JP2012219292A - 水電解システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、気液分離装置の排水構造を不要にすることができ、効率的な水電解処理を行うことを可能にする。
【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よりも重力方向上方に配設され、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、前記水電解装置１２から排出される前記高圧水素を前記気液分離装置２２に導入する水素導入ライン２０と、前記気液分離装置２２内の水位を検出する水位検出センサ９０と、検出された前記気液分離装置２２内の水位に基づいて、前記水電解装置１２に印加する電流を調整する直流可変電源４０及びコントローラ２８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を備える水電解システム及びその運転方法に関する。

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、水分量が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、簡単な構成及び工程で、気液分離装置の排水構造を不要にすることができ、効率的な水電解処理を行う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。

本発明に係る水電解システムは、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、前記水電解装置よりも重力方向上方に配設され、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、前記水電解装置から排出される前記高圧水素を前記気液分離装置に導入する水素導入ラインと、前記気液分離装置内の水位を検出する水位検出装置と、検出された前記気液分離装置内の水位に基づいて、前記水電解装置に印加する電流を調整する電流調整装置とを備えている。

また、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、前記水電解装置よりも重力方向上方に配設され、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、前記水電解装置から排出される前記高圧水素を前記気液分離装置に導入する水素導入ラインと、前記気液分離装置内の水位を検出する水位検出装置と、前記水電解装置に印加する電流を調整する電流調整装置とを備える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、水位検出装置により、気液分離装置内の水位を検出する工程と、検出された前記気液分離装置内の水位が規定水位以上であると判断された際、水電解装置に印加する電流を規定電流値以下に制限する工程とを有している。

さらに、この運転方法では、水電解装置の温度を検出し、検出された前記水電解装置の温度に基づいて、規定電流値を設定することが好ましい。

本発明によれば、気液分離装置内の水位が検出され、検出された前記気液分離装置の水位に基づいて、水電解装置に印加する電流が調整されている。水電解装置では、高電流で運転されると、アノード側からカソード側に透過する水分量が、前記カソード側から前記アノード電極に戻される水分量よりも多くなる。一方、一定の電流以下の低電流で運転されると、アノード側からカソード側に透過する水分量よりも、前記カソード側の水が低圧側である前記アノード側に戻される水分量が多くなる現象が惹起されている。

このため、検出された気液分離装置内の水位が規定水位以上であると判断された際には、水電解装置に印加する電流を規定電流値以下に制限することにより、戻り水分量が透過水分量よりも多くなって、実質的にカソード側の水がアノード側に戻される。

従って、気液分離装置内の水位の制御が可能になるため、前記気液分離装置に特別な排水構造を設ける必要がない。これにより、簡単な構成及び工程で、気液分離装置の排水構造を不要にすることができ、効率的な水電解処理を行うことが可能になる。

本発明に係る水電解システムの概略構成説明図である。 水透過量及び温度と電解電流との関係説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る運転方法におけるタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法におけるタイミングチャートである。 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から水素導入ライン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、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を介して直流可変電源４０に電気的に接続される。直流可変電源４０及びコントローラ２８により、水電解装置１２に印加する電解電流を調整する電流調整装置が構成される。

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。

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未反応の水が流通する。

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、水素導入ライン２０の一端が接続され、この水素導入ライン２０の他端が気液分離装置２２の底部に接続される。気液分離装置２２は、水電解装置１２よりも重力方向上方に配設される。より具体的には、気液分離装置２２の下端位置（タンク部８８の底面）は、水電解装置１２の上端位置（エンドプレート３６ａの上面）よりも上方に配置される。

気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部８８を備える。タンク部８８には、前記タンク部８８内の水位ＷＳが下限水位閾値Ｌから上限水位閾値（規定水位）Ｈまでの間であるか否かを検出する水位検出センサ（水位検出装置）９０が設けられる。水位検出センサ９０の検出信号は、コントローラ２８に入力されるとともに、前記コントローラ２８には、水電解装置１２の運転温度が、前記水電解装置１２に装着された温度検出センサ９２から入力される。

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、設定圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された背圧弁９４が設けられる。

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直流可変電源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、水素導入ライン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、アノード側からカソード側に透過して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８８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。

その際、水電解装置１２では、単位セル３０における電解時のアノード側からカソード側への水透過量が、該電解時の電解電流及び運転温度から求められる。すなわち、図２に示すように、電解電流ｃ（Ａ）が大きくなる程、水透過量ｂ（ｃｃ／ｍｉｎ）が増加する一方、運転温度ａ（℃）が高くなる程、前記水透過量ｂ（ｃｃ／ｍｉｎ）が減少する特性を有している。

そこで、図３に示すように、運転時のタンク部８８内の水位ＷＳと水電解装置１２の運転温度とに基づいて、電解電流が決定される。具体的には、気液分離装置２２では、タンク部８８内の水位ＷＳが水位検出センサ９０により検出されている。コントローラ２８は、水位ＷＳが下限水位閾値Ｌから上限水位閾値Ｈまでの間であると判断した際、規定電流値の電解電流による運転を行う。

次いで、コントローラ２８は、水位ＷＳが上限水位閾値Ｈを超えると判断した際、電解電流を規定電流値以下に制限する。このため、水電解装置１２では、アノード側からカソード側に透過する水分量が減少され、この透過する水分量が前記カソード側から前記アノード側に戻される水分量よりも少なくなり、実質的に該カソード側から該アノード側に水が戻される。これに伴って、水電解装置１２よりも重力方向上方に配置されている気液分離装置２２のタンク部８８から前記水電解装置１２に水が戻される。従って、タンク部８８の水位ＷＳが低下し、この水位ＷＳが下限水位閾値Ｌに至る際、電解電流が規定電流値まで上げられる。これにより、カソード側からアノード側への水の戻りが抑制され、前記タンク部８８への水の供給を促進される。

また、水電解装置１２の運転温度が高くなる際には、アノード側からカソード側への水透過量が減少する。このため、水電解装置１２では、運転温度が高くなる程、規定電流値の電解電流での運転時間が長く設定されている。

このように、第１の実施形態では、気液分離装置２２内の水位ＷＳが検出され、検出された前記気液分離装置２２の水位に基づいて、水電解装置１２に印加する電解電流が調整されている。

このため、電解電流を調整するだけで、気液分離装置２２内の水位ＷＳの制御が可能になるため、前記気液分離装置２２に特別な排水構造を設ける必要がない。これにより、簡単な構成及び工程で、気液分離装置２２の排水構造を不要にすることができ、効率的な水電解処理を行うことが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するタイミングチャートである。

第１の実施形態では、図３に示すように、電解電流が間欠運転制御されているのに対し、第２の実施形態では、水位ＷＳを一定の水位制御値に維持するように、連続的な微小制御が行われている。

従って、第２の実施形態では、電解電流を制御するだけでよく、簡単な構成及び工程で、専用の排水構造を不要にすることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…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…水素導入ライン
２２…気液分離装置 ２４…高圧水素導出ライン
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 ６４、６８…流路
７８、８８…タンク部 ９０…水位検出センサ
９２…温度検出センサ

Claims (3)

1. 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、
   前記水電解装置よりも重力方向上方に配設され、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、
   前記水電解装置から排出される前記高圧水素を前記気液分離装置に導入する水素導入ラインと、
   前記気液分離装置内の水位を検出する水位検出装置と、
   検出された前記気液分離装置内の水位に基づいて、前記水電解装置に印加する電流を調整する電流調整装置と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
2. 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、
   前記水電解装置よりも重力方向上方に配設され、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、
   前記水電解装置から排出される前記高圧水素を前記気液分離装置に導入する水素導入ラインと、
   前記気液分離装置内の水位を検出する水位検出装置と、
   前記水電解装置に印加する電流を調整する電流調整装置と、
   を備える水電解システムの運転方法であって、
   前記水位検出装置により、前記気液分離装置内の水位を検出する工程と、
   検出された前記気液分離装置内の水位が規定水位以上であると判断された際、前記水電解装置に印加する電流を規定電流値以下に制限する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
3. 請求項２記載の運転方法において、前記水電解装置の温度を検出し、検出された前記水電解装置の温度に基づいて、前記規定電流値を設定することを特徴とする水電解システムの運転方法。

Images