JP5139924B2 - 水素生成システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解する水電解部を備え、前記水電解部で生成される水素が所定圧力以上の高圧水素となった際、背圧弁機構を介して前記高圧水素を水素供給経路に取り出す水素生成システムの運転方法に関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。燃料である水素を製造するために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。

この水電解装置では、一般的に、電解時に濃度差に起因して電解質膜を拡散した不純物酸素が、生成された水素中に数十〜数百ｐｐｍ程度混在している。この不純物酸素は、燃料電池において触媒毒として作用するおそれがある。従って、燃料電池用水素の純度は、不純物酸素が５ｐｐｍ以下、より好ましくは、１ｐｐｍ以下であることが望ましい。

そこで、生成された水素中の不純物酸素を取り除くために、例えば、特許文献１に開示された高圧水素の製造方法及び製造装置が知られている。高圧水素製造装置は、図５に示すように、酸素高圧容器１、差圧調整装置２、水素高圧容器３、電解セル４、水分吸着筒５、背圧弁６及び脱酸素筒７を備えている。

酸素高圧容器１内の純水は、循環ポンプ８を介して電解セル４の陽極側に送られるとともに、電源９から前記電解セル４に通電することによって、前記純水が電気分解されている。この電気分解により電解セル４に発生した酸素は、循環ポンプ８の循環水戻り純水とともに、酸素高圧容器１に送られている。

電解セル４の陰極に発生した水素は、透過水とともに、水素高圧容器３内に放出されている。その際、差圧調整装置２により酸素高圧容器１内の圧力と水素高圧容器３内の圧力が等しくなっている。

水素高圧容器３に貯留された水素は、脱酸素筒７を介して該水素中に含まれる酸素が除去された後、背圧弁６に連絡されている水分吸着筒５で水分が除去されることにより、製品水素が得られている。

特開２００７−１００２０４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、特に、高圧水素製造装置の始動時に生成される水素中に含まれる不純物酸素を、確実に除去することが難しい。このため、始動時に生成される不純物酸素を除去するための反応系が必要となり、構成が複雑化するという問題がある。

しかも、酸素高圧容器１の圧力と水素高圧容器３の圧力とが等圧である。従って、例えば、背圧弁６の設定圧力を変えても、水素高圧容器３に生成される水素中の不純物酸素濃度を減少させることができず、高純度の水素を効率的に製造することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、水電解により生成された水素から不純物酸素を効率的に除去することができ、高純度の水素を簡単且つ確実に得ることが可能な水素生成システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解する水電解部を備え、前記水電解部で生成される水素が所定圧力以上の高圧水素となった際、背圧弁機構を介して前記高圧水素を水素供給経路に取り出す水素生成システム及びその運転方法に関するものである。

この水素生成システムは、背圧弁機構を駆動させて水素を水素供給経路外に排出させるために、第１背圧を設定する第１背圧設定機構と、前記背圧弁機構を駆動させて高圧水素を前記水素供給経路に取り出すために、前記第１背圧よりも高圧の第２背圧を設定する第２背圧設定機構とを備えている。

また、この水素生成システムは、水電解部で生成される水素中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出機構を備えることが好ましい。

さらに、背圧弁機構は、第１背圧設定機構を構成する第１背圧弁又は減圧弁に連結された前記第１背圧弁と、第２背圧設定機構を構成する第２背圧弁とを備えることが好ましい。

さらにまた、第１背圧弁機構は、第１背圧設定機構及び第２背圧設定機構を構成する設定背圧可変式の背圧弁を備えることが好ましい。

また、この水素生成システムの運転方法は、水電解部の始動時に、第１背圧に設定された背圧弁機構を介して水素を水素供給経路外に排出させる工程と、前記水電解部で生成される前記水素中の酸素濃度が設定濃度以下に低下した後、前記第１背圧よりも高圧の第２背圧に設定された前記背圧弁機構を介して前記高圧水素を前記水素供給経路に取り出す工程とを有している。

本発明によれば、水電解部の始動時には、生成される水素の圧力が低圧であるため、この水素中の不純物酸素濃度が高くなる。従って、純度の低い水素は、第１背圧に設定された背圧弁機構を介して水素供給経路外に排出されることにより、水電解部から低純度の水素を確実に除去することができる。

次いで、水素中の酸素濃度が低下した後、第１背圧よりも高圧の第２背圧に設定された背圧弁機構を介して高圧水素が水素供給経路に取り出される。これにより、不純物酸素が除去された高純度の高圧水素を、水素供給経路に確実且つ効率的に供給することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システム１０の概略構成説明図である。

水素生成システム１０は、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置（水電解部）１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６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器（気液分離部）１８と、前記気液分離器１８から水素供給経路２０に供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着装置２２と、前記水吸着装置２２に連通するドライ水素供給路２４に導出される前記水素（ドライ水素）を貯留可能な水素タンク２６とを備える。なお、水素タンク２６は、必要に応じて備えていればよく、この水素タンク２６を削除することも可能である。

水電解装置１４は、複数の水分解セル２８が積層されており、前記水分解セル２８の積層方向一端には、配管３０ａ、３０ｂ及び３０ｃが接続される。配管３０ａ、３０ｂは、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる一方、配管３０ｃは、背圧弁機構３２を介して水素導出路１６から気液分離器１８に接続される。

背圧弁機構３２は、第１背圧設定機構を構成する第１背圧弁３４ａと、第２背圧設定機構を構成する第２背圧弁３４ｂとを備える。第１背圧弁３４ａは、水素排出路３６に配設されるとともに、この第１背圧弁３４ａの下流には、電磁弁３８が配設される。第１背圧弁３４ａの設定圧は、例えば、１ＭＰａ（第１背圧）に設定されるとともに、第２背圧弁３４ｂの設定圧は、例えば、３５ＭＰａ（第２背圧）に設定される。

第１背圧弁３４ａは、水分解セル２８の酸素側と水素側との差圧（水素圧−酸素圧）が２００ＫＰａ以上、より好ましくは、５００ＫＰａ以上になるように設定される。

水素導出路１６には、水電解装置１４で生成される水素中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出機構として、例えば、酸素濃度計４０が配設される。酸素濃度計４０により検出された酸素濃度が、例えば、１０ｐｐｍ以下、より好ましくは、５ｐｐｍ（固体高分子型燃料電池で利用可能な酸素濃度）以下となった際、第１背圧から第２背圧への切り換えが行われる。

水素供給経路２０には、バルブ４２が配設されるとともに、前記水素供給経路２０に水吸着装置２２の入口側が接続される。水吸着装置２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、水分を外部に放出して再生される水分吸着剤を充填した少なくとも２基の吸着塔（図示せず）を備える。

水吸着装置２２の出口側には、バルブ４４を介してドライ水素供給路２４が接続される。ドライ水素供給路２４に配設される水素タンク２６には、燃料供給路４６がバルブ４８を介して接続される。この燃料供給路４６は、燃料電池車両５０の燃料タンクに直接、あるいは、図示しない貯留タンクを介して接続可能である。

このように構成される水素生成システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、水素生成システム１０の始動時には、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が水電解装置１４に供給される。この水電解装置１４では、純水を電気分解することによって、水素の生成が開始される。このとき、生成された水素中の不純物酸素濃度は、１００ｐｐｍ以上となっている。

背圧弁機構３２では、第１背圧弁３４ａ及び第２背圧弁３４ｂがそれぞれ所定の設定圧に維持されるとともに、電磁弁３８が開放されている。このため、水電解装置１４内の水素圧力が上昇するとともに、この水素中の不純物酸素濃度が、図２に示すように低下する。

その際、水電解装置１４では、酸素側の背圧は、１００ＫＰａに維持される一方、水素側の背圧は、第１背圧弁３４ａの設定圧力である１ＭＰａである。従って、水素圧−酸素圧の差圧が最大９００ＫＰａに維持された状態で、水素の生成が継続される。

そして、水素圧力が第１背圧である１ＭＰａに達した際に、水素中の不純物酸素濃度は、約３０ｐｐｍとなる。これは、水電解装置１４及び水素導出路１６内に、水素圧と酸素圧との差圧が低い時、すなわち、起動開始時に発生した低純度の水素が多く残存しているからである。

次いで、水電解装置１４内の水素圧力が１ＭＰａを超えると、第１背圧弁３４ａが開放され、予め開放されている電磁弁３８を通って水素排出路３６に低純度水素が排出される。従って、始動初期に水電解装置１４内に発生している不純物酸素を多く含む水素は、水素供給経路外である水素排出路３６に排出されるため、生成される水素中の不純物酸素濃度は、徐々に低下する。

酸素濃度計４０は、不純物酸素濃度が、例えば、５ｐｐｍ以下となったことを検出すると、電磁弁３８が閉塞されて水素排出路３６からの水素排出が停止される。これにより、水電解装置１４内の水素圧は、１ＭＰａからさらに上昇する。水電解装置１４内の水素圧力が５ＭＰａ以上となると、生成水素中の不純物酸素濃度は１ｐｐｍ以下となり、製品ガスとして良好な水素が得られる（図２参照）。

水電解装置１４内の水素圧力は、さらに上昇して３５ＭＰａに達すると、第２背圧弁３４ｂが開放される。従って、高圧水素は、水電解装置１４の外部に取り出し可能となり、前記水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧の水素は、水素導出路１６を介して気液分離器１８に送られる。この気液分離器１８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、水素供給経路２０に供給される。

水素供給経路２０に供給された水素は、水吸着装置２２に送られる。水吸着装置２２では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、このドライ水素がドライ水素供給路２４に導出される。

ドライ水素供給路２４に導出されたドライ水素は、水素タンク２６に貯蔵される。この水素タンク２６に貯蔵されたドライ水素は、必要に応じてバルブ４８の開放作用下に、燃料供給路４６を介して燃料電池車両５０に充填される。

この場合、第１の実施形態では、水電解装置１４の水素出口側である配管３０ｃには、背圧弁機構３２が設けられている。この背圧弁機構３２は、第１背圧である１ＭＰａに設定される第１背圧弁３４ａと、前記第１背圧よりも高圧の第２背圧である３５ＭＰａに設定された第２背圧弁３４ｂとを備えている。一方、酸素側の背圧は、１００ＫＰａに維持されている。

そこで、水電解装置１４の起動時には、生成される水素の圧力が低圧であるため、この水素中の不純物酸素濃度が高くなり、水素圧力が１ＭＰａに達した際に、不純物酸素を多く含有する水素が、予め開放されている電磁弁３８を介して水素排出路３６に排出されている。

その際、水素圧力が１ＭＰａに達すると、この水素中の不純物酸素濃度が５ｐｐｍ以下となっている。このため、電磁弁３８が閉塞されることにより、高純度の高圧水素が得られる。この高圧水素は、所定の圧力（３５ＭＰａ）に達した際に、第２背圧弁３４ｂが開放されて水素供給経路２０に供給されるため、不純物酸素が除去された高純度の高圧水素を前記水素供給経路２０に確実且つ効率的に供給することができるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、第１背圧弁３４ａと第２背圧弁３４ｂとの切り換えタイミングは、酸素濃度計４０により検出される不純物酸素濃度が１０ｐｐｍ以下、より好ましくは、５ｐｐｍ以下である際に行われているが、これに限定されるものではない。例えば、水電解装置１４の始動からの経過時間を計時し、所定の時間が経過したことを検出した際に、第１背圧弁３４ａから第２背圧弁３４ｂへの切り換えを行うことも可能である。

また、第１背圧弁３４ａが開放されて、水素排出路３６から水素の排出が開始されたことを流量計等により検知し、この時点から所定の時間だけ経過した後、電磁弁３８を閉塞するよう制御してもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システム６０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水素生成システム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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水素生成システム６０を構成する水電解装置１４には、水素出口である配管３０ｃに背圧弁機構６２が設けられる。この背圧弁機構６２は、設定背圧可変式の背圧弁６４を備え、この背圧弁６４の下流側に三方弁６６が配設される。

三方弁６６は、水電解装置１４と水素排出路３６とを連通する位置と、前記水電解装置１４と気液分離器１８とを連通する位置とに切り換え自在である。背圧弁６４は、第１背圧としての１ＭＰａと、第２背圧としての３５ＭＰａとに、設定圧力が切り換え自在である。

このように構成される第２の実施形態では、先ず、背圧弁６４が１ＭＰａに設定され、水電解装置１４による水素生成作業が開始される。その際、第１の実施形態と同様に、酸素側の背圧は、約１００ＫＰａであり、水電解装置１４の始動時に生成される水素中に多く含まれる不純物酸素は、前記水電解装置１４の水素圧力が１ＭＰａに達した際、背圧弁６４の開放作用下に三方弁６６を介して水素排出路３６に排出される。

次いで、三方弁６６は、水電解装置１４と気液分離器１８とを連通する位置に操作される一方、背圧弁６４の設定圧力が３５ＭＰａに変更される。このため、水電解装置１４による水素生成処理が継続されることにより、所定の高圧水素が得られ、この高圧水素は、背圧弁６４を開放させて三方弁６６から気液分離器１８に供給される。

従って、第２の実施形態では、背圧弁６４が第１背圧設定機構及び第２背圧設定機構を兼用することができる他、水電解装置１４の始動時に発生する低純度の水素（不純物酸素濃度の高い水素）が、先ず、第１背圧（１ＭＰａ）に達した際に、水素供給経路２０の系外に排出される。これにより、高純度の高圧水素を水素供給経路２０に確実且つ効率的に供給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。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システム７０の概略構成説明図である。

水素生成システム７０を構成する水電解装置１４には、水素出口である配管３０ｃに背圧弁機構７２が設けられる。この背圧弁機構７２は、第１背圧設定機構を構成する第１背圧弁３４ａ及び減圧弁７４と、第２背圧設定機構を構成する第２背圧弁３４ｂとを備える。

このように構成される第３の実施形態では、第１背圧設定機構として第１背圧弁３４ａ及び減圧弁７４を備えるとともに、前記第１背圧弁３４ａ及び前記減圧弁７４の設定圧が、例えば、１ＭＰａに設定される。これにより、特に電磁弁３８を低圧に設定することができ、経済的であるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システムの概略構成説明図である。 水素ガス圧力と不純物酸素濃度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システムの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法が適用される水素生成システムの概略構成説明図である。 特許文献１に開示された高圧水素製造装置の概略説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０…水素生成システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８…気液分離器 ２０…水素供給経路
２２…水吸着装置 ３２、６２…背圧弁機構
３４ａ、３４ｂ、６４…背圧弁 ３６…水素排出路
３８…電磁弁 ６６…三方弁
７４…減圧弁

Claims (3)

1. 水を電気分解する水電解部を備え、前記水電解部で生成される水素が所定圧力以上の高圧水素となった際、背圧弁機構を介して前記高圧水素を水素供給経路に取り出す水素生成システムの運転方法であって、
   前記水電解部の始動時に、第１背圧に設定された前記背圧弁機構を介して前記水素を前記水素供給経路外に排出させる工程と、
   前記水電解部で生成される前記水素中の酸素濃度が設定濃度以下に低下した後、前記第１背圧よりも高圧の第２背圧に設定された前記背圧弁機構を介して前記高圧水素を前記水素供給経路に取り出す工程と、
   を有することを特徴とする水素生成システムの運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記背圧弁機構は、第１背圧弁又は減圧弁に連結された前記第１背圧弁と第２背圧弁とを備えることを特徴とする水素生成システムの運転方法。
3. 請求項１記載の運転方法において、前記背圧弁機構は、設定背圧可変式の背圧弁を備えることを特徴とする水素生成システムの運転方法。

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