JP5415168B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、純水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置を備える水電解システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側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、水素イオン（プロトン）と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された水電解装置が知られている。この水電解装置は、図６に示すように、複合体１を備えており、この複合体１は、電解セル部２、熱交換器３、酸素ガス冷却部４ａ及び水素ガス冷却部４ｂを設けている。そして、供給水は、純水供給部５を構成する純水ライン５ａから熱交換器３に供給され、冷却水又は廃熱回収用の熱媒体と熱交換して冷却された後、電解セル部２に供給されている。

電解セル部２で発生した酸素及び未反応の水は、純水供給部５に配置されているＯ₂気液分離器６で酸素と水に分離されている。分離された高温の酸素は、酸素ガス冷却部４ａに導入され、冷却水供給部７から供給される冷却水により冷却されて、酸素中の水分がＯ₂気液分離器６に戻されている。

一方、電解セル部２で発生した水素は、水素ガス冷却部４ｂに供給されている。この水素は、水素ガス冷却部４ｂに冷却水供給部７から供給される冷却水を介して冷却された後、系外に排出されている。

特開平７−２３３４９１号公報

上記の特許文献１では、電解セル部２に水電解用の純水を供給するための純水供給部５と、複合体１（具体的には、酸素ガス冷却部４ａ及び水素ガス冷却部４ｂ、さらに必要に応じて熱交換器３）に冷却水を供給するための冷却水供給部７とが、それぞれ個別の系により構成されている。このため、水電解システム全体の構成が複雑化するとともに、冷却水により回収した熱を有効に使用することができず、熱効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、熱効率の向上を図るとともに、水電解装置の電解効率を良好に維持す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、純水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置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は、純水を製造する純水製造装置と、水電解用補機を前記純水により冷却する補機冷却装置と、前記水電解用補機を冷却した前記純水を、水電解装置に供給する純水供給ラインとを備えている。

また、この水電解システムでは、純水製造装置の下流に、純水を貯留するリザーブタンク部が設けられ、前記リザーブタンク部と補機冷却装置とは、前記純水が循環される循環ラインに配設されるとともに、純水供給ラインは、前記循環ラインから分岐されることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、純水供給ラインには、水電解装置から排出される酸素及び余剰の水を貯留するとともに、水電解用補機を冷却した純水が供給される気液分離器が配設されることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、循環ラインには、純水を冷却する放熱器が配設されることが好ましい。

本発明によれば、純水製造装置により製造された純水は、補機冷却装置に供給されて水電解用補機を冷却した後、水電解装置に供給されている。このため、水電解用補機を冷却する冷却系と、水電解装置に水電解用の純水を供給する純水供給系とが、独立して設けられる構成に比べて、構成が有効に簡素化する。

しかも、純水は、水電解用補機を冷却することにより暖められた後、水電解に用いられている。従って、水電解装置には、比較的高温の純水を安定して供給することができ、前記水電解装置の電解効率を良好に維持することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記水電解システムを構成する補機冷却装置の概略斜視説明図である。 電流と電力効率との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示された水電解装置の概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって酸素及び高圧水素（常圧よりも高圧）を製造する水電解装置１２を備える。

水電解装置１２は、差圧式の高圧水素製造装置を構成しているが、常圧水素を製造する常圧水素製造装置を構成してもよい。なお、常圧水素とは、生成される酸素と水素とが等圧である場合を含む。

水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層して構成される。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。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２４ａ、２４ｂが外方に突出して設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して直流電源２８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部２４ａは、直流電源２８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部２４ｂは、前記直流電源２８のマイナス極に接続される。

図２に示すように、単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体３２と、この電解質膜・電極構造体３２を挟持するアノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６とを備える。アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６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。

電解質膜・電極構造体３２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３８と、前記固体高分子電解質膜３８の両面に設けられるアノード側給電体４０及びカソード側給電体４２とを備える。

固体高分子電解質膜３８の両面には、アノード電極触媒層４０ａ及びカソード電極触媒層４２ａが形成される。アノード電極触媒層４０ａ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４２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体４０及びカソード側給電体４２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜４０％、より好ましくは、２０％〜３０％の範囲内に設定される。

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４６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４８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔５０とが設けられる。

アノード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、水供給連通孔４６に連通する供給通路５２ａと、排出連通孔４８に連通する排出通路５２ｂとが設けられる。面３４ａには、供給通路５２ａ及び排出通路５２ｂに連通する第１流路５４が設けられる。この第１流路５４は、アノード側給電体４０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。

カソード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、水素連通孔５０に連通する排出通路５６が設けられる。面３６ａには、排出通路５６に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、カソード側給電体４２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。

アノード側セパレータ３４及びカソード側セパレータ３６の外周端部を周回して、シール部材６０ａ、６０ｂが一体化される。このシール部材６０ａ、６０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、水電解システム１０は、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する気液分離器（タンク部）６２が配設されるとともに、前記気液分離器６２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６４を備える。

水循環装置６４は、水電解装置１２の水供給連通孔４６に連通する循環配管６６を備え、この循環配管６６は、循環ポンプ６８を配置して気液分離器６２の底部に接続される。

気液分離器６２の上部には、戻り配管７０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管７０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔４８に連通する。戻り配管７０の一端部には、水電解装置１２から排出される酸素及び余剰の水を気液分離器６２内に導入する導入口７０ａが設けられ、この導入口７０ａは、前記気液分離器６２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。

気液分離器６２には、前記気液分離器６２内の水位ＷＳを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ７２ａ、７２ｂが設けられる。水位検出センサ７２ａ、７２ｂの検出信号は、システム制御用のコントローラ７４に入力される。水位検出センサ７２ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）まで低下したか否かを検出し、水位検出センサ７２ｂは、前記水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出する。

気液分離器６２には、純水供給系（冷却系）７６から純水が供給される純水供給ライン７８と、前記気液分離器６２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８０とが連結される。

純水供給系７６は、市水から純水を製造する純水製造装置８２を備える。純水製造装置８２は、例えば、ＲＯ膜（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）等の逆浸透膜やイオン交換樹脂等を用いており、市水から超純水を製造する。

純水製造装置８２の出口側には、配管８４を介してリザーブタンク８６が接続される。リザーブタンク８６には、前記リザーブタンク８６内の水位ＷＳを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ８８ａ、８８ｂが設けられる。水位検出センサ８８ａは、水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）まで低下したか否かを検出する一方、水位検出センサ８８ｂは、前記水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したか否かを検出する。なお、リザーブタンク８６内の純水の容量は、気液分離器６２内の水容量と同等以上に設定される。

リザーブタンク８６は、純水が循環される循環ライン９０に配設されるとともに、前記循環ライン９０には、三方弁９２を介して純水供給ライン７８が接続される。なお、三方弁９２の配置部位は、循環ライン９０のいずれの部位であってもよい。

循環ライン９０には、純水用循環ポンプ９４、ラジエータ９６、温度計９８、補機冷却装置１００及びモータドライバ冷却装置１０２が設けられる。ラジエータ９６には、ファン１０４が併設されており、温度計９８により検出された純水温度が所定温度以上になった際には、前記ファン１０４が駆動される。

補機冷却装置１００は、図３に示すように、水冷ヒートシンク１０６を備える。このヒートシンク１０６は、水電解用補機である直流電源２８のＡＣ／ＤＣコンバータ１０７を構成する基板１０８及びパワートランジスタ１１０等に近接して配置される。モータドライバ冷却装置１０２は、同様に、図示しないヒートシンクを備え、発熱部品に近接して配置される。なお、モータドライバ冷却装置１０２は、補機冷却装置１００に一体化してもよい。

水電解装置１２の水素連通孔５０には、高圧水素配管１１２の一端が接続され、この高圧水素配管１１２の他端が気液分離器１１４に接続される。気液分離器１１４で水分が除去された高圧水素は、水素除湿器１１６によって除湿され、ドライ水素配管１１８にドライ水素が供給される。気液分離器１１４の下部には、ドレン配管１２０が接続され、前記ドレン配管１２０には、排水用バルブ１２２が配設される。

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、純水供給系７６では、純水製造装置８２に市水が供給されることにより、超純水が製造され、この純水は、リザーブタンク８６内に供給される。リザーブタンク８６内の純水量、すなわち水位ＷＳが設定上方位置（Ｈ）に上昇したことが水位検出センサ８８ｂにより検出されると、純水製造装置８２からの純水の供給が停止される。また、水位ＷＳが、設定下方位置（Ｌ）まで低下したことが検出されると、純水製造装置８２から純水の供給が開始される。

循環ライン９０では、純水用循環ポンプ９４が駆動されるため、この循環ライン９０には、純水が満たされて循環される。この純水は、補機冷却装置１００及びモータドライバ冷却装置１０２を冷却して加温された後、再度、リザーブタンク８６に戻される。

一方、水循環装置６４では、循環ポンプ６８の作用下に、気液分離器６２内の水が循環配管６６を介して水電解装置１２の水供給連通孔４６に供給される。また、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２４ａ、２４ｂには、電気的に接続されている直流電源２８を介して電圧が付与される。

このため、図２に示すように、各単位セル１４では、水供給連通孔４６からアノード側セパレータ３４の第１流路５４に水が供給され、この水がアノード側給電体４０内に沿って移動する。

従って、水は、アノード電極触媒層４０ａ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３８を透過してカソード電極触媒層４２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

これにより、カソード側セパレータ３６とカソード側給電体４２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４６よりも高圧に維持されており、水素連通孔５０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、第１流路５４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４８に沿って水循環装置６４の戻り配管７０に排出される（図１参照）。この未反応の水及び酸素は、気液分離器６２に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ６８を介して循環配管６６から水供給連通孔４６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８０から外部に排出される。

水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管１１２を介して気液分離器１１４に送られる。この気液分離器１１４では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される一方、前記水素は、水素除湿器１１６を介して除湿された後、ドライ水素配管１１８に導入される。

その際、気液分離器６２内の水位ＷＳが設定下方位置（Ｌ）まで低下したことが水位検出センサ７２ａにより検出されると、三方弁９２が操作され、循環ライン９０が純水供給ライン７８に連通する。このため、純水供給系７６に満たされている純水は、三方弁９２を介して純水供給ライン７８から気液分離器６２に送られる。

そして、気液分離器６２内の水位ＷＳが、設定上方位置（Ｈ）まで上昇したことが水位検出センサ７２ｂにより検出されると、三方弁９２が操作されて、循環ライン９０と純水供給ライン７８とが遮断される。

この場合、第１の実施形態では、循環ライン９０には、補機冷却装置１００が配置されている。図３に示すように、補機冷却装置１００は、特に発熱量の大きいＡＣ／ＤＣコンバータ１０７を構成する基板１０８やパワートランジスタ１１０等に近接してヒートシンク１０６を配置している。

従って、ヒートシンク１０６は、内部を流通する純水により発熱部品を冷却する一方、熱によって加温され、市水（常温時）に比べて比較的高温になっている。この加温された純水は、純水供給ライン７８から気液分離器６２に一旦貯留された後、水電解装置１２に供給されている。このため、水電解用補機を冷却する冷却系と、水電解装置１２に水電解用の純水を供給する純水供給系とが、独立して設けられる構成に比べ、構成が有効に簡素化される。

しかも、純水は、発熱する水電解用補機類を冷却することにより暖められた後、水電解装置１２に水電解用の純水として供給されている。これにより、水電解装置１２には、比較的高温の純水が安定して供給され、前記水電解装置１２の電解効率を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。

具体的には、図４に示すように、電流に対する電力効率において、水電解温度が高くなるのに従って、水電解の効率が向上するという結果が得られている。従って、市水から得られた比較的低温（常温）の純水を、直接、水電解装置１２に供給する構成に比べ、前記水電解装置１２の電解効率が有効に向上する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１３０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

水電解システム１３０を構成する純水供給系（冷却系）１３２は、純水供給ライン１３４を備える。純水供給ライン１３４には、純水製造装置８２、リザーブタンク８６、純水用循環ポンプ９４及び補機冷却装置１００が配設されるとともに、前記純水供給ライン１３４は、気液分離器６２に直接接続される。なお、モータドライバ冷却装置は、必要に応じて設けてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、循環ラインを用いることがなく、純水製造装置８２により製造される純水は、リザーブタンク８６内に所定量貯留されるとともに、このリザーブタンク８６から純水供給ライン１３４に純水が供給される。純水は、補機冷却装置１００に供給されることにより、加温された後、気液分離器６２に連続的に供給される。その際、気液分離器６２内には、設定下方位置（Ｌ）から設定上方位置（Ｈ）までの間に純水が存在するように、純水の供給量が調整されている。

これにより、水電解装置１２には、比較的高温に加温された純水が安定して供給されるため、前記水電解装置１２の電解効率を良好に維持することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１３０…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル ２８…直流電源
３２…電解質膜・電極構造体 ３４…アノード側セパレータ
３６…カソード側セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側給電体 ４２…カソード側給電体
６２、１１４…気液分離器 ６４…水循環装置
６６…循環配管 ６８…循環ポンプ
７０…戻り配管
７２ａ、７２ｂ、８８ａ、８８ｂ…水位検出センサ
７６、１３２…純水供給系 ７８、１３４…純水供給ライン
８０…酸素排気配管 ８２…純水製造装置
８６…リザーブタンク ９０…循環ライン
９２…三方弁 ９４…純水用循環ポンプ
９６…ラジエータ ９８…温度計
１００…補機冷却装置 １０２…モータドライバ冷却装置
１０６…ヒートシンク １０７…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１２…高圧水素配管

Claims (4)

1. 純水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置を備える水電解システムであって、
   前記純水を製造する純水製造装置と、
   水電解用補機を前記純水により冷却する補機冷却装置と、
   前記水電解用補機を冷却した前記純水を、前記水電解装置に供給する純水供給ラインと、
   を備え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、前記純水製造装置の下流に、前記純水を貯留するリザーブタンク部が設けられ、
   前記リザーブタンク部と前記補機冷却装置とは、前記純水が循環される循環ラインに配設されるとともに、
   前記純水供給ラインは、前記循環ラインから分岐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、前記純水供給ラインには、前記水電解装置から排出される前記酸素及び余剰の水を貯留するとともに、前記水電解用補機を冷却した前記純水が供給される気液分離器が配設されることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項２記載の水電解システムにおいて、前記循環ラインには、前記純水を冷却する放熱器が配設されることを特徴とする水電解システム。

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