JP2019173082A - Hydrogen production system - Google Patents

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Abstract

To provide a hydrogen production system capable of efficiently and stably produce hydrogen using surplus power from power generation by unstable renewable energy, utilizing respective advantages of a water electrolysis cell and an SOEC.SOLUTION: There is provided a hydrogen production system 10 comprising a water electrolysis cell 2 that produces hydrogen by electrolyzing water using surplus power (D) supplied from renewable energy power generation (SH) such as photovoltaic power generation and wind power generation, and an SOEC3 that produces hydrogen by electrolyzing steam. The surplus power (D) actually supplied according to a forecasted power condition obtained by forecasting a power condition of the surplus power (D) beforehand, is divided into stable power (D1) of which an amount is maintained approximately constant during specified time t0 and an unstable power (D2) of which an amount changes during the specified time t0, to supply the water electrolysis cell 2 with the unstable power (D2) and to supply the SOEC3 with the stable power (D1).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水素製造システムに関し、詳しくは、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen production system, and more particularly to a hydrogen production system that efficiently produces hydrogen from surplus power of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation.

近年、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電設備の導入が進んでいる。しかし、再生可能エネルギ発電は、各地域の地理的条件や気象条件等によって変動しやすいこともあって、再生可能エネルギ発電の発電量から使用量を差し引いた余剰電力が多く発生している。この余剰電力を一時的に貯留する手段として、余剰電力によって水を電気分解して水素を製造し、水素の状態でエネルギ貯留する方法・装置が知られている。電力から水素を効率的に製造する方法・装置として、水電解セル方式や固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell、以下「SOEC」という)方式が研究開発されている。   In recent years, renewable energy power generation facilities such as solar power generation and wind power generation have been introduced. However, renewable energy power generation tends to fluctuate depending on the geographical conditions, weather conditions, etc. of each region, and a large amount of surplus power is generated by subtracting the usage amount from the power generation amount of renewable energy power generation. As means for temporarily storing this surplus power, a method and apparatus for electrolyzing water with surplus power to produce hydrogen and storing energy in the hydrogen state are known. Water electrolysis cell systems and solid oxide electrolysis cell (SOEC) systems have been researched and developed as methods and apparatuses for efficiently producing hydrogen from electric power.

例えば、水電解セル方式の例として、特許文献1には、図9に示すように、複数の水電解セルが積層されてなるセルスタック(C101、C102、C103、C104)を複数有し該セルスタックがスイッチ(S1〜S12)を介して互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置101と、 該水電解装置101に電力を供給する電力供給手段102と、 前記水電解装置101に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部103と、 前記水電解装置101に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように前記水電解装置101におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部104とを備えたことを特徴とする水素製造設備100が開示されている。   For example, as an example of the water electrolysis cell system, Patent Document 1 includes a plurality of cell stacks (C101, C102, C103, C104) in which a plurality of water electrolysis cells are stacked as shown in FIG. A water electrolysis apparatus 101 having a stack electrically connected in series or in parallel with each other via switches (S1 to S12), a power supply means 102 for supplying power to the water electrolysis apparatus 101, and the water electrolysis A voltage control unit 103 that variably controls the voltage of power supplied to the apparatus 101; and the water and the water electrolysis apparatus 101 according to the power supplied to the water electrolysis apparatus 101 so that the voltage and current acting on each cell stack are within a predetermined range. A hydrogen production facility 100 including a stack number control unit 104 that selects the number of cell stacks used in the electrolysis apparatus 101 is disclosed.

上記構成によれば、水電解装置101に供給する電力の増減に応じて、各セルスタック(C101、C102、C103、C104)に作用する電圧、電流が所定範囲内となるように水電解装置101におけるセルスタックの使用数を選定するので、各セルスタックに作用する電圧、電流を常用範囲内とすることができる。これにより、ジュール損失の増大を抑制してエネルギ変換効率の低下を防止することができる。   According to the above configuration, the water electrolysis apparatus 101 is configured such that the voltage and current acting on each cell stack (C101, C102, C103, C104) are within a predetermined range in accordance with the increase or decrease of the power supplied to the water electrolysis apparatus 101. Since the number of cell stacks used is selected, the voltage and current acting on each cell stack can be kept within the normal range. As a result, an increase in Joule loss can be suppressed and a decrease in energy conversion efficiency can be prevented.

特開2005−126792号公報JP 2005-126792 A

しかしながら、上記水電解装置101の場合、例えばアルカリ水電解では20〜30%程度の水酸化カリウム等の水溶液からなる電解液を使用するが、高温のアルカリ電解液は、多くのオーステナイト系ステンレス鋼に応力腐食割れを発生させる等の問題があった。そのため、通常のアルカリ水電解では、70〜90℃程度の電解槽を使用することになり、高温(通常、600℃以上)の水蒸気を電気分解するSOECと比較して、同じ電力で20〜30%程度少ない水素量しか製造できないという短所があった。   However, in the case of the water electrolysis apparatus 101, for example, in alkaline water electrolysis, an electrolytic solution composed of an aqueous solution of about 20 to 30% potassium hydroxide or the like is used, but a high-temperature alkaline electrolytic solution is applied to many austenitic stainless steels. There were problems such as the occurrence of stress corrosion cracking. Therefore, in ordinary alkaline water electrolysis, an electrolytic cell of about 70 to 90 ° C. is used, and compared with SOEC that electrolyzes high temperature (usually 600 ° C. or higher) water vapor, 20 to 30 at the same power. There was a disadvantage that only a small amount of hydrogen could be produced.

一方、SOECは、水電解セルより効率的に水素を製造できるという長所があるが、固体電解質にイットリウム等で修飾した酸化ジルコニウム等の薄膜が使用され、電解セルが薄いセラミックスで出来ている。そのため、起動停止や、急激な負荷変動(余剰電力の変動)に対して、電解セルの割れ等が生じやすいという短所があった。これに対して、水電解セルでは、耐久性に優れた隔膜や電極を使用することができ、起動停止や、急激な負荷変動(余剰電力の変動)に対して、強いという長所があった。   On the other hand, SOEC has an advantage that hydrogen can be produced more efficiently than a water electrolysis cell, but a thin film such as zirconium oxide modified with yttrium or the like is used as a solid electrolyte, and the electrolysis cell is made of a thin ceramic. For this reason, there has been a disadvantage that the electrolytic cell is easily cracked with respect to start / stop and sudden load fluctuations (surplus power fluctuations). On the other hand, the water electrolysis cell can use a diaphragm and an electrode excellent in durability, and has an advantage that it is strong against start / stop and sudden load fluctuation (surplus power fluctuation).

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. While taking advantage of each of the water electrolysis cell and the SOEC, hydrogen is efficiently and stably generated from the surplus power of the renewable energy power generation that is likely to fluctuate. An object of the present invention is to provide a hydrogen production system that can be produced.

上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造システムは、次のような構成を有している。
(1)太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電から供給される余剰電力によって水を電気分解して水素を製造する水電解セルと水蒸気を電気分解して水素を製造するSOECとを備えた水素製造システムであって、
前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記SOECには、前記安定電力を供給することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a hydrogen production system according to the present invention has the following configuration.
(1) A water electrolysis cell that electrolyzes water by surplus power supplied from renewable energy power generation such as solar power generation or wind power generation to produce hydrogen and an SOEC that electrolyzes water vapor to produce hydrogen A hydrogen production system,
The power status of the surplus power is predicted in advance, and the surplus power that is actually supplied based on the predicted power status is between a stable power that maintains a substantially constant amount of power for a predetermined time and a predetermined time. Separated into unstable power that fluctuates,
The unstable power is supplied to the water electrolysis cell, and the stable power is supplied to the SOEC.

本発明においては、余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、水電解セルには、不安定電力を供給し、SOECには、安定電力を供給するので、安定電力が供給されるSOECによって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、SOECの起動停止や負荷変動を低減又は回避して電解セルの故障を抑制できる。一方、不安定電力が供給される水電解セルは、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。なお、水電解セルは、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。   In the present invention, the power status of surplus power is predicted in advance, and the surplus power actually supplied based on the predicted power status is maintained at a constant power and a predetermined time during which the power amount is maintained substantially constant for a predetermined time. In this case, the water electrolysis cell is supplied with unstable power and the SOEC is supplied with stable power. Therefore, the SOEC to which stable power is supplied While increasing the amount of hydrogen produced, it is possible to reduce or avoid the start / stop of SOEC and load fluctuations, thereby suppressing failure of the electrolysis cell. On the other hand, a water electrolysis cell to which unstable power is supplied reduces hydrogen production per electric power, but is resistant to starting and stopping and load fluctuations, and can stably produce hydrogen without failure. As a result, by utilizing the advantages of the water electrolysis cell and the SOEC, hydrogen can be efficiently and stably produced from surplus power of renewable energy power generation. The water electrolysis cell may be an alkaline water electrolysis cell or a solid polymer electrolysis cell.

よって、本発明によれば、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。   Therefore, according to the present invention, there is provided a hydrogen production system capable of efficiently and stably producing hydrogen from surplus power of renewable energy power generation that is likely to fluctuate while taking advantage of each of the water electrolysis cell and SOEC. can do.

(2)(1)に記載された水素製造システムにおいて、
前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする。
(2) In the hydrogen production system described in (1),
The renewable energy power generation is performed in a plurality of regions, and surplus power for each region is collected through a power system.

本発明においては、再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電の余剰電力は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力は、ならし効果で、安定電力を増加させ、不安定電力を減少させることができる。そのため、安定電力が供給されるSOECが製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。   In the present invention, renewable energy power generation is performed in a plurality of regions, and surplus power for each region is aggregated via the power system. Therefore, surplus power for renewable energy power generation in each region is determined by the weather conditions of each region, etc. However, the combined surplus power obtained by integrating these can increase the stable power and decrease the unstable power due to the smoothing effect. Therefore, it is possible to further increase the amount of hydrogen produced by SOEC supplied with stable power.

(3)(2)に記載された水素製造システムにおいて、
前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする。
(3) In the hydrogen production system described in (2),
Predicting the power status of the surplus power based on the weather information of each region, and predetermining a reference line for separating the stable power and the unstable power from the predicted power status every predetermined time Features.

本発明においては、各地域の気象情報に基づいて余剰電力の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力と不安定電力とを分離する基準線を所定時間ごとに予め決定するので、予測する余剰電力と実際に供給される余剰電力との乖離を低減して、SOECの起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力を最大化させることができる。すなわち、SOECへ供給する安定電力を、各地域の気象情報に基づいてSOECの運転許容範囲内で設定した所定時間毎に区切って分割し、安定電力と不安定電力とを分離する基準線を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。   In the present invention, the power situation of surplus power is predicted based on the weather information of each region, and a reference line for separating stable power and unstable power from the predicted power situation is determined in advance every predetermined time. Thus, the difference between the surplus power to be supplied and the surplus power that is actually supplied can be reduced, and the stable power can be maximized within the allowable operating range for the start / stop of the SOEC or load fluctuation. In other words, the stable power supplied to the SOEC is divided at predetermined intervals set within the allowable operating range of the SOEC based on the weather information of each region, and the reference line that separates the stable power and the unstable power is maximized. The limit can be raised. As a result, hydrogen can be produced more efficiently and stably from surplus power that varies depending on weather conditions.

(4)(3)に記載された水素製造システムにおいて、
前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記SOECへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする。
(4) In the hydrogen production system described in (3),
A power separation device that separates the stable power and the unstable power from the surplus power, supplies the separated stable power to the SOEC, and supplies the separated unstable power to the water electrolysis cell; and the power Another power supply device connected to the separation device,
The power output from the power supply device is supplemented to the power separation device as supplementary power to compensate for the shortage of power below the reference line in the stable power.

本発明においては、余剰電力から安定電力と不安定電力とを分離し、分離した安定電力をSOECへ供給し、分離した不安定電力を水電解セルへ供給する電力分離装置と、電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、電力供給装置から出力する電力を電力分離装置に補充電力として補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補うので、SOECの電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージをより一層低減してその故障を回避し、SOECが製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。   In the present invention, a power separation device that separates stable power and unstable power from surplus power, supplies the separated stable power to the SOEC, and supplies the separated unstable power to the water electrolysis cell, and the power separation device. And a power supply device connected thereto, and supplementing the power output from the power supply device as supplementary power to the power separation device to compensate for the shortage of power below the reference line in the stable power, so that the electrolytic cell of SOEC It is possible to further reduce the damage caused by power fluctuations to avoid the failure and increase the amount of hydrogen produced by SOEC more stably.

(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載された水素製造システムにおいて、
各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記SOECに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする。
(5) In the hydrogen production system described in any one of (1) to (4),
It has a heat storage device that stores various types of exhaust heat,
Water vapor supplied to the SOEC is heated by heat stored in the heat storage device.

本発明においては、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、蓄熱装置に蓄熱した熱によってSOECに供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをSOECに供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システムにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる。ここで、各種排熱には、本システムで製造された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の排熱、又はコージェネ排熱、工場排熱などが該当し、本システム内または本システム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。   In the present invention, a heat storage device that stores various types of exhaust heat is provided, and the steam that is supplied to the SOEC is heated by the heat stored in the heat storage device. Can be used effectively as a part or as a whole. Therefore, it is possible to efficiently and stably produce hydrogen from surplus power of renewable energy power generation while improving energy efficiency in the hydrogen production system. Here, various types of exhaust heat correspond to exhaust heat from solid oxide fuel cells (SOFCs) that generate electricity using hydrogen produced by this system, cogeneration exhaust heat, factory exhaust heat, etc. However, there is no particular limitation as long as it is exhaust heat that can be acquired from within the system or in the vicinity of the system.

本発明によれば、水電解セルとSOECにおけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システムを提供することができる。   According to the present invention, there is provided a hydrogen production system capable of efficiently and stably producing hydrogen from surplus power of renewable energy power generation that is likely to fluctuate, while taking advantage of each advantage of a water electrolysis cell and SOEC. Can do.

本実施形態に係る水素製造システムのシステム構成概念図である。It is a system configuration conceptual diagram of a hydrogen production system concerning this embodiment. 図1に示す水素製造システムにおいて、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図である。In the hydrogen production system shown in FIG. 1, it is the conceptual diagram which separated the surplus electric power actually supplied based on the estimated electric power situation into the stable electric power and the unstable electric power. 図1に示す制御装置の構成概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a configuration of a control device illustrated in FIG. 1. 図1に示す水素製造システムにおいて、異なる地域の余剰電力を電力分離装置に集約し、その合成余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図である。(A)は、地域Aにおける余剰電力量を示し、(B)は、地域Bにおける余剰電力量を示し、(C)は、地域Aにおける余剰電力量と地域Bにおける余剰電力量とを合成した合成余剰電力量を示す。In the hydrogen production system shown in FIG. 1, it is the conceptual diagram which concentrated the surplus electric power of a different area on the power separator, and isolate | separated the synthetic | combination surplus power into the stable electric power and the unstable electric power. (A) shows surplus power in region A, (B) shows surplus power in region B, and (C) combines surplus power in region A and surplus power in region B. Indicates the combined surplus power. 図1に示す水素製造システムにおいて、気象情報に基づいて電力分離装置からSOECへ供給する安定電力を、SOECの運転許容範囲内で時間毎に区切って分割した概念図である。In the hydrogen production system shown in FIG. 1, it is a conceptual diagram in which stable power supplied from the power separation device to the SOEC based on weather information is divided by time within the allowable operating range of the SOEC. 図1に示す水素製造システムにおいて、蓄電池に貯留した電力を電力分離装置に補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補った概念図である。In the hydrogen production system shown in FIG. 1, it is the conceptual diagram which supplemented the electric power stored in the storage battery to the power separator, and supplemented the shortage of the electric power which is less than the reference line in stable electric power. 図1に示す水素製造システムにおいて、各地域の気象情報に基づいて電力分離装置に集約する合成余剰電力を試算して、電力分離装置からSOECへ供給する安定電力をSOECの運転許容範囲内で調節するフローチャート図である。In the hydrogen production system shown in FIG. 1, the combined surplus power to be aggregated in the power separator is calculated based on the weather information of each region, and the stable power supplied from the power separator to the SOEC is adjusted within the allowable operating range of the SOEC. FIG. 図1に示す水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置とを追加したシステム構成概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a system configuration in which a solid oxide fuel cell and a heat storage device that stores exhaust heat of the solid oxide fuel cell are added to the hydrogen production system shown in FIG. 1. 特許文献1に記載された水素製造設備の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the hydrogen production facility described in patent document 1.

次に、本発明に係る実施形態である水素製造システムについて、図面を参照して詳細に説明する。以下に、本水素製造システムの構成を詳細に説明し、その動作方法について説明する。   Next, a hydrogen production system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, the structure of this hydrogen production system is demonstrated in detail, and the operating method is demonstrated.

<本水素製造システムの構成と動作方法>
本実施形態に係る水素製造システムの構成と動作方法を、図1〜図7を用いて説明する。図1に、本実施形態に係る水素製造システムのシステム構成概念図を示す。図2に、図1に示す水素製造システムにおいて、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。図3に、図1に示す制御装置の構成概念図を示す。図4に、図1に示す水素製造システムにおいて、異なる地域の余剰電力を電力分離装置に集約し、その合成余剰電力を安定電力と不安定電力とに分離した概念図を示す。(A)は、地域Aにおける余剰電力量を示し、(B)は、地域Bにおける余剰電力量を示し、(C)は、地域Aにおける余剰電力量と地域Bにおける余剰電力量とを合成した合成余剰電力量を示す。図5に、図1に示す水素製造システムにおいて、気象情報に基づいて電力分離装置からSOECへ供給する安定電力を、SOECの運転許容範囲内で時間毎に区切って分割した概念図を示す。図6に、図1に示す水素製造システムにおいて、蓄電池に貯留した電力を電力分離装置に補充して、安定電力における基準線を下回る電力の不足分を補った概念図を示す。図7に、図1に示す水素製造システムにおいて、各地域の気象情報に基づいて電力分離装置に集約する合成余剰電力を試算して、電力分離装置からSOECへ供給する安定電力をSOECの運転許容範囲内で調節するフローチャート図を示す。
<Configuration and operation method of this hydrogen production system>
The configuration and operation method of the hydrogen production system according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual diagram of a system configuration of a hydrogen production system according to the present embodiment. FIG. 2 is a conceptual diagram in which the surplus power actually supplied based on the predicted power situation is separated into stable power and unstable power in the hydrogen production system shown in FIG. FIG. 3 shows a conceptual diagram of the configuration of the control device shown in FIG. FIG. 4 shows a conceptual diagram in which the surplus power in different regions is collected in the power separation device and the combined surplus power is separated into stable power and unstable power in the hydrogen production system shown in FIG. (A) shows surplus power in region A, (B) shows surplus power in region B, and (C) combines surplus power in region A and surplus power in region B. Indicates the combined surplus power. FIG. 5 shows a conceptual diagram in which the stable power supplied from the power separation device to the SOEC based on the weather information is divided into time intervals within the allowable operating range of the SOEC in the hydrogen production system shown in FIG. FIG. 6 shows a conceptual diagram in the hydrogen production system shown in FIG. 1 in which power stored in the storage battery is supplemented to the power separation device to compensate for the shortage of power below the reference line in stable power. In the hydrogen production system shown in FIG. 1, in the hydrogen production system shown in FIG. 1, the surplus power to be aggregated in the power separator is calculated based on the weather information of each region, and the stable power supplied from the power separator to the SOEC is allowed to operate the SOEC. The flowchart figure which adjusts within the range is shown.

図1、図2、図3に示すように、本実施形態に係る水素製造システム10は、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電(SH)から供給される余剰電力(D)によって水を電気分解して水素を製造する水電解セル2と水蒸気を電気分解して水素を製造するSOEC3とを備えた水素製造システムであって、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力(D)を所定時間t0の間で電力量が略一定に維持される安定電力(D1)と所定時間t0の間で電力量が変動する不安定電力(D2)とに分離し、水電解セル2には、不安定電力(D2)を供給し、SOEC3には、安定電力(D1)を供給するように構成されている。   As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the hydrogen production system 10 according to this embodiment uses water generated by surplus power (D) supplied from renewable energy power generation (SH) such as solar power generation or wind power generation. A hydrogen production system comprising a water electrolysis cell 2 that electrolyzes hydrogen to produce hydrogen and an SOEC 3 that electrolyzes water vapor to produce hydrogen, predicting the power status of surplus power (D) in advance, The surplus power (D) that is actually supplied based on the predicted power status varies between the stable power (D1) in which the power amount is maintained substantially constant during the predetermined time t0 and the predetermined time t0. The power is separated into unstable power (D2), the unstable power (D2) is supplied to the water electrolysis cell 2, and the stable power (D1) is supplied to the SOEC3.

ここで、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測する方法は、後述する気象情報に基づく方法の他、前日又は前年同時期の実績データ等に基づく方法もある。また、実際に供給される余剰電力(D)の電力状況と予測した電力状況との間には、ある程度の誤差が生じ得るので、安定電力(D1)と不安定電力(D2)とを分離する基準線KLは、予測した電力状況の所定時間t0の間における下限値に基づいて設定することが好ましい。ただし、安定電力(D1)に微小な電力変動成分(不安定部分)が含まれる場合や、不安定電力(D2)に電力安定成分(安定部分)が含まれる場合がある。   Here, as a method for predicting the power status of surplus power (D) in advance, there is a method based on actual data of the previous day or the same period of the previous year as well as a method based on weather information described later. In addition, since a certain amount of error may occur between the power state of the surplus power (D) actually supplied and the predicted power state, the stable power (D1) and the unstable power (D2) are separated. The reference line KL is preferably set based on the lower limit value during the predetermined time t0 of the predicted power situation. However, the stable power (D1) may include a minute power fluctuation component (unstable part), or the unstable power (D2) may include a power stable component (stable part).

また、本水素製造システム10には、再生可能エネルギ発電(SH)から供給される余剰電力(D)を安定電力(D1)と不安定電力(D2)とに分離して不安定電力(D2)を水電解セル2へ供給し安定電力(D1)をSOEC3へ供給する電力分離装置1と、電力分離装置1と水電解セル2とSOEC3とをそれぞれ制御する制御装置7とを備えている。   Further, in the present hydrogen production system 10, surplus power (D) supplied from renewable energy power generation (SH) is separated into stable power (D1) and unstable power (D2), and unstable power (D2). Is supplied to the water electrolysis cell 2 and stable power (D1) is supplied to the SOEC 3, and a control device 7 is provided for controlling the power separation device 1, the water electrolysis cell 2, and the SOEC 3 respectively.

制御装置7は、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて電力分離装置1から安定電力(D1)をSOEC3へ供給するよう、例えば、以下の構成を備えている。すなわち、制御装置7には、図3に示すように、電力分離装置1から提供される現在又は過去の余剰電力情報における電圧と電流の波形を微小時間Δtで分割しそれぞれデジタル変換して瞬時電圧と瞬時電流を求め、それらを乗算した瞬時電力を求めるA/D変換部71と、A/D変換部71によって切り出された各瞬時電力の内、所定時間t0の間で最小値となる瞬時電力ΔDの振幅値d1を基準線KLとして記憶する記憶部72と、記憶部72に記憶された所定時間t0と基準線KLのデータに基づいて、電力系統4から実際に供給される余剰電力(D)を基準線KL未満の電力成分からなる安定電力(D1)と基準線KL以上の電力成分からなる不安定電力(D2)とに分離するように電力分離装置1に指示する運転指示部73とを備えている。   For example, the control device 7 has the following configuration so as to predict the power state of surplus power (D) in advance and supply stable power (D1) from the power separation device 1 to the SOEC 3 based on the predicted power state. ing. That is, as shown in FIG. 3, the control device 7 divides the voltage and current waveforms in the current or past surplus power information provided from the power separation device 1 by a minute time Δt and converts them into digital voltages, respectively, to instantaneous voltage A / D conversion unit 71 that obtains instantaneous current obtained by multiplying them and instantaneous power that is multiplied by them, and instantaneous power that becomes the minimum value within a predetermined time t0 among the instantaneous powers cut out by A / D conversion unit 71 The storage unit 72 that stores the amplitude value d1 of ΔD as the reference line KL, and the surplus power (D that is actually supplied from the power system 4 based on the data of the predetermined time t0 and the reference line KL stored in the storage unit 72) ) Is instructed to the power separating apparatus 1 to separate the stable power (D1) composed of power components less than the reference line KL into the unstable power (D2) composed of power components greater than the reference line KL; With ing.

そして、図1、図3に示すように、電力分離装置1は、運転指示部73の運転指示に基づいて、不安定電力(D2)を水電解セル2に供給し、安定電力(D1)をSOEC3に供給する。なお、制御装置7には、気象情報を分析する気象情報分析部74を備えている。また、記憶部72には、起動停止や負荷変動に対するSOEC3の運転許容範囲のデータ(例えば、負荷切換に対する最低時間間隔や許容負荷変動率など)と、電力系統4から電力分離装置1に供給される各地域の余剰電力(D)の過去の実績データとが、気象情報と共に記憶されている。   As shown in FIGS. 1 and 3, the power separation device 1 supplies unstable power (D2) to the water electrolysis cell 2 based on the operation instruction of the operation instruction unit 73, and supplies stable power (D1). Supply to SOEC3. The control device 7 includes a weather information analysis unit 74 that analyzes weather information. Further, the storage unit 72 is supplied with data of the allowable operation range of the SOEC 3 with respect to start / stop and load fluctuation (for example, the minimum time interval for load switching, the allowable load fluctuation rate, etc.) and the power system 4 to the power separation device 1. The past performance data of surplus power (D) in each area is stored together with weather information.

また、水電解セル2は、常温から80℃程度の水を電気分解する電解セルであって、アルカリ水電解セルでも固体高分子形電解セルでもよい。アルカリ水電解セルの場合には、例えば、電解液として20〜30%程度の水酸化カリウム水溶液を常温又は70〜80℃程度に加熱して使用し、また、多孔質材料等からなるセパレータとニッケル系材料等からなるアノード電極(陽極)とニッケル系又は鉄系材料等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、水電解セル2は、運転指示部73の運転指示に基づいて運転する。   The water electrolysis cell 2 is an electrolysis cell that electrolyzes water at room temperature to about 80 ° C., and may be an alkaline water electrolysis cell or a solid polymer electrolysis cell. In the case of an alkaline water electrolysis cell, for example, a 20-30% potassium hydroxide aqueous solution is used as an electrolytic solution heated to room temperature or 70-80 ° C., and a separator made of a porous material or the like and nickel An anode electrode (anode) made of a system material or the like and a cathode electrode (cathode) made of a nickel or iron material or the like can be used. The water electrolysis cell 2 operates based on the operation instruction from the operation instruction unit 73.

また、固体高分子形電解セルの場合には、例えば、純水を常温又は60〜80℃程度に加熱して使用し、パーフルオロカーボン樹脂系材料等からなる電解質膜と酸化イリジウム系材料等からなるアノード電極(陽極)と白金系材料等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、アノード電極(陽極)とカソード電極(陰極)との間に不安定電力(D2)を供給すると、陰極側で水が電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解液中又は電解質膜の内部を陽極側へ移動し電子を放出して酸素を生成する。   In the case of a polymer electrolyte cell, for example, pure water is heated to room temperature or about 60 to 80 ° C. and used, and consists of an electrolyte membrane made of a perfluorocarbon resin material and an iridium oxide material. An anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode) made of a platinum-based material or the like can be used. When unstable power (D2) is supplied between the anode electrode (anode) and the cathode electrode (cathode), water receives electrons on the cathode side to generate hydrogen. The oxide ions generated at that time move in the electrolytic solution or the inside of the electrolyte membrane to the anode side and emit electrons to generate oxygen.

また、SOEC3は、アルカリ水電解や固体高分子形電解と異なり、例えば、600〜800℃程度の高温に加熱された水蒸気を固体酸化物形電解質を用いて電気分解する電解セルである。また、SOEC3には、例えば、電解質膜として酸化物イオン電導体であるイットリウムで安定化した酸化ジルコニウム(YSZ)を使用し、ランタンストロンチウム酸化物等からなるアノード電極(陽極)とニッケルとYSZの複合体であるニッケルサーメット等からなるカソード電極(陰極)とを使用することができる。なお、アノード電極(陽極)とカソード電極(陰極)との間に安定電力(D1)を供給すると、陰極側に供給された水蒸気は電子を受けて水素を生成する。その時生成された酸化物イオンが電解質膜の内部を陽極側へ移動して電子を放出して酸素を生成する。   In addition, unlike alkaline water electrolysis and solid polymer electrolysis, SOEC3 is an electrolysis cell that electrolyzes water vapor heated to a high temperature of about 600 to 800 ° C. using a solid oxide electrolyte. In addition, in SOEC3, for example, zirconium oxide (YSZ) stabilized with yttrium oxide ion conductor is used as an electrolyte membrane, and an anode electrode (anode) made of lanthanum strontium oxide or the like and a composite of nickel and YSZ A cathode electrode (cathode) made of nickel cermet or the like, which is a body, can be used. When stable power (D1) is supplied between the anode electrode (anode) and the cathode electrode (cathode), the water vapor supplied to the cathode side receives electrons to generate hydrogen. The oxide ions generated at that time move inside the electrolyte membrane to the anode side and emit electrons to generate oxygen.

なお、SOEC3の運転は、運転指示部73の運転指示に基づいて行うが、高温の電気化学反応であるため、停止状態から起動して水素製造を行う定常状態に至るまでには数時間を要すること、電解セルの主材料であるセラミックスが熱サイクルの影響を受けやすいこと等の特殊性から、定期点検等で停止させる必要がある場合を除き、基本的に連続稼働させるのが好ましい。また、SOEC3を運転停止後に再起動させる際には、まず試運転として、商用系統からの電力をSOEC3に供給し、運転が安定した段階で、本水素製造システム10の本格稼働に移行させるのが好ましい。   The operation of the SOEC 3 is performed based on the operation instruction of the operation instruction unit 73. However, since it is a high-temperature electrochemical reaction, it takes several hours to start from a stop state and reach a steady state in which hydrogen production is performed. In view of the particularity that ceramics, which is the main material of the electrolysis cell, are easily affected by the thermal cycle, it is basically preferable to operate continuously, unless it is necessary to stop the operation by periodic inspection. Further, when the SOEC 3 is restarted after the operation is stopped, it is preferable to first supply electric power from the commercial system to the SOEC 3 as a trial operation, and shift to full-scale operation of the hydrogen production system 10 when the operation is stabilized. .

また、本水素製造システム10には、水電解セル2のカソード電極(陰極)で生成する水素とSOEC3のカソード電極(陰極)で生成する水素とを貯留する水素貯留装置5を備えている。水素貯留装置5の水素貯留方法には、例えば、水素を高圧気体の状態でタンク内に貯留する方法や、水素吸蔵合金(例えば、チタンマグネシウム、ニッケルマグネシウム等)に吸蔵させて貯留する方法などがある。   The hydrogen production system 10 further includes a hydrogen storage device 5 that stores hydrogen generated at the cathode electrode (cathode) of the water electrolysis cell 2 and hydrogen generated at the cathode electrode (cathode) of the SOEC 3. Examples of the hydrogen storage method of the hydrogen storage device 5 include a method of storing hydrogen in a tank in a high-pressure gas state, a method of storing hydrogen by storing it in a hydrogen storage alloy (for example, titanium magnesium, nickel magnesium, etc.), and the like. is there.

また、図1に示すように、再生可能エネルギ発電(SH)を複数の地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)において行い、各地域ごとの余剰電力(D)を電力系統4を介して電力分離装置1に集約するのが好ましい。例えば、図4に示すように、各地域(地域A、地域B)における再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(DA、DB)は、各地域の地理的条件や気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを電力分離装置1に集約した合成余剰電力(DC)は、ならし効果で、合成安定電力(D1C)を各地域の安定電力(D1A、D1B)の和より増加させることができ、また、合成不安定電力(D2C)を各地域の不安定電力(D2A、D2B)の和より減少させることができる。なお、電力系統4は、既設の送配電システムを利用できる。   In addition, as shown in FIG. 1, renewable energy power generation (SH) is performed in a plurality of regions (region A, region B, region C, region D, etc.), and surplus power (D) for each region is supplied to the power system 4. It is preferable that the power is separated into the power separation device 1 via For example, as shown in FIG. 4, the surplus power (DA, DB) of renewable energy power generation (SH) in each region (region A, region B) may vary depending on the geographical conditions, weather conditions, etc. of each region. Although there are many, the combined surplus power (DC) obtained by consolidating these into the power separation device 1 can increase the combined stable power (D1C) from the sum of the stable power (D1A, D1B) in each region due to the smoothing effect. In addition, the combined unstable power (D2C) can be reduced from the sum of unstable power (D2A, D2B) in each region. The power system 4 can use an existing power transmission / distribution system.

また、図1、図3、図5、図7に示すように、各地域の気象情報に基づいて余剰電力(D)の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を所定時間(t1、t2、t3、t4)ごとに予め決定するのが好ましい。例えば、図7に示すステップに従って、以下のように運転する。   In addition, as shown in FIGS. 1, 3, 5, and 7, the power status of surplus power (D) is predicted based on the weather information of each region, and the stable power (D11) and the unstabilized power (D11) are determined from the predicted power status. The reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) that separate the stable power (D21) are preferably determined in advance for each predetermined time (t1, t2, t3, t4). For example, according to the steps shown in FIG.

すなわち、第1ステップS1として、各地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)の気象情報をインターネット等を介して制御装置7の気象情報分析部74に入力する。ここで、気象情報は、再生可能エネルギ発電(SH)の種類によって異なるが、例えば、太陽光発電であれば、日照時間又は日照時間に関連する「晴れ、曇り、雨」などの情報が該当し、風力発電であれば、平均風速、風向などの情報が該当する。気象情報分析部74は、これらの気象情報を、再生可能エネルギ発電(SH)の発電量及び消費量と相関する指数に変換する。なお、各地域の気象情報を検出するセンサを、各地域の再生可能エネルギ発電設備に装着しても良い。   That is, as the first step S1, weather information of each region (region A, region B, region C, region D, etc.) is input to the weather information analysis unit 74 of the control device 7 via the Internet or the like. Here, the weather information differs depending on the type of renewable energy power generation (SH). For example, in the case of solar power generation, information such as “sunshine, cloudy, rain” related to sunshine hours or sunshine hours is applicable. In the case of wind power generation, information such as average wind speed and direction is applicable. The meteorological information analysis unit 74 converts the meteorological information into an index that correlates with the power generation amount and consumption amount of the renewable energy power generation (SH). A sensor for detecting weather information in each region may be attached to a renewable energy power generation facility in each region.

次に、第2ステップS2として、気象情報分析部74は、指数化した気象情報に基づいて各地域ごとの余剰電力(D)を過去の実績データから予測し、予測した各地域ごとの余剰電力を集約した合成余剰電力を試算する。また、第3ステップS3として、気象情報分析部74は、試算した合成余剰電力に対して、SOEC3の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力(D11)を最大とするように、所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を決定し、運転指示部73へ通知する。安定電力(D11)を略一定に維持する所定時間(t1、t2、t3、t4)は、SOEC3の負荷に比例する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)ごとに設定することができる。   Next, as a second step S2, the meteorological information analysis unit 74 predicts surplus power (D) for each region from past performance data based on the indexed weather information, and predicts surplus power for each region. Estimate the combined surplus power. Further, as the third step S3, the meteorological information analysis unit 74 sets a predetermined power so as to maximize the stable power (D11) within the allowable operating range with respect to the start / stop of the SOEC3 or the load fluctuation with respect to the calculated surplus power. Times (t1, t2, t3, t4) and reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) are determined and notified to the driving instruction unit 73. The predetermined time (t1, t2, t3, t4) for maintaining the stable power (D11) substantially constant can be set for each reference line (KL1, KL2, KL3, KL4) proportional to the load of the SOEC3.

次に、第4ステップS4として、運転指示部73は、安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを区別する所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を、電力分離装置1に指示すると共に、SOEC3と水電解セル2の運転を指示する。また、第5ステップS5として、電力分離装置1は、指示された所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)に基づいて、電力系統4から供給される余剰電力(D)を安定電力(D11)と不安定電力(D21)に分離し、安定電力(D11)をSOEC3へ供給し、不安定電力(D21)を水電解セル2へ供給する。また、SOEC3は安定電力によって水素を製造し、水電解セル2は不安定電力によって水素を製造する。   Next, as 4th step S4, the driving | operation instruction | indication part 73 and predetermined time (t1, t2, t3, t4) and the reference lines (KL1, KL2, and the like) which distinguish stable electric power (D11) and unstable electric power (D21). KL3 and KL4) are instructed to the power separation device 1 and the operation of the SOEC 3 and the water electrolysis cell 2 is instructed. Further, as the fifth step S5, the power separation device 1 is supplied from the power system 4 based on the designated predetermined time (t1, t2, t3, t4) and the reference line (KL1, KL2, KL3, KL4). The surplus power (D) is separated into stable power (D11) and unstable power (D21), stable power (D11) is supplied to the SOEC 3, and unstable power (D21) is supplied to the water electrolysis cell 2. The SOEC 3 produces hydrogen with stable power, and the water electrolysis cell 2 produces hydrogen with unstable power.

なお、SOEC3の運転は、基本的に事前の予測に従って所定時間の電力水準を決めて、決めた電力水準に対して一定運転させ、急激な負荷変動の弊害を回避させることが好ましい。したがって、図5に示すように、実際の余剰電力(D)の安定部分が、予測した基準線(KL3、KL4)を上回っている場合でも、電力分離装置1からSOEC3へ供給する安定電力(D11)を変更させることはない。この場合、基準線(KL3、KL4)を上回る安定部分を含む不安定電力(D21)は、原則として水電解セル2へ供給される。ただし、基準線(KL3、KL4)を上回る余剰電力(D)の一部又は全部は、後述する蓄電池6に供給しても良い。また、余剰電力(D)の安定部分を予測する所定時間(t1、t2、t3、t4)と基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)の見直しは、毎日行っても良いし、月又は季節ごとに行っても良い。   In the operation of the SOEC 3, it is preferable that the power level for a predetermined time is basically determined according to the prediction in advance and is made to operate at a constant level with respect to the determined power level so as to avoid the adverse effects of sudden load fluctuations. Therefore, as shown in FIG. 5, even when the stable portion of the actual surplus power (D) exceeds the predicted reference lines (KL3, KL4), the stable power (D11) supplied from the power separation device 1 to the SOEC 3 ) Is not changed. In this case, the unstable power (D21) including the stable portion exceeding the reference lines (KL3, KL4) is supplied to the water electrolysis cell 2 in principle. However, a part or all of the surplus power (D) exceeding the reference lines (KL3, KL4) may be supplied to the storage battery 6 described later. Further, the predetermined time (t1, t2, t3, t4) for predicting the stable portion of surplus power (D) and the reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) may be reviewed every day, month or season. You may go every time.

また、図1、図6に示すように、電力分離装置1には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池6が接続され、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うことが好ましい。蓄電池6に貯留した電力を電力分離装置1に補充させる指示は、制御装置7が行う。ここで、補充する電力の不足分は基準線KL5を下回る電力の不安定部分を意味するが、必ずしも、図6に示す余剰電力(D)の下限値近傍に限らない。例えば、図5に示す各基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)に対しても、余剰電力(D)の不安定部分が各基準線を下回らないよう、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充することが好ましい。なお、蓄電池6は、公知のリチウムイオン二次電池などを用いることができる。   As shown in FIG. 1 and FIG. 6, the power separation device 1 is connected to a storage battery 6 that can be charged and discharged as another power supply device, and the power stored in the storage battery 6 is supplemented with power (D3). It is preferable to supplement the power separation device 1 to compensate for the shortage of power below the reference line KL5 in the stable power (D12). The control device 7 gives an instruction to replenish the power separating device 1 with the power stored in the storage battery 6. Here, the shortage of power to be replenished means an unstable portion of power below the reference line KL5, but is not necessarily near the lower limit value of surplus power (D) shown in FIG. For example, for each reference line (KL1, KL2, KL3, KL4) shown in FIG. 5, the power stored in the storage battery 6 is supplemented so that the unstable portion of the surplus power (D) does not fall below each reference line. It is preferable to replenish the power separation device 1 as (D3). In addition, the storage battery 6 can use a well-known lithium ion secondary battery.

なお、制御装置7のA/D変換部71が、電力分離装置1から提供される余剰電力情報から実際の余剰電力(D)の変化を常時監視し、その余剰電力(D)の安定部分又は不安定部分が基準線KLを上回っているか、下回っているかを判定する。また、図5に示すように、余剰電力(D)の安定部分が基準線KL3、KL4を上回っている場合であって、蓄電池6の充電状況が充電上限以下のときには、A/D変換部71の判定を受けた運転指示部73が電力分離装置1に指示して、優先的に蓄電池6に対して電力供給させる。一方、蓄電池6に充電する必要がない場合には、制御装置7の運転指示部73は、基準線KL3、KL4を上回っている余剰電力(D)の安定部分を含む不安定電力(D21)を水電解セル2へ供給するように電力分離装置1に指示する。   In addition, the A / D conversion unit 71 of the control device 7 constantly monitors the change of the actual surplus power (D) from the surplus power information provided from the power separation device 1, and the stable portion of the surplus power (D) or It is determined whether the unstable part is above or below the reference line KL. As shown in FIG. 5, when the stable portion of the surplus power (D) exceeds the reference lines KL3 and KL4, and the charging state of the storage battery 6 is equal to or lower than the charging upper limit, the A / D conversion unit 71 The operation instructing unit 73 that has received the determination instructs the power separation device 1 to preferentially supply power to the storage battery 6. On the other hand, when it is not necessary to charge the storage battery 6, the operation instruction unit 73 of the control device 7 generates unstable power (D21) including a stable portion of surplus power (D) that exceeds the reference lines KL3 and KL4. The power separator 1 is instructed to supply the water electrolysis cell 2.

次に、本実施形態に係る他の水素製造システム10Bについて、図8を用いて説明する。図8に、図1に示す水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置とを追加したシステム構成概念図を示す。   Next, another hydrogen production system 10B according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a conceptual diagram of a system configuration in which a solid oxide fuel cell and a heat storage device for storing exhaust heat of the solid oxide fuel cell are added to the hydrogen production system shown in FIG.

図8に示すように、本他の水素製造システム10Bは、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置9を備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱することが好ましい。具体的には、前述した水素製造システム10に加えて、水素貯留装置5に貯留された水素を用いて発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)8と、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8の排熱を蓄熱する蓄熱装置9とを備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱するように構成してもよい。なお、前述した水素製造システム10と共通する構成については、同様の符号を付して、ここでは、その説明を割愛する。   As shown in FIG. 8, the other hydrogen production system 10 </ b> B preferably includes a heat storage device 9 that stores various types of exhaust heat, and heats the steam supplied to the SOEC 3 by the heat stored in the heat storage device 9. Specifically, in addition to the hydrogen production system 10 described above, a solid oxide fuel cell (SOFC) 8 that generates power using hydrogen stored in the hydrogen storage device 5, and a solid oxide type A heat storage device 9 that stores the exhaust heat of the fuel cell (SOFC) 8 may be provided, and steam supplied to the SOEC 3 may be heated by heat stored in the heat storage device 9. In addition, about the structure which is common in the hydrogen production system 10 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is omitted here.

すなわち、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8は、水素貯留装置5に貯留された水素を用いて発電すると、反応熱を発生させる。この反応熱を排熱として回収して蓄熱装置9に蓄熱させる。蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱することによって、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8が発電するときに生じる熱エネルギをSOEC3に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用でき、水素製造システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。   That is, the solid oxide fuel cell (SOFC) 8 generates reaction heat when it generates power using the hydrogen stored in the hydrogen storage device 5. This reaction heat is recovered as exhaust heat and stored in the heat storage device 9. By heating the water vapor supplied to the SOEC 3 by the heat stored in the heat storage device 9, the thermal energy generated when the solid oxide fuel cell (SOFC) 8 generates power is heated to supply the water vapor supplied to the SOEC 3. The energy efficiency of the entire hydrogen production system can be improved.

なお、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8と蓄熱装置9は、公知のものを使用することができる。また、各種排熱には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)8の排熱の他に、少なくとも水を120℃程度の水蒸気に変換できる熱量を有する排熱(例えば、コージェネ排熱、工場排熱など)が該当し、システム内またはシステム近傍から取得できる排熱であれば、特に制限される必要はない。   As the solid oxide fuel cell (SOFC) 8 and the heat storage device 9, known ones can be used. In addition to the exhaust heat of the solid oxide fuel cell (SOFC) 8, various exhaust heat includes exhaust heat (for example, cogeneration exhaust heat, factory exhaust heat, etc.) that can convert at least water into water vapor at about 120 ° C. If the exhaust heat can be acquired from within the system or the vicinity of the system, there is no particular limitation.

<作用効果>
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る水素製造システム10、10Bによれば、余剰電力(D)の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される余剰電力(D)を所定時間(t0〜t4)の間で電力量が略一定に維持される安定電力(D1、D11、D12)と所定時間(t0〜t4)の間で電力量が変動する不安定電力(D2、D21、D22)とに分離し、水電解セル2には、不安定電力(D2、D21、D22)を供給し、SOEC3には、安定電力(D1、D11、D12)を供給するので、安定電力(D1、D11、D12)が供給されるSOEC3によって電力当たりの水素製造量を増加させつつ、SOEC3の起動停止や負荷変動を回避して電解セル(SOEC3)の故障を抑制できる。一方、不安定電力(D2、D21、D22)が供給される水電解セル2は、電力当たりの水素製造量が減少するものの、起動停止や負荷変動に強いので、故障することなく安定して水素を製造できる。その結果、水電解セル2とSOEC3におけるそれぞれの長所を生かすことによって、再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる。
<Effect>
As described above in detail, according to the hydrogen production systems 10 and 10B according to the present embodiment, the power state of surplus power (D) is predicted in advance, and actually supplied based on the predicted power state. The amount of power fluctuates between the stable power (D1, D11, D12) in which the surplus power (D) is maintained substantially constant for a predetermined time (t0 to t4) and the predetermined time (t0 to t4). It is separated into unstable power (D2, D21, D22), unstable power (D2, D21, D22) is supplied to the water electrolysis cell 2, and stable power (D1, D11, D12) is supplied to the SOEC3. Since it is supplied, SOEC3 to which stable power (D1, D11, D12) is supplied increases the amount of hydrogen produced per electric power, while avoiding start-stop and load fluctuations of SOEC3 and suppressing failure of the electrolysis cell (SOEC3) it can. On the other hand, the water electrolysis cell 2 to which unstable power (D2, D21, D22) is supplied is resistant to start-up and load fluctuations, although the amount of hydrogen produced per electric power is reduced. Can be manufactured. As a result, hydrogen can be efficiently and stably produced from surplus power (D) of renewable energy power generation (SH) by taking advantage of the advantages of water electrolysis cell 2 and SOEC 3.

よって、本実施形態によれば、水電解セル2とSOEC3におけるそれぞれの長所を生かしつつ、変動しやすい再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる水素製造システム10、10Bを提供することができる。   Therefore, according to the present embodiment, hydrogen is efficiently and stably produced from surplus power (D) of renewable energy power (SH) that is likely to fluctuate, while taking advantage of each of the advantages of the water electrolysis cell 2 and the SOEC 3. A hydrogen production system 10, 10 </ b> B that can be provided can be provided.

また、本実施形態によれば、再生可能エネルギ発電(SH)を複数の地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)において行い、各地域ごとの余剰電力(D)を電力系統4を介して集約するので、各地域における再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)は、各地域の気象条件等によって異なる場合が多いが、これらを集約した合成余剰電力(DC)は、ならし効果で、安定電力(D1C)を増加させ、不安定電力(D2C)を減少させることができる。そのため、安定電力(D1C)が供給されるSOEC3が製造する水素製造量を、より一層増加させることができる。   Further, according to the present embodiment, renewable energy power generation (SH) is performed in a plurality of regions (region A, region B, region C, region D, etc.), and surplus power (D) for each region is supplied to the power grid 4. The surplus power (D) of renewable energy power generation (SH) in each region is often different depending on the weather conditions of each region, etc., but the combined surplus power (DC) that aggregates these is The leveling effect can increase the stable power (D1C) and decrease the unstable power (D2C). Therefore, the amount of hydrogen produced by the SOEC 3 to which the stable power (D1C) is supplied can be further increased.

また、本実施形態によれば、各地域(地域A、地域B、地域C、地域Dなど)の気象情報に基づいて余剰電力(D)の電力状況を予測し、予測した電力状況から安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を所定時間(t1、t2、t3、t4)ごとに予め決定するので、予測する余剰電力(D)と実際に供給される余剰電力(D)との乖離を低減して、SOEC3の起動停止又は負荷変動に対する運転許容範囲内で安定電力(D11)を最大化させることができる。すなわち、SOEC3へ供給する安定電力(D11)を、各地域の気象情報に基づいてSOEC3の運転許容範囲内で設定した所定時間(t1、t2、t3、t4)毎に区切って分割し、安定電力(D11)と不安定電力(D21)とを分離する基準線(KL1、KL2、KL3、KL4)を最大限上昇させることができる。その結果、気象条件によって変動する余剰電力(D)から、より一層効率的かつ安定して水素を製造することができる。   Further, according to the present embodiment, the power status of surplus power (D) is predicted based on the weather information of each region (region A, region B, region C, region D, etc.), and stable power is determined from the predicted power status. Since the reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) for separating (D11) and the unstable power (D21) are determined in advance for each predetermined time (t1, t2, t3, t4), the surplus power to be predicted (D ) And the surplus power (D) actually supplied can be reduced, and the stable power (D11) can be maximized within the allowable operating range with respect to the start / stop of the SOEC 3 or load fluctuation. That is, the stable power (D11) to be supplied to the SOEC 3 is divided and divided every predetermined time (t1, t2, t3, t4) set within the allowable operating range of the SOEC 3 based on the weather information of each region. The reference lines (KL1, KL2, KL3, KL4) that separate (D11) and the unstable power (D21) can be increased to the maximum. As a result, hydrogen can be produced more efficiently and stably from surplus power (D) that varies depending on weather conditions.

また、本実施形態によれば、余剰電力(D)から安定電力(D12)と不安定電力(D22)とを分離し、分離した安定電力(D12)をSOEC3へ供給し、分離した不安定電力(D22)を水電解セル2へ供給する電力分離装置1と、電力分離装置1に接続された他の電力供給装置6とを備え、電力供給装置6から出力する電力を電力分離装置1に補充電力(D3)として補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うので、SOEC3の電解セルなどに与える電力変動に伴うダメージを低減してその故障を回避し、SOEC3が製造する水素製造量を、より一層安定して増加させることができる。   Further, according to the present embodiment, the stable power (D12) and the unstable power (D22) are separated from the surplus power (D), the separated stable power (D12) is supplied to the SOEC 3, and the separated unstable power (D12) is supplied. The power separation device 1 that supplies (D22) to the water electrolysis cell 2 and another power supply device 6 connected to the power separation device 1 are provided, and the power separation device 1 is supplemented with the power output from the power supply device 6 Replenished as power (D3) to compensate for the shortage of power below the reference line KL5 in stable power (D12), thus reducing damage caused by power fluctuations to the electrolytic cell of SOEC3 and avoiding its failure, The amount of hydrogen produced by the SOEC 3 can be increased more stably.

また、本実施形態によれば、各種排熱を蓄熱する蓄熱装置9を備え、蓄熱装置9に蓄熱した熱によってSOEC3に供給する水蒸気を加熱するので、各種排熱エネルギをSOEC3に供給する水蒸気を加熱する熱エネルギの一部又は全部として有効利用できる。そのため、水素製造システム10Bにおけるエネルギ効率を高めつつ、再生可能エネルギ発電(SH)の余剰電力(D)から効率的かつ安定して水素を製造することができる。   Further, according to the present embodiment, the heat storage device 9 that stores various types of exhaust heat is provided, and the water vapor that is supplied to the SOEC 3 is heated by the heat stored in the heat storage device 9, so the water vapor that supplies various types of exhaust heat energy to the SOEC 3 is supplied. It can be effectively used as a part or all of the heat energy to be heated. Therefore, hydrogen can be efficiently and stably produced from surplus power (D) of renewable energy power generation (SH) while improving energy efficiency in the hydrogen production system 10B.

<変形例>
上述した実施形態は、本発明の要旨を変更しない範囲で変更することができる。例えば、本実施形態によれば、電力分離装置1には、他の電力供給装置として、充放電可能に形成された蓄電池6が接続され、蓄電池6に貯留した電力を補充電力(D3)として電力分離装置1に補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うように構成されている。しかしながら、電力分離装置1に補充電力(D3)を補充する装置は、必ずしも蓄電池6に限ることはなく、例えば、電力分離装置1には、他の発電設備が接続され、その発電設備が発電した電力を電力分離装置1に補充電力(D3)として補充して、安定電力(D12)における基準線KL5を下回る電力の不足分を補うように構成してもよい。
<Modification>
The embodiment described above can be changed without changing the gist of the present invention. For example, according to the present embodiment, the power separation device 1 is connected to the storage battery 6 that is configured to be chargeable / dischargeable as another power supply device, and the power stored in the storage battery 6 is used as supplementary power (D3). The separation device 1 is replenished to compensate for the shortage of power below the reference line KL5 in the stable power (D12). However, the device for replenishing supplementary power (D3) to the power separation device 1 is not necessarily limited to the storage battery 6. For example, another power generation facility is connected to the power separation device 1, and the power generation facility generates power. You may comprise so that electric power may be supplemented to the power separation apparatus 1 as supplementary electric power (D3), and the shortage of the electric power which is less than the reference line KL5 in stable electric power (D12) may be supplemented.

本発明は、例えば、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電の余剰電力から効率的に水素を製造する水素製造システムとして利用できる。   The present invention can be used, for example, as a hydrogen production system that efficiently produces hydrogen from surplus power of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation.

1 電力分離装置
2 水電解セル
3 SOEC
4 電力系統
5 水素貯留装置
6 蓄電池(他の電力供給装置)
7 制御装置
8 固体酸化物形燃料電池
9 蓄熱装置
10、10B 水素製造システム
D 余剰電力(余剰電力量)
DC 合成余剰電力(合成余剰電力量)
D1、D11、D12 安定電力
D2、D21、D22 不安定電力
D3 補充電力
SH 再生可能エネルギ発電
t0、t1、t2 所定時間
t3、t4 所定時間
1 Power separation device 2 Water electrolysis cell 3 SOEC
4 Power system 5 Hydrogen storage device 6 Storage battery (other power supply devices)
7 Control device 8 Solid oxide fuel cell 9 Heat storage device 10, 10B Hydrogen production system D Surplus power (surplus power)
DC combined surplus power (combined surplus power)
D1, D11, D12 Stable power D2, D21, D22 Unstable power D3 Replenishment power SH Renewable energy generation t0, t1, t2 Predetermined time t3, t4 Predetermined time

Claims (5)

太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギ発電から供給される余剰電力によって水を電気分解して水素を製造する水電解セルと水蒸気を電気分解して水素を製造するSOECとを備えた水素製造システムであって、
前記余剰電力の電力状況を事前に予測し、予測した電力状況に基づいて実際に供給される前記余剰電力を所定時間の間で電力量が略一定に維持される安定電力と所定時間の間で電力量が変動する不安定電力とに分離し、
前記水電解セルには、前記不安定電力を供給し、前記SOECには、前記安定電力を供給することを特徴とする水素製造システム。
Hydrogen production comprising a water electrolysis cell that electrolyzes water with surplus power supplied from renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation to produce hydrogen and SOEC that electrolyzes water vapor to produce hydrogen A system,
The power status of the surplus power is predicted in advance, and the surplus power that is actually supplied based on the predicted power status is between a stable power that maintains a substantially constant amount of power for a predetermined time and a predetermined time. Separated into unstable power that fluctuates,
The hydrogen production system, wherein the unstable power is supplied to the water electrolysis cell, and the stable power is supplied to the SOEC.
請求項1に記載された水素製造システムにおいて、
前記再生可能エネルギ発電を複数の地域において行い、各地域ごとの余剰電力を電力系統を介して集約することを特徴とする水素製造システム。
The hydrogen production system according to claim 1,
The hydrogen production system characterized in that the renewable energy power generation is performed in a plurality of regions, and surplus power for each region is collected through a power system.
請求項2に記載された水素製造システムにおいて、
前記各地域の気象情報に基づいて前記余剰電力の電力状況を予測し、予測した前記電力状況から前記安定電力と前記不安定電力とを分離する基準線を前記所定時間ごとに予め決定することを特徴とする水素製造システム。
In the hydrogen production system according to claim 2,
Predicting the power status of the surplus power based on the weather information of each region, and predetermining a reference line for separating the stable power and the unstable power from the predicted power status every predetermined time Characteristic hydrogen production system.
請求項3に記載された水素製造システムにおいて、
前記余剰電力から前記安定電力と前記不安定電力とを分離し、分離した前記安定電力を前記SOECへ供給し、分離した前記不安定電力を前記水電解セルへ供給する電力分離装置と、前記電力分離装置に接続された他の電力供給装置とを備え、
前記電力供給装置から出力する電力を前記電力分離装置に補充電力として補充して、前記安定電力における前記基準線を下回る電力の不足分を補うことを特徴とする水素製造システム。
In the hydrogen production system according to claim 3,
A power separation device that separates the stable power and the unstable power from the surplus power, supplies the separated stable power to the SOEC, and supplies the separated unstable power to the water electrolysis cell; and the power Another power supply device connected to the separation device,
A hydrogen production system, wherein the power output from the power supply device is supplemented to the power separation device as supplementary power to compensate for a shortage of power below the reference line in the stable power.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載された水素製造システムにおいて、
各種排熱を蓄熱する蓄熱装置を備え、
前記蓄熱装置に蓄熱した熱によって前記SOECに供給する水蒸気を加熱することを特徴とする水素製造システム。
In the hydrogen production system according to any one of claims 1 to 4,
It has a heat storage device that stores various types of exhaust heat,
A hydrogen production system, wherein water vapor supplied to the SOEC is heated by heat stored in the heat storage device.
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