JP2020169381A - 水電解システムおよび水電解システムの制御方法 - Google Patents
水電解システムおよび水電解システムの制御方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】水電解システムを用いて固体高分子形水電解装置のセルまたはスタックにおける水素製造能力および耐久性能を向上させる。【解決手段】水電解システムは、固体高分子形水電解装置のセルまたは複数のセルを積層したスタックに加わる電圧を取得する電圧取得部と、セルまたはスタックに流れる電流を取得する電流取得部と、セルまたはスタックの電気抵抗を取得する電気抵抗取得部と、セルまたはスタックに流れる電流密度を変化させる制御部と、備え、制御部は、取得された電流と、取得された電気抵抗とから損失電圧を算出し、取得された電圧から、損失電圧を差し引いた補正電圧が、予め設定された電圧閾値未満の場合には、電流密度を増加させ、補正電圧が電圧閾値以上の場合には、電流密度を減少させる。【選択図】図１
Description
本発明は、水電解システムおよび水電解システムの制御方法に関する。
水を電気分解することによって、水素を発生させる水電解システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された水電解システムは、アノード側の水の比抵抗値が低下して所定値に達した場合に、アノード側の水の排出および純水の補給を行う。特許文献２に記載された水電解システムは、アノード側から排出されるブローダウン水の比抵抗値が低下して所定値に達した場合に、ブローダウン水の排出量を増加させ、かつ、アノード側の気液分離器に純水を補給している。
水電解システムでは、高い水素製造能力、すなわち、固体高分子形水電解装置の体格当たりの水素製造速度の向上が望まれている。特許文献１および特許文献２に記載された水電解システムでは、アノード側の水に溜まった不純物が電解質膜を劣化させることを抑制するものの、電流密度が１アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）と低く、水素製造能力が低い。従来の水電解システムで電流密度を上げると水電解性能が低下するため、安全側でシステムを運転する必要があり、電流密度を上げることができない。また、従来の水電解システムでは、水電解性能の劣化挙動が把握されておらず、水電解セルの温度または水電解スタックの温度と、電流密度との状況に応じて著しい劣化が起きるため、高い耐久性を得られない場合がある。
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、高い水素製造能力、および、水電解セルおよび水電解スタックの高い耐久性能を有する水電解システムを提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、固体高分子形水電解装置のセルまたは複数の前記セルを積層したスタックに加わる電圧を取得する電圧取得部と、前記セルまたは前記スタックに流れる電流を取得する電流取得部と、前記セルまたは前記スタックの電気抵抗を取得する電気抵抗取得部と、前記セルまたは前記スタックに流れる電流密度を変化させる制御部と、を備え、前記制御部は、取得された前記電流と、取得された前記電気抵抗とから損失電圧を算出し、取得された前記電圧から、前記損失電圧を差し引いた補正電圧が、予め設定された電圧閾値未満の場合には、前記電流密度を増加させ、前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度を減少させる。
この構成によれば、常時または定期的に補正電圧が算出され、補正電圧が電圧閾値を大きく超えずに、かつ、できるだけセルまたはスタックに流れる電流の電流密度を高くする。これにより、補正電圧の電圧上昇を抑制できるため、セルまたはスタックに過剰な電圧を印加せずに済み、セルまたはスタックの耐久性能を高めることができる。また、セルまたはスタックに過剰な電圧を印加しない範囲で高い電圧が印加されるため、高い水素製造能力を実現できる。
（２）上記形態の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度を所定増加幅で増加させて所定時間維持する電流密度増加制御を行い、前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度を前記所定減少幅で減少させて前記所定時間維持する電流密度減少制御を行う。
この構成によれば、所定時間が経過する毎に、電圧閾値を基準としてセルまたはスタックに印加される電圧が、電圧閾値Ｖｔｒ付近で過剰とならない程度に高くなるように制御される。これにより、水電解システムの水素製造能力が高まる。
この構成によれば、所定時間が経過する毎に、電圧閾値を基準としてセルまたはスタックに印加される電圧が、電圧閾値Ｖｔｒ付近で過剰とならない程度に高くなるように制御される。これにより、水電解システムの水素製造能力が高まる。
（３）上記形態の水電解システムにおいて、さらに、前記セルまたは前記スタックの温度を調節する温度調節部を備え、前記制御部は、前記電流密度減少制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度増加制御または前記温度を所定温度幅で減少させて前記所定時間維持する降温制御を行い、前記電流密度増加制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度減少制御または前記温度を所定温度幅で増加させて前記所定時間維持する昇温制御を行ってもよい。
この構成によれば、アノード触媒層およびカソード触媒層の温度が上昇して電流密度が減少している場合に、降温制御が行われることにより、セルまたはスタック温度が低下して電流密度が増加し、水素製造能力を高めることができる。一方で、電流密度増加制御後に、セルまたはスタックに過剰な電圧が印加されている場合に、昇温制御が行われることにより、セルまたはスタック温度が上昇して電流密度が減少し、セルまたはスタックに印加される過電圧を解消できる。これにより、セルまたはスタックの耐久性能が高まる。
この構成によれば、アノード触媒層およびカソード触媒層の温度が上昇して電流密度が減少している場合に、降温制御が行われることにより、セルまたはスタック温度が低下して電流密度が増加し、水素製造能力を高めることができる。一方で、電流密度増加制御後に、セルまたはスタックに過剰な電圧が印加されている場合に、昇温制御が行われることにより、セルまたはスタック温度が上昇して電流密度が減少し、セルまたはスタックに印加される過電圧を解消できる。これにより、セルまたはスタックの耐久性能が高まる。
（４）上記形態の水電解システムにおいて、前記制御部は、前記降温制御後または前記昇温制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度増加制御を行い、前記降温制御後または前記昇温制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度減少制御を行ってもよい。
この構成によれば、昇温制御および降温制御と、電流密度増加制御および電流密度減少制御とが繰り返し行われるため、セルまたはスタックに印加する電圧をより適正化できる。
この構成によれば、昇温制御および降温制御と、電流密度増加制御および電流密度減少制御とが繰り返し行われるため、セルまたはスタックに印加する電圧をより適正化できる。
（５）上記形態の水電解システムにおいて、前記電圧閾値は、１．５８ボルト以上１．７０ボルト以下であってもよい。
（６）上記形態の水電解システムにおいて、前記所定増加幅および前記所定減少幅は、０．０１アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）以上１．００アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）以下であってもよい。
（７）上記形態の水電解システムにおいて、前記所定温度幅は、摂氏１度（℃）以上摂氏２０度（℃）以下であってもよい。
（８）上記形態の水電解システムにおいて、前記所定時間は、０．１時間以上２０時間以下であってもよい。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解装置、水電解システム、水電解装置および水電解システムの制御方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての水電解システム１００の概略ブロック図である。水電解システム１００は、電圧が印加されて水素を発生させるシステムである。図１に示されるように、水電解システム１００は、固体高分子形水電解装置のセル１０と、セル１０に電圧を印加するバッテリ５０と、セル１０に印加されている電圧を測定する電圧計（電圧取得部）４０と、セル１０に流れる電流を検出する電流計（電流取得部）２０と、セル１０の電気抵抗を検出する抵抗計（電気抵抗取得部）３０と、セル１０の温度を調節する温度調節部８と、バッテリ５０がセル１０に印加する電圧を制御する制御部６０と、を備えている。
図１は、本発明の一実施形態としての水電解システム１００の概略ブロック図である。水電解システム１００は、電圧が印加されて水素を発生させるシステムである。図１に示されるように、水電解システム１００は、固体高分子形水電解装置のセル１０と、セル１０に電圧を印加するバッテリ５０と、セル１０に印加されている電圧を測定する電圧計（電圧取得部）４０と、セル１０に流れる電流を検出する電流計（電流取得部）２０と、セル１０の電気抵抗を検出する抵抗計（電気抵抗取得部）３０と、セル１０の温度を調節する温度調節部８と、バッテリ５０がセル１０に印加する電圧を制御する制御部６０と、を備えている。
セル１０は、図１に示されるように、複数の部材が積層されることによって形成されている。セル１０は、板状の電解質膜１と、電解質膜１のアノード側の一方の面に塗布されたアノード触媒層２と、電解質膜１におけるアノード触媒層２の反対側のカソード側の面に塗布されたカソード触媒層３と、アノード触媒層２に接着されたアノード側ガス拡散層４と、カソード触媒層３に接着されたカソード側ガス拡散層５と、アノード側ガス拡散層４に接着されたアノード６と、カソード側ガス拡散層５に接着されたカソード７と、を備えている。
電解質膜１としては、ナフィオン膜などが用いられる。アノード触媒層２としては、酸化イリジウム被膜チタン、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムタンタル酸化物、およびルテニウムチタンセリウム酸化物などが用いられる。カソード触媒層３としては、白金被膜チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、およびニッケルグリオキシムなどが用いられる。本実施形態のアノード触媒層２は、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）で形成されている。本実施形態のカソード触媒層３には、白金カーボンが担持されている。アノード側ガス拡散層４およびカソード側ガス拡散層５は、例えば、多孔体の材料などにより形成されている。
本実施形態における水の電気分解時には、アノード側ガス拡散層４およびカソード側ガス拡散層５に水が供給され、アノード触媒層２の表面に下記式（１）による反応によって酸素が発生する。また、カソード触媒層３の表面に下記式（２）による反応によって水素が発生する。なお、他の実施形態における水の電気分解時には、カソード側ガス拡散層５に水が供給されなくてもよい。
２ＯＨ- → １／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-・・・（１）
２Ｈ2Ｏ＋２ｅ- → Ｈ2＋２ＯＨ-・・・（２）
２ＯＨ- → １／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-・・・（１）
２Ｈ2Ｏ＋２ｅ- → Ｈ2＋２ＯＨ-・・・（２）
温度調節部８は、セル１０を加熱するヒータと、セル１０を冷却するクーラとを含んでいる。温度調節部８は、制御部６０の制御により、セル１０の温度を調節する。アノード触媒層２およびカソード触媒層３の反応は、セル１０の温度に依存し、摂氏７０（℃）から８０℃ぐらいの温度でよく進行する。
制御部６０は、電圧計４０、電流計２０、および抵抗計３０の各検出値に基づいて、セル１０に印加する電圧Ｖｅ（以下、「セル電圧Ｖｅ」とも呼ぶ）を変化させる。セル電圧Ｖｅは、下記式（３）に示されるように、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒと、ＩＲ補正電圧Ｖｃとに分けられる。ＩＲ損失電圧Ｖｉｒは、電流計２０により検出される電流Ｉと、抵抗計３０により検出される電気抵抗Ｒとの積である。下記式（３）の関係より、ＩＲ補正電圧Ｖｃは、下記式（４）のように表される。
Ｖｅ＝Ｖｉｒ＋Ｖｃ＝Ｉ×Ｒ＋Ｖｃ・・・（３）
Ｖｃ＝Ｖｅ−Ｉ×Ｒ・・・（４）
式（３）、（４）より、セル１０における水電解性能の低下を示すセル電圧の上昇電圧ΔＶｅも、下記式（５）に示されるように、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒの上昇電圧ΔＶｉｒと、補正電圧Ｖｃの上昇電圧ΔＶｃとに分けられる。下記式（５）から下記式（６）が導かれる。
ΔＶｅ＝ΔＶｉｒ＋ΔＶｃ＝Ｉ×ΔＲ＋ΔＶｃ・・・（５）
ΔＶｃ＝ΔＶｅ−Ｉ×ΔＲ・・・（６）
実験結果から、式（５）における上昇電圧ΔＶｅに対して、上昇電圧ΔＶｉｒよりも上昇電圧ΔＶｃの影響の方が大きいことがわかっている。なお、ΔＲは、電気抵抗Ｒの上昇分である。ＩＲ損失電圧Ｖｉｒは、損失電圧に相当し、ＩＲ補正電圧Ｖｃは、補正電圧に相当する。
Ｖｅ＝Ｖｉｒ＋Ｖｃ＝Ｉ×Ｒ＋Ｖｃ・・・（３）
Ｖｃ＝Ｖｅ−Ｉ×Ｒ・・・（４）
式（３）、（４）より、セル１０における水電解性能の低下を示すセル電圧の上昇電圧ΔＶｅも、下記式（５）に示されるように、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒの上昇電圧ΔＶｉｒと、補正電圧Ｖｃの上昇電圧ΔＶｃとに分けられる。下記式（５）から下記式（６）が導かれる。
ΔＶｅ＝ΔＶｉｒ＋ΔＶｃ＝Ｉ×ΔＲ＋ΔＶｃ・・・（５）
ΔＶｃ＝ΔＶｅ−Ｉ×ΔＲ・・・（６）
実験結果から、式（５）における上昇電圧ΔＶｅに対して、上昇電圧ΔＶｉｒよりも上昇電圧ΔＶｃの影響の方が大きいことがわかっている。なお、ΔＲは、電気抵抗Ｒの上昇分である。ＩＲ損失電圧Ｖｉｒは、損失電圧に相当し、ＩＲ補正電圧Ｖｃは、補正電圧に相当する。
図２は、ＩＲ補正電圧Ｖｃと、ＩＲ補正電圧Ｖｃにおける上昇電圧ΔＶｃとの関係を表すグラフである。図２には、横軸がＩＲ補正電圧Ｖｃ（Ｖ：ボルト）である場合において、ＩＲ補正電圧Ｖｃの１時間当たりにおける上昇電圧ΔＶｃ（Ｖ／ｈ）の数値変化が曲線Ｃ１として示されている。図２の曲線Ｃ１に示されるように、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧Ｖｔｒ以上になると、急激に上昇電圧ΔＶｃが上昇している。ＩＲ補正電圧Ｖｃは、アノード触媒層２の酸素過電圧およびカソード触媒層３の水素過電圧などを含んでおり、特に酸素過電圧の割合が大きい。従って、アノード触媒層２が高い過電圧を受けるとアノード触媒層２の触媒性能が大きく低下し、その結果、さらに過電圧が上昇して、ＩＲ補正電圧Ｖｃの上昇電圧ΔＶｃは、図２の曲線Ｃ１のような挙動を取る。
本実施形態の制御部６０は、電圧Ｖｔｒを電圧閾値として用い、電圧閾値ＶｔｒとＩＲ補正電圧Ｖｃとの比較に応じて、セル電圧Ｖｅおよび温度調節部８を制御する。具体的には、制御部６０は、式（４）を用いて算出したＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には、セル電圧Ｖｅを予め設定された所定分の電圧を上昇させて、上昇させた状態を所定時間維持する。換言すると、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には、セル１０に流れる電流の電流密度を所定増加幅で増加させて所定時間維持する電流密度増加制御を行う。一方で、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には、セル１０に流れる電流の電流密度を所定減少幅で増加させて所定時間維持する電流密度減少制御を行う。なお、ＩＲ補正電圧Ｖｃが急激に上昇し始める電圧Ｖｔｒは、セル１０の温度やセル１０に流れる電流によって変化するため、電圧閾値Ｖｔｒとしては、１．５８Ｖ以上１．７０Ｖ以下が好ましい。電流密度の所定増加幅および所定減少幅は、０．０１Ａ／ｃｍ2以上１．００Ａ／ｃｍ2以下が好ましい。また、電流密度増加制御および電流密度減少制御における所定時間Δｔは、０．１時間以上２０時間以下が好ましい。
図３は、第１実施形態における水電解システム１００の制御方法のフローチャートである。第１実施形態の制御では、セル１０の初期温度Ｔ0は７０℃、セル１０に制御開始時に流す初期電流Ｉ0が３アンペア（Ａ）、所定時間Δｔが１時間（ｈｏｕｒ）、電圧閾値Ｖｔｒが１．６４ボルト（Ｖ）、電流密度の所定増加幅ΔＪおよび所定減少幅ΔＪが０．５Ａ／ｃｍ2として設定されている。なお、セル１０の電極面積は、１平方センチメートル（ｃｍ2）である。
図３に示されるように、水電解システム１００の制御方法では、初めに、制御部６０は、初期温度Ｔ0および初期電流Ｉ0に設定して、水の電気分解の運転を開始する（ステップＳ１）。次に、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。制御部６０は、電圧計４０、電流計２０、および抵抗計３０の各検出値を式（４）に代入することにより、ＩＲ補正電圧Ｖｃを算出する。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ２：ＹＥＳ）、初期温度Ｔ0および初期電流Ｉ0で所定時間Δｔ運転する（ステップＳ３）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ２：ＮＯ）、後述のステップＳ６の処理を行う。
制御部６０は、所定時間Δｔ経過時点でのＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、電流密度を所定増加幅ΔＪ増加させて所定時間Δｔ運転する電流密度増加制御を行う（ステップＳ５）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、電流密度を所定減少幅ΔＪ減少させて所定時間Δｔ運転する電流密度減少制御を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５またはステップＳ６の処理後に、制御部６０は、水の電気分解の運転を終了するか否かを判定する（ステップＳ７）。例えば、予め設定された水の電気分解の処理時間が経過した場合などには（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御部６０は、水の電気分解の運転を終了する。一方で、処理時間が経過していない場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、制御部は、ステップＳ４以降の処理を行う。
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態と比較して、水電解システム１００の制御方法が異なる。第２実施形態の制御部６０は、電流密度増加制御および電流密度減少制御に加えて、別の制御も行う。制御部６０は、電流密度増加制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には、電流密度増加制御、または、降温制御を行う。降温制御は、温度調節部８によってセル１０を冷却して、セル１０の温度を所定温度幅で減少させて所定時間Δｔ維持する制御である。一方で、電流密度増加制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には、電流密度減少制御、または、昇温制御を行う。昇温制御は、温度調節部８によってセル１０を加熱して、セル１０の温度を所定温度幅で増加させて所定時間Δｔ維持する制御である。制御部６０は、降温制御後または昇温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合に、電流密度減少制御を行ってもよい。また、制御部６０は、降温制御後または昇温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合に、流密度増加制御を行ってもよい。なお、昇温制御および降温制御における所定温度幅は、１℃以上２０℃以下が好ましい。
第２実施形態では、第１実施形態と比較して、水電解システム１００の制御方法が異なる。第２実施形態の制御部６０は、電流密度増加制御および電流密度減少制御に加えて、別の制御も行う。制御部６０は、電流密度増加制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には、電流密度増加制御、または、降温制御を行う。降温制御は、温度調節部８によってセル１０を冷却して、セル１０の温度を所定温度幅で減少させて所定時間Δｔ維持する制御である。一方で、電流密度増加制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には、電流密度減少制御、または、昇温制御を行う。昇温制御は、温度調節部８によってセル１０を加熱して、セル１０の温度を所定温度幅で増加させて所定時間Δｔ維持する制御である。制御部６０は、降温制御後または昇温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合に、電流密度減少制御を行ってもよい。また、制御部６０は、降温制御後または昇温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合に、流密度増加制御を行ってもよい。なお、昇温制御および降温制御における所定温度幅は、１℃以上２０℃以下が好ましい。
図４は、第２実施形態における水電解システム１００の制御方法のフローチャートである。第２実施形態の制御では、セル１０の初期温度Ｔ0は６０℃、セル１０に制御開始時に流す初期電流Ｉ0が３アンペアＡ、所定時間Δｔが１時間（ｈｏｕｒ）、電圧閾値Ｖｔｒが１．６４Ｖ、電流密度の所定増加幅ΔＪおよび所定減少幅ΔＪが０．５Ａ／ｃｍ2、所定温度幅ΔＴが１０℃として設定されている。セル１０の電極面積は、１平方ｃｍ2である。
図３および図４に示されるように、第２実施形態の水電解システム１００の制御方法におけるステップＳ１１〜Ｓ１６までの各処理は、第１実施形態の制御方法におけるステップＳ１〜Ｓ６までの各処理と同じである。そのため、第２実施形態では、ステップＳ１１〜Ｓ１６までの各処理の説明を省略し、ステップＳ１７以降の処理について説明する。なお、第２実施形態の制御方法における運転終了の処理について図４に明記されていないが、水電解効率が予め設定された所定値未満になった場合に運転が終了する。
第２実施形態の水電解システム１００の制御方法では、ステップＳ１５またはステップＳ１６の処理後に、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、ステップＳ１５以降の処理を行う。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ１５：ＮＯ）、セル１０の温度を所定温度幅ΔＴ増加させて所定時間Δｔ維持する昇温制御を行う（ステップＳ１８）。
次に、制御部６０は、昇温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ１９：ＮＯ）、ステップＳ１５以降の処理を行う。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、電流密度減少制御を行う（ステップＳ２０）。次に、制御部６０は、電流密度減少制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ２１：ＮＯ）、ステップＳ２０以降の処理を行う。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、セル１０の温度を所定温度幅ΔＴ減少させて所定時間Δｔ維持する降温制御を行う（ステップＳ２２）。次に、制御部６０は、降温制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上であると判定した場合には（ステップＳ２３：ＮＯ）、ステップＳ２０以降の処理を行う。制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満であると判定した場合には（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ１５以降の処理を行う。
図５は、実施例１，２の水電解システム１００の効果と、比較例１〜８の水電解システムとの効果の比較図である。図６は、比較例１〜８の水電解システムの運転時の条件である。図５に示される実施例１，２のそれぞれは、第１実施形態および第２実施形態のそれぞれの水電解システム１００の制御方法によって運転された場合のセル１０の耐久保持時間（ｈｏｕｒ）と水素製造量（Ｌ）とが示されている。セル１０の耐久保持時間は、水電解効率が低下して５０パーセント（％）以下になるまで（セル電圧Ｖｅが２．９６２Ｖ以上になるまで）水電解を継続した時間とした。水素製造量は、耐久保持時間内に、セル１０によって発生した水素の量である。実施例１，２および比較例１〜８では、同じセル１０を採用している。セル１０では、電解質膜１としてＮａｆｉｏｎ（登録商標）のＮＲ２１２を用い、アノード触媒層２として酸化イリジウム粉末を用い、カソード触媒層３として担持白金カーボンから構成される膜電極接合体を用いた。セル１０の電極面積は、１ｃｍ2である。図６に示される比較例１〜８のそれぞれの耐久保持時間および水素製造量は、図６に示される一定の電流密度（Ａ／ｃｍ2）をセル１０に流し続け、図６に示される水電解セル温度（℃）で維持した状態で得られた結果である。
図６に示されるように、実施例１，２の耐久保持時間は、比較例１〜８の中で最も高い比較例８の４７５時間以上である。また、実施例１，２の水素製造量は、比較例１〜８のいずれの水素製造量よりも多い。すなわち、実施例１，２の水電解システム１００による水電解は、比較例１〜８の水電解システムよりも高い耐久性能および高い水素製造能力を有している。
以上説明したように、第１実施形態および第２実施形態の水電解システム１００では、水の電気分解時に、制御部６０は、セル電圧ＶｅからＩＲ損失電圧Ｖｉｒを差し引いたＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には、セル１０に流れる電流の電流密度を増加させる。一方で、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には、電流密度を減少させる。水電解システム１００では、水素製造能力を高めるために、可能な限りセル電圧Ｖｅを高くしたいが、セル電圧Ｖｅが高くなるにつれて、図２に示されるように、ＩＲ補正電圧Ｖｃの上昇電圧ΔＶｃも高くなってしまう。さらに、水の電気分解を続けると、電気分解の性能が低下してセル電圧Ｖｅが低下する。これらの問題に対し、第１実施形態および第２実施形態の制御部６０は、上昇電圧ΔＶｃが高くなる前の電圧閾値Ｖｔｒを大きく超えずに、かつ、セル電圧Ｖｅができるだけ高くなるように制御している。これにより、過剰なセル電圧Ｖｅがセル１０に印加されないため、本実施形態の水電解システム１００は、高い耐久性能を有する。また、図５に示されるように、過剰なセル電圧Ｖｅにならない範囲で高いセル電圧Ｖｅを実現できるため、水電解システム１００の水素製造能力を高めることができる。
また、第１実施形態および第２実施形態の水電解システム１００では、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には電流密度増加制御を行い、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には電圧密度減少制御を行う。これにより、制御部６０は、所定時間Δｔが経過する毎に、電圧閾値Ｖｔｒを基準としてセル電圧Ｖｅができるだけ高くなるように制御できる。
また、第２実施形態の水電解システム１００では、制御部６０は、電流密度増加制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には昇温制御を行い、電流密度減少制御後のＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には降温制御を行う。すなわち、第２実施形態では、電流密度減少制御後にＩＲ補正電圧Ｖｃをさらに上昇させる余地がある場合にセル温度を降温させ、電流密度増加制御後にＩＲ補正電圧Ｖｃをさらに減少させる必要がある場合にセル温度を昇温させる。水の電気分解によりセル温度が上昇していると、アノード触媒層２およびカソード触媒層３の温度が上昇して電流密度が減少している場合がある。一方で、アノード触媒層２およびカソード触媒層３の温度が低いと十分に触媒が機能していない場合がある。このような場合に、第２実施形態の制御部６０は、セル１０の温度を調整することにより、電圧閾値Ｖｔｒを大きく超えない範囲でできるだけ高いセル電圧Ｖｅを実現できる。
上記第１実施形態および第２実施形態では、電圧閾値Ｖｔｒが１．５８Ｖ以上１．７０Ｖ以下である。また、電流密度増加制御および電流密度減少制御における電流密度の所定増加幅および所定減少幅が０．０１Ａ／ｃｍ2以上１．００Ａ／ｃｍ2以下である。また、電流密度増加制御および電流密度減少制御における所定時間Δｔが０．１時間以上２０時間以下である。また、昇温制御および降温制御における所定温度幅が１℃以上２０℃である。これにより、制御部６０は、適切なタイミングに、適切な温度および適切な電流密度によって水の電気分解を実行できる。
＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
［変形例１］
第１実施形態および第２実施形態における水電解システム１００および水電解システム１００の制御方法は一例であり、水電解システム１００の各構成および制御部６０が実行する制御については、種々変形可能である。例えば、水電解システム１００は、電圧計４０、電流計２０、抵抗計３０、および制御部６０を備えていればよく、温度調節部８を備えていなくてもよい。また、水電解システム１００は、セル１０を備えておらず、セル１０に接続してセル電圧等を制御できる構成であればよい。制御部６０は、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒを算出し、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒと電圧閾値Ｖｔｒとの比較によって、セル１０に流れる電流の電流密度を制御すればよい。そのため、例えば、制御部６０は、所定時間Δｔに関係なく電流密度を変化させてもよい。
第１実施形態および第２実施形態における水電解システム１００および水電解システム１００の制御方法は一例であり、水電解システム１００の各構成および制御部６０が実行する制御については、種々変形可能である。例えば、水電解システム１００は、電圧計４０、電流計２０、抵抗計３０、および制御部６０を備えていればよく、温度調節部８を備えていなくてもよい。また、水電解システム１００は、セル１０を備えておらず、セル１０に接続してセル電圧等を制御できる構成であればよい。制御部６０は、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒを算出し、ＩＲ損失電圧Ｖｉｒと電圧閾値Ｖｔｒとの比較によって、セル１０に流れる電流の電流密度を制御すればよい。そのため、例えば、制御部６０は、所定時間Δｔに関係なく電流密度を変化させてもよい。
水電解システム１００は、セル温度を測定する温度センサを備えていてもよい。この場合に、制御部６０は、温度センサの検出値を用いて、昇温制御および降温制御を行ってもよい。また、昇温制御は、電流密度減少制御後に行われてもよいし、降温制御は、電流密度増加制御後に行われてもよい。また、電流密度増加制御後に、さらに電流密度増加制御が行われてもよいし、電流密度減少制御後に、さらに電流密度減少制御が行われてもよい。また、制御部６０は、電流密度増加制御および電流密度減少制御の直後（所要時間Δｔの経過前）に、ＩＲ補正電圧Ｖｃと電圧閾値Ｖｔｒとの比較によって、さらに電流密度を変化させてもよい。
水電解システム１００は、セル１０を用いた水の電気分解を行ったが、セル１０を複数積層したスタックを用いて水の電気分解を行ってもよい。積層されるセル１０の数は、適宜設定されればよい。また、セル１０およびスタックの形状および大きさについては種々変形可能であり、上記第１実施形態および第２実施形態の形状および大きさに限られない。
［変形例２］
図７は、変形例における水電解システム１００の制御方法のフローチャートである。変形例の制御部６０は、電流密度増加制御および電流密度減少制御の代わりに、電流密度を変化させた後に所定時間Δｔが経過する前に、電流密度の増減を行う場合がある。変形例の制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが、電圧閾値Ｖｔｒ（例えば、１．６４Ｖ）から、電圧閾値Ｖｔｒから所定の電圧差ΔＶｔｒ（例えば、０．５Ｖ）を差し引いた電圧までの所定の電圧範囲（例えば、１．５９Ｖ〜１．６４Ｖの範囲）に収まるように電流密度を制御する。具体的な制御として、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合に電流密度を減少させ、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧値（Ｖｔｒ−ΔＶ）未満の場合に電流密度を増加させる。
図７は、変形例における水電解システム１００の制御方法のフローチャートである。変形例の制御部６０は、電流密度増加制御および電流密度減少制御の代わりに、電流密度を変化させた後に所定時間Δｔが経過する前に、電流密度の増減を行う場合がある。変形例の制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが、電圧閾値Ｖｔｒ（例えば、１．６４Ｖ）から、電圧閾値Ｖｔｒから所定の電圧差ΔＶｔｒ（例えば、０．５Ｖ）を差し引いた電圧までの所定の電圧範囲（例えば、１．５９Ｖ〜１．６４Ｖの範囲）に収まるように電流密度を制御する。具体的な制御として、制御部６０は、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合に電流密度を減少させ、ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧値（Ｖｔｒ−ΔＶ）未満の場合に電流密度を増加させる。
図７に示されるように、変形例の制御方法では、制御部６０は、水電解の運転を開始し、各検出値からＩＲ補正電圧Ｖｃを算出する（ステップＳ３１）。制御部６０は、算出しているＩＲ補正電圧Ｖｃの推移を監視する（ステップＳ３２）。ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧値（Ｖｔｒ−ΔＶ）以上電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合には（ステップＳ３２：Ｖｔｒ−ΔＶ≦Ｖｃ＜Ｖｔｒ）、制御部６０は、電流密度を変化させずに後述のステップＳ３５の処理を行う。ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧値（Ｖｔｒ−ΔＶ）未満の場合には（ステップＳ３２：Ｖｃ＜Ｖｔｒ−ΔＶ）、制御部６０は、電流密度を増加させる（ステップＳ３３）。ＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧閾値Ｖｔｒ以上の場合には（ステップＳ３２：Ｖｔｒ≦Ｖｃ）、制御部６０は、電流密度を減少させる（ステップＳ３４）。ステップＳ３２においてＩＲ補正電圧Ｖｃが電圧値（Ｖｔｒ−ΔＶ）以上電圧閾値Ｖｔｒ未満の場合（ステップＳ３２：Ｖｔｒ−ΔＶ≦Ｖｃ＜Ｖｔｒ）、および、ステップＳ３３またはステップＳ３４の処理後には、制御部６０は、水電解の運転終了を判定する（ステップＳ３５）。運転を終了しない場合には（ステップＳ３５：ＮＯ）、ステップＳ３２以降の処理を行う。このように、変形例の制御部６０は、必ずしも電流密度を変化させた後に所定時間Δｔを維持する必要はなく、算出された補正電圧Ｖｃに応じて電流密度を変化させてもよい。
上記第１実施形態の制御方法および図７に示される変形例の制御方法では、運転終了の判定処理があったが、第２実施形態の制御方法のように、水電解効率などの別指標によって運転終了が判定されてもよい。別指標としては、水電解効率の低下の他に、水電解を行う期間として予め設定された所要時間などが挙げられる。
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４…アノード側ガス拡散層
５…カソード側ガス拡散層
６…アノード
７…カソード
８…温度調節部
１０…セル
２０…電流計
３０…抵抗計
４０…電圧計
５０…バッテリ
６０…制御部
１００…水電解システム
Ｃ１…曲線
Ｉ…電流
Ｉ0…初期電流
Ｒ…電気抵抗
Ｔ0…初期温度
Ｖｃ…ＩＲ補正電圧
Ｖｅ…セル電圧
Ｖｉｒ…ＩＲ損失電圧
Ｖｔｒ…電圧閾値
ΔＪ…電流密度の所定増加幅、電流密度の所定減少幅
ΔＶｃ…ＩＲ補正電圧の上昇電圧
ΔＶｅ…セル電圧の上昇電圧
ΔＶｉｒ…ＩＲ損失電圧の上昇電圧
ΔＶｔｒ…電圧閾値の電圧差
ΔＴ…所定温度幅
Δｔ…所定時間
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４…アノード側ガス拡散層
５…カソード側ガス拡散層
６…アノード
７…カソード
８…温度調節部
１０…セル
２０…電流計
３０…抵抗計
４０…電圧計
５０…バッテリ
６０…制御部
１００…水電解システム
Ｃ１…曲線
Ｉ…電流
Ｉ0…初期電流
Ｒ…電気抵抗
Ｔ0…初期温度
Ｖｃ…ＩＲ補正電圧
Ｖｅ…セル電圧
Ｖｉｒ…ＩＲ損失電圧
Ｖｔｒ…電圧閾値
ΔＪ…電流密度の所定増加幅、電流密度の所定減少幅
ΔＶｃ…ＩＲ補正電圧の上昇電圧
ΔＶｅ…セル電圧の上昇電圧
ΔＶｉｒ…ＩＲ損失電圧の上昇電圧
ΔＶｔｒ…電圧閾値の電圧差
ΔＴ…所定温度幅
Δｔ…所定時間
Claims (9)
- 水電解システムであって、
固体高分子形水電解装置のセルまたは複数の前記セルを積層したスタックに加わる電圧を取得する電圧取得部と、
前記セルまたは前記スタックに流れる電流を取得する電流取得部と、
前記セルまたは前記スタックの電気抵抗を取得する電気抵抗取得部と、
前記セルまたは前記スタックに流れる電流密度を変化させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、
取得された前記電流と、取得された前記電気抵抗とから損失電圧を算出し、
取得された前記電圧から、前記損失電圧を差し引いた補正電圧が、予め設定された電圧閾値未満の場合には、前記電流密度を増加させ、
前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度を減少させる、水電解システム。 - 請求項１に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度を所定増加幅で増加させて所定時間維持する電流密度増加制御を行い、
前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度を前記所定減少幅で減少させて前記所定時間維持する電流密度減少制御を行う、水電解システム。 - 請求項２に記載の水電解システムであって、さらに、
前記セルまたは前記スタックの温度を調節する温度調節部を備え、
前記制御部は、
前記電流密度減少制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度増加制御または前記温度を所定温度幅で減少させて前記所定時間維持する降温制御を行い、
前記電流密度増加制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度減少制御または前記温度を所定温度幅で増加させて前記所定時間維持する昇温制御を行う、水電解システム。 - 請求項３に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記降温制御後または前記昇温制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値未満の場合には、前記電流密度増加制御を行い、
前記降温制御後または前記昇温制御後の前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度減少制御を行う、水電解システム。 - 請求項３または請求項４に記載の水電解システムであって、
前記所定温度幅は、摂氏１度（℃）以上摂氏２０度（℃）以下である、水電解システム。 - 請求項２から請求項５までのいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記所定増加幅および前記所定減少幅は、０．０１アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）以上１．００アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ2）以下である、水電解システム。 - 請求項２から請求項６までのいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記所定時間は、０．１時間以上２０時間以下である、水電解システム。 - 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記電圧閾値は、１．５８ボルト以上１．７０ボルト以下である、水電解システム。 - 水電解システムの制御方法であって、
固体高分子形水電解装置のセルまたは複数の前記セルを積層したスタックに加わる電圧を取得する電圧取得工程と、
前記セルまたは前記スタックに流れる電流を取得する電流取得工程と、
前記セルまたは前記スタックの電気抵抗を取得する電気抵抗取得工程と、
取得された前記電圧から、取得された前記電流と、取得された前記電気抵抗とから算出される損失電圧を差し引いた補正電圧が、予め設定された電圧閾値未満の場合には、前記電流密度を増加させる工程と、
前記補正電圧が前記電圧閾値以上の場合には、前記電流密度を減少させる工程と、を備える、制御方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11879178B2 (en) | 2021-03-18 | 2024-01-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Electrochemical device |
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2019
- 2019-04-05 JP JP2019072814A patent/JP2020169381A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11879178B2 (en) | 2021-03-18 | 2024-01-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Electrochemical device |
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