JP5421876B2 - 水電解システム及びその脱圧方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体間に電解電圧を印加することにより、水を電気分解してアノード側電解室に酸素とカソード側電解室に水素とを発生させるとともに、少なくとも水素発生部位を周回するシール部材を備える水電解装置を備える水電解システム及びその脱圧方法に関する。

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、アノード側給電体及びカソード側給電体を配設してユニットが構成されている。

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。

この種の水電解装置として、例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置が知られている。この水素・酸素発生装置は、図１２に示すように、環状の電極板１を備えており、この電極板１の両面には、電位が逆となる陰極室２及び陽極室３が形成されている。

陽極室３には、純水供給経路３ａを介して純水が供給されるとともに、前記陽極室３に連通する酸素ガス経路３ｂには、生成された酸素が排出されている。酸素ガス経路３ｂは、酸素ガス捕集室３ｃに連通している。一方、陰極室２には、水素ガス経路２ａの一端が連通するとともに、前記水素ガス経路２ａの他端には、水素ガス捕集室２ｂが連通している。

酸素ガス捕集室３ｃの両側には、それぞれＯリングからなるシール部材４ａ、４ｂが配置されるとともに、水素ガス捕集室２ｂの両側には、それぞれＯリングからなるシール部材５ａ、５ｂが配設されている。

特開平８−２３９７８６号公報

ところで、通常、上記の水電解処理において、数十ＭＰａ（例えば、〜７０ＭＰａ）の高圧水素を生成する場合がある。その際、上記の特許文献１により高圧水素を生成しようとすると、水素ガス捕集室２ｂには、高圧水素が充填される一方、酸素ガス捕集室３ｃには、常圧の酸素及び水が存在している。

このため、運転停止時には、固体高分子電解質膜（図示せず）を保護するために、前記固体高分子電解質膜の両側の圧力差を解除する必要がある。具体的には、給電体への電力の供給を０にして水電解処理を停止した後、陰極室２、水素ガス経路２ａ及び水素ガス捕集室２ｂを含むカソード側の水素ガス通路系に充填されている水素の圧力を強制的に脱圧し、前記水素の圧力を常圧付近まで減圧させる処理が行われている。

その際、水素圧力の減圧が急激に行われると、特に、シール部材５ａ、５ｂに対して損傷を与えるおそれがある。すなわち、シール部材５ａ、５ｂには、水電解処理時に内部に水素ガスが透過しており、カソード側が数十ＭＰａから大気圧（常圧）まで急激に減圧されると、前記シール部材５ａ、５ｂの内部に透過した水素が急膨脹し易い。

従って、シール部材５ａ、５ｂの内部から外部に水素が透過する速度以上に、減圧による水素の体積膨脹が促進されると、前記シール部材５ａ、５ｂの強度低下が惹起する。これにより、水電解処理と停止とが交互に行われてシール部材５ａ、５ｂの内部における水素の体積膨脹と収縮とが繰り返されると、前記シール部材５ａ、５ｂに機械的破損が惹起されるという問題がある。

さらに、上記の脱圧処理では、カソード側の水素ガス通路系から排出される水素は、廃棄されている。従って、運転停止時には、使用されることがなく無駄に廃棄される水素が存在してしまい、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、運転停止後の脱圧時に、シール部材の破損を可及的に回避するとともに、水素の廃棄を阻止することが可能な水電解システム及びその脱圧方法を提供することを目的とする。

本発明に係る水電解システムは、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体間に電解電圧を印加することにより、水を電気分解してアノード側電解室に酸素とカソード側電解室に水素とを発生させるとともに、少なくとも水素発生部位を周回するシール部材を備える水電解装置と、前記水電解装置から前記水素を排出する水素配管に接続され、該水素を貯蔵する水素貯蔵部と、前記水素配管から分岐し且つ前記水素貯蔵部に接続され、前記カソード側電解室の減圧処理を行う際に排出される前記水素を流通させて減圧制御を行う脱圧配管と、前記脱圧配管に配設されるポンプ装置と、前記ポンプ装置の前記水電解装置側である１次側圧力と前記水素貯蔵部側である２次側圧力とを検出する圧力検出装置と、前記２次側圧力が前記１次側圧力未満である際に、前記水素の減圧処理を行う一方、前記２次側圧力が前記１次側圧力と同一の圧力以上であることが検出された際、前記ポンプ装置を制御して前記水素を１次側から２次側に強制的に供給する制御装置とを備えている。

また、この水電解システムでは、脱圧配管には、ポンプ装置を迂回する迂回配管の両端が接続されるとともに、前記迂回配管には、前記ポンプ装置を迂回して水電解装置から水素貯蔵部に供給される水素の圧力を調整可能な弁機構が配設されることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、ポンプ装置は、イオン交換膜の両側にそれぞれ触媒が担持された電極を設ける膜・電極構造体と、前記電極間に電圧を印加するとともに、極性を反転可能な直流電源とを備えることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、脱圧配管には、複数のポンプ装置が並列されるとともに、前記脱圧配管と各ポンプ装置とは、個別に遮断可能な開閉弁を介して連通することが好ましい。

また、この水電解システムでは、水電解装置は、カソード側電解室に、酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式水電解装置であることが好ましい。

さらに、本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体間に電解電圧を印加することにより、水を電気分解してアノード側電解室に酸素とカソード側電解室に水素とを発生させるとともに、少なくとも水素発生部位を周回するシール部材を備える水電解装置と、前記水電解装置から前記水素を排出する水素配管に接続され、該水素を貯蔵する水素貯蔵部と、前記水素配管から分岐し且つ前記水素貯蔵部に接続され、前記カソード側電解室の減圧処理を行う際に排出される前記水素を流通させて減圧制御を行う脱圧配管と、前記脱圧配管に配設されるポンプ装置とを備える水電解システムの脱圧方法に関するものである。

この脱圧方法では、水電解装置の運転を停止してカソード側電解室の減圧処理を行う際、前記カソード側電解室から排出される水素を脱圧配管に流通させる工程と、ポンプ装置の前記水電解装置側である１次側圧力と水素貯蔵部側である２次側圧力とを検出する工程と、前記２次側圧力が前記１次側圧力未満である際に、前記水素の減圧制御を行う工程と、前記２次側圧力が前記１次側圧力と同一の圧力以上であることが検出された際、前記ポンプ装置を制御して前記水素を１次側から２次側に強制的に供給する工程とを有している。

さらにまた、この脱圧方法では、脱圧配管には、ポンプ装置を迂回する迂回配管の両端が接続されるとともに、前記迂回配管には、２次側圧力が１次側圧力よりも低圧である際に、前記ポンプ装置を迂回して水電解装置から水素が供給されることが好ましい。

また、この脱圧方法では、ポンプ装置は、イオン交換膜の両側にそれぞれ触媒が担持された電極を設ける膜・電極構造体と、前記電極間に電圧を印加するとともに、極性を反転可能な直流電源とを備え、脱圧配管に複数の前記ポンプ装置が並列され、且つ前記脱圧配管と各ポンプ装置とは、個別に遮断可能な開閉弁を介して連通するとともに、１次側圧力と２次側圧力との差圧に応じて、前記脱圧配管に連通する前記ポンプ装置の数及び該ポンプ装置に印加される電圧値を制御することが好ましい。

さらに、この脱圧方法では、水電解装置は、カソード側電解室に、酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式水電解装置であることが好ましい。

本発明によれば、運転停止後の脱圧時に、カソード側電解室から排出される水素は、水素配管から分岐する脱圧配管に流通され、減圧制御されるとともに、水素貯蔵部に貯蔵される。このため、カソード側電解室の減圧時に、シール部材の内部に取り込まれた水素は、前記シール部材の外部に円滑に透過することができ、前記シール部材の内部で水素の急激な体積膨張が惹起されることを抑制することが可能になる。

これにより、運転停止後の減圧処理時に、シール部材の内部における水素の急膨張が繰り返し発生することを阻止し、前記シール部材の機械的破損を可及的に回避することができる。

しかも、ポンプ装置の２次側圧力（出口側圧力）が、１次側圧力（入口側圧力）と同一の圧力以上になると、ポンプ装置が制御されることにより、水素は、水素貯蔵部に強制的に供給される。従って、脱圧時に排出される水素は、無駄に廃棄されることがなく、経済的である。

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を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記単位セルの断面説明図である。 前記水電解システムを構成するポンプ装置の説明図である。 前記ポンプ装置の電位反転回路の説明図である。 第１の実施形態に係る脱圧方法を説明するフローチャートである。 差圧と反応面積及び印加電位との関係説明図である。 前記ポンプ装置を構成する膜ポンプの動作説明図である。 前記脱圧方法における１次側圧力及び２次側圧力の説明図である。 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。 本発明の第３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。 特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置を構成する電極板の説明図である。

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、純水を電気分解することによって高圧水素（常圧よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）を製造する水電解装置１２と、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を前記水電解装置１２に供給するとともに、前記水電解装置１２から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置１２に循環供給する水循環装置１６と、コントローラ（制御装置）１８とを備える。

水電解装置１２は、差圧式水電解装置である高圧水素製造装置（カソード側圧力＞アノード側圧力）を構成しており、複数の単位セル２０が積層される。単位セル２０の積層方向一端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４ａ及びエンドプレート２６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２２ｂ、絶縁プレート２４ｂ及びエンドプレート２６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２６ａ、２６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの側部には、端子部２８ａ、２８ｂが外方に突出して設けられる。端子部２８ａ、２８ｂは、配線２９ａ、２９ｂを介して電解用電源（電解電源）３０に電気的に接続される。

図２に示すように、単位セル２０は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６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３２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３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａ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４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２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４０及びカソード側給電体４２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２０の外周縁部には、積層方向である矢印Ａ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４６と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔４８と、反応により生成された水素（高圧水素）を流すための水素連通孔５０とが設けられる。

図２及び図３に示すように、アノード側セパレータ３４の外周縁部には、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路（アノード側電解室）５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０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（図１及び図３参照）。

カソード側セパレータ３６の外周縁部には、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路（カソード側電解室）５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２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（図１及び図３参照）。

図３に示すように、アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、第１流路５４及びアノード側給電体４０の外方を周回して第１シール部材６２ａを配設するための第１シール溝６４ａが形成される。面３４ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して、第１シール部材６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄを配置するための第１シール溝６４ｂ、６４ｃ及び６４ｄが形成される。第１シール部材６２ａ〜６２ｄは、例えば、Ｏリングである。

カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、第２流路５８及びカソード側給電体４２の外方を周回して、第２シール部材６６ａを配設するための第２シール溝６８ａが形成される。

図２及び図３に示すように、面３６ａには、水供給連通孔４６、排出連通孔４８及び水素連通孔５０の外側を周回して、第２シール部材６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄを配置するための第２シール溝６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄが形成される。第２シール部材６６ａ〜６６ｄは、例えば、Ｏリングである。

図１に示すように、水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔４６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２には、循環ポンプ７４、イオン交換器７６及び気液分離器７８が配設される。

気液分離器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の他端は、水電解装置１２の排出連通孔４８に連通する。気液分離器７８には、純水供給装置１４に接続された純水供給配管８２と、前記気液分離器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８４とが連結される。

水電解装置１２の水素連通孔５０には、高圧水素配管（水素配管）８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の途上には、水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着器９０、背圧弁９２及び電磁弁９４が配設される。高圧水素配管８８は、水素を貯蔵する、例えば、高圧タンクや燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の水素貯蔵部９６に接続される。なお、高圧水素配管８８には、図示しないが、気液分離器を配置してもよい。

高圧水素配管８８から脱圧配管８８ａが分岐されるとともに、前記脱圧配管８８ａは、前記高圧水素配管８８に合流して水素貯蔵部９６に接続される。脱圧配管８８ａには、電磁弁９８、ポンプ装置１００、水吸着器１０２及び逆止弁１０４が配設される。

図４に示すように、ポンプ装置１００は、複数の膜ポンプ１０６を積層して構成される。なお、図４では、説明の簡素化を図るために６つの膜ポンプ１０６が積層されているが、これに限定されるものではなく、必要に応じて個数の増減を行うことができる。

各膜ポンプ１０６は、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）１０８の両面に、それぞれ触媒（白金等）１１０ａ、１１２ａが担持された給電体（電極）１１０、１１２を設ける電解質膜・電極構造体（膜・電極構造体）１１４を備える。

電解質膜・電極構造体１１４は、セパレータ１１６、１１８間に挟持される。セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体１１４に向かう面には、第１水素流路１２０が設けられる。この第１水素流路１２０は、水素供給通路１２２を介してセパレータ１１６の側部に開放される。セパレータ１１８の電解質膜・電極構造体１１４に向かう面には、第２水素流路１２４が設けられる。この第２水素流路１２４は、水素排出通路１２８を介してセパレータ１１８の側部に開放される。水素供給通路１２２と水素排出通路１２８とは、互いに反対方向に延在する。

各膜ポンプ１０６では、水素供給通路１２２に入口配管１２９の一端が連通する。入口配管１２９は、電磁弁１３０を介装して入口マニホールド１３２に連通するとともに、前記入口マニホールド１３２は、高圧水素配管８８に接続される。各膜ポンプ１０６では、水素排出通路１２８に出口配管１３４の一端が連通する。出口配管１３４は、電磁弁１３６を介装して出口マニホールド１３８に連通するとともに、前記出口マニホールド１３８は、高圧水素配管８８に接続される。

図５に示すように、各膜ポンプ１０６は、電位反転回路１４０に接続される。電位反転回路１４０は、第１スイッチ１４２ａ及び第１リレー１４４ａを介して膜ポンプ１０６に接続され、給電体１１０と給電体１１２とを、それぞれ陰極側と陽極側とにして電圧を印加する第１直流電源１４６ａを備える。

電位反転回路１４０は、第２スイッチ１４２ｂ及び第２リレー１４４ｂを介して膜ポンプ１０６に接続され、給電体１１０と給電体１１２とを、それぞれ陽極側と陰極側とにして電圧を印加する第２直流電源１４６ｂを備える。第１及び第２リレー１４４ａ、１４４ｂは、直流電源１４８により切り換え駆動される。

図１に示すように、水電解システム１０は、ポンプ装置１００の水電解装置１２側である１次側圧力（入口側圧力）と水素貯蔵部９６側である２次側圧力（出口側圧力）とを検出する圧力検出装置１５０を備える。

圧力検出装置１５０は、ポンプ装置１００の入口側（１次側）に配置される第１圧力センサ１５２ａと、前記ポンプ装置１００の出口側（２次側）に配置される第２圧力センサ１５２ｂとを設ける。第１及び第２圧力センサ１５２ａ、１５２ｂの検出結果は、コントローラ１８に送られる。コントローラ１８は、２次側圧力が１次側圧力と同一の圧力以上であることが検出された際、水素を水素貯蔵部９６に強制的に供給するために、ポンプ装置１００を制御する（後述する）。

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、水電解システム１０の始動時には、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が、水循環装置１６を構成する気液分離器７８に供給される。

水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、循環配管７２を介して純水が水電解装置１２の水供給連通孔４６に供給される。一方、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの端子部２８ａ、２８ｂには、電気的に接続されている電解用電源３０を介して電解電圧が付与される。

このため、図２に示すように、各単位セル２０では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａ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３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

このため、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水素連通孔５０を流れて水電解システム１０の外部に取り出し可能となるとともに、高圧水素配管８８に配設されている背圧弁９２の設定圧力（例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）により、水供給連通孔４６よりも高圧に維持されている。なお、脱圧配管８８ａに配置されている電磁弁９８は、閉塞されている。

一方、第１流路５４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔４８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される（図１参照）。この使用済みの水及び酸素は、気液分離器７８に導入されて分離された後、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４６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８４から外部に排出される。

次いで、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム１０の運転停止時における脱圧方法について、図６に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

コントローラ１８には、予めポンプ装置１００の水電解装置１２側である１次側圧力Ｐ１と水素貯蔵部９６側である２次側圧力Ｐ２との差圧に基づいて、反応面積と電位とが設定されている。

具体的には、図７に示すように、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きい際には、膜ポンプ１０６を透過する水素量が増加するため、前記膜ポンプ１０６の反応面積、すなわち、使用される前記膜ポンプ１０６の個数を少なくするとともに、２次側から１次側に戻す水素量を増加させるために電位を高く設定する。

また、差圧が小さい際には、膜ポンプ１０６を透過する水素量が減少するため、使用される前記膜ポンプ１０６の個数を多くするとともに、２次側から１次側に戻す水素量を減少させるために電位を低く設定する。

一方、差圧が負となる際には、水素（分子）が１次側から２次側に透過することがないため、差圧が負側に大きくなるのに従って、反応面積を小さくする。さらに、水素イオンを１次側から２次側に移送するために、印加電位を高く設定する。

なお、電位は、差圧が０の際にも、一定の値を有することにより（図７中、実線参照）、膜ポンプ機能を有効に発揮させることができる。また、必要に応じて、印加電位を連続する直線状（図７中、破線参照）に設定することも可能である。

そこで、図１に示すように、水電解システム１０の運転が停止される際には、電解用電源３０からの電圧印加が停止されるとともに、循環ポンプ７４の駆動が停止される。そして、脱圧配管８８ａに配置されている電磁弁９８が開放される。これにより、第２流路５８を含む高圧水素経路から排出される水素は、脱圧配管８８ａに導入されてポンプ装置１００に供給される。

ポンプ装置１００では、圧力検出装置１５０を構成する第１圧力センサ１５２ａが入口側である１次側圧力Ｐ１を検出するとともに、第２圧力センサ１５２ｂが出口側である２次側圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ１）。コントローラ１８は、検出された１次側圧力Ｐ１と２次側圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）を算出し（ステップＳ２）、この差圧からポンプ装置１００の反応面積及び電位が設定される（ステップＳ３）。

ここで、差圧が大であると判断されると、図７に示すように、反応面積を小とする一方、印加電位を大とする調整が行われる。具体的には、図４に示すように、１つの膜ポンプ１０６に接続されている電磁弁１３０、１３６が開放される一方、他の全ての膜ポンプ１０６に接続されている前記電磁弁１３０、１３６が閉塞される。そして、図５に示すように、開放された１つの膜ポンプ１０６において、第１スイッチ１４２ａがオンされる。これにより、膜ポンプ１０６では、給電体１１０を陰極とし且つ給電体１１２を陽極とし、第１直流電源１４６ａから高電圧が印加される。

このため、図８に示すように、高圧側である第１水素流路１２０から低圧側である第２水素流路１２４に、電解質膜・電極構造体１１４を透過した水素（分子）が移動する。一方、陽極である給電体１１２では、水素が電子を放出して水素イオンとなり、この水素イオンは、固体高分子電解質膜１０８を移動して給電体１１０側に至る。この給電体１１０は、陰極側であり、水素イオンが電子を受け取って水素に戻される。

従って、第１水素流路１２０では、分子状態の水素が第２水素流路１２４に透過する一方、膜ポンプ効果によって水素が戻される。これにより、第１水素流路１２０の減圧状態が調整（制御）される。

さらに、ステップＳ４に進んで、差圧が負であるか否か、すなわち、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１と同一の圧力以上であるか否かが判断される。差圧が正であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ３に戻って差圧に対応する反応面積及び電位の設定が行われる。そして、差圧が小さくなると、図７に示すように、ポンプ装置１００における反応面積を増加させる一方、印加電位を低下させる。差圧が小さくなるため、反応面積を大きくして水素の透過量を増やす一方、印加電位を低下させて高圧側に戻される水素量を減少させる必要があるからである。

上記のように、減圧制御を行うことにより、図９に示すように、膜ポンプ機能を有さない減圧処理に比べて、減圧速度を緩やかに制御することができる。

次いで、差圧が０以下で判断されると(ステップＳ４中、ＹＥＳ)、ステップＳ５に進んで、ポンプ装置１００の反応面積及び反転電位が設定される。２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１と同一の圧力以上であると、膜ポンプ１０６の第１水素流路１２０から第２水素流路１２４に水素（分子）が透過しない。従って、膜ポンプ機能を介して、第１水素流路１２０から第２水素流路１２４側に水素イオンを移動させて、水素を強制的に前記第２水素流路１２４側に供給する。

電位の反転処理は、図５に示すように、第１スイッチ１４２ａがオフされる一方、第２スイッチ１４２ｂがオンされる（図５中、二点鎖線参照）。このため、第１及び第２リレー１４４ａ、１４４ｂには、直流電源１４８から電圧が印加され、それぞれ切り換えられる（図５中、二点鎖線参照）。これにより、膜ポンプ１０６は、第１直流電源１４６ａから遮断されるとともに、第２直流電源１４６ｂに接続され、給電体１１０が陽極側に且つ給電体１１２が陰極側に接続された状態で、前記第２直流電源１４６ｂから電圧が印加される。

従って、膜ポンプ１０６では、第１水素流路１２０の水素が水素イオンとして電解質膜・電極構造体１１４を通った後、第２水素流路１２４で水素分子に戻され、前記第１水素流路１２０の減圧制御が行われる（図９参照）。そして、上記の減圧処理が、例えば、１次側圧力Ｐ１が常圧に至るまで行われた後、脱圧が終了する（ステップＳ６中、ＹＥＳ）。なお、ポンプ装置１００から排出される水素は、水吸着器１０２に供給されて水分が除去された後、高圧水素配管８８から水素貯蔵部９６に供給される。

この場合、第１の実施形態では、水電解システム１０の運転停止後に水電解装置１２を脱圧する際、カソード側電解室である第２流路５８から排出される水素は、高圧水素配管８８から分岐する脱圧配管８８ａに流通される。この水素は、ポンプ装置１００を介して減圧制御された後、水素貯蔵部９６に貯蔵されている。

このため、第２流路５８を含む高圧水素経路の減圧時に、第１シール部材６２ｄの内部に取り込まれた水素は、前記第１シール部材６２ｄの外部に円滑に透過することができ、前記第１シール部材６２ｄの内部で水素の急激な体積膨脹が惹起されることを抑制することが可能になる。これにより、水電解システム１０の運転停止後の減圧処理時に、第１シール部材６２ｄの内部における水素の急膨張が繰り返し発生することを阻止し、前記第１シール部材６２ｄの機械的破損を可及的に回避することが可能になるという効果が得られる。

しかも、ポンプ装置１００では、２次側圧力（出口側圧力）Ｐ２が１次側圧力（入口側圧力）Ｐ１と同一の圧力以上になると、前記ポンプ装置１００の印加電圧の極性が反転される（図５参照）。従って、ポンプ装置１００は、低圧側から高圧側に向かって水素を強制的に流通させることができるとともに、前記水素を水素貯蔵部９６に貯蔵することが可能になる。これにより、脱圧時に排出される水素を無駄に廃棄することがなく、経済的であるという効果が得られる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１６０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。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。

水電解システム１６０では、脱圧配管８８ａには、ポンプ装置１００を迂回する迂回配管１６２の両端が接続される。迂回配管１６２の入口側は、脱圧配管８８ａに配置される三方弁１６４に接続されるとともに、前記迂回配管１６２には、絞り弁１６６が配置される。

このように構成される第２の実施形態では、水電解システム１６０の運転が停止される際、電磁弁９８が開放されるとともに、三方弁１６４を介して脱圧配管８８ａが迂回配管１６２に連通する。このため、減圧時に水素連通孔５０から高圧水素配管８８に排出される水素は、脱圧配管８８ａから迂回配管１６２に導入され、絞り弁１６６により絞られて脱圧速度が制御される。

従って、１次側圧力Ｐ１が２次側圧力Ｐ２よりも高圧である間には、排出される水素は、迂回配管１６２を通ることによって減圧制御された後、水素貯蔵部９６に貯蔵される。そして、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１よりも高圧（等しい場合を含む）であることが検出されると、三方弁１６４が切換操作されて、脱圧配管８８ａにポンプ装置１００が接続される。このポンプ装置１００では、第１の実施形態と同様に、電位反転処理が施され、低圧側から高圧側に向かって水素を強制的に送ることができる。

このように、第２の実施形態では、水電解システム１６０の運転停止後の減圧処理時に、第１シール部材６２ｄの機械的破損を可及的に回避するとともに、ポンプ装置１００の２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１と同一の圧力以上になる際に、前記ポンプ装置１００を介して水素を水素貯蔵部９６に強制的に供給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。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１７０の概略構成説明図である。

水電解システム１７０では、第２の実施形態に係る水電解システム１６０と同様に構成される他、ポンプ装置１００に変えてポンプ装置１７２を備える。ポンプ装置１７２は、膜ポンプに変えて、低圧側から高圧側に水素を強制的に送るための、例えば、遠心型ポンプ等を備える。

これにより、第３の実施形態では、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１と同一の圧力以上になった際に、ポンプ装置１７２が駆動される。従って、水素を強制的に水素貯蔵部９６に送ることができ、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１６０、１７０…水電解システム １２…水電解装置
１４…純水供給装置 １６…水循環装置
１８…コントローラ ２０…単位セル
３０…電解用電源 ３２、１１４…電解質膜・電極構造体
３４…アノード側セパレータ ３６…カソード側セパレータ
３８、１０８…固体高分子電解質膜 ４０…アノード側給電体
４０ａ…アノード電極触媒層 ４２…カソード側給電体
４２ａ…カソード電極触媒層 ４６…水供給連通孔
４８…排出連通孔 ５０…水素連通孔
５４、５８…流路
６２ａ〜６２ｄ、６６ａ〜６６ｄ…シール部材
８８…高圧水素配管 ８８ａ…脱圧配管
９０、１０２…水吸着器 ９２…背圧弁
９４、９８、１３０、１３６…電磁弁 ９６…水素貯蔵部
１００、１７２…ポンプ装置 １０４…逆止弁
１０６…膜ポンプ １１０、１１２…給電体
１１０ａ、１１２ａ…触媒 １１６、１１８…セパレータ
１２０、１２４…水素流路 １２２…水素供給通路
１２８…水素排出通路 １４０…電位反転回路
１５０…圧力検出装置 １５２ａ、１５２ｂ…圧力センサ
１６２…迂回配管 １６４…三方弁

Claims (9)

1. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体間に電解電圧を印加することにより、水を電気分解してアノード側電解室に酸素とカソード側電解室に水素とを発生させるとともに、少なくとも水素発生部位を周回するシール部材を備える水電解装置と、
   前記水電解装置から前記水素を排出する水素配管に接続され、該水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
   前記水素配管から分岐し且つ前記水素貯蔵部に接続され、前記カソード側電解室の減圧処理を行う際に排出される前記水素を流通させて減圧制御を行う脱圧配管と、
   前記脱圧配管に配設されるポンプ装置と、
   前記ポンプ装置の前記水電解装置側である１次側圧力と前記水素貯蔵部側である２次側圧力とを検出する圧力検出装置と、
   前記２次側圧力が前記１次側圧力未満である際に、前記水素の減圧処理を行う一方、前記２次側圧力が前記１次側圧力と同一の圧力以上であることが検出された際、前記ポンプ装置を制御して前記水素を１次側から２次側に強制的に供給する制御装置と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記脱圧配管には、前記ポンプ装置を迂回する迂回配管の両端が接続されるとともに、
   前記迂回配管には、前記ポンプ装置を迂回して前記水電解装置から前記水素貯蔵部に供給される前記水素の圧力を調整可能な弁機構が配設されることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記ポンプ装置は、イオン交換膜の両側にそれぞれ触媒が担持された電極を設ける膜・電極構造体と、
   前記電極間に電圧を印加するとともに、極性を反転可能な直流電源と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項３記載の水電解システムにおいて、前記脱圧配管には、複数の前記ポンプ装置が並列されるとともに、
   前記脱圧配管と各ポンプ装置とは、個別に遮断可能な開閉弁を介して連通することを特徴とする水電解システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記水電解装置は、前記カソード側電解室に、前記酸素よりも高圧な前記水素を発生させる差圧式水電解装置であることを特徴とする水電解システム。
6. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体間に電解電圧を印加することにより、水を電気分解してアノード側電解室に酸素とカソード側電解室に水素とを発生させるとともに、少なくとも水素発生部位を周回するシール部材を備える水電解装置と、
   前記水電解装置から前記水素を排出する水素配管に接続され、該水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
   前記水素配管から分岐し且つ前記水素貯蔵部に接続され、前記カソード側電解室の減圧処理を行う際に排出される前記水素を流通させて減圧制御を行う脱圧配管と、
   前記脱圧配管に配設されるポンプ装置と、
   を備える水電解システムの脱圧方法であって、
   前記水電解装置の運転を停止して前記カソード側電解室の減圧処理を行う際、前記カソード側電解室から排出される前記水素を前記脱圧配管に流通させる工程と、
   前記ポンプ装置の前記水電解装置側である１次側圧力と前記水素貯蔵部側である２次側圧力とを検出する工程と、
   前記２次側圧力が前記１次側圧力未満である際に、前記水素の減圧制御を行う工程と、
   前記２次側圧力が前記１次側圧力と同一の圧力以上であることが検出された際、前記ポンプ装置を制御して前記水素を１次側から２次側に強制的に供給する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの脱圧方法。
7. 請求項６記載の脱圧方法において、前記脱圧配管には、前記ポンプ装置を迂回する迂回配管の両端が接続されるとともに、
   前記迂回配管には、前記２次側圧力が前記１次側圧力よりも低圧である際に、前記ポンプ装置を迂回して前記水電解装置から前記水素が供給されることを特徴とする水電解システムの脱圧方法。
8. 請求項６又は７記載の脱圧方法において、前記ポンプ装置は、イオン交換膜の両側にそれぞれ触媒が担持された電極を設ける膜・電極構造体と、
   前記電極間に電圧を印加するとともに、極性を反転可能な直流電源と、
   を備え、
   前記脱圧配管に複数の前記ポンプ装置が並列され、且つ前記脱圧配管と各ポンプ装置とは、個別に遮断可能な開閉弁を介して連通するとともに、
   前記１次側圧力と前記２次側圧力との差圧に応じて、前記脱圧配管に連通する前記ポンプ装置の数及び該ポンプ装置に印加される電圧値を制御することを特徴とする水電解システムの脱圧方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の脱圧方法において、前記水電解装置は、前記カソード側電解室に、前記酸素よりも高圧な前記水素を発生させる差圧式水電解装置であることを特徴とする水電解システムの脱圧方法。

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