JP6090798B2 - 高圧水電解システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システム及びその制御方法に関する。

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。

セルユニットから導出される水素は、気液分離装置に送られて液状水が除去された後、水素精製部（水吸着部）に供給されて製品水素（ドライ水素）が得られる。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。

水電解装置では、アノード側に常圧な酸素を生成するとともに、カソード側に高圧（一般的には、１ＭＰａ以上）な水素を生成する高圧水電解装置（差圧式水電解装置）が採用されている。その際、気液分離装置では、高圧水電解装置から高圧水素が導入されるため、前記気液分離装置内の高圧水を排出する際に、排水配管から前記高圧水が噴出され、電磁弁等が損傷するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離方法及びその装置が知られている。この気液分離装置では、耐圧容器、水位検出手段、水素取り出し手段及び排水手段を備えている。水素取り出し手段は、第１導管と、第１圧力以上で開弁する第１背圧弁と、水位検出手段により検出される水位が第１水位で開弁し、前記第１水位より高水位の第２水位で閉弁する電磁弁とを備えている。排水手段は、第２導管と、第１圧力よりも高い第２圧力以上で開弁する第２背圧弁とを備えている。

耐圧容器内の水位が第１水位となると、電磁弁を開弁して第１背圧弁により第１導管から高圧水素ガスを取り出している。そして、耐圧容器内の水位が第１水位より高い第２水位に達すると、電磁弁を閉弁して高圧水素ガスの取り出しが停止される。さらに、耐圧容器内の水位が第１水位に低下するまで、第２背圧弁を介して第２導管から該耐圧容器内の水を排出している。従って、耐圧容器内の水は、前記耐圧容器内の高圧水素ガスの圧力よりも低い圧力で排出することができる、としている。

特開２００６−３４７７７９号公報

本発明は、この種の気液分離装置を備えた高圧水電解システムに関連してなされたものであり、デバイス類を削減することができ、簡単且つ経済的に、排水処理及び脱圧処理を遂行することが可能な高圧水電解システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧水電解システムは、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備えている。高圧水電解システムは、高圧水電解装置から導出される水素に含まれる液状水を除去する気液分離装置と、前記気液分離装置で気液分離された水素を該気液分離装置から導出する水素導出配管と、制御装置と、を備えている。

制御装置は、通常時水位制御部と脱圧時水位制御部とを有している。通常時水位制御部は、通常電解時において気液分離装置内の水位を、通常時上限水位から通常時下限水位の範囲内に制御する。脱圧時水位制御部は、カソード側の脱圧時において気液分離装置内の水位を、脱圧時上限水位から脱圧時下限水位の範囲内に制御する。そして、通常時下限水位は、脱圧時上限水位よりも上方に設定されている。

気液分離装置は、通常時下限水位と脱圧時上限水位との間に設けられる第１排水配管と、前記脱圧時下限水位よりも下方に設けられる第２排水配管と、を備えている。第１排水配管及び第２排水配管には、それぞれ高圧水を減圧させる圧力損失部材が配置されている。

また、制御装置は、システム停止時に、高圧水電解装置に電流を印加しながら脱圧を行う脱圧制御部を備えることが好ましい。

さらに、第１排水配管からの排水量は、通常電解時に気液分離装置に導入される水量よりも少なく設定されることが好ましい。その際、第１排水配管からの排水量と第２排水配管からの排水量との合計流量は、通常電解時に気液分離装置に導入される水量よりも多く設定されることが好ましい。

さらにまた、本発明に係る高圧水電解システムの制御方法では、気液分離装置には、圧力損失部材が配置される第１排水配管と、該第１排水配管よりも下方に配置され、圧力損失部材が配置される第２排水配管とが接続されている。圧力損失部材は、高圧水を減圧させる機能を有する。

通常電解時には、気液分離装置内の水位を、第１排水配管よりも上方に設定された通常時下限水位から通常時上限水位の範囲内に制御する工程を有している。一方、カソード側の脱圧時には、気液分離装置の水位を、第１排水配管よりも下方に設定された脱圧時上限水位から脱圧時下限水位の範囲内に制御する工程を有している。

本発明によれば、通常電解時において、第１排水配管が通常時下限水位よりも下方に配置されている。このため、第１排水配管は、気液分離装置内の滞留水中に水没しており、通常電解中には、常時、排水することができる。従って、第１排水配管には、減圧弁等を設ける必要がない。これにより、デバイス類を有効に削減することができ、簡単且つ経済的に、排水処理及び脱圧処理を遂行することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解システムの概略構成説明図である。 通常運転時の制御方法の説明図である。 前記通常運転時の動作説明図である。 脱圧運転時の制御方法の説明図である。 前記脱圧運転時の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解システムの概略構成説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る高圧水電解システム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を製造する高圧水電解装置（差圧式水電解装置）１２を備える。高圧水素とは、常圧である酸素圧力よりも高圧の、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素をいう。

高圧水電解システム１０は、高圧水電解装置１２から導出される高圧水素に含まれる液状水を除去する気液分離装置１４と、前記気液分離装置１４で気液分離された高圧水素を該気液分離装置１４から導出する水素導出配管１６と、制御装置１８とを備える。

高圧水電解装置１２には、複数の水分解セル（単位セル）２０が積層されており、前記水分解セル２０の積層方向両端には、エンドプレート２２ａ、２２ｂが配設される。高圧水電解装置１２には、直流電源である電解電源２４が接続される。水分解セル２０は、図示しないが、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極触媒層とカソード側電極触媒層とが設けられる。

エンドプレート２２ａには、水供給配管２６ａが接続されるとともに、エンドプレート２２ｂには、水排出配管２６ｂ及び水素配管２６ｃが接続される。水供給配管２６ａには、純水が供給される一方、水排出配管２６ｂからは、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と未反応の水とが排出される。

水素配管２６ｃには、高圧水素配管２８の一端部が接続されるとともに、前記高圧水素配管２８の他端部は、気液分離装置１４を構成するタンク部３０に接続される。タンク部３０は、水素に含まれる水分（液状体）を貯留するとともに、前記タンク部３０には、第１排水配管（排水及び脱圧ライン）３２と第２排水配管（高圧排水ライン）３４とが設けられる。

気液分離装置１４内の水位は、通常電解（通常運転）時と脱圧（脱圧運転）時とで変更される。通常電解時には、通常時上限水位ＬＡｍａｘ及び通常時下限水位ＬＡｍｉｎが設定される。脱圧時には、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘ及び脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎが設定される。通常時下限水位ＬＡｍｉｎは、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘよりも上方（同一位置も含む）に設定される。

第１排水配管３２は、通常時下限水位ＬＡｍｉｎと脱圧時上限水位ＬＢｍａｘとの間に設けられる。第２排水配管３４は、脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎよりも下方に設けられる。

第１排水配管３２には、高圧水を減圧させる圧力損失部材、例えば、オリフィス３６が配設される。第２排水配管３４には、高圧水を減圧させる圧力損失部材、例えば、オリフィス３８が配置され、前記オリフィス３８の下流に位置して開閉弁、例えば、電磁弁４０が配設される。電磁弁４０は、制御装置１８により駆動される。なお、オリフィス３６、３８に代えて、例えば、微細状チューブを用いてもよい。第１排水配管３２及び第２排水配管３４は、水封器４２に接続され、水とガス成分とが分離される。

タンク部３０には、前記タンク部３０内の水位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４４が設けられる。水位検出センサ４４の検出信号は、制御装置１８に入力される。

タンク部３０の上部に接続される水素導出配管１６には、高圧水素を冷却する冷却装置４６、前記高圧水素に含まれる水蒸気（水分）を吸着する吸着装置４８及び前記高圧水素を規定圧力値に昇圧させる背圧弁５０が配設される。規定圧力値に昇圧された製品水素（ドライ水素）は、燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。

制御装置１８は、通常時水位制御部５２と脱圧時水位制御部５４とを有する。通常時水位制御部５２は、通常電解時において気液分離装置１４内の水位を、通常時上限水位ＬＡｍａｘから通常時下限水位ＬＡｍｉｎの範囲内に制御する。脱圧時水位制御部５４は、カソード側の脱圧時において気液分離装置１４内の水位を、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘから脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎの範囲内に制御する。

このように構成される高圧水電解システム１０の動作について、第１の実施形態に係る制御方法との関連で、以下に説明する。

先ず、高圧水電解システム１０の始動時には、例えば、市水から生成された純水が、高圧水電解装置１２の水供給配管２６ａに供給される。一方、高圧水電解装置１２に電気的に接続されている電解電源２４を介して、電解電圧が付与される。

このため、各水分解セル２０では、アノード側に供給された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。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を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が得られる。従って、カソード側に生成された水素は、水素配管２６ｃに接続された高圧水素配管２８を介して高圧水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、アノード側には、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と、使用済みの水とが流動しており、これらの混合流体が水排出配管２６ｂから排出される。使用済みの水は、酸素（及び透過した水素）から分離された後、水供給配管２６ａに導入される。

高圧水電解装置１２内に生成された高圧水素は、高圧水素配管２８を流通して気液分離装置１４に送られる。気液分離装置１４では、水素に含まれる液状水が、この水素から分離される。タンク部３０に貯留された液状水は、水位検出センサ４４により水位が検出されている。

制御装置１８では、通常時水位制御部５２により通常電解時における水位が、通常時上限水位ＬＡｍａｘから通常時下限水位ＬＡｍｉｎの範囲内に制御されている。図２に示すように、タンク部３０内の水位が、通常時上限水位ＬＡｍａｘから通常時下限水位ＬＡｍｉｎの範囲内であれば、制御装置１８は、電磁弁４０を閉塞させる。

その際、図３に示すように、第１排水配管３２は、タンク部３０内の貯留水中に水没している。これにより、タンク部３０内の水は、第１排水配管３２に配置されたオリフィス３６を介し、一定の水量で前記第１排水配管３２に、常時、排水されている。このため、タンク部３０内の水位の上昇が緩和され、前記水位が通常時上限水位ＬＡｍａｘに至るまでの運転時間が長くなる。なお、第１排水配管３２からの排水量は、通常電解時に気液分離装置１４に導入される水量よりも少量に設定されている。

タンク部３０内の水位が、通常時上限水位ＬＡｍａｘに至ると、電磁弁４０が開放される（図２参照）。従って、タンク部３０内の水は、第２排水配管３４及び第１排水配管３２から排水され、水位が通常時下限水位ＬＡｍｉｎに至る際、電磁弁４０が閉塞される。ここで、第２排水配管３４からの排水量は、第１排水配管３２からの排水量よりも多量に設定されている。また、第１排水配管３２からの排水量と第２排水配管３４からの排水量との合計流量は、通常電解時に気液分離装置１４に導入される水量よりも多量に設定される。

一方、気液分離装置１４内の高圧水素は、水素導出配管１６に導出され、冷却装置４６により冷却された後、吸着装置４８に供給される。吸着装置４８では、高圧水素に含まれる水蒸気（水分）が吸着され、乾燥状態の製品水素（ドライ水素）が得られる。製品水素は、背圧弁５０の規定圧力値（例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）に昇圧された後、燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。

制御装置１８では、図示しない燃料電池電気自動車に対する製品水素の充填が完了すると、高圧水電解装置１２の運転が停止したと判断する。なお、運転停止の判断基準は、例えば、図示しないスイッチによるオフ操作等、他の方式を採用してもよい。

そして、高圧水電解システム１０における脱圧処理が開始される。制御装置１８では、脱圧時水位制御部５４により脱圧時上限水位ＬＢｍａｘから脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎの範囲内に水位が制御されている。図４に示すように、脱圧開始により、電磁弁４０が開放されると、タンク部３０内の水は、第２排水配管３４から排水されて前記タンク部３０内の水位が低下する。その後、タンク部３０内の水位は、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘを下回って低下する。

その際、図５に示すように、第１排水配管３２は、タンク部３０内の貯留水の上方に開放されている。これにより、タンク部３０内の高圧水素は、第１排水配管３２に配置されたオリフィス３６を介し、一定の量で前記第１排水配管３２に、常時、排出されている。このため、タンク部３０内の高圧水素の脱圧処理が効率的に遂行される。

タンク部３０内の水位が脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎまで低下すると、制御装置１８は、電磁弁４０を閉塞させる。さらに、タンク部３０内の水位が上昇し、この水位が脱圧時上限水位ＬＢｍａｘに至ると、電磁弁４０が開放される（図４参照）。従って、タンク部３０内の水は、第２排水配管３４から排水される。一方、タンク部３０内の水位が、脱圧時下限水位ＬＢｍｉｎに至る際、電磁弁４０が閉塞される。

これにより、カソード側に充填されている高圧水素は、高圧水素配管２８を通ってタンク部３０に一旦導入され、第１排水配管３２からオリフィス３６の作用下に徐々に脱圧処理（減圧処理）される。脱圧処理は、カソード側の圧力が、アノード側の圧力（常圧）と同圧になるまで行われる。

この場合、第１の実施形態では、通常電解時において、第１排水配管３２が通常時下限水位ＬＡｍｉｎよりも下方に配置されている（図３参照）。このため、第１排水配管３２は、気液分離装置１４内の滞留水中に水没しており、通常電解中には、常時、排水することができる。しかも、タンク部３０内の水位の上昇速度が低下するため、電磁弁４０の切り替え操作（ＯＮ・ＯＦＦ操作）が削減される。従って、電磁弁４０の耐久性が良好に向上し、経済的である。

一方、脱圧処理時において、第１排水配管３２は、気液分離装置１４内の滞留水の上方に配置され、高圧水素に開放されている（図５参照）。これにより、タンク部３０内の高圧水素は、第１排水配管３２に配置されたオリフィス３６を介して排出され、脱圧処理が迅速に遂行される。

このため、第１排水配管３２には、減圧弁や電磁弁等を設ける必要がない。従って、デバイス類を削減することができ、簡単且つ経済的に、排水処理及び脱圧処理を遂行することが可能になるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る高圧水電解システム６０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る高圧水電解システム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。

高圧水電解システム６０は、制御装置６２を備える。制御装置６２は、システム停止時に、高圧水電解装置１２に電流を印加しながら脱圧を行う脱圧制御部６４を備える。第１排水配管３２は、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘに、脱圧制御部６４による脱圧制御時に気液分離装置１４内で増加する水位を加算した水位よりも上方に配置される。

このように構成される第２の実施形態では、高圧水電解システム６０の運転停止時に、脱圧制御部６４を介して脱圧（減圧）時の印加電流が設定される。この印加電流は、例えば、水素のクロスリーク量に対して水素の膜ポンプ効果が高くなるような電流値に設定される。従って、制御装置６２は、高圧水電解装置１２を構成する水分解セル２０に、上記の印加電流が付与されるように、電解電源２４の制御を行う。この状態で、カソード側の高圧水素の減圧が開始される。

高圧水電解装置１２では、電解電圧が印加されているため、カソード側に水素が生成されるとともに、アノード側から前記カソード側に透過水が発生する。この透過水は、高圧水素配管２８を通ってタンク部３０に導入される。従って、タンク部３０内の水位が上昇する。

ここで、第２の実施形態では、第１排水配管３２は、脱圧時上限水位ＬＢｍａｘに、脱圧制御部６４による脱圧制御時に気液分離装置１４内で増加する水位を加算した水位よりも上方に配置されている。これにより、気液分離装置１４に高圧水電解装置１２から透過水が導入されても、第１排水配管３２は、常時、水面よりも上方に配置されている。

このため、第１排水配管３２は、タンク部３０内の水位上昇に影響されることがなく、脱圧処理が円滑且つ確実に遂行されるという効果が得られる。しかも、デバイス類を削減することができ、簡単且つ経済的に、排水処理及び脱圧処理を遂行す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。

１０、６０…高圧水電解システム １２…高圧水電解装置
１４…気液分離装置 １６…水素導出配管
１８、６２…制御装置 ２０…水分解セル
２８…高圧水素配管 ３０…タンク部
３２、３４…排水配管 ３６、３８…オリフィス
４０…電磁弁 ４２…水封器
４４…水位検出センサ ４６…冷却装置
４８…吸着装置 ５０…背圧弁
５２…通常時水位制御部 ５４…脱圧時水位制御部
６４…脱圧制御部

Claims (4)

1. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素に含まれる液状水を除去する気液分離装置と、
   前記気液分離装置で気液分離された水素を該気液分離装置から導出する水素導出配管と、
   制御装置と、
   を備える高圧水電解システムであって、
   前記制御装置は、通常電解時において前記気液分離装置内の水位を、通常時上限水位から通常時下限水位の範囲内に制御する通常時水位制御部と、
   前記カソード側の脱圧時において前記気液分離装置内の水位を、脱圧時上限水位から脱圧時下限水位の範囲内に制御する脱圧時水位制御部と、
   を有するとともに、前記通常時下限水位は、前記脱圧時上限水位よりも上方に設定され、
   前記気液分離装置は、前記通常時下限水位と前記脱圧時上限水位との間に設けられる第１排水配管と、
   前記脱圧時下限水位よりも下方に設けられる第２排水配管と、
   を備え、
   前記第１排水配管及び前記第２排水配管には、それぞれ高圧水を減圧させる圧力損失部材が配置されることを特徴とする高圧水電解システム。
2. 請求項１記載の高圧水電解システムにおいて、前記制御装置は、システム停止時に、前記高圧水電解装置に電流を印加しながら脱圧を行う脱圧制御部を備えることを特徴とする高圧水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の高圧水電解システムにおいて、前記第１排水配管からの排水量は、通常電解時に前記気液分離装置に導入される水量よりも少なく、且つ、前記第１排水配管からの排水量と前記第２排水配管からの排水量との合計流量は、前記通常電解時に前記気液分離装置に導入される水量よりも多く設定されることを特徴とする高圧水電解システム。
4. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素に含まれる液状水を除去する気液分離装置と、
   前記気液分離装置で気液分離された水素を該気液分離装置から導出する水素導出配管と、
   制御装置と、
   を備える高圧水電解システムの制御方法であって、
   前記気液分離装置には、高圧水を減圧させる圧力損失部材が配置される第１排水配管と、該第１排水配管よりも下方に配置され、高圧水を減圧させる圧力損失部材が配置される第２排水配管とが接続されており、
   通常電解時には、前記気液分離装置内の水位を、前記第１排水配管よりも上方に設定された通常時下限水位から通常時上限水位の範囲内に制御する工程と、
   前記カソード側の脱圧時には、前記気液分離装置の水位を、前記第１排水配管よりも下方に設定された脱圧時上限水位から脱圧時下限水位の範囲内に制御する工程と、
   を有することを特徴とする高圧水電解システムの制御方法。

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