JP2010189728A - 水電解システム及びその運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧水素を生成する水電解装置を常圧に脱圧する際、前記水電解装置の下流に存在する高圧水素の廃棄量を可及的に削減することができ、効率的且つ経済的な水電解処理を遂行可能にする。
【解決手段】水電解システム１０は、純水供給装置１２から供給される純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１４を備える。水電解装置１４の配管３４ｃと気液分離器１８の入口側の逆止弁４０との間には、前記水電解装置１４の水素圧力を前記気液分離器１８とは分離して開放させる圧力開放装置５２が配設される。圧力開放装置５２は、圧抜き経路５４を備えるとともに、前記圧抜き経路５４には、減圧弁５６及び電磁弁５８が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から常圧よりも高圧な高圧水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記高圧水素を精製する高圧水素処理装置とを備える水電解システム及びその運転停止方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の水電解システムでは、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示された高圧水素の製造方法及び製造装置が知られている。高圧水素製造装置は、図７に示すように、酸素高圧容器１、差圧調整装置２、水素高圧容器３、電解セル４、水分吸着筒５、背圧弁６及び脱酸素筒７を備えている。

酸素高圧容器１内の純水は、循環ポンプ８を介して電解セル４の陽極側に送られるとともに、電源９から前記電解セル４に通電することによって、前記純水が電気分解されている。この電気分解により電解セル４に発生した酸素は、循環ポンプ８の循環水戻り純水とともに、酸素高圧容器１に送られている。

電解セル４の陰極に発生した水素は、透過水とともに、水素高圧容器３内に放出されている。その際、差圧調整装置２により酸素高圧容器１内の圧力と水素高圧容器３内の圧力が等しくなっている。

水素高圧容器３に貯留された水素は、脱酸素筒７を介して該水素中に含まれる酸素が除去された後、背圧弁６に連絡されている水分吸着筒５で水分が除去されることにより、製品水素が得られている。

特開２００７−１００２０４号公報

ところで、高圧水を生成する水電解システムは、上記の特許文献１のように、酸素高圧容器１及び水素高圧容器３を備えて高圧水素及び高圧酸素を生成する方式の他、水及び生成酸素を常圧に維持する一方、生成水素を高圧に維持する差圧生成方式が採用されている。

この差圧生成方式では、水電解システムを停止させる際に、水電解装置（電解セル）内の高圧水素ラインを常圧（大気圧）に戻す必要がある。固体高分子電解質膜に、常時、圧力差が付与されていると、この固体高分子電解質膜が損傷し易いからである。

そこで、実質的には、水電解装置の下流側に配置されている設備（特許文献１では、脱酸素塔７や水分吸着塔５等）内に残存する高圧水素が、常圧まで降圧されることになる。従って、高圧水素系に残存する高圧水素が脱圧されるため、生成された高圧水素を無駄に廃棄することになり、経済的ではないという問題がある。

しかも、水電解システムを再開する際には、水電解装置の下流側に高圧水素を満たすための昇圧に、相当な時間がかかってしまう。これにより、水電解処理の再開時に電力消費が増大するとともに、時間を要して効率的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧水素を生成する水電解装置を常圧に脱圧する際、前記水電解装置の下流に存在する高圧水素の廃棄量を可及的に削減することができ、効率的且つ経済的な水電解処理が遂行可能な水電解システム及びその運転停止方法を提供することを目的とする。

本発明は、直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から常圧よりも高圧な高圧水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記高圧水素を精製する高圧水素処理装置とを備える水電解システム及びその運転停止方法に関するものである。

この水電解システムは、高圧水素処理装置の入口側及び出口側に設けられる入口側弁及び出口側弁と、水素排出口と前記入口側弁との間に配設され、水電解装置の圧力を前記高圧水素処理装置とは分離して開放させる圧力開放装置とを備えている。

また、圧力開放装置は、圧力開放速度を調整する調整機構を備えることが好ましい。

さらに、入口側弁は、逆止弁であることが好ましい。

さらにまた、水電解システムの運転停止方法は、高圧水素処理装置の出口側に設けられる出口側弁を閉塞するとともに、水電解装置を停止する工程と、前記高圧水素処理装置の入口側に設けられる入口側弁を閉塞する工程と、水素排出口と前記入口側弁との間に配設される圧力開放装置を介して、前記水電解装置の圧力を前記高圧水素処理装置とは分離して開放させる工程と、前記水電解装置の圧力が大気圧まで降圧した際に、前記水電解装置からの圧力開放を停止する工程とを有している。

また、圧力開放装置は、水電解装置からの圧力開放速度を調整することが好ましい。

本発明によれば、水電解システムの運転を停止する際、水電解装置の水素排出口と、高圧水素処理装置の入口側弁との間に配設される圧力開放装置を介して、前記水電解装置の圧力を前記高圧水素処理装置とは分離して開放させている。

このため、比較的多量の高圧水素が収容されている高圧水素処理装置を脱圧する必要がなく、無駄に廃棄される高圧水素量を可及的に削減することができる。これにより、効率的且つ経済的な水電解処理が遂行可能になる。

しかも、水電解システムによる運転が再開される際には、高圧水素処理装置が高圧に維持されているため、必要最小限の容積、すなわち、水電解装置内を昇圧させるだけでよい。従って、運転再開時の電力消費が良好に抑制されるとともに、運転再開が迅速に行われて、効率の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る運転停止方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。 前記運転停止方法を説明するフローチャートである。 前記運転停止方法の説明図である。 圧力開放速度の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示された高圧水素製造装置の概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転停止方法が適用される水電解システム１０は、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素（常圧よりも高圧）を製造する水電解装置１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器（高圧水素処理装置）１８と、前記気液分離器１８から水素供給経路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着装置（高圧水素処理装置）２２と、前記水吸着装置２２に連通するドライ水素供給路２４に導出される前記水素（ドライ水素）を貯留可能な水素タンク２６とを備える。なお、水素タンク２６は、必要に応じて備えていればよく、この水素タンク２６を削除することも可能である。

水電解装置１４は、複数の水分解セル２８が積層されており、前記水分解セル２８の積層方向両端には、エンドプレート３０ａ、３０ｂが配設される。水電解装置１４には、直流電源である電解電源３２が接続される。水電解装置１４の陽極（アノード）は、電解電源３２のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）は、前記電解電源３２のマイナス極に接続される。

エンドプレート３０ａには、配管３４ａが接続されるとともに、エンドプレート３０ｂには、配管３４ｂ、３４ｃが接続される。配管３４ａ、３４ｂは、循環路３６を介して純水供給装置１２から純水の循環が行われる一方、水素排出口である配管３４ｃは、水素導出路１６から気液分離器１８に接続される。

水素導出路１６には、気液分離器１８の入口側に位置して逆止弁（入口側弁）４０が設けられるとともに、水素供給経路２０には、前記気液分離器１８の出口側に位置して背圧弁（出口側弁）４２が設けられる。なお、逆止弁４０に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用することができ、同様に、背圧弁４２に代えて流量調整弁等の種々の弁を使用することが可能である。

水吸着装置２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、水分を外部に放出して再生される水分吸着材を充填した吸着塔（図示せず）を備える。水吸着装置２２の出口側には、背圧弁（出口側弁）４４を介してドライ水素供給路２４が接続される。

ドライ水素供給路２４に配設される水素タンク２６には、水素供給路４６がバルブ４８を介して接続される。この水素供給路４６は、燃料電池車両５０の燃料タンクに、直接、あるいは、図示しない貯留タンクを介して接続可能である。

水電解システム１０は、水素導出路１６に配管３４ｃと逆止弁４０との間に配設される圧力開放装置５２を備える。圧力開放装置５２は、水電解装置１４の圧力を、気液分離器１８以降とは分離して開放させる機能を有する。圧力開放装置５２は、水素導出路１６から分岐する圧抜き経路５４を備え、前記圧抜き経路５４には、圧力開放速度を調整する調整機構、例えば、減圧弁５６と、開閉弁、例えば、電磁弁５８とが配設される。

このように構成される水電解システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、水電解システム１０の始動時には、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が水電解装置１４に供給される。この水電解装置１４では、電解電源３２から通電されることにより、純水が電気分解されて水素の生成が開始される。

水電解装置１４内に生成された水素は、水素導出路１６を介して気液分離器１８に送られる。この気液分離器１８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される一方、前記水素は、背圧弁４２を介して所定の圧力（設定背圧）まで昇圧される。

所定の圧力に昇圧された高圧水素は、水素供給経路２０に供給されて水吸着装置２２に送られる。水吸着装置２２では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、このドライ水素がドライ水素供給路２４に導出される。

ドライ水素供給路２４に導出されたドライ水素は、水素タンク２６に貯蔵される。この水素タンク２６に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じてバルブ４８の開放作用下に、水素供給路４６を介して燃料電池車両５０に充填される。

次いで、第１の実施形態に係る運転停止方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、純水供給装置１２による純水の供給を停止するとともに、電解電源３２がオフされて、水電解装置１４が停止される（ステップＳ１）。この水電解装置１４の停止とほぼ同時に、背圧弁４２（必要に応じて、背圧弁４４）が閉塞される。

なお、背圧弁４２、４４は、水電解装置１４による高圧水素の生成が停止されて、背圧が所定の圧力以下になると、自動的に閉じられる。また、背圧弁４２、４４に代えて、例えば、電磁弁が用いられる際には、この電磁弁を閉塞させるための制御が必要である。

次に、ステップＳ２に進んで、圧力開放装置５２を構成する電磁弁５８が開放される。このため、水電解装置１４内に残存する高圧水素は、水素導出路１６から分岐する圧抜き経路５４に導入され、減圧弁５６により減圧された後、電磁弁５８から排出される（図３参照）。この電磁弁５８から排出される水素は、例えば、図示しないが、希釈器内に導入されて空気により希釈された後、外部に放出されることが望ましい。

ここで、減圧弁５６は、水電解装置１４から排出される高圧水素の脱圧速度を調整する。具体的には、脱圧前の圧力（初期圧力）と脱圧後の圧力（最終圧力）の単位時間当たりの脱圧比率が一定になるように調整するものであり、例えば、１分間の圧力比が１／１０よりも遅くなるように調整することが好ましい（図４参照）。

圧力開放装置５２は、上記のように、高圧水素の脱圧速度調整をしながら、水電解装置１４内からの前記高圧水素の減圧処理を行う。そして、水電解装置１４内の水素圧力が所定圧力、例えば、大気圧まで降圧したと判断すると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、電磁弁５８を閉塞する。これにより、水電解システム１０の運転停止が完了する。

この場合、第１の実施形態では、水電解システム１０の運転を停止する際、水電解装置１４の配管３４ｃ（水素排出口）と気液分離器１８の逆止弁４０（入口側弁）との間に配設される圧力開放装置５２を介して、前記水電解装置１４の水素圧力（高圧水素）を前記気液分離器１８とは分離して開放させている。

このため、比較的多量の高圧水素が収容されている気液分離器１８及び水吸着装置２２（高圧水素処理装置）を脱圧する必要がなく、無駄に廃棄される高圧水素量を可及的に削減することができる。これにより、水電解システム１０では、効率的且つ経済的な水電解処理が遂行可能になるという効果が得られる。

しかも、水電解システム１０による運転を再開する際には、気液分離器１８及び水吸着装置２２が高圧に維持されているため、必要最小限の容積、すなわち、水電解装置１４内を昇圧させるだけでよい。従って、運転再開時の電力消費が良好に抑制されるとともに、運転再開が迅速に行われて、効率の向上が容易に図られる。

さらにまた、第１の実施形態では、圧力開放装置５２は、水電解装置１４からの圧力開放速度を調整するために減圧弁５６を備えており、単位時間当たりの脱圧比率を一定に維持している。このため、水電解装置１４から高圧水素が一挙に脱圧されることがなく、水素の急激な膨張等により水分解セル２８を構成する固体高分子電解質膜（イオン交換膜）やシール材が損傷することを可及的に阻止することが可能になる。

しかも、減圧弁５６を用いることにより、この減圧弁５６の下流に配置される電磁弁５８は、低圧対応の低コストなものを使用することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム６０の概略構成説明図である。

なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水電解システム６０は、水電解装置１４の配管３４ｃと逆止弁４０との間に配設され、前記水電解装置１４の水素圧力を気液分離器１８以降とは分離して開放させる圧力開放装置６２を備える。圧力開放装置６２は、圧抜き経路５４に配設されるニードル弁６４及び電磁弁５８を備える。

従って、第２の実施形態では、第１の実施形態の減圧弁５６に代えて、ニードル弁６４を備えており、水電解装置１４の脱圧速度を調整することができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム７０の概略構成説明図である。

水電解システム７０は、水電解装置１４の配管３４ｃと逆止弁４０との間に配設され、前記水電解装置１４の水素圧力を気液分離器１８以降とは分離して開放させる圧力開放装置７２を備える。この圧力開放装置７２は、マスフローコントローラ７４を備える一方、電磁弁は省略することができる。

マスフローコントローラ７４は、水電解装置１４の高圧水素を脱圧速度を制限しながら、大気圧まで良好に降圧することができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、圧力開放速度を調整する調整機構として、減圧弁５６、ニードル弁６４及びマスフローコントローラ７４を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、オリフィス、ボール弁又は開度制御可能弁等、種々の機構を用いることができる他、複数の機構を併用してもよい。

１０、６０、７０…水電解システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８…気液分離器 ２０…水素供給経路
２２…水吸着装置 ２８…水分解セル
３４ａ〜３４ｃ…配管 ４０…逆止弁
４２、４４…背圧弁 ５２、６２、７２…圧力開放装置
５４…圧抜き経路 ５６…減圧弁
５８…電磁弁 ６４…ニードル弁
７４…マスフローコントローラ

Claims (5)

1. 直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置から常圧よりも高圧な高圧水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記高圧水素を精製する高圧水素処理装置と、
   を備える水電解システムであって、
   前記高圧水素処理装置の入口側及び出口側に設けられる入口側弁及び出口側弁と、
   前記水素排出口と前記入口側弁との間に配設され、前記水電解装置の圧力を前記高圧水素処理装置とは分離して開放させる圧力開放装置と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記圧力開放装置は、圧力開放速度を調整する調整機構を備えることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記入口側弁は、逆止弁であることを特徴とする水電解システム。
4. 直流電源からの通電により水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置から常圧よりも高圧な高圧水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記高圧水素を精製する高圧水素処理装置と、
   を備える水電解システムの運転停止方法であって、
   前記高圧水素処理装置の出口側に設けられる出口側弁を閉塞するとともに、前記水電解装置を停止する工程と、
   前記高圧水素処理装置の入口側に設けられる入口側弁を閉塞する工程と、
   前記水素排出口と前記入口側弁との間に配設される圧力開放装置を介して、前記水電解装置の圧力を前記高圧水素処理装置とは分離して開放させる工程と、
   前記水電解装置の圧力が大気圧まで降圧した際に、前記水電解装置からの圧力開放を停止する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの運転停止方法。
5. 請求項４記載の運転停止方法において、前記圧力開放装置は、前記水電解装置からの圧力開放速度を調整することを特徴とする水電解システムの運転停止方法。

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