JP5192001B2 - 水電解システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水電解装置と、水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムの運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、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、水素イオン（プロトン）と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水素供給システムが知られている。この水素供給システムは、隔膜によって陽極側と陰極側とに隔離された電解セルを有しており、前記電解セルに水を供給し、電気分解により前記陰極側に水素ガスを発生させるとともに、前記陽極側に酸素ガスを発生させるように構成された少なくとも１つの水素・酸素発生装置を系内に具備している。

そして、水素・酸素発生装置によって発生した水素ガス及び酸素ガスのうち少なくとも水素ガスが、使用箇所に供給可能に構成されており、前記水素・酸素発生装置の電解セルの陽極側に発生する酸素ガスにより、該酸素ガスより圧力の低い状態で系内に発生する水素ガスを昇圧し得るように構成されている。

特開２００６−１３１９４２号公報

ところで、上記の水素供給システムでは、水素ガスを発生させる陰極側の圧力が、酸素ガスを発生させる陽極側の圧力よりも高圧に設定される差圧式水素生成システムを採用する場合がある。高圧水素ガスとして取り扱うことにより、迅速な水素供給処理が容易に遂行されるからである。

その際、差圧式水素生成システムでは、電解処理が停止した際に、陰極側に高圧水素ガスが存在する一方、陽極側に常圧の水及び酸素ガスが存在している。このため、電解停止後に、シールの損傷を防止すべく陰極側の圧力を徐々に開放しようとすると、その間に、水素が隔膜を透過して陽極側から陰極側に移動し易い（所謂、クロスリーク）。

これにより、陽極側の微細な空間に水素が入り込んで滞留し、システム再起動時に、滞留していた前記水素が循環水に混在して流動するという問題がある。ここで、希釈用ブロアを用いて透過水素を空気により希釈する方式が考えられる。しかしながら、多量の水素が循環水に混入し易いため、前記ブロアを大容量に設定する必要があり、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、運転停止時にアノード側に残存する水素を確実に除去することができ、効率的な水電解処理を遂行することが可能な水電解システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる水電解装置と、前記水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置とを備える水電解システムの運転方法に関するものである。

この運転方法は、水電解装置が停止されたか否かを判断する工程と、前記水電解装置が停止されたと判断した際、カソード側の圧力を脱圧する工程と、前記カソード側の脱圧が終了した状態で、アノード側に残存する水素の濃度が規定値以下になるまで、前記水循環装置の運転を行う工程とを有している。

また、この運転方法は、アノード側に残存する水素の濃度を検出し、検出された前記水素の濃度に基づいて、水循環装置の運転を制御することが好ましい。

さらに、この運転方法は、アノード側に残存する水素の濃度と水循環装置の運転時間との関係に基づいて制御マップを作成し、前記制御マップに沿って前記水循環装置の運転を制御することが好ましい。

さらにまた、この運転方法は、アノード側に残存する水素の濃度と水循環装置のポンプ回転数との関係に基づいて制御マップを作成し、前記制御マップに沿って前記水循環装置の運転を制御することが好ましい。

本発明によれば、水電解装置が停止されてカソード側の脱圧処理が完了した状態で、アノード側に透過して残存している水素は、規定濃度以下に削減されている。このため、再起動時に、循環水に伴って高濃度の水素が流通することがなく、水電解装置に不要に高濃度な水素が供給されることを可及的に阻止することが可能になる。

これにより、大型な希釈用ブロアが不要になるとともに、簡単な工程で、運転停止時にアノード側に残存する水素を確実に除去することができ、効率的な水電解処理を遂行することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記運転方法を説明するフローチャートである。 従来方法と第１の実施形態とにおいて、再起動時の酸素排気中の水素濃度の説明図である。 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。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム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（常圧よりも高圧な水素）を製造する水電解装置１２と、前記水を前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１４と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び水素（ガス成分）を、前記水循環装置１４内の水から分離し、前記水を貯留する気液分離装置１６と、前記気液分離装置１６に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、コントローラ（制御部）２０とを備える。

水電解装置１２は、複数の単位セル２４を積層して構成される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電源３８のマイナス極に接続される。

図２に示すように、単位セル２４は、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。

アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２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５０及びカソード側給電体５２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。

単位セル２４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に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂ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。

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４６ａには、水素連通孔６０に連通する水素排出通路６６が設けられる。面４６ａには、水素排出通路６６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。

アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、水循環装置１４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及びイオン交換器７６を配置して気液分離装置１６を構成するタンク部７８の底部に接続される。タンク部７８の上部には、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の他端部は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。

タンク部７８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７８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。酸素排気配管８６には、水素濃度を検出するための水素濃度検出器８７が配設される。なお、タンク部７８には、水素希釈用のブロアＢＲが必要に応じて装着される。

水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の他端は、図示しない高圧水素供給部（燃料タンク等）に接続される。

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、図３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のシステム電源がオンされると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、前記水電解システム１０のアンドリング運転が開始される。そして、電解スイッチがオンされると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、水電解運転が開始される。

水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、気液分離装置１６を構成するタンク部７８に供給される。一方、水循環装置１４では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８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。また、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。

このため、図２に示すように、各単位セル２４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の外部に高圧水素配管８８を介して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１４の戻り配管８０に排出される（図１参照）。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて気液分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６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。

次いで、ステップＳ５に進んで、電解スイッチがオフされたと判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６で循環ポンプ７４がオンされているか否かが判断される。循環ポンプ７４が、オンされていないと判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、非常信号が出力される。

一方、循環ポンプ７４がオンされていると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、第２流路６８の脱圧工程が実施される。第２流路６８は、水素が生成されており、酸素が生成される第１流路６４よりも高圧に設定されている。このため、第２流路６８に連通する高圧水素配管８８から分岐する図示しないパージ流路に水素ガスを放出させることにより、第２流路６８の脱圧処理が行われる。

この脱圧工程は、水電解装置１２を構成するシール部材７０ａ、７０ｂ等に急速な脱圧処理による影響（損傷等）を与えないように、徐々に脱圧処理が行われている。従って、差圧式の水電解装置１２では、第２流路６８に生成された水素は、固体高分子電解質膜４８を透過して第１流路６４に移動し易い。

ここで、循環ポンプ７４が駆動されている。これにより、第１流路６４に移動した水素は、未反応の水及び残存酸素に伴って戻り配管８０に排出され、タンク部７８内に導入される。

第２流路６８が常圧まで脱圧されて脱圧処理が完了すると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、酸素排気配管８６に排出される水素濃度が、水素濃度検出器８７により検出される。そして、検出された水素濃度が、規定濃度以下であると判断されると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、循環ポンプ７４がオフされる。さらに、ステップＳ１２に進み、システム電源がオフされることにより（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、水電解システム１０の運転が停止される。

この場合、第１の実施形態では、水電解装置１２が停止された後、第２流路６８（カソード側）の脱圧処理が完了した状態で、第１流路６４（アノード側）に残存する水素は、循環ポンプ７４の駆動作用下に規定濃度以下に削減されている。このため、水電解装置１２の再起動時に、循環水に伴って高濃度の水素が流通することがなく、前記水電解装置１２に不要に高濃度な水素が供給されることを可及的に阻止することが可能になる。

これにより、希釈用ブロアＢＲを良好に小型化することができ、経済的である。しかも、簡単な工程で、運転停止時に第１流路６４側に残存する水素を、良好に除去することが可能になり、効率的な水電解処理を遂行することができるという効果が得られる。

具体的には、図４に示すように、水電解装置１２の停止後に、循環ポンプ７４を駆動しない従来方法と、第１の実施形態とにおける酸素排気中の水素濃度を検出した。この結果、第１の実施形態では従来方法に比べて、再起動時の酸素排気中の水素濃度が大幅に低減される。

次に、本発明の第２の実施形態に係る運転方法について、図５に示すフローチャートに沿って以下に説明する。なお、実質的には、第１の実施形態の運転方法と同様に、水電解システム１０が使用される。

第２の実施形態では、コントローラ２０には、予め水循環装置１４を構成する循環ポンプ７４を駆動するための制御マップが記憶されている。この制御マップは、水電解装置１２の停止後に、第１流路６４側に残存する水素濃度と、水循環装置１４の運転時間との関係に基づいた制御マップや、前記第１流路６４側に残存する前記水素濃度と、前記水循環装置１４を構成する循環ポンプ７４のポンプ回転数との関係に基づいた制御マップである。

そこで、システム電源がオンされた後（ステップＳ２１）、ステップＳ２９までの処理が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ９と同様に行われる。さらに、脱圧処理が完了した後（ステップＳ２９中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０に進み、コントローラ２０に記憶されている制御マップによる制御が完了したか否かが判断される。

水循環装置１４の運転制御が、制御マップに沿って完了したと判断すると（ステップＳ３０中、ＹＥＳ）、ステップＳ３１に進んで、循環ポンプ７４がオフされる。

これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、制御マップに基づいて水循環装置１４の制御を行うだけでよく、特に、比較的高価な水素濃度検出器８７が不要になり、経済的であるという利点がある。

１０…水電解システム １２…水電解装置
１４…水循環装置 １６…気液分離装置
１８…水供給装置 ２０…コントローラ
２４…単位セル ３８…電源
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 ６４、６８…流路
６６…水素排出通路 ７２…循環配管
７４…循環ポンプ ７６…イオン交換器
７８…タンク部 ８０…戻り配管
８４…純水供給配管 ８６…酸素排気配管
８７…水素濃度検出器 ８８…高圧水素配管

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる水電解装置と、
   前記水を前記水電解装置に循環させる水循環装置と、
   前記水電解装置から排出されるガス成分を、前記水循環装置内の前記水から分離する気液分離装置と、
   前記気液分離装置に連結され、前記気液分離装置内で分離された前記ガス成分を排気する排気配管と、
   を備える水電解システムの運転方法であって、
   前記水電解装置が停止されたか否かを判断する工程と、
   前記水電解装置が停止されたと判断した際、前記水循環装置の運転を継続した状態で前記カソード側の圧力を脱圧する工程と、
   前記カソード側の脱圧が終了した状態で、前記アノード側に残存する前記水素の濃度が規定値以下になるまで、前記水循環装置の運転を継続する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記アノード側に残存する前記水素の濃度を検出し、検出された前記水素の濃度に基づいて、前記水循環装置の運転を制御することを特徴とする水電解システムの運転方法。
3. 請求項１記載の運転方法において、前記アノード側に残存する前記水素の濃度と前記水循環装置の運転時間との関係に基づいて制御マップを作成し、前記制御マップに沿って前記水循環装置の運転を制御することを特徴とする水電解システムの運転方法。
4. 請求項１記載の運転方法において、前記アノード側に残存する前記水素の濃度と前記水循環装置のポンプ回転数との関係に基づいて制御マップを作成し、前記制御マップに沿って前記水循環装置の運転を制御することを特徴とする水電解システムの運転方法。

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