水電解システム
【課題】水電解装置から酸素排出系に設けられる水貯留装置を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０は、純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８とを備える。戻り配管８０の一端部には、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部７８内に導入する導入口８０ａが設けられ、この導入口８０ａは、前記タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【解決手段】水電解システム１０は、純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８とを備える。戻り配管８０の一端部には、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部７８内に導入する導入口８０ａが設けられ、この導入口８０ａは、前記タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置とを備える水電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。
【０００３】
一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側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、水素イオン（プロトン）と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水素貯蔵発電システムが知られている。この水素貯蔵発電システムは、図１１に示すように、２台の水電解装置１を備えるとともに、前記水電解装置１には、純水を供給する純水供給管２が取り付けられている。純水供給管２は、酸素と純水のタンク３に蓄えられた純水を、各水電解装置１のアノードに供給している。
【０００６】
水電解装置１のアノードで発生した酸素は、浮力により酸素と純水のタンク３に導かれている。酸素と純水のタンク３内の酸素の圧力は、圧力制御バルブ４ａにより所定の圧力以下に維持される一方、前記酸素と純水のタンク３内の酸素は、バルブ４ｂを介して外部に取り出されている。
【０００７】
水電解装置１のカソードで発生した水素は、水素ドレインタンク５に純水とともに送られ、純水と分離されている。水素ドレインタンク５内の水素の圧力は、圧力制御バルブ６ａにより所定の圧力以下に維持される一方、前記水素は、バルブ６ｂを介して外部に取り出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−６８０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、水電解システムでは、部品の劣化や故障等に起因して、カソード側の水素が、固体高分子電解質膜を通ってアノード側に漏れる場合がある。従って、酸素と純水のタンク３には、酸素及び純水の他に水素が導入されるおそれがある。これにより、バルブ４ｂが開放されると、酸素と純水のタンク３内の酸素及び水素が外部に導かれ、外部から前記酸素と純水のタンク３を介して水電解装置１に連続して連通する水素経路が形成されるという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、水電解装置から酸素排出系に設けられる水貯留装置を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを確実に阻止することが可能な水電解システム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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００１２】
水貯留装置は、水を貯留するタンク部と、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口とを設けるとともに、前記導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定されている。
【００１３】
また、この水電解システムは、水貯留装置に貯留される水を、水電解装置に循環させる水循環装置を備えることが好ましい。
【００１４】
さらに、この水電解システムは、水貯留装置に水を供給する水供給装置を備え、前記水貯留装置は、タンク部内の水位が設定高さであるか否かを検出する水位検出部を設けるとともに、前記水位検出部の検出信号に基づいて、前記水供給装置から前記水貯留装置への前記水の供給を制御することが好ましい。
【００１５】
さらにまた、水貯留装置は、タンク部内の水位が下限設定高さであるか否かを検出する下限水位検出部を設けるとともに、前記下限水位検出部の検出信号に基づいて、水電解装置の運転を停止することが好ましい。
【００１６】
また、水貯留装置は、タンク部内に配設される隔壁部材を備え、前記隔壁部材の上端部は、前記タンク部内の上限設定高さよりも上方に突出することが好ましい。
【００１７】
さらに、タンク部は、水循環装置を介して水電解装置に水を戻すための水戻し口と、分離された気体成分を排出するための排気口とを設けるとともに、隔壁部材の下部側には、前記水戻し口に連通する下部開口部が形成される一方、前記隔壁部材の上部には、前記排気口に連通する上部開口部が形成されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、隔壁部材は、複数枚設けられることが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００２０】
水貯留装置は、水を貯留するタンク部と、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、前記タンク部内の前記水を、水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口とを設けるとともに、前記導入口は、前記水戻し口よりも下方に設定されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水をタンク部内に導入する導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定されている。このため、水電解装置から酸素及び余剰の水に伴ってタンク部内に水素が導入されても、前記水電解装置から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水をタンク部内に導入する導入口は、前記タンク部内の水を、水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口よりも下方に設定されている。従って、導入口は、タンク部内で、常時、水面下に配置されている。これにより、水電解装置から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる。
【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を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図３】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４】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５】本発明の第４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６】本発明の第５の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図１１】特許文献１に開示された水素貯蔵発電システムの概略説明図である。
【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（常圧よりも高圧）を製造する水電解装置１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器２０と、前記気液分離器２０から供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する水素除湿器２２と、コントローラ（制御部）２３とを備える。
【００２５】
水電解装置１２は、高圧水素製造装置を構成しているが、常圧水素を製造する常圧水素製造装置を構成してもよい。なお、常圧水素とは、生成される酸素と水素とが等圧である場合を含む。
【００２６】
水電解装置１２は、複数の単位セル２４が積層される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２７】
ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電源３８のマイナス極に接続される。
【００２８】
図２に示すように、単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。
【００２９】
電解質膜・電極構造体４２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４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。
【００３０】
固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａ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５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００３１】
アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。
【００３２】
単位セル２４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５６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５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。
【００３３】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂに連通する第１流路６４が設けられる。この第１流路６４は、アノード側給電体５０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。
【００３４】
カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４６ａには、水素連通孔６０に連通する排出通路６６が設けられる。面４６ａには、排出通路６６に連通する第２流路６８が形成される。この第２流路６８は、カソード側給電体５２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。
【００３５】
アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３６】
図１に示すように、水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。
【００３７】
タンク部７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部には、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部７８内に導入する導入口８０ａが設けられ、この導入口８０ａは、前記タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【００３８】
タンク部７８には、前記タンク部７８内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄが設けられる。水位検出センサ８２ａ〜８２ｄの検出信号は、コントローラ２３に入力される。
【００３９】
水位検出センサ８２ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ８２ｂは、前記水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出し、水位検出センサ（下限水位検出部）８２ｃは、前記水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ８２ｄは、前記水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）に上昇したか否かを検出する。
【００４０】
タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管８６とが連結される。
【００４１】
水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の他端が気液分離器２０に接続される。気液分離器２０で水分が除去された高圧水素は、水素除湿器２２によって除湿され、ドライ水素配管９０にドライ水素が供給される。気液分離器２０の下部には、ドレン配管９２が接続され、前記ドレン配管９２には、排水用バルブ９４が配設される。
【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の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。
【００４４】
水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７２を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。
【００４５】
このため、図２に示すように、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。
【００４６】
従って、水は、アノード電極触媒層５０ａ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４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４７】
これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４８】
一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される（図１参照）。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。
【００４９】
水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管８８を介して気液分離器２０に送られる。この気液分離器２０では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される一方、前記水素は、水素除湿器２２を介して除湿された後、ドライ水素配管９０に導入される。
【００５０】
この場合、水素が生成される第２流路６８は、酸素が生成される第１流路６４よりも高圧に設定されている。このため、第２流路６８に生成された水素は、固体高分子電解質膜４８を透過して第１流路６４に移動し易い。第１流路６４に移動した水素は、未反応の水及び酸素に伴って戻り配管８０に排出され、タンク部７８内に導入される。
【００５１】
その際、第１の実施形態では、戻り配管８０の一端部に設けられる導入口８０ａが、タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口している。従って、導入口８０ａは、常時、水位ＷＳより下方に位置している。
【００５２】
これにより、水電解装置１２から酸素及び余剰の水に伴ってタンク部７８内に水素が導入されても、前記水電解装置１２から酸素排出系、すなわち、戻り配管８０、タンク部７８の内部空間及び酸素排気配管８６を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
さらに、第１の実施形態では、タンク部７８は、前記タンク部７８内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄを備えている。
【００５４】
具体的には、水位検出センサ８２ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したと判断した際には、水供給装置１８からタンク部７８に純水の供給を指示する。一方、水位検出センサ８２ｂは、水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したと判断した際には、水供給装置１８からタンク部７８への純水の供給を停止させる。
【００５５】
また、水位検出センサ８２ｃは、水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）に低下したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）まで低下したと判断した際には、システム異常として水電解システム１０を停止させる。一方、水位検出センサ８２ｄは、水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）に上昇したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）まで上昇したと判断した際には、システム異常として水電解システム１０を停止させる。
【００５６】
これにより、水電解システム１０は、良好な状態で、所望の水電解処理を効率的に遂行することが可能になる。
【００５７】
図３は、本発明の第２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。
【００５８】
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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
水電解システム１００は、水貯留装置１０２を備えるとともに、前記水貯留装置１０２を構成するタンク部１０４の底部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。
【００６０】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１１０の概略構成説明図である。
【００６１】
水電解システム１１０は、水貯留装置１１２を備えるとともに、前記水貯留装置１１２を構成するタンク部１１４の側部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。
【００６２】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、導入口８０ａが、常時、水位ＷＳより下方に位置しており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る水電解システム１２０の概略構成説明図である。
【００６４】
水電解システム１２０は、水貯留装置１２２を備えるとともに、前記水貯留装置１２２を構成するタンク部１２４の底部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。タンク部１２４の側部には、循環配管７２の水戻し口７２ａが設けられる。タンク部１２４内には、戻り配管８０の導入口８０ａから前記タンク部１２４内に導入された酸素（及び水素）が、水戻し口７２ａから吸引されることを阻止するために、仕切り板１２６が配設される。
【００６５】
このように構成される第４の実施形態では、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部１２４内に導入する導入口８０ａは、前記タンク部１２４内の水を、前記水電解装置１２に戻す水戻し口７２ａよりも下方に設定されている。
【００６６】
これにより、導入口８０ａは、タンク部１２４内で、常時、水位ＷＳより下方に配置されている。このため、水電解装置１２から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る水電解システム１３０の要部説明図である。
【００６８】
水電解システム１３０は、水貯留装置１３２を備えるとともに、前記水貯留装置１３２を構成するタンク部１３４の底部には、戻り配管８０の導入口８０ａと、循環配管７２の水戻し口７２ａとが開放される。タンク部１３４内には、隔壁部材１３６が配設される。
【００６９】
隔壁部材１３６は、板状を有するとともに、タンク部１３４内で、上限設定高さ（ＨＨ）よりも上方に突出している。隔壁部材１３６の下部側には、水戻し口７２ａに連通する下部開口部１３８が形成される一方、前記隔壁部材１３６の上部側には、酸素排気配管８６の排気口８６ａに連通する上部開口部１４０が形成される。この上部開口部１４０は、隔壁部材１３６自体に孔部等を形成することにより設けてもよく、また、前記隔壁部材１３６の上部とタンク部１２４の天板部との間に形成してもよい。
【００７０】
このように構成される第５の実施形態では、戻り配管８０を介して未反応の水及び酸素（水素を含む）がタンク部１３４内に導入口８０ａから導入される際、水中の気体（酸素及び水素）の影響により液面が不安定となり易い。
【００７１】
その際、タンク部１３４内には、隔壁部材１３６が設けられており、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄが設けられている側の液面が揺れることを確実に防止することができる。これにより、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄによる検出液面位置、すなわち、水位ＷＳの誤検出を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００７２】
なお、導入口８０ａからタンク部１３４内に導入された気体成分は、隔壁部材１３６の上部側に形成されている上部開口部１４０から排気口８６ａを介して、酸素排気配管８６に排出される。一方、導入口８０ａからタンク部１３４内に導入された水は、隔壁部材１３６の下部に形成される下部開口部１３８から水位検出センサ８２ａ〜８２ｄ側に供給される。
【００７３】
ここで、隔壁部材１３６の上部位置は、上限設定高さ（ＨＨ）よりも上方に突出している。従って、上部開口部１４０を介して導入口８０ａ側から水が溢れ出ることを確実に阻止することができる。
【００７４】
図７は、本発明の第６の実施形態に係る水電解システム１５０の要部説明図である。
【００７５】
水電解システム１５０は、水貯留装置１５２を備えるとともに、前記水貯留装置１５２を構成するタンク部１５４内には、複数枚、例えば、２枚の隔壁部材１３６、１５６が配設される。
【００７６】
隔壁部材１３６、１５６は、互いに略平行に配置されるとともに、前記隔壁部材１５６は、タンク部１５４の天板部に接し且つ前記タンク部１５４の底部から所定の距離だけ上方に離間して配置される。隔壁部材１５６の上部には、気体成分を排気口８６ａから酸素排気配管８６に排出するため、上部開口部１５８が形成される。
【００７７】
このように構成される第６の実施形態では、タンク部１５４内が２枚の隔壁部材１３６、１５６によって、３つの領域１６０ａ、１６０ｂ及び１６０ｃに区画されている。このため、戻り配管８０の導入口８０ａからタンク部１５４内に戻される水及び酸素は、先ず、第１の領域１６０ａに導入されて気液分離が行われる。
【００７８】
次いで、分離された気体成分は、隔壁部材１３６の上部から隔壁部材１５６の上部開口部１５８を通って、排気口８６ａに排出される。一方、水は、第１の領域１６０ａから下部開口部１３８を通って第２の領域１６０ｂに移動した後、隔壁部材１５６の下方を通って第３の領域１６０ｃに供給される。
【００７９】
従って、第１の領域１６０ａに供給される水中の気体成分により、液面の揺れが惹起されても、第２の領域１６０ｂでは、液面の揺れが低減され、さらに第３の領域１６０ｃでは、この液面の揺れが可及的に阻止されるという効果が得られる。しかも、隔壁部材１３６の上部から第２の領域１６０ｂに水が溢れ出しても、隔壁部材１５６による液面揺れ防止機能によって、第３の領域１６０ｃでは、液面の揺れを惹起することがない。
【００８０】
なお、第６の実施形態では、導入口８０ａがタンク部１５４の底部に開口しているが、これに限定されるものではない。例えば、導入口８０ａは、タンク部１５４の側部下端縁部に開口してもよい（図７中、２点鎖線参照）。一方、循環配管７２の水戻し口７２ａは、タンク部１５４の底部に開口しているが、例えば、図５に示すように、前記タンク部１５４の側部下端縁部に開口してもよい。
【００８１】
図８は、本発明の第７の実施形態に係る水電解システム１７０の要部説明図である。
【００８２】
水電解システム１７０は、水貯留装置１７２を備えるとともに、前記水貯留装置１７２を構成するタンク部１７４内には、隔壁部材１７６ａ、１７６ｂが配設される。隔壁部材１７６ａ、１７６ｂは、戻り配管８０の導入口８０ａを挟んで設けられるとともに、それぞれの上部には、蓋部材１７８が一体に配置される。隔壁部材１７６ａの上部側には、上部開口部１８０ａが形成される一方、隔壁部材１７６ｂの下部側には、下部開口部１８０ｂが形成される。
【００８３】
このように構成される第７の実施形態では、戻り配管８０の導入口８０ａが、一対の隔壁部材１７６ａ、１７６ｂ間に開口しており、前記隔壁部材１７６ａ、１７６ｂ間に発生する液面の揺れが、タンク部１７４内の他の部分に影響を及ぼすことはない。
【００８４】
しかも、隔壁部材１７６ａ、１７６ｂの上部には、蓋部材１７８が配設されており、前記隔壁部材１７６ａ、１７６ｂの外部に水の飛散を惹起することはない。これにより、第７の実施形態は、上記の第５及び第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
図９は、本発明の第８の実施形態に係る水電解システム１９０の要部説明図である。
【００８６】
水電解システム１９０は、水貯留装置１９２を備えるとともに、前記水貯留装置１９２を構成するタンク部１９４内には、一対の隔壁部材１９６ａ、１９６ｂが配設される。隔壁部材１９６ａ、１９６ｂは、上板部１９６ｃにより一体に構成されており、これらにより形成される空間内には、戻り配管８０の導入口８０ａが開口する。隔壁部材１９６ａの上部側に上部開口部１９８ａが形成される一方、隔壁部材１９６ｂの下部側に下部開口部１９８ｂが形成される。
【００８７】
図１０は、本発明の第９の実施形態に係る水電解システム２００の要部説明図である。
【００８８】
水電解システム２００は、水貯留装置２０２を備えるとともに、前記水貯留装置２０２を構成するタンク部２０４内には、２枚の隔壁部材２０６、２０８が配設される。戻り配管８０の導入口８０ａは、隔壁部材２０６、２０８間に開口されるとともに、前記隔壁部材２０８の下部に下部開口部２１０が形成される。隔壁部材２０６、２０８の上部側には、開放されており、タンク部２０４の天板部との間に上部開口部２１２が形成される。
【００８９】
このように構成される第８及び第９の実施形態では、実質的に図８に示す第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１００、１１０、１２０、１３０、１５０、１７０、１９０、２００…水電解システム
１２…水電解装置
１４、１０２、１１２、１２２、１３２、１５２、１７２、１９２、２０２…水貯留装置
１６…水循環装置 １８…水供給装置
２０…気液分離器 ２３…コントローラ
２４…単位セル ３８…電源
４２…電解質膜・電極構造体 ４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側給電体 ５２…カソード側給電体
５６…水供給連通孔 ５８…排出連通孔
６０…水素連通孔 ６４、６８…流路
７２…循環配管 ７４…循環ポンプ
７６…イオン交換器
７８、１０４、１１４、１２４、１３４、１５４、１７４、１９４、２０４…タンク部
８０…戻り配管 ８０ａ…導入口
８２ａ〜８２ｄ…水位検出センサ ８４…純水供給配管
８６…酸素排気配管 ８８…高圧水素配管
１３６、１５６、１７６ａ、１７６ｂ、１９６ａ、１９６ｂ、２０６、２０８…隔壁部材
１３８、１８０ｂ、１９８ｂ、２１０…下部開口部
１４０、１５８、１８０ａ、１９８ａ、２１２…上部開口部
１７８…蓋部材 １９６ｃ…上板部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置とを備える水電解システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。
【０００３】
一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
【０００４】
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側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、水素イオン（プロトン）と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
【０００５】
この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水素貯蔵発電システムが知られている。この水素貯蔵発電システムは、図１１に示すように、２台の水電解装置１を備えるとともに、前記水電解装置１には、純水を供給する純水供給管２が取り付けられている。純水供給管２は、酸素と純水のタンク３に蓄えられた純水を、各水電解装置１のアノードに供給している。
【０００６】
水電解装置１のアノードで発生した酸素は、浮力により酸素と純水のタンク３に導かれている。酸素と純水のタンク３内の酸素の圧力は、圧力制御バルブ４ａにより所定の圧力以下に維持される一方、前記酸素と純水のタンク３内の酸素は、バルブ４ｂを介して外部に取り出されている。
【０００７】
水電解装置１のカソードで発生した水素は、水素ドレインタンク５に純水とともに送られ、純水と分離されている。水素ドレインタンク５内の水素の圧力は、圧力制御バルブ６ａにより所定の圧力以下に維持される一方、前記水素は、バルブ６ｂを介して外部に取り出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−６８０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、水電解システムでは、部品の劣化や故障等に起因して、カソード側の水素が、固体高分子電解質膜を通ってアノード側に漏れる場合がある。従って、酸素と純水のタンク３には、酸素及び純水の他に水素が導入されるおそれがある。これにより、バルブ４ｂが開放されると、酸素と純水のタンク３内の酸素及び水素が外部に導かれ、外部から前記酸素と純水のタンク３を介して水電解装置１に連続して連通する水素経路が形成されるという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、水電解装置から酸素排出系に設けられる水貯留装置を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを確実に阻止することが可能な水電解システム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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００１２】
水貯留装置は、水を貯留するタンク部と、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口とを設けるとともに、前記導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定されている。
【００１３】
また、この水電解システムは、水貯留装置に貯留される水を、水電解装置に循環させる水循環装置を備えることが好ましい。
【００１４】
さらに、この水電解システムは、水貯留装置に水を供給する水供給装置を備え、前記水貯留装置は、タンク部内の水位が設定高さであるか否かを検出する水位検出部を設けるとともに、前記水位検出部の検出信号に基づいて、前記水供給装置から前記水貯留装置への前記水の供給を制御することが好ましい。
【００１５】
さらにまた、水貯留装置は、タンク部内の水位が下限設定高さであるか否かを検出する下限水位検出部を設けるとともに、前記下限水位検出部の検出信号に基づいて、水電解装置の運転を停止することが好ましい。
【００１６】
また、水貯留装置は、タンク部内に配設される隔壁部材を備え、前記隔壁部材の上端部は、前記タンク部内の上限設定高さよりも上方に突出することが好ましい。
【００１７】
さらに、タンク部は、水循環装置を介して水電解装置に水を戻すための水戻し口と、分離された気体成分を排出するための排気口とを設けるとともに、隔壁部材の下部側には、前記水戻し口に連通する下部開口部が形成される一方、前記隔壁部材の上部には、前記排気口に連通する上部開口部が形成されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、隔壁部材は、複数枚設けられることが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置とを備える水電解システムに関するものである。
【００２０】
水貯留装置は、水を貯留するタンク部と、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、前記タンク部内の前記水を、水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口とを設けるとともに、前記導入口は、前記水戻し口よりも下方に設定されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水をタンク部内に導入する導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定されている。このため、水電解装置から酸素及び余剰の水に伴ってタンク部内に水素が導入されても、前記水電解装置から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水をタンク部内に導入する導入口は、前記タンク部内の水を、水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口よりも下方に設定されている。従って、導入口は、タンク部内で、常時、水面下に配置されている。これにより、水電解装置から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる。
【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を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図３】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４】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５】本発明の第４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６】本発明の第５の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態に係る水電解システムの要部説明図である。
【図１１】特許文献１に開示された水素貯蔵発電システムの概略説明図である。
【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（常圧よりも高圧）を製造する水電解装置１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器２０と、前記気液分離器２０から供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する水素除湿器２２と、コントローラ（制御部）２３とを備える。
【００２５】
水電解装置１２は、高圧水素製造装置を構成しているが、常圧水素を製造する常圧水素製造装置を構成してもよい。なお、常圧水素とは、生成される酸素と水素とが等圧である場合を含む。
【００２６】
水電解装置１２は、複数の単位セル２４が積層される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２７】
ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電源３８のマイナス極に接続される。
【００２８】
図２に示すように、単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。
【００２９】
電解質膜・電極構造体４２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４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。
【００３０】
固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａ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５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００３１】
アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。
【００３２】
単位セル２４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５６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５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。
【００３３】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂに連通する第１流路６４が設けられる。この第１流路６４は、アノード側給電体５０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。
【００３４】
カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４６ａには、水素連通孔６０に連通する排出通路６６が設けられる。面４６ａには、排出通路６６に連通する第２流路６８が形成される。この第２流路６８は、カソード側給電体５２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。
【００３５】
アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３６】
図１に示すように、水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。
【００３７】
タンク部７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部には、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部７８内に導入する導入口８０ａが設けられ、この導入口８０ａは、前記タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【００３８】
タンク部７８には、前記タンク部７８内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄが設けられる。水位検出センサ８２ａ〜８２ｄの検出信号は、コントローラ２３に入力される。
【００３９】
水位検出センサ８２ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ８２ｂは、前記水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出し、水位検出センサ（下限水位検出部）８２ｃは、前記水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）に低下したか否かを検出し、水位検出センサ８２ｄは、前記水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）に上昇したか否かを検出する。
【００４０】
タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管８６とが連結される。
【００４１】
水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の他端が気液分離器２０に接続される。気液分離器２０で水分が除去された高圧水素は、水素除湿器２２によって除湿され、ドライ水素配管９０にドライ水素が供給される。気液分離器２０の下部には、ドレン配管９２が接続され、前記ドレン配管９２には、排水用バルブ９４が配設される。
【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の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。
【００４４】
水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７２を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。
【００４５】
このため、図２に示すように、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。
【００４６】
従って、水は、アノード電極触媒層５０ａ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４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４７】
これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４８】
一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される（図１参照）。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。
【００４９】
水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管８８を介して気液分離器２０に送られる。この気液分離器２０では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される一方、前記水素は、水素除湿器２２を介して除湿された後、ドライ水素配管９０に導入される。
【００５０】
この場合、水素が生成される第２流路６８は、酸素が生成される第１流路６４よりも高圧に設定されている。このため、第２流路６８に生成された水素は、固体高分子電解質膜４８を透過して第１流路６４に移動し易い。第１流路６４に移動した水素は、未反応の水及び酸素に伴って戻り配管８０に排出され、タンク部７８内に導入される。
【００５１】
その際、第１の実施形態では、戻り配管８０の一端部に設けられる導入口８０ａが、タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口している。従って、導入口８０ａは、常時、水位ＷＳより下方に位置している。
【００５２】
これにより、水電解装置１２から酸素及び余剰の水に伴ってタンク部７８内に水素が導入されても、前記水電解装置１２から酸素排出系、すなわち、戻り配管８０、タンク部７８の内部空間及び酸素排気配管８６を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５３】
さらに、第１の実施形態では、タンク部７８は、前記タンク部７８内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄを備えている。
【００５４】
具体的には、水位検出センサ８２ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）に低下したと判断した際には、水供給装置１８からタンク部７８に純水の供給を指示する。一方、水位検出センサ８２ｂは、水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したと判断した際には、水供給装置１８からタンク部７８への純水の供給を停止させる。
【００５５】
また、水位検出センサ８２ｃは、水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）に低下したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが下限設定高さ（ＬＬ）まで低下したと判断した際には、システム異常として水電解システム１０を停止させる。一方、水位検出センサ８２ｄは、水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）に上昇したか否かを検出する。コントローラ２３は、水位ＷＳが上限設定高さ（ＨＨ）まで上昇したと判断した際には、システム異常として水電解システム１０を停止させる。
【００５６】
これにより、水電解システム１０は、良好な状態で、所望の水電解処理を効率的に遂行することが可能になる。
【００５７】
図３は、本発明の第２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。
【００５８】
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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
水電解システム１００は、水貯留装置１０２を備えるとともに、前記水貯留装置１０２を構成するタンク部１０４の底部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。
【００６０】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１１０の概略構成説明図である。
【００６１】
水電解システム１１０は、水貯留装置１１２を備えるとともに、前記水貯留装置１１２を構成するタンク部１１４の側部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。
【００６２】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、導入口８０ａが、常時、水位ＷＳより下方に位置しており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る水電解システム１２０の概略構成説明図である。
【００６４】
水電解システム１２０は、水貯留装置１２２を備えるとともに、前記水貯留装置１２２を構成するタンク部１２４の底部には、戻り配管８０の一端部に設けられている導入口８０ａが開放される。タンク部１２４の側部には、循環配管７２の水戻し口７２ａが設けられる。タンク部１２４内には、戻り配管８０の導入口８０ａから前記タンク部１２４内に導入された酸素（及び水素）が、水戻し口７２ａから吸引されることを阻止するために、仕切り板１２６が配設される。
【００６５】
このように構成される第４の実施形態では、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水をタンク部１２４内に導入する導入口８０ａは、前記タンク部１２４内の水を、前記水電解装置１２に戻す水戻し口７２ａよりも下方に設定されている。
【００６６】
これにより、導入口８０ａは、タンク部１２４内で、常時、水位ＷＳより下方に配置されている。このため、水電解装置１２から酸素排出系を介して外部に連続して連通する水素経路が形成されることを、簡単な構成で、確実に阻止することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る水電解システム１３０の要部説明図である。
【００６８】
水電解システム１３０は、水貯留装置１３２を備えるとともに、前記水貯留装置１３２を構成するタンク部１３４の底部には、戻り配管８０の導入口８０ａと、循環配管７２の水戻し口７２ａとが開放される。タンク部１３４内には、隔壁部材１３６が配設される。
【００６９】
隔壁部材１３６は、板状を有するとともに、タンク部１３４内で、上限設定高さ（ＨＨ）よりも上方に突出している。隔壁部材１３６の下部側には、水戻し口７２ａに連通する下部開口部１３８が形成される一方、前記隔壁部材１３６の上部側には、酸素排気配管８６の排気口８６ａに連通する上部開口部１４０が形成される。この上部開口部１４０は、隔壁部材１３６自体に孔部等を形成することにより設けてもよく、また、前記隔壁部材１３６の上部とタンク部１２４の天板部との間に形成してもよい。
【００７０】
このように構成される第５の実施形態では、戻り配管８０を介して未反応の水及び酸素（水素を含む）がタンク部１３４内に導入口８０ａから導入される際、水中の気体（酸素及び水素）の影響により液面が不安定となり易い。
【００７１】
その際、タンク部１３４内には、隔壁部材１３６が設けられており、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄが設けられている側の液面が揺れることを確実に防止することができる。これにより、水位検出センサ８２ａ〜８２ｄによる検出液面位置、すなわち、水位ＷＳの誤検出を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００７２】
なお、導入口８０ａからタンク部１３４内に導入された気体成分は、隔壁部材１３６の上部側に形成されている上部開口部１４０から排気口８６ａを介して、酸素排気配管８６に排出される。一方、導入口８０ａからタンク部１３４内に導入された水は、隔壁部材１３６の下部に形成される下部開口部１３８から水位検出センサ８２ａ〜８２ｄ側に供給される。
【００７３】
ここで、隔壁部材１３６の上部位置は、上限設定高さ（ＨＨ）よりも上方に突出している。従って、上部開口部１４０を介して導入口８０ａ側から水が溢れ出ることを確実に阻止することができる。
【００７４】
図７は、本発明の第６の実施形態に係る水電解システム１５０の要部説明図である。
【００７５】
水電解システム１５０は、水貯留装置１５２を備えるとともに、前記水貯留装置１５２を構成するタンク部１５４内には、複数枚、例えば、２枚の隔壁部材１３６、１５６が配設される。
【００７６】
隔壁部材１３６、１５６は、互いに略平行に配置されるとともに、前記隔壁部材１５６は、タンク部１５４の天板部に接し且つ前記タンク部１５４の底部から所定の距離だけ上方に離間して配置される。隔壁部材１５６の上部には、気体成分を排気口８６ａから酸素排気配管８６に排出するため、上部開口部１５８が形成される。
【００７７】
このように構成される第６の実施形態では、タンク部１５４内が２枚の隔壁部材１３６、１５６によって、３つの領域１６０ａ、１６０ｂ及び１６０ｃに区画されている。このため、戻り配管８０の導入口８０ａからタンク部１５４内に戻される水及び酸素は、先ず、第１の領域１６０ａに導入されて気液分離が行われる。
【００７８】
次いで、分離された気体成分は、隔壁部材１３６の上部から隔壁部材１５６の上部開口部１５８を通って、排気口８６ａに排出される。一方、水は、第１の領域１６０ａから下部開口部１３８を通って第２の領域１６０ｂに移動した後、隔壁部材１５６の下方を通って第３の領域１６０ｃに供給される。
【００７９】
従って、第１の領域１６０ａに供給される水中の気体成分により、液面の揺れが惹起されても、第２の領域１６０ｂでは、液面の揺れが低減され、さらに第３の領域１６０ｃでは、この液面の揺れが可及的に阻止されるという効果が得られる。しかも、隔壁部材１３６の上部から第２の領域１６０ｂに水が溢れ出しても、隔壁部材１５６による液面揺れ防止機能によって、第３の領域１６０ｃでは、液面の揺れを惹起することがない。
【００８０】
なお、第６の実施形態では、導入口８０ａがタンク部１５４の底部に開口しているが、これに限定されるものではない。例えば、導入口８０ａは、タンク部１５４の側部下端縁部に開口してもよい（図７中、２点鎖線参照）。一方、循環配管７２の水戻し口７２ａは、タンク部１５４の底部に開口しているが、例えば、図５に示すように、前記タンク部１５４の側部下端縁部に開口してもよい。
【００８１】
図８は、本発明の第７の実施形態に係る水電解システム１７０の要部説明図である。
【００８２】
水電解システム１７０は、水貯留装置１７２を備えるとともに、前記水貯留装置１７２を構成するタンク部１７４内には、隔壁部材１７６ａ、１７６ｂが配設される。隔壁部材１７６ａ、１７６ｂは、戻り配管８０の導入口８０ａを挟んで設けられるとともに、それぞれの上部には、蓋部材１７８が一体に配置される。隔壁部材１７６ａの上部側には、上部開口部１８０ａが形成される一方、隔壁部材１７６ｂの下部側には、下部開口部１８０ｂが形成される。
【００８３】
このように構成される第７の実施形態では、戻り配管８０の導入口８０ａが、一対の隔壁部材１７６ａ、１７６ｂ間に開口しており、前記隔壁部材１７６ａ、１７６ｂ間に発生する液面の揺れが、タンク部１７４内の他の部分に影響を及ぼすことはない。
【００８４】
しかも、隔壁部材１７６ａ、１７６ｂの上部には、蓋部材１７８が配設されており、前記隔壁部材１７６ａ、１７６ｂの外部に水の飛散を惹起することはない。これにより、第７の実施形態は、上記の第５及び第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
図９は、本発明の第８の実施形態に係る水電解システム１９０の要部説明図である。
【００８６】
水電解システム１９０は、水貯留装置１９２を備えるとともに、前記水貯留装置１９２を構成するタンク部１９４内には、一対の隔壁部材１９６ａ、１９６ｂが配設される。隔壁部材１９６ａ、１９６ｂは、上板部１９６ｃにより一体に構成されており、これらにより形成される空間内には、戻り配管８０の導入口８０ａが開口する。隔壁部材１９６ａの上部側に上部開口部１９８ａが形成される一方、隔壁部材１９６ｂの下部側に下部開口部１９８ｂが形成される。
【００８７】
図１０は、本発明の第９の実施形態に係る水電解システム２００の要部説明図である。
【００８８】
水電解システム２００は、水貯留装置２０２を備えるとともに、前記水貯留装置２０２を構成するタンク部２０４内には、２枚の隔壁部材２０６、２０８が配設される。戻り配管８０の導入口８０ａは、隔壁部材２０６、２０８間に開口されるとともに、前記隔壁部材２０８の下部に下部開口部２１０が形成される。隔壁部材２０６、２０８の上部側には、開放されており、タンク部２０４の天板部との間に上部開口部２１２が形成される。
【００８９】
このように構成される第８及び第９の実施形態では、実質的に図８に示す第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１００、１１０、１２０、１３０、１５０、１７０、１９０、２００…水電解システム
１２…水電解装置
１４、１０２、１１２、１２２、１３２、１５２、１７２、１９２、２０２…水貯留装置
１６…水循環装置 １８…水供給装置
２０…気液分離器 ２３…コントローラ
２４…単位セル ３８…電源
４２…電解質膜・電極構造体 ４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側給電体 ５２…カソード側給電体
５６…水供給連通孔 ５８…排出連通孔
６０…水素連通孔 ６４、６８…流路
７２…循環配管 ７４…循環ポンプ
７６…イオン交換器
７８、１０４、１１４、１２４、１３４、１５４、１７４、１９４、２０４…タンク部
８０…戻り配管 ８０ａ…導入口
８２ａ〜８２ｄ…水位検出センサ ８４…純水供給配管
８６…酸素排気配管 ８８…高圧水素配管
１３６、１５６、１７６ａ、１７６ｂ、１９６ａ、１９６ｂ、２０６、２０８…隔壁部材
１３８、１８０ｂ、１９８ｂ、２１０…下部開口部
１４０、１５８、１８０ａ、１９８ａ、２１２…上部開口部
１７８…蓋部材 １９６ｃ…上板部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を気液分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水貯留装置は、前記水を貯留するタンク部と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び前記余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、
を設けるとともに、
前記導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定さ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、前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環させる水循環装置を備え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、前記水貯留装置に前記水を供給する水供給装置を備え、
前記水貯留装置は、前記タンク部内の水位が設定高さであるか否かを検出する水位検出部を設けるとともに、
前記水位検出部の検出信号に基づいて、前記水供給装置から前記水貯留装置への前記水の供給を制御することを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の水電解システムにおいて、前記水貯留装置は、前記タンク部内の水位が下限設定高さであるか否かを検出する下限水位検出部を設けるとともに、
前記下限水位検出部の検出信号に基づいて、前記水電解装置の運転を停止することを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記水貯留装置は、前記タンク部内に配設される隔壁部材を備え、
前記隔壁部材の上端部は、前記タンク部内の上限設定高さよりも上方に突出することを特徴とする水電解システム。
【請求項６】
請求項５記載の水電解システムにおいて、前記タンク部は、前記水循環装置を介して前記水電解装置に前記水を戻すための水戻し口と、
分離された気体成分を排出するための排気口と、
を設けるとともに、
前記隔壁部材の下部側には、前記水戻し口に連通する下部開口部が形成される一方、前記隔壁部材の上部には、前記排気口に連通する上部開口部が形成されることを特徴とする水電解システム。
【請求項７】
請求項５又は６記載の水電解システムにおいて、前記隔壁部材は、複数枚設けられることを特徴とする水電解システム。
【請求項８】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を気液分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、
前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水貯留装置は、前記水を貯留するタンク部と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び前記余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、
前記タンク部内の前記水を、前記水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口と、
を設けるとともに、
前記導入口は、前記水戻し口よりも下方に設定されることを特徴とする水電解システム。
【請求項１】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を気液分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水貯留装置は、前記水を貯留するタンク部と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び前記余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、
を設けるとともに、
前記導入口は、前記タンク部内に貯留される前記水の中で、常時、開口する位置に設定さ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、前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環させる水循環装置を備え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、前記水貯留装置に前記水を供給する水供給装置を備え、
前記水貯留装置は、前記タンク部内の水位が設定高さであるか否かを検出する水位検出部を設けるとともに、
前記水位検出部の検出信号に基づいて、前記水供給装置から前記水貯留装置への前記水の供給を制御することを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の水電解システムにおいて、前記水貯留装置は、前記タンク部内の水位が下限設定高さであるか否かを検出する下限水位検出部を設けるとともに、
前記下限水位検出部の検出信号に基づいて、前記水電解装置の運転を停止することを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記水貯留装置は、前記タンク部内に配設される隔壁部材を備え、
前記隔壁部材の上端部は、前記タンク部内の上限設定高さよりも上方に突出することを特徴とする水電解システム。
【請求項６】
請求項５記載の水電解システムにおいて、前記タンク部は、前記水循環装置を介して前記水電解装置に前記水を戻すための水戻し口と、
分離された気体成分を排出するための排気口と、
を設けるとともに、
前記隔壁部材の下部側には、前記水戻し口に連通する下部開口部が形成される一方、前記隔壁部材の上部には、前記排気口に連通する上部開口部が形成されることを特徴とする水電解システム。
【請求項７】
請求項５又は６記載の水電解システムにおいて、前記隔壁部材は、複数枚設けられることを特徴とする水電解システム。
【請求項８】
電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を気液分離し、前記水を貯留する水貯留装置と、
前記水貯留装置に貯留される前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水貯留装置は、前記水を貯留するタンク部と、
前記水電解装置から排出される前記酸素及び前記余剰の水を前記タンク部内に導入する導入口と、
前記タンク部内の前記水を、前記水循環装置を介して前記水電解装置に戻す水戻し口と、
を設けるとともに、
前記導入口は、前記水戻し口よりも下方に設定されることを特徴とする水電解システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２３６０８７（Ｐ２０１０−２３６０８７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３０２４（Ｐ２０１０−１３０２４）
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【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２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【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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