JP5367673B2

JP5367673B2 - 高圧水電解システムの制御方法

Info

Publication number: JP5367673B2
Application number: JP2010237410A
Authority: JP
Inventors: 淳武内; 哲也吉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: JP2012087396A

Description

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置を備える高圧水電解システムの制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、アノード側給電体とカソード側給電体とを配設してユニットが構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素イオンと共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

この種の水電解装置として、例えば、特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置が知られている。この水素・酸素発生装置は、図６に示すように、環状の電極板１を備えており、この電極板１の両面には、電位が逆となる陰極室２及び陽極室３が形成されている。

陽極室３には、純水供給経路３ａを介して純水が供給されるとともに、前記陽極室３に連通する酸素ガス経路３ｂには、生成された酸素が排出されている。酸素ガス経路３ｂは、酸素ガス捕集室３ｃに連通している。一方、陰極室２には、水素ガス経路２ａの一端が連通するとともに、前記水素ガス経路２ａの他端には、水素ガス捕集室２ｂが連通している。

酸素ガス捕集室３ｃの両側には、それぞれＯリングからなるシール部材４ａ、４ｂが配置されるとともに、水素ガス捕集室２ｂの両側には、それぞれＯリングからなるシール部材５ａ、５ｂが配設されている。

特開平８−２３９７８６号公報

ところで、通常、上記の水電解処理において、数十ＭＰａの高圧水素を生成する場合がある。例えば、上記の特許文献１により高圧水素を生成しようとすると、水素ガス捕集室２ｂの下流には、生成された水素を高圧に維持するために、例えば、背圧弁を設ける必要がある。

さらに、背圧弁や他のディバイスが故障した際、圧力の異常上昇が惹起されるおそれがある。従って、圧力を良好に逃がすために、リリーフ弁（安全弁）を設ける必要がある。リリーフ弁は、背圧弁の設定圧力よりも高い圧力で開放されるように設定されており、通常運転時に前記リリーフ弁から水素が放出されることを阻止している。

しかしながら、リリーフ弁に故障が発生した際には、例えば、このリリーフ弁が、設定された圧力よりも低圧で水素を放出してしまうおそれがある。これにより、生成された水素を無駄に放出しながら、電解処理が遂行されるため、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、リリーフ弁の故障を容易且つ確実に検出することができ、前記リリーフ弁から水素を無駄に放出することを可及的に阻止し、経済的な電解処理を行うことが可能な高圧水電解システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、前記高圧水電解装置のカソード側に発生した前記水素を、水素充填部に供給するための水素供給配管と、前記水素供給配管に連通し、前記水素充填部に供給される前記水素の圧力を規制する背圧弁と、前記高圧水電解装置と前記背圧弁との間に位置して前記水素供給配管に連通し、前記背圧弁の設定圧力よりも高圧な圧力で開放されるリリーフ弁とを備える高圧水電解システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、カソード側に発生した水素の圧力が、背圧弁の設定圧力まで昇圧する昇圧時間を算出する昇圧時間算出工程と、前記背圧弁の上流側に配置された圧力計により水素の圧力を計測する圧力計測工程と、算出された前記昇圧時間が経過した後、計測された前記水素の圧力と前記背圧弁の前記設定圧力とを比較する圧力比較工程と、比較された前記水素の圧力が前記設定圧力よりも低圧である際に、システム停止を行うシステム停止工程とを有している。

また、この制御方法は、高圧水電解装置による水素製造量を算出する水素製造量算出工程と、比較された水素の圧力が設定圧力と同圧である際、水素を水素充填部に供給しながら、背圧弁より下流に配置された流量計によって水素供給配管を流通する水素流量を算出する水素流量算出工程と、前記水素製造量と前記水素流量とを比較する水素量比較工程と、比較された前記水素製造量が前記水素流量よりも所定量以上である際に、システム停止を行うシステム停止工程とを有することが好ましい。

本発明によれば、背圧弁の上流側に配置された圧力計により水素の圧力を計測し、計測された前記水素の圧力と前記背圧弁の設定圧力とを比較することにより、リリーフ弁の故障を容易且つ確実に検出することができる。これにより、リリーフ弁から水素を無駄に放出することを可及的に阻止し、経済的な電解処理を効率的に行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る制御方法が適用される高圧水電解システムの概略構成説明図である。前記制御方法を説明するフローチャートである。正常時の検出圧力及び平均水素流量の説明図である。前記検出圧力が異常な場合の説明図である。前記平均水素流量が異常な場合の説明図である。特許文献１に開示されている水素・酸素発生装置を構成する電極板の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る制御方法が適用される高圧水電解システム１０は、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素（酸素圧よりも高圧、例えば、１ＭＰａ以上）を製造する高圧水電解装置１４を備える。

高圧水電解装置１４は、複数の水分解セル１６が積層されており、前記水分解セル１６の積層方向両端には、エンドプレート１８ａ、１８ｂが配設される。高圧水電解装置１４には、直流電源である電解電源２０が接続される。

エンドプレート１８ａには、配管２２ａが接続されるとともに、エンドプレート１８ｂには、配管２２ｂ、２２ｃが接続される。配管２２ａ、２２ｂは、循環路２４を介して純水供給装置１２から純水の循環が行われる一方、水素排出口である配管２２ｃは、水素導出路２６を介して気液分離器２８に接続される。

気液分離器２８には、ドレイン排出路３０が接続されるとともに、前記ドレイン排出路３０には、背圧弁３２及び開閉弁３４が配設される。このドレイン排出路３０は、例えば、純水供給装置１２に接続されて前記純水供給装置１２に水を供給してもよい。

水素導出路２６には、気液分離器２８の下流に位置して背圧弁３６が配設される一方、高圧水電解装置１４と前記気液分離器２８との間に位置して、圧力計３８及び排出配管４０が接続される。この排出配管４０には、リリーフ弁（安全弁）４２が配設される。

水素導出路２６には、背圧弁３６の下流に位置して、流量計４４が配置されるとともに、前記流量計４４の下流に位置して、連結部４６が設けられる。連結部４６は、水素充填部である燃料電池車両４８の燃料タンクに、直接、あるいは、図示しない貯留タンクを介して接続可能である。

高圧水電解システム１０は、コントローラ５０を介して全体的に運転制御される。背圧弁３６は、水素充填部に供給される水素の圧力を規制するために、所定の設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に設定される。リリーフ弁４２は、背圧弁３６の設定圧力Ｃよりも高圧な圧力Ｃ＋α１（ＭＰａ）で開放されるように、圧力Ｃ＋α１（ＭＰａ）に設定される（α１＞０）。

このように構成される高圧水電解システム１０の動作について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、コントローラ５０では、高圧水電解システム１０の高圧水素系、具体的には、高圧水電解装置１４内のカソード側から背圧弁３６までの容積Ａ（Ｌ）、前記高圧水電解装置１４に印加される電解電流Ｂ（アンペア）及び前記背圧弁３６の設定圧力Ｃ（ＭＰａ）が設定される（ステップＳ１）。

次いで、ステップＳ２に進んで、高圧水電解システム１０による電解処理が開始される。高圧水電解システム１０の始動時には、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が高圧水電解装置１４に供給される。この高圧水電解装置１４では、電解電源２０から通電されることにより、純水が電気分解されてアノード側に酸素が生成される一方、カソード側に水素が生成される。

高圧水電解装置１４内に生成された水素は、水素導出路２６を介して気液分離器２８に送られる。この気液分離器２８では、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されるとともに、水蒸気が除去された前記水素は、背圧弁３６を介して昇圧される。

一方、コントローラ５０では、電解電流Ｂ（アンペア）から高圧水電解装置１４による水素製造量Ｄ（Ｌ）が算出される（ステップＳ３）。具体的には、Ｑ＝ｍＦｚから理論水素流量が算出される。ここで、Ｑは電荷量（クーロン）、ｍはモル数（ｍｏｌ）、Ｆはファラデー定数、ｚはイオン価数である。

さらに、水素製造量Ｄ（Ｌ）及び容積Ａ（Ｌ）に基づいて、水素の昇圧速度Ｅ（ＭＰａ／ｓ）が算出される（ステップＳ４）。そして、ステップＳ５に進んで、設定圧力Ｃ（ＭＰａ）及び昇圧速度Ｅ（ＭＰａ／ｓ）に基づいて、前記設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達する予想昇圧時間Ｇ（ｓ）が算出される。

コントローラ５０には、圧力計３８による検出圧力が入力されており、この検出圧力が設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達したか否かが判断される（ステップＳ６）。図３に示すように、圧力計３８により検出された検出圧力が、設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達したと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、予想昇圧時間Ｇ（ｓ）から所定の時間Ｈ（ｓ）が経過したか否かが判断される。

この所定の時間Ｈ（ｓ）は、例えば、気液分離器２８による排水処理が行われる場合に、前記排水処理の完了後に平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）を算出するために設定されている。従って、気液分離器２８による排水処理が行われない場合には、所定の時間Ｈ（ｓ）を不要にすることも可能である。

予想昇圧時間Ｇ（ｓ）から所定の時間Ｈ（ｓ）が経過したと判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。このステップＳ８では、図１に示すように、連結部４６が燃料電池車両４８の燃料タンクに接続され、前記燃料タンクに高圧水素の供給が行われている。そして、流量計４４は、燃料タンクに供給される高圧水素の流量を検出するとともに、コントローラ５０では、検出された流量から平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）を算出する。

なお、平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）に代えて、積算水素流量を求めてもよい。また、予想昇圧時間Ｇ（ｓ）から所定の時間Ｈ（ｓ）が経過したか否かの判断を行うことなく、前記予想昇圧時間Ｇ（ｓ）が経過した後、平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）の算出を行ってもよい。

平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が算出された後、ステップＳ９に進んで、前記平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が水素製造量Ｄ×α２（Ｌ）以上であるか否かが判断される。ここで、一般的に、流量計４４で平均化された平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）は、電解電流Ｂ（アンペア）から求められる水素製造量Ｄ（Ｌ）の８０％程度になることがあり、α２は、例えば、０．６程度、すなわち、水素製造量Ｄ（Ｌ）の６０％程度に設定されることが望ましい。

図３に示すように、平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が水素製造量Ｄ×α２（Ｌ）以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、システム停止要求がなされるか否かが判断される。システム停止要求がなされると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、高圧水電解システム１０が正常停止される（ステップＳ１１）。

一方、図４に示すように、検出圧力が設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達しないと判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。ここで、設定圧力Ｃ（ＭＰａ）が、例えば、３５（ＭＰａ）である際には、実際上、検出圧力は３３（ＭＰａ）を超えていればよい。従って、設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に一定の圧力幅を持たせておくことができ、例えば、検出圧力が３３（ＭＰａ）以下である場合に、前記検出圧力は設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達しないと判断されるように制御してもよい。

ステップＳ１２では、電解処理を開始した後、昇圧時間Ｇ×α３（ｓ）が経過したか否かが判断される。ここで、α３は、例えば、１．２に設定されているが、必要に応じて０〜所定の値に設定可能である。

検出圧力が設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達しない状態で、昇圧時間Ｇ×α３（ｓ）が経過したと判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、高圧水電解システム１０が異常停止される。すなわち、リリーフ弁４２に故障が発生しており、このリリーフ弁４２を通って排出配管４０から水素導出路２６外に水素が放出されていることが検出される。

このように、本実施形態では、背圧弁３６の上流側に配置された圧力計３８により圧力を検出し、検出された検出圧力と前記背圧弁３６の設定圧力Ｃ（ＭＰａ）とを比較することにより、リリーフ弁４２の故障を容易且つ確実に検出することができる。これにより、リリーフ弁４２から水素を無駄に放出することを可及的に阻止し、経済的な電解処理を効率的に行うことが可能になるという効果が得られる。

また、圧力計３８により検出された検出圧力が設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に到達したと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７〜ステップＳ９に進む。その際、ステップＳ９において、燃料タンクに高圧水素の供給が行われている間に、平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が水素製造量Ｄ×α２（Ｌ）未満であると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進んで、高圧水電解システム１０が異常停止される（図５参照）。

このように、本実施形態では、圧力計３８を介して高圧水素系内が設定圧力Ｃ（ＭＰａ）に維持されていると判断された後、さらに流量計４４を介して燃料タンクに供給されている高圧水素の流量である平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が、算出された水素量である水素製造量Ｄ×α２（Ｌ）と比較されている。

従って、背圧弁３６の設定圧力Ｃ（ＭＰａ）の近傍で、リリーフ弁４２から微少な水素漏れが惹起している際、この水素漏れを確実に検出することができる。このため、リリーフ弁４２の故障の有無が、２段階の検知処理で容易且つ確実に検出されるという利点が得られる。

さらにまた、平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が算出され（ステップＳ８）、前記平均水素流量Ｉ（ＮＬＭ）が水素製造量Ｄ×α２（Ｌ）以上であるか否かの判断（ステップＳ９）は、システム停止要求がなされるまで継続されている（ステップＳ１０）。これにより、リリーフ弁４２からの水素漏れを可及的に阻止することが可能になる。

１０…高圧水電解システム１２…純水供給装置
１４…高圧水電解装置１６…水分解セル
２０…電解電源２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…配管
２４…循環路２６…水素導出路
２８…気液分離器３０…ドレイン排出路
３６…背圧弁３８…圧力計
４０…排出配管４２…リリーフ弁
４４…流量計４６…連結部
４８…燃料電池車両５０…コントローラ

Claims

水を電気分解して酸素と該酸素よりも高圧な水素とを発生させる高圧水電解装置と、
前記高圧水電解装置のカソード側に発生した前記水素を、水素充填部に供給するための水素供給配管と、
前記水素供給配管に連通し、前記水素充填部に供給される前記水素の圧力を規制する背圧弁と、
前記高圧水電解装置と前記背圧弁との間に位置して前記水素供給配管に連通し、前記背圧弁の設定圧力よりも高圧な圧力で開放されるリリーフ弁と、
を備える高圧水電解システムの制御方法であって、
前記カソード側に発生した前記水素の圧力が、前記背圧弁の設定圧力まで昇圧する昇圧時間を算出する昇圧時間算出工程と、
前記背圧弁の上流側に配置された圧力計により前記水素の圧力を計測する圧力計測工程と、
算出された前記昇圧時間が経過した後、計測された前記水素の圧力と前記背圧弁の前記設定圧力とを比較する圧力比較工程と、
比較された前記水素の圧力が前記設定圧力よりも低圧である際に、システム停止を行うシステム停止工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解システムの制御方法。
請求項１記載の制御方法において、前記高圧水電解装置による水素製造量を算出する水素製造量算出工程と、
比較された前記水素の圧力が前記設定圧力と同圧である際、前記水素を前記水素充填部に供給しながら、前記背圧弁より下流に配置された流量計によって前記水素供給配管を流通する水素流量を算出する水素流量算出工程と、
前記水素製造量と前記水素流量とを比較する水素量比較工程と、
比較された前記水素製造量が前記水素流量よりも所定量以上である際に、システム停止を行うシステム停止工程と、
を有することを特徴とする高圧水電解システムの制御方法。