JP5220432B2 - 水素生成システム - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離部とを備える水素生成システムに関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。この種のシステムでは、燃料である水素を製造するために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。

この水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型水電解水素製造装置が知られている。

この水素製造装置は、図４に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解層１と、前記陰極に発生した水素と水を分離する水素気液分離器２と、前記陽極に発生した酸素と水を分離する酸素気液分離器３と、前記水電解層１に水を循環供給する水循環ライン４と、前記水素気液分離器２に設けられ、流量調整弁５ａを備えた水素ライン６と、前記酸素気液分離器３に設けられ、酸素圧力調整弁５ｂを備えた酸素ライン７とを備えている。

特開２００５−１８７９１６号公報

ところで、この種のシステムでは、水電解層１から高圧（例えば、３５ＭＰａ）の水素を生成する高圧水電解システムが採用されている。このため、水を含んだ高圧水素は、水素気液分離器２に導入され、水素と水の分離が行われるとともに、前記水素気液分離器２では、内部が高圧に保持された状態で、水を排出させる必要がある。

その際、例えば、水素気液分離器２内の水を常圧下（大気）へ排出しようとすると、大きな圧力差によって水が急速に排出され、前記水素気液分離器２内の水素ガスが漏洩するおそれがある。しかも、水素気液分離器２内の水素変動が急激となり、この水素気液分離器２内の水を所望量だけ排出する制御が困難にな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、生成された高圧水素に含まれる水を良好に除去するとともに、円滑且つ確実な排水処理が遂行可能な水素生成システムを提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離部とを備える水素生成システムに関するものである。ここで、高圧水素とは、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの範囲内の水素をいう。

気液分離部は、液水を排出する排水ラインと、水分が除去された高圧水素を送出する水素ラインとを備えるとともに、前記排水ラインには、少なくとも１つの減圧弁と開閉弁とが、排水流れ方向に沿って順次配設されている。

また、水素ラインには、水電解部から生成される水素を昇圧するための圧力調整弁が配設されることが好ましい。

さらに、気液分離部には、排水を行うための最上水位と、前記排水を停止するための最低水位とを検出するセンサが配設されることが好ましい。

本発明によれば、開閉弁が閉塞されることにより、気液分離部内の水が増加する一方、前記開閉弁が開放されることにより、前記気液分離部内から排水ラインに排水が開始される。その際、開閉弁の上流に配置されている減圧弁の作用下に、前記減圧弁の二次側の圧力が設定圧力に減圧されるため、高圧な気液分離部から排水ラインに一気に排水されることがない。

従って、気液分離部から排水ラインに水と共に水素が排出されることを良好に阻止するとともに、急激な水位変動を回避することができ、水素生成処理が効率的且つ経済的に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素生成システム１０の概略構成説明図である。

水素生成システム１０は、純水供給装置１２から純水循環路１１を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置（水電解部）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置（気液分離部）１８と、前記気液分離装置１８から水素ライン２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着装置２２と、前記水素生成システム１０全体の運転を制御するコントローラ２３とを備える。

水電解装置１４は、複数の水分解セル２４を積層して構成される。水分解セル２４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を用い、この固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた電解質膜・電極構造体を構成する。電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設され、実質的に燃料電池と同様に構成される。

水分解セル２４の積層方向一端には、配管２６ａ、２６ｂ及び２６ｃが接続される。配管２６ａ、２６ｂは、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる一方、配管２６ｃは、水素導出路１６を介して気液分離装置１８を構成する第１気液分離器１８ａに接続される。

第１気液分離器１８ａには、貯留される水の高さを検出することにより、排水を行うための最上水位Ｈｈｉと、前記排水を停止するための最低水位Ｈｌｏとを検出する水位センサ２７が配設される。第１気液分離器１８ａには、排水ライン２８の一端が接続され、前記排水ライン２８は、純水供給装置１２を介装して水電解装置１４の配管２６ａに接続される。

排水ライン２８には、減圧弁３０と電磁弁（開閉弁）３２とが、排水流れ方向（矢印Ａ方向）に沿って順次配設される。電磁弁３２の下流には、絞り３４が配設される。減圧弁３０は、一次側圧力（１ＭＰａ〜７０ＭＰａ、例えば、３５ＭＰａ）を所定の二次側圧力（例えば、０．５ＭＰａ）に減圧するよう設定される。

水素ライン２０には、水電解装置１４から生成される水素を、例えば、３５ＭＰａの圧力に昇圧するための圧力調整弁（背圧弁）３６と、高圧水素を冷却してこの高圧水素に含まれる水分量を減少させるための冷却器３８と、前記冷却器３８により凝縮された水分を除去するための第２気液分離器１８ｂとが配設される。第２気液分離器１８ｂは、上記の第１気液分離器１８ａと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

吸着装置２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、加熱により水分を蒸発脱着して再生される水分吸着剤を充填した第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂを備える。水分吸着剤としては、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。第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂとしては、通常、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置の加熱吸着塔が使用される。

第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂは、水素流れ方向に沿って直列に配置されるとともに、前記第１吸着塔４２ａは、前記第２吸着塔４２ｂよりも大きな容積に設定される。第１吸着塔４２ａ及び第２吸着塔４２ｂを周回して円筒状の第１ヒータ４４ａ及び第２ヒータ４４ｂが配設される。なお、第１ヒータ４４ａ及び第２ヒータ４４ｂに代えて、触媒燃焼部（図示せず）を採用してもよい。

第１吸着塔４２ａと第２吸着塔４２ｂとの間には、露点計４６が配置される。この露点計４６は、第１吸着塔４２ａが飽和状態に至ったこと、すなわち、所望の吸着機能が得られない状態に至ったことを検知する。

第１吸着塔４２ａの入口及び出口には、弁４８ａ、４８ｂが設けられており、前記第１吸着塔４２ａは、水素ライン２０から取り外し可能である。第２吸着塔４２ｂの出口側には、第２圧力調整弁４９を介してドライ水素ライン５０が設けられる。ドライ水素ライン５０には、高圧タンク５２が配設されるとともに、燃料供給路５４が弁５６を介して分岐される。この燃料供給路５４には、車両充填部５８が設けられており、前記車両充填部５８から燃料電池車両６０の図示しない燃料タンクに燃料である水素が充填可能である。

このように構成される水素生成システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、純水供給装置１２では、純水循環路１１に純水が導出されており、この純水は、配管２６ａから水電解装置１４内に供給される。水電解装置１４では、各水分解セル２４で水が電気により分解されて水素が生成されており、電磁弁３２が閉塞されることによって、高圧水素（例えば、３５ＭＰａ）が得られる。この高圧水素は、配管２６ｃを介して水電解装置１４の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素と、使用済みの水とは、配管２６ｂを介して純水供給装置１２に戻される。

水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧の水素は、水素導出路１６を介して第１気液分離器１８ａに送られる。この第１気液分離器１８ａでは、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されて排水ライン２８に戻される一方、前記水素は、水素ライン２０に供給可能である。

そこで、圧力調整弁３６が開放されることにより水素ライン２０に供給された水素は、冷却器３８に導入されて所定の温度（例えば、５℃程度）に冷却され、この水素に含まれる水分を液化させる。液化された水分は、第２気液分離器１８ｂで除去されるため、一層水分量が減少された水素は、吸着装置２２に送られる。

吸着装置２２では、弁４８ａ、４８ｂが開放されており、水素は、最上流に配置されている第１吸着塔４２ａに導入される。この第１吸着塔４２ａ内では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（以下、ドライ水素ともいう）が得られ、このドライ水素は、第２吸着塔４２ｂを通過してドライ水素ライン５０に導出される。

ドライ水素ライン５０に導出されたドライ水素は、高圧タンク５２に貯蔵される一方、前記ドライ水素の一部は、必要に応じて弁５６の開放作用下に燃料供給路５４に供給され、車両充填部５８から燃料電池車両６０に充填される。

この場合、第１の実施形態では、気液分離装置１８を構成する電磁弁３２が閉塞されており、第１気液分離器１８ａ内には、高圧水素に含まれる水分が液化して貯留されている。この第１気液分離器１８ａ内の水位は、水位センサ２７により検出されており、前記第１気液分離器１８ａ内の水位が、最上水位Ｈｈｉになったとき、電磁弁３２が開放される。

このため、第１気液分離器１８ａ内の水は、排水ライン２８から純水供給装置１２に排出される。その際、減圧弁３０は、二次側圧力が大気圧、すなわち、０．５ＭＰａに維持されるように設定されており、第１気液分離器１８ａから、例えば３５ＭＰａの圧力で排出される水は、この減圧弁３０で常圧まで減圧されて純水供給装置１２側に排出されている。

従って、相当に高圧な第１気液分離器１８ａから一気に排水されることがなく、比較的緩やかな排出速度で排水が遂行される。これにより、第１気液分離器１８ａから水と共に水素が排水ライン２８に排出されることを良好に阻止するとともに、急激な水位変動を回避することができ、水素生成処理が効率的且つ経済的に遂行可能になるという効果が得られる。

そして、水位センサ２７により、第１気液分離器１８ａ内の水位が最低水位Ｈｌｏに至ったことが検出されると、電磁弁３２が閉塞されて排水処理が停止される。このため、第１気液分離器１８ａ内の水が全て排出された後、水素が排水ライン２８に排出されることを良好に阻止することができる。なお、上記の処理は、水素生成システム１０の運転時に繰り返し行われる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る水素生成システム７０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水素生成システム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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水素生成システム７０は、気液分離装置（気液分離部）７２を備える。この気液分離装置７２は、第１気液分離器１８ａの底部に接続される排水ライン２８を有するとともに、前記排水ライン２８には、第１減圧弁３０ａ、第２減圧弁３０ｂ及び電磁弁３２が排水流れ方向に沿って、順次、配設される。

第１減圧弁３０ａは、一次側圧力（例えば、３５ＭＰａ）を所定の二次側圧力（例えば、１０ＭＰａ）に減圧し、第２減圧弁３０ｂは、一次側圧力（例えば、１０ＭＰａ）を所定の二次側圧力（例えば、０．５ＭＰａ）に減圧するように設定される。

このように構成される第２の実施形態では、水位センサ２７により第１気液分離器１８ａ内の水位が、最上水位Ｈｈｉに至ったことが検出されると、電磁弁３２が開放される。このため、第１気液分離器１８ａ内の水は、第１減圧弁３０ａを介して高圧状態（例えば、３５ＭＰａ）から中圧状態（例えば、１０ＭＰａ）に減圧された後、第２減圧弁３０ｂを介して常圧状態（例えば、０．５ＭＰａ）に減圧されている。

従って、第１気液分離器１８ａ内の水は、段階的に常圧（大気圧）まで減圧された後、純水供給装置１２に導入されている。これにより、第１気液分離器１８ａ内の高圧な水は、一気に純水供給装置１２側に排出されることがなく、前記第１気液分離器１８ａから水素が排出されることを阻止するとともに、急激な水位変動を回避することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、電磁弁３２の上流側に第１減圧弁３０ａと、第２減圧弁３０ｂとが配設されているが、これに限定されるものではなく、例えば、３以上の減圧弁を直列に配置してもよい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る水素生成システム９０の概略構成説明図である。

水素生成システム９０は、気液分離装置（気液分離部）９２を備える。気液分離装置９２を構成する第１気液分離器１８ａに接続される水素ライン２０には、第１背圧弁９４ａと電磁弁（開閉弁）９６とが水素流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って、順次、配設される。第１気液分離器１８ａの底部に接続される排水ライン２８には、第２背圧弁９４ｂと減圧弁９８とが排水流れ方向に沿って、順次、配設される。第２背圧弁９４ｂの設定圧力は、第１背圧弁９４ａの設定圧力よりも大きな値に設定される。

このように構成される第３の実施形態では、通常運転状態において、電磁弁９６が開放されており、第１気液分離器１８ａにより水分が除去された水素は、第１背圧弁９４ａの開放作用下に、水素ライン２０に送出される。一方、第２背圧弁９４ｂは、第１背圧弁９４ａよりも設定圧力が高いため、閉塞状態であり、第１気液分離器１８ａ内の水が排水ライン２８に排出されることを阻止する。

そして、第１気液分離器１８ａ内の水位が、最上水位Ｈｈｉに至ったことが検出されると、電磁弁９６が閉塞され、前記第１気液分離器１８ａ内の圧力が上昇する。第１気液分離器１８ａ内が所定圧以上に昇圧すると、第２背圧弁９４ｂが開放され、排水ライン２８に排水が開始される。その際、排水は、第２背圧弁９４ｂの下流に配置されている減圧弁９８の減圧作用下に、常圧（例えば、０．５ＭＰａ）に減圧されて、純水供給装置１２に送られる。

次に、第１気液分離器１８ａ内の水が、最低水位Ｈｌｏに至ったことが検出されると、電磁弁９６が開放される。このため、第１気液分離器１８ａ内の水素が水素ライン２０に送出されて、この第１気液分離器１８ａ内の圧力が低下し、第２背圧弁９４ｂが閉塞されて排水ライン２８への排水処理が終了する。

これにより、第３の実施形態では、第１気液分離器１８ａ内の高圧な水は、排水ライン２８に一気に排出されることがなく、前記排水ライン２８に水素が排出されることを良好に阻止するとともに、急激な水位変動を回避することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る水素生成システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子型水電解水素製造装置の説明図である。

符号の説明

１０、７０、９０…水素生成システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８、７２、９２…気液分離装置 １８ａ、１８ｂ…気液分離器
２０…水素ライン ２２…吸着装置
２３…コントローラ ２４…水分解セル
２７…水位センサ ２８…排水ライン
３０、３０ａ、３０ｂ、９８…減圧弁 ３２、９６…電磁弁
３６…圧力調整弁 ３８…冷却器
９４ａ、９４ｂ…背圧弁

Claims (2)

1. 水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離部とを備える水素生成システムであって、
   前記気液分離部は、液水を排出する排水ラインと、
   前記水分が除去された前記高圧水素を送出する水素ラインと、
   排水を行うための最上水位と、前記排水を停止するための最低水位とを検出するセンサと、
   を備えるとともに、
   前記水素ラインには、前記水電解部から生成される水素を昇圧するための圧力調整弁が配設され、
   前記排水ラインには、１又は複数の減圧弁と開閉弁とが、排水流れ方向に沿って順次配設され、
   前記１又は複数の減圧弁のうち最下流側に配設される減圧弁は、該減圧弁の下流側の圧力を大気圧まで減圧するように設定されることを特徴とする水素生成システム。
2. 請求項１記載の水素生成システムにおいて、
   前記排水ラインは、前記水電解部に前記水を供給する水供給部に接続されることを特徴とする水素生成システム。

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