WO2024134886A1 - 水電解水素製造システム - Google Patents

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water electrolysis
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electrolysis
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正高 尾関
太 古田
敬司 渡邉
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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a water electrolysis hydrogen production system, and in particular to technology that is effective when applied to a large-scale water electrolysis hydrogen production system that is composed of multiple water electrolysis stacks connected in series.
  • Patent Document 1 discloses "a high-pressure container-type water electrolysis hydrogen generation device that has a simple configuration, is easy to assemble, and is capable of generating large amounts of hydrogen.”
  • Patent Document 1 describes a configuration in which multiple water electrolysis stacks (water electrolytic cells in Patent Document 1) are each connected to an independent power supply, and a configuration in which the water electrolysis stacks are connected in series and then connected to a single power supply.
  • the configuration in which the water electrolysis stacks are connected in series and then connected to a single power supply results in a simpler power supply configuration.
  • Patent Document 2 also discloses a "water electrolysis system that has a simple and compact configuration, does not waste hydrogen dissolved in high-pressure water, and can achieve high efficiency throughout the system.”
  • Patent Document 2 above describes the internal structure of the water electrolysis stack (the electrolysis stack in Patent Document 2), and the electrolysis section where the water electrolysis reaction actually occurs in the water electrolysis stack (the section consisting of terminal sections 38a, 38b and the stacked section of unit cells 30 in Patent Document 2) is electrically insulated from the other sections by insulating sections (insulating plates 34a, 34b), which are provided inside the water electrolysis stack. Note that the electrolysis section is generally electrically grounded from the standpoint of durability and reliability of the entire device.
  • the power supply configuration can be made small and simple by electrically connecting the multiple water electrolysis stacks in series as in Patent Document 1 above.
  • the electrolytic section is insulated from the other sections.
  • the other sections are generally electrically grounded, so they are at a uniform electrical potential.
  • the greater the number of water electrolysis stacks the greater the maximum potential difference (maximum voltage) between the insulated electrolytic parts within the water electrolysis stack and the parts other than the electrolytic parts.
  • the internal insulating parts do not have sufficient insulation performance to ensure insulation against the voltage generated by multiple water electrolysis stacks connected in series.
  • the object of the present invention is to provide a water electrolysis hydrogen production system that is configured by connecting multiple water electrolysis stacks in series and that can ensure sufficient insulation performance for each water electrolysis stack.
  • the present invention provides a water electrolysis hydrogen production system having multiple water electrolysis devices, the water electrolysis devices having a water electrolysis stack that generates hydrogen and oxygen by electrolysis of water, a water supply unit that supplies water to the water electrolysis stack, a water intake unit that takes in water from the outside to the water supply unit, a hydrogen release unit that releases hydrogen generated in the water electrolysis stack to the outside, and an oxygen release unit that releases oxygen generated in the water electrolysis stack to the outside, the water electrolysis stacks of the multiple water electrolysis devices being electrically connected to each other in series, and an insulating member being disposed at the connection between the outside of the device and piping that supplies or releases fluids, including at least the water intake unit, the hydrogen release unit, and the oxygen release unit of the multiple water electrolysis devices.
  • the present invention also provides a water electrolysis hydrogen production system having multiple water electrolysis devices, each of which has a water electrolysis stack that generates hydrogen and oxygen by electrolysis of water, a water supply unit that supplies water to the water electrolysis stack, a water intake unit that takes in water from the outside to the water supply unit, a hydrogen release unit that releases hydrogen generated in the water electrolysis stack to the outside, and an oxygen release unit that releases oxygen generated in the water electrolysis stack to the outside, and each of the water electrolysis stacks of the multiple water electrolysis devices is electrically connected in series with each other, and insulating members are arranged in piping between at least one of the water intake unit, the hydrogen release unit, and the oxygen release unit and the water electrolysis stack.
  • the present invention makes it possible to realize a water electrolysis hydrogen production system that is configured by connecting multiple water electrolysis stacks in series, and that can ensure sufficient insulation performance for each water electrolysis stack.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing the structure of the water electrolysis stack of FIG. 1 . 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing a modified example of an insulating member in the water intake section of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the structure of the water electrolysis stack of FIG. 5 .
  • FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a modified example of the water electrolysis hydrogen production system shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional multi-serial water electrolysis hydrogen production system.
  • Fig. 12 shows the schematic configuration of a conventional multi-series water electrolysis hydrogen production system.
  • Fig. 12 shows an example in which 10 water electrolysis stacks 3 are connected in series.
  • a conventional multi-serial water electrolysis hydrogen production system is configured by electrically connecting water electrolysis stacks 3 in series.
  • a power supply 12 is connected to both ends of the 10 water electrolysis stacks 3 connected in series, and a voltage for the 10 water electrolysis stacks is applied.
  • the voltage for one water electrolysis stack is 0.5 kV
  • a total voltage of 5.0 kV (0.5 kV/stack x 10 stacks) is applied to all 10 water electrolysis stacks 3.
  • the potential on the positive electrode (+) side of the first water electrolysis stack 3 is 2.5 kV
  • the potential on the negative electrode (-) side is 2.0 kV.
  • the potential on the positive electrode (+) side of the tenth water electrolysis stack 3 is -2.0 kV, and the potential on the negative electrode (-) side is -2.5 kV. Current flows from the first water electrolysis stack 3 to the tenth water electrolysis stack 3.
  • Water ( H2O ) taken in from the outside via the water intake unit 4 is sent to the water supply unit 5 of the water electrolysis stack 3 by an electric motor 10 such as a water pump, and is taken into the water electrolysis stack 3 via the water supply unit 5.
  • the water ( H2O ) taken into the water electrolysis stack 3 is decomposed into hydrogen ( H2 ) and oxygen ( O2 ) by a water electrolysis reaction caused by a voltage (0.5 kV) for one water electrolysis stack applied to the water electrolysis stack 3, and these are released to the outside via the hydrogen release unit 6 and the oxygen release unit 7, respectively.
  • oxygen ( O2 ) generated inside the water electrolysis stack 3 is released from the water electrolysis stack 3 as a mixture ( O2 , H2O ) with water ( H2O ) that did not contribute to the reaction.
  • the oxygen ( O2 ) is released to the outside from the oxygen release section 7, and the water ( H2O ) is supplied back into the water electrolysis stack 3 via the water supply section 5.
  • the water electrolysis stack 3 has insulating sections 8 arranged at the locations where pipes that supply or release fluids, such as the water supply section 5, hydrogen release section 6, and oxygen release section 7, are connected, and is insulated from the outside except for the electrode section to which the power source 12 is connected. In addition, all parts except the electrode section to which the power source 12 is connected are grounded (0 kV).
  • the first water electrolysis stack 3 generates a maximum potential difference of 2.5 kV relative to the ground potential (0 kV), and the tenth water electrolysis stack 3 generates a maximum potential difference of -2.5 kV relative to the ground potential (0 kV).
  • the internal insulating part 8 has insulation performance that can normally withstand a self-generated voltage of 0.5 kV.
  • FIG. 1 is a diagram showing the schematic configuration of a water electrolysis hydrogen production system 1 according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of the water electrolysis stack 3 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a modified example of the insulating member 9 in the water intake section 4 shown in FIG. 1.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment is configured with ten water electrolysis devices 2 each having a water electrolysis stack 3.
  • the water electrolysis stacks 3 of each water electrolysis device 2 are electrically connected in series with each other, and a power source 12 is connected to the anode (positive electrode) side of the first water electrolysis stack 3 and the cathode (negative electrode) side of the tenth water electrolysis stack 3.
  • the water electrolysis device 2 mainly comprises a water supply unit 5 that supplies water (H 2 O) to the water electrolysis stack 3, a water intake unit 4 that takes in water (H 2 O) from the outside to the water supply unit 5, a hydrogen release unit 6 that releases hydrogen (H 2 ) generated in the water electrolysis stack 3 to the outside, an oxygen release unit 7 that releases oxygen (O 2 ) generated in the water electrolysis stack 3 to the outside, and a gas-liquid separator 11 that separates a mixture (O 2 , H 2 O) of oxygen (O 2 ) and water (H 2 O) into oxygen (O 2 ) and water ( H 2 O).
  • the water electrolysis device 2 has an insulating member 9 disposed at the connection between the piping that supplies or releases fluid, including the water intake section 4, hydrogen release section 6, and oxygen release section 7, and the outside of the device.
  • the water electrolysis stack 3 is held by clamping the electrolysis section 13, the power supply plate 15, and the insulating section 8 together with end plates 14, and further includes a water supply port 16, a mixing outlet 18, and a hydrogen outlet 17.
  • the electrolysis section 13 of the water electrolysis stack 3 contains a membrane electrode assembly (MEA) consisting of a solid polymer membrane and an anode (positive electrode) and a cathode (negative electrode) on either side of the membrane (negative electrode) (both not shown), and water (H 2 O) is supplied to the anode (positive electrode) through a water supply port 16, and a current is passed from one (left side in FIG. 2 ) of a pair of power supply plates 15 to the other (right side in FIG. 2 ) to cause a water electrolysis reaction in the electrolysis section 13.
  • MEA membrane electrode assembly
  • oxygen (O 2 ) generated at the anode (positive electrode) and water (H 2 O) that did not contribute to the reaction are discharged from a mixture discharge port 18 to the outside of the water electrolysis stack 3, and hydrogen (H 2 ) generated at the cathode (negative electrode) is discharged from a hydrogen discharge port 17 to the outside of the water electrolysis stack 3.
  • the mixture of oxygen ( O2 ) and water ( H2O ) discharged from the mixed discharge port 18 is separated into oxygen ( O2 ) and water ( H2O ) in the gas-liquid separator 11, and then the oxygen ( O2 ) is released from the oxygen release section 7 to the outside of the water electrolysis device 2, and the water ( H2O ) is again supplied from the water supply section 5 to the water electrolysis stack 3 through the water supply port 16.
  • an amount of water ( H2O ) equivalent to the amount consumed in the water electrolysis reaction is taken in from the water intake section 4 and supplied from the water supply section 5 to the water electrolysis stack 3 through the water supply port 16.
  • the water ( H2O ) supplied from the water intake section 4 is pure water or ultrapure water with a resistivity of 1 to 10 M ⁇ cm or more, and within the water electrolysis hydrogen production system 1, the resistivity of the water inside the system is maintained by flowing it through an ion exchange resin (not shown).
  • the pair of power supply plates 15 and the electrolysis section 13 of the water electrolysis stack 3 are electrically insulated from the end plates 14 and other components such as piping by the insulating section 8.
  • the water electrolysis stack 3 generates a voltage of 0.5 kV between a pair of power supply plates 15 during the water electrolysis reaction, so the difference between the maximum and minimum potentials of the 10 water electrolysis stacks 3 connected in series is 5 kV.
  • all insulating members 9 can maintain sufficient insulation between the inside and outside of the water electrolysis device 2 even when a voltage of 5 kV, which is the difference between the maximum and minimum potentials of the water electrolysis stack 3, is applied.
  • All of the components inside the water electrolysis device 2, except for the power supply unit, are electrically insulated from the outside by insulating members 9 and are weakly electrically connected to the water electrolysis stack 3 via water ( H2O ). Therefore, inside each water electrolysis device 2, the components and the electrolysis unit 13 in the water electrolysis stack 3 have approximately the same potential.
  • the potential on the anode (positive electrode) side of the water electrolysis stack 3 inside the first water electrolysis device 2 is 2.5 kV, but the parts connected to the left side of the water electrolysis stack 3, such as the water supply unit 5, also have a potential of approximately 2.5 kV, and the parts connected to the right side of the water electrolysis stack 3 have a potential of 2.0 kV.
  • the water intake section 4 is composed of a water intake tank 19 with an air layer inside and an insulating member 20, and the amount of water taken from the outside is controlled so that the water level in the water intake tank 19 is below the insulating member 20, a situation in which electrical connection is made via water ( H2O ) can be avoided.
  • FIG. 4 is a diagram showing the schematic configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 according to the second embodiment.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from Example 1 (FIG. 1) in that, instead of the insulating member 9 disposed inside the water electrolysis device 2, the housings of all the water electrolysis devices 2 are insulated housings 21. The rest of the configuration is the same as that of Example 1 (FIG. 1).
  • the housings of all water electrolysis devices 2 are constructed from insulating materials, and sufficient insulation can be maintained between the inside and outside of the water electrolysis device 2 even when a voltage of 5 kV, which is the difference between the maximum and minimum potentials of the water electrolysis stack 3, is applied.
  • All of the components inside the water electrolysis device 2 are electrically insulated from the outside by the insulating casing 21 of the water electrolysis device 2, and are weakly electrically connected to the water electrolysis stack 3 via water ( H2O ). Therefore, inside each water electrolysis device 2, the components and the electrolysis unit 13 in the water electrolysis stack 3 have approximately the same potential.
  • FIG. 5 is a diagram showing the schematic configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the structure of the water electrolysis stack 3 of FIG. 5.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from that of Example 1 (FIG. 1) in that, in addition to the configuration of Example 1 (FIG. 1), the water electrolysis stack 3 and the water supply unit 5 are electrically connected via wiring 22, etc.
  • the rest of the configuration is the same as that of Example 1 (FIG. 1).
  • the water electrolysis stack 3 and the water supply unit 5 are electrically connected inside all water electrolysis devices 2.
  • FIG. 6 shows a specific connection between the water electrolysis stack 3 and the water supply unit 5.
  • the water electrolysis stack 3 side has an anode (positive electrode) side power supply plate 15, and the water supply unit 5 side has a piping (water supply port 16) that is closest to the connection with the water electrolysis stack 3, which is electrically connected to each other.
  • both ends of the insulating section 8 inside the water electrolysis stack 3 are at approximately the same potential.
  • connection part on the water electrolysis stack 3 side if it is either the pair of power supply plates 15 or the electrolysis part 13, falls well within the design range of the insulating part 8 and similar performance can be obtained, so it does not go beyond the scope of this invention.
  • the water intake unit 5 may be electrically connected to the power supply plate 15 or the electrolysis unit 13.
  • FIG. 7 is a diagram showing the schematic configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 according to the fourth embodiment.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from that of Example 1 (FIG. 1) in that, in addition to the configuration of Example 1 (FIG. 1), it further includes a potential setting unit 23 in which voltage sources that generate a voltage equivalent to that of each water electrolysis stack 3 are connected in series, the number of which is one less than the number of water electrolysis stacks 3.
  • the rest of the configuration is the same as that of Example 1 (FIG. 1).
  • the potential setting unit 23 has voltage sources that generate a voltage equal to the water electrolysis stack 3 provided in each water electrolysis device 2, the number of which is one less than the number of water electrolysis devices 2 (water electrolysis stacks 3). In the example of Figure 7, ten water electrolysis stacks 3 are connected in series, and the potential setting unit 23 is composed of nine voltage sources that generate a voltage of 0.5 kV. Each voltage source of the potential setting unit 23 is electrically connected to the water supply unit 5 of each water electrolysis device 2.
  • the potential setting unit 23 can also be configured with one voltage source and multiple (e.g., nine) resistors, and since the same performance can be obtained with similar circuit modifications, this does not go beyond the scope of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the schematic configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 according to the fifth embodiment.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from that of Example 1 (FIG. 1) in that, in addition to the configuration of Example 1 (FIG. 1), it further includes an auxiliary power supply unit 24 that supplies power to the electric motor (water pump) 10, separate from the power supply 12.
  • the rest of the configuration is the same as that of Example 1 (FIG. 1).
  • the water electrolysis device 2 is equipped with an electric motor 10 such as a water pump, and is often driven by AC200V or AC100V.
  • the housing of the motor 10 is connected to components inside the water electrolysis device 2, such as the water supply unit 5, so it is at approximately the same potential as the water electrolysis stack 3 within each water electrolysis device 2. Therefore, if power is supplied directly from an external power source to the motor 10, a large potential difference will occur between the external power source and the housing of the motor 10.
  • an electrically isolated power source such as a transformer 25 is connected to the electric motor 10 of the water pump, etc.
  • each transformer 25 (the AC power supply side in Fig. 8) is applied with 0.5 kV (the same voltage as the water electrolysis stack 3), and the secondary coil (the water electrolysis device side in Fig. 8) is configured to generate AC200V or AC100V (the power supply voltage for the auxiliary equipment).
  • each auxiliary device such as the electric motor 10
  • the power supply the durability and reliability of each auxiliary device can be maintained.
  • FIG. 9 is a diagram showing the general configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 according to the sixth embodiment.
  • Fig. 10 is a diagram showing a modified example of the water electrolysis hydrogen production system 1 shown in Fig. 9.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from Example 1 (FIG. 1) in that the insulating members 9 are arranged on the piping between the water intake section 4, hydrogen release section 6, oxygen release section 7, and the water electrolysis stack 3, instead of being arranged on the connections of the piping that supplies or releases fluid to the outside of the device.
  • the rest of the configuration is the same as that of Example 1 (FIG. 1).
  • the insulating member 9 may be disposed near the water electrolysis stack 3, as shown in FIG. 9.
  • a separate insulating member 9 may be disposed on the piping between the water intake section 4, the hydrogen release section 6, the oxygen release section 7, and the water electrolysis stack 3. This can further improve the insulation performance of the water electrolysis stack 3.
  • FIG. 11 is a diagram showing the schematic configuration of the water electrolysis hydrogen production system 1 according to the seventh embodiment.
  • the water electrolysis hydrogen production system 1 of this embodiment differs from that of Example 6 (FIG. 9) in that, in addition to the configuration of Example 6 (FIG. 9), the water electrolysis stack 3 and the water supply unit 5 are electrically connected via wiring 22, etc. The rest of the configuration is the same as that of Example 6 (FIG. 9).
  • the water electrolysis stack 3 and the water supply unit 5 are electrically connected inside all water electrolysis devices 2.
  • Example 3 The specific configuration of the connections between the water electrolysis stack 3 and the water intake section 4, water supply section 5, hydrogen release section 6, and oxygen release section 7 is the same as in Example 3 ( Figure 6).
  • the power supply plate 15 or electrolysis section 13 of the water electrolysis stack 3 is electrically connected to the water supply section 5.
  • both ends of the insulating section 8 inside the water electrolysis stack 3 are at approximately the same potential.
  • the water electrolysis stack 3 may be electrically connected to the insulating member 9 side of any of the water supply section 5, the hydrogen release section 6, and the oxygen release section 7.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but includes various modified examples.
  • the above-mentioned embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • 1...water electrolysis hydrogen production system 2...water electrolysis device, 3...water electrolysis stack, 4...water intake section, 5...water supply section, 6...hydrogen release section, 7...oxygen release section, 8...insulating section (of water electrolysis stack), 9, 20...insulating member, 10...motor (water pump), 11...gas-liquid separator, 12...power source, 13...electrolysis section, 14...end plate, 15...power supply plate, 16...water supply port, 17...hydrogen exhaust port, 18...mixing exhaust port, 19...water intake tank, 21...insulating housing, 22...wiring, 23...potential setting section, 24...auxiliary power supply section, 25...transformer.

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Abstract

複数の水電解スタックを直列接続して構成する水電解水素製造システムにおいて、個々の水電解スタックの十分な絶縁性能を担保することが可能な水電解水素製造システムを提供する。水電解装置を複数備えた水電解水素製造システムであって、前記水電解装置は、水の電気分解によって水素と酸素とを発生する水電解スタックと、前記水電解スタックに水を供給する水供給部と、前記水供給部に外部から水を取り入れる取水部と、前記水電解スタックで発生した水素を外部へ放出する水素放出部と、前記水電解スタックで発生した酸素を外部へ放出する酸素放出部と、を有し、前記複数の水電解装置の各水電解スタックは互いに電気的に直列に接続されており、前記複数の水電解装置の少なくとも前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部を含む、流体を供給または放出する配管類の装置外部との接続部に絶縁部材が配置されていることを特徴とする。

Description

水電解水素製造システム
　本発明は、水電解水素製造システムの構造に係り、特に、複数の水電解スタックを直列接続して構成する大規模な水電解水素製造システムに適用して有効な技術に関する。
　近年、水素は次世代エネルギーとして注目されており、再生可能エネルギー等の二酸化炭素（CO2）フリーな電気と組み合わせることで、クリーンなエネルギーとしての活用が期待されている。電気の力で水を酸素と水素に分解して水素を製造する水電解水素製造システムに、再生可能エネルギー由来の電力を利用することで、製造時も使用時もCO2を排出しない、いわゆるグリーン水素を製造することができる。
　そのため、水素社会の早期実現に向け、大規模な水電解水素製造システムの需要が高まっている。大規模な水電解水素製造システムでは内部に複数の水電解スタックを持つ。水電解スタックで水の電気分解を行うためには電源が必要である。
　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「構成が単純で組立が容易であり、しかも大量の水素を発生させることができる高圧容器収納型水電解水素発生装置」が開示されている。
　特許文献１では、複数の水電解スタック（特許文献１では水電解槽）に対して各々独立に電源を接続する構成と、水電解スタックを直列接続したうえで１つの電源を接続する構成とが記載されている。水電解スタックを直列接続して１つの電源を接続する構成の方が、電源構成が簡単になる。
　また、特許文献２には、「簡単且つコンパクトな構成で、高圧水に溶存する水素を無駄に廃棄することがなく、システム全体の高効率化を図ることが可能な水電解システム」が開示されている。
　上記特許文献２では、水電解スタック（特許文献２では電解スタック）の内部構成が記載されており、水電解スタック内で実際に水電解反応が起こる電解部（特許文献２では端子部３８ａ，３８ｂと単位セル３０の積層部とで構成する部分）は、それ以外の部分と絶縁部（絶縁プレート３４ａ，３４ｂ）で電気的に絶縁されており、絶縁部は水電解スタック内部に備わっている。なお、電解部は装置全体の耐久性及び信頼性の観点から電気的に接地されるのが一般的である。
特開２００６－１３１９４４号公報 特開２０１３－５３３２１号公報
　大規模な水電解水素製造システムを複数の水電解スタックを用いて構成する場合、上記特許文献１のように複数の水電解スタックを電気的に直列接続することで、電源構成を小型かつ簡易な構成にすることができる。
　しかしながら、直列接続する水電解スタックの数が多くなると、電流を流して水電解を行う際の複数の水電解スタック内の電解部全体の電圧が大きくなる。
　上記特許文献２のように、電解部はそれ以外の部分と絶縁されている。一方で、電解部以外の部分は、電気的に接地されていることが一般的であるため、電気的には一様の電位となっている。
　その結果、水電解スタックの数が多くなるほど、水電解スタック内で絶縁されている電解部と、電解部以外の部分との間の最大電位差（最大電圧）は大きくなる。
　一般的な水電解スタックでは、内部にある絶縁部は、多数直列接続された水電解スタックで発生する電圧に対して、絶縁を確保するための十分な絶縁性能を有していない。
　その結果、多数の水電解スタックを直列接続した場合、絶縁部の絶縁性能不足による漏洩電流増大が起こり、水電解スタック及び水電解水素製造システムの耐久性、信頼性の低下に繋がる可能性がある。
　そこで、本発明の目的は、複数の水電解スタックを直列接続して構成する水電解水素製造システムにおいて、個々の水電解スタックの十分な絶縁性能を担保することが可能な水電解水素製造システムを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明は、水電解装置を複数備えた水電解水素製造システムであって、前記水電解装置は、水の電気分解によって水素と酸素とを発生する水電解スタックと、前記水電解スタックに水を供給する水供給部と、前記水供給部に外部から水を取り入れる取水部と、前記水電解スタックで発生した水素を外部へ放出する水素放出部と、前記水電解スタックで発生した酸素を外部へ放出する酸素放出部と、を有し、前記複数の水電解装置の各水電解スタックは互いに電気的に直列に接続されており、前記複数の水電解装置の少なくとも前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部を含む、流体を供給または放出する配管類の装置外部との接続部に絶縁部材が配置されていることを特徴とする。
　また、本発明は、水電解装置を複数備えた水電解水素製造システムであって、前記水電解装置は、水の電気分解によって水素と酸素とを発生する水電解スタックと、前記水電解スタックに水を供給する水供給部と、前記水供給部に外部から水を取り入れる取水部と、前記水電解スタックで発生した水素を外部へ放出する水素放出部と、前記水電解スタックで発生した酸素を外部へ放出する酸素放出部と、を有し、前記複数の水電解装置の各水電解スタックは互いに電気的に直列に接続されており、前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記水電解スタックとの間の配管類に、絶縁部材が配置されていることを特徴とする。
　本発明によれば、複数の水電解スタックを直列接続して構成する水電解水素製造システムにおいて、個々の水電解スタックの十分な絶縁性能を担保することが可能な水電解水素製造システムを実現することができる。
　これにより、水電解スタック及び水電解水素製造システムの耐久性向上及び信頼性向上が図れる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 図１の水電解スタックの構造を示す図である。 図１の取水部における絶縁部材の変形例を示す図である。 本発明の実施例２に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 図５の水電解スタックの構造を示す図である。 本発明の実施例４に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例５に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 図９の水電解水素製造システムの変形例を示す図である。 本発明の実施例７に係る水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。 従来の多直列水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　本発明を分かり易くするため、先ず、図１２を参照して、従来の多直列水電解水素製造システムについて説明する。
　図１２は、従来の多直列水電解水素製造システムの概略構成を示す図である。図１２では、１０個の水電解スタック３を直列に接続した例を示している。
　図１２に示すように、従来の多直列水電解水素製造システムは、水電解スタック３を電気的に直列に接続して構成されている。直列接続された１０個の水電解スタック３の両端には電源１２が接続されており、水電解スタック１０個分の電圧が印加される。図１２では、水電解スタック１個分の電圧を0.5kVとして、１０個の水電解スタック３全体に合計5.0kV（0.5kV／個×１０個）の電圧が印加されている。この場合、１個目の水電解スタック３の正極（＋）側の電位は2.5kVとなり、負極（－）側の電位は2.0kVとなる。また、１０個目の水電解スタック３の正極（＋）側の電位は－2.0kVとなり、負極（－）側の電位は－2.5kVとなる。電流は、１個目の水電解スタック３から１０個目の水電解スタック３に向かって流れる。
　取水部４を介して外部から取り入れられた水（H2O）は、水ポンプ等の電動機１０によって水電解スタック３の水供給部５に送られ、水供給部５を介して水電解スタック３の内部に取り込まれる。水電解スタック３に取り込まれた水（H2O）は、水電解スタック３に印加された水電解スタック１個分の電圧（0.5kV）による水電解反応によって水素（H2）と酸素（O2）に分解され、それぞれ水素放出部６、酸素放出部７を介して外部に放出される。
　なお、水電解スタック３の内部で発生した酸素（O2）は、反応に寄与しなかった水（H2O）との混合体（O2，H2O）として水電解スタック３から放出されるため、気液分離器１１で酸素（O2）と水（H2O）に分離された後、酸素（O2）は酸素放出部７から外部へ放出され、水（H2O）は再び水供給部５を介して水電解スタック３の内部へ供給される。
　水電解スタック３は、水供給部５や水素放出部６、酸素放出部７等の流体を供給または放出する配管類が接続される部位に絶縁部８が配置されており、電源１２が接続される電極部を除いて外部と絶縁されている。また、電源１２が接続される電極部以外は、接地（0kV）されている。
　そのため、１個目の水電解スタック３では、対地電位（0kV）に対して2.5kVの最大電位差が発生し、１０個目の水電解スタック３では、対地電位（0kV）に対して－2.5kVの最大電位差が発生する。
　一般的な水電解スタック３では、内部にある絶縁部８は、通常自己発生電圧0.5kVに耐え得る絶縁性能を持っている。
　しかしながら、多数の水電解スタック３を直列接続した場合、絶縁部８の絶縁性能不足による漏洩電流増大が起こり、水電解スタック３や多直列水電解水素製造システム全体の耐久性、信頼性の低下に繋がる可能性がある。
　なお、余裕度を持たせて５～１０倍の電圧に対する絶縁性能で設計することも考えられるが、実際に５～１０倍の電圧発生下で用いることは、水電解スタックの設計思想外であり、耐久性や信頼性を低下させることに変わりはない。
　次に、図１から図３を参照して、本発明の実施例１に係る水電解水素製造システムについて説明する。
　図１は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。図２は、図１の水電解スタック３の構造を示す図である。図３は、図１の取水部４における絶縁部材９の変形例を示す図である。
　図１に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、水電解スタック３を有する水電解装置２を１０台備えて構成されている。各水電解装置２の水電解スタック３は互いに電気的に直列に接続されており、１番目の水電解スタック３のアノード（正極）側と１０番目の水電解スタック３のカソード（負極）側には電源１２が接続されている。
　水電解装置２は、主要な構成として、水電解スタック３に水（H2O）を供給する水供給部５と、水供給部５に外部から水（H2O）を取り入れる取水部４と、水電解スタック３で発生した水素（H2）を外部へ放出する水素放出部６と、水電解スタック３で発生した酸素（O2）を外部へ放出する酸素放出部７と、酸素（O2）と水（H2O）の混合体（O2，H2O）を酸素（O2）と水（H2O）に分離する気液分離器１１とを備えている。
　また、水電解装置２は、取水部４、水素放出部６、酸素放出部７を含む、流体を供給または放出する配管類の装置外部との接続部に絶縁部材９が配置されている。
　図２に示すように、水電解スタック３は、電解部１３と、給電板１５と、絶縁部８とを端板１４で一体的に締め付けて保持されており、さらに、水供給口１６と、混合排出口１８と、水素排出口１７とを備えている。
　水電解スタック３の電解部１３は、固体高分子膜とその両側にアノード（正極）とカソード（負極）が構成されたMEA（Membrane Electrode Assembly）を内包しており（いずれも図示せず）、水供給口１６を通してアノード（正極）に水（H2O）を供給し、一対の給電板１５の一方（図２中の左側）から他方（図２中の右側）へ電流を流すことにより電解部１３で水電解反応が起こる。この際、アノード（正極）で発生した酸素（O2）と反応に寄与しなかった水（H2O）が混合排出口１８から水電解スタック３外部に放出され、カソード（負極）で発生した水素（H2）が水素排出口１７から水電解スタック３外部へ放出される。
　混合排出口１８から排出された酸素（O2）と水（H2O）の混合体は、気液分離器１１で酸素（O2）と水（H2O）に分離された後、酸素（O2）は酸素放出部７から水電解装置２外部へ放出され、水（H2O）は再び水供給部５から水供給口１６を通して水電解スタック３へ供給される。合わせて水電解反応で消費する相当量の水（H2O）が取水部４から取り入れられ、水供給部５から水供給口１６を通して水電解スタック３へ供給される。
　ここで、取水部４から供給される水（H2O）は比抵抗値が1～10MΩ・cm以上の純水、もしくは超純水が用いられ、水電解水素製造システム１内ではイオン交換樹脂（図示せず）に流通させることでシステム内部の水の比抵抗値が維持される。
　水電解スタック３の一対の給電板１５と電解部１３は、絶縁部８により端板１４や配管類等の他の構成部材とは電気的に絶縁されている。
　水電解スタック３は、水電解反応時に0.5kVの電圧を一対の給電板１５間で発生させるため、直列に接続された１０台の水電解スタック３の最大電位と最小電位との差は5kVとなる。
　ここで、全ての絶縁部材９は水電解装置２内部と外部との間で、水電解スタック３の最大電位と最小電位との差である5kVの電圧が印加されても十分な絶縁性を維持することができる。
　また、水電解装置２内部の全ての構成部材は、給電部を除いて、絶縁部材９によって外部と電気的に絶縁されていると共に、水電解スタック３とは水（H2O）を介して微弱に電気的につながっている状態である。そのため、各水電解装置２内部において、構成部材と水電解スタック３内の電解部１３とは、略等電位となる。
　具体的には、図１に示す例では、１番目の水電解装置２内部の水電解スタック３のアノード（正極）側の電位が2.5kVであるが、水供給部５等の水電解スタック３の左側に接続されている部分も略2.5kVの電位となり、水電解スタック３の右側に接続されている部分は2.0kVの電位となる。
　この結果、水電解スタック３内部の絶縁部８両端の電位差は問題とならず、絶縁部８の絶縁性能が維持される。２番目の水電解装置２から１０番目の水電解装置２においても同様である。
　取水部４においても、水電解装置２外部から内部へと水（H2O）が流通する場合は微弱に電気的に繋がる状況が発生する可能性もあるが、その場合でも取水部４の水流通路の断面積を小さくすることで水（H2O）の抵抗値を大きくして絶縁性を高くすることで問題は解決される。
　さらに、図３に示すように、内部に空気層を有する取水槽１９と絶縁部材２０で取水部４を構成し、取水槽１９内の水位を絶縁部材２０以下の位置になるように外部からの取水量を制御すれば、水（H2O）を介して電気的に繋がる状況は回避される。
　図４を参照して、本発明の実施例２に係る水電解水素製造システムについて説明する。図４は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。
　図４に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、水電解装置２内部に配置する絶縁部材９に替えて、全ての水電解装置２の筐体を絶縁筐体２１としている点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
　全ての水電解装置２の筐体は絶縁部材で構成されており、水電解装置２内部と外部との間で、水電解スタック３の最大電位と最小電位との差である5kVの電圧が印加されても十分な絶縁性を維持することができる。
　また、全ての水電解装置２内部の構成部材は、水電解装置２の絶縁筐体２１によって外部と電気的に絶縁されていると共に、水電解スタック３とは水（H2O）を介して微弱に電気的につながっている状態である。そのため、各水電解装置２内部において、構成部材と水電解スタック３内の電解部１３とは、略等電位となる。
　以上により、実施例１（図１）のような絶縁部材９を用いることなく、実施例１と同等の効果を得ることができる。
　図５及び図６を参照して、本発明の実施例３に係る水電解水素製造システムについて説明する。
　図５は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。図６は、図５の水電解スタック３の構造を示す図である。
　図５に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、実施例１（図１）の構成に加えて、水電解スタック３と水供給部５が配線２２等を介して電気的に接続されている点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
　図５のように、全ての水電解装置２内部において、水電解スタック３と水供給部５とを電気的に接続する。
　図６に、水電解スタック３と水供給部５との具体的な接続部を示す。水電解スタック３側はアノード（正極）側の給電板１５を、水供給部５側は水電解スタック３との接続部直近の配管（水供給口１６）を互いに電気的に接続する。
　これにより、水電解スタック３内部の絶縁部８の両端はほぼ等電位となる。
　なお、水電解スタック３側の接続部は、一対の給電板１５と電解部１３のいずれかの部位であれば、絶縁部８の設計範囲に十分収まり、同様の性能が得られるため、本発明の範囲を超えるものではない。
　また、水供給部５に替えて、取水部４や水素放出部６、酸素放出部７と、給電板１５または電解部１３とを電気的に接続しても良い。
　図７を参照して、本発明の実施例４に係る水電解水素製造システムについて説明する。図７は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。
　図７に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、実施例１（図１）の構成に加えて、各水電解スタック３と同等の電圧を発生させる電圧源を水電解スタック３の数より１つ少ない数だけ直列接続した電位設定部２３をさらに備えている点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
　電位設定部２３は、各水電解装置２に備えられた水電解スタック３と等しい電圧を発生させる電圧源を水電解装置２（水電解スタック３）の数より１つ少ない数だけ備えている。図７の例では、１０個の水電解スタック３を直列に接続しており、電位設定部２３は、0.5kVの電圧を発生させる９つの電圧源で構成される。電位設定部２３の各電圧源間と各水電解装置２の水供給部５とが電気的に接続されている。
　これにより、水電解スタック３間の電圧が設定されるため、より確実に水電解スタック３内部の絶縁部８の両端を、ほぼ等電位とすることができる。
　なお、電位設定部２３は１つの電圧源と複数の（例えば９つの）抵抗体で構成することも可能であり、同様な回路的な変形についても同等の性能が得られるため、本発明の範囲を超えるものではない。
　図８を参照して、本発明の実施例５に係る水電解水素製造システムについて説明する。図８は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。
　図８に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、実施例１（図１）の構成に加えて、電源１２とは別に、電動機（水ポンプ）１０へ電力を供給する補機電源部２４をさらに備えている点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
　図８に示すように、水電解装置２内部には水ポンプ等の電動機１０が備えられており、AC200VまたはAC100Vで駆動されることが多い。
　電動機１０の筐体は水供給部５等の水電解装置２内部の構成部材と接続されているため、各水電解装置２内で水電解スタック３とほぼ等電位になっている。そのため、外部の電源から電動機１０へ直接電力供給を行うと、外部の電源と電動機１０の筐体間で大きな電位差が発生する。
　これを回避するために、水ポンプ等の電動機１０に、トランス２５等で電気的に絶縁した電源を接続する。
　各トランス２５の一次側（図８の交流電源側）のコイルに0.5kV（水電解スタック３と同電圧）が印加され、二次側（図８の水電解装置側）のコイルにはAC200VまたはAC100V（補機の電源電圧）が発生するように構成する。
　これにより、電動機１０等の各補機の筐体と電源との間に大きな電位差が発生しなくなり、各補機の耐久性、信頼性も維持できる。
　図９及び図１０を参照して、本発明の実施例６に係る水電解水素製造システムについて説明する。図９は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。図１０は、図９の水電解水素製造システム１の変形例を示す図である。
　図９に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、絶縁部材９を、流体を供給または放出する配管類の装置外部との接続部に配置するのに替えて、取水部４、水素放出部６、酸素放出部７と、水電解スタック３との間の配管類に配置している点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。
　個々の水電解スタック３の十分な絶縁性能を確保することができる場合、図９のように、絶縁部材９を、水電解スタック３の近傍に配置しても良い。
　また、図１０に示すように、実施例１（図１）の構成に加えて、取水部４、水素放出部６、酸素放出部７と、水電解スタック３との間の配管類にさらに別の絶縁部材９を配置しても良い。水電解スタック３の絶縁性能をさらに向上することができる。
　図１１を参照して、本発明の実施例７に係る水電解水素製造システムについて説明する。図１１は、本実施例の水電解水素製造システム１の概略構成を示す図である。
　図１１に示すように、本実施例の水電解水素製造システム１は、実施例６（図９）の構成に加えて、水電解スタック３と水供給部５とが配線２２等を介して電気的に接続されている点において、実施例６（図９）と異なっている。その他の構成は、実施例６（図９）と同様である。
　図１１のように、全ての水電解装置２内部において、水電解スタック３と、水供給部５とを電気的に接続する。
　水電解スタック３と、取水部４、水供給部５、水素放出部６、酸素放出部７との具体的な接続部の構成は実施例３（図６）と同様である。つまり、水電解スタック３の給電板１５または電解部１３と、水供給部５とを電気的に接続する。
　これにより、水電解スタック３内部の絶縁部８の両端はほぼ等電位となる。
　なお、水電解スタック３を、水供給部５、水素放出部６、酸素放出部７のいずれかの絶縁部材９側部分と電気的に接続しても良い。
　なお、上記の各実施例では、１つの水電解装置２に１つの水電解スタック３が配置されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの水電解装置２に複数の水電解スタック３が配置されていても良い。
　また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…水電解水素製造システム、２…水電解装置、３…水電解スタック、４…取水部、５…水供給部、６…水素放出部、７…酸素放出部、８…（水電解スタックの）絶縁部、９，２０…絶縁部材、１０…電動機（水ポンプ）、１１…気液分離器、１２…電源、１３…電解部、１４…端板、１５…給電板、１６…水供給口、１７…水素排出口、１８…混合排出口、１９…取水槽、２１…絶縁筐体、２２…配線、２３…電位設定部、２４…補機電源部、２５…トランス。

Claims (11)

  1. 　水電解装置を複数備えた水電解水素製造システムであって、
    　前記水電解装置は、水の電気分解によって水素と酸素とを発生する水電解スタックと、
    　前記水電解スタックに水を供給する水供給部と、
    　前記水供給部に外部から水を取り入れる取水部と、
    　前記水電解スタックで発生した水素を外部へ放出する水素放出部と、
    　前記水電解スタックで発生した酸素を外部へ放出する酸素放出部と、を有し、
    　前記複数の水電解装置の各水電解スタックは互いに電気的に直列に接続されており、
    　前記複数の水電解装置の少なくとも前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部を含む、流体を供給または放出する配管類の装置外部との接続部に絶縁部材が配置されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  2. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記取水部と前記装置外部との接続部に、内部に空気層を有する取水槽が配置されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  3. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記絶縁部材は、前記水電解装置の絶縁筐体であることを特徴とする水電解水素製造システム。
  4. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記水電解スタックは、外部より電流を供給する給電板と、
    　水電解反応を行う電解部と、を有し、
    　前記水供給部と前記取水部と前記水素放出部と前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記給電板または前記電解部とが電気的に接続されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  5. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記水供給部と前記取水部と前記水素放出部と前記酸素放出部が、前記水電解スタックの一部と略等電位であることを特徴とする水電解水素製造システム。
  6. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記複数の水電解装置の各水電解スタックと同等の電圧を発生させる電圧源を前記水電解スタックの数より１つ少ない数だけ直列接続した電位設定部をさらに備え、
    　前記水供給部と前記取水部と前記水素放出部と前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記電圧源とが電気的に接続されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  7. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記水電解装置は、１つ以上の電動機を有し、
    　前記電動機へ電力を供給する電源は、前記水電解スタックへ電力を供給する電源からトランスを介して絶縁されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  8. 　請求項１に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記水電解スタックとの間の配管類に、前記絶縁部材とは異なる別の絶縁部材が配置されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  9. 　水電解装置を複数備えた水電解水素製造システムであって、
    　前記水電解装置は、水の電気分解によって水素と酸素とを発生する水電解スタックと、
    　前記水電解スタックに水を供給する水供給部と、
    　前記水供給部に外部から水を取り入れる取水部と、
    　前記水電解スタックで発生した水素を外部へ放出する水素放出部と、
    　前記水電解スタックで発生した酸素を外部へ放出する酸素放出部と、を有し、
    　前記複数の水電解装置の各水電解スタックは互いに電気的に直列に接続されており、
    　前記取水部、前記水素放出部、前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記水電解スタックとの間の配管類に、絶縁部材が配置されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  10. 　請求項９に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記水電解スタックは、外部より電流を供給する給電板と、
    　水電解反応を行う電解部と、を有し、
    　前記水供給部と前記取水部と前記水素放出部と前記酸素放出部の少なくとも１つと、前記給電板または前記電解部とが電気的に接続されていることを特徴とする水電解水素製造システム。
  11. 　請求項９に記載の水電解水素製造システムであって、
    　前記水供給部と前記取水部と前記水素放出部と前記酸素放出部が、前記水電解スタックの一部と略等電位であることを特徴とする水電解水素製造システム。
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