JP2022172655A - 水電解システム及び水電解装置の起動方法 - Google Patents

水電解システム及び水電解装置の起動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】水の電気分解によって生じる酸素及び水素の混合を抑制することができる水電解システム及び水電解装置の起動方法を提供する。【解決手段】水電解システム１０は、水電解セルと、電源と、酸素タンク３３と、制御装置１９とを備える。水電解セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の厚さ方向の両側に設けられるアノード及びカソードとを備える。水電解セルは、電源によってアノードとカソードとの間に電圧が印加されることによって水を電気分解する。制御装置１９は、水電解セルでの水の電気分解によってアノードで発生する酸素の圧力をカソードで発生する水素の圧力よりも相対的に高くする。制御装置１９は、電気分解の開始前に酸素タンク３３からアノードに酸素を供給することによって固体高分子電解質膜のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも相対的に高くする。【選択図】図１

Description

本発明は、水電解システム及び水電解装置の起動方法に関する。
従来、例えば、固体高分子型の水電解セルを備える水電解システムの起動時にアノード側に水素が滞留している可能性が高い場合に通電電流の上昇速度を抑制する水電解システムの起動方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この起動方法では、通電電流の上昇速度を抑制することによって、アノードで発生する酸素とともに排出される水素の濃度の増大を抑制する。
特開２０１７－２０６７３０号公報
ところで、上記した水電解システムのように固体高分子型の水電解セルを備える場合、アノードで発生する酸素及びカソードで発生する水素が電解質膜を透過するクロスオーバーによって、酸素及び水素の混合が生じる場合がある。クロスオーバー量が増大する場合、酸素及び水素の各々の純度が低下するとともに電解質膜の劣化等の不具合が生じることから、酸素及び水素の混合を抑制することが望まれている。
本発明は、水の電気分解によって生じる酸素及び水素の混合を抑制することができる水電解システム及び水電解装置の起動方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る水電解システム（例えば、実施形態での水電解システム１０）は、電解質膜（例えば、実施形態での固体高分子電解質膜５１）と、前記電解質膜の厚さ方向の両側に設けられるアノード（例えば、実施形態でのアノード５３）及びカソード（例えば、実施形態でのカソード５５）とを有し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧が印加されることによって水を電気分解する水電解セル（例えば、実施形態での水電解セル４１）と、前記アノードと前記カソードとの間に前記電圧を印加する電源（例えば、実施形態での電源５７）と、前記アノードに酸素を供給する酸素供給源（例えば、実施形態での酸素タンク３３及びバッファタンク８１）と、前記水電解セルでの水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の圧力を前記カソードで発生する水素の圧力よりも相対的に高くするとともに、前記電気分解の開始前に前記酸素供給源から前記アノードに前記酸素を供給することによって前記電解質膜の前記アノード側の圧力を前記カソード側の圧力よりも相対的に高くする制御装置（例えば、実施形態での制御装置１９）と、を備える。
（２）上記（１）に記載の水電解システムでは、前記酸素供給源は、前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素を貯留する酸素容器（例えば、実施形態での酸素タンク３３）を備えてもよい。
（３）上記（１）に記載の水電解システムは、前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の少なくとも一部を貯蔵する第１酸素容器（例えば、実施形態での酸素タンク３３）を備え、前記酸素供給源は、前記水電解セルと前記第１酸素容器とを接続する流路（例えば、実施形態での酸素供給流路２４ｂ）から分岐する流路（例えば、実施形態でのバッファ充填流路８３及び昇圧流路８５）に接続されるとともに、前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の一部を貯蔵する第２酸素容器（例えば、実施形態でのバッファタンク８１）を備えてもよい。
（４）上記（３）に記載の水電解システムは、前記第２酸素容器での酸素の圧力を取得する圧力取得部（例えば、実施形態での第５圧力センサ８７ａ）を備え、前記制御装置は、前記電気分解の開始後に前記アノードで発生する酸素を前記第１酸素容器よりも前記第２酸素容器に優先的に供給するとともに、前記圧力取得部によって取得される前記圧力に基づいて前記アノードで発生する酸素の供給先を前記第２酸素容器から前記第１酸素容器に切り換えてもよい。
（５）上記（３）又は（４）に記載の水電解システムでは、前記制御装置は、前記第２酸素容器から前記アノードに前記酸素を供給する状態での前記アノード側の圧力が所定圧力未満である場合、前記酸素供給源を前記第２酸素容器から前記第１酸素容器に切り換えてもよい。
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の水電解システムは、前記水を前記カソードに供給する水供給部（例えば、実施形態での水供給部２１）を備えてもよい。
（７）本発明の一態様に係る水電解装置の起動方法は、電解質膜（例えば、実施形態での固体高分子電解質膜５１）と、前記電解質膜の厚さ方向の両側に設けられるアノード（例えば、実施形態でのアノード５３）及びカソード（例えば、実施形態でのカソード５５）とを有し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧が印加されることによって水を電気分解する水電解セル（例えば、実施形態での水電解セル４１）と、前記アノードと前記カソードとの間に前記電圧を印加する電源（例えば、実施形態での電源５７）と、電子機器（例えば、実施形態での制御装置１９）と、を備える水電解装置の前記電子機器が実行する起動方法であって、前記電子機器が、前記水電解セルでの水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の圧力を前記カソードで発生する水素の圧力よりも相対的に高くするステップ（例えば、実施形態でのステップＳ１０、ステップＳ１７、ステップＳ６３）と、前記電子機器が、前記電気分解の開始前に酸素供給源から前記アノードに酸素を供給することによって前記電解質膜の前記アノード側の圧力を前記カソード側の圧力よりも相対的に高くするステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０５、ステップＳ１２、ステップＳ５５）と、を含む。
上記（１）によれば、水の電気分解の開始前から電解質膜のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも相対的に高くする制御装置を備えることによって、分子量の大きさの違いに起因して酸素に比べて電解質膜を透過し易い水素がカソード側からアノード側へ移動することを抑制することができる。
上記（２）の場合、酸素容器に予め貯蔵される酸素によって水の電気分解の開始前にアノード側の圧力を増大させることができる。例えば、外部からの酸素の供給によってアノード側を昇圧する場合等に比べて、昇圧用の専用の機器を備える必要無しに、システム構成が複雑になることを抑制することができる。
上記（３）の場合、水の電気分解によってアノードで発生する酸素を貯蔵する第１酸素容器に加えて第２酸素容器を備えることによって、第１酸素容器の残圧にかかわらずに第２酸素容器から供給される酸素によってアノード側の圧力を増大させることができる。例えば、水の電気分解の開始前に第１酸素容器の残圧が低下している場合であっても、第２酸素容器に予め貯蔵される酸素によってアノード側を昇圧することができる。
第２酸素容器は水電解セルと第１酸素容器とを接続する流路から分岐する流路に接続されていることによって、水の電気分解の開始前でのアノード側の昇圧によって第２酸素容器の残圧が低下した場合であっても、水の電気分解の開始後にアノードで発生する酸素を第２酸素容器に充填することができる。第２酸素容器の残圧を所定以上に維持することによって、次回の起動時に的確にアノード側の昇圧を行うことができる。
上記（４）の場合、第２酸素容器での酸素の圧力を取得する圧力取得部を備えることによって、第２酸素容器の残圧を的確に所定以上に維持することができる。第２酸素容器に貯蔵される酸素の圧力に応じてアノードで発生する酸素の供給先を第２酸素容器から第１酸素容器に切り換える制御装置を備えることによって、過剰な酸素が第２酸素容器に供給されることを抑制して、第１酸素容器及び第２酸素容器への酸素の供給を効率よく行うことができる。
上記（５）の場合、第２酸素容器によるアノード側の昇圧が不十分である場合に酸素供給源を第２酸素容器から第１酸素容器に切り換える制御装置を備えることによって、第２酸素容器の残圧にかかわらずに第１酸素容器から供給される酸素によってアノード側の圧力を増大させることができる。例えば、水の電気分解の開始前に第２酸素容器の残圧が低下している場合であっても、第１酸素容器に予め貯蔵される酸素によってアノード側を昇圧することができる。
上記（６）の場合、いわゆるカソードフィードによってカソードに電気分解用の水を供給する水供給部を備えることによって、例えばアノードに電気分解用の水を供給する場合に比べて、アノード側を容易に昇圧することができる。
上記（７）によれば、水の電気分解の開始前から電解質膜のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも相対的に高くするステップを含むことによって、分子量の大きさの違いに起因して酸素に比べて電解質膜を透過し易い水素がカソード側からアノード側へ移動することを抑制することができる。
本発明の実施形態の水電解システムを備えるエネルギーシステムの構成を模式的に示す図。 本発明の実施形態での水電解装置の水電解セルの構成を示す断面図。 本発明の実施形態の水電解システムでの複数のセンサ及び複数のバルブの配置を示す図。 本発明の実施形態での水電解装置の起動方法を示すフローチャート。 本発明の実施形態での水電解装置の停止方法を示すフローチャート。 本発明の実施形態の変形例での水電解システムの複数のセンサ及び複数のバルブの配置を示す図。 本発明の実施形態の変形例での水電解装置の起動方法を示すフローチャート。
以下、本発明の実施形態の水電解システム及び水電解装置の起動方法について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態の水電解システム１０を備えるエネルギーシステム１の構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、実施形態の水電解システム１０は、例えば、電力、熱及び水を相互に活用するエネルギーシステム１に備えられている。
エネルギーシステム１は、例えば、水電解システム１０と、加湿器１１と、燃料電池１３と、蓄熱機構１５と、バッテリ１７と、制御装置１９とを備える。なお、バッテリ１７及び制御装置１９は、水電解システム１０の一部を構成する。
加湿器１１は、水電解システム１０から供給される水素及び酸素を、蓄熱機構１５から供給される水によって加湿して、燃料電池１３に供給する。燃料電池１３は、水電解システム１０から供給される水素及び酸素の触媒反応によって発電する。蓄熱機構１５は、後述する水電解システム１０の水素昇圧装置２７及び燃料電池１３から供給される水（排出水及び生成水）を貯留する。蓄熱機構１５は、後述する水電解システム１０及び燃料電池１３に始動時の暖気用の水を供給する。蓄熱機構１５は、加湿器１１に加湿用の水を供給する。蓄熱機構１５は、後述する水電解システム１０の水供給部２１に循環用の水を供給する。
バッテリ１７は、燃料電池１３等の発電による電力を蓄電する。
制御装置１９は、エネルギーシステム１の全体を統合的に制御する。制御装置１９は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置１９の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。
水電解システム１０は、例えば、水供給部２１と、水供給流路２２と、水電解装置２３と、水素供給流路２４ａ及び酸素供給流路２４ｂと、気液分離器２５と、冷却水供給流路２６と、水素昇圧装置２７と、排出水流路２８と、２つの水蒸気分離器２９と、水素タンク３１と、酸素タンク３３とを備える。
水供給部２１は、水電解装置２３との間に設けられる水供給流路２２を介して、水電解装置２３に水を供給する。水供給部２１は、例えば、純水生成器、循環ポンプ及びイオン交換器等を備える。純水生成器は、水道水等から純水を生成する。循環ポンプは、純水生成器及び蓄熱機構１５等から供給される水を水電解装置２３に送る。イオン交換器は、蓄熱機構１５等から供給される水から不純物を除去する。
水電解装置２３は、例えば、固体高分子型の水電解装置である。水電解装置２３は、水供給流路２２を介して水供給部２１から供給される水を電気分解する。水電解装置２３は、水素タンク３１との間に設けられる水素供給流路２４ａを介して、水の電気分解によって発生する水素を水素タンク３１に供給する。水電解装置２３は、酸素タンク３３との間に設けられる酸素供給流路２４ｂを介して、水の電気分解によって発生する酸素を酸素タンク３３に供給する。
水電解装置２３は、少なくとも１つの水電解スタックを備える。水電解スタックは、積層された複数の水電解セル４１と、複数の水電解セル４１の積層体（セルユニット）を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）とを備える。
図２は、実施形態での水電解装置２３の水電解セル４１の構成を示す断面図である。
図２に示すように、水電解セル４１は、電解質電極構造体４３と、電解質電極構造体４３を厚さ方向（つまりセルユニットの積層方向）の両側から挟み込むアノード側セパレータ４５及びカソード側セパレータ４７とを備える。
電解質電極構造体４３は、固体高分子電解質膜５１と、固体高分子電解質膜５１を厚さ方向の両側から挟み込むアノード５３及びカソード５５とを備える。
固体高分子電解質膜５１は、例えば、水酸化物イオン（ＯＨ－）等のアニオンを選択的に伝導させるアニオン交換膜又はプロトン交換膜等を備える。
アノード５３は、例えば、アノード触媒５３ａ及び給電体であるガス拡散層５３ｂ等を備える。
カソード５５は、例えば、カソード触媒５５ａ及び給電体であるガス拡散層５５ｂ等を備える。
アノード５３の給電体であるガス拡散層５３ｂとカソード５５の給電体であるガス拡散層５５ｂとは、例えば、バッテリ１７等によって構成される電源５７に接続されている。
アノード側セパレータ４５は、アノード５３との間にアノード側流路４５ａを形成する。アノード側流路４５ａは、例えば、アノード側セパレータ４５の表面に形成された凹溝と、アノード側セパレータ４５の凹溝の開口端を覆うアノード５３の表面とによって形成されている。アノード側流路４５ａは、後述する酸素排出貫通孔６５に通じている。
カソード側セパレータ４７は、カソード５５との間にカソード側流路４７ａを形成する。カソード側流路４７ａは、例えば、カソード側セパレータ４７の表面に形成された凹溝と、カソード側セパレータ４７の凹溝の開口端を覆うカソード５５の表面とによって形成されている。カソード側流路４７ａは、後述する水供給貫通孔６１及び水素排出貫通孔６３に通じている。
複数の水電解セル４１を備えるセルユニット及び一対のエンドプレートによって構成される水電解スタック２３ａには、積層方向に貫通する水供給貫通孔６１、水素排出貫通孔６３及び酸素排出貫通孔６５が形成されている。
水供給貫通孔６１は、水電解装置２３の外部で水供給流路２２に通じるとともに、水電解装置２３の内部でカソード側流路４７ａに通じている。
水素排出貫通孔６３は、水電解装置２３の外部で水素供給流路２４ａに通じるとともに、水電解装置２３の内部でカソード側流路４７ａに通じている。
酸素排出貫通孔６５は、水電解装置２３の外部で酸素供給流路２４ｂに通じるとともに、水電解装置２３の内部でアノード側流路４５ａに通じている。
水電解セル４１は、いわゆるカソードフィードによってカソード５５に水が供給されるとともに、電源５７によってアノード５３及びカソード５５に電流が流されることによって、水を電気分解する。
カソード５５は、水供給貫通孔６１からカソード側流路４７ａに供給される水を電気分解することによって水素及び水酸化イオンを発生させる。カソード５５で発生した水素は、未反応の水（未反応水）とともにカソード側流路４７ａから水素排出貫通孔６３に排出される。カソード５５で発生した水酸化イオンは、固体高分子電解質膜５１を伝導してアノード５３へ移動する。
アノード５３は、カソード５５から固体高分子電解質膜５１を伝導した水酸化イオンによって酸素及び水を生成する。アノード５３で発生した酸素及び水は、アノード側流路４５ａから酸素排出貫通孔６５に排出される。
図１に示すように、気液分離器２５は、水素供給流路２４ａでの水電解装置２３と水素昇圧装置２７との間に配置されている。気液分離器２５は、水電解装置２３から排出される水素及び未反応水を含む流体を気体成分と液体成分とに分離する。気体成分は、例えば、水素及び水蒸気を含む。液体成分は、例えば、水を含む。
気液分離器２５は、気液分離によって得られる気体成分の水素及び水蒸気を、水素供給流路２４ａを介して水素昇圧装置２７に向かって排出する。
気液分離器２５は、水素昇圧装置２７及び燃料電池１３との間に設けられる冷却水供給流路２６を介して、気液分離によって得られる液体成分の水を冷却用の水（冷却水）として水素昇圧装置２７及び燃料電池１３に向かって排出する。
水素昇圧装置２７は、水素供給流路２４ａでの気液分離器２５と水蒸気分離器２９との間に配置されている。水素昇圧装置２７は、例えば、電気化学的に水素を圧縮する電気化学式水素昇圧装置（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）である。水素昇圧装置２７は、気液分離器２５から供給される水素を昇圧して、水素供給流路２４ａを介して水蒸気分離器２９に向かって排出する。
水素昇圧装置２７は、冷却水供給流路２６を介して気液分離器２５から供給される冷却水によって冷却される。水素昇圧装置２７は、蓄熱機構１５との間に設けられる排出水流路２８を介して、冷却後の冷却水を排出水として蓄熱機構１５に向かって排出する。
２つの水蒸気分離器２９は、水素供給流路２４ａでの水素昇圧装置２７と水素タンク３１との間及び酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３と酸素タンク３３との間に配置されている。水蒸気分離器２９は、例えば、冷却又は水分吸着等によって、水素及び酸素の各々と水蒸気とを含む流体から水蒸気を分離する。
各水蒸気分離器２９は、水素供給流路２４ａを介して水素タンク３１に向かって水素を排出又は酸素供給流路２４ｂを介して酸素タンク３３に向かって酸素を排出する。
図３は、実施形態の水電解システム１０での複数のセンサ及び複数のバルブの配置を示す図である。
図３に示すように、水電解システム１０は、複数のセンサ及び複数のバルブを備える。
複数のセンサは、例えば、第１圧力センサ７１ａ、第２圧力センサ７１ｂ、第３圧力センサ７１ｃ、第４圧力センサ７１ｄ及び水素濃度センサ７１ｅを備える。
複数のバルブは、例えば、背圧弁７３ａ、パージ弁７３ｂ及び開閉弁７３ｃを備える。複数のバルブの各々は、例えば、電磁弁、電動弁又は空気式弁等であって、制御装置１９によって開閉及び開度等が制御される。
第１圧力センサ７１ａは、水供給流路２２に配置されている。第１圧力センサ７１ａは、水供給流路２２内を流通する水の圧力（供給水圧：第１圧力Ｐ１）を検出して、第１圧力Ｐ１の検出値の信号を出力する。
第２圧力センサ７１ｂは、水素供給流路２４ａに配置されている。第２圧力センサ７１ｂは、水素供給流路２４ａ内を流通する未反応水及び水素の流体の圧力（第２圧力Ｐ２）を検出して、第２圧力Ｐ２の検出値の信号を出力する。
第３圧力センサ７１ｃは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３と後述する背圧弁７３ａとの間に配置されている。第３圧力センサ７１ｃは、酸素供給流路２４ｂ内を流通する酸素を含む流体の圧力（第３圧力Ｐ３）を検出して、第３圧力Ｐ３の検出値の信号を出力する。
第４圧力センサ７１ｄは、酸素供給流路２４ｂでの後述する開閉弁７３ｃと酸素タンク３３との間に配置されている。第４圧力センサ７１ｄは、酸素タンク３３に貯蔵されている酸素の圧力（第４圧力Ｐ４）を検出して、第４圧力Ｐ４の検出値の信号を出力する。
水素濃度センサ７１ｅは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３と後述する背圧弁７３ａとの間に配置されている。酸素供給流路２４ｂ内を流通する流体に含まれる水素の濃度（水素濃度Ｃ）を検出して、水素濃度Ｃの検出値の信号を出力する。
背圧弁７３ａは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３と酸素供給流路２４ｂから分岐する排出流路７５の分岐部７５ａとの間に配置されている。背圧弁７３ａは、所定の基準設定の状態では、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３側（つまり上流側）の流体の圧力を所定の設定圧力に維持する。背圧弁７３ａは、開放状態では、酸素タンク３３側（つまり下流側）から水電解装置２３側（つまり上流側）への酸素を含む流体の流通を許容する。
パージ弁７３ｂは、排出流路７５に配置されている。パージ弁７３ｂは、排出流路７５の開閉を切り替えることによって、酸素供給流路２４ｂから排出流路７５を介して外部への流体の排出の有無を切り替える。
開閉弁７３ｃは、酸素供給流路２４ｂでの排出流路７５の分岐部７５ａと第４圧力センサ７１ｄとの間に配置されている。開閉弁７３ｃは、酸素供給流路２４ｂの開閉を切り替えることによって、酸素供給流路２４ｂでの背圧弁７３ａ側又は酸素タンク３３側への流体の流通の有無を切り替える。
以下に、実施形態での水電解システム１０の制御方法、つまり制御装置１９が実行する制御動作について説明する。
図４は、実施形態での水電解装置２３の起動方法を示すフローチャートである。
図４に示すように、ステップＳ０１からステップＳ２０の一連の処理は、水電解装置２３が起動される際に実行される。
先ず、ステップＳ０１にて、制御装置１９は、複数のバルブの初期設定を行う。例えば、パージ弁７３ｂ及び開閉弁７３ｃは閉状態である。背圧弁７３ａは所定の基準設定の状態であり、水電解装置２３側（つまり上流側）の流体の圧力を酸素タンク３３に酸素を充填することができる所定の設定圧力に維持する状態である。所定の設定圧力は、例えば１０ＭＰａ程度等である。
次に、ステップＳ０２にて、制御装置１９は、水供給部２１から水供給流路２２を介して、水電解装置２３に水の供給を開始する。
次に、ステップＳ０３にて、制御装置１９は、第１圧力センサ７１ａ及び第４圧力センサ７１ｄから第１圧力Ｐ１及び第４圧力Ｐ４を取得する。
次に、ステップＳ０４にて、制御装置１９は、第４圧力Ｐ４は所定残圧以上であるか否かを判定する。所定残圧は、例えば、後述するステップＳ０５での昇圧時に、第３圧力Ｐ３を第１圧力Ｐ１よりも所定圧力以上に昇圧するために必要な圧力である。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ０５に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ１１に進める。
次に、ステップＳ０５にて、制御装置１９は、開閉弁７３ｃを開状態にするとともに背圧弁７３ａを開放状態にすることによって、酸素タンク３３から水電解装置２３への酸素の供給を開始する。制御装置１９は、水電解装置２３の水電解セル４１での固体高分子電解質膜５１のアノード５３側の圧力をカソード５５側の圧力よりも相対的に高くする。
次に、ステップＳ０６にて、制御装置１９は、第３圧力センサ７１ｃから第３圧力Ｐ３を取得する。
次に、ステップＳ０７にて、制御装置１９は、第３圧力Ｐ３は第１圧力Ｐ１よりも所定圧力以上に大きいか否かを判定する。所定圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上であって、より好ましくは０．２ＭＰａから０．５ＭＰａの範囲での０．２ＭＰａ等である。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ０８に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ０６に戻す。
次に、ステップＳ０８にて、制御装置１９は、背圧弁７３ａを所定の基準設定の状態に戻すことによって、酸素タンク３３から水電解装置２３への酸素の供給によるアノード５３側の昇圧を停止する。
次に、ステップＳ０９にて、制御装置１９は、水電解装置２３の電源５７からアノード５３及びカソード５５への通電を開始する。
次に、ステップＳ１０にて、制御装置１９は、水電解装置２３による水の電気分解の処理を実行する。制御装置１９は、水電解セル４１での水の電気分解によってアノード５３で発生する酸素の圧力をカソード５５で発生する水素の圧力よりも相対的に高くする。そして、処理をエンドに進める。
また、ステップＳ１１にて、制御装置１９は、第４圧力Ｐ４はゼロよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ１２に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ１５に進める。
次に、ステップＳ１２にて、制御装置１９は、開閉弁７３ｃを開状態にするとともに背圧弁７３ａを開放状態にすることによって、酸素タンク３３から水電解装置２３への酸素の供給を開始する。制御装置１９は、水電解装置２３の水電解セル４１での固体高分子電解質膜５１のアノード５３側の圧力をカソード５５側の圧力よりも相対的に高くする。
次に、ステップＳ１３にて、制御装置１９は、酸素タンク３３から水電解装置２３への酸素の供給によるアノード５３側の昇圧が終了したか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ１４に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９はステップＳ１３の判定処理を繰り返し実行する。
次に、ステップＳ１４にて、制御装置１９は、背圧弁７３ａを所定の基準設定の状態に戻す。
次に、ステップＳ１５にて、制御装置１９は、パージ弁７３ｂを開状態にするとともに開閉弁７３ｃを閉状態にする。
次に、ステップＳ１６にて、制御装置１９は、水電解装置２３の電源５７からアノード５３及びカソード５５への通電を開始する。
次に、ステップＳ１７にて、制御装置１９は、水電解装置２３による水の電気分解の処理を実行する。制御装置１９は、水電解セル４１での水の電気分解によってアノード５３で発生する酸素の圧力をカソード５５で発生する水素の圧力よりも相対的に高くする。
次に、ステップＳ１８にて、制御装置１９は、第３圧力センサ７１ｃから第３圧力Ｐ３を取得するとともに、水素濃度センサ７１ｅから水素濃度Ｃを取得する。
次に、ステップＳ１９にて、制御装置１９は、第３圧力Ｐ３は第１圧力Ｐ１よりも所定圧力以上に大きく、水素濃度Ｃは所定濃度以下であるか否かを判定する。所定圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上であって、より好ましくは０．２ＭＰａから０．５ＭＰａの範囲での０．２ＭＰａ等である。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ２０に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ１８に戻す。
次に、制御装置１９は、パージ弁７３ｂを閉状態にするとともに開閉弁７３ｃを開状態にする。そして、処理をエンドに進める。
図５は、実施形態での水電解装置２３の停止方法を示すフローチャートである。
図５に示すように、ステップＳ３１からステップＳ３８の一連の処理は、水電解装置２３が停止される際に実行される。
先ず、ステップＳ３１にて、制御装置１９は、パージ弁７３ｂを開状態にするとともに開閉弁７３ｃを閉状態にする。
次に、ステップＳ３２にて、制御装置１９は、背圧弁７３ａを所定の基準設定の状態から開放状態に向かって変化させることによって、水電解装置２３側（つまり上流側）の流体の圧力を徐々に低下させる。
次に、ステップＳ３３にて、制御装置１９は、第３圧力センサ７１ｃから第３圧力Ｐ３を取得する。
次に、ステップＳ３４にて、制御装置１９は、第３圧力Ｐ３は所定閾圧力以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ３５に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ３３に戻す。
次に、ステップＳ３５にて、制御装置１９は、水電解装置２３の電源５７からアノード５３及びカソード５５への通電電流を徐々に低下させる。
次に、ステップＳ３６にて、制御装置１９は、電源５７からアノード５３及びカソード５５への通電電流はゼロであるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ３７に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９はステップＳ３６の判定処理を繰り返し実行する。
次に、ステップＳ３７にて、制御装置１９は、パージ弁７３ｂを開状態にする。
次に、ステップＳ３７にて、制御装置１９は、水供給部２１から水電解装置２３に供給される水の量（水供給量）を徐々に低下させる。そして、処理をエンドに進める。
上述したように、実施形態の水電解システム１０及び水電解装置２３の制御方法によれば、制御装置１９は、水の電気分解の開始前から固体高分子電解質膜５１のアノード５３側の圧力をカソード５５側の圧力よりも相対的に高くする。これにより、分子量の大きさの違いに起因して酸素に比べて固体高分子電解質膜５１を透過し易い水素がカソード５５側からアノード５３側へ移動することを抑制することができる。
制御装置１９は、酸素タンク３３に予め貯蔵される酸素によって水の電気分解の開始前にアノード５３側の圧力を増大させることができる。例えば、外部からの酸素の供給によってアノード５３側を昇圧する場合等に比べて、昇圧用の専用の機器を備える必要無しに、システム構成が複雑になることを抑制することができる。
制御装置１９は、いわゆるカソードフィードによって水供給部２１からカソード５５に電気分解用の水を供給することによって、例えばアノード５３に電気分解用の水を供給する場合に比べて、アノード５３側を容易に昇圧することができる。
（変形例）
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。
上述した実施形態では、制御装置１９は水電解装置２３の起動時に酸素タンク３３から水電解装置２３への酸素の供給（逆流）によってアノード５３側を昇圧するとしたが、これに限定されず、酸素タンク３３に加えて昇圧用のタンクを備えてもよい。
図６は、実施形態の変形例での水電解システム１０Ａの複数のセンサ及び複数のバルブの配置を示す図である。
図６に示すように、変形例の水電解システム１０Ａは、複数のセンサ及び複数のバルブと、バッファタンク８１とを備える。
バッファタンク８１は、例えば、酸素タンク３３よりも小さな容量のタンクである。バッファタンク８１は、酸素供給流路２４ｂでの排出流路７５の分岐部７５ａと酸素タンク３３との間で分岐するバッファ充填流路８３に配置されている。バッファタンク８１は、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３と背圧弁７３ａとの間の合流部８５ａで酸素供給流路２４ｂに合流する昇圧流路８５に接続されている。
バッファタンク８１は、充填時には、酸素供給流路２４ｂからバッファ充填流路８３を介して供給される酸素を含む流体によって酸素が充填される。バッファタンク８１は、昇圧時には、昇圧流路８５を介して酸素供給流路２４ｂでの背圧弁７３ａよりも水電解装置２３側（つまり上流側）の合流部８５ａに酸素を供給する。
複数のセンサは、例えば、第１圧力センサ７１ａ、第２圧力センサ７１ｂ、第３圧力センサ７１ｃ、水素濃度センサ７１ｅ及び第５圧力センサ８７ａを備える。
複数のバルブは、例えば、背圧弁７３ａ、パージ弁７３ｂ、開閉弁７３ｃ、切換弁８９ａ、第１逆止弁８９ｂ、第２逆止弁８９ｃ及びバッファ開閉弁８９ｄを備える。複数のバルブの各々は、例えば、電磁弁、電動弁又は空気式弁等であって、制御装置１９によって開閉及び開度等が制御される。
第５圧力センサ８７ａは、昇圧流路８５でのバッファタンク８１と合流部８５ａとの間に配置されている。第５圧力センサ８７ａは、バッファタンク８１に貯蔵されている酸素の圧力（第５圧力Ｐ５）を検出して、第５圧力Ｐ５の検出値の信号を出力する。
切換弁８９ａは、酸素供給流路２４ｂでのバッファ充填流路８３の分岐部に配置されている。切換弁８９ａは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３側（つまり上流側）を、酸素タンク３３側（つまり下流側）又はバッファ充填流路８３のバッファタンク８１側に切り換えて通じさせる。
第１逆止弁８９ｂは、酸素供給流路２４ｂでの切換弁８９ａと酸素タンク３３との間に配置されている。第１逆止弁８９ｂは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３側（つまり上流側）から酸素タンク３３側（つまり下流側）への流体の流通を許容し、逆方向の流通を禁止する。
第２逆止弁８９ｃは、バッファ充填流路８３での切換弁８９ａとバッファタンク８１との間に配置されている。第２逆止弁８９ｃはバッファ充填流路８３での水電解装置２３側からバッファタンク８１側への流体の流通を許容し、逆方向の流通を禁止する。
バッファ開閉弁８９ｄは、昇圧流路８５での第５圧力センサ８７ａと合流部８５ａとの間に配置されている。バッファ開閉弁８９ｄは、昇圧流路８５の開閉を切り替えることによって、昇圧流路８５でのバッファタンク８１側から合流部８５ａ側への流体の流通の有無を切り替える。
図７は、実施形態の変形例での水電解装置２３の起動方法を示すフローチャートである。
図７に示すように、ステップＳ５１からステップＳ６３の一連の処理は、水電解装置２３が起動される際に実行される。
先ず、ステップＳ５１にて、制御装置１９は、複数のバルブの初期設定を行う。例えば、パージ弁７３ｂ、開閉弁７３ｃ及びバッファ開閉弁８９ｄは閉状態である。背圧弁７３ａは所定の基準設定の状態であり、水電解装置２３側（つまり上流側）の流体の圧力をバッファタンク８１に酸素を充填することができる所定の設定圧力に維持する状態である。所定の設定圧力は、例えば１０ＭＰａ程度等である。切換弁８９ａは、酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３側（つまり上流側）をバッファタンク８１側に通じさせる状態である。
次に、ステップＳ５２にて、制御装置１９は、水供給部２１から水供給流路２２を介して、水電解装置２３に水の供給を開始する。
次に、ステップＳ５３にて、制御装置１９は、開閉弁７３ｃを開状態にする。
次に、ステップＳ５４にて、制御装置１９は、第１圧力センサ７１ａから第１圧力Ｐ１を取得する。
次に、ステップＳ５５にて、制御装置１９は、バッファ開閉弁８９ｄを開状態にすることによって、バッファタンク８１から昇圧流路８５を介して水電解装置２３への酸素の供給を開始する。制御装置１９は、水電解装置２３の水電解セル４１での固体高分子電解質膜５１のアノード５３側の圧力をカソード５５側の圧力よりも相対的に高くする。
次に、ステップＳ５６にて、制御装置１９は、第３圧力センサ７１ｃから第３圧力Ｐ３を取得する。
次に、ステップＳ５７にて、制御装置１９は、第３圧力Ｐ３は第１圧力Ｐ１よりも所定圧力以上に大きいか否かを判定する。所定圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上であって、より好ましくは０．２ＭＰａから０．５ＭＰａの範囲での０．２ＭＰａ等である。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ５８に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ５６に戻す。
次に、ステップＳ５８にて、制御装置１９は、バッファ開閉弁８９ｄを閉状態にすることによって、バッファタンク８１から水電解装置２３への酸素の供給によるアノード５３側の昇圧を停止する。
次に、ステップＳ５９にて、制御装置１９は、水電解装置２３の電源５７からアノード５３及びカソード５５への通電を開始する。
次に、ステップＳ６０にて、制御装置１９は、第５圧力センサ８７ａから第５圧力Ｐ５を取得する。
次に、ステップＳ６１にて、制御装置１９は、第５圧力Ｐ５は所定残圧以上であるか否かを判定する。所定残圧は、例えば９．８ＭＰａ程度等である。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ６２に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１９は処理をステップＳ６０に戻す。
次に、ステップＳ６１にて、制御装置１９は、切換弁８９ａによって酸素供給流路２４ｂでの水電解装置２３側（つまり上流側）を酸素タンク３３側に通じさせる状態に切り換える。
次に、ステップＳ６３にて、制御装置１９は、水電解装置２３による水の電気分解の処理を実行する。制御装置１９は、水電解セル４１での水の電気分解によってアノード５３で発生する酸素の圧力をカソード５５で発生する水素の圧力よりも相対的に高くする。そして、処理をエンドに進める。
上述した変形例によれば、水の電気分解によってアノード５３で発生する酸素を貯蔵する酸素タンク３３に加えてバッファタンク８１を備えることによって、酸素タンク３３の残圧にかかわらずにバッファタンク８１から供給される酸素によってアノード５３側の圧力を増大させることができる。例えば、水の電気分解の開始前に酸素タンク３３の残圧が低下している場合であっても、バッファタンク８１に予め貯蔵される酸素によってアノード５３側を昇圧することができる。
バッファタンク８１は水電解装置２３と酸素タンク３３とを接続する酸素供給流路２４ｂから分岐するバッファ充填流路８３に接続されている。これにより、水の電気分解の開始前でのアノード５３側の昇圧によってバッファタンク８１の残圧が低下した場合であっても、水の電気分解の開始後にアノード５３で発生する酸素をバッファタンク８１に充填することができる。バッファタンク８１の残圧を所定以上に維持することによって、次回の起動時に的確にアノード５３側の昇圧を行うことができる。
第５圧力センサ８７ａを備えることによって、バッファタンク８１の残圧を的確に所定以上に維持することができる。制御装置１９は、バッファタンク８１に貯蔵される酸素の圧力に応じてアノード５３で発生する酸素の供給先をバッファタンク８１から酸素タンク３３に切り換えることによって、過剰な酸素がバッファタンク８１に供給されることを抑制して、酸素タンク３３及びバッファタンク８１への酸素の供給を効率よく行うことができる。
なお、上述した変形例では、制御装置１９は、水の電気分解の開始前にバッファタンク８１から水電解装置２３に酸素を供給する状態でのアノード５３側の圧力が所定の圧力未満である場合、上述した実施形態のように、酸素タンク３３から水電解装置２３に酸素を供給する状態へと切り換えてもよい。
この場合、制御装置１９は、バッファタンク８１によるアノード５３側の昇圧が不十分である場合に酸素供給源をバッファタンク８１から酸素タンク３３に切り換える。これにより、バッファタンク８１の残圧にかかわらずに酸素タンク３３から供給される酸素によってアノード５３側の圧力を増大させることができる。例えば、水の電気分解の開始前にバッファタンク８１の残圧が低下している場合であっても、酸素タンク３３に予め貯蔵される酸素によってアノード５３側を昇圧することができる。
なお、上述した実施形態では、制御装置１９は、水素濃度センサ７１ｅから取得する水素濃度Ｃが所定濃度よりも大きい場合にパージ弁７３ｂを開状態にして、酸素供給流路２４ｂから外部に流体を排出するとしたが、これに限定されない。
例えば、制御装置１９は、水素の吸着等によって酸素供給流路２４ｂの流体から水素を除去することによって得られる酸素を酸素タンク３３に充填してもよい。
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…エネルギーシステム、１０…水電解システム、１１…加湿器、１３…燃料電池、１５…蓄熱機構、１７…バッテリ、１９…制御装置、２１…水供給部、２２…水供給流路、２３…水電解装置、２４ａ…水素供給流路、２４ｂ…酸素供給流路（流路）、２５…気液分離器、２６…冷却水供給流路、２７…水素昇圧装置、２８…排出水流路、２９…水蒸気分離器、３１…水素タンク、３３…酸素タンク（酸素供給源、酸素容器、第１酸素容器）、４１…水電解セル、５１…固体高分子電解質膜（電解質膜）、５３…アノード、５５…カソード、５７…電源、８１…バッファタンク（酸素供給源、第２酸素容器）、８３…バッファ充填流路（流路）、８５…昇圧流路（流路）、８７ａ…第５圧力センサ（圧力取得部）。

Claims (7)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の厚さ方向の両側に設けられるアノード及びカソードとを有し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧が印加されることによって水を電気分解する水電解セルと、
    前記アノードと前記カソードとの間に前記電圧を印加する電源と、
    前記アノードに酸素を供給する酸素供給源と、
    前記水電解セルでの水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の圧力を前記カソードで発生する水素の圧力よりも相対的に高くするとともに、前記電気分解の開始前に前記酸素供給源から前記アノードに前記酸素を供給することによって前記電解質膜の前記アノード側の圧力を前記カソード側の圧力よりも相対的に高くする制御装置と、
    を備える
    ことを特徴とする水電解システム。
  2. 前記酸素供給源は、前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素を貯蔵する酸素容器を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の水電解システム。
  3. 前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の少なくとも一部を貯蔵する第１酸素容器を備え、
    前記酸素供給源は、前記水電解セルと前記第１酸素容器とを接続する流路から分岐する流路に接続されるとともに、前記水電解セルによる水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の一部を貯蔵する第２酸素容器を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の水電解システム。
  4. 前記第２酸素容器での酸素の圧力を取得する圧力取得部を備え、
    前記制御装置は、前記電気分解の開始後に前記アノードで発生する酸素を前記第１酸素容器よりも前記第２酸素容器に優先的に供給するとともに、前記圧力取得部によって取得される前記圧力に基づいて前記アノードで発生する酸素の供給先を前記第２酸素容器から前記第１酸素容器に切り換える
    ことを特徴とする請求項３に記載の水電解システム。
  5. 前記制御装置は、前記第２酸素容器から前記アノードに前記酸素を供給する状態での前記アノード側の圧力が所定圧力未満である場合、前記酸素供給源を前記第２酸素容器から前記第１酸素容器に切り換える
    ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の水電解システム。
  6. 前記水を前記カソードに供給する水供給部を備える
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水電解システム。
  7. 電解質膜と、前記電解質膜の厚さ方向の両側に設けられるアノード及びカソードとを有し、前記アノードと前記カソードとの間に電圧が印加されることによって水を電気分解する水電解セルと、
    前記アノードと前記カソードとの間に前記電圧を印加する電源と、
    電子機器と、
    を備える水電解装置の前記電子機器が実行する起動方法であって、
    前記電子機器が、前記水電解セルでの水の電気分解によって前記アノードで発生する酸素の圧力を前記カソードで発生する水素の圧力よりも相対的に高くするステップと、
    前記電子機器が、前記電気分解の開始前に酸素供給源から前記アノードに酸素を供給することによって前記電解質膜の前記アノード側の圧力を前記カソード側の圧力よりも相対的に高くするステップと、
    を含む
    ことを特徴とする水電解装置の起動方法。
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