(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの脱圧方法であって、
システム停止時に、前記高圧水電解装置が凍結環境になるか否かを判断する凍結有無判定工程と、
前記凍結環境にならないと判断された際、減圧用電流を印加しながら、前記カソード側の減圧処理を行う電解減圧工程と、
前記凍結環境になると判断された際、前記減圧用電流を印加せずに、前記カソード側の減圧処理を行う無電解減圧工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解システムの脱圧方法。
【請求項２】
請求項１記載の脱圧方法であって、前記無電解減圧工程では、前記高圧水電解装置内の水流路系容積に基づいて、無電解減圧が開始される圧力を設定し、前記凍結環境になると判断された際、まず、電解減圧処理を行って前記設定された圧力に降圧させた後、無電解減圧処理を行うことを特徴とする高圧水電解システムの脱圧方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の脱圧方法であって、前記高圧水電解装置は、筐体内に収容されるとともに、前記筐体内の温度環境を検知する温度センサを備えており、
前記温度センサによる検知温度に基づいて、前記凍結有無判定工程を行うことを特徴とする高圧水電解システムの脱圧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの脱圧方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素が使用されている。水素は、例えば、水電解装置を組み込む水電解システムにより製造されている。水電解装置は、水を電気分解して水素（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。
【０００３】
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、それぞれ給電体を配設して水電解セルが構成されている。
【０００４】
そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード給電体に純水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、純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、カソード給電体で電子と結合して水素が製造される。
【０００５】
水電解装置から導出される水素は、気液分離装置に送られて液状水が除去された後、水素精製部（水吸着部）に供給されて製品水素（ドライ水素）が得られる。一方、アノード側では、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴って水電解装置から排出される。
【０００６】
ところで、水電解装置では、運転が停止されている間に低温環境、特に凍結環境になる場合がある。従って、水電解装置内の水流路系に滞留している純水が凍結し、前記水電解装置が損傷するおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている高圧水素の製造装置及びその製法が知られている。この特許文献１では、運転停止時に、水電解装置内の純水の凍結を防止するために、熱交換器が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２７７９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、特許文献１では、純水の凍結を防止するために、専用の熱交換器が用いられている。しかしながら、熱交換器は、実質的に電解処理には不要となる設備であり、システム全体が複雑化且つ大型化するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧水電解装置内に凍結が発生しても、簡単な構成及び制御で、前記高圧水電解装置が破損することを可及的に抑制することが可能な高圧水電解システムの脱圧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】
【００１１】
本発明は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの脱圧方法に関するものである。
【００１２】
この脱圧方法は、凍結有無判定工程、電解減圧工程及び無電解減圧工程を有している。凍結有無判定工程は、システム停止時に、高圧水電解装置が凍結環境になるか否かを判断している。電解減圧工程は、凍結環境にならないと判断された際、減圧用電流を印加しながら、カソード側の減圧処理を行っている。そして、無電解減圧工程は、凍結環境になると判断された際、減圧用電流を印加せずに、カソード側の減圧処理を行っている。
【００１３】
また、無電解減圧工程では、高圧水電解装置内の水流路系容積に基づいて、無電解減圧が開始される圧力を設定し、凍結環境になると判断された際、まず、電解減圧処理を行って前記設定された圧力に降圧させることが好ましい。その際、設定された圧力に降圧させた後、無電解減圧処理を行うことが好ましい。
【００１４】
さらに、高圧水電解装置は、筐体内に収容されるとともに、前記筐体内の温度環境を検知する温度センサを備えており、前記温度センサによる検知温度に基づいて、凍結有無判定工程を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、凍結環境になると判断された際、減圧用電流を印加せずに、カソード側の減圧処理を行うため、前記カソード側の水素が、電解質膜を透過してアノード側に移動（クロスリーク又はクロスオーバー）する。従って、高圧水電解装置内に残留する水は、透過した水素により前記高圧水電解装置の外部に押し出される。
【００１６】
これにより、高圧水電解装置内に残留する水量を減らすことができ、前記高圧水電解装置内に凍結が発生しても、簡単な構成及び制御で、該高圧水電解装置が破損することを可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る脱圧方法が適用される高圧水電解システムの概略構成説明図である。
【図２】前記高圧水電解システムを構成する筐体の説明図である。
【図３】前記脱圧方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記脱圧方法において、通常減圧停止圧力とクロスリーク水素量との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る高圧水電解システム１０は、高圧水電解装置１２を備える。高圧水電解装置１２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〜８０ＭＰａの水素）を製造する。
【００１９】
高圧水電解装置１２は、複数の水電解セル１４が積層される。水電解セル１４は、例えば、円盤状の電解質膜・電極構造体１６と、この電解質膜・電極構造体１６の両側に配置されるアノードセパレータ１８及びカソードセパレータ２０とを備える。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１６は、略リング形状を有する固体高分子電解質膜２２を備える。固体高分子電解質膜２２は、リング形状を有する電解用のアノード給電体２４及びカソード給電体２６により挟持される。固体高分子電解質膜２２は、例えば、フッ素系の膜（平膜）により構成される。アノード給電体２４及びカソード給電体２６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。
【００２１】
固体高分子電解質膜２２の一方の面には、アノード電極触媒層２４ａが設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜２２の他方の面には、カソード電極触媒層２６ａが形成される。
【００２２】
アノードセパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、純水（以下、単に水ともいう）が供給されるとともに、反応により生成された酸素及び余剰の純水が流通される水流路２８が設けられる。カソードセパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、反応により生成された水素が流通される水素流路３０が設けられる。
【００２３】
水電解セル１４の積層方向両端には、エンドプレート３２ａ、３２ｂが配設される。高圧水電解装置１２には、直流電源である電解電源３４が接続される。エンドプレート３２ａには、水流路２８の入口側（水供給側）に連通する水供給ライン３６が接続される。
【００２４】
エンドプレート３２ｂには、水流路２８の出口側（水及び生成酸素排出側）に連通する水排出ライン３８と、水素流路３０（高圧水素生成側）に連通する水素導出ライン４０とが接続される。水排出ライン３８には、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と未反応の水とが排出される。
【００２５】
水供給ライン３６は、循環水ポンプ４２及び冷却器４４を配置して酸素気液分離器４６の底部に接続される。酸素気液分離器４６の上部には、エアブロア４８及び水排出ライン３８が連通する。酸素気液分離器４６には、純水製造装置５０に接続された純水供給ライン５２と、前記酸素気液分離器４６で純水から分離された酸素及び水素を排出するための気体排出ライン５４とが連結される。
【００２６】
水素導出ライン４０は、高圧水電解装置１２と高圧水素気液分離器５６とを接続する。高圧水素気液分離器５６で水分が除去された高圧水素は、高圧水素供給ライン５８に導出される。高圧水素供給ライン５８には、規定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）に設定された背圧弁６０が設けられる。
【００２７】
高圧水素気液分離器５６の下部には、前記高圧水素気液分離器５６で分離された液状水を排出する排水ライン６２が接続される。排水ライン６２には、液状水の流れ方向に沿って、第１電磁弁６４と、圧力損失を付与することにより設定水量の液状水を通流させる排水減圧機構、例えば、オリフィス６６とが配設される。なお、オリフィス６６に代えて、例えば、減圧弁を用いてもよい。
【００２８】
排水ライン６２は、オリフィス６６の下流において、降圧された液状水を気液分離する低圧気液分離器６８に接続される。低圧気液分離器６８と酸素気液分離器４６とは、水戻しライン７０により接続される。水戻しライン７０には、第２電磁弁７２が配設される。
【００２９】
高圧水素気液分離器５６の上部側と低圧気液分離器６８の上部側とは、前記低圧気液分離器６８内で分離された気体（水素）を排出する脱圧ライン７４により接続される。脱圧ライン７４には、減圧機構、例えば、減圧弁７６及び第３電磁弁７８が高圧水素流れ方向に沿って、配設される。
【００３０】
図２に示すように、高圧水電解システム１０は、筐体８０を備える。筐体８０内には、高圧水電解装置１２の他、酸素気液分離器４６、純水製造装置５０、高圧水素気液分離器５６及び低圧気液分離器６８等、高圧水電解システム１０の構成設備が収容される。筐体８０内には、筐体内温度環境を検知する温度センサ８２が配置される。温度センサ８２により得られた検出結果は、コントローラ８４に送られるとともに、前記コントローラ８４は、高圧水電解システム１０全体の運転制御を行う。
【００３１】
このように構成される高圧水電解システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３２】
まず、高圧水電解システム１０の始動運転時には、純水製造装置５０を介して市水から生成された純水が、酸素気液分離器４６に供給される。そして、循環水ポンプ４２の作用下に、酸素気液分離器４６内の純水が、水供給ライン３６を介して高圧水電解装置１２の水流路２８の入口側に供給される。水は、アノード給電体２４内に沿って移動する。一方、高圧水電解装置１２には、電気的に接続されている電解電源３４を介して電圧が付与され、電解電流が印加される。
【００３３】
このため、水は、アノード電極触媒層２４ａ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２２を透過してカソード電極触媒層２６ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００３４】
これにより、カソード給電体２６の内部から水素流路３０に沿って水素が流動する。水素は、水流路２８よりも高圧に維持された状態で、水素導出ライン４０に取り出される。
【００３５】
一方、水流路２８の出口側では、反応により生成した酸素、未反応の水、さらに透過した水素が流動しており、これらの混合流体が水排出ライン３８に排出される。この未反応の水、酸素及び水素は、酸素気液分離器４６に導入されて分離された後、水は、循環水ポンプ４２を介して水供給ライン３６に導入される。水から分離された酸素及び水素は、気体排出ライン５４から外部に排出される。
【００３６】
高圧水電解装置１２内に生成された水素は、水素導出ライン４０を介して高圧水素気液分離器５６に送られる。高圧水素気液分離器５６では、水素に含まれる液状水が、この水素から分離されて貯留される。一方、水素は、高圧水素供給ライン５８に導出される。水素は、背圧弁６０の設定圧力（例えば、７０ＭＰａ）に昇圧された後、図示しない除湿装置等により除湿されてドライ水素（製品水素）となり、燃料電池電気自動車等に供給される。
【００３７】
次いで、本実施形態に係る高圧水電解システム１０の脱圧方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３８】
コントローラ８４では、高圧水電解システム１０の運転停止指令がなされると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、システム停止時に前記高圧水電解システム１０が凍結環境になるか否かが判断される（凍結有無判定工程）。具体的には、温度センサ８２により筐体８０内の温度が検知され、検知された温度が所定温度（例えば、５℃）を超えるか否かが判断される。
【００３９】
検知された温度が所定温度を超えると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、すなわち、システム停止時に高圧水電解システム１０が凍結環境にならないと判断されると、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、高圧水電解装置１２の電解減圧処理（通常減圧）が開始される。
【００４０】
具体的には、図１に示すように、第３電磁弁７８が開放されるため、カソード側（水素流路３０を含む水素流路系）に充填されている高圧水素は、水素導出ライン４０から脱圧ライン７４を通って減圧された後、低圧気液分離器６８に排出される。
【００４１】
その際、電解電源３４により、上記の電解電流よりも低い電解電流（以下、減圧用電流ともいう）が印加される（電解減圧処理）。減圧用電流は、例えば、膜ポンプ効果が得られる最小電流値に設定される。
【００４２】
そして、カソード側の水素圧力が、アノード側（水流路２８を含む水流路系）の圧力（常圧）と同圧になった際（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、電解電源３４による電圧印加が停止される（ステップＳ５）。これにより、高圧水電解システム１０の運転が停止される。
【００４３】
一方、検知された温度が、所定温度以下であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、すなわち、システム停止時に高圧水電解システム１０が凍結環境になると判断されると、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、高圧水電解装置１２内の水流路系容積に基づいて、前記高圧水電解装置１２の無電解減圧を開始する圧力（通常減圧停止圧力）が設定される。
【００４４】
無電解減圧（無電解減圧処理）とは、電解電流の印加を行うことなく、減圧する処理をいう。無電解減圧時には、差圧によりカソード側の高圧な水素が、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側に移動するクロスリーク（クロスオーバー）が発生する。クロスリークする水素量は、図４に示すように、無電解減圧を開始する圧力、すなわち、通常減圧停止圧力に比例する。クロスリークした水素は、アノード側に残留する純水（循環水）を前記アノード側から押し出すことにより、ガス容積が水容積に置き換わる。
【００４５】
そこで、アノード側の水流路容積−クロスリーク水素量＝残留循環水量となり、さらに残留循環水量＜凍結時に高圧水電解装置１２が破損に至る残留水量の関係を満たすように、通常減圧停止圧力が設定される。
【００４６】
次に、ステップＳ７に進んで、高圧水電解装置１２の電解減圧処理（通常減圧）が開始される。電解減圧処理が行われることにより、カソード側の圧力が低下し、このカソード側の圧力が所定値Ａを下回るか否かが判断される（ステップＳ８）。所定値Ａは、ステップＳ６で設定された通常減圧停止圧力であり、前記カソード側の圧力が該所定値Ａを下回ると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
【００４７】
ステップＳ９では、高圧水電解装置１２の無電解減圧処理が開始される。このため、カソード側の圧力が低下するとともに、前記カソード側に生成された水素は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側に移動し易い（クロスリーク又はクロスオーバー）。従って、アノード側のガス容積が増加し、カソード側の圧力がアノード側の圧力（常圧）と同圧になった際（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、前記アノード側の残留循環水量は、凍結時に高圧水電解装置１２が破損に至る残留水量を下回っている。
【００４８】
この場合、本実施形態では、高圧水電解装置１２の停止時に、前記高圧水電解装置１２が凍結環境になると判断された際、減圧用電流を印加せずに、カソード側の減圧処理が行われている。このため、カソード側に残存している水素は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側に移動し、高圧水電解装置１２内に残留する水は、透過した水素により前記高圧水電解装置１２の外部に押し出されている。
【００４９】
従って、高圧水電解装置１２内に残留する水の量を減らすことができ、前記高圧水電解装置１２内に凍結が発生しても、簡単な構成及び制御で、該高圧水電解装置１２が破損することを可及的に抑制することが可能になる。
【００５０】
また、無電解減圧工程では、高圧水電解装置１２内の水流路系容積に基づいて、無電解減圧が開始される圧力が設定されている。そして、凍結環境になると判断された際、まず、電解減圧処理を行って設定された圧力（所定値Ａ）に降圧されている。その際、カソード側の圧力が設定された圧力に降圧された後、無電解減圧処理が行われている。これにより、可能な限り電解減圧処理が行われるため、高圧水電解装置１２の耐久性を良好に維持することができる。
【００５１】
さらに、高圧水電解装置１２は、筐体８０内に収容されるとともに、前記筐体８０内の温度環境を検知する温度センサ８２を備えている。このため、温度センサ８２による検知温度に基づいて、システム停止後の凍結有無判定を精度良く行うことが可能になる。
【符号の説明】
【００５２】
１０…高圧水電解システム            １２…高圧水電解装置
１４…水電解セル                    １６…電解質膜・電極構造体
３４…電解電源                      ３６…水供給ライン
３８…水排出ライン                  ４０…水素導出ライン
５６…高圧水素気液分離器            ５８…高圧水素供給ライン
６２…排水ライン                    ７４…脱圧ライン
７６…減圧弁                        ７８…第３電磁弁
８０…筐体                          ８２…温度センサ
８４…コントローラ
【図１】
0006348143.tif 000002
【図２】
0006348143.tif 000003
【図３】
0006348143.tif 000004
【図４】
0006348143.tif 000005