JP2012241207A - Water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water electrolysis system capable of satisfactorily increasing the quantity of hydrogen production relative to the quantity of water supply in the water electrolysis system by directly using water discharged from a gas-liquid separation device for electrolytic treatment.SOLUTION: The water electrolysis system 10 includes: a differential pressure type first water electrolysis device 12 which produces oxygen and high-pressure hydrogen by electrolyzing water; the gas-liquid separation device 22 which removes moisture contained in the high-pressure hydrogen led out from the first water electrolysis device 12 to a high-pressure hydrogen pipe 20; a high-pressure hydrogen lead-out line 24 which leads out the high-pressure hydrogen from which water is separated by the gas-liquid separation device 22; a drain line 26 for discharging water from the gas-liquid separation device 22; and a differential pressure type second water electrolysis device 28 which is arranged in the drain line 26 and produces oxygen and high-pressure hydrogen by electrolyzing water.

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関する。   The present invention relates to a water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of the oxygen, a gas-liquid separation apparatus that separates moisture contained in the high-pressure hydrogen, and the gas-liquid separation apparatus The present invention relates to a water electrolysis system provided with a drainage line for discharging water from the water.

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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、給電体を配設して単位セルが構成されている。   Generally, hydrogen is used as a fuel gas used for a power generation reaction of a fuel cell. This hydrogen is produced by, for example, a water electrolysis device. The water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and power supply bodies are disposed on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure to provide unit cells. Is configured.

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の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、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。   Therefore, a cell unit in which a plurality of unit cells are stacked is supplied with voltage at both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen generated together with hydrogen is discharged from the cell unit together with excess water.

上記の水電解装置では、高圧（例えば、３５ＭＰａ）の水素を生成する高圧水電解システムが採用されている。このため、水を含んだ高圧水素は、水素気液分離器に導入され、水素と水の分離が行われるとともに、前記水素気液分離器では、内部が高圧に保持された状態で、水（高圧水）を排出させる必要がある。   In the above water electrolysis apparatus, a high pressure water electrolysis system that generates high pressure (for example, 35 MPa) hydrogen is employed. For this reason, high-pressure hydrogen containing water is introduced into a hydrogen gas-liquid separator, and hydrogen and water are separated. In the hydrogen gas-liquid separator, the water ( High pressure water) must be discharged.

例えば、特許文献１に開示されている水素生成システムでは、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解部と、生成された前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離部とを備えている。気液分離部は、液水を排出する排水ラインと、水分が除去された高圧水素を送出する水素ラインとを備えるとともに、前記排水ラインには、少なくとも１つの減圧弁と開閉弁とが、排水流れ方向に沿って、順次、配設されている。   For example, in a hydrogen generation system disclosed in Patent Document 1, a water electrolysis unit that electrolyzes water to generate high-pressure hydrogen, and a gas-liquid separation unit that removes moisture contained in the generated high-pressure hydrogen I have. The gas-liquid separation unit includes a drain line for discharging liquid water and a hydrogen line for sending high-pressure hydrogen from which moisture has been removed, and the drain line includes at least one pressure reducing valve and an on-off valve. They are sequentially arranged along the flow direction.

従って、開閉弁が閉塞されることにより、気液分離部内の水が増加する一方、前記開閉弁が開放されることにより、前記気液分離部内から排水ラインに排水が開始されている。その際、開閉弁の上流に配置されている減圧弁の作用下に、前記減圧弁の二次側の圧力が設定圧力に減圧されるため、高圧な気液分離部から排水ラインに一気に排水されることがない、としている。   Therefore, when the on-off valve is closed, water in the gas-liquid separation unit is increased, and when the on-off valve is opened, drainage is started from the gas-liquid separation unit to the drain line. At that time, since the pressure on the secondary side of the pressure reducing valve is reduced to the set pressure under the action of the pressure reducing valve arranged upstream of the on-off valve, the pressure is discharged from the high-pressure gas-liquid separator to the drain line all at once. It is said that there is no.

特開２００９−１９１３３３号公報JP 2009-191333 A

ところで、上記の水電解システムでは、気液分離装置から排出された水は、純水供給装置に戻されることにより、水電解部に循環されている。その際、純水供給装置には、逆浸透膜（ＲＯ膜）が搭載されており、ＲＯ透過水が増加すると、それに伴ってＲＯ排水も増加してしまう。このため、排水量が比較的多くなるおそれがある。   By the way, in said water electrolysis system, the water discharged | emitted from the gas-liquid separation apparatus is circulated by the water electrolysis part by returning to the pure water supply apparatus. At that time, a reverse osmosis membrane (RO membrane) is mounted on the pure water supply device. When the RO permeate increases, the RO drainage also increases accordingly. For this reason, there exists a possibility that the amount of drainage may become comparatively large.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置から排出される水を、直接、電解処理に使用することにより、水電解システムにおける水供給量に対する水素製造量を良好に増加させ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。   The present invention solves this type of problem. By directly using water discharged from the gas-liquid separator for electrolysis, the amount of hydrogen produced in the water electrolysis system can be improved. It aims at providing the water electrolysis system which can be increased.

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる第１水電解装置と、前記第１水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システムに関するものである。   The present invention is arranged in a first water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen, and a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the first water electrolysis device. A gas-liquid separator that separates moisture contained in the high-pressure hydrogen; a high-pressure hydrogen lead-out line that leads out the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator; and water is discharged from the gas-liquid separator. The present invention relates to a water electrolysis system including a drainage line.

この水電解システムでは、排水ラインには、気液分離装置から排出される水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる第２水電解装置が設けられている。   In this water electrolysis system, the drainage line is provided with a second water electrolysis device that electrolyzes water discharged from the gas-liquid separator and generates oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen.

また、この水電解システムでは、第１水電解装置は、カチオン交換膜の両側に給電体が配置される一方、第２水電解装置は、アニオン交換膜の両側に給電体が配置されることが好ましい。   Further, in this water electrolysis system, the first water electrolysis apparatus may have power feeders disposed on both sides of the cation exchange membrane, while the second water electrolysis apparatus may have power feeders disposed on both sides of the anion exchange membrane. preferable.

さらに、この水電解システムでは、第２水電解装置は、高圧水素を気液分離装置に排出する水素配管を備えることが好ましい。   Furthermore, in this water electrolysis system, the second water electrolysis apparatus preferably includes a hydrogen pipe that discharges high-pressure hydrogen to the gas-liquid separator.

さらにまた、この水電解システムでは、第２水電解装置は、気液分離装置内の下限水位よりも下方に配置されることが好ましい。   Furthermore, in this water electrolysis system, it is preferable that the second water electrolysis device is disposed below the lower limit water level in the gas-liquid separation device.

本発明によれば、第１水電解装置により生成された高圧水素は、電解質膜を透過した透過水を伴って気液分離装置に導入され、水分が分離されて高圧水素導出ラインに導出される。一方、高圧水素から分離された水分は、気液分離装置から排水ラインを介して第２水電解装置に供給される。このため、第２水電解装置では、排水ラインから導入される水を電気分解することにより、高圧水素を生成することができる。   According to the present invention, the high-pressure hydrogen generated by the first water electrolysis device is introduced into the gas-liquid separation device along with the permeated water that has permeated the electrolyte membrane, and the water is separated and led out to the high-pressure hydrogen lead-out line. . On the other hand, the water separated from the high-pressure hydrogen is supplied from the gas-liquid separator to the second water electrolysis device via the drain line. For this reason, in a 2nd water electrolysis apparatus, high pressure hydrogen can be generated by electrolyzing the water introduced from a drainage line.

従って、第２水電解装置を設けることにより、気液分離装置から排出される水を、直接、電解処理に使用することが可能になる。これにより、水電解システムへの水供給量に対する水素製造量を良好に増加させることができ、水の効率的な使用が容易に遂行される。   Therefore, by providing the second water electrolysis device, water discharged from the gas-liquid separation device can be directly used for the electrolysis treatment. As a result, the amount of hydrogen produced relative to the amount of water supplied to the water electrolysis system can be favorably increased, and the efficient use of water is easily performed.

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。It is a schematic structure explanatory view of a water electrolysis system concerning an embodiment of the present invention. 前記水電解システムのカチオン交換膜により電解反応の説明図である。It is explanatory drawing of an electrolysis reaction with the cation exchange membrane of the said water electrolysis system. 前記水電解システムのアニオン交換膜により電解反応の説明図である。It is explanatory drawing of an electrolysis reaction with the anion exchange membrane of the said water electrolysis system.

図１に示すように、本発明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（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式の第１水電解装置（高圧水素製造装置）１２と、前記第１水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４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１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から高圧水素配管２０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装置２２と、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６と、前記排水ライン２６に配設され、水を電気分解することによって酸素及び高圧水素を製造する差圧式の第２水電解装置（高圧水素製造装置）２８とを備える。   As shown in FIG. 1, a water electrolysis system 10 according to an embodiment of the present invention electrolyzes water (pure water) to generate oxygen and high-pressure hydrogen (higher than the atmospheric oxygen pressure, for example, 1 MPa to The first water electrolysis apparatus (high-pressure hydrogen production apparatus) 12 of a differential pressure type that produces (70 MPa hydrogen) and the oxygen and excess water discharged from the first water electrolysis apparatus 12 are separated and the water is stored. A water storage device 14, a water circulation device 16 that circulates the water stored in the water storage device 14 to the water electrolysis device 12, and water that supplies pure water generated from city water to the water storage device 14 A supply device 18; a gas-liquid separator 22 for removing water contained in the high-pressure hydrogen led out from the water electrolysis device 12 to the high-pressure hydrogen pipe 20; and the high-pressure from which water has been separated from the gas-liquid separator 22 Deriving hydrogen A pressure-pressure hydrogen outlet line 24, a drain line 26 for discharging water from the gas-liquid separator 22, and a differential pressure type first apparatus that is disposed in the drain line 26 and produces oxygen and high-pressure hydrogen by electrolyzing water. And a two-water electrolysis device (high-pressure hydrogen production device) 28.

第１水電解装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。単位セル３０は、重力方向（上下方向）又は水平方向に積層される。   The first water electrolysis apparatus 12 includes a cell unit in which a plurality of unit cells 30 are stacked. At one end in the stacking direction of the unit cells 30, a terminal plate 32a, an insulating plate 34a, and an end plate 36a are sequentially arranged outward. Similarly, a terminal plate 32b, an insulating plate 34b, and an end plate 36b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the unit cells 30 toward the outside. The end plates 36a and 36b are integrally clamped and held. The unit cells 30 are stacked in the gravity direction (up and down direction) or in the horizontal direction.

ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ及び端子部３８ｂは、電解電源（直流電源）４０の正極及び負極に電気的に接続される。   Terminal portions 38a and 38b are provided on the side portions of the terminal plates 32a and 32b so as to protrude outward. The terminal portion 38 a and the terminal portion 38 b are electrically connected to the positive electrode and the negative electrode of the electrolytic power source (DC power source) 40.

単位セル３０は、カチオン交換膜４２と、このカチオン交換膜４２を挟持する給電体４３及び給電体４４と、常圧側（アノード側）セパレータ４６及び高圧側（カソード側）セパレータ４８とを備える。カチオン交換膜４２は、円盤状を有するとともに、その両面に電極触媒層（図示ぜず）が形成される。   The unit cell 30 includes a cation exchange membrane 42, a power feeding body 43 and a power feeding body 44 that sandwich the cation exchange membrane 42, a normal pressure side (anode side) separator 46, and a high pressure side (cathode side) separator 48. The cation exchange membrane 42 has a disk shape, and electrode catalyst layers (not shown) are formed on both sides thereof.

常圧側セパレータ４６及び高圧側セパレータ４８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。   The normal pressure side separator 46 and the high pressure side separator 48 have a disk shape and are made of, for example, a carbon member or the like, or are used for corrosion protection on a steel plate, a stainless steel plate, a titanium plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof. The metal plate that has been subjected to the above surface treatment is press-molded or cut and subjected to a corrosion-resistant surface treatment.

単位セル３０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５０と、反応により生成された酸素及び未反応の水を排出するための排出連通孔５２と、反応により生成された高圧水素を流すための水素連通孔５４とが設けられる。   A water supply communication hole 50 for supplying water (pure water) to each other in the stacking direction, and oxygen generated by the reaction and unreacted water are discharged to the outer peripheral edge of the unit cell 30. The discharge communication hole 52 and the hydrogen communication hole 54 for flowing the high-pressure hydrogen generated by the reaction are provided.

常圧側セパレータ４６のカチオン交換膜４２に対向する面には、水供給連通孔５０及び排出連通孔５２に連通する第１流路５６が設けられる。この第１流路５６は、給電体４３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。第１流路５６には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。   A first flow path 56 communicating with the water supply communication hole 50 and the discharge communication hole 52 is provided on the surface of the normal pressure side separator 46 facing the cation exchange membrane 42. The first flow path 56 is provided in a range corresponding to the surface area of the power feeding body 43 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. In the first flow path 56, oxygen generated by the reaction and unreacted water flow.

高圧側セパレータ４８のカチオン交換膜４２に向かう面には、水素連通孔５４に連通する第２流路５８が形成される。この第２流路５８は、給電体４４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。第２流路５８には、反応により生成された高圧水素が流通する。   A second flow path 58 communicating with the hydrogen communication hole 54 is formed on the surface of the high-pressure separator 48 facing the cation exchange membrane 42. The second flow path 58 is provided within a range corresponding to the surface area of the power feeding body 44 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. High-pressure hydrogen generated by the reaction flows through the second flow path 58.

第２水電解装置２８は、第１水電解装置１２と略同様に構成されており、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。   The second water electrolysis apparatus 28 is configured in substantially the same manner as the first water electrolysis apparatus 12, and the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第２水電解装置２８を構成する単位セル３０は、アニオン交換膜６０と、このアニオン交換膜６０を挟持する給電体６２及び給電体６４と、高圧側（カソード側）セパレータ６６及び常圧側（アノード側）セパレータ６８とを備える。アニオン交換膜６０は、円盤状を有するとともに、その両面に電極触媒層（図示ぜず）が形成される。   The unit cell 30 constituting the second water electrolysis apparatus 28 includes an anion exchange membrane 60, a power feeding body 62 and a power feeding body 64 sandwiching the anion exchange membrane 60, a high pressure side (cathode side) separator 66, and a normal pressure side (anode). Side) separator 68. The anion exchange membrane 60 has a disk shape, and electrode catalyst layers (not shown) are formed on both sides thereof.

高圧側セパレータ６６のアニオン交換膜６０に向かう面には、水供給連通孔５０及び水素連通孔５４に連通する第１流路７０が形成される。この第１流路７０は、給電体６２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。第１流路７０には、反応により生成された高圧水素及び未反応の水が流通する。   A first flow path 70 communicating with the water supply communication hole 50 and the hydrogen communication hole 54 is formed on the surface of the high-pressure separator 66 facing the anion exchange membrane 60. The first flow path 70 is provided in a range corresponding to the surface area of the power feeding body 62 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. High-pressure hydrogen generated by the reaction and unreacted water flow through the first flow path 70.

常圧側セパレータ６８のアニオン交換膜６０に対向する面には、排出連通孔５２に連通する第２流路７２が設けられる。この第２流路７２は、給電体６４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。第２流路７２には、反応により生成された酸素及び水が流通する。   A second flow path 72 communicating with the discharge communication hole 52 is provided on the surface of the normal pressure side separator 68 facing the anion exchange membrane 60. The second flow path 72 is provided in a range corresponding to the surface area of the power feeding body 64 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like. In the second flow path 72, oxygen and water generated by the reaction flow.

水循環装置１６は、第１水電解装置１２の水供給連通孔５０に連通する循環配管７４を備え、この循環配管７４は、循環ポンプ７６を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。   The water circulation device 16 includes a circulation pipe 74 that communicates with the water supply communication hole 50 of the first water electrolysis device 12, and the circulation pipe 74 includes a circulation pump 76 and a tank portion 78 that constitutes the water storage device 14. Connected to the bottom.

タンク部７８の上部には、戻り配管８０ａ、８０ｂの一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０ａ、８０ｂの各他端部は、第１水電解装置１２及び第２水電解装置２８の各排出連通孔５２に連通する。戻り配管８０ａ、８０ｂの一端部は、タンク部７８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。   One end portions of the return pipes 80a and 80b communicate with the upper portion of the tank portion 78, and the other end portions of the return pipes 80a and 80b are discharged from the first water electrolysis device 12 and the second water electrolysis device 28, respectively. It communicates with the communication hole 52. One end portions of the return pipes 80a and 80b are set to a position that is always open in the water stored in the tank portion 78.

タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８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８６とが連結される。   A pure water supply pipe 84 connected to the water supply device 18 and an oxygen exhaust pipe 86 for discharging oxygen separated from the pure water in the tank section 78 are connected to the tank section 78.

第１水電解装置１２の水素連通孔５４には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が気液分離装置２２に接続される。第２水電解装置２８の水素連通孔５４には、高圧水素配管２０ａの一端が接続され、この高圧水素配管２０ａの他端が気液分離装置２２に接続される。   One end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the hydrogen communication hole 54 of the first water electrolysis apparatus 12, and the other end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the gas-liquid separator 22. One end of the high-pressure hydrogen pipe 20 a is connected to the hydrogen communication hole 54 of the second water electrolysis apparatus 28, and the other end of the high-pressure hydrogen pipe 20 a is connected to the gas-liquid separator 22.

気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン２４に導出される。高圧水素導出ライン２４には、所定の圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された背圧弁８８が設けられる。   The high-pressure hydrogen from which moisture has been removed by the gas-liquid separator 22 is led out to the high-pressure hydrogen lead-out line 24 as dry hydrogen. The high-pressure hydrogen lead-out line 24 is provided with a back pressure valve 88 set to a predetermined pressure value (for example, 35 MPa).

気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。タンク部９０の底部には、排水ライン２６の一端が接続されるとともに、前記排水ライン２６の他端が第２水電解装置２８を構成する水供給連通孔５０に接続される。第２水電解装置２８は、気液分離装置２２内の下限水位よりも下方に配置される。   The gas-liquid separator 22 includes a tank unit 90 for storing water. One end of the drainage line 26 is connected to the bottom of the tank unit 90, and the other end of the drainage line 26 is connected to the water supply communication hole 50 constituting the second water electrolysis device 28. The second water electrolysis device 28 is disposed below the lower limit water level in the gas-liquid separation device 22.

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。   The operation of the water electrolysis system 10 configured as described above will be described below.

先ず、水電解システム１０の始動時には、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。   First, when the water electrolysis system 10 is started, pure water generated from city water is supplied to the tank unit 78 constituting the water storage device 14 via the water supply device 18.

水循環装置１６では、循環ポンプ７６の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７４を介して第１水電解装置１２の水供給連通孔５０に供給される。一方、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。   In the water circulation device 16, the water in the tank portion 78 is supplied to the water supply communication hole 50 of the first water electrolysis device 12 through the circulation pipe 74 under the action of the circulation pump 76. On the other hand, a voltage is applied to the terminal portions 38a and 38b of the terminal plates 32a and 32b via the electrolytic power supply 40 that is electrically connected.

このため、各単位セル３０では、水供給連通孔５０から常圧側セパレータ４６の第１流路５６に水が供給され、この水が給電体４３内に沿って移動する。従って、図２に示すように、第１流路５６では、４Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−に示す陽極反応が惹起される。この陽極反応により生成された水素イオン（Ｈ＋）は、カチオン交換膜４２を透過して第２流路５８側に移動し、４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２の反応により、電子と結合して水素が得られる。 For this reason, in each unit cell 30, water is supplied from the water supply communication hole 50 to the first flow path 56 of the atmospheric pressure side separator 46, and this water moves along the power supply body 43. Therefore, as shown in FIG. 2, in the first flow path 56, an anodic reaction represented by 4H 2 O → 4H + + 2H 2 O + O 2 + 4e − is induced. Hydrogen ions (H + ) generated by this anodic reaction permeate the cation exchange membrane 42 and move to the second flow path 58 side, and are combined with electrons by the reaction of 4H + + 4e − → 2H 2 to form hydrogen. Is obtained.

これにより、高圧側セパレータ４８と給電体４４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５０よりも高圧に維持されており、水素連通孔５４を流れて第１水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。   As a result, hydrogen flows along the second flow path 58 formed between the high-pressure separator 48 and the power supply body 44. This hydrogen is maintained at a pressure higher than that of the water supply communication hole 50, and can flow out of the first water electrolysis apparatus 12 through the hydrogen communication hole 54.

一方、第１流路５６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５２に沿って水循環装置１６の戻り配管８０ａに排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７６を介して循環配管７４から水供給連通孔５０に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。   On the other hand, oxygen generated by the reaction and unreacted water flow through the first flow path 56, and the mixed fluid is discharged along the discharge communication hole 52 to the return pipe 80 a of the water circulation device 16. The After the unreacted gas water and oxygen are introduced into the tank section 78 and separated, the water is introduced from the circulation pipe 74 into the water supply communication hole 50 via the circulation pump 76. Oxygen separated from the water is discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 86.

第１水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（膜透過水分）が、この水素から分離されてタンク部９０に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン２４に導出される。   The hydrogen generated in the first water electrolysis device 12 is sent to the gas-liquid separation device 22 via the high-pressure hydrogen pipe 20. In the gas-liquid separator 22, water vapor (membrane permeation moisture) contained in hydrogen is separated from the hydrogen and stored in the tank unit 90, while the hydrogen is led out to the high-pressure hydrogen lead-out line 24.

タンク部９０内の水は、高圧状態に維持されたまま排水ライン２６に排水され、第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に供給される。また、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。   The water in the tank unit 90 is drained to the drain line 26 while being maintained at a high pressure, and is supplied to the water supply communication hole 50 of the second water electrolysis device 28. In addition, a voltage is applied to the terminal portions 38a and 38b of the terminal plates 32a and 32b via the electrolytic power supply 40 that is electrically connected.

このため、各単位セル３０では、水供給連通孔５０から高圧側セパレータ６６の第１流路７０に水が供給され、この水が給電体６２内に沿って移動する。従って、図３に示すように、第１流路７０では、４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−＋２Ｈ２に示す陰極反応が惹起され、水素が生成される。この陰極反応により生成された陰イオン（ＯＨ−）は、アニオン交換膜６０を透過して第２流路７２側に移動し、４ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−の反応により、電子を放出して水と酸素とが得られる。 Therefore, in each unit cell 30, water is supplied from the water supply communication hole 50 to the first flow path 70 of the high-pressure separator 66, and this water moves along the inside of the power supply body 62. Therefore, as shown in FIG. 3, in the first flow path 70, the cathode reaction shown by 4H 2 O + 4e − → 4OH − + 2H 2 is induced, and hydrogen is generated. The anion (OH − ) generated by the cathode reaction passes through the anion exchange membrane 60 and moves to the second flow path 72 side, and emits electrons by the reaction of 4OH − → 2H 2 O + O 2 + 4e −. Water and oxygen are obtained.

これにより、高圧側セパレータ６６と給電体６２との間に形成される第１流路７０に沿って水素が流動する。この水素は、第２流路７２よりも高圧に維持されており、水素連通孔５４を流れて第２水電解装置２８の外部に取り出し可能となる。   Thereby, hydrogen flows along the first flow path 70 formed between the high-pressure separator 66 and the power feeder 62. This hydrogen is maintained at a pressure higher than that of the second flow path 72, and can flow out of the second water electrolysis apparatus 28 through the hydrogen communication hole 54.

一方、第２流路７２には、反応により生成した酸素及び水が流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５２に沿って水循環装置１６の戻り配管８０ｂに排出される。この生成された水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７６を介して循環配管７４から水供給連通孔５０に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。   On the other hand, oxygen and water generated by the reaction flow in the second flow path 72, and the mixed fluid is discharged along the discharge communication hole 52 to the return pipe 80 b of the water circulation device 16. The generated water and oxygen are introduced into the tank unit 78 and separated, and then the water is introduced into the water supply communication hole 50 from the circulation pipe 74 via the circulation pump 76. Oxygen separated from the water is discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 86.

この場合、本実施形態では、第１水電解装置１２により生成された高圧水素は、カチオン交換膜４２を透過した透過水を伴って気液分離装置２２に導入され、水分が分離されている。そして、高圧水素から分離された水は、気液分離装置２２から排水ライン２６を介して第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に供給されている。このため、第２水電解装置２８では、排水ライン２６から導入される水を電気分解して高圧水素を生成することができる。   In this case, in the present embodiment, the high-pressure hydrogen generated by the first water electrolysis device 12 is introduced into the gas-liquid separation device 22 along with the permeated water that has permeated the cation exchange membrane 42 to separate the water. The water separated from the high-pressure hydrogen is supplied from the gas-liquid separator 22 to the water supply communication hole 50 of the second water electrolysis device 28 via the drain line 26. For this reason, in the second water electrolysis apparatus 28, water introduced from the drain line 26 can be electrolyzed to generate high-pressure hydrogen.

従って、第２水電解装置２８を設けることにより、気液分離装置２２から排出される水を、直接、電解処理に使用することが可能になる。これにより、水電解システム１０における水供給量に対する水素製造量を良好に増加させることができ、水の効率的な使用が容易に遂行されるという効果が得られる。   Therefore, by providing the second water electrolysis device 28, the water discharged from the gas-liquid separation device 22 can be directly used for the electrolysis treatment. Thereby, the hydrogen production amount with respect to the water supply amount in the water electrolysis system 10 can be increased favorably, and the effect that the efficient use of water is easily performed is obtained.

さらに、第１水電解装置１２は、カチオン交換膜４２を用いる一方、第２水電解装置２８は、アニオン交換膜６０を用いている。このため、気液分離装置２２から排出される高圧な水を、第２水電解装置２８の水供給連通孔５０に、直接、供給することができる。水供給連通孔５０に連通する第１流路７０には、高圧水素が生成されるからである。従って、排水ライン２６には、高圧水を減圧させるために減圧弁等を用いる必要がなく、部品点数を良好に削減することが可能になる。   Furthermore, the first water electrolysis device 12 uses a cation exchange membrane 42, while the second water electrolysis device 28 uses an anion exchange membrane 60. For this reason, the high-pressure water discharged from the gas-liquid separator 22 can be directly supplied to the water supply communication hole 50 of the second water electrolysis device 28. This is because high-pressure hydrogen is generated in the first flow path 70 communicating with the water supply communication hole 50. Therefore, it is not necessary to use a pressure reducing valve or the like in the drain line 26 to depressurize the high-pressure water, and the number of parts can be reduced favorably.

さらにまた、第２水電解装置２８は、気液分離装置２２内の下限水位よりも下方に配置されている。これにより、気液分離装置２２から第２水電解装置２８に水を重力によって供給することができ、水電解システム１０全体の構成の簡素化が容易に図られる。   Furthermore, the second water electrolysis device 28 is disposed below the lower limit water level in the gas-liquid separation device 22. Thereby, water can be supplied from the gas-liquid separation device 22 to the second water electrolysis device 28 by gravity, and the configuration of the entire water electrolysis system 10 can be easily simplified.

１０…水電解システム １２、２８…水電解装置
１４…水貯留装置 １６…水循環装置
１８…水供給装置 ２０…高圧水素配管
２２…気液分離装置 ２４…高圧水素導出ライン
２６…排水ライン ３０…単位セル
４２…カチオン交換膜 ４３、４４、６２、６４…給電体
４６、４８、６６、６８…セパレータ ５０…水供給連通孔
５２…排出連通孔 ５４…水素連通孔
５６、５８、７０、７２…流路 ６０…アニオン交換膜
７４…循環配管 ９０…タンク部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Water electrolysis system 12, 28 ... Water electrolysis apparatus 14 ... Water storage apparatus 16 ... Water circulation apparatus 18 ... Water supply apparatus 20 ... High-pressure hydrogen piping 22 ... Gas-liquid separation apparatus 24 ... High-pressure hydrogen derivation line 26 ... Drainage line 30 ... Unit Cell 42 ... Cation exchange membrane 43, 44, 62, 64 ... Feeder 46, 48, 66, 68 ... Separator 50 ... Water supply communication hole 52 ... Discharge communication hole 54 ... Hydrogen communication hole 56, 58, 70, 72 ... Flow Path 60 ... Anion exchange membrane 74 ... Circulation piping 90 ... Tank part

Claims (4)

水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる第１水電解装置と、
前記第１水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記排水ラインには、前記気液分離装置から排出される水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる第２水電解装置が設けられることを特徴とする水電解システム。 A first water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen;
A gas-liquid separation device that is disposed in a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the first water electrolysis device, and that separates moisture contained in the high-pressure hydrogen;
A high-pressure hydrogen outlet line for extracting the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator;
A drain line for discharging water from the gas-liquid separator;
A water electrolysis system comprising:
The water electrolysis is characterized in that the drainage line is provided with a second water electrolyzer that electrolyzes water discharged from the gas-liquid separator to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen. system. 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記第１水電解装置は、カチオン交換膜の両側に給電体が配置される一方、
前記第２水電解装置は、アニオン交換膜の両側に給電体が配置されることを特徴とする水電解システム。 2. The water electrolysis system according to claim 1, wherein the first water electrolysis apparatus includes power feeding bodies disposed on both sides of the cation exchange membrane,
In the second water electrolysis apparatus, a power feeding body is disposed on both sides of the anion exchange membrane. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記第２水電解装置は、前記高圧水素を前記気液分離装置に排出する水素配管を備えることを特徴とする水電解システム。   3. The water electrolysis system according to claim 1, wherein the second water electrolysis apparatus includes a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen to the gas-liquid separation apparatus. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記第２水電解装置は、前記気液分離装置内の下限水位よりも下方に配置されることを特徴とする水電解システム。   The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 3, wherein the second water electrolysis device is disposed below a lower limit water level in the gas-liquid separation device. .
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