JP2012241207A - 水電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離装置から排出される水を、直接、電解処理に使用することにより、水電解システムにおける水供給量に対する水素製造量を良好に増加させることを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解することによって酸素及び高圧水素を製造する差圧式の第１水電解装置１２と、前記第１水電解装置１２から高圧水素配管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、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６と、前記排水ライン２６に配設され、水を電気分解することによって酸素及び高圧水素を製造する差圧式の第２水電解装置２８とを備える。
【選択図】図１

Description

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、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関する。

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。

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。

上記の水電解装置では、高圧（例えば、３５ＭＰａ）の水素を生成する高圧水電解システムが採用されている。このため、水を含んだ高圧水素は、水素気液分離器に導入され、水素と水の分離が行われるとともに、前記水素気液分離器では、内部が高圧に保持された状態で、水（高圧水）を排出させる必要がある。

例えば、特許文献１に開示されている水素生成システムでは、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離部とを備えている。気液分離部は、液水を排出する排水ラインと、水分が除去された高圧水素を送出する水素ラインとを備えるとともに、前記排水ラインには、少なくとも１つの減圧弁と開閉弁とが、排水流れ方向に沿って、順次、配設されている。

従って、開閉弁が閉塞されることにより、気液分離部内の水が増加する一方、前記開閉弁が開放されることにより、前記気液分離部内から排水ラインに排水が開始されている。その際、開閉弁の上流に配置されている減圧弁の作用下に、前記減圧弁の二次側の圧力が設定圧力に減圧されるため、高圧な気液分離部から排水ラインに一気に排水されることがない、としている。

特開２００９−１９１３３３号公報

ところで、上記の水電解システムでは、気液分離装置から排出された水は、純水供給装置に戻されることにより、水電解部に循環されている。その際、純水供給装置には、逆浸透膜（ＲＯ膜）が搭載されており、ＲＯ透過水が増加すると、それに伴ってＲＯ排水も増加してしまう。このため、排水量が比較的多くなるおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置から排出される水を、直接、電解処理に使用することにより、水電解システムにおける水供給量に対する水素製造量を良好に増加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。

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第１水電解装置と、前記第１水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関するものである。

この水電解システムでは、排水ラインには、気液分離装置から排出される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第２水電解装置が設けられている。

また、この水電解システムでは、第１水電解装置は、カチオン交換膜の両側に給電体が配置される一方、第２水電解装置は、アニオン交換膜の両側に給電体が配置されることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、第２水電解装置は、高圧水素を気液分離装置に排出する水素配管を備えることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、第２水電解装置は、気液分離装置内の下限水位よりも下方に配置されることが好ましい。

本発明によれば、第１水電解装置により生成された高圧水素は、電解質膜を透過した透過水を伴って気液分離装置に導入され、水分が分離されて高圧水素導出ラインに導出される。一方、高圧水素から分離された水分は、気液分離装置から排水ラインを介して第２水電解装置に供給される。このため、第２水電解装置では、排水ラインから導入される水を電気分解することにより、高圧水素を生成することができる。

従って、第２水電解装置を設けることにより、気液分離装置から排出される水を、直接、電解処理に使用することが可能になる。これにより、水電解システムへの水供給量に対する水素製造量を良好に増加させることができ、水の効率的な使用が容易に遂行される。

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。 前記水電解システムのカチオン交換膜により電解反応の説明図である。 前記水電解システムのアニオン交換膜により電解反応の説明図である。

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）を製造する差圧式の第１水電解装置（高圧水素製造装置）１２と、前記第１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から高圧水素配管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、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６と、前記排水ライン２６に配設され、水を電気分解することによって酸素及び高圧水素を製造する差圧式の第２水電解装置（高圧水素製造装置）２８とを備える。

第１水電解装置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。単位セル３０は、重力方向（上下方向）又は水平方向に積層される。

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及び端子部３８ｂは、電解電源（直流電源）４０の正極及び負極に電気的に接続される。

単位セル３０は、カチオン交換膜４２と、このカチオン交換膜４２を挟持する給電体４３及び給電体４４と、常圧側（アノード側）セパレータ４６及び高圧側（カソード側）セパレータ４８とを備える。カチオン交換膜４２は、円盤状を有するとともに、その両面に電極触媒層（図示ぜず）が形成される。

常圧側セパレータ４６及び高圧側セパレータ４８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。

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５０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５２と、反応により生成された高圧水素を流すための水素連通孔５４とが設けられる。

常圧側セパレータ４６のカチオン交換膜４２に対向する面には、水供給連通孔５０及び排出連通孔５２に連通する第１流路５６が設けられる。この第１流路５６は、給電体４３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５６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。

高圧側セパレータ４８のカチオン交換膜４２に向かう面には、水素連通孔５４に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、給電体４４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５８には、反応により生成された高圧水素が流通する。

第２水電解装置２８は、第１水電解装置１２と略同様に構成されており、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。

第２水電解装置２８を構成する単位セル３０は、アニオン交換膜６０と、このアニオン交換膜６０を挟持する給電体６２及び給電体６４と、高圧側（カソード側）セパレータ６６及び常圧側（アノード側）セパレータ６８とを備える。アニオン交換膜６０は、円盤状を有するとともに、その両面に電極触媒層（図示ぜず）が形成される。

高圧側セパレータ６６のアニオン交換膜６０に向かう面には、水供給連通孔５０及び水素連通孔５４に連通する第１流路７０が形成される。この第１流路７０は、給電体６２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７０には、反応により生成された高圧水素及び未反応の水が流通する。

常圧側セパレータ６８のアニオン交換膜６０に対向する面には、排出連通孔５２に連通する第２流路７２が設けられる。この第２流路７２は、給電体６４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７２には、反応により生成された酸素及び水が流通する。

水循環装置１６は、第１水電解装置１２の水供給連通孔５０に連通する循環配管７４を備え、この循環配管７４は、循環ポンプ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。

タンク部７８の上部には、戻り配管８０ａ、８０ｂの一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０ａ、８０ｂの各他端部は、第１水電解装置１２及び第２水電解装置２８の各排出連通孔５２に連通する。戻り配管８０ａ、８０ｂ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。

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。

第１水電解装置１２の水素連通孔５４には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が気液分離装置２２に接続される。第２水電解装置２８の水素連通孔５４には、高圧水素配管２０ａの一端が接続され、この高圧水素配管２０ａの他端が気液分離装置２２に接続される。

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導出ライン２４に導出される。高圧水素導出ライン２４には、所定の圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された背圧弁８８が設けられる。

気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。タンク部９０の底部には、排水ライン２６の一端が接続されるとともに、前記排水ライン２６の他端が第２水電解装置２８を構成する水供給連通孔５０に接続される。第２水電解装置２８は、気液分離装置２２内の下限水位よりも下方に配置される。

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。

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。

水循環装置１６では、循環ポンプ７６の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７４を介して第１水電解装置１２の水供給連通孔５０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を介して電圧が付与される。

このため、各単位セル３０では、水供給連通孔５０から常圧側セパレータ４６の第１流路５６に水が供給され、この水が給電体４３内に沿って移動する。従って、図２に示すように、第１流路５６では、４Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻に示す陽極反応が惹起される。この陽極反応により生成された水素イオン（Ｈ^＋）は、カチオン交換膜４２を透過して第２流路５８側に移動し、４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２の反応により、電子と結合して水素が得られる。

これにより、高圧側セパレータ４８と給電体４４との間に形成される第２流路５８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５０よりも高圧に維持されており、水素連通孔５４を流れて第１水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、第１流路５６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５２に沿って水循環装置１６の戻り配管８０ａに排出される。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７６を介して循環配管７４から水供給連通孔５０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。

第１水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管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（膜透過水分）が、この水素から分離されてタンク部９０に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン２４に導出される。

タンク部９０内の水は、高圧状態に維持されたまま排水ライン２６に排水され、第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に供給される。また、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を介して電圧が付与される。

このため、各単位セル３０では、水供給連通孔５０から高圧側セパレータ６６の第１流路７０に水が供給され、この水が給電体６２内に沿って移動する。従って、図３に示すように、第１流路７０では、４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻＋２Ｈ_２に示す陰極反応が惹起され、水素が生成される。この陰極反応により生成された陰イオン（ＯＨ⁻）は、アニオン交換膜６０を透過して第２流路７２側に移動し、４ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２＋４ｅ⁻の反応により、電子を放出して水と酸素とが得られる。

これにより、高圧側セパレータ６６と給電体６２との間に形成される第１流路７０に沿って水素が流動する。この水素は、第２流路７２よりも高圧に維持されており、水素連通孔５４を流れて第２水電解装置２８の外部に取り出し可能となる。

一方、第２流路７２には、反応により生成した酸素及び水が流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５２に沿って水循環装置１６の戻り配管８０ｂに排出される。この生成された水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７６を介して循環配管７４から水供給連通孔５０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。

この場合、本実施形態では、第１水電解装置１２により生成された高圧水素は、カチオン交換膜４２を透過した透過水を伴って気液分離装置２２に導入され、水分が分離されている。そして、高圧水素から分離された水は、気液分離装置２２から排水ライン２６を介して第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に供給されている。このため、第２水電解装置２８では、排水ライン２６から導入される水を電気分解して高圧水素を生成することができる。

従って、第２水電解装置２８を設けることにより、気液分離装置２２から排出される水を、直接、電解処理に使用することが可能になる。これにより、水電解システム１０における水供給量に対する水素製造量を良好に増加させることができ、水の効率的な使用が容易に遂行されるという効果が得られる。

さらに、第１水電解装置１２は、カチオン交換膜４２を用いる一方、第２水電解装置２８は、アニオン交換膜６０を用いている。このため、気液分離装置２２から排出される高圧な水を、第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に、直接、供給することができる。水供給連通孔５０に連通する第１流路７０には、高圧水素が生成されるからである。従って、排水ライン２６には、高圧水を減圧させるために減圧弁等を用いる必要がなく、部品点数を良好に削減することが可能になる。

さらにまた、第２水電解装置２８は、気液分離装置２２内の下限水位よりも下方に配置されている。これにより、気液分離装置２２から第２水電解装置２８に水を重力によって供給することができ、水電解システム１０全体の構成の簡素化が容易に図られる。

１０…水電解システム １２、２８…水電解装置
１４…水貯留装置 １６…水循環装置
１８…水供給装置 ２０…高圧水素配管
２２…気液分離装置 ２４…高圧水素導出ライン
２６…排水ライン ３０…単位セル
４２…カチオン交換膜 ４３、４４、６２、６４…給電体
４６、４８、６６、６８…セパレータ ５０…水供給連通孔
５２…排出連通孔 ５４…水素連通孔
５６、５８、７０、７２…流路 ６０…アニオン交換膜
７４…循環配管 ９０…タンク部

Claims (4)

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第１水電解装置と、
   前記第１水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
   前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
   前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
   を備える水電解システムであって、
   前記排水ラインには、前記気液分離装置から排出される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第２水電解装置が設けられることを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記第１水電解装置は、カチオン交換膜の両側に給電体が配置される一方、
   前記第２水電解装置は、アニオン交換膜の両側に給電体が配置されることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記第２水電解装置は、前記高圧水素を前記気液分離装置に排出する水素配管を備えることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記第２水電解装置は、前記気液分離装置内の下限水位よりも下方に配置されることを特徴とする水電解システム。

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