(57)【要約】【課題】簡単な構成及び工程で、吸着装置の交換作業が迅速且つ良好に遂行され、効率的なメンテナンス作業を遂行することを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水電解装置１４と、生成された水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る水吸着装置２０と、前記水吸着装置２０に連通して前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置２４と、前記水吸着装置２０を交換するための第１及び第２分離部４２ａ、４２ｂと、前記ドライ水素供給路２２から分岐するパージガス供給路４６に設けられ、前記水吸着装置２０を交換する際に、貯留されている前記ドライ水素を新たな該水吸着装置２０にパージガスとして供給するパージ専用水素タンク４８と、前記水素導出路１６から分岐し、前記水吸着装置２０に供給されたパージガスを排出するパージ流路５２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】
水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを生成する高圧水電解装置と、
前記高圧水電解装置の水素出口に水素導出路を介して連通し、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る吸着装置と、
前記吸着装置のドライ水素出口にドライ水素供給路を介して連通し、前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置と、
を備える水電解システムであって、
前記吸着装置の上流及び下流に設けられ、前記吸着装置を水素ラインから取り外すための第１分離部及び第２分離部と、
前記ドライ水素供給装置の上流で前記ドライ水素供給路から分岐するパージガス供給路と、
前記パージガス供給路に設けられ、前記ドライ水素を貯留するとともに、前記吸着装置を交換する際に、貯留されている前記ドライ水素を新たな該吸着装置に前記ドライ水素出口側からパージガスとして供給するパージ専用水素タンクと、
前記水素導出路から分岐し、前記パージガスとして前記吸着装置に供給された前記ドライ水素を、前記水素導出路から排出するパージ流路と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを生成する高圧水電解装置と、
前記高圧水電解装置の水素出口に水素導出路を介して連通し、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る吸着装置と、
前記吸着装置のドライ水素出口にドライ水素供給路を介して連通し、前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置と、
前記吸着装置の上流及び下流に設けられ、前記吸着装置を水素ラインから取り外すための第１分離部及び第２分離部と、
前記ドライ水素供給装置の上流で前記ドライ水素供給路から分岐するパージガス供給路と、
前記パージガス供給路に設けられ、前記ドライ水素を貯留するとともに、前記吸着装置を交換する際に、貯留されている前記ドライ水素を新たな該吸着装置にドライ水素出口側からパージガスとして供給するパージ専用水素タンクと、
前記水素導出路から分岐し、前記パージガスとして前記吸着装置に供給された前記ドライ水素を、前記水素導出路から排出するパージ流路と、
を備える水電解システムの吸着装置交換方法であって、
使用後の前記吸着装置を前記水電解システムから取り外す一方、新たな吸着装置を前記水電解システムに接続する工程と、
前記パージ専用水素タンクに貯留されている前記ドライ水素を、新たな該吸着装置に前記ドライ水素出口側から前記パージガスとして供給するとともに、前記吸着装置の水素入口から導出された前記ドライ水素を、前記水素導出路から分岐する前記パージ流路に排出する工程と、
前記高圧水電解装置を運転させるとともに、前記吸着装置から導出される前記ドライ水素を、前記パージ専用水素タンクに充填する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの吸着装置交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の水素を生成する高圧水電解装置と、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る吸着装置と、前記吸着装置にドライ水素供給路を介して連通し、前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置とを備える水電解システム及びその吸着装置交換方法に関する。
【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、水分を含んだ水素を生成しており、乾燥状態の水素（以下、ドライ水素という）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている高圧水素製造装置は、図５に示すように、酸素高圧容器１、差圧調整装置２、水素高圧容器３、電解セル４、水分吸着筒５、背圧弁６、水素冷却器７及び脱酸素筒８を備えている。
【０００５】
酸素高圧容器１内の純水は、循環ポンプを介して電解セル４の陽極側に送られるとともに、電源から前記電解セル４に通電することによって、前記純水が電気分解されている。この電気分解により電解セル４に発生した酸素は、循環ポンプの循環水戻り純水とともに、酸素高圧容器１に送られている。
【０００６】
電解セル４の陰極に発生した水素は、透過水とともに、水素高圧容器３内に放出されている。その際、差圧調整装置２により酸素高圧容器１内の圧力と水素高圧容器３内の圧力が等しくなっている。
【０００７】
水素高圧容器３に貯留された水素は、脱酸素筒８を介して該水素中に含まれる酸素が除去された後、水素冷却器７で冷却されて露点温度以上の水分を結露させている。さらに、除湿された水素は、背圧弁６に連絡されている水分吸着筒５で水分が除去されることにより、製品水素（ドライ水素）が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１００２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の高圧水素製造装置では、水分吸着筒５に充填されている吸着剤が、水素に含有される水分を物理的に吸着する機能を有しているが、使用によって吸着力が低下する。従って、所望のドライ水素を確実に生成するために、定期的に、吸着剤を再生させる作業や、新たな吸着剤が充填された水分吸着筒５と交換する作業が必要となっている。
【００１０】
しかしながら、水分吸着筒５に充填されている吸着剤の再生処理には、相当な時間がかかってしまう。このため、再生処理の間、ドライ水素の供給が制限されるという問題がある。
【００１１】
一方、新たな水分吸着筒５と交換する際には、交換作業中に水素ラインに外気が混入するおそれがある。これにより、水分吸着筒５の交換作業後に、前記水分吸着筒５を含む水素ラインを水素によりパージする必要があり、通常、水素ボンベを別途準備しなければならない。従って、外部から水素ラインに水素ボンベを接続し、この水素ボンベ内の水素によるパージ処理を行った後、前記水素ボンベを前記水素ラインから取り外す作業が行われる。このため、パージ処理全体が煩雑で且つ時間のかかる作業になるという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、吸着装置の交換作業が迅速且つ良好に遂行され、効率的なメンテナンス作業を遂行することが可能な水電解システム及びその吸着装置交換方法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】
【００１３】
本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを生成する高圧水電解装置と、前記高圧水電解装置の水素出口に水素導出路を介して連通し、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る吸着装置と、前記吸着装置のドライ水素出口にドライ水素供給路を介して連通し、前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００１４】
この水電解システムは、吸着装置の上流及び下流に設けられ、前記吸着装置を水素ラインから取り外すための第１分離部及び第２分離部と、ドライ水素供給装置の上流で前記ドライ水素供給路から分岐するパージガス供給路と、前記パージガス供給路に設けられ、ドライ水素を貯留するとともに、前記吸着装置を交換する際に、貯留されている前記ドライ水素を新たな該吸着装置にドライ水素出口側からパージガスとして供給するパージ専用水素タンクと、水素導出路から分岐し、前記パージガスとして前記吸着装置に供給された前記ドライ水素を、前記水素導出路から排出するパージ流路とを備えている。
【００１５】
また、本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを生成する高圧水電解装置と、前記高圧水電解装置の水素出口に水素導出路を介して連通し、生成された前記水素に含まれる水分を吸着して除去しドライ水素を得る吸着装置と、前記吸着装置のドライ水素出口にドライ水素供給路を介して連通し、前記ドライ水素をシステム外部に供給するためのドライ水素供給装置と、前記吸着装置の上流及び下流に設けられ、前記吸着装置を水素ラインから取り外すための第１分離部及び第２分離部と、前記ドライ水素供給装置の上流で前記ドライ水素供給路から分岐するパージガス供給路と、前記パージガス供給路に設けられ、前記ドライ水素を貯留するとともに、前記吸着装置を交換する際に、貯留されている前記ドライ水素を新たな該吸着装置に前記ドライ水素出口側からパージガスとして供給するパージ専用水素タンクと、前記水素導出路から分岐し、前記パージガスとして前記吸着装置に供給された前記ドライ水素を、前記水素導出路から排出するパージ流路とを備える水電解システムの吸着装置交換方法に関するものである。
【００１６】
この吸着装置交換方法は、使用後の吸着装置を水電解システムから取り外す一方、新たな吸着装置を前記水電解システムに接続する工程と、パージ専用水素タンクに貯留されているドライ水素を、新たな該吸着装置にドライ水素出口側からパージガスとして供給するとともに、前記吸着装置の水素入口から導出された前記ドライ水素を、水素導出路から分岐する前記パージ流路に排出する工程と、高圧水電解装置を運転させるとともに、前記吸着装置から導出される前記ドライ水素を前記パージ専用水素タンクに充填する工程とを有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ドライ水素供給路から分岐するパージガス供給路に、パージ専用水素タンクが設けられている。このため、吸着装置を交換する際には、パージ専用水素タンクに貯留されているドライ水素を、パージガスとして使用することができる。このドライ水素は、ドライ水素出口側から吸着装置内に供給された後、水素導出路から分岐するパージ流路に排出される。
【００１８】
従って、パージ処理のために、別途水素ボンベを準備する必要がなく、前記水素ボンベの着脱作業が不要になる。これにより、簡単な構成及び工程で、吸着装置の交換作業が迅速且つ良好に遂行され、効率的なメンテナンス作業を遂行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】前記水電解システムの吸着装置交換方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記水電解システムにおけるパージ処理の説明図である。
【図４】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５】特許文献１に開示されている高圧水素製造装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって酸素と該酸素よりも高圧な水素を製造する水電解装置（高圧水電解装置）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される高圧な前記水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着装置（吸着装置）２０と、前記水吸着装置２０の下流にドライ水素供給路２２を介して連通し、前記水分が除去されたドライ水素をシステム部、例えば、後述する燃料電池車両５８等に供給するためのドライ水素供給装置２４と、システム全体の制御を行うコントローラ２５とを備える。
【００２１】
水電解装置１４は、複数の水分解セル２６を積層しており、前記水分解セル２６の積層方向両端には、エンドプレート２８ａ、２８ｂが配設される。水電解装置１４には、直流電源である電解電源３０が接続される。水電解装置１４の陽極（アノード）は、電解電源３０のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）は、前記電解電源３０のマイナス極に接続される。
【００２２】
エンドプレート２８ａには、配管３２ａが接続されるとともに、エンドプレート２８ｂには、配管３２ｂ、３２ｃが接続される。配管３２ａ、３２ｂは、循環路３４に配設される水ポンプ３６を介して純水供給装置１２から純水の循環が行われる。
【００２３】
水素排出口である配管３２ｃには、水素導出路１６が接続されるとともに、前記水素導出路１６は、逆止弁３８を介装して気液分離器１８に接続される。水素導出路１６には、気液分離器１８の下流に位置して圧力調整弁、例えば、背圧弁４０が配設される。この背圧弁４０は、気液分離器１８から排出される水素を、常圧よりも高圧（例えば、３５ＭＰａ）に維持する機能を有する。なお、背圧弁４０に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用してもよい。
【００２４】
水吸着装置２０は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、水分を外部に放出して再生される水分吸着材を充填した吸着塔（図示せず）を備える。水吸着装置２０の水素入口２０ａとドライ水素出口２０ｂとに近接して、水素導出路１６とドライ水素供給路２２とには、第１分離部４２ａと第２分離部４２ｂとが設けられる。第１及び第２分離部４２ａ、４２ｂを操作することにより、水吸着装置２０は、水電解システム１０の水素ライン（水素導出路１６及びドライ水素供給路２２を含むライン）から着脱されて交換自在となる。
【００２５】
水素導出路１６には、第１分離部４２ａの上流近傍に、第１バルブ（手動弁又は電磁弁）４４ａが配設される一方、ドライ水素供給路２２には、第２分離部４２ｂの下流近傍に、第２バルブ（手動弁又は電磁弁）４４ｂが配置される。ドライ水素供給路２２には、ドライ水素供給装置２４の上流、具体的には、第２分離部４２ｂと第２バルブ４４ｂとの間からパージガス供給路４６が分岐する。
【００２６】
パージガス供給路４６には、吸着装置２０を交換する際に、貯留されているドライ水素を新たな前記吸着装置２０にドライ水素出口２０ｂ側からパージガスとして供給するパージ専用水素タンク４８が接続される。パージガス供給路４６には、パージ専用水素タンク４８側から流量調整用絞り弁５０及び第３バルブ（電磁弁）４４ｃが配置される。
【００２７】
水素導出路１６には、第１分離部４２ａと第１バルブ４４ａとの間からパージ流路５２が分岐する。このパージ流路５２には、第４バルブ（電磁弁）４４ｄが配設される。
【００２８】
ドライ水素供給路２２には、ドライ水素供給装置２４を構成する水素タンク５４に接続される。水素タンク５４には、開閉弁５６が配設され、燃料電池車両５８の燃料タンク（図示せず）に接続可能である。なお、水素タンク５４は、必要に応じて備えていればよく、この水素タンク５４を削除して、ドライ水素供給路２２から燃料電池車両５８に水素ガスを直接供給することも可能である。
【００２９】
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。
【００３０】
先ず、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が、水電解装置１４に供給される。この水電解装置１４では、電解電源３０から通電されることにより、純水が電気分解されて水素の生成が行われる。
【００３１】
水電解装置１４内に生成された水素は、水素導出路１６を介して気液分離器１８に送られる。この気液分離器１８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される。水蒸気が除去された水素は、背圧弁４０を介して高圧水素となった後、水吸着装置２０の水素入口２０ａに送られる。
【００３２】
水吸着装置２０では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られる。さらに、水吸着装置２０のドライ水素出口２０ｂからドライ水素供給路２２にドライ水素が導出される。このドライ水素は、ドライ水素供給装置２４に送られて水素タンク５４に貯蔵される。この水素タンク５４に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じて開閉弁５６の開放作用下に、燃料電池車両５８に充填される。
【００３３】
次いで、第１の実施形態に係る水電解システム１０の吸着装置交換方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３４】
水吸着装置２０が、使用時間等から交換が必要であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、水電解装置１４の運転が停止される。さらに、ステップＳ３に進み、第１及び第２バルブ４４ａ、４４ｂが閉塞された後、第１及び第２分離部４２ａ、４２ｂが分離されて使用後の水吸着装置２０が水電解システム１０から取り外される一方、新たな水吸着装置２０が前記水電解システム１０に取り付けられる（ステップＳ４）。
【００３５】
新たな水吸着装置２０が、水素ラインに接続された後、ステップＳ５に進んで、第４バルブ４４ｄが開放される。そして、第３バルブ４４ｃが開放されると（ステップＳ６）、パージ専用水素タンク４８に充填されている高圧のドライ水素は、パージガス供給路４６を通ってドライ水素供給路２２に導出される。
【００３６】
このドライ水素は、水吸着装置２０のドライ水素出口２０ｂから前記水吸着装置２０内に導入され、パージガスとして該水吸着装置２０内の窒素ガス等と置換される。このパージガスは、水吸着装置２０の水素入口２０ａからパージ流路５２を介してシステム外にパージされる（図３参照）。
【００３７】
さらに、ステップＳ７では、新たな水吸着装置２０のパージ処理が終了したか否かが判断される。水吸着装置２０のパージ処理の終了判断は、例えば、第３バルブ４４ｃを開放してからの経過時間や、図示しない水素濃度計による検出結果等に基づいて行うことができる。
【００３８】
新たな水吸着装置２０の水素パージ処理が終了すると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、第４バルブ４４ｄが閉塞された後、第３バルブ４４ｃが閉塞される（ステップＳ９）。そして、第１バルブ４４ａが開放された後（ステップＳ１０）、ステップＳ１１に進んで、水電解装置１４の運転が再開される。その際、第２バルブ４４ｂが閉塞された状態で、第３バルブ４４ｃが開放される（ステップＳ１２）。
【００３９】
このため、水電解装置１４により生成された水素は、水吸着装置２０で水蒸気が吸着され、ドライ水素として、パージガス供給路４６を通ってパージ専用水素タンク４８に充填される。ドライ水素がパージ専用水素タンク４８に所定の圧力まで充填されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、第３バルブ４４ｃが閉塞される。
【００４０】
次に、ステップＳ１５に進み、第２バルブ４４ｂが開放されることにより、水吸着装置２０からドライ水素供給路２２に排出されるドライ水素は、ドライ水素供給装置２４を構成する水素タンク５４に充填される。さらに、上記の工程は、水電解処理を終了するまで行われる（ステップＳ１６）。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、水吸着装置２０のドライ水素出口２０ｂに接続されるドライ水素供給路２２からパージガス供給路４６が分岐するとともに、このパージガス供給路４６には、パージ専用水素タンク４８が設けられている。そして、パージ専用水素タンク４８には、予め水電解装置１４で生成された水素が、水吸着装置２０を通ってドライ水素となった後に、充填されている。
【００４２】
従って、水吸着装置２０を新たな水吸着装置２０と交換する際には、パージ専用水素タンク４８に貯留されているドライ水素を、パージガスとして使用することができる。すなわち、パージ専用水素タンク４８内のドライ水素は、ドライ水素出口２０ｂから水吸着装置２０内に供給された後、水素導出路１６から分岐するパージ流路５２に排出されている（図３参照）。
【００４３】
このため、新たな水吸着装置２０のパージ処理のために、別途水素ボンベを準備する必要がなく、前記水素ボンベの着脱作用が不要になる。しかも、新たな水吸着装置２０のパージ処理を行っている間に、水素タンク５４に貯留されているドライ水素を、燃料電池車両５８に充填することができ、水素供給処理が効率的且つ良好に遂行可能になる。
【００４４】
これにより、簡単な構成及び工程で、水吸着装置２０の交換作業が迅速且つ良好に遂行され、第１及び第２分離部４２ａ、４２ｂ間は、自動的且つ確実に水素ガスによるパージがなされることになる。このため、効率的なメンテナンス作業を遂行することができるという効果が得られる。
【００４５】
さらに、上記の水素パージ処理時には、水吸着装置２０の交換が行われた後、先ず、第４バルブ４４ｄが開放された後、第３バルブ４４ｃが開放されている（ステップＳ５、ステップＳ６参照）。第３バルブ４４ｃが第４バルブ４４ｄよりも早期に開放されると、パージ専用水素タンク４８に充填されている高圧ドライ水素が水吸着装置２０内に導入されて、この水吸着装置２０内を急激に昇圧させるおそれがあるからである。
【００４６】
さらにまた、水素パージ処理終了後には、第４バルブ４４ｄが閉塞された後、第３バルブ４４ｃが閉塞されている（ステップＳ８、ステップＳ９参照）。これとは逆に、第３バルブ４４ｃが最初に閉塞されると、水吸着装置２０内が略大気圧まで減圧してしまい、新たに水電解処理が開始される際に、この水吸着装置２０内を昇圧させるのに時間がかかるからである。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム６０の概略構成説明図である。
【００４８】
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。
【００４９】
水電解システム６０は、パージ専用水素タンク４８の圧力を検出するための圧力検出センサ６２を備えている。このため、第２の実施形態では、新たな水吸着装置２０の水素パージ処理が終了したか否かの判断を（ステップＳ７）、圧力検出センサ６２により検出されるパージ専用水素タンク４８の圧力降下から検出することができる。パージ専用水素タンク４８内のドライ水素の圧力降下値から、パージガスとして排出されたドライ水素の流量を算出することができるからである。これにより、第２の実施形態では、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】
【００５０】
１０、６０…水電解システム            １２…純水供給装置
１４…水電解装置                      １６…水素導出路
２０…水吸着装置                      ２０ａ…水素入口
２０ｂ…ドライ水素出口                ２２…ドライ水素供給路
２４…ドライ水素供給装置              ２５…コントローラ
３８…逆止弁                          ４０…背圧弁
４２ａ、４２ｂ…分離部                ４４ａ〜４４ｄ…バルブ
４６…パージガス供給路                ４８…パージ専用水素タンク
５２…パージ流路                      ５４…水素タンク
５６…開閉弁                          ５８…燃料電池車両
６２…圧力検出センサ
【図１】
2011162818.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011162818.tif 000006
【図５】
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