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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】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。【解決手段】酸素側経路に設けられた弁及び水素側経路に設けられた弁を閉止し、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酸素側経路、水素側経路での漏れを判定するとともに、酸素側経路と水素側経路とに差圧を付け、差圧の変化に基づいて固体高分子電解質膜の漏れを判定する。【選択図】図4

Description

本開示は水分解装置の漏れ検知に関する。
特許文献1には、水電解装置から生成するガス配管内の圧力挙動を監視し、正常状態の圧力の挙動に対して、所定速度より遅く増加又は減少する場合、漏れと判定することが開示されている。
特開2013-249508号公報
しかしながら、従来技術では、配管継手等のシール部による漏れ(外部漏れ)であるか、水電解セルに備えられる固体高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane(PEM))の破損による漏れ(クロス漏れ)であるかを分けて検知することができない。
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。
発明者は、従来技術を検討した結果、水電解反応中の配管圧力の挙動のみで検知していると、圧力挙動が異常の場合、外部漏れかクロス漏れかの切り分けができないことに着想し、これを切り分けて漏れを検知するための手段を具体化することで本発明を完成させた。具体的には次の通りである。
本願は、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、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、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、酸素側経路に設けられた弁及び水素側経路に設けられた弁を閉止する過程と、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酸素側経路、水素側経路での漏れを判定する過程と、酸素側経路と水素側経路とに差圧を付け、差圧の変化に基づいて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を開示する。
また、本願は、水電解セルによる通常の水素製造に加えて、上記水電解装置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、水素製造方法を開示する。
また、本願は、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、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、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、酸素側経路に設けられた弁及び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、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酸素側経路、水素側経路での漏れを判定するステップと、酸素側経路と水素側経路とに差圧を付け、差圧の変化に基づいて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を開示する。
また、本願は、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、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、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、酸素側経路に配置された弁及び圧力計と、水素側経路に配置された弁及び圧力計と、酸素側経路に設けられた弁、及び圧力計、並びに、水素側経路に設けられた弁、及び、圧力計に電気的に接続された制御器と、を備え、制御器には、上記した水電解装置の漏れ検知プログラムが記録されており、制御器は、水電解装置の漏れ検知プログラムに基づき、酸素側経路に設けられた圧力計、及び、水素側経路に設けられた圧力計が示す圧力値の信号を受信するとともに、酸素側経路に設けられた弁及び水素側経路に設けられた弁に対して開閉の指令の信号を送信する、水電解装置を開示する。
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。
図1は水電解装置10の構成を説明する概念図である。 図2は水電解セル21の構成を説明する概念図である。 図3はコンピュータ50(制御器50)の概念図である。 図4は水電解装置の漏れ検知方法S10の流れを示す図である。 図5は水電解装置の漏れ検知における圧力等の状態を説明する図である。
1.水電解装置
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。
1.1.水電解スタック、水電解セル
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。
酸素発生極には固体高分子電解質膜22側から酸素極触媒層23、酸素極ガス拡散層24、及び酸素極セパレータ25をこの順に備えている。
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。
水素発生極は固体高分子電解質膜22の面のうち酸素発生極が配置された面とは反対側の面に設けられ、固体高分子電解質膜22側から水素極触媒層26、水素極ガス拡散層27、及び水素極セパレータ28をこの順に備えている。
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。
酸素極セパレータ25の流路25aから酸素発生極に供給された純水(HO)は、酸素発生極と水素発生極との間に通電することで、電位がかかった酸素極触媒層23で酸素、電子及びプロトン(H)に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜22を通り水素極触媒層26に移動する。一方、酸素極触媒層23で分離された電子は外部回路を通り水素極触媒層26に達する。そして、水素極触媒層26にてプロトンが電子を受け取り水素が発生する。発生した水素は水素極セパレータ28に達して流路28aから排出され、水素側経路40へ移動する。なお、酸素極触媒層23で分離した酸素は酸素極セパレータ25に達して流路25aから排出され、酸素側経路30に移動する。
1.2.酸素側経路(給水側経路)
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。
1.3.水素側経路
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。
1.4.制御器
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。
コンピュータ50は、プロセッサーであるCPU(Central Processing Unit)51、作業領域として機能するRAM(Random Access Memory)52、記憶媒体としてのROM(Read-Only Memory)53、有線、無線を問わず情報をコンピュータ50に受け入れるインターフェイスである受信部54、及び、有線、無線を問わず情報をコンピュータ50から外部に送るインターフェイスである出力部55を備える。
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。
コンピュータ50には、本開示の水電解装置の漏れ検知方法の過程を具体的な指令とし、これを実行するためのコンピュータプログラムが保存されている。コンピュータ50では、ハードウェア資源としてのCPU51、RAM52、及び、ROM53と、コンピュータプログラムとが協働する。具体的には、CPU51が、受信部54を介して取得した圧力計35、圧力計44からの圧力値を表す信号に基づきROM53に記録されたコンピュータプログラムを作業領域として機能するRAM52で実行することによって機能を実現する。CPU51が取得又は生成した情報はRAM52に格納される。また、本開示の水電解装置の漏れ検知方法の過程に基づき必要に応じて出力部55を介して弁34及び弁43に開閉の信号を送信する。
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。
2.水電解装置の漏れ検知方法
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。
2.1.過程S11
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。
2.2.過程S12
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。
2.3.過程S13
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。
2.4.過程S14
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。
2.5.過程S15、過程S16
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。
2.6.過程S17
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。
2.7.過程S18
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。
2.8.過程S19、過程S20、過程S21
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。
2.9.過程S22
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。
3.効果等
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。
このような検知は水電解セルによる通常の水素製造に加えて、本開示の水電解装置の漏れ検知方法による漏れの検知を定期的に行う水素製造方法を提供することができ、漏れの発生及びその漏れの原因を速やかに得ることが可能である。
10 水電解装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  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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