JP7090050B2 - 水電解システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、酸素よりも高圧な高圧水素をカソード側に発生させる水電解システム、及び、その制御方法に関する。

特許文献１には、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、酸素よりも高圧な高圧水素をカソード側に発生させる差圧式の水電解システムが開示されている。この水電解システムは、固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）を含むＭＥＡ（膜／電極接合体）等を有する複数のセルを直列に接続したスタックを備えており、カソード側には高圧水素が充満され、一方で、アノード側には常圧の水及び酸素が存在する。

そして、水電解システムでは、高圧水素の生成処理後（水電解システムの運転停止後）、スタック内のＭＥＡを保護するため、カソード側の高圧水素を強制的に脱圧し、常圧付近まで減圧する。その際、急激に脱圧処理を行えば、ＰＥＭにブリスターが発生するため、時間をかけてゆっくりと高圧水素を排出する必要がある。なお、ブリスターは、ＰＥＭ内に滞留している水素ガスが、周囲の脱圧に伴って、ＰＥＭから抜け切れずに膨張することに起因して発生する。

特開２０１２－２１９２９１号公報

ところで、特許文献１では、水電解システムの運転停止時に、カソード側からアノード側にクロスリークする水素を、ＰＥＭの膜ポンプ効果によりカソード側に戻すことにより、水素によるアノード触媒の還元を抑制し、スタックの性能低下を阻止している。しかしながら、膜ポンプ効果に対して水素のクロスリーク量が多いと、ＰＥＭ内の条件によっては、水素及び酸素等がＰＥＭの膜成分と反応し、該膜成分の流出、いわゆる膜やせが起こる可能性がある。

このような膜やせの発生は、差圧式の水電解システムで差圧を保持する際、重要な要因となるため、膜成分の流出を防ぐ必要がある。そこで、クロスリークする水素を抑制するため、ＭＥＡに印加する電解電流を増加させて膜ポンプ効果を向上させることが考えられる。しかしながら、このような手法で脱圧処理を行うと、水素を無駄に排出することになるため、システム効率が却って低下する。

上記の課題を鑑みると、例えば、図３に例示するように、脱圧処理の開始時には、比較的速い脱圧速度（高圧水素の圧力の時間変化量）で水素を排出することで、カソード側の高圧水素の圧力を速やかに低下させ、一方で、該圧力がある程度低下すれば、比較的遅い脱圧速度で水素を排出すればよい。そのためには、カソード側から配管を介して水素を排出する場合に、該水素の圧力を圧力センサで検出し、検出した圧力に基づいて、配管に設けられた脱圧制御弁の開度を調整すればよい。

前述のように、脱圧処理の開始時には、水素の圧力が急激に低下する。そのため、比較的広いレンジの圧力センサを用いて圧力を検出する必要がある。しかしながら、広いレンジの圧力センサでは、検出精度が低いので、低圧力領域での水素の圧力を精度よく検出することができない。

一方、低圧力領域では、時間をかけて水素を排出するので、検出精度の高い圧力センサで圧力を検出する必要がある。しかしながら、検出精度の高い圧力センサでは、検出範囲が狭いので、高圧力領域での水素の圧力を検出することができない。

このように、従来の手法では、水素の圧力に応じて脱圧制御弁の開度を適切に制御することが難しい。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、脱圧制御弁を精度よく制御することで、脱圧処理時のブリスターの発生を効果的に抑制することができる水電解システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の態様は、電解質膜と、該電解質膜の両側に設けられた給電体とを有し、前記各給電体間に電解電流を印加することで、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、カソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素を発生させる水電解システム及びその制御方法に関する。

前記水電解システムは、配管、脱圧制御弁、減圧機構、第１圧力センサ、第２圧力センサ及び制御部をさらに有する。前記配管は、前記カソード側に接続されている。また、前記脱圧制御弁は、前記配管に設けられ、前記電解電流による電解処理の停止後、開弁状態になることで、前記カソード側から前記配管を介して前記高圧水素を排出する脱圧処理を行う。前記減圧機構は、前記配管における前記脱圧制御弁よりも前記高圧水素の排出方向の上流側に設けられ、前記高圧水素を減圧する。前記第１圧力センサは、前記配管における前記減圧機構よりも前記排出方向の上流側で、減圧前の前記高圧水素の圧力を、第１圧力として検出する。前記第２圧力センサは、前記配管における前記減圧機構と前記脱圧制御弁との間で、減圧後の前記高圧水素の圧力を、第２圧力として検出する。前記制御部は、前記第１圧力又は前記第２圧力に基づいて、前記脱圧制御弁の開度を制御する。

また、前記制御方法は、第１～第３ステップを有する。前記第１ステップでは、前記電解電流による電解処理の停止後、前記カソード側に接続された配管に設けられた脱圧制御弁を制御部によって開弁状態に制御することで、前記カソード側から前記配管を介して前記高圧水素を排出する脱圧処理を開始させる。前記第２ステップでは、前記配管における前記脱圧制御弁よりも前記高圧水素の排出方向の上流側に設けられた減圧機構により前記高圧水素を減圧する際に、前記減圧機構よりも前記排出方向の上流側で、第１圧力センサが減圧前の前記高圧水素の圧力を第１圧力として検出すると共に、前記減圧機構と前記脱圧制御弁との間で、第２圧力センサが減圧後の前記高圧水素の圧力を第２圧力として検出する。前記第３ステップでは、前記制御部が前記第１圧力又は前記第２圧力に基づいて前記脱圧制御弁の開度を制御する。

本発明によれば、減圧機構によって高圧水素を減圧させ、配管における減圧機構の上流側の圧力を第１圧力センサで検出し、下流側の圧力を第２圧力センサで検出する。このように、圧力センサを多段化することで、高圧力領域では第１圧力センサが検出した第１圧力に基づいて脱圧制御弁の開度を制御し、低圧力領域では第２圧力センサが検出した第２圧力に基づいて脱圧制御弁の開度を制御することが可能となる。つまり、本発明では、圧力領域に応じて、圧力センサを切り替えることで、脱圧制御弁の開度を適切に制御することができる。従って、本発明では、脱圧制御弁を精度よく制御しつつ、脱圧処理時のブリスターの発生を抑制することができる。

本実施形態に係る水電解システムの構成図である。 水素の挙動の説明図である。 図１の水電解システムの制御方法を説明するタイミングチャートである。 図１の水電解システムの制御方法を説明するフローチャートである。 図１の水電解システムの制御方法を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明に係る水電解システム及びその制御方法について好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら説明する。

［１．本実施形態の構成］
本実施形態に係る水電解システム１０は、図１に示すように、純水を電気分解することによって高圧水素（常圧よりも高圧、例えば、１ＭＰａ～１００ＭＰａの水素）を製造する高圧水電解装置１２と、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が供給され、該純水を高圧水電解装置１２に供給すると共に、高圧水電解装置１２から排出される余剰の水を、高圧水電解装置１２に循環供給する水循環装置１６と、高圧水電解装置１２から高圧水素が導出される高圧水素配管１８（配管）と、コントローラ２０（制御部）とを備える。

高圧水電解装置１２は、差圧式高圧水素製造装置（カソード側圧力＞アノード側圧力）を構成しており、複数の単位セル２４が積層される。単位セル２４の積層方向一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル２４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３０ａ、３０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの側部には、端子部３４ａ、３４ｂが外方に突出して設けられる。端子部３４ａ、３４ｂは、配線３６ａ、３６ｂを介して電解用電源３８に電気的に接続される。陽極（アノード）側である端子部３４ａは、電解用電源３８のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）側である端子部３４ｂは、前記電解用電源３８のマイナス極に接続される。なお、配線３６ａには、電解用電源３８から配線３６ａ、３６ｂ及び端子部３４ａ、３４ｂを介して単位セル２４に印加される電解電流を検出する電流センサ４０が設けられている。電流センサ４０が検出した電解電流の信号は、コントローラ２０に入力される。

単位セル２４は、円盤状の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）４２と、該電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有する。

電解質膜・電極構造体４２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。

固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。

単位セル２４の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔５６と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。

アノード側セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４２に対向する面には、水供給連通孔５６及び排出連通孔５８に連通する第１流路６４が設けられる。第１流路６４は、アノード側給電体５０の表面積に対応する範囲内に設けられると共に、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第１流路６４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。

カソード側セパレータ４６の電解質膜・電極構造体４２に向かう面には、水素連通孔６０に連通する第２流路６８が形成される。第２流路６８は、カソード側給電体５２の表面積に対応する範囲内に設けられると共に、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第２流路６８には、反応により生成された高圧水素が流通する。

水循環装置１６は、高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２には、循環ポンプ７４、イオン交換器７６及び酸素側気液分離器７８が配設される。

酸素側気液分離器７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通すると共に、戻り配管８０の他端は、高圧水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。酸素側気液分離器７８には、純水供給装置１４に接続された純水供給配管８２と、酸素側気液分離器７８で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管８４とが連結される。

高圧水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管１８が接続され、高圧水素配管１８は、逆止弁８６及び背圧弁（図示せず）を介して水素供給部（例えば、水素タンク等）に接続される。高圧水素配管１８からは、後述する脱圧処理の際、カソード側から高圧水素を排出するための脱圧配管８８（配管）が分岐している。

脱圧配管８８には、高圧水素の排出方向に沿って、高圧用減圧弁９０（減圧機構）及び脱圧制御弁９２が順に設けられている。高圧用減圧弁９０は、排出方向の上流側の第１減圧弁９０ａと、排出方向の下流側の第２減圧弁９０ｂとを備える。第１減圧弁９０ａ及び第２減圧弁９０ｂは、リリーフ機能を備えた減圧弁である。

高圧水素配管１８には、水素連通孔６０の近傍の高圧水素の圧力を、第１圧力として検出する第１圧力検出センサ９４（第１圧力センサ）が配置されている。また、脱圧配管８８には、第１減圧弁９０ａと第２減圧弁９０ｂとの間の高圧水素の圧力を、第２圧力として検出する第２圧力検出センサ９６（第２圧力センサ）が配置されている。さらに、脱圧配管８８には、第２減圧弁９０ｂと脱圧制御弁９２との間の高圧水素の圧力を、第３圧力として検出する第３圧力検出センサ９８（第３圧力センサ）が配置されている。第１～第３圧力検出センサ９４～９８により検出される第１～第３圧力の信号は、コントローラ２０に入力される。

なお、第１～第３圧力検出センサ９４～９８は、第１圧力検出センサ９４、第２圧力検出センサ９６、及び、第３圧力検出センサ９８の順に、検出範囲（レンジ）が狭くなる。また、第１～第３圧力検出センサ９４～９８は、第１圧力検出センサ９４、第２圧力検出センサ９６、及び、第３圧力検出センサ９８の順に、検出精度が高くなる。

コントローラ２０は、電流センサ４０及び第１～第３圧力検出センサ９４～９８から入力される各信号に基づいて、脱圧制御弁９２の開度を制御する。

［２．本実施形態の動作］
このように構成される水電解システム１０の動作について説明する。ここでは、水電解システム１０による水素の生成処理について簡単に説明した後、本実施形態に係る水電解システム１０の制御方法である高圧水素の脱圧処理について説明する。

先ず、水電解システム１０の始動時には、純水供給装置１４を介して市水から生成された純水が、水循環装置１６を構成する酸素側気液分離器７８に供給される。

水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、循環配管７２を介して純水が高圧水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの端子部３４ａ、３４ｂには、電気的に接続されている電解用電源３８を介して通常の電解電流が印加される。

このため、各単位セル２４では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで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。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４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。

これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて高圧水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。

一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される。この未反応の水及び酸素は、酸素側気液分離器７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８４から外部に排出される。

次いで、本実施形態に係る水電解システム１０の制御方法である高圧水素の脱圧処理について、図２～図５を参照しながら説明する。

脱圧処理は、上述した水電解システム１０の電解運転の停止後、脱圧制御弁９２を開放して、脱圧配管８８を水素連通孔６０に連通することで開始される。この場合、電解運転時の電解電流よりも低い電流値の電解電流を印加しつつ、脱圧制御弁９２の開度調整によって徐々に減圧処理を行う。該電流値は、膜ポンプ効果が得られる最小電流値に設定される。

すなわち、図２に示すように、高圧状態の第２流路６８から常圧状態の第１流路６４に、固体高分子電解質膜４８を透過して水素が移動しやすい（水素のクロスリーク又は水素の拡散という）。アノード電極触媒層５０ａにクロスリークした水素は、再度プロトン化し、固体高分子電解質膜４８の膜ポンプ効果によって、カソード電極触媒層５２ａ側に戻される。従って、運転停止後に、アノード電極触媒層５０ａ側にリークした高圧水素が滞留することを抑制し、アノード電極触媒層５０ａが水素により還元（劣化）されることを良好に阻止する。

そして、脱圧処理では、脱圧制御弁９２の開放により、図３に示すように、脱圧時間の初期段階では、カソード側の第２流路６８（図１及び図２参照）に充填されている高圧水素を、比較的速い脱圧速度で減圧処理する。また、高圧水電解装置１２のカソード側圧力が、設定閾値（圧力）Ｐまで降圧した場合、脱圧制御弁９２の開度を絞って、比較的遅い脱圧速度で減圧処理を行う。なお、脱圧速度とは、高圧水素の圧力の時間変化量をいう。

このように、脱圧処理において、高圧力領域では、高圧水素の圧力を急激に低下させ、一方で、低圧力領域では、ブリスターの発生を抑制するため、時間をかけてゆっくりと減圧する。この場合、高圧水素の排出経路である高圧水素配管１８及び脱圧配管８８に１つの圧力センサのみ配置し、該圧力センサの検出結果を用いて、図３のように高圧水素の圧力を変化させるべく脱圧制御弁９２の開度を制御する場合、該開度を精度よく制御することが困難である。すなわち、高圧力領域をカバーすべく広いレンジの圧力センサを用いた場合、検出精度が低下する。一方、低圧力領域の圧力を検出する高精度の圧力センサを用いた場合、検出範囲が狭いため、高圧力領域の圧力を検出することができない。

そこで、本実施形態の脱圧処理では、高圧水素の圧力領域に応じて、圧力センサを切り替え、切り替えた圧力センサが検出した圧力を用いて脱圧制御弁９２の開度を調整することで、該脱圧制御弁９２を精度よく制御し、ブリスターの発生を抑制する。

ここで、本実施形態の脱圧処理について、図４及び図５を参照しながら説明する。

図４のステップＳ１（第１ステップ）において、コントローラ２０は、図５の時点ｔ０で、脱圧制御弁９２を開放する。これにより、脱圧処理が開始され、カソード側の高圧水素は、高圧水素配管１８及び脱圧配管８８を介して外部に排出される。この結果、図３及び図５に示すように、時間経過に伴って、高圧水素の圧力は、急激に低下する。

この場合、図１及び図５に示すように、第１～第３圧力検出センサ９４～９８は、測定対象箇所の高圧水素の圧力を逐次検出し、検出結果を示す信号をコントローラ２０に出力する。

すなわち、第１圧力検出センサ９４は、高圧水素配管１８の高圧水素の圧力、すなわち、高圧用減圧弁９０よりも上流側の減圧前の高圧水素の圧力（高圧ラインの圧力）を、第１圧力Ｐ１として検出する。

第２圧力検出センサ９６は、脱圧配管８８における第１減圧弁９０ａと第２減圧弁９０ｂとの間の高圧水素の圧力、すなわち、第１減圧弁９０ａによって減圧された高圧水素の圧力（中圧ラインの圧力）を、第２圧力Ｐ２として検出する。

第３圧力検出センサ９８は、脱圧配管８８における第２減圧弁９０ｂと脱圧制御弁９２との間の高圧水素の圧力、すなわち、第２減圧弁９０ｂによってさらに減圧された高圧水素の圧力（低圧ラインの圧力）を、第３圧力Ｐ３として検出する。

そして、図４のステップＳ２（第２ステップ）において、コントローラ２０は、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２から高圧水素の脱圧速度をそれぞれ算出する。

脱圧処理の初期段階では、図５に示すように、時間経過に伴って第１圧力Ｐ１は低下する一方で、第２圧力Ｐ２及び第３圧力Ｐ３は、一定値に維持されている。これは、カソード側の高圧水素の圧力が高圧力領域にあり、第１減圧弁９０ａ及び第２減圧弁９０ｂで減圧しても、検出される圧力が第２圧力検出センサ９６及び第３圧力検出センサ９８の検出範囲外であるためである。

そこで、次のステップＳ３（第３ステップ）において、コントローラ２０は、第１圧力Ｐ１を用いて算出された脱圧速度と、所定の設定速度とを比較し、脱圧速度が設定速度を超えないように、脱圧制御弁９２の開度を制御する（絞る）。

次のステップＳ４において、コントローラ２０は、第１圧力Ｐ１が所定の第１圧力閾値Ｐｘを下回り（Ｐ１＜Ｐｘ）、且つ、第２圧力Ｐ２が所定の第２圧力閾値Ｐｙを下回る（Ｐ２＜Ｐｙ）か否かを判定する。

ここで、第１圧力閾値Ｐｘとは、第１圧力Ｐ１の測定箇所における水素の圧力状態を示す閾値である。Ｐ１≧Ｐｘであれば、第１圧力検出センサ９４が測定している高圧ラインに高圧水素が存在していると判断することができる。一方、Ｐ１＜Ｐｘであれば、第１圧力検出センサ９４が測定している高圧ラインの高圧水素が減圧していると判断することができる。

また、第２圧力閾値Ｐｙとは、第２圧力Ｐ２の測定箇所における水素の圧力状態を示す閾値である。Ｐ２≧Ｐｙであれば、第２圧力検出センサ９６が測定している中圧ラインに高圧水素が存在していると判断することができる。一方、Ｐ２＜Ｐｙであれば、第２圧力検出センサ９６が測定している中圧ラインの高圧水素が減圧していると判断することができる。

図５に示すように、時点ｔ１に到達するまではＰ１≧Ｐｘであり、時点ｔ２に到達するまではＰ２≧Ｐｙである。従って、時点ｔ０から時点ｔ２までの時間帯では、否定的な判定結果となり（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ２～Ｓ４の処理が繰り返し行われる。

一方、時点ｔ２の経過後、Ｐ１＜Ｐｘ且つＰ２＜Ｐｙとなるため（ステップＳ４：ＹＥＳ）、コントローラ２０は、次のステップＳ５に進む。ステップＳ５において、コントローラ２０は、時点ｔ２から所定時間Ｔ経過したか否かを判定する。ここで、所定時間Ｔとは、脱圧制御弁９２の開度を制御するために用いる圧力を、第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２に切り替えるか否かを見極めるための判定時間である。

従って、時点ｔ２から所定時間Ｔ経過していなければ（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ５の判定処理が繰り返し行われる。一方、時点ｔ２から所定時間Ｔ経過した時点ｔ３において（ステップＳ５：ＹＥＳ）、コントローラ２０は、脱圧制御弁９２の開度を制御するために用いる圧力を、第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２に切り替えることを決定し、次のステップＳ６に進む。

ステップＳ６（第２ステップ、第３ステップ）において、コントローラ２０は、第２圧力検出センサ９６が測定した第２圧力Ｐ２を用いて脱圧速度を算出する。コントローラ２０は、第２圧力Ｐ２を用いて算出された脱圧速度と、所定の設定速度とを比較し、脱圧速度が設定速度を超えないように、脱圧制御弁９２の開度を制御する（絞る）。

次のステップＳ７において、コントローラ２０は、第３圧力検出センサ９８が測定した第３圧力Ｐ３が所定の第３圧力閾値Ｐｚを下回る（Ｐ３＜Ｐｚ）か否かを判定する。ここで、第３圧力閾値Ｐｚとは、第３圧力Ｐ３の測定箇所における水素の圧力状態を示す閾値である。Ｐ３≧Ｐｚであれば、第３圧力検出センサ９８が測定している低圧ラインに高圧水素が存在していると判断することができる。一方、Ｐ３＜Ｐｚであれば、第３圧力検出センサ９８が測定している低圧ラインの高圧水素が減圧しているため、脱圧処理を完了してもよいと判断することができる。

図５に示すように、時点ｔ４に到達するまではＰ３≧Ｐｚである。従って、時点ｔ３から時点ｔ４までの時間帯では、否定的な判定結果となり（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ６、Ｓ７の処理が繰り返し行われる。

一方、時点ｔ４となり、Ｐ３＜Ｐｚとなった場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、コントローラ２０は、次のステップＳ８に進む。ステップＳ８において、コントローラ２０は、脱圧制御弁９２を閉弁状態に切り替え、脱圧処理を完了させる。

［３．本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態は、固体高分子電解質膜４８（電解質膜）と、該固体高分子電解質膜４８の両側に設けられたアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２（給電体）とを有し、アノード側給電体５０及びカソード側給電体５２間に電解電流を印加することで、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、カソード側に酸素よりも高圧な高圧水素を発生させる水電解システム１０及びその制御方法に関する。

水電解システム１０は、高圧水素配管１８及び脱圧配管８８（配管）、脱圧制御弁９２、高圧用減圧弁９０（減圧機構）、第１圧力検出センサ９４、第２圧力検出センサ９６、並びに、コントローラ２０（制御部）をさらに有する。

高圧水素配管１８及び脱圧配管８８は、カソード側に接続されている。また、脱圧制御弁９２は、脱圧配管８８に設けられ、電解電流による電解処理の停止後、開弁状態になることで、カソード側から高圧水素配管１８及び脱圧配管８８を介して高圧水素を排出する脱圧処理を行う。高圧用減圧弁９０は、脱圧配管８８における脱圧制御弁９２よりも高圧水素の排出方向の上流側に設けられ、高圧水素を減圧する。第１圧力検出センサ９４は、高圧用減圧弁９０よりも排出方向の上流側で、減圧前の高圧水素の圧力を、第１圧力Ｐ１として検出する。第２圧力検出センサ９６は、高圧用減圧弁９０と脱圧制御弁９２との間で、減圧後の高圧水素の圧力を、第２圧力Ｐ２として検出する。コントローラ２０は、第１圧力Ｐ１又は第２圧力Ｐ２に基づいて、脱圧制御弁９２の開度を制御する。

また、制御方法は、第１～第３ステップを有する。

第１ステップ（図４のステップＳ１）では、電解電流による電解処理の停止後、カソード側に接続された脱圧配管８８に設けられた脱圧制御弁９２をコントローラ２０によって開弁状態に制御することで、カソード側から高圧水素配管１８及び脱圧配管８８を介して高圧水素を排出する脱圧処理を開始させる。

第２ステップ（ステップＳ２、Ｓ６）では、脱圧制御弁９２よりも高圧水素の排出方向の上流側に設けられた高圧用減圧弁９０により高圧水素を減圧する際に、高圧用減圧弁９０よりも排出方向の上流側で、第１圧力検出センサ９４が減圧前の高圧水素の圧力を第１圧力Ｐ１として検出すると共に、高圧用減圧弁９０と脱圧制御弁９２との間で、第２圧力検出センサ９６が減圧後の高圧水素の圧力を第２圧力Ｐ２として検出する。第３ステップ（ステップＳ３、Ｓ６）では、コントローラ２０が第１圧力Ｐ１又は第２圧力Ｐ２に基づいて脱圧制御弁９２の開度を制御する。

このように、高圧用減圧弁９０によって高圧水素を減圧させ、高圧用減圧弁９０の上流側の圧力（第１圧力Ｐ１）を第１圧力検出センサ９４で検出し、下流側の圧力（第２圧力Ｐ２）を第２圧力検出センサ９６で検出する。このように、圧力センサを多段化することで、高圧力領域では第１圧力検出センサ９４が検出した第１圧力Ｐ１に基づいて脱圧制御弁９２の開度を制御し、低圧力領域では第２圧力検出センサ９６が検出した第２圧力Ｐ２に基づいて脱圧制御弁９２の開度を制御することが可能となる。つまり、本実施形態では、圧力領域に応じて、圧力センサを切り替えることで、脱圧制御弁９２の開度を適切に制御することができる。従って、本実施形態では、脱圧制御弁９２を精度よく制御しつつ、脱圧処理時のブリスターの発生を抑制することができる。

ここで、高圧用減圧弁９０は、脱圧配管８８の途中に設けられ、高圧水素を減圧する少なくとも１つの減圧弁（第１減圧弁９０ａ、第２減圧弁９０ｂ）を備える。これにより、脱圧配管８８を圧力の異なる複数のラインに容易に構成することができる。

この場合、高圧用減圧弁９０は、該高圧用減圧弁９０内の排出方向の上流側に設けられ、高圧水素を減圧する第１減圧弁９０ａと、排出方向の下流側に設けられ、第１減圧弁９０ａで減圧された高圧水素をさらに減圧する第２減圧弁９０ｂとを備える。第２圧力検出センサ９６は、第１減圧弁９０ａによって減圧された高圧水素の圧力を第２圧力Ｐ２として検出する。一般に、減圧機構は、２つの減圧弁から構成される二段方式により流体を減圧する。従って、本実施形態では、市販の減圧機構を用いて、水電解システム１０を安価に構成することができる。

また、水電解システム１０は、第２減圧弁９０ｂで減圧された高圧水素の圧力を、第３圧力Ｐ３として検出する第３圧力検出センサ９８をさらに有する。コントローラ２０は、第３圧力Ｐ３が第３圧力閾値Ｐｚを下回る場合、脱圧制御弁９２を閉弁状態に切り替えて脱圧処理を完了させる。これにより、検出範囲が最も狭く、且つ、高精度の圧力センサを用いて第３圧力検出センサ９８を構成することができる。この結果、脱圧処理の完了に関わる判定処理を精度よく且つ確実に行うことができる。

さらに、第１減圧弁９０ａ及び第２減圧弁９０ｂは、リリーフ機能を備えることが望ましい。これにより、水電解システム１０に安全対策機能を施すことができる。

また、コントローラ２０は、脱圧処理を開始する際、第１圧力Ｐ１に基づき脱圧制御弁９２の開度を制御し、一方で、第１圧力Ｐ１が第１圧力閾値Ｐｘを下回り、第２圧力Ｐ２が第２圧力閾値Ｐｙを下回り、且つ、第２圧力Ｐ２が第２圧力閾値Ｐｙを下回った時点ｔ２から所定時間Ｔ経過した場合、第２圧力Ｐ２に基づき脱圧制御弁９２の開度を制御する。これにより、第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２への切り替えを効率よく且つ確実に行うことができる。

さらに、コントローラ２０は、第１圧力Ｐ１又は第２圧力Ｐ２の時間変化を高圧水素の脱圧速度として算出し、算出した脱圧速度に基づいて脱圧制御弁９２の開度を制御する。これにより、脱圧速度が所望の速度となるように脱圧制御弁９２の開度を制御することが可能となる。

すなわち、ブリスターの発生を抑制するためには、設定速度を遵守して脱圧処理を行う必要がある。その要求は、低圧力領域になる程、厳しくなる。そのため、脱圧処理を低圧力領域まで実行する場合、高精度の第２圧力検出センサ９６が検出した第２圧力Ｐ２に切り替え、切替後の第２圧力Ｐ２を用いて脱圧速度を算出し、算出した脱圧速度に基づいて開度を制御することで、厳しく制限された要求速度を満たすことが可能となる。この結果、ブリスターが発生しやすい低圧力領域側での精密な脱圧処理の制御を行うことで、ブリスターの発生を効果的に抑制することができる。

第１圧力検出センサ９４は、第２圧力検出センサ９６よりも広いレンジで第１圧力Ｐ１を検出するセンサであり、第２圧力検出センサ９６は、第１圧力検出センサ９４よりも検出精度の高いセンサであればよい。これにより、脱圧処理の際、全ての圧力領域をカバーすることが可能となる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０…水電解システム １８…高圧水素配管（配管）
２０…コントローラ（制御部） ３８…電解用電源
４８…固体高分子電解質膜（電解質膜） ５０…アノード側給電体（給電体）
５２…カソード側給電体（給電体） ８８…脱圧配管（配管）
９０…高圧用減圧弁（減圧機構） ９０ａ…第１減圧弁
９０ｂ…第２減圧弁 ９２…脱圧制御弁
９４…第１圧力検出センサ（第１圧力センサ）
９６…第２圧力検出センサ（第２圧力センサ）

Claims (8)

1. 電解質膜と、該電解質膜の両側に設けられた給電体とを有し、前記各給電体間に電解電流を印加することで、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、カソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素を発生させる水電解システムにおいて、
   前記カソード側に接続された配管と、
   前記配管に設けられ、前記電解電流による電解処理の停止後、開弁状態になることで、前記カソード側から前記配管を介して前記高圧水素を排出する脱圧処理を行う脱圧制御弁と、
   前記配管における前記脱圧制御弁よりも前記高圧水素の排出方向の上流側に設けられ、前記高圧水素を減圧する第１減圧弁を備える減圧機構と、
   前記配管における前記減圧機構よりも前記排出方向の上流側で、減圧前の前記高圧水素の高圧力領域における圧力を、第１圧力として検出する第１圧力センサと、
   前記第１圧力センサよりも検出精度の高いセンサであり、前記配管における前記減圧機構内の前記第１減圧弁よりも前記排出方向の下流側で、減圧後の前記高圧水素の低圧力領域における圧力を、第２圧力として検出する第２圧力センサと、
   前記高圧水素の圧力領域に応じて、前記圧力センサを切り替え、切り替えた前記圧力センサが検出した圧力を用いて、前記脱圧制御弁の開度を制御する制御部と、
   をさらに有する、水電解システム。
2. 請求項１記載の水電解システムにおいて、
   前記減圧機構は、
   前記配管における前記減圧機構内の前記排出方向の上流側に設けられ、前記高圧水素を減圧する前記第１減圧弁と、
   前記配管における前記減圧機構内の前記排出方向の下流側に設けられ、前記第１減圧弁で減圧された前記高圧水素をさらに減圧する第２減圧弁と、
   を備える、水電解システム。
3. 請求項２記載の水電解システムにおいて、
   前記第２減圧弁で減圧された前記高圧水素の圧力を、第３圧力として検出する第３圧力センサをさらに有し、
   前記制御部は、前記第３圧力が第３圧力閾値を下回る場合、前記脱圧制御弁を閉弁状態に切り替えて前記脱圧処理を完了させる、水電解システム。
4. 請求項２又は３記載の水電解システムにおいて、
   前記第１減圧弁及び前記第２減圧弁は、リリーフ機能を備える、水電解システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記脱圧処理を開始する際、前記第１圧力に基づき前記開度を制御し、
   前記第１圧力が第１圧力閾値を下回り、前記第２圧力が第２圧力閾値を下回り、且つ、前記第２圧力が前記第２圧力閾値を下回った時点から所定時間経過した場合、前記第２圧力に基づき前記開度を制御する、水電解システム。
6. 請求項５記載の水電解システムにおいて、
   前記制御部は、前記第１圧力又は前記第２圧力の時間変化を前記高圧水素の脱圧速度として算出し、算出した前記脱圧速度に基づいて前記開度を制御する、水電解システム。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の水電解システムにおいて、
   前記第１圧力センサは、前記第２圧力センサよりも広いレンジで前記第１圧力を検出するセンサである、水電解システム。
8. 電解質膜と、該電解質膜の両側に設けられた給電体とを有し、前記各給電体間に電解電流を印加することで、水を電気分解してアノード側に酸素を発生させ、一方で、カソード側に前記酸素よりも高圧な高圧水素を発生させる水電解システムの制御方法において、
   前記電解電流による電解処理の停止後、前記カソード側に接続された配管に設けられた脱圧制御弁を制御部によって開弁状態に制御することで、前記カソード側から前記配管を介して前記高圧水素を排出する脱圧処理を開始させる第１ステップと、
   前記配管における前記脱圧制御弁よりも前記高圧水素の排出方向の上流側に設けられた減圧機構の第１減圧弁により前記高圧水素を減圧する際に、前記減圧機構よりも前記排出方向の上流側で、第１圧力センサが減圧前の前記高圧水素の高圧力領域における圧力を第１圧力として検出すると共に、前記第１圧力センサよりも検出精度の高いセンサであり、前記配管における前記減圧機構内の前記第１減圧弁よりも前記排出方向の下流側で、第２圧力センサが減圧後の前記高圧水素の低圧力領域における圧力を第２圧力として検出する第２ステップと、
   前記制御部が前記高圧水素の圧力領域に応じて、前記圧力センサを切り替え、切り替えた前記圧力センサが検出した圧力を用いて前記脱圧制御弁の開度を制御する第３ステップと、
   を有する、水電解システムの制御方法。

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