特開 2024-106011 水電解システム

(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】P2024106011

(43)【公開日】2024-08-07

(54)【発明の名称】水電解システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20240731BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240731BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240731BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20240731BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20240731BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B15/08 302

C25B15/023

C25B15/00 302Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023010047

(22)【出願日】2023-01-26

(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】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100195659

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 祐介

(72)【発明者】

【氏名】村田 元

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC09

4K021CA08

4K021CA13

4K021CA15

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB50

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021EA06

(57)【要約】

【課題】電解質膜に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できる水電解システムを提供する。
【解決手段】水電解システムは、水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解部と、水電解部に供給される供給水の水圧を変動可能な水圧変動部と、供給水の水圧を測定する圧力測定部と、水電解部の電圧を測定する電圧測定部と、供給水の水圧の変動に応じて変動する水電解部の電圧を用いて、水電解システムの異常の有無を判定する判定部と、を備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解システムであって、
水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解部と、
前記水電解部に供給される供給水の水圧を変動可能な水圧変動部と、
前記供給水の水圧を測定する圧力測定部と、
前記水電解部の電圧を測定する電圧測定部と、
前記供給水の水圧の変動に応じて変動する前記水電解部の電圧を用いて、前記水電解システムの異常の有無を判定する判定部と、を備える、水電解システム。

【請求項2】

請求項１に記載の水電解システムであって、
前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧に含まれる最大電圧と最小電圧との差分値において、予め設定された上限値よりも大きい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。

【請求項3】

請求項２に記載の水電解システムであって、
前記判定部は、予め設定された下限値よりも小さい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧のうち１周期分の電圧である周期電圧と、１周期の間に変動する前記水電解部の電圧の基準として予め設定された基準周期電圧と、の差分の絶対値において、予め設定された閾値よりも大きい前記絶対値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、水の電気分解（電解）により酸素および水素を生成する水電解システムが知られている。特許文献１には、電解質膜に破損等の事故が発生している可能性があるとみなされる場合に、水素取出しラインおよび酸素取出しラインに設けられた調整弁を閉鎖することによって安全性の向上を図っている固体高分子型水電解装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１２１１４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電解質膜の劣化は比較的長い時間をかけて少しずつ進行するが、電解質膜の破損は比較的短い時間の間に急速に進行するため、破損の前兆となる異常が認識されることなく破損が発生してから認識される可能性が高い。このため、電解質膜が破損するのを未然に防止するために、その破損の前兆となる異常を早期に検出できる技術が要望されていた。なお、特許文献１の固体高分子型水電解装置では、電解質膜の破損の前兆となる異常を早期に検出することについては何ら考慮されていない。

【0005】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、電解質膜に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できる水電解システム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】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解部と、前記水電解部に供給される供給水の水圧を変動可能な水圧変動部と、前記供給水の水圧を測定する圧力測定部と、前記水電解部の電圧を測定する電圧測定部と、前記供給水の水圧の変動に応じて変動する前記水電解部の電圧を用いて、前記水電解システムの異常の有無を判定する判定部と、を備える。

【0008】

供給水の水圧の変動に応じた水電解部の電圧の変動は、電解質膜に破損の前兆となる異常が生じている場合には、通常とは異なる挙動を示す。この水電解部の電圧の変動を引き起こす供給水の水圧の変動は、供給水が水電解部に供給されているときであれば、任意のタイミング且つ短時間で実施させることができる。このため、この構成によれば、変動する水電解部の電圧を指標として、水電解システムにおける異常の有無の判定を実施することから、その判定を高頻度で実行することができる。したがって、電解質膜に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できることから、電解質膜が破損するのを未然に防止することができる。

【0009】

（２）上記形態の水電解システムにおいて、前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧に含まれる最大電圧と最小電圧との差分値において、予め設定された上限値よりも大きい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行ってもよい。
この構成によれば、水電解部の電圧変動における差分値と予め設定された上限値との比較によって、水電解システムにおける異常の有無が判定される。上限値よりも大きい差分値が存在する場合、その原因となった異常は電解質膜の破損の前兆となる異常である可能性が高いことから、この構成によれば、そのような異常を早期に検出することによって、電解質膜が破損するのを未然に防止することができる。

【0010】

（３）上記形態の水電解システムにおいて、前記判定部は、予め設定された下限値よりも小さい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行ってもよい。
この構成によれば、水電解部の電圧変動における差分値と予め設定された下限値との比較によって、水電解システムにおける異常の有無が判定される。下限値よりも小さい差分値が存在する場合、その原因となった異常は水圧変動部における異常である可能性が高いことから、この構成によれば、電解質膜の破損の前兆となる異常の検出に加えて、水圧変動部における異常も検出することができる。

【0011】

（４）上記形態の水電解システムにおいて、前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧のうち１周期分の電圧である周期電圧と、１周期の間に変動する前記水電解部の電圧の基準として予め設定された基準周期電圧と、の差分の絶対値において、予め設定された閾値よりも大きい前記絶対値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行ってもよい。
この構成によれば、水電解部の周期電圧と基準周期電圧との差分の絶対値と、予め設定された閾値と、の比較によって、水電解システムにおける異常の有無が判定される。閾値よりも大きい絶対値が存在する場合、その原因となった異常は電解質膜の破損の前兆となる異常である可能性が高いことから、この構成によれば、そのような異常を早期に検出することによって、電解質膜が破損するのを未然に防止することができる。

【0012】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解システムの制御方法、水電解システムにおける水の電気分解を制御するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等などの形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態の水電解システムの構成を示した説明図である。

【図2】水電解部を構成する水電解セルの詳細な構成を示した説明図である。

【図3】供給水の水圧変動に応じて変動する水電解セルの電圧を示す説明図である。

【図4】供給水の水圧変動に応じて変動する水電解セルの電圧を示す説明図である。

【図5】供給水の水圧変動に応じて変動する水電解セルの電圧を示す説明図である。

【図6】供給水の水圧変動に応じて変動する水電解セルの電圧を示す説明図である。

【図7】差分の絶対値の算出を説明する説明図である。

【図8】第１判定処理の手順を示すフローチャートである。

【図9】第２判定処理の手順を示すフローチャートである。

【図10】供給水の水圧変動に応じて変動する複数の水電解セルの電圧を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の水電解システム１の構成を示した説明図である。水電解システム１は、水の電気分解により酸素及び水素を生成するシステムである。水電解システム１は、貯蔵タンク５と、酸素気液分離部１０と、水電解部２０と、水素気液分離部３０と、制御部４０と、ＤＣ電源５０と、を備える。

【0015】

貯蔵タンク５は、水を貯蔵するタンクである。流路Ｆ１は、貯蔵タンク５と酸素気液分離部１０とを接続する流路である。流路Ｆ１を形成している配管（不図示）には、調整弁Ｓ１と、供給ポンプＲ１と、が設けられている。調整弁Ｓ１は、開閉度合に応じて、流路Ｆ１を形成している配管内の流量を調整可能であるとともに、配管内の流通を遮断可能でもある。供給ポンプＲ１は、酸素気液分離部１０へ水を送出する。

【0016】

酸素気液分離部１０には、貯蔵タンク５から水が供給される。酸素気液分離部１０は、後述する水電解部２０にて生成された酸素と水との混合物を酸素と水とに分離する。分離された酸素は、酸素気液分離部１０の重力方向上側部分に接続された流路Ｆ２を介して、水電解システム１の外部に送られる。分離された水や貯蔵タンク５から供給された水は、流路Ｆ３を介して、後述する水電解部２０へ供給される。流路Ｆ３は、酸素気液分離部１０から水電解部２０に供給される水が流通するための流路である。以降、酸素気液分離部１０から水電解部２０に供給される水を供給水と呼ぶ。

【0017】

流路Ｆ３を形成している配管（不図示）には、調整弁Ｓ２と、供給ポンプＲ２と、圧力センサＰと、が設けられている。調整弁Ｓ２は、調整弁Ｓ１と同様、開閉度合に応じて、流路Ｆ３を形成している配管内の流量を調整可能であるとともに、配管内の流通を遮断可能でもある。供給ポンプＲ２は、水電解部２０へ供給水を送出する。本実施形態において、供給ポンプＲ２は、流路Ｆ３内を流通する供給水の水圧を変動可能な水圧変動部に相当する。圧力センサＰは、流路Ｆ３を形成している配管内を流通する供給水の水圧を測定する。本実施形態において、圧力センサＰは、圧力測定部に相当する。

【0018】

水電解部２０は、水の電気分解（電解）により酸素及び水素を生成する。水電解部２０にて生成された酸素と水との混合物は、後述する流路Ｆ４を介して、酸素気液分離部１０に送られる。水電解部２０にて生成された水素と水との混合物は、後述する流路Ｆ５を介して、水素気液分離部３０に送られる。流路Ｆ４は、水電解部２０にて生成された酸素と水との混合物を酸素気液分離部１０へ供給するための流路である。流路Ｆ４を形成している配管（不図示）には、調整弁Ｓ３が設けられている。流路Ｆ５は、水電解部２０にて生成された水素と水との混合物を水素気液分離部３０へ供給するための流路である。流路Ｆ４を形成している配管（不図示）にも調整弁が設けられていてもよい。複数のセル電圧センサ２１Ｖは、電圧測定部として、水電解部２０を構成している水電解セル２１（図２にて説明）の各々の電圧を測定する。本実施形態において、水電解セル２１の各々に対応して、セル電圧センサ２１Ｖが設けられている。すなわち、水電解セル２１の各々の電圧は、個別に測定可能である。

【0019】

水素気液分離部３０は、水電解部２０にて生成された水素と水との混合物を水素と水とに分離する。分離された水素は、水素気液分離部３０の重力方向上側部分に接続された流路Ｆ６を介して、水電解システム１の外部に送られる。分離された水は、流路Ｆ７を介して、水電解部２０へ供給される。分離された水は、流路Ｆ７を介して、酸素気液分離部１０へ供給されてもよい。

【0020】

制御部４０は、水電解システム１が備える各種センサから得た情報に基づいて、水電解システム１全体の作動を制御する。制御部４０による制御としては、例えば、調整弁Ｓ１～Ｓ３の開閉制御、供給ポンプＲ１，Ｒ２の送出制御、ＤＣ電源５０から水電解部２０への電力供給の制御が挙げられる。

【0021】

図２は、水電解部２０を構成する水電解セル２１の詳細な構成を示した説明図である。水電解部２０は、複数の水電解セル２１が積層されて構成されている。水電解セル２１は、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）型水電解セルである。水電解セル２１は、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）２２を有する。ＭＥＡ２２は、プロトン（Ｈ⁺）と水を通すことが可能な電解質膜２４の両面に、水を分解し酸素と水素イオンと電子を生成する酸素極２６と、水素イオンと電子から水素を生成する水素極２８と、が接合されたものである。酸素極２６のうち電解質膜２４とは反対側の表面には、金属メッシュ等から成る給電体２６ｆが設けられている。酸素極２６および給電体２６ｆの周囲には、ガスケット２６ｇが設けられている。一方、水素極２８のうち電解質膜２４とは反対側の表面には、同様に、給電体２８ｆが設けられているとともに、水素極２８および給電体２８ｆの周囲には、ガスケット２８ｇが設けられている。

【0022】

これらガスケット２６ｇ、給電体２６ｆ、ＭＥＡ２２、ガスケット２８ｇ、給電体２８ｆの接合体は、酸素極２６側に設けられたセパレータ２６ｓおよび水素極２８側に設けられたセパレータ２８ｓによって挟持されている。この接合体を挟持した状態において、セパレータ２６ｓは、水電解部２０に供給される供給水および水電解部２０で生成された酸素と水との混合物が流れる流路Ｆｃを形成している。また、セパレータ２８ｓは、水電解部２０で生成された水素と水との混合物が流れる流路Ｆａを形成している。セパレータ２６ｓおよびセパレータ２８ｓは、いわゆる複極板である。図２に示す接触部分Ｃｔについては後述する。

【0023】

図３は、供給水の水圧の変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧の例を示す説明図である。図３における各グラフの横軸は、時間を示している。図３の上段のグラフにおいて、縦軸は、圧力センサＰによって測定された供給水の水圧を表し、波線Ｌ１は、供給ポンプＲ２によって周期的に変動させられた供給水の水圧を示す。図３の下段のグラフにおいて、縦軸は、セル電圧センサ２１Ｖによって測定された１つの水電解セル２１の電圧を表し、波線Ｌ２は、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧を示す。

【0024】

図３の上段のグラフにおいて、波線Ｌ１のうち周期Ｐ１～Ｐ３の各々に含まれる部分で示されるように、供給水の水圧は、周期的に変動している。周期Ｐ１～Ｐ３の長さは、水圧変動部である供給ポンプＲ２によって調整可能である。また、図３の下段のグラフにおいて、波線Ｌ２のうち周期Ｐ４～Ｐ６（周期Ｐ１～Ｐ３に対応した周期）の各々に含まれる部分で示されるように、水電解セル２１の電圧は、供給水の水圧の変動に応じて周期的に変動している。水電解セル２１の電圧は、周期Ｐ４～Ｐ６の各々において最大電圧Ｍ２から最小電圧ｍ２まで変動する。

【0025】

供給水の水圧の変動に応じた水電解部２０（水電解セル２１）の電圧の変動は、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が生じている場合には、通常とは異なる挙動を示す。そのような異常として、セパレータ２６ｓと給電体２６ｆとの接触不良が挙げられる。図２には、複極板であるセパレータ２６ｓと給電体２６ｆとの接触部分Ｃｔが示されている。この接触部分Ｃｔを介して、セパレータ２６ｓから酸素極２６へ電流が流れている。しかし、セパレータ２６ｓと給電体２６ｆとの接触不良が生じていると、供給水の水圧増加に応じて接触部分Ｃｔが減少することがある。そのような場合、減少した接触部分Ｃｔを流れる電流密度が上昇して、水電解部２０（水電解セル２１）の電圧上昇が引き起こされる。通常、供給水の水圧増加に応じて水電解部２０（水電解セル２１）の電圧も増加するが、接触不良が生じている際には、水電解部２０（水電解セル２１）の電圧は、供給水の水圧増加に応じた増加よりも更に大きく増加する。図３に示す波線Ｌ３は、そのような接触不良が生じている状態において、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧を示している。このような状態において、水電解セル２１の電圧は、周期Ｐ４～Ｐ６の各々において、最大電圧Ｍ３（＞最大電圧Ｍ２）から最小電圧ｍ２まで変動する。それに対して、波線Ｌ２は、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が生じていない状態において、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧を示している。

【0026】

図４は、供給水の水圧の変動に応じて遅れて変動する水電解セル２１の電圧を示す説明図である。図３においては、説明の便宜上、波線Ｌ１および波線Ｌ２は、同位相（周期Ｐ１～Ｐ３および周期Ｐ４～Ｐ６の各々の開始タイミングおよび終了タイミングが同じ）として図示したが、図４に図示された波線Ｌ１および波線Ｌ２は、同位相ではない。水電解システム１では、圧力センサＰとセル電圧センサ２１Ｖの各々との距離は離れている。このため、圧力センサＰからの距離が遠いセル電圧センサ２１Ｖほど、供給水の水圧の変動が開始されてから、水電解セル２１の電圧の変動が開始されるまでの時間に遅れが生じる。すなわち、水電解システム１においては、図４に示すように、波線Ｌ１が示す位相に対して波線Ｌ２が示す位相は遅れている。図４では、供給水の水圧の増加がタイミングｔａで開始されてから周期Ｐ１～Ｐ３の間隔で供給水の水圧の増減が繰り返された場合に、水電解セル２１の電圧の増加はタイミングｔａから遅延時間Ｄｅ経過後のタイミングｔｂで開始されてから周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔で水電解セル２１の電圧の増減が繰り返される過程が示されている。このときの周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔が、周期Ｐ４～Ｐ６にあたる。また、この遅延時間Ｄｅの長さは、圧力センサＰからの距離が遠いセル電圧センサ２１Ｖほど大きくなる。ここでは、波線Ｌ１の位相に対する波線Ｌ２の位相の遅れについて説明したが、むろん波線Ｌ３の場合についても同様である。

【0027】

制御部４０は、判定部として、供給水の水圧の変動に応じて変動する水電解部２０（水電解セル２１）の電圧を用いて、水電解システム１の異常の有無を判定する。詳細には、制御部４０は、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解部２０（水電解セル２１）の各周期の電圧に含まれる最大電圧と最小電圧との差分値Ｄｆにおいて、予め設定された上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在する場合、水電解システム１に異常がある旨の出力を行う。波線Ｌ２において、各周期の差分値Ｄｆは、最大電圧Ｍ２と最小電圧ｍ２との差分の値である。波線Ｌ３において、各周期の差分値Ｄｆは、最大電圧Ｍ３と最小電圧ｍ２との差分の値である。差分値Ｄｆと比較される上限値Ｕには、セパレータ２６ｓと給電体２６ｆとの接触不良が生じている状態において、水電解セル２１の電圧を変動させた際に想定される差分値Ｄｆよりも小さい値が設定される。この想定される差分値Ｄｆは、実際に接触不良が生じている水電解セル２１を準備して計測することによって取得してもよい。図４には、上限値Ｕの一例を図示している。なお、図３，４では、各周期の差分値Ｄｆが同じ値である波線Ｌ２，Ｌ３を示したが、各周期の差分値Ｄｆは、実際には異なる値となることの方が多い。また、図３，４では、波線Ｌ３の最小電圧は、波線Ｌ２と同じ最小電圧ｍ２となっていたが、波線Ｌ３の最小電圧は、最小電圧ｍ２とは異なる値の最小電圧ｍ３となることもある。最小電圧ｍ３は、最小電圧ｍ２より大きい場合と、最小電圧ｍ２より場合と、のうちいずれの場合もあり得る。むろん、いずれの場合であっても、差分値Ｄｆは、最大電圧Ｍ３と最小電圧ｍ３との差分の値である。

【0028】

上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在する場合において、水電解システム１に異常がある旨の出力は、水電解システム１の管理者への報知であってもよい。この報知には、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が生じている旨の報知や水電解部２０を構成する水電解セル２１のうちその異常が生じている水電解セル２１を特定する情報の報知を含むのが好ましい。異常が生じている水電解セル２１は、上限値Ｕよりも差分値Ｄｆが大きい電圧変動を測定したセル電圧センサ２１Ｖに基づいて特定される。また、水電解システム１に異常がある旨の出力は、水電解部２０による電解を停止させるために、ＤＣ電源５０から水電解部２０への電力供給の停止制御や供給水の停止制御であってもよい。供給水の停止制御には、調整弁Ｓ１～Ｓ３の閉弁制御や供給ポンプＲ１，Ｒ２の送出の停止制御が含まれる。

【0029】

また、制御部４０は、判定部として、予め設定された下限値（不図示）よりも小さい差分値Ｄｆが存在する場合、水電解システム１に異常がある旨の出力を行う。下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在する場合として、水圧変動部である供給ポンプＲ２に異常が生じたことにより、供給ポンプＲ２による供給水の水圧変動の幅（最大水圧と最小水圧との幅）が通常時の幅と比べて小さくなったことに伴って、差分値Ｄｆも小さくなった場合が挙げられる。このため、差分値Ｄｆと比較される下限値には、供給ポンプＲ２に異常が生じている状態において、水電解セル２１の電圧を変動させた際に想定される差分値Ｄｆよりも大きい値が設定される。この想定される差分値Ｄｆは、実際に供給ポンプＲ２に異常が生じている水電解セル２１を準備して計測することによって取得してもよい。下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在する場合において、水電解システム１に異常がある旨の出力としては、上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在する場合と同様、水電解システム１の管理者への報知や水電解部２０による電解の停止制御が挙げられる。なお、この報知には、水圧変動部である供給ポンプＲ２に異常が生じている旨の報知を含むのが好ましい。

【0030】

図５は、供給水の水圧の変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧の別例を示す説明図である。図５は、図３と比べて、波線Ｌ２および波線Ｌ３の代わりに波線Ｌ４が示されている点を除いて、図３と同じである。電解質膜２４に破損の前兆となる異常としては、セパレータ２６ｓと給電体２６ｆとの接触不良の他に、電解質膜２４の変形による流路Ｆｃ（図２参照）の縮小が挙げられる。セパレータ２６ｓもしくは給電体２６ｆによるＭＥＡ２２の押さえが緩んでいる場合、電解質膜２４の膨潤もしくは差圧（水素極２８側の圧力が酸素極２６側の圧力より高い）による電解質膜２４の変形によって、給電体２６ｆが流路Ｆｃに押し出されて流路Ｆｃを縮小させることがある。そのような場合、供給水の水圧の増減に応じた水電解部２０（水電解セル２１）の電圧変化は妨げられる。すなわち、水電解セル２１の電圧は、波線Ｌ２（図３，４）が示すように滑らかに変動せず波線Ｌ２よりも乱れて変動する。図５に示す波線Ｌ４は、そのような流路Ｆｃが縮小している状態において、供給水の水圧変動に応じて変動する水電解セル２１の電圧を示している。波線Ｌ４が波線Ｌ２よりも乱れた波形となるのは、流路Ｆｃが給電体２６ｆによって縮小されていることや、その給電体２６ｆが供給水の水圧により電解質膜２４側に不定期に押し戻されて一時的に流路Ｆｃが拡がることに起因している。

【0031】

図６は、供給水の水圧の変動に応じて遅れて変動する水電解セル２１の電圧を示す説明図である。図５においては、波線Ｌ１および波線Ｌ４は、同位相であったが、図６においては、波線Ｌ１および波線Ｌ４は、同位相ではない。図５では、説明の便宜上、波線Ｌ１および波線Ｌ４は同位相として図示したが、むろん波線Ｌ４の場合についても、図４で説明した波線Ｌ２（Ｌ３）と同様に、その位相は波線Ｌ１の位相に対して遅れる。図６においても、供給水の水圧の増加がタイミングｔａで開始されてから周期Ｐ１～Ｐ３の間隔で供給水の水圧の増減が繰り返された場合に、水電解セル２１の電圧の増加はタイミングｔａから遅延時間Ｄｅ経過後のタイミングｔｂで開始されてから周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔で水電解セル２１の電圧の増減が繰り返される過程が示されている。このときの周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔が、波線Ｌ４における周期Ｐ７～Ｐ９にあたる。

【0032】

図７は、水電解部２０（水電解セル２１）の各周期の電圧と基準周期電圧ＳＴとの差分の絶対値Ａｂの算出を説明する説明図である。制御部４０は、判定部として、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解部２０（水電解セル２１）の各周期の電圧のうち１周期分の電圧である周期電圧ＰＶと、１周期の間に変動する水電解部２０（水電解セル２１）の電圧の基準として予め設定された基準周期電圧ＳＴと、の差分の絶対値Ａｂにおいて、予め設定された閾値Ｔｈよりも大きい絶対値Ａｂが存在する場合、水電解システム１に異常がある旨の出力を行う。ここで周期電圧ＰＶとは、供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する水電解部２０（水電解セル２１）の各周期（波線Ｌ２、Ｌ３における周期Ｐ４～Ｐ６や波線Ｌ４における周期Ｐ７～Ｐ９）の電圧のうちの１周期分の電圧のことである。周期電圧ＰＶは、波線Ｌ２～Ｌ４で示された変動する一連の水電解部２０の電圧から抽出される。具体的には、供給水の水圧の増加開始タイミング（図４，６のタイミングｔａに相当）からセル電圧センサ２１Ｖごとに設定された遅延時間（図４，６の遅延時間Ｄｅに相当）経過後のタイミング（図４，６のタイミングｔｂに相当）以降で周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔（図４の周期Ｐ４～Ｐ６および図６の周期Ｐ７～Ｐ９に相当）中に変動する各々の電圧が周期電圧ＰＶとして抽出される。

【0033】

基準周期電圧ＳＴは、水圧変動部である供給ポンプＲ２に異常が生じておらず、且つ、電解質膜２４にも破損の前兆となる異常が生じていない通常状態時に、供給水の水圧を周期的に変動させることによって予め測定された一連の電圧の中から抽出された周期電圧ＰＶである。周期電圧ＰＶと基準周期電圧ＳＴとの差分の絶対値Ａｂは、図６の矢印で示すように、各位相において算出される。図７に示す周期電圧ＰＶは、波線Ｌ４（図６参照）が示す各々の周期（周期Ｐ７～Ｐ９）電圧ＰＶのうちの１つである。なお、周期電圧ＰＶが通常状態時に測定された周期電圧ＰＶである場合には、その周期電圧ＰＶと基準周期電圧ＳＴとの差分の絶対値Ａｂは、いずれの位相においても０に近い値となる。絶対値Ａｂと比較される閾値Ｔｈは、流路Ｆｃの縮小が生じている状態において想定される周期電圧ＰＶ（周期Ｐ７～Ｐ９のいずれかの周期電圧ＰＶ）と基準周期電圧ＳＴとを用いて各位相の絶対値Ａｂが算出された際に、それら絶対値Ａｂのうちの一部よりも小さくなる値に設定される。図７には、閾値Ｔｈの一例を図示している。

【0034】

なお、図５，６では、流路Ｆｃの縮小が生じている状態において供給水の水圧を変動させた場合に水電解部２０の電圧が周期的に変動するように波線Ｌ４を示したが、このような状態においては、水電解部２０の電圧は周期的に変動しない場合もあり得る。そのような場合であっても、セル電圧センサ２１Ｖによって経時的に測定された電圧を示す波線のうち、供給水の水圧の増加開始タイミング（図６のタイミングｔａに相当）からセル電圧センサ２１Ｖごとに設定された遅延時間（図６の遅延時間Ｄｅに相当）経過後のタイミング（図６のタイミングｔｂに相当）以降で周期Ｐ１～Ｐ３と同じ長さの間隔中に変動する各々の電圧を周期電圧ＰＶとして、基準周期電圧ＳＴとの比較に用いることとする。

【0035】

図８は、第１判定処理の手順を示すフローチャートである。第１判定処理は、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が発生しているか否かを判定する処理である。第１判定処理は、水電解部２０による電解が実行されている間、定期的に実行される。

【0036】

第１判定処理が開始されると、制御部４０は、まず初めに、供給ポンプＲ２を制御して、流路Ｆ３内を流通する供給水の水圧に周期的な変動を付与する（ステップＳ１１）。次に、制御部４０は、供給水の水圧が周期的に変動させられている間に測定された一連の水電解セル２１の電圧を、供給水の水圧の変動の周期（上述の周期Ｐ１～Ｐ３）に基づいて周期（上述の周期Ｐ４～Ｐ６や周期Ｐ７～Ｐ９）ごとに区切ったのち、各周期の電圧のうち最大電圧と最小電圧との差分値Ｄｆを算出する（ステップＳ１２）。この区切りは、換言すれば、周期的な水圧変動が開始されてからセル電圧センサ２１Ｖごとに設定された遅延時間が経過して以降、周期的な水圧変動における１周期分の長さが経過するごとの区切りであり、上述した周期電圧ＰＶの抽出と同様の処理によって生成される区切りである。

【0037】

差分値Ｄｆを算出したのち、制御部４０は、上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在するか否か判定する（ステップＳ１３）。上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在しない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、制御部４０は、下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在するか否か判定する（ステップＳ１４）。上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在する場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、もしくは、下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在する場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、制御部４０は、水電解システム１に異常がある旨の出力を行う（ステップＳ１５）。その後、制御部４０は、第１判定処理を終了する。一方、下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在しない場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、制御部４０は、第１判定処理を終了する。

【0038】

図９は、第２判定処理の手順を示すフローチャートである。第２判定処理は、第１判定処理と同様、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が発生しているか否かを判定する処理である。第２判定処理は、水電解部２０による電解が実行されている間、第１判定処理と同時に実行される。

【0039】

第２判定処理が開始されると、制御部４０は、まず初めに、第１判定処理のステップＳ１１によって供給水の水圧に周期的な変動が付与されている間に測定された一連の水電解セル２１の電圧から周期電圧ＰＶを抽出する（ステップＳ２１）。次に、制御部４０は、図７に示すように、抽出された各々の周期電圧ＰＶと基準周期電圧ＳＴとの差分の絶対値Ａｂを算出する（ステップＳ２２）。

【0040】

次に、制御部４０は、閾値Ｔｈよりも大きい絶対値Ａｂが存在するか否か判定する（ステップＳ２３）。閾値Ｔｈよりも大きい絶対値Ａｂが存在する場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、制御部４０は、水電解システム１に異常がある旨の出力を行ったのち（ステップＳ２４）、第２判定処理を終了する。一方、閾値Ｔｈよりも大きい絶対値Ａｂが存在しない場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、制御部４０は、第２判定処理を終了する。

【0041】

供給水の水圧の変動に応じた水電解部２０（水電解セル２１）の電圧の変動は、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が生じている場合には、波線Ｌ３や波線Ｌ４で示したように、通常とは異なる挙動を示す。この水電解部２０（水電解セル２１）の電圧の変動を引き起こす供給水の水圧の変動は、供給水が水電解部２０に供給されているときであれば、任意のタイミング且つ短時間で実施させることができる。このため、以上説明した第１実施形態の水電解システム１によれば、変動する水電解部２０（水電解セル２１）の電圧を指標として、水電解システム１における異常の有無の判定を実施することから、その判定を高頻度で実行することができる。したがって、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できることから、電解質膜２４が破損するのを未然に防止することができる。

【0042】

電解質膜の破損の前兆となる異常を早期に検出できない場合、電解質膜が破損する可能性が高くなる。電解質膜が破損すると、酸素と水素とが混合して燃焼を起こす場合がある。このような燃焼は、電解部を構成する種々の部材から大量の溶出物を発生させ、その大量の溶出物が水電解システム内を流通する水によって水電解システム全体に広がり、大規模な汚染を発生させる虞がある。一方、第１実施形態の水電解システム１によれば、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できる。したがって、電解質膜２４の破損を未然に防止することによって、水電解システム１全体が汚染されるのを防止することができる。

【0043】

また、上記第１実施形態の水電解システム１によれば、水電解部２０（水電解セル２１）の電圧変動における差分値Ｄｆと予め設定された上限値Ｕとの比較によって、水電解システム１における異常の有無が判定される。上限値Ｕよりも大きい差分値Ｄｆが存在する場合、その原因となった異常は電解質膜２４の破損の前兆となる異常である可能性が高いことから、上記実施形態の水電解システム１によれば、そのような異常を早期に検出することによって、電解質膜２４が破損するのを未然に防止することができる。

【0044】

また、上記第１実施形態の水電解システム１によれば、水電解部２０（水電解セル２１）の電圧変動における差分値Ｄｆと予め設定された下限値との比較によって、水電解システム１における異常の有無が判定される。下限値よりも小さい差分値Ｄｆが存在する場合、その原因となった異常は水圧変動部である供給ポンプＲ２における異常である可能性が高いことから、上記第１実施形態の水電解システム１によれば、電解質膜２４の破損の前兆となる異常の検出に加えて、供給ポンプＲ２における異常も検出することができる。

【0045】

また、上記第１実施形態の水電解システム１によれば、水電解部２０（水電解セル２１）の周期電圧ＰＶと基準周期電圧ＳＴとの差分の絶対値Ａｂと、予め設定された閾値Ｔｈと、の比較によって、水電解システム１における異常の有無が判定される。閾値Ｔｈよりも大きい絶対値Ａｂが存在する場合、その原因となった異常は電解質膜２４の破損の前兆となる異常である可能性が高いことから、上記第１実施形態の水電解システム１によれば、そのような異常を早期に検出することによって、電解質膜２４が破損するのを未然に防止することができる。

【0046】

＜第２実施形態＞
図１０は、供給水の水圧の変動に応じて変動する複数の水電解セル２１の電圧を示す説明図である。第２実施形態の水電解システムは、第１実施形態の水電解システム１と比べて、基準周期電圧ＳＴに用いられる対象が異なる点を除いて、第１実施形態の水電解システム１と同じである。

【0047】

図１０に示された波線Ｌ５～Ｌ９は、水電解部２０を構成している水電解セル２１の各々における、供給水の水圧の変動に応じて変動する電圧を示す。第１実施形態では、基準周期電圧ＳＴは、予め通常状態時に供給水の水圧を周期的に変動させることによって測定された一連の電圧の中から抽出された周期電圧ＰＶであった。一方、第２実施形態では、基準周期電圧ＳＴは、第２判定処理の判定対象となっている水電解セル２１と同じ水電解部２０に含まれている他の水電解セル２１において、測定された一連の電圧の中から抽出される周期電圧ＰＶである。更に、基準周期電圧ＳＴとして用いられる他の水電解セル２１の周期電圧ＰＶと、第２判定処理の判定対象となっている水電解セル２１の周期電圧ＰＶとは、同じタイミングの水圧変動によって生成されたものであるとする。このような第２実施形態の水電解システムにおいても、第１実施形態と同様に、電解質膜２４に破損の前兆となる異常が発生した場合にその異常を早期に検出できることから、電解質膜２４が破損するのを未然に防止することができる。

【0048】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0049】

上述した実施形態では、水圧変動部は、供給ポンプＲ２であったが、これに限られない。例えば、水圧変動部は、供給ポンプＲ２に代えて、もしくは、供給ポンプＲ２に加えて、供給ポンプＲ１や調整弁Ｓ１～Ｓ３であってもよい。

【0050】

上述した実施形態では、水電解セル２１の各々に対応した複数のセル電圧センサ２１Ｖが設けられていたが、これに限られない。複数のセル電圧センサ２１Ｖの代わりに、水電解部２０全体に対して１つの電圧センサが設けられていてもよい。すなわち、供給水の水圧の周期的な変動の際には、水電解セル２１の各々の電圧を測定するのではなく、水電解部２０全体を１単位として電圧が測定されてもよい。この場合、第１判定処理や第２判定処理は、供給水の水圧が周期的に変動させられている間に測定された一連の水電解部２０の電圧に基づいて実行される。

【0051】

上述した実施形態では、圧力センサＰとセル電圧センサ２１Ｖとの距離は離れていたが、これに限られない。圧力センサＰとセル電圧センサ２１Ｖとは同じ位置に配置されていてもよい。むろん、このような場合であっても、供給水の水圧の変動が開始されてから、水電解セル２１の電圧の変動がセンサの測定値として出力されるまでに遅延時間が生じる場合には、そのような遅延時間を考慮して周期電圧ＰＶの抽出等を行うべきである。

【0052】

上述した実施形態では、第１判定処理と第２判定処理とは同時に実行されていたが、これに限られない。例えば、第１判定処理と第２判定処理とは別々に実行されてもよい。この場合、第２判定処理を実行する際には、最後に実行された第１判定処理時に測定された一連の水電解セル２１の電圧から周期電圧ＰＶを抽出する（ステップＳ２１）、もしくは、ステップＳ２１の処理の前に新たに供給水の水圧に周期的な変動を付与して（第１判定処理のステップＳ１１に相当）測定した一連の水電解セル２１の電圧から周期電圧ＰＶを抽出する（ステップＳ２１）ことによって、ステップＳ２２以降の処理を実行する。

【0053】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【0054】

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
水電解システムであって、
水の電気分解により酸素及び水素を生成する水電解部と、
前記水電解部に供給される供給水の水圧を変動可能な水圧変動部と、
前記供給水の水圧を測定する圧力測定部と、
前記水電解部の電圧を測定する電圧測定部と、
前記供給水の水圧の変動に応じて変動する前記水電解部の電圧を用いて、前記水電解システムの異常の有無を判定する判定部と、を備える、水電解システム。
［適用例２］
適用例１に記載の水電解システムであって、
前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧に含まれる最大電圧と最小電圧との差分値において、予め設定された上限値よりも大きい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の水電解システムであって、
前記判定部は、予め設定された下限値よりも小さい前記差分値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。
［適用例４］
適用例１から適用例３までのいずれかに記載の水電解システムであって、
前記判定部は、前記供給水の水圧の周期的な変動に応じて変動する前記水電解部の各周期の電圧のうち１周期分の電圧である周期電圧と、１周期の間に変動する前記水電解部の電圧の基準として予め設定された基準周期電圧と、の差分の絶対値において、予め設定された閾値よりも大きい前記絶対値が存在する場合、前記水電解システムに異常がある旨の出力を行う、水電解システム。

【符号の説明】

【0055】

１…水電解システム
５…貯蔵タンク
１０…酸素気液分離部
２０…水電解部
２１…水電解セル
２１Ｖ…セル電圧センサ
２４…電解質膜
２６…酸素極
２６ｆ，２８ｆ…給電体
２６ｇ，２８ｇ…ガスケット
２６ｓ，２８ｓ…セパレータ
２８…水素極
３０…水素気液分離部
４０…制御部
５０…ＤＣ電源
Ｆ１～Ｆ７…流路
Ｐ…圧力センサ
Ｒ１，Ｒ２…供給ポンプ
Ｓ１～Ｓ３…調整弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】