JP2012067368A - 高圧水電解システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素充填装置に水素を充填する際のエネルギ消費を可及的に削減することができ、効率的且つ経済的に水素充填作業を行うことを可能にする。
【解決手段】高圧水電解システム１０は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置１４と、前記高圧水電解装置１４から排出される前記水素に含まれる水分を吸着する水吸着装置２０と、前記水吸着装置２０の下流に配置され、前記高圧水電解装置１４で生成される前記水素を高圧に保持する背圧弁２４とを備える。この運転方法は、背圧弁２４の圧力を、燃料電池車両４８の燃料タンクに水素が充鎮された際の水素充填圧力未満の設定圧力に設定する工程と、水素を前記燃料タンクに供給するとともに、前記水素を前記設定圧力を超える圧力まで昇圧させる工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの運転方法に関する。

例えば、固体高分子型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、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、給電体を配設してユニットが構成されている。

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。

この水電解装置で発生する水素を燃料とする車両では、複数の高圧水素タンクを搭載する構成が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている車両用水素ガス供給装置では、図５に示すように、車両１に複数の高圧水素タンク２ａ〜２ｄが搭載されるとともに、各高圧水素タンク２ａ〜２ｄには、充填バルブ３ａ〜３ｄ、放出バルブ４ａ〜４ｄ、圧力センサ５ａ〜５ｄ及び温度センサ６ａ〜６ｄが設けられている。

そして、水素ガス消費時には、複数の高圧水素タンク２ａ〜２ｄの中から１つの高圧水素タンクを選択し、該高圧水素タンクから優先的に水素を消費機器７に供給し、その圧力を低下させている。水素充填時には、先ず、優先的に水素を消費した高圧水素タンクに対して他の高圧水素タンクから水素を移送し、他の高圧水素タンクの温度を低下させている。

特開２００４−８４８０８号公報

ところで、上記の特許文献１では、各高圧水素タンク２ａ〜２ｄに高圧水素が満充填される際、それぞれの満充填圧力が相当に高圧となっている。このため、特に、水電解装置から各高圧水素タンク２ａ〜２ｄに、直接、高圧水素を充填する際、前記水電解装置は、常時、満充填圧力に相当する高圧水素を製造する必要がある。

従って、水電解装置では、一旦満充填圧力まで昇圧された高圧水素を、各高圧水素タンク２ａ〜２ｄの内部圧力まで減圧させて、前記高圧水素の充填作業が行われている。これにより、水電解装置におけるエネルギロスが大きくなり、高圧水素の充填処理が効率的に遂行され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、水素充填装置に水素を充填する際のエネルギ消費を可及的に削減することができ、効率的且つ経済的に水素充填作業を行うことが可能な高圧水電解システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、前記高圧水電解装置から排出される前記水素に含まれる水分を吸着する吸着装置と、前記吸着装置の下流に配置され、前記高圧水電解装置で生成される前記水素を高圧に保持する背圧弁とを備え、前記水素を水素充填装置に充填する高圧水電解システムの運転方法に関するものである。

この運転方法は、背圧弁の圧力を、水素充填装置に水素が充鎮された際の水素充填圧力未満の設定圧力に設定する工程と、水素を前記水素充填装置に充填するとともに、高圧水電解装置を介して前記水素を前記設定圧力を超える圧力まで昇圧させる工程とを有している。

本発明によれば、背圧弁の設定圧力は、水素充填装置への水素充填圧力未満に設定されている。このため、水素充填装置に水素を充填する際に、充鎮される水素の圧力が設定圧力以上になると、高圧水電解装置を介して前記水素の充填圧力が上昇され、高圧の水素が前記水素充填装置に充填される。

従って、例えば、背圧弁の設定圧力が、水素充填圧力に設定される場合に比べ、水素の減圧によるエネルギのロスを可及的に削減することが可能になり、効率的且つ経済的な水素充填作業を行うことができる。

本発明の実施形態に係る運転方法が適用される高圧水電解システムの概略構成説明図である。 水素圧力と水素中に含まれる水分量との関係説明図である。 前記運転方法の説明図である。 従来の運転方法の説明図である。 特許文献１に開示された車両用水素ガス供給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運転方法が適用される高圧水電解システム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（酸素圧よりも高圧）を製造する高圧水電解装置１４と、前記高圧水電解装置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に含まれる水分を吸着して除去する水吸着装置２０と、前記水吸着装置２０に連通するドライ水素供給路２２に配設され、前記高圧水電解装置１４で生成される前記水素を高圧に保持する背圧弁２４とを備える。

高圧水電解装置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。高圧水電解装置１４には、直流電源である電解電源３２が接続される。

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。

気液分離器１８には、ドレイン排出路３８が接続されるとともに、前記ドレイン排出路３８には、背圧弁４０及び開閉弁４２が配設される。このドレイン排出路３８は、例えば、純水供給装置１２接続されるとともに、この純水供給装置１２に水を供給してもよい。

水吸着装置２０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筒（図示せず）を備える。水吸着装置２０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２２の一端側が接続され、前記ドライ水素供給路２２の他端側には、逆止弁４４を介して連結部４６が設けられる。

連結部４６は、水素充填装置である燃料電池車両４８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。逆止弁４４は、燃料タンクからドライ水素供給路２２側に水素が逆流することを阻止する機能を有する。

高圧水電解システム１０は、コントローラ５０を介して全体的に運転制御される。

このように構成される高圧水電解システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、高圧水電解システム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高圧水電解装置１４に供給される。この高圧水電解装置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アノード側に酸素が生成される一方、カソード側に水素が生成される。

高圧水電解装置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、水吸着装置２０に送られる。

従って、水吸着装置２０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、この水素は、背圧弁２４を介して所定圧力の高圧水素に維持される。高圧水素は、燃料電池車両４８の燃料タンクに供給可能である。

次いで、本実施形態に係る高圧水電解システム１０の運転方法について、以下に説明する。

先ず、背圧弁２４の圧力が、水素充填装置である燃料電池車両４８の燃料タンクに水素が満充鎮された際の水素充填圧力ｎ１（ＭＰａ）（例えば、〜７０Ｍｐａ）未満の設定圧力ｎ２（ＭＰａ）に設定される（ｎ１＞ｎ２）。

具体的には、高圧水電解システム１０全体のシステムサイズ及びレイアウトから、水吸着装置２０を構成する吸着筒の許容サイズが設定される。そして、吸着筒の許容サイズに基づいて、封入可能な吸着剤の量が求められるとともに、この量の吸着剤で乾燥できる水分量が算出される。

さらに、水素圧力と水素中に含まれる水分量とは、図２に示す関係を有している。そこで、図２に示す圧力と水分量との関係、吸着剤のメンテナンス間隔及び高圧水電解システム１０の水素製造量に基づいて、吸着筒が所望の機能を有するために実際に必要な最低の圧力（以下、最低必要圧力という）が設定される。背圧弁２４の設定圧力ｎ２（ＭＰａ）は、この最低必要圧力に決められる。

また、高圧水電解装置１４では、カソード側（水素発生側）の圧力が低下すると、アノード側（酸素発生側）で発生した酸素が、前記カソード側にリークし、製品水素の純度が低下するおそれがある。従って、カソード側に酸素がリークすることを阻止するために、前記カソード側の最低圧力、すなわち、背圧弁２４の設定圧力ｎ２（ＭＰａ）は、例えば、５ＭＰａ以上に設定されることが好ましい。

次に、図１に示すように、連結部４６は、燃料電池車両４８の燃料タンクに接続される。その際、図３に示すように、燃料電池車両４８の燃料タンクは、タンク初期圧ｎ３（ＭＰａ）（ｎ１＞ｎ２＞ｎ３）から水素の充填が開始される（時間Ｔ１参照）。

背圧弁２４は、設定圧力ｎ２（ＭＰａ）に設定されている。これにより、背圧弁２４は、燃料タンク内の圧力が、設定圧力ｎ２（ＭＰａ）に上昇するまで、水素圧力を前記設定圧力ｎ２（ＭＰａ）に保持している。

燃料タンク内の圧力が、設定圧力ｎ２（ＭＰａ）を超えると（時間Ｔ２参照）、高圧水電解装置１４から生成される水素の圧力が上昇する。このため、高圧水電解装置１４からの水素吐出圧力に連動して、燃料タンク内の圧力が上昇する。そして、燃料タンク内の圧力が、例えば、水素充填圧力ｎ１（ＭＰａ）まで上昇すると、高圧水電解装置１４の運転が停止され、前記燃料タンクへの高圧水素の充填作業が停止される。

この場合、本実施形態では、背圧弁２４の設定圧力ｎ２（ＭＰａ）が、燃料電池車両４８の燃料タンクに水素が充鎮された際の水素充填圧力ｎ１（ＭＰａ）未満に設定されている。従って、燃料タンクに充填される水素の圧力が、設定圧力ｎ２（ＭＰａ）を超えると、高圧水電解装置１４を介して水素圧力が上昇され、高圧の水素が前記燃料タンクに充填される。これにより、図３に示すように、水素の減圧は、時間Ｔ１〜時間Ｔ２の間だけであり、前記減圧によるエネルギのロスが削減される。

一方、背圧弁２４の圧力が、燃料電池車両４８の燃料タンクへの水素充填圧力ｎ１（ＭＰａ）と同一の設定圧力ｎ１（ＭＰａ）に設定される従来方法では、図４に示すように、前記背圧弁２４は、水吸着装置２０の出口までの圧力を、水素充填圧力ｎ１（ＭＰａ）に保持している。

このため、燃料電池車両４８の燃料タンクに水素の充填を開始してから（時間Ｔ１〜）、前記燃料タンク内に前記水素の充填が終了するまでの間、該水素の減圧が継続されている。これにより、従来方法では、水素の減圧によるエネルギのロスが増大してしまう。

従って、本実施形態では、水素の減圧によるエネルギのロスを可及的に削減することが可能になり、効率的且つ経済的な水素充填作業を行うことができるという効果が得られる。

しかも、本実施形態では、背圧弁２４の設定圧力ｎ２（ＭＰａ）は、例えば、５ＭＰａ以上に設定されている。このため、アノード側（酸素発生側）で発生した酸素は、カソード側（水素発生側）にリークすることがなく、製品水素の純度を良好に維持することが可能になるという利点がある。

その上、高圧水電解システム１０全体のシステム効率及びシステムサイズの最適化を図ることができるとともに、水吸着装置２０を構成する吸着筒を有効に小型化することが可能になる。

１０…高圧水電解システム １２…純水供給装置
１４…高圧水電解装置 １６…水素導出路
１８…気液分離器 ２０…水吸着装置
２２…ドライ水素供給路 ２４…背圧弁
２８…水分解セル ３２…電解電源
３４ａ〜３４ｃ…配管 ４４…逆止弁
４６…連結部 ４８…燃料電池車両
５０…コントローラ

Claims (1)

1. 水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から排出される前記水素に含まれる水分を吸着する吸着装置と、
   前記吸着装置の下流に配置され、前記高圧水電解装置で生成される前記水素を高圧に保持する背圧弁と、
   を備え、前記水素を水素充填装置に充填するための高圧水電解システムの運転方法であって、
   前記背圧弁の圧力を、前記水素充填装置に前記水素が充鎮された際の水素充填圧力未満の設定圧力に設定する工程と、
   前記水素を前記水素充填装置に充填するとともに、前記高圧水電解装置を介して前記水素を前記設定圧力を超える圧力まで昇圧させる工程と、
   を有することを特徴とする高圧水電解システムの運転方法。

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