JP7192955B1 - 水電解装置の漏れ検知方法、水素製造方法、水電解装置の漏れ検知プログラム、及び、水電解装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで本開示は、水電解装置において、外部漏れであるか、クロス漏れであるかの検知を可能とすることを目的とする。
図1には1つの形態にかかる水電解装置10を概念的に表した。
本形態で水電解装置10は、水電解スタック20、酸素側経路30、水素側経路40、及び制御器50を有している。水電解装置10では、水電解スタック20に具備された水電解セル21に対して酸素側経路30から純水を供給して通電することで水を水素と酸素とに分解し、水素を得て水素側経路40に分離する装置である。
図2に水電解セル21の形態を概念的に示した。水電解セル21は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、このような水分解セル21が複数積層されて水電解スタック20に配置されている。
水電解セル21は公知の通りであるが、本形態では複数の層からなり、固体高分子電解質膜22を挟んで一方が酸素発生極(アノード)、他方が水素発生極(カソード)となる。
固体高分子電解質膜22を構成する材料は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性(電気伝導性)を示す。より具体的にはパーフルオロスルホン酸膜であるナフィオン(登録商標)が挙げられる。
酸素極触媒層23は、Pt、Ru、Ir等の貴金属触媒及びその酸化物から選ばれる少なくとも1つ以上を含む電極触媒を有する層である。
酸素極ガス拡散層24はガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的には金属繊維または金属粒子などから成る多孔質導電性部材を挙げることができる。
酸素極セパレータ25は、酸素極ガス拡散層24に供給する純水及び分解した酸素が流れる流路25aを備える部材である。
水素極触媒層26は例えばPt等を含む層を挙げることができる。
水素極ガス拡散層27は、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。
水素極セパレータ28は、分離した水素、及び、これに随伴した水が流れる流路28aを備える部材である。
酸素側経路(給水側経路)30は、水電解スタック20に対して純水を供給し酸素を得る、配管を含む経路である。酸素側経路30ではポンプ31により水電解スタック20に向けて純水を供給し、発生した酸素及び使用されなかった水は水電解スタック20から排出されて気液分離器32に供給される。気液分離器32では純水と酸素とが分離される。分離された酸素は排出され、純水は再度ポンプ31に供給される。なお、不足した純水はポンプ33から気液分離器32に供給される。これらの各機器が配管により接続されている。
また、酸素側経路30には、水電解スタック20からの排出部位と気液分離器32との間に弁34(本形態では電磁弁)が配置され、さらに弁34と水電解スタック20からの排出部位との間に圧力計35が設けられている。
水素側経路40は、水電解スタック20で分離した水素を取り出す配管を含む経路である。水素側経路40では水電解スタック20から排出された水素及び水(純水)が気液分離器41に供給される。気液分離器41では水と水素とが分離される。分離された水素は集められ、水はポンプ42で酸素側経路30の気液分離器32に送られて再び利用される。これらの各機器が配管により接続されている。
また、水素側経路40には、水電解スタック20からの排出部位と気液分離器41との間に弁43(本形態では電磁弁)が配置され、さらに弁43と水電解スタック20からの排出部位との間に圧力計44が配置されている。
制御器50は、本開示の水電解装置の漏れ検知方法を水電解装置10で行うための制御器である。制御器50の態様は特に限定されることはないが、典型的にはコンピュータにより構成することができる。図3に制御器50としてのコンピュータ50の構成例を概念的に示した。
受信部54には酸素側経路30の圧力計35、水素側経路40の圧力計44が電気的に接続され、それぞれの値(圧力)を信号として受信できるように構成されている。
一方、出力部55には酸素側経路30の弁34、水路側経路40の弁43が電気的に接続され、コンピュータ50からの信号によりこれらの弁34、弁43の開閉が制御される。
具体的な本開示の水電解装置の漏れ検知方法の内容については次に説明する。
図4に、本開示の1つの形態にかかる、水電解装置の漏れ検知方法S10(以下、「検知方法S10」と記載することがある。)の流れを示す。図4からわかるように、検知方法S10は、過程S11~過程S22を含んでいる。上記した制御器50に保存されるコンピュータプログラムは当該検知方法S10の各過程を実行するための具体的なコンピュータに対する指令により構成されている。
また、図5には検知方法S10における酸素側経路30に設けられた圧力計35が示す圧力の推移、水素側経路40に設けられた圧力計44が示す圧力の推移、及び、水分解のための通電(電流)の推移をそれぞれ例示した。図5の横軸は経過時間である。
過程S11では酸素側経路30に設けられた弁34、及び、水素側経路40に設けられた弁43を閉止する。これは経過時間における図5のt0からt1未満を意味する。ここでは単に弁34及び弁43を閉止したのみであり通電もしないため圧力計35及び圧力計44が示す圧力は一定である。
過程S12では通電して水電解反応を行う。これは経過時間におけるt1からt2未満を意味する。ここでは一定電流で通電が行われ、これに伴って水電解反応が起こり、水素及び酸素(すなわち気体)が発生することから圧力計35及び圧力計44が示す圧力が徐々に高くなる。
過程S13では圧力計35及び圧力計44が所定の圧力になったところ(内圧が所定の圧力に達したところ)で通電を停止し、水分解反応を停止する。これは経過時間におけるt2である。これにより気体の発生が停止し、これ以上の圧力上昇がなくなる。
過程S14では所定の時間(t2の経過直後からt3まで)の間で圧力計35及び圧力計44の圧力の変化(内圧の変化)を測定する。
過程S15では、過程S14で測定した内圧の変化が閾値の範囲内であるかを判定する。
閾値を超えて内圧が変化(低下した場合)したときはNoが選択される。これは例えば図5のt2とt3との間において点線で示したような圧力の変化があった場合である。この場合には少なくとも外部漏れが生じているため、過程S16に進み、外部漏れが生じていると判定する。過程S16では外部漏れが生じていることを表示する等して外部に向けて報知する。
一方、閾値を超えて内圧が変化しないときはYesが選択される。これは例えば図5のt2とt3との間において実線で示したような推移である。この場合には少なくとも外部漏れは生じていないため過程S17に進む。
過程S17では、酸素側経路30又は水素側経路40の圧力を低下させ、酸素側経路30及び水素側経路40との間に圧力差(差圧)を生じさせる。具体的には弁34又は弁43を開放することにより行うことができる。図5の例では経過時間t3を意味し、ここでは酸素経路側の弁34を開放している。従って図5では圧力計44は高い圧力を維持するとともに圧力計35の圧力は低下している。
過程S18では、所定の時間(t3の経過直後からt4まで)の間において過程S17で付けた差圧のうち高い方の圧力の変化(内圧の変化)を測定する。図5の例では水素側経路40の圧力(圧力計44)の圧力の変化である。
過程S19では、過程S18で測定した内圧の変化が閾値の範囲内であるかを判定する。
閾値を超えて内圧が変化(低下した場合)したときはNoが選択される。これは例えば図5のt3とt4との間において点線で示したような圧力の変化があった場合である。この場合には固体高分子電解膜22で漏れ(クロス漏れ)が生じているため、過程S20に進みクロス漏れが生じていると判定する。そして過程S20ではクロス漏れが生じていることを表示する等して外部に向けてその旨を報知する。
一方、閾値を超えて内圧が変化しないときはYesが選択される。これは例えば図5のt3とt4との間において実線で示したような推移である。この場合にはクロス漏れは生じていないため過程S21に進む。過程S21ではクロス漏れが生じていないと判定する。そして過程S21ではこれまでの各過程から、外部漏れもクロス漏れも生じていないことが明らかになったため、漏れがないことを表示する等して外部に向けてその旨を報知する。
過程S22では、過程S20、過程S21の後、水電解装置の漏れ検知を終えるため、酸素側経路30又は水素側経路40のうち過程S17で圧力を低下させなかった側の圧力を低下させる(脱圧する)。具体的には弁34又は弁43のうちまだ閉止している側の弁を開放することにより行うことができる。図5の例では経過時間t4を意味し、ここでは水素側経路40の弁43を開放する。従って図5では圧力計44の圧力が低下している。
これにより当該検知が終了する。
本開示によれば、水電解装置において外部漏れであるかクロス漏れであるかを分けて検知することができる。また、制御器50を設ければ、コンピュータプログラムにより自動に当該検知も可能となる。
20 水電解スタック
21 水電解セル
30 酸素側経路(給水側経路)
34 弁
35 圧力計
40 水素側経路
43 弁
44 圧力計
50 制御器
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置された酸素発生極及び他方側に配置された水素発生極を有する水電解セルと、前記水電解セルから発生した酸素を流すために配置される配管を含む酸素側経路と、前記水電解セルから発生した水素を流すために配置された配管を含む水素側経路と、を有する水電解装置における漏れを検知する方法であって、
前記酸素側経路に設けられた弁及び前記水素側経路に設けられた弁を閉止する過程と、
前記水電解セルによる水電解反応を進行させ、内圧の変化に基づいて前記酸素側経路、前記水素側経路での漏れを判定する過程と、
前記酸素側経路、前記水素側経路での漏れを判定する前記過程に引き続き、前記水素側経路又は前記酸素側経路を減圧することにより前記酸素側経路と前記水素側経路とに差圧を付け、高圧側の圧力の変化に基づいて前記固体高分子電解質膜の漏れを判定する過程と、を含む、
水電解装置の漏れ検知方法。 - 前記水電解セルによる通常の水素製造に加えて、請求項1に記載の漏れ検知方法による漏れの検知を定期的に行うことにより水素製造を行う、水素製造方法。
- 固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置された酸素発生極及び他方側に配置された水素発生極を有する水電解セルと、前記水電解セルから発生した酸素を流すために配置される配管を含む酸素側経路と、前記水電解セルから発生した水素を流すために配置された配管を含む水素側経路と、を有する水電解装置における漏れを検知するプログラムであって、
前記酸素側経路に設けられた弁及び前記水素側経路に設けられた弁を閉止する指令を行うステップと、
前記水電解セルによる水電解反応を進行させ、内圧の変化に基づいて前記酸素側経路、前記水素側経路での漏れを判定するステップと、
前記酸素側経路、前記水素側経路での漏れを判定する前記ステップに引き続き、前記水素側経路又は前記酸素側経路を減圧することにより前記酸素側経路と前記水素側経路とに差圧を付け、高圧側の圧力の変化に基づいて前記固体高分子電解質膜の漏れを判定するステップと、を含む、
水電解装置の漏れ検知プログラム。 - 固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置された酸素発生極及び他方側に配置された水素発生極を有する水電解セルと、前記水電解セルから発生した酸素を流すために配置される配管を含む酸素側経路と、前記水電解セルから発生した水素を流すために配置された配管を含む水素側経路と、を有する水電解装置であって、
前記酸素側経路に配置された弁及び圧力計と、
前記水素側経路に配置された弁及び圧力計と、
前記酸素側経路に設けられた前記弁、及び前記圧力計、並びに、前記水素側経路に設けられた前記弁、及び、前記圧力計に電気的に接続された制御器と、を備え、
前記制御器には、請求項3に記載の水電解装置の漏れ検知プログラムが記録されており、前記制御器は、前記水電解装置の漏れ検知プログラムに基づき、前記酸素側経路に設けられた前記圧力計、及び、前記水素側経路に設けられた前記圧力計が示す圧力値の信号を受信するとともに、前記酸素側経路に設けられた前記弁及び前記水素側経路に設けられた前記弁に対して開閉の指令の信号を送信する、
水電解装置。
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