JP2007031813A - 水電解システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電圧変動電源からの供給電力量に応じた最良の電解効率を得ることを可能にする。
【解決手段】水電解システム10は、水電解装置14と、太陽電池16を含む電源装置18とを備える。水電解装置14は、複数の水電解スタック40a〜40dと、各水電解スタック40a〜40dに接続され、太陽電池16から供給される電力を個別に調整することにより、前記水電解スタック40a〜40dを最良効率で運転可能にする電力調整部42a〜42dとを設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システム及びその運転方法に関する。
近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステムが提案されている。例えば、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した固体高分子型燃料電池が知られている。なお、アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを備えている。
一般的に、燃料である水素を製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素(及び酸素)を発生させるため、固体高分子電解膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設されてユニット(水電解セル)が形成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に純水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。
上記の水電解装置では、例えば、太陽電池や風力発電機等の電圧変動電源を電力源として用い、この電圧変動電源の出力を高効率で水電解システムの運転に利用する技術が提案されている。例えば、特許文献1に開示されている水素製造設備は、図11に示すように、風力発電機1と、整流器2と、水電解装置3と、制御装置4とを備えている。
水電解装置3は、複数の水電解セルが積層されたセルスタックC1〜C4を有するとともに、前記セルスタックC1〜C4のプラス端子側とマイナス端子側には、それぞれスイッチS1〜S8が接続されている。スイッチS1〜S4は、それぞれ整流器2のプラス側に接続されるとともに、スイッチS5〜S8は、それぞれ前記整流器2のマイナス端子側に接続されている。
さらに、セルスタックC1〜C4間には、それぞれのマイナス端子側とプラス端子側との間にスイッチS9〜S12が接続されている。これにより、各セルスタックC1〜C4は、スイッチS1〜S12の開閉操作によって、電気的に並列又は直列に接続される。
制御装置4は、電圧制御部5とスタック数制御部6とを有している。圧力制御部5は、水電解装置3に供給される発電電力の電圧を可変制御する機能を有する。一方、スタック数御部6は、各セルスタックC1〜C4に作用する電圧と電流が所定範囲内になるように、水電解装置3におけるセルスタックの使用数を選定する機能を有している。
特開2005−126792号公報(図1)
ところで、上記の特許文献1では、水電解装置3に供給する電力値と、記憶されたセルスタックの運転可能な電圧、電流範囲とに基づいて、前記水電解装置3において最適なセルスタック使用数を選定するとともに、スイッチS1〜S12が所定の開閉動作を行っている。
しかしながら、特許文献1は、セルスタックC1〜C4の使用数を設定するだけであり、風力発電器1や太陽電池等の電圧変動電源からの電力供給量の変動に沿った高効率な運転が遂行されないおそれがある。しかも、水電解装置3全体に供給される電力の電圧制御を行うだけであり、各セルスタックC1〜C4内における各効率ピーク点を考慮することができず、最良の電解効率が得られないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電圧変動電源からの供給電力量に応じた最良の電解効率を確実に得ることが可能な水電解システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明は、それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムである。水電解システムは、各水電解スタック毎に接続され、電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を個別に調整する電力調整部と、前記電圧変動電源からの供給電力量に応じて、各電力調整部を一括して制御可能な制御部とを設けている。
また、各電力調整部は、電圧変動電源と各水電解スタックとを電気的に接続及び遮断するとともに、各水電解スタックに供給される電圧を個別に調整する機能を有することが好ましい。さらに、電圧変動電源は、太陽電池を含むことが好ましい。
さらにまた、本発明は、それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法である。
そこで、電圧変動電源からの供給電力量を検出する工程と、前記検出された供給電力量に応じて、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を、各水電解スタック毎に個別に調整する工程とを有している。
また、電解効率が最良となるように、電解電流を各水電解スタックに分配することが好ましい。
本発明によれば、各水電解スタック毎に接続される各電力調整部を介し、電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力が個別に調整されている。このため、電圧変動電源からの供給電力量の変動に応じて、最良の電解効率を確実に得ることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る水電解システム10の概略構成説明図である。
水電解システム10は、純水供給装置12を介して水道水から取り出された純水が供給され、この純水を電気分解することによって水素を製造する水電解装置14と、電圧変動電源、例えば、太陽電池16を有して前記水電解装置14に電力を供給する電源装置18とを備える。
純水供給装置12は、水道水から純水を取り出す純水製造部20を備え、この純水製造部20の下流には、製造された純水と、水電解装置14から水素ライン21を介して導出される水素及び水蒸気との熱交換を行う熱交換器22が配設される。この熱交換器22には、前記熱交換器22により熱交換を行った水素から液化した水分を分離する水素気液分離器24が接続される。
熱交換器22により温度が上昇した純水は、酸素気液分離器26に送られるとともに、この酸素気液分離器26には、水電解装置14から酸素を含む純水が導出される純水ライン28が接続される。酸素気液分離器26には、水素気液分離器24で水素から分離された水分を前記酸素気液分離器26に戻すための純水戻しライン30が接続される。
酸素気液分離器26と水電解装置14の純水供給口(図示せず)とには、純水供給ライン32が接続される。この純水供給ライン32には、酸素気液分離器26に滞留する純水を水電解装置14に供給するためのポンプ34と、前記水電解装置14に供給される純水の電気伝導度を下げるためのイオン交換器36とが配設される。
水電解装置14は、それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数、例えば、4つの水電解スタック40a、40b、40c及び40dを備える。水電解スタック40a〜40dには、それぞれ水電解スタック40a〜40dに供給される電力を個別に調整する電力調整部42a、42b、42c及び42dが電気的に接続される。
電力調整部42a〜42dは、電源装置18と水電解スタック40a〜40dとを電気的に接続及び遮断するとともに、DC/DCコンバータ等の電圧調整機能を有する。電力調整部42a〜42dは、制御回路44に接続されており、前記電力調整部42a〜42dは、この制御回路44を介して一括して制御可能である。
電源装置18は、水電解装置14に電力を供給するための1つの手段として太陽電池16を備えるとともに、別の手段として商用電源46を備える。商用電源46は、AC/DC変換器48を介して電源切替器50に接続される一方、太陽電池16は、前記電源切替器50に接続される。電源切替器50は、水電解装置14に電力を供給する電力源として、太陽電池16と商用電源46とを切り替え操作する。太陽電池16からの発電電力量を推定するために日射量計52が設けられ、この日射量計52は、制御回路44に接続される。実際の発電量は、図示しないが、太陽電池16からの電力供給ラインに取り付けられた電圧・電流センサで測定され、制御回路44に送られる。
電源装置18には、水電解システム10の補機54に電力を供給するための補機電源部(例えば、DC/DC変換器)56が設けられる。なお、補機54は、具体的には、純水製造部20、ポンプ34及び制御回路44の他、図示しないが、全てのセンサ及びアクチュエータを含む。
制御回路44は、電力調整部42a〜42dを一括制御する制御部としての機能の他、水電解システム10の運転動作を決定して制御を行う機能を有する。
このように構成される水電解システム10の動作について、本発明に係る運転方法との関連で、図2以降に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
水電解システム10の運転が開始されると、制御回路44は、先ず、水電解装置14の電力源として太陽電池16と商用電源46とのいずれを使用するかを判断し、電力源の設定を行う(ステップS1)。
電力源の設定処理では、図3に示すように、制御回路44が、日射量計52から得られる日射量に基づいて太陽電池16の発電電力を推定する(ステップS11)。そして、ステップS12に進んで、この推定された発電電力量が、太陽電池16の運転モード判断値以上の電力であるか否かを判断する。
その際、推定発電電力量が判断値以上であれば(ステップS12中、YES)、ステップS13に進んで、太陽電池16が動力源として設定される。一方、推定発電電力量が判断値以下であると判断されると(ステップS12中、NO)、ステップS14に進んで、商用電源46が電力源として設定される。
上記のように電力源が設定されると、補機運転が開始される(図2中、ステップS2)。補機運転処理では、図4に示すように、純水製造部20の運転が開始された後(ステップS21)、酸素気液分離器26内の純水(電解水)の水位が規定値以上であるか否かを判断する(ステップS22)。
純水水位が規定値以上であると判断されると(ステップS22中、YES)、ポンプ34がオンされて水電解装置14への純水の供給が行われる。さらに、制御回路44では、純水流量が規定値以上であると判断された後(ステップS24中、YES)、純水比抵抗が規定値以上であるか否かの判断が行われる(ステップS25)。そして、純水流量及び純水比抵抗がそれぞれ規定値以上であると判断されると(ステップS24中、YES、及びステップS25中、YES)、ステップS26に進んで、補機運転が完了し、電解可能状態にあると判断される(ステップS3)。
一方、ステップS22、S24又はS25において、純水水位、純水流量又は純水比抵抗が規定値以下であると判断されると、補機運転が未完のまま判断が終了される(ステップS28)。そして、電解可能状態にないと判断され(ステップS3中、NO)、電解が停止される(ステップS4)。次いで、電解可能状態にあると判断されると(ステップS3中、YES)、ステップS5に進んで、水電解動作が行われる。
ここで、水電解スタック40a〜40dの水素発生効率は、図5に示すように、電流密度が低い程、高効率となっている。また、電力源の出力電力と効率との関係は、図6に示すように、出力が低い領域では、効率が極端に低くなっている。そして、電力源の出力が高くなるのに伴って効率が向上した後、出力の増加にかかわらず一定効率となっている。
従って、図5の電解セル効率と、図6の電力源効率とに基づいて、水電解効率が得られる。この水電解効率は、図7に示すように、電解電力が低い領域では効率が著しく低く、この電解電力の増加に伴って効率ピーク点が生じ、この効率ピーク点以降では効率の低下が見られる。このため、電力源の出力電力の変動に対応して各水電解スタック40a〜40dへの供給電力を個別に調整することにより、最良効率で運転を行うことができる。
すなわち、図8に示すように、各水電解スタック40a〜40dを個別に調整する本実施形態では、電流に対する効率が曲線Lに沿って変動しており、それぞれの効率ピーク点が上昇して最良な電源効率になるような運転が行われる。なお、曲線Lの形状は、スタック分割数により異なる。
これに対して、各水電解スタック40a〜40dを全体的に調整する従来構成では、電流に対する効率がなだらかな曲線L1に沿って変動し、最良効率で運転を行うことができない。
次に、複数の水電解スタック40a〜40dを、それぞれ個別に運転制御するための具体例を、以下に説明する。
電解電流量は、水素製造量に比例する。このため、最良電解効率となるように、電解電流を各水電解スタック40a〜40dに分配することにより、太陽電池16の発電電力量の変動に応じた最良の水素製造量が得られる。
具体的には、各水電解スタック40a〜40dに分配する電流値をA1、A2、A3、A4とし、各電流値における水電解効率をE1、E2、E3及びE4とし、A1/E1+A2/E2+A3/E3+A4/E4の値が最小になるように、又はA1×E1+A2×E2+A3×E3+A4×E4の値が最大になるように設定する。
各水電解スタック40a〜40dへの電流の分配方法は、種々存在しており、本実施形態では、以下に示す4つの分配方法を採用する。先ず、総電解電流(A1+A2+A3+A4)をAtとし、水電解スタック40a〜40dの効率ピーク電流をApとする。
そこで、At/Apの整数値Nに対し、N個のスタックに効率ピーク電流を設定し、且つ残りの電流を1つのスタックに設定する(分配例1)、N−1個のスタックに効率ピーク電流を設定し、且つ残りの電流を1つのスタックに設定する(分配例2)、N個のスタックに均等電流を分配する(分配例3)、又は、N+1個のスタックに均等電流を分配する(分配例4)。そして、上記の分配例1〜分配例4の中から、最良の効率が得られる分配方法を選択する。
その際、N=0では、分配例1、分配例2及び分配例3は存在せず、分配例4が選択されて1つのスタックに電解電流が設定される。また、Nがスタック数以上になるときは、分配例1及び分配例4がなく、分配例2及び分配例3のいずれかが選択される。さらにまた、分配された電流値がスタック電流容量を超えるときは、その分配方法は除外される。上記の説明は、図9に示されている。
ここで、4つの水電解スタック40a〜40dを設ける本実施形態において、具体的に、効率ピーク電流Ap=30Aとし、総電解電流At=100Aとすると、At/Apの整数値N=3となる。従って、分配例1〜4は、図10に示される値となり、この中から最良効率となる分配を選択すればよい。なお、電解効率曲線は、事前に取得できるため、予め電解電流毎の最適分配を求めてマップ化すれば、コントローラの負荷が低減される。
このように、本実施形態では、発電電力量が変動し易い太陽電池16等の電圧変動電源を使用する際に、供給電力量の変動に応じて、最良の水電解効率での電解処理が確実に遂行される。これにより、消費電力を有効に削減することができ、経済的且つ効率的な水電解処理が行われるという効果が得られる。
ところで、上記の電解動作が終了すると、図2中、ステップS6に進んで、水電解システム10の運転判断がなされる。そして、停止すると判断されることにより、運転フローが停止される。一方、停止しないと判断されると、再度、ステップS1に戻って電源設定、補機運転(ステップS2)、電解可能判断(ステップS3)、電解停止(ステップS4)、電解動作(ステップS5)及び運転判断(ステップS6)の一連の運転フローが繰り返される。
なお、本実施形態では、電圧変動電源として、太陽電池を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、風力発電機等を採用してもよい。
本発明の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。 前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。 前記運転のフローチャート中、電力源設定処理を説明するフローチャートである。 前記運転のフローチャート中、補機運転処理を説明するフローチャートである。 水電解スタックの電流密度と水素発生効率との関係説明図である。 電力源の出力電力と効率との関係説明図である。 水電解効率の説明図である。 一体型水電解スタックと分割型水電解スタックとにおける電流と効率との関係説明図である。 各電解スタックに振り分けられる電流の分配例1〜4の説明図である。 前記分配例1〜4の具体的な説明図である。 特許文献1の水素製造設備の説明図である。
符号の説明
10…水電解システム 12…純水供給装置
14…水電解装置 16…太陽電池
18…電源装置 20…純水製造部
22…熱交換器 24…水素気液分離器
26…酸素気液分離器 34…ポンプ
36…イオン交換器 40a〜40d…水電解スタック
42a〜42d…電力調整部 44…制御回路
46…商用電源 50…電源切替器
52…日射量計 54…補機

Claims (6)

  1. それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムであって、
    各水電解スタック毎に接続され、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を個別に調整する電力調整部と、
    前記電圧変動電源からの供給電力量に応じて、各電力調整部を一括して制御可能な制御部と、
    を設けることを特徴とする水電解システム。
  2. 請求項1記載の水電解システムにおいて、各電力調整部は、前記電圧変動電源と各水電解スタックとを電気的に接続及び遮断するとともに、各水電解スタックに供給される電圧を個別に調整する機能を有することを特徴とする水電解システム。
  3. 請求項1又は2記載の水電解システムにおいて、前記電圧変動電源は、太陽電池を含むことを特徴とする水電解システム。
  4. それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法であって、
    前記電圧変動電源からの供給電力量を検出する工程と、
    前記検出された供給電力量に応じて、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を、各水電解スタック毎に個別に調整する工程と、
    を有することを特徴とする水電解システムの運転方法。
  5. 請求項4記載の運転方法において、電解効率が最良となるように、電解電流を各水電解スタックに分配することを特徴とする水電解システムの運転方法。
  6. 請求項4又は5記載の運転方法において、前記電圧変動電源は、太陽電池を含むことを特徴とする水電解システムの運転方法。
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