CN102732905A - 水电解系统及其运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的水电解系统(10)具备：水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；高压氢导出配管(54)，其从所述气液分离装置(52)中导出分离出水后的所述高压氢；排水管路(56)，其从所述气液分离装置(52)中将水排出；和气相减压管路(58)，其用于在从所述气液分离装置(52)向所述排水管路(56)进行排水之前，进行所述气液分离装置(52)内的除气。

Description

水电解系统及其运转方法
技术领域
本发明涉及具备对水进行电解使之产生氧和比所述氧更高压的高压氢的水电解装置、和配设在从所述水电解装置排出所述高压氢的氢配管并对所述高压氢中含有的水分进行分离的气液分离装置的水电解系统及其运转方法。
背景技术
一般而言，作为在燃料电池的发电反应中使用的燃料气体，使用氢。该氢例如由水电解装置来制造。水电解装置为了对水进行分解来产生氢(以及氧)，而采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置电极催化剂层从而能够得到电解质膜-电极结构体，并且在所述电解质膜-电极结构体的两侧配设供电体而形成了单位电池(unitcell)。
对层叠了多个单位电池的电池单元(cell unit)在层叠方向两端施加电压，并且对阳极侧的供电体供给水。因此，在电解质膜-电极结构体的阳极侧，水被分解而产生氢离子(质子)，该氢离子透过固体高分子电解质膜而向阴极侧移动，并与电子结合而制造出氢。另一方面，在阳极侧，与氢一起生成的氧，随着剩余的水而从电池单元中被排出。
在上述的水电解装置中制造了含有水分的氢，为了得到干燥状态，例如为了得到水分量为5ppm以下的氢(以下也称作干燥氢)，需要从所述氢中将水分去除。
此时，在阴极侧能够得到比氧更高压(例如1MPa以上)的氢的差压式高压氢制造装置中，用于从高压氢中去除水分的气液分离装置大型化。
因此，例如，已知在日本特开2006-347779号中公开的气液分离装置。如图24所示，该气液分离装置具备：连接了氢导管1的耐压容器2；对所述耐压容器2内的水位进行检测的水位传感器3；作为与所述耐压容器2的顶部相连接的氢取出机构4的氢取出导管4a；以及作为与所述耐压容器2的底部相连接的排水机构5的排水导管(排水管路)5a。
氢取出导管4a具备第1背压阀6，并且在所述第1背压阀6的下游侧具备电磁阀7。排水导管5a具备第2背压阀8。
第1背压阀6被设定成例如以35MPa进行开阀，第2背压阀8被设定成以比所述第1背压阀6更高的压力、例如36MPa进行开阀。电磁阀7接收水位传感器3的检测信号而工作，当所述水位传感器3所检测出的水位处于规定的低水位时开阀，当处于规定的高水位时闭阀。
然后，当电磁阀7被闭阀时，由于高压氢气从氢取出导管4a的取出被强制性地停止，因此耐压容器2内的压力超过作为第1背压阀6的设定压力的35MPa而变高。其结果是，第2背压阀8，每当耐压容器2内的压力达到作为其设定压力的36MPa时开阀，液体的水经由所述第2背压阀8而从排水导管5a断续地被排出。
然而，在上述的水电解系统中，在第2背压阀8开阀，液体的水通过所述第2背压阀8而从排水导管5a被排出时，所述水的压力一次性被减压。因此，对第2背压阀8施加的负荷容易变大。此时，在背压阀8等高压设备中，差压越大，则溶存氢的气泡发生量越多，因此耐久时间显著降低。由此，若背压阀8中产生大的差压，则会对所述背压阀8的密封部造成损伤，该背压阀8的耐久性降低。
并且，若在高压氢状态下进行排水，则在该排水过程中溶存很多氢。因而，在高压水的排水时，会排出大量的氢，是不经济的。
发明内容
本发明是为了解决这种问题而作，其目的在于提供一种能够有效地使排水中的溶存氢减少，阻止向排水管路排出高压水，能够使配置于所述排水管路的设备的耐久性提高的水电解系统及其运转方法。
本发明涉及一种水电解系统，其具备：水电解装置，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；气液分离装置，其被配设于从所述水电解装置排出所述高压氢的氢配管，并对所述高压氢中所含的水分进行分离；高压氢导出配管，其从所述气液分离装置中导出分离出水后的所述高压氢；以及排水管路，其从所述气液分离装置中将水排出。
在该水电解系统中，在气液分离装置设置气相减压管路，该气相减压管路用于在从所述气液分离装置向排水管路进行排水之前，进行所述气液分离装置内的除气。
另外，本发明涉及一种水电解系统的运转方法，其中该水电解系统具备：水电解装置，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；气液分离装置，其被配设于从所述水电解装置中排出所述高压氢的氢配管，并对所述高压氢中所含的水分进行分离；高压氢导出配管，其从所述气液分离装置中导出分离出水后的所述高压氢；排水管路，其从所述气液分离装置中将水排出；以及气相减压管路，其用于在从所述气液分离装置向所述排水管路进行排水之前，进行所述气液分离装置内的除气。
该运转方法具有：气相减压工序，在判断气液分离装置内的水量为规定量以上时，将所述气液分离装置内的高压氢向气相减压管路排出；和排水工序，在判断所述气液分离装置内的压力为规定压力以下时，将所述气液分离装置内的水向所述排水管路排出。
进而，本发明涉及一种水电解系统的运转方法，该水电解系统具备：水电解装置，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；气液分离装置，其被配设于从所述水电解装置排出所述高压氢的氢配管，并对所述高压氢中所含的水分进行分离；背压阀，其位于所述水电解装置与所述气液分离装置之间，被配置于所述氢配管；减压管路，其在所述背压阀的上游从所述氢配管进行分叉，并且设置有第1开闭阀；气相减压管路，其与所述气液分离装置的气相部连通来进行除气，并且设置有第2开闭阀；以及排水管路，其与所述气液分离装置的液相部连通来进行排水，并且设置有第3开闭阀。
该运转方法具有如下工序：在判断气液分离装置内的水量为上限规定量以上时，将第1开闭阀以及第2开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的压力为下限规定压力以下时，将所述第2开闭阀闭阀并且将所述第3开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的水量为下限规定量以下时，将所述第1开闭阀以及所述第3开闭阀闭阀。
进而，本发明涉及一种水电解系统的运转方法，该水电解系统具有：水电解装置，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；气液分离装置，其被配设于从所述水电解装置排出所述高压氢的氢配管，并对所述高压氢中所含的水分进行分离；背压阀，其位于所述水电解装置与所述气液分离装置之间，被配置于所述氢配管；气相减压管路，其与所述气液分离装置的气相部连通来进行除气，并且设置有第1开闭阀；排水管路，其与所述气液分离装置的液相部连通来进行排水，并且设置有第2开闭阀；高压氢储存部，其被配置在所述气液分离装置的下游；以及均压化管路，其将所述高压氢储存部与所述气液分离装置连通，并设置有第3开闭阀。
该运转方法具有如下工序：在判断气液分离装置内的水量为上限规定量以上时，将第1开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的压力为下限规定压力以下时，将所述第1开闭阀闭阀，并将第2开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的水量为下限规定量以下时，将所述第2开闭阀闭阀；在将所述第2开闭阀闭阀之后，将所述第3开闭阀开阀，从而将所述气液分离装置内的压力与高压氢储存部内的压力均压化。
另外，该运转方法具有如下工序：在判断气液分离装置内的水量为上限规定量以上时，将第1开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的压力为下限规定压力以下时，将所述第1开闭阀闭阀，并将第2开闭阀以及第3开闭阀开阀；在判断所述气液分离装置内的水量为下限规定量以下时，将所述第2开闭阀闭阀，并且将所述气液分离装置内的压力与高压氢储存部内的压力均压化。
根据本发明，在从气液分离装置向排水管路进行排水之前，所述气液分离装置内经由气相减压管路而被除气(减压)。因此，能够有效减少从气液分离装置向排水管路排出的排水中的溶存氢，并且阻止向所述排水管路排出高压水。
从而能够以简单的构成以及工序容易地使配置于排水管路的设备的耐久性提高。因此，稳定地进行经济且高效的水电解处理。
另外，根据本发明，在从气液分离装置经由气相减压管路进行除气(减压)时，在背压阀的上游经由从氢配管进行分叉的减压管路来进行减压。即，在背压阀的下游侧经由气相减压管路进行减压，另一方面，在所述背压阀的上游侧经由减压管路进行减压。
因此，能够可靠地阻止背压阀的上游以及下游的差压成为规定压力以上，不会对所述背压阀的密封部造成损伤。由此，能够以简单的工序对气液分离装置内进行减压并排水，并且使在水电解装置与所述气液分离装置之间配置的背压阀的耐久性有效地提高。
进而，根据本发明，在从气液分离装置经由气相减压管路进行除气(减压)，进而从所述气液分离装置经由排水管路进行排水之后，从高压氢储存部向所述气液分离装置供给高压氢。因此，由于气液分离装置内的压力与高压氢储存部内的压力被迅速地均压化，因此在背压阀的上游以及下游产生的差压会在短时间内消除。
因此，能够以简单的工序对气液分离装置内进行减压并排水，并且使在水电解装置与所述气液分离装置之间配置的背压阀的耐久性有效地提高。
进而，在本发明中，在从气液分离装置经由气相减压管路进行除气(减压)之后，从所述气液分离装置经由排水管路进行排水，并且从高压氢储存部向所述气液分离装置供给高压氢。因此，由于气液分离装置内的压力与高压氢储存部内的压力被迅速均压化，因而在背压阀的上游以及下游产生的差压会在短时间内消除。
由此，能够以简单的工序对气液分离装置内进行减压并排水，并且使在水电解装置与所述气液分离装置之间配置的背压阀的耐久性有效提高。
通过参照附图进行的以下优选实施方式的说明，上述目的以及其他目的、特征以及优点应该会更加明确。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的水电解系统的概略构成说明图。
图2是所述水电解系统通常运转时的说明图。
图3是说明所述水电解系统的运转方法的流程图。
图4是所述水电解系统气相减压时的说明图。
图5是所述水电解系统排水时的说明图。
图6是本发明的第2实施方式所涉及的水电解系统的概略构成说明图。
图7是说明所述水电解系统的运转方法的流程图。
图8是本发明的第3实施方式所涉及的水电解系统的概略构成说明图。
图9是应用本发明的第4实施方式所涉及的运转方法的水电解系统的概略构成说明图。
图10是说明所述运转方法的流程图。
图11是说明所述运转方法的时序图。
图12是所述水电解系统气相减压时的说明图。
图13是所述水电解系统排水时的说明图。
图14是应用本发明的第5实施方式所涉及的运转方法的水电解系统的概略构成说明图。
图15是说明所述运转方法的流程图。
图16是说明所述运转方法的时序图。
图17是应用本发明的第6实施方式所涉及的运转方法的水电解系统的概略构成说明图。
图18是说明所述运转方法的时序图。
图19是应用本发明的第7实施方式所涉及的运转方法的水电解系统的概略构成说明图。
图20是说明所述运转方法的流程图。
图21是说明所述运转方法的时序图。
图22是说明本发明的第8实施方式所涉及的运转方法的流程图。
图23是说明所述运转方法的时序图。
图24是日本特开2006-347779号中公开的气液分离装置的说明图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的第1实施方式所涉及的水电解系统10，具备通过对水(纯水)进行电解，来制造氧以及高压氢(比作为常压的氧压力更高、例如1MPa～70MPa的氢)的差压式水电解装置(高压氢制造装置)12。
水电解装置12具备层叠了多个单位电池14的电池单元。在单位电池14的层叠方向一端，向着外侧依次配设端板(terminal plate)16a、绝缘板18a以及末端板(end plate)20a。在单位电池14的层叠方向的另一端，同样地向着外侧依次配设端板16b、绝缘板18b以及末端板20b。末端板20a、20b之间被一体式地紧固保持。
在端板16a、16b的侧部，向外侧突出地设置端子部22a、22b。端子部22a、22b与电解电源24电连接。
单位电池14具备：圆盘状的电解质膜-电极结构体26、和夹持该电解质膜-电极结构体26的阳极侧隔板28以及阴极侧隔板30。阳极侧隔板28以及阴极侧隔板30具有圆盘状。
电解质膜-电极结构体26具备：例如在全氟磺酸的薄膜中浸含了水的固体高分子电解质膜32、和在所述固体高分子电解质膜32的两面设置的阳极侧供电体34以及阴极侧供电体36。
在固体高分子电解质膜32的两面形成阳极电极催化剂层34a以及阴极电极催化剂层36a。阳极电极催化剂层34a使用例如Ru(钌)系催化剂，另一方面阴极电极催化剂层36a使用例如铂催化剂。
在单位电池14的外周缘部设置：在层叠方向相互连通，用于供给水(纯水)的供水连通孔38；用于将通过反应而生成的氧以及未反应的水(混合流体)排出的排出连通孔40；用于流动通过反应而生成的氢的氢连通孔42。
在阳极侧隔板28的与电解质膜-电极结构体26对置的面，设置与供水连通孔38以及排出连通孔40连通的第1流路44。该第1流路44，被设置在与阳极侧供电体34的表面积相对应的范围内，并且由多个流路槽和多个压纹(emboss)等构成。在第1流路44中流通通过反应而生成的氧以及未反应的水。
在阴极侧隔板30的与电解质膜-电极结构体26相向的面，形成与氢连通孔42连通的第2流路46。该第2流路46被设置在与阴极侧供电体36的表面积相对应的范围内，并且由多个流路槽和多个压纹等构成。在第2流路46中流通通过反应而生成的高压氢。
在氢连通孔42上连接用于从水电解装置12排出高压氢的氢配管50的一端，并且所述氢配管50的另一端与气液分离装置52连接。
气液分离装置52将从水电解装置12排出的高压氢中包含的水分去除。在气液分离装置52上连接高压氢导出配管54和排水管路56，其中高压氢导出配管54为了将从水中分离出的高压氢提供给氢罐(未图示)等而将高压氢导出，排水管路56用于将被分离后的所述水排出。
在气液分离装置52的出口，设置用于在从所述气液分离装置52向排水管路56进行排水之前，进行所述气液分离装置52内的除气的气相减压管路58。气相减压管路58，实质上在气液分离装置52的附近从高压氢导出配管54进行分叉。
在氢配管50上设置在气液分离装置52的上游侧从所述氢配管50进行分叉，并且用于进行水电解装置12的减压的水电解装置减压管路60。
气液分离装置52具备用于储存水的箱部62。在箱部62设置用于检测所述箱部62内的水位WS是否为上限高度(上限规定量)H以上，以及是否为下限高度(下限规定量)L以下的水位检测传感器64。
在氢配管50，在水电解装置减压管路60的分叉部位与气液分离装置52之间配置第1背压阀66a以及第1止回阀68a。
在高压氢导出配管54，在比气相减压管路58的分叉部位更下游处，配置第2背压阀66b以及第2止回阀68b。在该第2止回阀68b的下游设置流量计70。
在氢配管50，在水电解装置12的出口侧附近配置第1压力计72a，另一方面，在高压氢导出配管54，在第2背压阀66b与气相减压管路58的分叉部位之间配置第2压力计72b。在气相减压管路58配设第1减压阀74a、节流阀76以及第1开闭阀78a。节流阀76例如由节流孔(orifice)或针状阀等构成。
在排水管路56配置第2减压阀74b以及第2开闭阀78b，并且在水电解装置减压管路60配置第3减压阀74c以及第3开闭阀78c。包含这些阀的各种设备以及系统整体由控制器80进行控制。
关于该水电解系统10的动作以下进行说明。
首先，在水电解系统10的通常运转时，如图2所示，第1开闭阀78a～第3开闭阀78c被闭塞。然后，经由未图示的水循环装置向水电解装置12供给纯水，并且在端板16a、16b的端子部22a、22b之间，经由电连接的电解电源24而施加电压(电流)。
因此，在各单位电池14中，从供水连通孔38向阳极侧隔板28的第1流路44供给水，该水沿着阳极侧供电体34内移动。因此，水被阳极电极催化剂层34a电解，生成氢离子、电子以及氧。通过该阳极反应生成的氢离子，透过固体高分子电解质膜32而向阴极电极催化剂层36a侧移动，并与电子相结合而得到氢。
这样，氢沿着在阴极侧隔板30与阴极侧供电体36之间形成的第2流路46而流动。该氢被维持在比供水连通孔38更高压的状态，能够流过氢连通孔42而取出到水电解装置12的外部。
接着，针对第1实施方式所涉及的运转方法，以下沿着图3所示的流程图进行说明。
在水电解系统10中，如上所述，进行通常运转(氢制造工序)(步骤S1)。因此，高压氢通过氢配管50被送至气液分离装置52，在所述气液分离装置52的箱部62中，所述高压氢中所含的水分被分离并储存。另一方面，高压氢从气液分离装置52向高压氢导出配管54被排出，若超过第2背压阀66b的设定压力，则能够向未图示的氢罐等进行供给。
接着，进入步骤S2，当判断水电解装置12所进行的水电解处理(运转)结束时(步骤S2中，是)，进入步骤S3。在该步骤S3中，由于第3开闭阀78c被打开，因此进行了电解停止的水电解装置12内的第2流路46的压力经由水电解装置减压管路60而被减压。
若水电解装置12所进行的水电解处理继续(步骤S2中，否)，则箱部62内的水位WS上升。然后，经由在箱部62设置的水位检测传感器64来检测所述箱部62的水位WS。当判断该水位WS在上限高度H以上时(步骤S4中，是)，进入步骤S5。
在步骤S5中，限制对水电解装置12施加的电解电流(电流限制工序)，并且将第1开闭阀78a打开(参照图4)。另外，电解电流，被设定为在水电解装置12内从阳极侧向阴极侧透过的水分量与从所述阴极侧向所述阳极侧返回的水分量变得均等的电流值。另外，在担心固体高分子电解质膜32的干燥时，实质上还可设定为能从阳极侧向阴极侧透过水的最低限度的电流值。通过打开第1开闭阀78a，从而由于气液分离装置52的箱部62内的高压氢向气相减压管路58被排出，因此所述箱部62内的压力降低。
此时，第2压力计72b对箱部62内的压力PT2进行检测，并检测该检测出的压力PT2是否为设定压力α以下(步骤S6)。将设定压力α设定为在水电解装置12内不会引起空穴现象(cavitation)的压力，在下游侧为大气压时，例如设定为5MPa以下程度的值。
当判断箱部62内的压力PT2为设定压力α以下时(步骤S6中，是)，进入步骤S7，打开第2开闭阀78b，另一方面，将第1开闭阀78a闭塞。因此，如图5所示，箱部62内的水，经由排水管路56而被排出。此时，向箱部62导入通过水电解装置12而制造的氢，该氢具有将所述箱部62内残留的水压出到排水管路56的功能。
进而，进入步骤S8，检测箱部62内的水位WS是否为下限高度L以下，即检测所述箱部62内是否为空。当检测出箱部62内大体为空时(步骤S8中，是)，进入步骤S9。
在步骤S9中，将第1以及第2开闭阀78a、78b闭塞，另一方面，对水电解装置12施加额定的电解电流。因此，如图2所示，水电解系统10向通常运转时过渡，如上述那样进行过渡到步骤S2的处理。
该情况下，在第1实施方式中，在气液分离装置52的箱部62内的水量到达规定上限量(上限高度H)时，首先，将第1开闭阀78a打开，使所述箱部62与气相减压管路58连通。这样，箱部62内的高压氢被导入到气相减压管路58，实施所述箱部62内的气相减压处理。
因而，箱部62内的内压降低，例如被减压至大气压附近为止。因此，在箱部62内的高压水中溶存的氢发生气化(发泡)后向气相减压管路58排出。
这样，在第2开闭阀78b被打开而从气液分离装置52向排水管路56排水时，能够有效减少排水中的溶存氢，并且阻止高压水向所述排水管路56排水。
因而，能够有效减少排水中的溶存氢，并且还能抑制所述排水中的水蒸气的产生。因此，能够避免配置于排水管路56的、例如第2减压阀74b的损伤，使所述第2减压阀74b的耐久性提高。
这样，能够以简单的构成以及工序使配置于排水管路56的设备(第2减压阀74b等)的耐久性容易地提高，并稳定地进行经济且高效的水电解处理。
图6是本发明的第2实施方式所涉及的水电解系统90的概略构成说明图。
另外，对于与第1实施方式所涉及的水电解系统10相同的构成要素，附加相同的参照符号，并省略其详细说明。另外，在以下所说明的第3以后的实施方式中也同样地省略其详细说明。
在构成气液分离装置52的箱部62上连接用于进行气相减压以及水电解装置减压的气相减压管路58。在气相减压管路58配置第1减压阀74a以及第1开闭阀78a，另一方面，没有采用第1实施方式的水电解装置减压管路60。仅在高压氢导出配管54配置背压阀66以及止回阀68，仅在氢配管50配置压力计72。
关于该水电解系统90的运转方法，以下沿着图7所示的流程图进行说明。
在水电解系统90中，通过将第1以及第2开闭阀78a、78b闭塞，从而与水电解系统10同样地，实施气液分离装置52所进行的气液分离处理来进行通常运转(步骤S11)。
然后，进入步骤S12，当做出系统停止判断，或者判断箱部62内的水位WS在上限高度H以上时(步骤S12中，是)，进入步骤S13。在该步骤S13中，进行水电解装置12的施加电流的停止控制(继续进行基于微小电解的电解)以及第1开闭阀78a的打开处理。
因此，进行箱部62内的气相减压处理，当压力计72的检测压力PT1成为设定压力α以下时(步骤S14中，是)，进入步骤S15。在该步骤S15中，第2开闭阀78b被打开，成为了低压的箱部62内的水被排出至排水管路56。
进而，当箱部62内的水面WS成为下限高度L以下时(步骤S16中，是)，进入步骤S17，进行电解是否被停止的判断。当判断电解停止时(步骤S17中，是)，进入步骤S18，将第2开闭阀78b闭塞，另一方面，将第1开闭阀78a打开。
这样，进行了电解停止的水电解装置12内的压力经由减压管路58而成为低压，在该水电解装置12的余压PT1成为设定压力β以下(被判断为无余压的压力)时(步骤S19中，是)，进入步骤S20。在该步骤S20中，在水电解装置12所进行的水电解被完全停止而将余压PT1去除之后，进入步骤S21，将第1开闭阀78a闭塞从而系统停止完成(步骤S22)。
另一方面，在步骤S17中，当判断电解未停止，即再次开始电解时(步骤S17中，否)，进入步骤S23。在该步骤S23中，将第1以及第2开闭阀78a、78b闭塞，并且对水电解装置12施加额定的电解电流。进而，返回步骤S11来进行通常运转。
像这样，在第2实施方式中，在进行气液分离装置52的气相减压处理时，同时进行对水电解装置12的余压进行减压的处理，此外还能够得到与上述的第1实施方式同样的效果。
图8是本发明的第3实施方式所涉及的水电解系统100的概略构成说明图。
另外，对于与第1实施方式所涉及的水电解系统10以及第2实施方式所涉及的水电解系统90相同的构成要素，附加相同的参照符号并省略其详细说明。
在氢配管50没有背压阀而配置第1止回阀68a，另一方面，在高压氢导出配管54配置背压阀66以及第2止回阀68b。
在该第3实施方式中，实质上进行与上述第2实施方式所涉及的水电解系统90同样的运转控制。具体而言，在进行气液分离装置52的气相减压处理时，必定还进行水电解装置12的余压减压处理。另一方面，水电解装置12的减压能够经由水电解装置减压管路60而独立进行。因此，在第3实施方式中，能够得到与上述的第1以及第2实施方式同样的效果。
图9是本发明的第4实施方式所涉及的水电解系统110的概略构成说明图。
在水电解系统110中，在氢配管50，在水电解装置12的出口侧附近配置第1压力计72a，另一方面在箱部62配置第2压力计72b。第1压力计72a对背压阀66的上游侧(水电解装置12侧)的压力PT1进行检测，并且第2压力计72b对所述背压阀66的下游侧(气液分离装置52侧)的压力PT2进行检测。
在水电解装置减压管路60配置第1减压阀74a以及第1开闭阀78a。在气相减压管路58配设第2减压阀74b以及第2开闭阀78b，并且在排水管路56配置第3减压阀74c以及第3开闭阀78c。
接着，针对第4实施方式所涉及的运转方法，以下沿着图10所示的流程图以及图11所示的时序图进行说明。
在水电解系统110中，与第1实施方式同样地，进行通常运转(氢制造工序)。因此，高压氢通过氢配管50被送至气液分离装置52，所述高压氢中所含的水分被分离并储存在所述气液分离装置52的箱部62中。另一方面，高压氢从气液分离装置52向高压氢导出配管54被排出，能够向未图示的氢罐等进行供给。
然后，若继续进行水电解装置12所进行的水电解处理，则箱部62内的水位WS上升。然后，经由在箱部62设置的水位检测传感器64对所述箱部62的水位WS进行检测。当判断该水位WS为上限高度H以上时(步骤S31中，是)，进入步骤S32。
在步骤S32中，限制对水电解装置12施加的电解电流(电解电流降低)，并且将第1开闭阀78a以及第2开闭阀78b开阀(参照图12)。另外，电解电流被设定为在水电解装置12内从阳极侧向阴极侧透过的水分量与从所述阴极侧返回至所述阳极侧的水分量变得均等的电流值。另外，在担心固体高分子电解质膜32的干燥时，实质上还可设定为能从阳极侧向阴极侧透过水的最低限度的电流值。另外，电解电流的限制还可以根据需要而设定为不进行限制。
通过将第1开闭阀78a开阀，从而水电解装置12侧的氢向水电解装置减压管路60被排出，因此如图11所示，背压阀66的上游侧的压力PT1在第1减压阀74a的作用下降低。另一方面，通过将第2开闭阀78b开阀，从而气液分离装置52的箱部62内的高压氢被排出至气相减压管路58，因此所述箱部62内的压力PT2在第2减压阀74b的作用下降低。
在此，在水电解装置12侧，为了进行高效的水电解处理，需要将压力PT1的降低限于最小限度。另一方面，需要使箱部62内的压力PT2急剧降低至在各设备所使用的O型环等中不产生气泡(blister)的程度。因此，在水电解装置减压管路60中，优选在第1减压阀74a与第1开闭阀78a之间、或者在所述第1开闭阀78a的下游，配设针状阀或节流孔等(未图示)。另外，也可以在第2减压阀74b与第2开闭阀78b之间、或者在所述第2开闭阀78b的下游，配设针状阀或节流孔等(未图示)。
此时，第2压力计72b对箱部62内的压力PT2进行检测，并检测该检测出的压力PT2是否为下限设定压力α以下(步骤S33)。下限设定压力α被设定为在水电解装置12内不会引起空穴现象的压力，在下游侧为大气压时，例如被设定为5MPa以下程度的值。
当判断箱部62内的压力PT2为下限设定压力α以下时(步骤S33中，是)，进入步骤S34，将第2开闭阀78b闭阀，另一方面将第3开闭阀78c开阀。因此，如图13所示，箱部62内的水经由排水管路56而被排出，并且水电解装置12侧的氢被排出至水电解装置减压管路60。
进而，进入步骤S35，检测箱部62内的水位WS是否为下限高度L以下、即所述箱部62内是否为空。当检测出箱部62内大体为空时(步骤S35中，是)，进入步骤S36。
在步骤S36中，在将第1开闭阀78a以及第3开闭阀78c闭阀之后，对水电解装置12施加额定的电解电流来过渡至通常运转(步骤S37)。
在该情况下，在第4实施方式中，在气液分离装置52的箱部62内的水量达到上限规定量(上限高度H)之后，在从所述气液分离装置52经由气相减压管路58而进行除气(减压)时，在背压阀66的上游经由从氢配管50进行分叉的减压管路60而进行减压。即，在背压阀66的下游侧，经由气相减压管路58进行减压，另一方面，在所述背压阀66的上游侧，经由减压管路60进行减压。
因此，如图11所示，能够可靠地阻止背压阀66的上游以及下游的差压(PT1-PT2)成为规定压力以上，不会对所述背压阀66的密封部造成损伤。另外，所谓规定压力以上，是指有可能对背压阀66的密封部等造成损伤的差压。
这样，能够通过简单的工序对气液分离装置52内进行减压并排水，并且使在水电解装置12与所述气液分离装置52之间配置的背压阀66的耐久性有效地提高。
图14是应用本发明的第5实施方式所涉及的运转方法的水电解系统120的概略构成说明图。
在构成气液分离装置52的箱部62，经由高压氢导出配管54而连接缓冲部(高压氢储存部)122，并且在所述缓冲部122连接返回管路(均压化管路)124的一端。在返回管路124串联配置可变节流阀126以及第4开闭阀78d，并且所述返回管路124的另一端与箱部62连接。
在高压氢导出配管54配置用于阻止高压氢从缓冲部122向箱部62逆流的止回阀128。在缓冲部122设置用于检测内部的压力PT3的第3压力计72c。
关于该水电解系统120的运转方法，以下沿着图15所示的流程图以及图16所示的时序图进行说明。
在水电解系统120中，步骤S41～步骤S45与上述的步骤S31～步骤S35同样地进行。然后，当检测出箱部62内大体为空时(步骤S45中，是)，进入步骤S46。在该步骤S46中，将第1开闭阀78a以及第3开闭阀78c闭阀，另一方面将第4开闭阀78d开阀。
因此，在缓冲部122内储存的高压氢通过返回管路125被提供给箱部62内，所述箱部62被急速升压(参照图16)。然后，当判断箱部62内的压力PT2被均压化为缓冲部122内的压力PT3时(步骤S57中，是)，进入步骤S48，将第4开闭阀78d闭阀，并施加额定的电解电流来过渡至通常运转(步骤S49)。
在该情况下，在第5实施方式中，在来自箱部62的排水处理结束之后，能够经由缓冲部122使所述箱部62内的压力迅速升压。因此，在背压阀66的上游以及下游所产生的差压在短时间内被消除，更加可靠地实现所述背压阀66的耐久性的提高。
图17是应用本发明的第6实施方式所涉及的运转方法的水电解系统130的概略构成说明图。
水电解系统130取代构成第5实施方式所涉及的水电解系统120的缓冲部122，而具备高压氢罐(高压氢储存部)132。该高压氢罐132，为了在未图示的燃料电池车辆中填充高压氢，而在满罐时维持在所希望的填充压力(例如，35MPa)。
在该水电解系统130中，与图15所示的第5实施方式的运转方法大体同样地进行运转。此时，在步骤S47中，判断箱部62内的压力PT2是否被均压化为背压阀66的上游侧的压力PT1(参照图18)。这是因为，高压氢罐132，当被填充至满罐左右时，由于相对于气液分离装置52的容量而言是大容量，因此在箱部62升压时，能够使之瞬间过渡至与压力PT1没有差压的状态。
另外，在第6实施方式中，在箱部62的气相减压时以及排水时，也可以不经由减压管路60来从背压阀66的上游侧进行减压(参照图18)。这是因为能够通过高压氢罐132使箱部62内迅速升压，并能缩短产生差压的时间。
图19是应用本发明的第7实施方式所涉及的运转方法的水电解系统140的概略构成说明图。
水电解系统140未使用水电解装置减压管路60。在气相减压管路58配设第1开闭阀142a，并且，在排水管路56配置第2开闭阀142b。在返回管路124配置第3开闭阀142c。另外，虽然使用缓冲部122作为高压氢储存部，但并非限定于此，例如，也可以采用高压氢罐132。以下的实施方式中也同样。
关于该水电解系统140的运转方法，以下沿着图20所示的流程图以及图21所示的时序图进行说明。
当判断箱部62的水位WS为上限高度H以上时(步骤S51中，是)，进入步骤S52，将第1开闭阀142a开阀，并且限制电解电流。因此，箱部62内的高压氢被排出至气相减压管路58，所述箱部62内的压力PT2降低。
接着，当判断箱部62内的压力PT2为下限设定压力α以下时(步骤S53中，是)，将第1开闭阀142a闭阀，另一方面，将第2开闭阀142b开阀(步骤S54)。因此，箱部62内的水经由排水管路56而被排出。然后，当检测出箱部62内大体为空时(步骤S55中，是)，进入步骤S56，将第2开闭阀142b闭阀，另一方面将第3开闭阀142c开阀。
这样，从缓冲部122向箱部62内供给高压氢。当判断箱部62内的压力PT2被均压化为缓冲部122内的压力PT3时(步骤S57中，是)，进入步骤S58，将第3开闭阀142c闭阀，施加额定的电解电流来进入通常运转(步骤S59)。
像这样，在第7实施方式中，能够得到与上述第4～第6实施方式同样的效果。
接着，针对本发明的第8实施方式所涉及的运转方法，以下沿着图22所示的流程图以及图23所示的时序图进行说明。另外，在第8实施方式中，与上述第7实施方式同样地使用水电解系统140。
在第8实施方式中，在与步骤S51～步骤S53同样地进行步骤S61～步骤S63之后，在步骤S64中，将第1开闭阀142a闭阀，另一方面将第2开闭阀142b以及第3开闭阀142c开阀。因此，箱部62内的水经由排水管路56而被排出，并且从缓冲部122向所述箱部62内供给高压氢。
因此，在第8实施方式中，对箱部62实施排水处理的同时完成升压处理，并且通过从缓冲部122供给的高压氢将所述箱部62内的水压出，迅速地进行排水处理，另外还能得到与上述第7实施方式同样的效果。

Claims (12)

1.一种水电解系统，其具备：
水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；
气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；
高压氢导出配管(54)，其从所述气液分离装置(52)中导出分离出水后的所述高压氢；以及
排水管路(56)，其从所述气液分离装置(52)中将水排出，
所述水电解系统的特征在于，
在所述气液分离装置(52)设置气相减压管路(58)，该气相减压管路(58)用于在从所述气液分离装置(52)向所述排水管路(56)进行排水之前，进行所述气液分离装置(52)内的除气。
2.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
在所述气相减压管路(58)配设第1减压阀(74a)以及第1开闭阀(78a)，
在所述排水管路(56)配设第2减压阀(74b)以及第2开闭阀(78b)。
3.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
还具备水电解装置减压管路(60)，该水电解装置减压管路(60)在所述气液分离装置(52)的上游侧从所述氢配管(50)进行分叉。
4.一种水电解系统的运转方法，所述水电解系统具备：
水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；
气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；
高压氢导出配管(54)，其从所述气液分离装置(52)中导出分离出水后的所述高压氢；
排水管路(56)，其从所述气液分离装置(52)中将水排出；以及
气相减压管路(58)，其用于在从所述气液分离装置(52)向所述排水管路(56)进行排水之前，进行所述气液分离装置(52)内的除气，
所述水电解系统的运转方法的特征在于，具有：
气相减压工序，在判断所述气液分离装置(52)内的水量为规定量以上时，将所述气液分离装置(52)内的高压氢向所述气相减压管路(58)排出；和
排水工序，在判断所述气液分离装置内(52)的压力为规定压力以下时，将所述气液分离装置(52)内的水向所述排水管路(56)排出。
5.根据权利要求4所述的水电解系统的运转方法，其特征在于，
还具有电流限制工序，在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为规定量以上时，限制对所述水电解装置(12)施加的电流。
6.一种水电解系统的运转方法，所述水电解系统具备：
水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；
气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；
背压阀(66)，其位于所述水电解装置(12)与所述气液分离装置(52)之间，被配置于所述氢配管(50)；
减压管路(60)，其在所述背压阀(66)的上游从所述氢配管(50)进行分叉，并且设置有第1开闭阀(78a)；
气相减压管路(58)，其与所述气液分离装置(52)的气相部连通来进行除气，并且设置有第2开闭阀(78b)；以及
排水管路(56)，其与所述气液分离装置(52)的液相部连通来进行排水，并且设置有第3开闭阀(78c)，
所述水电解系统的运转方法的特征在于，具有如下工序：
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为上限规定量以上时，将所述第1开闭阀(78a)以及所述第2开闭阀(78b)开阀；
在判断出所述气液分离装置(52)内的压力为下限规定压力以下时，将所述第2开闭阀(78b)闭阀并且将所述第3开闭阀(78c)开阀；以及
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为下限规定量以下时，将所述第1开闭阀(78a)以及所述第3开闭阀(78c)闭阀。
7.根据权利要求6所述的水电解系统的运转方法，其特征在于，
所述水电解系统还具备：
高压氢储存部(122)，其被配置在所述气液分离装置(52)的下游；和
均压化管路(124)，其将所述高压氢储存部(122)与所述气液分离装置(52)连通，并设置有第4开闭阀(78d)，
所述水电解系统的运转方法还具有如下工序，在将所述第1开闭阀(78a)以及所述第3开闭阀(78c)闭阀之后，将所述第4开闭阀(78d)开阀，从而将所述气液分离装置(52)内的压力与所述高压氢储存部(122)内的压力均压化。
8.根据权利要求6所述的水电解系统的运转方法，其特征在于，
至少在将所述第1开闭阀(78a)开阀时，使所述水电解装置(12)的电解电流降低。
9.一种水电解系统的运转方法，所述水电解系统具备：
水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；
气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；
背压阀(66)，其位于所述水电解装置(12)与所述气液分离装置(52)之间，被配置于所述氢配管(50)；
气相减压管路(58)，其与所述气液分离装置(52)的气相部连通来进行除气，并且设置有第1开闭阀(142a)；
排水管路(56)，其与所述气液分离装置(52)的液相部连通来进行排水，并且设置有第2开闭阀(142b)；
高压氢储存部(122)，其被配置在所述气液分离装置(52)的下游；以及
均压化管路(124)，其将所述高压氢储存部(122)与所述气液分离装置(52)连通，并设置有第3开闭阀(142c)，
所述水电解系统的运转方法的特征在于，具有如下工序：
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为上限规定量以上时，将所述第1开闭阀(142a)开阀；
在判断出所述气液分离装置(52)内的压力为下限规定压力以下时，将所述第1开闭阀(142a)闭阀，且将所述第2开闭阀(142b)开阀；
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为下限规定量以下时，将所述第2开闭阀(142b)闭阀；
在将所述第2开闭阀(142b)闭阀之后，将所述第3开闭阀(142c)开阀，从而对所述气液分离装置(52)内的压力与所述高压氢储存部(122)内的压力进行均压化。
10.根据权利要求9所述的水电解系统的运转方法，其特征在于，
至少在将所述第1开闭阀(142a)开阀时，使所述水电解装置(12)的电解电流降低。
11.一种水电解系统的运转方法，所述水电解系统具备：
水电解装置(12)，其对水进行电解来产生氧和比所述氧更高压的高压氢；
气液分离装置(52)，其被配设于从所述水电解装置(12)排出所述高压氢的氢配管(50)，用于分离所述高压氢中所含的水分；
背压阀(66)，其位于所述水电解装置(12)与所述气液分离装置(52)之间，且被配置于所述氢配管(50)；
气相减压管路(58)，其与所述气液分离装置(52)的气相部连通来进行除气，并且设置有第1开闭阀(142a)；
排水管路(56)，其与所述气液分离装置(52)的液相部连通来进行排水，并且设置有第2开闭阀(142b)；
高压氢储存部(122)，其被配置在所述气液分离装置(52)的下游；以及
均压化管路(124)，其将所述高压氢储存部(122)与所述气液分离装置(52)连通，并设置有第3开闭阀(142c)，
所述水电解系统的运转方法的特征在于，具有如下工序：
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为上限规定量以上时，将所述第1开闭阀(142a)开阀；
在判断出所述气液分离装置(52)内的压力为下限规定压力以下时，将所述第1开闭阀(142a)闭阀，并将所述第2开闭阀(142b)以及所述第3开闭阀(142c)开阀；
在判断出所述气液分离装置(52)内的水量为下限规定量以下时，将所述第2开闭阀(142b)闭阀，并且将所述气液分离装置(52)内的压力与所述高压氢储存部内的压力均压化。
12.根据权利要求11所述的水电解系统的运转方法，其特征在于，
至少在将所述第1开闭阀(142a)开阀时，使所述水电解装置(12)的电解电流降低。
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