JP4406866B2

JP4406866B2 - 水素製造設備

Info

Publication number: JP4406866B2
Application number: JP2003365405A
Authority: JP
Inventors: 裕司佐々木; 隆司真島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005126792A

Description

本発明は、発電機による発電電力を電源として水素を発生させる水電解装置を備えた水素製造設備に関する。

自動車等に用いられる無公害の燃料として水素が注目されており、水素を得る手段として水を電気分解して水素を発生させる水電解装置が使用される。水電解装置の電解部は、水電解セルを所定数積層したセルスタックにより構成される。図５は、水電解装置のＩＶ特性を示す図である。この図から分かるように、水電解装置は、その印加する電圧を高くする程、電流が多く流れる。そして、電流の大きさに比例して発生する水素量（出力）も増大する。しかしながら、電流を多くして高出力を得ようとすると、水電解装置の電解部でのジュール熱の発生量が増大するため、その分、水電解装置のエネルギー効率が低下すると同時に、水電解セルに対する負荷が高くなりすぎて水電解セルの寿命低下ないし損傷を招く。そのため水電解装置は、できるだけ高エネルギー効率で水素を製造できるよう、図の実線で示す常用範囲内となるように電圧・電流の範囲を制限して運転している。なお、水電解セル１つ当たりでは、１．５〜２．０Ｖの電圧範囲で運転するのが一般的である。

ところで、近年、水素製造設備の高効率運転に関し、太陽電池の出力を高効率で水電解システムの運転に利用する技術が下記特許文献１により提案されている。特許文献１の「水電解システムの運転方法」は図６に示すように構成されており、複数の水電解セル３１〜３８よりなるセル群を有する水電解装置３０と、そのセル群の電源である太陽電池４０とを備えた水電解システムを運転するに当たり、太陽電池４０の出力をセル群に直接供給し得るように、太陽電池４０とセル群とを電気的に接続し、太陽電池４０の最大出力を利用し得るように水電解セル３１〜３８の使用数を選定することを特徴としたものである。太陽電池のＩＶ特性は、その温度によって異なり、また、水電解装置のＩＶ特性は、セル群において直列に接続される水電解セルの数により異なる。そこで、太陽電池温度を温度検出部２１により検知し、その温度における太陽電池のＩＶ特性に対応させて、最も効率の良い水電解セルの使用数を制御装置２２により選定し、制御装置２２によりスイッチを操作して所望数の水電解セルからなる水電解装置を構成するようにしたものである。

特開２００１−３３５９８２号公報

水電解セル１つ当たりに作用する電圧を常用範囲内とするために、水電解セルの積層数を多くしたり、セル面積を大きくすることでセルスタック自体を大型化したりして運転範囲を拡大させる手法が考えられる。しかしながら、セルスタック自体を大型化すると、スタックの中央部に位置する水電解セルの冷却が困難となり、また、各水電解セルに作用する電圧をバランスさせることが困難となるという問題がある。

一方、特許文献１の「水電解質システムの運転方法」では、専ら太陽電池の出力を効率良く利用することに着目し、水電解装置のエネルギー効率については考慮されていない。また、特許文献１の発明は、温度により出力特性が変化する太陽電池の出力を利用した水素製造技術であるところ、風力発電などの発電機により発電する場合には、その発電出力の出力電圧制御が可能であることから、太陽電池の場合とはその概念が異なる。また、特許文献１の発明は、使用するセルユニットの選定に際し、その使用数を決定するのみで、どのセルユニットを使用するかについては考慮されていない。そのため、特定のセルユニットに負荷が集中すると、そのセルユニットの寿命低下を招くという問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、セルスタックを大型化することなく、常用運転範囲を広くすることができ、かつエネルギー効率の良い、発電機を電力源とした水素製造設備を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の水素製造設備は、複数の水電解セルが積層されてなるセルスタックを複数有し該セルスタックが互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置と、該水電解装置に電力を供給する電力供給手段と、前記水電解装置に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部と、前記水電解装置に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように前記水電解装置におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部とを備え、スタック数制御部により、複数のセルスタックを直列と並列のいずれにも電気的に接続させることができ、当該接続をした複数のセルスタックに電力が供給されるようになっている、ことを特徴としている。

上記構成によれば、電解装置に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧、電流が所定範囲内となるように水電解装置におけるセルスタックの使用数を選定するので、各セルスタックに作用する電圧、電流を常用範囲内とすることができる。これにより、ジュール損失の増大を抑制してエネルギー効率の低下を防止することができるとともに、運転ポイントの自由度が拡張され、柔軟性の高い運転が可能となる。
また、水電解装置を複数のセルスタックからなる構成とすることにより各セルスタックをユニット化したので、ユニットの交換作業が容易となる。また、水電解装置の運転中においてもユニット交換が可能である。

また、上記本発明の水電解設備において、好ましくは、前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数をＮからＮ＋１に増加させるときの電力が、セルスタックの使用数をＮ＋１からＮに減少させるときの電力より高くなるようなヒステリシス特性を持たせた制御を行う。

セルスタックの使用数を増減させるに際し、このようなヒステリシス特性を持たせることにより、頻繁なスイッチングを回避して、スイッチ回路及びセルスタックに対する過度の負担を抑制できる。

また、上記本発明の水素製造設備において、好ましくは、前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数を減少させるときに、その運転状態の間で最も運転時間の長いセルスタックの運転を停止させる制御を行う。また、上記本発明の水電解設備において、好ましくは、前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数を増加させるときに、その運転状態の間で最も停止時間の長い水電解ユニットを運転させる制御を行う。

これにより、特定のセルスタックに負担が集中せず、各セルスタックの運転時間が平均化されるため、セルスタックの寿命低下を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、セルスタックを大型化することなく、常用運転範囲を広くすることができ、水電解を高エネルギー効率で行うことができ、セルスタックの交換作業を容易に行うことができ、しかも水電解装置の寿命低下を防止できる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図１〜４に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る水素製造設備の概略構成図を示すものである。この図に示すように、本発明に係る水素製造設備は、風力発電機１と、整流器２と、水電解装置３と、制御装置１５とを備えている。

風力発電機１は、風車１ａと発電機１ｂからなり、発電機１ｂの回転子は風車１ａの軸に接続されており、風車１ａが風のエネルギーにより回転すると、発電機１ｂは風車１ａの回転速度に応じ回転子が固定子内で回転し、固定子から交流電力を出力する。発電機１ｂの固定子には整流器（交直変換器）２が接続されており、発電機１ｂの発生する交流電力は整流器２により直流電力に変換される。このように、風力発電機１と整流器２により水電解装置に電力を供給する電力供給手段を構成している。なお、発電機の種類は、風力発電機の他、水力発電機、火力発電機などであっても良い。また、交流発電機、直流発電機の別も問わない。

水電解装置３は、整流器２により交流電力から直流電力に変換された発電電力を電源として水素を発生するようになっており、複数の水電解セルが積層されてなるセルスタックＣ１〜Ｃ４を有する構成となっている。セルスタックＣ１〜Ｃ４のプラス端子側とマイナス端子側には、それぞれスイッチＳ１〜Ｓ８が接続されている。スイッチＳ１〜Ｓ４のプラス端子側はそれぞれ整流器２のプラス端子側に導線４を介して接続されており、スイッチＳ５〜Ｓ８のマイナス端子側はそれぞれ整流器２のマイナス端子側に導線５を介して接続されている。また、セルスタックＣ１のマイナス端子側とセルスタックＣ２のプラス端子側の間、セルスタックＣ２のマイナス端子側とセルスタックＣ３のプラス端子側の間、セルスタックＣ３のマイナス端子側とセルスタックＣ４のプラス端子側の間、及びセルスタックＣ１のプラス端子側とセルスタックＣ４のマイナス端子側の間には、それぞれ順にスイッチＳ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２が接続されている。各セルスタックＣ１〜Ｃ４は、後述するように、スイッチＳ１〜Ｓ１２の開閉の組合わせにより互いに電気的に並列又は直列に接続されることになる。

制御装置１５は、電圧制御部１６と、スタック数制御部１７とを有している。電圧制御部１６は、水電解装置３に供給する発電電力の電圧を可変制御する機能を有している。この電圧制御は、例えば、発電機１ｂの励磁機の励磁電圧を調整することにより、あるいは整流器２の点弧角を調整することにより、行うことができる。これにより、水電解装置３に印加する電圧を自在に調整することができる。

スタック数制御部１７は、水電解装置に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧と電流が、所定範囲内（各セルスタックにおいて運転可能な電圧及び電流範囲内）となるように水電解装置３におけるセルスタックの使用数を選定する機能を有している。１つのセルスタックにおける運転可能な電圧及び電流範囲は、エネルギー効率、電流密度から求めることができるので、各セルスタックを直列に接続した場合と並列に接続した場合のそれぞれについて、セルスタック使用数ごとに運転可能な電圧及び電流の範囲を求め、ある電力範囲に対応するセルスタック使用数を設定し、スタック数制御部１７に記憶させておく。そして、スタック数制御部１７では、水電解装置３に供給する電力値と、記憶されたセルスタックの運転可能な電圧、電流範囲とに基づいて、水電解装置３において最適なセルスタック使用数を選定するとともに、このセルスタック使用数を構成するためのスイッチ開閉信号を出力する。スイッチＳ１〜Ｓ１２では、スタック数制御部１７からのスイッチ開閉信号に基づいて、所定の開閉動作を行う。水電解装置３に供給する電力値が増大し、現在のセルスタック使用数での運転可能な電圧、電流範囲を超えたときは、スイッチ開閉信号を出力してセルスタック使用数を増加するようにスイッチＳ１〜Ｓ１２を作動させる。

例えば、セルスタックＣ１、Ｃ２を直列接続で使用する場合には、スイッチＳ１、Ｓ６、Ｓ９を閉じ、その他のスイッチを開けるようにスイッチ開閉信号を出力すればよい。そして、セルスタック使用数を増加させるとき、例えばセルスタックＣ３を追加するときは、スイッチＳ１、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０を閉じ、その他のスイッチを開けるようにスイッチ開閉信号を出力すればよい。

一方、セルスタックＣ１、Ｃ２を並列接続で使用する場合には、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ６を閉じ、その他のスイッチを開ければよい。そして、セルスタック使用数を増加させるとき、例えばセルスタックＣ３を追加するときは、更にスイッチＳ３、Ｓ７を閉じるようにスイッチ開閉信号を出力すればよい。

図２及び図３は、本発明における水電解装置のＩＶ特性を示すものであり、図２は各セルスタックを直列に接続した場合であり、図３は各セルスタックを並列に接続した場合を示している。両図において、３本のＩＶ曲線（１）〜（３）は、セルスタック使用数ごとのＩＶ曲線を示しており、セルスタック使用数は左から順に１つ、２つ、３つである。また、各ＩＶ曲線において、実線部分は各セルスタック数での運転可能な電圧、電流範囲を示し、点線部分はそれ以外の範囲を示している。この図に示すように、例えば、電圧、電流が運転可能な範囲内である点Ｐ１にあるときには、スタック数制御部１７によるセルスタック数の変更は行われず、専ら電圧制御部１６により所望の電圧となるように制御される。そして、電圧及び電流が点Ｐ２となり、もはやセルスタック使用数が２つの場合における運転可能範囲を超えるときには、スタック数制御部１７によりセルスタック使用数が３つに変更され、運転ポイントが運転可能範囲内に維持される。これにより、水電解装置におけるジュール損失の増大を抑制してエネルギー効率の低下を防止することができるとともに、運転ポイントの自由度が拡張され、柔軟性の高い運転が可能となるという効果が得られる。

また、図２及び図３に示すように、スタック数制御部１７による制御により、セルスタック使用数の変更に際して、ヒステリシス特性を持たせると良い。すなわち、セルスタックの使用数をＮ（Ｎは１以上の整数）からＮ＋１に増加させるときの電力が、セルスタックの使用数をＮ＋１からＮに減少させるときの電力より高くなるようなヒステリシス特性を持たせた制御を行ってセルスタック使用数を変更する。このように、セルスタックの使用数を増減させるに際し、ヒステリシス特性を持たせることにより、各スイッチＳ１〜Ｓ１２の頻繁なスイッチングを回避して、スイッチＳ１〜Ｓ１２、及び各セルスタックＣ１〜Ｃ４に対する過度の負担を抑制できる。

図４は、スタック数制御部１７により、セルスタック使用数の増減を行う場合の概念図を示すものである。この図において、Ｃ１〜Ｃ４は、図１におけるセルスタックＣ１〜Ｃ４を示している。また、斜線で装飾されたセルスタックは運転中のものを示し、それ以外の斜線で装飾されていないセルスタックは停止中のものを示す。この図において（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に時間が経過しているものとする。この図に示すように、スタック数制御部１７は、セルスタックの使用数を増加させるときに、その運転状態の間で最も停止時間の長い水電解ユニットを運転させるとともに、セルスタックの使用数を減少させるときに、その運転状態の間で最も運転時間の長いセルスタックの運転を停止させる制御を行う。すなわち、図４の例では、初めセルスタックＣ１、Ｃ２を運転させ（ａ）、次いでセルスタック数を増加させるに際し、セルスタックＣ３を運転させ（ｂ）、次いでセルスタック数を減少させるに際し、最も運転時間の長いセルスタックＣ１を停止させ（ｃ）、次いでセルスタック数を増加させるに際し、最も運転時間の短いセルスタックＣ４を運転させている（ｄ）。このように、セルスタックＣ１〜Ｃ４を循環して運転させているので、各セルスタックの運転時間が平均化される。これにより特定のセルスタックに負担が集中せず、セルスタックの寿命低下を防止することができる。

本発明の水素製造設備によれば、上述した効果のほか、水電解装置３を複数のセルスタックからなる構成とすることにより各セルスタックをユニット化したので、ユニットの交換作業が容易となるとともに、水電解装置の運転中においてもユニット交換が可能であるという効果が得られる。

なお、上述した本実施形態では、セルスタックの数はＣ１〜Ｃ４の４つとしているが、これに限定されるものではなく、電力供給手段の電力供給能力の大小や、要求される水素製造能力に応じて、適宜その数を増減し得る。また、スイッチＳ１〜Ｓ１２の配置も上述したものに限られず、各セルスタックを互いに電気的に直列又は並列に接続できる範囲で適宜変更を加え得る。

また、図１において、スイッチの配置構成によっては、直列接続と並列接続とを混在させて各セルスタックを接続することも可能である。また、上述した図４の例は、スタック数制御部１７によるセルスタック使用数の増減を概念的に説明するためのものであり、セルスタックの数や、その増減の順序は上述した内容に限定されるものではない。

その他、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施の形態を示す概略構成図である。セルスタックを直列接続した場合の水電解装置のＩＶ特性を示す図である。セルスタックを並列接続した場合の水電解装置のＩＶ特性を示す図である。セルスタック使用数の増減を説明するための概念図である。一般的な水電解装置のＩＶ特性を示す図である。特許文献１記載の発明を示す構成図である。

符号の説明

１風力発電機
１ａ風車
１ｂ発電機
２整流器
３水電解装置
４、５導線
１５制御装置
１６電圧制御部
１７スタック数制御部
Ｃ１〜Ｃ４セルスタック
Ｓ１〜Ｓ１２スイッチ

Claims

複数の水電解セルが積層されてなるセルスタックを複数有し該セルスタックが互いに電気的に直列又は並列に接続されて構成された水電解装置と、
該水電解装置に電力を供給する電力供給手段と、
前記水電解装置に供給する電力の電圧を可変制御する電圧制御部と、
前記水電解装置に供給する電力に応じて、各セルスタックに作用する電圧及び電流が所定範囲内となるように前記水電解装置におけるセルスタックの使用数を選定するスタック数制御部とを備え、
スタック数制御部により、複数のセルスタックを直列と並列のいずれにも電気的に接続させることができ、当該接続をした複数のセルスタックに電力が供給されるようになっている、ことを特徴とする水素製造設備。
前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数をＮからＮ＋１に増加させるときの電力が、セルスタックの使用数をＮ＋１からＮに減少させるときの電力より高くなるようなヒステリシス特性を持たせた制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載の水素製造設備。
前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数を減少させるときに、その運転状態の間で最も運転時間の長いセルスタックの運転を停止させる制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載の水素製造設備。
前記スタック数制御部は、セルスタックの使用数を増加させるときに、その運転状態の間で最も停止時間の長いセルスタックを運転させる制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載の水素製造設備。
各セルスタックを直列に接続した場合と並列に接続した場合のそれぞれについて、前記水電解装置に供給する電力のある範囲に対応するセルスタック使用数の設定値が、スタック数制御部に記憶されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素製造設備。