JP7363401B2 - 水電解システム、水電解システムの制御方法、および、コンピュータプログラム - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態の水電解システム1の概略構成を示した模式図である。本実施形態の水電解システム1では、電解セル10での水の電気分解によって水素と酸素を生成し、電解セル10で電気分解されなかった水を回収し、電解セル10での電気分解に再利用する。本実施形態の水電解システム1では、水素と酸素を効率的にかつ高純度で生成するため、不純物が少ない純度が高められた純水に対して電気分解が行われる。水電解システム1は、電解セル10と、第1水素側気液分離器20と、第2水素側気液分離器30と、気体供給部40と、酸素側気液分離器50と、制御部60とを備える。
図4は、第2実施形態における水電解システム2の概略構成を示した説明図である。第2実施形態の水電解システム2は、第1実施形態の水電解システム1(図1)と比較すると、濃度センサが第2水素側気液分離器に設けられている点が異なる。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1実施形態では、制御部60は、流量調整バルブ94aの制御によって、第1水素側気液分離器20の液体の水位を調整するとした。しかしながら、制御部60が水位を調整するのは、第1水素側気液分離器20に限定されない。第2水素側気液分離器30の液体の水位を調整してもよいし、第1水素側気液分離器20と第2水素側気液分離器30との両方の水位を調整してもよい。このとき、第1水素側気液分離器20および第2水素側気液分離器30の少なくとも一方に水位計が配置されていてもよい。また、流路95に流量調整バルブを配置し、第2水素側気液分離器30の水位を調整してもよい。第2水素側気液分離器30の第2気相空間30aの体積が、第1水素側気液分離器20の第1気相空間20aの体積より大きくなるように水位が調整されればよい。また、流量調整バルブ94aによる水位の調整は、制御部によらなくてもよく、例えば、第1液相空間20bや第2気相空間30bの水面に浮かべているフロートの位置に応じて給排水を行う方法や、手動で水位を調整してもよい。
第1実施形態の水電解システム1が備える気体供給部40を、第2実施形態の水電解システム2に適用してもよい。また、第1実施形態の水電解システム1が備える気体供給部40はなくてもよい。
第1実施形態の水電解システム1では、「水位調整部」は、第2気相空間30aの体積が第1気相空間20aの体積の25倍以上となるように、第2水素側気液分離器30の水位を調整するとした。しかしながら、第2気相空間30aの体積と第1気相空間20aの体積との関係はこれに限定されない。第2気相空間30aの体積が第1気相空間20aの体積より大きければよい。第2気相空間30aの体積が第1気相空間20aの体積の25倍以上となるように水位を調整することで、万が一高濃度の水素が第2気相空間30aに流入しても、第2気相空間30aでの水素濃度は、水素と酸素との可燃限界より確実に低くなるため、酸素との混合によっても水素は燃焼しない。
第1実施形態では、気体供給部40は、制御部60からの指令に応じて、第2水素側気液分離器30の第2気相空間30aに窒素を供給するとした。しかしながら、気体供給部40が第2気相空間30aに供給する気体はこれに限定されない。水素の燃焼を抑制する気体であればよく、例えば、燃焼排ガスなどの酸素濃度が比較的低い空気であってもよい。
上述の実施形態では、第1水素側気液分離器20と第2水素側気液分離器30との間の流路94に、逆流防止バルブ94bが配置されるとした。また、第2水素側気液分離器30と酸素側気液分離器50との間の流路95に、逆流防止バルブ95aが配置されるとした。しかしながら、これらの逆流防止バルブはなくてもよい。
10…電解セル
11…MEA
11a…電解質膜
11b…酸素極
11c…水素極
12…酸素極側流路
12a…(酸素極側流路の)出口
12b…(酸素極側流路の)入口
13…水素極側流路
13a…(水素極側流路の)出口
13b…(水素極側流路の)入口
20…第1水素側気液分離器
20a…第1気相空間
20b…第1液相空間
21…水位計
22,31,51…排出ポート
22a,51a…圧力センサ
22b,51b…流量濃度センサ
30…第2水素側気液分離器
30a…第2気相空間
30b…第2液相空間
31a…スタティックミキサ
31b,93a,94a…流量調整バルブ
32…濃度計
40…気体供給部
40a…ガス配管
40b…ガスタンク
40c,94b,95a…逆流防止バルブ
50…酸素側気液分離器
50a…気相空間
50b…液相空間
52…純水タンク
60…制御部
91,92,93,94,95,96,97,98…流路
91a,98b…ポンプ
98a…バッファタンク
Claims (9)
- 水電解システムであって、
水を電気分解することで、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する電解セルと、
前記水素極に接続され、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第1水素側気液分離部と、
前記第1水素側気液分離部に接続され、前記第1水素側気液分離部で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第2水素側気液分離部と、
前記酸素極と前記第2水素側気液分離部とのそれぞれに接続され、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体と、前記第2水素側気液分離部から供給される液体と、を前記電解セルに供給する酸素側気液分離部と、
前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整部と、
前記水位調整部を制御する水位制御部と、を備え、
前記水位制御部は、前記第2水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第2気相空間の体積が、前記第1水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第1気相空間の体積より大きくする、
水電解システム。 - 水電解システムであって、
水を電気分解することで、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する電解セルと、
前記水素極に接続され、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第1水素側気液分離部と、
前記第1水素側気液分離部に接続され、前記第1水素側気液分離部で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第2水素側気液分離部と、
前記酸素極と前記第2水素側気液分離部とのそれぞれに接続され、前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離し、分離によって得られた液体と、前記第2水素側気液分離部から供給される液体と、を前記電解セルに供給する酸素側気液分離部と、
前記第2水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第2気相空間の体積が、前記第1水素側気液分離部において分離された水素が溜められる第1気相空間の体積より大きくなるように、前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整部と、
前記第2水素側気液分離部の前記第2気相空間に水素の燃焼を抑制する気体を供給する気体供給部と、を備える、
水電解システム。 - 請求項1または請求項2に記載の水電解システムは、さらに、
前記第2水素側気液分離部の前記第2気相空間の水素濃度を検出する濃度検出部と、
前記濃度検出部が検出する水素濃度を用いて、前記電解セルでの水の電気分解を制御するセル制御部と、を備え、
前記セル制御部は、前記濃度検出部によって検出される水素濃度が所定値より大きい場合、前記電解セルでの水の電気分解を停止させる、
水電解システム。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水位調整部は、前記第2気相空間の体積が前記第1気相空間の体積の25倍以上となるように、前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する、
水電解システム。 - 請求項4に記載の水電解システムであって、
前記水位調整部は、
前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の水位を検出する水位検出部と、
前記第1水素側気液分離部から前記第2水素側気液分離部への液体の供給量を調整する流量調整バルブと、
前記水位検出部が検出する水位を用いて、前記第1気相空間の体積に対する前記第2気相空間の体積の比率を求める算出部と、
前記算出部によって求められた前記比率を用いて、前記流量調整バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を有し、
前記バルブ制御部は、
前記比率が25より小さい場合、前記第1水素側気液分離部から前記第2水素側気液分離部への液体の供給量を減少させる、
水電解システム。 - 請求項5に記載の水電解システムは、さらに、
前記第2水素側気液分離部から前記第1水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第1逆流防止バルブを備える、
水電解システム。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の水電解システムは、さらに、
前記酸素側気液分離部から前記第2水素側気液分離部への流体の逆流を防止する第2逆流防止バルブを備える、
水電解システム。 - 水電解システムの制御方法であって、
電解セルにおいて水を電気分解し、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する生成工程と、
第1水素側気液分離部において、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第1水素側気液分離工程と、
第2水素側気液分離部において、前記第1水素側気液分離工程で水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第2水素側気液分離工程と、
前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離する酸素側気液分離工程と、
前記第2水素側気液分離工程において水素が分離された液体と、前記酸素側気液分離工程において酸素が分離された液体とを、前記電解セルに供給する供給工程と、
前記第2水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第2気相空間の体積が、前記第1水素側気液分離工程において分離された水素が溜められる第1気相空間の体積より大きくなるように、前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整工程と、を備える、
水電解システムの制御方法。 - 水電解システムの制御をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムであって、
電解セルにおいて水を電気分解し、酸素極で酸素を生成し、水素極で水素を生成する生成機能と、
第1水素側気液分離部において、前記水素極から排出される水素と水との混合物から水素を分離する第1水素側気液分離機能と、
第2水素側気液分離部において、前記第1水素側気液分離機能によって水素が分離された液体から、さらに水素を分離する第2水素側気液分離機能と、
前記酸素極から排出される酸素と水との混合物から酸素を分離する酸素側気液分離機能と、
前記第2水素側気液分離機能によって水素が分離された液体と、前記酸素側気液分離機能によって酸素が分離された液体とを、前記電解セルに供給する供給機能と、
前記第2水素側気液分離機能によって分離された水素が溜められる第2気相空間の体積が、前記第1水素側気液分離機能によって分離された水素が溜められる第1気相空間の体積より大きくなるように、前記第1水素側気液分離部および前記第2水素側気液分離部の少なくとも一方の液体の水位を調整する水位調整機能と、を前記コンピュータに実行させる、
コンピュータプログラム。
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