JPWO2017056277A1 - 水素製造装置及び水素製造システム - Google Patents

水素製造装置及び水素製造システム Download PDF

Info

Publication number
JPWO2017056277A1
JPWO2017056277A1 JP2016513167A JP2016513167A JPWO2017056277A1 JP WO2017056277 A1 JPWO2017056277 A1 JP WO2017056277A1 JP 2016513167 A JP2016513167 A JP 2016513167A JP 2016513167 A JP2016513167 A JP 2016513167A JP WO2017056277 A1 JPWO2017056277 A1 JP WO2017056277A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
hydrogen production
power
pure water
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016513167A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6165972B1 (ja
Inventor
朋美 原野
朋美 原野
樋口　勝敏
勝敏 樋口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP6165972B1 publication Critical patent/JP6165972B1/ja
Publication of JPWO2017056277A1 publication Critical patent/JPWO2017056277A1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/28—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using electrolytic rectifiers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

実施形態に係る水素製造装置は、外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流器と、前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する電解槽と、前記アルカリ性水溶液を保持する電解液タンクと、前記電解槽と前記電解液タンクとの間で前記アルカリ性水溶液を循環させるポンプと、純水を保持する純水タンクと、前記純水タンクと前記電解液タンクとの間に接続され、前記純水タンクから前記電解液タンクに前記純水を流通させる純水管と、不活性ガスが封入された不活性ガスボンベと、前記不活性ガスボンベと前記純水管との間に接続され、前記第１電力が供給されているときは閉じ、前記第１電力が供給されなくなったときに開く第１バルブと、を備える。前記第１バルブが開くことにより、前記純水管内に前記不活性ガスが導入される。

Description

実施形態は、水素製造装置及び水素製造システムに関する。
近年、再生可能エネルギーを利用した水素の製造が試みられている。再生可能エネルギーとは、水力、風力及び太陽光等の自然界によって永続的に補充されるエネルギーをいう。再生可能エネルギーを利用した発電施設、例えば、河川やダムなどの水源に併設された水力発電機、山間部に設けられた風力発電機、及び砂漠に設けられた太陽電池パネル等の近傍に水素製造装置を設置し、これらの発電施設から供給される電力を用いて水を電気分解することにより水素を製造し、製造した水素を消費地まで運搬して、そこで燃料電池や燃料電池車に供給する。このようなシステムを確立することにより、既存の電力系統が到達していない僻地に発電施設を建設し、再生可能エネルギーを有効に収集することができる。また、再生可能エネルギーの出力は不安定であることが多いが、電力を一旦水素に変換することにより、貯蔵が容易になり、発電時と消費時を一致させる必要がなくなる。
しかしながら、このような発電施設が建設される僻地は寒冷地であることが多く、従って、水素製造装置も寒冷地に設置されることが多い。また、水素製造装置と同様に、水素製造装置を収容する建築物も既存の電力系統に接続できないため、再生可能エネルギーを利用した発電施設から電力の供給を受けることになる。従って、発電施設から電力の供給が停止すると、水素製造装置が停止するだけでなく、水素製造装置を収容する建築物の空調も停止する。これにより、水素製造装置の配管内で水が凍結し、配管が破裂する可能性がある。
「水電解法による水素製造とそのコスト」阿部勲夫、水素エネルギーシステム ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１（２００８）ｐ．１９−２６ 「再生可能エネルギーを活用する水素貯蔵システム」渡邉久夫 他、東芝レビューＶｏｌ．６８ Ｎｏ７（２０１３）ｐ．３５−３８ 株式会社神鋼環境ソリューション ホームページ、http://www.kobelco-eco.co.jp/product/suisohassei/hhog_qa.html#Q1
実施形態の目的は、電力の供給が停止しても配管が破裂しない水素製造装置及び水素製造システムを提供することである。
実施形態に係る水素製造装置は、外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流器と、前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する電解槽と、前記アルカリ性水溶液を保持する電解液タンクと、前記電解槽と前記電解液タンクとの間で前記アルカリ性水溶液を循環させるポンプと、純水を保持する純水タンクと、前記純水タンクと前記電解液タンクとの間に接続され、前記純水タンクから前記電解液タンクに前記純水を流通させる純水管と、不活性ガスが封入された不活性ガスボンベと、前記不活性ガスボンベと前記純水管との間に接続され、前記第１電力が供給されているときは閉じ、前記第１電力が供給されなくなったときに開く第１バルブと、を備える。前記第１バルブが開くことにより、前記純水管内に前記不活性ガスが導入される。
第１の実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。 第１の実施形態に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。 第１の実施形態に係る水素製造装置を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。 第３の実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態に係る水素製造システム及びその周辺の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
本実施形態に係る水素製造システムは、アルカリ電解方式により水を電気分解することにより、水素ガスを製造するシステムである。
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１は、水源１００（例えば、河川やダム等）に併設された水力発電施設１０１の近くに設置されている。本実施形態において、水素製造システム１は、僻地であって、山間部の寒冷地に設置されている。なお、本明細書において「僻地」とは、既存の電力系統に接続されていない土地をいう。僻地は、例えば、山間部及び離島等の都会から遠く離れた土地であり、多くの場合、上水道及び下水道も敷設されていない。水力発電施設１０１は、比較的小電力の発電施設であり、交流電力Ｐ１を出力する。
水素製造システム１においては、建築物１０が設けられている。建築物１０内には、水素製造装置２０が設置されている。また、建築物１０には、建築物１０内の温度を制御する空調機器１２、建築物１０の内外を照明する照明機器１３、水素製造装置２０の稼働データを収集すると共に外部との通信を行うデータ通信機器１４も設けられている。なお、これら以外にも、例えば、作業員の滞在に必要な家電機器等が設けられていてもよい。更に、建築物１０内には、水素製造装置２０から排出された廃液を貯蔵するドレンタンク１５も設けられている。ドレンタンク１５は、取り外して交換することができ、取り外したドレンタンクはトラック等により運搬することができる。ドレンタンク１５に廃棄される廃液の詳細については、後述する。
更にまた、水素製造システム１においては、建築物１０の外部に設置され、水素製造装置２０によって製造された水素ガスを貯蔵する水素タンク１６と、水素製造装置２０まで純水を輸送する輸送容器１７が設けられている。輸送容器１７は、例えばステンレスにより形成されており、その形状は略立方体であり、一辺の長さは１ｍ程度であり、上面にマンホールが取り付けられており、下面に蛇口が取り付けられている。輸送容器１７には、例えば、日本物流機器製ステンレスコンテナ（サニタリー防寒仕様）を用いることができる。なお、輸送容器１７はステンレス製コンテナには限定されず、例えば樹脂製容器であってもよい。
水素製造システム１は、僻地に設置されているため、既存の電力系統並びに上水道及び下水道には接続されていない。このため、必要な電力は全て水力発電施設１０１から供給される。また、上下水道がなく、純水を製造することもできないため、水素の製造に要する純水は、他の地域で製造され、輸送容器１７に充填されて、トラック等（図示せず）により外部から搬入される。
なお、本実施形態のように、水素製造システム１が水源１００の近傍に設置されており、水道技術的には水源１００から水を供給できる場合であっても、利水権等の法律的な制約や水質が純水製造に適さない等の理由により、水源１００から直接取水して水素製造に用いる純水を製造することが困難な場合もある。このため、水素製造に要する純水を外部からの搬入により供給できる仕組みを設けることは、本実施形態に係る水素製造システム１を導入可能な地域を広げることができる点で好適である。
一方、水素製造システム１で使用された廃水のうち、純水については、例えば水源１００に放出することも考えられるが、水素製造システム１が設置される地域の要請等によっては、たとえ純水であっても環境保護の観点から水素製造システム１の外部に廃棄せず、適切な処理のもとで廃棄が可能な地域まで輸送して廃棄することが望ましい場合もある。そこで、本実施形態に係る水素製造システム１においては、廃水はドレンタンク１５に貯蔵され、適宜取り外されて、トラック等（図示せず）により廃棄可能地域まで輸送することが可能な構成としている。また、水素タンク１６に貯蔵された水素ガスは、水素ローリー車（図示せず）により消費地まで輸送される。
すなわち、水素製造システム１は、システムの運用に必要な電力は全て再生可能エネルギーを利用した発電施設、すなわち、水力発電施設１０１から供給される。また、電気分解に必要な純水は、他地域、例えば工業地域の純水製造工場において製造され、輸送容器１７を用いてトラック等により水素製造システム１に搬入される。また、廃液は一旦ドレンタンク１５に貯蔵された後、トラック等により搬出される。そして、他地域で製造された純水及び再生可能エネルギー由来の電力が供給されることにより、水素ガスを製造し、製造された水素ガスは、水素タンク１６に貯蔵された後、水素ローリー車等により搬出される。このように、本実施形態に係る水素製造システム１は、既存の電力系統及び上下水道を必要としないインフラフリーのシステムであり、このような構成を実現することにより、水素製造システム１が設置される地域のインフラ環境や自然環境等の制約に影響を受けることなく、導入を加速することが可能となる。
次に、本実施形態に係る水素製造装置の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。
図３は、本実施形態に係る水素製造装置を示す斜視図である。
なお、図２においては、図示の便宜上、電流及び信号の流れは破線で示し、気体の流れは一点鎖線で示し、液体の流れは実線で示している。また、図３には、比較的大型の構成要素のみを示しており、小型の構成要素及び配管は、図示を省略している。
図２及び図３に示すように、本実施形態に係る水素製造装置２０においては、整流器２１が設けられている。整流器２１は、水力発電施設１０１から交流電力Ｐ１が供給され、直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３を出力する。交流電力Ｐ３の一部は、後述する各ポンプ及びコンプレッサ３４等に供給される。交流電力Ｐ３の他の一部は、空調機器１２、照明機器１３及びデータ通信機器１４に供給される。
水素製造装置２０においては、電解槽２２、陰極ガス気液分離室２３、陽極ガス気液分離室２４、及び、電解液循環タンク２５が設けられている。電解液循環タンク２５は、ドレンタンク１５に接続されている。
電解槽２２は、電解液であるアルカリ性水溶液Ｓ、例えば、濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を保持している。そして、整流器２１から直流電力Ｐ２が供給されると、アルカリ性水溶液Ｓを電気分解し、水素ガス（Ｈ２）及び酸素ガス（Ｏ２）を生成する。電解槽２２の内部は、隔膜（図示せず）によって複数のセルに区画されている。隔膜は、水は通過させるが気体はほとんど通過させない膜であり、例えば、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）からなる高分子フィルムの両面に高分子不織布が貼り合わされた膜である。各セル内には、陰極電極（図示せず）又は陽極電極（図示せず）が配置されており、隔膜を介して対向している。電解槽２２は密閉されており、陰極電極が配置されたセルの天井部分には、水素管５１の一端が接続されており、陽極電極が配置されたセルの天井部分には、酸素管５２の一端が接続されている。
陰極ガス気液分離室２３には、水素管５１の他端が接続されている。これにより、陰極ガス気液分離室２３には、電解槽２２から水素管５１を介して水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陰極ガス気液分離室２３内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陰極ガス気液分離室２３の下部に落ち、水素ガスは陰極ガス気液分離室２３の上部に集まる。
陽極ガス気液分離室２４には、酸素管５２の他端が接続されている。これにより、陽極ガス気液分離室２４には、電解槽２２から酸素管５２を介して酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが混合した状態で流入する。酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓは、陽極ガス気液分離室２４内で分離される。すなわち、アルカリ性水溶液Ｓは陽極ガス気液分離室２４の下部に落ち、酸素ガスは陽極ガス気液分離室２４の上部に集まる。
陰極ガス気液分離室２３の下部、例えば底面には、電解液管５３の一端が接続されている。電解液管５３の他端は、電解液循環タンク２５に接続されている。一方、陽極ガス気液分離室２４の下部、例えば底面には、電解液管５４の一端が接続されている。電解液管５４の他端は、電解液循環タンク２５に接続されている。これにより、電解液循環タンク２５には、陰極ガス気液分離室２３及び陽極ガス気液分離室２４からアルカリ性水溶液Ｓが流入する。
電解液循環タンク２５はアルカリ性水溶液Ｓを保持している。電解液循環タンク２５には水位計（図示せず）が取り付けられている。電解液循環タンク２５の下部と電解槽２２の下部との間には、電解液管５５が接続されている。電解液管５５には、ポンプ２６が介在している。そして、ポンプ２６が作動することにより、電解液循環タンク２５から電解液管５５を介して電解槽２２にアルカリ性水溶液Ｓが供給される。すなわち、ポンプ２６が作動することにより、（電解槽２２→陰極ガス気液分離室２３又は陽極ガス気液分離室２４→電解液循環タンク２５→電解槽２２）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。
水素製造装置２０には、エアポンプ２７が設けられている。エアポンプ２７の吸入口は大気に開放されており、エアポンプ２７の排気口と電解液循環タンク２５との間には、空気管５６が接続されている。また、電解液循環タンク２５の上部、例えば天井部分には、空気管５７の一端が接続されている。空気管５７の他端は、建築物１０の外部に配置されている。これにより、エアポンプ２７が作動すると、電解液循環タンク２５内の空気が建築物１０外に排出され、新しい空気と入れ替わる。また、エアポンプ２７が作動することにより、電解液循環タンク２５内に保持されたアルカリ性水溶液Ｓを、ドレンタンク１５に排出することもできる。
水素製造装置２０においては、純水Ｗを保持する純水タンク２８が設けられている。純水タンク２８の下部、例えば底面と、電解液循環タンク２５の上部、例えば、天井部分との間には、純水管５８が接続されている。純水管５８には、ポンプ２９が介在している。ポンプ２９が作動することにより、純水Ｗが純水タンク２８から純水管５８を介して電解液循環タンク２５に供給される。純水Ｗの電気伝導度は、例えば、１０μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス毎センチメートル）以下である。純水タンク２８もドレンタンク１５（図１参照）に接続されている。
水素製造装置２０には、洗浄塔３１、ポンプ３２及びバッファタンク３３が設けられている。陰極ガス気液分離室２３の上部、例えば天井部分と洗浄塔３１との間には、水素管６１が接続されている。洗浄塔３１は、陰極ガス気液分離室２３によって分離され、水素管６１によって供給された水素ガスに対して、洗浄液Ｃをシャワーにより吹きかけて、アルカリ成分を除去する。洗浄液Ｃは、例えば純水である。
また、ポンプ３２は、洗浄塔３１内に保持された洗浄液Ｃを循環させる。洗浄塔３１及びポンプ３２は、洗浄液管６２によって閉じたループ経路を構成している。バッファタンク３３は、洗浄液Ｃを保持し、必要に応じて洗浄液Ｃを洗浄塔３１に供給する。洗浄塔３１とバッファタンク３３との間には、洗浄液管６３が接続されている。バッファタンク３３もドレンタンク１５に接続されている。
水素製造装置２０には、更に、コンプレッサ３４、チラー３５及び水素精製機３６が設けられている。洗浄塔３１の上部、例えば天井部分とコンプレッサ３４の吸気口とは、水素管６４により接続されている。コンプレッサ３４は、洗浄塔３１から排出され水素管６４を介して供給された水素ガスを圧縮する。チラー３５はコンプレッサ３４を冷却する。コンプレッサ３４の排気口と水素精製機３６の吸気口との間には、水素管６５が接続されている。水素精製機３６は、コンプレッサ３４により圧縮され水素管６５を介して供給された水素ガスを精製する。水素精製機３６内には、水素ガス中の不純物、例えば、水分を化学吸着させて取り除くフィルタ（図示せず）が設けられている。
水素精製機３６の排気口には、水素管６６の一端が接続されている。水素管６６は二叉に分岐しており、それぞれ水素管６７及び水素管６８となっている。水素管６７は水素タンク１６（図１参照）に接続されている。水素管６７には、ノーマルクローズバルブ６７ｖが設けられている。ノーマルクローズバルブとは、消磁されているとき、すなわち、所定の電圧が印加されないときは、「閉」状態となり、励磁されたとき、すなわち、所定の電圧が印加されたときは、電磁石の作用により「開」状態となるバルブである。水素管６８の他端は、水素製造装置２０の外部、例えば、建築物１０の外部において開口しており、排気口となっている。水素管６８には、ノーマルオープンバルブ６８ｖが設けられている。ノーマルオープンバルブとは、消磁されているときは「開」状態となり、励磁されたときは電磁石の作用により「閉」状態となるバルブである。
一方、陽極ガス気液分離室２３の上部、例えば天井部分には、酸素管６９の一端が接続されている。酸素管６９の他端は、水素製造装置２０の外部、例えば、建築物１０の外部において開口しており、排気口となっている。
水素製造装置２０には、窒素ガスボンベ３８が設けられている。窒素ガスボンベ３８内には、高圧の窒素ガスが封入されている。なお、窒素ガス以外の不活性ガスが封入されていてもよい。窒素ガスボンベ３８には、流出ガスの圧力を一定にするレギュレータ（図示せず）を介して、窒素管７１が接続されている。レギュレータの圧力は、例えば０．２ＭＰａ（メガパスカル）に設定されている。窒素管７１は窒素管７２〜７５に分岐している。
窒素管７２は純水管５８に接続されている。窒素管７２には、ノーマルオープンバルブ７２ｖが設けられている。窒素管７３は酸素管５２に接続されている。窒素管７３には、ノーマルオープンバルブ７３ｖが設けられている。窒素管７４は水素管５１に接続されている。窒素管７４には、ノーマルオープンバルブ７４ｖが設けられている。窒素管７５は水素管６４に接続されている。窒素管７５には、ノーマルオープンバルブ７５ｖが設けられている。また、電解槽２２の上部、陰極ガス気液分離室２３の上部、水素管５１、酸素管５２、水素管６１、水素管６４、水素管６５には、建築物１０の外部に連通したバイパス管（図示せず）が接続されている。各バイパス管には、ノーマルオープンバルブが設けられている。上述の各バルブは、制御装置４１によって制御される。
水素製造装置２０には、水素製造装置２０の動作を制御する制御装置４１、停電時に制御装置４１に電力を供給する蓄電池４２、電力Ｐ１が供給されなくなったことを検知する電源センサ４３、水素ガスの漏洩を検知する水素漏洩検知器４４、地震を検知する地震検知器４５、及び、火災を検知する火災検知器４６が設けられている。
制御装置４１は、整流器２１が生成した交流電力Ｐ３によって作動し、水素製造装置２０の各部の動作を制御する。具体的には、電解槽２２に直流電力Ｐ２を供給するか否かのスイッチング、ポンプ２６、エアポンプ２７、ポンプ２９及びポンプ３２のそれぞれに交流電力Ｐ３を供給するか否かのスイッチング、ノーマルクローズバルブ６７ｖ、並びにノーマルオープンバルブ６８ｖ、７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖ、並びに、各バイパス管に設けられたノーマルオープンバルブのそれぞれを励磁するか消磁するかのスイッチング等を行う。
電源センサ４３は、水力発電施設１０１から交流電力Ｐ１の供給が停止したときに、警告信号を制御装置４１に対して出力する。水素漏洩検知器４４は、例えば、コンプレッサ３４の近傍に配置され、水素ガスの漏洩を検知したときに、警告信号を制御装置４１に対して出力する。水素漏洩検知器４４には、例えば、理研計器株式会社製ＧＤ−７０Ｄを用いることができる。地震検知器４５は、所定の震度以上の地震が発生したときにそれを検知し、警告信号を制御装置４１に対して出力する。地震検知器４５には、例えば、オムロン株式会社製Ｄ７Ｇ−Ｆ１２２を用いることができる。火災検知器４６は、建築物１０の適当な位置に設置され、火災を検知したときに、警告信号を制御装置４１に対して出力する。電源センサ４３、水素漏洩検知器４４、地震検知器４５及び火災検知器４６は、必要に応じて、制御装置４１から電源が供給されてもよい。
次に、本実施形態に係る水素製造システムの動作、すなわち、本実施形態に係る水素製造方法について説明する。
＜通常の発電動作＞
先ず、水素製造システム１の通常の発電動作について説明する。
図１に示すように、水源１００に併設された水力発電施設１０１が、交流電力Ｐ１を発電する。水力発電設備１０１は、交流電力Ｐ１を原則として継続的に発電し、水素製造装置２０の整流器２１に対して供給する。
図１〜図３に示すように、整流器２１は、交流電力Ｐ１を直流電力Ｐ２及び交流電力Ｐ３に変換する。整流器２１は交流電流Ｐ３を、水素製造装置２０の制御装置４１、蓄電池４２、ポンプ２６、２９、３２、エアポンプ２７及びコンプレッサ３４に対して出力する。また、整流器２１は交流電流Ｐ３を、空調機器１２、照明機器１３及びデータ通信機器１４に対して出力する。これにより、建築物１０内の温度を所定の範囲内に保ち、建築物１０の内外を照明し、水素製造装置２０の稼働データを収集して、必要に応じて外部と通信する。
初期状態においては、電解液循環タンク２５内及び電解槽２２内にアルカリ性水溶液Ｓが保持されている。アルカリ性水溶液Ｓは例えば濃度が２５質量％の水酸化カリウム水溶液である。また、純水タンク２８内には、純水Ｗが保持されている。この純水Ｗは、輸送容器１７に封入され、トラック等（図示せず）により外部から搬入されたものである。更に、洗浄塔３１内及びバッファタンク３３内には、洗浄液Ｃが保持されている。
また、制御装置４１は、ノーマルクローズバルブ６７ｖ、並びに、ノーマルオープンバルブ６８ｖ、７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖに対して所定の電圧を印加して励磁する。これにより、ノーマルクローズバルブ６７ｖは開状態となり水素管６８が連通する。一方、ノーマルオープンバルブ６８ｖ、７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖは閉状態となる。この結果、水素精製機３６は水素管６６及び６７を介して水素タンク１６に接続される。また、窒素ガスボンベ３８はどこにも接続されず、封止状態となる。また、各バイパス管に設けられたノーマルオープンバルブを励磁して閉状態とする。これにより、各バイパス管が封止される。
この状態で、制御装置４１が、ポンプ２６、ポンプ３２、コンプレッサ３４及びチラー３５を動作させる。ポンプ２６が作動することにより、電解液循環タンク２５内に保持されているアルカリ性水溶液Ｓが電解液管５５を介して電解槽２２内に供給される。ポンプ３２が作動することにより、洗浄液Ｃが洗浄塔３１とポンプ３２との間で循環し、洗浄塔３１の上部内において、洗浄液Ｃが気相中に噴射される。コンプレッサ３４が作動することにより、コンプレッサ３４の吸気口に流入した気体を圧縮して排気口から排出する。チラー３５が作動することにより、コンプレッサ３４を冷却する。
そして、制御装置４１が、整流器２１から電解槽２２に直流電力Ｐ２を供給させる。これにより、電解槽２２の陰極電極と陽極電極との間に電流が流れ、アルカリ性水溶液Ｓ中の水分が電気分解されて、陰極電極側に水素ガスが発生すると共に、陽極電極側に酸素ガスが発生する。この結果、電解槽２２内のアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が消費され、陰極電極を含むセルの上部に水素ガスが溜まり、陽極電極を含むセルの上部に酸素ガスが溜まる。
そして、電解槽２２における陰極電極を含むセルの上部から、水素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、水素管５１を介して陰極ガス気液分離室２３内に流入し、水素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。また、電解槽２２における陽極電極を含むセルの上部から、酸素ガス及びアルカリ性水溶液Ｓが押し出され、酸素管５２を介して陽極ガス気液分離室２４内に流入し、酸素ガスとアルカリ性水溶液Ｓとに分離される。
陰極ガス気液分離室２３内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５３を介して電解液循環タンク２５に戻る。また、陽極ガス気液分離室２４内に蓄積したアルカリ性水溶液Ｓは、電解液管５４を介して電解液循環タンク２５に戻る。このようにして、ポンプ２６が動作することにより、（電解液循環タンク２５→電解槽２２→陰極ガス気液分離室２３→電解液循環タンク２５）及び（電解液循環タンク２５→電解槽２２→陽極ガス気液分離室２４→電解液循環タンク２５）の経路で、アルカリ性水溶液Ｓが循環する。
このとき、電気分解に伴ってアルカリ性水溶液Ｓ中の水分が減少し、電解液循環タンク２５の水位が低下する。このため、電解液循環タンク２５に取り付けられた水位計の出力に基づいて、ポンプ２９が作動し、純水タンク２８から純水Ｗを純水管５８を介して電解液循環タンク２５に補充する。この結果、アルカリ性水溶液Ｓの濃度は、常に一定範囲内に維持される。
陽極ガス気液分離室２４により分離された酸素ガスは、酸素管６９を介して建築物１０の外部に排気される。また、陰極ガス気液分離室２３により分離された水素ガスは、水素管６１を介して洗浄塔３１内に導入される。洗浄塔３１内に導入された水素ガスは、洗浄液Ｃのシャワーを浴び、残留していたアルカリ成分が洗浄液Ｃ中に溶け込んで除去される。この結果、水素ガスの純度が向上する。
洗浄塔３１内でアルカリ成分が除去された水素ガスは、水素管６４を介してコンプレッサ３４に送られ、コンプレッサ３４によって例えば０．８ＭＰａ（メガパスカル）まで圧縮されて、水素精製機３６に送られる。水素精製機３６においては、水素ガスがフィルタを通過することにより水分等の不純物が除去される。そして、水素管６６及び６７を介して水素タンク１６に送られ、水素タンク１６内に貯蔵される。このようにして、水素発生システム１は、外部から電力及び純水が供給されることにより、水素ガスを製造することができる。水素タンク１６に貯蔵された水素ガスは、時々、例えば水素ローリー車等に充填されて、消費地まで輸送される。
一方、水の電気分解に伴い、アルカリ性水溶液Ｓが劣化したときは、電解液循環タンク２５からドレンタンク１５に排出される。このとき、新しいアルカリ性水溶液Ｓが純水Ｗとは別にトラック等によって搬入され、電解液循環タンク２５に補充される。また、純水タンク２８に蓄積された純水Ｗの純水度が経時変化等により基準値未満となったときは、純水Ｗは純水タンク２８からドレンタンク１５に排出される。そして、新しい純水Ｗが輸送容器１７に充填されてトラック等により搬入され、純水タンク２８に補充される。更に、洗浄液Ｃがアルカリ成分を溶解することにより、所定の基準を超えて汚染されたときは、バッファタンク３３からドレンタンク１５に排出される。そして、新しい洗浄液Ｃがトラック等によって搬入され、バッファタンク３３に補充される。このようにして、廃液が貯蔵されたドレンタンク１５は、適宜、水素製造システム１から適宜取り外され、空のドレンタンク１５と交換される。廃液を貯蔵したドレンタンク１５は、トラック等により廃棄可能地域まで搬送され、そこで廃液が廃棄される。
＜停電時の動作＞
次に、交流電力Ｐ１の供給が停止した場合の動作について説明する。
例えば、水源１００の渇水、水力発電施設１０１の故障、送電設備のトラブル等により交流電力Ｐ１の供給が途絶えることが想定される。この場合、水素製造システム１は既存の電力系統には接続されておらず、全ての電力を水力発電施設１０１に依存しているため、交流電力Ｐ１が停止すると、水素製造装置２０が停止すると共に、建築物１０の空調機器１２も停止してしまう。このような場合であっても、蓄電池４２に蓄積されている予備電力により、制御装置４１は一定時間駆動させることができる。但し、蓄電池４２の容量は小さいため、蓄電池４２によって水の電気分解を継続することはできない。
そして、水素製造システム１は寒冷地に設置されているため、空調機器１２が停止すると、建築物１０内の温度が零度を下回る可能性がある。そうすると、水素製造装置２０内の温度も、いずれは零度未満となる。この場合、アルカリ性水溶液Ｓの凝固点は零度よりもかなり低いため、アルカリ性水溶液Ｓが凍結する可能性は低いが、純水Ｗの凝固点は零度付近であるため、純水Ｗは凍結する可能性が高い。そして、純水管５８内で純水Ｗが凍結すると、体積が膨張し、純水管５８が破裂する可能性がある。
また、水素製造装置２０が停止すると、水素製造装置２０内の水素ガス経路、すなわち、水素管５１内、陰極ガス気液分離室２３内、水素管６１内、洗浄塔３１内、水素管６４内、コンプレッサ３４内、水素管６５内、水素精製機３６内、水素管６６内及び水素管６７内に、水素ガスが残留してしまう。水素ガスは爆発性があるため、停止した装置内に残留させておくことは危険である。
そこで、本実施形態に係る水素製造装置２０においては、電源センサ４３が交流電力Ｐ１が供給されていないことを検出すると、警告信号を制御装置４１に対して出力する。上述の如く、制御装置４１は、蓄電池４２に蓄積された電力により、一定期間駆動することができる。
制御装置４１は、電源センサ４３から警告信号を受信すると、水素製造装置２０の各部、すなわち、電解槽２２及び各ポンプのスイッチをオフにする。これにより、後で電力Ｐ１の供給が再開しても、不用意に水素製造装置２０が再稼働することがない。また、制御装置４１は、ノーマルクローズバルブ６７ｖ及びノーマルオープンバルブ６８ｖを消磁する。これにより、ノーマルクローズバルブ６７ｖは閉状態となり、ノーマルオープンバルブ６８ｖは開状態となるため、水素管６６の経路が切り替わり、水素タンク１６との接続は遮断され、水素管６８を介して外部に連通される。
また、制御装置４１は、ノーマルオープンバルブ７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖを消磁して、開状態とする。これにより、窒素ガスボンベ３８内の窒素ガスが、窒素管７１〜７５を介して、水素製造装置２０の各部に供給される。このとき、窒素ガスボンベ３８から流出する窒素ガスの圧力は、レギュレータにより、例えば、０．２ＭＰａ以上に保たれる。また、制御装置４１は、各バイパス管に設けられたノーマルオープンバルブを消磁して、開状態にする。これにより、各水素管が建築物１０の外部に連通される。
具体的には、窒素ガスは、窒素管７１及び７２を介して、純水管５８内に供給される。これにより、純水管５８内が窒素ガスでパージされ、純水管５８内に残留した純水Ｗが純水タンク２８内及び電解液循環タンク２５内に押し出される。換言すれば、ノーマルオープンバルブ７２ｖは、窒素ガスボンベ３８と純水管５８との間に接続されたバルブであり、交流電力Ｐ１が供給されているときは励磁されて閉じており、交流電力Ｐ１が供給されなくなったときは消磁されて開く。そして、ノーマルオープンバルブ７２ｖが開くことにより、純水管５８内に窒素ガスが導入され、純水管５８内が窒素ガスによってパージされる。この結果、純水管５８内で純水が凍結することを回避し、純水管５８が破裂することを防止できる。なお、純水管５８内の純水Ｗは、純水タンク２８ではなく、ドレンタンク１５に排出してもよい。また、純水タンク２８内の純水が凍結しても、純水タンク２８の上部内には気体部分があるため、純水タンク２８が破裂することはない。従って、純水タンク２８内からは、純水Ｗを排出する必要はない。
なお、「純水管５８内が窒素ガスによってパージされる」とは、必ずしも、純水管５８内の純水Ｗが全て排出されることを意味しない。純水Ｗの凍結による純水管５８の破裂を防止するためには、純水管５８内に純水Ｗが凍結するときの体積膨張を吸収できるだけの気体部分があればよいため、純水管５８内の一部に純水Ｗが残留していても問題ない。例えば、ノーマルオープンバルブ７２ｖを開いた後、純水管５８の両端部から窒素ガスが流出すれば、純水管５８内は窒素ガスによりパージされたと言える。
また、窒素ガスは、窒素管７１及び７３を介して、酸素管５２内に導入される。これにより、水素製造装置２０の酸素ガス経路、すなわち、酸素管５２内、陽極ガス気液分離室２４内、酸素管６９内が窒素ガスでパージされ、酸素ガス経路内に残留した酸素ガスが建築物１０の外部に排気される。この結果、残留した酸素ガスに起因する危険性を排除することができる。
更に、窒素ガスは、窒素管７１及び７４を介して、水素管５１内に導入される。また、窒素ガスは、窒素管７１及び７５を介して、水素管６４内に導入される。これにより、水素製造装置２０の水素ガス経路内が窒素ガスによってパージされ、水素ガス経路内に残留した水素ガスが、水素管６８及び各バイパス管を介して建築物１０の外部に排気される。
換言すれば、ノーマルオープンバルブ７４ｖは、窒素ガスボンベ３８と水素管５１との間に接続されたバルブであり、交流電力Ｐ１が供給されているときは励磁されて閉じており、交流電力Ｐ１が供給されなくなったときは消磁されて開く。そして、ノーマルオープンバルブ７４ｖが開くことにより、水素管５１内が窒素ガスによってパージされる。また、ノーマルオープンバルブ７５ｖは、窒素ガスボンベ３８と水素管６４との間に接続されたバルブであり、交流電力Ｐ１が供給されているときは励磁されて閉じており、交流電力Ｐ１が供給されなくなったときは消磁されて開く。そして、ノーマルオープンバルブ７５ｖが開くことにより、水素管６４内が窒素ガスによってパージされる。この結果、残留した水素ガスが爆発する危険を回避することができる。この場合の「パージ」とは、水素ガス経路内の水素ガス濃度が爆発限界である４％未満となればよく、水素ガス経路内の全ての水素ガスが窒素ガスに置換される必要はない。
このように、水素製造システム１においては、交流電力Ｐ１の供給が停止しても、純水管５８内から純水Ｗを除去することにより、純水Ｗの凍結による純水管５８の破裂を防止することができる。また、水素ガス製造装置２０内から水素ガス及び酸素ガスを排除することにより、爆発等の危険を回避することができる。
なお、電力の供給が停止すれば、各バルブは消磁され、ノーマルクローズバルブ６７ｖは自動的に閉状態となり、ノーマルオープンバルブ６８ｖ、７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖ、並びに各バイパス管に設けられたノーマルオープンバルブは自動的に開状態となる。また、窒素ガスの圧力は、窒素ガスボンベ３８内に封入された窒素ガス自体の圧力が圧力源となり、レギュレータにより調整されることによって付与されるが、その圧力は、電解槽２２から発生する水素ガスの圧力、及び、電解液循環タンク２５に供給される純水の圧力よりも高いため、それぞれの配管内から純水Ｗ及び水素ガスを押し出すことができる。このため、何らかの理由により、制御装置４１が動作しない場合であっても、各バルブが適切に切り替わって窒素ガスが供給され、上述のような窒素ガスによるパージが可能となる。
＜停電以外の非常時の動作＞
次に、停電以外の非常事態が発生した場合の動作について説明する。
例えば、水素製造装置２０から水素ガスが漏洩した場合に、これを放置しておくと、溜まった水素が爆発する可能性がある。そこで、本実施形態に係る水素製造システム１には、水素漏洩検知器４４を設けている。水素漏洩検知器４４が水素ガスの漏洩を検知すると、制御装置４１に対して警告信号を出力する。これにより、制御装置４１は、電解槽２２及び各ポンプを停止させ、水の電気分解を停止させる。その後、各バルブを消磁することにより、上述の停電時と同様に、純水管５８内、水素ガス経路内、及び、酸素ガス経路内を窒素ガスによりパージする。これにより、水素ガスの漏洩を止め、爆発事故の発生を防止することができる。
また、地震が発生すると、水素製造装置２０の一部が破壊されたり、建築物１０が倒壊したりして、水素ガスが漏洩する可能性がある。また、地震が火災を引き起こし、漏洩した水素ガスに引火して爆発する可能性もある。そこで、本実施形態に係る水素製造システム１においては、地震検知器４５を設けている。地震検知器４５が所定の震度以上の地震を検出すると、制御装置４１に対して警告信号を出力する。これにより、制御装置４１は、上述の水素ガスが漏洩した場合と同様に、電解槽２２及び各ポンプを停止させ、水の電気分解を停止させる。また、各バルブを消磁することにより、純水管５８内、水素ガス経路内、及び、酸素ガス経路内を窒素ガスによりパージする。この結果、水素ガスの漏洩を未然に防ぐことができる。なお、地震が発生した場合は、交流電力Ｐ１の供給も停止する可能性がある。この場合においても、上述の停電時と同様に、蓄電池４２により制御装置４１が動作するか、各バルブが自動的に消磁されることにより、窒素ガスによるパージを実行することができる。
更に、建築物１０において火災が発生すると、炎が水素製造装置２０内の水素ガスに印加し、爆発事故が発生する可能性がある。そこで、本実施形態に係る水素製造システム１においては、建築物１０内において火災が発生すると、火災検知器４６が警告信号を制御装置４１に対して出力する。そして、制御装置４１が上述の水素ガスが漏洩した場合と同様な処置を講ずる。このとき、水素製造装置２０内の水素ガス及び酸素ガスを建築物１０の外部に排気することにより、排気した水素ガスが建築物１０内で引火したり、排気した酸素ガスが火災を助長することを防止できる。
なお、電力の供給が停止すれば、各バルブは消磁される。このため、地震又は火災によって制御装置４１が破壊された場合であっても、各バルブが自動的に適切に切り替わって窒素ガスが供給され、上述のような窒素ガスによるパージが可能となる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、停電時に自動的に純水管５８内から純水Ｗを排出することにより、その後、室温が低下しても、純水管５８内で純水Ｗが凍結して純水管５８が破裂することを防止できる。これにより、水素製造システム１を無人で運用することが可能となる。本実施形態に係る水素製造システム１は、既存の電力系統に接続されていない僻地且つ寒冷地に設置することを前提としているが、このような土地に作業員を常駐させておくことは困難である。このため、水素製造システムの無人運転が可能になれば、水素製造システムを再生可能エネルギーを取得できる土地に広く展開することが容易になる。この結果、社会全体の電力需要に占める再生可能エネルギーの割合を増加させることが可能となる。
また、本実施形態においては、水素ガスの漏洩、地震及び火災といったトラブルが発生した場合においても、自動的に水素製造装置２０を停止させると共に、水素製造装置２０内に残留した水素ガスを排出することができる。これにより、残留した水素ガスによる爆発事故を未然に防止することができる。これによっても、無人運転化が容易になり、水素製造システム１の展開が容易になる。
更に、本実施形態に係る水素製造システム１は、運用に必要な電力は全て水力発電施設１から供給され、必要な純水等は輸送容器１７を用いて外部からトラック等により搬入され、不可避的に発生した廃液はドレンタンク１５に貯蔵された後、トラック等により排出される。このように、水素製造システム１は、半独立的に運用可能なインフラフリーのシステムである。このため、水素製造システム１は、既存の電力系統及び上下水道がない僻地に設置することができる。
また、水素製造システム１は、半独立的に運用可能であるため、設置された環境に対してもほとんど影響を与えない。具体的には、その土地において水資源等を採取することがなく、廃液を排出することもないため、自然環境に及ぼす影響が極めて小さい。従って、自然環境の保全に関する法令にも準拠可能である。
更にまた、本実施形態においては、アルカリ性水溶液を用いて水を電気分解している。前述の如く、アルカリ性水溶液の凝固点は純水よりも低いため、寒冷地においても凍結しにくい。このため、本実施形態においては、アルカリ性水溶液に継ぎ足す純水の凍結のみを防止すればよい。これに対して、固体電解質膜を用いて水を電気分解する場合は、電解液として純水を用いているため、この純水に対しても、凍結を防止する措置を講じる必要がある。
また、アルカリ電解方式の場合、純水に要求される電気伝導度は１０μＳ／ｃｍ以下である。これに対して、固体電解質膜方式の場合、純水に要求される電気伝導度は５μＳ／ｃｍ以下である（非特許文献５参照）。すなわち、アルカリ電解方式は、固体電解質膜方式と比較して、要求される純水の純度が低い。また、固体電解質膜方式の場合は、例えば白金の粉末を含む固体電解質膜が必要であるが、アルカリ電解方式の場合は、そのような高価な部品は不要である。これらの理由により、アルカリ電解方式は、固体電解質膜方式と比較して、コストが低い。
更にまた、本実施形態においては、ステンレス製の輸送容器１７を用いて、純水Ｗを外部から水素製造システム１に供給している。ステンレスからなる輸送容器１７は、純水の純度を低下させる不純物、例えば、二酸化炭素ガス及び酸素ガス等の透過を抑制すると共に、輸送容器１７自体から純水Ｗに溶け込む成分も極めて少ない。従って、ステンレス製の輸送容器１７を用いることにより、純水の純度を長期間維持することができる。これにより、例えば気象条件により純水の輸送に予定以上の時間を要した場合であっても、純水の純度を要求水準以上に維持することができる。このように、水素製造システム１の運用の自由度が向上する。
なお、本実施形態において、洗浄液Ｃに、想定される環境の最低気温よりも凝固点が高い液体、例えば、純水又は濃度が低い水溶液を用いる場合には、洗浄液管６２及び６３にも窒素ガスボンベ３８に接続された窒素管を接続し、これらの窒素管にノーマルオープンバルブを介在させると共に、洗浄液管６２の最下部及び洗浄液管６３の最下部を、ノーマルオープンバルブを介してドレンタンク１５に接続してもよい。これにより、停電時に洗浄液管６２及び６３内を窒素ガスでパージして、洗浄液管６２及び６３内の洗浄液Ｃをドレンタンク１５に廃棄することができ、洗浄液Ｃの凍結により洗浄液管６２及び６３が破裂することを防止できる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態に係る水素製造システムは、再生可能エネルギーとして、風力を利用するシステムである。
図４は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
図４に示すように、本実施形態に係る水素製造システム２は、風力発電施設１０２から交流電力Ｐ４が供給される。風力発電施設１０２は、例えば山間部等の風が強い土地に設置され、風車が設けられている。但し、交流電力Ｐ４の供給は断続的である。
また、水素製造システム２においては、大型の蓄電池１８が設けられており、整流器２１に接続されている。蓄電池１８の容量は蓄電池４２（図２参照）の容量よりも大きく、一定時間、水素製造装置２０による電気分解を継続することができる。
本実施形態によれば、蓄電池１８を設けることにより、風が止んだときにも、整流器２１に対して一定時間、電力を供給することができる。これにより、風が止む度に停電と判断し、水素発生装置２０を停止して各管内をパージすることを回避できる。なお、蓄電池１８に蓄積された電力を使い切っても風力発電施設１０２からの電力供給が再開しないときは、純水の凍結を防止するために、前述の第１の実施形態と同様な動作により、水素製造装置２０を停止させ、各配管を窒素ガスによりパージする。
本実施形態に係る水素製造システム２は、離島などに設置することができる。そして、製造した水素ガスを集落に輸送し、燃料電池に入れて発電したり、燃料電池車に供給すれば、島民に低コストでエネルギーを提供することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態に係る水素製造システムは、再生可能エネルギーとして、太陽光を利用するシステムである。
図５は、本実施形態に係る水素製造システムを示すブロック図である。
図５に示すように、本実施形態に係る水素製造システム３は、太陽光発電施設１０３から直流電力Ｐ５が供給される。太陽光発電施設１０３は、例えば砂漠等の太陽光が安定した土地に設置され、太陽光発電パネルが設けられている。直流電力Ｐ５は、ＤＣ−ＡＣ変換器１０４に入力され、交流電力Ｐ６に変換される。交流電力Ｐ６は、水素製造システム３の整流器２１に入力される。また、水素製造システム３においては、制御装置４１に接続されたタイマー４７が設けられている。
これにより、制御装置４１は、タイマー４７の出力信号に基づいて、日没時刻前に水素製造装置２０の運転を停止した後、前述の停電時と同様な動作により、各配管内を窒素ガスでパージする。パージが完了したら、ノーマルオープンバルブ７２ｖ、７３ｖ、７４ｖ及び７５ｖを励磁して閉じ、窒素ガスの放出を停止する。また、日出時刻後に水素製造装置２０の運転を再開し、水素ガスが製造され始めたら、ノーマルオープンバルブ６８ｖを励磁して閉じると共に、ノーマルクローズバルブ６７ｖを励磁して開き、製造された水素ガスが水素タンク１６に蓄積されるようにする。
また、水素製造システム３においては、前述の第１の実施形態（図１参照）における取り外し可能なドレンタンク１５（図１参照）の替わりに、固定式ドレンタンク１５ａ及び廃液輸送容器１５ｂが設けられている。固定式ドレンタンク１５ａは、建築物１０内又は建築物１０の近傍に固定されており、廃液管１５ｃが接続されている。廃液輸送容器１５ｂは、廃液管１５ｃに対して着脱が可能であり、廃液管１５ｃに接続されて固定式ドレンタンク１５ａから廃液が注入され、廃液管１５ｃから取り外されてトラック等により廃棄可能地域まで搬送される。例えば、固定式ドレンタンク１５ａの容量は、廃液輸送容器１５ｂの容量よりも大きい。
本実施形態によれば、タイマー４７を設け、日照時間に合わせて水素製造装置２０を運転することにより、日没による停電を異常事態による停電から区別して、日出後に自動的に運転を再開することができる。
また、固定式ドレンタンク１５ａ及び廃液輸送容器１５ｂを設けることにより、それぞれの容量を独立して設定することができる。これにより、固定式ドレンタンク１５ａの容量は水素ガスの製造規模及び廃液の輸送頻度等に応じて決定することができ、廃液輸送容器１５ｂの容量は輸送に用いるトラック等のサイズに応じて決定することができる。又は、廃液輸送容器１５ｂはトラックと一体的に形成されていてもよい。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第１の実施形態又は第２の実施形態と同様である。
以上説明した実施形態によれば、電力の供給が停止しても配管が破裂しない水素製造装置及び水素製造システムを実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (14)

  1. 外部から第１電力が供給され、直流の第２電力を出力する整流器と、
    前記第２電力が供給されてアルカリ性水溶液を電気分解する電解槽と、
    前記アルカリ性水溶液を保持する電解液タンクと、
    前記電解槽と前記電解液タンクとの間で前記アルカリ性水溶液を循環させるポンプと、
    純水を保持する純水タンクと、
    前記純水タンクと前記電解液タンクとの間に接続され、前記純水タンクから前記電解液タンクに前記純水を流通させる純水管と、
    不活性ガスが封入された不活性ガスボンベと、
    前記不活性ガスボンベと前記純水管との間に接続され、前記第１電力が供給されているときは閉じ、前記第１電力が供給されなくなったときに開く第１バルブと、
    を備え、
    前記第１バルブが開くことにより、前記純水管内に前記不活性ガスが導入される水素製造装置。
  2. 前記第１バルブは、励磁されたときは閉じ消磁されたときは開くノーマルオープンバルブである請求項１記載の水素製造装置。
  3. 前記第１電力が供給されなくなったときに、前記電解槽及び前記ポンプのスイッチをオフにする制御装置と、
    前記制御装置に前記第２電力を供給する蓄電池と、
    をさらに備えた請求項１記載の水素製造装置。
  4. 前記制御装置は、前記第１電力が供給されなくなったときに、前記第１バルブを開く請求項３記載の水素製造装置。
  5. 前記電解槽から水素ガスを取り出す水素管と、
    前記不活性ガスボンベと前記水素管との間に接続され、前記第１電力が供給されているときは閉じており、前記第１電力が供給されなくなったときに開く第２バルブと、
    をさらに備え、
    前記第２バルブが開くことにより、前記水素管内に前記不活性ガスが導入される請求項１記載の水素製造装置。
  6. 前記第２バルブは、励磁されたときは閉じ消磁されたときは開くノーマルオープンバルブである請求項５記載の水素製造装置。
  7. 水素漏洩検知器と、
    前記水素漏洩検知器が水素漏洩を検知したときに、前記電解槽及び前記ポンプを停止させると共に、前記第２バルブを開く制御装置と、
    をさらに備えた請求項５または６に記載の水素製造装置。
  8. 地震検知器と、
    前記地震検知器が地震を検知したときに、前記電解槽及び前記ポンプを停止させると共に、前記第２バルブを開く制御装置と、
    をさらに備えた請求項５または６に記載の水素製造装置。
  9. 火災検知器と、
    前記火災検知器が火災を検知したときに、前記電解槽及び前記ポンプを停止させると共に、前記第２バルブを開く制御装置と、
    をさらに備えた請求項５または６に記載の水素製造装置。
  10. 前記第１電力は、再生可能エネルギーにより発電される請求項１〜９のいずれか１つに記載の水素製造装置。
  11. 前記第１電力は、水力によって発電された交流電力である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の水素製造装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の水素製造装置と、
    前記水素製造装置を収納する建築物と、
    前記整流器から供給される第３電力により前記建築物内の温度を調整する空調機器と、
    前記電解槽から取り出された水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
    を備えた水素製造システム。
  13. 前記純水を外部から前記純水タンクに輸送する輸送容器をさらに備えた請求項１２記載の水素製造システム。
  14. 前記輸送容器はステンレスによって形成されている請求項１３記載の水素製造システム。
JP2016513167A 2015-09-30 2015-09-30 水素製造装置及び水素製造システム Active JP6165972B1 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/077875 WO2017056277A1 (ja) 2015-09-30 2015-09-30 水素製造装置及び水素製造システム

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017120402A Division JP6633571B2 (ja) 2017-06-20 2017-06-20 水素製造装置及び水素製造システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6165972B1 JP6165972B1 (ja) 2017-07-19
JPWO2017056277A1 true JPWO2017056277A1 (ja) 2017-10-05

Family

ID=58423088

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016513167A Active JP6165972B1 (ja) 2015-09-30 2015-09-30 水素製造装置及び水素製造システム

Country Status (5)

Country Link
US (2) US10590552B2 (ja)
EP (2) EP3712301A3 (ja)
JP (1) JP6165972B1 (ja)
CA (2) CA3080528C (ja)
WO (1) WO2017056277A1 (ja)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6165972B1 (ja) 2015-09-30 2017-07-19 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造システム
JP6899665B2 (ja) * 2017-02-23 2021-07-07 川崎重工業株式会社 水電解システム及び水電解システムの運転方法
JP6712571B2 (ja) * 2017-04-20 2020-06-24 株式会社神鋼環境ソリューション 水素・酸素発生装置
JP6721537B2 (ja) * 2017-05-15 2020-07-15 株式会社東芝 水素電解製造用電解液タンク、水素電解製造用電解装置、および水素製造システム
JP6633571B2 (ja) * 2017-06-20 2020-01-22 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造システム
JP6599937B2 (ja) * 2017-07-19 2019-10-30 本田技研工業株式会社 水電解システム及びその運転停止方法
WO2019073404A1 (en) * 2017-10-11 2019-04-18 Sabic Global Technologies B.V. WATER DECOMPOSITION SYSTEM FOR THE SEPARATION OF HYDROGEN AND OXYGEN IN THE ABSENCE OF ION EXCHANGE MEMBRANE
US11220755B2 (en) * 2018-03-22 2022-01-11 Tokuyama Corporation Apparatus for alkaline water electrolysis, and gas production method
US11505872B2 (en) * 2018-07-27 2022-11-22 Tokuyama Corporation Gas production apparatus and gas production method
CN111455398A (zh) * 2019-04-01 2020-07-28 山东黑鲨智能科技有限公司 一种可移动的制氢加压一体机装置
JP7185925B2 (ja) * 2019-06-25 2022-12-08 株式会社フクハラ オフサイト型水素ステーション
DE102019123858A1 (de) * 2019-09-05 2021-03-11 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Kreuzflusswasserelektrolyse
JP7417255B6 (ja) 2020-01-09 2024-01-30 ヤマハファインテック株式会社 水素ガス混合装置
JP7440057B2 (ja) * 2020-01-09 2024-02-28 ヤマハファインテック株式会社 水素ガス混合装置
EP4071354A1 (en) 2021-04-09 2022-10-12 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Safety system for a wind turbine system including hydrogen production
WO2022232152A1 (en) * 2021-04-27 2022-11-03 Mitsubishi Power Americas, Inc. Hydrogen production system
CN113373459B (zh) * 2021-07-05 2022-07-12 阳光电源股份有限公司 一种脉冲宽度调制整流器、制氢的装置及制氢的方法
EP4123170A1 (en) * 2021-07-19 2023-01-25 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Wind turbine with a safety system based on purging by means of nitrogen
EP4123165A1 (en) * 2021-07-19 2023-01-25 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Wind turbine with a safety system having a plurality of gas outlets
CN114086199B (zh) * 2021-12-18 2022-11-29 武汉理工大学 一种便于检修的pem电解制氢装置
WO2023117023A1 (en) * 2021-12-21 2023-06-29 Vestas Wind Systems A/S A wind turbine with an up-tower electrolysis system and a method for controlling the system
JP7421581B2 (ja) 2022-03-03 2024-01-24 本田技研工業株式会社 水電解システム及び水電解システムの運転方法
EP4273298A1 (en) * 2022-05-04 2023-11-08 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method for the start-up of an electrolysis system
EP4283118A1 (en) * 2022-05-25 2023-11-29 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Hydrogen gas detection means for wind turbines

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4263112A (en) * 1980-06-20 1981-04-21 Frosch Robert A Cell and method for electrolysis of water and anode therefor
JPH06165972A (ja) 1992-11-30 1994-06-14 Hitachi Kyowa Kogyo Co Ltd 洗浄装置
JP2851544B2 (ja) * 1994-11-28 1999-01-27 神鋼パンテツク株式会社 水電解セルの残留電圧除去方法及びそのための装置
EP1473386A4 (en) * 2002-01-29 2005-04-06 Mitsubishi Corp DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING HIGH-PRESSURE WATER
ATE491053T1 (de) 2007-07-11 2010-12-15 Swiss Hydrogen Power Shp Sa Hochdruckelektrolyseanlage und verfahren zur inertisierung einer solchen anlage
FR2927907B1 (fr) * 2008-02-21 2010-09-03 Cie Europ Des Technologies De Installation de production d'hydrogene par electrolyse de l'eau.
TWI586842B (zh) 2010-09-15 2017-06-11 首威公司 氟之製造工廠及使用彼之方法
TW201219686A (en) * 2010-09-16 2012-05-16 Solvay Fluorine gas plant with seismic protection
TWI525042B (zh) 2010-09-16 2016-03-11 首威公司 氟化氫供應單元
FR2971262B1 (fr) * 2011-02-03 2013-09-13 Ceram Hyd Electrolyseur et ensemble le comportant, notamment pour la production de h2 et de o2
JP6253390B2 (ja) 2013-12-18 2017-12-27 川崎重工業株式会社 アルカリ水電解用隔膜及びその製造方法並びにアルカリ水電解装置
JP6165972B1 (ja) 2015-09-30 2017-07-19 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造システム

Also Published As

Publication number Publication date
EP3358044A4 (en) 2019-05-22
US20180202053A1 (en) 2018-07-19
EP3712301A2 (en) 2020-09-23
CA3080528A1 (en) 2017-04-06
EP3358044A1 (en) 2018-08-08
CA3080528C (en) 2022-06-21
JP6165972B1 (ja) 2017-07-19
CA2998458C (en) 2020-07-21
US11162181B2 (en) 2021-11-02
CA2998458A1 (en) 2017-04-06
US10590552B2 (en) 2020-03-17
US20200173047A1 (en) 2020-06-04
WO2017056277A1 (ja) 2017-04-06
EP3358044B1 (en) 2020-06-17
EP3712301A3 (en) 2020-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6165972B1 (ja) 水素製造装置及び水素製造システム
JP6633571B2 (ja) 水素製造装置及び水素製造システム
US7605326B2 (en) Solar electrolysis power co-generation system
CA3117925C (en) Method of producing hydrogen
JP2001130901A (ja) 水素エネルギ供給装置
JP2019090087A (ja) 電解槽及び水素製造装置
JP6937096B2 (ja) 水素製造システム
WO2017081776A1 (ja) 水素製造装置、水素製造システム及び水素製造装置の製造方法
RU2371813C1 (ru) Автономная система энергопитания и способ ее эксплуатации
RU2111285C1 (ru) Устройство для получения водорода и кислорода методом электролиза
JP2020186418A (ja) 水素・酸素発生装置及び水素ガス製造方法
CN216107236U (zh) 一种全浸式垂直单元水电解制氢系统
JPWO2012117725A1 (ja) 気液分離器及び燃料電池システム
JP6633959B2 (ja) 水素充填装置
CN100465348C (zh) 水能电解发生器
US20210052926A1 (en) Method for preventing fires in tank systems and tank system for methanol fuels comprising a fire protection apparatus
JP3169050B2 (ja) 水素・酸素発生装置及びその運転方法
JP6051402B2 (ja) 燃料電池システム
JP5685748B1 (ja) 水素を製造可能な高圧水素タンクおよび燃料電池車両
RU2597412C1 (ru) Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов
JPH1068095A (ja) 水素貯蔵発電システム
JP2018193600A (ja) 水素製造システム
CN101135412A (zh) 气柜并联式运行的方法
CN116732553A (zh) 一种氢气发生装置
Junbo et al. Calculations for Initial Design and for Failure Analysis of water-Electrolysis Based Hydrogen-Generating Systems

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170523

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170621

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6165972

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151