水電解システムの運転方法
【課題】気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を向上させることを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０の運転方法は、気液分離装置５２内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁７４ａ及び第２開閉弁７４ｂを開弁する工程と、前記気液分離装置５２内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁７４ｂを閉弁し且つ第３開閉弁７４ｃを開弁する工程と、前記気液分離装置５２内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁７４ａ及び前記第３開閉弁７４ｃを閉弁する工程とを有している。
【解決手段】水電解システム１０の運転方法は、気液分離装置５２内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁７４ａ及び第２開閉弁７４ｂを開弁する工程と、前記気液分離装置５２内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁７４ｂを閉弁し且つ第３開閉弁７４ｃを開弁する工程と、前記気液分離装置５２内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁７４ａ及び前記第３開閉弁７４ｃを閉弁する工程とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁とを備える水電解システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている。
【０００３】
そこで、複数の単位セルが積層された電解スタックには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴って電解スタックから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、カソード側に酸素よりも高圧の水素が得られる差圧式高圧水素製造装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４７７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、差圧式高圧水素製造装置では、高圧から大気圧まで減圧する場合があり、特に背圧弁の入口（上流側）と出口（下流側）との間に大きな差圧が発生してしまう。その際、背圧弁等の高圧デバイスでは、図１７に示すように、差圧が大きくなる程、溶存水素の気泡発生量が多くなるため、耐久時間が著しく低下してしまう。これにより、背圧弁に大きな差圧が生じると、前記背圧弁のシール部に損傷が惹起し、該背圧弁の耐久性が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を向上させることが可能な水電解システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、前記背圧弁の上流で前記水素配管から分岐するとともに、第１開閉弁が設けられる脱圧ラインと、前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第２開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第３開閉弁が設けられる排水ラインとを備える水電解システムの運転方法に関するものである。
【０００９】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁及び第２開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁し且つ第３開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁する工程とを有している。
【００１０】
また、水電解システムは、気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第４開閉弁が設けられる均圧化ラインとを備えるとともに、この運転方法は、第１開閉弁及び第３開閉弁を閉弁した後、前記第４開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程を有することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインとを備える水電解システムの運転方法に関するものである。
【００１２】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ第２開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁する工程と、前記第２開閉弁を閉弁した後、第３開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程とを有している。
【００１３】
さらにまた、この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ第２開閉弁及び第３開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁するとともに、前記気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程とを有している。
【００１４】
また、この運転方法は、少なくとも第１開閉弁を開弁する際、水電解装置の電解電流を低下させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われる際、背圧弁の上流で水素配管から分岐する脱圧ラインを介して脱圧が行われている。すなわち、背圧弁の下流側では、気相脱圧ラインを介して脱圧が行われる一方、前記背圧弁の上流側では、脱圧ラインを介して脱圧が行われている。
【００１６】
このため、背圧弁の上流及び下流の差圧が規定圧力以上になることを確実に阻止することができ、前記背圧弁のシール部に損傷が惹起することがない。これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【００１７】
また、本発明によれば、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われ、さらに前記気液分離装置から排水ラインを介して排水された後、高圧水素貯留部から前記気液分離装置に高圧水素が供給されている。従って、気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とは、迅速に均圧化されるため、背圧弁の上流及び下流に発生していた差圧が短時間で解消される。
【００１８】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明では、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われた後、前記気液分離装置から排水ラインを介して排水されるとともに、高圧水素貯留部から前記気液分離装置に高圧水素が供給されている。従って、気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とは、迅速に均圧化されるため、背圧弁の上流及び下流に発生していた差圧が短時間で解消される。
【００２０】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図２】前記水電解システムの通常運転時の説明図である。
【図３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図５】前記水電解システムの気相脱圧時の説明図である。
【図６】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図８】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図９】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図１１】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図１３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図１４】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図１６】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１７】高圧デバイスの差圧と気泡発生量及び耐久時間との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって、酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式水電解装置（高圧水素製造装置）１２を備える。
【００２３】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層した電解スタックを備える。単位セル１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２４】
ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２２ａ、２２ｂが外方に突出して設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、電解電源２４に電気的に接続される。
【００２５】
単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持するアノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０とを備える。アノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０は、円盤状を有する。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２の両面に設けられるアノード側給電体３４及びカソード側給電体３６とを備える。
【００２７】
固体高分子電解質膜３２の両面には、アノード電極触媒層３４ａ及びカソード電極触媒層３６ａが形成される。アノード電極触媒層３４ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層３６ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２８】
単位セル１４の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔３８と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔４０と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔４２とが設けられる。
【００２９】
アノード側セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に対向する面には、水供給連通孔３８及び排出連通孔４０に連通する第１流路４４が設けられる。この第１流路４４は、アノード側給電体３４の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第１流路４４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。
【００３０】
カソード側セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、水素連通孔４２に連通する第２流路４６が形成される。この第２流路４６は、カソード側給電体３６の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第２流路４６には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００３１】
水素連通孔４２には、水電解装置１２から高圧水素を排出するための水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記水素配管５０の他端は、気液分離装置５２に接続される。
【００３２】
気液分離装置５２は、水電解装置１２から排出される高圧水素に含まれる水分を除去する。気液分離装置５２には、水から分離された高圧水素を水素タンク（図示せず）等に供給するために導出する高圧水素導出配管５４と、分離された前記水を排出するための排水ライン５６とが接続される。
【００３３】
気液分離装置５２の出口には、前記気液分離装置５２から排水ライン５６に排水を行う前に、前記気液分離装置５２内の脱気を行うための気相脱圧ライン５８が設けられる。気相脱圧ライン５８は、実質的に気液分離装置５２の近傍で高圧水素導出配管５４から分岐する。
【００３４】
水素配管５０には、気液分離装置５２の上流側で、前記水素配管５０から分岐するとともに、水電解装置１２の脱圧を行うための水電解装置脱圧ライン６０が設けられる。
【００３５】
気液分離装置５２は、水を貯留するためのタンク部６２を備える。タンク部６２には、前記タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さ（上限規定量）Ｈ以上であるか否か、及び下限高さ（下限規定量）Ｌ以下であるか否かを検出する水位検出センサ６４が設けられる。
【００３６】
水素配管５０には、水電解装置脱圧ライン６０の分岐部位と気液分離装置５２との間に、背圧弁６６が配置される。
【００３７】
水素配管５０には、水電解装置１２の出口側近傍に、第１圧力計７０ａが配置される一方、タンク部６２には、第２圧力計７０ｂが配置される。第１圧力計７０ａは、背圧弁６６の上流側（水電解装置１２側）の圧力ＰＴ１を検出するとともに、第２圧力計７０ｂは、前記背圧弁６６の下流側（気液分離装置５２側）の圧力ＰＴ２を検出する。
【００３８】
水電解装置脱圧ライン６０には、第１減圧弁７２ａ及び第１開閉弁７４ａが配置される。気相脱圧ライン５８には、第２減圧弁７２ｂ及び第２開閉弁７４ｂが配設されるとともに、排水ライン５６には、第３減圧弁７２ｃ及び第３開閉弁７４ｃが配置される。これらの弁を含む各種デバイス及びシステム全体は、コントローラ７６により制御される。
【００３９】
このように構成される水電解システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、水電解システム１０の通常運転時には、図２に示すように、第１開閉弁７４ａ〜第３開閉弁７４ｃが閉塞される。そして、水電解装置１２には、図示しない水循環装置を介して純水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂ間には、電気的に接続されている電解電源２４を介して電圧（電解電流）が印加される。
【００４１】
このため、各単位セル１４では、水供給連通孔３８からアノード側セパレータ２８の第１流路４４に水が供給され、この水がアノード側給電体３４内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層３４ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３２を透過してカソード電極触媒層３６ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４２】
これにより、カソード側セパレータ３０とカソード側給電体３６との間に形成される第２流路４６に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔３８よりも高圧に維持されており、水素連通孔４２を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４３】
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００４４】
水電解システム１０では、上記のように、通常運転（水素製造工程）が行われている。このため、高圧水素は、水素配管５０を通って気液分離装置５２に送られ、前記気液分離装置５２のタンク部６２には、前記高圧水素に含まれる水分が分離されて貯留される。一方、高圧水素は、気液分離装置５２から高圧水素導出配管５４に排出され、図示しない水素タンク等に供給可能になる。
【００４５】
そして、水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６２内の水位ＷＳが上昇する。そして、タンク部６２に設けられている水位検出センサ６４を介して前記タンク部６２の水位ＷＳが検出される。この水位ＷＳが上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
【００４６】
ステップＳ２では、水電解装置１２に印加される電解電流が制限されるとともに（電解電流低下）、第１開閉弁７４ａ及び第２開閉弁７４ｂが開弁される（図５参照）。なお、電解電流は、水電解装置１２内でアノード側からカソード側に透過する水分量と前記カソード側から前記アノード側に戻される水分量とが均等になる電流値に設定される。また、固体高分子電解質膜３２の乾燥が懸念される際には、実質的にアノード側からカソード側に水が透過し得る最低限度の電流値に設定することも可能である。さらにまた、電解電流の制限は、必要に応じて不要にすることもできる。
【００４７】
第１開閉弁７４ａが開弁されることにより、水電解装置１２側の水素が水電解装置脱圧ライン６０に排出されるため、図４に示すように、背圧弁６６の上流側の圧力ＰＴ１は、第１減圧弁７２ａの作用下に、低下する。一方、第２開閉弁７４ｂが開弁されることにより、気液分離装置５２のタンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に排出されるため、前記タンク部６２内の圧力ＰＴ２は、第２減圧弁７２ｂの作用下に、低下する。
【００４８】
ここで、水電解装置１２側では、効率的な水電解処理を行うために、圧力ＰＴ１の低下を最小限に留める必要がある。一方、タンク部６２内の圧力ＰＴ２は、各デバイスに用いられるＯリング等にブリスターが発生しない程度に急激に低下させる必要がある。このため、水電解装置脱圧ライン６０では、第１減圧弁７２ａと第１開閉弁７４ａとの間、又は前記第１開閉弁７４ａの下流に、ニードルやオリフィス等（図示せず）を配設することが好ましい。また、第２減圧弁７２ｂと第２開閉弁７４ｂとの間、又は前記第２開閉弁７４ｂの下流に、ニードルやオリフィス等（図示せず）を配設してもよい。
【００４９】
その際、第２圧力計７０ｂは、タンク部６２内の圧力ＰＴ２を検出しており、この検出された圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下となるか否かが検出される（ステップＳ３）。下限設定圧力αは、水電解装置１２内でキャビテーションが惹起されない圧力に設定され、下流側が大気圧である際には、例えば、５ＭＰａ以下程度の値に設定される。
【００５０】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、第２開閉弁７４ｂが閉弁される一方、第３開閉弁７４ｃが開弁される。このため、図６に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水されるとともに、水電解装置１２側の水素が水電解装置脱圧ライン６０に排出されている。
【００５１】
さらに、ステップＳ５に進んで、タンク部６２内の水位ＷＳが下限高さＬ以下であるか否か、すなわち、前記タンク部６２内が空であるか否かが検出される。タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。
【００５２】
ステップＳ６では、第１開閉弁７４ａ及び第３開閉弁７４ｃが閉弁された後、水電解装置１２には、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ７）。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が、上限規定量（上限高さＨ）に達した後、前記気液分離装置５２から気相脱圧ライン５８を介して脱気（脱圧）が行われる際、背圧弁６６の上流で水素配管５０から分岐する脱圧ライン６０を介して脱圧が行われている。すなわち、背圧弁６６の下流側では、気相脱圧ライン５８を介して脱圧が行われる一方、前記背圧弁６６の上流側では、脱圧ライン６０を介して脱圧が行われている。
【００５４】
このため、図４に示すように、背圧弁６６の上流及び下流の差圧（ＰＴ１−ＰＴ２）が規定圧力以上になることを確実に阻止することができ、前記背圧弁６６のシール部に損傷が惹起することがない。なお、規定圧力以上とは、背圧弁６６のシール部等に損傷が惹起されるおそれがある差圧をいう。
【００５５】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置５２内を脱圧して排水するとともに、水電解装置１２と前記気液分離装置５２との間に配置される背圧弁６６の耐久性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム８０の概略構成説明図である。
【００５７】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
気液分離装置５２を構成するタンク部６２には、高圧水素導出配管５４を介してバッファ部（高圧水素貯留部）８２が接続されるとともに、前記バッファ部８２には、戻しライン８４の一端が接続される。戻しライン８４には、可変絞り８６及び第４開閉弁７４ｄが直列に配置されるとともに、前記戻しライン８４の他端は、タンク部６２に接続される。
【００５９】
高圧水素導出配管５４には、バッファ部８２からタンク部６２に高圧水素が逆流することを阻止するために逆止弁８８が配置される。バッファ部８２には、内部の圧力ＰＴ３を検出するための第３圧力計７０ｃが設けられる。
【００６０】
このように構成される水電解システム８０の運転方法について、図８に示すフローチャート及び図９に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。
【００６１】
水電解システム８０では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５が、上記のステップＳ１〜ステップＳ５と同様に行われる。そして、タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、第１開閉弁７４ａ及び第３開閉弁７４ｃが閉弁される一方、第４開閉弁７４ｄが開弁される。
【００６２】
このため、バッファ部８２内に貯留されている高圧水素は、戻しライン８４を通ってタンク部６２内に供給され、前記タンク部６２内が急速に昇圧される（図９参照）。そして、タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、バッファ部８２内の圧力ＰＴ３と均圧化されたと判断されると（ステップＳ１０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進んで、第４開閉弁７４ｄが閉弁され、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ１０９）。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、タンク部６２からの排水処理が終了した直後に、バッファ部８２を介して前記タンク部６２内の圧力を迅速に昇圧させることができる。従って、背圧弁６６の上流及び下流に発生していた差圧が、短時間で解消され、前記背圧弁６６の耐久性の向上が一層確実に遂行されるという効果が得られる。
【００６４】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６５】
水電解システム９０は、第２の実施形態に係る水電解システム８０を構成するバッファ部８２に代えて、高圧水素タンク（高圧水素貯留部）９２を備える。この高圧水素タンク９２は、図示しない燃料電池車両に高圧水素を充填するために、満タン時には、所望の充填圧力（例えば、３５ＭＰａ）に維持される。
【００６６】
この水電解システム９０では、図８に示す第２の実施形態の運転方法と略同様に運転される。その際、ステップＳ１０７では、タンク部内の圧力ＰＴ２が、背圧弁６６の上流側の圧力ＰＴ１と均圧化されるか否かが判断される（図１１参照）。高圧水素タンク９２は、満タン近傍まで充填されていると、気液分離装置５２の容量に対して大容量であるため、タンク部６２の昇圧時に、瞬時に圧力ＰＴ１と差圧がない状態に移行させることができるからである。
【００６７】
なお、第３の実施形態では、タンク部６２の気相脱圧時及び排水時に、脱圧ライン６０を介して背圧弁６６の上流側から脱圧を行わなくてもよい（図１１参照）。高圧水素タンク９２によりタンク部６２内を迅速に昇圧させることができ、差圧が生じる時間を短くすることが可能になるからである。
【００６８】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００６９】
水電解システム１００は、水電解装置脱圧ライン６０を用いていない。気相脱圧ライン５８には、第１開閉弁１０２ａが配設されるとともに、排水ライン５６には、第２開閉弁１０２ｂが配置される。戻しライン８４には、第３開閉弁１０２ｃが配置される。なお、高圧水素貯留部として、バッファ部８２が使用されているが、これに限定されるものではなく、例えば、高圧水素タンク９２を採用してもよい。以下の実施形態でも、同様である。
【００７０】
このように構成される水電解システム１００の運転方法について、図１３に示すフローチャート及び図１４に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。
【００７１】
タンク部６２の水位ＷＳが、上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ２０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０２に進んで、第１開閉弁１０２ａが開弁されるとともに、電解電流が制限される。このため、タンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に排出され、前記タンク部６２内の圧力ＰＴ２が低下する。
【００７２】
次いで、タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ２０３中、ＹＥＳ）、第１開閉弁１０２ａが閉弁される一方、第２開閉弁１０２ｂが開弁される（ステップＳ２０４）。従って、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。そして、タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ２０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０６に進んで、第２開閉弁１０２ｂが閉弁される一方、第３開閉弁１０２ｃが開弁される。
【００７３】
これにより、バッファ部８２からタンク部６２内に高圧水素が供給される。タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、バッファ部８２内の圧力ＰＴ３と均圧化されたと判断されると（ステップＳ２０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に進んで、第３開閉弁１０２ｃが閉弁され、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ２０９）。
【００７４】
このように、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
次に、本発明の第５の実施形態に係る運転方法について、図１５に示すフローチャート及び図１６に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。なお、第５の実施形態では、上記の第４の実施形態と同様に、水電解システム１００が使用される。
【００７６】
第５の実施形態では、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０３が、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３と同様に行われた後、ステップＳ３０４では、第１開閉弁１０２ａが閉弁される一方、第２開閉弁１０２ｂ及び第３開閉弁１０２ｃが開弁される。このため、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水されるとともに、バッファ部８２から前記タンク部６２内に高圧水素が供給される。
【００７７】
従って、第５の実施形態では、タンク部６２には、排水処理と同時に昇圧処理が遂行されるとともに、バッファ部８２から供給される高圧水素により前記タンク部６２内の水が押し出され、排水処理が迅速に行われる他、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１０、８０、９０、１００…水電解システム
１２…水電解装置 １４…単位セル
２４…電解電源 ２６…電解質膜・電極構造体
２８…アノード側セパレータ ３０…カソード側セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード側給電体
３６…カソード側給電体 ３８…水供給連通孔
４０…排出連通孔 ４２…水素連通孔
４４、４６…流路 ５０…水素配管
５２…気液分離装置 ５４…高圧水素導出配管
５６…排水ライン ５８…気相脱圧ライン
６０…水電解装置脱圧ライン ６２…タンク部
６４…水位検出センサ ６６…背圧弁
７０ａ〜７０ｃ…圧力計 ７２ａ〜７２ｃ…減圧弁
７４ａ〜７４ｃ、７４ｄ、１０２ａ〜１０２ｃ…開閉弁
７６…コントローラ ８２…バッファ部
８４…戻しライン ９２…高圧水素タンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁とを備える水電解システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている。
【０００３】
そこで、複数の単位セルが積層された電解スタックには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴って電解スタックから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、カソード側に酸素よりも高圧の水素が得られる差圧式高圧水素製造装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４７７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、差圧式高圧水素製造装置では、高圧から大気圧まで減圧する場合があり、特に背圧弁の入口（上流側）と出口（下流側）との間に大きな差圧が発生してしまう。その際、背圧弁等の高圧デバイスでは、図１７に示すように、差圧が大きくなる程、溶存水素の気泡発生量が多くなるため、耐久時間が著しく低下してしまう。これにより、背圧弁に大きな差圧が生じると、前記背圧弁のシール部に損傷が惹起し、該背圧弁の耐久性が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を向上させることが可能な水電解システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、前記背圧弁の上流で前記水素配管から分岐するとともに、第１開閉弁が設けられる脱圧ラインと、前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第２開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第３開閉弁が設けられる排水ラインとを備える水電解システムの運転方法に関するものである。
【０００９】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁及び第２開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁し且つ第３開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁する工程とを有している。
【００１０】
また、水電解システムは、気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第４開閉弁が設けられる均圧化ラインとを備えるとともに、この運転方法は、第１開閉弁及び第３開閉弁を閉弁した後、前記第４開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程を有することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインとを備える水電解システムの運転方法に関するものである。
【００１２】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ第２開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁する工程と、前記第２開閉弁を閉弁した後、第３開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程とを有している。
【００１３】
さらにまた、この運転方法は、気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、第１開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ第２開閉弁及び第３開閉弁を開弁する工程と、前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁するとともに、前記気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程とを有している。
【００１４】
また、この運転方法は、少なくとも第１開閉弁を開弁する際、水電解装置の電解電流を低下させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われる際、背圧弁の上流で水素配管から分岐する脱圧ラインを介して脱圧が行われている。すなわち、背圧弁の下流側では、気相脱圧ラインを介して脱圧が行われる一方、前記背圧弁の上流側では、脱圧ラインを介して脱圧が行われている。
【００１６】
このため、背圧弁の上流及び下流の差圧が規定圧力以上になることを確実に阻止することができ、前記背圧弁のシール部に損傷が惹起することがない。これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【００１７】
また、本発明によれば、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われ、さらに前記気液分離装置から排水ラインを介して排水された後、高圧水素貯留部から前記気液分離装置に高圧水素が供給されている。従って、気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とは、迅速に均圧化されるため、背圧弁の上流及び下流に発生していた差圧が短時間で解消される。
【００１８】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明では、気液分離装置から気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）が行われた後、前記気液分離装置から排水ラインを介して排水されるとともに、高圧水素貯留部から前記気液分離装置に高圧水素が供給されている。従って、気液分離装置内の圧力と高圧水素貯留部内の圧力とは、迅速に均圧化されるため、背圧弁の上流及び下流に発生していた差圧が短時間で解消される。
【００２０】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置内を脱圧して排水するとともに、水電解装置と前記気液分離装置との間に配置される背圧弁の耐久性を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図２】前記水電解システムの通常運転時の説明図である。
【図３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図５】前記水電解システムの気相脱圧時の説明図である。
【図６】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図８】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図９】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図１１】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システムの概略構成説明図である。
【図１３】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図１４】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図１６】前記運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図１７】高圧デバイスの差圧と気泡発生量及び耐久時間との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって、酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式水電解装置（高圧水素製造装置）１２を備える。
【００２３】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層した電解スタックを備える。単位セル１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２４】
ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２２ａ、２２ｂが外方に突出して設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、電解電源２４に電気的に接続される。
【００２５】
単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持するアノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０とを備える。アノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０は、円盤状を有する。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２の両面に設けられるアノード側給電体３４及びカソード側給電体３６とを備える。
【００２７】
固体高分子電解質膜３２の両面には、アノード電極触媒層３４ａ及びカソード電極触媒層３６ａが形成される。アノード電極触媒層３４ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層３６ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２８】
単位セル１４の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔３８と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔４０と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔４２とが設けられる。
【００２９】
アノード側セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に対向する面には、水供給連通孔３８及び排出連通孔４０に連通する第１流路４４が設けられる。この第１流路４４は、アノード側給電体３４の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第１流路４４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。
【００３０】
カソード側セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、水素連通孔４２に連通する第２流路４６が形成される。この第２流路４６は、カソード側給電体３６の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第２流路４６には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００３１】
水素連通孔４２には、水電解装置１２から高圧水素を排出するための水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記水素配管５０の他端は、気液分離装置５２に接続される。
【００３２】
気液分離装置５２は、水電解装置１２から排出される高圧水素に含まれる水分を除去する。気液分離装置５２には、水から分離された高圧水素を水素タンク（図示せず）等に供給するために導出する高圧水素導出配管５４と、分離された前記水を排出するための排水ライン５６とが接続される。
【００３３】
気液分離装置５２の出口には、前記気液分離装置５２から排水ライン５６に排水を行う前に、前記気液分離装置５２内の脱気を行うための気相脱圧ライン５８が設けられる。気相脱圧ライン５８は、実質的に気液分離装置５２の近傍で高圧水素導出配管５４から分岐する。
【００３４】
水素配管５０には、気液分離装置５２の上流側で、前記水素配管５０から分岐するとともに、水電解装置１２の脱圧を行うための水電解装置脱圧ライン６０が設けられる。
【００３５】
気液分離装置５２は、水を貯留するためのタンク部６２を備える。タンク部６２には、前記タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さ（上限規定量）Ｈ以上であるか否か、及び下限高さ（下限規定量）Ｌ以下であるか否かを検出する水位検出センサ６４が設けられる。
【００３６】
水素配管５０には、水電解装置脱圧ライン６０の分岐部位と気液分離装置５２との間に、背圧弁６６が配置される。
【００３７】
水素配管５０には、水電解装置１２の出口側近傍に、第１圧力計７０ａが配置される一方、タンク部６２には、第２圧力計７０ｂが配置される。第１圧力計７０ａは、背圧弁６６の上流側（水電解装置１２側）の圧力ＰＴ１を検出するとともに、第２圧力計７０ｂは、前記背圧弁６６の下流側（気液分離装置５２側）の圧力ＰＴ２を検出する。
【００３８】
水電解装置脱圧ライン６０には、第１減圧弁７２ａ及び第１開閉弁７４ａが配置される。気相脱圧ライン５８には、第２減圧弁７２ｂ及び第２開閉弁７４ｂが配設されるとともに、排水ライン５６には、第３減圧弁７２ｃ及び第３開閉弁７４ｃが配置される。これらの弁を含む各種デバイス及びシステム全体は、コントローラ７６により制御される。
【００３９】
このように構成される水電解システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、水電解システム１０の通常運転時には、図２に示すように、第１開閉弁７４ａ〜第３開閉弁７４ｃが閉塞される。そして、水電解装置１２には、図示しない水循環装置を介して純水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂ間には、電気的に接続されている電解電源２４を介して電圧（電解電流）が印加される。
【００４１】
このため、各単位セル１４では、水供給連通孔３８からアノード側セパレータ２８の第１流路４４に水が供給され、この水がアノード側給電体３４内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層３４ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜３２を透過してカソード電極触媒層３６ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４２】
これにより、カソード側セパレータ３０とカソード側給電体３６との間に形成される第２流路４６に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔３８よりも高圧に維持されており、水素連通孔４２を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４３】
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００４４】
水電解システム１０では、上記のように、通常運転（水素製造工程）が行われている。このため、高圧水素は、水素配管５０を通って気液分離装置５２に送られ、前記気液分離装置５２のタンク部６２には、前記高圧水素に含まれる水分が分離されて貯留される。一方、高圧水素は、気液分離装置５２から高圧水素導出配管５４に排出され、図示しない水素タンク等に供給可能になる。
【００４５】
そして、水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６２内の水位ＷＳが上昇する。そして、タンク部６２に設けられている水位検出センサ６４を介して前記タンク部６２の水位ＷＳが検出される。この水位ＷＳが上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
【００４６】
ステップＳ２では、水電解装置１２に印加される電解電流が制限されるとともに（電解電流低下）、第１開閉弁７４ａ及び第２開閉弁７４ｂが開弁される（図５参照）。なお、電解電流は、水電解装置１２内でアノード側からカソード側に透過する水分量と前記カソード側から前記アノード側に戻される水分量とが均等になる電流値に設定される。また、固体高分子電解質膜３２の乾燥が懸念される際には、実質的にアノード側からカソード側に水が透過し得る最低限度の電流値に設定することも可能である。さらにまた、電解電流の制限は、必要に応じて不要にすることもできる。
【００４７】
第１開閉弁７４ａが開弁されることにより、水電解装置１２側の水素が水電解装置脱圧ライン６０に排出されるため、図４に示すように、背圧弁６６の上流側の圧力ＰＴ１は、第１減圧弁７２ａの作用下に、低下する。一方、第２開閉弁７４ｂが開弁されることにより、気液分離装置５２のタンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に排出されるため、前記タンク部６２内の圧力ＰＴ２は、第２減圧弁７２ｂの作用下に、低下する。
【００４８】
ここで、水電解装置１２側では、効率的な水電解処理を行うために、圧力ＰＴ１の低下を最小限に留める必要がある。一方、タンク部６２内の圧力ＰＴ２は、各デバイスに用いられるＯリング等にブリスターが発生しない程度に急激に低下させる必要がある。このため、水電解装置脱圧ライン６０では、第１減圧弁７２ａと第１開閉弁７４ａとの間、又は前記第１開閉弁７４ａの下流に、ニードルやオリフィス等（図示せず）を配設することが好ましい。また、第２減圧弁７２ｂと第２開閉弁７４ｂとの間、又は前記第２開閉弁７４ｂの下流に、ニードルやオリフィス等（図示せず）を配設してもよい。
【００４９】
その際、第２圧力計７０ｂは、タンク部６２内の圧力ＰＴ２を検出しており、この検出された圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下となるか否かが検出される（ステップＳ３）。下限設定圧力αは、水電解装置１２内でキャビテーションが惹起されない圧力に設定され、下流側が大気圧である際には、例えば、５ＭＰａ以下程度の値に設定される。
【００５０】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、第２開閉弁７４ｂが閉弁される一方、第３開閉弁７４ｃが開弁される。このため、図６に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水されるとともに、水電解装置１２側の水素が水電解装置脱圧ライン６０に排出されている。
【００５１】
さらに、ステップＳ５に進んで、タンク部６２内の水位ＷＳが下限高さＬ以下であるか否か、すなわち、前記タンク部６２内が空であるか否かが検出される。タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。
【００５２】
ステップＳ６では、第１開閉弁７４ａ及び第３開閉弁７４ｃが閉弁された後、水電解装置１２には、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ７）。
【００５３】
この場合、第１の実施形態では、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が、上限規定量（上限高さＨ）に達した後、前記気液分離装置５２から気相脱圧ライン５８を介して脱気（脱圧）が行われる際、背圧弁６６の上流で水素配管５０から分岐する脱圧ライン６０を介して脱圧が行われている。すなわち、背圧弁６６の下流側では、気相脱圧ライン５８を介して脱圧が行われる一方、前記背圧弁６６の上流側では、脱圧ライン６０を介して脱圧が行われている。
【００５４】
このため、図４に示すように、背圧弁６６の上流及び下流の差圧（ＰＴ１−ＰＴ２）が規定圧力以上になることを確実に阻止することができ、前記背圧弁６６のシール部に損傷が惹起することがない。なお、規定圧力以上とは、背圧弁６６のシール部等に損傷が惹起されるおそれがある差圧をいう。
【００５５】
これにより、簡単な工程で、気液分離装置５２内を脱圧して排水するとともに、水電解装置１２と前記気液分離装置５２との間に配置される背圧弁６６の耐久性を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム８０の概略構成説明図である。
【００５７】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
気液分離装置５２を構成するタンク部６２には、高圧水素導出配管５４を介してバッファ部（高圧水素貯留部）８２が接続されるとともに、前記バッファ部８２には、戻しライン８４の一端が接続される。戻しライン８４には、可変絞り８６及び第４開閉弁７４ｄが直列に配置されるとともに、前記戻しライン８４の他端は、タンク部６２に接続される。
【００５９】
高圧水素導出配管５４には、バッファ部８２からタンク部６２に高圧水素が逆流することを阻止するために逆止弁８８が配置される。バッファ部８２には、内部の圧力ＰＴ３を検出するための第３圧力計７０ｃが設けられる。
【００６０】
このように構成される水電解システム８０の運転方法について、図８に示すフローチャート及び図９に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。
【００６１】
水電解システム８０では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５が、上記のステップＳ１〜ステップＳ５と同様に行われる。そして、タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、第１開閉弁７４ａ及び第３開閉弁７４ｃが閉弁される一方、第４開閉弁７４ｄが開弁される。
【００６２】
このため、バッファ部８２内に貯留されている高圧水素は、戻しライン８４を通ってタンク部６２内に供給され、前記タンク部６２内が急速に昇圧される（図９参照）。そして、タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、バッファ部８２内の圧力ＰＴ３と均圧化されたと判断されると（ステップＳ１０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進んで、第４開閉弁７４ｄが閉弁され、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ１０９）。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、タンク部６２からの排水処理が終了した直後に、バッファ部８２を介して前記タンク部６２内の圧力を迅速に昇圧させることができる。従って、背圧弁６６の上流及び下流に発生していた差圧が、短時間で解消され、前記背圧弁６６の耐久性の向上が一層確実に遂行されるという効果が得られる。
【００６４】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６５】
水電解システム９０は、第２の実施形態に係る水電解システム８０を構成するバッファ部８２に代えて、高圧水素タンク（高圧水素貯留部）９２を備える。この高圧水素タンク９２は、図示しない燃料電池車両に高圧水素を充填するために、満タン時には、所望の充填圧力（例えば、３５ＭＰａ）に維持される。
【００６６】
この水電解システム９０では、図８に示す第２の実施形態の運転方法と略同様に運転される。その際、ステップＳ１０７では、タンク部内の圧力ＰＴ２が、背圧弁６６の上流側の圧力ＰＴ１と均圧化されるか否かが判断される（図１１参照）。高圧水素タンク９２は、満タン近傍まで充填されていると、気液分離装置５２の容量に対して大容量であるため、タンク部６２の昇圧時に、瞬時に圧力ＰＴ１と差圧がない状態に移行させることができるからである。
【００６７】
なお、第３の実施形態では、タンク部６２の気相脱圧時及び排水時に、脱圧ライン６０を介して背圧弁６６の上流側から脱圧を行わなくてもよい（図１１参照）。高圧水素タンク９２によりタンク部６２内を迅速に昇圧させることができ、差圧が生じる時間を短くすることが可能になるからである。
【００６８】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る運転方法が適用される水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００６９】
水電解システム１００は、水電解装置脱圧ライン６０を用いていない。気相脱圧ライン５８には、第１開閉弁１０２ａが配設されるとともに、排水ライン５６には、第２開閉弁１０２ｂが配置される。戻しライン８４には、第３開閉弁１０２ｃが配置される。なお、高圧水素貯留部として、バッファ部８２が使用されているが、これに限定されるものではなく、例えば、高圧水素タンク９２を採用してもよい。以下の実施形態でも、同様である。
【００７０】
このように構成される水電解システム１００の運転方法について、図１３に示すフローチャート及び図１４に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。
【００７１】
タンク部６２の水位ＷＳが、上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ２０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０２に進んで、第１開閉弁１０２ａが開弁されるとともに、電解電流が制限される。このため、タンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に排出され、前記タンク部６２内の圧力ＰＴ２が低下する。
【００７２】
次いで、タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、下限設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ２０３中、ＹＥＳ）、第１開閉弁１０２ａが閉弁される一方、第２開閉弁１０２ｂが開弁される（ステップＳ２０４）。従って、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。そして、タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ２０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０６に進んで、第２開閉弁１０２ｂが閉弁される一方、第３開閉弁１０２ｃが開弁される。
【００７３】
これにより、バッファ部８２からタンク部６２内に高圧水素が供給される。タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、バッファ部８２内の圧力ＰＴ３と均圧化されたと判断されると（ステップＳ２０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に進んで、第３開閉弁１０２ｃが閉弁され、定格の電解電流が印加されて通常運転に移行する（ステップＳ２０９）。
【００７４】
このように、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
次に、本発明の第５の実施形態に係る運転方法について、図１５に示すフローチャート及び図１６に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。なお、第５の実施形態では、上記の第４の実施形態と同様に、水電解システム１００が使用される。
【００７６】
第５の実施形態では、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０３が、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３と同様に行われた後、ステップＳ３０４では、第１開閉弁１０２ａが閉弁される一方、第２開閉弁１０２ｂ及び第３開閉弁１０２ｃが開弁される。このため、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水されるとともに、バッファ部８２から前記タンク部６２内に高圧水素が供給される。
【００７７】
従って、第５の実施形態では、タンク部６２には、排水処理と同時に昇圧処理が遂行されるとともに、バッファ部８２から供給される高圧水素により前記タンク部６２内の水が押し出され、排水処理が迅速に行われる他、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１０、８０、９０、１００…水電解システム
１２…水電解装置 １４…単位セル
２４…電解電源 ２６…電解質膜・電極構造体
２８…アノード側セパレータ ３０…カソード側セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード側給電体
３６…カソード側給電体 ３８…水供給連通孔
４０…排出連通孔 ４２…水素連通孔
４４、４６…流路 ５０…水素配管
５２…気液分離装置 ５４…高圧水素導出配管
５６…排水ライン ５８…気相脱圧ライン
６０…水電解装置脱圧ライン ６２…タンク部
６４…水位検出センサ ６６…背圧弁
７０ａ〜７０ｃ…圧力計 ７２ａ〜７２ｃ…減圧弁
７４ａ〜７４ｃ、７４ｄ、１０２ａ〜１０２ｃ…開閉弁
７６…コントローラ ８２…バッファ部
８４…戻しライン ９２…高圧水素タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記背圧弁の上流で前記水素配管から分岐するとともに、第１開閉弁が設けられる脱圧ラインと、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第２開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第３開閉弁が設けられる排水ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁し且つ前記第３開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記水電解システムは、前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第４開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備えるとともに、
前記運転方法は、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁した後、前記第４開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項３】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、
前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ前記第２開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁する工程と、
前記第２開閉弁を閉弁した後、前記第３開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項４】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、
前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ前記第２開閉弁及び前記第３開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁するとともに、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転方法において、少なくとも前記第１開閉弁を開弁する際、前記水電解装置の電解電流を低下させることを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項１】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記背圧弁の上流で前記水素配管から分岐するとともに、第１開閉弁が設けられる脱圧ラインと、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第２開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第３開閉弁が設けられる排水ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁し且つ前記第３開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記水電解システムは、前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第４開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備えるとともに、
前記運転方法は、前記第１開閉弁及び前記第３開閉弁を閉弁した後、前記第４開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項３】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、
前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ前記第２開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁する工程と、
前記第２開閉弁を閉弁した後、前記第３開閉弁を開弁することにより、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項４】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記水電解装置と前記気液分離装置との間に位置し、前記水素配管に配置される背圧弁と、
前記気液分離装置の気相部に連通して脱気を行うとともに、第１開閉弁が設けられる気相脱気ラインと、
前記気液分離装置の液相部に連通して排水を行うとともに、第２開閉弁が設けられる排水ラインと、
前記気液分離装置の下流に配置される高圧水素貯留部と、
前記高圧水素貯留部と前記気液分離装置とを連通し、第３開閉弁が設けられる均圧化ラインと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記気液分離装置内の水量が上限規定量以上であると判断された際、前記第１開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の圧力が下限規定圧力以下であると判断された際、前記第１開閉弁を閉弁し且つ前記第２開閉弁及び前記第３開閉弁を開弁する工程と、
前記気液分離装置内の水量が下限規定量以下であると判断された際、前記第２開閉弁を閉弁するとともに、前記気液分離装置内の圧力と前記高圧水素貯留部内の圧力とを均圧化する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転方法において、少なくとも前記第１開閉弁を開弁する際、前記水電解装置の電解電流を低下させることを特徴とする水電解システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−２３７３３（Ｐ２０１３−２３７３３Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９７６２（Ｐ２０１１−１５９７６２）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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