水電解装置
【課題】水電解装置において、起動時間を短縮して水素生成効率の向上を可能とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜２２により水を電気分解する水電解セル１１を有する水電解スタック２１と、水電解セル１１の陰極側に水を循環供給する第２循環水経路１７と、第２循環水経路１７を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンク１８と、第２循環水経路１７の水を加圧する第２水供給経路４３と、第２気液分離タンク１８に水素制御弁３３を介して連結される水素取出経路１９と、第２循環水経路１７を循環する水の圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁３３を開放する制御装置２０とを設ける。
【解決手段】固体高分子電解質膜２２により水を電気分解する水電解セル１１を有する水電解スタック２１と、水電解セル１１の陰極側に水を循環供給する第２循環水経路１７と、第２循環水経路１７を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンク１８と、第２循環水経路１７の水を加圧する第２水供給経路４３と、第２気液分離タンク１８に水素制御弁３３を介して連結される水素取出経路１９と、第２循環水経路１７を循環する水の圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁３３を開放する制御装置２０とを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を隔膜として用い、水を電気分解して酸素及び水素を製造可能な水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油や石炭等の化石燃料を使用することにより、大気中に二酸化炭素が放出されることで、地球温暖化につながることが問題となっている。化石燃料の代替であるクリーンなシステムとして燃料電池や水素エンジン等の水素利用が注目されている。水の電気分解（以下、水電解）により水素ガスや酸素ガスを製造する水電解装置は、比較的容易に、且つ、無公害で水素ガスや酸素ガスを製造することが可能である。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載された固体高分子膜型水電解装置では、固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽を設け、この水電解槽の陽極室の固体高分子電解質膜側に水を供給すると共に、陰極室の固体高分子電解質膜側に水を供給する。すると、陽極室内に流入する水が、固体高分子電解質膜により電気分解され、水素イオンがこの膜を通過して陰極室側で水素が発生し、発生した水素は陰極室に供給される循環水と共に気水分離タンクに入り、ここで水素と水とに分離され、水素が回収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２４０８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した固体高分子膜型水電解装置にあっては、陽極室の固体高分子電解質膜側に水を供給し、電気分解された水素イオンが固体高分子電解質膜を通過することで、陰極室側にて水素ガスが発生し、発生した水素ガスが陰極室に供給される循環水と共に循環し、気水分離タンクにて水から水素ガスが分離されて回収されている。この電解装置において、常圧より高い圧力の水素ガスを製造するためには容器内部の循環水を加圧する必要があるが、この場合、水素ガスが循環水に溶存することから、循環水が飽和状態に達するまでの間は水素ガスを安定的に回収することが難しい。そのため、水電解装置を起動してから、気水分離タンクにより水素ガスを分離して回収するまでに長時間を要してしまい、結果として、水電解装置の起動時間が長くなるので、水素ガスを必要とする状況で短時間に安定的に供給することが難しく、生成効率が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、起動時間を短縮して水素生成効率の向上を可能とし、水素ガスを安定して供給する水電解装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の水電解装置は、固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、水電解スタックと電気的に接続された電力供給装置と、前記水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、前記水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、前記第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、前記第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、前記第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、前記第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、前記第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、前記第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら前記水素制御弁を開放する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の水電解装置では、前記第２循環水経路を循環する水における水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段を設け、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記水素制御弁を開放することを特徴としている。
【０００９】
本発明の水電解装置では、前記第２加圧手段は、前記第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、該第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とを有し、前記制御手段は、第２水供給弁を開閉制御して前記第２水供給経路から前記第２循環水経路に供給する水量を調整することで、該第２循環水経路内の圧力を制御することを特徴としている。
【００１０】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、前記第１、第２加圧手段により前記第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、前記電力供給手段による供給電力を上昇させることを特徴としている。
【００１１】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させることを特徴としている。
【００１２】
本発明の水電解装置では、前記第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、前記制御手段は、前記第２加圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、前記水素制御弁を開放することを特徴としている。
【００１３】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を減圧することを特徴としている。
【００１４】
本発明の水電解装置では、前記水電解セル内での水電解運転の停止後、前記制御手段は、前記循環水経路内を密閉状態で保持することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水電解装置によれば、固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁を開放する制御手段とを設けている。
【００１６】
従って、第２加圧手段により第２循環水経路内を加圧して発生した水素ガスを溶存させ、この第２循環水経路内の圧力が所定値を超えたら水素制御弁を開放して水素ガスを取り出すこととなる。そのため、所定圧の水素ガスを取り出すまでの起動時間を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００１７】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、第２循環水経路内の水における水素溶存量が飽和状態となったら水素制御弁を開放するので、発生した水素ガスを飽和状態になるまで溶存させてから取り出すことで、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００１８】
本発明の水電解装置によれば、第２加圧手段を、第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とで構成し、制御手段は、第２水供給弁を開閉制御して第２水供給経路から第２循環水経路に供給する水量を調整することで圧力を制御するので、第２循環水経路内の圧力を迅速に上昇させることができる。
【００１９】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、第１、第２加圧手段により第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、電力供給手段による供給電力を上昇させるので、第２循環水経路内の圧力上昇に応じて水に対して水素ガスを早期に溶存させることができる。
【００２０】
本発明の水電解装置によれば、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させるので、効率的に水素ガスを溶存させることができる。
【００２１】
本発明の水電解装置によれば、第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、制御手段は、第２加圧手段により第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで第２減圧手段により第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、水素制御弁を開放するので、水における水素溶存量を飽和状態まで早期に上昇させることとなり、その後、第２循環水経路内の圧力を運転圧力として水素ガスを取り出すことで、所定圧力及び所定量の水素ガスを安定して取り出すことができる。
【００２２】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、第２減圧手段により第２循環水経路内の圧力を減圧するので、無駄な水素ガスの発生を抑制して効率的に所定圧の水素ガスを確保することができる。
【００２３】
本発明の水電解装置によれば、水電解セル内での水電解運転の停止後、制御手段は、循環水経路内を密閉状態で保持するので、次の起動時には、加圧手段により循環水経路内の圧力を上昇させる必要がなく、起動時間を更に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る水電解装置を表す概略構成図である。
【図２】図２は、実施例１の水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例２に係る水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る水電解装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１に係る水電解装置を表す概略構成図、図２は、実施例１の水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【００２７】
実施例１の水電解装置は、図１に示すように、水電解セル１１と、発電装置（電力供給装置）１２と、充電装置１３と、第１循環水経路１４と、第１気液分離タンク１５と、酸素ガス取出経路１６と、第２循環水経路１７と、第２気液分離タンク１８と、水素ガス取出経路１９と、制御装置２０とから構成されている。また、実施例１の水電解装置では、第１循環水経路１４の水を加圧する第１加圧手段として、第１水供給経路４１と、第１水供給弁４２が設けられている。更に、第２循環水経路１７の水を加圧する第２加圧手段として、第２水供給経路４３と、第１水供給弁４４が設けられている。
【００２８】
水電解セル１１は、水電解スッタク内２１内に、固体高分子電解質膜２２の一方に陽極を配置し、他方に陰極を配置するものであり、水電解セル１１は単数または複数積層して水電解スタック２１内に構成される。水電解セル１１は、固体高分子電解膜により水を電解することで、陽極側２３に酸素ガスを、陰極側２４に水素ガスを発生させるものである。
【００２９】
発電装置１２は、水電解セル１１における固体高分子電解質膜２２に対して電力（電流）を供給するものであり、本実施例では、自然エネルギを利用した電力供給装置として、風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置などが適用される。この場合、夜間に発電が不可能な電力供給装置に対応して、昼間に発電した電力を蓄電する充電装置１３が設けられている。また、発電装置１２としては、系統からの電力を供給することも可能である。制御装置２０は、発電装置１２により得られた電力が入力され、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２へ供給する電力の電流値、電圧値を制御することで、水電解セルの要求値に最適な状態で電力を供給することで水電解を行い、酸素ガス及び水素ガスを発生させることができる。
【００３０】
第１循環水経路１４は、水電解スタック２１に対して水を循環し、水電解セル１１の陽極側２３に水を供給することで、水の電気分解を可能としている。この第１循環水経路１４は、第１気液分離タンク１５に連結されており、この第１循環水経路１４は、水電解スタック２１に対する入口経路１４ａと、水電解スタック２１からの出口経路１４ｂから構成されている。そして、第１循環水経路１４における入口経路１４ａに、第１循環ポンプ３１が設けられている。この場合、第１循環水経路１４と第１気液分離タンク１５により、本発明の第１循環水経路が構成される。
【００３１】
第１気液分離タンク１５は、循環する水に気泡または溶存して存在する酸素ガスを分離して取り出すものであり、上部には、分離した酸素ガスを排出する酸素取出経路１６が連結されている。また、この第１気液分離タンク１５には、フィルタ１５ａが内蔵されており、このフィルタ１５ａにより、水の電気分解により発生して不純物（例えば、溶出金属など）を除去した後、再び、水電解スタック２１に供給する。
【００３２】
第２循環水経路１７は、水電解スタック２１に対して水を循環し、水電解セル１１の陰極側２４に水を供給することで、固体高分子電解膜の冷却と水素ガスの導出を行うことが可能である。この第２循環水経路１７は、第２気液分離タンク１８に連結されており、この第２循環水経路１７は、水電解スタック２１に対する入口経路１７ａと、水電解スタック２１からの出口経路１７ｂから構成されている。そして、第２循環水経路１７における入口経路１７ａに、第２循環ポンプ３２が設けられている。この場合、第２循環水経路１７と第２気液分離タンク１８により、本発明の第２循環水経路が構成される。
【００３３】
第２気液分離タンク１８は、循環する水に気泡または溶存して存在する水素ガスを分離して取り出すものであり、上部には、分離した水素ガスを排出する水素取出経路１９が連結されている。そして、この水素取出経路１９に水素制御弁３３が設けられている。また、この第２気液分離タンク１８には、フィルタ１８ａが内蔵されており、このフィルタ１８ａにより、水の電気分解により発生して不純物（例えば、溶出金属など）を除去した後、再び、水電解スタック２１に供給する。
【００３４】
また、第２循環水経路１７における入口経路１７ａには、補助経路３４を介してバッファタンク３５が連結されており、この補助経路３４には、水排出弁３６が設けられている。このバッファタンク３５は、第２循環水経路１７内の第２気液分離タンク１８の水素ガス量に応じて、一時的に循環水を保持するために用いられる。
【００３５】
第１水供給経路４１は、外部から第１気液分離タンク１５内に水を供給することで、水電解スタック２１の陽極側２３における循環水経路である第１循環水経路１４及び第１気液分離タンク１５の圧力を昇圧制御するものである。そして、この第１水供給経路４１には、第１気液分離タンク１５内に供給する水を調整する水供給弁４２が設けられている。なお、この第１水供給経路４１には、図示しない水供給ポンプが設けられている。また、第１水供給経路４１から供給される水は純水が用いられるが、予め酸素ガスが溶存されている水を流入させてもよい。
【００３６】
第２水供給経路４３は、外部から第２気液分離タンク１８内に水を供給することで、水電解スタック２１の陰極側２３における循環水経路である第２循環水経路１７及び第２気液分離タンク１８の圧力を昇圧制御するものである。そして、この第２水供給経路４３には、第２気液分離タンク１８内に供給する水を調整する水供給弁４４が設けられている。なお、この第２水供給経路４３には、図示しない水供給ポンプが設けられている。また、第２水供給経路４３から供給される水は純水が用いられるが、予め水素ガスが溶存されている水を流入させてもよい。
【００３７】
制御装置２０は、発電装置１２または充電装置１３の電力に応じて、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２への電流値、電圧値を制御可能である。また、制御装置２０は、上述した第１循環ポンプ３１及び第２循環ポンプ３２の吐出圧（ポンプモータの回転数）を調整制御可能であり、水素制御弁３３及び水排出弁３６の開度（０〜１００％）を調整制御可能となっている。更に、制御装置２０は、第１水開閉弁４２及び第２水開閉弁４３の開度（０〜１００％）を調整制御可能となっている。
【００３８】
陰極側の循環水経路には、第２気液分離タンク１８及び第２循環水経路１７内を循環する水の水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段が設けられている。この水素溶存量検出推定手段は、制御装置２０が機能する。即ち、予め計算値や実験値などに基づいて、第２循環水経路１７内を流動する水の圧力と、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２に付与する電流値（水素発生量）に基づいて設定される水素溶存量をマップ化し、このマップを用いて陰極側の循環水における水素溶存量を求めればよい。なお、第２循環水経路１７内における水の圧力は、圧力センサ（圧力検出手段）により検出してもよいし、第２循環ポンプ３２に内蔵される圧力センサ（圧力検出手段）に基づいて推定してもよい。また、水の圧力としては、第２気液分離タンク内に圧力センサ（圧力検出手段）を設置することで検出してもよい。
【００３９】
そして、水電解装置の起動時に、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の循環水における水素溶存量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３を開放し、水素取出経路１９から水素ガスを取り出すようにしている。具体的には、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の循環水における水素溶存量が飽和水素量となったら、水素制御弁３３を開放し、水素取出経路１９から水素ガスを取り出す。この場合、循環水における飽和水素量は、循環水の圧力に応じて変動することから、予め、計算値や実験値に基づいてマップ化し、このマップを用いて飽和水素量を求めればよい。
【００４０】
本実施例にて、上述したように、陰極側の循環水経路の循環水を加圧する第２加圧手段は、第２水供給経路４３からの水の供給量で決まり、第２循環水経路１７及び第２気液分離タンク１８の圧力に応じて第２水供給経路４３に設けられた第２水供給弁４４により制御される。この場合、第２循環水経路１７内の運転圧力は、水素取出経路１９から取り出して使用する水素ガスの圧力に応じて設定される。この陰極側の循環水の圧力は、０．１ＭＰａ〜８０ＭＰａに設定されるのが好ましく、さらに好ましくは１ＭＰａ〜８０ＭＰａに設定される。
【００４１】
なお、陽極側の循環水経路の循環水を加圧する第１加圧手段は、第１水供給経路４１からの水の供給量で決まり、第１循環水経路１４及び第１気液分離タンク１５の圧力に応じて第１水供給経路４１に設けられた第１水供給弁４２により制御される。この場合、第１水供給弁４２は、第２水供給弁４４と同様に制御される。そして、水電解セル１１の効率を安定させるために、陽極側２３と陰極側２４に供給される循環水の圧力は、ほぼ同一に設定される必要があるから、水電解セル１１と連結する陽極側の第１循環水経路１４と陰極側の第２循環水経路１７に流れる循環水の圧力がほぼ均圧に保持されている。本実施例においては、陽極側の循環水と陰極側の循環水の差圧は３０ｋＰａ以下に制御される。
【００４２】
また、本実施例の水電解装置では、水電解セル１１での水電解運転の停止後、制御装置２０は、第２循環水経路１７内を密閉状態で保持するようにしている。即ち、制御装置２０は、水電解セル１１への通電を停止し、各循環ポンプ３１，３２の駆動を停止すると同時に、水素制御弁３３を閉止することで、陰極側の第２循環水経路１７を閉塞空間とする。
【００４３】
ここで、実施例１の水電解装置における起動時の作用について、図２のタイムチャートに基づいて説明する。
【００４４】
水電解装置における起動操作において、図２に示すように、オペレータが、時間ｔ１にて、水電解装置の起動スイッチを入力すると、制御装置２０は、まず、第１、第２水供給弁４２，４４を開放させて、第１、第２の水供給経路４１，４３を介して水電解セル１１の陽極及び陰極の循環水経路１４，１７に水を供給する。それと同時に、第１循環ポンプ３１と第２循環ポンプ３２を稼動させることで循環水を流動させる。更に、水電解セル１１に電力の供給を開始して、水電解セル１１による電解反応を開始する。このとき、水電解セル１１に供給される電流密度は、定常電流密度より高めに設定される。制御装置２０は、水素制御弁３３により水素取出経路１９を閉塞することで、第２循環水経路１７を密閉状態とする。なお、制御装置２０は、水電解セル１１に供給される電流に応じて、第１循環ポンプ３１と第２循環ポンプ３２による循環水の流速を制御している。
【００４５】
制御装置２０により、固体高分子電解質膜２２への電流値、電圧値を制御することで、陽極側２３の循環水が固体高分子電解質膜２２により電気分解される。即ち、水電解セル１１の陽極側２３の固体高分子電解質膜２２に対して水が供給されることで、この固体高分子電解質膜２２の陽極側２３で反応が起こり、酸素ガスと水素イオンが発生する。この水素イオンは、陽極側２３と陰極側２４との電位差により水を伴い、陽極側２３から固体高分子電解質膜２２を通過して陰極側２４に移動し、陰極側２４で反応して、水素ガスが発生する。
【００４６】
制御装置２０は、陽極及び陰極の循環水経路１４，１７の循環水の圧力を監視し、所定の電解圧力になった時間ｔ２にて、第１、第２水供給弁４２，４４を閉じることで、水の流入を停止させる。なお、循環水経路１４，１７の循環水の圧力は、図示しない圧力センサにより検出している。
【００４７】
この場合、第２循環水経路１７の循環水の圧力が定常圧より高圧であることから、水素ガスは循環水に溶け込みやすい。よって、陰極側２３で発生した水素ガスは循環水に溶存した状態で第２循環水経路１７を循環する。
【００４８】
発生した水素ガスが循環水に溶け込んで水素溶存量が増加すると、所定時間で水素溶存量が飽和状態に達し、これ以上は、水素ガスが水に溶存しなくなる。そこで、時間ｔ３にて、第２循環水経路１７の循環水における水素溶存量が飽和状態を超えたら、制御装置２０は、水素制御弁３３を開放する。すると、水素取出経路１９の圧力が上昇し、水素取得量が上昇する。そして、時間ｔ４にて、水素取得量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３の開度を一定とする。これにより所定量、所定圧の水素を安定して取得することができる。
【００４９】
このように実施例１の水電解装置にあっては、固体高分子電解質膜２２により水を電気分解する水電解セル１１を有する水電解スタック２１と、水電解セル１１の陽極側に水を循環供給する第１循環水経路１４と、水電解セル１１の陰極側に水を循環供給する第２循環水経路１７と、第１循環水経路１４を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンク１５と、第２循環水経路１７を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンク１８と、第１循環水経路１４の水を加圧する第１水供給経路４１と、第２循環水経路１７の水を加圧する第２水供給経路４３と、第２気液分離タンク１８に水素制御弁３３を介して連結される水素取出経路１９と、第２循環水経路１７を循環する水の圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁３３を開放する制御装置２０とを設けている。
【００５０】
従って、第２水供給経路４３から第２循環水経路１７内に水を供給することで加圧し、発生した水素ガスを溶存させ、この第２循環水経路１７内の圧力が所定値を超えたら水素制御弁３３を開放して水素ガスを取り出すこととなる。そのため、所定圧の水素ガスを取り出すまでの起動時間を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００５１】
また、実施例１の水電解装置では、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の水における水素溶存量が飽和状態となったら水素制御弁３３を開放する。従って、発生した水素ガスを飽和状態になるまで溶存させてから取り出すことで、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００５２】
また、実施例１の水電解装置では、第２循環水経路１７へ水を供給する第２水供給経路４３に第２水供給弁４４を設け、制御装置２０は、第２水供給弁４４を開閉制御して第２水供給経路４３から第２循環水経路１７に供給する水量を調整することで圧力を制御する。従って、第２循環水経路１７内の圧力を迅速に上昇させることができる。
【００５３】
また、実施例１の水電解装置では、制御装置２０は、第１、第２循環水経路１４，１７内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、供給電力を上昇させる。従って、第２循環水経路内１７の圧力上昇に応じて水に対して水素ガスを早期に溶存させることができる。
【００５４】
また、実施例１の水電解装置では、水素溶存量が飽和状態となったら、供給電力を運転電力まで低下させている。従って、効率的に水素を溶存させることができる。
【００５５】
また、実施例１の水電解装置では、水電解セル１１内での水電解運転の停止後、制御装置２０は、第２循環水経路１７内を圧力を保った密閉状態で保持している。従って、水電解装置の次の起動時には、第２循環水経路１７内の圧力を上昇させる必要がなく、再起動時間を短縮することができる。
【実施例２】
【００５６】
図３は、本発明の実施例２に係る水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。なお、実施例２の水電解装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５７】
実施例２の水電解装置では、図１に示すように、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧した後、水素取出経路１７を開放すると共に、第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで降下させている。また、制御装置２０は、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、水電解セル１１への供給電力を上昇させている。
【００５８】
ここで、実施例２の水電解装置における起動時の作用について、図３のタイムチャートに基づいて説明する。
【００５９】
水電解装置における起動操作において、図３に示すように、オペレータが、時間ｔ１１にて、水電解装置の起動スイッチを入力すると、制御装置２０は、まず、第１、第２水供給弁４２，４４を開放させて、第１、第２の水供給経路４１，４３を介して陽極及び陰極の第１、第２循環水経路１４，１７に水を供給する。それと同時に、第１、第２循環ポンプ３１，３２を稼動させることで一定の循環水を各循環水経路１４，１７に流動させる。更に、水電解セル１１に電力の供給を開始して、水電解セル１１による電解反応を開始する。このとき、水電解セル１１に供給される電流密度は定常電流密度より高めに設定される。制御装置２０は、水素制御弁３３により水素取出経路１９を閉塞することで、第２循環水経路１７を密閉状態とする。なお、制御装置２０は、水電解セル１１に供給される電流に応じて、第１、第２ポンプ３１，３２による循環水の流速を制御している。
【００６０】
制御装置２０は、陽極及び陰極の循環水経路１４，１７の循環水の圧力を監視し、所定の高電解圧力になった時間ｔ１２にて、第１、第２水供給弁４２，４４を閉じることで、水の流入を停止させる。なお、循環水経路１４，１７の循環水の圧力は、図示しない圧力センサにより検出している。この場合、第２循環水経路１７の循環水の圧力が常圧より高圧であり、更に所定の定常運転圧力よりも高圧にしていることから、容易に水素ガスを循環水に溶け込ませることができる。
【００６１】
そして、制御装置２０が、所定の定常運転圧力よりも高圧の圧力状態から減圧した場合に循環水が水素ガスを飽和状態まで溶存しているレベルにあるか計算する。そこで、制御装置２０が、循環水の圧力を減圧した場合に飽和状態であると判断したら、ｔ１３にて、水排出弁３６を開放し、循環水の一部をバッファタンク３５に引き抜き、循環水の圧力を定常運転圧力まで減圧する。なお、バッファタンク３５には、第２循環水経路１７を流れる水素が溶存する高圧の循環水を引き抜くと同時に、気液分離して水素ガスのみを第２循環水経路１７に排出する構造となっている。
【００６２】
そして、第２循環水経路１７の循環水の圧力が所定の定常運転圧力まで減圧されたら、時間ｔ１４にて、制御装置２０は水排出弁３６を閉じ、固体高分子電解質膜２２へ供給する電流値を、定常運転電流値まで低下させる。ここで、循環水が水素ガスの飽和状態となる。
【００６３】
更に、このとき、制御装置２０は、水素制御弁３３を開放する。すると、水素取出経路１９の圧力が上昇し、水素取得量が上昇する。そして、時間ｔ１５にて、水素取得量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３の開度を一定とする。これにより所定量、所定圧の水素を安定して取得することができる。
【００６４】
このように実施例２の水電解装置にあっては、第２循環水経路１７の水を減圧する補助経路３４を設け、制御装置２０は、第２水供給経路４３から第２循環水経路１７内に水を供給して圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで補助経路３４の水排出弁３６を開放して第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで減圧した後、水素制御弁３３を開放するようにしている。
【００６５】
従って、第２循環水経路１７内を高圧運転圧力まで上昇して発生した水素ガスを溶存させ、この水素溶存量が飽和水素量を超えたら、定常運転まで低下して水素取出経路１７から水素ガスを取り出すこととなる。そのため、循環水における溶存水素量を加速して、より短時間で水素を溶存させることができ、その後、第２循環水経路１７内の循環水をバッファタンク３５に引き抜くことで圧力を定常運転圧力して水素を取り出すことで、所定圧力及び所定量の水素ガスを安定して取り出すことができる。また、所定圧の水素ガスを安定して取り出すまでの起動時間（ｔ１１〜ｔ１４）を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００６６】
また、実施例２の水電解装置では、制御装置２０は、水素溶存量が予め設定された所定量となったら、補助経路３４の水排出弁３６を開放して第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで減圧する。従って、循環水の水素溶存量が飽和状態になる直前で第２循環水経路１７を減圧することで、減圧によって循環水の水素溶存量が確実に飽和状態となり、無駄な水素ガスの発生を抑制して効率的に所定圧の水素ガスを確保することができる。
【００６７】
なお、上述の各実施例では、第１、第２加圧手段を、第１、第２水供給経路４１，４３としたが、この構成に限定されるものではない。即ち、第１、第２循環ポンプ３１，３２を適用してもよい。
【００６８】
また、水素溶存手段として、超音波発信器を設け、この超音波発信器により陰極側２４内の水、または、第２循環水経路１７内の循環水や水素ガスに対して、超音波を発信して振動させることで、発生した水素ガスを循環水に溶存させるようにしてもよい。また、水素溶存手段として、高電圧装置を設け、この高電圧装置により固体高分子電解質膜に対して高電圧を印加することで、水素ガスの気泡を非常に微細なマイクロバルーンとし、発生した水素ガスを循環水に溶存させるようにしてもよい。
【００６９】
また、上述の各実施例では、第２循環水経路１７の水における水素溶存量が飽和水素量を超えたら、水素制御弁３３を徐々に開放し、水素取得量が所定量となったら水素制御弁３３の開度を一定としたが、このような制御に限定されるものではない。例えば、第２循環水経路１７の循環水における水素溶存量が飽和水素量を超えたら、水素制御弁３３を直ちに全開とし、水素取得量を早期に所定量となるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る水電解装置は、循環水経路内の循環水の圧力が予め設定された所定量を超えたら水素制御弁を開放することで、起動時間を短縮して水素生成効率の向上を可能とするものであり、いずれの水電解装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１１ 水電解セル
１２ 発電装置（電力供給装置）
１３ 充電装置
１４ 第１循環水経路
１５ 第１気液分離タンク
１６ 酸素取出経路
１７ 第２循環水経路
１８ 第２気液分離タンク
１９ 水素取出経路
２０ 制御装置（制御手段）
２２ 固体高分子電解質膜
２３ 陽極側
２４ 陰極側
３１ 第１循環ポンプ
３２ 第２循環ポンプ
３３ 水素制御弁
３６ 水排出弁（減圧手段）
４１ 第１水供給経路（第１加圧手段）
４２ 第１水供給弁
４３ 第２水供給経路（第２加圧手段）
４４ 第２水供給弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を隔膜として用い、水を電気分解して酸素及び水素を製造可能な水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油や石炭等の化石燃料を使用することにより、大気中に二酸化炭素が放出されることで、地球温暖化につながることが問題となっている。化石燃料の代替であるクリーンなシステムとして燃料電池や水素エンジン等の水素利用が注目されている。水の電気分解（以下、水電解）により水素ガスや酸素ガスを製造する水電解装置は、比較的容易に、且つ、無公害で水素ガスや酸素ガスを製造することが可能である。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載された固体高分子膜型水電解装置では、固体高分子電解質膜によって内部が陽極室と陰極室に区画された水電解槽を設け、この水電解槽の陽極室の固体高分子電解質膜側に水を供給すると共に、陰極室の固体高分子電解質膜側に水を供給する。すると、陽極室内に流入する水が、固体高分子電解質膜により電気分解され、水素イオンがこの膜を通過して陰極室側で水素が発生し、発生した水素は陰極室に供給される循環水と共に気水分離タンクに入り、ここで水素と水とに分離され、水素が回収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２４０８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した固体高分子膜型水電解装置にあっては、陽極室の固体高分子電解質膜側に水を供給し、電気分解された水素イオンが固体高分子電解質膜を通過することで、陰極室側にて水素ガスが発生し、発生した水素ガスが陰極室に供給される循環水と共に循環し、気水分離タンクにて水から水素ガスが分離されて回収されている。この電解装置において、常圧より高い圧力の水素ガスを製造するためには容器内部の循環水を加圧する必要があるが、この場合、水素ガスが循環水に溶存することから、循環水が飽和状態に達するまでの間は水素ガスを安定的に回収することが難しい。そのため、水電解装置を起動してから、気水分離タンクにより水素ガスを分離して回収するまでに長時間を要してしまい、結果として、水電解装置の起動時間が長くなるので、水素ガスを必要とする状況で短時間に安定的に供給することが難しく、生成効率が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、起動時間を短縮して水素生成効率の向上を可能とし、水素ガスを安定して供給する水電解装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の水電解装置は、固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、水電解スタックと電気的に接続された電力供給装置と、前記水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、前記水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、前記第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、前記第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、前記第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、前記第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、前記第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、前記第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら前記水素制御弁を開放する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の水電解装置では、前記第２循環水経路を循環する水における水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段を設け、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記水素制御弁を開放することを特徴としている。
【０００９】
本発明の水電解装置では、前記第２加圧手段は、前記第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、該第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とを有し、前記制御手段は、第２水供給弁を開閉制御して前記第２水供給経路から前記第２循環水経路に供給する水量を調整することで、該第２循環水経路内の圧力を制御することを特徴としている。
【００１０】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、前記第１、第２加圧手段により前記第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、前記電力供給手段による供給電力を上昇させることを特徴としている。
【００１１】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させることを特徴としている。
【００１２】
本発明の水電解装置では、前記第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、前記制御手段は、前記第２加圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、前記水素制御弁を開放することを特徴としている。
【００１３】
本発明の水電解装置では、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を減圧することを特徴としている。
【００１４】
本発明の水電解装置では、前記水電解セル内での水電解運転の停止後、前記制御手段は、前記循環水経路内を密閉状態で保持することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水電解装置によれば、固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁を開放する制御手段とを設けている。
【００１６】
従って、第２加圧手段により第２循環水経路内を加圧して発生した水素ガスを溶存させ、この第２循環水経路内の圧力が所定値を超えたら水素制御弁を開放して水素ガスを取り出すこととなる。そのため、所定圧の水素ガスを取り出すまでの起動時間を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００１７】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、第２循環水経路内の水における水素溶存量が飽和状態となったら水素制御弁を開放するので、発生した水素ガスを飽和状態になるまで溶存させてから取り出すことで、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００１８】
本発明の水電解装置によれば、第２加圧手段を、第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とで構成し、制御手段は、第２水供給弁を開閉制御して第２水供給経路から第２循環水経路に供給する水量を調整することで圧力を制御するので、第２循環水経路内の圧力を迅速に上昇させることができる。
【００１９】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、第１、第２加圧手段により第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、電力供給手段による供給電力を上昇させるので、第２循環水経路内の圧力上昇に応じて水に対して水素ガスを早期に溶存させることができる。
【００２０】
本発明の水電解装置によれば、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させるので、効率的に水素ガスを溶存させることができる。
【００２１】
本発明の水電解装置によれば、第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、制御手段は、第２加圧手段により第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで第２減圧手段により第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、水素制御弁を開放するので、水における水素溶存量を飽和状態まで早期に上昇させることとなり、その後、第２循環水経路内の圧力を運転圧力として水素ガスを取り出すことで、所定圧力及び所定量の水素ガスを安定して取り出すことができる。
【００２２】
本発明の水電解装置によれば、制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、第２減圧手段により第２循環水経路内の圧力を減圧するので、無駄な水素ガスの発生を抑制して効率的に所定圧の水素ガスを確保することができる。
【００２３】
本発明の水電解装置によれば、水電解セル内での水電解運転の停止後、制御手段は、循環水経路内を密閉状態で保持するので、次の起動時には、加圧手段により循環水経路内の圧力を上昇させる必要がなく、起動時間を更に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る水電解装置を表す概略構成図である。
【図２】図２は、実施例１の水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例２に係る水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る水電解装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１に係る水電解装置を表す概略構成図、図２は、実施例１の水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。
【００２７】
実施例１の水電解装置は、図１に示すように、水電解セル１１と、発電装置（電力供給装置）１２と、充電装置１３と、第１循環水経路１４と、第１気液分離タンク１５と、酸素ガス取出経路１６と、第２循環水経路１７と、第２気液分離タンク１８と、水素ガス取出経路１９と、制御装置２０とから構成されている。また、実施例１の水電解装置では、第１循環水経路１４の水を加圧する第１加圧手段として、第１水供給経路４１と、第１水供給弁４２が設けられている。更に、第２循環水経路１７の水を加圧する第２加圧手段として、第２水供給経路４３と、第１水供給弁４４が設けられている。
【００２８】
水電解セル１１は、水電解スッタク内２１内に、固体高分子電解質膜２２の一方に陽極を配置し、他方に陰極を配置するものであり、水電解セル１１は単数または複数積層して水電解スタック２１内に構成される。水電解セル１１は、固体高分子電解膜により水を電解することで、陽極側２３に酸素ガスを、陰極側２４に水素ガスを発生させるものである。
【００２９】
発電装置１２は、水電解セル１１における固体高分子電解質膜２２に対して電力（電流）を供給するものであり、本実施例では、自然エネルギを利用した電力供給装置として、風力発電装置、太陽光発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、海洋温度差発電装置などが適用される。この場合、夜間に発電が不可能な電力供給装置に対応して、昼間に発電した電力を蓄電する充電装置１３が設けられている。また、発電装置１２としては、系統からの電力を供給することも可能である。制御装置２０は、発電装置１２により得られた電力が入力され、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２へ供給する電力の電流値、電圧値を制御することで、水電解セルの要求値に最適な状態で電力を供給することで水電解を行い、酸素ガス及び水素ガスを発生させることができる。
【００３０】
第１循環水経路１４は、水電解スタック２１に対して水を循環し、水電解セル１１の陽極側２３に水を供給することで、水の電気分解を可能としている。この第１循環水経路１４は、第１気液分離タンク１５に連結されており、この第１循環水経路１４は、水電解スタック２１に対する入口経路１４ａと、水電解スタック２１からの出口経路１４ｂから構成されている。そして、第１循環水経路１４における入口経路１４ａに、第１循環ポンプ３１が設けられている。この場合、第１循環水経路１４と第１気液分離タンク１５により、本発明の第１循環水経路が構成される。
【００３１】
第１気液分離タンク１５は、循環する水に気泡または溶存して存在する酸素ガスを分離して取り出すものであり、上部には、分離した酸素ガスを排出する酸素取出経路１６が連結されている。また、この第１気液分離タンク１５には、フィルタ１５ａが内蔵されており、このフィルタ１５ａにより、水の電気分解により発生して不純物（例えば、溶出金属など）を除去した後、再び、水電解スタック２１に供給する。
【００３２】
第２循環水経路１７は、水電解スタック２１に対して水を循環し、水電解セル１１の陰極側２４に水を供給することで、固体高分子電解膜の冷却と水素ガスの導出を行うことが可能である。この第２循環水経路１７は、第２気液分離タンク１８に連結されており、この第２循環水経路１７は、水電解スタック２１に対する入口経路１７ａと、水電解スタック２１からの出口経路１７ｂから構成されている。そして、第２循環水経路１７における入口経路１７ａに、第２循環ポンプ３２が設けられている。この場合、第２循環水経路１７と第２気液分離タンク１８により、本発明の第２循環水経路が構成される。
【００３３】
第２気液分離タンク１８は、循環する水に気泡または溶存して存在する水素ガスを分離して取り出すものであり、上部には、分離した水素ガスを排出する水素取出経路１９が連結されている。そして、この水素取出経路１９に水素制御弁３３が設けられている。また、この第２気液分離タンク１８には、フィルタ１８ａが内蔵されており、このフィルタ１８ａにより、水の電気分解により発生して不純物（例えば、溶出金属など）を除去した後、再び、水電解スタック２１に供給する。
【００３４】
また、第２循環水経路１７における入口経路１７ａには、補助経路３４を介してバッファタンク３５が連結されており、この補助経路３４には、水排出弁３６が設けられている。このバッファタンク３５は、第２循環水経路１７内の第２気液分離タンク１８の水素ガス量に応じて、一時的に循環水を保持するために用いられる。
【００３５】
第１水供給経路４１は、外部から第１気液分離タンク１５内に水を供給することで、水電解スタック２１の陽極側２３における循環水経路である第１循環水経路１４及び第１気液分離タンク１５の圧力を昇圧制御するものである。そして、この第１水供給経路４１には、第１気液分離タンク１５内に供給する水を調整する水供給弁４２が設けられている。なお、この第１水供給経路４１には、図示しない水供給ポンプが設けられている。また、第１水供給経路４１から供給される水は純水が用いられるが、予め酸素ガスが溶存されている水を流入させてもよい。
【００３６】
第２水供給経路４３は、外部から第２気液分離タンク１８内に水を供給することで、水電解スタック２１の陰極側２３における循環水経路である第２循環水経路１７及び第２気液分離タンク１８の圧力を昇圧制御するものである。そして、この第２水供給経路４３には、第２気液分離タンク１８内に供給する水を調整する水供給弁４４が設けられている。なお、この第２水供給経路４３には、図示しない水供給ポンプが設けられている。また、第２水供給経路４３から供給される水は純水が用いられるが、予め水素ガスが溶存されている水を流入させてもよい。
【００３７】
制御装置２０は、発電装置１２または充電装置１３の電力に応じて、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２への電流値、電圧値を制御可能である。また、制御装置２０は、上述した第１循環ポンプ３１及び第２循環ポンプ３２の吐出圧（ポンプモータの回転数）を調整制御可能であり、水素制御弁３３及び水排出弁３６の開度（０〜１００％）を調整制御可能となっている。更に、制御装置２０は、第１水開閉弁４２及び第２水開閉弁４３の開度（０〜１００％）を調整制御可能となっている。
【００３８】
陰極側の循環水経路には、第２気液分離タンク１８及び第２循環水経路１７内を循環する水の水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段が設けられている。この水素溶存量検出推定手段は、制御装置２０が機能する。即ち、予め計算値や実験値などに基づいて、第２循環水経路１７内を流動する水の圧力と、水電解セル１１の固体高分子電解質膜２２に付与する電流値（水素発生量）に基づいて設定される水素溶存量をマップ化し、このマップを用いて陰極側の循環水における水素溶存量を求めればよい。なお、第２循環水経路１７内における水の圧力は、圧力センサ（圧力検出手段）により検出してもよいし、第２循環ポンプ３２に内蔵される圧力センサ（圧力検出手段）に基づいて推定してもよい。また、水の圧力としては、第２気液分離タンク内に圧力センサ（圧力検出手段）を設置することで検出してもよい。
【００３９】
そして、水電解装置の起動時に、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の循環水における水素溶存量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３を開放し、水素取出経路１９から水素ガスを取り出すようにしている。具体的には、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の循環水における水素溶存量が飽和水素量となったら、水素制御弁３３を開放し、水素取出経路１９から水素ガスを取り出す。この場合、循環水における飽和水素量は、循環水の圧力に応じて変動することから、予め、計算値や実験値に基づいてマップ化し、このマップを用いて飽和水素量を求めればよい。
【００４０】
本実施例にて、上述したように、陰極側の循環水経路の循環水を加圧する第２加圧手段は、第２水供給経路４３からの水の供給量で決まり、第２循環水経路１７及び第２気液分離タンク１８の圧力に応じて第２水供給経路４３に設けられた第２水供給弁４４により制御される。この場合、第２循環水経路１７内の運転圧力は、水素取出経路１９から取り出して使用する水素ガスの圧力に応じて設定される。この陰極側の循環水の圧力は、０．１ＭＰａ〜８０ＭＰａに設定されるのが好ましく、さらに好ましくは１ＭＰａ〜８０ＭＰａに設定される。
【００４１】
なお、陽極側の循環水経路の循環水を加圧する第１加圧手段は、第１水供給経路４１からの水の供給量で決まり、第１循環水経路１４及び第１気液分離タンク１５の圧力に応じて第１水供給経路４１に設けられた第１水供給弁４２により制御される。この場合、第１水供給弁４２は、第２水供給弁４４と同様に制御される。そして、水電解セル１１の効率を安定させるために、陽極側２３と陰極側２４に供給される循環水の圧力は、ほぼ同一に設定される必要があるから、水電解セル１１と連結する陽極側の第１循環水経路１４と陰極側の第２循環水経路１７に流れる循環水の圧力がほぼ均圧に保持されている。本実施例においては、陽極側の循環水と陰極側の循環水の差圧は３０ｋＰａ以下に制御される。
【００４２】
また、本実施例の水電解装置では、水電解セル１１での水電解運転の停止後、制御装置２０は、第２循環水経路１７内を密閉状態で保持するようにしている。即ち、制御装置２０は、水電解セル１１への通電を停止し、各循環ポンプ３１，３２の駆動を停止すると同時に、水素制御弁３３を閉止することで、陰極側の第２循環水経路１７を閉塞空間とする。
【００４３】
ここで、実施例１の水電解装置における起動時の作用について、図２のタイムチャートに基づいて説明する。
【００４４】
水電解装置における起動操作において、図２に示すように、オペレータが、時間ｔ１にて、水電解装置の起動スイッチを入力すると、制御装置２０は、まず、第１、第２水供給弁４２，４４を開放させて、第１、第２の水供給経路４１，４３を介して水電解セル１１の陽極及び陰極の循環水経路１４，１７に水を供給する。それと同時に、第１循環ポンプ３１と第２循環ポンプ３２を稼動させることで循環水を流動させる。更に、水電解セル１１に電力の供給を開始して、水電解セル１１による電解反応を開始する。このとき、水電解セル１１に供給される電流密度は、定常電流密度より高めに設定される。制御装置２０は、水素制御弁３３により水素取出経路１９を閉塞することで、第２循環水経路１７を密閉状態とする。なお、制御装置２０は、水電解セル１１に供給される電流に応じて、第１循環ポンプ３１と第２循環ポンプ３２による循環水の流速を制御している。
【００４５】
制御装置２０により、固体高分子電解質膜２２への電流値、電圧値を制御することで、陽極側２３の循環水が固体高分子電解質膜２２により電気分解される。即ち、水電解セル１１の陽極側２３の固体高分子電解質膜２２に対して水が供給されることで、この固体高分子電解質膜２２の陽極側２３で反応が起こり、酸素ガスと水素イオンが発生する。この水素イオンは、陽極側２３と陰極側２４との電位差により水を伴い、陽極側２３から固体高分子電解質膜２２を通過して陰極側２４に移動し、陰極側２４で反応して、水素ガスが発生する。
【００４６】
制御装置２０は、陽極及び陰極の循環水経路１４，１７の循環水の圧力を監視し、所定の電解圧力になった時間ｔ２にて、第１、第２水供給弁４２，４４を閉じることで、水の流入を停止させる。なお、循環水経路１４，１７の循環水の圧力は、図示しない圧力センサにより検出している。
【００４７】
この場合、第２循環水経路１７の循環水の圧力が定常圧より高圧であることから、水素ガスは循環水に溶け込みやすい。よって、陰極側２３で発生した水素ガスは循環水に溶存した状態で第２循環水経路１７を循環する。
【００４８】
発生した水素ガスが循環水に溶け込んで水素溶存量が増加すると、所定時間で水素溶存量が飽和状態に達し、これ以上は、水素ガスが水に溶存しなくなる。そこで、時間ｔ３にて、第２循環水経路１７の循環水における水素溶存量が飽和状態を超えたら、制御装置２０は、水素制御弁３３を開放する。すると、水素取出経路１９の圧力が上昇し、水素取得量が上昇する。そして、時間ｔ４にて、水素取得量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３の開度を一定とする。これにより所定量、所定圧の水素を安定して取得することができる。
【００４９】
このように実施例１の水電解装置にあっては、固体高分子電解質膜２２により水を電気分解する水電解セル１１を有する水電解スタック２１と、水電解セル１１の陽極側に水を循環供給する第１循環水経路１４と、水電解セル１１の陰極側に水を循環供給する第２循環水経路１７と、第１循環水経路１４を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンク１５と、第２循環水経路１７を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンク１８と、第１循環水経路１４の水を加圧する第１水供給経路４１と、第２循環水経路１７の水を加圧する第２水供給経路４３と、第２気液分離タンク１８に水素制御弁３３を介して連結される水素取出経路１９と、第２循環水経路１７を循環する水の圧力が予め設定された所定値を超えたら水素制御弁３３を開放する制御装置２０とを設けている。
【００５０】
従って、第２水供給経路４３から第２循環水経路１７内に水を供給することで加圧し、発生した水素ガスを溶存させ、この第２循環水経路１７内の圧力が所定値を超えたら水素制御弁３３を開放して水素ガスを取り出すこととなる。そのため、所定圧の水素ガスを取り出すまでの起動時間を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００５１】
また、実施例１の水電解装置では、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の水における水素溶存量が飽和状態となったら水素制御弁３３を開放する。従って、発生した水素ガスを飽和状態になるまで溶存させてから取り出すことで、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００５２】
また、実施例１の水電解装置では、第２循環水経路１７へ水を供給する第２水供給経路４３に第２水供給弁４４を設け、制御装置２０は、第２水供給弁４４を開閉制御して第２水供給経路４３から第２循環水経路１７に供給する水量を調整することで圧力を制御する。従って、第２循環水経路１７内の圧力を迅速に上昇させることができる。
【００５３】
また、実施例１の水電解装置では、制御装置２０は、第１、第２循環水経路１４，１７内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、供給電力を上昇させる。従って、第２循環水経路内１７の圧力上昇に応じて水に対して水素ガスを早期に溶存させることができる。
【００５４】
また、実施例１の水電解装置では、水素溶存量が飽和状態となったら、供給電力を運転電力まで低下させている。従って、効率的に水素を溶存させることができる。
【００５５】
また、実施例１の水電解装置では、水電解セル１１内での水電解運転の停止後、制御装置２０は、第２循環水経路１７内を圧力を保った密閉状態で保持している。従って、水電解装置の次の起動時には、第２循環水経路１７内の圧力を上昇させる必要がなく、再起動時間を短縮することができる。
【実施例２】
【００５６】
図３は、本発明の実施例２に係る水電解装置における起動時の状態変化を表すタイムチャートである。なお、実施例２の水電解装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５７】
実施例２の水電解装置では、図１に示すように、制御装置２０は、第２循環水経路１７内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧した後、水素取出経路１７を開放すると共に、第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで降下させている。また、制御装置２０は、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、水電解セル１１への供給電力を上昇させている。
【００５８】
ここで、実施例２の水電解装置における起動時の作用について、図３のタイムチャートに基づいて説明する。
【００５９】
水電解装置における起動操作において、図３に示すように、オペレータが、時間ｔ１１にて、水電解装置の起動スイッチを入力すると、制御装置２０は、まず、第１、第２水供給弁４２，４４を開放させて、第１、第２の水供給経路４１，４３を介して陽極及び陰極の第１、第２循環水経路１４，１７に水を供給する。それと同時に、第１、第２循環ポンプ３１，３２を稼動させることで一定の循環水を各循環水経路１４，１７に流動させる。更に、水電解セル１１に電力の供給を開始して、水電解セル１１による電解反応を開始する。このとき、水電解セル１１に供給される電流密度は定常電流密度より高めに設定される。制御装置２０は、水素制御弁３３により水素取出経路１９を閉塞することで、第２循環水経路１７を密閉状態とする。なお、制御装置２０は、水電解セル１１に供給される電流に応じて、第１、第２ポンプ３１，３２による循環水の流速を制御している。
【００６０】
制御装置２０は、陽極及び陰極の循環水経路１４，１７の循環水の圧力を監視し、所定の高電解圧力になった時間ｔ１２にて、第１、第２水供給弁４２，４４を閉じることで、水の流入を停止させる。なお、循環水経路１４，１７の循環水の圧力は、図示しない圧力センサにより検出している。この場合、第２循環水経路１７の循環水の圧力が常圧より高圧であり、更に所定の定常運転圧力よりも高圧にしていることから、容易に水素ガスを循環水に溶け込ませることができる。
【００６１】
そして、制御装置２０が、所定の定常運転圧力よりも高圧の圧力状態から減圧した場合に循環水が水素ガスを飽和状態まで溶存しているレベルにあるか計算する。そこで、制御装置２０が、循環水の圧力を減圧した場合に飽和状態であると判断したら、ｔ１３にて、水排出弁３６を開放し、循環水の一部をバッファタンク３５に引き抜き、循環水の圧力を定常運転圧力まで減圧する。なお、バッファタンク３５には、第２循環水経路１７を流れる水素が溶存する高圧の循環水を引き抜くと同時に、気液分離して水素ガスのみを第２循環水経路１７に排出する構造となっている。
【００６２】
そして、第２循環水経路１７の循環水の圧力が所定の定常運転圧力まで減圧されたら、時間ｔ１４にて、制御装置２０は水排出弁３６を閉じ、固体高分子電解質膜２２へ供給する電流値を、定常運転電流値まで低下させる。ここで、循環水が水素ガスの飽和状態となる。
【００６３】
更に、このとき、制御装置２０は、水素制御弁３３を開放する。すると、水素取出経路１９の圧力が上昇し、水素取得量が上昇する。そして、時間ｔ１５にて、水素取得量が予め設定された所定量を超えたら、水素制御弁３３の開度を一定とする。これにより所定量、所定圧の水素を安定して取得することができる。
【００６４】
このように実施例２の水電解装置にあっては、第２循環水経路１７の水を減圧する補助経路３４を設け、制御装置２０は、第２水供給経路４３から第２循環水経路１７内に水を供給して圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで補助経路３４の水排出弁３６を開放して第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで減圧した後、水素制御弁３３を開放するようにしている。
【００６５】
従って、第２循環水経路１７内を高圧運転圧力まで上昇して発生した水素ガスを溶存させ、この水素溶存量が飽和水素量を超えたら、定常運転まで低下して水素取出経路１７から水素ガスを取り出すこととなる。そのため、循環水における溶存水素量を加速して、より短時間で水素を溶存させることができ、その後、第２循環水経路１７内の循環水をバッファタンク３５に引き抜くことで圧力を定常運転圧力して水素を取り出すことで、所定圧力及び所定量の水素ガスを安定して取り出すことができる。また、所定圧の水素ガスを安定して取り出すまでの起動時間（ｔ１１〜ｔ１４）を短縮することができ、水素生成効率を向上することができると共に、所定圧の水素ガスを安定して確保することができる。
【００６６】
また、実施例２の水電解装置では、制御装置２０は、水素溶存量が予め設定された所定量となったら、補助経路３４の水排出弁３６を開放して第２循環水経路１７内の圧力を運転圧力まで減圧する。従って、循環水の水素溶存量が飽和状態になる直前で第２循環水経路１７を減圧することで、減圧によって循環水の水素溶存量が確実に飽和状態となり、無駄な水素ガスの発生を抑制して効率的に所定圧の水素ガスを確保することができる。
【００６７】
なお、上述の各実施例では、第１、第２加圧手段を、第１、第２水供給経路４１，４３としたが、この構成に限定されるものではない。即ち、第１、第２循環ポンプ３１，３２を適用してもよい。
【００６８】
また、水素溶存手段として、超音波発信器を設け、この超音波発信器により陰極側２４内の水、または、第２循環水経路１７内の循環水や水素ガスに対して、超音波を発信して振動させることで、発生した水素ガスを循環水に溶存させるようにしてもよい。また、水素溶存手段として、高電圧装置を設け、この高電圧装置により固体高分子電解質膜に対して高電圧を印加することで、水素ガスの気泡を非常に微細なマイクロバルーンとし、発生した水素ガスを循環水に溶存させるようにしてもよい。
【００６９】
また、上述の各実施例では、第２循環水経路１７の水における水素溶存量が飽和水素量を超えたら、水素制御弁３３を徐々に開放し、水素取得量が所定量となったら水素制御弁３３の開度を一定としたが、このような制御に限定されるものではない。例えば、第２循環水経路１７の循環水における水素溶存量が飽和水素量を超えたら、水素制御弁３３を直ちに全開とし、水素取得量を早期に所定量となるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る水電解装置は、循環水経路内の循環水の圧力が予め設定された所定量を超えたら水素制御弁を開放することで、起動時間を短縮して水素生成効率の向上を可能とするものであり、いずれの水電解装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１１ 水電解セル
１２ 発電装置（電力供給装置）
１３ 充電装置
１４ 第１循環水経路
１５ 第１気液分離タンク
１６ 酸素取出経路
１７ 第２循環水経路
１８ 第２気液分離タンク
１９ 水素取出経路
２０ 制御装置（制御手段）
２２ 固体高分子電解質膜
２３ 陽極側
２４ 陰極側
３１ 第１循環ポンプ
３２ 第２循環ポンプ
３３ 水素制御弁
３６ 水排出弁（減圧手段）
４１ 第１水供給経路（第１加圧手段）
４２ 第１水供給弁
４３ 第２水供給経路（第２加圧手段）
４４ 第２水供給弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、
水電解スタックと電気的に接続された電力供給装置と、
前記水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、
前記水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、
前記第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、
前記第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、
前記第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、
前記第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、
前記第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、
前記第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら前記水素制御弁を開放する制御手段と、
を備えることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
前記第２循環水経路を循環する水における水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段を設け、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記水素制御弁を開放することを特徴とする請求項１に記載の水電解装置。
【請求項３】
前記第２加圧手段は、前記第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、該第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とを有し、前記制御手段は、前記第２水供給弁を開閉制御して前記第２水供給経路から前記第２循環水経路に供給する水量を調整することで、該第２循環水経路内の圧力を制御することを特徴とする請求項２に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１、第２加圧手段により前記第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、前記電力供給手段による供給電力を上昇させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の水電解装置。
【請求項５】
前記制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させることを特徴とする請求項４に記載の水電解装置。
【請求項６】
前記第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、前記制御手段は、前記第２加圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、前記水素制御弁を開放することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の水電解装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を減圧することを特徴とする請求項６に記載の水電解装置。
【請求項８】
前記水電解セル内での水電解運転の停止後、前記制御手段は、前記循環水経路内を密閉状態で保持することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の水電解装置。
【請求項１】
固体高分子電解質膜により水を電気分解する水電解セルを有する水電解スタックと、
水電解スタックと電気的に接続された電力供給装置と、
前記水電解セルの陽極側に水を循環供給する第１循環水経路と、
前記水電解セルの陰極側に水を循環供給する第２循環水経路と、
前記第１循環水経路を流動する水と酸素ガスを分離する第１気液分離タンクと、
前記第２循環水経路を流動する水と水素ガスを分離する第２気液分離タンクと、
前記第１循環水経路の水を加圧する第１加圧手段と、
前記第２循環水経路の水を加圧する第２加圧手段と、
前記第２気液分離タンクに水素制御弁を介して連結される水素取出経路と、
前記第２循環水経路を循環する水の圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段が検出した圧力が予め設定された所定値を超えたら前記水素制御弁を開放する制御手段と、
を備えることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
前記第２循環水経路を循環する水における水素溶存量を検出または推定する水素溶存量検出推定手段を設け、前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記水素制御弁を開放することを特徴とする請求項１に記載の水電解装置。
【請求項３】
前記第２加圧手段は、前記第２循環水経路に水を供給する第２水供給経路と、該第２水供給経路に設けられる第２水供給弁とを有し、前記制御手段は、前記第２水供給弁を開閉制御して前記第２水供給経路から前記第２循環水経路に供給する水量を調整することで、該第２循環水経路内の圧力を制御することを特徴とする請求項２に記載の水電解装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１、第２加圧手段により前記第１、第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧するとき、前記電力供給手段による供給電力を上昇させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の水電解装置。
【請求項５】
前記制御手段は、水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が飽和状態となったら、前記電力供給手段による供給電力を運転電力まで低下させることを特徴とする請求項４に記載の水電解装置。
【請求項６】
前記第２循環水経路の水を減圧する第２減圧手段を設け、前記制御手段は、前記第２加圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を予め設定された運転圧力よりも高い圧力まで加圧し、予め設定された所定のタイミングで前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を運転圧力まで減圧した後、前記水素制御弁を開放することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の水電解装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記水素溶存量検出推定手段が検出または推定した水素溶存量が予め設定された所定量となったら、前記第２減圧手段により前記第２循環水経路内の圧力を減圧することを特徴とする請求項６に記載の水電解装置。
【請求項８】
前記水電解セル内での水電解運転の停止後、前記制御手段は、前記循環水経路内を密閉状態で保持することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の水電解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−６７６８（Ｐ２０１１−６７６８Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５４２９６（Ｐ２００９−１５４２９６）
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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