JP5861780B2 - 水電解システム - Google Patents
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Description
本発明は水電解システムに関する。
JP2010−43301Aに記載の従来の水電解システムは、水を電気分解して生成した水素を2つの吸着筒で交互に除湿していた。そして、一方の吸着筒を再生するときは、他方の吸着筒で除湿した水素の一部を一方の吸着筒に導入することで、その一方の吸着筒を再生させていた。
また、JP2007−231383Aに記載の従来の水電解システムは、高圧水素を生成する水電解スタックから排出された水素の水分を吸着部で除去して水素タンクに貯留すると共に、吸着部の再生時には、水素タンクの水素を減圧して吸着部に送り込むことで吸着部を再生していた。
しかしながら、JP2010−43301Aに記載の従来の水電解システムは、再生のために吸着筒に導入する水素の圧力が、除湿のために吸着筒に導入する水素の圧力よりも低いため、吸着筒の再生に使用した水素を流通させることができなかった。そのため、吸着筒の再生に使用した水素を再利用することができず、水電解システムの外部に排出せざるを得ないという問題点があった。
また、JP2007−231383Aに記載の従来の水電解システムは、吸着部を再生するときに、一旦昇圧させた水素を減圧して吸着部に送り込んでいたので、その分エネルギーロスが大きくなるという問題点があった。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、エネルギーロスを低減しつつ、吸着筒の再生に使用した水素の再利用が可能な水電解システムを提供することを目的とする。
本発明のある態様による燃料電池システムは、水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、水電解スタックによって生成された水素に含まれる水分を吸着して除去する除湿装置と、水電解スタックによって生成された水素を除湿装置に供給するウェットラインと、を備える。そして、その水電解システムが、除湿装置で水分が除去された水素を段階的に昇圧する圧縮装置と、圧縮装置の昇圧途中の水素の一部を取り出して、除湿装置を経由させてウェットラインに合流させるパージラインと、をさらに備える。
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態による水電解システム100の概略構成図である。
水電解システム100は、純水を電気分解して生成した水素を水素タンク10に供給するシステムである。水電解システム100は、水電解スタック1と、水電解スタック1に純水を供給する純水供給部2と、水電解スタック1で生成した水素を除湿、昇圧して水素タンク10に供給する水素供給部3と、を備える。
水電解スタック1は、複数の水電解セルを積層したものであって、外部電源と電気的に接続可能に構成される。水電解スタック1は、外部電源の電力によって純水を電気分解して水素と酸素とを発生させる。水電解スタック1で生成した酸素と使用済みの純水とは、排出通路11を介して水電解システム100の外部に排出される。
純水供給部2は、水通路21と、純水製造装置22と、純水通路23と、を備える。
水通路21は、水道水や工業用水などの水を純水製造装置22に供給するための通路である。水通路21は、一端が給水口と接続可能に構成され、他端が純水製造装置22に接続される。
純水製造装置22は、水から純水を製造する。
純水通路23は、純水製造装置22で製造された純水を水電解スタック1に供給するための通路である。純水通路23は一端が純水製造装置22に接続され、他端が水電解スタック1に接続される。
水素供給部3は、除湿装置31と、ウェットライン32と、ドライライン33と、圧縮装置34と、パージライン35と、を備える。
除湿装置31は、内部にヒータと水分吸着剤とを有する2つの吸着筒311を備える。以下の説明において2つの吸着筒311を特に区別する必要があるときは、図中左側の吸着筒を「第1吸着筒311a」といい、図中右側の吸着筒を「第2吸着筒311b」という。
吸着筒311は、両端がそれぞれ開口端となっており、一方の開口端から流入したガスの水分を水分吸着剤によって吸着し、他方の開口端から排出する。吸着筒311の水分吸着剤に吸着した水分量が許容水分量以上になったときは、水分を含むガスの供給を止めた後、ヒータによって水分吸着剤から水分を加熱脱離させると共に、乾燥ガスを吸着筒311に導入して脱離させた水分を吸着筒311の外部へ排出(パージ)することで、吸着筒311を再生することができる。
除湿装置31は一般的に、このような吸着筒311の特性を利用して第1吸着筒311aと第2吸着筒311bとで交互に水分の吸着及び脱離(再生)を繰り返す。つまり、一方の吸着筒311で、水電解スタック1で生成された水分を含む水素(以下「ウェット水素」という。)を除湿すると共に、その一方の吸着筒311から排出された乾燥水素(以下「ドライ水素」という。)の一部を他方の吸着筒311に導入してその他方の吸着筒311を再生させる。
そのため、除湿装置31には、第1吸着筒311a及び第2吸着筒311bに対して選択的にウェット水素を導入するためのウェットライン32と、第1吸着筒311a又は第2吸着筒311bで選択的に乾燥させたドライ水素を水素タンク10に導入するためのドライライン33と、ドライ水素を吸着筒再生用の乾燥ガス(以下「パージ水素」という。)として吸着筒311に導入し、ウェットライン32に戻して循環させるパージライン35と、を備える。
ウェットライン32は、ウェット水素通路321と、ウェット水素導入通路322と、で構成される。
ウェット水素通路321は、水電解スタック1で生成されたウェット水素が流れる通路である。ウェット水素通路321は、一端が水電解スタック1に接続され、他端がウェット水素導入通路322に接続される。ウェット水素通路321には、吸着筒311の負荷を軽減するために、通路内の液水を自動的に通路外に排出するオートドレン(液体排出装置)36を設けることが好ましい。オートドレン36は1個でも良いし、複数設けても良い。
ウェット水素導入通路322は、ウェット水素通路321を流れてきたウェット水素を分岐させ、第1吸着筒311a又は第2吸着筒311bのいずれかに導入するための通路である。ウェット水素導入通路322には、第1バルブ41と第2バルブ42とが設けられ、この第1バルブ41と第2バルブ42との間にウェット水素通路321が接続される。また、ウェット水素導入通路322の一端部は第1吸着筒311aに接続され、他端部は第2吸着筒311bに接続される。
ドライライン33は、ドライ水素排出通路331と、ドライ水素通路332と、で構成される。
ドライ水素排出通路331は、第1吸着筒311a又は第2吸着筒311bのいずれかから排出されたドライ水素をドライ水素通路332に導入するための通路である。ドライ水素排出通路331には、第3バルブ43と第4バルブ44とが設けられ、この第3バルブ43と第4バルブ44との間にドライ水素通路332が接続される。また、ドライ水素排出通路331の一端部は第1吸着筒311aに接続され、他端部は第2吸着筒311bに接続される。
ドライ水素通路332は、ドライ水素排出通路331を流れてきたドライ水素を、圧縮装置34を介して水素タンク10に供給するための通路である。ドライ水素通路332は、一端がドライ水素排出通路331に接続され、他端が水素タンク10に接続される。
圧縮装置34は、ドライ水素通路332に設けられる。本実施形態では、圧縮装置34として、ドライ水素通路332を流れるドライ水素を複数回に分けて圧縮し、所望の圧力まで昇圧させたドライ水素を水素タンク10に圧送する多段式レシプロコンプレッサを使用しているが、これに限られるものではない。圧縮装置34は、所定の圧力まで昇圧させたドライ水素の一部を取り出せるものであれば、形式を問わずに使用することができる。
パージライン35は、パージ水素供給通路351と、パージ水素導入通路352と、パージ水素排出通路353と、パージ水素循環通路354と、で構成される。
パージ水素供給通路351は、圧縮装置34の1段目のレシプロコンプレッサで昇圧させたドライ水素の一部を取り出すことによって、圧力の高いドライ水素をパージ水素としてパージ水素導入通路352に供給するための通路である。パージ水素供給通路351は、一端が圧縮装置34の1段目のレシプロコンプレッサに接続され、他端がパージ水素導入通路352に接続される。なお、本実施形態では、パージ水素供給通路351の一端を圧縮装置34の1段目のレシプロコンプレッサに接続し、1段目のレシプロコンプレッサで昇圧させたドライ水素の一部を取り出すこととしているが、これに限られるものではなく、例えばパージ水素供給通路351の一端を2段目や3段目のレシプロコンプレッサに接続することとしても良い。
パージ水素導入通路352は、パージ水素供給通路351を介して流れてきたパージ水素を、再生中の吸着筒311に導入する通路である。パージ水素導入通路352は、一端が第1吸着筒311aと第3バルブ43との間のドライ水素排出通路331に接続され、他端が第2吸着筒311bと第4バルブ44との間のドライ水素排出通路331に接続される。パージ水素導入通路352には、第5バルブ45と第6バルブ46とが設けられ、この第5バルブ45と第6バルブ46との間にパージ水素供給通路351が接続される。
パージ水素排出通路353は、再生中の吸着筒311から排出されたパージ水素をパージ水素循環通路354に導入するための通路である。パージ水素排出通路353は、一端が第1吸着筒311aと第1バルブ41との間のウェット水素導入通路322に接続され、他端が第2吸着筒311bと第2バルブ42との間のウェット水素導入通路322に接続される。パージ水素排出通路353には、第7バルブ47と第8バルブ48とが設けられ、この第7バルブ47と第8バルブ48との間にパージ水素循環通路354が接続される。
パージ水素循環通路354は、再生中の吸着筒311から排出されたパージ水素をウェット水素通路321に戻すための通路である。パージ水素循環通路354は、一端が第7バルブ47と第8バルブ48との間のパージ水素排出通路353に接続され、他端がウェット水素通路321に接続される。ウェット水素通路321にオートドレン36が設けられるときは、パージ水素循環通路354の他端をオートドレン36よりも上流のウェット水素通路321に接続することが好ましい。パージ水素循環通路354を流れるパージ水素は、パージ水素循環通路354の表面を流れる空気によって冷却される。
次に、本実施形態による水電解システム100の動作について、図2及び図3を参照して説明する。
図2は、第1吸着筒311aによってウェット水素の水分を吸着し、第2吸着筒311bを再生するときの水素の流れを示した図である。
水通路21に水道水が供給されると、純水製造装置22によって製造された純水が水電解スタック1に供給される。このとき、水電解スタック1を外部電源に接続すると、外部電源の電力によって純水が電気分解され、水電解スタック1は水素と酸素とを生成する。
水電解スタック1で生成されたウェット水素は、ウェットライン32を介して除湿装置31に送られる。一方で、水電解スタック1で生成された酸素は、使用済みの純水と共に排出通路11を介して水電解システム100の外部へ排出される。
ここで図2に示すように、第1吸着筒311aによってウェット水素の水分を吸着し、第2吸着筒311bを再生するときは、第1バルブ41、第3バルブ43、第6バルブ46及び第8バルブ48を開き、第2バルブ42、第4バルブ44、第5バルブ45及び第7バルブ47を閉じる。
これにより、ウェット水素通路321を流れてきたウェット水素は、第1バルブ41が開かれ、第2バルブ42及び第7バルブ47が閉じられているので、第1バルブ41が設けられている側のウェット水素導入通路322を介して第1吸着筒311aに導入され、第1吸着筒311aで水分が除去される。そして、第1吸着筒311aから排出されたドライ水素は、第3バルブ43が開かれ、第4バルブ44及び第5バルブ45が閉じられているので、第3バルブ43が設けられている側のドライ水素排出通路331を介してドライ水素通路332に導入される。
ドライ水素通路332を介して圧縮装置34に供給され、1段目のレシプロコンプレッサで昇圧されたドライ水素の一部は、パージ水素としてパージ水素供給通路351を流れてパージ水素導入通路352に供給される。パージ水素導入通路352に供給されたドライ水素は、第6バルブ46が開かれ、第4バルブ44及び第5バルブ45が閉じられているので、第6バルブ46が設けられている側のパージ水素導入通路352を介して再生中の第2吸着筒311bに導入される。これにより、ヒータによって第2吸着筒311bの水分吸着剤から加熱脱離させた水分を、パージ水素と共に第2吸着筒311bの外部、すなわちパージ水素排出通路353へと排出させることができる。
第2吸着筒311bから排出されたパージ水素は、第8バルブ48が開かれ、第2バルブ42及び第7バルブ47が閉じられているので、第8バルブ48が設けられている側のパージ水素排出通路353を介してパージ水素循環通路354に導入される。その結果、第2吸着筒311bから排出されたパージ水素は、第2吸着筒311bの水分吸着剤から過熱脱離させた水分と共に、ウェット水素供給通路に戻され、再び第1吸着筒311aに導入される。
図3は、第2吸着筒311bによってウェット水素の水分を吸着し、第1吸着筒311aを再生するときの水素の流れを示した図である。
図3に示すように、第2吸着筒311bによってウェット水素の水分を吸着し、第1吸着筒311aを再生するときは、逆に第1バルブ41、第3バルブ43、第6バルブ46及び第8バルブ48を閉じ、第2バルブ42、第4バルブ44、第5バルブ45及び第7バルブ47を開く。これにより、ウェット水素を第2吸着筒311bに導入し、第1吸着筒311aの再生に使用したパージ水素をウェット水素通路321に戻して再び第2吸着筒311bに導入することができる。
このように、本実施形態では、吸着筒311などの圧力損失を考慮して、パージライン35の圧力がウェット水素通路321の圧力よりも高くなるように、圧縮装置34で一旦昇圧させたドライ水素の一部をパージ水素として再生中の吸着筒311に導入することとした。
これにより、吸着筒311の再生に使用したパージ水素を再びウェット水素通路321に戻して循環させることができる。そのため、パージ水素を水電解システム100の外部に排出する必要がないので、水電解スタック1で生成した水素を無駄に廃棄することなく水素タンク10に供給することができる。
以上説明した本実施形態による水電解システム100は、水を電気分解して水素を生成する水電解スタック1と、水電解スタック1によって生成された水素に含まれる水分を吸着して除去する除湿装置31と、水電解スタック1によって生成された水素を除湿装置31に供給するウェットライン32と、除湿装置31で水分が除去された水素を段階的に昇圧する圧縮装置34と、圧縮装置34の昇圧途中の水素の一部を取り出して、除湿装置31を経由させてウェットライン32に合流させるパージライン35と、を備える。
これにより、昇圧途中の水素の一部を利用して除湿装置31の再生を行うことができるので、除湿装置31を再生するために必要以上に水素を昇圧する必要がなく、エネルギーロスを低減することができる。また、再生に使用した水素をパージライン35を介してウェットライン32に戻して再利用することができるので、水電解スタック1で生成した水素が無駄に水電解システム100の外部に排出されるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、パージ水素循環通路354を、オートドレン36よりも上流側のウェット水素通路321に接続することとした。つまり、圧縮装置34で昇圧させた水素の一部を、水電解スタック1とオートドレン36との間のウェット水素通路321に合流させることした。
パージ水素循環通路354を流れるパージ水素には、再生中の吸着筒311から加熱脱離させた水分が含まれる。そのため、パージ水素循環通路354をオートドレン36よりも上流側のウェット水素通路321に接続することで、パージ水素中に含まれる水分を、オートドレン36によって水電解システム100の外部に排出することができる。
また、本実施形態では、圧縮装置34の1段目のコンプレッサで昇圧されたドライ水素を、パージ水素としてパージライン35に流すこととした。
そのため、パージ水素が必要以上に昇圧されることがないのでエネルギーロスがない。また、パージライン35の肉厚を薄くすることができると共に、パージライン35からパージ水素が漏れるのを抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、上記の実施形態では、除湿装置31に2つの吸着筒311を設けたが、吸着筒311は1つ以上あれば良い。上記の実施形態のように、除湿装置31に2つ以上の吸着筒311を設けることで、一方の吸着筒311の再生時にも他方の吸着筒311でウェット水素を乾燥させながら水電解システム100の運転をすることができるので、連続運転の観点からは有利である。
また、パージライン35を流れるパージ水素は、圧縮装置34で昇圧され、ヒータによって加熱されている吸着筒311を通過するので、相対的に高温となる。そこで上記の実施形態では、パージ水素循環通路354を流れるパージ水素を、パージ水素循環通路354の表面を流れる空気によって冷却(空冷)していたが、例えば水通路21を流れる水や、純水通路23を流れる水との間で熱交換を実施して冷却(水冷)しても良い。
また、上記の実施形態で説明した水電解システム100は、水素を燃料として使用する車両等の移動体に搭載することも可能であるし、水素を燃料として使用する定置式のシステムに採用することも可能である。
また、上記の実施形態では、水電解スタック1で使用した使用済みの純水を外部に排出していたが、例えば図4に示すように、純水を貯留するリザーバタンク24を設け、リザーバタンク24に貯留した純水を循環通路25に設けた循環ポンプ26によって循環させるようにしても良い。そして、排出通路11からは水電解スタック1で生成した酸素のみを排出させるようにも良い。
本願は、2012年6月25日に日本国特許庁に出願された特願2012−142138号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (6)
- 水を電気分解して水素を生成する水電解スタックと、
前記水電解スタックによって生成された水素に含まれる水分を吸着して除去する除湿装置と、
前記水電解スタックによって生成された水素を前記除湿装置に供給するウェットラインと、
前記除湿装置で水分が除去された水素を段階的に昇圧する圧縮装置と、
前記圧縮装置の昇圧途中の水素の一部を取り出して、前記除湿装置を経由させて前記ウェットラインに合流させるパージラインと、
を備える水電解システム。 - 前記圧縮装置から取り出される水素の圧力は、前記ウェットラインの圧力よりも高い、
請求項1に記載の水電解システム。 - 前記圧縮装置は、
前記除湿装置で水分が除去された水素を、少なくとも2回に分けて昇圧する多段式のコンプレッサであって、
前記パージラインは、
1段目のコンプレッサで昇圧させた水素の一部を前記ウェットラインに合流させる、
請求項1又は請求項2に記載の水電解システム。 - 前記ウェットラインに設けられ、液体をそのウェットラインから排出する液体排出装置をさらに備え、
前記パージラインは、
前記圧縮装置で昇圧させた水素の一部を、前記水電解スタックと前記液体排出装置との間の前記ウェットラインに合流させる、
請求項1から請求項3までのいずれか1つに記載の水電解システム。 - 水素を燃料として走行する車両に搭載される、
請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載の水電解システム。 - 前記水電解スタックでの電気分解に使用される冷媒が循環する循環通路を備える、
請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の水電解システム。
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