JP2012219276A - Water electrolysis system and method for controlling the same - Google Patents

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大輔 倉品
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reliably detect a failure in a back pressure valve provided in a water drainage line in a gas-liquid separator with a simple, economical structure through a simple, economical step.SOLUTION: A water electrolysis system 10 includes: a water electrolysis apparatus 12 that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than the oxygen; the gas-liquid separator 22 that is provided in a high-pressure hydrogen pipe 20 for discharging the high-pressure hydrogen from the water electrolysis apparatus 12 and separates the water from the high-pressure hydrogen; and the water drainage line 26 for discharging the water from the gas-liquid separator 22. The water drainage line 26 is provided with the back pressure valve 94, a pressure-reducing valve 96, a pressure-detecting sensor 100 and a solenoid valve 98. The water electrolysis system 10 includes a failure detector 102 that detects a failure in the back pressure valve 94 by detecting pressure in the water drainage line 26 when performing decompression by opening the solenoid valve 98 after stopping the electrolysis.

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその制御方法に関する。   The present invention is provided in a water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen, and a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolysis apparatus, A gas-liquid separator that separates water contained in the gas, a high-pressure hydrogen lead-out line that leads out the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator, and a drainage line that discharges water from the gas-liquid separator The present invention relates to a water electrolysis system provided and a control method thereof.

一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。水電解装置は、水を分解して水素(及び酸素)を発生させるため、固体高分子電解質膜(イオン交換膜)を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設して単位セルが構成されている。   Generally, hydrogen is used as a fuel gas used for a power generation reaction of a fuel cell. This hydrogen is produced by, for example, a water electrolysis device. The water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and power supply bodies are disposed on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure to provide unit cells. Is configured.

そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。   Therefore, a cell unit in which a plurality of unit cells are stacked is supplied with voltage at both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen generated together with hydrogen is discharged from the cell unit together with excess water.

上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、水分量5ppm以下の水素(以下、ドライ水素ともいう)を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。   In the above water electrolysis apparatus, moisture-containing hydrogen is produced, and it is necessary to remove moisture from the hydrogen in order to obtain a dry state, for example, hydrogen having a moisture content of 5 ppm or less (hereinafter also referred to as dry hydrogen). There is.

その際、カソード側に酸素よりも高圧(例えば、1MPa以上)の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。   At that time, in a high-pressure hydrogen production apparatus in which hydrogen at a pressure higher than oxygen (for example, 1 MPa or more) is obtained on the cathode side, there is a problem that a gas-liquid separation apparatus for removing moisture from the high-pressure hydrogen becomes large.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている水素生成システムが知られている。この水素生成システムは、図5に示すように、水を電気分解することによって、高圧水素を製造する水電解装置1と、前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置2とを備えている。   Therefore, for example, a hydrogen generation system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 5, this hydrogen generation system includes a water electrolysis apparatus 1 that produces high-pressure hydrogen by electrolyzing water, and a gas-liquid separation apparatus 2 that removes water contained in the high-pressure hydrogen. ing.

気液分離装置2を構成する第1気液分離器3には、排水ライン4が接続されるとともに、前記排水ライン4には、減圧弁5、電磁弁6及び絞り7が、排水流れ方向に沿って順次配設されている。   A drain line 4 is connected to the first gas-liquid separator 3 constituting the gas-liquid separator 2, and a pressure reducing valve 5, an electromagnetic valve 6, and a throttle 7 are connected to the drain line 4 in the drain flow direction. Are arranged sequentially.

水電解装置1で生成された水蒸気を含む高圧水素は、水素導出路8を介して第1気液分離器3に送られている。この第1気液分離器3には、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されて排水ライン4に戻される一方、前記水素は、水素ライン9に供給可能である。   High-pressure hydrogen containing water vapor generated by the water electrolysis apparatus 1 is sent to the first gas-liquid separator 3 via the hydrogen lead-out path 8. In the first gas-liquid separator 3, water vapor contained in hydrogen is separated from the hydrogen and returned to the drain line 4, while the hydrogen can be supplied to the hydrogen line 9.

そこで、第1気液分離器3の水位が最上水位になった時、電磁弁6が開放されるため、前記気液分離器3内の水は、排水ライン4から純水供給装置に排出されている。その際、減圧弁5は、二次側圧力が大気圧に維持されるように設定されており、第1気液分離器3から高圧力で排出される水は、前記減圧弁5で常圧まで減圧されて排出されている。   Therefore, when the water level of the first gas-liquid separator 3 reaches the highest water level, the electromagnetic valve 6 is opened, so that the water in the gas-liquid separator 3 is discharged from the drain line 4 to the pure water supply device. ing. At that time, the pressure reducing valve 5 is set so that the secondary pressure is maintained at atmospheric pressure, and water discharged from the first gas-liquid separator 3 at a high pressure is normal pressure by the pressure reducing valve 5. The pressure is reduced until it is discharged.

特開2009−191333号公報JP 2009-191333 A

ところで、上記の水素生成システムでは、排水ライン4には、例えば、35MPaの圧力を0.5MPaまで減圧するために、減圧弁5が設けられている。従って、減圧弁5が故障すると、高圧な第1気液分離器3の圧力を安定的に保持することができないおそれがある。   By the way, in the above hydrogen generation system, the drain line 4 is provided with a pressure reducing valve 5 in order to reduce the pressure of 35 MPa to 0.5 MPa, for example. Therefore, if the pressure reducing valve 5 fails, the pressure of the high-pressure first gas-liquid separator 3 may not be stably maintained.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置の排水ラインに配設される背圧弁の故障を、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検出することが可能な水電解システム及びその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and it is possible to reliably detect a failure of the back pressure valve disposed in the drain line of the gas-liquid separator with a simple and economical configuration and process. An object of the present invention is to provide a water electrolysis system and a control method thereof.

本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその制御方法に関するものである。   The present invention is provided in a water electrolysis apparatus that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen having a pressure higher than that of oxygen, and a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolysis apparatus, A gas-liquid separator that separates water contained in the gas, a high-pressure hydrogen lead-out line that leads out the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator, and a drainage line that discharges water from the gas-liquid separator The present invention relates to a water electrolysis system provided and a control method thereof.

この水電解システムでは、排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置されるとともに、前記水電解システムは、電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知する故障検知装置を備えている。   In this water electrolysis system, a back pressure valve, a pressure reducing valve, a pressure sensor, and a solenoid valve are sequentially arranged in the drainage line from upstream to downstream, and the water electrolysis system opens the solenoid valve after electrolysis is stopped. When performing depressurization, a failure detection device is provided for detecting a failure of the back pressure valve by detecting the pressure of the drainage line.

また、この水電解システムでは、故障検知装置は、脱圧後に電磁弁を閉弁させた状態で、排水ラインの圧力を検出して背圧弁の故障を検知することが好ましい。   In this water electrolysis system, it is preferable that the failure detection device detects the failure of the back pressure valve by detecting the pressure of the drainage line in a state where the electromagnetic valve is closed after depressurization.

さらに、この制御方法は、水電解装置により高圧水素を発生させるとともに、気液分離装置により前記高圧水素に含まれる水分を分離する電解工程と、電解停止後に電磁弁を開弁させて脱圧を行う工程と、排水ラインの圧力を検出する工程と、前記排水ラインの圧力が設定時間内に降圧しない際、前記背圧弁が故障であると判断する工程とを有している。   Furthermore, this control method generates high-pressure hydrogen by a water electrolysis device, and also performs an electrolysis step of separating moisture contained in the high-pressure hydrogen by a gas-liquid separation device, and opens a solenoid valve after electrolysis is stopped to release pressure. And a step of detecting the pressure of the drainage line, and a step of determining that the back pressure valve is faulty when the pressure of the drainage line does not decrease within a set time.

さらにまた、この制御方法は、排水ラインの圧力が設定時間内に降下した際、電磁弁を閉弁させる工程と、前記電磁弁の閉弁後に前記排水ラインの圧力が昇圧した際、背圧弁が故障であると判断する工程とを有することが好ましい。   Furthermore, this control method includes a step of closing the solenoid valve when the pressure of the drain line falls within a set time, and a back pressure valve when the pressure of the drain line is increased after the solenoid valve is closed. It is preferable to have a step of determining that it is a failure.

本発明によれば、電解停止後に電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、排水ラインの圧力を検出している。その際、電磁弁が開弁されているため、背圧弁が、気液分離装置側の圧力を良好に保持していれば、前記背圧弁の下流側である排水ラインの圧力が低下していく。   According to the present invention, when the depressurization is performed by opening the solenoid valve after the electrolysis is stopped, the pressure of the drain line is detected. At that time, since the solenoid valve is opened, if the back pressure valve maintains the pressure on the gas-liquid separator side well, the pressure in the drain line downstream of the back pressure valve decreases. .

従って、排水ラインの圧力が、設定時間内に降圧しない場合には、背圧弁から排水の漏れ(圧漏れ)が惹起されていると判断され、前記背圧弁の故障が検知される。これにより、気液分離装置の排水ラインに配設される背圧弁の故障を、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検出することが可能になる。   Therefore, when the pressure in the drainage line does not decrease within the set time, it is determined that drainage leakage (pressure leak) is caused from the back pressure valve, and a failure of the back pressure valve is detected. This makes it possible to reliably detect a failure of the back pressure valve disposed in the drain line of the gas-liquid separator with a simple and economical configuration and process.

本発明の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。It is a schematic structure explanatory view of a water electrolysis system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method which concerns on embodiment of this invention. 前記制御方法において、背圧弁の大量漏れ検出の説明図である。It is explanatory drawing of the mass leak detection of a back pressure valve in the said control method. 前記制御方法において、前記背圧弁の微少漏れ検出の説明図である。In the control method, it is the explanation drawing of the minute leak detection of the back pressure valve. 特許文献1に開示されている水素生成システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a hydrogen generation system disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る水電解システム10は、水(純水)を電気分解することによって酸素及び高圧水素(常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、1MPa〜70MPaの水素)を製造する差圧式水電解装置(高圧水素製造装置)12と、前記水電解装置12から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置14と、前記水貯留装置14に貯留される前記水を、前記水電解装置12に循環させる水循環装置16と、前記水貯留装置14に市水から生成された純水を供給する水供給装置18と、前記水電解装置12から高圧水素配管20に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置22と、前記気液分離装置22から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン24と、前記気液分離装置22から高圧な水を排出する排水ライン26と、コントローラ(制御装置)28とを備える。   As shown in FIG. 1, the water electrolysis system 10 according to the first embodiment of the present invention electrolyzes water (pure water) to generate oxygen and high-pressure hydrogen (higher than normal-pressure oxygen pressure, for example, 1 to 70 MPa hydrogen) and a water reservoir for separating the oxygen and excess water discharged from the water electrolyzer 12 and storing the water An apparatus 14, a water circulation apparatus 16 for circulating the water stored in the water storage apparatus 14 to the water electrolysis apparatus 12, and a water supply apparatus for supplying pure water generated from city water to the water storage apparatus 14 18, a gas-liquid separator 22 that removes moisture contained in the high-pressure hydrogen led out from the water electrolyzer 12 to the high-pressure hydrogen pipe 20, and the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator 22 High pressure to derive It comprises a hydrogen outlet line 24, a drain line 26 for discharging a high-pressure water from the gas-liquid separator 22, a controller (control unit) 28.

水電解装置12は、複数の単位セル30を積層したセルユニットを備える。単位セル30の積層方向一端には、ターミナルプレート32a、絶縁プレート34a及びエンドプレート36aが外方に向かって、順次、配設される。単位セル30の積層方向他端には、同様にターミナルプレート32b、絶縁プレート34b及びエンドプレート36bが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート36a、36b間は、一体的に締め付け保持される。   The water electrolysis apparatus 12 includes a cell unit in which a plurality of unit cells 30 are stacked. At one end in the stacking direction of the unit cells 30, a terminal plate 32a, an insulating plate 34a, and an end plate 36a are sequentially arranged outward. Similarly, a terminal plate 32b, an insulating plate 34b, and an end plate 36b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the unit cells 30 toward the outside. The end plates 36a and 36b are integrally clamped and held.

ターミナルプレート32a、32bの側部には、端子部38a、38bが外方に突出して設けられる。端子部38a、38bは、配線39a、39bを介して電解電源40に電気的に接続される。   Terminal portions 38a and 38b are provided on the side portions of the terminal plates 32a and 32b so as to protrude outward. The terminal portions 38a and 38b are electrically connected to the electrolytic power source 40 via the wirings 39a and 39b.

単位セル30は、円盤状の電解質膜・電極構造体42と、この電解質膜・電極構造体42を挟持するアノード側セパレータ44及びカソード側セパレータ46とを備える。アノード側セパレータ44及びカソード側セパレータ46は、円盤状を有する。   The unit cell 30 includes a disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 42, and an anode-side separator 44 and a cathode-side separator 46 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 42. The anode side separator 44 and the cathode side separator 46 have a disk shape.

電解質膜・電極構造体42は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜48と、前記固体高分子電解質膜48の両面に設けられるアノード側給電体50及びカソード側給電体52とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 42 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 48 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode-side power feeder 50 and a cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. Side power supply body 52.

固体高分子電解質膜48の両面には、アノード電極触媒層50a及びカソード電極触媒層52aが形成される。アノード電極触媒層50aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層52aは、例えば、白金触媒を使用する。   An anode electrode catalyst layer 50 a and a cathode electrode catalyst layer 52 a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48. The anode electrode catalyst layer 50a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 52a uses, for example, a platinum catalyst.

単位セル30の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水(純水)を供給するための水供給連通孔56と、反応により生成された酸素及び未反応の水を排出するための排出連通孔58と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔60とが設けられる。   A water supply communication hole 56 for supplying water (pure water) to each other in the stacking direction, and oxygen generated by the reaction and unreacted water are discharged to the outer peripheral edge of the unit cell 30. The discharge communication hole 58 and the hydrogen communication hole 60 for flowing hydrogen generated by the reaction are provided.

水循環装置16は、水電解装置12の水供給連通孔56に連通する循環配管72を備え、この循環配管72は、循環ポンプ74及びイオン交換器76を配置して水貯留装置14を構成するタンク部78の底部に接続される。   The water circulation device 16 includes a circulation pipe 72 that communicates with the water supply communication hole 56 of the water electrolysis device 12, and the circulation pipe 72 includes a circulation pump 74 and an ion exchanger 76 that constitute a water storage device 14. Connected to the bottom of section 78.

タンク部78の上部には、戻り配管80の一端部が連通するとともに、前記戻り配管80の他端は、水電解装置12の排出連通孔58に連通する。戻り配管80の一端部は、タンク部78内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。   One end portion of the return pipe 80 communicates with the upper portion of the tank portion 78, and the other end of the return pipe 80 communicates with the discharge communication hole 58 of the water electrolysis apparatus 12. One end of the return pipe 80 is set to a position that always opens in the water stored in the tank portion 78.

タンク部78には、水供給装置18に接続された純水供給配管84と、前記タンク部78で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管86とが連結される。   A pure water supply pipe 84 connected to the water supply device 18 and an oxygen exhaust pipe 86 for discharging oxygen separated from the pure water in the tank section 78 are connected to the tank section 78.

水電解装置12の水素連通孔60には、高圧水素配管20の一端が接続され、この高圧水素配管20の他端が、逆止弁87を介装して気液分離装置22に接続される。気液分離装置22で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン24に導出される。高圧水素導出ライン24には、第1設定圧力値(例えば、35MPa)に設定された第1背圧弁88が設けられる。   One end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the hydrogen communication hole 60 of the water electrolysis apparatus 12, and the other end of the high-pressure hydrogen pipe 20 is connected to the gas-liquid separator 22 via a check valve 87. . The high-pressure hydrogen from which moisture has been removed by the gas-liquid separator 22 is led out to the high-pressure hydrogen lead-out line 24 as dry hydrogen. The high-pressure hydrogen lead-out line 24 is provided with a first back pressure valve 88 set at a first set pressure value (for example, 35 MPa).

気液分離装置22は、水を貯留するためのタンク部90を備える。タンク部90には、前記タンク部90内の水位WSが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ92が設けられる。水位検出センサ92の検出信号は、コントローラ28に入力される。   The gas-liquid separator 22 includes a tank unit 90 for storing water. The tank unit 90 is provided with a water level detection unit, for example, a water level detection sensor 92 that detects whether or not the water level WS in the tank unit 90 is a set height. A detection signal from the water level detection sensor 92 is input to the controller 28.

気液分離装置22の下部には、排水ライン26が接続され、前記排水ライン26には、第2背圧弁94、減圧弁96及びコントローラ28からの開閉信号により開閉動作する電磁弁98が、排水流れ方向に沿って配設される。排水ライン26には、減圧弁96と電磁弁98との間に位置して圧力検出センサ100が配設される。   A drain line 26 is connected to the lower part of the gas-liquid separator 22. A drain valve 26 is connected to the drain line 26 by a second back pressure valve 94, a pressure reducing valve 96, and an electromagnetic valve 98 that opens and closes in response to an open / close signal from the controller 28. Arranged along the flow direction. A pressure detection sensor 100 is disposed in the drain line 26 between the pressure reducing valve 96 and the electromagnetic valve 98.

第2背圧弁94は、第1背圧弁88の第1設定圧力(例えば、35MPa)よりも低圧な第2設定圧力(例えば、34MPa)に設定される。減圧弁96は、一次側圧力(例えば、34MPa)を所定の二次側圧力(例えば、1.0MPa)に減圧するように設定される。   The second back pressure valve 94 is set to a second set pressure (for example, 34 MPa) that is lower than the first set pressure (for example, 35 MPa) of the first back pressure valve 88. The pressure reducing valve 96 is set to reduce the primary pressure (for example, 34 MPa) to a predetermined secondary pressure (for example, 1.0 MPa).

コントローラ28は、電解停止後に電磁弁98を開弁させて脱圧を行う際、排水ライン26の圧力を検出して第2背圧弁94の故障を検知する故障検知装置102としての機能を有する。   The controller 28 has a function as the failure detection device 102 that detects the failure of the second back pressure valve 94 by detecting the pressure of the drainage line 26 when the electromagnetic valve 98 is opened to release pressure after the electrolysis is stopped.

このように構成される水電解システム10の動作について、本実施形態に係る制御方法との関連で、図2に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。   The operation of the water electrolysis system 10 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG. 2 in relation to the control method according to the present embodiment.

先ず、水電解システム10による電解が開始される(ステップS1)。図1に示すように、水供給装置18を介して市水から生成された純水が、水貯留装置14を構成するタンク部78に供給される。   First, electrolysis by the water electrolysis system 10 is started (step S1). As shown in FIG. 1, pure water generated from city water via the water supply device 18 is supplied to a tank unit 78 that constitutes the water storage device 14.

水循環装置16では、循環ポンプ74の作用下に、タンク部78内の水が循環配管72を介して水電解装置12の水供給連通孔56に供給される。一方、ターミナルプレート32a、32bの端子部38a、38bには、電気的に接続されている電解電源40を介して電圧が付与される。   In the water circulation device 16, the water in the tank unit 78 is supplied to the water supply communication hole 56 of the water electrolysis device 12 through the circulation pipe 72 under the action of the circulation pump 74. On the other hand, a voltage is applied to the terminal portions 38a and 38b of the terminal plates 32a and 32b via the electrolytic power supply 40 that is electrically connected.

このため、各単位セル30では、水供給連通孔56からアノード側セパレータ44の第1流路64に水が供給され、この水がアノード側給電体50内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層50aで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜48を透過してカソード電極触媒層52a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。   Therefore, in each unit cell 30, water is supplied from the water supply communication hole 56 to the first flow path 64 of the anode side separator 44, and this water moves along the anode side power supply body 50. Therefore, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 50a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 48 and move to the cathode electrode catalyst layer 52a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

これにより、カソード側セパレータ46とカソード側給電体52との間に形成される第2流路68に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔56よりも高圧に維持されており、水素連通孔60を流れて水電解装置12の外部に取り出し可能となる。   Thereby, hydrogen flows along the second flow path 68 formed between the cathode-side separator 46 and the cathode-side power feeder 52. This hydrogen is maintained at a higher pressure than the water supply communication hole 56 and can flow out of the water electrolysis apparatus 12 through the hydrogen communication hole 60.

一方、第1流路64には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔58に沿って水循環装置16の戻り配管80に排出される。この未反応の水及び酸素は、タンク部78に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ74を介して循環配管72からイオン交換器76を通って水供給連通孔56に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管86から外部に排出される。   On the other hand, oxygen generated by the reaction and unreacted water flow through the first flow path 64, and these mixed fluids are discharged to the return pipe 80 of the water circulation device 16 along the discharge communication hole 58. The After the unreacted water and oxygen are introduced into the tank section 78 and separated, the water is introduced from the circulation pipe 72 through the ion exchanger 76 into the water supply communication hole 56 via the circulation pump 74. . Oxygen separated from the water is discharged to the outside from the oxygen exhaust pipe 86.

水電解装置12内に生成された水素は、高圧水素配管20を介して気液分離装置22に送られる。この気液分離装置22では、水素に含まれる水蒸気(水分)が、この水素から分離されてタンク部90に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン24に導出される(電解工程)。   The hydrogen generated in the water electrolysis device 12 is sent to the gas-liquid separation device 22 via the high-pressure hydrogen pipe 20. In the gas-liquid separator 22, water vapor (water) contained in hydrogen is separated from the hydrogen and stored in the tank unit 90, while the hydrogen is led out to the high-pressure hydrogen lead line 24 (electrolysis step). .

タンク部90では、前記タンク部90内の水位WSが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ92を備えている。コントローラ28は、水位検出センサ92を介して、水位WSが設定下方位置に低下したと判断した際には、タンク部90から排水ライン26への排水の停止を指示する。すなわち、電磁弁98を閉塞させる。一方、コントローラ28は、水位WSが設定上方位置に上昇したと判断した際には、電磁弁98を開放させて排水ライン26への排水を指示する。   The tank unit 90 includes a water level detection sensor 92 for detecting whether or not the water level WS in the tank unit 90 is a set height. When the controller 28 determines through the water level detection sensor 92 that the water level WS has been lowered to the set lower position, the controller 28 instructs the stop of drainage from the tank unit 90 to the drainage line 26. That is, the electromagnetic valve 98 is closed. On the other hand, when the controller 28 determines that the water level WS has risen to the set upper position, the controller 28 opens the electromagnetic valve 98 and instructs the drainage line 26 to drain.

次いで、水電解装置12による電解運転が停止されると(ステップS2中、YES)、ステップS3に進んで、電磁弁98が開弁される。このため、タンク部90内の水は、排水ライン26を通って排水されることにより、水電解装置12の高圧側であるカソード側の圧力は、脱圧される。   Next, when the electrolysis operation by the water electrolysis apparatus 12 is stopped (YES in step S2), the process proceeds to step S3, and the electromagnetic valve 98 is opened. For this reason, the water in the tank part 90 is drained through the drainage line 26, so that the pressure on the cathode side, which is the high-pressure side of the water electrolysis device 12, is released.

その際、コントローラ28は、排水ライン26に減圧弁96の下流に位置して配置されている圧力検出センサ100を介して、前記減圧弁96よりも下流側の排水圧力を検出している。そして、検出された圧力が、降圧せずに一定の圧力を維持していると判断されると(ステップS4中、NO)、ステップS5に進む。このステップS5では、圧力維持が所定の時間T以上継続していると判断されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進む。   At that time, the controller 28 detects the drain pressure on the downstream side of the pressure reducing valve 96 via the pressure detection sensor 100 disposed in the drain line 26 at a position downstream of the pressure reducing valve 96. When it is determined that the detected pressure is maintained at a constant pressure without being reduced (NO in step S4), the process proceeds to step S5. If it is determined in step S5 that the pressure is maintained for a predetermined time T or longer (YES in step S5), the process proceeds to step S6.

このステップS6では、図3に示すように、電磁弁98が開放されているにも係わらず、圧力低下が所定の時間Tにわたって惹起されていない。このため、第2背圧弁94に故障が発生していると判断され、アラームの表示が行われる。   In step S6, as shown in FIG. 3, no pressure drop is caused over a predetermined time T although the electromagnetic valve 98 is opened. For this reason, it is determined that a failure has occurred in the second back pressure valve 94, and an alarm is displayed.

第2背圧弁94により気液分離装置22側の圧力が保持されていれば、この第2背圧弁94の下流側には、第2設定圧力(例えば、34MPa)の圧力で排水が送り出され、さらに減圧弁96によって、例えば、1.0MPaまで減圧されて排水される。すなわち、第2背圧弁94が正常に機能していれば、前記第2背圧弁94の下流側の圧力は、減圧弁96により34MPaから降圧し、圧力検出センサ100により検出される圧力の低下が発生する。   If the pressure on the gas-liquid separator 22 side is maintained by the second back pressure valve 94, the waste water is sent to the downstream side of the second back pressure valve 94 at a pressure of the second set pressure (for example, 34 MPa), Further, the pressure is reduced to, for example, 1.0 MPa by the pressure reducing valve 96 and drained. That is, if the second back pressure valve 94 is functioning normally, the pressure on the downstream side of the second back pressure valve 94 is reduced from 34 MPa by the pressure reducing valve 96, and the pressure detected by the pressure detection sensor 100 decreases. appear.

従って、排水ライン26の圧力が、所定の時間T内に降圧しない場合には、第2背圧弁94から排水の漏れ(圧漏れ)が惹起されていると判断され、比較的大量の排水漏れが発生するおそれがある。このため、背圧弁故障アラームがなされた後(ステップS6)、ステップS7に進んで、電磁弁が開放に維持された状態で、システム完全停止がなされる(ステップS8)。   Therefore, if the pressure in the drainage line 26 does not decrease within the predetermined time T, it is determined that drainage leakage (pressure leakage) is caused from the second back pressure valve 94, and a relatively large amount of drainage leakage occurs. May occur. For this reason, after the back pressure valve failure alarm is made (step S6), the process proceeds to step S7, and the system is completely stopped with the electromagnetic valve kept open (step S8).

なお、ステップS7において、電磁弁98が開状態に維持されるのは、第2背圧弁94から大量の排水漏れが惹起されているおそれがあり、この電磁弁98を保護する必要があるからである。   In step S7, the electromagnetic valve 98 is maintained in the open state because a large amount of drainage leakage may be caused from the second back pressure valve 94, and it is necessary to protect the electromagnetic valve 98. is there.

一方、ステップS3において、電磁弁98が開放された後、排水ライン26の圧力降下が惹起されていると判断されると(ステップS4中、YES)、ステップS9に進んで、前記電磁弁98が閉塞される。さらに、システム停止が行なわれた後(ステップS10)、このシステム停止期間中に、排水ライン26の圧力上昇の有無が判断される(ステップS11)。   On the other hand, if it is determined in step S3 that the pressure drop in the drainage line 26 is caused after the solenoid valve 98 is opened (YES in step S4), the process proceeds to step S9, where the solenoid valve 98 is turned on. Blocked. Further, after the system is stopped (step S10), it is determined whether or not the pressure in the drain line 26 has increased during the system stop period (step S11).

図4に示すように、システム停止期間中に、排水ライン26の圧力が上昇すると(ステップS11中、YES)、第2背圧弁94から微少の排水漏れが惹起されていると判断する。従って、背圧弁故障アラームがなされた後(ステップS12)、ステップS8に進んで、システム完全停止がなされる。   As shown in FIG. 4, if the pressure in the drainage line 26 increases during the system stop period (YES in step S11), it is determined that a slight drainage leak is caused from the second back pressure valve 94. Therefore, after the back pressure valve failure alarm is made (step S12), the process proceeds to step S8, where the system is completely stopped.

また、システム停止期間中に、圧力上昇がないと判断されると(ステップS11中、NO)、ステップS13に進んで、システム起動の指示がなされるか否かが判断される。システム起動が行われる際には(ステップS13中、YES)、ステップS1に戻って電解が開始される。一方、システム起動がなされない場合には(ステップS13中、NO)、制御処理が終了される。   If it is determined that there is no pressure increase during the system stop period (NO in step S11), the process proceeds to step S13 to determine whether or not an instruction to start the system is given. When the system is activated (YES in step S13), the process returns to step S1 to start electrolysis. On the other hand, when the system is not activated (NO in step S13), the control process is terminated.

この場合、本実施形態では、電解停止後に、電磁弁98を開弁させて水電解装置12の脱圧を行う際、排水ライン26に減圧弁96の下流に位置して配置されている圧力検出センサ100を介し、前記排水ライン26の圧力が検出されている。その際、排水ライン26の圧力が、所定の時間T内に降圧しない場合には、第2背圧弁94から排水の漏れが惹起されていると判断され、前記第2背圧弁94の故障が検知されている。   In this case, in this embodiment, after the electrolysis is stopped, when the electromagnetic valve 98 is opened and the water electrolysis apparatus 12 is depressurized, the pressure detection disposed in the drain line 26 downstream of the pressure reducing valve 96. The pressure of the drain line 26 is detected via the sensor 100. At that time, if the pressure of the drain line 26 does not decrease within a predetermined time T, it is determined that the drainage of the drainage is caused from the second back pressure valve 94, and the failure of the second back pressure valve 94 is detected. Has been.

これにより、気液分離装置22の排水ライン26に配置された第2背圧弁94の故障を専用の設備を、使用することがなく、既存のデバイスを用いて確実に検出することができる。このため、簡単且つ経済的な構成及び工程で、第2背圧弁94の良否を正確に判別し得るという効果がある。   Thereby, the failure of the second back pressure valve 94 arranged in the drain line 26 of the gas-liquid separator 22 can be reliably detected using an existing device without using a dedicated facility. For this reason, there is an effect that the quality of the second back pressure valve 94 can be accurately determined with a simple and economical configuration and process.

さらに、本実施形態では、図4に示すように、電磁弁98の開弁後に、排水ライン26の圧力が降下した際、前記電磁弁98が閉弁されてシステム停止に移行されている。そして、このシステム停止期間中に、排水ライン26の圧力を検出し、前記排水ライン26の圧力が上昇した際には、第2背圧弁94が故障であると判断している。従って、第2背圧弁94からの微少の漏れを、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検知することができる。   Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 4, when the pressure of the drainage line 26 drops after the solenoid valve 98 is opened, the solenoid valve 98 is closed and the system is stopped. During this system stop period, the pressure of the drainage line 26 is detected, and when the pressure of the drainage line 26 increases, it is determined that the second back pressure valve 94 is in failure. Therefore, a slight leak from the second back pressure valve 94 can be reliably detected with a simple and economical configuration and process.

10…水電解システム 12…水電解装置
14…水貯留装置 16…水循環装置
18…水供給装置 20…高圧水素配管
22…気液分離装置 24…高圧水素導出ライン
26…排水ライン 28…コントローラ
30…単位セル 42…電解質膜・電極構造体
44…アノード側セパレータ 46…カソード側セパレータ
48…固体高分子電解質膜 50…アノード側給電体
52…カソード側給電体 56…水供給連通孔
58…排出連通孔 60…水素連通孔
88、94…背圧弁 90…タンク部
92…水位検出センサ 96…減圧弁
98…電磁弁 100…圧力検出センサ
102…故障検知装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Water electrolysis system 12 ... Water electrolysis apparatus 14 ... Water storage apparatus 16 ... Water circulation apparatus 18 ... Water supply apparatus 20 ... High-pressure hydrogen piping 22 ... Gas-liquid separation apparatus 24 ... High-pressure hydrogen derivation line 26 ... Drain line 28 ... Controller 30 ... Unit cell 42 ... electrolyte membrane / electrode structure 44 ... anode side separator 46 ... cathode side separator 48 ... solid polymer electrolyte membrane 50 ... anode side power supply body 52 ... cathode side power supply body 56 ... water supply communication hole 58 ... discharge communication hole DESCRIPTION OF SYMBOLS 60 ... Hydrogen communication hole 88, 94 ... Back pressure valve 90 ... Tank part 92 ... Water level detection sensor 96 ... Pressure reducing valve 98 ... Solenoid valve 100 ... Pressure detection sensor 102 ... Failure detection apparatus

Claims (4)

水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置されるとともに、
前記水電解システムは、電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知する故障検知装置を備えることを特徴とする水電解システム。
A water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen;
A gas-liquid separator that is disposed in a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolyzer and separates water contained in the high-pressure hydrogen;
A high-pressure hydrogen outlet line for extracting the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator;
A drain line for discharging water from the gas-liquid separator;
A water electrolysis system comprising:
In the drainage line, a back pressure valve, a pressure reducing valve, a pressure sensor and a solenoid valve are sequentially arranged from upstream to downstream,
The water electrolysis system includes a failure detection device that detects a failure of the back pressure valve by detecting the pressure of the drainage line when the solenoid valve is opened to release pressure after electrolysis is stopped. Water electrolysis system.
請求項1記載の水電解システムにおいて、前記故障検知装置は、脱圧後に前記電磁弁を閉弁させた状態で、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知することを特徴とする水電解システム。   The water electrolysis system according to claim 1, wherein the failure detection device detects a failure of the back pressure valve by detecting a pressure of the drainage line in a state in which the electromagnetic valve is closed after depressurization. Water electrolysis system. 水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備え、
前記排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置される水電解システムの制御方法であって、
前記水電解装置により高圧水素を発生させるとともに、前記気液分離装置により前記高圧水素に含まれる水分を分離する電解工程と、
電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う工程と、
前記排水ラインの圧力を検出する工程と、
前記排水ラインの圧力が設定時間内に降圧しない際、前記背圧弁が故障であると判断する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの制御方法。
A water electrolysis device that electrolyzes water to generate oxygen and high-pressure hydrogen that is higher in pressure than the oxygen;
A gas-liquid separator that is disposed in a hydrogen pipe that discharges the high-pressure hydrogen from the water electrolyzer and separates water contained in the high-pressure hydrogen;
A high-pressure hydrogen outlet line for extracting the high-pressure hydrogen from which water has been separated from the gas-liquid separator;
A drain line for discharging water from the gas-liquid separator;
With
The drainage line is a control method for a water electrolysis system in which a back pressure valve, a pressure reducing valve, a pressure sensor and a solenoid valve are sequentially arranged from upstream to downstream,
An electrolysis step of generating high-pressure hydrogen by the water electrolyzer, and separating water contained in the high-pressure hydrogen by the gas-liquid separator;
Opening the solenoid valve after the electrolysis is stopped, and depressurizing;
Detecting the pressure of the drain line;
Determining that the back pressure valve is faulty when the pressure in the drain line does not decrease within a set time;
A method for controlling a water electrolysis system comprising:
請求項3記載の制御方法において、前記排水ラインの圧力が設定時間内に降下した際、前記電磁弁を閉弁させる工程と、
前記電磁弁の閉弁後に前記排水ラインの圧力が昇圧した際、前記背圧弁が故障であると判断する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの制御方法。
The control method according to claim 3, wherein when the pressure of the drainage line falls within a set time, the electromagnetic valve is closed.
Determining that the back pressure valve is faulty when the pressure in the drainage line is increased after the solenoid valve is closed;
A method for controlling a water electrolysis system comprising:
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