JP2017206729A - 高圧水電解システム及びその吸着材交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着筒のメンテナンス作業の負担を可及的に低減することができ、効率的且つ簡単にメンテナンス作業を行うことを可能にする。
【解決手段】高圧水電解システム１０を構成する吸着装置１６は、吸着材５８が充填される吸着筒５２を備えている。吸着筒５２には、高圧水電解装置から水素が供給される水素供給ポート６０ａと、水分が除去された前記水素を前記吸着筒５２から導出する水素排出ポート６０ｂと、吸着材５８の入れ替えを行うメンテナンスポート６２とが、それぞれ個別に設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システム及びその吸着材交換方法に関する。

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。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、給電体を配設して水電解セルが構成されている。

そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード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、カソード給電体で電子と結合して水素が製造される。

水電解装置から導出される水素は、気液分離装置に送られて液状水が除去された後、水素精製部（水吸着部）に供給されて製品水素（ドライ水素）が得られる。一方、アノード側では、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴って水電解装置から排出される。

例えば、特許文献１に開示されている水素生成システムでは、生成された水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置を備えている。吸着装置は、水電解部の下流に、水素流れ方向に沿って直列に配置される２以上の吸着筒と、少なくとも最下流に配置された前記吸着筒より上流に配置される露点検出手段とを備えている。

特開２００９−１７９８４２号公報

この場合、吸着筒は、通常、樹脂材を使用しており、一定以上の水分を吸着した際には、前記吸着筒を新たな吸着筒と交換する必要がある。特に高圧水素（１ＭＰａ〜８０ＭＰａの水素）を生成する高圧水電解装置では、吸着筒が耐圧性を保持した高圧容器として構成されるため、重量が相当に重くなっている。このため、吸着筒の交換作業が煩雑化するおそれがある。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、吸着筒のメンテナンス作業の負担を可及的に低減することができ、効率的且つ簡単にメンテナンス作業を行うことが可能な高圧水電解システム及びその吸着材交換方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧水電解システムは、高圧水電解装置と、吸着装置とを備えている。高圧水電解装置は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させている。吸着装置は、高圧水電解装置から導出される水素に含まれる水分を除去している。

吸着装置は、吸着材が充填される吸着筒を備えている。吸着筒には、高圧水電解装置から水素が供給される水素供給ポートと、水分が除去された前記水素を前記吸着筒から導出する水素排出ポートと、吸着材の入れ替えを行うメンテナンスポートとが、それぞれ個別に設けられている。

また、メンテナンスポートは、立位姿勢で配置された吸着筒の鉛直方向上部に形成されるメンテナンス入口ポートと、前記吸着筒の鉛直方向下部に形成されるメンテナンス出口ポートと、を有することが好ましい。その際、メンテナンス入口ポートには、吸着材圧送用ガスを供給するガス供給部が接続可能であることが好ましい。

さらに、メンテナンスポートは、水素供給ポート及び水素排出ポートよりも開口径が大径に設定されていることが好ましい。

さらにまた、水素供給ポート、水素排出ポート及びメンテナンスポートは、立位姿勢で配置された吸着筒の側面に形成されていることが好ましい。

また、この高圧水電解システムでは、高圧水電解装置及び吸着装置が収容される筐体を備え、メンテナンスポートは、前記筐体の内部と外部との境界部位まで延設されていることが好ましい。

さらに、本発明は、高圧水電解システムの吸着材交換方法に関するものである。この吸着材交換方法は、メンテナンス入口ポートにガス供給部を接続し、前記ガス供給部から吸着筒内に吸着材圧送用ガスを供給することにより、前記吸着筒内から前記吸着材を排出させる工程を有している。

この吸着材交換方法は、ガス供給部の下流に、新たな吸着材を収容している容器を接続し、吸着材圧送用ガスを容器内に供給することにより、前記新たな吸着材を前記吸着筒内に圧送する工程を有している。

さらにまた、この吸着材交換方法では、新たな吸着材を吸着筒内に圧送する際、メンテナンス出口ポートを閉塞することが好ましい。

本発明によれば、メンテナンス時には、メンテナンスポートを用いて吸着筒内の吸着材の入れ替えを行うことができる。このため、吸着筒自体を交換する必要がなく、前記吸着筒のメンテナンス作業の負担を可及的に低減することができ、効率的且つ簡単にメンテナンス作業を行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る高圧水電解システムの概略構成説明図である。 前記高圧水電解システムを構成する筐体の斜視説明図である。 前記高圧水電解システムを構成する吸着装置の断面説明図である。 本発明の実施形態に係る吸着材交換方法において、吸着筒内の吸着材を排出する際の動作説明図である。 前記吸着材交換方法において、前記吸着筒内に新たな吸着材を充填する際の動作説明図である。

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、酸素及び高圧水素を製造する高圧水電解装置（差圧式水電解装置）１２を備える。高圧水素とは、常圧である酸素圧力よりも高圧の、例えば、１ＭＰａ〜８０ＭＰａの水素をいう。

高圧水電解システム１０は、高圧水電解装置１２から導出される高圧水素に含まれる液状水を除去する気液分離装置１４と、前記気液分離装置１４で気液分離された高圧水素に含まれる水分（水蒸気）を除去する吸着装置１６とを備える。高圧水電解システム１０は、制御装置１８により運転制御される。

高圧水電解装置１２には、複数の水電解セル２０が積層されており、前記水電解セル２０の積層方向両端には、エンドプレート２２ａ、２２ｂが配設される。高圧水電解装置１２では、水電解セル２０の積層方向両端に直流電源である電解電源２４が接続される。水電解セル２０は、図示しないが、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極触媒層とカソード側電極触媒層とが設けられる。

エンドプレート２２ａには、水供給配管２６ａが接続されるとともに、エンドプレート２２ｂには、水排出配管２６ｂ及び水素配管２６ｃが接続される。水供給配管２６ａには、純水が供給される一方、水排出配管２６ｂからは、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と未反応の水とが排出される。

水素配管２６ｃには、高圧水素配管２８の一端部が接続されるとともに、前記高圧水素配管２８の他端部は、気液分離装置１４を構成するタンク部３０に接続される。タンク部３０は、水素に含まれる液状水を貯留するとともに、前記タンク部３０には、第１排水配管（排水及び脱圧ライン）３２と第２排水配管（高圧排水ライン）３４とが設けられる。

第１排水配管３２には、高圧水を減圧させる圧力損失部材、例えば、オリフィス３６が配設される。第２排水配管３４には、高圧水を減圧させる圧力損失部材、例えば、オリフィス３８が配置され、前記オリフィス３８の下流に位置して開閉弁、例えば、電磁弁４０が配設される。電磁弁４０は、制御装置１８により駆動される。なお、オリフィス３６、３８に代えて、例えば、微細状チューブを用いてもよい。第１排水配管３２及び第２排水配管３４は、水封器４２に接続され、水とガス成分とが分離される。

タンク部３０の上部には、水素導出配管４４ａが接続される。水素導出配管４４ａには、高圧水素を冷却する冷却装置４６及び吸着装置１６が配設され、前記吸着装置１６の出口側に接続されるドライ水素導出配管４４ｂには、高圧水素を規定圧力値に昇圧させる背圧弁４８が配設される。規定圧力値に昇圧された製品水素（ドライ水素）は、燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。冷却装置４６と吸着装置１６との間には、パージ配管４７が設けられるとともに、前記パージ配管４７には、開閉弁４９が配置される。

図２に示すように、高圧水電解システム１０は、筐体５０を備える。筐体５０内には、高圧水電解システム１０の構成要素である高圧水電解装置１２、気液分離装置１４、吸着装置１６、冷却装置４６及び水封器４２等が収容される。筐体５０内では、吸着装置１６が高圧水電解装置１２の奥側（内方側）に配置される。

図３に示すように、吸着装置１６は、円筒形状を有し、立位姿勢（軸方向が鉛直方向に向かう姿勢）で配置される樹脂製高圧容器である吸着筒５２を備える。吸着筒５２の下部には、下部円柱部材５４が装着されるとともに、前記吸着筒５２の上部には、上部円柱部材５６が装着される。

吸着筒５２内には、充填室５２ａが設けられ、前記充填室５２ａに吸着材５８が充填される。吸着材５８は、例えば、活性炭、合成ゼオライト、多孔質アルミナ又はシリカが用いられる。

下部円柱部材５４の側面には、水素供給ポート６０ａとメンテナンスポート６２を構成するメンテナンス出口ポート６２ｂとが形成される。水素供給ポート６０ａは、下部円柱部材５４の内部で横方向から上方向に屈曲し、充填室５２ａの下端に連通する。水素供給ポート６０ａの上方向に延在する端部側には、下部フィルタ６４ａが配設される。水素供給ポート６０ａには、水素導出配管４４ａが接続される。

メンテナンス出口ポート６２ｂは、下部円柱部材５４の内部で横方向から上方向に屈曲し、充填室５２ａの下端に連通する。メンテナンス出口ポート６２ｂは、下部円柱部材５４の側面から外方に突出し、図２に示すように、筐体５０の内部と外部との境界部位まで延設されるとともに、先端には、プラグ（閉塞部材）６６ｂが装着される。メンテナンス出口ポート６２ｂは、水素供給ポート６０ａよりも開口径が大径に設定される。

上部円柱部材５６の側面には、水素排出ポート６０ｂとメンテナンスポート６２を構成するメンテナンス入口ポート６２ａとが形成される。水素排出ポート６０ｂは、上部円柱部材５６の内部で横方向から下方向に屈曲し、充填室５２ａの上端に連通する。水素排出ポート６０ｂの下方向に延在する端部側には、上部フィルタ６４ｂが配設される。水素排出ポート６０ｂには、ドライ水素導出配管４４ｂが接続される。

メンテナンス入口ポート６２ａは、上部円柱部材５６の内部で横方向から下方向に屈曲し、充填室５２ａの上端に連通する。メンテナンス入口ポート６２ａは、上部円柱部材５６の側面から外方に突出し、図２に示すように、筐体５０の内部と外部との境界部位まで延設されるとともに、先端には、プラグ（閉塞部材）６６ａが装着される。メンテナンス入口ポート６２ａは、水素排出ポート６０ｂよりも開口径が大径に設定される。

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。

まず、図１に示すように、高圧水電解システム１０の始動時には、例えば、市水から生成された純水が、高圧水電解装置１２の水供給配管２６ａに供給される。一方、高圧水電解装置１２に電気的に接続されている電解電源２４を介して、電解電圧が付与される。

このため、各水電解セル２０では、アノード側に供給された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。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を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が得られる。従って、カソード側に生成された水素は、水素配管２６ｃに接続された高圧水素配管２８を介して高圧水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、アノード側には、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と、使用済みの水とが流動しており、これらの混合流体が水排出配管２６ｂから排出される。使用済みの水は、酸素（及び透過した水素）から分離された後、水供給配管２６ａに導入される。

高圧水電解装置１２内で生成された高圧水素は、高圧水素配管２８を流通して気液分離装置１４に送られる。気液分離装置１４内で液状水が除去された高圧水素は、水素導出配管４４ａに導出され、冷却装置４６により冷却された後、吸着装置１６に供給される。

吸着装置１６では、図３に示すように、高圧水素が、下部円柱部材５４の水素供給ポート６０ａに供給され、前記水素供給ポート６０ａを通って充填室５２ａの下端に導入される。高圧水素は、充填室５２ａを下方から上方に移動することにより、前記高圧水素に含まれる水蒸気（水分）が吸着され、乾燥状態の製品水素（ドライ水素）が得られる。

製品水素は、水素排出ポート６０ｂを通ってドライ水素導出配管４４ｂに排出され、背圧弁４８の規定圧力値（例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）に昇圧された後、燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。

次いで、本実施形態に係る高圧水電解システム１０の吸着材交換方法について、説明する。

まず、図４に示すように、吸着材圧送用ガス（例えば、窒素ガス）を供給するガス供給部、例えば、窒素ガスボンベ７０が用意される。窒素ガスボンベ７０のガス出口７０ａは、ガス供給配管７２を介して吸着筒５２のメンテナンス入口ポート６２ａに接続される。ガス供給配管７２には、開閉弁７４が配置される。

一方、吸着筒５２のメンテナンス出口ポート６２ｂには、吸着材容器７６の上方開口部７６ａが第１配管７８ａを介して接続される。吸着材容器７６の下方開口部７６ｂには、第２配管７８ｂが接続されるとともに、前記第２配管７８ｂには、フィルタ８０が配設される。

そして、水素供給ポート６０ａ及び水素排出ポート６０ｂが閉塞された状態で、開閉弁７４が開放される。このため、窒素ガスボンベ７０内の高圧窒素ガスは、ガス供給配管７２を通ってメンテナンス入口ポート６２ａに供給され、充填室５２ａの上端に導入される。充填室５２ａには、吸着材５８が充填されており、前記吸着材５８は、高圧窒素ガスの供給により充填室５２ａの下端からメンテナンス出口ポート６２ｂに排出される。

メンテナンス出口ポート６２ｂには、第１配管７８ａを介して吸着材容器７６が接続されている。従って、メンテナンス出口ポート６２ｂに排出された吸着材５８は、吸着材容器７６内に回収される一方、高圧窒素ガスは、第２配管７８ｂを通って外部に排出される。

吸着筒５２内の吸着材５８が吸着材容器７６に回収された後、図５に示すように、メンテナンス出口ポート６２ｂから前記吸着材容器７６が離脱される。メンテナンス出口ポート６２ｂには、プラグ６６ｂが装着される。メンテナンス入口ポート６２ａと窒素ガスボンベ７０との間には、新たな吸着材５８Ｎが充填された吸着材容器７６Ｎが配置される。また、水素供給ポート６０ａでは、開閉弁４９が開弁されて前記水素供給ポート６０ａがパージ配管４７に開放される。

この状態で、開閉弁７４が開放され、窒素ガスボンベ７０内の高圧窒素ガスは、上方開口部７６ａから吸着材容器７６Ｎの内部に供給される。これにより、吸着材容器７６Ｎ内に充填されている新たな吸着材５８Ｎは、高圧窒素ガスに押圧され、下方開口部７６ｂから吸着筒５２のメンテナンス入口ポート６２ａを通って充填室５２ａに導入される。

充填室５２ａに吹き込まれた高圧窒素ガスは、水素供給ポート６０ａからパージ配管４７に排出される一方、新たな吸着材５８Ｎは、下部フィルタ６４ａ及び上部フィルタ６４ｂに阻止されて前記充填室５２ａ内に保持される。その際、メンテナンス出口ポート６２ｂが閉塞されており、充填室５２ａに圧送される新たな吸着材５８Ｎは、不要に外部に排出されることがない。

充填室５２ａに新たな吸着材５８Ｎが充填されると、開閉弁７４が閉塞されてメンテナンス入口ポート６２ａからガス供給配管７２が離脱される。さらに、図３に示すように、メンテナンス入口ポート６２ａがプラグ６６ａにより封止される。

この場合、本実施形態では、メンテナンス時には、図４及び図５に示すように、メンテナンスポート６２を用いて吸着筒５２内の吸着材５８の入れ替えを行うことができる。このため、吸着筒５２自体を交換する必要がなく、前記吸着筒５２のメンテナンス作業の負担を可及的に低減することができ、効率的且つ簡単にメンテナンス作業を行うことが可能になる。

特に、高圧水電解システム１０では、吸着筒５２は、耐圧性を保持した高圧容器として構成されるため、重量が相当に重くなっている。従って、吸着筒５２自体の交換が不要となることにより、メンテナンス時の作業性が一挙に向上するという利点がある。

また、メンテナンスポート６２は、立位姿勢で配置された吸着筒５２の鉛直方向上部に形成されるメンテナンス入口ポート６２ａと、前記吸着筒５２の鉛直方向下部に形成されるメンテナンス出口ポート６２ｂと、を有している。そして、メンテナンス入口ポート６２ａには、窒素ガスを供給する窒素ガスボンベ７０が接続可能である。これにより、窒素ガスボンベ７０から圧送される高圧窒素ガスによって、吸着筒５２内の吸着材５８を確実に送り出すことができ、前記吸着材５８の交換作業が簡便に遂行可能になる。

さらに、メンテナンス出口ポート６２ｂは、吸着材５８（５８Ｎ）の粒子径よりも大きく、しかも水素供給ポート６０ａよりも開口径が大径に設定されている。水素供給ポート６０ａは、水電解による製造流量が少ないため、圧損の影響をあまり考慮する必要がなく、ハンドリングコストを考慮すると、小径に設定することが好ましい。一方、メンテナンス出口ポート６２ｂは、大径に設定することにより、窒素ガスボンベ７０の圧力を低くすることができ、圧損の影響を少なくすることが好ましい。しかも、大径に設定することにより、加工が簡素化し、経済的である。

さらにまた、水素供給ポート６０ａ、水素排出ポート６０ｂ及びメンテナンスポート６２は、立位姿勢で配置された吸着筒５２の側面に形成されている。従って、重量物である吸着筒５２を床面等に接地させて配置可能となり、安定性を確保することができ、作業性の向上が図られる。

また、高圧水電解システム１０は、図２に示すように、高圧水電解装置１２及び吸着装置１６等が収容される筐体５０を備えている。そして、メンテナンス入口ポート６２ａ及びメンテナンス出口ポート６２ｂは、筐体５０の内部と外部との境界部位まで延設されている。これにより、筐体５０内で、高圧水電解装置１２の奥側に配置されている吸着筒５２のメンテナンス作業性が、良好に向上する。

１０…高圧水電解システム １２…高圧水電解装置
１４…気液分離装置 １６…吸着装置
１８…制御装置 ２０…水電解セル
２８…高圧水素配管 ４４ａ…水素導出配管
４４ｂ…ドライ水素導出配管 ４８…背圧弁
４９、７４…開閉弁 ５０…筐体
５２…吸着筒 ５４…下部円柱部材
５６…上部円柱部材 ５８、５８Ｎ…吸着材
６０ａ…水素供給ポート ６２…メンテナンスポート
６２ａ…メンテナンス入口ポート ６２ｂ…メンテナンス出口ポート
７０…窒素ガスボンベ ７２…ガス供給配管
７６、７６Ｎ…吸着材容器 ７８ａ…第１配管
７８ｂ…第２配管

Claims (7)

1. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素に含まれる水分を除去する吸着装置と、
   を備える高圧水電解システムであって、
   前記吸着装置は、吸着材が充填される吸着筒を備え、
   前記吸着筒には、前記高圧水電解装置から前記水素が供給される水素供給ポートと、
   前記水分が除去された前記水素を前記吸着筒から導出する水素排出ポートと、
   前記吸着材の入れ替えを行うメンテナンスポートと、
   が、それぞれ個別に設けられていることを特徴とする高圧水電解システム。
2. 請求項１記載の高圧水電解システムであって、前記メンテナンスポートは、立位姿勢で配置された前記吸着筒の鉛直方向上部に形成されるメンテナンス入口ポートと、
   前記吸着筒の鉛直方向下部に形成されるメンテナンス出口ポートと、
   を有し、
   前記メンテナンス入口ポートには、吸着材圧送用ガスを供給するガス供給部が接続可能であることを特徴とする高圧水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の高圧水電解システムであって、前記メンテナンスポートは、前記水素供給ポート及び前記水素排出ポートよりも開口径が大径に設定されていることを特徴とする高圧水電解システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧水電解システムであって、前記水素供給ポート、前記水素排出ポート及び前記メンテナンスポートは、立位姿勢で配置された前記吸着筒の側面に形成されていることを特徴とする高圧水電解システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧水電解システムであって、前記高圧水電解装置及び前記吸着装置が収容される筐体を備え、
   前記メンテナンスポートは、前記筐体の内部と外部との境界部位まで延設されていることを特徴とする高圧水電解システム。
6. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素に含まれる水分を除去する吸着装置と、
   を備え、
   前記吸着装置は、吸着材が充填される吸着筒を備え、
   前記吸着筒には、前記高圧水電解装置から前記水素が供給される水素供給ポートと、
   前記水分が除去された前記水素を前記吸着筒から導出する水素排出ポートと、
   前記吸着材の入れ替えを行うメンテナンス入口ポート及びメンテナンス出口ポートと、
   がそれぞれ個別に設けられている高圧水電解システムの吸着材交換方法であって、
   前記メンテナンス入口ポートにガス供給部を接続し、前記ガス供給部から前記吸着筒内に吸着材圧送用ガスを供給することにより、前記吸着筒内から前記吸着材を排出させる工程と、
   前記ガス供給部の下流に、新たな吸着材を収容している容器を接続し、前記吸着材圧送用ガスを前記容器内に供給することにより、前記新たな吸着材を前記吸着筒内に圧送する工程と、
   を有することを特徴とする高圧水電解システムの吸着材交換方法。
7. 請求項６記載の吸着材交換方法であって、前記新たな吸着材を前記吸着筒内に圧送する際、前記メンテナンス出口ポートを閉塞することを特徴とする高圧水電解システムの吸着材交換方法。

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