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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel, ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und eine Wasserelektrolysevorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
2003-147562 (
JP 2003-147562 A ) offenbart eine Struktur eines Stapels, der mittels einer Vielzahl von Schraubenspindeln befestigt ist, wobei an jeder der Schraubenspindeln jeweils eine Lastmesseinrichtung oder ein Dehnungsmessstreifen bereitgestellt ist, um axiale Kräfte von Schrauben auszugleichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik findet das Lastmanagement jedoch nur im Ausgangszustand statt, und ein Lastmanagement kann nicht in Übereinstimmung mit den Umgebungsbedingungen, den Betriebsbedingungen und der Verschlechterung bzw. dem Verschleiß im Laufe der Zeit durchgeführt werden. Dieses Problem kann zu Lecks bzw. Undichtigkeiten und einem frühzeitigen Verschleiß führen. Ist die Last bzw. Auflast beispielsweise unzureichend, können aufgrund einer Verschlechterung der Dichtungsleistung Lecks auftreten, oder der Grad der Haftung zwischen den Schichten, aus denen die Wasserelektrolysezellen bestehen, kann abnehmen. Infolgedessen kann sich die Performanz der Wasserelektrolyse verschlechtern. Andererseits werden bei einer zu hohen Last bzw. Auflast die Schichten der Wasserelektrolysezellen belastet und können beschädigt werden, was zu einem frühzeitigen Verschleiß führt.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Steuerung der Last bzw. Auflast auf einen Wasserelektrolysestapel bereit, das in der Lage ist, eine geeignetere Laststeuerung und Aufrechterhaltung der Performanz durchzuführen. Darüber hinaus stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und eine Wasserelektrolysevorrichtung bereit, die in der Lage ist, eine geeignetere Laststeuerung und Aufrechterhaltung der Performanz durchzuführen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel, in dem eine Vielzahl von Wasserelektrolysezellen, die eine auf einer Seite angeordnete Anode und eine auf der anderen Seite angeordnete Kathode mit einem dazwischen angeordneten festen Polyelektrolytfilm umfassen, gestapelt und untergebracht sind. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer geeigneten Last basierend auf einem Zustand des Inneren des Wasserelektrolysestapels, der aus einer Temperatur des Inneren des Wasserelektrolysestapels und/oder einem elektrischen Widerstand und/oder einer Wasserdurchflussrate erhalten wird, und das Ändern der Lastaufbringung auf den Wasserelektrolysestapel, so dass die Last die geeignete Last ist.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff. Das Verfahren umfasst das Durchführen einer normalen Wasserstoffherstellung durch die Wasserelektrolysezellen, und das Durchführen einer Wasserstoffherstellung durch periodisches Durchführen einer Laststeuerung durch das Verfahren zur Steuerung der Last auf den Wasserelektrolysestapel.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Wasserelektrolysevorrichtung mit einem Wasserelektrolysestapel, in dem eine Vielzahl von Wasserelektrolysezellen, die eine auf einer Seite angeordnete Anode und eine auf der anderen Seite angeordnete Kathode mit einem dazwischen angeordneten festen Polyelektrolytfilm umfassen, gestapelt und untergebracht sind. Die Wasserelektrolysevorrichtung umfasst einen Druckerzeuger, der in dem Wasserelektrolysestapel bereitgestellt ist und konfiguriert ist, um durch Drücken auf den Wasserelektrolysestapel eine Last auf die Wasserelektrolysezellen aufzubringen, mindestens einen Sensor aus einem Sensor, der konfiguriert ist, um eine Temperatur im Inneren des Wasserelektrolysestapels zu messen, einem Sensor, der konfiguriert ist, um einen elektrischen Widerstand zu messen, und einem Sensor, der konfiguriert ist, um eine Wasserdurchflussrate zu messen, und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um Signale von dem Druckerzeuger und dem mindestens einen Sensor zu empfangen und so angeschlossen ist, um ein Signal an den Druckerzeuger zu senden. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um eine geeignete Last basierend auf einem Zustand des Inneren des Wasserelektrolysestapels zu bestimmen, der aus einer Temperatur des Inneren des Wasserelektrolysestapels und/oder einem elektrischen Widerstand und/oder einer Wasserdurchflussrate erhalten wird, und um den Druckerzeuger anzuweisen, die Lastaufbringung auf den Wasserelektrolysestapel so zu ändern, dass die Last die geeignete Last ist.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, ein geeigneteres Lastmanagement der Wasserelektrolysezellen und des Wasserelektrolysestapels durchzuführen, um die Performanz bzw. Leistungsfähigkeit beizubehalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Signifikanz von exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen gilt:
- 1 ist eine konzeptuelle Darstellung, die eine Konfiguration einer Wasserelektrolysevorrichtung zeigt;
- 2 ist eine konzeptuelle Darstellung, die eine Konfiguration einer Wasserelektrolysezelle zeigt;
- 3 ist eine konzeptuelle Darstellung, die eine Konfiguration eines Wasserelektrolysestapels zeigt;
- 4 ist eine konzeptuelle Darstellung eines Computers (Steuerung);
- 5 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Verfahrens zur Steuerung einer Last des Wasserelektrolysestapels zeigt; und
- 6 ist ein weiteres Flussdiagramm, das den Ablauf eines Verfahrens zur Steuerung einer Last des Wasserelektrolysestapels zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1. Wasserelektrolysevorrichtung
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1 zeigt konzeptionell eine Wasserelektrolysevorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Wasserelektrolysevorrichtung 10 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist einen Wasserelektrolysestapel 20, einen sauerstoffseitigen Durchgang 30, einen wasserstoffseitigen Durchgang 40 und eine Steuerung 60 auf. In der Wasserelektrolysevorrichtung 10 wird gereinigtes (aufbereitetes bzw. destilliertes) Wasser aus dem sauerstoffseitigen Durchgang 30 den Wasserelektrolysezellen 21 zugeführt, die in dem Wasserelektrolysestapel 20 bereitgestellt sind, und durch Anlegen von elektrischem Strom an das gereinigte Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dadurch wird Wasserstoff gewonnen, der durch den wasserstoffseitigen Durchgang 40 vom Sauerstoff getrennt wird.
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1.1. Sauerstoffseitiger Durchgang (wasserzufuhrseitiger Durchgang)
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Der sauerstoffseitige Durchgang (wasserzufuhrseitiger Durchgang) 30 ist ein Durchgang, der ein Rohr bzw. eine Leitung umfasst, das so konfiguriert ist, dass Sauerstoff durch Zuführen des gereinigten Wassers zum Wasserelektrolysestapel 20 gewonnen wird. Das gereinigte Wasser wird dem Wasserelektrolysestapel 20 durch eine Pumpe 31 im sauerstoffseitigen Durchgang 30 zugeführt, und der erzeugte Sauerstoff und das ungenutzte Wasser werden aus dem Wasserelektrolysestapel 20 abgeleitet und dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 zugeführt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 trennt den Sauerstoff von dem gereinigten Wasser. Der abgetrennte Sauerstoff wird abgeleitet, und das gereinigte Wasser wird wieder der Pumpe 31 zugeführt. Das defiziente gereinigte Wasser wird von der Pumpe 33 dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 zugeführt. Die Leitung verbindet die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen miteinander.
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1.2. Wasserstoffseitiger Durchgang
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Der wasserstoffseitige Durchgang 40 ist ein Durchgang, der ein Rohr bzw. eine Leitung umfasst, das so konfiguriert ist, dass es den im Wasserelektrolysestapel 20 abgetrennten Wasserstoff extrahiert. Der Wasserstoff und das Wasser (gereinigtes Wasser), die aus dem Wasserelektrolysestapel 20 abgeleitet werden, werden dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 41 durch den wasserstoffseitigen Durchgang 40 zugeführt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 41 trennt den Wasserstoff vom Wasser. Der abgetrennte Wasserstoff wird gesammelt, und das Wasser wird durch die Pumpe 42 zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 32 im sauerstoffseitigen Durchgang 30 geleitet und wiederverwendet. Das Rohr verbindet die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen miteinander.
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1.3. Wasserelektrolysezelle
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Die Wasserelektrolysezelle 21 ist ein Einheitselement, das so konfiguriert ist, dass es das gereinigte Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, und eine Vielzahl von Wasserelektrolysezellen 21 sind gestapelt und in dem Wasserelektrolysestapel 20 angeordnet. 2 zeigt eine konzeptionelle Form der Wasserelektrolysezelle 21.
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Die Wasserelektrolysezelle 21 besteht aus einer Vielzahl von Schichten. Eine der Schichten dient als sauerstofferzeugende Elektrode (Anode) und die andere als wasserstofferzeugende Elektrode (Kathode) mit einem dazwischenliegenden festen Polyelektrolytfilm 22. Die Anode weist eine Anodenkatalysatorschicht 23, eine Anodengasdiffusionsschicht 24 und einen Anodenseparator 25 auf, die in dieser Reihenfolge von der Seite des festen Polyelektrolytfilms 22 aus gestapelt sind. Auf der anderen Seite weist die Kathode eine Kathodenkatalysatorschicht 26, eine Kathodengasdiffusionsschicht 27 und einen Kathodenseparator 28 auf, die in dieser Reihenfolge von der Seite des festen Polyelektrolytfilms 22 aus angeordnet sind. Unter einer Wasserelektrolysefilm-Elektrodenanordnung versteht man hier einen gestapelten Körper aus dem festen Polyelektrolytfilm 22, der Anodenkatalysatorschicht 23, die auf der Anodenseite des festen Polyelektrolytfilms 22 angeordnet ist, und den Kathodenkatalysatorschichten 26, die auf der Kathodenseite des festen Polyelektrolytfilms 22 angeordnet sind. Die Dicke der Wasserelektrolysefilm-Elektrodenanordnung beträgt typischerweise etwa 0,4 mm, und die Dicke der Wasserelektrolysezelle 21 beträgt typischerweise etwa 1,3 mm. Zum Beispiel ist jede Schicht wie folgt aufgebaut.
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1.3.1. Fester Polyelektrolytfilm
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Der feste Polyelektrolytfilm 22 ist ein Aspekt eines Films mit Protonenleitfähigkeit. Das Material (Elektrolyt), aus dem der feste Polyelektrolytfilm 22 In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht, ist ein festes Polymermaterial, und Beispiele dafür umfassen einen protonenleitenden Ionenaustauschfilm, der aus einem Harz auf Fluorbasis, einem Harzmaterial auf Kohlenwasserstoffbasis oder dergleichen hergestellt ist. Der protonenleitende Ionenaustauschfilm weist eine günstige Protonenleitfähigkeit (elektrische Leitfähigkeit) unter nassen Bedingungen auf. Ein spezielleres Beispiel für einen solchen Film ist ein Film aus Nafion (eingetragenes Warenzeichen), einem Elektrolyten auf Perfluorbasis. Obwohl die Dicke des festen Polyelektrolytfilms 22 nicht besonders begrenzt ist, beträgt die Dicke 200µm oder weniger, vorzugsweise 100µm oder weniger, und noch bevorzugter 30µm oder weniger.
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1.3.2. Anodenkatalysatorschicht
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Die Anodenkatalysatorschicht (Sauerstoffelektroden-Katalysatorschicht) 23 ist eine Schicht mit einem Katalysator, der mindestens einen Edelmetallkatalysator, wie Pt, Ru und Ir, sowie deren Oxide enthält. Beispiele für Katalysatoren sind insbesondere Pt, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Iridium-Rutheniumoxid oder Mischungen davon. Beispiele für Iridiumoxid sind Iridiumoxid (Ir02, Ir03), Iridiumzinnoxid und Iridiumzirkoniumoxid. Beispiele für Rutheniumoxid sind Rutheniumoxid (RuO2, Ru2 O3), Rutheniumtantaloxid, Rutheniumzirkoniumoxid, Rutheniumtitanoxid und Rutheniumtitanceriumoxid. Beispiele für Iridium-Rutheniumoxid sind Iridium-Ruthenium-Kobaltoxid, Iridium-Ruthenium-Zinnoxid, Iridium-Ruthenium-Eisenoxid und Iridium-Ruthenium-Nickeloxid.
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1.3.3. Anodengasdiffusionsschicht
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Die Anodengasdiffusionsschicht 24 kann ein bekanntes Material verwenden und wird aus einem Element mit Gasdurchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Spezifische Beispiele für das Element sind poröse leitfähige Elemente aus gesinterten Körpern, wie Metallfasern (z. B. Titanfasern) oder Metallpartikel (Titanpartikel).
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1.3.4. Anodenseparator
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Der Anodenseparator 25 ist ein Bauteil, das mit Strömungskanälen 25a versehen ist, durch die das gereinigte Wasser der Anodengasdiffusionsschicht 24 zugeführt wird und der durch Wasserzersetzung erzeugte Sauerstoff fließt.
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1.3.5. Kathodenkatalysatorschicht
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Als Katalysator in der Kathodenkatalysatorschicht 26 kann ein bekannter Katalysator verwendet werden, z. B. Platin, platinbeschichtetes Titan, platingestützter Kohlenstoff, palladiumgestützter Kohlenstoff, Kobaltglyoxim und Nickelglyoxim.
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1.3.6. Kathodengasdiffusionsschicht
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Die Kathodengasdiffusionsschicht 27 kann ein bekanntes Material verwenden und wird aus einem Element mit Gasdurchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Spezifische Beispiele für das Element umfassen poröse Elemente, wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier.
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1.3.7. Kathodenseparator
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Der Kathodenseparator 28 ist ein Bauteil, das mit Strömungskanälen 28a versehen ist, durch die der durch die Reduktion von Wasserstoffionen und Wasser erzeugte Wasserstoff zusammen mit den Wasserstoffionen, die den festen Polyelektrolytfilm 22 durchdringen, fließt.
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1.3.8. Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung von
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Wasserelektrolysezellen
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Durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Wasserelektrolysezellen 21 werden Wasserstoff und Sauerstoff wie folgt aus gereinigtem Wasser erzeugt. Daher können die Wasserelektrolysezellen und der Wasserelektrolysestapel gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zu der vorstehenden Beschreibung mit bekannten Elementen und Konfigurationen zur Erzeugung von Wasserstoff versehen werden. Das gereinigte Wasser (H2O), das der Anode (Sauerstofferzeugungselektrode) von der sauerstoffseitigen Passage 30 durch die Strömungspassagen 25a des Anodenseparators 25 zugeführt wird, wird an der Anodenkatalysatorschicht 23, an die durch Anlegen eines elektrischen Stroms zwischen der Anode und der Kathode ein Potential angelegt wird, in Sauerstoff, Elektronen und Protonen (H+) zerlegt. In diesem Fall durchdringen die Protonen die feste Polyelektrolytschicht 22 und wandern zur Kathodenkatalysatorschicht 26. Andererseits gelangen die durch die Anodenkatalysatorschicht 23 abgetrennten Elektronen über einen externen Stromkreis in die Kathodenkatalysatorschicht 26. In der Kathodenkatalysatorschicht 26 nehmen dann Protonen Elektronen auf, wodurch Wasserstoff (H2) erzeugt wird. Der erzeugte Wasserstoff erreicht den Kathodenseparator 28, wird aus den Strömungskanälen 28a abgeleitet und in den wasserstoffseitigen Kanal 40 geleitet. Der in der Anodenkatalysatorschicht 23 erzeugte Sauerstoff erreicht den Anodenseparator 25, wird aus den Strömungskanälen 25a abgeleitet und in den sauerstoffseitigen Kanal 30 geleitet.
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1.4. Wasserelektrolysestapel
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Der Wasserelektrolysestapel 20 ist ein Element, das durch Stapeln der vorstehend beschriebenen Wasserelektrolysezellen 21 (etwa 50 bis 400 Wasserelektrolysezellen 21) gebildet wird, und Wasserstoff und Sauerstoff werden durch Anlegen elektrischen Stroms an die Wasserelektrolysezellen 21 erzeugt. Ferner ist In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Wasserelektrolysestapel mit einer Einheit ausgestattet, die zur Steuerung der Last bzw. Auflast konfiguriert ist. 3 zeigt einen Überblick der Konfiguration.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wasserelektrolysestapel 20 mit einem Stapelgehäuse 50, einer Endplatte 51, den Wasserelektrolysezellen 21, einem Druckelement 52, einer Druckplatte 53, einer Wägezelle bzw. Druck-/Kraftmesseinrichtung 54, einem Druckerzeuger 55 und verschiedenen Sensoren (in der Zeichnung nicht dargestellt) versehen. Hier sind die Wasserelektrolysezellen 21 wie vorstehend beschrieben.
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Das Stapelgehäuse 50 ist ein Gehäuse, in dem die Wasserelektrolysezellen 21 und das Druckelement 52 gestapelt sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das Stapelgehäuse eine rechteckige, röhrenförmige Form, wobei beide Enden geöffnet sind und ein plattenartiges Stück entlang der Kante einer Öffnung zur gegenüberliegenden Seite der Öffnung vorsteht, um einen Flansch 50a zu bilden.
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Die Endplatte 51 ist ein plattenförmiges Element, das eine Öffnung des Stapelgehäuses 50 an einer Seite verschließt, an der der Flansch 50a ausgebildet ist. Die Endplatte 51 wird mit Schrauben, Muttern oder dergleichen an einem Teil befestigt, der den Flansch 50a des Stapelgehäuses 50 überlappt, und ist so angeordnet, dass sie das Stapelgehäuse 50 abdeckt.
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Das Druckelement 52 ist zusammen mit den Wasserelektrolysezellen 21 im Inneren des Stapelgehäuses 50 untergebracht und übt eine Druckkraft auf den gestapelten Körper der Wasserelektrolysezellen 21 in Stapelrichtung aus. Als Druckelement 52 kann zum Beispiel eine Tellerfeder oder ähnliches verwendet werden.
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Die Druckplatte 53 ist ein plattenförmiges Element, das die Öffnung des Stapelgehäuses 50 auf der Seite verschließt, die der Öffnung auf einer Seite gegenüberliegt, auf der die Endplatte 51 angeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Druckplatte 53 im Inneren des Stapelgehäuses 50 angeordnet und überlappt das Druckelement 52, wie in 3 zu sehen ist. Dadurch ist die Druckplatte 53 in der Stapelrichtung der Wasserelektrolysezellen 21 beweglich.
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Die Wägezelle 54 ist ein Sensor, der eine Last erfasst und so konfiguriert ist, dass er die auf die Wasserelektrolysezellen 21 ausgeübte Last misst und ausgibt. Solange die Wägezelle 54 in der Lage ist, die auf die Wasserelektrolysezellen 21 ausgeübte Last zu ermitteln, gibt es keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Typs der Wägezelle 54 und der Position der anzuordnenden Wägezelle 54. Zum Beispiel kann eine Wägezelle mit Dehnungsmessstreifen verwendet werden.
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Der Druckerzeuger 55 ist eine Vorrichtung, die eine Druckkraft auf die Druckplatte 53 ausübt und so konfiguriert ist, dass sie die Druckkraft aufbringt und wieder abbaut. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Schraubenwelle bzw. Spindelwelle 55b an einem Stellmotor 55a befestigt, die Schraubenwelle 55b wird durch den Stellmotor 55a gedreht, und die Schraubenwelle 55b bewegt sich in der Achsenrichtung. Dabei wird die Last der Druckkraft durch Drücken der Druckplatte 53 aufgebracht oder gelöst.
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Verschiedene Sensoren, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, sind Sensoren, die in einem normalen Wasserelektrolysestapel angeordnet sind. Beispiele für Sensoren sind ein Sensor zur Messung der Temperatur im Inneren des Wasserelektrolysestapels 20, ein Sensor zur Messung des elektrischen Widerstands des gestapelten Körpers der Wasserelektrolysezellen 21 und ein Sensor zur Messung der Durchflussmenge des zugeführten gereinigten Wassers.
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1.5. Steuerung
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Die Steuerung 60 ist eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie das Verfahren zur Steuerung der Last des bzw. auf den Wasserelektrolysestapel(s) des vorliegenden Ausführungsbeispiels in der Wasserelektrolysevorrichtung 10 durchführt. Obwohl ein Aspekt der Steuerung nicht besonders begrenzt ist, kann die Steuerung typischerweise durch einen Computer konfiguriert werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 60 elektrisch mit dem Stellmotor 55a des Druckerzeugers 55, der Wägezelle 54 und verschiedenen Sensoren verbunden und so konfiguriert, dass sie die Messergebnisse der Wägezelle 54 und verschiedener Sensoren erhält und den Stellmotor 55a auf der Grundlage dieser Ergebnisse anweist. 4 zeigt konzeptionell ein Konfigurationsbeispiel des Computers 60 als Steuerung 60.
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Der Computer 60 ist mit einer Zentraleinheit (CPU) 61, die ein Prozessor ist, einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 62, der als Arbeitsbereich fungiert, einem Festwertspeicher (ROM) 63 als Speichermedium, einer Empfangseinheit 64, die eine Schnittstelle ist, die für den Computer 60 konfiguriert ist, um Informationen unabhängig von verdrahtet oder drahtlos zu empfangen, und einer Ausgabeeinheit 65, die eine Schnittstelle ist, die konfiguriert ist, um Informationen vom Computer 60 unabhängig von verdrahtet oder drahtlos nach außen zu senden, ausgestattet. Die Wägezelle 54 und verschiedene Sensoren sind elektrisch mit der Empfangseinheit 64 verbunden und so konfiguriert, dass sie die jeweiligen Werte (Druck, Temperatur, Durchflussmenge usw.) als Signale empfangen. Auf der anderen Seite ist der Stellmotor 55a elektrisch mit der Ausgabeeinheit 65 verbunden und dreht die Schraubenwelle 55b als Reaktion auf ein Signal vom Computer 60.
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Der Computer 60 speichert ein Computerprogramm, das so konfiguriert ist, dass es Schritte des Wasserelektrolysestapelverfahrens zur Steuerung der Last gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung als spezifische Befehle ausführt. In dem Computer 60 arbeiten die CPU 61, der RAM 62 und der ROM 63 als Hardwareressourcen mit einem Computerprogramm zusammen. Insbesondere führt die CPU 61 eine Funktion aus, indem sie das Computerprogramm, das im ROM 63 aufgezeichnet ist, im RAM 62 ausführt, der als Arbeitsbereich auf der Grundlage der Signale fungiert, die Werte darstellen, die durch die Empfangseinheit 64 von der Wägezelle 54 und verschiedenen Sensoren erfasst werden. Der RAM 62 speichert die von der CPU 61 erfassten oder erzeugten Informationen. Ferner wird ein Signal zur Drehung an den Stellmotor 55a durch die Ausgabeeinheit 65 übertragen, wenn dies auf der Grundlage der Schritte des Verfahrens zur Steuerung einer Last des Wasserelektrolysestapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung erforderlich ist. Der spezifische Inhalt des Verfahrens zur Steuerung der Last des Wasserelektrolysestapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden beschrieben.
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2. Verfahren zur Steuerung der Last auf den Wasserelektrolysestapel
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2.1. Verfahren zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
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5 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel S10 (im Folgenden manchmal als „Laststeuerung S10“ bezeichnet) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Wie aus 5 ersichtlich ist, umfasst das Verfahren der Laststeuerung S10 die Schritte S11 bis S16. Das in der vorstehend beschriebenen Steuerung 60 gespeicherte Computerprogramm besteht aus spezifischen Anweisungen für den Computer zur Ausführung der jeweiligen Schritte des Verfahrens der Laststeuerung S10.
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2.1.1. Schritt S11
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In Schritt S11 wird die auf die Wasserelektrolysezelle 21 einwirkende Last von der Wägezelle 54 erfasst.
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2.1.2. Schritt S12
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In Schritt S12 werden die Informationen von verschiedenen Sensoren erfasst. Zu den Informationen gehören insbesondere mindestens eine der folgenden Informationen: die Temperatur im Wasserelektrolysestapel 20, der elektrische Widerstand des Stapelkörpers der Wasserelektrolysezellen 21 und die Durchflussrate des zugeführten gereinigten Wassers.
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2.1.3. Schritt S13
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In Schritt S13 ermittelt die Steuerung 60, ob die in Schritt S11 ermittelte Last in einem geeigneten Bereich liegt. In einem solchen Fall werden die in Schritt S12 erhaltenen Werte und die Betriebsbedingungen berücksichtigt, und die Steuerung 60 bestimmt, ob die Last im Vergleich zu einer voreingestellten Last innerhalb des Bereichs liegt. Wird dies in Schritt S13 bejaht, so kehrt der Prozess zu Schritt S11 zurück. Wenn Nein in Schritt S13, ist die Last ungeeignet, der Prozess geht weiter zu Schritt S14.
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2.1.4. Schritte S14 bis S16
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In Schritt S14 bestimmt die Steuerung 60, ob die Last außerhalb des geeigneten Bereichs eine Überlast darstellt. Wenn Nein, geht das Verfahren zu Schritt S15 über, und die Steuerung 60 erhöht die Lastaufbringung durch Betätigung des Stellmotors 55a. Wenn ja, wird mit Schritt S16 fortgefahren, und die Steuerung 60 verringert die Lastaufbringung durch Betätigung des Stellmotors 55a. Dann kehrt das Verfahren zu Schritt S11 zurück.
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2.2. Verfahren zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
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6 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Steuerung der Last des Wasserelektrolysestapels S20 (im Folgenden manchmal als „Laststeuerung S20“ bezeichnet) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Wie aus 6 ersichtlich ist, umfasst das Verfahren der Laststeuerung S20 die Schritte S21 bis S26. Das in der vorstehend beschriebenen Steuerung 60 gespeicherte Computerprogramm besteht aus spezifischen Anweisungen für den Computer zur Ausführung der jeweiligen Schritte des Verfahrens der Laststeuerung S20.
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2.2.1. Schritt S21
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In Schritt S21 wird ein aktueller Drehwinkel des Stellmotors 55a erfasst.
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2.2.2. Schritt S22
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In Schritt S22 werden die Informationen von verschiedenen Sensoren erfasst. Zu den Informationen gehören insbesondere mindestens eine der folgenden Informationen: die Temperatur im Wasserelektrolysestapel 20, der elektrische Widerstand des Stapelkörpers der Wasserelektrolysezellen 21 und die Durchflussrate des zugeführten gereinigten Wassers.
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2.2.3. Schritt S23
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In Schritt S23 ermittelt die Steuerung 60, ob der in Schritt S21 ermittelte Drehwinkel des Stellmotors in einem geeigneten Bereich liegt. In einem solchen Fall werden die in Schritt S22 erhaltenen Werte und die Betriebsbedingungen berücksichtigt, und die Steuerung 60 bestimmt, ob die Last bei dem Drehwinkel innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt, verglichen mit dem Verhältnis zwischen dem voreingestellten Drehwinkel und der Last. Wenn in Schritt S23 die Last geeignet ist, kehrt der Prozess zu Schritt S21 zurück. Wenn Nein in Schritt S23, ist die Last ungeeignet, der Prozess geht weiter zu Schritt S24.
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2.2.4. Schritte S24 bis S26
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In Schritt S24 bestimmt die Steuerung 60, ob der Drehwinkel ein Drehwinkel ist, der der Last außerhalb des geeigneten Bereichs entspricht. Wenn Nein, geht das Verfahren zu Schritt S25 über, und die Steuerung 60 erhöht die Lastaufbringung durch Drehen des Stellmotors 55a. Wenn ja, wird mit Schritt S26 fortgefahren, und die Steuerung 60 verringert die Lastaufbringung durch Drehen des Stellmotors 55a. Dann kehrt das Verfahren zu Schritt S21 zurück.
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3. Wirkungen und dergleichen
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Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Last auf den Wasserelektrolysestapel in der Wasserelektrolysevorrichtung in geeigneter Weise aufrechterhalten werden, und Lecks und eine frühzeitige Verschlechterung bzw. Verschleiß können unterdrückt werden. Insbesondere kann die Last in Übereinstimmung mit Änderungen der Bedingungen während des Betriebs der Wasserelektrolysevorrichtung angepasst werden. Dadurch wird die Wirkung verbessert. Durch die Verwendung der Steuerung kann eine solche Steuerung automatisch durch ein Computerprogramm durchgeführt werden.
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Neben der normalen Wasserstofferzeugung mit den Wasserelektrolysezellen ist es auch möglich, die Wasserstofferzeugung durch eine periodische Laststeuerung über die oben erwähnte Laststeuerung des Wasserelektrolysestapels durchzuführen.
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Es wird ein Verfahren zur Steuerung der Last auf einen Wasserelektrolysestapel (20) bereitgestellt, in dem mehrere Wasserelektrolysezellen (21), die eine auf einer Seite angeordnete Anode und eine auf der anderen Seite angeordnete Kathode mit einem dazwischenliegenden festen Polyelektrolytfilm (22) umfassen, gestapelt und untergebracht sind. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer geeigneten Last auf der Grundlage eines Zustands des Inneren des Wasserelektrolysestapels (20), der aus mindestens einer Temperatur des Inneren des Wasserelektrolysestapels (20), einem elektrischen Widerstand und einer Wasserdurchflussrate erhalten wird, und das Ändern der Anwendung der Last auf den Wasserelektrolysestapel (20), so dass die Last die geeignete Last ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2003147562 [0002]
- JP 2003147562 A [0002]
