JP2024038846A - Hydrogen production system and hydrogen production method - Google Patents

Hydrogen production system and hydrogen production method Download PDF

Info

Publication number
JP2024038846A
JP2024038846A JP2022143167A JP2022143167A JP2024038846A JP 2024038846 A JP2024038846 A JP 2024038846A JP 2022143167 A JP2022143167 A JP 2022143167A JP 2022143167 A JP2022143167 A JP 2022143167A JP 2024038846 A JP2024038846 A JP 2024038846A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power
water
hydrogen production
river
hydrogen
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
Application number
JP2022143167A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
俊彦 市橋
Toshihiko Ichihashi
正男 川本
Masao Kawamoto
寛 大澤
Hiroshi Osawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Water Power Co Ltd
Original Assignee
Japan Water Power Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Water Power Co Ltd filed Critical Japan Water Power Co Ltd
Priority to JP2022143167A priority Critical patent/JP2024038846A/en
Publication of JP2024038846A publication Critical patent/JP2024038846A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen production system and a hydrogen production method with better energy efficiency.
SOLUTION: A hydrogen production system S according to an aspect of the present invention comprises a small hydropower generation device 1 for generating a first AC power by a stream of water in a river, a water splitting device 2 which is electrically connected to the small hydropower generation device 1 and is for generating hydrogen and oxygen by decomposing water based on electric power, and a power conversion device 3 comprising an AC DC conversion part 31 for converting a first AC power C1 generated by the small hydropower generation device 1 into a first DC power D1 and a DC voltage conversion part 32 for converting the first DC power D1 into a second DC power D2. The water splitting device 2 is connected to the DC voltage conversion part 32 of the power conversion device 3.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 令和3年12月2日 PR TIMES画面コピー 1 令和4年3月20日 新エネルギー新報 No.254,P18 1Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act December 2, 2021 PR TIMES screen copy 1 March 20, 2020 New Energy Shinpo No. 254, P18 1

本発明は、水素製造システム及び水素製造方法に関する The present invention relates to a hydrogen production system and a hydrogen production method.

再生可能エネルギーとは、石油や石炭等を燃焼させることによって得られる化石エネルギーとは異なり、太陽光、風、水流等自然界におけるエネルギー源から得られるエネルギーをいう。再生可能エネルギーは、枯渇せず、二酸化炭素等の温室効果ガスを排出しないという利点を有しており、環境問題が深刻化する現代社会においてその重要性は益々高いものとなっていくと考えられている。 Renewable energy refers to energy obtained from energy sources in the natural world such as sunlight, wind, and water flow, unlike fossil energy obtained by burning oil, coal, etc. Renewable energy has the advantage of not being depleted and does not emit greenhouse gases such as carbon dioxide, and is expected to become increasingly important in modern society where environmental problems are becoming more serious. ing.

再生可能エネルギーのうち、水力発電によって得られる電気エネルギーは、急峻な山々とこの間に流れる河川に恵まれた日本において特に重要なエネルギーである。 Among renewable energies, electrical energy obtained through hydroelectric power generation is particularly important in Japan, which is blessed with steep mountains and rivers that flow between them.

ところで、再生可能エネルギーは他のエネルギーと同様、発電機を用いて発生する電気エネルギーの形態をとるものが一般的であるが、電気エネルギーは電池等によって貯蔵が可能であるものの、その電池の容量や維持コストの観点から貯蔵において改善の余地がある。 By the way, like other forms of energy, renewable energy generally takes the form of electrical energy generated using a generator.Although electrical energy can be stored in batteries, etc., the capacity of the battery is limited. There is room for improvement in storage from the perspective of maintenance costs.

この改善に関する技術として、例えば下記特許文献1には、風力発電を用いて水素を発生させようとする技術が開示されている。 As a technique related to this improvement, for example, Patent Document 1 listed below discloses a technique for generating hydrogen using wind power generation.

特許第4872393号公報Patent No. 4872393

しかしながら、上記特許文献1に記載の技術は風力発電の構造に特化したものである。再生可能エネルギー源として風や太陽光を用いる場合、その風や太陽光の供給量は、無風の場合や曇天の場合などがあり安定していない。また、水素を発生させる供給源としての水についても別の場所から持ち込む必要があるといった課題がある。 However, the technology described in Patent Document 1 is specialized for the structure of wind power generation. When wind or sunlight is used as a renewable energy source, the amount of wind or sunlight supplied is not stable as there may be no wind or cloudy skies. Another problem is that water, which is a source of hydrogen generation, must be brought in from another location.

また、再生可能エネルギーの電気を用いて水素製造を行う場合、一般に再生可能エネルギーは交流であり、水素製造を行うために必要な電力は直流である。このため、再生可能エネルギーで発電した電気を用いて、水の電気分解により水素を製造しようとする場合、電気を交流から直流に変換する必要がある。このため、インバーター、コンバータ、及び変圧器を組み合わせ、交流から直流へ変換、直流による整流、直流から交流への変換を複数回繰り返し、水を電気分解して水素を製造するのに最適な直流の定電圧大電流を得る必要がある。そしてこの大電流を得る際には、電気の変換を行う度に損失が発生し、再生可能エネルギーで得られた電力の半分程度しか実際の水素の製造に用いることができないといった課題が生じる。 Furthermore, when producing hydrogen using electricity from renewable energy, the renewable energy is generally alternating current, and the electric power required to produce hydrogen is direct current. Therefore, when attempting to produce hydrogen by electrolysis of water using electricity generated using renewable energy, it is necessary to convert the electricity from alternating current to direct current. For this reason, we combined inverters, converters, and transformers to convert AC to DC, rectify DC, and convert DC to AC multiple times, creating a DC system that is ideal for electrolyzing water and producing hydrogen. It is necessary to obtain constant voltage and large current. When obtaining this large current, a loss occurs every time electricity is converted, and the problem arises that only about half of the electricity obtained from renewable energy can be used for actual hydrogen production.

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、よりエネルギー効率の良い水素製造システム及び水素製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen production system and a hydrogen production method that are more energy efficient.

上記の課題に対し、本発明者らは、再生可能エネルギーによる発電と水素製造を一体化して再生可能エネルギーで発電した電力を余すところなく水素製造に使用できるように鋭意研究を行い、最適な電源装置を見出し、効率の良い水素製造装置および水素製造方法を発明した。 In order to address the above issues, the inventors of the present invention have conducted intensive research to integrate power generation using renewable energy and hydrogen production so that all of the electricity generated from renewable energy can be used for hydrogen production, and have developed an optimal power source. He discovered a device and invented an efficient hydrogen production device and hydrogen production method.

具体的には再生可能エネルギーとして太陽光発電、風力発電、水力発電、バイオマス発電等が挙げられるが、高度な水素製造装置を組み合わせる場合、設備使用率の高い水力発電が最適である。太陽光発電と水素製造を組み合わせた場合は、太陽の出ている昼間の天気の良い日に限ることから設備利用率が10%程度となり、電極に高価な白金などを使用する水素製造電解装置が多くの時間作動していないこととなる。このため、蓄電池などを備え夜間の作動などを確保する方法もあるが、設備が過大となり、現実的方法とは言えない。同様に風力と組み合わせた場合も一定の風のある時のみの発電となることから20%程度の設備利用率となる。バイオマス発電も可能ではあるが、再生可能エネルギーとして認められているものの、発電時に燃焼を伴うことから、一定の二酸化炭素が発生する。本発明はこれらすべての再生可能エネルギーの発電と水素製造装置の組み合わせに適合できるが、最適なものは水力発電である。水力発電では水が有る限り一定の発電が可能であり、電気の変動なども風力などに比べ極めて少ないものとなっている。水素製造には変動の少ない電気が最適であり、水素製造量は電流の量に比例する。このようなことから、水素製造に最適な発電としては中小水力発電が上げられ、10万kW以下が最適となる。一般には2000kW以下のものが小水力発電とよばれ、これらは水素製造専用に利用する場合最適な規模となる。また電力変換装置部には昨今進歩の著しく大電流を直接変換できるパワー半導体を使用することで従来のインバーター、コンバータを組み合わせたものに対しより効率の高いシステムとなっている。 Specifically, renewable energies include solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, biomass power generation, etc., but when combining advanced hydrogen production equipment, hydroelectric power generation with a high facility utilization rate is optimal. When solar power generation and hydrogen production are combined, the capacity utilization rate is around 10% because it is limited to days when the sun is out and the weather is good. It will be out of action for most of the time. For this reason, there is a method to ensure nighttime operation by installing storage batteries, etc., but this requires too much equipment and is not a practical method. Similarly, when combined with wind power, power is generated only when there is a certain amount of wind, resulting in a capacity factor of about 20%. Biomass power generation is also possible, but although it is recognized as renewable energy, a certain amount of carbon dioxide is generated as it involves combustion during power generation. Although the present invention is applicable to all of these combinations of renewable energy power generation and hydrogen production equipment, the most suitable one is hydroelectric power generation. Hydroelectric power generation allows constant power generation as long as there is water, and fluctuations in electricity are extremely small compared to wind power. Electricity with little fluctuation is optimal for hydrogen production, and the amount of hydrogen production is proportional to the amount of current. For this reason, small and medium-sized hydroelectric power generation is considered to be the most suitable power generation for hydrogen production, with power generation of 100,000 kW or less being optimal. In general, power plants of 2,000 kW or less are called small hydropower plants, and these are the optimal scale when used exclusively for hydrogen production. In addition, the power converter uses recently advanced power semiconductors that can directly convert large currents, resulting in a system that is more efficient than a conventional combination of inverters and converters.

すなわち上記課題を解決する本発明の一観点に係る水素製造システムは、河川の水流によって第一の交流の電力を発生する小水力発電装置と、小水力発電装置に電気的に接続され、電力に基づき水を分解して水素及び酸素を発生させる水分解装置と、小水力発電装置が発生させた第一の交流電力を第一の直流電力に変換する交流直流変換部、第一の直流電力を第二の直流電力に変換する直流電圧変換部、を備えた電力変換装置と、を備え、水分解装置は、電力変換装置の前記直流電圧変換部に接続されている。 In other words, a hydrogen production system according to one aspect of the present invention that solves the above problems includes a small hydroelectric power generation device that generates first alternating current power using river water flow, and a small hydroelectric power generation device that is electrically connected to the small hydropower generation device to generate electric power. a water splitting device that splits water to generate hydrogen and oxygen, an AC/DC converter that converts the first AC power generated by the small hydroelectric power generation device into the first DC power, and the AC/DC converter that converts the first DC power into the first DC power. a power conversion device including a DC voltage conversion section that converts into second DC power, and the water splitting device is connected to the DC voltage conversion section of the power conversion device.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、第一の直流電力を第二の交流電力に変換する直流交流変換部を備えていることが好ましい。 In addition, from this point of view, it is preferable to include, although not limited to, a DC/AC converter that converts the first DC power into the second AC power.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、水分解装置に接続された水素タンクを備えることが好ましい。 Moreover, in this aspect, it is preferable, although not limited thereto, to include a hydrogen tank connected to the water splitting apparatus.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、小水力発電装置が発生する第一の交流電力の電圧は、100V以上450V以下の範囲であり、第一の直流電力の電圧は100V以上800V以下の範囲にあり、第二の直流電力の電圧は1.5V以上70V以下の範囲にあることが好ましい。 Further, in this aspect, although not limited to, the voltage of the first AC power generated by the small hydroelectric power generation device is in the range of 100V or more and 450V or less, and the voltage of the first DC power is 100V or more. The voltage of the second DC power is preferably in the range of 1.5V or more and 70V or less.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、第一の交流電力から電圧100Vの交流電力を発生させる交流整流部を備え、交流整流部の出力は、直流電圧変換部に接続されていることが好ましい。 In addition, in this respect, although not limited thereto, it is preferable that the power supply has an AC rectifier unit that generates AC power of 100 V from the first AC power, and the output of the AC rectifier unit is connected to the DC voltage conversion unit.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、第一の交流電力から振幅100Vの交流電力を発生させる交流整流部を備え、交流整流部の出力は直流電圧変換部に接続されていることが好ましい。 In addition, in this aspect, although not limited to, an AC rectifier that generates AC power with an amplitude of 100 V from the first AC power is provided, and the output of the AC rectifier is connected to the DC voltage converter. It is preferable.

また、本観点においては、電力変換装置は、パワー半導体を使用したものであることが好ましい。 Moreover, in this aspect, it is preferable that the power conversion device uses a power semiconductor.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、河川の水から不溶ゴミを除去する不溶ゴミ除去装置と、河川の水中に溶存する不要溶存物を除去する不要溶存物除去装置と、を備えた不要物除去システムを備え、水分解装置に不要物除去システムによって処理された河川の水を供給することが好ましい。 In addition, in this aspect, although not limited to, an insoluble trash removal device that removes insoluble trash from river water, and an unnecessary dissolved matter removal device that removes unnecessary dissolved matter dissolved in river water, Preferably, the water splitter is provided with a waste removal system comprising a waste removal system, and the water splitting device is supplied with river water treated by the waste removal system.

また、本発明の他の一観点に係る水素製造方法は、河川の水流によって第一の交流電力を発生させるステップ、第一の交流電力を第一の直流電力に変換するステップ、第一の直流電力を第二の直流電力に変換するステップ、第二の直流電力によって水分解装置を駆動して水素を発生させるステップ、を備え、河川の水流によって第一の交流電力を発生させるステップ、第一の交流電力を第一の直流電力に変換するステップ、及び、第一の直流電力を第二の直流電力に変換するステップの少なくともいずれかは、パワー半導体を用いて行われるものである。 Further, a hydrogen production method according to another aspect of the present invention includes a step of generating first AC power using a water flow of a river, a step of converting the first AC power into first DC power, and a step of converting the first DC power into first DC power. a step of converting the electric power into a second DC power; a step of driving a water splitter with the second DC power to generate hydrogen; and a step of generating the first AC power by a river water flow; At least one of the step of converting the AC power into the first DC power and the step of converting the first DC power into the second DC power is performed using a power semiconductor.

また、本観点においては、限定されるわけではないが、水分解装置が分解する水は、河川の水流であることが好ましい。 Moreover, in this aspect, although not limited to, it is preferable that the water decomposed by the water decomposition device is a stream of a river.

以上、本発明によって、よりエネルギー効率の良い水素製造システム及び水素製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen production system and a hydrogen production method that are more energy efficient.

実施形態に係る水素製造システムの概略を示す図である。1 is a diagram schematically showing a hydrogen production system according to an embodiment. 実施形態に係る電力変換装置の機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of a power conversion device according to an embodiment. 実施形態の他の例に係る水素製造システムの概略を示す図である。It is a figure showing an outline of a hydrogen production system concerning another example of an embodiment. 実施形態に係る水分解装置における電気分解のイメージを示す図である。It is a figure showing an image of electrolysis in a water decomposition apparatus concerning an embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態に記載の具体的な例示にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the specific examples described in the embodiments below.

図1は、本実施形態に係る水素製造システム(以下「本システム」という。)Sの概略を示す図である。本図で示すように、本システムSは、河川の水流によって第一の交流電力C1を発生する小水力発電装置1と、小水力発電装置1に電気的に接続され、電力に基づき水を分解して水素及び酸素を発生させる水分解装置2と、電力変換装置3と、を有する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a hydrogen production system (hereinafter referred to as "this system") S according to the present embodiment. As shown in this figure, this system S is electrically connected to a small hydroelectric power generation device 1 that generates first AC power C1 using river water flow, and is electrically connected to the small hydropower generation device 1, and decomposes water based on the electric power. It has a water splitting device 2 that generates hydrogen and oxygen, and a power conversion device 3.

また、電力変換装置3では、更に、小水力発電装置1が発生させた第一の交流電力C1を第一の直流電力D1に変換する交流直流変換部31、第一の直流電力D1を第二の直流電力D2に変換する直流電圧変換部32、第一の直流電力D1を第二の交流電力C2に変換する直流交流変換部33、を備えた電力変換装置3と、を備えたものである。図2は、本システムSの電力変換装置3の機能ブロック図を示している。なお、水分解装置2は、電力変換装置3の直流電圧変換部32に接続されており、小水力発電装置1は、電力変換装置3の交流直流変換部31に接続されている。 In addition, the power converter 3 further includes an AC/DC converter 31 that converts the first AC power C1 generated by the small hydroelectric power generation device 1 into the first DC power D1, The power conversion device 3 includes a DC voltage converter 32 that converts the first DC power D1 into a second AC power D2, and a DC AC converter 33 that converts the first DC power D1 into a second AC power C2. . FIG. 2 shows a functional block diagram of the power conversion device 3 of this system S. Note that the water splitting device 2 is connected to the DC voltage converter 32 of the power converter 3, and the small hydroelectric power generator 1 is connected to the AC/DC converter 31 of the power converter 3.

まず本システムSは、上記の通り、河川の水流によって第一の交流電力C1の電力を発生する小水力発電装置1を備える。ここで「電力」とは、単位時間に電流が行う仕事量を意味する。 First, as described above, this system S includes the small hydroelectric power generation device 1 that generates the first AC power C1 using the water flow of the river. Here, "power" means the amount of work performed by a current per unit time.

また本システムSにおける小水力発電装置1は、電力を発生させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、羽根等が付され河川の水流によって回転する軸(水車)と、この軸に接続され軸の回転とともに回転し電力を発生させる発電機と、を備えた同期発電機であることが好ましい。なお、水車の種類としては限定されるわけではないが、例えばフランシス水車、ベルトン水車、プロペラ水車、クロスフロー水車等を例示することができるがこれに限定されない。他の水車の例について例えば図3に示す。また、本システムSの小水力発電装置1では、発生する電力は交流電力となっており、これが第一の交流電力C1となる。 In addition, the small hydroelectric power generation device 1 in this system S is not limited to the extent that it can generate electric power, but is connected to a shaft (water wheel) equipped with blades etc. and rotated by the water flow of a river, and connected to this shaft. The synchronous generator is preferably a synchronous generator including a generator that rotates with the rotation of the shaft and generates electric power. Note that the types of water turbines are not limited, and examples include, but are not limited to, Francis water turbines, Belton water turbines, propeller water turbines, and crossflow water turbines. Examples of other water turbines are shown in FIG. 3, for example. Furthermore, in the small hydroelectric power generation device 1 of the present system S, the generated power is AC power, and this becomes the first AC power C1.

後述の記載からも明らかになるが、小水力発電装置1が発生させる第一の交流電力C1の電圧は、限定されるわけではないが、100V以上450V以下の範囲であることが好ましく、またこの周波数範囲としても限定されるわけではないが、10Hz以上100Hz以下であることが好ましく、より好ましくは一般的な周波数である50Hz又は60Hzであることが好ましい。この範囲内とすることで、後述の水分解装置2、更には電力変換装置3による電力変換が効率的になる。 As will be clear from the description below, the voltage of the first AC power C1 generated by the small hydroelectric power generation device 1 is preferably in the range of 100 V or more and 450 V or less, although it is not limited. Although the frequency range is not limited, it is preferably 10 Hz or more and 100 Hz or less, and more preferably a common frequency of 50 Hz or 60 Hz. By setting it within this range, the power conversion by the water splitting device 2 and furthermore the power conversion device 3, which will be described later, becomes efficient.

また、本システムSでは、上記の通り、小水力発電装置1に電気的に接続され、電力に基づき水を分解して水素及び酸素を発生させる水分解装置2を備える。より具体的に説明すると、本システムSでは、上記電力変換装置3によって生じる第二の直流電力D2によって水を分解する。つまり、本システムSでは、河川の水流によって電力を発生させ、更にこの電力によって水を分解して水素を発生させ、エネルギー源として保存蓄積させることができるようになる。 Furthermore, as described above, this system S includes a water splitting device 2 that is electrically connected to the small hydroelectric power generation device 1 and that splits water based on electric power to generate hydrogen and oxygen. More specifically, in this system S, water is decomposed by the second DC power D2 generated by the power converter 3. That is, in this system S, electric power is generated by the water flow of the river, and furthermore, this electric power can be used to decompose water to generate hydrogen, which can be stored and accumulated as an energy source.

本システムSにおいては、電力によって水を水素及び酸素に分解させることができる限りにおいて限定されず、水を電気分解を用いて分解する方式であることが簡便であり好ましい。水の電気分解を用いる場合は、水を電解槽(電解セル)に入れ、陽極と陰極を浸し、この陽極と陰極(一対の電極)間に電流を流すことで水を電気分解し陰極側では水素を、陽極側では酸素を発生させることが可能となる。この電気分解セルのイメージについて図4に示しておく。 The present system S is not limited as long as water can be decomposed into hydrogen and oxygen using electric power, and a method of decomposing water using electrolysis is simple and preferable. When using water electrolysis, water is placed in an electrolytic cell (electrolytic cell), the anode and cathode are immersed, and a current is passed between the anode and cathode (pair of electrodes) to electrolyze the water. It becomes possible to generate hydrogen and oxygen on the anode side. An image of this electrolytic cell is shown in FIG. 4.

ところで、本システムSにおいては、水分解装置2に接続された水素タンク4を備えていることが好ましい。水素タンク4を備えることで、水素を蓄積し、必要に応じて運搬、エネルギーとして使用することができるようになる。また、同様に、水分解装置2には、酸素を蓄積する酸素タンク5を設けてもよい。酸素も他の元素と反応させることでエネルギーとして使用することが可能となり、特に、燃料電池では水素と酸素を触媒を介して反応させて水及びエネルギーを得ることとなるため、酸素自体もエネルギー源として有用である。 By the way, the present system S preferably includes a hydrogen tank 4 connected to the water splitting device 2. By providing the hydrogen tank 4, hydrogen can be stored, transported, and used as energy as needed. Similarly, the water splitting device 2 may be provided with an oxygen tank 5 that stores oxygen. Oxygen can also be used as energy by reacting with other elements. In particular, in fuel cells, hydrogen and oxygen are reacted via a catalyst to obtain water and energy, so oxygen itself is also an energy source. It is useful as

また、本システムSでは、上記の通り、電力変換装置3を備えている。本システムSでは、河川の水流によって第一の交流電力C1を発生させるが、この第一の交流電力C1をそのまま水分解装置2の電源として用いることは困難である。そのため、本システムSでは、電力変換装置3を用いて水分解装置2に用いる直流の電力に整えるとともに、一般の電源としても使用可能な交流に改めて整えることで外部に供給させることが可能となる。 Moreover, this system S includes the power conversion device 3 as described above. In this system S, the first AC power C1 is generated by the water flow of the river, but it is difficult to use this first AC power C1 as it is as a power source for the water splitting device 2. Therefore, in this system S, the power conversion device 3 is used to convert the power into DC power for use in the water splitting device 2, and by converting the power into AC power that can also be used as a general power source, it is possible to supply it to the outside. .

ここで、電力変換装置3の各ブロックについて説明する。まず、本システムSにおける電力変換装置3は、上記の通り、小水力発電装置1が発生させた第一の交流電力C1を第一の直流電力D1に変換する交流直流変換部31を備えている。 Here, each block of the power conversion device 3 will be explained. First, as described above, the power converter 3 in this system S includes an AC/DC converter 31 that converts the first AC power C1 generated by the small hydroelectric power generation device 1 into the first DC power D1. .

小水力発電装置1では、第一の交流電力C1を得ることができるが、上記の通り、水分解装置2は直流の電力によって駆動するものであり、その前提として直流電力に変換する必要がある。そのため、電力変換装置3では交流直流変換部31が必要となる。 The small hydroelectric power generation device 1 can obtain the first AC power C1, but as mentioned above, the water splitting device 2 is driven by DC power, and as a prerequisite, it is necessary to convert it to DC power. . Therefore, the power converter 3 requires an AC/DC converter 31.

一方で、電力変換装置3では、水分解装置2だけでなく、外部への電力供給を可能とする構成を備えていることが好ましい。そのため、この直流電力を水分解装置2が駆動するための最適な条件の直流電力に特化させてしまうと、外部に提供する電力に再び変換する際に変換の損失が大きく発生してしまう。そのため、第一の直流電力D1は、水分解装置2だけでなく外部への電力供給を考慮してその中間の条件の電力への変換を行うことが好ましい。もちろん、外部への電力供給を考慮しない場合は、後述の直流交流変換部33については削除が可能である。 On the other hand, it is preferable that the power conversion device 3 has a configuration that allows power to be supplied not only to the water splitting device 2 but also to the outside. Therefore, if this DC power is specialized to the DC power with the optimum conditions for driving the water splitting apparatus 2, a large conversion loss will occur when converting it back into power to be provided to the outside. Therefore, it is preferable that the first DC power D1 is converted into power under intermediate conditions, taking into consideration the power supply not only to the water splitting apparatus 2 but also to the outside. Of course, if power supply to the outside is not considered, the DC/AC converter 33, which will be described later, can be deleted.

また、上記を考慮し、交流直流変換部31が発生させる第一の直流電力D1の電圧は、限定されるわけではないが、100V以上800V以下の範囲にあることが好ましい。 Further, in consideration of the above, the voltage of the first DC power D1 generated by the AC/DC converter 31 is preferably in the range of 100V or more and 800V or less, although it is not limited thereto.

また、電力変換装置3は、第一の直流電力D1を第二の直流電力D2に変換する直流電圧変換部32を備えている。上記の通り、第一の直流電力D1は、水分解装置2によって水を分解するためのエネルギーとして用いることができるとともに、外部に供給する電力にも用いることができる。そのため、第一の直流電力D1を水分解装置2に対して好適な値に変換することが好ましく、このために必須な構成要素となる。なお、上記の交流直流変換部31とこの直流電圧変換部32は一つのステップにて行う回路、具体的な一つの装置として構成されていてもよい。これによって、より効率的な変換処理を行うことができるようになる。 The power converter 3 also includes a DC voltage converter 32 that converts the first DC power D1 to the second DC power D2. As described above, the first DC power D1 can be used as energy for decomposing water by the water decomposition device 2, and can also be used as power to be supplied to the outside. Therefore, it is preferable to convert the first DC power D1 to a value suitable for the water splitting apparatus 2, and it becomes an essential component for this purpose. Note that the AC/DC converter 31 and the DC voltage converter 32 may be configured as a circuit that performs the conversion in one step, or as one specific device. This allows for more efficient conversion processing.

ここで、限定されるわけではないが、第二の直流電力D2の電圧は、1.5V以上70V以下の範囲にあることが好ましい。この範囲内にすることで、水分解装置2による分解が好適に行われることになる。ただし、水分解装置2において電解セルを複数設け、これら複数の電解セルを直列に接続する場合は高めの電圧に調整することは否定されない。 Here, although not limited, it is preferable that the voltage of the second DC power D2 is in a range of 1.5V or more and 70V or less. By keeping it within this range, decomposition by the water decomposition device 2 will be performed suitably. However, when a plurality of electrolytic cells are provided in the water splitting apparatus 2 and these plurality of electrolytic cells are connected in series, it is possible to adjust the voltage to a higher voltage.

また、電力変換装置3は、第一の直流電力D1を第二の交流電力C2に変換する直流交流変換部33を備えている。第二の交流電力C2は、外部電力として使用することができるものであり、これにより、水分解を行うだけでなく、通常の電力として使用することができるようになる。なお、直流交流変換部33による電力としては、限定されるわけではなく、電圧50V以上300V以下であることが好ましいが、交流の周波数は一般の家庭で使用することが想定される50Hz又は60Hzであることが好ましい。ただし、上記の通り、外部に電力を供給しない態様においては、直流交流変換部33については省略が可能である。なお、上記交流直流返還部31により生ずる直流電力を外部電力として用いることも可能である。 The power converter 3 also includes a DC-AC converter 33 that converts the first DC power D1 into the second AC power C2. The second AC power C2 can be used as external power, so that it can be used not only for water splitting but also as regular power. Note that the power generated by the DC/AC converter 33 is not limited, and preferably has a voltage of 50 V or more and 300 V or less, but the frequency of the AC is 50 Hz or 60 Hz, which is assumed to be used in a general home. It is preferable that there be. However, as described above, in a mode in which power is not supplied to the outside, the DC/AC converter 33 can be omitted. Note that it is also possible to use the DC power generated by the AC/DC return section 31 as external power.

また、本システムSの電力変換装置3においては、各電力変換の制御にマイクロコンピュータ等の制御が必要になること、すなわち別に電力が必要になる。そのため、これら制御用の電力を蓄積するための電池34を設けておき、駆動当初においてはその電池による電力を活用し、小電力発電装置1からの出力を変換し、十分に本システムSを駆動させた後、この消費した電力を補うべく電池34の充電を行うことが好ましい。これにより遠隔の地において十分独立したエネルギー供給が可能となる。 Furthermore, in the power conversion device 3 of the present system S, control of a microcomputer or the like is required to control each power conversion, that is, separate electric power is required. Therefore, a battery 34 is provided to store power for these controls, and at the beginning of operation, the power from the battery is utilized to convert the output from the small power generator 1 and sufficiently drive the system S. After this, it is preferable to charge the battery 34 to compensate for this consumed power. This allows for a fully independent energy supply in remote locations.

また、本システムSの電力変換装置3においては、その制御に用いられるスイッチング素子等においては、いわゆるパワー半導体を用いることが重要である。「パワー半導体」とは、高電圧、大電流を扱うことが可能な半導体であり、パワー半導体を用いることで上記の電圧及び電流に対しても十分適用が可能となる。 Furthermore, in the power conversion device 3 of the present system S, it is important to use so-called power semiconductors for switching elements and the like used for its control. A "power semiconductor" is a semiconductor that can handle high voltage and large current, and by using a power semiconductor, it can be sufficiently applied to the above voltages and currents.

また、本システムSにおいては、限定されるわけではないが、河川の水から不溶ゴミを除去する不溶ゴミ除去装置61と、河川の水中に溶存する不要溶存物を除去する不要溶存物除去装置62と、を備えた不要物除去システム6を備え、水分解装置2に不要物除去システム6によって処理された河川の水を供給することが好ましい。一般に河川の水は、落ち葉や藻、魚その他のゴミが混在しており、標高の高い山の上流域であればこれらの混入は比較的少ないものの、落ち葉等のゴミについては不可避で存在する。そのため、不溶ゴミを除去する不溶ゴミ除去装置61を設けることで、小水力発電装置1内に混入してその水車等に絡まり動作が停止してしまうといったおそれを除去することができる。 In addition, in this system S, although not limited to, an insoluble garbage removal device 61 that removes insoluble garbage from river water, and an unnecessary dissolved substance removal device 62 that removes unnecessary dissolved substances dissolved in river water. It is preferable that the water decomposition device 2 is provided with a waste material removal system 6 having a waste material removal system 6 and that river water treated by the waste material removal system 6 is supplied to the water decomposition device 2. In general, river water is mixed with fallen leaves, algae, fish, and other debris, and although these contaminations are relatively rare in the upper reaches of high mountains, fallen leaves and other debris are unavoidable. Therefore, by providing the insoluble garbage removal device 61 that removes insoluble garbage, it is possible to eliminate the possibility that the insoluble garbage gets mixed into the small hydroelectric power generation device 1 and gets entangled with the water wheel or the like, causing the operation to stop.

また、不要物除去システム6では、河川の水中に溶存する不要溶存物を除去する不要溶存物除去装置62を備える。上記の不溶ゴミ除去装置61によると水に溶けていない落ち葉や藻などを除去することができるため、小水力発電装置1の駆動には影響を与えない。一方で、水分解装置2にこの河川の水を分解しようとする場合、この河川の水に溶け込んだミネラル分が電気分解の際に析出する等で電極を破損してしまう、また場合によっては水を分解したときに酸素と水素ではなく他のガス、例えば塩素が混入している場合は塩素ガスが発生してしまう場合がある。そのため、不溶ゴミだけでなく、不要な溶存物も除去することで、河川の水を電気分解して水素を蓄積させることが可能となる。 Further, the unnecessary matter removal system 6 includes an unnecessary dissolved matter removal device 62 that removes unnecessary dissolved matter dissolved in river water. Since the above-mentioned insoluble dirt removal device 61 can remove fallen leaves, algae, etc. that are not dissolved in water, the drive of the small hydroelectric power generation device 1 is not affected. On the other hand, when trying to use the water splitter 2 to decompose river water, minerals dissolved in the river water may precipitate during electrolysis, damaging the electrodes. When decomposed, if other gases such as chlorine are mixed in instead of oxygen and hydrogen, chlorine gas may be generated. Therefore, by removing not only insoluble garbage but also unnecessary dissolved substances, it becomes possible to electrolyze river water and accumulate hydrogen.

この不要溶存物除去装置62の構造としては、上記の機能を有する限りにおいて特に限定されるわけではないが、蒸留器やイオン交換膜等を用いた装置であることが好ましい。蒸留器を用いることで水を蒸発回収することで不純物を除去して蒸留した水を得ることができ、更にこれに対してイオン交換膜などを用いることで、水電解装置2による電気分解の際に水素発生を阻害するイオン等を効率的に除去することができる。 The structure of this unnecessary dissolved substance removing device 62 is not particularly limited as long as it has the above-mentioned functions, but it is preferably a device using a distiller, an ion exchange membrane, or the like. By using a distiller, water can be evaporated and recovered to remove impurities and distilled water can be obtained.Furthermore, by using an ion exchange membrane, etc., water can be recovered during electrolysis using the water electrolysis device 2. It is possible to efficiently remove ions and the like that inhibit hydrogen generation.

なお、不要物除去システム6は、まず前段に不溶ゴミ除去装置61を設け、この不溶ゴミ除去装置61から取水して小水力発電装置1に水を分配する一方、他方の水流に対しては不要溶存物除去装置62を介して溶存している不要なイオンを除去し、この不要なイオンが除去された水を水分解装置2に供給する配管などを設けておくことが好ましい。 Note that the waste removal system 6 first includes an insoluble waste removal device 61 at the front stage, takes water from the insoluble waste removal device 61, and distributes the water to the small hydroelectric power generation device 1, while removing unnecessary water from the other water flow. It is preferable to provide piping or the like for removing dissolved unnecessary ions via the dissolved substance removing device 62 and supplying the water from which the unnecessary ions have been removed to the water splitting device 2.

(水素製造方法)
また、上記の記載から明らかであるが、本システムSによると水素を製造すること、具体的には水素製造方法(以下「本方法」という。)を提供することが可能である。下記に詳述する。
(Hydrogen production method)
Moreover, as is clear from the above description, according to the present system S, it is possible to produce hydrogen, and specifically, to provide a hydrogen production method (hereinafter referred to as "the present method"). Details are given below.

すなわち本方法は、(S1)河川の水流によって第一の交流電力を発生させるステップ、(S2)第一の交流電力を第一の直流電力に変換するステップ、(S3)第一の直流電力を第二の直流電力に変換するステップ、(S4)第二の直流電力によって水分解装置を駆動して水素を発生させるステップ、を備える。 That is, this method includes the following steps: (S1) generating first AC power by a river water flow; (S2) converting the first AC power into first DC power; (S3) converting the first DC power. and (S4) driving a water splitting device with the second DC power to generate hydrogen.

また、本システムSにおいては、限定されるわけではないが、(S4)第二の直流電力によって水分解装置を駆動して水素を発生させるステップにおいて、水分解装置が分解する水は、河川の水流であることが好ましい。 In addition, in this system S, in the step (S4) of driving the water splitting device with the second DC power to generate hydrogen, the water decomposed by the water splitting device is, although not limited to, A water stream is preferred.

以上、本システムSによって、よりエネルギー効率の良い水素製造システム及び水素製造方法を提供することができる。具体的には、本システムSは、川の流れが比較的早い小規模の河川に小水力発電装置1を設置し水素を効率的に発生させることができる。しかも、不要物除去システム6を加えることで、河川からは小水力発電装置1から電力を得ることができるとともに、その河川の水を電気分解して水素源としても用いることができる。すなわち、遠隔の地において、電力を得るとともにその電力と水を用いて完全に独立してエネルギーの獲得を行うことができるようになる。 As described above, the present system S can provide a more energy efficient hydrogen production system and hydrogen production method. Specifically, this system S can efficiently generate hydrogen by installing a small hydroelectric power generation device 1 in a small-scale river with a relatively fast flow. Moreover, by adding the unnecessary matter removal system 6, electric power can be obtained from the river from the small hydroelectric power generation device 1, and the river water can also be electrolyzed and used as a hydrogen source. In other words, it will be possible to obtain electricity and use that electricity and water to obtain energy completely independently in remote locations.

本発明は水素製造システム及び水素製造方法として産業上の利用可能性がある。

The present invention has industrial applicability as a hydrogen production system and hydrogen production method.

Claims (8)

河川の水流によって第一の交流の電力を発生する小水力発電装置と、
前記小水力発電装置に電気的に接続され、電力に基づき水を分解して水素及び酸素を発生させる水分解装置と、
前記小水力発電装置が発生させた第一の交流電力を第一の直流電力に変換する交流直流変換部、前記第一の直流電力を第二の直流電力に変換する直流電圧変換部、を備えた電力変換装置と、を備え、
前記水分解装置は、前記電力変換装置の前記直流電圧変換部に接続されている水素製造システム。
a small hydroelectric power generation device that generates first alternating current power using river water flow;
a water splitting device that is electrically connected to the small hydroelectric power generation device and that splits water to generate hydrogen and oxygen based on electric power;
An AC/DC converter that converts first AC power generated by the small hydroelectric power generation device into first DC power, and a DC voltage converter that converts the first DC power into second DC power. a power conversion device;
The water splitting device is a hydrogen production system connected to the DC voltage converter of the power converter.
前記電力変換装置は、前記第一の直流電力を第二の交流電力に変換する直流交流変換部を有する請求項1記載の水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 1, wherein the power conversion device includes a DC/AC converter that converts the first DC power into second AC power. 前記水分解装置に接続された水素タンクを備える請求項1記載の水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 1, further comprising a hydrogen tank connected to the water splitting device. 前記小水力発電装置が発生する前記第一の交流電力の電圧は、100V以上450V以下の範囲であり、
前記第一の直流電力の電圧は100V以上800V以下の範囲にあり、
前記第二の直流電力の電圧は1.5V以上70V以下の範囲にある請求項1記載の水素製造システム。
The voltage of the first AC power generated by the small hydroelectric power generation device is in the range of 100V or more and 450V or less,
The voltage of the first DC power is in the range of 100V or more and 800V or less,
The hydrogen production system according to claim 1, wherein the voltage of the second DC power is in a range of 1.5V or more and 70V or less.
前記河川の水から不溶ゴミを除去する不溶ゴミ除去装置と、
前記河川の水中に溶存する不要溶存物を除去する不要溶存物除去装置と、を備えた不要物除去システムを備え、
前記水分解装置に前記不要物除去システムによって処理された前記河川の水を供給する請求項1記載の水素製造システム。
an insoluble trash removal device that removes insoluble trash from the river water;
An unnecessary dissolved matter removal system that includes an unnecessary dissolved matter removal device that removes unnecessary dissolved matter dissolved in the water of the river,
The hydrogen production system according to claim 1, wherein the water of the river treated by the waste removal system is supplied to the water splitting device.
前記電力変換装置は、パワー半導体を使用した請求項1記載の水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 1, wherein the power converter uses a power semiconductor. 河川の水流によって第一の交流電力を発生させるステップ、
前記第一の交流電力を第一の直流電力に変換するステップ、
前記第一の直流電力を第二の直流電力に変換するステップ、
前記第二の直流電力によって水分解装置を駆動して水素を発生させるステップ、を備える水素製造方法であって、
前記河川の水流によって第一の交流電力を発生させるステップ、前記第一の交流電力を第一の直流電力に変換するステップ、及び、前記第一の直流電力を第二の直流電力に変換するステップの少なくともいずれかは、パワー半導体を用いて行われる水素製造方法。
a step of generating first alternating current power by river water flow;
converting the first AC power into first DC power;
converting the first DC power to a second DC power;
A hydrogen production method comprising the step of driving a water splitting device with the second DC power to generate hydrogen,
generating first AC power by the water flow of the river; converting the first AC power into first DC power; and converting the first DC power into second DC power. At least one of the above is a hydrogen production method performed using a power semiconductor.
前記水分解装置が分解する水は、前記河川の水流である請求項7記載の水素製造方法。

8. The hydrogen production method according to claim 7, wherein the water decomposed by the water decomposition device is a stream of the river.

JP2022143167A 2022-09-08 2022-09-08 Hydrogen production system and hydrogen production method Pending JP2024038846A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022143167A JP2024038846A (en) 2022-09-08 2022-09-08 Hydrogen production system and hydrogen production method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022143167A JP2024038846A (en) 2022-09-08 2022-09-08 Hydrogen production system and hydrogen production method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024038846A true JP2024038846A (en) 2024-03-21

Family

ID=90308958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022143167A Pending JP2024038846A (en) 2022-09-08 2022-09-08 Hydrogen production system and hydrogen production method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2024038846A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4084038A (en) Electrical power generation and storage system
CN104145420B (en) Renewable energy system
CN202401137U (en) Wind and light complementary seawater hydrogen and oxygen making system
JP2019200839A (en) Power generation system
JP2008011614A (en) Hydrogen generating system
JP5917591B2 (en) Hydrogen gas generation system
US20140158529A1 (en) Blue power generation system
KR20200022082A (en) Renewable energy hybrid power generation system, and power generation method therefor
JP4251928B2 (en) Wind power generation water electrolysis hydrogen production system
JP2003257443A (en) Natural energy power generation device and self- completion type power generation system having fuel cell
US20220109173A1 (en) Hydrogen Based Renewable Energy Storage System
JP7452842B2 (en) Hydrogen production system and hydrogen production method
CN113629731A (en) Wind-solar combined stable water electrolysis hydrogen production system
JP2015164028A (en) Electrolytic system using photovoltaic power generation
JP2024038846A (en) Hydrogen production system and hydrogen production method
WO2009026640A1 (en) Hydrogen production by the solar driven electrolysis of sulfurous acid
JP7136960B2 (en) Electrolyzer
KR20210073666A (en) hybrid system for producing green hydrogen and recovering useful resource and urban type clean energy generation system using the same
CN215817549U (en) Wind-solar combined stable water electrolysis hydrogen production system
US20230279569A1 (en) Arrangement to optimize the production of hydrogen
KR20190032999A (en) Renewable energy hybrid power generation system, and power generation method therefor
JPH0492374A (en) Energy system
CN115637455A (en) Proton exchange membrane PEM (proton exchange membrane) water electrolysis hydrogen production system based on solar power generation and energy supply
KR20070093378A (en) Fuel Cell Production System Using Renewable Energy
CN221263437U (en) Household light hydrogen energy storage power supply system

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20220927

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230623