特許 6963363 水電解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6963363

(24)【登録日】2021年10月19日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】水電解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20211028BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20211028BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20211028BHJP

【ＦＩ】

   C25B9/00 A

   C25B1/04

   C25B15/023

【請求項の数】7

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2020-537442(P2020-537442)

(86)(22)【出願日】2019年8月8日

(86)【国際出願番号】JP2019031482

(87)【国際公開番号】WO2020036128

(87)【国際公開日】20200220

【審査請求日】2021年1月14日

(31)【優先権主張番号】特願2018-152409(P2018-152409)

(32)【優先日】2018年8月13日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000033

【氏名又は名称】旭化成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 啓太

(72)【発明者】

【氏名】金 相勲

【審査官】 松村 駿一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１２１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３８３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３１９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−００６７６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ １５／０２３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解膜を用いて水を電気分解して、前記電解膜の一方の面側に酸素を発生させ、他方の面側に水素を発生させる電解槽と、
前記一方の面側で発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離タンクと、
前記酸素気液分離タンクに設けられ、かつ酸素圧力制御弁を備えた酸素用配管と、
前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第１の開度調整部と、
前記他方の面側で発生した水素と水とを分離する水素気液分離タンクと、
前記水素気液分離タンクに設けられ、かつ水素圧力制御弁を備えた水素用配管と、
前記水素圧力制御弁の開度を制御する第２の開度調整部と、
前記酸素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第１のタンク内圧検出部と、
前記水素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第２のタンク内圧検出部と、
前記電気分解のために前記電解槽に供給される電流を検出する電流検出部とを備え、
前記酸素圧力制御弁の開度の制御は、前記第１のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、当該タンク内圧と予め定めた目標圧力との差が小さくなるように前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第１のフィードバック制御と、前記電流検出部で検出した電流に基づき前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第１のフィードフォワード制御とを含み、
前記水素圧力制御弁の開度の制御は、前記第２のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、当該タンク内圧と予め定められた目標圧力との差が小さくなるように前記水素圧力制御弁の開度を制御する第２のフィードバック制御と、前記電流検出部で検出した電流に基づき前記水素圧力制御弁の開度を制御する第２のフィードフォワード制御とを含む水電解装置。

【請求項2】

前記第１のフィードフォワード制御は、前記電流検出部で検出した電流が大きいほど前記酸素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記酸素圧力制御弁の開度を制御し、
前記第２のフィードフォワード制御は、前記電流検出部で検出した電流が大きいほど前記水素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記水素圧力制御弁の開度を制御する請求項１に記載の水電解装置。

【請求項3】

前記電解槽内の酸素発生部の水の温度と水素発生部の水の温度とを検出する温度検出部を備え、
前記第１のフィードフォワード制御では、前記温度検出部で検出した前記酸素発生部の水の温度が高いほど、前記第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくし、
前記第２のフィードフォワード制御では、前記温度検出部で検出した水素発生部の水の温度が高いほど、前記第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする請求項１または２に記載の水電解装置。

【請求項4】

前記第１のフィードフォワード制御では、前記第１のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧が高いほど、前記第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくし、
前記第２のフィードフォワード制御では、前記第２のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧が高いほど、前記第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする請求項１から３の何れか１項に記載の水電解装置。

【請求項5】

前記酸素圧力制御弁の出口圧力を検出する第１の出口圧力検出部と、
前記水素圧力制御弁の出口圧力を検出する第２の出口圧力検出部とを備え、
前記酸素圧力制御弁の開度の制御は、前記第１の出口圧力検出部で検出した出口圧力に基づき、前記酸素圧力制御弁の開度を制御する第３のフィードフォワード制御を含み、
前記水素圧力制御弁の開度の制御は、前記第２の出口圧力検出部で検出した出口圧力に基づき、前記水素圧力制御弁の開度を制御する第４のフィードフォワード制御とを含む請求項１から４の何れか１項に記載の水電解装置。

【請求項6】

前記第３のフィードフォワード制御は、前記第１の出口圧力検出部で検出した出口圧力が高いほど前記酸素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記酸素圧力制御弁の開度を制御し、
前記第４のフィードフォワード制御は、前記第２の出口圧力検出部で検出した出口圧力が高いほど前記水素圧力制御弁の開度が大きくなるように、前記水素圧力制御弁の開度を制御する請求項５に記載の水電解装置。

【請求項7】

前記酸素気液分離タンク内の水位を検出する第１の水位検出部と、
前記水素気液分離タンク内の水位を検出する第２の水位検出部とを備え、
前記第１のフィードバック制御では、ＰＩＤ制御を行うとともに、前記第１の水位検出部で検出した水位が高いほど、当該ＰＩＤ制御のＰＩＤゲインを小さくし、
前記第２のフィードバック制御では、ＰＩＤ制御を行うとともに、前記第２の水位検出部で検出した水位が高いほど、当該ＰＩＤ制御のＰＩＤゲインを小さくする請求項１から６の何れか１項に記載の水電解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電解膜を用いて水を電気分解して、電解膜の一方の面側に酸素を発生させ、他方の面側に水素を発生させる水電解装置が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。このような水電解装置では、電解膜の破損を防止するため、また、水素中酸素濃度、酸素中水素濃度を低く保つために、電解膜の一方の面側における酸素の圧力と、他方の面側における水素の圧力との差圧を一定に保つようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０００４１５号公報

【特許文献2】特開平０８−１９３２８７号公報

【特許文献3】特開２０１１−００６７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような水電解装置では、電解膜の差圧のより適切な低減が求められている。
本発明は、上記のような点に着目し、電解膜の差圧をより適切に低減させた水電解装置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】

【0005】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、（ａ）電解膜を用いて水を電気分解して、電解膜の一方の面側に酸素を発生させ、他方の面側に水素を発生させる電解槽と、（ｂ）一方の面側で発生した酸素と水とを分離する酸素気液分離タンクと、（ｃ）酸素気液分離タンクに設けられ、かつ酸素圧力制御弁を備えた酸素用配管と、（ｄ）酸素圧力制御弁の開度を制御する第１の開度調整部と、（ｅ）他方の面側で発生した水素と水とを分離する水素気液分離タンクと、（ｆ）水素気液分離タンクに設けられ、かつ水素圧力制御弁を備えた水素用配管と、（ｇ）水素圧力制御弁の開度を制御する第２の開度調整部と、（ｈ）酸素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第１のタンク内圧検出部と、（ｉ）水素気液分離タンクのタンク内圧を検出する第２のタンク内圧検出部と、（ｊ）電気分解のために電解槽に供給される電流を検出する電流検出部とを備え、（ｋ）酸素圧力制御弁の開度の制御は、第１のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、タンク内圧と予め定めた目標圧力との差が小さくなるように酸素圧力制御弁の開度を制御する第１のフィードバック制御と、電流検出部で検出した電流に基づき酸素圧力制御弁の開度を制御する第１のフィードフォワード制御とを含み、（ｌ）水素圧力制御弁の開度の制御は、第２のタンク内圧検出部で検出したタンク内圧に基づき、タンク内圧と予め定められた目標圧力との差が小さくなるように水素圧力制御弁の開度を制御する第２のフィードバック制御と、電流検出部で検出した電流に基づき水素圧力制御弁の開度を制御する第２のフィードフォワード制御とを含む水電解装置であることを要旨とする。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、電解膜の差圧をより適切に低減させた水電解装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施形態に係る水電解装置の構成図である。

【図2】第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図3】第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図4】第１の制御対象の内部構成を示すブロック図である。

【図5】第１の制御対象に、第１のフィードバック制御、第１のフィードフォワード制御及び第３のフィードフォワード制御の制御器を適用した構成を示すブロック図である。

【図6】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図7】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図8】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図9】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図10】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図11】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【図12】変形例に係る第１の開度調整部及び第２の開度調整部を示す図であって、（ａ）は第１の開度調整部の内部構成を示すブロック図であり、（ｂ）は第２の開度調整部の内部構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施形態に係る水電解装置について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の水電解装置は、風力や太陽光、地熱等、不規則に変動する自然エネルギーによって発電された電力などを基に、電解膜を用いて、水を電気分解させる装置である。
なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法や装置を例示するものである。それゆえ、本発明の技術的思想における、構成要素の構造、配置等を、下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内で、種々の変更を加えることができる。

【0009】

（構成）
図１に示すように、本発明の実施形態に係る水電解装置１は、電解槽２と、酸素気液分離タンク３と、水素気液分離タンク４と、コンピュータ５とを備えている。
電解槽２は、陽極が取り付けられた陽極室６と、陰極が取り付けられた陰極室７と、陽極室６と陰極室７とを区画する電解膜８とを備える。そして、不規則な自然エネルギーによって発電する発電装置（例えば、風力発電装置、太陽発電装置、地熱発電装置）から供給される電力９により、電解膜８を用いて水１０を電気分解し、陽極によって陽極室６内（即ち、電解膜８の一方の面８ａ側の区画。以下、「酸素発生部」とも呼ぶ）に酸素１１を発生させる。発生された酸素１１と水１０とは、配管１２を介して、酸素気液分離タンク３に送られる。一方、陰極によって陰極室７内（即ち、電解膜８の他方の面８ｂ側の区画。以下、「水素発生部」とも呼ぶ）に水素１３を発生させる。発生された水素１３と水１０とは、配管１４を介して、水素気液分離タンク４に送られる。

【0010】

（電解膜）
電解膜８としては、イオンを導通しつつ、水素ガスと酸素ガスとを隔離するために、イオン透過性の電解膜８を使用できる。イオン透過性の電解膜８としては、例えば、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、電子電導度が小さく、強度が強いものが好ましい。例えば、イオン交換能を有するイオン交換膜、電解液を浸透できる多孔膜を使用できる。

【0011】

（多孔膜）
多孔膜は、複数の微細な貫通孔を有し、電解膜８を電解液が透過できる構造を有する膜状部材である。電解液が多孔膜中に浸透することにより、イオン伝導を発現するため、孔径や気孔率、親水性といった多孔構造の調整が非常に重要となる。また、多孔膜は、電解液を透過させるだけでなく、発生ガスを通過させないこと、即ちガスの遮断性を有することも求められる。そのため、ガスの遮断性の観点からも、多孔構造の調整が重要となる。

【0012】

多孔膜としては、高分子多孔膜、無機多孔膜、織布、不織布等の膜状部材を使用できる。これらの膜状部材は、公知の技術で製造できる。例えば、高分子多孔膜の製造方法としては、相転換法（ミクロ相分離法）、抽出法、延伸法、湿式ゲル延伸法等が挙げられる。
また、多孔膜の材料としては、例えば、高分子材料と親水性無機粒子とを含むことが好ましい。親水性無機粒子を含むことにより、多孔膜に親水性を付与することができる。

【0013】

（高分子材料）
高分子材料としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリビニリデンフロライド、ポリカーボネート、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が挙げられる。これらの中でも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレンを用いることが好ましく、ポリスルホンを用いることがより好ましい。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。即ち、２種以上を混合したものを用いてもよい。

【0014】

多孔膜は、分離能、強度等、適切な膜物性を得るために、孔径を調整することが好ましい。また、アルカリ水電解に用いる場合、陽極２ａから発生する酸素ガス及び陰極２ｃから発生する水素ガスの混合を防止し、かつ電解における電圧損失を低減する観点からも、孔径を調整することが好ましい。例えば、多孔膜の平均孔径が大きいほど、単位面積あたりの多孔膜透過量は大きくなり、特に、電解においては多孔膜のイオン透過性が良好となり、電圧損失を低減しやすくなる傾向にある。また、多孔膜の平均孔径が大きいほど、アルカリ水との接触表面積が小さくなるので、ポリマーの劣化が抑制される傾向にある。
一方、多孔膜の平均孔径が小さいほど、多孔膜の分離精度が高くなり、電解においては多孔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。さらに、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を多孔膜に担持した場合、欠落せず保持することができる。これにより、親水性無機粒子が持つ高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。

【0015】

かかる観点から、多孔膜の平均孔径は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下の範囲であることが好ましい。多孔膜は、孔径がこの範囲であれば、優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを両立することができる。また、多孔膜の孔径は、実際に使用する温度域において調整されることが好ましい。例えば、多孔膜を９０℃の環境下でアルカリ水電解に用いる場合は、９０℃で上記の孔径の範囲を満足させることが好ましい。また、多孔膜をアルカリ水電解に用いる場合、より優れたガス遮断性と高いイオン透過性とを発現できる範囲として、多孔膜の平均孔径は０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることがより好ましい。

【0016】

本実施形態の多孔膜の平均孔径としては、完全性試験機（ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製「Ｓａｒｔｏｃｈｅｃｋ Ｊｕｎｉｏｒ ＢＰ−Ｐｌｕｓ」）を使用して以下の方法で測定される平均透水孔径を用いる。平均透水孔径の測定では、まず、多孔膜から芯材も含めて所定の大きさのサンプルを切り出す。次に、サンプルを任意の耐圧容器にセットして、耐圧容器内を純水で満たす。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から上面側へ純水が透過してくるので、純水が透過してくる際のサンプルの上面側の圧力及びサンプルを透過する純水の透過流量の数値を記録する。平均透水孔径は、圧力が１０ｋＰａから３０ｋＰａの間の圧力と透水流量との勾配を使い、以下のハーゲンポアズイユの式から求めることができる。
平均透水孔径（ｍ）＝｛３２ηＬμ_０／（εＰ）｝^０．５
μ_０（ｍ／ｓ）＝流量（ｍ^３／ｓ）／流路面積（ｍ^２）
ここで、ηは水の粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌは多孔膜の厚み（ｍ）、μ_０は見かけの流速、εは空隙率、Ｐは圧力（Ｐａ）である。

【0017】

多孔膜をアルカリ水電解に用いる場合、ガス遮断性、親水性の維持、気泡の付着によるイオン透過性低下の防止、さらには長時間安定した電解性能（低電圧損失等）が得られるといった観点から、多孔膜の気孔率を調整することが好ましい。特に、ガス遮断性や低電圧損失等を高いレベルで両立させるといった観点から、多孔膜の気孔率の下限は、３０％以上であることが好ましく、３５％以上であることがより好ましく、４０％以上であることが更に好ましい。また、気孔率の上限は、７０％以下であることが好ましく、６５％以下であることがより好ましく、５５％以下であることが更に好ましい。多孔膜の気孔率が上記上限値以下であれば、膜内をイオンが透過しやすく、膜の電圧損失を抑制できる。

【0018】

本実施形態の多孔膜の気孔率としては、アルキメデス法により求められる開気孔率を用いる。開気孔率は、以下の式から求めることができる。
開気孔率Ｐ（％）＝ρ／（１＋ρ）×１００
ρ＝（Ｗ３−Ｗ１）／（Ｗ３−Ｗ２）
ここで、Ｗ１は多孔膜の乾燥質量（ｇ）、Ｗ２は多孔膜の水中質量（ｇ）、Ｗ３は多孔膜の飽水質量（ｇ）である。
気孔率の測定では、まず、純水で洗浄した多孔膜から３ｃｍ×３ｃｍの大きさのサンプルを３枚切り出し、３枚のサンプルのＷ２及びＷ３を測定する。次に、３枚のサンプルを５０℃に設定された乾燥機で１２時間以上静置して乾燥させた後、３枚のサンプルのＷ１を測定する。開気孔率は、測定したＷ１、Ｗ２、Ｗ３の値を使い、上記の式から求めることができる。そして、３枚のサンプルそれぞれの開気孔率の算術平均値を気孔率とする。

【0019】

多孔膜の厚みは、特に限定されないが、１００μｍ以上７００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上６００μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以上６００μｍ以下であることが更に好ましい。多孔膜の厚みが１００μｍ以上であると、突刺し等で破れ難く、電極間がショートし難く、またガス遮断性が良好となる。また、６００μｍ以下であると、電圧損失が増大し難く、また厚みのばらつきによる影響が少なくなる。
また、多孔膜の厚みが、２５０μｍ以上であれば、一層優れたガス遮断性が得られ、また、衝撃に対する多孔膜の強度を一層向上することができる。この観点より、多孔膜の厚みの下限は、３００μｍ以上であることがより好ましく、３５０μｍ以上であることが更に好ましく、４００μｍ以上であることがより一層好ましい。一方、多孔膜の厚みが、７００μｍ以下であれば、運転時に孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性が阻害され難く、一層優れたイオン透過性を維持することができる。この観点より、多孔膜の厚みの上限は、６００μｍ以下であることがより好ましく、５５０μｍ以下であることが更に好ましく、５００μｍ以下であることがより一層好ましい。

【0020】

（親水性無機粒子）
多孔膜は、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために、親水性無機粒子を含有していることが好ましい。多孔膜に親水性無機粒子を含有させる方法としては、例えば、親水性無機粒子を多孔膜の表面に付着させる方法、親水性無機粒子の一部を多孔膜の内部に埋没させる方法、親水性無機粒子を多孔膜の空隙部に内包させる方法を使用できる。また、多孔膜の空隙部に内包させる方法によれば、親水性無機粒子が多孔膜の空隙から脱離し難くなり、多孔膜の高いイオン透過性及び高いガス遮断性を長時間維持できる。

【0021】

親水性無機粒子としては、例えば、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物又は水酸化物；周期律表第ＩＶ族元素の酸化物；周期律表第ＩＶ族元素の窒化物、及び周期律表第ＩＶ族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の無機物が挙げられる。これらの中でも、化学的安定性の観点から、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物、周期律表第ＩＶ族元素の酸化物を用いることが好ましく、ジルコニウム、ビスマス、セリウムの酸化物を用いることがより好ましく、酸化ジルコニウムを用いることが更に好ましい。また、親水性無機粒子の形態は、例えば、微粒子形状であることが好ましい。

【0022】

また、電解槽２には、水１０の電気分解のために電解槽２に供給される電流Ｉ(t)を検出する電流検出部１５と、電解槽２内の水１０の温度Ｔ_O(t) 、Ｔ_H(t)を検出する温度検出部１６とが設けられている。ここで、温度Ｔ_O(t) は、陽極室６内の陽極近傍における水１０の温度である。即ち、酸素発生部の水１０の温度である。また、温度Ｔ_H(t)は、陰極室７内の陰極近傍における水１０の温度である。即ち、水素発生部の水１０の温度である。電流Ｉ(t)及び温度Ｔ_O(t) 、Ｔ_H(t)の検出結果は、コンピュータ５に入力される。

【0023】

酸素気液分離タンク３は、電解槽２から送られてくる酸素１１と水１０とを貯蔵する。酸素気液分離タンク３内では、水１０が下側に位置し、酸素１１が上側に位置し、貯蔵された酸素１１と水１０とが分離される。酸素気液分離タンク３の下端側には、電解槽２の給水口側と連通する水用配管１７が連通されている。そして、酸素気液分離タンク３内の水１０は、水用配管１７を介して電解槽２の陽極室６及び陰極室７に供給される。なお、電気分解等で減少した水１０は、水供給ポンプ１８を介して外部から供給される。
また、酸素気液分離タンク３には酸素気液分離タンク３内の水位Ｌ_O(t)を検出する第１の水位検出部１９が設けられている。水位Ｌ_O(t)の検出結果はコンピュータ５に入力される。

【0024】

また、酸素気液分離タンク３の上端側には、酸素１１を外部に取り出すための酸素用配管２０が連通されている。酸素用配管２０には、酸素用配管２０の流量を調節可能な酸素圧力制御弁２１が設けられている。酸素圧力制御弁２１は、コンピュータ５からの信号に従い、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する。
さらに、酸素気液分離タンク３内には、酸素１１による酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)を検出する第１のタンク内圧検出部２２が配置されている。第１のタンク内圧検出部２２の検出結果（タンク内圧Ｐ_O1(t)）はコンピュータ５に入力される。
また、酸素用配管２０における、酸素圧力制御弁２１の出口側には、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)を検出する第１の出口圧力検出部２３が配置されている。第１の出口圧力検出部２３の検出結果（出口圧力Ｐ_O2(t)）はコンピュータ５に入力される。

【0025】

水素気液分離タンク４は、電解槽２から送られてくる水素１３と水１０とを貯蔵する。水素気液分離タンク４内では、水１０が下側に位置し、水素１３が上側に位置し、貯蔵された水素１３と水１０とが分離される。また、水素気液分離タンク４の下端には、酸素気液分離タンク３と同様に、水用配管１７が連通されている。そして、水素気液分離タンク４に貯蔵されている水１０も水用配管１７を介して陽極室６及び陰極室７に供給される。
また、水素気液分離タンク４には水素気液分離タンク４内の水位Ｌ_H(t)を検出する第２の水位検出部２４が設けられている。水位Ｌ_H(t)の検出結果はコンピュータ５に入力される。

【0026】

なお、酸素気液分離タンク３内と水素気液分離タンク４内とは、水用配管１７によって互いに連通されているため、両気液分離タンクの水面レベルは、ほぼ同じになっている。
また、水素気液分離タンク４の上端側には、水素１３を外部に取り出すための水素用配管２５が連通されている。水素用配管２５には、水素用配管２５の流量を調節可能な水素圧力制御弁２６が設けられている。水素圧力制御弁２６は、コンピュータ５からの信号に従い、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する。
さらに、水素気液分離タンク４内には、水素１３による水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)を検出する第２のタンク内圧検出部２７が配置されている。第２のタンク内圧検出部２７の検出結果（タンク内圧Ｐ_H1(t)）はコンピュータ５に入力される。

【0027】

また、水素用配管２５における、水素圧力制御弁２６の出口側には、水素圧力制御弁２６の出口圧力Ｐ_H2(t)を検出する第２の出口圧力検出部２８が配置されている。第２の出口圧力検出部２８の検出結果（出口圧力Ｐ_H2(t)）はコンピュータ５に入力される。
コンピュータ５は、記憶装置２９及びプロセッサ３０等のハードウェア資源を備える。
記憶装置２９は、プロセッサ３０で実行可能なコンピュータ５の制御プログラムを記憶している。また、記憶装置２９は制御プログラムの実行に必要な各種データを記憶する。

【0028】

プロセッサ３０は、記憶装置２９から制御プログラムを読み出し、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する第１の開度調整部３１及び水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する第２の開度調整部３２等を実現する。第１の開度調整部３１は、図２に示すように、第１のフィードバック制御部３３、第１のフィードフォワード制御部３４、第３のフィードフォワード制御部３５及び第１の合算部３６を含んでいる。また、図３に示すように第２の開度調整部３２は、第２のフィードバック制御部３７、第２のフィードフォワード制御部３８、第４のフィードフォワード制御部３９及び第２の合算部４０を含んでいる。

【0029】

第１のフィードバック制御部３３は、第１のタンク内圧検出部２２で検出した酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)に基づき、タンク内圧Ｐ_O1(t)と予め定めた目標圧力Ｐ_O*(t)との差が小さくなるように酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)（以下、「ｕ_OFB1(t)」とも呼ぶ）を制御する第１のフィードバック制御を行う。具体的には、下記（１）式に示すように、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)を入力とし、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFB1(t)を出力とした場合の、第１のフィードバック制御部３３の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)に、検出したタンク内圧Ｐ_O1(t)を入力して、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFB1(t)の数値を算出する。
Ｃ_O(s)＝Ｖ_O(L)｛Ｋ_Op＋Ｋ_OI/ｓ＋Ｋ_OD・ｓ｝ ‥‥‥（１）

【0030】

ここで、Ｖ_O(L)は、第１の水位検出部１９で検出した酸素気液分離タンク３内の水位Ｌ_O(t)を基に算出される、酸素気液分離タンク３のタンク気相体積である。また、Ｋ_Opは比例ゲイン、Ｋ_OIは積分ゲイン、Ｋ_ODは微分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。
このように、伝達関数Ｃ_O(s)を用いることにより、第１のフィードバック制御では、ＰＩＤ制御を行うとともに、第１の水位検出部１９で検出した水位Ｌ_O(t)が高いほど、そのＰＩＤ制御のＰＩＤゲインＶ_O(L)・Ｋ_Op、Ｖ_O(L)・Ｋ_OI、Ｖ_O(L)・Ｋ_ODを小さくする。
算出した酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFB1(t)の数値は第１の合算部３６に出力される。

【0031】

第１のフィードフォワード制御部３４は、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)に基づき、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)（以下、「ｕ_OFF1(t)」とも呼ぶ）を制御する第１のフィードフォワード制御を行う。具体的には、下記（２）式に示すように、電解槽２に供給される電流Ｉ(t)を入力とし、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF1(t)を出力とした場合の、第１のフィードフォワード制御部３４の制御器の伝達関数Ｆ_OI(s)に、検出した電流Ｉ(t)を入力して、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF1(t)の数値を算出する。

【0032】

【数1】

【0033】

ここで、Ｔ_O(t)は、温度検出部１６で検出した電解槽２内の水１０の温度である。さらに、Ｐ_O1(t)は、第１のタンク内圧検出部２２で検出した酸素気液分離タンク３のタンク内圧である。また、その他のパラメータＰ_O1（上方に「−」有り）、Ｐ_O2（上方に「−」有り）、α_O、τ_O、Ｔ_Ovは、後述される伝達関数Ｇ_OV1、Ｇ_OIで用いられる固定値である。

【0034】

このように、伝達関数Ｆ_OI(s)を用いることにより、第１のフィードフォワード制御では、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)が大きいほど、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF1(t)が大きくなるように、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF1(t)を制御する。また、温度検出部１６で検出した酸素発生部の水１０の温度Ｔ_O(t)が高いほど、第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする。さらに、第１のタンク内圧検出部２２で検出したタンク内圧Ｐ_O1(t)が高いほど、第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする。
算出した酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF1の数値は、第１の合算部３６に出力される。

【0035】

第３のフィードフォワード制御部３５は、第１の出口圧力検出部２３で検出した出口圧力Ｐ_O2(t)に基づき、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)（以下、「ｕ_OFF3(t)」とも呼ぶ）を制御する第３のフィードフォワード制御を行う。具体的には、下記（３）式に示すように、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)を入力とし、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF3(t)を出力とした場合の、第３のフィードフォワード制御部３５の制御器の伝達関数Ｆ_OP(s)に、検出した出口圧力Ｐ_O2(t)を入力して、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF3(t)の数値を算出する。

【0036】

【数2】

【0037】

このように、伝達関数Ｆ_OP(s)を用いることにより、第３のフィードフォワード制御では、第１の出口圧力検出部２３で検出した出口圧力Ｐ_O2(t)が高いほど、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF3(t)が大きくなるように酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF3(t)を制御する。
算出した酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFF3(t)の数値は第１の合算部３６に出力される。
第１の合算部３６は、第１のフィードバック制御部３３、第１のフィードフォワード制御部３４及び第３のフィードフォワード制御部３５から出力される酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_OFB1(t)、ｕ_OFF1(t)、ｕ_OFF3(t)の数値を合算する。合算結果ｕ_O(t)を示す信号は、酸素圧力制御弁２１に出力される。これにより、酸素圧力制御弁２１が、出力される信号に従い、その合算結果が実現されるように酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が調節される。

【0038】

第２のフィードバック制御部３７は、第２のタンク内圧検出部２７で検出した水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)に基づき、タンク内圧Ｐ_H1(t)と予め定められた目標圧力Ｐ_H*(t)との差が小さくなるように水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)（以下、「ｕ_HFB2(t)」とも呼ぶ）を制御する第２のフィードバック制御を行う。目標圧力Ｐ_H*(t)は、目標圧力Ｐ_O*(t)と同一、または目標圧力Ｐ_O*(t)よりも僅かに大きい程度とする（Ｐ_H*(t)≧Ｐ_O*(t)、Ｐ_H*(t)−Ｐ_O*(t)≒０）。具体的には、下記（４）式に示すように、水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)を入力とし、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFB2(t)を出力とした場合の、第２のフィードバック制御部３７の制御器の伝達関数Ｃ_H(s)に、検出したタンク内圧Ｐ_H1(t)を入力して水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFB2(t)の数値を算出する。
Ｃ_H(s)＝Ｖ_H(L)｛Ｋ_Hp＋Ｋ_HI/ｓ＋Ｋ_HD・ｓ｝ ‥‥‥（４）

【0039】

ここで、Ｖ_H(L)は、第２の水位検出部２４で検出した水素気液分離タンク４内の水位Ｌ_H(t)を基に算出される、水素気液分離タンク４のタンク気相体積である。また、Ｋ_Hpは比例ゲイン、Ｋ_HIは積分ゲイン、Ｋ_HDは微分ゲインである。
このように、伝達関数Ｃ_H(s)を用いることにより、第２のフィードバック制御では、ＰＩＤ制御を行うとともに、第２の水位検出部２４で検出した水位Ｌ_H(t)が高いほど、ＰＩＤゲインＶ_H(L)・Ｋ_Hp、Ｖ_H(L)・Ｋ_HI、Ｖ_H(L)・Ｋ_HDを小さくする。
算出した水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFB2(t)の数値は第２の合算部４０に出力される。

【0040】

第２のフィードフォワード制御部３８は、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)に基づき、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)（以下、「ｕ_HFF2(t)」とも呼ぶ）を制御する第２のフィードフォワード制御を行う。具体的には、下記（５）式に示すように、電解槽２に供給される電流Ｉ(t)を入力とし、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF2(t)を出力とした場合の、第２のフィードフォワード制御部３８の制御器の伝達関数Ｆ_HI(s)に、検出した電流Ｉ(t)を入力して、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF2(t)の数値を算出する。

【0041】

【数3】

【0042】

ここでＰ_H1(t)は、第２のタンク内圧検出部２７で検出した水素気液分離タンク４のタンク内圧である。またその他のパラメータｐ_H1（上方に「−」有り）、ｐ_H2（上方に「−」有り）、α_H、τ_H、Ｔ_Hvは後述される伝達関数Ｇ_HV1、Ｇ_HIで用いられる固定値である。

【0043】

このように、伝達関数Ｆ_HI(s)を用いることにより、第２のフィードフォワード制御では、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)が大きいほど、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF2(t)が大きくなるように、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF2(t)を制御する。また、温度検出部１６で検出した水素発生部の水１０の温度Ｔ_H(t)が高いほど、第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする。さらに、第２のタンク内圧検出部２７で検出したタンク内圧Ｐ_H1(t)が高いほど、第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする。
算出した水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF2(t)の数値は第２の合算部４０に出力される。

【0044】

第４のフィードフォワード制御部３９は、第２の出口圧力検出部２８で検出した出口圧力Ｐ_H2(t)に基づき、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_O(t)（以下、「ｕ_HFF4(t)」とも呼ぶ。）を制御する第４のフィードフォワード制御を行う。具体的には、下記（６）式に示すように、水素圧力制御弁２６の出口圧力Ｐ_H2(t)を入力とし、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF4(t)を出力とした場合の、第４のフィードフォワード制御部３９の制御器の伝達関数Ｆ_HP(s)に、検出した出口圧力Ｐ_H2(t)を入力して、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF4(t)の数値を算出する。

【0045】

【数4】

【0046】

このように、伝達関数Ｆ_HP(s)を用いることにより、第４のフィードフォワード制御では、第２の出口圧力検出部２８で検出した出口圧力Ｐ_H2(t)が高いほど、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF4(t)が大きくなるように水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF4(t)を制御する。
算出した水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFF4(t)の数値は第２の合算部４０に出力される。
第２の合算部４０は、第２のフィードバック制御部３７、第２のフィードフォワード制御部３８及び第４のフィードフォワード制御部３９から出力される水素圧力制御弁２６の開度ｕ_HFB2(t)、ｕ_HFF2(t)、ｕ_HFF4(t)の数値を合算する。合算結果ｕ_H(t)を示す信号は、水素圧力制御弁２６に出力される。これにより、水素圧力制御弁２６が、出力される信号に従い、その合算結果が実現されるように水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が調節される。

【0047】

（制御器の伝達関数の導出方法）
次に、第１の開度調整部３１における、第１のフィードバック制御部３３、第１のフィードフォワード制御部３４及び第３のフィードフォワード制御部３５の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)、Ｆ_OI(s)、Ｆ_OP(s)の導出方法について、図面を参照しつつ説明する。
まず、図４に示すように、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)及び電解槽２に供給される電流Ｉ(t)を入力とし、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)を出力とした場合の、水電解装置１を制御対象（以下、「第１の制御対象４１」とも呼ぶ）としてモデル化した。この第１の制御対象４１のモデルは、酸素気液分離タンク３からの酸素１１の流出流量ｆ_o(t)を表す流出流量モデル、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)を表す流入流量モデル、及び酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)の圧力変動ｐ(t)を表す圧力変動モデルを含むように構成とした。

【0048】

流出流量モデルは、単位換算係数αと、ＣＶ値Ｃv_max［-］と、酸素圧力制御弁２１の弁特性モデルｍ(u_O)［-］と、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)［kPaG］と、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)［kPaG］とに基づき、下記（７）式のように構成した。弁特性モデルｍ(u_O)は、酸素圧力制御弁２１の特性（例えば、開度u_O(t)が酸素１１の流量に対して線形に影響するか非線形に影響するか）を表す関数である。

【0049】

【数5】

【0050】

上記（７）式によれば、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)＜タンク内圧Ｐ_O1(t)（酸素圧力制御弁２１の入口圧力）、という関係が維持されなければ、酸素圧力制御弁２１から酸素１１が流出されない。また、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)とタンク内圧Ｐ_O1(t)との差が変化すると、酸素気液分離タンク３からの酸素１１の流出流量の大きさが変化する。例えば、出口圧力Ｐ_O2(t)が大きくなれば、酸素１１の流出流量が小さくなる。一方、タンク内圧Ｐ_O1(t)が大きくなれば、酸素１１の流出流量が大きくなる。

【0051】

また、流入流量モデルは、換算係数τと、酸素発生部の水１０の温度Ｔ_O(t)、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)と、電解槽２で発生した酸素１１が酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)に影響を及ぼすまでの時間特性を表す一次遅れ関数１/(Ｔ_Ovs＋１)と、電解槽２に供給される電流Ｉ(t)とに基づき、下記（８）式のように構成した。一次遅れ関数１/(Ｔ_Ovs＋１)の時定数Ｔ_Ovは、データフィッティングによって決定した。

【0052】

【数6】

【0053】

上記（８）式によれば、電解槽２に供給される電流Ｉ(t)が大きいほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大する。また、酸素発生部の水１０の温度Ｔ_O(t)が高いほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大する。さらに、酸素気液分離タンク３の圧力Ｐ_O1(t)が低いほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大する。

【0054】

また、圧力変動モデルは、定圧ｐ（上方に「−」有り）と、比容積ｖ（上方に「−」有り）と、酸素気液分離タンク３のタンク気相体積Ｖ_O(L)、積分１/ｓ、流入流量モデルと、流出流量モデルとに基づき、下記（９）式のように構成した。

【0055】

【数7】

【0056】

上記（９）式によれば、酸素気液分離タンク３内への流入流量ｆi(t)が大きいほど、酸素気液分離タンク３の圧力変動ｐ(t)が増大する。また、酸素気液分離タンク３からの流出流量ｆ_o(t)が小さいほど、酸素気液分離タンク３の圧力変動ｐ(t)が増大する。さらに、タンク気相体積Ｖ_O(L)が小さいほど、圧力変動ｐ(t)（タンク内圧Ｐ_O1(t)の変動）が早くなる。また、タンク気相体積Ｖ_O(L)が大きいほど、圧力変動ｐ(t)の変動が遅くなる。

【0057】

続いて、図５に示すように、上記（７）〜（９）式で表した第１の制御対象４１のモデルに対し、第１のフィードバック制御、第１のフィードフォワード制御及び第３のフィードフォワード制御の制御器（伝達関数Ｃ_O(s)、Ｆ_OI(s)、Ｆ_OP(s)）を適用した場合の、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)（以下「ｙ（ｔ）」とも呼ぶ）の式を導出した。

【0058】

【数8】

【0059】

ここで、Ｇ_OP(s)はｐ(t)をラプラス変換したもの、Ｇ_OI(s)はｆ_i(t)をラプラス変換したものである。また、Ｇ_OV1(s)は、ｆ_o(t)をｕ_O(t)の影響を表す項とＰ_O2(t)の影響を表す項との足し算からなる近似式に変換した場合の、ｕ_O(t)の影響を表す項をラプラス変換したものである。また、Ｇ_OV1(s)はＰ_O2(t)の影響を表す項をラプラス変換したものである。
上記（１０）式によれば、酸素気液分離タンク３のタンク内圧ｙ(t)に対する、Ｉ(t)の影響を低減するためには、下記（１１）式を満たせばよい。したがって、第１のフィードフォワード制御部３４の制御器の伝達関数Ｆ_OI(s)は下記（１２）式のように設定する。

【0060】

【数9】

【0061】

ここで、各伝達関数Ｇ_OP(s)、Ｇ_OI(s)、Ｇ_OV1(s)、Ｇ_OV2(s)は、下記（１３）（１４）（１５）（１６）式で表される。

【0062】

【数10】

【0063】

そして、上記（１３）〜（１６）式によれば、第１のフィードフォワード制御部３４の制御器の伝達関数Ｆ_OI(s)を表す上記（１２）式は下記（１７）式のように設定される。

【0064】

【数11】

【0065】

また、上記（１０）式によれば、酸素気液分離タンク３のタンク内圧ｙ(t)に対する、Ｐ_O2(t)の影響を低減するためには、下記（１８）式を満たせばよい。したがって、第３のフィードフォワード制御部３５の制御器の伝達関数Ｆ_OP(s)は下記（１９）式のように設定する。

【0066】

【数12】

【0067】

そして、上記（１３）〜（１６）式によれば、第３のフィードフォワード制御部３５の制御器の伝達関数Ｆ_OP(s)を表す上記（１２）式は下記（２０）式のように設定される。

【0068】

【数13】

【0069】

さらに、上記（１２）式の伝達関数Ｆ_OI(s)と、上記（１９）式の伝達関数Ｆ_OP(s)とを採用した場合、酸素気液分離タンク３のタンク内圧ｙ(t)を表す上記（１０）式は、下記（２１）式のように設定される。

【0070】

【数14】

【0071】

上記（２１）式において、Ｇ_Op(s)は１/Ｖ_O(L)を含むため、１/Ｖ_O(L)の変動による閉ループ伝達特性への影響を低減するためには、第１のフィードバック制御部３３の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)には、全体にＶ_O(L)を乗算すればよい。したがって、第１のフィードバック制御部３３の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)は、下記（２２）式に示すように設定する。

【0072】

【数15】

【0073】

上記（１３）式のＧ_Op(s)と、上記（２２）式のＣ_O(s)とを採用した場合、酸素気液分離タンク３のタンク内圧ｙ(t)を表す上記（２１）式は、下記（２３）式のようになる。

【0074】

【数16】

【0075】

以上の手順により、第１の開度調整部３１の第１のフィードバック制御、第１のフィードフォワード制御及び第３のフィードフォワード制御の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)、Ｆ_OI(s)、Ｆ_OP(s)が導出される。第２の開度調整部３２の第２のフィードバック制御、第２のフィードフォワード制御及び第４のフィードフォワード制御の制御器も同様に導出できる。その際、数式は、上記（７）〜（２３）式の変数（f_O(t)を除く）の添字「o」を「H」に置換したものとなる。

【0076】

以上説明したように、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)の制御は、第１のタンク内圧検出部２２で検出したタンク内圧Ｐ_O1(t)に基づき、タンク内圧Ｐ_O1(t)と予め定めた目標圧力Ｐ_O*(t)との差が小さくなるように酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する第１のフィードバック制御と、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)に基づき酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する第１のフィードフォワード制御とを含んでいる。また、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)の制御は、第２のタンク内圧検出部２７で検出したタンク内圧Ｐ_H1(t)に基づき、タンク内圧Ｐ_H1(t)と予め定めた目標圧力Ｐ_H*(t)との差が小さくなるように水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する第２のフィードバック制御と、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)に基づき水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する第２のフィードフォワード制御とを含んでいる。

【0077】

それゆえ、例えば、電解槽２に供給される電流Ｉ(t)が変化したときに、第１のフィードフォワード制御及び第２のフィードフォワード制御により、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)と目標圧力Ｐ_O*(t)との差及び水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)と目標圧力Ｐ_H*(t)との差を速やかに低減できる。そのため、電解膜８の一方の面８ａ側における酸素１１の圧力と他方の面８ｂ側における水素１３の圧力との差圧をより適切に低減させた水電解装置１を提供できる。その結果、電解膜８の破損を適切に防止できる。

【0078】

また本発明の実施形態に係る水電解装置１では、第１のフィードフォワード制御は、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)が大きいほど酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるように、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する。また、第２のフィードフォワード制御は、電流検出部１５で検出した電流Ｉ(t)が大きいほど水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるように、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する。それゆえ、電流Ｉ(t)が大きいほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_O1(t)の増大を抑制できる。また電流Ｉ(t)が大きいほど、水素１３の発生量が増大し、水素気液分離タンク４への水素１３の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_H1(t)の増大を抑制できる。

【0079】

また、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、第１のフィードフォワード制御は、温度検出部１６で検出した酸素発生部の水１０の温度Ｔ_O(t)が高いほど、第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする。また、第２のフィードフォワード制御は、温度検出部１６で検出した水素発生部の水１０の温度Ｔ_H(t)が高いほど、第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを大きくする。それゆえ、酸素発生部の水１０の温度Ｔ_O(t)が高いほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_O1(t)の増大を抑制することができる。また、水酸素発生部の水１０の温度Ｔ_H(t)が高いほど、水素１３の発生量が増大し、水素気液分離タンク４への水素１３の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_H1(t)の増大を抑制することができる。

【0080】

また、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、第１のフィードフォワード制御は、第１のタンク内圧検出部２２で検出したタンク内圧Ｐ_O1(t)が高いほど、第１のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする。また、第２のフィードフォワード制御は、第２のタンク内圧検出部２７で検出したタンク内圧Ｐ_H1(t)が高いほど、第２のフィードフォワード制御を行う制御器のゲインを小さくする。それゆえ、タンク内圧Ｐ_O1(t)が高いほど、酸素１１の発生量が増大し、酸素気液分離タンク３への酸素１１の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_O1(t)の増大を抑制できる。また、タンク内圧Ｐ_H1(t)が高いほど、水素１３の発生量が増大し、水素気液分離タンク４への水素１３の流入流量ｆ_i(t)が増大するが、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_H1(t)の増大を抑制できる。

【0081】

さらに、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)の制御は、第１の出口圧力検出部２３で検出した出口圧力Ｐ_O2(t)に基づき、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する第３のフィードフォワード制御を含んでいる。また、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)の制御は、第２の出口圧力検出部２８で検出した出口圧力Ｐ_H2に基づき、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する第４のフィードフォワード制御とを含んでいる。それゆえ、例えば、酸素圧力制御弁２１の出口圧力Ｐ_O2(t)、水素圧力制御弁２６の出口圧力Ｐ_H2(t)が変化したときに、第３のフィードフォワード制御及び第４のフィードフォワード制御により、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)と目標圧力Ｐ_O*(t)との差及び水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)と目標圧力Ｐ_H*(t)との差を速やかに低減できる。そのため、電解膜８の一方の面８ａ側における酸素１１の圧力と他方の面８ｂ側における水素１３の圧力との差圧をより適切に低減できる。

【0082】

また、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、第３のフィードフォワード制御は、第１の出口圧力検出部２３で検出した出口圧力Ｐ_O2(t)が高いほど酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるように、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)を制御する。また、第４のフィードフォワード制御は、第２の出口圧力検出部２８で検出した出口圧力Ｐ_H2が高いほど水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるように、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)を制御する。それゆえ、出口圧力Ｐ_O2(t)が高いほど、酸素気液分離タンク３からの酸素１１の流出流量ｆ_o(t)が低減するが、酸素圧力制御弁２１の開度ｕ_O(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_O1(t)の増大を抑制できる。また、出口圧力Ｐ_H2(t)が高いほど、水素気液分離タンク４からの水素１３の流出流量ｆ_o(t)が低減するが、水素圧力制御弁２６の開度ｕ_H(t)が大きくなるため、タンク内圧Ｐ_H1(t)の増大を抑制することができる。

【0083】

さらに、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、第１のフィードバック制御では、第１の水位検出部１９で検出した水位Ｌ_O(t)が高いほど、ＰＩＤゲインＶ_O(L)・Ｋ_Op、Ｖ_O(L)・Ｋ_OI、Ｖ_O(L)・Ｋ_ODを小さくする。また、第２のフィードバック制御では、第２の水位検出部２４で検出した水位Ｌ_H(t)が高いほど、ＰＩＤゲインＶ_H(L)・Ｋ_Hp、Ｖ_H(L)・Ｋ_HI、Ｖ_H(L)・Ｋ_HDを小さくする。それゆえ、水位Ｌ_O(t)が高く、酸素気液分離タンク３のタンク気相体積Ｖ_O(L)が小さいほど、酸素気液分離タンク３のタンク内圧Ｐ_O1(t)の変動が早くなるため、酸素圧力制御弁２１の感度が上がる。そこで、ＰＩＤゲインＶ_O(L)・Ｋ_Op、Ｖ_O(L)・Ｋ_OI、Ｖ_O(L)・Ｋ_ODを小さくし感度を下げることで、レベルに依存せず一定の制御仕様とすることができる。また、水位Ｌ_H(t)が高く、タンク気相体積Ｖ_H(L)が小さいほど、水素気液分離タンク４のタンク内圧Ｐ_H1(t)の変動が早くなるため、水素圧力制御弁２６の感度が上がる。そこで、ＰＩＤゲインＶ_H(L)・Ｋ_Hp、Ｖ_H(L)・Ｋ_HI、Ｖ_H(L)・Ｋ_HDを小さくし感度を下げることで、レベルに依存せず一定の制御仕様とすることができる。

【0084】

（変形例）
（１）本発明の実施形態に係る水電解装置１では、図２に示すように、第１のフィードフォワード制御部３４の制御器の伝達関数Ｆ_OI(ｓ)のパラメータＴ_O(t)、Ｐ_O1(t)を温度検出部１６や第１のタンク内圧検出部２２から取得する構成を示した。また図３に示すように、第２のフィードフォワード制御部３８の制御器の伝達関数Ｆ_HI(ｓ)のパラメータＴ_H(t)、Ｐ_H1(t)を温度検出部１６や第２のタンク内圧検出部２７から取得する構成を示した。
しかし、本発明は、このような構成に限られるものではなく、他の構成を採用することもできる。例えば、図６（ａ）（ｂ）に示すように、伝達関数Ｆ_OI(ｓ)、Ｆ_HI(ｓ)のパラメータＴ_O(t) 、Ｔ_H(t)、Ｐ_O1(t)、Ｐ_H1(t)を外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。

【0085】

（２）また、例えば、図７（ａ）（ｂ）に示すように、第３のフィードフォワード制御部３５と第４のフィードフォワード制御部３９とを省略する構成としてもよい。これらの省略に加え、例えば、図８（ａ）（ｂ）に示すように伝達関数Ｆ_OI(ｓ)、Ｆ_HI(ｓ)のパラメータＴ_O(t) 、Ｔ_H(t)、Ｐ_O1(t)、Ｐ_H1(t)を外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。
また、第３のフィードフォワード制御部３５と第４のフィードフォワード制御部３９との省略に加え、例えば、図９（ａ）（ｂ）に示すように、第１のフィードバック制御部３３の制御器の伝達関数Ｃ_O(ｓ)のパラメータＶ_O(L)、及び第２のフィードバック制御部３７の制御器の伝達関数Ｃ_H(ｓ)のパラメータＶ_H(L)を外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。さらに、パラメータＶ_O(L)、Ｖ_H(L)として固定値を用いる構成に加え、例えば、図１０（ａ）（ｂ）に示すように伝達関数Ｆ_OI(ｓ)、Ｆ_HI(ｓ)のパラメータＴ_O(t) 、Ｔ_H(t)、Ｐ_O1(t)、Ｐ_H1(t)についても外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。

【0086】

（３）また、本発明の実施形態に係る水電解装置１では、図２に示すように、第１のフィードバック制御部３３の制御器の伝達関数Ｃ_O(s)のパラメータＶ_O(L)を第１の水位検出部１９から取得し、さらに図３に示すように、第２のフィードバック制御部３７の制御器の伝達関数Ｃ_H(s)のパラメータＶ_H(L)を第２の水位検出部２４から取得する構成を示した。
しかし、本発明は、このような構成に限られるものではなく、他の構成を採用することもできる。例えば、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、伝達関数Ｃ_O(s)、Ｃ_H(s)のパラメータＶ_O(L)、Ｖ_H(L)を外部から取得せず、予め定めた固定値を用いてもよい。これらの固定値に加え、例えば、図１２（ａ）（ｂ）に示すように伝達関数Ｆ_OI(ｓ)、Ｆ_HI(ｓ)のパラメータＴ_O(t) 、Ｔ_H(t)、Ｐ_O1(t)、Ｐ_H1(t)も外部から取得せず、固定値を用いる構成としてもよい。

【0087】

さらに、２次圧変動に対しては、上記（７）式の関係から、2次圧変化に対する流出流量の特性変化を直接指令値補正に使用することもできる。

【符号の説明】

【0088】

１…水電解装置、２…電解槽、３…酸素気液分離タンク、４…水素気液分離タンク、５…コンピュータ、６…陽極室、７…陰極室、８…電解膜、８ａ…一方の面、８ｂ…他方の面、９…電力、１０…水、１１…酸素、１２…配管、１３…水素、１４…配管、１５…電流検出部、１６…温度検出部、１７…水用配管、１８…水供給ポンプ、１９…第１の水位検出部、２０…酸素用配管、２１…酸素圧力制御弁、２２…第１のタンク内圧検出部、２３…第１の出口圧力検出部、２４…第２の水位検出部、２５…水素用配管、２６…水素圧力制御弁、２７…第２のタンク内圧検出部、２８…第２の出口圧力検出部、２９…記憶装置、３０…プロセッサ、３１…第１の開度調整部、３２…第２の開度調整部、３３…第１のフィードバック制御部、３４…第１のフィードフォワード制御部、３５…第３のフィードフォワード制御部、３６…第１の合算部、３７…第２のフィードバック制御部、３８…第２のフィードフォワード制御部、３９…第４のフィードフォワード制御部、４０…第２の合算部、４１…第１の制御対象

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】