JP2014043615A - 水電解システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素と液状水とを良好に分離するとともに、他のセンサを併用する必要がなく、簡単且つ経済的に、静電容量式水位検知装置の検知ずれを確実に検出することを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０は、高圧水電解装置１４、気液分離装置１８、静電容量式水位検知装置２０、排水装置２２及び制御装置２４とを備える。気液分離装置１８は、所定の高さ範囲に亘って同一の断面積を有する第１貯水部４４と、該第１貯水部４４の断面積より小さい断面積を有する第２貯水部４６ｕとを有する。制御装置２４は、第１貯水部４４の範囲内で水位が変動するように、排水装置２２を制御する水位制御部５４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出された前記水素を気液分離する気液分離装置と、前記気液分離装置内の水位を検知する静電容量式水位検知装置と、前記気液分離装置から排水を行う排水装置と、制御装置とを備える水電解システム及びその制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池を発電させるために、燃料ガスとして水素ガスが使用されている。一般的に、水素ガスを製造する際に、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、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アノード側給電体及びカソード側給電体が配設されて、ユニットが構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側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、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

上記の水電解装置では、カソード側には、製造された水素の他に、アノード側からの透過水が存在している。このため、通常、水電解装置のカソード側に連通して外部に延在する水素供給管の途上には、水素から水分（液状水）を除去する気液分離装置が配設されている。

この気液分離装置では、内部に水が貯留されており、規定量以上の水が貯留された際に、前記気液分離装置から排水する構成が採用されている。従って、気液分離装置には、内部の水位が所定水位以上にならないように、種々の水位センサが設けられている。水位センサとしては、例えば、気相部と液相部との静電容量の相違を利用して水面を検知する静電容量式水位センサが使用されている（特許文献１）。

特開２０１１−１３３４２６号公報

ところで、気液分離装置には、水に混在して金属イオン等の異物が進入し易く、水の比誘電率が大きく変化してしまう。しかも、比誘電率は、温度によっても変化することが知られている。従って、特に静電容量式水位センサにより水面の誤検知が発生するおそれがあり、例えば、気液分離装置から水が溢れてしまうという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、水素と液状水とを良好に分離するとともに、簡単且つ経済的に、静電容量式水位検知装置の検知ずれを確実に検出することが可能な気液分離装置を備える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。

本発明は、水を電気分解して酸素と水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出された前記水素を気液分離する気液分離装置と、前記気液分離装置内の水位を検知する静電容量式水位検知装置と、前記気液分離装置から排水を行う排水装置と、制御装置と、を備える水電解システムに関するものである。

気液分離装置は、所定の高さ範囲に亘って同一の断面積を有する第１貯水部と、前記第１貯水部の重力方向上方に連通して設けられ、該第１貯水部の断面積とは異なる断面積を有する第２貯水部と、を有する一方、制御装置は、前記第１貯水部の範囲内で水位が変動するように、排水装置を制御する水位制御部を有している。

また、この水電解システムでは、制御装置は、気液分離装置への注水速度が一定になるように水電解装置を制御する電解制御部と、静電容量式水位検知装置による所定時間毎の検出値の変化幅を検知する検出値変化幅検知部と、を有するとともに、前記制御装置は、前記検出値の変化幅が設定範囲外である際に、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定することが好ましい。

さらに、この水電解システムでは、第２貯水部の断面積は、第１貯水部の断面積よりも小さい断面積に設定されることが好ましい。

さらにまた、この水電解システムでは、第２貯水部の断面積は、第１貯水部の断面積よりも大きい断面積に設定されることが好ましい。

また、この水電解システムでは、制御装置は、水電解装置への印加電流を検知する印加電流検知部と、検知された前記印加電流に基づいて、第１貯水部内での水位変化速度を推定する変化速度推定部と、静電容量式水位検知装置による検出値に基づいて、実際の検出値の水位変化速度を算出する変化速度算出部と、を有するとともに、前記制御装置は、推定された前記水位変化速度と実際の前記水位変化速度との差が、設定値以上に異なる際、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定することが好ましい。

さらに、本発明は、水を電気分解して酸素と水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から排出された前記水素を気液分離する気液分離装置と、前記気液分離装置内の水位を検知する静電容量式水位検知装置と、前記気液分離装置から排水を行う排水装置と、制御装置と、を備えるとともに、前記気液分離装置は、所定の高さ範囲に亘って同一の断面積を有する第１貯水部と、前記第１貯水部の重力方向上方に連通して設けられ、該第１貯水部の断面積とは異なる断面積を有する第２貯水部と、を有する水電解システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、気液分離装置への注水速度が一定になるように、水電解装置を制御する工程と、静電容量式水位検知装置による所定時間毎の検出値の変化幅を検知する工程と、前記検出値の変化幅が設定範囲内である際に、排水装置を制御する工程と、前記検出値の変化幅が設定範囲外である際に、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定する工程と、を有している。

本発明によれば、気液分離装置内には、互いに断面積の異なる第１貯水部と第２貯水部とが設けられている。従って、水位が上昇して水面が第１貯水部から第２貯水部に移動すると、断面積が変化するため、例えば、静電容量式水位検知装置により検知される水位の上昇速度が変動する。

これにより、静電容量式水位検知装置の検知誤差を把握するとともに、気液分離装置から貯留水が溢れることを可及的に阻止することができる。このため、水素と液状水とを良好に分離するとともに、他のセンサを併用する必要がなく、簡単且つ経済的に、静電容量式水位検知装置の検知ずれを確実に検出することが可能になる。

本発明の第１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。 前記水電解システムを構成する気液分離装置の概略断面説明図である。 前記水電解システムの制御方法を説明するフローチャートである。 前記制御方法を説明する正常時のセンサ検出値と実際の水面レベルとの説明図である。 前記正常時の水位制御の説明図である。 前記制御方法を説明する比誘電率変化時のセンサ検出値と実際の水面レベルとの説明図である。 前記比誘電率変化時の水位制御の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水電解システムを構成する気液分離装置の概略断面説明図である。 前記制御方法を説明するセンサ検出値と実際の水面レベルとの説明図である。 本発明の第３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。

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、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素（酸素圧よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）を製造する高圧水電解装置１４を備える。なお、高圧水電解装置１４に限定されるものではなく、例えば、常圧式（酸素圧と同圧の水素を製造する）の水電解装置を使用してもよい。

水電解システム１０は、高圧水電解装置１４から水素導出路１６に導出される水素に含まれる水分（液状水）を気液分離する気液分離装置１８と、前記気液分離装置１８内の水位を検知する静電容量式水位検知装置２０と、前記気液分離装置１８から排水を行う排水装置２２と、システム全体の制御を行う制御装置２４とを備える。気液分離装置１８の上部には、水分が分離された水素を導出させる水素配管２６が接続される。水素配管２６には、逆止弁２７が配設される。

高圧水電解装置１４は、複数の水分解セル２８が積層されており、前記水分解セル２８の積層方向両端には、エンドプレート３０ａ、３０ｂが配設される。高圧水電解装置１４には、直流電源である電解電源３２が接続される。

エンドプレート３０ａには、配管３４ａが接続されるとともに、エンドプレート３０ｂには、配管３４ｂ、３４ｃが接続される。配管３４ａ、３４ｂは、循環路３６を介して純水供給装置１２から純水の循環が行われる一方、水素排出口である配管３４ｃは、水素導出路１６から気液分離装置１８に接続される。水素導出路１６には、逆止弁３８が配設される。

図２に示すように、気液分離装置１８は、円筒形（又は角筒形）の容器部材４０と、前記容器部材４０の上端開口部及び下端開口部に設けられる上蓋部材４２ａ及び下蓋部材４２ｂとを備える。容器部材４０は、所定の高さ範囲（下限位置Ｋｄ〜上限位置Ｋｕの範囲）に亘って同一の断面積を有する第１貯水部４４と、前記第１貯水部４４の重力方向上方に連通して設けられ、該第１貯水部４４の断面積とは異なる断面積を有する第２貯水部４６ｕとを有する。第１貯水部４４の重力方向下方には、第３貯水部４６ｄが連通する。上蓋部材４２ａには、水素導出路１６及び水素配管２６が接続される一方、下蓋部材４２ｂには、後述する排水配管５０が接続される。

第１貯水部４４は、直径（又は一辺）Ｄ１を有するとともに、第２貯水部４６ｕ及び第３貯水部４６ｄは、それぞれ直径（又は一辺）Ｄ２、Ｄ３を有する。直径Ｄ１＞直径Ｄ２、直径Ｄ１＞直径Ｄ３及び直径Ｄ２＝直径Ｄ３の関係を有する。第１貯水部４４では、後述するように、下端位置Ｘａと上端位置Ｙａとの間で水位が調整される。下端位置Ｘａは、下限位置Ｋｄよりも上方に設定される一方、上端位置Ｙａは、上限位置Ｋｕよりも下方に設定される。

静電容量式水位検知装置２０は、電極部４８が容器部材４０内に第２貯水部４６ｕ及び第１貯水部４４から第３貯水部４６ｄに亘って重力方向（矢印Ｇ方向）に延在して配置される。

図１に示すように、排水装置２２は、気液分離装置１８の底部に接続される排水配管５０を備える。排水配管５０には、排水用電磁弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）５２が配設される。この排水配管５０は、例えば、純水供給装置１２に接続されるとともに、この純水供給装置１２に水を供給してもよい。

制御装置２４は、第１貯水部４４の範囲（図２中、下限位置Ｋｄ〜上限位置Ｋｕの範囲）内で水位が変動するように、排水装置２２を制御する水位制御部５４と、気液分離装置１８への注水速度が一定になるように高圧水電解装置１４を制御する電解制御部５６と、静電容量式水位検知装置２０による所定時間毎の検出値の変化幅を検知する検出値変化幅検知部５８とを有する。

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、以下に説明する。

先ず、水電解システム１０の始動時には、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が高圧水電解装置１４に供給される。この高圧水電解装置１４では、電解電源３２から通電されることにより、純水が電気分解されてアノード側に酸素が生成される一方、カソード側に水素が生成される。

高圧水電解装置１４内に生成された水素は、水素導出路１６を介して気液分離装置１８に送られる。この気液分離装置１８では、水素に含まれる液状水は、この水素から分離されるとともに、容器部材４０内に水が貯留される。

液状水が除去された水素は、水素配管２６に導出されるとともに、所定圧力の高圧水素に維持される。高圧水素は、図示しないが、燃料電池車両の燃料タンクに供給可能である。

次いで、第１の実施形態に係る制御方法について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

気液分離装置１８では、静電容量式水位検知装置２０により、容器部材４０内の水位が検出されている。制御装置２４では、静電容量式水位検知装置２０による水位検出値が送られ、検出値変化幅検知部５８により所定時間あたりの水位上昇率又は傾き（検出値の変化幅）（以下、変化値Ａという）を検知している。なお、制御装置２４は、一定注水速度で第１貯水部４４に注水された場合の所定時間毎の変化幅を予め把握しており、注水速度（又は電解電流）と該変化幅とを対応させたマップを有している。

先ず、排水装置２２を構成する電磁弁５２が閉塞されていると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。このステップＳ２では、変化値Ａが、容器部材４０の断面積変化率から設定される水位上昇率又は傾きの許容量である許容閾値αと比較される。許容閾値αは、例えば、以下のように設定される。

高圧水電解装置１４に流す電流値と、アノード側からカソード側に透過する透過水量との関係を予め取得しておく。そして、容器部材４０内の水位が第１貯水部４４から第２貯水部４６ｕに到達した際の水位変化率を、各電流値毎に算出し、その電流値以下の値に設定される。

そこで、変化値Ａが、許容閾値α未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、静電容量式水位検知装置２０の出力値ＬＳが、容器部材４０内の水位の制限範囲上限Ｙ（上端位置Ｙａに対応するセンサ出力値）と比較される。

出力値ＬＳが、制限範囲上限Ｙを超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、電磁弁５２が開放される。そして、ステップＳ１に戻り、電磁弁５２が開放されたと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、出力値ＬＳが、容器部材４０内の水位が制限範囲下限Ｘ（下端位置Ｘａに対応するセンサ出力値）未満であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、電磁弁５２が閉じられる。

上記の制御は、実質的に、図４に示す正常時制御となる。具体的には、制御装置２４では、電解制御部５６を介して高圧水電解装置１４に流れる電流を一定に維持することにより、気液分離装置１８への注水速度が一定になるように制御している。

この状態で、水位制御部５４は、容器部材４０内の水位が、第１貯水部４４内で下限位置Ｋｄよりも上方に設定される下端位置Ｘａと、上限位置Ｋｕよりも下方に設定される上端位置Ｙａとの間に維持されるように、排水装置２２を制御している（図５参照）。

ところで、気液分離装置１８内に貯留されている水には、金属の溶出や温度変化により比誘電率が変化し易い。このため、気液分離装置１８内の水位を、第１貯水部４４の高さ範囲内で制御している途上で、変化値Ａが許容閾値αを超える場合がある（ステップＳ２中、ＮＯ）。すなわち、気液分離装置１８内の水位が第１貯水部４４を超えて第２貯水部４６ｕに到達したことが検出される。

従って、制御装置２４では、水位の誤検知であると判断し（ステップＳ７）、ステップＳ８に進んで、システム停止処理が行われる。具体的には、図６に示すように、気液分離装置１８内の貯留水に比誘電率変化が発生すると、静電容量式水位検知装置２０によるセンサ検出値が、実際の水位位置に対して誤差が生じる。これにより、正常時のセンサ検出曲線ＬＳａに対して、傾きの大きなセンサ検出曲線ＬＳｂが得られてしまう。

このため、静電容量式水位検知装置２０が制限範囲上限Ｙを検出する前に、容器部材４０内の水位が上限位置Ｋｕを超えると、水面位置は、断面積の大きな第１貯水部４４から断面積の小さな第２貯水部４６ｕに移動する。

従って、実際に検出される水位上昇率又は傾きである変化値Ａは、許容閾値αを超えて大きな値となる。これにより、容器部材４０内の水位が、実際の水面レベルである上端位置Ｙａを超えたことが検出され、システム停止処理が行われる。換言すれば、制御装置２４の水位制御部５４は、図７に示すように、実際の水面レベルでは、下端位置Ｘａと上端位置Ｙａを超えた上方位置Ｚとの間を制限範囲として、水位調整を行っている。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、気液分離装置１８内には、断面積の大きな第１貯水部４４と断面積の小さな第２貯水部４６ｕとが設けられている。このため、容器部材４０内の水面が、第１貯水部４４から第２貯水部４６ｕに移動すると、上限位置Ｋｕから断面積が小さくなるため、静電容量式水位検知装置２０により検知される水位の上昇速度が速くなり、変化値Ａが急激に大きな値に変化する（図６参照）。

従って、静電容量式水位検知装置２０の検知誤差を把握するとともに、気液分離装置１８内の貯留水が、水素配管２６に溢れ出ることを確実に阻止することができる。これにより、気液分離装置１８では、水素と液状水とを良好に分離するとともに、他のセンサを併用する必要がなく、簡単且つ経済的に、水位を正確に測定することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、電解制御部５６は、気液分離装置１８への注水速度が一定になるように、高圧水電解装置１４を制御しており、検出値変化幅検知部５８は、静電容量式水位検知装置２０による所定時間毎の検出値の変化幅（変化値Ａ）を検知している。このため、注水速度（又は電解電流）と変化幅とを対応させたマップを有することにより、必要最小限のデバイスを利用して静電容量式水位検知装置２０の異常を正確に検知することができる。

また、第２貯水部４６ｕは、第１貯水部４４よりも小さな断面積を有している。従って、水位が第２貯水部４６ｕに至る際に水位変化幅が大きく変動し、検知が容易に遂行される。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム６０を構成する気液分離装置６２の概略断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０を構成する気液分離装置１８と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

気液分離装置６２を構成する容器部材６４は、第１貯水部６６と前記第１貯水部６６の重力方向上方に連通する第２貯水部６８ｕとを有する。第２貯水部６８ｕは、第１貯水部６６よりも大きな断面積に設定される。第１貯水部６６の重力方向下方には、第２貯水部６８ｕと同形状の第３貯水部６８ｄが連通する。

このように構成される第２の実施形態では、第２貯水部６８ｕの断面積が、第１貯水部６６の断面積よりも大きく設定されている。このため、図９に示すように、水位が上限位置Ｋｕを超えると、水位上昇率や傾きである変化値Ａの変動量が一挙に小さくなる。従って、静電容量式水位検知装置２０の検知誤差を把握するとともに、気液分離装置６２から貯留水が溢れることを阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム７０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

水電解システム７０は、制御装置７２を備える。制御装置７２は、高圧水電解装置１４への印加電流を検知する印加電流検知部７４と、検知された前記印加電流に基づいて、第１貯水部４４内での水位変化速度を推定する変化速度推定部７６と、静電容量式水位検知装置２０による検出値に基づいて、実際の検出値の水位変化速度を算出する変化速度算出部７８とを有する。

このように構成される第３の実施形態では、高圧水電解装置１４の電解電流が変更される場合、すなわち、気液分離装置１８への注水速度が変更される場合にも容易に対応することができる。すなわち、高圧水電解装置１４に印加される電流値が変動すると、変化速度推定部７６は、変動する電流値に基づいて、第１貯水部４４における水位変化速度を推定している。

一方、変化速度算出部７８は、静電容量式水位検知装置２０の検出値に基づいて、実際の検出値の水位変化速度を算出している。そして、制御装置７２では、推定された水位変化速度と算出された水位変化速度との差が、設定値以上（誤差範囲を超えた値）と異なる場合に、前記静電容量式水位検知装置２０が異常であると判定する。

このため、第３の実施形態では、必要最低限のデバイスを利用して、静電容量式水位検知装置２０の異常を正確に検知するとともに、気液分離装置１８内の貯留水が水素配管２６に溢れ出ることを確実に防止できる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、７０…水電解システム １２…純水供給装置
１４…高圧水電解装置 １６…水素導出路
１８、６２…気液分離装置 ２０…静電容量式水位検知装置
２２…排水装置 ２４、７２…制御装置
２６…水素配管 ３２…電解電源
３４ａ〜３４ｃ…配管 ４０、６４…容器部材
４４、４６ｄ、４６ｕ、６６、６８ｄ、６８ｕ…貯水部
４８…電極部 ５０…排水配管
５４…水位制御部 ５６…電解制御部
５８…検出値変化幅検知部 ７４…印加電流検知部
７６…変化速度推定部 ７８…変化速度算出部

Claims (6)

1. 水を電気分解して酸素と水素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置から排出された前記水素を気液分離する気液分離装置と、
   前記気液分離装置内の水位を検知する静電容量式水位検知装置と、
   前記気液分離装置から排水を行う排水装置と、
   制御装置と、
   を備える水電解システムであって、
   前記気液分離装置は、所定の高さ範囲に亘って同一の断面積を有する第１貯水部と、
   前記第１貯水部の重力方向上方に連通して設けられ、該第１貯水部の断面積とは異なる断面積を有する第２貯水部と、
   を有する一方、
   前記制御装置は、前記第１貯水部の範囲内で水位が変動するように、前記排水装置を制御する水位制御部を有することを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載に水電解システムにおいて、前記制御装置は、前記気液分離装置への注水速度が一定になるように前記水電解装置を制御する電解制御部と、
   前記静電容量式水位検知装置による所定時間毎の検出値の変化幅を検知する検出値変化幅検知部と、
   を有するとともに、
   前記制御装置は、前記検出値の変化幅が設定範囲外である際に、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定することを特徴とする水電解システム。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記第２貯水部の断面積は、前記第１貯水部の断面積よりも小さい断面積に設定されることを特徴とする水電解システム。
4. 請求項１又は２記載の水電解システムにおいて、前記第２貯水部の断面積は、前記第１貯水部の断面積よりも大きい断面積に設定されることを特徴とする水電解システム。
5. 請求項１記載に水電解システムにおいて、前記制御装置は、前記水電解装置への印加電流を検知する印加電流検知部と、
   検知された前記印加電流に基づいて、前記第１貯水部内での水位変化速度を推定する変化速度推定部と、
   前記静電容量式水位検知装置による検出値に基づいて、実際の検出値の水位変化速度を算出する変化速度算出部と、
   を有するとともに、
   前記制御装置は、推定された前記水位変化速度と実際の前記水位変化速度との差が、設定値以上に異なる際、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定することを特徴とする水電解システム。
6. 水を電気分解して酸素と水素とを発生させる水電解装置と、
   前記水電解装置から排出された前記水素を気液分離する気液分離装置と、
   前記気液分離装置内の水位を検知する静電容量式水位検知装置と、
   前記気液分離装置から排水を行う排水装置と、
   制御装置と、
   を備えるとともに、
   前記気液分離装置は、所定の高さ範囲に亘って同一の断面積を有する第１貯水部と、
   前記第１貯水部の重力方向上方に連通して設けられ、該第１貯水部の断面積とは異なる断面積を有する第２貯水部と、
   を有する水電解システムの制御方法であって、
   前記気液分離装置への注水速度が一定になるように、前記水電解装置を制御する工程と、
   前記静電容量式水位検知装置による所定時間毎の検出値の変化幅を検知する工程と、
   前記検出値の変化幅が設定範囲内である際に、前記排水装置を制御する工程と、
   前記検出値の変化幅が設定範囲外である際に、前記静電容量式水位検知装置が異常であると判定する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの制御方法。

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