JP5613084B2 - Water electrolysis system - Google Patents

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Description

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、制御装置とを備える水電解システムに関する。   The present invention is provided in a water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen, and a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolysis apparatus, A gas-liquid separator that separates the water contained in the gas, a high-pressure hydrogen lead-out line that leads out the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator, and high-pressure water that discharges high-pressure water from the gas-liquid separator The present invention relates to a water electrolysis system including a discharge line and a control device.

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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、給電体を配設して単位セルが構成されている。   Generally, hydrogen is used as a fuel gas used for a power generation reaction of a fuel cell. This hydrogen is produced by, for example, a water electrolysis device. The water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and power supply bodies are disposed on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure to provide unit cells. Is configured.

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の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、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。   Therefore, a cell unit in which a plurality of unit cells are stacked is supplied with voltage at both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen generated together with hydrogen is discharged from the cell unit together with excess water.

上記の水電解装置では、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。   In the water electrolysis apparatus described above, hydrogen containing moisture is produced, and in order to obtain a dry state, for example, 5 ppm or less of hydrogen (hereinafter also referred to as dry hydrogen), it is necessary to remove moisture from the hydrogen. .

その際、カソード側に酸素よりも高圧(例えば、1MPa以上)の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。   At that time, in a high-pressure hydrogen production apparatus in which hydrogen at a pressure higher than oxygen (for example, 1 MPa or more) is obtained on the cathode side, there is a problem that a gas-liquid separation apparatus for removing moisture from the high-pressure hydrogen becomes large.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、図5に示すように、水素導管1が接続されている耐圧容器2と、前記耐圧容器2内の水位を検出する水位センサ3と、前記耐圧容器2の天井部に接続された水素取出手段4としての水素取出導管4aと、前記耐圧容器2の底部に接続された排水手段5としての排水導管5aとを備えている。   Therefore, for example, a gas-liquid separator disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 5, the gas-liquid separation device includes a pressure vessel 2 to which a hydrogen conduit 1 is connected, a water level sensor 3 that detects a water level in the pressure vessel 2, and a ceiling portion of the pressure vessel 2. A hydrogen extraction conduit 4a serving as the connected hydrogen extraction means 4 and a drainage conduit 5a serving as the drainage means 5 connected to the bottom of the pressure vessel 2 are provided.

水素取出導管4aには、第1背圧弁6が備えられるとともに、前記第1背圧弁6の下流側に電磁弁7が備えられている。排水導管5aには、第2背圧弁8が備えられている。   The hydrogen extraction conduit 4 a is provided with a first back pressure valve 6 and an electromagnetic valve 7 on the downstream side of the first back pressure valve 6. The drainage conduit 5a is provided with a second back pressure valve 8.

第1背圧弁6は、例えば、35MPaで開弁するように設定されており、第2背圧弁8は、前記第1背圧弁6よりも高圧で、例えば、36MPaで開弁するように設定されている。電磁弁7は、水位センサ3の検出信号を受けて作動し、前記水位センサ3が検出する水位が所定の低水位になったときに開弁し、所定の高水位になったときに閉弁している。   The first back pressure valve 6 is set to open at, for example, 35 MPa, and the second back pressure valve 8 is set to open at a higher pressure than the first back pressure valve 6, for example, at 36 MPa. ing. The electromagnetic valve 7 operates upon receiving a detection signal from the water level sensor 3, and opens when the water level detected by the water level sensor 3 reaches a predetermined low water level, and closes when the water level reaches a predetermined high water level. doing.

そして、電磁弁7が閉弁されると、水素取出導管4aからの高圧水素ガスの取出しが強制的に停止されるため、耐圧容器2内の圧力が第1背圧弁6の設定圧力である35MPaを超えて高くなってくる。この結果、第2背圧弁8は、耐圧容器2内の圧力がその設定圧力である36MPaに達する度に開弁し、液体の水が前記第2背圧弁8を介して排水導管5aから断続的に排出されている。   When the solenoid valve 7 is closed, the extraction of the high-pressure hydrogen gas from the hydrogen extraction conduit 4a is forcibly stopped, so that the pressure in the pressure-resistant vessel 2 is 35 MPa, which is the set pressure of the first back pressure valve 6. It becomes higher than As a result, the second back pressure valve 8 is opened each time the pressure in the pressure vessel 2 reaches its set pressure of 36 MPa, and liquid water is intermittently discharged from the drainage conduit 5a via the second back pressure valve 8. Have been discharged.

特開2006−347779号公報JP 2006-347779 A

ところで、上記の水電解システムでは、第2背圧弁8が開弁し、液体の水が前記第2背圧弁8を通過して排水導管5aから排出される際、前記水の圧力が一気に減圧されている。このため、第2背圧弁8にかかる負荷が大きくなり易く、前記第2背圧弁8の耐久性が低下するおそれがある。   In the above water electrolysis system, when the second back pressure valve 8 is opened and liquid water passes through the second back pressure valve 8 and is discharged from the drainage conduit 5a, the pressure of the water is reduced at once. ing. For this reason, the load applied to the second back pressure valve 8 tends to increase, and the durability of the second back pressure valve 8 may be reduced.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、気液分離装置から高圧な水が急速に排出されることを抑制し、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁の耐久性を良好に向上させることが可能な水電解システムを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, suppresses the rapid discharge of high-pressure water from the gas-liquid separator, and improves the durability of the solenoid valve with a simple and economical configuration. It is an object of the present invention to provide a water electrolysis system that can be used.

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、制御装置とを備える水電解システムに関するものである。   The present invention is provided in a water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen, and a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolysis apparatus, A gas-liquid separator that separates the water contained in the gas, a high-pressure hydrogen lead-out line that leads out the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator, and high-pressure water that discharges high-pressure water from the gas-liquid separator The present invention relates to a water electrolysis system including a discharge line and a control device.

この水電解システムでは、高圧水素導出ラインには、第1圧力に設定された第1背圧弁が設けられ、高圧水排出ラインは、制御装置からの開閉信号により開閉動作する電磁弁と、前記電磁弁の下流に位置し、前記高圧水排出ラインを流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部と、前記電磁弁と前記圧損発生部との間に位置し、前記第1圧力よりも低圧な第2圧力に設定された第2背圧弁と、が設けられ、前記制御装置は、気液分離装置の水位が設定下方位置に低下したと判断した際に閉信号により前記電磁弁を閉じ、当該水位が設定上方位置に上昇したと判断した際に開信号により前記電磁弁を開放する。
This water electrolysis system, the high-pressure hydrogen outlet line, a first back-pressure valve set to the first pressure is provided to the high-pressure water discharge line, a solenoid valve for opening and closing operation by the opening and closing signals from the control device, wherein Positioned downstream of the solenoid valve, between the solenoid valve and the pressure loss generator, a pressure loss generator that applies pressure loss to the water flowing through the high-pressure water discharge line, and lower than the first pressure A second back pressure valve set to a second pressure, and the control device closes the solenoid valve by a close signal when determining that the water level of the gas-liquid separation device has dropped to a set lower position, When it is determined that the water level has risen to the set upper position, the solenoid valve is opened by an open signal.

本発明によれば、高圧水排出ラインに設けられている電磁弁が開放されると、気液分離装置内が圧損発生部に連通している。このため、電磁弁の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ラインに沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁の耐久性を良好に向上させることが可能になる。   According to the present invention, when the electromagnetic valve provided in the high-pressure water discharge line is opened, the gas-liquid separation device communicates with the pressure loss generating unit. For this reason, a large pressure difference is not caused before and after opening and closing of the electromagnetic valve, and it is possible to reliably prevent high-pressure water from flowing rapidly along the high-pressure water discharge line. Accordingly, the durability of the solenoid valve can be improved satisfactorily with a simple and economical configuration.

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。It is a schematic structure explanatory view of a water electrolysis system concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記水電解システムを構成する高圧水排出ラインの位置と圧力との関係説明図である。It is a relation explanatory view of the position and pressure of the high-pressure water discharge line which constitutes the water electrolysis system. 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。It is a schematic structure explanatory drawing of the water electrolysis system concerning a 2nd embodiment of the present invention. 前記水電解システムを構成する高圧水排出ラインの位置と圧力との関係説明図である。It is a relation explanatory view of the position and pressure of the high-pressure water discharge line which constitutes the water electrolysis system. 特許文献1に開示されている気液分離装置の説明図である。It is explanatory drawing of the gas-liquid separation apparatus currently disclosed by patent document 1. FIG.

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(常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、1MPa〜70MPaの水素)を製造する差圧式水電解装置(高圧水素製造装置)12と、前記水電解装置12から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置14と、前記水貯留装置14に貯留される前記水を、前記水電解装置12に循環させる水循環装置16と、前記水貯留装置14に市水から生成された純水を供給する水供給装置18と、前記水電解装置12から高圧水素配管20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22と、前記気液分離装置22から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン24と、前記気液分離装置22から高圧な水を排出する高圧水排出ライン26と、コントローラ(制御装置)28とを備える。   As shown in FIG. 1, the water electrolysis system 10 according to the first embodiment of the present invention electrolyzes water (pure water) to generate oxygen and high-pressure hydrogen (higher than normal-pressure oxygen pressure, 1 to 70 MPa hydrogen) and a water reservoir for separating the oxygen and excess water discharged from the water electrolyzer 12 and storing the water An apparatus 14, a water circulation apparatus 16 for circulating the water stored in the water storage apparatus 14 to the water electrolysis apparatus 12, and a water supply apparatus for supplying pure water generated from city water to the water storage apparatus 14 18, a gas-liquid separator 22 that removes moisture contained in the high-pressure hydrogen led out from the water electrolyzer 12 to the high-pressure hydrogen pipe 20, and the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator 22 High pressure to derive It comprises a hydrogen outlet line 24, a high-pressure water discharge line 26 for discharging the high-pressure water from the gas-liquid separator 22, a controller (control unit) 28.

水電解装置12は、複数の単位セル30を積層したセルユニットを備える。単位セル30の積層方向一端には、ターミナルプレート32a、絶縁プレート34a及びエンドプレート36aが外方に向かって、順次、配設される。単位セル30の積層方向他端には、同様にターミナルプレート32b、絶縁プレート34b及びエンドプレート36bが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート36a、36b間は、一体的に締め付け保持される。   The water electrolysis apparatus 12 includes a cell unit in which a plurality of unit cells 30 are stacked. At one end in the stacking direction of the unit cells 30, a terminal plate 32a, an insulating plate 34a, and an end plate 36a are sequentially arranged outward. Similarly, a terminal plate 32b, an insulating plate 34b, and an end plate 36b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the unit cells 30 toward the outside. The end plates 36a and 36b are integrally clamped and held.

ターミナルプレート32a、32bの側部には、端子部38a、38bが外方に突出して設けられる。端子部38a、38bは、配線39a、39bを介して電解電源40に電気的に接続される。   Terminal portions 38a and 38b are provided on the side portions of the terminal plates 32a and 32b so as to protrude outward. The terminal portions 38a and 38b are electrically connected to the electrolytic power source 40 via the wirings 39a and 39b.

単位セル30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。   The unit cell 30 includes a disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 42, and an anode-side separator 44 and a cathode-side separator 46 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 42. The anode-side separator 44 and the cathode-side separator 46 have a disk shape and are made of, for example, a carbon member or the like, or are used for corrosion protection on a steel plate, a stainless steel plate, a titanium plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof. The metal plate that has been subjected to the above surface treatment is press-molded or cut and subjected to a corrosion-resistant surface treatment.

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。   The electrolyte membrane / electrode structure 42 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 48 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode-side power feeder 50 and a cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. Side power supply body 52.

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。   An anode electrode catalyst layer 50 a and a cathode electrode catalyst layer 52 a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. The anode electrode catalyst layer 50a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 52a uses, for example, a platinum catalyst.

単位セル30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。   The outer peripheral edge of the unit cell 30 communicates with each other in the stacking direction to supply water (pure water), water supply communication holes 56, oxygen generated by the reaction, and unreacted water (mixed fluid). A discharge communication hole 58 for discharging hydrogen and a hydrogen communication hole 60 for flowing hydrogen produced by the reaction are provided.

アノード側セパレータ44の電解質膜・電極構造体42に対向する面には、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。第1流路64には、反応により生成された酸素及び使用済みの水が流通する。   A surface of the anode separator 44 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42 is provided with a first flow path 64 communicating with the water supply communication hole 56 and the discharge communication hole 58. The first flow path 64 is provided within a range corresponding to the surface area of the anode-side power supply body 50 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. In the first flow path 64, oxygen generated by the reaction and used water flow.

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。第2流路68には、反応により生成された高圧水素が流通する。   A second flow path 68 communicating with the hydrogen communication hole 60 is formed on the surface of the cathode separator 46 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42. The second flow path 68 is provided in a range corresponding to the surface area of the cathode-side power feeder 52, and includes a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. High-pressure hydrogen generated by the reaction flows through the second flow path 68.

水循環装置16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を配置して水貯留装置14を構成するタンク部78の底部に接続される。   The water circulation device 16 includes a circulation pipe 72 that communicates with the water supply communication hole 56 of the water electrolysis device 12, and the circulation pipe 72 includes a circulation pump 74 and an ion exchanger 76 that constitute a water storage device 14. Connected to the bottom of section 78.

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の他端は、水電解装置12の排出連通孔58に連通する。戻り配管80の一端部は、タンク部78内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。   One end portion of the return pipe 80 communicates with the upper portion of the tank portion 78, and the other end of the return pipe 80 communicates with the discharge communication hole 58 of the water electrolysis apparatus 12. One end of the return pipe 80 is set to a position that always opens in the water stored in the tank portion 78.

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。   A pure water supply pipe 84 connected to the water supply device 18 and an oxygen exhaust pipe 86 for discharging oxygen separated from the pure water in the tank section 78 are connected to the tank section 78.

水電解装置12の水素連通孔60には、高圧水素配管20の一端が接続され、この高圧水素配管20の他端が気液分離装置22に接続される。気液分離装置22で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン24に導出される。高圧水素導出ライン24には、第1圧力値(例えば、35MPa)に設定された第1背圧弁88が設けられる。   One end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the hydrogen communication hole 60 of the water electrolysis apparatus 12, and the other end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the gas-liquid separator 22. The high-pressure hydrogen from which moisture has been removed by the gas-liquid separator 22 is led out to the high-pressure hydrogen lead-out line 24 as dry hydrogen. The high pressure hydrogen lead-out line 24 is provided with a first back pressure valve 88 set to a first pressure value (for example, 35 MPa).

気液分離装置22は、水を貯留するためのタンク部90を備える。タンク部90には、前記タンク部90内の水位WSが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ92が設けられる。水位検出センサ92の検出信号は、コントローラ28に入力される。   The gas-liquid separator 22 includes a tank unit 90 for storing water. The tank unit 90 is provided with a water level detection unit, for example, a water level detection sensor 92 that detects whether or not the water level WS in the tank unit 90 is a set height. A detection signal from the water level detection sensor 92 is input to the controller 28.

気液分離装置22の下部には、高圧水排出ライン26が接続され、前記高圧水排出ライン26は、コントローラ28からの開閉信号により開閉動作する電磁弁94と、前記電磁弁94の下流に設けられる第2背圧弁96と、前記第2背圧弁96の下流に設けられ、前記高圧水排出ライン26を流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部、例えば、流量調節弁98とを備える。   A high-pressure water discharge line 26 is connected to the lower part of the gas-liquid separator 22. The high-pressure water discharge line 26 is provided on the downstream side of the electromagnetic valve 94 and an electromagnetic valve 94 that opens and closes in response to an open / close signal from a controller 28. And a pressure loss generating unit, for example, a flow rate adjusting valve 98, which is provided downstream of the second back pressure valve 96 and applies pressure loss to the water flowing through the high pressure water discharge line 26.

第2背圧弁96は、第1背圧弁88の第1圧力(例えば、35MPa)よりも低圧な第2圧力(例えば、34MPa)に設定される。なお、第2背圧弁96は、不要にすることもできる。   The second back pressure valve 96 is set to a second pressure (for example, 34 MPa) lower than the first pressure (for example, 35 MPa) of the first back pressure valve 88. Note that the second back pressure valve 96 can be omitted.

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。   The operation of the water electrolysis system 10 configured as described above will be described below.

先ず、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、水貯留装置14を構成するタンク部78に供給される。   First, when the water electrolysis system 10 is started, pure water generated from city water is supplied to the tank unit 78 constituting the water storage device 14 via the water supply device 18.

水循環装置16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。一方、ターミナルプレート32a、32bの端子部38a、38bには、電気的に接続されている電解電源40を介して電圧が付与される。   In the water circulation device 16, the water in the tank unit 78 is supplied to the water supply communication hole 56 of the water electrolysis device 12 through the circulation pipe 72 under the action of the circulation pump 74. On the other hand, a voltage is applied to the terminal portions 38a and 38b of the terminal plates 32a and 32b via the electrolytic power supply 40 that is electrically connected.

このため、各単位セル30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。   Therefore, in each unit cell 30, water is supplied from the water supply communication hole 56 to the first flow path 64 of the anode side separator 44, and this water moves along the anode side power supply body 50.

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。   Therefore, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 50a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 48 and move to the cathode electrode catalyst layer 52a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

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の外部に取り出し可能となる。   Thereby, hydrogen flows along the second flow path 68 formed between the cathode-side separator 46 and the cathode-side power feeder 52. This hydrogen is maintained at a higher pressure than the water supply communication hole 56 and can flow out of the water electrolysis apparatus 12 through the hydrogen communication hole 60.

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16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。   On the other hand, oxygen generated by the reaction and unreacted water flow through the first flow path 64, and these mixed fluids are discharged to the return pipe 80 of the water circulation device 16 along the discharge communication hole 58. The After the unreacted gas water and oxygen are introduced into the tank unit 78 and separated, the water is introduced from the circulation pipe 72 through the ion exchanger 76 to the water supply communication hole 56 via the circulation pump 74. The Oxygen separated from the water is discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 86.

水電解装置12内に生成された水素は、高圧水素配管20を介して気液分離装置22に送られる。この気液分離装置22では、水素に含まれる水蒸気(水分)が、この水素から分離されてタンク部90に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン24に導出される。   The hydrogen generated in the water electrolysis device 12 is sent to the gas-liquid separation device 22 via the high-pressure hydrogen pipe 20. In the gas-liquid separator 22, water vapor (water) contained in hydrogen is separated from the hydrogen and stored in the tank unit 90, while the hydrogen is led out to the high-pressure hydrogen lead-out line 24.

タンク部90では、前記タンク部90内の水位WSが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ92を備えている。コントローラ28は、水位検出センサ92を介して水位WSが設定下方位置に低下したと判断した際には、タンク部90から高圧水排出ライン26への排水の停止を指示する。すなわち、電磁弁94を閉塞させる。一方、コントローラ28は、水位WSが設定上方位置に上昇したと判断した際には、電磁弁94を開放させて高圧水排出ライン26への排水を指示する。   The tank unit 90 includes a water level detection sensor 92 for detecting whether or not the water level WS in the tank unit 90 is a set height. When the controller 28 determines that the water level WS has dropped to the set lower position via the water level detection sensor 92, the controller 28 instructs the stop of drainage from the tank unit 90 to the high-pressure water discharge line 26. That is, the electromagnetic valve 94 is closed. On the other hand, when the controller 28 determines that the water level WS has risen to the set upper position, the controller 28 opens the electromagnetic valve 94 and instructs the high pressure water discharge line 26 to drain.

この場合、第1の実施形態では、電磁弁94の下流には、第2背圧弁96が配設されるとともに、前記第2背圧弁96の下流に流量調節弁98が配設されている。従って、電磁弁94が開放されると、第2背圧弁96の設定圧力である第2圧力(例えば、34MPa)まで、前記電磁弁94に圧力低下が惹起される(図2参照)。さらに、流量調節弁98の絞り(開度調整)作用下に、高圧水排出ライン26における急激な圧力低下が発生することがない。   In this case, in the first embodiment, a second back pressure valve 96 is disposed downstream of the electromagnetic valve 94, and a flow rate adjusting valve 98 is disposed downstream of the second back pressure valve 96. Accordingly, when the electromagnetic valve 94 is opened, a pressure drop is caused in the electromagnetic valve 94 up to a second pressure (for example, 34 MPa) which is a set pressure of the second back pressure valve 96 (see FIG. 2). Furthermore, a rapid pressure drop in the high-pressure water discharge line 26 does not occur under the throttle (opening adjustment) action of the flow control valve 98.

このように、高圧水排出ライン26に設けられている電磁弁94が開放されると、気液分離装置22のタンク部90内が流量調節弁(圧損発生部)98に連通している。このため、電磁弁94の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ライン26に沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁94の耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。   As described above, when the electromagnetic valve 94 provided in the high-pressure water discharge line 26 is opened, the inside of the tank portion 90 of the gas-liquid separation device 22 communicates with the flow rate adjusting valve (pressure loss generating portion) 98. For this reason, a large pressure difference does not occur before and after the electromagnetic valve 94 is opened and closed, and high-pressure water can be reliably prevented from flowing along the high-pressure water discharge line 26. Therefore, it is possible to obtain an effect that the durability of the electromagnetic valve 94 can be improved satisfactorily with a simple and economical configuration.

しかも、高圧水排出ライン26には、電磁弁94と流量調節弁98との間に位置して第2背圧弁96が配設されている。そして、第2背圧弁96の設定圧力である第2圧力は、第1背圧弁88の設定圧力である第1圧力よりも僅かに小さな値に設定されている。具体的には、第1圧力が35MPaであるのに対して、第2圧力が34MPaである。   In addition, a second back pressure valve 96 is disposed in the high pressure water discharge line 26 between the electromagnetic valve 94 and the flow rate adjustment valve 98. The second pressure that is the set pressure of the second back pressure valve 96 is set to a value that is slightly smaller than the first pressure that is the set pressure of the first back pressure valve 88. Specifically, the first pressure is 35 MPa, while the second pressure is 34 MPa.

これにより、高圧水排出ライン26における排水時、すなわち、電磁弁94の開放時に、前記電磁弁94にかかる圧力差を小さくすることができ、前記電磁弁94への影響を良好に排除することが可能になる。   Thereby, when draining in the high-pressure water discharge line 26, that is, when the electromagnetic valve 94 is opened, the pressure difference applied to the electromagnetic valve 94 can be reduced, and the influence on the electromagnetic valve 94 can be eliminated well. It becomes possible.

図3は、本発明の第2の実施形態に係る水電解システム110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。   FIG. 3 is a schematic configuration explanatory view of a water electrolysis system 110 according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same reference number is attached | subjected to the component same as the water electrolysis system 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

水電解システム110は、高圧水排出ライン26の流れ方向に沿って電磁弁94、第2背圧弁96及び圧損発生部、例えば、微細状チューブ112を配設する。なお、圧損発生部としては、微細状チューブ112に代えてカラム(図示せず)を用いてもよい。   The water electrolysis system 110 is provided with a solenoid valve 94, a second back pressure valve 96, and a pressure loss generator, for example, a fine tube 112, along the flow direction of the high-pressure water discharge line 26. Note that a column (not shown) may be used in place of the fine tube 112 as the pressure loss generating portion.

このように構成される第2の実施形態では、電磁弁94の下流には、第2背圧弁96が配設されるとともに、前記第2背圧弁96の下流に微細状チューブ112が配設されている。   In the second embodiment configured as described above, the second back pressure valve 96 is disposed downstream of the electromagnetic valve 94, and the fine tube 112 is disposed downstream of the second back pressure valve 96. ing.

従って、電磁弁94が開放されると、図4に示すように、前記電磁弁94の開閉前後で大きな圧力差が惹起することがなく、高圧水排出ライン26に沿って高圧な水が急速に流れることを確実に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電磁弁94の耐久性を良好に向上させることが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Therefore, when the solenoid valve 94 is opened, as shown in FIG. 4, a large pressure difference does not occur before and after the solenoid valve 94 is opened and closed, and high-pressure water rapidly flows along the high-pressure water discharge line 26. It can be surely prevented from flowing. As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as the durability of the electromagnetic valve 94 can be improved satisfactorily with a simple and economical configuration.

さらに、第2の実施形態では、圧損発生部として微細状チューブ112(又はカラム)が使用されるため、コストが一層削減されるという利点がある。なお、第2の実施形態においても、第2背圧弁96を削除することも可能である。   Furthermore, in the second embodiment, since the fine tube 112 (or column) is used as the pressure loss generating portion, there is an advantage that the cost is further reduced. In the second embodiment, the second back pressure valve 96 can be deleted.

10、110…水電解システム 12…水電解装置
14…水貯留装置 16…水循環装置
18…水供給装置 20…高圧水素配管
22…気液分離装置 24…高圧水素導出ライン
26…高圧水排出ライン 28…コントローラ
30…単位セル 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
88、96…背圧弁 78、90…タンク部
92…水位検出センサ 94…電磁弁
98…流量調節弁 112…微細状チューブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 110 ... Water electrolysis system 12 ... Water electrolysis apparatus 14 ... Water storage apparatus 16 ... Water circulation apparatus 18 ... Water supply apparatus 20 ... High-pressure hydrogen piping 22 ... Gas-liquid separation apparatus 24 ... High-pressure hydrogen derivation line 26 ... High-pressure water discharge line 28 ... Controller 30 ... Unit cell 42 ... Electrolyte membrane / electrode structure 44 ... Anode side separator 46 ... Cathode side separator 48 ... Solid polymer electrolyte membrane 50 ... Anode side power supply body 52 ... Cathode side power supply element 56 ... Water supply communication hole 58 ... discharge communication hole 60 ... hydrogen communication holes 88 and 96 ... back pressure valves 78 and 90 ... tank section 92 ... water level detection sensor 94 ... solenoid valve 98 ... flow control valve 112 ... fine tube

Claims (1)

水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から高圧な水を排出する高圧水排出ラインと、
制御装置と、
を備える水電解システムであって、
前記高圧水素導出ラインには、第1圧力に設定された第1背圧弁が設けられ、
前記高圧水排出ラインは、前記制御装置からの開閉信号により開閉動作する電磁弁と、
前記電磁弁の下流に位置し、前記高圧水排出ラインを流通する水に圧力損失を付与する圧損発生部と、
前記電磁弁と前記圧損発生部との間に位置し、前記第1圧力よりも低圧な第2圧力に設定された第2背圧弁と、が設けられ、
前記制御装置は、前記気液分離装置の水位が設定下方位置に低下したと判断した際に閉信号により前記電磁弁を閉じ、当該水位が設定上方位置に上昇したと判断した際に開信号により前記電磁弁を開放する、
ことを特徴とする水電解システム。
A water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen;
A gas-liquid separator that is disposed in a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolyzer and separates water contained in the high-pressure hydrogen;
A high-pressure hydrogen outlet line for extracting the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator;
A high-pressure water discharge line for discharging high-pressure water from the gas-liquid separator;
A control device;
A water electrolysis system comprising:
The high-pressure hydrogen lead-out line is provided with a first back pressure valve set at a first pressure,
In the high-pressure water discharge line , an electromagnetic valve that opens and closes by an open / close signal from the control device;
A pressure loss generating unit that is located downstream of the solenoid valve and applies pressure loss to water flowing through the high pressure water discharge line;
A second back pressure valve located between the electromagnetic valve and the pressure loss generating unit and set to a second pressure lower than the first pressure;
The control device closes the solenoid valve by a close signal when it is determined that the water level of the gas-liquid separator is lowered to a set lower position, and an open signal when it is determined that the water level is raised to a set upper position. Opening the solenoid valve;
A water electrolysis system characterized by that.
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