(57)【要約】【課題】水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環供給経路へ流入すること簡素な構成で防ぐ。【解決手段】水の電気分解により水素ガスを生成する水電解装置１と、水電解装置１から排出された水素ガスを水素と水とに分離する第１気液分離器３と、第１気液分離器３から排出された水素を利用する水素利用装置４と、水素利用装置４から排出された水と第１気液分離器３から排出された水とを貯蔵する第２気液分離器５と、第２排水経路１１に介装された減圧器１２と、第２気液分離器５の内部を大気開放する排気経路１０と、第２気液分離器５から排出された水を貯蔵し、貯蔵された水を水電解装置１に供給する水タンク２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、
第１水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第１気液分離器と、
第２水素経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、
第１排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第２排水経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第２気液分離器と、
前記第２排水経路に介装され、前記第２排水経路を通って前記第２気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、
前記第２気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、
第３排水経路で接続された前記第２気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える、
水素エネルギーシステム。
【請求項２】
前記第２気液分離器は、前記第１排水経路を介して前記水素利用装置から排出された排気ガスを気体と水とに分離し、
前記第２気液分離器に接続された前記排気経路を介して、前記第２気液分離器で分離された気体を排気する、
請求項１記載の水素エネルギーシステム。
【請求項３】
前記第１排水経路に接続された前記排気経路を介して、前記水素利用装置から排出された排気ガスに含まれる気体を排出する、
請求項１記載の水素エネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素を生成、利用する水素エネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーを用い水素を生成し、その水素を発電や熱に利用する発電システムが注目されている。
【０００３】
水素の生成には、水の電気分解を利用した水電解装置が用いられる。また、発電や熱による水素の利用は、水素ガスタービン、水素燃料電池、または、水素ガス燃焼器などを使用して行われる。
【０００４】
水素は、水電解装置により生成、昇圧され、利用する機器に供給される。また、水電解により生成された水素は、水分を含むため気液分離器を使用してガス成分の水素と水とに分離される。分離された水は、適宜、装置の排水もしくは水電解に再利用される。
【０００５】
例えば特許文献１では、水素製造装置に水を供給する水供給ラインに気液分離器で分離した水を戻し、水と共に溶存した水素を利用する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−５３３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された従来装置では、排水経路に配置された減圧器が故障した場合、排水経路の圧力損失のバランスが崩れ、水だけでなく水素が水供給経路さらには酸素過多のアノードに流入することになる。当該従来装置では、これを防ぐためには減圧器及び閉止弁を複数配置する必要があり構成が複雑になる。
【０００８】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みて創案されたものであり、水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環経路へ流入すること簡素な構成により防ぐことのできる水素エネルギーシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、第１水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第１気液分離器と、第２水素経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、第１排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第２排水経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第２気液分離器と、前記第２排水経路に介装され、前記第２排水経路を通って前記第２気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、前記第２気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、第３排水経路で接続された前記第２気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環経路へ流入すること簡素な構成により防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図
【図２】第２実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図
【図３】第１実施形態の水素エネルギーシステムの変形例１の構成を示す図
【図４】第１実施形態の水素エネルギーシステムの変形例２の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明の基礎となる知見）
水電解装置および水素利用装置を備え、気液分離器で分離した水を水電解に再利用する水素エネルギーシステムについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００１３】
従来例では、水電解システムにおいて気液分離器で分離した水を水電解に再利用する場合、排水経路は閉回路となり、減圧器が故障すると排水経路の圧力損失バランスが崩れ水だけでなく水素が水循環経路に流入することとなる。
【００１４】
そこで、本開示の第１の態様の水素エネルギーシステムは、このような知見に基づいて案出されたものであり、水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、第１水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第１気液分離器と、第２水素経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、第１排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第２排水経路で接続された前記第１気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第２気液分離器と、前記第２排水経路に介装され、前記第２排水経路を通って前記第２気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、前記第２気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、第３排水経路で接続された前記第２気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える。
【００１５】
かかる構成によると、第１気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第２排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第２排水経路から流出する水素は、第２排水経路、第２気液分離器の順に水素利用装置側へ流れ排出されるため、新たに第２排水経路あるいは第３排水経路に減圧弁や閉止弁などを配置することなく、水電解装置の水循環経路への水素流通を防止できる。
【００１６】
本開示の第２の態様の水素エネルギーシステムは、前記第２気液分離器は、前記第１排水経路を介して前記水素利用装置から排出された排気ガスを気体と水とに分離し、前記第２気液分離器に接続された前記排気経路を介して、前記第２気液分離器で分離された気体を排気する。
【００１７】
かかる構成によると、第１気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第２排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第２排水経路から流出する水素は、第２排水経路、第２気液分離器の順に流れ、水素は水素利用装置の排ガス（酸素濃度が非常に低いガス）で希釈されて排出される。
【００１８】
本開示の第３の態様の水素エネルギーシステムは、前記第１排水経路に接続された前記排気経路を介して、前記水素利用装置から排出された排気ガスに含まれる気体を排出する。
【００１９】
かかる構成によると、第２の態様と同様に、第１気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第２排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第２排水経路から流出する水素は、第２排水経路、第２気液分離器、第１排水経路の順に流れ、水素は水素利用装置の排ガス（酸素濃度が非常に低いガス）で希釈されて排出される。
【００２０】
（実施の形態）
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。
【００２１】
よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置ならびに接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、本発明は上記の各態様に限定されるものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明が省略される場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００２２】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図である。
【００２３】
図１に本実施形態の水素エネルギーシステム１００は、水電解装置１と、水タンク２と、第１気液分離器３と、水素利用装置４と、第２気液分離器５と、水循環経路６と、第１水素経路７と、第２水素経路８と、第１排水経路９と、排気経路１０と、第２排水経路１１と、減圧器１２と、第３排水経路１３とを備える。
【００２４】
水電解装置１は、水を電気分解してアノードで酸素をカソードで水素を生成する。
【００２５】
水タンク２は、水電解装置１用の水を貯蔵する。
【００２６】
第１気液分離器３は、水電解装置で生成した水素と水を分離する。
【００２７】
水素利用装置４は、第１気液分離器３で分離した水素を利用する。
【００２８】
第２気液分離器５は、水素利用装置４から生じる排ガスを気液分離する。
【００２９】
水循環経路６は、水タンク２と水電解装置１のアソードを繋ぎ、水循環経路６を水が循環する。
【００３０】
第１水素経路７は、水電解装置１のカソードと第１気液分離器３とを繋ぐ。
【００３１】
第２水素経路８は、第１気液分離器３と水素利用装置４とを繋ぐ。
【００３２】
第１排水経路９は、水素利用装置４と第２気液分離器５とを繋ぐ。
【００３３】
排気経路１０は、第２気液分離器５に連結し、水素利用装置４からの排ガスを排気する。
【００３４】
第２排水経路１１は、第１気液分離器３と第２気液分離器５を繋ぐ。
【００３５】
減圧器１２は、第２排水経路１１中に配置される。
【００３６】
第３排水経路１３は、第２気液分離器５と水タンク２を繋ぐ。
【００３７】
水電解装置１について更に説明する。水電解装置１は、例えば、電解質をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟み、流路を持つカーボン材料あるいはステンレスやチタンなどの金属材料を加工したセパレータからなるセル積層体とを備える。なお、アノードおよびカソード（電極）は、例えば、白金などの貴金属触媒により構成されているが、これに限定されない。
【００３８】
水タンク２について更に説明すると、水タンク２は、水電解装置１に供給する水を貯める容器である。水タンク２は、水循環供給口と水循環戻口（図示せず）とを備え、水循環経路６を介して水電解装置１と連結している。ここでは図示していないが水タンク２から水電解装置１のアノードへ回転式のポンプなどにより水が供給される。また、水タンク２は、第２気液分離器５と第３排水経路１３を介して連結している。第３排水経路１３は、ここには図示していないが開閉弁を備えていても良い。
【００３９】
第１気液分離器３について更に説明する。第１気液分離器３は、水電解装置１で生成した水素ガス（水素＋水）を取り入れ、この水素ガスを水素と水とに分離し、これらの内の水を貯める容器である。第１気液分離器３は、水電解装置１のカソード出口と第１水素経路７を介して連結されている。
【００４０】
水素利用装置４について更に説明すると、水素利用装置４は、水素を反応させ電気あるいは熱を取り出す機器である。水素利用装置４は、例えば水素ガスタービン、水素燃料電池あるいは水素ガス燃焼器であってもよいがこれに限定されない。第１気液分離器３から水素利用装置４に供給される水素の圧力は、たとえば、水素利用装置４のタイプが高圧タイプの場合は３０MPa〜４０MPa、水素利用装置４のタイプが低圧タイプの場合は０．６MPa〜１MPaである。水素利用装置４は第１気液分離器３と第２水素経路８を介して連結されている。ここでは図示していないが第２水素経路８に水素タンクあるいは水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を備えてもかまわない。水素利用装置４は、水電解装置１で生成した水素と、外部から供給される空気とを反応させて電気あるいは熱を取り出し外部へエネルギーとして供給する。水素利用装置４からは窒素、酸素または水素などの気体と、水分とを含んだ排ガスが排出される。
【００４１】
第２気液分離器５について更に説明する。第２気液分離器５は、水素利用装置４から排出される水分を含む排ガスを取り入れ、排ガスと水に分離し、分離された水を貯める容器である。第２気液分離器５は、水素利用装置４と第１排水経路９を介して連結されている。また、第２気液分離器５の上方の気層部に排気経路１０が接続されている。排気経路１０を通じて、水素利用装置４の排ガスが水素エネルギーシステム１００の外部へ排出される。
【００４２】
第２排水経路１１について更に説明すると、第２排水経路１１は、第１気液分離器３と第２気液分離器５とを連結し、その経路中に減圧器１２を備える。
【００４３】
減圧器１２について更に説明する。減圧器１２は、第２排水経路１１にかかる圧力を減圧（例えば大気圧まで減圧）し、第１気液分離器３から第２気液分離器５に流入する水量を調整できる機器であればよい。したがって、減圧器１２は、例えば、減圧弁、オリフィス、キャピラリー配管などであっても良く、これらと開閉弁とを組み合わせたものでもよい。
【００４４】
以上により、減圧器１２が故障し、第２排水経路１１の圧損バランスが崩れ、第１気液分離器３から水素が第２排水経路１１を介して流通してきても、第２気液分離器５を介して排気経路１０から水素は外部に排出される。このため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要なく、水素エネルギーシステムを簡素な構成とすることができる。さらに第２気液分離器５を介し、排気経路１０を通過することで、第２気液分離器５の上層のガスであって燃焼又は発電により酸素が消費されて酸素濃度の非常に低いガスで希釈排気することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
［装置構成］
図２は、第２実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図である。
【００４６】
図２に示す水素エネルギーシステム１００Ａは、水電解装置１と、水タンク２と、第１気液分離器３と、水素利用装置４と、第２気液分離器５と、水循環経路６と、第１水素経路７と、第２水素経路８と、第１排水経路９と、排気経路１０と、第１気液分離器３と第２気液分離器５を繋ぐ第２排水経路１１と、減圧器１２と、第３排水経路１３とを備える。
【００４７】
排気経路１０は、第１排水経路９に連結され、水素利用装置４からの排ガスを排気する。この他の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４８】
このように、第２実施形態の水素エネルギーシステム１００Ａは、第１実施形態の水素エネルギーシステム１００に対して、排気経路１０が、第２気液分離器５ではなく第１排水経路９に連結される構成である。
【００４９】
したがって、第１実施形態同様、減圧器１２が故障し、第２排水経路１１の圧損バランスが崩れ、第１気液分離器３から水素が第２排水経路１１を介して流通してきても第２気液分離器５、第１排水経路９、排気経路１０を通じて水素は外部に排出されるため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要はない。したがって、第１実施形態同様に、水素エネルギーシステム１００を簡素な構成とすることができる。さらに、水素を、第２気液分離器５及び排気経路１０を通過させることで、酸素濃度の非常に低いガスで希釈して排気することができる。
【００５０】
（変形例１）
［装置構成］
図３は、第１実施形態の水素エネルギーシステムの変形例１の一例の構成を示す図である。
【００５１】
第１実施形態の変形例１の水素エネルギーシステム１００Ｂは、第１実施形態の水素エネルギーシステム１００に内部換気用の換気器１４を排気経路１０の出口近辺に追加した構成である。その他の構成は、第１実施形態の水素エネルギーシステム１００の構成と同じなので説明を省略する。
【００５２】
換気器１４は、水素エネルギーシステム１００Ｂの内部を換気することができる機器であれば良く、例えば軸流ファンで構成されても良いがこれに限定されない。
【００５３】
このような構成により、減圧器１２が故障し、第２排水経路１１の圧損バランスが崩れ、第１気液分離器３から水素が第２排水経路１１を介して流通してきても、この水素を、第２気液分離器５及び排気経路１０を通じてすでに酸素濃度の低い排ガスで希釈することができる。そして、この希釈された水素を、換気器１４を作動させることで、より低濃度にして水素エネルギーシステム１００Ｂの外部へ排出することができる。
【００５４】
（変形例２）
［装置構成］
図４は、第１実施形態の水素エネルギーシステムの変形例２の構成を示す図である。
【００５５】
第１実施形態の変形例２の水素エネルギーシステム１００Ｃは、第１実施形態の水素エネルギーシステム１００に対し、水素を利用する水素利用装置４が燃料電池であり、水素排出経路１５と、水素循環経路１６と、パージ弁１７とが追加された構成である。
【００５６】
水素循環経路１５は、水素利用装置４と第２気液分離器５とを繋ぐ。
【００５７】
水素循環経路１６は、第２水素経路８と水素排出経路１５を繋ぐ。
【００５８】
パージ弁１７は水素排出経路１５の経路中に配置される。
【００５９】
水素利用装置４である燃料電池について更に説明する。燃料電池は、水素ガスおよび酸化剤ガス（例えば空気）を用いて発電する。具体的には、燃料電池は、水素と酸素とを電気化学反応させて発電を行う。例えば、電解質をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＡＥを挟み、流路を持つカーボン材料あるいはステンレスやチタンなどの金属材料を加工したセパレータからなるセル積層体とを備える。なお、アノードおよびカソード（電極）は、例えば、白金などの貴金属触媒により構成されているが、これに限定されない。
【００６０】
水素排出経路１５について更に説明すると、水素排出経路１５は燃料電池で消費されなかった水素を排出する経路である。
【００６１】
水素循環経路１６について更に説明する。水素循環経路１６は、水素排出経路１５と第２水素経路８とを連結し、燃料電池から排出された水素を再度燃料電池で利用するための経路である。水素循環経路１６には昇圧ポンプ（例えば、ダイアフラム式ポンプ）を備えても良い。水素循環経路１６を備えることで水素利用装置４である燃料電池の水素利用効率を向上することができる。
【００６２】
パージ弁１７は、水素排出経路１５を流れる水素の流通、遮断ができる開閉弁であれば良い。例えば直動式の電磁弁であっても良い。パージ弁１７の開動作により、水素再利用の閉回路構成（パージ弁１７を閉じたときの回路構成）において生じる水素濃度低下を解消することができる。
【００６３】
このように、水素利用装置４が燃料電池となり、水素利用装置４からの排出経路が複数となった場合においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、減圧器１２が故障し、第２排水経路１１の圧損バランスが崩れ、第１気液分離器３から水素が第２排水経路１１を介して流通してきても、第２気液分離器５を介し、排気経路１０を通じて水素は外部に排出される。このたため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要なく、水素エネルギーシステム１００Ｃを簡素な構成とすることができる。
【００６４】
第１実施形態、第２実施形態、変形例１及び変形例２の水素エネルギーシステム１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃは、矛盾を生じない限り、互いに組み合わせても構わない。
【００６５】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水電解装置と水電解装置で生成した水を利用する水素利用装置とを備え、気液分離器により分離された水を水電解に再利用する水素エネルギーシステムに利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１  水電解装置
２  水タンク
３  第１気液分離器
４  水素利用装置
５  第２気液分離器
６  水循環経路
７  第１水素経路
８  第２水素経路
９  第１排水経路
１０  排気経路
１１  第２排水経路
１２  減圧器
１３  第３排水経路
１４  換気器
１５  水素排出経路
１６  水素循環経路
１７  パージ弁
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  水素エネルギーシステム
【図１】
2020149815.tif 000003
【図２】
2020149815.tif 000004
【図３】
2020149815.tif 000005
【図４】
2020149815.tif 000006