(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的に構成することができ、しかも低温部品を高温から保護するとともに、排熱の有効利用を図ることを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１２と、前記水を前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１４と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び高圧水素を、前記水循環装置１４内の水から分離する気液分離装置１６と、前記気液分離装置１６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１４と、前記気液分離装置１６に希釈用エアを供給するエア供給装置９０とを備え、これらが筐体２２に収容される。エア供給装置９０は、水電解装置１２で発生する熱を回収する熱回収機能と、前記熱を希釈用エアに伴って気液分離装置１６に供給する送風機能とを兼用する単一のエアブロア９２を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
前記水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、
前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置と、
を筐体内に収容する水電解システムであって、
前記筐体内には、前記気液分離装置に希釈用エアを供給するエア供給装置が設けられるとともに、
前記エア供給装置は、前記水電解システムの運転時に比較的高温となる高温部品で発生する熱を回収する熱回収機能と、前記熱を前記希釈用エアに伴って前記気液分離装置に供給する送風機能とを兼用する単一の送風設備を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記高温部品は、前記水電解装置であり、
前記水電解装置の上方には、集熱板が配設されるとともに、
前記集熱板の上方には、前記送風設備が配設されることを特徴とする水電解システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記筐体には、外部のエアを導入するための外気導入口が形成され、
比較的低温となる低温部品は、前記高温部品よりも前記外気導入口に近接して配置されることを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
請求項３記載の水電解システムにおいて、前記筐体内には、仕切り板により囲繞され、前記低温部品が収容される低温室が形成されるとともに、
前記低温室には、前記外気導入口が開放されることを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記送風設備は、エアブロアであることを特徴とする水電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置と、水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。
【０００３】
一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素イオン（プロトン）と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水素製造システムが知られている。この水素製造システムは、図３に示すように、ケーシング１を備え、このケーシング１内は、壁１ａによりゾーンＡとゾーンＢとに分割されている。ゾーンＡには、電力供給部２、熱交換器３、ファン４及びブロア５等が収容されるとともに、ゾーンＢには、セルスタック６、水素乾燥機７等が収容されている。
【０００６】
そこで、ファン４が駆動されることにより、熱交換器３及び電力供給部２が冷却されるとともに、ゾーンＡ内が正圧に保持されている。さらに、ブロア５が駆動されることにより、ゾーンＡからゾーンＢには、昇温されたクリーンエアが導入されるとともに、前記ゾーンＢ内は、外部からの空気の導入を阻止する圧力状態に維持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５９８０７２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の水素製造システムでは、ゾーンＡ内の冷却を行うためにファン４により冷却風が前記ゾーンＡ内に導入されるとともに、このゾーンＡからゾーンＢに空気を供給するために、ブロア５が用いられている。従って、設備が複雑化し、経済的ではないという問題がある。しかも、ケーシング１内に発生する熱を効率よく回収することができず、排熱の有効的な利用が望まれている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に構成することができ、しかも低温部品を高温から保護するとともに、排熱の有効利用を図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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを筐体内に収容する水電解システムに関するものである。
【００１１】
この水電解システムは、筐体内には、気液分離装置に希釈用エアを供給するエア供給装置が設けられるとともに、前記エア供給装置は、前記水電解システムの運転時に比較的高温となる高温部品で発生する熱を回収する熱回収機能と、前記熱を前記希釈用エアに伴って気液分離装置に供給する送風機能とを兼用する単一の送風設備を備えている。
【００１２】
また、この水電解システムは、高温部品が水電解装置であり、前記水電解装置の上方には、集熱板が配設されるとともに、前記集熱板の上方には、送風設備が配設されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この水電解システムは、筐体には、外部のエアを導入するための外気導入口が形成され、比較的低温となる低温部品は、高温部品よりも前記外気導入口に近接して配置されることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この水電解システムは、筐体内には、仕切り板により囲繞され、低温部品が収容される低温室が形成されるとともに、前記低温室には、外気導入口が開放されることが好ましい。
【００１５】
また、この水電解システムは、送風設備がエアブロアであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単一の送風設備が、水電解システムの運転時に比較的高温となる高温部品で発生する熱を回収する熱回収機能と、前記熱を希釈用エアに伴って気液分離装置に供給する送風機能とを兼用している。このため、熱回収用設備と送風用設備とを個別に備える構成に比べ、簡単且つ経済的に構成することができるとともに、低温部品を高温から有効に保護することが可能になる。
【００１７】
しかも、高温部品から回収された熱により、気液分離装置内の水を保温することができる。従って、水循環装置を介して気液分離装置から水電解装置に比較的高温の水が供給されるため、前記水電解装置による水電解効率の低下が可及的に阻止される。これにより、排熱の有効利用を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】特許文献１に開示された水素製造システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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（常圧よりも高圧な水素）を製造する水電解装置１２と、前記水を前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１４と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び水素（ガス成分）を、前記水循環装置１４内の水から分離し、前記水を貯留する気液分離装置１６と、前記気液分離装置１６に市水から生成された純水を供給する水供給装置（純水製造装置）１８と、コントローラ２０とを備え、これらが筐体２２内に収容される。水電解装置１２は、最も発熱量の大きな高温部品である一方、例えば、コントローラ２０は、耐熱温度の低い低温部品である。
【００２０】
水電解装置１２は、複数の単位セル２４を積層して構成される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２１】
ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電源３８のマイナス極に接続される。
【００２２】
単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。
【００２３】
電解質膜・電極構造体４２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４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。
【００２４】
固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２５】
アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。
【００２６】
単位セル２４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５６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５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。
【００２７】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水供給連通孔５６に連通する第１流路６４が設けられる。この第１流路６４は、アノード側給電体５０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。
【００２８】
カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水素連通孔６０に連通する第２流路６８が形成される。この第２流路６８は、カソード側給電体５２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。
【００２９】
水循環装置１４は、水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置して気液分離装置１６を構成するタンク部７８の底部に接続される。タンク部７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端部は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。
【００３０】
タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８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８６とが連結される。
【００３１】
水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の他端は、図示しない高圧水素供給部（燃料タンク等）に接続される。
【００３２】
水電解システム１０は、気液分離装置１６に希釈用エアを供給するエア供給装置９０を備える。エア供給装置９０は、エアブロア（送風設備）９２を備えるとともに、前記エアブロア９２は、水電解装置１２の上方に集熱板９４を介装して配置される。集熱板９４は、略円錐状を有し、上方に向かって縮径するとともに、上端部に孔部９６が設けられる。
【００３３】
集熱板９４は、水電解装置１２の直上に配置される一方、孔部９６の上方には、エアブロア９２の吸入口９８が対向する。エアブロア９２の吐出口１００には、配管１０２の一端が接続されるとともに、前記配管１０２の他端は、気液分離装置１６を構成するタンク部７８の上部側に接続される。
【００３４】
コントローラ２０には、リレー１０４等の各種デバイスが接続される。筐体２２には、コントローラ２０及びリレー１０４の近傍に位置し、外部のエアを導入するための外気導入口１０６が形成される。
【００３５】
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。
【００３６】
先ず、水電解システム１０の運転が開始されると、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、気液分離装置１６を構成するタンク部７８に供給される。一方、水循環装置１４では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７２を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。また、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。
【００３７】
このため、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで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４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００３８】
これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて水電解装置１２の外部に高圧水素配管８８を介して取り出し可能となる。
【００３９】
一方、第１流路６４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５８に沿って水循環装置１４の戻り配管８０に排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。
【００４０】
上記の運転時には、筐体２２の内部では、水電解装置１２が最も発熱しており（高温部品）、この筐体２２の内部温度を上昇させる熱源となっている。一方、筐体２２の内部には、使用上限温度の低い部品（低温部品）であるコントローラ２０等が配置されている。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、高温部品である水電解装置１２の上方に、集熱板９４が配置されるとともに、この集熱板９４の上方に、エア供給装置９０を構成するエアブロア９２が配置されている。エアブロア９２は、吸入口９８を下方に向けて、すなわち、集熱板９４の孔部９６に向けて配置されている。
【００４２】
従って、水電解装置１２から発生される熱は、上方に移動して集熱板９４により集熱された後、孔部９６からエアブロア９２の吸入口９８に吸入される。エアブロア９２の吐出口１００に一端が接続される配管１０２は、気液分離装置１６を構成するタンク部７８に他端が接続されている。このため、吸入口９８から吸入された比較的高温のエアは、タンク部７８に希釈用エアとして供給されている。
【００４３】
一方、エアブロア９２によりエアの吸引が行われると、筐体２２に形成されている外気導入口１０６から外気が導入されている。これにより、先ず、低温部品であるコントローラ２０が、導入直後の冷気によって冷却された後、水電解装置１２の冷却が行われている。
【００４４】
このように、第１の実施形態では、単一の送風設備であるエアブロア９２が、水電解システム１０の運転時に、比較的高温となる水電解装置１２で発生する熱を回収する熱回収機能と、前記熱を希釈エアに伴って気液分離装置１６に供給する送風機能とを兼用している。従って、熱回収用設備及び送風用設備、すなわち、熱回収用ファン及び送風用ブロアを個別に備える構成に比べ、水電解システム１０全体を、簡単且つ経済的に構成することができるとともに、低温部品であるコントローラ２０等を、高温から確実に保護することが可能になるという効果を得られる。
【００４５】
しかも、水電解装置１２から回収された熱により、気液分離装置１６内の水を保温することができる。このため、気液分離装置１６から水電解装置１２には、水循環装置１４を介して比較的高温の水が供給されるため、前記水電解装置１２による水電解効率の低下が可及的に阻止される。これにより、排熱の有効利用を図ることが可能になるという利点がある。
【００４６】
図２は、本発明の第２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。
【００４７】
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。
【００４８】
水電解システム１１０は、筐体１１２を備えるとともに、前記筐体１１２の内部には、仕切り板１１４により囲繞される低温室１１６が形成される。低温室１１６には、低温部品であるコントローラ２０等が収容されるとともに、前記低温室１１６は、外気導入口１０６が開放される。仕切り板１１４には、低温室１１６内を筐体１１２の内部（水電解装置１２等が収容される室内）に開放する開口部１１８が形成される。
【００４９】
このように構成される第２の実施形態では、エアブロア９２が駆動されると、筐体１１２の外気導入口１０６から低温室１１６に外気が導入される。このため、先ず、低温室１１６に配置されているコントローラ２０等が冷却された後、この低温室１１６内のエアが、開口部１１８から水電解装置１２側に導入される。
【００５０】
従って、高温部品である水電解装置１２が冷却されて昇温したエアは、集熱板９４で集熱された後、エアブロア９２に吸引される。これにより、エアブロア９２は、比較的高温のエアを気液分離装置１６のタンク部７８に希釈用エアとして供給することができ、簡単且つ経済的に構成することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５１】
１０、１１０…水電解システム        １２…水電解装置
１４…水循環装置                    １６…気液分離装置
１８…水供給装置                    ２０…コントローラ
２２、１１２…筐体                  ２４…単位セル
３８…電源                          ４２…電解質膜・電極構造体
４４…アノード側セパレータ          ４６…カソード側セパレータ
４８…固体高分子電解質膜            ５０…アノード側給電体
５２…カソード側給電体              ５６…水供給連通孔
５８…排出連通孔                    ６０…水素連通孔
６４、６８…流路                    ７２…循環配管
７４…循環ポンプ                    ７６…イオン交換器
７８…タンク部                      ８０…戻り配管
８４…純水供給配管                  ８６…酸素排気配管
８８…高圧水素配管                  ９０…エア供給装置
９２…エアブロア                    ９４…集熱板
９８…吸入口                        １００…吐出部
１０６…外気導入口                  １１４…仕切板
１１６…低温室                      １１８…開口部
【図１】
2011208259.tif 000003
【図２】
2011208259.tif 000004
【図３】
2011208259.tif 000005