸素を得べく、多数の産業界において、ガス燃焼技術の爆発ガス源として使用可能である。

公知のタイプによる電気分解装置では、酸素と水素との混合物（爆発ガス）が生産され、これは様々な産業界において、多数のガス燃焼装置の燃焼に用いられている。電気分解装置の本体は、回転シャフトに据え付けられていて、フライス加工されたリング溝を備えた円板タイプの電極を有している。電気分解装置の出力は調節可能になっている（ＲＦ特許第２００６５２６号 Ｃ２５Ｂ １／０４、１９９４年）。

この装置の欠点は、機能が限られていることと併せて、外界から電気分解の電気エネルギーを得ているために、電力消費が高いことである。
別の遠心型の電気分解においては、水の電気分解によって水素と酸素とを生産すべく、円筒形本体を備えたリザーバと、ベアリングに据え付けられて回転可能であるような中空シャフトとを備えている。シャフトは、運動学的に、駆動源と、電流発電機とに結合されている。リザーバは、発電機の回路に結合された電極を備え、原料を供給し、最終産物を送り出すためのチャネルを有し、電解溶液によって充填される。リザーバが回転すると、駆動源の機械的エネルギーは、まず電気的エネルギーに変換され、次に化学的エネルギーに変換されて、水から水素と酸素とが得られる（ＲＦ特許第２０１５３９５号 Ｆ０２Ｍ ２１／００、１９９０年）。

この装置の欠点は、エネルギー変換を系列的に行うために、出力が低いことであって、水の分解に伴う吸熱作用を補償すべく、外部熱源を用いずに、発生させた電力を用いている。

本発明に（技術的解決手段及び奏する効果の観点から）最も近い従来技術は、電気分解で水を分解することによってエネルギーを変換する装置であって、かかる装置は、水と電解質とを供給し、電解生成物を取出すための技術的ラインと、駆動源に結合されたシャフトを備えてなる（電解溶液で充填された）回転リザーバと、互いに短絡可能な２つの電極であって、一方はシャフトに据え付けられ、他方は回転リザーバの内面によって形成されているような電極と、水及び電解質を供給し、電解生成物を取出すための、シャフト内に設けられたダクトと、リザーバの内部に配置された熱交換器及びセパレータと、を備える。天然又は人工の熱源を用いることによって電気分解の効率を高めている（ＲＦ特許第２１７４１６２号 Ｃ２５Ｂ ９／００、１／０２、Ｆ０２Ｍ ２１／０２、２００１年）。

既存の装置における欠点は、効率が低いこと、及び、運転が不安定であることであり、回転リザーバ内において電解溶液とガス媒体との分離境界位置が制御されていないことにその原因はあった。その結果、シャフトに据え付けられた電極円板の活動面は、ガス媒体中にあるか、低電位にて電解溶液の領域中にあるかのいずれかになり、このことは、電極の活動面が減少し、電気分解の処理工程が非効率になることを意味する。装置はまた、設計的にも複雑なものであって、というのは、回転シャフト内のダクトを介して、回転リザーバの内部にある熱交換器に伝熱物質を送り届け（及び回収する）ことは技術的に困難であると共に、熱交換器の導電面は電解溶液中に電位差が蓄積することを妨げる。

特許第２００６５２６号 Ｃ２５Ｂ １／０４、１９９４年 特許第２０１５３９５号 Ｆ０２Ｍ ２１／００、１９９０年 特許第２１７４１６２号 Ｃ２５Ｂ ９／００、１／０２、Ｆ０２Ｍ ２１／０２、２００１年

技術的な目標は、出力を高めること、及びプラントの設計を簡単にすること、さらに機能を高めることである。

かかる技術的な目標は、以下の特徴によって得られる。本発明による、電気分解によって水を分解するためのプラントは、水及び電解質を供給し、電解生成物を取出すためのラインと、駆動源に結合されたシャフト上に据え付けられた本体を備え、シャフトは電解溶液を供給し、電解生成物及び電解溶液を取出すためのダクトを備えているような、電気分解装置と、片方の電極がシャフト上に据え付けられ、他方の電極が本体の内面によって形成されているような、短絡電極と、熱交換器とを備えるこのプラントは、垂直に配置されたシャフトを保持するための上部及び底部ベアリング組立体を備え、電解溶液を循環させる外部経路を備える。後者つまり外部経路は、上部ベアリング組立体に対して固定位置に据え付けられた（電解溶液のための）螺旋形状内面を備えてなるリングチャンバを備える。電解溶液センサと、電解溶液混合機とは、電解質及び水の供給ラインに、また、電解溶液供給ダクトに結合される。電気分解装置の本体は導電材料から作られていて、導電材料から作られた底部カバーと上部カバーとを備えている。上部カバーに設けられた電解溶液供給通路は、電解溶液リングチャンバに結合された調節可能バルブを備えている。水の供給ラインは、水流調節器を備え、電解生成物の取出しラインは、電解生成物のためのポンプ装置を備えている。熱交換器は、外部電解溶液循環回路に配置され、電解溶液センサは、水流調節器及びシャフト駆動源に結合されている。プラントは、電解生成物の取出しラインに、セパレータを据え付けられて備え、保護ケーシングを備えても良い。電気分解装置本体は、円筒形になっていて、その内面は、少なくともひとつの、好ましくは２つの案内溝を備え、それらのうちの少なくともひとつはネジ形であると良い。シャフト上に据え付けられた電極は円錐体に形成され、シャフトに対して平行に切欠を有し、円錐体に固定されて放射方向に開口を備えたシリンダを備える。水流調節器としては、電磁バルブが用いられる。電解生成物のポンプ装置としては、電気真空ポンプが用いられる。

理解を容易にするため、添付図面において、分離組立体及びその構成要素の寸法や縮尺関係は正確になっていないことに留意されたい。

このプラントでは、電気分解装置１は、導電材料から作られた円筒形本体２と、導電材料から作られた上部カバー３及び底部カバー４とを備えている。本体は、底部ベアリング組立体６と上部ベアリング組立体７とによって据え付けられてなる、垂直シャフト５上に配置されている。シャフト５は駆動源８に結合されていて、電解溶液９を供給するための、及び電解生成物１０を取出すための、内部ダクトを有している。電気分解装置１の内部に配置されたシャフト５は、（例えばカソードである）電極１１を支持し、かかる電極は、シャフトに対して平行に切欠を備えた円錐体１２と、円錐体１２に固定された放射方向開口を備えてなるシリンダ１３とから構成されている。本体２の内面１４は、他方の電極（例えばアノード）を形成する。この電極は、ひとつの、好ましくは２つの溝１５をネジ形に備えている。電気分解装置１は、電解質を循環１６させる外部経路を備えていて、その構成は以下の通りである。すなわち、上部ベアリング組立体７に据え付けられた螺旋形状内面１７を備えてなる電解溶液の固定リングチャンバと、電解溶液センサ１８と、熱交換器１９と、シャフト５に設けられた電解溶液供給ダクト９に結合されてなる電解溶液混合機２０と、水流調節器２３、バルブ２４、及び水リザーバ２２を備えてなる水の供給ライン２１と、電解質供給ライン２５と、電解質リザーバ２６とである。電気分解装置１における上部カバー３は、電解溶液２７を取出すためのダクトを備え、調節可能バルブ２８によって、螺旋形状である内面１７をもった電解溶液リングチャンバへつながっている。電解生成物取出しダクト１０は、電解生成物のためのポンプ装置３０（例えば電気真空ポンプ）と、酸素と水素の混合物から酸素と水素とを分離するためのセパレータ３１とを備えてなる、電解生成物取出しライン２９に結合されている。電解溶液供給ダクト９には、ドレンチャネルが設けられ、電解溶液を漏出３２させて、漏出した電解溶液はリザーバ３３に集められる。電解溶液センサ１８は、水流調節器２３と、シャフト５の駆動源８とに結合される。プラントは保護ケーシング３４を備える。

［本発明の機能を支持するデータ］
本発明によるプラントは以下の如く動作する。
電解質は、リザーバ２６から電解質供給ライン２５に沿って電解溶液混合機２０へと導かれ、そこから、シャフト５内の電解溶液供給ダクト９を介して、電気分解装置１の内部に導入される。水供給ライン２１におけるバルブ２４は閉じている。装置が起動すると、（底部ベアリング組立体６と上部ベアリング組立体７とによって垂直に据え付けられた）シャフト５の駆動源８は、電解溶液で充填されている電気分解装置１を回転させ始める。装置は、電気分解の過程が開始するまで加速される。電気分解装置が加速している間に、電解溶液は外部循環経路中を循環し始める。電解溶液センサ１８が応答すると、電磁バルブ２３（又は他の任意の水流調節器）に信号が送られて、水の供給は停止する。その後に、バルブ２４は開かれる。プラントは、自動水流調節に切り換えられて、水は、水リザーバ２２から水供給ライン２１、電磁バルブ２３、電解溶液混合機２０、及び電解溶液供給ダクト９を経由して、電気分解装置１に供給される。

水素及び酸素の生産工程中には、回転中の電気分解装置１の中にある電解溶液の体積と濃度とは、常に変化する。電解溶液の濃度は増加し、その体積は減少する。電解溶液とガス媒体との分離境界が変位すると、電解質取出しダクトがガス媒体の領域に曝されるようになって、電気分解装置からの電解質の取出しが中断する。その結果、外部回路において、電解溶液の循環は停止する。電解溶液センサ１８は、同時に、水流調節器（電磁バルブ２３）と回転駆動源８とに指令命令を送る。混合機２０には、水が供給され始める。希釈された電解質は、電解溶液供給ダクトを介して、回転中の電気分解装置１に送り届けられる。駆動源８は、回転中の電気分解装置１に対して制動をかけ始める。慣性力によって、また、ネジ形の溝１５によって、電解溶液は混合される。外部経路１６内における電解質の循環が再開し、センサ１８が各種命令を送ると、水リザーバ２２からライン２１に沿っての水の供給は電磁バルブ２３によって停止し、駆動源８は再び電気分解装置１の加速を開始する。

電気分解装置１の内部にある垂直シャフト５は、一方の電極（例えばカソード）を支持している。電極は、シャフトに対して平行に切欠を有する円錐体１２と、円錐体１２に固定され、放射方向開口を備えたシリンダとから構成されている。本体２の内面１４は、他方の電極（例えばアノード）として機能する。該内面は、１又は複数の（好ましくは２つの）案内溝１５を備え、該溝はネジ形になっている。また、溝は、螺旋状、環状、もしくは直線状であり、またはこれらの組み合わせによる溝形状を使用することもできる。
電解質の化学組成に応じて、電気分解装置１における各電極はカソード又はアノードとして作用する。

電極１１において、円錐体１２に設けた切欠、及びシリンダ１３の放射方向開口、並びに、本体２の内面１４に設けたネジ形の案内溝１５は、電解溶液の送り出しと混合とを改善する。
同じ目的は、シャフト５の駆動源８における短時間の制動と、その後の加速とによっても得られる。これらは、外部電解溶液循環経路１６に据え付けられた電解溶液センサ１８から、命令を受けることで開始する。
回転中には、遠心力によって、電気分解装置１の内部に人工的な重力場が発生する。重力場は、ハイドレートの形態で、互いに著しく異なる質量をもったカチオンとアニオンとを分離させる。重いイオン（例えばアニオン）は、本体２の内面１４（アノード）付近にて、負電荷の領域を形成する。この領域は、導電材料から作られた本体２に、適切な電気誘導帯電を引き起こす。

軽量のイオンは、アノードとカソード１１との間の領域に濃縮して、正電荷の領域を形成する。その電位が、軽量イオンのハイドレート包絡面を変形させるほどに充分な強い電場を発生できるならば、カソード１１において既存のバランスは乱される。軽量イオンは、カソード１１の表面１２及び１３へと移動して、それらは電荷を失なう。重いイオンも、その電荷をアノードに移動させて、その結果、電極間には、導電材料から作られた底部カバー３と上部カバー４とを経由して、短絡導電体が形成されて、直流が流れ始める。電解質イオンは、水素と酸素とを生産しつつ減少する。電気分解による中間生成物は、水との二次反応に入る。

還元された水素と酸素とは、電気分解装置１の中央に浮上する。そして、酸素と水素との混合物は、電解生成物取出しダクト１０、及び電解生成物取出しライン２９を介して、（例えば真空ポンプである）電解生成物ポンプ装置３０の助けによって、消費者へと届けられる。酸素と水素の混合物を酸素と水素とに分離するために、プラントにセパレータ３１を据え付けても良い。分離されたガスは、水素燃料と酸素との消費者にそれぞれ送られる。
電解生成物（酸素と水素の混合物：爆発ガス）ポンプ装置３０は、水素と酸素がプラントから外界へ漏出することを防ぐ。
電解溶液は、外部電解溶液循環経路１６に入るべく、螺旋形状内面１７を備えてなる電解溶液固定リングチャンバに結合された、調節可能バルブ２８を備えた電解溶液取出しダクト２７を通る。さらに移動すると、熱交換器１９を通過して、電解溶液混合機２０に達し、そこから、シャフト５における電解溶液供給ダクト９に沿って、回転する電気分解装置１に戻される。外部経路１６における電解溶液の循環は以上の如くなっている。電解溶液がダクト９から漏出した場合には、電解溶液ドレンダクト３２を介してドレンリザーバ３３に排出される。電解溶液は、そこから電解溶液リザーバ２６へ送られる。

電解溶液固定リングチャンバ１７の内面（電解溶液外部循環経路１６に属する）は、螺旋状の形状になっていて、そのため、回転中の電気分解装置１から流入する電解溶液の流れの渦の勢いを失なわせる。
イオン還元によって、水を水素と酸素とに分解する過程は、電解溶液のエンタルピーの減少を伴う。その結果、溶液の温度は絶えず低下する。熱損失を補償しないならば、溶液は凍結して過程は停止する。従って、溶液は加熱しなければならない。この仕事は、外部電解溶液循環回路１６に据え付けられた、熱交換器１９によって行われる。電解溶液は、熱伝達物質として働く。熱交換器１９に対する熱エネルギーは、内燃機関の排ガスやクーラントから、または、その他の熱源から供給される。

水素及び酸素の生産工程中には、回転中の電気分解装置１の中にある電解溶液の体積と濃度とは、常に変化する。電解溶液の濃度は増加し、その体積は減少する。電解溶液の体積が絶えず変化する状態において、高い電位領域にて、電解溶液と電極１１との充分な接触領域を確保し、ガス媒体の空間を形成すべく、電極１１（垂直シャフト５に据え付けられる）は、円錐体１２から作られていて、これにシリンダ１３が取り付けられている。
電気分解装置１の本体は円筒形であるべきであり、これによって、デザインが簡素になる。
安全基準を満たすために、プラントには保護ケーシング３４が備えられる。

［産業上の利用性］
開示されたプラントは、機械及び熱エネルギーを電気及び化学エネルギーに変換するものである。本発明によれば、プラントの効率を高めることが可能になる。プラントは、充分に簡素になっていて、伝統的な構造材料から作られており、既存の電解質を使用するものである。プラントは、輸送手段における内燃機関と併用して、その燃料効率を高めることができると共に、発電プラントや原子力プラントの蒸気タービンと併用したり、冶金等の産業熱として使用することができる。

本発明による、電気分解によって水を分解するプラントを示した模式図である。

Claims (10)

1. 電気分解によって水を分解するためのプラントであって、
   水流調節器（２３）を備えるとともに水を供給する水の供給ライン（２１）と、
   電解質を供給する電解質供給ライン（２５）と、
   前記水供給ライン（２１）及び前記電解質供給ライン（２５）に結合された電解溶液混合機（２０）と、
   電気分解装置（１）であって、駆動源（８）と、前記駆動源（８）に結合されるとともに、上部ベアリング組立体（７）及び底部ベアリング組立体（６）によって保持されたシャフト（５）と、前記シャフト（５）上に据え付けられた本体（２）と、前記本体（２）をカバーする底部カバー（３）及び上部カバー（４）と、前記電解溶液混合機（２０）に結合され前記本体（２）内に電解溶液を供給する電解溶液供給ダクト（９）と、電解生成物を取り出すための電解生成物取出ダクト（１０）と、電解溶液のドレンチャネル（３２）と、を有する電気分解装置（１）と、
   前記電解生成物取出ダクト（１０）に接続され、電解生成物のためのポンプ装置（３０）を備えた、電解生成物を取り出すための電解生成物取出しライン（２９）と、
   外部電解溶液循環経路（１６）であって、前記上部カバーに設けられた電解溶液を取出すためのダクト（２７）と、前記上部ベアリング組立体に固定されるとともに螺旋形状内面（１７）を備えてなる電解溶液リングチャンバと、前記電解溶液を取出すためのダクト（２７）と前記電解溶液リングチャンバとの間に設けられた調節可能バルブ（２８）と、前記水流調整器（２３）及び前記駆動源（８）に結合されている電解溶液センサ（１８）と、前記電解溶液混合機（２０）に結合される熱交換器（１９）と、が設けられた外部電解溶液循環経路（１６）と、を備え、
   前記電気分解装置（１）は、前記本体（２）内部で前記シャフト（５）上に据え付けられた片方の電極（１１）と、前記片方の電極（１１）に対向した前記本体（２）の内面（１４）によって形成された他方の電極とを有し、前記上部カバー（３）、前記底部カバー（４）、及び前記本体（２）が導電材料で形成されることにより、前記片方の電極（１１）と前記他方の電極とが短絡電極を形成し、前記電気分解装置（１）は、前記シャフト（５）の回転による遠心力によって前記電解溶液中の互いに質量が異なるカチオンとアニオンを分離させ、回転の結果、前記短絡電極間に直流電流が流れて電気分解が行われるように構成されている、
   ことを特徴とするプラント。
2. 前記電解生成物取出しライン（２９）に、セパレータ（３１）が据え付けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラント。
3. 保護ケーシング（３４）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
4. 前記本体（２）は、円筒形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
5. シャフト（５）上の電極（１１）は円錐体であって、シャフト（５）に対して平行に切欠を有し、放射方向開口を有するシリンダ（１３）を支持していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
6. 前記水流調節器（２３）として電磁バルブが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
7. 前記ポンプ装置（３０）として電気真空ポンプが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
8. 前記本体（２）の内面（１４）に、少なくともひとつの案内溝（１５）が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
9. 前記本体（２）の内面（１４）に、２つの溝（１５）を備えていることを特徴とする請求項８に記載のプラント。
10. 前記本体（２）の内面（１４）に、少なくともひとつのネジ形の案内溝（１５）を備えていることを特徴とする請求項８に記載のプラント。

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