WO2014002988A1 - 水電解システム - Google Patents

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water electrolysis
passage
purge
wet
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長谷川　卓也
龍史 藤枝
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a water electrolysis system.
  • the conventional water electrolysis system described in JP2007-231383A removes the moisture of hydrogen discharged from the water electrolysis stack that generates high-pressure hydrogen by the adsorption unit and stores it in the hydrogen tank, and at the time of regeneration of the adsorption unit, The adsorption part was regenerated by depressurizing the hydrogen in the hydrogen tank and sending it to the adsorption part.
  • the conventional water electrolysis system described in JP2007-231383A has a problem in that, when regenerating the adsorption part, the hydrogen once increased in pressure is reduced and sent to the adsorption part, so that the energy loss increases accordingly. was there.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide a water electrolysis system capable of reusing hydrogen used for regeneration of an adsorption cylinder while reducing energy loss. .
  • a fuel cell system includes a water electrolysis stack that electrolyzes water to generate hydrogen, a dehumidifier that adsorbs and removes moisture contained in the hydrogen generated by the water electrolysis stack, and water electrolysis. And a wet line for supplying hydrogen generated by the stack to the dehumidifier. And the water electrolysis system takes out part of the hydrogen in the middle of pressurization of the compression device which pressurizes the hydrogen from which moisture has been removed by the dehumidification device in stages, and passes through the dehumidification device to the wet line. And a purge line for joining.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the flow of hydrogen when moisture of wet hydrogen is adsorbed by the first adsorption cylinder and the second adsorption cylinder is regenerated.
  • FIG. 3 is a diagram showing a flow of hydrogen when moisture of wet hydrogen is adsorbed by the second adsorption cylinder and the first adsorption cylinder is regenerated.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a water electrolysis system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a water electrolysis system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the water electrolysis system 100 is a system that supplies hydrogen generated by electrolyzing pure water to the hydrogen tank 10.
  • the water electrolysis system 100 includes a water electrolysis stack 1, a pure water supply unit 2 that supplies pure water to the water electrolysis stack 1, and hydrogen supplied to the hydrogen tank 10 by dehumidifying and boosting hydrogen generated in the water electrolysis stack 1. And a supply unit 3.
  • the water electrolysis stack 1 is formed by stacking a plurality of water electrolysis cells, and is configured to be electrically connected to an external power source.
  • the water electrolysis stack 1 electrolyzes pure water with electric power from an external power source to generate hydrogen and oxygen. Oxygen generated in the water electrolysis stack 1 and used pure water are discharged to the outside of the water electrolysis system 100 via the discharge passage 11.
  • the pure water supply unit 2 includes a water passage 21, a pure water production device 22, and a pure water passage 23.
  • the water passage 21 is a passage for supplying water such as tap water or industrial water to the pure water production apparatus 22.
  • One end of the water passage 21 is configured to be connectable to the water supply port, and the other end is connected to the pure water production apparatus 22.
  • the pure water production apparatus 22 produces pure water from water.
  • the pure water passage 23 is a passage for supplying pure water produced by the pure water production apparatus 22 to the water electrolysis stack 1.
  • One end of the pure water passage 23 is connected to the pure water production apparatus 22, and the other end is connected to the water electrolysis stack 1.
  • the hydrogen supply unit 3 includes a dehumidifier 31, a wet line 32, a dry line 33, a compressor 34, and a purge line 35.
  • the dehumidifying device 31 includes two adsorption cylinders 311 each having a heater and a moisture adsorbent.
  • first adsorption cylinder 311 a the adsorption cylinder on the left side in the figure
  • second adsorption cylinder 311 b the adsorption cylinder on the right side in the figure
  • Both ends of the adsorption cylinder 311 are open ends, the moisture of the gas flowing in from one open end is adsorbed by the moisture adsorbent, and discharged from the other open end.
  • the amount of moisture adsorbed on the moisture adsorbent of the adsorption cylinder 311 exceeds the allowable moisture amount, the supply of the gas containing moisture is stopped, and then the moisture is heated and desorbed from the moisture adsorbent by the heater, and the dry gas
  • the adsorption cylinder 311 can be regenerated by discharging (purging) the moisture that has been introduced and desorbed into the adsorption cylinder 311 to the outside of the adsorption cylinder 311.
  • the dehumidifying device 31 generally repeats the adsorption and desorption (regeneration) of moisture alternately between the first adsorption cylinder 311a and the second adsorption cylinder 311b using the characteristics of the adsorption cylinder 311.
  • one adsorption cylinder 311 dehumidifies hydrogen (hereinafter referred to as “wet hydrogen”) generated in the water electrolysis stack 1 and dry hydrogen (hereinafter referred to as “wet hydrogen”) discharged from the one adsorption cylinder 311.
  • wet hydrogen hydrogen
  • dry hydrogen hereinafter referred to as “wet hydrogen”
  • a part of “dry hydrogen” is introduced into the other adsorption cylinder 311 to regenerate the other adsorption cylinder 311.
  • the dehumidifying device 31 is selected by the wet line 32 for selectively introducing wet hydrogen to the first adsorption cylinder 311a and the second adsorption cylinder 311b, and the first adsorption cylinder 311a or the second adsorption cylinder 311b.
  • the dry line 33 for introducing the dry hydrogen thus dried into the hydrogen tank 10 and the dry hydrogen as the drying gas for regenerating the adsorption cylinder (hereinafter referred to as “purge hydrogen”) are introduced into the adsorption cylinder 311, and the wet line And a purge line 35 that circulates back to 32.
  • the wet line 32 includes a wet hydrogen passage 321 and a wet hydrogen introduction passage 322.
  • the wet hydrogen passage 321 is a passage through which wet hydrogen generated in the water electrolysis stack 1 flows. One end of the wet hydrogen passage 321 is connected to the water electrolysis stack 1, and the other end is connected to the wet hydrogen introduction passage 322.
  • the wet hydrogen passage 321 is preferably provided with an auto drain (liquid discharge device) 36 for automatically discharging liquid water in the passage out of the passage in order to reduce the load on the adsorption cylinder 311.
  • One auto drain 36 or a plurality of auto drains 36 may be provided.
  • the wet hydrogen introduction passage 322 is a passage for branching the wet hydrogen flowing through the wet hydrogen passage 321 and introducing it into either the first adsorption cylinder 311a or the second adsorption cylinder 311b.
  • the wet hydrogen introduction passage 322 is provided with a first valve 41 and a second valve 42, and the wet hydrogen passage 321 is connected between the first valve 41 and the second valve 42.
  • One end of the wet hydrogen introduction passage 322 is connected to the first adsorption cylinder 311a, and the other end is connected to the second adsorption cylinder 311b.
  • the dry line 33 includes a dry hydrogen discharge passage 331 and a dry hydrogen passage 332.
  • the dry hydrogen discharge passage 331 is a passage for introducing dry hydrogen discharged from either the first adsorption cylinder 311a or the second adsorption cylinder 311b into the dry hydrogen passage 332.
  • the dry hydrogen discharge passage 331 is provided with a third valve 43 and a fourth valve 44, and the dry hydrogen passage 332 is connected between the third valve 43 and the fourth valve 44.
  • One end of the dry hydrogen discharge passage 331 is connected to the first adsorption cylinder 311a, and the other end is connected to the second adsorption cylinder 311b.
  • the dry hydrogen passage 332 is a passage for supplying dry hydrogen that has flowed through the dry hydrogen discharge passage 331 to the hydrogen tank 10 via the compression device 34.
  • the dry hydrogen passage 332 has one end connected to the dry hydrogen discharge passage 331 and the other end connected to the hydrogen tank 10.
  • the compression device 34 is provided in the dry hydrogen passage 332.
  • a multistage reciprocating compressor that compresses dry hydrogen flowing through the dry hydrogen passage 332 in a plurality of times and pumps dry hydrogen that has been pressurized to a desired pressure to the hydrogen tank 10 is used as the compressor 34.
  • the compression device 34 can be used regardless of the type as long as it can take out part of the dry hydrogen whose pressure has been increased to a predetermined pressure.
  • the purge line 35 includes a purge hydrogen supply passage 351, a purge hydrogen introduction passage 352, a purge hydrogen discharge passage 353, and a purge hydrogen circulation passage 354.
  • the purge hydrogen supply passage 351 is used to supply high-pressure dry hydrogen to the purge hydrogen introduction passage 352 as purge hydrogen by taking out part of the dry hydrogen whose pressure has been increased by the first-stage reciprocating compressor of the compressor 34. It is a passage. One end of the purge hydrogen supply passage 351 is connected to the first-stage reciprocating compressor of the compressor 34, and the other end is connected to the purge hydrogen introduction passage 352. In this embodiment, one end of the purge hydrogen supply passage 351 is connected to the first-stage reciprocating compressor of the compressor 34, and a part of the dry hydrogen boosted by the first-stage reciprocating compressor is taken out. For example, one end of the purge hydrogen supply passage 351 may be connected to a second-stage or third-stage reciprocating compressor.
  • the purge hydrogen introduction passage 352 is a passage through which purge hydrogen that has flowed through the purge hydrogen supply passage 351 is introduced into the adsorption cylinder 311 that is being regenerated.
  • One end of the purge hydrogen introduction passage 352 is connected to the dry hydrogen discharge passage 331 between the first adsorption cylinder 311 a and the third valve 43, and the other end is connected to the dry hydrogen discharge passage 331 between the second adsorption cylinder 311 b and the fourth valve 44.
  • the purge hydrogen introduction passage 352 is provided with a fifth valve 45 and a sixth valve 46, and a purge hydrogen supply passage 351 is connected between the fifth valve 45 and the sixth valve 46.
  • the purge hydrogen discharge passage 353 is a passage for introducing the purge hydrogen discharged from the regeneration adsorption cylinder 311 into the purge hydrogen circulation passage 354.
  • One end of the purge hydrogen discharge passage 353 is connected to the wet hydrogen introduction passage 322 between the first adsorption cylinder 311 a and the first valve 41, and the other end is wet between the second adsorption cylinder 311 b and the second valve 42.
  • the purge hydrogen discharge passage 353 is provided with a seventh valve 47 and an eighth valve 48, and a purge hydrogen circulation passage 354 is connected between the seventh valve 47 and the eighth valve 48.
  • the purge hydrogen circulation passage 354 is a passage for returning the purge hydrogen discharged from the adsorption cylinder 311 being regenerated to the wet hydrogen passage 321.
  • the purge hydrogen circulation passage 354 has one end connected to the purge hydrogen discharge passage 353 between the seventh valve 47 and the eighth valve 48 and the other end connected to the wet hydrogen passage 321.
  • the other end of the purge hydrogen circulation passage 354 is preferably connected to the wet hydrogen passage 321 upstream of the auto drain 36.
  • the purge hydrogen flowing through the purge hydrogen circulation passage 354 is cooled by the air flowing through the surface of the purge hydrogen circulation passage 354.
  • FIG. 2 is a view showing the flow of hydrogen when moisture of wet hydrogen is adsorbed by the first adsorption cylinder 311a and the second adsorption cylinder 311b is regenerated.
  • pure water produced by the pure water production device 22 is supplied to the water electrolysis stack 1.
  • pure water is electrolyzed by the power of the external power source, and the water electrolysis stack 1 generates hydrogen and oxygen.
  • the wet hydrogen generated in the water electrolysis stack 1 is sent to the dehumidifier 31 via the wet line 32.
  • oxygen generated in the water electrolysis stack 1 is discharged to the outside of the water electrolysis system 100 through the discharge passage 11 together with used pure water.
  • the wet hydrogen flowing through the wet hydrogen passage 321 is opened on the side where the first valve 41 is provided because the first valve 41 is opened and the second valve 42 and the seventh valve 47 are closed. It is introduced into the first adsorption cylinder 311a via the wet hydrogen introduction passage 322, and moisture is removed by the first adsorption cylinder 311a.
  • the dry hydrogen discharged from the first adsorption cylinder 311a is opened on the side where the third valve 43 is provided because the third valve 43 is opened and the fourth valve 44 and the fifth valve 45 are closed. It is introduced into the dry hydrogen passage 332 through the dry hydrogen discharge passage 331.
  • the dry hydrogen supplied to the purge hydrogen introduction passage 352 is purge hydrogen on the side where the sixth valve 46 is provided because the sixth valve 46 is opened and the fourth valve 44 and the fifth valve 45 are closed. It is introduced into the second adsorption cylinder 311b being regenerated through the introduction passage 352.
  • the moisture desorbed from the moisture adsorbent in the second adsorption cylinder 311b by the heater can be discharged together with the purge hydrogen to the outside of the second adsorption cylinder 311b, that is, the purge hydrogen discharge passage 353.
  • the purge hydrogen discharged from the second adsorption cylinder 311b is purged hydrogen on the side where the eighth valve 48 is provided because the eighth valve 48 is opened and the second valve 42 and the seventh valve 47 are closed. It is introduced into the purge hydrogen circulation passage 354 through the discharge passage 353. As a result, the purge hydrogen discharged from the second adsorption cylinder 311b is returned to the wet hydrogen supply passage together with the moisture desorbed from the moisture adsorbent in the second adsorption cylinder 311b, and is introduced again into the first adsorption cylinder 311a. Is done.
  • FIG. 3 is a view showing a flow of hydrogen when moisture of wet hydrogen is adsorbed by the second adsorption cylinder 311b and the first adsorption cylinder 311a is regenerated.
  • the dry hydrogen once pressurized by the compressor 34 so that the pressure in the purge line 35 becomes higher than the pressure in the wet hydrogen passage 321. A part of this was introduced as purge hydrogen into the adsorption cylinder 311 being regenerated.
  • the purge hydrogen used for the regeneration of the adsorption cylinder 311 can be returned to the wet hydrogen passage 321 and circulated again. Therefore, since it is not necessary to discharge purge hydrogen to the outside of the water electrolysis system 100, hydrogen generated in the water electrolysis stack 1 can be supplied to the hydrogen tank 10 without being wasted.
  • the water electrolysis system 100 includes a water electrolysis stack 1 that electrolyzes water to generate hydrogen, and a dehumidifying device that adsorbs and removes moisture contained in the hydrogen generated by the water electrolysis stack 1. 31, a wet line 32 for supplying hydrogen generated by the water electrolysis stack 1 to the dehumidifier 31, a compressor 34 for stepwise increasing the hydrogen from which moisture has been removed by the dehumidifier 31, and boosting of the compressor 34 A purge line 35 for taking out part of the hydrogen on the way and joining the wet line 32 via the dehumidifier 31.
  • the dehumidifying device 31 can be regenerated using part of the hydrogen during the pressure increase, so that it is not necessary to pressurize the hydrogen more than necessary to regenerate the dehumidifying device 31, and energy loss is reduced. be able to. Further, since the hydrogen used for the regeneration can be returned to the wet line 32 via the purge line 35 and reused, the hydrogen generated in the water electrolysis stack 1 is wastefully discharged outside the water electrolysis system 100. Can be suppressed.
  • the purge hydrogen circulation passage 354 is connected to the wet hydrogen passage 321 upstream of the auto drain 36. That is, a part of the hydrogen pressure increased by the compression device 34 was joined to the wet hydrogen passage 321 between the water electrolysis stack 1 and the auto drain 36.
  • the purge hydrogen flowing through the purge hydrogen circulation passage 354 includes moisture desorbed by heating from the adsorption cylinder 311 being regenerated. Therefore, by connecting the purge hydrogen circulation passage 354 to the wet hydrogen passage 321 upstream of the auto drain 36, the water contained in the purge hydrogen can be discharged outside the water electrolysis system 100 by the auto drain 36. it can.
  • the dry hydrogen whose pressure has been increased by the first stage compressor of the compression device 34 is caused to flow to the purge line 35 as purge hydrogen.
  • purge hydrogen is not boosted more than necessary. Further, the thickness of the purge line 35 can be reduced, and the purge hydrogen can be prevented from leaking from the purge line 35.
  • the two desorption apparatuses 311 are provided in the dehumidifying device 31.
  • one or more adsorption cylinders 311 may be provided.
  • the water adsorption system 311 can be used while drying the wet hydrogen in the other adsorption cylinder 311 even when the one adsorption cylinder 311 is regenerated. Since it can be operated, it is advantageous from the viewpoint of continuous operation.
  • the purge hydrogen flowing through the purge line 35 is pressurized by the compression device 34 and passes through the adsorption cylinder 311 heated by the heater, so that the temperature becomes relatively high. Therefore, in the above embodiment, the purge hydrogen flowing through the purge hydrogen circulation passage 354 is cooled (air-cooled) by the air flowing through the surface of the purge hydrogen circulation passage 354. For example, water flowing through the water passage 21 or pure water passage Heat may be exchanged with water flowing through 23 to cool (water cooling).
  • the water electrolysis system 100 described in the above embodiment can be mounted on a moving body such as a vehicle that uses hydrogen as a fuel, or is adopted in a stationary system that uses hydrogen as a fuel. Is also possible.
  • the used pure water used in the water electrolysis stack 1 is discharged to the outside.
  • a reservoir tank 24 for storing pure water is provided, and the reservoir tank The pure water stored in 24 may be circulated by a circulation pump 26 provided in the circulation passage 25. Then, only oxygen generated in the water electrolysis stack 1 may be discharged from the discharge passage 11.

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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

水電解システム
　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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