(57)【要約】【課題】高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行うことを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置１２と、前記水電解装置１２から前記高圧水素を排出する高圧水素配管２０に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置２２と、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６と、前記気液分離装置２２から前記排水ライン２６に排水を行う前に、前記気液分離装置２２内の水温を上昇させるための加熱装置９２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前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の水温を上昇させるための加熱装置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前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムの排水制御方法であって、
前記気液分離装置による気液分離を行う気液分離工程と、
前記気液分離装置内の水温を上昇させる加熱工程と、
前記気液分離装置内の水温が設定温度を超えると判断された際、該気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う排水工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの排水制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の排水制御方法において、前記気液分離装置内の水量が設定水量を超えるか否かを判断する工程と、
前記水量が前記設定水量を超えたと判断された際、前記加熱工程を開始することを特徴とする水電解システムの排水制御方法。
【請求項４】
請求項３記載の排水制御方法において、前記気液分離装置内の水量が下限設定水量に至った際、前記排水工程及び前記加熱工程を停止することを特徴とする水電解システムの排水制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその排水制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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、給電体を配設して単位セルが構成されている。
【０００３】
そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の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、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、水分５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。
【０００５】
その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、図６に示すように、水素導管１が接続されている耐圧容器２と、前記耐圧容器２内の水位を検出する水位センサ３と、前記耐圧容器２の天井部に接続された水素取出手段４としての水素取出導管４ａと、前記耐圧容器２の底部に接続された排水手段５としての排水導管５ａとを備えている。
【０００７】
水素取出導管４ａには、第１背圧弁６が備えられるとともに、前記第１背圧弁６の下流側に電磁弁７が備えられている。排水導管５ａには、第２背圧弁８が備えられている。
【０００８】
第１背圧弁６は、例えば、３５ＭＰａで開弁するように設定されており、第２背圧弁８は、前記第１背圧弁６よりも高圧で、例えば、３６ＭＰａで開弁するように設定されている。電磁弁７は、水位センサ３の検出信号を受けて作動し、前記水位センサ３が検出する水位が所定の低水位になったときに開弁し、所定の高水位になったときに閉弁している。
【０００９】
そして、電磁弁７が閉弁されると、水素取出導管４ａからの高圧水素ガスの取出しが強制的に停止されるため、耐圧容器２内の圧力が第１背圧弁６の設定圧力である３５ＭＰａを超えて高くなってくる。この結果、第２背圧弁８は、耐圧容器２内の圧力がその設定圧力である３６ＭＰａに達する度に開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を介して排水導管５ａから断続的に排出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３４７７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記の水電解システムでは、第２背圧弁８が開弁することにより、耐圧容器２内の高圧水が排水導管５ａから排出されている。その際、排水中には多くの水素が溶存しており、溶存水素は、第２背圧弁８の出口側で減圧されて気化する。
【００１２】
このため、減圧弁等のデバイスのシール機構が損傷するおそれがあるとともに、溶存水素が無駄に廃棄されてしまう。従って、デバイスの性能及び耐久性が低下するとともに、水素の製造効率が低下してしまい、経済的ではないという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行うことが可能な水電解システム及びその排水制御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】
【００１４】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその排水制御方法に関するものである。
【００１５】
この水電解システムは、気液分離装置から排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の水温を上昇させるための加熱装置を備えている。
【００１６】
また、この排水制御方法は、気液分離装置による気液分離を行う気液分離工程と、前記気液分離装置内の水温を上昇させる加熱工程と、前記気液分離装置内の水温が設定温度を超えると判断された際、該気液分離装置から排水ラインに排水を行う排水工程とを有している。
【００１７】
さらに、この排水制御方法は、気液分離装置内の水量が設定水量を超えるか否かを判断する工程と、前記水量が前記設定水量を超えたと判断された際、加熱工程を開始することが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この排水制御方法では、気液分離装置内の水量が下限設定水量に至った際、排水工程及び加熱工程を停止することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高圧水が貯留される気液分離装置から排水を行う前に、前記気液分離装置内の水温を上昇させている。このため、高圧水に溶け込んでいる水素の溶解度を低下させることができ、排水中の溶存水素量を有効に低減させることが可能になる。
【００２０】
従って、高圧水に溶存する水素を排水と一体に無駄に廃棄することがなく、経済的であるとともに、高圧水排水時の急激な圧力低下により気化する水素の量を低減でき、デバイスの性能及び耐久性が低下することを抑制することができる。これにより、高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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排水制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記排水制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】高圧水の温度と溶解度との関係図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る水電解システムを構成する気液分離装置の概略断面説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている気液分離装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式水電解装置（高圧水素製造装置）１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４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１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から高圧水素配管２０に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置２２と、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６と、コントローラ（制御装置）２８とを備える。
【００２３】
水電解装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、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、順次、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、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２４】
ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。
【００２５】
単位セル３０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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
単位セル３０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。
【００２９】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、水供給連通孔５６及び排出連通孔５８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。第１流路６４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。
【００３０】
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。第２流路６８には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００３１】
水循環装置１６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を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。
【００３２】
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の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部は、タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【００３３】
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。
【００３４】
水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が気液分離装置２２に接続される。気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン２４に導出される。高圧水素導出ライン２４には、第１圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された第１背圧弁８８が設けられる。
【００３５】
気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。気液分離装置２２には、この気液分離装置２２から排水ライン２６に排水を行う前に、該気液分離装置２２内の水温を上昇させるための加熱装置９２が設けられる。加熱装置９２は、タンク部９０の外周を囲繞する絶縁材９４を備えるとともに、前記絶縁材９４内には、ヒータ９６が埋設される。
【００３６】
ヒータ９６は、タンク部９０の外周を周回するコイル状に構成させるとともに、図示しない電源に接続される。タンク部９０には、このタンク部９０内の水温を検出するための温度検出センサ９８が設けられる。温度検出センサ９８の検出信号は、コントローラ２８に入力される。
【００３７】
タンク部９０には、前記タンク部９０内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ１００ａ〜１００ｄが設けられる。水位検出センサ１００ａ〜１００ｄの検出信号は、コントローラ２８に入力される。
【００３８】
水位検出センサ１００ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ１００ｂは、前記水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出し、水位検出センサ１００ｃは、前記水位ＷＳが下限限界高さ（ＬＬ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ１００ｄは、前記水位ＷＳが上限限界高さ（ＨＨ）に上昇したか否かを検出する。
【００３９】
気液分離装置２２の下部には、排水ライン２６が接続される。排水ライン２６は、フィルタ１０２と、前記フィルタ１０２の下流に設けられる第２背圧弁１０４と、前記第２背圧弁１０４の下流に設けられ、コントローラ２８により開閉操作される排水弁１０６とを備える。第２背圧弁１０４は、第１背圧弁８８の第１圧力値（例えば、３５ＭＰａ）よりも低圧な第２圧力値（例えば、３４ＭＰａ）に設定される。
【００４０】
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。
【００４１】
先ず、水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。
【００４２】
水循環装置１６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。一方、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。
【００４３】
このため、各単位セル３０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。
【００４４】
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の外部に取り出し可能となる。
【００４５】
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１６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。
【００４６】
水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（水分）が、この水素から分離されてタンク部９０に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン２４に導出される。
【００４７】
次に、水電解システム１０の排水制御方法について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００４８】
上記のように、水電解装置１２による通常電解運転が行われると（ステップＳ１）、気液分離装置２２では、前記水電解装置１２から排出される高圧水素に含まれる水分を除去するとともに、この水分をタンク部９０に貯留している。このため、タンク部９０内の水位ＷＳが上昇し、コントローラ２８は、前記水位ＷＳが設定水量である設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出する。
【００４９】
コントローラ２８は、水位検出センサ１００ｂにより、水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したことを検出すると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、加熱装置９２を構成するヒータ９６がオンされて、このヒータ９６による加熱昇温が開始される（図３参照）。
【００５０】
従って、タンク部９０内の水は、ヒータ９６を介して昇温される一方、このタンク部９０内の水温は、温度検出センサ９８により検出される。コントローラ２８は、タンク部９０内の水温が規定温度を超えたと判断すると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、排水弁１０６を開放させる。
【００５１】
これにより、タンク部９０内の水は、排水ライン２６への排水が開始され、前記タンク部９０の水位ＷＳが低下する。タンク部９０から排水が行われるため、このタンク部９０内の水位ＷＳが低下する。そして、コントローラ２８は、水位検出センサ１００ａにより、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）まで低下したと判断すると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、排水弁１０６を閉塞する。このため、タンク部９０からの排水が停止されるとともに、ステップＳ８に進んで、ヒータ９６がオフされて昇温が停止される。
【００５２】
上記の電解が継続される際には（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻って通常電解運転を継続し、電解が終了した場合には（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、排水制御処理が終了する。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、高圧水が貯留されている気液分離装置２２から排水ライン２６に排水を行う前に、先ず、前記気液分離装置２２を構成するタンク部９０内の水温が、加熱装置９２を介して上昇されている。
【００５４】
ここで、図４に示すように、高圧水中の水素の溶解度と温度との関係が得られており、温度が上昇するのに伴って、水素の溶解度が低下している。従って、タンク部９０内では、高圧水の水温を上昇させることにより、この高圧水に溶け込んでいる水素の溶解度を低下させることができる。これにより、排水ライン２６に排水される排水中の溶存水素量が、有効に低減されるという効果が得られる。
【００５５】
このため、高圧水中に溶存する水素を排水と一体に無駄に廃棄することがなく、経済的であるとともに、高圧水排水時の急激な圧力低下により気化する水素の量が低減される。従って、第２背圧弁１０４や排水弁１０６は、水素気化に伴うシール機構の損傷を低減することができ、性能及び耐久性が低下することを抑制することが可能になる。
【００５６】
さらに、気液分離装置２２内の水位ＷＳが、設定上方位置（Ｈ）を超えた際に、加熱装置９２による前記気液分離装置２２の昇温処理が開始されている（図３参照）。これにより、加熱装置９２は、タンク部９０内の貯留水を排水する前にのみ昇温を行うため、前記タンク部９０内の水温を常時規定温度に維持する場合に比べ、エネルギーの無駄を可及的に抑制することができる。
【００５７】
さらにまた、加熱装置９２は、気液分離装置２２からの排水が完了するまで、すなわち、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下するまで、ヒータ９６をオンして昇温を行っている。このため、タンク部９０から排水ライン２６に排水される排水中の溶存水素量を可及的に削減することが可能になり、無駄に廃棄される水素が可及的に低減され、経済的であるという利点がある。
【００５８】
なお、第１の実施形態では、加熱装置９２がコイル状にタンク部９０の外周を囲繞するヒータ９６を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、電熱器や触媒燃焼器を備える加熱装置を採用することもできる。
【００５９】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１１０を構成する気液分離装置１１２の断面説明図である。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。
【００６０】
気液分離装置１１２には、加熱装置１１４が設けられており、この加熱装置１１４は、タンク部９０内の水に直接浸漬されるヒータ１１６を備える。タンク部９０の外周には、絶縁材９４が配設されるとともに、ヒータ１１６をオンすることにより、前記タンク部９０内の水を直接加熱することができる。従って、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】
【００６１】
１０、１１０…水電解システム        １２…水電解装置
１４…水貯留装置                    １６…水循環装置
１８…水供給装置                    ２０…高圧水素配管
２２、１１２…気液分離装置          ２４…高圧水素導出ライン
２６…排水ライン                    ２８…コントローラ
３０…単位セル                      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                    ８８、１０４…背圧弁
９０…タンク部                      ９２、１１４…加熱装置
９４…絶縁材                        ９６、１１６…ヒータ
９８…温度検出センサ                １００ａ〜１００ｄ…水位検出センサ
１０６…排水弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012219277.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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