JP6826476B2 - 水電解システム - Google Patents

Description

本発明は、水を電解するための水電解システムに関する。

近年、燃料電池等の燃料として、水素が注目されている。この水素を生成するための装置として、水電解装置がある。一般的に、水電解装置は、電解質と、電極（アノード、カソード）を有しており、電極に電流を流すことにより、アノードから酸素を取り出し、カソードから水素を取り出すことができる。

このように、水電解装置により水素を生成する場合には、水電解装置へ電流を流す必要があり、その電力を再生可能エネルギーから得ようとする試みがある。例えば、特許文献１、２では、太陽光発電や風力発電によって得られる電力を水電解装置へ供給し、水素を製造している。

このように、再生可能エネルギーを利用すれば、二酸化炭素の排出なしで水素を得ることができる。一方、再生可能エネルギーを用いて発電する場合、発電量が天候等に左右されて安定しないため、水電解装置へ供給される電力も変動する。そのため、水電解装置では、発電量に対応した運転が必要となる。そこで、特許文献１では、再生可能エネルギーを用いた発電機から水電解装置へ供給される電力に応じて、適切な数の水電解スタックのみを運転することにより、水電解の効率低下を抑制している。また、特許文献２では、適切な数の水電解スタックのみを運転することに加えて、各々の水電解スタックへ供給する電力を調整している。

特開２００５−１２６７９２号公報 特開２００７−３１８１３号公報

しかしながら、水電解装置の効率的な運転については、さらなる対応が求められる。

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、効率的に水電解装置を運転することを課題とする。

請求項１に係る水電解システムは、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、前記発電装置から電力の供給を受けて運転され、アルカリ型電解部と、前記アルカリ型電解部と異なる種類の水電解方式で前記発電装置からの供給電力に応じて電解処理量を変化させる追従型電解部と、を有する水電解装置を備えている。

請求項１に係る水電解システムでは、再生可能エネルギーを用いた発電により得られた電力が水電解装置へ供給され、電解処理が行われる。水電解装置は、アルカリ型電解部と追従型電解部を有している。アルカリ型電解部は、電解質として、アルカリ性の水溶液を用いた水電解装置であり、発電装置から供給される電力で運転され、水の電解処理を行う。追従型電解部は、アルカリ型電解部と異なる種類の水電解方式で電解処理を行う水電解装置であり、発電装置からの供給される電力に応じて、電解処理量を変化させる。

一般的に、アルカリ型電解方式の電解装置は、安価であるというメリット有するが、供給電力に応じた電解処理が行われず、供給電力の変動により電解処理の効率が低下する。一方、追従型電解部は、高価であるが、発電装置からの供給電力に応じて電解処理量を変化させるので、供給電力に変動があっても電解処理量が追従して、電解処理の効率を低下させずに電解処理を行うことができる。したがって、アルカリ型電解部と追従型電解部とを両方有することにより、システムのコストを抑制しつつ、供給電力の変動による電解効率の低下も抑制することができる。すなわち、電解装置を、すべてアルカリ型電解部で形成した場合と比較して、発電効率を向上させることができると共に、水電解装置をすべて追従型電解部とする場合と比較して、高価な追従型電解部のコストを抑制することができる。

請求項１に係る水電解システムは、前記アルカリ型電解部は、前記発電装置から平均して得られる電力に基づいて予め設定された定常電力に対応した電解処理能力を有する、ことを特徴とする。

請求項１に係る水電解システムでは、アルカリ型電解部が、定常電力に対応した電解処理能力を有している。定常電力は、発電装置から平均して得られる電力に基づいて予め設定されたものであり、この定常電力で効率的に電解処理が行われるように、アルカリ型電解部の電解処理能力が設定される。したがって、アルカリ型電解部で安定して電解処理を行うことができる。

請求項１に係る水電解システムは、前記発電装置からの電力は、前記追従型電解部よりも前記アルカリ型電解部へ前記定常電力分が優先的に供給される、ことを特徴とする。

請求項１に係る水電解システムによれば、定常電力分の電力がアルカリ型電解部へ優先的に供給される。すなわち、発電装置からの供給電力が定常電力よりも小さければ、すべてアルカリ型電解部へ供給され、定常電力以上であれば、定常電力分がアルカリ型電解部へ供給される。したがって、アルカリ型電解部へ供給される電力が定常電力に近くなり、変動が抑制されるので、電解処理効率の低下を抑制することができる。
また、請求項１に係る水電解システムは、前記発電装置からの電力供給が定常電力を超える場合には、定常電力を前記アルカリ型電解部へ供給すると共に、余剰分を前記追従型電解部へ供給し、前記発電装置からの電力供給が定常電力以下の場合には、すべての電力を前記アルカリ型電解部へ供給する。

請求項２に係る水電解システムは、前記追従型電解部は、高分子形電解セル型または固体酸化物形電解セル型であることを特徴とする。

このように、追従型電解部は、高分子形電解セル型や固体酸化物形電解セル型で構成することができる。

請求項３に係る水電解システムは、前記発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、波力発電装置、の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

このように、発電装置として、太陽光発電装置、風力発電装置、波力発電装置を好適に利用することができる。

本発明に係る水電解システムによれば、効率的に水電解装置を運転することができる。

本実施形態に係る水電解システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本実施形態に係る水電解システムに供給される電力と電解処理を担当する電解部の関係を示すグラフである。

図１には、本発明の実施形態に係る水素製造システム１０が示されている。水素製造システム１０は、再生可能エネルギー発電装置１２、水供給装置１４、及び、水電解装置２０を備えている。

再生可能エネルギー発電装置１２は、太陽光発電装置、風力発電機、波力発電装置など、自然環境において繰り返し生起し、再生利用可能か、無尽蔵な供給が可能なエネルギーを用いた発電装置とされている。

再生可能エネルギー発電装置１２は、再生エネルギーを用いて発電を行う発電装置である。再生可能エネルギー発電装置１２には、送電ラインＬの一端が接続され、送電ラインＬの他端は水電解装置２０と接続されている。送電ラインＬの他端側は、後述するアルカリ型電解部２２と接続される第１ラインＬ１と、後述する追従型電解部２４と接続される第２ラインＬ２に分電部ＬＤを介して分岐されている。再生可能エネルギー発電装置１２から送電ラインＬを経て水電解装置２０へ電力が供給される。

水供給装置１４は、不図示の水源と接続されており、純水を生成可能とされている。水供給装置１４には、水供給路１８の一端が接続され、水供給路１８の他端は、水電解装置２０と接続されている。水供給路１８の他端側は、後述するアルカリ型電解部２２と接続される第１水路１８Ａと、後述する追従型電解部２４と接続される第２水路１８Ｂに分岐されている。水供給装置１４で生成された水は、水供給路１８を通って水電解装置２０へ供給される。

水電解装置２０は、アルカリ型電解部２２、及び、追従型電解部２４を有している。アルカリ型電解部２２は、電解質として、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムの水溶液などのアルカリ性の電解水を用いた水電解装置である。アルカリ型電解部２２には、第１ラインＬ１が接続されており、再生可能エネルギー発電装置１２から送電ラインＬ、第１ラインＬ１を経て電力が供給される。また、アルカリ型電解部２２には、第１水路１８Ａが接続されており、水供給装置１４から水供給路１８、第１水路１８Ａを経て水が供給される。

アルカリ型電解部２２のカソードには、第１水素路２６Ａの一端が接続され、第１水素路２６Ａの他端は、後述する第２水素路２６Ｂと合流し、水素路２６として水素貯蔵タンク３０と接続されている。アルカリ型電解部２２のアノードには、第１酸素路２８Ａの一端が接続され、第１酸素路２８Ａの他端は、後述する第２酸素路２８Ｂと合流し、酸素路２８として酸素貯蔵タンク３２と接続されている。アルカリ型電解部２２のカソードで生成された水素は、第１水素路２６Ａ、水素路２６を通って水素貯蔵タンク３０へ送出される。アルカリ型電解部２２のアノードで生成された酸素は、第１酸素路２８Ａ、酸素路２８を通って酸素貯蔵タンク３２へ送出される。

追従型電解部２４は、供給された電力に追従して電解処理量を変化させる水電解装置である。一般的に、電解質として膜が用いられ、膜の一方面と他方面に正電極と負電極が形成されている。追従型電解部２４としては、例えば、ＰＥＥＣ（Polymer Electrolyte Electrolysis Cell、高分子形電解セル）や、ＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolysis Cell、固体酸化物形電解セル）などを用いることができる。追従型電解部２４には、第２ラインＬ２が接続されており、再生可能エネルギー発電装置１２から送電ラインＬ、第２ラインＬ２を経て電力が供給される。送電ラインＬの分岐部分には、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに電力を分岐する分電部ＬＤが設けられている。また、追従型電解部２４には、第２水路１８Ｂが接続されており、水供給装置１４から水供給路１８、第２水路１８Ｂを経て水が供給される。

追従型電解部２４のカソードには、第２水素路２６Ｂの一端が接続され、第２水素路２６Ｂの他端は、第１水素路２６Ａと合流して、水素路２６として水素貯蔵タンク３０と接続されている。追従型電解部２４のアノードには、第２酸素路２８Ｂの一端が接続され、第２酸素路２８Ｂの他端は、第１酸素路２８Ａと合流し、酸素路２８として酸素貯蔵タンク３２と接続されている。追従型電解部２４のカソードで生成された水素は、第２水素路２６Ｂ、水素路２６を通って水素貯蔵タンク３０へ送出される。追従型電解部２４のアノードで生成された酸素は、第２酸素路２８Ｂ、酸素路２８を通って酸素貯蔵タンク３２へ送出される。

ここで、アルカリ型電解部２２での電解処理と、追従型電解部２４での電解処理について説明する。

アルカリ型電解部２２は、比較的安価であるというメリットを有するが、供給される電力の変化に対して電解処理量が追従しにくいというデメリットを有する。したがって、供給電力が予め設定された効率的に電解処理できる電力の範囲を外れると、電解処理の効率が低下する。

一方、追従型電解部２４は、アルカリ型電解部２２と比較して高価となるというデメリットを有するが、供給される電力の変化に対して電解処理量を追従させることができるというメリットを有する。したがって、供給電力が変化しても供給電力に応じた電解処理を行うことができ、電解処理の効率を維持できる。

そこで、再生可能エネルギー発電装置１２から平均して得られる電力に基づいて、定常電力値Ｐ０を予め設定し、アルカリ型電解部２２の電解処理能力が、定常電力値Ｐ０に対応したものになるように設定する。すなわち、アルカリ型電解部２２を、再生可能エネルギー発電装置１２から出力される平均電力に基づく定常電力値Ｐ０で効率的に電解処理できるように設計する。定常電力値Ｐ０は、例えば、過去の気象条件から導き出せる再生可能エネルギー発電装置１２の年間平均出力、各月毎の月間平均出力の内で最も低い月の月間平均出力、年間平均出力よりも低い値（例えば１０％低い値や２０％低い値）、などに設定することができる。また、例えば、過去のデータに基づいて、所定の電力量となる確率が３０％以上、５０％以上、等となる電力値を設定してもよい。

また、追従型電解部２４については、電解処理能力の最大が、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力の最大値から定常電力値Ｐ０を差し引いた電力に対応できるように設計する。

そして、再生可能エネルギー発電装置１２からの電力が、定常電力Ｐ０に達するまでは、追従型電解部２４よりもアルカリ型電解部２２へ優先的に供給されるように、分電部ＬＤで分配する。具体的には、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力が定常電力Ｐ０を超える場合には、定常電力Ｐ０分をアルカリ型電解部２２へ供給し、余剰分の電力を追従型電解部２４へ供給する。再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力が定常電力Ｐ０以下の場合には、すべての電力をアルカリ型電解部２２へ供給する。

上記のように、電解処理能力、及び、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力の分配が行われ、本実施形態の水電解システム１０では、以下のように水電解処理が行われる。図２に示されるように、アルカリ型電解部２２では、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力が定常電力Ｐ０よりも小さい場合を除き、定常電力Ｐ０で電解処理が行われる。再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力が定常電力Ｐ０よりも小さい場合には、当該供給された電力で電解処理が行われる。一方、追従型電解部２４では、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力からアルカリ型電解部２２へ供給される電力を差し引いた電力で電解処理が行われる。

本実施形態の水電解システム１０によれば、アルカリ型電解部２２では、概ね定常電力Ｐ０で電解処理が行われるので、効率よく電解処理を行うことができる。また、追従型電解部２４では、余剰の電力で電解処理が行われるが、電力に応じて電解処理が行われるので、電解処理の効率低下を抑制することができる。また、追従型電解部２４の電解処理能力は、再生可能エネルギー発電装置１２により供給される電力の最大値から定常電力値Ｐ０を差し引いた電力に対応できる程度で足りる。したがって、すべての電解装置を追従型電解部２４で構成する場合と比較して、追従型電解部２４で対応可能な電解処理能力を小さくすることができる。

１０ 水電解システム
１２ 再生可能エネルギー発電装置
２０ 水電解装置
２２ アルカリ型電解部
２４ 追従型電解部
Ｐ０ 定常電力

Claims (3)

1. 再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、
   前記発電装置から電力の供給を受けて運転され、アルカリ型電解部と、前記アルカリ型電解部と異なる種類の水電解方式で前記発電装置からの供給電力に応じて電解処理量を変化させる追従型電解部と、を有する水電解装置と、
   を備え、
   前記アルカリ型電解部は、前記発電装置から平均して得られる電力に基づいて予め設定された定常電力に対応した電解処理能力を有し、
   前記発電装置からの電力は、前記追従型電解部よりも前記アルカリ型電解部へ前記定常電力分が優先的に供給され、
   前記発電装置からの電力供給が定常電力を超える場合には、定常電力を前記アルカリ型電解部へ供給すると共に、余剰分を前記追従型電解部へ供給し、前記発電装置からの電力供給が定常電力以下の場合には、すべての電力を前記アルカリ型電解部へ供給する、
   水電解システム。
2. 前記追従型電解部は、高分子形電解セル型電解装置または固体酸化物形電解セル型電解装置であることを特徴とする、請求項１に記載の水電解システム。
3. 前記発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、波力発電装置、の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の水電解システム。