JP5192004B2 - 水電解システムの停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、水電解装置、気液分離器及び水循環装置を備える水電解システムの停止方法に関する。

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（未反応水）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いる。さらに、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、シールやＭＥＡの損傷等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、簡単な構成及び工程で、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停止方法を提供することを目的とする。

さらにまた、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、前記水電解装置の水排出口から排出される未反応水及び生成された気体を気液分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間で前記水を循環させる水循環装置とを備え、前記水循環装置は、前記水電解装置の前記水排出口と前記気液分離装置とを繋ぐ戻り配管に開閉弁を配設するとともに、前記水排出口と前記開閉弁との間には、排気用弁が配設された水素排気管が接続される水電解システムの停止方法に関するものである。

この停止方法は、水電解装置を停止させると同時に、水循環装置の運転を停止させる第１の工程と、開閉弁を閉塞する一方、排気用弁を開放する第２の工程とを有している。

また、この停止方法は、第１の工程と第２の工程とを同時に行うことが好ましい。

さらに、この停止方法は、水電解システムに、定常停止処理以外の異常停止処理が発生した際、各第１工程及び第２の工程を行うことが好ましい。

本発明によれば、水電解装置が停止される際、開閉弁が閉塞されるため、アノード側に透過した水素は、前記開閉弁と前記水電解装置の水排出口との間に接続されている水素排気管に排出される。このため、カソード側の脱圧処理が円滑に遂行され、シールやＭＥＡの損傷等が抑制されるとともに、アノード側に透過して残存している水素は、予期せぬ部位から放出されることがない。しかも、アノード側には、高圧用の耐圧構造を採用する必要がなく、経済的である。

これにより、簡単な構成及び工程で、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の停止方法を説明するフローチャートである。 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（気体成分）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。

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（水排出口）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。

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。

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を備える。この循環配管７２は、循環ポンプ７４及び水の逆流を阻止する弁、例えば、逆止弁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。

戻り配管８０には、開閉弁、例えば、電磁弁８２が配設されるとともに、水電解装置１２の水排出口である排出連通孔５８と前記電磁弁８２との間には、前記水電解装置１２よりも上方に延在する水素排気管８４が接続される。水素排気管８４には、排気用弁、例えば、排気用電磁弁８６が配設される。なお、排気用電磁弁８６は、安全弁又は背圧弁でもよい。

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８８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９０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９２の一端が接続され、この高圧水素配管９２の他端は、図示しない背圧弁を介して高圧水素供給部（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、以下に説明する。

先ず、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、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９２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。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から水電解装置１２の水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管９０から外部に排出される。

次いで、第１の実施形態に係る停止方法について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

水電解システム１０の運転中に、異常が検知されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２以降に進む。ここで、異常検知とは、水電解システム１０に、定常停止処理以外の異常停止処理の発生を検知した場合をいう。具体的には、水電解システム１０内の圧力異常、温度異常、水素濃度異常又は気液分離装置１６の水位異常等が発生した場合を含む。

コントローラ２０は、上記の異常を検出すると、水電解装置１２の運転を停止させると同時に（ステップＳ２）、水循環装置１４を構成する循環ポンプ７４の運転を停止させる（ステップＳ３）。さらに、電磁弁（開閉弁）８２を閉塞する一方（ステップＳ４）、排気用電磁弁（排気用弁）８６を開放する（ステップＳ５）。なお、上記のステップＳ２〜ステップＳ５は、好適には同時に行われている。

従って、図３に示すように、水電解装置１２の排出連通孔５８は、気液分離装置１６から遮断される一方、水素排気管８４に連通している。また、第２流路６８には、水素が生成されており、この第２流路６８は、酸素が生成されている第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に残存する高圧水素は、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。

第１流路６４に移動した水素は、水電解装置１２の排出連通孔５８から水素排気管８４に移動する。これにより、水素は、水素排気管８４を通って図示しない水素排気処理部（例えば、希釈器）に排出される。

なお、循環配管７２には、逆止弁７６が配置されており、循環ポンプ７４がオフされても、水電解装置１２の水供給連通孔５６から前記循環配管７２に水が逆流することがない。また、逆止弁７６に代えて、電磁弁等が使用される際には、循環ポンプ７４がオフされると同時に、前記電磁弁等をオフ（閉弁）させる必要がある。

上記のように、第１の実施形態では、水電解装置１２が停止される際、電磁弁８２が閉塞されている。従って、第１流路６４（アノード側）に透過した水素は、電磁弁８２と水電解装置１２の排出連通孔５８との間に接続されている水素排気管８４に排出される。

このため、第２流路６８（カソード側）の脱圧処理が円滑に遂行され、シールやＭＥＡの損傷等が抑制されるとともに、アノード側に透過して残存している水素は、予期せぬ部位から放出されることがない。しかも、アノード側には、高圧用の耐圧構造を採用する必要がなく、経済的である。

これにより、簡単な構成及び工程で、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という効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１００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。

水電解システム１００は、水循環装置１０２を備えるとともに、前記水循環装置１０２は、循環配管７２に第１逆止弁７６ａと第２逆止弁７６ｂが直列に配置される。戻り配管８０には、開閉弁、例えば、第１電磁弁８２ａと第２電磁弁８２ｂとが直列に配設される。

水素排気管８４には、分岐管１０４が設けられるとともに、前記水素排気管８４と前記分岐管１０４とには、排気用弁、例えば、第１排気用電磁弁８６ａと第２排気用電磁弁８６ｂとが互いに並列して配設される。

このように構成される第２の実施形態では、第１逆止弁７６ａと第２逆止弁７６ｂが直列に配設され、第１電磁弁８２ａと第２電磁弁８２ｂとが直列に配設され、さらに第１排気用電磁弁８６ａと第２排気用電磁弁８６ｂとが並列に配設されている。従って、水電解システム１００の制御が、一層確実に遂行されるという効果が得られる。

１０、１００…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
７２…循環配管 ７４…循環ポンプ
７６、７６ａ、７６ｂ…逆止弁 ７８…タンク部
８０…戻り配管 ８２、８２ａ、８２ｂ…電磁弁
８４…水素排気管 ８６、８６ａ、８６ｂ…排気用電磁弁

Claims (3)

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、
   前記水電解装置の水排出口から排出される未反応水及び生成された気体を気液分離する気液分離装置と、
   前記水電解装置と前記気液分離装置との間で前記水を循環させる水循環装置と、
   を備え、
   前記水循環装置は、前記水電解装置の前記水排出口と前記気液分離装置とを繋ぐ戻り配管に開閉弁を配設するとともに、
   前記水排出口と前記開閉弁との間には、排気用弁が配設された水素排気管が接続される水電解システムの停止方法であって、
   前記水電解装置を停止させると同時に、前記水循環装置の運転を停止させる第１の工程と、
   前記開閉弁を閉塞する一方、前記排気用弁を開放する第２の工程と、
   を有し、
   前記カソード側で発生した水素を、前記電解質膜を透過させて前記アノード側に移動させ、さらに、前記排気用弁から排出させることで、前記カソード側の脱圧を行うことを特徴とする水電解システムの停止方法。
2. 請求項１記載の停止方法において、前記第１の工程と前記第２の工程とを同時に行うことを特徴とする水電解システムの停止方法。
3. 請求項１又は２記載の停止方法において、前記水電解システムに、定常停止処理以外の異常停止処理が発生した際、前記第１の工程及び前記第２の工程を行うことを特徴とする水電解システムの停止方法。

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