JP7718396B2 - 水電解装置及びこれを用いた水電解システム - Google Patents

Description

本願は水電解装置及びこれを用いた水電解システムに関する。

水電解セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置される１対のセパレータとを備える。膜電極接合体は、固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に配置された酸素極触媒層と、固体電解質層の他方の面に配置された水素極触媒層を備える。水電解装置は、通常、このような水電解セルが複数積層された水電解スタックを備えている。

水電解スタックは、水電解に使用する水を供給するための水供給マニホールドと、水電解によって生成した水素が流通するための水素極側マニホールドと、水電解によって生成した酸素が流通するための酸素極側マニホールドと、を備えている。水電解反応は次のように実施される。まず、水供給マニホールドに水を供給し、各セルの酸素極触媒層に水を供給する。そして、水電解スタックの両端に電圧を印加し、水電解反応を生じさせる。これにより酸素極触媒層において、水が分解され酸素とプロトンが生成する。酸素は酸素極側マニホールドを通って取り出される。プロトンは固体電解質層を透過し、水素極触媒層において電子と結合して水素が生成する。水素は水素極側マニホールドを通って取り出される。

このような水電解スタックを備える水電解装置は、例えば特許文献１、２に記載されている。特許文献１は、酸素用経路、水素用経路及び２つの純水用経路を備えた水電解装置を開示している。また、同文献には、いずれの経路においても、開口部が上側のみに設けられた形態が開示されている。

特許文献２は、排出連通孔、水素連通孔、水供給連通孔を備えた水電解装置を開示している。排出連通孔は酸素及び水を排出するためのものであり、水素連通孔は反応により生成された水素を流すためのものであり、水供給連通孔は水を供給するためのものである。ここで、水素連通孔は水電解スタックの外部に突出する突出部に設けられているため、外部雰囲気に曝されて冷却されることで、水素中に含まれる水分が結露する。結露された水分は水素連通孔の下部に備えられた水貯留部に貯留される。これに対し、水素は水素連通孔の上部に備えられた開口から取り出される。このように、特許文献２に記載の水素連通孔は気液分離機能を有する。

特開２００１－１６４３９１号公報 特開２０１０－１８９６８９号公報

特許文献１の水電解装置は、いずれの経路（マニホールド）も開口部が上側のみに設けられているため、未反応の水が水電解スタック内に滞留し、上方向に巻き上げられやすくなる結果、水電解装置の下流側に相応の水が流出することになり、大きな気液分離器の設置が必要になる。

特許文献２には、水電解装置の水素連通孔に気液分離機能を持たせることで、水素極側に別体の気液分離器を配設する必要がなく、システム全体の小型化を図ることができるという効果を奏することが記載されている。しかしながら、特許文献２の水電解装置は、排出連通孔から酸素及び水を排出しているため、その下流に大きな気液分離器を設置する必要がある。

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、システムを小型化することができる水電解装置及びこれを用いた水電解システムを提供することである。

本開示は、上記課題を解決するための一つの態様として、水電解セルを複数積層したセル積層体を備えた水電解スタックと、水電解スタックに接続された排水管と、を備え、水電解スタックは、水電解により生成した水素が流通する水素極側マニホールドと、水電解により生成した酸素が流通する酸素極側マニホールドと、水電解に使用される水が流通する水供給マニホールドと、を備え、水素極側マニホールド及び酸素極側マニホールドは積層方向に貫通しており、排水管は水素極側マニホールドに接続された水素極側排水管と、酸素極側マニホールドに接続された酸素極側排水管と、水素極側排水管及び酸素極側排水管を接続する接続管と、を備え、接続管は該接続管を流通する水の流量を調節する排水弁を備えている、水電解装置を提供する。

上記水電解装置において、接続管は傾斜を有していてもよい。また、酸素極側排水管に水位計が設けられていてもよい。さらに、水素極側マニホールドの数が酸素極側マニホールドの数の２倍以上であってもよい。

本開示は、上記課題を解決するための一つの態様として、上記水電解装置と、水電解装置に電圧を印加する電源と、水電解装置に水を供給する水供給装置と、水電解装置と水供給装置とを接続し、水供給装置から水電解装置に供給される水を流すための水供給流路と、水電解装置に接続され、水電解装置から排出される水を流すための水排出流路と、水電解により生成した水素を貯留する水素タンクと、水電解装置と水素タンクとを接続し、水電解装置から水素タンクに供給される水素を流すための水素流通流路と、水電解装置に接続され、水電解反応により生成した酸素を流すための酸素流通流路と、を備える、水電解システムを提供する。

本開示の水電解装置によれば、酸素極側マニホールド及び水素極側マニホールドが貫通孔であり、気液分離機能を備えているため、酸素極側及び水素極側に配置される気液分離器を小型化あるいは削減が可能である。従って、水電解システム全体を小型化することが可能である。

本開示の水電解システムによれば、上記水電解装置を備えているため、システム全体を小型化することができる。

水電解装置１００の斜視図である。 水電解セル１０の分解斜視図である。 排水管４０に着目した概略図である。 水位計を用いて排水管の水位調整を実施したときのタイムチャートの一例である。 水電解システム１０００のブロック図である。

［水電解装置］
本開示の水電解装置について、一実施形態である水電解装置１００を用いて説明する。図１に水電解装置１００の斜視図を示した。図１では、便宜的に水の移動を実線矢印で、酸素の移動を点線矢印、水素の移動を破線矢印で示している。図２、図３、図５も同様である。

図１に示した通り、水電解装置１００は、水電解セル１０を複数積層したセル積層体２０を備えた水電解スタック３０と、水電解スタック３０に接続された排水管４０と、を備えている。ここで、図１では、水電解装置１００を水電解セル１０の積層方向と重力方向とを一致させた状態を示している。ただし、水電解装置１００の状態は積層方向と重力方向とを一致させた状態に限定されるものではなく、水電解装置１００の効果を奏する範囲で適宜変更してよい。

＜水電解セル１０＞
図２に水電解セル１０の分解斜視図を示した。図２に示した通り、水電解セル１０は膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１の両面に配置される１対のセパレータ１２、１３とを備えている。また、膜電極接合体１１の周囲には枠状部材１４が配置されている。

膜電極接合体１１は固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に積層された酸素極触媒層と、固体電解質層の他方の面に積層された水素極触媒層と、を備える。一実施形態では、固体電解質層の積層方向の上側の面に酸素極触媒層、下側の面に水素極触媒層が積層された膜電極接合体１１を用いている。

固体電解質層はプロトン伝導性を有していれば特に限定されない。例えば、スルホン酸基を有する高分子電解質であればよい。耐久性の観点から高分子電解質は含フッ素重合体としてもよい。例えば、パーフルオロカーボン重合体としてもよい。

酸素極触媒層は、水電解により酸素を生成することができる酸素極触媒を含む。酸素極触媒は特に限定されないが、例えば金属触媒が挙げられる。金属触媒としては、例えばその組成にＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｄ、及びＡｕを含む金属触媒が挙げられる。金属触媒はこれらの金属の酸化物であってもよい。酸素極触媒は金属触媒を担持した電気伝導性の担体（金属担持触媒）であってもよい。また、酸素極触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーを含んでいてもよい。アイオノマーは特に限定されない。例えば、プロトン伝導性ポリマーが挙げられる。プロトン伝導性ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等のフルオロアルキルポリマー；パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー等のフルオロアルキルポリマー等が挙げられる。

水素極触媒層は、水電解により水素を生成することができる水素極触媒を含む。水素極触媒は特に限定されないが、例えば金属触媒が挙げられる。金属触媒としては、例えばその組成にＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｄ、及びＡｕを含む金属触媒が挙げられる。金属触媒はこれらの金属の酸化物であってもよい。水素極触媒は金属触媒を担持した電気伝導性の担体（金属担持触媒）であってもよい。担体の種類は特に限定されないが、例えば炭素担体が挙げられる。また、水素極触媒層は、プロトン伝導性を有するアイオノマーを含んでいてもよい。アイオノマーは特に限定されない。例えば、上述のアイオノマーが挙げられる。

セパレータ１２、１３は膜電極接合体１１の両面にそれぞれ配置されるものである。セパレータ１２は酸素極触媒層側に配置される。セパレータ１３は水素極触媒層側に配置される。セパレータ１２、１３は導電性部材から形成されている。例えば、炭素材料を含む樹脂材料；鉄、銅、ステンレス、チタン等の金属材料等が挙げられる。セパレータ１２、１３の触媒層側の面には所定の流路が形成されており、流路は水電解セル１０に供給される水、水電解反応により生成する酸素及び水素をガイドする役割を有する。

枠状部材１４は膜電極接合体１１の周囲に配置されるものである。図２に示した通り、枠状部材１４は水素極孔１４ａ、１４ｂ、酸素極孔１４ｃ、水供給孔１４ｄを備えている。枠状部材の材料は特に限定されないが、例えば絶縁性樹脂が挙げられる。

水電解セル１０は枠状部材１４を伴った膜電極接合体１１の両面に１対のセパレータ１２、１３を配置することで形成される。この際、枠状部材１４の水素極孔１４ａ、１４ｂがセパレータ１２、１３の水素極孔１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに連通し、枠状部材１４の酸素極孔１４ｃがセパレータ１２、１３の酸素極孔１２ｃ、１２ｃに連通し、枠状部材１４の水供給孔１４ｄがセパレータ１２、１３の水供給孔１２ｄ、１３ｄに連通するように、これらの部材が積層される。以下において、これらの連通する孔をそれぞれ水素極連通孔１０ａ、１０ｂ、酸素極連通孔１０ｃ、水供給連通孔１０ｄということがある。

水電解セル１０における水電解反応について説明する。水電解セル１０は水供給連通孔１０ｄから水が供給されるとともに、電圧が印加されることで、それぞれの触媒層で水電解反応が生じる。まず、水は酸素極触媒層に供給され（図２の実線矢印）、水電解反応により酸素及びプロトンが生じる。生成した酸素はセパレータ１２に形成された流路に沿って移動し、酸素極連通孔１０ｃを介して外部に取り出される（図２の点線矢印）。同様に、水もセパレータ１２に形成された流路に沿って移動し、酸素極連通孔１０ｃを介して外部に取り出される。酸素極触媒層１３で生成したプロトンは固体電解質層を透過し水素極触媒層に到達する。そして、到達したプロトンは電子と結合し、水素が生成される。生成した水素はセパレータ１３に形成された流路に沿って移動し、水素極連通孔１０ａ、１０ｂを介して外部に取り出される（図２の破線矢印）。

＜セル積層体２０＞
セル積層体２０は水電解セル１０が複数積層されて形成されている。水電解セル１０の積層数は特に限定されず、目的の性能比応じて適宜設定してよい。セル積層体２０では、水素極連通孔１０ａ、１０ｂ、酸素極連通孔１０ｃ、及び水供給連通孔１０ｄが連通するように複数の水電解セル１０が積層される。

＜水電解スタック３０＞
水電解スタック３０はセル積層体２０を含む。また、図１に示した通り、セル積層体２０の両端面に端部プレート３５ａ、３５ｂがそれぞれ配置される。端部プレート３５ａはセル積層体２０の積層方向の上側の端面に配置され、端部プレート３５ｂはセル積層体２０の積層方向の下側の端面に配置される。端部プレート３５ａ、３５ｂはターミナルプレート、絶縁プレート、及びエンドプレートから構成されており、これらが積層方向の外側に向かってこの順で配置される。

ターミナルプレートは外部の電源と接続される端子を備えており、電源からターミナルプレートに電圧が印加されることで、ターミナルプレート間に配置されたセル積層体２０に電圧が印加される。エンドプレートは積層方向の内側に拘束力を付与し、セル積層体２０の密着性を高めるための部材である。例えば、エンドプレートはボルト及びナットを用いてセル積層体を拘束してもよい。絶縁プレートはターミナルプレート及びエンドプレートを絶縁する役割を有する。なお、一実施形態では、端部プレート３５ａ、３５ｂとしてターミナルプレート、絶縁プレート、及びエンドプレートを用いたが、これらの部材は必須ではない。端部プレート３５ａ、３５ｂはこれらの部材の役割を代替するものを用いてもよい。

水電解スタック３０は、水電解により生成した水素が流通する水素極側マニホールド３１、３２と、水電解により生成した酸素が流通する酸素極側マニホールド３３と、水電解に使用される水が流通する水供給マニホールド３４と、を備える。図１の矢印で示されている通り、水電解スタック３０において、水素極側マニホールド３１、３２及び酸素極側マニホールド３３は出口側のマニホールドであり、水供給マニホールド３４は入り口側のマニホールドである。

水素極側マニホールド３１、３２は積層方向に貫通する貫通孔であり、それぞれ水素極連通孔１０ａ、１０ｂを連通する。また、水素極側マニホールド３１、３２は端部プレート３５ａ、３５ｂも連通している。従って、水素極側マニホールド３１、３２は積層方向の上側及び下側部にそれぞれ開口部を備えている。積層方向の上側に設けられた開口部３１ａ、３２ａは端部プレート３５ａのエンドプレートに形成されており、積層方向の下側に設けられた開口部３１ｂ、３２ｂ（図３）は端部プレート３５ｂのエンドプレートに形成されている。

水素極側マニホールド３１、３２は、上述の通り水電解により生成した水素が流通するものであるが、水電解セル１０において酸素極触媒層を流通する水が膜電極接合体１１を透過し、水素極触媒層側にリークする場合がある。そのため、水素極側マニホールド３１、３２はリークした水も流通する場合がある。

ここで、貫通孔である水素極側マニホールド３１、３２は気液分離機能を備えており、水素及び水を容易に分離することができる。具体的には、水素極側マニホールド３１、３２に到達した水素は積層方向の上側に移動し、開口部３１ａ、３２ａを介して外部に取り出される。これに対し、水素極側マニホールド３１、３２に到達した水は重力による影響を受け積層方向の下側に移動し、開口部３１ｂ、３２ｂを介して排水管４０（水素極側排水管４１、４２）に送られる。

酸素極側マニホールド３３は積層方向に貫通する貫通孔であり、酸素極連通孔１０ｃを連通する。また、酸素極側マニホールド３３は端部プレート３５ａ、３５ｂも連通している。従って、酸素極側マニホールド３３は積層方向の上側及び下側部にそれぞれ開口部を備えている。積層方向の上側に設けられた開口部３３ａは端部プレート３５ａのエンドプレートに形成されており、積層方向の下側に設けられた開口部３３ｂ（図３）は端部プレート３５ｂのエンドプレートに形成されている。

このように酸素極側マニホールド３３は水素極側マニホールド３１、３２と同様に貫通孔であるので、気液分離機能を備えている。酸素極側マニホールド３３は、上述の通り水電解により生成した酸素及び水が流通する。従って、酸素極側マニホールド３３は酸素及び水を容易に分離することができる。具体的には、酸素極側マニホールド３３に到達した酸素は積層方向の上側に移動し、開口部３３ａを介して外部に取り出される。これに対し、酸素極側マニホールド３３に到達した水は重力による影響を受け積層方向の下側に移動し、開口部３３ｂを介して排水管４０（酸素極側排水管４３）に送られる。

水供給マニホールド３４は水供給連通孔１０ｄを連通する連通孔である。また、水供給マニホールド３４は端部プレート３５ａを連通している。従って、水供給マニホールド３４の積層方向の上側に設けられた開口部３４ａは端部プレート３５ａのエンドプレートに形成されている。一方で、水供給マニホールド３４の積層方向の下側の端部は閉塞している。通常、積層方向の最も下側にされた水電解セル１０のセパレータ１３の水供給孔１３ｄが閉塞されている。また、閉塞部は端部プレート３５ｂに設けられていてもよい。このように水供給マニホールド３４の下端部が閉塞していることで、外部から供給された水を各水電解セル１０に供給することができる。

＜排水管４０＞
上述した通り、水素極側マニホールド３１、３２及び酸素極側マニホールド３３は気液分離機能を備えており、積層方向の下側に水を移動させるものである。排水管４０はこれらの水を合流させて、排出する機能を有する。図１に示した通り、排水管４０は水素極側マニホールド３１、３２に接続された水素極側排水管４１、４２と、酸素素極側マニホールド３３に接続された酸素極側排水管４３と、水素極側排水管４１、４２及び酸素極側排水管４３を接続する接続管４４、４５と、を備えている。図３に排水管４０に着目した概略図を示した。

（水素極側排水管４１、４２）
水素極側排水管４１、４２は水素極側マニホールド３１、３２の気液分離機能によって分離された水を流す配管である。水素極側排水管４１、４２の積層方向の上端部４１ａ、４２ａは水素極側マニホールド３１、３２の積層方向下側の開口部３１ｂ、３２ｂに接続している。水素極側排水管４１、４２の積層方向の下端部４１ｂ、４２ｂは接続管４４、４５の一方の端部に接続している（接続位置４４ａ、４５ａ）。ただし、本開示の水電解装置において、水素極側排水管と接続管との接続位置は水素極側排水管の積層方向の下端部に限定されるものではない。

（酸素極側排水管４３）
酸素極側排水管４３は酸素極側マニホールド３３の気液分離機能によって分離された水を流す配管である。酸素極側排水管４３の積層方向の上端部４３ａは酸素極側マニホールド３３の積層方向下側の開口部３３ｂに接続している。酸素極側排水管４３は接続管４４、４５の他方の端部と接続していている（接続位置４４ｂ、４５ｂ）。酸素極側排水管４３と接続管４４、４５との接続位置４４ｂ、４５ｂは特に限定されない。ただし、後述する通り、接続位置４４ｂ、４５ｂは、接続位置４４ａ、４５ａよりも積層方向の上側に存在していてもよい。酸素極側排水管４３の積層方向の下端部４３ｂは、例えば排水弁や循環ポンプに接続されていてもよい。下端部４３ｂが循環ポンプに接続している場合、排出される水を水供給マニホールド３４に循環してもよい。

（接続管４４、４５）
接続管４４、４５は、水素極側排水管４１、４２と酸素極側排水管４３とを接続し、水素極側マニホールド３１、３２によって分離された水を水素極側排水管４１、４２から酸素極側排水管４３に流すための配管である。

このように、水素極側マニホールド３１、３２よって分離された水は水素極側排水管４１、４２及び接続管４４、４５を介して、酸素極側排水管４３に流され、酸素極側マニホールド３３によって分離された水と合流する。ここで、通常、水電解装置１００において、酸素極側の圧力が水素極側の圧力よりも低く設定されている。すなわち、水電解反応によって生成される酸素の圧力が水素の圧力よりも低く設定されている。水素及び酸素の圧力は、水素極側マニホールド３１、３２及び酸素極側マニホールド３３の出口（開口部３１ａ、３２ａ、３３ａ）付近に設置された圧力測定装置によって測定することができる。

上述の通り、酸素極側の圧力が水素極側の圧力よりも低く設定されているため、圧力差により、接続管４４、４５を介して、水素極側排水管４１、４２から酸素極排水管４３へ水だけでなく、水素も流れてしまう虞がある。そこで、水電解装置１００は酸素極排水管４３への水素の流入を抑制するために、接続管４４、４５に排水弁を設けている。

排水弁は接続管４４、４５を流通する水の流量を調節するものであり、一実施形態では遮断弁４６と流調弁４７を含む。遮断弁４６はオン－オフ弁であり、接続管４４、４５に流れる水の流通及び遮断を操作する。流調弁４７は流通する水の流量を調整するものであり、弁の開度によって流量を調整することができる。遮断弁４６及び流調弁４７は圧力の高い側から低い側、すなわち水素極側排水管４１、４２から酸素極側排水管４３に向かって配置される。

遮断弁４６及び流調弁４７を用いて、酸素極側排水管４２への水素の流入を抑制する方法について説明する。まず、遮断弁４６及び流調弁４７を閉めた状態で、水素極側排水管４１、４２において水を貯留する。次に、水位が所定の高さまで到達したとき、遮断弁４６、流調弁４７をこの順で開状態に変更する。このとき、流調弁４７の開度は適宜調整してよい。そして、水位が所定の位置（酸素極側排水管４２への水素の流入を抑制するために、接続位置４４ａ、４５ａよりも高い位置に設定する。）まで低下したとき、遮断弁４６及び流調弁４７を閉状態に変更する。このように遮断弁４６及び流調弁４７を操作することにより酸素極側排水管４３への水素の流入を抑制することができる。

貯留した水の水位を容易に調整するために、水素極側排水管４１、４２に水位計を設けてもよい。これにより、水位が所定の高さ（図３のＨ）まで到達したときに遮断弁４６及び流調弁４７を開状態に変更し、水位が所定の高さ（図３のＬ）まで下がったときに遮断弁４６及び流調弁４７を閉状態に変更することができる。

図４に水位計を用いて排水管の水位調整を実施したときのタイムチャートの一例を示した。図４に示した通り、開始直後は、水位計はＬｏｗを示しており、遮断弁及び流調弁は閉状態となっている。次に、時間ｔ１において水電解を開始し、時間経過に伴って水位が上昇していく。そして、時間ｔ２において水位が所定の高さまで上昇したことを水位計が検知し、時間ｔ３において遮断弁が開状態に変更される。続いて、時間ｔ４において流調弁が徐々に開き、これに伴って水位が低下していく。そして、時間ｔ５において水位が所定の高さまで減少したことを水位計が検知し、遮断弁及び流調弁が閉状態に変更される。水位が変化しないため、時間ｔ６において遮断弁及び流調弁の閉状態は維持される。

さらに接続管４４、４５について説明する。図１、図３に示した通り、接続管４４、４５は傾斜を有している。傾斜は圧力の高い側から低い側、すなわち水素極側排水管４１、４２から酸素極側排水管４３に向かって高くなるように設定する。これは、酸素極側排水管４３と接続管４４、４５との接続位置４５、４５ｂは、水素極側排水管４１、４２と接続管４４、４５との接続位置４４ａ、４５ａよりも積層方向の上側に存在することを意味する。このように接続管４４、４５が傾斜を有していることにより、酸素極側排水管４３への水素の流入をより抑制することができる。傾斜は接続管４４、４５の一部に設けられていてもよいが、効果を高める観点から全体に設けられていてもよい。また、傾斜角度も特に限定されず、目的に応じて適宜設定してよい。

＜効果＞
従来、水電解システムでは、水素極側マニホールドから排出された水素及び水は気液分離器によって分離されていた。また、酸素極側マニホールドから排出された酸素及び水は気液分離器によって分離されていた。このように従来の水電解システムでは、酸素極側及び水素極側の両方に気液分離器が設けられていた。一方で、水電解装置１００は、上述した通り、気液分離機能を有する水素極側マニホールド３１、３２及び酸素極側マニホールド３３を備えている。そのため、水電解システムにおいて酸素極側及び水素極側に設けられる気液分離器を小型化あるいは削減が可能である。従って、水電解装置１００によれば、水電解システム全体を小型化することができる。

ここで、水電解装置１００では、水素極側マニホールド３１、３２及び酸素極側マニホールド３３によって分離された水はそれぞれ水素極側排水管４１、４２及び酸素極側排水管４３に流入する。水素極側排水管４１、４２に流入した水は、接続管４４、４５を介して、酸素極側排水管４３に流入する。これにより、排水する水を酸素極側排水管４３に集めることができるため、排水効率を向上することができる。

しかしながら、上述した通り、水電解装置１００において、通常、酸素極側の圧力が水素極側の圧力よりも低く設定されている。そのため、圧力差により、水素が接続管４４、４５を介して水素極側排水管４１、４２から酸素極側排水管４３に流入する虞がある。そこで、水電解装置１００では、このような圧力差による気体の逆流を抑制するために、接続管４４、４５に排水弁（遮断弁４６及び流調弁４７）を備えている。これにより、排水管４０において気体の逆流を抑制することができる。

＜補足＞
水電解装置１００では、水素極側マニホールドの数が酸素極側マニホールドの数の２倍である。これは、水電解反応により生成される水素量が酸素量に比べて２倍であるためである。従って、水電解装置１００において、酸素極側マニホールドの２倍の水素極側マニホールドを備えることで、水電解反応により生じた水素による圧損を低減することができる。ただし、本開示の水電解装置において、水素極側マニホールドの数は酸素極側マニホールドの数の２倍未満でもよい。例えば、水素極側マニホールドの数は酸素極側マニホールドの数と同じでもよい。しかしながら、圧損を低減する観点から、水素極側マニホールドの数は酸素極側マニホールドの数の２倍以上としてもよい。

水電解装置１００では、酸素極側の圧力が水素極側の圧力よりも低く設定されていることに基づいて、排水管４０の構造を決定していた。しかしながら、本開示の水電解装置において、水素極側の圧力が酸素極側の圧力よりも低く設定されてもよい。この場合、水電解スタックによって分離された水は、低圧側の水素極側排水管に集められて、外部に排出されてもよい。また、接続管の傾斜も酸素極側排水管から水素極側排水管に向かって高くなるように設定されていてもよい。

［水電解システム］
上記水電解装置を用いることで水電解システム全体を小型化することができる。そこで、本開示は上記水電解装置を用いた水電解システムについて、一実施形態を用いて説明する。一実施形態は、酸素極側及び水素極側に気液分離器を含まない形態である。ただし、本開示の水電解システムは、気液分離器を酸素極側及び水素極側の少なくとも一方に備えていてもよい。

一実施形態は上記水電解装置１００と、水電解装置１００に電圧を印加する電源２００と、水電解装置１００に水を供給する水供給装置３００と、水電解装置１００と水供給装置３００とを接続し、水供給装置３００から水電解装置１００に供給される水を流すための水供給流路５１０と、水電解装置１００に接続され、水電解装置１００から排出される水を流すための水排出流路５２０と、水電解により生成した水素を貯留する水素タンク４００と、水電解装置１００と水素タンク４００とを接続し、水電解装置１００から水素タンク４００に供給される水素を流すための水素流通流路５３０と、水電解装置１００に接続され、水電解反応により生成した酸素を流すための酸素流通流路５４０と、を備える、水電解システム１０００である。図５に水電解システム１０００のブロック図を示した。

水電解装置１００については上述したため、ここでは説明を省略する。電源２００は、水電解装置１００に電圧を印加し、水電解装置１００において水電解反応を生じさせるものである。このような電源２００は公知である。電源２００は、水電解装置１００の端部プレート３５ａ、３５ｂのターミナルプレートにそれぞれ接続される。水供給装置３００は水電解装置１００に水を供給するものである。このような水供給装置３００は公知である。水素タンク４００は、水電解により生成した水素を貯留するものである。このような水素タンク４００は公知である。

水供給流路５１０は水供給装置３００から水電解装置１００に供給される水を流すための配管である。水供給流路５１０は水電解装置１００の水供給マニホールド３４の開口部３４ａに接続されている。

水排出流路５２０は水電解装置１００に接続され、水電解装置１００から排出される水を流すための配管である。水排出流路５２０は水電解装置１００の酸素極側排水管４３に接続されている。水電解装置１００から排出される水は水排出流路５２０を介して外部に排出されてもよいが、図５に示したように水供給装置３００に送液されてもよい。すなわち、水排出流路５２０は酸素極側排水管４３と水供給装置３００とを接続してもよい。これにより、水を再利用することができる。

水素流通流路５３０は、水電解装置１００と水素タンク４００とを接続し、水電解装置１００から水素タンク４００に供給される水素を流すための配管である。水素流通流路５３０は水電解装置１００の水素極側供給マニホールド３１、３２の開口部３１ａ、３２ａにそれぞれ接続している。図５に示した通り、水素流通流路５３０は水素極側供給マニホールド３１、３２から流れる水素を合流させる形態でもよい。

酸素流通流路５４０は、水電解装置１００に接続され、水電解反応により生成した酸素を流すための配管である。酸素流通流路５４０は水電解装置１００の酸素極側マニホールド３３の開口部３３ａに接続している。水電解装置１００から排出される酸素は酸素流通流路５４０を介して、外部に排出されてもよい。

１０ 水電解セル
１１ 膜電極接合体１１
１２、１３ セパレータ
１４ 枠状部材１４
２０ セル積層体
３０ 水電解スタック
３１、３２ 水素極側マニホールド
３３ 酸素極側マニホールド
３４ 水供給マニホールド
３５ａ、３５ｂ 端部プレート
４０ 排水管
４１、４２ 水素極側排水管
４３ 酸素極側排水管
４４、４５ 接続管
４６ 遮断弁
４７ 流調弁
１００ 水電解装置
２００ 電源
３００ 水供給装置
４００ 水素タンク
１０００ 水電解システム

Claims (5)

1. 水電解セルを複数積層したセル積層体を備えた水電解スタックと、前記水電解スタックに接続された排水管と、を備え、
   前記水電解スタックは、水電解により生成した水素が流通する水素極側マニホールドと、
   水電解により生成した酸素が流通する酸素極側マニホールドと、水電解に使用される水が流通する水供給マニホールドと、を備え、
   前記水素極側マニホールド及び前記酸素極側マニホールドは積層方向に貫通しており、
   前記排水管は前記水素極側マニホールドに接続された水素極側排水管と、前記酸素極側マニホールドに接続された酸素極側排水管と、前記水素極側排水管及び前記酸素極側排水管を接続する接続管と、を備え、
   前記接続管は該接続管を流通する水の流量を調節する排水弁を備えている、
   水電解装置。
2. 前記接続管は傾斜を有している、請求項１に記載の水電解装置。
3. 前記酸素極側排水管に水位計が設けられている、請求項１又は２に記載の水電解装置。
4. 前記水素極側マニホールドの数は前記酸素極側マニホールドの数の２倍以上である、請求項１又は２に記載の水電解装置。
5. 請求項１又は２に記載の水電解装置と、
   前記水電解装置に電圧を印加する電源と、
   前記水電解装置に水を供給する水供給装置と、
   前記水電解装置と前記水供給装置とを接続し、前記水供給装置から前記水電解装置に供給される前記水を流すための水供給流路と、
   前記水電解装置に接続され、前記水電解装置から排出される水を流すための水排出流路と、
   水電解により生成した水素を貯留する水素タンクと、
   前記水電解装置と前記水素タンクとを接続し、前記水電解装置から前記水素タンクに供給される水素を流すための水素流通流路と、
   前記水電解装置に接続され、水電解反応により生成した酸素を流すための酸素流通流路と、を備える、
   水電解システム。