JP2023116137A - 水素製造装置および水素製造装置の制御方法 - Google Patents
水素製造装置および水素製造装置の制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023116137A JP2023116137A JP2022018755A JP2022018755A JP2023116137A JP 2023116137 A JP2023116137 A JP 2023116137A JP 2022018755 A JP2022018755 A JP 2022018755A JP 2022018755 A JP2022018755 A JP 2022018755A JP 2023116137 A JP2023116137 A JP 2023116137A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- hydrogen
- hydrogen production
- cell
- electrolytic cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 202
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 202
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 191
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 130
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims abstract description 89
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 111
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 35
- 239000011232 storage material Substances 0.000 claims description 32
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 26
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims description 16
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 10
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 35
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 10
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical group [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N methane clathrate Chemical compound C.C.C.C.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
【課題】水素製造装置のエネルギー損失を抑制した上で、要求される水素の製造量に応じて供給される電力への追従性を向上させる。【解決手段】水素製造装置は、水素を製造する電解セルと、蓄熱と放熱とを行う蓄熱器と、電解セルと蓄熱器との間で熱交換を行わせる熱輸送部と、設定された範囲内で制御した電力を電解セルに供給して電解セルに水素を製造させると共に、蓄熱器の蓄熱と放熱とを制御する制御部と、を備え、制御部は、電解セルの水素製造時において、電解セルに供給される電力の大きさが、水素製造による吸熱反応の熱量と、電解セルの抵抗発熱による熱量との和であるセル熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも小さい場合に、蓄熱器に放熱させ、電解セルに供給される電力の大きさが、サーモニュートラル点の電力の大きさよりも大きい場合に、蓄熱器に蓄熱させる。【選択図】図１
Description
本発明は、水素製造装置および水素製造装置の制御方法に関する。
高温水蒸気を電気分解することにより水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、水素が製造されると吸熱反応が発生し、電解電力に応じて電解質膜が発熱することが記載されている。また、吸熱反応の熱量と、電解質膜の発熱による熱量とが同じになり、水素製造中の電解質膜の温度が、電解質膜に電解電力を加えていない場合と同じになる熱中立点以下の場合に、電解質膜を加熱しないと電解効率が下がることが記載されている。
特許文献１に記載された水電解装置は、２つの電解装置を備え、電解装置の加熱の時間に応じて変動する太陽光の再生エネルギーを利用している。この水電解装置では、熱中立点となる電解電力以上の電力を有する一定成分について、一方の電解装置により電気分解を行う。再生エネルギーに応じて変動する変動成分について、もう一方の電解装置により電気分解を行うことにより、入力電力への追従性を向上させている。しかしながら、変動成分に対応する一方の電解装置では、電解電力が供給されないと電解質膜の温度が低下する。そのため、温度が低下した電解質膜の温度を上昇させるために、または、電解電力が供給されない電解質膜の高い温度を維持するために、余分なエネルギーを必要とする。そのため、入力電力への追従性を向上させた上で、エネルギー損失の少ない水素の製造技術が望まれていた。
本発明は、上述した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、水素製造装置のエネルギー損失を抑制した上で、要求される水素の製造量に応じて供給される電力への追従性を向上させることを目的とする。
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できる。
（１）本発明の一形態によれば、水素製造装置が提供される。この水素製造装置は、電気分解により水蒸気から水素を製造する電解セルと、蓄熱と放熱とを行う蓄熱器と、前記電解セルと前記蓄熱器とを接続し、前記電解セルと前記蓄熱器との間で熱交換を行わせる熱輸送部と、設定された範囲内で制御した電力を前記電解セルに供給して前記電解セルに水素を製造させると共に、前記蓄熱器の蓄熱と放熱とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電解セルの水素製造時において、前記電解セルに供給される電力の大きさが、水素製造による吸熱反応の熱量と、前記電解セルの抵抗発熱による熱量との和であるセル熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも小さい場合に、前記蓄熱器に放熱させ、前記電解セルに供給される電力の大きさが、前記サーモニュートラル点の電力の大きさよりも大きい場合に、前記蓄熱器に蓄熱させる。
この構成によれば、サーモニュートラル点を基準に電解セルが発熱する場合と吸熱する場合とを含む範囲内の電解電力が電解セルに供給される。電解セルにより水蒸気から水素が製造される際に、サーモニュートラル点を基準として蓄熱器の蓄熱と放熱とが制御される。セル熱収支がマイナスとなる場合に蓄熱器の放熱により電解セルが加熱され、セル熱収支がプラスとなる場合に蓄熱器の蓄熱により電解セルが冷却される。そのため、本構成の電解セルでは、サーモニュートラル点を維持するように加熱および冷却が行われるため、電解セルの温度変動が抑制される。要求される水素の製造量に応じて電解セルに供給される入力電力が変動した場合に、水素製造装置の外部から電解セルを加熱するためのエネルギーが投入されなくても、蓄熱器の蓄熱および放熱により電解セルの温度を一定範囲に維持できる。この結果、入力電力の変動に対する追従性が向上する。すなわち、本構成の水素製造装置では、エネルギー損失を抑制した上で、入力電力への追従性を向上させることができる。
（２）上記態様の水素製造装置において、前記制御部は、前記電解セルの水素製造時において、前記電解セルに供給される電力の大きさが、サーモニュートラル点の電力の大きさである場合に、前記蓄熱器に放熱させてもよい。
この構成によれば、電解セルに供給される電力の大きさが、サーモニュートラル点の電力と同一およびサーモニュートラル点の電力よりも小さい場合、すなわち、サーモニュートラル点以下の場合に、蓄熱器が放熱する。一方で、電解セルに供給される電力の大きさがサーモニュートラル点を超える場合に、蓄熱器が蓄熱する。そのため、本構成では、サーモニュートラル点を基準とした蓄熱器の蓄熱と放熱とをいずれか一方に切り替えることにより、電解セルの温度を一定範囲内に簡便に維持できる。
この構成によれば、電解セルに供給される電力の大きさが、サーモニュートラル点の電力と同一およびサーモニュートラル点の電力よりも小さい場合、すなわち、サーモニュートラル点以下の場合に、蓄熱器が放熱する。一方で、電解セルに供給される電力の大きさがサーモニュートラル点を超える場合に、蓄熱器が蓄熱する。そのため、本構成では、サーモニュートラル点を基準とした蓄熱器の蓄熱と放熱とをいずれか一方に切り替えることにより、電解セルの温度を一定範囲内に簡便に維持できる。
（３）上記態様の水素製造装置において、前記蓄熱器は、酸化反応と還元反応とを生じさせる化学エネルギーによる蓄熱と放熱とを行う蓄熱材を有していてもよい。
この構成によれば、蓄熱器の蓄熱と放熱と化学エネルギーが利用される。蓄熱材が高エクセルギーである化学エンタルピーとして蓄熱し、蓄熱した熱を放熱するため、本構成の水素製造装置のエネルギー損失を抑制できる。
この構成によれば、蓄熱器の蓄熱と放熱と化学エネルギーが利用される。蓄熱材が高エクセルギーである化学エンタルピーとして蓄熱し、蓄熱した熱を放熱するため、本構成の水素製造装置のエネルギー損失を抑制できる。
（４）上記態様の水素製造装置において、さらに、前記電解セルへと供給される水蒸気を、液体の水を加熱することにより生成する水蒸気生成部と、前記電解セルにより製造された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、を備え、前記蓄熱材は、前記水蒸気生成部で生成される水蒸気を用いた酸化反応により発熱反応を生じ、かつ、前記水素貯蔵部から供給される水素を用いた還元反応により吸熱反応を生じてもよい。
この構成によれば、蓄熱器の蓄熱と放熱とのそれぞれを行うために必要な水蒸気と水素とは、水素製造装置内で利用される物質である。そのため、蓄熱材の発熱反応と吸熱反応とに必要な反応物質を、他の装置等から得る必要がないため、水素製造装置を含むシステム全体を小型化できる。
この構成によれば、蓄熱器の蓄熱と放熱とのそれぞれを行うために必要な水蒸気と水素とは、水素製造装置内で利用される物質である。そのため、蓄熱材の発熱反応と吸熱反応とに必要な反応物質を、他の装置等から得る必要がないため、水素製造装置を含むシステム全体を小型化できる。
（５）上記態様の水素製造装置において、前記熱輸送部は、前記電解セルに接続しているセル側導体と、前記蓄熱器に接続している蓄熱器側導体と、前記電解セルと前記蓄熱器との間に配置されて、前記セル側導体と前記蓄熱器側導体とを絶縁する絶縁体と、を有していてもよい。
この構成によれば、セル側導体と接続している電解セルと、蓄熱器側導体に接続している蓄熱器とは、絶縁体により絶縁されている。そのため、電解セルに供給された電力により発生した電流が、電解セルから蓄熱器へと流れることを抑制できる。
この構成によれば、セル側導体と接続している電解セルと、蓄熱器側導体に接続している蓄熱器とは、絶縁体により絶縁されている。そのため、電解セルに供給された電力により発生した電流が、電解セルから蓄熱器へと流れることを抑制できる。
（６）上記態様の水素製造装置において、前記熱輸送部は、高熱伝導部材により形成されていてもよい。
この構成によれば、熱輸送部が高熱伝導部材であるため、蓄熱器の蓄熱時と放熱時との温度差を小さくできる。
この構成によれば、熱輸送部が高熱伝導部材であるため、蓄熱器の蓄熱時と放熱時との温度差を小さくできる。
（７）上記態様の水素製造装置において、前記電解セルは、水素の製造に加えて、水素を用いた発電が可能であり、前記制御部は、水素製造時に、前記電解セルに供給される前記範囲内の電力を前記サーモニュートラル点以下となる電力に制御し、かつ、前記蓄熱器に放熱させ、発電時に前記蓄熱器に蓄熱させてもよい。
この構成によれば、電解セルは水素を利用した発電と、水蒸気から水素を製造する水電解とをリバーシブルに行う。発電時には、水素と酸素との発熱反応が起こり、かつ、電解セルの抵抗発熱により、電解セルの温度が上昇するため、余剰発熱が発生している。本構成では、発電時の余剰発熱が、水素製造時の電解セルの加熱に利用される。そのため、本構成では、水素製造時に、サーモニュートラル点を維持するために電解セルに供給される電力を過剰に大きくして、過電圧損失により電解セルを発熱させる必要がない。この結果、サーモニュートラル点よりも小さい電力により水素を製造できるため、水素製造と発電とをリバーシブルに行うシステムにおいてラウンドトリップ効率を向上させることができる。
この構成によれば、電解セルは水素を利用した発電と、水蒸気から水素を製造する水電解とをリバーシブルに行う。発電時には、水素と酸素との発熱反応が起こり、かつ、電解セルの抵抗発熱により、電解セルの温度が上昇するため、余剰発熱が発生している。本構成では、発電時の余剰発熱が、水素製造時の電解セルの加熱に利用される。そのため、本構成では、水素製造時に、サーモニュートラル点を維持するために電解セルに供給される電力を過剰に大きくして、過電圧損失により電解セルを発熱させる必要がない。この結果、サーモニュートラル点よりも小さい電力により水素を製造できるため、水素製造と発電とをリバーシブルに行うシステムにおいてラウンドトリップ効率を向上させることができる。
（８）上記態様の水素製造装置において、前記制御部は、水素製造時の前記電解セルの温度を、発電時の前記電解セルの温度よりも低くなるように制御してもよい。
この構成によれば、電解セルの発電時を高温側、水素製造時を低温側に作動させることにより、蓄熱時と放熱時とにおける蓄熱器の温度変化を小さくできる。本構成の水素製造装置において、水素製造から発電への切り替え直後では、急激な酸化により発熱量が増大し、局所的に集中した発熱が電解セルに発生する。一方、発電から水素製造への切り替え直後では、急激な還元により吸熱量が増大し、局所的に集中した吸熱が電解セルに発生する。これらの作動切り替え直後における局所的な発熱または吸熱に対して、本構成では、発熱時の電解セルの温度と、水素製造時の電解セルの温度とに差を持たせることにより、電解セルの顕熱変化を利用して、局所的な発熱および吸熱を緩和させることができる。換言すると、発電時の電解セルの温度を水素製造時よりも高くして蓄熱器の温度変化を抑制することにより、蓄熱器の顕熱変化による電解セルの温度の応答遅れを抑制できる。また、電解セルの顕熱変化を熱バッファとして除熱または加熱に利用できるため、発電と水素製造との作動切り替え直後における急激な温度変化を抑制できる。
この構成によれば、電解セルの発電時を高温側、水素製造時を低温側に作動させることにより、蓄熱時と放熱時とにおける蓄熱器の温度変化を小さくできる。本構成の水素製造装置において、水素製造から発電への切り替え直後では、急激な酸化により発熱量が増大し、局所的に集中した発熱が電解セルに発生する。一方、発電から水素製造への切り替え直後では、急激な還元により吸熱量が増大し、局所的に集中した吸熱が電解セルに発生する。これらの作動切り替え直後における局所的な発熱または吸熱に対して、本構成では、発熱時の電解セルの温度と、水素製造時の電解セルの温度とに差を持たせることにより、電解セルの顕熱変化を利用して、局所的な発熱および吸熱を緩和させることができる。換言すると、発電時の電解セルの温度を水素製造時よりも高くして蓄熱器の温度変化を抑制することにより、蓄熱器の顕熱変化による電解セルの温度の応答遅れを抑制できる。また、電解セルの顕熱変化を熱バッファとして除熱または加熱に利用できるため、発電と水素製造との作動切り替え直後における急激な温度変化を抑制できる。
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、水素製造装置、水電解装置、ＳＯＥＣ、水素製造方法、水素製造装置の制御方法およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、この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の形態で実現することができる。
＜第１実施形態＞
１．水素製造装置の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての水素製造装置１００の概略ブロック図である。水素製造装置１００のセルスタック１０は、供給された高温の水蒸気を電気分解することにより、水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolysis Cell）スタックである。本実施形態の水素製造装置１００では、水素が製造される際の吸熱反応と、セルスタック１０の熱抵抗による発熱との和である熱収支（セル熱収支）がゼロとなるサーモニュートラル点の電解電力を基準として、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とが制御される。サーモニュートラル点の電解電力のよりもセルスタック１０に供給されている電解電力が小さい場合に、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱によりセルスタック１０が加熱される。一方で、サーモニュートラル点の電解電力よりもセルスタック１０に供給されている電解電力が大きい場合に、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱によりセルスタック１０が冷却される。この結果、セルスタック１０の温度が一定範囲に維持される。
１．水素製造装置の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての水素製造装置１００の概略ブロック図である。水素製造装置１００のセルスタック１０は、供給された高温の水蒸気を電気分解することにより、水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolysis Cell）スタックである。本実施形態の水素製造装置１００では、水素が製造される際の吸熱反応と、セルスタック１０の熱抵抗による発熱との和である熱収支（セル熱収支）がゼロとなるサーモニュートラル点の電解電力を基準として、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とが制御される。サーモニュートラル点の電解電力のよりもセルスタック１０に供給されている電解電力が小さい場合に、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱によりセルスタック１０が加熱される。一方で、サーモニュートラル点の電解電力よりもセルスタック１０に供給されている電解電力が大きい場合に、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱によりセルスタック１０が冷却される。この結果、セルスタック１０の温度が一定範囲に維持される。
図１に示されるように、水素製造装置１００は、複数の電解セルが積層されたセルスタック１０と、蓄熱と放熱とを行う蓄熱器２０Ａ，２０Ｂと、液体の水を貯蔵している水タンク５０と、液体の水を水蒸気へと気化させる蒸発凝縮器（水蒸気生成部）６０と、製造された水素を貯蔵する水素タンク（水素貯蔵部）４０と、バルブ切替器６５と、各部を制御する制御部３０と、を備えている。また、水素製造装置１００は、図１に図示されていない熱輸送部を備えているが、熱輸送部の詳細については後述する。なお、図１に示される矢印は、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱時の配管内を流れる各気体の方向を表している。
セルスタック１０は、供給される電解電力により水蒸気を電気分解して水素を製造する。セルスタック１０と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとは、図示されていない熱輸送部により接続されており、熱輸送部を介して熱交換を行う。本実施形態の蓄熱器２０Ａ，２０Ｂは、同じ蓄熱器であるため、蓄熱器２０Ａについて説明し、蓄熱器２０Ｂについての説明を省略する。
蓄熱器２０Ａには、水蒸気を用いた酸化反応により発熱反応を生じ、かつ、水素を用いた還元反応により吸熱反応を生じる蓄熱材が封入されている。すなわち、本実施形態の蓄熱材は、酸化反応と還元反応とを生じさせる化学エネルギーによる蓄熱と放熱とを行う。本実施形態の蓄熱材は、Ｆｅ3Ｏ4（酸化鉄（２，３））である。Ｆｅ3Ｏ4は、還元剤としての水素を供給された場合に下記式（１）に示される吸熱反応を生じさせる。また、下記式（１）により還元されたＦｅは、水が供給された場合に下記式（２）に示される発熱反応を生じさせる。
制御部３０は、図１に示されるバルブ切替器６５を制御することにより、蒸発凝縮器６０に供給される水の流量と、電解セルと蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとのそれぞれに対する流量分配比と、蒸発凝縮器６０で気化した水蒸気が通過する配管の接続と、水素タンク４０から供給される水素が通過する配管の接続とを制御する。蒸発凝縮器６０は、セルスタック
１０により製造された高温の水素と熱交換することにより、水タンク５０から供給された液体の水を加熱して水蒸気に変化させる。
１０により製造された高温の水素と熱交換することにより、水タンク５０から供給された液体の水を加熱して水蒸気に変化させる。
図１に示される蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱時では、制御部３０の制御により、加熱された水蒸気は、蓄熱器２０Ａの第１出入口２１と、セルスタック１０の第１出入口１１と、蓄熱器２０Ｂの第１出入口２３とに流入する。上記式（２）の蓄熱材の発熱反応により生成された水素は、蓄熱器２０Ａの第２出入口２２と、蓄熱器２０Ｂの第２出入口２４とから排出され、セルスタック１０の第１出入口１１に水蒸気と共に流入する。
セルスタック１０での高温水蒸気の電気分解により発生した水素は、セルスタック１０の第２出入口１２から排出されて、蒸発凝縮器６０の熱交換により冷却されて、水素タンク４０に流入する。セルスタック１０の電気分解により発生した酸素は、空気中へと排出される。
図２および図３は、電解セル１４と蓄熱材２５との熱交換の説明図である。図２、３には、熱輸送部７０により接続されている電解セル１４と蓄熱材２５との一部の概略斜視図が示されている。図２には、蓄熱器２０Ｂの放熱時の状態における積層された２つの電解セル１４が示されている。図３には、図２に対して蓄熱器２０Ｂの蓄熱時の状態が示されている。図２，３に示される直交座標系ＣＳは、セルスタック１０と蓄熱器２０Ｂとが並ぶ方向に平行なＸ軸と、奥行き方向に平行なＹ軸と、電解セル１４および蓄熱材２５の積層方向（厚さ方向）をＺ軸とにより構成されている。
図２，３に示されるように、熱輸送部７０は、積層された２つの電解セル１４に挟まれ、かつ、積層された２つの蓄熱材２５に挟まれている板状の部材である。なお、熱輸送部７０は、図２では図示が省略されている蓄熱器２０Ａ側にも延伸して、蓄熱器２０Ｂのように積層された２つの蓄熱材２５に挟まれている。そのため、図２，３に示されるように、熱輸送部７０を介して、電解セル１４と、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの間で熱交換が行われる。具体的には、図２に示される蓄熱器２０Ｂの放熱時には、蓄熱材２５から電解セル１４へと熱が移動する。図３に示される蓄熱器２０Ｂの蓄熱時には、電解セル１４から蓄熱材２５へと熱が移動する。
図２，３に示されるように、電解セル１４は、燃料側（アノード）１４１と酸素側（カソード）１４２との間に配置された電解質膜１４３を有している。電解セル１４に電解電力が供給されることにより、燃料側１４１では、供給された高温水蒸気から水素が製造される。一方で、酸素側１４２では、供給された高温水蒸気から酸素が製造される。
制御部３０は、予め設定された範囲内で制御した電力をセルスタック１０に供給して電解セル１４に水素を製造させる。また、制御部３０は、蓄熱材２５に供給される水の流量と、水素の流量とを制御することにより、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とを制御する。本実施形態の制御部３０は、電解セルに供給される電解電力の大きさ（絶対値）に応じて、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とを切り替える。電解電力の絶対値が大きくなると、電解セル１４の抵抗熱等が増加して発熱量が増加する。一方で、電解電力の絶対値が小さくなると、水素の製造量の増加に伴って吸熱反応が進むため、吸熱量が増加する。
図４は、電解セル１４における発熱量と吸熱量との関係の説明図である。図４には、電解セル１４の温度が摂氏７００度（℃）の場合に、電解セル１４に供給される電流密度に応じて変化する発熱量としての熱流束（Heat Flux）の変化曲線Ｃ１（実線）と、水素製造または水素消費に伴うエントロピーＴΔＳの変化直線Ｌ１（破線）と、熱収支の変化曲線Ｃ２（一点鎖線）とが示されている。熱収支の変化曲線Ｃ２は、変化曲線Ｃ１と、変化直線Ｌ１との和である。制御部３０は、電解電力の範囲として、図４でハッチングにより
示された－２．１６（Ａ／ｃｍ2）以上－０．１（Ａ／ｃｍ2）以内の範囲でセルスタック１０に電力を供給する。換言すると、要求される水素の製造量に対して、－２．１６（Ａ／ｃｍ2）以上－０．１（Ａ／ｃｍ2）以内の範囲で電解電力が追従する。なお、図４では、ＳＯＥＣが発電する際の電流密度を正と定義しているため、ＳＯＥＣが水素を製造する場合の供給される電流密度は負として表されている。
示された－２．１６（Ａ／ｃｍ2）以上－０．１（Ａ／ｃｍ2）以内の範囲でセルスタック１０に電力を供給する。換言すると、要求される水素の製造量に対して、－２．１６（Ａ／ｃｍ2）以上－０．１（Ａ／ｃｍ2）以内の範囲で電解電力が追従する。なお、図４では、ＳＯＥＣが発電する際の電流密度を正と定義しているため、ＳＯＥＣが水素を製造する場合の供給される電流密度は負として表されている。
図４に示されるように、変化曲線Ｃ１で表される発熱量は、電流密度がゼロのときに最小値のゼロであり、電流密度の絶対値が大きくなるにつれて増加する。変化直線Ｌ１で表させるエントロピーＴΔＳは、電流密度の増加に応じて一定の割合で増加する。エントロピーＴΔＳは、電流密度がマイナスである水素製造時にマイナスであり、電流密度がプラスである水素を用いた発電時にプラスになる。変化曲線Ｃ２で表される熱収支は、電流密度が－２．１６（Ａ／ｃｍ2）の場合にプラスであり、電流密度がゼロに近づくにつれ減少し、電流密度が－１．６５（Ａ／ｃｍ2）の場合にゼロとなる。その後も熱収支は、電流密度がゼロに近づくにつれて減少し、約－０．７（Ａ／ｃｍ2）の場合に最小値となり、そこから電流密度がゼロに近づくにつれて増加する。
本実施形態の制御部３０は、熱収支がゼロとなるサーモニュートラル点、すなわち、電流密度が－１．６５（Ａ／ｃｍ2）を基準として、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とを制御する。具体的には、制御部３０は、電流密度の大きさが－１．６５（Ａ／ｃｍ2）以上の場合に、蓄熱材２５に水を供給することにより蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させ、セルスタック１０を加熱する。一方で、制御部３０は、電流密度の大きさが－１．６５（Ａ／ｃｍ2）未満の場合に、蓄熱材２５に水素を供給することにより蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させ、セルスタック１０を冷却する。換言すると、制御部３０は、熱収支がサーモニュートラル点の電力の絶対値以上の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させ、熱収支がサーモニュートラル点の電力の絶対値未満の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させる。
図４に示される本実施形態の一例では、制御範囲内で電流密度の絶対値が最も大きい－２．１６（Ａ／ｃｍ2）の場合に、電解セル１４に印加される電圧が１．３８（Ｖ）であり、電力密度が０．２（Ｗ／ｃｍ2）である。サーモニュートラル点の電解電力の出力を１．０とした場合に、電流密度が－２．１６（Ａ／ｃｍ2）の場合の出力比は１．５であった。一方で、制御範囲内で電流密度の絶対値が最も小さい－０．７（Ａ／ｃｍ2）の場合に、電解セル１４に印加される電圧が１．０６（Ｖ）であり、電力密度が０．１２（Ｗ／ｃｍ2）である。この場合のサーモニュートラル点の電解電力の出力を１．０とした場合に、電流密度が－０．７（Ａ／ｃｍ2）の場合の出力比は０．２である。
熱輸送部７０の材質や大きさに応じて、セルスタック１０と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの熱交換により伝わる熱量が変化する。セルスタック１０の温度をできるだけ一定に維持したい場合には、熱輸送部７０が高熱伝導部材であることが好ましい。ここで、セルスタック１０の温度と、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの温度差をΔＴと定義する。さらに、熱輸送部７０が接続するセルスタック１０と蓄熱器２０Ａ，２０ＢとのＸ軸方向（図２，３）における熱伝導部材距離Ｌ（ｍ）と、熱輸送部７０のＺ軸方向における厚さδ（ｍ）、熱輸送部７０の単位奥行き長さ当たりの輸送熱量Ｑ（Ｗ／ｍ）とする。熱輸送部７０の材質の熱伝導率をλとすると、下記式（３）の関係が成立する。
電流密度の絶対値がサーモニュートラル点の電流密度以上の場合、セルスタック１０か
ら蓄熱器２０Ａ，２０Ｂへと輸送される熱輸送量Ｑｈとすると、この場合の温度スイング幅ΔＴｈは、下記式（４）のように表される。同じように、電流密度の絶対値がサーモニュートラル点の電流密度未満の場合、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂからセルスタック１０へと輸送される熱輸送量Ｑｌとすると、この場合の温度スイング幅ΔＴｌは、下記式（５）のように表される。
ら蓄熱器２０Ａ，２０Ｂへと輸送される熱輸送量Ｑｈとすると、この場合の温度スイング幅ΔＴｈは、下記式（４）のように表される。同じように、電流密度の絶対値がサーモニュートラル点の電流密度未満の場合、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂからセルスタック１０へと輸送される熱輸送量Ｑｌとすると、この場合の温度スイング幅ΔＴｌは、下記式（５）のように表される。
水素製造時のセルスタック１０の温度を一定温度として温度スイング幅ΔＴｔで蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱と蓄熱とが行われる場合、下記式（６）に表される関係が導かれる。
なお、下記式（７）で表される関係は、セルスタック１０の温度と、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの温度との温度関係を決める条件である。
上記式（４）～（６）から、セルスタック１０の温度を温度スイング幅ΔＴｔ以内に維持するための熱輸送部７０の厚さδは、下記式（８）のように表される。本実施形態では、定められた温度スイング幅ΔＴｔから、下記式（８）に示される厚さδを満たす熱輸送部７０を高熱伝導部材として扱う。
以上説明したように、本実施形態の水素製造装置１００は、複数の電解セル１４が積層されたセルスタック１０と、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂと、電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの間で熱交換を行わせる熱輸送部７０と、制御部３０と、を備えている。制御部３０は、設定された範囲内で制御した電力をセルスタック１０に供給して電解セル１４に水素を製造させる。制御部３０は、水素が製造される際の吸熱反応と、セルスタック１０の熱抵抗による発熱との和である熱収支がゼロとなるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも小さい場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させる。制御部３０は、当該熱収支がゼロとなるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも大きい場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させる。そのため、本実施形態の水素製造装置１００では、サーモニュートラル点を基準に電解セル１４が発熱する場合と吸熱する場合とを含む範囲内の電解電力が電解セ
ル１４に供給される。電解セル１４により水蒸気から水素が製造される際に、サーモニュートラル点を基準として蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とが制御される。熱収支がマイナスとなる場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱により電解セル１４が加熱され、熱収支がプラスとなる場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱により電解セル１４が冷却される。そのため、電解セル１４では、サーモニュートラル点を維持するように加熱および冷却が行われるため、電解セル１４の温度変動が抑制される。要求される水素の製造量に応じて電解セル１４に供給される入力電力が変動した場合に、水素製造装置１００の外部から電解セル１４を加熱するためのエネルギーが投入されなくても、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱および放熱により電解セル１４の温度を一定範囲に維持できる。この結果、入力電力の変動に対する追従性が向上する。すなわち、本実施形態の水素製造装置１００では、エネルギー損失を抑制した上で、要求される水素の製造量に応じて供給される電力への追従性を向上させることができる。
ル１４に供給される。電解セル１４により水蒸気から水素が製造される際に、サーモニュートラル点を基準として蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とが制御される。熱収支がマイナスとなる場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの放熱により電解セル１４が加熱され、熱収支がプラスとなる場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱により電解セル１４が冷却される。そのため、電解セル１４では、サーモニュートラル点を維持するように加熱および冷却が行われるため、電解セル１４の温度変動が抑制される。要求される水素の製造量に応じて電解セル１４に供給される入力電力が変動した場合に、水素製造装置１００の外部から電解セル１４を加熱するためのエネルギーが投入されなくても、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱および放熱により電解セル１４の温度を一定範囲に維持できる。この結果、入力電力の変動に対する追従性が向上する。すなわち、本実施形態の水素製造装置１００では、エネルギー損失を抑制した上で、要求される水素の製造量に応じて供給される電力への追従性を向上させることができる。
また、本実施形態の制御部３０は、制御部３０は、熱収支がサーモニュートラル点の電力の絶対値と同じ場合にも蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させる。そのため、本実施形態では、サーモニュートラル点を基準とした蓄熱器の蓄熱と放熱とをいずれか一方に切り替えることにより、電解セルの温度を一定範囲内に簡便に維持できる。
また、本実施形態の蓄熱材２５は、酸化反応と還元反応とを生じさせる化学エネルギーによる蓄熱と放熱とを行う。すなわち、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱と化学エネルギーが利用される。蓄熱材２５が高エクセルギーである化学エンタルピーとして蓄熱し、蓄熱した熱を放熱するため、水素製造装置１００のエネルギー損失を抑制できる。
また、本実施形態の蓄熱器２０Ａ，２０Ｂには、水蒸気を用いた酸化反応により発熱反応を生じ、かつ、水素を用いた還元反応により吸熱反応を生じる蓄熱材２５が封入されている。すなわち、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱とのそれぞれを行うために必要な水蒸気と水素とは、水素製造装置１００内で利用される物質である。そのため、蓄熱材２５の発熱反応と吸熱反応とに必要な反応物質を、他の装置等から得る必要がないため、水素製造装置１００を含むシステム全体を小型化できる。
また、本実施形態の熱輸送部７０は、高熱伝導部材として形成されているため、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱時と放熱時との温度差を小さくできる。
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の熱輸送部７０ａの説明図である。図５には、第１実施形態の図２に対応する、蓄熱器２０Ｂが放熱している状態が示されている。第２実施形態の水素製造装置１００ａでは、第１実施形態の水素製造装置１００と比較して、熱輸送部７０ａの構成が異なり、他の構成については第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態と異なる熱輸送部７０ａについて説明し、第１実施形態と同じ構成についての説明を省略する。
図５は、第２実施形態の熱輸送部７０ａの説明図である。図５には、第１実施形態の図２に対応する、蓄熱器２０Ｂが放熱している状態が示されている。第２実施形態の水素製造装置１００ａでは、第１実施形態の水素製造装置１００と比較して、熱輸送部７０ａの構成が異なり、他の構成については第１実施形態と同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態と異なる熱輸送部７０ａについて説明し、第１実施形態と同じ構成についての説明を省略する。
図６は、図５におけるＡ－Ａ断面の拡大概略図である。図６には、図５におけるＡ－Ａ断面の一部が示されている。図６に示されるように、第２実施形態の熱輸送部７０ａは、電解セル１４に接続しているセル側導体７１と、蓄熱器２０Ｂに接続している蓄熱器側導体７２と、電解セル１４と蓄熱器２０Ｂとの間に配置されてセル側導体７１と蓄熱器側導体７２とを絶縁する絶縁体７３と、を備えている。
そのため、第２実施形態の水素製造装置１００ａでは、セル側導体７１と接続している電解セル１４と、蓄熱器側導体７２に接続している蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとは、絶縁体７３により絶縁されている。この結果、セルスタック１０に供給された電力により発生した電流が、電解セル１４から蓄熱器２０Ａ，２０Ｂへと流れることを抑制できる。
＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ（水素製造装置）１００ｂの説明図である。第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂは、電気分解により水蒸気から水素を製造するＳＯＥＣとして機能し、かつ、水素を用いて発電するＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）としても機能する。図７には、第１実施形態の図３に対応し、リバーシブルＳＯＣ１００ｂがＳＯＦＣとして機能している状態が示されている。第３実施形態では、第１実施形態と比較して、制御部３０による蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱との制御と、熱輸送部７０ｂの材質がＳｉＣ（炭化ケイ素）であることが異なる。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と異なる制御および熱輸送部７０ｂについて説明し、第１実施形態と同じ制御等についての説明を省略する。
図７は、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ（水素製造装置）１００ｂの説明図である。第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂは、電気分解により水蒸気から水素を製造するＳＯＥＣとして機能し、かつ、水素を用いて発電するＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）としても機能する。図７には、第１実施形態の図３に対応し、リバーシブルＳＯＣ１００ｂがＳＯＦＣとして機能している状態が示されている。第３実施形態では、第１実施形態と比較して、制御部３０による蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの蓄熱と放熱との制御と、熱輸送部７０ｂの材質がＳｉＣ（炭化ケイ素）であることが異なる。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と異なる制御および熱輸送部７０ｂについて説明し、第１実施形態と同じ制御等についての説明を省略する。
第３実施形態では、制御部３０は、水素製造時に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに放熱させ、発電時に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに蓄熱させる。制御部３０は、水素製造時に、電解セル１４に供給される電力の範囲を、サーモニュートラル点以下となる電力の範囲に限定する。すなわち、水素製造時のリバーシブルＳＯＣ１００ｂでは、電解セル１４の熱収支が常にゼロ以下である。
図８は、リバーシブルＳＯＣ１００ｂにおける発熱量と吸熱量との関係の説明図である。図８には、第１実施形態の図４に対して、電解セル１４の発電時の発熱量も記載された熱流束の変化が示されている。図８に示されるように、変化曲線Ｃ１で表される発熱量は、電解セル１４が発電を開始する電流密度がゼロ以上の時に、電流密度が大きくなるにつれて増加する。変化直線Ｌ１で表されるエントロピーＴΔＳは、電流密度がゼロ以上の時に水素を用いた発電による発熱反応により、電流密度が大きくなるにつれて増加する。この結果、変化曲線Ｃ２で表される熱収支は、発電時において、常にゼロ以上であり、電流密度が大きくなるにつれて増加する。第３実施形態では、発電時の発熱量が蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに蓄熱される。
一方の電解セル１４における水素製造時には、図８に示されるように、制御部３０は、変化曲線Ｃ２で表される熱収支が常にゼロ以下となる電力を電解セル１４に供給する。具体的には、制御部３０は、－１．６５（Ａ／ｃｍ2）以上０．８５（Ａ／ｃｍ2）以下の範囲内の電流を電解セル１４に供給する。そのため、水素製造時のセルスタック１０の温度を一定が維持されるためには、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂ等からの放熱が必要となる。
第３実施形態では、制御部３０は、水素製造時の前記電解セルの温度を、発電時の前記電解セルの温度よりも低くなるように制御する。具体的に第３実施形態の例では、水素製造時のセルスタック１０ｂの温度は６５０（℃）近傍に制御され、発電時のセルスタック１０の温度は、水素製造時の温度よりも高い７００（℃）近傍で制御される。この結果、セルスタック１０と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの温度差ΔＴ（式（３））を確保できる。
図９および図１０は、セルスタック１０と蓄熱器２０Ａとの温度差ΔＴについての説明図である。図９，１０には、発電時のセルスタック１０の温度を７００（℃）に固定した場合の発電時および水素製造時における電解セル１４の温度変化と、蓄熱器２０Ａの温度変化とが示されている。図９，１０では、Ｘ軸に沿った位置に応じて変化する発電時の温度変化が実線で示され、水素製造時の温度変化が破線で示されている。
図９には、熱輸送部７０ｂの材質がＳｉＣである場合に、熱輸送部７０ｂの厚さδが５種類の３．０，２．０，１．０，０．５，０．２５（ｍｍ）のそれぞれの場合における、発電時の温度の変化曲線Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１５と、水素製造時の温度
の変化曲線Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ２５とが示されている。同じように、図１０には、熱輸送部７０ｂの材質がＳＵＳ（Steel Special Use Stainless）である場合に、熱輸送部７０ｂの厚さδが５種類の３．０，２．０，１．０，０．５，０．２５（ｍｍ）のそれぞれの場合における、発電時の温度の変化曲線Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ３５と、水素製造時の温度の変化曲線Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４，Ｃ４５とが示されている。
の変化曲線Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ２５とが示されている。同じように、図１０には、熱輸送部７０ｂの材質がＳＵＳ（Steel Special Use Stainless）である場合に、熱輸送部７０ｂの厚さδが５種類の３．０，２．０，１．０，０．５，０．２５（ｍｍ）のそれぞれの場合における、発電時の温度の変化曲線Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ３５と、水素製造時の温度の変化曲線Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４，Ｃ４５とが示されている。
図９，１０に示される蓄熱器２０ＡのＸ軸に沿う長さは５０（ｍｍ）である。セルスタック１０のＸ軸に沿う長さは１００（ｍｍ）であり、右半分の５０（ｍｍ）が図９，１０の左側（Ｘ軸の－１０ｍｍ以下）に「セルスタック半中」として示されている。セルスタック１０と蓄熱器２０Ａとの間に存在する熱輸送部７０ｂのＸ軸に沿う長さは１０（ｍｍ）である。
図９，１０の変化曲線Ｃ１１～Ｃ１５，Ｃ３１～３５に示されるように、７００（℃）のセルスタック１０から蓄熱器２０Ａへと熱輸送が行われる場合のスイング幅ΔＴｈ（式（４））は、熱輸送部７０ｂの厚さδが厚いほど小さくなる。同じように、変化曲線Ｃ２１～Ｃ２５，Ｃ４１～４５に示されるように、蓄熱器２０Ａからセルスタック１０へと熱輸送が行われる場合のスイング幅ΔＴｌ（式（５））は、熱輸送部７０ｂの厚さが厚いほど小さくなる。上記式（４），（５）に示されるように、熱輸送部７０ｂの熱伝達率が小さいほどスイング幅ΔＴｈ，ΔＴｌが小さくなる。そのため、ＳＵＳ（図１０）よりも熱伝達率λが大きいＳｉＣのスイング幅ΔＴｈ，ΔＴｌが小さくなる。すなわち、熱輸送部７０ｂに高熱伝導材料を用いることにより、スイング幅ΔＴｈ，ΔＴｌを小さくできる。
以上説明したように、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂは、リバーシブルＳＯＣ１００ｂは、電気分解により水蒸気から水素を製造するＳＯＥＣとして機能し、かつ、水素を用いて発電するＳＯＦＣとしても機能する。制御部３０は、水素製造時に、電解セル１４に供給される電力の範囲を、サーモニュートラル点以下となる電力の範囲に限定する。そのため、第３実施形態の電解セル１４の発電時には、水素と酸素との発熱反応が起こり、かつ、電解セル１４の抵抗発熱により、電解セル１４の温度が上昇するため、余剰発熱が発生している。第３実施形態では、発電時の余剰発熱が、水素製造時の電解セル１４の加熱に利用される。そのため、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂでは、水素製造時に、サーモニュートラル点を維持するために電解セル１４に供給される電流密度の大きさを過剰に大きくして、過電圧損失により電解セル１４を発熱させる必要がない。この結果、リバーシブルＳＯＣ１００ｂは、サーモニュートラル点よりも小さい絶対値の電流密度により水素を製造できるため、水素製造と発電とをリバーシブルに行う水素製造システムにおけるラウンドトリップ効率が向上する。
また、第３実施形態の制御部３０は、水素製造時の前記電解セルの温度を、発電時の前記電解セルの温度よりも低くなるように制御する。すなわち、第３実施形態では、電解セル１４の発電時を高温側、水素製造時を低温側に作動させることにより、蓄熱時と放熱時とにおける蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの温度変化を小さくできる。リバーシブルＳＯＣ１０ｂにおける水素製造から発電への切り替え直後では、急激な酸化により発熱量が増大し、局所的に集中した発熱が電解セル１４に発生する。一方、発電から水素製造への切り替え直後では、急激な還元により吸熱量が増大し、局所的に集中した吸熱が電解セル１４に発生する。発電と水素製造との作動切り替え直後における局所的な発熱または吸熱に対して、第３実施形態では、発熱時の電解セル１４の温度と、水素製造時の電解セル１４の温度とに差を持たせることにより、電解セル１４の顕熱変化を利用して、局所的な発熱および吸熱を緩和させることができる。換言すると、発電時の電解セル１４の温度を水素製造時よりも高くして蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの温度変化を抑制することにより、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂの顕熱変化による電解セル１４の温度の応答遅れを抑制できる。また、電解セル１４
の顕熱変化を熱バッファとして除熱または加熱に利用できるため、発電と水素製造との作動切り替え直後における急激な温度変化を抑制できる。
の顕熱変化を熱バッファとして除熱または加熱に利用できるため、発電と水素製造との作動切り替え直後における急激な温度変化を抑制できる。
＜上記実施形態の変形例＞
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。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
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。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
＜変形例１＞
上記第１実施形態および第２実施形態の水素製造装置１００，１００ａと、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂとは、一例であって、水素製造装置の構成および制御等については変形可能である。上記第１実施形態では、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂが備える蓄熱材２５として、上記式（１），（２）の反応を生じさせるＦｅ3Ｏ4が用いられたが、蓄熱と放熱とを行う蓄熱材２５については変形可能である。例えば、水素が供給されることにより、下記式（９）の反応を生じさせるメタンハイドレード系の材料が用いられてもよい。また、二酸化炭素が供給されることにより、下記式（１０）に示されるカーボネート系の材料が用いられてもよい。また、下記式（１１）に示されるＲｅｄｏｘ金属酸化物系の材料が用いられてもよい。
上記第１実施形態および第２実施形態の水素製造装置１００，１００ａと、第３実施形態のリバーシブルＳＯＣ１００ｂとは、一例であって、水素製造装置の構成および制御等については変形可能である。上記第１実施形態では、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂが備える蓄熱材２５として、上記式（１），（２）の反応を生じさせるＦｅ3Ｏ4が用いられたが、蓄熱と放熱とを行う蓄熱材２５については変形可能である。例えば、水素が供給されることにより、下記式（９）の反応を生じさせるメタンハイドレード系の材料が用いられてもよい。また、二酸化炭素が供給されることにより、下記式（１０）に示されるカーボネート系の材料が用いられてもよい。また、下記式（１１）に示されるＲｅｄｏｘ金属酸化物系の材料が用いられてもよい。
上記第１実施形態の制御部３０は、熱収支がサーモニュートラル点の電力の絶対値以上の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させ、熱収支がサーモニュートラル点の電力の絶対値の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させたが、サーモニュートラル点を基準とした蓄熱と放熱との制御については変形可能である。例えば、熱収支がサーモニュートラル点の電力と同じ場合に、制御部３０は、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させてもよいし、蓄熱と放熱とのいずれも行わなくてもよい。制御部３０は、熱収支がサーモニュートラル点よりも大きい絶対値の電力の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを蓄熱させればよい。同じように、制御部３０は、熱収支がサーモニュートラル点よりも小さい絶対値の電力の場合に蓄熱器２０Ａ，２０Ｂを放熱させればよい。上記第１実施形態では、電力の制御方法として、電解セル１４の電流密度が制御されたが、他の方法により制御されてもよい。例えば、電解セル１４に印加される電圧が制御されることにより、電解セル１４およびセルスタック１０に供給される電力が制御されてもよい。
電解セル１４の水素製造時の温度および発電時の温度については変形可能である。水素製造時の電解セル１４の温度は、７００（℃）および６５０（℃）でなくてもよく、７０００（℃）を超えてもよく、６５０（℃）未満でもよく、６５０（℃）以上７００（℃）未満であってもよい。同じように、発電時の電解セル１４の温度は７００（℃）以外の温
度もよく、水素製造時の温度よりも高くなくてもよい。熱輸送部７０に用いられる材質は、高熱伝導部材ではなくてもよく、例えば低熱伝導部材であってもよい。熱輸送部７０の材質は、温度スイング幅ΔＴｔが与えられた場合に、必ずしも上記式（８）を満たさない材質であってもよい。
度もよく、水素製造時の温度よりも高くなくてもよい。熱輸送部７０に用いられる材質は、高熱伝導部材ではなくてもよく、例えば低熱伝導部材であってもよい。熱輸送部７０の材質は、温度スイング幅ΔＴｔが与えられた場合に、必ずしも上記式（８）を満たさない材質であってもよい。
上記第１実施形態では、図２，３に示されるように、積層された各電解セル１４の間と、各蓄熱材２５との間とに熱輸送部７０が配置されたが、熱輸送部７０の形状および配置される位置については変形可能である。異なる形状および材質の熱輸送部７０が、各電解セル１４の間と、各蓄熱材２５の間とに配置されていてもよい。また、各電解セル１４の間と、各蓄熱材２５との間との代わりに、例えば、３つの電解セル１４と、３つの蓄熱材２５とを１セットとして、１セット間ごとに熱輸送部７０が配置されてもよい。また、積層方向に沿う電解セル１４の厚さと、蓄熱材２５との厚さが異なっていてもよい。この場合に、熱輸送部７０は、図２，３に示されるように、積層方向に直交する面方向に延びる板状の部材ではなく、例えば、積層方向に沿った鉛直方向の接続部を有する階段状の形状であってもよい。図１に示されるバルブ切替器６５は、電解セルと蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとのそれぞれに対する流量分配比を制御する範囲で、周知の流量制御装置を適用できる。
上記第２実施形態では、セル側導体７１と、蓄熱器側導体７２とのいずれもが導体であったが、一方または両方が導体以外であってもよい。また、セル側導体７１と、蓄熱器側導体７２との形状は、板状でなくてもよい。絶縁体７３の形状として、セル側導体７１と、蓄熱器側導体７２とを絶縁する範囲で、周知の形状を適用できる。
＜変形例２＞
図１１は、変形例における水素製造装置１００の制御方法のフローチャートである。図１１に示される制御フローでは、初めに、水素製造装置１００が水素の製造を開始する（ステップＳ１）。水素製造装置１００は、要求される水素の製造量に応じた電解電力を取得する（ステップＳ２）。制御部３０は、取得された電解電力の熱収支がゼロ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的には、制御部３０は、電解電力が、熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の絶対値以上であるか否かを判定する。熱収支がゼロ以上であると判定された場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部３０は、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに蓄熱させる蓄熱工程を行う。蓄熱工程では、電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとを接続する熱輸送部７０を介して、電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの間で熱交換が行われることにより、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂが蓄熱する。
図１１は、変形例における水素製造装置１００の制御方法のフローチャートである。図１１に示される制御フローでは、初めに、水素製造装置１００が水素の製造を開始する（ステップＳ１）。水素製造装置１００は、要求される水素の製造量に応じた電解電力を取得する（ステップＳ２）。制御部３０は、取得された電解電力の熱収支がゼロ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的には、制御部３０は、電解電力が、熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の絶対値以上であるか否かを判定する。熱収支がゼロ以上であると判定された場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部３０は、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに蓄熱させる蓄熱工程を行う。蓄熱工程では、電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとを接続する熱輸送部７０を介して、電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの間で熱交換が行われることにより、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂが蓄熱する。
ステップＳ３の処理において、熱収支がゼロ未満であると判定された場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、制御部３０は、熱輸送部７０を介した電解セル１４と蓄熱器２０Ａ，２０Ｂとの熱交換により、蓄熱器２０Ａ，２０Ｂに放熱させる放熱工程を行う（ステップＳ５）。ステップＳ４またはステップＳ５の処理が行われると、水素製造装置１００は、水素の製造を終了するか否かを判定する（ステップＳ６）。水素製造装置１００は、制御部３０が受け付けた操作内容に応じて、水素製造の終了を決定する。水素製造を終了しない場合には（ステップＳ６：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理が繰り返される。水素製造を終了すると判定した場合には（ステップＳ６：ＹＥＳ）、水素製造装置１００は、水素製造を終了する。
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、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、改良され得ると共に、本態様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。
１０，１０ｂ…セルスタック
１１…セルスタックの第１出入口
１２…セルスタックの第２出入口
１４…電解セル
２０Ａ，２０Ｂ…蓄熱器
２１，２３…蓄熱器の第１出入口
２２，２４…蓄熱器の第２出入口
２５…蓄熱材
３０…制御部
４０…水素タンク（水素貯蔵部）
５０…水タンク
６０…蒸発凝縮器（水蒸気生成部）
６５…バルブ切替器
７０，７０ａ，７０ｂ…熱輸送部
７１…セル側導体
７２…蓄熱器側導体
７３…絶縁体
１００，１００ａ…水素製造装置
１００ｂ…リバーシブルＳＯＣ（水素製造装置）
１４１…電解セルの燃料側
１４２…電解セルの酸素側
１４３…電解セルの電解質膜
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１～Ｃ１５，Ｃ２１～Ｃ２５，Ｃ３１～Ｃ３５，Ｃ４１～Ｃ４５…変化曲線
ＣＳ…直交座標系
Ｌ１…変化直線
１１…セルスタックの第１出入口
１２…セルスタックの第２出入口
１４…電解セル
２０Ａ，２０Ｂ…蓄熱器
２１，２３…蓄熱器の第１出入口
２２，２４…蓄熱器の第２出入口
２５…蓄熱材
３０…制御部
４０…水素タンク（水素貯蔵部）
５０…水タンク
６０…蒸発凝縮器（水蒸気生成部）
６５…バルブ切替器
７０，７０ａ，７０ｂ…熱輸送部
７１…セル側導体
７２…蓄熱器側導体
７３…絶縁体
１００，１００ａ…水素製造装置
１００ｂ…リバーシブルＳＯＣ（水素製造装置）
１４１…電解セルの燃料側
１４２…電解セルの酸素側
１４３…電解セルの電解質膜
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１～Ｃ１５，Ｃ２１～Ｃ２５，Ｃ３１～Ｃ３５，Ｃ４１～Ｃ４５…変化曲線
ＣＳ…直交座標系
Ｌ１…変化直線
Claims (9)
- 水素製造装置であって、
電気分解により水蒸気から水素を製造する電解セルと、
蓄熱と放熱とを行う蓄熱器と、
前記電解セルと前記蓄熱器とを接続し、前記電解セルと前記蓄熱器との間で熱交換を行わせる熱輸送部と、
設定された範囲内で制御した電力を前記電解セルに供給して前記電解セルに水素を製造させると共に、前記蓄熱器の蓄熱と放熱とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電解セルの水素製造時において、
前記電解セルに供給される電力の大きさが、水素製造による吸熱反応の熱量と、前記電解セルの抵抗発熱による熱量との和であるセル熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも小さい場合に、前記蓄熱器に放熱させ、
前記電解セルに供給される電力の大きさが、前記サーモニュートラル点の電力の大きさよりも大きい場合に、前記蓄熱器に蓄熱させる、水素製造装置。 - 請求項１に記載の水素製造装置であって、
前記制御部は、前記電解セルの水素製造時において、前記電解セルに供給される電力の大きさが、サーモニュートラル点の電力の大きさである場合に、前記蓄熱器に放熱させる、水素製造装置。 - 請求項１または請求項２に記載の水素製造装置であって、
前記蓄熱器は、酸化反応と還元反応とを生じさせる化学エネルギーによる蓄熱と放熱とを行う蓄熱材を有する、水素製造装置。 - 請求項３に記載の水素製造装置であって、さらに、
前記電解セルへと供給される水蒸気を、液体の水を加熱することにより生成する水蒸気生成部と、
前記電解セルにより製造された水素を貯蔵する水素貯蔵部と、
を備え、
前記蓄熱材は、前記水蒸気生成部で生成される水蒸気を用いた酸化反応により発熱反応を生じ、かつ、前記水素貯蔵部から供給される水素を用いた還元反応により吸熱反応を生じる、水素製造装置。 - 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の水素製造装置であって、
前記熱輸送部は、
前記電解セルに接続しているセル側導体と、
前記蓄熱器に接続している蓄熱器側導体と、
前記電解セルと前記蓄熱器との間に配置されて、前記セル側導体と前記蓄熱器側導体とを絶縁する絶縁体と、
を有する、水素製造装置。 - 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の水素製造装置であって、
前記熱輸送部は、高熱伝導部材により形成されている、水素製造装置。 - 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の水素製造装置であって、
前記電解セルは、水素の製造に加えて、水素を用いた発電が可能であり、
前記制御部は、
水素製造時に、前記電解セルに供給される前記範囲内の電力を前記サーモニュートラ
ル点以下となる電力に制御し、かつ、前記蓄熱器に放熱させ、
発電時に前記蓄熱器に蓄熱させる、水素製造装置。 - 請求項７に記載の水素製造装置であって、
前記制御部は、水素製造時の前記電解セルの温度を、発電時の前記電解セルの温度よりも低くなるように制御する、水素製造装置。 - 電気分解により水蒸気から水素を製造する電解セルと、蓄熱と放熱とを行う蓄熱器と、予め設定された範囲内で制御した電力を前記電解セルに供給して前記電解セルに水素を製造させる制御部と、を備える水素製造装置の制御方法であって、
前記制御部は、前記電解セルの水素製造時において、前記電解セルに供給される電力の大きさが、水素製造による吸熱反応の熱量と、前記電解セルの抵抗発熱による熱量との和であるセル熱収支がゼロになるサーモニュートラル点の電力の大きさよりも小さい場合に、前記電解セルと前記蓄熱器とを接続する熱輸送部を介して、前記電解セルと前記蓄熱器との間で熱交換を行わせることにより、前記蓄熱器に放熱させる放熱工程と、
前記制御部は、前記電解セルに供給される電力の大きさが、前記サーモニュートラル点の電力の大きさよりも大きい場合に、前記熱輸送部を介した前記熱交換により、前記蓄熱器に蓄熱させる蓄熱工程と、
を備える、制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022018755A JP2023116137A (ja) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | 水素製造装置および水素製造装置の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022018755A JP2023116137A (ja) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | 水素製造装置および水素製造装置の制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023116137A true JP2023116137A (ja) | 2023-08-22 |
Family
ID=87579534
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022018755A Pending JP2023116137A (ja) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | 水素製造装置および水素製造装置の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023116137A (ja) |
-
2022
- 2022-02-09 JP JP2022018755A patent/JP2023116137A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rashidi et al. | Progress and challenges on the thermal management of electrochemical energy conversion and storage technologies: Fuel cells, electrolysers, and supercapacitors | |
| Choi et al. | Numerical analysis on the performance of cooling plates in a PEFC | |
| JP4994731B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP5711687B2 (ja) | 電気化学装置および蓄電システム | |
| Atan et al. | Temperature profiles of an air-cooled PEM fuel cell stack under active and passive cooling operation | |
| JP2013058339A (ja) | 燃料電池システム | |
| Reddy et al. | Thermal coupling studies of a high temperature proton exchange membrane fuel cell stack and a metal hydride hydrogen storage system | |
| JP2009193808A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
| JP6573149B2 (ja) | 燃料電池発電装置と方法 | |
| WO2012070487A1 (ja) | ２次電池型燃料電池システム | |
| JP2023116137A (ja) | 水素製造装置および水素製造装置の制御方法 | |
| Yiotis et al. | A generic physical model for a thermally integrated high-temperature PEM fuel cell and sodium alanate tank system | |
| JP2018116834A (ja) | 高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法 | |
| JP5379962B2 (ja) | 燃料電池システム及び改質原料気化方法 | |
| Janßen et al. | Stack concepts for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells | |
| US6949303B1 (en) | Electromechanical conversion system | |
| JP2014185833A (ja) | 蓄熱装置 | |
| JP2007122964A (ja) | 固体酸化物形燃料電池発電システム | |
| JP2015018729A (ja) | 燃料電池コージェネレーションシステム | |
| JP6230988B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| Al-Okbi | Study Of the effects of channel design on the performance of the polymer electrode membrane fuel cell | |
| JP2005085598A (ja) | 化学蓄熱蓄水素装置 | |
| JP2021111455A (ja) | 冷却装置及び燃料電池システム | |
| KR102624449B1 (ko) | 발열체에 의한 승온이 적용되는 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(sofc) 시스템, 및 이의 작동방법 | |
| JP2010113959A (ja) | 燃料電池スタック |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230602 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240312 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240423 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240617 |