JP7104110B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン交換膜を挟んで互いに隔離されたアノード及びカソードを有する水電解装置を備える水電解システムに関する。

一般的に、燃料電池車両等に搭載される燃料電池の発電反応では、燃料ガスとして水素ガスが使用されるとともに、酸化剤ガスとして酸素ガス（酸素含有ガス）が使用される。水素ガスは、水電解装置を備える水電解システムにより製造することができる。すなわち、水電解システムにおいて、水電解装置により水を電気分解することで、該水電解装置のカソードに水素ガスを生じさせることができる。この際、水電解装置のアノードには酸素ガスが生じる。この酸素ガスも、例えば、酸化剤ガスとして有効に利用することができる。つまり、酸素ガスを燃料電池に供給することで、特に、酸素分圧や酸素濃度が低い場所（例えば、高所や宇宙空間）においても発電反応を良好に生じさせることが可能になる。このため、水電解システムでは、水電解装置で発生する水素ガス及び酸素ガスの両方を回収することが好ましい。

水電解装置としては、例えば、特許文献１に開示されるように、比較的高い電流密度で運転すること等が可能な固体高分子形のものが知られている。この種の水電解装置は、電解質であるイオン交換膜の両面に電極触媒層及び給電体をそれぞれ設けることで構成された電解質膜・電極構造体を有する。イオン交換膜の一方の面側に設けられた電極触媒層や給電体からアノードが構成され、他方の面側に設けられた電極触媒層や給電体からカソードが構成される。これらのアノード及びカソードは、イオン交換膜を挟んで互いに隔離されている。

特開平９－１３９２１７号公報

上記の水電解装置では、イオン交換膜を酸素ガスや水素ガスが透過する、いわゆるクロスオーバが生じる懸念がある。特に、水素ガスは、酸素ガスよりも分子量が小さいため、カソードからイオン交換膜を透過してアノードへと入り込み易くなっている。しかしながら、水電解システムでは、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに分離した状態で製造することが求められる。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに良好に分離した状態で製造することが容易な水電解システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、イオン交換膜を挟んで互いに隔離されたアノード及びカソードを有し、水を電気分解して前記アノードに酸素ガスを発生させ且つ前記カソードに水素ガス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、
前記水電解装置に水を供給する水供給部と、前記アノード及び前記カソードに電圧を印加する電源と、前記カソードから排出された水素ガスから水分を分離する水分除去部と、前記水分除去部により前記水分が分離された水素ガスを昇圧する水素ガス昇圧部と、前記アノードに生成された酸素ガスの排出を規制する酸素ガス排出規制部としての弁と、を備え、前記水電解装置にて水を電気分解する際に、前記アノードにおける酸素ガスの圧力が前記カソードにおける水素ガスの圧力よりも高圧となるように、前記酸素ガス排出規制部により前記アノードからの酸素ガスの排出を規制する。

この水電解システムでは、酸素ガス排出規制部によりアノードの酸素ガスの圧力をカソードの水素ガスの圧力よりも高圧とする。これにより、低圧のカソードから高圧のアノードに向かって水素ガスがイオン交換膜を透過することが抑制される。すなわち、イオン交換膜をガスが透過する場合の方向性（クロスオーバの方向性）をアノード側からカソード側へと定めることができ、カソードで発生する水素ガスがアノード側に入り込むことを抑制できる。

クロスオーバの方向性が定まらない場合、アノード側に入り込んだ水素ガスと、カソード側に入り込んだ酸素ガスとの両方への対処が必要となる。これに対して、クロスオーバの方向性が上記のように定められることで、カソード側に入り込んだ酸素ガスの対処に重点をおくことが可能になる。その結果、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに良好に分離した状態で製造することが容易になる。

しかも、水素ガスに比べて分子量が大きい酸素ガスは、水素ガスよりもイオン交換膜を透過し難い。このため、上記のようにクロスオーバの方向性を定めても、アノードからカソード側に向かってイオン交換膜を透過する酸素ガスの量が大幅に増大することを回避できる。また、酸素ガスは水素ガスに比べて、水への溶解度が高い。このため、たとえ、アノードで生じた酸素ガスがイオン交換膜を透過したとしても、該酸素ガスを、水電解装置のカソード等に存在する水に溶解させることができる。これらによっても、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに良好に分離した状態で製造することが容易になる。

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。

本発明に係る水電解システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る水電解システム１０は、水電解装置１２と、水供給部１４と、電源１６と、水分除去部１８と、水素ガス昇圧部２０と、水素ガス除湿部２２と、水素ガス排出規制部２４と、酸素ガス除湿部２６と、酸素ガス排出規制部２８と、不図示の制御部とを主に備える。水電解装置１２の各種制御は、制御部によって行うことができる。制御部は、不図示のＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータとして構成される。

水電解システム１０は、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを、例えば１～１００ＭＰａまで圧縮した高圧水素ガス及び高圧酸素ガスの状態で製造することができる。水電解システム１０により製造された高圧水素ガスは、例えば、水電解システム１０に着脱自在に取り付けられる水素ガスタンク３０に収容可能となっている。水電解システム１０により製造された高圧酸素ガスは、例えば、水電解システム１０に着脱自在に取り付けられる酸素ガスタンク３２に収容可能となっている。

水電解装置１２は、電解質であるイオン交換膜３４と、該イオン交換膜３４を挟んで互いに隔離されたアノード３６及びカソード３８を有し、水を電気分解（水電解）してアノード３６に酸素ガスを発生させ且つカソード３８に水素ガスを発生させる。つまり、水電解装置１２は、いわゆる固体高分子形である。

本実施形態では、水電解装置１２は、複数の単位セル４０を積層したセルユニットを備える。セルユニットにおける単位セル４０の積層方向一端には、ターミナルプレート４２ａ、絶縁プレート４４ａ及びエンドプレート４６ａが外方に向かって、順次、配設される。また、セルユニットにおける単位セル４０の積層方向他端には、ターミナルプレート４２ｂ、絶縁プレート４４ｂ及びエンドプレート４６ｂが外方に向かって、順次、配設される。

エンドプレート４６ａ、４６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。ターミナルプレート４２ａ、４２ｂの側部には、端子部４８ａ、４８ｂが外方にそれぞれ突出して設けられる。端子部４８ａ、４８ｂには、配線を介して電源１６が電気的に接続される。電源１６は、端子部４８ａ、４８ｂを介して水電解装置１２のアノード３６及びカソード３８に電圧を印加することができる。

各単位セル４０は、例えば、円盤状の電解質膜・電極構造体５０（ＭＥＡ）と、この電解質膜・電極構造体５０を挟持する円盤状のアノード側セパレータ５２及びカソード側セパレータ５４とを備える。電解質膜・電極構造体５０は、イオン交換膜３４と、イオン交換膜３４の両面に設けられるアノード３６及びカソード３８とを有する。各単位セル４０では、イオン交換膜３４や不図示のシール部材等によって、イオン交換膜３４を挟むアノード３６及びカソード３８が互いに連通することがないようにシール（隔離）されている。

本実施形態では、イオン交換膜３４は、アニオン交換膜である。つまり、イオン交換膜３４は、アニオン（例えば、水酸化物イオンＯＨ^-）を選択的に移動させることが可能なアニオン伝導性を有している。この種のイオン交換膜３４の一例としては、アニオン交換基（例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基）を有する炭化水素系の固体高分子膜（例えば、ポリスチレンやその変性体）を挙げることができる。

アノード３６は、何れも不図示ではあるが、イオン交換膜３４の一方の面に形成されたアノード電極触媒層と、アノード側給電体とを有する。カソード３８は、何れも不図示ではあるが、イオン交換膜３４の他方の面に形成されたカソード電極触媒層と、カソード側給電体とを有する。

単位セル４０の外周縁部には、該単位セル４０をそれぞれ積層方向に連通する、水供給連通孔５６と、水素排出連通孔５８と、酸素排出連通孔６０とが設けられる。水供給連通孔５６及び水素排出連通孔５８は、第１セル流路６２にそれぞれ連通する。第１セル流路６２は、カソード側セパレータ５４の電解質膜・電極構造体５０（カソード側給電体）に対向する面に設けられた複数の流路溝や複数のエンボス等により構成される。

水供給連通孔５６には、水供給流路６４を介して水供給部１４から水が供給される。水供給連通孔５６に供給された水が第１セル流路６２に流入することで、各単位セル４０のカソード３８に水が供給される。つまり、本実施形態の水電解装置１２では各単位セル４０のカソード３８側に水が供給される。この水が、電源１６による電圧印加のもと水電解されると、各単位セル４０のカソード３８では水素ガスが発生し、各単位セル４０のアノード３６では酸素ガスが発生する。

カソード３８で発生した水素ガスは、第１セル流路６２を介して水素排出連通孔５８に排出される。このようにして水素排出連通孔５８に排出される水素ガスには、水電解装置１２で水電解されなかった余剰の水（未反応水）が含まれる。換言すると、水素排出連通孔５８に排出される排出流体は、水素ガス、液体の未反応水（液水）及び気体の未反応水（水蒸気）を含む。

酸素排出連通孔６０は第２セル流路６６に連通する。第２セル流路６６は、アノード側セパレータ５２の電解質膜・電極構造体５０（アノード側給電体）に対向する面に設けられた複数の流路溝や複数のエンボス等により構成される。上記の水電解によりアノード３６で発生した酸素ガスは、第２セル流路６６を介して酸素排出連通孔６０に排出される。

水電解装置１２では、上記の通り水供給連通孔５６に水供給流路６４が連通している。また、水素排出連通孔５８にカソード排出流路６８が連通している。さらに、酸素排出連通孔６０にアノード排出流路７０が連通している。

カソード排出流路６８には、水分除去部１８が設けられている。本実施形態では、水分除去部１８は、気液分離器からなる。水分除去部１８には、水素排出連通孔５８及びカソード排出流路６８を介して上記の排出流体が流入する。水分除去部１８は、排出流体を気体成分（水素ガス及び水蒸気）と、液体成分（液水）とに分離する。水分除去部１８は、液水を排出する液体排出口７２と、水蒸気を含む水素ガスを排出する気体排出口７４とを有する。液体排出口７２から排出された液水は、例えば、循環流路７６を介して水供給部１４に送られる。

本実施形態の水供給部１４は、何れも不図示ではあるが、純水生成部、循環ポンプ、イオン交換器を備える。純水生成部は、例えば水道水等から純水を生成する。循環ポンプは、液体排出口７２から循環流路７６を介して水供給部１４に送られた液水（未反応水）を、純水生成部で生成した純水とともに水電解装置１２のカソード３８（水供給連通孔５６）に送る。イオン交換器は、水供給連通孔５６に供給される前の水（未反応水、純水）から不純物を除去する。なお、水供給部１４は、水電解装置１２のカソード３８に水を供給することが可能であればよく、上記の構成を備えるものには限定されない。

水分除去部１８の気体排出口７４は第１水素ガス流路７８に連通する。第１水素ガス流路７８は、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガスを水素ガス昇圧部２０に導く。第１水素ガス流路７８には、気体排出口７４側（上流側）から水素ガス昇圧部２０側（下流側）に向かって、第１水素開閉弁８０と第１水素逆止弁８２がこの順に設けられている。第１水素開閉弁８０は、例えば電磁弁又は電気弁からなり、制御部の制御に基づいて第１水素ガス流路７８を開閉する。第１水素逆止弁８２は、第１水素ガス流路７８内のガスが水素ガス昇圧部２０側から気体排出口７４側に向かって逆流することを防止する。

水素ガス昇圧部２０は、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガス、すなわち、水分除去部１８で液体の水が分離された水素ガスを昇圧する。本実施形態では、水素ガス昇圧部２０は、昇圧部プロトン交換膜８４と、該昇圧部プロトン交換膜８４を挟んで隔離された昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８と、昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８に電圧を印加する昇圧部電源９０とを有する。

昇圧部プロトン交換膜８４は、プロトンを選択的に移動させることが可能なプロトン伝導性を有する。昇圧部プロトン交換膜８４の材料は、特に限定されるものではないが、その一例としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等のスルホン酸基を有するフッ素系高分子膜が挙げられる。この種の昇圧部プロトン交換膜８４は、湿潤状態に維持されることで、そのプロトン伝導性を良好に発現させることができる。

昇圧部アノード８６は、何れも不図示ではあるが、昇圧部プロトン交換膜８４の一方の面に形成された昇圧部アノード電極触媒層と、昇圧部アノードガス拡散層とを有する。昇圧部カソード８８は、何れも不図示ではあるが、昇圧部プロトン交換膜８４の他方の面に形成された昇圧部カソード電極触媒層と、昇圧部カソードガス拡散層とを有する。

昇圧部アノード８６には、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガスが第１水素ガス流路７８を介して供給される。この水蒸気を利用して、昇圧部プロトン交換膜８４を湿潤状態に維持することができる。昇圧部アノード８６では、昇圧部電源９０による電圧印加のもと、水素ガスをイオン化してプロトンとする。このプロトンは、昇圧部プロトン交換膜８４を移動し昇圧部カソード８８に到達することで水素ガスに戻る。このようにして昇圧部アノード８６から昇圧部カソード８８に向かって、プロトンを移動させることで、昇圧部カソード８８に圧縮水素ガスを生成することが可能になる。

このため、水素ガス昇圧部２０によれば、昇圧部アノード８６に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスを昇圧部カソード８８から排出することが可能になる。つまり、本実施形態の水素ガス昇圧部２０は、電気化学的に水素ガスを圧縮することができる電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electrochemical Hydrogen Compressor）である。

昇圧部カソード８８は第２水素ガス流路９２の一端側に連通している。これにより、昇圧部カソード８８の水素ガスは、第２水素ガス流路９２に流入可能となっている。第２水素ガス流路９２の他端側には不図示のタンク装着機構等が設けられ、該タンク装着機構を介して水素ガスタンク３０が着脱自在に取り付けられる。すなわち、第２水素ガス流路９２は、昇圧部カソード８８側（上流側）から水素ガスタンク３０側（下流側）に向かって水素ガスを導く。

第２水素ガス流路９２には、上流側から下流側に向かって、水素ガス除湿部２２、水素ガス排出規制部２４、水素パージ流路分岐部９４、第２水素開閉弁９６、第２水素逆止弁９８がこの順に設けられている。

水素ガス除湿部２２は、昇圧部カソード８８から排出された水素ガスを除湿する。すなわち、水素ガス除湿部２２は、水素ガスから水蒸気を分離する。水素ガス除湿部２２の一例としては、ペルチェ冷却器等の冷却機構（不図示）が挙げられる。この場合、水素ガスを冷却機構により冷却して、その飽和水蒸気量を低下させることで、水素ガスに含まれる水分（水蒸気）を分離して、所望の乾燥状態とすることができる。この際、制御部は、例えば、水電解システム１０の周辺温度や水素ガスの圧力等に応じて、冷却機構による冷却温度を制御してもよい。

また、水素ガス除湿部２２の他の例としては、上記の冷却機構に代えて、又は上記の冷却機構とともに設けられ、ゼオライト系、活性炭系、シリカゲル系等の水分吸着剤（塗工して用いることが可能なペースト状の水分ゲッター剤等を含む）を利用するものであってもよい。この場合、水素ガス除湿部２２は、温度変動吸着方法（ＴＳＡ）や、圧力変動吸着方法（ＰＳＡ）等によって、水分吸着剤を再生可能とする構成を備えてもよいし、水分吸着剤を交換可能とする構成のみを備えてもよい。なお、水素ガス除湿部２２は、水素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は上記したものには限定されない。

水素ガス排出規制部２４は、該水素ガス排出規制部２４を通過する水素ガスを規制することで、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する。すなわち、水素ガス排出規制部２４は、例えば、昇圧部カソード８８における水素ガスの生成量よりも、水素ガス排出規制部２４における水素ガスの通過量を少なくする（通過量ゼロを含む）。これにより、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を上昇させて、高圧水素ガスとすることができる。

本実施形態では、水素ガス排出規制部２４は、その一次側（第２水素ガス流路９２の水素ガス排出規制部２４よりも上流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁であることとする。しかしながら、特にこれには限定されず、例えば、水素ガス排出規制部２４は、制御部によって開閉制御されることで、第２水素ガス流路９２の圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。

水素ガス排出規制部２４は、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整して高圧水素ガスとする。なお、水素ガス排出規制部２４は、例えば、水素ガスタンク３０への水素ガスの供給を容易にする観点から、高圧水素ガスの圧力を少なくとも８～２０ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、例えば、燃料電池自動車用の水素ガスタンク３０等に水素ガスを供給する場合には、水素ガス排出規制部２４は、高圧水素ガスの圧力を７０～８５ＭＰａ以上とすることが好ましい。

水素パージ流路分岐部９４は、第２水素ガス流路９２と水素パージ流路１００との接続点である。水素パージ流路１００は、例えば、水電解システム１０の停止時等に、水電解システム１０内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能とするべく設けられている。水素パージ流路１００は、水素パージ流路分岐部９４から流入した水素ガスを、水電解システム１０の外部に導く。水素パージ流路１００には、その上流側から下流側に向かって水素パージ開閉弁１０２と、水素パージ逆止弁１０４とが設けられている。

水素パージ開閉弁１０２は、例えば電磁弁又は電気弁からなり、制御部の制御に基づいて水素パージ流路１００を開閉する。水素パージ開閉弁１０２が閉状態にあるときは、第２水素ガス流路９２から水素パージ流路１００へ水素ガスが流入することが防止されている。水素パージ開閉弁１０２が開状態にあるときは、第２水素ガス流路９２から水素パージ流路１００に水素ガスが流入して、水電解システム１０の外部へと排出される。水素パージ逆止弁１０４は、水電解システム１０の外部から水素パージ流路１００にガスが流入することを防止する。

第２水素開閉弁９６は、例えば電磁弁又は電気弁からなり、制御部の制御に基づいて第２水素ガス流路９２を開閉する。第２水素開閉弁９６を開状態とすることで、第２水素ガス流路９２から水素ガスタンク３０への水素ガスの供給が可能となる。第２水素逆止弁９８は、水素ガスタンク３０側から第２水素ガス流路９２の上流側（第２水素開閉弁９６側）に向かって水素ガスが逆流することを防止する。

アノード排出流路７０の一端側は、上記の通り水電解装置１２の酸素排出連通孔６０に連通している。このため、水電解装置１２のアノード３６に生じた酸素ガスは、アノード排出流路７０に流入可能となっている。アノード排出流路７０の他端側には、不図示のタンク装着機構等が設けられ、該タンク装着機構を介して酸素ガスタンク３２が着脱自在に取り付けられる。すなわち、アノード排出流路７０は、酸素排出連通孔６０側（上流側）から酸素ガスタンク３２側（下流側）に向かって酸素ガスを導く。

アノード排出流路７０には、上流側から下流側に向かって、酸素ガス除湿部２６、酸素ガス排出規制部２８、酸素パージ流路分岐部１０６、酸素開閉弁１０８、酸素逆止弁１１０がこの順に設けられている。

酸素ガス除湿部２６は、水電解装置１２のアノード３６（酸素排出連通孔６０）から排出された酸素ガスを除湿する。酸素ガス除湿部２６は、例えば、上記した水素ガス除湿部２２と同様に構成することができる。しかしながら、酸素ガス除湿部２６は、酸素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。

酸素ガス排出規制部２８は、該酸素ガス排出規制部２８を通過する酸素ガスを規制することで、アノード３６からの酸素ガスの排出を規制する。具体的には、酸素ガス排出規制部２８は、例えば、アノード３６における酸素ガスの生成量よりも、酸素ガス排出規制部２８における酸素ガスの通過量を少なくする（通過量ゼロを含む）。これにより、アノード３６の酸素ガスの圧力を上昇させてカソード３８の水素ガスの圧力よりも高圧とする。すなわち、水電解装置１２のアノード３６とカソード３８との間に差圧を設ける。また、アノード排出流路７０の酸素ガスの圧力を上昇させて、高圧酸素ガスとする。

本実施形態では、酸素ガス排出規制部２８は、その一次側（アノード３６、アノード排出流路７０）の酸素ガスの圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁であることとする。しかしながら、特にこれには限定されず、例えば、酸素ガス排出規制部２８は、制御部によって開閉制御されることで、アノード３６及び高圧酸素ガスの圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。

酸素ガス排出規制部２８は、カソード３８の水素ガスの圧力よりも高圧となるように、アノード３６の酸素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整する。つまり、水電解システム１０の運転時においては、カソード３８（カソード排出流路６８及び第１水素ガス流路７８）の水素ガスの圧力は、１ＭＰａ未満（例えば、０．０１～０．９ＭＰａ）に維持される。

このようにカソード３８の水素ガスの圧力を維持する方法の一例としては、カソード排出流路６８、水分除去部１８及び第１水素ガス流路７８を通過する水素ガスの流量を、カソード３８での水素ガスの生成量に対して十分に大きく設定することが挙げられる。また、昇圧部カソード８８での水素ガス生成量を、カソード３８での水素ガスの生成量に対して十分に大きく設定することが挙げられる。

なお、上記のように水素ガスの圧力を０．０１～０．９ＭＰａとしたカソード３８に水を供給する場合、水供給流路６４及び循環流路７６の水の圧力は、例えば０．０１～０．６ＭＰａとする。

酸素ガス排出規制部２８は、例えば、酸素ガスタンク３２への酸素ガスの供給を容易にする観点から、高圧酸素ガスの圧力を少なくとも８～２０ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、酸素ガス排出規制部２８は、例えば、酸素ガスの取り扱いが困難とならない範囲で、酸素ガスタンク３２に収容される酸素ガスの量を可及的に多くする観点から、高圧酸素ガスの圧力を３０～４０ＭＰａとすることが好ましい。

酸素パージ流路分岐部１０６は、アノード排出流路７０と酸素パージ流路１１２との接続点である。酸素パージ流路１１２は、例えば、水電解システム１０の停止時等に、水電解システム１０内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能とするべく設けられている。酸素パージ流路１１２は、酸素パージ流路分岐部１０６から流入した酸素ガスを、水電解システム１０の外部に導く。酸素パージ流路１１２には、その上流側から下流側に向かって酸素パージ開閉弁１１４と、酸素パージ逆止弁１１６とが設けられている。

酸素パージ開閉弁１１４は、例えば電磁弁又は電気弁からなり、制御部の制御に基づいて酸素パージ流路１１２を開閉する。酸素パージ開閉弁１１４が閉状態にあるときは、アノード排出流路７０から酸素パージ流路１１２へ酸素ガスが流入することが防止されている。酸素パージ開閉弁１１４が開状態にあるとき、アノード排出流路７０から酸素パージ流路１１２に酸素ガスが流入して、水電解システム１０の外部へと排出される。酸素パージ逆止弁１１６は、水電解システム１０の外部から酸素パージ流路１１２にガスが流入することを防止する。

酸素開閉弁１０８は、例えば電磁弁又は電気弁からなり、制御部の制御に基づいてアノード排出流路７０を開閉する。酸素開閉弁１０８を開状態とすることで、アノード排出流路７０から酸素ガスタンク３２への酸素ガスの供給が可能となる。酸素逆止弁１１０は、酸素ガスタンク３２側からアノード排出流路７０の上流側（酸素開閉弁１０８側）に向かって酸素ガスが逆流することを防止する。

本実施形態に係る水電解システム１０は、基本的には上記のように構成される。この水電解システム１０を起動して水素ガス及び酸素ガスを製造する際の制御方法の一例について説明する。

この制御方法では、水電解システム１０を起動して、その各種ステータスを確認した後に水供給工程を行う。水供給工程では、水供給部１４から水供給流路６４を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に水を供給する。これにより、水電解装置１２のカソード３８に水が供給される。

次に、電源１６により水電解装置１２に電圧を印加する電圧印加工程を行う。電圧印加工程では、水電解装置１２が水素ガス及び酸素ガスを発生可能な状態になるまで、アノード３６及びカソード３８間の電圧を電解電圧の近傍の待機電圧として維持する。そして、水電解装置１２が水素ガス及び酸素ガスを発生可能な状態となった後に、アノード３６及びカソード３８間の電圧を大きくして電解電圧とすることで水電解を開始する。これにより、水電解装置１２のカソード３８に水素ガスを発生させるとともに、アノード３６に酸素ガスを発生させる水電解工程が行われる。

以下、水電解工程によりカソード３８で発生した水素ガスを水素ガスタンク３０に充填するまでの工程について説明する。

水電解工程によりカソード３８で発生した水素ガスは、未反応水（液水及び水蒸気）を含む排出流体として、水電解装置１２の水素排出連通孔５８からカソード排出流路６８に排出され、水分除去部１８に送られる。水分除去部１８は、排出流体を液体成分である液水と、気体成分である水素ガス及び水蒸気とに分離する水分分離工程を行う。

水分分離工程で分離された液水は、水分除去部１８の液体排出口７２から循環流路７６に排出され、水供給部１４に送られる。水供給部１４は、循環流路７６を介して送られた液水を、水供給部１４で生成した純水とともに水供給流路６４及び水供給連通孔５６を介してカソード３８に供給する。

一方、水分分離工程で分離された水素ガス及び水蒸気は、水分除去部１８の気体排出口７４から第１水素ガス流路７８に排出される。水電解システム１０の起動時において、第１水素開閉弁８０は開状態となるように制御される。このため、第１水素ガス流路７８に排出された水素ガス及び水蒸気は、第１水素開閉弁８０を通過した後、第１水素逆止弁８２をさらに通過して、水素ガス昇圧部２０の昇圧部アノード８６に供給される。この際、第１水素逆止弁８２により、水素ガス昇圧部２０側から第１水素開閉弁８０側に水素ガスが逆流することが防止されている。

水素ガス昇圧部２０では、昇圧部アノード８６に対する水素ガスの供給が確認された場合に、昇圧部電源９０による運転電圧の印加を開始する。運転電圧は、昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８間に該運転電圧を印加することで、昇圧部カソード８８に圧縮水素ガスを生成可能となる大きさの電圧である。つまり、昇圧部電源９０により運転電圧を印加することで、水素ガス昇圧部２０は水素ガスを昇圧する水素ガス昇圧工程を行う。

なお、昇圧部アノード８６に水素ガスが供給されたことを確認する方法の一例としては、昇圧部アノード８６に圧力センサ（不図示）を設け、制御部によって圧力センサの測定値を所定の閾値と比較する。そして、圧力センサの測定値が所定の閾値を超えた場合に、昇圧部アノード８６に水素ガスが供給されたと判断する。

水素ガス昇圧工程により、昇圧部カソード８８に生成した水素ガスは、第２水素ガス流路９２に排出され、第２水素ガス流路９２に設けられた水素ガス除湿部２２により除湿される。つまり、水素ガス除湿部２２は、昇圧部カソード８８から排出された水素ガスに含まれる水蒸気を除去する水素ガス除湿工程を行う。

第２水素ガス流路９２の水素ガス除湿部２２の後段に設けられた水素ガス排出規制部２４は、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する水素ガス圧力調整工程を行う。水素ガス圧力調整工程では、例えば、昇圧部カソード８８における水素ガスの生成量に対する、水素ガス排出規制部２４における水素ガスの通過量を調整することで、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する。

本実施形態では、水素ガス排出規制部２４は背圧弁である。この場合、水素ガス排出規制部２４は、その一次側の水素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、当該一次側の水素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、水素ガス排出規制部２４の二次側に設定圧力まで昇圧させた高圧水素ガスを供給することが可能になる。

水電解システム１０の起動時において、水素パージ開閉弁１０２は閉状態となるように制御され、第２水素開閉弁９６は開状態となるように制御される。このため、水素ガス圧力調整工程で設定圧力となるように調整された高圧水素ガスは、水素パージ流路１００に流入することなく、第２水素開閉弁９６及び第２水素逆止弁９８を通過して水素ガスタンク３０に充填される。この際、第２水素逆止弁９８により、水素ガスタンク３０側から第２水素開閉弁９６側に水素ガスが逆流することが防止されている。

上記のように、水電解システム１０は、水電解装置１２のカソード３８で生成した水素ガスを、水素ガス昇圧部２０で昇圧して高圧水素ガスを製造し、この高圧水素ガスを水素ガスタンク３０に充填することができる。このような水電解システム１０の運転時において、水素ガスは、水素ガス昇圧部２０で昇圧されるまでは、１ＭＰａ未満（例えば、０．０１～０．９ＭＰａ）の圧力に維持される。つまり、カソード３８と、カソード排出流路６８と、第１水素ガス流路７８の水素ガスの圧力は、１ＭＰａ未満に維持される。このため、上記の通り、カソード排出流路６８、水分除去部１８及び第１水素ガス流路７８を通過する水素ガスの流量や、昇圧部カソード８８での水素ガス生成量は、カソード３８での水素ガス生成量に対して十分に大きく設定される。

以下、水電解工程によりアノード３６で発生した酸素ガスを酸素ガスタンク３２に充填するまでの工程について説明する。

水電解工程によりアノード３６で発生した酸素ガスは、酸素排出連通孔６０からアノード排出流路７０に排出され、アノード排出流路７０に設けられた酸素ガス除湿部２６により除湿される。つまり、酸素ガス除湿部２６は、アノード３６から排出された酸素ガスに含まれる水蒸気を除去する酸素ガス除湿工程を行う。

アノード排出流路７０の酸素ガス除湿部２６の後段に設けられた酸素ガス排出規制部２８は、酸素ガスが該酸素ガス排出規制部２８を通過することを規制して、アノード３６から酸素ガスが排出されることを規制する。このように、酸素ガス排出規制部２８により、例えば、アノード３６における酸素ガスの生成量に対する、酸素ガス排出規制部２８における酸素ガスの通過量を調整することで、アノード３６の酸素ガスの圧力を調整することができる。

具体的には、酸素ガス排出規制部２８は、アノード３６の酸素ガスの圧力を１ＭＰａ以上となるように上昇させる。上記の通り、水電解システム１０の運転時において、カソード３８の水素ガスの圧力は１ＭＰａ未満に維持されている。このため、水電解装置１２におけるアノード３６の酸素ガスの圧力は、カソード３８の水素ガスの圧力よりも高圧に維持される。

本実施形態では、酸素ガス排出規制部２８は背圧弁である。この場合、酸素ガス排出規制部２８は、その一次側の酸素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、当該一次側の酸素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、アノード３６をカソード３８よりも高圧の設定圧力に維持するとともに、酸素ガス排出規制部２８の二次側に設定圧力まで昇圧させた高圧酸素ガスを供給することが可能になる。

水電解システム１０の起動時において、酸素パージ開閉弁１１４は閉状態となるように制御され、酸素開閉弁１０８は開状態となるように制御される。このため、上記のように設定圧力に調整された高圧酸素ガスは、酸素パージ流路１１２に流入することなく、酸素開閉弁１０８及び酸素逆止弁１１０を通過して酸素ガスタンク３２に充填される。この際、酸素逆止弁１１０により、酸素ガスタンク３２側から酸素開閉弁１０８側に酸素ガスが逆流することが防止されている。

上記のように、水電解システム１０は、水電解装置１２のアノード３６で酸素ガスを生成するとともに、酸素ガス排出規制部２８によりアノード３６からの酸素ガスの排出を規制する。これにより、アノード３６の酸素ガスを昇圧して水電解システム１０に差圧を形成するとともに、高圧酸素ガスを製造し、この高圧酸素ガスを酸素ガスタンク３２に充填することができる。

以下、水電解システム１０を停止する際の制御方法の一例について説明する。この制御方法では、脱圧工程を行う。脱圧工程では、電源１６により水電解装置１２に印加している電圧を徐々に降圧する。また、脱圧工程では、水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４を開状態とする。これにより、水素パージ流路１００及び酸素パージ流路１１２を介して水電解システム１０の水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ徐々に脱圧する。この際、第１水素ガス流路７８において、第１水素開閉弁８０は開状態であるが、第１水素逆止弁８２により、水素ガス昇圧部２０から第１水素開閉弁８０側に向かって水素ガスが逆流することは防止される。

上記のようにして脱圧工程を行うことで、水電解装置１２に急激な反応変化が生じることを回避でき、各単位セル４０の同一反応面内に電位差が生じること等を抑制できる。これにより、上記のアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層や、イオン交換膜３４に劣化が生じることを効果的に抑制することが可能になる。なお、例えば、水電解システム１０の停止期間が短い場合等には、脱圧工程を省略してもよい。

脱圧工程の前又は後に、第２水素開閉弁９６及び酸素開閉弁１０８を閉状態とする遮断工程を行う。これにより、第２水素ガス流路９２の第２水素開閉弁９６よりも上流側（水電解装置１２側）と、水素ガスタンク３０側との連通を遮断する。また、アノード排出流路７０の酸素開閉弁１０８よりも上流側（水電解装置１２側）と、酸素ガスタンク３２側との連通を遮断する。

なお、脱圧工程において、脱圧速度を比較的ゆっくり降圧可能な所定速度に維持すると、イオン交換膜３４にクロスオーバが生じ易くなる場合がある。この場合、イオン交換膜３４のクロスオーバを回避するため、電源１６による電圧印加を維持しながら水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４を開状態とする。また、水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４の開度の調整や、水素ガス排出規制部２４及び酸素ガス排出規制部２８による圧力調整により、脱圧速度が所定速度に維持されるように調整する。なお、ここでの所定速度は、水電解装置１２に急激な反応変化が生じることを回避可能となる脱圧速度である。

脱圧工程における脱圧速度を所定速度に維持してもイオン交換膜３４にクロスオーバが生じる懸念がない場合、又は上記のようにして電源１６による電圧印加を維持しながら脱圧工程を行った後、電圧停止工程を行う。電圧停止工程では、電源１６による水電解装置１２への電圧の印加を停止した後、昇圧部電源９０による水素ガス昇圧部２０への電圧の印加を停止する。

本実施形態では、電圧停止工程において、水素ガス昇圧部２０への電圧印加を停止するよりも先に水電解装置１２への電圧印加の停止を行って、カソード３８での水素ガスの生成を停止する。これによって、カソード３８、カソード排出流路６８、第１水素ガス流路７８の水素ガスの圧力が上昇することを抑制できるため、水素ガス昇圧部２０側から水電解装置１２側に向かって水素ガスが逆流することを効果的に回避できる。この際、第１水素開閉弁８０を閉状態とすることで、水素ガス昇圧部２０側から水電解装置１２側に向かう水素ガスの逆流を抑制してもよい。

なお、電圧停止工程では、上記の水素ガスの逆流を十分に抑制することが可能である場合、水電解装置１２への電圧印加の停止を行った後に、水素ガス昇圧部２０への電圧印加を停止することとしてもよい。

電圧停止工程により、水電解装置１２のアノード３６及びカソード３８の間に電流が流れない状態となった後、水供給部１４による水電解装置１２への水の供給を停止する水供給停止工程を行う。その後、水素ガス昇圧部２０の昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８の間に電流が流れていないことを確認して、水電解システム１０を停止状態とする。

以上から、本実施形態に係る水電解システム１０では、酸素ガス排出規制部２８によりアノード３６の酸素ガスの圧力をカソード３８の水素ガスの圧力よりも高圧とする。これにより、低圧のカソード３８から高圧のアノード３６に向かって水素ガスがイオン交換膜３４を透過することが抑制される。すなわち、イオン交換膜３４をガスが透過する場合の方向性（クロスオーバの方向性）をアノード３６側からカソード３８側へと定めることができ、カソード３８で発生する水素ガスがアノード３６側に入り込むことを抑制できる。

クロスオーバの方向性が定まらない場合、アノード３６側に入り込んだ水素ガスと、カソード３８側に入り込んだ酸素ガスとの両方への対処が必要となる。これに対して、クロスオーバの方向性が上記のように定められることで、カソード３８側に入り込んだ酸素ガスの対処に重点をおくことが可能になる。その結果、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに良好に分離した状態で製造することが容易になる。

しかも、水素ガスに比べて分子量が大きい酸素ガスは、水素ガスよりもイオン交換膜３４を透過し難い。このため、上記のようにクロスオーバの方向性を定めても、アノード３６からカソード３８側に向かってイオン交換膜３４を透過する酸素ガスの量が大幅に増大することを回避できる。また、酸素ガスは水素ガスに比べて、水への溶解度が高い。このため、たとえ、アノード３６で生じた酸素ガスがイオン交換膜３４を透過したとしても、該酸素ガスを、水電解装置１２のカソード３８等に存在する水に溶解させることができる。これらによっても、水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを互いに良好に分離した状態で製造することが容易になる。

上記の実施形態に係る水電解システム１０では、水分除去部１８は、水素ガスから液体の水を分離する気液分離器であり、水分除去部１８で水素ガスから分離された水は、水電解装置１２に供給されることとした。この場合、水分除去部１８で分離された水を水電解装置１２での水電解に利用することができるため、水電解システム１０における水の利用効率を高めることができる。

上記の実施形態に係る水電解システム１０では、水素ガス昇圧部２０は、昇圧部プロトン交換膜８４と、昇圧部プロトン交換膜８４を挟んで隔離された昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８と、昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８に電圧を印加する昇圧部電源９０と、を有し、昇圧部アノード８６に水素ガス及び水蒸気が供給され、昇圧部アノード８６に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスを昇圧部カソード８８から排出可能にすることとした。

この場合、上記の通り、水素ガス昇圧部２０により電気化学的に水素ガスを圧縮することができる。このため、例えば、コンプレッサ等を用いて機械的に水素ガスを圧縮する場合とは異なり騒音が発生することや、水素ガス昇圧部２０が大型化することを抑制できる。水電解システム１０では、上記の通り、酸素ガスについても、コンプレッサ等を用いることなく圧縮することができるため、高圧ガスを製造する際に騒音が発生することや、水電解システム１０が大型化することを効果的に抑制できる。

また、上記の通り、水電解装置１２では未反応水（水蒸気）を含む水素ガスが排出されるため、水素ガス昇圧部２０の昇圧部アノード８６には、水蒸気を含む水素ガスが供給される。この場合、水素ガスに含まれる水蒸気を利用して昇圧部プロトン交換膜８４を湿潤状態に維持することができ、これにより、昇圧部プロトン交換膜８４のプロトン伝導性を良好に発現させることが可能になる。従って、例えば、昇圧部プロトン交換膜８４を加湿するための加湿器等を別途に設ける必要がなく、水電解システム１０の一層の小型化や簡素化を図ることが可能になる。

さらに、水素ガス昇圧部２０では、昇圧部プロトン交換膜８４を挟んで昇圧部アノード８６及び昇圧部カソード８８が隔離されている。また、昇圧部プロトン交換膜８４はプロトンを選択的に移動させる。このため、たとえ、昇圧部アノード８６に水素ガスとともに酸素ガスが供給されたとしても、酸素ガスが昇圧部カソード８８側に移動することが抑制される。これによって、昇圧部カソード８８から排出される水素ガスに酸素ガスが含まれることを抑制できる。

上記の実施形態に係る水電解システム１０では、イオン交換膜３４は、アニオン交換膜であることとした。アニオン交換膜は、一般的に、プロトン交換膜よりもガス透過性が低く、耐久性も高い。このため、アニオン交換膜を有する水電解装置１２を用いることで、アノード３６及びカソード３８間のクロスオーバを効果的に抑制でき、互いに分離された状態の水素ガスと酸素ガスとを得ることが一層容易になる。

上記の実施形態に係る水電解システム１０では、水供給部１４は、カソード３８に水を供給することとした。この場合、水電解装置１２において酸素ガスを高圧化する側であるアノード３６に対して、その高圧状態を維持しつつ水を供給及び排出可能とするための構成を設ける必要がない。これによって、水電解システム１０の構成を簡素化することが可能になる。また、たとえ、アノード３６の酸素ガスがイオン交換膜３４を透過してカソード３８に入り込んだとしても、カソード３８には水供給部１４から供給された水が存在する。このため、カソード３８内の水に酸素ガスを効果的に溶解させることが可能になる。これによって、カソード３８から排出される水素ガスに酸素ガスが含まれることを抑制できるため、水電解システム１０において、互いに分離された状態の水素ガスと酸素ガスとを得ることが一層容易になる。

なお、水電解装置１２は、カソード３８に代えてアノード３６に、水供給部１４からの水を供給可能な構成としてもよい。この場合であっても、上記の実施形態と同様に、カソード３８に水素ガスを発生させ、アノード３６に酸素ガスを発生させることができる。また、カソード３８から排出される水素ガスに含まれる水蒸気を利用して、水素ガス昇圧部２０の昇圧部プロトン交換膜８４を湿潤状態に維持することが可能になる。

上記の実施形態に係る水電解システム１０では、水電解装置１２（アノード３６）から排出された酸素ガスを除湿する酸素ガス除湿部２６と、水素ガス昇圧部２０（昇圧部カソード８８）から排出された水素ガスを除湿する水素ガス除湿部２２と、を備えることとした。これらによって、水電解システム１０によって製造される高圧水素ガス及び高圧酸素ガスのそれぞれに水蒸気が含まれることを抑制できる。このように、高圧酸素ガスに水蒸気が含まれることを抑制できる分、多くの酸素ガスを酸素ガスタンク３２に収容することが可能になる。また、高圧水素ガスに水蒸気が含まれることを抑制できる分、多くの水素ガスを水素ガスタンク３０に収容することが可能になる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１０…水電解システム １２…水電解装置
１４…水供給部 １６…電源
１８…水分除去部 ２０…水素ガス昇圧部
２２…水素ガス除湿部 ２４…水素ガス排出規制部
２６…酸素ガス除湿部 ２８…酸素ガス排出規制部
３４…イオン交換膜 ３６…アノード
３８…カソード ８４…昇圧部プロトン交換膜
８６…昇圧部アノード ８８…昇圧部カソード
９０…昇圧部電源

Claims (7)

1. イオン交換膜を挟んで互いに隔離されたアノード及びカソードを有し、水を電気分解して前記アノードに酸素ガスを発生させ且つ前記カソードに水素ガス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、
   前記水電解装置に水を供給する水供給部と、
   前記アノード及び前記カソードに電圧を印加する電源と、
   前記カソードから排出された水素ガスから水分を分離する水分除去部と、
   前記水分除去部により前記水分が分離された水素ガスを昇圧する水素ガス昇圧部と、
   前記アノードに生成された酸素ガスの排出を規制する酸素ガス排出規制部としての弁と、
   を備え、
   前記水電解装置にて水を電気分解する際に、前記アノードにおける酸素ガスの圧力が前記カソードにおける水素ガスの圧力よりも高圧となるように、前記酸素ガス排出規制部により前記アノードからの酸素ガスの排出を規制する、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、
   前記水分除去部は、水素ガスから液体の水を分離する気液分離器であり、
   前記水分除去部で水素ガスから分離された水は、前記水電解装置に供給される、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、
   前記水素ガス昇圧部は、昇圧部プロトン交換膜と、前記昇圧部プロトン交換膜を挟んで隔離された昇圧部アノード及び昇圧部カソードと、前記昇圧部アノード及び前記昇圧部カソードに電圧を印加する昇圧部電源と、を有し、
   前記昇圧部アノードに水素ガス及び水蒸気が供給され、前記昇圧部アノードに供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスを前記昇圧部カソードから排出可能にする、水電解システム。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の水電解システムにおいて、
   前記イオン交換膜は、アニオン交換膜である、水電解システム。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の水電解システムにおいて、
   前記水供給部は、前記カソードに水を供給する、水電解システム。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載の水電解システムにおいて、
   前記水電解装置から排出された酸素ガスを除湿する酸素ガス除湿部と、
   前記水素ガス昇圧部から排出された水素ガスを除湿する水素ガス除湿部と、
   を備える水電解システム。
7. 請求項３記載の水電解システムにおいて、
   前記水電解装置から水蒸気を含む水素ガスが排出され、
   前記水素ガス昇圧部には、該水蒸気を含む前記水素ガスが供給される、水電解システム。

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