JP2023028092A - 水素製造システム、水素製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の水電解スタックを用いて水素を製造する水素製造システムにおいて、不具合スタックが発生した場合であっても、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる技術を提供する。【解決手段】本発明に係る水素製造システムは、前記不具合スタックの箇所、および、水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出した複数の水電解スタックの劣化予測に基づいて、前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の水電解スタックによって水素を製造する水素製造システムに関する。

水素エネルギーの普及に向け、水素価格の低減が求められている。水素価格を低減するためには、水素の製造に要するコストの低減が必要である。水素の製造は、例えば水の電気分解（以下、水電解と表記）などの方法により行われる。水素製造コストは設備コスト（ＣＡＰＥＸ：ｃａｐｉｔａｌ ｅｘｐｅｎｓｅ）と運用コスト（ＯＰＥＸ：ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｎｓｅ）に大別される。ＯＰＥＸは、水電解に用いる電力の調達コストやシステム保守コストなどからなる。ＣＡＰＥＸを低減するには、以下の取り組みが必要となる。

・設備価格の低減
・設備稼働率の向上（水素製造量の増加）
・設備の耐用年数の向上（設備償却費の低減）

近年、再生可能エネルギーを活用した水素製造が注目されているが、再生可能エネルギーの発電量は、風力や天候の影響で変動するので、水素製造設備の稼働率向上が課題となる。対策として、蓄電池により電力を平準化した上で水素を製造することが考えられるが、蓄電池の導入により設備価格が増大し、ＣＡＰＥＸ低減は困難となる。したがって、蓄電池を用いることなく、ＣＡＰＥＸを低減できる技術が求められる。

水素製造システムの耐用年数を向上させるためには、構成部品である水電解セルの劣化抑制が必要となる。水電解方式には、アルカリ電解、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）電解、ＡＥＭ（Ａｎｉｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）電解などの方式がある。以下ではＰＥＭ電解セルの劣化抑制について述べる。

水電解スタックの運転（起動停止）にともない、電解質膜が、温度・圧力・含水率の変動による膨張収縮を繰返す結果、拡散層を形成する繊維（カーボンやＴｉ）による電解質膜への突き刺しが発生する。これにより陽極・陰極間に微小な電流リークが生じる状態をマイクロショートと呼ぶ。マイクロショートが発生したまま水電解スタックの運転を続けると、リーク箇所での発熱、膜の焼損が進み、ピンホール形成（水やガスのリーク）に繋がる。下記特許文献１は、マイクロショートを検知するために、水電解スタックを個別停止して電圧電流特性を測定することにより、マイクロショートの有無を判定する技術を開示している。

下記特許文献２は、再生可能エネルギー（太陽光発電）の最大電力点（ＭＰＰ）に追従するために、複数の水電解スタックを直列接続したストリング（直列部）単位で動作をＯＮ／ＯＦＦし、さらにはストリング中の各スタックの動作をＯＮ／ＯＦＦすることを記載している。

下記特許文献３は、再生可能エネルギー（太陽光発電）からの供給電力量の変動に応じて、電力調整部４２が各水電解スタックの電力を個別調整することを記載している。同文献においては、水電解スタックの電解効率を最大化するように、入力電流を制御する。

下記非特許文献１～３は、水電解スタックに対して供給する電流密度と稼働時間を様々に変化させることによって、水電解スタックの劣化度がどのように変化するかについての検証結果を記載している。これら文献と本発明との間の関係については後述の実施形態において改めて説明する。

特願２０２１－０２３６６３は、本発明に関連する技術として、水電解スタックの動作状態をローテーションさせることにより、水電解スタックの劣化を抑制する技術を記載している。

特開２０２０－１９６９０６号公報 特表２０１６－５１８５１９号公報（特許第６０５８２０５号） 特開２００７－０３１８１３号公報（特許第４８４２５７７号）

C. Rakousky et al., J. Power Sources 342, 38 （2017）. S. French, "Lifetime investigation of PEM electrolyzers under realistic load profiles", PhD Thesis, Aalborg University (2018). C. Rakousky et al., Electrochimica Acta 278, 324 (2018).

特定の水電解スタックにおいて不具合が生じたとき、他の水電解スタックに対する影響を緩和する手法は、様々に考えられる。例えば特許文献２においてある水電解スタックに不具合が生じたと仮定する。このとき、水電解システムへの入力電力を１ストリング分減少した上で、不具合スタックを含むストリングをＯＦＦすれば、他ストリングの負荷増大や劣化を防止可能である。ただし、ＯＦＦしたストリング中の正常スタックの分だけ、水電解システムの稼働率を低下させることになる。これに代えて不具合スタックのみＯＦＦすることも考えられる。しかしこの場合、当該ストリングの中で１スタック分が短絡状態になるので、他のスタックに対して印加される電圧が上昇し、過負荷によるスタック劣化が進行する可能性がある。特許文献２においてはストリング毎に電圧調整する機構がないので、各スタックに対する印加電圧が上昇してスタック劣化を加速するからである。したがって単に不具合スタックをＯＦＦするのみでは、不具合対策として不十分であると考えられる。

特許文献３においてある水電解スタックに不具合が生じたと仮定する。特許文献２のように不具合スタックを個別にＯＦＦした上で、そのストリングに対する電力供給をＤＣ／ＤＣコンバータによって調整すれば、水電解システムを稼働継続できる。しかし特許文献２と同様に、他のスタックに対する負荷が増大することにより、スタック劣化が進行する可能性がある。特許文献２～３においては、スタック劣化を抑制するための具体的手法は十分考慮されていないからである。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、複数の水電解スタックを用いて水素を製造する水素製造システムにおいて、不具合スタックが発生した場合であっても、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る水素製造システムは、前記不具合スタックの箇所、および、水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出した複数の水電解スタックの劣化予測に基づいて、前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御する。

本発明に係る水素製造システムによれば、不具合スタックが発生した場合であっても、水電解スタックの劣化を効果的に抑制することができる。

実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。 実施形態１における各水電解スタックへの電力供給を制御する手順を示す模式図である。 正常ストリングに対する電力供給を増加させる１例を示す。 水素製造システム１の別構成例を示す図である。 電力分配制御システム１４が提示するユーザインターフェースの例である。 実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。 スイッチ１５１に加えてダイオード１５２を備える構成例を示す。 実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。 実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る水素製造システム１の構成図である。水素製造システム１は、再生可能エネルギーや送配電系統が供給するＡＣ（交流）電力を用いて水素を製造するシステムである。水素製造システム１は、供給される電力を用いて水電解スタック１１を稼働させることにより、水素を製造する。水素製造システム１は、水電解スタック１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＡＣ／ＤＣ整流器１３、電力分配制御システム１４、不具合検知部３を備える。

水電解スタック１１は、水を電気分解することによって水素を製造する。図１においては、２つの水電解スタック１１が直列接続され、さらに２つの水電解スタック１１を１つのペアとして３つのペアが並列接続されている。水電解スタック１１が製造した水素は、輸送設備や貯蔵設備へ出力される。

ＡＣ／ＤＣ整流器１３は、水素製造システム１に対して供給される交流電力をＤＣ（直流）電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は水電解スタック１１に対して電力を供給することにより、水電解スタック１１の動作状態を制御する。

電力分配制御システム１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して動作指令を出力することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して水電解スタック１１の動作状態を制御する。電力分配制御システム１４は、稼働計画策定部１４１、スタック動作割当部１４２、電力分配指令部１４３、劣化特性データ管理部１４４、劣化率試算部１４５を備える。

稼働計画策定部１４１は、水電解スタック１１の稼働ローテーション計画を策定する。ここでいう稼働ローテーションとは、各水電解スタック１１の動作状態として、後述する稼働優先スタック／停止優先スタックのうちいずれかを割り当てる順番のことである。スタック動作割当部１４２は、稼働計画策定部１４１が策定した稼働ローテーション計画にしたがって、各水電解スタック１１の動作状態を決定する。電力分配指令部１４３は、水電解スタック１１がその動作状態にしたがって動作するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に対して電流指令値を与える。

劣化特性データ管理部１４４は、水電解スタック１１の劣化特性を記述した劣化特性データを保持している。稼働計画策定部１４１は、この劣化特性にしたがって稼働ローテーション計画を策定することができる。劣化率試算部１４５は、その計画にしたがって水電解スタック１１を稼働させたと仮定したときにおける各水電解スタック１１の劣化率を試算する。

水電解スタック１１（またはストリング）における「不具合」は、仕様通りの水素製造能力を発揮できないことを意味する。「劣化」は、不具合の原因の１例であり、運転時間の累積にともなって構成部材等が消耗または変質することである。一般的に、通常の使用方法で製品を使用し続けた場合、経年劣化が生じることは想定されている。「故障」も不具合の原因の１例であり、劣化として想定されていない事象を意味する。故障は経年的でなく突発的に発生することもある。本発明は、劣化・故障いずれに起因する不具合も対象として含むので、以下では両者を包含する用語として「不具合」を用いる。

図２は、本実施形態１における各水電解スタックへの電力供給を制御する手順を示す模式図である。複数の水電解スタック１１が直列接続されたものをストリング（直列部）と呼ぶことにする。電力分配制御システム１４は、不具合が発生した水電解スタック１１（不具合スタック）を含むストリング（不具合ストリング）に対する電力供給を、不具合発生前よりも減少させる。必ずしも電力供給を停止することが必須ではなく、少なくとも不具合発生前よりも電力供給を減少させればよい。

電力分配制御システム１４は、不具合ストリングに対する電力供給の減少分を、他のストリングに対する電力供給の増加によって補う。図２に示す例においては、第３ストリングにおいて不具合スタックが発生しているので、第１、第２、および第４ストリング（正常ストリング）に対する電力供給Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４を、不具合発生前よりも増加させる。ただし単純に電力供給を増加させると、水電解スタック１１の劣化を促進する可能性がある。そこで電力分配制御システム１４は、劣化特性にしたがって、水電解スタック１１の劣化をできるだけ抑制するように、各ストリング（さらには各水電解スタック１１）に対する電力供給量を調整する。

正常ストリングに対する電力供給の１例として、特願２０２１－０２３６６３が記載しているものと類似する稼働ローテーションを活用することにより、同一ストリングに対して大電流を長時間流さないように電力分配を制御することが考えられる。そこで以下では稼働ローテーションの例とその効果について説明する。

図３は、正常ストリングに対する電力供給を増加させる１例を示す。ここでは図２に示すように第３ストリングにおいて不具合スタックが発生したと仮定する。正常時（不具合発生前）において各ストリングは電流密度１．５Ａ／ｃｍ^２で動作していたものと仮定する。

分配方法（１）は、第３ストリングに対して供給していた電力を、第１、第２、第４ストリングに対して等分配するものである。不具合発生前において各ストリングに対して供給する電流密度は１．５Ａ／ｃｍ^２であったので、不具合発生後において各ストリングに対して供給する電流密度は２．０Ａ／ｃｍ^２となる。

分配方法（２）は、第３ストリングに対して供給していた電力を、第１、第２、第４ストリングの間で稼働ローテーションによって分配するものである。ある期間においていずれかのストリングが第３ストリングの電力を全て負担し、次の期間において別のストリングが第３ストリングの電力を全て負担し、といったローテーションを繰り返す。不具合発生後において各ストリングに対して供給する電流密度は、１．５または３．０Ａ／ｃｍ^２となる。電流密度１．５Ａ／ｃｍ^２は「少配分直列部」に相当し、３．０Ａ／ｃｍ^２は「多配分直列部」に相当する。

分配方法（３）は、分配方法（２）と同様にローテーションするが、分配方法（２）とは異なり、いずれか２以上のストリングが第３ストリングの電力を共同して負担するものである。ある期間にわたる負担の合計がストリング間で均等となるように、各時点における負担割合をローテーションによって分配する。この例においては、不具合発生後において各ストリングに対して供給する電流密度は、１．５、２．０、または２．５Ａ／ｃｍ^２となる。電流密度１．５Ａ／ｃｍ^２は「少配分直列部」に相当し、２．０または２．５Ａ／ｃｍ^２は「多配分直列部」に相当する。

いずれの分配方法を用いるかは、劣化特性にしたがって定めることができる。電力分配制御システム１４は、劣化特性に基づき、これらの電力分配を実行した場合の将来の劣化率を試算し、劣化率を最小化する分配パターンを選択する。以下では非特許文献１～３が記述している劣化特性データを例として、劣化率の試算例を説明する。

分配方法（１）のように、一定の電流密度（２．０Ａ／ｃｍ^２）を供給する場合については、１９４ｍＶ／ｈ（非特許文献１）、あるいは２６７ｍＶ／ｈ（非特許文献２）といった劣化率の数値が報告されている。劣化率は電圧上昇率と等価であり、電圧上昇率が高いほど劣化が大きいことになる。

分配方法（２）（３）のように電流密度を変動させる場合については、非特許文献３において、電流密度２．５Ａ／ｃｍ^２と１．０Ａ／ｃｍ^２を６時間毎に切り替える動作を約３００時間実施し、続いて３．０Ａ／ｃｍ^２と１．０Ａ／ｃｍ^２を６時間毎に切り替える動作を約４００時間実施した（すなわち合計７００時間動作させた）結果、６３ｍＶ／ｈという劣化率の数値が報告されている。これは分配方法（１）の１／３以下の劣化率である。

非特許文献３の条件は、分配方法（２）（３）と同一ではないものの、水電解スタックに対して供給する電流密度を一定にするよりも動的に変化させるほうが劣化率を抑制できるという傾向は、非特許文献２においても報告されている。したがって分配方法（２）（３）は、分配方法（１）よりも劣化率が低いことが期待される。

以上より、水電解スタック１１の劣化特性を考慮した電力分配制御によって、劣化特性を考慮していない場合（＝電力増分を等分配する場合）に比べて、水電解スタック１１の劣化率を低減（上記見積によれば１／３以下）することができる。劣化特性データは、以上のような劣化特性を記述している。電力分配制御システム１４は、この劣化特性にしたがって、電力分配を制御する。例えば劣化特性データは、電流密度とその切り替え間隔と劣化率の組み合わせをそれぞれ記述しており、電力分配制御システム１４はそのなかで最も劣化率が小さいと想定される組み合わせを用いる。

水電解スタック１１の不具合を検知する方法について説明する。既知の方法としては、各スタックの電圧・電流といった特性値、あるいは水素発生量などの性能値をモニタリングすることにより、水電解特性に関する不具合を検知することが可能である。不具合検知部３は、これらのパラメータをモニタリングすることにより、水電解スタック１１の不具合を検知する。

不具合スタックへの電力供給について、スタックの不具合の程度により、以下の場合分けを用いてもよい。

（１）不具合の程度が小さく、継続使用可能の場合：
（１－１）不具合発生前における水素製造システム１全体の電力供給量を、不具合発生後においても維持する。不具合ストリングに対する電力供給量を不具合発生前よりもやや減少させ、その減少分を正常ストリングが負担する。減少量は、不具合スタックの劣化進行を抑制できる程度とする（例えば不具合スタックに対して供給する電流密度を１．０Ａ／ｃｍ^２とする）。急激に停止させると却って劣化進行する可能性があるので、正常時よりも小さいが０ではない程度の電力供給量を維持することが望ましい。他方で正常ストリング間においては、例えば図２～図３で説明した稼働ローテーションを実施すればよい；
（１－２）電力インバランスまたはこれにともなうペナルティを許容できるのであれば、不具合発生前における水素製造システム１全体の電力供給量を不具合発生後において維持しなくてもよい。この場合、不具合ストリングに対する電力供給量は、不具合スタックの劣化進行を抑制できる程度まで減少させ、その減少分は必ずしも正常ストリングが全て負担しなくともよい。

（２）不具合の程度が大きく、交換が必要な場合：
（２－１）不具合スタックに対する電力供給量を経時的に低減する。急激に完全停止すると、スタックの劣化が急速に進む恐れがあるからである。経時的に電力を低減しつつ最終的には停止させてもよい。低減した電力供給量は、正常ストリングにおいて負担する。正常ストリングにおいては、全スタックを稼働させつつ、稼働ローテーションにより、電力供給量の増加分をスタック間で分担して負担する；
（２－２）不具合スタックに対する電力供給を停止する。動作し続けると危険な場合は、電力供給を完全に停止することにより、不具合スタックを停止させることが望ましいからである。例えば特許文献１記載のようなマイクロショート、不具合発生後の焼損リスクなどが生じるおそれがある場合がこれに相当する。低減した電力供給量は、正常ストリングにおいて負担する。正常ストリングにおいては、全スタックを稼働させつつ、稼働ローテーションにより、電力供給量の増加分をスタック間で分担して負担する。

（補足）不具合スタックの不具合の程度は、不具合を検出する手法に応じて定義することができる。例えば水素製造能力の低下によって不具合を検出する場合、製造能力の低下量が大きいほど、不具合の程度も大きいといえる。あるいは後述の実施形態で説明する健全度を用いてもよい。不具合の程度があらかじめ定めた基準値未満であれば上記（１）を実施し、基準値以上であれば上記（２）を実施すればよい。

図４は、水素製造システム１の別構成例を示す図である。図４に示すように、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ１２が２以上のストリングを制御してもよい。１つのＤＣ／ＤＣコンバータ１２が制御するストリングの個数は、全てのＤＣ／ＤＣコンバータ１２について同じであってもよいし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ごとに異なってもよい。

図５は、電力分配制御システム１４が提示するユーザインターフェースの例である。ユーザインターフェースは、例えばディスプレイ上に画面表示する画面インターフェースとして提示することができる。ユーザインターフェースは、例えば表示画面と制御メニュー画面によって構成することができる。図５においては、制御メニュー上で各スタック／ストリングの状態を表示するメニューを選択した様子を示した。

電力分配制御システム１４は、表示画面において、不具合スタックの箇所と不具合の内容を表示する。図５の例においては、ストリングＢの２番目の水電解スタック１１（＃５）に不具合があること、当該スタックからの電圧が異常であること、を示している。さらに、「停止」ボタンによって、ストリングを停止させることもできる。図５においてストリングＢは既に停止している。

電力分配制御システム１４は、制御メニュー画面において、ユーザが選択することができる制御メニューを表示する。図５の例においては以下の５メニューを例示している：（ａ）各ストリングに対する電力配分とその配分によるスタック劣化率の組み合わせを複数提示する；（ｂ）劣化予測結果に基づく各ストリングへの最適な電力配分を提示する；（ｃ）水素製造のために今後用いることが予定されている電力計画を提示する；（ｄ）不具合発生時において水素製造用電力を維持または変更する場合それぞれにおける各ストリングへの電力配分を提示する；（ｅ）各スタック／ストリングの状態を表示する。

ユーザインターフェースを提示するに際して、各部は以下のように動作する：（ａ）水電解スタック１１の劣化率は、劣化率試算部１４５が劣化特性にしたがって計算する；（ｂ）各ストリングに対する電力配分は、稼働計画策定部１４１が策定した稼働ローテーションにしたがって、スタック動作割当部が各水電解スタック１１の動作状態を割り当てることによって決定する。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る水素製造システム１は、不具合スタックの箇所、および、水電解スタック１１の劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出した水電解スタック１１の劣化予測に基づいて、各ストリングへの電力分配を制御する。これにより、不具合スタックが発生した場合であっても、水電解スタック１１の劣化を効果的に抑制することができる。

本実施形態１に係る水素製造システム１は、不具合スタックを含まない正常ストリングにおいて、不具合ストリングに対する電力供給の減少分を、１以上の正常ストリングが分担して負担するように、稼働ローテーションを調整する。これにより、不具合スタックが発生した場合であっても、特定の水電解スタック１１のみの劣化が進行することを抑制できる。

本実施形態１に係る水素製造システム１は、不具合スタックの不具合程度が小さい場合は、不具合ストリングに対する電力供給を正常時よりも減少させた上で、その減少分を正常ストリング間でローテーションによって分担する。これにより、不具合程度が小さい場合は、不具合ストリングもある程度の電力を負担しつつ、正常ストリングにおいて稼働ローテーションによって劣化を抑制しながら減少分を負担することになる。したがって、正常ストリングの負担を過剰に増加させることなく、不具合ストリングの劣化進行を抑制できる。

本実施形態１に係る水素製造システム１は、水電解スタック１１の劣化特性（例えば分配方法（１）（２）（３）とともに説明した劣化特性）にしたがって、不具合ストリングの劣化が正常ストリングの劣化よりも抑制されるように、電力分配を調整する。例えば不具合ストリングに対する電力供給量を減少させ、その減少分を正常ストリングにおいて稼働ローテーションにより負担する。これにより、不具合スタックが発生した場合であっても、劣化特性に準じて水電解スタック１１の劣化を効果的に抑制することができる。

＜実施の形態２＞
図６は、本発明の実施形態２に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態２において、各水電解スタック１１は、スイッチ１５１を備える。スイッチ１５１は、水電解スタック１１を個別にＯＮ／ＯＦＦすることができる。例えば水電解スタック１１とスイッチ１５１を並列接続し、スイッチ１５１が水電解スタック１１の両端を短絡することにより、その水電解スタック１１に対して電圧が印加されないことになるので、その水電解スタック１１をＯＦＦすることができる。スイッチ１５１は電力分配制御システム１４が備えるスイッチ制御部１４６によって制御される。

不具合検知部３が不具合スタックを検知すると、電力分配制御システム１４は、その不具合スタックのみをスイッチ１５１によってＯＦＦする。不具合ストリングにおけるその他の正常スタックは、不具合発生前と同じ状態で稼働継続する。これにより、不具合ストリングに対する電力供給は、不具合スタックに対する電力供給がなくなった分だけ減少することになる。その減少分は、実施形態１と同様に正常ストリングがローテーションによって負担する。実施形態１と比較すると、正常ストリングに対する電力配分の増加分が実施形態１よりも小さいので、正常ストリングの劣化進行をさらに抑制できる。

図７は、スイッチ１５１に加えてダイオード１５２を備える構成例を示す。ダイオード１５２は、スイッチ１５１ごとに配置され、スイッチ１５１に対して直列接続（水電解スタック１１に対して並列接続）されている。スイッチ１５１を閉じたとき（水電解スタック１１をＯＦＦしたとき）におけるダイオード１５２の両端電圧は、水電解スタック１１に対する印加電圧と同程度となるように構成されている。

電力分配制御システム１４は、スイッチ１５１によって不具合スタックをＯＦＦする。このとき、不具合発生前において不具合スタックに対して印加されていた電圧は、ダイオード１５２の両端電圧として印加されることになるので、不具合ストリングにおけるその他の水電解スタック１１に対する印加電圧は変化しない。これにより、不具合ストリングにおけるその他の水電解スタック１１に対する印加電圧の変動を抑制できる。ただし不具合ストリングにおける水素製造量は、不具合発生前よりも低下する。

図７においてはダイオード１５２を用いているが、水電解スタック１１が正常動作しているときの印加電圧を不具合発生時において負担することができれば、その他の電気的負荷を用いてもよい。

＜実施の形態３＞
本発明の実施形態３においては、水電解スタック１１の健全度をモニタリングした結果にしたがって、各ストリングに対する電力分配を調整する例を説明する。健全度モニタリングは、不具合検知と近い技術であるが、以下のように区別することができる。不具合検知は、水電解スタック１１の出力電圧・出力電流などの測定値が規定範囲外に逸脱したことを検知するものである。これに対して健全度モニタリングは、その測定値が正常範囲内であるとき、水電解スタック１１の性能が健全度１００％時からどの程度低下しているかにしたがって、水電解スタック１１の劣化度（または正常度）を監視するものである。ストリングの健全度は、そのストリングに属するスタックの健全度の平均などによって定義できる。

図８は、本実施形態３に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態３において電力分配制御システム１４は、健全度監視部１４７を備える。その他の構成は実施形態１～２と同様である（図８においては実施形態１と同様の構成例を示した）。健全度監視部１４７は、水電解スタック１１の健全度を監視する。健全度の例としては、水素製造の効率（電解効率）などが挙げられる。健全度を表す数値は、新品が健全度１００％になるように規格化される。

電力分配制御システム１４は、不具合スタックが発生したとき、正常ストリングに対する電力配分を、健全度に応じて定める。実施形態１においては、各正常ストリングが負担する電力配分は、経時変化を合計すると均等である。これに対して本実施形態３においては、健全度が高いストリングに対する電力配分を、健全度が低いストリングに対する電力配分よりも多くする。例えば図３の分配方法（２）において、第１ストリングと第２ストリングは健全度が１００％に近いが、第４ストリングは健全度がやや低い（例えば９０％）と仮定する。この場合、第４ストリングが負担する電流密度を例えば２．７Ａ／ｃｍ^２とし、残りの０．３Ａ／ｃｍ^２は第１および第２ストリングが負担するようにしてもよい。

本実施形態３に係る水素製造システム１は、水電解スタック１１の健全度にしたがって、不具合発生時における正常ストリングに対する電力配分を按分する。これにより、健全度が低いストリングの劣化が抑制されることになるので、正常ストリングの劣化進行を均一化することができる。

＜実施の形態４＞
図９は、本発明の実施形態４に係る水素製造システム１の構成図である。本実施形態４においては、実施形態１～３で説明した構成に加えて、マネジメントシステム４１と分配器４２を備える。マネジメントシステム４１と分配器４２は、水素製造システム１の一部として構成してもよいし、水素製造システム１とは別の機能部として構成してもよい。

本実施形態において、分配器４２は、マネジメントシステム４１からの指示にしたがって、再生可能エネルギー発電設備４３が発電した電力を、水電解スタック１１に対して供給するかそれとも需要家４４へ売電する（すなわち受け取った電力を送配電系統へ出力する）かを切り替える。マネジメントシステム４１は、例えば両者間の分配比率を分配器４２に対して指示する。

マネジメントシステム４１はさらに、需要家４４から各種エネルギー（電力、熱、水素など）の需要データを収集し、そのデータにしたがって、エネルギー流通を制御する。例えば、電力需要やそれを反映したエネルギーのスポット価格を予測し、電力需要が大きいときは売電比率を高め、電力需要が小さいときは水素を製造する、などの制御を実施することができる。これらエネルギーの供給量についても同様にデータを収集し、需要と供給のバランスにしたがって上記制御を実施してもよい。

水素製造システム１からの売電電力が事前申告した計画量に対して増減した場合（すなわちインバランスが発生した場合）、売電者に対してペナルティ料金を課す制度が、多くの国において設けられている。このペナルティ料金は、電力需要を反映して上下変動する場合がある。そこでマネジメントシステム４１は、不具合スタックが発生したとき、ルールに準じてペナルティ料金を試算した上で、不具合発生前の売電量を不具合発生後において維持するか否かを判断してもよい。売電量を維持する場合（すなわち水素製造量を維持する場合）は、以上の実施形態で説明した稼働ローテーションなどによって、水電解スタック１１の劣化を抑制しつつ売電量を維持する。

マネジメントシステム４１は、水素の需給データに関しても、需要のひっ迫度合を考慮し、水素製造量を維持するかどうか（すなわち売電量を維持するかどうか）を判断してもよい。例えば不具合スタックが発生したとき、水素需要が大きければ、以上の実施形態で説明した稼働ローテーションなどによって、水電解スタック１１の劣化を抑制しつつ水素製造量を維持する。あるいは需要家の性質上、水素製造量が減ると支障をきたす（例：製造プラントにおいて一定程度の水素を常時必要とする）場合は、水素製造量を維持するように分配比率を決定する。需要家が水素貯蔵設備を有しており、ある程度の水素製造量の変動を許容できる場合は、水素製造量を維持する要請は小さい。マネジメントシステム４１は、これらの事情に鑑みて、水素製造量を維持するか否かを定めてもよい。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

非特許文献１の劣化試験において、電流密度ゼロの時にも水電解セルには１．４Ｖ以上の電圧が印加されているとの記載がある。これは水の電気分解の理論電圧（１．２３Ｖ）よりやや高く、電解反応が開始される付近の電圧値である。もし運転中に電圧を０Ｖまで低下させると、逆電流が流れ、水電解セルを劣化させる恐れがある。したがって本発明においては、水電解スタック１１に流れる電流がゼロとなる時であっても、水電解スタック１１に対して電解反応の開始付近の電圧を印加できるように、水電解スタック１１に対する電力供給経路の入口にＤＣ／ＤＣコンバータ１２を配置した。同様の役割は、少なくとも２通り以上の電圧出力が可能な電力変換器によって代替することが可能である。したがってＤＣ／ＤＣコンバータ１２に代えて、そのような電力変換器を配置してもよい。

本発明は、水電解の逆反応である燃料電池にも適用できる。その場合、水電解スタック１１は燃料電池スタックに置き換わり、電力分配制御システム１４は発電分担制御システムに置き換わり、電力と水素の流れは逆向きとなる。

以上の実施形態において、電力分配制御システム１４およびその各機能部は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアをプロセッサなどの演算装置が実行することによって構成することもできる。不具合検知部３、マネジメントシステム４１、についても同様である。

１：水素製造システム
１１：水電解スタック
１２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３：ＡＣ／ＤＣ整流器
１４：電力分配制御システム
３：不具合検知部
４１：マネジメントシステム
４２：分配器

Claims (13)

1. 複数の水電解スタックが電気的に直列および並列に接続された水素製造システムにおいて、
   前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御する電力分配制御部、
   前記電力分配制御部の指令により、前記直列部に流れる電流を制御する電力変換器、
   不具合が発生した前記水電解スタックを不具合スタックとして検知する不具合検知部、
   を備え、
   前記電力分配制御部は、前記不具合スタックの箇所、および、前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出した複数の水電解スタックの劣化予測に基づいて、前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御する
   ことを特徴とする水素製造システム。
2. 前記電力分配制御部は、前記不具合スタックを含む前記直列部を不具合直列部として特定するとともに、前記不具合スタックを含まない前記直列部を正常直列部として特定し、
   前記電力分配制御部は、前記不具合直列部に対する電力供給量を減少するとともに前記正常直列部に対する電力供給量を増加することにより、前記水電解スタックの劣化を抑制する
   ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
3. 前記電力分配制御部は、前記劣化特性に基づき前記水電解スタックの稼働ローテーション計画を策定する稼働計画策定部を備え、
   前記電力分配制御部は、前記稼働ローテーション計画における前記水電解スタックの動作状態を割り当てるスタック動作割当部を備え、
   前記電力分配制御部は、前記不具合スタックを含む前記直列部を不具合直列部として特定するとともに、前記不具合スタックを含まない前記直列部を正常直列部として特定し、
   前記スタック動作割当部は、前記正常直列部の動作状態として、
   所定期間にわたって他の前記正常直列部よりも多くの電力分配を受ける多配分直列部、
   所定期間にわたって他の前記正常直列部よりも少ない電力分配を受ける少配分直列部、
   のうちいずれかを割り当てる
   ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
4. 前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、複数の前記正常直列部のうち第１直列部の動作状態として、前記多配分直列部、および前記少配分直列部を第１順序で順次割り当て、
   前記スタック動作割当部は、前記稼働ローテーション計画において、複数の前記正常直列部のうち前記第１直列部とは異なる第２直列部の動作状態として、前記多配分直列部、および前記少配分直列部を前記第１順序とは異なる第２順序で順次割り当てる
   ことを特徴とする請求項３記載の水素製造システム。
5. 前記電力分配制御部は、前記不具合直列部に対する電力供給量を減少するとともに前記正常直列部に対する電力供給量を増加し、
   前記スタック動作割当部は、前記不具合直列部に対する電力供給量の減少分を、１以上の前記多配分直列部が分担して受け取るように、前記多配分直列部の動作状態を制御する
   ことを特徴とする請求項３記載の水素製造システム。
6. 前記電力分配制御部は、前記不具合スタックの不具合の程度が基準値未満である場合、前記不具合直列部に対する電力供給量を前記不具合が発生する前よりも小さくかつ前記不具合スタックの劣化進行を抑制できる程度まで減少させ、
   前記電力分配制御部は、前記不具合直列部に対する電力供給量の減少分を、１以上の前記正常直列部が分担して受け取るように、前記電力分配を制御する
   ことを特徴とする請求項２記載の水素製造システム。
7. 前記電力分配制御部は、前記稼働ローテーション計画を実施した場合における前記水電解スタックの劣化率を、前記水電解スタックの劣化特性にしたがって計算する、劣化率計算部を備え、
   前記スタック動作割当部は、前記不具合直列部における前記計算された劣化率が、前記正常直列部における前記計算された劣化率よりも小さくなるように、前記稼働ローテーション計画における前記水電解スタックの動作状態を割り当てる
   ことを特徴とする請求項３記載の水素製造システム。
8. 前記水素製造システムはさらに、各前記水電解スタックを個別にＯＮ／ＯＦＦすることができるスイッチを備え、
   前記スイッチは、前記不具合スタックをＯＦＦし、
   前記電力分配制御部は、前記不具合スタックを含む前記直列部を不具合直列部として特定するとともに、前記不具合スタックを含まない前記直列部を正常直列部として特定し、
   前記電力分配制御部は、前記不具合スタックをＯＦＦする前の時点において前記不具合スタックに対して供給していた電力を、前記不具合直列部のうち前記不具合スタックを除いた前記水電解スタックおよび前記正常直列部が分担して受け取るように、電力分配を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
9. 前記水素製造システムはさらに、各前記水電解スタックを個別にＯＮ／ＯＦＦすることができるスイッチを備え、
   前記スイッチは、前記不具合スタックをＯＦＦし、
   前記水素製造システムはさらに、各前記水電解スタックに対してそれぞれ個別に並列接続された電気的負荷を備え、
   前記電気的負荷は、前記不具合スタックをＯＦＦする前の時点において前記不具合スタックに対して供給されていた電力を受け取ることにより、前記不具合スタックをＯＦＦしたときにおける前記不具合スタックを除いた前記水電解スタックに対する印加電圧の変動を抑制する
   ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
10. 前記水素製造システムはさらに、前記水電解スタックの健全度を監視する健全度監視部を備え、
    前記電力分配制御部は、前記不具合が発生したとき、前記健全度が第１レベルである前記正常直列部に対する電力供給量を、前記健全度が前記第１レベルよりも小さい第２レベルである前記正常直列部に対する電力供給量よりも多くする
    ことを特徴とする請求項２記載の水素製造システム。
11. 前記水素製造システムは、電源から電力を受け取り、
    前記水素製造システムはさらに、前記電源から供給される供給電力を前記水電解スタックへ供給するかまたは送配電系統へ出力するかを切り替える分配器を備え、
    前記水素製造システムはさらに、前記分配器が前記水電解スタックと前記送配電系統との間で前記供給電力を分配する比率を電力需要にしたがって制御するマネジメントシステムを備える
    ことを特徴とする請求項１記載の水素製造システム。
12. 前記マネジメントシステムは、前記水電解スタックの前記不具合スタックを含む前記直列部に対する電力供給量を減少した場合における、前記送配電系統に対して分配する電力の変動を試算し、
    前記マネジメントシステムは、前記電力需要に基づき、前記送配電系統に対して分配する電力の変動にともなって発生する経済的損失を試算し、
    前記マネジメントシステムは、前記経済的損失の試算結果に基づき、前記水電解スタックと前記送配電系統との間の前記供給電力の分配比率を制御する
    ことを特徴とする請求項１１記載の水素製造システム。
13. 複数の水電解スタックが電気的に直列および並列に接続された水素製造方法であって、
    前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御するステップ、
    前記電力分配を制御するステップの結果にしたがって、前記直列部に流れる電流を制御するステップ、
    不具合が発生した前記水電解スタックを不具合スタックとして検知するステップ、
    を有し、
    前記直列部に流れる電流を制御するステップにおいては、前記不具合スタックの箇所、および、前記水電解スタックの劣化のしやすさを示す劣化特性に基づいて算出した複数の水電解スタックの劣化予測に基づいて、前記水電解スタックの各々の直列部への電力分配を制御する
    ことを特徴とする水素製造方法。

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