JP5437968B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置のアノード側から排出される前記酸素及び前記水が導入されて気液分離されるとともに、分離された前記水を前記水電解装置に循環供給する低圧側気液分離器と、前記水電解装置のカソード側から排出される前記高圧水素及び前記水が導入されて気液分離される高圧側気液分離器とを備える水電解システムに関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。この種のシステムでは、燃料である水素を製造するために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。

水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、アノード側給電体及びカソード側給電体を配設してユニットが構成されている。

上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型水電解水素製造装置が知られている。

この水素製造装置は、図７に示すように、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層１と、前記陰極に発生した水素と水を分離する水素気液分離器２と、前記陽極に発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器３と、前記水電解層１に水を循環供給する水循環ライン４と、前記水素気液分離器２に設けられ、流量調整弁５ａを備えた水素ライン６と、前記酸素気液分離器３に設けられ、酸素圧力調整弁５ｂを備えた酸素ライン７とを備えている。

特開２００５−１８７９１６号公報

ところで、この種のシステムでは、水電解層１から高圧（例えば、３５ＭＰａ）の水素を生成する高圧水電解システムが採用されている。このため、水を含んだ高圧水素は、水素気液分離器２に導入され、水素と水の分離が行われるとともに、前記水素気液分離器２では、内部が高圧に保持された状態で、水を排出させる必要がある。

その際、例えば、水素気液分離器２内の水を常圧下（大気）へ排出しようとすると、大きな圧力差によって水が急速に排出され、前記水素気液分離器２内の水素ガスが漏洩するおそれがある。しかも、水素気液分離器２内の水素変動が急激となり、この水素気液分離器２内の水を所望量だけ排出する制御が困難になるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、生成された高圧水素に含まれる水を良好に除去するとともに、前記水を無駄なく経済的に使用することが可能な水電解システムを提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置のアノード側から排出される前記酸素及び前記水が導入されて気液分離されるとともに、分離された前記水を前記水電解装置に循環供給する低圧側気液分離器と、前記水電解装置のカソード側から排出される前記高圧水素及び前記アノード側から透過した透過水が導入されて気液分離される高圧側気液分離器とを備える水電解システムに関するものである。

この水電解システムでは、高圧側気液分離器と低圧側気液分離器とを連通し、前記高圧側気液分離器から前記低圧側気液分離器に水を戻す水配管を備えるとともに、前記水配管には、前記高圧側気液分離器から排出される前記水を減圧させる減圧水供給装置が配設され、前記減圧水供給装置は、水電解装置における電解電流に基づいて算出された該水電解装置からの排出水分量と同量の前記水を排出している。

また、この水電解システムでは、減圧水供給装置は、高圧側気液分離器から排出される高圧な水を、低圧側気液分離器と同一の圧力に減圧させることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、高圧側気液分離器は、水位センサを有するとともに、水配管には、前記水位センサからの信号により開閉する開閉弁が設けられることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、減圧水供給装置は、水を減圧して透過させる水透過性部材を備えることが好ましい。

また、この水電解システムでは、減圧水供給装置は、水透過性部材である水透過性膜と、前記水透過性膜を挟持する高圧側セパレータ及び低圧側セパレータと、前記低圧側セパレータの内部に配置される多孔性部材とを備えることが好ましい。

本発明によれば、高圧側気液分離器に貯留された水は、減圧水供給装置により減圧されるとともに、水配管を介して低圧側気液分離器に供給されている。この低圧側気液分離器では、気液分離された水及び高圧側気液分離器から供給された水を、水電解装置に循環供給している。

このため、高圧側気液分離器に貯留された水は、無駄に排出されることがなく、前記水を水電解処理に効率的に循環供給することができる。これにより、生成された高圧水素に含まれる水を良好に除去するとともに、前記水を無駄なく経済的に使用することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムを構成する高圧側気液分離器のタンク部内の水位の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムを構成する高圧側気液分離器のタンク部内の水位の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子型水電解水素製造装置の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって、酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する水電解装置１２を備える。

水電解装置１２のアノード側には、前記水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する低圧側気液分離器１４と、前記低圧側気液分離器１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記低圧側気液分離器１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８とが設けられる。

水電解装置１２のカソード側には、前記水電解装置１２から高圧水素配管２０に導出される高圧水素に含まれる水分を除去する高圧側気液分離器２２が配設されるとともに、前記高圧側気液分離器２２と低圧側気液分離器１４には、これらを連通して、前記高圧側気液分離器２２から前記低圧側気液分離器１４に水を戻す水配管２４が設けられる。水配管２４には、高圧側気液分離器２２から排出される水を減圧させる減圧水供給装置２６が配設される。水電解システム１０は、システム全体の制御を行うコントローラ２８を備える。

水電解装置１２は、複数の単位セル３０を積層する。単位セル３０は、図示しないが、電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとを備える。電解質膜・電極構造体は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面に設けられるアノード側給電体及びカソード側給電体とを備える。

単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、積層方向に一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。

単位セル３０の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔４２と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔４４と、反応により生成された水素及びアノード側から透過した透過水を流すための水素連通孔４６とが設けられる。

水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔４２に連通する循環配管５０を備え、この循環配管５０は、循環ポンプ５２及びイオン交換器５４を配置して低圧側気液分離器１４を構成するタンク部５６の底部に接続される。

タンク部５６の上部には、戻り配管５８の一端部が連通するとともに、前記戻り配管５８の他端は、水電解装置１２の排出連通孔４４に連通する。戻り配管５８の一端部は、タンク部５６内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。

タンク部５６には、水供給装置１８に接続された純水供給配管６０と、前記タンク部５６で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管６２とが連結される。タンク部５６内は、大気圧に開放される。

水電解装置１２の水素連通孔４６には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が高圧側気液分離器２２に接続される。高圧側気液分離器２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素としてドライ水素配管６４に排出される。このドライ水素配管６４には、水電解装置１２から生成される水素を高圧に維持するために、所定の設定圧力に設定された背圧弁８６が配設される。

高圧側気液分離器２２は、水を貯留するためのタンク部８８を備える。タンク部８８には、水配管２４の一端が接続されるとともに、前記水配管２４の他端が低圧側気液分離器１４を構成するタンク部５６の底部に接続される。

水配管２４の途上に配設される減圧水供給装置２６は、高圧側気液分離器２２から排出される高圧な水を、低圧側気液分離器１４と同一の圧力に減圧させるとともに、水電解装置１２における電解電流に基づいて算出された水分量と同量の前記水を排出する機能を有する。

第１の実施形態では、減圧水供給装置２６は、水透過性膜（水透過性部材）、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜９０を備える。固体高分子電解質膜９０は、高圧側セパレータ９２及び低圧側セパレータ９４により挟持されるとともに、前記高圧側セパレータ９２の内部には、水配管２４に連通する高圧室９６が設けられる。

低圧側セパレータ９４の内部には、固体高分子電解質膜９０を保持し且つ水を透過させるための多孔性部材９８が配設される。多孔性部材９８は、例えば、ＳＵＳ、チタン等の繊維粉末焼結体で構成される。

減圧水供給装置２６では、水電解装置１２からの水排出速度（製造水素と共にカソード側に透過する速度）と前記減圧水供給装置２６の水透過速度とが同一速度になるように、固体高分子電解質膜９０の面積が設定される。低圧側セパレータ９４は、水配管２４を介して低圧側気液分離器１４に連通する。

このように構成される水電解システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、低圧側気液分離器１４を構成するタンク部５６に供給される。

水循環装置１６では、循環ポンプ５２の作用下に、タンク部５６内の水が循環配管５０を介して水電解装置１２の水供給連通孔４２に供給される。一方、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。

このため、各単位セル３０では、純水が電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜（図示せず）を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が得られる。一方、アノード側には、酸素が生成されるとともに、未反応の水が存在する。

水素は、背圧弁８６を介して水供給連通孔４２よりも高圧に維持されており、水素連通孔４６を流れて水電解装置１２の外部に、例えば、燃料電池車両の燃料タンクに供給可能となる。

また、アノード側には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔４４に沿って水循環装置１６の戻り配管５８に排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部５６に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ５２を介して循環配管５０からイオン交換器５４を通って水供給連通孔４２に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管６２から外部に排出される。

水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管２０を介して高圧側気液分離器２２に送られる。この高圧側気液分離器２２では、水素に含まれる水蒸気（アノード側から透過した透過水）が、この水素から分離されてタンク部８８に貯留される一方、前記水素は、ドライ水素配管６４に導入される。

タンク部８８に貯留された水は、水配管２４に配置されている減圧水供給装置２６に排出される。減圧水供給装置２６では、上流側がタンク部８８の内圧（例えば、３５ＭＰａ）である高圧になる一方、下流側がタンク部５６の内圧（大気圧）である低圧になっている。

このため、高圧側セパレータ９２の内部に設けられた高圧室９６には、高圧な水が供給される。この高圧な水は、固体高分子電解質膜９０を透過して減圧され、低圧側セパレータ９４の内部に配設された多孔性部材９８を透過して水配管２４に送られる。

この場合、第１の実施形態では、減圧水供給装置２６は、高圧側気液分離器２２から排出される高圧な水を、低圧側気液分離器１４と同一の圧力に減圧させるとともに、水電解装置１２における電解電流に基づいて算出された水分量と同量の前記水を排出する機能を有している。具体的には、水電解装置１２からの水排出速度と減圧水供給装置２６の水透過速度とが同一速度になるように、固体高分子電解質膜９０の透過面積が設定されている。

従って、高圧側気液分離器２２に貯留された水は、減圧水供給装置２６により減圧されるとともに、水配管２４を介して低圧側気液分離器１４に供給されている。この低圧側気液分離器１４では、気液分離された水及び高圧側気液分離器２２から供給された水を、水電解装置１２に循環供給している。

これにより、高圧側気液分離器２２のタンク部８８に貯留された水は、無駄に排出されることがなく、前記水を水電解処理に効率的に循環供給することができる。このため、生成された高圧水素に含まれる水を良好に除去するとともに、前記水を無駄なく経済的に使用することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第１の実施形態では、水電解装置１２からの水排出速度と減圧水供給装置２６の水透過速度とが同一になるように設定されている。従って、水電解システム１０の定常運転時において、タンク部８８内の水位ＷＳは、一定の位置に維持することができる（図２参照）。

これにより、タンク部８８から低圧側気液分離器１４に排出される水の量を調整する必要がなく、例えば、水圧を調整するための調圧機構や水透過速度を調整するための速度調整機構等が不要になるという利点がある。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水電解システム１００では、高圧側気液分離器２２のタンク部８８に水位センサ１０２が配設される。この水位センサ１０２は、タンク部８８に貯留される水の高さ（水位ＷＳ）を検出することにより、排水を行うための最上水位Ｈｈと、前記排水を停止するための最低水位Ｈｌとを検出する。

水配管２４には、減圧水供給装置２６の下流に位置して電磁弁（開閉弁）１０４が配設される。電磁弁１０４は、水位センサ１０２からの信号によりコントローラ２８を介して開閉制御される。

この場合、水電解装置１２による水素製造量及び水素圧力が可変であり、前記水電解装置１２から排出される水排出速度が変化する。そこで、減圧水供給装置２６では、前記減圧水供給装置２６の水透過速度が、水電解装置１２からの水排出速度の最大値よりも常に大きくなるように、固体高分子電解質膜９０の透過面積が設定される。

このように構成される第２の実施形態では、水電解装置１２による水電解処理が開始される際、電磁弁１０４が閉塞されており、前記水電解装置１２から排出される水は、高圧側気液分離器２２のタンク部８８に貯留されている。タンク部８８内の水位ＷＳは、水位センサ１０２により検出されており、コントローラ２８には、前記水位センサ１０２からの信号が送られる。

次いで、タンク部８８内の水位ＷＳが、最上水位Ｈｈになったことが検出されると、コントローラ２８により電磁弁１０４が開放される。このため、タンク部８８内の水は、減圧水供給装置２６を介して減圧された後、電磁弁１０４を通って低圧側気液分離器１４に排出される。

その際、減圧水供給装置２６の水透過速度は、水電解装置１２からの水排出速度の最大値よりも常に大きくなるように設定されている。従って、タンク部８８では、水電解装置１２から排出される水量よりも、水配管２４を介して低圧側気液分離器１４に供給される水量が多くなる。

これにより、タンク部８８内の水位ＷＳが低くなって、最低水位Ｈｌになったことが検出されると、電磁弁１０４が閉塞される。このため、タンク部８８内の水位ＷＳは、図４に示すように、変化する。

このように、第２の実施形態では、水電解装置１２による水素製造量及び水素圧力が可変である場合にも、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、減圧水供給装置２６は、水を減圧して透過させるために固体高分子電解質膜９０を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、固体高分子電解質膜９０に代えて、多孔質セラミックス製や多孔質金属製の単一の水透過性部材を採用してもよい。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１１０の概略構成説明図である。

水電解システム１１０は、水配管２４に配設される減圧水供給装置１１２を備える。この減圧水供給装置１１２は、高圧側気液分離器２２から低圧側気液分離器１４に向かって、すなわち、排水流れ方向に向かって順次配設される減圧弁１１４と流量調整弁１１６とを備える。

この場合、第３の実施形態では、減圧水供給装置１１２は、高圧側気液分離器２２から排出される高圧な水を、低圧側気液分離器１４と同一の圧力に減圧させるとともに、水電解装置１２における電解電流に基づいて算出された水分量と同量の前記水を排出する機能を有している。具体的には、減圧弁１１４及び流量調整弁１１６を介して水の圧力及び水の流量が制御されることにより、水電解装置１２からの水排出速度と減圧水供給装置１１２からの水排出速度とが、同一速度に制御される。

このように構成される第３の実施形態では、高圧側気液分離器２２によって分離された水は、減圧水供給装置１１２を構成する減圧弁１１４及び流量調整弁１１６により、圧力及び流量が制御されて低圧側気液分離器１４に供給される。このため、タンク部８８内の水位ＷＳは、常時一定に維持されるとともに、高圧側気液分離器２２のタンク部８８に貯留された水は、無駄に排出されることがなく、前記水を水電解処理に循環供給することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る水電解システム１２０の概略構成説明図である。

水電解システム１２０は、水配管２４に配設される減圧水供給装置１２２を備える。この減圧水供給装置１２２は、高圧側気液分離器２２から低圧側気液分離器１４に向かって、すなわち、排水流れ方向に向かって順次配設される減圧弁１１４と流量調整弁１１６と電磁弁１０４とを備える。高圧側気液分離器２２のタンク部８８には、水位センサ１０２が配設される。

この場合、水電解装置１２による水素製造量及び水素圧力が可変であり、前記水電解装置１２から排出される水排出速度が変化する。

そこで、減圧水供給装置１２２では、前記減圧水供給装置１２２の水透過速度が、水電解装置１２からの水排出速度の最大値よりも常に大きくなるように、設定される。具体的には、減圧弁１１４及び流量調整弁１１６を介して水の圧力及び水の流量が制御されることにより、減圧水供給装置１２２からの水排出速度は、水電解装置１２からの水排出速度の最大値よりも常に大きくなるように制御される。

また、タンク部８８内の水位ＷＳが、最上水位Ｈｈになったことが検出されると、コントローラ２８により電磁弁１０４が開放される一方、タンク部８８内の水位ＷＳが低くなって、最低水位Ｈｌになったことが検出されると、電磁弁１０４が閉塞される。

これにより、第４の実施形態では、実質的に、第２の実施形態と第３の実施形態とを合わせた構成を有しており、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１１０、１２０…水電解システム
１２…水電解装置 １４…低圧側気液分離器
１６…水循環装置 １８…水供給装置
２０…高圧水素配管 ２２…高圧側気液分離器
２４…水配管
２６、１１２、１２２…減圧水供給装置 ２８…コントローラ
３０…単位セル ４２…水供給連通孔
４４…排出連通孔 ４６…水素連通孔
５０…循環配管 ５６、８８…タンク部
５８…戻り配管 ６０…純水供給配管
６２…酸素排気配管 ６４…ドライ水素配管
８６…背圧弁 ９０…固体高分子電解質膜
９２…高圧側セパレータ ９４…低圧側セパレータ
９６…高圧室 ９８…多孔性部材
１０２…水位センサ １０４…電磁弁
１１４…減圧弁 １１６…流量調整弁

Claims (6)

1. 水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置のアノード側から排出される前記酸素及び前記水が導入されて気液分離されるとともに、分離された前記水を前記水電解装置に循環供給する低圧側気液分離器と、
   前記水電解装置のカソード側から排出される前記高圧水素及び前記アノード側から透過した透過水が導入されて気液分離される高圧側気液分離器と、
   を備える水電解システムであって、
   前記高圧側気液分離器と前記低圧側気液分離器とを連通し、該高圧側気液分離器から該低圧側気液分離器に前記水を戻す水配管を備えるとともに、
   前記水配管には、前記高圧側気液分離器から排出される前記水を減圧させる減圧水供給装置が配設され、
   前記減圧水供給装置は、前記水電解装置における電解電流に基づいて算出された該水電解装置からの排出水分量と同量の前記水を排出することを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記減圧水供給装置は、前記高圧側気液分離器から排出される高圧な前記水を、前記低圧側気液分離器と同一の圧力に減圧させることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記高圧側気液分離器は、水位センサを有するとともに、
   前記水配管には、前記水位センサからの信号により開閉する開閉弁が設けられることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記減圧水供給装置は、前記水を減圧して透過させる水透過性部材を備えることを特徴とする水電解システム。
5. 請求項４記載の水電解システムにおいて、前記減圧水供給装置は、前記水透過性部材である水透過性膜と、
   前記水透過性膜を挟持する高圧側セパレータ及び低圧側セパレータと、
   前記低圧側セパレータの内部に配置される多孔性部材と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
6. 水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置のアノード側から排出される前記酸素及び前記水が導入されて気液分離されるとともに、分離された前記水を前記水電解装置に循環供給する低圧側気液分離器と、
   前記水電解装置のカソード側から排出される前記高圧水素及び前記アノード側から透過した透過水が導入されて気液分離される高圧側気液分離器と、
   を備える水電解システムであって、
   前記高圧側気液分離器と前記低圧側気液分離器とを連通し、該高圧側気液分離器から該低圧側気液分離器に前記水を戻す水配管を備えるとともに、
   前記水配管には、前記高圧側気液分離器から排出される前記水を減圧させる減圧水供給装置が配設され、
   前記減圧水供給装置は、前記水を減圧して透過させる水透過性部材を備えることを特徴とする水電解システム。

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