JP2011168862A - Water electrolysis system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電源からの通電により水を電気分解し、酸素と常圧よりも高圧な水素を発生させるとともに、前記高圧な水素の除湿を行うための水電解システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a water electrolysis system and an operation method thereof for electrolyzing water by energization from a DC power source to generate oxygen and hydrogen at a pressure higher than normal pressure, and to dehumidify the high-pressure hydrogen.
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。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas (a gas containing mainly hydrogen, such as hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas (mainly containing oxygen) is supplied to the cathode side electrode. By supplying a gas (for example, air), direct current electric energy is obtained.
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。 In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen gas that is a fuel gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.
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。 Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
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、水素冷却器7及び脱酸素筒8を備えている。
Since this type of water electrolysis system generates high-pressure hydrogen of several tens of MPa, for example, a high-pressure hydrogen production method and production apparatus disclosed in
酸素高圧容器1内の純水は、循環ポンプを介して電解セル4の陽極側に送られるとともに、電源から前記電解セル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。
The pure water in the oxygen high-
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。
Hydrogen generated at the cathode of the
水素高圧容器3に貯留された水素は、脱酸素筒8を介して該水素中に含まれる酸素が除去された後、水素冷却器7で冷却されて露点温度以上の水分を結露させている。さらに、除湿された水素は、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。
The hydrogen stored in the hydrogen high-pressure vessel 3 is cooled by the hydrogen cooler 7 after the oxygen contained in the hydrogen is removed through the deoxygenation cylinder 8 to condense moisture above the dew point temperature. Further, the dehumidified hydrogen is removed from the
ところで、上記の特許文献1では、高圧水素を除湿するために、水素冷却器7が使用されている。この水素冷却器7として、例えば、ペルチェ素子が使用されている。水素高圧容器3から得られる高圧水素は、ペルチェ素子に通電することによって冷却され、除湿されている。従って、この除湿処理のために、電力が、常時、消費されており、システム効率が低下するという問題がある。
By the way, in said
しかも、背圧弁6では、設定圧力が高圧水素の供給先の圧力よりも高圧になっている。これにより、背圧弁6から放出される高圧水素は、減圧によって放熱されているが、この放熱によるエネルギを有効に利用することができない。このため、システム効率が低下するという問題がある。
Moreover, in the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、エネルギ損失を有効に削減することができ、システム効率を確実に向上させることが可能な水電解システム及びその運転方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a water electrolysis system capable of effectively reducing energy loss and reliably improving system efficiency, and an operation method thereof. To do.
本発明に係る水電解システムは、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を冷却する冷却装置と、冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置とを備えている。 The water electrolysis system according to the present invention is connected to a water electrolysis device that electrolyzes water by energization from a DC power source to generate hydrogen and oxygen, and a hydrogen discharge port that discharges the hydrogen from the water electrolysis device. A cooling device that cools the discharged hydrogen, a water adsorption device that adsorbs the water in the cooled hydrogen, and the hydrogen that is disposed downstream of the water adsorption device and is discharged from the hydrogen discharge port. Is maintained between a pressure regulating valve that maintains a pressure higher than normal pressure, the water electrolysis device and the cooling device, and the hydrogen discharged from the pressure regulation valve and the water electrolysis device are discharged from the water electrolysis device. And a heat exchange device that exchanges heat with hydrogen.
また、本発明に係る運転方法は、水電解装置を起動させる工程と、少なくとも熱交換装置と圧力調整弁との間の水素温度を検出する工程と、検出された前記水素温度に基づいて、冷却装置を作動させる工程とを有している。 The operation method according to the present invention includes a step of starting the water electrolysis device, a step of detecting a hydrogen temperature between at least the heat exchange device and the pressure regulating valve, and cooling based on the detected hydrogen temperature. And operating the device.
さらに、この運転方法は、水電解装置と熱交換装置との間の熱交換前水素温度を検出する工程と、検出された前記熱交換前水素温度と検出された水素温度との温度差を算出する工程と、算出された前記温度差が設定値以下である際に、冷却装置を作動させる工程とを有することが好ましい。 Further, this operation method calculates a temperature difference between the detected hydrogen temperature before the heat exchange and the detected hydrogen temperature before the heat exchange between the water electrolysis apparatus and the heat exchange apparatus. And a step of operating the cooling device when the calculated temperature difference is equal to or less than a set value.
さらにまた、この運転方法は、冷却装置を作動させる際、熱交換装置による熱交換処理を停止させることが好ましい。 Furthermore, in this operation method, it is preferable to stop the heat exchange process by the heat exchange device when operating the cooling device.
本発明によれば、水電解装置と冷却装置との間に配置される熱交換装置は、圧力調整弁から放出される水素、すなわち、減圧されて温度が低下した水素と、前記水電解装置から排出される高圧な水素との間で熱交換を行う。 According to the present invention, the heat exchange device disposed between the water electrolysis device and the cooling device includes hydrogen released from the pressure regulating valve, that is, hydrogen that has been depressurized and reduced in temperature, and the water electrolysis device. Heat exchange is performed with the high-pressure hydrogen discharged.
従って、圧力調整弁から放出される水素を冷却媒体として、高圧な水素の除湿が行われるため、電気式冷却装置に通電する必要がない。これにより、エネルギ損失を有効に削減することができ、システム効率を確実に向上させることが可能になる。 Accordingly, high-pressure hydrogen is dehumidified using hydrogen released from the pressure regulating valve as a cooling medium, and it is not necessary to energize the electric cooling device. As a result, energy loss can be effectively reduced, and system efficiency can be reliably improved.
また、本発明によれば、少なくとも熱交換装置と圧力調整弁との間の水素温度を検出し、検出された前記水素温度に基づいて冷却装置が作動されている。このため、水電解装置から排出される高圧な水素の除湿処理が、効率的且つ確実に遂行される。 Further, according to the present invention, at least the hydrogen temperature between the heat exchange device and the pressure regulating valve is detected, and the cooling device is operated based on the detected hydrogen temperature. For this reason, the dehumidification treatment of the high-pressure hydrogen discharged from the water electrolysis apparatus is performed efficiently and reliably.
図1に示すように、本発明の第1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水素を製造する水電解装置14と、熱交換により前記水電解装置14から水素導出路16に導出される高圧な前記水素に含まれる水分を除去する気液分離器(熱交換装置)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(例えば、ペルチェ素子)(冷却装置)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筒(水吸着装置)22と、前記水吸着筒22の下流に配置され、水素導出路16から排出される前記水素を、常圧よりも高圧(例えば、35MPa)に維持する背圧弁(圧力調整弁)24とを備える。
As shown in FIG. 1, the
水電解装置14は、複数の水分解セル26が積層されており、前記水分解セル26の積層方向両端には、エンドプレート28a、28b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30が接続される。水電解装置14の陽極(アノード)は、電解電源30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30のマイナス極に接続される。
In the
エンドプレート28aには、配管32aが接続されるとともに、エンドプレート28bには、配管32b、32cが接続される。配管32a、32bは、循環路34に配設される水ポンプ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32cは、水素導出路16を介して気液分離器18に接続される。
A
水素導出路16には、気液分離器18と背圧弁24との間に位置して、より具体的には、冷却器20と水吸着筒22との間に位置して、水素温度を検出するための温度センサ38が配置される。温度センサ38の検出信号は、コントローラ40に送られる。なお、温度センサ38は、気液分離器18と冷却器20との間に配置してもよい。
The hydrogen lead-
水吸着筒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。水吸着筒22の下流側(出口側)には、背圧弁24を介してドライ水素供給路42が接続される。なお、背圧弁24に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用してもよい。
The
ドライ水素供給路42は、三方弁44を介して熱交換供給路46とバイパス路48とに接続自在である。熱交換供給路46は、気液分離器18内に配管されるとともに、熱交換排出路50に連通する。バイパス路48は、熱交換排出路50の途上に接続され、水素供給路52として、水素(ドライ水素)を貯留可能な水素タンク54に接続される。
The dry
水素タンク54には、開閉弁56が配設され、燃料電池車両58の燃料タンク(図示せず)に接続可能である。なお、水素タンク54は、必要に応じて備えていればよく、この水素タンク54を削除することも可能である。
The
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、第1の本実施形態に係る運転方法との関連で、図2に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation of the
先ず、水電解システム10が始動(起動)されると(ステップS1)、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30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。
First, when the
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、後述するように、熱交換により水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される。水蒸気が除去された水素は、冷却器20を通過して水吸着筒22に送られる。
Hydrogen generated in the
水吸着筒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)が得られる。この水吸着筒22の下流には、背圧弁24が配設されている。このため、水吸着筒22内の水素圧力が設定圧力に至るまで、水素を前記水吸着筒22内に加圧保持することができる。
In the
そして、水吸着筒22内の水素圧力が設定圧力に至ると、背圧弁24が開放されて、前記水吸着筒22からドライ水素供給路42にドライ水素が導出される。このドライ水素は、例えば、35MPaから数MPaに減圧されており、放熱によって低温水素となっている。
When the hydrogen pressure in the
ドライ水素供給路42に導出された低温のドライ水素は、三方弁44の作用下に熱交換供給路46に供給され、この熱交換供給路46を通って気液分離器18に導入される。従って、気液分離器18内では、低温のドライ水素と、水電解装置14から排出された高温の高圧水素との間で、熱交換が行われる。これにより、高圧水素は、冷却されて除湿処理が行われる。
The low-temperature dry hydrogen led out to the dry
一方、低温のドライ水素は、熱交換処理後に、熱交換排出路50から水素供給路52に送られて水素タンク54に貯蔵される。この水素タンク54に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じて開閉弁56の開放作用下に、燃料電池車両58に充填される。
On the other hand, the low-temperature dry hydrogen is sent from the heat
コントローラ40では、水素導出路16を介して気液分離器18から排出される高圧水素の温度が検出されている(ステップS2)。図3には、燃料電池車両58(又は水素タンク54)の充填水素圧力と各検出温度との関係が示されている。なお、図3中、ラインL1は、水電解装置14から排出される高圧水素の温度であり、ラインL2は、冷却器20から排出される高圧水素の温度であり、ラインL3は、背圧弁24から放出される水素の温度である。
In the
水電解装置14から排出される高圧水素は、略一定の温度T0℃に維持されており、気液分離器18から排出される高圧水素の温度は、燃料電池車両58(又は水素タンク54)の充填水素圧力の上昇に伴って徐々に上がっている。背圧弁24の前後における水素圧力差が減少するからである。
The high-pressure hydrogen discharged from the
次いで、ステップS3において、検出された水素温度が、設定温度T1℃以上になると(ステップS3中、YES)、ステップS4に進んで、冷却器20がオンされる。このため、冷却器20に通電されて前記冷却器20に送られる高圧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。 Next, in step S3, when the detected hydrogen temperature becomes equal to or higher than the set temperature T1 ° C. (YES in step S3), the process proceeds to step S4 and the cooler 20 is turned on. For this reason, the water | moisture content in the high voltage | pressure hydrogen sent with electricity to the cooler 20 and sent to the said cooler 20 is condensed, and it isolate | separates from hydrogen as condensed water.
その際、図4に示すように、三方弁44が切り換え操作されて、ドライ水素供給路42がバイパス路48を介して水素供給路52に接続される。すなわち、ドライ水素は、気液分離器18をバイパスする。そして、燃料電池車両58(又は水素タンク54)への水素充填処理が終了すると、水電解装置14の運転が停止される(ステップS5中、YES)。
At that time, as shown in FIG. 4, the three-
この場合、第1の実施形態では、水電解装置14と冷却器20との間に配置される気液分離器18は、背圧弁24から放出される水素、すなわち、減圧されて温度が低下した水素と、前記水電解装置14から排出される高圧な水素との間で熱交換を行っている。
In this case, in the first embodiment, the gas-
従って、背圧弁24から放出される低温(低圧)水素を冷却媒体として、高圧な水素の除湿が行われるため、電気式冷却装置である冷却器20に通電する必要がない。これにより、エネルギ損失を有効に削減することができ、水電解システム10の効率を確実に向上させることが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, since the high-pressure hydrogen is dehumidified using the low-temperature (low-pressure) hydrogen released from the
また、第1の実施形態では、温度センサ38により気液分離器18と背圧弁24との間の水素温度を検出し、検出された前記水素温度に基づいて、冷却器20が作動されている。このため、水電解装置14から排出される高圧な水素の除湿処理が、効率的且つ確実に遂行されるという利点が得られる。
In the first embodiment, the
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。
FIG. 5 is a schematic configuration explanatory view of a
水電解システム60では、水電解装置14と気液分離器18との間に、第1温度センサ38aが配設されるとともに、冷却器20と水吸着筒22との間に、第2温度センサ38bが配設される。
In the
このように構成される水電解システム60の動作について、第2の実施形態に係る運転方法との関連で、図6に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation of the
水電解システム10が始動されると(ステップS11)、ステップS12に進んで、第1温度センサ38aにより水電解装置14から排出される高圧水素の温度(以下、第1水素温度という)が検出されるとともに、第2温度センサ38bにより気液分離器18及び冷却器20から排出される高圧水素の温度(以下、第2水素温度という)が検出される。
When the
コントローラ40では、第1水素温度と第2水素温度との温度差が算出される(ステップS13)。そして、算出された温度差が、予め設定された所定値(例えば、10℃)以下であるか否かが判断される(ステップS14)。
In the
算出された温度差が、所定値以下であると判断されると(ステップS14中、YES)、ステップS15に進んで、冷却器20がオンされる。このため、冷却器20に通電されて前記冷却器20に送られる高圧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。さらに、燃料電池車両58への水素充填処理が終了すると、水電解装置14の運転が停止される(ステップS16中、YES)。
When it is determined that the calculated temperature difference is equal to or less than the predetermined value (YES in step S14), the process proceeds to step S15, and the cooler 20 is turned on. For this reason, the water | moisture content in the high voltage | pressure hydrogen sent with electricity to the cooler 20 and sent to the said cooler 20 is condensed, and it isolate | separates from hydrogen as condensed water. Furthermore, when the hydrogen filling process to the
このように、第2の実施形態では、背圧弁24から放出される水素と水電解装置14から排出される高圧な水素との間で、熱交換が行われるため、水電解システム60の効率を確実に向上させることが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As described above, in the second embodiment, heat exchange is performed between the hydrogen released from the
10、60…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…記液分離器 20…冷却器
22…水吸着筒 24…背圧弁
26…水分解セル 30…電解電源
38…温度センサ 40…コントローラ
42…ドライ水素供給路 44…三方弁
52…水素供給路 54…水素タンク
58…燃料電池車両
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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を冷却する冷却装置と、
冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、
前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、
前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置と、
を備えることを特徴とする水電解システム。 A water electrolysis device that electrolyzes water by energization from a DC power source to generate hydrogen and oxygen;
A cooling device that is connected downstream of a hydrogen discharge port that discharges the hydrogen from the water electrolysis device and cools the discharged hydrogen;
A water adsorption device for adsorbing water in the cooled hydrogen;
A pressure regulating valve disposed downstream of the water adsorbing device and maintaining the hydrogen discharged from the hydrogen discharge port at a pressure higher than normal pressure;
A heat exchange device that is disposed between the water electrolysis device and the cooling device and performs heat exchange between the hydrogen discharged from the pressure control valve and the hydrogen discharged from the water electrolysis device;
A water electrolysis system comprising:
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を冷却する冷却装置と、
冷却された前記水素中の水を吸着する水吸着装置と、
前記水吸着装置の下流に配置され、前記水素排出口から排出される前記水素を、常圧よりも高圧に維持する圧力調整弁と、
前記水電解装置と前記冷却装置との間に配置され、前記圧力調整弁から放出される前記水素と前記水電解装置から排出される前記水素との間で熱交換を行う熱交換装置と、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記水電解装置を起動させる工程と、
少なくとも前記熱交換装置と前記圧力調整弁との間の水素温度を検出する工程と、
検出された前記水素温度に基づいて、前記冷却装置を作動させる工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。 A water electrolysis device that electrolyzes water by energization from a DC power source to generate hydrogen and oxygen;
A cooling device that is connected downstream of a hydrogen discharge port that discharges the hydrogen from the water electrolysis device and cools the discharged hydrogen;
A water adsorption device for adsorbing water in the cooled hydrogen;
A pressure regulating valve disposed downstream of the water adsorbing device and maintaining the hydrogen discharged from the hydrogen discharge port at a pressure higher than normal pressure;
A heat exchange device that is disposed between the water electrolysis device and the cooling device and performs heat exchange between the hydrogen discharged from the pressure control valve and the hydrogen discharged from the water electrolysis device;
A method for operating a water electrolysis system comprising:
Starting the water electrolysis device;
Detecting a hydrogen temperature at least between the heat exchange device and the pressure regulating valve;
Operating the cooling device based on the detected hydrogen temperature;
A method for operating a water electrolysis system, comprising:
検出された前記熱交換前水素温度と検出された前記水素温度との温度差を算出する工程と、
算出された前記温度差が設定値以下である際に、前記冷却装置を作動させる工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。 The operation method according to claim 2, wherein a step of detecting a hydrogen temperature before heat exchange between the water electrolysis device and the heat exchange device;
Calculating a temperature difference between the detected pre-heat exchange hydrogen temperature and the detected hydrogen temperature;
When the calculated temperature difference is equal to or less than a set value, and operating the cooling device;
A method for operating a water electrolysis system, comprising:
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