CN110023543B - 水电解系统及水电解系统的运行方法 - Google Patents

水电解系统及水电解系统的运行方法 Download PDF

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Abstract

水电解系统具备水电解槽、流通有阴极侧气体的阴极侧气体流路、监测阴极侧气体流路内阴极侧气体的氢浓度或氧浓度或者向水电解槽的电力供给量中至少任一方的监测装置、设置为能以提高阴极侧气体流路内流通的阴极侧气体的氢浓度的形式供给氢气的氢供给路、以及调节从氢供给路向阴极侧气体供给的氢气的流量的流量调节阀。

Description

水电解系统及水电解系统的运行方法
技术领域
本发明涉及水电解系统及水电解系统的运行方法。
背景技术
例如，借由风力等可再生能源制造氢来储藏可再生能源，已知有可稳定利用可再生能源的水电解系统。水电解系统具备水电解槽。水电解槽具有电解水而产生氧气的阳极室、电解水而产生氢气的阴极室、和配置于阳极室和阴极室之间的隔膜；
此处专利文献1中公开了能防止氢气或氧气透过隔膜致使两方气体混合的氢・氧气发生装置。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2006-131957号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
专利文献1中没有探讨氢・氧气发生装置内氢气及氧气发生混合时的应对。
本发明的目的在于在制造氢的水电解系统中，即使阳极侧产生的氧气通过隔膜后混入阴极侧产生的氢气中使该混合气的氧浓度上升时，也能安全地降低混合气的氧浓度。而且，目的在于防止因混入氧而不满足纯度的氢气的废弃，改善氢的制造效率。
解决问题的手段：
为解决上述技术问题，根据本发明一形态的水电解系统具备：水电解槽，所述水电解槽具有内部配置阳极、通过外部供给的电力电解水而产生氧气的阳极室；内部配置阴极、通过所述电力电解水而产生氢气的阴极室；及配置于所述阳极室和所述阴极室之间的隔膜；使从所述阴极室排出且含有氢气的阴极侧气体流通的阴极侧气体流路；监测所述阴极侧气体流路内的阴极侧气体的氢浓度或氧浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量中至少任一个的监测装置；设置为能以提高流通于所述阴极侧气体流路的阴极侧气体的氢浓度的形式向阴极侧气体供给氢气的氢供给路；以及调节从所述氢供给路向阴极侧气体供给的氢气的流量的流量调节阀。
根据上述结构，例如在通过监测装置的监测结果确认阴极侧气体流路内流通的阴极侧气体的氢浓度为氢基准浓度以下或氧浓度为氧基准浓度以上、或者向水电解槽的电力供给量为基准电力量以下时，能开放流量调节阀，向阴极侧气体供给氢气。又例如在通过监测装置的监测结果确认所述氢浓度高于氢基准浓度或所述氧浓度低于氧基准浓度、或者所述电力供给量高于基准电力量时，能关闭流量调节阀，停止向阴极侧气体的氢气的供给。
因此在水电解系统中，即使阳极侧产生的氧气通过隔膜混入阴极侧产生且含有氢气的阴极侧气体中导致阴极侧气体的氧浓度上升时，也能安全降低阴极侧气体的氧浓度。
而且，能通过向阴极侧气体内添加氢气以降低阴极侧气体的氧浓度，因此可不废弃掉阴极侧气体。而且，将与水电解系统制造的氢相同成分的气体添加至阴极侧气体，从而能抑制向阴极侧气体添加氢气时水电解系统内氢制造的停止，能扩大水电解系统的运行工作范围。因此，能提高水电解系统的氢的制造效率。
也可以是，还具备基于所述监测装置的监测结果控制所述流量调节阀的控制装置；所述控制装置以如下形式控制所述流量调节阀：当所述氢浓度高于氢基准浓度或所述氧浓度低于氧基准浓度、或者所述电力供给量高于基准电力量时，停止向阴极侧气体的氢气的供给，当所述氢浓度为所述氢基准浓度以下或所述氧浓度为所述氧基准浓度以上、或者所述电力供给量为所述基准电力量以下时，向阴极侧气体供给氢气。
根据上述结构，能通过控制装置自动控制流量调节阀，因而能减轻操作员手动的操作负担，同时能防止氢的制造效率下降，并且降低阴极侧气体中的氧浓度。
也可以是，还具备压缩阴极侧气体的压缩机，所述氢供给路与所述阴极侧气体流路的比所述压缩机靠近阴极侧气体的流通方向的上游侧连接。由此，能在使用压缩机压缩加热阴极侧气体前提高阴极侧气体的氢浓度，能进一步改善系统的安全性。
也可以是，还具备通过除去阴极侧气体所含有的氧气而从阴极侧气体精制氢气的精制器，所述氢供给路将所述精制器精制的氢气供给至阴极侧气体。而且，也可以是，还具备储藏所述精制器精制的氢气的储藏箱，所述氢供给路将所述储藏箱内储藏的氢气供给至阴极侧气体。由此，无需设置额外的氢供给源，也能高效地除去阴极侧气体中的氧气。
根据本发明另一形态的水电解系统的运行方法，是如下水电解系统的运行方法，即具备：水电解槽，所述水电解槽具有内部配置阳极、通过外部供给的电力电解水而产生氧气的阳极室；内部配置阴极、通过所述电力电解水而产生氢气的阴极室；及配置于所述阳极室和所述阴极室之间的隔膜；使从所述阴极室排出且含有氢气的阴极侧气体流通的阴极侧气体流路；监测所述阴极侧气体流路内的阴极侧气体的氢浓度或氧浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量中至少任一个的监测装置；设置为能以提高所述阴极侧气体流路内流通的阴极侧气体的氢浓度的形式向阴极侧气体供给氢气的氢供给路；以及调节从所述氢供给路向阴极侧气体供给的氢气的流量的流量调节阀；如下控制所述流量调节阀：当所述氢浓度高于氢基准浓度或所述氧浓度低于氧基准浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量高于基准电力量时，停止向阴极侧气体的氢气的供给，当所述氢浓度为所述氢基准浓度以下或所述氧浓度为所述氧基准浓度以上、或者所述电力供给量为所述基准电力量以下时，向阴极侧气体供给氢气。
发明效果：
本发明能在制造氢的水电解系统中，即便阳极侧产生的氧气通过隔膜混入阴极侧产生的氢气中导致该混合气的氧浓度上升时，也能安全地降低混合气的氧浓度。而且，能防止因氧混入而不满足纯度的氢气的废弃，提高氢的制造效率。
附图说明
图1是根据实施形态的水电解系统的概略结构图；
图2是示出图1的水电解系统的控制流程的图。
具体实施方式
以下参照各图说明实施形态。
图1是根据实施形态的水电解系统1的概略结构图。水电解系统1具备水电解槽2、气体纯度分析计3、压缩机4、精制器5、储藏箱6、控制装置7、阳极侧气体流路R1、阴极侧气体流路R2、氢供给路R3、氮供给路R4、阴极侧气体排出路R5、流量调节阀V1～V4及排出口11、12。
从外部向水电解槽2供给电力（直流电力）。该电力作为一个示例为通过风力等可再生能源发电的电力，但不限于此。水电解槽2具有阳极8、阴极9及隔膜10。而且水电解槽2具有阳极室2a和阴极室2b。阳极室2a的内部配置有阳极8，通过从外部供给的电力来电解水产生氧气。从阳极室2a排出含有氧气的阳极侧气体。阴极室2b的内部配置有阴极9，通过所述电力来电解水产生氢气。从阴极室2b排出含有氢气的阴极侧气体。隔膜10配置于阳极室2a和阴极室2b之间。
本实施形态的水电解槽2作为一个示例为碱性水电解型，阳极室2a和阴极室2b内贮存有含氢氧化钾（KOH）的电解液。水电解系统1工作时，电解液中的电解质通过隔膜10在阳极室2a和阴极室2b间移动，从而水被电解。
另外水电解槽2不限于碱性水电解型，其他形式，例如固体高分子型亦可。而且图1中，示意性地示出水电解槽2，所以各示出一个阳极室2a和阴极室2b，但阳极室2a和阴极室2b的数量不做限定。水电解槽2中例如也可隔着多个隔膜10交替配置多个阳极室2a和多个阴极室2b。
阳极侧气体流路R1内流通有从阳极室2a排出且含有氧气的阳极侧气体。阳极侧气体流路R1的上游端部与阳极室2a连接。阳极侧气体流路R1的下游端部处设有排出口11。阳极侧气体与电解液分离，流通过阳极侧气体流路R1后，经由排出口11排出至水电解系统1的外部。
阴极侧气体流路R2内流通有从阴极室2b排出且含有氢气的阴极侧气体。阴极侧气体流路R2的上游端部与阴极室2b连接。阴极侧气体流路R2的下游端部处与储藏箱6连接。阴极侧气体与电解液分离，流通于阴极侧气体流路R2。
气体纯度分析计3分析在阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近阴极侧气体的流通方向的上游侧（以下简称为上游侧。）内流通的阴极侧气体的氢纯度。具体而言气体纯度分析计3检测与电解液分离后阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近上游侧内流通的阴极侧气体的氢浓度及氧浓度中至少一方（此处作为一个示例为氢浓度）。气体纯度分析计3的检测结果向控制装置7发送。
压缩机4压缩阴极侧气体。本实施形态中，压缩机4压缩加热阴极侧气体。精制器5配置于阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近阴极侧气体的流通方向的下游侧（以下简称下游侧。）处。精制器5通过除去阴极侧气体所含有的氧气以此从阴极侧气体精制氢气。
储藏箱6配置于阴极侧气体流路R2的比精制器5靠近下游侧处。储藏箱6储藏精制器5精制的氢气。储藏箱6也可储藏液体氢。此时，阴极侧气体流路R2的精制器5和储藏箱6之间需设置液化器。
氮供给路R4设置为能向阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体供给氮气。氮供给路R4的上游端部与氮源13连接。氮供给路R4的下游端部与阴极侧气体流路R2的比气体纯度分析计3靠近上游侧处连接。
氮供给路R4的途中设有流量调节阀V1。流量调节阀V1调节从氮供给路R4向阴极侧气体供给的氮气的流量。流量调节阀V1开放，则向阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体供给氮气，阴极侧气体的氢浓度及氧浓度降低。由此，能使阴极侧气体惰性化，能安全地进行水电解系统1的维护作业等。
阴极侧气体排出路R5设置为能将阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体排出至水电解系统1的外部。阴极侧气体排出路R5的上游端部与阴极侧气体流路R2的比气体纯度分析计3设置的位置靠近下游侧且比压缩机4靠近上游侧处连接。阴极侧气体排出路R5的下游端部设有排出口12。
阴极侧气体排出路R5的途中设有流量调节阀V2。流量调节阀V2调节阴极侧气体排出路R5内流通的阴极侧气体的流量。流量调节阀V2开放，则阴极侧气体排出路R5内流通的阴极侧气体通过排出口12排出至水电解系统1的外部。
氢供给路R3设置为能以提高阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体的氢浓度的形式、将氢气向阴极侧气体供给。氢供给路R3内流通的氢气作为一个示例为储藏箱6内储藏的氢气。氢供给路R3与阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近上游侧处连接。本实施形态中，氢供给路R3的上游端部与储藏箱6连接。氢供给路R3的下游端部与阴极侧气体流路R2的比设置气体纯度分析计3的位置靠近上游侧处连接。
氢供给路R3的途中设有流量调节阀V3、V4。流量调节阀V3、V4调节从氢供给路R3向阴极侧气体供给的氢气的流量。流量调节阀V3设于氢供给路R3的途中。流量调节阀V4设于氢供给路R3的比流量调节阀V3靠近氢气的流通方向的下游侧处。流量调节阀V3、V4开放，则向阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体供给氢气，阴极侧气体的氧浓度下降。
作为一个示例，流量调节阀V1～V3为电磁流量调节阀，流量调节阀V4为减压流量调节阀，但流量调节阀V1～V4的种类和形式不做限定。而且，氢供给路R3上设置的流量调节阀的个数不做限定，例如仅将流量调节阀V3、V4中的任一方设于氢供给路R3上亦可。而且，氢供给路R3内流通的氢气例如可以是水电解系统1制造的氢，也可以是由氢气瓶供给的氢气。
此处水电解系统1具备监测装置。监测装置监测阴极侧气体流路R2中的阴极侧气体的氢浓度（以下也简称氢浓度。）或氧浓度（以下也简称氧浓度。）、或者向水电解槽2的电力供给量（以下也简称电力供给量。）中至少任一方（本实施形态中为氢浓度及电力供给量）。作为一个示例，监测装置监测阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近上游侧处的阴极侧气体的氢浓度。而且监测装置通过气体纯度分析计3的检测结果监测氢浓度。而且监测装置通过设于水电解系统1的电力计的检测值监测电力供给量。
控制装置7与气体纯度分析计3和流量调节阀V1～V4连接。控制装置7在规定正时控制流量调节阀V1、V2。而且控制装置7基于监测装置的监测结果控制流量调节阀V3、V4。本实施形态中作为一个示例，控制装置7兼为监测装置。监测装置也可与控制装置7独立地设置。
控制装置7作为一个示例为具有CPU、RAM及ROM的电脑。ROM内存储有规定的控制程序。CPU通过控制程序监测氢浓度及电力供给量并控制流量调节阀V3、V4。
水电解系统中，有时阳极侧产生的氧气会通过隔膜混入阴极侧产生且含有氢气的阴极侧气体中，阴极侧气体变为混合气，使用精制器除去阴极侧气体中的氧气。阴极侧气体的氧浓度有时会随电力供给量下降而上升，若电力供给量低于某个程度则急剧上升。以往，阴极侧气体的氧浓度超过规定值时，例如向阴极侧气体内添加氮气来降低阴极侧气体的氧浓度，以此提高阴极侧气体的安全性。
然而，分离混合后的氢气和氮气是困难的，所以会将添加了氮气阴极侧气体排出至水电解系统的外部。因该排出会导致制造的一部分氢废弃。而且，向阴极侧气体添加氮气时，即使电力供给量恢复，直至充分排出去除阴极侧气体流路内残留的氮气为止，水电解系统中也难以再开始氢的制造。
而且利用可再生能源的发电中，发电量容易因天气等条件变动，因此使用可再生能源使水电解系统工作时，电力供给量容易变为规定值以下，随之而来则容易变成阴极侧气体的氧浓度超过规定值的状态。由此，添加氮气而废弃的氢量恐怕会增多。
相对于此水电解系统1中如下所示，氢浓度高于预定的氢基准浓度或氧浓度低于预定的氧基准浓度、或者向水电解槽2的电力供给量高于预定的基准电力量时，停止向阴极侧气体的氢气的供给，氢浓度为氢基准浓度以下或氧浓度为氧基准浓度以上、或者向水电解槽2的电力供给量为基准电力量以下时，以向阴极侧气体供给氢气的形式控制流量调节阀V3、V4。阴极侧气体所含的氧气由精制器5除去。由此水电解系统1中因添加氮气而废弃的氢量降低，能以较高的制造效率制造氢。
以下示例了水电解系统1的控制流程。图2是示出图1的水电解系统的控制流程的图。工作中的水电解系统1中，控制装置7判断向水电解槽2的电力供给量是否高于基准电力量（S1）。控制装置7在S1中判定向水电解槽2的电力供给量高于基准电力量时，接着判断氢浓度是否高于氢基准浓度（S3）。此处，基准电力量及氢基准浓度的各值由操作员预设，可适应性设定。
控制装置7在S1中判定向水电解槽2的电力供给量不高于基准电力量（即、向水电解槽2的电力供给量为基准电力量以下）时，或在S3中判定氢浓度不高于氢基准浓度（即、氢浓度为氢基准浓度以下）时，将流量调节阀V3、V4开放一定时间，向阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近上游侧（此处为比气体纯度分析计3靠近上游侧）处的阴极侧气体供给一定量的氢气（S2）。由此，使阴极侧气体的氧浓度下降。
控制装置7 重复进行S1～S3直至在S1中判定向水电解槽2的电力供给量高于基准电力量，且在S3中判定氢浓度高于氢基准浓度为止。控制装置7在S3中判定氢浓度高于氢基准浓度时，接着关闭流量调节阀V3、V4，停止向阴极侧气体的氢气的供给（S4）。
控制装置7接着判断是否生成了水电解系统1的停止指令（S5）。控制装置7重复进行S1～S5直至在S5中判定生成了水电解系统1的停止指令为止。控制装置7在S5中判定生成了水电解系统1的停止指令时，终止控制流程。另外，上述控制流程的S1，S3也可以颠倒顺序进行，还可以只进行任一方。
如以上说明，水电解系统1中，例如，当通过监测装置的监测结果确认了阴极侧气体流路R2内流通的阴极侧气体的氢浓度为氢基准浓度以下、或者向水电解槽2的电力供给量为基准电力量以下时，开放流量调节阀V3、V4，向阴极侧气体供给氢气。又例如，当通过监测装置的监测结果确认了氢浓度高于氢基准浓度、或者电力供给量高于基准电力量时，关闭流量调节阀V3、V4，停止向阴极侧气体的氢气的供给。
因此，水电解系统1中，即便阳极8侧产生的氧气通过隔膜10混入阴极9侧产生且含有氢气的阴极侧气体中致使阴极侧气体的氧浓度上升时，也能安全降低阴极侧气体的氧浓度。
而且，由于能向阴极侧气体添加氢气以降低阴极侧气体的氧浓度，因此可不必废弃阴极侧气体。而且，由于将与水电解系统1内制造的氢相同成分的气体添加至阴极侧气体中，因此能抑制将氢气添加至阴极侧气体时水电解系统1内氢制造的停止，能扩大水电解系统1的运行工作范围。因此，能改善水电解系统1的氢的制造效率。
而且水电解系统1中，能通过控制装置7自动控制流量调节阀V3、V4，因此减轻操作员手动的操作负担，同时能防止氢的制造效率下降，并且能降低阴极侧气体中的氧浓度。
而且氢供给路R3与阴极侧气体流路R2的比压缩机4靠近上游侧处连接，因此能在使用压缩机4压缩加热阴极侧气体前提高阴极侧气体的氢浓度，能进一步提高水电解系统1的安全性。
而且氢供给路R3将精制器5精制的氢气供给至阴极侧气体。具体而言氢供给路R3将储藏箱6内储藏的氢气供给至阴极侧气体。由此，无需设置额外的氢供给源也可高效地除去阴极侧气体中的氧气。而且，能利用储藏箱6内储藏的氢气将充足量的氢气供给至阴极侧气体。
另外控制装置7在S3中也可判断氧浓度是否低于预定的氧基准浓度。此时，控制装置7在S1中判定向水电解槽2的电力供给量不高于基准电力量时，或在S3中判定氧浓度不低于氧基准浓度（即、氧浓度为氧基准浓度以上）时，执行S2。而且控制装置7在S1中判定向水电解槽2的电力供给量高于基准电力量，且在S3中判定氧浓度低于氧基准浓度时，执行S4；
本发明不限于上述实施形态，在不脱离本发明主旨的范围内可变更、追加或删除其结构和方法。
符号说明：
R2 阴极侧气体流路
R3 氢供给路
V3、V4 流量调节阀
1 水电解系统
2 水电解槽
2a 阳极室
2b 阴极室
4 压缩机
5 精制器
6 储藏箱
7 控制装置
8 阳极
9 阴极
10 隔膜。

Claims (6)

1.一种水电解系统，具备：
水电解槽，所述水电解槽具有内部配置阳极、通过外部供给的电力电解水而产生氧气的阳极室；内部配置阴极、通过所述电力电解水而产生氢气的阴极室；及配置于所述阳极室和所述阴极室之间的隔膜；
使从所述阴极室排出且含有氢气的阴极侧气体流通的阴极侧气体流路；
监测所述阴极侧气体流路内的阴极侧气体的氢浓度或氧浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量中至少任一个的监测装置；
设置为能以提高流通于所述阴极侧气体流路的阴极侧气体的氢浓度的形式向阴极侧气体供给氢气的氢供给路；以及
调节从所述氢供给路向阴极侧气体供给的氢气的流量的流量调节阀。
2.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
还具备基于所述监测装置的监测结果控制所述流量调节阀的控制装置；
所述控制装置以如下形式控制所述流量调节阀：当所述氢浓度高于氢基准浓度或所述氧浓度低于氧基准浓度、或者所述电力供给量高于基准电力量时，停止向阴极侧气体的氢气的供给，当所述氢浓度为所述氢基准浓度以下或所述氧浓度为所述氧基准浓度以上、或者所述电力供给量为所述基准电力量以下时，向阴极侧气体供给氢气。
3.根据权利要求1或2所述的水电解系统，其特征在于，
还具备压缩阴极侧气体的压缩机；
所述氢供给路与所述阴极侧气体流路的部分连接，该部分位于在阴极侧气体的流通方向上的所述压缩机的上游侧。
4.根据权利要求1所述的水电解系统，其特征在于，
还具备通过除去阴极侧气体所含有的氧气而从阴极侧气体精制氢气的精制器；
所述氢供给路将所述精制器精制的氢气供给至阴极侧气体。
5.根据权利要求4所述的水电解系统，其特征在于，
还具备储藏所述精制器精制的氢气的储藏箱；
所述氢供给路将所述储藏箱内储藏的氢气供给至阴极侧气体。
6.一种水电解系统的运行方法，是如下水电解系统的运行方法，即具备：
水电解槽，所述水电解槽具有内部配置阳极、通过外部供给的电力电解水而产生氧气的阳极室；内部配置阴极、通过所述电力电解水而产生氢气的阴极室；及配置于所述阳极室和所述阴极室之间的隔膜；
使从所述阴极室排出且含有氢气的阴极侧气体流通的阴极侧气体流路；
监测所述阴极侧气体流路内的阴极侧气体的氢浓度或氧浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量中至少任一个的监测装置；
设置为能以提高所述阴极侧气体流路内流通的阴极侧气体的氢浓度的形式向阴极侧气体供给氢气的氢供给路；以及
调节从所述氢供给路向阴极侧气体供给的氢气的流量的流量调节阀；
如下控制所述流量调节阀：当所述氢浓度高于氢基准浓度或所述氧浓度低于氧基准浓度、或者向所述水电解槽的电力供给量高于基准电力量时，停止向阴极侧气体的氢气的供给，当所述氢浓度为所述氢基准浓度以下或所述氧浓度为所述氧基准浓度以上、或者所述电力供给量为所述基准电力量以下时，向阴极侧气体供给氢气。
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