特許 7363401 水電解システム、水電解システムの制御方法、および、コンピュータプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-10

(45)【発行日】2023-10-18

(54)【発明の名称】水電解システム、水電解システムの制御方法、および、コンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/02 20210101AFI20231011BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

C25B15/02

C25B1/04

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019208704

(22)【出願日】2019-11-19

(65)【公開番号】P2021080520

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-07-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(72)【発明者】

【氏名】村田 元

(72)【発明者】

【氏名】関 純太郎

(72)【発明者】

【氏名】香山 智之

(72)【発明者】

【氏名】植田 忠伸

【審査官】萩原 周治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０７２１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２５６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１９３２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１２４７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８１６６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０３９９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７５０３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００－１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解システムであって、
水を電気分解することで、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する電解セルと、
前記水素極に接続され、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離部と、
前記第１水素側気液分離部に接続され、前記第１水素側気液分離部で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離部と、
前記酸素極と前記第２水素側気液分離部とのそれぞれに接続され、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体と、前記第２水素側気液分離部から供給される液体と、を前記電解セルに供給する酸素側気液分離部と、
前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整部と、
前記水位調整部を制御する水位制御部と、を備え、
前記水位制御部は、前記第２水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくする、
水電解システム。

【請求項2】

水電解システムであって、
水を電気分解することで、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する電解セルと、
前記水素極に接続され、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離部と、
前記第１水素側気液分離部に接続され、前記第１水素側気液分離部で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離部と、
前記酸素極と前記第２水素側気液分離部とのそれぞれに接続され、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体と、前記第２水素側気液分離部から供給される液体と、を前記電解セルに供給する酸素側気液分離部と、
前記第２水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくなるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整部と、
前記第２水素側気液分離部の前記第２気相空間に水素の燃焼を抑制する気体を供給する気体供給部と、を備える、
水電解システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の水電解システムは、さらに、
前記第２水素側気液分離部の前記第２気相空間の水素濃度を検出する濃度検出部と、
前記濃度検出部が検出する水素濃度を用いて、前記電解セルでの水の電気分解を制御するセル制御部と、を備え、
前記セル制御部は、前記濃度検出部によって検出される水素濃度が所定値より大きい場合、前記電解セルでの水の電気分解を停止させる、
水電解システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水位調整部は、前記第２気相空間の体積が前記第１気相空間の体積の２５倍以上となるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する、
水電解システム。

【請求項5】

請求項４に記載の水電解システムであって、
前記水位調整部は、
前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の水位を検出する水位検出部と、
前記第１水素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への液体の供給量を調整する流量調整バルブと、
前記水位検出部が検出する水位を用いて、前記第１気相空間の体積に対する前記第２気相空間の体積の比率を求める算出部と、
前記算出部によって求められた前記比率を用いて、前記流量調整バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を有し、
前記バルブ制御部は、
前記比率が２５より小さい場合、前記第１水素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への液体の供給量を減少させる、
水電解システム。

【請求項6】

請求項５に記載の水電解システムは、さらに、
前記第２水素側気液分離部から前記第１水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第１逆流防止バルブを備える、
水電解システム。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水電解システムは、さらに、
前記酸素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第２逆流防止バルブを備える、
水電解システム。

【請求項8】

水電解システムの制御方法であって、
電解セルにおいて水を電気分解し、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する生成工程と、
第１水素側気液分離部において、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離工程と、
第２水素側気液分離部において、前記第１水素側気液分離工程で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離工程と、
前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離する酸素側気液分離工程と、
前記第２水素側気液分離工程において水素が分離された液体と、前記酸素側気液分離工程において酸素が分離された液体とを、前記電解セルに供給する供給工程と、
前記第２水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくなるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整工程と、を備える、
水電解システムの制御方法。

【請求項9】

水電解システムの制御をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムであって、
電解セルにおいて水を電気分解し、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する生成機能と、
第１水素側気液分離部において、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離機能と、
第２水素側気液分離部において、前記第１水素側気液分離機能によって水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離機能と、
前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離する酸素側気液分離機能と、
前記第２水素側気液分離機能によって水素が分離された液体と、前記酸素側気液分離機能によって酸素が分離された液体とを、前記電解セルに供給する供給機能と、
前記第２水素側気液分離機能によって分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離機能によって分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくなるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整機能と、を前記コンピュータに実行させる、
コンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解システム、水電解システムの制御方法、および、コンピュータプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水から水素と酸素を生成する水電解システムが知られている。水電解システムでは、一般的に、水を電気分解し水素と酸素を生成する電解セルから、生成された水素や酸素とともに電気分解されなかった水が排出される。この電解セルから排出される水は、気液分離によって回収され、再び、電解セルでの水の電気分解に利用される。例えば、非特許文献１には、水素極から排出される水素と水の混合物を気液分離し、電解セルに供給される水を貯留する水タンクに、気液分離によって得られた水を送る技術が開示されている。また、特許文献１には、水素側の気液分離装置と、酸素側の気液分離装置とのそれぞれにおける水位の変化を制御することで各気液分離装置におけるガス圧力の変動を抑制しつつ、２つの気液分離装置のそれぞれで得られた水を１つのタンクに送る技術が開示されている。また、非特許文献２には、水素側の気液分離器において得られた水を、細孔チューブを介して酸素側の気液分離器に送る技術が記載されている。また、非特許文献３には、水素側の気液分離器において得られた水を系外に排出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－２６０１７６号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】「水素ガス発生装置｜特機製品｜法人のお客様向けサイト－マクセル」、［online］、[令和１年１０月２９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://biz.maxell.com/ja/tokki/h2generator.html＞

【文献】「Ｈｏｎｄａ｜環境｜ドキュメンタリー｜ｆａｃｅ」、［online］、[令和１年１０月２９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.honda.co.jp/environment/face/case56/episode/episode02.html＞

【文献】「水素発生装置｜製品紹介｜Ｈｉｔｚ日立造船株式会社」、［online］、[令和１年１０月２９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.hitachizosen.co.jp/filter/hydrogen-generator/index.html＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１に記載の水電解システムでは、水タンクには、電解セルの酸素極から排出される酸素と水との混合物が送られる。このため、水素側の気液分離装置の水とともに水素が水タンクに送られると、水タンクの内部において、酸素との混合によって水素が燃焼するおそれがある。また、特許文献１に記載の水電解システムでは、複数のバルブを制御することで気液分離装置のそれぞれにおける水位の変化を制御しているため、バルブの不具合によって水位を制御できない場合、それぞれの気液分離装置から水素と酸素とがタンクに流入すると、タンクにおいて水素が酸素と混合し水素が燃焼するおそれがある。また、非特許文献２に記載の水電解システムでは、細孔チューブを用いることで水素側の気液分離器から酸素側の気液分離器への流体の流れを絞り、水素が酸素側の気液分離器に流入しないようにしている。しかしながら、細孔チューブを用いても水素が酸素側の気液分離器に流入するおそれがあるため、酸素との混合によって水素が燃焼するおそれがある。また、非特許文献３のように、水素側の気液分離器において分離された水を系外に排出することで、酸素との混合による水素の燃焼を防止することはできる。しかしながら、電気分解に用いられる水は、純度を高めるためにコストがかかっており、電気分解されなかった高純度の水を再利用せずに水電解システムの系外に排出することは、水素と酸素の製造コストの増加につながる。

【0006】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水電解システムにおいて、水素と酸素の製造コストを低減しつつ、酸素との混合による水素の燃焼を抑制する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0008】

（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、水を電気分解することで、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する電解セルと、前記水素極に接続され、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離部と、前記第１水素側気液分離部に接続され、前記第１水素側気液分離部で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離部と、前記酸素極と前記第２水素側気液分離部とのそれぞれに接続され、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体と、前記第２水素側気液分離部から供給される液体と、を前記電解セルに供給する酸素側気液分離部と、前記第２水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくなるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整部と、を備える。

【0009】

この構成によれば、水素極から排出される水素と水との混合物は、第１水素側気液分離部と第２水素側気液分離部とにおいて気液を分離され、得られた液体は、酸素側気液分離部に供給される。第２水素側気液分離部から酸素側気液分離部に供給された液体は、酸素極から排出される酸素と水との混合物を気液分離して得られた液体とともに、電解セルに供給される。これにより、電解セルで排出された水を電解セルでの水の電気分解に再利用することができるため、水の無駄がなくなり、水素と酸素の製造コストを低減することができる。また、水位調整部は、第２水素側気液分離部の第２気相空間の体積が、第１水素側気液分離部の第１気相空間の体積より大きくなるように、第１水素側気液分離部および第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する。これにより、第１水素側気液分離部で得られた水素が第２水素側気液分離部に流入しても、第２水素側気液分離部の第２気相空間において希釈されるため、酸素と混合しても水素が燃焼することを抑制することができる。したがって、水素と酸素の製造コストを低減しつつ、酸素との混合による水素の燃焼を抑制することができる。

【0010】

（２）上記形態の水電解システムは、さらに、前記第２水素側気液分離部の前記第２気相空間に水素の燃焼を抑制する気体を供給する気体供給部を備えてもよい。この構成によれば、第２気相空間には、水素の燃焼を抑制する気体が気体供給部によって供給される。これにより、第２気相空間での水素の燃焼をさらに抑制することができる。

【0011】

（３）上記形態の水電解システムは、さらに、前記第２水素側気液分離部の前記第２気相空間の水素濃度を検出する濃度検出部と、前記濃度検出部が検出する水素濃度を用いて、前記電解セルでの水の電気分解を制御するセル制御部と、を備え、前記セル制御部は、前記濃度検出部によって検出される水素濃度が所定値より大きい場合、前記電解セルでの水の電気分解を停止させてもよい。この構成によれば、第２水素側気液分離部の第２気相空間の水素濃度が所定値より大きい場合、セル制御部は、電解セルでの水の電気分解を停止させる。これにより、例えば、所定値を水素の可燃限界より小さい値とすることで、水素濃度が所定値より大きいと電解セルでの水素の生成が停止されるため、新たな水素の発生が停止し、水素濃度が酸素との混合によって燃焼する濃度以上となることがなくなる。したがって、酸素との混合による水素の燃焼を未然に防止することができる。

【0012】

（４）上記形態の水電解システムにおいて、前記水位調整部は、前記第２気相空間の体積が前記第１気相空間の体積の２５倍以上となるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整してもよい。この構成によれば、第１気相空間の濃度１００％の水素が第１水素側気液分離部から第２水素側気液分離部に流入しても、第２気相空間の体積は、第１気相空間の体積の２５倍以上となっているため、第２気相空間での水素の濃度は、水素と酸素との可燃限界である４％より低くなる。これにより、第２気相空間での水素の燃焼を防止することができる。

【0013】

（５）上記形態の水電解システムにおいて、前記水位調整部は、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の水位を検出する水位検出部と、前記第１水素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への液体の供給量を調整する流量調整バルブと、前記水位検出部が検出する水位を用いて、前記第１気相空間の体積に対する前記第２気相空間の体積の比率を求める算出部と、前記算出部によって求められた前記比率を用いて、前記流量調整バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を有し、前記バルブ制御部は、前記比率が２５より小さい場合、前記第１水素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への液体の供給量を減少させてもよい。この構成によれば、水位調整部では、第１水素側気液分離部および第２水素側気液分離部の少なくとも一方の水位から、算出部は、第１気相空間の体積に対する第２気相空間の体積の比率を求める。水位調整部は、求めた比率が２５より小さい場合、第１水素側気液分離部から第２水素側気液分離部への液体の供給量を減少させるように、流量調整バルブを制御する。これにより、第２水素側気液分離部の水位が下がるとともに、第１水素側気液分離部の水位が上がり、第２気相空間の体積を第１気相空間の体積の２５倍以上にすることができる。したがって、第２気相空間での水素の燃焼を防止することができる。

【0014】

（６）上記形態の水電解システムにおいて、前記第２水素側気液分離部から前記第１水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第１逆流防止バルブを備えてもよい。この構成によれば、第１逆流防止バルブによって、第２水素側気液分離部から第１水素側気液分離部への流体の逆流が防止される。これにより、酸素側気液分離部で得られた酸素が第２水素側気液分離部に流入しても、第２水素側気液分離部から第１水素側気液分離部に酸素が流入することを防止することができる。したがって、第１水素側気液分離部の水素と酸素とが混合することを防止できるため、第１水素側気液分離部での酸素との混合による水素の燃焼を確実に抑制することができる。

【0015】

（７）上記形態の水電解システムにおいて、前記酸素側気液分離部から前記第２水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第２逆流防止バルブを備えてもよい。この構成によれば、第２逆流防止バルブによって、酸素側気液分離部から第２水素側気液分離部への流体の逆流が防止される。これにより、水素が希釈されることによって水素の燃焼のおそれがない第２水素側気液分離部であっても、酸素側気液分離部から酸素が流入することを防止することができる。したがって、第２水素側気液分離部での酸素との混合による水素の燃焼を確実に抑制することができる。

【0016】

（８）本発明の別の形態によれば、水電解システムの制御方法が提供される。この水電解システムの制御方法は、電解セルにおいて水を電気分解し、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する生成工程と、第１水素側気液分離部において、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第１水素側気液分離工程と、第２水素側気液分離部において、前記第１水素側気液分離工程で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第２水素側気液分離工程と、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離する酸素側気液分離工程と、前記第２水素側気液分離工程において水素が分離された液体と、前記酸素側気液分離工程において酸素が分離された液体とを、前記電解セルに供給する供給工程と、前記第２水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第２気相空間の体積が、前記第１水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第１気相空間の体積より大きくなるように、前記第１水素側気液分離部および前記第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整工程と、を備える。この構成によれば、水素極から排出される水素と水との混合物は、第１水素側気液分離工程と第２水素側気液分離工程において気液を分離される。このとき得られた液体は、酸素極側から排出される酸素と水との混合物を気液分離して得られた液体とともに、電解セルに供給される。これにより、電解セルで排出された水を電解セルでの水の電気分解に再利用することができる。また、水位調整工程では、第２水素側気液分離部の第２気相空間の体積が、第１水素側気液分離部の第１気相空間の体積より大きくなるように、第１水素側気液分離部および第２水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する。これにより、第１水素側気液分離部で得られた水素が第２水素側気液分離部に流入しても、第２水素側気液分離部の第２気相空間において希釈されるため、酸素と混合しても水素が燃焼することを抑制することができる。したがって、水素と酸素の製造コストを低減しつつ、酸素との混合による水素の燃焼を抑制することができる。

【0017】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解システムにおいて水の電気分解をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態の水電解システムの概略構成を示した模式図である。

【図2】第１実施形態の水電解システムの作用を説明する模式図である。

【図3】比較例の水電解システムの概略構成を示した模式図である。

【図4】第２実施形態の水電解システムの概略構成を示した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解システム１の概略構成を示した模式図である。本実施形態の水電解システム１では、電解セル１０での水の電気分解によって水素と酸素を生成し、電解セル１０で電気分解されなかった水を回収し、電解セル１０での電気分解に再利用する。本実施形態の水電解システム１では、水素と酸素を効率的にかつ高純度で生成するため、不純物が少ない純度が高められた純水に対して電気分解が行われる。水電解システム１は、電解セル１０と、第１水素側気液分離器２０と、第２水素側気液分離器３０と、気体供給部４０と、酸素側気液分離器５０と、制御部６０とを備える。

【0020】

電解セル１０は、ＰＥＭ型水電解セルであって、ＭＥＡ１１を有する。ＭＥＡ１１は、水素イオンと水を通すことが可能な電解質膜１１ａの両面に、水の電気分解によって生成された酸素イオンから酸素を生成する酸素極１１ｂと、水素イオンから水素を生成する水素極１１ｃと、が接合されたものである。

【0021】

酸素極１１ｂには、酸素極１１ｂの電解質膜１１ａとは反対側に酸素極側流路１２が形成されている。酸素極側流路１２は、溝や多孔質部材で形成され、後述する酸素側気液分離器５０が供給する電気分解用の水と、酸素極１１ｂで生成される酸素が流れる。

【0022】

水素極１１ｃには、水素極１１ｃの電解質膜１１ａとは反対側に水素極側流路１３が形成されている。水素極側流路１３は、溝や多孔質部材で形成され、水素極１１ｃで生成される水素と、水素イオンとともにＭＥＡ１１を通って酸素極側流路１２から水素極側流路１３に移動した水（以下、「随伴水」という）が流れる。

【0023】

電解セル１０では、酸素極側流路１２に水が供給されている状態でＭＥＡ１１の酸素極１１ｂと水素極１１ｃに電力が供給されると、酸素極１１ｂにおいて水が電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。生成された酸素は、電気分解されなかった水の一部とともに酸素極側流路１２を通って電解セル１０の外部に排出される。これにより、電解セル１０では、酸素極側である酸素極側流路１２の出口１２ａから、生成された酸素と、電気分解されなかった水の一部が、電解セル１０の外に排出される。なお、本実施形態での酸素極側流路１２における酸素と水の流れ方向は、図１に示す点線矢印Ａ１２が示す方向である。

【0024】

また、酸素極１１ｂで生成された水素イオンは、電気分解されなかった水のうち電解セル１０の外部に排出されなかった水（随伴水）とともに、酸素極１１ｂから水素極１１ｃに移動し、水素極１１ｃにおいて電子と結合することで水素となる。水素は、随伴水とともに、水素極側流路１３を通って電解セル１０の外部に排出される。これにより、電解セル１０では、水素極側である水素極側流路１３の出口１３ａから、生成された酸素と、随伴水が、電解セル１０の外に排出される。なお、本実施形態での水素極側流路１３における水素と随伴水の流れ方向は、図１に示す点線矢印Ａ１３が示す方向である。

【0025】

第１水素側気液分離器２０は、流路９１を介して、電解セル１０の水素極１１ｃと接続されている。流路９１は、一端が水素極側流路１３の出口１３ａに接続し、他端が第１水素側気液分離器２０の第１気相空間２０ａに接続している。流路９１には、流路９１を流れる水素と水との混合物を昇圧するポンプ９１ａが配置されている。

【0026】

第１水素側気液分離器２０は、例えば、遠心力式気液分離器であり、円筒状の容器内に、容器形状に対して略接線方向から水素極側流路１３の出口１３ａから排出される水素と水との混合物を噴射する。これにより、混合物に含まれる水素と水とが、遠心力の差によって分離される。気液分離によって得られた水素は、容器内において鉛直方向上側の第１気相空間２０ａに溜まり、気液分離によって水素が分離された液体は、容器内において鉛直方向下側の第１液相空間２０ｂに溜まる。第１水素側気液分離器２０における気液分離によって得られた液体は、ほとんど水であるが、微量の水素が、例えば、気泡の状態で含まれている。第１液相空間２０ｂに溜まる液体は、特許請求の範囲の「第１水素側気液分離部で水素が分離された液体」に相当する。なお、第１水素側気液分離器２０の気液分離の方法は、遠心力式に限定されず、フィルタを用いる方法や、サイクロンを用いる方法、冷却式であってもよい。

【0027】

第１水素側気液分離器２０には、第１水素側気液分離器２０の第１液相空間２０ｂの容積に対応する、水位を検出する水位計２１が配置されている。水位計２１は、後述する制御部６０と電気的に接続しており、第１液相空間２０ｂに溜まっている液体の水位に応じた値を制御部６０に出力する。なお、水位計２１が検出する値は、第１水素側気液分離器２０内の水位に限定されない。水位計２１が検出する値は、第１液相空間２０ｂの容積に対応する値であればよく、第１水素側気液分離器２０における第１気相空間２０ａと第１液相空間２０ｂとの比率であってもよいし、第１水素側気液分離器２０で単位時間あたりに水素が分離される液体の量であってもよい。水位計２１は、特許請求の範囲の「水位検出部」に相当する。

【0028】

第１水素側気液分離器２０の第１気相空間２０ａには、第１気相空間２０ａの水素を第１水素側気液分離器２０から排出する排出ポート２２が接続されている。排出ポート２２には、排出ポート２２を流れる気体の圧力を検出する圧力センサ２２ａと、排出ポート２２を流れる気体の流量および水度濃度を検出する流量濃度センサ２２ｂが配置されている。

【0029】

第１水素側気液分離器２０の第１液相空間２０ｂには、流路９２の一端が接続されている。流路９２の他端は、２つの流路９３、９４接続している。流路９３は、電解セル１０の水素極側流路１３の入口１３ｂに接続している。流路９４は、第２水素側気液分離器３０に接続している。

【0030】

流路９３には、流量調整バルブ９３ａが配置されている。流量調整バルブ９３ａは、制御部６０と電気的に接続し、制御部６０からの指令に応じて、流路９３を流れる液体の流量を調整する。流路９３には、電解セル１０においてＭＥＡ１１が乾燥しＭＥＡ１１が劣化することを抑制するため、水素極側流路１３に供給される液体が流れる。水素極側流路１３に供給された液体に含まれる水は、ＭＥＡ１１を通って酸素極側流路１２にカソードフィードされることで、ＭＥＡ１１の乾燥を抑制することができる。

【0031】

流路９４には、流量調整バルブ９４ａと、逆流防止バルブ９４ｂとが配置されている。流量調整バルブ９４ａは、制御部６０と電気的に接続し、制御部６０からの指令に応じて、流路９４を流れる液体の流量を調整する。逆流防止バルブ９４ｂは、第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０への流体の流れを許容する一方、第２水素側気液分離器３０から第１水素側気液分離器２０への流体の逆流を防止する。流量調整バルブ９４ａは、特許請求の範囲の「水位調整部」に相当する。逆流防止バルブ９４ｂは、特許請求の範囲の「第１逆流防止バルブ」に相当する。

【0032】

第２水素側気液分離器３０は、流路９４と流路９２を介して、第１水素側気液分離器２０の第１液相空間２０ｂに接続されている。流路９４は、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに接続している。第２水素側気液分離器３０は、例えば、遠心力式気液分離器であり、円筒状の容器内に、容器形状に対して略接線方向から第１水素側気液分離器２０の第１液相空間２０ｂから供給される水を噴射する。これにより、第１液相空間２０ｂから供給される液体は気液分離され、例えば、気泡となって水に混在していた水素は、遠心力の差によって分離される。気液分離によって得られた水素は、容器内において鉛直方向上側の第２気相空間３０ａに溜まる。第２気相空間３０ａに溜まる水素は、第１水素側気液分離器２０での気液分離によって得られた液体に含まれていた水素であるため、微量である。このため、第２気相空間３０ａの水素濃度は、比較的低くなる。また、気液分離によって得られた液体は、容器内において鉛直方向下側の第２液相空間３０ｂに溜まる。第２水素側気液分離器３０における気液分離によって得られた液体は、第１水素側気液分離器２０において得られる液体に比べ、水素の含有量がさらに少ない水である。第２液相空間３０ｂに溜まる液体は、特許請求の範囲の「第２水素側気液分離部から供給される液体」に相当する。なお、第２水素側気液分離器３０の気液分離の方法は、遠心力式に限定されず、フィルタを用いる方法や、サイクロンを用いる方法、冷却式であってもよい。

【0033】

第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａには、第２気相空間３０ａの水素を第２水素側気液分離器３０から排出する排出ポート３１が接続されている。排出ポート３１には、第２気相空間３０ａの気体と空気とを混合するスタティックミキサ３１ａと、排出ポート３１を介して排出される気体の流量を調整する流量調整バルブ３１ｂが配置されている。

【0034】

第２水素側気液分離器３０の第２液相空間３０ｂには、流路９５の一端が接続されている。流路９５の他端は、酸素側気液分離器５０に接続されている。流路９５は、第２水素側気液分離器３０から酸素側気液分離器５０に供給される第２液相空間３０ｂの液体が流れる。流路９５には、逆流防止バルブ９５ａが配置されている。逆流防止バルブ９５ａは、第２水素側気液分離器３０から酸素側気液分離器５０への流体の流れを許容する一方、酸素側気液分離器５０から第２水素側気液分離器３０への流体の逆流を防止する。逆流防止バルブ９５ａは、特許請求の範囲の「第２逆流防止バルブ」に相当する。

【0035】

気体供給部４０は、第２水素側気液分離器３０に接続されている。気体供給部４０は、ガス配管４０ａと、ガスタンク４０ｂと、逆流防止バルブ４０ｃを有する。ガス配管４０ａは、一端が第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに接続されている。ガスタンク４０ｂは、ガス配管４０ａの他端に接続されており、水素の燃焼を抑制する気体、例えば、窒素を貯留している。逆流防止バルブ４０ｃは、ガスタンク４０ｂから第２水素側気液分離器３０への流体の流れを許容する一方、第２水素側気液分離器３０からガスタンク４０ｂへの流体の逆流を防止する。気体供給部４０は、制御部６０と電気的に接続しており、制御部６０からの指令に応じて、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに窒素を供給する。

【0036】

酸素側気液分離器５０は、流路９６を介して、電解セル１０の酸素極１１ｂに接続されている。流路９６は、酸素極側流路１２の出口１２ａと、酸素側気液分離器５０の気相空間５０ａとを接続している。

【0037】

酸素側気液分離器５０は、例えば、遠心力式気液分離器であり、円筒状の容器内に、容器形状に対して略接線方向から酸素極側流路１２の出口１２ａから排出される酸素と水との混合物を噴射する。これにより、混合物に含まれる酸素と水とが、遠心力の差によって分離される。分離によって得られた酸素は、容器内において鉛直方向上側の気相空間５０ａに溜まり、分離によって得られた液体は、容器内において鉛直方向下側の液相空間５０ｂに溜まる。酸素側気液分離器５０における気液分離によって得られた液体は、ほとんど水であるが、微量の酸素が、例えば、気泡の状態で含まれている場合がある。液相空間５０ｂに溜まる液体は、特許請求の範囲の「酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体」に相当する。なお、酸素側気液分離器５０の気液分離の方法は、遠心力式に限定されず、フィルタを用いる方法や、サイクロンを用いる方法、冷却式であってもよい。

【0038】

酸素側気液分離器５０の気相空間５０ａには、気相空間５０ａの酸素を酸素側気液分離器５０から排出する排出ポート５１が接続されている。排出ポート５１には、排出ポート５１を流れる気体の圧力を検出する圧力センサ５１ａと、排出ポート５１を流れる気体の流量および酸素濃度を検出する流量濃度センサ５１ｂが配置されている。

【0039】

また、酸素側気液分離器５０の気相空間５０ａには、純水タンク５２が接続されている。純水タンク５２は、流路９７を介して、電解セル１０での電気分解に用いられる水を酸素側気液分離器５０内に供給する。

【0040】

酸素側気液分離器５０の液相空間５０ｂには、流路９５の他端と、流路９８の一端が接続されている。流路９８の他端は、電解セル１０の酸素極側流路１２の入口１２ｂに接続されている。流路９８には、酸素側気液分離器５０での気液分離によって得られた液体を一時的に貯留するバッファタンク９８ａと、バッファタンク９８ａの液体を昇圧するポンプ９１ａが配置されている。

【0041】

制御部６０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータである。制御部６０は、流量調整バルブ９３ａによる水素極側流路１３への水の供給の制御や、流量調整バルブ９４ａによる第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０への水の供給量の制御などを行う。制御部６０の制御内容の詳細は、後述する。制御部６０は、特許請求の範囲の「算出部」、および、「バルブ制御部」に相当する。

【0042】

次に、水電解システム１における水電解処理の工程を説明する。水電解システム１では、生成工程として、純水タンク５２が酸素側気液分離器５０を介して酸素極側流路１２に供給する純水を電気分解し、酸素極１１ｂで酸素を生成し、水素極１１ｃで水素を生成する。このとき、電気分解されなかった純水が、酸素極側流路１２では、生成された酸素とともに流路９６に排出され、水素極側流路１３では、生成された水素とともに流路９１に排出される。

【0043】

水素極１１ｃ側では、水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物は、ポンプ９１ａによって昇圧された後、第１水素側気液分離器２０に送られる。第１水素側気液分離器２０は、第１水素側気液分離工程として、水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物から気液を分離する。これにより、水素は、第１気相空間２０ａに溜まり、水素が分離された液体は、第１液相空間２０ｂに溜まる。第１気相空間２０ａに溜まった水素は、排出ポート２２を介して図示しない水素を利用する装置、例えば、炭化水素を生成する装置などに供給される。

【0044】

第１液相空間２０ｂに溜まっている液体は、流路９２を流れる。水電解システム１では、通常、流量調整バルブ９３ａは閉じられているため、流路９２を流れる液体は、流路９４を通って第２水素側気液分離器３０に送られる。流路９４を通って第２水素側気液分離器３０に送られる液体は、第２水素側気液分離工程として、第２水素側気液分離器３０において、さらに気液分離される。これにより、気泡などの形で液体に混在している水素は、第２気相空間３０ａに溜まり、さらに水素が分離された液体は、第２液相空間３０ｂに溜まる。第２気相空間３０ａに溜まった水素は、比較的低濃度であり、排出ポート３１を介して、空気と混合された状態で大気中に放出される。また、第２液相空間３０ｂに溜まった液体は、流路９５を流れ、酸素側気液分離器５０に送られる。

【0045】

また、本実施形態では、制御部６０は、流量調整バルブ９３ａの開度を制御し、流路９２を流れる水を水素極側流路１３に供給させる。具体的には、電解セル１０が有するＭＥＡ１１の電圧が許容値以上になったことを図示しない電圧計が検出すると、制御部６０は、流量調整バルブ９３ａの開度を制御する。これにより、流路９２を流れる液体の一部は、流量調整バルブ９３ａの開閉の程度に応じて流路９３を流れ、電解セル１０の水素極側流路１３に供給される。これにより、ＭＥＡ１１を通って水素極側流路１３から酸素極側流路１２に液体に含まれる水が移動するため、ＭＥＡ１１の乾燥を抑制することができる。

【0046】

本実施形態の水電解処理では、第１水素側気液分離器２０での水素と水の混合物の気液分離と、第２水素側気液分離器３０での水の気液分離とにおいて、水位調整工程を行う。具体的には、制御部６０は、水位計２１が検出する水位を用いて第２気相空間３０ａの体積に対する第１気相空間２０ａの体積の比率を求める。このとき、制御部６０は、例えば、定常運転時に電解セル１０から排出される水の単位時間当たりの量と、水位計２１が検出する第１液相空間２０ｂの液体の水位と、を用いて、第２気相空間３０ａの体積に対する第１気相空間２０ａの体積の比率を求める。制御部６０は、この比率を用いて第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの２５倍以上となるように、流量調整バルブ９４ａの開度を制御する。

【0047】

図２は、第１実施形態の水電解システム１の作用を説明する模式図である。最初に、第１水素側気液分離器２０と第２水素側気液分離器３０とのそれぞれの水位の関係について説明する。第１水素側気液分離器２０と第２水素側気液分離器３０とのそれぞれには、標準水位と、水位上限と、水位下限とが設定されている。具体的には、図２に示すように、第１水素側気液分離器２０には、標準水位１ＳＬと、水位上限１ＵＬと、水位下限１ＬＬとが設定されている。また、第２水素側気液分離器３０には、標準水位２ＳＬと、水位上限２ＵＬと、水位下限２ＬＬとが設定されている。本実施形態では、第１水素側気液分離器２０の水位と第２水素側気液分離器３０の水位とは、ある程度連動している。具体的には、電解セル１０で定常運転が行われているとき、第１水素側気液分離器２０が多量の水を第２水素側気液分離器３０に供給すると、第１水素側気液分離器２０の水位が下がる一方、第２水素側気液分離器３０の水位は上がる。また、第１水素側気液分離器２０が少量の水を第２水素側気液分離器３０に供給すると、第１水素側気液分離器２０の水位が上がる一方、第２水素側気液分離器３０の水位は下がる。本実施形態では、制御部６０は、水位計２１が出力する値を用いて、流量調整バルブ９４ａの開度を制御し、第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの２５倍以上となるように、流量調整バルブ９４ａの開度を制御する。

【0048】

例えば、図２に示すように、第２水素側気液分離器３０の水位が上昇し、第２気相空間３０ａの体積が小さくなっているとき、制御部６０は、流量調整バルブ９４ａの開度を小さくし、第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０に送られる液体の量を少なくする。これにより、第１水素側気液分離器２０の水位が、標準水位１ＳＬの近傍まで、白抜き矢印Ｆ１のように上昇する一方、第２水素側気液分離器３０の水位は、標準水位２ＳＬの近傍まで、白抜き矢印Ｆ２のように低下する。制御部６０は、このようにして、第２気相空間３０ａの体積が、第１気相空間２０ａの２５倍以上となるように、第１水素側気液分離器２０の水位と、第２水素側気液分離器３０の水位とを保つ。本実施形態では、第１水素側気液分離器２０の水位が水位下限１ＬＬであって、第２水素側気液分離器３０の水位が水位上限２ＵＬであるとき、第２気相空間３０ａの体積が、第１気相空間２０ａの２５倍となるように、２つの水素側気液分離器の水位レベルが設定されている。すなわち、第１水素側気液分離器２０の水位が水位下限１ＬＬより低くなるとき、第２気相空間３０ａの体積が、第１気相空間２０ａの２５倍より小さくなるため、制御部６０は、流量調整バルブ９４ａの開度を小さくし、第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０に送られる液体の量を少なくする。

【0049】

また、酸素極１１ｂ側では、酸素極側流路１２から排出される酸素と水の混合物は、酸素側気液分離器５０に送られる。酸素側気液分離器５０は、酸素側気液分離工程として、酸素極側流路１２から排出される酸素と水の混合物から気液を分離する。これにより、酸素は気相空間５０ａに溜まり、酸素が分離された液体は、液相空間５０ｂに溜まる。気相空間５０ａに溜まった酸素は、排出ポート５１を介して図示しない酸素を利用する装置に供給される。

【0050】

液相空間５０ｂに溜まっている液体には、流路９５を介して第２水素側気液分離器３０から送られる液体が混ぜられる。すなわち、酸素側気液分離器５０の液相空間５０ｂには、第２水素側気液分離工程での分離によって得られた液体と、第２水素側気液分離工程での分離によって得られた液体とが溜められる。また、液相空間５０ｂには、電解セル１０での電気分解の進行に応じて、純水タンク５２が供給する純水も溜められる。酸素側気液分離器５０は、供給工程として、液相空間５０ｂの液体を電解セル１０の酸素極１１ｂに供給する。電解セル１０では、酸素側気液分離器５０が供給する液体に含まれる水を電気分解し、水素と酸素とを生成する。これにより、純水タンク５２が供給する純水を系外に排出することなく水の電気分解を行うことができる。

【0051】

また、本実施形態の水電解処理では、制御部６０は、水電解システム１における水電解処理が行われている間、気体供給部４０によって、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに窒素を供給する。これにより、第２気相空間３０ａの水素濃度はさらに低下するため、第２気相空間３０ａでの酸素との混合によって水素が燃焼することを防止することができる。

【0052】

図３は、比較例の水電解システム５の概略構成を示した模式図である。ここでは、比較例の水電解システム５での水電解処理を説明する。図３に示す比較例の水電解システム５は、本実施形態の水電解システム１と比較して、水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物は、第１水素側気液分離器２０のみで気液が分離される構成となっている。すなわち、比較例の水電解システム５は、図３に点線で示す、本実施形態の第２水素側気液分離器３０を備えていない。

【0053】

比較例の水電解システム５では、水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物は、第１水素側気液分離器２０において、水素極側流路１３から排出される水素と水の混合物から気液を分離する。このとき、第１水素側気液分離器２０の第１気相空間２０ａには水素が溜まることとなる。すなわち、第１水素側気液分離器２０の内部には、酸素側気液分離器５０に送られる液体とともに、高濃度の水素が存在する。このため、第１水素側気液分離器２０の第１液相空間２０ｂの液体を酸素側気液分離器５０に送るとき、水素も酸素側気液分離器５０に送られるおそれがある。酸素側気液分離器５０に水素が流入すると、酸素側気液分離器５０の気相空間５０ａに溜まっている酸素と混合し、水素が燃焼する。特に、酸素側気液分離器５０の気相空間５０ａでの酸素濃度は、酸素極１１ｂにおいて生成された酸素であるため高濃度であり、燃焼への寄与がない窒素成分を含む空気との混合による燃焼と異なり、単位体積あたりの発熱量が高く、激しい燃焼が起きるおそれがある。

【0054】

図３に示す比較例とは異なる別の比較例の水電解システムとして、逆流防止バルブの利用やバルブの開閉制御によって、水素の酸素との混合を抑制する方法がある。しかしながら、耐久性や信頼性の高い部品を採用したとしても、生成される水素や酸素が比較的高圧になるため、このような高圧環境下での使用による劣化や故障などによって正常に作動せず、水素と酸素との混合を防止できないおそれがある。

【0055】

また、センサを用いることで水素と酸素との混合状態を検出し、検出結果を用いて水素と酸素との混合を防止する方法も考えられる。しかしながら、水電解システムで発生する水素と酸素との圧力差が大きい場合、水素と酸素はごく短時間で混合されるため、瞬間的に水素が燃焼する条件に達するおそれがある。さらに、水素と酸素との混合が起きた箇所で着火すると水素が存在する領域にかけて延焼が起きるおそれもある。

【0056】

また、水素と酸素との混合を確実に防止するため、水素極側で気液分離された水を電解セルに戻さない方法も考えられる。しかしながら、水電解システムに使用する水は、本実施形態と同様に、高純度の水であることが多く、多くの不純物の除去にコストをかけているため、水の製造にもコストがかかっている。このため、水素極側で気液分離された水を電解セルに戻さない方法では、水素と酸素の製造コストが増大することとなる。

【0057】

以上説明した、本実施形態の水電解システム１によれば、水素極１１ｃから排出される水素と水との混合物は、第１水素側気液分離器２０と第２水素側気液分離器３０とにおいて気液を分離され、得られた液体は、酸素側気液分離器５０に供給される。第２水素側気液分離器３０から酸素側気液分離器５０に供給された液体は、酸素極１１ｂから排出される酸素と水との混合物を気液分離して得られた液体とともに、電解セル１０に供給される。酸素側気液分離器５０から電解セル１０に供給される液体には、純水タンク５２から供給されたものの電解セル１０での水の電気分解に利用されることなく排出された水が含まれているため、電解セル１０は、排出した純水を再利用することができる。これにより、水の無駄がなくなり、水素と酸素の製造コストを低減することができる。また、制御部６０は、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａの体積が、第１水素側気液分離器２０の第１気相空間２０ａの体積より大きくなるように、第１水素側気液分離器２０の液体の水位を調整する。これにより、第１水素側気液分離器２０で得られた水素が第２水素側気液分離器３０に流入しても、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａにおいて希釈されるため、酸素と混合しても水素が燃焼することを抑制することができる。したがって、水素と酸素の製造コストを低減しつつ、酸素との混合による水素の燃焼を抑制することができる。

【0058】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、高濃度の水素が溜まる第１気相空間２０ａと高濃度の酸素が溜まる気相空間５０ａとの間に、水素が流入しても比較的低濃度となる第２気相空間３０ａを配置することで、高濃度の水素と高濃度の酸素とが混合する可能性を小さくしている。これにより、バルブなど動作部を用いることなく、かつ、動力を消費することなく、水素と酸素との混合を未然に防止することができる。

【0059】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、第２気相空間３０ａには、窒素が気体供給部４０によって供給される。これにより、第２気相空間３０ａでの水素濃度の偏りを解消できるだけでなく、第２気相空間３０ａには窒素が充填されるため、第２気相空間３０ａでの水素の燃焼をさらに抑制することができる。

【0060】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの体積の２５倍以上となるように、第２水素側気液分離器３０の水位を調整する。これにより、万が一、第１気相空間２０ａの濃度１００％の水素が第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０に流入しても、第２気相空間３０ａでの水素の濃度は、水素と酸素との可燃限界である４％より低くなる。したがって、第２気相空間３０ａでの水素の燃焼を防止することができる。

【0061】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、制御部６０では、第１水素側気液分離器２０の水位から第１気相空間２０ａの体積に対する第２気相空間３０ａの体積の比率を求める。制御部６０は、求めた比率が２５より小さい場合、第１水素側気液分離器２０から第２水素側気液分離器３０への液体の供給量を減少させるように、流量調整バルブ９４ａを制御する。これにより、第２水素側気液分離器３０の水位が下がるとともに、第１水素側気液分離器２０の水位が上がり、第２気相空間３０ａの体積を第１気相空間２０ａの体積の２５倍以上にすることができる。したがって、第２気相空間３０ａでの水素の燃焼を防止することができる。

【0062】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、第２水素側気液分離器３０から第１水素側気液分離器２０への流体の逆流を防止する逆流防止バルブ９４ｂが配置されている。これにより、水素が希釈されることによって水素の燃焼のおそれがない第２水素側気液分離器３０に、酸素側気液分離器５０から酸素が流入しても、比較的水素濃度が高い第１水素側気液分離器２０に第２水素側気液分離器３０から酸素が流入することを抑制することができる。したがって、第１水素側気液分離器２０での酸素との混合による水素の燃焼を抑制することができる。

【0063】

また、本実施形態の水電解システム１によれば、酸素側気液分離器５０から第２水素側気液分離器３０への流体の逆流を防止する逆流防止バルブ９５ａが配置されている。図３で説明した比較例の水電解システム５では、使用環境によって酸素側気液分離器５０の流路９８に接続する箇所が氷結することで、酸素側気液分離器５０の気相内圧が上昇し、第１水素側気液分離器２０に酸素が逆流するおそれもある。一方、本実施形態では、逆流防止バルブ９５ａによって、酸素側気液分離器５０から第２水素側気液分離器３０への流体の逆流が防止される。これにより、水素が希釈されることによって水素の燃焼のおそれがない第２水素側気液分離器３０であっても、酸素側気液分離器５０から酸素が流入することを防止することができる。したがって、第２水素側気液分離器３０での酸素との混合による水素の燃焼を確実に抑制することができる。

【0064】

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態における水電解システム２の概略構成を示した説明図である。第２実施形態の水電解システム２は、第１実施形態の水電解システム１（図１）と比較すると、濃度センサが第２水素側気液分離器に設けられている点が異なる。

【0065】

水電解システム２は、電解セル１０と、第１水素側気液分離器２０と、第２水素側気液分離器３０と、濃度計３２と、気体供給部４０と、酸素側気液分離器５０と、制御部６０とを備える。

【0066】

濃度計３２は、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに接続している。濃度計３２は、第２気相空間３０ａの水素濃度を検出する。濃度計３２は、制御部６０と電気的に接続しており、検出した第２気相空間３０ａの水素濃度を制御部６０に出力する。濃度計３２は、特許請求の範囲の「濃度検出部」に相当する。

【0067】

制御部６０は、濃度計３２が出力する第２気相空間３０ａの水素濃度を用いて、水電解処理における電解セル１０での水の電気分解を制御する。具体的には、水電解システム２における水電解処理において、電解セル１０において水の電気分解を行っているとき、濃度計３２によって第２気相空間３０ａの水素濃度を検出する。制御部６０は、濃度計３２が検出する水素濃度が、所定値、例えば、２０００ｐｐｍより大きい場合、電解セル１０での水の電気分解を停止する。電解セル１０での水の電気分解が停止すると、水素が生成されなくなるため、第２水素側気液分離器３０での水素濃度の上昇を抑制することができる。制御部６０は、特許請求の範囲の「セル制御部」に相当する。

【0068】

以上説明した、本実施形態の水電解システム２によれば、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａの水素濃度が２０００ｐｐｍより大きい場合、制御部６０は、電解セル１０での水の電気分解を停止させる。これにより、水素濃度が２０００ｐｐｍより大きいと電解セル１０での水素の生成が停止するため、水素濃度が、酸素との混合によって燃焼する濃度以上となることがなくなる。したがって、酸素との混合による水素の燃焼を未然に防止することができる。

【0069】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0070】

［変形例１］
第１実施形態では、制御部６０は、流量調整バルブ９４ａの制御によって、第１水素側気液分離器２０の液体の水位を調整するとした。しかしながら、制御部６０が水位を調整するのは、第１水素側気液分離器２０に限定されない。第２水素側気液分離器３０の液体の水位を調整してもよいし、第１水素側気液分離器２０と第２水素側気液分離器３０との両方の水位を調整してもよい。このとき、第１水素側気液分離器２０および第２水素側気液分離器３０の少なくとも一方に水位計が配置されていてもよい。また、流路９５に流量調整バルブを配置し、第２水素側気液分離器３０の水位を調整してもよい。第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａの体積が、第１水素側気液分離器２０の第１気相空間２０ａの体積より大きくなるように水位が調整されればよい。また、流量調整バルブ９４ａによる水位の調整は、制御部によらなくてもよく、例えば、第１液相空間２０ｂや第２気相空間３０ｂの水面に浮かべているフロートの位置に応じて給排水を行う方法や、手動で水位を調整してもよい。

【0071】

［変形例２］
第１実施形態の水電解システム１が備える気体供給部４０を、第２実施形態の水電解システム２に適用してもよい。また、第１実施形態の水電解システム１が備える気体供給部４０はなくてもよい。

【0072】

［変形例３］
第１実施形態の水電解システム１では、「水位調整部」は、第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの体積の２５倍以上となるように、第２水素側気液分離器３０の水位を調整するとした。しかしながら、第２気相空間３０ａの体積と第１気相空間２０ａの体積との関係はこれに限定されない。第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの体積より大きければよい。第２気相空間３０ａの体積が第１気相空間２０ａの体積の２５倍以上となるように水位を調整することで、万が一高濃度の水素が第２気相空間３０ａに流入しても、第２気相空間３０ａでの水素濃度は、水素と酸素との可燃限界より確実に低くなるため、酸素との混合によっても水素は燃焼しない。

【0073】

［変形例４］
第１実施形態では、気体供給部４０は、制御部６０からの指令に応じて、第２水素側気液分離器３０の第２気相空間３０ａに窒素を供給するとした。しかしながら、気体供給部４０が第２気相空間３０ａに供給する気体はこれに限定されない。水素の燃焼を抑制する気体であればよく、例えば、燃焼排ガスなどの酸素濃度が比較的低い空気であってもよい。

【0074】

［変形例５］
上述の実施形態では、第１水素側気液分離器２０と第２水素側気液分離器３０との間の流路９４に、逆流防止バルブ９４ｂが配置されるとした。また、第２水素側気液分離器３０と酸素側気液分離器５０との間の流路９５に、逆流防止バルブ９５ａが配置されるとした。しかしながら、これらの逆流防止バルブはなくてもよい。

【0075】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0076】

１，２…水電解システム
１０…電解セル
１１…ＭＥＡ
１１ａ…電解質膜
１１ｂ…酸素極
１１ｃ…水素極
１２…酸素極側流路
１２ａ…（酸素極側流路の）出口
１２ｂ…（酸素極側流路の）入口
１３…水素極側流路
１３ａ…（水素極側流路の）出口
１３ｂ…（水素極側流路の）入口
２０…第１水素側気液分離器
２０ａ…第１気相空間
２０ｂ…第１液相空間
２１…水位計
２２，３１，５１…排出ポート
２２ａ，５１ａ…圧力センサ
２２ｂ，５１ｂ…流量濃度センサ
３０…第２水素側気液分離器
３０ａ…第２気相空間
３０ｂ…第２液相空間
３１ａ…スタティックミキサ
３１ｂ，９３ａ，９４ａ…流量調整バルブ
３２…濃度計
４０…気体供給部
４０ａ…ガス配管
４０ｂ…ガスタンク
４０ｃ，９４ｂ，９５ａ…逆流防止バルブ
５０…酸素側気液分離器
５０ａ…気相空間
５０ｂ…液相空間
５２…純水タンク
６０…制御部
９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８…流路
９１ａ，９８ｂ…ポンプ
９８ａ…バッファタンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】