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特開2023-137535水電解スタックの荷重制御方法、水素製造方法、水電解装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023137535
(43)【公開日】2023-09-29
(54)【発明の名称】水電解スタックの荷重制御方法、水素製造方法、水電解装置
(51)【国際特許分類】
C25B 15/02 20210101AFI20230922BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20230922BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20230922BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20230922BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20230922BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20230922BHJP
C25B 15/06 20060101ALI20230922BHJP
C25B 9/60 20210101ALI20230922BHJP
【ＦＩ】
C25B15/02
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B9/23
C25B9/77
C25B15/00 302Z
C25B15/06
C25B9/60
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022043786
(22)【出願日】2022-03-18
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100129838
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 典輝
(74)【代理人】
【識別番号】100101203
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100104499
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 達人
(72)【発明者】
【氏名】藤田 敬祐
(72)【発明者】
【氏名】濱口 豪
(72)【発明者】
【氏名】岩田 隆一
(72)【発明者】
【氏名】香山 智之
(72)【発明者】
【氏名】池田 飛展
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】荷重管理をより適正に行い性能を維持することを可能とする。
【解決手段】水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、水電解スタックへの荷重が適正な荷重となるように負荷を変更する。
【選択図】図５
【解決手段】水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、水電解スタックへの荷重が適正な荷重となるように負荷を変更する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置されたアノード及び他方側に配置されたカソードを有する水電解セルが複数積層されて収納された水電解スタックの荷重を制御する方法であって、
前記水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる前記水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、
前記水電解スタックへの荷重が前記適正な荷重となるように負荷を変更する、
水電解スタックの荷重制御方法。
前記水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる前記水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、
前記水電解スタックへの荷重が前記適正な荷重となるように負荷を変更する、
水電解スタックの荷重制御方法。
【請求項2】
前記水電解セルによる通常の水素製造に加えて、請求項１に記載の水電解スタックの荷重制御による荷重制御を定期的に行うことにより水素製造を行う、水素製造方法。
【請求項3】
固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置されたアノード及び他方側に配置されたカソードを有する水電解セルが複数積層されて収納された水電解スタックを備える水電解装置であって、
前記水分解スタックには前記水電解スタックを押圧して前記水電解セルに荷重を負荷する押圧器と、
前記水電解スタックの内側の温度を測定するセンサ、電気抵抗センサ、及び、水の流量を得るセンサの少なくとも１つのセンサと、
前記押圧器、及び、前記センサからの信号を受信可能であるとともに、前記押圧器に送信可能に接続された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記センサから前記水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる前記水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、前記水電解スタックへの荷重が前記適正な荷重となるように前記押圧器に負荷の変更を指令する、
水電解装置。
前記水分解スタックには前記水電解スタックを押圧して前記水電解セルに荷重を負荷する押圧器と、
前記水電解スタックの内側の温度を測定するセンサ、電気抵抗センサ、及び、水の流量を得るセンサの少なくとも１つのセンサと、
前記押圧器、及び、前記センサからの信号を受信可能であるとともに、前記押圧器に送信可能に接続された制御器と、を備え、
前記制御器は、前記センサから前記水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる前記水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、前記水電解スタックへの荷重が前記適正な荷重となるように前記押圧器に負荷の変更を指令する、
水電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は水分解に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、複数のネジ軸で締結したスタック構造であって、各ネジの軸力を均一化するため、複数の各ネジ軸に、それぞれ荷重計またはひずみ計を設置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００３－１４７５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来技術では、荷重管理が初期状態しかなく、環境条件や運転条件、経時劣化に対して荷重管理が追従できず、リークや早期劣化を生じる虞がある。例えば荷重が不足するとシール性の低下よりリークを生じたり、水電解セルを構成する各層の密着度が低下して水電解の性能が低下したりする。一方、荷重が大きくなりすぎると水電解セルの層に負担がかかり破損を生じ、早期に劣化する虞がある。
【0005】
そこで上記問題に鑑み、荷重管理をより適正に行い性能を維持することを可能とする水電解スタックの荷重制御方法を提供することを目的とする。またこれを可能とする水素製造法法、水電解装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願は、固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置されたアノード及び他方側に配置されたカソードを有する水電解セルが複数積層されて収納された水電解スタックの荷重を制御する方法であって、水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、水電解スタックへの荷重が適正な荷重となるように負荷を変更する、水電解スタックの荷重制御方法を開示する。
【0007】
また、水電解セルによる通常の水素製造に加えて、上記方法による荷重制御を定期的に行うことにより水素製造を行う、水素製造方法を開示する。
【0008】
また、本願は、固体高分子電解質膜を挟んで一方側に配置されたアノード及び他方側に配置されたカソードを有する水電解セルが複数積層されて収納された水電解スタックを備える水電解装置であって、水分解スタックには水電解スタックを押圧して水電解セルに荷重を負荷する押圧器と、水電解スタックの内側の温度を測定するセンサ、電気抵抗センサ、及び、水の流量を得るセンサの少なくとも１つのセンサと、押圧器、及び、センサからの信号を受信可能であるとともに、押圧器に送信可能に接続された制御器と、を備え、制御器は、センサから水電解スタックの内側の温度、電気抵抗、及び、水の流量の少なくとも１つから得られる水電解スタックの内側の状態から適正な荷重を判定し、水電解スタックへの荷重が適正な荷重となるように押圧器に負荷の変更を指令する、水電解装置を開示する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、水電解セル、水電解スタックの荷重管理をより適正に行い性能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
１．水電解装置
図１には１つの形態にかかる水電解装置１０を概念的に表した。
本形態で水電解装置１０は、水電解スタック２０、酸素側経路３０、水素側経路４０、及び制御器６０を有している。水電解装置１０では、水電解スタック２０に具備された水電解セル２１に対して酸素側経路３０から純水を供給して通電することで水を水素と酸素とに分解し、水素を得て水素側経路４０に分離する。
図１には１つの形態にかかる水電解装置１０を概念的に表した。
本形態で水電解装置１０は、水電解スタック２０、酸素側経路３０、水素側経路４０、及び制御器６０を有している。水電解装置１０では、水電解スタック２０に具備された水電解セル２１に対して酸素側経路３０から純水を供給して通電することで水を水素と酸素とに分解し、水素を得て水素側経路４０に分離する。
【0012】
１．１．酸素側経路（給水側経路）
酸素側経路（給水側経路）３０は、水電解スタック２０に対して純水を供給し酸素を得る、配管を含む経路である。酸素側経路３０ではポンプ３１により水電解スタック２０に向けて純水を供給し、発生した酸素及び使用されなかった水は水電解スタック２０から排出されて気液分離器３２に供給される。気液分離器３２では純水と酸素とが分離される。分離された酸素は排出され、純水は再度ポンプ３１に供給される。なお、不足した純水はポンプ３３から気液分離器３２に供給される。これらの各機器が配管により接続されている。
酸素側経路（給水側経路）３０は、水電解スタック２０に対して純水を供給し酸素を得る、配管を含む経路である。酸素側経路３０ではポンプ３１により水電解スタック２０に向けて純水を供給し、発生した酸素及び使用されなかった水は水電解スタック２０から排出されて気液分離器３２に供給される。気液分離器３２では純水と酸素とが分離される。分離された酸素は排出され、純水は再度ポンプ３１に供給される。なお、不足した純水はポンプ３３から気液分離器３２に供給される。これらの各機器が配管により接続されている。
【0013】
１．２．水素側経路
水素側経路４０は、水電解スタック２０で分離した水素を取り出す配管を含む経路である。水素側経路４０では水電解スタック２０から排出された水素及び水（純水）が気液分離器４１に供給される。気液分離器４１では水と水素とが分離される。分離された水素は集められ、水はポンプ４２で酸素側経路３０の気液分離器３２に送られて再び利用される。これらの各機器が配管により接続されている。
水素側経路４０は、水電解スタック２０で分離した水素を取り出す配管を含む経路である。水素側経路４０では水電解スタック２０から排出された水素及び水（純水）が気液分離器４１に供給される。気液分離器４１では水と水素とが分離される。分離された水素は集められ、水はポンプ４２で酸素側経路３０の気液分離器３２に送られて再び利用される。これらの各機器が配管により接続されている。
【0014】
１．３．水電解セル
水電解セル２１は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、水分解セル２１が複数積層されて水電解スタック２０に配置されている。図２に水電解セル２１の形態を概念的に示した。
水電解セル２１は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、水分解セル２１が複数積層されて水電解スタック２０に配置されている。図２に水電解セル２１の形態を概念的に示した。
【0015】
水電解セル２１は複数の層からなり、固体高分子電解質膜２２を挟んで一方が酸素発生極（アノード）、他方が水素発生極（カソード）となる。アノードは固体高分子電解質膜２２側からアノード触媒層２３、アノードガス拡散層２４、アノードセパレータ２５がこの順に積層されている。一方、カソードは固体高分子電解質膜１１側からカソード触媒層２６、カソードガス拡散層２７、カソードセパレータ２８をこの順に備えている。ここで、水電解膜電極接合体は、固体高分子電解質膜２２、固体高分子電解質膜２２のアノード側に配置されたアノード触媒層２３、及び、固体高分子電解質膜２２のカソード側に配置されたカソード触媒層２６の積層体を意味する。水電解膜電極接合体の厚さは０．４ｍｍ程度が典型的であり、水電解セル２１の厚さは１．３ｍｍ程度が典型的である。
各層は例えば次の通りである。
各層は例えば次の通りである。
【0016】
１．３．１．固体高分子電解質膜
固体高分子電解質膜２２はプロトン伝導性を有する膜の１つの態様である。本形態で固体高分子電解質膜２２を構成する材料（電解質）は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性（電気伝導性）を示す。より具体的にはパーフルオロ系電解質であるナフィオン（Nafion、登録商標）による膜が挙げられる。
固体高分子電解質膜２２の厚さは特に限定されることはないが、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。
固体高分子電解質膜２２はプロトン伝導性を有する膜の１つの態様である。本形態で固体高分子電解質膜２２を構成する材料（電解質）は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性（電気伝導性）を示す。より具体的にはパーフルオロ系電解質であるナフィオン（Nafion、登録商標）による膜が挙げられる。
固体高分子電解質膜２２の厚さは特に限定されることはないが、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。
【0017】
１．３．２．アノード触媒層
アノード触媒層（酸素極触媒層）２３は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の貴金属触媒及びその酸化物を少なくとも１つ以上含む触媒を有する層である。触媒としてより具体的には、Ｐt、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム酸化物、又は、これらの混合物が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、酸化イリジウム(ＩｒＯ２、ＩｒＯ３)、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。
ルテニウム酸化物としては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２、Ｒｕ２Ｏ３）、ルテニウムタンタル酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムチタンセリウム酸化物等が挙げられる。
イリジウムルテニウム酸化物としては、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物等が挙げられる。
アノード触媒層（酸素極触媒層）２３は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の貴金属触媒及びその酸化物を少なくとも１つ以上含む触媒を有する層である。触媒としてより具体的には、Ｐt、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム酸化物、又は、これらの混合物が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、酸化イリジウム(ＩｒＯ２、ＩｒＯ３)、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。
ルテニウム酸化物としては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２、Ｒｕ２Ｏ３）、ルテニウムタンタル酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムチタンセリウム酸化物等が挙げられる。
イリジウムルテニウム酸化物としては、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物等が挙げられる。
【0018】
１．３．３．アノードガス拡散層
アノードガス拡散層２４は、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的には金属繊維（例えばチタン繊維）または金属粒子（チタン粒子）などの焼結体からなる多孔質導電性部材等を挙げることができる。
アノードガス拡散層２４は、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的には金属繊維（例えばチタン繊維）または金属粒子（チタン粒子）などの焼結体からなる多孔質導電性部材等を挙げることができる。
【0019】
１．３．４．アノードセパレータ
アノードセパレータ２５は、アノードガス拡散層２４に純水を供給するとともに水が分解して発生した酸素が流れる流路２５ａを備える部材である。
アノードセパレータ２５は、アノードガス拡散層２４に純水を供給するとともに水が分解して発生した酸素が流れる流路２５ａを備える部材である。
【0020】
１．３．５．カソード触媒層
カソード触媒層２６に含まれる触媒は、公知の触媒を用いることができ、例えば白金、白金被覆チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、ニッケルグリオキシム等を挙げることができる。
カソード触媒層２６に含まれる触媒は、公知の触媒を用いることができ、例えば白金、白金被覆チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、ニッケルグリオキシム等を挙げることができる。
【0021】
１．３．６．カソードガス拡散層
カソードガス拡散層２７は、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。
カソードガス拡散層２７は、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。
【0022】
１．３．７．カソードセパレータ
カソードセパレータ２８は、水素イオンが還元されて発生した水素、及び、水素イオンが固体高分子電解質膜２２を透過するときにこれに随伴した水が流れる流路２８ａを備える部材である。
カソードセパレータ２８は、水素イオンが還元されて発生した水素、及び、水素イオンが固体高分子電解質膜２２を透過するときにこれに随伴した水が流れる流路２８ａを備える部材である。
【0023】
１．３．８．水電解セルによる水素の生成
以上説明した水電解セル２１により次のように純水から水素及び酸素が生成される。従って、本開示の水電解セル及び水電解スタックは上記の他にも水素を生成するために必要な公知の部材や構成を備えることができる。
酸素側経路３０からアノードセパレータ２５の流路２５ａを通してアノード（酸素発生極）に供給された純水（Ｈ２Ｏ）は、アノードとカソードとの間に通電することで、電位がかかったアノード触媒層２３で酸素、電子及びプロトン（Ｈ＋）に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜２２を通りカソード触媒層２６に移動する。一方、アノード触媒層２３で分離された電子は外部回路を通りカソード触媒層２６に達する。そして、カソード触媒層２６にてプロトンが電子を受け取り水素（Ｈ２）が発生する。発生した水素はカソードセパレータ２８に達して流路２８ａから排出され、水素側経路４０に送られる。なお、アノード触媒層２３で発生した酸素はアノードセパレータ２５に達して流路２５ａから排出され、酸素側経路３０に送られる。
以上説明した水電解セル２１により次のように純水から水素及び酸素が生成される。従って、本開示の水電解セル及び水電解スタックは上記の他にも水素を生成するために必要な公知の部材や構成を備えることができる。
酸素側経路３０からアノードセパレータ２５の流路２５ａを通してアノード（酸素発生極）に供給された純水（Ｈ２Ｏ）は、アノードとカソードとの間に通電することで、電位がかかったアノード触媒層２３で酸素、電子及びプロトン（Ｈ＋）に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜２２を通りカソード触媒層２６に移動する。一方、アノード触媒層２３で分離された電子は外部回路を通りカソード触媒層２６に達する。そして、カソード触媒層２６にてプロトンが電子を受け取り水素（Ｈ２）が発生する。発生した水素はカソードセパレータ２８に達して流路２８ａから排出され、水素側経路４０に送られる。なお、アノード触媒層２３で発生した酸素はアノードセパレータ２５に達して流路２５ａから排出され、酸素側経路３０に送られる。
【0024】
１．４．水電解スタック
水電解スタック２０は、上記した水電解セル２１が複数（５０枚～４００枚程度）重ねられてなる部材であり、複数の水電解セル２１に通電して水素及び酸素を生成する。また、本形態で水電解スタックは荷重を制御する手段を具備している。図３にその構成の概要を示した。
水電解スタック２０は、上記した水電解セル２１が複数（５０枚～４００枚程度）重ねられてなる部材であり、複数の水電解セル２１に通電して水素及び酸素を生成する。また、本形態で水電解スタックは荷重を制御する手段を具備している。図３にその構成の概要を示した。
【0025】
本形態で水電解スタック３０は、スタックケース５０、エンドプレート５１、水電解セル２１、付勢部材５２、押圧プレート５３、ロードセル５４、押圧器５５、及び、各種センサ（不図示）を備えている。ここで水電解セル２１は上記の通りである。
【0026】
スタックケース５０は、重ねられた複数の水電解セル２１及び付勢部材５２をその内側に収納する筐体である。本形態でスタックケースは四角形の筒状で両端が開口しているとともに、一方の開口の縁に沿って開口とは反対側に板状の片が張り出し、フランジ５０ａを形成している。
【0027】
エンドプレート５１は板状の部材であり、スタックケース５０の開口のうちフランジ５０ａが形成された側の開口を塞ぐ。エンドプレート５１はスタックケース５０のフランジ５０ａとの重なり部分をボルト及びナット等により固定され、スタックケース５０にフタをするように配置される。
【0028】
付勢部材５２は、複数の水電解セル２１とともにスタックケース５０の内側に収まり、水電解セル２１の積層体に対してその積層方向に押圧力を付与する。付勢部材５２として例えば皿バネ等を挙げることができる。
【0029】
押圧プレート５３は板状の部材であり、スタックケース５０の開口のうちエンドプレート５１が配置された側の開口とは反対側の開口を塞ぐ。本形態で押圧プレート５３は図３からわかるように、スタックケース５０の内側に配置され、付勢部材５２に重ねられる。これにより押圧プレート５３は水電解セル２１の積層方向に移動可能とされる。
【0030】
ロードセル５４は荷重を検知するセンサであり、水電解セル２１が受ける荷重を測定して出力することができるように構成されている。ロードセル５４は水電解セル２１が受ける荷重を得ることができれば種類や配置される位置は特に限定されるものではなく、例えばひずみゲージ型のロードセルを適用することができる。
【0031】
押圧器５５は押圧プレート５３に対して押圧力を付与する機器であり、押圧力の負荷及び除荷ができるように構成されている。本形態ではサーボモータ５５ａにネジ軸５５ｂが取り付けられた形態であり、サーボモータ５５ａによりネジ軸５５ｂが回転し、ネジ軸５５ｂが軸線方向に移動することで押圧プレート５３を押圧し押圧力を負荷したり除荷したりする。
【0032】
不図示の各種センサは通常の水電解スタックに配置されているセンサであり、これには、水電解スタック２０内の温度を得るセンサ、水電解セル２１の積層体の電気抵抗を得るセンサ、供給される純水の流量を得るセンサを挙げることができる。
【0033】
１．５．制御器
制御器６０は、本形態の水電解スタックの荷重制御方法を水電解装置１０で行うための制御器である。制御器の態様は特に限定されることはないが、典型的にはコンピュータにより構成することができる。本形態では制御器６０は押圧器５５のサーボモータ５５ａ、ロードセル５４、及び、各種センサに電気的に接続され、ロードセル５４、各種センサの測定結果を得るとともに、これに基づいてサーボモータ５５ａに指令をすることができるように構成されている。図４に制御器６０としてのコンピュータ６０の構成例を概念的に示した。
制御器６０は、本形態の水電解スタックの荷重制御方法を水電解装置１０で行うための制御器である。制御器の態様は特に限定されることはないが、典型的にはコンピュータにより構成することができる。本形態では制御器６０は押圧器５５のサーボモータ５５ａ、ロードセル５４、及び、各種センサに電気的に接続され、ロードセル５４、各種センサの測定結果を得るとともに、これに基づいてサーボモータ５５ａに指令をすることができるように構成されている。図４に制御器６０としてのコンピュータ６０の構成例を概念的に示した。
【0034】
コンピュータ６０は、プロセッサーであるＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、作業領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）６２、記憶媒体としてのＲＯＭ（Read-Only Memory）６３、有線、無線を問わず情報をコンピュータ６０に受け入れるインターフェイスである受信部６４、及び、有線、無線を問わず情報をコンピュータ６０から外部に送るインターフェイスである出力部６５を備える。
受信部６４にはロードセル５４、各種センサが電気的に接続され、それぞれの値（圧力、温度、流量等）を信号として受信できるように構成されている。
一方、出力部６５にはサーボモータ５５ａが電気的に接続され、コンピュータ６０からの信号によりネジ軸５５ｂを回転させる。
受信部６４にはロードセル５４、各種センサが電気的に接続され、それぞれの値（圧力、温度、流量等）を信号として受信できるように構成されている。
一方、出力部６５にはサーボモータ５５ａが電気的に接続され、コンピュータ６０からの信号によりネジ軸５５ｂを回転させる。
【0035】
コンピュータ６０には、本開示の水電解スタックの荷重制御方法の過程を具体的な指令とし、これを実行するためのコンピュータプログラムが保存されている。コンピュータ６０では、ハードウェア資源としてのＣＰＵ６１、ＲＡＭ６２、及び、ＲＯＭ６３と、コンピュータプログラムとが協働する。具体的には、ＣＰＵ６１が、受信部６４を介して取得したロードセル５４、各種センサからの値を表す信号に基づきＲＯＭ６３に記録されたコンピュータプログラムを作業領域として機能するＲＡＭ６２で実行することによって機能を実現する。ＣＰＵ６１が取得又は生成した情報はＲＡＭ６２に格納される。また、本開示の水電解スタックの荷重制御方法の過程に基づき必要に応じて出力部６５を介してサーボモータ５５ａに回転のための信号を送信する。
具体的な本開示の水電解スタックの荷重制御方法の内容については次に説明する。
具体的な本開示の水電解スタックの荷重制御方法の内容については次に説明する。
【0036】
２．水電解スタックの荷重制御方法
２．１．第1の形態にかかる水電解スタックの荷重制御方法
図５に、第１の形態にかかる、水電解スタックの荷重制御方法Ｓ１０（以下、「荷重制御Ｓ１０」と記載することがある。）の流れを示す。図５からわかるように、荷重制御方法Ｓ１０は、過程Ｓ１１～過程Ｓ１６を含んでいる。上記した制御器６０に保存されるコンピュータプログラムは当該荷重制御方法Ｓ１０の各過程を実行するための具体的なコンピュータに対する指令により構成されている。
２．１．第1の形態にかかる水電解スタックの荷重制御方法
図５に、第１の形態にかかる、水電解スタックの荷重制御方法Ｓ１０（以下、「荷重制御Ｓ１０」と記載することがある。）の流れを示す。図５からわかるように、荷重制御方法Ｓ１０は、過程Ｓ１１～過程Ｓ１６を含んでいる。上記した制御器６０に保存されるコンピュータプログラムは当該荷重制御方法Ｓ１０の各過程を実行するための具体的なコンピュータに対する指令により構成されている。
【0037】
２．１．１．過程Ｓ１１
過程Ｓ１１ではロードセル５３から水電解セル２１に負荷されている荷重を取得する。
過程Ｓ１１ではロードセル５３から水電解セル２１に負荷されている荷重を取得する。
【0038】
２．１．２．過程Ｓ１２
過程Ｓ１２では各種センサから情報を取得する。具体的には水電解スタック２１内の温度、水電解セルの積層体の電気抵抗、供給される純水の流量から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。
過程Ｓ１２では各種センサから情報を取得する。具体的には水電解スタック２１内の温度、水電解セルの積層体の電気抵抗、供給される純水の流量から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。
【0039】
２．１．３．過程Ｓ１３
過程Ｓ１３では制御器６０で、過程Ｓ１１で検知した荷重が適正範囲内であるかを判定する。この時には過程Ｓ１２で得た値、及び、運転状況が考慮され、予め設定された荷重と対比して、当該荷重がその範囲内に収まっているかの判定が行われる。
過程Ｓ１３でＹｅｓの場合には適正なので過程Ｓ１１に戻る。
過程Ｓ１３でＮｏの場合には不適正なので過程Ｓ１４に進む。
過程Ｓ１３では制御器６０で、過程Ｓ１１で検知した荷重が適正範囲内であるかを判定する。この時には過程Ｓ１２で得た値、及び、運転状況が考慮され、予め設定された荷重と対比して、当該荷重がその範囲内に収まっているかの判定が行われる。
過程Ｓ１３でＹｅｓの場合には適正なので過程Ｓ１１に戻る。
過程Ｓ１３でＮｏの場合には不適正なので過程Ｓ１４に進む。
【0040】
２．１．４．過程Ｓ１４～過程Ｓ１６
過程Ｓ１４では、適正範囲を外れた荷重が過荷重であるかを判定する。Ｎｏである場合には過程Ｓ１５に進み、制御器６０が、負荷を増大させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。Ｙｅｓである場合には過程Ｓ１６に進み、制御器６０が、負荷を軽減させるようにサーボモータ５５ｂを作動させる。
そして、再び過程Ｓ１１に戻る。
過程Ｓ１４では、適正範囲を外れた荷重が過荷重であるかを判定する。Ｎｏである場合には過程Ｓ１５に進み、制御器６０が、負荷を増大させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。Ｙｅｓである場合には過程Ｓ１６に進み、制御器６０が、負荷を軽減させるようにサーボモータ５５ｂを作動させる。
そして、再び過程Ｓ１１に戻る。
【0041】
２．２．第２の形態にかかる水電解スタックの荷重制御方法
図６に、第２の形態にかかる、水電解スタックの荷重制御方法Ｓ２０（以下、「荷重制御Ｓ２０」と記載することがある。）の流れを示す。図６からわかるように、荷重制御方法Ｓ２０は、過程Ｓ２１～過程Ｓ２６を含んでいる。上記した制御器６０に保存されるコンピュータプログラムは当該荷重制御方法Ｓ２０の各過程を実行するための具体的なコンピュータに対する指令により構成されている。
図６に、第２の形態にかかる、水電解スタックの荷重制御方法Ｓ２０（以下、「荷重制御Ｓ２０」と記載することがある。）の流れを示す。図６からわかるように、荷重制御方法Ｓ２０は、過程Ｓ２１～過程Ｓ２６を含んでいる。上記した制御器６０に保存されるコンピュータプログラムは当該荷重制御方法Ｓ２０の各過程を実行するための具体的なコンピュータに対する指令により構成されている。
【0042】
２．２．１．過程Ｓ２１
過程Ｓ２１ではサーボモータ５５ａの現時点における回転角を取得する。
過程Ｓ２１ではサーボモータ５５ａの現時点における回転角を取得する。
【0043】
２．２．２．過程Ｓ２２
過程Ｓ２２では各種センサから情報を取得する。具体的には水電解スタック２０内の温度、水電解セル２１の積層体の電気抵抗、及び、供給される純水の流量から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。
過程Ｓ２２では各種センサから情報を取得する。具体的には水電解スタック２０内の温度、水電解セル２１の積層体の電気抵抗、及び、供給される純水の流量から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。
【0044】
２．２．３．過程Ｓ２３
過程Ｓ２３では制御器６０で、過程Ｓ２１で得たサーボモータの回転角が適正範囲内であるかを判定する。この時には過程Ｓ２２で得た値、及び、運転状況が考慮され、予め設定された回転角と荷重との関係を対比して、当該回転角における荷重が適正範囲内に収まっているかの判定が行われる。
過程Ｓ２３でＹｅｓの場合には適正なので過程Ｓ２１に戻る。
過程Ｓ２３でＮｏの場合には不適正なので過程Ｓ２４に進む。
過程Ｓ２３では制御器６０で、過程Ｓ２１で得たサーボモータの回転角が適正範囲内であるかを判定する。この時には過程Ｓ２２で得た値、及び、運転状況が考慮され、予め設定された回転角と荷重との関係を対比して、当該回転角における荷重が適正範囲内に収まっているかの判定が行われる。
過程Ｓ２３でＹｅｓの場合には適正なので過程Ｓ２１に戻る。
過程Ｓ２３でＮｏの場合には不適正なので過程Ｓ２４に進む。
【0045】
２．２．４．過程Ｓ２４～過程Ｓ２６
過程Ｓ２４では、適正範囲を外れた荷重に相当する回転角であるかを判定する。
Ｎｏである場合には過程Ｓ２５に進み、制御器６０が、負荷を増大させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。
Ｙｅｓである場合には過程Ｓ２６に進み、制御器６０が、負荷を軽減させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。
そして、再び過程Ｓ２１に戻る。
過程Ｓ２４では、適正範囲を外れた荷重に相当する回転角であるかを判定する。
Ｎｏである場合には過程Ｓ２５に進み、制御器６０が、負荷を増大させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。
Ｙｅｓである場合には過程Ｓ２６に進み、制御器６０が、負荷を軽減させるようにサーボモータ５５ａを作動させる。
そして、再び過程Ｓ２１に戻る。
【0046】
３．効果等
本開示によれば、水電解装置において水電解スタックの荷重を適正に保つことができ、リークや早期劣化を抑制することができる。特に、水電解装置の稼働中における状況の変化に追随して荷重を調整することができるので、その効果をより高いものとなる。また、制御器を用いることでこのような制御がコンピュータプログラムにより自動に可能となる。
本開示によれば、水電解装置において水電解スタックの荷重を適正に保つことができ、リークや早期劣化を抑制することができる。特に、水電解装置の稼働中における状況の変化に追随して荷重を調整することができるので、その効果をより高いものとなる。また、制御器を用いることでこのような制御がコンピュータプログラムにより自動に可能となる。
【0047】
また、水電解セルによる通常の水素製造に加えて、上記の水電解スタックの荷重制御による荷重制御を定期的に行うことにより水素製造を行うこともできる。
【符号の説明】
【0048】
１０ 水電解装置
２０ 水電解スタック
２１ 水電解セル
３０ 酸素側経路（給水側経路）
４０ 水素側経路
５４ ロードセル
５５ａ サーボモータ
５５ｂ ネジ軸
６０ 制御器
２０ 水電解スタック
２１ 水電解セル
３０ 酸素側経路（給水側経路）
４０ 水素側経路
５４ ロードセル
５５ａ サーボモータ
５５ｂ ネジ軸
６０ 制御器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】