JP2014080633A - 高圧水電解システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システム起動時に、減圧弁の一次側と二次側との差圧を確保することができ、前記減圧弁の漏れを確実に抑制することを可能にする。
【解決手段】高圧水電解システム１０を構成する制御装置２８は、二次側圧力センサ２６により検出された圧力値が、減圧弁１８の異常を判断する第１閾値、及び前記第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁１８の回復可能なシール不良を判断する第２閾値を記憶する記憶部６４、前記圧力値が、前記第２閾値に至ったか否かを判定する閾値判定部６６、前記圧力値が前記第２閾値に至ったと判定された際、電磁弁２０の開弁操作及び閉弁操作を行う電磁弁開閉操作部６８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水電解装置により酸素と高圧水素を発生させ、前記高圧水素を水素貯蔵装置に貯蔵する高圧水電解システム及びその起動方法に関する。

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。

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。

この種の水電解システムでは、数十ＭＰａの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献１に開示された高圧水素の製造方法及び製造装置が知られている。この特許文献１では、電解セルを用いて純水の電気分解により陰極で得られた水素を、該水素の圧力を所定の圧力以上に維持しながら、反応系外に取り出すことを特徴としている。

特開２００７−１００２０４号公報

ところで、高圧水素を生成する水電解システムでは、前記水電解システムを停止させる際に、水電解装置（電解セル）内の高圧水素ラインを常圧（大気圧）に戻す必要がある。固体高分子電解質膜に、常時、圧力差が付与されていると、この固体高分子電解質膜が損傷し易いからである。

そこで、実質的には、水電解装置の下流側には、脱圧ラインが設けられるとともに、前記脱圧ラインには、減圧弁及び開閉弁（電磁弁）が配置されている。その際、減圧弁として、安価且つコンパクトな仕様が望まれており、通常、シートにピン部材が押し付けられるフリーバルブ構造の減圧弁が用いられている。

しかしながら、この種の減圧弁では、特に一次側圧力が低圧なシステム起動時に、前記減圧弁が良好に作動し難い場合があり、該減圧弁の下流側（二次側）に漏れ（シール不良）が発生し易くなる。従って、減圧弁の下流側のデバイス（例えば、電磁弁）は、低圧対応の構造が採用されているため、漏れにより昇圧されると、前記デバイスが損傷するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム起動時に、減圧弁の一次側と二次側との差圧を確保することができ、前記減圧弁の漏れを確実に抑制することが可能な高圧水電解システム及びその起動方法を提供することを目的とする。

本発明は、供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、前記高圧水電解装置から導出される前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記高圧水電解装置と前記水素貯蔵装置とを接続する高圧水素配管と、前記高圧水素配管の途上から分岐するとともに、流れ方向に沿って減圧弁及び電磁弁がこの順で直列に配置される分岐配管と、前記高圧水素配管に、前記分岐配管よりも下流に設けられる逆流防止弁と、前記減圧弁の二次側圧力を検出する圧力検出装置と、制御装置と、を備える高圧水電解システム及びその起動方法に関するものである。

この高圧水電解システムでは、制御装置は、圧力検出装置により検出された圧力値が、減圧弁に異常が発生していると判断する第１閾値、及び前記第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁に回復可能なシール不良が発生していると判断する第２閾値を記憶する記憶部と、前記検出された圧力値が、前記第２閾値に至ったか否かを判定する閾値判定部と、前記検出された圧力値が、前記第２閾値に至ったと判定された際、電磁弁の開弁操作及び閉弁操作を行う電磁弁開閉操作部と、を備えている。

また、この高圧水電解システムでは、制御装置は、電磁弁開閉操作部により電磁弁が開閉操作された回数を記憶する開閉回数記憶部と、所定時間内に記憶された前記回数が、所定回数以上になった際、システム停止処理を行うシステム停止処理部とを備えることが好ましい。

さらに、この起動方法は、圧力検出装置により検出された圧力値が、減圧弁に異常が発生していると判断する第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁に回復可能なシール不良が発生していると判断する第２閾値に至ったか否かを判定する工程と、前記検出された圧力値が前記第２閾値に至ったと判定された際、電磁弁の開弁操作及び閉弁操作を行う工程と、を有している。

さらにまた、この起動方法は、電磁弁が開閉操作された回数を記憶する工程と、所定時間内に記憶された前記回数が、所定回数以上になった際、システム停止処理を行う工程と、を有することが好ましい。

本発明によれば、減圧弁の二次側圧力が、前記減圧弁の異常を判定する第１閾値よりも低圧な第２閾値に至った際、すなわち、前記減圧弁に回復可能なシール不良が発生したと判断された際、電磁弁の開弁操作及び閉弁操作が行われる。このため、減圧弁の二次側圧力が低下し、前記減圧弁の一次側圧力と前記二次側圧力との差圧を確保することができる。ここで、回復可能なシール不良とは、例えば、減圧弁を構成するピン部材（弁体）に傷や変形が生じており、前記ピン部材をシートに接触させただけでは、漏れが発生する状態であって、所定圧力以上の差圧により前記ピン部材が前記シートに密着してシール機能を発揮し得る場合をいう。

従って、所望の差圧を確保することにより減圧弁内での押圧力が上昇し、シール不良を解消させることが可能になる。これにより、減圧弁の異常が発生する前に、所望のシール機能を回復させることができ、システム運転を継続させることが可能になる。しかも、減圧弁自体及び二次側のデバイスの損傷を可及的に抑制することができる。

本発明の実施形態に係る高圧水電解システムの概略構成説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。 前記起動方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る高圧水電解システム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）を製造する高圧水電解装置（差圧式水電解装置）１２と、前記高圧水電解装置１２から導出される前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置１４と、前記高圧水電解装置１２と前記水素貯蔵装置１４とを接続する高圧水素配管１６と、前記高圧水素配管１６の途上から分岐するとともに、減圧時の脱圧方向（流れ方向）に沿って減圧弁１８及び電磁弁２０がこの順で直列に配置される分岐配管２２と、前記高圧水素配管１６に、前記分岐配管２２よりも下流に設けられる逆止弁（逆流防止弁）２４と、前記減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２を検出する二次側圧力センサ（圧力検出装置）２６と、制御装置（例えば、ＥＣＵ）２８とを備える。

水素貯蔵装置１４は、高圧水素配管１６に接続され、製造された製品水素を一旦貯留する貯留タンクであってもよく、また、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載され、前記高圧水素配管１６から前記製品水素が直接供給される水素タンクであってもよい。

逆流防止弁としては、逆止弁２４の他、背圧弁であってもよい。分岐配管２２は、高圧水電解装置１２の圧力を、後述する高圧気液分離装置５６以降とは分離して開放させる脱圧ライン機能を有する。減圧弁１８としては、例えば、フリーバルブ構造が採用される。

高圧水電解装置１２は、複数の水分解セル３０が積層されており、前記水分解セル３０の積層方向両端には、エンドプレート３２ａ、３２ｂが配設される。高圧水電解装置１２には、直流電源である電解電源３４が接続される。

エンドプレート３２ａには、水供給配管３６ａが接続されるとともに、エンドプレート３２ｂには、水排出配管３６ｂ及び水素導出配管３６ｃが接続される。水供給配管３６ａには、循環配管３８が接続される。循環配管３８は、循環ポンプ４０を配置してタンク部４２の底部に接続される。

タンク部４２の上部には、ブロア４４及び戻り配管４６の一端部が連通するとともに、前記戻り配管４６の他端は、高圧水電解装置１２の水排出配管３６ｂに連通する。タンク部４２には、純水製造装置４８に接続された純水供給配管５０と、前記タンク部４２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５２とが連結される。

高圧水電解装置１２の水素導出配管３６ｃには、高圧水素配管１６が接続される。高圧水素配管１６には、分岐配管２２よりも上流側に一次側圧力センサ５４が配設される。高圧水素配管１６には、逆止弁２４の下流側に高圧気液分離装置５６、冷却器５８、第１背圧弁６０ａ、水吸着装置６２及び第２背圧弁６０ｂが配設される。水吸着装置６２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、水分を外部に放出して再生される水分吸着材を充填した吸着筒（図示せず）を備える。

制御装置２８は、記憶部６４、閾値判定部６６、電磁弁開閉操作部６８、開閉回数記憶部７０及びシステム停止処理部７２としての機能を有する。記憶部６４は、二次側圧力センサ２６により検出された圧力値が、減圧弁１８に異常が発生していると判断する第１閾値、及び前記第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁１８に回復可能なシール不良が発生していると判断する第２閾値を記憶する。

閾値判定部６６は、検出された圧力値が、第２閾値に至ったか否かを判定する一方、電磁弁開閉操作部６８は、前記閾値判定部６６により前記検出された圧力値が前記第２閾値に至ったと判定された際、電磁弁２０の開弁操作及び閉弁操作を行う。開閉回数記憶部７０は、電磁弁開閉操作部６８により電磁弁２０が開閉操作された回数を記憶する一方、システム停止処理部７２は、所定時間内に記憶された前記回数が、所定回数以上になった際、システム停止処理を行う。

このように構成される高圧水電解システム１０の動作について、第１の実施形態に係る起動方法との関連で、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、高圧水電解システム１０がアイドリング運転（起動に必要な最小限の運転）を行っており（ステップＳ１）、前記高圧水電解システム１０の起動開始が判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３の準備工程に進む。ステップＳ３では、例えば、純水製造装置４８を介して市水から生成された純水が、タンク部４２に供給される。そして、ステップＳ４に進んで、高圧水電解システム１０による電解運転が開始される。

図１に示すように、循環ポンプ４０の作用下に、タンク部４２内の純水が循環配管３８を介して高圧水電解装置１２の水供給配管３６ａに供給される。一方、高圧水電解装置１２には、電気的に接続されている電解電源３４を介して電圧が付与される。

このため、各水分解セル３０では、純水が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。従って、カソード側では、水素イオンが電子と結合して水素が得られ、この水素は、水素導出配管３６ｃから高圧水素配管１６に取り出される。

一方、アノード側では、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水排出配管３６ｂから戻り配管４６に排出される。この未反応ガスの水及び酸素は、タンク部４２に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ４０を介して循環配管３８を通って水供給配管３６ａに導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管５２から外部に排出される。

高圧水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管１６を介して高圧気液分離装置５６に送られる。この高圧気液分離装置５６では、水素に含まれる液状水が、この水素から分離されてタンク部（図示せず）に貯留される。一方、水素は、高圧水素配管１６に導出され、冷却器５８により冷却された後、水吸着装置６２に供給される。

水吸着装置６２では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られ、このドライ水素は、水素貯蔵装置１４に貯蔵される。この水素貯蔵装置１４に貯蔵されたドライ水素は、燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。なお、高圧水素配管１６に導出されたドライ水素は、燃料電池電気自動車（図示せず）に直接充填されてもよい。

高圧水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管１６を介して高圧気液分離装置５６に送られるとともに、前記高圧水素配管１６から分岐する分岐配管２２に導入される。システム運転開始後に、電磁弁２０が閉塞されており（ステップＳ５）、二次側圧力センサ２６は、減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２を検出している。一方、一次側圧力センサ５４は、高圧水素配管１６の圧力、すなわち、減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１を検出している。

これらの検出圧力は、図３に示すように、電解運転が継続されるのに従って変化する。起動開始直後では、減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１は、常圧から徐々に昇圧されるとともに、前記減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２は、前記一次側圧力Ｐ１と同時に昇圧される。そして、二次側圧力Ｐ２は、初期設定値を超えて昇圧が継続される。起動初期においては、減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１と二次側圧力Ｐ２との差圧が小さいため、構造上、シートにピン部材が密着し難くなり、漏れが発生するからである。

制御装置２８では、記憶部６４に、予め第１閾値Ｐｍａｘと第２閾値Ｐｔｏｐとが記憶されている（Ｐｍａｘ＞Ｐｔｏｐ）。そして、二次側圧力センサ２６により二次側圧力Ｐ２が検出され、閾値判定部６６では、この二次側圧力Ｐ２が第２閾値Ｐｔｏｐに至ったか否かを判断する。閾値判定部６６により、二次側圧力Ｐ２が第２閾値Ｐｔｏｐに至ったと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、電磁弁開閉操作部６８により電磁弁２０の開弁操作が行われる。このため、図３に示すように、減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２が降圧され、前記二次側圧力Ｐ２が開閉設定圧力Ｐｂｏｔｔｏｍに至ると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に戻って、電磁弁２０が閉塞される。

このように、電磁弁２０の開弁操作及び閉弁操作が行われている間、減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１が昇圧されるため、前記減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１と二次側圧力Ｐ２との差圧が大きくなる。従って、減圧弁１８は、所望のシール機能を回復することができ、二次側圧力Ｐ２が初期設定値に維持される。

この場合、第１の実施形態では、減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２が、前記減圧弁１８の異常を判定する第１閾値Ｐｍａｘよりも低圧な第２閾値Ｐｔｏｐに至った際、すなわち、前記減圧弁１８に回復可能なシール不良が発生したと判断された際、電磁弁２０の開弁操作及び閉弁操作が行われている。このため、減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２が降圧し、前記減圧弁１８の一次側圧力Ｐ１と前記二次側圧力Ｐ２との差圧を確保することができる。

従って、減圧弁１８内での押圧力が上昇し、シール不良を解消させることが可能になる。これにより、減圧弁１８の異常が発生する前に、所望のシール機能を回復させることができ、システム運転を継続させることが可能になるという効果が得られる。しかも、減圧弁１８自体及び二次側のデバイス、例えば、電磁弁２０の損傷を可及的に抑制することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。

第２の実施形態では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０７までの処理は、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ７と同様に行われる。そして、閾値判定部６６により、二次側圧力Ｐ２が第２閾値Ｐｔｏｐに至ったと判断され、電磁弁２０の開弁操作が行われた後、ステップＳ１０８に進む。

このステップＳ１０８では、電磁弁２０の開閉操作のタイミングが、設定時間Ｔｐに基づいて行われる。すなわち、電磁弁２０が開放された時点で計時が開始され、計時された時間Ｔｉｍｅが設定時間Ｔｐになった際（ステップＳ１０８中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に戻される。設定時間Ｔｐは、実質的には、図３に示すように、二次側圧力Ｐ２が開閉設定圧力Ｐｂｏｔｔｏｍに至るまでの時間に設定される。

このように、第２の実施形態では、減圧弁１８の異常が発生する前に、所望のシール機能を回復させることができ、システム運転を継続させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。

第３の実施形態では、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０８までの処理は、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ８と同様に行われる。そして、二次側圧力Ｐ２が開閉設定圧力Ｐｂｏｔｔｏｍに至ると（ステップＳ２０８中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０９に進む。

このステップＳ２０９では、電磁弁２０の開閉操作回数（ｎ回）が設定回数（Ｎ）以上であるか否かが判断される。設定回数（Ｎ）は、実験等により予め決定された値であり、減圧弁１８に故障が発生したと判断される規定回数である。開閉操作回数（ｎ回）が設定回数（Ｎ）以上であれば（ステップＳ２０９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進んで、故障検知される。

従って、第３の実施形態では、減圧弁１８の二次側圧力Ｐ２が、第１閾値Ｐｍａｘに至る前に、前記減圧弁１８の故障を検知することができる。さらに、減圧弁１８の異常が発生する前に、所望のシール機能を回復させることができ、システム運転を継続させることが可能になる等、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…高圧水電解システム １２…高圧水電解装置
１４…水素貯蔵装置 １６…高圧水素配管
１８…減圧弁 ２０…電磁弁
２２…分岐配管 ２４…逆止弁
２６…二次側圧力センサ ２８…制御装置
３０…水分解セル ５６…高圧気液分離装置
６０ａ、６０ｂ…背圧弁 ６２…水吸着装置
６４…記憶部 ６６…閾値判定部
６８…電磁弁開平操作部 ７０…開閉回数記憶部
７２…システム停止処理部

Claims (4)

1. 供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、
   前記高圧水電解装置と前記水素貯蔵装置とを接続する高圧水素配管と、
   前記高圧水素配管の途上から分岐するとともに、流れ方向に沿って減圧弁及び電磁弁がこの順で直列に配置される分岐配管と、
   前記高圧水素配管に、前記分岐配管よりも下流に設けられる逆流防止弁と、
   前記減圧弁の二次側圧力を検出する圧力検出装置と、
   制御装置と、
   を備える高圧水電解システムであって、
   前記制御装置は、前記圧力検出装置により検出された圧力値が、前記減圧弁に異常が発生していると判断する第１閾値、及び前記第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁に回復可能なシール不良が発生していると判断する第２閾値を記憶する記憶部と、
   前記検出された圧力値が、前記第２閾値に至ったか否かを判定する閾値判定部と、
   前記検出された圧力値が、前記第２閾値に至ったと判定された際、前記電磁弁の開弁操作及び閉弁操作を行う電磁弁開閉操作部と、
   を備えることを特徴とする高圧水電解システム。
2. 請求項１記載の高圧水電解システムにおいて、前記制御装置は、前記電磁弁開閉操作部により前記電磁弁が開閉操作された回数を記憶する開閉回数記憶部と、
   所定時間内に記憶された前記回数が、所定回数以上になった際、システム停止処理を行うシステム停止処理部と、
   を備えることを特徴とする高圧水電解システム。
3. 供給される水を電気分解し、酸素と前記酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、
   前記高圧水電解装置から導出される前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、
   前記高圧水電解装置と前記水素貯蔵装置とを接続する高圧水素配管と、
   前記高圧水素配管の途上から分岐するとともに、流れ方向に沿って減圧弁及び電磁弁がこの順で直列に配置される分岐配管と、
   前記高圧水素配管に、前記分岐配管よりも下流に設けられる逆流防止弁と、
   前記減圧弁の二次側圧力を検出する圧力検出装置と、
   制御装置と、
   を備える高圧水電解システムの起動方法であって、
   前記圧力検出装置により検出された圧力値が、前記減圧弁に異常が発生していると判断する第１閾値よりも低圧であって前記減圧弁に回復可能なシール不良が発生していると判断する第２閾値に至ったか否かを判定する工程と、
   前記検出された圧力値が前記第２閾値に至ったと判定された際、前記電磁弁の開弁操作及び閉弁操作を行う工程と、
   を有することを特徴とする高圧水電解システムの起動方法。
4. 請求項３記載の起動方法において、前記電磁弁が開閉操作された回数を記憶する工程と、
   所定時間内に記憶された前記回数が、所定回数以上になった際、システム停止処理を行う工程と、
   を有することを特徴とする高圧水電解システムの起動方法。

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