CN102453923A - 水电解系统 - Google Patents

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CN102453923A CN2011102527222A CN201110252722A CN102453923A CN 102453923 A CN102453923 A CN 102453923A CN 2011102527222 A CN2011102527222 A CN 2011102527222A CN 201110252722 A CN201110252722 A CN 201110252722A CN 102453923 A CN102453923 A CN 102453923A
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针生荣次
中泽孝治
冈部昌规
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Abstract

本发明提供一种良好地将生成的高压氢中含有的水除去，且能够不浪费地经济地使用所述水的水电解系统。水电解系统(10)具备：水电解装置(12)，其电解水而产生氧和比所述氧高压的高压氢；低压侧气液分离器(14)，其导入从所述水电解装置(12)的阳极侧排出的所述氧及所述水而进行气液分离，并将分离后的所述水向所述水电解装置(12)循环供给；高压侧气液分离器(22)，其导入从所述水电解装置(12)的阴极侧排出的所述高压氢及从所述阳极侧透过的透过水而进行气液分离；减压供水装置，其配设于使水从所述高压侧气液分离器(22)向所述低压侧气液分离器(14)返回的水配管，并对高压的所述水进行减压。

Description

水电解系统
技术领域
本发明涉及一种水电解系统，该水电解系统具备：水电解装置，其电解水而产生氧和比所述氧高压的高压氢；低压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阳极侧排出的所述氧及所述水而进行气液分离，并将分离后的所述水向所述水电解装置循环供给；高压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阴极侧排出的所述高压氢及所述水而进行气液分离。
背景技术
近年来，提出有以氢为燃料而供给电力或动力的系统、例如燃料电池系统。在此种系统中，为了制造作为燃料的氢，而使用电解水来产生氢(及氧)的水电解装置。
水电解装置为了将水分解来产生氢(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有阳极侧供电体及阴极侧供电体而构成单元。
在上述水电解装置中，制造出含有水分的氢，为了得到干燥状态例如5ppm以下的氢(以下称为干氢)，需要从所述氢将水分除去。因此，例如已知有专利文献1所公开的固体高分子型水电解氢制造装置。
如图7所示，该氢制造装置具备：使用高分子电解质膜电解水，在阳极产生氧且在阴极产生氢的水电解层1；对在所述阴极产生的氢和水进行分离的氢气液分离器2；对在所述阳极产生的氧和水进行分离的氧气液分离器3；向所述水电解层1循环供给水的水循环管路4；设置于所述氢气液分离器2且具备流量调整阀5a的氢管路6；设置于所述氧气液分离器3且具备氧压力调整阀5b的氧管路7。
【专利文献1】日本特开2005-187916号公报
然而，在此种系统中，采用从水电解层1生成高压(例如，35MPa)的氢的高压水电解系统。因此，需要将含有水的高压氢导入到氢气液分离器2，进行氢与水的分离，并且在所述氢气液分离器2中，以内部保持成高压的状态将水排出。
此时，例如要将氢气液分离器2内的水向常压下(大气)排出时，因大的压力差而水被迅速地排出，而所述氢气液分离器2内的氢气有可能会泄漏。而且，氢气液分离器2内的氢变动变得急剧，存在将该氢气液分离器2内的水排出所希望量的控制变得困难这样的问题。
发明内容
本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种良好地将生成的高压氢中含有的水除去，且能够不浪费地经济地使用所述水的水电解系统。
本发明涉及一种水电解系统，其具备：水电解装置，其电解水而产生氧和比所述氧高压的高压氢；低压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阳极侧排出的所述氧及所述水而进行气液分离，并将分离后的所述水向所述水电解装置循环供给；高压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阴极侧排出的所述高压氢及从所述阳极侧透过的透过水而进行气液分离。
在该水电解系统中，具备水配管，该水配管将高压侧气液分离器和低压侧气液分离器连通，并使水从所述高压侧气液分离器向所述低压侧气液分离器返回，并且在所述水配管配设有减压供水装置，该减压供水装置对从所述高压侧气液分离器排出的所述水进行减压。
另外，在该水电解系统中，优选减压供水装置将从高压侧气液分离器排出的高压水减压成与低压侧气液分离器相同的压力，并排出与基于水电解装置中的电解电流而算出的水分量同量的所述水。
而且，在该水电解系统中，优选高压侧气液分离器具有水位传感器，并且在水配管设有根据来自所述水位传感器的信号而进行开闭的开闭阀。
此外，在该水电解系统中，优选减压供水装置具备对水进行减压而使其透过的透水性构件。
另外，在该水电解系统中，优选减压供水装置具备：作为透水性构件的透水性膜；夹持透水性膜的高压侧隔板及低压侧隔板；配置在低压侧隔板内部的多孔性构件。
发明效果
根据本发明，贮存在高压侧气液分离器中的水由减压供水装置减压，并经由水配管向低压侧气液分离器供给。在该低压侧气液分离器中，将气液分离后的水及从高压侧气液分离器供给来的水向水电解装置循环供给。
因此，贮存在高压侧气液分离器中的水能够不浪费地排出，能够有效地将所述水向水电解处理循环供给。由此，能够良好地将生成的高压氢中含有的水除去，且能够不浪费地经济地使用所述水。
附图说明
图1是本发明的第一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高压侧气液分离器的罐部内的水位的说明图。
图3是本发明的第二实施方式涉及的水电解系统的简要结构说明图。
图4是构成所述水电解系统的高压侧气液分离器的罐部内的水位的说明图。
图5是本发明的第三实施方式涉及的水电解系统的简要结构说明图。
图6是本发明的第四实施方式涉及的水电解系统的简要结构说明图。
图7是专利文献1所公开的固体高分子型水电解氢制造装置的说明图。
符号说明：
10、100、110、120…水电解系统
12…水电解装置
14…低压侧气液分离器
16…水循环装置
18…供水装置
20…高压氢配管
22…高压侧气液分离器
24…水配管
26、112、122…减压供水装置
28…控制器
30…单位电池
42…供水连通孔
44…排出连通孔
46…氢连通孔
50…循环配管
56、88…罐部
58…回流管
60…纯水供给配管
62…氧排气配管
64…干氢配管
86…背压阀
90…固体高分子电解质膜
92…高压侧隔板
94…低压侧隔板
96…高压室
98…多孔性构件
102…水位传感器
104…电磁阀
114…减压阀
116…流量调整阀
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一实施方式涉及的水电解系统10具备水电解装置12，该水电解装置12通过电解水(纯水)而制造氧及高压氢(比常压的氧压高压，例如1MPa～70MPa的氢)。
在水电解装置12的阳极侧设有：将从所述水电解装置12排出的氧及剩余的水分离，并贮存所述水的低压侧气液分离器14；使贮存在所述低压侧气液分离器14中的所述水向所述水电解装置12循环的水循环装置16；将由市政用水生成的纯水向所述低压侧气液分离器14供给的供水装置18。
在水电解装置12的阴极侧配设有将从所述水电解装置12向高压氢配管20导出的高压氢中含有的水分除去的高压侧气液分离器22，并且在所述高压侧气液分离器22和低压侧气液分离器14上设有将它们连通而使水从所述高压侧气液分离器22向所述低压侧气液分离器14返回的水配管24。在水配管24配设有对从高压侧气液分离器22排出的水进行减压的减压供水装置26。水电解系统10具备进行系统的整体控制的控制器28。
水电解装置12层叠有多个单位电池30。单位电池30具备虽未图示的电解质膜-电极结构体和夹持该电解质膜-电极结构体的阳极侧隔板及阴极侧隔板。电解质膜-电极结构体例如具备：在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜；设置在所述固体高分子电解质膜的两面上的阳极侧供电体及阴极侧供电体。
在单位电池30的层叠方向一端朝向外方依次配设有接线板32a、绝缘板34a及端板36a。在单位电池30的层叠方向另一端同样地朝向外方依次配设有接线板32b、绝缘板34b及端板36b。端板36a、36b之间沿层叠方向被紧固保持成一体。
在接线板32a、32b的侧部设有向外方突出的端子部38a、38b。端子部38a、38b经由配线39a、39b与电解电源40电连接。
在单位电池30的外周缘部设有沿层叠方向相互连通的用于供给水(纯水)的供水连通孔42、用于排出通过反应生成的氧及未反应的水(混合流体)的排出连通孔44、用于使通过反应生成的氢及从阳极侧透过的透过水流动的氢连通孔46。
水循环装置16具备与水电解装置12的供水连通孔42连通的循环配管50，该循环配管50配置有循环泵52及离子交换器54并与构成低压侧气液分离器14的罐部56的底部连接。
回流管58的一端部与罐部56的上部连通，并且所述回流管58的另一端与水电解装置12的排出连通孔44连通。回流管58的一端部在罐部56内贮存的水中设定在始终开口的位置。
在罐部56连结有纯水供给配管60和氧排气配管62，该纯水供给配管60与供水装置18连接，该氧排气配管62用于将在所述罐部56中从纯水分离出的氧排出。罐部56内向大气压敞开。
高压氢配管20的一端与水电解装置12的氢连通孔46连接，该高压氢配管20的另一端与高压侧气液分离器22连接。由高压侧气液分离器22将水分除去后的高压氢作为干氢向干氢配管64排出。在该干氢配管64配设有设定成规定的设定压力的背压阀86，以将从水电解装置12生成的氢维持成高压。
高压侧气液分离器22具备用于贮存水的罐部88。水配管24的一端与罐部88连接，并且所述水配管24的另一端与构成低压侧气液分离器14的罐部56的底部连接。
在水配管24的中途配设的减压供水装置26具有如下的功能，即，将从高压侧气液分离器22排出的高压水减压成与低压侧气液分离器14相同的压力，并且排出与基于水电解装置12中的电解电流而算出的水分量同量的所述水。
在第一实施方式中，减压供水装置26具备透水性膜(透水性构件)、例如在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜90。固体高分子电解质膜90由高压侧隔板92及低压侧隔板94夹持，并且在所述高压侧隔板92的内部设有与水配管24连通的高压室96。
在低压侧隔板94的内部配设有用于保持固体高分子电解质膜90且使水透过的多孔性构件98。多孔性构件98例如由SUS、钛等纤维粉末烧结体构成。
在减压供水装置26中，以使从水电解装置12排出的排水速度(与制造氢一起向阴极侧透过的速度)和所述减压供水装置26的水透过速度成为同一速度的方式设定固体高分子电解质膜90的面积。低压侧隔板94经由水配管24与低压侧气液分离器14连通。
以下，说明这样构成的水电解系统10的动作。
首先，在水电解系统10起动时，通过供水装置18将由市政用水生成的纯水向构成低压侧气液分离器14的罐部56供给。
在水循环装置16中，在循环泵52的作用下，罐部56内的水经由循环配管50向水电解装置12的供水连通孔42供给。另一方面，经由电连接的电解电源40对接线板32a、32b的端子部38a、38b施加电压。
因此，在各单位电池30中，利用电分解纯水，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(未图示)向阴极侧移动，与电子结合而得到氢。另一方面，在阳极侧生成氧，并存在未反应的水。
氢通过背压阀86维持成比供水连通孔42高压，从而在氢连通孔46中流动而能够向水电解装置12的外部、例如向燃料电池车辆的燃料罐供给。
另外，通过反应生成的氧和未反应的水向在阳极侧流动，它们的混合流体沿着排出连通孔44向水循环装置16的回流管58排出。该未反应气体的水及氧被导入罐部56而进行了气液分离后，水经由循环泵52从循环配管50通过离子交换器54而被导入供水连通孔42。从水分离后的氧从氧排气配管62向外部排出。
在水电解装置12内生成的氢经由高压氢配管20向高压侧气液分离器22输送。在该高压侧气液分离器22中，氢中含有的水蒸气(从阳极侧透过的透过水)从该氢分离而贮存在罐部88中，而所述氢被导入干氢配管64。
贮存在罐部88中的水向配置于水配管24的减压供水装置26排出。在减压供水装置26中，上游侧成为罐部88的内压(例如，35MPa)即高压，而下游侧成为罐部56的内压(大气压)即低压。
因此，高压水向在高压侧隔板92的内部设置的高压室96供给。该高压水透过固体高分子电解质膜90而被减压，并透过在低压侧隔板94的内部配设的多孔性构件98向水配管24输送。
这种情况下，在第一实施方式中，减压供水装置26具有如下的功能，即，将从高压侧气液分离器22排出的高压水减压成与低压侧气液分离器14相同的压力，并排出与基于水电解装置12中的电解电流而算出的水分量同量的所述水。具体而言，以使从水电解装置12排出的排水速度和减压供水装置26的水透过速度成为同一速度的方式设定固体高分子电解质膜90的透过面积。
因此，贮存在高压侧气液分离器22中的水被减压供水装置26减压，并经由水配管24向低压侧气液分离器14供给。在该低压侧气液分离器14中，将气液分离后的水及从高压侧气液分离器22供给的水向水电解装置12循环供给。
由此，能够将贮存在高压侧气液分离器22的罐部88中的水不浪费地排出，并将所述水高效率地向水电解处理循环供给。因此，能得到将生成的高压氢中含有的水良好地除去，并不浪费地经济地使用所述水这样的效果。
而且，在第一实施方式中，将从水电解装置12排出的排水速度和减压供水装置26的水透过速度设定为相同。因此，在水电解系统10的稳定运转时，罐部88内的水位WS能够维持在恒定的位置(参照图2)。
由此，无需调整从罐部88向低压侧气液分离器14排出的水量，例如具有不需要用于调整水压的调压机构或用于调整水透过速度的速度调整机构等这样的优点。
图3是本发明的第二实施方式涉及的水电解系统100的简要结构说明图。
需要说明的是，对与第一实施方式的水电解系统10相同的结构要素标注相同的参照符号，而省略其详细说明。而且，在以下说明的第三实施方式以后，也同样地省略其详细的说明。
在水电解系统100中，在高压侧气液分离器22的罐部88配设有水位传感器102。该水位传感器102通过检测贮存在罐部88中的水的高度(水位WS)，而检测用于进行排水的最高水位Hh和用于停止所述排水的最低水位Hl。
在水配管24配设有位于减压供水装置26的下游的电磁阀(开闭阀)104。电磁阀104根据来自水位传感器102的信号而通过控制器28进行开闭控制。
这种情况下，水电解装置12产生的氢制造量及氢压力可变，从所述水电解装置12排出的排水速度变化。因此，在减压供水装置26中，以使所述减压供水装置26的水透过速度始终大于从水电解装置12排出的排水速度的最大值的方式设定固体高分子电解质膜90的透过面积。
在这样构成的第二实施方式中，在水电解装置12开始水电解处理时，关闭电磁阀104，从所述水电解装置12排出的水贮存在高压侧气液分离器22的罐部88。罐部88内的水位WS通过水位传感器102检测，并向控制器28发送来自所述水位传感器102的信号。
接下来，当检测到罐部88内的水位WS达到最高水位Hh的情况时，通过控制器28将电磁阀104打开。因此，罐部88内的水经由减压供水装置26减压后，通过电磁阀104向低压侧气液分离器14排出。
此时，减压供水装置26的水透过速度设定成始终大于从水电解装置12排出的排水速度的最大值。因此，在罐部88中，经由水配管24向低压侧气液分离器14供给的水量多于从水电解装置12排出的水量。
由此，当检测到罐部88内的水位WS降低而成为最低水位Hl时，关闭电磁阀104。因此，罐部88内的水位WS如图4所示变化。
如此，在第二实施方式中，在水电解装置12产生的氢制造量及氢压力可变时，也能得到与上述的第一实施方式同样的效果。
需要说明的是，在第一及第二实施方式中，减压供水装置26使用固体高分子电解质膜90，以对水进行减压而使其透过，但并不局限于此。例如，也可以取代固体高分子电解质膜90而采用多孔陶瓷制或多孔金属制的单一的透水性构件。
图5是本发明的第三实施方式涉及的水电解系统110的简要结构说明图。
水电解系统110具备配设于水配管24的减压供水装置112。该减压供水装置112具备从高压侧气液分离器22朝向低压侧气液分离器14、即朝向排水流动方向依次配设的减压阀114和流量调整阀116。
这种情况下，在第三实施方式中，减压供水装置112具有如下的功能，即，将从高压侧气液分离器22排出的高压水减压成与低压侧气液分离器14相同的压力，并排出与基于水电解装置12中的电解电流而算出的水分量同量的所述水。具体而言，通过利减压阀114及流量调整阀116来控制水的压力及水的流量，从而将从水电解装置12排出的排水速度和从减压供水装置112排出的排水速度控制成同一速度。
在这样构成的第三实施方式中，由高压侧气液分离器22分离后的水通过构成减压供水装置112的减压阀114及流量调整阀116控制压力及流量而向低压侧气液分离器14供给。因此，能够得到如下这样等与上述的第一实施方式同样的效果，即，将罐部88内的水位WS始终维持恒定，并且贮存在高压侧气液分离器22的罐部88中的水能够不浪费地排出，并将所述水向水电解处理循环供给。
图6是本发明的第四实施方式涉及的水电解系统120的简要结构说明图。
水电解系统120具备配设于水配管24的减压供水装置122。该减压供水装置122具备从高压侧气液分离器22朝向低压侧气液分离器14、即朝向排水流动方向依次配设的减压阀114、流量调整阀116及电磁阀104。在高压侧气液分离器22的罐部88配设有水位传感器102。
这种情况下，水电解装置12产生的氢制造量及氢压力可变，从所述水电解装置12排出的排水速度变化。
因此，在减压供水装置122中，所述减压供水装置122的水透过速度设定成始终大于从水电解装置12排出的排水速度的最大值。具体而言，通过减压阀114及流量调整阀116来控制水的压力及水的流量，从而将从减压供水装置122排出的排水速度控制成始终大于从水电解装置12排出的排水速度的最大值。
另外，当检测到罐部88内的水位WS成为最高水位Hh时，通过控制器28将电磁阀104打开，当检测到罐部88内的水位WS降低而成为最低水位Hl时，关闭电磁阀104。
由此，在第四实施方式中，实际上具有将第二实施方式和第三实施方式组合的结构，能够得到与上述第一～第三实施方式同样的效果。

Claims (5)

1.一种水电解系统，其具备：水电解装置，其电解水而产生氧和比所述氧高压的高压氢；低压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阳极侧排出的所述氧及所述水而进行气液分离，并将分离后的所述水向所述水电解装置循环供给；高压侧气液分离器，其导入从所述水电解装置的阴极侧排出的所述高压氢及从所述阳极侧透过的透过水而进行气液分离，所述水电解系统的特征在于，
具备水配管，该水配管将所述高压侧气液分离器和所述低压侧气液分离器连通，并使所述水从该高压侧气液分离器向该低压侧气液分离器返回，并且在所述水配管配设有减压供水装置，该减压供水装置对从所述高压侧气液分离器排出的所述水进行减压。
2.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
所述减压供水装置将从所述高压侧气液分离器排出的高压的所述水减压成与所述低压侧气液分离器相同的压力，并排出与基于所述水电解装置中的电解电流而算出的水分量同量的所述水。
3.根据权利要求1或2所述的水电解系统，其特征在于，
所述高压侧气液分离器具有水位传感器，并且在所述水配管设有根据来自所述水位传感器的信号而进行开闭的开闭阀。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的水电解系统，其特征在于，
所述减压供水装置具备对所述水进行减压而使其透过的透水性构件。
5.根据权利要求4所述的水电解系统，其特征在于，
所述减压供水装置具备：作为所述透水性构件的透水性膜；夹持所述透水性膜的高压侧隔板及低压侧隔板；配置在所述低压侧隔板内部的多孔性构件。
CN2011102527222A 2010-10-14 2011-08-30 水电解系统 Pending CN102453923A (zh)

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