JP2010280975A - 水電解システム及び水素利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】水電解システム及び水素利用システムにおいて、装置の最適化を図ると共に水素利用の効率化を図る。
【解決手段】水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水電解装置１１と、この水電解装置１１に対して電力を供給する電力供給装置１２と、水電解装置１１に対して高圧水を供給する水供給装置１３と、電力供給装置１２から水電解装置１１に供給される電力に応じて水供給装置１３による高圧水供給量を調整する制御装置１４と、水電解装置により発生した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して所定の気体燃料を生成する気体燃料生成装置１６とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、水電解装置を用いて所定圧力の水素を生成する水電解システム、並びに、この水電解システムを適用する水素利用システムに関する。

石油や石炭等の化石燃料を使用することにより、大気中に二酸化炭素が放出されることで、地球温暖化につながることが問題となっている。化石燃料の代替であるクリーンなシステムとして燃料電池や水素エンジン等の水素利用が注目されている。水の電気分解（以下、水電解）により水素ガスや酸素ガスを製造する水電解装置は、比較的容易に、且つ、無公害で水素ガスや酸素ガスを製造することが可能である。一方、地球環境に対して悪影響を与えない自然エネルギを利用した発電装置としては、例えば、風力発電や太陽光発電などがある。そして、水電解装置の電源としてこの自然エネルギを利用した発電装置を適用した技術が既に提案されている。

例えば、下記特許文献１に記載された自然エネルギ利用水電解システムでは、水を電気分解して水素と酸素を発生させる水電解装置と、この水電解装置を駆動する電流・電圧を制御する電流・電圧制御装置と、自然エネルギにより電気を得る風力発電装置などの自然エネルギ発電装置とを設け、風力発電装置などで発生した電力を用いて水電解装置により水素を発生させている。

また、下記特許文献２に記載された水素・酸素製造プロセス及びその水素の利用プロセスでは、風車の風力を利用して電力を得て、固体高分子電解質膜を挟んで位置する陽極室と陰極室を有する電解セルにこの電力を印加し、陽極室に供給された純水を電気分解することにより、陰極室で水素ガスを生成し、この水素をＬＮＧ及びＬＰＧに混合してハイタンとし、気体燃料として利用している。

特開２００５−３３０５１５号公報 特開平１１−２２８１０１号公報

水電解装置の水素生成効率は電解膜の温度と密接な関係があり、電解膜の温度によっては水素生成効率が低下したり、劣化又は破損の虞がある。尚、電解膜は供給される電力により発熱し、供給される水により加熱又は冷却される。上述した従来の水電解装置では、水を自然循環させることで、自然エネルギによる発電量（電流値）が変動しても、処理する水の温度をほぼ一定に維持している。しかし、自然エネルギを利用した風力発電や太陽光発電などにあっては、その発電量が気象状況により左右されることから、水電解装置に供給する電力（電流、電圧）が変動するので、供給する電力による発熱量と水の供給量とのバランスを電解膜の最適温度に調整する必要がある。この場合、循環型の水電解装置では、循環する水の量が多いために電解膜の温度調整に多大なエネルギを必要となり効率が良くないという問題がある。また、水電解装置により取り出した水素ガスを加圧して利用する場合、過大な設備が必要となり、コストが高く、エネルギ効率が良くないという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、装置の最適化を図ると共に水素利用の効率化を図る水電解システム及び水素利用システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の水電解システムは、水を電気分解して水素ガスを発生させる水電解装置と、該水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、前記水電解装置に対して水を供給する水供給装置と、前記電力供給装置から前記水電解装置に供給される電力に応じて前記水供給装置による水供給量を調整する制御装置と、を備えることを特徴とするものである。

本発明の水電解システムでは、前記水供給装置は、水を昇圧して前記水電解装置に供給することを特徴としている。

本発明の水電解システムでは、前記水供給装置は、水を所定圧力まで昇圧するポンプと、該ポンプにより昇圧された高圧水の供給量を調整する制御弁とを有することを特徴としている。

本発明の水素利用システムは、水を電気分解して高圧水素ガスを発生させる水電解装置と、該水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、前記水電解装置に対して高圧水を供給する高圧水供給装置と、前記水電解装置に供給される電力に応じて前記高圧水供給装置による高圧水供給量を調整する制御装置と、前記水電解装置により発生した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して、利用用途に適合した所定の気体燃料を生成する気体燃料生成装置と、を備えることを特徴とするものである。

本発明の水電解システムによれば、水を電気分解して水素ガスを発生させる水電解装置と、この水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、水電解装置に対して水を供給する水供給装置と、電力供給装置から水電解装置に供給される電力に応じて水供給装置による水供給量を調整する制御装置とを設けている。従って、水電解装置に供給される電力が変動しても、その電力に応じて水電解装置に供給される水供給量を調整することにより、水電解装置の電解膜の温度を一定に維持することで、水の電気分解を効率的に行い、水素ガス及び酸素ガスを適正に生成することができ、装置の最適化を図ることができる。

本発明の水電解システムによれば、水供給装置は、水を昇圧して水電解装置に供給するので、水電解装置は、高圧水素ガスを生成することができ、気体（水素ガス）を加圧する過大な設備が不要となり、エネルギ効率を向上出来る。また、水素利用の付加価値を向上することができる。

本発明の水電解システムによれば、水供給装置は、水を所定圧力まで昇圧するポンプと、このポンプにより昇圧された高圧水の供給量を調整する制御弁とを有するので、簡単な構成で自然エネルギの電力変動の追従性を向上することができる。また、水供給装置により、水電解装置に与える影響を緩和することができるので、水電解装置の安定した運転が可能となり、耐久性の向上ができる。

本発明の水素利用システムによれば、水を電気分解して高圧水素ガスを発生させる水電解装置と、水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、水電解装置に対して高圧水を供給する高圧水供給装置と、水電解装置に供給される電力に応じて高圧水供給装置による高圧水供給量を調整する制御装置と、水電解装置により発生した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して所定の気体燃料を生成する気体燃料生成装置とを設けている。従って、水電解装置に供給される電力が変動しても、その電力に応じて水電解装置に供給される水供給量が調整されることとなり、装置の最適化を図ることができると共に、気体燃料生成装置により生成した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して気体燃料を生成することで、水素利用の効率化を図ることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る水電解システム及び水素利用システムを表す概略構成図である。 図２は、実施例１の水電解システムにおける電流値の変動を表すグラフである。 図３は、実施例１の水電解システムにおける電流値の変動に対する水供給量の制御を表すグラフである。 図４は、本発明の実施例２に係る水電解システム及び水素利用システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る水電解システム及び水素利用システムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る水電解システム及び水素利用システムを表す概略構成図、図２は、実施例１の水電解システムにおける電流値の変動を表すグラフ、図３は、実施例１の水電解システムにおける電流値の変動に対する水供給量の制御を表すグラフである。

実施例１の水電解システムは、図１に示すように、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水電解装置１１と、この水電解装置１１に対して電力を供給する電力供給装置１２と、水電解装置１１に対して水を供給する水供給装置１３と、電力供給装置１２から水電解装置１１に供給される電力に応じて水供給装置１３による水供給量を調整する制御装置１４とから構成されている。

この場合、電力供給装置１２は、自然エネルギにより電力を得る自然エネルギ発電装置である。また、水供給装置１３は、水を昇圧して水電解装置１１に供給可能である。

また、実施例１の水電解システムは、水供給装置１３により水電解装置１１に対して高圧水を供給し、この水電解装置１１にて水の電気分解を行うことで、高圧水素ガスを確保する。一方、高圧水素ガスが分離された高圧水から溶存水素を取り出す気液分離装置１５を設けており、この気液分離装置１５により、高圧水素ガスが分離された高圧水から溶存している水素ガスを高圧のまま取り出している。即ち、水電解装置１１では、水供給装置１３からの高圧水を電気分解した後に、高圧水素ガスと高圧水に溶存する高圧水素ガスを収集した後、処理済の高圧水を循環せずに廃棄する、所謂、ワンスルー方式を採用している。

また、上述した水電解システムを適用した水素利用システムは、水電解装置１１と、電力供給装置１２と、水供給装置（高圧水供給装置）１３と、制御装置１４に加え、水電解装置１１により発生した高圧水素ガスを都市ガス（燃料ガス）に添加して所定の気体燃料を生成する気体燃料生成装置１６から構成されている。この場合、気体燃料生成装置１６は、水電解装置１１により分離した高圧水素ガスと、気液分離装置１５により高圧水に溶存している水素ガスを高圧のまま取り出した高圧水素ガスを合わせて利用している。

以下、実施例１の水電解システム、並びに、この水電解システムを適用した水素利用システムについて詳細に説明する。

実施例１の水電解システムを適用した水素利用システムにおいて、水電解装置１１は、図示しない複数のセルにより構成されている。このセルは、一対のセパレータと、このセパレータの間に設けられた固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜とセパレータの間に介装されて水の流動抵抗（圧力損失）が小さく、しかも、電気抵抗が小さい給電体とから構成され、各セパレータに陽極、陰極を積層している。そして、一方のセパレータに気液通路が形成され、他方のセパレータにガス通路が形成されている。この水電解装置１１は、高圧水を利用することから、セルを収容する図示しないハウジングは、所定の圧力（例えば、２〜８０Ｐａ）に耐えることが可能な構成であり、液漏れのない水の加圧状態を保持できるシール構造が採用されている。

水電解装置１１では、陽極、陰極に通電し、気液通路に水を供給すると、固体高分子電解質膜の陽極側で反応が起こり、酸素ガスと水素イオンが発生する。この水素イオンは、陽極側と陰極側電位差により水を伴い、高分子電解質膜を通って陰極側に移動し、陰極側で反応して、水素ガスが発生する。

電力供給装置１２は、実施例１では、風力発電装置２１を用いており、この風力発電装置２１の発電機２２により得られた電力が制御装置１４に送られ、この制御装置１４は、水電解装置１１へ供給する電力の電流値、電圧値を制御することで、水電解装置１１では、最適な状態で水電解を行い、水素ガスを発生させることができる。

ここで、電力供給装置１２としては、この風力発電装置２１以外に、太陽光を利用した太陽光発電装置２３が設けられている。この太陽光発電装置２３は、夜間に発電することができないことから、昼間に発電した電力を蓄電する二次電池２４が設けられている。この場合、電力供給装置１２として、風力発電装置２１と太陽光発電装置２３を単独で使用してもよく、また、併用してもよい。

なお、自然エネルギを利用した電力供給装置１２としては、風力発電装置２１や太陽光発電装置２３以外に、例えば、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置などを適用してもよい。

水供給装置１３は、水源（市水）３１からの水をろ過するろ過器３２と、このろ過器３２によりろ過した水を所定圧力まで昇圧すると共に高圧水を水電解装置１１に供給するポンプ（例えば、軸流ポンプ、遠心ポンプなど）３３と、このポンプ３３により昇圧された高圧水の供給量を調整する制御弁３４とを有している。この場合、ポンプ３３及び制御弁３４は、制御装置１４により駆動制御並びに開閉制御が可能となっている。

従って、この水供給装置１３では、制御装置１４がポンプ３３を所定の回転数で駆動すると、水源３１からの水がろ過器３２にろ過されて純水となり、ポンプ３３により所定圧力まで昇圧された後、高圧水供給路３５を通って水電解装置１１に供給される。このとき、制御装置１４は、制御弁３４の開度を調整することで、水電解装置１１への高圧水の供給量を調整することができる。

上述した水電解装置１１からは、発生した水素ガスと酸素ガスとは別に、水素ガスが溶存している水と、酸素ガスが溶存している水が排出される。即ち、水電解装置１１の排出側には、水素ガス排出路４１と、酸素ガス排出路４２と、水素溶存水排出路４３と、酸素溶存水排出路４４とが設けられている。そして、水素溶存水排出路４３には、気液分離装置１５が装着され、下流端部が水素ガス排出路４１に接続しており、水素ガス排出路４１には、開閉弁４５を有する連結路４６を介して水素タンク４７が連結されている。従って、気液分離装置１５は、水電解装置１１から水素溶存水排出路４３を通って排出された高圧水から、溶存している高圧水素ガスを取り出すことができる。つまり、水供給装置１３により水電解装置１１に対して高圧水を供給するため、この高圧水に水素ガスが溶けやすくなるが、気液分離装置１５により高圧水に溶存した高圧水素ガスを取り出すため、高圧水素ガスを効率良く生成することができる。

気体燃料生成装置１６は、水素ガス排出路４１及び連結路４６に連結される気体燃料供給路５１と、都市ガスを貯留可能な都市ガスタンク５２と、気体燃料供給路５１と都市ガスタンク５２からの連結路５３との連結部に設けられる混合装置５４とを有している。なお、気体燃料供給路５１における混合装置５４の前後には開閉弁５５，５６が設けられ、連結路５３には開閉弁５７が設けられている。

ここで、実施例１の水電解システムを適用した水素利用システムの作用について説明する。

電力供給装置１２における風力発電装置２１（または、太陽光発電装置２３）が作動すると、発生した電力が制御装置１４に送られ、必要に応じて二次電池２４に蓄電される。制御装置１４は、風力発電装置２１から得られた電力を水電解装置１１に供給する。このとき、制御装置１４は、水電解装置１１に供給する電力の電流と電圧を制御する。

また、制御装置１４は、水供給装置１３におけるポンプ３３を駆動すると共に制御弁３４の開度を制御することで、水源３１からろ過器３２を通してろ過して純水を、予め設定された所定圧力まで昇圧してから、所定量の高圧水を高圧水供給路３５を通して水電解装置１１に供給する。

この場合、電力供給装置１２から供給される電力（電流）が気象状況に左右されることから、図２に示すように、時間の経過に伴って電流が変動する。そして、水電解装置１１では、電力供給装置１２から供給される電力（電流）による固体高分子電解膜の発熱量と水供給装置１３から供給される高圧水の供給量とのバランスをとるため、実施例１にて、制御装置１４は、図３に示すように、電力供給装置１２から水電解装置１１に供給される電力（電流）に応じて、水供給装置１３における制御弁３４の開度を調整し、水電解装置１１への高圧水の供給量を調整する。具体的には、電力供給装置１２からの電流と、水供給装置１３からの高圧水供給量が追従した関係となるように、つまり、電流が低下したら高圧水供給量を減少し、電流が上昇したら高圧水供給量を増加する。

この場合、固体高分子電解膜の温度に対する電流と高圧水供給量との関係を予め実験等により求め、マップとして記憶し、このマップを用いて制御弁３４の開度制御を実行すればよい。また、固体高分子電解膜及び水電解装置１１出口の少なくとも何れかに温度センサを設け、この温度センサが検出した固体高分子電解膜又は高圧水の温度を制御装置１４にフィードバックし、固体高分子電解膜の温度が所定温度となるように高圧水の供給量を調整してもよい。さらに、制御弁の上流側に温度センサを設け、この温度センサが検出した高圧水の温度を制御装置１４にフィードバックし、固体高分子電解膜の温度が所定温度となるように高圧水の供給量を調整してもよい。なお、制御装置１４は、ポンプ３３の回転数を制御して高圧水の供給量を調整してもよいが、高圧水の圧力を一定値に維持する必要がある。

すると、水電解装置１１では、水供給装置１３から供給された高圧水が所定の圧力に維持された状態で、この高圧水に対して所定の電流を印加することで、この水を電気分解し、酸素ガスと水素ガスを生成する。このとき、水電解装置１１は、高圧水を電気分解することから、高圧酸素ガスと高圧水素ガスを生成することとなり、且つ、高圧酸素ガスと高圧水素ガスとは別に排出される高圧水に高圧酸素ガスと高圧水素ガスが溶け込んでいる。そのため、実施例１では、高圧水素ガスが溶け込んでいる高圧水を気液分離装置１５に送り、ここで、高圧水から溶存している高圧水素ガスを取り出し、水素排出路４１の高圧水素ガスと一緒にされ、水素ガスタンク４７に貯留される。

その後、気体燃料生成装置１６では、開閉弁５７を開放すると共に、開閉弁４５，５５を開放することで、都市ガスタンク５２に貯留されている都市ガスと、水素ガスタンク４７に貯留されている高圧水素ガスを混合装置５４に送り、都市ガスと高圧水素ガスを所定割合で混合することで、所定の気体燃料を生成する。そして、必要に応じて開閉弁５６を開放することで、生成した気体燃料を所定の場所に供給する。

このように実施例１の水電解システムにあっては、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水電解装置１１と、この水電解装置１１に対して電力を供給する電力供給装置１２と、水電解装置１１に対して水を供給する水供給装置１３と、電力供給装置１２から水電解装置１１に供給される電力に応じて水供給装置１３による水供給量を調整する制御装置１４とを設けている。

従って、水電解装置１１に供給される電力が変動しても、その電力に応じて水電解装置１１に供給される水供給量が調整されることとなり、水電解装置１１の電解膜の温度を一定に維持することで、水の電気分解を効率的に行い、水素ガス及び酸素ガスを適正に生成することができ、装置の最適化を図ることができる。そして、水電解装置１１では、水供給装置１３から供給された高圧水を電気分解することで、高圧水素ガスを生成した後、処理済の高圧水を循環せずに排出しており、高圧を維持した水を循環するための設備が不要となり、装置の簡素化、低コスト化を可能とすることができる。

また、実施例１の水電解システムでは、水供給装置１３は、水を昇圧して高圧水として水電解装置１１に供給しており、水電解装置１１は、高圧水を電気分解することで、高圧水素及び高圧酸素を生成することができ、水素利用及び酸素利用の付加価値を向上することができる。この場合、水供給装置１３を、水を所定圧力まで昇圧するポンプ３３と、このポンプ３３により昇圧された高圧水の供給量を調整する制御弁３４とで構成することで、簡単な構成で容易に高圧水素ガスを生成することができる。

また、実施例１の水電解システムでは、電力供給装置１２として、自然エネルギにより電力を得る自然エネルギ発電装置、つまり、風力発電装置２１や太陽光発電装置２３などを適用しており、自然エネルギを用いた水素ガス生成を行うことができ、水素ガスを効率的に製造することができる。

また、実施例１の水素利用システムにあっては、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる水電解装置１１と、この水電解装置１１に対して電力を供給する電力供給装置１２と、水電解装置１１に対して高圧水を供給する水供給装置１３と、電力供給装置１２から水電解装置１１に供給される電力に応じて水供給装置１３による高圧水供給量を調整する制御装置１４と、水電解装置により発生した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して所定の気体燃料を生成する気体燃料生成装置１６とを設けている。

従って、水電解装置１１に供給される電力が変動しても、その電力に応じて水電解装置１１に供給される水供給量が調整されることとなり、水電解装置１１の固体高分子電解膜の温度を一定に維持することで、水の電気分解を効率的に行い、水素ガス及び酸素ガスを適正に生成することができ、装置の最適化を図ることができる。また、気体燃料生成装置１６により、生成した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して気体燃料を生成することで、水素利用の効率化を図ることができる。

図４は、本発明の実施例２に係る水電解システム及び水素利用システムを表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２の水電解システムが適用された水素利用システムは、図４に示すように、実施例１と同様に、水電解装置１１と、電力供給装置１２と、水供給装置１３と、制御装置１４と、気体燃料生成装置１６とから構成されている。

そして、この実施例２では、気液分離装置１５により水素ガスが分離された高圧水と、水電解装置１１から排出された酸素ガスが溶存している高圧水とを、大気圧に戻した後に水供給装置１３に戻すことが可能となっている。即ち、気液分離装置１５における高圧水の排出路と、水電解装置１１における酸素溶存水排出路４４とは、循環路６０により合流され、この循環路６０は水電解装置１１の外に排出されてろ過器３２の上流側に連結されている。そして、この循環路６０には、高圧水を大気圧（常圧）に戻す減圧装置６１と、大気圧となった水を送給するポンプ６２が設けられている。この減圧装置６１とポンプ６２は、制御装置１４により制御可能となっている。

従って、気液分離装置１５により水素ガスが分離された高圧水と、水電解装置１１から排出された水素ガスが溶存している高圧水とは、循環路６０により合流され、減圧装置６１により高圧水が大気圧に戻された後、ポンプ６２によりろ過器３２の上流側に戻される。

この場合、水源からの流路と循環路６０との合流部に三方弁を設けることで、通常は循環路６０からの循環水を使用し、必要に応じて水源３１からの水を補給すればよい。なお、循環路６０にポンプ６２を設けたが、ポンプ３３を兼用することで、このポンプ６２をなくしてもよい。

このように実施例２の水電解システム及び水素利用システムにあっては、気液分離装置１５により水素ガスが分離された高圧水と、水電解装置１１から排出された水素ガスが溶存している高圧水とを大気圧に戻した後に水供給装置１３に戻す循環炉６０を設けている。従って、水の効率利用によりシステムを効率化することができる。

本発明に係る水電解システム及び水素利用システムは、水電解装置に供給される電力に応じて水供給量を調整することで、装置の最適化を図ると共に水素利用の効率化を図るものであり、いずれの水電解システム及び水素利用システムにも適用することができる。

１１ 水電解装置
１２ 電力供給装置
１３ 水供給装置（高圧水供給装置）
１４ 制御装置
１５ 気液分離装置
１６ 気体燃料生成装置

Claims (4)

1. 水を電気分解して水素ガスを発生させる水電解装置と、
   該水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、
   前記水電解装置に対して水を供給する水供給装置と、
   前記電力供給装置から前記水電解装置に供給される電力に応じて前記水供給装置による水供給量を調整する制御装置と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
2. 前記水供給装置は、水を昇圧して前記水電解装置に供給することを特徴とする水電解システム。
3. 前記水供給装置は、水を所定圧力まで昇圧するポンプと、該ポンプにより昇圧された高圧水の供給量を調整する制御弁とを有することを特徴とする請求項２に記載の水電解システム。
4. 水を電気分解して高圧水素ガスを発生させる水電解装置と、
   該水電解装置に対して自然エネルギによって得られた電力を供給する電力供給装置と、
   前記水電解装置に対して高圧水を供給する高圧水供給装置と、
   前記水電解装置に供給される電力に応じて前記高圧水供給装置による高圧水供給量を調整する制御装置と、
   前記水電解装置により発生した高圧水素ガスを燃料ガスに添加して気体燃料を生成する気体燃料生成装置と、
   を備えることを特徴とする水素利用システム。

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