JP6963363B2 - 水電解装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記のような点に着目し、電解膜の差圧をより適切に低減させた水電解装置を提供することを目的とする。
本実施形態の水電解装置は、風力や太陽光、地熱等、不規則に変動する自然エネルギーによって発電された電力などを基に、電解膜を用いて、水を電気分解させる装置である。
なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法や装置を例示するものである。それゆえ、本発明の技術的思想における、構成要素の構造、配置等を、下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内で、種々の変更を加えることができる。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置1は、電解槽2と、酸素気液分離タンク3と、水素気液分離タンク4と、コンピュータ5とを備えている。
電解槽2は、陽極が取り付けられた陽極室6と、陰極が取り付けられた陰極室7と、陽極室6と陰極室7とを区画する電解膜8とを備える。そして、不規則な自然エネルギーによって発電する発電装置(例えば、風力発電装置、太陽発電装置、地熱発電装置)から供給される電力9により、電解膜8を用いて水10を電気分解し、陽極によって陽極室6内(即ち、電解膜8の一方の面8a側の区画。以下、「酸素発生部」とも呼ぶ)に酸素11を発生させる。発生された酸素11と水10とは、配管12を介して、酸素気液分離タンク3に送られる。一方、陰極によって陰極室7内(即ち、電解膜8の他方の面8b側の区画。以下、「水素発生部」とも呼ぶ)に水素13を発生させる。発生された水素13と水10とは、配管14を介して、水素気液分離タンク4に送られる。
電解膜8としては、イオンを導通しつつ、水素ガスと酸素ガスとを隔離するために、イオン透過性の電解膜8を使用できる。イオン透過性の電解膜8としては、例えば、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。例えば、イオン交換能を有するイオン交換膜、電解液を浸透できる多孔膜を使用できる。
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、電解膜8を電解液が透過できる構造を有する膜状部材である。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の調整が非常に重要となる。また、多孔膜は、電解液を透過させるだけでなく、発生ガスを通過させないこと、即ちガスの遮断性を有することも求められる。そのため、ガスの遮断性の観点からも、多孔構造の調整が重要となる。
また、多孔膜の材料としては、例えば、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましい。親水性無機粒子を含むことにより、多孔膜に親水性を付与することができる。
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレンを用いることが好ましく、ポリスルホンを用いることがより好ましい。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。即ち、2種以上を混合したものを用いてもよい。
一方、多孔膜の平均孔径が小さいほど、多孔膜の分離精度が高くなり、電解においては多孔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。さらに、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を多孔膜に担持した場合、欠落せず保持することができる。これにより、親水性無機粒子が持つ高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。
平均透水孔径(m)={32ηLμ0/(εP)}0.5
μ0(m/s)=流量(m3/s)/流路面積(m2)
ここで、ηは水の粘度(Pa・s)、Lは多孔膜の厚み(m)、μ0は見かけの流速、εは空隙率、Pは圧力(Pa)である。
開気孔率P(%)=ρ/(1+ρ)×100
ρ=(W3−W1)/(W3−W2)
ここで、W1は多孔膜の乾燥質量(g)、W2は多孔膜の水中質量(g)、W3は多孔膜の飽水質量(g)である。
気孔率の測定では、まず、純水で洗浄した多孔膜から3cm×3cmの大きさのサンプルを3枚切り出し、3枚のサンプルのW2及びW3を測定する。次に、3枚のサンプルを50℃に設定された乾燥機で12時間以上静置して乾燥させた後、3枚のサンプルのW1を測定する。開気孔率は、測定したW1、W2、W3の値を使い、上記の式から求めることができる。そして、3枚のサンプルそれぞれの開気孔率の算術平均値を気孔率とする。
また、多孔膜の厚みが、250μm以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度を一層向上することができる。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、300μm以上であることがより好ましく、350μm以上であることが更に好ましく、400μm以上であることがより一層好ましい。一方、多孔膜の厚みが、700μm以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性が阻害され難く、一層優れたイオン透過性を維持することができる。この観点より、多孔膜の厚みの上限は、600μm以下であることがより好ましく、550μm以下であることが更に好ましく、500μm以下であることがより一層好ましい。
多孔膜は、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために、親水性無機粒子を含有していることが好ましい。多孔膜に親水性無機粒子を含有させる方法としては、例えば、親水性無機粒子を多孔膜の表面に付着させる方法、親水性無機粒子の一部を多孔膜の内部に埋没させる方法、親水性無機粒子を多孔膜の空隙部に内包させる方法を使用できる。また、多孔膜の空隙部に内包させる方法によれば、親水性無機粒子が多孔膜の空隙から脱離し難くなり、多孔膜の高いイオン透過性及び高いガス遮断性を長時間維持できる。
また、酸素気液分離タンク3には酸素気液分離タンク3内の水位LO(t)を検出する第1の水位検出部19が設けられている。水位LO(t)の検出結果はコンピュータ5に入力される。
さらに、酸素気液分離タンク3内には、酸素11による酸素気液分離タンク3のタンク内圧PO1(t)を検出する第1のタンク内圧検出部22が配置されている。第1のタンク内圧検出部22の検出結果(タンク内圧PO1(t))はコンピュータ5に入力される。
また、酸素用配管20における、酸素圧力制御弁21の出口側には、酸素圧力制御弁21の出口圧力PO2(t)を検出する第1の出口圧力検出部23が配置されている。第1の出口圧力検出部23の検出結果(出口圧力PO2(t))はコンピュータ5に入力される。
また、水素気液分離タンク4には水素気液分離タンク4内の水位LH(t)を検出する第2の水位検出部24が設けられている。水位LH(t)の検出結果はコンピュータ5に入力される。
また、水素気液分離タンク4の上端側には、水素13を外部に取り出すための水素用配管25が連通されている。水素用配管25には、水素用配管25の流量を調節可能な水素圧力制御弁26が設けられている。水素圧力制御弁26は、コンピュータ5からの信号に従い、水素圧力制御弁26の開度uH(t)を制御する。
さらに、水素気液分離タンク4内には、水素13による水素気液分離タンク4のタンク内圧PH1(t)を検出する第2のタンク内圧検出部27が配置されている。第2のタンク内圧検出部27の検出結果(タンク内圧PH1(t))はコンピュータ5に入力される。
コンピュータ5は、記憶装置29及びプロセッサ30等のハードウェア資源を備える。
記憶装置29は、プロセッサ30で実行可能なコンピュータ5の制御プログラムを記憶している。また、記憶装置29は制御プログラムの実行に必要な各種データを記憶する。
CO(s)=VO(L){KOp+KOI/s+KOD・s} ‥‥‥(1)
このように、伝達関数CO(s)を用いることにより、第1のフィードバック制御では、PID制御を行うとともに、第1の水位検出部19で検出した水位LO(t)が高いほど、そのPID制御のPIDゲインVO(L)・KOp、VO(L)・KOI、VO(L)・KODを小さくする。
算出した酸素圧力制御弁21の開度uOFB1(t)の数値は第1の合算部36に出力される。
算出した酸素圧力制御弁21の開度uOFF1の数値は、第1の合算部36に出力される。
算出した酸素圧力制御弁21の開度uOFF3(t)の数値は第1の合算部36に出力される。
第1の合算部36は、第1のフィードバック制御部33、第1のフィードフォワード制御部34及び第3のフィードフォワード制御部35から出力される酸素圧力制御弁21の開度uOFB1(t)、uOFF1(t)、uOFF3(t)の数値を合算する。合算結果uO(t)を示す信号は、酸素圧力制御弁21に出力される。これにより、酸素圧力制御弁21が、出力される信号に従い、その合算結果が実現されるように酸素圧力制御弁21の開度uO(t)が調節される。
CH(s)=VH(L){KHp+KHI/s+KHD・s} ‥‥‥(4)
このように、伝達関数CH(s)を用いることにより、第2のフィードバック制御では、PID制御を行うとともに、第2の水位検出部24で検出した水位LH(t)が高いほど、PIDゲインVH(L)・KHp、VH(L)・KHI、VH(L)・KHDを小さくする。
算出した水素圧力制御弁26の開度uHFB2(t)の数値は第2の合算部40に出力される。
算出した水素圧力制御弁26の開度uHFF2(t)の数値は第2の合算部40に出力される。
算出した水素圧力制御弁26の開度uHFF4(t)の数値は第2の合算部40に出力される。
第2の合算部40は、第2のフィードバック制御部37、第2のフィードフォワード制御部38及び第4のフィードフォワード制御部39から出力される水素圧力制御弁26の開度uHFB2(t)、uHFF2(t)、uHFF4(t)の数値を合算する。合算結果uH(t)を示す信号は、水素圧力制御弁26に出力される。これにより、水素圧力制御弁26が、出力される信号に従い、その合算結果が実現されるように水素圧力制御弁26の開度uH(t)が調節される。
次に、第1の開度調整部31における、第1のフィードバック制御部33、第1のフィードフォワード制御部34及び第3のフィードフォワード制御部35の制御器の伝達関数CO(s)、FOI(s)、FOP(s)の導出方法について、図面を参照しつつ説明する。
まず、図4に示すように、酸素圧力制御弁21の開度uO(t)、酸素圧力制御弁21の出口圧力PO2(t)及び電解槽2に供給される電流I(t)を入力とし、酸素気液分離タンク3のタンク内圧PO1(t)を出力とした場合の、水電解装置1を制御対象(以下、「第1の制御対象41」とも呼ぶ)としてモデル化した。この第1の制御対象41のモデルは、酸素気液分離タンク3からの酸素11の流出流量fo(t)を表す流出流量モデル、酸素気液分離タンク3への酸素11の流入流量fi(t)を表す流入流量モデル、及び酸素気液分離タンク3のタンク内圧PO1(t)の圧力変動p(t)を表す圧力変動モデルを含むように構成とした。
上記(10)式によれば、酸素気液分離タンク3のタンク内圧y(t)に対する、I(t)の影響を低減するためには、下記(11)式を満たせばよい。したがって、第1のフィードフォワード制御部34の制御器の伝達関数FOI(s)は下記(12)式のように設定する。
(1)本発明の実施形態に係る水電解装置1では、図2に示すように、第1のフィードフォワード制御部34の制御器の伝達関数FOI(s)のパラメータTO(t)、PO1(t)を温度検出部16や第1のタンク内圧検出部22から取得する構成を示した。また図3に示すように、第2のフィードフォワード制御部38の制御器の伝達関数FHI(s)のパラメータTH(t)、PH1(t)を温度検出部16や第2のタンク内圧検出部27から取得する構成を示した。
しかし、本発明は、このような構成に限られるものではなく、他の構成を採用することもできる。例えば、図6(a)(b)に示すように、伝達関数FOI(s)、FHI(s)のパラメータTO(t) 、TH(t)、PO1(t)、PH1(t)を外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。
また、第3のフィードフォワード制御部35と第4のフィードフォワード制御部39との省略に加え、例えば、図9(a)(b)に示すように、第1のフィードバック制御部33の制御器の伝達関数CO(s)のパラメータVO(L)、及び第2のフィードバック制御部37の制御器の伝達関数CH(s)のパラメータVH(L)を外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。さらに、パラメータVO(L)、VH(L)として固定値を用いる構成に加え、例えば、図10(a)(b)に示すように伝達関数FOI(s)、FHI(s)のパラメータTO(t) 、TH(t)、PO1(t)、PH1(t)についても外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。
しかし、本発明は、このような構成に限られるものではなく、他の構成を採用することもできる。例えば、図11(a)(b)に示すように、伝達関数CO(s)、CH(s)のパラメータVO(L)、VH(L)を外部から取得せず、予め定めた固定値を用いてもよい。これらの固定値に加え、例えば、図12(a)(b)に示すように伝達関数FOI(s)、FHI(s)のパラメータTO(t) 、TH(t)、PO1(t)、PH1(t)も外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。
Claims (7)
- 電解膜を用いて水を電気分解して、前記電解膜の一方の面側に酸素を発生させ、他方の面側に水素を発生させる電解槽と、
前記一方の面側で発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離タンクと、
前記酸素気液分離タンクに設けられ、かつ酸素圧力制御弁を備えた酸素用配管と、
前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第1の開度調整部と、
前記他方の面側で発生した水素と水とを分離する水素気液分離タンクと、
前記水素気液分離タンクに設けられ、かつ水素圧力制御弁を備えた水素用配管と、
前記水素圧力制御弁の開度を制御する第2の開度調整部と、
前記酸素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第1のタンク内圧検出部と、
前記水素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第2のタンク内圧検出部と、
前記電気分解のために前記電解槽に供給される電流を検出する電流検出部とを備え、
前記酸素圧力制御弁の開度の制御は、前記第1のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、当該タンク内圧と予め定めた目標圧力との差が小さくなるように前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第1のフィードバック制御と、前記電流検出部で検出した電流に基づき前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第1のフィードフォワード制御とを含み、
前記水素圧力制御弁の開度の制御は、前記第2のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、当該タンク内圧と予め定められた目標圧力との差が小さくなるように前記水素圧力制御弁の開度を制御する第2のフィードバック制御と、前記電流検出部で検出した電流に基づき前記水素圧力制御弁の開度を制御する第2のフィードフォワード制御とを含む水電解装置。 - 前記第1のフィードフォワード制御は、前記電流検出部で検出した電流が大きいほど前記酸素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記酸素圧力制御弁の開度を制御し、
前記第2のフィードフォワード制御は、前記電流検出部で検出した電流が大きいほど前記水素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記水素圧力制御弁の開度を制御する請求項1に記載の水電解装置。 - 前記電解槽内の酸素発生部の水の温度と水素発生部の水の温度とを検出する温度検出部を備え、
前記第1のフィードフォワード制御では、前記温度検出部で検出した前記酸素発生部の水の温度が高いほど、前記第1のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくし、
前記第2のフィードフォワード制御では、前記温度検出部で検出した水素発生部の水の温度が高いほど、前記第2のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする請求項1または2に記載の水電解装置。 - 前記第1のフィードフォワード制御では、前記第1のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧が高いほど、前記第1のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくし、
前記第2のフィードフォワード制御では、前記第2のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧が高いほど、前記第2のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする請求項1から3の何れか1項に記載の水電解装置。 - 前記酸素圧力制御弁の出口圧力を検出する第1の出口圧力検出部と、
前記水素圧力制御弁の出口圧力を検出する第2の出口圧力検出部とを備え、
前記酸素圧力制御弁の開度の制御は、前記第1の出口圧力検出部で検出した出口圧力に基づき、前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第3のフィードフォワード制御を含み、
前記水素圧力制御弁の開度の制御は、前記第2の出口圧力検出部で検出した出口圧力に基づき、前記水素圧力制御弁の開度を制御する第4のフィードフォワード制御とを含む請求項1から4の何れか1項に記載の水電解装置。 - 前記第3のフィードフォワード制御は、前記第1の出口圧力検出部で検出した出口圧力が高いほど前記酸素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記酸素圧力制御弁の開度を制御し、
前記第4のフィードフォワード制御は、前記第2の出口圧力検出部で検出した出口圧力が高いほど前記水素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記水素圧力制御弁の開度を制御する請求項5に記載の水電解装置。 - 前記酸素気液分離タンク内の水位を検出する第1の水位検出部と、
前記水素気液分離タンク内の水位を検出する第2の水位検出部とを備え、
前記第1のフィードバック制御では、PID制御を行うとともに、前記第1の水位検出部で検出した水位が高いほど、当該PID制御のPIDゲインを小さくし、
前記第2のフィードバック制御では、PID制御を行うとともに、前記第2の水位検出部で検出した水位が高いほど、当該PID制御のPIDゲインを小さくする請求項1から6の何れか1項に記載の水電解装置。
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