JP6574891B2 - 水素製造システムおよび水素製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水素製造システムおよび水素製造方法に関する。

近年、化石燃料の枯渇、二酸化炭素排出による地球温暖化などの環境問題、エネルギーセキュリティなどの観点から、太陽光、風力、地熱などに代表される再生可能エネルギーの導入が産業部門や民間部門で推進されている。一方、ほとんどの再生可能エネルギーは出力が安定していないため、再生可能エネルギーの一部を貯蔵装置に貯蔵することが検討されている。

このような貯蔵装置の例は、蓄電池である。この場合、再生可能エネルギーを獲得する設備が大規模化すると、大量の再生可能エネルギーを貯蔵するために、蓄電池の設置台数を増やし、貯蔵可能なエネルギー量を増やす必要がある。そのため、多数の蓄電池を設置することが必要となるが、再生可能エネルギーの出力が低いときにこれらの蓄電池の多くが無駄になる。よって、蓄電池以外の貯蔵装置を採用することが検討されている。

そこで、再生可能エネルギーにより液体または気体の水を電気分解して水素を製造し、水素、または水素から得られた物質（水素化物など）を貯蔵する方法が注目されている。この場合、水素を燃料電池に使用して電力を生成することや、水素化物を燃料として使用することが可能である。しかしながら、再生可能エネルギーは天候や気象条件により変動するため、電気分解を行う電解装置がこの変動に追随できない場合がある。さらに、この変動が電解装置の耐久性などに影響を及ぼす可能性があり、場合によっては、電解装置の入力電力を下げたり、電解装置の耐久性を改善する必要がでてくる。

特開２０１３−１３６８０１号公報 特開２００４−１２０９０３号公報

上述のように、再生可能エネルギーを水素や水素化物の形で貯蔵する場合には、再生可能エネルギーの変動が問題となる。また、再生可能エネルギーを風力発電等のように回転機を用いて獲得する場合には、再生可能エネルギーは交流電力に変換される。この場合、電気分解用に交流電力を直流電力に変換すると、直流電力に高周波成分がのる可能性があり、高周波成分が電解装置に悪影響を与える可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、再生可能エネルギーを利用して水を電気分解して水素を製造する場合に、電解装置が適切な電気分解を行うことが可能な水素製造システムおよび水素製造方法を提供することである。

本発明の実施形態によれば、水素製造システムは、再生可能エネルギーから得られた電力を少なくとも第１成分および第２成分に分離する電力変換装置を備える。前記システムはさらに、前記第１成分を用いて第１電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する第１電解装置を備える。前記システムはさらに、前記第２成分を用いて第２電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する第２電解装置を備える。

第１実施形態の水素製造システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の電解装置の例を示す模式図である。 第１実施形態の電力成分について説明するためのグラフである。 固体酸化物形電解質膜の熱中立点を説明するためのグラフである。 第２実施形態の水素製造システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態の電力成分について説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図６では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水素製造システム１の構成を示すブロック図である。図１は、水素製造システム１と、発電設備２と、水素利用設備３とを示している。発電設備２は、再生可能エネルギーから電力を生成する。この再生可能エネルギーの例は、太陽光、風力、地熱などである。水素製造システム１は、発電設備２から供給された電力を用いて液体または気体の水を電気分解して水素を製造する。水素利用設備３は、水素製造システム１から供給された水素、またはこの水素から得られた物質（水素化物など）をエネルギー源として利用する。水素利用設備３は例えば、水素を燃料電池に使用して電力を生成してもよいし、水素化物を燃料として使用してもよい。

図１の水素製造システム１は、電力変換装置１１と、第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂを有する電解装置部１２と、水素貯蔵装置１３とを備えている。

電力変換装置１１は、再生可能エネルギーから得られた電力が発電設備２から供給される。再生可能エネルギーは天候や気象条件により変動するため、この電力も天候や気象条件により変動する。電力変換装置１１は、この電力を一定成分と変動成分とに分離し、一定成分を第１電解装置１２ａに供給し、変動成分を第２電解装置１２ｂに供給する。一定成分は第１成分の例であり、変動成分は第２成分の例である。一定成分と変動成分の詳細は後述する。電力変換装置１１は、例えばパワーコントローラである。

第１電解装置１２ａは、一定成分を用いて第１電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する。第２電解装置１２ｂは、変動成分を用いて第２電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する。第１および第２電解方式は、互いに異なる電解方式であることが望ましいが、同じ電解方式でもよい。第１および第２電解方式の例は、アルカリ電解質、固体高分子型電解質膜、または固体酸化物形電解質膜を使用する電解方式である。第１および第２電解方式の詳細は後述する。

水素貯蔵装置１３は、第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂにより製造された水素を貯蔵する。水素貯蔵装置１３は、例えば水素タンクである。本実施形態では、水素タンクから水素利用設備３に配管を介して水素を供給してもよいし、人間が水素タンクを水素利用設備３まで運んでもよい。

図２は、第１実施形態の電解装置の例を示す模式図である。本実施形態の第１電解装置１２ａは、図２(ａ)〜図２(ｃ)に示す電解装置のいずれかに相当する。同様に、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、図２(ａ)〜図２(ｃ)に示す電解装置のいずれかに相当する。

図２(ａ)は、アルカリ電解方式の電解装置を示している。この電解装置は、陰極２１、陽極２２、および電解槽２３を備えている。電解槽２３は、アルカリ電解質（例えば水酸化ナトリウム）の水溶液を有し、陰極２１と陽極２２は、この水溶液に浸されている。陰極２１と陽極２２との間に電圧を印加すると、電解槽２３内の水が電気分解される。その結果、陰極２１付近から水素が発生し、陽極２２付近から酸素が発生する。

図２(ｂ)は、固体高分子方式の電解装置を示している。この電解装置は、陰極３１、陽極３２、および固体高分子型電解質膜３３を備え、液体の水を電気分解の対象とする。固体高分子型電解質膜３３は、陰極３１と陽極３２との間に配置されている。陰極３１と陽極３２との間に電圧を印加すると、液体の水が電気分解される。その結果、陰極３１付近から水素が発生し、陽極３２付近から酸素が発生する。水は、陰極３１側に供給されても陽極３２側に供給されてもよい。ただし、図２(ｂ)の場合には、固体高分子型電解質膜３３内をＨ^＋（水素イオン）が移動する場合が多いため、水は陽極３２側に供給されることが一般的である。

図２(ｃ)は、固体酸化物方式の電解装置を示している。この電解装置は、陰極４１、陽極４２、および固体酸化物形電解質膜４３を備え、気体の水（水蒸気）を電気分解の対象とする。気体の水の温度は、例えば６００〜８００℃である。固体酸化物形電解質膜４３は、例えばセラミックである。固体酸化物形電解質膜４３は、陰極４１と陽極４２との間に配置されている。陰極４１と陽極４２との間に電圧を印加すると、気体の水が電気分解される。その結果、陰極４１付近から水素が発生し、陽極４２付近から酸素が発生する。水は、陰極４１側に供給されても陽極４２側に供給されてもよい。ただし、固体酸化物形電解質膜４３内をＯ^２−（酸素イオン）が移動する場合には、図２(ｃ)のように水が陰極４１側に供給されることが一般的である。一方、固体酸化物形電解質膜４３内をＨ^＋が移動する場合には、水が陽極４２側に供給されることが一般的である。

本実施形態の第１電解装置１２ａは、第１電解方式として、アルカリ電解方式、固体高分子方式、および固体酸化物方式のいずれを採用してもよい。同様に、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、第２電解方式として、アルカリ電解方式、固体高分子方式、および固体酸化物方式のいずれを採用してもよい。また、第１および第２電解方式は、同じ電解方式でもよいし、互いに異なる電解方式でもよい。ただし、後述するように、第１電解方式は、アルカリ電解方式または固体酸化物方式とすることが望ましく、第２電解方式は、固体高分子方式とすることが望ましい。

なお、本実施形態の第１電解装置１２ａは、図２(ａ)〜図２(ｃ)の陰極２１、３１、４１と陽極２２、３２、４２との間に、上述の一定成分の電力を供給する。一方、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、図２(ａ)〜図２(ｃ)の陰極２１、３１、４１と陽極２２、３２、４２との間に、上述の変動成分の電力を供給する。

図３は、第１実施形態の電力成分について説明するためのグラフである。図３(ａ)および図３(ｂ)において、縦軸は電力を表し、横軸は時間を表す。

図３(ａ)は、電力変換装置１１に供給された電力Ｐと、一定成分Ｐ１と、変動成分Ｐ２の例を示している。図３(ａ)では、電力Ｐと一定成分Ｐ１が曲線で示されている。本実施形態の電力変換装置１１は、電力Ｐを一定成分Ｐ１と変動成分Ｐ２のみに分離するため、変動成分Ｐ２は、電力Ｐと一定成分Ｐ１との差で与えられる（Ｐ２＝Ｐ−Ｐ１）。図３(ａ)では、変動成分Ｐ２が、電力Ｐの曲線と一定成分Ｐ１の曲線との間の斜線領域で示されている。

図３(ａ)では、一定成分Ｐ１の電力値は、各期間Ｒ内で一定であり、期間Ｒの変化に伴い変動する。一方、変動成分Ｐ２の電力値は、各期間Ｒ内でも変動する。図３(ａ)では、電力変換装置１１は、電力Ｐを、各期間Ｒ内で一定の一定成分Ｐ１と、各期間Ｒ内でも変動する変動成分Ｐ２とに分離している。各期間Ｒは、所定の期間の例である。期間Ｒ同士の長さは、同じでもよいし、異なっていてもよい。また、これらの期間Ｒは、時間をどのように分割して設定してもよい。

なお、図３(ａ)の方法で電力Ｐを分離する場合には、例えば、Ｎ段階の電力値をあらかじめ電力変換装置１１内に設定しておく（Ｎは２以上の整数）。そして、電力変換装置１１は、各期間Ｒにおける一定成分Ｐ１の電力値を、Ｎ段階の電力値のいずれかに設定する。これにより、各期間Ｒ内で一定で、期間Ｒの変化に伴い変動する一定成分Ｐ１を得ることができる。

図３(ｂ)は、電力変換装置１１に供給された電力Ｐと、一定成分Ｐ１と、変動成分Ｐ２の別の例を示している。図３(ｂ)では、電力変換装置１１は、電力Ｐを、常に一定の一定成分Ｐ１と、少なくともいずれかの時点か期間に変動する変動成分Ｐ２とに分離する。本実施形態の電力変換装置１１は、図３(ａ)と図３(ｂ)のいずれの方法を採用してもよい。

次に、図１を再び参照し、第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂの電解方式について説明する。

第１電解装置１２ａは、一定成分を用いて第１電解方式により水を電気分解して水素を製造する。第２電解装置１２ｂは、変動成分を用いて第２電解方式により水を電気分解して水素を製造する。第１電解装置１２ａは、第１電解方式として、アルカリ電解方式または固体酸化物方式を採用することが望ましく、第２電解装置１２ｂは、第２電解方式として、固体高分子方式を採用することが望ましい。その理由は次の通りである。

一般に、アルカリ電解方式は、使用実績が多く、電気分解の信頼性が高く、低コストで実施できるという利点を有する。また、固体酸化物方式は、電気分解の効率が高いという利点を有する。しかしながら、アルカリ電解方式と固体酸化物方式は、入力電力の変動への追随性が低く、入力電力の変動に対する電解装置の耐久性も比較的低い。一方、固体高分子方式は、入力電力の変動への追随性が高く、入力電力の変動に対する電解装置の耐久性も比較的高いという利点を有する。

そこで、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、第２電解方式として、固体高分子方式を採用する。これにより、第２電解装置１２ｂは、変動成分に適切に追随して効率的に動作することができ、かつ変動成分に対して高い耐久性を有することができる。

しかしながら、固体高分子方式では、一般に電極触媒に貴金属などを用いるため、電解装置を大型化するとコストが高くなる。一方、アルカリ電解方式や固体酸化物方式では、一般に高価な材料を用いないため、コスト的に電解装置の大型化に適している。ここで、一定成分は大電力であることが多いことから、第１電解装置１２ａは、大電力を処理するために大きな容量を有することが望ましい。一方、変動成分は小電力であることが多いことから、第２電解装置１２ｂは、小さな容量を有していれば十分である。

そこで、本実施形態の第１電解装置１２ａは、第１電解方式として、アルカリ電解方式または固体酸化物方式を採用し、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、第２電解方式として、固体高分子方式を採用する。さらに、本実施形態では、第１電解装置１２ａの容量を第２電解装置１２ｂの容量よりも大きく設定する。これにより、比較的大型の第１電解装置１２ａを低コストで実現できると共に、比較的小型の第２電解装置１２ｂにより第２電解装置１２ｂのコストを抑制することができる。

図４は、固体酸化物形電解質膜４３の熱中立点Ｋを説明するためのグラフである。図４において、縦軸は、発生する水素の温度を表し、横軸は、図２(ｃ)の陰極４１と陽極４２との間に供給される電力を表す。

陰極４１と陽極４２との間に熱中立点Ｋの電力Ｅを供給すると、水素の温度が、電力がゼロのときの水素の温度Ｔと同じになる。また、陰極４１と陽極４２との間にＥより低い電力を印加すると、水素の温度はＴよりも低くなる。一方、陰極４１と陽極４２との間にＥより高い電力を印加すると、水素の温度はＴよりも高くなる。これは、Ｅよりも低い電力を用いると吸熱反応が起こり、Ｅよりも高い電力を用いると発熱反応が起こることを示している。

吸熱反応が起こると、電解装置への熱供給が必要となるため、電解装置の電解効率が低下してしまう。一方、発熱反応が起こると、電解装置の熱自立運転が可能であり、電解装置への熱供給が不要となるため、電解装置の電解効率が向上する。

よって、本実施形態の第１電解装置１２ａは、固体酸化物形電解質膜４３を使用する場合、固体酸化物形電解質膜４３の熱中立点Ｋの電力Ｅ以上の電力を有する一定成分を用いて電気分解を行うことが望ましい。また、本実施形態の第２電解装置１２ｂは、固体酸化物形電解質膜４３を使用する場合、固体酸化物形電解質膜４３の熱中立点Ｋの電力Ｅ以上の電力を有する変動成分を用いて電気分解を行うことが望ましい。

ただし、第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂの電気分解は、これに限定されるものではない。例えば、第１電解装置１２ａは、固体酸化物形電解質膜４３を使用する場合に、固体酸化物形電解質膜４３の熱中立点Ｋの電力Ｅ未満の電力を有する一定成分を用いて電気分解を行ってもよい。同様に、第２電解装置１２ｂは、固体酸化物形電解質膜４３を使用する場合に、固体酸化物形電解質膜４３の熱中立点Ｋの電力Ｅ未満の電力を有する変動成分を用いて電気分解を行ってもよい。

以上のように、本実施形態の水素製造システム１は、再生可能エネルギーから得られた電力を一定成分および変動成分に分離し、一定成分を用いて第１電解方式により水を電気分解して水素を製造し、変動成分を用いて第２電解方式により水を電気分解して水素を製造する。

よって、本実施形態によれば、再生可能エネルギーを利用して水を電気分解して水素を製造する場合に、電解装置１２ａ、１２ｂが適切な電気分解を行うことが可能となる。例えば、入力電力の変動への追随性および耐久性が高い第２電解装置１２ｂにより電気分解を行うことや、低コストで大型の第１電解装置１２ａにより電気分解を行うことが可能となる。

なお、電力変換装置１１は、再生可能エネルギーから得られた電力を３つ以上の成分に分離してもよい。この場合、水素製造システム１は、これらの成分により電気分解を行う３基以上の電解装置を備えていてもよい。また、水素製造システム１は、これらの成分の一部により電気分解を行う２基以上の電解装置と、これらの成分の残りの一部を貯蔵する１基以上の二次電池とを備えていてもよい。このような水素製造システム１の一例を第２実施形態にて説明する。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の水素製造システム１の構成を示すブロック図である。図５の水素製造システム１は、電力変換装置１１と、第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂを有する電解装置部１２と、水素貯蔵装置１３と、二次電池１４とを備えている。

電力変換装置１１は、再生可能エネルギーから得られた電力を一定成分と変動成分とに分離し、変動成分を低周波成分と高周波成分とに分離する。一定成分は第１電解装置１２ａに供給され、低周波成分は第２電解装置１２ｂに供給され、高周波成分は二次電池１４に供給される。一定成分は第１成分の例であり、低周波成分は第２成分の例であり、高周波成分は第３成分の例である。低周波成分と高周波成分の詳細は後述する。

第１電解装置１２ａは、一定成分を用いて第１電解方式により水を電気分解して水素を製造する。第２電解装置１２ｂは、低周波成分を用いて第２電解方式により水を電気分解して水素を製造する。第１および第２電解装置１２ａ、１２ｂにより製造された水素は、水素貯蔵装置１３に貯蔵される。

一方、高周波成分の電力は、電解装置部１２に供給されずに、二次電池１４に充電され貯蔵される。二次電池１４内の電力は、水素製造システム１の補機電力として使用してもよいし、系統へ放電してもよい。

図６は、第２実施形態の電力成分について説明するためのグラフである。図６の縦軸は電力を表し、図６の横軸は時間を表す。

図６は、電力変換装置１１に供給された電力Ｐと、一定成分Ｐ１と、変動成分の低周波成分Ｐ２と、変動成分の高周波成分Ｐ３の例を示している。図６では、電力Ｐ、一定成分Ｐ１、および低周波成分Ｐ２が曲線で示されている。本実施形態の電力変換装置１１は、電力Ｐを一定成分Ｐ１、低周波成分Ｐ２、および高周波成分Ｐ３のみに分離するため、高周波成分Ｐ３は、電力Ｐから一定成分Ｐ１および低周波成分Ｐ２を差し引くことで与えられる（Ｐ２＝Ｐ−Ｐ１−Ｐ２）。図６では、高周波成分Ｐ３が、電力Ｐの曲線と低周波成分Ｐ２の曲線との間の斜線領域で示されている。

低周波成分Ｐ２は例えば、変動成分に含まれ、所定周波数よりも低い周波数を有する成分を含んでいる。一方、高周波成分Ｐ３は例えば、変動成分に含まれ、所定周波数よりも高い周波数を有する成分を含んでいる。所定周波数よりも低い周波数は、第１周波数の例であり、所定周波数よりも高い周波数は、第２周波数の例である。

なお、図６の一定成分Ｐ１は、図３(ｂ)の例と同様に常に一定であるが、図３(ａ)の例と同様に各期間Ｒ内で一定でもよい。すなわち、図６の一定成分Ｐ１は、期間Ｒの変化に伴い変動してもよい。

次に、図５を再び参照し、低周波成分および高周波成分について説明する。再生可能エネルギーを風力発電等のように回転機を用いて獲得する場合には、再生可能エネルギーは交流電力に変換される。この場合、電力変換装置１１は例えば、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を一定成分と変動成分とに分離する。しかしながら、交流電力を直流電力に変換すると、直流電力に高周波成分がのる可能性があり、高周波成分が電解装置部１２の耐久性などに悪影響を与える可能性がある。図６において、電力Ｐは、このような直流電力の一例を示しており、高周波成分Ｐ３は、直流電力にのった高周波成分の一例を示している。

そこで、本実施形態の電力変換装置１１は、変動成分を低周波成分と高周波成分とに分離する。また、本実施形態の高周波成分の電力は、電解装置部１２に供給されずに、二次電池１４に充電され貯蔵される。

よって、本実施形態によれば、高周波成分の電力を電解装置部１２に供給しないことにより、高周波成分が電解装置部１２の耐久性などに悪影響を与えることを回避することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、高周波成分の電力を二次電池１４に貯蔵することにより、高周波成分の電力を有効利用することが可能となり、再生可能エネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：水素製造システム、２：発電設備、３：水素利用設備、
１１：電力変換装置、１２：電解装置部、１２ａ：第１電解装置、
１２ｂ：第２電解装置、１３：水素貯蔵装置、１４：二次電池、
２１：陰極、２２：陽極、２３：電解槽、
３１：陰極、３２：陽極、３３：固体高分子型電解質膜、
４１：陰極、４２：陽極、４３：固体酸化物形電解質膜

Claims (5)

1. 再生可能エネルギーから得られた電力を少なくとも第１成分および第２成分に分離する電力変換装置と、
   前記第１成分を用いて第１電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する第１電解装置と、
   前記第２成分を用いて第２電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する第２電解装置と、
   を備え、
   前記第１成分は、少なくとも所定の期間内において一定であり、
   前記第２成分は、少なくとも前記所定の期間内において変動し、
   前記第１電解方式は、アルカリ電解質または固体酸化物形電解質膜を使用する電解方式であり、
   前記第２電解方式は、固体高分子型電解質膜を使用する電解方式である、
   水素製造システム。
2. 前記第１電解方式が、前記固体酸化物形電解質膜を使用する電解方式である場合、前記第１電解装置は、前記固体酸化物形電解質膜の熱中立点の電力以上の電力を有する前記第１成分を用いて前記電気分解を行う、請求項１に記載の水素製造システム。
3. 前記電力変換装置は、前記再生可能エネルギーから得られた電力を少なくとも前記第１成分、前記第２成分、および第３成分に分離し、
   前記第１成分は、少なくとも前記所定の期間において一定であり、
   前記第２成分は、少なくとも前記所定の期間内において変動し、かつ第１周波数を有する成分を含み、
   前記第３成分は、少なくとも前記所定の期間内において変動し、かつ前記第１周波数よりも高い第２周波数を有する成分を含む、
   請求項１に記載の水素製造システム。
4. さらに、前記第３成分の電力を貯蔵する電池を備える、請求項３に記載の水素製造システム。
5. 再生可能エネルギーから得られた電力を少なくとも第１成分および第２成分に分離し、
   前記第１成分を用いて第１電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造し、
   前記第２成分を用いて第２電解方式により液体または気体の水を電気分解して水素を製造する、
   ことを含み、
   前記第１成分は、少なくとも所定の期間内において一定であり、
   前記第２成分は、少なくとも前記所定の期間内において変動する、
   前記第１電解方式は、アルカリ電解質または固体酸化物形電解質膜を使用する電解方式であり、
   前記第２電解方式は、固体高分子型電解質膜を使用する電解方式である、
   水素製造方法。

Images