CN116265892A - 水电解装置的泄漏检测方法、氢制造方法、水电解装置的泄漏检测程序以及水电解装置 - Google Patents

水电解装置的泄漏检测方法、氢制造方法、水电解装置的泄漏检测程序以及水电解装置 Download PDF

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Abstract

一种水电解装置的泄漏检测方法、氢制造方法、水电解装置的泄漏检测程序以及水电解装置。在水电解装置中，能够检测出是外部泄漏还是交叉泄漏。将设置于氧侧路径的阀和设置于氢侧路径的阀关闭，使基于水电解室的水电解反应进行，基于内压的变化来判定氧侧路径、氢侧路径中的泄漏，并且向氧侧路径和氢侧路径赋予差压，并基于差压的变化来判定固体高分子电解质膜的泄漏。

Description

水电解装置的泄漏检测方法、氢制造方法、水电解装置的泄漏 检测程序以及水电解装置
技术领域
本公开涉及水分解装置的泄漏检测。
背景技术
在专利文献1中公开有：监视从水电解装置生成的气体配管内的压力变动，在相对于正常状态的压力的变动比规定速度缓慢地增加或者减少的情况下，判定为泄漏。
专利文献1：日本特开2013-249508号公报
然而，在现有技术中，不能分开检测是由配管接头等密封部引起的泄漏(外部泄漏)、还是由水电解室所具备的固体高分子电解质膜(Polymer Electrolyte Membrane(PEM))的破损引起的泄漏(交叉泄漏)。
因此，本公开的目的在于在水电解装置中使是外部泄漏、还是交叉泄漏的检测成为可能。
发明人对现有技术进行了研究的结果是，若仅通过水电解反应中的配管压力的变动来检测，则在压力变动异常的情况下，不能区分是外部泄漏还是交叉泄漏，关注于此，通过使用于对它们进行区分来检测泄漏的手段具体化而完成了本发明。具体而言，如下所述。
发明内容
本申请公开一种水电解装置的泄漏检测方法，是检测水电解装置中的泄漏的方法，上述水电解装置具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，上述水电解装置的泄漏检测方法包括：将设置于氧侧路径的阀和设置于氢侧路径的阀关闭的过程；使基于水电解室的水电解反应进行，并基于内压的变化来判定氧侧路径、氢侧路径中的泄漏的过程；以及向氧侧路径和氢侧路径赋予差压，并基于差压的变化来判定固体高分子电解质膜的泄漏的过程。
另外，本申请公开一种氢制造方法，该氢制造方法除了基于水电解室的通常的氢制造之外，还通过定期地进行基于上述水电解装置的泄漏检测方法的泄漏的检测来进行氢制造。
另外，本申请公开一种记录有水电解装置的泄漏检测程序的存储介质，该水电解装置的泄漏检测程序是检测水电解装置中的泄漏的程序，上述水电解装置具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，上述水电解装置的泄漏检测程序包括：进行将设置于氧侧路径的阀和设置于氢侧路径的阀关闭的指令的步骤；使基于水电解室的水电解反应进行，并基于内压的变化来判定氧侧路径、氢侧路径中的泄漏的步骤；以及向氧侧路径和氢侧路径赋予差压，并基于差压的变化来判定固体高分子电解质膜的泄漏的步骤。
另外，本申请公开一种水电解装置，该水电解装置具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，上述水电解装置具备：配置于氧侧路径的阀及压力计；配置于氢侧路径的阀及压力计；以及控制器，与设置于氧侧路径的阀及压力计、和设置于氢侧路径的阀及压力计电连接，在控制器记录有上述的水电解装置的泄漏检测程序，控制器基于水电解装置的泄漏检测程序来接收设置于氧侧路径的压力计、和设置于氢侧路径的压力计表示的压力值的信号，并且对设置于氧侧路径的阀和设置于氢侧路径的阀发送开闭的指令的信号。
根据本公开，能够在水电解装置中分开检测是外部泄漏还是交叉泄漏。
附图说明
图1是对水电解装置10的结构进行说明的示意图。
图2是对水电解室21的结构进行说明的示意图。
图3是计算机50(控制器50)的示意图。
图4是表示水电解装置的泄漏检测方法S10的流程的图。
图5是对水电解装置的泄漏检测中的压力等状态进行说明的图。
附图标记说明
10…水电解装置；20…水电解堆；21…水电解室；30…氧侧路径(供水侧路径)；34…阀；35…压力计；40…氢侧路径；43…阀；44…压力计；50…控制器。
具体实施方式
1.水电解装置
在图1中示意性地示出了一个方式所涉及的水电解装置10。
在本方式中，水电解装置10具有水电解堆20、氧侧路径30、氢侧路径40以及控制器50。对于水电解装置10而言，是以下装置，即，通过从氧侧路径30对水电解堆20所具备的水电解室21供给纯水并通电来将水分解为氢和氧，获得氢并分离至氢侧路径40。
1.1.水电解堆、水电解室
在图2中示意性地示出了水电解室21的方式。水电解室21是用于将纯水分解为氢和氧的单位元件，层叠多个这样的水分解室21而配置成水电解堆20。
水电解室21如公知的那样，但在本方式中，由多个层构成，夹着固体高分子电解质膜22，一方为氧产生极(阳极)，另一方为氢产生极(阴极)。
构成固体高分子电解质膜22的材料是固体高分子材料，例如能够举出由氟类树脂、烃类树脂材料等形成的质子传导性的离子交换膜。
它在湿润状态下示出良好的质子传导性(电气传导性)。更具体而言，能够举出作为全氟磺酸膜的Nafion(注册商标)。
在氧产生极，从固体高分子电解质膜22侧依次设置氧极催化剂层23、氧极气体扩散层24以及氧极隔离件25。
氧极催化剂层23是具有包含从Pt、Ru、Ir等贵金属催化剂及其氧化物中选出的至少一个以上在内的电极催化剂的层。
氧极气体扩散层24由具有透气性和导电性的部件构成。
具体而言，能够举出由金属纤维或者金属粒子等构成的多孔导电性部件。
氧极隔离件25是具备供向氧极气体扩散层24供给的纯水和分解的氧流动的流路25a的部件。
氢产生极设置于固体高分子电解质膜22的面中的与配置有氧产生极的面相反的一侧的面，从固体高分子电解质膜22侧依次具备氢极催化剂层26、氢极气体扩散层27以及氢极隔离件28。
氢极催化剂层26例如能够举出包含Pt等在内的层。
氢极气体扩散层27由具有透气性和导电性的部件构成。具体而言，能够举出碳布、碳纸等多孔部件等。
氢极隔离件28是具备供分离的氢、和伴随着该氢的水流动的流路28a的部件。
通过向氧产生极与氢产生极之间通电，从而将从氧极隔离件25的流路25a向氧产生极供给的纯水(H2O)在施加了电位的氧极催化剂层23分解为氧、电子以及质子(H+)。此时，质子通过固体高分子电解质膜22并向氢极催化剂层26移动。另一方面，在氧极催化剂层23所分离出的电子通过外部电路并到达氢极催化剂层26。而且，在氢极催化剂层26质子接受电子而产生氢。产生的氢到达氢极隔离件28而被从流路28a排出，并向氢侧路径40移动。此外，在氧极催化剂层23分离出的氧到达氧极隔离件25而被从流路25a排出，并向氧侧路径30移动。
1.2.氧侧路径(供水侧路径)
氧侧路径(供水侧路径)30是对水电解堆20供给纯水而获得氧的包括配管在内的路径。在氧侧路径30，通过泵31朝向水电解堆20供给纯水，将产生的氧和未使用的水从水电解堆20排出并向气液分离器32供给。通过气液分离器32将纯水与氧分离。
将所分离出的氧排出，并将纯水再度向泵31供给。此外，从泵33向气液分离器32供给不足的纯水。通过配管将这些各设备连接。
另外，在氧侧路径30，在从水电解堆20的排出部位与气液分离器32之间配置有阀34(在本方式中为电磁阀)，并且在阀34与从水电解堆20的排出部位之间设置有压力计35。
1.3.氢侧路径
氢侧路径40是包括取出在水电解堆20中分离出的氢的配管在内的路径。通过氢侧路径40将从水电解堆20排出的氢和水(纯水)向气液分离器41供给。通过气液分离器41将水与氢分离。收集所分离出的氢，通过泵42将水向氧侧路径30的气液分离器32输送并再次利用。通过配管将这些各设备连接。
另外，在氢侧路径40，在从水电解堆20的排出部位与气液分离器41之间配置有阀43(在本方式中为电磁阀)，并且在阀43与从水电解堆20的排出部位之间配置有压力计44。
1.4.控制器
控制器50是用于通过水电解装置10施行本公开的水电解装置的泄漏检测方法的控制器。虽然并不特别地限定控制器50的形态，但是典型地能够由计算机构成。在图3中示意性地示出了作为控制器50的计算机50的结构例。
计算机50具备作为处理器的CPU(Central Processing Unit：中央处理器)51、作为作业区域发挥功能的RAM(Random Access Memory：随机存储器)52、作为存储介质的ROM(Read-Only Memory：只读存储器)53、与有线、无线无关地都将信息接纳至计算机50的作为接口的接收部54、以及与有线、无线无关地都将信息从计算机50向外部输送的作为接口的输出部55。
构成为：在接收部54电连接氧侧路径30的压力计35、氢侧路径40的压力计44，能够接收各自的值(压力)作为信号。
另一方面，在输出部55电连接氧侧路径30的阀34、水路侧路径40的阀43，通过来自计算机50的信号来控制这些阀34、阀43的开闭。
在计算机50保存有用于使本公开的水电解装置的泄漏检测方法的过程成为具体的指令并执行该指令的计算机程序。在计算机50中，作为硬件资源的CPU51、RAM52以及ROM53、和计算机程序协同动作。具体而言，CPU51通过基于经由接收部54取得的表示来自压力计35、压力计44的压力值的信号在作为作业区域发挥功能的RAM52执行在ROM53记录的计算机程序来实现功能。将CPU51取得或者生成的信息储存于RAM52。另外，基于本公开的水电解装置的泄漏检测方法的过程根据需要经由输出部55向阀34和阀43发送开闭的信号。
以下对具体的本公开的水电解装置的泄漏检测方法的内容进行说明。
2.水电解装置的泄漏检测方法
在图4中示出本公开的一个方式所涉及的水电解装置的泄漏检测方法S10(以下，存在记载为“检测方法S10”的情况。)的流程。从图4可知，检测方法S10包括过程S11～过程S22。保存于上述的控制器50的计算机程序由用于执行该检测方法S10的各过程的具体的针对计算机的指令构成。
另外，在图5中分别例示了检测方法S10中的设置于氧侧路径30的压力计35表示的压力的推移、设置于氢侧路径40的压力计44表示的压力的推移、以及用于水分解的通电(电流)的推移。图5的横轴是经过时间。
2.1.过程S11
在过程S11中，将设置于氧侧路径30的阀34、和设置于氢侧路径40的阀43关闭。这是指经过时间中的从图5的t0到不足t1。这里，仅关闭了阀34和阀43，也不通电，因此压力计35和压力计44表示的压力是恒定的。
2.2.过程S12
在过程S12中，通电来进行水电解反应。这是指经过时间中的从t1到不足t2。这里，以恒定电流进行通电，伴随于此发生水电解反应，产生氢和氧(即气体)，因此压力计35和压力计44表示的压力缓缓地变高。
2.3.过程S13
在过程S13中，在压力计35和压力计44变为了规定的压力时(在内压达到了规定的压力时)停止通电，从而停止水分解反应。这是经过时间中的t2。由此，气体的产生停止，压力不会进一步上升。
2.4.过程S14
在过程S14中，在规定的时间(从刚过t2不久到t3)的期间测定压力计35和压力计44的压力的变化(内压的变化)。
2.5.过程S15、过程S16
在过程S15中，判定在过程S14中测定出的内压的变化是否是阈值的范围内。
在内压变化而超过阈值(降低的情况下)时，选择否。这例如是有在图5的t2与t3之间用虚线表示的那样的压力的变化的情况。在这种情况下，至少发生了外部泄漏，因此进入过程S16，判定为发生了外部泄漏。在过程S16中显示发生了外部泄漏等来朝向外部报告。
另一方面，在内压变化而没有超过阈值时，选择是。这例如是在图5的t2与t3之间用实线表示的那样的推移。在这种情况下，至少未发生外部泄漏，因此进入过程S17。
2.6.过程S17
在过程S17中，使氧侧路径30或者氢侧路径40的压力降低，使在氧侧路径30与氢侧路径40之间产生压力差(差压)。具体而言，能够通过开启阀34或者阀43来进行。在图5的例子中，是指经过时间t3，这里，开启了氧路径侧的阀34。因此，在图5中，压力计44维持较高的压力，并且压力计35的压力降低。
2.7.过程S18
在过程S18中，在规定的时间(从刚过t3不久到t4)的期间测定在过程S17中赋予的差压中的较高的压力的变化(内压的变化)。在图5的例子中，是氢侧路径40的压力(压力计44)的压力的变化。
2.8.过程S19、过程S20、过程S21
在过程S19中，判定在过程S18中测定出的内压的变化是否是阈值的范围内。
在内压变化而超过阈值(降低的情况下)时，选择否。这例如是有在图5的t3与t4之间用虚线表示的那样的压力的变化的情况。在这种情况下，在固体高分子电解膜22发生了泄漏(交叉泄漏)，因此进入至过程S20，判定为发生了交叉泄漏。而且，在过程S20中显示发生了交叉泄漏等来朝向外部报告该情况。
另一方面，在内压变化而没有超过阈值时，选择是。这例如是在图5的t3与t4之间用实线表示的那样的推移。在这种情况下，没有发生交叉泄漏，因此进入至过程S21。在过程S21中，判定为没有发生交叉泄漏。而且在过程S21中，根据此前的各过程可知外部泄漏和交叉泄漏都没有发生，因此显示没有泄漏等来朝向外部报告该情况。
2.9.过程S22
在过程S22中，由于在过程S20、过程S21后结束水电解装置的泄漏检测，因此使氧侧路径30或者氢侧路径40中的在过程S17中未使压力降低的一侧的压力降低(减压)。具体而言，能够通过开启阀34或者阀43中的尚且关闭的一侧的阀来进行。在图5的例子中，是指经过时间t4，这里，将氢侧路径40的阀43开启。因此，在图5中，压力计44的压力降低。
由此该检测结束。
3.效果等
根据本公开，能够在水电解装置分开检测是外部泄漏还是交叉泄漏。另外，若设置控制器50，则也能够通过计算机程序自动地进行该检测。
对于这样的检测而言，除了基于水电解室的通常的氢制造之外，还能够提供定期地进行基于本公开的水电解装置的泄漏检测方法的泄漏的检测的氢制造方法，能够迅速地获得泄漏的发生和该泄漏的原因。

Claims (4)

1.一种水电解装置的泄漏检测方法，是检测水电解装置中的泄漏的方法，所述水电解装置具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，
所述水电解装置的泄漏检测方法包括：
将设置于所述氧侧路径的阀和设置于所述氢侧路径的阀关闭的过程；
使基于所述水电解室的水电解反应进行，并基于内压的变化来判定所述氧侧路径、所述氢侧路径中的泄漏的过程；以及
向所述氧侧路径和所述氢侧路径赋予差压，并基于差压的变化来判定所述固体高分子电解质膜的泄漏的过程。
2.一种氢制造方法，其中，
除了基于所述水电解室的通常的氢制造之外，还通过定期地进行基于权利要求1所述的水电解装置的泄漏检测方法的泄漏的检测来进行氢制造。
3.一种水电解装置的泄漏检测程序，是检测水电解装置中的泄漏的程序，所述水电解装置具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，
所述水电解装置的泄漏检测程序包括：
进行将设置于所述氧侧路径的阀和设置于所述氢侧路径的阀关闭的指令的步骤；
使基于所述水电解室的水电解反应进行，并基于内压的变化来判定所述氧侧路径、所述氢侧路径中的泄漏的步骤；以及
向所述氧侧路径和所述氢侧路径赋予差压，并基于差压的变化来判定所述固体高分子电解质膜的泄漏的步骤。
4.一种水电解装置，具有：水电解室，具有夹着固体高分子电解质膜配置于一侧的氧产生极和配置于另一侧的氢产生极；氧侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氧流动而配置的配管；以及氢侧路径，包括为了使从所述水电解室产生的氢流动而配置的配管，其中，
所述水电解装置具备：
配置于所述氧侧路径的阀及压力计；
配置于所述氢侧路径的阀及压力计；以及
控制器，与设置于所述氧侧路径的所述阀及所述压力计、和设置于所述氢侧路径的所述阀及所述压力计电连接，
在所述控制器记录有权利要求3所述的水电解装置的泄漏检测程序，所述控制器基于所述水电解装置的泄漏检测程序来接收设置于所述氧侧路径的所述压力计、和设置于所述氢侧路径的所述压力计表示的压力值的信号，并且对设置于所述氧侧路径的所述阀和设置于所述氢侧路径的所述阀发送开闭的指令的信号。
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