JP2021046602A - Water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

To provide a water electrolysis device having a water electrolysis cell that prevents the risk of deterioration and damage of electrodes by suppressing negative pressure in the water electrolysis device even if hydrogen and oxygen are consumed by cross leakage after the water electrolysis operation is stopped.SOLUTION: A water electrolysis system 1 with a water electrolysis cell 10 has a raw water tank 21 with a gas-liquid separation function in the oxygen side system, and a tank 42 with a gas-liquid separation function in the hydrogen side system. A bottom of the raw water tank 21 and a bottom of the tank 42 are connected by a pressure adjustment pipe 61. A check valve V6 is installed in the pressure adjustment pipe 61, and only a fluid from the raw water tank 21 flows to the tank 42.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水電解システムに関するものである。 The present invention relates to a water electrolysis system.

従来から、電極触媒層が両面に形成された固体高分子電解質膜の両側に酸素側集電体と水素側集電体が配された水電解セルを用いて水を電気分解し、水素を製造する水電解装置が提案されている。 Conventionally, water is electrolyzed using a water electrolysis cell in which an oxygen side current collector and a hydrogen side current collector are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having electrode catalyst layers formed on both sides to produce hydrogen. A water electrolyzer has been proposed.

このような構造の水電解装置では、運転が停止した後、水素側には水素が、酸素側には酸素と水が水電解セルや水電解セルに連通している系内に残存している。そのため、水電解運転が終了して水電解装置に対して何らエネルギーを加えていないときであっても、残存した水素と酸素が互いに固体高分子電解質膜を通過して移動するクロスリークという現象が発生することがある。クロスリークが発生すると電極触媒上で水素と酸素が反応するため、系内のガスが消費される。そして前記した系が密閉されていると、両極の圧力とも大気圧以下に低下し続ける。水電解装置の内圧が負圧になると、水電解装置のシール性能が不十分の場合や、何らかの操作をしたときに外気を吸い込むことになる。かかる場合、水素側に空気が入ると電極の劣化が起こり、条件によっては水電解セルの破損につながる。また安全性にも問題がある。 In a water electrolyzer having such a structure, after the operation is stopped, hydrogen remains on the hydrogen side and oxygen and water on the oxygen side remain in the system communicating with the water electrolysis cell or the water electrolysis cell. .. Therefore, even when the water electrolysis operation is completed and no energy is applied to the water electrolysis device, a phenomenon called cross leak occurs in which the remaining hydrogen and oxygen move to each other through the solid polymer electrolyte membrane. May occur. When a cross leak occurs, hydrogen and oxygen react on the electrode catalyst, so that the gas in the system is consumed. When the above-mentioned system is sealed, both polar pressures continue to drop below atmospheric pressure. When the internal pressure of the water electrolyzer becomes negative, the outside air is sucked in when the sealing performance of the water electrolyzer is insufficient or when some operation is performed. In such a case, if air enters the hydrogen side, the electrode deteriorates, and depending on the conditions, the water electrolysis cell may be damaged. There is also a problem with safety.

この点に関し、特許文献１には、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させる一方、カソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式水電解装置を有する差圧式水電解システムにおいて、前記差圧式水電解装置の運転が停止された後、電圧を印加した状態で、脱圧弁を開弁させて前記カソード側の減圧を行う脱圧工程と、前記脱圧工程が開始された際、開閉弁を開弁させるための水位許容上限値を、基準水位から脱圧基準水位に持ち替える水位持ち替え工程と、気液分離装置に貯留された液状水が前記水位許容上限値に達した際に、前記開閉弁を開弁して気液分離装置内の液状水を排水配管に排出する排出工程とを有する差圧式水電解システムの制御方法が開示されている。 In this regard, Patent Document 1 describes a differential pressure type water electrolysis system having a differential pressure type water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen on the anode side while generating hydrogen having a higher pressure than the oxygen on the cathode side. In the above, after the operation of the differential pressure type water electrolyzer was stopped, the decompression step of opening the decompression valve to reduce the pressure on the cathode side and the decompression step were started in a state where a voltage was applied. At that time, the water level change step of changing the upper limit of the allowable water level for opening the on-off valve from the reference water level to the decompression reference water level, and when the liquid water stored in the gas-liquid separator reaches the upper limit of the allowable water level. Discloses a control method of a differential pressure type water electrolysis system including a discharge step of opening the on-off valve and discharging the liquid water in the gas-liquid separation device to a drain pipe.

特許第６０５９１１６号公報Japanese Patent No. 6059116

特許文献１に記載の技術は、運転中は水素側の圧力が極めて大きいため、運転を停止する際に、電圧を印加しながらカソード側の減圧を行なうようにし、カソード側の水素がアノード側にリークすると、当該水素が印加電圧によって再度プロトン化してカソード側に戻すようにしたものである。 In the technique described in Patent Document 1, since the pressure on the hydrogen side is extremely large during operation, when the operation is stopped, the pressure on the cathode side is reduced while applying a voltage, and the hydrogen on the cathode side is transferred to the anode side. When a leak occurs, the hydrogen is protonated again by the applied voltage and returned to the cathode side.

しかしながら特許文献１の技術は、そのようにして運転が完全に停止した後のクロスリークについて言及するところはない。すなわち特許文献１に記載の技術では、運転停止後に、アノード側にリークした高圧水素が滞留することを抑制して、触媒電極の水素による劣化を阻止することができるものの、停止した後のクロスリークについては、格別技術的に対応するものではなかった。そのため、依然として前記したような装置停止後のクロスリークによる水電解装置内の圧力が低下することに起因する、電極の劣化や破損、さらには安全性の点で問題があった。 However, the technique of Patent Document 1 does not mention cross leak after the operation is completely stopped in this way. That is, in the technique described in Patent Document 1, it is possible to suppress the retention of high-pressure hydrogen leaked to the anode side after the operation is stopped and prevent the catalyst electrode from being deteriorated by hydrogen, but the cross leak after the operation is stopped. Was not a special technical response. Therefore, there are still problems in terms of electrode deterioration and breakage, and safety due to the decrease in pressure in the water electrolyzer due to the cross leak after the device is stopped as described above.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水電解セルを有する水電解装置において、水電解運転を停止した後にクロスリークによって水素、酸素が消費されても水電解装置内が負圧になることを抑えて、安全性を確保して電極の劣化や破損のリスクを防止することを目的としている。 The present invention has been made in view of this point, and in a water electrolysis device having a water electrolysis cell, even if hydrogen and oxygen are consumed by a cross leak after the water electrolysis operation is stopped, the pressure inside the water electrolysis device is negative. The purpose is to ensure safety and prevent the risk of electrode deterioration and breakage.

前記目的を達成するため、本発明は、固体高分子電解質膜を有する水電解セルを用いた水電解装置を有する水電解システムであって、前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、前記水電解装置で発生した水素ガスを、水素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、前記水電解装置で発生した酸素ガスを、酸素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路と、を有し、前記酸素側気液分離タンクと前記水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、当該圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクからの水のみが前記水素側気液分離タンクに流れるように構成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention is a water electrolysis system having a water electrolysis device using a water electrolysis cell having a solid polymer electrolyte membrane, and a power supply device for supplying DC power to the water electrolysis device. A raw material water supply path for supplying raw material water to the water electrolyzer and a hydrogen gas discharge path for discharging hydrogen gas generated in the water electrolyzer to the outside of the water electrolyzer via a hydrogen-side gas-liquid separation tank. , The oxygen gas discharge path for discharging the oxygen gas generated in the water electrolyzer to the outside of the water electrolyzer via the oxygen side gas-liquid separation tank, and the oxygen side gas-liquid separation tank and the hydrogen. It is connected to the side gas-liquid separation tank by a pressure adjustment flow path, and the pressure adjustment flow path is configured so that only water from the oxygen side gas-liquid separation tank flows into the hydrogen side gas-liquid separation tank. It is characterized by.

本発明によれば、酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、当該圧力調整流路は、酸素側気液分離タンクからの流体のみが水素側気液分離タンクに流れるように構成されているので、電源装置をＯＦＦした後、前記水電解装置に残留している水素と酸素が反応して、少なくとも水電解装置内の水素側の圧力が低下しようとしても、圧力調整流路を経由して酸素側気液分離タンクからの水が水素側気液分離タンクに流れるので、水素側の圧力低下を防止することができる。また酸素側については、通常この種の水電解装置では、酸素側気液分離タンク並びにその系統は、大気系に開放されているか、あるいはよりも十分容積が大きいものである。例えば水電解システムの大きさにも拠るが、一般的に水素側気液分離タンク並びにその系統の容積が、例えば０．１Ｌに対して、酸素側気液分離タンク並びにその系統は２Ｌ〜３Ｌ程度の大きさを有している。したがって大気系に開放している場合には負圧になることはなく、また十分容積が大きい場合には、大気圧に対して圧力差が大きくなりすぎることはない。 According to the present invention, the oxygen side gas-liquid separation tank and the hydrogen side gas-liquid separation tank are connected by a pressure adjustment flow path, and in the pressure adjustment flow path, only the fluid from the oxygen side gas-liquid separation tank is hydrogen side air. Since it is configured to flow to the liquid separation tank, after turning off the power supply device, the hydrogen remaining in the water electrolysis device reacts with oxygen, and at least the pressure on the hydrogen side in the water electrolysis device will decrease. Even so, since the water from the oxygen-side gas-liquid separation tank flows to the hydrogen-side gas-liquid separation tank via the pressure adjustment flow path, it is possible to prevent the pressure drop on the hydrogen side. On the oxygen side, in this type of water electrolyzer, the oxygen-side gas-liquid separation tank and its system are usually open to the atmospheric system or have a sufficiently large volume. For example, although it depends on the size of the water electrolysis system, the volume of the hydrogen-side gas-liquid separation tank and its system is generally 0.1 L, whereas the volume of the oxygen-side gas-liquid separation tank and its system is about 2 L to 3 L. Has the size of. Therefore, when it is open to the atmosphere, the pressure does not become negative, and when the volume is sufficiently large, the pressure difference does not become too large with respect to the atmospheric pressure.

前記圧力調整流路に逆止弁を設けることで、極めて容易にそのような圧力調整を実現することができる。 By providing a check valve in the pressure adjusting flow path, such pressure adjusting can be realized extremely easily.

酸素側気液分離タンクは、水素側気液分離タンクの系統が満水になっても、渇水しない水量を保有しているように構成することで、水素側の圧力低下した場合常に酸素側気液分離タンクから水素側気液分離タンクの系統に水を供給することができる。 The oxygen-side gas-liquid separation tank is configured to retain the amount of water that does not drought even when the hydrogen-side gas-liquid separation tank system is full, so that the oxygen-side gas-liquid separation always occurs when the pressure on the hydrogen side drops. Water can be supplied from the separation tank to the system of the hydrogen-side gas-liquid separation tank.

前記圧力調整流路には、前記電源装置がＯＮの時には、前記圧力調整流路を閉鎖し、前記電源装置がＯＦＦの時には前記圧力調整流路を開放する弁が設けられていてもよい。これによって、電源装置がＯＮの時に酸素側気液分離タンクと水素側気液分離タンクとが連通することを確実に防止できる。また逆止弁を設けた場合に、逆止弁が機能不良を起こした際のフェイルセーフともなる。 The pressure adjusting flow path may be provided with a valve that closes the pressure adjusting flow path when the power supply device is ON and opens the pressure adjusting flow path when the power supply device is OFF. As a result, it is possible to reliably prevent the oxygen-side gas-liquid separation tank and the hydrogen-side gas-liquid separation tank from communicating with each other when the power supply device is ON. In addition, when a check valve is provided, it also serves as a fail-safe when the check valve malfunctions.

前記水素ガス放出路に除湿器が設けられている場合に、当該除湿器の上流側に、前記電源装置がＯＦＦの時に前記除湿器への流体の流入を阻止する弁が設けられていてもよい。これによって、不意に除湿器に水が流入して除湿器が機能不全になることを防止できる。 When a dehumidifier is provided in the hydrogen gas discharge path, a valve for blocking the inflow of fluid into the dehumidifier when the power supply device is OFF may be provided on the upstream side of the dehumidifier. .. This can prevent water from unexpectedly flowing into the dehumidifier and causing the dehumidifier to malfunction.

前記酸素側気液分離タンクには、当該酸素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、当該センサによって所定の低い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成されている場合、前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の低い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成してもよい。
これによって圧力調整を正常に行っている結果として酸素側気液分離タンク内の水位が低下しても、エラーとはみなされず、水電解システムの運転再開を適切に実行することができる。 The oxygen-side gas-liquid separation tank is provided with a sensor for detecting the water level in the oxygen-side gas-liquid separation tank, and when the sensor detects a predetermined low water level, it is considered that an error has occurred. When the operation is restarted after the power supply device is turned off and the operation of the water electrolysis system is stopped, an error occurs even if the sensor detects the predetermined low water level for a certain period of time. It may be configured not to be regarded as.
As a result, even if the water level in the oxygen-side gas-liquid separation tank drops as a result of normal pressure adjustment, it is not regarded as an error, and the operation of the water electrolysis system can be restarted appropriately.

前記水素側気液分離タンクには、当該水素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、当該センサによって所定の高い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成されている場合、前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の高い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成してもよい。
これによって圧力調整を正常に行っている結果として水素側気液分離タンク内の水位が上昇しても、エラーとはみなされず、水電解システムの運転再開を適切に実行することができる。 The hydrogen-side gas-liquid separation tank is provided with a sensor for detecting the water level in the hydrogen-side gas-liquid separation tank, and when a predetermined high water level is detected by the sensor, it is considered that an error has occurred. When the operation is restarted after the power supply device is turned off and the operation of the water electrolysis system is stopped, an error occurs even if the sensor detects the predetermined high water level for a certain period of time. It may be configured not to be regarded as.
As a result, even if the water level in the hydrogen-side gas-liquid separation tank rises as a result of normal pressure adjustment, it is not regarded as an error, and the operation of the water electrolysis system can be restarted appropriately.

本発明によれば、水電解セルを有する水電解装置において、水電解運転を停止した後にクロスリークによって水素、酸素が消費されても水電解装置内が負圧になることを抑えて、安全性を確保して電極の劣化や破損のリスクを防止することができる。 According to the present invention, in a water electrolysis device having a water electrolysis cell, even if hydrogen and oxygen are consumed by a cross leak after the water electrolysis operation is stopped, it is possible to prevent the inside of the water electrolysis device from becoming a negative pressure for safety. It is possible to prevent the risk of electrode deterioration and breakage.

実施の形態にかかる水電解システムの系統の概略を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the outline of the system of the water electrolysis system which concerns on embodiment. 図１の水電解システムにおける水電解セルスタックの分解斜視図である。It is an exploded perspective view of the water electrolysis cell stack in the water electrolysis system of FIG. 図１の水電解システムにおける運転時の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation at the time of operation in the water electrolysis system of FIG. 図１の水電解システムにおける運転停止時の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation at the time of operation stop in the water electrolysis system of FIG. 図１の水電解システムにおける酸素側の原料水タンクの液面センサの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation of the liquid level sensor of the raw material water tank on the oxygen side in the water electrolysis system of FIG. 図１の水電解システムにおける水素側のタンクの液面センサの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation of the liquid level sensor of the tank on the hydrogen side in the water electrolysis system of FIG.

以下、実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる水電解システム１の系統の概略を示しており、この水電解システム１は、固体高分子電解質膜を有する水電解セル１０を、例えば鉛直方向に正立させたり、あるいは水平方向に横置きにした状態で、複数枚、例えば数十枚〜数百枚を直列に接続して、鉛直方向あるいは水平方向に積層し、両側からエンドプレート１１、１２で挟持することによって構成された、水電解装置としての水電解セルスタック１３を有している。 Hereinafter, embodiments will be described. FIG. 1 shows an outline of the system of the water electrolysis system 1 according to the embodiment, in which the water electrolysis system 1 has a water electrolysis cell 10 having a solid polymer electrolyte membrane, for example, upright in the vertical direction. Or, in a state where it is placed horizontally in the horizontal direction, a plurality of sheets, for example, tens to hundreds of sheets, are connected in series, stacked vertically or horizontally, and sandwiched between end plates 11 and 12 from both sides. It has a water electrolysis cell stack 13 as a water electrolysis device configured by the above.

水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１には、原料水となるたとえば純水が供給される。具体的には、水電解セルスタック１３の原料水入口となる純水入口ポートＰ１に対しては、酸素側の気液分離機能を有する原料水タンク２１から原料水（純水）が供給されて、水電解運転がなされる。 For example, pure water as raw material water is supplied to the pure water inlet port P1 of the water electrolysis cell stack 13. Specifically, the raw water (pure water) is supplied from the raw water tank 21 having the gas-liquid separation function on the oxygen side to the pure water inlet port P1 which is the raw water inlet of the water electrolysis cell stack 13. , Water electrolysis operation is performed.

より詳述すれば、原料水タンク２１の底部と水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１との間には、原料水供給路としての配管２２が接続されている。そして配管２２に設けられたポンプ２３によって、図２にも示したように、水電解セルスタック１３の純水入口ポートＰ１に対して、原料水タンク２１から原料水としての純水が供給されるようになっている。 More specifically, a pipe 22 as a raw material water supply path is connected between the bottom of the raw material water tank 21 and the pure water inlet port P1 of the water electrolysis cell stack 13. Then, as shown in FIG. 2, the pump 23 provided in the pipe 22 supplies pure water as the raw material water from the raw material water tank 21 to the pure water inlet port P1 of the water electrolysis cell stack 13. It has become like.

配管２２には、ポンプ２３の下流側において、配管２２内を流れる水の一部を原料水タンク２１に戻すための戻し管２４が接続されており、この戻し管２４には、流量調整弁Ｖ１、熱交換器２５、イオン交換樹脂２６、フィルタ２７が設けられており、これらの装置を通じて戻し水が処理されることで、原料水タンク２１内の水の水質が維持される。なお水質維持に必要なものは、イオン交換樹脂２６、フィルタ２７であるから、運転条件によっては、戻し管２４や流量調整弁Ｖ１、熱交換器２５を設けずに、配管２２に直接イオン交換樹脂２６、フィルタ２７を設けてもよい。原料水タンク２１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ３１が設けられている。液面センサ３１は３つのセンサ部３１ａ、３１ｂ、３１ｃを有している。 A return pipe 24 for returning a part of the water flowing in the pipe 22 to the raw material water tank 21 is connected to the pipe 22 on the downstream side of the pump 23, and the flow control valve V1 is connected to the return pipe 24. , The heat exchanger 25, the ion exchange resin 26, and the filter 27 are provided, and the return water is treated through these devices to maintain the water quality of the water in the raw material water tank 21. Since the ion exchange resin 26 and the filter 27 are required to maintain the water quality, depending on the operating conditions, the ion exchange resin may be directly connected to the pipe 22 without providing the return pipe 24, the flow rate adjusting valve V1 and the heat exchanger 25. 26, the filter 27 may be provided. A liquid level sensor 31 for detecting the water level of the water in the tank is provided in the raw material water tank 21. The liquid level sensor 31 has three sensor units 31a, 31b, and 31c.

すなわち、センサ部３１ａは最も高い位置に設定され、センサ部３１ｂは中位の位置に設定され、センサ部３１ｃは最も低い位置に設定されている。原料水タンク２１内の原料水の水位は、水電解システム１を安全に運転するために、適性位置に維持する必要があり、センサ部３１ｂが水位を検知できなくなると、水位が低下したとみなされ、たとえば外部の純水供給源（図示せず）から原料水が、配管３２を通じて原料水タンク２１に補給される。そしてセンサ部３１ｂが検知すると当該原料水の補給は停止される。 That is, the sensor unit 31a is set at the highest position, the sensor unit 31b is set at the middle position, and the sensor unit 31c is set at the lowest position. The water level of the raw material water in the raw material water tank 21 needs to be maintained at an appropriate position in order to operate the water electrolysis system 1 safely, and when the sensor unit 31b cannot detect the water level, it is considered that the water level has dropped. Then, for example, raw material water is supplied to the raw material water tank 21 from an external pure water supply source (not shown) through the pipe 32. Then, when the sensor unit 31b detects it, the supply of the raw material water is stopped.

なお本実施の形態では、センサ部３１ａが水位を検知すると、安全運転に支障をきたす事象と判断され、水電解システム１が緊急停止されるようになっている。すなわち、各種機器、たとえば直流電源２、ポンプ２３などがすべて停止される。ただし液面センサ３１、後述の液面センサ４３の稼働は維持される。同様に、センサ部３１ｃが水位を検知できなくなると、安全運転に支障をきたす事象と判断され、水電解システム１が緊急停止される。 In the present embodiment, when the sensor unit 31a detects the water level, it is determined that the event interferes with safe driving, and the water electrolysis system 1 is urgently stopped. That is, various devices such as the DC power supply 2 and the pump 23 are all stopped. However, the operation of the liquid level sensor 31 and the liquid level sensor 43 described later is maintained. Similarly, when the sensor unit 31c cannot detect the water level, it is determined that the event interferes with safe driving, and the water electrolysis system 1 is urgently stopped.

また原料水タンク２１内の気層部に滞留する酸素ガスは、配管３３を通じて外部に放出される。すなわち配管３３は開放系に通じている。 Further, the oxygen gas staying in the air layer portion in the raw material water tank 21 is released to the outside through the pipe 33. That is, the pipe 33 leads to an open system.

配管２２を通じて純水入口ポートＰ１から水電解セルスタック１３に供給された原料水は、水電解セルスタック１３において電気分解され、酸素、並びに電気分解されなかった水が、酸素側の出口となる純水出口ポートＰ２から配管３４を通じて、原料水タンク２１に戻され、原料水タンク２１内にて気液分離される。すなわち、原料水タンク２１は酸素側気液分離タンクとして機能する。配管３３、３４は酸素ガス放出路として機能する。 The raw water supplied from the pure water inlet port P1 to the water electrolysis cell stack 13 through the pipe 22 is electrolyzed in the water electrolysis cell stack 13, and oxygen and the unelectrolyzed water serve as the outlet on the oxygen side. It is returned to the raw material water tank 21 from the water outlet port P2 through the pipe 34, and gas-liquid separation is performed in the raw material water tank 21. That is, the raw material water tank 21 functions as an oxygen-side gas-liquid separation tank. The pipes 33 and 34 function as oxygen gas discharge paths.

水電解セルスタック１３の水素側出口となる水素出口ポートＰ３には、配管４１が接続され、この配管４１は、水素側の気液分離機能を有するタンク４２に通じている。 A pipe 41 is connected to a hydrogen outlet port P3 which is an outlet on the hydrogen side of the water electrolysis cell stack 13, and this pipe 41 leads to a tank 42 having a gas-liquid separation function on the hydrogen side.

タンク４２には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ４３が設けられている。液面センサ４３は３つのセンサ部４３ａ、４３ｂ、４３ｃを有している。 The tank 42 is provided with a liquid level sensor 43 that detects the water level in the tank. The liquid level sensor 43 has three sensor units 43a, 43b, and 43c.

すなわち、センサ部４３ａは最も高い位置に設定され、センサ部４３ｂは中位の位置に設定され、センサ部４３ｃは最も低い位置に設定されている。タンク４２内の水位は、水電解システム１を安全に運転するために、適性位置に維持する必要があり、センサ部４３ｂが水位を検知すると、たとえばタンク４２の底部に接続されている排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放し、タンク４２内の水が系外に排出される。なお排出管４４を原料水タンク２１に接続しておけば、水の再利用が図れる。そしてセンサ部４３ｂが水位を検知できなくなると、開閉弁Ｖ２は閉鎖して排水が停止される。 That is, the sensor unit 43a is set at the highest position, the sensor unit 43b is set at the middle position, and the sensor unit 43c is set at the lowest position. The water level in the tank 42 needs to be maintained at an appropriate position in order to operate the water electrolysis system 1 safely, and when the sensor unit 43b detects the water level, for example, the discharge pipe 44 connected to the bottom of the tank 42. The on-off valve V2 is opened, and the water in the tank 42 is discharged to the outside of the system. If the discharge pipe 44 is connected to the raw material water tank 21, water can be reused. When the sensor unit 43b cannot detect the water level, the on-off valve V2 is closed and drainage is stopped.

タンク４２の上部には、配管５１が接続されており、配管５１はさらに放出管５２と水素供給管５３とに分岐している。放出管５２には開閉弁Ｖ３が設けられており、開閉弁Ｖ３が開放することで、水電解セルスタック１３内の残留水素を系外に放出することができる。配管４１、５１は水素ガス放出路として機能する。 A pipe 51 is connected to the upper part of the tank 42, and the pipe 51 is further branched into a discharge pipe 52 and a hydrogen supply pipe 53. The release pipe 52 is provided with an on-off valve V3, and when the on-off valve V3 is opened, the residual hydrogen in the water electrolysis cell stack 13 can be discharged to the outside of the system. The pipes 41 and 51 function as hydrogen gas discharge paths.

水素供給管５３には背圧弁Ｖ４が設けられ、また水素供給管５３における背圧弁Ｖ４の下流側には、開閉弁Ｖ５が設けられている。そして開閉弁Ｖ５の下流側には、除湿器５４が設けられている。 A back pressure valve V4 is provided in the hydrogen supply pipe 53, and an on-off valve V5 is provided on the downstream side of the back pressure valve V4 in the hydrogen supply pipe 53. A dehumidifier 54 is provided on the downstream side of the on-off valve V5.

かかる水素側の配管系統により、水電解によって発生した水素は、随伴水と共に、配管４１を通じてタンク４２に送られ、タンク４２内において気液分離される。タンク４２において気液分離された後の水素ガスは、配管５１を通じて、除湿器５４によって除湿された後、たとえば需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。 Through the piping system on the hydrogen side, hydrogen generated by water electrolysis is sent to the tank 42 through the pipe 41 together with the accompanying water, and gas-liquid separation is performed in the tank 42. The hydrogen gas after gas-liquid separation in the tank 42 is dehumidified by the dehumidifier 54 through the pipe 51 and then sent to, for example, the demand side or a hydrogen storage tank (high pressure container, not shown).

一方で放出管５２は、水電解運転の間は開閉弁Ｖ３が閉鎖されているが、水電解運転が停止した後に、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５が閉鎖されると同時に、開閉弁Ｖ３が開放して、既述した水電解セルスタック１３内の残留水素を系外に放出する。そして系内の圧力が所定値まで低下したら、開閉弁Ｖ３は閉鎖される。 On the other hand, in the discharge pipe 52, the on-off valve V3 is closed during the water electrolysis operation, but after the water electrolysis operation is stopped, the back pressure valve V4 and the on-off valve V5 are closed, and at the same time, the on-off valve V3 is opened. Then, the residual hydrogen in the water electrolysis cell stack 13 described above is released to the outside of the system. Then, when the pressure in the system drops to a predetermined value, the on-off valve V3 is closed.

水電解セルスタック１３には、直流電源２が接続されており、その出力に応じて純水入口ポートＰ１から供給された電解用の純水が水素イオン、酸素イオンに電気分解される。そのうち酸素イオンは水電解セル１０内の触媒上で酸素分子となり、前記したように、純水と共に純水出口ポートＰ２からセル外に排出される。一方電気分解によって発生した水素イオンは、随伴水を伴って水電解セル１０内の水素側に移動し、水素側触媒上で水素分子となって水素出口ポートＰ３からセル外に排出される。
なお直流電源２のソースは、工業用電力、家庭用電力から得るものの他、風力発電、太陽光発電に由来するものであってもよい。 A DC power supply 2 is connected to the water electrolysis cell stack 13, and the pure water for electrolysis supplied from the pure water inlet port P1 is electrolyzed into hydrogen ions and oxygen ions according to the output. Among them, oxygen ions become oxygen molecules on the catalyst in the water electrolysis cell 10, and as described above, are discharged to the outside of the cell from the pure water outlet port P2 together with pure water. On the other hand, the hydrogen ions generated by electrolysis move to the hydrogen side in the water electrolysis cell 10 together with the accompanying water, become hydrogen molecules on the hydrogen side catalyst, and are discharged to the outside of the cell from the hydrogen outlet port P3.
The source of the DC power source 2 may be obtained from industrial power or household power, or may be derived from wind power generation or solar power generation.

そして原料水タンク２１とタンク４２とは、たとえばその底部間に圧力調整流路としての圧力調整管６１が接続されている。圧力調整管６１には、逆止弁Ｖ６が設けられており、逆止弁Ｖ６の原料水タンク２１側には、さらに開閉弁Ｖ７が設けられている。 A pressure adjusting pipe 61 as a pressure adjusting flow path is connected between the raw material water tank 21 and the tank 42, for example, between the bottoms thereof. A check valve V6 is provided in the pressure adjusting pipe 61, and an on-off valve V7 is further provided on the raw material water tank 21 side of the check valve V6.

以上の構成にかかる水電解システム１において、前記した各弁、すなわち開閉弁Ｖ２、Ｖ３、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５、逆止弁Ｖ６、開閉弁Ｖ７は、制御装置Ｃによって制御され、また直流電源２のＯＮ−ＯＦＦに基づくこれらの弁の制御、さらには液面センサ３１の検知に基づく原料水の補給、液面センサ４３の検知に基づく開閉弁Ｖ２の開閉制御も制御装置Ｃによって制御される。流量調整弁Ｖ１についても制御装置Ｃによって開度が調整されるように制御してもよい。なお背圧弁Ｖ４については、制御装置Ｃを必要としない手動調整式のものでもよい。 In the water electrolysis system 1 having the above configuration, the above-mentioned valves, that is, the on-off valves V2 and V3, the back pressure valve V4, the on-off valve V5, the check valve V6, and the on-off valve V7 are controlled by the control device C and are also DC. Control of these valves based on ON-OFF of the power supply 2, replenishment of raw material water based on the detection of the liquid level sensor 31, and opening / closing control of the on-off valve V2 based on the detection of the liquid level sensor 43 are also controlled by the control device C. To. The flow rate adjusting valve V1 may also be controlled so that the opening degree is adjusted by the control device C. The back pressure valve V4 may be a manually adjusted type that does not require the control device C.

なお水電解システム１は、直流電源２のＯＮ−ＯＦＦとは関係なく、別途設けられている主電源（図示せず）のＯＮによって各種機器への電力が供給可能状態となる。また液面センサ３１、４３、制御装置Ｃについても、直流電源２のＯＮ−ＯＦＦとは関係なく、主電源（図示せず）のＯＮ状態にあるときは作動する。 The water electrolysis system 1 is in a state where electric power can be supplied to various devices by turning on a separately provided main power source (not shown) regardless of whether the DC power source 2 is turned on or off. Further, the liquid level sensors 31 and 43 and the control device C also operate when the main power supply (not shown) is in the ON state regardless of whether the DC power supply 2 is ON or OFF.

実施の形態にかかる水電解システム１は、以上の構成を有しており、次に図３に示したフローチャートに基づいて、水電解システム１による水電解運転について説明する。 The water electrolysis system 1 according to the embodiment has the above configuration, and then the water electrolysis operation by the water electrolysis system 1 will be described based on the flowchart shown in FIG.

水電解運転の際には、まず各弁の開閉状態が運転時の状態にセットされる（ステップＳ１）。すなわち、開閉弁Ｖ５は開放状態、背圧弁Ｖ４は調整された状態、開閉弁Ｖ２、Ｖ３、開閉弁Ｖ７は閉鎖状態とする。そしてこれらの弁の開閉が確認された後、ポンプ２３を稼働させる（ステップＳ２）。これによって、配管２２、３４内を原料水タンク２１の原料水を通流させる。そして一定時間経過した後に、直流電源２をＯＮにする（ステップＳ３）。これによって水電解セル１０が水電解運転を開始する（ステップＳ４）。 In the water electrolysis operation, the open / closed state of each valve is first set to the state at the time of operation (step S1). That is, the on-off valve V5 is in the open state, the back pressure valve V4 is in the adjusted state, and the on-off valves V2, V3 and the on-off valve V7 are in the closed state. Then, after confirming the opening and closing of these valves, the pump 23 is operated (step S2). As a result, the raw material water of the raw material water tank 21 is allowed to flow through the pipes 22 and 34. Then, after a lapse of a certain period of time, the DC power supply 2 is turned on (step S3). As a result, the water electrolysis cell 10 starts the water electrolysis operation (step S4).

水電解運転が開始されると水電解セル１０で発生した酸素ガスが、電気分解されなかった純水と共に純水出口ポートＰ２からセル外に排出され、配管３４を通じて原料水タンク２１に戻され、気液分離された原料水は原料水タンク２１に貯留され、酸素ガスは配管３３を通じて系外、たとえば開放大気系に放出される。 When the water electrolysis operation is started, the oxygen gas generated in the water electrolysis cell 10 is discharged to the outside of the cell from the pure water outlet port P2 together with the pure water that has not been electrolyzed, and is returned to the raw material water tank 21 through the pipe 34. The gas-liquid separated raw material water is stored in the raw material water tank 21, and the oxygen gas is discharged to the outside of the system, for example, to the open atmosphere system through the pipe 33.

一方水電解セル１０で発生した水素ガスは、水電解セルスタック１３の水素出口ポートＰ３からセル外に排出され、以後配管４１を通じてタンク４２に送られる。そしてタンク４２で気液分離され、随伴水はタンク４２内に貯留される。随伴水が除去された水素ガスは配管５１を通じて、背圧弁Ｖ４を経由して除湿器５４へと送られ、さらに水分が除去された後に、水素供給管５３から需要側や水素貯蔵タンク（高圧容器、図示せず）へ送られる。なお水電解運転中は、水素側が高圧になるので、タンク４２と原料水タンク２１とを連通している圧力調整管６１から水が流れようとするが、圧力調整管６１には逆止弁V６が設けられているから、水素側から酸素側へと水が逆流することはない。 On the other hand, the hydrogen gas generated in the water electrolysis cell 10 is discharged to the outside of the cell from the hydrogen outlet port P3 of the water electrolysis cell stack 13, and then sent to the tank 42 through the pipe 41. Then, gas and liquid are separated in the tank 42, and the accompanying water is stored in the tank 42. The hydrogen gas from which the accompanying water has been removed is sent to the dehumidifier 54 via the back pressure valve V4 through the pipe 51, and after the water is further removed, the demand side and the hydrogen storage tank (high pressure container) are sent from the hydrogen supply pipe 53. , Not shown). During the water electrolysis operation, the hydrogen side becomes high pressure, so water tries to flow from the pressure adjusting pipe 61 that communicates the tank 42 and the raw material water tank 21, but the check valve V6 is connected to the pressure adjusting pipe 61. Since the water is provided, water does not flow back from the hydrogen side to the oxygen side.

そして水電解システムを停止する場合について、図４に示したフローチャートに基づいて説明すると、まず直流電源２をＯＦＦにし（ステップＳ１１）、ポンプ２３を停止させる（ステップＳ１２）。その後各弁の開閉を停止状態にセットする（ステップＳ１３）。すなわち、背圧弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５を閉鎖すると同時に、開閉弁Ｖ３を開放する。これによって水電解セルスタック１３内において高圧になっていた水素側の残留水素ガスは、配管４１、５１を通じて放出管５２から系外に放出される。このとき酸素側については、水電解セルスタック１３の純水出口ポートＰ２からセル外に排出され、配管３４を通じて原料水タンク２１から配管３３を通じて系外に放出される。 Then, the case of stopping the water electrolysis system will be described based on the flowchart shown in FIG. 4. First, the DC power supply 2 is turned off (step S11), and the pump 23 is stopped (step S12). After that, the opening and closing of each valve is set to the stopped state (step S13). That is, the back pressure valve V4 and the on-off valve V5 are closed, and at the same time, the on-off valve V3 is opened. As a result, the residual hydrogen gas on the hydrogen side, which has become high pressure in the water electrolysis cell stack 13, is discharged from the discharge pipe 52 to the outside of the system through the pipes 41 and 51. At this time, the oxygen side is discharged to the outside of the cell from the pure water outlet port P2 of the water electrolysis cell stack 13, and is discharged from the raw material water tank 21 through the pipe 34 to the outside of the system through the pipe 33.

そして所定時間が経過して、水素側の圧力が大気圧と同程度（たとえば１０ｋＰａ（Ｇ）など）になったときに、開閉弁Ｖ３を閉鎖する（ステップＳ１４）。これによって水電解システム１は停止状態になる。 Then, when a predetermined time elapses and the pressure on the hydrogen side reaches the same level as the atmospheric pressure (for example, 10 kPa (G)), the on-off valve V3 is closed (step S14). As a result, the water electrolysis system 1 is stopped.

既述したように、水電解運転が終了して水電解装置としての水電解セルスタック１３に対して何らエネルギーを加えていないときであっても、水電解セルスタック１３内や配管内に残存した水素と酸素によってクロスリークが発生する。そうすると、水電解セル１０の電極触媒上で水素と酸素が反応するため、系内のガスが消費され、それに伴って水電解セルスタック１３内の水素側の圧力が低下し、負圧になっていく。このような状態をそのまま放置すると安全上好ましくなく、また水電解セル１０の破損のおそれもある。 As described above, even when the water electrolysis operation was completed and no energy was applied to the water electrolysis cell stack 13 as the water electrolysis device, it remained in the water electrolysis cell stack 13 or in the piping. Cross leaks occur due to hydrogen and oxygen. Then, since hydrogen and oxygen react on the electrode catalyst of the water electrolysis cell 10, the gas in the system is consumed, and the pressure on the hydrogen side in the water electrolysis cell stack 13 decreases accordingly, resulting in a negative pressure. I will go. If such a state is left as it is, it is not preferable for safety, and the water electrolysis cell 10 may be damaged.

しかしながら実施の形態にかかる水電解システム１では、原料水タンク２１とタンク４２の各底部間に圧力調整管６１が接続されているので、水電解セルスタック１３内の水素側の圧力低下に伴うリスクを防止することができる。 However, in the water electrolysis system 1 according to the embodiment, since the pressure adjusting pipe 61 is connected between each bottom of the raw material water tank 21 and the tank 42, there is a risk associated with a pressure drop on the hydrogen side in the water electrolysis cell stack 13. Can be prevented.

すなわち直流電源２をＯＦＦした後、その後開閉弁Ｖ３を閉鎖して水電解システム１を停止状態にした後、開閉弁Ｖ７を開放しておく（ステップＳ１５）。これにより、残留水素と酸素との反応によって水電解セルスタック１３内の水素側の圧力が低下すると、原料水タンク２１内の原料水が、圧力調整管６１を経由して水素側のタンク４２内に流れて行く。これによって水電解セルスタック１３内の水素の消費が進んでも、水素側が負圧になることを防止できる。 That is, after the DC power supply 2 is turned off, the on-off valve V3 is closed to stop the water electrolysis system 1, and then the on-off valve V7 is opened (step S15). As a result, when the pressure on the hydrogen side in the water electrolysis cell stack 13 decreases due to the reaction between the residual hydrogen and oxygen, the raw material water in the raw material water tank 21 passes through the pressure adjusting pipe 61 into the tank 42 on the hydrogen side. Flow to. As a result, even if the consumption of hydrogen in the water electrolysis cell stack 13 progresses, it is possible to prevent the hydrogen side from becoming a negative pressure.

そして圧力調整管６１には、逆止弁Ｖ６が設けられているから、仮に停止状態の際に、水素側の圧力が酸素側より高くなっても、水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはない。
既述したように、圧力調整管６１に設けられた逆止弁Ｖ６により水電解運転中は水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはなく、また水電解運転停止後に、水素側の圧力が酸素側より高くなっても、同様に水素側のタンク４２から原料水タンク２１側へと水が逆流することはない。
このように、圧力調整管６１に設けられた逆止弁Ｖ６は、水電解運転中、水電解運転停止後も、水素側から酸素側に水が流れ込むことを防止する機能を有している。 Since the pressure adjusting pipe 61 is provided with a check valve V6, even if the pressure on the hydrogen side becomes higher than that on the oxygen side in the stopped state, the tank 42 on the hydrogen side to the raw material water tank 21 side. Water does not flow back into the water.
As described above, the check valve V6 provided on the pressure adjusting pipe 61 prevents water from flowing back from the hydrogen side tank 42 to the raw material water tank 21 side during the water electrolysis operation, and the water electrolysis operation is stopped. Later, even if the pressure on the hydrogen side becomes higher than that on the oxygen side, the water does not flow back from the tank 42 on the hydrogen side to the raw material water tank 21 side.
As described above, the check valve V6 provided in the pressure adjusting pipe 61 has a function of preventing water from flowing from the hydrogen side to the oxygen side during the water electrolysis operation and even after the water electrolysis operation is stopped.

そして前記したように、原料水タンク２１内の原料水がタンク４２側へ移動することにより、原料水タンク２１内の原料水は減少するが、配管３３は大気系に開放しているので、原料水タンク２１内の原料水が減少した分は、大気からの空気が配管３３、原料水タンク２１、配管２２を通じて水電解セルスタック１３内に流入するので、酸素側が負圧になることはない。そして残留水素が存在する限り反応が進行して、水素側が負圧になろうとするが、圧力の低下に伴いその都度逆止弁Ｖ６が開放して原料水タンク２１の水が水素側のタンク４２へと移動するので、水素側系統の圧力低下は防止される。 Then, as described above, the raw material water in the raw material water tank 21 moves to the tank 42 side, so that the raw material water in the raw material water tank 21 decreases, but the pipe 33 is open to the air system, so that the raw material As the amount of raw material water in the water tank 21 decreases, air from the atmosphere flows into the water electrolysis cell stack 13 through the pipe 33, the raw material water tank 21, and the pipe 22, so that the oxygen side does not become negative pressure. Then, as long as residual hydrogen exists, the reaction proceeds and the hydrogen side tries to become a negative pressure, but as the pressure decreases, the check valve V6 opens each time and the water in the raw material water tank 21 becomes the hydrogen side tank 42. Since it moves to, the pressure drop of the hydrogen side system is prevented.

ところで、水電解システム１の運転中は、基本的に水素系統と酸素系統は完全に分離する必要がある。もし分離されず混合すると、水電解セル１０で異常反応が起こり、水電解セルスタック１３が故障する。特に最近のこの種の固定高分子膜を用いた水電解装置は、水素側が高圧（例えば０．９ＭＰａＧ）、酸素側が大気圧近傍であり、両極間で差圧をつけて運転している。したがって水電解システム１の運転中に、圧力調整管６１を介して水素系と酸素系が連通してしまうと、そのような故障の原因となる。 By the way, during the operation of the water electrolysis system 1, it is basically necessary to completely separate the hydrogen system and the oxygen system. If they are not separated and mixed, an abnormal reaction occurs in the water electrolysis cell 10 and the water electrolysis cell stack 13 fails. In particular, recent water electrolyzers using this type of fixed polymer membrane have a high pressure on the hydrogen side (for example, 0.9 MPaG) and a vicinity of atmospheric pressure on the oxygen side, and are operated with a differential pressure between the two poles. Therefore, if the hydrogen system and the oxygen system communicate with each other through the pressure adjusting pipe 61 during the operation of the water electrolysis system 1, it causes such a failure.

本実施の形態では、圧力調整管６１に逆止弁Ｖ６が設けられているので、正常な状態であれば逆止弁Ｖ６により水素側から酸素側への流れは防げるため、極間差圧があっても問題は無い。ただし逆止弁Ｖ６にゴミなどが詰まって逆止できなくなる可能性は完全には否定できない。本実施の形態では、かかる点に鑑みて、圧力調整管６１に開閉弁Ｖ７が設けられているので、かかるリスクは防止される。すなわち、水電解運転時には開閉弁Ｖ７を閉鎖しておくことで、水素側と酸素側が連通することを防止できる。 In the present embodiment, since the check valve V6 is provided in the pressure adjusting pipe 61, the check valve V6 can prevent the flow from the hydrogen side to the oxygen side under normal conditions, so that the pressure difference between the electrodes is increased. There is no problem even if there is. However, the possibility that the check valve V6 is clogged with dust and the like and cannot be checked cannot be completely denied. In the present embodiment, in view of this point, since the on-off valve V7 is provided in the pressure adjusting pipe 61, such a risk is prevented. That is, by closing the on-off valve V7 during the water electrolysis operation, it is possible to prevent the hydrogen side and the oxygen side from communicating with each other.

このような機能を有する開閉弁Ｖ７を、無通電時開の電磁弁を用いることで、通電時、すなわち水電解運転時は閉鎖して水素側と酸素側が連通することを自動的に防止でき、無通電時開とすることで、直流電源２をＯＦＦした際や停電の際にも前記したような圧力調整による負圧解除機能を発揮することができる。このような制御はたとえば制御装置Ｃによって制御される。 By using a solenoid valve that opens when the on-off valve V7 has such a function is not energized, it can be closed automatically when energized, that is, during water electrolysis operation, and the hydrogen side and the oxygen side can be automatically prevented from communicating with each other. By opening when the power is not supplied, the negative pressure release function by the pressure adjustment as described above can be exhibited even when the DC power supply 2 is turned off or a power failure occurs. Such control is controlled by, for example, control device C.

なお前記したように、水電解運転停止時には、水素側の圧力低下に伴って酸素側の原料水タンク２１から原料水が水素側のタンク４２に移動するが、反応が進行すると次第にタンク４２内の水位が上昇する。この場合タンク４２内の水が水電解セルスタック１３内の水電解セル１０に達すると、水電解セル１０の機能が損なわれるおそれがある。したがって、そのような水位の上昇があっても、タンク４２内の水位が、水電解セル１０に届かないように、配管４１、タンク４２の高さ、容量を設定しておくことが好ましい。 As described above, when the water electrolysis operation is stopped, the raw material water moves from the oxygen side raw material water tank 21 to the hydrogen side tank 42 as the pressure on the hydrogen side decreases, but as the reaction progresses, the raw material water gradually moves into the tank 42. The water level rises. In this case, when the water in the tank 42 reaches the water electrolysis cell 10 in the water electrolysis cell stack 13, the function of the water electrolysis cell 10 may be impaired. Therefore, it is preferable to set the height and capacity of the pipe 41 and the tank 42 so that the water level in the tank 42 does not reach the water electrolysis cell 10 even if the water level rises.

またこの種の水電解システム１は一晩、たとえば１２時間程度計画的に停止するような運用が多い。したがって異なった観点からすれば、タンク４２の容積は、１２時間水電解システム１が停止した場合に水素側に発生する水を充分貯留して、かつタンク４２内の水位が、水電解セル１０に届かないように設定することが好ましい。 In addition, this type of water electrolysis system 1 is often operated overnight, for example, for about 12 hours in a planned manner. Therefore, from a different point of view, the volume of the tank 42 sufficiently stores the water generated on the hydrogen side when the water electrolysis system 1 is stopped for 12 hours, and the water level in the tank 42 becomes the water electrolysis cell 10. It is preferable to set it so that it does not reach.

一方で、原料水タンク２１についても、タンク内の水がタンク４２及び水素側の系に移動するので、十分にその大きさを確保する必要がある。したがって原料水タンク２１は、水素側のタンク４２よりも十分大きい容積のものを使用することが好ましい。たとえば水素側のタンク４２の２０〜３０倍以上の容積を有する原料水タンク２１を使用することが好ましい。そしてかかる観点から、原料水タンク２１は、水素側のタンク４２の系統が満水になっても、渇水しない水量、より好ましくはセンサ部３１ｃの検知位置を下回らない水量を保有していることが好ましい。 On the other hand, as for the raw material water tank 21, the water in the tank moves to the tank 42 and the system on the hydrogen side, so it is necessary to secure a sufficient size thereof. Therefore, it is preferable to use the raw material water tank 21 having a volume sufficiently larger than that of the tank 42 on the hydrogen side. For example, it is preferable to use the raw material water tank 21 having a volume 20 to 30 times or more that of the tank 42 on the hydrogen side. From this point of view, it is preferable that the raw material water tank 21 has a water amount that does not drought even when the system of the tank 42 on the hydrogen side is full, more preferably a water amount that does not fall below the detection position of the sensor unit 31c. ..

また本実施の形態では、除湿器５４の上流側に開閉弁Ｖ５が設けられているので、直流電源２がＯＦＦになったときに、開閉弁Ｖ５を閉鎖するようにしておくことで、配管５１、水素供給管５３に水が流れて除湿器５４内に流入することを防止することができる。したがって除湿器５４の安全性が確保されている。かかる場合、開閉弁Ｖ５を例えば電磁弁構成とし、直流電源２がＯＦＦになったら自動的に閉止するように構成しておいてもよい。このような制御も制御装置Ｃによってなされるように構成してもよい。 Further, in the present embodiment, since the on-off valve V5 is provided on the upstream side of the dehumidifier 54, the on-off valve V5 is closed when the DC power supply 2 is turned off, so that the pipe 51 , It is possible to prevent water from flowing into the hydrogen supply pipe 53 and flowing into the dehumidifier 54. Therefore, the safety of the dehumidifier 54 is ensured. In such a case, the on-off valve V5 may be configured as, for example, a solenoid valve so as to automatically close when the DC power supply 2 is turned off. Such control may also be configured to be performed by the control device C.

ところで既述したように、原料水タンク２１内には、タンク内の水の水位を検出する液面センサ３１が設けられており、最も低い位置にあるセンサ部３１ｃが水位を検知すると、エラーが発生したとみなされ、緊急停止のエラー信号が発報されるようになっている。しかしながら、本実施の形態では、水電解システム１の停止時には、残留水素と酸素の反応により水素側の圧力が低下した場合、原料水タンク２１からタンク４２へ原料水が移動するようになっている。そのため、そのような圧力調整の正常な運転モードにおいて、図５に示したように、センサ部３１ｃが水位を検知してエラー表示がなされるのは好ましくなく、その状態では水電解システム１が異常状態にあるとみなされるから、水電解運転を再開できない。 By the way, as described above, the raw material water tank 21 is provided with a liquid level sensor 31 for detecting the water level in the tank, and when the sensor unit 31c at the lowest position detects the water level, an error occurs. It is considered to have occurred and an emergency stop error signal is issued. However, in the present embodiment, when the water electrolysis system 1 is stopped, the raw material water moves from the raw material water tank 21 to the tank 42 when the pressure on the hydrogen side drops due to the reaction between the residual hydrogen and oxygen. .. Therefore, in such a normal operation mode of pressure adjustment, as shown in FIG. 5, it is not preferable that the sensor unit 31c detects the water level and displays an error, and in that state, the water electrolysis system 1 is abnormal. The water electrolysis operation cannot be restarted because it is considered to be in a state.

かかる事態に対処するため、例えば直流電源２を停止してから一定時間（例えば１２時間）は、センサ部３１ｃが水位を検知してもそのようなエラー表示がなされないように、例えば制御装置Ｃに対する制御フローを変更することが好ましい。また停止後、水電解運転を再開する場合にも、一定時間はエラーとみなさないように設定しておくことがよい。 In order to deal with such a situation, for example, for a certain period of time (for example, 12 hours) after the DC power supply 2 is stopped, such an error is not displayed even if the sensor unit 31c detects the water level, for example, the control device C. It is preferable to change the control flow for. Further, even when the water electrolysis operation is restarted after the stop, it is preferable to set so that it is not regarded as an error for a certain period of time.

同様に、タンク４２には液面センサ４３が設けられており、最も高い位置にあるセンサ部４３ａが水位を検知すると、エラーが発生したとみなされて緊急停止のエラー信号が発報されたり、タンク４２の底部に接続されている排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放して、タンク４２内の水が系外に排出されるようになっている。しかしながら、水電解システム１の停止時には、残留水素と酸素の反応により水素側の圧力が低下した場合、前記したように原料水タンク２１からタンク４２へ原料水が移動する構成としたので、図６に示したように、水位が上昇してセンサ部４３ａが検知し、エラーが発生したとみなして排出管４４の開閉弁Ｖ２が開放する可能性がある。開閉弁Ｖ２が開放すると、排出管４４から空気を含んだ大気が水素側に流入するおそれがあり、水電解セル１０が破損するおそれがある。またエラー表示がなされるのは好ましくなく、かかる状態では水電解システム１が異常状態にあるとみなされるから、水電解運転を再開できない。 Similarly, the tank 42 is provided with a liquid level sensor 43, and when the sensor unit 43a at the highest position detects the water level, it is considered that an error has occurred and an emergency stop error signal is issued. The on-off valve V2 of the discharge pipe 44 connected to the bottom of the tank 42 is opened so that the water in the tank 42 is discharged to the outside of the system. However, when the water electrolysis system 1 is stopped, if the pressure on the hydrogen side drops due to the reaction between residual hydrogen and oxygen, the raw material water moves from the raw material water tank 21 to the tank 42 as described above. As shown in the above, there is a possibility that the on-off valve V2 of the discharge pipe 44 may be opened on the assumption that an error has occurred when the water level rises and the sensor unit 43a detects it. When the on-off valve V2 is opened, the atmosphere containing air may flow into the hydrogen side from the discharge pipe 44, and the water electrolysis cell 10 may be damaged. Further, it is not preferable that an error display is made, and in such a state, the water electrolysis system 1 is considered to be in an abnormal state, so that the water electrolysis operation cannot be restarted.

かかる事態に対処するため、例えば直流電源２を停止してから一定時間（例えば１２時間）は、センサ部４３ａが水位を検知してもそのような排出制御を行なわないように、制御装置Ｃに対する制御フローを変更するようにしてもよい。同様に、何らかのエラー表示も行なわないように設定しておくことがよい。また停止後、水電解運転を再開する場合に、直ちにエラーとみなさないように一定時間はエラー判断を猶予するように設定しておくことがよい。 In order to deal with such a situation, for example, for a certain period of time (for example, 12 hours) after the DC power supply 2 is stopped, the control device C is set so that such discharge control is not performed even if the sensor unit 43a detects the water level. The control flow may be changed. Similarly, it is advisable to set so that no error display is performed. Further, when the water electrolysis operation is restarted after the stop, it is preferable to set the error judgment to be postponed for a certain period of time so that the error is not immediately regarded as an error.

以上のことから、図４に示した水電解システム１の運転停止時のフローチャートの左側に示したフローチャートにしたがって、制御装置Cの制御フローを、例えば直流電源２を停止してから一定時間は液面センサ３１、４３に基づくラー判断を猶予する設定に制御フローを変更し、その後一定時間経過したら、主電源をＯＦＦにするようにしてもよい。また運転再開時も、ステップＳ４になってから一定時間経過するまでは、液面センサ３１、４３に基づくエラー判断を猶予する制御フローとし、一定時間経過後、液面センサ３１、４３に基づくエラー判断を通常の設定に戻すように制御装置Cの制御フローをプログラムするようにしてもよい。 From the above, according to the flowchart shown on the left side of the flowchart when the operation of the water electrolysis system 1 is stopped shown in FIG. 4, the control flow of the control device C, for example, the liquid for a certain period of time after the DC power supply 2 is stopped. The control flow may be changed to a setting for deferring the judgment based on the surface sensors 31 and 43, and then the main power supply may be turned off after a certain period of time has elapsed. Further, even when the operation is restarted, the control flow is such that the error judgment based on the liquid level sensors 31 and 43 is postponed until a certain time elapses after the step S4, and after a certain time elapses, the error based on the liquid level sensors 31 and 43 is set. The control flow of controller C may be programmed to return the judgment to the normal setting.

本発明は、原料水を提供して当該原料水を電気分解によって水素を発生させる水電解システムに有用である。 The present invention is useful for a water electrolysis system that provides raw water and generates hydrogen by electrolysis of the raw water.

１ 水電解システム
２ 直流電源
１０ 水電解セル
１１、１２ エンドプレート
１３ 水素製造セルスタック
２１ 原料水タンク
２３、２４、３４、４１、５１、５２ 配管
２５ 熱交換器
２６ イオン交換樹脂
２７ フィルタ２７
３１、４３ 液面センサ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ センサ部
４２ タンク
４４ 排出管
５３ 水素供給管
５４ 除湿器
６１ 圧力調整管
Ｃ 制御装置
Ｐ１ 純水入口ポート
Ｐ２ 純水出口ポート
Ｐ３ 水素出口ポート
Ｖ１ 流量調整弁
Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７ 開閉弁
Ｖ４ 背圧弁
Ｖ６ 逆止弁 1 Water electrolysis system 2 DC power supply 10 Water electrolysis cell 11, 12 End plate 13 Hydrogen production cell stack 21 Raw material water tank 23, 24, 34, 41, 51, 52 Piping 25 Heat exchanger 26 Ion exchange resin 27 Filter 27
31,43 Liquid level sensor 31a, 31b, 31c, 43a, 43b, 43c Sensor part 42 Tank 44 Discharge pipe 53 Hydrogen supply pipe 54 Dehumidifier 61 Pressure control pipe C Control device P1 Pure water inlet port P2 Pure water outlet port P3 Hydrogen Outlet port V1 Flow control valve V2, V3, V5, V7 On-off valve V4 Back pressure valve V6 Check valve

Claims (7)

固体高分子電解質膜を有する水電解セルを用いた水電解装置を有する水電解システムであって、
前記水電解装置に直流電力を供給する電源装置と、
前記水電解装置に原料水を供給する原料水供給路と、
前記水電解装置で発生した水素ガスを、水素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する水素ガス放出路と、
前記水電解装置で発生した酸素ガスを、酸素側気液分離タンクを経由して前記水電解装置外に放出する酸素ガス放出路と、
を有し、
前記酸素側気液分離タンクと前記水素側気液分離タンクとは圧力調整流路で接続され、
当該圧力調整流路は、前記酸素側気液分離タンクからの水のみが前記水素側気液分離タンクに流れるように構成されていることを特徴とする、水電解システム。 A water electrolysis system having a water electrolysis device using a water electrolysis cell having a solid polymer electrolyte membrane.
A power supply device that supplies DC power to the water electrolyzer and
A raw material water supply path for supplying raw material water to the water electrolyzer and
A hydrogen gas discharge path that discharges hydrogen gas generated by the water electrolyzer to the outside of the water electrolyzer via a hydrogen-side gas-liquid separation tank, and
An oxygen gas discharge path that discharges the oxygen gas generated by the water electrolyzer to the outside of the water electrolyzer via the oxygen side gas-liquid separation tank, and
Have,
The oxygen-side gas-liquid separation tank and the hydrogen-side gas-liquid separation tank are connected by a pressure adjusting flow path.
The pressure adjusting flow path is a water electrolysis system, characterized in that only water from the oxygen-side gas-liquid separation tank flows into the hydrogen-side gas-liquid separation tank. 前記圧力調整流路には、逆止弁が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の水電解システム。 The water electrolysis system according to claim 1, wherein the pressure adjusting flow path is provided with a check valve. 前記酸素側気液分離タンクは、前記水素側気液分離タンクの系統が満水になっても、渇水しない水量を保有していることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の水電解システム。 According to any one of claims 1 or 2, the oxygen-side gas-liquid separation tank has a water amount that does not drought even when the system of the hydrogen-side gas-liquid separation tank is full. The described water electrolysis system. 前記圧力調整流路には、前記電源装置がＯＮの時には、前記圧力調整流路を閉鎖し、前記電源装置がＯＦＦの時には前記圧力調整流路を開放する弁が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水電解システム。 The pressure adjusting flow path is provided with a valve that closes the pressure adjusting flow path when the power supply device is ON and opens the pressure adjusting flow path when the power supply device is OFF. The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 3. 前記水素ガス放出路には除湿器が設けられ、当該除湿器の上流側には、前記電源装置がＯＦＦの時に前記除湿器への流体の流入を阻止する弁が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水電解システム。 A dehumidifier is provided in the hydrogen gas discharge path, and a valve for blocking the inflow of fluid into the dehumidifier when the power supply device is OFF is provided on the upstream side of the dehumidifier. The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 4. 前記酸素側気液分離タンクには、当該酸素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、
当該センサによって所定の低い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成され、
前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の低い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成されたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水電解システム。 The oxygen-side gas-liquid separation tank is provided with a sensor for detecting the water level in the oxygen-side gas-liquid separation tank.
When the sensor detects a predetermined low water level, it is configured to be considered as having an error.
After the power supply device is turned off and the operation of the water electrolysis system is stopped, when the operation is restarted, even if the sensor detects the predetermined low water level for a certain period of time, it is not considered that an error has occurred. The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 5, wherein the water electrolysis system is characterized in that. 前記水素側気液分離タンクには、当該水素側気液分離タンク内の水位を検出するセンサが設けられ、
当該センサによって所定の高い水位を検知した際には、エラーが発生したとみなされるように構成され、
前記電源装置がＯＦＦになって前記水電解システムの運転が停止した後、運転再開時には、一定時間、当該センサによって前記所定の高い水位を検知してもエラーが発生したとみなさないように構成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の水電解システム。 The hydrogen-side gas-liquid separation tank is provided with a sensor for detecting the water level in the hydrogen-side gas-liquid separation tank.
When the sensor detects a predetermined high water level, it is configured to be considered as having an error.
After the power supply device is turned off and the operation of the water electrolysis system is stopped, when the operation is restarted, even if the sensor detects the predetermined high water level for a certain period of time, it is not considered that an error has occurred. The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 6, wherein the water electrolysis system is characterized in that.
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