JP2010196149A

JP2010196149A - 水電解システム

Info

Publication number: JP2010196149A
Application number: JP2009045708A
Authority: JP
Inventors: Jun Takeuchi; 淳武内; Masanori Okabe; 昌規岡部; Koji Nakazawa; 孝治中沢; Kenji Taruie; 憲司樽家
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP4997259B2; US20100219066A1

Abstract

【課題】簡単な構成で、水素中の水分が水吸着装置を通過することを確実に阻止し、所望のドライ水素を効率的に供給することを可能にする。
【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には、気液分離器１８、冷却器２０及び水吸着装置２２が、水素の流れ方向に沿って配置される。冷却器２０と水吸着装置２２との間には、第１背圧弁３６が配置される一方、前記水吸着装置２２の下流側には、第２背圧弁４２が配置される。
【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前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素中の水を吸着する水吸着装置とを備える水電解システムに関する。

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、上記の特許文献１では、水素高圧容器３に貯留された高圧水素が、背圧弁６に連絡されている水分吸着筒５に急激に導入される場合がある。その際、水素流速が過大となって、水分吸着筒５で水素中の水分を良好に吸着することができないおそれがある。従って、水分吸着筒５では、水分の吸着機能を高めるために、多量の吸着材が必要になり、前記水分吸着筒５が相当に大型化するとともに、経済的ではないという問題がある。

しかも、水分吸着筒５と燃料電池車両の水素タンクとの差圧が大きい場合、前記水分吸着筒５が脱圧され易い。これにより、水分吸着筒５内の水分が吸着剤から離脱され、この水分が水素タンクに導入されるおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、水素中の水分が水吸着装置を通過することを確実に阻止し、所望のドライ水素を効率的に供給することが可能な水電解システム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前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素中の水を吸着する水吸着装置とを備える水電解システムに関するものである。

この水電解システムは、水素排出口と水吸着装置との間に配置される第１圧力調整弁と、前記水吸着装置の下流側に配置される第２圧力調整弁とを備えている。

また、この水電解システムは、第２圧力調整弁の設定圧力値が、第１圧力調整弁の設定圧力よりも高圧に設定されることが好ましい。

さらに、この水電解システムは、水素排出口と水吸着装置との間には、流れ方向に沿って気液分離器、冷却器及び第１圧力調整弁の順に配置されることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムは、第１圧力調整弁及び第２圧力調整弁が、背圧弁であることが好ましい。

また、この水電解システムは、水電解装置が常圧よりも高圧な高圧水素を排出することが好ましい。

本発明によれば、水吸着装置の下流側に第２圧力調整弁が配置されるため、前記水吸着装置に作用する圧力を、所定の圧力に維持することができる。従って、水分を含んだ水素が、水吸着装置を急速に通過することがなく、前記水分を確実に吸着することが可能になる。しかも、水吸着装置にかかる圧力が設定されるため、前記水吸着装置から水分が離脱し、この水分が該水吸着装置の下流に移動することを阻止することができる。

また、水素排出口と水吸着装置との間には、第１圧力調整弁が配置されるため、前記水吸着装置を上流側から遮断させることが可能になる。このため、水吸着装置の洗浄作業等を容易且つ効率的に行うことができる。これにより、水素に含まれている水分が水吸着装置を通過することを、簡単な構成で、確実に阻止するとともに、所望のドライ水素を効率的に供給することが可能になる。

本発明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。前記水電解システムを構成する第１及び第２背圧弁の圧力状態の説明図である。前記第１背圧弁までの昇圧状態の説明図である。前記第２背圧弁までの昇圧状態の説明図である。運転再開時の前記圧力状態の説明図である。水吸着装置の脱圧処理と運転再開時の前記圧力状態の説明図である。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、本発明の実施形態に係る水電解システム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１８と、前記気液分離器１８から排出される水素を冷却する冷却器２０と、前記冷却器２０から排出される冷却された水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着装置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３５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、配管３４ｃと水吸着装置２２との間に位置して、より具体的には、冷却器２０と前記水吸着装置２２との間に位置して、第１背圧弁（第１圧力調整弁）３６が配置されるとともに、前記第１背圧弁３６と前記水吸着装置２２との間に位置して圧抜き経路３８が配置される。この圧抜き経路３８には、開閉弁、例えば、電磁弁４０が配設される。

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の下流側（出口側）には、第２背圧弁（第２圧力調整弁）４２を介してドライ水素供給路２４が接続される。第２背圧弁４２の第２設定圧力は、第１背圧弁３６の第１設定圧力と同圧又は前記第１設定圧力よりも高圧に設定される。なお、第１及び第２背圧弁３６、４２に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用してもよい。

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が開閉弁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。

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とともに、前記水蒸気が除去された前記水素は、冷却器２０に送られて冷却される。従って、水素中の水分が凝縮され、凝縮水として水素から分離される。

冷却器２０の下流には、第１背圧弁３６が配設されている。このため、図２に示すように、冷却器２０では、第１背圧弁３６の第１設定圧力に至るまで（時間Ｔ１まで）、水素を加圧することができる（図３参照）。これにより、水素中の水分をより確実に凝縮分離させることが可能になる。

水電解装置１４から冷却器２０までの水素系内の水素圧力が、第１背圧弁３６の第１設定圧力まで昇圧されると、前記第１背圧弁３６が開放される。これにより、所定の設定圧力に昇圧された高圧水素は、水吸着装置２２に送られ、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）が得られる。

ここで、水吸着装置２２の下流には、第２背圧弁４２が配置されている。従って、図２に示すように、水吸着装置２２内の水素圧力が、第２設定圧力に至るまで（時間Ｔ１〜時間Ｔ２まで）、水素を前記水吸着装置２２内に加圧保持することができる（図４参照）。そして、水吸着装置２２内の水素圧力が、第２設定圧力に至ると、第２背圧弁４２が開放されて、前記水吸着装置２２からドライ水素供給路２４にドライ水素が導出される。

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、必要に応じて開閉弁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。

この場合、本実施形態では、水吸着装置２２の下流側に第２背圧弁４２が配置されている。このため、水吸着装置２２に作用する圧力を所定の圧力（第２設定圧力）に維持することができる。具体的には、水吸着装置２２の上流側に配置されている第１背圧弁３６が開放されてから第２背圧弁４２が開放されるまでの間、すなわち、図２中、時間Ｔ１〜時間Ｔ２までの間、前記水吸着装置２２内の水素の流速が０になっている。

従って、冷却器２０から導入された水分を含んだ水素が、水吸着装置２２を急速に通過することがなく、前記水分を吸着材（図示せず）により確実に吸着することが可能になるという効果が得られる。

しかも、水吸着装置２２にかかる圧力が設定されるため、前記水吸着装置２２から水分が離脱し、この水分が該水吸着装置２２の下流、すなわち、水素タンク２６に移動することを阻止することができる。

また、水電解装置１４と水吸着装置２２との間には、より具体的には、冷却器２０と前記水吸着装置２２との間には、第１背圧弁３６が配置されている。これにより、水吸着装置２２を上流側（冷却器２０側）から遮断させることが可能になる。このため、水吸着装置２２の洗浄作業等を容易且つ効率的に行うことができるという利点がある。

従って、水電解システム１０では、水素に含まれている水分が水吸着装置２２を通過することを、簡単な構成で、確実に阻止するとともに、所望のドライ水素を効率的に供給することが可能になるという効果が得られる。

さらに、水吸着装置２２は、第１背圧弁３６を介して水電解装置１４から遮断可能である。このため、水電解システム１０の運転が一旦停止された際、水吸着装置２２内を所望の圧力に維持することができる。これにより、図５に示すように、水電解システム１０の運転が再開される際には（時間Ｔ３）、水吸着装置２２の昇圧時間が有効に削減されるという利点がある。

さらにまた、水吸着装置２２の洗浄に伴う脱圧処理では、図６に示すように、水吸着装置２２の運転が停止されるとともに、電磁弁４０が開放されて前記水吸着装置２２の脱圧が行われる（時間Ｔ４）。次いで、運転が再開されると（時間Ｔ５）、第２背圧弁４２が閉塞された状態で、水電解装置１４から水吸着装置２２までの圧力が上昇される（時間Ｔ６）。従って、水分が水吸着装置２２を急速に通過することがなく、前記水分を吸着材（図示せず）により確実に吸着することが可能になる。

１０…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…冷却器
２２…水吸着装置２４…ドライ水素供給路
２６…水素タンク２８…水電解セル
３２…電解電源３４ａ〜３４ｃ…配管
３６、４２…背圧弁３８…圧抜き経路

Claims

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前記水素を排出する水素排出口の下流に接続され、排出された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水素排出口と前記水吸着装置との間に配置される第１圧力調整弁と、
前記水吸着装置の下流側に配置される第２圧力調整弁と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記第２圧力調整弁の設定圧力値は、前記第１圧力調整弁の設定圧力よりも高圧に設定されることを特徴とする水電解システム。
請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記水素排出口と前記水吸着装置との間には、流れ方向に沿って気液分離器、冷却器及び前記第１圧力調整弁の順に配置されることを特徴とする水電解システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記第１圧力調整弁及び前記第２圧力調整弁は、背圧弁であることを特徴とする水電解システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記水電解装置は、常圧よりも高圧な高圧水素を排出することを特徴とする水電解システム。