JP6370834B2 - 高圧水電解システムの起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの起動方法に関する。

一般的に、燃料電池を発電させるための燃料ガスとして、水素が使用されている。水素は、例えば、水電解装置を組み込む水電解システム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。

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、それぞれ給電体を配設して水電解セルが構成されている。

そこで、複数の水電解セルが積層された水電解装置では、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード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、カソード給電体で電子と結合して水素が製造される。

水電解装置から導出される水素は、気液分離装置に送られて液状水が除去された後、水素精製部（水吸着部）に供給されて製品水素（ドライ水素）が得られる。一方、アノード側では、水素とともに生成された酸素が、余剰の水を伴って水電解装置から排出される。

水電解装置では、カソード側に高圧（一般的には、１ＭＰａ以上）な水素を生成する高圧水電解装置（差圧式水電解装置）が採用される場合がある。この高圧水電解装置では、電解質膜を挟んでカソードセパレータの流体通路に高圧水素が充填される一方、アノードセパレータの流体通路には、常圧の水及び酸素が存在している。従って、運転停止（生成水素の供給終了）時には、電解質膜を保護するために、前記電解質膜の両側の圧力差を除去する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている水電解装置の運転停止方法が知られている。この運転停止方法では、カソード側電解室から水素の供給が停止された後、電圧を印加する工程と、前記電圧を印加した状態で、少なくとも前記カソード側電解室の減圧を行う工程とを有している。この電解減圧処理により、カソード側からアノード側にリークした水素は、水素膜ポンプ効果によって前記カソード側に戻されるため、リークした高圧水素の滞留を抑制し、触媒電極の水素による劣化を阻止することができる、としている。

特開２０１０−２３６０８９号公報

ところで、上記の高圧水電解装置では、何らかの異常が発生して非常停止する際に、電解電流（減圧用電流）を印加することが困難になる場合がある。その際、電解電流を印加せずに減圧処理（以下、無電解減圧処理ともいう）を行うと、カソード側からアノード側にリークした水素は、前記カソード側に戻されることがなく、前記アノード側に滞留してしまう。このため、次回の起動時に、アノード側から排出される流体中の水素濃度が一時的に上昇し、起動停止に至るおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、無電解減圧処理が行われた際にも、排出される流体中の水素濃度を一定値以下に抑制することができ、効率的な差圧式水電解処理を遂行することが可能な高圧水電解システム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、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの起動方法に関するものである。

この起動方法では、高圧水電解システムの前回の停止時に、減圧用電流を印加しながら、少なくともカソード側の減圧が行われたか否かを判断する工程を有している。この起動方法は、前回の停止時に、減圧用電流を印加しながら減圧される電解減圧処理が行われたと判断された際、高圧水電解装置に通常印加速度で起動用電流を印加して、起動を行う工程を有している。

この起動方法は、前回の停止時に、減圧用電流を印加せずに減圧される無電解減圧処理が行われたと判断された際、高圧水電解装置に、通常電流印加速度よりも遅い電流印加速度で起動用電流を印加して、起動を行う工程を有している。

また、この起動方法では、高圧水電解装置に起動用電流の印加を開始する前に、前記高圧水電解装置内が水で満たされるまでの所定時間だけ、前記水を循環させることが好ましい。

さらに、この起動方法では、高圧水電解装置に電流印加速度で起動用電流を印加しながら、前記高圧水電解装置のアノード側から排出される流体中の水素濃度を検知する工程を有することが好ましい。そして、検知された水素濃度が所定値以下になった際、高圧水電解装置に印加される起動用電流値を定格電流値まで上昇させる工程を有することが好ましい。

さらにまた、この起動方法では、無電解減圧処理の開始圧力が高い程、電流印加速度を遅く設定することが好ましい。

本発明によれば、無電解減圧処理が行われた際、高圧水電解装置に印加される電流印加速度を、減圧用電流が印加されながら減圧が行われたと判断された際の通常電流印加速度よりも遅くした状態で、起動が行われている。

従って、無電解減圧処理後の起動時に発生する酸素量は、電解減圧処理後の通常起動時に発生する酸素量に比べて減少している。このため、無電解減圧処理によりアノード側に滞留している水素は、高圧水電解装置から一気に排出されることがない。これにより、排出される流体中の水素濃度を一定値以下に抑制することができ、効率的な差圧式水電解処理を確実に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る起動方法が適用される高圧水電解システムの概略構成説明図である。 前記起動方法を説明するフローチャートである。 前記起動方法を説明するタイムチャートである。 前記起動方法において、通常電流印加速度を適用した際の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高圧水電解システム１０は、高圧水電解装置１２を備える。高圧水電解装置１２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〜８０ＭＰａの水素）を製造する。

高圧水電解装置１２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。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、図示しないアノード入口側（水供給入口側）に連通する水供給ライン２０が接続される。

エンドプレート１６ｂには、アノード出口側（水及び生成酸素排出側）に連通する水排出ライン２２と、カソード側（高圧水素生成側）に連通する水素導出ライン２４とが接続される。水排出ライン２２には、反応により生成した酸素（及び透過した水素）と未反応の水とが排出される。

水供給ライン２０は、循環水ポンプ２６及び冷却器２７を配置して酸素気液分離器２８の底部に接続される。酸素気液分離器２８の上部には、エアブロア３０及び水排出ライン２２が連通する。酸素気液分離器２８には、純水製造装置３２に接続された純水供給ライン３４と、前記酸素気液分離器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気体排出ライン３６とが連結される。

水素導出ライン２４は、高圧水電解装置１２と高圧水素気液分離器３８とを接続する。高圧水素気液分離器３８で水分が除去された高圧水素は、高圧水素供給ライン４０に導出される。高圧水素供給ライン４０には、規定圧力値（例えば、７０ＭＰａ）に設定された背圧弁４２が設けられる。

高圧水素気液分離器３８の下部には、前記高圧水素気液分離器３８で分離された液状水を排出する排水ライン４６が接続される。排水ライン４６には、液状水の流れ方向に沿って、第１電磁弁４８と、圧力損失を付与することにより設定水量の液状水を通流させる排水減圧機構、例えば、オリフィス５０とが配設される。なお、オリフィス５０に代えて、例えば、減圧弁を用いてもよい。

排水ライン４６は、オリフィス５０の下流において、降圧された液状水を気液分離する低圧気液分離器５２に接続される。低圧気液分離器５２と酸素気液分離器２８とは、水戻しライン５６により接続される。水戻しライン５６には、第２電磁弁５８が配設される。

高圧水素気液分離器３８の上部側と低圧気液分離器５２の上部側とは、前記低圧気液分離器５２内で分離された気体（水素）を排出する脱圧ライン６０により接続される。脱圧ライン６０には、減圧機構、例えば、減圧弁６２及び第３電磁弁６４が高圧水素流れ方向に沿って、配設される。

水排出ライン２２には、排出される流体（酸素、水素及び水蒸気）中の水素濃度を検出する水素センサ６６が配設される。水素センサ６６により得られた検出結果は、コントローラ６８に送られるとともに、前記コントローラ６８は、高圧水電解システム１０全体の運転制御を行う。

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、以下に説明する。

まず、高圧水電解システム１０の起動運転時には、純水製造装置３２を介して市水から生成された純水が、酸素気液分離器２８に供給される。そして、循環水ポンプ２６の作用下に、酸素気液分離器２８内の純水が、水供給ライン２０を介して高圧水電解装置１２のアノード入口側に供給される。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１８を介して電圧が付与され、電解電流が印加される。

このため、各水電解セル１４では、アノード側で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、水素導出ライン２４に取り出される。

一方、アノード出口側では、反応により生成した酸素、未反応の水、さらに透過した水素が流動しており、これらの混合流体が水排出ライン２２に排出される。この未反応の水、酸素及び水素は、酸素気液分離器２８に導入されて分離された後、水は、循環水ポンプ２６を介して水供給ライン２０に導入される。水から分離された酸素及び水素は、気体排出ライン３６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、水素導出ライン２４を介して高圧水素気液分離器３８に送られる。高圧水素気液分離器３８では、水素に含まれる液状水が、この水素から分離されて貯留される。一方、水素は、高圧水素供給ライン４０に導出される。水素は、背圧弁４２の設定圧力（例えば、７０ＭＰａ）に昇圧された後、図示しない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、燃料電池電気自動車等に供給される。

次いで、高圧水電解システム１０の電解運転が停止されると、コントローラ６８では、高圧水電解装置１２の脱圧処理を開始する。具体的には、第３電磁弁６４が開放されるため、カソード側に充填されている高圧水素は、水素導出ライン２４から脱圧ライン６０を通って減圧された後、低圧気液分離器５２に排出される。

その際、電解電源１８により、上記の電解電流よりも低い電解電流（以下、減圧用電流ともいう）が印加される（電解減圧処理）。減圧用電流は、例えば、膜ポンプ効果が得られる最小電流値に設定される。

そして、カソード側の水素圧力が、アノード側の圧力（常圧）と同圧になった際、電解電源１８による電圧印加が停止される。これにより、高圧水電解システム１０の運転が停止される。

次に、本発明の実施形態に係る高圧水電解システム１０の起動方法について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。

コントローラ６８は、高圧水電解システム１０の前回の運転停止時に、上記の電解減圧処理が行われたか、無電解減圧処理が行われたか、を判断する（ステップＳ１）。無電解減圧処理とは、例えば、高圧水電解システム１０の運転中に異常が発生し、前記高圧水電解システム１０を緊急停止する際に、電解電流の印加を行うことなく、減圧する処理をいう。

コントローラ６８は、高圧水電解システム１０の前回の運転停止時に、無電解減圧処理が行われたと判断すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、循環水ポンプ２６が駆動（ＯＮ）された後、所定時間（例えば、５秒間）だけ、水を循環させる。すなわち、高圧水電解装置１２に起動用電流（電解電流）の印加を開始する前、前記高圧水電解装置１２内を水で満たしている。

さらに、ステップＳ３に進んで、高圧水電解装置１２に起動用電流の印加が所定の電流印加速度（例えば、０．５Ａ／秒）（以下、修正電流印加速度ともいう）で開始される。この修正電流印加速度は、前回の運転停止時に、電解減圧処理が行われた場合（ステップＳ１中、ＮＯ）の電流印加速度（以下、通常電流印加速度ともいう）よりも遅い速度に設定されている。ここで、電流印加速度とは、起動用電流を定格電流値まで上げていくまでの電流上昇速度（変化速度）をいう。

図３に示すように、高圧水電解システム１０が緊急停止されると、水循環がなされずに、膜透過による減圧が行われるため、アノード側に水素が滞留し易い。従って、高圧水電解システム１０の起動時に、高圧水電解装置１２に修正電流印加速度で起動用電流を印加することにより、前記高圧水電解装置１２の水排出ライン２２に排出される流体の水素濃度を、一定濃度以下に抑制することができる。ここで、一定濃度とは、例えば、１％の濃度をいう。

すなわち、無電解減圧処理後の起動時に高圧水電解装置１２から発生する酸素量は、電解減圧処理後の通常起動時に発生する酸素量に比べて減少している。このため、無電解減圧処理によりアノード側に滞留している水素は、高圧水電解装置１２から一気に排出されることがない。これにより、本実施形態では、排出される流体中の水素濃度を一定値以下に抑制することができ、効率的な高圧水電解処理を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。

一方、図４には、前回の運転停止時に、無電解減圧処理が行われた場合の起動に際して、高圧水電解装置１２に通常電流印加速度で起動用電流を印加する起動方法が示されている。これによれば、起動時に高圧水電解装置１２から発生する酸素が多いため、アノード側から排出される流体中の水素濃度が一時的に上昇し、例えば、１％を超える濃度となり、起動停止に至るおそれがある。

図３に示すように、高圧水電解装置１２に修正電流印加速度で起動用電流が印加されると、前記高圧水電解装置１２から排出される水素濃度は、一旦上昇した後に下降する。水素濃度が、所定時間経過後に、又は一旦上昇した後に、規定濃度（例えば、０．２％）未満となった際（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、高圧水電解装置１２に対し、起動用電流値を通常電流印加速度で定格電流値まで上昇させる。このため、高圧水電解システム１０による高圧水電解運転が開始される。

また、本実施形態では、高圧水電解装置１２に起動用電流（電解電流）の印加を開始する前、前記高圧水電解装置１２内が水で満たされるまでの所定時間（例えば、５秒間）だけ、前記水を循環させている。従って、水素濃度が上昇した際にも、良好に対応することができる。

さらに、高圧水電解装置１２に通常電流印加速度よりも遅い修正電流印加速度で起動用電流を印加しながら、前記高圧水電解装置１２のアノード側から排出される流体中の水素濃度を検知している。そして、検知された水素濃度が所定値以下になった際、高圧水電解装置１２に印加される起動用電流値を定格電流値まで上昇させている。これにより、高圧水電解装置１２で生成される水素を迅速に昇圧させることが可能になる。

さらにまた、前回の緊急停止時で、無電解減圧処理の開始圧力が高い程、電流印加速度が遅く設定されている。アノード側に滞留している水素の量は、無電解減圧処理の開始圧力に依存して変化している。このため、アノード側に滞留していると推定される水素量に応じて、電流印加値を変化させることにより、排出される水素濃度の上昇を確実に抑制することができるとともに、起動に不要な時間が設けられることを阻止することが可能になる。

１０…高圧水電解システム １２…高圧水電解装置
１４…水電解セル ２２…水排出ライン
２４…水素導出ライン ２６…循環水ポンプ
２８…酸素気液分離器 ３８…高圧水素気液分離器
４０…高圧水素供給ライン ４６…排水ライン
５２…低圧気液分離器 ６０…脱圧ライン
６２…減圧弁 ６６…水素センサ
６８…コントローラ

Claims (3)

1. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの起動方法であって、
   前記高圧水電解システムの前回の停止時に、減圧用電流を印加しながら、少なくとも前記カソード側の減圧が行われたか否かを判断する工程と、
   前回の停止時に、前記減圧用電流を印加しながら減圧される電解減圧処理が行われたと判断された際、前記高圧水電解装置に通常印加速度で起動用電流を印加して、起動を行う工程と、
   前回の停止時に、前記減圧用電流を印加せずに減圧される無電解減圧処理が行われたと判断された際、前記高圧水電解装置に、前記通常印加速度よりも遅い電流印加速度で前記起動用電流を印加して、起動を行う工程と、
   前記高圧水電解装置に前記電流印加速度で前記起動用電流を印加しながら、前記高圧水電解装置の前記アノード側から排出される流体中の水素濃度を検知する工程と、
   前記検知された前記水素濃度が所定値以下になった際、前記高圧水電解装置に印加される起動用電流値を定格電流値まで上昇させる工程と、
   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。
2. 供給される水を電気分解し、アノード側に酸素を発生させ且つカソード側に前記酸素よりも高圧な水素を発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの起動方法であって、
   前記高圧水電解システムの前回の停止時に、減圧用電流を印加しながら、少なくとも前記カソード側の減圧が行われたか否かを判断する工程と、
   前回の停止時に、前記減圧用電流を印加しながら減圧される電解減圧処理が行われたと判断された際、前記高圧水電解装置に通常印加速度で起動用電流を印加して、起動を行う工程と、
   前回の停止時に、前記減圧用電流を印加せずに減圧される無電解減圧処理が行われたと判断された際、前記高圧水電解装置に、前記通常印加速度よりも遅い電流印加速度で前記起動用電流を印加して、起動を行う工程と、
   を有し、
   前記無電解減圧処理の開始圧力が高い程、前記電流印加速度を遅く設定する、高圧水電解システムの起動方法。
3. 請求項１又は２に記載の起動方法であって、前記高圧水電解装置に前記起動用電流の印加を開始する前に、該高圧水電解装置内が前記水で満たされるまでの所定時間だけ、該水を該高圧水電解装置に供給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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