(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-08
(45)【発行日】2024-11-18
(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 1/042 20210101AFI20241111BHJP
H01M 8/0656 20160101ALI20241111BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20241111BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20241111BHJP
C25B 15/021 20210101ALI20241111BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20241111BHJP
C25B 9/67 20210101ALI20241111BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20241111BHJP
【ＦＩ】
C25B1/042
H01M8/0656
H01M8/0432
H01M8/04537
C25B15/021
C25B15/00
C25B9/67
C01B3/02 H
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2024013013
(22)【出願日】2024-01-31
【審査請求日】2024-02-29
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【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】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】入江 弘毅
(72)【発明者】
【氏名】小阪 健一郎
(72)【発明者】
【氏名】荒木 研太
(72)【発明者】
【氏名】小林 大悟
【審査官】黒木 花菜子
(56)【参考文献】
【文献】特許第７２８２９６８（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２０２３－１０６４１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５１５６８７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ １／０４２
Ｈ０１Ｍ ８／０６５６
Ｈ０１Ｍ ８／０４３２
Ｈ０１Ｍ ８／０４５３７
Ｃ２５Ｂ １５／０２１
Ｃ２５Ｂ １５／００
Ｃ２５Ｂ ９／６７
Ｃ０１Ｂ ３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素生成システムであって、水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、
前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、
前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、
前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、
前記水素生成システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始するよう前記燃料ガス系統を制御した後に前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する水素生成システム。
【請求項2】
前記制御部は、前記酸素極に供給される前の前記燃料ガスが発火しない濃度となるように前記燃料ガス系統を制御する請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項3】
前記第１所定温度は、５００℃以上かつ６００℃未満である請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項4】
前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度に応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始するよう前記燃料ガス系統を制御する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項5】
前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も低温となる領域の温度が前記第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項6】
前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記第１所定温度よりも高い第２所定温度を上回ることに応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するよう前記燃料ガス系統を制御する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項7】
前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度が前記第２所定温度を上回ることに応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するよう前記燃料ガス系統を制御する請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項8】
前記第２所定温度は、前記電解モジュールが定格負荷で運転する際の温度よりも低く設定されている請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項9】
前記第２所定温度は、７００℃以上かつ８５０℃以下である請求項６に記載の水素生成システム。
【請求項10】
前記制御部は、前記酸素極に供給される前記燃料ガスの火炎伝播速度が前記酸素極に供給される空気の流通速度よりも低くなるように前記燃料ガス系統および前記空気供給部を制御する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項11】
前記燃料ガス系統は、前記燃料ガスとして水素を前記酸素極に供給する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
【請求項12】
前記制御部は、前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始後から前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するまでの間において、前記酸素極へ供給する水素の流量を徐々に減少させるよう前記燃料ガス系統を制御する請求項１１に記載の水素生成システム。
【請求項13】
前記制御部は、前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始後から前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するまでの間において、前記電解セルが配置される空間において最も低温となる領域の温度、前記空気供給部から空気が供給される空気供給ヘッダの温度、前記電解モジュールが生成する水素を排出する水素排出孔の温度のうちいずれかの温度を検知して、前記酸素極へ供給する水素の流量を調整するよう前記燃料ガス系統を制御する請求項１１に記載の水素生成システム。
【請求項14】
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、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、
前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、
前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、
前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、を有し、
前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始するよう前記燃料ガス系統を制御する第１制御工程と、
前記第１制御工程により前記酸素極への前記燃料ガスの供給が開始された後に前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する第２制御工程と、を備える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生成する水素生成システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示される水素生成システムは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）を有する電解モジュールを備える。特許文献１には、電解モジュールの水素極だけでなく酸素極にも水素を供給することで、酸素極において水素を触媒作用により燃焼させて電解モジュールの温度を上昇させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第７２８２９６８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、酸素極に供給される水素の温度が発火温度を上回って自然発火してしまうと電解モジュールに損傷が生じてしまう可能性がある。酸素極に供給される水素の濃度を低くすることにより水素の自然発火を防止することができるが、酸素極の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱が減少してしまう。そのため、電解モジュールの温度の上昇速度が低下して水素生成システムの起動時間が長くなってしまう。
【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、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュールの温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することが可能な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、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、前記水素生成システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する。
本開示に係る水素生成システムは、水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、前記水素生成システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する。
【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、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、を有し、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する制御工程を備える。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュールの温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することが可能な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】本開示の一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】本開示の一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】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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示の一実施形態に係る（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、本開示の一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（制御部）８０と、を備える。
【0011】
なお、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。
【0012】
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。
【0013】
図１では、電解モジュール１９と、水素極１１と、酸素極１２と、電解質層１３との関係が模式的に示されている。電解モジュール１９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。
【0014】
図２は、本実施形態に係る円筒形のセルスタックＣＳの一例を示す部分断面図である。セルスタックＣＳ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た電解セル１０と、隣り合う電解セル１０の間に形成されたインターコネクタ１５とを備える。電解セル１０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。
【0015】
基体管１４の外周面に形成された複数の電解セル１０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セル１０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セル１０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、セルスタックＣＳの基体管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。
【0016】
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、電解セル１０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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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、隣り合う電解セル１０において、一方の電解セル１０の酸素極１２と他方の電解セル１０の水素極１１とを電気的に接続し、隣り合う電解セル１０同士を直列に接続するものである。
【0020】
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セル１０に直流電力を供給するものである。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。水素極空間１１ａに供給される水素極入口ガス温度は、例えば、２００℃以上である。
【0025】
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。水素排出弁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。
【0026】
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。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。また、水素貯蔵設備４０は、水素供給管（燃料ガス系統）４３を介して、電解モジュール１９の酸素極１２が配置される酸素極空間１２ａに水素を供給することができる。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
水素供給弁５６は、水素貯蔵設備４０から水素供給管４３及び空気供給管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の酸素極空間１２ａ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。
【0031】
図１に示した水素生成システム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空間１２ａ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の酸素極空間１２ａ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。
【0032】
空気供給部７０は、高温（例えば、４００℃未満）に加熱した空気（加熱媒体）を酸素極１２に供給する装置である。すなわち、空気供給部７０から供給された空気は、空気供給管７４を介して電解モジュール１９の酸素極空間１２ａに供給される。また、空気供給部７０から供給された空気は、水素極用空気供給管（加熱媒体供給系統）７２を介して水素極空間１１ａに供給できるようになっている。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。なお、「酸素極１２に媒体（空気等）を供給する」とは、セルスタックＣＳの酸素極１２の外側の空間に媒体を流通させることで、酸素極１２に媒体を供給することをいう。
【0033】
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。
【0034】
次に、図３を参照して、電解モジュール１９の詳細について説明する。図３は、図１に示す電解モジュール１９の縦断面図である。図３に示すように、電解モジュール１９は、複数の電解セル１０と、水蒸気供給ヘッダ２１７と、水素排出ヘッダ２１９と、空気供給ヘッダ２２１と、酸素排出ヘッダ２２３とを備える。
【0035】
また、電解モジュール１９は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂと、側部断熱体２２７ｃと、を備える。なお、本実施形態においては、電解モジュール１９は、水蒸気供給ヘッダ２１７と水素排出ヘッダ２１９と空気供給ヘッダ２２１と酸素排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、水蒸気と空気とが電解セル１０の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、電解セル１０の内側と外側とを平行して流れる、または空気が電解セル１０の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【0036】
反応室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂと側部断熱体２２７ｃとの間に形成された空間である。反応室２１５は、電解セル１０が配置された領域であり、水蒸気が水蒸気電解反応することにより水素および酸素が生成される。また、この反応室２１５においてセルスタックＣＳの長手方向の中央部付近での温度を、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視してもよい。反応室２１５のセルスタックＣＳの長手方向の中央部付近は、電解モジュール１９の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
【0037】
水蒸気供給ヘッダ２１７は、電解モジュール１９の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた水蒸気供給孔２３１ａによって、水蒸気供給管２１と連通されている。また、複数のセルスタックＣＳは、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、水蒸気供給ヘッダ２１７は、水蒸気供給管２１から水蒸気供給孔２３１ａを介して供給される水蒸気を、複数のセルスタックＣＳの基体管１４の内部に略均一流量で導く。
【0038】
水素排出ヘッダ２１９は、電解モジュール１９の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた水素排出孔２３１ｂによって、水素排出管３３と連通されている。また、複数の電解セル１０は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、水素排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタックＣＳの基体管１４の内部を通過して水素排出ヘッダ２１９に排出される水素および水蒸気を集合して、水素排出孔２３１ｂを介して水素排出管３３に導くものである。
【0039】
空気供給ヘッダ２２１は、電解モジュール１９の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた空気供給孔２３３ａによって、空気供給管７４と連通されている。空気供給ヘッダ２２１は、空気供給管７４から空気供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間２３５ａを介して反応室２１５に導くものである。
【0040】
酸素排出ヘッダ２２３は、電解モジュール１９の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸素排出孔２３３ｂによって、酸素排出管７６と連通されている。酸素排出ヘッダ２２３は、反応室２１５から、酸素排出隙間２３５ｂを介して酸素排出ヘッダ２２３に排出される酸素富化空気を、酸素排出孔２３３ｂを介して酸素排出管７６に導くものである。
【0041】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、電解モジュール１９に備えられるセルスタックＣＳの本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタックＣＳが夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタックＣＳの一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、水蒸気供給ヘッダ２１７と酸素排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【0042】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、電解モジュール１９に備えられるセルスタックＣＳの本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタックＣＳの外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタックＣＳの外面との間に形成された酸素排出隙間２３５ｂを備える。
【0043】
この上部断熱体２２７ａは、反応室２１５と酸素排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や空気中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。また、上部管板２２５ａ等が反応室２１５内の高温に晒されて温度差による上部管板２２５ａ等の熱変形を抑制するために、Ｎｉ基合金などの高温耐久性のある金属材料を用いてもよい。また、上部断熱体２２７ａは、反応室２１５を通過して高温に晒された酸素富化空気を、酸素排出隙間２３５ｂを通過させて酸素排出ヘッダ２２３に導くものである。
【0044】
本実施形態によれば、上述した電解モジュール１９の構造により、水蒸気と酸素富化空気とがセルスタックＣＳの内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、酸素富化空気は、セルスタックＣＳの基体管１４の内部を通って反応室２１５に供給される水蒸気との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸素排出ヘッダ２２３に供給される。また、水蒸気は、反応室２１５から排出される酸素富化空気との熱交換により昇温され、基体管１４の内部を流れる形で反応室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された水蒸気を反応室２１５に供給することができる。
【0045】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、電解モジュール１９に備えられるセルスタックＣＳの本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタックＣＳが夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタックＣＳの他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、水素排出ヘッダ２１９と空気供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【0046】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、電解モジュール１９に備えられるセルスタックＣＳの本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径は電解セル１０の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタックＣＳの外面との間に形成された空気供給隙間２３５ａを備える。
【0047】
この下部断熱体２２７ｂは、反応室２１５と空気供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や空気中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、空気供給ヘッダ２２１に供給される空気を、空気供給隙間２３５ａを通過させて反応室２１５に導くものである。
【0048】
本実施形態によれば、上述した電解モジュール１９の構造により、水蒸気を含む水素と空気とがセルスタックＣＳの内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、セルスタックＣＳの基体管１４の内部を通って反応室２１５を通過した水蒸気を含む水素は、反応室２１５に供給される空気との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて水素排出ヘッダ２１９に供給される。また、空気は水蒸気を含む水素との熱交換により昇温され、反応室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を反応室２１５に供給することができる。
【0049】
【0050】
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、水素排出弁３１と水素供給弁５６を閉状態とするよう制御する。
【0051】
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。
【0052】
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される。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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Ｓ１０６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。
【0056】
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を閉状態から開状態に切り替える。
【0057】
続いてステップＳ１０７で、制御装置８０は、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の開度調整を実施して水蒸気供給部２０から基体管１４管内（水素極１１）への水蒸気の供給量を調整する。
【0058】
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。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。
【0059】
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、３００℃以上かつ５００℃以下の温度である。なお、Ｔｅｍｐ３は酸素極１２が配置される空間である反応室２１５において最も高温となる領域の温度とすることが好ましい。
【0060】
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。
【0061】
制御装置８０は、ステップＳ１０９で酸素極１２への水素の供給を開始してからステップＳ１１４で酸素極１２への水素の供給を停止するまでの間、酸素極１２に供給される前の空気供給ヘッダ２２１内において、水素が発火しない濃度（燃焼下限界濃度未満）となるように水素供給管４３の水素供給弁５６の開度を制御して水素供給量を調整する。
【0062】
また、制御装置８０は、酸素極１２に供給される水素の火炎伝播速度が、酸素極１２に供給される空気と水素の混合ガスの流通速度よりも低くなるように、水素供給弁５６および空気調整弁５７の開度により水素供給量と空気供給量を制御して混合ガス流量と水素濃度を調整する。具体的には、火炎伝播速度が空気供給隙間２３５ａを通過するガス（空気と水素の混合ガス）の流通速度よりも低くなることが好ましい。また、酸素極１２に供給される水素供給量は、通電により発生するジュール熱を考慮して設定されてもよい。
【0063】
なお、ステップＳ１０９で水素の供給を開始して所定の水素濃度に到達後、ステップＳ１１４で供給を停止するまでの間に、酸素極１２へ供給する水素流量を徐々に減少させて水素濃度を減少させてもよい。例えば、酸素極１２が配置される空間である反応室２１５の最も高温となる領域の温度に応じて（例えば、反応室２１５の鉛直方向の中央部付近の領域）水素濃度を減少させてもよい。また、酸素極１２への水素を供給している間の反応室２１５の異常昇温を防ぐために、酸素極１２が配置される空間である反応室２１５において最も低温となる領域の温度（例えば、空気供給隙間２３５ａの近傍や反応室２１５内で鉛直方向下部付近の温度）や空気供給ヘッダ２２１の温度あるいはそれと同等の温度となる水素排出孔２３１ｂの温度を検知して、酸素極１２へ供給する水素流量を制御してもよい。
【0064】
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（第１所定温度）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、水素（燃料ガス）の発火温度よりも低い温度であり、例えば、５００℃以上かつ６００℃未満の温度である。
【0065】
Ｔｅｍｐ４を測定する温度センサ１７は、電解セル１０が配置される反応室２１５において最も低温となる領域の温度を検出するものとする。最も低温となる領域は、例えば、空気供給隙間２３５ａの近傍の領域である。制御装置８０は、電解セル１０が配置される空間（反応室２１５）において最も低温となる領域の温度がＴｅｍｐ４を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給を開始するよう電力供給部１８を制御する。あるいは、温度センサ１７は反応室２１５の鉛直方向の中央部付近の領域の温度を検出し、反応室２１５における最も低温となる領域の温度が、例えば５００℃以上かつ６００℃未満に相当する温度でＴｅｍｐ４を設定してもよい。
【0066】
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。
【0067】
ステップＳ１１２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から電解モジュール１９への電力供給が開始されると、電解セル１０でジュール熱が発生し、反応室２１５の温度が上昇する。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。
【0068】
ステップＳ１１３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Ｔｅｍｐ５（第２所定温度）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Ｓ１１４へ処理を進める。Ｔｅｍｐ５は、例えば、７００℃以上かつ８５０℃以下の温度であり、電解モジュール１９が定格負荷で運転する際の温度よりも低く設定されている。
【0069】
ステップＳ１１４で、制御装置８０は、水素貯蔵設備４０から酸素極１２への水素の供給を停止するよう、水素供給弁５６を開状態から閉状態に切り替える。
【0070】
Ｔｅｍｐ５を測定する温度センサ１７は、電解セル１０が配置される反応室２１５において最も高温となる領域の温度を検出するものとする。最も高温となる領域は、例えば、反応室２１５の鉛直方向の中央部付近の領域である。制御装置８０は、電解セル１０が配置される空間（反応室２１５）において最も高温となる領域の温度がＴｅｍｐ５を上回ることに応じて酸素極１２への水素の供給を停止するよう水素供給弁５６を制御する。
【0071】
その後、ステップＳ１１５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。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。
【0072】
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、酸素極１２の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュール１９の温度が水素の発火温度よりも低いＴｅｍｐ４（第１所定温度）を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給が開始されるため、通電により発生するジュール熱を利用して電解モジュール１９の温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
本実施形態の水素生成システム１００によれば、酸素極１２の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュール１９の温度が水素の発火温度よりも低いＴｅｍｐ４（第１所定温度）を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給が開始されるため、通電により発生するジュール熱を利用して電解モジュール１９の温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
【0073】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、酸素極１２に供給される前の水素が発火しない濃度に制御されるため、酸素極１２に供給される前の領域で水素が発火してその周囲が損傷する不具合を防止することができる。
【0074】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、Ｔｅｍｐ４を５００℃以上かつ６００℃未満とすることで、水素が発火する不具合を確実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、電解セル１０が配置される反応室２１５において最も低温となる領域の温度がＴｅｍｐ４を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給を開始することで、電解モジュール１９への電力の供給を適切なタイミングで開始し、電解モジュール１９の温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
【0076】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解モジュール１９の温度がＴｅｍｐ４よりも高いＴｅｍｐ５を上回ることに応じて酸素極１２への水素の供給が停止することにより、酸素極１２の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱により電解モジュール１９の温度を適切に上昇させることができる。
【0077】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、電解セル１０が配置される反応室２１５において最も高温となる領域の温度がＴｅｍｐ５を上回ることに応じて酸素極１２への水素の供給を停止することで、酸素極１２の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱により電解モジュール１９の温度を適切に上昇させることができる。
【0078】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、Ｔｅｍｐ５が、電解モジュール１９が定格負荷で運転する際の温度よりも低く設定されているため、電解モジュール１９が定格負荷で運転される前に酸素極１２への水素の供給を確実に停止することができる。
【0079】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、Ｔｅｍｐ５を７００℃以上かつ８５０℃以下とすることで、電解モジュール１９が定格負荷で運転される前に酸素極１２への水素の供給を確実に停止することができる。
【0080】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、酸素極１２に供給される水素の火炎伝播速度が酸素極１２に供給される空気の流通速度よりも低くなるため、水素が発火したとしても火炎が外部に伝播して外部を損傷させることを防止することができる。
【0081】
本実施形態の水素生成システム１００によれば、水蒸気電解により生成される水素を燃料ガスとして酸素極１２に供給し、酸素極１２の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱により電解モジュール１９の温度を適切に上昇させることができる。
【0082】
以上説明した各実施形態に記載の水素生成システム（１００）および水素生成システムの制御方法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は、水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セル（１０）を備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部（７０）と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統（４３）と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部（１８）と、前記水素生成システムを制御する制御部（８０）と、を備え、前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する。
本開示の第１態様に係る水素生成システムは、水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セル（１０）を備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部（７０）と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統（４３）と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部（１８）と、前記水素生成システムを制御する制御部（８０）と、を備え、前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する。
【0083】
本開示の第１態様に係る水素生成システムによれば、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュールの温度が燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて電解モジュールへの電力の供給が開始されるため、電解モジュールの温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
【0084】
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、前記制御部は、前記酸素極に供給される前の前記燃料ガスが発火しない濃度となるように前記燃料ガス系統を制御する。
【0085】
本開示の第２態様に係る水素生成システムによれば、酸素極に供給される前の燃料ガスが発火しない濃度に制御されるため、酸素極に供給される前の領域で燃料ガスが発火してその周囲が損傷する不具合を防止することができる。
【0086】
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、前記第１所定温度は、５００℃以上かつ６００℃未満である。
本開示の第３態様に係る水素生成システムによれば、第１所定温度を５００℃以上かつ６００℃未満とすることで、燃料ガスが発火する不具合を確実に防止することができる。
本開示の第３態様に係る水素生成システムによれば、第１所定温度を５００℃以上かつ６００℃未満とすることで、燃料ガスが発火する不具合を確実に防止することができる。
【0087】
本開示の第４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、前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度に応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始するよう前記燃料ガス系統を制御する。
【0088】
本開示の第４態様に係る水素生成システムによれば、電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度に応じて酸素極への燃料ガスの供給を開始することができる。
【0089】
本開示の第５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、前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も低温となる領域の温度が前記第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する。
【0090】
本開示の第５態様に係る水素生成システムによれば、電解セルが配置される空間において最も低温となる領域の温度が第１所定温度を上回ることに応じて電解モジュールへの電力の供給を開始することで、電解モジュールへの電力の供給を適切なタイミングで開始し、電解モジュールの温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
【0091】
本開示の第６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、前記制御部は、前記電解モジュールの温度が前記第１所定温度よりも高い第２所定温度を上回ることに応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するよう前記燃料ガス系統を制御する。
【0092】
本開示の第６態様に係る水素生成システムによれば、電解モジュールの温度が第１所定温度よりも高い第２所定温度を上回ることに応じて酸素極への燃料ガスの供給が停止することにより、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱により電解モジュールの温度を適切に上昇させることができる。
【0093】
本開示の第７態様に係る水素生成システムは、第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記制御部は、前記電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度が前記第２所定温度を上回ることに応じて前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するよう前記燃料ガス系統を制御する。
【0094】
本開示の第７態様に係る水素生成システムによれば、電解セルが配置される空間において最も高温となる領域の温度が第２所定温度を上回ることに応じて酸素極への燃料ガスの供給を停止することで、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱により電解モジュールの温度を適切に上昇させることができる。
【0095】
本開示の第８態様に係る水素生成システムは、第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記第２所定温度は、前記電解モジュールが定格負荷で運転する際の温度よりも低く設定されている。
【0096】
本開示の第８態様に係る水素生成システムによれば、第２所定温度が、電解モジュールが定格負荷で運転する際の温度よりも低く設定されているため、電解モジュールが定格負荷で運転される前に酸素極への燃料ガスの供給を確実に停止することができる。
【0097】
本開示の第９態様に係る水素生成システムは、第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記第２所定温度は、７００℃以上かつ８５０℃以下である。
本開示の第９態様に係る水素生成システムによれば、第２所定温度を７００℃以上かつ８５０℃以下とすることで、電解モジュールが定格負荷で運転される前に酸素極への燃料ガスの供給を確実に停止することができる。
本開示の第９態様に係る水素生成システムによれば、第２所定温度を７００℃以上かつ８５０℃以下とすることで、電解モジュールが定格負荷で運転される前に酸素極への燃料ガスの供給を確実に停止することができる。
【0098】
本開示の第１０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、前記制御部は、前記酸素極に供給される前記燃料ガスの火炎伝播速度が前記酸素極に供給される空気の流通速度よりも低くなるように前記燃料ガス系統および前記加熱媒体供給部を制御する。
【0099】
本開示の第１０態様に係る水素生成システムによれば、酸素極に供給される燃料ガスの火炎伝播速度が酸素極に供給される空気の流通速度よりも低くなるため、燃料ガスが発火したとしても火炎が外部に伝播して外部を損傷させることを防止することができる。
【0100】
本開示の第１１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、前記燃料ガス系統は、前記燃料ガスとして水素を前記酸素極に供給する。
【0101】
本開示の第１１態様に係る水素生成システムによれば、水蒸気電解により生成される水素を燃料ガスとして酸素極に供給し、酸素極の触媒作用による水素の燃焼で発生する熱により電解モジュールの温度を適切に上昇させることができる。
【0102】
本開示の第１２態様に係る水素生成システムは、第１１態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記制御部は、前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始後から前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するまでの間において、前記酸素極へ供給する水素の流量を徐々に減少させるよう前記燃料ガス系統を制御する。
【0103】
本開示の第１３態様に係る水素生成システムは、第１１態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記制御部は、前記酸素極への前記燃料ガスの供給を開始後から前記酸素極への前記燃料ガスの供給を停止するまでの間において、前記電解セルが配置される空間において最も低温となる領域の温度、前記空気供給部から空気が供給される空気供給ヘッダの温度、前記電解モジュールが生成する水素を排出する水素排出孔の温度のうちいずれかの温度を検知して、前記酸素極へ供給する水素の流量を調整するよう前記燃料ガス系統を制御する。
【0104】
本開示の第１４態様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、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層を有する電解セルを備え、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、前記酸素極に空気を供給する空気供給部と、前記酸素極に燃料ガスを供給する燃料ガス系統と、前記電解モジュールに電力を供給する電力供給部と、を有し、前記電解モジュールの温度が前記燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて前記電解モジュールへの電力の供給を開始するよう前記電力供給部を制御する制御工程を備える。
【0105】
本開示の第１４様に係る水素生成システムの制御方法によれば、酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュールの温度が燃料ガスの発火温度よりも低い第１所定温度を上回ることに応じて電解モジュールへの電力の供給が開始されるため、電解モジュールの温度を適切に上昇させて起動時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【0106】
１０ 電解セル
１１ 水素極
１１ａ 水素極空間
１２ 酸素極
１２ａ 酸素極空間
１３ 電解質層
１４ 基体管
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 水素排出弁
３２ 水素昇圧機
３３ 水素排出管
４０ 水素貯蔵設備
４１，４２，４３ 水素供給管
５０ 調整部
５１ 水蒸気調整弁
５２，５３ 水素調整弁
５４ 空気調整弁
５５ 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
７３ 空気排出管
７４ 空気供給管
７６ 酸素排出管
８０ 制御装置（制御部）
１００ 水素生成システム
２１５ 反応室
２１７ 水蒸気供給ヘッダ
２１９ 水素排出ヘッダ
２２１ 空気供給ヘッダ
２２３ 酸素排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２７ｃ 側部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 水蒸気供給孔
２３１ｂ 水素排出孔
２３３ａ 空気供給孔
２３３ｂ 酸素排出孔
２３５ａ 空気供給隙間
２３５ｂ 酸素排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
１１ 水素極
１１ａ 水素極空間
１２ 酸素極
１２ａ 酸素極空間
１３ 電解質層
１４ 基体管
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 水素排出弁
３２ 水素昇圧機
３３ 水素排出管
４０ 水素貯蔵設備
４１，４２，４３ 水素供給管
５０ 調整部
５１ 水蒸気調整弁
５２，５３ 水素調整弁
５４ 空気調整弁
５５ 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
７３ 空気排出管
７４ 空気供給管
７６ 酸素排出管
８０ 制御装置（制御部）
１００ 水素生成システム
２１５ 反応室
２１７ 水蒸気供給ヘッダ
２１９ 水素排出ヘッダ
２２１ 空気供給ヘッダ
２２３ 酸素排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２７ｃ 側部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 水蒸気供給孔
２３１ｂ 水素排出孔
２３３ａ 空気供給孔
２３３ｂ 酸素排出孔
２３５ａ 空気供給隙間
２３５ｂ 酸素排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
【要約】
【課題】酸素極の触媒作用による燃料ガスの燃焼で発生する熱が不足する場合であっても、電解モジュールの温度を適切に上昇させる。
【解決手段】水蒸気を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、水素極１１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２０と、酸素極１２に空気を供給する空気供給部７０と、酸素極１２に水素を供給する水素供給管４３と、電解モジュール１９に電力を供給する電力供給部１８と、水素生成システム１００を制御する制御装置８０と、を備え、制御装置８０は、電解モジュール１９の温度が水素の発火温度よりも低いＴｅｍｐ４を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給を開始するよう電力供給部１８を制御する水素生成システム１００を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】水蒸気を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、水素極１１に水蒸気を供給する水蒸気供給部２０と、酸素極１２に空気を供給する空気供給部７０と、酸素極１２に水素を供給する水素供給管４３と、電解モジュール１９に電力を供給する電力供給部１８と、水素生成システム１００を制御する制御装置８０と、を備え、制御装置８０は、電解モジュール１９の温度が水素の発火温度よりも低いＴｅｍｐ４を上回ることに応じて電解モジュール１９への電力の供給を開始するよう電力供給部１８を制御する水素生成システム１００を提供する。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
