JP5357467B2 - 水電解装置の起動方法、水電解装置の起動装置及びこれを備える水電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水電解装置の起動方法、水電解装置を定格運転条件まで起動させるための起動装置及びこれを備える水電解装置に関する。

水電解装置は、一般に、固体高分子電解質膜を備え、循環水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生する水電解スタックと、循環水を貯蔵するための容器と、水電解スタックに循環水を供給する水供給管と、水電解スタックで発生した酸素ガス及び水素ガスを、それぞれ循環水と共に容器に送給する送給管と、容器から水素ガス及び酸素ガスを排出する排出部と、起動時に循環水を加熱するための加熱手段と、起動時に循環水内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段とを備える。

水電解装置を運転する際、循環水の温度が低い状態で定格電流を流すと、温度が低い条件ではスタック抵抗が高いために、水電解スタックにおける電圧（スタック電圧）が急激に上昇し、水電解スタックに異常が発生する可能性がある。また、スタックでの発熱量が大きくなり、急激な温度変化によっても水電解スタックに異常が発生する可能性がある。そのため、水電解装置は、通常、水電解装置内の水を循環させながら、水を８０℃程度に昇温させた後、水電解スタックに電流を印加して定格運転される。

従来は、水電解装置を起動させる際に、水電解装置外部に設置された窒素ガス供給手段から、窒素ガスを送給管内に供給して流通させることによって自然循環を発生させ、加熱手段を用いて循環水を定格運転温度まで昇温させていた。

特許文献１には、水素ガス及び酸素ガスが除去された水が流通する下降管（水供給管）と水電解槽（水電解スタック）との間に、温媒と冷媒を選択して流通させることが可能な熱交換器を設置した水電解装置が開示されている。特許文献１の水電解装置において、起動時に、酸素用の上昇管（送給管）に酸素を供給して水を自然循環させ、熱交換器に温媒を供給して、循環水を昇温させる。循環水の温度が規定値以上に上昇した後、上昇管への酸素の供給と熱交換器への温媒の供給とを停止し、水電解装置を定格運転させる。
特許第２６３９４５７号公報

例えば水電解装置と燃料電池とを組み合わせた電力貯蔵装置など、水電解装置の運転と停止とが繰り返される場合、水電解装置を一旦停止させると、水の循環が停止するとともに、装置内の水の温度も低下する。窒素ガス供給とヒータ加熱とを行う起動方法では、水電解装置の起動の度に窒素ガスが水電解装置内に供給されるので、発生した水素ガス及び酸素ガスの純度が低下する。高純度の水素ガス及び酸素ガスを貯蔵するためには、定格運転後の一定時間に、発生ガスによる系統置換を実施する必要があり、電解効率が低下するという問題があった。また、起動時に加熱手段を運転するための電力が必要であり、エネルギー効率が低下するという問題があった。

特許文献１の水電解装置では、酸素用上昇管に酸素を供給して自然循環を発生させることにより、水素ガス及び酸素ガスの純度低下と電解効率の低下を防止することができる。しかし、起動時に循環水を定格運転条件まで昇温可能な温度に設定された温媒を熱交換器に流す必要があるため、エネルギー効率が低いことが問題となっていた。

本発明は、高純度の水素ガス及び酸素ガスを高効率で得ることができる水電解装置の起動方法及び水電解装置の起動装置、及び、該起動装置を備える水電解装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、水電解スタックに流れる電流値を検出するステップと、該検出された電流値が定格電流値よりも小さい場合、水電解スタックの電圧値を予め設定された電圧上限値未満として、前記水電解スタックに流れる電流を、定格電流値まで増加させるステップと、前記水電解スタックの電圧値が前記上限値以上である場合に、前記水電解スタックに流れる電流を維持させるステップとを含む水電解装置の起動方法を提供する。

本発明の水電解装置の起動方法は、スタック電圧の上限値を設定し、スタック電圧と水電解スタックに流れる電流とを監視しながら、電流を定格電流値まで段階的に上昇させる方法である。本発明は、スタック電圧が急激に上昇して水電解スタックに異常が発生することを防止して、低温時からの水電解を実施する。これにより、発生ガスによって装置内の水を自然循環させるとともに、水電解で発生するジュール熱で循環水を加熱するため、水電解装置を、定格運転可能な循環水温度及び定格電流値まで、自動的に起動させることができる。すなわち、水の循環を発生させるための窒素ガス供給及び循環水の加熱が不要となり、高純度の水素ガス及び酸素ガスを高効率で得ることができ、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明は、水電解スタックに流れる電流値を計測し、該計測された電流値を定格電流値と比較する電流検出手段と、水電解スタックの電圧値を計測し、該計測された電圧値を設定された電圧上限値と比較するスタック電圧検出手段とを備え、前記計測された電圧を前記上限値未満として、前記定格電流値まで前記水電解スタックに電流を印加する水電解装置の起動装置を提供する。また、上記起動装置を備える水電解装置を提供する。

本発明の起動装置を用いれば、スタック電圧の急激な上昇による水電解スタックの異常発生を防止しながら、低温時から水電解を実施して、発生した酸素ガス及び水素ガスにより水を自然循環させるとともに、起動過程で電解により発生するジュール熱を用いて循環水の温度を上昇させることができる。従って、本発明の水電解装置は、窒素ガス供給手段や循環水の加熱手段が不要となるため、水電解装置を簡略化することができる。また、高純度の水素ガス及び酸素ガスを高効率で生産することが可能である。

本発明の水電解装置の起動方法及び起動装置を用いれば、低温時からスタック電圧の急激な上昇を防止して水電解を実施することが可能であるため、発生ガスによって装置内の水を循環させつつ、水電解時のジュール熱を利用して循環水を昇温させ、自動的に定格運転可能な循環水温度及び定格電流値に到達させることができる。本発明によれば、起動用の窒素ガス供給、及び、加熱手段による循環水の加熱が不要となるため、水電解装置を簡略化することができ、高いエネルギー効率及び電解効率で、高純度の水素ガス及び酸素ガスを生産することが可能となる。本発明の水電解装置は、特に、運転と停止とが繰り返される電力貯蔵装置に適用した場合に有利である。

以下に、本発明に係る水電解装置の起動方法の実施形態を説明する。
本実施形態の水電解装置は、水電解スタックと、水電解装置を起動させるための起動装置と、循環水を貯蔵するための容器と、水電解スタックに循環水を供給する水供給管と、水電解スタックで発生した酸素ガス及び水素ガスを、それぞれ循環水と共に容器に送給する送給管と、容器から水素ガス及び酸素ガスを排出する排出部とを備える。起動装置は、例えばコンピュータを備える。なお、本実施形態の水電解装置には、ヒータやボイラなどの、起動時に循環水を定格運転条件まで加熱するため加熱手段、及び、ボンベなどの窒素ガス供給手段は設置されない。

次に、本実施形態の水電解装置を起動する方法を、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の起動装置の動作を示したフローチャートである。

起動前の水電解装置は、装置内の水温が例えば室温であるなど、定格運転条件の循環水温度（８０℃から１００℃程度）よりも低温であり、装置内の水の循環がない状態とされる。まず、起動装置は、電流検出手段において、水電解スタックに流れる電流値Ｉ_ｒｅａｌを計測し、Ｉ_ｒｅａｌを定格運転条件の電流値（定格電流値）Ｉ_{ｒａｔｅｄ}と比較する（ステップＳ０）。

Ｉ_ｒｅａｌがＩ_{ｒａｔｅｄ}よりも小さい（Ｉ_ｒｅａｌ＜Ｉ_{ｒａｔｅｄ}）場合、水電解スタックに接続される電源を用いて水電解スタックに電流を印加し、水電解スタックに流れる電流値を増加させる（ステップＳ１）。このとき、水電解スタックに印加される電流値は、I_{ｒａｔｅｄ}よりも小さい値とされ、上限値を越える急激なスタック電圧の上昇を発生させず、かつ、起動に長時間を要しない程度の値に適宜設定される。

起動装置は、スタック電圧検出手段において、スタック電圧Ｖ_ｒｅａｌを計測し、Ｖ_ｒｅａｌを、スタック電圧の上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}と比較する（ステップＳ２）。

Ｖ_ｒｅａｌがＶ_{ｌｉｍｉｔ}よりも低い場合、起動装置は、電流検出手段において、水電解スタックに流れる電流値Ｉ_ｒｅａｌを計測し、Ｉ_ｒｅａｌを定格電流値Ｉ_{ｒａｔｅｄ}と比較する（ステップＳ０）。Ｉ_ｒｅａｌがＩ_{ｒａｔｅｄ}よりも小さい場合、電源が水電解スタックに電流を印加し、水電解スタックに流れる電流を増加させる（ステップＳ１）。以降、Ｖ_ｒｅａｌ＝Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}になるまで、あるいは、Ｉ_ｒｅａｌ≧Ｉ_{ｒａｔｅｄ}になるまで、ステップＳ０〜Ｓ２が繰り返される。Ｉ_ｒｅａｌ≧Ｉ_{ｒａｔｅｄ}となった場合、水電解装置の起動が終了する。

Ｖ_ｒｅａｌ＝Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}となった場合、水電解スタックに流れる電流値が維持される（ステップＳ３）。

本実施形態において、水電解スタックに電流を印加することによって、定格運転条件以下の温度でも、水の電気分解が開始され、水素ガス及び酸素ガスが発生する。発生したガスは、循環水とともに、各送給管を通って容器内に流入する。送給管内の発生ガスと循環水との混合物の密度は、水供給管内の循環水の密度よりも小さいため、自然循環が発生して、純水の循環が開始される。また、電解によって生じるジュール熱により、循環水が過熱される。

循環水が昇温するとともに、循環水によって水電解スタックが昇温する。水電解スタックの温度上昇に伴い、スタック電圧Ｖ_ｒｅａｌが低下する。起動装置は、スタック電圧検出手段において、Ｖ_ｒｅａｌを計測し、上限値Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}と比較する（ステップＳ４）。Ｖ_ｒｅａｌ＝Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}である場合、電流が維持される（ステップＳ３）。以降、Ｖ_ｒｅａｌ＜Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}となるまで、ステップＳ３〜Ｓ４が繰り返される。すなわち、計測されるスタック電圧が上限値よりも小さくなるまで、電流の維持とスタック電圧値及び水電解スタックを流れる電流値の監視が繰り返される。

Ｖ_ｒｅａｌ＜Ｖ_{ｌｉｍｉｔ}となった場合、起動装置は、電流検出手段において、水電解スタックに流れる電流値Ｉ_ｒｅａｌを計測し、Ｉ_ｒｅａｌを定格電流値Ｉ_{ｒａｔｅｄ}と比較する（ステップＳ０）。Ｉ_ｒｅａｌ＜Ｉ_{ｒａｔｅｄ}の場合、上記のステップＳ０〜Ｓ４が繰り返される。Ｉ_ｒｅａｌ≧Ｉ_{ｒａｔｅｄ}の場合、水電解装置の起動が終了する。

以上のように、本実施形態の水電解装置の起動方法及び起動装置は、スタック電圧及び水電解装置に流れる電流を管理しながら水電解装置に電流を印加して、低温時から水電解を実施することにより、発生したガスにより装置内の水の自然循環を発生させ、水電解時のジュール熱を利用して循環水を定格運転温度まで加熱させる。これにより、低温時におけるスタック電圧の急激な上昇を防止しながら、定格電流値に到達させることができる。
このように、起動時の窒素ガス供給や加熱手段による循環水の加熱が不要であるため、エネルギー効率が向上する。また、高純度の水素ガス及び酸素ガスを高効率で生産できる。さらに、窒素ガス供給手段や加熱手段が不要となるため、装置を簡略化することができる。

本発明の起動装置の動作を示したフローチャートである。

Claims (3)

1. 水電解装置の定格運転を行う前に前記水電解装置を起動させる水電解装置の起動方法であって、
   水電解スタックに流れる電流値を検出するステップと、
   該検出された電流値が定格電流値よりも小さい場合、水電解スタックの電圧値を予め設定された電圧上限値未満として、前記水電解スタックに流れる電流を、定格電流値まで増加させるステップと、
   前記水電解スタックの電圧値が前記上限値と等しい場合に、前記水電解スタックに流れる電流を維持させるステップと、
   前記スタックに流れる電流が定格電流値以上になった場合に、水電解装置の起動が停止されるステップを含み、
   ４つの前記ステップにより、定格運転条件まで水を加熱する水電解装置の起動方法。
2. 水電解装置の定格運転を行う前に前記水電解装置を起動させるための起動装置であって、
   水電解スタックに流れる電流値を計測し、該計測された電流値を定格電流値と比較する電流検出手段と、
   水電解スタックの電圧値を計測し、該計測された電圧値を設定された電圧上限値と比較するスタック電圧検出手段とを備え、
   前記スタック電圧検出手段が比較した結果、前記計測された電圧が前記上限値未満であり、前記電流検出手段が比較した結果、前記計測された電流値が定格電流値よりも小さい場合に、前記水スタックに接続された電源により、前記定格電流値まで前記水電解スタックに電流を印加させる水電解装置の起動装置。
3. 請求項２に記載の起動装置を備える水電解装置。
   

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