JP2024064011A

JP2024064011A - 水電解システム

Info

Publication number: JP2024064011A
Application number: JP2022172276A
Authority: JP
Inventors: 章軍司; 貴彰水上; 昌俊杉政
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-05-14
Also published as: WO2024090173A1

Abstract

【課題】多数直列接続された水電解システムにおいて、抵抗上昇したスタックの電流低減と、一部スタックの短絡が他スタックへの伝播抑制を可能とし、スタック異常が発生しても水素の生産量を高く保つことを目的とする。【解決手段】複数の水電解スタックと少なくとも１つの過電流遮断手段とを直列接続して直列スタック群を構成し、３つ以上の直列スタック群を並列接続して直並列スタックユニットを構成し、複数の直並列スタックユニットを直列接続して構成した水電解スタック群を直流電源に接続する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の水電解スタックを直流電源に接続した水電解システムに関する。

化石燃料に対して水素は、燃焼時に二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーである。そのため、地球温暖化対策のためのクリーンエネルギーの一つとして注目され、水素の製造・輸送・利用に関する技術開発が進められている。

このような経緯の中で、本発明は、再生可能エネルギーなどを利用した水電解の大規模化による水素の大量製造装置およびその制御に関わるものである。

製造コスト削減を目的として、欧州を中心に水の電解システムの大規模化が進められており、２０５０年までに５００ＧＷ規模のシステムの導入が見込まれている。水素製造に必要な電解スタックは量産効果による設備費の削減が見込まれているが、大電流、低電圧が必要となる直流電源は特殊仕様となり、コスト削減が進まないことが予想されており、電源の低コスト化が必要とされている。

非特許文献１には、２０ＭＷを超える大規模水電解システムにおける、電源の高効率稼働のため多数の電解スタックを１台の電源で稼働する必要性が記載されている。

特許文献１には迂回回路を並列接続した電解スタックを直列接続し、直列スタック群を並列接続した電解システムが記載されている。また特許文献２には、多数の電解スタックを全て直並列接続したシステムが記載されている。

特許第６０５８２０５号明細書特開２０１３－１２０６８０号公報

ＩＲＥＮＡの報告書「ＧｒｅｅｎＨｙｄｒｏｇｅｎｃｏｓｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｒｅｎａ．ｏｒｇ／－／ｍｅｄｉａ／Ｆｉｌｅｓ／ＩＲＥＮＡ／Ａｇｅｎｃｙ／Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／２０２０／Ｄｅｃ／ＩＲＥＮＡ＿Ｇｒｅｅｎ＿ｈｙｄｒｏｇｅｎ＿ｃｏｓｔ＿２０２０．ｐｄｆ）

非特許文献１に記載の、多数の電解スタックを一括稼働する手法については、電解スタックの多直列接続が挙げられる。多直列接続で高電圧化を図ることにより、一般的な大型直流電源の利用が可能となり、低コストで大規模化を実現することができると予想される。しかしながら、電解スタックを多直列接続した場合、すべての電解スタックに同じ電流が流れるため、一部の電解スタックに抵抗上昇や短絡が発生した場合において、その異常スタックのみを電流低減したり、停止したりすることが難しい。また、抵抗上昇した電解スタックに定格電流を流し続けると電解スタックの劣化が促進され、さらに許容発熱量を超えた場合、短絡などの異常が発生する恐れがある。そのため、異常スタックに合わせて全スタックに対して電流低減や停止を実施することが必要となり、水素の生産量が大幅に減少する。

また特許文献１では直列スタック群を並列接続しているため、一部の電解スタックが抵抗上昇した場合においても直列スタック群の総抵抗に与える影響は小さく、抵抗上昇したスタックを含む直列スタック群に流れる電流を低減する効果は小さい。

また特許文献２ではスタックが並列接続されているため、一部スタックが抵抗上昇した場合に並列接続された正常スタックにより多くの電流が流れ、抵抗上昇スタックしたスタックに流れる電流が低減される。しかしながら一部スタックに短絡が発生した場合、並列接続されたスタックも短絡状態（端子電圧が０）となり、正常な並列スタックにも異常が伝播する。稼動中のスタックを外部短絡させると触媒劣化による抵抗増加や異常発熱による内部短絡などのスタック内部での異常発生が懸念される。

そこで、本発明は水電解スタックが多数直列接続された水電解システムにおいて、抵抗上昇したスタックの電流低減と、一部のスタックの短絡による他スタックへの伝播抑制を可能とし、スタック異常が発生しても水素の生産量を高く保つことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施例に係る水電解システムは、複数の水電解スタックと少なくとも１つの過電流遮断手段とを直列接続して直列スタック群を構成し、３つ以上の直列スタック群を並列接続して直並列スタックユニットを構成し、複数の直並列スタックユニットを直列接続して構成した水電解スタック群を直流電源に接続する、ことを特徴とする。

本発明によれば、直流電源に複数の水電解スタックが接続された水電解システムにおいて、抵抗上昇したスタックの電流低減と、一部のスタックの短絡による他スタックへの伝播抑制を可能とし、スタック異常が発生しても水素の生産量を高く保つことが可能になる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る水電解システム全体の構成を示す概要図。水電解スタック群と直流電源との接続構成の一例を示す図。実施例１に係る水電解スタック群と直流電源との接続構成を示す図。実施例１に使用した水電解スタックの７０℃における電流密度－電圧特性を示すグラフ。実施例及び比較例における劣化スタック電流評価の結果を示すグラフ。実施例及び比較例における外部短絡評価の結果を示すグラフ。変形例に係る水電解システムの構成を示す図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。また、本発明は、以下の形態および実施例に限定されるものではない。

水電解スタックを直列に接続し、高電圧化を図ることにより、一般的な大型直流電源の利用が可能となり、低コストで水電解システムの大規模化を実現することができると予想される。

一般的な水電解スタックにおける電力から水素へのエネルギー変換効率は７０～９０％程度であり、残りは熱となる。水電解スタックの抵抗が上昇した場合、効率が低下し、さらに多くの熱が発生する。水電解スタックの発熱に対して冷却速度が不十分な場合、水電解スタックは温度上昇する。高温になるほど水電解スタックの抵抗は小さくなる一方、８０～１００℃の耐熱温度を超えると、材料の劣化により抵抗上昇したり、水素と酸素を仕切る膜に穴があいたり、電気的に短絡したりする。そのため、正常な水電解スタックも抵抗上昇した水電解スタックも適切な温度範囲内に制御することが重要である。

図１に本発明の一実施例に係る水電解システムの一例を示す。水電解システムは、多数の水電解スタックから構成される水電解スタック群１、システムに電源を供給する直流電源２、水と気体とを分離する気液分離器３ａ、３ｂ、水電解スタック群１に純水を供給するためのポンプ４、媒体との間で熱を交換する熱交換器５ａ、５ｂ、水素以外の気体を吸着させる等の方法により水素の純度を高める水素高純度化装置６、純水を保存する純水タンク７、及び精製により純水を製造する純水製造装置８を有している。水電解スタック群１と直流電源２以外の機器は図示した配置とは異なっても良く、また、他の機器を追加してもよい。水電解スタック群１と直流電源２以外の機器の一部またはすべてを複数設置して、水電解スタック群１を分割して制御してもよい。また、直流電源２に対して、水電解スタック群１を複数並列接続しても良い。

水電解スタック群１にポンプ４から熱交換器５ａで温度制御した水を供給し、直流電源２から直流電流を流すことで水の電気分解が起こり、水素と酸素が生成される。生成した水素と酸素はそれぞれ水とともに水電解スタック群１から排出される。酸素は気液分離器３ａで分離され、熱交換器５ｂで冷却された後システムから排出される。水素は気液分離器３ｂで分離され、水素高純度化装置６で高純度化された後システムから排出される。気液分離器３ａ、３ｂで分離された水は水電解スタック群１への供給水として再利用される。一連のプロセスで消費した分の水が純水製造装置８から供給される。

図２に水電解スタック群１、および、直流電源２の電気的な接続構成および電気的な制御機器を示す。複数の水電解スタック１１と過電流遮断手段１２を直列接続して直列スタック群２０を構成する。前記直列スタック群２０を３つ以上並列接続して直並列スタックユニット３０を構成する。直並列スタックユニット３０を複数直列接続して水電解スタック群１を構成し、直流電源２に接続する。また、過電流遮断手段１２の動作を検出する過電流遮断動作検出手段１３と直列スタック群２０の電圧と電流の少なくとも一方を検出する電解状態検出手段１４を設置し、それら検出器の結果をもとに直流電源制御手段１５により直流電源２の出力を制御する。

水電解スタック１１としては、固体高分子電解質膜を利用して純水の電気分解により水素と酸素を発生させるＰＥＭ（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型、アルカリ溶液と電力により水素と酸素を発生させるアルカリ型、アニオン交換膜を用いるアニオン交換膜型などのタイプを使用可能である。しかし、水電解スタック１１の直列接続により水電解スタック１１の電極の電圧が高くなるため、冷却水循環系機器との絶縁性の観点から導電率が低い純水を冷却水として使用可能なＰＥＭ型やアニオン交換膜型を用いることが望ましい。

直列スタック群２０における水電解スタック１１の直列数が多すぎると、抵抗が上昇した水電解スタック１１を含む直列スタック群２０に流れる電流を低減する効果が小さくなる。また、過電流遮断手段１２に要求される耐電圧が高くなり、素子のサイズが大きくなる。この観点から直列スタック群２０における水電解スタック１１の直列数は４以下が望ましく、２がさらに望ましい。

直並列スタックユニット３０における直列スタック群２０の並列数は、水電解スタック群１の定格電流が直流電源２の最大電流以下となる範囲において、３以上の任意の値を設定できる。

直並列スタックユニット３０の直列数は水電解スタック群１の定格電圧が直流電源２の最大電圧以下となる範囲において、任意の値を設定できる。

過電流遮断手段１２としては、直流ブレーカ、直流ヒューズが使用できる。１つの水電解スタック１１が短絡した場合、その水電解スタック１１を含む直列スタック群２０には瞬時的に大電流が流れ、過電流遮断手段１２が作動し、電流が遮断される。電流遮断後、残った直列スタック群２０には遮断された分の電流が分散して流れる。このため、過電流遮断手段１２の定格電流は［水電解スタック１１の定格電流］×（１＋１／（［直列スタック群２０の並列数］－１））よりも大きくする必要がある。

また、１つの水電解スタック１１が短絡した場合においても、直列接続された水電解スタック１１があるため、短絡した水電解スタック１１を含む直列スタック群２０の電圧が０とならず、並列する直列スタック群２０へのダメージを抑えることができる。

過電流遮断動作検出手段１３は、電流、電圧差、位置など様々な物理量で検出することができる。また電解状態検出手段１４は、電圧や電流を直接計測しても良いし、水電解スタック１１の温度（計測手段は図示せず）やその出口水温度（計測手段は図示せず）から推定してもよい。

過電流遮断動作検出手段１３により過電流遮断手段１２が作動を検出した後、並列接続された正常な直列スタック群２０の電解状態検出手段１４の検出結果が、水電解スタック１１の許容電流や許容電圧を超えることがないように、直流電源制御手段１５で直流電源２の出力を制御する。これにより、電流遮断後、残った直列スタック群２０の過負荷状態が継続することがなく、安全性が担保される。また、例えば直列スタック群２０が４並列の場合、短絡発生後も水電解スタック群１の７５％負荷での運転が継続可能となる。このため、水素製造量の減少量を小さくすることできる。

また、並列接続された直列スタック群２０の電圧が等しくなるように電流が分配されるため、１つの水電解スタック１１の抵抗が上昇した場合、その水電解スタック１１を含む直列スタック群２０へ流れる電流は小さくなる。この際、減少した電流は残りの並列接続された直列スタック群２０に分配されるため、健全な直列スタック群２０の電流上昇を抑える観点からは直列スタック群２０の並列数は多い方が望ましい。

［実施例１］
図３に、実施例１の水電解スタック群１と直流電源２の接続構成を示す。水電解スタック１１として電極面積５０ｃｍ^２のＰＥＭ型の水電解セルを５０セル積層させたものを使用した。使用したスタックの７０℃における電流密度―電圧特性を図４に示す。ＰＥＭ型の水電解スタックでは、水電解直後に電流密度を０としても、電極内に水素と酸素が保持されるためセル電圧はすぐに０とはならず、電圧が保持される。そして、セル電圧をその開回路電圧よりも低い電圧に下げた場合、電極内に水素と酸素が消費されるまでの間、逆電流が流れる。

本実施例においては、２つの水電解スタック１１と直流ヒューズ１６（過電流遮断手段）を直列接続して直列スタック群２０を構成し、直列スタック群２０を４つ並列接続して直並列スタックユニット３０を構成した。直流ヒューズ１６の定格電流は、水電解セルの電流密度４．０Ａ／ｃｍ^２相当（２００Ａ）とした。各直列スタック群２０に電流計１７を設置し、さらに直並列スタックユニット３０に電圧計１８を設置した。

そして直並列スタックユニット３０を８直列して水電解スタック群１を構成し、直流電源２に接続した。水電解スタック１１の中で１スタックのみ抵抗が２０％増加した劣化スタック１１Ｂを使用した。また、別の直並列スタックユニット３０において、１スタックを外部短絡させるスイッチ１９を設置した。

各水電解スタック１１の酸素極側にポンプ４および熱交換器５ａを用いて６０℃超純水を供給し、スタック温度が７０℃となるように流量制御した。発生する水素の圧力が０．９ＭｐａＧとなるように圧力制御した（図示せず）。

［劣化スタック電流評価］
直流電源から水電解セルの電流密度２．０Ａ／ｃｍ^２相当の電流（４００Ａ）を流し、劣化スタック１１Ｂを含む直列スタック群２０Ｂと並列する正常な直列スタック群２０Ａの電流を計測した。

［外部短絡評価］
また、直流電源から水電解セルの電流密度１．５Ａ／ｃｍ^２、２．０Ａ／ｃｍ^２相当の電流（３００Ａ、４００Ａ）を流した状態において、スイッチ１９を閉じ、１スタックを外部短絡させた。短絡スタックを含む直列スタック群２０Ｄと並列する正常な直列スタック群２０Ｃについて、スイッチ１９を閉じた直後の電流値、および、直流ヒューズ１６による電流遮断が起きた後の電流値を計測した。２．０Ａ／ｃｍ^２相当の４００Ａでの試験では直流ヒューズ１６作動後に正常な直列スタック群２０Ｃに流れる電流密度が２．０Ａ／ｃｍ^２となるように３００Ａに変更した。

［実施例２］
直並列スタックユニット３０を構成する直列スタック群２０の並列数を３とした以外は実施例１と同様の構成とした。劣化スタック電流評価、外部短絡評価についても実施例１と同様の電流密度となるように制御した。

［実施例３］
直列スタック群２０の水電解スタック１１直列数を３とし、直並列スタックユニット３０の直列数を５とした以外は実施例１と同様の構成とした。

［実施例４］
直列スタック群２０の水電解スタック１１直列数を４とし、直並列スタックユニット３０の直列数を４とした以外は実施例１と同様の構成とした。

［比較例１］
直列スタック群２０の水電解スタック１１直列数を１６とし、直並列スタックユニット３０を直列接続しなかったこと以外は実施例１と同様の構成とした。

［比較例２］
直列スタック群２０の水電解スタック１１直列数を１とし、直並列スタックユニット３０の直列数を１６としたこと以外は実施例１と同様の構成とした。

実施例１～４、比較例１、２の劣化スタック電流評価の結果を図５に示す。直列数が少ないほど劣化スタック１１Ｂを含む直列スタック群２０Ｂへ流れる電流を低減する効果が大きい。水電解スタック１１の直列数１６の比較例１においては直列スタック群２０Ｂへ流れる電流密度が１％下がるだけでほとんど効果が見られなかった。また、４並列の実施例１と３並列の実施例２を比較すると、並列数の多い実施例１の方が直列スタック群２０Ａ、直列スタック群２０Ｂ双方の電流密度が低く、水電解スタック１１にとって劣化しにくい条件であった。

実施例１～４、比較例１の外部短絡評価においてスイッチ１９を閉じ、直流ヒューズ１６による電流遮断が起きる前の電流密度を図６に示す。水電解スタック１１の直列数を２とした実施例１、２では正常な直列スタック群２０Ｃの電流密度はほぼ０となり、大きな逆電流は計測されなかった。短絡スタックを含む直列スタック群２０Ｄにはほぼ全電流が流れ、その後直流ヒューズ１６により電流が遮断された。実施例３～５では水電解スタック１１の直列数が増えたため、直列スタック群２０Ｄに流れる電流値は低下した。しかしながら直流ヒューズ１６の定格電流を超えているため、直流ヒューズ１６が作動した。その後残った直列スタック群２０Ｃで運転を継続できた。

比較例１においては、水電解スタック１１の直列数が１６の比較例１では、短絡スタックの影響は小さく、直列スタック群２０Ｄへの電流密度が低く抑えられた。そのため、直流ヒューズ１６は作動せず、そのまま運転を継続できた。

比較例２は直列スタック群２０Ｄに大電流が流れて瞬時に直流ヒューズ１６が動作したため、直列スタック群２０Ｄを継続できなかった。また、並列する直列スタック群２０Ｃでもすべての直流ヒューズ１６が動作し、運転を継続できなかった。これは直列スタック群２０Ｃで発生した逆電流により、直流ヒューズ１６が動作したためと予想される。３並列ある直列スタック群２０Ｃのうち１つでも直流ヒューズ１６が動作すると、残りの直列スタック群２０Ｃの電流密度が上昇し、最終的に全ての直流ヒューズ１６が動作する。
実施例１～４では、劣化スタック１１Ｂへの電流密度を低減する効果、直列スタック群２０Ｃでの逆電流を抑制する効果、短絡スタックを含む直列スタック群２０Ｄへの電流を遮断する効果が確認され、水電解スタック１１の劣化や短絡に対しても電解を継続し、水素の製造量低下を抑制することができた。

［変形例］
図７に、本発明の変形例に係る水電解システムの構成の概要を示す。図７に示す水電解システムは、水電解スタック１１を２直列した直列スタック群２０を３並列した直並列スタックユニット３０を複数直列接続させたものである。

また各直列スタック群２０においては、その前後に過電流遮断手段１２が配置されている。

また、各直並列スタックユニットの電圧は１ｋｖ以下とする。これにより、過電流遮断手段１２として耐圧が比較的低い市販品を使用することが可能になる。

さらに本変形例においては、各直並列スタックユニット間の接続を切り離せる切り離しスイッチ４０が設けられている。これにより、あるユニットに異常が生じた場合には、そのユニット内のスイッチをオフにするとともに切り離しスイッチをオンとすることで、その異常が生じたユニットを迂回した電気接続を持続することが可能になり、システム全体として出力に大幅に低減することを防止することが可能になる。

また、直並列ユニット３０’に含まれる水電解スタック１１’として、電極のスタック数を変更させる等により水電解スタック１１と異なるものを使用してもよい。

以上で説明した本発明の実施例によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）本発明に係る水電解システムは、複数の水電解スタックと少なくとも１つの過電流遮断手段とを直列接続して直列スタック群を構成し、３つ以上の直列スタック群を並列接続して直並列スタックユニットを構成し、複数の直並列スタックユニットを直列接続して構成した水電解スタック群を直流電源に接続する、ことを特徴とする。

上記の構成を採用することにより、直流電源に複数の水電解スタックが接続された水電解システムにおいて、抵抗上昇したスタックの電流低減と、一部のスタックの短絡による他スタックへの伝播抑制を可能とし、スタック異常が発生しても水素の生産量を高く保つことが可能になる。

（２）直列スタック群における水電解スタックの直列数が４以下である。これにより、直列スタック群内の水電解スタックが劣化により抵抗減少した場合に、該直列スタック群に流れる電流を十分に低減させることが可能になり、また、過電流遮断手段に要求される耐電圧が比較的低くなり、小さい素子を利用することが可能になる。

（３）過電流遮断手段の定格電流は［水電解スタックの定格電流密度］×［直列スタック群の並列数］より小さい。このように設定することにより、１つの水電解スタックが短絡して過電流遮断手段が作動した場合に、短絡した水電解スタックが含まれる直列スタック群以外の直列スタック群に過大な電流が流れることを防止できる。

（４）過電流遮断手段の定格電流は［水電解スタックの定格電流密度］×（１＋１／（［直列スタック群の並列数］－１））より大きい。このように設定することにより、１つの水電解スタックが短絡した場合、過電流遮断手段が作動し、短絡した水電解スタックが含まれる直列スタック群以外の直列スタック群に電流が分散して流れることが可能になる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１水電解スタック群、２直流電源、１１水電解スタック、１２過電流遮断手段（直流ヒューズ１６）、２０直列スタック群、３０Ａ～３０Ｄ部分直列スタック、４０切り離しスイッチ

Claims

複数の水電解スタックと少なくとも１つの過電流遮断手段とを直列接続して直列スタック群を構成し、
３つ以上の前記直列スタック群を並列接続して直並列スタックユニットを構成し、
複数の前記直並列スタックユニットを直列接続して構成した水電解スタック群を直流電源に接続する、
ことを特徴とする水電解システム。
請求項１に記載された水電解システムであって、
前記直列スタック群における水電解スタックの直列数が４以下である、
ことを特徴とする水電解システム。
請求項１に記載された水電解システムであって、
前記過電流遮断手段の定格電流は［前記水電解スタックの定格電流密度］×［前記直列スタック群の並列数］より小さい、
ことを特徴とする水電解システム。
請求項１に記載された水電解システムであって、
前記過電流遮断手段の定格電流は［前記水電解スタックの定格電流密度］×（１＋１／（［前記直列スタック群の並列数］－１））より大きい、
ことを特徴とする水電解システム。