JP2021130857A

JP2021130857A - 水電解システムおよび水位誤差算出装置

Info

Publication number: JP2021130857A
Application number: JP2020027690A
Authority: JP
Inventors: 裕次浅野; Yuji Asano; 淳武内; Jun Takeuchi; 和也青木; Kazuya Aoki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-09-09
Also published as: US11629075B2; CN113293394B; US20210261446A1; CN113293394A

Abstract

【課題】水電解システムに用いられる気液分離装置の水位の検出誤差を容易に算出すること。【解決手段】水電解システム１は、水を電気分解して酸素および水素を生成する高圧水電解スタック３と、高圧水電解スタック３で生成された水素を気液分離する高圧気液分離装置４と、高圧気液分離装置４の重量を検出する重量センサ５と、高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力を検出する圧力センサ９と、圧力センサ９により検出された高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力に基づいて、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量の誤差を補正するための補正係数を算出するコントローラ（補正係数算出部）とを備える。【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製造させる水電解システムおよび圧力に基づいて水位の検出誤差を算出する水位誤差算出装置に関する。

この種のシステムとして、電解質膜を使用して水を電気分解し、酸素と水素とを生成させる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記載のシステムは、電解質膜を透過した水を気液分離装置に貯留し、気液分離装置内の水位が所定の水位になるとその一部を排水するように構成されており、気液分離装置内の水位の検出に静電容量式の水位センサが用いられる。

特開２０１４−４３６１５号公報

しかしながら、特許文献１記載のシステムでは、静電容量式の水位センサが用いられるので、気液分離装置内の水位の検出誤差の算出が困難であった。

本発明の一態様である水電解システムは、水を電気分解して酸素および水素を生成する水電解装置と、水電解装置で生成された水素を気液分離する気液分離装置と、気液分離装置内の水位を検出する水位検出部と、気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出部と、圧力検出部により検出された気液分離装置内の圧力に基づいて、水位検出部により検出された気液分離装置内の水位の誤差を算出する演算部と、を備える。

また本発明の他の態様は、気液分離装置内の水位の検出誤差を算出する水位誤差算出装置である。水位誤差算出装置は、気液分離装置内の水位を検出する水位検出部と、気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出部と、圧力検出部により検出された気液分離装置内の圧力に基づいて、水位検出部により検出された気液分離装置内の水位の誤差を算出する演算部と、を備える。

本発明によれば、水電解システムに用いられる気液分離装置の水位の検出誤差を容易に算出することができる。

本発明の実施形態に係る水電解システムの概略構成図。本実施形態に係る水電解システムの要部の概略構成を示すブロック図。図２のコントローラの補正係数算出部で実行される補正係数算出処理の一例を示すフローチャート。図１に示す高圧気液分離装置の昇圧時における容器内の実測圧力値および算出圧力値の特性と、高圧気液分離装置の重量に基づいて算出される容器内の水位の特性と水電解システムが配置されるコンテナ内の温度の特性とを示す図。

以下、図１から図４を参照して本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係る水電解システムは、コンテナ等に全体が収容されている、いわゆるパッケージ型の水電解システムである。コンテナの大きさとしては、例えば、幅３００〜４００ｍｍ、奥行き２００〜３００ｍｍ、高さ２００〜３００ｍｍ程度である。

図１は、本実施形態に係る水電解システムの概略構成図である。図１に示すように、水電解システム１は、純水（以下、単に「水」ともいう。）を貯留する純水系気液分離装置２と、水を電気分解して酸素および水素を生成する高圧水電解スタック３と、水素を気液分離する高圧気液分離装置４と、高圧気液分離装置４の重量を検出する重量センサ５と、高圧気液分離装置４に貯留される水を排出する高圧排水装置６と、高圧排水装置６により排水された水を純水系気液分離装置２に供給する低圧気液分離装置７と、を備える。なお、図１の純水系気液分離装置２、高圧水電解スタック３、高圧気液分離装置４および低圧気液分離装置７は、重力方向に合わせて図示される。

純水系気液分離装置２の上部には、純水供給ライン２１、気体排出ライン２２および循環ライン２３の一端部がそれぞれ接続される。純水供給ライン２１の他端部は、純水（水）を製造する純水製造装置２０に接続される。気体排出ライン２２の他端部は、大気に開放される。循環ライン２３の他端部は、高圧水電解スタック３に接続される。純水系気液分離装置２の底部には、供給ライン２４の一端部が接続され、供給ライン２４の他端部は、循環水ポンプ２５および冷却器２６を介して、高圧水電解スタック３に接続される。

純水系気液分離装置２には、純水供給ライン２１を介して純水製造装置２０から水が供給されるとともに、循環ライン２３を介して高圧水電解スタック３から酸素および水素の混合ガスが供給される。高圧水電解スタック３から供給される混合ガスは、純水系気液分離装置２内で液化した水分が分離され、水分が分離した混合ガスは、気体排出ライン２２を介して大気に排出される。そして、混合ガスから分離された水分や未反応の水、純水製造装置２０から供給される水は、純水系気液分離装置２に貯留され、循環水ポンプ２５により供給ライン２４を介して高圧水電解スタック３に供給される。

高圧水電解スタック３は、純水系気液分離装置２から供給される水を電気分解して酸素および水素を生成する。より詳細には、高圧水電解スタック３には、直流電源である電解電源３１が接続されており、電解電源３１によって所定の電解電圧が高圧水電解スタック３に印加されることで高圧水電解スタック３に所定の電解電流が流れ、水が電気分解される。

高圧水電解スタック３は、積層された複数の水電解セル３０を備える。各水電解セル３０は、例えば、円盤状に形成される。図示は省略するが、水電解セル３０は、電解質膜−電極構造体と、電解質膜−電極構造体の両側に配設されるアノードセパレータおよびカソードセパレータとを有する。電解質膜−電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に設けられるアノード給電体およびカソード給電体とを有する。アノードセパレータには、水を流通させる純水流路が設けられ、カソードセパレータには、反応により生成された水素を流通させる水素流路が設けられる。

高圧水電解スタック３は、水電解セル３０を鉛直方向に積層して構成され、積層方向の両端に、エンドプレート３２ａ，３２ｂが配設される。

下方のエンドプレート３２ａには、供給ライン２４の他端部が接続される。より詳細には、下方のエンドプレート３２ａは、各水電解セル３０のアノードセパレータに設けられる純水流路の入口側（水供給側）と連通する入口連通部を有し、この入口連通部と供給ライン２４の他端部とが接続される。

上方のエンドプレート３２ｂには、循環ライン２３の他端部および水素排出ライン３３の一端部が接続される。より詳細には、上方のエンドプレート３２ｂは、各水電解セル３０のアノードセパレータに設けられる純水流路の出口側（水排出側）と連通する第１出口連通部を有し、第１出口連通部と循環ライン２３の他端部とが接続される。また上方のエンドプレート３２ｂは、各水電解セル３０のカソードセパレータに設けられる水素流路の出口側（水素排出側）と連通する第２出口連通部を有し、第２出口連通部と水素排出ライン３３の一端部とが接続される。

循環ライン２３には、上方のエンドプレート３２ｂの第１出口連通部から、反応により生成された酸素および水素の一部（透過した水素）を含む混合ガスと、未反応の水とが排出される。水素排出ライン３３には、上方のエンドプレート３２ｂの第２出口連通部から、反応により生成された水素ガスと、水電解セル３０を透過した水とが排出される。

高圧気液分離装置４は、水素排出ライン３３を介して供給される水素ガスから水分を分離除去するとともに、水素排出ライン３３を介して供給される水および水素ガスから分離除去された水を貯留する。より詳細には、高圧気液分離装置４は、水素排出ライン３３を介して供給される水素ガスが所定量以下（例えば、１００ｐｐｍ以下）の水分量となるように、水素ガスから水分を分離除去する。高圧気液分離装置４では、高圧（例えば、３５ＭＰａ以上）の雰囲気下で水素ガスに含まれる水分が液化して分離されることで、水素ガスの水分量が所定量以下となる。分離された水分は、水素排出ライン３３を介して供給される水とともに貯留される。

高圧気液分離装置４は、上端開口部および下端開口部を封止した略円筒形状の容器４０を有する。容器４０は、その内部に、高さ方向に亘って略同一の断面積を有する空間を有し、この空間に、所定量以下の水分量となった水素ガス、水素ガスから分離された水および水素排出ライン３３を介して供給される水が貯留される。

なお、高圧気液分離装置４の容器４０の空間の形状は、上記に限らず、例えば、高さ方向に異なる断面積を有する形状であってもよい。また、高圧気液分離装置４は、高圧の水素ガスを貯留する観点から、容器４０が厚肉（例えば、低圧気液分離装置７の容器８０よりも厚肉）に形成される。

容器４０の上部には、水素排出ライン３３の他端部、高圧水素供給ライン４２および脱圧ライン４３の一端部がそれぞれ接続される。高圧水素供給ライン４２の他端部は、背圧弁４５を介して、不図示の水素タンクに接続される。水素タンクは、所定量以下の水分量（例えば、燃料電池自動車に供給する場合は、５ｐｐｍ以下）となった水素ガスを貯留する。脱圧ライン４３の他端部は、減圧機構４６を介して、低圧気液分離装置７に接続される。容器４０の底部には、排出ライン４４の一端部が接続され、排出ライン４４の他端部は、高圧排水装置６を介して、低圧気液分離装置７に接続される。

高圧水素供給ライン４２に設けられる背圧弁４５は、既定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）に設定される。そして、容器４０の内部圧力が既定圧力値を超えると、背圧弁４５を介して水素タンクに水素ガスが供給され、容器４０の内部圧力が既定圧力値で維持される。脱圧ライン４３に設けられる減圧機構４６は、例えば、圧力損出を付与することで設定圧力に減圧させる減圧弁４６ａと、電磁弁４６ｂとを有する。高圧排水装置６は、排水減圧機構４７を有する。排水減圧機構４７は、例えば、圧力損失を付与することで設定水量の水を通流させるオリフィス４７ｂと、電磁弁４７ａとを有する。排水減圧機構４７は、オリフィス４７ｂに替えて、例えば、減圧弁を用いることもできる。

高圧気液分離装置４の底部には、高圧気液分離装置４の容器４０の底部に当接した状態で重量センサ５が設けられる。重量センサ５は、容器４０に対して重力方向に作用する荷重、すなわち、高圧気液分離装置４の全体の重量を検出する。

低圧気液分離装置７は、高圧排水装置６により排水された水および減圧機構４６により減圧された水素ガスを貯留する。より詳細には、低圧気液分離装置７は、減圧された水素ガスおよび水を貯留する容器７０を有する。容器７０の上部には、大気ライン７１の一端部が接続され、大気ライン７１の他端部は開放される。大気ライン７１には、背圧弁７２が設けられ、容器７０内の圧力を常に大気圧以上に保持することで容器７０への大気の流入を防止する。容器７０の下部には、水戻しライン７３の一端部が接続され、水戻しライン７３の他端部は、電磁弁７４を介して、純水系気液分離装置２に接続される。

以上の水電解システム１による水素の製造動作の一例を説明する。なお、水電解システム１の各部は、コントローラ８（図２）により制御される。水電解システム１の始動運転時には、純水製造装置２０にて生成された水が、純水供給ライン２１を介して純水系気液分離装置２に供給される。純水系気液分離装置２内の水は、循環水ポンプ２５の駆動により、供給ライン２４を介して高圧水電解スタック３に供給される。

高圧水電解スタック３に供給された水は、下方のエンドプレート３２ａから各水電解セル３０のアノードセパレータに設けられる純水流路の入口側に供給され、アノード給電体に沿って移動する。このとき、高圧水電解スタック３には、電解電源３１を介して所定の電解電圧が印加され、水がアノード電極触媒層で電気により分解されて、水素イオン、電子およ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を透過して、カソード電極触媒層側に移動し、電子と結合して水素（水素ガス）が得られる。得られた水素（水素ガス）は、カソードセパレータに設けられる水素流路の出口側（水素排出側）から水素排出ライン３３に供給される。水素流路の出口側（水素排出側）からは、固体高分子電解質膜を透過した水も排出される。

このとき、背圧弁４５、減圧弁４６ａおよび電磁弁４７ａが閉じられ、且つ排出ライン４４の一端部が容器４０内に貯留された水（以下、「封止水」ともいう）により封止されることで容器４０が密閉される。そのため、得られた水素（水素ガス）および排出された水が水素排出ライン３３を介して容器４０内に供給されることで容器４０内の圧力は上昇する。より詳細には、水素ガスおよび水が密閉された容器４０に供給されることで、容器４０、水素排出ライン３３、背圧弁４５までの高圧水素供給ライン４２および減圧機構４６までの脱圧ライン４３は、既定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）まで昇圧する。

一方、反応により生成された酸素（酸素ガス）、固体高分子電解質膜を透過した水素（水素ガス）および未反応の水は、アノードセパレータに設けられる純水流路の出口側（水排出側）から循環ライン２３に供給される。循環ライン２３に供給された混合ガス（酸素ガス、水素ガス）および未反応の水は、純水系気液分離装置２に供給され、純水系気液分離装置２で混合ガスから液化した水分が分離される。水分が分離された混合ガスは、気体排出ライン２２を介して大気に排出される。液化した水分および未反応の水は、循環水ポンプ２５を介して供給ライン２４に再供給される。

水素排出ライン３３を介して容器４０内に供給された水素ガスは、容器４０内で、水分が重力により分離されて所定量以下の水分量となり、所定量以下の水分量となった水素ガスが容器４０内に貯留される。同様に、水素排出ライン３３を介して容器４０内に供給された水は、水素ガスから分離した水とともに、容器４０内に貯留される。

このとき、重量センサ５が検出する高圧気液分離装置４の重量に基づいて、容器４０内の水位が所定の範囲内となるように、電磁弁４７ａが開閉される。より詳細には、容器４０内に貯留される水で満水にならず、かつ貯留される水が容器４０から抜けきらないように、容器４０内の水位が上限水位になると電磁弁４７ａが開放され、排水が開始される。その後、下限水位になると電磁弁４７ａが閉鎖され、排水が停止される。

上限水位になると排水することで、水が高圧水素供給ライン４２を介して水素タンクに流入することを防止できる。また下限水位になると排水を停止することで、封止水が失われることを防止でき、容器４０等の圧力を既定圧力（例えば、７０ＭＰａ）に維持することができる。

高圧気液分離装置４から排水された水は、排出ライン４４を介して低圧気液分離装置７の容器７０に供給され、電磁弁７４の開閉に応じて、水戻しライン７３を介して、純水系気液分離装置２に戻される。

一方、水素排出ライン３３を介して高圧気液分離装置４に送られる水素ガスは、密閉状態の容器４０が既定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）まで昇圧すると、高圧水素供給ライン４２に設けられる背圧弁４５から排出され、不図示の除湿装置等により除湿されてドライ水素（製品水素）となり、水素タンクに供給される。

また、高圧気液分離装置４を降圧する際（例えば、メンテナンス時等）には、容器４０内に貯留された水素ガスが減圧機構４６で減圧されて低圧気液分離装置７に供給される。さらに、背圧弁７２が開放されて、大気ライン７１を介して、減圧した水素ガスが外部に排出される。

上述したように、本実施形態に係る水電解システム１では、重量センサ５により検出される高圧気液分離装置４の重量に基づいて電磁弁４７ａが開閉され、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位が調整される。すなわち、重量センサ５を水位検出部として機能させて、容器４０内の水位を調整する。

この場合、容器４０に水素排出ライン３３等が接続されるので、重量センサ５により検出される重量と実際の高圧気液分離装置４の重量との間に誤差が生ずるおそれがある。そのため、容器４０内の水位を所定範囲内に保つことができず、水位が上限水位を超えて満水になったり、下限水位を下回って容器４０内の封止水を失うおそれがある。

このような問題に対処するため、水電解システム１を以下のように構成する。図２は、本実施形態に係る水電解システム１の要部の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、水電解システム１は、コントローラ８と、コントローラ８にそれぞれ通信可能に接続された重量センサ５、電磁弁４７ａおよび圧力センサ９とを有する。

圧力センサ９は、水素排出ライン３３を形成する配管に取り付けられ、高圧気液分離装置４の容器４０の内部圧力を検出する。すなわち、水電解システム１では、水素排出ライン３３の内部圧力と容器４０の内部圧力とは同一なので、水素排出ライン３３上に圧力センサ９を取り付けることで、安価な構成で容器４０の内部圧力を検出することができる。なお、圧力センサ９は容器４０の内部に取り付けられてもよい。

コントローラ８は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを含んで構成される。コントローラ８は、機能的構成として、重量センサ５により検出される高圧気液分離装置４の重量に基づいて容器４０内の水位を制御する水位制御部８１（排水制御部）と、重量センサ５により検出される高圧気液分離装置４の重量を補正する補正係数を算出する補正係数算出部８２（演算部）とを有する。

水位制御部８１は、例えば、重量センサ５により検出された現在の高圧気液分離装置４の重量が上限水位の重量になると電磁弁４７ａを開放し、下限水位の重量になると、電磁弁４７ａを閉鎖する。すなわち、水位制御部８１は、電磁弁４７ａを開閉して容器４０内の水位制御を行う。また水位制御部８１は、補正係数算出部８２により補正係数が算出された場合には、重量センサ５により検出された重量を補正係数で補正し、補正係数で補正された重量に基づいて、水位制御を行う。

なお、上限水位はユーザにより予め設定された水位（例えば、満水に対して８０％の水位）であり、下限水位はユーザにより予め設定された水位（例えば、満水に対して３０％の水位）である。上限水位（下限水位）の重量は、例えば、上限水位（下限水位）における容器４０内の水の容積を算出し、算出した容積（重量）に空の状態の高圧気液分離装置４の重量を加えた値が用いられる。

図３は、図２のコントローラ８の補正係数算出部８２で実行される補正係数算出処理の一例を示すフローチャートである。図３のフローチャートに示す処理は、ユーザからの指令により開始され、補正係数の算出が終了するまで所定周期で繰り返し実行される。より詳細には、ユーザからの指令が入力されると、電解電源３１によって電解電圧の印加が開始され、図３のフローチャートに示す処理が実行される。

図３に示すように、まず、ステップＳ１において、高圧気液分離装置４に関する各種信号を読み込む。すなわち、圧力センサ９により検出される容器４０内の実測圧力値、重量センサ５により検出される現在の高圧気液分離装置４の重量等を読み込む。読み込んだ信号は、メモリ（例えば、ＲＯＭ）に記憶される。

次いで、ステップＳ２で、補正係数の算出条件を満たすか否かを判定する。算出条件は、補正係数を有効に算出するための条件であり、例えば、圧力センサ９により検出された実測圧力値が所定値以上（例えば、３０ＭＰａ以上）であるときに、算出条件が満たされる。したがって、ステップＳ２では、圧力センサ９の検出圧力が所定値以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２は肯定されるまで繰り返され、ステップＳ２で肯定されると、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量に基づいて圧力値を算出する。圧力値の算出は、以下のように行う。

まず、電解電源３１による電解電圧の印加（昇圧）を開始してから高圧水電解スタック３が製造する水素量Ｑ〔ＮＬ〕、予め容器４０内に存在する既知の水素量Ｑ１〔ＮＬ〕、既知の飽和水蒸気量Ｓ〔ＮＬ〕、容器４０の容積から水の容積を除いた内部空間４０ａの容積Ｖ〔Ｌ〕を用いて、高圧気液分離装置４の容器４０の内部圧力Ｐ〔ＭＰａ〕を次式（I）により算出する。
Ｐ＝（Ｑ＋Ｑ１＋Ｓ）／Ｖ・・・（I）

高圧水電解スタック３により製造される水素量Ｑは、電解電圧が印加されることで高圧水電解スタック３に流れる電解電流に応じて水の電気分解反応が進むので、既知の電解電流に基づいて算出される。

より詳細には、高圧水電解スタック３の水電解セル３０での水の電気分解反応は、アノード側で次式（II）が成立し、カソード側で次式（III）が成立し、全体で次式（IV）が成立する。
Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂・・・（II）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂・・・（III）
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂・・・（IV）

水の電気分解反応で１モル反応したときの電荷量〔Ｃ／ｍｏｌ〕は、２×９６５００〔Ｃ／ｍｏｌ〕であり、水素量〔ＮＬ〕は、１〔ｍｏｌ〕＝２２．４〔ＮＬ〕であるので、単位時間あたりの１セルで製造される水素量〔ＮＬ／ｓｅｃ〕を次式（V）により算出する。
水素量〔ＮＬ／ｓｅｃ〕＝電流〔Ａ〕／（２×９６５００）×２２．４・・・（V）

そして、印加電流ｅ〔Ａ〕、水電解セル３０の積層数ｎ〔個〕、電解電圧の印加時間（昇圧時間）ｔ〔ｍｉｎ〕を用いて、電解電圧の印加（昇圧）を開始してから高圧水電解スタック３が製造する水素量Ｑを次式（VI）により算出する。
Ｑ＝ｅ／（２×９６５００）×２２．４×ｎ×６０×ｔ・・・（VI）

このとき、高圧水電解スタック３が製造する水素量Ｑは、実際に高圧水電解スタック３にて製造された水素量から、透過により循環ライン２３から排出される既知の水素量を減算した水素量を用いる。高圧水電解スタック３は定格運転にて水素を生成するので、透過により循環ライン２３から排出される水素量は予め測定することができる。また、容器４０の内部圧力Ｐの算出に際しては、高圧気液分離装置４が配置される場所（例えば、コンテナ内）の温度Ｔに基づく温度補正と、製造する水素の圧縮係数補正とを適宜行う必要がある。既知の飽和水蒸気量は、コンテナ内のように温度Ｔが略一定の場合は略一定となる。

次に、容器４０の容積Ｖ１、容器４０内の水の容積Ｖ２を用いて、容器４０の容積から水の容積を除いた容器４０の内部空間４０ａの容積Ｖを次式（VII）により算出する。
Ｖ＝Ｖ１−Ｖ２・・・（VII）

なお、容器４０内の水の容積Ｖ２は、重量センサ５が測定した高圧気液分離装置４の重量から、予め測定した高圧気液分離装置４の重量を減算した値を用いることができる。

上式（VII）にて算出した容積Ｖおよび上式（VI）にて算出した水素量Ｑを、上式（I）に算入することで、電解電圧の印加（昇圧）を開始してからの容器４０の内部圧力Ｐを算出することができる。

次いで、ステップＳ４で、ステップＳ１にてメモリに記憶した実測圧力値と、ステップＳ３にて算出した圧力値（算出圧力値）とを用いて補正係数を算出する。より詳細には、算出圧力値と、圧力センサ９により検出された実測圧力値とに基づいて、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量を補正する補正係数を算出する。

算出圧力値をＰａ、重量センサ５により検出される高圧気液分離装置４の重量をＷ１ａ、実測圧力値をＰｂおよび高圧気液分離装置４の実際の重量をＷ１ｂと定義すると、次式（VIII）が成立する。
Ｐａ：Ｐｂ＝Ｗ１ａ：Ｗ１ｂ・・・（VIII）

これにより、重量センサ５により検出される重量に対する補正係数は、Ｐｂ／Ｐａとなる。次いで、ステップＳ５で、ステップＳ４にて算出した補正係数（Ｐｂ／Ｐａ）をメモリに記憶し、処理を終了する。

補正係数算出部８２にて算出された補正係数がメモリに記憶されると、水位制御部８１がメモリに記憶された補正係数を用いて重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量を補正し、補正係数で補正された重量に基づいて水位制御を行う。このとき、電解電圧の印加（昇圧）を停止することなく補正を行ってもよく、印加を一端停止してから補正を行い、その後、印加を再開してもよい。

図４は、図１に示す高圧気液分離装置４の昇圧時（電解電圧の印加時）における容器４０内の実測圧力値および算出圧力値の特性と、高圧気液分離装置４の重量に基づいて算出される容器４０内の水位の特性と、水電解システム１が配置されるコンテナ内の温度の特性とを示す図である。

図４のｆ１は、時間変化に伴う容器４０内の算出圧力値の特性を示し、ｆ２は、時間変化に伴う容器４０内の実測圧力値の特性を示す。ｆ３は重量センサ５で測定された高圧気液分離装置４の重量に基づいて算出される容器４０内の水位の時間変化に伴う特性を示し、ｆ４は水電解システム１が配置されるコンテナ内の温度の時間変化に伴う特性を示す。

実測圧力値および重量センサ５に基づいて検出される水位（高圧気液分離装置４の重量）は、電解電圧の印加（昇圧）に伴って高圧気液分離装置４に水素ガスおよび水が貯留されることで、時間の経過とともに徐々に上昇する（ステップＳ１）。このとき、図４の特性ｆ４に示すように、コンテナ内の温度Ｔは略一定に推移するため、既知の飽和水蒸気量は略一定である。そして、図４の特性ｆ２に示すように、印加開始（昇圧開始）からｔ分後に、実測圧力値は、補正係数の算出条件を満たす所定値Ｐｂとなり、図４の特性ｆ１に示すように、このときの算出圧力値はＰａである（ステップＳ３）。

図４の特性ｆ１および特性ｆ２に示すように、ｔ分後の算出圧力値Ｐａは、実測圧力値（例えば、所定値Ｐｂ）よりも低い（例えば、Ｐａ＜Ｐｂ）。すなわち、実際の容器４０内の圧力は、重量センサ５が検出した水位（重量）に基づいて算出した容器４０内の圧力よりも高く、実測圧力値と算出圧力値との間に誤差が生じている。そこで、重量センサ５により検出される水位（重量）の誤差を補正するための補正係数（例えば、Ｐｂ／Ｐａ）を補正係数算出部８２で算出し、これを記憶する（ステップＳ４，Ｓ５）。そして、重量センサ５に基づいて検出される水位Ｗａ（重量Ｗ１ａ）に補正係数Ｐｂ／Ｐａを乗じ、補正した水位（実際の重量Ｗ１ｂ）で水位制御部８１による水位制御を行う。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）水電解システム１は、水を電気分解して酸素および水素を生成する高圧水電解スタック３と、高圧水電解スタック３で生成された水素を気液分離する高圧気液分離装置４と、高圧気液分離装置４の重量を検出する重量センサ５と、高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力を検出する圧力センサ９と、圧力センサ９により検出された高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力に基づいて、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量の誤差を補正するための補正係数を算出するコントローラ８（補正係数算出部８２）とを備える（図１）。

この構成により、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の検出誤差を容易に算出することができる。また、水電解システム１を停止することなく、すなわち、水電解システム１の稼働中においても、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の検出誤差を算出することができる。また例えば、高圧気液分離装置４の容器４０に、外から内部を確認可能な透明窓を設けたり、中性子ラジオグラフィーや超音波エコーを使用したり、容器４０内に複数の水位センサを配置することなく、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の誤差を容易に算出することができる。すなわち、安価な構成で、容器４０内の水位の誤差を検出することができる。

（２）コントローラ８は、高圧水電解スタック３により生成された水素量および重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量に基づいて高圧気液分離装置４の容器４０内に生じる圧力を算出し、この算出圧力値と、圧力センサ９により検出される実測圧力値とに基づいて、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量の誤差を補正するための補正係数を算出する（図２）。これにより、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の検出誤差を容易に算出することができる。

（３）水電解システム１は、高圧気液分離装置４の容器４０内の排水を行う高圧排水装置６と、補正係数算出部８２により算出された補正係数に基づいて重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４の重量（水位）を補正し、補正した重量（水位）に基づいて高圧排水装置６の電磁弁４７ａを開閉制御する水位制御部８１をさらに備える（図１）。

これにより、コントローラ８による高圧気液分離装置４の容器４０内の水位制御を容易かつ正確に行うことができる。例えば、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の検出に重量センサ５を用いた場合においても、コントローラ８による高圧気液分離装置４の容器４０内の水位制御を正確に行うことができる。そのため、安価かつ高精度な水電解システムを容易に構成することができる。

（４）重量センサ５は、高圧気液分離装置４の重量に基づいて高圧気液分離装置４の容器４０内の水位を検出する水位検出部を構成する（図１）。これにより、静電容量式の水位センサのような高額なセンサを用いることなく、安価な構成で、高精度な水電解システムを提供することができる。

（５）水を電気分解して酸素および水素を生成する高圧水電解スタック３で生成された水素を気液分離する高圧気液分離装置４内の水位の検出誤差を算出する水位誤差算出装置である。水位誤差算出装置は、高圧気液分離装置４の重量を検出する重量センサ５と、高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力を検出する圧力センサ９と、圧力センサ９により検出された高圧気液分離装置４の容器４０内の圧力に基づいて、重量センサ５により検出された高圧気液分離装置４内の重量の誤差を補正するための補正係数を算出するコントローラ８（補正係数算出部８２）と、を備える（図１）。この構成により、高圧気液分離装置４の容器４０内の水位の検出誤差を容易に算出することができる。

上記実施形態では、水位検出部として重量センサ５を用いて説明したが、水位検出部に水位センサを用いてもよく、例えば、静電容量式の水位センサを用いてもよい。この場合、高圧水電解スタック３により生成された水素量および水位センサにより検出された高圧気液分離装置４の容器４０内の水位に基づいて容器４０内に生じる圧力を算出し、この算出圧力値と、圧力センサ９により検出される実測圧力値とに基づいて、水位センサにより検出された容器４０内の水位の誤差を補正するための補正係数を算出してもよい。

上記実施形態では、ユーザからの指令が入力されると補正係数算出処理を開始したが、補正係数算出処理は、ユーザからの指令に限らず、水電解システム１の起動時に開始、あるいは、水電解システム１の稼働時間が所定時間を経過すると開始する等、他のタイミングで開始するようにしてもよい。

上記実施形態では、補正係数算出処理における補正係数の算出条件として、圧力センサ９により検出される実測圧力値が所定値以上であるか否かを判定したが、重量センサ５により検出される高圧気液分離装置４の重量が所定重量以上であるか否か、高圧水電解スタック３により製造される水素量が所定量以上であるか否か等であってもよい。

上記実施形態では、補正係数算出処理において、補正係数の算出条件の判定（ステップＳ２）を行ったが、算出条件の判定を行うことなく、高圧気液分離装置４の重量に基づく圧力値を算出（ステップＳ３）してもよい。すなわち、算出条件の判定を省略してもよい。この場合、補正係数を記憶した後、例えば、昇圧が開始されてから所定時間が経過したか否かの判定を行い、否定されると、再度、圧力値を算出するようにしてもよい。

上記実施形態では、昇圧時（電解電圧印加時）の算出圧力値および実測圧力値を用いて補正係数を算出したが、減圧時の算出圧力値および実測圧力値を用いて補正係数を算出してもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態により本発明が限定されるものではない。

１水電解システム、３高圧水電解スタック（水電解装置）、４高圧気液分離装置（気液分離装置）、５重量センサ（水位検出部）、６高圧排水装置（排水装置）、８コントローラ（演算部）、９圧力センサ（圧力検出部）、４０容器、８１水位制御部（排水制御部）、８２補正係数算出部

Claims

水を電気分解して酸素および水素を生成する水電解装置と、
前記水電解装置で生成された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出する水位検出部と、
前記気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された前記気液分離装置内の圧力に基づいて、前記水位検出部により検出された前記気液分離装置内の水位の誤差を算出する演算部と、を備えることを特徴とする水電解システム。
請求項１に記載の水電解システムにおいて、
前記演算部は、前記水電解装置により生成された水素量および前記水位検出部を用いて検出された前記気液分離装置内の水位に基づいて前記気液分離装置内の圧力を算出し、この算出圧力値と、前記圧力検出部により検出された実測圧力値とに基づいて、前記水位検出部により検出された前記気液分離装置内の水位の誤差を算出する、ことを特徴とする水電解システム。
請求項１または２に記載の水電解システムにおいて、
前記気液分離装置内の排水を行う排水装置と、
前記演算部により算出された水位の誤差に基づいて前記水位検出部により検出された前記気液分離装置内の水位を補正し、補正した水位に基づいて前記排水装置を制御する排水制御部とをさらに備える、ことを特徴とする水電解システム。
請求項１から３のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、
前記水位検出部は、前記気液分離装置の重量に基づいて該気液分離装置内の水位を検出する重量センサである、ことを特徴とする水電解システム。
気液分離装置内の水位の検出誤差を算出する水位誤差算出装置であって、
前記気液分離装置内の水位を検出する水位検出部と、
前記気液分離装置内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された前記気液分離装置内の圧力に基づいて、前記水位検出部により検出された前記気液分離装置内の水位の誤差を算出する演算部と、を備えることを特徴とする水位誤差算出装置。