CN102383140A - 水电解系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够对排出的气体成分进行良好地稀释，并可靠地抑制水质的劣化的水电解系统。水电解系统(10)具备：高压水电解装置(12)，其通过对水进行电解而制造氧及高压氢；水循环装置(14)，其使所述水向所述高压水电解装置(12)循环；气液分离装置(16)，其将从所述高压水电解装置(12)排出的气体成分从所述水循环装置(14)内的所述水中分离，并积存所述水。气液分离装置(16)具备：积存器(78)，其将气体成分及水导入；鼓风机(86)，其向所述积存器(78)内供给稀释用空气；可动壁部(90)，其配设在所述积存器(78)内，能够追随该积存器(78)内的水面位置而上下移动且能够使所述气体成分透过。

Description

水电解系统
技术领域
本发明涉及一种水电解系统，其具备：高压水电解装置；使水向所述高压水电解装置循环的水循环装置；将从所述高压水电解装置排出的气体成分从所述水循环装置内的所述水中分离的气液分离装置。
背景技术
例如，为了使燃料电池发电，而使用氢气作为燃料气体。通常，在制造该氢气时，采用水电解装置。该水电解装置为了分解水而产生氢(及氧)，而使用固体高分子电解质膜(离子交换膜)。在固体高分子电解质膜的两面设有电极催化剂层而构成电解质膜-电极结构体，并且在所述电解质膜-电极结构体的两侧配设阳极侧供电体及阴极侧供电体而构成单元。
因此，在将多个单元层叠的状态下，对层叠方向两端施加电压，并向阳极侧供电体供给水。因此，在电解质膜-电极结构体的阳极侧，将水分解而生成氢离子(阳离子)，该氢离子透过固体高分子电解质膜向阴极侧移动，与电子结合而制造氢。另一方面，在阳极侧，与氢离子(阳离子)一起生成的氧伴随剩余的水而从单元排出。
作为此种水电解系统，已知有例如专利文献1所公开的水电解装置的水循环装置(水电解系统)。如图5所示，在水电解系统中，氧侧水槽1和氢侧水槽2设置在水电解槽3的上方，在重力的作用下通过水供给配管4a、4b，自然地将水向水电解槽3给配。电源5能够通过晶闸管进行电流的接通/切断，由此，能够任意地选择通过电解产生的气体的量及产生间隔。
在氧侧水槽1和氢侧水槽2设有对消耗的水进行补给的系统6a和6b。水在排出管7a和7b内被产生的气体顶起。
气体的产生通过电源5而断续地进行，因此在气体与气体之间有效地夹着水，从而能够顶起多量的水。为了对顶起的水进行补充，而使水在重力的作用下从水供给配管4a、4b进行供给。
专利文献1：日本特开平9-291385号公报
然而，在上述的水电解系统中，在氧侧水槽1滞留有高浓度的氧，并且有时可能会滞留有向排出管7a侧透过了的氢。尤其是在生成比氧高压的氢的高压水电解装置中，在氧侧水槽1容易滞留氢。
然而，在上述的氧侧水槽1未想办法对高浓度的氧或氢进行稀释，而直接排出。因此，虽然考虑了向氧侧水槽1内供给稀释用空气，但在所述氧侧水槽1内的纯水中溶解有例如二氧化碳等，从而存在所述纯水的水质下降的问题。
发明内容
本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够对排出的气体成分进行良好地稀释，并可靠地抑制水质的劣化的水电解系统。
本发明涉及一种水电解系统，其具备：高压水电解装置，其在电解质膜的两侧设有供电体，对水进行电解而在阳极侧产生氧，并在阴极侧产生比所述氧高压的氢；水循环装置，其使所述水向所述高压水电解装置循环；气液分离装置，其将从所述高压水电解装置的所述阳极侧排出的气体成分从所述水循环装置内的所述水中分离。
在该水电解系统中，气液分离装置具备：积存器，其在下方设有对来自高压水电解装置的气体成分及水进行导入的导入口；鼓风部，其从所述积存器的上方向该积存器内供给稀释用空气；可动壁部，其配设在所述积存器内，能够追随该积存器内的水面位置而上下移动且能够使所述气体成分透过。
另外，在该水电解系统中，可动壁部具备多孔片部件，该多孔片部件用于将从高压水电解装置排出的气体成分从水面侧向空间侧透过所述可动壁部的气体压力设定成高于从鼓风部供给空气的积存器内的所述空间侧的气体压力。
并且，在该水电解系统中，可动壁部具备浮子部件，该浮子部件漂浮在水上，并支承多孔片部件。
发明效果
根据本发明，由于从积存器的上方供给稀释用空气，因此导入到所述积存器内的气体成分(氧气及氢气)被良好地稀释而向外部排出。
而且，在积存器内配设有能够使气体成分透过的可动壁部。因此，能够大幅地削减稀释用空气与滞留在积存器内的纯水接触的面积，从而阻止例如碳酸离子等混入到所述纯水中。由此，能够可靠地阻止设置在水循环装置中的离子交换器内的离子交换树脂的劣化进展。
此外，可动壁部能够追随积存器内的水面位置而上下移动。因此，在水面与可动壁部之间不会形成氧气与氢气的混合气体所滞留的空间部，不需要进行所述混合气体的处理。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的水电解系统的简要结构说明图。
图2是构成所述水电解系统的单位电池的分解立体说明图。
图3是构成所述水电解系统的积存器的主要部分立体说明图。
图4是所述积存器的动作说明图。
图5是专利文献1所公开的水电解系统的简要说明图。
符号说明：
10…水电解系统
12…高压水电解装置
14…水循环装置
16…气液分离装置
18…水供给装置
20…控制器
24…单位电池
38…电源
42…电解质膜-电极结构体
44…阳极侧隔板
46…阴极侧隔板
48…固体高分子电解质膜
50…阳极侧供电体
52…阴极侧供电体
56…水供给连通孔
58…排出连通孔
60…氢连通孔
64、68…流路
66…氢排出通路
72…循环配管
74…循环泵
76…离子交换器
78…积存器
80…返回配管
84…纯水供给配管
86…鼓风机
88…氧排气配管
90…可动壁部
92…多孔片部件
94…浮子部件
96…高压氢配管
具体实施方式
如图1所示，本发明的实施方式涉及的水电解系统10具备：通过电解水(纯水)而制造氧及高压氢(比氧高压的氢)的高压水电解装置12；使所述水向所述高压水电解装置12循环的水循环装置14；将从所述高压水电解装置12排出的气体成分(氧气及氢气)从所述水循环装置14内的水中分离，并对所述水进行积存的气液分离装置16；将从市政用水生成的纯水向所述气液分离装置16供给的水供给装置18；以及控制器20。
高压水电解装置12通过层叠多个单位电池24而构成。在单位电池24的层叠方向一端朝向外方依次配设有接线板26a、绝缘板28a及端板30a。在单位电池24的层叠方向另一端同样朝向外方依次配设有接线板26b、绝缘板28b及端板30b。端板30a、30b之间被一体地紧固保持。
在接线板26a、26b的侧部设有向外方突出的端子部34a、34b。端子部34a、34b经由配线36a、36b与电源(直流电源)38电连接。
如图2所示，单位电池24具备圆盘状的电解质膜-电极结构体42、夹持该电解质膜-电极结构体42的阳极侧隔板44及阴极侧隔板46。阳极侧隔板44及阴极侧隔板46具有圆盘状，并由例如碳部件或金属板等构成。
电解质膜-电极结构体42例如具备：水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜48；设置在所述固体高分子电解质膜48的两面上的阳极侧供电体50及阴极侧供电体52。
在固体高分子电解质膜48的两面上形成有阳极电极催化剂层50a及阴极电极催化剂层52a。阳极电极催化剂层50a例如使用Ru(钌)系催化剂，而阴极电极催化剂层52a例如使用铂催化剂。阳极侧供电体50及阴极侧供电体52例如由球状雾化钛粉末的烧结体(多孔质导电体)构成。
在单位电池24的外周缘部设有沿层叠方向相互连通的用于供给水(纯水)的水供给连通孔56、用于排出通过反应而生成的氧及未反应的水(混合流体)的排出连通孔58、用于使通过反应而生成的氢流动的氢连通孔60。
在阳极侧隔板44的朝向电解质膜-电极结构体42的面44a上设有与水供给连通孔56连通的供给通路62a和与排出连通孔58连通的排出通路62b。在面44a上设有与供给通路62a及排出通路62b连通的第一流路64。该第一流路64设置在与阳极侧供电体50的表面积对应的范围内，并由多个流路槽和多个压花等构成。
在阴极侧隔板46的朝向电解质膜-电极结构体42的面46a上设有与氢连通孔60连通的氢排出通路66。在面46a上形成有与氢排出通路66连通的第二流路68。该第二流路68设置在与阴极侧供电体52的表面积对应的范围内，并由多个流路槽和多个压花等构成。
密封部件70a、70b绕阳极侧隔板44及阴极侧隔板46的外周端部而与阳极侧隔板44及阴极侧隔板46一体化。该密封部件70a、70b例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、硅氟橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等的密封材料、缓冲材料或填充材料。
如图1所示，水循环装置14具备与高压水电解装置12的水供给连通孔56连通的循环配管72。该循环配管72上配置有循环泵74及离子交换器76，并且该循环配管72与设置在构成气液分离装置16的积存器78底部的导出口78a连接。返回配管80的一端部与设置在积存器78底部的导入口78b连通，而所述返回配管80的另一端部与高压水电解装置12的排出连通孔58连通。
在积存器78上连结有：与水供给装置18连接的纯水供给配管84；与供给稀释用空气的鼓风机(鼓风部)86连接的鼓风配管87；用于将所述积存器78中从纯水中分离出的气体成分(氧气及氢气)排出的氧排气配管88。
在积存器78内配设有能够追随所述积存器78内的水面WS的位置而上下移动且能够使气体成分透过的可动壁部90。如图3所示，可动壁部90具备：与积存器78的内壁形状对应而具有长方形状(或正方形状、圆形等)的多孔片部件92；支承所述多孔片部件92而使其漂浮在水面WS上的多个、例如四个浮子部件94。浮子部件94例如由铁系材料(SUS材料)或钛等形成。
多孔片部件92例如由金属制网状物或冲孔金属构成。多孔片部件92的开口面积设定成，使从高压水电解装置12排出的气体成分从水面WS侧向空间SP侧透过所述多孔片部件92的排出压力高于从鼓风机86供给空气的积存器78内的所述空间SP侧的气体压力。
具体而言，如图4所示，由高压水电解装置12生成的氧及透过了固体高分子电解质膜48的氢的流量所产生的压力损失ΔPH2+O2设定成大于由鼓风机86稀释后的总气体流量产生的压力损失ΔPALL(ΔPH2+O2＞ΔPALL)。
如图1所示，高压氢配管96的一端与高压水电解装置12的氢连通孔60连接。该高压氢配管96的另一端与未图示的高压氢供给部(燃料箱或燃料电池机动车等)连接。
以下，对如此构成的水电解系统10的动作进行说明。
首先，在水电解系统10的起动时，经由水供给装置18将从市政用水生成的纯水向构成气液分离装置16的积存器78供给。另一方面，在水循环装置14中，在循环泵74的作用下，积存器78内的水经由循环配管72向高压水电解装置12的水供给连通孔56供给。而且，经由与接线板26a、26b的端子部34a、34b电连接的电源38对端子部34a、34b施加电压。
因此，如图2所示，在各单位电池24中，从水供给连通孔56向阳极侧隔板44的第一流路64供给水，该水沿着阳极侧供电体50内进行移动。
因此，在电力作用下水在阳极电极催化剂层50a被分解，生成氢离子、电子及氧。通过该阳极反应而生成的氢离子透过固体高分子电解质膜48而向阴极电极催化剂层52a侧移动，与电子结合而得到氢。
由此，氢沿着在阴极侧隔板46与阴极侧供电体52之间形成的第二流路68流动。该氢被维持成比水供给连通孔56高压，并在氢连通孔60中流动而能够经由高压氢配管96取出到高压水电解装置12的外部。
另一方面，通过反应而生成的氧和未反应的水在第一流路64中流动，它们的混合流体沿着排出连通孔58而向水循环装置14的返回配管80排出(参照图1)。而且，第二流路68的氢被维持成比第一流路64的混合流体高压，所述氢的一部分透过固体高分子电解质膜48而向所述第一流路64渗漏。
未反应气体的水及气体成分(氧气和透过的氢气)被导入积存器78而进行了气液分离后，水经由循环泵74从循环配管72通过离子交换器76而被导入水供给连通孔56。从水中分离后的气体成分被从鼓风机86供给的稀释用空气稀释后，从氧排气配管88向外部排出。
这种情况下，在本实施方式中，如图4所示，在积存器78内配设有能够追随所述积存器78内的水面WS的位置而上下移动且能够使气体成分透过的可动壁部90。并且，由高压水电解装置12生成的氧及透过的氢的流量所产生的压力损失ΔPH2+O2设定成大于由鼓风机86稀释后的总气体流量产生的压力损失ΔPALL。
因此，被导入到积存器78下部的气体成分在透过多孔片部件92而向上部侧(空间SP侧)移动后，被稀释用空气稀释而从氧排气配管88向外部排出。因此，被导入积存器78内的气体成分在被良好地稀释后，向外部排出。
而且，被供给到积存器78内的稀释用空气不会从空间SP侧向水面WS侧通过可动壁部90。由此，能够大幅削减稀释用空气与滞留在积存器78内的纯水接触的面积，从而能够阻止所述纯水中混入有例如碳酸离子的情况。因此，能够可靠地阻止设置在水循环装置14中的离子交换器76内的离子交换树脂(未图示)的劣化进展，能够得到经济性的效果。
此外，可动壁部90通过多个浮子部件94能够追随积存器78内的水面WS的位置而上下移动。因此，在水面WS与可动壁部90之间不会形成氧气与氢气的混合气体所滞留的空间部，存在不需要进行所述混合气体的处理的优点。

Claims (3)

1.一种水电解系统，其具备：高压水电解装置，其在电解质膜的两侧设有供电体，对水进行电解而在阳极侧产生氧，并在阴极侧产生比所述氧高压的氢；水循环装置，其使所述水向所述高压水电解装置循环；气液分离装置，其将从所述高压水电解装置的所述阳极侧排出的气体成分从所述水循环装置内的所述水中分离，所述水电解系统的特征在于，
所述气液分离装置具备：积存器，其在下方设有对来自所述高压水电解装置的所述气体成分及所述水进行导入的导入口；鼓风部，其从所述积存器的上方向该积存器内供给稀释用空气；可动壁部，其配设在所述积存器内，能够追随该积存器内的水面位置而上下移动且能够使所述气体成分透过。
2.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
所述可动壁部具备多孔片部件，该多孔片部件用于将从所述高压水电解装置排出的所述气体成分从水面侧向空间侧透过该可动壁部的气体压力设定成高于从所述鼓风部供给所述空气的所述积存器内的所述空间侧的气体压力。
3.根据权利要求1或2所述的水电解系统，其特征在于，
所述可动壁部具备浮子部件，该浮子部件漂浮在所述水上，并支承所述多孔片部件。
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