(57)【要約】【課題】排出されるガス成分を良好に希釈するとともに、消費電力の削減及び騒音の低減を図ることを可能にする。【解決手段】水電解システム１０の運転方法は、高圧水電解装置１２から気液分離装置１６に排出される透過水素流量及び酸素流量を算出する工程と、運転中の水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量を算出する工程と、運転中の前記水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量を算出する工程と、前記透過水素用希釈流量及び前記酸素用希釈流量を比較し、流量の多い方を希釈用空気流量に選択して気液分離装置１６内に希釈用空気を供給する工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、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と、
前記水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、
前記高圧水電解装置の前記アノード側から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離するとともに、前記ガス成分を希釈用空気により希釈する気液分離装置と、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記ガス成分は、前記アノード側に生成される前記酸素と、前記カソード側に生成されて前記電解質膜を透過した透過水素とを含み、
前記高圧水電解装置から前記気液分離装置に排出される透過水素流量及び酸素流量を算出する工程と、
運転中の水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて前記透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量を算出する工程と、
運転中の前記水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて前記酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量を算出する工程と、
前記透過水素用希釈流量及び前記酸素用希釈流量を比較し、流量の多い方を希釈用空気流量に選択して前記気液分離装置内に前記希釈用空気を供給する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記高圧水電解装置の運転温度及び前記カソード側に生成される前記水素の圧力に基づいて、前記カソード側から前記アノード側に前記電解質膜を透過する前記透過水素流量を算出する工程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１又は２記載の運転方法において、前記希釈用空気は、前記気液分離装置に接続されるブロアを制御することにより供給され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、高圧水電解装置と、水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、前記高圧水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池を発電させるために、燃料ガスとして水素ガスが使用されている。一般的に、この水素ガスを製造する際に、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、アノード側給電体及びカソード側給電体を配設してユニットが構成されている。
【０００３】
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、水素イオン（プロトン）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。
【０００４】
この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水電解装置の水循環装置（水電解システム）が知られている。図７に示すように、水電解システムでは、酸素側水槽１と水素側水槽２が水電解槽３の上方に設置されており、重力の力によって水供給配管４ａ、４ｂを通じて、自然に水電解槽３に水が給配されている。電源５は、サイリスタにより電流のＯＮ／ＯＦＦが可能なものとなっており、これにより、電解によって発生するガスの量及び発生間隔を任意に選択できる。
【０００５】
酸素側水槽１と水素側水槽２には、消費された水を補給する系統６ａと６ｂが設けられている。水は、発生したガスにより、排出管７ａと７ｂ内をリフトアップされている。
【０００６】
ガスの発生は、電源５により断続的になされているため、ガスとガスの間に効果的に水が挟まれ、多量の水のリフトアップが可能になる。リフトアップされた水を補うため、水は、重力の力で水供給配管４ａ、４ｂから供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２９１３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の水電解システムでは、酸素側水槽１に高濃度の酸素が滞留するとともに、場合により排出管７ａ側に透過した水素が滞留するおそれがある。特に、酸素よりも高圧な水素が生成される高圧水電解装置では、酸素側水槽１に水素が滞留し易い。
【０００９】
しかしながら、上記の酸素側水槽１には、高濃度の酸素や水素を希釈する工夫がなされておらず、直接排出している。このため、例えば、ブロアを使用して酸素側水槽１内に希釈用空気を供給することが考えられるが、前記ブロアの消費電力が増大するとともに、騒音が発生し易いという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排出されるガス成分を良好に希釈するとともに、消費電力の削減及び騒音の低減を図ることが可能な水電解システム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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、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と、前記水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、前記高圧水電解装置の前記アノード側から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離するとともに、前記ガス成分を希釈用空気により希釈する気液分離装置とを備える水電解システムの運転方法に関するものである。
【００１２】
ガス成分は、アノード側に生成される酸素と、カソード側に生成されて電解質膜を透過した透過水素とを含んでいる。
【００１３】
この運転方法では、高圧水電解装置から気液分離装置に排出される透過水素流量及び酸素流量を算出する工程と、運転中の水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量を算出する工程と、運転中の前記水素製造量に対し、前記透過水素流量及び前記酸素流量に基づいて酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量を算出する工程と、前記透過水素用希釈流量及び前記酸素用希釈流量を比較し、流量の多い方を希釈用空気流量に選択して気液分離装置内に希釈用空気を供給する工程とを有している。
【００１４】
また、この運転方法では、高圧水電解装置の運転温度及びカソード側に生成される水素の圧力に基づいて、前記カソード側からアノード側に電解質膜を透過した透過水素流量を算出する工程を有することが好ましい。
【００１５】
さらに、この運転方法では、希釈用空気は、気液分離装置に接続されるブロアを制御することにより供給されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量と、酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量とが算出されている。次いで、透過水素用希釈流量及び酸素用希釈流量の流量の多い方が希釈用空気流量に選択され、気液分離装置内に希釈用空気が供給されている。
【００１７】
従って、高圧水電解装置から実際に排出される透過水素流量及び酸素流量に基づいて、最適量の希釈用空気が供給されるため、透過水素及び酸素の希釈処理が効率的且つ確実に遂行される。
【００１８】
しかも、希釈用空気を供給する、例えば、ブロアは、常時、最大水素濃度に対応する一定の出力で駆動されることがなく、過剰な希釈用空気の供給を抑制することができる。これにより、ブロアは、効率的に制御され、排出されるガス成分を良好に希釈するとともに、前記ブロアの消費電力の削減及び騒音の低減を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る運転方法が適用され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を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】製造される水素の圧力と水素透過量との関係説明図である。
【図５】水素製造量に対する透過水素用希釈流量と酸素用希釈流量との関係説明図である。
【図６】低温運転時の水素製造量に対する透過水素用希釈流量と酸素用希釈流量との関係説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている水電解システム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、本発明の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム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（酸素よりも高圧な水素）を製造する高圧水電解装置１２と、前記水を前記高圧水電解装置１２に循環させる水循環装置１４と、前記高圧水電解装置１２から排出されるガス成分（酸素ガス及び水素ガス）を、前記水循環装置１４内の水から分離し、前記水を貯留する気液分離装置１６と、前記気液分離装置１６に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、コントローラ２０とを備える。
【００２１】
高圧水電解装置１２は、複数の単位セル２４を積層して構成される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２２】
ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源（直流電源）３８に電気的に接続される。
【００２３】
図２に示すように、単位セル２４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、カーボン部材又は金属板等で構成される。
【００２４】
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。
【００２５】
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。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２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。
【００２６】
単位セル２４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（混合流体）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。
【００２７】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂ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。
【００２８】
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４６ａには、水素連通孔６０に連通する水素排出通路６６が設けられる。面４６ａには、水素排出通路６６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。
【００２９】
アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３０】
図１に示すように、水循環装置１４は、高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備える。この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置するとともに、気液分離装置１６を構成する貯留器７８の底部に設けられた導出口７８ａに接続される。貯留器７８の底部に設けられた導入口７８ｂには、戻り配管８０の一端部が連通する一方、前記戻り配管８０の他端部は、高圧水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。
【００３１】
貯留器７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、希釈用空気を供給するブロア（送風部）８６に接続された送風配管８７と、前記貯留器７８で純水から分離されたガス成分（酸素ガス及び水素ガス）を排出するための酸素排気配管８８とが連結される。
【００３２】
高圧水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管９０の一端が接続される。この高圧水素配管９０の他端は、図示しない高圧水素供給部（燃料タンクや燃料電池自動車等）に接続される。
【００３３】
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。
【００３４】
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、気液分離装置１６を構成する貯留器７８に供給される。一方、水循環装置１４では、循環ポンプ７４の作用下に、貯留器７８内の水が循環配管７２を介して高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。また、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。
【００３５】
このため、図２に示すように、各単位セル２４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。
【００３６】
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。
【００３７】
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を流れて高圧水電解装置１２の外部に高圧水素配管９０を介して取り出し可能となる。
【００３８】
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１４の戻り配管８０に排出される（図１参照）。さらに、第２流路６８の水素は、第１流路６４の混合流体よりも高圧に維持されており、前記水素の一部が固体高分子電解質膜４８を透過して前記第１流路６４にリークする。
【００３９】
未反応ガスの水及びガス成分（酸素ガスと透過した水素ガス）は、貯留器７８に導入されて気液分離された後、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。水から分離されたガス成分は、ブロア８６から供給される希釈用空気によって希釈された後、酸素排気配管８８から外部に排出される。
【００４０】
次いで、本実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４１】
先ず、水電解システム１０の運転条件が設定される（ステップＳ１）。具体的には、高圧水電解装置１２の運転温度とカソード側に生成される水素の圧力とが設定される。これにより、図４に示すように、カソード側からアノード側に固体高分子電解質膜４８を透過する透過水素流量が算出される（ステップＳ２）。なお、運転温度は、図４中、Ｔ１℃＜Ｔ２℃＜Ｔ３℃の関係を有しており、運転温度が高い程及び水素圧力が高い程、透過水素流量が多くなる。
【００４２】
次いで、水素製造量Ｘが設定されると（ステップＳ３）、ステップＳ４に進んで、透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量Ｍ１及び酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量Ｍ２が算出される。
【００４３】
この場合、透過水素濃度をＶ１以下にするための透過水素用希釈流量Ｍ１は、透過水素量ｎ１、酸素流量０．５Ｘとすると、ｎ１／（０．５Ｘ＋Ｍ１＋ｎ１）≦Ｖ１の関係から、Ｍ１≧（１−Ｖ１）ｎ１／Ｖ１−０．５Ｘが得られる（第１式）。
【００４４】
一方、酸素濃度をＶ２以下にするための酸素用希釈流量Ｍ２は、（０．５Ｘ＋Ｍ２・０．２１）／（０．５Ｘ＋Ｍ２＋ｎ１）≦Ｖ２の関係から、Ｍ２≧（１−Ｖ２）Ｘ／２（Ｖ２−０．２１）−Ｖ２・ｎ１／（Ｖ２−０．２１）が得られる（第２式）。なお、上記の０．２１は、空気中の酸素濃度である２１％を示す。
【００４５】
そこで、例えば、運転温度が６０℃、水素圧力が３５ＭＰａの場合に、水素製造量Ｘを１０（Ｌ／ｍｉｎ）とすると、酸素流量０．５Ｘが５（Ｌ／ｍｉｎ）、透過水素量ｎ１が０．５（Ｌ／ｍｉｎ）となる。
【００４６】
このため、アノード側に透過する透過水素濃度Ｖ１を、例えば、０．５％以下にする透過水素用希釈流量Ｍ１は、第１式から、Ｍ１が約９５（Ｌ／ｍｉｎ）以上となる。また、アノード側の酸素濃度Ｖ２を、例えば、２５％以下にする酸素用希釈流量Ｍ２は、第２式から、Ｍ２が約９１（Ｌ／ｍｉｎ）以上となる。
【００４７】
従って、ステップＳ５では、透過水素用希釈流量Ｍ１＞酸素用希釈流量Ｍ２であると判断され（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、透過水素用希釈流量Ｍ１が希釈用空気流量Ｍ１に設定され、コントローラ２０を介してブロア８６が制御される（ステップＳ７）。
【００４８】
また、透過水素用希釈流量Ｍ１と酸素用希釈流量Ｍ２とは、例えば、運転温度が６０℃、水素圧力が３５ＭＰａの場合に、水素製造量Ｘを変更すると、図５に示す関係を有する。
【００４９】
これにより、水素製造量Ｘが増加されると、透過水素用希釈流量Ｍ１＜酸素用希釈流量Ｍ２の関係に移行する（ステップＳ５中、ＮＯ）。そして、ステップＳ８に進んで、酸素用希釈流量Ｍ２が希釈用空気流量Ｍ２に設定される。上記の工程は、水電解システム１０の運転が停止されるまで（ステップＳ９）、継続して行われる。
【００５０】
なお、運転温度が低温である際、例えば、運転温度が３０℃、水素圧力が３５ＭＰａの場合に、水素製造量Ｘを１０（Ｌ／ｍｉｎ）とすると、酸素流量０．５Ｘが５（Ｌ／ｍｉｎ）、透過水素量ｎ１が０．１８（Ｌ／ｍｉｎ）となる。
【００５１】
その際、アノード側に透過する透過水素濃度Ｖ１を、例えば、０．５％以下にする透過水素用希釈流量Ｍ１は、第１式から、Ｍ１が約３１（Ｌ／ｍｉｎ）以上となる。一方、アノード側の酸素濃度Ｖ２を、例えば、２５％以下にする酸素用希釈流量Ｍ２は、第２式から、Ｍ２が約９３（Ｌ／ｍｉｎ）以上となる。この低温運転時の透過水素用希釈流量Ｍ１と酸素用希釈流量Ｍ２との関係は、図６に示されている。
【００５２】
この場合、本実施形態では、高圧水電解装置１２の運転温度とカソード側に生成される水素の圧力とが設定されるとともに、水素製造量Ｘが設定されている。これにより、透過水素を希釈するために必要な透過水素用希釈流量Ｍ１と、酸素を希釈するために必要な酸素用希釈流量Ｍ２とが算出されている。
【００５３】
次いで、透過水素用希釈流量Ｍ１及び酸素用希釈流量Ｍ２の流量の多い方が、希釈用空気流量に選択され、コントローラ２０の作用下にブロア８６が制御されて気液分離装置１６内に希釈用空気が供給されている。
【００５４】
従って、高圧水電解装置１２から戻り配管８０に実際に排出される透過水素流量及び酸素流量に基づいて、最適量の希釈用空気が供給されるため、透過水素及び酸素の希釈処理が効率的且つ確実に遂行される。
【００５５】
しかも、希釈用空気を供給するブロア８６は、常時、最大水素濃度に対応する一定の出力で駆動されることがなく、過剰な希釈用空気の供給を抑制することができる。このため、ブロア８６は、効率的に制御され、排出されるガス成分を良好に希釈するとともに、前記ブロア８６の消費電力の削減及び騒音の低減を図ることが可能になるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５６】
１０…水電解システム                １２…高圧水電解装置
１４…水循環装置                    １６…気液分離装置
１８…水供給装置                    ２０…コントローラ
２４…単位セル                      ３８…電源
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
６６…水素排出通路                  ７２…循環配管
７４…循環ポンプ                    ７６…イオン交換器
７８…貯留器                        ８０…戻り配管
８４…純水供給配管                  ８６…ブロア
８８…酸素排気配管                  ９０…高圧水素配管
【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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