JP2021181605A - Water electrolysis system, and control method of water electrolysis system - Google Patents

Water electrolysis system, and control method of water electrolysis system Download PDF

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Abstract

To provide a technique for improving durability of a water electrolysis stack in a water electrolysis system.SOLUTION: A water electrolysis system, which includes n (n is an integer of n≥1) solid polymer-type water electrolysis stacks, comprises: a power supply unit that can individually distribute an input power inputted from a power supply to each of the n water electrolysis stacks; and a control unit that chooses m (m is an integer of 1≤m≤n) water electrolysis stacks from among n water electrolysis stacks, and that, by controlling the power supply unit, supplies an electric power having an electric current of lower limit current value or greater to each of the m water electrolysis stacks. The lower limit current value is an electric current value in which an electric current efficiency of the water electrolysis stack is 98% or greater, and in which a total electric power efficiency, which is a product between a power supply efficiency of the power supply and an electric power efficiency of the water electrolysis stack, is maximum. The m is determined according to the input power, and is the maximum number in which the electric power with the lower limit current value can be supplied to each of the m water electrolysis stacks.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水電解システムに関する。 The present invention relates to a water electrolysis system.

水の電気分解によって水素と酸素を生成する水電解システムにおいて、従来、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）型水電解システムが知られている。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膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）が構成されるとともに、ＭＥＡの両側には、給電体が配設され水電解セルが形成される。複数の水電解セルを直列に積層して、水電解スタックが構成される。水電解システムにおいて、複数の水電解スタックを備える構成が提案されている。 In a water electrolysis system that produces hydrogen and oxygen by electrolysis of water, a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) type water electrolysis system has been conventionally known. Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly (hereinafter, also referred to as "MEA"), and feeding bodies are arranged on both sides of the MEA for water electrolysis. A cell is formed. A water electrolysis stack is formed by stacking a plurality of water electrolysis cells in series. In a water electrolysis system, a configuration including a plurality of water electrolysis stacks has been proposed.

水電解システムにおいて、水電解スタックに供給される電力源として、太陽光、水力、風力、波力、バイオマス、地熱などの再生可能エネルギー由来の電源（以下、「再生可能エネルギー源」とも呼ぶ）を用いることが検討されている。しかし、再生可能エネルギー源は、供給される電力量が大きく変動しやすいという問題がある。 In a water electrolysis system, as a power source supplied to the water electrolysis stack, a power source derived from renewable energy such as sunlight, hydraulic power, wind power, wave power, biomass, and geothermal power (hereinafter, also referred to as "renewable energy source") is used. It is being considered for use. However, renewable energy sources have a problem that the amount of electric power supplied is large and easily fluctuates.

この問題に対し、特許文献１には、複数の水電解スタックを備える水電解システムにおいて、再生可能エネルギー源等の電圧変動電源からの総電解電流を、各水電解スタックの効率ピーク電流で除算し、その整数値に１を加えた数のスタックに、均等に電流を分配することにより、電圧変動電源からの供給電力量に応じて良好な電解効率を得る技術が提案されている。 To solve this problem, Patent Document 1 describes that in a water electrolysis system including a plurality of water electrolysis stacks, the total electrolysis current from a voltage fluctuation power source such as a renewable energy source is divided by the efficiency peak current of each water electrolysis stack. , A technique has been proposed in which a good electrolytic efficiency is obtained according to the amount of power supplied from a voltage fluctuation power source by evenly distributing a current to a stack having a number obtained by adding 1 to the integer value.

また、特許文献２には、複数の電気分解セルを有する電気分解スタックを、複数のセグメントに電気的に分割し、作動させるセグメントを切替える技術が提案されている。 Further, Patent Document 2 proposes a technique for electrically dividing an electrolysis stack having a plurality of electrolysis cells into a plurality of segments and switching the segment to be operated.

特開２００７−０３１８１３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-031813 特許第６０５８２０５号明細書Japanese Patent No. 6058205

上述の再生可能エネルギー源等の電圧変動電源を、水電解スタックに用いた場合、発電電力が低いときは、水電解スタックに供給される電流が低電流になる。この時、特許文献１および特許文献２に記載の技術によって、複数の水電解スタックに、均等に電流を分配すると、作動する各水電解スタックに流れる電流が小さくなる。このような低電流条件では、酸素極への水素透過分の割合が酸素発生速度に対し大きくなる。また、このような低電流条件では、水素極への酸素透過も大きくなり、水素極内で比較的酸素濃度が高い状態が維持されることになる。水素および酸素が電解質膜を透過する現象は、一般に、「クロスリーク」とも言われている。クロスリークにより、触媒上で酸素と水とが反応すると、過酸化水素が発生し、電解質膜を分解することで、水電解スタックの劣化が生じる可能性がある。 When a voltage fluctuation power source such as the above-mentioned renewable energy source is used for the water electrolysis stack, when the generated power is low, the current supplied to the water electrolysis stack becomes low. At this time, if the current is evenly distributed to the plurality of water electrolysis stacks by the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the current flowing through each operating water electrolysis stack becomes smaller. Under such a low current condition, the ratio of the hydrogen permeation to the oxygen electrode becomes larger than the oxygen generation rate. Further, under such a low current condition, oxygen permeation to the hydrogen electrode is also increased, and a state in which the oxygen concentration is relatively high in the hydrogen electrode is maintained. The phenomenon of hydrogen and oxygen permeating the electrolyte membrane is also commonly referred to as "cross leak". When oxygen and water react on the catalyst due to cross leak, hydrogen peroxide is generated and decomposes the electrolyte membrane, which may cause deterioration of the water electrolysis stack.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水電解システムにおいて、水電解スタックの耐久性を向上させる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a technique for improving the durability of a water electrolysis stack in a water electrolysis system.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.

（１）本発明の一形態によれば、水電解システムが提供される。この水電解システムは、ｎ（ｎ≧１の整数）個の固体高分子型の水電解スタックを備える水電解システムであって、前記ｎ個の前記水電解スタックのそれぞれに対して、電源から入力される入力電力を、個別に分配可能な電力供給部と、前記ｎ個の水電解スタックのうち、ｍ（１≦ｍ≦ｎの整数）個の前記水電解スタックを選択し、前記電力供給部を制御して、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれへ、下限電流値以上の電流の電力を供給させる、制御部と、を備え、前記下限電流値は、前記水電解スタックの電流効率が９８％以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流値であり、前記ｍは、前記入力電力に応じて決定され、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値で電力を供給可能な最大数である。 (1) According to one embodiment of the present invention, a water electrolysis system is provided. This water electrolysis system is a water electrolysis system including n (an integer of n ≧ 1) solid polymer type water electrolysis stacks, and is input from a power source to each of the n water electrolysis stacks. A power supply unit capable of individually distributing the input power to be input and m (an integer of 1 ≦ m ≦ n) of the water electrolysis stacks among the n water electrolysis stacks are selected, and the power supply unit is selected. The lower limit current value is 98, the current efficiency of the water electrolysis stack is 98. % Or more, and the total power efficiency, which is the product of the power efficiency of the power supply and the power efficiency of the water electrolysis stack, is the maximum current value, and m is determined according to the input power. , The maximum number of powers that can be supplied to each of the m water electrolysis stacks at the lower limit current value.

この構成によれば、入力電力に応じて作動させる水電解スタックの数を決定することができる。そして、作動させる水電解スタックのそれぞれに、下限電流値以上の電流の電力を供給することができる。下限電流値を、いわゆるクロスリークの量を低減可能な電流範囲の内、総合電力効率が最大となるよう設定しているため、水電解スタックの耐久性を向上させると共に、水電解スタックの電力効率を適切にすることができる。例えば、入力電力が変動して、入力電力が小さい場合に、ｎ個の水電解スタックの全てに均等に電力を分配する場合と比較して、供給電力の低電流化を抑制することができ、低電流による電解質膜の劣化を抑制することができる。 According to this configuration, the number of water electrolysis stacks to be operated can be determined according to the input power. Then, electric power having a current equal to or higher than the lower limit current value can be supplied to each of the water electrolysis stacks to be operated. Since the lower limit current value is set so that the total power efficiency is maximized within the current range in which the amount of so-called cross leak can be reduced, the durability of the water electrolysis stack is improved and the power efficiency of the water electrolysis stack is improved. Can be made appropriate. For example, when the input power fluctuates and the input power is small, it is possible to suppress a reduction in the supply power as compared with the case where the power is evenly distributed to all n water electrolysis stacks. Deterioration of the electrolyte membrane due to low current can be suppressed.

（２）上記形態の水電解システムであって、前記下限電流値は、前記水電解スタックの電流効率が、９９％以上になるように決定されてもよい。このようにすると、作動させる水電解スタックにおけるクロスリークを、更に、抑制することができる。 (2) In the water electrolysis system of the above embodiment, the lower limit current value may be determined so that the current efficiency of the water electrolysis stack is 99% or more. In this way, cross-leakage in the activated water electrolysis stack can be further suppressed.

（３）上記形態の水電解システムであって、前記制御部は、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに前記下限電流値で電力を供給した場合の合計電力が前記入力電力より小さい場合、前記入力電力から前記合計電力を減じた残余の入力電力を、前記ｍ個の水電解スタックの１個以上に供給させてもよい。このようにすると、入力電力の全てを、ｍ個の水電解スタックに供給することができる。 (3) In the water electrolysis system of the above embodiment, when the control unit supplies power to each of the m water electrolysis stacks at the lower limit current value, the total power is smaller than the input power. The remaining input power obtained by subtracting the total power from the input power may be supplied to one or more of the m water electrolysis stacks. In this way, all of the input power can be supplied to the m water electrolysis stacks.

（４）上記形態の水電解システムであって、前記制御部は、前記残余の入力電力を均等に分配してもよい。このようにすると、入力電力がｍ個の水電解スタックに均等に供給される。このようにすると、制御を簡易化することができる。 (4) In the water electrolysis system of the above embodiment, the control unit may evenly distribute the residual input power. In this way, the input power is evenly supplied to the m water electrolysis stacks. By doing so, control can be simplified.

（５）上記形態の水電解システムであって、前記水電解スタックの抵抗値を計測する抵抗値計測装置と、前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、を、さらに備え、前記制御部は、前記抵抗値計測装置で計測された前記抵抗値、および前記温度計測装置で計測された前記温度を用いて、前記抵抗値の温度依存性を算出し、前記温度依存性に基づいて、前記抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、前記電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離し、前記可逆劣化及び／又は前記不可逆劣化の大きさに基づいて、前記水電解スタックを選択してもよい。このようにすると、電極触媒の劣化の程度に応じて、電力を供給する水電解スタックを選択することができる。そのため、例えば、劣化の程度が小さい水電解スタックを優先的に選択して、水電解スタックの作動に伴う電極触媒の劣化を平準化することができる。また、例えば、例えば、劣化の程度が大きい水電解スタックを優先的に選択して、水電解スタックの作動に伴う電極触媒の劣化を増進させて、劣化の程度が進んだ水電解スタックを交換、修理する等により、水電解システム全体の耐久性を向上させることができる。 (5) In the water electrolysis system of the above embodiment, the control is further provided with a resistance value measuring device for measuring the resistance value of the water electrolysis stack and a temperature measuring device for measuring the temperature of the water electrolysis stack. The unit calculates the temperature dependence of the resistance value using the resistance value measured by the resistance value measuring device and the temperature measured by the temperature measuring device, and based on the temperature dependence, the unit calculates the temperature dependence of the resistance value. The change in resistance value is separated into reversible deterioration due to oxidation of the electrode catalyst and irreversible deterioration due to elution of the electrode catalyst, and the water is based on the magnitude of the reversible deterioration and / or the irreversible deterioration. An electrolytic stack may be selected. In this way, the water electrolysis stack to be supplied with power can be selected according to the degree of deterioration of the electrode catalyst. Therefore, for example, the water electrolysis stack having a small degree of deterioration can be preferentially selected to level the deterioration of the electrode catalyst due to the operation of the water electrolysis stack. Further, for example, the water electrolysis stack having a large degree of deterioration is preferentially selected to promote the deterioration of the electrode catalyst due to the operation of the water electrolysis stack, and the water electrolysis stack having an advanced degree of deterioration is replaced. By repairing or the like, the durability of the entire water electrolysis system can be improved.

（６）上記形態の水電解システムであって、前記制御部は、前記水電解スタックの温度が前記水電解スタックの耐熱温度以下となるように、前記水電解スタックに電力を供給させてもよい。例えば、水電解スタックの総合電力効率の下限を定めることにより、水電解スタックの温度が水電解スタックの耐熱温度以下となるよう制御することができる。このようにしても、水電解スタックの耐久性を、向上させることができる。 (6) In the water electrolysis system of the above embodiment, the control unit may supply power to the water electrolysis stack so that the temperature of the water electrolysis stack is equal to or lower than the heat resistant temperature of the water electrolysis stack. .. For example, by setting the lower limit of the total power efficiency of the water electrolysis stack, the temperature of the water electrolysis stack can be controlled to be equal to or lower than the heat resistant temperature of the water electrolysis stack. Even in this way, the durability of the water electrolysis stack can be improved.

（７）上記形態の水電解システムであって、前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、前記水電解スタックの圧力を計測する圧力計測装置と、前記水電解スタックの温度および圧力の少なくともいずれか一方と、前記水電解スタックにおける水素透過量との関係を示す水素透過量情報が記憶される記憶部と、を、備え、前記制御部は、前記温度計測装置により計測された、作動中の前記水電解スタックの温度、および前記圧力計測装置により計測された、前記作動中の水電解スタックの圧力の少なくともいずれか一方と、前記水素透過量情報とを用いて、前記作動中の水電解スタックの水素透過量を予測し、予測された前記水素透過量を用いて前記下限電流値を補正してもよい。このようにすると、作動中の水電解スタック中の水素透過量を予測し、その結果を下限電流値に反映させることができるため、より適切に電力供給制御を行うことができ、水電解スタックの耐久性を向上させることができる。 (7) In the water electrolysis system of the above embodiment, the temperature measuring device for measuring the temperature of the water electrolysis stack, the pressure measuring device for measuring the pressure of the water electrolysis stack, and the temperature and pressure of the water electrolysis stack. At least one of them is provided with a storage unit for storing hydrogen permeation amount information indicating the relationship with the hydrogen permeation amount in the water electrolysis stack, and the control unit is operated as measured by the temperature measuring device. Using at least one of the temperature of the water electrolysis stack inside, the pressure of the water electrolysis stack in operation as measured by the pressure measuring device, and the hydrogen permeation amount information, the water in operation. The hydrogen permeation amount of the electrolytic stack may be predicted, and the lower limit current value may be corrected by using the predicted hydrogen permeation amount. By doing so, the amount of hydrogen permeation in the operating water electrolysis stack can be predicted and the result can be reflected in the lower limit current value, so that the power supply control can be performed more appropriately, and the water electrolysis stack can be used. Durability can be improved.

（８）上記形態の水電解システムであって、前記水電解スタックから排出される酸素が流れる流路上に設けられ、水素を検知する水素検知器を備え、前記制御部は、前記水素検知器による前記水素透過量の変化に応じて、前記水電解スタックに供給する電力の前記下限電流値を修正してもよい。このようにすると、作動中の水電解スタック中の水素透過量の実測値を用いて、下限電流値に反映させることができるため、より適切に電力供給制御を行うことができ、水電解スタックの耐久性を向上させることができる。 (8) The water electrolysis system of the above embodiment is provided on a flow path through which oxygen discharged from the water electrolysis stack flows, includes a hydrogen detector for detecting hydrogen, and the control unit is based on the hydrogen detector. The lower limit current value of the power supplied to the water electrolysis stack may be modified according to the change in the amount of hydrogen permeation. By doing so, the measured value of the hydrogen permeation amount in the operating water electrolysis stack can be reflected in the lower limit current value, so that the power supply control can be performed more appropriately, and the water electrolysis stack can be used. Durability can be improved.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水電解システムを備えるメタン製造システム、水電解システムを備える二酸化炭素回収システム、水電解システムを備える水素ステーション、水電解システムの制御方法、水電解方法、水電解システムの制御をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、コンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等などの形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various embodiments, for example, a methane production system including a water electrolysis system, a carbon dioxide recovery system including a water electrolysis system, a hydrogen station including a water electrolysis system, and a water electrolysis system. It can be realized in the form of a control method, a water electrolysis method, a computer program that causes a computer to control the water electrolysis system, a server device for distributing the computer program, a non-temporary storage medium that stores the computer program, and the like. can.

第１実施形態の水電解システムの構成を概念的に示す模式図である。It is a schematic diagram which conceptually shows the structure of the water electrolysis system of 1st Embodiment. 水電解セルの概略構成を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the water electrolysis cell conceptually. 制御部における供給電力制御の説明図である。It is explanatory drawing of the supply power control in a control part. 本実施形態の下限電流値の説明図である。It is explanatory drawing of the lower limit current value of this embodiment. 水電解セルにおける水素の発生量と透過量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amount of hydrogen generation and the amount of permeation in a water electrolysis cell. 水電解セルにおける水素の発生量と限界値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amount of hydrogen generation in a water electrolysis cell, and the limit value. 下限電流値と電流効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the lower limit current value and the current efficiency. 電流効率および電圧効率を示す図である。It is a figure which shows the current efficiency and voltage efficiency. 水電解スタックの電力効率と電源の電源効率を示す図である。It is a figure which shows the power efficiency of a water electrolysis stack and the power efficiency of a power source. 第２実施形態の下限電流値の説明図である。It is explanatory drawing of the lower limit current value of 2nd Embodiment. 第３実施形態の下限電流値の説明図である。It is explanatory drawing of the lower limit current value of 3rd Embodiment. 第４実施形態の電力効率下限値を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the power efficiency lower limit value of 4th Embodiment. 水素透過係数の事前測定を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the preliminary measurement of a hydrogen permeability coefficient. 水素透過量の圧力依存、水素透過係数の温度依存を示す図である。It is a figure which shows the pressure dependence of the hydrogen permeation amount, and the temperature dependence of a hydrogen permeation coefficient. 本実施形態の下限電流値の設定を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the setting of the lower limit current value of this embodiment. 水電解スタックの作動時間に伴う水素透過係数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the hydrogen permeability coefficient with the operation time of a water electrolysis stack.

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水電解システム１００の構成を概念的に示す模式図である。本実施形態の水電解システム１００では、４つの水電解スタック１０を備え、各水電解スタック１０において水を電気分解することで酸素と水素を生成する。水電解システム１００は、４個の水電解スタック１０と、４個の水電解スタック１０に電力を分配する電力供給部２０と、水電解システム１００の作動を制御する制御部３０と、４個の水電解スタック１０に対して水を供給可能な水供給部４０と、を備える。 <First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram conceptually showing the configuration of the water electrolysis system 100 of the first embodiment. The water electrolysis system 100 of the present embodiment includes four water electrolysis stacks 10 and generates oxygen and hydrogen by electrolyzing water in each water electrolysis stack 10. The water electrolysis system 100 includes four water electrolysis stacks 10, a power supply unit 20 that distributes power to the four water electrolysis stacks 10, a control unit 30 that controls the operation of the water electrolysis system 100, and four units. A water supply unit 40 capable of supplying water to the water electrolysis stack 10 is provided.

４個の水電解スタック１０を区別する場合には、それぞれ、第１水電解スタック１１、第２水電解スタック１２、第３水電解スタック１３、および第４水電解スタック１４と、呼ぶ。なお、水電解スタック１０の個数は、本実施形態に限定されず、目的に応じて、任意に設定することができる。 When distinguishing the four water electrolysis stacks 10, they are referred to as a first water electrolysis stack 11, a second water electrolysis stack 12, a third water electrolysis stack 13, and a fourth water electrolysis stack 14, respectively. The number of water electrolysis stacks 10 is not limited to this embodiment, and can be arbitrarily set according to the purpose.

水電解スタック１０は、高分子電解質膜を隔膜に用いた水電解セルが複数個積層されて形成される。
図２は、水電解セル１０Ｃの概略構成を概念的に示す説明図である。水電解セル１０Ｃは、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子電解質膜）型水電解セルであって、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）１を有する。ＭＥＡ１は、プロトン（Ｈ+）と水を通すことが可能な電解質膜１ａの両面に、水を分解し酸素とプロトン（水素イオン）を生成する酸素極１ｂと、水素イオンから水素を生成する水素極１ｃと、が接合されたものである。酸素極１ｂの表面には、金属メッシュ等から成る給電体５が配置され、ＭＥＡ１の酸素極１ｂ側には、ガスケット２を介してセパレータ４が配置されている。同様に、水素極１ｃの表面には、金属メッシュ等から成る給電体６が配置され、ＭＥＡ１の水素極１ｃ側には、ガスケット３を介してセパレータ４が配置されている。セパレータ４は、いわゆる、複極板である。 The water electrolysis stack 10 is formed by stacking a plurality of water electrolysis cells using a polyelectrolyte film as a diaphragm.
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing a schematic configuration of the water electrolysis cell 10C. The water electrolysis cell 10C is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) type water electrolysis cell, and has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 1. MEA1 has an oxygen electrode 1b that decomposes water to generate oxygen and protons (hydrogen ions) on both sides of an electrolyte membrane 1a that allows protons (H +) and water to pass through, and hydrogen that produces hydrogen from hydrogen ions. The pole 1c and the pole 1c are joined. A feeding body 5 made of a metal mesh or the like is arranged on the surface of the oxygen electrode 1b, and a separator 4 is arranged via a gasket 2 on the oxygen electrode 1b side of the MEA1. Similarly, a feeding body 6 made of a metal mesh or the like is arranged on the surface of the hydrogen electrode 1c, and a separator 4 is arranged via a gasket 3 on the hydrogen electrode 1c side of the MEA1. The separator 4 is a so-called multi-pole plate.

水電解セル１０Ｃの構造は、水電解が可能である限りにおいて、特に限定されない。例えば、水電解セル１０Ｃは、
（ａ）酸素極側及び水素極側の双方において、水を循環させる両極循環方式、
（ｂ）酸素極側のみ水を循環させる片側循環方式
のいずれであっても良い。 The structure of the water electrolysis cell 10C is not particularly limited as long as water electrolysis is possible. For example, the water electrolysis cell 10C is
(A) Bipolar circulation method in which water is circulated on both the oxygen electrode side and the hydrogen electrode side.
(B) Any one-sided circulation method in which water is circulated only on the oxygen electrode side may be used.

水電解セル１０Ｃでは、水供給部４０から酸素極側に水が供給されている状態において、電力が供給されると、酸素極１ｂにおいて水が電気分解され、酸素と水素イオンが生成される。生成された酸素は、電気分解されなかった水の一部とともに排出される。酸素極１ｂで生成された水素イオンは、水（随伴水）とともに、水素極側に移動し、水素極１ｃにおいて電子と結合することで水素になる。水素極１ｃにおいて生成された水素は、電解質膜を透過した透過水、および随伴水とともに排出される。 In the water electrolysis cell 10C, when water is supplied from the water supply unit 40 to the oxygen electrode side, water is electrolyzed at the oxygen electrode 1b to generate oxygen and hydrogen ions. The oxygen produced is discharged with some of the unelectrolyzed water. The hydrogen ions generated at the oxygen electrode 1b move to the hydrogen electrode side together with water (accompanying water) and combine with electrons at the hydrogen electrode 1c to become hydrogen. The hydrogen generated at the hydrogen electrode 1c is discharged together with the permeated water that has passed through the electrolyte membrane and the accompanying water.

図２に示すように、水素極１ｃで生成された水素が、水素極側と酸素極側との圧力差（水素極側の圧力が高い）および水素濃度差により、電解質膜１ａを透過して酸素極側に移動する場合がある。また、同様に、酸素極１ｂで生成された酸素が、水素極側と酸素極側との酸素濃度差により、水素極側に移動する場合がある。これを、「クロスリーク」とも言う。クロスリークは、低電流域で生じやすい。 As shown in FIG. 2, the hydrogen generated at the hydrogen electrode 1c permeates the electrolyte membrane 1a due to the pressure difference between the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side (the pressure on the hydrogen electrode side is high) and the hydrogen concentration difference. It may move to the oxygen electrode side. Similarly, the oxygen generated at the oxygen electrode 1b may move to the hydrogen electrode side due to the difference in oxygen concentration between the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side. This is also called "cross leak". Cross leaks are more likely to occur in the low current range.

電力供給部２０（図１）は、電源２００と接続されると共に、４個の水電解スタック１０のそれぞれと接続されている。電力供給部２０は、いわゆる、電力調整器を備え、電源２００から入力される入力電力を、４個の水電解スタック１０のそれぞれに対して、個別に分配する。 The power supply unit 20 (FIG. 1) is connected to the power supply 200 and is connected to each of the four water electrolysis stacks 10. The power supply unit 20 includes a so-called power regulator, and distributes the input power input from the power supply 200 individually to each of the four water electrolysis stacks 10.

制御部３０は、水電解システム１００全体の作動を制御する。また、電力供給部２０を制御して、水電解スタック１０へ電力を供給させる、電力供給制御を行う。電力供給制御では、電源２００からの電力を供給して作動させる水電解スタック１０の個数を決定し、決定した個数の水電解スタック１０に、電源２００から入力される入力電力を、分配する。電力供給制御については、後に詳述する。 The control unit 30 controls the operation of the entire water electrolysis system 100. Further, the power supply unit 20 is controlled to supply power to the water electrolysis stack 10, and power supply control is performed. In the power supply control, the number of water electrolysis stacks 10 to be operated by supplying the power from the power supply 200 is determined, and the input power input from the power supply 200 is distributed to the determined number of water electrolysis stacks 10. The power supply control will be described in detail later.

水供給部４０は、水電解スタック１０の酸素極１ｂに水を供給可能に構成されている。酸素極１ｂに供給される水は、電解の原料となる。水供給部４０の構造は、作動する水電解スタック１０（以下、「作動水電解スタック」）とも呼ぶ）に必要量の水を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。水電解スタック１０の酸素極１ｂに水を供給しても、電力が供給されない限り電解は行われない。そのため、水供給装置は、すべての水電解スタック１０に同時に水を供給するものでも良く、あるいは、作動する水電解スタック１０に選択的に水を供給するものでも良い。 The water supply unit 40 is configured to be able to supply water to the oxygen electrode 1b of the water electrolysis stack 10. The water supplied to the oxygen electrode 1b becomes a raw material for electrolysis. The structure of the water supply unit 40 is not particularly limited as long as it can supply a required amount of water to the working water electrolysis stack 10 (hereinafter, also referred to as “working water electrolysis stack”). Even if water is supplied to the oxygen electrode 1b of the water electrolysis stack 10, electrolysis is not performed unless electric power is supplied. Therefore, the water supply device may supply water to all the water electrolysis stacks 10 at the same time, or may selectively supply water to the operating water electrolysis stack 10.

なお、水電解システム１０は、水電解スタック１０の水素極１ｃに水を供給するための第２水供給部をさらに備えていても良い。電解中に水素極１ｃに水を供給すると、水素極１ｃの表面に吸着した水素ガスの脱離を促進させることができる。 The water electrolysis system 10 may further include a second water supply unit for supplying water to the hydrogen electrode 1c of the water electrolysis stack 10. When water is supplied to the hydrogen electrode 1c during electrolysis, the desorption of the hydrogen gas adsorbed on the surface of the hydrogen electrode 1c can be promoted.

電源２００は、水電解スタック１０に電力を供給する。本実施形態において、電源２００は、再生可能エネルギー源である。すなわち、電源２００に入力される入力電力は、比較的大きく変動する。電源２００の種類は、特に限定されず、商用電源であっても良い。 The power supply 200 supplies power to the water electrolysis stack 10. In this embodiment, the power source 200 is a renewable energy source. That is, the input power input to the power supply 200 fluctuates relatively greatly. The type of the power supply 200 is not particularly limited, and may be a commercial power supply.

図３は、制御部３０における供給電力制御の説明図である。図３の左側には、電力供給部２０に入力される入力電力の経時変化を示す。図３の右側には、入力電力の変動に対応する電力分配を示す。図に示す「ＩLOW」は、下限電流値（後述する）である。 FIG. 3 is an explanatory diagram of power supply control in the control unit 30. The left side of FIG. 3 shows the time course of the input power input to the power supply unit 20. The right side of FIG. 3 shows the power distribution corresponding to the fluctuation of the input power. “I LOW ” shown in the figure is a lower limit current value (described later).

上述の通り、電源２００は再生可能エネルギー源であり、発電量が変動するため、電力供給部２０に入力される入力電力は、図示するように変動する。本実施形態の制御部３０は、１個の水電解スタック１０に供給する電流が下限電流値ＩLOW以上になるように、作動水電解スタックの数を決定する。具体的には、入力電力から、下限電流値ＩLOWで電力を供給可能な水電解スタック１０の最大数を、作動させる水電解スタック１０の個数として決定し、決定した個数の水電解スタック１０に、入力電力を均等に分配する。すなわち、本実施形態の水電解システム１００において、水電解システム１００は、常に、下限電流値ＩLOW以上の電力で運転される。 As described above, since the power source 200 is a renewable energy source and the amount of power generation fluctuates, the input power input to the power supply unit 20 fluctuates as shown in the figure. The control unit 30 of the present embodiment determines the number of working water electrolysis stacks so that the current supplied to one water electrolysis stack 10 is equal to or greater than the lower limit current value I LOW. Specifically, the maximum number of water electrolysis stacks 10 capable of supplying power with the lower limit current value I LOW is determined from the input power as the number of water electrolysis stacks 10 to be operated, and the determined number of water electrolysis stacks 10 is used. , Distribute the input power evenly. That is, in the water electrolysis system 100 of the present embodiment, the water electrolysis system 100 is always operated with electric power of the lower limit current value I LOW or more.

図３に示す例では、時間＜１＞のとき、１個の水電解スタック１０に下限電流値ＩLOWで電力を供給すると、入力電力の残りが下限電流値ＩLOWより小さいため、制御部３０は、電力を供給する水電解スタック１０（作動水電解スタック）の個数を１個と決定し、入力電力の全てを第１水電解スタック１１（図１）のみに供給する。 In the example shown in FIG. 3, when power is supplied to one water electrolysis stack 10 at the lower limit current value I LOW at time <1>, the remaining input power is smaller than the lower limit current value I LOW , so that the control unit 30 Determines that the number of water electrolysis stacks 10 (working water electrolysis stacks) to be supplied with power is one, and supplies all of the input power to only the first water electrolysis stack 11 (FIG. 1).

時間＜２＞のとき、２個の水電解スタック１０に下限電流値ＩLOWで電力を供給すると、入力電力の残りが０のため、制御部３０は、作動水電解スタックの個数を２個と決定し、入力電力を、第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に、下限電流値ＩLOWで均等に分配する。 When the time <2>, when power is supplied to the two water electrolysis stacks 10 at the lower limit current value I LOW , the remaining input power is 0, so the control unit 30 sets the number of working water electrolysis stacks to two. Determined and the input power is evenly distributed to the first water electrolysis stack 11 and the second water electrolysis stack 12 at the lower limit current value I LOW.

時間＜３＞のとき、２個の水電解スタック１０に下限電流値ＩLOWで電力を供給すると、入力電力の残りが下限電流値ＩLOWより小さいため、制御部３０は、作動水電解スタックの個数を２個と決定する。そして、入力電力の残りを第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に均等に分配し、下限電流値ＩLOWと合わせて下限電流値ＩLOWより大きい電流密度で、第１水電解スタック１１と第２水電解スタック１２に均等に分配する。 When power is supplied to the two water electrolysis stacks 10 at the lower limit current value I LOW at time <3>, the remaining input power is smaller than the lower limit current value I LOW. Determine the number to be 2. Then, evenly distribute the remaining input power from the first water electrolysis stack 11 to the second water electrolysis stack 12, with the lower limit current value I LOW higher current densities combined with lower current value I LOW, the first water electrolysis stack Distribute evenly to 11 and the second water electrolysis stack 12.

時間＜４＞のとき、４個の水電解スタック１０に下限電流値ＩLOWで電力を供給しても、入力電力が余るため、制御部３０は、作動水電解スタックの個数を４個（すべて）と決定する。そして、入力電力の残りを４個の水電解スタック１０に均等に分配し、下限電流値ＩLOWと合わせて下限電流値ＩLOWより大きい電流密度で、４個の水電解スタック１０の全てに均等に分配する。 When the time <4>, even if power is supplied to the four water electrolysis stacks 10 at the lower limit current value I LOW , the input power remains, so the control unit 30 sets the number of the working water electrolysis stacks to four (all). ). Then, evenly distribute the remaining input power to the four water electrolysis stack 10, with the lower limit current value I LOW higher current densities combined with lower current value I LOW, equally to all four water electrolysis stack 10 Distribute to.

このように、本実施形態の水電解システム１００では、作動水電解スタックの個数に応じて水電解スタック１０を選択する際、第１水電解スタック１１から昇順に（数の小さいものから大きいものへ）選択する。 As described above, in the water electrolysis system 100 of the present embodiment, when the water electrolysis stack 10 is selected according to the number of working water electrolysis stacks, the first water electrolysis stack 11 is in ascending order (from the smallest number to the largest one). )select.

図４は、本実施形態の下限電流値ＩLOWの説明図である。図４では、水電解スタック１０における電流密度と総合電力効率との関係を、電解質膜１ａの膜厚みが互いに異なる４種類（１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１７５μｍ）の水電解セルについて図示している。ここで、総合電流効率は、水電解スタック１０の電力効率と電源２００の電源効率の積である（後述する）。本実施形態において、下限電流値ＩLOWより低い電流は、水電解スタック１０に供給されないため、図４では、各膜厚みについて、下限電流値ＩLOWより低い電流密度を、点線で図示している。図示するように、下限電流値は、電解質膜１ａの膜厚みによって異なる。膜厚みが２５μｍの電解質膜１ａを用いた場合について示すように、本実施形態の下限電流値ＩLOWは、総合電力効率が最大になる電流値ＩMより高い。膜厚みが１０μｍの場合も同様に、下限電流値ＩLOWは、総合電力効率が最大になる電流値より高い。膜厚みが５０μｍの電解質膜１ａを用いた場合は、下限電流値ＩLOWは、総合電力効率が最大になる電流値Ｉと、ほぼ一致している。膜厚みが１７５μｍの電解質膜１ａを用いた場合は、下限電流値ＩLOWは、ほぼ０であり、全電流域を利用することができる。本実施形態において、各膜厚について、作動水電解スタックの１個当たりの電流効率が９８％以上となり、かつ、電源２００の電源効率と、作動水電解スタックの１個当たりの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流を、下限電流値ＩLOWとしている。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the lower limit current value I LOW of the present embodiment. FIG. 4 illustrates the relationship between the current density and the total power efficiency in the water electrolysis stack 10 for four types (10 μm, 25 μm, 50 μm, 175 μm) of water electrolysis cells having different film thicknesses of the electrolyte membrane 1a. Here, the total current efficiency is the product of the power efficiency of the water electrolysis stack 10 and the power efficiency of the power supply 200 (described later). In the present embodiment, the current lower than the lower limit current value I LOW is not supplied to the water electrolysis stack 10. Therefore, in FIG. 4, the current densities lower than the lower limit current value I LOW are shown by dotted lines for each film thickness. .. As shown in the figure, the lower limit current value differs depending on the film thickness of the electrolyte membrane 1a. As it is shown for the case where the film thickness using the electrolyte membrane 1a in 25 [mu] m, the lower limit current value I LOW of the present embodiment is higher than the current value I M that overall power efficiency is maximized. Similarly, when the film thickness is 10 μm, the lower limit current value I LOW is higher than the current value at which the total power efficiency is maximized. When the electrolyte membrane 1a having a membrane thickness of 50 μm is used, the lower limit current value I LOW substantially coincides with the current value I that maximizes the total power efficiency. When the electrolyte membrane 1a having a membrane thickness of 175 μm is used, the lower limit current value I LOW is almost 0, and the entire current range can be used. In the present embodiment, for each film thickness, the current efficiency per working water electrolysis stack is 98% or more, and the power efficiency of the power supply 200 and the power efficiency per working water electrolysis stack are as follows. The current that maximizes the total power efficiency, which is the product, is defined as the lower limit current value I LOW .

下限電流値ＩLOWの決定方法について、図４〜図９を用いて説明する。図４〜図９は、７気圧時を図示している。
図５は、水電解セル１０Ｃにおける水素の発生量と透過量の関係を示す図である。図６は、水電解セル１０Ｃにおける水素の発生量と限界値の関係を示す図である。図５、図６では、電解質膜１ａの膜厚みが互いに異なる５種類（１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１７５μｍ）の水電解セルについて図示している。本実施形態において、限界値として、酸素発生の４％を用いている。 The method of determining the lower limit current value I LOW will be described with reference to FIGS. 4 to 9. 4 to 9 show the time at 7 atm.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amount of hydrogen generated and the amount of permeation in the water electrolysis cell 10C. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the amount of hydrogen generated in the water electrolysis cell 10C and the limit value. 5 and 6 show five types (10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm, 175 μm) of water electrolytic cells having different membrane thicknesses of the electrolyte membrane 1a. In this embodiment, 4% of oxygen evolution is used as the limit value.

図５、図６に示すように、水素の透過量は、膜厚みに反比例する。これにかかる係数は透過係数と言われるもので材質や、温度の影響を受ける。一方、水素および酸素の発生量は、電流に応じて変わる。図６に示す限界値（二重線）は、上述の通り、酸素発生の４％を用いている。水素の爆発下限が、一般的に、酸素の４％と言われているためである。図６に矢印で示すように、限界値（二重線）より右側の電流密度で、水電解スタック１０を運転することにより、水素透過量を酸素発生量の４％以内に抑制することができ、安全に運転することができる。 As shown in FIGS. 5 and 6, the amount of hydrogen permeated is inversely proportional to the film thickness. The coefficient related to this is called the transmission coefficient and is affected by the material and temperature. On the other hand, the amount of hydrogen and oxygen generated varies depending on the current. As described above, 4% of oxygen evolution is used as the limit value (double line) shown in FIG. This is because the lower limit of hydrogen explosion is generally said to be 4% of oxygen. As shown by the arrow in FIG. 6, by operating the water electrolysis stack 10 at the current density on the right side of the limit value (double line), the amount of hydrogen permeation can be suppressed to within 4% of the amount of oxygen generated. , You can drive safely.

水素透過量は、使用する電解質膜の材質によって、異なる値が出たり、拘束状態によっても変わるので、予め、使用する水電解セル１０Ｃを用いて測定しておくことが望ましい。差圧法（ＪＩＳ Ｋ７１２６−１）や等圧法（ＪＩＳ Ｋ７１２６−２）などで測定することで情報を得ることができる。この方法で、予め、温度依存性や圧力依存性を計測し、把握しておくと作動環境が変わってもより精度高く、透過水素の見積りが可能となる。それにより、爆発限界以下となる電流条件を予め見積り可能となる。 Since the amount of hydrogen permeation varies depending on the material of the electrolyte membrane used and the restrained state, it is desirable to measure it in advance using the water electrolysis cell 10C to be used. Information can be obtained by measuring with a differential pressure method (JIS K7126-1) or an isobaric method (JIS K7126-2). By measuring and grasping the temperature dependence and the pressure dependence in advance by this method, it is possible to estimate the permeated hydrogen with higher accuracy even if the operating environment changes. This makes it possible to estimate in advance the current conditions below the explosion limit.

図７は、下限電流値ＩLOWと電流効率との関係を示す図である。上段の図は、図６の水素透過量と限界値との関係を示す図の横軸（電流密度）の範囲を広げたものである。下段の図は、限界値と電流効率との関係を示す図である。図７を用いて、水素透過を用いた電流効率、電力効率の算出を、具体的に説明する。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the lower limit current value I LOW and the current efficiency. The upper figure is an extension of the range of the horizontal axis (current density) of the figure showing the relationship between the hydrogen permeation amount and the limit value in FIG. The lower figure is a diagram showing the relationship between the limit value and the current efficiency. The calculation of current efficiency and power efficiency using hydrogen permeation will be specifically described with reference to FIG. 7.

通常の水電解反応は以下の反応がほぼ１００％の電流効率で起きる。
Ｈ2Ｏ → Ｈ2 ＋ １／２Ｏ2
例えば、発生した水素の１％の水素が電解質膜を透過して酸素極側に抜けてしまった場合、利用できる水素は発生した水素の９９％であり、これは電流効率が９９％で反応したことと等価である。発生した水素の２％の水素が透過した場合は、電流効率が９８％の場合と等価である。 In a normal water electrolysis reaction, the following reactions occur with a current efficiency of almost 100%.
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2
For example, if 1% of the generated hydrogen permeates the electrolyte membrane and escapes to the oxygen electrode side, the available hydrogen is 99% of the generated hydrogen, which reacts with a current efficiency of 99%. Is equivalent to that. When 2% of the generated hydrogen permeates, it is equivalent to the case where the current efficiency is 98%.

より具体的な例を挙げて説明する。１００ｃｃ／ｍｉｎで水素が発生する条件で、１ｃｃ／ｍｉｎのレートで水素が酸素極側に透過したとすると、使える水素は９９ｃｃ／ｍｉｎに限られる。また、この時、酸素極側では、５０ｃｃ／ｍｉｎの酸素が発生しているので、酸素極側の環境は、発生酸素５０ｃｃ／ｍｉｎ＋透過水素１ｃｃ／ｍｉｎという状況になる（発生酸素が、水素極側に透過していないと仮定した場合）。つまり、酸素極側は、約２％の水素濃度と言うことになる。正確には、１／（５０＋１）＝１．９６％である。 A more specific example will be given for explanation. Assuming that hydrogen permeates to the oxygen electrode side at a rate of 1 cc / min under the condition that hydrogen is generated at 100 cc / min, the usable hydrogen is limited to 99 cc / min. Further, at this time, since oxygen of 50 cc / min is generated on the oxygen electrode side, the environment on the oxygen electrode side is 50 cc / min of generated oxygen + 1 cc / min of permeated hydrogen (generated oxygen is hydrogen electrode). Assuming it is not transparent to the side). That is, the oxygen electrode side has a hydrogen concentration of about 2%. To be exact, 1 / (50 + 1) = 1.96%.

仮に、透過水素が２ｃｃ／ｍｉｎだとすると、使える水素は９８ｃｃ／ｍｉｎである。酸素極側の環境は、この時、発生酸素５０ｃｃ／ｍｉｎ＋透過水素２ｃｃ／ｍｉｎで、約４％の水素濃度ということになる。正確には、２／（５０＋２）＝３．８％である。すなわち、透過水素が２ｃｃ／ｍｉｎの場合には、水素濃度が、爆発下限（酸素の４％）にかなり近づいてしまう。 Assuming that the permeated hydrogen is 2 cc / min, the usable hydrogen is 98 cc / min. At this time, the environment on the oxygen electrode side is 50 cc / min of generated oxygen + 2 cc / min of permeated hydrogen, and the hydrogen concentration is about 4%. To be precise, 2 / (50 + 2) = 3.8%. That is, when the permeated hydrogen is 2 cc / min, the hydrogen concentration approaches the lower limit of explosion (4% of oxygen) considerably.

このように、透過水素分が電流効率でみてＡ％だけ落ちる分に匹敵するとき、対極（酸素極）での水素濃度は約２×Ａ％になる。逆の見方をすると、水素濃度が４％に達しないようにするためには、透過水素の分が電流効率で２．１％以下に抑制する必要がある。 In this way, when the permeated hydrogen content is comparable to the amount that drops by A% in terms of current efficiency, the hydrogen concentration at the counter electrode (oxygen electrode) is about 2 × A%. From the opposite point of view, in order to prevent the hydrogen concentration from reaching 4%, it is necessary to suppress the amount of permeated hydrogen to 2.1% or less in terms of current efficiency.

ここで、どのような運転環境で爆発限界に達するかは定性的には以下のような議論で説明できる。
（１）酸素発生側への水素透過量は、水素圧力に比例し、電流密度に依存しない。
（２）酸素発生量は、水素圧力に依存せず、電流密度に比例する。
上記（１）、（２）の理由により、
（３）低電流密度では、酸素発生量の割に、水素透過量が多い環境になる。
（４）高電流密度では、酸素発生量の割に、水素透過量が少ない環境になる。
上記（３）、（４）に述べたように、低電流密度ほど爆発下限に近づく可能性が高い。 Here, the driving environment in which the explosion limit is reached can be qualitatively explained by the following discussion.
(1) The amount of hydrogen permeated to the oxygen generating side is proportional to the hydrogen pressure and does not depend on the current density.
(2) The amount of oxygen generated does not depend on the hydrogen pressure and is proportional to the current density.
For the reasons (1) and (2) above,
(3) At a low current density, the environment has a large amount of hydrogen permeation for the amount of oxygen generated.
(4) At high current densities, the amount of hydrogen permeation is small for the amount of oxygen generated.
As described in (3) and (4) above, the lower the current density, the higher the possibility of approaching the lower limit of explosion.

図７の上段の図に示す限界値と水素透過量との交点が下限電流値ＩLOWであり、下段の図の破線と電流効率との交点に一致する。破線は電流効率が９８％のラインであり、電流効率が９８％以上となるように、水電解スタックへ電力を供給することにより、酸素極側における水素濃度を、爆発下限より低くすることができる。 The intersection of the limit value and the hydrogen permeation amount shown in the upper part of FIG. 7 is the lower limit current value I LOW , which coincides with the intersection of the broken line in the lower figure and the current efficiency. The broken line indicates the line with a current efficiency of 98%, and the hydrogen concentration on the oxygen electrode side can be made lower than the lower limit of the explosion by supplying electric power to the water electrolysis stack so that the current efficiency is 98% or more. ..

図８は、電流効率および電圧効率を示す図であり、図９は、水電解スタックの電力効率と電源の電源効率を示す図である。図８の上段に示す電流効率は、水素透過係数、膜厚、および圧力差から透過水素割合を導出し、電流効率に換算したものである。図９の上段に示す水電解スタックの電力効率は、図７に示す電流効率と電圧効率の積である。この水電解スタックの電力効率の図において、電流効率（図７上段）が９８％以下となる電流密度の範囲は、点線で図示している。本実施形態において、点線で示す電力効率では、水電解スタックを運転しない。なお、電流効率および電圧効率は、温度一定のモデルで試算しており、実システムでは低電流密度域は、低温なので電圧効率は下がる傾向（左側に垂れるイメージ）になる。 FIG. 8 is a diagram showing current efficiency and voltage efficiency, and FIG. 9 is a diagram showing power efficiency of a water electrolysis stack and power efficiency of a power source. The current efficiency shown in the upper part of FIG. 8 is obtained by deriving the permeation hydrogen ratio from the hydrogen permeability coefficient, the film thickness, and the pressure difference and converting it into the current efficiency. The power efficiency of the water electrolysis stack shown in the upper part of FIG. 9 is the product of the current efficiency and the voltage efficiency shown in FIG. 7. In the power efficiency diagram of this water electrolysis stack, the range of the current density at which the current efficiency (upper part of FIG. 7) is 98% or less is shown by a dotted line. In this embodiment, the water electrolysis stack is not operated at the power efficiency shown by the dotted line. The current efficiency and voltage efficiency are calculated using a model with a constant temperature. In the actual system, the low current density range is low temperature, so the voltage efficiency tends to decrease (image that hangs down to the left).

図９の下段には、電源の電源効率を示す。低電流密度では、整流用の部品や冷却ファン、制御用ＩＣなどによる損失の寄与が大きいため、電源効率が悪い。他方、高電流密度では、それらの寄与は小さくなるが、電源内の配線の太さや伝導度によっては抵抗損失が大きくなり、効率が低下する。 The lower part of FIG. 9 shows the power efficiency of the power supply. At low current densities, power efficiency is poor because the contribution of loss due to rectifying parts, cooling fans, control ICs, etc. is large. On the other hand, at high current densities, their contribution is small, but depending on the thickness and conductivity of the wiring in the power supply, the resistance loss becomes large and the efficiency decreases.

図９に示した水電解スタックの電力効率と電源の電力効率の積により、図４に示した総合電力効率が得られる。 The product of the power efficiency of the water electrolysis stack shown in FIG. 9 and the power efficiency of the power source gives the total power efficiency shown in FIG.

以上説明したように、本実施形態の水電解システム１００によれば、電源２００から入力される入力電力に応じて作動させる水電解スタック１０の数を決定することができる。そして、作動させる水電解スタックのそれぞれに、下限電流値ＩLOW以上の電流の電力を供給することができる。下限電流値ＩLOWを、水素透過量が酸素発生量の４％以内になるように設定しているため、酸素極側の水素濃度を水素の爆発下限以下に抑制することができ、水電解システム１００の安全性を向上させることができる。なお、ＰＥＭ型水電解スタックでは、水が潤沢にある環境であるため、水素濃度が４％を超えても、爆発する危険性は低いと言える。 As described above, according to the water electrolysis system 100 of the present embodiment, the number of water electrolysis stacks 10 to be operated can be determined according to the input power input from the power source 200. Then, electric power having a current equal to or higher than the lower limit current value I LOW can be supplied to each of the water electrolysis stacks to be operated. Since the lower limit current value I LOW is set so that the amount of hydrogen permeation is within 4% of the amount of oxygen generated, the hydrogen concentration on the oxygen electrode side can be suppressed to below the lower limit of hydrogen explosion, and the water electrolysis system. The safety of 100 can be improved. In the PEM type water electrolysis stack, since the environment is rich in water, it can be said that the risk of explosion is low even if the hydrogen concentration exceeds 4%.

また、水素透過量を抑制すると共に、酸素透過量を抑制することができるため、電解質膜１ａの劣化を抑制することができ、水電解スタック１０の耐久性を向上させることができる。例えば、入力電力が変動して、入力電力が小さい場合に、４個の水電解スタックの全てに均等に電力を分配する場合と比較して、供給電力の低電流化を抑制することができ、低電流による電解質膜の劣化を抑制することができる。 Further, since the amount of hydrogen permeation can be suppressed and the amount of oxygen permeation can be suppressed, deterioration of the electrolyte membrane 1a can be suppressed, and the durability of the water electrolysis stack 10 can be improved. For example, when the input power fluctuates and the input power is small, it is possible to suppress a reduction in the supply power as compared with the case where the power is evenly distributed to all four water electrolysis stacks. Deterioration of the electrolyte membrane due to low current can be suppressed.

ＰＥＭ型水電解セルにおいて、水電解性能向上等の要請により、電解質膜の薄型化が検討されている。従来より薄い電解質膜を用いた場合、クロスリークが発生しやすいため、本実施形態の水電解システム１００を適用すると、水電解スタック１０の耐久性を向上させることができ、より好適である。 In the PEM type water electrolysis cell, thinning of the electrolyte membrane is being studied in response to a request for improvement of water electrolysis performance and the like. When a thinner electrolyte film than before is used, cross-leakage is likely to occur. Therefore, when the water electrolysis system 100 of the present embodiment is applied, the durability of the water electrolysis stack 10 can be improved, which is more preferable.

また、本実施形態の水電解システム１００では、いわゆるクロスリークの量を低減可能な電流範囲の内、総合電力効率が最大となるよう設定しているため、水電解スタック１０の電力効率を適切にすることができる。すなわち、スタック効率と安全性を両立すると共に、さらにはスタックの耐久性向上も実現する。 Further, in the water electrolysis system 100 of the present embodiment, the total power efficiency is set to be the maximum within the current range in which the amount of so-called cross leak can be reduced, so that the power efficiency of the water electrolysis stack 10 is appropriately set. can do. That is, both stack efficiency and safety are achieved, and the durability of the stack is also improved.

＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態の下限電流値の説明図である。図１０は、第１実施形態の図４に対応する図であり、７気圧時の電流密度と総合電力効率との関係を、電解質膜の膜厚みが互いに異なる４種類（１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１７５μｍ）の水電解セルについて図示している。本実施形態では、水電解スタック１０の電流効率が９９％以上となるように供給可能電流域を定めた。図１０では、膜厚み１０μｍの水電解スタック１０について、本実施形態の下限電流値ＩLOW２と、第１実施形態の下限電流値ＩLOWを図示している。水素透過による酸素極側の水素濃度について、より安全をみて、発生酸素の２％になるように、供給電力を決定すると、図示するように、供給可能な電流範囲のうち低電流側が、第１実施形態よりもカットされ、作動可能な電流範囲が高電流側にくる（図１０において、矢印で図示）。換言すると、本実施形態では、下限電流値が第１実施形態より高い。例えば、電解質膜の膜厚みが１０μｍの場合、約３Ａ／ｃｍ2が下限電流値となる。 <Second Embodiment>
FIG. 10 is an explanatory diagram of the lower limit current value of the second embodiment. FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 4 of the first embodiment, and shows the relationship between the current density at 7 atm and the total power efficiency of four types (10 μm, 25 μm, 50 μm,) in which the thickness of the electrolyte membrane is different from each other. The water electrolysis cell of 175 μm) is illustrated. In the present embodiment, the supplyable current range is defined so that the current efficiency of the water electrolysis stack 10 is 99% or more. In Figure 10, the water electrolysis stack 10 of membrane thickness 10 [mu] m, the lower limit current value I LOW 2 of the present embodiment illustrates a lower current value I LOW in the first embodiment. When the power supply is determined so that the hydrogen concentration on the oxygen electrode side due to hydrogen permeation is 2% of the generated oxygen in view of safety, as shown in the figure, the low current side in the supplyable current range is the first. It is cut from the embodiment, and the operable current range is on the high current side (shown by an arrow in FIG. 10). In other words, in this embodiment, the lower limit current value is higher than that in the first embodiment. For example, when the membrane thickness of the electrolyte membrane is 10 μm, the lower limit current value is about 3 A / cm 2.

このようにすると、さらに、透過水素の量を低減させることができ、水電解システムの安全性を向上させることができる。同様に、透過酸素の量も低減させることができるため、電解質膜の劣化をさらに抑制することができ、水電解スタックの耐久性を、さらに向上させることができる。 By doing so, the amount of permeated hydrogen can be further reduced, and the safety of the water electrolysis system can be improved. Similarly, since the amount of permeated oxygen can be reduced, deterioration of the electrolyte membrane can be further suppressed, and the durability of the water electrolysis stack can be further improved.

＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の下限電流値の説明図である。図１１も、図４に対応する図である。本実施形態では、水電解スタック１０の電流効率が９９．５％以上となるように供給可能電流域を定めた。図１１では、膜厚み１０μｍの水電解スタック１０について、第２実施形態の下限電流値ＩLOW２と、第１実施形態の下限電流値ＩLOWを図示している。水素透過による酸素極側の水素濃度について、より安全をみて、酸素の１％になるように、供給電力を決定すると、図示するように、供給可能な電流範囲のうち低電流側が、第２実施形態よりも、さらにカットされ、供給可能な電流範囲がさらに高電流側にくる（図１１中矢印）。換言すると、本実施形態では、下限電流値が第２実施形態よりさらに高い。例えば、電解質膜の膜厚みが１０μｍの場合は、図１１に示す電流範囲より高い電流値が下限電流値となる。このようにすると、さらに、水電解システムの安全性および耐久性を向上させることができる。但し、供給可能な電流範囲が、より高電流側になるため、電解質膜の厚さによっては、第１、２実施形態のように、電流効率を９８％〜９９％程度にすると、水電解システムの安全性、耐久性とスタック効率が両立されるため、好ましい。 <Third Embodiment>
FIG. 11 is an explanatory diagram of the lower limit current value of the third embodiment. FIG. 11 is also a diagram corresponding to FIG. 4. In the present embodiment, the supplyable current range is defined so that the current efficiency of the water electrolysis stack 10 is 99.5% or more. In Figure 11, the water electrolysis stack 10 of membrane thickness 10 [mu] m, the lower limit current value I LOW 2 of the second embodiment illustrates a lower current value I LOW in the first embodiment. Regarding the hydrogen concentration on the oxygen electrode side due to hydrogen permeation, when the power supply is determined so that it is 1% of oxygen from the viewpoint of safety, as shown in the figure, the low current side in the supplyable current range is the second implementation. The current range that can be supplied by being further cut is closer to the higher current side than the form (arrow in FIG. 11). In other words, in the present embodiment, the lower limit current value is further higher than that in the second embodiment. For example, when the film thickness of the electrolyte membrane is 10 μm, a current value higher than the current range shown in FIG. 11 is the lower limit current value. In this way, the safety and durability of the water electrolysis system can be further improved. However, since the current range that can be supplied is on the higher current side, depending on the thickness of the electrolyte membrane, if the current efficiency is set to about 98% to 99% as in the first and second embodiments, the water electrolysis system It is preferable because it has both safety, durability and stack efficiency.

＜第４実施形態＞
図１２は、第４実施形態の電力効率下限値を示す説明図である。第４実施形態では、水電解スタック１０の電流効率９８％以上を使用可能域とし、図１２では、電流効率９８％未満の電力効率曲線を、点線で図示している。第４実施形態では、水電解スタックの総合電力効率の下限値を決定している。すなわち、下限値の総合電力効率が発現する電流密度より小さい電流密度で、あるいはその下限値の総合電力効率が発現するセル電圧より高い電圧で、水電解スタック１０が作動するように、電力を供給する。本実施形態では、総合電力効率の下限値を、熱負荷点（耐熱温度）を超えないように決定する。温度により許容できる熱負荷が異なるように設定するのが合理的であるためである。なぜなら、低温では発熱が大きくても材料の耐熱温度には達しにくいが高温で同等の発熱が起きると、材料の耐熱温度に達する可能性があるからである。よって、こうした環境の違いに応じて設定する。図１２では、電解質膜の膜厚みが５０μｍの熱負荷点と、それに対応する総合電力効率の下限値を図示している。 <Fourth Embodiment>
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the lower limit value of the power efficiency of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the current efficiency of the water electrolysis stack 10 is 98% or more as the usable range, and in FIG. 12, the power efficiency curve having a current efficiency of less than 98% is shown by a dotted line. In the fourth embodiment, the lower limit of the total power efficiency of the water electrolysis stack is determined. That is, power is supplied so that the water electrolysis stack 10 operates at a current density smaller than the current density at which the total power efficiency of the lower limit is expressed, or at a voltage higher than the cell voltage at which the total power efficiency of the lower limit is expressed. do. In the present embodiment, the lower limit of the total power efficiency is determined so as not to exceed the heat load point (heat resistant temperature). This is because it is rational to set the allowable heat load to differ depending on the temperature. This is because it is difficult to reach the heat resistant temperature of a material even if the heat generation is large at a low temperature, but if the same heat generation occurs at a high temperature, the heat resistant temperature of the material may be reached. Therefore, it is set according to the difference in such environment. FIG. 12 illustrates a heat load point where the thickness of the electrolyte membrane is 50 μm and a corresponding lower limit of the total power efficiency.

本実施形態では、水電解スタックの総合電力効率の下限値を、熱負荷点を超えないように定めて、水電解スタックへの供給電力を、決定している。このようにしても、水電解システムの耐久性を向上させることができる。 In the present embodiment, the lower limit of the total power efficiency of the water electrolysis stack is set so as not to exceed the heat load point, and the power supplied to the water electrolysis stack is determined. Even in this way, the durability of the water electrolysis system can be improved.

＜第５実施形態＞
図１３は、水素透過係数の事前測定を示すフローチャートである。図１４は、水素透過量の圧力依存、水素透過係数の温度依存を示す図である。
本実施形態では、水電解スタック１０に供給する電力の下限電流値の設定に用いられる酸素極中の水素濃度を、予め実験的に測定された水素透過量を用いて作成された推測水素濃度ｍａｐを用いて推測する。以下に、推測水素濃度ｍａｐの生成について、図１３、図１４を用いて説明する。 <Fifth Embodiment>
FIG. 13 is a flowchart showing the preliminary measurement of the hydrogen permeability coefficient. FIG. 14 is a diagram showing the pressure dependence of the hydrogen permeation amount and the temperature dependence of the hydrogen permeation coefficient.
In the present embodiment, the estimated hydrogen concentration map created by using the hydrogen permeation amount experimentally measured in advance for the hydrogen concentration in the oxygen electrode used for setting the lower limit current value of the power supplied to the water electrolysis stack 10. Guess using. Hereinafter, the generation of the estimated hydrogen concentration map will be described with reference to FIGS. 13 and 14.

水電解システムに、実際に用いる水電解セルを用いて、予め、実験的に水素透過係数を測定する。電解質膜の水素透過は、水電解セルの流路や給電体などの部材による拘束具合によっても変わるため、実際に用いる水電解セルを用いるのが好ましい。図１３に示すように、水素極側に水素、酸素極側に窒素を供給し、水素透過係数を測定する。酸素極を窒素とすることで、透過した水素が酸素と反応せずに計測できるため、真の透過量を求めることができる。すなわち、意図せず、酸素極触媒上で水素と酸素とが反応してしまい、透過量が過小評価されることを防ぐことができる。 The hydrogen permeability coefficient is measured experimentally in advance using a water electrolysis cell that is actually used in the water electrolysis system. Since the hydrogen permeation of the electrolyte membrane changes depending on the degree of restraint by the flow path of the water electrolysis cell and the degree of restraint by members such as the feeding body, it is preferable to use the water electrolysis cell actually used. As shown in FIG. 13, hydrogen is supplied to the hydrogen electrode side and nitrogen is supplied to the oxygen electrode side, and the hydrogen permeability coefficient is measured. By using nitrogen as the oxygen electrode, the permeated hydrogen can be measured without reacting with oxygen, so that the true permeation amount can be obtained. That is, it is possible to prevent hydrogen and oxygen from unintentionally reacting on the oxygen electrode catalyst and underestimating the permeation amount.

温度を固定し、圧力変えて水素透過係数を測定する。これを何水準か温度別に行うことにより、水素透過係数の圧力依存、温度依存を得ることができる。図１４の上段には、温度５０℃における水素透過量の圧力依存を示す。なお、このような図を、４０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃それぞれについて作成する。 The temperature is fixed, the pressure is changed, and the hydrogen permeability coefficient is measured. By doing this for each temperature at several levels, the pressure dependence and temperature dependence of the hydrogen permeability coefficient can be obtained. The upper part of FIG. 14 shows the pressure dependence of the amount of hydrogen permeation at a temperature of 50 ° C. It should be noted that such a figure is created for each of 40 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C, and 90 ° C.

圧力に比例する成分と依存しない成分があるが、差圧をかける運転において後者はほとんど無視できるので前者に注目する。圧力依存性の傾きが急なほど漏れ（水素透過）が大きい。この傾きから水素透過係数を算出する（図１４の上段の図）。その結果、図１４の下段の図に示すように、低温域では水素透過係数はほぼ一定であり、高温域では、若干低下する。これは、電解質膜の高分子の構造の変化が原因であり、高分子の含水率が上がり、ガスが通る隙間が小さくなる影響と考えられる。 There are components that are proportional to pressure and components that are not dependent on pressure, but the latter can be almost ignored in operations where differential pressure is applied, so pay attention to the former. The steeper the pressure-dependent slope, the greater the leakage (hydrogen permeation). The hydrogen permeability coefficient is calculated from this slope (upper part of FIG. 14). As a result, as shown in the lower figure of FIG. 14, the hydrogen permeability coefficient is almost constant in the low temperature region and slightly decreases in the high temperature region. This is thought to be due to a change in the structure of the polymer of the electrolyte membrane, which increases the water content of the polymer and reduces the gap through which the gas passes.

本実施形態では、上述の通り予め実験的に測定された水素透過係数を、水素透過量情報として、温度および圧力を関連付けて記憶させておく。そして、制御部３０は、水素透過量情報用いて、作動中の水電解セルの温度や圧力の値から水素透過量を予測し、作動中の酸素極側の水素濃度を求めて、推測水素濃度ｍａｐを用意する。制御部３０は、温度別に下限電流値に反映させる制御を実施する。このようにすると、簡易な制御で、比較的精度よく、下限電流値を決定することができる。 In the present embodiment, the hydrogen permeability coefficient measured experimentally in advance as described above is stored as hydrogen permeation amount information in association with temperature and pressure. Then, the control unit 30 predicts the hydrogen permeation amount from the temperature and pressure values of the water electrolysis cell during operation by using the hydrogen permeation amount information, obtains the hydrogen concentration on the oxygen electrode side during operation, and estimates the hydrogen concentration. Prepare map. The control unit 30 performs control to reflect the temperature in the lower limit current value. By doing so, the lower limit current value can be determined relatively accurately with simple control.

水素透過量情報は、水素透過係数に限定されず、他の実施形態では、水素透過量でもよいし、水素濃度でもよい。 The hydrogen permeation amount information is not limited to the hydrogen permeation coefficient, and in other embodiments, it may be a hydrogen permeation amount or a hydrogen concentration.

なお、水素透過が問題になるのは低電流域側である。低電流域側は低負荷で運転する領域であるため、発熱が少ない。よって、そもそも温度が低いので、温度域は７０℃以下とすると、図１４の下段の図に示すように、温度依存性はほぼないとみなすこともできる。そのため、他の実施形態では、簡単な制御にするために、温度依存を考慮しない制御にしてもよい。 It should be noted that hydrogen permeation becomes a problem on the low current region side. Since the low current region side is a region that operates with a low load, heat generation is small. Therefore, since the temperature is low in the first place, if the temperature range is 70 ° C. or lower, it can be considered that there is almost no temperature dependence as shown in the lower figure of FIG. Therefore, in another embodiment, the control may be performed without considering the temperature dependence in order to make the control simple.

＜第６実施形態＞
図１５は、本実施形態の下限電流値の設定を示すフローチャートである。図１６は、水電解スタックの作動時間に伴う水素透過係数の変化を示す図である。
図１６に示すように、水電解スタックで電解質劣化が起きると、作動時間に伴い、水素透過量が増加し、計算上は水素透過係数が増加するように見える。これは、電解質膜が化学的に劣化し薄くなることや、部分的な引きつれが起きること、ピンホールの形成が始まることが原因である。ここに挙げたような膜の変化は、外部からは観測できないため、水素透過係数の算出は膜厚みが変化しないと仮定して行うことになる。その結果、図１６に示すように、算出された水素透過係数が増加するように見える。このように、長時間の運転で水素透過係数が変わる可能性があることから、本実施形態では、水電解スタックの作動時間に伴う電解質膜の劣化に応じて、下限電流値を補正する。 <Sixth Embodiment>
FIG. 15 is a flowchart showing the setting of the lower limit current value of the present embodiment. FIG. 16 is a diagram showing changes in the hydrogen permeability coefficient with the operating time of the water electrolysis stack.
As shown in FIG. 16, when electrolyte deterioration occurs in the water electrolysis stack, the amount of hydrogen permeation increases with the operating time, and it seems that the hydrogen permeation coefficient increases in calculation. This is due to the fact that the electrolyte membrane is chemically deteriorated and thinned, partial twitching occurs, and the formation of pinholes begins. Since changes in the membrane as listed here cannot be observed from the outside, the hydrogen permeability coefficient is calculated on the assumption that the membrane thickness does not change. As a result, as shown in FIG. 16, the calculated hydrogen permeability coefficient appears to increase. As described above, since the hydrogen permeability coefficient may change due to long-term operation, in the present embodiment, the lower limit current value is corrected according to the deterioration of the electrolyte membrane with the operating time of the water electrolysis stack.

具体的には、本実施形態の水電解システムは、水素検知器を備え、水素検知器による検知結果（透過水素量）を用いて、下限電流値を補正する。水素検知器の検知は、システムの下流で評価するため、途中で水素と酸素が反応を起こし、過酸化水素や水が生成されると、水電解セルにおける水素透過量が低く見積もられてしまう。そのため、水素検知器による実測値の絶対値を使うという方法は望ましいとは言えない。そこで、本実施形態では、上記のように、電解質膜の種類に応じた電流設定にすることを基本とし、初期の水素透過量に対し、どの程度の水素透過量が増えたかの、増加率を電流設定に反映させる（図１５）。例えば、水素透過量から算出される水素透過係数が初期より２倍に増加していれば、その透過係数を元に、水電解スタックの電流効率が９８％以上となる電流条件を算出し、下限電流値を補正する。 Specifically, the water electrolysis system of the present embodiment is provided with a hydrogen detector, and the lower limit current value is corrected by using the detection result (permeated hydrogen amount) by the hydrogen detector. Since the detection of the hydrogen detector is evaluated downstream of the system, if hydrogen and oxygen react in the middle and hydrogen hydrogen or water is generated, the hydrogen permeation amount in the water electrolysis cell is underestimated. .. Therefore, it is not desirable to use the absolute value of the measured value by the hydrogen detector. Therefore, in the present embodiment, as described above, the current is basically set according to the type of the electrolyte membrane, and the increase rate of how much the hydrogen permeation amount has increased with respect to the initial hydrogen permeation amount is the current. Reflect in the settings (Fig. 15). For example, if the hydrogen permeation coefficient calculated from the amount of hydrogen permeation has doubled from the initial level, the current condition at which the current efficiency of the water electrolysis stack is 98% or more is calculated based on the permeation coefficient, and the lower limit is calculated. Correct the current value.

このようにすると、電解質膜の経時劣化が進み、水素透過が増えてきた場合、それに応じて、下限電流値を上げることができる。本実施形態によれば、水電解スタックの作動時間に伴う電解質膜の劣化に応じて、水電解スタックに供給する電力量を決定することができるため、電解質膜が劣化した場合にも、適切なスタック効率で運転させることができると共に、水電解システムの安全性と耐久性を向上させることができる。また、この方法によれば、複雑な演算等が不要となり、下限電流値の補正を簡便に実施することができる。 By doing so, when the deterioration of the electrolyte membrane with time progresses and the hydrogen permeation increases, the lower limit current value can be increased accordingly. According to the present embodiment, the amount of power supplied to the water electrolysis stack can be determined according to the deterioration of the electrolyte film with the operating time of the water electrolysis stack, so that it is appropriate even when the electrolyte film is deteriorated. It can be operated with stack efficiency, and the safety and durability of the water electrolysis system can be improved. Further, according to this method, complicated calculation and the like are not required, and the lower limit current value can be easily corrected.

＜第７実施形態＞
本実施形態の水電解システムは、第１実施形態の水電解システム１００の構成に加え、さらに、水電解スタック１０の抵抗値を計測する抵抗値計測装置（不図示）と、水電解スタック１０の温度を計測する温度計測装置（不図示）と、を、さらに備え、制御部は、抵抗値計測装置で計測された抵抗値、および温度計測装置で計測された温度を用いて、抵抗値の温度依存性を算出し、温度依存性に基づいて、抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離し、可逆劣化及び／又は不可逆劣化の大きさに基づいて、作動水電解スタックを選択する。 <7th Embodiment>
The water electrolysis system of the present embodiment includes a resistance value measuring device (not shown) for measuring the resistance value of the water electrolysis stack 10 and a water electrolysis stack 10 in addition to the configuration of the water electrolysis system 100 of the first embodiment. A temperature measuring device (not shown) for measuring the temperature is further provided, and the control unit uses the resistance value measured by the resistance value measuring device and the temperature measured by the temperature measuring device to measure the temperature of the resistance value. Dependency is calculated, and based on the temperature dependence, the change in resistance value is separated into reversible deterioration due to oxidation of the electrode catalyst and irreversible deterioration due to elution of the electrode catalyst, and reversible deterioration and / or irreversible deterioration. Select a working water electrolysis stack based on the size of.

［可逆劣化と不可逆劣化］
水電解スタック１０の抵抗値は、電解質膜のイオン抵抗成分、及び接触抵抗成分（例えば、電極触媒の劣化）に限定された情報であるため、例えば、触媒被毒等の影響を受けがたく、劣化状態を診断する指標として適している。なお、本発明において、「抵抗値」という時は、特に断らない限り、
（ａ）抵抗値計測装置により計測された狭義の抵抗値（Ω）、又は、
（ｂ）狭義の抵抗値（Ω）から算出される物性値であって、水電解システム１００の制御に適したもの（例えば、面積抵抗値（Ω・ｃｍ2）など）、
の双方を表す。 [Reversible deterioration and irreversible deterioration]
Since the resistance value of the water electrolysis stack 10 is information limited to the ion resistance component and the contact resistance component (for example, deterioration of the electrode catalyst) of the electrolyte membrane, it is not easily affected by, for example, catalyst poisoning. It is suitable as an index for diagnosing deterioration. In the present invention, the term "resistance value" is used unless otherwise specified.
(A) The resistance value (Ω) in the narrow sense measured by the resistance value measuring device, or
(B) A physical characteristic value calculated from a resistance value (Ω) in a narrow sense, which is suitable for controlling the water electrolysis system 100 (for example, an area resistance value (Ω · cm 2 ), etc.).
Represents both.

水電解スタック１０の抵抗値は、経時劣化により増加する。抵抗値の増分は、接触抵抗成分の増分と、イオン抵抗成分の増分に分けられる。「可逆劣化」とは、接触抵抗成分の増分をいう。「接触抵抗成分の増分」とは、電極触媒が酸化されることにより生じる抵抗値の増分をいう。可逆劣化は、温度依存性が殆どない。可逆劣化により性能が低下した水電解スタック１０は、再生処理により、ある程度性能を回復させることができる。 The resistance value of the water electrolysis stack 10 increases with aging. The increment of the resistance value is divided into an increment of the contact resistance component and an increment of the ion resistance component. "Reversible deterioration" refers to an increase in the contact resistance component. "Increment in contact resistance component" means an increase in resistance value caused by oxidation of the electrode catalyst. Reversible deterioration has almost no temperature dependence. The performance of the water electrolysis stack 10 whose performance has deteriorated due to reversible deterioration can be restored to some extent by a regeneration process.

一方、「不可逆劣化」とは、イオン抵抗成分の増分をいう。「イオン抵抗成分の増分」とは、電極触媒が溶出し、電解質膜のプロトンが触媒金属イオンでイオン交換されることにより生じる抵抗値の増分をいう。不可逆劣化は、温度依存性が強い。不可逆劣化により性能が低下したスタックは、再生処理による性能回復が期待できない。そのため、不可逆劣化が過度に進行した水電解スタック１０は、速やかに交換するのが好ましい。 On the other hand, "irreversible deterioration" means an increase in the ion resistance component. The "increment of the ion resistance component" means an increase in the resistance value caused by the elution of the electrode catalyst and the ion exchange of the protons of the electrolyte membrane with the catalyst metal ion. Irreversible deterioration is highly temperature dependent. A stack whose performance has deteriorated due to irreversible deterioration cannot be expected to recover its performance by regeneration processing. Therefore, it is preferable to promptly replace the water electrolysis stack 10 in which irreversible deterioration has progressed excessively.

制御部３０は、抵抗値計測装置及び温度計測装置で計測された抵抗値及び温度を用いて、抵抗値の温度依存性を算出し、算出した温度依存性に基づいて、抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離する。すなわち、温度依存性がほとんどない場合は可逆劣化に分類し、温度依存性が強い場合は不可逆劣化に分類する。そして、制御部３０は、可逆劣化及び／又は不可逆劣化の大きさに基づいて、作動水電解スタックを選択する。具体的には、本件出願人が出願済みの特願２０１８−２１９８０８に記載された方法により、選択する。 The control unit 30 calculates the temperature dependence of the resistance value using the resistance value and the temperature measured by the resistance value measuring device and the temperature measuring device, and changes the resistance value based on the calculated temperature dependence. It is separated into reversible deterioration caused by oxidation of the electrode catalyst and irreversible deterioration caused by elution of the electrode catalyst. That is, when there is almost no temperature dependence, it is classified as reversible deterioration, and when it is strongly temperature-dependent, it is classified as irreversible deterioration. Then, the control unit 30 selects the working water electrolysis stack based on the magnitude of the reversible deterioration and / or the irreversible deterioration. Specifically, the applicant selects by the method described in Japanese Patent Application No. 2018-219808, which has been filed by the applicant.

選択方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
（１）可逆劣化の程度が低いものを優先的に選択してもよい。この場合、水電解スタック１０が急激に劣化する可能性は低いので、相対的に長時間の連続運転を行うことができる。
（２）可逆劣化の程度が高いものをあえて選択してもよい。
（３）不可逆劣化の程度が高いものをあえて選択してもよい。 Specifically, there are the following methods as the selection method.
(1) Those having a low degree of reversible deterioration may be preferentially selected. In this case, since the possibility that the water electrolysis stack 10 is rapidly deteriorated is low, continuous operation for a relatively long time can be performed.
(2) You may dare to select one with a high degree of reversible deterioration.
(3) You may dare to select one with a high degree of irreversible deterioration.

このように、作動水電解スタックを選択すると、特定の水電解スタック１０のみが酷使されるのを回避することができる。また、各水電解スタック１０の作動期間が平準化されるので、水電解スタック１０の寿命が長くなり、水電解スタック１０の交換に要する費用の増加も抑制することができる。 Thus, by selecting the working water electrolysis stack, it is possible to avoid overuse of only the specific water electrolysis stack 10. Further, since the operating period of each water electrolysis stack 10 is leveled, the life of the water electrolysis stack 10 is extended, and the increase in the cost required for replacement of the water electrolysis stack 10 can be suppressed.

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 <Modified example of this embodiment>
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be carried out in various embodiments without departing from the gist thereof, and for example, the following modifications are also possible.

・上記実施形態において、入力電力に応じて選択された複数の水電解スタック１０に、均等に電力を分配する例を示したが、均等に分配されなくてもよい。選択された水電解スタックのそれぞれに下限電流値で電力を供給した場合の合計電力が入力電力より小さい場合、入力電力から合計電力を減じた残余の入力電力を、選択された水電解スタックの１個以上に供給させてもよい。また、残余の入力電力を、二次電池に供給させて貯蔵させてもよい。また、二次電池は、電力と水素の需給バランスが崩れた時等に、余剰電力を一時的に貯蔵してもよい。 -In the above embodiment, an example of evenly distributing the electric power to a plurality of water electrolysis stacks 10 selected according to the input electric power is shown, but the electric power may not be evenly distributed. If the total power when power is supplied to each of the selected water electrolysis stacks at the lower limit current value is smaller than the input power, the remaining input power obtained by subtracting the total power from the input power is set to 1 of the selected water electrolysis stack. It may be supplied to more than one. Further, the remaining input power may be supplied to the secondary battery and stored. Further, the secondary battery may temporarily store surplus electric power when the supply and demand balance between electric power and hydrogen is lost.

・水素透過量の求め方は、上記実施形態に限定されず、種々の方法で求めることができる。 -The method for obtaining the hydrogen permeation amount is not limited to the above embodiment, and can be obtained by various methods.

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although the present invention has been described above based on the embodiments and modifications, the embodiments of the above-described embodiments are for facilitating the understanding of the present invention and do not limit the present invention. The present invention may be modified or improved without departing from the spirit and claims, and the present invention includes an equivalent thereof. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it may be deleted as appropriate.

１…ＭＥＡ
１ａ…電解質膜
１ｂ…酸素極
１ｃ…水素極
２、３…ガスケット
４…セパレータ
５、６…給電体
１０…水電解システム
１０、１１、１２、１３、１４…水電解スタック
１０Ｃ…水電解セル
２０…電力供給部
３０…制御部
４０…水供給部
１００…水電解システム
２００…電源 1 ... MEA
1a ... Electrolyte film 1b ... Oxygen pole 1c ... Hydrogen pole 2, 3 ... Gasket 4 ... Separator 5, 6 ... Feeding element 10 ... Water electrolysis system 10, 11, 12, 13, 14 ... Water electrolysis stack 10C ... Water electrolysis cell 20 … Power supply unit 30… Control unit 40… Water supply unit 100… Water electrolysis system 200… Power supply

Claims (9)

ｎ（ｎ≧１の整数）個の固体高分子型の水電解スタックを備える水電解システムであって、
前記ｎ個の前記水電解スタックのそれぞれに対して、電源から入力される入力電力を、個別に分配可能な電力供給部と、
前記ｎ個の水電解スタックのうち、ｍ（１≦ｍ≦ｎの整数）個の前記水電解スタックを選択し、前記電力供給部を制御して、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれへ、下限電流値以上の電流の電力を供給させる、制御部と、
を備え、
前記下限電流値は、
前記水電解スタックの電流効率が９８％以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる電流値であり、
前記ｍは、
前記入力電力に応じて決定され、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値で電力を供給可能な最大数である、
水電解システム。 A water electrolysis system including n (integer of n ≧ 1) solid polymer type water electrolysis stacks.
A power supply unit capable of individually distributing the input power input from the power supply to each of the n water electrolysis stacks.
Of the n water electrolysis stacks, m (an integer of 1 ≦ m ≦ n) of the water electrolysis stacks is selected, and the power supply unit is controlled to each of the m water electrolysis stacks. A control unit that supplies power with a current equal to or higher than the lower limit current value,
Equipped with
The lower limit current value is
It is a current value in which the current efficiency of the water electrolysis stack is 98% or more, and the total power efficiency, which is the product of the power efficiency of the power supply and the power efficiency of the water electrolysis stack, is maximized.
The m is
The maximum number of powers that can be supplied to each of the m water electrolysis stacks at the lower limit current value, which is determined according to the input power.
Water electrolysis system. 請求項１に記載の水電解システムであって、
前記下限電流値は、
前記水電解スタックの電流効率が、９９％以上になるように決定される、
水電解システム。 The water electrolysis system according to claim 1.
The lower limit current value is
The current efficiency of the water electrolysis stack is determined to be 99% or higher.
Water electrolysis system. 請求項１または請求項２に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに前記下限電流値で電力を供給した場合の合計電力が前記入力電力より小さい場合、前記入力電力から前記合計電力を減じた残余の入力電力を、前記ｍ個の水電解スタックの１個以上に供給させる、
水電解システム。 The water electrolysis system according to claim 1 or 2.
The control unit
When the total power when power is supplied to each of the m water electrolysis stacks at the lower limit current value is smaller than the input power, the remaining input power obtained by subtracting the total power from the input power is the m pieces. Supply to one or more of the water electrolysis stacks of
Water electrolysis system. 請求項３に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記残余の入力電力を均等に分配する、
水電解システム。 The water electrolysis system according to claim 3.
The control unit
Distribute the residual input power evenly,
Water electrolysis system. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックの抵抗値を計測する抵抗値計測装置と、
前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記抵抗値計測装置で計測された前記抵抗値、および前記温度計測装置で計測された前記温度を用いて、前記抵抗値の温度依存性を算出し、前記温度依存性に基づいて、前記抵抗値の変化を、電極触媒の酸化に起因する可逆劣化と、前記電極触媒の溶出に起因する不可逆劣化に分離し、前記可逆劣化及び／又は前記不可逆劣化の大きさに基づいて、前記水電解スタックを選択する、
水電解システム。 The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 4.
A resistance value measuring device for measuring the resistance value of the water electrolysis stack, and
A temperature measuring device that measures the temperature of the water electrolysis stack, and
To prepare further,
The control unit
The temperature dependence of the resistance value is calculated using the resistance value measured by the resistance value measuring device and the temperature measured by the temperature measuring device, and the resistance value is calculated based on the temperature dependence. The change in select,
Water electrolysis system. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記制御部は、
前記水電解スタックの温度が前記水電解スタックの耐熱温度以下となるように、前記水電解スタックに電力を供給させる、
水電解システム。 The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 5.
The control unit
Power is supplied to the water electrolysis stack so that the temperature of the water electrolysis stack is equal to or lower than the heat resistant temperature of the water electrolysis stack.
Water electrolysis system. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックの温度を計測する温度計測装置と、
前記水電解スタックの圧力を計測する圧力計測装置と、
前記水電解スタックの温度および圧力の少なくともいずれか一方と、前記水電解スタックにおける水素透過量との関係を示す水素透過量情報が記憶される記憶部と、を、備え、
前記制御部は、
前記温度計測装置により計測された、作動中の前記水電解スタックの温度、および前記圧力計測装置により計測された、前記作動中の水電解スタックの圧力の少なくともいずれか一方と、前記水素透過量情報とを用いて、前記作動中の水電解スタックの水素透過量を予測し、予測された前記水素透過量を用いて前記下限電流値を補正する、
水電解システム。 The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 6.
A temperature measuring device that measures the temperature of the water electrolysis stack, and
A pressure measuring device that measures the pressure of the water electrolysis stack,
A storage unit for storing hydrogen permeation amount information indicating a relationship between at least one of the temperature and pressure of the water electrolysis stack and the hydrogen permeation amount in the water electrolysis stack is provided.
The control unit
At least one of the temperature of the water electrolysis stack in operation measured by the temperature measuring device and the pressure of the water electrolysis stack in operation measured by the pressure measuring device, and the hydrogen permeation amount information. And, the hydrogen permeation amount of the water electrolysis stack during operation is predicted, and the lower limit current value is corrected by using the predicted hydrogen permeation amount.
Water electrolysis system. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水電解システムであって、
前記水電解スタックから排出される酸素が流れる流路上に設けられ、水素を検知する水素検知器を備え、
前記制御部は、
前記水素検知器による前記水素透過量の変化に応じて、前記水電解スタックに供給する電力の前記下限電流値を修正する、
水電解システム。 The water electrolysis system according to any one of claims 1 to 6.
It is provided on the flow path through which oxygen discharged from the water electrolysis stack flows, and is equipped with a hydrogen detector that detects hydrogen.
The control unit
The lower limit current value of the electric power supplied to the water electrolysis stack is corrected according to the change in the hydrogen permeation amount by the hydrogen detector.
Water electrolysis system. ｎ（ｎ≧１の整数）個の固体高分子型の水電解スタックを備える水電解システムの制御方法であって、
電源から入力される入力電力に応じて、前記水電解スタックの電流効率が９８％以上となり、かつ、前記電源の電源効率と、前記水電解スタックの電力効率と、の積である総合電力効率が最大となる下限電流値で電力を、均等に供給できる最大数を、ｍとして、前記ｎ個の前記水電解スタックから前記ｍ個の前記水電解スタックを選択し、前記ｍ個の水電解スタックのそれぞれに、前記下限電流値以上の電力量を供給させる、
水電解システムの制御方法。 A method for controlling a water electrolysis system including n (integer of n ≧ 1) solid polymer type water electrolysis stacks.
The current efficiency of the water electrolysis stack is 98% or more according to the input power input from the power supply, and the total power efficiency which is the product of the power efficiency of the power supply and the power efficiency of the water electrolysis stack is The m water electrolysis stacks are selected from the n water electrolysis stacks, and the m water electrolysis stacks of the m water electrolysis stacks are selected from the n water electrolysis stacks, where m is the maximum number of powers that can be evenly supplied at the maximum lower limit current value. Each is supplied with an amount of power equal to or higher than the lower limit current value.
How to control the water electrolysis system.
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