JP2015113496A - 水電解システム及びその凍結防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、水電解用設備の凍結を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水電解装置１２と、貯留部２８内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロア３０と、前記貯留部２８に導入されたエアを排出するエア排出配管３８とを備え、前記水電解装置１２及び前記エアブロア３０が筐体４２に格納される。水電解システム１０は、システム環境温度を検出する温度検出部５０と、前記温度検出部５０により検出された前記システム環境温度が閾値以下である際、エアブロア３０を駆動させる低温時エアブロア駆動部５２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、供給される水を電気分解し、酸素及び水素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凍結防止方法に関する。

一般的に、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。水素ガスは、例えば、水電解装置を組み込む水電解システムにより製造されている。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（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、それぞれ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ている。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ている。一方、アノード側では、水素ととも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ている。

水電解システムでは、特に寒冷地において、システム運転停止時に、システム内の水が凍結するという問題がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている高圧水素の製造装置が知られている。

この製造装置では、送水ポンプから送り出される純水は、純水供給管の途上に配置された熱交換器を通って温度が調整された後、水電解セル（単位セル）に送られている。従って、装置内の純水の凍結が防止される、としている。

特開２００３−２７７９６３号公報

しかしながら、上記の製造装置では、純水の水温を調整するために、専用の熱交換器が設けられている。これにより、実質的に電解に不要となる設備が必要になり、システム全体が複雑化且つ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、簡単な構成及び工程で、水電解用設備の凍結を可及的に抑制することが可能な水電解システム及びその凍結防止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、供給される水を電気分解し、酸素及び水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置に前記水を循環供給するために、該水を貯留する貯留部とを備えている。貯留部と水電解装置の水入口とは、水供給配管により接続されるとともに、水排出配管により前記水電解装置から前記貯留部に前記水及び酸素が排出されている。

水電解システムは、貯留部内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアと、前記エアブロアと前記貯留部とを接続するエア導入配管と、前記貯留部に導入されたエアを排出するエア排出配管とを備えている。少なくとも水電解装置及び貯留部は、筐体に格納されている。

この水電解システムは、システム環境温度を検出する温度検出部と、電解運転停止時に、前記温度検出部により検出された前記システム環境温度が閾値以下である際、エアブロアを駆動させる低温時エアブロア駆動部と、を備えている。

また、この水電解システムでは、水供給配管には、循環ポンプが配設されるとともに、温度検出部により検出されたシステム環境温度が閾値以下である際、前記循環ポンプを駆動させる低温時循環ポンプ駆動部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、温度検出部は、水供給配管に配設されて筐体の内部に配置される第１温度センサと、エア排出配管に配設されて前記筐体の外部に配置される第２温度センサと、を備えることが好ましい。その際、低温時エアブロア駆動部は、第１温度センサ又は第２温度センサのいずれか一方が閾値以下の温度を検出した際に、エアブロアを駆動させることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、筐体には、前記筐体の内部に外気を導入する外気導入口が形成されるとともに、水電解装置は、前記外気導入口から導入された前記外気が直接吹き付けられる位置に配置されることが好ましい。

また、この水電解システムでは、エア導入配管から分岐し、水供給配管に接続される凍結防止用配管を備えることが好ましい。その際、低温時エアブロア駆動部によりエアブロアが駆動される前に、低温時循環ポンプ駆動部により循環ポンプが駆動され、前記水電解装置に前記エア及び前記水を導入することが好ましい。

さらに、本発明に係る水電解システムの凍結防止方法では、システム環境温度を検出する工程と、電解運転停止時に、検出された前記システム環境温度が閾値以下であるか否かを判断する工程とを有している。そして、検出されたシステム環境温度が閾値以下であると判断された際、エアブロアを駆動させる工程を有している。

本発明によれば、検出されたシステム環境温度が、閾値以下であると判断された際、発熱量の大きなエアブロアが駆動されるため、電解運転停止時に水電解装置及び配管類の凍結を確実に防止することができる。しかも、凍結防止用機器としてエアブロアが使用されるため、専用の設備、すなわち、水電解に不要な設備を追加する必要がない。これにより、簡単な構成及び工程で、水電解用設備の凍結を可及的に抑制す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。 本発明に係る凍結防止方法を説明するフローチャートである。 温度と回転数との関係説明図である。 前記水電解システムの動作説明図である。 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。

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（常圧）及び水素（常圧の水素又は常圧よりも高圧な水素）を製造する水電解装置１２を備える。

水電解装置１２は、複数の水分解セル１４が積層されており、前記水分解セル１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。水電解装置１２には、直流電源である電解電源１８が接続される。エンドプレート１６ａには、図示しないアノード入口側（水供給入口側）に連通する水供給配管２０が接続される。エンドプレート１６ｂには、アノード出口側（水及び生成酸素排出側）に連通する水排出配管２２と、カソード側（高圧水素生成側）に連通する水素導出配管２４とが接続される。

水供給配管２０は、循環ポンプ２６を配置して供給水タンクである貯留部２８の底部に接続される。貯留部２８の上部には、エアブロア３０がエア導入配管３２を介して接続される。貯留部２８の上部には、水排出配管２２と、純水製造装置３４に接続された純水供給配管３６と、前記貯留部２８で純水から分離された酸素及び水素を排出するエア排出配管３８とが連結される。エア排出配管３８には、気液分離部４０が配置される。

水電解システム１０は、筐体４２を備え、前記筐体４２の内部４２ｓには、少なくとも水電解装置１２及び貯留部２８が、第１の実施形態では、その他、循環ポンプ２６、エアブロア３０及び純水製造装置３４が、格納される。

筐体４２の一方の側部４２ａの上部側には、換気用ファン４４が取り付けられ、前記筐体４２の内部４２ｓの換気を行う。筐体４２の他方の側部４２ｂの下部側には、前記筐体４２の内部４２ｓに外気を導入する外気導入口４６が形成される。水電解装置１２は、外気導入口４６から導入された外気が直接吹き付けられる位置に、すなわち、他方の側部４２ｂに近接して配置される。

水電解システム１０は、前記水電解システム１０全体の運転制御を行うコントローラ４８を備える。コントローラ４８は、システム環境温度を検出する温度検出部５０と、低温時エアブロア駆動部５２と、低温時循環ポンプ駆動部５４としての機能を有する。

低温時エアブロア駆動部５２は、電解運転停止時に、温度検出部５０により検出されたシステム環境温度が閾値以下である際、エアブロア３０を駆動させる機能を有する。低温時循環ポンプ駆動部５４は、温度検出部５０により検出されたシステム環境温度が閾値以下である際、循環ポンプ２６を駆動させる機能を有する。

温度検出部５０は、水供給配管２０に配設されて筐体４２の内部に配置される第１温度センサ５６ａと、エア排出配管３８に配設されて前記筐体４２の外部に配置される第２温度センサ５６ｂとを備える。第１温度センサ５６ａ及び第２温度センサ５６ｂにより検出された温度情報は、コントローラ４８の温度検出部５０に送られる。

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。

循環ポンプ２６の作用下に、貯留部２８内の純水が水供給配管２０を介して水電解装置１２のアノード入口側に供給される。その際、水電解装置１２には、電気的に接続されている電解電源１８を介して電圧が付与される。このため、各水分解セル１４では、アノード側で純水が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。従って、カソード側では、水素イオンが電子と結合して水素が得られ、この水素は、水素導出配管２４に取り出され、ドライ水素（製品水素）となって、図示しない燃料電池電気自動車等に供給される。

一方、アノード出口側では、反応により生成した酸素、未反応の水、さらに透過した水素が流動しており、これらの混合流体が水排出配管２２に排出される。この未反応の水、酸素及び水素は、貯留部２８の上部に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ２６を介して水供給配管２０に導入される。水から分離された酸素及び水素は、エア排出配管３８から外部に排出される。

次いで、本実施形態に係る凍結防止方法について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、水電解システム１０の運転が停止された状態で、温度検出部５０では、第１温度センサ５６ａにより筐体４２の内部の温度が検出されるとともに、第２温度センサ５６ｂにより前記筐体４２の外部の温度が検出されている。第１温度センサ５６ａ又は第２温度センサ５６ｂの少なくとも一方により検出された温度（システム環境温度）が閾値、例えば、４℃未満であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。なお、第１温度センサ５６ａの閾値は、第２温度センサ５６ｂの閾値と同一の値であってもよく、又は、異なる値であってもよい。

ステップＳ２では、低温時エアブロア駆動部５２の作用下に、エアブロア３０の駆動が開始される。このため、エアブロア３０の駆動時に発熱により昇温されたエアは、エア導入配管３２を介して貯留部２８に導入され、前記エアは、エア排出配管３８を通って外部に排気される（図１参照）。従って、比較的低温の外気に曝されているエア排出配管３８の凍結が防止される。

筐体４２の内部では、貯留部２８に導入される昇温されたエアにより、前記貯留部２８に貯留されている水が暖められる。これにより、水供給配管２０内の水温が上昇し、さらに水電解装置１２内の水温が上昇して凍結の防止が図られる。また、水排出配管２２の凍結も防止される。

エアブロア３０の駆動により、第１温度センサ５６ａ及び第２温度センサ５６ｂの検出温度がいずれも閾値以上であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、保温の維持が行われる。一方、いずれかの検出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、エアブロア３０の回転数制御が行われる。ここで、エアブロア３０の回転数は、図３に示すように、温度に対応して設定されている。従って、検出温度に対応する回転数が設定され、エアブロア３０の制御が行われる。エアブロア３０の回転数が高くなれば、前記エアブロア３０の発熱量が多くなるため、低温時には、回転数が高く設定される。

次いで、エアブロア３０の回転数が最大値に至っても、検出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、低温時循環ポンプ駆動部５４により循環ポンプ２６の駆動が開始される。これにより、図４に示すように、貯留部２８内の純水は、水供給配管２０を介して水電解装置１２内に供給され、さらに前記水電解装置１２から水排出配管２２を通って前記貯留部２８に戻されている。その際、循環ポンプ２６から発生する熱により水電解装置１２を循環する水の温度が上昇し、前記水電解装置１２の内部には、昇温された水が循環供給されている。

循環ポンプ２６が駆動されている間、温度検出部５０による温度検出が行われており、検出温度が閾値未満であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、循環ポンプ２６の回転数制御が行われる。この制御は、エアブロア３０の回転数制御と同様に、図３に示すような温度と回転数との関係から、循環ポンプ２６の回転数が設定される。そして、検出温度が閾値以上であると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、保温の維持が遂行される。

この場合、第１の実施形態では、水電解システム１０の運転停止時に、温度検出部５０により検出されたシステム環境温度が閾値以下であると判断された際、発熱量の大きなエアブロア３０が駆動されている。このため、水電解装置１２及び配管類（エア排出配管３８、水供給配管２０及び水排出配管２２）の凍結を確実に防止することができる。

しかも、凍結防止用機器としてエアブロア３０が使用されている。従って、専用の設備、すなわち、水電解に不要な設備を追加する必要がない。これにより、簡単な構成及び工程で、水電解用設備の凍結を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、エアブロア３０が最大回転数で駆動されても、検出温度が閾値以上にならない際、昇温効果の高い循環ポンプ２６が駆動されている。このため、循環ポンプ２６の発熱により昇温される水を介して、水電解装置１２の凍結を確実に抑制することができるとともに、既存の設備を使用することにより、水電解に不要な設備を追加する必要がない。なお、循環ポンプ２６を駆動させる判断に用いられるエアブロア３０の最大回転数は、前記エアブロア３０のスペックで設定される最大回転数に設定してもよく、ノイズバイブレーション（ＮＶ）を考慮した回転数に設定してもよい。

さらにまた、第１温度センサ５６ａにより筐体４２の内部の温度が検出されるとともに、第２温度センサ５６ｂにより前記筐体４２の外部の温度が検出されている。従って、筐体４２の内部及び外部の温度が検出されるため、多様な温度低下にも良好に対応することができ、凍結を確実に抑制することが可能になる。

また、第１の実施形態では、水電解装置１２は、筐体４２の内部で外気導入口４６に近接する位置に、すなわち、前記外気導入口４６から導入された外気が直接吹き付けられる位置に配置されている。これにより、水電解システム１０による電解運転時には、換気用ファン４４の駆動作用下に水電解装置１２の冷却が良好に遂行される。

しかも、水電解装置１２は、筐体４２の内部で最も低温になる場所に配置されている。このため、上記の凍結防止工程で、循環ポンプ２６が駆動された際、水電解装置１２の内部よりも低温の水が前記水電解装置１２に供給されることがない。従って、循環ポンプ２６の駆動により水電解装置１２が冷却されることを阻止することができる。

図５には、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム６０の概略構成説明図が示される。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６０では、エア導入配管３２の途上に三方切替弁６２が配置される。三方切替弁６２には、エア導入配管３２の途上を水供給配管２０に連通可能な凍結防止用配管６４が接続される。

このように構成される第２の実施形態では、温度検出部５０により検出された温度が閾値未満であると判断されると（例えば、図２中、ステップＳ１参照）、先ず、循環ポンプ２６が駆動されている。このため、貯留部２８内の水は、水供給配管２０、水電解装置１２及び水排出配管２２を循環している。

この状態で、エアブロア３０の駆動が開始されるとともに、三方切替弁６２により前記エアブロア３０が凍結防止用配管６４に連通している。従って、昇温されたエアがエアブロア３０から水供給配管２０に供給される。このエアは、循環水を伴って水電解装置１２及び水排出配管２２を通って加温した後、貯留部２８に導入される。エアは、貯留部２８からエア排出配管３８を流通して外部に排出され、前記エア排出配管３８の凍結防止を行う。

これにより、昇温されたエアを水電解装置１２に直接供給することができ、前記水電解装置１２の凍結防止処理が一層迅速且つ確実に遂行されるという効果が得られる。

なお、水排出配管２２は、貯留部２８内の最高水位以上の高さ位置で前記貯留部２８に接続されることが好ましい。エアを含んだ水が貯留部２８に導入される際、該エアにより水の噴き上げを防止することができるからである。

１０、６０…水電解システム １２…水電解装置
１４…水分解セル １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
２０…水供給配管 ２２…水排出配管
２４…水素導出配管 ２６…循環ポンプ
２８…貯留部 ３０…エアブロア
３２…エア導入配管 ３４…純水製造装置
３８…エア排出配管 ４０…気液分離部
４２…筐体 ４４…換気用ファン
４６…外気導入口 ４８…コントローラ
５０…温度検出部 ５２…低温時エアブロア駆動部
５４…低温時循環ポンプ駆動部 ５６ａ、５６ｂ…温度センサ
６２…三方切替弁 ６４…凍結防止用配管

Claims (6)

1. 供給される水を電気分解し、酸素及び水素を発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置に前記水を循環供給するために、該水を貯留する貯留部と、
   前記貯留部と前記水電解装置の水入口とを接続する水供給配管と、
   前記水電解装置から前記貯留部に前記水及び前記酸素を排出する水排出配管と、
   前記貯留部内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアと、
   前記エアブロアと前記貯留部とを接続するエア導入配管と、
   前記貯留部に導入されたエアを排出するエア排出配管と、
   少なくとも前記水電解装置及び前記貯留部が格納される筐体と、
   を備える水電解システムであって、
   システム環境温度を検出する温度検出部と、
   電解運転停止時に、前記温度検出部により検出された前記システム環境温度が閾値以下である際、前記エアブロアを駆動させる低温時エアブロア駆動部と、
   を備え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、前記水供給配管には、循環ポンプが配設されるとともに、
   前記温度検出部により検出された前記システム環境温度が閾値以下である際、前記循環ポンプを駆動させる低温時循環ポンプ駆動部を備えることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記温度検出部は、前記水供給配管に配設されて前記筐体の内部に配置される第１温度センサと、
   前記エア排出配管に配設されて前記筐体の外部に配置される第２温度センサと、
   を備え、
   前記低温時エアブロア駆動部は、前記第１温度センサ又は前記第２温度センサのいずれか一方が閾値以下の温度を検出した際に、前記エアブロアを駆動させることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記筐体には、該筐体の内部に外気を導入する外気導入口が形成されるとともに、
   前記水電解装置は、前記外気導入口から導入された前記外気が直接吹き付けられる位置に配置されることを特徴とする水電解システム。
5. 請求項２記載の水電解システムにおいて、前記エア導入配管から分岐し、前記水供給配管に接続される凍結防止用配管を備え、
   前記低温時エアブロア駆動部により前記エアブロアが駆動される前に、前記低温時循環ポンプ駆動部により前記循環ポンプが駆動され、前記水電解装置に前記エア及び前記水を導入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、酸素及び水素を発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置に前記水を循環供給するために、該水を貯留する貯留部と、
   前記貯留部と前記水電解装置の水入口とを接続する水供給配管と、
   前記水電解装置から前記貯留部に前記水及び前記酸素を排出する水排出配管と、
   前記貯留部内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアと、
   前記エアブロアと前記貯留部とを接続するエア導入配管と、
   前記貯留部に導入されたエアを排出するエア排出配管と、
   少なくとも前記水電解装置及び前記貯留部が格納される筐体と、
   を備える水電解システムの凍結防止方法であって、
   システム環境温度を検出する工程と、
   電解運転停止時に、検出された前記システム環境温度が閾値以下であるか否かを判断する工程と、
   検出された前記システム環境温度が閾値以下であると判断された際、前記エアブロアを駆動させる工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの凍結防止方法。

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