JP7421581B2 - 水電解システム及び水電解システムの運転方法 - Google Patents

水電解システム及び水電解システムの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、水電解システム及び水電解システムの運転方法に関する。
一般的に、燃料電池車両等に搭載される燃料電池では、燃料ガスとして水素ガスが使用される。酸化剤ガスとして酸素ガス（酸素含有ガス）が使用される。水素ガスは、水電解スタックを備える水電解システムにより製造することができる。水電解スタックとしては、例えば、特許文献１に開示されるように、比較的高い電流密度で運転すること等が可能な固体高分子形のものが知られている。
特開平９－１３９２１７号公報
ところで、水電解システムでは、水電解スタックの他に、気液分離機及び水素昇圧スタックが設けられる場合がある。気液分離機は、水電解スタックによる水の電気分解によって得られた水素ガスと、当該電気分解されなかった余剰の水（未反応水）とを分離する。水素昇圧スタックは、気液分離機によって分離された水素ガスを昇圧し、高圧水素ガスを生成する。
このような水電解システムでは、水電解スタックによる水の電気分解によって発生する水素ガスの発生量と、水素昇圧スタックにおいて昇圧に用いられる水素ガスの利用量とが不均衡になると、高圧水素ガスの生成効率が低減する傾向がある。したがって、水電解スタックによる水の電気分解によって発生する水素ガスの発生量と、水素昇圧スタックにおいて昇圧に用いられる水素ガスの利用量との不均衡を是正する要請がある。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の態様は、
イオン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、水を電気分解する水電解スタックと、
前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機と、
プロトン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、
を備える水電解システムであって、
前記水電解スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第１電源装置と、
前記水素昇圧スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、前記電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第２電源装置と、
前記第１電源装置及び前記第２電源装置を制御する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
一定の前記電流指令値である第１電流指令値を生成する第１指令生成部と、
前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成する第２指令生成部と、
前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する指令出力部と、
を有する。
また、本発明の他の態様は、
イオン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、水を電気分解する水電解スタックと、
前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機と、
プロトン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、
を備える水電解システムの運転方法であって、
一定の電流指令値である第１電流指令値を生成し、前記水電解スタックに接続された第１電源装置、及び、前記水素昇圧スタックに接続された第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力する第１出力ステップと、
前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する第２出力ステップと、
を含む。
上記の態様によれば、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの一方を一定にし、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの他方を気液分離機内の水素ガス量に基づいて調整することができる。その結果、水素ガスの発生量と水素ガスの利用量とが不均衡になることを抑制することができる。
図１は、実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 図２は、気液分離機内の概略図である。 図３は、制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、制御装置による制御処理の手順を示すフローチャートである。 図５は、変形例１に係る水電解システムの一部の構成を示す図である。
図１に示すように、実施形態に係る水電解システム１０は、水電解スタック１２と、水タンク１４と、第１電源装置１６と、気液分離機１８と、水素昇圧スタック２０と、水素ガス除湿部２２と、水素ガス排出規制部２４と、酸素ガス除湿部２６と、酸素ガス排出規制部２８とを主に備える。
水電解システム１０は、水素ガスを、例えば１～１００ＭＰａまで圧縮した高圧水素ガスの状態で製造することができる。また、水電解システム１０は、酸素ガスを、例えば１～１００ＭＰａまで圧縮した高圧酸素ガスの状態で製造することができる。水電解システム１０により製造された高圧水素ガスは、例えば、水素ガスタンク３０に収容可能となっている。水素ガスタンク３０は、水電解システム１０に着脱可能に取り付けられる。水電解システム１０により製造された高圧酸素ガスは、例えば、酸素ガスタンク３２に収容可能となっている。酸素ガスタンク３２は、水電解システム１０に着脱可能に取り付けられる。
水電解スタック１２は、イオン交換膜３４、アノード電極３６及びカソード電極３８を有する。イオン交換膜３４は、アノード電極３６とカソード電極３８とに挟持される。アノード電極３６及びカソード電極３８は、イオン交換膜３４を介して互いに隔離される。水電解スタック１２は、水を電気分解（水電解）してアノード電極３６に酸素ガスを発生させる。また、水電解スタック１２は、水を電気分解（水電解）してカソード電極３８に水素ガスを発生させる。つまり、水電解スタック１２は、いわゆる固体高分子形である。
本実施形態では、水電解スタック１２は、複数の単位セル４０を積層したセルユニットを備える。セルユニットにおける単位セル４０の積層方向一端には、ターミナルプレート４２ａ、絶縁プレート４４ａ及びエンドプレート４６ａが外方に向かって、順次、配設される。また、セルユニットにおける単位セル４０の積層方向他端には、ターミナルプレート４２ｂ、絶縁プレート４４ｂ及びエンドプレート４６ｂが外方に向かって、順次、配設される。
エンドプレート４６ａ、４６ｂ間は、一体的に締め付け保持される。ターミナルプレート４２ａ、４２ｂの側部には、端子部４８ａ、４８ｂが外方にそれぞれ突出して設けられる。端子部４８ａ、４８ｂには、配線を介して第１電源装置１６が電気的に接続される。第１電源装置１６は、端子部４８ａ、４８ｂを介して水電解スタック１２のアノード電極３６及びカソード電極３８に電圧を印加することができる。また、第１電源装置１６は、アノード電極３６とカソード電極３８との間に印加する電圧値を変更可能に構成される。
各単位セル４０は、膜電極構造体５０（ＭＥＡ）と、アノード側セパレータ５２と、カソード側セパレータ５４と、を備える。膜電極構造体５０と、アノード側セパレータ５２とカソード側セパレータ５４との各々は、例えば、円盤状である。膜電極構造体５０は、アノード側セパレータ５２とカソード側セパレータ５４との間に挟持されている。膜電極構造体５０は、イオン交換膜３４と、アノード電極３６と、カソード電極３８とを有する。アノード電極３６は、イオン交換膜３４の一方の面に設けられる。カソード電極３８は、イオン交換膜３４の他方の面に設けられる。各単位セル４０では、イオン交換膜３４と、例えば、不図示のシール部材によって、アノード電極３６とカソード電極３８とが互いにシール（隔離）されている。
本実施形態では、イオン交換膜３４は、アニオン交換膜である。つまり、イオン交換膜３４は、アニオン（例えば、水酸化物イオンＯＨ-）を選択的に移動させることが可能なアニオン伝導性を有している。この種のイオン交換膜３４の一例としては、アニオン交換基（例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基）を有する炭化水素系の固体高分子膜（例えば、ポリスチレンやその変性体）を挙げることができる。
アノード電極３６は、何れも不図示ではあるが、アノード電極触媒層と、アノード側給電体とを有する。アノード電極触媒層は、イオン交換膜３４の一方の面に形成される。アノード側給電体は、アノード電極触媒層に重ねられる。カソード電極３８は、何れも不図示ではあるが、カソード電極触媒層と、カソード側給電体とを有する。カソード電極触媒層は、イオン交換膜３４の他方の面に形成される。カソード側給電体は、カソード電極触媒層に重ねられる。
各単位セル４０の外周部には、水供給連通孔５６と、水素排出連通孔５８と、酸素排出連通孔６０とが設けられる。複数の単位セル４０に設けられた水供給連通孔５６は、複数の単位セル４０の積層方向に互いに連通する。複数の単位セル４０に設けられた水素排出連通孔５８は、複数の単位セル４０の積層方向に互いに連通する。複数の単位セル４０に設けられた酸素排出連通孔６０は、複数の単位セル４０を積層方向に互いに連通する。水供給連通孔５６及び水素排出連通孔５８は、第１セル流路６２に連通する。カソード側セパレータ５４の膜電極構造体５０（カソード側給電体）を向く面には、例えば、複数の流路溝及び複数のエンボスの少なくとも何れかが形成される。第１セル流路６２は、例えば、カソード側セパレータ５４における上記の複数の流路溝及び複数のエンボスの少なくとも何れかにより構成される。
水供給連通孔５６には、循環流路７６を介して気液分離機１８から水が供給される。水供給連通孔５６に供給された水が第１セル流路６２に流入することで、各単位セル４０のカソード電極３８に水が供給される。つまり、本実施形態の水電解スタック１２では各単位セル４０のカソード電極３８に水が供給される。この水が、第１電源装置１６による電圧印加のもと水電解されると、各単位セル４０のカソード電極３８では水素ガスが発生する。また、各単位セル４０のアノード電極３６では酸素ガスが発生する。
カソード電極３８で発生した水素ガスは、第１セル流路６２を介して水素排出連通孔５８に排出される。このようにして水素排出連通孔５８に排出される水素ガスには、水電解スタック１２で水電解されなかった余剰の水（未反応水）が含まれる。換言すると、水素排出連通孔５８に排出される排出流体は、水素ガス、液体の未反応水（液水）及び気体の未反応水（水蒸気）を含む。
酸素排出連通孔６０は第２セル流路６６に連通する。アノード側セパレータ５２の膜電極構造体５０（アノード側給電体）を向く面には、例えば、複数の流路溝及び複数のエンボスの少なくとも何れかが形成される。第２セル流路６６は、例えば、アノード側セパレータ５２における上記の複数の流路溝及び複数のエンボスの少なくとも何れかにより構成される。上記の水電解によりアノード電極３６で発生した酸素ガスは、第２セル流路６６を介して酸素排出連通孔６０に排出される。
水電解スタック１２では、上記の通り水供給連通孔５６に循環流路７６が連通している。水素排出連通孔５８にカソード排出流路６８が連通している。酸素排出連通孔６０にアノード排出流路７０が連通している。
カソード排出流路６８には、気液分離機１８が設けられている。気液分離機１８には、水供給流路６４を介して水タンク１４が接続される。気液分離機１８には、水素排出連通孔５８及びカソード排出流路６８を介して上記の排出流体が流入する。気液分離機１８は、排出流体を気体成分（水素ガス及び水蒸気）と、液体成分（液水）とに分離する。気液分離機１８は、液水を排出する液体排出口７２と、水蒸気を含む水素ガスを排出する気体排出口７４とを有する。気液分離機１８は、排出流体から分離された気体成分を気体排出口７４から排出する。気液分離機１８は、排出流体から分離された液体成分（液水）を液体排出口７２から排出する。気液分離機１８は、水供給流路６４を介して水タンク１４から水が供給された場合、当該水を液体排出口７２から排出する。液体排出口７２から排出された水は、循環流路７６を介して水供給連通孔５６に送られる。
気液分離機１８の気体排出口７４は、第１水素ガス流路７８に連通する。第１水素ガス流路７８は、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガスを水素昇圧スタック２０に導く。第１水素ガス流路７８は、気体排出口７４が設けられた上流と、水素昇圧スタック２０が設けられた下流とを有する。第１水素ガス流路７８には、上流から下流に向かって、第１水素開閉弁８０と第１水素逆止弁８２とがこの順に設けられている。第１水素開閉弁８０は、例えば電磁弁又は電気弁からなる。第１水素開閉弁８０は、制御部の制御に基づいて第１水素ガス流路７８を開閉する。第１水素逆止弁８２は、第１水素ガス流路７８内のガスが水素昇圧スタック２０から気体排出口７４に向かう方向に逆流することを防止する。
水素昇圧スタック２０は、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガスを昇圧する。すなわち、水素昇圧スタック２０は、気液分離機１８で分離された水素ガスを昇圧する。水素昇圧スタック２０は、膜電極構造体（ＭＥＡ）８３と、第２電源装置９０とを有する。膜電極構造体８３は、プロトン交換膜８４と、アノード電極８６と、カソード電極８８とを有する。プロトン交換膜８４は、アノード電極８６とカソード電極８８とに挟持される。アノード電極８６及びカソード電極８８は、プロトン交換膜８４を介して互いに隔離される。第２電源装置９０は、水素昇圧スタック２０のアノード電極８６及びカソード電極８８に電圧を印加することができる。また、第２電源装置９０は、アノード電極８６とカソード電極８８との間に印加する電圧値を変更可能に構成される。
プロトン交換膜８４は、プロトンを選択的に移動させることが可能なプロトン伝導性を有する。プロトン交換膜８４の材料は、特に限定されるものではないが、その一例としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等のスルホン酸基を有するフッ素系高分子膜が挙げられる。この種のプロトン交換膜８４は、湿潤状態に維持されることで、そのプロトン伝導性を良好に発現させることができる。
アノード電極８６は、何れも不図示ではあるが、アノード電極触媒層と、アノードガス拡散層とを有する。アノード電極触媒層は、プロトン交換膜８４の一方の面に形成される。アノードガス拡散層は、アノード電極触媒層に重ねられる。カソード電極８８は、何れも不図示ではあるが、カソード電極触媒層と、カソードガス拡散層とを有する。カソード電極触媒層は、プロトン交換膜８４の他方の面に形成される。カソードガス拡散層は、カソード電極触媒層に重ねられる。
アノード電極８６には、気体排出口７４から排出された水蒸気を含む水素ガスが第１水素ガス流路７８を介して供給される。この水蒸気を利用して、プロトン交換膜８４を湿潤状態に維持することができる。アノード電極８６では、第２電源装置９０による電圧印加のもと、水素ガスをイオン化してプロトンとする。このプロトンは、プロトン交換膜８４を移動しカソード電極８８に到達することで水素ガスに戻る。このようにしてアノード電極８６からカソード電極８８に向かって、プロトンを移動させることで、カソード電極８８に圧縮水素ガスを生成することが可能になる。
このため、水素昇圧スタック２０によれば、アノード電極８６に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスをカソード電極８８から排出することが可能になる。つまり、本実施形態の水素昇圧スタック２０は、電気化学的に水素ガスを圧縮することができる電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electrochemical Hydrogen Compressor）である。
カソード電極８８は、第２水素ガス流路９２の一端部に連通している。これにより、カソード電極８８の水素ガスは、第２水素ガス流路９２に流入可能となっている。第２水素ガス流路９２の他端には不図示のタンク装着機構等が設けられている。このタンク装着機構を介して、第２水素ガス流路９２には、水素ガスタンク３０が着脱可能に取り付けられる。すなわち、第２水素ガス流路９２は、カソード電極８８が設けられた上流から水素ガスタンク３０が設けられた下流に向かって水素ガスを導く。
第２水素ガス流路９２には、上流から下流に向かって、水素ガス除湿部２２と、水素パージ流路分岐部９４と、水素ガス排出規制部２４と、第２水素開閉弁９６と、第２水素逆止弁９８とがこの順に設けられている。
水素ガス除湿部２２は、カソード電極８８から排出された水素ガスを除湿する。すなわち、水素ガス除湿部２２は、水素ガスから水蒸気を分離する。水素ガス除湿部２２の一例としては、ペルチェ冷却器等の冷却機構（不図示）が挙げられる。この場合、水素ガスを冷却機構により冷却して、その飽和水蒸気量を低下させることで、水素ガスに含まれる水分（水蒸気）を分離して、所望の乾燥状態とすることができる。この場合、冷却機構は、例えば、水電解システム１０の周辺温度及び水素ガスの圧力の少なくとも何れかに応じて、冷却温度を制御してもよい。
また、水素ガス除湿部２２の他の例としては、上記の冷却機構に代えて、又は上記の冷却機構とともに設けられた、ゼオライト系、活性炭系、シリカゲル系等の水分吸着剤を利用するものであってもよい。なお、上記の水分吸着剤は、塗工対象箇所に塗工して用いることが可能なペースト状の水分ゲッター剤等であってもよい。この場合、水素ガス除湿部２２は、例えば、温度変動吸着方法（ＴＳＡ）及び圧力変動吸着方法（ＰＳＡ）の少なくとも何れかによって、水分吸着剤を再生可能とする構成を備えてもよい。また、水素ガス除湿部２２は、例えば、水分吸着剤を交換可能とする構成のみを備えてもよい。なお、水素ガス除湿部２２は、水素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は上記したものには限定されない。
水素ガス排出規制部２４は、水素ガスが該水素ガス排出規制部２４を通過することを規制する。これにより、水素ガス排出規制部２４は、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する。すなわち、水素ガス排出規制部２４は、例えば、カソード電極８８における水素ガスの生成量よりも、水素ガス排出規制部２４における水素ガスの通過量を少なくする（通過量ゼロを含む）。これにより、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を上昇させて、高圧水素ガスとすることができる。
本実施形態では、水素ガス排出規制部２４は、その一次側（第２水素ガス流路９２の水素ガス排出規制部２４よりも上流）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。しかしながら、特にこれには限定されない。例えば、水素ガス排出規制部２４は、制御部によって開閉制御されることで、第２水素ガス流路９２の圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。
水素ガス排出規制部２４は、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整して高圧水素ガスを生成する。なお、水素ガス排出規制部２４は、例えば、水素ガスタンク３０への水素ガスの供給を容易にする観点から、高圧水素ガスの圧力を少なくとも８～２０ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、例えば、燃料電池自動車用の水素ガスタンク３０等に水素ガスを供給する場合には、水素ガス排出規制部２４は、高圧水素ガスの圧力を７０～８５ＭＰａ以上とすることが好ましい。
水素パージ流路分岐部９４は、水素ガス排出規制部２４と水素昇圧スタック２０との間に配置される。水素パージ流路１００は、例えば、水電解システム１０の停止時等に、水電解システム１０内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能とする。水素パージ流路１００は、水素パージ流路分岐部９４から流入した水素ガスを、水電解システム１０の外部に導く。水素パージ流路１００には、その上流から下流に向かって水素パージ開閉弁１０２と、水素パージ逆止弁１０４とがこの順に設けられている。
水素パージ開閉弁１０２は、例えば電磁弁又は電気弁からなる。水素パージ開閉弁１０２は、制御部の制御に基づいて水素パージ流路１００を開閉する。水素パージ開閉弁１０２が閉状態にあるときは、第２水素ガス流路９２から水素パージ流路１００へ水素ガスが流入することが防止されている。水素パージ開閉弁１０２が開状態にあるときは、第２水素ガス流路９２から水素パージ流路１００に水素ガスが流入する。水素パージ流路１００に流入した水素ガスは、水電解システム１０の外部へと排出される。水素パージ逆止弁１０４は、水電解システム１０の外部から水素パージ流路１００にガスが流入することを防止する。
第２水素開閉弁９６は、例えば電磁弁又は電気弁からなる。第２水素開閉弁９６は、制御部の制御に基づいて第２水素ガス流路９２を開閉する。第２水素開閉弁９６を開状態とすることで、第２水素ガス流路９２から水素ガスタンク３０への水素ガスの供給が可能となる。第２水素逆止弁９８は、水素ガスタンク３０から第２水素ガス流路９２の上流（第２水素開閉弁９６）に向かう方向に水素ガスが逆流することを防止する。
アノード排出流路７０の一端は、上記の通り水電解スタック１２の酸素排出連通孔６０に連通している。このため、水電解スタック１２のアノード電極３６に生じた酸素ガスは、アノード排出流路７０に流入可能となっている。アノード排出流路７０の他端には、不図示のタンク装着機構等が設けられ、該タンク装着機構を介して酸素ガスタンク３２が着脱可能に取り付けられる。すなわち、アノード排出流路７０は、酸素排出連通孔６０（上流）から酸素ガスタンク３２（下流）に向かう方向に酸素ガスを導く。
アノード排出流路７０には、上流から下流に向かって、酸素ガス除湿部２６と、酸素パージ流路分岐部１０６と、酸素ガス排出規制部２８と、酸素開閉弁１０８と、酸素逆止弁１１０とがこの順に設けられている。
酸素ガス除湿部２６は、水電解スタック１２のアノード電極３６（酸素排出連通孔６０）から排出された酸素ガスを除湿する。酸素ガス除湿部２６は、例えば、上記した水素ガス除湿部２２と同様に構成することができる。しかしながら、酸素ガス除湿部２６は、酸素ガスを除湿することが可能であればよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。
酸素ガス排出規制部２８は、酸素ガスが該酸素ガス排出規制部２８を通過することを規制する。これにより、酸素ガス排出規制部２８は、アノード電極３６からの酸素ガスの排出を規制する。具体的には、酸素ガス排出規制部２８は、例えば、アノード電極３６における酸素ガスの生成量よりも、酸素ガス排出規制部２８における酸素ガスの通過量を少なくする（通過量ゼロを含む）。これにより、アノード電極３６の酸素ガスの圧力を上昇させてカソード電極３８の水素ガスの圧力よりも高圧とする。すなわち、水電解スタック１２のアノード電極３６とカソード電極３８との間に差圧を設ける。また、アノード排出流路７０の酸素ガスの圧力を上昇させて、高圧酸素ガスを生成する。
本実施形態では、酸素ガス排出規制部２８は、その一次側（アノード電極３６、アノード排出流路７０）の酸素ガスの圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。しかしながら、特にこれには限定されない。例えば、酸素ガス排出規制部２８は、制御部によって開閉制御されることで、アノード電極３６及び高圧酸素ガスの圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。
酸素ガス排出規制部２８は、アノード電極３６の酸素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整する。これにより、酸素ガス排出規制部２８は、アノード電極３６の酸素ガスの圧力を、カソード電極３８の水素ガスの圧力よりも高圧とする。つまり、水電解システム１０の運転時においては、カソード電極３８（カソード排出流路６８及び第１水素ガス流路７８）の水素ガスの圧力は、１ＭＰａ未満（例えば、０．０１～０．９ＭＰａ）に維持される。
カソード電極３８の水素ガスの圧力を維持する方法の一例としては、カソード排出流路６８、気液分離機１８及び第１水素ガス流路７８を通過する水素ガスの流量を、カソード電極３８での水素ガスの生成量との関係で十分に大きく設定することが挙げられる。また、カソード電極８８での水素ガス生成量を、カソード電極３８での水素ガスの生成量との関係で十分に大きく設定することが挙げられる。
なお、上記のように水素ガスの圧力を０．０１～０．９ＭＰａとしたカソード電極３８に水を供給する場合、水供給流路６４及び循環流路７６の水の圧力は、例えば０．０１～０．６ＭＰａとする。
酸素ガス排出規制部２８は、例えば、酸素ガスタンク３２への酸素ガスの供給を容易にする観点から、高圧酸素ガスの圧力を少なくとも８～２０ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、酸素ガス排出規制部２８は、例えば、酸素ガスの取り扱いが困難とならない範囲で、酸素ガスタンク３２に収容される酸素ガスの量を可及的に多くする観点から、高圧酸素ガスの圧力を３０～４０ＭＰａとすることが好ましい。
酸素パージ流路分岐部１０６は、酸素ガス排出規制部２８と酸素ガス除湿部２６との間に配置される。酸素パージ流路１１２は、例えば、水電解システム１０の停止時等に、水電解システム１０内のガス抜き（減圧）作業を行うことを可能にする。酸素パージ流路１１２は、酸素パージ流路分岐部１０６から流入した酸素ガスを、水電解システム１０の外部に導く。酸素パージ流路１１２には、その上流から下流に向かって酸素パージ開閉弁１１４と、酸素パージ逆止弁１１６とがこの順に設けられている。
酸素パージ開閉弁１１４は、例えば電磁弁又は電気弁からなる。酸素パージ開閉弁１１４は、制御部の制御に基づいて酸素パージ流路１１２を開閉する。酸素パージ開閉弁１１４が閉状態にあるときは、アノード排出流路７０から酸素パージ流路１１２へ酸素ガスが流入することが防止されている。酸素パージ開閉弁１１４が開状態にあるときは、アノード排出流路７０から酸素パージ流路１１２に酸素ガスが流入する。酸素パージ流路１１２に流入した酸素ガスは、水電解システム１０の外部へと排出される。酸素パージ逆止弁１１６は、水電解システム１０の外部から酸素パージ流路１１２にガスが流入することを防止する。
酸素開閉弁１０８は、例えば電磁弁又は電気弁からなる。酸素開閉弁１０８は、制御部の制御に基づいてアノード排出流路７０を開閉する。酸素開閉弁１０８を開状態とすることで、アノード排出流路７０から酸素ガスタンク３２への酸素ガスの供給が可能となる。酸素逆止弁１１０は、酸素ガスタンク３２からアノード排出流路７０の上流（酸素開閉弁１０８）に向かう方向に酸素ガスが逆流することを防止する。
本実施形態に係る水電解システム１０は、基本的には上記のように構成される。この水電解システム１０を起動して水素ガス及び酸素ガスを製造する際の制御方法の一例について説明する。
この制御方法では、水電解システム１０を起動して、その各種ステータスを確認した後に水供給工程を行う。水供給工程では、水タンク１４から水供給流路６４及び気液分離機１８を介して水電解スタック１２の水供給連通孔５６に水を供給する。これにより、水電解スタック１２のカソード電極３８に水が供給される。
次に、第１電源装置１６により水電解スタック１２に電圧を印加する電圧印加工程を行う。電圧印加工程では、水電解スタック１２が水素ガス及び酸素ガスの各々を発生可能な状態になるまで、アノード電極３６及びカソード電極３８間の電圧を電解電圧の近傍の待機電圧として維持する。そして、水電解スタック１２が水素ガス及び酸素ガスの各々を発生可能な状態となった後に、アノード電極３６及びカソード電極３８間の電圧を大きくして電解電圧とすることで水電解を開始する。その後、電圧値（電解電圧の値）が必要に応じて変更されて、水電解スタック１２の水素ガスの発生量が調整される。
以下、カソード電極３８で発生した水素ガスを水素ガスタンク３０に充填するまでの工程について説明する。
水電解工程によりカソード電極３８で発生した水素ガスは、未反応水（液水及び水蒸気）を含む排出流体として、水電解スタック１２の水素排出連通孔５８からカソード排出流路６８に排出される。カソード排出流路６８に排出された排出流体は、気液分離機１８に送られる。気液分離機１８は、排出流体を液体成分である液水と、気体成分である水素ガス及び水蒸気とに分離する水分分離工程を行う。
水分分離工程で分離された液水は、気液分離機１８の液体排出口７２から循環流路７６に排出される。循環流路７６に排出された液水は、水供給連通孔５６を介してカソード電極３８に供給される。
一方、水分分離工程で分離された水素ガス及び水蒸気は、気液分離機１８の気体排出口７４から第１水素ガス流路７８に排出される。水電解システム１０の起動時において、第１水素開閉弁８０は開状態になる。このため、第１水素ガス流路７８に排出された水素ガス及び水蒸気は、第１水素開閉弁８０を通過した後、第１水素逆止弁８２をさらに通過する。第１水素逆止弁８２を通過した水素ガス及び水蒸気は、水素昇圧スタック２０のアノード電極８６に供給される。このとき、第１水素逆止弁８２により、水素昇圧スタック２０から第１水素開閉弁８０に向かって水素ガスが逆流することは防止されている。
アノード電極８６に対する水素ガスの供給が確認された場合に、水素昇圧スタック２０では、第２電源装置９０による運転電圧の印加を開始する。運転電圧は、アノード電極８６及びカソード電極８８間に該運転電圧を印加することで、カソード電極８８に圧縮水素ガスを生成可能となる大きさの電圧である。つまり、第２電源装置９０により運転電圧を印加することで、水素昇圧スタック２０は水素ガスを昇圧する水素ガス昇圧工程を行う。この水素ガス昇圧工程では、電圧値（運転電圧の値）が必要に応じて変更されて、水素ガスの昇圧に用いられる水素ガスの利用量の調整が行われる。
なお、アノード電極８６に水素ガスが供給されたことを確認する方法の一例として、アノード電極８６に設けられる圧力センサ（不図示）が挙げられる。この場合、第２電源装置９０は、圧力センサの測定値を所定の閾値と比較する。圧力センサの測定値が所定の閾値を超えた場合に、第２電源装置９０は、アノード電極８６に水素ガスが供給されたと判断する。
水素ガス昇圧工程により、カソード電極８８に生成した水素ガスは、第２水素ガス流路９２に排出されることで、第２水素ガス流路９２に設けられた水素ガス除湿部２２により除湿される。つまり、水素ガス除湿部２２は、カソード電極８８から排出された水素ガスに含まれる水蒸気を除去する水素ガス除湿工程を行う。
第２水素ガス流路９２の水素ガス除湿部２２の後段に設けられた水素ガス排出規制部２４は、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する水素ガス圧力調整工程を行う。水素ガス圧力調整工程では、例えば、カソード電極８８における水素ガスの生成量に対する、水素ガス排出規制部２４における水素ガスの通過量を調整することで、第２水素ガス流路９２の水素ガスの圧力を調整する。
本実施形態では、水素ガス排出規制部２４は背圧弁である。このため、水素ガス排出規制部２４は、その一次側（上流）の水素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、当該一次側の水素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、水素ガス排出規制部２４の二次側（下流）に設定圧力まで昇圧させた高圧水素ガスを供給することが可能になる。
水電解システム１０の起動時において、水素パージ開閉弁１０２は閉状態となる。また、水電解システム１０の起動時において、第２水素開閉弁９６は開状態となる。このため、水素ガス圧力調整工程での調整において設定圧力となった高圧水素ガスは、水素パージ流路１００に流入することなく、第２水素開閉弁９６及び第２水素逆止弁９８を通過して水素ガスタンク３０に充填される。このとき、第２水素逆止弁９８により、水素ガスタンク３０から第２水素開閉弁９６に向かう方向に水素ガスが逆流することは防止されている。
上記のように、水電解システム１０は、水電解スタック１２のカソード電極３８で生成した水素ガスを、水素昇圧スタック２０で昇圧して高圧水素ガスを製造し、この高圧水素ガスを水素ガスタンク３０に充填することができる。
以下、アノード電極３６で発生した酸素ガスを酸素ガスタンク３２に充填するまでの工程について説明する。
水電解工程によりアノード電極３６で発生した酸素ガスは、酸素排出連通孔６０からアノード排出流路７０に排出される。アノード排出流路７０に排出された酸素ガスは、アノード排出流路７０に設けられた酸素ガス除湿部２６により除湿される。つまり、酸素ガス除湿部２６は、アノード電極３６から排出された酸素ガスに含まれる水蒸気を除去する酸素ガス除湿工程を行う。
アノード排出流路７０の酸素ガス除湿部２６の後段に設けられた酸素ガス排出規制部２８は、酸素ガスが該酸素ガス排出規制部２８を通過することを規制する。これにより、酸素ガス排出規制部２８は、アノード電極３６から酸素ガスが排出されることを規制する。このように、酸素ガス排出規制部２８により、例えば、アノード電極３６における酸素ガスの生成量に対する、酸素ガス排出規制部２８における酸素ガスの通過量を調整することで、アノード電極３６の酸素ガスの圧力を調整することができる。
具体的には、酸素ガス排出規制部２８は、アノード電極３６の酸素ガスの圧力を上昇させて１ＭＰａ以上とする。上記の通り、水電解システム１０の運転時において、カソード電極３８の水素ガスの圧力は１ＭＰａ未満に維持されている。このため、水電解スタック１２におけるアノード電極３６の酸素ガスの圧力は、カソード電極３８の水素ガスの圧力よりも高圧に維持される。
本実施形態では、酸素ガス排出規制部２８は背圧弁である。このため、酸素ガス排出規制部２８は、その一次側（上流）の酸素ガスの圧力が上昇し、例えば、１～１００ＭＰａの範囲内で設定された設定圧力に達した場合に、当該一次側（上流）の酸素ガスの圧力を維持しつつ開弁する。これにより、アノード電極３６をカソード電極３８よりも高圧の設定圧力に維持するとともに、酸素ガス排出規制部２８の二次側（下流）に設定圧力まで昇圧させた高圧酸素ガスを供給することが可能になる。
水電解システム１０の起動時において、制御部の制御により、酸素パージ開閉弁１１４は閉状態となり、酸素開閉弁１０８は開状態となる。このため、上記のように設定圧力に調整された高圧酸素ガスは、酸素パージ流路１１２に流入することなく、酸素開閉弁１０８及び酸素逆止弁１１０を通過して酸素ガスタンク３２に充填される。このとき、酸素逆止弁１１０により、酸素ガスタンク３２から酸素開閉弁１０８に向かう方向に酸素ガスが逆流することは防止されている。
上記のように、水電解システム１０は、水電解スタック１２のアノード電極３６で酸素ガスを生成する。また、水電解システム１０は、酸素ガス排出規制部２８によりアノード電極３６からの酸素ガスの排出を規制する。これらにより、水電解システム１０は、アノード電極３６の酸素ガスを昇圧して水電解システム１０に差圧を形成するとともに、高圧酸素ガスを製造することができる。また、水電解システム１０は、製造した高圧酸素ガスを酸素ガスタンク３２に充填することができる。
以下、水電解システム１０を停止する際の制御方法の一例について説明する。この制御方法では、脱圧工程を行う。脱圧工程では、第１電源装置１６により水電解スタック１２に印加している電圧を徐々に降圧する。また、脱圧工程では、水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４を開状態とする。これにより、水素パージ流路１００及び酸素パージ流路１１２を介して水電解システム１０の水素ガス及び酸素ガスをそれぞれ徐々に脱圧する。このとき、第１水素ガス流路７８において、第１水素開閉弁８０は開状態である。しかしながら、第１水素逆止弁８２により、水素昇圧スタック２０から第１水素開閉弁８０に向かって水素ガスが逆流することは防止される。
上記のようにして脱圧工程を行うことで、水電解スタック１２に急激な反応変化が生じることを回避できる。これにより、各単位セル４０の同一反応面内に電位差が生じること等を抑制できる。その結果、上記のアノード電極触媒層、カソード電極触媒層、イオン交換膜３４に劣化が生じることを効果的に抑制可能になる。なお、例えば、水電解システム１０の停止期間が短い場合等には、脱圧工程を省略してもよい。
脱圧工程の前又は後に、第２水素開閉弁９６及び酸素開閉弁１０８の各々を閉状態とする遮断工程を行う。これにより、第２水素ガス流路９２の第２水素開閉弁９６よりも上流（水電解スタック１２）と、水素ガスタンク３０との連通を遮断する。また、アノード排出流路７０の酸素開閉弁１０８よりも上流（水電解スタック１２）と、酸素ガスタンク３２との連通を遮断する。
なお、脱圧工程において、脱圧速度を比較的ゆっくり降圧可能な所定速度に維持すると、イオン交換膜３４にクロスオーバが生じ易くなる場合がある。この場合、イオン交換膜３４のクロスオーバを回避するため、第１電源装置１６による電圧印加を維持しながら水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４の各々を開状態とする。また、水素パージ開閉弁１０２及び酸素パージ開閉弁１１４の各々の開度の調整や、水素ガス排出規制部２４及び酸素ガス排出規制部２８の各々による圧力調整により、脱圧速度を所定速度に維持する。なお、ここでの所定速度は、水電解スタック１２に急激な反応変化が生じることを回避可能となる脱圧速度である。
脱圧工程における脱圧速度を所定速度に維持してもイオン交換膜３４にクロスオーバが生じる懸念がない場合に、電圧停止工程を行う。又は、上記のようにして第１電源装置１６による電圧印加を維持しながら脱圧工程を行った後に、電圧停止工程を行う。電圧停止工程では、第１電源装置１６による水電解スタック１２への電圧の印加を停止した後、第２電源装置９０による水素昇圧スタック２０への電圧の印加を停止する。
本実施形態では、電圧停止工程において、水素昇圧スタック２０への電圧印加を停止するよりも先に水電解スタック１２への電圧印加の停止を行うことにより、カソード電極３８での水素ガスの生成を停止する。これによって、カソード電極３８、カソード排出流路６８、第１水素ガス流路７８の水素ガスの圧力が上昇することを抑制できる。このため、水素昇圧スタック２０から水電解スタック１２に向かう方向に水素ガスが逆流することを効果的に回避できる。このとき、第１水素開閉弁８０を閉状態とすることで、水素昇圧スタック２０から水電解スタック１２に向かう方向の水素ガスの逆流を抑制してもよい。
なお、電圧停止工程では、上記の水素ガスの逆流を十分に抑制可能である場合、水電解スタック１２への電圧印加を停止した後に、水素昇圧スタック２０への電圧印加を停止してもよい。
電圧停止工程により、水電解スタック１２のアノード電極３６及びカソード電極３８の間に電流が流れない状態となった後、水供給停止工程を行う。水供給停止工程では、水タンク１４からの水電解スタック１２への水の供給を停止する。その後、水素昇圧スタック２０のアノード電極８６及びカソード電極８８の間に電流が流れていないことを確認してから、水電解システム１０を停止状態とする。
このように、本実施形態に係る水電解システム１０では、酸素ガス排出規制部２８によってアノード電極３６の酸素ガスの圧力がカソード電極３８の水素ガスの圧力よりも高圧となる。これにより、低圧のカソード電極３８から高圧のアノード電極３６に向かって水素ガスがイオン交換膜３４を透過することが抑制される。
水素ガスがイオン交換膜３４を透過する透過量（クロスオーバ量）は、酸素ガスの圧力、水電解スタック１２の外部の環境温度等に応じて変動する。この変動に応じて、水電解スタック１２から気液分離機１８に供給される水素ガスの量が変動する。この場合、水素昇圧スタック２０が昇圧に用いる気液分離機１８内の水素ガスが過不足になることが生じ得る。つまり、水電解スタック１２による水の電気分解によって発生する水素ガスの発生量と、水素昇圧スタック２０において昇圧に用いられる水素ガスの利用量とが、環境温度等に応じて不均衡になることが生じ得る。
そこで、本実施形態では、気液分離機１８内の水素ガス量に基づいて、第１電源装置１６及び第２電源装置９０が制御される。図２は、気液分離機１８内の概略図である。気液分離機１８の内部には、温度センサ１２０、圧力センサ１２２及び水位センサ１２４が設けられる。温度センサ１２０は、気液分離機１８内の気相部分の温度を計測する計測機である。圧力センサ１２２は、気液分離機１８内の気相部分の圧力を計測する計測機である。水位センサ１２４は、気液分離機１８内の液相部分の水位ＨＷを計測する計測機である。
気液分離機１８内の水素ガス量は、『ＨＡ＝（Ｐｈ×Ｖｈ）／（Ｒ×Ｔｈ）』の関係式を用いて演算可能である。「ＨＡ」は、気液分離機１８内の水素ガス量である。「Ｔｈ」は、温度センサ１２０によって検出される温度である。「Ｐｈ」は、圧力センサ１２２によって検出される圧力である。「Ｖｈ」は、気液分離機１８内の気相部分の体積である。この体積は、水位センサ１２４によって検出される水位ＨＷに基づいて演算し得る。すなわち、水位センサ１２４によって検出される水位ＨＷに、予め記憶される気液分離機１８内の面積が乗算され、当該乗算により得られた値が、予め記憶される気液分離機１８内の全体の体積から減算される。「Ｒ」は、気体定数である。
図３は、制御装置１３０の構成を示すブロック図である。制御装置１３０は、第１電源装置１６及び第２電源装置９０を制御する。制御装置１３０は、目標水素量決定部１３２、水素量推定部１３４、第１指令生成部１３６、第２指令生成部１３８、出力先決定部１４０及び指令出力部１４２を有する。
目標水素量決定部１３２は、気液分離機１８内の目標水素ガス量を決定し、当該目標水素ガス量を第２指令生成部１３８に出力する。目標水素量決定部１３２は、温度センサ１２０によって検出される温度、圧力センサ１２２によって検出される圧力、及び、水素量推定部１３４によって推定される水素ガス量のうちの少なくとも１つに基づいて目標水素ガス量を決定してもよい。目標水素量決定部１３２は、メモリ等の記憶部に登録される水素ガス量を、目標水素ガス量として決定してもよい。記憶部に記憶される水素ガス量は、ユーザによる入力装置の操作に応じて、変更可能である。
水素量推定部１３４は、気液分離機１８内の水素ガス量を推定し、当該水素ガス量を第２指令生成部１３８に出力する。水素量推定部１３４は、上記の関係式を用いて水素ガス量を推定し得る。
第１指令生成部１３６は、一定の電流指令値である第１電流指令値を生成し、当該第１電流指令値を指令出力部１４２に出力する。第１指令生成部１３６は、メモリ等の記憶部に予め登録されるベース電流値を第１電流指令値として生成し得る。
第２指令生成部１３８は、不定の電流指令値である第２電流指令値を生成し、当該第２電流指令値を指令出力部１４２に出力する。第２指令生成部１３８は、目標水素量決定部１３２によって決定される目標水素ガス量に近づくように、第２電流指令値を生成し得る。この場合、第２指令生成部１３８は、目標水素量決定部１３２によって決定される目標水素ガス量と、水素量推定部１３４によって推定される水素ガス量との偏差を演算し、当該偏差に基づいて第２電流指令値を生成する。
出力先決定部１４０は、水電解スタック１２及び水素昇圧スタック２０のうちの一方を、第１電流指令値を出力する第１出力装置として決定する。また、出力先決定部１４０は、水電解スタック１２及び水素昇圧スタック２０のうちの他方を、第２電流指令値を出力する第２出力装置として決定する。この場合、出力先決定部１４０は、水電解スタック１２の膜電極構造体５０の負荷と、水素昇圧スタック２０の膜電極構造体８３の負荷とに基づいて、第１出力装置及び第２出力装置を決定する。
本実施形態では、出力先決定部１４０は、水電解用電流センサ１４４及び水電解用電圧センサ１４６に基づいて、膜電極構造体５０の負荷が大きいか否かを判定する。アノード電極３６とカソード電極３８との間に所定の第１電流が流れたときの電圧値から所定の第１設定電圧を減算した値が所定の第１判定閾値を超えた場合、出力先決定部１４０は、膜電極構造体５０の負荷が大きいと判定する。逆に、アノード電極３６とカソード電極３８との間に所定の第１電流が流れたときの電圧値から所定の第１設定電圧を減算した値が所定の第１判定閾値以下である場合、出力先決定部１４０は、膜電極構造体５０の負荷が大きくないと判定する。なお、第１電流、第１設定電圧及び第１閾値は、予め制御装置１３０のメモリに記憶される。
一方、本実施形態では、出力先決定部１４０は、水素昇圧用電流センサ１４８及び水素昇圧用電圧センサ１５０に基づいて、膜電極構造体８３の負荷が大きいか否かを判定する。アノード電極８６とカソード電極８８との間に所定の第２電流が流れたときの電圧値から所定の第２設定電圧を減算した値が所定の第２判定閾値を超えた場合、出力先決定部１４０は、膜電極構造体８３の負荷が大きいと判定する。逆に、アノード電極８６とカソード電極８８との間に所定の第２電流が流れたときの電圧値から所定の第２設定電圧を減算した値が所定の第２判定閾値以下である場合、出力先決定部１４０は、膜電極構造体８３の負荷が大きくないと判定する。なお、第２電流、第２設定電圧及び第２閾値は、予め制御装置１３０のメモリに記憶される。
出力先決定部１４０は、次の場合は、水電解スタック１２を第１出力装置として決定し、水素昇圧スタック２０を第２出力装置として決定する。すなわち、膜電極構造体５０の負荷が大きいと判定され、膜電極構造体８３の負荷が大きくないと判定された場合である。
出力先決定部１４０は、次の場合は、水電解スタック１２を第２出力装置として決定し、水素昇圧スタック２０を第１出力装置として決定する。すなわち、膜電極構造体５０の負荷が大きくないと判定され、膜電極構造体８３の負荷が大きいと判定された場合である。或いは、膜電極構造体５０及び膜電極構造体８３の双方の負荷が大きいと判定された場合である。或いは、膜電極構造体５０及び膜電極構造体８３の双方の負荷が大きくないと判定された場合である。
指令出力部１４２は、第１指令生成部１３６によって生成された第１電流指令値を、第１電源装置１６及び第２電源装置９０のうちの一方に出力する。また、指令出力部１４２は、第２指令生成部１３８によって生成された第２電流指令値を、第１電源装置１６及び第２電源装置９０のうちの他方に出力する。
出力先決定部１４０によって決定された第１出力装置が水電解スタック１２である場合、指令出力部１４２は、第１電源装置１６に第１電流指令値を出力する。出力先決定部１４０によって決定された第１出力装置が水素昇圧スタック２０である場合、指令出力部１４２は、第２電源装置９０に第１電流指令値を出力する。
一方、出力先決定部１４０によって決定された第２出力装置が水電解スタック１２である場合、指令出力部１４２は、第１電源装置１６に第２電流指令値を出力する。出力先決定部１４０によって決定された第２出力装置が水素昇圧スタック２０である場合、指令出力部１４２は、第２電源装置９０に第２電流指令値を出力する。
第１電源装置１６は、第１電流指令値又は第２電流指令値の電流が流れるように、アノード電極３６とカソード電極３８とに印加する電圧を調整する。その結果、水電解スタック１２では、第１電流指令値又は第２電流指令値に相当する量の水素ガスが発生する。
一方、第２電源装置９０は、第１電流指令値又は第２電流指令値の電流が流れるように、アノード電極８６とカソード電極８８とに印加する電圧を調整する。その結果、水素昇圧スタック２０では、第１電流指令値又は第２電流指令値に相当する量の水素ガスを昇圧して高圧水素ガスが生成される。
次に、水電解システム１０の運転方法に関して説明する。図４は、制御装置１３０による制御処理の手順を示すフローチャートである。制御処理は、例えば、水電解システム１０の運転命令を制御装置１３０が受け付けたときに開始される。
ステップＳ１において、出力先決定部１４０は、水電解スタック１２の膜電極構造体５０の負荷と、水素昇圧スタック２０の膜電極構造体８３の負荷とに基づいて、第１出力装置及び第２出力装置を決定する。第１出力装置及び第２出力装置が決定されると、制御処理はステップＳ２に移行する。
ステップＳ２において、第１指令生成部１３６は、所定の第１電流指令値を生成する。指令出力部１４２は、第１指令生成部１３６によって生成された第１電流指令値を、ステップＳ１において決定された第１出力装置に接続される第１電源装置１６又は第２電源装置９０に出力する。第１電流指令値が第１電源装置１６又は第２電源装置９０に出力されると、制御処理は、ステップＳ３に移行する。
ステップＳ３において、第２指令生成部１３８は、第２電流指令値を定期的に生成する。すなわち、目標水素量決定部１３２は、気液分離機１８内の目標水素ガス量（目標水素量）を決定する。一方、水素量推定部１３４は、気液分離機１８内の水素ガス量（推定水素量）の推定を開始する。第２指令生成部１３８は、推定水素量を目標水素量と定期的に比較し、当該目標水素量との偏差に基づいて第２電流指令値を生成する。
第２指令生成部１３８によって第２電流指令値が生成される度に、指令出力部１４２は、当該第２電流指令値を、ステップＳ１において決定された第２出力装置に接続される第１電源装置１６又は第２電源装置９０に出力する。指令出力部１４２は、水電解システム１０の運転停止命令を制御装置１３０が受け付けるまで、第２電流指令値の出力を継続する。制御装置１３０が運転停止命令を受け付けると、制御処理は終了する。
上記の実施形態は、下記のように変形してもよい。
（変形例１）
図５は、変形例１に係る水電解システム１０の一部の構成を示す図である。本変形例では、温調機１５２が気液分離機１８に設けられる。温調機１５２は、気液分離機１８内の温度を調整可能に構成される。また、本変形例では、流量調整弁１５４が水供給流路６４に設けられる。流量調整弁１５４は、水供給流路６４に流れる水の流量を調整可能に構成される。
本変形例では、制御装置１３０は、温度制御部１５６及び弁制御部１５８をさらに有する。温度制御部１５６は、温調機１５２を制御して、気液分離機１８内の温度を一定に保持する。また、弁制御部１５８は、流量調整弁１５４を制御して気液分離機１８に供給される水の量を調整し、気液分離機１８内の水位ＨＷを一定に保持する。
気液分離機１８内の温度及び水位ＨＷが一定に保持されるため、気液分離機１８内の水素ガス量は、概ね圧力センサ１２２によって検出される圧力に比例する。したがって、水素量推定部１３４（図３）は、圧力センサ１２２によって検出される圧力のみに基づいて、気液分離機１８内の水素ガス量を推定し得る。
（変形例２）
温度センサ１２０、圧力センサ１２２及び水位センサ１２４に代えて、水素ガスセンサが気液分離機１８内に設けられてもよい。この場合、水素量推定部１３４は、水素ガスセンサによって検出される水素ガスの濃度に基づいて、気液分離機１８内の水素ガス量を推定し得る。
（変形例３）
出力先決定部１４０は、水電解スタック１２の膜電極構造体５０及び水素昇圧スタック２０の膜電極構造体８３の使用期間に基づいて、第１出力装置及び第２出力装置を決定してもよい。
この場合、例えば、出力先決定部１４０は、メモリ等の記憶部に登録された膜電極構造体５０の製造日と、現在の日付とに基づいて、膜電極構造体５０の負荷が大きいか否かを判定し得る。同様に、出力先決定部１４０は、メモリ等の記憶部に登録された膜電極構造体８３の製造日と、現在の日付とに基づいて、膜電極構造体８３の負荷が大きいか否かを判定し得る。
以上の記載から把握し得る発明及び効果について以下に記載する。
（１）本発明は、イオン交換膜（３４）がアノード電極（３６）とカソード電極（３８）とに挟持される膜電極構造体（５０）を有し、水を電気分解する水電解スタック（１２）と、前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機（１８）と、プロトン交換膜（８４）がアノード電極（８６）とカソード電極（８８）とに挟持される膜電極構造体（８３）を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタック（２０）と、を備える水電解システム（１０）である。水電解システムは、前記水電解スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第１電源装置（１６）と、前記水素昇圧スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、前記電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第２電源装置（９０）と、前記第１電源装置及び前記第２電源装置を制御する制御装置（１３０）と、を有する。前記制御装置は、一定の前記電流指令値である第１電流指令値を生成する第１指令生成部（１３６）と、前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成する第２指令生成部（１３８）と、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する指令出力部（１４２）と、を有する。
これにより、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの一方を一定にし、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの他方を気液分離機内の水素ガス量に基づいて調整することができる。その結果、環境温度等に応じて、水電解スタックのクロスオーバ量が変化しても、水素ガスの発生量と水素ガスの利用量とが不均衡になることを抑制することができる。
（２）本発明は、水電解システムであって、前記制御装置は、前記水電解スタック及び前記水素昇圧スタックのうちの一方を、前記第１電流指令値を出力する第１出力装置として決定し、前記水電解スタック及び前記水素昇圧スタックのうちの他方を、前記第２電流指令値を出力する第２出力装置として決定する出力先決定部（１４０）を有し、前記指令出力部は、前記第１出力装置に接続される前記第１電源装置又は前記第２電源装置に前記第１電流指令値を出力し、前記第２出力装置に接続される前記第１電源装置又は前記第２電源装置に前記第２電流指令値を出力してもよい。これにより、第１電流指令値及び第２電流指令値の出力先を切り替えることが可能になる。
（３）本発明は、水電解システムであって、前記出力先決定部は、前記水電解スタックの前記膜電極構造体の負荷と、前記水素昇圧スタックの前記膜電極構造体の負荷とに基づいて、前記第１出力装置及び第２出力装置を決定してもよい。これにより、負荷が大きい膜電極構造体のアノード電極とカソード電極との間に定電流を流すことができる。その結果、水電解スタックと水素昇圧スタックとで相対的に負荷が大きい膜電極構造体の劣化を低減することができる。
（４）本発明は、水電解システムであって、前記出力先決定部は、前記水電解スタックの前記アノード電極と前記カソード電極との間に第１電流が通電されているときの電圧値と、第１設定電圧値との偏差である第１偏差、及び、前記水素昇圧スタックの前記アノード電極と前記カソード電極との間に第２電流が通電されているときの電圧値と、第２設定電圧値との偏差である第２偏差に基づいて、前記膜電極構造体の負荷を判定してもよい。これにより、膜電極構造体の使用年数等に基づいて負荷を判定する場合に比べて、膜電極構造体の負荷を正確に捕捉することができる。
（５）本発明は、水電解システムであって、前記気液分離機の温度及び圧力の少なくとも１つを計測する計測機（１２０、１２２）を有し、前記第２指令生成部は、前記計測機によって計測される前記温度及び前記圧力の少なくとも１つから前記気液分離機内の水素ガス量を推定してもよい。これにより、気液分離機内の実際の水素ガス量と誤差が大きくなることを抑制するができる。
（６）本発明は、水電解システムであって、前記第２指令生成部は、前記気液分離機内の水素ガス量が目標水素ガス量に近づくように、前記第２電流指令値を生成してもよい。これにより、環境温度等が変化しても、気液分離機内の水素ガス量を適切に調整することができる。
（７）本発明は、イオン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、水を電気分解する水電解スタックと、前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機と、プロトン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、を備える水電解システム運転方法である。水電解システム運転方法は、一定の電流指令値である第１電流指令値を生成し、前記水電解スタックに接続された第１電源装置、及び、前記水素昇圧スタックに接続された第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力する第１出力ステップ（Ｓ２）と、前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する第２出力ステップ（Ｓ３）と、を含む。
これにより、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの一方を一定にし、水素ガスの発生量及び水素ガスの利用量のうちの他方を気液分離機内の水素ガス量に基づいて調整することができる。その結果、環境温度等に応じて、水電解スタック及び水素昇圧スタックの少なくとも一方のクロスオーバ量が変化しても、水素ガスの発生量と水素ガスの利用量とが不均衡になることを抑制することができる。
１０…水電解システム １２…水電解スタック
１４…水タンク １６…第１電源装置
１８…気液分離機 ２０…水素昇圧スタック
３４…イオン交換膜 ３６、８６…アノード電極
３８、８８…カソード電極 ５０、８３…膜電極構造体
８４…プロトン交換膜 ９０…第２電源装置
１２０…温度センサ １２２…圧力センサ
１３０…制御装置 １３２…目標水素量決定部
１３４水素量推定部 １３６…第１指令生成部
１３８…第２指令生成部 １４０…出力先決定部
１４２…指令出力部 １４４…水電解用電流センサ
１４６…水電解用電圧センサ １４８…水素昇圧用電流センサ
１５０…水素昇圧用電圧センサ １５２…温調機
１５４…流量調整弁 １５６…温度制御部
１５８…弁制御部

Claims (7)

  1. イオン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、水を電気分解する水電解スタックと、
    前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機と、
    プロトン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、
    を備える水電解システムであって、
    前記水電解スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第１電源装置と、
    前記水素昇圧スタックの前記アノード電極と前記カソード電極とに印加する電圧を調整して、前記電流指令値の電流を前記アノード電極と前記カソード電極との間に通電させる第２電源装置と、
    前記第１電源装置及び前記第２電源装置を制御する制御装置と、
    を有し、
    前記制御装置は、
    一定の前記電流指令値である第１電流指令値を生成する第１指令生成部と、
    前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成する第２指令生成部と、
    前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する指令出力部と、
    を有する、水電解システム。
  2. 請求項１に記載の水電解システムであって、
    前記制御装置は、前記水電解スタック及び前記水素昇圧スタックのうちの一方を、前記第１電流指令値を出力する第１出力装置として決定し、前記水電解スタック及び前記水素昇圧スタックのうちの他方を、前記第２電流指令値を出力する第２出力装置として決定する出力先決定部を有し、
    前記指令出力部は、
    前記第１出力装置に接続される前記第１電源装置又は前記第２電源装置に前記第１電流指令値を出力し、前記第２出力装置に接続される前記第１電源装置又は前記第２電源装置に前記第２電流指令値を出力する、水電解システム。
  3. 請求項２に記載の水電解システムであって、
    前記出力先決定部は、前記水電解スタックの前記膜電極構造体の負荷と、前記水素昇圧スタックの前記膜電極構造体の負荷とに基づいて、前記第１出力装置及び第２出力装置を決定する、水電解システム。
  4. 請求項３に記載の水電解システムであって、
    前記出力先決定部は、前記水電解スタックの前記アノード電極と前記カソード電極との間に第１電流が通電されているときの電圧値と、第１設定電圧値との偏差である第１偏差、及び、前記水素昇圧スタックの前記アノード電極と前記カソード電極との間に第２電流が通電されているときの電圧値と、第２設定電圧値との偏差である第２偏差に基づいて、前記膜電極構造体の負荷を判定する、水電解システム。
  5. 請求項１～４の何れか１項に記載の水電解システムであって、
    前記気液分離機の温度及び圧力の少なくとも１つを計測する計測機を有し、
    前記第２指令生成部は、前記計測機によって計測される前記温度及び前記圧力の少なくとも１つから前記気液分離機内の水素ガス量を推定する、水電解システム。
  6. 請求項５に記載の水電解システムであって、
    前記第２指令生成部は、前記気液分離機内の水素ガス量が目標水素ガス量に近づくように、前記第２電流指令値を生成する、水電解システム。
  7. イオン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、水を電気分解する水電解スタックと、
    前記水電解スタックによる前記水の電気分解によって発生した水素ガスと、前記水とを分離する気液分離機と、
    プロトン交換膜がアノード電極とカソード電極とに挟持される膜電極構造体を有し、前記気液分離機によって分離される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、
    を備える水電解システムの運転方法であって、
    一定の電流指令値である第１電流指令値を生成し、前記水電解スタックに接続された第１電源装置、及び、前記水素昇圧スタックに接続された第２電源装置のうちの一方に前記第１電流指令値を出力する第１出力ステップと、
    前記気液分離機内の水素ガス量に基づいて、不定の前記電流指令値である第２電流指令値を生成し、前記第１電源装置及び前記第２電源装置のうちの他方に前記第２電流指令値を出力する第２出力ステップと、
    を含む、水電解システムの運転方法。
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