JP2023141293A - 水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性が向上された水素製造システム１０を提供する。
【解決手段】供給される電力によって水を電気分解させて水素を製造する複数のセルスタック９１，９２，９３と、該複数のセルスタック９１，９２，９３の少なくとも一つの特定セルスタックを制御する制御部１４であって、上記複数のセルスタック９１，９２，９３の全体に要求される上記水素の製造量に基づいて、上記特定セルスタックに供給される上記電力について電圧又は電流を調整する負荷調整制御と、上記特定セルスタックに供給される上記電力をＯＮ又はＯＦＦさせるＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させる上記制御部１４と、を備えた水素製造システム１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造システムに関する。

従来、水素を製造する水素製造システムとして特許文献１に記載のものが知られている。この水素製造装置は、電力の供給により水蒸気を水素と酸素に電解するセルスタックと、予め定めたセル温度に設定されたセルスタックにおける吸熱と発熱とがバランスする熱中立点に電力の電圧を調整する電圧調整部と、電圧が熱中立点に調整された電力を水蒸気の流量に基づきパルス幅制御してセルスタックに供給する電力供給部と、を備えている。

特開２０２０－４１２０２号公報

上記の技術によれば、すべてのセルスタックは、水素を製造している全期間において、パルス幅制御される。つまり、すべてのセルスタックにつき、電力の供給が短い周期で繰り返しＯＮ／ＯＦＦされる制御が、継続的に行われる。このため、セルスタックが劣化しやすくなるので、セルスタックの耐久性が低下するという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、耐久性が向上された水素製造システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
供給される電力によって水を電気分解させて水素を製造する複数のセルスタック（９１，９２，９３）と、
該複数のセルスタックの少なくとも一つの特定セルスタックを制御する制御部（１４）であって、上記複数のセルスタックの全体に要求される上記水素の製造量に基づいて、上記特定セルスタックに供給される上記電力について電圧又は電流を調整する負荷調整制御と、上記特定セルスタックに供給される上記電力をＯＮ又はＯＦＦさせるＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させる上記制御部と、
を備えた水素製造システム（１０）にある。

上記態様によれば、耐久性が向上された水素製造システムを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の水素製造システムを示す構造ブロック図である。 実施形態１のセルスタックにおける、反応熱量の、特定セル負荷調整率に対する変化を示すグラフである。 実施形態１のセルスタックにおける、特定セル負荷調整率及びセルスタックに印加される電圧の、反応時間に対する変化を示すグラフである。 実施形態１の複数のセルスタックの全体において、全体負荷調整率及び特定セル負荷調整率の対応関係と、複数のセルスタックの稼働状態とを模式的に示すグラフである。 実施形態１のメインルーチンを示すフローチャートである。 実施形態１の１セル処理を示すフローチャートである。 実施形態１の２セル処理を示すフローチャートである。 実施形態１の３セル処理を示すフローチャートである。 実施形態１における、全体負荷調整率と、セルスタックの稼働台数と、負荷調整制御及びＯＮ／ＯＦＦ制御との関係を模式的に示すグラフである。 実施形態１の水素製造システムの制御態様を模式的に示すグラフである。 実施形態２の水素製造システムにおける、セルスタックを示す一部拡大構造ブロック図である。 実施形態２における、全体負荷調整率と、セルスタックの稼働台数と、負荷調整制御との関係を模式的に示すグラフである。 実施形態３の水素製造システムにおける、セルスタックを示す一部拡大構造ブロック図である。 実施形態３における、全体負荷調整率と、セルスタックの稼働台数と、負荷調整制御との関係を模式的に示すグラフである。 実施形態４における、全体負荷調整率と、セルスタックの稼働台数と、負荷調整制御及びＯＮ／ＯＦＦ制御との関係を模式的に示すグラフである。 実施形態５の水素製造システムにおける、電解モジュールを示す一部拡大構造ブロック図である。 実施形態６の水素製造システムを示す構造ブロック図である。

（実施形態１）
１．水素製造システム１０の全体構造
実施形態１の水素製造システム１０について、図１～図１０を参照して説明する。水素製造システム１０は、複数のセルスタック９１，９２，９３と、制御部１４と、を備える。本形態に係る水素製造システム１０は３つのセルスタック９１，９２，９３を備える。複数のセルスタック９１，９２，９３は、供給される電力によって水を電気分解させて水素を製造する。制御部１４は、複数のセルスタック９１，９２，９３の少なくとも一つの特定セルスタックを制御する。制御部１４は、複数のセルスタック９１，９２，９３の全体に要求される水素の製造量に基づいて、特定セルスタックに供給される電力について負荷調整制御と、ＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させる。負荷調整制御は、特定セルスタックに供給される電力について電圧又は電流を調整するものである。ＯＮ／ＯＦＦ制御は、特定セルスタックに供給される電力をＯＮさせるか又はＯＦＦさせるものである。

図１に示すように、水素製造システム１０は、電源１５と、制御部１４と、３つのセルスタック９１，９２，９３と、を備える。電源１５と、３つのセルスタック９１，９２，９３とは並列接続されている。電源１５と、各セルスタック９１，９２，９３との間には、スイッチング素子１６と、可変抵抗器１７とが直列に接続されている。スイッチング素子１６と、可変抵抗器１７との接続順序は特に限定されない。制御部１４は、スイッチング素子１６をＯＮ又はＯＦＦさせる。スイッチング素子１６は、機械式リレー、半導体スイッチング素子等、任意のスイッチング素子１６を任意に選択できる。また、制御部１４は、可変抵抗器１７の電気抵抗値を変化させる。これにより、制御部１４は、３つのセルスタック９１，９２，９３に供給される電力について電圧又は電流を変化させる。３つのセルスタック９１，９２，９３に供給される電力について電圧又は電流を変化させる手段は可変抵抗器１７に限られず、任意の素子を適宜に選択できる。

３つのセルスタック９１，９２，９３は、それぞれ、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３とされる。第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は同一の構成を有するものであってもよいし、また、異なる構成を有してもよい。本形態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は同一の構成を有する。

第１セルスタック９１は、アノード１８と、カソード１９と、アノード１８とカソード１９との間に配された電解質２０と、を備える。本形態の電解質２０は、固体酸化物形電解質である。本形態の第１セルスタック９１は、平板形状の固体酸化物形電解セルが、その厚み方向に積層して構成されている。アノード１８において、水蒸気が還元されて水素及び酸素イオンが生成する。電解質２０は、生成した酸素イオンをカソード１９に輸送する。カソード１９においては、輸送された酸素イオンが酸化されて酸素が生成する。

第１セルスタック９１には、水蒸気ライン２１から水蒸気が供給される。水蒸気は、図示しない水蒸発器によって水が気化されることにより生成される。また、第１セルスタック９１には、空気供給ライン２２から空気が供給される。空気は図示しない圧縮機によって所定の圧力に加圧されている。

第１セルスタック９１には水素ライン２３が接続されている。水素ライン２３には、第１セルスタック９１において製造された水素が流通されるようになっている。水素ライン２３は水素利用装置２４に接続されている。水素ライン２３に流通された水素は水素利用装置２４に供給されて、水素利用装置２４において利用される。水素利用装置２４は水素を任意の手法により利用するようになっている。水素利用装置２４は、例えば、水素を原料にして製品を製造したり、水素による還元雰囲気下において製品の処理を行ったりすることができる。水素利用装置２４は、水素利用装置２４に必要とされる水素量についての信号を制御部１４に送信する。

制御部１４は、水素利用装置２４から送信された信号を受け取って、全体負荷調整率を算出する。全体負荷調整率は、水素利用装置２４から要求される水素製造量の、複数のセルスタックの全体の水素製造能力の最大値に対する百分率として、下記のように定義される。

全体負荷調整率
＝｛（水素利用装置から要求される水素製造量）／（複数のセルスタックの全体の水素製造能力の最大値）｝×１００ （％）

第１セルスタック９１には空気排出ライン２５が接続されている。空気排出ライン２５には、第１セルスタック９１に供給された空気と、第１セルスタック９１で生成された酸素とが、流通されるようになっている。空気排出ライン２５に流通された空気と酸素とは、外部に排出される。

上記したように、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は第１セルスタック９１と同様の構成を有するので、同一部材には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本形態においては、制御部１４は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に供給される電力を制御する。本形態では、水素製造システム１０が備える第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３のすべてが、制御部１４によって制御される特定セルスタックとされる。ただし、水素製造システム１０が備える複数のセルスタック９１，９２，９３のうち、１つ又は２つ以上の任意の個数のセルスタックが特定セルスタックとされてもよい。

２．特定セルスタックの制御について
図２～図４を参照して、制御部１４による、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の制御について説明する。

図２には、第１セルスタック９１における、反応熱量の、特定セル負荷調整率に対する変化を示すグラフを示す。上記したように、本形態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３がすべて特定セルスタックとされているので、以下の説明では、第１セルスタック９１を例に説明する。なお、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３についても、特に言及しない限り第１セルスタック９１と同様である。

図２に示すグラフにおいて、縦軸は、第１セルスタック９１が水素を製造する際の、反応熱量を示す。

図２に示すグラフにおける、横軸に係る特定セル負荷調整率は、特定セルスタックに要求される水素製造量の、特定セルスタックの水素製造能力の最大値に対する百分率として、下記のように定義される。

特定セル負荷調整率
＝｛（特定セルスタックに要求される水素製造量）／（特定セルスタックの水素製造能力の最大値）｝×１００ （％）

特定セル負荷調整率は、水素利用装置２４が要求する水素製造量が変化した場合に変化しうる。また、特定セル負荷調整率は、水素利用装置２４が要求する水素製造量が変化しない場合でも、制御部１４によって特定セルスタックに割り当てられる水素製造量が変化した場合にも変化しうる。このように特定セル負荷調整率は、水素製造システム１０が稼働中に、０％～１００％で任意に変化しうる。

制御部１４によって特定セルスタックに割り当てられる水素製造量が変化する場合について説明する。特定セルスタックに要求される水素製造量は、複数のセルスタック９１，９２，９３の全体に要求される水素製造量のうち、一のセルスタックに割り当てられた水素製造量をいう。例えば、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３全体の水素製造能力の最大値を１００％とした場合に、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に６０％の水素製造量が要求された場合、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に２０％ずつ割り当てられてもよいし、第１セルスタック９１に１０％、第２セルスタック９２に２０％、第３セルスタック９３に３０％の水素製造量が割り当てられてもよく、任意の割合で設定されうる。

次に、全体負荷調整率と、特定セル負荷調整率との関係について説明する。本形態の水素製造システム１０は、同一の構成を有する第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３という３つのセルスタック９１，９２，９３を備えている。例えば、第１セルスタック９１について特定セル負荷調整率が割り当てられた場合、下記のように、特定セル負荷調整率を、水素製造システム１０が備えるセルスタックの個数で除した値が、特定セル負荷調整率を全体負荷調整率に換算した値となる。

全体負荷調整率
＝特定セル負荷調整率／セルスタックの個数

例えば、制御部１４によって、第１セルスタック９１に１００％の特定セル負荷調整率が割り当てられた場合、下記のように、この１００％の特定セル負荷調整率をセルスタックの個数３で除した値が、全体負荷調整率に換算された値となる。なお、本明細書では、無限小数については小数点第２位を四捨五入するものとし、以下同様とする。

１００（％）÷３≒３３．３（％）

また、制御部１４によって、第１セルスタック９１に８４％の特定セル負荷調整率が割り当てられた場合、この８４％の特定セル負荷調整率をセルスタックの個数３で除した２８％が、全体負荷調整率に換算された値となる。

なお、複数のセルスタックが、すべて同一の構造を有していない場合には、特定セル負荷調整率から全体負荷調整率に換算する場合、セルスタックの個数と、セルスタックの個々の構造に対応した係数と、を組み合わせてもよい。

次に、図２に示すグラフについて説明する。特定セル負荷調整率が０％であるとき、第１セルスタック９１は稼働していない。したがって、第１セルスタック９１において反応熱は発生していないので、反応熱量は０である。

水の電気分解は吸熱反応なので、特定セル負荷調整率が増加すると、第１セルスタック９１における反応熱量は負の値となる。このため、第１セルスタック９１を所定の反応温度に維持するためには、第１セルスタック９１を加熱する必要がある。

特定セル負荷調整率が増加すると、第１セルスタック９１のオーム損による発熱が吸熱を上回るため、第１セルスタック９１の反応熱量は上昇に転じる。そして、吸熱と発熱とがバランスして、反応熱量が０となる。本形態では、特定セル負荷調整率が８４％のときに、吸熱と発熱とがバランスするようになっている。ただし、吸熱と発熱とがバランスするときの特定セル負荷調整率は８４％に限られず、任意の値をとりうる。吸熱と発熱とがバランスした状態で第１セルスタック９１が水素を製造可能な特定セル負荷調整率の値がバランスしきい値とされる。本形態では、バランスしきい値は８４％とされる。

吸熱と発熱とがバランスする状態は、熱中立点と呼ばれる場合がある。熱中立点においては、第１セルスタック９１は発熱も吸熱もしないので、エネルギーを新規投入することなく第１セルスタック９１の温度を維持できる。

特定セル負荷調整率が８４％を超えると、第１セルスタック９１のオーム損による発熱が吸熱を上回るため、反応熱量は正の値となる。すなわち、水素の製造に伴い、第１セルスタック９１の温度は上昇する。発熱領域においては、第１セルスタック９１を所定の温度に維持するために必要なエネルギーが少なくて済むので、高い効率で水素を製造することができる。

次に、図３を参照して、負荷調整制御、及びＯＮ／ＯＦＦ制御について説明する。図３に示すグラフの左側の縦軸は、特定セル負荷調整率を示す。グラフの右側の縦軸は、第１セルスタック９１に印加する電圧を示す。グラフの横軸は、第１セルスタック９１が水素を生成する際の反応時間を示す。グラフにおいて、実線は第１セルスタック９１に印加される電圧を示す。グラフにおいて、破線は、第１セルスタック９１に割り当てられた特定セル負荷調整率を示す。

制御部１４は、反応時間が０～Ｔ２の間は、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行し、反応時間がＴ２～Ｔ３の間は、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行する。

制御部１４は、ＯＮ／ＯＦＦ制御において、第１セルスタック９１に接続されたスイッチング素子１６をＯＮ又はＯＦＦさせることにより、第１セルスタック９１に電力を供給させるか、又は供給を停止させる。これにより、制御部１４は、第１セルスタック９１に電力を断続的に供給させることができる。制御部１４は、スイッチング素子１６のＯＮ又はＯＦＦを繰り返すことにより、第１セルスタック９１に電力を供給させる時間を調整する。これにより、反応時間が０～Ｔ２の間において、第１セルスタック９１に対する特定負荷調整率に対応する電力を第１セルスタック９１に供給する。

反応時間が０～Ｔ１における特定セル負荷調整率は、反応時間がＴ１～Ｔ２における特定セル負荷調整率よりも小さい。このため、反応時間が０～Ｔ１において制御部１４が第１セルスタック９１に電力を供給させる時間は、反応時間がＴ１～Ｔ２において制御部１４が第１セルスタック９１に電力を供給させる時間よりも短くなっている。

制御部１４が、第１セルスタック９１に電力を供給させる時間は、例えば、μ秒単位でもよいし、秒単位でもよいし、分単位でもよいし、時間単位でもよく、任意の時間間隔で、スイッチング素子１６をＯＮ又はＯＦＦさせることができる。

制御部１４は、第１セルスタック９１に対してＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる際、制御部１４は、可変抵抗器１７の電気抵抗値を調整することにより、第１セルスタック９１に印加される電圧又は流される電流を変化させる。本形態では、第１セルスタック９１に対してＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される際、第１セルスタック９１に対しては、特定セル負荷調整率がバランスしきい値である８４％になる電圧が印加され、又は電流が流される。これにより、第１セルスタック９１がＯＮされた状態では、吸熱と発熱とがバランスしているので、効率よく水素を生成することができる。

本形態では、反応時間が０～Ｔ２において、第１セルスタック９１に割り当てられた特定セル負荷調整率が段階的に変化する例を示したが、これに限られず、特定セル負荷調整率が連続的に変化する場合であってもよい。

反応時間がＴ２～Ｔ３において、制御部１４は、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行する。制御部１４は、第１セルスタック９１に接続されたスイッチング素子１６をＯＮさせる。制御部１４は、第１セルスタック９１に接続された可変抵抗を調節することにより、第１セルスタック９１に印加される電圧又は流される電流を変化させる。これにより、制御部１４は、第１セルスタック９１に割り当てられた特定セル負荷調整率に対応する電圧を第１セルスタック９１に印加させ、又は特定セル負荷調整率に対応する電流を第１セルスタック９１に流させる。

本形態では、反応時間がＴ２～Ｔ３において、第１セルスタック９１に割り当てられた特定セル負荷調整率が連続的に変化する例を示したが、これに限られず、特定セル負荷調整率が段階的に変化する場合であってもよい。

３．水素製造システム１０の制御について
続いて、図４～図９を参照して水素製造システム１０の制御について説明する。なお、水素製造システム１０の制御は、以下の説明に限定されない。

３－１．概要
図４は、全体負荷調整率が変化した場合における、第１～第３セルスタック９１，９２，９３の稼働状態の一例を模式的に示す説明図である。

図４において、左側の縦軸は全体負荷調整率を示す。右側の縦軸は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３のそれぞれの特定セル負荷調整率の和を示す。横軸には、セルスタックの稼働状態についての説明が記載されている。図４において実線で示されたグラフは、全体負荷調整率が変化する状態を模式的に示したものである。

左側の縦軸について、全体負荷調整率が０％であるということは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に対して、水素利用装置２４が水素を製造する要求をしていないことを示す。一方、全体負荷調整率が１００％であるということは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に対して、水素製造能力の最大値で水素を製造することが、水素利用装置２４から要求されていることを示している。

全体負荷調整率が３３．３％であるということは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に対して、セルスタック１台分の水素製造能力の最大値で水素を製造することが、水素利用装置２４から要求されていることを示している。左側の縦軸に示された全体負荷調整率が３３．３％に対応して、右側の縦軸に示された特定セル負荷調整率の値が１００％であるのは、第１セルスタック９１が水素製造能力の最大値で製造し、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が水素を製造してない例を表している。第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が水素を製造していない状態とは、少なくとも第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に電力が供給されていない状態をいう。第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に電力が供給されていない状態は、例えば、制御部１４によって第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に接続されたスイッチング素子１６がＯＦＦされている場合を含む。

同様に、全体負荷調整率が６６．７％であるということは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に対して、セルスタック２台分の水素製造能力の最大値で水素を製造することが、水素利用装置２４から要求されていることを示している。左側の縦軸に示された全体負荷調整率が６６．７％に対応して、右側の縦軸に示された特定セル負荷調整率の値が２００％であるのは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２が水素製造能力の最大値で製造し、第３セルスタック９３が水素を製造してない例を表している。第３セルスタック９３が水素を製造していない状態とは、少なくとも第３セルスタック９３に電力が供給されていない状態をいう。第３セルスタック９３に電力が供給されていない状態は、例えば、制御部１４によって第３セルスタック９３に接続されたスイッチング素子１６がＯＦＦされている場合を含む。

本形態では、上記のように、全体負荷調整率が０～３３．３％のとき、第１セルスタック９１が１台だけ稼働する１台稼働状態となっており、全体負荷調整率が３３．３～６６．７％のとき、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２が稼働する２台稼働状態となっており、全体負荷調整率が６６．７～１００％のとき、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が稼働する３台稼働状態となっている。

３－２．メインルーチン
図５に示すように、水素製造システム１０が水素の製造を開始すると、制御部１４は、水素利用装置２４から、水素利用装置２４が要求する水素量に係る信号を取得する（Ｓ１）。制御部１４は、水素利用装置２４から取得した信号に基づいて、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に要求される全体負荷調整率を算出する（Ｓ２）。

制御部１４は、全体負荷調整率が３３．３％以下であるとき（Ｓ３：Ｙ）、第１セルスタック９１を稼働させる１セル処理を実行させる（Ｓ７）。制御部１４は、全体負荷稼働率が３３．３％以下でないと判断したとき（Ｓ３：Ｎ）、全体負荷調整率が６６．７％以下であるか否かを判断する（Ｓ４）。制御部１４は、全体負荷調整率が６６．７％以下である場合（Ｓ４：Ｙ）、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２を稼働させる２セル処理を実行させる（Ｓ８）。制御部１４は、全体負荷稼働率が６６．７％以下でないと判断したとき（Ｓ４：Ｎ）、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３を稼働させる３セル処理を実行させる（Ｓ５）。制御部１４は、水素の製造を停止するとの指示を受けるまで、上記の処理を繰り返す（Ｓ６：Ｎ）。制御部１４は、水素の製造を停止するとの指示を受けたとき（Ｓ６：Ｙ）、水素製造システム１０についての処理を終了する。

３－３．１セル処理
１セル処理（Ｓ７）について、図４～図６を参照して説明する。図５のＳ３において全体負荷調整率が３３．３％以下であると判断されて１セル処理が実行されると、第１セルスタック９１が稼働し、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が稼働していない状態となる。制御部１４は、全体負荷調整率が２８％未満であるか否かを判断する（Ｓ９）。図４に示すように、全体負荷調整率が２８％であるということは、第１セルスタック９１に割り当てられた特定セル負荷調整率が８４％であることを示す。第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率が８４％であることは、第１セルスタック９１が水素を製造する際、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が２８％未満であるということは、第１セルスタック９１が吸熱状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が２８％未満であると判断したとき（Ｓ９：Ｙ）、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる（Ｓ１１）。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が２８％未満ではないと判断したときには（Ｓ９：Ｎ）、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる（Ｓ１０）。これにより、第１セルスタック９１が稼働しているすべてのときにＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第１セルスタック９１に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第１セルの劣化を抑制することができる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

本形態において、１セル処理が実行される場合、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３を稼働させない構成としたが、これに限られない。例えば、第１～第３セルスタック９３の劣化度を検知し、比較的に劣化が進行していないセルスタックにＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる構成としてもよい。

３－４．２セル処理
２セル処理（Ｓ８）について、図４、図５及び図７を参照して説明する。図５のＳ４において全体負荷調整率が６６．７％以下であると判断されて２セル処理が実行されると、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２が稼働し、第３セルスタック９３が稼働していない状態となる。制御部１４は、全体負荷調整率が５６％未満であるか否かを判断する（Ｓ１２）。図４に示すように、全体負荷調整率が５６％であるということは、特定セル負荷調整率の和が１６８％であることである。つまり、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率と、第２セルスタック９２の負荷調整率の双方が８４％であるということである。つまり、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２が水素を製造する際、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が５６％未満であるということは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２が吸熱状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が５６％未満であると判断したとき（Ｓ４：Ｙ）、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ１６）、第２セルスタック９２を全体負荷調整率２８％で稼働させる（Ｓ１７）。図４に示すように、全体負荷調整率が２８％であるということは、第２セルの特定セル負荷調整率に換算すると８４％となる。すなわち、第２セルは吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態になる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が５６％未満でないと判断したとき（Ｓ１２：Ｎ）、制御部１４は、全体負荷調整率が６１．３％未満であるか否かを判断する（Ｓ１３）。図４に示すように、全体負荷調整率が６１．３％であるということは、特定セル負荷調整率の和が１８４％であることである。つまり、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率が１００％であり、第２セルスタック９２の負荷調整率の双方が８４％であるということである。これは、第１セルスタック９１は発熱状態で水素を製造することができる状態であり、且つ、第２セルスタック９２が水素を製造する際には、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が６１．３％未満であるということは、第１セルスタック９１は発熱状態で水素を製造する状態であり、第２セルスタック９２が吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が６１．３％未満であると判断したとき（Ｓ１３：Ｙ）、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる（Ｓ１８）。これにより、第１セルスタック９１が稼働しているすべてのときにＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第１セルスタック９１に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第１セルの劣化を抑制することができる。制御部１４は、第２セルスタック９２を全体負荷調整率２８％で稼働させる（Ｓ１９）。全体負荷調整率が２８％であるということは、第２セルの特定セル負荷調整率に換算すると８４％となる。すなわち、第２セルは吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態になる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が６１．３％未満でないと判断したとき（Ｓ１３：Ｎ）、制御部１４は、第１セルスタック９１を全体負荷調整率３３．３％で稼働させる（Ｓ１４）。図４に示すように、全体負荷調整率３３％は、特定セル負荷調整率に換算すると１００％となる。つまり、第１セルスタック９１は特定セル負荷調整率１００％で水素を製造する。制御部１４は、第２セルスタック９２に負荷調整制御を実行させる（Ｓ１５）。これにより、第２セルスタック９２が稼働しているすべてのときにＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第２セルスタック９２に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第２セルスタック９２の劣化を抑制することができる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

本形態においては、２セル処理において、第１セルスタック９１がＯＮ／ＯＦＦ制御される構成としたが、これに限られない。例えば、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３のように、１セル処理においてＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されなかったセルスタックがＯＮ／ＯＦＦ制御されてもよい。また、第１～第３セルスタック９３の劣化度を検知し、比較的に劣化が進行していないセルスタックにＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる構成としてもよい。

３－５．３セル処理
３セル処理（Ｓ８）について、図４、図５及び図８を参照して説明する。図５のＳ４において全体負荷調整率が６６．７％以下ではないと判断されて３セル処理が実行されると、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が稼働する状態となる。制御部１４は、全体負荷調整率が８４％未満であるか否かを判断する（Ｓ２０）。図４に示すように、全体負荷調整率が８４％であるということは、特定セル負荷調整率の和が２５２％であることである。つまり、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率、第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率、及び第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率が８４％であるということである。つまり、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が水素を製造する際、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が８４％未満であるということは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が吸熱状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が８４％未満であると判断したとき（Ｓ２０：Ｙ）、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ２６）、第２セルスタック９２を全体負荷調整率２８％で稼働させ（Ｓ２７）、第３セルスタック９３を全体負荷調整率２８％で稼働させる（Ｓ２８）。全体負荷調整率が２８％であるということは、第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率及び第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率に換算すると８４％となる。すなわち、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態になる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が８４％未満でないと判断したとき（Ｓ２０：Ｎ）、制御部１４は、全体負荷調整率が８９．３％未満であるか否かを判断する（Ｓ２１）。図４に示すように、全体負荷調整率が８９．３％であるということは、特定セル負荷調整率の和が２６８％であることである。つまり、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率が１００％であり、第２セルスタック９２の負荷調整率及び第３セルスタック９３の負荷調整率の双方が８４％であるということである。これは、第１セルスタック９１は発熱状態で水素を製造することができる状態であり、且つ、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が水素を製造する際には、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が８９．３％未満であるということは、第１セルスタック９１は発熱状態で水素を製造する状態であり、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３が吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が８９．３％未満であると判断したとき（Ｓ２１：Ｙ）、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる（Ｓ２９）。これにより、第１セルスタック９１が稼働しているすべてのときにＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第１セルスタック９１に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第１セルの劣化を抑制することができる。制御部１４は、第２セルスタック９２を全体負荷調整率２８％で稼働させ（Ｓ２７）、第３セルスタック９３を全体負荷調整率２８％で稼働させる（Ｓ２８）。全体負荷調整率が２８％であるということは、第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率及び第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率に換算すると８４％となる。すなわち、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態になる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が８９．３％未満でないと判断したとき（Ｓ２１：Ｎ）、制御部１４は、全体負荷調整率が９４．７％未満であるか否かを判断する（Ｓ２２）。図４に示すように、全体負荷調整率が９４．７％であるということは、特定セル負荷調整率の和が２８４％であることである。つまり、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率及び第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率が１００％であり、第３セルスタック９３の負荷調整率が８４％であるということである。これは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２は発熱状態で水素を製造することができる状態であり、且つ、第３セルスタック９３が水素を製造する際には、吸熱と発熱とがバランスした状態であることを示す。全体負荷調整率が９４．７％で未満あるということは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２は発熱状態で水素を製造する状態であり、第３セルスタック９３が吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態であることを示す。制御部１４は、全体負荷調整率が９４．７％未満であると判断したとき（Ｓ２２：Ｙ）、第１セルスタック９１を全体負荷調整率３３．３％で稼働させる（Ｓ３２）。図４に示す世に、全体負荷調整率が３３．３％であるということは、第１セルの特定セル負荷調整率に換算すると、１００％となる。つまり、第１セルスタック９１は特定セル負荷調整率１００％で水素を製造する。制御部１４は、第２セルスタック９２に負荷調整制御を実行させる（Ｓ３３）。これにより、第２セルスタック９２が稼働状態にあるときに常にＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第２セルスタック９２に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第２セルスタック９２の劣化を抑制することができる。制御部１４は、第３セルスタック９３を全体負荷調整率２８％で稼働させる（Ｓ３４）。全体負荷調整率が２８％であるということは、第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率に換算すると８４％となる。すなわち、第３セルスタック９３は吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する状態になる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。

制御部１４は、全体負荷調整率が９４．７％未満でないと判断したとき（Ｓ２２：Ｎ）、第１セルスタック９１を全体負荷調整率３３．３％で稼働させ（Ｓ２３）、第２セルスタック９２を全体負荷調整率３３．３％で稼働させる（Ｓ２４）。図４に示すように、全体負荷調整率３３．３％は、特定セル負荷調整率に換算すると１００％となる。つまり、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２は特定セル負荷調整率１００％で水素を製造する。制御部１４は、第３セルスタック９３に負荷調整制御を実行させる（Ｓ２５）。これにより、第３セルスタック９３が稼働状態にあるときに常にＯＮ／ＯＦＦ制御される場合に比べて、第３セルスタック９３に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができる。これにより、第３セルスタック９３の劣化を抑制することができる。その後、制御部１４はＳ１に戻り、終了の指示を受けるまでＳ１～Ｓ８の処理を繰り返す。以上により、水素製造システム１０についての処理が終了する。

本形態においては、３セル処理において、第１セルスタック９１がＯＮ／ＯＦＦ制御される構成としたが、これに限られない。例えば、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３のように、１セル処理及び２セル処理においてＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されなかったセルスタックがＯＮ／ＯＦＦ制御されてもよい。また、第１～第３セルスタック９３の劣化度を検知し、比較的に劣化が進行していないセルスタックにＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる構成としてもよい。

また、例えば、１セル処理においては第１セルスタック９１がＯＮ／ＯＦＦ制御され、２セル処理においては第２セルスタック９２がＯＮ／ＯＦＦ制御され、３セル処理においては第３セルスタック９３がＯＮ／ＯＦＦ制御される構成としてもよい。これにより、第１～第３セルスタック９１，９２，９３に対してＯＮ／ＯＦＦ制御される回数を平均化にすることができるので、第１～第３セルスタック９１，９２，９３の劣化を平均化することができる。

図９には、全体負荷調整率の値がどのような範囲にあるときに、制御部１４が負荷調整制御を実行させるかについて、模式的に示す。図９において、縦軸は全体負荷調整率を示す。横軸は、セルスタックの稼働台数を示す。以下において、カッコ内のＳ１０、Ｓ１１等は、図５～図８に示した各処理に対応する。

全体負荷調整率が０～３３．３％のときは、第１セルスタック９１が１台だけ稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が０～２８％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ１１）、全体負荷調整率が２８～３３．３％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる（Ｓ１０）。

全体負荷調整率が３３．３～６６．７％のときは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２の２台が稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が３３．３～５６％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ１６）、全体負荷調整率が５６～６６．７％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御させるか（Ｓ１８）、又は第２セルスタック９２に負荷調整制御させる（Ｓ１５）。

全体負荷調整率が６６．７～１００％のときは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の３台が稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が６６．７～８４％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ２６）、全体負荷調整率が８４～１００％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御させるか（Ｓ２９）、第２セルスタック９２に負荷調整制御させるか（Ｓ３３）、又は第３セルスタック９３に負荷調整制御させる（Ｓ２５）。

上記のように、全体負荷調整率が、２８～３３．３％の範囲、５６～６６．７％の範囲、又は８４～１００％の範囲のとき、制御部１４が、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３に負荷調整制御を実行させることにより、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に供給される電力がＯＮ又はＯＦＦされる回数を減らすことができるので、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の劣化を抑制することができる。

４．水素製造システムの制御の一態様
本形態の水素製造システムの制御の一態様を、図１０を参照して説明する。図１０において、左側の縦軸は全体負荷調整率を示し、右側の縦軸は、第１～第３セルスタック９１，９２，９３に印加される電圧を示す。グラフの横軸は、第１～第３セルスタック９１，９２，９３が水素を生成する際の反応時間を示す。図１０のグラフにおいて、実線は、第１～第３セルスタック９１，９２，９３のいずれかに印加される電圧を示す。破線は、第１～第３セルスタック９１，９２，９３の全体に対して要求される水素製造量に基づく全体負荷調整率を示す。

本形態においては、全体負荷調整率は、反応時間に対して段階的に変化する態様になっている。ただし、全体負荷調整率は、反応時間に対して連続的に変化する態様であってもよい。

図１０においては、反応時間について領域Ａ～Ｉに区画されており、各領域Ａ～Ｉにおいて、第1～第３セルスタック９１，９２，９３全体に要求される水素製造量が設定されている。各領域Ａ～Ｉにおいては、制御部１４によって上記したＳ１～Ｓ３４の処理が実行される。以下、各領域において、第１～第３セルスタック９１，９２，９３に対してどのような制御が実行されるかについて説明する。

領域Ａにおいては、全体負荷調整率が２８％～３３．３％の間の値とされる。制御部１４は、１セル処理を実行させる（Ｓ７）。制御部１４は、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる（Ｓ１１）。

領域Ｂにおいては、全体負荷調整率が８４％～１００％の間の値とされる。制御部１４は、３セル処理を実行させる（Ｓ５）。制御部１４は、第１セルスタックに負荷調整制御を実行させるか（Ｓ２９）、第２セルスタック９２に負荷調整制御を実行させるか（Ｓ３３）又は第３セルスタックに負荷調整制御を実行させる（Ｓ２５）。

領域Ｃにおいては、全体負荷調整率は１００％とされる。制御部１４は、３セル処理を実行させる（Ｓ５）。制御部１４は、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２を全体負荷調整率３３．３％でＯＮさせる（Ｓ２３，Ｓ２４）。また、制御部１４は、第３セルスタック９３に負荷調整制御を実行させ、全体負荷調整率３３．３％で稼働させる（Ｓ２５）。

領域Ｄにおいては、全体負荷調整率は６６．７％～８４％の間の値とされる。制御部１４は、３セル処理を実行させる（Ｓ５）。制御部１４は、第１セルスタックにＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ２６）、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３を全体負荷調整率２８％でＯＮさせる（Ｓ２７，Ｓ２８）。

領域Ｅにおいては、全体負荷調整率は５６％～６６．７％の間とされる。制御部１４は２セル処理を実行させる（Ｓ１８）。制御部１４は、第１セルスタック９１に負荷調整制御させるか（Ｓ１８）又は第２セルスタック９２に負荷調整制御させる（Ｓ１５）。

領域Ｆにおいては、全体負荷調整率は０％～２８％の間の値とされる。制御部１４は、１セル処理を実行させる（Ｓ７）。制御部１４は、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる（Ｓ１１）。

領域Ｇにおいては、全体負荷調整率は３３．３％～５６％の間の値とされる。制御部１４は、２セル処理を実行させる（Ｓ８）。制御部１４は、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ（Ｓ１６）、第２セルスタック９２を全体負荷調整率２８％でＯＮさせる（Ｓ１７）。

領域Ｈにおいては、全体負荷調整率は８４％～１００％の間の値とされる。制御部１４は、３セル処理を実行させる（Ｓ５）。制御部１４は、第１セルスタックに負荷調整制御を実行させるか（Ｓ２９）、第２セルスタック９２に負荷調整制御を実行させるか（Ｓ３３）又は第３セルスタック９３に負荷調整制御を実行させる（Ｓ２５）。

領域Ｉにおいては、全体負荷調整率は５６％～６６．７％の間の値とされる。制御部１４は、２セル処理を実行させる（Ｓ８）。制御部１４は、第１セルスタック９１を負荷調整制御させるか（Ｓ１８）又は第２セルスタック９２を負荷調整制御させる（Ｓ１５）。

５．効果
続いて、本形態の作用効果について説明する。本形態の水素製造システム１０は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の３台のセルスタックを備えている。本形態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３のすべてが特定セルスタックとされている。これにより、制御部１４は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の全体に要求される水素の製造量に基づいて、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に供給される電力について電圧又は電流を調整する負荷調整制御と、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に供給される電力をＯＮ又はＯＦＦさせるＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させるようになっている。

第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３のいずれかが負荷調整制御されているときには、負荷調整制御されたセルスタックは電力を繰り返しＯＮ／ＯＦＦされていないので、負荷調整制御されたセルスタックの劣化が抑制される。このため、水素を製造する全期間中にパルス幅制御が行われる場合に比べて、負荷調整制御されたセルスタックの耐久性が向上する。このように少なくとも負荷調整制御されたセルスタックの耐久性が向上することによって、すべてのセルスタックがパルス幅制御される場合に比べて、全体として水素製造システム１０の耐久性を向上させることができる。

本形態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３のすべてが特定セルスタックとされたが、これに限られない。例えば、第１セルスタック９１のみが特定セルスタックとされてもよい。この場合、少なくとも第１セルスタック９１が負荷調整制御されることにより、第１セルスタック９１の耐久性を向上させることができる。このように、複数のセルスタックを備えた水素製造システム１０において、複数のセルスタックの１つ又は２つ以上が特定セルスタックとされて、制御部１４により負荷調整制御される構成としてもよい。

また、本形態では、ＯＮ／ＯＦＦ制御において、電力がＯＮされたとき、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３に加えられる電圧又は電流は、吸熱と発熱とがバランスした状態で第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３が水素を製造可能な値に設定されている。

吸熱と発熱とがバランスした状態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３は発熱も吸熱もせずに水素を製造することができる。このため、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３がＯＮ状態になったとしても、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３の温度変化が小さくなるので、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３の耐久性を向上させることができる。

吸熱と発熱とがバランスした状態で水素が製造可能な電圧又は電流は、例えば、水素製造システム１０が有するセルスタックの種類、大きさ、形状、電気抵抗値、個数等により変化しうる。本形態では、特定セル負荷調整率８４％に対応する電圧又は電流が、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３に印加される構成としたが、８４％という数値も変化しうるし、また、８４％に対応する電圧又は電流も変化しうる。

本形態では、特定セルスタックに要求される水素製造量の、特定セルスタックの水素製造能力の最大値に対する百分率を、特定セル負荷調整率と定義した場合に、負荷調整率については、吸熱と発熱とがバランスした状態で特定セルスタックが水素を製造可能な特定セル負荷調整率の値が、バランスしきい値として設定されており、
特定セルスタックは、特定セル負荷調整率につき、
０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ バランスしきい値 のときにはＯＮ／ＯＦＦ制御され、
バランスしきい値 ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ のときには負荷調整制御される。

特定セル負荷調整率の定義から、バランスしきい値よりも負荷調整率が大きいことは、特定セルスタックに要求される水素製造量が、吸熱と発熱がバランスする熱中立点よりも水素製造量が多いことを意味する。そうすると、特定セル負荷調整率につき、バランスしきい値 ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ のときには、特定セルスタックは発熱領域で稼働する。このように、発熱反応の領域で稼働する特定セルスタックが負荷調整制御されることにより、特定セルスタックに投入するエネルギーを少なくすることができる。この結果、セルスタックが吸熱反応の領域で負荷調整制御される場合に比べて、水素の製造効率を向上させることができる。

また、ＯＮ／ＯＦＦ制御は、０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ バランスしきい値のときに実行され、それ以外のときは実行されないので、特定セルスタックがＯＮ又はＯＦＦされる回数を少なくすることができる。これにより、特定セルスタックの耐久性を向上させることができる。

また、本形態では、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３は、電解質２０として、アノード１８、カソード１９、及びアノード１８とカソード１９との間に配された固体酸化物電解質を有する。

固体酸化物電解質を有する固体酸化物形水電解装置（ＳＯＥＣ）は、水素製造量の急激な変化に追従することが比較的に難しい。このような固体酸化物形水電解装置に本態様を適用することにより、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２又は第３セルスタック９３がＯＮ／ＯＦＦ制御された場合に、水素製造量の急激な変化に容易に追従することができる。これにより、すべてのセルスタックが負荷調整制御される場合に比べて、水素製造システム１０の負荷追従性を向上させることができる。

以上より、本形態によれば、水素製造システム１０の耐久性を向上させることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について、図１１～図１２を参照して説明する。図１１に示すように、本形態の水素製造システム３０は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２、第３セルスタック９３、第４セルスタック９４及び第５セルスタック９５の５台のセルスタックを備える。第１セルスタック９１、第２セルスタック９２、第３セルスタック９３、第４セルスタック９４及び第５セルスタック９５は同一の構成を有する。上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１２には、全体負荷調整率の値がどのような範囲にあるときに、制御部１４が負荷調整制御を実行させるかについて、模式的に示す。

本形態においては、本形態の水素製造システム１０は５つの同一なセルスタック９１，９２，９３，９４，９５を備えるので、本形態に係る特定セル負荷調整率の値を５で除することにより、全体負荷調整率に換算することができる。したがって、吸熱と発熱とがバランスするバランスしきい値として、８４％の特定セル負荷調整率に対応する全体負荷調整率は、１６．８％となる。また、特定セル負荷調整率１００％に対応する全体負荷調整率の値は２０％となる。

全体負荷調整率が０～２０％のときは、第１セルスタック９１が１台だけ稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が０～１６．８％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ、全体負荷調整率が１６．８～２０％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる。

全体負荷調整率が２０～４０％の時は、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２の２台が稼働している状態になる。このとき、１６．８％の２倍である３３．６％のとき、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２は、吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する。このため、制御部１４は、全体負荷調整率が３３．６～４０％のとき、第１セルスタック９１又は第２セルスタック９２を負荷調整制御する。

以下、同様に、全体負荷調整率が２０％の倍数となるごとに、本形態のセルスタック９１，９２，９３，９４，９５の稼働台数が増加する。また、全体負荷調整率が、１６．８％の倍数と、２０％の倍数との間の領域において、複数のセルスタック９１，９２，９３，９４，９５のいずれかが、制御部１４によって負荷調整制御される。図１２には、制御部１４によって負荷調整制御される範囲を符号Ｐで示す。

このように、水素制御システムが任意の個数のセルスタックを備える場合に、本態様を適用することができる。また、セルスタックの台数が増加するほど、負荷調整制御範囲が拡大するので、高い効率で水素を製造することできる。また、ＯＮ／ＯＦＦ回数をより少なくすることができるので、セルスタックの劣化をより抑制できる。

（実施形態３）
次に、実施形態３について、図１３～図１４を参照して説明する。図１３に示すように、本形態の水素製造システム４０は、第１～第１０セルスタック９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００の１０台のセルスタックを備える。第１～第１０セルスタック９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００は同一の構成を有する。上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１４には、全体負荷調整率の値がどのような範囲にあるときに、制御部１４が負荷調整制御を実行させるかについて、模式的に示す。

本形態においては、本形態の水素製造システム１０は１０個の同一なセルスタック９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００を備えるので、本形態に係る特定セル負荷調整率の値を１０で除することにより、全体負荷調整率に換算することができる。したがって、吸熱と発熱とがバランスするバランスしきい値として、８４％の特定セル負荷調整率に対応する全体負荷調整率は、８．４％となる。また、特定セル負荷調整率１００％に対応する全体負荷調整率の値は１０％となる。

全体負荷調整率が０～１０％のときは、第１セルスタック９１が１台だけ稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が０～８，４％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ、全体負荷調整率が８．４～１０％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる。

全体負荷調整率が１０～２０％の時は、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２の２台が稼働している状態になる。このとき、８．４％の２倍である１６．８％のとき、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２は、吸熱と発熱とがバランスした状態で水素を製造する。このため、制御部１４は、全体負荷調整率が１６．８～２０％のとき、第１セルスタック９１又は第２セルスタック９２を負荷調整制御する。

以下、同様に、全体負荷調整率が１０％の倍数となるごとに、セルスタック９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００の稼働台数が増加する。また、全体負荷調整率が、８．４％の倍数と、１０％の倍数との間の領域において、複数のセルスタック９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００のいずれかが、制御部１４によって負荷調整制御される。図１４において、制御部１４によって負荷調整制御される範囲を符号Ｑで示す。

このように、水素制御システムが任意の個数のセルスタックを備える場合に、本態様を適用することができる。また、セルスタックの台数が増加するほど、負荷調整制御範囲が拡大するので、高い効率で水素を製造することできる。また、ＯＮ／ＯＦＦ回数をより少なくすることができるので、セルスタックの劣化をより抑制できる。

（実施形態４）
続いて、実施形態４について図１５を参照して説明する。本形態においては、特定セル負荷調整率につき、
０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ ５０％ のときにはＯＮ／ＯＦＦ制御され
５０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ のときには負荷調整制御される。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１５には、全体負荷調整率の値がどのような範囲にあるときに、制御部１４が負荷調整制御を実行させるかについて、模式的に示す。

本形態においては、本形態の水素製造システム５０は３つの同一なセルスタック９１，９２，９３を備えるので、本形態に係る特定セル負荷調整率の値を３で除することにより、全体負荷調整率に換算することができる。したがって、５０％の特定セル負荷調整率に対応する全体負荷調整率は、１６．７％となる。また、特定セル負荷調整率１００％に対応する全体負荷調整率の値は３３．３％となる。

全体負荷調整率が０～３３．３％のときは、第１セルスタック９１が１台だけ稼働している状態になる。制御部１４は、全体負荷調整率が０～１６．７％のとき、第１セルスタック９１にＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させ、全体負荷調整率が１６．７～３３．３％のとき、第１セルスタック９１に負荷調整制御を実行させる。

全体負荷調整率が３３．３～６６．７％のときは、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２の２台が稼働している状態になる。第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率が５０％とされ、第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率が５０％とされたとき、第１特定セルスタックの特定セル負荷調整率と第２セルスタック９２の特定セルスタック負荷調整率との和は１００％となる。特定セル負荷調整率１００％を、セルスタックの個数３で除した３３．３％が、対応する全体負荷調整率の値となる。つまり、本形態においては、全体負荷調整率が３３．３～６６．７％のとき、制御部１４は、第１セルスタック９１及び第２セルスタック９２の双方に負荷調整制御を実行させる。

全体負荷調整率が６６．７～１００％のときは、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の３台が稼働している状態になる。第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率が５０％とされたとき、第１セルスタック９１の特定セル負荷調整率、第２セルスタック９２の特定セル負荷調整率及び第３セルスタック９３の特定セル負荷調整率の和は、１５０％となる。特定セル負荷調整率１５０％の値を、セルスタックの個数３で除した５０％が、対応する全体負荷調整率の値となる。６６．７％は５０％よりも大きいので、本形態では、全体負荷調整率が６６．７～１００％のときは、制御部１４は、第１セルスタック９１、第２セルスタック９２及び第３セルスタック９３に負荷調整制御を実行させる。

図１５において、制御部１４によってＯＮ／ＯＦＦ制御が実行される範囲を符号Ｒで示し、負荷調整制御が実行される範囲を符号Ｓで示す。

上記したように、水素製造システム５０に係るセルスタックの熱中立点は、セルスタックの種類、反応温度等により変化しうるが、多くの場合、５０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ の範囲内に熱中立点が存在する。このため、熱中立点の近傍において負荷調整制御を行うことにより、特定セルスタックに投入するエネルギーを少なくすることができるので、効率よく水素を製造することができる。

また、０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ ５０％ のときＯＮ／ＯＦＦ制御が実行されるので、特定セルスタックがＯＮ又はＯＦＦされる回数を少なくすることができる。これにより、特定セルスタックの耐久性を向上させることができる。本形態においては、２台以上のセルスタックが稼働する状態では、稼働するセルスタックのすべてが、負荷調整制御されるようになっている。これにより、水素製造システム１０の耐久性を向上させることができる。

（実施形態５）
続いて、実施形態５の水素製造システム６０について図１６を参照して説明する。本形態の水素製造システム１０は、電解モジュール６１を備える。電解モジュール６１は、第１～第４セルスタック９４を備える。第１～第４セルスタック９４は、例えば、図示しない１つのベース部材に配置されたり、又は図示しない１つの筐体内に配置されたりしており、ひとまとまりの電解モジュール６１として機能するように構成されている。電解モジュール６１に含まれるセルスタックの個数は、１つ又は２つ以上であってもよく、特に限定されない。

本形態の電解モジュール６１においては、第１～第４セルスタック９４は特定セルスタックとされている。これにより、第１～第４セルスタック９４のそれぞれは、制御部１４によって、負荷調整制御と、ＯＮ／ＯＦＦ制御とが、選択的に実行される。

上記以外の構成については、実施形態１と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

電解モジュール６１に含まれる複数のセルスタック９１，９２，９３，９４のそれぞれに対して、負荷調整制御とＯＮ／ＯＦＦ制御とが選択的に実行されることにより、複数のセルスタック９１，９２，９３，９４のそれぞれについて発熱量と吸熱量を適切にコントロールできる。これにより、個々のセルスタック９１，９２，９３，９４に対して効率よく熱マネジメントを行うことができるので、これらのセルスタック９１，９２，９３，９４を含む電解モジュール６１について、電解モジュール６１単位での熱マネジメントを効率的に行うことができる。この結果、複数のセルスタック９１，９２，９３，９４に対して個別に熱マネジメントを行う場合に比べて、電解モジュール６１にエネルギーを投入するための設備や、電解モジュール６１から放熱させるための設備を簡略化することができるので、水素製造システム６０のイニシャルコストを低減させることができる。

（実施形態６）
次に、実施形態６の水素製造システム７０について図１７を参照して説明する。本形態の水素製造システム１０は、複数の電解モジュール７１，７２，７３，７４を備える。本形態では、水素製造システム１０は第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４の４つの電解モジュールを備える。電解モジュール７１，７２，７３，７４の個数は、２つ、３つ又は５以上であってもよく、特に限定されない。電解モジュール７１，７２，７３，７４に含まれるセルスタックの個数は、１つ又は２つ以上であってもよく、特に限定されない。本形態においては、電解モジュール７１，７２，７３，７４は、それぞれ、第１～第４セルスタック９１、９２，９３，９４の４つのセルスタックを備える。

本形態では、電源１５と、４つの電解モジュール７１，７２，７３，７４とは並列接続されている。電源１５と、各電解モジュール７１，７２，７３，７４との間には、スイッチング素子１６と、可変抵抗器１７とが直列に接続されている。スイッチング素子１６と、可変抵抗器１７との接続順序は特に限定されない。制御部１４は、スイッチング素子１６をＯＮ又はＯＦＦさせる。また、制御部１４は、可変抵抗器１７の電気抵抗値を変化させる。これにより、制御部１４は、４つの電解モジュール７１，７２，７３，７４に供給される電力について電圧又は電流を変化させる。

制御部１４は、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４のそれぞれに対して、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４の全体に要求される水素の製造量に基づいて、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４に供給される電力について電圧又は電流を制御するモジュール負荷調整制御と、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４のそれぞれに供給される電力をＯＮ又はＯＦＦさせるモジュールＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させるようになっている。

第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４のそれぞれに対して個別に、モジュール負荷調整制御と、モジュールＯＮ／ＯＦＦ制御とを実行させることにより、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４に含まれるセルスタックの耐久性を向上させることができるので、全体として水素製造システム７０の耐久性を向上させることができる。

また、第１～第４電解モジュール７１，７２，７３，７４は、それぞれ、第１～第４セルスタック９１，９２，９３，９４を備えている。このため、本形態の水素製造システム７０は、合計１６個のセルスタックを備える。１６個のセルスタックのそれぞれに対して負荷調整制御又はＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる場合に比べて、４つの電解モジュール７１，７２，７３，７４ごとにモジュール負荷調整制御又はモジュールＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させる方が簡便である。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

（１）水素製造システムは、実施形態５に記載された電解モジュール６１と、実施形態６に記載された複数の電解モジュール７１，７２，７３，７４と、を備える構成としてもよい。すなわち、電解モジュール６１に含まれる複数のセルスタックが個別に制御される電解モジュール６１と、複数の電解モジュール７１，７２，７３，７４が個別に制御される電解モジュール７１，７２，７３，７４と、が１つの水素製造システムに混在してもよい。

（２）実施形態６において、水素製造システム７０が複数の電解モジュール７１，７２，７３，７４を備え、各電解モジュール７１，７２，７３，７４が複数のセルスタック９１，９２，９３，９４を備える場合において、複数のセルスタック９１，９２，９３，９４が個別に、制御部１４によって、負荷調整制御と、ＯＮ／ＯＦＦ制御とを選択的に実行される構成としてもよい。

１０ 水素製造システム、１４ 制御部、９１ 第１セルスタック、９２ 第２セルスタック、９３ 第３セルスタック

Claims (7)

1. 供給される電力によって水を電気分解させて水素を製造する複数のセルスタック（９１，９２，９３）と、
   該複数のセルスタックの少なくとも一つの特定セルスタックを制御する制御部（１４）であって、上記複数のセルスタックの全体に要求される上記水素の製造量に基づいて、上記特定セルスタックに供給される上記電力について電圧又は電流を調整する負荷調整制御と、上記特定セルスタックに供給される上記電力をＯＮ又はＯＦＦさせるＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させる上記制御部と、
   を備えた水素製造システム（１０）。
2. 上記ＯＮ／ＯＦＦ制御において、上記電力がＯＮされたとき、上記特定セルスタックに加えられる上記電圧又は上記電流は、吸熱と発熱とがバランスした状態で上記特定セルスタックが上記水素を製造可能な値に設定されている、請求項１に記載の水素製造システム。
3. 上記特定セルスタックに要求される水素製造量の、上記特定セルスタックの水素製造能力の最大値に対する百分率を、特定セル負荷調整率と定義した場合に、
   上記特定セルスタックは、上記特定セル負荷調整率につき、
   ０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ ５０％ のときにはＯＮ／ＯＦＦ制御され
   ５０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ のときには負荷調整制御される、請求項１又は２に記載の水素製造システム。
4. 上記特定セルスタックに要求される水素製造量の、上記特定セルスタックの水素製造能力の最大値に対する百分率を、特定セル負荷調整率と定義した場合に、
   上記特定セル負荷調整率については、吸熱と発熱とがバランスした状態で上記特定セルスタックが上記水素を製造可能な上記特定セル負荷調整率の値が、バランスしきい値として設定されており、
   上記特定セルスタックは、上記特定セル負荷調整率につき、
   ０％ ≦ 特定セル負荷調整率 ＜ バランスしきい値 のときにはＯＮ／ＯＦＦ制御され、
   バランスしきい値 ≦ 特定セル負荷調整率 ≦ １００％ のときには負荷調整制御される、請求項２に記載の水素製造システム。
5. 上記複数のセルスタックは、アノード（１８）、カソード（１９）、及び上記アノードと上記カソードとの間に配された固体酸化物電解質（２０）を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の水素製造システム。
6. 上記複数のセルスタックを有する電解モジュール（６１）を備え、該電解モジュールに含まれる上記複数のセルスタックのすべてが上記特定セルスタックとされ、
   上記複数のセルスタックのそれぞれに対して、上記制御部によって、上記負荷調整制御と、上記ＯＮ／ＯＦＦ制御と、が選択的に実行される、請求項１～５のいずれか一項に記載の水素製造システム。
7. 上記複数のセルスタックを有する電解モジュール（７１，７２，７３，７４）を複数備え、
   上記制御部は、複数の上記電解モジュールのそれぞれに対して、上記複数の電解モジュールの全体に要求される上記水素の製造量に基づいて、上記複数の電解モジュールに供給される上記電力について上記電圧又は上記電流を調整するモジュール負荷調整制御と、上記複数の電解モジュールのそれぞれに供給される上記電力をＯＮ又はＯＦＦさせるモジュールＯＮ／ＯＦＦ制御と、を選択的に実行させる、請求項１～５のいずれか一項に記載の水素製造システム。

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