JP7363419B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、水電解システムに関する。

従来、水の電気分解によって水素と酸素を生成する水電解システムが知られている。水電解システムは、一般的に、水の電気分解を行う電解セルに水を供給するポンプを備えている。例えば、特許文献１には、電気で駆動するポンプを用いて、電解セルに水を供給する技術が開示されている。また、特許文献２には、電解セルでの水の電気分解によって得られた酸素を用いてポンプを駆動し、電解セルに水を供給する技術が開示されている。

特開２０１９－１２３８９９号公報 特開２０１８－１７８２３１号公報

しかしながら、水電解システムが、水を電気分解するときに発熱する電解セルを備えている場合、ポンプは、電気分解用の水とともに、電解セルを冷却するための水も電解セルに供給する必要がある。このため、ポンプによる水の供給量が電気分解用の水の量よりも多くなるため、特許文献１に記載の電気で駆動するポンプでは、ポンプで消費される電気エネルギが多くなる。また、特許文献２に記載のポンプでは、水の電気分解によって得られる酸素の圧力は比較的低いため、この酸素の圧力を利用して電解セルに供給できる水の量は少ない。このため、特許文献２に記載のポンプが供給できる水の量で、水の電気分解と電解セルの冷却を両立することは容易ではなく、例えば、電気によって駆動する補助ポンプなどによって、電解セルにさらに水を供給する必要がある。したがって、水電解システムにおいて、水を電気分解するために必要な電気エネルギが多くなる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水電解システムにおいて、水を電気分解するために必要なエネルギを低減する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、前記電解セルに接続されており、前記電解セルで生成された酸素または水素のいずれか一方を含む生成ガスが供給される貯留タンクと、前記貯留タンクに接続される背圧弁と、前記電解セルに接続されており、前記電解セルに供給される水を貯留する水タンクと、前記貯留タンクに貯留されている前記生成ガスの圧力によって前記水タンクの水を加圧して、加圧した水を前記電解セルに供給させる供給ポンプと、を備え、前記背圧弁は、前記貯留タンクに貯留されている前記生成ガスの圧力が、前記供給ポンプを用いて前記電解セルに水を供給することが可能な圧力としてあらかじめ設定された圧力値以上となるように、前記貯留タンクの背圧を維持する。

この構成によれば、貯留タンクには、あらかじめ設定された圧力値以上となるように貯留タンクの背圧を維持する背圧弁が接続されている。貯留タンクには、電解セルで発生する酸素または水素のいずれか一方を含む生成ガスが継続的に供給される。これにより、貯留タンクに貯留されている生成ガスは昇圧されるため、電解セルから排出された生成ガスをそのまま供給ポンプの作動媒体に用いる場合に比べ、供給ポンプが供給できる水の量を増やすことができる。例えば、電解セルが水を電気分解するときに発熱する固体高分子型水電解セルであっても、電気分解用の水に加えて固体高分子型水電解セルを冷却するための水も供給することができる。したがって、水の電気分解によって得られた生成ガスを利用して、水の電気分解と電解セルの冷却を両立することができるだけの十分な量の水を電解セルに供給することができるため、水を電気分解するために必要なエネルギを低減することができる。

（２）上記形態の水電解システムは、さらに、前記電解セルと前記貯留タンクと前記水タンクとのそれぞれに接続されており、前記電解セルから排出される前記生成ガスと水との混合物を気液分離し、気液分離によって得られた前記生成ガスを前記貯留タンクに供給し、気液分離によって得られた水を前記水タンクに送る気液分離器を備えてもよい。この構成によれば、電気分解されずに電解セルから排出される水は、気液分離器によって生成ガスと分離され、水タンクに送られる。気液分離器から水タンクに送られた水は、再び、電解セルに供給され、電気分解される。水電解システムに用いられる水は、一般的に、純度が高い水であるため、製造に多くの費用がかかっている。そこで、電気分解されずに電解セルから排出された水を電気分解に再利用することによって、生成ガスの製造コストを低減することができる。

（３）上記形態の水電解システムであって、前記気液分離器は、前記電解セルから排出される酸素と水の混合物を気液分離する酸素側気液分離器であり、前記水電解システムは、さらに、前記酸素側気液分離器と前記水タンクとのそれぞれに接続されており、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水をイオン交換させるイオン交換器と、前記酸素側気液分離器の内部の水位を検出する水位検出部と、前記酸素側気液分離器と前記イオン交換器との間に配置され、前記水位検出部によって検出される水位を用いて、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに水を送る送水部と、を備え、前記送水部は、前記水位が所定の水位を超える場合、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに水を送ってもよい。この構成によれば、酸素側気液分離器での気液分離によって得られた水は、イオン交換器においてイオン交換されたのち、水タンクに送られる。これにより、酸素側気液分離器から水タンクに送られる水の電気伝導度を低下させることができるため、電解セルにおいて異常電圧による電解セルの劣化を抑制することができる。また、送水部は、水位検出部によって検出される酸素側気液分離器の内部の水位が所定の水位を超える場合、酸素側気液分離器から水タンクに水を送る。酸素側気液分離器において、水位が所定の水位を超えている場合、酸素の圧力が比較的高い状態となっていることから、この酸素の圧力を利用して水を水タンクに押し出すことで、イオン交換器を通して水タンクに水を供給することができる。これにより、酸素側気液分離器の酸素を用いて、酸素側気液分離器の水を水タンクに送ることができるため、水を電気分解するために必要なエネルギをさらに低減することができる。また、酸素側気液分離器から水タンクに水を送るためのポンプが不要となるため、水電解システムの装置コストを低減することができる。

（４）上記形態の水電解システムであって、前記貯留タンクは、前記酸素側気液分離器での気液分離によって得られた酸素を前記あらかじめ設定された圧力値以上の圧力で貯留する酸素タンクであり、前記水電解システムは、さらに、前記酸素側気液分離器と前記イオン交換器との間に配置されており、前記酸素タンクに貯留されている酸素の圧力によって前記酸素側気液分離器の水を加圧して、加圧した水を前記水タンクに送る送液ポンプを備えてもよい。この構成によれば、送液ポンプは、酸素側気液分離器の水を、酸素タンクに貯留されている酸素によって加圧し、水タンクに送る。これにより、背圧弁によって高圧となっている酸素タンクの酸素を用いて、酸素側気液分離器の水を水タンクに送ることができるため、水を電気分解するために必要なエネルギをさらに低減することができる。

（５）上記形態の水電解システムであって、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量を検出する水量検出部と、前記水量検出部によって検出される水の量を用いて、前記送液ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量が所定値より少ない場合、前記送液ポンプを駆動し、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量を増加させてもよい。この構成によれば、例えば、酸素側気液分離器における酸素の圧力が低くなると、酸素側気液分離器から水が押し出されにくくなるため、酸素側気液分離器から水タンクに供給される水の量が低下する。そこで、制御部は、酸素側気液分離器から水タンクに送られる水の量に応じて送液ポンプを駆動する。これにより、酸素側気液分離器で分離された水を確実に水タンクに供給できるとともに、酸素側気液分離器における酸素の圧力が比較的高いため送液ポンプを駆動する必要がない場合には、酸素タンクに貯留されている高圧酸素を使わないで済む。したがって、ガスの製造コストを低減するために消費される高圧酸素の量を低減することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解システムの制御方法、水の電気分解をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、コンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等などの形態で実現することができる。

第１実施形態の水電解システムの概略構成を示した模式図である。 第２実施形態の水電解システムの概略構成を示した模式図である。 第３実施形態の水電解システムの概略構成を示した模式図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解システム１の概略構成を示した模式図である。本実施形態の水電解システム１では、電解セル１０において水を電気分解することで酸素と水素を生成する。電気分解されなかった水とともに電解セル１０から排出される酸素と水素のそれぞれは、酸素側処理部２０または水素側処理部３０のいずれかにおいて水が分離される。また、酸素側処理部２０または水素側処理部３０で分離された水は、水供給部４０に送られ、電解セル１０での電気分解のために、再び電解セル１０に供給される。本実施形態の水電解システム１では、水素と酸素を効率的にかつ高純度で生成するため、不純物が少ない純度が高められた純水に対して電気分解が行われるが、電気分解される水の純度は、これに限定されない。水電解システム１は、電解セル１０と、酸素側処理部２０と、水素側処理部３０と、水供給部４０と、制御部５０を備える。

電解セル１０は、ＰＥＭ型水電解セルであって、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）１１を有する。ＭＥＡ１１は、水素イオンと水を通すことが可能な電解質膜１１ａの両面に、水の電気分解によって生成された酸素イオンから酸素を生成する酸素極１１ｂと、水素イオンから水素を生成する水素極１１ｃと、が接合されたものである。酸素極１１ｂには、溝や多孔質部材の細孔などの酸素極側流路１２が形成されている。水素極１１ｃには、酸素極側流路１２と同様に、溝や多孔質部材の細孔などの水素極側流路１３が形成されている。電解セル１０には、ＭＥＡ１１の酸素極１１ｂと水素極１１ｃとに電力を供給する電源１４が設けられている。

電解セル１０では、水供給部４０が供給する水が酸素極側流路１２を流れている状態において、ＭＥＡ１１の酸素極１１ｂと水素極１１ｃに電力が供給されると、酸素極１１ｂにおいて水が電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。生成された酸素は、電気分解されなかった水の一部とともに酸素極側流路１２を通って電解セル１０の外部に排出される。酸素極１１ｂで生成された水素イオンは、電気分解されなかった水のうち電解セル１０の外部に排出されなかった水（随伴水）とともに、酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動し、水素極１１ｃにおいて電子と結合することで水素になる。水素極１１ｃにおいて生成された水素は、随伴水とともに、水素極側流路１３を通って電解セル１０の外部に排出される。なお、本実施形態での酸素極側流路１２における酸素と水の流れ方向は、図１に示す点線矢印Ａ１２が示す方向であり、水素極側流路１３における水素と随伴水の流れ方向は、図１に示す点線矢印Ａ１３が示す方向である。

電解セル１０において水の電気分解を行うとき、酸素極側流路１２に供給される水の一部は、水の電気分解によって発熱するＭＥＡ１１を冷却する冷媒となる。すなわち、本実施形態の水供給部４０は、電気分解される水とＭＥＡ１１を冷却するための水を電解セル１０に供給する。ＭＥＡ１１を冷却した水は、上述した電気分解されなかった水として、酸素または水素とともに電解セル１０の外部に排出される。酸素極側流路１２から排出される酸素と水の混合物は、酸素側処理部２０に送られる。水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物は、水素側処理部３０に送られる。

酸素側処理部２０は、熱交換器２１と、酸素側気液分離器２３と、酸素タンク２５を備える。酸素側処理部２０は、電解セル１０の酸素極側流路１２から排出される酸素と水の混合物から酸素を分離し、分離された酸素を貯留するとともに、気液分離によって得られた水を水供給部４０が有する水タンク４１に送る。

熱交換器２１は、酸素側流路２０ａを介して、電解セル１０の酸素極側流路１２に接続している。熱交換器２１は、熱交換流体が流れる熱交換パイプ２１ａを有している。熱交換器２１では、発熱するＭＥＡ１１を冷却したために比較的高温となっている酸素と水の混合物から、熱交換パイプ２１ａを流れる熱交換流体を用いて、熱を回収する。熱交換流体によって回収された熱は、例えば、外部の図示しない蓄熱体で蓄熱したり、外部の図示しない物体を直接加熱したりすることに利用される。熱交換器２１は、酸素側流路２０ｂを介して酸素側気液分離器２３に接続している。

酸素側気液分離器２３は、例えば、サイクロン式の気液分離器であって、熱交換器２１を通った後の酸素と水の混合物を、酸素と水とに気液分離する。本実施形態の酸素側気液分離器２３では、酸素側気液分離器２３内の上側に酸素が溜まり、下側に水Ｗ２０が溜まる。酸素側気液分離器２３は、酸素側流路２０ｃを介して水供給部４０の水タンク４１に接続し、酸素側流路２０ｄを介して酸素タンク２５に接続している。なお、酸素側気液分離器２３の気液分離の方法は、サイクロン式に限定されず、フィルタを用いる方法、遠心力を用いる方法や、冷却式であってもよい。

酸素側気液分離器２３と水供給部４０が有する水タンク４１とに接続する酸素側流路２０ｃには、オンオフ弁２２が配置されている。オンオフ弁２２は、酸素側気液分離器２３に設けられている水位計２２ａによって検出される酸素側気液分離器２３内の水Ｗ２０の水位に応じて開閉する。具体的には、水位計２２ａによって検出される酸素側気液分離器２３内の水Ｗ２０の水位が所定の水位以下のとき、オンオフ弁２２を閉じることで酸素側気液分離器２３と水供給部４０とを遮断する。水位計２２ａによって検出される酸素側気液分離器２３内の水Ｗ２０の水位が所定の水位を超えるとき、オンオフ弁２２が開くことで酸素側流路２０ｃを介して酸素側気液分離器２３内の水Ｗ２０が水タンク４１に送られる。水位計２２ａは、特許請求の範囲の「水位検出部」に相当する。

酸素側気液分離器２３と酸素タンク２５とに接続する酸素側流路２０ｄには、逆止弁２４が配置されている。逆止弁２４は、酸素側気液分離器２３から酸素タンク２５への流体の流れを許容する一方、酸素タンク２５から酸素側気液分離器２３への流体の流れを遮断する。

酸素タンク２５は、酸素側気液分離器２３での気液分離によって得られた酸素を貯留する。酸素タンク２５に貯留される酸素は、必要に応じて水電解システム１の外部に排出され（図１の点線矢印Ｆ２０）、例えば、化学品の酸化や、製鋼における転炉での成分調整などに利用される。

水素側処理部３０は、水素側気液分離器３１と、第１水素タンク３３と、第２水素タンク３５を備える。水素側処理部３０は、電解セル１０の水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物から水素を分離し、分離された水素を貯留するとともに、気液分離によって得られた水を水供給部４０が有する水タンク４１に送る。また、水素側処理部３０は、貯留している水素の一部を、水供給部４０が有する供給ポンプ４３に供給する。

水素側気液分離器３１は、水素側流路３０ａを介して、電解セル１０の水素極側流路１３に接続している。水素側気液分離器３１は、例えば、サイクロン式の気液分離器であって、水素極側流路１３から排出された水素と水の混合物を、水素と水とに気液分離する。本実施形態の水素側気液分離器３１では、水素側気液分離器３１の上側に水素が溜まり、下側に水Ｗ３０が溜まる。水素側気液分離器３１は、水素側流路３０ｂを介して水供給部４０の水タンク４１に接続し、水素側流路３０ｃを介して第１水素タンク３３に接続している。なお、水素側気液分離器３１の気液分離の方法は、酸素側気液分離器２３と同様に、サイクロン式に限定されず、フィルタを用いる方法や、遠心力を用いる方法、冷却式であってもよい。

水素側気液分離器３１と水タンク４１とに接続する水素側流路３０ｂには、オンオフ弁３２が配置されている。オンオフ弁３２は、水素側気液分離器３１に設けられている水位計３２ａによって検出される水素側気液分離器３１内の水Ｗ３０の水位に応じて開閉する。具体的には、水位計３２ａによって検出される水素側気液分離器３１内の水Ｗ３０の水位が所定の水位以下のとき、オンオフ弁３２を閉じることで水素側気液分離器３１と水供給部４０とを遮断する。水位計３２ａによって検出される水素側気液分離器３１内の水Ｗ３０の水位が所定の水位を超えるとき、オンオフ弁３２が開くことで水素側流路３０ｂを介して水素側気液分離器３１内の水Ｗ３０が水タンク４１に送られる。水位計３２ａは、特許請求の範囲の「水位検出部」に相当する。

水素側気液分離器３１と第１水素タンク３３とに接続する水素側流路３０ｃには、逆止弁３４が配置されている。逆止弁３４は、水素側気液分離器３１から第１水素タンク３３への流体の流れを許容する一方、第１水素タンク３３から水素側気液分離器３１への流体の流れを遮断する。

第１水素タンク３３は、水素側気液分離器３１を介して電解セル１０に接続しており、水素側気液分離器３１での気液分離によって得られた水素を貯留する。第１水素タンク３３は、水素側流路３０ｄを介して水供給部４０の供給ポンプ４３に接続し、水素側流路３０ｅを介して第２水素タンク３５に接続している。第１水素タンク３３は、特許請求の範囲の「貯留タンク」に相当する。

第１水素タンク３３と供給ポンプ４３とに接続する水素側流路３０ｄには、制御部５０からの指令に応じて水素側流路３０ｄを流れる水素の流量を調整する流量調整弁３６が配置されている。流量調整弁３６は、制御部５０からの指令によって開くことで、第１水素タンク３３内の水素を供給ポンプ４３に供給する。供給ポンプ４３に供給される第１水素タンク３３内の水素は、供給ポンプ４３の駆動に用いられる。

第１水素タンク３３と第２水素タンク３５とに接続する水素側流路３０ｅには、背圧弁３７が配置されている。背圧弁３７は、第１水素タンク３３の水素の圧力が、供給ポンプ４３を用いて電解セル１０に水を供給することが可能な圧力としてあらかじめ設定された圧力値以上となるように、第１水素タンク３３の背圧を維持する。

第２水素タンク３５は、第１水素タンク３３に貯留されている水素の圧力に比べ低圧の水素を貯留する。第２水素タンク３５に貯留される水素は、第１水素タンク３３で貯留されている水素の圧力が所定値以上になったときに背圧弁３７が開くことで、第１水素タンク３３から流入する水素である。また、第２水素タンク３５は、水素側流路３０ｆを介して水供給部４０の供給ポンプ４３に接続しており、供給ポンプ４３の駆動に使われて低圧となった水素も貯留される。第２水素タンク３５に貯留される水素は、必要に応じて水電解システム１の外部に排出され（図１の点線矢印Ｆ３０）、例えば、炭化水素化合物の生成や、化学品の還元に利用される。

第２水素タンク３５と供給ポンプ４３とに接続する水素側流路３０ｆには、逆止弁３８が配置されている。逆止弁３８は、供給ポンプ４３から第２水素タンク３５への流体の流れを許容する一方、第２水素タンク３５から供給ポンプ４３への流体の流れを遮断する。

水供給部４０は、水タンク４１と、供給ポンプ４３と、イオン交換器４５を備える。水供給部４０は、電解セル１０に供給される水を一時的に貯留し、電解セル１０での水の電気分解の状況に合わせて電解セル１０に水Ｗ４０を供給する。

水タンク４１は、外部の図示しない水供給装置から供給される水（図１の点線矢印Ｆ４０）を一時的に貯留する。本実施形態では、水タンク４１には、酸素側気液分離器２３での気液分離によって得られた水Ｗ２０と、水素側気液分離器３１での気液分離によって得られた水Ｗ３０が送られる。水タンク４１は、供給流路４０ａを介して供給ポンプ４３に接続している。

供給ポンプ４３は、ダイアフラム式のポンプであって、水素側流路３０ｄを介して第１水素タンク３３から供給される水素の圧力によって駆動する。供給ポンプ４３は、供給流路４０ｂを介して電解セル１０の酸素極側流路１２に接続されている。供給ポンプ４３は、水タンク４１に貯留されている水Ｗ４０を加圧し、加圧した水を酸素極側流路１２に供給する。なお、供給ポンプ４３の駆動方式は、これに限定されない。水素の流れによって歯車やタービンを回転させることで水タンク４１に貯留されている水Ｗ４０を加圧し、加圧された水を電解セル１０に供給してもよい。

供給ポンプ４３と電解セル１０とに接続する供給流路４０ｂには、三方弁４４が配置されている。三方弁４４は、供給流路４０ｂを流れる水の一部をバイパス流路４０ｃに流す。バイパス流路４０ｃに配置されているイオン交換器４５は、バイパス流路４０ｃを流れる水の電気伝導度をイオン交換によって低下させる。これにより、電解セル１０が有するＭＥＡ１１における異常電圧による劣化を抑制する。

制御部５０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータである。制御部５０は、電解セル１０での水の電気分解の制御や、第１水素タンク３３から供給ポンプ４３への水素の供給量を調整する流量調整弁３６の制御などを行う。

次に、水電解システム１における水電解処理を説明する。水電解システム１では、水供給部４０が供給流路４０ａ、４０ｂを介して酸素極側流路１２に供給する水を電気分解し、酸素極１１ｂで酸素を生成し、水素極１１ｃで水素を生成する。このとき、ＭＥＡ１１を冷却したものの電気分解されなかった水が、酸素極側流路１２では、生成された酸素とともに酸素側流路２０ａに排出され、水素極側流路１３では、生成された水素とともに水素側流路３０ａに排出される。

酸素側流路２０ａを流れる酸素と水の混合物は、熱交換器２１において冷却された後、酸素側気液分離器２３に送られる。酸素側気液分離器２３では、酸素と水の混合物から気液が分離される。気液分離によって得られた水Ｗ２０は、酸素側流路２０ｃを通って、水タンク４１に送られる。気液分離によって得られた酸素は、酸素側流路２０ｄを通って、酸素タンク２５に貯留される。

水素側流路３０ａを流れる水素と水の混合物は、水素側気液分離器３１において、水素と水の混合物から気液が分離される。気液分離によって得られた水Ｗ３０は、水素側流路３０ｂを通って、水タンク４１に供給される。気液分離によって得られた水素は、水素側流路３０ｃを通って、第１水素タンク３３に貯留される。

ここで、第１水素タンク３３に貯留されている水素の圧力を説明する。第１水素タンク３３には、逆止弁３４が配置されている水素側流路３０ｃを通って、気液分離によって得られた水素が流入する。この気液分離される水素は、電解セル１０での水の電気分解によって継続的に生成されているため、第１水素タンク３３にも継続的に水素が供給される。一方、第１水素タンク３３からの水素が流れる水素側流路３０ｅには、背圧弁３７が配置されており、第１水素タンク３３からの水素の圧力が、背圧弁３７にあらかじめ設定されている圧力値以上にならない限り、水素側流路３０ｅには水素は流れない。また、第１水素タンク３３からの水素が流れる水素側流路３０ｄには、水素側流路３０ｄを流れる水素の流量を調整する流量調整弁３６が配置されており、制御部５０からの指令がないと水素側流路３０ｄには水素は流れない。このように、本実施形態の水電解システム１では、第１水素タンク３３には水素が継続的に供給される一方、第１水素タンク３３からは限定的にしか水素は排出されないため、第１水素タンク３３内の水素の圧力は、比較的高い圧力となる。

第１水素タンク３３に貯留されている水素は、水素側流路３０ｄを介して供給ポンプ４３に供給される。供給ポンプ４３では、第１水素タンク３３から供給される水素を用いて、水タンク４１に貯留されている水を加圧する。本実施形態では、供給ポンプ４３は、上述した高圧水素によって駆動するため、水の電気分解とＭＥＡ１１の冷却を両立させるのに十分な量の水を電解セル１０に供給することができる。

供給ポンプ４３の駆動に用いられた水素は、比較的低い圧力となっており、水素側流路３０ｆを介して第２水素タンク３５に送られる。第２水素タンク３５では、背圧弁３７が開くことによって第１水素タンク３３から送られる水素と、供給ポンプ４３から送られる水素とが貯留される。

水供給部４０では、第１水素タンク３３から供給される水素を用いて加圧された水を電解セル１０に供給する。このとき、加圧された水の一部は、イオン交換器４５においてイオン交換された後、電解セル１０に供給される。

以上説明した、本実施形態の水電解システム１によれば、第１水素タンク３３には、あらかじめ設定された圧力値以上となるように第１水素タンク３３の背圧を維持する背圧弁３７が接続されている。第１水素タンク３３には、電解セル１０で発生する水素が継続的に供給されるため、第１水素タンク３３の水素は昇圧される。これにより、第１水素タンク３３の高圧水素が供給される供給ポンプ４３が電解セル１０に供給することができる水の量は、電解セルから排出されたガスをそのまま供給ポンプの作動媒体に用いる場合に比べ多くなる。したがって、水の電気分解によって得られた水素を利用して、水の電気分解と電解セル１０の冷却を両立することができるだけの十分な量の水を電解セル１０に供給することができるため、水を電気分解するために必要なエネルギを低減することができる。

また、本実施形態の水電解システム１によれば、電気分解されずに電解セル１０の酸素極側流路１２から排出される水は、酸素側気液分離器２３によって酸素と分離され、水タンク４１に送られる。また、電解セル１０の水素極側流路１３から排出される水は、水素側気液分離器３１によって水素と分離され、水タンク４１に送られる。酸素側気液分離器２３と水素側気液分離器３１から水タンク４１に送られた水は、再び、電解セル１０に供給され、電気分解される。水電解システム１に用いられる水は、純度が高い水であるため、製造に多くの費用がかかっている。そこで、電気分解されずに電解セル１０から排出された水を電気分解に再利用することによって、酸素および水素の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態の水電解システム１によれば、水素側気液分離器３１を用いて第１水素タンク３３に貯留される前の水素から水を取り除く。これにより、水が水素とともに作動媒体として供給ポンプ４３に供給されることを抑制することができるため、供給ポンプ４３は、予定された水の供給能力を発揮することができる。

また、本実施形態の水電解システム１によれば、水タンク４１の水Ｗ４０を電解セル１０に送るために加圧する供給ポンプ４３には、第１水素タンク３３の水素が供給される。これは、１ｍｏｌの水の電気分解によって０．５ｍｏｌの酸素と、１ｍｏｌの水素とが生成されるように、水の電気分解においては水素の発生量が酸素の発生量より多いためである。これにより、第１水素タンク３３の内容積と酸素タンク２５の内容積とが同じである場合、第１水素タンク３３内の水素の圧力は、酸素タンク２５内の酸素の圧力より高くなりやすいため、供給ポンプ４３を駆動しやすくなる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態における水電解システム２の概略構成を示した説明図である。第２実施形態の水電解システム２は、第１実施形態の水電解システム１（図１）と比較すると、酸素側気液分離器の水をイオン交換するイオン交換器を備えている点が異なる。

水電解システム２は、電解セル１０と、酸素側処理部６０と、水素側処理部３０と、水供給部７０と、制御部５０を備える。

酸素側処理部６０は、熱交換器２１と、酸素側気液分離器２３と、第１酸素タンク６３と、第２酸素タンク６５を備える。酸素側処理部６０は、電解セル１０の酸素極側流路１２から排出される酸素と水の混合物から酸素を分離し、分離された酸素を貯留するとともに、気液分離によって得られた水Ｗ６０を水供給部４０の水タンク４１に送る。また、酸素側処理部６０は、貯留している酸素の一部を、水供給部７０が有する送液ポンプ７７に供給する。

本実施形態では、酸素側気液分離器２３に酸素側気液分離器２３における酸素の圧力を検出する圧力計６１が設けられている。圧力計６１は、検出した酸素の圧力を制御部５０に出力する。圧力計６１は、特許請求の範囲の「水量検出部」に相当する。

第１酸素タンク６３は、逆止弁２４が配置されている酸素側流路６０ａを介して、酸素側気液分離器２３に接続している。第１酸素タンク６３は、熱交換器２１および酸素側気液分離器２３を介して電解セル１０に接続しており、酸素側気液分離器２３での気液分離によって得られた酸素を貯留する。第１酸素タンク６３は、酸素側流路６０ｂを介して水供給部７０が有する送液ポンプ７７に接続し、酸素側流路６０ｃを介して第２酸素タンク６５に接続している。第１酸素タンク６３は、特許請求の範囲の「貯留タンク」に相当する。

第１酸素タンク６３と送液ポンプ７７とに接続する酸素側流路６０ｂには、制御部５０からの指令に応じて酸素側流路６０ｂを流れる酸素の流量を調整する流量調整弁６６が配置されている。流量調整弁６６は、制御部５０からの指令によって開くことで、第１酸素タンク６３内の酸素を送液ポンプ７７に供給する。送液ポンプ７７に供給される第１酸素タンク６３内の酸素は、送液ポンプ７７の駆動に用いられる。

第１酸素タンク６３と第２酸素タンク６５とに接続する酸素側流路６０ｃには、背圧弁６７が配置されている。背圧弁６７は、第１酸素タンク６３の酸素の圧力が、送液ポンプ７７を用いて水タンク４１に水を送ることが可能な圧力としてあらかじめ設定された圧力値以上となるように、第１酸素タンク６３の背圧を維持する。

第２酸素タンク６５は、第１酸素タンク６３に貯留されている酸素の圧力に比べ低圧の酸素を貯留する。第２酸素タンク６５に貯留される酸素は、第１酸素タンク６３で貯留されている酸素の圧力が所定値以上になったときに背圧弁６７が開くことで、第１酸素タンク６３から流入する酸素である。また、第２酸素タンク６５は、酸素側流路６０ｄを介して水供給部７０の送液ポンプ７７に接続しており、送液ポンプ７７の駆動に使われて低圧となった酸素も貯留される。第２酸素タンク６５に貯留される酸素は、必要に応じて水電解システム１の外部に排出される（図２の点線矢印Ｆ６０）。

第２酸素タンク６５と送液ポンプ７７とに接続する酸素側流路６０ｄには、逆止弁６８が配置されている。逆止弁６８は、送液ポンプ７７から第２酸素タンク６５への流体の流れを許容する一方、第２酸素タンク６５から送液ポンプ７７への流体の流れを遮断する。

水供給部７０は、水タンク４１と、供給ポンプ４３と、イオン交換器４５と、送液ポンプ７７と、イオン交換器７９を備える。水供給部７０は、電解セル１０に供給される水を一時的に貯留し、電解セル１０での水の電気分解の状況に合わせて電解セル１０に水Ｗ７０を供給する。

送液ポンプ７７とイオン交換器７９は、酸素側気液分離器２３と水タンク４１とに接続する酸素側流路２０ｃに配置されている。送液ポンプ７７は、酸素側流路６０ｂを介して第１酸素タンク６３から供給される酸素の圧力によって駆動するダイアフラム式のポンプである。送液ポンプ７７は、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を加圧し、加圧した水を水タンク４１に送る。イオン交換器７９は、送液ポンプ７７が水タンク４１に送る酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０の電気伝導度をイオン交換によって低下させる。なお、送液ポンプ７７の駆動方式は、これに限定されない。酸素によって歯車やタービンを回転させることで、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を加圧し、水タンク４１に送ってもよい。

次に、水電解システム２における水電解処理を説明する。水電解システム２では、第１実施形態で説明した水電解システム１における水電解処理に、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を、イオン交換器７９を通して水タンク４１に送る工程が加わる。

本実施形態では、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０は、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０の水位に応じて水タンク４１に送られる。具体的には、水位計２２ａが検出する水Ｗ６０の水位が所定の水位を超えるとき、制御部５０は、オンオフ弁２２を開く。このとき、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０は、酸素側気液分離器２３における内部の酸素の圧力によって押し出される形で酸素側流路２０ｃを流れ、イオン交換器７９を介して水タンク４１に送られる。オンオフ弁２２は、特許請求の範囲の「送水部」に相当する。

また、本実施形態では、水Ｗ６０を水タンク４１に送るとき、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に送られる水の量、すなわち、酸素側流路２０ｃを流れる水の量が所定値より少ない場合、制御部５０は、送液ポンプ７７を駆動し、酸素側流路２０ｃを流れる水の量を増加させる。具体的には、制御部５０は、水Ｗ６０を水タンク４１に送るときに圧力計６１が検出する酸素側気液分離器２３の酸素の圧力から、酸素側流路２０ｃを流れる水の量が所定値より少ないか否かを判定する。制御部５０は、酸素側流路２０ｃを流れる水の量が所定値より少ないと判定すると、第１酸素タンク６３に貯留されている酸素が送液ポンプ７７に供給されるように、流量調整弁６６を開く。第１酸素タンク６３の酸素が送液ポンプ７７に送られると、送液ポンプ７７が駆動し、酸素側流路２０ｃを流れる水が加圧される。これにより、酸素側流路２０ｃを流れる水の量が増加する。

以上説明した、本実施形態の水電解システム２によれば、電解セル１０で発生する水素が継続的に供給される第１水素タンク３３には背圧弁３７が接続されている。これにより、第１水素タンク３３の水素は昇圧されるため、供給ポンプ４３が供給できる水の量を増やすことができる。したがって、水の電気分解によって得られた水素を利用して、水の電気分解と電解セル１０の冷却を両立することができる水を電解セル１０に供給することができるため、水を電気分解するために必要なエネルギを低減することができる。

また、本実施形態の水電解システム２によれば、酸素側気液分離器２３での気液分離によって得られた水Ｗ６０は、イオン交換器７９においてイオン交換されたのち、水タンク４１に送られる。これにより、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に送られる水の電気伝導度を低下させることができるため、電解セル１０において異常電圧による電解セル１０の劣化を抑制することができる。また、制御部５０は、水位計２２ａによって検出される酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０の水位が所定の水位を超える場合、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に水を送る。酸素側気液分離器２３において、水位が所定の水位を超えている場合、酸素の圧力が比較的高い状態となっていることから、この酸素の圧力を利用して水Ｗ６０を水タンク４１に向かって押し出すことで、圧力損失が発生するイオン交換器７９を通して水タンク４１に水を供給することができる。これにより、酸素側気液分離器２３の酸素を用いて、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を水タンク４１に送ることができるため、水を電気分解するために必要なエネルギをさらに低減することができる。また、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に水を送るためのポンプが不要となるため、水電解システム２の装置コストを低減することができる。

また、本実施形態の水電解システム２によれば、送液ポンプ７７は、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を、第１酸素タンク６３に貯留されている酸素によって加圧し、水タンク４１に送る。これにより、背圧弁６７によって高圧となっている第１酸素タンク６３の酸素を用いて、酸素側気液分離器２３の水Ｗ６０を水タンク４１に送ることができるため、水を電気分解するために必要なエネルギをさらに低減することができる。

また、本実施形態の水電解システム２によれば、酸素側気液分離器２３における酸素の圧力が低くなると、酸素側気液分離器２３から水Ｗ６０が押し出されにくくなるため、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に供給される水の量が低下する。そこで、制御部５０は、酸素側気液分離器２３から水タンク４１に供給される水の量に応じて送液ポンプ７７を駆動する。これにより、酸素側気液分離器２３で気液分離された水Ｗ６０を確実に水タンク４１に供給できるとともに、酸素側気液分離器２３における酸素の圧力が比較的高いため送液ポンプ７７を駆動する必要がない場合には、第１酸素タンク６３に貯留されている高圧酸素を使わないで済む。したがって、酸素の製造コストを低減するために消費される高圧酸素の量を低減することができる。

＜第３実施形態＞
図３は、第３実施形態における水電解システム３の概略構成を示した説明図である。第３実施形態の水電解システム３は、第２実施形態の水電解システム１（図１）と比較すると、水タンクの水を電解セルに供給する供給ポンプを、酸素によって駆動している点が異なる。

水電解システム３は、電解セル１０と、酸素側処理部６０と、水素側処理部８０と、水供給部９０と、制御部５０を備える。

本実施形態の酸素側処理部６０では、酸素側流路６０ｂは、水供給部９０が有する供給ポンプ９３に接続している。これにより、制御部５０からの指令によって流量調整弁６６が開くことで、第１酸素タンク６３内の酸素が供給ポンプ９３に供給される。送液ポンプ７７に供給される第１酸素タンク６３内の酸素は、供給ポンプ９３の駆動に用いられる。背圧弁６７は、第１酸素タンク６３の酸素の圧力が、供給ポンプ９３を用いて電解セル１０に水を送ることが可能な圧力としてあらかじめ設定された圧力値以上となるように、第１酸素タンク６３の背圧を維持する。

また、本実施形態の酸素側処理部６０では、酸素側流路６０ｂは、供給ポンプ９３に接続している。酸素側流路６０ｄには、逆止弁６８が配置されている。逆止弁６８は、供給ポンプ９３から第２酸素タンク６５への流体の流れを許容する一方、第２酸素タンク６５から供給ポンプ９３への流体の流れを遮断する。

水素側処理部８０は、水素側気液分離器３１と、水素タンク８３を備える。水素側処理部８０は、電解セル１０の水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物から水素を分離し、分離された水素を貯留する。また、水素側処理部８０は、水素側気液分離器３１において得られた水Ｗ８０を水タンク４１に供給する。

水素タンク８３は、逆止弁３４が配置されている水素側流路８０ａを介して、水素側気液分離器３１に接続している。水素タンク８３は、水素側気液分離器３１での気液分離によって得られた水素を貯留する。水素タンク８３に貯留される水素は、必要に応じて水電解システム１の外部に排出される（図３の点線矢印Ｆ８０）。

水供給部９０は、水タンク４１と、供給ポンプ９３と、イオン交換器４５を備える。水供給部９０は、電解セル１０に供給される水を一時的に貯留し、電解セル１０での水の電気分解の状況に合わせて電解セル１０に水Ｗ９０を供給する。

供給ポンプ９３は、酸素側流路６０ｂを介して第１酸素タンク６３から供給される酸素の圧力によって駆動するダイアフラム式のポンプである。供給ポンプ９３は、供給流路４０ａを介して水タンク４１に接続し、供給流路４０ｂを介して電解セル１０の酸素極側流路１２に接続している。供給ポンプ９３は、水タンク４１に貯留されている水Ｗ９０を加圧し、加圧した水を酸素極側流路１２に供給する。なお、供給ポンプ９３の駆動方式は、これに限定されない。水素によって歯車やタービンを回転させることで、水タンク４１に貯留されている水を加圧し、電解セル１０に供給してもよい。

以上説明した、本実施形態の水電解システム３によれば、電解セル１０で発生する酸素が継続的に供給される第１酸素タンク６３には背圧弁６７が接続されている。これにより、第１酸素タンク６３の酸素は昇圧されるため、供給ポンプ９３が供給できる水の量を増やすことができる。したがって、水の電気分解によって得られた酸素を利用して、水の電気分解と電解セル１０の冷却を両立することができる水を電解セル１０に供給することができるため、水を電気分解するために必要なエネルギを低減することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
第２実施形態では、水タンク４１の水を電解セル１０に供給する供給ポンプ４３には、第１水素タンク３３の高圧水素が供給され、酸素側気液分離器２３の水を水タンク４１に供給する送液ポンプ７７には、第１酸素タンク６３の高圧酸素が供給されるとした。しかしながら、第１水素タンク３３の高圧水素を用いて水素側気液分離器３１の水を水タンク４１に供給し、第１酸素タンク６３の高圧酸素を用いて水タンク４１の水を電解セル１０に供給してもよい。また、供給ポンプ４３と送液ポンプのいずれにも、第１水素タンク３３の高圧水素のみ、または、第１酸素タンク６３の高圧酸素のみが供給されてもよい。

［変形例２］
変形例１でも述べたように、水素側気液分離器３１の水を水タンク４１に供給してもよい。このとき、水素側気液分離器３１の水素によって水を押し出してもよく、第２実施形態の酸素側流路２０ｃと同様に、送液ポンプおよびイオン交換器の少なくとも１つが配置されていてもよい。

［変形例３］
第２実施形態では、酸素側気液分離器２３における酸素の圧力を検出する圧力計６１を有しており、圧力計６１の検出結果に応じて、送液ポンプ７７を駆動するとした。しかしながら、酸素側流路２０ｃを流れる水の量を検出した結果を用いて送液ポンプ７７を駆動してもよいし、酸素側気液分離器２３の水位の変化を水位計によって検出した結果を用いて送液ポンプ７７を駆動してもよい。また、送液ポンプ７７は、常時駆動していてもよい。

［変形例４］
第１実施形態では、水位計２２ａ、３２ａでの水位の検出結果に応じて、制御部５０がオンオフ弁２２、３２の開閉を制御し、それぞれの気液分離器から水タンク４１に水を送るとした。しかしながら、制御部５０はなくてもよく、水位計２２ａ、３２ａのそれぞれとオンオフ弁２２、３２のそれぞれとが直接接続されており、水位計での水位の検出結果に応じて、制御部を介することなく、オンオフ弁２２、３２が水の量を調整してもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１，２，３…水電解システム
１０…電解セル
１１ａ…電解質膜
１１ｂ…酸素極
１１ｃ…水素極
１２…酸素極側流路
１３…水素極側流路
１４…電源
２０，６０…酸素側処理部
２０ａ，２０ｃ，２０ｃ，２０ｄ，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ…酸素側流路
２１…熱交換器
２１ａ…熱交換パイプ
２２，３２…オンオフ弁
２２ａ，３２ａ…水位計
２３…酸素側気液分離器
２４，３４，３８，６８…逆止弁
２５…酸素タンク
３０，８０…水素側処理部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，８０ａ…水素側流路
３１…水素側気液分離器
３６，６６…流量調整弁
３３…第１水素タンク
３５…第２水素タンク
３７，６７…背圧弁
４０，７０，９０…水供給部
４０ａ，４０ｂ…供給流路
４０ｃ…バイパス流路
４１…水タンク
４３，９３…供給ポンプ
４４…三方弁
４５，７９…イオン交換器
５０…制御部
６１…圧力計
６３…第１酸素タンク
６５…第２酸素タンク
７７…送液ポンプ
８３…水素タンク
Ｗ２０，Ｗ３０，Ｗ４０，Ｗ６０，Ｗ７０，Ｗ８０，Ｗ９０…水

Claims (4)

1. 水電解システムであって、
   水を電気分解することで酸素と水素を生成する電解セルと、
   前記電解セルから排出される酸素または水素のいずれか一方を含む生成ガスと水との混合物を気液分離する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続されており、前記気液分離器における気液分離によって得られる前記生成ガスが供給される貯留タンクと、
   前記貯留タンクに接続される背圧弁と、
   前記電解セルと前記気液分離器とに接続されており、前記電解セルに供給される水を貯留する水タンクであって、前記気液分離器における気液分離によって得られる水が送られる水タンクと、
   前記貯留タンクに貯留されている前記生成ガスの圧力によって前記水タンクの水を加圧して、加圧した水を前記電解セルに供給させる供給ポンプと、を備え、
   前記背圧弁は、前記貯留タンクに貯留されている前記生成ガスの圧力が、前記供給ポンプを用いて前記電解セルに水を供給することが可能な圧力としてあらかじめ設定された圧力値以上となるように、前記貯留タンクの背圧を維持する、
   水電解システム。
2. 請求項１に記載の水電解システムであって、
   前記気液分離器は、前記電解セルから排出される酸素と水の混合物を気液分離する酸素側気液分離器であり、
   前記水電解システムは、さらに、
   前記酸素側気液分離器と前記水タンクとのそれぞれに接続されており、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水をイオン交換させるイオン交換器と、
   前記酸素側気液分離器の内部の水位を検出する水位検出部と、
   前記酸素側気液分離器と前記イオン交換器との間に配置され、前記水位検出部によって検出される水位を用いて、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに水を送る送水部と、を備え、
   前記送水部は、前記水位が所定の水位を超える場合、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに水を送る、
   水電解システム。
3. 請求項２に記載の水電解システムであって、
   前記貯留タンクは、前記酸素側気液分離器での気液分離によって得られた酸素を前記あらかじめ設定された圧力値以上の圧力で貯留する酸素タンクであり、
   前記水電解システムは、さらに、
   前記酸素側気液分離器と前記イオン交換器との間に配置されており、前記酸素タンクに貯留されている酸素の圧力によって前記酸素側気液分離器の水を加圧して、加圧した水を前記水タンクに送る送液ポンプを備える、
   水電解システム。
4. 請求項３に記載の水電解システムは、さらに、
   前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量を検出する水量検出部と、
   前記水量検出部によって検出される水の量を用いて、前記送液ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量が所定値より少ない場合、前記送液ポンプを駆動し、前記酸素側気液分離器から前記水タンクに送られる水の量を増加させる、
   水電解システム。

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