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(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】P2024039238
(43)【公開日】2024-03-22
(54)【発明の名称】水素生成システムおよび水素生成システムの制御方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240314BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240314BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240314BHJP
C25B 9/67 20210101ALI20240314BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20240314BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20240314BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20240314BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B1/042
C25B9/23
C25B9/67
C01B3/02 H
C25B15/021
C25B15/00 303
【審査請求】有
【請求項の数】25
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022143636
(22)【出願日】2022-09-09
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-05-29
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】岩井 康
(72)【発明者】
【氏名】浦下 靖崇
(72)【発明者】
【氏名】松田 直彦
(72)【発明者】
【氏名】小阪 健一郎
(72)【発明者】
【氏名】入江 弘毅
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC01
4K021BC05
4K021BC06
4K021CA08
4K021CA09
4K021CA12
4K021DB16
4K021DB40
4K021DB53
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】水素を生成する際の運用コストを増大させることなく、金属成分を含む水素極が損傷することを防止する。
【解決手段】金属成分を含む水素極１１に水蒸気を供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュール１９と、生成された水素を貯蔵する水素貯蔵設備４０と、水素極１１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２０と、水素貯蔵設備４０から水素極１１に供給される水素の供給量と、水蒸気供給部２０から水素極１１に供給される水蒸気の供給量と、を調整する調整部５０と、電解モジュール１９を起動する際に、電解モジュール１９が第１切替温度を上回ったことに応じて、加熱媒体供給部７０から水素極１１に加熱媒体が供給される加熱媒体供給状態を、水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される水蒸気供給状態に切り替えるよう調整部５０を制御する制御装置８０と、を備える水素生成システム１００を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】金属成分を含む水素極１１に水蒸気を供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュール１９と、生成された水素を貯蔵する水素貯蔵設備４０と、水素極１１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２０と、水素貯蔵設備４０から水素極１１に供給される水素の供給量と、水蒸気供給部２０から水素極１１に供給される水蒸気の供給量と、を調整する調整部５０と、電解モジュール１９を起動する際に、電解モジュール１９が第１切替温度を上回ったことに応じて、加熱媒体供給部７０から水素極１１に加熱媒体が供給される加熱媒体供給状態を、水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される水蒸気供給状態に切り替えるよう調整部５０を制御する制御装置８０と、を備える水素生成システム１００を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルの集合体であり、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、を備える水素生成システム。
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、を備える水素生成システム。
【請求項2】
前記水素供給部は、前記電解モジュールにより生成された前記水素を貯蔵し、前記水素極および前記酸素極へ前記水素を供給する請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項3】
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部を備える請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項4】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替える請求項３に記載の水素生成システム。
【請求項5】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第１切替温度より高い第２切替温度を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替える請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項6】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替える請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項7】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させる請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項8】
前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替える請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項9】
前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替える請求項８に記載の水素生成システム。
【請求項10】
前記第１切替温度は、前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項11】
前記第６切替温度は、前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である請求項９に記載の水素生成システム。
【請求項12】
前記第２切替温度は、前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項13】
前記第５切替温度は、前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である請求項８に記載の水素生成システム。
【請求項14】
前記第４切替温度は、前記電解モジュールが前記水蒸気電解により前記水素を生成することが可能な温度よりも高い温度である請求項７に記載の水素生成システム。
【請求項15】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計及び水素処理設備を備える請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項16】
水素生成システムの制御方法であって、
前記水素生成システムは、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える水素生成システムの制御方法。
前記水素生成システムは、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える水素生成システムの制御方法。
【請求項17】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第１切替温度よりも高い第２切替温度を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第２制御工程を備える請求項１６に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項18】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第３制御工程を備える請求項１７に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項19】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させるよう前記調整部を制御する第４制御工程を備える請求項１８に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項20】
前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第５制御工程を備える請求項１７に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項21】
前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第６制御工程を備える請求項２０に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項22】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体排出系統に配置される水素処理設備により前記加熱媒体排出系統に含まれる前記水素を燃焼処理する請求項１６に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項23】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記電解モジュールに供給する電流量を減少または停止する請求項１６に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項24】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記電解モジュールに供給する前記加熱媒体の供給量を増加する請求項１６に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項25】
前記閾値濃度を大気中の前記水素の爆発下限界濃度の１／４とする請求項２２から請求項２４のいずれか一項に記載の水素生成システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水素生成システムおよび水素生成システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、水蒸気電解により水素を製造する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）を備えた装置に関するものであり、ＳＯＥＣで生成した水素を用いて発電する燃料電池の反応熱を蓄熱装置に回収し、ＳＯＥＣへ供給される水蒸気を加熱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２０１９－１７３０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ＳＯＥＣのセルスタックの水素極には電子伝導性を有する金属材料、例えばニッケル（Ｎｉ）が含まれており、４００℃以上の高温では酸化雰囲気においてニッケルの多くが酸化し、酸化ニッケルとなり、体積膨張によってセルスタックが損傷してしまうおそれがある。４００℃以上の高温で水素極が酸化されないようにするには、水素極を還元雰囲気に保つ必要があり、例えば水素極の系統を窒素ガスなどの不活性ガスで充填する方法が考えられるが、そのためには不活性ガス供給設備と製造のためのエネルギーが必要となり、水素を生成する際の運用コストが増大してしまう。
【0005】
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、水素を生成する際の運用コストを増大させることなく、水素極が損傷することを防止することができる水素生成システムおよび水素生成システムの制御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】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る水素生成システムは、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルの集合体であり、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、を備える。
本開示に係る水素生成システムは、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルの集合体であり、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、を備える。
【0007】
本開示に係る水素生成システムの制御方法において、前記水素生成システムは、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、水素生成システムの起動のための運用コストを増大させることなく、水素極が損傷することを防止することができる水素生成システムおよび水素生成システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本開示の第１実施形態に係る水素生成システムの概略構成を示す図である。
【図2】本開示の第１実施形態に係る円筒形の電解モジュールの一例を示す部分断面図である。
【図3】水素生成システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図4】水素生成システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図5】電解モジュールの起動時の時間経過と電解セルの温度と基体管管内（水素極）入口のガス濃度との関係および起動時の電解セルの温度と各制御動作の実施のタイミングの例を示すグラフである。
【図6】水素生成システムの停止時の動作を示すフローチャートである。
【図7】電解モジュールの停止時の時間経過と電解セル温度、基体管管内（水素極）入口ガス濃度との関係および停止時の電解セルの温度と各制御動作の実施のタイミングの例を示すグラフである。
【図8】本開示の第２実施形態に係る水素生成システムの概略構成を示す図である。
【図9】本開示の第３実施形態に係る水素生成システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態に係る（水素生成システム）１００について、図１を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態に係る水素生成システム１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の水素生成システム１００は、電解モジュール１９と、電力供給部１８と、水蒸気供給部２０と、水素分離設備３０と、水素貯蔵設備（水素供給部）４０と、調整部５０と、空気供給部（加熱媒体供給部）７０と、制御装置８０と、を備える。尚、本開示では水素貯蔵設備(水素供給部)を備えたシステムを示しているが、水素貯蔵設備(水素供給部)４０は水素パイプラインであっても良く、パイプラインから水素を取り出して本システムに供給し、また生成した水素が直接水素パイプラインへ供給されてもよい。
以下、本開示の第１実施形態に係る（水素生成システム）１００について、図１を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態に係る水素生成システム１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の水素生成システム１００は、電解モジュール１９と、電力供給部１８と、水蒸気供給部２０と、水素分離設備３０と、水素貯蔵設備（水素供給部）４０と、調整部５０と、空気供給部（加熱媒体供給部）７０と、制御装置８０と、を備える。尚、本開示では水素貯蔵設備(水素供給部)を備えたシステムを示しているが、水素貯蔵設備(水素供給部)４０は水素パイプラインであっても良く、パイプラインから水素を取り出して本システムに供給し、また生成した水素が直接水素パイプラインへ供給されてもよい。
【0011】
固体酸化物形電解セル（以下、電解セルという）１０は、水蒸気供給部２０から供給される水蒸気を水素極１１に供給して水蒸気電解により水素および酸素を生成する電解モジュール１９を構成する要素であり、水素極１１と、酸素極１２と、水素極１１と酸素極１２との間に配置される電解質層１３と、を有する。電解モジュール１９は、電解セル１０の集合体である。水蒸気電解は電力を発生する燃料電池の逆反応であり、電解セル１０は固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）とほぼ同様な構成及び材料を使用することができる。
【0012】
図１は電解モジュール１９と、電解セル１０と、水素極１１と、酸素極１２と、電解質層１３との関係を模式的に示したものである。固体酸化物形電解モジュール１９（以下、電解モジュール１９と呼ぶ）としては、例えば、円筒形状で多孔質材料からなる管体に水素極１１を配置し、水素極１１の上に電解質層１３を配置し、電解質層１３の上に酸素極１２を配置した円筒形セルスタックを用いることができる。また、電解モジュール１９は運転温度を計測する温度センサ１７を有する。
【0013】
図２は、本実施形態に係る円筒形の電解モジュール１９の一例を示す部分断面図である。電解モジュール１９は、一例として円筒形状の基体管１４と、基体管１４の外周面の複数箇所に形成されている。隣り合う電解モジュール１９の間には、インターコネクタ１５が形成されている。電解モジュール１９は、水素極１１と電解質層１３と酸素極１２とを基体管１４の表面に積層して形成されている。
【0014】
基体管１４の外周面に形成された複数の電解モジュール１９の内、基体管１４の軸方向において最も端の一端に形成された電解モジュール１９の酸素極１２に、インターコネクタ１５を介して電気的に接続されたリード膜１６を備え、最も端の他端に形成された電解モジュール１９の水素極１１に電気的に接続されたリード膜１６を備える。なお、以降の説明において、「水素極１１に媒体（空気、水蒸気、水素等）を供給する」とは、基体管１４の内側の空間に媒体を流通させることで、基体管１４の細孔に媒体を拡散させて基体管１４の外周面に形成される水素極１１に媒体を供給することをいう。
【0015】
基体管１４は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１４は、電解モジュール１９とインターコネクタ１５とリード膜１６とを支持すると共に、基体管１４の内周面に供給される水蒸気を基体管１４の細孔を介して基体管１４の外周面に形成される水素極１１に拡散させるものである。
【0016】
水素極１１は、金属材料(例えばＮｉ等)とジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。酸素極１２は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。電解質層１３として、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。
【0017】
インターコネクタ１５は、例えば、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成される。インターコネクタ１５は、水蒸気と空気（酸化性ガス）とが混合しないように緻密な膜となっている。
【0018】
また、インターコネクタ１５は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１５は、隣り合う電解モジュール１９において、一方の電解モジュール１９の酸素極１２と他方の電解モジュール１９の水素極１１とを電気的に接続し、隣り合う電解モジュール１９同士を直列に接続するものである。
【0019】
リード膜１６は、電子伝導性を備え、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。リード膜１６は、インターコネクタ１５により直列に接続される複数の電解モジュール１９に直流電力を供給するものである。
【0020】
リード膜１６を介して、水素極１１と酸素極１２との間に外部から電力を供給すると、水素極１１に供給された高温の水蒸気の一部が電子を受けて水素と酸素イオンに分離され水素を生成する。分離された酸素イオンは電解質層１３の内部を酸素極１２へ移動し、電子を放出して酸素が生成される。
【0021】
温度センサ１７は、電解モジュール１９の温度（電解セル１０自体の温度、あるいは電解セル１０が配置される空間の雰囲気温度）を検出するセンサである。温度センサ１７が検出した電解モジュール１９の温度は、制御装置８０に伝達される。
【0022】
電力供給部１８は、電解モジュール１９に水蒸気電解を行うための電力を供給する装置である。電力供給部１８から電解モジュール１９への電力供給状態は、制御装置８０により制御される。
【0023】
水蒸気供給部２０は、水蒸気を生成し、電解モジュール１９に供給する装置である。水蒸気は、水蒸気供給管２１により電解モジュール１９の水素極１１に供給される。水素極１１に供給される水素極入口ガス温度は、例えば、４００℃以上である。
【0024】
水素分離設備３０は、電解モジュール１９の水素極１１で生成された水素と水蒸気との混合ガスから水素を分離する設備である。水素供給弁３１を開状態とする際に、水素極１１で生成された水素が水素排出管３３を介して水素分離設備３０に供給される。水素分離設備３０で分離された水素は、水素昇圧機３２により、水素貯蔵設備４０へ供給される。水素分離設備３０は、例えば水素排出管３３から供給される水素と水蒸気の混合ガスを冷却し、混合ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて回収水として回収する。
【0025】
水素貯蔵設備４０は、電解モジュール１９により生成された水素を貯蔵し、水素供給管４１を介して、水素供給先へ水素を供給する設備である。また、水素貯蔵設備４０は、水素供給管４２および水蒸気供給管２１を介して、水素極１１に水素を供給することができる。また、水素貯蔵設備４０は、水素供給管（水素系統）４３を介して、電解モジュール１９の酸素極１２に水素を供給することができる。水素貯蔵設備４０から水素極１１に供給される水素は、水素極１１を所望の温度に維持するため、望ましくは水素供給管４２を流通する過程で加熱されて水蒸気供給管２１に供給されるのが良い。
【0026】
調整部５０は、水蒸気供給部２０から供給される水蒸気の供給量と、水素貯蔵設備４０から水素極１１に供給される水素の供給量と、水素貯蔵設備４０から酸素極１２に供給される水素の供給量と、空気供給部７０から酸素極１２に供給される空気の供給量と、空気供給部７０から水素極１１に供給される空気の供給量とを調整する装置である。
【0027】
調整部５０は、水蒸気供給管２１に配置される水蒸気調整弁５１と、水素供給管４２に配置される水素調整弁５２と、水素供給管４２の下流側の水蒸気供給管２１に近接した位置に配置される水素調整弁（または仕切弁）５３と、空気供給管７２に配置される空気調整弁５４と、空気排出管７３に配置される水素極通気ガスの空気側排出量調整弁５５と、水素供給弁５６と、空気調整弁５７と、を有する。
【0028】
水素調整弁５３は、水素極に水蒸気は供給するが、水素は供給しない場合に閉状態にする弁である。水素調整弁５３を閉状態にすることにより、水素極に水蒸気は供給するが、水素は供給しない場合に、水蒸気が水素供給管４２に侵入することを防止することができる。
【0029】
水素供給弁５６は、水素供給管４３を介して、水素貯蔵設備４０から空気供給管７４を介して酸素極１２に供給される水素の供給量を調整する弁である。空気供給管７４に供給された水素は、電解モジュール１９の酸素極１２側に供給される。電解モジュール１９の酸素極１２および基体管１４の酸素極１２側に供給された水素は、触媒作用により燃焼し、電解モジュール１９の温度を上昇させる。
【0030】
図１に示す水素生成システム１００は、水素供給弁５６を開状態にすることにより、水素貯蔵設備４０に貯蔵される水素を酸素極１２および基体管１４の酸素極１２側に供給するものであるが、他の態様であってもよい。例えば、水素あるいは他の燃料ガス（メタンガス等）を供給する燃料供給部（図示略）を設け、燃料供給部から電解モジュール１９の酸素極１２側に燃料ガスを供給し、触媒作用により燃焼させるようにしてもよい。
【0031】
空気供給部７０は、高温（例えば、４００℃未満）に加熱した空気を酸素極１２および水素極１１に供給する装置である。空気供給部７０から酸素極１２および水素極１１に供給される空気の供給量は、空気調整弁５７により調整される。空気供給部７０から水素極１１に供給される空気の供給量は、空気調整弁５４により調整される。
【0032】
制御装置８０は、水素生成システム１００を制御する装置である。制御装置８０は、制御プログラムを記憶する記憶部（図示略）とプログラムを実行する演算部（図示略）とを有し、記憶部から読み出したプログラムを演算部で実行することにより、水素生成システム１００を制御する各種の動作を実行する。
【0033】
次に、本実施形態の制御装置８０が電解モジュール１９の起動時に実行する制御動作について説明する。図３および図４は、水素生成システム１００の起動時の制御動作を示すフローチャートである。図５は、電解モジュール１９の起動時の電解モジュール１９の温度と基体管１４管内入口（水素極１１）のガス濃度との関係および起動時の電解モジュール１９の温度と各制御動作の実施のタイミングの例を示すグラフである。
【0034】
ステップＳ１０１で、制御装置８０は、基体管１４管内（水素極１１）と酸素極１２への空気の供給を開始するよう制御する。制御装置８０は、空気調整弁５４と空気側排出量調整弁５５とを開状態とし、水蒸気調整弁５１と水素調整弁５２と水素調整弁（または仕切弁）５３を閉状態とするよう調整部５０を制御する。また、制御装置８０は、空気調整弁５７を開状態とし、水素供給弁３１と水素供給弁５６を閉状態とするよう制御する。
【0035】
空気供給部７０から酸素極１２に供給される空気は、酸素極１２を加熱し、電解モジュール１９全体及び基体管１４を加熱して外部に排出される。空気供給管（加熱媒体供給系統）７２は、空気供給部７０から水素極１１に空気を供給する系統である。空気供給部７０から空気供給管７２を介して基体管１４管内に供給される空気は、基体管１４を加熱して水素極１１を含む電解モジュール１９全体を加熱し、空気排出管７３を介して外部に排出される。
【0036】
ステップＳ１０２で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１（第１切替温度）を上回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ１を上回ったことに応じて、ステップＳ１０３へ処理を進める。Ｔｅｍｐ１は、水蒸気が内部でドレン化しないように、水素極１１における水蒸気の露点より高い温度に設定される。Ｔｅｍｐ１は、例えば、１５０℃以上かつ２００℃以下の温度である。後述するＴｅｍｐ２は、Ｔｅｍｐ１よりも高い温度に設定する。
【0037】
図５に示すように、時刻ｔ０に水素生成システム１００の起動を開始すると電解モジュール１９の温度が漸次上昇する。電解モジュール１９の温度がＴｅｍｐ１に到達した時刻を時刻ｔ１とする。図５に示すように、水素生成システム１００の起動が開始されてから時刻ｔ１に至るまでは、基体管１４管内の入口ガス濃度は、空気が１００％のまま維持される。
【0038】
ステップＳ１０３で、制御装置８０は、空気供給部７０から基体管１４管内（水素極１１）への空気の供給を停止するよう、空気調整弁５４を開状態から閉操作を開始する。
続いてステップＳ１０４で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を開始するよう、水蒸気調整弁５１を閉状態から開操作を開始する。
続いてステップＳ１０４で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を開始するよう、水蒸気調整弁５１を閉状態から開操作を開始する。
【0039】
以上のように、制御装置８０は、水素生成システム１００を起動する際に、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１を上回ると、基体管１４管内へ空気供給部７０から空気が供給されて水蒸気供給部２０から基体管１４管内に水蒸気は供給されない状態（加熱空気供給状態）から、基体管１４管内へ空気は供給されず水蒸気供給部２０から水蒸気が供給される状態（水蒸気供給状態）に移行して、水素極１１側の酸素パージを完了させるよう調整部５０を制御する（第２制御工程）。
【0040】
ステップＳ１０５で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ２（第２切替温度）を上回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ２を上回ると、ステップＳ１０７へ処理を進める。Ｔｅｍｐ２は、水素極１１に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である。Ｔｅｍｐ２は、例えば、３５０℃以上かつ４００℃以下の温度である。Ｔｅｍｐ２は、水素極１１に含まれる金属成分が水蒸気と反応して酸化する速度が著しく上昇する温度よりも低く設定される。
【0041】
図５に示すように、時刻ｔ１で電解モジュール１９への水蒸気の供給が開始されると、酸素極１２側の空気と基体管１４管内の高温水蒸気により電解モジュール１９の温度が漸次上昇する。電解モジュール１９の温度がＴｅｍｐ２に到達した時刻を時刻ｔ２とする。図５に示すように、時刻ｔ１を経過して水蒸気の供給を開始して水素極１１の入口の空気中の酸素濃度を０％まで低下させ、水蒸気の濃度を１００％に上昇させる。その後、時刻ｔ２に至るまで、基体管１４管内（水素極１１）入口のガス濃度は、水蒸気が１００％のまま維持される。
【0042】
ステップＳ１０６で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から基体管１４管内（水素極１１）への水素の供給を開始して、基体管１４管内入口の水素濃度が所定の値になるよう、水素調整弁５２および水素調整弁（または仕切弁）５３を閉状態から開操作を開始する。
【0043】
続いてステップＳ１０７で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から基体管１４管内（水素極１１）への水蒸気の供給を減少させ、基体管１４管内入口の水蒸気濃度が所定の値になるよう、水蒸気調整弁５１を開状態から閉操作を実施する。
【0044】
以上のように、制御装置８０は、水素生成システム１００を起動する際に、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ２を上回ると、水蒸気供給状態から、還元性ガスである水素を混合した状態に切り替えるよう調整部５０を制御する(第３制御工程)。水蒸気供給状態から還元性ガスである水素を混合した状態に切り替えることで、水素極１１が還元状態に維持されるため、水蒸気に含まれる酸素による水素極の水蒸気酸化が防止される。
【0045】
ステップＳ１０８で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ３を上回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ３を上回ると、ステップＳ１０９へ処理を進める。Ｔｅｍｐ３は、例えば、４００℃以上かつ５００℃以下の温度である。ここで、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ３に到達した時刻を時刻ｔ３とする。
【0046】
ステップＳ１０９で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から酸素極１２への水素の供給を開始するよう、水素供給弁５６を閉状態から開状態に切り替える。電解モジュール１９の酸素極１２に供給された水素は、酸素極１２の触媒作用により燃焼し、電解モジュール１９の酸素極１２側の温度を上昇させる。
【0047】
ステップＳ１１０で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ４を上回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ４を上回ると、ステップＳ１１１へ処理を進める。Ｔｅｍｐ４は、電解モジュール１９が水蒸気電解により水素を生成することが可能な温度よりも高い温度であり、例えば、６００℃以上かつ７００℃以下の温度である。ここで、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ４に到達した時刻を時刻ｔ４とする。
【0048】
ステップＳ１１１で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気供給量を電解開始条件に合致させるように増加させる。制御装置８０は、水蒸気調整弁５１の弁開度を調整すると共に、基体管１４管内（水素極１１）の入口水素濃度を電解開始条件に合致させるよう、水素貯蔵設備４０から水素極１１への水素供給量を制御する水素調整弁５２の開度を調整する。
【0049】
ステップＳ１１２で、制御装置８０は、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ５を上回ること、と基体管１４管内（水素極１１）の入口水素濃度と供給水蒸気量が電解開始条件に合致しているかどうか、と電力供給を開始できる準備が整っているかを判定し、すべての条件を満たすと、ステップＳ１１３へ処理を進める。
【0050】
ステップＳ１１３で、制御装置８０は、電力供給部１８から電解モジュール１９への電力供給を開始し、電流量を漸増させるよう電力供給部１８を制御する。電力供給部１８から電力が供給される電解モジュール１９は、水蒸気電解により水素および酸素の生成を開始する。ステップＳ１１３で、電解モジュール１９への電力供給を開始した時刻を時刻ｔ５とする。時刻ｔ５以降、水蒸気調整弁５１の弁開度を調整して水素極１１への水蒸気供給量を制御すると共に、水素調整弁５２の開度を調整して基体管１４管内（水素極１１）の入口水素濃度を制御する。
【0051】
ステップＳ１１４で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ６を上回るかどうか、または電解モジュール１９に供給される電流量が所定の値を上回るかどうか、を判定し、いずれかの条件を満たすと、ステップＳ１１５へ処理を進める。Ｔｅｍｐ６は、例えば、６５０℃以上かつ７５０℃以下の温度である
。ここで、判定条件が成立した時刻を時刻ｔ６とする。
。ここで、判定条件が成立した時刻を時刻ｔ６とする。
【0052】
その後、ステップＳ１１６で、電解モジュール１９に供給される電流量が定格値に到達したかどうかを判定し、ＹＥＳと判定されればその時点で起動完了となり、電解モジュール１９の定格運転状態となる。ここで、定格電流に到達した時刻を時刻ｔ７とする。なお、電流量が定格値に到達する前に制御装置８０は、水素極１１への水蒸気供給量と基体管１４管内（水素極１１）の入口水素濃度が定格条件となるように、水蒸気調整弁５１と水素調整弁５２を制御する。ここで、水蒸気調整弁５１と水素調整弁５２の開度を電流量の関数で制御しても良い。
【0053】
次に、本実施形態の制御装置８０が電解モジュール１９の停止時に実行する動作について説明する。図６は、水素生成システムの停止時の動作を示すフローチャートである。図７は、電解モジュール１９の停止時の経過時間と基体管１４管内（水素極１１）入口のガス濃度との関係および電解モジュール１９の温度と各制御動作の実施のタイミングの例を示すグラフである。
【0054】
ステップＳ２０１で、制御装置８０は、電力供給部１８から電解モジュール１９への電力供給停止に向け、電流を低減するよう電力供給部１８を制御する。
【0055】
ステップＳ２０２で、制御装置８０は、電流が停止したかどうかを判定し、電流がゼロになってからステップＳ２０３へ処理を進める。
【0056】
ステップＳ２０３で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から基体管１４管内（水素極１１）への水素の供給量の調整を開始して、基体管１４管内入口が還元雰囲気となるよう、水素濃度を所定の値にするべく、水素調整弁５２の操作を開始する。
続いてステップＳ２０４で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から基体管１４管内（水素極１１）への水蒸気の供給を減少させ、基体管１４管内入口の水蒸気濃度が所定の値になるよう、水蒸気調整弁５１の閉操作を実施する。
続いてステップＳ２０４で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から基体管１４管内（水素極１１）への水蒸気の供給を減少させ、基体管１４管内入口の水蒸気濃度が所定の値になるよう、水蒸気調整弁５１の閉操作を実施する。
【0057】
ステップＳ２０５で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１０（第５切替温度）を下回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ１０を下回ったことに応じて、ステップＳ２０６へ処理を進める。Ｔｅｍｐ１０は、例えば、３５０℃以上かつ４００℃以下の温度である。Ｔｅｍｐ１０は、水素極１１に含まれる金属成分が水蒸気と反応して酸化する温度よりも低く設定される。
【0058】
図７に示すように、時刻ｔ８で電解モジュール１９の停止動作を開始し、電解電流がゼロになる時刻をｔ９とする。時刻ｔ９から、水素調整弁５２の開度を調整して基体管１４管内（水素極１１）の入口ガスを還元雰囲気に調整開始し、水蒸気供給部２０から基体管１４管内（水素極１１）への水蒸気の供給を減少させ、基体管１４管内入口の水蒸気濃度が所定の値になるよう、水蒸気調整弁５１の閉操作を実施する。
【0059】
基体管１４管内入口の水蒸気濃度が所定の値になり、還元雰囲気に調整完了した時刻を時刻ｔ１０とする。時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間において電解電流が漸減し、ｔ９以降電解電流が流れないため、電解電流のジュール熱による発熱が減少、消滅し、電解モジュール１９の温度Ｔａが漸次低下する。電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１０となった時刻を時刻ｔ１１とする（図７参照）。
【0060】
ステップＳ２０６で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から水素極１１への水素の供給を減少させて停止するよう、水素調整弁５２および水素調整弁（または仕切弁）５３を開状態から閉状態に切り替える。
続いてステップＳ２０７で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を増加させるよう、水蒸気調整弁５１を開操作する。
続いてステップＳ２０７で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を増加させるよう、水蒸気調整弁５１を開操作する。
【0061】
以上のように、制御装置８０は、電解モジュール１９を停止する際に、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１０を下回ったことに応じて、水素貯蔵設備４０から水素極１１へ水素が供給され水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が還元雰囲気を保つ範囲で供給されている状態（水素供給状態）を、水素貯蔵設備４０から水素極１１へ水素が供給されず水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される状態（水蒸気供給状態）に切り替えるよう調整部５０を制御する（第５制御工程）。
【0062】
図７に示すように、時刻ｔ１１の後、水素極１１の入口の水素の濃度が低下し、それに伴って水素極１１の入口の水蒸気の濃度が上昇し、水素の濃度が０％かつ水蒸気の濃度が１００％となる。基体管１４管内（水素極１１）と酸素極１２を流れるガスにより電解モジュール１９は冷却され、温度Ｔａが漸次低下し、Ｔｅｍｐ１１となった時刻をｔ１２とする（図７参照）。
【0063】
ステップＳ２０８で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１１（第６切替温度）を下回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ１１を下回ったことに応じて、ステップＳ２０９へ処理を進める。Ｔｅｍｐ１１は、水素極１１における水蒸気の露点より高い温度である。Ｔｅｍｐ１１は、例えば、１５０℃以上かつ２００℃以下の温度である。
【0064】
ステップＳ２０９で、制御装置８０は、空気供給部７０から水素極１１への空気の供給を開始するよう、空気側排出量調整弁５５を閉状態から開状態に、水素供給弁３１を開状態から閉状態に切り替え後、空気調整弁５４を閉状態から開状態に切り替える。
ステップＳ２１０で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を停止するよう、水蒸気調整弁５１を開状態から閉状態に切り替える。
ステップＳ２１０で、制御装置８０は、水蒸気供給部２０から水素極１１への水蒸気の供給を停止するよう、水蒸気調整弁５１を開状態から閉状態に切り替える。
【0065】
以上のように、制御装置８０は、電解モジュール１９を停止する際に、電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１１を下回ったことに応じて、空気供給部７０から水素極１１へ空気が供給されず水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される状態（水蒸気供給状態）を、空気供給部７０から水素極１１へ空気が供給され水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給されない状態（加熱媒体供給状態）に切り替えるよう調整部５０を制御する（第６制御工程）。
【0066】
図７に示すように、時刻ｔ１２の後、水素極１１の入口の水蒸気の濃度が低下し、水素極１１の入口の空気の濃度が上昇し、水蒸気の濃度が大気湿度程度まで低下し空気濃度１００％となる。系内の水蒸気よりも供給空気の温度が低いため、電解モジュール１９の温度Ｔａが漸次低下する。し、温度ＴａがＴｅｍｐ１１となる時刻ｔ１３とする（図７参照）。
【0067】
ステップＳ２１１で、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度ＴａがＴｅｍｐ１２を下回るかどうかを判定し、温度ＴａがＴｅｍｐ１２を下回ったことに応じて、ステップＳ２１２へ処理を進める。Ｔｅｍｐ１２は、例えば、５０℃以下の温度である。
【0068】
ステップＳ２１２で、制御装置８０は、水素極１１と酸素極１２への空気の供給を停止するよう調整部５０を制御する。制御装置８０は、空気調整弁５４と空気側排出量調整弁５５とを閉状態とするよう制御する。また、制御装置８０は、空気調整弁５７を閉状態とするよう制御する。以上により、水素生成システム１００が停止した状態となる。
【0069】
以上で説明した本実施形態の水素生成システム１００が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解モジュール１９が、水蒸気供給部２０から水素極１１に供給される水蒸気を電解することにより水素が生成され、水素貯蔵設備４０に貯蔵される。電解モジュール１９を動作させる際には、電解モジュール１９を水蒸気電解させるために十分な温度まで高める必要がある。しかし電解モジュール１９の昇温過程で、水素極１１に水蒸気を供給しながら通電せず、水蒸気電解しないまま温度を上昇させていくと、水蒸気（水分子）に含まれる酸素が、水素極１１に含まれる金属成分を水蒸気酸化させるようになり、温度が高まるほどその傾向が強くなる。
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解モジュール１９が、水蒸気供給部２０から水素極１１に供給される水蒸気を電解することにより水素が生成され、水素貯蔵設備４０に貯蔵される。電解モジュール１９を動作させる際には、電解モジュール１９を水蒸気電解させるために十分な温度まで高める必要がある。しかし電解モジュール１９の昇温過程で、水素極１１に水蒸気を供給しながら通電せず、水蒸気電解しないまま温度を上昇させていくと、水蒸気（水分子）に含まれる酸素が、水素極１１に含まれる金属成分を水蒸気酸化させるようになり、温度が高まるほどその傾向が強くなる。
【0070】
そこで先ず、空気供給部７０から水素極１１に空気を供給することにより、電解モジュール１９を第１切替温度（Ｔｅｍｐ１）以下の温度まで空気で昇温し、電解モジュール１９が第１切替温度（Ｔｅｍｐ１）を上回ったところで、空気供給状態を、水蒸気供給状態に切り替えるよう調整部５０を制御する。第１切替温度を上回った温度で切り替えることで、供給した水蒸気の電解モジュール内でのドレン化を防止できるため水素極１１や電解モジュールの金属部の腐食が防止される。
【0071】
次いで水素極１１に水素を供給する。電解モジュール１９の温度が第２切替温度（Ｔｅｍｐ２）を上回ったところで、水蒸気酸化を防止するために、制御装置８０が、水蒸気供給状態から、還元性ガスである水素を混合した状態に切り替えるよう調整部５０を制御する。水蒸気供給状態から水素を混合した状態に切り替えることで、水素極１１が還元雰囲気におかれるため、水蒸気に含まれる酸素による水素極の水蒸気酸化が防止される。
【0072】
したがって、水蒸気供給状態から還元用水素を混合した状態に切り替えない場合に比べ、金属成分を含む水素極１１が損傷することを防止することができる。また、水素極１１の酸化を防止するために用いる水素は、電解モジュール１９により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵設備４０から水素極１１に供給され、供給された水素は水素分離設備で再び回収される。
【0073】
そのため、水素極１１の酸化を防止するために窒素ガス等を供給する設備を別途設けた場合に比べ、水素を生成する際の設備コスト及び運用コストを低減できる。また、水素の混合時に水素極１１の通気ガス流路の空気を水蒸気に置換することで酸素が存在しないため、安全性を確保することができる。
【0074】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解モジュール１９がＴｅｍｐ１０を下回ったことに応じて、水素貯蔵設備４０から水素極１１に水素が供給される状態が水素極１１に水素が供給されず水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される状態に切り替えられる。水素極１１に空気を供給するのに先立って水素極１１の水素が水蒸気に置換されるため、空気と水素とが混合することによる異常燃焼等の発生を適切に防止することができる。
【0075】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解モジュール１９がＴｅｍｐ１０よりも低いＴｅｍｐ１１を下回ったことに応じて、空気供給部７０から水素極１１に空気が供給されず水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給される状態が、空気供給部７０から水素極１１に空気が供給され水蒸気供給部２０から水素極１１に水蒸気が供給されない状態に切り替えられる。そのため、Ｔｅｍｐ１１以上の温度で水素極１１の水蒸気を空気に置換する場合に比べ、水素極１１が酸化しにくい状態となり、水素極１１が損傷することを防止することができる。
【0076】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、Ｔｅｍｐ２およびＴｅｍｐ１０が水素極１１に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低いため、水素極１１が酸化して損傷することを確実に防止することができる。
【0077】
〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る水素生成システム１００Ａについて説明する。本実施形態の水素生成システム１００Ａは、第１実施形態の水素生成システム１００の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第２実施形態に係る水素生成システム１００Ａについて説明する。本実施形態の水素生成システム１００Ａは、第１実施形態の水素生成システム１００の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
【0078】
図８に示すように、本実施形態の水素生成システム１００Ａは、水素排出管３３から水素供給管４２に水素を分岐させる分岐管３４と、分岐管３４に配置される再循環ブロワ４４を備える点が第１実施形態の水素生成システム１００と異なる。
【0079】
本実施形態の水素生成システム１００Ａの起動時の動作は、第１実施形態の水素生成システム１００の起動時の動作に対して、図３のステップＳ１０６の動作が異なる。第１実施形態のステップＳ１０６で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から水素極１１への水素の供給を開始するよう、水素調整弁５２を開操作して水素調整弁（または仕切弁）５３を閉状態から開状態に切り替える。また、水素調整弁５２の開状態は、ステップＳ１０６の後も維持される。
【0080】
一方、本実施形態の制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から水素極１１への水素の供給を開始するよう、水素調整弁５２および水素調整弁５３を閉状態から開状態に切り替えた後、水素貯蔵設備４０から所望量の水素が水素供給管４２に供給されたことに応じて、水素調整弁５２を開状態から閉状態に切り替える。
【0081】
本実施形態の制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から水素極１１への水素の供給を開始したことに応じて、再循環ブロワ４４を動作させ、水素極１１から水素排出管３３に供給された水素を、分岐管３４を介して水素供給管４２へ導く。水素供給管４２へ導かれた水素は、再び水素極１１に供給される。このように、再循環ブロワ４４を動作させることにより、水素は、水素排出管３３、分岐管３４、水素供給管４２、水蒸気供給管２１、水素極１１の順に循環する。またこの時、水素極１１に供給される水素量は、再循環ブロワ４４の流量制御により実施される。
【0082】
本実施形態の水素生成システム１００Ａによれば、電解開始前に基体管１４管内（水素極１１）を通気させるガスの流量・組成を変化させる必要がない時は、水素極１１から水素排出管３３に供給された水素全量を再び水素極１１へ導くため、水素分離設備３０および水素貯蔵設備４０を通過させる必要がない。そのため、水素分離設備３０において水素を冷却して水蒸気を除去するための動力と、水素貯蔵設備４０において水素を加熱して水素供給管４２へ供給するための動力が不要となる。よって、水素生成システム１００Ａの起動時に必要な動力を減少させることができる。
【0083】
〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態に係る水素生成システム１００Ｂについて説明する。本実施形態の水素生成システム１００Ｂは、第２実施形態の水素生成システム１００Ａの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとする。本実施形態の水素生成システム１００Ｂは、図９に示すように、電解モジュール１９の加熱媒体排出系統に水素処理設備７５および水素濃度計７６を備える点が、第２実施形態の水素生成システム１００Ａと異なる。
次に、本開示の第３実施形態に係る水素生成システム１００Ｂについて説明する。本実施形態の水素生成システム１００Ｂは、第２実施形態の水素生成システム１００Ａの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとする。本実施形態の水素生成システム１００Ｂは、図９に示すように、電解モジュール１９の加熱媒体排出系統に水素処理設備７５および水素濃度計７６を備える点が、第２実施形態の水素生成システム１００Ａと異なる。
【0084】
電解モジュール１９では、水素極１１で生成されあるいは水素極１１に供給される水素は、酸素極１２側の加熱媒体（空気）とは直接混合しない構造となっているが、水素極１１側から酸素極１２側に水素がリークする可能性がある。そこで、本実施形態では、水素極１１側から酸素極１２側にリークした水素が酸素極１２から外部に排出される空気に混入して外気へ放出されないように処理をするものである。
【0085】
水素処理設備７５は、混入した水素を酸化させて無害な水に化学変化させる設備である。水素処理設備７５の例としては、水素燃焼触媒を内部に有する、触媒反応により、酸素極１２および空気排出管７３から排出される空気に混入した水素を燃焼させる設備が挙げられる。
【0086】
水素濃度計７６は、酸素極１２および空気排出管７３から排出される空気に混入した水素の濃度を検出する装置である。制御装置８０は、水素濃度計７６が検出する水素の濃度の計測値が所定の閾値濃度を上回る場合に、水素処理設備７５が排出された空気に混入する水素を酸化させて無害な水に化学変化させる。
【0087】
なお、図９には、水素処理設備７５と水素濃度計７６の双方を設けた例を示したが、水素処理設備７５を設けずに水素濃度計７６のみを設けるようにしてもよい。この場合、制御装置８０は、水素濃度計７６が検出する水素の濃度が所定の閾値濃度を上回る場合に、外部に排出される空気中の水素濃度を低下させるように空気供給部７０が酸素極１２に供給する空気の流量を増加させる。
【0088】
また、制御装置８０は、水素濃度計７６が検出する水素の濃度の計測値が所定の閾値濃度を上回る場合に、外部に排出される空気中の水素濃度を低下させるように電解モジュールへ供給する電流を減じてもよい。以上の説明において、所定の閾値濃度は、例えば、大気中の水素の爆発下限界濃度の１／４とするのが好ましい。
【0089】
さらに、制御装置８０は、水素濃度計７６が検出する水素の濃度の計測値が、空気供給部７０が酸素極１２に供給する空気の流量を増加させることでは安全な濃度まで低下させられないほどの高濃度であると判断した場合に、水素生成システム１００Ｂの動作を停止させるように制御してもよい。
【0090】
また、本実施形態において、制御装置８０は、温度センサ１７が検出する電解モジュール１９の温度Ｔａが所定の閾値温度を上回る場合に、水素の漏れや電解モジュール１９の破損などの異常が発生したと判断し、水素生成システム１００Ｂの動作を停止させるように制御してもよい。また、温度センサ１７に替えて、水素処理設備７５の入口や水素処理設備７５の内部に他の温度センサを設け、この温度センサが検出する温度が所定の閾値温度を上回る場合に、水素の漏れや電解モジュール１９の破損などの異常が発生したと判断し、水素生成システム１００Ｂの動作を停止させるように制御してもよい。
【0091】
以上説明した各実施形態に記載の水素生成システム（１）は例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る水素生成システム（１００）は、水素極（１１）と、酸素極（１２）と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層（１３）と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュール（１９）と、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部（２０）と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部（４０）と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部（７０）と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統（７２）と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統（４３）と、を備える。
本開示の第１態様に係る水素生成システム（１００）は、水素極（１１）と、酸素極（１２）と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層（１３）と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュール（１９）と、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部（２０）と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部（４０）と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部（７０）と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統（７２）と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統（４３）と、を備える。
【0092】
本開示の第１態様に係る水素生成システム（１００）によれば、電解モジュールが、水蒸気供給部から供給される水蒸気を水蒸気電解することにより水素が生成される。電解モジュールを起動する際には、電解モジュールが水蒸気を水蒸気電解するために十分な温度まで高めるため、水蒸気供給部から水素極に水蒸気が供給される。電解モジュールの温度が高まるにつれて水素極に含まれる金属成分が水蒸気（水分子）に含まれる酸素により水蒸気酸化されるようになり、温度が高まるほどその傾向が強くなる。本開示の第１態様に係る水素生成システムによれば、水素供給部から水素極に水素を供給することにより水素極に存在する水蒸気が水素により置換されるため、水蒸気に含まれる酸素による水素極の酸化を防止することができる。
【0093】
本開示の第２態様に係る水素生成システムは、第１態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記水素供給部は、前記電解モジュールにより生成された前記水素を貯蔵し、前記水素極および前記酸素極へ前記水素を供給する。
【0094】
本開示の第２態様に係る水素生成システムによれば、水素極の酸化を防止するために用いる水素は、電解モジュールにより生成された水素を貯蔵する水素供給部から水素極に供給される。そのため、水素極の酸化を防止するために別途の設備を設けて窒素ガス等の不活性ガスを供給する場合に比べ、不活性ガスを生成する際の運用コストを増大させることがない。
【0095】
本開示の第３態様に係る水素生成システムは、第１態様または第２態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部（５０）を備える。
【0096】
本開示の第３態様に係る水素生成システムによれば、水素極に供給される水素の供給量、酸素極に供給される水素の供給量、水素極に供給される水蒸気の供給量、酸素極に供給される加熱媒体の供給量、水素極に供給される加熱媒体の供給量を、調整部により調整し、水素極が損傷することを防止しつつ水蒸気電解により適切に水素を生成することができる。
【0097】
本開示の第４態様に係る水素生成システムは、第３態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第１切替温度（Ｔｅｍｐ１）を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替える。
【0098】
本開示の第４態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、水素極に存在する加熱媒体の水蒸気への置換が行われる。水素極に水素を供給するのに先立って加熱媒体の水蒸気への置換が行われるため、例えば加熱媒体が酸素を含む媒体（空気等）である場合に、加熱媒体と水素とが混合することによる異常燃焼等の発生を適切に防止することができる。
【0099】
本開示の第５態様に係る水素生成システムは、第４態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第１切替温度より高い第２切替温度（Ｔｅｍｐ２）を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替える。
【0100】
本開示の第５態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第２切替温度を上回ったことに応じて、水素極に存在する水蒸気の水素への置換が行われる。水素極に存在する水蒸気が還元性ガスである水素に漸次置換されて水素極が還元雰囲気となるため、水蒸気に含まれる酸素による水素極の水蒸気酸化を適切に防止することができる。
【0101】
本開示の第６態様に係る水素生成システムによれば、第５態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第３切替温度（Ｔｅｍｐ３）を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替える。
【0102】
本開示の第６態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて酸素極に水素が供給され、酸素極の触媒作用により水素が燃焼し、電解モジュールの酸素極側の温度を上昇さモジュールことができ、電解モジュール全体を昇温できる。
【0103】
本開示の第７態様に係る水素生成システムによれば、第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度（Ｔｅｍｐ４）を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させる。
【0104】
本開示の第７態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第４切替温度を上回ったことに応じて水素極に供給される水蒸気の供給量が増加するため、水蒸気電解反応により減少する水蒸気を補い、適切に水蒸気電解反応を促進させることができる。
【0105】
本開示の第８態様に係る水素生成システムは、第５態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第５切替温度（Ｔｅｍｐ１０）を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替える。
【0106】
本開示の第８態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、水素供給部から水素極に水素が供給される状態が水素極に水素が供給されない状態に切り替えられる。水素極に加熱媒体を供給するのに先立って水素極の水素が他の媒体に置換されるため、例えば加熱媒体が酸素を含む媒体（空気等）である場合に、加熱媒体と水素とが混合することによる異常燃焼等の発生を適切に防止することができる。
【0107】
本開示の第９態様に係る水素生成システムは、第８態様において、前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度（Ｔｅｍｐ１１）を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替える。
【0108】
本開示の第９態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、水素極の水蒸気が加熱媒体に置換される。そのため、加熱媒体に酸素が含まれる際、第５切替温度以上の温度で水素極の水蒸気を加熱媒体に置換する場合に比べ、水素極が酸化しにくい状態となり、水素極が損傷することを防止することができる。
【0109】
本開示の第１０態様に係る水素生成システムは、第４態様において、前記第１切替温度が前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である。また、本開示の第１１態様に係る水素生成システムは、第９態様において、前記第６切替温度が前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である。
本開示の第１０態様および第１１態様に係る水素生成システムによれば、第１切替温度および第６切替温度が水素極における水蒸気の露点よりも高いため、水素極に供給される水蒸気が凝縮してドレン水が発生することを適切に防止することができる。
本開示の第１０態様および第１１態様に係る水素生成システムによれば、第１切替温度および第６切替温度が水素極における水蒸気の露点よりも高いため、水素極に供給される水蒸気が凝縮してドレン水が発生することを適切に防止することができる。
【0110】
本開示の第１２態様に係る水素生成システムは、第５態様において、第２切替温度が前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である。
本開示の第１２態様に係る水素生成システムによれば、水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度で水蒸気から水素への置換が行われるため、水素極に含まれる金属成分が水蒸気により酸化することを適切に防止することができる。
本開示の第１２態様に係る水素生成システムによれば、水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度で水蒸気から水素への置換が行われるため、水素極に含まれる金属成分が水蒸気により酸化することを適切に防止することができる。
【0111】
本開示の第１３態様に係る水素生成システムは、第８態様において、前記第５切替温度が前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である。
本開示の第１３態様に係る水素生成システムによれば、水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度で水素から水蒸気への置換が行われるため、水素極に含まれる金属成分が水蒸気により酸化することを適切に防止することができる。
本開示の第１３態様に係る水素生成システムによれば、水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度で水素から水蒸気への置換が行われるため、水素極に含まれる金属成分が水蒸気により酸化することを適切に防止することができる。
【0112】
本開示の第１４態様に係る水素生成システムは、第７態様において、前記第４切替温度が、前記電解モジュールが前記水蒸気電解により前記水素を生成することが可能な温度よりも高い温度である。
本開示の第１４態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが水蒸気電解により水素を生成することが可能な温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて水蒸気の供給量を増加させるため、水素極の水蒸気量が過度に増加することを防止することができる。
本開示の第１４態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールが水蒸気電解により水素を生成することが可能な温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて水蒸気の供給量を増加させるため、水素極の水蒸気量が過度に増加することを防止することができる。
【0113】
本開示の第１５態様に係る水素生成システムは、第１態様または第２態様において、前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計及び水素処理設備を備える。
本開示の第１５態様に係る水素生成システムによれば、加熱媒体排出系統に配置された水素濃度計で水素の濃度を検知し、水素処理設備で適切に処理することができる。
本開示の第１５態様に係る水素生成システムによれば、加熱媒体排出系統に配置された水素濃度計で水素の濃度を検知し、水素処理設備で適切に処理することができる。
【0114】
本開示の第１６態様に係る水素生成システムの制御方法において、水素生成システムは、金属成分を含む水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える。
【0115】
本開示の第１６態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、第１制御工程が、電解モジュールを起動する際に、電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、水蒸気供給部から供給される水蒸気を水素極に供給することにより、水素極に存在する加熱媒体の水蒸気への置換が行われる。これにより、加熱媒体が酸素を含む媒体（空気等）である場合に、第１切替温度を上回る比較的低温における加熱媒体中の酸素によって引き起こされる水素極の酸化を防止できる。
【0116】
また、水素極に水素を供給するのに先立って加熱媒体の水蒸気への置換が行われるため、例えば加熱媒体が酸素を含む媒体（空気等）である場合に、加熱媒体と水素とが混合することによる異常燃焼等の発生を適切に防止することができる。
【0117】
本開示の第１７態様に係る水素生成システムの制御方法は、第１６態様において、前記水素生成システムは、前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第１切替温度よりも高い第２切替温度を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第２制御工程を備える。
【0118】
本開示の第１７態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールが第２切替温度を上回ったことに応じて、水素極に存在する水蒸気の水素への置換が行われる。水素極に存在する水蒸気が還元性ガスである水素に漸次置換されて水素極が還元雰囲気となるため、水蒸気に含まれる酸素による水素極の水蒸気酸化を適切に防止することができる。
【0119】
本開示の第１８態様に係る水素生成システムの制御方法は、第１７態様において、前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第３制御工程を備える。
【0120】
本開示の第１８態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて酸素極に水素が供給され、酸素極の触媒作用により水素が燃焼し、電解モジュールの酸素極側の温度を上昇させ、電解モジュール全体を昇温させることができる。
【0121】
本開示の第１９態様に係る水素生成システムの制御方法は、第１８態様において、前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させるよう前記調整部を制御する第４制御工程を備える。
【0122】
本開示の第１９態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールが第４切替温度を上回ったことに応じて水素極に供給される水蒸気の供給量が増加するため、水蒸気電解反応に適した供給水蒸気濃度に調整でき、適切に水蒸気電解反応を実行させることができる。
【0123】
本開示の第２０態様に係る水素生成システムの制御方法は、第１７態様において、前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが前記第５切替温度を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第５制御工程を備える。
【0124】
本開示の第２０態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、水素供給部から水素が供給される状態が水素極に水素が供給されない状態に切り替えられる。そのため、水素極に加熱媒体を供給するのに先立って水素極の水素が他の媒体に置換されるため、例えば加熱媒体が酸素を含む媒体（空気等）である場合に、加熱媒体と水素とが混合することによる異常燃焼等の発生を適切に防止することができる。
【0125】
本開示の第２１態様に係る水素生成システムの制御方法は、第２０態様において、前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第６制御工程を備える。
【0126】
本開示の第２１態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールが第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、水素極の水蒸気が加熱媒体に置換される。そのため、加熱媒体に酸素が含まれる際、第５切替温度以上の温度で水素極の水蒸気を加熱媒体に置換する場合に比べ、水素極が酸化しにくい状態となり、水素極が損傷することを防止することができる。
【0127】
また、本開示の第２１態様に係る水素生成システムの制御方法によれば、電解モジュールを流通する媒体が加熱媒体のみとなり、電解モジュールが冷却されて温度が低下しても、内部で水蒸気が結露することを防止できる。
【符号の説明】
【0128】
１０ 電解セル
１１ 水素極
１２ 酸素極
１３ 電解質層
１４ 基体管
１５ インターコネクタ
１６ リード膜
１７ 温度センサ
１８ 電力供給部
１９ 電解モジュール
２０ 水蒸気供給部
２１ 水蒸気供給管
３０ 水素分離設備
３１ 水素供給弁
３２ 水素昇圧機
３３ 水素排出管
３４ 分岐管
４０ 水素貯蔵設備（水素供給部）
４１ 水素供給管
４２ 水素供給管
４３ 水素供給管（水素系統）
４４ 再循環ブロワ
５０ 調整部
５１ 水蒸気調整弁
５２ 水素調整弁
５３ 水素調整弁（または仕切弁）
５４ 空気調整弁
５５ 水素極通気ガスの空気側排出量調整弁
５６ 水素供給弁
５７ 空気調整弁
７０ 空気供給部
７２ 空気供給管（加熱媒体系統）
７３ 空気排出管
７４ 空気供給管
７５ 水素処理設備
７６ 水素濃度計
８０ 制御装置（制御部）
１００，１００Ａ，１００Ｂ 水素生成システム
Ｔａ 電解モジュールの温度
１１ 水素極
１２ 酸素極
１３ 電解質層
１４ 基体管
１５ インターコネクタ
１６ リード膜
１７ 温度センサ
１８ 電力供給部
１９ 電解モジュール
２０ 水蒸気供給部
２１ 水蒸気供給管
３０ 水素分離設備
３１ 水素供給弁
３２ 水素昇圧機
３３ 水素排出管
３４ 分岐管
４０ 水素貯蔵設備（水素供給部）
４１ 水素供給管
４２ 水素供給管
４３ 水素供給管（水素系統）
４４ 再循環ブロワ
５０ 調整部
５１ 水蒸気調整弁
５２ 水素調整弁
５３ 水素調整弁（または仕切弁）
５４ 空気調整弁
５５ 水素極通気ガスの空気側排出量調整弁
５６ 水素供給弁
５７ 空気調整弁
７０ 空気供給部
７２ 空気供給管（加熱媒体系統）
７３ 空気排出管
７４ 空気供給管
７５ 水素処理設備
７６ 水素濃度計
８０ 制御装置（制御部）
１００，１００Ａ，１００Ｂ 水素生成システム
Ｔａ 電解モジュールの温度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2023-02-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルの集合体であり、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備える水素生成システム。
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備える水素生成システム。
【請求項2】
前記水素供給部は、前記電解モジュールにより生成された前記水素を貯蔵し、前記水素極および前記酸素極へ前記水素を供給する請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項3】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替える請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項4】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第１切替温度より高い第２切替温度を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替える請求項３に記載の水素生成システム。
【請求項5】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替える請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項6】
前記電解モジュールを起動する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させる請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項7】
前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替える請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項8】
前記電解モジュールを停止する際に、前記調整部は、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替える請求項７に記載の水素生成システム。
【請求項9】
前記第１切替温度は、前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である請求項３に記載の水素生成システム。
【請求項10】
前記第６切替温度は、前記水素極における前記水蒸気の露点より高い温度である請求項８に記載の水素生成システム。
【請求項11】
前記第２切替温度は、前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である請求項４に記載の水素生成システム。
【請求項12】
前記第５切替温度は、前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である請求項７に記載の水素生成システム。
【請求項13】
前記第４切替温度は、前記電解モジュールが前記水蒸気電解により前記水素を生成することが可能な温度よりも高い温度である請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項14】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計及び水素処理設備を備える請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項15】
水素生成システムの制御方法であって、
前記水素生成システムは、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える水素生成システムの制御方法。
前記水素生成システムは、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解モジュールと、
前記水素極に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記水素極に前記水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に加熱媒体を供給する加熱媒体供給部と、
前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体を供給する加熱媒体系統と、
前記水素供給部から前記酸素極に前記水素を供給する水素系統と、
前記水素供給部から前記水素極に供給される前記水素の供給量と、前記水素供給部から前記酸素極に供給される前記水素の供給量と、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給される前記水蒸気の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記酸素極に供給される前記加熱媒体の供給量と、前記加熱媒体供給部から前記水素極に供給される前記加熱媒体の供給量とを調整する調整部と、を備え、
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第１切替温度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極へ前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第１制御工程を備える水素生成システムの制御方法。
【請求項16】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第１切替温度よりも高い第２切替温度を上回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第２制御工程を備える請求項１５に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項17】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが第３切替温度を上回ったことに応じて、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給されない状態を、前記水素系統を介して前記酸素極に前記水素が供給される状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第３制御工程を備える請求項１６に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項18】
前記電解モジュールを起動する際に、前記電解モジュールが前記第３切替温度よりも高い第４切替温度を上回ったことに応じて、前記水蒸気供給部から前記水素極に供給する前記水蒸気の供給量を増加させるよう前記調整部を制御する第４制御工程を備える請求項１７に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項19】
前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが第５切替温度を下回ったことに応じて、前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給される状態を前記水素供給部から前記水素極に前記水素が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第５制御工程を備える請求項１８に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項20】
前記電解モジュールを停止する際に、前記電解モジュールが前記第５切替温度よりも低い第６切替温度を下回ったことに応じて、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給されず前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給される状態を、前記加熱媒体供給部から前記水素極に前記加熱媒体が供給され前記水蒸気供給部から前記水素極に前記水蒸気が供給されない状態に切り替えるよう前記調整部を制御する第６制御工程を備える請求項１９に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項21】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記加熱媒体排出系統に配置される水素処理設備により前記加熱媒体排出系統に含まれる前記水素を燃焼処理する請求項１５に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項22】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記電解モジュールに供給する電流量を減少または停止する請求項１５に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項23】
前記電解モジュールの加熱媒体排出系統に配置される水素濃度計の計測値が予め設定された閾値濃度を上回ったことに応じて、前記電解モジュールに供給する前記加熱媒体の供給量を増加する請求項１５に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項24】
前記閾値濃度を大気中の前記水素の爆発下限界濃度の１／４とする請求項２１から請求項２３のいずれか一項に記載の水素生成システムの制御方法。
【請求項25】
前記第２切替温度は、前記水素極に含まれる金属成分が酸化する温度よりも低い温度である請求項１６から請求項２０のいずれか一項に記載の水素生成システムの制御方法。