JP6704998B2 - 水素製造システム及び電解セルスタックの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水素製造システム及び電解セルスタックの制御方法に関する。

複数の電解セル（単セル）を直列に接続して構成された電解セルスタック上で、水や水蒸気などを電気分解することにより、水素を製造することができる水素製造システムが提案されている。

ここで、水の電解反応自体は、吸熱反応ではあるものの、電解セルスタックへの通電によって生じる現象は、電気部品の内部抵抗によりオーム熱（ジュール熱）を発生させる発熱反応である。このような吸熱反応と発熱反応とが均衡する状態が電解反応の熱中立点であり、この熱中立点に対応する単セルあたりの電圧は、１．３Ｖであることが知られている。

特許第５４９８１９１号公報 特開２００７−３１８１３号公報

ところで、水素製造システムが備える上述した電解セルスタックは、継続的な使用による内部の電気部品の劣化に伴い徐々に内部抵抗が上昇する。例えば、水素製造システムの定電圧モードで継続的に電解セルスタックが使用された場合、電解セルスタックでの電解電流密度が徐々に低下し、これにより水素の製造量が低下する。

一方、水素製造システムの定電流密度モードで継続的に電解セルスタックが使用された場合、電解セルスタックの単セルあたりの電圧が徐々に上昇する。この際、電解セルスタックの内部発熱が増えてしまい、この結果、水素の製造には本来不要な内部発熱によるエネルギーロスが増加することになる。つまり、このような電解セルスタックを備えた水素製造システムを効率良く運用して行くためには、一定以上の水素の製造量を確保しつつ、不要な内部発熱を抑制する必要がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、長期にわたって効率良く水素を製造することができる水素製造システム及び電解セルスタックの制御方法を提供することである。

実施の形態の水素製造システムは、電解セルスタック、電源及び温度制御機構を備えている。電解セルスタックは、原料を電解して水素を取り出すための複数の単セルを接続して構成されている。電源は、電解セルスタックに定電流を供給する。温度制御機構は、定電流を供給された電解セルスタックに生じる電圧が、予め設定された目標の電圧値となるように電解セルスタックの温度を制御する。

第１の実施形態に係る水素製造システムの構成を示す図。 図１の水素製造システムが備えた電解セルスタックの構造を示す断面図。 図２の電解セルスタックを構成する電解セルの周辺の構造を平面方向からみた図。 図３の電解セルの周辺の構造を側面方向からみた断面図。 図１の水素製造システムによる定電流モード時の制御を示すフローチャート。 図１の水素製造システムによる定電圧モード時の制御を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る水素製造システムの構成を示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１０は、電解セルスタック３、電解用電源２、温度制御機構５、流路７、８を主に備えている。図２に示すように、電解セルスタック３は、原料である水（水蒸気）などを電解（電気分解）して水素を取り出すための複数の電解セル（単セル）３ａを接続して構成されている。

電解セル（単セル）３ａは、例えば固体酸化物型電解セル（SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell）であって、例えば６００℃〜８００℃の高温環境下で水蒸気を電解反応させること（固体酸化物型燃料電池［SOFC：Solid Oxide Fuel Cell］で起こる反応の逆反応）によって水素極に水素を、酸素極に酸素を生じさせる。

図２〜図４に示すように、電解セルスタック３は、上記した電解セル３ａと、電解セル３ａの水素極側に接する水素極集電材２７と、電解セル３ａの酸素極側に接する酸素極集電材２８と、これらを覆うセパレータ２３、２４と、を組み合わせた構造体２９を、複数（例えば４〜２５組）備えている。電解セルスタック３は、これら複数の構造体２９がシール材２５を介して積層（スタック化）されている。

また、複数の電解セル３ａどうしは、出力の増加を図るために、互いに直列に接続されており、さらに、電解電流を通電するためのブスバー２２と接続されている。電解セル３ａを内蔵する上記した複数の構造体２９は、ブスバー２２と共に、一対のエンドプレート２１によって挟持され、さらにボルトなどを介して締結されている。

流路７は、電解セルスタック３（電解セル３ａの水素極）に例えば６００℃〜８００℃の水蒸気を原料として供給する供給流路であると共に、水蒸気の電解反応によって取り出された水素を移送する移送流路である。一方、流路８は、電解セルスタック３における電解セル３ａの酸素極において、水蒸気の電解反応で発生した酸素を移送する流路である。

電解用電源２は、水蒸気を電気分解するための電力を電解セルスタック３（ブスバー２２）に供給する。詳述すると、本実施形態に係る水素製造システム１０は、稼働のモードとして、定電圧モードと定電流（定電流密度）モードとを選択的に実行することが可能である。定電流モードの場合、電解用電源２は、電解セルスタック３に定電流（定電流密度の電流）を供給する。一方、定電圧モードの場合、電解用電源２は、電解セルスタック３に定電圧を印加する。

また、図１に示すように、定電流モードの場合、温度制御機構５は、定電流を供給された電解セルスタック３に生じる電圧が、予め設定された目標の電圧値となるように電解セルスタック３の温度を制御する。一方、定電圧モードの場合、温度制御機構５は、電解用電源２から電解セルスタック３に供給される電流が、予め設定された目標の電流値となるように電解セルスタック３の温度を制御する。電解セルスタック３は、このような温度制御機構５によって例えば６００℃〜８００℃の高温状態になるように温度制御される。

具体的には、温度制御機構５は、図１に示すように、制御器５ａ、温度センサ５ｂ、加熱／冷却部５ｃ、原料供給調整機構５ｄ及びガス温度再利用機構５ｅを有している。温度センサ５ｂは、電解セルスタック３の温度を検出する例えば熱電対である。加熱／冷却部５ｃは、電解セルスタックの近傍に配置された電気ヒータ、バーナ、冷却器、熱交換器のうちの少なくとも一つによって構成されている。

原料供給調整機構５ｄは、流路（供給流路）７へ原料として供給する水蒸気の温度及びその水蒸気の流量を調整する。ガス温度再利用機構５ｅは、電解セル３ａの酸素極で水蒸気の電解反応により発生した酸素（流路８を移送される酸素）の熱を、再利用するための熱交換器などによって構成されている。

さらに、制御器５ａは、上記した温度センサ５ｂ、加熱／冷却部５ｃ、原料供給調整機構５ｄ及びガス温度再利用機構５ｅの各動作を含む、水素製造システム１０全体の動作を統括的に制御する。

より詳細には、制御器５ａは、モード設定部１１、目標値設定部１２、閾値設定部１３、電圧値取得部１４、電流値取得部１５、報知部１６を有する。モード設定部１１は、例えばオペレータが指定した水素製造システム１０の稼働のモードを、定電圧モードと定電流（定電流密度）モードとのいずれかに設定する。

目標値設定部１２は、定電流モード時において、複数の電解セル（単セル）３ａにおける電解反応時の熱中立点に対応した電圧の値（電解セル３ａが例えば４つ直列に接続されて電解セルスタック３が構成されている場合、後述する１．３Ｖ×４＝５．２Ｖ）を、上記した目標の電圧値として設定する。ここで、電解反応の熱中立点とは、水蒸気の電解反応自体で生じる吸熱反応と、電解セルスタック３への通電によって電気部品の内部抵抗によりジュール熱が発生する発熱反応と、が均衡する状態である。このような熱中立点に対応する単セルあたりの電圧は、１．３Ｖである。さらに、目標値設定部１２は、定電圧モード時において、複数の電解セル３ａにおける電解反応時の熱中立点（前記の１．３Ｖ）に対応した電流値を、上記した目標の電圧値として設定する。

また、定電圧モード時において、電解用電源２は、複数の電解セル３ａにおける電解反応時の熱中立点に対応した電圧（電解セル３ａが例えば４つ直列に接続されて電解セルスタック３が構成されている場合、１．３Ｖ×４＝５．２Ｖ）を、定電圧モード時の定電圧として電解セルスタック３に印加する。さらに、定電流モード時において、電解用電源２は、複数の電解セル３ａにおける電解反応時の熱中立点に対応した電流値を、定電流モード時の定電流として電解セルスタック３に供給する。

閾値設定部１３は、電解セルスタック３における上限温度を閾値として設定する。電圧値取得部１４は、定電流モード時において、定電流を供給された電解セルスタック３に生じる電圧（電解セルスタック３の例えばブスバー２２どうしの間の端子電圧など）を取得（検出）する。また、電流値取得部１５は、定電圧モードにおいて、電解用電源２から電解セルスタック３に供給される電流の値を取得（検出）する。報知部１６は、温度センサ５ｂによって検出された電解セルスタック３の温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合にアラームを発生させて報知を行う。

さらに、上記した目標値設定部１２は、定電流モード時において、温度センサ５ｂによって検出された電解セルスタック３の温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合に、目標の電圧値を初期値よりも小さい値に再設定する。この場合、電解用電源２は、定電流の値を初期値よりも小さい値に変更する。つまり、電解セルスタック３は、継続的使用によって内部部品の劣化などの影響で内部抵抗（稼働時の発熱量）が増加するものの、これらの変更により、電解セルスタック３を上限温度以下にして使用を継続させることができ、これにより、電解セルスタック３の内部発熱を極力抑えつつ、一定以上の水素の製造量を確保することが可能となる。

なお、定電流モード時（電解セルスタック３を一定電流［及び一定温度］で運転する際）において、電解セルスタック３に生じる電圧が、閾値として定めた上限電圧を超えた場合に、例えば、温度制御機構５が、電解セルスタック３の温度を、運転初期の温度よりも、相対的に高い温度になるように制御してもよい。

また、目標値設定部１２は、定電圧モード時において、温度センサ５ｂによって検出された電解セルスタック３の温度が、上限温度を超えた場合に、目標の電流値を初期値よりも小さい値に再設定する。これらの変更により、前記同様、電解セルスタック３を上限温度以下にして使用を継続させることが可能となり、これによって、電解セルスタック３の内部発熱を極力抑えながら、一定以上の水素の製造量を確保することができる。なお、定電流モード時及び定電圧モード時において、電解セルスタック３の温度が上限温度を超えた場合に、制御器５ａが、水素製造システム１０自体の稼働を停止させるようにしてもよい。これにより、電解セルスタック３の破損などを防止することが可能となる。

なお、定電圧モード時（電解セルスタック３を一定電圧［及び一定温度］で運転する際）において、電解セルスタック３に供給される電流が、閾値として定めた下限電流未満になった場合に、例えば、温度制御機構５が、電解セルスタック３の温度を、運転初期の温度よりも、相対的に高い温度になるように制御してもよい。

ところで、水素製造システム１０の電解セルスタック３は、継続的な使用による内部の電気部品の劣化に伴い徐々に内部抵抗が上昇する。この状況において、定電流モードでは、電解セルスタック３に生じる電圧も上昇する。このような場合、温度制御機構５は、電解セルスタック３の温度を上昇させる。この温度上昇に伴い、電解セルスタック３の内部抵抗が低減され、電解セルスタック３の電圧も徐々に低下する。さらに、温度制御機構５は、電解セルスタック３に生じる電圧を目標の電圧値になるように、電解セルスタック３の温度を制御することで、電解セルスタック３における不要な内部発熱を抑制することができる。また、電解セル３ａにおける電解電圧を上記した１．３Ｖとすることで、常に熱中立点における電解セルスタック３の運用が可能となり、例えば外部からの熱供給なしで水素を製造することができる。

一方、水素製造システムの定電圧モードで継続的に電解セルスタック３が使用された場合、電解セルスタックでの電解電流密度が徐々に低下し、これにより水素の製造量が低下する。この場合も、電解セルスタック３の温度を上昇させることにより、電解セルスタック３での電解電流密度を高めることが可能となる。

次に、水素製造システム１０が実行する電解セルスタック３の制御方法を図５及び図６に示すフローチャートに基づき説明する。まず、図５に示すように、水素製造システム１０の定電流モード時において、電解用電源２は、電解セルスタックに定電流（定電流密度の電流）を供給する（Ｓ１）。続いて、温度センサ５ｂは、電解セルスタック３の温度が、閾値として設定された上限温度以下であるか否かを判別する（Ｓ２）。上限温度以下である場合（Ｓ２のＹＥＳ）、電圧値取得部１４は、定電流を供給された電解セルスタック３に生じる電圧を検出（取得）する（Ｓ３）。検出された電圧値が目標の電圧値でない場合（Ｓ４のＮＯ）、温度制御機構５は、目標の電圧値となるように電解セルスタック３の温度を制御する（Ｓ５）。

一方、温度センサ５ｂによって検出された電解セルスタック３の温度が、上限温度を超えている場合（Ｓ２のＮＯ）、報知部１６は、アラームを発生させ（Ｓ６）、また、電解用電源２は、定電流の値を初期値よりも小さい値に変更する（Ｓ７）。さらに、この場合、目標値設定部１２は、目標の電圧値を初期値よりも小さい値に再設定する（Ｓ８）。

また、図６に示すように、水素製造システム１０の定電圧モード時において、電解用電源２は、電解セルスタック３に定電圧を印加する（Ｓ１１）。次に、温度センサ５ｂは、電解セルスタック３の温度が、閾値として設定された上限温度以下であるか否かを判別する（Ｓ１２）。上限温度以下である場合（Ｓ１２のＹＥＳ）、電流値取得部１５は、電解用電源２から電解セルスタック３に供給される電流値を検出（取得）する（Ｓ１３）。検出された電流値が目標の電流値でない場合（Ｓ１４のＮＯ）、温度制御機構５は、目標の電流値となるように電解セルスタック３の温度を制御する（Ｓ１５）。

一方、温度センサ５ｂによって検出された電解セルスタック３の温度が、上限温度を超えている場合（Ｓ１２のＮＯ）、報知部１６は、アラームを発生させ（Ｓ１６）、また、電解用電源２は、定電圧の値を初期値よりも小さい値に変更する（Ｓ１７）。さらに、この場合、目標値設定部１２は、目標の電流値を初期値よりも小さい値に再設定する（Ｓ１８）。

既述したように、本実施形態の水素製造システム１０及び電解セルスタック３の制御方法によれば、継続的な使用による電解セルスタック３の内部抵抗などの上昇に応じて電解セルスタック３の温度を制御することで、不要な内部発熱によるエネルギー損失が抑制され、これにより、長期にわたって効率良く水素を製造することができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図７に基づき説明する。図７に示すように、本実施形態の水素製造システム３０は、第１の実施形態における水素製造システム１０の電解セルスタック３を複数備えていると共に、温度制御機構５に代えて、制御器３５ａを有する温度制御機構３５を備えている。温度制御機構３５は、個々の電解セルスタック３それぞれに対して個別に温度制御を行う。

つまり、温度制御機構３５は、複数の電解セルスタック３に応じた数の温度センサ５ｂ及び加熱／冷却部５ｃを複数備えている。制御器３５ａは、制御器５ａの電圧値取得部１４及び電流値取得部１５に代えて、電圧値取得部３４、電流値取得部３７を備えている。

より具体的には、複数（例えば４つ）の電解セルスタック３どうしは、電気的に並列に接続されている。定電圧モード時において、電解用電源２は、個々の電解セルスタック３それぞれに対して定電圧を印加する。また、温度制御機構３５は、電解用電源２から個々の電解セルスタック３に各々供給される電流（電流値取得部３７によって検出される電流値）が、予め設定された目標の電流値となるように、個々の電解セルスタック３それぞれに対して個別に温度制御を行う。

一方、定電流モード時において、電解用電源２は、個々の電解セルスタック３それぞれに対して定電流を供給する。また、温度制御機構３５は、それぞれ定電流を供給された個々の電解セルスタック３に各々生じる電圧（電圧値取得部３４によって検出される電圧）が、予め設定された目標の電圧値となるように、個々の電解セルスタック３それぞれに対して個別に温度制御を行う。

したがって、本実施形態の水素製造システム３０によれば、個々の電解セルスタック３の性能や温度条件などにばらつきがある場合でも、個々の電解セルスタック３の内部抵抗などの上昇に対応させて電解セルスタック３毎の温度を制御することができるので、各電解セルスタック３の不要な内部発熱によるエネルギー損失が抑制され、長期にわたって効率良く水素を製造することが可能となる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、長期にわたって効率良く水素を製造することができる。

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。

２…電解用電源、３…電解セルスタック、３ａ…電解セル（単セル）、５，３５…温度制御機構、５ａ，３５ａ…制御器、５ｂ…温度センサ、５ｃ…加熱／冷却部、５ｄ…原料供給調整機構、５ｅ…ガス温度再利用機構、１０，３０…水素製造システム、１１…モード設定部、１２…目標値設定部、１３…閾値設定部、１４，３４…電圧値取得部、１５，３７…電流値取得部、１６…報知部。

Claims (13)

1. 原料を電解して水素を取り出すための複数の単セルを接続して構成された電解セルスタックと、
   前記電解セルスタックに定電流を供給する電源と、
   前記定電流を供給された電解セルスタックに生じる電圧が、予め設定された目標の電圧値となるように前記電解セルスタックの温度を制御する温度制御機構と、
   を備える水素製造システム。
2. 原料を電解して水素を取り出すための複数の単セルを接続して構成された電解セルスタックと、
   前記電解セルスタックに定電圧を印加する電源と、
   前記電源から前記電解セルスタックに供給される電流が、予め設定された目標の電流値となるように前記電解セルスタックの温度を制御する温度制御機構と、
   を備える水素製造システム。
3. 前記温度制御機構は、前記複数の単セルにおける電解反応時の熱中立点に対応した電圧の値を、前記目標の電圧値として設定する、
   請求項１に記載の水素製造システム。
4. 前記電源は、前記複数の単セルにおける電解反応時の熱中立点に対応した電圧を、前記定電圧として前記電解セルスタックに印加する、
   請求項２に記載の水素製造システム。
5. 前記温度制御機構は、前記電解セルスタックの温度を検出する温度センサを有し、この温度センサによって検出された前記電解セルスタックの温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合に、前記目標の電圧値を初期値よりも小さい値に再設定する、
   請求項１又は３に記載の水素製造システム。
6. 前記電源は、前記温度センサによって検出された前記電解セルスタックの温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合に、前記定電流の値を初期値よりも小さい値に変更する、
   請求項５に記載の水素製造システム。
7. 前記温度制御機構は、前記電解セルスタックの温度を検出する温度センサを有し、この温度センサによって検出された前記電解セルスタックの温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合に、前記目標の電流値を初期値よりも小さい値に再設定する、
   請求項２又は４に記載の水素製造システム。
8. 前記電源は、前記温度センサによって検出された前記電解セルスタックの温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合に、前記定電圧の値を初期値よりも小さい値に変更する、
   請求項７に記載の水素製造システム。
9. 前記温度制御機構は、前記電解セルスタックの温度を検出する温度センサを有し、この温度センサによって検出された前記電解セルスタックの温度が、閾値として定めた上限温度を超えた場合にアラームを発生させる、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の水素製造システム。
10. 前記電解セルスタックは、複数設けられており、
    前記温度制御機構は、個々の前記電解セルスタックそれぞれに対して個別に温度制御を行う、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の水素製造システム。
11. 前記電解セルスタックは、電気的に並列に接続された複数の電解セルスタックから構成されており、
    前記電源は、個々の前記電解セルスタックそれぞれに対して定電圧を印加し、
    前記温度制御機構は、前記電源から個々の前記電解セルスタックに各々供給される電流が、予め設定された目標の電流値となるように、個々の前記電解セルスタックそれぞれに対して個別に温度制御を行う、
    請求項２に記載の水素製造システム。
12. 原料を電解して水素を取り出すための複数の単セルを接続して構成された電解セルスタックに電源が定電流を供給するステップと、
    前記定電流を供給された電解セルスタックに生じる電圧が、予め設定された目標の電圧値となるように前記電解セルスタックの温度を制御するステップと、
    を有する電解セルスタックの制御方法。
13. 原料を電解して水素を取り出すための複数の単セルを接続して構成された電解セルスタックに電源が定電圧を印加するステップと、
    前記電源から前記電解セルスタックに供給される電流が、予め設定された目標の電流値となるように前記電解セルスタックの温度を制御するステップと、
    を有する電解セルスタックの制御方法。

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