JP7108010B2 - 水素・酸素製造システムの制御方法および水素・酸素製造システム - Google Patents

水素・酸素製造システムの制御方法および水素・酸素製造システム Download PDF

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Description

本発明は、水素・酸素製造システムの制御方法および水素・酸素製造システムに関するものである。
一般的に、燃料電池車両等に搭載される燃料電池の発電反応では、燃料ガスとして水素ガスが使用され、酸化ガスとして酸素を必要とする。水素及び酸素ガスは、水電解装置を備える水素・酸素製造システムにより製造することができる。水素・酸素製造システムは、水電解装置によって水を電気分解することで、水電解装置のカソードに水素ガスを発生させ、アノードには酸素ガスを発生させる。
水電解装置の一種として、電解質膜（イオン交換膜）と、電解質膜を挟んで互いに隔離されたアノードおよびカソードと、を有する固体高分子型水電解装置がある。例えば、固体高分子型水電解装置では、アノードに供給された液水を電気分解してアノードに酸素ガスを発生させるとともに、アノードで発生した水素イオンは電解質膜を通じ、カソードにて水素ガスを発生させる。固体高分子型水電解装置では、生成した酸素ガスおよび水素ガスが電解質膜を透過する、いわゆるクロスオーバーが生じ得る。クロスオーバー量が多いと、ガスの混合による純度の低下や、電解質膜の劣化等が生じる場合がある。特に水電解時に発生するガスを同時に昇圧する方式を取る場合、その高圧によりクロスオーバー量は増大し、ガスの混合割合が増大する。そこで、固体高分子型水電解装置を用いた水素・酸素製造システムでは、一般的には酸素ガスおよび水素ガスの一方を他方よりも高圧に維持することで、少なくとも他方のクロスオーバーが生じることを抑制できる。よって、混合ガスが発生する側を定め、運転状態の管理や、希釈等を行う追加デバイスを設ける事等により、所定以上のガス混合濃度とさせない事、及び急激なガス混合を生じさせない事ができる。この場合、発生した酸素ガスまたは水素ガスを水電解装置下流のタンクや、排圧弁等に向けて排出する。
水電解装置を備えた水素・酸素製造システムとして、例えば特許文献１に開示されたシステムがある。このシステムは、アノード側に酸素を発生させ、かつカソード側に酸素よりも高圧な水素を発生させる差圧式高圧水電解装置を備え、システム停止時に、減圧用電流を流しながらカソード側の減圧処理を行う。これにより、急激な圧力低下を抑制でき、水素膨張に伴う電解質膜等の部材の破壊が抑制できるとされている。
ところで、酸素ガスは、水素ガスに比べて分子量が大きいため、水素ガスよりも電解質膜を透過しにくい。このため、固体高分子型水電解装置において、酸素ガスを水素ガスよりも高圧に維持した方が、クロスオーバーによって生じるガス混合濃度が水素を高圧化した時よりも少なくなり耐久性が向上する。
酸素及び水素をともに高圧化しようとするシステムにおいては、酸素ガスを水素ガスよりも高圧に維持する水素・酸素製造システムが耐久上有利である。この場合、水電解と同時に昇圧されなかった水素を、別途昇圧させる必要がある。水素ガスを昇圧させる手段の一例として、コンプレッサよりもシステムの大型化を抑制できる電気化学式水素昇圧装置がある。電気化学式水素昇圧装置は、イオン交換膜（プロトン交換膜）と、該イオン交換膜を挟んで隔離されたアノードおよびカソードと、アノードおよびカソードに電圧を印加する電源と、を有する。電気化学式水素昇圧装置は、電源による電圧印加のもと、アノードに供給された水素ガスをイオン化し、水素イオンをイオン交換膜に伝導させ、カソードに到達させることで水素ガスに戻す。このようにしてアノードからカソードに向かって水素イオンを移動させることで、カソードに圧縮水素ガスを生成することが可能になる。このため、電気化学式水素昇圧装置によれば、アノードに供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスをカソードから排出することが可能になる。
特開２０１７－２１０６６５号公報
しかしながら、電気化学式水素昇圧装置においても、固体高分子型水電解装置と同様にクロスオーバーが生じ得る。このため、固体高分子型水電解装置および電気化学式水素昇圧装置を有する水素・酸素製造システムを停止する際、水電解装置の減圧処理に加えて水素昇圧装置の減圧処理も適切に制御しないと、水素昇圧装置におけるクロスオーバーにより水素昇圧装置の下流側から水電解装置に高圧の水素ガスが流入し、水電解装置において水素ガスのクロスオーバーが生じる可能性がある。また、電気化学式水素昇圧装置において、急激な減圧によるイオン交換膜中の水分気化によって膜破損が生じる可能性がある。したがって、電気化学式水素昇圧装置を備えた水素・酸素製造システムにおいては、システム停止時の適切な制御方法の開発が望まれている。
そこで本発明は、システムの停止時に水電解装置および電気化学式水素昇圧装置を適切に減圧できる水素・酸素製造システムの制御方法および水素・酸素製造システムを提供するものである。
本発明の水素・酸素製造システムの制御方法は、電解質膜（例えば、実施形態における電解質膜２１１）の両面に設けられたアノード（例えば、実施形態におけるアノード２１２）およびカソード（例えば、実施形態におけるカソード２１３）に電流を流して液水を電気分解し、前記カソードに水素を発生させ、かつ前記アノードに前記水素よりも高圧な酸素を発生させる水電解装置（例えば、実施形態における水電解装置）と、前記水電解装置に前記液水を供給する供給部（例えば、実施形態における水供給部３０）と、前記水電解装置よりも下流で、電解質膜（例えば、実施形態における昇圧部プロトン交換膜４２１）の両面に設けられた昇圧部アノード（例えば、実施形態における昇圧部アノード４２２）および昇圧部カソード（例えば、実施形態における昇圧部カソード４２３）に電流を流して前記水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置（例えば、実施形態における水素ガス昇圧部４２）と、前記水電解装置に流す電流、および前記電気化学式水素昇圧装置に流す電流を制御する制御装置（例えば、実施形態における制御装置７０）と、を備える水素・酸素製造システム（例えば、実施形態における水素・酸素製造システム１）の制御方法であって、前記制御装置は、前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、前記水電解装置の前記アノードの減圧速度が前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う。
本発明の水素・酸素製造システムは、電解質膜（例えば、実施形態における電解質膜２１１）の両面に設けられたアノード（例えば、実施形態におけるアノード２１２）およびカソード（例えば、実施形態におけるカソード２１３）に電流を流して液水を電気分解し、前記カソードに水素を発生させ、かつ前記アノードに前記水素よりも高圧な酸素を発生させる水電解装置（例えば、実施形態における水電解装置１０）と、前記水電解装置に前記液水を供給する供給部（例えば、実施形態における水供給部３０）と、前記水電解装置よりも下流で、電解質膜（例えば、実施形態における昇圧部プロトン交換膜４２１）の両面に設けられた昇圧部アノード（例えば、実施形態における昇圧部アノード４２２）および昇圧部カソード（例えば、実施形態における昇圧部カソード４２３）に電流を流して前記水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置（例えば、実施形態における水素ガス昇圧部４２）と、前記水電解装置に流す電流、および前記電気化学式水素昇圧装置に流す電流を制御し、システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、前記水電解装置の前記アノードの減圧速度が前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う制御装置（例えば、実施形態における制御装置７０）と、を備える。
本発明によれば、第１の減圧処理によって電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードが急激に減圧することを抑制できるので、電気化学式水素昇圧装置の電解質膜が破損することを抑制できる。
また、第２の減圧処理によって水電解装置のアノードの圧力が電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードの圧力よりも高い状態を維持できる。ところで、水電解装置におけるクロスオーバーを抑制する観点で、水電解装置においてアノードをカソードよりも高圧に維持する必要がある。水電解装置のカソードは電気化学式水素昇圧装置の昇圧部アノードに連通しており、昇圧部アノードの圧力は昇圧部カソードの圧力以下なので、第１の減圧処理によって電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードの減圧速度が制御されることで、昇圧部カソードが水電解装置のアノードよりも高圧になり得るところ、第２の減圧処理によって水電解装置のアノードを電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードよりも高圧に維持することで、水電解装置のアノードがカソードよりも高圧の状態とすることができる。よって、水電解装置におけるクロスオーバーを抑制できる。
したがって、本発明の水素・酸素製造システム、およびその制御方法によれば、システムの停止時に水電解装置および電気化学式水素昇圧装置を適切に減圧できる。
上記の水素・酸素製造システムの制御方法において、前記制御装置は、前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が前記基本減圧速度を超えないように、前記電気化学式水素昇圧装置に第１減圧用電流を流すとともに、前記第１減圧用電流を流す事に伴い前記電気化学式水素昇圧装置において反応に用いられる前記水素の単位時間あたりの量に応じて前記水電解装置に第２減圧用電流を流しながら前記水電解装置の前記アノードを減圧してもよい。
本発明によれば、第１減圧用電流を流す事に伴って水素ガスが消費された電気化学式水素昇圧装置に、第２減圧用電流を流す事によって水素ガスを新たに生成して補充することができる。よって、電気化学式水素昇圧装置で水素が不足することを抑制し、第１減圧用電流を流す事によって電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードで水素を昇圧できる。したがって、第１の減圧処理を行うことができる。
上記の水素・酸素製造システムの制御方法において、前記制御装置は、前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードが前記基本減圧速度を超えないように、前記電気化学式水素昇圧装置に第１減圧用電流を流すとともに、前記電気化学式水素昇圧装置に流す前記第１減圧用電流に応じて前記水電解装置に流す第２減圧用電流を変化させながら前記水電解装置の前記アノードを減圧してもよい。
本発明によれば、電気化学式水素昇圧装置の昇圧部アノードにて反応に用いられる水素の単位時間あたりの消費量は、電気化学式水素昇圧装置に流す第１減圧用電流によって決まるので、水素ガスが消費された電気化学式水素昇圧装置に、第２減圧用電流を流す事によって水素ガスを新たに生成して補充することができる。よって、電気化学式水素昇圧装置で水素が不足することを抑制し、第１減圧用電流を流す事によって電気化学式水素昇圧装置の昇圧部カソードで水素を昇圧できる。したがって、第１の減圧処理を行うことができる。
上記の水素・酸素製造システムの制御方法において、前記水素・酸素製造システムは、前記水電解装置で生成した前記酸素を貯蔵する酸素貯蔵部（例えば、実施形態における酸素ガスタンク３）と、前記電気化学式水素昇圧装置で昇圧された前記水素を貯蔵する水素貯蔵部（例えば、実施形態における水素ガスタンク２）と、前記酸素および前記水素を消費する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池６０）と、をさらに備え、前記制御装置は、前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記酸素貯蔵部への前記酸素の貯蔵、および前記水素貯蔵部への前記水素の貯蔵を停止するとともに、前記第１減圧用電流および前記第２減圧用電流を流す事により生成された前記酸素および前記水素のうち少なくともいずれか一方を前記燃料電池に供給させてもよい。
本発明によれば、生成された酸素および水素を大気に放出する場合と比較して、システム全体のエネルギー収支を向上させることができる。
上記の水素・酸素製造システムの制御方法において、前記制御装置は、前記第１減圧用電流および前記第２減圧用電流を流す時間に基づいて前記燃料電池の運転時間を決定してもよい。
本発明によれば、第１減圧用電流および第２減圧用電流を流す事により生成された酸素および水素を使い切ることが可能となる。したがって、システム全体のエネルギー収支をより一層向上させることができる。
上記の水素・酸素製造システムにおいて、前記水電解装置がアニオン交換膜を用いた固体高分子型であり、前記電気化学式水素昇圧装置がプロトン交換膜を用いた固体高分子型であり、前記酸素および前記水素で発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池の発電電力は、前記水電解装置および前記電気化学式水素昇圧装置の少なくともいずれか一方に使用されてもよい。
本発明によれば、燃料電池の発電電力を水素・酸素製造システムの停止時の消費電力を削減することができる。
本発明によれば、システムの停止時に水電解装置および電気化学式水素昇圧装置を適切に減圧できる水素・酸素製造システムの制御方法および水素・酸素製造システムを提供することができる。
実施形態に係る水素・酸素製造システムの構成を示す図である。 実施形態に係る水電解装置の単位セルの断面構造を示す図である。 実施形態に係る水素ガス昇圧部の断面構造を示す図である。 水電解装置および水素ガス昇圧部における圧力変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施形態の水素・酸素製造システム１は、水素ガスおよび酸素ガスのそれぞれを、例えば１～１００ＭＰａまで圧縮した高圧水素ガスおよび高圧酸素ガスの状態で製造することができる。水素・酸素製造システム１により製造された高圧水素ガスは、例えば、水素・酸素製造システム１に着脱自在に取り付けられる水素ガスタンク２（水素貯蔵部）に貯蔵可能となっている。水素・酸素製造システム１により製造された高圧酸素ガスは、例えば、水素・酸素製造システム１に着脱自在に取り付けられる酸素ガスタンク３（酸素貯蔵部）に貯蔵可能となっている。
＜水素・酸素製造システム１の構成＞
実施形態の水素・酸素製造システム１の構成について説明する。
図１は、実施形態に係る水素・酸素製造システムの構成を示す図である。
図１に示すように、水素・酸素製造システム１は、水電解装置１０と、水供給部３０（供給部）と、水素排出ライン４０と、酸素排出ライン５０と、燃料電池６０と、制御装置７０と、を主に備える。
水電解装置１０は、電解質膜（イオン交換膜）２１１と、電解質膜２１１を挟んで互いに隔離されたアノード２１２およびカソード２１３と、を有する。水電解装置１０は、水を電気分解（水電解）してアノード２１２に酸素ガスを発生させ、かつカソード２１３に水素ガスを発生させる。つまり、水電解装置１０は、いわゆる固体高分子型である。
水電解装置１０は、電解質膜２１１、アノード２１２およびカソード２１３を１組備えた単位セル２０を複数積層したセルユニットを備える。セルユニットにおける単位セル２０の積層方向一端には、ターミナルプレート１２ａ、絶縁プレート１３ａおよびエンドプレート１４ａが外方に向かって、順次配設されている。また、セルユニットにおける単位セル２０の積層方向他端には、ターミナルプレート１２ｂ、絶縁プレート１３ｂおよびエンドプレート１４ｂが外方に向かって、順次配設されている。
複数の単位セル２０は、エンドプレート１４ａ，１４ｂ間で一体的に締め付け保持される。ターミナルプレート１２ａ，１２ｂの側部には、端子部１５ａ，１５ｂが外方にそれぞれ突出して設けられる。端子部１５ａ，１５ｂには、電源１１が電気的に接続される。電源１１は、端子部１５ａ，１５ｂを介して水電解装置１０のアノード２１２およびカソード２１３に電流を流すことができる。
図２は、実施形態に係る水電解装置の単位セルの断面構造を模式的に示す図である。
図２に示すように、各単位セル２０は、例えば、円盤状の電解質膜・電極構造体２１（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、電解質膜・電極構造体２１を挟持する円盤状のアノード側セパレータ２２およびカソード側セパレータ２３と、を備える。電解質膜・電極構造体２１は、電解質膜２１１と、電解質膜２１１の両面に設けられるアノード２１２およびカソード２１３と、を有する。各単位セル２０では、電解質膜２１１や不図示のシール部材等によって、電解質膜２１１を挟むアノード２１２およびカソード２１３が互いに連通することがないようにシール（隔離）されている。
本実施形態では、電解質膜２１１は、例えばアニオン交換膜である。つまり、電解質膜２１１は、アニオン（例えば、水酸化物イオンＯＨ－）を選択的に移動させることが可能なアニオン伝導性を有している。この種の電解質膜２１１の一例としては、アニオン交換基（例えば、４級アンモニウム基やピリジニウム基等）を有する炭化水素系の固体高分子膜（例えば、ポリスチレンやその変性体等）がある。電解質膜はアニオン交換膜に限定される訳では無くプロトン交換膜を用いても良い。
アノード２１２は、電解質膜２１１の一方の面に形成されたアノード電極触媒層２１２ａおよびアノード側給電体２１２ｂを有する。カソード２１３は、電解質膜２１１の他方の面に形成されたカソード電極触媒層２１３ａおよびカソード側給電体２１３ｂを有する。
カソード側セパレータ２３は、カソード２１３に対向する。カソード側セパレータ２３は、カソード２１３との間に水流路２４を形成する。水流路２４は、カソード側セパレータ２３におけるカソード２１３に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。水流路２４には、液水が供給されるとともに、反応により生成された水素および余剰の液水が流通される。アノード側セパレータ２２は、アノード２１２に対向する。アノード側セパレータ２２は、アノード２１２との間に酸素流路２５を形成する。酸素流路２５は、アノード側セパレータ２２におけるアノード２１２に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。酸素流路２５には、反応により生成された酸素が流通される。
セルユニットには、水供給連通孔１６と、水素排出連通孔１７と、酸素排出連通孔１８と、が設けられる。水供給連通孔１６、水素排出連通孔１７および酸素排出連通孔１８のそれぞれは、単位セル２０を積層方向に貫通するように形成されている。水素排出連通孔１７は、各単位セル２０の水流路２４に連通している。酸素排出連通孔１８は、各単位セル２０の酸素流路２５に連通している。水供給連通孔１６は、各単位セル２０の水流路２４に連通しているとともに、水流路２４を介して水素排出連通孔１７に連通している。
図１および図２に示すように、水供給連通孔１６、水素排出連通孔１７および酸素排出連通孔１８は、エンドプレート１４ａまたはエンドプレート１４ｂに開口している。水供給連通孔１６には、水供給流路３１を介して水供給部３０から水が供給される。水供給連通孔１６に供給された水が水流路２４に流入することで、各単位セル２０のカソード２１３に水が供給される。電源１１によってアノード２１２およびカソード２１３へ電流を流し、カソード２１３に供給された水が水電解されると、各単位セル２０のカソード２１３で水素ガスが生成されるとともに、各単位セル２０のアノード２１２で酸素ガスおよび水が生成される。カソード２１３で生成された水素ガスは、未反応の水とともに水流路２４を介して水素排出連通孔１７から排出される。アノード２１２で生成された酸素ガスおよび水は、酸素流路２５を介して酸素排出連通孔１８から排出される。
図１に示すように、水供給部３０は、水供給流路３１を介して水供給連通孔１６に接続され、水電解装置１０に液水を供給する。水供給部３０は、何れも不図示ではあるが、純水生成部や循環ポンプ、イオン交換器等を備える。純水生成部は、例えば水道水等から純水を生成する。循環ポンプは、後述する水分除去部４１から送られた液水（未反応水）を、純水生成部で生成した純水とともに水電解装置１０に送る。イオン交換器は、水電解装置１０に供給される前の水（未反応水および純水）から不純物を除去する。なお、水供給部３０は、水電解装置１０に液水を供給することが可能であればよく、上記の構成を備えるものには限定されない。
水素排出ライン４０は、水電解装置１０から排出された水素ガスを水素ガスタンク２に導く。水素排出ライン４０は、水電解装置１０側から水素ガスタンク２側に向かって順に、水分除去部４１と、水素ガス昇圧部４２と、を備える。また、水素排出ライン４０は、水電解装置１０と水分除去部４１とを接続するカソード排出流路４３と、水分除去部４１と水素ガス昇圧部４２とを接続する第１水素ガス流路４４と、水素ガス昇圧部４２と水素ガスタンク２とを接続する第２水素ガス流路４５と、を備える。
カソード排出流路４３は、水電解装置１０の水素排出連通孔１７に接続されている。これにより、カソード排出流路４３には、水電解装置１０から排出された水素ガスが流通される。カソード排出流路４３は、水素ガスを水分除去部４１に導く。
水分除去部４１は、気液分離器からなる。水分除去部４１には、カソード排出流路４３を流通した水素ガスを含む流体を、気体成分と、液体成分と、に気液分離する。水分除去部４１は、分離された液体を排出する液体排出口４１１と、分離された気体を排出する気体排出口４１２と、を有する。液体排出口４１１は、循環流路４１３を介して水供給部３０に接続している。
第１水素ガス流路４４は、水分除去部４１の気体排出口４１２に接続されている。第１水素ガス流路４４は、水分除去部４１から排出された水素ガスを含む気体を水素ガス昇圧部４２に導く。第１水素ガス流路４４には、第１水素開閉弁４４１が設けられている。第１水素開閉弁４４１は、例えば電磁弁、電動弁または空気式弁であり、制御装置７０の制御に基づいて第１水素ガス流路４４を開閉する。
水素ガス昇圧部４２は、第１水素ガス流路４４を流通した水素ガスを昇圧する。水素ガス昇圧部４２は、電気化学的に水素ガスを圧縮することができる電気化学式水素昇圧装置（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）である。
図３は、実施形態に係る水素ガス昇圧部の断面構造を模式的に示す図である。
図３に示すように、水素ガス昇圧部４２は、昇圧部プロトン交換膜４２１と、昇圧部プロトン交換膜４２１を挟んで互いに隔離された昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３と、昇圧部プロトン交換膜４２１、昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３を挟持するアノード側セパレータ４２４およびカソード側セパレータ４２５と、昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３に電流を流す昇圧部電源４２６と、を有する。なお、水素ガス昇圧部４２は、昇圧部プロトン交換膜４２１、昇圧部アノード４２２、昇圧部カソード４２３、アノード側セパレータ４２４およびカソード側セパレータ４２５を１組有するセルが複数積層されたユニット構造を有していてもよい。
昇圧部プロトン交換膜４２１は、プロトンを選択的に移動させることが可能なプロトン伝導性を有する。昇圧部プロトン交換膜４２１の材料は、特に限定されるものではないが、その一例としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等のスルホン酸基を有するフッ素系高分子膜がある。この種の昇圧部プロトン交換膜４２１は、湿潤状態に維持されることで、そのプロトン伝導性を良好に発現させる。
昇圧部アノード４２２は、昇圧部プロトン交換膜４２１の一方の面に形成された昇圧部アノード電極触媒層４２２ａおよび昇圧部アノードガス拡散層４２２ｂを有する。昇圧部カソード４２３は、昇圧部プロトン交換膜４２１の他方の面に形成された昇圧部カソード電極触媒層４２３ａおよび昇圧部カソードガス拡散層４２３ｂを有する。
アノード側セパレータ４２４は、昇圧部アノード４２２に対向する。アノード側セパレータ４２４は、昇圧部アノード４２２との間に、常圧水素ガス流路４２７を形成する。常圧水素ガス流路４２７は、アノード側セパレータ４２４における昇圧部アノード４２２に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。カソード側セパレータ４２５は、昇圧部カソード４２３に対向する。カソード側セパレータ４２５は、昇圧部カソード４２３との間に、高圧水素ガス流路４２８を形成する。高圧水素ガス流路４２８は、カソード側セパレータ４２５における昇圧部カソード４２３に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。
常圧水素ガス流路４２７には、水分除去部４１から排出された水素ガスを含む気体が第１水素ガス流路４４を介して流入する。これにより、昇圧部アノード４２２に水素ガスを含む気体が供給される。昇圧部電源４２６によって昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３へ電流を流し、水素ガス昇圧部４２は、昇圧部アノード４２２に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスを昇圧部カソード４２３で生成する。昇圧部カソード４２３で生成された高圧水素ガスは、高圧水素ガス流路４２８を介して水素ガス昇圧部４２から排出される。
図１に示すように、第２水素ガス流路４５は、水素ガス昇圧部４２に接続され、昇圧部カソード４２３に連通している。第２水素ガス流路４５の下流端は、水素ガスタンク２に接続されている。第２水素ガス流路４５は、水素ガス昇圧部４２から排出された水素ガスを水素ガスタンク２に導く。
第２水素ガス流路４５には、水素ガス昇圧部４２側から水素ガスタンク２側に向かって、水素ガス除湿部４５１と、水素ガス排出規制部４５２と、水素パージ部４６と、第２水素開閉弁４５３と、第２水素逆止弁４５４と、がこの順に設けられている。
水素ガス除湿部４５１は、水素ガス昇圧部４２から排出された水素ガスを除湿する。すなわち、水素ガス除湿部４５１は、水素ガスから水蒸気を分離して、水素ガスを所望の乾燥状態にする。水素ガス除湿部４５１の一例としては、ペルチェ冷却器等の冷却機構（不図示）が挙げられる。この場合、水素ガス中で冷却機構を所望の乾燥状態に対応する露点温度以下に冷却して、水素ガスに含まれる水分（水蒸気）を分離する。この際、冷却機構の温度は、例えば水素・酸素製造システム１の周辺温度や水素ガスの圧力等に応じて、制御装置７０によって制御されてもよい。
また、水素ガス除湿部４５１の他の例としては、上記の冷却機構に代えて、または上記の冷却機構とともに設けられ、ゼオライト系、活性炭系、シリカゲル系等の水分吸着剤（塗工して用いることが可能なペースト状の水分ゲッター剤等を含む）を利用するものであってもよい。この場合、水素ガス除湿部４５１は、温度変動吸着方法（ＴＳＡ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）や、圧力変動吸着方法（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）等によって、水分吸着剤を再生可能とする構成を備えてもよいし、水分吸着剤を交換可能とする構成を備えてもよい。なお、水素ガス除湿部４５１は、水素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は上記したものには限定されない。
水素ガス排出規制部４５２は、水素ガス排出規制部４５２を通過する水素ガスを規制することで、第２水素ガス流路４５の水素ガスの圧力を調整する。例えば、水素ガス排出規制部４５２は、水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３における水素ガスの生成量よりも、水素ガス排出規制部４５２における水素ガスの通過量を少なくする。これにより、水素ガス排出規制部４５２は、第２水素ガス流路４５の水素ガスの圧力を上昇させて、高圧水素ガスとすることができる。
例えば、水素ガス排出規制部４５２は、一次側（上流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。ただし水素ガス排出規制部４５２は、背圧弁に限定されず、例えば制御装置７０によって開閉制御されることで第２水素ガス流路４５の圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。
水素ガス排出規制部４５２は、第２水素ガス流路４５の水素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整して高圧水素ガスとする。なお、水素ガス排出規制部４５２は、例えば、水素ガスタンク２への水素ガスの供給を容易にする観点から、高圧水素ガスの圧力を少なくとも８ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、例えば、燃料電池自動車用の水素ガスタンク等に水素ガスを供給する場合には、水素ガス排出規制部４５２は、高圧水素ガスの圧力を７０ＭＰａ以上とすることが好ましい。
水素パージ部４６は、水素ガス排出規制部４５２と第２水素開閉弁４５３との間の流路から分岐している。水素パージ部４６は、第２水素ガス流路４５の分岐部４５５から延びる水素パージ流路４６１を備える。水素パージ流路４６１は、例えば、水素・酸素製造システム１の停止時等に、水素・酸素製造システム１内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能とするべく設けられている。水素パージ流路４６１は、分岐部４５５から流入した水素ガスを、水素・酸素製造システム１の外部に導く。本実施形態では、水素パージ流路４６１の下流端は、燃料電池６０に接続されている。水素パージ流路４６１には、第２水素ガス流路４５の分岐部４５５側から下流側に向かって、水素パージ開閉弁４６２と、水素パージ逆止弁４６３と、がこの順に設けられている。
水素パージ開閉弁４６２は、例えば電磁弁、電動弁または空気式弁であり、制御装置７０の制御に基づいて水素パージ流路４６１を開閉する。水素パージ開閉弁４６２が閉状態にあるとき、分岐部４５５から水素パージ流路４６１への水素ガスの流入が規制される。水素パージ開閉弁４６２が開状態にあるとき、分岐部４５５から水素パージ流路４６１に水素ガスが流入し、水素ガスが水素・酸素製造システム１の外部へ排出される。本実施形態では、水素パージ開閉弁４６２が開状態にあるとき、水素ガスが燃料電池６０に送られる。水素パージ逆止弁４６３は、水素・酸素製造システム１の外部から水素パージ流路４６１の上流側（分岐部４５５側）に向かってガスが逆流することを規制する。
第２水素開閉弁４５３は、例えば電磁弁、電動弁または空気式弁であり、制御装置７０の制御に基づいて第２水素ガス流路４５を開閉する。第２水素開閉弁４５３を開状態とすることで、第２水素ガス流路４５から水素ガスタンク２への水素ガスの供給が可能となる。
第２水素逆止弁４５４は、水素ガスタンク２側から第２水素ガス流路４５の上流側（第２水素開閉弁４５３側）に向かって水素ガスが逆流することを規制する。
水素排出ライン４０には、第１圧力センサ４７、第２圧力センサ４８および第１流量計４９が設けられている。第１圧力センサ４７は、水電解装置１０のカソード２１３の圧力、および水素ガス昇圧部４２の昇圧部アノード４２２の圧力のうち少なくともいずれか一方を測定する。第１圧力センサ４７は、水素ガス昇圧部４２の昇圧部アノード４２２の上流側、かつ水電解装置１０のカソード２１３の下流側に設けられている。図示の例では、第１圧力センサ４７は、水分除去部４１と水素ガス昇圧部４２との間に設けられている。より厳密に、第１圧力センサ４７は、水分除去部４１の気体排出口４１２と第１水素開閉弁４４１との間に設けられている。第２圧力センサ４８は、水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の圧力を測定する。第２圧力センサ４８は、水素ガス昇圧部４２の下流側、かつ水素ガス排出規制部４５２の上流側に設けられている。図示の例では、第２圧力センサ４８は、昇圧部カソード４２３と水素ガス除湿部４５１との間に設けられている。第１流量計４９は、第２水素ガス流路４５を流通するガスの流量を測定する。第１流量計４９は、例えばマスフローセンサである。第１流量計４９は、水素ガス除湿部４５１の下流側、かつ水素ガス排出規制部４５２の上流側に設けられている。これにより、第１流量計４９は、水素ガス昇圧部４２から排出された高圧ガスから水蒸気が除去された高圧水素ガスの流量を測定できる。圧力センサ４７，４８および第１流量計４９の計測値は、制御装置７０によって監視される。
酸素排出ライン５０は、水電解装置１０から排出された酸素ガスを酸素ガスタンク３に導く。酸素排出ライン５０は、水電解装置１０と酸素ガスタンク３とを接続するアノード排出流路５１を備える。アノード排出流路５１は、水電解装置１０の酸素排出連通孔１８に接続されている。これにより、アノード排出流路５１には、酸素ガスおよび水が流通される。アノード排出流路５１には、水電解装置１０側から酸素ガスタンク３側に向かって、酸素ガス除湿部５２と、酸素ガス排出規制部５３と、酸素パージ部５４と、酸素開閉弁５５と、酸素逆止弁５６と、がこの順に設けられている。
酸素ガス除湿部５２は、水電解装置１０のアノード２１２から排出された酸素ガスを除湿する。酸素ガス除湿部５２は、例えば、上記した水素ガス除湿部４５１と同様に構成することができる。しかしながら、酸素ガス除湿部５２は、酸素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。
酸素ガス排出規制部５３は、酸素ガス排出規制部５３を通過する酸素ガスを規制することで、水電解装置１０からの酸素ガスの排出を規制する。例えば、酸素ガス排出規制部５３は、水電解装置１０のアノード２１２における酸素ガスの生成量よりも、酸素ガス排出規制部５３における酸素ガスの通過量を少なくする。これにより、アノード２１２の酸素ガスの圧力を上昇させてカソード２１３の水素ガスの圧力よりも高圧とし、水電解装置１０のアノード２１２とカソード２１３との間に差圧を設ける。また、アノード排出流路５１の酸素ガスの圧力を上昇させて、高圧酸素ガスとする。
例えば、酸素ガス排出規制部５３は、一次側（上流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。ただし酸素ガス排出規制部５３は、背圧弁に限定されず、例えば制御装置７０によって開閉制御されることで、アノード２１２および高圧酸素ガスの圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。
酸素ガス排出規制部５３は、アノード２１２の酸素ガスの圧力がカソード２１３の水素ガスの圧力よりも高圧となるように、アノード２１２の酸素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整する。つまり、水素・酸素製造システム１の運転時においては、カソード２１３の水素ガスの圧力は、１ＭＰａ未満に維持される。
酸素パージ部５４は、酸素ガス排出規制部５３と酸素開閉弁５５との間の流路から分岐している。酸素パージ部５４は、アノード排出流路５１の分岐部５７から延びる酸素パージ流路５４１を備える。酸素パージ流路５４１は、例えば、水素・酸素製造システム１の停止時等に、水素・酸素製造システム１内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能とするべく設けられている。酸素パージ流路５４１は、分岐部５７から流入した酸素ガスを、水素・酸素製造システム１の外部に導く。本実施形態では、酸素パージ流路５４１の下流端は、燃料電池６０に接続されている。酸素パージ流路５４１には、アノード排出流路５１の分岐部５７側から下流側に向かって、酸素パージ開閉弁５４２と、酸素パージ逆止弁５４３と、がこの順に設けられている。
酸素パージ開閉弁５４２は、例えば電磁弁、電動弁または空気式弁であり、制御装置７０の制御に基づいて酸素パージ流路５４１を開閉する。酸素パージ開閉弁５４２が閉状態にあるとき、分岐部５７から酸素パージ流路５４１への酸素ガスの流入が規制される。酸素パージ開閉弁５４２が開状態にあるとき、分岐部５７から酸素パージ流路５４１に酸素ガスが流入し、酸素ガスが水素・酸素製造システム１の外部へ排出される。本実施形態では、酸素パージ開閉弁５４２が開状態にあるとき、酸素ガスが燃料電池６０に送られる。酸素パージ逆止弁５４３は、水素・酸素製造システム１の外部から酸素パージ流路５４１の上流側（分岐部５７側）に向かってガスが逆流することを規制する。
酸素開閉弁５５は、例えば電磁弁、電動弁または空気式弁であり、制御装置７０の制御に基づいてアノード排出流路５１を開閉する。酸素開閉弁５５を開状態とすることで、アノード排出流路５１から酸素ガスタンク３への酸素ガスの供給が可能となる。
酸素逆止弁５６は、酸素ガスタンク３側からアノード排出流路５１の上流側（酸素開閉弁５５側）に向かって酸素ガスが逆流することを規制する。
酸素排出ライン５０には、第３圧力センサ５８および第２流量計５９が設けられている。第３圧力センサ５８は、水電解装置１０のアノード２１２の圧力を測定する。第３圧力センサ５８は、酸素ガス排出規制部５３の上流側、かつ水電解装置１０のアノード２１２の下流側に設けられている。図示の例では、第３圧力センサ５８は、水電解装置１０のアノード２１２と酸素ガス除湿部５２との間に設けられている。第２流量計５９は、アノード排出流路５１を流通するガスの流量を測定する。第２流量計５９は、例えばマスフローセンサである。第２流量計５９は、酸素ガス除湿部５２の下流側、かつ酸素ガス排出規制部５３の上流側に設けられている。これにより、第２流量計５９は、水電解装置１０から排出されたガスから水蒸気が除去された酸素ガスの流量を測定できる。第３圧力センサ５８および第２流量計５９の計測値は、制御装置７０によって監視される。
燃料電池６０は、水素パージ部４６および酸素パージ部５４それぞれに加湿器を介して接続されている。ただし当該のシステム系においては、水素ガス除湿部４５１および酸素ガス除湿部５２の除湿条件を変える事で加湿ガスを流す事もできる。即ち燃料電池６０への流入前の加湿器を介さずとも成立させる事ができる為、加湿器は図示していない。燃料電池６０は、例えば、固体高分子型燃料電池である。例えば、固体高分子型燃料電池は、積層された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの積層体を挟み込む一対のエンドプレートと、を備える。燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータと、を備える。電解質電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極および酸素極とを備える。固体高分子電解質膜は、陽イオン交換膜等を備える。燃料極（アノード）は、アノード触媒およびガス拡散層等を備える。酸素極（カソード）は、カソード触媒およびガス拡散層等を備える。燃料電池６０は、水素パージ部４６からアノードに供給される水素ガスと、酸素パージ部５４からカソードに供給される酸素ガスと、を消費して発電する。
制御装置７０は、水素・酸素製造システム１の動作を統合的に制御する。制御装置７０は、水電解装置１０に流す電流、および水素ガス昇圧部４２に流す電流を監視して制御する。制御装置７０は、水素排出ライン４０の各所に設けられた流量計の計測値を監視する。制御装置７０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）およ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７０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。
＜水素・酸素製造システム１の動作＞
実施形態の水素・酸素製造システム１の動作について説明する。
水素・酸素製造システム１の運転時には、水供給部３０から水電解装置１０に液水が常時供給される。水電解装置１０に供給された液水は、水電解装置１０の水流路２４を流通する。これにより、水電解装置１０のカソード２１３に液水が供給される。水電解装置１０の水流路２４を流通した液水は、水素排出連通孔１７から排出され、カソード排出流路４３において気液分離された後、循環流路４１３を通じて水供給部３０に還流する。
水電解装置１０において、アノード２１２およびカソード２１３に電流を流すことで、カソード２１３で水流路２４内の液水が水電解される。これにより、カソード２１３で水素ガスおよび水酸化物イオンＯＨ－が生成されるとともに、水酸化物イオンＯＨ－が電解質膜２１１を伝導してアノード２１２に到達することで、アノード２１２で酸素ガスおよび水が生成される。
カソード２１３で生成された水素ガスは、水電解装置１０で水電解されなかった余剰の水（未反応水）とともに、水流路２４を介して水素排出連通孔１７に排出される。すなわち、水素排出連通孔１７に排出される排出流体は、水素ガス、液体の未反応水（液水）および気体の未反応水（水蒸気）を含む。アノード２１２で生成された酸素ガスおよび水は、酸素流路２５を介して酸素排出連通孔１８に排出される。
カソード２１３で生成された水素ガスは、未反応水とともに水素排出連通孔１７からカソード排出流路４３に排出され、水分除去部４１に送られる。水素ガスおよび未反応水は、水分除去部４１において気液分離される。未反応水のうち液水は、液体排出口４１１から排出されて水供給部３０に還流される。水素ガスおよび未反応水の水蒸気は、第１水素ガス流路４４に排出される。
第１水素ガス流路４４に排出された水素ガスおよび水蒸気は、第１水素開閉弁４４１を通過して水素ガス昇圧部４２に導入される。水素ガス昇圧部４２に導入された水素ガスおよび水蒸気は、昇圧部アノード４２２に供給される。昇圧部アノード４２２の圧力は、水素ガス昇圧部４２と水電解装置１０との間に逆止弁や背圧弁、減圧弁等が設け有れていないので、水電解装置１０のカソード２１３と略同圧となっている。昇圧部プロトン交換膜４２１は、昇圧部アノード４２２に供給された水蒸気を利用して湿潤状態を維持する。
昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３に電流を流すことで、昇圧部アノード４２２では水素ガスをイオン化してプロトンを生成する。生成されたプロトンは、昇圧部プロトン交換膜４２１を伝導して昇圧部カソード４２３に到達することで水素ガスに戻る。このようにして水素ガス昇圧部４２は、昇圧部アノード４２２から昇圧部カソード４２３に向かってプロトンを移動させることで、昇圧部カソード４２３に圧縮水素ガスを生成する。このため、水素ガス昇圧部４２は、昇圧部アノード４２２に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスを昇圧部カソード４２３から排出できる。
昇圧部カソード４２３から排出された水素ガスは、第２水素ガス流路４５を流通する。第２水素ガス流路４５を流通する水素ガスは、水素ガス除湿部４５１に導入されて所望の乾燥状態に除湿された後、水素ガス排出規制部４５２で設定圧力に調整される。設定圧力に調整された水素ガスは、水素パージ部４６を通過して水素ガスタンク２または水素パージ部４６に導かれる。水素パージ部４６に導かれた水素ガスは、水素パージ開閉弁４６２が開状態となることで燃料電池６０に供給される。
アノード２１２で生成された酸素ガスは、同時に生成された水とともに酸素排出連通孔１８から排出されてアノード排出流路５１を流通する。アノード排出流路５１を流通する酸素ガスおよび水は、酸素ガス除湿部５２を通過することで除湿される。すなわち、酸素ガス除湿部５２は、所望の乾燥状態に除湿された酸素ガスを排出する。酸素ガス除湿部５２から排出された酸素ガスは、酸素ガス排出規制部５３で設定圧力に調整される。設定圧力に調整された酸素ガスは、酸素パージ部５４を通過して酸素ガスタンク３または酸素パージ部５４に導かれる。酸素パージ部５４に導かれた酸素ガスは、酸素パージ開閉弁５４２が開状態となることで燃料電池６０に供給される。燃料電池６０は、供給された水素ガスを燃料ガスとし、供給された酸素ガスを酸化剤ガスとして発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池６０は、酸素タンク３や水素タンク２からのガス供給により発電しても良い。例えば、燃料電池６０が発電した電力は、図示しない蓄電装置に蓄電される。
＜水素・酸素製造システム１の制御方法＞
実施形態の水素・酸素製造システム１の制御方法について説明する。
最初に、水素・酸素製造システム１において水素ガスおよび酸素ガスを製造して水素ガスタンク２および酸素ガスタンク３に貯留する際の制御方法について説明する。なお、水素・酸素製造システム１の各部の制御は、制御装置７０によって行われる。
水素・酸素製造システム１の運転時には、水供給部３０は、水電解装置１０に液水を常時供給する。なお、水供給部３０から水電解装置１０への液水の供給量は、水素・酸素製造システム１の各部の運転状況に応じて適宜制御されてもよい（供給量ゼロを含む）。
水素・酸素製造システム１の始動時、水電解装置１０の電源１１は、水電解装置１０が水素ガスおよび酸素ガスを発生可能な状態になるまで、アノード２１２およびカソード２１３間に電解電圧の近傍の待機電圧を付与する。そして、電源１１は、水電解装置１０が水素ガスおよび酸素ガスを発生可能な状態となると、アノード２１２およびカソード２１３間に付与する電圧を大きくして電解電圧とすることで、アノード２１２およびカソード２１３に電流を流して水電解を開始する。これにより、水電解装置１０は、カソード２１３で水素ガスを発生させるとともに、アノード２１２で酸素ガスを発生させる。
水素ガスの貯留に係る制御方法について説明する。
水素・酸素製造システム１の運転時、第１水素開閉弁４４１は開状態となる。これにより、カソード２１３で発生した水素ガスが水素ガス昇圧部４２に供給される。水素ガス昇圧部４２は、昇圧部アノード４２２への水素ガスの供給が確認された場合に、昇圧部電源４２６によって昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３へ運転電流を流す事を開始する。例えば、制御装置７０は、第１圧力センサ４７の計測値に基づいて昇圧部アノード４２２への水素ガスの供給を判定する。運転電流は、昇圧部カソード４２３に圧縮水素ガスを生成可能となる大きさの電流である。これにより、水素ガス昇圧部４２は、水素ガスを昇圧する。
水素・酸素製造システム１の運転時、水素ガスが水素ガス昇圧部４２で昇圧されるまでは、水素ガスの圧力を１ＭＰａ未満（例えば、０．０１～０．９ＭＰａ）に維持するように水電解装置１０における水素ガスの生成量、および水素ガス昇圧部４２における水素ガスの吸入量を制御する。つまり、カソード２１３、カソード排出流路４３、および第１水素ガス流路４４の水素ガスの圧力は、１ＭＰａ未満に維持される。
水素ガス排出規制部４５２は、第２水素ガス流路４５の水素ガスの圧力を調整する。例えば、水素ガス排出規制部４５２は、昇圧部カソード４２３における水素ガスの生成量に対する、水素ガス排出規制部４５２における水素ガスの通過量を調整することで、第２水素ガス流路４５の水素ガスの圧力を調整する。本実施形態では、水素ガス排出規制部４５２は背圧弁である。この場合、水素ガス排出規制部４５２は、一次側の水素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、一次側の水素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、水素ガス排出規制部４５２の二次側に設定圧力まで昇圧させた高圧水素ガスを供給することが可能になる。
水素・酸素製造システム１の運転時において、水素パージ開閉弁４６２は閉状態となるように制御され、第２水素開閉弁４５３は開状態となるように制御される。水素ガス排出規制部４５２において設定圧力に調整された高圧水素ガスは、第２水素開閉弁４５３および第２水素逆止弁４５４を通過して水素ガスタンク２に充填される。この際、水素ガスは、第２水素逆止弁４５４により、水素ガスタンク２側から第２水素開閉弁４５３側への逆流を規制されている。
上記のように、水素・酸素製造システム１は、水電解装置１０のカソード２１３で生成した水素ガスを水素ガス昇圧部４２で昇圧して高圧水素ガスを製造し、この高圧水素ガスを水素ガスタンク２に充填することができる。
酸素ガスの貯留に係る制御方法について説明する。
酸素ガス排出規制部５３は、アノード排出流路５１の酸素ガスの圧力を調整する。例えば、酸素ガス排出規制部５３は、アノード２１２における酸素ガスの生成量に対する、酸素ガス排出規制部５３における酸素ガスの通過量を調整することで、アノード２１２の酸素ガスの圧力を調整する。酸素ガス排出規制部５３は、アノード２１２の酸素ガスの圧力を１ＭＰａ以上となるように上昇させる。これにより、水電解装置１０におけるアノード２１２の酸素ガスの圧力は、カソード２１３の水素ガスの圧力よりも高圧に維持される。
本実施形態では、酸素ガス排出規制部５３は背圧弁である。この場合、酸素ガス排出規制部５３は、一次側の酸素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、一次側の酸素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、アノード２１２をカソード２１３よりも高圧の設定圧力に維持するとともに、酸素ガス排出規制部５３の二次側に設定圧力まで昇圧させた高圧酸素ガスを供給することが可能になる。
水素・酸素製造システム１の運転時において、酸素パージ開閉弁５４２は閉状態となるように制御され、酸素開閉弁５５は開状態となるように制御される。酸素ガス排出規制部５３において設定圧力に調整された高圧酸素ガスは、酸素開閉弁５５および酸素逆止弁５６を通過して酸素ガスタンク３に充填される。この際、酸素逆止弁５６により、酸素ガスタンク側から酸素開閉弁５５側に酸素ガスが逆流することが防止されている。
上記のように、水素・酸素製造システム１は、水電解装置１０のアノード２１２で生成した酸素ガスを昇圧して水素・酸素製造システム１に差圧を発生させるとともに、高圧酸素ガスを製造し、この高圧酸素ガスを酸素ガスタンク３に充填することができる。
次に、水素・酸素製造システム１を停止する際の制御方法について説明する。なお、水素・酸素製造システム１の各部の制御は、制御装置７０によって行われる。
水素・酸素製造システム１の停止時には、制御装置７０は圧力センサ４７，４８，５８の計測値を監視し、水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、水電解装置１０のアノード２１２の減圧速度が水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う。これにより、アノード２１２における圧力が昇圧部カソード４２３における圧力よりも高圧の状態が維持される。また、カソード２１３における圧力は、昇圧部カソード４２３における圧力よりも低圧なので、アノード２１２における圧力がカソード２１３における圧力よりも高圧の状態が維持される。基本減圧速度は、減圧時に部材への溶存ガスが急激に膨張することによる破壊を回避するための減圧速度であって、予め定められた所定値であってもよいし、水素・酸素製造システム１の外部環境（気温等）により変化してもよい。
第１の減圧処理では、制御装置７０は、水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３が基本減圧速度を超えないように、水素排出ライン４０の水素ガス排出規制部４５２による圧力調整を行うとともに、昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３に第１減圧用電流を流す。制御装置７０は、水素ガス排出規制部４５２の圧力調整により昇圧部カソード４２３の減圧を図る。制御装置７０は、第１減圧用電流として、水素ガス昇圧部４２におけるクロスオーバーを抑制可能な電流を昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３に流すように昇圧部電源４２６を制御する。すなわち、第１減圧用電流は、水素ガス昇圧部４２で膜ポンプ効果を得られる電流である。第１減圧用電流は、水素・酸素製造システム１の外部環境（気温等）により変化してもよい。水素ガス昇圧部４２におけるクロスオーバーを抑制することで、第１水素ガス流路４４において第１水素開閉弁４４１は開状態であり、かつ水素ガス昇圧部４２と水電解装置１０との間に逆止弁が設けられていないが、水素ガス昇圧部４２から水電解装置１０側に向かって水素ガスが逆流することが防止される。水素ガス昇圧部４２におけるクロスオーバーを抑制可能な電流は、昇圧部カソード４２３の減圧が進行するに従い小さくなる。すなわち、第１の減圧処理では、電源１１の出力電圧を徐々に降圧して、昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３に流れる電流を小さくする。
このように第１の減圧処理を行うことで、急激な減圧に伴う昇圧部プロトン交換膜４２１中の水分気化やシール材に浸透したガス膨張による膜破損を抑制できる。また、クロスオーバーに伴う高圧水素ガスの第１水素ガス流路４４への逆流を抑制できるので、水電解装置１０のカソード２１３の圧力が上昇することを抑制できる。
第２の減圧処理では、制御装置７０は、水電解装置１０のアノード２１２の減圧速度が水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の減圧速度を超えないように、酸素排出ライン５０の酸素ガス排出規制部５３による圧力調整を行うとともに、アノード２１２およびカソード２１３に第２減圧用電流を流す。制御装置７０は、酸素ガス排出規制部５３の圧力調整によりアノード２１２の減圧を図る。制御装置７０は、第２減圧用電流として、水素ガス昇圧部４２の昇圧部アノード４２２において消費した水素ガスをカソード２１３で生成できる程度の電流をアノード２１２およびカソード２１３に流すように電源１１を制御する。具体的に、制御装置７０は、第１減圧用電流を流す事に伴い昇圧部アノード４２２にて反応に用いられる水素の単位時間あたりの消費量を検出し、検出した消費量に応じて決まる第２減圧用電流を流すように電源１１を制御する。
例えば、制御装置７０は、昇圧部アノード４２２における水素の消費量と等価である、水素ガス昇圧部４２から排出された水素ガスの流量に基づいて、水素の単位時間あたりの消費量を検出する。この場合、制御装置７０は、水素排出ライン４０に設けられた第１流量計４９の計測値に基づいて、水素の消費量を検出する。制御装置７０は、検出した水素の消費量に対して設定し得る第２減圧用電流の対応関係を定義したマップ情報をメモリ等の記憶部に予め記憶している。電源１１は、制御装置７０が記憶したマップ情報に基づき、アノード２１２およびカソード２１３に第２減圧用電流を流す。第１減圧用電流は第１の減圧処理が進行するに従い小さくなるので、昇圧部アノード４２２における水素の消費量も徐々に小さくなることから、第２減圧用電流も第２の減圧処理が進行するに従い小さくなる。すなわち、第２の減圧処理では、電源１１の出力電圧を徐々に降圧して、アノード２１２およびカソード２１３に流れる電流を小さくする。なお、第２減圧用電流は、酸素ガス排出規制部５３の圧力調整によって過剰に減圧された酸素ガスを補填できる程度の電流を含んでいてもよい。
このように第２の減圧処理を行うことで、水電解装置１０で生成した水素ガスを水素ガス昇圧部４２に供給してカソード２１３を常圧に維持し、水素ガス昇圧部４２の運転を維持できる。これにより、上述した第１の減圧処理を実行することが可能となる。
ここで、第１の減圧処理を開始する前または後に、第２水素開閉弁４５３を閉状態とするとともに水素パージ開閉弁４６２を開状態とする。これにより、水素ガスタンク２への水素の貯蔵を停止するとともに、水素ガス昇圧部４２への第１減圧用電流を流す事によって生成された水素を燃料電池６０に供給する。
また、第２の減圧処理を開始する前または後に、酸素開閉弁５５を閉状態とするとともに酸素パージ開閉弁５４２を開状態とする。これにより、酸素ガスタンク３への酸素の貯蔵を停止するとともに、水電解装置１０への第２減圧用電流を流す事によって生成された酸素ガスを燃料電池６０に供給する。この際、制御装置７０は、燃料電池６０への水素ガスの供給圧力が燃料電池６０への酸素ガスの供給圧力よりも高い状態を維持するように、水素パージ開閉弁４６２および酸素パージ開閉弁５４２の開度の調整、並びに水素ガス排出規制部４５２および酸素ガス排出規制部５３による圧力調整のうち少なくともいずれか１つを行う。
制御装置７０は、第１減圧用電流および第２減圧用電流を流す時間に基づいて燃料電池６０の運転時間を決定する。例えば、制御装置７０は、発電された電力の電力変換を、決定した運転時間行うように燃料電池６０を制御する。燃料電池６０は、変換された電力を蓄電装置に出力する。
水電解装置１０においてクロスオーバーが生じる懸念がない程度まで昇圧部カソード４２３およびアノード２１２が減圧された場合、水電解装置１０へ電流を流す事および水素ガス昇圧部４２へ電流を流す事を停止する。水電解装置１０への電流を流す事が停止されると、水供給部３０による水電解装置１０への水の供給を停止する。そして、燃料電池６０の出力が上記運転時間行われると、燃料電池６０の作動を停止する。これにより、水素・酸素製造システム１が停止状態とされる。
以上に説明したように、本実施形態の水素・酸素製造システム１では、システムの停止時に、水素ガス昇圧部４２の昇圧部アノード４２２の減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、水電解装置１０のアノード２１２の減圧速度が水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う。この方法によれば、第１の減圧処理によって水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３が急激に減圧することを抑制できるので、水素ガス昇圧部４２の昇圧部プロトン交換膜４２１が破損することを抑制できる。
また、第２の減圧処理によってアノード２１２の圧力が昇圧部カソード４２３の圧力よりも高い状態を維持できる。ところで、水電解装置１０におけるクロスオーバーを抑制する観点で、水電解装置１０においてアノード２１２をカソード２１３よりも高圧に維持する必要がある。カソード２１３は昇圧部アノード４２２に連通しており、昇圧部アノード４２２の圧力は昇圧部カソード４２３の圧力以下なので、第１の減圧処理によって昇圧部カソード４２３の減圧速度が制御されることで、昇圧部カソード４２３がアノード２１２よりも高圧になり得るところ、第２の減圧処理によってアノード２１２を昇圧部カソード４２３よりも高圧に維持することで、アノード２１２がカソード２１３よりも高圧の状態とすることができる。よって、水電解装置１０におけるクロスオーバーを一方向に制御する事ができ、ガス混合による部材の劣化を回避できる。
したがって、本実施形態の水素・酸素製造システム１、およびその制御方法によれば、システムの停止時に水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２を適切に減圧できる。
本実施形態では、水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２に電流を流しながら、第１の減圧処理および第２の減圧処理を行っている。ここで、水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２に電流を流す事の作用について図４を用いて説明する。
図４は、水電解装置および水素ガス昇圧部における圧力変化を示すグラフである。図４において、横軸は経過時間を示し、左側の第１縦軸は圧力を示し、右側の第２縦軸は電流を示している。図４において、ＷＥＬ圧力は水電解装置１０のアノード２１２の圧力を示し、ＥＨＣ圧力は水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の圧力を示している。また、ＷＥＬ減圧用電流は水電解装置１０に流す電流を示し、ＥＨＣ減圧用電流は水素ガス昇圧部４２に流す電流を示している。なお図４に示す例では、時刻ｔにおいて電流を遮断または減少させ始めて減圧を開始している。
図４に示すように、水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２に電流を流さない場合、昇圧部カソード４２３の減圧速度はアノード２１２の減圧速度よりも大きいので、アノード２１２が昇圧部カソード４２３よりも高圧の状態を維持できる。また、水素ガス昇圧部４２に電流を流すことで昇圧部カソード４２３の減圧速度が低下し、水電解装置１０に電流を流すことでアノード２１２の減圧速度が低下する。このため、図４における「ＥＨＣ圧力（減圧用電流あり）」および「ＷＥＬ圧力（減圧用電流なし）」を比較すると、水素ガス昇圧部４２に電流を流し、水電解装置１０に電流を流さない場合には、昇圧部カソード４２３の減圧速度がアノード２１２の減圧速度を下回り、昇圧部カソード４２３がアノード２１２よりも高圧となり得る。そこで、水素ガス昇圧部４２に電流を流す場合には、水電解装置１０にも適切な電流を流すことで、アノード２１２を昇圧部カソード４２３よりも高圧に維持することができる。
また、水素・酸素製造システム１の停止時には、水素ガス昇圧部４２の昇圧部カソード４２３の減圧速度が基本減圧速度を超えないように、水素ガス昇圧部４２に第１減圧用電流を流す。さらに、第１減圧用電流を流す事に伴い水素ガス昇圧部４２にて反応に用いられる水素の単位時間あたりの量に応じて水電解装置１０に第２減圧用電流を流しながら水電解装置１０のアノード２１２を減圧する。この方法によれば、第１減圧用電流を流す事に伴って水素ガスが消費された水素ガス昇圧部４２に、第２減圧用電流を流す事によって水素ガスを新たに生成して補充することができる。よって、水素ガス昇圧部４２で水素が不足することを抑制し、第１減圧用電流を流す事によって昇圧部カソード４２３で水素を昇圧できる。したがって、第１の減圧処理を行うことができる。
水素・酸素製造システム１の停止時には、酸素ガスタンク３への酸素の貯蔵、および水素ガスタンク２への水素の貯蔵を停止するとともに、第１減圧用電流および第２減圧用電流を流す事により生成された酸素および水素を燃料電池６０に供給させる。これにより、生成された酸素および水素を大気に放出する場合と比較して、システム全体のエネルギー収支を向上させることができる。
さらに、制御装置７０は、第１減圧用電流および第２減圧用電流を流す時間に基づいて燃料電池６０の運転時間を決定する。これにより、第１減圧用電流および第２減圧用電流を流す事により生成された酸素および水素を使い切ることが可能となる。したがって、システム全体のエネルギー収支をより一層向上させることができる。
なお、上記実施形態では、第２減圧用電流は、第１減圧用電流を流す事に伴い昇圧部アノード４２２で消費される水素の単位時間あたりの量に対応付けられている。しかし、第２減圧用電流は、第１減圧用電流に対応付けられ、検出した第１減圧用電流に応じて変化してもよい。この場合、制御装置７０は、検出した第１減圧用電流に対して設定し得る第２減圧用電流の対応関係を定義したマップ情報をメモリ等の記憶部に予め記憶している。この方法によれば、昇圧部アノード４２２にて反応に用いられる水素の単位時間あたりの消費量は、水素ガス昇圧部４２に流す第１減圧用電流によって決まるので、水素ガスが消費された水素ガス昇圧部４２に、第２減圧用電流を流す事によって水素ガスを新たに生成して補充することができる。よって、水素ガス昇圧部４２で水素が不足することを抑制し、第１減圧用電流を流す事によって昇圧部カソード４２３で水素を昇圧できる。したがって、第１の減圧処理を行うことができる。
また、第２減圧用電流は、第１減圧用電流に加えて、さらに昇圧部アノード４２２および昇圧部カソード４２３間の圧力差に対応付けられていてもよい。これにより、圧力差に応じた昇圧部プロトン交換膜４２１における水素のクロスオーバーの量を加味して、第２減圧用電流を流す事によって水素ガスを新たに生成して水素ガス昇圧部４２に補充することができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、制御装置７０が水素・酸素製造システム１の全体を統合的に制御しているが、制御装置７０の機能の一部が水素・酸素製造システム１の各部の制御部によって実現されてもよい。
また、上記実施形態では、水素・酸素製造システム１は、生成した酸素および水素の両方をガスタンクに貯蔵可能に形成されているが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。本発明は、生成した酸素および水素のうち少なくとも水素の供給を目的とした水素・酸素製造システムに適用できる。ただし、燃料電池において酸素分圧や酸素濃度が低い場所等で良好な発電反応を得るために、水電解装置で発生した高純度の酸素を燃料電池に供給することが望ましい。そのためには、水素・酸素製造システムにおいて、水電解装置で発生する水素ガスおよび酸素ガスの両方を回収することが好ましい。
また、上記実施形態では、燃料電池６０の発電電力を蓄電装置に蓄電しているが、発電電力を第１減圧用電流および第２減圧用電流の少なくともいずれか一方に転用してもよい。すなわち、燃料電池６０の発電電力を、水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２の少なくともいずれか一方に使用してもよい。これらにより、水素・酸素製造システム１の停止時の消費電力を削減することができる。なお、蓄電装置に蓄電された電力を、水電解装置１０および水素ガス昇圧部４２の少なくともいずれか一方に使用する場合も同様である。
また、上記実施形態では、減圧処理に伴って生成された酸素ガスおよび水素ガスの両方を燃料電池６０に供給しているが、これに限定されない。例えば生成された水素ガスのみを燃料電池に供給し、大気を燃料電池の酸化剤ガスとして使用してもよい。
また、上記実施形態では、第２の減圧処理において制御装置７０は、第１流量計４９を用い、水素ガス昇圧部４２から排出された水素ガスの流量に基づいて水素ガス昇圧部４２の昇圧部アノード４２２における水素の消費量を検出している。しかしながら、昇圧部アノード４２２における水素の消費量の検出方法はこれに限定されない。例えば、水素ガス昇圧部４２の下流側における水素ガスの圧力の増加率に基づいて、昇圧部アノード４２２における水素の消費量を検出してもよい。この場合、水素ガス排出規制部４５２等の開度の時間変化率に基づき、水素ガス昇圧部４２から排出された水素ガスの流量を換算できる。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
１…水素・酸素製造システム ２…水素ガスタンク（水素貯蔵部） ３…酸素ガスタンク（酸素貯蔵部） １０…水電解装置 ３０…水供給部（供給部） ４２…水素ガス昇圧部（電気化学式水素昇圧装置） ６０…燃料電池 ７０…制御装置 ２１１…電解質膜 ２１２…アノード ２１３…カソード ４２１…昇圧部プロトン交換膜（電解質膜） ４２２…昇圧部アノード ４２３…昇圧部カソード

Claims (7)

  1. 電解質膜の両面に設けられたアノードおよびカソードに電流を流して液水を電気分解し、前記カソードに水素を発生させ、かつ前記アノードに前記水素よりも高圧な酸素を発生させる水電解装置と、
    前記水電解装置に前記液水を供給する供給部と、
    前記水電解装置よりも下流で、電解質膜の両面に設けられた昇圧部アノードおよび昇圧部カソードに電流を流して前記水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置と、
    前記水電解装置に流す電流、および前記電気化学式水素昇圧装置に流す電流を制御する制御装置と、
    を備える水素・酸素製造システムの制御方法であって、
    前記制御装置は、
    前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、前記水電解装置の前記アノードの減圧速度が前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う水素・酸素製造システムの制御方法。
  2. 前記制御装置は、
    前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が前記基本減圧速度を超えないように、前記電気化学式水素昇圧装置に第１減圧用電流を流すとともに、
    前記第１減圧用電流を流す事に伴い前記電気化学式水素昇圧装置において反応に用いられる前記水素の単位時間あたりの量に応じて前記水電解装置に第２減圧用電流を流しながら前記水電解装置の前記アノードを減圧する、
    請求項１に記載の水素・酸素製造システムの制御方法。
  3. 前記制御装置は、
    前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードが前記基本減圧速度を超えないように、前記電気化学式水素昇圧装置に第１減圧用電流を流すとともに、
    前記電気化学式水素昇圧装置に流す前記第１減圧用電流に応じて前記水電解装置に流す第２減圧用電流を変化させながら前記水電解装置の前記アノードを減圧する、
    請求項１に記載の水素・酸素製造システムの制御方法。
  4. 前記水素・酸素製造システムは、
    前記水電解装置で生成した前記酸素を貯蔵する酸素貯蔵部と、
    前記電気化学式水素昇圧装置で昇圧された前記水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
    前記酸素および前記水素を消費する燃料電池と、
    をさらに備え、
    前記制御装置は、
    前記水素・酸素製造システムの停止時には、前記酸素貯蔵部への前記酸素の貯蔵、および前記水素貯蔵部への前記水素の貯蔵を停止するとともに、前記第１減圧用電流および前記第２減圧用電流を流す事により生成された前記酸素および前記水素のうち少なくともいずれか一方を前記燃料電池に供給させる請求項２または請求項３に記載の水素・酸素製造システムの制御方法。
  5. 前記制御装置は、前記第１減圧用電流および前記第２減圧用電流を流す時間に基づいて前記燃料電池の運転時間を決定する、
    請求項４に記載の水素・酸素製造システムの制御方法。
  6. 電解質膜の両面に設けられたアノードおよびカソードに電流を流して液水を電気分解し、前記カソードに水素を発生させ、かつ前記アノードに前記水素よりも高圧な酸素を発生させる水電解装置と、
    前記水電解装置に前記液水を供給する供給部と、
    前記水電解装置よりも下流で、電解質膜の両面に設けられた昇圧部アノードおよび昇圧部カソードに電流を流して前記水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置と、
    前記水電解装置に流す電流、および前記電気化学式水素昇圧装置に流す電流を制御し、システムの停止時には、前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度が基本減圧速度を超えないように第１の減圧処理を行うとともに、前記水電解装置の前記アノードの減圧速度が前記電気化学式水素昇圧装置の前記昇圧部カソードの減圧速度を超えないように第２の減圧処理を行う制御装置と、
    を備える水素・酸素製造システム。
  7. 前記水電解装置がアニオン交換膜を用いた固体高分子型であり、
    前記電気化学式水素昇圧装置がプロトン交換膜を用いた固体高分子型であり、
    前記酸素および前記水素で発電を行う燃料電池を備え、
    前記燃料電池の発電電力は、前記水電解装置および前記電気化学式水素昇圧装置の少なくともいずれか一方に使用される、
    請求項６に記載の水素・酸素製造システム。
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CN202111358378.5A CN114540830B (zh) 2020-11-24 2021-11-16 氢-氧制造系统的控制方法及氢-氧制造系统
US17/529,307 US20220166041A1 (en) 2020-11-24 2021-11-18 Method of controlling hydrogen/oxygen producing system and hydrogen/oxygen producing system

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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11745891B2 (en) * 2020-04-14 2023-09-05 Raytheon Technologies Corporation Aircraft fuel system with electrochemical hydrogen compressor
AT526100B1 (de) * 2022-05-10 2023-12-15 Hoerbiger Wien Gmbh Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff
CN114990572B (zh) * 2022-05-31 2023-12-19 深圳市美深威科技有限公司 氢氧制备控制方法以及氢氧制气器
DE102022210095A1 (de) * 2022-09-26 2024-03-28 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrolyseur sowie Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs
DE102022003745A1 (de) 2022-10-12 2024-04-18 Jeremy Heil Verfahren zur Umwandlung von Salzwasser in elektrische Energie

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005180545A (ja) 2003-12-18 2005-07-07 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2011208260A (ja) 2010-03-30 2011-10-20 Honda Motor Co Ltd 水電解装置の運転停止時における減圧速度設定方法
JP2012219291A (ja) 2011-04-05 2012-11-12 Honda Motor Co Ltd 水電解システムの運転停止方法
JP2015209576A (ja) 2014-04-28 2015-11-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 反応器、反応器の運転方法および反応器システム
JP2016537508A (ja) 2013-07-23 2016-12-01 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 高圧シールのための動的な減圧制御

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4425113B2 (ja) * 2004-11-04 2010-03-03 株式会社神鋼環境ソリューション 水素供給システム及び水素供給方法
JP5115685B2 (ja) * 2005-12-16 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムとその運転停止方法
JP4796639B2 (ja) * 2009-02-26 2011-10-19 本田技研工業株式会社 電気化学装置
JP5421876B2 (ja) * 2010-08-10 2014-02-19 本田技研工業株式会社 水電解システム及びその脱圧方法
JP5394458B2 (ja) * 2011-09-13 2014-01-22 本田技研工業株式会社 水電解システムの運転停止方法
JP6059116B2 (ja) * 2013-08-30 2017-01-11 本田技研工業株式会社 差圧式水電解システムの制御方法
JP6348143B2 (ja) 2016-05-27 2018-06-27 本田技研工業株式会社 高圧水電解システムの脱圧方法
JP7190677B2 (ja) * 2018-03-06 2022-12-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素システム
JP2019183259A (ja) * 2018-04-04 2019-10-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
JP7149530B2 (ja) * 2018-05-24 2022-10-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005180545A (ja) 2003-12-18 2005-07-07 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2011208260A (ja) 2010-03-30 2011-10-20 Honda Motor Co Ltd 水電解装置の運転停止時における減圧速度設定方法
JP2012219291A (ja) 2011-04-05 2012-11-12 Honda Motor Co Ltd 水電解システムの運転停止方法
JP2016537508A (ja) 2013-07-23 2016-12-01 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 高圧シールのための動的な減圧制御
JP2015209576A (ja) 2014-04-28 2015-11-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 反応器、反応器の運転方法および反応器システム

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