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技術 水素エネルギーシステム

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 森田純司田口良文
出願日 2019年3月12日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2019-044758
公開日 2020年9月17日 (5ヶ月経過) 公開番号 2020-149815
状態 未査定
技術分野 非金属・化合物の電解製造;そのための装置
主要キーワード 閉回路構成 換気器 ダイアフラム式ポンプ 低圧タイプ 出口近辺 高圧タイプ 水素エネルギーシステム 水素経路
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年9月17日)のものです。
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図面 (5)

課題

水電解装置が備える気液分離器排水経路に配置された減圧器故障した場合に、水素水循環供給経路へ流入すること簡素な構成で防ぐ。

解決手段

水の電気分解により水素ガスを生成する水電解装置1と、水電解装置1から排出された水素ガスを水素と水とに分離する第1気液分離器3と、第1気液分離器3から排出された水素を利用する水素利用装置4と、水素利用装置4から排出された水と第1気液分離器3から排出された水とを貯蔵する第2気液分離器5と、第2排水経路11に介装された減圧器12と、第2気液分離器5の内部を大気開放する排気経路10と、第2気液分離器5から排出された水を貯蔵し、貯蔵された水を水電解装置1に供給する水タンク2と、を備える。

概要

背景

太陽光発電風力発電等の自然エネルギーを用い水素を生成し、その水素を発電や熱に利用する発電システムが注目されている。

水素の生成には、水の電気分解を利用した水電解装置が用いられる。また、発電や熱による水素の利用は、水素ガスタービン水素燃料電池、または、水素ガス燃焼器などを使用して行われる。

水素は、水電解装置により生成、昇圧され、利用する機器に供給される。また、水電解により生成された水素は、水分を含むため気液分離器を使用してガス成分の水素と水とに分離される。分離された水は、適宜、装置の排水もしくは水電解に再利用される。

例えば特許文献1では、水素製造装置に水を供給する水供給ラインに気液分離器で分離した水を戻し、水と共に溶存した水素を利用する方法が提案されている。

概要

水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器故障した場合に、水素が水循環供給経路へ流入すること簡素な構成で防ぐ。水の電気分解により水素ガスを生成する水電解装置1と、水電解装置1から排出された水素ガスを水素と水とに分離する第1気液分離器3と、第1気液分離器3から排出された水素を利用する水素利用装置4と、水素利用装置4から排出された水と第1気液分離器3から排出された水とを貯蔵する第2気液分離器5と、第2排水経路11に介装された減圧器12と、第2気液分離器5の内部を大気開放する排気経路10と、第2気液分離器5から排出された水を貯蔵し、貯蔵された水を水電解装置1に供給する水タンク2と、を備える。

目的

本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みて創案されたものであり、水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環経路へ流入すること簡素な構成により防ぐことのできる水素エネルギーシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、第1水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第1気液分離器と、第2水素経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、第1排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第2排水経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第2気液分離器と、前記第2排水経路に介装され、前記第2排水経路を通って前記第2気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、前記第2気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、第3排水経路で接続された前記第2気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える、水素エネルギーシステム

請求項2

前記第2気液分離器は、前記第1排水経路を介して前記水素利用装置から排出された排気ガス気体と水とに分離し、前記第2気液分離器に接続された前記排気経路を介して、前記第2気液分離器で分離された気体を排気する、請求項1記載の水素エネルギーシステム。

請求項3

前記第1排水経路に接続された前記排気経路を介して、前記水素利用装置から排出された排気ガスに含まれる気体を排出する、請求項1記載の水素エネルギーシステム。

技術分野

0001

本発明は水素を生成、利用する水素エネルギーシステムに関する。

背景技術

0002

太陽光発電風力発電等の自然エネルギーを用い水素を生成し、その水素を発電や熱に利用する発電システムが注目されている。

0003

水素の生成には、水の電気分解を利用した水電解装置が用いられる。また、発電や熱による水素の利用は、水素ガスタービン水素燃料電池、または、水素ガス燃焼器などを使用して行われる。

0004

水素は、水電解装置により生成、昇圧され、利用する機器に供給される。また、水電解により生成された水素は、水分を含むため気液分離器を使用してガス成分の水素と水とに分離される。分離された水は、適宜、装置の排水もしくは水電解に再利用される。

0005

例えば特許文献1では、水素製造装置に水を供給する水供給ラインに気液分離器で分離した水を戻し、水と共に溶存した水素を利用する方法が提案されている。

先行技術

0006

特開2013−53321号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上述の特許文献1に記載された従来装置では、排水経路に配置された減圧器故障した場合、排水経路の圧力損失バランス崩れ、水だけでなく水素が水供給経路さらには酸素過多アノードに流入することになる。当該従来装置では、これを防ぐためには減圧器及び閉止弁を複数配置する必要があり構成が複雑になる。

0008

本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みて創案されたものであり、水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環経路へ流入すること簡素な構成により防ぐことのできる水素エネルギーシステムを提供する。

課題を解決するための手段

0009

上記の課題を解決するために、本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、第1水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第1気液分離器と、第2水素経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、第1排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第2排水経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第2気液分離器と、前記第2排水経路に介装され、前記第2排水経路を通って前記第2気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、前記第2気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、第3排水経路で接続された前記第2気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える。

発明の効果

0010

本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水電解装置が備える気液分離器の排水経路に配置された減圧器が故障した場合に、水素が水循環経路へ流入すること簡素な構成により防ぐことができる。

図面の簡単な説明

0011

第1実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図
第2実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図
第1実施形態の水素エネルギーシステムの変形例1の構成を示す図
第1実施形態の水素エネルギーシステムの変形例2の構成を示す図

実施例

0012

(本発明の基礎となる知見)
水電解装置および水素利用装置を備え、気液分離器で分離した水を水電解に再利用する水素エネルギーシステムについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。

0013

従来例では、水電解システムにおいて気液分離器で分離した水を水電解に再利用する場合、排水経路は閉回路となり、減圧器が故障すると排水経路の圧力損失バランスが崩れ水だけでなく水素が水循環経路に流入することとなる。

0014

そこで、本開示の第1の態様の水素エネルギーシステムは、このような知見に基づいて案出されたものであり、水を電気分解することにより水素ガスを生成する水電解装置と、第1水素経路で接続された前記水電解装置から排出された水素ガスを、水素と水とに分離する第1気液分離器と、第2水素経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水素を利用する水素利用装置と、第1排水経路で接続された前記水素利用装置から排出された水と、第2排水経路で接続された前記第1気液分離器から排出された水と、を貯蔵する第2気液分離器と、前記第2排水経路に介装され、前記第2排水経路を通って前記第2気液分離器に排出される水を減圧する減圧器と、前記第2気液分離器の内部を大気開放する排気経路と、第3排水経路で接続された前記第2気液分離器から排出された水を貯蔵し、前記貯蔵された水を、水供給経路を介して前記水電解装置に供給する水タンクと、を備える。

0015

かかる構成によると、第1気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第2排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第2排水経路から流出する水素は、第2排水経路、第2気液分離器の順に水素利用装置側へ流れ排出されるため、新たに第2排水経路あるいは第3排水経路に減圧弁や閉止弁などを配置することなく、水電解装置の水循環経路への水素流通を防止できる。

0016

本開示の第2の態様の水素エネルギーシステムは、前記第2気液分離器は、前記第1排水経路を介して前記水素利用装置から排出された排気ガス気体と水とに分離し、前記第2気液分離器に接続された前記排気経路を介して、前記第2気液分離器で分離された気体を排気する。

0017

かかる構成によると、第1気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第2排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第2排水経路から流出する水素は、第2排水経路、第2気液分離器の順に流れ、水素は水素利用装置の排ガス酸素濃度が非常に低いガス)で希釈されて排出される。

0018

本開示の第3の態様の水素エネルギーシステムは、前記第1排水経路に接続された前記排気経路を介して、前記水素利用装置から排出された排気ガスに含まれる気体を排出する。

0019

かかる構成によると、第2の態様と同様に、第1気液分離器の排水をする際に減圧器が故障していた場合、第2排水経路の圧力損失バランスの崩れにより第2排水経路から流出する水素は、第2排水経路、第2気液分離器、第1排水経路の順に流れ、水素は水素利用装置の排ガス(酸素濃度が非常に低いガス)で希釈されて排出される。

0020

(実施の形態)
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。

0021

よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置ならびに接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、本発明は上記の各態様に限定されるものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明が省略される場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。

0022

(第1実施形態)
装置構成
図1は、第1実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図である。

0023

図1に本実施形態の水素エネルギーシステム100は、水電解装置1と、水タンク2と、第1気液分離器3と、水素利用装置4と、第2気液分離器5と、水循環経路6と、第1水素経路7と、第2水素経路8と、第1排水経路9と、排気経路10と、第2排水経路11と、減圧器12と、第3排水経路13とを備える。

0024

水電解装置1は、水を電気分解してアノードで酸素カソードで水素を生成する。

0025

水タンク2は、水電解装置1用の水を貯蔵する。

0026

第1気液分離器3は、水電解装置で生成した水素と水を分離する。

0027

水素利用装置4は、第1気液分離器3で分離した水素を利用する。

0028

第2気液分離器5は、水素利用装置4から生じる排ガスを気液分離する。

0029

水循環経路6は、水タンク2と水電解装置1のアソードを繋ぎ、水循環経路6を水が循環する。

0030

第1水素経路7は、水電解装置1のカソードと第1気液分離器3とを繋ぐ

0031

第2水素経路8は、第1気液分離器3と水素利用装置4とを繋ぐ。

0032

第1排水経路9は、水素利用装置4と第2気液分離器5とを繋ぐ。

0033

排気経路10は、第2気液分離器5に連結し、水素利用装置4からの排ガスを排気する。

0034

第2排水経路11は、第1気液分離器3と第2気液分離器5を繋ぐ。

0035

減圧器12は、第2排水経路11中に配置される。

0036

第3排水経路13は、第2気液分離器5と水タンク2を繋ぐ。

0037

水電解装置1について更に説明する。水電解装置1は、例えば、電解質をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体MEA)と、MEAを挟み、流路を持つカーボン材料あるいはステンレスチタンなどの金属材料を加工したセパレータからなるセル積層体とを備える。なお、アノードおよびカソード(電極)は、例えば、白金などの貴金属触媒により構成されているが、これに限定されない。

0038

水タンク2について更に説明すると、水タンク2は、水電解装置1に供給する水を貯める容器である。水タンク2は、水循環供給口と水循環戻口(図示せず)とを備え、水循環経路6を介して水電解装置1と連結している。ここでは図示していないが水タンク2から水電解装置1のアノードへ回転式ポンプなどにより水が供給される。また、水タンク2は、第2気液分離器5と第3排水経路13を介して連結している。第3排水経路13は、ここには図示していないが開閉弁を備えていても良い。

0039

第1気液分離器3について更に説明する。第1気液分離器3は、水電解装置1で生成した水素ガス(水素+水)を取り入れ、この水素ガスを水素と水とに分離し、これらの内の水を貯める容器である。第1気液分離器3は、水電解装置1のカソード出口と第1水素経路7を介して連結されている。

0040

水素利用装置4について更に説明すると、水素利用装置4は、水素を反応させ電気あるいは熱を取り出す機器である。水素利用装置4は、例えば水素ガスタービン、水素燃料電池あるいは水素ガス燃焼器であってもよいがこれに限定されない。第1気液分離器3から水素利用装置4に供給される水素の圧力は、たとえば、水素利用装置4のタイプが高圧タイプの場合は30MPa〜40MPa、水素利用装置4のタイプが低圧タイプの場合は0.6MPa〜1MPaである。水素利用装置4は第1気液分離器3と第2水素経路8を介して連結されている。ここでは図示していないが第2水素経路8に水素タンクあるいは水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を備えてもかまわない。水素利用装置4は、水電解装置1で生成した水素と、外部から供給される空気とを反応させて電気あるいは熱を取り出し外部へエネルギーとして供給する。水素利用装置4からは窒素、酸素または水素などの気体と、水分とを含んだ排ガスが排出される。

0041

第2気液分離器5について更に説明する。第2気液分離器5は、水素利用装置4から排出される水分を含む排ガスを取り入れ、排ガスと水に分離し、分離された水を貯める容器である。第2気液分離器5は、水素利用装置4と第1排水経路9を介して連結されている。また、第2気液分離器5の上方の気層部に排気経路10が接続されている。排気経路10を通じて、水素利用装置4の排ガスが水素エネルギーシステム100の外部へ排出される。

0042

第2排水経路11について更に説明すると、第2排水経路11は、第1気液分離器3と第2気液分離器5とを連結し、その経路中に減圧器12を備える。

0043

減圧器12について更に説明する。減圧器12は、第2排水経路11にかかる圧力を減圧(例えば大気圧まで減圧)し、第1気液分離器3から第2気液分離器5に流入する水量を調整できる機器であればよい。したがって、減圧器12は、例えば、減圧弁、オリフィスキャピラリー配管などであっても良く、これらと開閉弁とを組み合わせたものでもよい。

0044

以上により、減圧器12が故障し、第2排水経路11の圧損バランスが崩れ、第1気液分離器3から水素が第2排水経路11を介して流通してきても、第2気液分離器5を介して排気経路10から水素は外部に排出される。このため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要なく、水素エネルギーシステムを簡素な構成とすることができる。さらに第2気液分離器5を介し、排気経路10を通過することで、第2気液分離器5の上層のガスであって燃焼又は発電により酸素が消費されて酸素濃度の非常に低いガスで希釈排気することができる。

0045

(第2実施形態)
[装置構成]
図2は、第2実施形態の水素エネルギーシステムの構成を示す図である。

0046

図2に示す水素エネルギーシステム100Aは、水電解装置1と、水タンク2と、第1気液分離器3と、水素利用装置4と、第2気液分離器5と、水循環経路6と、第1水素経路7と、第2水素経路8と、第1排水経路9と、排気経路10と、第1気液分離器3と第2気液分離器5を繋ぐ第2排水経路11と、減圧器12と、第3排水経路13とを備える。

0047

排気経路10は、第1排水経路9に連結され、水素利用装置4からの排ガスを排気する。この他の構成は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。

0048

このように、第2実施形態の水素エネルギーシステム100Aは、第1実施形態の水素エネルギーシステム100に対して、排気経路10が、第2気液分離器5ではなく第1排水経路9に連結される構成である。

0049

したがって、第1実施形態同様、減圧器12が故障し、第2排水経路11の圧損バランスが崩れ、第1気液分離器3から水素が第2排水経路11を介して流通してきても第2気液分離器5、第1排水経路9、排気経路10を通じて水素は外部に排出されるため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要はない。したがって、第1実施形態同様に、水素エネルギーシステム100を簡素な構成とすることができる。さらに、水素を、第2気液分離器5及び排気経路10を通過させることで、酸素濃度の非常に低いガスで希釈して排気することができる。

0050

(変形例1)
[装置構成]
図3は、第1実施形態の水素エネルギーシステムの変形例1の一例の構成を示す図である。

0051

第1実施形態の変形例1の水素エネルギーシステム100Bは、第1実施形態の水素エネルギーシステム100に内部換気用換気器14を排気経路10の出口近辺に追加した構成である。その他の構成は、第1実施形態の水素エネルギーシステム100の構成と同じなので説明を省略する。

0052

換気器14は、水素エネルギーシステム100Bの内部を換気することができる機器であれば良く、例えば軸流ファンで構成されても良いがこれに限定されない。

0053

このような構成により、減圧器12が故障し、第2排水経路11の圧損バランスが崩れ、第1気液分離器3から水素が第2排水経路11を介して流通してきても、この水素を、第2気液分離器5及び排気経路10を通じてすでに酸素濃度の低い排ガスで希釈することができる。そして、この希釈された水素を、換気器14を作動させることで、より低濃度にして水素エネルギーシステム100Bの外部へ排出することができる。

0054

(変形例2)
[装置構成]
図4は、第1実施形態の水素エネルギーシステムの変形例2の構成を示す図である。

0055

第1実施形態の変形例2の水素エネルギーシステム100Cは、第1実施形態の水素エネルギーシステム100に対し、水素を利用する水素利用装置4が燃料電池であり、水素排出経路15と、水素循環経路16と、パージ弁17とが追加された構成である。

0056

水素循環経路15は、水素利用装置4と第2気液分離器5とを繋ぐ。

0057

水素循環経路16は、第2水素経路8と水素排出経路15を繋ぐ。

0058

パージ弁17は水素排出経路15の経路中に配置される。

0059

水素利用装置4である燃料電池について更に説明する。燃料電池は、水素ガスおよび酸化剤ガス(例えば空気)を用いて発電する。具体的には、燃料電池は、水素と酸素とを電気化学反応させて発電を行う。例えば、電解質をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体(MEA)と、MAEを挟み、流路を持つカーボン材料あるいはステンレスやチタンなどの金属材料を加工したセパレータからなるセル積層体とを備える。なお、アノードおよびカソード(電極)は、例えば、白金などの貴金属触媒により構成されているが、これに限定されない。

0060

水素排出経路15について更に説明すると、水素排出経路15は燃料電池で消費されなかった水素を排出する経路である。

0061

水素循環経路16について更に説明する。水素循環経路16は、水素排出経路15と第2水素経路8とを連結し、燃料電池から排出された水素を再度燃料電池で利用するための経路である。水素循環経路16には昇圧ポンプ(例えば、ダイアフラム式ポンプ)を備えても良い。水素循環経路16を備えることで水素利用装置4である燃料電池の水素利用効率を向上することができる。

0062

パージ弁17は、水素排出経路15を流れる水素の流通、遮断ができる開閉弁であれば良い。例えば直動式電磁弁であっても良い。パージ弁17の開動作により、水素再利用の閉回路構成(パージ弁17を閉じたときの回路構成)において生じる水素濃度低下を解消することができる。

0063

このように、水素利用装置4が燃料電池となり、水素利用装置4からの排出経路が複数となった場合においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、減圧器12が故障し、第2排水経路11の圧損バランスが崩れ、第1気液分離器3から水素が第2排水経路11を介して流通してきても、第2気液分離器5を介し、排気経路10を通じて水素は外部に排出される。このたため、新たに減圧弁、閉止弁などを備える必要なく、水素エネルギーシステム100Cを簡素な構成とすることができる。

0064

第1実施形態、第2実施形態、変形例1及び変形例2の水素エネルギーシステム100,100A,100B,100Cは、矛盾を生じない限り、互いに組み合わせても構わない。

0065

上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。

0066

本開示の一態様の水素エネルギーシステムは、水電解装置と水電解装置で生成した水を利用する水素利用装置とを備え、気液分離器により分離された水を水電解に再利用する水素エネルギーシステムに利用できる。

0067

1水電解装置
2水タンク
3 第1気液分離器
4水素利用装置
5 第2気液分離器
6水循環経路
7 第1水素経路
8 第2水素経路
9 第1排水経路
10排気経路
11 第2排水経路
12減圧器
13 第3排水経路
14換気器
15水素排出経路
16水素循環経路
17パージ弁
100,100A,100B,100C 水素エネルギーシステム

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