水電解システム及びその運転方法
【課題】システム停止時に、気液分離装置から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】水電解システム１０を構成する制御装置８２は、水位検出センサ６４により気液分離装置５２内の水位が排水を必要とする上限高さであると検出された時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部８４と、前記気液分離装置５２内の水位が排水を停止させる下限高さから前記上限高さに至る排水周期の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する製造水素量算出部８６と、前記残余充填量算出部８４により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部８６により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置１２による水電解処理を終了させる水電解終了判断部８８とを備える。
【解決手段】水電解システム１０を構成する制御装置８２は、水位検出センサ６４により気液分離装置５２内の水位が排水を必要とする上限高さであると検出された時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部８４と、前記気液分離装置５２内の水位が排水を停止させる下限高さから前記上限高さに至る排水周期の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する製造水素量算出部８６と、前記残余充填量算出部８４により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部８６により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置１２による水電解処理を終了させる水電解終了判断部８８とを備える。
【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を備える水電解システム及びその運転方法に関する。
【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】
上記の水電解装置は、通常、燃料電池車両の車載水素タンクに水素を供給するための水素供給システムに組み込まれている。例えば、特許文献１は、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から送られる前記水素を燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、前記水素を前記燃料電池車両の車載水素タンクに供給する水素供給方法が開示されている。
【０００５】
この水素供給方法では、水素供給タンク内の第１水素圧力と、車載水素タンク内の第２水素圧力とが検出され、前記第１水素圧力と前記第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも大きいと判断された際、前記差圧により前記水素供給タンク内の前記水素が前記車載水素タンクに供給されている。
【０００６】
一方、第１水素圧力と第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも小さいと判断された際、水電解装置を運転して水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力により車載水素タンクに前記水素が供給されている。
【０００７】
このため、水電解装置の制御が簡素化するとともに、車載水素タンクへの水素の供給が迅速且つ確実に遂行され、燃料電池車両に水素を簡単且つ経済的に供給するとともに、設備全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４８５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の水電解システムでは、高圧水素側に水が発生（膜透過）するため、高圧気液分離器を用いて前記高圧水素から水を分離させるとともに、前記高圧気液分離器に貯留される水を排水する必要がある。
【００１０】
そこで、水電解システムのシステム停止時には、減圧弁等への負荷を減少させるため、高圧気液分離器内の圧力を脱圧させる必要がある。その際、高圧気液分離器内の貯水量（水位）によっては、前記高圧気液分離器内に多量の水素が残存している場合がある。従って、高圧気液分離器内の圧力を脱圧させる時に、多量の水素が無駄に廃棄されるおそれがあり、システム効率が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム停止時に気液分離装置から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能な水電解システム及びその運転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】
【００１２】
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、前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、制御装置とを備える水電解システム及びその運転方法に関するものである。
【００１３】
この水電解システムでは、制御装置は、水量検出装置により気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部と、前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、水電解装置により製造される水素量を算出する製造水素量算出部と、前記残余充填量算出部により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる電解終了判断部とを備えている。
【００１４】
また、この運転方法では、制御装置は、水量検出装置により気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する工程と、前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、水電解装置により製造される水素量を算出する工程と、前記算出された前記残余充填量が、前記算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる工程とを営んでいる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置の排水周期の間に製造される水素量が、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量よりも多い場合には、該気液分離装置から排水を行ってシステムが停止される。
【００１６】
一方、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置の排水周期の間に製造される水素量が、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量よりも少ない場合には、該気液分離装置から排水を行った後、水電解処理による水素製造作業が継続される。
【００１７】
このため、気液分離装置内の水量が水量上限値未満の状態では、システム停止がなされることはなく、前記気液分離装置から排水処理が行われない。そして、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、前記気液分離装置内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。これにより、システム停止時に気液分離装置から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１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】前記水電解システムの通常運転時の説明図である。
【図３】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記水電解システムの気相脱圧及び水電解装置脱圧時の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水及び水電解装置脱圧時の説明図である。
【図６】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図７】本発明の第２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８】本発明の第３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９】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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を備える。
【００２０】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層したセルユニットを備える。単位セル１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２１】
ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２２ａ、２２ｂが外方に突出して設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、電解電源２４に電気的に接続される。
【００２２】
単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持するアノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０とを備える。アノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０は、円盤状を有する。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２６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３２と、前記固体高分子電解質膜３２の両面に設けられるアノード側給電体３４及びカソード側給電体３６とを備える。
【００２４】
固体高分子電解質膜３２の両面には、アノード電極触媒層３４ａ及びカソード電極触媒層３６ａが形成される。アノード電極触媒層３４ａ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３６ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２５】
単位セル１４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３８と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔４０と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔４２とが設けられる。
【００２６】
アノード側セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に対向する面には、水供給連通孔３８及び排出連通孔４０に連通する第１流路４４が設けられる。この第１流路４４は、アノード側給電体３４の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第１流路４４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。
【００２７】
カソード側セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、水素連通孔４２に連通する第２流路４６が形成される。この第２流路４６は、カソード側給電体３６の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第２流路４６には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００２８】
水素連通孔４２には、水電解装置１２から高圧水素を排出するための水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記水素配管５０の他端は、気液分離装置５２に接続される。
【００２９】
気液分離装置５２は、水電解装置１２から排出される高圧水素に含まれる水分を除去する。気液分離装置５２には、水から分離された高圧水素を高圧水素貯蔵タンク（水素貯留装置）５３に導出する高圧水素導出配管５４と、分離された前記水を排出するための排水ライン５６とが接続される。
【００３０】
気液分離装置５２の出口には、前記気液分離装置５２から排水ライン５６に排水を行う前に、前記気液分離装置５２内の脱気を行うための気相脱圧ライン５８が設けられる。気相脱圧ライン５８は、実質的に気液分離装置５２の近傍で高圧水素導出配管５４から分岐する。
【００３１】
水素配管５０には、気液分離装置５２の上流側で、前記水素配管５０から分岐するとともに、水電解装置１２の脱圧を行うための水電解装置脱圧ライン６０が設けられる。
【００３２】
気液分離装置５２は、水を貯留するためのタンク部６２を備える。タンク部６２には、前記タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さＨ（水量上限値）であるか否か、及び下限高さＬ（水量下限値）であるか否かを検出する水位検出センサ（水量検出装置）６４が設けられる。水位検出センサ６４は、水位による検出の他、タンク部６２の重量を検出して水量上限値及び水量下限値を検出することもでき、また、水電解時間を計時して水量上限値及び水量下限値を検出することも可能である。
【００３３】
水素配管５０には、水電解装置脱圧ライン６０の分岐部位と気液分離装置５２との間に、第１背圧弁６６ａ及び第１逆止弁６８ａが配置される。
【００３４】
高圧水素導出配管５４には、気相脱圧ライン５８の分岐部位よりも下流に、第２背圧弁６６ｂ及び第２逆止弁６８ｂが配置される。この第２逆止弁６８ｂの下流には、除湿器７０が設けられる。
【００３５】
水素配管５０には、水電解装置１２の出口側近傍に、第１圧力計７２ａが配置される。高圧水素導出配管５４には、第２背圧弁６６ｂと気相脱圧ライン５８の分岐部位との間に、第２圧力計７２ｂが配置される一方、高圧水素貯蔵タンク５３には、第３圧力計７２ｃが配置される。気相脱圧ライン５８には、第１減圧弁７４ａ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａが配設される。絞り７６は、例えば、オリフィスやニードル弁等により構成される。
【００３６】
排水ライン５６には、第２減圧弁７４ｂ及び第２開閉弁７８ｂが配置されるとともに、水電解装置脱圧ライン６０には、第３減圧弁７４ｃ及び第３開閉弁７８ｃが配置される。第１減圧弁７４ａ〜第３減圧弁７４ｃ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａ〜第３開閉弁７８ｃにより、脱圧処理装置８０が構成される。
【００３７】
これらの弁を含む各種デバイス及びシステム全体は、システムＥＣＵ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ)等の制御装置８２により制御される。
【００３８】
制御装置８２は、水位検出センサ６４により気液分離装置５２内の水位（水量）が排水を必要とする上限高さＨ（水量上限値）であると検出された時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部８４と、前記気液分離装置５２内の水位（水量）が排水を停止させる下限高さＬ（水量下限値）から前記上限高さＨに至る排水周期の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する製造水素量算出部８６と、前記残余充填量算出部８４により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部８６により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置１２による水電解処理を終了させる水電解終了判断部８８とを備える。
【００３９】
ここで、残余充填量とは、高圧水素貯蔵タンク５３内に水素が途中まで充填された状態から、又は前記高圧水素貯蔵タンク５３内が略空の状態から、満タンになるまでに充填される水素量をいう。
【００４０】
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、以下に説明する。
【００４１】
先ず、水電解システム１０の通常運転時には、図２に示すように、第１開閉弁７８ａ〜第３開閉弁７８ｃが閉塞される。そして、水電解装置１２には、図示しない水循環装置を介して純水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂ間には、電気的に接続されている電解電源２４を介して電圧（電流）が印加される。
【００４２】
このため、各単位セル１４では、水供給連通孔３８からアノード側セパレータ２８の第１流路４４に水が供給され、この水がアノード側給電体３４内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層３４ａ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３２を透過してカソード電極触媒層３６ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４３】
これにより、カソード側セパレータ３０とカソード側給電体３６との間に形成される第２流路４６に沿って水素及び透過水分が流動する。この水素は、水供給連通孔３８よりも高圧に維持されており、水素連通孔４２を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４４】
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４５】
水電解システム１０では、上記のように、通常運転（水素製造工程）が行われている（ステップＳ１）。このため、高圧水素は、水素配管５０を通って気液分離装置５２に送られ、前記気液分離装置５２のタンク部６２には、前記高圧水素に含まれる水分が分離されて貯留される。
【００４６】
一方、高圧水素は、気液分離装置５２から高圧水素導出配管５４に排出され、第２背圧弁６６ｂの設定圧力を超えると、除湿器７０を介してドライ高圧水素が得られる。このドライ高圧水素は、高圧水素貯蔵タンク５３に充填され、前記高圧水素貯蔵タンク５３内の前記ドライ高圧水素の水素量は、第３圧力計７２ｃにより検出される。
【００４７】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６２内の水位ＷＳが上昇する。そして、タンク部６２に設けられている水位検出センサ６４を介して前記タンク部６２の水位ＷＳが検出される。この水位ＷＳが、上限高さＨに至ると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、次回の排水サイクル（次サイクル）で製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも多いか否かが判断される。
【００４８】
すなわち、残余充填量算出部８４は、第３圧力計７２ｃにより高圧水素貯蔵タンク５３内に充填されている水素量を検出している。そして、残余充填量算出部８４は、タンク部６２の水位ＷＳが上限高さＨに至った時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する。
【００４９】
一方、製造水素量算出部８６は、気液分離装置５２内が排水を停止させる下限高さＬから上限高さＨに至る排水周期（排水サイクル）の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する。
【００５０】
具体的には、タンク部６２の容量ａ、定常運転時にカソード側に透過する単位時間当たりの水透過量ｂ、定常運転時の単位時間当たりの水素製造量ｃ及び高圧水素貯蔵タンク５３の容積ｄから、排水１サイクルｚは、ｚ＝ａ／ｂとなる。
【００５１】
そして、排水１サイクルｚの水素製造量ｅは、ｅ＝ｃ×ｚから算出される。さらに、水素製造量ｅ及び高圧水素貯蔵タンク５３の満タン圧力ｇでの水素量ｘに基づいて、前記高圧水素貯蔵タンク５３が排水１サイクル内で満タンにならない上限圧力ｆが、上限圧力ｆ＝（ｘ−ｅ）／ｄ／圧縮因子から求められる。なお、水素量ｘは、ｘ＝ｄ×ｇ×圧縮因子から得られる。
【００５２】
次回の排水サイクルで製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも多いと、すなわち、第３圧力計７２ｃによる検出圧力ＰＴ３＞上限圧力ｆであると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、第１開閉弁７８ａ及び第３開閉弁７８ｃが開放される一方、第２開閉弁７８ｂが閉塞される（図４参照）。さらに、水電解装置１２に印加される電解電流が制限されて、微小電解運転が行われる。
【００５３】
従って、気液分離装置５２のタンク部６２内の気相が減圧されるとともに、水電解装置１２のカソード側が減圧される。その際、第２圧力計７２ｂは、タンク部６２内の圧力ＰＴ２を検出しており、この検出された圧力ＰＴ２が、設定圧力以下（Ｌｏｗ）となるか否かが検出される（ステップＳ５）。
【００５４】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、設定圧力以下であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、第２開閉弁７８ｂが開放される一方、第１開閉弁７８ａが閉塞される。このため、図５に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。その際、タンク部６２には、水電解装置１２により製造される水素が導入されており、この水素は、前記タンク部６２内に残留する水を排水ライン５６に押し出す機能を有する。
【００５５】
さらに、ステップＳ７に進んで、タンク部６２内の水位ＷＳ（ＬＳ１）が下限高さＬ以下であるか否か、すなわち、前記タンク部６２内が空であるか否かが検出される。タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、第２開閉弁７８ｂが閉塞される。
【００５６】
次いで、ステップＳ９に進んで、第１圧力計７２ａにより検出された圧力ＰＴ１が設定圧力以下（Ｌｏｗ）であるか否かが判断される。圧力ＰＴ１が設定圧力以下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、第３開閉弁７８ｃが閉塞される。これにより、水電解システム１０による水電解処理が停止される（システム停止）。
【００５７】
一方、ステップＳ３において、次回の排水サイクルで製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも少ないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、第１開閉弁７８ａが開放されて気液分離装置５２のタンク部６２内の気相が減圧される。そして、第２圧力計７２ｂにより検出された圧力ＰＴ２が、設定圧力以下（Ｌｏｗ）となると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。
【００５８】
ステップＳ１４では、第１開閉弁７８ａが閉塞される一方、第２開閉弁７８ｂが開放される。このため、図６に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。さらに、タンク部６２内の水位ＷＳ（ＬＳ１）が下限高さＬ以下になると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進んで、第２開閉弁７８ｂが閉塞される。そして、ステップＳ１６からステップＳ１の通常運転に戻る一方、ステップＳ１２〜ステップＳ１６では、微小電解運転が行われる。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が水量上限値（水位ＷＳが上限高さＨ）になった際、前記気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも多いか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００６０】
その際、気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも多いと判断されると、ステップＳ４以降の工程に進む。このため、水電解システム１０では、気液分離装置５２からの排水が行われた後、システム停止処理がなされる。
【００６１】
一方、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも少ないと判断されると、ステップＳ１２以降の工程に進む。従って、気液分離装置５２から排水が行われた後、水電解処理による水素製造作業（通常運転）が継続される。
【００６２】
このように、気液分離装置５２内の水量が水量上限値未満の状態では、システム停止がなされることはなく、前記気液分離装置５２から排水処理が行われない。そして、気液分離装置５２内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、タンク部６２内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。
【００６３】
これにより、システム停止時に、気液分離装置５２から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００６４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６５】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
水電解システム９０は、高圧水素導出配管５４に、除湿器７０の下流に位置して第２背圧弁６６ｂが配設される。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００６８】
水電解システム１００は、ノズル１０２により燃料電池車両（燃料電池電気自動車）１０４の燃料タンク（水素貯留装置）１０６にドライ水素を、直接、充填するように構成される。燃料タンク１０６には、圧力計１０８が設けられ、車載ＥＣＵ等の車両側制御装置１１０により前記燃料タンク１０６内の水素圧力が検出される。
【００６９】
水電解システム１００と燃料電池車両１０４との間では、情報通信が行われる。水電解システム１００を構成するシステム側制御装置８２ａは、システム側通信部１１２を備えるとともに、前記システム側通信部１１２には、システム側アンテナ１１４が設けられる。
【００７０】
燃料電池車両１０４を構成する車両側制御装置１１０は、車両側通信部１１６を備えるとともに、前記車両側通信部１１６には、車両側アンテナ１１８が設けられる。システム側通信部１１２には、車両側通信部１１６から、例えば、燃料タンク１０６の圧力、前記燃料タンク１０６の容積及び該燃料タンク１０６の満タン圧力等の情報が送られる。
【００７１】
このように構成される水電解システム１００の運転方法について、図９に示すフローチャートに沿って以下に説明する。なお、図３に示す第１の実施形態に係る運転方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
水電解システム１００を構成するシステム側制御装置８２ａでは、燃料電池車両１０４を構成する車両側制御装置１１０から燃料タンク１０６の容積ｄ及び前記燃料タンク１０６の満タン圧力ｇ等のデータが通信により送られる。また、システム側制御装置８２ａには、燃料タンク１０６の水素圧力ＰＴ４が継続的に送られている。
【００７３】
そこで、水電解システム１００が通常運転され（ステップＳ１０１）、タンク部６２の水位ＷＳが上限高さＨに至ると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進む。このステップＳ１０３では、排水１サイクルの水素製造量ｅが算出され、この水素製造量ｅから燃料タンク１０６が排水１サイクル内で満タンにならない上限圧力ｆが求められる。
【００７４】
次回の排水サイクルで製造される水素量が、燃料タンク１０６内の残余充填量よりも多いと、すなわち、圧力計１０８による検出圧力ＰＴ４＞上限圧力ｆであると判断されると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４以降に進む。一方、次回の排水サイクルで製造される水素量が、燃料タンク１０６内の残余充填量よりも少ないと判断されると（ステップＳ１０３中、ＮＯ）、ステップＳ１１２以降に進む。
【００７５】
このように、第３の実施形態では、気液分離装置５２内の水量が、水量上限値未満の状態では、前記気液分離装置５２から排水処理が行われることがない。そして、気液分離装置５２内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、タンク部６２内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。
【００７６】
これにより、システム停止時に、気液分離装置５２から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７７】
１０、９０、１００…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル ２４…電解電源
２６…電解質膜・電極構造体 ２８…アノード側セパレータ
３０…カソード側セパレータ ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側給電体 ３６…カソード側給電体
３８…水供給連通孔 ４０…排出連通孔
４２…水素連通孔 ４４、４６…流路
５０…水素配管 ５２…気液分離装置
５３…高圧水素貯蔵タンク ５４…高圧水素導出配管
５６…排水ライン ５８…気相脱圧ライン
６０…水電解装置脱圧ライン ６２…タンク部
６４…水位検出センサ ６６ａ、６６ｂ…背圧弁
７２ａ〜７２ｃ、１０８…圧力計 ７４ａ〜７４ｃ…減圧弁
７６…絞り ７８ａ〜７８ｃ…開閉弁
８０…脱圧処理装置 ８２、８２ａ、１１０…制御装置
８４…残余充填量算出部 ８６…製造水素量算出部
８８…電解終了判断部 １０２…ノズル
１０４…燃料電池車両 １０６…燃料タンク
１１２、１１６…通信部
【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を備える水電解システム及びその運転方法に関する。
【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】
上記の水電解装置は、通常、燃料電池車両の車載水素タンクに水素を供給するための水素供給システムに組み込まれている。例えば、特許文献１は、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から送られる前記水素を燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、前記水素を前記燃料電池車両の車載水素タンクに供給する水素供給方法が開示されている。
【０００５】
この水素供給方法では、水素供給タンク内の第１水素圧力と、車載水素タンク内の第２水素圧力とが検出され、前記第１水素圧力と前記第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも大きいと判断された際、前記差圧により前記水素供給タンク内の前記水素が前記車載水素タンクに供給されている。
【０００６】
一方、第１水素圧力と第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも小さいと判断された際、水電解装置を運転して水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力により車載水素タンクに前記水素が供給されている。
【０００７】
このため、水電解装置の制御が簡素化するとともに、車載水素タンクへの水素の供給が迅速且つ確実に遂行され、燃料電池車両に水素を簡単且つ経済的に供給するとともに、設備全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４８５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の水電解システムでは、高圧水素側に水が発生（膜透過）するため、高圧気液分離器を用いて前記高圧水素から水を分離させるとともに、前記高圧気液分離器に貯留される水を排水する必要がある。
【００１０】
そこで、水電解システムのシステム停止時には、減圧弁等への負荷を減少させるため、高圧気液分離器内の圧力を脱圧させる必要がある。その際、高圧気液分離器内の貯水量（水位）によっては、前記高圧気液分離器内に多量の水素が残存している場合がある。従って、高圧気液分離器内の圧力を脱圧させる時に、多量の水素が無駄に廃棄されるおそれがあり、システム効率が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、システム停止時に気液分離装置から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能な水電解システム及びその運転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】
【００１２】
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、前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、制御装置とを備える水電解システム及びその運転方法に関するものである。
【００１３】
この水電解システムでは、制御装置は、水量検出装置により気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部と、前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、水電解装置により製造される水素量を算出する製造水素量算出部と、前記残余充填量算出部により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる電解終了判断部とを備えている。
【００１４】
また、この運転方法では、制御装置は、水量検出装置により気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する工程と、前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、水電解装置により製造される水素量を算出する工程と、前記算出された前記残余充填量が、前記算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる工程とを営んでいる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置の排水周期の間に製造される水素量が、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量よりも多い場合には、該気液分離装置から排水を行ってシステムが停止される。
【００１６】
一方、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置の排水周期の間に製造される水素量が、水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量よりも少ない場合には、該気液分離装置から排水を行った後、水電解処理による水素製造作業が継続される。
【００１７】
このため、気液分離装置内の水量が水量上限値未満の状態では、システム停止がなされることはなく、前記気液分離装置から排水処理が行われない。そして、気液分離装置内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、前記気液分離装置内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。これにより、システム停止時に気液分離装置から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１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】前記水電解システムの通常運転時の説明図である。
【図３】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記水電解システムの気相脱圧及び水電解装置脱圧時の説明図である。
【図５】前記水電解システムの排水及び水電解装置脱圧時の説明図である。
【図６】前記水電解システムの排水時の説明図である。
【図７】本発明の第２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８】本発明の第３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９】前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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を備える。
【００２０】
水電解装置１２は、複数の単位セル１４を積層したセルユニットを備える。単位セル１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、同様にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、一体的に締め付け保持される。
【００２１】
ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの側部には、端子部２２ａ、２２ｂが外方に突出して設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、電解電源２４に電気的に接続される。
【００２２】
単位セル１４は、円盤状の電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持するアノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０とを備える。アノード側セパレータ２８及びカソード側セパレータ３０は、円盤状を有する。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２６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３２と、前記固体高分子電解質膜３２の両面に設けられるアノード側給電体３４及びカソード側給電体３６とを備える。
【００２４】
固体高分子電解質膜３２の両面には、アノード電極触媒層３４ａ及びカソード電極触媒層３６ａが形成される。アノード電極触媒層３４ａ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３６ａは、例えば、白金触媒を使用する。
【００２５】
単位セル１４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３８と、反応により生成された酸素及び未反応の水（混合流体）を排出するための排出連通孔４０と、反応により生成された水素を流すための水素連通孔４２とが設けられる。
【００２６】
アノード側セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に対向する面には、水供給連通孔３８及び排出連通孔４０に連通する第１流路４４が設けられる。この第１流路４４は、アノード側給電体３４の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第１流路４４には、反応により生成された酸素及び未反応の水が流通する。
【００２７】
カソード側セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、水素連通孔４２に連通する第２流路４６が形成される。この第２流路４６は、カソード側給電体３６の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される。第２流路４６には、反応により生成された高圧水素が流通する。
【００２８】
水素連通孔４２には、水電解装置１２から高圧水素を排出するための水素配管５０の一端が接続されるとともに、前記水素配管５０の他端は、気液分離装置５２に接続される。
【００２９】
気液分離装置５２は、水電解装置１２から排出される高圧水素に含まれる水分を除去する。気液分離装置５２には、水から分離された高圧水素を高圧水素貯蔵タンク（水素貯留装置）５３に導出する高圧水素導出配管５４と、分離された前記水を排出するための排水ライン５６とが接続される。
【００３０】
気液分離装置５２の出口には、前記気液分離装置５２から排水ライン５６に排水を行う前に、前記気液分離装置５２内の脱気を行うための気相脱圧ライン５８が設けられる。気相脱圧ライン５８は、実質的に気液分離装置５２の近傍で高圧水素導出配管５４から分岐する。
【００３１】
水素配管５０には、気液分離装置５２の上流側で、前記水素配管５０から分岐するとともに、水電解装置１２の脱圧を行うための水電解装置脱圧ライン６０が設けられる。
【００３２】
気液分離装置５２は、水を貯留するためのタンク部６２を備える。タンク部６２には、前記タンク部６２内の水位ＷＳが上限高さＨ（水量上限値）であるか否か、及び下限高さＬ（水量下限値）であるか否かを検出する水位検出センサ（水量検出装置）６４が設けられる。水位検出センサ６４は、水位による検出の他、タンク部６２の重量を検出して水量上限値及び水量下限値を検出することもでき、また、水電解時間を計時して水量上限値及び水量下限値を検出することも可能である。
【００３３】
水素配管５０には、水電解装置脱圧ライン６０の分岐部位と気液分離装置５２との間に、第１背圧弁６６ａ及び第１逆止弁６８ａが配置される。
【００３４】
高圧水素導出配管５４には、気相脱圧ライン５８の分岐部位よりも下流に、第２背圧弁６６ｂ及び第２逆止弁６８ｂが配置される。この第２逆止弁６８ｂの下流には、除湿器７０が設けられる。
【００３５】
水素配管５０には、水電解装置１２の出口側近傍に、第１圧力計７２ａが配置される。高圧水素導出配管５４には、第２背圧弁６６ｂと気相脱圧ライン５８の分岐部位との間に、第２圧力計７２ｂが配置される一方、高圧水素貯蔵タンク５３には、第３圧力計７２ｃが配置される。気相脱圧ライン５８には、第１減圧弁７４ａ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａが配設される。絞り７６は、例えば、オリフィスやニードル弁等により構成される。
【００３６】
排水ライン５６には、第２減圧弁７４ｂ及び第２開閉弁７８ｂが配置されるとともに、水電解装置脱圧ライン６０には、第３減圧弁７４ｃ及び第３開閉弁７８ｃが配置される。第１減圧弁７４ａ〜第３減圧弁７４ｃ、絞り７６及び第１開閉弁７８ａ〜第３開閉弁７８ｃにより、脱圧処理装置８０が構成される。
【００３７】
これらの弁を含む各種デバイス及びシステム全体は、システムＥＣＵ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ)等の制御装置８２により制御される。
【００３８】
制御装置８２は、水位検出センサ６４により気液分離装置５２内の水位（水量）が排水を必要とする上限高さＨ（水量上限値）であると検出された時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部８４と、前記気液分離装置５２内の水位（水量）が排水を停止させる下限高さＬ（水量下限値）から前記上限高さＨに至る排水周期の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する製造水素量算出部８６と、前記残余充填量算出部８４により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部８６により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置１２による水電解処理を終了させる水電解終了判断部８８とを備える。
【００３９】
ここで、残余充填量とは、高圧水素貯蔵タンク５３内に水素が途中まで充填された状態から、又は前記高圧水素貯蔵タンク５３内が略空の状態から、満タンになるまでに充填される水素量をいう。
【００４０】
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、以下に説明する。
【００４１】
先ず、水電解システム１０の通常運転時には、図２に示すように、第１開閉弁７８ａ〜第３開閉弁７８ｃが閉塞される。そして、水電解装置１２には、図示しない水循環装置を介して純水が供給されるとともに、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂ間には、電気的に接続されている電解電源２４を介して電圧（電流）が印加される。
【００４２】
このため、各単位セル１４では、水供給連通孔３８からアノード側セパレータ２８の第１流路４４に水が供給され、この水がアノード側給電体３４内に沿って移動する。従って、水は、アノード電極触媒層３４ａ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３２を透過してカソード電極触媒層３６ａ側に移動し、電子と結合して水素が得られる。
【００４３】
これにより、カソード側セパレータ３０とカソード側給電体３６との間に形成される第２流路４６に沿って水素及び透過水分が流動する。この水素は、水供給連通孔３８よりも高圧に維持されており、水素連通孔４２を流れて水電解装置１２の外部に取り出し可能となる。
【００４４】
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４５】
水電解システム１０では、上記のように、通常運転（水素製造工程）が行われている（ステップＳ１）。このため、高圧水素は、水素配管５０を通って気液分離装置５２に送られ、前記気液分離装置５２のタンク部６２には、前記高圧水素に含まれる水分が分離されて貯留される。
【００４６】
一方、高圧水素は、気液分離装置５２から高圧水素導出配管５４に排出され、第２背圧弁６６ｂの設定圧力を超えると、除湿器７０を介してドライ高圧水素が得られる。このドライ高圧水素は、高圧水素貯蔵タンク５３に充填され、前記高圧水素貯蔵タンク５３内の前記ドライ高圧水素の水素量は、第３圧力計７２ｃにより検出される。
【００４７】
水電解装置１２による水電解処理が継続されると、タンク部６２内の水位ＷＳが上昇する。そして、タンク部６２に設けられている水位検出センサ６４を介して前記タンク部６２の水位ＷＳが検出される。この水位ＷＳが、上限高さＨに至ると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、次回の排水サイクル（次サイクル）で製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも多いか否かが判断される。
【００４８】
すなわち、残余充填量算出部８４は、第３圧力計７２ｃにより高圧水素貯蔵タンク５３内に充填されている水素量を検出している。そして、残余充填量算出部８４は、タンク部６２の水位ＷＳが上限高さＨに至った時点から、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量を算出する。
【００４９】
一方、製造水素量算出部８６は、気液分離装置５２内が排水を停止させる下限高さＬから上限高さＨに至る排水周期（排水サイクル）の間に、水電解装置１２により製造される水素量を算出する。
【００５０】
具体的には、タンク部６２の容量ａ、定常運転時にカソード側に透過する単位時間当たりの水透過量ｂ、定常運転時の単位時間当たりの水素製造量ｃ及び高圧水素貯蔵タンク５３の容積ｄから、排水１サイクルｚは、ｚ＝ａ／ｂとなる。
【００５１】
そして、排水１サイクルｚの水素製造量ｅは、ｅ＝ｃ×ｚから算出される。さらに、水素製造量ｅ及び高圧水素貯蔵タンク５３の満タン圧力ｇでの水素量ｘに基づいて、前記高圧水素貯蔵タンク５３が排水１サイクル内で満タンにならない上限圧力ｆが、上限圧力ｆ＝（ｘ−ｅ）／ｄ／圧縮因子から求められる。なお、水素量ｘは、ｘ＝ｄ×ｇ×圧縮因子から得られる。
【００５２】
次回の排水サイクルで製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも多いと、すなわち、第３圧力計７２ｃによる検出圧力ＰＴ３＞上限圧力ｆであると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、第１開閉弁７８ａ及び第３開閉弁７８ｃが開放される一方、第２開閉弁７８ｂが閉塞される（図４参照）。さらに、水電解装置１２に印加される電解電流が制限されて、微小電解運転が行われる。
【００５３】
従って、気液分離装置５２のタンク部６２内の気相が減圧されるとともに、水電解装置１２のカソード側が減圧される。その際、第２圧力計７２ｂは、タンク部６２内の圧力ＰＴ２を検出しており、この検出された圧力ＰＴ２が、設定圧力以下（Ｌｏｗ）となるか否かが検出される（ステップＳ５）。
【００５４】
タンク部６２内の圧力ＰＴ２が、設定圧力以下であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、第２開閉弁７８ｂが開放される一方、第１開閉弁７８ａが閉塞される。このため、図５に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。その際、タンク部６２には、水電解装置１２により製造される水素が導入されており、この水素は、前記タンク部６２内に残留する水を排水ライン５６に押し出す機能を有する。
【００５５】
さらに、ステップＳ７に進んで、タンク部６２内の水位ＷＳ（ＬＳ１）が下限高さＬ以下であるか否か、すなわち、前記タンク部６２内が空であるか否かが検出される。タンク部６２内が略空であると検出されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、第２開閉弁７８ｂが閉塞される。
【００５６】
次いで、ステップＳ９に進んで、第１圧力計７２ａにより検出された圧力ＰＴ１が設定圧力以下（Ｌｏｗ）であるか否かが判断される。圧力ＰＴ１が設定圧力以下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、第３開閉弁７８ｃが閉塞される。これにより、水電解システム１０による水電解処理が停止される（システム停止）。
【００５７】
一方、ステップＳ３において、次回の排水サイクルで製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３内の残余充填量よりも少ないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、第１開閉弁７８ａが開放されて気液分離装置５２のタンク部６２内の気相が減圧される。そして、第２圧力計７２ｂにより検出された圧力ＰＴ２が、設定圧力以下（Ｌｏｗ）となると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。
【００５８】
ステップＳ１４では、第１開閉弁７８ａが閉塞される一方、第２開閉弁７８ｂが開放される。このため、図６に示すように、タンク部６２内の水は、排水ライン５６を介して排水される。さらに、タンク部６２内の水位ＷＳ（ＬＳ１）が下限高さＬ以下になると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進んで、第２開閉弁７８ｂが閉塞される。そして、ステップＳ１６からステップＳ１の通常運転に戻る一方、ステップＳ１２〜ステップＳ１６では、微小電解運転が行われる。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が水量上限値（水位ＷＳが上限高さＨ）になった際、前記気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも多いか否かが判断される（ステップＳ３）。
【００６０】
その際、気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも多いと判断されると、ステップＳ４以降の工程に進む。このため、水電解システム１０では、気液分離装置５２からの排水が行われた後、システム停止処理がなされる。
【００６１】
一方、気液分離装置５２のタンク部６２内の水量が水量上限値になった際、前記気液分離装置５２の排水周期の間に製造される水素量が、高圧水素貯蔵タンク５３が満タンになるまでの残余充填量よりも少ないと判断されると、ステップＳ１２以降の工程に進む。従って、気液分離装置５２から排水が行われた後、水電解処理による水素製造作業（通常運転）が継続される。
【００６２】
このように、気液分離装置５２内の水量が水量上限値未満の状態では、システム停止がなされることはなく、前記気液分離装置５２から排水処理が行われない。そして、気液分離装置５２内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、タンク部６２内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。
【００６３】
これにより、システム停止時に、気液分離装置５２から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００６４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る水電解システム９０の概略構成説明図である。
【００６５】
なお、第１の実施形態に係る水電解システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
水電解システム９０は、高圧水素導出配管５４に、除湿器７０の下流に位置して第２背圧弁６６ｂが配設される。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る水電解システム１００の概略構成説明図である。
【００６８】
水電解システム１００は、ノズル１０２により燃料電池車両（燃料電池電気自動車）１０４の燃料タンク（水素貯留装置）１０６にドライ水素を、直接、充填するように構成される。燃料タンク１０６には、圧力計１０８が設けられ、車載ＥＣＵ等の車両側制御装置１１０により前記燃料タンク１０６内の水素圧力が検出される。
【００６９】
水電解システム１００と燃料電池車両１０４との間では、情報通信が行われる。水電解システム１００を構成するシステム側制御装置８２ａは、システム側通信部１１２を備えるとともに、前記システム側通信部１１２には、システム側アンテナ１１４が設けられる。
【００７０】
燃料電池車両１０４を構成する車両側制御装置１１０は、車両側通信部１１６を備えるとともに、前記車両側通信部１１６には、車両側アンテナ１１８が設けられる。システム側通信部１１２には、車両側通信部１１６から、例えば、燃料タンク１０６の圧力、前記燃料タンク１０６の容積及び該燃料タンク１０６の満タン圧力等の情報が送られる。
【００７１】
このように構成される水電解システム１００の運転方法について、図９に示すフローチャートに沿って以下に説明する。なお、図３に示す第１の実施形態に係る運転方法と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
水電解システム１００を構成するシステム側制御装置８２ａでは、燃料電池車両１０４を構成する車両側制御装置１１０から燃料タンク１０６の容積ｄ及び前記燃料タンク１０６の満タン圧力ｇ等のデータが通信により送られる。また、システム側制御装置８２ａには、燃料タンク１０６の水素圧力ＰＴ４が継続的に送られている。
【００７３】
そこで、水電解システム１００が通常運転され（ステップＳ１０１）、タンク部６２の水位ＷＳが上限高さＨに至ると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進む。このステップＳ１０３では、排水１サイクルの水素製造量ｅが算出され、この水素製造量ｅから燃料タンク１０６が排水１サイクル内で満タンにならない上限圧力ｆが求められる。
【００７４】
次回の排水サイクルで製造される水素量が、燃料タンク１０６内の残余充填量よりも多いと、すなわち、圧力計１０８による検出圧力ＰＴ４＞上限圧力ｆであると判断されると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４以降に進む。一方、次回の排水サイクルで製造される水素量が、燃料タンク１０６内の残余充填量よりも少ないと判断されると（ステップＳ１０３中、ＮＯ）、ステップＳ１１２以降に進む。
【００７５】
このように、第３の実施形態では、気液分離装置５２内の水量が、水量上限値未満の状態では、前記気液分離装置５２から排水処理が行われることがない。そして、気液分離装置５２内の水量が水量上限値になった際にのみ、すなわち、タンク部６２内の残存水素量が最小限である際にのみ、排水処理が行われている。
【００７６】
これにより、システム停止時に、気液分離装置５２から廃棄される水素量を可及的に抑制することができ、システム効率を良好に向上させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７７】
１０、９０、１００…水電解システム １２…水電解装置
１４…単位セル ２４…電解電源
２６…電解質膜・電極構造体 ２８…アノード側セパレータ
３０…カソード側セパレータ ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側給電体 ３６…カソード側給電体
３８…水供給連通孔 ４０…排出連通孔
４２…水素連通孔 ４４、４６…流路
５０…水素配管 ５２…気液分離装置
５３…高圧水素貯蔵タンク ５４…高圧水素導出配管
５６…排水ライン ５８…気相脱圧ライン
６０…水電解装置脱圧ライン ６２…タンク部
６４…水位検出センサ ６６ａ、６６ｂ…背圧弁
７２ａ〜７２ｃ、１０８…圧力計 ７４ａ〜７４ｃ…減圧弁
７６…絞り ７８ａ〜７８ｃ…開閉弁
８０…脱圧処理装置 ８２、８２ａ、１１０…制御装置
８４…残余充填量算出部 ８６…製造水素量算出部
８８…電解終了判断部 １０２…ノズル
１０４…燃料電池車両 １０６…燃料タンク
１１２、１１６…通信部
【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、
前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、
水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、
水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、
制御装置と、
を備える水電解システムであって、
前記制御装置は、前記水量検出装置により前記気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、前記水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部と、
前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、前記水電解装置により製造される水素量を算出する製造水素量算出部と、
前記残余充填量算出部により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる電解終了判断部と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
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、
前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、
水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、
水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、
制御装置と、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記制御装置は、前記水量検出装置により前記気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、前記水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する工程と、
前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、前記水電解装置により製造される水素量を算出する工程と、
前記算出された前記残余充填量が、前記算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる工程と、
を営むことを特徴とする水電解システムの運転方法。
【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、
前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、
水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、
水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、
制御装置と、
を備える水電解システムであって、
前記制御装置は、前記水量検出装置により前記気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、前記水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する残余充填量算出部と、
前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、前記水電解装置により製造される水素量を算出する製造水素量算出部と、
前記残余充填量算出部により算出された前記残余充填量が、前記製造水素量算出部により算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる電解終了判断部と、
を備えることを特徴とする水電解システム。
【請求項２】
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、
前記気液分離装置内の水量を検出する水量検出装置と、
水が分離されて前記気液分離装置から排出された前記高圧水素を貯留する水素貯留装置と、
水電解処理が終了した際に、前記気液分離装置内を脱圧及び排水する脱圧処理装置と、
制御装置と、
を備える水電解システムの運転方法であって、
前記制御装置は、前記水量検出装置により前記気液分離装置内の水量が排水を必要とする水量上限値であると検出された時点から、前記水素貯留装置が満タンになるまでの残余充填量を算出する工程と、
前記気液分離装置内の水量が排水を停止させる水量下限値から前記水量上限値に至る排水周期の間に、前記水電解装置により製造される水素量を算出する工程と、
前記算出された前記残余充填量が、前記算出された前記水素量よりも少ない場合に、前記水電解装置による前記水電解処理を終了させる工程と、
を営むことを特徴とする水電解システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４１２５２（Ｐ２０１２−２４１２５２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１４３０３（Ｐ２０１１−１１４３０３）
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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