水電解システム
【課題】電力消費を可及的に抑制するとともに、経済性及び利便性の向上を図ることができ、システム効率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高圧水素製造装置１２と、前記高圧水素製造装置１２から前記高圧水素を排出する水素配管２０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２２と、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置２２から導出する高圧水素供給配管２４と、前記高圧水素供給配管２４に配設され、前記高圧水素の湿度を調整するために該高圧水素の温度を可変に制御することが可能な冷却装置２６と、制御部２８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高圧水素製造装置１２と、前記高圧水素製造装置１２から前記高圧水素を排出する水素配管２０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２２と、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置２２から導出する高圧水素供給配管２４と、前記高圧水素供給配管２４に配設され、前記高圧水素の湿度を調整するために該高圧水素の温度を可変に制御することが可能な冷却装置２６と、制御部２８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造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、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管とを備える水電解システムに関する。
【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いる。製品水素は、例えば、燃料電池自動車等に供給する際、所望の乾燥状態（水濃度）、例えば、水分量５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）が要求されている。
【０００５】
このため、例えば、特許文献１に開示されている除湿機構では、非処理ガスの除湿を行う除湿剤が容器本体に収容された除湿装置を備え、前記容器本体には、冷却用ガスを導通させるための冷却トレースが配設されている。
【０００６】
この除湿装置の再生工程は、除湿剤を加熱することによって水分を除去する加熱工程と、加熱された除湿剤を常温程度にまで冷却する冷却工程とからなっている。具体的には、加熱工程では、容器本体に冷却トレースの螺旋の間隙に同じく略均等間隔で配設された電熱線によって前記容器本体全体が加熱されている。さらに、冷却工程では、冷却用ガスが冷却トレースに導通されて、除湿剤が所定の除湿性能を回復するまで冷却されている。
【０００７】
また、除湿装置としては、吸着筒内で吸着圧力と脱着圧力との圧力差を利用して、水素ガス中に含まれる水分を除去する圧力変動吸着方法（ＰＳＡ）等が採用されている。
【０００８】
さらにまた、簡易型の除湿装置としては、ゼオライト等の吸着剤を交換式に構成したものが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１４９８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、再生工程が加熱工程と冷却工程とを有しているため、温度変化に伴う工程全体の長時間化が懸念される。しかも、電熱線に供給される電力消費量の観点から、システム効率の低下が惹起されるという問題がある。
【００１１】
また、上記のＰＳＡ式除湿装置では、高圧吸着筒や高圧デバイスを構成する必要がある。従って、システム全体の複雑化が発生するとともに、コストや耐久性に問題がある。
【００１２】
さらにまた、交換式の吸着剤を利用する除湿装置では、水分濃度によっては、吸着剤の交換時期が早くなる。これにより、交換メンテナンスが頻繁に必要となって、利便性が低下するという問題がある。また、交換頻度を抑制するためには、多量の吸着剤が必要になり、システム全体が大型化するという問題がある。
【００１３】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、電力消費を可及的に抑制するとともに、経済性及び利便性の向上を図ることができ、システム効率を向上させ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】
【００１４】
本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造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、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管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、高圧水素供給配管には、高圧水素の湿度を調整するために、前記高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置が設けられている。
【００１６】
また、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解システムでは、冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００１９】
また、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段とを備えることが好ましい。
【００２０】
さらに、この水電解システムでは、冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００２２】
また、この水電解システムでは、ペルチェ素子の上流に熱交換器が配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高圧水素の温度を可変に制御することができるため、前記高圧水素を効率的且つ確実に除湿することが可能になる。しかも、無駄に電力を消費することがなく、経済性及び利便性の向上を図ることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、システム効率の向上を容易に図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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動作を説明するフローチャートである。
【図３】圧力と冷却水量及びペルチェ消費電力との関係を示すマップ図である。
【図４】圧力と水分濃度との関係説明図である。
【図５】温度と水分濃度との関係説明図である。
【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動作を説明するフローチャートである。
【図８】電解電流値と冷却水量及びペルチェ消費電力との関係を示すマップ図である。
【図９】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１０】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１１】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１２】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第５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１４】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明の第６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１６】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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）を製造する高圧水素製造装置（差圧式水電解装置）１２と、前記高圧水素製造装置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、前記高圧水素製造装置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、前記高圧水素製造装置１２から水素配管２０に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装置２２と、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置２２から導出する高圧水素供給配管２４と、前記高圧水素供給配管２４に配設され、前記高圧水素の湿度を調整するために該高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置２６と、システム全体の制御を行う制御部（ＥＣＵ）２８とを備える。
【００２６】
高圧水素製造装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ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３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。
【００２８】
単位セル３０は、例えば、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。
【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】
単位セル３０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。
【００３２】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、水供給連通孔５６及び排出連通孔５８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。第１流路６４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。
【００３３】
カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水素連通孔６０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。第２流路６８には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００３４】
水循環装置１６は、高圧水素製造装置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。
【００３５】
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、高圧水素製造装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
高圧水素製造装置１２の水素連通孔６０には、水素配管２０の一端が接続され、この水素配管２０の他端が、気液分離装置２２に接続される。気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部８８を備える。タンク部８８の下部には、排水ライン９０が接続されるとともに、前記排水ライン９０には、排水用バルブ９２が配設される。
【００３８】
気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素供給配管２４に導出される。高圧水素供給配管２４には、冷却装置２６が設けられるとともに、前記冷却装置２６は、ペルチェ除湿器（ペルチェ素子）９４及び熱交換器９６を備える。
【００３９】
ペルチェ除湿器９４は、ペルチェ素子を用いた冷却器により構成されており、可変電源９７を備える。ペルチェ除湿器９４には、高温側の熱を逃がすための冷媒用配管９８が接続される。なお、冷媒用配管９８に代えて、放熱フィン等を使用してもよい。
【００４０】
熱交換器９６は、ペルチェ除湿器９４の上流側に直列的に配置される。熱交換器９６には、冷媒体として冷却水が供給される冷却水供給管１００と、前記冷却水が排出される冷却水排出管１０２とが接続される。冷却水供給管１００には、熱交換器９６に流通させる冷却水量を可変にするための流量調整弁１０４が配設される。
【００４１】
なお、冷却水排出管１０２は、冷媒用配管９８の入口側に接続されていてもよく、さらに冷却水供給管１００には、電解に使用される水を流通させてもよい。これによって、新たな水の供給源が不要になり、システム全体の簡素化が図られるという効果が得られる。また、冷却水排出管１０２と冷媒用配管９８とは、別体に構成してもよく、熱交換器９６とペルチェ除湿器９４とのいずれかのみに電解用の水を供給することも可能である。
【００４２】
制御部２８は、高圧水素製造装置１２内のカソード側の圧力を検出する圧力検出手段１１０と、検出された前記圧力に基づいて、ペルチェ除湿器９４に印加される電流値を可変にする電流可変手段１１２と、検知された前記圧力に基づいて、熱交換器９６に流通させる冷却水量を可変にする冷却水量可変手段（冷媒体量可変手段）１１４とを備える。
【００４３】
水素配管２０には、高圧水素製造装置１２内のカソード側の圧力を測定するための圧力センサ１１６が配設される。圧力センサ１１６による検出信号は、圧力検出手段１１０に送られる。
【００４４】
高圧水素供給配管２４には、冷却装置２６の下流側に位置して凝縮器１１８と背圧弁１２０とが配置される。凝縮器１１８は、焼結フィルタ等で構成されるとともに、背圧弁１２０は、所定の設定圧力（例えば、３５ＭＰａ）で開放され、高圧水素を、図示しない燃料電池自動車等に製品水素として供給することができる。
【００４５】
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、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図３に示すように、高圧水素製造装置１２のカソード側圧力Ｐと、ペルチェ除湿器９４の消費電力Ｗ及び熱交換器９６の冷却水量Ｑとの関係が、予めマップとして作成される。
【００４７】
具体的には、水素圧力（カソード側圧力）と水素中に含まれる水分濃度とは、図４に示す関係を有している。水素中の水分濃度は、水素圧力が高くなる程、すなわち、高圧水素になる程低下しており、流速も遅くなることから除湿が容易になされる。
【００４８】
一方、図５に示すように、水素中の水分濃度は、水素温度が低くなる程、低下するとともに、水素圧力が高くなる程、冷却温度を高くして水分濃度を低下させ ることができる。
【００４９】
上記のように、水素圧力と水分濃度との関係及び水素温度と水素濃度の関係から、図３に示すように、制御マップが得られる。
【００５０】
そこで、水電解システム１０による電解が開始される（ステップＳ１）。図１に示すように、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。
【００５１】
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を介して高圧水素製造装置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３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧（電解電流値Ａ）が付与される。
【００５２】
このため、各単位セル３０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。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（ステップＳ２）。
【００５３】
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を流れて高圧水素製造装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００５４】
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。この未反応の水及び酸素は、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。
【００５５】
高圧水素製造装置１２内に生成された水素は、水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（水分）が、この水素から分離されてタンク部８８に貯留される一方、前記水素は、高圧水素供給配管２４に導出される。
【００５６】
上記のように、高圧水素製造装置１２により水電解処理が行われ、水素の製造が継続されると、背圧弁１２０の設定圧力までカソード側の圧力（水素圧力）Ｐが上昇していく。制御部２８では、圧力検出手段１１０が、圧力センサ１１６からの検出信号に基づいて、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐを検知する（ステップＳ３）。圧力検出手段１１０では、検出された圧力Ｐに基づいて、図３に示すマップから、熱交換器９６に供給される冷却水量Ｑ及びペルチェ除湿器９４に印加される電流値、すなわち、ペルチェ消費電力Ｗが算出される。
【００５７】
冷却水量可変手段１１４では、流量調整弁１０４を制御することにより、冷却水供給管１００から熱交換器９６に供給される冷却水量Ｑｍａｐが、マップに基づいて制御される（ステップＳ４）。このため、高圧水素供給配管２４に沿って熱交換器９６に導入される高圧水素は、冷却水との間で熱交換が行われ、所望の水素濃度に除湿される水素温度（図５参照）まで冷却される。
【００５８】
次に、高圧水素は、ペルチェ除湿器９４に送られる。このペルチェ除湿器９４では、可変電源９７による印加電流値が、電流可変手段１１２によりペルチェ消費電力Ｗｍａｐ（図３のマップ）によって制御される（ステップＳ４）。従って、高圧水素は、ペルチェ除湿器９４により所定の水分濃度に対応する水素温度に冷却され、所望の湿度まで除湿されてドライ水素が得られる。
【００５９】
ドライ水素は、凝縮器１１８及び背圧弁１２０に流通し、設定圧力まで上昇した後、前記背圧弁１２０の開放作用下に、製造水素として図示しない燃料電池自動車等に供給される。
【００６０】
これにより、高圧水素製造装置１２は、定常運転に移行し（ステップＳ５）、電解運転が停止されることにより（ステップＳ６）、水電解システム１０による運転が終了される。
【００６１】
この場合、第１の実施形態では、高圧水素供給配管２４には、高圧水素の湿度を調整するため、前記高圧水素の温度を可変に制御することが可能な冷却装置２６が設けられている。このため、昇圧中であって、圧力が変化していく場合や、何らかの要因で高圧水素供給配管２４の圧力が低下した場合であっても、検知された圧力に応じて必要最低限の冷却を行うことができる。従って、無駄に冷却を行うことがなく、システム全体の効率の向上を図ることが可能になる。
【００６２】
しかも、無駄に電力を消費することがなく、且つ吸着剤の交換が不要になり、経済性及び利便性の向上を図ることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、水電解システム１０全体のシステム効率の向上を容易に図ることが可能になるという効果がある。
【００６３】
さらに、冷却装置２６は、ペルチェ除湿器９４と、前記ペルチェ除湿器９４の上流側に配置される熱交換器９６とを備えている。従って、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐを検知することで、図３に示すマップに基づいて、熱交換用冷却水量Ｑｍａｐ及びペルチェ除湿器９４のペルチェ消費電力Ｗｍａｐを可変制御させることができる。
【００６４】
これにより、高圧水素は、所望の水分濃度まで除湿させることができる最小限の冷却水量や消費電力により制御することが可能になり、システム効率を大幅に向上させることが可能になるという利点が得られる。
【００６５】
しかも、ペルチェ除湿器９４の上流側に、熱交換器９６が配置されている。このため、熱交換器９６により高圧水素中の水分を略除去した後、前記高圧水素がペルチェ除湿器９４に送られる。従って、ペルチェ除湿器９４での電力消費量を良好に抑制することが可能になる。
【００６６】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１３０の概略構成説明図である。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。
【００６７】
水電解システム１３０は、制御部１３２を備えるとともに、前記制御部１３２は、高圧水素製造装置１２の電解電流値Ａを検知する電流検知手段１３４を設ける。高圧水素製造装置１２では、電解電源４０に電解電流値を検出するための電流検出センサ１３６が装着される。
【００６８】
このように構成される水電解システム１３０の動作について、図７に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６９】
この第２の実施形態では、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが一定である際に、電解電流値Ａと冷却水量Ｑ及びペルチェ消費電力Ｗとの関係が、図８に示すマップとして予め作成される。
【００７０】
すなわち、電解電流値Ａを変化させることにより、製造される水素量が可変となる。このため、電解電流値Ａが大きくなる程、水素製造量が増加し、これに伴って冷却水量Ｑ及びペルチェ消費電力Ｗを増加させる。
【００７１】
そこで、水電解システム１３０では、高圧水素製造装置１２による水電解処理が開始され（ステップＳ１１）、電解電流値Ａで水電解が行われる（ステップＳ１２）。圧力検出手段１１０では、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが検出される。そして、検出された圧力Ｐが一定であると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。
【００７２】
このステップＳ１４では、電流検知手段１３４により、電解電源４０に装着された電流検出センサ１３６を介して電解電流値Ａが検知される。従って、図８に示すように、検出された電解電流値Ａに対応する熱交換器９６の冷却水量Ｑｍａｐ及びペルチェ除湿器９４のペルチェ消費電力Ｗｍａｐに沿って制御される（ステップＳ１５）。さらに、水電解システム１３０が定常運転に移行した後（ステップＳ１６）、電解処理が停止される（ステップＳ１７）。
【００７３】
この場合、第２の実施形態では、高圧水素の圧力Ｐが一定に維持されている際、電解電流値Ａの変化に伴って製造量が変動する高圧水素に応じた除湿処理が、最小限の冷却水量Ｑ及び最小限のペルチェ消費電力Ｗで制御されている。これにより、水電解システム１３０全体のシステム効率が大幅に向上できる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１５０の概略構成説明図である。
【００７５】
水電解システム１５０は、冷却装置１５２及び制御部１５４を備える。冷却装置１５２は、ペルチェ除湿器９４のみを設けるとともに、制御部１５４は、圧力検出手段１１０及び電流可変手段１１２を有している。水電解システム１５０では、熱交換器９６及び冷却水量可変手段１１４を用いていない。
【００７６】
この第３の実施形態では、図１０に示すフローチャートに沿って、ステップＳ２１〜ステップＳ２６の処理が行われる。その際、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが検知され（ステップＳ２３）、この圧力Ｐに基づいて、ペルチェ消費電力Ｗｍａｐが読み取られ、ペルチェ除湿器９４の印加電流が制御される（ステップＳ２４）。
【００７７】
これにより、第３の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、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。
【００７８】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る水電解システム１６０の概略構成説明図である。
【００７９】
水電解システム１６０は、冷却装置１６２及び制御部１６４を備える。冷却装置１６２は、熱交換器９６のみを設けるとともに、制御部１６４は、圧力検出手段１１０及び冷却水量可変手段１１４を有する。水電解システム１６０では、ペルチェ除湿器９４及び電流可変手段１１２を用いていない。
【００８０】
この第４の実施形態では、図１２に示すフローチャートに沿って、ステップＳ３１〜ステップＳ３６の処理が行われる。その際、検出圧力Ｐに基づいて、マップから冷却水量Ｑｍａｐが読み取られ、これによって熱交換器９６が制御される（ステップＳ３４）。
【００８１】
このため、第４の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る水電解システム１７０の概略構成説明図である。
【００８３】
水電解システム１７０は、冷却装置１７２と制御部１７４とを備える。冷却装置１７２は、ペルチェ除湿器９４のみを有するとともに、制御部１７４は、冷却水量可変手段１１４を用いていない。
【００８４】
水電解システム１７０では、図１４に示すフローチャートに沿って、ステップＳ４１〜ステップＳ４７の処理が行われる。その際、検知された電解電流値Ａに対応するペルチェ消費電力Ｗｍａｐが読み取られ、これによってペルチェ除湿器９４が制御される（ステップＳ４５）。
【００８５】
従って、第５の実施形態では、除湿剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る水電解システム１８０の概略構成説明図である。
【００８７】
水電解システム１８０は、冷却装置１８２及び制御部１８４を備える。冷却装置１８２は、熱交換器９６のみを有するとともに、制御部１８４は、電流可変手段１１２を不要にする。
【００８８】
この第６の実施形態では、図１６に示すフローチャートに沿って、ステップＳ５１〜ステップＳ５７の処理が行われる。その際、検知された電解電流値Ａに基づいて、マップから冷却水量Ｑｍａｐが読み取られ、熱交換器９６の制御が行われる（ステップＳ５５）。
【００８９】
従って、第６の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９０】
なお、ドライ水素を一層確実に得るために、ペルチェ除湿器９４の下流に吸着器を配設することも可能である。その際、ペルチェ除湿器９４により殆どの水分が除去されるため、従来の構成に比べて、吸着剤の交換頻度を著しく低下させることができるとともに、システム全体の小型化が可能になる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１３０、１５０、１６０、１７０、１８０…水電解システム
１２…高圧水素製造装置 １４…水貯留装置
１６…水循環装置 １８…水供給装置
２０…水素配管 ２２…気液分離装置
２４…高圧水素供給配管
２６、１５２、１６２、１７２、１８２…冷却装置
２８、１３２、１５４、１６４、１７４、１８４…制御部
３０…単位セル 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 ８８…タンク部
９４…ペルチェ除湿器 ９６…熱交換器
９７…可変電源 １００…冷却水供給管
１０２…冷却水排出管 １０４…流量調整弁
１１０…圧力検出手段 １１２…電流可変手段
１１４…冷却水量可変手段 １１６…圧力センサ
１２０…背圧弁 １３４…電流検知手段
１３６…電流検出センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造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、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管とを備える水電解システムに関する。
【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いる。製品水素は、例えば、燃料電池自動車等に供給する際、所望の乾燥状態（水濃度）、例えば、水分量５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）が要求されている。
【０００５】
このため、例えば、特許文献１に開示されている除湿機構では、非処理ガスの除湿を行う除湿剤が容器本体に収容された除湿装置を備え、前記容器本体には、冷却用ガスを導通させるための冷却トレースが配設されている。
【０００６】
この除湿装置の再生工程は、除湿剤を加熱することによって水分を除去する加熱工程と、加熱された除湿剤を常温程度にまで冷却する冷却工程とからなっている。具体的には、加熱工程では、容器本体に冷却トレースの螺旋の間隙に同じく略均等間隔で配設された電熱線によって前記容器本体全体が加熱されている。さらに、冷却工程では、冷却用ガスが冷却トレースに導通されて、除湿剤が所定の除湿性能を回復するまで冷却されている。
【０００７】
また、除湿装置としては、吸着筒内で吸着圧力と脱着圧力との圧力差を利用して、水素ガス中に含まれる水分を除去する圧力変動吸着方法（ＰＳＡ）等が採用されている。
【０００８】
さらにまた、簡易型の除湿装置としては、ゼオライト等の吸着剤を交換式に構成したものが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１４９８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、再生工程が加熱工程と冷却工程とを有しているため、温度変化に伴う工程全体の長時間化が懸念される。しかも、電熱線に供給される電力消費量の観点から、システム効率の低下が惹起されるという問題がある。
【００１１】
また、上記のＰＳＡ式除湿装置では、高圧吸着筒や高圧デバイスを構成する必要がある。従って、システム全体の複雑化が発生するとともに、コストや耐久性に問題がある。
【００１２】
さらにまた、交換式の吸着剤を利用する除湿装置では、水分濃度によっては、吸着剤の交換時期が早くなる。これにより、交換メンテナンスが頻繁に必要となって、利便性が低下するという問題がある。また、交換頻度を抑制するためには、多量の吸着剤が必要になり、システム全体が大型化するという問題がある。
【００１３】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、電力消費を可及的に抑制するとともに、経済性及び利便性の向上を図ることができ、システム効率を向上させ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】
【００１４】
本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、前記高圧水素製造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、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管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、高圧水素供給配管には、高圧水素の湿度を調整するために、前記高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置が設けられている。
【００１６】
また、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、この水電解システムでは、冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置内のカソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００１９】
また、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段とを備えることが好ましい。
【００２０】
さらに、この水電解システムでは、冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この水電解システムでは、冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、前記水電解システムは、制御部を備え、前記制御部は、高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段とを備えることが好ましい。
【００２２】
また、この水電解システムでは、ペルチェ素子の上流に熱交換器が配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高圧水素の温度を可変に制御することができるため、前記高圧水素を効率的且つ確実に除湿することが可能になる。しかも、無駄に電力を消費することがなく、経済性及び利便性の向上を図ることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、システム効率の向上を容易に図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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動作を説明するフローチャートである。
【図３】圧力と冷却水量及びペルチェ消費電力との関係を示すマップ図である。
【図４】圧力と水分濃度との関係説明図である。
【図５】温度と水分濃度との関係説明図である。
【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動作を説明するフローチャートである。
【図８】電解電流値と冷却水量及びペルチェ消費電力との関係を示すマップ図である。
【図９】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１０】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１１】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１２】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第５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１４】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明の第６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１６】前記水電解システムの動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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）を製造する高圧水素製造装置（差圧式水電解装置）１２と、前記高圧水素製造装置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、前記高圧水素製造装置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、前記高圧水素製造装置１２から水素配管２０に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装置２２と、水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置２２から導出する高圧水素供給配管２４と、前記高圧水素供給配管２４に配設され、前記高圧水素の湿度を調整するために該高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置２６と、システム全体の制御を行う制御部（ＥＣＵ）２８とを備える。
【００２６】
高圧水素製造装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ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３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。
【００２８】
単位セル３０は、例えば、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。
【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】
単位セル３０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。
【００３２】
アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、水供給連通孔５６及び排出連通孔５８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。第１流路６４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。
【００３３】
カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水素連通孔６０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。第２流路６８には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００３４】
水循環装置１６は、高圧水素製造装置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。
【００３５】
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、高圧水素製造装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
高圧水素製造装置１２の水素連通孔６０には、水素配管２０の一端が接続され、この水素配管２０の他端が、気液分離装置２２に接続される。気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部８８を備える。タンク部８８の下部には、排水ライン９０が接続されるとともに、前記排水ライン９０には、排水用バルブ９２が配設される。
【００３８】
気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素供給配管２４に導出される。高圧水素供給配管２４には、冷却装置２６が設けられるとともに、前記冷却装置２６は、ペルチェ除湿器（ペルチェ素子）９４及び熱交換器９６を備える。
【００３９】
ペルチェ除湿器９４は、ペルチェ素子を用いた冷却器により構成されており、可変電源９７を備える。ペルチェ除湿器９４には、高温側の熱を逃がすための冷媒用配管９８が接続される。なお、冷媒用配管９８に代えて、放熱フィン等を使用してもよい。
【００４０】
熱交換器９６は、ペルチェ除湿器９４の上流側に直列的に配置される。熱交換器９６には、冷媒体として冷却水が供給される冷却水供給管１００と、前記冷却水が排出される冷却水排出管１０２とが接続される。冷却水供給管１００には、熱交換器９６に流通させる冷却水量を可変にするための流量調整弁１０４が配設される。
【００４１】
なお、冷却水排出管１０２は、冷媒用配管９８の入口側に接続されていてもよく、さらに冷却水供給管１００には、電解に使用される水を流通させてもよい。これによって、新たな水の供給源が不要になり、システム全体の簡素化が図られるという効果が得られる。また、冷却水排出管１０２と冷媒用配管９８とは、別体に構成してもよく、熱交換器９６とペルチェ除湿器９４とのいずれかのみに電解用の水を供給することも可能である。
【００４２】
制御部２８は、高圧水素製造装置１２内のカソード側の圧力を検出する圧力検出手段１１０と、検出された前記圧力に基づいて、ペルチェ除湿器９４に印加される電流値を可変にする電流可変手段１１２と、検知された前記圧力に基づいて、熱交換器９６に流通させる冷却水量を可変にする冷却水量可変手段（冷媒体量可変手段）１１４とを備える。
【００４３】
水素配管２０には、高圧水素製造装置１２内のカソード側の圧力を測定するための圧力センサ１１６が配設される。圧力センサ１１６による検出信号は、圧力検出手段１１０に送られる。
【００４４】
高圧水素供給配管２４には、冷却装置２６の下流側に位置して凝縮器１１８と背圧弁１２０とが配置される。凝縮器１１８は、焼結フィルタ等で構成されるとともに、背圧弁１２０は、所定の設定圧力（例えば、３５ＭＰａ）で開放され、高圧水素を、図示しない燃料電池自動車等に製品水素として供給することができる。
【００４５】
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、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図３に示すように、高圧水素製造装置１２のカソード側圧力Ｐと、ペルチェ除湿器９４の消費電力Ｗ及び熱交換器９６の冷却水量Ｑとの関係が、予めマップとして作成される。
【００４７】
具体的には、水素圧力（カソード側圧力）と水素中に含まれる水分濃度とは、図４に示す関係を有している。水素中の水分濃度は、水素圧力が高くなる程、すなわち、高圧水素になる程低下しており、流速も遅くなることから除湿が容易になされる。
【００４８】
一方、図５に示すように、水素中の水分濃度は、水素温度が低くなる程、低下するとともに、水素圧力が高くなる程、冷却温度を高くして水分濃度を低下させ ることができる。
【００４９】
上記のように、水素圧力と水分濃度との関係及び水素温度と水素濃度の関係から、図３に示すように、制御マップが得られる。
【００５０】
そこで、水電解システム１０による電解が開始される（ステップＳ１）。図１に示すように、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。
【００５１】
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を介して高圧水素製造装置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３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧（電解電流値Ａ）が付与される。
【００５２】
このため、各単位セル３０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。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（ステップＳ２）。
【００５３】
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を流れて高圧水素製造装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００５４】
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。この未反応の水及び酸素は、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。
【００５５】
高圧水素製造装置１２内に生成された水素は、水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（水分）が、この水素から分離されてタンク部８８に貯留される一方、前記水素は、高圧水素供給配管２４に導出される。
【００５６】
上記のように、高圧水素製造装置１２により水電解処理が行われ、水素の製造が継続されると、背圧弁１２０の設定圧力までカソード側の圧力（水素圧力）Ｐが上昇していく。制御部２８では、圧力検出手段１１０が、圧力センサ１１６からの検出信号に基づいて、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐを検知する（ステップＳ３）。圧力検出手段１１０では、検出された圧力Ｐに基づいて、図３に示すマップから、熱交換器９６に供給される冷却水量Ｑ及びペルチェ除湿器９４に印加される電流値、すなわち、ペルチェ消費電力Ｗが算出される。
【００５７】
冷却水量可変手段１１４では、流量調整弁１０４を制御することにより、冷却水供給管１００から熱交換器９６に供給される冷却水量Ｑｍａｐが、マップに基づいて制御される（ステップＳ４）。このため、高圧水素供給配管２４に沿って熱交換器９６に導入される高圧水素は、冷却水との間で熱交換が行われ、所望の水素濃度に除湿される水素温度（図５参照）まで冷却される。
【００５８】
次に、高圧水素は、ペルチェ除湿器９４に送られる。このペルチェ除湿器９４では、可変電源９７による印加電流値が、電流可変手段１１２によりペルチェ消費電力Ｗｍａｐ（図３のマップ）によって制御される（ステップＳ４）。従って、高圧水素は、ペルチェ除湿器９４により所定の水分濃度に対応する水素温度に冷却され、所望の湿度まで除湿されてドライ水素が得られる。
【００５９】
ドライ水素は、凝縮器１１８及び背圧弁１２０に流通し、設定圧力まで上昇した後、前記背圧弁１２０の開放作用下に、製造水素として図示しない燃料電池自動車等に供給される。
【００６０】
これにより、高圧水素製造装置１２は、定常運転に移行し（ステップＳ５）、電解運転が停止されることにより（ステップＳ６）、水電解システム１０による運転が終了される。
【００６１】
この場合、第１の実施形態では、高圧水素供給配管２４には、高圧水素の湿度を調整するため、前記高圧水素の温度を可変に制御することが可能な冷却装置２６が設けられている。このため、昇圧中であって、圧力が変化していく場合や、何らかの要因で高圧水素供給配管２４の圧力が低下した場合であっても、検知された圧力に応じて必要最低限の冷却を行うことができる。従って、無駄に冷却を行うことがなく、システム全体の効率の向上を図ることが可能になる。
【００６２】
しかも、無駄に電力を消費することがなく、且つ吸着剤の交換が不要になり、経済性及び利便性の向上を図ることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、水電解システム１０全体のシステム効率の向上を容易に図ることが可能になるという効果がある。
【００６３】
さらに、冷却装置２６は、ペルチェ除湿器９４と、前記ペルチェ除湿器９４の上流側に配置される熱交換器９６とを備えている。従って、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐを検知することで、図３に示すマップに基づいて、熱交換用冷却水量Ｑｍａｐ及びペルチェ除湿器９４のペルチェ消費電力Ｗｍａｐを可変制御させることができる。
【００６４】
これにより、高圧水素は、所望の水分濃度まで除湿させることができる最小限の冷却水量や消費電力により制御することが可能になり、システム効率を大幅に向上させることが可能になるという利点が得られる。
【００６５】
しかも、ペルチェ除湿器９４の上流側に、熱交換器９６が配置されている。このため、熱交換器９６により高圧水素中の水分を略除去した後、前記高圧水素がペルチェ除湿器９４に送られる。従って、ペルチェ除湿器９４での電力消費量を良好に抑制することが可能になる。
【００６６】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１３０の概略構成説明図である。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。
【００６７】
水電解システム１３０は、制御部１３２を備えるとともに、前記制御部１３２は、高圧水素製造装置１２の電解電流値Ａを検知する電流検知手段１３４を設ける。高圧水素製造装置１２では、電解電源４０に電解電流値を検出するための電流検出センサ１３６が装着される。
【００６８】
このように構成される水電解システム１３０の動作について、図７に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００６９】
この第２の実施形態では、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが一定である際に、電解電流値Ａと冷却水量Ｑ及びペルチェ消費電力Ｗとの関係が、図８に示すマップとして予め作成される。
【００７０】
すなわち、電解電流値Ａを変化させることにより、製造される水素量が可変となる。このため、電解電流値Ａが大きくなる程、水素製造量が増加し、これに伴って冷却水量Ｑ及びペルチェ消費電力Ｗを増加させる。
【００７１】
そこで、水電解システム１３０では、高圧水素製造装置１２による水電解処理が開始され（ステップＳ１１）、電解電流値Ａで水電解が行われる（ステップＳ１２）。圧力検出手段１１０では、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが検出される。そして、検出された圧力Ｐが一定であると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。
【００７２】
このステップＳ１４では、電流検知手段１３４により、電解電源４０に装着された電流検出センサ１３６を介して電解電流値Ａが検知される。従って、図８に示すように、検出された電解電流値Ａに対応する熱交換器９６の冷却水量Ｑｍａｐ及びペルチェ除湿器９４のペルチェ消費電力Ｗｍａｐに沿って制御される（ステップＳ１５）。さらに、水電解システム１３０が定常運転に移行した後（ステップＳ１６）、電解処理が停止される（ステップＳ１７）。
【００７３】
この場合、第２の実施形態では、高圧水素の圧力Ｐが一定に維持されている際、電解電流値Ａの変化に伴って製造量が変動する高圧水素に応じた除湿処理が、最小限の冷却水量Ｑ及び最小限のペルチェ消費電力Ｗで制御されている。これにより、水電解システム１３０全体のシステム効率が大幅に向上できる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１５０の概略構成説明図である。
【００７５】
水電解システム１５０は、冷却装置１５２及び制御部１５４を備える。冷却装置１５２は、ペルチェ除湿器９４のみを設けるとともに、制御部１５４は、圧力検出手段１１０及び電流可変手段１１２を有している。水電解システム１５０では、熱交換器９６及び冷却水量可変手段１１４を用いていない。
【００７６】
この第３の実施形態では、図１０に示すフローチャートに沿って、ステップＳ２１〜ステップＳ２６の処理が行われる。その際、高圧水素製造装置１２のカソード側の圧力Ｐが検知され（ステップＳ２３）、この圧力Ｐに基づいて、ペルチェ消費電力Ｗｍａｐが読み取られ、ペルチェ除湿器９４の印加電流が制御される（ステップＳ２４）。
【００７７】
これにより、第３の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、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。
【００７８】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る水電解システム１６０の概略構成説明図である。
【００７９】
水電解システム１６０は、冷却装置１６２及び制御部１６４を備える。冷却装置１６２は、熱交換器９６のみを設けるとともに、制御部１６４は、圧力検出手段１１０及び冷却水量可変手段１１４を有する。水電解システム１６０では、ペルチェ除湿器９４及び電流可変手段１１２を用いていない。
【００８０】
この第４の実施形態では、図１２に示すフローチャートに沿って、ステップＳ３１〜ステップＳ３６の処理が行われる。その際、検出圧力Ｐに基づいて、マップから冷却水量Ｑｍａｐが読み取られ、これによって熱交換器９６が制御される（ステップＳ３４）。
【００８１】
このため、第４の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る水電解システム１７０の概略構成説明図である。
【００８３】
水電解システム１７０は、冷却装置１７２と制御部１７４とを備える。冷却装置１７２は、ペルチェ除湿器９４のみを有するとともに、制御部１７４は、冷却水量可変手段１１４を用いていない。
【００８４】
水電解システム１７０では、図１４に示すフローチャートに沿って、ステップＳ４１〜ステップＳ４７の処理が行われる。その際、検知された電解電流値Ａに対応するペルチェ消費電力Ｗｍａｐが読み取られ、これによってペルチェ除湿器９４が制御される（ステップＳ４５）。
【００８５】
従って、第５の実施形態では、除湿剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る水電解システム１８０の概略構成説明図である。
【００８７】
水電解システム１８０は、冷却装置１８２及び制御部１８４を備える。冷却装置１８２は、熱交換器９６のみを有するとともに、制御部１８４は、電流可変手段１１２を不要にする。
【００８８】
この第６の実施形態では、図１６に示すフローチャートに沿って、ステップＳ５１〜ステップＳ５７の処理が行われる。その際、検知された電解電流値Ａに基づいて、マップから冷却水量Ｑｍａｐが読み取られ、熱交換器９６の制御が行われる（ステップＳ５５）。
【００８９】
従って、第６の実施形態では、吸着剤の交換が不要になり、メンテナンス性が向上するとともに、無駄な電力消費を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９０】
なお、ドライ水素を一層確実に得るために、ペルチェ除湿器９４の下流に吸着器を配設することも可能である。その際、ペルチェ除湿器９４により殆どの水分が除去されるため、従来の構成に比べて、吸着剤の交換頻度を著しく低下させることができるとともに、システム全体の小型化が可能になる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１３０、１５０、１６０、１７０、１８０…水電解システム
１２…高圧水素製造装置 １４…水貯留装置
１６…水循環装置 １８…水供給装置
２０…水素配管 ２２…気液分離装置
２４…高圧水素供給配管
２６、１５２、１６２、１７２、１８２…冷却装置
２８、１３２、１５４、１６４、１７４、１８４…制御部
３０…単位セル 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 ８８…タンク部
９４…ペルチェ除湿器 ９６…熱交換器
９７…可変電源 １００…冷却水供給管
１０２…冷却水排出管 １０４…流量調整弁
１１０…圧力検出手段 １１２…電流可変手段
１１４…冷却水量可変手段 １１６…圧力センサ
１２０…背圧弁 １３４…電流検知手段
１３６…電流検出センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、
前記高圧水素製造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、
水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管と、
を備える水電解システムであって、
前記高圧水素供給配管には、前記高圧水素の湿度を調整するために、該高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置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、前記冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
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記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項６】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項７】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項８】
請求項４又は７記載の水電解システムにおいて、前記ペルチェ素子の上流に前記熱交換器が配置されることを特徴とする水電解システム。
【請求項１】
水を電気分解してアノード側に酸素とカソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる高圧水素製造装置と、
前記高圧水素製造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、
水が分離された前記高圧水素を、前記気液分離装置から導出する高圧水素供給配管と、
を備える水電解システムであって、
前記高圧水素供給配管には、前記高圧水素の湿度を調整するために、該高圧水素の温度を可変に制御する冷却装置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、前記冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
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記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項４】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置内の前記カソード側の圧力を検知する圧力検知手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
検知された前記圧力に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項５】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項６】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項７】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記冷却装置は、ペルチェ素子及び熱交換器を備えるとともに、
前記水電解システムは、制御部を備え、
前記制御部は、前記高圧水素製造装置の電解電流値を検知する電流検知手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記ペルチェ素子に印加される電流値を可変にする電流可変手段と、
検知された前記電解電流値に基づいて、前記熱交換器に流通させる冷媒体量を可変にする冷媒体量可変手段と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項８】
請求項４又は７記載の水電解システムにおいて、前記ペルチェ素子の上流に前記熱交換器が配置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１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【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】
【公開番号】特開２０１３−４９９０６（Ｐ２０１３−４９９０６Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８８１４（Ｐ２０１１−１８８８１４）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【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３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【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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