(57)【要約】【課題】コンパクト且つ経済的な構成で、電力の削減を図るとともに、システム効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解することによって高圧水素を製造する高圧水素製造装置１２と、前記水から純水を製造する純水製造装置２２と、前記純水製造装置２２から導出される純水を前記高圧水素製造装置１２に導入する水補給配管２０と、前記純水製造装置２２に並列して前記水補給配管２０に配置され、前記水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する第１陽イオン除去装置８６と、前記高圧水素製造装置１２に対して前記純水製造装置２２と前記第１陽イオン除去装置８６とを選択的に接続させる切替装置８０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高圧水素製造装置と、
前記水から純水を製造する純水製造装置と、
前記純水製造装置が配置され、該純水製造装置から導出される前記純水を前記高圧水素製造装置に導入する電解水供給配管と、
を備える水電解システムであって、
前記純水製造装置に並列して前記電解水供給配管に配置され、前記水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、
前記高圧水素製造装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記陽イオン除去装置は、陽イオン交換樹脂が充填された陽イオン交換器であり、
前記陽イオン交換器と前記高圧水素製造装置との間には、該陽イオン交換器を前記陽イオンが通過したことを検知する破過検知装置が配設されるとともに、
前記切替装置は、前記破過検知装置により前記陽イオン交換器の破過が検知された際、前記高圧水素製造装置と前記純水製造装置とを接続させることを特徴とする水電解システム。
【請求項３】
請求項２記載の水電解システムにおいて、前記破過検知装置は、少なくとも硬度計、導電率計又は比抵抗計のいずれかを備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
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高圧水素製造装置と、
前記高圧水素製造装置に一端が接続され、該高圧水素製造装置から排出されるガス成分を含む未反応の水を通流させる導出配管と、
前記導出配管の他端に接続され、前記ガス成分を含む未反応の水を気液分離して水を貯留する水貯留装置と、
前記水貯留装置に貯留された水を、前記高圧水素製造装置に導入させる導入配管と、
前記水貯留装置に前記水を補給する水補給配管と、
前記水補給配管に配設され、前記水から純水を製造する純水製造装置と、
を備える水電解システムであって、
前記純水製造装置に並列して前記水補給配管に配置され、前記水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、
前記水貯留装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項４記載の水電解システムにおいて、前記陽イオン除去装置の下流に陽イオン検出装置が配置されるとともに、
前記切替装置は、前記陽イオン検出装置により閾値以上の前記陽イオンを検出した際、前記水貯留装置と前記純水製造装置とを接続させることを特徴とする水電解システム。
【請求項６】
請求項５記載の水電解システムにおいて、前記導入配管には、陽イオン除去装置の下流に他の陽イオン除去装置が配置されるとともに、
前記他の陽イオン除去装置と前記高圧水素製造装置との間には、他の陽イオン検出装置が設けられることを特徴とする水電解システム。
【請求項７】
請求項６記載の水電解システムにおいて、前記陽イオン検出装置は、硬度計又は導電率計を備える一方、前記他の陽イオン検出装置は、比抵抗計を備え、
前記硬度計又は前記導電率計の検出値が所定の閾値以下であり、且つ前記比抵抗計の検出値が所定値以下である際、前記水貯留装置と前記純水製造装置とを接続させることを特徴とする水電解システム。
【請求項８】
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高圧水素製造装置と、
前記高圧水素製造装置に一端が接続され、該高圧水素製造装置から排出されるガス成分を含む未反応の水を通流させる導出配管と、
前記導出配管の他端に接続され、前記ガス成分を含む未反応の水を気液分離して水を貯留する水貯留装置と、
前記水貯留装置に貯留された水を、前記高圧水素製造装置に導入させる導入配管と、
前記水貯留装置に前記水を補給する水補給配管と、
前記水補給配管に配設され、前記水から純水を製造する純水製造装置と、
を備える水電解システムであって、
前記純水製造装置に並列して前記水補給配管に配置され、前記水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、
前記水貯留装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置と、
前記導入配管を通流する前記水の比抵抗値を検出する比抵抗値検出装置と、
を備えるとともに、
前記切替装置は、前記水貯留装置内に一定量の前記水が供給されることにより、前記比抵抗値検出装置によって検出された前記比抵抗値が所定値以下になった際、前記水貯留装置と前記純水製造装置とを接続させることを特徴とする水電解システム。
【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高圧水素製造装置と、前記水から純水を製造する純水製造装置とを備える水電解システムに関する。
【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。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された電解スタックでは、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。
【０００５】
この種の水電解システムでは、アノード給電体に供給される水は、不純物含有量を抑制する必要があり、電解用の水として純水が使用されている。例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置では、一定量の純水を貯留するための純水タンクと、純水タンクから純水を水電解セルの陽極側に供給するための陽極側純水供給経路と、電解質膜を隔膜として用いて、陽極側と陰極側とに分離して、純水タンクから陽極側純水供給経路を介して、純水を陽極側に供給しながら純水を電気分解して、陽極側から酸素ガスを、陰極側から水素ガスをそれぞれ発生するように構成した水電解セルと、水電解セルより排出される純水を純水タンクに環流するための純水環流経路と、水電解セルにて電気分解することによって消耗した水量に相当する純水を純水タンクに供給するための純水発生装置とから構成している。
【０００６】
また、特許文献２は、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽と、水電解槽の陰極にて発生した水素と水とを分離する水素気液分離器と、水電解槽の陽極にて発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器と、酸素気液分離器から水電解槽へ水を供給することにより水を循環させる循環ポンプを含む水循環ラインとを備えている固体高分子型水電解装置が開示されている。
【０００７】
この固体高分子型水電解装置では、水循環ラインに、水電解槽に供給される循環水の一部を取り出し且つイオン交換器による処理後に酸素気液分離器に供給する分岐ラインを設けている。さらに、水電解槽へ新規に供給される供給水処理用イオン交換器と処理後の水を蓄える純水タンクとが設けられており、分岐ラインの下流端を純水タンクに接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１７０１８９号公報
【特許文献２】特開２００２−１７３７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、純水発生装置により高純度の純水を製造する必要があるため、種々のフィルタ等を用いている。従って、水電解システム全体が相当に大型化するという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、供給水処理用イオン交換器を備えており、この供給水処理用イオン交換器内には、イオン交換樹脂が充填されている。このため、イオン交換樹脂が破過（不純物が吸着されずに、そのまま排出される状態）した際には、水電解システムの運転を停止して前記イオン交換樹脂の交換作業を行わなければならない。これにより、システム効率が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、電力の削減を図るとともに、システム効率の向上を図ることが可能な水電解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】
【００１２】
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高圧水素製造装置と、前記水から純水を製造する純水製造装置と、前記純水製造装置が配置され、該純水製造装置から導出される前記純水を前記高圧水素製造装置に導入する電解水供給配管とを備える水電解システムに関するものである。
【００１３】
この水電解システムは、純水製造装置に並列して電解水供給配管に配置され、水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、高圧水素製造装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置とを備えている。
【００１４】
また、この水電解システムでは、陽イオン除去装置は、陽イオン交換樹脂が充填された陽イオン交換器であり、前記陽イオン交換器と高圧水素製造装置との間には、該陽イオン交換器を陽イオンが通過したことを検知する破過検知装置が配設されるとともに、切替装置は、前記破過検知装置により前記陽イオン交換器の破過が検知された際、前記高圧水素製造装置と純水製造装置とを接続させることが好ましい。
【００１５】
さらに、この水電解システムでは、破過検知装置は、少なくとも硬度計、導電率計又は比抵抗計のいずれかを備えることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、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高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造装置に一端が接続され、該高圧水素製造装置から排出されるガス成分を含む未反応の水を通流させる導出配管と、前記導出配管の他端に接続され、前記ガス成分を含む未反応の水を気液分離して水を貯留する水貯留装置と、前記水貯留装置に貯留された水を、前記高圧水素製造装置に導入させる導入配管と、前記水貯留装置に前記水を補給する水補給配管と、前記水補給配管に配設され、前記水から純水を製造する純水製造装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００１７】
この水電解システムは、純水製造装置に並列して水補給配管に配置され、水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、水貯留装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置とを備えている。
【００１８】
また、この水電解システムでは、陽イオン除去装置の下流に陽イオン検出装置が配置されるとともに、切替装置は、前記陽イオン検出装置により閾値以上の陽イオンを検出した際、水貯留装置と純水製造装置とを接続させることが好ましい。
【００１９】
さらに、この水電解システムでは、導入配管には、陽イオン除去装置の下流に他の陽イオン除去装置が配置されるとともに、前記他の陽イオン除去装置と高圧水素製造装置との間には、他の陽イオン検出装置が設けられることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、この水電解システムでは、陽イオン検出装置は、硬度計又は導電率計を備える一方、他の陽イオン検出装置は、比抵抗計を備え、前記硬度計又は前記導電率計の検出値が所定の閾値以下であり、且つ前記比抵抗計の検出値が所定値以下である際、水貯留装置と純水製造装置とを接続させることが好ましい。
【００２１】
また、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高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造装置に一端が接続され、該高圧水素製造装置から排出されるガス成分を含む未反応の水を通流させる導出配管と、前記導出配管の他端に接続され、前記ガス成分を含む未反応の水を気液分離して水を貯留する水貯留装置と、前記水貯留装置に貯留された水を、前記高圧水素製造装置に導入させる導入配管と、前記水貯留装置に前記水を補給する水補給配管と、前記水補給配管に配設され、前記水から純水を製造する純水製造装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００２２】
この水電解システムは、純水製造装置に並列して水補給配管に配置され、水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造する陽イオン除去装置と、水貯留装置に対して前記純水製造装置と前記陽イオン除去装置とを選択的に接続させる切替装置と、導入配管を通流する前記水の比抵抗値を検出する比抵抗値検出装置とを備えている。そして、切替装置は、水貯留装置内に一定量の水が供給されることにより、比抵抗値検出装置によって検出された比抵抗値が所定値以下になった際、前記水貯留装置と純水製造装置とを接続させている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、純水製造装置から導出される純水を高圧水素製造装置に導入する電解水供給配管には、前記純水製造装置に並列して陽イオン除去装置が配置されている。このため、必要に応じて、陽イオン除去装置により電解用の水を製造することができ、システム運転の電力削減を図ることが可能になり、システム効率の向上が容易に図られる。
【００２４】
本発明では、水から陽イオンを除去して電解用の水を製造しているが、この水中には、陰イオンが残存し易い。その際、陽イオンは、水素イオンと同様に印加されて固体高分子電解質膜中に混入し、水電解性能に影響を与える一方、陰イオンは、電解に寄与することがなく、水電解性能に影響を与えることがない。従って、電解用の水は、脱陽イオン水を使用することができる。
【００２５】
しかも、陽イオン除去装置の交換時にも、純水製造装置を用いてシステム運転を継続することができる。従って、システム効率の向上を図ることが可能になる。
【００２６】
また、本発明によれば、水貯留装置に水を補給する水補給配管には、純水製造装置に並列して陽イオン除去装置が配置されている。このため、必要に応じて、陽イオン除去装置により電解用の水を製造することができ、システム運転の電力削減を図ることが可能になり、システム効率の向上が容易に図られる。
【００２７】
しかも、陽イオン除去装置の交換時にも、純水製造装置を用いてシステム運転を継続することができる。従って、システム効率の向上を図ることが可能になる。
【００２８】
さらに、本発明では、水貯留装置内に一定量の水が供給された際に低下する比抵抗値を予め検出している。そして、比抵抗値が、所定値以下まで低下すると推定される場合には、水貯留装置と純水製造装置とを接続させ、前記水貯留装置に陽イオン及び陰イオンを含まない純水が供給されている。これにより、高圧水素製造装置に供給される水の水質が悪化して電解性能に影響を及ぼすことを可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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短絡検知時の動作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の第１陽イオン除去装置の交換時の動作を説明するフローチャートである。
【図４】前記水電解システムの第２陽イオン除去装置の交換時の動作を説明するフローチャートである。
【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】本発明の第３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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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）を製造する高圧水素製造装置（差圧式水電解装置）１２と、前記高圧水素製造装置１２に一端が接続され、該高圧水素製造装置１２から排出されるガス成分（酸素及び水素）を含む未反応の水を通流させる導出配管１４と、前記導出配管１４の他端に接続され、前記ガス成分を含む未反応の水を気液分離して水を貯留する水貯留装置１６と、前記水貯留装置１６に貯留された水を、前記高圧水素製造装置１２に導入させる導入配管１８と、前記水貯留装置１６に前記水を補給する水補給配管（電解水供給配管）２０と、前記水補給配管２０に配設され、前記水から純水を製造する純水製造装置２２と、制御部（ＥＣＵ）２３とを備える。
【００３１】
高圧水素製造装置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。
【００３２】
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を介して電解電源３８に電気的に接続される。
【００３３】
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セパレータ４４及びカソードセパレータ４６とを備える。アノードセパレータ４４及びカソードセパレータ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。
【００３４】
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給電体５０及びカソード給電体５２とを備える。
【００３５】
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。
【００３６】
アノード給電体５０及びカソード給電体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。アノード給電体５０及びカソード給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。
【００３７】
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。
【００３８】
アノードセパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水供給連通孔５６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。
【００３９】
カソードセパレータ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。
【００４０】
水貯留装置１６は、タンク部７０を備える。タンク部７０には、導出配管１４、導入配管１８、水補給配管２０、希釈用ブロア７２及びガス排気配管７４が接続される。導出配管１４は、高圧水素製造装置１２の排出連通孔５８に接続される一方、導入配管１８は、前記高圧水素製造装置１２の水供給連通孔５６に接続される。ガス排気配管７４は、タンク部７０で純水から分離された酸素及び水素を排出する機能を有する。
【００４１】
水補給配管２０には、市水に含まれる塩素等を除去するためのプレフィルタ（活性炭等）７６が配置され、前記プレフィルタ７６の下流にバイパス配管７８が分岐及び合流する。水補給配管２０のバイパス配管７８との分岐部及び合流部の間には、切替装置８０を構成する第１開閉弁８２ａ、純水製造装置２２及び第１逆止弁８４ａが配設される。
【００４２】
バイパス配管７８には、切替装置８０を構成する第２開閉弁８２ｂ、第１陽イオン除去装置８６及び第２逆止弁８４ｂが配設される。第１陽イオン除去装置８６は、水から陽イオンを除去して脱陽イオン水を製造するため、陽イオン交換樹脂（例えば、オルガノ社製アンバーライト等）が充填されたイオン交換器により構成される。切替装置８０は、水貯留装置１６に対して純水製造装置２２と第１陽イオン除去装置８６とを選択的に接続させる。
【００４３】
タンク部７０の底部に接続される導入配管１８には、循環ポンプ９０及び第２陽イオン除去装置９２が配設される。第２陽イオン除去装置９２の上流と循環ポンプ９０との間には、第１陽イオン検出装置９４が配置されるとともに、前記第２陽イオン除去装置９２の下流と高圧水素製造装置１２との間には、第２陽イオン検出装置９６が配置される。
【００４４】
第２陽イオン除去装置９２は、高圧水素製造装置１２から溶出した陽イオンを除去する機能を有しており、第１陽イオン除去装置８６と同様に構成される。なお、第２陽イオン除去装置９２は、第１陽イオン除去装置８６よりも小さな容量に設定可能である。
【００４５】
第１陽イオン検出装置９４は、第１陽イオン除去装置８６の破過（不純物である陽イオンが吸着されずに、そのまま排出される状態）を検知する破過検知装置を構成する一方、第２陽イオン検出装置９６は、第２陽イオン除去装置９２の破過を検知する破過検知装置を構成する。第１陽イオン検出装置９４としては、好適には導電率計又は硬度計が使用され、第２陽イオン検出装置９６としては、好適には比抵抗計が用いられる。
【００４６】
硬度計は、水中に含まれるカルシウムとマグネシウムの量をそれに相当する炭酸カルシウムに換算して全硬度を表示する機能を有する。導電率計及び硬度計は、陰イオンの飽和状態から不純物（陽イオン）の混在による変化を読み取って陽イオンを検出する機能を有し、それぞれ互いに逆数で表示する。なお、第１陽イオン検出装置９４は、比抵抗計を採用してもよく、第２陽イオン検出装置９６は、導電率計又は硬度計を用いてもよい。
【００４７】
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、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。この図２では、短絡を検知して対処する工程が示されている。短絡防止の要件としては、例えば、固体高分子電解質膜４８の膜抵抗＜循環水の比抵抗である。
【００４８】
先ず、水電解システム１０が通常運転される際（ステップＳ１）、第１開閉弁８２ａが開放される一方、第２開閉弁８２ｂが閉塞される。このため、プレフィルタ７６を通って塩素等が除去された水は、純水製造装置２２に送られて不純物（陰イオン及び陽イオン等を含む）が除去されることにより純水が生成される。この純水は、水貯留装置１６を構成するタンク部７０に供給される。
【００４９】
一方、循環ポンプ９０の作用下に、タンク部７０内の水が導入配管１８を介して高圧水素製造装置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解電源３８を介して電圧（電解電流）が印加される。
【００５０】
このため、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノードセパレータ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。
【００５１】
これにより、カソードセパレータ４６とカソード給電体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を流れて高圧水素製造装置１２の外部に高圧水素配管８８を介して取り出し可能となる。
【００５２】
一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素、未反応の水及び透過した水素が流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って導出配管１４に排出される。この混合流体は、タンク部７０に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ９０を介して導入配管１８から第２陽イオン除去装置９２を通って陽イオンが除去された後、水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素及び水素は、ガス排気配管７４を通って外部に排出される。
【００５３】
次いで、純水製造装置２２に代えて、第１陽イオン除去装置８６により電解用の水が製造される。具体的には、第１開閉弁８２ａが閉塞される一方、第２開閉弁８２ｂが開放される（ステップＳ２）。このため、市水は、バイパス配管７８から第１陽イオン除去装置８６を通って陽イオンが除去された後、脱陽イオン水としてタンク部７０に供給される。
【００５４】
タンク部７０には、高圧水素製造装置１２から排出される水及び第１陽イオン除去装置８６により陽イオンが除去された水が供給されている。そして、タンク部７０から導入配管１８を通って高圧水素製造装置１２に供給される水は、第１陽イオン検出装置９４により不純物濃度（陽イオン濃度）が検出される。
【００５５】
第１陽イオン検出装置９４は、検出された不純物濃度が、例えば、不純物により短絡が発生し得る不純物の閾値濃度ｘを超えると判断すると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、第１開閉弁８２ａが開放される一方、第２開閉弁８２ｂが閉塞される。従って、市水は、第１陽イオン除去装置８６に供給されることがなく、純水製造装置２２に送られて不純物が除去された純水が、タンク部７０に供給される。
【００５６】
タンク部７０には、純水製造装置２２により不純物が除去された純水が供給されており、第１陽イオン検出装置９４は、このタンク部７０から導入配管１８に導入される水中の陽イオン濃度（不純物濃度）を検出する。
【００５７】
そして、検出された不純物濃度が、短絡が惹起される閾値濃度ｘと同等以下となると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、第１開閉弁８２ａが閉塞される一方、第２開閉弁８２ｂが開放される。これにより、純水製造装置２２が停止されるとともに、第１陽イオン除去装置８６により、電解用の水が製造される。
【００５８】
上記の処理は、運転終了まで継続され（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、純水製造装置２２と第１陽イオン除去装置８６とによる電解用水の製造が選択的に行われる。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、水補給配管２０には、純水製造装置２２と第１陽イオン除去装置８６とが並列して設けられるとともに、切替装置８０の作用下にタンク部７０に対してそれぞれ選択的に接続自在である。このため、純水製造装置２２に代えて、第１陽イオン除去装置８６により電解用の水を製造することができ、システム運転の電力削減を図ることが可能になり、システム効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００６０】
ここで、純水製造装置２２では、水中の不純物、すなわち、陽イオン及び陰イオンを除去して純水を製造するのに対し、第１陽イオン除去装置８６では、水中の陽イオンのみを除去している。従って、タンク部７０に供給される電解用の水には、陰イオンが残存し易い。
【００６１】
その際、陽イオンは、水素イオンと同様に印加されて高圧水素製造装置１２を構成する固体高分子電解質膜４８中に導入し、水電解性能に影響を与える。一方、陰イオンは、電解に寄与することがなく、水電解性能に影響を与えることがない。これにより、電解用の水として、脱陽イオン水を使用することが可能になる。
【００６２】
また、導出配管１４、タンク部７０及び導入配管１８を含む循環ラインでは、第２陽イオン除去装置９２により水中の陽イオンのみが除去されている。これにより、循環ラインには、陰イオンが残存し、陰イオン濃度が上昇し易い。
【００６３】
そこで、比抵抗計を備える第２陽イオン検出装置９６により、水中の比抵抗値が検出されている。このため、比抵抗値が低下して短絡する前に、タンク部７０を純水製造装置２２に接続することができ、陰イオンによる短絡を良好に阻止することが可能になる。
【００６４】
さらに、第１の実施形態では、水貯留装置１６を構成するタンク部７０内の水位が所定水位以下となった場合に、一定量の純水又は水が純水製造装置２２又は第１陽イオン除去装置８６から前記タンク部７０に供給されている。
【００６５】
その際、水電解システム１０では、タンク部７０内に一定量の水が供給された際に低下する比抵抗値を予め検出している。そして、第２陽イオン検出装置９６を介して検出された比抵抗値が、所定値以下まで低下すると推定される場合には、前記タンク部７０と純水製造装置２２とを接続させている。従って、タンク部７０には、陽イオン及び陰イオンを含まない純水が供給され、高圧水素製造装置１２に供給される水の水質が悪化して電解性能に影響を及ぼすことを可及的に抑制することができる。
【００６６】
次いで、第１陽イオン除去装置８６を交換する際の動作について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、図２に示すフローチャートと同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
先ず、通常運転が開始されて（ステップＳ１１）、第１陽イオン除去装置８６による電解用の水の供給が行われると（ステップＳ１２）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、第１陽イオン検出装置９４により、水中の陽イオン（又は不純物）濃度が所定の閾値ｙを超えているか否かが判断される。
【００６８】
検出された陽イオン濃度が、閾値濃度ｙを超えていると、すなわち、破過が生じていると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、タンク部７０は、第１陽イオン除去装置８６から純水製造装置２２に切り替え接続される。そして、第１陽イオン除去装置８６に破過が生じていると判断されたため、ステップＳ１５では、前記第１陽イオン除去装置８６を、新たな第１陽イオン除去装置８６と交換する作業が行われる。
【００６９】
上記の交換作業が行われた後、ステップＳ１６に進んで、タンク部７０には、新たな第１陽イオン除去装置８６が接続される。この新たな第１陽イオン除去装置８６を通って陽イオンが除去された水は、タンク部７０に供給される。
【００７０】
第１陽イオン検出装置９４では、高圧水素製造装置１２に供給される水中の陽イオン濃度を検出しており、検出された陽イオン濃度が、閾値濃度ｙ以下であると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進んで、通常運転が行われる。
【００７１】
この場合、第１陽イオン除去装置８６に破過が発生したことが検出され、前記第１陽イオン除去装置８６を交換する際にも、純水製造装置２２を用いてタンク部７０への純水の供給が継続されている。従って、システム運転を継続することができ、システム効率の向上を図ることが可能になる。
【００７２】
ところで、タンク部７０に所定量の水を補給する際に、第１陽イオン除去装置８６を通過した水が使用される場合がある。その際、第１陽イオン検出装置９４が硬度計により構成されていると、所定値以上の変化量を検出することにより、陽イオンの漏出が検知される。このため、第１陽イオン除去装置８６に破過が発生していることが検出され、前記第１陽イオン除去装置８６の交換が必要であると判断される。
【００７３】
また、第１陽イオン検出装置９４の検出変化量が所定値以下である一方、比抵抗計である第２陽イオン検出装置９６により検出される比抵抗値が、所定値以下であると、規定量以上の陰イオンが溶出されていると判断される。従って、電解用の水の水質が低下していることが検出され、純水製造装置２２からタンク部７０への純水の供給を行う必要があると判断される。
【００７４】
一方、第１陽イオン検出装置９４が比抵抗計により構成されている場合、第２陽イオン検出装置９６の検出値が、前記第１陽イオン検出装置９４の検出値よりも大きくなると、第２陽イオン除去装置９２により陽イオンが吸着されていると判断される。すなわち、第１陽イオン除去装置８６では、破過により陽イオンの吸着ができず、導入配管１８に陽イオンが流出していることが検出され、第１陽イオン除去装置８６を交換する必要があると判断される。
【００７５】
一方、第２陽イオン検出装置９６により検出された比抵抗値が大きくならないと、陰イオンが多過ぎると判断される。これにより、純水製造装置２２からタンク部７０への水の補給が必要であると判断される。
【００７６】
次に、第２陽イオン除去装置９２の交換時の動作について、図４に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００７７】
水電解システム１０が通常運転を開始して（ステップＳ２１）、高圧水電解が行われると（ステップＳ２２）、第１陽イオン検出装置９４及び第２陽イオン検出装置９６により水中の陽イオンが検出される。
【００７８】
第１陽イオン検出装置９４及び第２陽イオン検出装置９６が、導電率計又は硬度計で構成される際には、前記第２陽イオン検出装置９６の検出値ＷＳ２が、前記第１陽イオン検出装置９４の検出値ＷＳ１以上であると判断されると（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２４に進んで、水電解システム１０の運転が停止される。第２陽イオン除去装置９２により陽イオンが除去されず、破過していると判断されるからである。
【００７９】
そして、ステップＳ２５に進んで、第２陽イオン除去装置９２の交換が行われ、運転再開の有無が判断される（ステップＳ２６）。なお、第１陽イオン検出装置９４及び第２陽イオン検出装置９６が、比抵抗計により構成される際には、ステップＳ２３での判断基準は、逆、すなわち、ＷＳ１≧ＷＳ２となる。
【００８０】
このように、第２陽イオン除去装置９２の破過を容易に判断することができ、高圧水素製造装置１２の電解性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００８１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１００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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００８２】
水電解システム１００は、第２陽イオン除去装置１０２を備えるとともに、この第２陽イオン除去装置１０２は、電気再生式純水装置（ＥＤＩ）により構成される。電気再生式純水装置は、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを交互に配列し、その間にイオン交換樹脂を挟むとともに、両端から直流電流を流すことにより、電気的にイオンを除去すると同時に、イオン交換樹脂を再生する機能を有している。
【００８３】
従って、第２陽イオン除去装置１０２では、イオン交換樹脂の交換が不要になるとともに、前記第２陽イオン除去装置１０２の破過を検出する手段が不要になるという利点が得られる。なお、第１陽イオン除去装置８６は、同様に、電気再生式純水装置により構成してもよい。
【００８４】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１１０の概略構成説明図である。
【００８５】
水電解システム１１０は、純水製造装置２２が配置され、前記純水製造装置２２から導出される純水を高圧水素製造装置１２の水供給連通孔５６に導入する電解水供給配管（水補給配管）１１２を備える。電解水供給配管１１２には、バイパス配管７８を介して陽イオン除去装置８６ａが純水製造装置２２に並列して配置される。電解水供給配管１１２には、陽イオン除去装置８６ａと高圧水素製造装置１２との間に位置し、前記陽イオン除去装置８６ａを陽イオンが通過したことを検知する破過検知装置である陽イオン検出装置９４ａが配設される。
【００８６】
このように構成される第３の実施形態では、電解水供給配管１１２に純水製造装置２２と陽イオン除去装置８６ａとが並列して配置されている。このため、必要に応じて、陽イオン除去装置８６ａにより電解用の水を製造することができ、システム運転の電力削減を図るとともに、システム効率の向上が容易に図られる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１００、１１０…水電解システム
１２…高圧水素製造装置              １４…導出配管
１６…水貯留装置                    １８…導入配管
２０…水補給配管                    ２２…純水製造装置
２３…制御部                        ２４…単位セル
３８…電解電源                      ４２…電解質膜・電極構造体
４４…アノードセパレータ            ４６…カソードセパレータ
５６…水供給連通孔                  ５８…排出連通孔
６０…水素連通孔                    ６４、６８…流路
７０…タンク部                      ７６…プレフィルタ
７８…バイパス配管                  ８０…切替装置
８２ａ、８２ｂ…開閉弁              ８４ａ、８４ｂ…逆止弁
８６、８６ａ、９２、１０２…陽イオン除去装置
９０…循環ポンプ
９４、９４ａ、９６…陽イオン検出装置
１１２…電解水供給配管
【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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