JP2013036068A - High-pressure water electrolytic system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
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高圧水素製造装置を備える高圧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 high-pressure water electrolysis system including a high-pressure hydrogen production apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of the oxygen, and an operation method thereof.
例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、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水素製造装置として、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素(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、それぞれ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 for generating power from a fuel cell. Generally, a water electrolysis apparatus is adopted as a hydrogen production apparatus for producing hydrogen gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to electrolyze water and generate hydrogen (and oxygen). An electrode catalyst layer is provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to constitute an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on each side of the electrolyte membrane / electrode structure. Is configured.
そこで、複数のユニットが積層された水電解スタックを用意し、前記水電解スタックの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、余剰の水を伴って水電解スタックから排出される。 Therefore, a water electrolysis stack in which a plurality of units are laminated is prepared, a voltage is applied to both ends of the water electrolysis stack in the lamination direction, and water is supplied to the anode-side power feeder. 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 generated together with hydrogen is discharged from the water electrolysis stack with surplus water.
この種の水電解装置として、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子膜型水電解装置が知られている。この水電解装置は、図5に示すように、固体高分子電解質膜1によって内部が陽極室2と陰極室3に区画された水電解槽4と、前記陽極室2の前記固体高分子電解質膜1側に電解水を供給する水供給手段5と、水電解により発生した酸素(O2 )及び水素(H2 )を分離する酸素分離手段(気液分離装置)6及び水素分離手段(気液分離装置)7とを具備している。
As this type of water electrolysis apparatus, for example, a polymer electrolyte membrane water electrolysis apparatus disclosed in
水電解槽4は、固体高分子電解質膜1が鉛直方向に沿って立設される一方、水素分離手段7は、前記水電解槽4の上方に水供給タンク8を設置している。そして、水供給タンク8からの水は、循環水として固体高分子電解質膜1に自然循環しつつ供給するように構成されている。
In the
しかしながら、上記の水電解装置では、水電解槽4から排出される水素と水との気液分離を行うための水素分離手段7が、前記水電解槽4の外部に設けられている。このため、システム全体が相当に大型化するという問題がある。
However, in the above water electrolysis apparatus, hydrogen separation means 7 for performing gas-liquid separation between hydrogen discharged from the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、水素製造装置の外部に気液分離装置を個別に設ける必要がなく、システム全体の小型化を容易に図ることが可能な高圧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。 The present invention solves this type of problem, and it is not necessary to separately provide a gas-liquid separation device outside the hydrogen production apparatus, and the high-pressure water electrolysis system capable of easily reducing the size of the entire system. And an operation method thereof.
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高圧水素製造装置を備える高圧水電解システムに関するものである。 The present invention relates to a high-pressure water electrolysis system including a high-pressure hydrogen production apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen.
この高圧水電解システムでは、高圧水素製造装置は、面方向を鉛直方向に沿って立位姿勢で配置される固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の左右両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、前記カソード側セパレータと前記固体高分子電解質膜との間に形成され、前記弾性部材が配設されるとともに、前記高圧水素が排出されるカソード室と、前記カソード室の上部に連通し、前記高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部と、前記カソード室の下部に連通し、前記高圧水素分離排出部で前記高圧水素から分離された前記高圧水を排出する高圧水排出部とを備えている。 In this high-pressure water electrolysis system, a high-pressure hydrogen production apparatus includes a solid polymer electrolyte membrane disposed in a standing position along a vertical direction, and electrolysis for use on both left and right sides of the solid polymer electrolyte membrane. An anode-side power feeding body and a cathode-side power feeding body, an anode-side separator that is disposed opposite to the anode-side power feeding body, is supplied with water, and electrolyzes the water to generate oxygen; and the cathode side A cathode-side separator that is disposed opposite to the power supply body and generates hydrogen at a pressure higher than that of oxygen by electrolyzing the water; an elastic member that applies a load to the cathode-side power supply body in a stacking direction; A cathode chamber formed between a cathode separator and the solid polymer electrolyte membrane, wherein the elastic member is disposed and the high-pressure hydrogen is discharged; and an upper portion of the cathode chamber A high-pressure hydrogen separation and discharge unit that separates the high-pressure hydrogen and high-pressure water, and a high pressure that communicates with a lower portion of the cathode chamber and discharges the high-pressure water separated from the high-pressure hydrogen by the high-pressure hydrogen separation and discharge unit And a water discharge part.
また、この高圧水電解システムでは、複数の高圧水素製造装置が水平方向に沿って積層される高圧水電解スタックを備え、前記高圧水電解スタックは、積層方向に貫通し、各高圧水素製造装置の高圧水素分離排出部に連通する高圧水素連通孔と、前記積層方向に貫通し、各高圧水素製造装置の高圧水排出部に連通する高圧水連通孔とを設けるとともに、前記高圧水電解システムは、前記高圧水素連通孔に一端が接続され、前記高圧水素を前記高圧水電解スタックから排出する高圧水素排出配管と、前記高圧水連通孔に一端が接続され、前記高圧水を前記高圧水電解スタックから排出する高圧水排出配管と、前記高圧水素排出配管の他端及び前記高圧水排出配管の他端が接続され、前記高圧水電解スタック内の水位を検出する水位検出装置とを備えることが好ましい。 The high-pressure water electrolysis system further includes a high-pressure water electrolysis stack in which a plurality of high-pressure hydrogen production apparatuses are stacked along a horizontal direction, and the high-pressure water electrolysis stack penetrates in the stacking direction, A high-pressure hydrogen communication hole that communicates with the high-pressure hydrogen separation and discharge section, and a high-pressure water communication hole that penetrates in the stacking direction and communicates with the high-pressure water discharge section of each high-pressure hydrogen production apparatus, One end is connected to the high-pressure hydrogen communication hole, one end is connected to the high-pressure water communication hole, and one end is connected to the high-pressure water communication hole, and one end is connected to the high-pressure water electrolysis stack. A high-pressure water discharge pipe for discharging, and a water level detection device for connecting the other end of the high-pressure hydrogen discharge pipe and the other end of the high-pressure water discharge pipe to detect the water level in the high-pressure water electrolysis stack. It is preferable to obtain.
さらに、本発明は、面方向を鉛直方向に沿って立位姿勢で配置される固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の左右両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、前記カソード側セパレータと前記固体高分子電解質膜との間に形成され、前記弾性部材が配設されるとともに、前記高圧水素が排出されるカソード室と、前記カソード室の上部に連通し、前記高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部と、前記カソード室の下部に連通し、前記高圧水素分離排出部で前記高圧水素から分離された前記高圧水を排出する高圧水排出部とを備える高圧水素製造装置を組み込む高圧水電解システムの運転方法に関するものである。 Furthermore, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane arranged in a standing posture along a vertical direction, and an anode side feeder and a cathode side for electrolysis provided on the left and right sides of the solid polymer electrolyte membrane Arranged opposite to the anode-side power supply body, an anode-side separator that is disposed to face the anode-side power supply body, is supplied with water, and generates oxygen by electrolyzing the water. A cathode-side separator that electrolyzes the water to generate hydrogen having a pressure higher than that of oxygen; an elastic member that applies a load to the cathode-side power feeder in the stacking direction; the cathode-side separator; The elastic member is formed between the molecular electrolyte membrane, the cathode chamber from which the high-pressure hydrogen is discharged, and the upper portion of the cathode chamber. A high-pressure hydrogen separation and discharge unit for separating the high-pressure water, and a high-pressure water discharge unit that communicates with a lower portion of the cathode chamber and discharges the high-pressure water separated from the high-pressure hydrogen by the high-pressure hydrogen separation and discharge unit The present invention relates to a method for operating a high-pressure water electrolysis system that incorporates
この運転方法は、高圧水素分離排出部の水位を検出する工程と、前記高圧水素分離排出部の水位が上限値を超えるか否かを判断する工程と、前記高圧水素分離排出部の水位が前記上限値を超えると判断された際、電解電流値を下げることにより、前記高圧水素分離排出部の水位を前記上限値以下に制御する工程と有している。 The operation method includes a step of detecting a water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge unit, a step of determining whether or not the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge unit exceeds an upper limit, and the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge unit A step of controlling the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge unit to be equal to or lower than the upper limit value by lowering the electrolysis current value when it is determined that the upper limit value is exceeded.
本発明によれば、高圧水素が生成されるカソード室は、弾性部材が配設されるために比較的広い空間を有している。そして、この空間の上部には、カソード室に排出された高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部が設けられている。 According to the present invention, the cathode chamber in which high-pressure hydrogen is generated has a relatively wide space because the elastic member is disposed. In addition, a high-pressure hydrogen separation / discharge unit that separates high-pressure hydrogen discharged into the cathode chamber and high-pressure water is provided in an upper portion of the space.
従って、高圧水素製造装置の内部には、気液分離装置としての機能を兼用する高圧水素分離排出部が設けられている。これにより、高圧水素製造装置の外部には、気液分離装置を個別に設ける必要がなく、システム全体の小型化を図ることが可能になる。 Therefore, a high-pressure hydrogen separation / discharge section that also functions as a gas-liquid separation device is provided inside the high-pressure hydrogen production apparatus. As a result, it is not necessary to separately provide a gas-liquid separator outside the high-pressure hydrogen production apparatus, and the entire system can be downsized.
また、本発明によれば、高圧水素分離排出部の水位が上限値を超えると判断された際、電解電流値を下げることにより、前記高圧水素分離排出部の水位を前記上限値以下に制御している。このため、固体高分子電解質膜は、常時、湿潤状態を維持することができる。 Further, according to the present invention, when it is determined that the water level of the high-pressure hydrogen separation / discharge section exceeds the upper limit value, the water level of the high-pressure hydrogen separation / discharge section is controlled to be equal to or lower than the upper limit value by reducing the electrolysis current value. ing. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane can always maintain a wet state.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る高圧水電解システム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を備える。
As shown in FIG. 1, the high-pressure
水電解装置12は、複数の単位セル14を積層した高圧水電解スタックを備える。単位セル14の積層方向一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。単位セル14の積層方向他端には、同様にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
The
エンドプレート20a、20b間は、複数本のタイロッド22を介して一体的に締め付け保持される。なお、水電解装置12は、エンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置12は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。
The
ターミナルプレート16a、16bの側部には、端子部24a、24bが外方に突出して設けられる。端子部24a、24bは、電解電源26に電気的に接続される。
図2及び図3に示すように、単位セル14は、略円盤状の電解質膜・電極構造体32と、この電解質膜・電極構造体32を挟持するアノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36とを備える。アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36は、略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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
電解質膜・電極構造体32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38と、前記固体高分子電解質膜38の両面に設けられる円形状のアノード側給電体40及びカソード側給電体42とを備える。固体高分子電解質膜38の外形寸法は、アノード側給電体40及びカソード側給電体42の外径寸法よりも大径に設定される。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜38の両面には、アノード電極触媒層40a及びカソード電極触媒層42aが形成される。アノード電極触媒層40a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42aは、例えば、白金触媒を使用する。
An anode
アノード側給電体40及びカソード側給電体42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。アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が10%〜50%、より好ましくは、20%〜40%の範囲内に設定される。
The anode-side
カソード側給電体42には、プレート部材44が積層されるとともに、前記プレート部材44とカソード側セパレータ36との間には、弾性部材、例えば、複数枚の皿ばね46が配設される。プレート部材44は、例えば、チタン製のパンチングプレートにより構成され、複数の孔部44aが形成される。皿ばね46は、皿ばねホルダであるプレート部材44を介してカソード側給電体42に荷重を付与する。なお、皿ばね46に代えて、例えば、コイルスプリング等を使用してもよい。
A
図2に示すように、単位セル14の外周部には、セパレータ面方向外方に突出する第1突出部48a、第2突出部48b、第3突出部48c及び第4突出部48dが形成される。第1突出部48a、第3突出部48c、第2突出部48b及び第4突出部48dは、単位セル14の外周部に等角度間隔ずつ離間して設けられる。
As shown in FIG. 2, a
第1突出部48aには、積層方向である矢印A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50が設けられる。第2突出部48bには、矢印A方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び未使用の水を排出するための水排出連通孔52が設けられる。
The
第3突出部48cには、矢印A方向に互いに連通して、反応により生成された高圧水素を流すための高圧水素連通孔54が設けられる。第4突出部48dには、矢印A方向に互いに連通して、高圧水素から分離された高圧水を排出するための高圧水連通孔56が設けられる。
The third projecting
水供給連通孔50及び水排出連通孔52は、開口断面長円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。高圧水素連通孔54及び高圧水連通孔56は、開口断面円形状を有するとともに、互いに点対称の位置に配置される。
The water
アノード側セパレータ34には、水供給連通孔50に連通する水供給通路58と、水排出連通孔52に連通する水排出通路60とが設けられる。アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、水供給通路58及び水排出通路60に連通するアノード側流路62が設けられる。
The anode-
図2及び図3に示すように、カソード側セパレータ36には、高圧水素連通孔54に連通する水素排出通路64と、高圧水連通孔56に連通する高圧水排出通路66とが設けられる。カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、水素排出通路64及び高圧水排出通路66に連通するとともに、高圧水素が排出されるカソード側流路(カソード室)68が設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
水素排出通路64は、気液分離して気泡が水を押し上げない径に設定される。水素排出通路64の径は、高圧水排出通路66の径よりも大径に構成されることが好ましい。
The
図3に示すように、カソード側流路68の上部には、高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部70が連通する。カソード側流路68の下部には、高圧水素分離排出部70で高圧水素から分離された高圧水を排出する高圧水排出部72が連通する。
As shown in FIG. 3, a high-pressure hydrogen separation /
図2及び図3に示すように、アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、複数のシール部材74を配設するための複数のシール溝76が形成される。カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、複数のシール部材78を配設するための複数のシール溝80が形成される。シール部材74、78は、例えば、Oリングである。
As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of
図1に示すように、エンドプレート20aには、高圧水素連通孔54に連通する配管マニホールド82及び高圧水連通孔56に連通する配管マニホールド84が接続される。エンドプレート20bには、水供給連通孔50に連通する配管マニホールド86及び水排出連通孔52に連通する配管マニホールド88が接続される。
As shown in FIG. 1, a
配管マニホールド82には、高圧水素連通孔54に連通して高圧水素を水電解装置12から排出する高圧水素排出配管90の一端が接続される。高圧水素排出配管90から分岐配管90aが分岐するとともに、前記分岐配管90aは、水電解装置12内の水位を検出するための水位検出装置92の上部に接続される。高圧水素排出配管90には、第1背圧弁94が配設される。高圧水素排出配管90の他端は、図示しないが、水素ガス貯留部又は燃料電池車両の水素ガスタンク等の高圧水素供給部に接続されて前記高圧水素供給部に高圧水素を充填可能である。
One end of a high-pressure
配管マニホールド84には、高圧水連通孔56に連通して高圧水を水電解装置12から排出する高圧水排出配管96の一端が接続される。高圧水排出配管96の他端は、水位検出装置92の下部に接続される。
One end of a high-pressure
水位検出装置92には、内部の水位を検出するための水位センサ部98が設けられるとともに、前記水位検出装置92の下部側には、排水配管100が接続される。排水配管100には、第2背圧弁102と開閉弁(電磁弁)104とが配設される。第2背圧弁102は、第1背圧弁94よりも低い圧力値に設定される。
The water
配管マニホールド86には、水供給連通孔50に水(純水)を供給するための水供給配管106が接続される。配管マニホールド88には、水排出連通孔52から酸素及び未使用の水を排出するための水排出配管108が接続される。
A
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。
The operation of the high pressure
図1に示すように、水供給配管106から配管マニホールド86を通って水電解装置12の水供給連通孔50に水が供給されるとともに、ターミナルプレート16a、16bの端子部24a、24bに電気的に接続されている電解電源26を介して電解電圧が付与される。
As shown in FIG. 1, water is supplied from the
このため、図2に示すように、各単位セル14では、水供給連通孔50からアノード側セパレータ34のアノード側流路62に水が供給され、この水がアノード側給電体40内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層40a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38を透過してカソード電極触媒層42a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
Therefore, as shown in FIG. 2, in each
このため、図2及び図3に示すように、カソード側給電体42の内部、プレート部材44の孔部44a及びカソード側流路68に沿って、水素が流動する。この水素は、水供給連通孔50よりも高圧に維持されており、高圧水素連通孔54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、アノード側流路62には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが水排出連通孔52から水排出配管108に沿って水電解装置12の外部に排出される。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, hydrogen flows along the inside of the cathode-side
この場合、本実施形態では、図3に示すように、高圧水素が生成されるカソード側流路68は、皿ばね46が配設されるために比較的広い空間を有している。そして、この空間の上部には、高圧水素と高圧水とを分離するための高圧水素分離排出部70が設けられている。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the cathode-
従って、高圧水素分離排出部70で高圧水が分離された高圧水素は、高圧水素連通孔54を流れて水電解装置12から高圧水素排出配管90に排出される。さらに、高圧水素は、高圧水素排出配管90を通って高圧水素供給部に供給可能になる。また、高圧水素の一部は、分岐配管90aを通って水位検出装置92に供給される。
Accordingly, the high-pressure hydrogen from which the high-pressure water has been separated by the high-pressure hydrogen separation and
一方、高圧水素分離排出部70で高圧水素から分離された高圧水は、高圧水連通孔56を流れて水電解装置12から高圧水排出配管96に排出される。この高圧水は、水位検出装置92に供給される。
On the other hand, the high-pressure water separated from the high-pressure hydrogen by the high-pressure hydrogen separation and
このように、本実施形態では、水電解装置12の内部に、気液分離装置としての機能を兼用する高圧水素分離排出部70が設けられている。このため、水電解装置12の外部に気液分離装置を個別に設ける必要がなく、高圧水電解システム10全体の小型化を図ることが可能になるという効果が得られる。
As described above, in the present embodiment, the high-pressure hydrogen separation /
しかも、高圧水素分離排出部70は、各単位セル14毎に設けられている。従って、各高圧水素分離排出部70で分離するための流量は、単一の気液分離装置を用いる場合に比べて大幅に削減され(1/単位セル数)、高圧水素と高圧水との分離が容易且つ確実に遂行される。
Moreover, the high-pressure hydrogen separation /
さらに、図2に示すように、第1突出部48a、第3突出部48c、第2突出部48b及び第4突出部48dが、単位セル14の外周部に等角度間隔ずつ離間して設けられている。これにより、アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36は、高圧水素の圧力により偏り荷重を受けることがなく、所望のシール性を確保することが可能になる。
Further, as shown in FIG. 2, the first projecting
次いで、高圧水電解システム10の運転方法について、図4に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
Next, an operation method of the high-pressure
上記のように、水電解処理が行われている際(ステップS1)、水位検出装置92には、高圧水排出配管96から高圧水が供給されるとともに、高圧水素排出配管90から分岐配管90aを介して高圧水素による圧力が付与されている。すなわち、水位検出装置92は、水電解装置12のカソード側流路68と同一の条件に維持されている。
As described above, when water electrolysis is being performed (step S1), high-pressure water is supplied from the high-pressure
水位検出装置92では、水位センサ部98を介して前記水位検出装置92内に貯留されている水の水位が検出される(ステップS2)。そして、検出された水位が、予め設定された上限値を超えるか否かが判断される(ステップS3)。ここで、水位検出装置92により制御される水位範囲は、図3に示すように、単位セル14の水素排出通路64と高圧水素連通孔54との境界部位から下方に高さTの範囲である。
In the water
検出された水位が、上限値を超えると判断されると(ステップS3中、YES)、ステップS4に進んで、電解電源26から印加される電解電流を低下させる。このため、カソード側流路68に透過する水分量が減少し、水位が低下する。従って、各単位セル14では、カソード側流路68の水位が所定の水位範囲である高さTの範囲内に制御される。この処理は、水電解処理が終了するまで、継続される(ステップS5)。なお、水位が所定水位以上になった時、開閉弁104を開弁して排水を開始する。
When it is determined that the detected water level exceeds the upper limit value (YES in step S3), the process proceeds to step S4, and the electrolytic current applied from the
これにより、各単位セル14では、カソード側流路68を、常時、水により満たすことができ、固体高分子電解質膜38は、常時、所望の湿潤状態に維持することが可能になる。
Thereby, in each
10…高圧水電解システム 12…水電解装置
14…単位セル 26…電解電源
32…電解質膜・電極構造体 34…アノード側セパレータ
36…カソード側セパレータ 38…固体高分子電解質膜
40…アノード側給電体 42…カソード側給電体
44…プレート部材 46…皿ばね
50…水供給連通孔 52…水排出連通孔
54…高圧水素連通孔 56…高圧水連通孔
58…水供給通路 60…水排出通路
62…アノード側流路 64…水素排出通路
66…高圧水排出通路 68…カソード側流路
70…高圧水素分離排出部 72…高圧水排出部
90…高圧水素排出配管 92…水位検出装置
96…高圧水排出配管 98…水位センサ部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記高圧水素製造装置は、面方向を鉛直方向に沿って立位姿勢で配置される固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の左右両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、
前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
前記カソード側セパレータと前記固体高分子電解質膜との間に形成され、前記弾性部材が配設されるとともに、前記高圧水素が排出されるカソード室と、
前記カソード室の上部に連通し、前記高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部と、
前記カソード室の下部に連通し、前記高圧水素分離排出部で前記高圧水素から分離された前記高圧水を排出する高圧水排出部と、
を備えることを特徴とする高圧水電解システム。 A high-pressure water electrolysis system comprising a high-pressure hydrogen production apparatus for electrolyzing water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen,
The high-pressure hydrogen production apparatus comprises a solid polymer electrolyte membrane that is disposed in a standing posture along a vertical direction in a plane direction;
An anode-side power feeder and a cathode-side power feeder for electrolysis provided on the left and right sides of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side separator that is disposed to face the anode-side power feeder, is supplied with water, and electrolyzes the water to generate oxygen;
A cathode-side separator that is disposed opposite to the cathode-side power feeder and generates hydrogen having a pressure higher than that of oxygen by electrolyzing the water;
An elastic member for applying a load to the cathode-side power feeding body in the stacking direction;
A cathode chamber formed between the cathode separator and the solid polymer electrolyte membrane, the elastic member is disposed, and the high-pressure hydrogen is discharged;
A high-pressure hydrogen separation and discharge unit that communicates with the upper portion of the cathode chamber and separates the high-pressure hydrogen and high-pressure water;
A high-pressure water discharge unit that communicates with a lower portion of the cathode chamber and discharges the high-pressure water separated from the high-pressure hydrogen in the high-pressure hydrogen separation and discharge unit;
A high-pressure water electrolysis system comprising:
前記高圧水電解スタックは、積層方向に貫通し、各高圧水素製造装置の前記高圧水素分離排出部に連通する高圧水素連通孔と、
前記積層方向に貫通し、各高圧水素製造装置の前記高圧水排出部に連通する高圧水連通孔と、
を設けるとともに、
前記高圧水電解システムは、前記高圧水素連通孔に一端が接続され、前記高圧水素を前記高圧水電解スタックから排出する高圧水素排出配管と、
前記高圧水連通孔に一端が接続され、前記高圧水を前記高圧水電解スタックから排出する高圧水排出配管と、
前記高圧水素排出配管の他端及び前記高圧水排出配管の他端が接続され、前記高圧水電解スタック内の水位を検出する水位検出装置と、
を備えることを特徴とする高圧水電解システム。 The high pressure water electrolysis system according to claim 1, further comprising a high pressure water electrolysis stack in which a plurality of the high pressure hydrogen production apparatuses are stacked along a horizontal direction,
The high-pressure water electrolysis stack penetrates in the stacking direction, and communicates with the high-pressure hydrogen separation and discharge part of each high-pressure hydrogen production device,
A high-pressure water communication hole penetrating in the stacking direction and communicating with the high-pressure water discharge part of each high-pressure hydrogen production device;
And providing
The high-pressure water electrolysis system has one end connected to the high-pressure hydrogen communication hole, and discharges the high-pressure hydrogen from the high-pressure water electrolysis stack,
One end is connected to the high-pressure water communication hole, and the high-pressure water discharge pipe for discharging the high-pressure water from the high-pressure water electrolysis stack,
A water level detection device for detecting the water level in the high pressure water electrolysis stack, wherein the other end of the high pressure hydrogen discharge pipe and the other end of the high pressure water discharge pipe are connected;
A high-pressure water electrolysis system comprising:
前記固体高分子電解質膜の左右両側に設けられる電解用のアノード側給電体及びカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して配置され、水が供給されるとともに、前記水を電気分解して酸素が発生されるアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して配置され、前記水を電気分解して前記酸素よりも高圧な水素が発生されるカソード側セパレータと、
前記カソード側給電体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
前記カソード側セパレータと前記固体高分子電解質膜との間に形成され、前記弾性部材が配設されるとともに、前記高圧水素が排出されるカソード室と、
前記カソード室の上部に連通し、前記高圧水素と高圧水とを分離する高圧水素分離排出部と、
前記カソード室の下部に連通し、前記高圧水素分離排出部で前記高圧水素から分離された前記高圧水を排出する高圧水排出部と、
を備える高圧水素製造装置を組み込む高圧水電解システムの運転方法であって、
前記高圧水素分離排出部の水位を検出する工程と、
前記高圧水素分離排出部の水位が上限値を超えるか否かを判断する工程と、
前記高圧水素分離排出部の水位が前記上限値を超えると判断された際、電解電流値を下げることにより、前記高圧水素分離排出部の水位を前記上限値以下に制御する工程と、
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。 A solid polymer electrolyte membrane disposed in a standing posture along the vertical direction in the plane direction;
An anode-side power feeder and a cathode-side power feeder for electrolysis provided on the left and right sides of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side separator that is disposed to face the anode-side power feeder, is supplied with water, and electrolyzes the water to generate oxygen;
A cathode-side separator that is disposed opposite to the cathode-side power feeder and generates hydrogen having a pressure higher than that of oxygen by electrolyzing the water;
An elastic member for applying a load to the cathode-side power feeding body in the stacking direction;
A cathode chamber formed between the cathode separator and the solid polymer electrolyte membrane, the elastic member is disposed, and the high-pressure hydrogen is discharged;
A high-pressure hydrogen separation and discharge unit that communicates with the upper portion of the cathode chamber and separates the high-pressure hydrogen and high-pressure water;
A high-pressure water discharge unit that communicates with a lower portion of the cathode chamber and discharges the high-pressure water separated from the high-pressure hydrogen in the high-pressure hydrogen separation and discharge unit;
An operation method of a high pressure water electrolysis system incorporating a high pressure hydrogen production apparatus comprising:
Detecting the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge part;
Determining whether the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge section exceeds an upper limit;
When it is determined that the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge section exceeds the upper limit value, the step of controlling the water level of the high-pressure hydrogen separation and discharge section below the upper limit value by lowering the electrolysis current value;
A method for operating a high-pressure water electrolysis system, comprising:
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---|---|---|---|
JP2011171497A JP2013036068A (en) | 2011-08-05 | 2011-08-05 | High-pressure water electrolytic system and method for operating the same |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104911626A (en) * | 2015-06-23 | 2015-09-16 | 陕西华秦新能源科技有限责任公司 | High-pressure water electrolysis hydrogen-producing electrolytic cell |
WO2022064816A1 (en) * | 2020-09-25 | 2022-03-31 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Compression device |
-
2011
- 2011-08-05 JP JP2011171497A patent/JP2013036068A/en not_active Withdrawn
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CN104911626A (en) * | 2015-06-23 | 2015-09-16 | 陕西华秦新能源科技有限责任公司 | High-pressure water electrolysis hydrogen-producing electrolytic cell |
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JP7122548B1 (en) * | 2020-09-25 | 2022-08-22 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | compressor |
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