(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単且つ経済的な構成で、乾燥状態の水素を効率的に製造することを可能にする水素生成システムの提供。【解決手段】水素生成システム１０は、純水供給装置１２を介して供給される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、前記水電解装置１４から導出される高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器１８と、前記気液分離器１８から水素供給路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部２２と、ドライ水素を貯留可能な水素タンク２６と、前記水素タンク２６内から送出される前記ドライ水素を減圧し、該ドライ水素をパージガスとして前記吸着部２２に供給する減圧供給路２８とを備える。【選択図】図１
2007231383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して水素を生成する水電解部と、
生成された前記水素から水分を除去する気液分離部と、
前記気液分離部から導出される前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部と、
前記吸着部で水分が除去された前記水素を貯留可能な水素タンクと、
前記水素タンク内から送出される前記水素の圧力を減圧させ、該水素をパージガスとして前記吸着部に供給する減圧供給路と、
を備えることを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
請求項１記載の水素生成システムにおいて、前記吸着部は、比較的高圧な前記水素が供給される単一の吸着筒を備え、
前記吸着筒内には、水分吸着材が設けられることを特徴とする水素生成システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水素生成システムにおいて、前記吸着部から導出される前記パージガスの圧力を増圧させて前記気液分離部側に供給可能な増圧部を備えることを特徴とする水素生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解部で水から生成された水素に含まれる水分を除去し、低加湿の水素を水素タンクに貯留可能な水素生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。燃料である水素を製造するために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。
【０００３】
この水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るためには、前記水素から水分を除去する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている水素ステーションが知られている。
【０００４】
この水素ステーションは、水分を含む水素を製造する水電解装置と、水素から水分を奪取して乾燥状態の水素を得る除水器と、その乾燥状態の水素を貯蔵するタンクと、除水器の奪取水分量の増加に伴う機能の減退時、その除水器と交換される水分奪取能を持つ新たな除水器と、交換後の元の除水器を再生してその水分奪取能を回復させる再生設備とを備えている。
【０００５】
再生設備は、元の除水器を加熱して奪取水分を蒸発させる機能と、乾燥状態の再生用水素を元の除水器に流入させて、水分を含む再生用水素を流出させる機能と、その再生用水素から水分を除去して乾燥状態の再生用水素を得る機能を持っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５５３８６号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、水素ステーション内に複数の除水器、実質的には、稼働中の除水器、元の除水器、新たな除水器の３台の除水器が用いられており、前記水素ステーション全体が大型且つ複雑な構成を有している。しかも、水素ステーションには、元の除水器を加熱して奪取水分を蒸発させる再生設備が備えられており、前記水素ステーション全体が大型化し、しかも経済的でないという問題がある。
【０００８】
さらに、特許文献１で使用されている一般的な除水器では、水素に含まれる水分（水蒸気）を確実に除去することができず、タンク内に水分が持ち込まれるおそれがある。これにより、所望のドライ水素を効率的に得ることができないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、乾燥状態の水素を効率的に製造することが可能な水素生成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、水を電気分解して水素を生成する水電解部と、生成された前記水素から水分を除去する気液分離部と、前記気液分離部から導出される前記水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部と、前記吸着部で水分が除去された前記水素を貯留可能な水素タンクと、前記水素タンク内から送出される前記水素の圧力を減圧させ、該水素をパージガスとして前記吸着部に供給する減圧供給路とを備えている。
【００１１】
また、吸着部は、比較的高圧な水素が供給される単一の吸着筒を備え、前記吸着筒内には、水分吸着材が設けられることが好ましい。さらに、吸着部から導出されるパージガスの圧力を増圧させて気液分離部側に供給可能な増圧部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吸着部で水分が吸着除去された水素は、水素タンクに貯留されるとともに、前記吸着部の再生時には、前記水素タンク内から送出される水素が、減圧された後にパージガスとして前記吸着部に供給される。従って、吸着部を再生させるために、専用の再生装置を用いる必要がなく、水素生成システム全体を簡単且つ経済的に構成することができる。
【００１３】
しかも、水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部を備えている。これにより、通常の除水器に比べて水蒸気除去機能が大幅に向上し、水素中の水蒸気を含む水分を、良好且つ確実に除去することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る水素生成システム１０の概略構成説明図である。
【００１５】
水素生成システム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（水電解部）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器（気液分離部）１８と、前記気液分離器１８から水素供給路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部２２と、前記吸着部２２の連通するドライ水素供給路２４に導出される前記水素（ドライ水素））を貯留可能な水素タンク２６と、前記水素タンク２６内から送出される前記ドライ水素の圧力を減圧させ、該ドライ水素をパージガスとして前記吸着部２２に供給する減圧供給路２８とを備える。
【００１６】
水電解装置１４は、図２及び図３に示すように、複数の単位セル３０が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、複数のタイロッド３８を介して一体的に締め付け保持される。
【００１７】
図２に示すように、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部４０ａ、４０ｂが外方に突出して設けられる。端子部４０ａ、４０ｂは、配線４２ａ、４２ｂを介して電源４４に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部４０ａは、電源４４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４０ｂは、前記電源４４のマイナス極に接続される。
【００１８】
図３に示すように、単位セル３０は、電解質膜・電極構造体４６と、この電解質膜・電極構造体４６を挟持するアノード側セパレータ４８及びカソード側セパレータ５０とを備える。アノード側セパレータ４８及びカソード側セパレータ５０は、カーボンプレート又は金属プレートで構成される。
【００１９】
電解質膜・電極構造体４６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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持し且つ該固体高分子電解質膜５２を補強するアノード側給電体５４及びカソード側給電体５６とを備える。
【００２０】
アノード側セパレータ４８の電解質膜・電極構造体４６に向かう面には、第１流路５８が設けられるとともに、カソード側セパレータ５０の電解質膜・電極構造体４６に向かう面には、第２流路６０が形成される。
【００２１】
図２及び図３に示すように、エンドプレート３６ａには、第１流路５８の入口側に連通する配管６２ａと、前記第１流路５８の出口側に連通する配管６２ｂと、第２流路６０の出口側に連通する配管６２ｃとが接続される。
【００２２】
図１に示すように、水電解装置１４の配管６２ａ、６２ｂは、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる一方、前記水電解装置１４の配管６２ｃは、水素導出路１６を介して気液分離器１８に接続される。水素導出路１６には、バルブ６４が配設される。気液分離器１８には、純水循環路６６の一端が接続され、前記純水循環路６６は、純水供給装置１２を介装して水電解装置１４の配管６２ａに接続される。気液分離器１８の底部には、純水循環路６６に連通するドレンバルブ６８ａ、６８ｂが設けられる。
【００２３】
気液分離器１８と吸着部２２とを連通する水素供給路２０には、バルブ７０が接続される。吸着部２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を高圧下で吸着し、減圧下で脱着する水分吸着剤を充填した単一の吸着筒７２を備える。水分吸着剤としては、例えば、活性炭、合成ゼオライト、多孔質アルミナ又はシリカが用いられる。吸着筒７２は、通常、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置で使用される吸着塔と同様に構成されている。
【００２４】
吸着筒７２の水素導入側の端部７２ａには、三方切替バルブ７４が配設され、この三方切替バルブ７４は、水素供給路２０を前記吸着筒７２に連通する位置と、前記吸着筒７２をリターン流路７６に連通する位置とに切替え自在である。リターン流路７６は、気液分離器１８に接続されるとともに、増圧部、例えば、コンプレッサ７８を備える。
【００２５】
吸着筒７２のドライ水素出口側の端部７２ｂと水素タンク２６とを接続するドライ水素供給路２４には、三方切替バルブ８０、背圧弁８２及び三方切替バルブ８４が配設される。三方切替バルブ８０、８４間には、減圧供給路２８が接続されるとともに、この減圧供給路２８には、レギュレータ（減圧バルブ）８６が配設される。
【００２６】
水素タンク２６には、燃料供給路８８がバルブ９０を介して接続されており、この燃料供給路８８は、燃料電池車両９２の燃料タンクに直接、あるいは、図示しない貯留タンクを介して接続可能である。
【００２７】
このように構成される水素生成システム１０の動作について、以下に説明する。
【００２８】
先ず、純水供給装置１２では、純水循環路６６に純水が導出されており、この純水は、水電解装置１４を構成する配管６２ａに供給される。水電解装置１４では、図２に示すように、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部４０ａ、４０ｂに電気的に接続されている電源４４を介して電圧が付与される。
【００２９】
このため、図３に示すように、各単位セル３０では、アノード側セパレータ４８とアノード側給電体５４との間に形成される第１流路５８に水が供給され、この水が前記アノード側給電体５４に沿って移動する。従って、水は、アノード側給電体５４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。すなわち、以下に示す陽極反応が惹起される。
Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2（陽極反応）
【００３０】
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５２を透過してカソード側給電体５６側に移動し、電子と結合して水素が得られる。すなわち、以下に示す陰極反応が惹起される。
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2（陰極反応）
【００３１】
このため、カソード側セパレータ５０とカソード側給電体５６との間に形成される第２流路６０に沿って水素が流動し、この水素は、配管６２ｃを介して水電解装置１４の外部に取り出し可能となる。一方、第１流路５８には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが配管６２ｂを介して純水供給装置１２に戻される。
【００３２】
図４に示すように、水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧（１ＭＰＡ〜７０ＭＰＡ）の水素は、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て純水循環路６６に戻される一方、前記水素は、水素供給路２０に供給される。
【００３３】
水素供給路２０に供給された水素は、三方切替バルブ７４を介して吸着部２２を構成する吸着筒７２に端部７２ａから導入される。この吸着筒７２内では、水素に含まれる水蒸気が高圧化で吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、このドライ水素が前記吸着筒７２の端部７２ｂからドライ水素供給路２４に導出される。なお、吸着筒７２内では、圧力に比例して水分の吸着量が増加するため、背圧弁８２により前記吸着筒７２に導入される水素圧力を所望の範囲内に設定することが好ましい。
【００３４】
ドライ水素供給路２４に導出されたドライ水素は、三方切替バルブ８０を通過した後、三方切替バルブ８４を介して水素タンク２６に貯蔵される。この水素タンク２６に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じてバルブ９０の開放作用下に、燃料供給路８８を介して燃料電池車両９２に充填される。
【００３５】
次いで、吸着筒７２が限界吸着量に達すると、水電解装置１４による純水の電気分解処理が一旦停止される。そして、図５に示すように、三方切替バルブ７４、８０及び８４が切り替えられて、水素タンク２６が、減圧供給路２８、吸着筒７２及びリターン流路７６に連通する。この状態で、吸着筒７２内が減圧されることにより、吸着した水分が離脱される。
【００３６】
このため、水素タンク２６内のドライ水素は、レギュレータ８６による減圧作用下に所定の圧力に減圧された後、減圧供給路２８から吸着筒７２の端部７２ｂからパージガスとして前記吸着筒７２内に供給される。吸着筒７２内をパージして水分を含んだパージガス（ウェット水素）は、リターン流路７６に送られる。このリターン流路７６では、コンプレッサ７８によりウェット水素が昇圧され、気液分離器１８に戻されて、水分と水素との分離処理が行われる。気液分離器１８内で分離された水素は、上記のパージ処理終了後に、図４に示す水素生成工程に復帰する際、水電解装置１４から導出される高圧水素とともに、水素供給路２０を介して吸着部２２に送られる。
【００３７】
この場合、本実施形態では、水電解装置１４で得られる高圧水素は、気液分離器１８で水分と分離された後、吸着部２２を構成する吸着筒７２に送られることにより、水分が吸着除去されたドライ水素が得られている。このドライ水素は、ドライ水素供給路２４を通って水素タンク２６に貯留されている。
【００３８】
そして、吸着筒７２の再生時には、水素タンク２６内から送出されるドライ水素が、レギュレータ８６により減圧された後、パージガスとして吸着筒７２に送られている。これにより、吸着筒７２を再生させるために、専用の再生装置を用いる必要がなく、水素生成システム１０全体を簡単且つ経済的に構成することができるという効果が得られる。
【００３９】
しかも、吸着筒７２を用いることにより、通常の除水器に比べて水蒸気除去機能が大幅に向上し、水素中に含まれる水蒸気を含む水分を、良好且つ確実に除去することが可能になる。このため、所望のドライ水素を効率的に得ることができる。
【００４０】
さらに、吸着部２２は、単一の吸着筒７２のみを備えている。従って、吸着部２２自体の構成が一挙に簡素化されるとともに、バルブ数の削減による容量の減少を図ることができ、水素生成システム１０全体を簡素化し、且つ前記水素生成システム１０全体の容量の削減が図られるという利点が得られる。
【００４１】
なお、本実施形態では、高圧水素を生成する水電解装置１４を用いているが、これに限定されるものではなく、生成された水素を昇圧するための昇圧手段、例えば、コンプレッサを組み込む水素生成システムを用いてもよい。また、リターン流路７６を介してパージガスを気液分離器１８に戻すように構成されているが、このパージガスを外部に排出するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。
【図２】前記水素生成システムを構成する水電解装置の概略斜視説明図である。
【図３】前記水電解装置の一部断面側面図である。
【図４】前記水素生成システムによる水素生成処理の説明図である。
【図５】前記水素生成システムによる吸着筒再生処理の説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…水素生成システム                １２…純水供給装置
１４…水電解装置                      １６…水素導出路
１８…気液分離器                      ２０…水素供給路
２２…吸着部                          ２４…ドライ水素供給路
２６…水素タンク                      ２８…減圧供給路
３０…単位セル                        ６６…純水循環路
７２…吸着筒                          ７６…リターン流路
７８…コンプレッサ                    ８６…レギュレータ
８８…燃料供給路                      ９２…燃料電池車両
【図１】
2007231383.tif 000003
【図２】
2007231383.tif 000004
【図３】
2007231383.tif 000005
【図４】
2007231383.tif 000006
【図５】
2007231383.tif 000007