JP2012046797A - Water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To favorably dilute discharged gas component, and to reliably suppress deterioration of water quality.SOLUTION: A water electrolysis system 10 includes: a high-pressure water electrolysis apparatus 12 for generating oxygen and high-pressure hydrogen by electrolyzing water; a water circulation apparatus 14 for circulating the water to the high-pressure water electrolysis apparatus 12; and a vapor-liquid separation apparatus 16 for separating from the water in the water circulation apparatus 14 a gas component discharged from the high-pressure water electrolysis apparatus 12, and for storing the water. The vapor-liquid separation apparatus 16 includes: a reservoir 78 for introducing the gas component and the water; a blower 86 for supplying dilution air in the reservoir 78; and a movable wall 90 disposed in the reservoir 78, and vertically movable in accordance with a water level in the reservoir 78 and allowing the gas component to pass therethrough.

Description

本発明は、高圧水電解装置と、水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、前記高圧水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムに関する。   The present invention provides a high-pressure water electrolysis apparatus, a water circulation apparatus that circulates water to the high-pressure water electrolysis apparatus, and a gas-liquid separation that separates a gas component discharged from the high-pressure water electrolysis apparatus from the water in the water circulation apparatus. A water electrolysis system provided with an apparatus.

例えば、燃料電池を発電させるために、燃料ガスとして水素ガスが使用されている。一般的に、この水素ガスを製造する際に、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、アノード側給電体及びカソード側給電体を配設してユニットが構成されている。   For example, hydrogen gas is used as a fuel gas to generate power in a fuel cell. In general, a water electrolysis apparatus is employed when producing this hydrogen 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. On both sides of the electrolyte membrane / electrode structure, an anode-side feeder and a cathode-side feeder A unit is configured by arranging

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、水素イオン（プロトン）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 ions (protons) is discharged from the unit with excess water.

この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水電解装置の水循環装置（水電解システム）が知られている。図５に示すように、水電解システムでは、酸素側水槽１と水素側水槽２が水電解槽３の上方に設置されており、重力の力によって水供給配管４ａ、４ｂを通じて、自然に水電解槽３に水が給配されている。電源５は、サイリスタにより電流のＯＮ／ＯＦＦが可能なものとなっており、これにより、電解によって発生するガスの量及び発生間隔を任意に選択できる。   As this type of water electrolysis system, for example, a water circulation device (water electrolysis system) of a water electrolysis device disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 5, in the water electrolysis system, the oxygen-side water tank 1 and the hydrogen-side water tank 2 are installed above the water electrolysis tank 3, and water electrolysis is naturally performed through the water supply pipes 4a and 4b by the force of gravity. Water is distributed to the tank 3. The power supply 5 can be turned on and off by a thyristor, whereby the amount of gas generated by electrolysis and the generation interval can be arbitrarily selected.

酸素側水槽１と水素側水槽２には、消費された水を補給する系統６ａと６ｂが設けられている。水は、発生したガスにより、排出管７ａと７ｂ内をリフトアップされている。   The oxygen-side water tank 1 and the hydrogen-side water tank 2 are provided with systems 6a and 6b for replenishing consumed water. Water is lifted up in the discharge pipes 7a and 7b by the generated gas.

ガスの発生は、電源５により断続的になされているため、ガスとガスの間に効果的に水が挟まれ、多量の水のリフトアップが可能になる。リフトアップされた水を補うため、水は、重力の力で水供給配管４ａ、４ｂから供給されている。   Since gas is generated intermittently by the power source 5, water is effectively sandwiched between the gases, and a large amount of water can be lifted up. In order to supplement the lifted water, the water is supplied from the water supply pipes 4a and 4b by the force of gravity.

特開平９−２９１３８５号公報JP-A-9-291385

ところで、上記の水電解システムでは、酸素側水槽１に高濃度の酸素が滞留するとともに、場合により排出管７ａ側に透過した水素が滞留するおそれがある。特に、酸素よりも高圧な水素が生成される高圧水電解装置では、酸素側水素１に水素が滞留し易い。   By the way, in said water electrolysis system, while high concentration oxygen stays in the oxygen side water tank 1, the hydrogen which permeate | transmitted by the discharge pipe 7a side may stay depending on the case. In particular, in a high-pressure water electrolyzer that generates hydrogen at a pressure higher than oxygen, hydrogen tends to stay in the oxygen-side hydrogen 1.

しかしながら、上記の酸素側水槽１には、高濃度の酸素や水素を希釈する工夫がなされておらず、直接排出している。このため、酸素側水槽１内に希釈用空気を供給することが考えられるが、前記酸素側水槽１内の純水中に、例えば、二酸化炭素等が溶解し、前記純水の水質が低下するという問題がある。   However, the oxygen-side water tank 1 is not devised to dilute high-concentration oxygen or hydrogen, and is directly discharged. For this reason, it is conceivable to supply dilution air into the oxygen-side water tank 1. However, for example, carbon dioxide or the like dissolves in the pure water in the oxygen-side water tank 1, and the quality of the pure water decreases. There is a problem.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、排出されるガス成分を良好に希釈するとともに、水質の劣化を確実に抑制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。   This invention solves this kind of problem, and it aims at providing the water electrolysis system which can dilute the discharged | emitted gas component favorably and can suppress deterioration of water quality reliably.

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、前記水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、前記高圧水電解装置の前記アノード側から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムに関するものである。   The present invention provides a high-pressure water electrolysis apparatus provided with power feeding bodies on both sides of an electrolyte membrane, electrolyzing water to generate oxygen on the anode side, and generating hydrogen at a higher pressure than oxygen on the cathode side, Water electrolysis comprising: a water circulation device for circulating water through the high pressure water electrolysis device; and a gas-liquid separation device for separating a gas component discharged from the anode side of the high pressure water electrolysis device from the water in the water circulation device. It is about the system.

この水電解システムでは、気液分離装置は、下方に高圧水電解装置からのガス成分及び水を導入する導入口が設けられる貯留器と、前記貯留器の上方から該貯留器内に希釈用空気を供給する送風部と、前記貯留器内に配設され、該貯留器内の水面位置に追従して上下動可能で且つ前記ガス成分を透過可能な可動壁部とを備えている。   In this water electrolysis system, the gas-liquid separator includes a reservoir in which an introduction port for introducing a gas component and water from the high-pressure water electrolyzer is provided below, and dilution air in the reservoir from above the reservoir. And a movable wall portion that is disposed in the reservoir, can move up and down following the water surface position in the reservoir, and can transmit the gas component.

また、この水電解システムでは、可動壁部は、高圧水電解装置から排出されるガス成分が、水面側から空間側に前記可動壁部を透過するガス圧力を、送風部から空気が供給される貯留器内の前記空間側のガス圧力よりも高圧に設定するための多孔シート部材を備えることが好ましい。   Further, in this water electrolysis system, the movable wall portion is supplied with air pressure from the air blowing unit so that the gas component discharged from the high-pressure water electrolysis apparatus passes through the movable wall portion from the water surface side to the space side. It is preferable to provide a porous sheet member for setting a pressure higher than the gas pressure on the space side in the reservoir.

さらに、この水電解システムでは、可動壁部は、水に浮遊するとともに、多孔シート部材を支持するフロート部材を備えることが好ましい。   Furthermore, in this water electrolysis system, the movable wall portion preferably includes a float member that floats in water and supports the porous sheet member.

本発明によれば、貯留器の上方から希釈用空気が供給されるため、前記貯留器内に導入されるガス成分（酸素ガス及び水素ガス）は、良好に希釈されて外部に排出される。   According to the present invention, since dilution air is supplied from above the reservoir, the gas components (oxygen gas and hydrogen gas) introduced into the reservoir are diluted well and discharged to the outside.

しかも、貯留器内には、ガス成分を透過可能な可動壁部が配設されている。従って、希釈用空気が貯留器内に滞留している純水に接触する面積が大幅に削減され、前記純水中に、例えば、炭酸イオン等が混入することを阻止することができる。これにより、水循環装置に設けられているイオン交換器内のイオン交換樹脂の劣化が進行することを確実に阻止することが可能になる。   And the movable wall part which can permeate | transmit a gas component is arrange | positioned in the storage device. Therefore, the area where the dilution air comes into contact with the pure water staying in the reservoir is greatly reduced, and for example, carbonate ions can be prevented from being mixed into the pure water. This makes it possible to reliably prevent the deterioration of the ion exchange resin in the ion exchanger provided in the water circulation device.

さらに、可動壁部は、貯留器内の水面位置に追従して上下動可能である。このため、水面と可動壁部との間には、酸素ガスと水素ガスとの混合ガスが滞留する空間部が形成されることがなく、前記混合ガスの処理が不要になる。   Further, the movable wall portion can move up and down following the water surface position in the reservoir. For this reason, the space part in which the mixed gas of oxygen gas and hydrogen gas stagnates is not formed between the water surface and the movable wall part, and the treatment of the mixed gas becomes unnecessary.

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。It is a schematic structure explanatory view of a water electrolysis system concerning an embodiment of the present invention. 前記水電解システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said water electrolysis system. 前記水電解システムを構成する貯留器の要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the reservoir which comprises the said water electrolysis system. 前記貯留器の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the said reservoir. 特許文献１に開示されている水電解システムの概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a water electrolysis system disclosed in Patent Document 1. FIG.

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、水（純水）を電気分解することによって酸素及び高圧水素（酸素よりも高圧な水素）を製造する高圧水電解装置１２と、前記水を前記高圧水電解装置１２に循環させる水循環装置１４と、前記高圧水電解装置１２から排出されるガス成分（酸素ガス及び水素ガス）を、前記水循環装置１４内の水から分離し、前記水を貯留する気液分離装置１６と、前記気液分離装置１６に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、コントローラ２０とを備える。   As shown in FIG. 1, a water electrolysis system 10 according to an embodiment of the present invention is a high pressure water electrolysis apparatus that produces oxygen and high pressure hydrogen (hydrogen higher than oxygen) by electrolyzing water (pure water). 12, a water circulation device 14 for circulating the water to the high pressure water electrolysis device 12, and gas components (oxygen gas and hydrogen gas) discharged from the high pressure water electrolysis device 12 are separated from the water in the water circulation device 14. The gas-liquid separation device 16 that stores the water, the water supply device 18 that supplies pure water generated from city water to the gas-liquid separation device 16, and a controller 20 are provided.

高圧水電解装置１２は、複数の単位セル２４を積層して構成される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。   The high-pressure water electrolysis apparatus 12 is configured by stacking a plurality of unit cells 24. At one end of the unit cells 24 in the stacking direction, a terminal plate 26a, an insulating plate 28a, and an end plate 30a are sequentially disposed outward. Similarly, a terminal plate 26b, an insulating plate 28b, and an end plate 30b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the unit cells 24 toward the outside. The end plates 30a and 30b are integrally clamped and held.

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源（直流電源）３８に電気的に接続される。   Terminal portions 34a and 34b are provided on the side portions of the terminal plates 26a and 26b so as to protrude outward. The terminal portions 34a and 34b are electrically connected to a power source (DC power source) 38 via wirings 36a and 36b.

図２に示すように、単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材又は金属板等で構成される。   As shown in FIG. 2, the unit cell 24 includes a disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 42, and an anode separator 44 and a cathode separator 46 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 42. The anode-side separator 44 and the cathode-side separator 46 have a disc shape and are made of, for example, a carbon member or a metal plate.

電解質膜・電極構造体４２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 42 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 48 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode-side power feeder 50 and a cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. Side power supply body 52.

固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。   An anode electrode catalyst layer 50 a and a cathode electrode catalyst layer 52 a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. The anode electrode catalyst layer 50a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 52a uses, for example, a platinum catalyst. The anode-side power supply body 50 and the cathode-side power supply body 52 are made of, for example, a sintered body (porous conductor) of spherical atomized titanium powder.

単位セル２４の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔５６と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。   The outer peripheral edge of the unit cell 24 communicates with each other in the stacking direction to supply water (pure water), water supply communication holes 56, oxygen generated by the reaction, and unreacted water (mixed fluid). A discharge communication hole 58 for discharging hydrogen and a hydrogen communication hole 60 for flowing hydrogen produced by the reaction are provided.

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂに連通する第１流路６４が設けられる。この第１流路６４は、アノード側給電体５０の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。   A surface 44 a of the anode separator 44 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42 is provided with a supply passage 62 a that communicates with the water supply communication hole 56 and a discharge passage 62 b that communicates with the discharge communication hole 58. A first flow path 64 that communicates with the supply passage 62a and the discharge passage 62b is provided on the surface 44a. The first flow path 64 is provided within a range corresponding to the surface area of the anode-side power supply body 50 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like.

カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４６ａには、水素連通孔６０に連通する水素排出通路６６が設けられる。面４６ａには、水素排出通路６６に連通する第２流路６８が形成される。この第２流路６８は、カソード側給電体５２の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。   A hydrogen discharge passage 66 communicating with the hydrogen communication hole 60 is provided on the surface 46 a of the cathode separator 46 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42. A second flow path 68 communicating with the hydrogen discharge passage 66 is formed on the surface 46a. The second flow path 68 is provided in a range corresponding to the surface area of the cathode-side power feeder 52, and includes a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like.

アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   The seal members 70a and 70b are integrated with each other around the outer peripheral ends of the anode side separator 44 and the cathode side separator 46. The seal members 70a and 70b include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, acrylic rubber, or other seal materials, cushion materials, or packing materials. Used.

図１に示すように、水循環装置１４は、高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備える。この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置するとともに、気液分離装置１６を構成する貯留器７８の底部に設けられた導出口７８ａに接続される。貯留器７８の底部に設けられた導入口７８ｂには、戻り配管８０の一端部が連通する一方、前記戻り配管８０の他端部は、高圧水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。   As shown in FIG. 1, the water circulation device 14 includes a circulation pipe 72 that communicates with the water supply communication hole 56 of the high-pressure water electrolysis device 12. The circulation pipe 72 is provided with a circulation pump 74 and an ion exchanger 76, and is connected to a lead-out port 78 a provided at the bottom of a reservoir 78 constituting the gas-liquid separation device 16. One end of a return pipe 80 communicates with an introduction port 78 b provided at the bottom of the reservoir 78, while the other end of the return pipe 80 communicates with a discharge communication hole 58 of the high-pressure water electrolysis apparatus 12.

貯留器７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、希釈用空気を供給するブロア（送風部）８６に接続された送風配管８７と、前記貯留器７８で純水から分離されたガス成分（酸素ガス及び水素ガス）を排出するための酸素排気配管８８とが連結される。   The reservoir 78 includes a pure water supply pipe 84 connected to the water supply device 18, a blower pipe 87 connected to a blower (blowing unit) 86 that supplies dilution air, and pure water in the reservoir 78. An oxygen exhaust pipe 88 for discharging the separated gas components (oxygen gas and hydrogen gas) is connected.

貯留器７８内には、前記貯留器７８内の水面ＷＳの位置に追従して上下動可能で且つガス成分を透過可能な可動壁部９０が配設される。図３に示すように、可動壁部９０は、貯留器７８の内壁形状に対応して長方形状（又は正方形状や円形状等）を有する多孔シート部材９２と、前記多孔シート部材９２を支持して水面ＷＳ上に浮遊する複数個、例えば、４個のフロート部材９４とを備える。フロート部材９４は、例えば、鉄系材料（ＳＵＳ材）やチタン等により形成される。   In the reservoir 78, there is disposed a movable wall portion 90 that can move up and down following the position of the water surface WS in the reservoir 78 and that can transmit a gas component. As shown in FIG. 3, the movable wall 90 supports a porous sheet member 92 having a rectangular shape (or a square shape or a circular shape) corresponding to the inner wall shape of the reservoir 78, and the porous sheet member 92. A plurality of, for example, four float members 94 floating on the water surface WS. The float member 94 is made of, for example, an iron-based material (SUS material) or titanium.

多孔シート部材９２は、例えば、金属製メッシュやパンチングメタルにより構成される。多孔シート部材９２の開口面積は、高圧水電解装置１２から排出されるガス成分が、水面ＷＳ側から空間ＳＰ側に前記多孔シート部材９２を透過する排出圧力を、ブロア８６から空気が供給される貯留器７８内の前記空間ＳＰ側のガス圧力よりも高圧になるように設定される。   The porous sheet member 92 is made of, for example, a metal mesh or punching metal. The opening area of the porous sheet member 92 is such that the gas component discharged from the high-pressure water electrolysis apparatus 12 has a discharge pressure that allows the porous sheet member 92 to pass from the water surface WS side to the space SP side, and air is supplied from the blower 86. The pressure is set to be higher than the gas pressure on the space SP side in the reservoir 78.

具体的には、図４に示すように、高圧水電解装置１２で生成された酸素及び固体高分子電解質膜４８を透過した水素の流量により発生する圧力損失ΔＰＨ２＋Ｏ２ は、ブロア８６による希釈後の総ガス流量による圧力損失ΔＰＡＬＬ よりも大きく設定される（ΔＰＨ２＋Ｏ２ ＞ΔＰＡＬＬ ）。 Specifically, as shown in FIG. 4, the pressure loss ΔPH 2 + O 2 generated by the flow rate of oxygen generated by the high pressure water electrolysis apparatus 12 and the hydrogen permeated through the solid polymer electrolyte membrane 48 is equal to that after dilution by the blower 86. It is set larger than the pressure loss ΔP ALL due to the total gas flow rate (ΔP H2 + O2 > ΔP ALL ).

図１に示すように、高圧水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管９６の一端が接続される。この高圧水素配管９６の他端は、図示しない高圧水素供給部（燃料タンクや燃料電池自動車等）に接続される。   As shown in FIG. 1, one end of a high-pressure hydrogen pipe 96 is connected to the hydrogen communication hole 60 of the high-pressure water electrolysis apparatus 12. The other end of the high-pressure hydrogen pipe 96 is connected to a high-pressure hydrogen supply unit (fuel tank, fuel cell vehicle, etc.) not shown.

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。   The operation of the water electrolysis system 10 configured as described above will be described below.

先ず、水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、気液分離装置１６を構成する貯留器７８に供給される。一方、水循環装置１４では、循環ポンプ７４の作用下に、貯留器７８内の水が循環配管７２を介して高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。また、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。   First, when the water electrolysis system 10 is started, pure water generated from city water is supplied to a reservoir 78 constituting the gas-liquid separation device 16 via the water supply device 18. On the other hand, in the water circulation device 14, the water in the reservoir 78 is supplied to the water supply communication hole 56 of the high-pressure water electrolysis device 12 through the circulation pipe 72 under the action of the circulation pump 74. Further, a voltage is applied to the terminal portions 34a and 34b of the terminal plates 26a and 26b through a power supply 38 that is electrically connected.

このため、図２に示すように、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。   Therefore, as shown in FIG. 2, in each unit cell 24, water is supplied from the water supply communication hole 56 to the first flow path 64 of the anode-side separator 44, and this water flows along the anode-side power feeder 50. Moving.

従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。   Therefore, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 50a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 48 and move to the cathode electrode catalyst layer 52a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて高圧水電解装置１２の外部に高圧水素配管９６を介して取り出し可能となる。   Thereby, hydrogen flows along the second flow path 68 formed between the cathode-side separator 46 and the cathode-side power feeder 52. This hydrogen is maintained at a pressure higher than that of the water supply communication hole 56, and can flow through the hydrogen communication hole 60 and be taken out of the high-pressure water electrolysis apparatus 12 via the high-pressure hydrogen pipe 96.

一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１４の戻り配管８０に排出される（図１参照）。さらに、第２流路６８の水素は、第１流路６４の混合流体よりも高圧に維持されており、前記水素の一部が固体高分子電解質膜４８を透過して前記第１流路６４にリークする。   On the other hand, oxygen generated by the reaction and unreacted water flow through the first flow path 64, and these mixed fluids are discharged to the return pipe 80 of the water circulation device 14 along the discharge communication hole 58. (See FIG. 1). Further, the hydrogen in the second flow path 68 is maintained at a higher pressure than the mixed fluid in the first flow path 64, and a part of the hydrogen permeates the solid polymer electrolyte membrane 48 and the first flow path 64. To leak.

未反応ガスの水及びガス成分（酸素ガスと透過した水素ガス）は、貯留器７８に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離されたガス成分は、ブロア８６から供給される希釈用空気によって希釈された後、酸素排気配管８８から外部に排出される。   After the unreacted gas water and gas components (oxygen gas and permeated hydrogen gas) are introduced into the reservoir 78 and separated into gas and liquid, the water is exchanged from the circulation pipe 72 via the circulation pump 74 to the ion exchanger 76. Through the water supply communication hole 56. The gas component separated from the water is diluted by dilution air supplied from the blower 86 and then discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 88.

この場合、本実施形態では、図４に示すように、貯留器７８内には、前記貯留器７８内の水面ＷＳの位置に追従して上下動可能で且つガス成分を透過可能な可動壁部９０が配設されている。そして、高圧水電解装置１２で生成された酸素及び透過した水素の流量により発生する圧力損失ΔＰＨ２＋Ｏ２ は、ブロア８６による希釈後の総ガス流量による圧力損失ΔＰＡＬＬ よりも大きく設定されている。 In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 4, in the reservoir 78, a movable wall portion that can move up and down following the position of the water surface WS in the reservoir 78 and can transmit a gas component. 90 is disposed. The pressure loss ΔPH 2 + O 2 generated by the flow rates of oxygen and permeated hydrogen generated in the high pressure water electrolyzer 12 is set to be larger than the pressure loss ΔP ALL due to the total gas flow after dilution by the blower 86.

従って、貯留器７８の下部に導入されたガス成分は、多孔シート部材９２を透過して上部側（空間ＳＰ側）に移動した後、希釈用空気により希釈されて酸素排気配管８８から外部に排出されている。このため、貯留器７８内に導入されるガス成分は、良好に希釈された後、外部に排出されている。   Accordingly, the gas component introduced into the lower part of the reservoir 78 passes through the porous sheet member 92 and moves to the upper side (space SP side), and is then diluted with dilution air and discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 88. Has been. For this reason, the gas component introduced into the reservoir 78 is discharged to the outside after being diluted well.

しかも、貯留器７８内に供給される希釈用空気は、空間ＳＰ側から水面ＷＳ側に可動壁部９０を通過することがない。これにより、希釈用空気が貯留器７８内に滞留している純水に接触する面積を大幅に削減することができ、前記純水中に、例えば、炭酸イオンが混入することを阻止することが可能になる。従って、水循環装置１４に設けられるイオン交換器７６内のイオン交換樹脂（図示せず）の劣化が進行することを確実に阻止することができ、経済的であるという効果が得られる。   Moreover, the dilution air supplied into the reservoir 78 does not pass through the movable wall 90 from the space SP side to the water surface WS side. As a result, the area where the dilution air contacts the pure water staying in the reservoir 78 can be greatly reduced, and for example, carbonate ions can be prevented from being mixed into the pure water. It becomes possible. Therefore, it is possible to reliably prevent the deterioration of the ion exchange resin (not shown) in the ion exchanger 76 provided in the water circulation device 14 and to obtain an advantageous effect of being economical.

さらに、可動壁部９０は、複数のフロート部材９４を介して貯留器７８内の水面ＷＳの位置に追従して上下動可能である。このため、水面ＷＳと可動壁部９０との間には、酸素ガスと水素ガスとの混合ガスが滞留する空間部が形成されることがなく、前記混合ガスの処理が不要になるという利点がある。   Furthermore, the movable wall portion 90 can move up and down following the position of the water surface WS in the reservoir 78 via a plurality of float members 94. For this reason, there is no space between the water surface WS and the movable wall portion 90 where the mixed gas of oxygen gas and hydrogen gas stays, and there is an advantage that the processing of the mixed gas becomes unnecessary. is there.

１０…水電解システム １２…高圧水電解装置
１４…水循環装置 １６…気液分離装置
１８…水供給装置 ２０…コントローラ
２４…単位セル ３８…電源
４２…電解質膜・電極構造体 ４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側給電体 ５２…カソード側給電体
５６…水供給連通孔 ５８…排出連通孔
６０…水素連通孔 ６４、６８…流路
６６…水素排出通路 ７２…循環配管
７４…循環ポンプ ７６…イオン交換器
７８…貯留器 ８０…戻り配管
８４…純水供給配管 ８６…ブロア
８８…酸素排気配管 ９０…可動壁部
９２…多孔シート部材 ９４…フロート部材
９６…高圧水素配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Water electrolysis system 12 ... High pressure water electrolysis apparatus 14 ... Water circulation apparatus 16 ... Gas-liquid separation apparatus 18 ... Water supply apparatus 20 ... Controller 24 ... Unit cell 38 ... Power supply 42 ... Electrolyte membrane and electrode structure 44 ... Anode side separator 46 ... cathode separator 48 ... solid polymer electrolyte membrane 50 ... anode side feeder 52 ... cathode side feeder 56 ... water supply communication hole 58 ... discharge communication hole 60 ... hydrogen communication hole 64, 68 ... channel 66 ... hydrogen discharge passage 72 ... circulation pipe 74 ... circulation pump 76 ... ion exchanger 78 ... reservoir 80 ... return pipe 84 ... pure water supply pipe 86 ... blower 88 ... oxygen exhaust pipe 90 ... movable wall 92 ... porous sheet member 94 ... float member 96 ... High-pressure hydrogen piping

Claims (3)

電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、
前記水を前記高圧水電解装置に循環させる水循環装置と、
前記高圧水電解装置の前記アノード側から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置と、
を備える水電解システムであって、
前記気液分離装置は、下方に前記高圧水電解装置からの前記ガス成分及び前記水を導入する導入口が設けられる貯留器と、
前記貯留器の上方から該貯留器内に希釈用空気を供給する送風部と、
前記貯留器内に配設され、該貯留器内の水面位置に追従して上下動可能で且つ前記ガス成分を透過可能な可動壁部と、
を備えることを特徴とする水電解システム。 A power feeder provided on both sides of the electrolyte membrane, electrolyzing water to generate oxygen on the anode side, and generating high-pressure hydrogen on the cathode side than the oxygen; and
A water circulation device for circulating the water to the high-pressure water electrolysis device;
A gas-liquid separation device that separates a gas component discharged from the anode side of the high-pressure water electrolysis device from the water in the water circulation device;
A water electrolysis system comprising:
The gas-liquid separator is a reservoir provided with an inlet for introducing the gas component and the water from the high-pressure water electrolyzer below,
A blower for supplying dilution air into the reservoir from above the reservoir;
A movable wall portion disposed in the reservoir, capable of moving up and down following the water surface position in the reservoir, and capable of transmitting the gas component;
A water electrolysis system comprising: 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記可動壁部は、前記高圧水電解装置から排出される前記ガス成分が、水面側から空間側に該可動壁部を透過するガス圧力を、前記送風部から前記空気が供給される前記貯留器内の前記空間側のガス圧力よりも高圧に設定するための多孔シート部材を備えることを特徴とする水電解システム。   2. The water electrolysis system according to claim 1, wherein the movable wall portion is configured such that the gas component discharged from the high-pressure water electrolysis apparatus transmits a gas pressure that passes through the movable wall portion from a water surface side to a space side, and the blower portion. A water electrolysis system comprising a porous sheet member for setting a pressure higher than a gas pressure on the space side in the reservoir to which the air is supplied. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記可動壁部は、前記水に浮遊するとともに、前記多孔シート部材を支持するフロート部材を備えることを特徴とする水電解システム。   3. The water electrolysis system according to claim 1, wherein the movable wall portion includes a float member that floats in the water and supports the porous sheet member. 4.
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