JP2013241639A - 水電解システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧水素を製造するとともに、経済的且つ簡単な構成を有する水位検知機構を用い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から導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置２２と、前記高圧気液分離装置２２で分離された高圧な液状水を排出する高圧排水ライン２６とを備える。高圧排水ライン２６には、第１電磁弁９２、オリフィス９４及び低圧気液分離装置９６が配設される。低圧気液分離装置９６には、低圧排水ライン１０６が接続されるとともに、前記低圧排水ライン１０６には、開状態で、オリフィス９４の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２電磁弁１０８が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素を発生させる水電解装置と、前記高圧水素を気液分離する高圧気液分離装置と、前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を導出する水素導出流路と、前記高圧気液分離装置で分離された高圧な液状水を排出する排水ラインと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。

例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置では、一定量の純水を貯留する純水タンクから、純水がポンプによって陽極側純水供給経路を介して、水電解セルの陽極側に供給されるようになっている。また、水電解セルの陽極側には、前記水電解セルの陽極室で発生した酸素を気液分離するために、酸素ガス用気液分離装置が接続されている。そして、水電解セルの陽極側から生じ、気液分離装置で気液分離された純水は、純水環流経路を介して、純水タンクに環流されるようになっている。

同様に、水電解セルの陰極側には、水電解セルの陰極室で発生した水素を気液分離するために、水素ガス用気液分離装置が接続されている。従って、水電解セルの陰極側から生じ、気液分離装置で気液分離された純水は、陽極側と同じ純水環流経路を介して、純水タンクに環流されるようになっている。

特開平８−１７０１８９号公報

ところで、上記の水素・酸素発生装置では、通常、酸素ガス用気液分離装置及び水素ガス用気液分離装置に、それぞれ水位センサが設けられており、各気液分離装置内の水位を一定範囲内に制御している。

しかしながら、水電解セルで高圧水素（例えば、３５ＭＰａ以上の水素）が製造される場合、水素ガス用気液分離装置に設けられる水位センサは、高圧水素に耐え得る耐圧仕様にしなければならない。これにより、水位センサの製造コストが相当に高騰するとともに、前記水位センサ自体が大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧水素を製造するとともに、経済的且つ簡単な構成を有する水位検知機構を用いる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。

本発明は、供給される水を電気分解し、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導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置と、前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を導出する水素導出流路と、前記高圧気液分離装置で分離された高圧な液状水を排出する高圧排水ラインとを備える水電解システム及びその運転方法に関するものである。

この水電解システムでは、高圧排水ラインには、液状水の流れ方向に沿って、第１開閉弁、前記第１開閉弁を通過した前記液状水に圧力損失を付与する圧力損失部、及び、前記圧力損失部を通過して降圧された前記液状水を気液分離する低圧気液分離装置が、順次、配設されている。

そして、低圧気液分離装置には、前記低圧気液分離装置で分離された液状水を排出する低圧排水ラインと、前記低圧気液分離装置内の水位を検知する水位検知機構とが設けられている。低圧排水ラインには、開状態で、圧力損失部の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２開閉弁が配設されている。

また、この水電解システムでは、高圧気液分離装置内の水位を検知する高圧側水位検知機構を備えることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、水素導出流路には、高圧気液分離装置で分離された高圧水素を冷却する冷却機構と、前記冷却機構の下流に位置し、前記水素導出流路を通流する前記高圧水素の温度を検出する温度検知機構とが設けられるとともに、高圧側水位検知機構は、前記温度検知機構により前記水素導出流路に液状水が含有されていると判断する温度閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断することが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、高圧気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出機構を備え、高圧側水位検知機構は、前記圧力検出機構により前記高圧気液分離装置内が気体により満たされていると判断する圧力閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回っていると判断することが好ましい。

また、この水電解システムでは、圧力損失部は、高圧排水ラインと低圧気液分離装置との接続部位に設けられるとともに、前記圧力損失部の排水口は、前記低圧気液分離装置内の水面に向かって開口することが好ましい。

さらに、この水電解システムの運転方法は、高圧気液分離装置内の液状水を、高圧排水ラインに沿って、常時開状態の第１開閉弁、前記液状水に圧力損失を付与する圧力損失部、及び、前記液状水を気液分離する低圧気液分離装置に、順次、流通させる工程と、前記低圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断された際、該低圧気液分離装置で分離された液状水を排出する低圧排水ラインに配置され、前記圧力損失部の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２開閉弁を開状態にすることにより、該低圧気液分離装置内の前記液状水を前記低圧排水ラインに排出する工程とを有している。

さらに、この運転方法では、第２開閉弁が開状態で、低圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えたと判断された際、第１開閉弁を閉状態にすることが好ましい。

さらにまた、この運転方法では、第２開閉弁が開状態で、且つ、第１開閉弁が閉状態で、低圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回ったと判断された際、又は、高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えたと判断された際、前記第１開閉弁を開状態にすることが好ましい。

また、この運転方法では、水素導出流路には、高圧気液分離装置で分離された高圧水素を冷却する冷却機構と、前記冷却機構の下流に位置し、水素導出流路を通流する前記高圧水素の温度を検出する温度検知機構とが設けられるとともに、前記温度検知機構により前記水素導出流路に液状水が含有されていると判断する温度閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断することが好ましい。

さらに、この運転方法では、高圧気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出機構を備え、前記圧力検出機構により前記高圧気液分離装置内が気体により満たされていると判断する圧力閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回っていると判断することが好ましい。

さらにまた、この運転方法では、圧力損失部は、高圧排水ラインと低圧気液分離装置との接続部位に設けられるとともに、前記圧力損失部は、前記低圧気液分離装置内の水面に向かって液状水を排出することが好ましい。

本発明によれば、低圧排水ラインに配置される第２開閉弁は、開状態で、圧力損失部の設定流量よりも大きな流量を流通可能である。このため、低圧気液分離装置の水位を検出し、その水位が上限閾値を超えていると判断された際、第２開閉弁を開状態にするだけで、高圧気液分離装置からの排水処理が容易且つ円滑に遂行される。

従って、低圧気液分離装置にのみ水位センサを配置すればよく、耐圧仕様が不要な、すなわち、経済的且つ簡単な構成を有する水位センサを用いることができる。

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。 本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法を実施する水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 高圧気液分離装置の水位と高圧水素導出ラインの温度との関係図である。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る運転方法を実施する水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記高圧気液分離装置内の圧力と水位との関係図である。 本発明の第５の実施形態に係る運転方法を実施する水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。

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液状水を除去（気液分離）する高圧気液分離装置２２と、前記高圧気液分離装置２２から液状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（水素導出流路）２４と、前記高圧気液分離装置２２から高圧な液状水を排出する高圧排水ライン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、例えば、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を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７６の底部に接続される。

タンク部７６の上部には、ブロア７８及び戻り配管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７６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７６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７６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の他端が高圧気液分離装置２２に接続される。高圧気液分離装置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、規定圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された背圧弁８８が設けられる。高圧気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。

高圧気液分離装置２２の下部には、高圧排水ライン２６が接続される。高圧排水ライン２６には、液状水の流れ方向に沿って、第１開閉弁、例えば、第１電磁弁９２、圧力損失を付与することにより、設定水量の液状水を通流させる圧力損失部、例えば、オリフィス９４、及び前記オリフィス９４を通過して降圧された前記液状水を気液分離する低圧気液分離装置９６が、順次、配設される。

低圧気液分離装置９６は、水を貯留するためのタンク部９８を備える。タンク部９８には、前記タンク部９８内の水位ＷＳａを検出する水位検出機構、例えば、水位検出センサ（ＬＳ）１００が設けられる。水位検出センサ１００の検出信号は、コントローラ２８に入力される。

タンク部９８内では、オリフィス９４の排水口９４ａが水面に向かって開口するように、前記オリフィス９４を配置する。高圧の水を高速で排出する際、デバイスが削れることを阻止するためである。タンク部９８内には、オリフィス９４を配置する壁部１０２が、前記タンク部９８内の底部近傍まで延在して設けられる。

タンク部９８の一端部上方には、水面よりも上方に位置してガス排出管路１０４が接続されるとともに、前記タンク部９８の一端部下方には、水面よりも下方に位置して分離された液状水を排出する低圧排水ライン１０６が接続される。低圧排水ライン１０６には、開状態で、オリフィス９４の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２開閉弁、例えば、第２電磁弁１０８が配設される。

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、第１の実施形態に係る運転方法との関連で、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、水電解システム１０がアイドリング運転（起動に必要な最小限の運転）を行っており（ステップＳ１）、前記水電解システム１０の起動開始が判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３の準備工程に進む。ステップＳ３では、例えば、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７６に供給される。そして、ステップＳ４に進んで、水電解システム１０による電解通常運転が開始される。

図１に示すように、水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７６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７６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を介して高圧気液分離装置２２に送られる。この高圧気液分離装置２２では、水素に含まれる液状水が、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の底部には、高圧排水ライン２６が接続されており、前記高圧排水ライン２６に配設されている第１電磁弁９２は、開放（開弁）状態に維持される一方、低圧排水ライン１０６に配設されている第２電磁弁１０８は、閉塞（閉弁）状態に維持されている。このため、タンク部９０内の液状水は、高圧排水ライン２６に排出され、オリフィス９４で圧力損失が付与されることにより降圧された後、低圧気液分離装置９６を構成するタンク部９８に導入される。

タンク部９８には、水位検出センサ１００が設けられており、前記タンク部９８内の水位ＷＳａが検出されている。そして、タンク部９８内の水位ＷＳａが、予め設定された上限閾値を超えていると判断された際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、第２電磁弁１０８が開状態（開弁状態）にされる。

その際、第２電磁弁１０８は、オリフィス９４の設定流量よりも大きな流量を流通可能である。従って、低圧気液分離装置９６のタンク部９８に導入される液状水量よりも、前記タンク部９８から排水される液状水量が多量になり、前記タンク部９８内の水位ＷＳａが低下する。タンク部９８内の水位ＷＳａが、予め設定された下限閾値を下回ったと判断された際（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、第２電磁弁１０８が閉塞される（ステップＳ８）。

この場合、第１の実施形態では、低圧排水ライン１０６に配置される第２電磁弁１０８は、開状態で、オリフィス９４の設定流量よりも大きな流量を流通可能である。このため、低圧気液分離装置９６の水位ＷＳａを検出し、その水位ＷＳａが上限閾値を超えていると判断された際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、第２電磁弁１０８を開状態にするだけで、高圧気液分離装置２２からの排水処理が容易且つ円滑に遂行される。

これにより、低圧気液分離装置９６にのみ水位検出センサ１００を配置すればよく、耐圧仕様が不要な、すなわち、経済的且つ簡単な構成を有する前記水位検出センサ１００を用いることができるという効果が得られる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１２０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。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水電解システム１２０では、高圧水素導出ライン２４に、高圧水素の流れ方向に沿って冷却器（又は熱交換器）１２２、背圧弁８８及び吸着筒１２４が配設される。吸着筒１２４は、高圧水素に含有する水分を除去する機能を有する。冷却器１２２と背圧弁８８との間には、温度センサ１２６が配設され、前記温度センサ１２６により検出された温度ＴＣは、コントローラ２８を構成する温度検出機構１２８に送られる。

このように構成される第２の実施形態では、温度検出機構１２８により、高圧気液分離装置２２内の水位異常を検出することができる。具体的には、図４に示すように、水電解システム１２０は、第１の実施形態と同様に、アイドリング運転から電解通常運転に移行する（ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４）。

この電解運転により製造される高圧水素は、高圧気液分離装置２２で水分が除去された後、高圧水素導出ライン２４に導出される。そして、冷却器１２２により冷却され、吸着筒１２４を通過して水分が除去された製品水素として供給可能になる。

その際、冷却器１２２を通過した高圧水素は、温度センサ１２６により温度ＴＣが検出されている。ここで、高圧気液分離装置２２を構成するタンク部９０の水位ＷＳが上限閾値を超えると、高圧水素導出ライン２４に液状水が導入される。従って、高圧水素導出ライン２４では、水素ガスと液状水とが流通するため、温度が急激に上昇する（図５参照）。

このため、検出温度ＴＣが急激に上昇することにより、タンク部９０の水位ＷＳが上限閾値を超えたと判断し（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、異常を検知して水電解システム１２０が強制停止される（ステップＳ１０６）。これにより、高圧水素導出ライン２４に液状水が導入されることを良好に抑制することができる。

次いで、水電解システム１２０（又は水電解システム１０）において、本発明の第３の実施形態に係る運転方法について、図６に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

水電解システム１２０では、アイドリング運転（ステップＳ２０１）から起動された後（ステップＳ２０２）、通常の電解運転が行われる（ステップＳ２０３〜ステップＳ２０８）。そして、ステップＳ２０７では、タンク部９８内の水位ＷＳａが、予め設定された下限閾値以上であると判断された際（ステップＳ２０７中、ＮＯ）、ステップＳ２０９に進む。

ステップＳ２０９では、第２電磁弁１０８が開放されているにも関わらず、タンク部９８内の水位ＷＳａが、上限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ２０９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進んで、第１電磁弁９２が閉塞される。高圧気液分離装置２２からの排水を停止させるためである。

さらに、タンク部９８内の水位ＷＳａが、下限閾値まで下がった際（ステップＳ２１１中、ＹＥＳ）、又は、高圧気液分離装置２２の水位ＷＳが上限閾値に至った際、第１電磁弁９２が開放される（ステップＳ２１２）。その後、低圧気液分離装置９６の水位ＷＳａが上限閾値で且つ高圧気液分離装置２２の水位ＷＳが上限閾値であれば、停止処理に移行する。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る運転方法を実施するための水電解システム１３０の概略構成説明図である。

水電解システム１３０は、高圧気液分離装置２２に、タンク部９０内の圧力を検出する圧力センサ１３２が配設される。圧力センサ１３２により検出された圧力ＰＴは、コントローラ２８を構成する圧力検出機構１３４に送られる。

この第４の実施形態では、圧力検出機構１３４により、高圧気液分離装置２２内の水位異常（下限異常）を検出することができる。具体的には、図８に示すように、水電解システム１３０は、アイドリング運転から電解通常運転に移行される（ステップＳ３０１〜ステップＳ３０４）。そして、ステップＳ３０５では、高圧気液分離装置２２を構成するタンク部９０内の圧力ＰＴが、圧力センサ１３２により検出されている。

ここで、タンク部９０内から液状水がなくなると、ガス抜けが惹起される。このため、図９に示すように、タンク部９０内の圧力が急激に低下する。このタンク部９０内に急激な圧力低下が惹起されることにより、タンク部９０の圧力ＰＴが下限閾値を下回ったと判断し（ステップＳ３０５中、ＹＥＳ）、異常を検知して水電解システム１３０が強制停止される（ステップＳ３０６）。これにより、高圧排水ライン２６に水素ガスが導入されることを良好に抑制することができる。

図１０は、本発明の第５の実施形態に係る運転方法を実施するための水電解システム１４０の概略構成説明図である。

水電解システム１４０は、高圧気液分離装置２２に、タンク部９０内の水位ＷＳ（上限水位）を検出する水位センサ１４２が配設される。水位センサ１４２により検出された圧力は、コントローラ２８に送られる。

この第５の実施形態では、図１１に示すように、水電解システム１４０は、アイドリング運転から電解通常運転までの各工程が行われる（ステップＳ４０１〜ステップＳ４０４）。そして、ステップＳ４０５では、高圧気液分離装置２２を構成するタンク部９０内の水位ＷＳが水位センサ１４２により検出され、検出された水位ＷＳが上限閾値を超えているか否かが判断される。

ここで、上限閾値は、高圧気液分離装置２２から、通常時、水が排出されている状態に対して、ガスが排出されたときの水位センサ１４２の振れを検知できる既定値に設定される。このため、タンク部９０の水位ＷＳが上限閾値を超えたと判断されると（ステップＳ４０５中、ＹＥＳ）、異常を検知して水電解システム１４０が強制停止される（ステップＳ４０６）。これにより、高圧水素導出ライン２４に液状水が導入されることを良好に抑制することができる。

なお、第５の実施形態では、タンク部９０内の上限水位を検知するために水位センサ１４２を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、スイッチングセンサ、熱電対、比抵抗計、漏電センサ等を使用してもよい。

１０、１２０、１３０、１４０…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…高圧気液分離装置
２４…高圧水素導出ライン ２６…高圧排水ライン
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 ７６、９０、９８…タンク部
８８…背圧弁 ９２、１０８…電磁弁
９４…オリフィス ９６…低圧気液分離装置
１００…水位検出センサ １０４…ガス排出管路
１０６…低圧排水ライン １２２…冷却器
１２６…温度センサ １２８…温度検出機構
１３２…圧力センサ １３４…圧力検出機構
１４２…水位センサ

Claims (11)

1. 供給される水を電気分解し、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導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置と、
   前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を導出する水素導出流路と、
   前記高圧気液分離装置で分離された高圧な液状水を排出する高圧排水ラインと、
   を備える水電解システムであって、
   前記高圧排水ラインには、前記液状水の流れ方向に沿って、第１開閉弁、前記第１開閉弁を通過した前記液状水に圧力損失を付与する圧力損失部、及び、前記圧力損失部を通過して降圧された前記液状水を気液分離する低圧気液分離装置が、順次、配設されるとともに、
   前記低圧気液分離装置には、該低圧気液分離装置で分離された液状水を排出する低圧排水ラインと、
   前記低圧気液分離装置内の水位を検知する水位検知機構と、
   が設けられ、
   前記低圧排水ラインには、開状態で、前記圧力損失部の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２開閉弁が配設されることを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記高圧気液分離装置内の水位を検知する高圧側水位検知機構を備えることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項２記載の水電解システムにおいて、前記水素導出流路には、前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を冷却する冷却機構と、
   前記冷却機構の下流に位置し、前記水素導出流路を通流する前記高圧水素の温度を検出する温度検知機構と、
   が設けられるとともに、
   前記高圧側水位検知機構は、前記温度検知機構により前記水素導出流路に液状水が含有されていると判断する温度閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断することを特徴とする水電解システム。
4. 請求項２又は３記載の水電解システムにおいて、前記高圧気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出機構を備え、
   前記高圧側水位検知機構は、前記圧力検出機構により前記高圧気液分離装置内が気体により満たされていると判断する圧力閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回っていると判断することを特徴とする水電解システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記圧力損失部は、前記高圧排水ラインと前記低圧気液分離装置との接続部位に設けられるとともに、
   前記圧力損失部の排水口は、前記低圧気液分離装置内の水面に向かって開口することを特徴とする水電解システム。
6. 供給される水を電気分解し、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導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置と、
   前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を導出する水素導出流路と、
   前記高圧気液分離装置で分離された高圧な液状水を排出する高圧排水ラインと、
   を備える水電解システムの運転方法であって、
   前記高圧気液分離装置内の液状水を、前記高圧排水ラインに沿って、常時開状態の第１開閉弁、前記液状水に圧力損失を付与する圧力損失部、及び、前記液状水を気液分離する低圧気液分離装置に、順次、流通させる工程と、
   前記低圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断された際、該低圧気液分離装置で分離された液状水を排出する低圧排水ラインに配置され、前記圧力損失部の設定流量よりも大きな流量を流通可能な第２開閉弁を開状態にすることにより、該低圧気液分離装置内の前記液状水を前記低圧排水ラインに排出する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
7. 請求項６記載の運転方法において、前記第２開閉弁が開状態で、前記低圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えたと判断された際、前記第１開閉弁を閉状態にすることを特徴とする水電解システムの運転方法。
8. 請求項７記載の運転方法において、前記第２開閉弁が開状態で、且つ、前記第１開閉弁が閉状態で、前記低圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回ったと判断された際、又は、前記高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えたと判断された際、前記第１開閉弁を開状態にすることを特徴とする水電解システムの運転方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の運転方法において、前記水素導出流路には、前記高圧気液分離装置で分離された前記高圧水素を冷却する冷却機構と、
   前記冷却機構の下流に位置し、前記水素導出流路を通流する前記高圧水素の温度を検出する温度検知機構と、
   が設けられるとともに、
   前記温度検知機構により前記水素導出流路に液状水が含有されていると判断する温度閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が上限閾値を超えていると判断することを特徴とする水電解システムの運転方法。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の運転方法において、前記高圧気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出機構を備え、
    前記圧力検出機構により前記高圧気液分離装置内が気体により満たされていると判断する圧力閾値を検知した際、前記高圧気液分離装置内の水位が下限閾値を下回っていると判断することを特徴とする水電解システムの運転方法。
11. 請求項６〜１０のいずれか１項に記載の運転方法において、前記圧力損失部は、前記高圧排水ラインと前記低圧気液分離装置との接続部位に設けられるとともに、
    前記圧力損失部は、前記低圧気液分離装置内の水面に向かって前記液状水を排出することを特徴とする水電解システムの運転方法。

Images