JP2020037724A - Hydrogen system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は水素システムに関する。 The present disclosure relates to hydrogen systems.
近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。 In recent years, hydrogen has been attracting attention as a clean alternative energy source to fossil fuels due to environmental problems such as global warming and energy problems such as depletion of petroleum resources. Hydrogen basically emits only water when burned, does not emit carbon dioxide, which causes global warming, and emits almost no nitrogen oxides, so it is expected as clean energy. Further, as a device that uses hydrogen as a fuel with high efficiency, for example, there is a fuel cell, and the development and widespread use of a fuel cell for a power source for an automobile and a private power generation system for a household are progressing.
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。 In the coming hydrogen society, in addition to producing hydrogen, there is a demand for technology development that can store hydrogen at a high density and transport or use it at a small capacity and at low cost. In particular, in order to promote the spread of fuel cells, which are distributed energy sources, it is necessary to improve the fuel supply infrastructure.
そこで、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。 In order to stably supply hydrogen to the fuel supply infrastructure, various proposals have been made for purifying and pressurizing high-purity hydrogen.
例えば、特許文献1には、水の電気分解を行いながら、高圧状態の水素を生成する水電解装置が開示されている。
For example,
ここで、水の電気分解により生成された水素は水分を含む。よって、このような水素をタンクなどの水素貯蔵器に貯蔵する際に、仮に水素に含まれる水分が多い場合、水素貯蔵器内に水分の存在により水素貯蔵器内の水素量が減少するので効率的でない。また、水素に含まれる水分が水素貯蔵器内で凝固する問題もある。このため、水素貯蔵器に貯蔵する際の水素の水分量は、例えば、約5ppm程度以下まで低減することが望まれている。 Here, hydrogen generated by the electrolysis of water contains moisture. Therefore, when such hydrogen is stored in a hydrogen storage device such as a tank, if there is a large amount of water contained in the hydrogen, the amount of hydrogen in the hydrogen storage device is reduced due to the presence of the water in the hydrogen storage device. Not a target. There is also a problem that moisture contained in hydrogen solidifies in the hydrogen storage. For this reason, it is desired that the water content of hydrogen stored in the hydrogen storage be reduced to, for example, about 5 ppm or less.
そこで、特許文献1では、水電解装置と水素貯蔵器との間の水素が流れる経路上に、水素と水とを分離するための気液分離器、および、水素から水分を吸着除去するための吸着塔が設けられた水素生成システムが提案されている。
Therefore, in
また、水の電気分解により生成された高圧状態の水素と水とを分離するための気液分離器内の水には水素が溶存する。よって、この状態で気液分離器内の水を外部に排水すると、排水中の水素が外部に排出される。 Hydrogen is dissolved in water in a gas-liquid separator for separating high-pressure hydrogen generated by electrolysis of water from water. Therefore, when the water in the gas-liquid separator is drained to the outside in this state, the hydrogen in the drain is discharged to the outside.
そこで、特許文献2では、水の電気分解により生成された高圧状態の水素と水とを分離するための気液分離器に気相脱圧ラインが設けられたシステムが提案されている。これにより、気液分離器内の水を排水する前に、気液分離器の内圧を低下できるので排水中の水素量を低減することができる。
Therefore,
しかし、従来例では、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率向上について十分に検討されていない。 However, in the conventional example, the efficiency improvement of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the hydrogen pressure has not been sufficiently studied.
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る水素システムを提供する。 An aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and provides a hydrogen system capable of improving the efficiency of an electrochemical hydrogen pump during a hydrogen boosting operation as compared with the related art.
上記課題を解決するため、本開示の一態様の水素システムは、アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、前記カソードから排出される水素と、前記排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、前記気液分離器内の水を排出するための第1弁と、前記昇圧された水素の圧力が、前記電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第1の圧力以下であるときに、前記第1弁を開放させる制御器と、を備える。 In order to solve the above problem, a hydrogen system according to an embodiment of the present disclosure includes an electrochemical hydrogen pump in which protons extracted from an anode fluid at an anode move through an electrolyte membrane and pressurized hydrogen is generated at a cathode. A gas-liquid separator for separating hydrogen discharged from the cathode and moisture discharged along with the discharged hydrogen, and a first valve for discharging water in the gas-liquid separator. A controller that opens the first valve when the pressure of the boosted hydrogen is equal to or lower than a first pressure that is smaller than an upper limit pressure of the electrochemical hydrogen pump.
本開示の一態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得るという効果を奏する。 The hydrogen system according to one embodiment of the present disclosure has an effect that the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the pressure of hydrogen can be improved as compared with the related art.
電気化学式水素ポンプのカソードから排出される水素と、この水素に同伴する水分とを気液分離器により分離する場合、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の進行に連れて、気液分離器内に存在する液体の水が増えるので、かかる水を適時に気液分離器外に排出する必要がある。ここで、気液分離器内の水には、水素が溶存しており、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内に存在する水に溶けている水素の濃度が上昇する。 When the hydrogen discharged from the cathode of the electrochemical hydrogen pump and the water accompanying the hydrogen are separated by the gas-liquid separator, the gas is separated into the gas-liquid separator as the hydrogen pressurizing operation of the electrochemical hydrogen pump proceeds. As the amount of liquid water present increases, it is necessary to discharge such water out of the gas-liquid separator in a timely manner. Here, hydrogen is dissolved in the water in the gas-liquid separator, and is dissolved in the water present in the gas-liquid separator as the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode of the electrochemical hydrogen pump is higher. The concentration of hydrogen increases.
従って、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇した状態において、気液分離器内の水を外部に排出すると、気液分離器内がこのような状態に至っていないときに気液分離器内の水を外部に排出する場合に比べて、気液分離器外に排出される水素量が増える。その結果、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が低下する。 Therefore, if the water in the gas-liquid separator is discharged to the outside in a state where the dissolved hydrogen concentration in the water in the gas-liquid separator is increased, the gas-liquid separation is performed when the inside of the gas-liquid separator is not in such a state. The amount of hydrogen discharged to the outside of the gas-liquid separator increases as compared with the case where water in the container is discharged to the outside. As a result, the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of the hydrogen pressure raising operation is reduced.
そこで、発明者らは、鋭意検討を行った結果、気液分離器に存在する水を外部に排出するタイミングを、気液分離器内の水中の溶存水素濃度を考慮して決定することで、気液分離器外に排出される水素を少なくすることができることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。 Therefore, the inventors have conducted intensive studies and, as a result, determined the timing of discharging the water present in the gas-liquid separator to the outside in consideration of the concentration of dissolved hydrogen in the water in the gas-liquid separator. The inventors have found that hydrogen discharged to the outside of the gas-liquid separator can be reduced, and have reached the following one embodiment of the present disclosure.
すなわち、本開示の第1態様の水素システムは、アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、カソードから排出される水素と、この排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、気液分離器内の水を排出するための第1弁と、カソードで昇圧された水素の圧力が、電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第1の圧力以下であるときに、第1弁を開放させる制御器と、を備える。 That is, the hydrogen system according to the first aspect of the present disclosure includes an electrochemical hydrogen pump in which protons extracted from the anode fluid at the anode move through the electrolyte membrane to generate pressurized hydrogen at the cathode, and discharge from the cathode. Gas-liquid separator for separating the hydrogen to be discharged and the water discharged along with the discharged hydrogen, a first valve for discharging the water in the gas-liquid separator, and the pressure increased at the cathode. A controller for opening the first valve when the pressure of the hydrogen is equal to or lower than a first pressure smaller than an upper pressure limit of the electrochemical hydrogen pump.
また、本開示の第2態様の水素システムは、第1態様の水素システムにおいて、制御器は、カソードで生成される水素の電気化学式水素ポンプによる昇圧値が上昇しているとき、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下において少なくとも1度、第1弁を開放してもよい。 Further, in the hydrogen system according to the second aspect of the present disclosure, in the hydrogen system according to the first aspect, the controller is configured to increase the pressure of the hydrogen generated at the cathode at the cathode when the pressure value of the electrochemical hydrogen pump is increasing. The first valve may be opened at least once when the pressure of the generated hydrogen is equal to or lower than the first pressure.
以上の構成によると、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。 According to the above configuration, the hydrogen system of the present embodiment can improve the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the hydrogen pressure as compared with the related art.
具体的には、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本態様の水素システムにおいては、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下である適時のタイミングで、気液分離器内の水を外部に排出するための第1弁を開放している。これにより、本態様の水素システムは、水素の圧力が第1の圧力を上回ったときに第1弁を開放する場合に比べて、気液分離器内の水を外部に排出する際の気液分離器内の水中の溶存水素濃度が低濃度であるので、気液分離器外に排出される水素を少なくすることができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。 Specifically, the concentration of dissolved hydrogen in the water in the gas-liquid separator increases as the pressure of hydrogen increased at the cathode of the electrochemical hydrogen pump increases. Therefore, in the hydrogen system of this aspect, the first valve for discharging the water in the gas-liquid separator to the outside is opened at an appropriate timing when the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode is equal to or lower than the first pressure. are doing. Accordingly, the hydrogen system according to the present embodiment provides a gas-liquid separator for discharging water in the gas-liquid separator to the outside, as compared with the case where the first valve is opened when the pressure of hydrogen exceeds the first pressure. Since the concentration of dissolved hydrogen in the water in the separator is low, the amount of hydrogen discharged outside the gas-liquid separator can be reduced. As a result, in the hydrogen system of this embodiment, the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the pressure of hydrogen is improved.
また、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力に至る前に、気液分離器内に存在する水を適宜、外部に排出することにより、気液分離器内において、溶存水素濃度が上昇した状態の水の量を少なくすることができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。 In addition, the hydrogen system according to the present aspect appropriately discharges water existing in the gas-liquid separator to the outside before the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode reaches the first pressure. Within, the amount of water in a state where the dissolved hydrogen concentration is increased can be reduced. As a result, in the hydrogen system of this embodiment, the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the pressure of hydrogen is improved.
本開示の第3態様の水素システムは、第1態様または第2態様の水素システムにおいて、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下であるとき、気液分離器内の水位に依らず、上記の第1弁を開放してもよい。 In the hydrogen system according to the third aspect of the present disclosure, in the hydrogen system according to the first aspect or the second aspect, the controller may be configured to: The first valve may be opened irrespective of the water level.
かかる構成によると、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下であるとき、気液分離器内の水位に依らずに、気液分離器内の水を排出するための第1弁を開放することで、気液分離器内の水位の上昇を待たずに、水素の圧力が高圧にならない段階で溶存水素濃度が低濃度の水を気液分離器外に排出することができる。 According to this configuration, the hydrogen system of the present embodiment, when the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode is equal to or lower than the first pressure, changes the water in the gas-liquid separator regardless of the water level in the gas-liquid separator. By opening the first valve for discharging, the water with a low dissolved hydrogen concentration can be removed from the gas-liquid separator without waiting for the water level in the gas-liquid separator to rise and before the hydrogen pressure becomes high. Can be discharged.
本開示の第4態様の水素システムは、第1態様から第3態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下であり、かつ気液分離器内の水位が基準以上であるとき、上記の第1弁を開放してもよい。 In the hydrogen system according to the fourth aspect of the present disclosure, in the hydrogen system according to any one of the first aspect to the third aspect, the controller may be configured so that the pressure of the hydrogen boosted at the cathode is equal to or lower than the first pressure, and When the water level in the liquid separator is equal to or higher than the reference, the first valve may be opened.
かかる構成によると、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第1の圧力以下であり、かつ気液分離器内の水位が基準水位以上である適時のタイミングにおいて、気液分離器内の水を外部に排出することができる。 According to this configuration, the hydrogen system according to the present embodiment provides a gas-liquid separator at a time when the pressure of hydrogen boosted at the cathode is equal to or lower than the first pressure and the water level in the gas-liquid separator is equal to or higher than the reference water level. The water in the separator can be discharged to the outside.
本開示の第5態様の水素システムは、第1態様から第4態様のいずれか一つの水素システムにおいて、電気化学式水素ポンプのカソードから排出され、気液分離器に流入する水素が流れる流路に設けられた第2弁を備え、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が上記の第1の圧力よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプの昇圧上限値以下である第2の圧力以上になると、第2弁を閉止させてもよい。 A hydrogen system according to a fifth aspect of the present disclosure is the hydrogen system according to any one of the first aspect to the fourth aspect, wherein the hydrogen discharged from the cathode of the electrochemical hydrogen pump and flowing into the gas-liquid separator flows through the flow path. The controller is provided with a second valve provided, and the controller is configured so that the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode is higher than the first pressure and equal to or higher than a second pressure that is equal to or lower than the upper limit of the pressure of the electrochemical hydrogen pump. Then, the second valve may be closed.
かかる構成によると、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。 According to such a configuration, the hydrogen system of the present embodiment can improve the efficiency of the electrochemical hydrogen pump during the hydrogen pressurizing operation as compared with the conventional case.
具体的には、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が上記の第1の圧力よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプの昇圧上限値以下である第2の圧力以上になると、気液分離器に流入する水素が流れる流路に設けられた第2弁を閉めることで、気液分離器内に存在する水に溶けている水素の増加を抑制することができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。 Specifically, the concentration of dissolved hydrogen in the water in the gas-liquid separator increases as the pressure of hydrogen increased at the cathode of the electrochemical hydrogen pump increases. Therefore, the hydrogen system of the present embodiment, when the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode is higher than the first pressure and equal to or higher than the second pressure which is equal to or lower than the upper limit of the pressure of the electrochemical hydrogen pump, becomes gas-liquid. By closing the second valve provided in the flow path through which the hydrogen flowing into the separator flows, it is possible to suppress an increase in the amount of hydrogen dissolved in the water present in the gas-liquid separator. As a result, in the hydrogen system of this embodiment, the efficiency of the electrochemical hydrogen pump at the time of increasing the hydrogen pressure is improved.
なお、ここで、カソードで昇圧された水素の圧力が上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードに水が発生する。そして、このようなカソードに存在する水の一部が、カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜を通じてカソードからアノードに押し戻される。その結果、カソードで昇圧された水素の圧力が高圧になる程、カソードから排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードで昇圧された水素の圧力が第2の圧力以上である場合、カソードから排出される水素に含まれる水分量は微量であるので、カソードで昇圧された水素が気液分離器を経由しないように第2弁を閉止させても、かかる水素に含まれる水分を適切に処理することができる。 Here, when the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode increases, water is generated at the cathode by condensing the amount of water vapor contained in the hydrogen. Then, a part of the water present in the cathode is pushed back from the cathode to the anode through the electrolyte membrane due to the pressure difference between the cathode and the anode. As a result, as the pressure of hydrogen increased at the cathode becomes higher, the amount of water contained in hydrogen discharged from the cathode decreases. Therefore, when the pressure of the hydrogen pressurized at the cathode is equal to or higher than the second pressure, the amount of water contained in the hydrogen discharged from the cathode is very small, and the hydrogen pressurized at the cathode passes through the gas-liquid separator. Even if the second valve is closed so as not to cause such a problem, the water contained in the hydrogen can be appropriately treated.
例えば、カソードで昇圧された水素に含まれる水分を、適宜の水分除去器の吸着材により吸着除去する場合であっても、吸着材の水分吸着性能の劣化を適切に軽減することができる。 For example, even when moisture contained in hydrogen pressurized at the cathode is adsorbed and removed by an adsorbent of an appropriate moisture remover, deterioration of the moisture adsorption performance of the adsorbent can be appropriately reduced.
すなわち、本開示の第6態様の水素システムは、第1態様から第5態様のいずれか一つの水素システムにおいて、気液分離器と水素利用機器との間の流路に設けられ、水素が同伴する水分を除去する吸着材を含む水分除去器を備えてもよい。 That is, in the hydrogen system according to the sixth aspect of the present disclosure, in the hydrogen system according to any one of the first aspect to the fifth aspect, the hydrogen system is provided in the flow path between the gas-liquid separator and the hydrogen utilization device, and the hydrogen is entrained. A moisture removing device including an adsorbent for removing moisture to be removed.
かかる構成によると、本態様の水素システムは、気液分離器により分離できなかった水蒸気などの水素に含まれる水分を、水分除去器の吸着材により吸着除去することができる。これにより、適宜の水素利用機器に、ドライ状態の水素を供給することができる。 According to such a configuration, the hydrogen system of the present embodiment can adsorb and remove water contained in hydrogen such as water vapor that cannot be separated by the gas-liquid separator by the adsorbent of the water remover. Thereby, dry hydrogen can be supplied to an appropriate hydrogen utilization device.
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. Each of the embodiments described below is an example of each of the above aspects. Therefore, the shapes, materials, components, and the arrangement positions and connection forms of the components shown below are merely examples, and do not limit the above embodiments unless otherwise described in the claims. . In addition, among the following components, components not described in the independent claims that indicate the highest concept of each aspect described above are described as arbitrary components. Also, in the drawings, the description of the same reference numeral may be omitted. In the drawings, each component is schematically shown for easy understanding, and shapes and dimensional ratios may not be accurately displayed.
動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更することができる。また、必要に応じて、他の公知の工程を追加することができる。 In operation, the order of each step and the like can be changed as necessary. Further, other known steps can be added as necessary.
(第1実施形態)
[水素システムの構成]
図1は、第1実施形態の水素システムの一例を示す図である。
(1st Embodiment)
[Configuration of hydrogen system]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the hydrogen system according to the first embodiment.
図1に示す例では、水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、気液分離器110と、第1弁120と、制御器50と、を備える。
In the example illustrated in FIG. 1, the
電気化学式水素ポンプ100は、アノードANでアノード流体から取り出されたプロトン(H+)が電解質膜11を介して移動し、カソードCAで昇圧された水素(H2)が生成される装置である。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜11による電気化学式の昇圧器であれば、どのような構成であってもよい。
The
例えば、図1の電気化学式水素ポンプ100では、アノードANに供給されるアノード流体が流通するアノード流体導入経路29と、アノードANから排出されるアノード流体が流通するアノード流体導出経路31と、カソードCAから排出される水素が流通するカソードガス導出経路26と、が設けられているが、このような電気化学式水素ポンプ100の詳細な構成は後で説明する。
For example, in the
なお、アノード流体は、アノードAN上の電気化学反応でプロトンが生成される流体であれば、どのような物質でも構わない。このようなアノード流体として、例えば、水、水素(H2)などを挙げることができる。 The anode fluid may be any substance as long as protons are generated by an electrochemical reaction on the anode AN. Examples of such an anode fluid include water, hydrogen (H 2 ), and the like.
気液分離器110は、カソードCAから排出される水素と、カソードCAから排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する装置である。気液分離器110は、このような水素と同伴して排出される水分を水素から分離することができれば、どのような構成であってもよい。なお、気液分離器110は、カソードガス導出経路26上に設けられている。
The gas-
第1弁120は、気液分離器110内の水を排出するための弁である。第1弁120は、気液分離器110内の水を排出することができれば、どのような構成であってもよい。第1弁120として、例えば、電磁弁などを挙げることができる。
The
本実施形態の水素システム200では、気液分離器110は、図1に示すように、水素から分離された水を溜めるためのタンク110Aを備える。そして、タンク110Aの上壁には、水素流入口および水素流出口が設けられ、これらの水素流入口および水素流出口のそれぞれには、カソードガス導出経路26を構成する配管がそれぞれ接続されている。また、タンク110Aの下壁には、タンク110A内の水を外部に排出するための排水配管が接続されており、この排水配管に、第1弁120が設けられている。
In the
以上により、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素がタンク110Aの内部を通過するとき、水素と水分とが分離する。水素から分離された水分は、タンク110A内に溜まる。そして、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作の進行に連れて、タンク110A内に存在する液体の水が増えるので、かかる水分は、第1弁120を開閉することにより適時にタンク110A外に排出される。なお、気液分離器110で水分が除去された水素は、タンク110Aの上壁に設けられた水素流出口を通じてタンク110A外に排出される。
As described above, when hydrogen discharged from the cathode CA of the
制御器50は、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい第1の圧力P1以下であるときに、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120を開放する。
The
逆に、制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、この第1の圧力P1よりも大きいときは、第1弁120を開放しない。
Conversely, the
なお、第1の圧力P1は、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力Pが高い程、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が上昇する。よって、第1の圧力P1は、例えば、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が許容値を超えない所定の圧力であってもよい。
Note that the first pressure P1 may be set to any pressure as long as it is smaller than the pressure increase upper limit PL of the
一例として、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLが約40Mpa程度、第1の圧力P1が約30MPa程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。
As an example, the pressure increase upper limit PL of the
制御器50は、例えば、演算回路(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶回路(図示せず)と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPUなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器50は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器50は、水素システム200の全体の動作を制御してもよい。
The
[電気化学式水素ポンプの構成]
図2Aおよび図3Aは、第1実施形態の水素システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図2Bは、図2Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。図3Bは、図3Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。
[Configuration of electrochemical hydrogen pump]
2A and 3A are diagrams illustrating an example of an electrochemical hydrogen pump of the hydrogen system according to the first embodiment. FIG. 2B is an enlarged view of part B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 2A. FIG. 3B is an enlarged view of part B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 3A.
なお、図2Aには、平面視において電気化学式水素ポンプ100の中心と、カソードガス導出マニホールド28の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ100の垂直断面が示されている。また、図3Aには、平面視において電気化学式水素ポンプ100の中心と、アノード流体導入マニホールド27の中心と、アノード流体導出マニホールド30の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ100の垂直断面が示されている。
2A shows a vertical cross section of the
図2Aおよび図3Aに示す例では、電気化学式水素ポンプ100は、少なくとも一つの水素ポンプユニット100Aを備える。
2A and 3A, the
なお、電気化学式水素ポンプ100には、複数の水素ポンプユニット100Aが積層されている。例えば、図2Aおよび図3Aでは、3段の水素ポンプユニット100Aが積層されているが、水素ポンプユニット100Aの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット100Aの個数は、電気化学式水素ポンプ100が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
Note that a plurality of
水素ポンプユニット100Aは、電解質膜11と、アノードANと、カソードCAと、カソードセパレーター16と、アノードセパレーター17と、絶縁体21と、を備える。そして、水素ポンプユニット100Aにおいて、電解質膜11、アノード触媒層13、カソード触媒層12、アノード流体拡散層15、カソードガス拡散層14、アノードセパレーター17およびカソードセパレーター16が積層されている。
The
アノードANは、電解質膜11の一方の主面に設けられている。アノードANは、アノード触媒層13と、アノード流体拡散層15とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層13の周囲を囲むように環状のシール部材43が設けられ、アノード触媒層13が、シール部材43で適切にシールされている。
The anode AN is provided on one main surface of the
カソードCAは、電解質膜11の他方の主面に設けられている。カソードCAは、カソード触媒層12と、カソードガス拡散層14とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層12の周囲を囲むように環状のシール部材42が設けられ、カソード触媒層12が、シール部材42で適切にシールされている。
Cathode CA is provided on the other main surface of
以上により、電解質膜11は、アノード触媒層13およびカソード触媒層12のそれぞれと接触するようにして、アノードANとカソードCAとによって挟持されている。なお、カソードCA、電解質膜11およびアノードANの積層体を膜−電極接合体(以下、MEA:Membrane Electrode Assembly)という。
As described above, the
電解質膜11は、プロトン伝導性を備える。電解質膜11は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜11として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜11として、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)などを用いることができる。
The
アノード触媒層13は、電解質膜11の一方の主面に設けられている。アノード触媒層13は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
The
カソード触媒層12は、電解質膜11の他方の主面に設けられている。カソード触媒層12は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
The cathode catalyst layer 12 is provided on the other main surface of the
カソード触媒層12およびアノード触媒層13の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
Examples of the catalyst carrier of the cathode catalyst layer 12 and the
なお、カソード触媒層12およびアノード触媒層13では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層12およびアノード触媒層13中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
In the cathode catalyst layer 12 and the
カソードガス拡散層14は、カソード触媒層12上に設けられている。また、カソードガス拡散層14は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層14は、電気化学式水素ポンプ100の動作時にカソードCAおよびアノードAN間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、カソードガス拡散層14として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層14の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層14の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。
The cathode gas diffusion layer 14 is provided on the cathode catalyst layer 12. In addition, the cathode gas diffusion layer 14 is made of a porous material and has conductivity and gas diffusion properties. Further, it is desirable that the cathode gas diffusion layer 14 has elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the components caused by the pressure difference between the cathode CA and the anode AN when the
アノード流体拡散層15は、アノード触媒層13上に設けられている。また、アノード流体拡散層15は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノード流体拡散層15は、電気化学式水素ポンプ100の動作時にカソードCAおよびアノードAN間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
The anode
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、アノード流体拡散層15として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノード流体拡散層15の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノード流体拡散層15の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
In the
アノードセパレーター17は、アノードANのアノード流体拡散層15上に設けられた部材である。カソードセパレーター16は、カソードCAのカソードガス拡散層14上に設けられた部材である。
The
そして、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層14およびアノード流体拡散層15がそれぞれ収容されている。
A concave portion is provided at the center of each of the
このようにして、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17で上記のMEAを挟むことにより、水素ポンプユニット100Aが形成されている。
In this way, the
カソードガス拡散層14と接触するカソードセパレーター16の主面には、平面視において、例えば、複数のU字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路32が設けられている。そして、カソードガス流路32の直線部分は、図2Aの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路32は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
On the main surface of the
アノード流体拡散層15と接触するアノードセパレーター17の主面には、平面視において、例えば、複数のU字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノード流体流路33が設けられている。そして、アノード流体流路33の直線部分は、図3Aの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノード流体流路33は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノード流体流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
The main surface of the
また、導電性のカソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の間には、MEAの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体21が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の短絡が防止されている。
Further, between the
ここで、電気化学式水素ポンプ100は、水素ポンプユニット100Aにおける、積層方向の両端上に設けられた第1端板および第2端板と、水素ポンプユニット100A、第1端板および第2端板を積層方向に締結する締結器25と、を備える。
Here, the
なお、図2Aおよび図3Aに示す例では、カソード端板24Cおよびアノード端板24Aがそれぞれ、上記の第1端板および第2端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板24Aは、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター17上に設けられた端板である。また、カソード端板24Cは、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター16上に設けられた端板である。
In the example shown in FIGS. 2A and 3A, the
締結器25は、水素ポンプユニット100A、カソード端板24Cおよびアノード端板24Aを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
The
例えば、締結器25として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
For example, the
このとき、締結器25のボルトは、アノード端板24Aおよびカソード端板24Cのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、かかるボルトは、3段の水素ポンプユニット100Aの各部材、カソード給電板22C、カソード絶縁板23C、アノード給電板22A、アノード絶縁板23A、アノード端板24Aおよびカソード端板24Cを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター16の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター17の端面をそれぞれ、カソード給電板22Cとカソード絶縁板23Cおよびアノード給電板22Aとアノード絶縁板23Aのそれぞれを介して、カソード端板24Cおよびアノード端板24Aのそれぞれで挟むようにして、締結器25により水素ポンプユニット100Aに所望の締結圧が付与されている。
At this time, the bolts of the
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、3段の水素ポンプユニット100Aが、上記の積層方向において、締結器25の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ100の各部材を締結器25のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
As described above, in the
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス拡散層14から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路32が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路32のそれぞれが連通する構成について説明する。
Here, in the
まず、図2Aに示すように、カソードガス導出マニホールド28は、3段の水素ポンプユニット100Aの各部材およびカソード端板24Cに設けられた貫通孔、および、アノード端板24Aに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板24Cには、カソードガス導出経路26が設けられている。カソードガス導出経路26は、カソードCAから排出される水素(H2)が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路26は、上記のカソードガス導出マニホールド28と連通している。
First, as shown in FIG. 2A, the cathode
さらに、カソードガス導出マニホールド28は、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス流路32の一方の端部と、カソードガス通過経路34のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス流路32およびカソードガス通過経路34を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド28で合流される。そして、合流された水素がカソードガス導出経路26に導かれる。
Further, the cathode
このようにして、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス流路32は、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス通過経路34およびカソードガス導出マニホールド28を介して連通している。
Thus, the respective
カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の間、カソードセパレーター16およびカソード給電板22Cの間、アノードセパレーター17およびアノード給電板22Aの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド28を囲むように、Oリングなどの環状のシール部材40が設けられ、カソードガス導出マニホールド28が、このシール部材40で適切にシールされている。
An O-ring is provided between the
図3Aに示す如く、アノード端板24Aには、アノード流体導入経路29が設けられている。アノード流体導入経路29は、アノードANに供給されるアノード流体が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノード流体導入経路29は、筒状のアノード流体導入マニホールド27に連通している。なお、アノード流体導入マニホールド27は、3段の水素ポンプユニット100Aの各部材およびアノード端板24Aに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
As shown in FIG. 3A, an anode
また、アノード流体導入マニホールド27は、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノード流体流路33の一方の端部と、第1アノード流体通過経路35のそれぞれを介して連通している。これにより、アノード流体導入経路29からアノード流体導入マニホールド27に供給されたアノード流体は、水素ポンプユニット100Aのそれぞれの第1アノード流体通過経路35を通じて、水素ポンプユニット100Aのそれぞれに分配される。そして、分配されたアノード流体がアノード流体流路33を通過する間に、アノード流体拡散層15からアノード触媒層13にアノード流体が供給される。
Further, the anode
また、図3Aに示す如く、アノード端板24Aには、アノード流体導出経路31が設けられている。アノード流体導出経路31は、アノードANから排出されるアノード流体が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノード流体導出経路31は、筒状のアノード流体導出マニホールド30に連通している。なお、アノード流体導出マニホールド30は、3段の水素ポンプユニット100Aの各部材およびアノード端板24Aに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
As shown in FIG. 3A, an anode
また、アノード流体導出マニホールド30が、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノード流体流路33の他方の端部と、第2アノード流体通過経路36のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノード流体流路33を通過したアノード流体が、第2アノード流体通過経路36のそれぞれを通じてアノード流体導出マニホールド30に供給され、ここで合流される。そして、合流されたアノード流体が、アノード流体導出経路31に導かれる。
In addition, the anode
カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の間、カソードセパレーター16およびカソード給電板22Cの間、アノードセパレーター17およびアノード給電板22Aの間には、平面視において、アノード流体導入マニホールド27およびアノード流体導出マニホールド30を囲むようにOリングなどの環状のシール部材40が設けられ、アノード流体導入マニホールド27およびアノード流体導出マニホールド30が、シール部材40で適切にシールされている。
Between the
図2Aおよび図3Aに示すように、電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器102を備える。
As shown in FIGS. 2A and 3A, the
電圧印加器102は、アノード触媒層13とカソード触媒層12との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器102の高電位が、アノード触媒層13に印加され、電圧印加器102の低電位が、カソード触媒層12に印加されている。電圧印加器102は、アノード触媒層13およびカソード触媒層12間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器102は、アノード触媒層13およびカソード触媒層12間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器102は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、DC/DCコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、AC/DCコンバータを備える。
The
また、電圧印加器102は、例えば、水素ポンプユニット100Aに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層13およびカソード触媒層12間に印加される電圧、アノード触媒層13およびカソード触媒層12間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
Further, the
なお、図2Aおよび図3Aに示す例では、電圧印加器102の低電位側の端子が、カソード給電板22Cに接続され、電圧印加器102の高電位側の端子が、アノード給電板22Aに接続されている。カソード給電板22Cは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター16と電気的に接触しており、アノード給電板22Aは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター17と電気的に接触している。
2A and 3A, the terminal on the low potential side of the
ここで、図1、図2Aおよび図3Aには示されていないが、本実施形態の水素システム200の電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
Here, although not shown in FIGS. 1, 2A, and 3A, members and devices necessary for the hydrogen boosting operation of the
例えば、水素システム200には、例えば、電気化学式水素ポンプ100の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力Pを検出する圧力検出器などが設けられている。
For example, the
また、水素システム200には、アノード流体導入経路29、アノード流体導出経路31およびカソードガス導出経路26の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。
In the
また、水素システム200には、気液分離器110内の水位Hを検出するための水位検出器などが設けられている。
Further, the
なお、アノード流体が水素(H2)である場合、水素システム200には、アノード流体導出経路31を通じてアノードANから排出される高加湿状態の水素(H2)と、アノード流体導入経路29を通して外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素(H2)とが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器(例えば、加湿器)が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素は、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
When the anode fluid is hydrogen (H 2 ), the
さらに、以上の電気化学式水素ポンプ100の構成、および、水素システム200の構成は例示であって、本例に限定されない。
Further, the configuration of the
例えば、アノード流体が水素(H2)である場合、電気化学式水素ポンプ100は、アノード流体導出マニホールド30およびアノード流体導出経路31を設けずに、アノード流体導入マニホールド27を通してアノードANに供給する水素を全てカソードCAで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
For example, when the anode fluid is hydrogen (H 2 ), the
また、アノード流体が水素(H2)である場合、アノード流体流路33およびカソードガス流路32には、水素(H2)が流れるが、水素濃度は、100%でなくてもよい。水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
When the anode fluid is hydrogen (H 2 ), the hydrogen (H 2 ) flows through the
[動作]
図4は、第1実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
[motion]
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the operation of the hydrogen system according to the first embodiment.
なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ100のアノードANに、アノード流体として、水素(H2)が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器50の演算回路が、制御器50の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器50で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
In the following operation, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode AN of the
ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100のアノードANに低圧の水素が供給されるとともに、電圧印加器102の電圧が電気化学式水素ポンプ100に印加されることで、水素システム200の電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が開始される。なお、このとき、気液分離器110のタンク110A内の水を排出するための第1弁120は閉止されている。
In step S1, low-pressure hydrogen is supplied to the anode AN of the
具体的には、アノードANのアノード触媒層13において、酸化反応で水素分子が水素イオン(プロトン)と電子とに分離する(式(1))。プロトンは電解質膜11内を伝導してカソード触媒層12に移動する。電子は電圧印加器102を通じてカソード触媒層12に移動する。
Specifically, in the
そして、カソード触媒層12において、還元反応で水素分子が再び生成される(式(2))。なお、プロトンが電解質膜11中を伝導する際に、所定量の水が、電気浸透水としてアノードANからカソードCAにプロトンと同伴して移動することが知られている。
Then, in the cathode catalyst layer 12, hydrogen molecules are generated again by the reduction reaction (formula (2)). It is known that a predetermined amount of water moves from the anode AN to the cathode CA together with the protons as electroosmotic water when the protons conduct in the
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードCAで生成された水素を昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図1および図2Aのカソードガス導出経路26を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
At this time, the pressure generated in the cathode CA can be increased by increasing the pressure loss in the hydrogen outlet path using a flow controller (not shown). In addition, as the hydrogen derivation path, for example, the cathode
アノード:H2(低圧)→2H++2e− ・・・(1)
カソード:2H++2e−→H2(高圧) ・・・(2)
このようにして、電気化学式水素ポンプ100では、電圧印加器102で電圧を印加することで、アノードANに供給される水素がカソードCAにおいて昇圧される。
Anode: H 2 (low pressure) → 2H + + 2e - ··· (1)
Cathode: 2H + + 2e − → H 2 (high pressure) (2)
In this manner, in the
そして、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素は、カソードガス導出経路26を通じて気液分離器110に送られ、気液分離器110で、水素と同伴して排出される水分が分離される。すると、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作の進行に連れて、気液分離器110内に存在する液体の水が増える。
Then, the hydrogen discharged from the cathode CA to the cathode
そこで、本実施形態の水素システム200では、以下の如く、気液分離器110内に存在する水の排水動作が行われる。
Therefore, in the
まず、ステップS2で、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、第1の圧力P1以下であるか否かが判定される。ここで、ステップS2の水素の圧力Pは、水素システム200の適所に設けられた圧力検出器(図示せず)により検出されている。また、ステップS2の第1の圧力P1は、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい予め設定される所定の圧力である。上記のとおり、第1の圧力P1は、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が高くならない所定の圧力であってもよい。
First, in step S2, it is determined whether or not the pressure P of hydrogen boosted at the cathode CA is equal to or lower than the first pressure P1. Here, the hydrogen pressure P in step S2 is detected by a pressure detector (not shown) provided at an appropriate position in the
ステップS2で、水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である場合(P≦P1)、ステップS3で、第1弁120が開放される。これにより、気液分離器110のタンク110A内の水が、タンク110A外に排出される。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
When the hydrogen pressure P is equal to or lower than the first pressure P1 (P ≦ P1) in step S2, the
なお、ステップS3で第1弁120を開放した後、第1弁120は、適時に閉止される。このとき、第1弁120の開放時間は、気液分離器110内の水量、気液分離器110内の水素の圧力P、タンク110Aの下壁に接続される排水配管の流路抵抗などをもとに適宜の時間に設定するとよい。
After opening the
一方、ステップS2で、水素の圧力Pが第1の圧力P1よりも大きい場合(P>P1)、第1弁120は開放されない。つまり、第1弁120の開閉状態は閉止のままである。
その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
On the other hand, in step S2, when the hydrogen pressure P is higher than the first pressure P1 (P> P1), the
Thereafter, in step S1, the hydrogen pressurizing operation of the
以上のとおり、本実施形態の水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
As described above, the
具体的には、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力Pが高い程、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本実施形態の水素システム200においては、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である適時のタイミングで、気液分離器110内の水を外部に排出するための第1弁120を開放している。これにより、本実施形態の水素システム200は、水素の圧力Pが第1の圧力P1を上回ったときに第1弁120を開放する場合に比べて、気液分離器110内の水を外部に排出する際の気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が低濃度であるので、気液分離器110外に排出される水素を少なくすることができる。その結果、本実施形態の水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作時の効率が向上する。
Specifically, the higher the pressure P of the hydrogen boosted at the cathode CA of the
また、本実施形態の水素システム200は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1に至る前に、気液分離器110内に存在する水を適宜、外部に排出することにより、気液分離器110内において、溶存水素濃度が上昇した状態の水の量を少なくすることができる。その結果、本実施形態の水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作時の効率が向上する。
Further, the
(第1実施例)
本実施例の水素システム200は、以下に説明する制御器50の制御内容以外は、第1実施形態の水素システム200と同様である。
(First embodiment)
The
制御器50は、カソードCAで生成される水素の電気化学式水素ポンプ100による昇圧値が上昇しているとき、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下において少なくとも1度、第1弁120を開放する。例えば、カソードCAで生成される水素の電気化学式水素ポンプ100による昇圧値が上昇しているとき、図4のステップS1からステップS3に至る動作が、1回だけ行われてもよいし、適宜の時間間隔毎に複数回、行われてもよい。つまり、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下において、図4のステップS3で、少なくとも1度、第1弁120が開放される。
When the pressure value of hydrogen generated at the cathode CA by the
なお、本実施例の水素システム200が奏する作用効果は、第1実施形態の水素システム200が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
The operation and effect of the
本実施例の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態の水素システム200と同様であってもよい。
The
(第2実施例)
本実施例の水素システム200は、以下に説明する制御器50の制御内容以外は、第1実施形態の水素システム200と同様である。
(Second embodiment)
The
制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下であるとき、気液分離器110内の水位Hに依らず、第1弁120を開放する。例えば、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下であるとき、図4のステップS3で、気液分離器110内の水位Hに依らず、第1弁120が開放される。
The
以上により、本実施例の水素システム200は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下であるとき、気液分離器110内の水位Hに依らずに、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120を開放することで、気液分離器110内の水位Hの上昇を待たずに、水素の圧力Pが高圧にならない段階で溶存水素濃度が低濃度の水を気液分離器110外に排出することができる。
As described above, the
本実施例の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態または第1実施形態の第1実施例の水素システム200と同様であってもよい。
Except for the features described above, the
(変形例)
本変形例の水素システム200は、以下に説明する制御器50の制御内容以外は、第1実施形態の水素システム200と同様である。
(Modification)
The
制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下であり、かつ気液分離器110内の水位Hが、基準水位として設定される第1の水位H1以上であるとき、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120を開放する。
The
図5は、第1実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ100のアノードANに、アノード流体として、水素(H2)が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器50の演算回路が、制御器50の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器50で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the operation of the hydrogen system according to the modification of the first embodiment. In the following operation, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode AN of the
図5のステップS1、ステップS2およびステップS3はそれぞれ、図4のステップS1、ステップS2およびステップS3のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。 Steps S1, S2, and S3 in FIG. 5 are the same as steps S1, S2, and S3 in FIG. 4, respectively, and thus detailed description will be omitted.
ステップS2で、水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である場合(P≦P1)、次の判定ステップS4に進み、ステップS4で、気液分離器110内の水位Hが、第1の水位H1以上であるか否かが判定される。
When the hydrogen pressure P is equal to or lower than the first pressure P1 (P ≦ P1) in step S2, the process proceeds to the next determination step S4, and in step S4, the water level H in the gas-
ステップS4で、気液分離器110内の水位Hが、第1の水位H1以上である場合(H≧H1)、ステップS3で、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120が開放される。これにより、気液分離器110のタンク110A内の水が、タンク110A外に排出される。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
If the water level H in the gas-
一方、ステップS4で、気液分離器110内の水位Hが、第1の水位H1未満の場合(H<H1)、第1弁120は開放されない。つまり、第1弁120の開閉状態は閉止のままである。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
On the other hand, in step S4, when the water level H in the gas-
但し、本動作は例示であって、本例に限定されない。気液分離器110内の水位Hが、第1の水位H1未満(H<H1)でも、水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である場合(P≦P1)は、第1弁120を開放しても構わない。
However, this operation is an exemplification, and is not limited to this example. Even when the water level H in the gas-
なお、ここで、水素の圧力Pが第1の圧力P1よりも大きい場合(P>P1)は、気液分離器110内の水位Hが、第1の水位H1以上であっても、第1弁120は開放されない。
Here, when the hydrogen pressure P is higher than the first pressure P1 (P> P1), even if the water level H in the gas-
また、図5には示されていないが、水素の圧力Pが第1の圧力P1よりも大きい場合(P>P1)において、気液分離器110内の水位Hが第1の水位H1以上になると、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作を停止させてもよい。電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作を停止させるための基準水位は、第1の水位H1よりも大きい第2の水位H2であってもよい。
Although not shown in FIG. 5, when the hydrogen pressure P is higher than the first pressure P1 (P> P1), the water level H in the gas-
以上により、本変形例の水素システム200は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下であり、かつ気液分離器110内の水位Hが第1の水位H1以上である適時のタイミングにおいて、気液分離器110内の水を外部に排出することができる。
As described above, in the
本変形例の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態または第1実施形態の第1実施例の水素システム200と同様であってもよい。
The
(第2実施形態)
[装置構成]
図6は、第2実施形態の水素システムの一例を示す図である。
(2nd Embodiment)
[Device configuration]
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the hydrogen system according to the second embodiment.
図6に示す例では、水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、気液分離器110と、第1弁120と、第2弁130と、バイパス弁140と、制御器50と、を備える。
In the example shown in FIG. 6, the
ここで、電気化学式水素ポンプ100、気液分離器110および第1弁120は、第1実施形態の水素システム200と同様であるので説明を省略する。
Here, the
第2弁130は、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAから排出され、気液分離器110に流入する水素が流れる流路に設けられた弁である。第2弁130は、気液分離器110に流入する水素が流れる流路を開閉できれば、どのような構成であってもよい。
The
例えば、図1に示された水素システム200では、カソードガス導出経路26は、カソードCAから気液分離器110のタンク110Aの上壁に設けられた水素流入口に延伸する上流経路26Aと、気液分離器110のタンク110Aの上壁に設けられた水素流出口から外部に延伸する下流経路26Bと、上流経路26Aと下流経路26Bとに接続するとともに、気液分離器110をバイパスするバイパス経路26Cとを備える。
For example, in the
そして、第2弁130は、バイパス経路26Cと上流経路26Aとの接続箇所よりも下流の上流経路26Aに設けられた弁130Aと、バイパス経路26Cと下流経路26Bとの接続箇所よりも上流の下流経路26Bに設けられた弁130Bとを備える。そして、バイパス経路26Cには、バイパス弁140が設けられている。
Then, the
なお、弁130A、弁130Bおよびバイパス弁140として、例えば、電磁弁などを挙げることができる。
In addition, as the
制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、第1の圧力P1よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PL以下である第2の圧力P2以上になると、第2弁130を閉止させる。例えば、図6に示す例では、第2弁130の弁130A、130Bが閉止される。このとき、バイパス弁140が開放される。これにより、カソードCAから排出された水素は、気液分離器110を経由せずに、上流経路26Aから下流経路26Bに送られる。
When the pressure P of the hydrogen boosted at the cathode CA is higher than the first pressure P1 and equal to or higher than the second pressure P2 which is equal to or lower than the upper limit PL of the
逆に、制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、第2の圧力P2未満の場合、第2弁130を開放させる。例えば、図6に示す例では、第2弁130の弁130A、130Bが開放される。このとき、バイパス弁140が閉止される。これにより、カソードCAから排出された水素は、気液分離器110のタンク110A内を通過する。よって、気液分離器110で、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素と、水素と同伴して排出される水分とが分離する。
Conversely, the
なお、第2の圧力P2は、第1の圧力P1よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力Pが高い程、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が上昇する。よって、第2の圧力P2は、例えば、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が許容値を超えない所定の圧力であってもよい。
The second pressure P2 may be set to any pressure as long as it is higher than the first pressure P1 and lower than the upper limit PL of the
一例として、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLが約40Mpa程度、第1の圧力P1が約30MPa程度、第2の圧力P2が約35MPa程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。例えば、ここでは、第2の圧力P2は、第1の圧力P1よりも大きい値に設定されているが、両者が同じ圧力であってもよい。
As an example, the pressure increase upper limit PL of the
[動作]
図7は、第2実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ100のアノードANに、アノード流体として、水素(H2)が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器50の演算回路が、制御器50の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器50で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
[motion]
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the operation of the hydrogen system according to the second embodiment. In the following operation, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode AN of the
図7のステップS1、ステップS2およびステップS3はそれぞれ、図4のステップS1、ステップS2およびステップS3のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。 Step S1, step S2, and step S3 in FIG. 7 are the same as step S1, step S2, and step S3 in FIG. 4, respectively, and thus detailed description will be omitted.
水素システム200の電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が開始されるとき、気液分離器110のタンク110A内の水を排出するための第1弁120は閉止されている。また、気液分離器110に流入する水素が流れる流路に設けられた第2弁130の弁130A、130Bは開放されている。さらに、バイパス弁140は閉止されている。
When the hydrogen pressurizing operation of the
ステップS2で、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1よりも大きい場合(P>P1)、次の判定ステップS5に進み、ステップS5で、水素の圧力Pが、第2の圧力P2以上であるか否かが判定される。ここで、ステップS5の水素の圧力Pは、水素システム200の適所に設けられた圧力検出器(図示せず)により検出されている。また、ステップS5の第2の圧力P2は、第1の圧力P1よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい予め設定される所定の圧力である。上記のとおり、第2の圧力P2は、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が過剰に高くならない所定の圧力であってもよい。
In step S2, when the pressure P of the hydrogen boosted at the cathode CA is higher than the first pressure P1 (P> P1), the process proceeds to the next determination step S5. It is determined whether the pressure is equal to or higher than the pressure P2. Here, the hydrogen pressure P in step S5 is detected by a pressure detector (not shown) provided at an appropriate position in the
ステップS5で、水素の圧力Pが第2の圧力P2以上である場合(P≧P2)、第2弁130の弁130A、130Bが閉止される。なお、このとき、バイパス弁140が開放される。これにより、カソードCAから排出された水素は、気液分離器110を経由せずに、カソードガス導出経路26の下流経路26Bに供給される。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
In step S5, when the hydrogen pressure P is equal to or higher than the second pressure P2 (P ≧ P2), the
一方、ステップS5で、水素の圧力Pが第2の圧力P2よりも小さい場合(P<P2)、第2弁130の弁130A、130Bは閉止されない。つまり、第2弁130の弁130A、130Bの開閉状態は開放のままである。なお、このとき、バイパス弁140の開閉状態は閉止のままである。これにより、気液分離器110で、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素と、水素と同伴して排出される水分とが分離する。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
On the other hand, when the hydrogen pressure P is lower than the second pressure P2 (P <P2) in step S5, the
以上により、本実施形態の水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
As described above, the
具体的には、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器110内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本実施形態の水素システム200は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが、第1の圧力P1よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PL以下である第2の圧力P2以上になると、気液分離器110に流入する水素が流れる流路に設けられた第2弁130の弁130A、130Bを閉めることで、気液分離器110内に存在する水に溶けている水素の増加を抑制することができる。その結果、本実施形態の水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作時の効率が向上する。
Specifically, the higher the pressure of hydrogen boosted at the cathode CA of the
なお、ここで、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードに水が発生する。そして、カソードCAに存在する水の一部は、カソードCAおよびアノードAN間の差圧によって電解質膜11を通じてカソードCAからアノードANに押し戻される。その結果、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが高圧になる程、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第2の圧力P2以上である場合、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素に含まれる水分量が微量であるので、カソードCAで昇圧された水素が気液分離器110を経由しないように第2弁130の弁130A、130Bを閉止させても、かかる水素に含まれる水分を適切に処理することができる。
Here, when the pressure P of the hydrogen pressurized at the cathode CA rises, water is generated at the cathode by condensing the amount of water vapor contained in the hydrogen. Then, a part of the water present in the cathode CA is pushed back from the cathode CA to the anode AN through the
例えば、カソードCAで昇圧された水素に含まれる水分を、適宜の水分除去器の吸着材により吸着除去する場合であっても、吸着材の水分吸着性能の劣化を適切に軽減することができる。なお、このような水分除去器の詳細は第4実施形態で説明する。 For example, even when the water contained in the hydrogen pressurized at the cathode CA is adsorbed and removed by the adsorbent of the appropriate water remover, the deterioration of the water adsorption performance of the adsorbent can be appropriately reduced. The details of such a water remover will be described in a fourth embodiment.
本実施形態の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例−第2実施例および第1実施形態の変形例のいずれかの水素システム200と同様であってもよい。
Except for the features described above, the
(第3実施形態)
本実施形態の水素システム200は、以下に説明する制御器50の制御内容以外は、第1実施形態の水素システム200と同様である。
(Third embodiment)
The
制御器50は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下、かつ第3の圧力P3以上であるとき、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120を開放する。
When the pressure P of the hydrogen pressurized at the cathode CA is equal to or lower than the first pressure P1 and equal to or higher than the third pressure P3, the
なお、第3の圧力P3は、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLよりも小さい第1の圧力P1未満の圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードCAに水が発生する。そして、カソードCAに存在する水の一部は、カソードCAおよびアノードAN間の差圧によって電解質膜11を通じてカソードCAからアノードANに押し戻される。その結果、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが高圧になる程、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、第3の圧力P3は、例えば、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素に含まれる水分が少なくなる所定の圧力であってもよい。
Note that the third pressure P3 may be set to any pressure as long as it is lower than the first pressure P1 which is smaller than the pressure increase upper limit PL of the
一例として、電気化学式水素ポンプ100の昇圧上限値PLが約40Mpa程度、第1の圧力P1が約30MPa程度、第3の圧力P3が約10MPa程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。例えば、第3の圧力P3は、電解質膜11の特性などに基づいて適宜の値に設定するとよい。
As an example, the upper limit PL of the
図8は、第3実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ100のアノードANに、アノード流体として、水素(H2)が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器50の演算回路が、制御器50の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器50で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of the operation of the hydrogen system according to the third embodiment. In the following operation, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode AN of the
図8のステップS1、ステップS2およびステップS3はそれぞれ、図4のステップS1、ステップS2およびステップS3のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。 Steps S1, S2, and S3 in FIG. 8 are the same as steps S1, S2, and S3 in FIG. 4, respectively, and thus a detailed description thereof will be omitted.
ステップS2で、水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である場合(P≦P1)、次の判定ステップS7に進み、ステップS7で、水素の圧力Pが第3の圧力P3以上であるか否かが判定される。 When the hydrogen pressure P is equal to or lower than the first pressure P1 (P ≦ P1) in step S2, the process proceeds to the next determination step S7, and in step S7, is the hydrogen pressure P equal to or higher than the third pressure P3? It is determined whether or not.
ステップS7で、水素の圧力Pが第3の圧力P3以上である場合(P≧P3)、ステップS3で、気液分離器110内の水を排出するための第1弁120が開放される。これにより、気液分離器110のタンク110A内の水が、タンク110A外に排出される。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
When the pressure P of the hydrogen is equal to or higher than the third pressure P3 in step S7 (P ≧ P3), the
一方、ステップS7で、水素の圧力Pが第3の圧力P3未満である場合(P<P3)、第1弁120は開放されない。つまり、第1弁120の開閉状態は閉止のままである。その後、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が継続される。
On the other hand, in step S7, when the hydrogen pressure P is lower than the third pressure P3 (P <P3), the
但し、本動作は例示であって、本例に限定されない。水素の圧力Pが第3の圧力P3未満(P<P3)でも、水素の圧力Pが第1の圧力P1以下である場合(P≦P1)は、例えば、気液分離器110内の水位が高くなると、第1弁120を開放しても構わない。
However, this operation is an exemplification, and is not limited to this example. Even when the hydrogen pressure P is lower than the third pressure P3 (P <P3), when the hydrogen pressure P is equal to or lower than the first pressure P1 (P ≦ P1), for example, the water level in the gas-
以上により、本実施形態の水素システム200は、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第1の圧力P1以下、かつ第3の圧力P3以上の適時のタイミングにおいて、気液分離器110内の水を外部に排出することができる。
As described above, the
具体的には、カソードCAで昇圧された水素の圧力Pが第3の圧力P3以上において、カソードCAからカソードガス導出経路26に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードCAで生成される水素の電気化学式水素ポンプ100による昇圧値が上昇しているとき、水素の圧力Pが第3の圧力P3になるタイミングと、水素の圧力Pが第1の圧力P1になるタイミングとの間の時間内において、気液分離器110内に溜まった水を一旦、外部に排水すると、気液分離器110内に溶存水素濃度が高濃度の水が溜まりにくくなる。
Specifically, when the pressure P of the hydrogen pressurized at the cathode CA is equal to or higher than the third pressure P3, the moisture contained in the hydrogen discharged from the cathode CA to the cathode
本実施形態の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例−第2実施例、第1実施形態の変形例および第2実施形態のいずれかの水素システム200と同様であってもよい。
Except for the features described above, the
(第4実施形態)
図9は、第4実施形態の水素システムの一例を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the hydrogen system according to the fourth embodiment.
図9に示す例では、水素システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、気液分離器110と、第1弁120と、水分除去器150と、制御器50と、を備える。
In the example shown in FIG. 9, the
ここで、電気化学式水素ポンプ100、気液分離器110、第1弁120および制御器50は、第1実施形態の水素システム200と同様であるので説明を省略する。
Here, the
水分除去器150は、気液分離器110と水素利用機器(図示せず)との間の流路に設けられ、水素が同伴する水分を除去する吸着材を含む装置である。具体的には、水分除去器150は、気液分離器110のタンク110Aの上壁に設けられた水素流出口から水素利用機器に延伸するカソードガス導出経路26に設けられている。
The
上記の水素利用機器は、水素を利用するための機器であれば、どのような装置であってもよい。水素利用機器として、例えば、水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。 The above-mentioned hydrogen utilization device may be any device as long as it is a device for utilizing hydrogen. Examples of the hydrogen utilization device include a hydrogen storage device that temporarily stores hydrogen, a fuel cell that generates power using hydrogen, and the like.
また、上記の水分除去器150の吸着材は、水素中の水蒸気などの水分を吸着除去する材料であれば、どのような材料で構成されていてもよい。吸着材の材料として、例えば、ゼオライト、シリカゲルなどの多孔質材料を挙げることができる。なお、このような吸着材が乾燥している間は水分の吸着が行われるが、やがて、吸着材の水分吸着性能が、水分が吸着することで低下するので、吸着材の交換または再生が必要となる。
The adsorbent of the
以上により、本実施形態の水素システム200は、気液分離器110により分離できなかった水蒸気などの水素に含まれる水分を、水分除去器150の吸着材により吸着除去することができる。これにより、上記の水素利用機器に、ドライ状態の水素を供給することができる。
As described above, the
本実施形態の水素システム200は、上記の特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例−第2実施例、第1実施形態の変形例、第2実施形態および第3実施形態のいずれかの水素システム200と同様であってもよい。
Except for the features described above, the
なお、第1実施形態、第1実施形態の第1実施例−第2実施例、第1実施形態の変形例、第2実施形態、第3実施形態および第4実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。 Note that the first embodiment, the first example-second example of the first embodiment, the modified example of the first embodiment, the second embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment exclude each other. Unless otherwise stated, they may be combined with each other.
また、上記の説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その動作条件、組成、構造および/または機能を実質的に変更できる。 From the above description, many modifications and other embodiments of the present disclosure are obvious to one skilled in the art. Therefore, the above description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the present disclosure. Operational conditions, compositions, structures and / or functions may be substantially changed without departing from the spirit of the present disclosure.
本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る水素システムに利用することができる。 One embodiment of the present disclosure can be used, for example, in a hydrogen system that can improve the efficiency of an electrochemical hydrogen pump during a hydrogen pressure increasing operation as compared with the related art.
11 :電解質膜
12 :カソード触媒層
13 :アノード触媒層
14 :カソードガス拡散層
15 :アノード流体拡散層
16 :カソードセパレーター
17 :アノードセパレーター
21 :絶縁体
22A :アノード給電板
22C :カソード給電板
23A :アノード絶縁板
23C :カソード絶縁板
24A :アノード端板
24C :カソード端板
25 :締結器
26 :カソードガス導出経路
26A :上流経路
26B :下流経路
26C :バイパス経路
27 :アノード流体導入マニホールド
28 :カソードガス導出マニホールド
29 :アノード流体導入経路
30 :アノード流体導出マニホールド
31 :アノード流体導出経路
32 :カソードガス流路
33 :アノード流体流路
34 :カソードガス通過経路
35 :第1アノード流体通過経路
36 :第2アノード流体通過経路
40 :シール部材
42 :シール部材
43 :シール部材
50 :制御器
100 :電気化学式水素ポンプ
100A :水素ポンプユニット
102 :電圧印加器
110 :気液分離器
110A :タンク
120 :第1弁
130 :第2弁
130A :弁
130B :弁
140 :バイパス弁
150 :水分除去器
200 :水素システム
AN :アノード
CA :カソード
11: electrolyte membrane 12: cathode catalyst layer 13: anode catalyst layer 14: cathode gas diffusion layer 15: anode fluid diffusion layer 16: cathode separator 17: anode separator 21:
Claims (6)
前記カソードから排出される水素と、前記排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器内の水を排出するための第1弁と、
前記昇圧された水素の圧力が、前記電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第1の圧力以下であるときに、前記第1弁を開放させる制御器と、を備える水素システム。 An electrochemical hydrogen pump in which protons extracted from the anode fluid at the anode move through the electrolyte membrane, and pressurized hydrogen is generated at the cathode;
A gas-liquid separator for separating hydrogen discharged from the cathode and water discharged along with the discharged hydrogen,
A first valve for discharging water in the gas-liquid separator;
A controller for opening the first valve when the pressure of the boosted hydrogen is equal to or lower than a first pressure smaller than an upper limit pressure of the electrochemical hydrogen pump.
前記制御器は、前記昇圧された水素の圧力が前記第1の圧力よりも大きく、かつ前記昇圧上限値以下である第2の圧力以上になると、前記第2弁を閉止させる請求項1から4のいずれか1項に記載の水素システム。 A second valve provided in a flow path through which hydrogen is discharged from a cathode of the electrochemical hydrogen pump and flows into the gas-liquid separator,
5. The controller according to claim 1, wherein the controller closes the second valve when the pressure of the boosted hydrogen is higher than the first pressure and equal to or higher than a second pressure that is equal to or lower than the upper limit of pressure. The hydrogen system according to any one of claims 1 to 4.
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CN114059092A (en) * | 2020-08-06 | 2022-02-18 | 本田技研工业株式会社 | Water electrolysis system |
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2018
- 2018-09-05 JP JP2018166174A patent/JP2020037724A/en active Pending
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