(57)【要約】【課題】気液分離装置の排水ラインに配設される背圧弁の故障を、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検出することを可能にする。【解決手段】水電解システム１０は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置１２と、前記水電解装置１２から前記高圧水素を排出する高圧水素配管２０に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置２２と、前記気液分離装置２２から水を排出する排水ライン２６とを備える。排水ライン２６には、背圧弁９４、減圧弁９６、圧力検出センサ１００及び電磁弁９８が配置されるとともに、前記水電解システム１０は、電解停止後に前記電磁弁９８を開弁させて脱圧を行う際、前記排水ライン２６の圧力を検出して前記背圧弁９４の故障を検知する故障検知装置１０２を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備える水電解システムであって、
前記排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置されるとともに、
前記水電解システムは、電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知する故障検知装置を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
請求項１記載の水電解システムにおいて、前記故障検知装置は、脱圧後に前記電磁弁を閉弁させた状態で、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知することを特徴とする水電解システム。
【請求項３】
水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、
前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、
前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、
前記気液分離装置から水を排出する排水ラインと、
を備え、
前記排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置される水電解システムの制御方法であって、
前記水電解装置により高圧水素を発生させるとともに、前記気液分離装置により前記高圧水素に含まれる水分を分離する電解工程と、
電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う工程と、
前記排水ラインの圧力を検出する工程と、
前記排水ラインの圧力が設定時間内に降圧しない際、前記背圧弁が故障であると判断する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３記載の制御方法において、前記排水ラインの圧力が設定時間内に降下した際、前記電磁弁を閉弁させる工程と、
前記電磁弁の閉弁後に前記排水ラインの圧力が昇圧した際、前記背圧弁が故障であると判断する工程と、
を有することを特徴とする水電解システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池の発電反応に使用される燃料ガスとして、水素が使用されている。この水素は、例えば、水電解装置により製造されている。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、給電体を配設して単位セルが構成されている。
【０００３】
そこで、複数の単位セルが積層されたセルユニットには、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側の給電体に水が供給される。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、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってセルユニットから排出される。
【０００４】
上記の水電解装置では、水分を含んだ水素が製造されており、乾燥状態、例えば、水分量５ｐｐｍ以下の水素（以下、ドライ水素ともいう）を得るために、前記水素から水分を除去する必要がある。
【０００５】
その際、カソード側に酸素よりも高圧（例えば、１ＭＰａ以上）の水素が得られる高圧水素製造装置では、高圧水素から水分を除去するための気液分離装置が大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている水素生成システムが知られている。この水素生成システムは、図５に示すように、水を電気分解することによって、高圧水素を製造する水電解装置１と、前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置２とを備えている。
【０００７】
気液分離装置２を構成する第１気液分離器３には、排水ライン４が接続されるとともに、前記排水ライン４には、減圧弁５、電磁弁６及び絞り７が、排水流れ方向に沿って順次配設されている。
【０００８】
水電解装置１で生成された水蒸気を含む高圧水素は、水素導出路８を介して第１気液分離器３に送られている。この第１気液分離器３には、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離されて排水ライン４に戻される一方、前記水素は、水素ライン９に供給可能である。
【０００９】
そこで、第１気液分離器３の水位が最上水位になった時、電磁弁６が開放されるため、前記気液分離器３内の水は、排水ライン４から純水供給装置に排出されている。その際、減圧弁５は、二次側圧力が大気圧に維持されるように設定されており、第１気液分離器３から高圧力で排出される水は、前記減圧弁５で常圧まで減圧されて排出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１９１３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記の水素生成システムでは、排水ライン４には、例えば、３５ＭＰａの圧力を０．５ＭＰａまで減圧するために、減圧弁５が設けられている。従って、減圧弁５が故障すると、高圧な第１気液分離器３の圧力を安定的に保持することができないおそれがある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、気液分離装置の排水ラインに配設される背圧弁の故障を、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検出することが可能な水電解システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、水を電気分解して酸素と前記酸素よりも高圧な高圧水素とを発生させる水電解装置と、前記水電解装置から前記高圧水素を排出する水素配管に配設され、前記高圧水素に含まれる水分を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ラインと、前記気液分離装置から水を排出する排水ラインとを備える水電解システム及びその制御方法に関するものである。
【００１４】
この水電解システムでは、排水ラインには、背圧弁、減圧弁、圧力センサ及び電磁弁が上流から下流に順次配置されるとともに、前記水電解システムは、電解停止後に前記電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、前記排水ラインの圧力を検出して前記背圧弁の故障を検知する故障検知装置を備えている。
【００１５】
また、この水電解システムでは、故障検知装置は、脱圧後に電磁弁を閉弁させた状態で、排水ラインの圧力を検出して背圧弁の故障を検知することが好ましい。
【００１６】
さらに、この制御方法は、水電解装置により高圧水素を発生させるとともに、気液分離装置により前記高圧水素に含まれる水分を分離する電解工程と、電解停止後に電磁弁を開弁させて脱圧を行う工程と、排水ラインの圧力を検出する工程と、前記排水ラインの圧力が設定時間内に降圧しない際、前記背圧弁が故障であると判断する工程とを有している。
【００１７】
さらにまた、この制御方法は、排水ラインの圧力が設定時間内に降下した際、電磁弁を閉弁させる工程と、前記電磁弁の閉弁後に前記排水ラインの圧力が昇圧した際、背圧弁が故障であると判断する工程とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電解停止後に電磁弁を開弁させて脱圧を行う際、排水ラインの圧力を検出している。その際、電磁弁が開弁されているため、背圧弁が、気液分離装置側の圧力を良好に保持していれば、前記背圧弁の下流側である排水ラインの圧力が低下していく。
【００１９】
従って、排水ラインの圧力が、設定時間内に降圧しない場合には、背圧弁から排水の漏れ（圧漏れ）が惹起されていると判断され、前記背圧弁の故障が検知される。これにより、気液分離装置の排水ラインに配設される背圧弁の故障を、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記制御方法において、背圧弁の大量漏れ検出の説明図である。
【図４】前記制御方法において、前記背圧弁の微少漏れ検出の説明図である。
【図５】特許文献１に開示されている水素生成システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る水電解システム１０は、水（純水）を電気分解することによって酸素及び高圧水素（常圧である酸素圧力よりも高圧、例えば、１ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素）を製造する差圧式水電解装置（高圧水素製造装置）１２と、前記水電解装置１２から排出される前記酸素及び余剰の水を分離し、前記水を貯留する水貯留装置１４と、前記水貯留装置１４に貯留される前記水を、前記水電解装置１２に循環させる水循環装置１６と、前記水貯留装置１４に市水から生成された純水を供給する水供給装置１８と、前記水電解装置１２から高圧水素配管２０に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離装置２２と、前記気液分離装置２２から水が分離された前記高圧水素を導出する高圧水素導出ライン２４と、前記気液分離装置２２から高圧な水を排出する排水ライン２６と、コントローラ（制御装置）２８とを備える。
【００２２】
水電解装置１２は、複数の単位セル３０を積層したセルユニットを備える。単位セル３０の積層方向一端には、ターミナルプレート３２ａ、絶縁プレート３４ａ及びエンドプレート３６ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル３０の積層方向他端には、同様にターミナルプレート３２ｂ、絶縁プレート３４ｂ及びエンドプレート３６ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート３６ａ、３６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２３】
ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの側部には、端子部３８ａ、３８ｂが外方に突出して設けられる。端子部３８ａ、３８ｂは、配線３９ａ、３９ｂを介して電解電源４０に電気的に接続される。
【００２４】
単位セル３０は、円盤状の電解質膜・電極構造体４２と、この電解質膜・電極構造体４２を挟持するアノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６とを備える。アノード側セパレータ４４及びカソード側セパレータ４６は、円盤状を有する。
【００２５】
電解質膜・電極構造体４２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８の両面に設けられるアノード側給電体５０及びカソード側給電体５２とを備える。
【００２６】
固体高分子電解質膜４８の両面には、アノード電極触媒層５０ａ及びカソード電極触媒層５２ａが形成される。アノード電極触媒層５０ａは、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層５２ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２７】
単位セル３０の外周縁部には、積層方向に互いに連通して、水（純水）を供給するための水供給連通孔５６と、反応により生成された酸素及び未反応の水を排出するための排出連通孔５８と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔６０とが設けられる。
【００２８】
水循環装置１６は、水電解装置１２の水供給連通孔５６に連通する循環配管７２を備え、この循環配管７２は、循環ポンプ７４及びイオン交換器７６を配置して水貯留装置１４を構成するタンク部７８の底部に接続される。
【００２９】
タンク部７８の上部には、戻り配管８０の一端部が連通するとともに、前記戻り配管８０の他端は、水電解装置１２の排出連通孔５８に連通する。戻り配管８０の一端部は、タンク部７８内に貯留される水の中で、常時、開口する位置に設定される。
【００３０】
タンク部７８には、水供給装置１８に接続された純水供給配管８４と、前記タンク部７８で純水から分離された酸素を排出するための酸素排気配管８６とが連結される。
【００３１】
水電解装置１２の水素連通孔６０には、高圧水素配管２０の一端が接続され、この高圧水素配管２０の他端が、逆止弁８７を介装して気液分離装置２２に接続される。気液分離装置２２で水分が除去された高圧水素は、ドライ水素として高圧水素導出ライン２４に導出される。高圧水素導出ライン２４には、第１設定圧力値（例えば、３５ＭＰａ）に設定された第１背圧弁８８が設けられる。
【００３２】
気液分離装置２２は、水を貯留するためのタンク部９０を備える。タンク部９０には、前記タンク部９０内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出する水位検出部、例えば、水位検出センサ９２が設けられる。水位検出センサ９２の検出信号は、コントローラ２８に入力される。
【００３３】
気液分離装置２２の下部には、排水ライン２６が接続され、前記排水ライン２６には、第２背圧弁９４、減圧弁９６及びコントローラ２８からの開閉信号により開閉動作する電磁弁９８が、排水流れ方向に沿って配設される。排水ライン２６には、減圧弁９６と電磁弁９８との間に位置して圧力検出センサ１００が配設される。
【００３４】
第２背圧弁９４は、第１背圧弁８８の第１設定圧力（例えば、３５ＭＰａ）よりも低圧な第２設定圧力（例えば、３４ＭＰａ）に設定される。減圧弁９６は、一次側圧力（例えば、３４ＭＰａ）を所定の二次側圧力（例えば、１．０ＭＰａ）に減圧するように設定される。
【００３５】
コントローラ２８は、電解停止後に電磁弁９８を開弁させて脱圧を行う際、排水ライン２６の圧力を検出して第２背圧弁９４の故障を検知する故障検知装置１０２としての機能を有する。
【００３６】
このように構成される水電解システム１０の動作について、本実施形態に係る制御方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３７】
先ず、水電解システム１０による電解が開始される（ステップＳ１）。図１に示すように、水供給装置１８を介して市水から生成された純水が、水貯留装置１４を構成するタンク部７８に供給される。
【００３８】
水循環装置１６では、循環ポンプ７４の作用下に、タンク部７８内の水が循環配管７２を介して水電解装置１２の水供給連通孔５６に供給される。一方、ターミナルプレート３２ａ、３２ｂの端子部３８ａ、３８ｂには、電気的に接続されている電解電源４０を介して電圧が付与される。
【００３９】
このため、各単位セル３０では、水供給連通孔５６からアノード側セパレータ４４の第１流路６４に水が供給され、この水がアノード側給電体５０内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層５０ａで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜４８を透過してカソード電極触媒層５２ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４０】
これにより、カソード側セパレータ４６とカソード側給電体５２との間に形成される第２流路６８に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔５６よりも高圧に維持されており、水素連通孔６０を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４１】
一方、第１流路６４には、反応により生成した酸素と、未反応の水とが流動しており、これらの混合流体が排出連通孔５８に沿って水循環装置１６の戻り配管８０に排出される。この未反応の水及び酸素は、タンク部７８に導入されて分離された後、水は、循環ポンプ７４を介して循環配管７２からイオン交換器７６を通って水供給連通孔５６に導入される。水から分離された酸素は、酸素排気配管８６から外部に排出される。
【００４２】
水電解装置１２内に生成された水素は、高圧水素配管２０を介して気液分離装置２２に送られる。この気液分離装置２２では、水素に含まれる水蒸気（水分）が、この水素から分離されてタンク部９０に貯留される一方、前記水素は、高圧水素導出ライン２４に導出される（電解工程）。
【００４３】
タンク部９０では、前記タンク部９０内の水位ＷＳが設定高さであるか否かを検出するために、水位検出センサ９２を備えている。コントローラ２８は、水位検出センサ９２を介して、水位ＷＳが設定下方位置に低下したと判断した際には、タンク部９０から排水ライン２６への排水の停止を指示する。すなわち、電磁弁９８を閉塞させる。一方、コントローラ２８は、水位ＷＳが設定上方位置に上昇したと判断した際には、電磁弁９８を開放させて排水ライン２６への排水を指示する。
【００４４】
次いで、水電解装置１２による電解運転が停止されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、電磁弁９８が開弁される。このため、タンク部９０内の水は、排水ライン２６を通って排水されることにより、水電解装置１２の高圧側であるカソード側の圧力は、脱圧される。
【００４５】
その際、コントローラ２８は、排水ライン２６に減圧弁９６の下流に位置して配置されている圧力検出センサ１００を介して、前記減圧弁９６よりも下流側の排水圧力を検出している。そして、検出された圧力が、降圧せずに一定の圧力を維持していると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、圧力維持が所定の時間Ｔ以上継続していると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。
【００４６】
このステップＳ６では、図３に示すように、電磁弁９８が開放されているにも係わらず、圧力低下が所定の時間Ｔにわたって惹起されていない。このため、第２背圧弁９４に故障が発生していると判断され、アラームの表示が行われる。
【００４７】
第２背圧弁９４により気液分離装置２２側の圧力が保持されていれば、この第２背圧弁９４の下流側には、第２設定圧力（例えば、３４ＭＰａ）の圧力で排水が送り出され、さらに減圧弁９６によって、例えば、１．０ＭＰａまで減圧されて排水される。すなわち、第２背圧弁９４が正常に機能していれば、前記第２背圧弁９４の下流側の圧力は、減圧弁９６により３４ＭＰａから降圧し、圧力検出センサ１００により検出される圧力の低下が発生する。
【００４８】
従って、排水ライン２６の圧力が、所定の時間Ｔ内に降圧しない場合には、第２背圧弁９４から排水の漏れ（圧漏れ）が惹起されていると判断され、比較的大量の排水漏れが発生するおそれがある。このため、背圧弁故障アラームがなされた後（ステップＳ６）、ステップＳ７に進んで、電磁弁が開放に維持された状態で、システム完全停止がなされる（ステップＳ８）。
【００４９】
なお、ステップＳ７において、電磁弁９８が開状態に維持されるのは、第２背圧弁９４から大量の排水漏れが惹起されているおそれがあり、この電磁弁９８を保護する必要があるからである。
【００５０】
一方、ステップＳ３において、電磁弁９８が開放された後、排水ライン２６の圧力降下が惹起されていると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、前記電磁弁９８が閉塞される。さらに、システム停止が行なわれた後（ステップＳ１０）、このシステム停止期間中に、排水ライン２６の圧力上昇の有無が判断される（ステップＳ１１）。
【００５１】
図４に示すように、システム停止期間中に、排水ライン２６の圧力が上昇すると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、第２背圧弁９４から微少の排水漏れが惹起されていると判断する。従って、背圧弁故障アラームがなされた後（ステップＳ１２）、ステップＳ８に進んで、システム完全停止がなされる。
【００５２】
また、システム停止期間中に、圧力上昇がないと判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進んで、システム起動の指示がなされるか否かが判断される。システム起動が行われる際には（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１に戻って電解が開始される。一方、システム起動がなされない場合には（ステップＳ１３中、ＮＯ）、制御処理が終了される。
【００５３】
この場合、本実施形態では、電解停止後に、電磁弁９８を開弁させて水電解装置１２の脱圧を行う際、排水ライン２６に減圧弁９６の下流に位置して配置されている圧力検出センサ１００を介し、前記排水ライン２６の圧力が検出されている。その際、排水ライン２６の圧力が、所定の時間Ｔ内に降圧しない場合には、第２背圧弁９４から排水の漏れが惹起されていると判断され、前記第２背圧弁９４の故障が検知されている。
【００５４】
これにより、気液分離装置２２の排水ライン２６に配置された第２背圧弁９４の故障を専用の設備を、使用することがなく、既存のデバイスを用いて確実に検出することができる。このため、簡単且つ経済的な構成及び工程で、第２背圧弁９４の良否を正確に判別し得るという効果がある。
【００５５】
さらに、本実施形態では、図４に示すように、電磁弁９８の開弁後に、排水ライン２６の圧力が降下した際、前記電磁弁９８が閉弁されてシステム停止に移行されている。そして、このシステム停止期間中に、排水ライン２６の圧力を検出し、前記排水ライン２６の圧力が上昇した際には、第２背圧弁９４が故障であると判断している。従って、第２背圧弁９４からの微少の漏れを、簡単且つ経済的な構成及び工程で、確実に検知することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０…水電解システム                １２…水電解装置
１４…水貯留装置                    １６…水循環装置
１８…水供給装置                    ２０…高圧水素配管
２２…気液分離装置                  ２４…高圧水素導出ライン
２６…排水ライン                    ２８…コントローラ
３０…単位セル                      ４２…電解質膜・電極構造体
４４…アノード側セパレータ          ４６…カソード側セパレータ
４８…固体高分子電解質膜            ５０…アノード側給電体
５２…カソード側給電体              ５６…水供給連通孔
５８…排出連通孔                    ６０…水素連通孔
８８、９４…背圧弁                  ９０…タンク部
９２…水位検出センサ                ９６…減圧弁
９８…電磁弁                        １００…圧力検出センサ
１０２…故障検知装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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