JP7441332B2 - アルカリ水電解システム、およびアルカリ水電解システムの運転方法 - Google Patents
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Description
前記整流器から供給される所定の直流電圧に基づいて、電解液を用いて水の電気分解により水素および酸素を発生させる複数の複極式電解槽と、
複数の前記複極式電解槽と接続され、前記水素および前記酸素を前記電解液から分離し、前記電解液を貯留する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間に設けられる開閉弁と、
を備える、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記気液分離タンクの内部の圧力を調整する圧力調整弁をさらに備える、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記直流電圧を決定し、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する制御装置をさらに備える、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムを運転させるための電流が目標電流と一致するように、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記制御装置は、
最大電流密度に対する稼働中の前記複極式電解槽の電流密度の比に基づいて、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムに供給される電力が第1閾値以上である場合、全ての前記複極式電解槽を稼働させ、
前記アルカリ水電解システムに供給される電力が前記第1閾値より小さい場合、一部の前記複極式電解槽を稼働させる、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムへの電力が供給される際、
稼働を開始した前記複極式電解槽の電流密度が第2閾値以上である場合、稼働させる前記複極式電解槽の台数を増やし、
稼働を開始した前記複極式電解槽の電流密度が前記第2閾値より小さい場合、稼働させる前記複極式電解槽の台数を維持する、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記気液分離タンクの内部に貯留する前記電解液を加熱する加熱装置をさらに備える、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、前記アルカリ水電解システムに供給される再生可能エネルギは、
風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、および地熱の少なくとも一つから得られるエネルギである、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムにおいて、複数の前記複極式電解槽は、各々個別の前記整流器を有する、ことを特徴とする。
複数の複極式電解槽が、前記整流器から供給される所定の直流電圧に基づいて、電解液を用いて水の電気分解により水素および酸素を発生させるステップと、
複数の前記複極式電解槽と接続される気液分離タンクが、前記水素および前記酸素を前記電解液から分離し、前記電解液を貯留するステップと、
前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間に設けられる開閉弁が、前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間の前記電解液、前記水素、および前記酸素の導通を抑制するステップと、
を含む、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムの運転方法において、制御装置が、複数の前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御し、前記開閉弁における入口開閉弁および前記開閉弁における出口開閉弁を閉じるステップ、または、前記入口開閉弁若しくは前記出口開閉弁の何れか一方を閉じるステップをさらに含む、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムの運転方法において、前記制御装置が、前記複極式電解槽の内部に前記電解液が満たされている場合、前記入口開閉弁および前記出口開閉弁を閉じるステップ、または、前記入口開閉弁若しくは前記出口開閉弁の何れか一方を閉じるステップをさらに含む、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムの運転方法において、前記気液分離タンクの内部に設けられる熱交換器が、前記電解液の温度を調整するステップをさらに含む、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係るアルカリ水電解システムの運転方法において、前記気液分離タンクは、複数の前記複極式電解槽の上部に設けられる、ことを特徴とする。
図1A乃至図5Bを参照して、本実施形態に係るアルカリ水電解システム70の構成の一例について説明する。
複数の整流器74_1~74_Nは、複数の複極式電解槽50_1~50_Nと、それぞれ電気的に接続される。また、複数の整流器74_1~74_Nは、制御装置30と電気的に接続される。
複数の複極式電解槽50_1~50_Nは、気液分離タンク72の下部に設けられ、複数の整流器74_1~74_Nと、それぞれ電気的に接続される。また、複数の複極式電解槽50_1~50_Nは、開閉弁62o(入口開閉弁62oi,出口開閉弁62oo)を介して、酸素分離タンク72oと接続され、開閉弁62h(入口開閉弁62hi,出口開閉弁62ho)を介して、水素分離タンク72hと接続される。
開閉弁62は、複極式電解槽50と気液分離タンク72との間に設けられる。例えば、開閉弁62oは、複極式電解槽50と酸素分離タンク72oとの間に設けられる。例えば、開閉弁62hは、複極式電解槽50と水素分離タンク72hとの間に設けられる。例えば、入口開閉弁62oiは、循環ポンプ90を介して、複極式電解槽50と気液分離タンク72oとの間に設けられる。例えば、入口開閉弁62hiは、循環ポンプ90を介して、複極式電解槽50と気液分離タンク72hとの間に設けられる。
気液分離タンク72は、複数の複極式電解槽50_1~50_Nの上部に設けられ、複数の複極式電解槽50_1~50_Nと接続されることが好ましい。気液分離タンク72は、発生したガス(水素、酸素)を電解液から分離し、且つ、複数の複極式電解槽50_1~50_Nから流入した電解液を貯留する。気液分離タンク72は、酸素分離タンク72oと、水素分離タンク72hと、を備える。1個の酸素分離タンク72oは、複数の複極式電解槽50_1~50_Nと接続され、1個の水素分離タンク72hは、複数の複極式電解槽50_1~50_Nと接続される。なお、気液分離タンク72は、複数の複極式電解槽50_1~50_Nに対して設けられる位置が、特に限定されるものではない。例えば、図1Bに示されるアルカリ水電解システム70Bのように、気液分離タンク72は、複数の複極式電解槽50_1~50_Nの下部に設けられ、複数の複極式電解槽50_1~50_Nと接続されていてもよい。
熱交換器79は、気液分離タンク72の内部に設けられることが好ましい。熱交換器79は、制御装置30により、交換熱量が制御され、気液分離タンク72の内部に貯留する電解液の温度を調整する。この際、熱交換器79は、流量計(不図示)により計測された電解液の流量に基づいて、制御装置30により、制御されてよい。
制御装置30は、プログラムによって所定の処理を行うことのできるコンピュータであればよく、例えば、オペレータが使用するノートPC(personal computer)、スマートフォンなどの携帯電話、タブレット端末などである。制御装置30は、アルカリ水電解システム70が備える各部を制御する。
温度調整弁61は、制御装置30により制御される。温度調整弁61は、熱交換器79と接続され、気液分離タンク72の内部に貯留する電解液の温度が、所定範囲(例えば、50度~90度、好ましくは60度~80度、さらに好ましくは75度~85度)に収まるように、電解液の温度を調整する。例えば、温度調整弁61oは、熱交換器79oと接続され、流量計により計測された電解液の流量に基づいて、制御装置30により制御されることで、酸素分離タンク72oの内部に貯留する電解液の温度を調整する。例えば、温度調整弁61hは、熱交換器79hと接続され、流量計により計測された電解液の流量に基づいて、制御装置30により制御されることで、水素分離タンク72hの内部に貯留する電解液の温度を調整する。温度調整弁61が制御装置30により適切に制御されることで、電解液の温度の過度な上昇、あるいは、電解液の温度の過度な下降を抑制し、電解液の温度を適温とすることができる。
圧力計78は、気液分離タンク72の上部に設けられ、気液分離タンク72と接続される。例えば、圧力計78oは、酸素分離タンク72oの内部の圧力を計測し、計測結果を制御装置30へ出力する。当該計測結果に基づいて、制御装置30が圧力調整弁80oを制御することにより、酸素分離タンク72oの内部の圧力が適切な圧力に維持される。例えば、圧力計78hは、水素分離タンク72hの内部の圧力を計測し、計測結果を制御装置30へ出力する。当該計測結果に基づいて、制御装置30が水素分離タンク72hを制御することにより、水素分離タンク72hの内部の圧力が適切な圧力に維持される。
圧力調整弁80は、制御装置30により制御される。圧力調整弁80は、気液分離タンク72の上部に設けられ、気液分離タンク72と接続される。例えば、圧力調整弁80oは、酸素分離タンク72oと接続され、圧力計78oにより計測された酸素分離タンク72oの内部の圧力に基づいて、制御装置30により制御されることで、酸素分離タンク72oの内部の圧力を調整する。例えば、圧力調整弁80hは、水素分離タンク72hと接続され、圧力計78hにより計測された水素分離タンク72hの内部の圧力に基づいて、制御装置30により制御されることで、水素分離タンク72hの内部の圧力を調整する。
流量計は、複極式電解槽50の下部に設けられ、複極式電解槽50と接続される。流量計は、複極式電解槽50を循環する電解液の流量を計測し、計測結果を制御装置30へ出力する。当該計測結果に基づいて、制御装置30が熱交換器79oおよび温度調整弁61oを制御することにより、酸素分離タンク72oの内部に貯留する電解液は、適切な温度に維持される。また、当該計測結果に基づいて、制御装置30が熱交換器79hおよび温度調整弁61hを制御することにより、水素分離タンク72hの内部に貯留する電解液は、適切な温度に維持される。
加熱装置は、気液分離タンク72の下部に設けられ、気液分離タンク72の内部に貯留する電解液を加熱する。加熱装置は、例えば、ヒーターである。熱交換器79および温度調整弁61を利用するのみならず、加熱装置を利用して、気液分離タンク72の内部に貯留する電解液を加熱することで、例えば、冷えてしまった電解液の温度を瞬時に一定の温度へ戻すことができる。これにより、高効率な運転が可能なアルカリ水電解システム70を実現できる。また、例えば、アルカリ水電解システム70が、運転を停止し、再び、運転を開始した場合であっても、無駄な電力を消費せずに済むため、高効率且つ持続的な運転が可能なアルカリ水電解システム70を実現できる。
アルカリ水電解システム70は、上述の構成要素の他にも、水補給器、酸素濃度計、水素濃度計、検知器などを備えていてよい。これらの構成要素としては、公知のものを採用することができるため、詳細な説明は省略する。
次に、図4、図5Aおよび図5Bを参照して、本実施形態に係る複極式電解槽50の構成の一例について詳細に説明する。
複極式エレメント60は、陽極2aと、陰極2cと、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1と、隔壁1を縁取る外枠3と、を備える。複極式エレメント60は、一方の面が陽極2a、他方の面が陰極2cとなる。
電解セル65は、隣接する一方の複極式エレメント60が含む隔壁1、陽極室5a、および陽極2aと、隣接する他方の複極式エレメント60が含む陰極2c、陰極室5c、および隔壁1と、外枠3と、隔膜4と、ガスケット7と、を備える。陰極室5cは、集電体2rと、導電性弾性体2eと、整流板6と、を備える。電解セル65は、バッフル板8を備えていてもよい。
隔壁1は、陽極2aと陰極2cとを隔離する。隔壁1は、整流板6を介して、集電体2rと電気的に接続される。
陽極2aは、陽極室5aに設けられ、陰極2cは、陰極室5cに設けられる。1つの電解セル65に属する陽極2aと陰極2cとは互いに電気的に接続される。また、陰極2cは、導電性弾性体2eを介して、集電体2rと電気的に接続される。
集電体2rは、導電性弾性体2eおよび電極2へ電気を伝えるとともに、導電性弾性体2eおよび電極2から受ける荷重を支え、電極2から発生するガスを隔壁1側に支障なく通過させる機能を有する。
導電性弾性体2eは、集電体2rおよび電極2と接し、集電体2rと陰極2cとの間に設けられる。導電性弾性体2eは、隔膜4を損傷させない程度の適切な圧力を、電極2に均等に加えることにより、隔膜4と電極2とを密着させる機能を有する。
外枠3は、隔壁1の外縁に沿って、隔壁1を取り囲むように設けられる。外枠3は、隔壁1を取り囲むことができる形状であればよく、その形状が特に限定されるものではないが、隔壁1の平面に対して縦方向に沿う内面を隔壁1の外延に亘って備える形状であることが好ましい。外枠3は、隔壁1の平面視形状に合わせて適宜設定されることが好ましい。
隔膜4は、陽極2aを有する陽極室5aと陰極2cを有する陰極室5cとを区画する。隔膜4は、陽極ターミナルエレメント51aと複極式エレメント60との間、隣接する複極式エレメント60の間、および複極式エレメント60と陰極ターミナルエレメント51cとの間に設けられる。隔膜4は、イオン透過性を有し、イオンを導通させつつ、水素ガスと酸素ガスとを隔離する。隔膜4は、イオン交換能を有するイオン交換膜、電解液を浸透することができる多孔膜などにより構成される。隔膜4は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いことが好ましい。
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、電解液を透過させる構造を有する。このような構造を有する多孔膜としては、例えば、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布などが挙げられる。これらの膜は、公知の技術を適用することで形成される。
イオン交換膜は、カチオンを選択的に透過させるカチオン交換膜、アニオンを選択的に透過させるアニオン交換膜の何れの交換膜を用いてもよい。
電極室5は、電解液を通過させ、隔壁1、外枠3、隔膜4などにより、画定される。電極室5は、その画定される範囲が、隔壁1の外端に設けられる外枠3の構造により変動する。電極室5は、外枠3との境界において、電極室5に電解液を導入する電解液入口と、電極室5から電解液を導出する電解液出口と、を備える。例えば、陽極室5aは、陽極室5aに電解液を導入する陽極電解液入口と、陽極室5aから導出する電解液を導出する陽極電解液出口と、を備える。例えば、陰極室5cは、陰極室5cに電解液を導入する陰極電解液入口と、陰極室5cから導出する電解液を導出する陰極電解液出口と、を備える。
整流板6は、陽極2aを支持し、陽極2aと隔壁1との間に設けられる。また、整流板6は、陰極2cおよび集電体2rを支持し、集電体2rと隔壁1との間に設けられる。
ガスケット7は、隔壁1を縁取る外枠3に設けられる。ガスケット7は、複極式電解槽50の外部への電解液および発生ガスの漏れ、陽極室5aと陰極室5cとの間でのガス混合などを防ぐ機能を有する。
バッフル板8は、電極室5の内部における電解液の流れを制限する機能を有する仕切り板である。バッフル板8は、電極室5の内部における電解液とガスとの比を調整し、例えば、裏側に電解液のみが流れ、表側に電解液およびガスが流れるように、電解液とガスとを分離する。すなわち、バッフル板8により、所定の箇所にガスを滞留させることで、電極室5において電解液を内部循環させ、電解液の濃度をより均一にすることができる。
図6を参照して、本実施形態に係るアルカリ水電解システム70の運転方法の一例について説明する。
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 導電性弾性体
2r 集電体
3 外枠
4 隔膜
5 電極室
5a 陽極室
5c 陰極室
6 整流板
6a 陽極整流板
6c 陰極整流板
7 ガスケット
8 バッフル板
30 制御装置
50 複極式電解槽
51g1 ファストヘッド
51g2 ルーズヘッド
51i1 絶縁板
51i2 絶縁板
51a 陽極ターミナルエレメント
51c 陰極ターミナルエレメント
51r タイロッド
60 複極式エレメント
61 温度調整弁
61o 温度調整弁
61h 温度調整弁
62 開閉弁
62o 開閉弁
62h 開閉弁
62oi 入口開閉弁
62hi 入口開閉弁
62oo 出口開閉弁
62ho 出口開閉弁
65 電解セル
70 アルカリ水電解システム
70B アルカリ水電解システム
72 気液分離タンク
72o 酸素分離タンク
72h 水素分離タンク
74 整流器
78 圧力計
78o 圧力計
78h 圧力計
79 熱交換器
79o 熱交換器
79h 熱交換器
80 圧力調整弁
80o 圧力調整弁
80h 圧力調整弁
90 循環ポンプ
Claims (12)
- 変動する電源と接続され、交流電力を直流電力に変換する整流器と、
前記整流器から供給される所定の直流電圧に基づいて、電解液を用いて水の電気分解により水素および酸素を発生させる複数の複極式電解槽と、
複数の前記複極式電解槽と接続され、前記水素および前記酸素を前記電解液から分離し、前記電解液を貯留する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間に設けられる開閉弁と、
前記直流電圧を決定し、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
最大電流密度に対する稼働中の前記複極式電解槽の電流密度の比に基づいて、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する、アルカリ水電解システム。 - 前記気液分離タンクの内部の圧力を調整する圧力調整弁をさらに備える、
請求項1に記載のアルカリ水電解システム。 - 前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムを運転させるための電流が目標電流と一致するように、前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御する、
請求項1に記載のアルカリ水電解システム。 - 前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムに供給される電力が第1閾値以上である場合、全ての前記複極式電解槽を稼働させ、
前記アルカリ水電解システムに供給される電力が前記第1閾値より小さい場合、一部の前記複極式電解槽を稼働させる、
請求項1に記載のアルカリ水電解システム。 - 前記制御装置は、
前記アルカリ水電解システムへの電力が供給される際、
稼働を開始した前記複極式電解槽の電流密度が第2閾値以上である場合、稼働させる前記複極式電解槽の台数を増やし、
稼働を開始した前記複極式電解槽の電流密度が前記第2閾値より小さい場合、稼働させる前記複極式電解槽の台数を維持する、
請求項1に記載のアルカリ水電解システム。 - 前記気液分離タンクの内部に貯留する前記電解液を加熱する加熱装置をさらに備える、
請求項1から5のいずれか一項に記載のアルカリ水電解システム。 - 前記アルカリ水電解システムに供給される再生可能エネルギは、
風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、および地熱の少なくとも一つから得られるエネルギである、
請求項1から6のいずれか一項に記載のアルカリ水電解システム。 - 複数の前記複極式電解槽は、各々個別の前記整流器を有する、
請求項1に記載のアルカリ水電解システム。 - 変動する電源と接続される整流器が、交流電力を直流電力に変換するステップと、
複数の複極式電解槽が、前記整流器から供給される所定の直流電圧に基づいて、電解液を用いて水の電気分解により水素および酸素を発生させるステップと、
複数の前記複極式電解槽と接続される気液分離タンクが、前記水素および前記酸素を前記電解液から分離し、前記電解液を貯留するステップと、
前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間に設けられる開閉弁が、前記気液分離タンクと前記複極式電解槽との間の前記電解液、前記水素、および前記酸素の導通を抑制するステップと、
制御装置が、複数の前記複極式電解槽の稼働又は停止を制御し、前記開閉弁における入口開閉弁および前記開閉弁における出口開閉弁を閉じるステップ、または、前記入口開閉弁若しくは前記出口開閉弁の何れか一方を閉じるステップと、
を含む、アルカリ水電解システムの運転方法。 - 前記制御装置が、前記複極式電解槽の内部に前記電解液が満たされている場合、前記入口開閉弁および前記出口開閉弁を閉じるステップ、または、前記入口開閉弁若しくは前記出口開閉弁の何れか一方を閉じるステップをさらに含む、
請求項9に記載のアルカリ水電解システムの運転方法。 - 前記気液分離タンクの内部に設けられる熱交換器が、前記電解液の温度を調整するステップをさらに含む、
請求項9又は10に記載のアルカリ水電解システムの運転方法。 - 前記気液分離タンクは、複数の前記複極式電解槽の上部に設けられる、
請求項9から11のいずれか一項に記載のアルカリ水電解システムの運転方法。
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