CN102465310A

CN102465310A - 水电解系统

Info

Publication number: CN102465310A
Application number: CN2011102524243A
Authority: CN
Inventors: 樽家宪司; 中泽孝治; 长冈久史; 仓品大辅
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: US20120103796A1; JP5341862B2; US8663436B2; JP2012092402A; CN102465310B

Abstract

本发明提供一种具备气液分离装置的水电解系统，该气液分离装置能够对含有水分的高压氢进行良好的气液分离，并且具有充分的强度且能够正确地测定水位。构成水电解系统的气液分离装置(18)具备块体(40)。在块体(40)的内部分别形成有沿上下方向延伸的气液分离用开口部(54)及水位检测用开口部(56)，并且所述气液分离用开口部(54)及所述水位检测用开口部(56)的各下端位置在所述块体(40)的内部形成终端且与排水配管(50)连通成一体。水位检测用开口部(56)的上端位置在块体(40)的内部形成终端且与气液分离用开口部(54)的上部侧连结。导入孔部(48)位于比在水位检测用开口部(56)设置的上端水位用检测部(58H)靠上方的位置。

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，其电解水而产生氧和比该氧高压的氢；气液分离装置，其对从所述高压水电解装置排出且含有水分的所述氢进行气液分离，并将除去所述水分后的所述氢向与氢填充部相连的氢配管供给，而将分离出的水向排水配管排出。

背景技术

例如，为了使固体高分子型燃料电池发电，而使用氢气作为燃料气体。通常，在制造氢气时，采用水电解装置。该水电解装置为了对水进行分解来产生氢(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。

因此，在层叠有多个单元的状态下，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，将分解水而生成氢离子(质子)，使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，与氢一起生成的氧伴随剩余的水而从单元排出。

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)而需要从所述氢将水分除去。因此，例如已知有专利文献1所公开的水电解装置的气液分离装置。

如图7所示，该气液分离装置具备第一气液分离罐1a和第二气液分离罐1b。第一气液分离罐1a的上部经由气体·液体导入管2a与水电解装置(电解单元)3的阳极室连通。从水电解装置3的阳极侧产生的氧和所述水电解装置3的阳极室供给的纯水以混合的状态经由气体·液体导入管2a向第一气液分离罐1a输送。

在第一气液分离罐1a的上部与第二气液分离罐1b的上部之间连接有氧用的气体连通管2b，在所述第一气液分离罐1a内被气液分离出的氧气向所述第二气液分离罐1b流入。在第一气液分离罐1a的下部与第二气液分离罐1b的下部之间连接有纯水用的液体连通管2c，在所述第一气液分离罐1a内被气液分离出的纯水向所述第二气液分离罐1b流入。

为了控制通过第一气液分离罐1a分离出的液体成分的液面，而在第二气液分离罐1b的上下方向上沿着壁面设有コ形的旁通路径1d。在旁通路径1d的外侧，用于进行液面控制的光传感器4a、4b在与第二气液分离罐1b的预先设定的液面的上限位置和下限位置对应的位置上各配设一个。

【专利文献1】日本特开平8-144078号公报

然而，在水电解装置中，采用在阴极侧生成高压(例如，35MPa)的氢的高压水电解系统。此时，含有水分的高压氢被导入到与水电解装置的阴极侧连接的气液分离装置。

然而，在上述专利文献1中，仅设想了常压(～1MPa程度)下的气液分离，而无法用于高压用气液分离装置中。尤其是高压水经由液体连通管2c被导入第二气液分离罐1b的下部，因此与所述第二气液分离罐1b连通的旁通路径1d中容易产生气泡或飞沫等。因此，存在光传感器4a、4b对液面的检测精度大幅降低这样的问题。而且，在专利文献1中，第一气液分离罐1a及第二气液分离罐1b可能无法耐受高压氢产生的压力。

发明内容

本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种水电解系统，该水电解系统具备能够对含有水分的高压氢进行良好的气液分离，并且具有充分的强度且能够正确地测定水位的气液分离装置。

本发明涉及一种水电解系统，高压水电解装置，其电解水而产生氧和比该氧高压的氢；气液分离装置，其对从所述高压水电解装置排出的含有水分的所述氢进行气液分离，并将除去了所述水分后的所述氢向与氢填充部相连的氢配管供给，而将分离后的水向排水配管排出。

在该水电解系统中，气液分离装置具备块体，在所述块体的内部分别形成有沿上下方向延伸的气液分离用开口部及水位检测用开口部。

气液分离用开口部及水位检测用开口部的各下端部位与设置在块体的下方侧侧部上的排水配管连通成一体。另一方面，水位检测用开口部的上端部位与氢配管连通，该氢配管与气液分离用开口部的上部侧连结而设置在块体的上部。

并且，在块体的上方侧侧部形成有从高压水电解装置导入高压的氢的导入孔部，该导入孔部位于比在水位检测用开口部设置的上端水位用检测部靠上方的位置。

另外，在该水电解系统中，优选在水位检测用开口部设有下端水位用检测部，并且上端水位用检测部及所述下端水位用检测部在块体的与侧面交叉的两面具有分别向外部开口且对置的一对窗部，构成各窗部的窗部侧壁至少在底面侧具有朝着所述水位检测用开口部侧向外方倾斜的倾斜面。

而且，在该水电解系统中，优选，在水位检测用开口部的比上端水位用检测部靠上方的位置设有上限水位检测部，并且导入孔部配置在所述上限水位检测部与所述上端水位用检测部之间的高度位置上。在此，上端水位是指水位为开始排水的高度，上限水位是指未适当地进行排水而达到极限水位，从而需要使系统停止的高度。

此外，在该水电解系统中，优选在各窗部配设有包含光透过构件的透过块，并且块体在两面经由安装的所述透过块而被夹持在一对板构件之间，且所述一对板构件之间通过多个紧固螺栓进行紧固固定。

另外，在该水电解系统中，优选，所述透过块具备：作为光透过构件的柱状的玻璃体；具有收容所述玻璃体的开口部的金属块体。

而且，在该水电解系统中，优选至少在上端水位用检测部及下端水位用检测部设有透过型光传感器。

此外，在该水电解系统中，优选在水位检测用开口部配设有静电容量式的水位计。

发明效果

根据本发明，在块体的内部分别形成有沿上下方向延伸的气液分离用开口部及水位检测用开口部，因此能良好地提高气液分离装置整体的强度及刚性。因此，即使在制造高压氢时，块体也能够充分地耐受所述高压氢产生的压力。

而且，从高压水电解装置导入高压氢的导入孔部位于比在水位检测用开口部设置的上端水位用检测部靠上方的位置。因此，在通常运转时，气液分离用开口部的水位维持在比导入孔部低的位置。由此，在将高压氢向气液分离用开口部导入时，能够阻止所述氢被吹入到在所述气液分离用开口部中贮存的水中的情况。

因此，能够良好地抑制在上端水位用检测部和下端水位用检测部产生水滴、气泡等的情况，能够良好地对含有水分的高压氢进行气液分离，并且具有充分的强度且能够正确地测定水位。

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气液分离装置的立体说明图。

图3是所述气液分离装置的图2中III-III线剖视图。

图4是所述气液分离装置的图2中IV-IV线剖视图。

图5是构成本发明的第二实施方式的水电解系统的气液分离装置的立体说明图。

图6是所述气液分离装置的图5中VI-VI线剖视图。

图7是专利文献1所公开的气液分离装置的简要说明图。

符号说明：

10…水电解系统

12…纯水供给装置

14…高压水电解装置

16…氢导出路

18、90…气液分离装置

20…氢配管

22…氢除湿装置

24…背压阀

26…控制器

28…水分解单元

32…电解电源

34a～34c…配管

40、92…块体

42a、42b…透过块

44a、44b、94a、94b…板构件

48…导入孔部

50…排水配管

54…气液分离用开口部

56…水位检测用开口部

58L…下端水位用检测部

58H…上端水位用检测部

58LL…下限水位用检测部

58HH…上限水位用检测部

60a、60b…窗部

62a、62b…倾斜面

64a、64b…玻璃体

68a、68b…金属块体

72…螺栓插入用孔部

74a、74b…贯通孔

76…透过型光传感器

78a…投光部

78b…受光部

80a…孔部

80b…螺栓孔

96…水位计

98…检测部

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具备高压水电解装置14，该高压水电解装置14经由纯水供给装置12被供给由市政用水生成的纯水，通过电解该纯水而制造高压氢(比氧压高压，例如1MPa～70MPa)。

水电解系统10还具备：气液分离装置18，其将从高压水电解装置14向氢导出路16导出的氢中含有的水分除去；氢除湿装置(例如，水吸附装置)22，其将从所述气液分离装置18向氢配管20导出的所述氢中含有的水分吸附除去；背压阀24，其配设在所述氢除湿装置22的下游，并将所述高压水电解装置14中生成的所述氢保持成高压；控制器26，其进行系统整体的控制。

高压水电解装置14层叠有多个水分解单元28，在所述水分解单元28的层叠方向两端配设有端板30a、30b。作为直流电源的电解电源32与高压水电解装置14连接。

在端板30a上连接有配管34a，并且在端板30b上连接有配管34b、34c。配管34a、34b从纯水供给装置12经由循环路36进行纯水的循环，作为氢排出口的配管34c从氢导出路16向气液分离装置18连接。在氢导出路16上分支形成有氢排出路37，并且在所述氢排出路37上配设有脱压用开闭阀38。

如图2所示，气液分离装置18例如具备SUS316等不锈钢制的块体40。块体40具有大致立方体状，在所述块体40的两面(面积大的面)40a、40b分别经由安装的多个透过块42a、42b而被夹持在一对板构件44a、44b之间。一对板构件44a、44b之间通过多个紧固螺栓46进行紧固固定。

如图3所示，在块体40的侧面40c(与两面40a、40b交叉的面积小的面)侧的上方侧侧部形成有从高压水电解装置14通过氢导出路16导入高压氢的导入孔部48。在块体40的上部连结有氢配管20，并且在所述块体40的下方侧侧部上连接有排水配管50。

如图1所示，在排水配管50配设有排水用阀52。该排水配管50例如也可以与纯水供给装置12连接，并且向该纯水供给装置12供给水。

如图3所示，在块体40的内部分别形成有沿上下方向(铅垂方向)延伸的气液分离用开口部54及水位检测用开口部56。具体而言，通过对块体40实施穿孔加工，将开口截面圆形形状的长条孔部即气液分离用开口部54及水位检测用开口部56直接形成在所述块体40上。需要说明的是，虽然未图示，但根据需要对长条孔部实施端部闭塞处理。

气液分离用开口部54及水位检测用开口部56沿上下方向相互平行地延伸，但并不局限于此。例如，气液分离用开口部54及水位检测用开口部56也可以彼此具有规定的角度进行倾斜。

气液分离用开口部54及水位检测用开口部56的各下端位置在块体40的内部形成终端且经由连结通路57与排水配管50连通成一体。水位检测用开口部56的上端位置在块体40的内部形成终端且与气液分离用开口部54的上部侧连结。

在水位检测用开口部56设有：检测水位WS是否为设定下方位置(L)的下端水位用检测部58L；检测所述水位WS是否为设定上方位置(H)的上端水位用检测部58H；检测所述水位WS是否为下限设定高度(LL)的下限水位用检测部58LL；检测所述水位WS是否为上限设定高度(HH)的上限水位用检测部58HH。

如图4所示，上限水位用检测部58HH在两面40a、40b具有分别向外部开口且对置的一对窗部60a、60b。构成各窗部60a、60b的窗部侧壁至少在底面侧具有朝着水位检测用开口部56侧向外方倾斜的倾斜面62a、62b。倾斜面62a、62b相对于水平方向设定成1°以上的倾斜角度。

透过块42a、42b具备：光透过构件、例如大致柱状的玻璃体64a、64b；具有收容所述玻璃体64a、64b的开口部66a、66b的金属块体68a、68b。玻璃体64a、64b的底部和开口部66a、66b的底部通过倾斜部70a、70b而相互卡合。需要说明的是，也可以取代倾斜部70a、70b，而通过锥面使玻璃体64a、64b的外周面与开口部66a、66b的内壁面接触。

下端水位用检测部58L、上端水位用检测部58H及下限水位用检测部58LL与上述的上限水位用检测部58HH同样构成，省略其详细说明。

如图3所示，导入孔部48位于比在水位检测用开口部56设置的上端水位用检测部58H靠上方的位置。更具体而言，导入孔部48配置在上端水位用检测部58H与上限水位用检测部58HH之间的高度位置上。

在块体40上形成有位于下端水位用检测部58L、上端水位用检测部58H、下限水位用检测部58LL及上限水位用检测部58HH的两侧且与这些检测部的高度位置不同的多个螺栓插入用孔部72。

如图2及图4所示，在板构件44a上形成有与构成下端水位用检测部58L、上端水位用检测部58H、下限水位用检测部58LL及上限水位用检测部58HH的各窗部60a对置的贯通孔74a。在各贯通孔74a安装有构成透过型光传感器76的投光部78a。在板构件44a上与螺栓插入用孔部72对应而设有多个孔部80a。

在板构件44b上形成有与构成下端水位用检测部58L、上端水位用检测部58H、下限水位用检测部58LL及上限水位用检测部58HH的各窗部60b对置的贯通孔74b。在各贯通孔74b安装有构成透过型光传感器76的受光部78b。在板构件44b上与螺栓插入用孔部72对应而设有多个螺栓孔80b。

通过将螺栓46从板构件44a的孔部80a插入到块体40的螺栓插入用孔部72，并将其旋入到板构件44b的螺栓孔80b，来对所述板构件44a、44b之间施加紧固载荷。

透过型光传感器76通过投光部78a从玻璃体64a向窗部60a照射激光，使透过贮存在水位检测用开口部56中的水之后的所述激光从窗部60b透过玻璃体64b而由受光部78b接受。此时，根据激光透过水时的透过强度，能够检测所述水的有无。

如图1所示，氢除湿装置22具备填充有水分吸附材料的吸附筒(未图示)，该水分吸附材料利用物理性的吸附作用来吸附氢中含有的水蒸气(水分)并将水分向外部排出而使其再生。在氢除湿装置22的下游侧(出口侧)经由背压阀24连接有氢配管20的一端侧，在所述氢配管20的另一端侧设有与未图示的燃料电池车辆的燃料罐连接的连结部。

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，经由纯水供给装置12将由市政用水生成的纯水向高压水电解装置14供给。在该高压水电解装置14中，通过由电解电源32通电，电解纯水而在阳极侧生成氧，且在阴极侧生成氢。

在高压水电解装置14内生成的氢经由氢导出路16向气液分离装置18传送。在该气液分离装置18中，如图3所示，从块体40的导入孔部48向气液分离用开口部54供给氢，将所述氢中含有的水蒸气从该氢分离，并且将水贮存在所述气液分离用开口部54及水位检测用开口部56。

除去了水蒸气后的氢向氢配管20导出而向氢除湿装置22输送。因此，在氢除湿装置22中，氢中含有的水蒸气被吸附而得到干燥状态的氢(干氢)，该氢通过背压阀24维持为规定压力的高压氢。虽然未图示，但高压氢能够向燃料电池车辆的燃料罐供给。

如图3所示，在构成气液分离装置18的水位检测用开口部56设有：检测水位WS是否为设定下方位置(L)的下端水位用检测部58L；检测所述水位WS是否为设定上方位置(H)的上端水位用检测部58H；检测所述水位WS是否为下限设定高度(LL)的下限水位用检测部58LL；检测所述水位WS是否为上限设定高度(HH)的上限水位用检测部58HH。

并且，控制器26在通过下端水位用检测部58L判断为水位WS下降到设定下方位置(L)时，闭塞排水用阀52而停止从块体40向排水配管50的排水。

另一方面，控制器26在通过上端水位用检测部58H判断为水位WS上升到设定上方位置(H)时，打开排水用阀52而指示向排水配管50的排水。

另外，控制器26在通过下限水位用检测部58LL判断为水位WS下降到下限设定高度(LL)时及通过上限水位用检测部58HH判断为水位WS上升到上限设定高度(HH)时，作为系统异常而使水电解系统10停止。

这种情况下，在第一实施方式中，在块体40的内部通过穿孔加工而分别直接形成有沿上下方向延伸的气液分离用开口部54及水位检测用开口部56。因此，具有如下效果，即，能有效地提高块体40的强度，即使在制造高压氢时，所述块体40也能够充分地耐受所述高压氢产生的压力。

而且，块体40在两面40a、40b分别经由安装的多个透过块42a、42b而被夹持在一对板构件44a、44b之间，并且所述一对板构件44a、44b之间通过多个紧固螺栓46进行紧固固定。因此，能够良好地提高气液分离装置18整体的强度及刚性。

并且，从高压水电解装置14导入高压氢的导入孔部48位于比在水位检测用开口部56设置的上端水位用检测部58H靠上方的位置。由此，在通常运转时，气液分离用开口部54的水位维持在比导入孔部48低的位置。因此，在将高压氢向气液分离用开口部54导入时，能够阻止氢被吹入到在所述气液分离用开口部54中贮存的水中的情况。

因此，在水位检测用开口部56，能够良好地抑制在上端水位用检测部58H和下端水位用检测部58L等中产生水滴、气泡等的情况。由此，气液分离装置18能得到对含有水分的高压氢进行良好的气液分离，并且具有充分强度且能够正确地测定水位这样的效果。

此外，构成各窗部60a、60b的窗部侧壁具有朝着水位检测用开口部56侧向外方倾斜的倾斜面62a、62b。因此，倾斜面62a、62b的底部相对于水平方向朝着水位检测用开口部56侧向下方倾斜，从而具有能够尽可能地防止水滞留于所述倾斜面62a、62b这样的优点。

图5是构成本发明的第二实施方式的水电解系统的气液分离装置90的立体说明图。

需要说明的是，对与第一实施方式涉及的水电解系统10的气液分离装置18相同的结构要素，标注同一参照符号，省略其详细说明。

气液分离装置90具备块体92和一对板构件94a、94b，所述一对板构件94a、94b直接配置在所述块体92的两面且通过多个紧固螺栓46进行紧固固定。

如图5及图6所示，在块体92的上部安装有静电容量式的水位计96。如图6所示，水位计96具备沿上下方向延伸而配置在水位检测用开口部56内的检测部98。该检测部98具有作为下端水位用检测部58L、上端水位用检测部58H、下限水位用检测部58LL及上限水位用检测部58HH的功能。

气液分离装置90未使用透过块42a、42b，而块体92中不需要窗部60a、60b，并且在板构件94a、94b上未形成贯通孔74a、74b。

由此，在第二实施方式中，尤其是能得到即使在变动压力运转时水发生飞散，也能够有效地抑制水滴产生的影响而进行高精度的水位检测这样的效果。而且，具有容易实现结构简化、制造成本削减这样的优点。

Claims

1.一种水电解系统，其具备：高压水电解装置，其电解水而产生氧和比该氧高压的氢；气液分离装置，其对从所述高压水电解装置排出的含有水分的所述氢进行气液分离，并将除去了所述水分后的所述氢向与氢填充部相连的氢配管供给，而将分离后的水向排水配管排出，所述水电解系统的特征在于，

所述气液分离装置具备块体，在所述块体的内部分别形成有沿上下方向延伸的气液分离用开口部及水位检测用开口部，并且所述气液分离用开口部及所述水位检测用开口部的各下端部位与在所述块体的下方侧侧部设置的所述排水配管连通成一体，而所述水位检测用开口部的上端部位与所述氢配管连通，该氢配管与所述气液分离用开口部的上部侧连结而设置在所述块体的上部，在所述块体的上方侧侧部形成有从所述高压水电解装置导入所述氢的导入孔部，该导入孔部位于比在所述水位检测用开口部设置的上端水位用检测部靠上方的位置。

2.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，

在所述水位检测用开口部设有下端水位用检测部，并且所述上端水位用检测部及所述下端水位用检测部在所述块体的与侧面交叉的两面具有分别向外部开口且对置的一对窗部，构成各窗部的窗部侧壁至少在底面侧具有朝着所述水位检测用开口部侧向外方倾斜的倾斜面。

3.根据权利要求2所述的水电解系统，其特征在于，

在所述水位检测用开口部的比所述上端水位用检测部靠上方的位置设有上限水位检测部，并且所述导入孔部配置在所述上限水位检测部与所述上端水位用检测部之间的高度位置上。

4.根据权利要求2或3所述的水电解系统，其特征在于，

在各窗部配设有包含光透过构件的透过块，并且所述块体在所述两面经由安装的所述透过块而被夹持在一对板构件之间，且所述一对板构件之间通过多个紧固螺栓进行紧固固定。

5.根据权利要求4所述的水电解系统，其特征在于，

所述透过块具备：作为所述光透过构件的柱状的玻璃体；具有收容所述玻璃体的开口部的金属块体。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的水电解系统，其特征在于，

至少在所述上端水位用检测部及所述下端水位用检测部设有透过型光传感器。

7.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，

在所述水位检测用开口部配设有静电容量式的水位计。