JP2016056397A - 水電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、確実な換気を行うことを可能にする。【解決手段】水電解システム１０を構成する筐体１２は、水電解装置２４が収容される収容室１８及びコントローラ３４が収容される電装室２０を有する。収容室１８は、外気を取り込むための第１換気風流入口３６ａを有し、電装室２０は、前記外気を取り込むための第２換気風流入口３６ｂを有する。筐体１２内には、大気圧に保持されて第１換気風流入口３６ａ及び第２換気風流入口３６ｂに連通するバッファ空間部２２が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、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と、前記水電解装置を運転させるための電装部品と、前記水電解装置が収容される収容室及び前記電装部品が収容される電装室を有する筐体と、を備える水電解システムに関する。

例えば、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を電気分解して水素（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、それぞれ給電体を配設してユニットが構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード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、水が電気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、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の水電解システムは、例えば、特許文献１に開示されているように、水電解装置と、前記水電解装置を収容する収容室を設ける筐体と、を備えている。筐体内には、収容室から分離されて第１電装室及び第２電装室が形成されている。第１電装室には、第１の電装部品が収容されるとともに、外気を取り込むためのファンが設けられている。第２電装室には、第２の電装部品が収容されるとともに、第１電装室に配管部材を介して接続されている。

特開２０１１−２２５９６４号公報

ところで、上記の水電解システムでは、収容室の容量が第１電装室及び第２電装室の容量よりも大きいため、前記収容室に大きな換気風量が必要となっている。従って、収容室の負圧が相当に大きくなり、第１電装室及び第２電装室の換気風出口から逆流が発生するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、確実な換気を行う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。

本発明に係る水電解システムは、水電解装置、前記水電解装置を運転させるための電装部品及び筐体を備えている。水電解装置は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させている。筐体は、水電解装置が収容される収容室及び電装部品が収容される電装室を有している。

収容室は、外気を取り込むための第１換気風流入口を有し、電装室は、前記外気を取り込むための第２換気風流入口を有するとともに、前記第１換気風流入口と前記第２換気風流入口とは、個別に設けられている。そして、筐体内には、大気圧に保持されて第１換気風流入口及び第２換気風流入口に連通するバッファ空間部が設けられている。

また、この水電解システムでは、収容室に外気を引き込んで該収容室を負圧に維持する第１換気装置と、電装室に外気を吹き出して該電装室を陽圧に維持する第２換気装置と、を備えることが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、バッファ空間部には、単一の換気風流入口が設けられるとともに、前記換気風流入口には、可燃ガスの有無を検知するガス検知器が配置されることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、筐体内には、水電解装置で製造される水素を貯蔵する貯蔵器が収容される貯蔵室が設けられることが好ましい。その際、貯蔵室は、外気を取り込むための第３換気風流入口を有し、前記第３換気風流入口は、バッファ空間部に連通することが好ましい。

また、この水電解システムでは、電装室は、バッファ空間部内に配設されるとともに、前記電装室は、前記バッファ空間部に排気する換気風流出口を有することが好ましい。

本発明によれば、筐体内には、大気圧に保持されて収容室の第１換気風流入口と電装室の第２換気風流入口とに連通するバッファ空間部が設けられている。このため、収容室と電装室との間で、互いの圧力差による影響を排除することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、確実な換気を行うことが可能になるとともに、収容室及び電装室を、それぞれ完全密閉する高精度なシール構造が不要になり、経済的である。

本発明の第１の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る水電解システムの内部構成説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム１０は、筐体１２を備える。筐体１２は、外壁１４と第１内壁１６ａ及び第２内壁１６ｂとにより構成される。第１内壁１６ａ及び第２内壁１６ｂは、平板状を有し、筐体１２内の一方に偏って配置される。

筐体１２内には、第１内壁１６ａにより区切られた収容室１８と、第２内壁１６ｂにより区切られた電装室２０と、前記第１内壁１６ａ及び前記第２内壁１６ｂ間のバッファ空間部２２とが形成される。例えば、収容室１８は、最も大きな容量を有し、バッファ空間部２２は、最も小さな容量を有する。なお、電装室２０は、最も小さな容量を有する場合がある。バッファ空間部２２は、大気圧に保持される。

収容室１８には、水（純水）を電気分解することによって酸素及び水素を製造する水電解装置２４と、可燃ガス（水素等）取り扱い機器、例えば、気液分離装置２６及び純水製造装置２８とが収容される。なお、可燃ガス（水素等）取り扱い機器としては、その他、配管類やバルブ類、電装デバイス等があり、必要に応じて収容室１８に収容される。

水電解装置２４は、図示しないが、複数の単位セルが積層されるとともに、前記単位セルは、電解質膜・電極構造体がアノードセパレータ及びカソードセパレータにより挟持される。

水電解装置２４には、水が循環供給されるとともに、気液分離装置２６は、前記水電解装置２４から排出される前記水から酸素及び水素（ガス成分）を分離し、該水を貯留する。純水製造装置２８は、気液分離装置２６に市水から生成された純水を供給する。収容室１８の上方には、水素（可燃ガス）の有無を検知する水素センサ（ガス検知器）３０が配置される。

電装室２０には、電装部品、例えば、電解電源３２及びコントローラ３４が収容される。電解電源３２は、水電解装置２４の陽極（アノード）側にプラス極が接続される一方、陰極（カソード）側にマイナス極が接続される。コントローラ３４は、水電解システム１０全体の運転制御を行う。

第１内壁１６ａには、収容室１８に外気を取り込むための第１換気風流入口３６ａが形成され、第２内壁１６ｂには、電装室２０に外気を取り込むための第２換気風流入口３６ｂが形成される。第１換気風流入口３６ａ及び第２換気風流入口３６ｂは、バッファ空間部２２に連通する。外壁１４には、バッファ空間部２２に外気を取り込むための換気風流入口３６が形成される。外壁１４には、収容室１８から外気を放出するための第１換気風流出口３８ａと、電装室２０から外気を放出するための第２換気風流出口３８ｂとが形成される。

第１換気風流入口３６ａには、第１フィルタ４０ａが設けられる一方、第１換気風流出口３８ａには、収容室１８に外気を引き込んで該収容室１８を負圧に維持する第１ファン（第１換気装置）４２ａが配設される。第２換気風流入口３６ｂには、電装室２０に外気を吹き出して該電装室２０を陽圧に維持する第２ファン（第２換気装置）４２ｂが設けられる一方、第２換気風流出口３８ｂには、第２フィルタ４０ｂが設けられる。換気風流入口３６には、フィルタ４０が設けられる。なお、換気風流入口３６にフィルタ４０が設けられるため、第１換気風流入口３６ａに第１フィルタ４０ａを設けなくてもよい。

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。

先ず、水電解システム１０が起動されると、第２ファン４２ｂに電源が投入される。このため、第２ファン４２ｂを介して電装室２０内に外気が強制的に導入され、前記電装室２０内が陽圧に保持されて換気される。

次いで、第１ファン４２ａに電源が投入される。従って、収容室１８内は、内気が外部に排出されるため、負圧に保持されて換気される。その際、水素センサ３０には、電源が投入されており、収容室１８内の可燃ガス（水素ガス）の有無（濃度）が検知されている。

さらに、補器デバイス（純水製造装置２８や電解電源３２等）に電源が投入されて、水電解装置２４による水素製造作業が開始される。具体的には、純水製造装置２８を介して市水から生成された純水が、気液分離装置２６に供給され、各単位セルには、水が供給される。一方、水電解装置２４に電解電源３２を介して電圧が付与される。これにより、各単位セルでは、アノード側に供給された水が電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、カソード側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

水電解装置２４による水素製造作業が終了し、水電解システム１０が待機状態に移行すると、第２ファン４２ｂによる陽圧換気が継続される一方、第１ファン４２ａがオフされる。そして、水電解装置２４による水素製造作業が再開される際には、上記と同様に、第１ファン４２ａがオンされてから、前記水素製造作業が行われる。

この場合、第１の実施形態では、筐体１２内には、大気圧に保持されるバッファ空間部２２が設けられている。そして、バッファ空間部２２には、収容室１８の第１換気風流入口３６ａと電装室２０の第２換気風流入口３６ｂとが個別に連通している。

このため、収容室１８が負圧換気される一方、電装室２０が陽圧換気されることにより、前記収容室１８と前記電装室２０とに差圧が発生しても、互いの圧力の影響を排除することができる。従って、特に、電装室２０に換気風（可燃ガスを含む）が逆流することを確実に抑制することが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、確実な換気を行うことが可能になるとともに、収容室１８及び電装室２０をそれぞれ完全密閉する高精度なシール構造が不要になり、経済的であるという効果が得られる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム５０の内部構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム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。

水電解システム５０では、バッファ空間部２２の入口側である換気風流入口３６に近接して、水素センサ（ガス検知器）５２が配置される。このため、外気に可燃ガスが含まれているか否かを確実に検知することができ、特に可燃ガスが通常状態で存在する区域での使用に適するという効果がある。しかも、１つの水素センサ５２を追加するだけでよく、経済的である。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム６０の内部構成説明図である。

水電解システム６０は、筐体６２を備え、前記筐体６２は、外壁６４を有する。筐体６２内には、第１内壁６６ａにより区切られた収容室１８と、第２内壁６６ｂにより区切られた電装室２０と、第３内壁６６ｃにより区切られた貯蔵室６８とが形成される。第１内壁６６ａと第２内壁６６ｂとは、例えば、略Ｌ字状を有し、互いに離間して併設される。第３内壁６６ｃは、平板状を有する。第１内壁６６ａ、第２内壁６６ｂ及び第３内壁６６ｃ間には、バッファ空間部７０が形成される。なお、第１内壁６６ａ及び第２内壁６６ｂは、略Ｌ字状に限定されるものではなく、種々の形状に設定可能である。

貯蔵室６８には、水電解装置２４で製造される水素を貯蔵する貯蔵タンク（貯蔵器）７２が収容される。第３内壁６６ｃには、バッファ空間部７０に開放され、貯蔵室６８に外気を取り込むための第３換気風流入口３６ｃが形成される。外壁６４には、貯蔵室６８から外気を放出するための第３換気風流出口３８ｃが形成される。

第３換気風流入口３６ｃには、第３フィルタ４０ｃが設けられる一方、第３換気風流出口３８ｃには、貯蔵室６８に外気を引き込んで該貯蔵室６８を負圧に維持する第３ファン（第３換気装置）４２ｃが配設される。貯蔵室６８には、水素センサ（ガス検知器）７４が配置される。なお、換気風流入口３６にフィルタ４０が設けられるため、第１換気風流入口３６ａ及び第３換気風流入口３６ｃに、第１フィルタ４０ａ及び第３フィルタ４０ｃを設けなくてもよい。また、以下に説明する第４及び第６の実施形態でも、同様である。

このように構成される第３の実施形態では、筐体６２内には、大気圧に保持されるバッファ空間部７０が設けられている。そして、バッファ空間部７０には、収容室１８の第１換気風流入口３６ａと電装室２０の第２換気風流入口３６ｂと貯蔵室６８の第３換気風流入口３６ｃとが、個別に連通している。

このため、収容室１８及び貯蔵室６８が負圧換気される一方、電装室２０が陽圧換気されることにより、前記収容室１８及び前記貯蔵室６８と前記電装室２０とに差圧が発生しても、互いの圧力の影響を排除することができる。従って、特に、電装室２０に換気風（可燃ガスを含む）が逆流することを確実に抑制することが可能になり、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４の実施形態に係る水電解システム８０の内部構成説明図である。なお、第３の実施形態に係る水電解システム６０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５以降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。

水電解システム８０では、バッファ空間部７０の入口側である換気風流入口３６に近接して、水素センサ（ガス検知器）８２が配置される。このため、外気に可燃ガスが含まれているか否かを確実に検知することができ、特に可燃ガスが通常状態で存在する区域での使用に適することができ、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る水電解システム９０の内部構成説明図である。

水電解システム９０では、バッファ空間部７０の換気風流入口３６に、防爆ファン９２が設けられる。その際、第１ファン４２ａ、第２ファン４２ｂ及び第３ファン４２ｃは、削除される。

このように構成される第５の実施形態では、第１ファン４２ａ、第２ファン４２ｂ及び第３ファン４２ｃを不要にして、単一の防爆ファン９２のみを備えている。従って、構成が一層簡素化するとともに、経済的であるという効果が得られる。

図６は、本発明の第６の実施形態に係る水電解システム１００の内部構成説明図である。

水電解システム１００を構成する筐体１０２内には、第１内壁６６ａにより区切られた収容室１８と、第３内壁６６ｃにより区切られた貯蔵室６８とが形成される。筐体１０２内には、第１内壁６６ａと第３内壁６６ｃとの間に、バッファ空間部１０４が形成される。

バッファ空間部１０４には、ケーシング１０６が配置される。ケーシング１０６内には、電装室２０が形成されるとともに、第２換気風流入口３６ｂ及び第２換気風流出口３８ｂは、バッファ空間部１０４に開放（連通）している。

このように構成される第６の実施形態では、特に可燃ガスの取り扱いがない電装室２０は、バッファ空間部１０４に完全に収納されている。これにより、電装室２０の冷却が一層確実に遂行され、特に外気温度が低下している際には、第２ファン４２ｂを停止させることができ、消費電力の削減が可能になるという利点がある。

１０、５０、６０、８０、９０、１００…水電解システム
１２、６２、１０２…筐体 １４、６４…外壁
１６ａ、１６ｂ、６６ａ〜６６ｃ…内壁
１８…収容室 ２０…電装室
２２、７０、１０４…バッファ空間部 ２４…水電解装置
２６…気液分離装置 ２８…純水製造装置
３０、５２、７４、８２…水素センサ ３２…電解電源
３４…コントローラ ３６、３６ａ〜３６ｃ…換気風流入口
３８ａ〜３８ｃ…換気風流出口 ４０、４０ａ〜４０ｃ…フィルタ
４２ａ〜４２ｃ…ファン ６８…貯蔵室
７２…貯蔵タンク ９２…防爆ファン
１０６…ケーシング

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させるとともに、カソード側に水素を発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置を運転させるための電装部品と、
   前記水電解装置が収容される収容室及び前記電装部品が収容される電装室を有する筐体と、
   を備える水電解システムであって、
   前記収容室は、外気を取り込むための第１換気風流入口を有し、前記電装室は、前記外気を取り込むための第２換気風流入口を有するとともに、前記第１換気風流入口と前記第２換気風流入口とは、個別に設けられる一方、
   前記筐体内には、大気圧に保持されて前記第１換気風流入口及び前記第２換気風流入口に連通するバッファ空間部が設けられることを特徴と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、前記収容室に前記外気を引き込んで該収容室を負圧に維持する第１換気装置と、
   前記電装室に外気を吹き出して該電装室を陽圧に維持する第２換気装置と、
   を備えることを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記バッファ空間部には、単一の換気風流入口が設けられるとともに、
   前記換気風流入口には、可燃ガスの有無を検知するガス検知器が配置されることを特徴とする水電解システム。
4. 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、前記筐体内には、前記水電解装置で製造される前記水素を貯蔵する貯蔵器が収容される貯蔵室が設けられるとともに、
   前記貯蔵室は、外気を取り込むための第３換気風流入口を有し、前記第３換気風流入口は、前記バッファ空間部に連通することを特徴とする水電解システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、前記電装室は、前記バッファ空間部内に配設されるとともに、
   前記電装室は、前記バッファ空間部に排気する換気風流出口を有することを特徴とする水電解システム。

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