JP5341547B2 - Water electrolysis system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out water electrolysis by easily and surely detecting presence or absence of the leakage of hydrogen from an electrolyte membrane. <P>SOLUTION: The water electrolysis system 10 includes water electrolysis equipment 12 for producing high pressure hydrogen by the electrolysis of pure water and water circulation equipment 16 for supplying pure water to the electrolysis equipment 12 and circulating and supplying the water discharged from the water electrolysis equipment 12 to the water electrolysis equipment 12. The water circulation equipment 16 includes an oxygen side gas/liquid separator 78 for separating water and oxygen discharged from the water electrolysis equipment 12, a pressure sensor 86 for detecting the pressure of a mixed fluid of water with oxygen fed to the oxygen side gas/liquid separator 78 from the water electrolysis equipment 12 and a controller 22 for deciding the presence or absence of the leakage of hydrogen based on the pressure detected by the pressure sensor 86. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解して一方の給電体に酸素を発生させるとともに、他方の給電体に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置とを備える水電解システムに関する。   The present invention provides a water electrolysis apparatus in which a power feeding body is provided on both sides of an electrolyte membrane, electrolyzes water to generate oxygen in one power feeding body, and generates hydrogen in the other power feeding body, and the water electrolysis apparatus The present invention relates to a water electrolysis system comprising a water circulation device that circulates and supplies excess water discharged from the water to the water electrolysis device.

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas (a gas containing mainly hydrogen, such as hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas (mainly containing oxygen) is supplied to the cathode side electrode. By supplying a gas (for example, air), direct current electric energy is obtained.

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。   In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen gas that is a fuel gas. This 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 a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.

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、アノード側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、水素イオンと共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。   Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to 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 produced together with hydrogen ions is discharged from the unit with excess water.

この種の水電解システムとして、例えば、特許文献１に開示された固体高分子型水電解装置が知られている。この固体高分子型水電解装置は、図７に示すように、高分子電解質膜を用いて水を電解し、陽極に酸素、陰極に水素を発生させる水電解槽１と、前記水電解槽１の陰極に発生した水素と水とを分離する水素気液分離器２と、前記水電解槽１の陽極に発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離器３と、前記酸素気液分離器３から前記水電解槽１に水を供給する水循環ライン４と、前記水電解槽１に新規に供給される供給水の処理用イオン交換器５と、イオン交換処理後の水を蓄える純水タンク６と、前記純水タンク６の水を酸素気液分離器３に送るための供給ポンプ７と、前記水循環ライン４の循環水の一部を取り出して処理し処理後の水を前記酸素気液分離器３に送る分岐ライン８とを備えている。水循環ライン４は、酸素気液分離器３から水電解槽１へ水を供給することにより水を循環させる循環ポンプ９を備えている。   As this type of water electrolysis system, for example, a polymer electrolyte water electrolysis device disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 7, this solid polymer type water electrolysis apparatus electrolyzes water using a polymer electrolyte membrane, generates water at the anode and hydrogen at the cathode, and the water electrolysis tank 1. The hydrogen gas-liquid separator 2 for separating hydrogen and water generated at the cathode of the water, the oxygen gas-liquid separator 3 for separating oxygen and water generated at the anode of the water electrolysis tank 1, and the oxygen gas-liquid separation A water circulation line 4 for supplying water from the vessel 3 to the water electrolyzer 1, an ion exchanger 5 for treating the supply water newly supplied to the water electrolyzer 1, and pure water for storing water after the ion exchange treatment A tank 6, a supply pump 7 for sending water from the pure water tank 6 to the oxygen gas-liquid separator 3, a part of the circulating water in the water circulation line 4 is taken out and processed, and the treated water is converted into the oxygen gas And a branch line 8 to be sent to the liquid separator 3. The water circulation line 4 includes a circulation pump 9 that circulates water by supplying water from the oxygen gas-liquid separator 3 to the water electrolysis tank 1.

特開２００２−１７３７８８号公報JP 2002-173788 A

ところで、水電解システムでは、高圧水素を生成するために、水及び生成酸素を常圧に維持する一方、生成水素を高圧に維持する差圧生成方式が採用されている。この差圧生成方式では、例えば、水電解層１の陰極に発生した水素は、陽極に発生した酸素よりも高圧となるため、この水素が固体高分子電解質膜を通って陽極側に漏れるおそれがある。   By the way, in order to generate high-pressure hydrogen, the water electrolysis system employs a differential pressure generation system that maintains water and generated oxygen at normal pressure while maintaining generated hydrogen at a high pressure. In this differential pressure generation method, for example, hydrogen generated at the cathode of the water electrolysis layer 1 has a higher pressure than oxygen generated at the anode, so that this hydrogen may leak to the anode side through the solid polymer electrolyte membrane. is there.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜からの水素の漏れの有無を容易且つ確実に検出することができ、良好な水電解処理が遂行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, and provides a water electrolysis system capable of easily and reliably detecting the presence or absence of hydrogen leakage from an electrolyte membrane and capable of performing good water electrolysis. With the goal.

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解して一方の給電体に酸素を発生させるとともに、他方の給電体に水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置とを備える水電解システムに関するものである。   The present invention provides a water electrolysis apparatus in which a power feeding body is provided on both sides of an electrolyte membrane, electrolyzes water to generate oxygen in one power feeding body, and generates hydrogen in the other power feeding body, and the water electrolysis apparatus The present invention relates to a water electrolysis system comprising a water circulation device that circulates and supplies surplus water discharged from the water to the water electrolysis device.

水循環装置は、水電解装置から排出される水及び酸素の混合流体を前記水と前記酸素とに分離する気液分離機構と、前記水電解装置から前記気液分離機構に送られる前記水及び前記酸素の混合流体の圧力を検出する圧力検出機構と、前記圧力検出機構により検出された圧力に基づいて、電解質膜からの水素の漏れの有無を判断する制御部とを備えている。   The water circulation device includes a gas-liquid separation mechanism that separates a mixed fluid of water and oxygen discharged from the water electrolysis device into the water and oxygen, the water sent from the water electrolysis device to the gas-liquid separation mechanism, and the water A pressure detection mechanism for detecting the pressure of the mixed fluid of oxygen; and a control unit for determining whether or not hydrogen leaks from the electrolyte membrane based on the pressure detected by the pressure detection mechanism.

また、制御部は、検出された圧力が所定値を超えた際に、水素の漏れが有ると判断することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the control unit determines that there is hydrogen leakage when the detected pressure exceeds a predetermined value.

さらに、制御部は、検出された圧力の増加率が所定値を超えた際に、水素の漏れが有ると判断することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the control unit determine that there is hydrogen leakage when the detected rate of increase in pressure exceeds a predetermined value.

さらにまた、本発明では、水循環装置は、水電解装置から排出される水及び酸素の混合流体を前記水と前記水素とに分離する気液分離機構と、前記水から分離されて前記気液分離機構から排出される前記酸素の圧力を検出する圧力検出機構と、前記圧力検出機構により検出された圧力に基づいて、電解質膜からの水素の漏れの有無を判断する制御部とを備えている。   Furthermore, in the present invention, the water circulation device includes a gas-liquid separation mechanism that separates a mixed fluid of water and oxygen discharged from the water electrolysis device into the water and the hydrogen, and the gas-liquid separation separated from the water. A pressure detection mechanism that detects the pressure of the oxygen discharged from the mechanism; and a control unit that determines whether hydrogen leaks from the electrolyte membrane based on the pressure detected by the pressure detection mechanism.

また、制御部は、検出された圧力が所定値を超えた際に、水素の漏れが有ると判断することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the control unit determines that there is hydrogen leakage when the detected pressure exceeds a predetermined value.

さらに、制御部は、検出された圧力の増加率が所定値を超えた際に、水素の漏れが有ると判断することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the control unit determine that there is hydrogen leakage when the detected rate of increase in pressure exceeds a predetermined value.

本発明によれば、水電解装置から気液分離機構に送られる水及び酸素の混合流体の圧力を検出し、この圧力に基づいて、電解質膜からの水素の漏れの有無を判断している。水循環装置では、一定流量の循環水が循環されているため、循環水圧も一定の幅で変動している。従って、水素の漏れが僅かであっても、循環水圧（水及び酸素の圧力）の変動を確実に検出することが可能になる。   According to the present invention, the pressure of the mixed fluid of water and oxygen sent from the water electrolysis apparatus to the gas-liquid separation mechanism is detected, and the presence or absence of hydrogen leakage from the electrolyte membrane is determined based on this pressure. In the water circulation device, since a constant flow of circulating water is circulated, the circulating water pressure also fluctuates within a certain range. Therefore, even if hydrogen leakage is slight, it is possible to reliably detect fluctuations in the circulating water pressure (water and oxygen pressure).

例えば、生成される水素の圧力を検出して前記水素の漏れの有無を判断する際には、前記水素の漏れ量が相当量に達しないと、漏れを確実に検出することができない。一方、排出される酸素に含まれる水素濃度を検出して水素の漏れの有無を判断する際には、前記水素の漏れが非定常的に行われると、漏れを検出することができない。   For example, when determining the presence or absence of hydrogen leakage by detecting the pressure of the generated hydrogen, the leakage cannot be reliably detected unless the amount of hydrogen leakage reaches a considerable amount. On the other hand, when the presence or absence of hydrogen leakage is determined by detecting the concentration of hydrogen contained in the discharged oxygen, the leakage cannot be detected if the hydrogen leakage is unsteady.

これにより、水電解装置から気液分離機構に送られる水及び酸素の混合流体の圧力を検出することによって、電解質膜からの水素の漏れの有無を容易且つ確実に検出することができ、良好な水電解処理が遂行可能になる。   Thus, by detecting the pressure of the mixed fluid of water and oxygen sent from the water electrolysis device to the gas-liquid separation mechanism, it is possible to easily and reliably detect the presence or absence of hydrogen leakage from the electrolyte membrane. Water electrolysis can be performed.

さらに、本発明によれば、水から分離されて気液分離機構から排出される酸素の圧力を検出し、この圧力に基づいて、電解質膜からの水素の漏れの有無を判断している。気液分離機構から排出される酸素の圧力（背圧）は、循環水圧の変動幅に比べて小さいため、水素の漏れが僅かであっても、前記酸素の圧力の変動を確実に検出することが可能になる。このため、電解質膜からの水素の漏れの有無を容易且つ確実に検出することができ、良好な水電解処理が遂行可能になる。   Furthermore, according to the present invention, the pressure of oxygen separated from water and discharged from the gas-liquid separation mechanism is detected, and based on this pressure, the presence or absence of hydrogen leakage from the electrolyte membrane is determined. Since the pressure (back pressure) of oxygen discharged from the gas-liquid separation mechanism is smaller than the fluctuation range of the circulating water pressure, the fluctuation of the oxygen pressure can be reliably detected even if hydrogen leakage is slight. Is possible. For this reason, the presence or absence of hydrogen leakage from the electrolyte membrane can be detected easily and reliably, and a good water electrolysis process can be performed.

本発明の第１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 a 1st embodiment of the present invention. 前記水電解システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said water electrolysis system. 水素漏れ時における排出水及び酸素の混合流体の圧力と時間との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram of pressure and time of a mixed fluid of discharged water and oxygen at the time of hydrogen leakage. 本発明の第２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 drawing of the water electrolysis system concerning a 2nd embodiment of the present invention. 水素漏れ時における酸素の圧力と時間との関係図である。FIG. 5 is a relationship diagram of oxygen pressure and time when hydrogen leaks. 本発明の第３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 schematic structure explanatory drawing of the water electrolysis system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献１に開示された固体高分子型水電解装置の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a solid polymer type water electrolysis apparatus disclosed in Patent Document 1. FIG.

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、純水を電気分解することによって高圧水素（常圧よりも高圧）を製造する水電解装置１２と、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を前記水電解装置１２に供給するとともに、前記水電解装置１２から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置１２に循環供給する水循環装置１６と、前記水電解装置１２から導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する水素側気液分離器１８と、前記水素側気液分離器１８から供給される水素に含まれる水分を吸着して除去する水素除湿器２０と、コントローラ（制御部）２２とを備える。   As shown in FIG. 1, a water electrolysis system 10 according to a first embodiment of the present invention includes a water electrolysis apparatus 12 that produces high-pressure hydrogen (higher than normal pressure) by electrolyzing pure water, Pure water generated from city water is supplied via the water supply device 14, and the pure water is supplied to the water electrolysis device 12, and surplus water discharged from the water electrolysis device 12 is converted into the water. A water circulation device 16 that circulates and supplies to the electrolysis device 12, a hydrogen side gas-liquid separator 18 that removes moisture contained in the high-pressure hydrogen led out from the water electrolysis device 12, and a supply from the hydrogen side gas-liquid separator 18 A hydrogen dehumidifier 20 that adsorbs and removes moisture contained in hydrogen to be removed and a controller (control unit) 22 are provided.

水電解装置１２は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル２４が積層される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。   The water electrolysis apparatus 12 constitutes a high-pressure hydrogen production apparatus, and a plurality of unit cells 24 are stacked. At one end of the unit cells 24 in the stacking direction, a terminal plate 26a, an insulating plate 28a, and an end plate 30a are sequentially disposed outward. Similarly, a terminal plate 26b, an insulating plate 28b, and an end plate 30b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the unit cells 24 toward the outside. The end plates 30a and 30b are integrally clamped and held.

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電源３８のマイナス極に接続される。   Terminal portions 34a and 34b are provided on the side portions of the terminal plates 26a and 26b so as to protrude outward. The terminal portions 34a and 34b are electrically connected to the power source 38 via the wirings 36a and 36b. The terminal portion 34 a on the anode (anode) side is connected to the positive pole of the power source 38, while the terminal portion 34 b on the cathode (cathode) side is connected to the negative pole of the power source 38.

図２に示すように、単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６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。   As shown in FIG. 2, the unit cell 24 includes a disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 42, and an anode separator 44 and a cathode separator 46 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 42. The anode-side separator 44 and the cathode-side separator 46 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.

電解質膜・電極構造体４２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 42 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 48 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode-side power feeder 50 and a cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. Side power supply body 52.

固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。   An anode electrode catalyst layer 50 a and a cathode electrode catalyst layer 52 a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. The anode electrode catalyst layer 50a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 52a uses, for example, a platinum catalyst.

アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、例えば、球状ガストマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％〜５０％、より好ましくは、２０％〜４０％の範囲内に設定される。   The anode-side power supply body 50 and the cathode-side power supply body 52 are configured by, for example, a sintered body (porous conductor) of spherical gas-tomized titanium powder. The anode-side power feeding body 50 and the cathode-side power feeding body 52 are provided with a smooth surface portion that is etched after grinding, and the porosity is set within a range of 10% to 50%, more preferably 20% to 40%. Is done.

単位セル２４の外周縁部には、積層方向である矢印Ａ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５６と、反応により生成された酸素及び使用済みの水（混合流体）を排出するための排出連通孔５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。   The outer peripheral edge of the unit cell 24 communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, to supply water (pure water) 56, water generated through the reaction, oxygen generated by the reaction, and used A discharge communication hole 58 for discharging water (mixed fluid) and a hydrogen communication hole 60 for flowing hydrogen generated by the reaction are provided.

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４４ａには、水供給連通孔５６に連通する供給通路６２ａと、排出連通孔５８に連通する排出通路６２ｂとが設けられる。面４４ａには、供給通路６２ａ及び排出通路６２ｂに連通する第１流路６４が設けられる。この第１流路６４は、アノード側給電体５０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。   A surface 44 a of the anode separator 44 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42 is provided with a supply passage 62 a that communicates with the water supply communication hole 56 and a discharge passage 62 b that communicates with the discharge communication hole 58. A first flow path 64 that communicates with the supply passage 62a and the discharge passage 62b is provided on the surface 44a. The first flow path 64 is provided within a range corresponding to the surface area of the anode-side power supply body 50 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like.

カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面４６ａには、水素連通孔６０に連通する排出通路６６が設けられる。面４６ａには、排出通路６６に連通する第２流路６８が形成される。この第２流路６８は、カソード側給電体５２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。   A discharge passage 66 communicating with the hydrogen communication hole 60 is provided on a surface 46 a of the cathode separator 46 facing the electrolyte membrane / electrode structure 42. A second flow path 68 communicating with the discharge passage 66 is formed on the surface 46a. The second flow path 68 is provided in a range corresponding to the surface area of the cathode-side power feeder 52, and includes a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like.

アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６の外周端部を周回して、シール部材７０ａ、７０ｂが一体化される。このシール部材７０ａ、７０ｂには、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   The seal members 70a and 70b are integrated with each other around the outer peripheral ends of the anode side separator 44 and the cathode side separator 46. The seal members 70a and 70b include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, acrylic rubber, or other seal materials, cushion materials, or packing materials. Used.

図１に示すように、水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２には、循環ポンプ７４、イオン交換器７６及び酸素側気液分離器７８が配設される。   As shown in FIG. 1, the water circulation device 16 includes a circulation pipe 72 that communicates with the water supply communication hole 56 of the water electrolysis apparatus 12, and the circulation pipe 72 includes a circulation pump 74, an ion exchanger 76, and an oxygen side gas. A liquid separator 78 is provided.

酸素側気液分離器７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。酸素側気液分離器７８には、純水供給装置１４に接続された純水供給配管８２と、前記酸素側気液分離器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８４とが連結される。   One end of a return pipe 80 communicates with the upper part of the oxygen side gas-liquid separator 78, and the other end of the return pipe 80 communicates with a discharge communication hole 58 of the water electrolysis apparatus 12. The oxygen side gas / liquid separator 78 includes a pure water supply pipe 82 connected to the pure water supply device 14 and an oxygen exhaust pipe for discharging oxygen separated from the pure water by the oxygen side gas / liquid separator 78. 84 is connected.

第１の実施形態では、戻り配管８０に、水電解装置１２から気液分離器７８に送られる純水及び酸素の混合流体の圧力を検出する圧力検出機構、例えば、圧力センサ（背圧センサ）８６が配設される。   In the first embodiment, a pressure detection mechanism that detects the pressure of the mixed fluid of pure water and oxygen sent from the water electrolysis device 12 to the gas-liquid separator 78 in the return pipe 80, for example, a pressure sensor (back pressure sensor). 86 is arranged.

水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管８８の一端が接続され、この高圧水素配管８８の他端が水素側気液分離器１８に接続される。高圧水素配管８８には、図示しないが、背圧弁が設けられており、水素連通孔６０に生成される水素圧力は、酸素側よりも高圧に維持することができる。水素側気液分離器１８で水分が除去された高圧水素は、水素除湿器２０によって除湿され、ドライ水素配管９０にドライ水素が供給される。水素側気液分離器１８の下部には、ドレン配管９２が接続され、前記ドレン配管９２には、排水用バルブ９４が配設される。   One end of a high-pressure hydrogen pipe 88 is connected to the hydrogen communication hole 60 of the water electrolysis apparatus 12, and the other end of the high-pressure hydrogen pipe 88 is connected to the hydrogen-side gas-liquid separator 18. Although not shown, the high-pressure hydrogen pipe 88 is provided with a back pressure valve, and the hydrogen pressure generated in the hydrogen communication hole 60 can be maintained at a higher pressure than the oxygen side. The high-pressure hydrogen from which moisture has been removed by the hydrogen-side gas-liquid separator 18 is dehumidified by the hydrogen dehumidifier 20, and dry hydrogen is supplied to the dry hydrogen pipe 90. A drain pipe 92 is connected to the lower part of the hydrogen side gas-liquid separator 18, and a drain valve 94 is disposed in the drain pipe 92.

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、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が、水循環装置１６を構成する酸素側気液分離器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 oxygen-side gas-liquid separator 78 constituting the water circulation device 16 through the pure water supply device 14.

水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、循環配管７２を介して純水が水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電源３８を介して電圧が付与される。   In the water circulation device 16, pure water is supplied to the water supply communication hole 56 of the water electrolysis device 12 through the circulation pipe 72 under the action of the circulation pump 74. On the other hand, a voltage is applied to the terminal portions 34a and 34b of the terminal plates 26a and 26b through a power supply 38 that is electrically connected.

このため、図２に示すように、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。   Therefore, as shown in FIG. 2, in each unit cell 24, water is supplied from the water supply communication hole 56 to the first flow path 64 of the anode-side separator 44, and this water flows along the anode-side power feeder 50. Moving.

従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで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、固体高分子電解質膜４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。   Therefore, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 50a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 48 and move to the cathode electrode catalyst layer 52a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。   Thereby, hydrogen flows along the second flow path 68 formed between the cathode-side separator 46 and the cathode-side power feeder 52. This hydrogen is maintained at a higher pressure than the water supply communication hole 56 and can flow out of the water electrolysis apparatus 12 through the hydrogen communication hole 60.

一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される（図１参照）。この使用済みの水及び酸素は、酸素側気液分離器７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８４から外部に排出される。   On the other hand, oxygen generated by the reaction and used water flow in the first flow path 64, and these mixed fluids are discharged along the discharge communication hole 58 to the return pipe 80 of the water circulation device 16. (See FIG. 1). The used water and oxygen are introduced into the oxygen-side gas-liquid separator 78 and separated, and then the water is supplied from the circulation pipe 72 through the ion exchanger 76 via the circulation pump 74 to the water supply communication hole 56. To be introduced. Oxygen separated from the water is discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 84.

水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管８８を介して水素側気液分離器１８に送られる。この水素側気液分離器１８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される一方、前記水素は、水素除湿器２０を介して除湿された後、ドライ水素配管９０に導入される。   The hydrogen generated in the water electrolysis apparatus 12 is sent to the hydrogen side gas-liquid separator 18 via the high-pressure hydrogen pipe 88. In the hydrogen-side gas-liquid separator 18, the water vapor contained in the hydrogen is separated from the hydrogen, while the hydrogen is dehumidified through the hydrogen dehumidifier 20 and then introduced into the dry hydrogen pipe 90.

この場合、第１の実施形態では、水循環装置１６を構成する戻り配管８０には、水電解装置１２の排出連通孔５８と酸素側気液分離器７８との間に位置して、前記排出連通孔５８から排出される純水及び酸素の混合流体の圧力を検出する圧力センサ８６が配設されている。   In this case, in the first embodiment, the return pipe 80 constituting the water circulation device 16 is located between the discharge communication hole 58 of the water electrolysis device 12 and the oxygen-side gas-liquid separator 78 and is connected to the discharge communication. A pressure sensor 86 for detecting the pressure of the mixed fluid of pure water and oxygen discharged from the hole 58 is provided.

そして、コントローラ２２は、圧力センサ８６による検出圧力に基づいて、水電解装置１２を構成する各単位セル２４の固体高分子電解質膜４８に水素の漏れが惹起しているか否かを判断している。   Based on the pressure detected by the pressure sensor 86, the controller 22 determines whether or not hydrogen leakage has occurred in the solid polymer electrolyte membrane 48 of each unit cell 24 constituting the water electrolysis device 12. .

水循環装置１６では、循環ポンプ７４を介して一定流量の循環水が循環されているため、循環水圧も一定の幅で変動している。従って、水素の漏れが僅かであっても、循環水圧（水及び酸素の圧力）の変動を確実に検出することが可能になる。   In the water circulation device 16, since a constant flow of circulating water is circulated through the circulation pump 74, the circulating water pressure also fluctuates with a certain width. Therefore, even if hydrogen leakage is slight, it is possible to reliably detect fluctuations in the circulating water pressure (water and oxygen pressure).

具体的には、圧力センサ８６による検出圧力は、水素漏れが惹起している際には、図３に示すように、時間の経過に伴って検出圧力が上昇する。このため、コントローラ２２では、検出された値が所定値、例えば、水素漏れのない基準値を超えた際に、固体高分子電解質膜４８に水素の漏れが発生していると判断する。   Specifically, the detected pressure by the pressure sensor 86 increases with the passage of time as shown in FIG. 3 when hydrogen leakage occurs. Therefore, the controller 22 determines that hydrogen leakage has occurred in the solid polymer electrolyte membrane 48 when the detected value exceeds a predetermined value, for example, a reference value without hydrogen leakage.

また、水素漏れが惹起している際には、時間の経過に伴って、圧力センサ８６による検出圧力が増加している。従って、コントローラ２２では、検出された圧力の増加率（傾き）が所定値を超えた際に、固体高分子電解質膜４８に水素の漏れが発生していると判断してもよい。   Further, when hydrogen leakage occurs, the pressure detected by the pressure sensor 86 increases with time. Therefore, the controller 22 may determine that hydrogen leakage has occurred in the solid polymer electrolyte membrane 48 when the detected increase rate (slope) of the pressure exceeds a predetermined value.

ここで、例えば、水電解装置１２から生成される水素の圧力を検出して前記水素の漏れの有無を判断する際には、前記水素の漏れ量が相当量に達しないと、漏れを確実に検出することはできない。一方、水電解装置１２から排出される酸素に含まれる水素濃度を検出して水素の漏れの有無を判断する際には、前記水素の漏れが非定常的に行われると、漏れを明確に検出することができない。   Here, for example, when the pressure of hydrogen generated from the water electrolysis apparatus 12 is detected to determine whether or not there is a hydrogen leak, if the hydrogen leak amount does not reach a considerable amount, the leak is reliably ensured. It cannot be detected. On the other hand, when the hydrogen concentration contained in the oxygen discharged from the water electrolysis device 12 is detected to determine the presence or absence of hydrogen leakage, if the hydrogen leakage is unsteady, the leakage is clearly detected. Can not do it.

これにより、水電解装置１２から酸素側気液分離器７８に送られる水及び酸素の混合流体の圧力を検出することによって、固体高分子電解質膜４８からの水素の漏れの有無を容易且つ確実に検出することができ、良好な水電解処理が遂行可能になるという効果が得られる。   Thereby, the presence or absence of hydrogen leakage from the solid polymer electrolyte membrane 48 can be easily and reliably detected by detecting the pressure of the mixed fluid of water and oxygen sent from the water electrolysis device 12 to the oxygen-side gas-liquid separator 78. It can be detected, and the effect that satisfactory water electrolysis can be performed is obtained.

図４は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a water electrolysis system 100 according to the second embodiment of the present invention.

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。   In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the water electrolysis system 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

水電解システム１００では、酸素排気配管８４に、酸素側気液分離器７８により水から分離された酸素の圧力を検出する圧力検出機構、例えば、圧力センサ（背圧センサ）１０２が設けられる。   In the water electrolysis system 100, a pressure detection mechanism that detects the pressure of oxygen separated from water by the oxygen-side gas-liquid separator 78, for example, a pressure sensor (back pressure sensor) 102 is provided in the oxygen exhaust pipe 84.

この第２の実施形態では、コントローラ２２は、圧力センサ１０２を介して検出される酸素圧力の変動に基づいて、固体高分子電解質膜４８からの水素の漏れの有無を判断している。酸素側気液分離器７８から排出される酸素の圧力（背圧）は、循環水圧の変動幅に比べて小さいため、水素の漏れが僅かであっても、前記酸素の圧力の変動を確実に検出することが可能になる。   In the second embodiment, the controller 22 determines the presence or absence of hydrogen leakage from the solid polymer electrolyte membrane 48 based on the change in oxygen pressure detected via the pressure sensor 102. Since the pressure (back pressure) of the oxygen discharged from the oxygen-side gas-liquid separator 78 is smaller than the fluctuation range of the circulating water pressure, the fluctuation of the oxygen pressure is surely ensured even if hydrogen leakage is slight. It becomes possible to detect.

具体的には、固体高分子電解質膜４８に水素の漏れが惹起している際、圧力センサ１０２により検出される酸素の圧力は、図５に示すように、時間の経過に伴って増加している。従って、コントローラ２２は、検出された酸素圧力が、所定値である水素漏れのない基準値を超えた際に、固体高分子電解質膜４８に水素の漏れが惹起していると判断する。   Specifically, when hydrogen leaks in the solid polymer electrolyte membrane 48, the oxygen pressure detected by the pressure sensor 102 increases with time as shown in FIG. Yes. Therefore, the controller 22 determines that hydrogen leakage has occurred in the solid polymer electrolyte membrane 48 when the detected oxygen pressure exceeds a predetermined reference value without hydrogen leakage.

また、コントローラ２２は、検出された酸素圧力の増加率が、所定値を超えた際に、固体高分子電解質膜４８に水素漏れが惹起していると判断してもよい。   The controller 22 may determine that hydrogen leakage has occurred in the solid polymer electrolyte membrane 48 when the detected increase rate of the oxygen pressure exceeds a predetermined value.

これにより、水から分離されて酸素側気液分離器７８から排出される酸素の圧力を検出することによって、固体高分子電解質膜４８からの水素の漏れの有無を容易且つ確実に検出することができる。このため、第２の実施形態では、良好な水電解処理が遂行可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   Thus, by detecting the pressure of oxygen separated from water and discharged from the oxygen-side gas-liquid separator 78, it is possible to easily and reliably detect the presence or absence of hydrogen leakage from the solid polymer electrolyte membrane 48. it can. For this reason, in 2nd Embodiment, the effect similar to said 1st Embodiment is acquired, such as enabling favorable water electrolysis processing to be performed.

図６は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１２０の概略構成説明図である。   FIG. 6 is a schematic configuration explanatory diagram of a water electrolysis system 120 according to the third embodiment of the present invention.

水電解システム１２０では、戻り配管８０に水電解装置１２から酸素側気液分離器７８に送られる水及び酸素の混合流体の圧力を検出する圧力センサ８６と、前記水から分離されて前記酸素側気液分離器７８から排出される酸素の圧力を検出する圧力センサ１０２とを備えている。   In the water electrolysis system 120, a pressure sensor 86 for detecting the pressure of a mixed fluid of water and oxygen sent from the water electrolysis device 12 to the oxygen side gas-liquid separator 78 to the return pipe 80, and the oxygen side separated from the water And a pressure sensor 102 that detects the pressure of oxygen discharged from the gas-liquid separator 78.

コントローラ２２は、圧力センサ８６、１０２から送られる検出圧力に基づいて少なくともいずれか一方の検出圧力が所定値を超えた際、又は、圧力の増加率が所定値を超えた際、固体高分子電解質膜４８から水素の漏れが発生していると判断する。従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。   The controller 22 detects the solid polymer electrolyte when at least one of the detected pressures exceeds a predetermined value based on the detected pressures sent from the pressure sensors 86 and 102 or when the rate of increase in pressure exceeds a predetermined value. It is determined that hydrogen leaks from the membrane 48. Therefore, in the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.

なお、上記の第１〜第３の実施形態では、コントローラ２２が、固体高分子電解質膜４８からの水素の漏れが発生していると判断した際、水電解装置１２の高圧水素側の脱圧処理を行ったり、あるいは、電解処理を停止したりすることにより対応処置が行われる。   In the first to third embodiments, when the controller 22 determines that hydrogen leakage from the solid polymer electrolyte membrane 48 has occurred, the depressurization of the high-pressure hydrogen side of the water electrolysis device 12 is performed. Corresponding treatment is performed by performing treatment or stopping the electrolytic treatment.

１０、１００、１２０…水電解システム
１２…水電解装置 １４…純水供給装置
１６…水循環装置 １８…水素側気液分離器
２０…水素除湿器 ２２…コントローラ
２４…単位セル ３８…電源
４２…電解質膜・電極構造体 ４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側給電体 ５２…カソード側給電体
５６…水供給連通孔 ５８…排出連通孔
６０…水素連通孔 ６４、６８…流路
７２…循環配管 ７８…酸素側気液分離器
８０…戻り配管 ８２…純水供給配管
８４…酸素排気配管 ８６…圧力センサ
８８…高圧水素配管 １０２…圧力センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 100, 120 ... Water electrolysis system 12 ... Water electrolysis apparatus 14 ... Pure water supply apparatus 16 ... Water circulation apparatus 18 ... Hydrogen side gas-liquid separator 20 ... Hydrogen dehumidifier 22 ... Controller 24 ... Unit cell 38 ... Power supply 42 ... Electrolyte Membrane / electrode structure 44 ... anode side separator 46 ... cathode side separator 48 ... solid polymer electrolyte membrane 50 ... anode side power supply body 52 ... cathode side power supply body 56 ... water supply communication hole 58 ... discharge communication hole 60 ... hydrogen communication hole 64, 68 ... flow path 72 ... circulation pipe 78 ... oxygen side gas-liquid separator 80 ... return pipe 82 ... pure water supply pipe 84 ... oxygen exhaust pipe 86 ... pressure sensor 88 ... high pressure hydrogen pipe 102 ... pressure sensor

Claims (6)

電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解して一方の給電体に酸素を発生させるとともに、他方の給電体に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水循環装置は、前記水電解装置から排出される前記水及び前記酸素の混合流体を前記水と前記酸素とに分離する気液分離機構と、
前記水電解装置から前記気液分離機構に送られる前記水及び前記酸素の混合流体の圧力を検出する圧力検出機構と、
前記圧力検出機構により検出された圧力に基づいて、前記電解質膜からの前記水素の漏れの有無を判断する制御部と、
を備えることを特徴とする水電解システム。 A water electrolysis device provided with power supply bodies on both sides of the electrolyte membrane, electrolyzes water to generate oxygen in one power supply body, and generates hydrogen in the other power supply body,
A water circulation device that circulates and supplies the excess water discharged from the water electrolysis device to the water electrolysis device;
A water electrolysis system comprising:
The water circulation device includes a gas-liquid separation mechanism that separates the water and oxygen mixed fluid discharged from the water electrolysis device into the water and oxygen.
A pressure detection mechanism for detecting the pressure of the mixed fluid of water and oxygen sent from the water electrolysis device to the gas-liquid separation mechanism;
Based on the pressure detected by the pressure detection mechanism, a controller that determines the presence or absence of leakage of the hydrogen from the electrolyte membrane;
A water electrolysis system comprising: 請求項１記載の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記検出された圧力が所定値を超えた際に、前記水素の漏れが有ると判断す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 control unit determines that the hydrogen leaks when the detected pressure exceeds a predetermined value. 3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記検出された圧力の増加率が所定値を超えた際に、前記水素の漏れが有ると判断す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 control unit determines that the hydrogen leaks when the detected rate of increase in pressure exceeds a predetermined value. 4. system. 電解質膜の両側に給電体が設けられ、水を電気分解して一方の給電体に酸素を発生させるとともに、他方の給電体に水素を発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から排出される余剰の前記水を、前記水電解装置に循環供給する水循環装置と、
を備える水電解システムであって、
前記水循環装置は、前記水電解装置から排出される前記水及び前記酸素の混合流体を前記水と前記酸素とに分離する気液分離機構と、
前記水から分離されて前記気液分離機構から排出される前記酸素の圧力を検出する圧力検出機構と、
前記圧力検出機構により検出された圧力に基づいて、前記電解質膜からの前記水素の漏れの有無を判断する制御部と、
を備えることを特徴とする水電解システム。 A water electrolysis device provided with power supply bodies on both sides of the electrolyte membrane, electrolyzes water to generate oxygen in one power supply body, and generates hydrogen in the other power supply body,
A water circulation device that circulates and supplies the excess water discharged from the water electrolysis device to the water electrolysis device;
A water electrolysis system comprising:
The water circulation device includes a gas-liquid separation mechanism that separates the water and oxygen mixed fluid discharged from the water electrolysis device into the water and oxygen.
A pressure detection mechanism that detects the pressure of the oxygen separated from the water and discharged from the gas-liquid separation mechanism;
Based on the pressure detected by the pressure detection mechanism, a controller that determines the presence or absence of leakage of the hydrogen from the electrolyte membrane;
A water electrolysis system comprising: 請求項４記載の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記検出された圧力が所定値を超えた際に、前記水素の漏れが有ると判断することを特徴とする水電解システム。   5. The water electrolysis system according to claim 4, wherein the control unit determines that the hydrogen is leaked when the detected pressure exceeds a predetermined value. 6. 請求項４又は５記載の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記検出された圧力の増加率が所定値を超えた際に、前記水素の漏れが有ると判断することを特徴とする水電解システム。   6. The water electrolysis system according to claim 4, wherein the control unit determines that the hydrogen leak is present when the detected rate of increase in pressure exceeds a predetermined value. system.
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