JP5798166B2 - 差圧式高圧水電解システム及びその起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置を備える差圧式高圧水電解システム及びその起動方法に関する。

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。

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ている。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ている。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ている。

例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素供給システムでは、水電解装置を備えた電解タンクに対して純水を供給すべく、純水供給配管部を介して純水タンクが接続されている。電解タンク内の水電解装置により生成された水素ガスは、若干の純水と共に、水素ガス搬送配管部を介して水素分離タンクに送られている。

水素分離タンクには、前記水素分離タンク内で水素が分離された水を純水タンクに戻すために、純水戻り配管部が設けられている。そして、純水戻り配管部には、ガススクラバが配置されており、前記ガススクラバには、水素放出配管部が接続されている。

特開２００２−１２９３７２号公報

ところで、上記の水素・酸素供給システムでは、水素分離タンク内で水素が分離された水は、重力により純水戻り配管部を通って純水タンクに戻されている。このため、水素分離タンクと純水タンクとの配置関係が制約されてしまい、システム全体の小型化を図ることができ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、簡単且つ経済的に、水の再利用を図ることができ、システム効率を向上させるとともに、システム全体の小型化を図ることが可能な差圧式高圧水電解システム及びその起動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る差圧式高圧水電解システムは、差圧式高圧水電解装置、供給水タンク、高圧気液分離装置、水素導出ライン、排水ライン、排水減圧機構、低圧気液分離装置及び水戻しラインを備えている。差圧式高圧水電解装置は、供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる。供給水タンクは、差圧式高圧水電解装置に水を循環供給するために、前記水を貯留する。

高圧気液分離装置は、差圧式高圧水電解装置から導出される高圧水素を、気液分離する一方、水素導出ラインは、前記差圧式高圧水電解装置と前記高圧気液分離装置とを接続している。排水ラインは、高圧気液分離装置で分離された液状水を排出するとともに、排水減圧機構は、前記排水ラインに配設されている。低圧気液分離装置は、排水減圧機構の下流に位置して排水ラインに配設され、水戻しラインは、前記低圧気液分離装置と供給水タンクとを接続している。

この差圧式高圧水電解システムでは、低圧気液分離装置は、前記低圧気液分離装置で分離された気体を排出する排気ラインを有している。そして、排気ラインには、低圧気液分離装置内の圧力を、供給水タンク内の圧力よりも高圧に保持する圧力保持機構が配設されている。

また、この差圧式高圧水電解システムでは、供給水タンクは、前記供給水タンク内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアを有することが好ましい。その際、圧力保持機構は、エアブロアの最大駆動時に供給水タンクに作用する背圧よりも高圧に設定されることが好ましい。

さらに、この差圧式高圧水電解システムでは、水素導出ラインの途上と低圧気液分離装置とを接続する圧力印加ラインを有することが好ましい。その際、圧力印加ラインには、減圧機構及び開閉弁が配設されるとともに、前記減圧機構の出口圧力は、供給水タンク内の圧力よりも高圧に設定されることが好ましい。

さらにまた、この差圧式高圧水電解システムの起動方法は、低圧気液分離装置内の圧力が、供給水タンク内の圧力よりも低圧であるか否かを判断している。そして、低圧気液分離装置内の圧力が、供給水タンク内の圧力よりも低圧であると判断された際、差圧式高圧水電解装置から導出される高圧水素を、圧力印加ラインを介して前記低圧気液分離装置内に導入させている。

次いで、低圧気液分離装置内の圧力が、供給水タンク内の圧力よりも高圧になったと判断された際、水戻しラインを開放させて前記低圧気液分離装置内の水を前記供給水タンクに戻している。

また、この起動方法では、供給水タンクは、前記供給水タンク内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアを有することが好ましい。その際、低圧気液分離装置内の圧力が、エアブロアの最大駆動時に供給水タンクに作用する背圧よりも高圧になったと判断された際、水戻しラインを開放させて該低圧気液分離装置内の水を前記供給水タンクに戻すことが好ましい。

本発明によれば、高圧気液分離装置内で気液分離された水（水素が溶存された液状水）は、排水減圧機構により減圧されて低圧気液分離装置に供給されている。このため、低圧気液分離装置内では、溶存水素が気化して前記低圧気液分離装置内の圧力が上昇している。そして、圧力保持機構を介して、低圧気液分離装置内の圧力は、供給水タンク内の圧力よりも高圧に保持されている。

従って、低圧気液分離装置内の水は、圧力差により供給水タンクに容易且つ確実に戻される。これにより、ポンプ等の専用の設備を用いる必要がなく、溶存水素の圧力を利用することができる。このため、簡単且つ経済的に、水の再利用を図ることができ、システム効率を向上させるとともに、システム全体の小型化を図ることが可能になる。

また、本発明の起動方法では、差圧式高圧水電解装置から導出される高圧水素が、圧力印加ラインを介して低圧気液分離装置内に導入されるため、前記低圧気液分離装置内の圧力が上昇している。そして、低圧気液分離装置内の圧力が、供給水タンク内の圧力よりも高圧になったと判断された際、前記低圧気液分離装置内の水が前記供給水タンクに戻されている。

従って、専用の設備を用いる必要がなく、生成される高圧水素の圧力を利用することができる。このため、簡単且つ経済的に、水の再利用を図ることができ、システム効率を向上させるとともに、システム全体の小型化を図ることが可能になる。

本発明の実施形態に係る差圧式高圧水電解システムの概略構成説明図である。 前記差圧式高圧水電解システムの動作説明図である。 圧力と液状水中の溶存水素比率との関係説明図である。 本発明の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。 前記差圧式高圧水電解システムの起動時の動作説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る差圧式高圧水電解システム１０は、差圧式高圧水電解装置１２を備える。差圧式高圧水電解装置１２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。

差圧式高圧水電解装置１２は、複数の水分解セル１４が積層されており、前記水分解セル１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。差圧式高圧水電解装置１２には、直流電源である電解電源１８が接続される。エンドプレート１６ａには、図示しないアノード入口側（水供給入口側）に連通する水供給ライン２０が接続される。エンドプレート１６ｂには、アノード出口側（水及び生成酸素排出側）に連通する水排出ライン２２と、カソード側（高圧水素生成側）に連通する水素導出ライン２４とが接続される。

水供給ライン２０は、循環ポンプ２６を配置して供給水タンク２８の底部に接続される。供給水タンク２８の上部には、エアブロア３０及び水排出ライン２２が連通する。供給水タンク２８には、純水製造装置３２に接続された純水供給ライン３４と、前記供給水タンク２８で純水から分離された酸素及び水素を排出するための気体排出ライン３６とが連結される。

水素導出ライン２４は、差圧式高圧水電解装置１２と高圧気液分離装置３８とを接続する。高圧気液分離装置３８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供給ライン４０に導出される。高圧水素供給ライン４０には、規定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）に設定された背圧弁４２が設けられる。

高圧気液分離装置３８は、水を貯留するためのタンク部４４を備える。タンク部４４の下部には、高圧気液分離装置３８で分離された液状水を排出する排水ライン４６が接続される。排水ライン４６には、液状水の流れ方向に沿って、第１開閉弁、例えば、第１電磁弁４８、圧力損失を付与することにより設定水量の液状水を通流させる排水減圧機構、例えば、オリフィス５０が配設される。なお、オリフィス５０に代えて、例えば、減圧弁を用いてもよい。

排水ライン４６は、オリフィス５０の下流において、降圧された液状水を気液分離する低圧気液分離装置５２に接続される。低圧気液分離装置５２は、水を貯留するためのタンク部５４を備える。低圧気液分離装置５２と供給水タンク２８とは、水戻しライン５６により接続される。水戻しライン５６には、第２開閉弁、例えば、第２電磁弁５８が配設される。

低圧気液分離装置５２の上部側には、前記低圧気液分離装置５２内で分離された気体（水素）を排出する排気ライン６０が設けられる。排気ライン６０には、低圧気液分離装置５２内の圧力を、供給水タンク２８内の圧力よりも高圧に保持する圧力保持機構、例えば、背圧弁（又は逆止弁）６２が配設される。具体的には、背圧弁６２は、エアブロア３０の最大駆動時に供給水タンク２８に作用する背圧（例えば、２０ｋＰａ）よりも高圧（例えば、７０ｋＰａ）に設定される。なお、背圧弁６２の設定圧力は、供給水タンク２８の背圧、ラインの圧力損失及び高低差分の圧力等を合計した値以上に設定することが好ましい。

水素導出ライン２４の途上と低圧気液分離装置５２の上部とは、圧力印加ライン６４により接続される。圧力印加ライン６４には、減圧機構、例えば、減圧弁６６及び第３開閉弁、例えば、第３電磁弁６８が高圧水素流れ方向に沿って、配設される。減圧弁６６の出口圧力は、供給水タンク２８内の圧力よりも高圧に設定される。

水素導出ライン２４には、差圧式高圧水電解装置１２に近接して前記差圧式高圧水電解装置１２から導出される水素の圧力ＰＴ１を検出する第１圧力計７０ａが配設される。低圧気液分離装置５２には、前記低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２を検出する第２圧力計７０ｂが配設される。

高圧気液分離装置３８には、タンク部４４内の水位ＬＳ１を検出する水位検出機構、例えば、第１水位検出センサ７２ａが設けられる。低圧気液分離装置５２には、タンク部５４内の水位ＬＳ２を検出する水位検出機構、例えば、第２水位検出センサ７２ｂが設けられる。

第１圧力計７０ａ、第２圧力計７０ｂ、第１水位検出センサ７２ａ及び第２水位検出センサ７２ｂの各検出信号は、コントローラ７４に入力される。コントローラ７４は、差圧式高圧水電解システム１０全体の運転制御を行う。

このように構成される差圧式高圧水電解システム１０の動作について、以下に説明する。

循環ポンプ２６の作用下に、供給水タンク２８内の純水が水供給ライン２０を介して差圧式高圧水電解装置１２のアノード入口側に供給される。一方、差圧式高圧水電解装置１２には、電気的に接続されている電解電源１８を介して電圧が付与される。このため、各水分解セル１４では、アノード側で純水が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。従って、カソード側では、水素イオンが電子と結合して水素が得られ、この水素は、水素導出ライン２４に取り出される。

一方、アノード出口側では、反応により生成した酸素、未反応の水、さらに透過した水素が流動しており、これらの混合流体が水排出ライン２２に排出される。この未反応の水、酸素及び水素は、供給水タンク２８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ２６を介して水供給ライン２０に導入される。水から分離された酸素及び水素は、気体排出ライン３６から外部に排出される。

差圧式高圧水電解装置１２内に生成された水素は、水素導出ライン２４を介して高圧気液分離装置３８に送られる。この高圧気液分離装置３８では、水素に含まれる液状水が、この水素から分離されてタンク部４４に貯留される。一方、水素は、高圧水素供給ライン４０に導出される。水素は、背圧弁４２の設定圧力（例えば、７０ＭＰａ）に昇圧された後、図示しない除湿装置等により除湿されてドライ水素（製品水素）となり、燃料電池電気自動車等に供給される。

高圧気液分離装置３８では、タンク部４４内の水位ＬＳ１が上昇する。第１水位検出センサ７２ａにより検出された水位ＬＳ１が、設定された上限水位閾値まで上昇すると、コントローラ７４は、第１電磁弁４８を開弁させる。このため、図２に示すように、タンク部４４内の液状水は、排水ライン４６に排出され、オリフィス５０で圧力損失が付与されることにより降圧された後、低圧気液分離装置５２を構成するタンク部５４に導入される。

タンク部５４に導入される液状水には、溶存水素が含まれている。図３に示すように、例えば、６０℃における液状水中の溶存水素比率は、圧力に比例して高くなっている。例えば、７０ＭＰａの液状水には、水容積の１２倍程度の溶存水素が含まれている。従って、低圧気液分離装置５２内では、脱圧（減圧）により溶存水素が気化し、水素の体積によりタンク部５４内の圧力が上昇する。

図２に示すように、低圧気液分離装置５２には、排気ライン６０が設けられるとともに、前記排気ライン６０には、背圧弁６２が配設されている。背圧弁６２は、エアブロア３０の最大駆動時に供給水タンク２８に作用する背圧（例えば、２０ｋＰａ）よりも高圧（例えば、７０ｋＰａ）に設定されている。これにより、タンク部５４内の圧力は、供給水タンク２８内の圧力よりも高圧となるため、前記タンク部５４内の水は、水戻しライン５６を通って前記供給水タンク２８内に確実に戻される。また、余分な水素は、背圧弁６２の開弁作用下に、外部に排出される。

この場合、本実施形態では、高圧気液分離装置３８内で気液分離された水（水素が溶存された液状水）は、オリフィス５０により減圧されて低圧気液分離装置５２に供給されている。このため、低圧気液分離装置５２内では、溶存水素が気化して前記低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２が上昇する。そして、背圧弁６２を介して、低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２は、供給水タンク２８内の圧力よりも高圧に保持されている。

従って、低圧気液分離装置５２内の水は、圧力差により供給水タンク２８に容易且つ確実に戻されるため、専用の設備を用いる必要がなく、溶存水素の圧力を利用することができる。これにより、簡単且つ経済的に、水の再利用を図ることができ、差圧式高圧水電解システム１０全体の効率を向上させることが可能になるとともに、前記差圧式高圧水電解システム１０の小型化が図られるという効果が得られる。

次いで、本実施形態に係る起動方法について、図４に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

差圧式高圧水電解システム１０を起動させる際には、第２圧力計７０ｂを介して低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２が検出される。圧力ＰＴ２が規定圧力（低圧気液分離装置５２から供給水タンク２８に水を戻すことが可能な圧力）よりも低圧であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ２に進む。このステップＳ２では、第３電磁弁６８が開弁され、圧力印加ライン６４を介して水素導出ライン２４の途上と低圧気液分離装置５２とが連通する。

このため、図５に示すように、差圧式高圧水電解装置１２により製造される水素は、水素導出ライン２４から圧力印加ライン６４を通って低圧気液分離装置５２に供給され、前記低圧気液分離装置５２内が昇圧される。そして、圧力ＰＴ２が規定圧力を超えると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、タンク部５４内の水位ＬＳ２が水戻し開始閾値（供給水タンク２８に十分な水量を供給することができる水位）を超えるか否かが判断される。

タンク部５４内の水位ＬＳ２が、水戻し開始閾値を超えると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、第２電磁弁５８が開弁される一方、第３電磁弁６８が閉弁される（図２）。従って、低圧気液分離装置５２内の水は、水戻しライン５６に押し出されて供給水タンク２８に確実に戻される。

差圧式高圧水電解システム１０の起動処理が終了しないと判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻って、上記の処理が継続される。その際、ステップＳ３では、タンク部５４内の水位ＬＳ２が水戻し開始閾値以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、タンク部５４内の水位ＬＳ２が水戻し終了閾値（供給水タンク２８に水を供給することができない水位）を下回ると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、第２電磁弁５８及び第３電磁弁６８が閉弁される。そして、ステップＳ５に進む。一方、タンク部５４内の水位ＬＳ２が水戻し終了閾値以上であると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。

この場合、本実施形態では、低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２が、規定圧力よりも低圧である際に、差圧式高圧水電解装置１２から導出される高圧水素が、圧力印加ライン６４を介して低圧気液分離装置５２内に導入されている。このため、低圧気液分離装置５２内の圧力ＰＴ２が上昇し、この圧力ＰＴ２が、供給水タンク２８内の圧力よりも高圧になったと判断された際、前記低圧気液分離装置５２内の水が前記供給水タンク２８に戻されている。

従って、専用の設備を用いる必要がなく、生成される高圧水素の圧力を利用することができる。これにより、簡単且つ経済的に、水の再利用を図ることができ、差圧式高圧水電解システム１０全体の効率を向上させることが可能になるとともに、前記差圧式高圧水電解システム１０の小型化が図られるという効果が得られる。

１０…差圧式高圧水電解システム １２…差圧式高圧水電解装置
１４…水電解セル １８…電解電源
２０…水供給ライン ２２…水排出ライン
２４…水素導出ライン ２６…循環ポンプ
２８…供給水タンク ３０…エアブロア
３６…気体排出ライン ３８…高圧気液分離装置
４０…高圧水素供給ライン ４２、６２…背圧弁
４４、５４…タンク部 ４６…排水ライン
４８、５８、６８…電磁弁 ５０…オリフィス
５２…低圧気液分離装置 ５６…水戻しライン
６０…排気ライン ６４…圧力印加ライン
７０ａ、７０ｂ…圧力計 ７２ａ、７２ｂ…水位検出センサ
７４…コントローラ

Claims (5)

1. 供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置と、
   前記差圧式高圧水電解装置に前記水を循環供給するために、該水を貯留する供給水タンクと、
   前記差圧式高圧水電解装置から導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置と、
   前記差圧式高圧水電解装置と前記高圧気液分離装置とを接続する水素導出ラインと、
   前記高圧気液分離装置で分離された液状水を排出する排水ラインと、
   前記排水ラインに配設される排水減圧機構と、
   前記排水減圧機構の下流に位置して前記排水ラインに配設される低圧気液分離装置と、
   前記低圧気液分離装置と前記供給水タンクとを接続する水戻しラインと、
   を備える差圧式高圧水電解システムであって、
   前記低圧気液分離装置は、該低圧気液分離装置で分離された気体を排出する排気ラインを有するとともに、
   前記排気ラインには、前記低圧気液分離装置内の圧力を、前記供給水タンク内の圧力よりも高圧に保持する圧力保持機構が配設されることを特徴とする差圧式高圧水電解システム。
2. 請求項１記載の差圧式高圧水電解システムにおいて、前記供給水タンクは、該供給水タンク内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアを有し、
   前記圧力保持機構は、前記エアブロアの最大駆動時に前記供給水タンクに作用する背圧よりも高圧に設定されることを特徴とする差圧式高圧水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の差圧式高圧水電解システムにおいて、前記水素導出ラインの途上と前記低圧気液分離装置とを接続する圧力印加ラインを有し、
   前記圧力印加ラインには、減圧機構及び開閉弁が配設されるとともに、前記減圧機構の出口圧力は、前記供給水タンク内の圧力よりも高圧に設定されることを特徴とする差圧式高圧水電解システム。
4. 供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる差圧式高圧水電解装置と、
   前記差圧式高圧水電解装置に前記水を循環供給するために、該水を貯留する供給水タンクと、
   前記差圧式高圧水電解装置から導出される前記高圧水素を、気液分離する高圧気液分離装置と、
   前記差圧式高圧水電解装置と前記高圧気液分離装置とを接続する水素導出ラインと、
   前記高圧気液分離装置で分離された液状水を排出する排水ラインと、
   前記排水ラインに配設される排水減圧機構と、
   前記排水減圧機構の下流に位置して前記排水ラインに配設される低圧気液分離装置と、
   前記低圧気液分離装置と前記供給水タンクとを接続する水戻しラインと、
   前記水素導出ラインの途上と前記低圧気液分離装置とを接続する圧力印加ラインと、
   を備える差圧式高圧水電解システムの起動方法であって、
   前記低圧気液分離装置内の圧力が、前記供給水タンク内の圧力よりも低圧であるか否かを判断する工程と、
   前記低圧気液分離装置内の圧力が、前記供給水タンク内の圧力よりも低圧であると判断された際、前記差圧式高圧水電解装置から導出される前記高圧水素を、前記圧力印加ラインを介して前記低圧気液分離装置内に導入させる工程と、
   前記低圧気液分離装置内の圧力が、前記供給水タンク内の圧力よりも高圧になったと判断された際、前記水戻しラインを開放させて該低圧気液分離装置内の水を前記供給水タンクに戻す工程と、
   を有することを特徴とする差圧式高圧水電解システムの起動方法。
5. 請求項４記載の起動方法において、前記供給水タンクは、該供給水タンク内で気液分離された気体成分を希釈するエアブロアを有し、
   前記低圧気液分離装置内の圧力が、前記エアブロアの最大駆動時に前記供給水タンクに作用する背圧よりも高圧になったと判断された際、前記水戻しラインを開放させて該低圧気液分離装置内の水を前記供給水タンクに戻すことを特徴とする差圧式高圧水電解システムの起動方法。

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