水電解系統及其運行方法

專利名稱：水電解系統及其運行方法
技術領域：
本發明涉及具備高壓氫制造裝置和氫提供配管的水電解系統及其運行方法，其中，高壓氫制造裝置將水電分解，在陽極側產生氧且在陰極側產生氫，氫提供配管用于提供由所述高壓氫制造裝置所生成的所述氫。
背景技術：
一般，作為在燃料電池的發電反應中使用的燃料氣體，使用氫。該氫例如由水電解裝置來制造。水電解裝置為了將水分解而產生氫(以及氧)，使用固體高分子電解質膜(離子交換膜)。在固體高分子電解質膜的兩面設有電極催化層來構成電解質膜/電極構造體，并且在所述電解質膜/電極構造體的兩側，配設供電體來構成單位電解槽(unit cell)。由此，對層疊了多個單位電解槽而成的電解槽構件，在層疊方向兩端賦予電壓，并且，向電解質膜/電極構造體中的陽極側的供電體提供水。因此，在陽極側，水被分解而生成氫離子(質子)，該氫離子透過固體高分子電解質膜而向陰極側移動，與電子結合來制造氫。另一方面，在陽極側，與氫一起生成的氧伴隨著剩余的水而從電解槽構件中排出。在上述的水電解裝置中，制造了含有水分的氫。制品的氫在例如提供給燃料電池汽車等時，要求是希望的干燥狀態(水分濃度)、例如水含量5ppm以下的氫(下面也稱作干燥氫)。以除去氫中所含的水分為目的，例如，已知特開2004-149890號所公開的除濕機構。該除濕機構具備如圖23所示的除濕裝置6，該除濕裝置6具備將進行非處理氣體的除濕的除濕劑收納于內部的容器主體2 ;和設于所述容器主體2的上下兩端側的氫氣提供用配管3a以及氫氣排出用配管3b。另外，除濕裝置6具備為了使冷卻用氣體導通而在容 器主體2的外表面上以大致均等的間隔螺旋盤繞的冷卻路線4 ;和與所述冷卻路線4平行且相鄰、配設于所述冷卻路線4之間的電熱線5。然后，在除濕機構中，利用電分解而生成的氫氣被送往位于除濕工序的除濕裝置6，從容器主體2的下部的氫氣提供用配管3a向所述容器主體2內進行供給。因此，氫氣通過除濕劑I而被除濕到規定的露點之后，從上部的氫氣排出用配管3b排出到容器主體2之外，例如提供給氫罐等的氫貯存裝置。另外，除濕裝置6的再生工序由通過對除濕劑I加熱而除去水分的加熱工序、和將加熱的除濕劑I冷卻到常溫程度的冷卻工序構成。具體地，在加熱工序中，通過電熱線5，對容器主體2的整體進行加熱。進而，在冷卻工序中，使冷卻用氣體在冷卻路線4中導通，對除濕劑I進行冷卻，直到恢復規定的除濕功能。但是，在上述的除濕機構中，由于再生工序具有加熱工序和冷卻工序，因此伴隨溫度變化的工序整體有可能會長時間化。而且，提供給電熱線5的電力的消耗量較大，與此相伴，具備該除濕機構的水電解系統的運轉效率就會降低。另外，水電解系統的初期運作時(起動時)或維護之后，附著于配置于除濕裝置6的下游的氫氣排出用配管3b內的水分容易脫離。由此，脫離的水分被導入到氫貯存裝置中，在所述氫貯存裝置內，貯存的氫中所含的水分就會超過水含量5ppm。

發明內容
本發明的一般的目的在于提供一種水電解系統，盡可能地抑制對氫進行除濕時的能量消耗，并且能謀求經濟型以及便利性的提高，還能提高運轉效率。另外，本發明的其它目的在于，提供一種水電解系統的運行方法，即使在氫貯存裝置中導入了水分，也能以簡單的工序將所述氫貯存裝置內的水分量抑制在閾值以下。本發明涉及一種水電解系統，具備高壓氫制造裝置，其將水電分解，在正極側產生氧且在負極側產生壓力比所述氧高的高壓氫；氣液分離裝置，其配設于從所述高壓氫制造裝置排出所述高壓氫的氫配管，用于分離所述高壓氫中含有的水分；和氫提供配管，其將分離了水分后的所述高壓氫從所述氣液分離裝置中導出。在該水電解系統中，在氫提供配管設有為了調整高壓氫的濕度而可變地控制所述 高壓氫的溫度的冷卻裝置。根據本發明，在水電解系統中，由于能可變地控制高壓氫的溫度，因此能有效且確實地對所述高壓氫進行除濕。并且，在對氫進行除濕時不會無謂消耗電能，能謀求經濟性以及便利性的提升。由此，能容易地以簡單且經濟的構成來謀求水電解系統的整體運轉效率的提升。另外，本發明涉及水電解系統的運行方法，所述水電解系統具備高壓氫制造裝置，其將水電分解在正極側產生氧且在負極側產生氫；氫貯存裝置，其貯存從所述高壓氫制造裝置排出的所述氫；氫提供配管，其將由所述高壓氫制造裝置所生成的所述氫提供給所述氫貯存裝置；和水分吸附裝置，其與所述氫提供配管連接，吸附由所述高壓氫制造裝置生成的所述氫中的水分。該運行方法具有起動所述水電解系統的工序；測量所述水電解系統的起動后的經過時間的工序；和在測量的所述經過時間小于設定時間時，禁止所述水電解系統的電解停止的工序。根據本發明，在水電解系統的起動后的規定時間內禁止電解停止，將生成的氫提供給氫貯存裝置。因此，即使在水電解系統的起動時將附著在氫提供配管的水分導入到氫貯存裝置中，也能跨規定時間地將由電解運行所生成的干燥氫提供給所述氫貯存裝置。因此，在氫貯存裝置中，能降低露點而確實地將水分濃度地維持在閾值以下。根據與附圖一起的下面的適當的實施例的說明，應該能更加明確上述的目的、特征以及優點。


圖I是本發明的第I實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖2是說明圖I的水電解系統的動作的流程圖。圖3是表示壓力和冷卻水量以及珀耳帖消耗功率的關系的特征線圖。圖4是表示氫壓力和水分濃度的關系的特征曲線圖。圖5是表示氫溫度和水分濃度的關系的特征曲線圖。圖6是本發明的第2實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。
圖7是說明圖6的水電解系統的動作的流程圖。圖8是表不電解電流值和冷卻水量以及拍耳帖消耗功率的關系的特征線圖。圖9是本發明的第3實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖10是說明圖9的水電解系統的動作的流程圖。圖11是本發明的第4實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖12是說明圖11的水電解系統的動作的流程圖。圖13是本發明的第5實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。
圖14是說明圖13的水電解系統的動作的流程圖。圖15是本發明的第6實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖16是說明圖15的水電解系統的動作的流程圖。圖17是本發明的第7實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖18是表示構成圖17水電解系統的氫罐內的壓力和高露點氫混入后的水分濃度以及稀釋時間的關系的特征曲線圖。圖19是說明圖17的水電解系統的運行方法的流程圖。圖20是本發明的第8實施方式所涉及的水電解系統的概略構成圖。圖21是與通過第2吸附筒而吸附的水分量相關的說明圖。圖22是說明圖20的水電解系統的運行方法的流程圖。圖23是現有技術所涉及的除濕裝置的部分截面主視圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的第I實施方式所涉及的水電解系統10具備高壓氫制造裝置(差壓式水電解裝置)12，該高壓氫制造裝置12通過對水(純水)進行電分解來制造氧以及高壓氫(比常壓的氧壓力高的高壓力，例如IMPa 70MPa)。另外，在水電解系統10中，具備水貯存裝置14，其分離從高壓氫制造裝置12排出的氧以及剩余的水，并將水貯存；水循環裝置16，其使貯存在所述水貯存裝置14中的所述水在所述高壓氫制造裝置12中循環；和水提供裝置18，其向所述水貯存裝置14提供由市政水生成的純水。進而，水電解系統10具備氣液分離裝置22，其除去從高壓氫制造裝置12向氫配管20導出的高壓氫中所含的水分；和高壓氫提供配管24，其將分離了水分的所述高壓氫從所述氣液分離裝置22導出。另外，在水電解系統10中具備冷卻裝置26，其配設于所述高壓氫提供配管24，為了調整所述高壓氫的濕度而使該高壓氫的溫度可變地進行控制；和控制部(E⑶)28，其進行水電解系統10的整體控制。高壓氫制造裝置12具備層疊多個單位電解槽(unit cell) 30而成的電解槽構件。在沿著單位電解槽30的層疊方向的一端，朝向外方依次配設有接線板32a、絕緣板34a以及末端板36a。在沿著單位電解槽30的層疊方向的另一端，同樣地，朝向外方依次配設接線板32b、絕緣板34b以及末端板36b。并且，通過將多個單位電解槽30、接線板32a以及32b、絕緣板34a以及34b還有末端板36a以及36b在層疊方向上相互緊固在一起而一體地保持。在接線板32a、32b的側部，向外方突出地設有端子部38a、38b。端子部38a、38b經由配線39a、39b而與電解電源40電連接。單位電解槽30例如具備圓盤狀的電解質膜/電極構造體42 ;和夾持該電解質膜/電極構造體42的陽極側隔板44以及陰極側隔板46。另外，電解質膜/電極構造體42、陽極側隔板44以及陰極側隔板46的形狀并不限定于圓盤狀，例如也可以采用長方形、正方形等的各種形狀。電解質膜/電極構造體42例如具備在全氟磺酸的薄膜中滲透有水的固體高分子電解質膜48、設于所述固體高分子電解質膜48的兩面的陽極側供電體50以及陰極側供電體52。在固體高分子電解質膜48的兩面形成有陽極電極催化層50a以及陰極電極催化層52a。陽極電極催化層50a例如使用Ru (釕)系催化，另一方面，陰極電極催化層52a例如使用白金催化。在單位電解槽30的外周緣部，在層疊方向上相互連通地設有用于提供水(純 水)的水提供連通孔56、用于排出通過反應而生成的氧以及未反應的水的排出連通孔58、以及用于流過通過反應而生成的氫的氫連通孔60。在陽極側隔板44的與電解質膜/電極構造體42對置的面，形成有與水提供連通孔56以及排出連通孔58連通的第I流路64。第I流路64設于與陽極側供電體50的表面對置的范圍內，并且由多個流路槽或多個壓紋等構成。在第I流路64流通通過反應而生成的氧以及未反應的水。在陰極側隔板46的與電解質膜/電極構造體42對置的面，形成有與氫連通孔60連通的第2流路68。該第2流路68設于與陰極側供電體52的表面對置的范圍內，并且由多個流路槽或多個壓紋等構成。在第2流路68流通通過反應而生成的高壓氫。水循環裝置16具備與高壓氫制造裝置12的水提供連通孔56連通的循環配管72。在該循環配管72的中途連接有循環泵74以及離子交換器76，所述循環配管72的端部與構成水貯存裝置14的罐部78的底部連接。在罐部78的上部連通有返回配管80的一個端部，并且所述返回配管80的另一個端部與高壓氫制造裝置12的排出連通孔58連通。返回配管80的一個端部設定在罐部78內所貯存的水中的為止，并總是開口。另外，在罐部78上連結有與水提供裝置18連結的純水提供配管84、和用于在所述罐部78排出從純水中分離出的氧的氧排氣配管86。在高壓氫制造裝置12的氫連通孔60連接有氫配管20的一個端部,該氫配管20的另一個端部與氣液分離裝置22連接。氣液分離裝置22具備用于貯存水(WS)的罐部88。在罐部88的下部連接有排水線路90，并且在所述排水線路90配設有排水用閥92。在氣液分離裝置22中除去了水分的高壓氫作為干燥氫而被導出到高壓氫提供配管24。在高壓氫提供配管24設有冷卻裝置26，所述冷卻裝置具備珀耳帖除濕器(珀耳帖元件)94以及熱交換器96。珀耳帖除濕器94由使用了珀耳帖元件的冷卻器構成，具備可變電源97。在珀耳帖除濕器94連接有用于將高溫側的熱散發的冷媒用配管98。另外，也可以使用散熱片等來代替冷媒用配管98。熱交換器96串聯配置于珀耳帖除濕器94的上游側，在所述熱交換器96連接有提供冷卻水作為冷媒介的冷卻水提供管100、和排出所述冷卻水的冷卻水排出管102。在冷卻水提供管100連接有用于可變地控制在熱交換器96流通的冷卻水的流量的流量調整閥104。另外，冷卻水排出管102也可以連接在冷媒用配管98的入口側，進而，也可以使在電解中使用的水在冷卻水提供管100中流通。由此，不再需要新的水的提供源，得到了能簡化水電解系統10整體的效果。另外，冷卻水排出管102也可以與珀耳帖除濕器94分體地構成，也可以僅對熱交換器96和珀耳帖除濕器94的任一者提供在電解中使用的水。控制部28具備壓力檢測單元(壓力檢測部)110，其檢測高壓氫制造裝置12中的陰極側的壓力；和電流可變單元(電流可變部)112，其可變地控制施加給珀耳帖除濕器94的電流值。另外，在控制部28具備冷卻水量可變單元(冷媒介可變部)114，其可變地控制在熱交換器96流通的冷卻水(冷媒介)的冷卻水量(冷媒介量)。在氫配管20配設有用于測定高壓氫制造裝置12的陰極側的壓力的壓力傳感器116。壓力傳感器116的測定信號被送往壓力檢測單元110。
在高壓氫提供配管24，在冷卻裝置26的下游側連接有凝結器118和背壓閥120。凝結器118例如由燒結過濾器等構成，背壓閥120在規定的設定壓力下(例如35MPa)下開放，從而能將高壓氫作為制品氫而提供給未圖示的燃料電池汽車等。在該水電解系統10中，根據高壓氫制造裝置12的陰極側壓力P、和與所述壓力P對應而設定的珀耳帖除濕器94的珀耳帖消耗功率W以及熱交換器96的冷卻水量Q的關系，例如在控制部28中預先作成如圖3所示的關系圖。所述關系圖基于圖4所示的氫壓力和水分濃度的關系、以及圖5所示的氫溫度和水分濃度得到關系而得到。具體地，如圖4所示那樣，氫壓力(陰極側壓力P)越高，即越成為高壓氫，在氫中所含有的水分濃度就越降低，氫的流速也就越慢，因此，所述氫的除濕變得容易，與此相伴，為了進行除濕而需要的珀耳帖除濕器94的珀耳帖消耗功率W變少。另外，如圖5所示，為了使水分濃度降低，需要降低氫溫度，因此熱交換器96中的冷卻水量Q變多，但與氫壓力較低的情況(圖5中虛線)比較，若氫壓力變高(圖5中實線)，則即使處于氫溫度較高的狀態，也能降低水分濃度，因此能使所需要的冷卻水量Q較少。接下來，關于如此構成的水電解系統10的動作，使用圖2所示的流程圖，同時參照圖I的構成，在下面進行說明。首先，開始了水電解系統10的電解后(步驟SI)，經由水提供裝置18而從市政水生成的純水被提供給構成水貯存裝置14的罐部78。在水循環裝置16中，在循環泵74的作用下，罐部78內的水經由循環配管72被提供給高壓氫制造裝置12的水提供連通孔56。另一方面，通過電連接的電解電源40對接線板32a、32b的端子部38a、38b賦予電壓(電解電流值A)(步驟S2)。因此，在各單位電解槽30中，將水從水提供連通孔56提供給陽極側隔板44的第
I流路64，使該水沿著陽極側供電體50內而移動。由此，水在陽極電極催化層50通過電而被分解，生成氫離子、電子以及氧。通過該陽極反應而生成的氫離子透過固體高分子電解質膜48移動到陰極電極催化層52a，與電子結合而得到氫。由此，氫沿著在陰極側隔板46和陰極側供電體52之間形成的第2流路68而流動。將該氫維持在比水提供連通孔56中的水要高的壓力，從而能使該氫流過氫連通孔60而取出到高壓氫制造裝置12的外部。
另一方面，通過反應而生成的氧和未反應的水在第I流路64流動，將它們的混合流體從排出連通孔58排出到水循環裝置16的返回配管80。將該未反應的水以及氧導入罐部78并進行分離之后，水經由循環泵74，從循環配管72通過離子交換器76后被導入到水提供連通孔56。從水中分離出的氧從氧排氣配管86而被排出到外部。在高壓氫制造裝置12內生成的氫經由氫配管20被送往氣液分離裝置22。在該氣液分離裝置22中，在氫中所含有的水蒸氣或液體的水(水分)從該氫中被分離，并貯存在罐部88中，另一方面所述氫被導出到高壓氫提供配管24。如上所述，若通過高壓氫制造裝置12進行水電解處理而持續制造氫，則陰極側的壓力(氫壓力)P上升直到背壓閥120的設定壓力為止。控制部28的壓力檢測單元110基于來自壓力傳感器116的測定信號來檢測高壓氫制造裝置12的陰極側的壓力P (步驟S3)。在壓力檢測單元110中，基于檢測出的壓力P，從圖3所示的壓力P和冷卻水量Q以及珀耳帖消耗功率W的關系(關系圖)中，算出或讀取提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Qmap 以及施加給珀耳帖除濕器94的電流值、即珀耳帖消耗功率W_。在冷卻水量可變單元114中，通過基于從關系圖(參照圖3)中讀取的冷卻水量Qmap來控制流量調整閥104，來控制從冷卻水提供管100提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q (步驟S4)。由此，沿著高壓氫提供配管24而被導入到熱交換器96中的高壓氫在與冷卻水之間進行熱交換，進行冷卻，直到除濕為期望的水分濃度的氫溫度(參照圖5)。接下來，高壓氫從熱交換器96被送往珀耳帖除濕器94。在該珀耳帖除濕器94中，基于從關系圖(參照圖3)讀取的珀耳帖消耗功率Wmap，通過電流可變單元112來控制來自可變電源97的施加電流值(珀耳帖消耗功率W)(步驟S4)。因此，高壓氫能通過珀耳帖除濕器94除濕到規定的濕度，從而得到干燥氫。由此，干燥氫從珀耳帖除濕器94經過凝結器118流通到背壓閥120，在上升到設定壓力之后，在所述背壓閥120的開放作用之下，作為制品氫而被提供給未圖示的燃料電池
汽車等。由此，高壓氫制造裝置12移轉到穩定運行(步驟S5)，通過停止電解運行(步驟S6)，結束基于水電解系統10的運行。如以上那樣，在第I實施方式中，為了在高壓氫提供配管24調整高壓氫的濕度而設有能可變地控制所述高壓氫的溫度的冷卻裝置26。因此，在高壓氫提供配管24中，不管是在升壓中壓力變化的情況，還是在由于什么原因而壓力降低的情況下，都能與檢測出的壓力相應地來進行最低限所需要的冷卻。因此，在冷卻裝置26中不會無謂地對氫進行冷卻，能謀求水電解系統10的整體運轉效率的提升。而且，在水電解系統10中，在珀耳帖除濕器92中，通過降低對氫進行除濕時的功率消耗、或提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q來抑制能量消耗，由此能謀求經濟性以及便利性的提升。由此，有能用簡單且經濟的構成來謀求水電解系統10的整體的運轉效率的提升這樣的效果。進而，冷卻裝置26具備珀耳帖除濕器94、和配置在所述珀耳帖除濕器94的上游側的熱交換器96。因此，能檢測高壓氫制造裝置12的陰極側的壓力P，基于圖3所示的壓力P和冷卻水量Q以及珀耳帖消耗功率W的關系(關系圖)，來分別可變地控制與檢測出的所述壓力P相應的冷卻水的冷卻水量Q和珀耳帖除濕器94的珀耳帖消耗功率W。
由此，能得到如下的優點能通過對能除濕到期望的水分濃度的最小限的冷卻水量Q和珀耳帖消耗功率W來對高壓氫進行控制，能大幅提高水電解系統10的運轉效率。并且，由于在珀耳帖除濕器94的上游側配置有熱交換器96，因此在通過熱交換器96大致除去高壓氫中的水分之后再將所述高壓氫送往珀耳帖除濕器94。因此，能良好地抑制在珀耳帖除濕器94上的功率消耗(珀耳帖消耗功率W)。接下來，在圖6中示出本發明的第2實施方式所涉及的水電解系統130。另外，對與第I實施方式所涉及的水電解系統10相同的構成要素賦予相同的參照符號，并省略詳細的說明。另外，在下面說明的第3 第8實施方式也是同樣，省略詳細說明。水電解系統130具備與第I實施方式的控制部28對應的控制部132，并且控制部132具備探測高壓氫制造裝置12的電解電流值A的電流探測單元(電流探測部)134。在高壓氫制造裝置12中，在電解電源40設有用于探測電解電流值A的電流檢測傳感器136。
在該水電解系統130中，在高壓氫制造裝置12的陰極側的壓力P為恒定時，例如在控制部132中，根據電解電源40的電解電流值A、和對應該電解電流值A而設定的熱交換器96的冷卻水量Q以及珀耳帖除濕器94的珀耳帖消耗功率W的關系，來預先作成圖8所不的關系圖。S卩，通過使電解電流值A變化，使得所制造的氫量可變，例如，如圖8所示，得到用于進行如下控制的關系圖電解電流值A越大，則氫制造量就越增加，與此相伴，為了活躍地進行氫的冷卻以及除濕，進行使冷卻水量Q以及珀耳帖消耗功率W增加的控制。接下來，按照圖7所示的流程圖，在下面說明如此構成的水電解系統130的動作。另外，步驟Sll、S12、S16、S17分別與第I實施方式中的步驟SI、S2、S5、S6(參照圖2)相同。首先，在水電解系統130中，開始高壓氫制造裝置12進行的水電解處理(步驟SI I)，用電解電流值A來進行水電解(步驟S12)。在壓力檢測單元110中，檢測高壓氫制造裝置12的陰極側的壓力P。然后，若判斷為檢測出的壓力P為恒定(步驟S13中，是)，則前進到步驟S14。在步驟S14中，通過電流探測單元134，經由設在電解電源40的電流檢測傳感器36來探測電解電流值A。在此，根據圖8所述的電解電流值A、和冷卻水量Q以及珀耳帖消耗功率W的關系(關系圖)，分別算出或讀取與所探測到的所述電解電流值A對應的熱交換器96的冷卻水量Qmap以及珀耳帖除濕器94的珀耳帖消耗功率W_。基于這些冷卻水量Qmap以及珀耳帖消耗功率Wmap,來控制提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q，或通過可變電源97來控制施加給珀耳帖除濕器94的電流值(步驟A15)。然后，在水電解系統130移轉到穩定運行之后(步驟S16)，停止電解處理(步驟S17)。如以上那樣，在第2實施方式中，在將氫配管20中的高壓氫的壓力P維持為恒定時，與隨著電解電源40的電解電流值A的變化而制造量變動的高壓氫相應的除濕處理被控制在最小限的冷卻水量Q以及最小限的珀耳帖消耗功率W。由此，能在珀耳帖除濕器94中，通過降低對氫進行除濕時的功率消耗和降低提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q而抑制了能量的消耗，可以得到能大幅提高水電解系統130的整體運轉效率等的與上述第I實施方式相同的效果。接下來，在圖9中示出了本發明的第3實施方式所涉及的水電解系統150。
水電解系統150具備與第I實施方式的冷卻裝置26以及控制部28分別相應的冷卻裝置152以及控制部154。冷卻裝置152僅具有珀耳帖除濕器94，控制部154具有壓力檢測單元110以及電流可變單元112。另外，在水電解系統150中，不具備熱交換器96以及冷卻水量可變單元114。在水電解系統150中，按照圖10所示的流程圖來進行步驟S21 S26的處理。另夕卜，步驟S21 S23、S25、S26分別與第I實施方式中的步驟SI S3、S5、S6(參照圖2)相同，因此省略詳細的說明。在步驟S21、S22的處理之后，在步驟S23中，基于壓力檢測單元110所檢測出的壓力P，從圖3所示的壓力P和珀耳帖消耗功率W的關系來讀取珀耳帖消耗功率胃_。然后，基于珀耳帖消耗功率Wmap，通過電流可變單元112來控制施加給珀耳帖除濕器94的電流值(步驟S24)。之后，進行步驟S25、S26的處理。
如以上那樣，在第3實施方式中，在水電解系統150中，不會無謂地消耗對珀耳帖除濕器94所施加的功率，可以得到能盡可能地抑制對氫進行除濕時的能量消耗等的、與上述第I以及第2實施方式相同的效果。另外，在圖11中示出本發明的第4實施方式所涉及的水電解系統160。水電解系統160具備分別與第I實施方式的冷卻裝置26以及控制部28對應的冷卻裝置162以及控制部164。冷卻裝置162僅具有熱交換器96，控制部164具有壓力檢測單元110以及冷卻水量可變單元114。另外，在水電解系統160中不具有珀耳帖除濕器94以及電流可變單元112。在水電解系統160中，按照圖12所示的流程圖來進行步驟S31 S36的處理。另夕卜，步驟S31 S33、S35、S36分別與第I實施方式中的步驟SI S3、S5、S6(參照圖2)相同，因此省略其詳細的說明。在步驟S31、S32的處理之后，基于在步驟S33通過壓力檢測單元110所檢測出的壓力P，從圖3所不的壓力P和冷卻水量Q的關系中讀取冷卻水量Qmap。然后，基于冷卻水量Qmap，通過冷卻水量可變單元114來控制提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q(步驟S34)。之后，進行步驟S35、S36的處理。如以上那樣，在第4實施方式中，在水電解系統160中，通過降低提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q，能得到在對氫進行除濕時能盡可能抑制能量消耗等的、與上述第I以及第2實施方式相同的效果。進而，在圖13中示出了本發明的第5實施方式所涉及的水電解系統170。水電解系統170具備分別與第2實施方式的冷卻裝置26以及控制部132對應的冷卻裝置172以及控制部174。冷卻裝置172僅具有珀耳帖除濕器94，控制部174具有壓力檢測單元110、電流可變單元112以及電流探測單元134。另外，在水電解系統170中，不具有熱交換器96以及冷卻水可變單元114。在水電解系統170中，按照圖14所示的流程圖來進行步驟S41 S47的處理。另夕卜，步驟S41 S44、S46、S47分別與第2實施方式中的步驟Sll S14、S16、S17(參照圖7)相同，因此省略其詳細說明。在步驟S41 S43的處理之后，在步驟S44中，基于由電流探測單元134所探測出的電解電流值A，從圖8所示的電解電流值A和珀耳帖消耗功率W的關系中讀取珀耳帖消耗功率wmap。然后，基于珀耳帖消耗功率Wmap，通過電流可變單元112來控制施加給珀耳帖除濕器94的電流值(步驟S45)。之后，進行步驟S46、S47的處理。如以上那樣，在第5實施方式中，在水電解系統170中，不會無謂地消耗施加給珀耳帖除濕器94的功率，可以得到能盡可能地抑制對氫進行除濕時的能量消耗等的與上述第I 第3實施方式相同的效果。進而，還在圖15中示出了本發明的第6實施方式所涉及的水電解系統180。水電解系統180具備分別與第2實施方式的冷卻裝置26以及控制部132對應的冷卻裝置182以及控制部184。冷卻裝置182僅具有熱交換器96，控制部184具有壓力檢測單元110、冷卻水量可變單元114以及電流探測單元134。另外，在水電解系統180中，不具有珀耳帖除濕器94以及電流可變單元112。
在水電解系統180中，按照圖16所示的流程圖來進行步驟A51 S57的處理。另夕卜，步驟S51 S54、S56、S57分別與第2實施方式中的步驟Sll S14、S16、S17 (參照圖7)相同，因此省略詳細的說明。在步驟S51 S53的處理之后，在步驟S54中，基于由電流探測單元134所探測的電解電流值A，從圖8所示的電解電流值A和冷卻水量Q的關系中讀取冷卻水量Qniapt5然后，基于冷卻水量Qmap，通過冷卻水量可變單元114來控制提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q (步驟S55)。之后，進行步驟S56、S57的處理。如以上那樣，在第6實施方式中，在水電解系統180中，通過降低提供給熱交換器96的冷卻水的冷卻水量Q，可以得到能盡可能抑制對氫進行除濕時的能量消耗等的與上述第I、第2以及第4實施方式相同的效果。另外，為了進一步確實地得到干燥氫，還能在珀耳帖除濕器94的下游側配設吸附器。此時，由于通過珀耳帖除濕器94已經幾乎除盡了水分，因此，與不具備珀耳帖除濕器94而用僅具有交換式的吸附劑的吸附器來進行除濕的構成相比，能顯著降低所述吸附劑的交換頻度，并且能使水電解系統10、130、150、170小型化。接下來，在圖17中示出了本發明的第7實施方式所涉及的水電解系統200。該水電解系統200具備與第I實施方式的高壓氫提供配管24對應的氫提供配管202 (202a)、和對從高壓氫制造裝置12排出的高壓氫進行貯存的氫罐(氫貯存裝置)204。另外，水電解系統200具有配置于氫提供配管202 (202a)且對高壓氫制造裝置12所生成的高壓氫中的水分進行吸附的吸附筒(水分吸附裝置)206 ;和進行水電解系統200的整體控制的控制部(ECU)208。另外，在水電解系統200中，也可以使用生成常壓的氫(與所生成的氧壓力相同的氫)的氫制造裝置來代替高壓氫制造裝置12。在氫提供配管202 (202a)上串聯連接有吸附筒206以及氫罐204。能將氫罐204中所貯存的高壓氫作為制品氫提供給未圖示的燃料電池汽車等。在吸附筒206中，為了除去在氫中所含有的水分，而在內部收納有吸附劑等的除濕劑(未圖示)。在吸附筒206和氫罐204之間，沿著氫流動的方向而在氫提供配管202 (202a)連接有露點計(水分量探測裝置、DP) 210以及背壓閥212。露點計210用于判定吸附筒206是否穿透(breakthrough)。在此,穿透是指吸附劑的水分吸附量飽和，作為除去對象物質的水開始從吸附筒206中流出的狀態。
控制部208具有計時部214，其對水電解系統200的起動后的經過時間進行測量；和運行停止判斷部(運行停止判斷裝置)216，其在露點計210探測到超過了閾值的水分量時，使所述水電解系統200的運行停止。關于如此構成的水電解系統200的動作，在下面進行說明。首先，開始水電解系統200進行的電解，開始高壓氫制造裝置12的穩定運行(氫制造運行)后，與上述第I實施方式的步驟S2、S3(參照圖2)相同，將所述高壓氫制造裝置12所生成的氫導出到氫提供配管202。另外，這種情況下，閉塞背壓閥212。被導出到氫提供配管202的氫通過被導入到吸附筒206內并吸附到吸附劑上，來除去所述氫中所含有的水分。然后，在將吸附筒206的出口側的壓力上升到背壓閥212的設定壓力后，開放所述背壓閥212并將氫填充到氫罐204中。將氫罐204內的氫作為燃料氣體提供給例如未圖示的燃料電池汽車。
接下來，關于第7實施方式所涉及的水電解系統200的運行方法，在下面進行說明。該運行方法基本上具有使水電解系統200起動的工序；對所述水電解系統200的起動后的經過時間進行測量的工序；在測量出的所述經過時間不足設定時間時，禁止所述水電解系統200的電解停止的工序。該禁止電解停止的起動后的設定時間基于氫罐204內的水分濃度來預先設定。具體地，在水解系統200的起動前，在從吸附筒206的出口到背壓閥212的入口為止的氫提供配管202a內(氫提供配管202的一部分)中，設氫的壓力為P'(例如35MPa)，設體積為V，設壓縮因數為Z'，設溫度為T'，設氣體常數為R'，設水分濃度為C' H20O這種情況下，氫的物質量為n' =P' XV' IV XR' XT'，標準狀態體積V' std = (P' /Pstd) X (Tstd/T/ )X(V' IV )。另外，Pstd是標準狀態壓力，Tstd是標準狀態溫度。下面相同。另一方面，在水電解系統200的起動前的氫罐204中，設氫的壓力為P1，設體積為V，設壓縮因數為Z，設溫度為T，設氣體常數為R，設水分濃度為CH2(I。這種情況下，氫的物質量為 n = P1X V/ZXRXT，標準狀態體積 Vstd = (P1A3std) X (Tstd/T) X (V/Z)。因而，在將氫填充到配管202a內之后，氫罐204內的水分濃度成為CH2Q tank =(nXCH20+n/ XC' H20)/(n+n/ )。另外，在將氫填充到配管202a內之后，氫罐204內的氫標準狀態體積成為Vtank—std = Vst^V' std。進而,若設制品氫的流量為F,設制品氫中的水分濃度為CH2() ire，設氫罐204內的水分濃度CH2(Uank為規定的閾值，則根據ta = {(CH20_tank-5) XVtankStdl/{ (S-Ch20 J XF}來求取例如稀釋到5ppm為止所需要的時間(設定時間)。在此，氫罐204內的壓力P1、和將所述氫罐204內的水分濃度稀釋到5ppm為止所需的時間ta具有圖18所示的關系。即，流入氫罐204的水分量、和將水分濃度稀釋到5ppm為止所需的時間ta與所述氫罐204內的壓力P1無關，為恒定。接下來，關于上述設定時間，參照圖19所示的流程圖來對使水電解系統200運行的情況進行說明。首先，起動水電解系統200 (步驟S61)，在控制部208中，進行禁止水電解系統200的電解停止的控制(步驟S62)，并且開始計時部214的計時(步驟S63)。然后，若由計時部214判斷為已經計時了預先設定的設定時間(將上述的水分濃度稀釋到5ppm為止所需的時間ta)(步驟S64中，是)，則前進到步驟S65，開始對送往氫罐204的氫中的水分量進行探測。具體地，配置于氫提供配管202a的吸附筒206和氫罐204之間的露點計210從所示吸附筒206中來探測送往所述氫罐204的氫中的水分量。進而，前進到步驟S66，運行停止判斷部216開始判斷能否繼續水電解系統200的運行。在此，若判斷為由露點計210探測的水分量超過了預先設定的閾值(例如，5ppm)(步驟S66中，是)，則運行停止判斷部216判斷為要停止水電解系統200的運行，并且根據需要來進行警告顯示(步驟S67)。在該水電解系統200的停止時，較多的情況是在氫提供配管202 (202a)內附著有水分，在所述水電解系統200的起動時，附著在所述氫提供配管202 (202a)內的水分容易被導入到氫罐204中。由此，若在水電解系統200的剛起動之后立刻停止電解運行，氫罐204內的水分濃度有時會超過閾值(例如，5ppm)。
如以上那樣，在第7實施方式中，將降低氫罐204內的露點來使水分濃度為閾值(例如5ppm)以下為止所需的時間為設定時間ta，在水電解系統200的起動后，在該設定時間內，禁止水電解系統200的電解的停止。由此，在高壓氫制造裝置12所生成的氫從氣液分離裝置22通過吸附筒206而提供給氫罐204。因此，在氫罐204內，能得到將水分濃度確實地維持在閾值以下的效果。接下來，在圖20中示出本發明的第8實施方式所涉及的水電解系統220。另外，對與第7實施方式所涉及的水電解系統200相同的構成要素賦予相同的參照符號，并省略其詳細說明。水電解系統220具備用于從氣液分離裝置22導出氫的氫提供配管222。在氫提供配管222，沿著氫的流動方向，連接有第I吸附筒206a、第2吸附筒206b以及氫罐204。在連接于第I吸附筒206a和第2吸附筒206b之間的氫提供配管222a上連接有第I露點計(第1DP) 210a。在連接于第2吸附筒206b和氫罐204之間的氫提供配管222b上連接有第2露點計(第2DP)210b以及背壓閥212。另外，氫提供配管222a、222b是氫提供配管222的一部分。第I露點計210a用在判定在第I吸附筒206a中是否發生了穿透，另一方面，第2露點計210b用在判定在第2吸附筒206b中是否發生了穿透。在該第8實施方式中，在剛開始水電解系統220的電解之后，在一定時間內不考慮第I露點計210a進行的水分量探測(露點檢測)來進行了電解運行之后，基于所述第I露點計210a的檢測結果來開始第I吸附筒206a的穿透判斷。該一定時間根據第2吸附筒206b的水分處理能力等來設定。具體地，如圖21所示，算出第2吸附筒206b能吸附的全水分量Wall。然后，假定在第I吸附筒206a為穿透的狀態下繼續運行時，在水電解系統220的I次的起動中，設送往第2吸附筒206b的水分量為Wa，設第I吸附筒206a的交換間隔中的水電解系統220的最大的起動次數為k。這種情況下，在所述第I吸附筒206a的交換間隔的期間送往第2吸附筒206b的水分量Wa的累積值成為WaX k。另外，若將第I吸附筒206a的穿透時的備用容量設為Wb(在交換所需要的時間內送來的水分量)，則按照成為Wan > ffaXk+ffb的方式來設定時間(一定時間)。更具體地，根據Wmin = LX (噴出流量)XW1 (規定露點下的水分量)來獲得在規定時間內例如I分鐘的期間內吸收到第2吸附筒206b中的水分量。進而，在第2吸附筒206b中，對規定露點的氫能進行干燥的時間成為tdl7 = Wal^(LXW1) (min)。另一方面，在第I吸附筒206a穿透后，若將繼續運行的時間設為，則關于第I吸附筒206a,在剛開始電解后，不用第I露點計210a進行露點檢測的一定時間tb成為tb =(wall/L Wrt1)/k0接下來，按照圖22所示的流程圖，在下面說明第8實施方式所涉及的水電解系統220的運行方法。首先，起動水電解系統220后(步驟S71)，前進到步驟S72，判斷是否發出了第I吸附筒206a的交換指示。若沒有第I吸附筒206a的交換指示(步驟S72中，是)，則前進 到步驟S73。然后，在開始電解運行而氫在第I吸附筒206a中流通之后，若經過了一定時間tb，則基于來自第I露點計210a的檢測信號，開始判斷所述第I吸附筒206a是否處于穿 透。在步驟S74中，進行使用了第I吸附筒206a的通常運行，若通過第I露點計210a判斷為所述第I吸附筒206a的出口的露點為設定值以上(步驟S75中，是)，則前進到步驟S76，進行第I吸附筒206a的交換指示。進而，進行使用了第2吸附筒206b的通常運行(步驟S77)，若通過第2露點計210b判斷為所述第2吸附筒206b的出口的露點為設定值以上(步驟S78中，是)，則前進到步驟S79，產生警報，并停止水電解系統220。另外，在步驟S72中，若判斷為發出了第I吸附筒206a的交換指示(步驟S72中，否)，即在水電解系統220剛起動之后判斷為第I吸附筒206a處于穿透，則前進到步驟S80。在步驟S80中，由于在水電解系統220剛開始起動后就使用第2吸附筒206b，因此，與第7實施方式相同，在進行了設定時間t2(例如設定時間ta)的第2吸附筒206b進行的運行之后，開始所述第2吸附筒206b的穿透判斷。然后，前進到步驟S77，進行與上述相同的工序。如以上那樣，在第8實施方式中，在步驟S80中，與第7實施方式相同，在水電解系統220的剛開始起動之后就使用第2吸附筒206b時，在從起動后直到經過設定時間t2為止,禁止停止所述水電解系統22的電解。由此，能得到將氫罐204內的水分濃度維持在閾值(例如5ppm)以下的效果。并且，能得到在經過設定時間t2后，通過進行第2露點計210的露點檢測來高精度地判斷第2吸附筒206b是否穿透這樣的優點。進而，在第8實施方式中，在水電解系統220的剛起動后，例如即使由于附著在氫提供配管222a中的水分而由第I露點計210a檢測出高露點，也不管該檢測結果而在繼續運行之后，再進行第I露點計210a的露點檢測。由此，能正確地判斷第I吸附筒206a是否穿透。
權利要求
1.一種水電解系統(10、130、150、160、170、180)，具備 高壓氫制造裝置(12)，其將水電分解，在正極側產生氧且在負極側產生壓力比所述氧聞的聞壓氫!； 氣液分離裝置(22)，其配設于從所述高壓氫制造裝置(12)排出所述高壓氫的氫配管(20)，用于分離所述高壓氫中含有的水分；和 氫提供配管(24)，其將分離了水分后的所述高壓氫從所述氣液分離裝置(22)中導出， 所述水電解系統(10、130、150、160、170、180)的特征在于， 在所述氫提供配管(24)設有為了調整所述高壓氫的濕度而可變地控制該高壓氫的溫度的冷卻裝置(26、152、162、172、182)。
2.根據權利要求I所述的水電解系統(10、130、150、170)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26、152、172)具備珀耳帖元件(94)， 并且，所述水電解系統(10、130、150、170)具備控制部(28、132、154、174)， 所述控制部(28、132、154、174)具備 檢測所述高壓氫制造裝置(12)中的所述陰極側的壓力的壓力檢測部(110);和基于檢測出的所述壓力來可變地控制施加給所述珀耳帖元件(94)的電流值的電流可變部(112)。
3.根據權利要求I所述的水電解系統(10、130、160、180)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26、162、182)具備熱交換器(96)， 并且，所述水電解系統(10、130、160、180)具備控制部(28、132、164、184)， 所述控制部(28、132、164、184)具備 檢測所述高壓氫制造裝置(12)中的所述陰極側的壓力的壓力檢測部(110);和基于檢測出的所述壓力來可變地控制在所述熱交換器(96)中流通的冷媒介的冷媒介量的冷媒介量可變部(114)。
4.根據權利要求I所述的水電解系統(10、130)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26)具備珀耳帖元件(94)以及熱交換器(96)， 并且，所述水電解系統(10、130)具備控制部(28、132)， 所述控制部(28、132)具備 檢測所述高壓氫制造裝置(12)中的所述陰極側的壓力的壓力檢測部(110)； 基于檢測出的所述壓力來可變地控制施加給所述珀耳帖元件(94)的電流值的電流可變部(112);和 基于檢測出的所述壓力來可變地控制在所述熱交換器(96)中流通的冷媒介的冷媒介量的冷媒介量可變部(114)。
5.根據權利要求I所述的水電解系統(130、170)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26、172)具備珀耳帖元件(94)， 并且所述水電解系統(130、170)具備控制部(132、174)， 所述控制部(132、174)具備 探測所述高壓氫制造裝置(12)的電解電流值的電流探測部(134);和基于探測出的所述電解電流值來可變地控制施加給所述珀耳帖元件(94)的電流值的電流可變部(112)。
6.根據權利要求I所述的水電解系統(130、180)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26、182)具備熱交換器(96)， 并且，所述水電解系統(130、180)具備控制部(132、184)， 所述控制部(132、184)具備 探測所述高壓氫制造裝置(12)的電解電流值的電流探測部(134);和基于探測出的所述電解電流值來可變地控制在所述熱交換器(96)中流通的冷媒介的冷媒介量的冷媒介量可變部(114)。
7.根據權利要求I所述的水電解系統(130)，其特征在于， 所述冷卻裝置(26)具備珀耳帖元件(94)以及熱交換器(96)， 并且所述水電解系統(130)具備控制部(132)， 所述控制部(132)具備 探測所述高壓氫制造裝置(12)的電解電流值的電流探測部(134)； 基于探測出的所述電解電流值來可變地控制施加給所述珀耳帖元件(94)的電流值的電流可變部(112);和 基于探測出的所述電解電流值來可變地控制在所述熱交換器(96)中流通的冷媒介的冷媒介量的冷媒介量可變部(114)。
8.根據權利要求4所述的水電解系統(10、130)，其特征在于， 所述熱交換器(96)配置在所述珀耳帖元件(94)的上游。
9.根據權利要求7所述的水電解系統(130)，其特征在于， 所述熱交換器(96)配置在所述珀耳帖元件(94)的上游。
10.一種水電解系統(200、220)的運行方法，所述水電解系統(200、220)具備 高壓氫制造裝置(12)，其將水電分解，在正極側產生氧且在負極側產生氫； 氫貯存裝置(204)，其貯存從所述高壓氫制造裝置(12)排出的所述氫； 氫提供配管(202、202a、222、222a、222b)，其將由所述高壓氫制造裝置(12)所生成的所述氫提供給所述氫貯存裝置(204);和 水分吸附裝置(206、206a、206b)，其與所述氫提供配管(202、202a、222、222a、222b)連接，用于吸附由所述高壓氫制造裝置(12)生成的所述氫中的水分， 所述水電解系統(200、220)的運行方法的特征在于，具備如下工序 起動所述水電解系統(200、220)的工序； 測量所述水電解系統(200、220)的起動后的經過時間的工序；和在測量的所述經過時間小于設定時間時，禁止所述水電解系統(200、220)的電解停止的工序。
11.根據權利要求10所述的水電解系統(200、220)的運行方法，其特征在于， 所述水電解系統(200、220)具備 水分量探測裝置(210、210a、210b)，其在所述氫提供配管(202a、222a、222b)上，連接在所述水分吸附裝置(206、206a、206b)的下游側，探測所述氫提供配管(202a、222a、222b)中的水分量；和 運行停止判斷部(216)，其在所述水分量探測裝置(210、210b)探測到超過閾值的水分量時，停止所述水電解系統(200、220)的運行，并且，所述運行停止判斷部(216)在測量的所述經過時間成為所述設定時間以上之后，基于由所述水分量探測裝置(210、210b)所探測的水分量來開始進行所述水電解系統(200、220)能否繼續運行的判斷。
12.根據權利要求10所述的水電解系統(200、220)的運行方法，其特征在于， 禁止所述電解停止的所述設定時間是基于所述氫貯存裝置(204)內的水分濃度來設定的。
13.根據權利要求11所述的水電解系統(220)的運行方法，其特征在于， 所述水分吸附裝置具有第I吸附筒(206a)和第2吸附筒(206b)， 在所述水電解系統(220)的起動后，在根據所述第2吸附筒(206b) 的水分處理能力而確定的一定時間內，進行使用了所述第I吸附筒(206a)的通常運行， 在經過了所述一定時間后，在與所述第I吸附筒(206a)連接的所述氫提供配管(222a)，由連接在該第I吸附筒(206a)的下游側正后方的水分量探測裝置(210a)來檢測所述氫提供配管(222a)中的水分量，基于所述水分量來判斷所述第I吸附筒(206a)是否處于穿透。
全文摘要
本發明提供一種水電解系統及其運行方法。水電解系統(10)具備高壓氫制造裝置(12)，其將水電分解來產生氧，并產生壓力比所述氧高的高壓氫；和氣液分離裝置(22)，其配設于從所述高壓氫制造裝置(12)排出所述高壓氫的氫配管(20)，分離所述高壓氫中所含有的水分。另外，水電解系統(10)具備高壓氫提供配管(24)，其將分離了水分的高壓氫從氣液分離裝置(22)中導出；冷卻裝置(26)，其配設于高壓氫提供配管(24)，能夠為了調整高壓氫的濕度而可變地控制該高壓氫的溫度；和控制部(28)。
文檔編號C25B1/04GK102965686SQ20121030365
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月23日 優先權日2011年8月31日
發明者倉品大輔, 中澤孝治, 長岡久史, 石川博之, 山川裕志, 武內淳 申請人:本田技研工業株式會社