JP2012180565A

JP2012180565A - 水電解システム

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Publication number: JP2012180565A
Application number: JP2011044592A
Authority: JP
Inventors: Eiji Hario; 栄次針生; Nobuyuki Kawasaki; 暢之川崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: JP5613084B2

Abstract

【課題】気液分離装置から高圧な水が急速に排出されることを抑制し、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁の耐久性を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置１２と、前記水電解装置１２から前記高圧水素を排出する高圧水素配管２０に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置２２と、前記気液分離装置２２から水を分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から高圧な水を排出する高圧水排出ライン２６と、コントローラ２８とを備える。高圧水排出ライン２６は、電磁弁９４と、前記電磁弁９４の下流に設けられ、前記高圧水排出ライン２６を流通する水に圧力損失を付与する流量調節弁９８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、制御装置とを備える水電解システムに関する。

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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、給電体を配設して単位セルが構成されている。

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の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、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。

上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。

その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、図５に示すように、水素導管１が接続されている耐圧容器２と、前記耐圧容器２内の水位を検出する水位センサ３と、前記耐圧容器２の天井部に接続された水素取出手段４としての水素取出導管４ａと、前記耐圧容器２の底部に接続された排水手段５としての排水導管５ａとを備えている。

水素取出導管４ａには、第１背圧弁６が備えられるとともに、前記第１背圧弁６の下流側に電磁弁７が備えられている。排水導管５ａには、第２背圧弁８が備えられている。

第１背圧弁６は、例えば、３５ＭＰａで開弁するように設定されており、第２背圧弁８は、前記第１背圧弁６よりも高圧で、例えば、３６ＭＰａで開弁するように設定されている。電磁弁７は、水位センサ３の検出信号を受けて作動し、前記水位センサ３が検出する水位が所定の低水位になったときに開弁し、所定の高水位になったときに閉弁している。

そして、電磁弁７が閉弁されると、水素取出導管４ａからの高圧水素ガスの取出しが強制的に停止されるため、耐圧容器２内の圧力が第１背圧弁６の設定圧力である３５ＭＰａを超えて高くなってくる。この結果、第２背圧弁８は、耐圧容器２内の圧力がその設定圧力である３６ＭＰａに達する度に開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を介して排水導管５ａから断続的に排出されている。

特開２００６−３４７７７９号公報

ところで、上記の水電解システムでは、第２背圧弁８が開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を通過して排水導管５ａから排出される際、前記水の圧力が一気に減圧されている。このため、第２背圧弁８にかかる負荷が大きくなり易く、前記第２背圧弁８の耐久性が低下するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、気液分離装置から高圧な水が急速に排出されることを抑制し、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁の耐久性を良好に向上させ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、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、制御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では、高圧水排出ラインは、制御装置からの開閉信号により開閉動作する電磁弁と、前記電磁弁の下流に設けられ、前記高圧水排出ラインを流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部とを備えている。

また、この水電解システムでは、高圧水素導出ラインには、第１圧力値に設定された第１背圧弁が設けられるとともに、前記高圧水排出ラインには、電磁弁と圧損発生部との間に位置し、前記第１圧力よりも低圧な第２圧力に設定された第２背圧弁が設けられることが好ましい。

本発明によれば、高圧水排出ラインに設けられている電磁弁が開放されると、気液分離装置内が圧損発生部に連通している。このため、電磁弁の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ラインに沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁の耐久性を良好に向上させることが可能になる。

本発明の第１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高圧水排出ラインの位置と圧力との関係説明図である。本発明の第２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高圧水排出ラインの位置と圧力との関係説明図である。特許文献１に開示されている気液分離装置の説明図である。

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、水（純水）を電気分解することによって酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式水電解装置（高圧水素製造装置）１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から高圧水素配管２０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装置２２と、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から高圧な水を排出する高圧水排出ライン２６と、コントローラ（制御装置）２８とを備える。

水電解装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。

単位セル３０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、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。

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。

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。

単位セル３０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。

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、水供給連通孔５６及び排出連通孔５８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。第１流路６４には、反応により生成された酸素及び使用済みの水が流通する。

カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水素連通孔６０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。第２流路６８には、反応により生成された高圧水素が流通する。

水循環装置１６は、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、この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。

タンク部７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部は、タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。

タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管８６とが連結される。

水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が気液分離装置２２に接続される。気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン２４に導出される。高圧水素導出ライン２４には、第１圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された第１背圧弁８８が設けられる。

気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。タンク部９０には、前記タンク部９０内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ９２が設けられる。水位検出センサ９２の検出信号は、コントローラ２８に入力される。

気液分離装置２２の下部には、高圧水排出ライン２６が接続され、前記高圧水排出ライン２６は、コントローラ２８からの開閉信号により開閉動作する電磁弁９４と、前記電磁弁９４の下流に設けられる第２背圧弁９６と、前記第２背圧弁９６の下流に設けられ、前記高圧水排出ライン２６を流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部、例えば、流量調節弁９８とを備える。

第２背圧弁９６は、第１背圧弁８８の第１圧力（例えば、３５ＭＰａ）よりも低圧な第２圧力（例えば、３４ＭＰａ）に設定される。なお、第２背圧弁９６は、不要にすることもできる。

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、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。

水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７２を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。

このため、各単位セル３０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。

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。

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を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

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１６の戻り配管８０に排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、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。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。

水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（水分）が、この水素から分離されてタンク部９０に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン２４に導出される。

タンク部９０では、前記タンク部９０内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ９２を備えている。コントローラ２８は、水位検出センサ９２を介して水位ＷＳが設定下方位置に低下したと判断した際には、タンク部９０から高圧水排出ライン２６への排水の停止を指示する。すなわち、電磁弁９４を閉塞させる。一方、コントローラ２８は、水位ＷＳが設定上方位置に上昇したと判断した際には、電磁弁９４を開放させて高圧水排出ライン２６への排水を指示する。

この場合、第１の実施形態では、電磁弁９４の下流には、第２背圧弁９６が配設されるとともに、前記第２背圧弁９６の下流に流量調節弁９８が配設されている。従って、電磁弁９４が開放されると、第２背圧弁９６の設定圧力である第２圧力（例えば、３４ＭＰａ）まで、前記電磁弁９４に圧力低下が惹起される（図２参照）。さらに、流量調節弁９８の絞り（開度調整）作用下に、高圧水排出ライン２６における急激な圧力低下が発生することがない。

このように、高圧水排出ライン２６に設けられている電磁弁９４が開放されると、気液分離装置２２のタンク部９０内が流量調節弁（圧損発生部）９８に連通している。このため、電磁弁９４の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ライン２６に沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁９４の耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、高圧水排出ライン２６には、電磁弁９４と流量調節弁９８との間に位置して第２背圧弁９６が配設されている。そして、第２背圧弁９６の設定圧力である第２圧力は、第１背圧弁８８の設定圧力である第１圧力よりも僅かに小さな値に設定されている。具体的には、第１圧力が３５ＭＰａであるのに対して、第２圧力が３４ＭＰａである。

これにより、高圧水排出ライン２６における排水時、すなわち、電磁弁９４の開放時に、前記電磁弁９４にかかる圧力差を小さくすることができ、前記電磁弁９４への影響を良好に排除することが可能になる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１１０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。

水電解システム１１０は、高圧水排出ライン２６の流れ方向に沿って電磁弁９４、第２背圧弁９６及び圧損発生部、例えば、微細状チューブ１１２を配設する。なお、圧損発生部としては、微細状チューブ１１２に代えてカラム（図示せず）を用いてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、電磁弁９４の下流には、第２背圧弁９６が配設されるとともに、前記第２背圧弁９６の下流に微細状チューブ１１２が配設されている。

従って、電磁弁９４が開放されると、図４に示すように、前記電磁弁９４の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ライン２６に沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁９４の耐久性を良好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。

さらに、第２の実施形態では、圧損発生部として微細状チューブ１１２（又はカラム）が使用されるため、コストが一層削減されるという利点がある。なお、第２の実施形態においても、第２背圧弁９６を削除することも可能である。

１０、１１０…水電解システム１２…水電解装置
１４…水貯留装置１６…水循環装置
１８…水供給装置２０…高圧水素配管
２２…気液分離装置２４…高圧水素導出ライン
２６…高圧水排出ライン２８…コントローラ
３０…単位セル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
８８、９６…背圧弁７８、９０…タンク部
９２…水位検出センサ９４…電磁弁
９８…流量調節弁１１２…微細状チューブ

Claims

水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水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高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、
制御装置と、
を備える水電解システムであって、
前記高圧水排出ラインは、前記制御装置からの開閉信号により開閉動作する電磁弁と、
前記電磁弁の下流に設けられ、前記高圧水排出ラインを流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部と、
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、前記高圧水素導出ラインには、第１圧力値に設定された第１背圧弁が設けられるとともに、
前記高圧水排出ラインには、前記電磁弁と前記圧損発生部との間に位置し、前記第１圧力よりも低圧な第２圧力に設定された第２背圧弁が設けられることを特徴とする水電解システム。