水電解システム及びその運転方法
【課題】排水中の溶存水素を有効に減少させることができ、排水ラインに高圧水が排水されることを阻止するとともに、前記排水ラインに配置されるデバイス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１２と、前記水電解装置１２から前記高圧水素を排出する水素配管５０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５２と、前記気液分離装置５２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管５４と、前記気液分離装置５２から水を排出する排水ライン５６と、前記気液分離装置５２から前記排水ライン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とを備える。
【解決手段】水電解システム１０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１２と、前記水電解装置１２から前記高圧水素を排出する水素配管５０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５２と、前記気液分離装置５２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管５４と、前記気液分離装置５２から水を排出する排水ライン５６と、前記気液分離装置５２から前記排水ライン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とを備える。
【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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びそ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セルユニットには、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、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、水分量が５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。
【０００５】
その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる差圧式高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、図９に示すように、水素導管１が接続されている耐圧容器２と、前記耐圧容器２内の水位を検出する水位センサ３と、前記耐圧容器２の天井部に接続された水素取出手段４としての水素取出導管４ａと、前記耐圧容器２の底部に接続された排水手段５としての排水導管（排水ライン）５ａとを備えている。
【０００７】
水素取出導管４ａには、第１背圧弁６が備えられるとともに、前記第１背圧弁６の下流側に電磁弁７が備えられている。排水導管５ａには、第２背圧弁８が備えられている。
【０００８】
第１背圧弁６は、例えば、３５ＭＰａで開弁するように設定されており、第２背圧弁８は、前記第１背圧弁６よりも高圧で、例えば、３６ＭＰａで開弁するように設定されている。電磁弁７は、水位センサ３の検出信号を受けて作動し、前記水位センサ３が検出する水位が所定の低水位になったときに開弁し、所定の高水位になったときに閉弁している。
【０００９】
そして、電磁弁７が閉弁されると、水素取出導管４ａからの高圧水素ガスの取出しが強制的に停止されるため、耐圧容器２内の圧力が第１背圧弁６の設定圧力である３５ＭＰａを超えて高くなってくる。この結果、第２背圧弁８は、耐圧容器２内の圧力がその設定圧力である３６ＭＰａに達する度に開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を介して排水導管５ａから断続的に排出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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】
【００１１】
ところで、上記の水電解システムでは、第２背圧弁８が開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を通過して排水導管５ａから排出される際、前記水の圧力が一気に減圧されている。このため、第２背圧弁８にかかる負荷が大きくなり易く、前記第２背圧弁８の耐久性が低下するおそれがある。
【００１２】
しかも、高圧水素状態で排水が行われると、この排水中には多くの水素が溶存している。従って、高圧水の排水時には、多量の水素が排出されてしまい、経済的ではないという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排水中の溶存水素を有効に減少させることができ、排水ラインに高圧水が排水されることを阻止するとともに、前記排水ラインに配置されるデバイスの耐久性を向上させることが可能な水電解システム及びそ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】
【００１４】
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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関するものである。
【００１５】
この水電解システムでは、気液分離装置には、前記気液分離装置から排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインが設けられている。
【００１６】
また、この水電解システムでは、気相脱圧ラインには、第１減圧弁及び第１開閉弁が配設されるとともに、排水ラインには、第２減圧弁及び第２開閉弁が配設されることが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解システムでは、気液分離装置の上流側で水素配管から分岐する水電解装置脱圧ラインを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧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。
【００１９】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、前記気液分離装置内の高圧水素を気相脱圧ラインに排出する気相脱圧工程と、前記気液分離装置内の圧力が規定圧力以下であると判断された際、前記気液分離装置内の水を排水ラインに排出する排水工程とを有している。
【００２０】
また、この運転方法では、気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、水電解装置に印加する電流を制限する電流制限工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、気液分離装置から排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内が気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）されている。このため、気液分離装置から排水ラインに排水される排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水ラインに高圧水が排水されることを阻止することができる。
【００２２】
これにより、簡単な構成及び工程で、排水ラインに配置されるデバイスの耐久性を容易に向上させることが可能になる。従って、経済的且つ効率的な水電解処理が、安定して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係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】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記水電解システムの気相脱圧時の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図７】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図９】特許文献１に開示されている気液分離装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム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。
【００２５】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層したセルユニットを備える。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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Ｈ以上であるか否か、及び下限高さ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。
【００３８】
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、第１背圧弁６６ａ及び第１逆止弁６８ａが配置される。
【００３９】
高圧水素導出配管５４には、気相脱圧ライン５８の分岐部位よりも下流に、第２背圧弁６６ｂ及び第２逆止弁６８ｂが配置される。この第２逆止弁６８ｂの下流には、流量計７０が設けられる。
【００４０】
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７２ａが配置される一方、高圧水素導出配管５４には、第２背圧弁６６ｂと気相脱圧ライン５８の分岐部位との間に、第２圧力計７２ｂが配置される。気相脱圧ライン５８には、第１減圧弁７４ａ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａが配設される。絞り７６は、例えば、オリフィスやニードル弁等により構成される。
【００４１】
排水ライン５６には、第２減圧弁７４ｂ及び第２開閉弁７８ｂが配置されるとともに、水電解装置脱圧ライン６０には、第３減圧弁７４ｃ及び第３開閉弁７８ｃ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８０により制御される。
【００４２】
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。
【００４３】
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７８ａ〜第３開閉弁７８ｃ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（電流）が印加される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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に沿って、以下に説明する。
【００４７】
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（ステップＳ１）。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、第２背圧弁６６ｂの設定圧力を超えると、図示しない水素タンク等に供給可能になる。
【００４８】
次いで、ステップＳ２に進んで、水電解装置１２による水電解処理（運転）が終了すると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）。ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、第３開閉弁７８ｃが開放されるため、電解停止が行われた水電解装置１２内の第２流路４６の圧力は、水電解装置脱圧ライン６０を介して脱圧される。
【００４９】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、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Ｓ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。
【００５０】
ステップＳ５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（電流制限工程）、第１開閉弁７８ａが開放される（図４参照）。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。なお、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。第１開閉弁７８ａが開放されることにより、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内の圧力が低下する。
【００５１】
その際、第２圧力計７２ｂ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、設定圧力α以下となるか否かが検出される（ステップＳ６）。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。
【００５２】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、第２開閉弁７８ｂが開放される一方、第１開閉弁７８ａが閉塞される。このため、図５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。その際、タンク部６２には、水電解装置１２により製造される水素が導入されており、この水素は前記タンク部６２内に残留する水を排水ライン５６に押し出す機能を有する。
【００５３】
さらに、ステップＳ８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Ｓ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
【００５４】
ステップＳ９では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞される一方、水電解装置１２には、定格の電解電流が印加される。従って、図２に示すように、水電解システム１０が通常運転時に移行し、上述したように、ステップＳ２移行の処理が行われる。
【００５５】
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、規定上限量（上限高さＨ）に達した際、先ず、第１開閉弁７８ａが開放されて、前記タンク部６２を気相脱圧ライン５８に連通させている。これにより、タンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に導入されて、前記タンク部６２内の気相脱圧処理が施されている。
【００５６】
このため、タンク部６２内の内圧が低下し、例えば、大気圧近傍まで脱圧される。従って、タンク部６２内の高圧水に溶存していた水素は、気化（発泡）して、気相脱圧ライン５８に排出される。
【００５７】
これにより、第２開閉弁７８ｂが開放されて気液分離装置５２から排水ライン５６に排水される際、排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水ライン５６に高圧水が排水されることを阻止することができる。
【００５８】
このため、排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水中の水蒸気の発生も抑制することができる。従って、排水ライン５６に配置されている、例えば、第２減圧弁７４ｂの損傷を回避し、前記第２減圧弁７４ｂの耐久性を向上させることが可能になる。
【００５９】
これにより、簡単な構成及び工程で、排水ライン５６に配置されるデバイス（第２減圧弁７４ｂ等）の耐久性を容易に向上させることができ、経済的且つ効率的な水電解処理が、安定して行われるという効果が得られる。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６１】
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。
【００６２】
気液分離装置５２を構成するタンク部６２には、気相脱圧及び水電解装置脱圧を行うための脱圧ライン９２が接続される。脱圧ライン９２には、第１減圧弁７４ａ及び第１開閉弁７８ａが配置される一方、第１の実施形態の水電解装置脱圧ライン６０を用いていない。高圧水素導出配管５４にのみ背圧弁６６及び逆止弁６８が配置され、水素配管５０にのみ圧力計７２が配置される。
【００６３】
このように構成される水電解システム９０の運転方法について、図７に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００６４】
水電解システム９０では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞されることにより、水電解システム１０と同様に、気液分離装置５２による気液分離処理が施されて通常運転が行われる（ステップＳ１１）。
【００６５】
そして、ステップＳ１２に進んで、システム停止判断がなされ、あるいは、タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、水電解装置１２の印加電流の停止制御（微小電解による電解は継続する）及び第１開閉弁７８ａの開放処理が行われる。
【００６６】
このため、タンク部６２内の気相脱圧処理が行われ、圧力計７２による検出圧力ＰＴ１が、設定圧力α以下になった際（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む。このステップＳ１５では、第２開閉弁７８ｂが開放され、低圧となったタンク部６２内の水が排水ライン５６に排出される。
【００６７】
さらに、タンク部６２内の水面ＷＳが下限高さＬ以下となると（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進み、電解が停止されるか否かの判断がなされる。電解が停止すると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進み、第２開閉弁７８ｂが閉塞される一方、第１開閉弁７８ａが開放される。
【００６８】
これにより、電解停止が行われた水電解装置１２内の圧力は、脱圧ライン９２を介して低圧となり、この水電解装置１２の残圧ＰＴ１が、設定圧力β以下（残圧なしと判断される圧力）となった際（ステップＳ１９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０に進む。このステップＳ２０では、水電解装置１２による水電解が完全に停止されて残圧ＰＴ１が除去された後、ステップＳ２１に進んで、第１開閉弁７８ａが閉塞されてシステム停止が完了する（ステップＳ２２）。
【００６９】
一方、ステップＳ１７では、電解が停止されない、すなわち、再度電解が開始されると判断されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。このステップＳ２３では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞されるとともに、水電解装置１２に定格の電解電流が印加される。さらに、ステップＳ１１に戻って、通常運転が行われる。
【００７０】
このように、第２の実施形態では、気液分離装置５２の気相脱圧処理を行う際に、水電解装置１２の残圧を脱圧する処理が同時に行われる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００７２】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０及び第２の実施形態に係る水電解システム９０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。
【００７３】
水素配管５０には、背圧弁はなく、第１逆止弁６８ａが配置される一方、高圧水素導出配管５４には、背圧弁６６及び第２逆止弁６８ｂが配置される。
【００７４】
このように構成される第３の実施形態では、実質的に、上記の第２の実施形態に係る水電解システム９０と同様の運転制御が行われる。具体的には、気液分離装置５２の気相脱圧処理を行う際には、必ず、水電解装置１２の残圧脱圧処理も行われる。一方、水電解装置１２の脱圧は、水電解装置脱圧ライン６０を介して独立して行うことができる。従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、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、６６ａ、６６ｂ…背圧弁 ７２、７２ａ、７２ｂ…圧力計
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ…減圧弁 ７８ａ、７８ｂ、７８ｃ…開閉弁
８０…コントローラ ９２…脱圧ライン
【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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びそ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セルユニットには、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、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、水分量が５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。
【０００５】
その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる差圧式高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている気液分離装置が知られている。この気液分離装置は、図９に示すように、水素導管１が接続されている耐圧容器２と、前記耐圧容器２内の水位を検出する水位センサ３と、前記耐圧容器２の天井部に接続された水素取出手段４としての水素取出導管４ａと、前記耐圧容器２の底部に接続された排水手段５としての排水導管（排水ライン）５ａとを備えている。
【０００７】
水素取出導管４ａには、第１背圧弁６が備えられるとともに、前記第１背圧弁６の下流側に電磁弁７が備えられている。排水導管５ａには、第２背圧弁８が備えられている。
【０００８】
第１背圧弁６は、例えば、３５ＭＰａで開弁するように設定されており、第２背圧弁８は、前記第１背圧弁６よりも高圧で、例えば、３６ＭＰａで開弁するように設定されている。電磁弁７は、水位センサ３の検出信号を受けて作動し、前記水位センサ３が検出する水位が所定の低水位になったときに開弁し、所定の高水位になったときに閉弁している。
【０００９】
そして、電磁弁７が閉弁されると、水素取出導管４ａからの高圧水素ガスの取出しが強制的に停止されるため、耐圧容器２内の圧力が第１背圧弁６の設定圧力である３５ＭＰａを超えて高くなってくる。この結果、第２背圧弁８は、耐圧容器２内の圧力がその設定圧力である３６ＭＰａに達する度に開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を介して排水導管５ａから断続的に排出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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】
【００１１】
ところで、上記の水電解システムでは、第２背圧弁８が開弁し、液体の水が前記第２背圧弁８を通過して排水導管５ａから排出される際、前記水の圧力が一気に減圧されている。このため、第２背圧弁８にかかる負荷が大きくなり易く、前記第２背圧弁８の耐久性が低下するおそれがある。
【００１２】
しかも、高圧水素状態で排水が行われると、この排水中には多くの水素が溶存している。従って、高圧水の排水時には、多量の水素が排出されてしまい、経済的ではないという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、排水中の溶存水素を有効に減少させることができ、排水ラインに高圧水が排水されることを阻止するとともに、前記排水ラインに配置されるデバイスの耐久性を向上させることが可能な水電解システム及びそ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】
【００１４】
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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関するものである。
【００１５】
この水電解システムでは、気液分離装置には、前記気液分離装置から排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインが設けられている。
【００１６】
また、この水電解システムでは、気相脱圧ラインには、第１減圧弁及び第１開閉弁が配設されるとともに、排水ラインには、第２減圧弁及び第２開閉弁が配設されることが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解システムでは、気液分離装置の上流側で水素配管から分岐する水電解装置脱圧ラインを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、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、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧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。
【００１９】
この運転方法は、気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、前記気液分離装置内の高圧水素を気相脱圧ラインに排出する気相脱圧工程と、前記気液分離装置内の圧力が規定圧力以下であると判断された際、前記気液分離装置内の水を排水ラインに排出する排水工程とを有している。
【００２０】
また、この運転方法では、気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、水電解装置に印加する電流を制限する電流制限工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、気液分離装置から排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内が気相脱圧ラインを介して脱気（脱圧）されている。このため、気液分離装置から排水ラインに排水される排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水ラインに高圧水が排水されることを阻止することができる。
【００２２】
これにより、簡単な構成及び工程で、排水ラインに配置されるデバイスの耐久性を容易に向上させることが可能になる。従って、経済的且つ効率的な水電解処理が、安定して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係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】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記水電解システムの気相脱圧時の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図７】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図９】特許文献１に開示されている気液分離装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム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。
【００２５】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層したセルユニットを備える。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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Ｈ以上であるか否か、及び下限高さ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。
【００３８】
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、第１背圧弁６６ａ及び第１逆止弁６８ａが配置される。
【００３９】
高圧水素導出配管５４には、気相脱圧ライン５８の分岐部位よりも下流に、第２背圧弁６６ｂ及び第２逆止弁６８ｂが配置される。この第２逆止弁６８ｂの下流には、流量計７０が設けられる。
【００４０】
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７２ａが配置される一方、高圧水素導出配管５４には、第２背圧弁６６ｂと気相脱圧ライン５８の分岐部位との間に、第２圧力計７２ｂが配置される。気相脱圧ライン５８には、第１減圧弁７４ａ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａが配設される。絞り７６は、例えば、オリフィスやニードル弁等により構成される。
【００４１】
排水ライン５６には、第２減圧弁７４ｂ及び第２開閉弁７８ｂが配置されるとともに、水電解装置脱圧ライン６０には、第３減圧弁７４ｃ及び第３開閉弁７８ｃ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８０により制御される。
【００４２】
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。
【００４３】
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７８ａ〜第３開閉弁７８ｃ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（電流）が印加される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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に沿って、以下に説明する。
【００４７】
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（ステップＳ１）。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、第２背圧弁６６ｂの設定圧力を超えると、図示しない水素タンク等に供給可能になる。
【００４８】
次いで、ステップＳ２に進んで、水電解装置１２による水電解処理（運転）が終了すると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）。ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、第３開閉弁７８ｃが開放されるため、電解停止が行われた水電解装置１２内の第２流路４６の圧力は、水電解装置脱圧ライン６０を介して脱圧される。
【００４９】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、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Ｓ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。
【００５０】
ステップＳ５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（電流制限工程）、第１開閉弁７８ａが開放される（図４参照）。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。なお、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。第１開閉弁７８ａが開放されることにより、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内の圧力が低下する。
【００５１】
その際、第２圧力計７２ｂ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、設定圧力α以下となるか否かが検出される（ステップＳ６）。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。
【００５２】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、設定圧力α以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、第２開閉弁７８ｂが開放される一方、第１開閉弁７８ａが閉塞される。このため、図５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。その際、タンク部６２には、水電解装置１２により製造される水素が導入されており、この水素は前記タンク部６２内に残留する水を排水ライン５６に押し出す機能を有する。
【００５３】
さらに、ステップＳ８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Ｓ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
【００５４】
ステップＳ９では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞される一方、水電解装置１２には、定格の電解電流が印加される。従って、図２に示すように、水電解システム１０が通常運転時に移行し、上述したように、ステップＳ２移行の処理が行われる。
【００５５】
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、規定上限量（上限高さＨ）に達した際、先ず、第１開閉弁７８ａが開放されて、前記タンク部６２を気相脱圧ライン５８に連通させている。これにより、タンク部６２内の高圧水素は、気相脱圧ライン５８に導入されて、前記タンク部６２内の気相脱圧処理が施されている。
【００５６】
このため、タンク部６２内の内圧が低下し、例えば、大気圧近傍まで脱圧される。従って、タンク部６２内の高圧水に溶存していた水素は、気化（発泡）して、気相脱圧ライン５８に排出される。
【００５７】
これにより、第２開閉弁７８ｂが開放されて気液分離装置５２から排水ライン５６に排水される際、排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水ライン５６に高圧水が排水されることを阻止することができる。
【００５８】
このため、排水中の溶存水素が有効に減少されるとともに、前記排水中の水蒸気の発生も抑制することができる。従って、排水ライン５６に配置されている、例えば、第２減圧弁７４ｂの損傷を回避し、前記第２減圧弁７４ｂの耐久性を向上させることが可能になる。
【００５９】
これにより、簡単な構成及び工程で、排水ライン５６に配置されるデバイス（第２減圧弁７４ｂ等）の耐久性を容易に向上させることができ、経済的且つ効率的な水電解処理が、安定して行われるという効果が得られる。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６１】
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。
【００６２】
気液分離装置５２を構成するタンク部６２には、気相脱圧及び水電解装置脱圧を行うための脱圧ライン９２が接続される。脱圧ライン９２には、第１減圧弁７４ａ及び第１開閉弁７８ａが配置される一方、第１の実施形態の水電解装置脱圧ライン６０を用いていない。高圧水素導出配管５４にのみ背圧弁６６及び逆止弁６８が配置され、水素配管５０にのみ圧力計７２が配置される。
【００６３】
このように構成される水電解システム９０の運転方法について、図７に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００６４】
水電解システム９０では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞されることにより、水電解システム１０と同様に、気液分離装置５２による気液分離処理が施されて通常運転が行われる（ステップＳ１１）。
【００６５】
そして、ステップＳ１２に進んで、システム停止判断がなされ、あるいは、タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さＨ以上であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、水電解装置１２の印加電流の停止制御（微小電解による電解は継続する）及び第１開閉弁７８ａの開放処理が行われる。
【００６６】
このため、タンク部６２内の気相脱圧処理が行われ、圧力計７２による検出圧力ＰＴ１が、設定圧力α以下になった際（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む。このステップＳ１５では、第２開閉弁７８ｂが開放され、低圧となったタンク部６２内の水が排水ライン５６に排出される。
【００６７】
さらに、タンク部６２内の水面ＷＳが下限高さＬ以下となると（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進み、電解が停止されるか否かの判断がなされる。電解が停止すると判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進み、第２開閉弁７８ｂが閉塞される一方、第１開閉弁７８ａが開放される。
【００６８】
これにより、電解停止が行われた水電解装置１２内の圧力は、脱圧ライン９２を介して低圧となり、この水電解装置１２の残圧ＰＴ１が、設定圧力β以下（残圧なしと判断される圧力）となった際（ステップＳ１９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０に進む。このステップＳ２０では、水電解装置１２による水電解が完全に停止されて残圧ＰＴ１が除去された後、ステップＳ２１に進んで、第１開閉弁７８ａが閉塞されてシステム停止が完了する（ステップＳ２２）。
【００６９】
一方、ステップＳ１７では、電解が停止されない、すなわち、再度電解が開始されると判断されると（ステップＳ１７中、ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。このステップＳ２３では、第１及び第２開閉弁７８ａ、７８ｂが閉塞されるとともに、水電解装置１２に定格の電解電流が印加される。さらに、ステップＳ１１に戻って、通常運転が行われる。
【００７０】
このように、第２の実施形態では、気液分離装置５２の気相脱圧処理を行う際に、水電解装置１２の残圧を脱圧する処理が同時に行われる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００７２】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０及び第２の実施形態に係る水電解システム９０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。
【００７３】
水素配管５０には、背圧弁はなく、第１逆止弁６８ａが配置される一方、高圧水素導出配管５４には、背圧弁６６及び第２逆止弁６８ｂが配置される。
【００７４】
このように構成される第３の実施形態では、実質的に、上記の第２の実施形態に係る水電解システム９０と同様の運転制御が行われる。具体的には、気液分離装置５２の気相脱圧処理を行う際には、必ず、水電解装置１２の残圧脱圧処理も行われる。一方、水電解装置１２の脱圧は、水電解装置脱圧ライン６０を介して独立して行うことができる。従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、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、６６ａ、６６ｂ…背圧弁 ７２、７２ａ、７２ｂ…圧力計
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ…減圧弁 ７８ａ、７８ｂ、７８ｃ…開閉弁
８０…コントローラ ９２…脱圧ライン
【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、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記気液分離装置には、前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインが設けられることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記気相脱圧ラインには、第１減圧弁及び第１開閉弁が配設されるとともに、
前記排水ラインには、第２減圧弁及び第２開閉弁が配設されることを特徴とする水電解システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記気液分離装置の上流側で前記水素配管から分岐する水電解装置脱圧ラインを備えることを特徴とする水電解システム。
【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、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインと、
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規定量以上であると判断された際、前記気液分離装置内の高圧水素を前記気相脱圧ラインに排出する気相脱圧工程と、
前記気液分離装置内の圧力が規定圧力以下であると判断された際、前記気液分離装置内の水を前記排水ラインに排出する排水工程と、
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４記載の運転方法において、前記気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、前記水電解装置に印加する電流を制限する電流制限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、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記気液分離装置には、前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインが設けられることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記気相脱圧ラインには、第１減圧弁及び第１開閉弁が配設されるとともに、
前記排水ラインには、第２減圧弁及び第２開閉弁が配設されることを特徴とする水電解システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記気液分離装置の上流側で前記水素配管から分岐する水電解装置脱圧ラインを備えることを特徴とする水電解システム。
【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、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出配管と、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
前記気液分離装置から前記排水ラインに排水を行う前に、前記気液分離装置内の脱気を行うための気相脱圧ラインと、
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規定量以上であると判断された際、前記気液分離装置内の高圧水素を前記気相脱圧ラインに排出する気相脱圧工程と、
前記気液分離装置内の圧力が規定圧力以下であると判断された際、前記気液分離装置内の水を前記排水ラインに排出する排水工程と、
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４記載の運転方法において、前記気液分離装置内の水量が規定量以上であると判断された際、前記水電解装置に印加する電流を制限する電流制限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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１９２９３（Ｐ２０１２−２１９２９３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３９４６（Ｐ２０１１−８３９４６）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【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２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【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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