(57)【要約】【課題】エネルギ損失を有効に削減することができ、システム効率を確実に向上させることを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置１４と、前記水電解装置１４から前記水素を排出する水素導出路１６の下流に接続され、排出された前記水素を冷却する冷却器２０と、冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着筒２２と、前記水吸着筒２２の下流に配置され、前記水素導出路１６から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する背圧弁２４と、前記水電解装置１４と前記冷却器２０との間に配置され、前記背圧弁２４から放出される前記水素と前記水電解装置１４から排出される前記水素との間で熱交換を行う気液分離器１８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】
直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素を冷却する冷却装置と、
冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、
前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、
前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素を冷却する冷却装置と、
冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、
前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、
前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置と、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記水電解装置を起動させる工程と、
少なくとも前記熱交換装置と前記圧力調整弁との間の水素温度を検出する工程と、
検出された前記水素温度に基づいて、前記冷却装置を作動させる工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項３】
請求項２記載の運転方法において、前記水電解装置と前記熱交換装置との間の熱交換前水素温度を検出する工程と、
検出された前記熱交換前水素温度と検出された前記水素温度との温度差を算出する工程と、
算出された前記温度差が設定値以下である際に、前記冷却装置を作動させる工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項４】
請求項２又は３記載の運転方法において、前記冷却装置を作動させる際、前記熱交換装置による熱交換処理を停止させることを特徴とすることを特徴とする水電解システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源からの通電により水を電気分解し、酸素と常圧よりも高圧な水素を発生させるとともに、前記高圧な水素の除湿を行うための水電解システム及びその運転方法に関する。
【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では、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示された高圧水素の製造方法及び製造装置が知られている。高圧水素製造装置は、図７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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、製品水素が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
ところで、上記の特許文献１では、高圧水素を除湿するために、水素冷却器７が使用されている。この水素冷却器７として、例えば、ペルチェ素子が使用されている。水素高圧容器３から得られる高圧水素は、ペルチェ素子に通電することによって冷却され、除湿されている。従って、この除湿処理のために、電力が、常時、消費されており、システム効率が低下するという問題がある。
【００１１】
しかも、背圧弁６では、設定圧力が高圧水素の供給先の圧力よりも高圧になっている。これにより、背圧弁６から放出される高圧水素は、減圧によって放熱されているが、この放熱によるエネルギを有効に利用することができない。このため、システム効率が低下す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、エネルギ損失を有効に削減することができ、システム効率を確実に向上させることが可能な水電解システム及びその運転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】
本発明に係る水電解システムは、直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素を冷却する冷却装置と、冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置とを備えている。
【００１４】
また、本発明に係る運転方法は、水電解装置を起動させる工程と、少なくとも熱交換装置と圧力調整弁との間の水素温度を検出する工程と、検出された前記水素温度に基づいて、冷却装置を作動させる工程とを有している。
【００１５】
さらに、この運転方法は、水電解装置と熱交換装置との間の熱交換前水素温度を検出する工程と、検出された前記熱交換前水素温度と検出された水素温度との温度差を算出する工程と、算出された前記温度差が設定値以下である際に、冷却装置を作動させる工程とを有することが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この運転方法は、冷却装置を作動させる際、熱交換装置による熱交換処理を停止させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水電解装置と冷却装置との間に配置される熱交換装置は、圧力調整弁から放出される水素、すなわち、減圧されて温度が低下した水素と、前記水電解装置から排出される高圧な水素との間で熱交換を行う。
【００１８】
従って、圧力調整弁から放出される水素を冷却媒体として、高圧な水素の除湿が行われるため、電気式冷却装置に通電する必要がない。これにより、エネルギ損失を有効に削減することができ、システム効率を確実に向上させることが可能になる。
【００１９】
また、本発明によれば、少なくとも熱交換装置と圧力調整弁との間の水素温度を検出し、検出された前記水素温度に基づいて冷却装置が作動されている。このため、水電解装置から排出される高圧な水素の除湿処理が、効率的且つ確実に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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運転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内の各検出温度と水素充填圧力との説明図である。
【図４】前記水電解システムの動作説明図である。
【図５】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６】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図７】特許文献１に開示された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】
【００２１】
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水素を製造する水電解装置１４と、熱交換により前記水電解装置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除去する気液分離器（熱交換装置）１８と、前記気液分離器１８から排出される水素を冷却する冷却器（例えば、ペルチェ素子）（冷却装置）２０と、前記冷却器２０から排出される冷却された水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着筒（水吸着装置）２２と、前記水吸着筒２２の下流に配置され、水素導出路１６から排出される前記水素を、常圧よりも高圧（例えば、３５ＭＰａ）に維持する背圧弁（圧力調整弁）２４とを備える。
【００２２】
水電解装置１４は、複数の水分解セル２６が積層されており、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。
【００２３】
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一方、水素排出口である配管３２ｃは、水素導出路１６を介して気液分離器１８に接続される。
【００２４】
水素導出路１６には、気液分離器１８と背圧弁２４との間に位置して、より具体的には、冷却器２０と水吸着筒２２との間に位置して、水素温度を検出するための温度センサ３８が配置される。温度センサ３８の検出信号は、コントローラ４０に送られる。なお、温度センサ３８は、気液分離器１８と冷却器２０との間に配置してもよい。
【００２５】
水吸着筒２２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。水吸着筒２２の下流側（出口側）には、背圧弁２４を介してドライ水素供給路４２が接続される。なお、背圧弁２４に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用してもよい。
【００２６】
ドライ水素供給路４２は、三方弁４４を介して熱交換供給路４６とバイパス路４８とに接続自在である。熱交換供給路４６は、気液分離器１８内に配管されるとともに、熱交換排出路５０に連通する。バイパス路４８は、熱交換排出路５０の途上に接続され、水素供給路５２として、水素（ドライ水素）を貯留可能な水素タンク５４に接続される。
【００２７】
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を削除することも可能である。
【００２８】
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、第１の本実施形態に係る運転方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００２９】
先ず、水電解システム１０が始動（起動）されると（ステップＳ１）、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開始される。
【００３０】
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、後述するように、熱交換により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、冷却器２０を通過して水吸着筒２２に送られる。
【００３１】
水吸着筒２２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。この水吸着筒２２の下流には、背圧弁２４が配設されている。このため、水吸着筒２２内の水素圧力が設定圧力に至るまで、水素を前記水吸着筒２２内に加圧保持することができる。
【００３２】
そして、水吸着筒２２内の水素圧力が設定圧力に至ると、背圧弁２４が開放されて、前記水吸着筒２２からドライ水素供給路４２にドライ水素が導出される。このドライ水素は、例えば、３５ＭＰａから数ＭＰａに減圧されており、放熱によって低温水素となっている。
【００３３】
ドライ水素供給路４２に導出された低温のドライ水素は、三方弁４４の作用下に熱交換供給路４６に供給され、この熱交換供給路４６を通って気液分離器１８に導入される。従って、気液分離器１８内では、低温のドライ水素と、水電解装置１４から排出された高温の高圧水素との間で、熱交換が行われる。これにより、高圧水素は、冷却されて除湿処理が行われる。
【００３４】
一方、低温のドライ水素は、熱交換処理後に、熱交換排出路５０から水素供給路５２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。
【００３５】
コントローラ４０では、水素導出路１６を介して気液分離器１８から排出される高圧水素の温度が検出されている（ステップＳ２）。図３には、燃料電池車両５８（又は水素タンク５４）の充填水素圧力と各検出温度との関係が示されている。なお、図３中、ラインＬ１は、水電解装置１４から排出される高圧水素の温度であり、ラインＬ２は、冷却器２０から排出される高圧水素の温度であり、ラインＬ３は、背圧弁２４から放出される水素の温度である。
【００３６】
水電解装置１４から排出される高圧水素は、略一定の温度Ｔ０℃に維持されており、気液分離器１８から排出される高圧水素の温度は、燃料電池車両５８（又は水素タンク５４）の充填水素圧力の上昇に伴って徐々に上がっている。背圧弁２４の前後における水素圧力差が減少するからである。
【００３７】
次いで、ステップＳ３において、検出された水素温度が、設定温度Ｔ１℃以上になると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、冷却器２０がオンされる。このため、冷却器２０に通電されて前記冷却器２０に送られる高圧水素中の水分が凝縮され、凝縮水として水素から分離される。
【００３８】
その際、図４に示すように、三方弁４４が切り換え操作されて、ドライ水素供給路４２がバイパス路４８を介して水素供給路５２に接続される。すなわち、ドライ水素は、気液分離器１８をバイパスする。そして、燃料電池車両５８（又は水素タンク５４）への水素充填処理が終了すると、水電解装置１４の運転が停止される（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、水電解装置１４と冷却器２０との間に配置される気液分離器１８は、背圧弁２４から放出される水素、すなわち、減圧されて温度が低下した水素と、前記水電解装置１４から排出される高圧な水素との間で熱交換を行っている。
【００４０】
従って、背圧弁２４から放出される低温（低圧）水素を冷却媒体として、高圧な水素の除湿が行われるため、電気式冷却装置である冷却器２０に通電する必要がない。これにより、エネルギ損失を有効に削減することができ、水電解システム１０の効率を確実に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００４１】
また、第１の実施形態では、温度センサ３８により気液分離器１８と背圧弁２４との間の水素温度を検出し、検出された前記水素温度に基づいて、冷却器２０が作動されている。このため、水電解装置１４から排出される高圧な水素の除湿処理が、効率的且つ確実に遂行されるという利点が得られる。
【００４２】
図５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。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。
【００４３】
水電解システム６０では、水電解装置１４と気液分離器１８との間に、第１温度センサ３８ａが配設されるとともに、冷却器２０と水吸着筒２２との間に、第２温度センサ３８ｂが配設される。
【００４４】
このように構成される水電解システム６０の動作について、第２の実施形態に係る運転方法との関連で、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４５】
水電解システム１０が始動されると（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進んで、第１温度センサ３８ａにより水電解装置１４から排出される高圧水素の温度（以下、第１水素温度という）が検出されるとともに、第２温度センサ３８ｂにより気液分離器１８及び冷却器２０から排出される高圧水素の温度（以下、第２水素温度という）が検出される。
【００４６】
コントローラ４０では、第１水素温度と第２水素温度との温度差が算出される（ステップＳ１３）。そして、算出された温度差が、予め設定された所定値（例えば、１０℃）以下であるか否かが判断される（ステップＳ１４）。
【００４７】
算出された温度差が、所定値以下であると判断されると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んで、冷却器２０がオンされる。このため、冷却器２０に通電されて前記冷却器２０に送られる高圧水素中の水分が凝縮され、凝縮水として水素から分離される。さらに、燃料電池車両５８への水素充填処理が終了すると、水電解装置１４の運転が停止される（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）。
【００４８】
このように、第２の実施形態では、背圧弁２４から放出される水素と水電解装置１４から排出される高圧な水素との間で、熱交換が行われるため、水電解システム６０の効率を確実に向上させ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】
【００４９】
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
１８…記液分離器                      ２０…冷却器
２２…水吸着筒                        ２４…背圧弁
２６…水分解セル                      ３０…電解電源
３８…温度センサ                      ４０…コントローラ
４２…ドライ水素供給路                ４４…三方弁
５２…水素供給路                      ５４…水素タンク
５８…燃料電池車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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