JP7436171B2 - 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ものである。

従来から、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜の両側に酸素側集電体と水素側集電体が配された水電解セルを用いて水を電気分解し、水素を製造する水電解装置が提案されている。

このような構造の水電解装置では、運転が停止した後、水素側には水素が、酸素側には酸素と水が水電解セルや水電解セルに連通している系内に残存している。そのため、水電解運転が終了して水電解装置に対して何らエネルギーを加えていないときであっても、残存した水素と酸素が互いに固体高分子電解質膜を通過して移動するクロスリークという現象が発生することがある。クロスリークが発生すると電極触媒上で水素と酸素が反応するため、系内のガスが消費される。そして前記した系が密閉されていると、両極の圧力とも大気圧以下に低下し続ける。水電解装置の内圧が負圧になると、水電解装置のシール性能が不十分の場合や、何らかの操作をしたときに外気を吸い込むことになる。かかる場合、水素側に空気が入ると電極の劣化が起こり、条件によっては水電解セルの破損につながる。また安全性にも問題がある。

この点に関し、特許文献１には、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させる一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式水電解装置を有する差圧式水電解システムにおいて、前記差圧式水電解装置の運転が停止された後、電圧を印加した状態で、脱圧弁を開弁させて前記カソード側の減圧を行う脱圧工程と、前記脱圧工程が開始された際、開閉弁を開弁させるための水位許容上限値を、基準水位から脱圧基準水位に持ち替える水位持ち替え工程と、気液分離装置に貯留された液状水が前記水位許容上限値に達した際に、前記開閉弁を開弁して気液分離装置内の液状水を排水配管に排出する排出工程とを有する差圧式水電解システムの制御方法が開示されている。

特許第６０５９１１６号公報

特許文献１に記載の技術は、運転中は水素側の圧力が極めて大きいため、運転を停止する際に、電圧を印加しながらカソード側の減圧を行なうようにし、カソード側の水素がアノード側にリークすると、当該水素が印加電圧によって再度プロトン化してカソード側に戻すようにしたものである。

しかしながら特許文献１の技術は、そのようにして運転が完全に停止した後のクロスリークについて言及するところはない。すなわち特許文献１に記載の技術では、運転停止後に、アノード側にリークした高圧水素が滞留することを抑制して、触媒電極の水素による劣化を阻止することができるものの、停止した後のクロスリークについては、格別技術的に対応するものではなかった。そのため、依然として前記したような装置停止後のクロスリークによる水電解装置内の圧力が低下することに起因する、電極の劣化や破損、さらには安全性の点で問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水電解セルを有する水電解装置において、水電解運転を停止した後にクロスリークによって水素、酸素が消費されても水電解装置内が負圧になることを抑えて、安全性を確保して電極の劣化や破損のリスクを防止することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、固体高分子電解質膜を有する水電解セルを用いた水電解装置を有する水電解システムであって、前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解装置で発生した水素ガスを、水素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスを、酸素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路と、を有し、前記酸素側気液分離タンクと前記水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、当該圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクから前記水素側気液分離タンクにのみ水が流れ、前記水素側気液分離タンクから前記酸素側気液分離タンクには水が流れないように構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、当該圧力調整流路は、酸素側気液分離タンクからの流体のみが水素側気液分離タンクに流れ、前記水素側気液分離タンクから前記酸素側気液分離タンクには水が流れないように構成されているので、電源装置をＯＦＦした後、前記水電解装置に残留している水素と酸素が反応して、少なくとも水電解装置内の水素側の圧力が低下しようとしても、圧力調整流路を経由して酸素側気液分離タンクからの水が水素側気液分離タンクに流れるので、水素側の圧力低下を防止することができる。また酸素側については、通常この種の水電解装置では、酸素側気液分離タンク並びにその系統は、大気系に開放されているか、あるいはよりも十分容積が大きいものである。例えば水電解システムの大きさにも拠るが、一般的に水素側気液分離タンク並びにその系統の容積が、例えば０．１Ｌに対して、酸素側気液分離タンク並びにその系統は２Ｌ～３Ｌ程度の大きさを有している。したがって大気系に開放している場合には負圧になることはなく、また十分容積が大きい場合には、大気圧に対して圧力差が大きくなりすぎることはない。

前記圧力調整流路に逆止弁を設けることで、極めて容易にそのような圧力調整を実現することができる。

酸素側気液分離タンクは、水素側気液分離タンクの系統が満水になっても、渇水しない水量を保有しているように構成することで、水素側の圧力低下した場合常に酸素側気液分離タンクから水素側気液分離タンクの系統に水を供給することができる。

前記圧力調整流路には、前記電源装置がＯＮの時には、前記圧力調整流路を閉鎖し、前記電源装置がＯＦＦの時には前記圧力調整流路を開放する弁が設けられていてもよい。これによって、電源装置がＯＮの時に酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとが連通することを確実に防止できる。また逆止弁を設けた場合に、逆止弁が機能不良を起こした際のフェイルセーフともなる。

前記水素ガス放出路に除湿器が設けられている場合に、当該除湿器の上流側に、前記電源装置がＯＦＦの時に前記除湿器への流体の流入を阻止する弁が設けられていてもよい。これによって、不意に除湿器に水が流入して除湿器が機能不全になることを防止できる。

前記酸素側気液分離タンクには、当該酸素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、当該センサによって所定の低い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成されている場合、前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の低い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成してもよい。
これによって圧力調整を正常に行っている結果として酸素側気液分離タンク内の水位が低下しても、エラーとはみなされず、水電解システムの運転再開を適切に実行することができる。

前記水素側気液分離タンクには、当該水素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、当該センサによって所定の高い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成されている場合、前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の高い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成してもよい。
これによって圧力調整を正常に行っている結果として水素側気液分離タンク内の水位が上昇しても、エラーとはみなされず、水電解システムの運転再開を適切に実行することができる。
別な観点によれば、次の方法も提案できる。
すなわち、固体高分子電解質膜を有する水電解セルを有する水電解装置によって原料水を水電解する方法であって、
前記水電解装置で発生した水素ガスを前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路に水素側気液分離タンクを設け、
前記水電解装置で発生した酸素ガスを前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路に酸素側気液分離タンクを設け、
前記酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとを圧力調整流路で接続し、前記圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクから前記水素側気液分離タンクにのみ流体が流れ、前記水素側気液分離タンクから前記酸素側気液分離タンクには流体が流れないようにしたことを特徴とする、水電解方法。
またさらに次の方法も提案できる。
固体高分子電解質膜を有する水電解セルを有する水電解装置によって原料水を水電解して水素を製造する方法であって、
前記水電解装置で発生した水素ガスを前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスを前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路との間に、圧力調整流路を設け、当該圧力調整流路は、前記酸素ガス放出路から前記水素ガス放出路にのみ流体が流れ、前記水素ガス放出路から前記酸素ガス放出路には流体が流れないようにしたことを特徴とする、水素製造方法。

本発明によれば、水電解セルを有する水電解装置において、水電解運転を停止した後にクロスリークによって水素、酸素が消費されても水電解装置内が負圧になることを抑えて、安全性を確保して電極の劣化や破損のリスクを防止することができる。

実施の形態にかかる水電解システムの系統の概略を示した説明図である。 図１の水電解システムにおける水電解セルスタックの分解斜視図である。 図１の水電解システムにおける運転時の動作を示すフローチャートである。 図１の水電解システムにおける運転停止時の動作を示すフローチャートである。 図１の水電解システムにおける酸素側の原料水タンクの液面センサの動作を示す説明図である。 図１の水電解システムにおける水素側のタンクの液面センサの動作を示す説明図である。

以下、実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる水電解システム１の系統の概略を示しており、この水電解システム１は、固体高分子電解質膜を有する水電解セル１０を、例えば鉛直方向に正立させたり、あるいは水平方向に横置きにした状態で、複数枚、例えば数十枚～数百枚を直列に接続して、鉛直方向あるいは水平方向に積層し、両側からエンドプレート１１、１２で挟持することによって構成された、水電解装置としての水電解セルスタック１３を有している。

水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１には、原料水となるたとえば純水が供給される。具体的には、水電解セルスタック１３の原料水入口となる純水入口ポートＰ１に対しては、酸素側の気液分離機能を有する原料水タンク２１から原料水（純水）が供給されて、水電解運転がなされる。

より詳述すれば、原料水タンク２１の底部と水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１との間には、原料水供給路としての配管２２が接続されている。そして配管２２に設けられたポンプ２３によって、図２にも示したように、水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１に対して、原料水タンク２１から原料水としての純水が供給されるようになっている。

配管２２には、ポンプ２３の下流側において、配管２２内を流れる水の一部を原料水タンク２１に戻すための戻し管２４が接続されており、この戻し管２４には、流量調整弁Ｖ１、熱交換器２５、イオン交換樹脂２６、フィルタ２７が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、原料水タンク２１内の水の水質が維持される。なお水質維持に必要なものは、イオン交換樹脂２６、フィルタ２７であるから、運転条件によっては、戻し管２４や流量調整弁Ｖ１、熱交換器２５を設けずに、配管２２に直接イオン交換樹脂２６、フィルタ２７を設けてもよい。原料水タンク２１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ３１が設けられている。液面センサ３１は３つのセンサ部３１ａ、３１ｂ、３１ｃを有している。

すなわち、センサ部３１ａは最も高い位置に設定され、センサ部３１ｂは中位の位置に設定され、センサ部３１ｃは最も低い位置に設定されている。原料水タンク２１内の原料水の水位は、水電解システム１を安全に運転するために、適性位置に維持する必要があり、センサ部３１ｂが水位を検知できなくなると、水位が低下したとみなされ、たとえば外部の純水供給源（図示せず）から原料水が、配管３２を通じて原料水タンク２１に補給される。そしてセンサ部３１ｂが検知すると当該原料水の補給は停止される。

なお本実施の形態では、センサ部３１ａが水位を検知すると、安全運転に支障をきたす事象と判断され、水電解システム１が緊急停止されるようになっている。すなわち、各種機器、たとえば直流電源２、ポンプ２３などがすべて停止される。ただし液面センサ３１、後述の液面センサ４３の稼働は維持される。同様に、センサ部３１ｃが水位を検知できなくなると、安全運転に支障をきたす事象と判断され、水電解システム１が緊急停止される。

また原料水タンク２１内の気層部に滞留する酸素ガスは、配管３３を通じて外部に放出される。すなわち配管３３は開放系に通じている。

配管２２を通じて純水入口ポートＰ１から水電解セルスタック１３に供給された原料水は、水電解セルスタック１３において電気分解され、酸素、並びに電気分解されなかった水が、酸素側の出口となる純水出口ポートＰ２から配管３４を通じて、原料水タンク２１に戻され、原料水タンク２１内にて気液分離される。すなわち、原料水タンク２１は酸素側気液分離タンクとして機能する。配管３３、３４は酸素ガス放出路として機能する。

水電解セルスタック１３の水素側出口となる水素出口ポートＰ３には、配管４１が接続され、この配管４１は、水素側の気液分離機能を有するタンク４２に通じている。

タンク４２には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ４３が設けられている。液面センサ４３は３つのセンサ部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを有している。

すなわち、センサ部４３ａは最も高い位置に設定され、センサ部４３ｂは中位の位置に設定され、センサ部４３ｃは最も低い位置に設定されている。タンク４２内の水位は、水電解システム１を安全に運転するために、適性位置に維持する必要があり、センサ部４３ｂが水位を検知すると、たとえばタンク４２の底部に接続されている排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放し、タンク４２内の水が系外に排出される。なお排出管４４を原料水タンク２１に接続しておけば、水の再利用が図れる。そしてセンサ部４３ｂが水位を検知できなくなると、開閉弁Ｖ２は閉鎖して排水が停止される。

タンク４２の上部には、配管５１が接続されており、配管５１はさらに放出管５２と水素供給管５３とに分岐している。放出管５２には開閉弁Ｖ３が設けられており、開閉弁Ｖ３が開放することで、水電解セルスタック１３内の残留水素を系外に放出することができる。配管４１、５１は水素ガス放出路として機能する。

水素供給管５３には背圧弁Ｖ４が設けられ、また水素供給管５３における背圧弁Ｖ４の下流側には、開閉弁Ｖ５が設けられている。そして開閉弁Ｖ５の下流側には、除湿器５４が設けられている。

かかる水素側の配管系統により、水電解によって発生した水素は、随伴水と共に、配管４１を通じてタンク４２に送られ、タンク４２内において気液分離される。タンク４２において気液分離された後の水素ガスは、配管５１を通じて、除湿器５４によって除湿された後、たとえば需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。

一方で放出管５２は、水電解運転の間は開閉弁Ｖ３が閉鎖されているが、水電解運転が停止した後に、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５が閉鎖されると同時に、開閉弁Ｖ３が開放して、既述した水電解セルスタック１３内の残留水素を系外に放出する。そして系内の圧力が所定値まで低下したら、開閉弁Ｖ３は閉鎖される。

水電解セルスタック１３には、直流電源２が接続されており、その出力に応じて純水入口ポートＰ１から供給された電解用の純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは水電解セル１０内の触媒上で酸素分子となり、前記したように、純水と共に純水出口ポートＰ２からセル外に排出される。一方電気分解によって発生した水素イオンは、随伴水を伴って水電解セル１０内の水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって水素出口ポートＰ３からセル外に排出される。
なお直流電源２のソースは、工業用電力、家庭用電力から得るものの他、風力発電、太陽光発電に由来するものであってもよい。

そして原料水タンク２１とタンク４２とは、たとえばその底部間に圧力調整流路としての圧力調整管６１が接続されている。圧力調整管６１には、逆止弁Ｖ６が設けられており、逆止弁Ｖ６の原料水タンク２１側には、さらに開閉弁Ｖ７が設けられている。

以上の構成にかかる水電解システム１において、前記した各弁、すなわち開閉弁Ｖ２、Ｖ３、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５、逆止弁Ｖ６、開閉弁Ｖ７は、制御装置Ｃによって制御され、また直流電源２のＯＮ－ＯＦＦに基づくこれらの弁の制御、さらには液面センサ３１の検知に基づく原料水の補給、液面センサ４３の検知に基づく開閉弁Ｖ２の開閉制御も制御装置Ｃによって制御される。流量調整弁Ｖ１についても制御装置Ｃによって開度が調整されるように制御してもよい。なお背圧弁Ｖ４については、制御装置Ｃを必要としない手動調整式のものでもよい。

なお水電解システム１は、直流電源２のＯＮ－ＯＦＦとは関係なく、別途設けられている主電源（図示せず）のＯＮによって各種機器への電力が供給可能状態となる。また液面センサ３１、４３、制御装置Ｃについても、直流電源２のＯＮ－ＯＦＦとは関係なく、主電源（図示せず）のＯＮ状態にあるときは作動する。

実施の形態にかかる水電解システム１は、以上の構成を有しており、次に図３に示したフローチャートに基づいて、水電解システム１による水電解運転について説明する。

水電解運転の際には、まず各弁の開閉状態が運転時の状態にセットされる（ステップＳ１）。すなわち、開閉弁Ｖ５は開放状態、背圧弁Ｖ４は調整された状態、開閉弁Ｖ２、Ｖ３、開閉弁Ｖ７は閉鎖状態とする。そしてこれらの弁の開閉が確認された後、ポンプ２３を稼働させる（ステップＳ２）。これによって、配管２２、３４内を原料水タンク２１の原料水を通流させる。そして一定時間経過した後に、直流電源２をＯＮにする（ステップＳ３）。これによって水電解セル１０が水電解運転を開始する（ステップＳ４）。

水電解運転が開始されると水電解セル１０で発生した酸素ガスが、電気分解されなかった純水と共に純水出口ポートＰ２からセル外に排出され、配管３４を通じて原料水タンク２１に戻され、気液分離された原料水は原料水タンク２１に貯留され、酸素ガスは配管３３を通じて系外、たとえば開放大気系に放出される。

一方水電解セル１０で発生した水素ガスは、水電解セルスタック１３の水素出口ポートＰ３からセル外に排出され、以後配管４１を通じてタンク４２に送られる。そしてタンク４２で気液分離され、随伴水はタンク４２内に貯留される。随伴水が除去された水素ガスは配管５１を通じて、背圧弁Ｖ４を経由して除湿器５４へと送られ、さらに水分が除去された後に、水素供給管５３から需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。なお水電解運転中は、水素側が高圧になるので、タンク４２と原料水タンク２１とを連通している圧力調整管６１から水が流れようとするが、圧力調整管６１には逆止弁V６が設けられているから、水素側から酸素側へと水が逆流することはない。

そして水電解システムを停止する場合について、図４に示したフローチャートに基づいて説明すると、まず直流電源２をＯＦＦにし（ステップＳ１１）、ポンプ２３を停止させる（ステップＳ１２）。その後各弁の開閉を停止状態にセットする（ステップＳ１３）。すなわち、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５を閉鎖すると同時に、開閉弁Ｖ３を開放する。これによって水電解セルスタック１３内において高圧になっていた水素側の残留水素ガスは、配管４１、５１を通じて放出管５２から系外に放出される。このとき酸素側については、水電解セルスタック１３の純水出口ポートＰ２からセル外に排出され、配管３４を通じて原料水タンク２１から配管３３を通じて系外に放出される。

そして所定時間が経過して、水素側の圧力が大気圧と同程度（たとえば１０ｋＰａ（Ｇ）など）になったときに、開閉弁Ｖ３を閉鎖する（ステップＳ１４）。これによって水電解システム１は停止状態になる。

既述したように、水電解運転が終了して水電解装置としての水電解セルスタック１３に対して何らエネルギーを加えていないときであっても、水電解セルスタック１３内や配管内に残存した水素と酸素によってクロスリークが発生する。そうすると、水電解セル１０の電極触媒上で水素と酸素が反応するため、系内のガスが消費され、それに伴って水電解セルスタック１３内の水素側の圧力が低下し、負圧になっていく。このような状態をそのまま放置すると安全上好ましくなく、また水電解セル１０の破損のおそれもある。

しかしながら実施の形態にかかる水電解システム１では、原料水タンク２１とタンク４２の各底部間に圧力調整管６１が接続されているので、水電解セルスタック１３内の水素側の圧力低下に伴うリスクを防止することができる。

すなわち直流電源２をＯＦＦした後、その後開閉弁Ｖ３を閉鎖して水電解システム１を停止状態にした後、開閉弁Ｖ７を開放しておく（ステップＳ１５）。これにより、残留水素と酸素との反応によって水電解セルスタック１３内の水素側の圧力が低下すると、原料水タンク２１内の原料水が、圧力調整管６１を経由して水素側のタンク４２内に流れて行く。これによって水電解セルスタック１３内の水素の消費が進んでも、水素側が負圧になることを防止できる。

そして圧力調整管６１には、逆止弁Ｖ６が設けられているから、仮に停止状態の際に、水素側の圧力が酸素側より高くなっても、水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはない。
既述したように、圧力調整管６１に設けられた逆止弁Ｖ６により水電解運転中は水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはなく、また水電解運転停止後に、水素側の圧力が酸素側より高くなっても、同様に水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはない。
このように、圧力調整管６１に設けられた逆止弁Ｖ６は、水電解運転中、水電解運転停止後も、水素側から酸素側に水が流れ込むことを防止する機能を有している。

そして前記したように、原料水タンク２１内の原料水がタンク４２側へ移動することにより、原料水タンク２１内の原料水は減少するが、配管３３は大気系に開放しているので、原料水タンク２１内の原料水が減少した分は、大気からの空気が配管３３、原料水タンク２１、配管２２を通じて水電解セルスタック１３内に流入するので、酸素側が負圧になることはない。そして残留水素が存在する限り反応が進行して、水素側が負圧になろうとするが、圧力の低下に伴いその都度逆止弁Ｖ６が開放して原料水タンク２１の水が水素側のタンク４２へと移動するので、水素側系統の圧力低下は防止される。

ところで、水電解システム１の運転中は、基本的に水素系統と酸素系統は完全に分離する必要がある。もし分離されず混合すると、水電解セル１０で異常反応が起こり、水電解セルスタック１３が故障する。特に最近のこの種の固定高分子膜を用いた水電解装置は、水素側が高圧（例えば０．９ＭＰａＧ）、酸素側が大気圧近傍であり、両極間で差圧をつけて運転している。したがって水電解システム１の運転中に、圧力調整管６１を介して水素系と酸素系が連通してしまうと、そのような故障の原因となる。

本実施の形態では、圧力調整管６１に逆止弁Ｖ６が設けられているので、正常な状態であれば逆止弁Ｖ６により水素側から酸素側への流れは防げるため、極間差圧があっても問題は無い。ただし逆止弁Ｖ６にゴミなどが詰まって逆止できなくなる可能性は完全には否定できない。本実施の形態では、かかる点に鑑みて、圧力調整管６１に開閉弁Ｖ７が設けられているので、かかるリスクは防止される。すなわち、水電解運転時には開閉弁Ｖ７を閉鎖しておくことで、水素側と酸素側が連通することを防止できる。

このような機能を有する開閉弁Ｖ７を、無通電時開の電磁弁を用いることで、通電時、すなわち水電解運転時は閉鎖して水素側と酸素側が連通することを自動的に防止でき、無通電時開とすることで、直流電源２をＯＦＦした際や停電の際にも前記したような圧力調整による負圧解除機能を発揮することができる。このような制御はたとえば制御装置Ｃによって制御される。

なお前記したように、水電解運転停止時には、水素側の圧力低下に伴って酸素側の原料水タンク２１から原料水が水素側のタンク４２に移動するが、反応が進行すると次第にタンク４２内の水位が上昇する。この場合タンク４２内の水が水電解セルスタック１３内の水電解セル１０に達すると、水電解セル１０の機能が損なわれるおそれがある。したがって、そのような水位の上昇があっても、タンク４２内の水位が、水電解セル１０に届かないように、配管４１、タンク４２の高さ、容量を設定しておくことが好ましい。

またこの種の水電解システム１は一晩、たとえば１２時間程度計画的に停止するような運用が多い。したがって異なった観点からすれば、タンク４２の容積は、１２時間水電解システム１が停止した場合に水素側に発生する水を充分貯留して、かつタンク４２内の水位が、水電解セル１０に届かないように設定することが好ましい。

一方で、原料水タンク２１についても、タンク内の水がタンク４２及び水素側の系に移動するので、十分にその大きさを確保する必要がある。したがって原料水タンク２１は、水素側のタンク４２よりも十分大きい容積のものを使用することが好ましい。たとえば水素側のタンク４２の２０～３０倍以上の容積を有する原料水タンク２１を使用することが好ましい。そしてかかる観点から、原料水タンク２１は、水素側のタンク４２の系統が満水になっても、渇水しない水量、より好ましくはセンサ部３１ｃの検知位置を下回らない水量を保有していることが好ましい。

また本実施の形態では、除湿器５４の上流側に開閉弁Ｖ５が設けられているので、直流電源２がＯＦＦになったときに、開閉弁Ｖ５を閉鎖するようにしておくことで、配管５１、水素供給管５３に水が流れて除湿器５４内に流入することを防止することができる。したがって除湿器５４の安全性が確保されている。かかる場合、開閉弁Ｖ５を例えば電磁弁構成とし、直流電源２がＯＦＦになったら自動的に閉止するように構成しておいてもよい。このような制御も制御装置Ｃによってなされるように構成してもよい。

ところで既述したように、原料水タンク２１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ３１が設けられており、最も低い位置にあるセンサ部３１ｃが水位を検知すると、エラーが発生したとみなされ、緊急停止のエラー信号が発報されるようになっている。しかしながら、本実施の形態では、水電解システム１の停止時には、残留水素と酸素の反応により水素側の圧力が低下した場合、原料水タンク２１からタンク４２へ原料水が移動するようになっている。そのため、そのような圧力調整の正常な運転モードにおいて、図５に示したように、センサ部３１ｃが水位を検知してエラー表示がなされるのは好ましくなく、その状態では水電解システム１が異常状態にあるとみなされるから、水電解運転を再開できない。

かかる事態に対処するため、例えば直流電源２を停止してから一定時間（例えば１２時間）は、センサ部３１ｃが水位を検知してもそのようなエラー表示がなされないように、例えば制御装置Ｃに対する制御フローを変更することが好ましい。また停止後、水電解運転を再開する場合にも、一定時間はエラーとみなさないように設定しておくことがよい。

同様に、タンク４２には液面センサ４３が設けられており、最も高い位置にあるセンサ部４３ａが水位を検知すると、エラーが発生したとみなされて緊急停止のエラー信号が発報されたり、タンク４２の底部に接続されている排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放して、タンク４２内の水が系外に排出されるようになっている。しかしながら、水電解システム１の停止時には、残留水素と酸素の反応により水素側の圧力が低下した場合、前記したように原料水タンク２１からタンク４２へ原料水が移動する構成としたので、図６に示したように、水位が上昇してセンサ部４３ａが検知し、エラーが発生したとみなして排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放する可能性がある。開閉弁Ｖ２が開放すると、排出管４４から空気を含んだ大気が水素側に流入するおそれがあり、水電解セル１０が破損するおそれがある。またエラー表示がなされるのは好ましくなく、かかる状態では水電解システム１が異常状態にあるとみなされるから、水電解運転を再開できない。

かかる事態に対処するため、例えば直流電源２を停止してから一定時間（例えば１２時間）は、センサ部４３ａが水位を検知してもそのような排出制御を行なわないように、制御装置Ｃに対する制御フローを変更するようにしてもよい。同様に、何らかのエラー表示も行なわないように設定しておくことがよい。また停止後、水電解運転を再開する場合に、直ちにエラーとみなさないように一定時間はエラー判断を猶予するように設定しておくことがよい。

以上のことから、図４に示した水電解システム１の運転停止時のフローチャートの左側に示したフローチャートにしたがって、制御装置Cの制御フローを、例えば直流電源２を停止してから一定時間は液面センサ３１、４３に基づくラー判断を猶予する設定に制御フローを変更し、その後一定時間経過したら、主電源をＯＦＦにするようにしてもよい。また運転再開時も、ステップＳ４になってから一定時間経過するまでは、液面センサ３１、４３に基づくエラー判断を猶予する制御フローとし、一定時間経過後、液面センサ３１、４３に基づくエラー判断を通常の設定に戻すように制御装置Cの制御フローをプログラムするようにしてもよい。

本発明は、原料水を提供して当該原料水を電気分解によって水素を発生させる水電解システムに有用である。

１ 水電解システム
２ 直流電源
１０ 水電解セル
１１、１２ エンドプレート
１３ 水素製造セルスタック
２１ 原料水タンク
２３、２４、３４、４１、５１、５２ 配管
２５ 熱交換器
２６ イオン交換樹脂
２７ フィルタ２７
３１、４３ 液面センサ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ センサ部
４２ タンク
４４ 排出管
５３ 水素供給管
５４ 除湿器
６１ 圧力調整管
Ｃ 制御装置
Ｐ１ 純水入口ポート
Ｐ２ 純水出口ポート
Ｐ３ 水素出口ポート
Ｖ１ 流量調整弁
Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７ 開閉弁
Ｖ４ 背圧弁
Ｖ６ 逆止弁

Claims (9)

1. 固体高分子電解質膜を有する水電解セルを用いた水電解装置を有する水電解システムであって、
   前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、
   前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、
   前記水電解装置で発生した水素ガスを、水素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、
   前記水電解装置で発生した酸素ガスを、酸素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路と、
   を有し、
   前記酸素側気液分離タンクと前記水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、
   当該圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクから前記水素側気液分離タンクにのみ水が流れ、前記水素側気液分離タンクから前記酸素側気液分離タンクには水が流れないように構成されていることを特徴とする、水電解システム。
2. 前記圧力調整流路には、逆止弁が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の水電解システム。
3. 前記酸素側気液分離タンクは、前記水素側気液分離タンクの系統が満水になっても、渇水しない水量を保有していることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の水電解システム。
4. 前記圧力調整流路には、前記電源装置がＯＮの時には、前記圧力調整流路を閉鎖し、前記電源装置がＯＦＦの時には前記圧力調整流路を開放する弁が設けられていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の水電解システム。
5. 前記水素ガス放出路には除湿器が設けられ、当該除湿器の上流側には、前記電源装置がＯＦＦの時に前記除湿器への流体の流入を阻止する弁が設けられていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の水電解システム。
6. 前記酸素側気液分離タンクには、当該酸素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、
   当該センサによって所定の低い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成され、
   前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の低い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成されたことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の水電解システム。
7. 前記水素側気液分離タンクには、当該水素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、
   当該センサによって所定の高い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成され、
   前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の高い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成されたことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の水電解システム。
8. 固体高分子電解質膜を有する水電解セルを有する水電解装置によって原料水を水電解する方法であって、
   前記水電解装置で発生した水素ガスを前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路に水素側気液分離タンクを設け、
   前記水電解装置で発生した酸素ガスを前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路に酸素側気液分離タンクを設け、
   前記酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとを圧力調整流路で接続し、前記圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクから前記水素側気液分離タンクにのみ流体が流れ、前記水素側気液分離タンクから前記酸素側気液分離タンクには流体が流れないようにしたことを特徴とする、水電解方法。
9. 固体高分子電解質膜を有する水電解セルを有する水電解装置によって原料水を水電解して水素を製造する方法であって、
   前記水電解装置で発生した水素ガスを前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスを前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路との間に、圧力調整流路を設け、当該圧力調整流路は、前記酸素ガス放出路から前記水素ガス放出路にのみ流体が流れ、前記水素ガス放出路から前記酸素ガス放出路には流体が流れないようにしたことを特徴とする、水素製造方法。

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