JP4842577B2 - 水電解システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法に関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステムが提案されている。例えば、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した固体高分子型燃料電池が知られている。なお、アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを備えている。

一般的に、燃料である水素を製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設されてユニット（水電解セル）が形成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に純水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

上記の水電解装置では、例えば、太陽電池や風力発電機等の電圧変動電源を電力源として用い、この電圧変動電源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提案されている。例えば、特許文献１に開示されている水素製造設備は、図１１に示すように、風力発電機１と、整流器２と、水電解装置３と、制御装置４とを備えている。

水電解装置３は、複数の水電解セルが積層されたセルスタックＣ１〜Ｃ４を有するとともに、前記セルスタック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は、それぞれ整流器２のプラス側に接続されるとともに、スイッチＳ５〜Ｓ８は、それぞれ前記整流器２のマイナス端子側に接続されている。

さらに、セルスタックＣ１〜Ｃ４間には、それぞれのマイナス端子側とプラス端子側との間にスイッチＳ９〜Ｓ１２が接続されている。これにより、各セルスタックＣ１〜Ｃ４は、スイッチＳ１〜Ｓ１２の開閉操作によって、電気的に並列又は直列に接続される。

制御装置４は、電圧制御部５とスタック数制御部６とを有している。電圧制御部５は、水電解装置３に供給される発電電力の電圧を可変制御する機能を有する。一方、スタック数御部６は、各セルスタックＣ１〜Ｃ４に作用する電圧と電流が所定範囲内になるように、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。

特開２００５−１２６７９２号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１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、前記水電解装置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、スイッチＳ１〜Ｓ１２が所定の開閉動作を行っている。

しかしながら、特許文献１は、セルスタックＣ１〜Ｃ４の使用数を設定するだけであり、風力発電器１や太陽電池等の電圧変動電源からの電力供給量の変動に沿った高効率な運転が遂行されないおそれがある。しかも、水電解装置３全体に供給される電力の電圧制御を行うだけであり、各セルスタックＣ１〜Ｃ４内における各効率ピーク点を考慮することができず、最良の電解効率が得られないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電圧変動電源からの供給電力量に応じた最良の電解効率を確実に得ることが可能な水電解システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

さらにまた、本発明は、それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法である。

そこで、電圧変動電源からの供給電力量を検出する工程と、前記検出された供給電力量に応じて、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を、各水電解スタック毎に個別に調整する工程とを有している。

また、電解効率が最良となるように、電解電流を各水電解スタックに分配することが好ましい。

本発明によれば、電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力が個別に調整されている。このため、電圧変動電源からの供給電力量の変動に応じて、最良の電解効率を確実に得ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る水電解システム１０の概略構成説明図である。

水電解システム１０は、純水供給装置１２を介して水道水から取り出された純水が供給され、この純水を電気分解することによって水素を製造する水電解装置１４と、電圧変動電源、例えば、太陽電池１６を有して前記水電解装置１４に電力を供給する電源装置１８とを備える。

純水供給装置１２は、水道水から純水を取り出す純水製造部２０を備え、この純水製造部２０の下流には、製造された純水と、水電解装置１４から水素ライン２１を介して導出される水素及び水蒸気との熱交換を行う熱交換器２２が配設される。この熱交換器２２には、前記熱交換器２２により熱交換を行った水素から液化した水分を分離する水素気液分離器２４が接続される。

熱交換器２２により温度が上昇した純水は、酸素気液分離器２６に送られるとともに、この酸素気液分離器２６には、水電解装置１４から酸素を含む純水が導出される純水ライン２８が接続される。酸素気液分離器２６には、水素気液分離器２４で水素から分離された水分を前記酸素気液分離器２６に戻すための純水戻しライン３０が接続される。

酸素気液分離器２６と水電解装置１４の純水供給口（図示せず）とには、純水供給ライン３２が接続される。この純水供給ライン３２には、酸素気液分離器２６に滞留する純水を水電解装置１４に供給するためのポンプ３４と、前記水電解装置１４に供給される純水の電気伝導度を下げるためのイオン交換器３６とが配設される。

水電解装置１４は、それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数、例えば、４つの水電解スタック４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び４０ｄを備える。水電解スタック４０ａ〜４０ｄには、それぞれ水電解スタック４０ａ〜４０ｄに供給される電力を個別に調整する電力調整部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄが電気的に接続される。

電力調整部４２ａ〜４２ｄは、電源装置１８と水電解スタック４０ａ〜４０ｄとを電気的に接続及び遮断するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧調整機能を有する。電力調整部４２ａ〜４２ｄは、制御回路４４に接続されており、前記電力調整部４２ａ〜４２ｄは、この制御回路４４を介して一括して制御可能である。

電源装置１８は、水電解装置１４に電力を供給するための１つの手段として太陽電池１６を備えるとともに、別の手段として商用電源４６を備える。商用電源４６は、ＡＣ／ＤＣ変換器４８を介して電源切替器５０に接続される一方、太陽電池１６は、前記電源切替器５０に接続される。電源切替器５０は、水電解装置１４に電力を供給する電力源として、太陽電池１６と商用電源４６とを切り替え操作する。太陽電池１６からの発電電力量を推定するために日射量計５２が設けられ、この日射量計５２は、制御回路４４に接続される。実際の発電量は、図示しないが、太陽電池１６からの電力供給ラインに取り付けられた電圧・電流センサで測定され、制御回路４４に送られる。

電源装置１８には、水電解システム１０の補機５４に電力を供給するための補機電源部（例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器）５６が設けられる。なお、補機５４は、具体的には、純水製造部２０、ポンプ３４及び制御回路４４の他、図示しないが、全てのセンサ及びアクチュエータを含む。

制御回路４４は、電力調整部４２ａ〜４２ｄを一括制御する制御部としての機能の他、水電解システム１０の運転動作を決定して制御を行う機能を有する。

このように構成される水電解システム１０の動作について、本発明に係る運転方法との関連で、図２以降に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

水電解システム１０の運転が開始されると、制御回路４４は、先ず、水電解装置１４の電力源として太陽電池１６と商用電源４６とのいずれを使用するかを判断し、電力源の設定を行う（ステップＳ１）。

電力源の設定処理では、図３に示すように、制御回路４４が、日射量計５２から得られる日射量に基づいて太陽電池１６の発電電力を推定する（ステップＳ１１）。そして、ステップＳ１２に進んで、この推定された発電電力量が、太陽電池１６の運転モード判断値以上の電力であるか否かを判断する。

その際、推定発電電力量が判断値以上であれば（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、太陽電池１６が動力源として設定される。一方、推定発電電力量が判断値以下であると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、商用電源４６が電力源として設定される。

上記のように電力源が設定されると、補機運転が開始される（図２中、ステップＳ２）。補機運転処理では、図４に示すように、純水製造部２０の運転が開始された後（ステップＳ２１）、酸素気液分離器２６内の純水（電解水）の水位が規定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２２）。

純水水位が規定値以上であると判断されると（ステップＳ２２中、ＹＥＳ）、ポンプ３４がオンされて水電解装置１４への純水の供給が行われる。さらに、制御回路４４では、純水流量が規定値以上であると判断された後（ステップＳ２４中、ＹＥＳ）、純水比抵抗が規定値以上であるか否かの判断が行われる（ステップＳ２５）。そして、純水流量及び純水比抵抗がそれぞれ規定値以上であると判断されると（ステップＳ２４中、ＹＥＳ、及びステップＳ２５中、ＹＥＳ）、ステップＳ２６に進んで、補機運転が完了し、電解可能状態にあると判断される（ステップＳ３）。

一方、ステップＳ２２、Ｓ２４又はＳ２５において、純水水位、純水流量又は純水比抵抗が規定値以下であると判断されると、補機運転が未完のまま判断が終了される（ステップＳ２８）。そして、電解可能状態にないと判断され（ステップＳ３中、ＮＯ）、電解が停止される（ステップＳ４）。次いで、電解可能状態にあると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、水電解動作が行われる。

ここで、水電解スタック４０ａ〜４０ｄの水素発生効率は、図５に示すように、電流密度が低い程、高効率となっている。また、電力源の出力電力と効率との関係は、図６に示すように、出力が低い領域では、効率が極端に低くなっている。そして、電力源の出力が高くなるのに伴って効率が向上した後、出力の増加にかかわらず一定効率となっている。

従って、図５の電解セル効率と、図６の電力源効率とに基づいて、水電解効率が得られる。この水電解効率は、図７に示すように、電解電力が低い領域では効率が著しく低く、この電解電力の増加に伴って効率ピーク点が生じ、この効率ピーク点以降では効率の低下が見られる。このため、電力源の出力電力の変動に対応して各水電解スタック４０ａ〜４０ｄへの供給電力を個別に調整することにより、最良効率で運転を行うことができる。

すなわち、図８に示すように、各水電解スタック４０ａ〜４０ｄを個別に調整する本実施形態では、電流に対する効率が曲線Ｌに沿って変動しており、それぞれの効率ピーク点が上昇して最良な電源効率になるような運転が行われる。なお、曲線Ｌの形状は、スタック分割数により異なる。

これに対して、各水電解スタック４０ａ〜４０ｄを全体的に調整する従来構成では、電流に対する効率がなだらかな曲線Ｌ１に沿って変動し、最良効率で運転を行うことができない。

次に、複数の水電解スタック４０ａ〜４０ｄを、それぞれ個別に運転制御するための具体例を、以下に説明する。

電解電流量は、水素製造量に比例する。このため、最良電解効率となるように、電解電流を各水電解スタック４０ａ〜４０ｄに分配することにより、太陽電池１６の発電電力量の変動に応じた最良の水素製造量が得られる。

具体的には、各水電解スタック４０ａ〜４０ｄに分配する電流値をＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４とし、各電流値における水電解効率をＥ１、Ｅ２、Ｅ３及びＥ４とし、Ａ１／Ｅ１＋Ａ２／Ｅ２＋Ａ３／Ｅ３＋Ａ４／Ｅ４の値が最小になるように、又はＡ１×Ｅ１＋Ａ２×Ｅ２＋Ａ３×Ｅ３＋Ａ４×Ｅ４の値が最大になるように設定する。

各水電解スタック４０ａ〜４０ｄへの電流の分配方法は、種々存在しており、本実施形態では、以下に示す４つの分配方法を採用する。先ず、総電解電流（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）をＡｔとし、水電解スタック４０ａ〜４０ｄの効率ピーク電流をＡｐとする。

そこで、Ａｔ／Ａｐの整数値Ｎに対し、Ｎ個のスタックに効率ピーク電流を設定し、且つ残りの電流を１つのスタックに設定する（分配例１）、Ｎ−１個のスタックに効率ピーク電流を設定し、且つ残りの電流を１つのスタックに設定する（分配例２）、Ｎ個のスタックに均等電流を分配する（分配例３）、又は、Ｎ＋１個のスタックに均等電流を分配する（分配例４）。そして、上記の分配例１〜分配例４の中から、最良の効率が得られる分配方法を選択する。

その際、Ｎ＝０では、分配例１、分配例２及び分配例３は存在せず、分配例４が選択されて１つのスタックに電解電流が設定される。また、Ｎがスタック数以上になるときは、分配例１及び分配例４がなく、分配例２及び分配例３のいずれかが選択される。さらにまた、分配された電流値がスタック電流容量を超えるときは、その分配方法は除外される。上記の説明は、図９に示されている。

ここで、４つの水電解スタック４０ａ〜４０ｄを設ける本実施形態において、具体的に、効率ピーク電流Ａｐ＝３０Ａとし、総電解電流Ａｔ＝１００Ａとすると、Ａｔ／Ａｐの整数値Ｎ＝３となる。従って、分配例１〜４は、図１０に示される値となり、この中から最良効率となる分配を選択すればよい。なお、電解効率曲線は、事前に取得できるため、予め電解電流毎の最適分配を求めてマップ化すれば、コントローラの負荷が低減される。

このように、本実施形態では、発電電力量が変動し易い太陽電池１６等の電圧変動電源を使用する際に、供給電力量の変動に応じて、最良の水電解効率での電解処理が確実に遂行される。これにより、消費電力を有効に削減することができ、経済的且つ効率的な水電解処理が行われるという効果が得られる。

ところで、上記の電解動作が終了すると、図２中、ステップＳ６に進んで、水電解システム１０の運転判断がなされる。そして、停止すると判断されることにより、運転フローが停止される。一方、停止しないと判断されると、再度、ステップＳ１に戻って電源設定、補機運転（ステップＳ２）、電解可能判断（ステップＳ３）、電解停止（ステップＳ４）、電解動作（ステップＳ５）及び運転判断（ステップＳ６）の一連の運転フローが繰り返される。

なお、本実施形態では、電圧変動電源として、太陽電池を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、風力発電機等を採用してもよい。

本発明の実施形態に係る水電解システムの概略構成説明図である。 前記水電解システムの運転方法を説明するフローチャートである。 前記運転のフローチャート中、電力源設定処理を説明するフローチャートである。 前記運転のフローチャート中、補機運転処理を説明するフローチャートである。 水電解スタックの電流密度と水素発生効率との関係説明図である。 電力源の出力電力と効率との関係説明図である。 水電解効率の説明図である。 一体型水電解スタックと分割型水電解スタックとにおける電流と効率との関係説明図である。 各電解スタックに振り分けられる電流の分配例１〜４の説明図である。 前記分配例１〜４の具体的な説明図である。 特許文献１の水素製造設備の説明図である。

符号の説明

１０…水電解システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…太陽電池
１８…電源装置 ２０…純水製造部
２２…熱交換器 ２４…水素気液分離器
２６…酸素気液分離器 ３４…ポンプ
３６…イオン交換器 ４０ａ〜４０ｄ…水電解スタック
４２ａ〜４２ｄ…電力調整部 ４４…制御回路
４６…商用電源 ５０…電源切替器
５２…日射量計 ５４…補機

Claims (3)

1. それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法であって、
   前記電圧変動電源からの供給電力量を検出する工程と、
   前記検出された供給電力量に応じて、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を、各水電解スタック毎に個別に調整する工程と、を有し、
   前記電圧変動電源からの総電解電流を各水電解スタックの効率ピーク電流で除算し、その整数値に１を加えた数のスタックに、均等に電流を分配することを特徴とする水電解システムの運転方法。
2. それぞれ所定数の水電解セルが積層される複数の水電解スタックを有する水電解装置と、少なくとも電圧変動電源を有して前記水電解装置に電力を供給する電源装置とを備える水電解システムの運転方法であって、
   前記電圧変動電源からの供給電力量を検出する工程と、
   前記検出された供給電力量に応じて、前記電圧変動電源から各水電解スタックに供給される電力を、各水電解スタック毎に個別に調整する工程と、を有し、
   前記電圧変動電源からの総電解電流を各水電解スタックの効率ピーク電流で除算し、その整数値分のスタックに効率ピーク電流を設定し、残りの電流を１つのスタックに設定することを特徴とする水電解システムの運転方法。
3. 請求項１又は２記載の水電解システムの運転方法であって、
   前記電圧変動電源は太陽電池であり、
   前記水電解装置の電力源としての商用電源をさらに備え、
   前記水電解システムの運転が開始された後に、前記太陽電池の発電電力量を推定する工程と、
   推定された前記発電電力量が、前記太陽電池を用いて前記水電解システムを運転する値以上の電力であるか否かを判断する工程と、
   推定された前記発電電力量が、前記値以下である場合には、前記商用電源を電力源として設定する工程をさらに有することを特徴とする水電解システムの運転方法。

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