JP2017002344A - Gas generation device and gas generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス発生装置とガス生成方法に関する。特に、水の電解による水素または酸素生成装置、水素、または、酸素発生方法に関する。 The present invention relates to a gas generator and a gas generation method. In particular, the present invention relates to an apparatus for generating hydrogen or oxygen by electrolysis of water, a method for generating hydrogen, or oxygen.
半導体の洗浄工程など水素を使用する装置や、医療用機器や溶接機など酸素を使用する装置や、燃料電池のように水素と酸素を共に使用する装置では、水素、酸素の以外の不純ガスが混入していないことが必要である。 In devices that use hydrogen, such as semiconductor cleaning processes, devices that use oxygen, such as medical equipment and welding machines, and devices that use both hydrogen and oxygen, such as fuel cells, impure gases other than hydrogen and oxygen are present. It must be free of contamination.
つまり、水素、酸素の純度が極めて高いことが要求される。このため、従来のガス生成装置においては、水素、酸素の純度を高めるため、様々な工夫が成されてきた。 That is, the purity of hydrogen and oxygen is required to be extremely high. For this reason, in the conventional gas production | generation apparatus, in order to raise the purity of hydrogen and oxygen, various devices have been made | formed.
すなわち、水電解によって発生する水素や酸素の高純度化を阻害するものは、水素や酸素の原料となる純水に溶存している窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素などの空気の成分ガスである。 That is, what inhibits the high purity of hydrogen and oxygen generated by water electrolysis is component gas of air such as nitrogen, oxygen, argon and carbon dioxide dissolved in pure water as a raw material of hydrogen and oxygen. .
従って、水電解によって水素や酸素が生成された後に、これらの混入気体を除去する方法が一般的である。例えば、各混入気体一種につき1つ以上の吸着式除去装置を配置する方法などが公知である。 Therefore, after hydrogen and oxygen are generated by water electrolysis, a method of removing these mixed gases is common. For example, a method of arranging one or more adsorption-type removal devices for each mixed gas is known.
しかしながら、このような方法では、除去装置が大型化し、また、その交換を頻繁に行う必要がある。このため、水素や酸素の製造コストを引き下げるための障害となっていた。そこで、水電解を実施する純水に、予め酸素を吹き込み、純水中に溶存する酸素以外の気体を大気中に追い出した後、水電解を実施する方法が提案されている(特許文献1)。 However, in such a method, the removal device becomes large and needs to be frequently replaced. For this reason, it has become an obstacle to lower the production cost of hydrogen and oxygen. Thus, a method has been proposed in which oxygen is blown into pure water to be subjected to water electrolysis in advance, and a gas other than oxygen dissolved in the pure water is expelled into the atmosphere, followed by water electrolysis (Patent Document 1). .
この方法により、酸素だけが溶解、他の気体が溶解しない純水を水電解して、負極側に、酸素と水蒸気のみが混入する水素を発生させ、この混合気体から酸素と水蒸気を除去することによって高純度の水素を得ることができる。 By this method, pure water in which only oxygen is dissolved and other gases are not dissolved is electrolyzed to generate hydrogen containing only oxygen and water vapor on the negative electrode side, and oxygen and water vapor are removed from this mixed gas. High purity hydrogen can be obtained.
図1で、特許文献1のガス生成装置1について説明する。純水製造装置(図示せず)に接続された純水源2から、貯留槽3に純水を供給する。次に、純水は貯留槽3からポンプ4によって酸素側気液分離装置5に送られる。さらに、ポンプ6によって、電解質膜7によって区画された電解セル8の酸素側流路に送られる。電解セル8に電源装置9によって電圧をかけると電解セル8の中で純水の水電解反応が起こる。
With reference to FIG. 1, a
この時、酸素側流路では流水状態の純水中に酸素が発生し、純水とともに配管10を通って酸素側気液分離装置5の上部気相部11に送られる。酸素側気液分離装置5の上部気相部11では、気体の酸素と液体の純水が分離される。このうち、純水は酸素側気液分離装置5の下部液相部12の純水に合流し、再びポンプ6によって電解セル8に送られる。
At this time, oxygen is generated in flowing pure water in the oxygen-side flow path, and is sent to the upper
また、気体の酸素は、一部は配管13を通って直接的に酸素側貯蔵タンク14へ送られる。残りの気体の酸素は、配管15を通って貯留槽3の下部液相部16の中の噴出し口17へ送られる。噴出し口17から噴出した気体の酸素は、貯留槽3の下部液相部16の純水内を上昇し、貯留槽3の上部気相部18へ至り、さらに、配管19を通って酸素側貯蔵タンク14へ送られる。上記の貯留槽3内において、下部液相部16に吹きこまれた酸素は、下部液相部16の内を浮力で上昇中に、純水内に溶存している空気の構成成分、つまり、窒素、アルゴン、二酸化炭素など酸素以外の気体を純水内から追い出す。
Part of the gaseous oxygen is sent directly to the
この作用により、貯留槽3の純水は、水電解反応の経過時間とともに、酸素以外の溶存気体が極めて低濃度の状態となる。このような純水が電解セル8の酸素側に送りこまれると、電解質膜7の水素側では、水電解反応によって発生した気体としての水素と、電解質膜7を酸素側から水素側へ透過した未反応の純水が混在した状態となる。この水素と純水の混合物は、電解セル8の水素流路から配管20を通って水素側気液分離装置21に送りこまれる。この内、液体の純水は、水素側気液分離装置21の上部気相部11から下部液相部12の純水へと滴下し、さらに配管22を通って貯留槽3へと戻される。
By this action, the pure water in the storage tank 3 is in a state where the dissolved gas other than oxygen is in a very low concentration along with the elapsed time of the water electrolysis reaction. When such pure water is sent to the oxygen side of the
また、気体の水素は配管23を通って脱酸素カラム24、脱水カラム25へ送られ、そこで水素に含有される微量の酸素と水蒸気を除去されたあと、水素側貯蔵タンク26へ送られる。このような特許文献1のガス生成装置1によれば、99.9999%の水素が得られると報告されている。
The gaseous hydrogen is sent to the
しかしながら、上記のような特許文献1のガス生成装置1で発生させた水素や酸素を燃料電池に供給して発電させる場合には、以下のような課題がある。
(1)電解セル8の水電解反応初期においては、酸素側貯蔵タンク14、配管13、配管15、配管19や貯留槽3の上部気相部18や、酸素側気液分離装置5の上部気相部11には空気が残留している。酸素側貯蔵タンク14には、これらの残留空気が酸素とともに貯蔵されるので、酸素側貯蔵タンク14の酸素濃度が低下する。従って、このような酸素側貯蔵タンク14内の酸素を燃料電池に供給して発電を実施すると、純酸素を供給した場合と比べて燃料電池の出力電圧が低下する。
However, when hydrogen or oxygen generated by the
(1) At the initial stage of the water electrolysis reaction of the
(2)電解セル8の水電解反応初期においては、配管10や、酸素側気液分離装置5の上部気相部11や、配管15には空気が残留しているため、電解セル8から貯留槽3の下部液相部16へ供給される酸素濃度が低い状態にある。従って、下部液相部16内での、酸素による純水内の酸素以外の空気成分、つまり窒素、アルゴン、二酸化炭素などの追い出しが十分ではなく、窒素、アルゴン、二酸化炭素などが純水とともに電解セル8に供給される。このような純水が電解セル8に供給されると、電解質膜7を透過する未反応純水となって水素側に現れ、水電解反応によって発生する水素の濃度が下がる。従って、このような水素を燃料電池に供給して発電を実施すると、純水素を供給する場合と比べて燃料電池の出力電圧が低下する。
(2) At the initial stage of the water electrolysis reaction of the
(3)水電解によって水素や酸素が生成された後に、窒素、アルゴン、二酸化炭素などの混入気体1種ごとに専用の除去カラムを設けて除去する方法に比べ、混入気体を除去するためのカラムは、脱酸素カラム24の1種類だけである。しかしながら、長時間の水電解反応による高純度水素捕集を継続するには、高価な脱酸素カラム24を頻繁交換する必要があり、水素の製造コストを引き下げるための障害となる。
(3) A column for removing mixed gas compared to a method in which a special removal column is provided for each mixed gas such as nitrogen, argon, carbon dioxide, etc. after hydrogen or oxygen is generated by water electrolysis. Is only one type of
よって、本願発明の課題は、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、酸素、または、水素の貯蔵タンクのそれぞれには、水蒸気と酸素、水蒸気と水素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できるガス生成装置、ガス生成方法を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to provide high-concentration hydrogen that does not contain any gas other than water vapor and oxygen, and water vapor and hydrogen, in each of the oxygen or hydrogen storage tanks from immediately after the start of the water electrolysis reaction to the end of the reaction. And a gas generation method capable of storing oxygen and oxygen.
上記課題を解決するため、水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルと、電解セルと連結された空気捕集装置と、電解セルから発生する水素、または、酸素を水から分離して捕集する気液分離装置と、電解セルと連結されたバッファシリンダーと、水素または酸素を貯蔵する貯蔵タンクと、を含むガス生成装置を用いる。 In order to solve the above problems, an electrolysis cell that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, an air collecting device connected to the electrolysis cell, and hydrogen or oxygen generated from the electrolysis cell are separated from water. A gas generator including a gas-liquid separator to be collected, a buffer cylinder connected to an electrolysis cell, and a storage tank for storing hydrogen or oxygen is used.
電解セルと、空気捕集部と、気液分離部とが連結された装置のそれぞれに水を導入する導入工程と、水を加熱し、水中のガスを空気捕集装置で集める空気捕集工程と、電解セルで、水を分解し、水素、または、酸素を発生するガス発生工程と、発生した水素、または、酸素を、気液分離装置で、水から分離する分離工程と、水素、または、酸素を、貯蔵タンクで集め貯める貯蔵工程と、を含むガス生成方法を用いる。 An introduction step of introducing water into each of the devices connected to the electrolysis cell, the air collection unit, and the gas-liquid separation unit, and an air collection step of heating the water and collecting the gas in the water with the air collection device A gas generation step of decomposing water in an electrolysis cell to generate hydrogen or oxygen; a separation step of separating the generated hydrogen or oxygen from water by a gas-liquid separator; and hydrogen or And a storage process for collecting and storing oxygen in a storage tank.
本発明によれば、水電解反応の事前に、純水を水電解反応の最適温度まで加熱し、かつ、純水と接する空気相を減圧することにより、純水内に溶存している空気を空気捕集部に顕在化させことができる。 According to the present invention, pure water is heated to the optimum temperature for the water electrolysis reaction in advance of the water electrolysis reaction, and the air dissolved in the pure water is reduced by reducing the air phase in contact with the pure water. It can be manifested in the air collection part.
さらに、この空気捕集部を純水から遮断することで、純水が、いかなる気体とも接することがない密閉された状態にすることができる。 Further, by shutting off the air collecting part from pure water, the pure water can be in a sealed state where it does not come into contact with any gas.
その後、水電解反応を開始するので、水電解反応中も捕集すべき水素や酸素以外の気体と接することがない。従って、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、常に、水蒸気と水素、水蒸気と酸素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できる。 Thereafter, since the water electrolysis reaction is started, it does not come into contact with a gas other than hydrogen or oxygen to be collected even during the water electrolysis reaction. Therefore, from the start of the water electrolysis reaction to the end of the reaction, it is always possible to store high concentrations of hydrogen and oxygen that do not contain any gas other than water vapor and hydrogen, and water vapor and oxygen.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図2は、実施の形態1における水電解水素酸素生成装置27の模式図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a schematic diagram of the water electrolysis
<全体構成>
図2において、実施の形態1における水電解水素酸素生成装置27は、主に、電解セル8と、気液分離装置28a、28bと、貯蔵タンク29a、29bと、バッファシリンダー30a、30bと、空気捕集部31a、31bと、減圧シリンダー32a、32b、から構成される。
<Overall configuration>
In FIG. 2, the water electrolysis
<全体プロセス>
図2において、貯蔵タンク29a、29bから注入された純水は、気液分離装置28a、28bと配管33a、33bを通って空気捕集部31a、31bに至る。
<Overall process>
In FIG. 2, the pure water injected from the
その後、純水は、ポンプ6の働きによって電解セル8、さらに配管34a、34bを通って気液分離装置28a、28bに戻される。
Thereafter, the pure water is returned to the gas-
配管33a、33bには、配管側面に接する位置にバッファシリンダー30a、30bが設置される。
In the
また、空気捕集部31a、31bの上部には減圧シリンダー32a、32bが設置されている。上記のように純水の注入を継続すると、水電解水素酸素生成装置27の純水流通可能範囲に残存していた空気は、全て、減圧シリンダー32a、32bの中空ロッド35a、35bから外部に追い出される。
Further,
その後、バルブ36a、36bとバルブ37a、37bを閉じれば、純水は外気と遮断され、残存空気と接するのは、減圧シリンダー32a、32bの内部だけとなる。
Thereafter, if the
この状態で、空気捕集部31a、31bのヒーター38a、38bで純水を加熱すると、純水の空気溶解度が低下し、純水内に溶存していた空気が気体として顕在化する。顕在化した空気は、空気捕集部31a、31bの上部に上昇して、上記の減圧シリンダー32a、32b内部に捕集される。捕集される空気が増加するとともに中空ロッド35a、35bは押し上げられる。この中空ロッド35a、35bの押し上げが終了すると、次に、減圧シリンダー32a、32bの中空ロッド35a、35bを強制的に引き上げて減圧シリンダー32a、32b内の容積を増加させ、減圧シリンダー32a、32b内の残存空気を減圧する。この減圧操作により、純水内の溶存空気をさらに顕在化させ、減圧シリンダー32a、32b内に捕集する。この状態でバルブ39a、39bを閉じて、純水が、溶存空気が極めて少なく、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態とする。
In this state, when pure water is heated by the
このような、密閉された状態の純水が循環した状態で、電解セル8の正負極に、電源装置9によって直流電圧を印加すれば、電解セル8の正負極からそれぞれ酸素と水素が発生する。この酸素と水素は純水に内包されながら、純水の流れとともに配管34a、34bを通って気液分離装置28a、28bに運ばれる。この際、発生した水素酸素の体積分の純水は、バッファシリンダー30a、30bのロッド40a、40bが鉛直上方(紙面の上方向)に上昇し、バッファシリンダー30a、30bの内容積が増加することにより吸収される。
When a DC voltage is applied to the positive and negative electrodes of the
<空気捕集部31a、31bと減圧シリンダー32a、32b>
図2において、空気捕集部31a、31bは、純水入口41a、41bと、純水タンク42a、42bと、配管43a、43bと配管44a、44bと、ヒーター38a、38bと、から構成される。
<
In FIG. 2, the
上記純水入口41a、41bの上端は、配管44a、44bより鉛直上方に配置する。減圧シリンダー32a、32bは、バルブ39a、39bと、中空ロッド35a、35bと、バルブ36a、36b、から構成される。
The upper ends of the
純水の注入直後は、ポンプ6から送られる純水が、純水入口41a、41bから純水タンク42a、42bに送り込まれ、純水タンク42a、42b内の空気を、配管43a、43bと中空ロッド35a、35bを通じて外部へ追い出す。
Immediately after the injection of pure water, pure water sent from the
この時、純水自身は配管44a、44bから電解セル8へと循環する。この状態の純水には、大気内の空気の分圧と、大気の温度で決まる溶解度と、に応じた量の空気が溶存している。次に、ヒーター38a、38bにより純水タンク42a、42b内の純水を加熱すると、純水の空気の溶解度が減少するので、空気が気体として顕在化する。純水内で顕在化した空気は浮力によって純水タンク42a、42bを上昇し、配管43a、43bと中空ロッド35a、35bを通じて外部へ追い出される。
At this time, the pure water itself circulates from the
このように、純水が加熱によって溶存空気を除去されたあと、バルブ36a、36bを閉じて中空ロッド35a、35bを外力(図示せず)によって引き上げ、減圧シリンダー32a、32bの内容積を増加させて内部の空気の圧力を下げる。圧力が下がると純水に溶存していた空気はさらに顕在化し、減圧シリンダー32a、32bの内部に捕集される。この状態で、バルブ39a、39bを閉じると、純水は、加熱と減圧の両方によって溶存空気が除去され、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態で循環する状態となる。
As described above, after the dissolved water is removed by heating the pure water, the
上記純水入口41a、41bの上端は、配管44a、44bより鉛直上方に配置する。このことにより、純水は、純水タンク42a、42b内を経由してから、配管44a、44bへ流れる。純水タンク42a、42b内で、確実に、ガスを取り除ける。
The upper ends of the
<バッファシリンダー30a、30b>
図2において、バッファシリンダー30a、30bは、気液分離装置28a、28bより純水の流れ方向(図2の矢印)下流に設置される。純水は、溶存空気を除去され、かつ、いかなる気体とも接しない密閉状態で循環する状態である。この状態で、電源装置9によって電解セル8の正負極に直流電圧をかけると、配管34a、34bから、それぞれ、水素と酸素が発生する。
<
In FIG. 2,
この水素と酸素は、それぞれ、気液分離装置28a、28bと、貯蔵タンク29a、29bの上部に捕集される。発生した水素や酸素の体積分の純水は、気液分離装置28a、28bや、貯蔵タンク29a、29bの上部から配管33a、33bを通り、バッファシリンダー30a、30bの内部に流れ込む。
The hydrogen and oxygen are collected on the gas-
この時、流れ込んだ純水は、ロッド40a、40bを押し上げる。電解セル8の水電解反応で発生する水素と酸素のモル数は、2:1である。したがって、気液分離装置28a、28bと、貯蔵タンク29a、29bと、バッファシリンダー30a、30bの容積を2:1とし、捕集される水素と酸素の体積が2:1、よって水素と酸素の圧力を等しくなるようにした。このようにすれば、電解セル8の内部において水素側の流路と酸素側流路を区画する電解質膜7に圧力差が生じないようにして、電解質膜7の圧力差による破損を防止することができる。
At this time, the pure water that has flowed up pushes up the
<プロセス>
図3(a)〜図5(c)は、図2の本発明の実施の形態1の水電解水素酸素生成装置27に使用される気液分離装置28(28a、28b)と空気捕集部31(31a、31b)の状態遷移図である。つまり、反応準備作業開始から、バッファシリンダー30(30a、30b)の水電解反応中の作用と、水電解反応によって発生した水素、酸素を貯める貯蔵タンク29(29a、29b)の満杯交換、さらに、再び反応開始可能状態までの状態遷移を表している。
<Process>
3 (a) to 5 (c) show a gas-liquid separator 28 (28a, 28b) and an air collecting unit used in the water electrolysis
<プロセス1:開始準備作業>
図3(a)で説明する。図3(a)で、ニードルバルブ45は閉じ、他のバルブは全て開いた状態で(以下、ハンドバルブは、開いた状態を○、閉じた状態を●で表す)、貯蔵タンク29の入口54から純水を注入開始する。以下、図3(f)までは、バッファシリンダー30a、30bのロッド40はブレーキ46によって固定される。
<Process 1: Start preparation work>
This will be described with reference to FIG. In FIG. 3A, the
次工程を、図3(b)で説明する。ポンプ6を動作させながら、上記の純水注入を継続すると、純水の流通可能範囲内の残留空気は、流れる純水によって減圧シリンダー32の中空ロッド35を通って外部へと追い出される。その結果、純水の流通可能範囲は全て純水で満たされ、水面は、貯蔵タンク29のバルブ37の高さを越えた位置であり、かつ、減圧シリンダー32内部の中ほどの高さ位置まで来る。この状態で、バルブ36と37を閉じる。
The next step will be described with reference to FIG. If the pure water injection is continued while the
次工程を、図3(c)で説明する。ポンプ6を動作させながら、上記の純水が流通可能範囲内を循環した状態でヒーター38をONにし、空気捕集部31の内部の純水を加熱する。加熱によって純水の空気溶解度が下がり、溶解していられなくなった気体の空気が泡状に顕在化して浮力で上昇し、配管43を通って減圧シリンダー32の内部に捕集される。このとき、減圧シリンダー32の中空ロッド35は、バルブ36が閉じられているので、捕集された空気の体積分に相当する分だけ上昇する。
The next step will be described with reference to FIG. While operating the
次工程を、図3(d)で説明する。上記の、減圧シリンダー32の中空ロッド35の上昇が終了すると、減圧シリンダー32の中空ロッド35を、他の外力(図示せず)によって強制的に引き上げ、減圧シリンダー32の内容積を増加させて、内部の圧力を下げる。実施の形態1においては、減圧シリンダー32の内容積が、図3(c)に比べて図3(d)では5倍になるように引き上げた。このことにより、減圧シリンダー32の内部の圧力は5分の1になり、純水が接する空気の分圧が5分の1に低下する。この減圧操作によって、純水の空気溶解度がさらに低下し、溶解していられなくなった気体としての空気が、泡状にさらに顕在化して浮力で上昇し、配管43を通って減圧シリンダー32の内部に捕集される。
The next step will be described with reference to FIG. When the lifting of the
次工程を、図3(e)と図3(f)で説明する。上記の溶存空気の顕在化が終了すると、バルブ39を閉じる。このことで、純水はいかなる気体とも接しない状態で流通可能範囲内に密閉される(図3(e))。次に、バルブ36を開けて減圧シリンダー32の内部の圧力を大気圧に復帰し、上昇していた中空ロッド35を元の位置までさげておく(図3(f))。この操作は、安全性確保のためであり、中空ロッド35が不用意に動きだすことを防止するためである。これで、電解セル8の水電解反開始準備が完了した状態となる。
The next step will be described with reference to FIGS. 3 (e) and 3 (f). When the manifestation of the dissolved air ends, the
<プロセス2:水電解反応開始から、貯蔵タンク29の満杯交換まで>
図4(a)を用いて説明する。上記の状態で、電解セル8の正負極間に直流電圧をかけて、バッファシリンダー30のロッド40のブレーキ46を解除する。水電解反応で発生した水素や酸素は純水の循環流れとともに電解セル8から配管34を通って、気液分離装置28の内部に運ばれる。水素や酸素は、純水内を浮力によって上昇し、貯蔵タンク29、気液分離装置28の上部に捕集される。純水は、流通可能範囲内に密閉され、かつ、非圧縮性である。よって、発生した水素や酸素の体積分の純水は配管33を通ってバッファシリンダー30に移動し、バッファシリンダー30のロッド40を押し上げ、空間47に収納される。
<Process 2: From the start of water electrolysis reaction to full replacement of
This will be described with reference to FIG. In the above state, a DC voltage is applied between the positive and negative electrodes of the
その後を、図4(b)で説明する。上記の反応が継続すると、バッファシリンダー30のロッド40が上限に達した直後の状態では、貯蔵タンク29、気液分離装置28に捕集された水素、酸素の圧力は大気圧に等しい。さらに反応を継続すると水素、酸素の圧力は大気圧以上に上昇していく。本実施の形態1においては、圧力計48が、10気圧になるまで反応を継続した。
The subsequent process will be described with reference to FIG. If the above reaction continues, the pressure of the hydrogen and oxygen collected in the
その後を、図4(c)と図4(d)で説明する。上記の反応が終了すると、バルブ49、50、51、52を閉じ、金具53を解除して、水素、酸素が捕集済みの貯蔵タンク29をとりはずす(図4(c))。次に、空の貯蔵タンク29を取り付け、バルブ37と51と52を開にしておく(図4(d))。
The subsequent process will be described with reference to FIGS. 4C and 4D. When the above reaction is completed, the
<プロセス3:再び水電解反応可能開始状態まで>
図4(e)で説明する。次に、図3(b)と同様に、貯蔵タンク29の上部の入口54から純水を注入し、水面が貯蔵タンク29の上端のバルブ37高さを越えた位置まで来るとバルブ37を閉じる。
<Process 3: Again until water electrolysis reaction is possible>
This will be described with reference to FIG. Next, as in FIG. 3 (b), pure water is injected from the
その後を、図4(f)で説明する。上記の状態で、バルブ49と50を開くと、貯蔵タンク29の純水と気液分離装置28の高圧の水素、酸素が入れ代わり、両者の純水の水面が同一高さとなる。
The subsequent process will be described with reference to FIG. In the above state, when the
その後を、図4(g)で説明する。ニードルバルブ45を少しずつ開くと、貯蔵タンク29の純水と気液分離装置28の高圧の水素、酸素の圧力で純水が外部に押し出される。それとともに、貯蔵タンク29の純水と気液分離装置28の水素、酸素の圧力は低下する。水位管55により、水面が下限までくると、ニードルバルブ45を閉じ、排水を停止する。この状態が、貯蔵タンク29の満杯交換が完了し、再び水電解反応を開始できる状態である。つまり、図4(b)の状態と同様であるが、貯蔵タンク29の純水と気液分離装置28の水素、酸素の圧力は、1気圧以上で10気圧以下の値となる。
The subsequent process will be described with reference to FIG. When the
<プロセス4:終業作業>
図5(a)と図5(b)と図5(c)で説明する。水電解水素酸素生成装置27の作業終了時には、まず、電解セル8への直流電圧印加を中止する。図5(a)のように、満杯になった貯蔵タンク29をとりはずした後、気液分離装置28の接続口56に、大気圧以下に保たれた排気専用配管(図示せず)に連通する排気ホース(図示せず)を接続し、バルブ49を開にする。この操作により、気液分離装置28の上部に残存した高圧の水素や酸素は、上記排気ホースを通過して排気専用配管に達する。このようにして残留する水素と酸素が十分排気され大気圧程度になった後、上記排気ホースをはずす。次に、ニードルバルブ45とバルブ39と50を開にし、さらにバッファシリンダー30のロッド40を外力(図示せず)で押し下げる。
<Process 4: Final work>
This will be described with reference to FIGS. 5 (a), 5 (b), and 5 (c). At the end of the operation of the water electrolysis
この操作(図5(b))で、純水流通可能範囲の純水を全部排水することができる(図5(c))。再び水素、酸素の生成を開始する場合は、図5(c)の状態で、空の貯蔵タンク29を接続して図3(a)の操作から開始する。
By this operation (FIG. 5B), all the pure water in the pure water flowable range can be drained (FIG. 5C). When starting the production of hydrogen and oxygen again, in the state of FIG. 5C, the
<評価>
図6は、燃料電池スタックの評価装置57の模式図である。この評価装置で、上記実施の形態1の水電解水素酸素生成装置27を評価する。
<Evaluation>
FIG. 6 is a schematic diagram of a fuel cell
下記の4パターンのガスを供給して燃料電池の発電を実施した。つまり、同一の燃料電池スタックに、以下4つのパターンのガスを供給して性能の違いを明らかにした。 The following four patterns of gas were supplied to generate power for the fuel cell. In other words, the following four patterns of gas were supplied to the same fuel cell stack to clarify the difference in performance.
ガス(A):比較例、負極ガスとして25%二酸化炭素を含む水素、正極ガスとして80%の窒素を含む酸素を供給する。これは、市販されている家庭用の燃料電池に供給されるガスと同一成分のガスである。 Gas (A): Comparative example, hydrogen containing 25% carbon dioxide as the negative electrode gas, and oxygen containing 80% nitrogen as the positive electrode gas are supplied. This is a gas having the same component as the gas supplied to a commercially available household fuel cell.
ガス(B):比較例、負極ガスとして純水素、正極ガスとして純酸素を供給する。これは、市販されている水素、酸素のボンベの中のガスであり、水素濃度、酸素濃度は99.99%以上である。 Gas (B): Comparative Example, pure hydrogen is supplied as a negative electrode gas, and pure oxygen is supplied as a positive electrode gas. This is a gas in a commercially available hydrogen and oxygen cylinder, and the hydrogen concentration and oxygen concentration are 99.99% or more.
ガス(C):比較例、負極ガスとして特許文献1による水素、正極ガスとして特許文献1による酸素を供給する。
Gas (C): Comparative example, hydrogen according to
ガス(D):実施例、負極ガスとして実施の形態1の水電解水素酸素生成装置で生成した水素、正極ガスとして同様に生成した酸素を供給する。ガス(D)を生成する際は、水電解反応中においては、図2の空気捕集部31a、31bのヒーター38a、38bを80℃に設定した。
Gas (D): Hydrogen produced by the water electrolysis hydrogen-oxygen generator of
なお、ガス(C)とガス(D)を生成する際、水電解反応初期の状態に発生した水素や酸素を貯蔵タンクに捕集した。 In addition, when producing | generating gas (C) and gas (D), the hydrogen and oxygen which generate | occur | produced in the initial stage of water electrolysis reaction were collected in the storage tank.
<評価装置の構成>
図6は、ガス(A)からガス(D)を供給して燃料電池の性能を評価するための評価装置57と、ガス(A)の負極ガスを供給する供給装置58a、ガス(A)の正極ガスを供給する供給装置58b、ガス(B)の負極ガスを供給する供給装置59a、ガス(B)の正極ガスを供給する供給装置59b、ガス(C)の負極ガスを供給する供給装置60a、ガス(C)の正極ガスを供給する供給装置60b、ガス(D)の負極ガスを供給する供給装置61a、ガス(C)の正極ガスを供給する供給装置61b、とからなる。
<Configuration of evaluation device>
FIG. 6 shows an
評価装置57は、燃料電池スタック62と、電流を取り出すインバーター63と、電圧を測定する電圧計64と、反応熱を回収する冷却水タンク65と冷却水ポンプ66と熱交換器77と、燃料電池スタック62に正負極ガスを供給するマスフローコントローラ67a、67bと、で構成されている。
The
ガス(A)の負極ガスの供給装置58a、正極ガスの供給装置58bは、各ガスが封入された貯蔵タンク68a、68bと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器69a、69bで構成した。
The negative
ガス(B)の負極ガスの供給装置59a、正極ガスの供給装置59bは、各ガスが封入された貯蔵タンク70a、70bと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器71a、71bで構成した。
The negative electrode
ガス(C)の負極ガスの供給装置60a、正極ガスの供給装置60bは、各ガスが封入された貯蔵タンク72a、72bと、各ガスを加湿する加熱バブリング式加湿器73a、73bで構成した。
The gas (C) negative electrode
ガス(D)の負極ガスの供給装置61a、正極ガスの供給装置61bは、各ガスが封入された貯蔵タンク74a、74bとヒーター75a、75bで構成した。
The negative
<評価装置のプロセス>
ガス(A)〜ガス(D)を評価装置57に導入する時は、それぞれ接続口Aa、Ba、Ca、Daと接続口Faを接続、接続口Ab、Bb、Cb、Dbと接続口Fbを接続して燃料電池スタック62に負極ガス、正極ガスを供給した。
<Evaluation device process>
When introducing gas (A) to gas (D) into the
この内、ガス(A)とガス(B)とガス(C)を評価装置57に供給する時は、加熱バブリング式加湿器69a、69b、71a、71b、73a、73bを65℃まで加熱して加湿した。
Among these, when supplying the gas (A), gas (B), and gas (C) to the
また、ガス(D)を評価装置57に供給する時は、ヒーター75a、75bを65℃まで加熱した。また、マスフローコントローラ67a、67bはヒーター76a、76bで90℃まで加熱した。マスフローコントローラ67a、67bを加熱するのは、供給するガスの露点よりも高い温度に加熱し、マスフローコントローラ67a、67b内部での結露による故障を防止するためである。
Moreover, when supplying gas (D) to the
上記のような状態でガス(A)〜ガス(D)を供給すると、燃料電池スタック62は、開回路状態(OCVと呼ばれている)となり、その後、インバーター63によって電流を取り出す。
When the gases (A) to (D) are supplied in the above-described state, the
その際、所要の電流値になるまで段階的の電流を増加させる。この時、燃料電池スタック62の特性として、取り出す電流の増加とともに電圧は降下する(IV特性と呼ばれる)が、最終の電流値に至って電圧値が経時的に安定すると、その電圧値が、燃料電池スタック62の性能を評価する指標となる。また、発電中の燃料電池スタック62の電圧を安定させるためには、燃料電池スタック62の中の冷却水経路を流れる冷却水の温度を安定させる必要がある。そこで、燃料電池スタック62への冷却水が、入り口温度60℃、出口温度70℃になるように図6の熱交換器77の設定温度と冷却水ポンプ66の流量設定値を調節した。
At this time, the stepped current is increased until the required current value is reached. At this time, as the characteristics of the
以上のような評価装置57で、ガス(A)〜ガス(D)を供給した場合の燃料電池スタック62の電圧比は、表1に示すように、ガス(B)の電圧比を100として、ガス(A)の電圧比は90.7、ガス(C)の電圧比は99.2、ガス(D)の電圧比は99.7であった。
With the
比較例1の電圧比は90.7%であるのに対し、比較例2の安定な電圧比は100%である。これは、比較例1では負極に25%二酸化炭素を含む水素を、正極に80%の窒素を含む酸素が供給されるのに対し、比較例2では負極に純水素、正極に純酸素が供給されるためである。これは、ゲイン電圧と呼ばれる出力改善効果が現れているためである。 The voltage ratio of Comparative Example 1 is 90.7%, while the stable voltage ratio of Comparative Example 2 is 100%. In Comparative Example 1, hydrogen containing 25% carbon dioxide is supplied to the negative electrode and oxygen containing 80% nitrogen is supplied to the positive electrode, whereas in Comparative Example 2, pure hydrogen is supplied to the negative electrode and pure oxygen is supplied to the positive electrode. It is to be done. This is because an output improvement effect called a gain voltage appears.
また、実施例の電圧比も99.7%であり、比較例2の電圧比とほぼ遜色ない値となっている。よって、本発明の実施の形態1の水電解水素酸素生成装置によれば、電解セルの反応初期からほぼ100%の水素と酸素を捕集できることがわかる。
In addition, the voltage ratio of the example is 99.7%, which is almost the same as the voltage ratio of the comparative example 2. Therefore, according to the water electrolysis hydrogen oxygen generator of
一方、比較例3の電圧比は99.2%であり、実施例の電圧比99.7%に比べて僅かに小さくなっている。ただし、脱酸素カラム24を使用している。実施例では、脱酸素カラム24を使用せずに、上記値となっている。
On the other hand, the voltage ratio of Comparative Example 3 is 99.2%, which is slightly smaller than the voltage ratio of Example 99.7%. However, a
比較例3の電圧比の低下の原因は、以下の3つが考えられる。 There are three possible causes for the decrease in the voltage ratio in Comparative Example 3.
1つ目は、水電解反応開始初期には、酸素側の配管や純水タンクや貯蔵タンクに残留していた空気によって貯蔵タンク内の酸素濃度が、純酸素と比べて低くなったことである。 The first is that at the beginning of the water electrolysis reaction, the oxygen concentration in the storage tank was lower than that of pure oxygen due to the air remaining in the oxygen side piping, pure water tank and storage tank. .
2つ目は、電解セル8の水電解反応熱によって純水の温度が上昇し、純水内の溶存空気が顕在化し、酸素とともに貯蔵タンクに捕集されたため、貯蔵タンク内の酸素濃度が、純酸素と比べて低くなったことである。
Second, the temperature of pure water rises due to the water electrolysis reaction heat of the
3つ目は、純水内の溶存空気が電解質膜を透過して水素側に達し、発生する水素とともに下流に流され、脱酸素カラムで除去できない二酸化炭素やアルゴンなど酸素以外の気体によって貯蔵タンク内の水素濃度が低下したことである。 The third is that the dissolved air in the pure water passes through the electrolyte membrane and reaches the hydrogen side, and flows downstream with the generated hydrogen, and is stored in a storage tank by a gas other than oxygen, such as carbon dioxide and argon, that cannot be removed by the deoxygenation column. It is that the hydrogen concentration in the inside decreased.
実施例では、上記3つの点を解決しており、電圧比が高いと考えられる。 In the embodiment, the above three points are solved, and the voltage ratio is considered high.
なお、本発明の水電解水素酸素生成装置は、水電解反応の事前に、純水を水電解反応の最適温度まで加熱し、かつ、純水と接する空気相を減圧することにより、純水内に溶存している空気を空気捕集部に顕在化させことができる。 The water electrolysis hydrogen-oxygen generator of the present invention heats pure water to the optimum temperature for the water electrolysis reaction in advance of the water electrolysis reaction, and depressurizes the air phase in contact with the deionized water. The air dissolved in the air can be revealed in the air collecting part.
さらに、この空気捕集部を純水から遮断することで、純水が、いかなる気体とも接することがない密閉された状態にすることができる。その後、水電解反応を開始するので、水電解反応中も捕集すべき水素や酸素以外の気体と接することがない。 Further, by shutting off the air collecting part from pure water, the pure water can be in a sealed state where it does not come into contact with any gas. Thereafter, since the water electrolysis reaction is started, it does not come into contact with a gas other than hydrogen or oxygen to be collected even during the water electrolysis reaction.
従って、水電解反応開始直後から反応終了に至るまで、常に、水蒸気と水素、水蒸気と酸素以外の気体は含まない高濃度の水素や酸素を貯蔵できる。従って、水素や酸素を使用する設備に水素や酸素を供給するための水素酸素発生装置として最適なものとなる。 Therefore, from the start of the water electrolysis reaction to the end of the reaction, it is always possible to store high concentrations of hydrogen and oxygen that do not contain any gas other than water vapor and hydrogen, and water vapor and oxygen. Therefore, the hydrogen / oxygen generator is optimal for supplying hydrogen or oxygen to facilities using hydrogen or oxygen.
(なお書き)
上記例では、酸素と水素の両方は発生させるものであった。しかし、どちらか1方のみを発生させるものでもよい。つまり、1方のガスは回収せず、他方を上記例で回収、提供するものである。
(Note)
In the above example, both oxygen and hydrogen were generated. However, only one of them may be generated. That is, one gas is not recovered, and the other gas is recovered and provided in the above example.
たとえば、水素発生装置の場合、図2において、水電解水素酸素生成装置27は、左側の構成のみ必要となる。電解セル8と、水素用の気液分離装置28aと、水素用の貯蔵タンク29aと、水素用のバッファシリンダー30aと、水素用の空気捕集部31aと、水素用の減圧シリンダー32aから構成される。酸素発生装置の場合は、図2で上記と反対側の各構成部となる。
For example, in the case of a hydrogen generator, the water electrolysis
本発明の水電解水素酸素生成装置は、水素、または、酸素を供給する装置として利用できる。 The water electrolysis hydrogen oxygen generator of the present invention can be used as a device for supplying hydrogen or oxygen.
1 ガス生成装置
2 純水源
3 貯留槽
4 ポンプ
5 酸素側気液分離装置
6 ポンプ
7 電解質膜
8 電解セル
9 電源装置
11 上部気相部
12 下部液相部
10、13、15、19、20,22,23、33、33a、34、34a、43、43a、44a 配管
14 酸素側貯蔵タンク
16 下部液相部
17 噴出し口
18 上部気相部
21 水素側気液分離装置
24 脱酸素カラム
25 脱水カラム
26 水素側貯蔵タンク
27 水電解水素酸素生成装置
28 気液分離装置
28a 気液分離装置
29、29a 貯蔵タンク
30、30a バッファシリンダー
31、31a 空気捕集部
32、32a 減圧シリンダー
35、35a 中空ロッド
36、36a、37、37a、39、39a バルブ
38、38a ヒーター
40、40a ロッド
41a 純水入口
42a 純水タンク
45 ニードルバルブ
46 ブレーキ
47 空間
48 圧力計
49 バルブ
53 金具
54 入口
55 水位管
56 接続口
57 評価装置
58a、58b、59a、59b、60a、60b、61a、61b 供給装置
62 燃料電池スタック
63 インバーター
64 電圧計
65 冷却水タンク
66 冷却水ポンプ
67a マスフローコントローラ
68a、70a 貯蔵タンク
69a 加熱バブリング式加湿器
71a、73a 加熱バブリング式加湿器
72a、74a 貯蔵タンク
75a、76a ヒーター
77 熱交換器
99 電圧比
Aa、Ab、Fa、Fb 接続口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas production | generation apparatus 2 Pure water source 3 Reservoir 4 Pump 5 Oxygen side gas-liquid separation apparatus 6 Pump 7 Electrolyte membrane 8 Electrolysis cell 9 Power supply apparatus 11 Upper gas phase part 12 Lower liquid phase parts 10, 13, 15, 19, 20, 22, 23, 33, 33a, 34, 34a, 43, 43a, 44a Pipe 14 Oxygen side storage tank 16 Lower liquid phase part 17 Ejection port 18 Upper gas phase part 21 Hydrogen side gas-liquid separator 24 Deoxygenation column 25 Dehydration Column 26 Hydrogen-side storage tank 27 Water electrolysis hydrogen oxygen generator 28 Gas-liquid separator 28a Gas-liquid separator 29, 29a Storage tank 30, 30a Buffer cylinder 31, 31a Air collector 32, 32a Decompression cylinder 35, 35a Hollow rod 36, 36a, 37, 37a, 39, 39a Valve 38, 38a Heater 40, 40a Rod 41a Pure water inlet 42a Pure water tank 45 Needle valve 46 Brake 47 Space 48 Pressure gauge 49 Valve 53 Metal fitting 54 Inlet 55 Water level pipe 56 Connection port 57 Evaluation device 58a, 58b, 59a, 59b, 60a, 60b, 61a, 61b Supply device 62 Fuel cell stack 63 Inverter 64 Voltage Total 65 Cooling water tank 66 Cooling water pump 67a Mass flow controllers 68a, 70a Storage tank 69a Heated bubbling humidifier 71a, 73a Heated bubbling humidifier 72a, 74a Storage tank 75a, 76a Heater 77 Heat exchanger 99 Voltage ratio Aa, Ab , Fa, Fb connection port
Claims (12)
前記電解セルと連結された空気捕集装置と、
前記電解セルから発生する水素、または、酸素を前記水から分離して捕集する気液分離装置と、
前記電解セルと連結されたバッファシリンダーと、
前記気液分離装置と連結され、前記水素または前記酸素を貯蔵する貯蔵タンクと、
を含むガス生成装置。 An electrolysis cell that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen;
An air collection device connected to the electrolysis cell;
A gas-liquid separator that separates and collects hydrogen or oxygen generated from the electrolytic cell from the water;
A buffer cylinder coupled to the electrolysis cell;
A storage tank connected to the gas-liquid separator and storing the hydrogen or oxygen;
A gas generating device.
前記電解セルと連結された水素用の前記空気捕集装置と、
前記電解セルから発生した水素を前記水から分離して捕集する水素用の前記気液分離装置と、
前記電解セルと連結された水素用の前記バッファシリンダーと、
前記水素を貯蔵する水素用の前記貯蔵タンクと、
前記電解セルと連結された酸素用の前記空気捕集装置と、
前記電解セルから発生した酸素を前記水から分離して捕集する酸素用の前記気液分離装置と、
前記電解セルと連結された酸素用の前記バッファシリンダーと、
前記水素または前記酸素を貯蔵する酸素用の前記貯蔵タンクと、
を含む請求項1〜10のいずれか1項に記載のガス生成装置。 The electrolysis cell is one,
The air collection device for hydrogen connected to the electrolysis cell;
The gas-liquid separator for hydrogen that separates and collects hydrogen generated from the electrolysis cell from the water; and
The buffer cylinder for hydrogen connected to the electrolysis cell;
The storage tank for hydrogen storing the hydrogen;
The air collection device for oxygen connected to the electrolysis cell;
The gas-liquid separator for oxygen that separates and collects oxygen generated from the electrolytic cell from the water; and
The buffer cylinder for oxygen connected to the electrolysis cell;
The storage tank for oxygen storing the hydrogen or the oxygen;
The gas production | generation apparatus of any one of Claims 1-10 containing these.
前記水を加熱し、前記水の中のガスを前記空気捕集装置で集める空気捕集工程と、
前記電解セルで、前記水を分解し、水素、または、酸素を発生するガス発生工程と、
前記発生した水素、または、酸素を、気液分離装置で、前記水から分離する分離工程と、
前記水素、または、酸素を、前記貯蔵タンクで集め貯める貯蔵工程と、
を含むガス生成方法。
An introduction step of introducing water into each of the devices connected to the electrolysis cell, the air collection unit, the gas-liquid separation unit, and the storage tank;
An air collecting step of heating the water and collecting a gas in the water with the air collecting device;
A gas generation step of decomposing the water and generating hydrogen or oxygen in the electrolysis cell;
A separation step of separating the generated hydrogen or oxygen from the water with a gas-liquid separator;
A storage step of collecting or storing the hydrogen or oxygen in the storage tank;
A gas generation method comprising:
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