JP6329989B2 - 水電解システム及びその温度制御方法 - Google Patents

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を備える水電解システム及びその温度制御方法に関する。

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、水を電気分解して水素（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、水素ととも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。

水電解装置では、例えば、水の電気分解により酸素と該酸素よりも高圧な水素を製造する高圧水電解装置（差圧式高圧水電解装置）が採用される場合がある。この種の高圧水電解装置としては、例えば、特許文献１に開示されている水電解システム及びその起動方法が知られている。

この水電解システムでは、水電解装置（差圧式高圧水電解装置）と、前記水電解装置に水を供給する水供給配管と、前記水電解装置から導出される前記水を循環させる循環配管とを備えている。水供給配管及び循環配管には、水電解装置から導出される水に含まれる気体成分を分離する気液分離装置が接続されている。水供給配管には、イオン交換体を有するイオン交換装置と、水を循環させる循環ポンプと、水電解装置に循環される水の温度を検知する温度センサとが接続されている。

特開２０１５−４８５０６号公報

ところで、水電解装置の内部に配設されている固体高分子電解質膜は、一定温度以上で急激に物理的劣化が惹起されてしまう。このため、水供給配管及び循環配管を循環する水の温度管理を行う必要がある。しかも、水電解装置は、運転時に発熱するため、前記水電解装置の発熱分を含めた水の温度制御が求められている。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、水電解装置の温度を良好に調整することができるとともに、システム効率の向上を図ることが可能な水電解システム及びその温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る水電解システムは、水電解装置、水供給配管及び水排出配管を備えている。水電解装置は、水を電気分解して酸素と水素とを発生させている。水供給配管は、水電解装置の水供給口に水を供給しており、水排出配管は、前記水電解装置の水排出口から電気分解された前記水を排出させている。

水供給配管には、冷却器が配設されるとともに、前記冷却器と水供給口との間に位置し、前記水供給口に供給される供給水の温度を監視する第１温度センサが設けられている。水排出配管には、水排出口から排出される排出水の温度を監視する第２温度センサが設けられている。

また、この水電解システムでは、冷却器は、ラジエータであることが好ましい。

さらに、本発明は、水電解システムの温度制御方法に関するものである。この温度制御方法では、水電解システムの起動時から、第２温度センサにより水電解装置の水排出口から排出される排出水の温度を監視する工程を有している。この温度制御方法では、第２温度センサにより監視される排出水の温度が所定温度を超えた後、第１温度センサにより水電解装置の水供給口に供給される供給水の温度を監視するとともに、冷却器による制御を開始して前記供給水の温度を制御する工程を有している。

さらにまた、この温度制御方法では、水電解装置の発熱量を推定し、第２温度センサにより監視される排出水の温度が排出水温度閾値を超えないように、第１温度センサにより監視される供給水の温度を制御する制御温度を設定することが好ましい。

また、この温度制御方法では、冷却器は、ラジエータであることが好ましい。

さらに、この温度制御方法では、第２温度センサにより監視される排出水の温度が排出水温度閾値を超えた際、ラジエータのファンを最大回転数に制御することが好ましい。

本発明によれば、水供給配管には、冷却器が配設されるとともに、水電解装置の前後には、第１温度センサと第２温度センサとが配置されている。このため、水電解装置に供給される水の温度を正確且つ容易に調整することができる。

また、本発明によれば、水電解システムの起動時から、第２温度センサにより水電解装置の水排出口から排出される排出水の温度を監視している。その際、水電解装置が自己発熱で所定温度に昇温するまで、冷却器を停止させている。従って、不要な冷却制御を回避することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる。しかも、第２温度センサは、水電解装置の出口温度を監視することにより、前記水電解装置が上限温度を超えることを阻止することができ、前記水電解装置の劣化を抑制することが可能になる。

さらに、第２温度センサにより監視される排出水の温度が所定温度を超えた後、第１温度センサにより水電解装置の水供給口に供給される供給水の温度を監視するとともに、冷却器による制御を開始して前記供給水の温度が制御されている。これにより、水電解装置が通常運転に移行した際には、異常な温度上昇が発生し難い状態であるため、供給水の温度を監視することで、より精度良く水温制御が遂行される。このため、通常運転時の温度閾値を安全側に低く設定する必要がなく、水電解効率を有効に向上させることができる。

本発明の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムの温度制御方法を説明するフローチャートである。 前記温度制御方法を説明するタイムチャートである。

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を製造する差圧式高圧水電解装置（水電解装置）１２を備える。高圧水素とは、常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜８０ＭＰａの水素をいう。なお、水電解システム１０は、高圧水素の製造に限定されるものではなく、常圧水素を製造する場合にも適用することができる。

差圧式高圧水電解装置１２には、複数の水電解セル１４が積層されており、前記水電解セル１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。差圧式高圧水電解装置１２には、直流電源である電解電源１８が接続される。

エンドプレート１６ａには、水供給口２０ａが設けられるとともに、エンドプレート１６ｂには、水排出口２０ｂ及び水素導出口２０ｃが設けられる。水供給口２０ａには、水供給配管２２が接続される。水供給配管２２には、ラジエータファン２３を備えたラジエータ（冷却器）２４と、水を循環させる循環ポンプ２６とが接続されるとともに、前記水供給配管２２は、酸素気液分離装置２８の底部に接続される。なお、冷却器は、ラジエータ２４に限定されるものではなく、種々の冷却設備を使用してもよい。

酸素気液分離装置２８の上部には、ブロア３０及び水排出配管３２の一端部が連通するとともに、前記水排出配管３２の他端は、差圧式高圧水電解装置１２の水排出口２０ｂに連通する。水供給配管２２及び水排出配管３２により、水循環配管が構成される。

酸素気液分離装置２８には、純水製造装置３４に接続された純水供給配管３６と、前記酸素気液分離装置２８で純水から分離された酸素（及び水素）を排出するための酸素排気配管３８とが連結される。

差圧式高圧水電解装置１２の水素導出口２０ｃには、高圧水素配管４２の一端部が接続される。高圧水素配管４２の他端部は、図示しないが、高圧水素気液分離装置に接続される。高圧水素気液分離装置によって水が分離された水素は、水吸着装置を介して前記水素に含まれる水蒸気（水分）が吸着され、製品水素（ドライ水素）が得られる。

水電解システム１０は、制御装置（ＥＣＵ）４４を備え、この制御装置４４により水電解処理（運転）が制御される。

水供給配管２２には、差圧式高圧水電解装置１２の水供給口２０ａに供給される供給水の温度を監視する第１温度センサ４６が配設される。水排出配管３２には、差圧式高圧水電解装置１２の水排出口２０ｂから排出される排出水の温度を監視する第２温度センサ４８が設けられる。第１温度センサ４６及び第２温度センサ４８は、それぞれの検出温度信号を制御装置４４に送るとともに、前記制御装置４４は、前記検出温度信号に基づいてラジエータファン２３を制御する。

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。

図１に示すように、循環ポンプ２６の作用下に、酸素気液分離装置２８内の純水が、水供給配管２２を介して差圧式高圧水電解装置１２の水供給口２０ａに供給される。一方、差圧式高圧水電解装置１２には、電気的に接続されている電解電源１８を介して電圧が付与される。

このため、各水電解セル１４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、水素導出口２０ｃから高圧水素配管４２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（及び透過した水素）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口２０ｂから水排出配管３２に排出される。この未反応ガスの水と酸素及び水素とは、酸素気液分離装置２８に導入されて分離された後、前記水は、循環ポンプ２６を介して水供給配管２２から水供給口２０ａに導入される。水から分離された酸素及び水素は、酸素排気配管３８から外部に排出される。

差圧式高圧水電解装置１２内に生成された水素は、水素に含まれる水及び水蒸気が除去されて乾燥状態の製品水素（ドライ水素）が得られ、この製品水素は、図示しない燃料電池電気自動車（図示せず）に充填される。上記の製品水素の充填が終了すると、水電解システム１０の運転が停止される。

次いで、本実施形態に係る温度制御方法について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。

まず、水電解システム１０の起動が開始されると、ラジエータファン２３が停止される（ステップＳ１）。制御装置４４では、水電解システム１０の起動時から、第２温度センサ４８により差圧式高圧水電解装置１２の水排出口２０ｂから排出される排出水の温度（排出水温度）が監視されている（ステップＳ２）。そして、第２温度センサ４８により監視される排出水の温度が、所定温度Ｔａを超えたと判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。

図３に示すように、水電解システム１０の起動時には、差圧式高圧水電解装置１２の自己発熱により、排出水温度が供給水温度よりも高温になっている。すなわち、ラジエータファン２３を停止させることにより、差圧式高圧水電解装置１２を急速に昇温させることができる。排出水の温度が、スタック出口（水排出口２０ｂ）制御温度である所定温度Ｔａに至った後、ラジエータファン２３が駆動される（ステップＳ３）。

所定温度Ｔａは、差圧式高圧水電解装置１２による水電解が安定した状態に至る温度である。このため、制御装置４４では、第１温度センサ４６により差圧式高圧水電解装置１２の水供給口２０ａに供給される供給水の温度が監視されている（ステップＳ４）。さらに、ステップＳ５に進んで、供給水温度に基づいて、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）が遂行される。

ＰＩＤ制御では、図３に示すように、排出水温度は、差圧式高圧水電解装置１２自体の発熱に起因して、供給水温度よりも温度差ΔＴだけ高温になっている。そこで、第１温度センサ４６により検出される供給水温度が、予め設定されたスタック入口（水供給口２０ａ）制御温度Ｔｂに近似するように、ラジエータファン２３の駆動制御が行われる。これにより、差圧式高圧水電解装置１２の出口温度は、一定温度に調整される。

スタック入口制御温度Ｔｂは、差圧式高圧水電解装置１２の発熱量を推定し、第２温度センサ４８により監視される排出水温度が排出水温度閾値（ブースト起動温度）Ｔｃを超えないように、第１温度センサ４６により監視される供給水温度の制御温度である。

制御装置４４では、第２温度センサ４８により排出水温度の監視を行っている。そして、排出水の温度が、排出水温度閾値（ブースト起動温度）Ｔｃを超えたと判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ラジエータファン２３を最大回転数に制御することにより、差圧式高圧水電解装置１２に供給される水の温度を迅速に低下させ、前記差圧式高圧水電解装置１２の出口温度を、排出水温度閾値Ｔｃ未満に冷却する。なお、ラジエータファン２３を最大回転数に制御する場合の他、定常時よりも水量を増量させることにより、水温を低下させてもよい。

次に、ステップＳ８に進んで、システム停止か否かが判断される。システム停止でないと判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻って、ＰＩＤ制御が継続される。

この場合、本実施形態では、水供給配管２２には、ラジエータ２４が配設されるとともに、差圧式高圧水電解装置１２の前後に第１温度センサ４６と第２温度センサ４８とが配置されている。このため、差圧式高圧水電解装置１２に供給される水の温度を正確且つ容易に調整することができる。

また、本実施形態によれば、水電解システム１０の起動時から、第２温度センサ４８により差圧式高圧水電解装置１２の水排出口２０ｂから排出される排出水の温度を監視している。その際、差圧式高圧水電解装置１２が自己発熱で所定温度Ｔａに昇温するまで、ラジエータファン２３の運転を停止させることにより、不要な冷却制御を回避することができ、システム効率（水電解効率）を良好に向上させることが可能になる。

しかも、第２温度センサ４８は、差圧式高圧水電解装置１２の出口温度を監視することにより、前記差圧式高圧水電解装置１２が上限温度を超えることを阻止することができる。従って、差圧式高圧水電解装置１２の劣化を抑制することが可能になる。

さらに、差圧式高圧水電解装置１２による水電解が安定状態に至った後、第１温度センサ４６により前記差圧式高圧水電解装置１２の水供給口２０ａに供給される供給水の温度を監視している。その際、ラジエータファン２３を駆動制御して、供給水の温度が制御されている。

これにより、差圧式高圧水電解装置１２が通常運転に移行した際には、異常な温度上昇が発生し難い状態であるため、供給水の温度を監視することで、より精度良く水温制御が遂行される。このため、通常運転時の温度閾値を安全側に低く設定する必要がなく、差圧式高圧水電解装置１２による水電解効率を有効に向上させることができる。

また、冷却器としてラジエータ２４を備えている。従って、簡単且つ経済的な構成で、差圧式高圧水電解装置１２の温度制御が良好に遂行可能になる。

さらに、差圧式高圧水電解装置１２の発熱量を推定し、第２温度センサ４８により監視される排出水温度が排出水温度閾値Ｔｃを超えないように、第１温度センサ４６により監視される供給水温度の制御温度であるスタック入口制御温度Ｔｂが設定されている。従って、差圧式高圧水電解装置１２の温度が上限値を超えて劣化することを確実に抑制することができる。

さらにまた、第２温度センサ４８により監視される排出水温度が、排出水温度閾値Ｔｃを超えた際、ラジエータファン２３を最大回転数に制御している。これにより、差圧式高圧水電解装置１２を迅速に冷却することが可能になり、前記差圧式高圧水電解装置１２の劣化を抑制することができる。

１０…水電解システム １２…差圧式高圧水電解装置
１４…水電解セル １８…電解電源
２０ａ…水供給口 ２０ｂ…水排出口
２０ｃ…水素導出口 ２２…水供給配管
２３…ラジエータファン ２４…ラジエータ
２６…循環ポンプ ２８…酸素気液分離装置
３２…水排出配管 ３４…純水製造装置
４４…制御装置 ４６、４８…温度センサ

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、
   前記水電解装置の水供給口に前記水を供給する水供給配管と、
   前記水電解装置の水排出口から電気分解された前記水を排出させる水排出配管と、
   を備える水電解システムであって、
   前記水供給配管には、冷却器が配設されるとともに、前記冷却器と前記水供給口との間に位置し、前記水供給口に供給される供給水の温度を監視する第１温度センサが設けられており、
   前記水排出配管には、前記水排出口から排出される排出水の温度を監視する第２温度センサが設けられていることを特徴とする水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムであって、前記冷却器は、ラジエータであることを特徴とする水電解システム。
3. 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、
   前記水電解装置の水供給口に前記水を供給する水供給配管と、
   前記水電解装置の水排出口から電気分解された前記水を排出させる水排出配管と、
   を備え、
   前記水供給配管には、冷却器が配設されるとともに、前記冷却器と前記水供給口との間に位置して第１温度センサが設けられる一方、前記水排出配管には、第２温度センサが設けられる水電解システムの温度制御方法であって、
   前記水電解システムの起動時から、前記第２温度センサにより前記水電解装置の前記水排出口から排出される排出水の温度を監視する工程と、
   前記第２温度センサにより監視される前記排出水の温度が所定温度を超えた後、前記第１温度センサにより前記水電解装置の前記水供給口に供給される供給水の温度を監視するとともに、前記冷却器による制御を開始して前記供給水の温度を制御する工程と、
   を有することを特徴とする水電解システムの温度制御方法。
4. 請求項３記載の温度制御方法であって、前記水電解装置の発熱量を推定し、前記第２温度センサにより監視される前記排出水の温度が排出水温度閾値を超えないように、前記第１温度センサにより監視される前記供給水の温度を制御する制御温度を設定することを特徴とする水電解システムの温度制御方法。
5. 請求項４記載の温度制御方法であって、前記冷却器は、ラジエータであることを特徴とする水電解システムの温度制御方法。
6. 請求項５記載の温度制御方法であって、前記第２温度センサにより監視される前記排出水の温度が前記排出水温度閾値を超えた際、前記ラジエータのファンを最大回転数に制御することを特徴とする水電解システムの温度制御方法。

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