JPWO2014002988A1 - 水電解システム - Google Patents

Abstract

水電解システムが、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、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。

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の概略構成図である。 図２は、第１吸着筒によってウェット水素の水分を吸着し、第２吸着筒を再生するときの水素の流れを示した図である。 図３は、第２吸着筒によってウェット水素の水分を吸着し、第１吸着筒を再生するときの水素の流れを示した図である。 図４は、本発明の他の実施形態による水電解システムの概略構成図である。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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