高圧水電解システム及びその運転方法
【課題】高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行うことを可能にする。
【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第１水素配管５０に配設される第１気液分離器５２と、前記第１気液分離器５２から前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管５４と、前記第１気液分離器５２から水を排出する第１排水配管５６と、前記第１水素配管５０から分岐する第２水素配管５８に配設される第２気液分離器６０と、前記第２気液分離器６０から前記第１高圧水素導出配管５４に前記高圧水素を導出する第２高圧水素導出配管６２と、前記第２気液分離器６０から水を排出する第２排水配管６４と、制御弁装置７８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第１水素配管５０に配設される第１気液分離器５２と、前記第１気液分離器５２から前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管５４と、前記第１気液分離器５２から水を排出する第１排水配管５６と、前記第１水素配管５０から分岐する第２水素配管５８に配設される第２気液分離器６０と、前記第２気液分離器６０から前記第１高圧水素導出配管５４に前記高圧水素を導出する第２高圧水素導出配管６２と、前記第２気液分離器６０から水を排出する第２排水配管６４と、制御弁装置７８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】
例えば、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池では、発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が用いられている。この水素は、水電解装置等の水素製造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、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）の水素が得られる高圧水電解装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離器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器が知られている。この気液分離器は、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おり、溶存水素が無駄に廃棄されてしまう。従って、水素の製造効率が低下してしまい、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、高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行う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第１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第１気液分離器と、前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、制御弁装置とを備える高圧水電解システム及びその運転方法に関するものである。
【００１５】
この高圧水電解システムでは、制御弁装置は、水電解装置、第１水素配管、第１気液分離器及び第１高圧水素導出配管を連通させる第１水素ラインと、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させる脱圧ラインと、前記水電解装置、前記第１水素配管、第２水素配管、前記第２気液分離器、第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第２水素ラインとに切り換え自在に構成されている。
【００１６】
また、この運転方法は、水電解装置、第１水素配管、第１気液分離器及び第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第１気液分離器で気液分離処理を行って前記第１高圧水素導出配管に高圧水素を排出する第１気液分離工程と、前記第１気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器内に導入する第１脱気工程と、前記第１気液分離器内の圧力と前記第２気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第１気液分離器内の水を第１排水配管に排出する一方、前記第１水素配管、第２水素配管、前記第２気液分離器、第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第２気液分離器で気液分離処理を行って前記第２高圧水素導出配管から前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第２気液分離工程と、前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第２気液分離器と前記第１気液分離とを連通させることにより、前記第２気液分離器内の高圧水素を前記第１気液分離器に導入する第２脱気工程と、前記第２気液分離器内の圧力と前記第１気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第２気液分離器内の水を第２排水配管に排出する一方、前記第１気液分離工程を行う工程とを有している。
【００１７】
さらに、この運転方法では、第１排水配管への排水処理が完了する前に、第２気液分離器内の水量が規定量を超えた際には、システム停止処理を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、例えば、第１気液分離器内の水を排出する際、先ず、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器に導入している。このため、第１気液分離器内の高圧水に溶存していた水素は、気化して第２気液分離器に導入される。従って、排水中の溶存水素を有効に回収することができ、経済的である。
【００１９】
しかも、第１気液分離器内が脱圧された後、この第１気液分離器から第１排水配管への排水が開始される。これにより、第１排水配管に配設される弁等の設備の耐久性が良好に向上する。このため、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】
【００２０】
【図１】本発明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】本発明の運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記水電解システムの第１気液分離工程の説明図である。
【図４】前記水電解システムの第１脱気工程の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水及び第２気液分離工程の説明図である。
【図６】前記水電解システムの第２気液分離工程の説明図である。
【図７】前記水電解システムの第２脱気工程の説明図である。
【図８】前記水電解システムの排水及び第１気液分離工程の説明図である。
【図９】特許文献１に開示されている気液分離器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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第１水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記第１水素配管５０の他端は、第１気液分離器５２に接続される。
【００３１】
第１気液分離器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。第１気液分離器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第１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第１排水配管５６とが接続される。
【００３２】
第１水素配管５０の途上から第２水素配管５８が分岐されるとともに、前記第２水素配管５８は、第２気液分離器６０に接続される。
【００３３】
第２気液分離器６０は、水電解装置１２から排出された高圧水素に含まれる水分を分離する機能を有し、前記水が分離された高圧水素を導出する第２高圧水素導出配管６２の一端が接続される。第２高圧水素導出配管６２の他端は、第１高圧水素導出配管５４の途上に合流する。第２気液分離器６０には、貯留されている水を排出するための第２排水配管６４が接続される。
【００３４】
第１気液分離器５２及び第２気液分離器６０は、それぞれ水を貯留するためのタンク部６６、６８を備える。タンク部６６、６８には、前記タンク部６６、６８内の水位ＷＳ１、ＷＳ２が上限高さＨを超えているか否かを検出する一方、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７０ａ、７０ｂと、前記タンク部６６、６８内の圧力を検出する圧力検出センサ７２ａ、７２ｂとが設けられる。
【００３５】
タンク部６６は、水位検出センサ７０ａにより検出される上限高さＨよりも上方に、第１水素配管５０及び第１高圧水素導出配管５４との接続位置が設定される。一方、タンク部６８は、水位検出センサ７０ｂにより検出される上限高さＨよりも上方に、第２水素配管５８及び第２高圧水素導出配管６２との接続位置が設定される。
【００３６】
第１高圧水素導出配管５４には、第２水素配管５８の分岐部位よりも上流に第１背圧弁７４が配置されるとともに、第２高圧水素導出配管６２の合流部位よりも下流に第２背圧弁７６及び逆止弁７７が配置される。第１背圧弁７４の第１設定圧力は、第２背圧弁７６の第２設定圧力よりも高圧に設定される。
【００３７】
水電解システム１０は、制御弁装置７８と、前記制御弁装置７８を含むシステム全体の制御を行うコントローラ８０とを備える。
【００３８】
制御弁装置７８は、第１気液分離器５２の入口及び出口に配置される開閉弁８２ａ、８２ｂと、第１排水配管５６に配置される開閉弁８２ｃと、第２気液分離器６０の入口及び出口に配置される開閉弁８４ａ、８４ｂと、第２排水配管６４に配置される開閉弁８４ｃとを備える。開閉弁８２ａ〜８２ｃ及び開閉弁８４ａ〜８４ｃは、例えば、ソレドエイドバルブが使用される。
【００３９】
開閉弁８２ａは、第１水素配管５０に、第２水素配管５８の分岐部位と第１気液分離器５２ａ入口との間に配置され、開閉弁８２ｂは、第１高圧水素導出配管５４に、第２高圧水素導出配管６２の合流部位と前記第１気液分離器５２の出口との間に配置される。
【００４０】
開閉弁８４ａは、第２水素配管５８に配置されるとともに、開閉弁８４ｂは、第２高圧水素導出配管６２に配置される。この第２高圧水素導出配管６２には、オリフィスやニードル弁等の絞り８６が設けられる。
【００４１】
制御弁装置７８は、後述するように、水電解装置１２、第１水素配管５０、第１気液分離器５２及び第１高圧水素導出配管５４を連通させる第１水素ラインＬ１と、前記第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを連通させる脱圧ラインＬ２と、前記水電解装置１２、前記第１水素配管５０、前記第２水素配管５８、前記第２気液分離器６０、第２高圧水素導出配管６２及び前記第１高圧水素導出配管５４を連通させる第２水素ラインＬ３とに、切り換え自在である。
【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を介して電圧が付与される。
【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、本実施形態に係る運転方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４７】
先ず、水電解装置１２から排出される高圧水素は、第１気液分離器５２に導入されて第１気液分離工程が行われる。具体的には、図３に示すように、制御弁装置７８では、開閉弁８２ａ、８２ｂが開放されるとともに、開閉弁８２ｃ、８４ａ〜８４ｃが閉塞される。すなわち、第１水素ラインＬ１に設定される。
【００４８】
水電解装置１２内で生成される水素の圧力が、第１設定圧力を超えると、第１背圧弁７４が開放される。このため、高圧水素は、第１水素配管５０を通って第１気液分離器５２に送られる。第１気液分離器５２では、高圧水素に含まれる水蒸気（水分）が、この高圧水素から分離されてタンク部６６に貯留される。一方、高圧水素は、第１高圧水素導出配管５４に排出され、第２背圧弁７６の第２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。
【００４９】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６６内の水位ＷＳ１が上昇する。そして、タンク部６６に設けられている水位検出センサ７０ａを介して、前記タンク部６６の水位ＷＳ１が検出される。この水位ＳＷ１が上限設定高さＨを超えたと判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、開閉弁８４ｂが開放される。
【００５０】
このため、図４に示すように、制御弁装置７８は、脱圧ラインＬ２に切り換えられて、第１脱気工程に移行する。この第１脱気工程では、第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とが連通するとともに、前記第２気液分離器６０内の圧力は、前記第１気液分離器５２内の圧力に比べて相当に低圧である。従って、第１気液分離器５２内の高圧水素は、第１高圧水素導出配管５４から第２高圧水素導出配管６２を通って、第２気液分離器６０内に導入される。その際、第２高圧水素導出配管６２に配置されている絞り８６の作用下に、高圧水素が第２気液分離器６０内に急激に導入されることがない。
【００５１】
第１気液分離器５２内の圧力ＰＴ１が減少する一方、第２気液分離器６０内の圧力ＰＴ２が上昇する。圧力ＰＴ１＝圧力ＰＴ２であると判断された際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４及びステップＳ５に進む。
【００５２】
より具体的には、開閉弁８４ａが開放され、且つ、開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞された後（ステップＳ５）、開閉弁８２ｃが開放される（ステップＳ４）。このため、図５に示すように、第１気液分離器５２は、入口及び出口の開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞される一方、第１排水配管５６の開閉弁８２ｃが開放されており、タンク部６６内の水は、前記第１排水配管５６を介して排水される。
【００５３】
タンク部６６内の水位ＷＳ１が、下限設定高さＬ以下となった際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、開閉弁８２ｃが閉塞される。これにより、第１気液分離器５２の排水処理が完了される。
【００５４】
一方、開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞されるとともに、開閉弁８４ａが開放されることにより、図６に示すように、制御弁装置７８は、第２水素ラインＬ３に切り換えられる。従って、水電解装置１２から排出される高圧水素は、第１水素配管５０、第２水素配管５８を介して第２気液分離器６０に送られる。
【００５５】
第２気液分離器６０では、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し、タンク部６８に水を貯留するため、前記タンク部６８内の水位ＷＳ２が上昇する。そして、タンク部６８内のＷＳ２が、上限設定高さＨを超えていると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、開閉弁８２ｂが開放される。
【００５６】
このため、図７に示すように、第２気液分離器６０と第１気液分離器５２とが連通し、前記第２気液分離器６０内の高圧水素は、第２高圧水素導出配管６２及び第１高圧水素導出配管５４を通って、前記第１気液分離器５２に導入される。ステップＳ１０に進んで、第２気液分離器６０内の圧力ＰＴ２が、第１気液分離器５２内の圧力ＰＴ１と等しい値となった際（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１及びステップＳ１２に進む。
【００５７】
ステップＳ１１では、開閉弁８４ｃが開放されるとともに、ステップＳ１２では、開閉弁８２ａが開放され、且つ、開閉弁８４ａ、８４ｂが閉塞される。このため、図８に示すように、第２気液分離器６０は、入口及び出口に配置されている開閉弁８４ａ、８４ｂが閉塞される一方、第２排水配管６４が開放される。従って、この第２気液分離器６０のタンク部６８に貯留されている水は、第２排水配管６４に排水される。
【００５８】
次いで、タンク部６８内の水位ＷＳ２が、下限設定高さＬ以下となった際（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、開閉弁８４ｃが閉塞される。これにより、第２気液分離器６０における排水処理が完了する。
【００５９】
一方、第１気液分離器５２は、入口及び出口の開閉弁８２ａ、８２ｂが開放されており、水電解装置１２から排出される高圧水素は、この第１気液分離器５２に導入される。従って、第１気液分離器５２による第１気液分離工程が再開され、システム停止まで（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、上記の工程が繰り返される。
【００６０】
この場合、本実施形態では、先ず、図３に示すように、水電解装置１２から排出される高圧水素の気液分離処理が、第１気液分離器５２により行われている。そして、第１気液分離器５２のタンク部６６内の水量が、規定上限量（上限設定高さＨ）に達した際、開閉弁８４ｂが開放されて前記第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを連通させている（図４中、脱圧ラインＬ２参照）。
【００６１】
このため、第１気液分離器５２内の高圧水素は、低圧側である第２気液分離器６０内に導入され、前記第１気液分離器５２内に第１脱気工程が施されている。従って、第１気液分離器５２の内圧が低下し、タンク部６６内の高圧水に溶存していた水素は、気化（発泡）して第２気液分離器６０のタンク部６８内に水素ガスとして導入される。これにより、タンク部６６内に貯留されている排水中の溶存水素を有効に回収することができ、経済的であるという効果が得られる。
【００６２】
しかも、第１気液分離器５２内が脱圧（脱気）された後、この第１気液分離器５２から第１排水配管５６への排水処理が開始されている（図５参照）。従って、第１排水配管５６に配置されている開閉弁８２ｃは、入口側と出口側との圧力差が有効に減少されるため、前記開閉弁８２ｃの耐久性が良好に向上する。これにより、経済的且つ効率的な水電解処理が安定して行われるとうい利点がある。
【００６３】
一方、第２気液分離器６０では、上記の第１気液分離器５２と同様の効果が得られる。
【００６４】
さらに、水電解システム１０では、第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを交互に運転させることにより、水電解処理が一層効率的且つ経済的に遂行されるという効果が得られる。
【００６５】
また、本実施形態では、ステップＳ６において、第１気液分離器５２による排水処理が完了する前に（ステップＳ６中、ＮＯの状態）、ステップＳ８において、第２気液分離器６０内の水量が規定上限値を超えていると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、システム停止処理が行われる。処理し得る水量を超えており、第１及び第２気液分離器５２、６０を確実に保護する必要があるからである。
【符号の説明】
【００６６】
１０…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル 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 ４２…水素連通孔
４４、４６…流路 ５０、５８…水素配管
５２、５２ａ、６０…気液分離器 ５４、６２…高圧水素導出配管
５６、６４…排水配管 ６６、６８…タンク部
７０ａ、７０ｂ…水位検出センサ ７２ａ、７２ｂ…圧力検出センサ
７４、７６…背圧弁 ７８…制御弁装置
８０…コントローラ
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ…開閉弁
８６…絞り
【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】
例えば、燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池では、発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が用いられている。この水素は、水電解装置等の水素製造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、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）の水素が得られる高圧水電解装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離器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器が知られている。この気液分離器は、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おり、溶存水素が無駄に廃棄されてしまう。従って、水素の製造効率が低下してしまい、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、高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、経済的且つ効率的な水電解処理を安定して行う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第１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第１気液分離器と、前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、制御弁装置とを備える高圧水電解システム及びその運転方法に関するものである。
【００１５】
この高圧水電解システムでは、制御弁装置は、水電解装置、第１水素配管、第１気液分離器及び第１高圧水素導出配管を連通させる第１水素ラインと、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させる脱圧ラインと、前記水電解装置、前記第１水素配管、第２水素配管、前記第２気液分離器、第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第２水素ラインとに切り換え自在に構成されている。
【００１６】
また、この運転方法は、水電解装置、第１水素配管、第１気液分離器及び第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第１気液分離器で気液分離処理を行って前記第１高圧水素導出配管に高圧水素を排出する第１気液分離工程と、前記第１気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器内に導入する第１脱気工程と、前記第１気液分離器内の圧力と前記第２気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第１気液分離器内の水を第１排水配管に排出する一方、前記第１水素配管、第２水素配管、前記第２気液分離器、第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第２気液分離器で気液分離処理を行って前記第２高圧水素導出配管から前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第２気液分離工程と、前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第２気液分離器と前記第１気液分離とを連通させることにより、前記第２気液分離器内の高圧水素を前記第１気液分離器に導入する第２脱気工程と、前記第２気液分離器内の圧力と前記第１気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第２気液分離器内の水を第２排水配管に排出する一方、前記第１気液分離工程を行う工程とを有している。
【００１７】
さらに、この運転方法では、第１排水配管への排水処理が完了する前に、第２気液分離器内の水量が規定量を超えた際には、システム停止処理を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、例えば、第１気液分離器内の水を排出する際、先ず、前記第１気液分離器と第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器に導入している。このため、第１気液分離器内の高圧水に溶存していた水素は、気化して第２気液分離器に導入される。従って、排水中の溶存水素を有効に回収することができ、経済的である。
【００１９】
しかも、第１気液分離器内が脱圧された後、この第１気液分離器から第１排水配管への排水が開始される。これにより、第１排水配管に配設される弁等の設備の耐久性が良好に向上する。このため、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】
【００２０】
【図１】本発明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】本発明の運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記水電解システムの第１気液分離工程の説明図である。
【図４】前記水電解システムの第１脱気工程の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水及び第２気液分離工程の説明図である。
【図６】前記水電解システムの第２気液分離工程の説明図である。
【図７】前記水電解システムの第２脱気工程の説明図である。
【図８】前記水電解システムの排水及び第１気液分離工程の説明図である。
【図９】特許文献１に開示されている気液分離器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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第１水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記第１水素配管５０の他端は、第１気液分離器５２に接続される。
【００３１】
第１気液分離器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。第１気液分離器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第１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第１排水配管５６とが接続される。
【００３２】
第１水素配管５０の途上から第２水素配管５８が分岐されるとともに、前記第２水素配管５８は、第２気液分離器６０に接続される。
【００３３】
第２気液分離器６０は、水電解装置１２から排出された高圧水素に含まれる水分を分離する機能を有し、前記水が分離された高圧水素を導出する第２高圧水素導出配管６２の一端が接続される。第２高圧水素導出配管６２の他端は、第１高圧水素導出配管５４の途上に合流する。第２気液分離器６０には、貯留されている水を排出するための第２排水配管６４が接続される。
【００３４】
第１気液分離器５２及び第２気液分離器６０は、それぞれ水を貯留するためのタンク部６６、６８を備える。タンク部６６、６８には、前記タンク部６６、６８内の水位ＷＳ１、ＷＳ２が上限高さＨを超えているか否かを検出する一方、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７０ａ、７０ｂと、前記タンク部６６、６８内の圧力を検出する圧力検出センサ７２ａ、７２ｂとが設けられる。
【００３５】
タンク部６６は、水位検出センサ７０ａにより検出される上限高さＨよりも上方に、第１水素配管５０及び第１高圧水素導出配管５４との接続位置が設定される。一方、タンク部６８は、水位検出センサ７０ｂにより検出される上限高さＨよりも上方に、第２水素配管５８及び第２高圧水素導出配管６２との接続位置が設定される。
【００３６】
第１高圧水素導出配管５４には、第２水素配管５８の分岐部位よりも上流に第１背圧弁７４が配置されるとともに、第２高圧水素導出配管６２の合流部位よりも下流に第２背圧弁７６及び逆止弁７７が配置される。第１背圧弁７４の第１設定圧力は、第２背圧弁７６の第２設定圧力よりも高圧に設定される。
【００３７】
水電解システム１０は、制御弁装置７８と、前記制御弁装置７８を含むシステム全体の制御を行うコントローラ８０とを備える。
【００３８】
制御弁装置７８は、第１気液分離器５２の入口及び出口に配置される開閉弁８２ａ、８２ｂと、第１排水配管５６に配置される開閉弁８２ｃと、第２気液分離器６０の入口及び出口に配置される開閉弁８４ａ、８４ｂと、第２排水配管６４に配置される開閉弁８４ｃとを備える。開閉弁８２ａ〜８２ｃ及び開閉弁８４ａ〜８４ｃは、例えば、ソレドエイドバルブが使用される。
【００３９】
開閉弁８２ａは、第１水素配管５０に、第２水素配管５８の分岐部位と第１気液分離器５２ａ入口との間に配置され、開閉弁８２ｂは、第１高圧水素導出配管５４に、第２高圧水素導出配管６２の合流部位と前記第１気液分離器５２の出口との間に配置される。
【００４０】
開閉弁８４ａは、第２水素配管５８に配置されるとともに、開閉弁８４ｂは、第２高圧水素導出配管６２に配置される。この第２高圧水素導出配管６２には、オリフィスやニードル弁等の絞り８６が設けられる。
【００４１】
制御弁装置７８は、後述するように、水電解装置１２、第１水素配管５０、第１気液分離器５２及び第１高圧水素導出配管５４を連通させる第１水素ラインＬ１と、前記第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを連通させる脱圧ラインＬ２と、前記水電解装置１２、前記第１水素配管５０、前記第２水素配管５８、前記第２気液分離器６０、第２高圧水素導出配管６２及び前記第１高圧水素導出配管５４を連通させる第２水素ラインＬ３とに、切り換え自在である。
【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を介して電圧が付与される。
【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、本実施形態に係る運転方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４７】
先ず、水電解装置１２から排出される高圧水素は、第１気液分離器５２に導入されて第１気液分離工程が行われる。具体的には、図３に示すように、制御弁装置７８では、開閉弁８２ａ、８２ｂが開放されるとともに、開閉弁８２ｃ、８４ａ〜８４ｃが閉塞される。すなわち、第１水素ラインＬ１に設定される。
【００４８】
水電解装置１２内で生成される水素の圧力が、第１設定圧力を超えると、第１背圧弁７４が開放される。このため、高圧水素は、第１水素配管５０を通って第１気液分離器５２に送られる。第１気液分離器５２では、高圧水素に含まれる水蒸気（水分）が、この高圧水素から分離されてタンク部６６に貯留される。一方、高圧水素は、第１高圧水素導出配管５４に排出され、第２背圧弁７６の第２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。
【００４９】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６６内の水位ＷＳ１が上昇する。そして、タンク部６６に設けられている水位検出センサ７０ａを介して、前記タンク部６６の水位ＷＳ１が検出される。この水位ＳＷ１が上限設定高さＨを超えたと判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、開閉弁８４ｂが開放される。
【００５０】
このため、図４に示すように、制御弁装置７８は、脱圧ラインＬ２に切り換えられて、第１脱気工程に移行する。この第１脱気工程では、第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とが連通するとともに、前記第２気液分離器６０内の圧力は、前記第１気液分離器５２内の圧力に比べて相当に低圧である。従って、第１気液分離器５２内の高圧水素は、第１高圧水素導出配管５４から第２高圧水素導出配管６２を通って、第２気液分離器６０内に導入される。その際、第２高圧水素導出配管６２に配置されている絞り８６の作用下に、高圧水素が第２気液分離器６０内に急激に導入されることがない。
【００５１】
第１気液分離器５２内の圧力ＰＴ１が減少する一方、第２気液分離器６０内の圧力ＰＴ２が上昇する。圧力ＰＴ１＝圧力ＰＴ２であると判断された際（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４及びステップＳ５に進む。
【００５２】
より具体的には、開閉弁８４ａが開放され、且つ、開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞された後（ステップＳ５）、開閉弁８２ｃが開放される（ステップＳ４）。このため、図５に示すように、第１気液分離器５２は、入口及び出口の開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞される一方、第１排水配管５６の開閉弁８２ｃが開放されており、タンク部６６内の水は、前記第１排水配管５６を介して排水される。
【００５３】
タンク部６６内の水位ＷＳ１が、下限設定高さＬ以下となった際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、開閉弁８２ｃが閉塞される。これにより、第１気液分離器５２の排水処理が完了される。
【００５４】
一方、開閉弁８２ａ、８２ｂが閉塞されるとともに、開閉弁８４ａが開放されることにより、図６に示すように、制御弁装置７８は、第２水素ラインＬ３に切り換えられる。従って、水電解装置１２から排出される高圧水素は、第１水素配管５０、第２水素配管５８を介して第２気液分離器６０に送られる。
【００５５】
第２気液分離器６０では、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し、タンク部６８に水を貯留するため、前記タンク部６８内の水位ＷＳ２が上昇する。そして、タンク部６８内のＷＳ２が、上限設定高さＨを超えていると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、開閉弁８２ｂが開放される。
【００５６】
このため、図７に示すように、第２気液分離器６０と第１気液分離器５２とが連通し、前記第２気液分離器６０内の高圧水素は、第２高圧水素導出配管６２及び第１高圧水素導出配管５４を通って、前記第１気液分離器５２に導入される。ステップＳ１０に進んで、第２気液分離器６０内の圧力ＰＴ２が、第１気液分離器５２内の圧力ＰＴ１と等しい値となった際（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１及びステップＳ１２に進む。
【００５７】
ステップＳ１１では、開閉弁８４ｃが開放されるとともに、ステップＳ１２では、開閉弁８２ａが開放され、且つ、開閉弁８４ａ、８４ｂが閉塞される。このため、図８に示すように、第２気液分離器６０は、入口及び出口に配置されている開閉弁８４ａ、８４ｂが閉塞される一方、第２排水配管６４が開放される。従って、この第２気液分離器６０のタンク部６８に貯留されている水は、第２排水配管６４に排水される。
【００５８】
次いで、タンク部６８内の水位ＷＳ２が、下限設定高さＬ以下となった際（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、開閉弁８４ｃが閉塞される。これにより、第２気液分離器６０における排水処理が完了する。
【００５９】
一方、第１気液分離器５２は、入口及び出口の開閉弁８２ａ、８２ｂが開放されており、水電解装置１２から排出される高圧水素は、この第１気液分離器５２に導入される。従って、第１気液分離器５２による第１気液分離工程が再開され、システム停止まで（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、上記の工程が繰り返される。
【００６０】
この場合、本実施形態では、先ず、図３に示すように、水電解装置１２から排出される高圧水素の気液分離処理が、第１気液分離器５２により行われている。そして、第１気液分離器５２のタンク部６６内の水量が、規定上限量（上限設定高さＨ）に達した際、開閉弁８４ｂが開放されて前記第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを連通させている（図４中、脱圧ラインＬ２参照）。
【００６１】
このため、第１気液分離器５２内の高圧水素は、低圧側である第２気液分離器６０内に導入され、前記第１気液分離器５２内に第１脱気工程が施されている。従って、第１気液分離器５２の内圧が低下し、タンク部６６内の高圧水に溶存していた水素は、気化（発泡）して第２気液分離器６０のタンク部６８内に水素ガスとして導入される。これにより、タンク部６６内に貯留されている排水中の溶存水素を有効に回収することができ、経済的であるという効果が得られる。
【００６２】
しかも、第１気液分離器５２内が脱圧（脱気）された後、この第１気液分離器５２から第１排水配管５６への排水処理が開始されている（図５参照）。従って、第１排水配管５６に配置されている開閉弁８２ｃは、入口側と出口側との圧力差が有効に減少されるため、前記開閉弁８２ｃの耐久性が良好に向上する。これにより、経済的且つ効率的な水電解処理が安定して行われるとうい利点がある。
【００６３】
一方、第２気液分離器６０では、上記の第１気液分離器５２と同様の効果が得られる。
【００６４】
さらに、水電解システム１０では、第１気液分離器５２と第２気液分離器６０とを交互に運転させることにより、水電解処理が一層効率的且つ経済的に遂行されるという効果が得られる。
【００６５】
また、本実施形態では、ステップＳ６において、第１気液分離器５２による排水処理が完了する前に（ステップＳ６中、ＮＯの状態）、ステップＳ８において、第２気液分離器６０内の水量が規定上限値を超えていると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、システム停止処理が行われる。処理し得る水量を超えており、第１及び第２気液分離器５２、６０を確実に保護する必要があるからである。
【符号の説明】
【００６６】
１０…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル 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 ４２…水素連通孔
４４、４６…流路 ５０、５８…水素配管
５２、５２ａ、６０…気液分離器 ５４、６２…高圧水素導出配管
５６、６４…排水配管 ６６、６８…タンク部
７０ａ、７０ｂ…水位検出センサ ７２ａ、７２ｂ…圧力検出センサ
７４、７６…背圧弁 ７８…制御弁装置
８０…コントローラ
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ…開閉弁
８６…絞り
【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第１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第１気液分離器と、
前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、
前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、
前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、
前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、
前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、
制御弁装置と、
を備え、
前記制御弁装置は、前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第１気液分離器及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第１水素ラインと、
前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通させる脱圧ラインと、
前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第２水素配管、前記第２気液分離器、前記第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第２水素ラインと、
に切り換え自在に構成されることを特徴とする高圧水電解システム。
【請求項２】
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第１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第１気液分離器と、
前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、
前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、
前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、
前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、
前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、
制御弁装置と、
を備える高圧水電解システムの運転方法であって、
前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第１気液分離器及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第１気液分離器で気液分離処理を行って前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第１気液分離工程と、
前記第１気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器内に導入する第１脱気工程と、
前記第１気液分離器内の圧力と前記第２気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第１気液分離器内の水を前記第１排水配管に排出する一方、前記第１水素配管、前記第２水素配管、前記第２気液分離器、前記第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第２気液分離器で気液分離処理を行って前記第２高圧水素導出配管から前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第２気液分離工程と、
前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第２気液分離器と前記第１気液分離とを連通させることにより、前記第２気液分離器内の高圧水素を前記第１気液分離器に導入する第２脱気工程と、
前記第２気液分離器内の圧力と前記第１気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第２気液分離器内の水を前記第２排水配管に排出する一方、前記第１気液分離工程を行う工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解システムの運転方法。
【請求項３】
請求項２記載の運転方法において、前記第１排水配管への排水処理が完了する前に、前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えた際には、システム停止処理を行うことを特徴とする高圧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第１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第１気液分離器と、
前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、
前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、
前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、
前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、
前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、
制御弁装置と、
を備え、
前記制御弁装置は、前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第１気液分離器及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第１水素ラインと、
前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通させる脱圧ラインと、
前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第２水素配管、前記第２気液分離器、前記第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させる第２水素ラインと、
に切り換え自在に構成されることを特徴とする高圧水電解システム。
【請求項２】
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第１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第１気液分離器と、
前記第１気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出する第１高圧水素導出配管と、
前記第１気液分離器から水を排出する第１排水配管と、
前記第１水素配管から分岐する第２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第２気液分離器と、
前記第２気液分離器から水が分離された前記高圧水素を導出するとともに、前記第１高圧水素導出配管に合流する第２高圧水素導出配管と、
前記第２気液分離器から水を排出する第２排水配管と、
制御弁装置と、
を備える高圧水電解システムの運転方法であって、
前記水電解装置、前記第１水素配管、前記第１気液分離器及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第１気液分離器で気液分離処理を行って前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第１気液分離工程と、
前記第１気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通させることにより、前記第１気液分離器内の高圧水素を前記第２気液分離器内に導入する第１脱気工程と、
前記第１気液分離器内の圧力と前記第２気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第１気液分離器内の水を前記第１排水配管に排出する一方、前記第１水素配管、前記第２水素配管、前記第２気液分離器、前記第２高圧水素導出配管及び前記第１高圧水素導出配管を連通させることにより、前記第２気液分離器で気液分離処理を行って前記第２高圧水素導出配管から前記第１高圧水素導出配管に前記高圧水素を排出する第２気液分離工程と、
前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えたと判断された際、前記第２気液分離器と前記第１気液分離とを連通させることにより、前記第２気液分離器内の高圧水素を前記第１気液分離器に導入する第２脱気工程と、
前記第２気液分離器内の圧力と前記第１気液分離器内の圧力とが均等になったと判断された際、前記第２気液分離器内の水を前記第２排水配管に排出する一方、前記第１気液分離工程を行う工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解システムの運転方法。
【請求項３】
請求項２記載の運転方法において、前記第１排水配管への排水処理が完了する前に、前記第２気液分離器内の水量が規定量を超えた際には、システム停止処理を行うことを特徴とする高圧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２０１２−１８４４７５（Ｐ２０１２−１８４４７５Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４８４４５（Ｐ２０１１−４８４４５）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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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